JP6089237B2 - 蓄電池の充電制御システム - Google Patents

Description

本発明は、複数の発電モジュールに接続された蓄電池の充電制御システムに関するものである。

太陽光発電モジュールに代表される複数の発電モジュールで発電された電気は、電圧変換装置で電圧調整されたうえ、パワーコンディショナーにて交直変換され、負荷や系統に供給されている。しかし太陽光発電モジュールは日照条件の変化による発電能力の変動が大きく、また負荷も変動する。このため、電圧変換装置とパワーコンディショナーとの間に蓄電池を設置し、発電モジュールの発電電力の変動と負荷の変動とを吸収させている（特許文献１）。

一般に、蓄電池の電圧は充電の進行とともに上昇するが、過充電を行なうと蓄電池が破壊されるおそれがある。そこで電圧変換装置に、蓄電池の過充電を保護する保護装置を設け、蓄電池の電圧が所定電圧以上となったときに電力供給を停止するようになっている。しかし蓄電池によっては蓄電容量の８０％程度で所定電圧以上となり、保護装置が作動して蓄電池の蓄電容量をフルに生かし切れないという問題がある。

そこでこの問題を回避するために、蓄電池の電圧が上昇すると、制御装置により段階的に充電電流を低減させながら充電を続行する多段定電流充電方式が提案されている。例えば特許文献１では、各発電モジュールに開閉器を設けて充電電流を調整している。このほか専用充電器を用い、充電電流を段階的に制限する制御も行われている。

しかし、開閉器を設けて充電電流を調整する方式においては、蓄電池の電圧が上昇してきたときに出力を停止する発電モジュールを特定して制御を行なう必要があり、制御プログラムが複雑化するという問題がある。この問題は特に、発電モジュールを増設した場合に制御プログラムの書き換えを必要とし、その対応が面倒である。また専用充電器を用いればこの問題は回避できるが、コスト高となるという別の問題が生じる。

特開２００７−２８８９３２号公報

従って本発明の目的は上記した従来の問題点を解決し、簡単な構成により充電電流の調整を行なうことができ、発電モジュールを増設した場合の対応も容易に行うことができる蓄電池の充電制御システムを提供することである。

上記の課題を解決するためになされた本発明の蓄電池の充電制御システムは、複数の発電モジュールと、各発電モジュールに接続された電圧変換装置と、各電圧変換装置に接続された蓄電池と、前記発電モジュールの出力を制御するため各発電モジュールごとに設けられた制御部とを備え、この制御部は、各発電モジュールの電圧変換装置に内蔵または接続されており、蓄電池の計測情報に基づいて自己の発電モジュールの出力を制御することを特徴とするものである。

なお請求項２のように、各制御部は、各発電モジュールの制御電圧を設定する電圧設定手段を備え、蓄電池の電圧が設定された制御電圧を超えたときに自己の発電モジュールの出力をオフとする構成を採ることができる。

また請求項３のように、前記電圧設定手段は、蓄電池の異なる箇所に設けた温度センサから入力される検出温度に基づいて、自己の制御電圧を設定することができ、あるいは請求項４のように、前記電圧設定手段は、それぞれ異なる固有の制御電圧を予め設定することができる。

本発明の蓄電池の充電制御システムは、各発電モジュールごとに蓄電池からの計測情報に基づいて自己の発電モジュールの出力をオンオフする制御部を設けたものであり、従来のような集中制御が不要である。このため簡単な構成により充電電流の調整を行なうことができ、発電モジュールを増設した場合の対応も容易に行うことができる。

第１の実施形態のシステム構成を示すブロック図である。 制御部の構成を示すブロック図である。 蓄電池電圧等の経時的変化を示すグラフである。 第２の実施形態のシステム構成を示すブロック図である。 制御部の構成を示すブロック図である。

以下に本発明の実施形態を説明する。
図１は本発明の第１の実施形態のシステム構成を示すブロック図である。１は発電モジュールであり、この実施形態では太陽光発電モジュールであるがこれに限定されるものではなく、例えば風力発電モジュールであってもよい。図１には３つの発電モジュール１が示されているが、２以上であればその数は任意である。

各発電モジュール１は電圧変換装置（ＤＣ／ＤＣコンバータ）２に接続されてストリングを構成し、各ストリングが並列してパワーコンディショナー３に接続されている。電圧変換装置２は発電モジュール１で発電された電気の電圧を昇圧してパワーコンディショナー３に出力する。パワーコンディショナー３は従来と同様に内蔵するインバータにより直流を交流に変換し、負荷４あるいは系統５に電力を供給する。このパワーコンディショナー３と電圧変換装置２との間には蓄電池６が接続されており、発電モジュール１と負荷４の変動を吸収している。

各ストリングは、制御部７を備えている。この実施形態では制御部７は各電圧変換装置２にそれぞれ内蔵されているが、電圧変換装置２の外部に接続しても差支えない。制御部７は図２に示すように、電流制御手段８と、蓄電池の計測情報として蓄電池電圧を計測する電圧計測手段９と、過充電を保護する保護手段１０と、電圧設定手段１１とを備える。この実施形態では電流制御手段８は回路を開閉するリレーである。保護手段１０は計測手段９によって計測された蓄電池の電圧が、電圧設定手段１１で設定された制御電圧を超えたときに自己のストリングの回路をオフし、蓄電池６の過充電を防止する。

各ストリングの制御部７の電圧設定手段１１は、個別に制御電圧を設定する。これらの制御電圧は適宜のバラツキを持たせて設定しておく必要がある。もし複数のストリングの制御電圧が同一であると、蓄電池の電圧がその値に到達したとき、同時に複数ストリングからの電流が遮断されることとなるので、好ましくない。そこでこの第１の実施形態では、蓄電池６の異なる箇所に設けた温度センサ１２から入力される検出温度に基づいて、自己の制御電圧を設定する。すなわち、図１に示すように蓄電池６の異なる箇所に熱電対等の温度センサ１２を設けておけば、蓄電池の特性上、各温度センサ１２の検出温度は計測箇所によってバラツキ、ほとんど同一となることはない。各制御部７の電圧設定手段１１は、例えば次式により制御電圧Ｖｓを算出する。

Ｖｓ＝Ｖｍ−α（Ｔｘ−Ｔｏ）
ここでＶｓ：制御電圧、Ｖｍ：蓄電池の上限電圧、α：係数、Ｔｘ：検出温度、Ｔｏ：基準温度である。なお、温度センサ１２ａ、１２ｂ、１２ｃはそれぞれ蓄電池の上部・中部・下部に配置されている。

例えば、蓄電池の上限電圧Ｖｍが基準温度２５℃で６０Ｖであって、発電モジュール１ａの制御部７に接続された温度センサ１２ａから入力される検出温度が４３℃であったとする。αを０.１とすると、Ｖｓ＝６０−０.１×（４３−２５）＝５８.２Ｖとなり、発電モジュール１ａの制御部７は蓄電池６の電圧が５８.２Ｖを超えたときに電流制御手段８をオフ動作させ、発電モジュール１ａの出力は停止する。図３に示されるように、これに伴い蓄電池６の電圧は一時的に２Ｖ程度低下するが、残りの発電モジュール１ｂ、１ｃは充電を続行するので、蓄電池６の電圧は再び上昇に転じ、６０Ｖに接近して行く。

発電モジュール１ｂの制御部７に接続された温度センサ１２ｂから入力される検出温度が４２℃であったとすると、Ｖｓ＝６０−０.１×（４２−２５）＝５８.３Ｖとなり、発電モジュール１ｂの制御部７は蓄電池６の電圧が５８.３Ｖを超えたときに発電モジュール１ｂの出力を停止させる。図３に示されるように、これにより充電電流は低減され蓄電池６の電圧は一時的に２Ｖ程度低下するが、残りの発電モジュール１ｃは充電を続行するので、蓄電池６の電圧は再び上昇に転じ、６０Ｖに接近して行く。

同様に、発電モジュール１ｃの制御部７に接続された温度センサ１２ｃから入力される検出温度が４１℃であったとすると、Ｖｓ＝６０−０.１×（４１−２５）＝５８.４Ｖとなり、発電モジュール１ｃの制御部７は蓄電池６の電圧が５８.４Ｖを超えたときに発電モジュール１ｃの出力を停止させる。

このように本発明によれば、蓄電池６の電圧が上限電圧Ｖｍに近づいたときに複数の発電モジュール１の何れかを順次停止させ、図３に実線で示すように充電電流を順次低減させながら充電を継続することができるので、破線で示す蓄電池６の充電量を１００％に接近させることができる。しかも蓄電池６の特性上発生する温度差を利用して各発電モジュール１が充電を停止する蓄電池６の電圧を異ならせたので、従来のような集中制御が不要である。また発電モジュール１を増設した場合に制御プログラムを書き換える必要もなく、増設への対応も容易に行うことができる。なお上述したように、温度センサ１２をそれぞれ蓄電池６の上部・中部・下部に配置すると、蓄電池の特性上から、上部に配置した温度センサ１２に対応する発電モジュールから順に低い電圧で出力を停止するため、蓄電池６の保護の観点からも望ましい。

上記の説明及び図３では蓄電池６からの放電がないものとしたが、蓄電池６は負荷４の変動に合わせて放電を行なうため、その電圧は変動している。放電により蓄電池６の電圧が一定電圧（例えば５５Ｖ）以下にまで低下した場合には各発電モジュール１の制御部７は電流制御手段８をオン動作させ、充電を再開する。

なお上記の説明では検出温度Ｔｘに応じて制御電圧Ｖｓを計算式によって算出したが、表１に示すように検出温度Ｔｘと制御電圧Ｖｓとの関係を制御部７のデータベースに記憶させておいてもよい。

図４に本発明の第２の実施形態を示す。上記した第１の実施形態では、蓄電池６の異なる箇所に設けた温度センサ１２から入力される検出温度に基づいて制御電圧を設定するようにしたが、第２の実施形態では、各制御部７の電圧設定手段１１にそれぞれ異なる固有の制御電圧を予め設定しておく。その一例を表２に示す。

このように各電圧設定手段１１にそれぞれ異なる制御電圧を設定しておけば、発電モジュール１の停止順序を一定とすることができる。発電モジュール１を増設した場合には、必要に応じて表２のデータを書き直せばよい。その動作は第１の実施形態と同様であるので、説明を省略する。この第２の実施形態の場合にも、従来のような集中制御は不要であり、また発電モジュール１を増設した場合にも制御プログラムを書き換える必要もない。

なお上記した第１、第２の実施形態では、蓄電池６の計測情報として電圧情報を用いたが、計測情報として蓄電池６への充電電流を用いることもできる。この場合には蓄電池６にＣＴを設置し、各発電モジュール１に電流値を出力する。各発電モジュール１の制御部７には充電電流の時間的変化や変化の幅を予め設定しておく。例えば、充電電流の時間的変化が０〜Ｘの場合には発電モジュール１ａがオフとなり、Ｘを超えＹまでの場合には発電モジュール１ｂがオフとなり、Ｙを超えＺまでの場合には発電モジュール１ｃがオフとなるように設定しておく。蓄電池６には入出力があるので、電流値の変化は差分に基づいて判断させることが好ましい。このようにして電圧情報を用いた場合と同様に、各発電モジュール１が自己の出力のオンオフを判断することができるようにしておけばよい。

以上に説明したように、本発明の蓄電池の充電制御システムによれば、簡単な構成により充電電流の調整を行ないながら蓄電池６の充電量を１００％に接近させることができ、また分散制御を採用したことにより、発電モジュール１を増設した場合の対応も容易に行うことができる。

１ 発電モジュール
２ 電圧変換装置
３ パワーコンディショナー
４ 負荷
５ 系統
６ 蓄電池
７ 制御部
８ 電流制御手段
９ 電圧計測手段
１０ 保護手段
１１ 電圧設定手段
１２ 温度センサ

Claims (4)

1. 複数の発電モジュールと、
   各発電モジュールに接続された電圧変換装置と、
   各電圧変換装置に接続された蓄電池と、
   前記発電モジュールの出力を制御するため各発電モジュールごとに設けられた制御部とを備え、
   この制御部は、各発電モジュールの電圧変換装置に内蔵または接続されており、蓄電池の計測情報に基づいて自己の発電モジュールの出力を制御する
   ことを特徴とする蓄電池の充電制御システム。
2. 各制御部は、
   各発電モジュールの制御電圧を設定する電圧設定手段を備え、
   蓄電池の電圧が設定された制御電圧を超えたときに自己の発電モジュールの出力をオフとすることを特徴とする請求項１記載の蓄電池の充電制御システム。
3. 前記電圧設定手段は、
   蓄電池の異なる箇所に設けた温度センサから入力される検出温度に基づいて、自己の制御電圧を設定することを特徴とする請求項２記載の蓄電池の充電制御システム。
4. 前記電圧設定手段は、それぞれ異なる固有の制御電圧を予め設定することを特徴とする請求項２記載の蓄電池の充電制御システム。

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