JP6082565B2 - 分散電源システム - Google Patents

Description

本発明は、分散電源システムに関するものである。

特許文献１には、蓄電池から放電用ダイオードおよびリレーを介してパワーコンディショナの入力側に至る放電経路とは別に、パワーコンディショナの出力側から蓄電池へ至る充電経路を備えることで、連系運転時にも太陽電池から蓄電池の充電が可能となる技術が開示されている。

特開平１０−２３６７１号公報

ところで、太陽電池から商用電源への逆潮流は認められるが、蓄電池から商用電源への逆潮流は認められない場合がある。特許文献１に開示された技術では、蓄電池から商用電源への逆潮流を防ぐために、蓄電池から負荷へ電力を供給するのは、商用電源との接続が絶たれた自立運転時に限られる。このため、商用電源と接続されている連系運転時には、蓄電池に蓄積された電力を利用することができないという問題点がある。

本発明は、上記のような課題を鑑みて行われたものであり、連系運転時に蓄電池から商用電源への逆潮流を防ぐ必要がある場合にも、蓄電池の電力を有効利用できる分散電源システムを提供することを目的としている。

上記課題を解決するために、本発明は、発電電源、蓄電池、および、商用電源の少なくとも一つから負荷に対して電力を供給可能であるとともに商用電源に電力を逆潮流可能な分散電源システムにおいて、前記発電電源から出力される直流電圧を調整する第１調整手段と、前記蓄電池から出力される直流電圧を調整する第２調整手段と、前記第１および第２調整手段から出力される直流電力を入力して交流電力に変換して前記負荷に供給するとともに必要に応じて前記商用電源に逆潮流させる変換手段と、前記変換手段から前記商用電源に交流電力が逆潮流されている場合に、前記蓄電池から前記商用電源に電力が逆潮流されないように、前記第２調整手段および前記変換手段を制御する制御手段と、を有し、前記制御手段は、前記商用電源に逆潮流される電力が、前記発電電源から出力される電力以下になるように、前記第２調整手段および前記変換手段を制御する、ことを特徴とする分散電源システム。
このような構成によれば、連系運転時に蓄電池から商用電源への逆潮流を防ぐ必要がある場合にも、蓄電池の電力を有効利用することができる。

また、本発明の一側面は、前記制御手段は、前記商用電源に逆潮流される電力が、前記発電電源から出力される電力以下になるように、前記変換手段を制御するとともに、前記変換手段に供給される電力の電圧が一定になるように前記第２調整手段を制御することを特徴とする。
このような構成によれば、逆潮流される電力と、蓄電池から出力される電力を検出することにより、蓄電池からの逆潮流を確実に防ぐことができる。

また、本発明の一側面は、前記第１調整手段は、前記発電電源から供給される電力が最大となるように電圧を調整することを特徴とする。
このような構成によれば、発電電源の発電する電力が変動する場合でも供給効率を良くすることができる。

また、本発明の一側面は、前記発電電源は太陽電池であることを特徴とする。
このような構成によれば、日照量および環境温度によって発電量が変動する太陽電池を発電電源として用いた場合であっても、蓄電池からの逆潮流を確実に防ぐことが可能になる。

本発明によれば、連系運転時に蓄電池から商用電源への逆潮流を防ぐ必要がある場合にも、蓄電池の電力を有効利用できる分散電源システムを提供することが可能となる。

本発明の第１実施形態の構成例を示すブロック図である。 蓄電池からの逆潮流が生じていない場合の供給電力と消費電力の関係を示す図である。 蓄電池からの逆潮流が生じている場合の供給電力と消費電力の関係を示す図である。 本発明の第１実施形態の動作を説明するためのフローチャートである。 本発明の第２実施形態の構成例を示すブロック図である。 本発明の第２実施形態の動作を説明するためのフローチャートである。

次に、本発明の実施形態について説明する。

（Ａ）第１実施形態の構成の説明
図１は本発明の第１実施形態に係る分散電源システムの構成例を示す図である。この図に示すように、本発明の第１実施形態に係る分散電源システムは、太陽電池１０、ＤＣ／ＤＣ（Direct Current / Direct Current）コンバータ１１、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ１２、双方向ＤＣ／ＡＣ（Direct Current / Alternating Current）コンバータ１３、蓄電池１４、制御部１５−１〜１５−３、ダイオード１６、電力センサ１７〜１９、電圧センサ２０を有し、太陽電池１０、蓄電池１４、および、商用電源４０から負荷３０に電力を供給するとともに太陽電池１０によって発電された電力を商用電源４０に逆潮流する。

ここで、太陽電池１０は、太陽光を直流電力に変換して出力する。ＤＣ／ＤＣコンバータ１１は、制御部１５−１によって制御され、太陽電池１０の効率が最大になるように電圧を調整し、電力バス２１に出力する。双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ１２は、制御部１５−２によって制御され、入出力電圧を調整することで、電力バス２１からの電力で蓄電池１４を充電するとともに、蓄電池１４に蓄積された電力を電力バス２１に出力する。

双方向ＤＣ／ＡＣコンバータ１３は、制御部１５−３によって制御され、電力バス２１の直流電力を交流電力に変換して電力センサ１８側に出力するとともに、電力センサ１８側の交流電力を直流電力に変換して電力バス２１側に出力する。

蓄電池１４は、例えば、鉛蓄電池、ニッケルカドミウム蓄電池、ニッケル水素蓄電池、リチウムイオン蓄電池等の２次電池によって構成され、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ１２から供給される直流電力によって充電されるとともに、充電された直流電力を双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ１２に供給する。

制御部１５−１は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、および、ＲＡＭ（Random Access Memory）等によって構成され、ＲＯＭに格納されたプログラムおよびデータに応じてＤＣ／ＤＣコンバータ１１を制御する。制御部１５−２も同様にＣＰＵ、ＲＯＭ、および、ＲＡＭ等によって構成され、ＲＯＭに格納されたプログラムおよびデータに応じて双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ１２を制御する。制御部１５−３も同様にＣＰＵ、ＲＯＭ、および、ＲＡＭ等によって構成され、ＲＯＭに格納されたプログラムおよびデータに応じて双方向ＤＣ／ＡＣコンバータ１３を制御する。

ダイオード１６は、太陽電池１０への電力の逆流を防ぐための逆流防止ダイオードである。

電力センサ１７は、太陽電池１０からＤＣ／ＤＣコンバータ１１に供給される電力Ｐ１を検出し、制御部１５−３に通知する。電力センサ１８は、双方向ＤＣ／ＡＣコンバータ１３から負荷３０側に供給される電力Ｐ２を検出し、制御部１５−３に通知する。電力センサ１９は、負荷３０に供給される電力Ｐ３を検出し、制御部１５−３に通知する。電圧センサ２０は、電力バス２１の電圧Ｖを検出し、制御部１５−２に通知する。

負荷３０は、例えば、冷蔵庫、洗濯機、テレビ等の家庭用電気製品である。商用電源４０は、例えば、５０Ｈｚまたは６０Ｈｚの周波数と、１００Ｖの電圧を有する交流電源である。

（Ｂ）第１実施形態の動作の説明
太陽電池１０によって発生された直流電力は、ダイオード１６および電力センサ１７を介してＤＣ／ＤＣコンバータ１１に供給される。ＤＣ／ＤＣコンバータ１１は、制御部１５−１の制御に応じて、日照量や環境温度に拘わらず太陽電池１０が最適動作点で発電を行うことができるように、ＭＰＰＴ（Maximum Power Point Tracking）動作を実行し、太陽電池１０から出力される直流電力の電圧を調整して電力バス２１に出力する。

双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ１２は、例えば、太陽電池１０によって発生される電力が余っている場合や、夜間のように商用電源４０の電力料金が安い場合には、電力バス２１の電力によって蓄電池１４を充電する。また、太陽電池１０によって発生される電力が少ない場合や、昼間のように商用電源４０の電気料金が高い場合には、蓄電池１４に蓄積されている電力を電力バス２１に供給する。

双方向ＤＣ／ＡＣコンバータ１３は、例えば、蓄電池１４が非満充電時である場合であって、例えば、夜間のように商用電源４０の電力料金が安いときには、商用電源４０の電力を電力バス２１側に出力し、蓄電池１４を充電する。また、双方向ＤＣ／ＡＣコンバータ１３は、太陽電池１０の電力もしくは蓄電池１４の電力を負荷３０に供給する場合には、電力バス２１側の電力を負荷３０側に出力し、負荷３０に供給する。また、双方向ＤＣ／ＡＣコンバータ１３は、太陽電池１０で発電した電力のみを商用電源４０に逆潮流する場合には、電力バス２１側の電力を商用電源４０に供給する。

ところで、太陽電池１０が発生する電力は、商用電源４０への逆潮流が許可される。一方、蓄電池１４から供給される電力は、商用電源４０への逆潮流が許可されない場合がある。しかしながら、図１に示す第１実施形態では、連系運転時において蓄電池１４から負荷３０への電力の供給を許容していることから、状況によっては、蓄電池１４から供給される電力が逆潮流される場合も想定される。そこで、本発明の第１実施形態では、以下に示す動作によって、蓄電池１４からの逆潮流の発生を防止する。

図２は、蓄電池１４からの逆潮流が発生していない場合の供給電力と消費電力の関係を示す図である。この図の左側は供給電力を示し、右側は消費電力を示す。より詳細には、供給電力としては太陽電池１０からの出力電力Ｐ１と、蓄電池１４からの出力電力Ｐ４が存在する。また、消費電力としては商用電源４０への逆潮流電力（Ｐ２−Ｐ３）と、負荷３０の消費電力Ｐ３が存在する。一方、図３は、蓄電池１４からの逆潮流が発生している場合の供給電力と消費電力の関係を示す図である。図２と図３の比較から、蓄電池１４から商用電源４０への逆潮流が発生してない場合、逆潮流電力（Ｐ２−Ｐ３）と、太陽電池１０からの出力電力Ｐ１との間には（Ｐ２−Ｐ３）≦Ｐ１が成立し、逆潮流が発生している場合にはこの関係は成立しない。そこで、第１実施形態では、（Ｐ２−Ｐ３）≦Ｐ１が満たされるように、双方向ＤＣ／ＡＣコンバータ１３を制御するとともに、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ１２を制御する。これにより、逆潮流電力（Ｐ２−Ｐ３）は、常に、太陽電池１０が発生する電力Ｐ１以下となることから、蓄電池１４から商用電源４０への逆潮流の発生を有効に防止することができる。

つぎに、図１において実行される処理の流れについて説明する。図４は、図１に示す第１実施形態において実行される処理の流れの一例を説明するためのフローチャートである。このフローチャートの処理が開始されると、以下のステップが実行される。

ステップＳ１０では、制御部１５−１は、太陽電池１０の発電効率が最大となるように、ＤＣ／ＤＣコンバータ１１を制御する。より具体的には、太陽電池１０は、日照量や環境温度によって、最適な動作点（出力電圧・出力電流点）が変化するので、動作点が最適になるように、前述したＭＰＰＴ制御を実行する。例えば、ＤＣ／ＤＣコンバータ１１は２７０〜４００Ｖ程度の電圧を出力するように調整される。

ステップＳ１１では、制御部１５−３は、電力センサ１７〜１９の出力を参照し、電力Ｐ１〜Ｐ３を測定する。具体的には、制御部１５−３は、電力センサ１７の出力より太陽電池１０から出力される電力Ｐ１を測定し、電力センサ１８の出力より双方向ＤＣ／ＡＣコンバータ１３から出力される電力Ｐ２を測定し、電力センサ１９の出力より負荷３０に供給される電力Ｐ３を測定する。

ステップＳ１２では、制御部１５−３は、ステップＳ１１で求めた電力Ｐ１〜Ｐ３が（Ｐ２−Ｐ３）≦Ｐ１を満たすように、双方向ＤＣ／ＡＣコンバータ１３を制御する。例えば、図３に示すように、蓄電池１４から商用電源４０に対して逆潮流が発生している場合には、双方向ＤＣ／ＡＣコンバータ１３が出力する交流電力の電圧が低く設定される。ここで、太陽電池１０から出力される電力Ｐ１は日照量に依存し、負荷３０によって消費される電力Ｐ３はユーザによる使用量に依存する。このため、これらの電力Ｐ１，Ｐ３は制御部１５−３の制御には依存しない。制御部１５−３が出力電圧を低く設定すると、これにより、逆潮流電力（Ｐ２−Ｐ３）が減少するので、太陽電池１０から出力される電力Ｐ１以上となった時点で（Ｐ２−Ｐ３）≦Ｐ１を満たすことになる。

ステップＳ１３では、制御部１５−２は、電圧センサ２０の出力から、電力バス２１の電圧を測定する。

ステップＳ１４では、制御部１５−２は、ステップＳ１３で測定した電圧Ｖが一定になるように、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ１２を制御する。これにより、図３，４に示す供給電力と消費電力が等しくなるように調整されるので、逆潮流電力（Ｐ２−Ｐ３）の減少に伴って、蓄電池１４から出力される電力Ｐ４が減少する。

ステップＳ１５では、処理を終了するか否かが判定され、処理を終了しないと判定した場合（ステップＳ１５：Ｎｏ）にはステップＳ１０に戻って前述の場合と同様の処理を繰り返し、それ以外の場合（ステップＳ１５：Ｙｅｓ）には処理を終了する。

以上の処理によれば、（Ｐ２−Ｐ３）≦Ｐ１を満たすように制御することで、蓄電池１４から出力される電力が商用電源４０に逆潮流されることを防ぐことができる。また、このように蓄電池１４からの逆潮流を防ぐことにより、連系運転時においても、蓄電池１４に蓄積された電力を、負荷３０に供給して有効に利用することができる。このため、例えば、商用電源４０への売電単価が高い場合には、負荷３０に対して蓄電池１４から供給する電力を増やすことで、太陽電池１０から商用電源４０への逆潮流を増加させることができる。

なお、以上の処理では、太陽電池１０から出力される電力Ｐ１が存在する場合（Ｐ１≠０の場合）の説明であるが、太陽電池１０から出力される電力Ｐ１が存在しない場合（Ｐ１＝０の場合）には、（Ｐ２−Ｐ３）≦０となるように制御がされる。

また、以上は、蓄電池１４が放電される場合の処理であるが、蓄電池１４を充電する場合には、制御部１５−１が前述したＭＰＰＴ処理を実行するとともに、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ１２を制御することで、満充電状態でない蓄電池１４を電力バス２１側の電力（太陽電池１０または商用電源４０の電力）によって充電することができる。

（Ｃ）第２実施形態の構成の説明
つぎに、本発明の第２実施形態に係る分散電源システムについて説明する。図５は、本発明の第２実施形態に係る分散電源システムの構成例を示す図である。なお、図５において、図１と対応する部分には同一の符号を付してその説明を省略する。

図５では、図１の場合と比較して、電力センサ１７，１８が除外され、電力センサ２２が新たに追加されている。また、制御部１５−２は、電力センサ１９，２２の出力に基づいて双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ１２を制御する。制御部１５−３は、電圧センサ２０の出力に基づいて双方向ＤＣ／ＡＣコンバータ１３を制御する。なお、それ以外の構成は、図１の場合と同様である。

（Ｄ）第２実施形態の動作の説明
つぎに、本発明の第２実施形態の動作について説明する。以下では、図２，３を参照して、動作の概略について説明した後に、図６を参照して詳細な動作について説明する。

本発明の第２実施形態では、図２，３において、蓄電池１４から出力される電力Ｐ４が、負荷３０で消費される電力Ｐ３以下（Ｐ４≦Ｐ３）になるように制御される。このような制御によれば、蓄電池１４から出力される電力Ｐ４は負荷３０において確実に消費されることから、商用電源４０には逆潮流しない。

つぎに、第２実施形態において実行される処理について説明する。図６は、図５に示す第２実施形態において実行される処理の流れの一例を説明するためのフローチャートである。このフローチャートの処理が開始されると、以下のステップが実行される。

ステップＳ３０では、制御部１５−１は、太陽電池１０の発電効率が最大となるように、ＤＣ／ＤＣコンバータ１１を制御する。なお、この処理は、前述した図４のステップＳ１０と同様であるので詳細な説明は省略する。

ステップＳ３１では、制御部１５−２は、蓄電池１４が放電可能であるか否かを判定し、放電可能であると判定した場合（ステップＳ３１：Ｙｅｓ）にはステップＳ３２に進み、それ以外の場合（ステップＳ３１：Ｎｏ）には３４に進む。例えば、制御部１５−２は、蓄電池１４が充放電する電力を電力センサ２２によって積算することで、蓄電池１４の充電率を推定し、例えば、充電率が所定の閾値以上（例えば、充電率が４０％以上）の場合には放電可能であるとしてステップＳ３２に進む。

ステップＳ３２では、制御部１５−２は、電力センサ１９，２２の出力を参照し、電力Ｐ３，Ｐ４を測定する。具体的には、制御部１５−２は、電力センサ１９の出力より負荷３０に供給される電力Ｐ３を測定し、電力センサ２２の出力より蓄電池１４から出力される電力Ｐ４を測定する。

ステップＳ３３では、制御部１５−２は、ステップＳ３２で測定した電力Ｐ３，Ｐ４がＰ４≦Ｐ３を満たすように、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ１２を制御する。例えば、図３に示すように、蓄電池１４から商用電源４０に対して逆潮流が発生している場合には、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ１２が電力バス２１側へ出力する電圧が低くなるように設定される。ここで、太陽電池１０から出力される電力Ｐ１は日照量に依存し、負荷３０によって消費される電力Ｐ３はユーザによる使用量に依存する。このため、これらの電力Ｐ１，Ｐ３は制御部１５−２の制御には依存しない。制御部１５−２が双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ１２の電力バス２１側の出力電圧を低く設定すると、これにより、蓄電池１４から出力される電力Ｐ４が減少するので、負荷３０が消費する電力Ｐ３以下となった時点でＰ４≦Ｐ３を満たすことになる。

ステップＳ３４では、制御部１５−３は、電圧センサ２０の出力から、電力バス２１の電圧を測定する。

ステップＳ３５では、制御部１５−３は、ステップＳ３４で測定した電圧Ｖが一定になるように、双方向ＤＣ／ＡＣコンバータ１３を制御する。これにより、図３，４に示す供給電力と消費電力が等しくなるように調整されるので、蓄電池１４から出力される電力Ｐ４の減少に伴って逆潮流電力（Ｐ２−Ｐ３）が減少する。

ステップＳ３６では、処理を終了するか否かが判定され、処理を終了しないと判定した場合（ステップＳ３６：Ｎｏ）にはステップＳ３０に戻って前述の場合と同様の処理を繰り返し、それ以外の場合（ステップＳ３６：Ｙｅｓ）には処理を終了する。

以上の処理によれば、Ｐ４≦Ｐ３を満たすように制御することで、蓄電池１４から出力される電力が商用電源４０に逆潮流されることを防ぐことができる。また、このように蓄電池１４からの逆潮流を防ぐことにより、連系運転時においても、蓄電池１４に蓄積された電力を負荷３０に供給して有効に利用することができる。このため、例えば、商用電源４０への売電単価が高い場合には、負荷３０に対して蓄電池１４から供給する電力を増やすことで、太陽電池１０から商用電源４０への逆潮流を増加させることができる。

なお、以上の処理では、太陽電池１０から出力される電力Ｐ１が存在する場合（Ｐ１≠０の場合）の説明であるが、太陽電池１０から出力される電力Ｐ１が存在しない場合（Ｐ１＝０の場合）にも同様にＰ４≦Ｐ３となるように制御がされる。

また、以上は、蓄電池１４が放電される場合の処理であるが、蓄電池１４を充電する場合には、制御部１５−１が前述したＭＰＰＴ処理を実行するとともに、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ１２を制御することで、満充電状態でない蓄電池１４を電力バス２１側の電力（太陽電池１０または商用電源４０の電力）によって充電することができる。

（Ｅ）変形実施形態の説明
以上の実施形態は一例であって、本発明が上述したような場合のみに限定されるものでないことはいうまでもない。例えば、以上の各実施形態では、発電電源として太陽電池１０を使用する場合を例に挙げて説明したが、これ以外にも、例えば、風力発電や水力発電等の出力が不安定な自然エネルギーを利用した発電設備を発電電源として用いることが可能である。

また、以上の各実施形態では、３つの制御部１５−１〜１５−３を設けるようにしたが、これらをまとめて１つの構成とし、時分割制御や割込制御によって、ＤＣ／ＤＣコンバータ１１、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ１２、および、双方向ＤＣ／ＡＣコンバータ１３を制御するようにしてもよい。

１０ 太陽電池（発電電源）
１１ ＤＣ／ＤＣコンバータ（第１調整手段）
１２ 双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ（第２調整手段）
１３ 双方向ＤＣ／ＡＣコンバータ（変換手段）
１４ 蓄電池
１５−１〜１５−３ 制御部（制御手段）
１６ ダイオード
１７〜１９，２２ 電力センサ
２０ 電圧センサ
２１ 電力バス
３０ 負荷
４０ 商用電源

Claims (4)

1. 発電電源、蓄電池、および、商用電源の少なくとも一つから負荷に対して電力を供給可能であるとともに商用電源に電力を逆潮流可能な分散電源システムにおいて、
   前記発電電源から出力される直流電圧を調整する第１調整手段と、
   前記蓄電池から出力される直流電圧を調整する第２調整手段と、
   前記第１および第２調整手段から出力される直流電力を入力して交流電力に変換して前記負荷に供給するとともに必要に応じて前記商用電源に逆潮流させる変換手段と、
   前記変換手段から前記商用電源に交流電力が逆潮流されている場合に、前記蓄電池から前記商用電源に電力が逆潮流されないように、前記第２調整手段および前記変換手段を制御する制御手段と、を有し、
   前記制御手段は、前記商用電源に逆潮流される電力が、前記発電電源から出力される電力以下になるように、前記第２調整手段および前記変換手段を制御する、
   ことを特徴とする分散電源システム。
2. 前記制御手段は、前記商用電源に逆潮流される電力が、前記発電電源から出力される電力以下になるように、前記変換手段を制御するとともに、前記変換手段に供給される電力の電圧が一定になるように前記第２調整手段を制御することを特徴とする請求項１に記載の分散電源システム。
3. 前記第１調整手段は、前記発電電源から供給される電力が最大となるように電圧を調整することを特徴とする請求項１または２に記載の分散電源システム。
4. 前記発電電源は太陽電池であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の分散電源システム。
   

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