JP6227885B2 - 電力制御システム、電力制御装置、電力制御システムの制御方法 - Google Patents

電力制御システム、電力制御装置、電力制御システムの制御方法 Download PDF

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Description

本発明は、電力制御システム、電力制御装置および電力制御システムの制御方法に関するものである。
太陽光パネル等の発電設備を備える発電システムの発電パワーコンディショナとして、商用電源系統(以下、適宜、系統と略記する)に連系して交流電力を出力する系統連系運転と、系統と関わりなく交流電力を出力する自立運転とを可能としたものが知られている(例えば、特許文献1参照)。
また、系統電力によって充電される蓄電池等の蓄電設備を備える蓄電システムの蓄電パワーコンディショナとして、上記の発電パワーコンディショナと同様に、系統に連系して交流電力を出力する系統連系運転と、系統と関わりなく交流電力を出力する自立運転とを可能としたものが知られている(例えば、特許文献2参照)。
特開2007−049770号公報 特開2008−253033号公報
ところで、電力制御システムにおいて、太陽電池、蓄電池、燃料電池、ガス発電機などの複数の分散電源を一元的に管理・運用することが求められている。特に、複数の分散電源の間での効率的な運転制御を、分散電源側の汎用性を崩すことなく管理可能なシステムを構築することが求められる。
従って、上記のような課題に鑑みてなされた本発明の目的は、複数の分散電源の間での効率的な運転制御を、分散電源側の汎用性を崩すことなく管理可能な電力制御システム、電力制御装置及び電力制御システムの制御方法を提供することにある。
上述した諸課題を解決すべく、本発明に係る電力制御システムは、
電流センサが順潮流を検出する間発電を行う発電装置と他の分散電源とを有する電力制御システムであって、
前記発電装置と前記他の分散電源とを系統から解列した状態で、前記他の分散電源からの電力を出力する電力制御装置を備え、
前記他の分散電源からの出力により、前記電流センサに対して順潮流と同方向の電流である擬似電流を供給可能であることを特徴とする。
また、前記系統との解列/並列の切り替えと切り替えタイミングが同期するスイッチであって、解列時に前記擬似電流を流し、並列時に擬似電流を流さない同期スイッチをさらに有することが好ましい。
また、連系運転時にオフになり前記分散電源による自立運転時にオンになる自立運転スイッチを備え、当該自立運転スイッチは、前記発電装置と前記他の分散電源との間に配されることを特徴とすることが好ましい。
また、前記他の分散電源は蓄電池であって、前記自立運転スイッチがオンされているときに前記発電装置からの電力を充電可能であることを特徴とすることが好ましい。
また、前記蓄電池の充電が完了すると前記擬似電流を停止する擬似電流制御スイッチを備える、ことが好ましい。
また、前記電流センサは、前記電力制御装置において、前記自立運転時に前記発電装置の発電による電流が流れない箇所に配置される、ことが好ましい。
さらに、上述した諸課題を解決すべく、本発明に係る電力制御装置は、
順潮流検出される間発電を行う発電装置と他の分散電源とを有する電力制御システムで用いられる電力制御装置であって、
系統と前記発電装置との間に配置され順潮流を検出する電流センサを備え、
前記発電装置と前記他の分散電源とを系統から解列した状態で、前記他の分散電源からの電力を出力し、
前記他の分散電源からの出力により、前記電流センサに対して順潮流と同方向の電流である擬似電流を供給可能であることを特徴とする。
さらに、上述した諸課題を解決すべく、本発明に係る電力制御システムの制御方法は、
電流センサが順潮流を検出する間発電を行う発電装置と他の分散電源とを有する電力制御システムの制御方法であって、
前記発電装置と前記他の分散電源とを系統から解列した状態で、前記他の分散電源からの電力を出力するステップと、
前記他の分散電源からの電力により、前記電流センサに対して順潮流と同方向の電流である擬似電流を供給するステップと、を含むことを特徴とする。
本発明に係る電力制御システム、電力制御装置及び電力制御システムの制御方法よれば、複数の分散電源の間での効率的な運転制御を、分散電源側の汎用性を崩すことなく管理することが可能となる。
本発明の一実施形態に係る電力制御システムのブロック図である。 擬似出力系に関する配線を示す図である。 連系運転時の電力制御システムの制御例を示す図である。 自立運転時の電力制御システムの制御例を示す図である。 自立運転時の電力制御システムの制御例を示す図である。 自立運転時(蓄電池充電完了時)の電力制御システムの制御例を示す図である。
以降、諸図面を参照しながら、本発明の実施態様を詳細に説明する。
(実施の形態)
まず、本発明の一実施形態に係る電力制御システムについて説明する。本実施形態に係る電力制御システムは、系統(商用電源系統)から供給される電力の他に、売電可能な電力を供給する分散電源及び/又は売電不可能な電力を供給する分散電源を備える。売電可能な電力を供給する分散電源は、例えば太陽光発電などによって電力を供給するシステムである。一方売電不可能な電力を供給する分散電源は、例えば電力を充放電することができる蓄電池システム、SOFC(Solid Oxide Fuel Cell)などの燃料電池を含む燃料電池システム、およびガス燃料により発電するガス発電機システムなどである。本実施の形態においては、売電可能な電力を供給する分散電源として太陽電池、及び売電不可能な電力を供給する分散電源として蓄電池と、燃料電池又はガス発電機である発電装置とを備える例を示す。
図1は、本発明の一実施形態に係る電力制御システムの概略構成を示すブロック図である。本実施形態に係る電力制御システムは、太陽電池11と、蓄電池12と、パワーコンディショナ20(電力制御装置)と、分電盤31と、負荷32と、発電装置33と、電流センサ40と、擬似出力系50(出力部)とを備える。ここで、発電装置33は、燃料電池又はガス発電機により構成されるものである。電力制御システムは、通常は系統との連系運転を行い、系統から供給される電力と、各分散電源(太陽電池11、蓄電池12、発電装置33)からの電力とを負荷32に供給する。また、電力制御システムは、停電時など系統からの電力供給がない場合は自立運転を行い、各分散電源(太陽電池11、蓄電池12、発電装置33)からの電力を各負荷(負荷32、擬似電流負荷51)に供給する。なお、電力制御システムが自立運転を行う場合には、各分散電源(太陽電池11、蓄電池12、発電装置33)は系統から解列した状態であり、電力制御システムが連系運転を行う場合には、各分散電源(太陽電池11、蓄電池12、発電装置33)は系統と並列した状態となる。
図1において、各機能ブロックを結ぶ実線は電力の流れる配線を表し、各機能ブロックを結ぶ破線は、制御信号または通信される情報の流れを表す。当該破線が示す通信は有線通信としてもよいし、無線通信としてもよい。制御信号および情報の通信には、各階層含め、様々な方式を採用可能である。例えば、ZigBee(登録商標)などの近距離通信方式による通信を採用することができる。また、赤外線通信、電力線搬送通信(PLC:Power Line Communication)など、様々な伝送メディアを使用することができる。またそれぞれの通信に適した物理層を含む下位の層の上で、各種プロトコル、例えばZigBee SEP2.0(Smart Energy Profile2.0)、ECHONET Lite(登録商標)などのような論理層だけ規定される通信プロトコルを動作させてもよい。
太陽電池11は、太陽光のエネルギーを直流の電力に変換するものである。太陽電池11は、例えば光電変換セルを有する発電部がマトリクス状に接続され、所定の短絡電流(たとえば10A)を出力するように構成される。太陽電池11は、シリコン系多結晶太陽電池、シリコン系単結晶太陽電池、又はCIGS等薄膜系太陽電池等、光電変換可能なものであればその種類は制限されない。
蓄電池12は、リチウムイオン電池やニッケル水素電池等の蓄電池から構成される。蓄電池12は、充電された電力を放電することにより、電力を供給可能である。また、蓄電池12は、系統、太陽電池11から供給される電力に加え、後述の通り、発電装置33から供給される電力を充電可能である。
パワーコンディショナ20(電力制御装置)は、太陽電池11および蓄電池12から供給される直流の電力と、系統および発電装置33から供給される交流の電力との変換を行うとともに、連系運転及び自立運転の切り替え制御を行うものである。パワーコンディショナ20は、インバータ21と、連系運転スイッチ22、23と、自立運転スイッチ24と、パワーコンディショナ20全体を制御する制御部25とを備える。なお、連系運転スイッチ23は、パワーコンディショナ20外に出すよう構成しても良い。
インバータ21は、双方向インバータであって、太陽電池11および蓄電池12から供給される直流の電力を交流の電力に変換し、また、系統および発電装置33から供給される交流の電力を直流の電力に変換する。なお、インバータ21の前段に、太陽電池11および蓄電池12からの直流電力を一定の電圧まで昇圧するコンバータを設けてもよい。
連系運転スイッチ22、23、自立運転スイッチ24は、それぞれリレー、トランジスタなどにより構成され、オン/オフ制御される。図示の通り、自立運転スイッチ24は、発電装置33と蓄電池12との間に配される。連系運転スイッチ22、23、と自立運転スイッチ24とは、双方が同時にオン(又はオフ)とならないように、同期して切り替えられる。より詳しくは、連系運転スイッチ22、23がオンとなるとき、自立運転スイッチ24は同期してオフとなり、連系運転スイッチ22、23がオフとなるとき、自立運転スイッチ24は同期してオンとなる。連系運転スイッチ22、23および自立運転スイッチ24の同期制御は、連系運転スイッチ22、23への制御信号の配線を自立運転スイッチ24に分岐させることによりハードウェア的に実現される。なお、スイッチ毎に同一の制御信号に対するオンとオフの状態を区別して設定可能なことはいうまでもない。また、連系運転スイッチ22、23および自立運転スイッチ24の同期制御は、制御部25によりソフトウェア的に実現することも可能である。
制御部25は、例えばマイクロコンピュータで構成され、系統電圧の上昇や停電等の状態等に基づいて、インバータ21、連系運転スイッチ22、23、自立運転スイッチ24等の各部の動作を制御する。制御部25は、連系運転時には、連系運転スイッチ22、23をオン、自立運転スイッチ24をオフに切り替える。また、制御部25は、自立運転時には、連系運転スイッチ22、23をオフ、自立運転スイッチ24をオンに切り替える。
分電盤31は、連系運転時に系統より供給される電力を複数の支幹に分岐させて負荷32に分配する。また、分電盤31は、複数の分散電源(太陽電池11、蓄電池12、発電装置33)から供給される電力を、複数の支幹に分岐させて負荷32に分配する。ここで、負荷32とは、電力を消費する電力負荷であり、たとえば家庭内で使用されるエアコン、電子レンジ、テレビ等の各種電器製品や、商工業施設で使用される空調機や照明器具などの機械、照明設備等である。
発電装置33は、燃料電池又はガス発電機により構成される。燃料電池は、水素を用いて空気中の酸素との化学反応により直流の電力を発電するセルと、発電された直流電力を100Vあるいは200Vの交流電力に変換するインバータと、その他補機類とを備える。ここで、発電装置33としての燃料電池は、パワーコンディショナ20を介さずとも負荷32に対する交流電力の供給を可能とするシステムであり、必ずしもパワーコンディショナ20との接続を想定して設計されたものではなく、汎用性を有するシステムであってよい。また、ガス発電機は、所定のガスなどを燃料とするガスエンジンで発電するものである。
発電装置33は、対応する電流センサ40が順潮流(買電方向の電流)を検出する間発電を行うものであり、発電時には負荷32の消費電力に追従する負荷追従運転又は所定の定格電力値による定格運転を行う。負荷追従運転時の追従範囲は、例えば200〜700Wであり、定格運転時の定格電力値は、例えば700Wである。なお、発電装置33は、連系運転時は負荷32の消費電力に追従する負荷追従運転を行い、自立運転時に、負荷追従運転又は定格電力値による定格運転を行うものとしてもよい。
電流センサ40は、系統及び発電装置33の間を流れる電流を検出するものである。日本では、発電装置33が発電する電力は売電不可能と規定されているため、電流センサ40が系統側への逆潮流(売電方向の電流)を検出した場合、発電装置33は発電を停止する。電流センサ40が順潮流を検出する間、発電装置33は負荷32に自身から電力を供給できるものとして負荷追従運転又は定格運転での発電を実行する。なお、後述の通り、消費電力の観点から、電流センサ40は、パワーコンディショナ20において自立運転時に発電装置33の発電による電流が流れない箇所に配置されることが好ましい。
ここで、本実施形態における電力制御システムは、発電装置33と蓄電池12とが系統から解列した状態で、擬似出力系50を通じて電流センサ40に擬似的な順潮流と同方向の電流(擬似電流)を流す。これにより、発電装置33を定格運転させ、発電装置33が発電する電力を蓄電池12に蓄電することが可能となる。以下、擬似出力系50を通じた擬似電流による蓄電について詳述する。
擬似出力系50(出力部)は、電流センサ40に対して順潮流と同方向の電流である擬似電流を供給可能なものである。擬似出力系50は、パワーコンディショナ20から電力供給を受ける系であって、擬似電流負荷51と、同期スイッチ52と、擬似電流制御スイッチ53とを備える。図2は、擬似出力系50に関する配線を示す図である。図2において、系統は、200Vの単相3線としている。この場合、擬似出力系50に対して、電圧線の一方と中性線とが接続される。図示の通り、擬似出力系50へ接続線は、2本の電圧線それぞれに設置された電流センサ40を通るように配線される。なお、擬似出力系50は、パワーコンディショナ20と一体的に構成してもよいし、パワーコンディショナ20とは独立した構成としても良い。
擬似電流負荷51は、擬似出力系50内の電流調整のため適宜設けられる負荷である。なお、擬似電流負荷51として、擬似出力系50の外部の負荷を用いてもよい。同期スイッチ52は、パワーコンディショナ20から擬似出力系50に供給された電力の一部を順潮流と同方向の擬似電流として電流センサ40に供給するためのものである。擬似電流制御スイッチ53は、擬似電流による不要な発電を防ぐためのものである。同期スイッチ52及び擬似電流制御スイッチ53は、それぞれ独立したリレー、トランジスタなどにより構成され、パワーコンディショナ20の制御部25により、それぞれ独立にオン/オフ制御される。
同期スイッチ52は、パワーコンディショナ20の自立運転スイッチ24と同期してオン/オフ制御される。すなわち、同期スイッチ52は、自立運転スイッチ24と同様に、連系運転時にはオフとなり、自立運転時にはオンとなる。より詳しくは、同期スイッチ52は、系統との解列/並列の切り替えと切り替えタイミングが同期するスイッチであって、解列時に擬似電流を流し、並列時に擬似電流を流さないものである。自立運転スイッチ24及び同期スイッチ52の同期制御は、自立運転スイッチ24への制御信号の配線を同期スイッチ52に分岐させることによりハードウェア的に実現される。なお、自立運転スイッチ24及び同期スイッチ52の同期制御は、制御部25によりソフトウェア的に実現することも可能である。
擬似電流制御スイッチ53は、蓄電池12の充電が完了した場合にオフとなり、充電が完了していない場合にオンとなる。ここで、蓄電池12の充電が完了した場合とは、蓄電池12に所定値以上の電力が充電されている場合を示すものである。なお、制御部25は、蓄電池12との通信によって充電が完了しているか否かを判定するよう構成してもよい。自立運転時に蓄電池12の充電が完了し擬似電流制御スイッチ53がオフになると、電流センサ40に擬似電流が流れなくなるため、発電装置33による不要な発電を停止させることができる。
これ以降、本実施形態に係る電力制御システムにおける制御例を図面により詳述する。
図3は、連系運転時の電力制御システムの制御例を示す図である。この場合、パワーコンディショナ20の各スイッチは、連系運転スイッチ22、23がオン、自立運転スイッチ24がオフに制御される。また、擬似出力系50の各スイッチは、同期スイッチ52はオフ、擬似電流制御スイッチ53は蓄電池12の充電量に応じてオン又はオフに制御される。
連系運転時には、太線矢印で示すように、系統よりAC100V(あるいは200V)が供給されて、負荷32に給電される。パワーコンディショナ20は、蓄電池12の充電が完了していない場合、系統からの交流電力を直流電力に変換して蓄電池12を充電する。また、パワーコンディショナ20は、太陽電池11の発電電力を交流電力に変換して系統に逆潮流したり、余剰電力を売電したりすることができる。また、パワーコンディショナ20は、系統からの電力及び分散電源(太陽電池11、蓄電池12)の電力を擬似出力系50に出力可能な構成を有するが、連系運転時には同期スイッチ52はオフであるため、電流センサ40への擬似電流の供給が行われない。電流センサ40には、系統から順潮流(買電方向の電流)が流れるため、発電装置33は発電を行い、分電盤31を経て負荷32に電力を供給する。
次に、図4、図5により自立運転時の電力制御システムの制御例を説明する。なお、図4、図5において、蓄電池12の充電は完了していないものとする。この場合、パワーコンディショナ20の各スイッチは、連系運転スイッチ22、23がオフ、自立運転スイッチ24がオンに制御される。また、擬似出力系50の各スイッチは、同期スイッチ52はオン、擬似電流制御スイッチ53はオンに制御される。
図4は、自立運転時の分散電源による電力供給を示す図である。自立運転時には、パワーコンディショナ20により、自立運転スイッチ24を介して分散電源(太陽電池11、蓄電池12)の電力が負荷32及び擬似出力系50に出力される。
図5は、自立運転時の擬似電流による発電装置33の発電を示す図である。図4に示す通り、自立運転時には、パワーコンディショナ20より擬似出力系50に電力が供給される。本実施形態において、パワーコンディショナ20より擬似出力系50に供給された電力の一部は擬似電流として電流センサ40に供給される。このとき、電流センサ40は順潮流(買電方向の電流)を検出するため、発電装置33は負荷追従運転又は定格運転での発電を実行する。分電盤31は、発電装置33が発電した電力を負荷32に供給するとともに、負荷32の消費電力を上回る余剰電力については、パワーコンディショナ20に供給する。余剰電力は、パワーコンディショナ20において、自立運転スイッチ24を経てインバータ21により直流電力に変換され、蓄電池12へと給電される。
このように、本実施形態によれば、パワーコンディショナ20は、発電装置33と他の分散電源(太陽電池11、蓄電池12)とを系統から解列した状態で、他の分散電源からの電力を出力可能な擬似出力系50を有し、擬似出力系50からの出力により、電流センサ40に対して順潮流と同方向の電流である擬似電流を供給可能である。これにより、複数の分散電源の間での効率的な運転制御を、分散電源側の汎用性を崩すことなく管理することが可能となる。より詳しくは、自立運転時に、電流センサ40に擬似電流を流すことによって、発電装置33に発電させることが可能となる。また、電流センサ40への擬似電流を利用して発電装置33の発電を制御するため、発電装置33自体に特別な変更を加える必要がなく、汎用の燃料電池システム及びガス発電システムが流用できるという利点がある。
また、本実施形態によれば、同期スイッチ52は、系統との解列/並列の切り替えと切り替えタイミングが同期するスイッチであって、解列時に擬似電流を流し、並列時に擬似電流を流さない。これにより、系統と解列している自立運転時に電流センサ40に擬似電流が流れる一方、系統と並列している連系運転時に電流センサ40に擬似電流が流れることはなく、誤って発電装置33からの逆潮流が発生することはない。
また、本実施形態によれば、自立運転スイッチ24は、連系運転時にオフになり分散電源による自立運転時にオンになり、発電装置33と他の分散電源(太陽電池11、蓄電池12)との間に配される。これにより、自立運転時に、自立運転スイッチ24を通じて、発電装置33が発電する電力を他の分散電源側に供給することが可能となる。
また、蓄電池12は、自立運転スイッチ24がオンされているときに発電装置33からの電力を充電可能である。これにより、自立運転時に、発電装置33が発電する電力であって、例えば、負荷32の消費電力を上回る余剰電力を蓄電池12に蓄電することが可能となる。
図6は、蓄電池12の充電完了時の自立運転時の電力制御システムの制御例を示す図である。この場合、パワーコンディショナ20の各スイッチは、連系運転スイッチ22、23がオフ、自立運転スイッチ24がオンに制御される。また、擬似出力系の各スイッチは、同期スイッチ52はオン、擬似電流制御スイッチ53はオフに制御される。
蓄電池12の充電が完了している場合、擬似電流制御スイッチ53がオフとなるため、自立運転時に、パワーコンディショナ20より擬似出力系50に供給された電力の一部が擬似電流として電流センサ40に供給されることがない。これにより、電流センサ40には系統からの順潮流も擬似電流も検出されなくなるため、発電装置33は発電を停止することとなる。そのため、蓄電池12に必要以上の電流が出力されることはない。
このように、本実施形態によれば、擬似電流制御スイッチ53は、蓄電池12の充電が完了すると擬似電流を停止するため、発電装置33による必要以上の発電を防ぐことが可能となる。
なお、図1〜図6に示す通り、電流センサ40は、パワーコンディショナ20において、自立運転時に発電装置33の発電による電流が流れない箇所に配置されることが好ましい。これは、発電装置33の発電による電流が流れる箇所に電流センサ40を配置すると、発電装置33を発電させるための擬似電流を当該発電による電流を上回る電力で出力する必要があるため、擬似電流に関する消費電力が増大するためである。すなわち、電流センサ40を、パワーコンディショナ20において、自立運転時に発電装置33の発電による電流が流れない箇所に配置することにより、擬似電流に係る消費電力を低減することが可能となる。
本発明を諸図面や実施例に基づき説明してきたが、当業者であれば本開示に基づき種々の変形や修正を行うことが容易であることに注意されたい。従って、これらの変形や修正は本発明の範囲に含まれることに留意されたい。例えば、各部材、各手段、各ステップなどに含まれる機能などは論理的に矛盾しないように再配置可能であり、複数の手段やステップなどを1つに組み合わせたり、或いは分割したりすることが可能である。
11 太陽電池
12 蓄電池
20 パワーコンディショナ(電力制御装置)
21 インバータ
22、23 連系運転スイッチ
24 自立運転スイッチ
25 制御部
31 分電盤
32 負荷
33 発電装置
40 電流センサ
50 擬似出力系(出力部)
51 擬似電流負荷51
52 同期スイッチ
53 擬似電流制御スイッチ

Claims (8)

  1. 電流センサが順潮流を検出する間発電を行う発電装置と他の分散電源とを有する電力制御システムであって、
    前記発電装置と前記他の分散電源とを系統から解列した状態で、前記他の分散電源からの電力を出力する電力制御装置を備え、
    前記他の分散電源からの出力により、前記電流センサに対して順潮流と同方向の電流である擬似電流を供給可能であることを特徴とする電力制御システム。
  2. 前記系統との解列/並列の切り替えと切り替えタイミングが同期するスイッチであって、解列時に前記擬似電流を流し、並列時に擬似電流を流さない同期スイッチをさらに有することを特徴とする請求項1に記載の電力制御システム。
  3. 連系運転時にオフになり前記分散電源による自立運転時にオンになる自立運転スイッチを備え、当該自立運転スイッチは、前記発電装置と前記他の分散電源との間に配されることを特徴とする請求項1又は2に記載の電力制御システム。
  4. 前記他の分散電源は蓄電池であって、前記自立運転スイッチがオンされているときに前記発電装置からの電力を充電可能であることを特徴とする請求項3に記載の電力制御システム。
  5. 前記蓄電池の充電が完了すると前記擬似電流を停止する擬似電流制御スイッチを備える、請求項4に記載の電力制御システム。
  6. 前記電流センサは、前記電力制御装置において、自立運転時に前記発電装置の発電による電流が流れない箇所に配置される、請求項1から5のいずれか一項に記載の電力制御システム。
  7. 順潮流検出される間発電を行う発電装置と他の分散電源とを有する電力制御システムで用いられる電力制御装置であって、
    系統と前記発電装置との間に配置され順潮流を検出する電流センサを備え、
    前記発電装置と前記他の分散電源とを系統から解列した状態で、前記他の分散電源からの電力を出力し、
    前記他の分散電源からの出力により、前記電流センサに対して順潮流と同方向の電流である擬似電流を供給可能であることを特徴とする電力制御装置。
  8. 電流センサが順潮流を検出する間発電を行う発電装置と他の分散電源とを有する電力制御システムの制御方法であって、
    前記発電装置と前記他の分散電源とを系統から解列した状態で、前記他の分散電源からの電力を出力するステップと、
    前記他の分散電源からの電力により、前記電流センサに対して順潮流と同方向の電流である擬似電流を供給するステップと、を含むことを特徴とする制御方法。
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