JP6256983B2 - 蓄電池付きパワーコンディショナ - Google Patents

Description

本発明は発電源、ＤＣ変換部、ＤＣ／ＡＣインバータを備え、さらに蓄電池を付帯する蓄電池付きパワーコンディショナに関する。より詳しくは、ＤＣ変換部とインバータを繋ぐＤＣリンク部に対し第２のコンバータを介することなく蓄電池を直結する方式の蓄電池付きパワーコンディショナにおいて、蓄電池からの逆潮流を防止する観点から、蓄電池に対する充放電電力をゼロ電力に収束させるための制御技術に関する。

蓄電池付きパワーコンディショナはその構成要素として、再生可能エネルギーを元にして発電を行う太陽電池などの直流発電源と、この直流発電源からの直流電圧を昇圧するＤＣ／ＤＣコンバータ（昇圧チョッパ）と、ＤＣ／ＤＣコンバータの出力を交流電力に変換する双方向性のＤＣ／ＡＣインバータ（これは系統電源と負荷に対する接続部を有している）と、蓄電池とを備えている。負荷に対して並列に接続される直流発電源・パワーコンディショナ主部の系と系統電源（商用電源）との系統連系運転においては、これら双方から負荷に対して電力を供給するようになっている。ＤＣ／ＤＣコンバータは直流発電源からの出力電力が最大となるように運転される（最大電力追従制御）。負荷で消費する電力が直流発電源で賄えないときは系統電源からも給電する。つまり、直流発電源による電力が負荷の消費電力に対して不足するときは、系統電源からの給電で補う。逆に、直流発電源・パワーコンディショナ主部の系による電力が負荷の消費電力を上回るときは、その余剰電力が系統電源に向けて逆潮流される（売電）。これが系統連系運転である。

蓄電池における充放電端子の接続先について、旧来では、直流発電源とＤＣ／ＤＣコンバータとの接続ラインに対し開閉器を介して接続し、その開閉器は平常時はＤＣ／ＤＣコンバータとの接続を断っておくために開成状態に保持するが、系統電源の停電を検出したときは閉成して蓄電池をＤＣ／ＤＣコンバータの入力側に接続するように構成している（例えば特許文献１での従来例図２参照）。平常時に開閉器を開成しておくのは、蓄電池とＤＣリンク部ひいては系統電源との接続を常時的に切断しておくことにより、系統連系運転時（平常時）における蓄電池からの逆潮流防止の機能を実現するためである。系統連系運転時における蓄電池からの逆潮流防止については資源エネルギー庁の「電力品質確保に係る系統連系技術要件ガイドライン」に規定されている。

停電時に開閉器を閉成して蓄電池をＤＣ／ＤＣコンバータの入力側に接続することで、直流発電源の直流電力に加えて蓄電池の直流電力をもＤＣ／ＤＣコンバータとＤＣ／ＡＣインバータとで電力変換し負荷に供給する。これにより、停電のためになくなった系統電源の電力の代わりに蓄電池の電力を用いるようにしている。

しかし、ＤＣ／ＤＣコンバータの入力側には直流発電源の直流電圧以外に蓄電池の直流電圧が印加されることになり、蓄電池の直流電圧が影響するようになるため、ＤＣ／ＤＣコンバータによる直流発電源の最大電力追従制御（ＭＰＰＴ制御）ができなくなってしまう。

そこで特許文献１では、蓄電池の充放電端子の接続点をＤＣ／ＤＣコンバータとＤＣ／ＡＣインバータとの間のＤＣリンク部とし、そのＤＣリンク部と蓄電池との間に第２のコンバータとして双方向性のＤＣ／ＤＣコンバータ（双方向チョッパ）を介装し、系統連系運転時には逆潮流防止のためその第２のコンバータを停止させておき、停電検出時に第２のコンバータを動作させるという技術が提示された（特許文献１の図１、特許文献２参照）。これによれば、蓄電池の出力はＤＣ／ＤＣコンバータの入力側には影響しないので、停電検出時にもＤＣ／ＤＣコンバータによる直流発電源の最大電力追従制御が可能となる。

しかし、第２のコンバータ（双方向チョッパ）を必要とするため、設備面（イニシャルコスト、ランニングコスト、設置面積等）での負担が相当に大きなものとなってしまう。

上記のような技術変遷のなかで、蓄電池の接続先をＤＣ／ＤＣコンバータとＤＣ／ＡＣインバータとのＤＣリンク部とする蓄電池付きパワーコンディショナにおいて、さらに第２のコンバータを用いることなくＤＣ／ＤＣコンバータによる直流発電源の最大電力追従制御を可能としたのが図４に示す従来例の蓄電池付きパワーコンディショナである。

図４において、１は太陽電池、２はＤＣ／ＤＣコンバータ、３は双方向性のＤＣ／ＡＣインバータ、４はＤＣリンク部、５はパワーコンディショナ主部、６は系統電源（商用電源）、７は負荷、８は蓄電池、９は充放電ライン、１０は電力検出器（電流・電圧センサ）、１１は減算器、１２は増幅器、１３はフィードバック制御系である。ＤＣ／ＤＣコンバータ２とＤＣ／ＡＣインバータ３とを繋ぐＤＣリンク部４に対して蓄電池８の充放電端子が充放電ライン９を介して接続されている。充放電ライン９とＤＣ／ＡＣインバータ３との間にフィードバック制御系１３が設けられている。このフィードバック制御系１３は充放電ライン９における蓄電池８の充放電電力Ｐｂを捕捉するための電力検出器１０と、この電力検出器１０が検出した充放電電力Ｐｂと電力目標値Ｐｄ（＝０ｋＷ）との差分電力値Ｐｅ（＝Ｐｄ−Ｐｂ＝−Ｐｂ）を演算する減算器１１と、減算器１１の出力を増幅した電力指令値Ｐｃ（＝−α・Ｐｂ）をＤＣ／ＡＣインバータ３の制御端子に出力する増幅率αの増幅器１２とを備えている。

日射量が増えて太陽電池１の発電電力が増加すると、電力検出器１０による充放電電力Ｐｂが増加する。すると、減算器１１において充放電電力Ｐｂと電力目標値Ｐｄとの差分電力値Ｐｅ（＝−Ｐｂ）ひいては電力指令値Ｐｃ（＝−α・Ｐｂ）がマイナス側で増加し、ＤＣ／ＡＣインバータ３はＤＣリンク部４に現れている直流電力に対する交流電力への変換量を増大させる。その結果として、規定のゼロ電力から上昇した充放電電力Ｐｂはもとのゼロ電力に収束するように低減される。

上記とは逆に、日射量が減って太陽電池１の発電電力が減少すると、電力検出器１０による充放電電力Ｐｂが減少する。すると、電力指令値Ｐｃ（＝−α・Ｐｂ）がマイナス側で減少し、ＤＣ／ＡＣインバータ３はＤＣリンク部４に現れている直流電力に対する交流電力への変換量を減少させる。その結果として、規定のゼロ電力から下降した充放電電力Ｐｂはもとのゼロ電力に収束するように低減される。

前述の第２のコンバータを用いるタイプ（図示せず）では、そのコンバータを動作停止させればすむことで、動作停止によって蓄電池はＤＣ／ＡＣインバータから切り離されることになるため、常時的な監視は不要である。これに対して、図４の蓄電池直結タイプでは、蓄電池がＤＣ／ＡＣインバータに直結されていて常に電気的に繋がった状態にあるため、蓄電池の充放電ラインの電力を監視し、その電力が常にゼロ電力に収束するようにフィードバック制御をする必要がある。

特開２００２−３５４６７７号公報 特開２０１２−１３９０１９号公報

上記で説明した図４の従来例の蓄電池付きパワーコンディショナにあっては、フィードバック制御系のループゲインが高くて、制御動作が不安定なものになりがちであった。以下、説明する。

太陽電池（直流発電源）１は再生可能エネルギー（日射エネルギー）を元にして発電を行うものである。そのエネルギーは変動を生じやすい。例えば太陽が雲に隠れたり雲が晴れたりすると日射エネルギーは大きく変動する。太陽電池１には入力エネルギーの変動という外乱要素が大きく働く。これが制御系に対する外乱となる。図４に示す従来例の蓄電池付きパワーコンディショナにあっては、ＤＣ／ＡＣインバータ３に対する制御系がもっぱらフィードバック制御系１３であるために、入力エネルギーの変動が太陽電池１の出力電力に変動をもたらすと、パワーコンディショナの制御動作に影響を与える。ＤＣ／ＡＣインバータ３の出力電力に外乱による影響が現れ、フィードバック制御系１３はその外乱の影響を加味した状態で充放電ライン９の電力がゼロ電力に収束するように制御することになる。つまり、外乱による影響を加味した状態でのＤＣ／ＡＣインバータ３に対するフィードバック制御は「後追い制御」となるため、系が安定するに至るまでの時間が長くなりがちである（応答性が低い）。また、フィードバック制御の場合はループゲインが高くなりがちである。これらが要因となって、充放電ライン９における蓄電池８の充放電電力Ｐｂをゼロ電力に収束させる制御につき、その推移変化が過敏になって系の安定性に支障を来す。つまり、応答性と安定性に問題がある。

本発明はこのような事情に鑑みて創作したものであり、ＤＣ変換部とＤＣ／ＡＣインバータを繋ぐＤＣリンク部に対し第２のコンバータを介することなく蓄電池を直結する方式の蓄電池付きパワーコンディショナにおいて、蓄電池に対する充放電電力をゼロ電力に収束させる制御につき、その推移を穏やかにして素早い収束性能をもつことができるようにすることを目的とする。

本発明は、次の手段を講じることにより上記の課題を解決する。

本発明による蓄電池付きパワーコンディショナは、
再生可能エネルギーを元にして発電を行う発電源と、
前記発電源からの発電出力が直流の場合には前記発電源からの直流電圧を昇圧する一方、前記発電源からの発電出力が交流の場合には前記発電源からの交流電圧を直流電圧に変換するＤＣ変換部と、
前記ＤＣ変換部の出力を交流電力に変換するものであって、系統電源と負荷に対する接続部を有する双方向性のＤＣ／ＡＣインバータと、
前記ＤＣ変換部と前記ＤＣ／ＡＣインバータとを接続するＤＣリンク部に充放電端子が接続された蓄電池と、
前記蓄電池の充放電端子における充放電電力に基づいてこの充放電電力が実質的にゼロに収束するように前記ＤＣ／ＡＣインバータに対する電力指令値を与えてフィードバック制御を行うフィードバック制御系とを備えたパワーコンディショナであって、
さらに、
前記発電源の出力電力を直接的または間接的に捕捉する発電源電力捕捉手段と、
前記フィードバック制御系による前記電力指令値に前記発電源電力捕捉手段による捕捉電力値を追加して前記ＤＣ／ＡＣインバータに対する二次電力指令値としフィードフォワード制御を行うフィードフォワード制御系とを備えたことを特徴としている。

すなわち、本発明の特徴は発電源電力捕捉手段とフィードフォワード制御系を追加した点にある。フィードバック制御では外乱の影響が現れるのを待って後追い的にゼロ電力制御を行うものであり、しかもループゲインが高いことからゼロ電力制御の推移が敏感で変化が大きいものとなるため、応答性が悪く制御系が安定するまでの時間が長くなる。これに対して、本発明のフィードフォワード制御は「先回り制御」であって、発電源が利用する再生可能エネルギーの変動（外乱）を捕捉し、その外乱の影響が現れる前に、前もってその影響を抑えるように修正動作することが可能となる。

本発明によれば、ＤＣ変換部とＤＣ／ＡＣインバータを繋ぐＤＣリンク部に対し第２のコンバータを介することなく蓄電池を直結する方式の蓄電池付きパワーコンディショナにおいて、蓄電池に対する充放電電力をゼロ電力に収束させる制御につき、ゲインが低いことも相俟って推移が穏やかでありながら素早い収束性能をもち、系の安定化を良好なものにすることができる。

本発明の実施例１の蓄電池付きパワーコンディショナの概略構成図 本発明の実施例２の蓄電池付きパワーコンディショナの概略構成図 本発明の実施例２の充放電電圧と電力補正値との関係を示すグラフ 従来例の蓄電池付きパワーコンディショナの概略構成図

上記構成の本発明の蓄電池付きパワーコンディショナにおいて、前記の再生可能エネルギーを元にして発電を行う発電源としては、太陽電池（太陽光発電）のほか風力発電や水力発電、潮力発電、波力発電あるいは地熱発電、バイオマス発電、さらにはこれらのうちの任意のものを組み合わせたものがある。

また、蓄電池については、ニッカド電池、鉛電池、リチウム二次電池、ニッケル水素電池などが使用できる。

さらに、上記構成の本発明の蓄電池付きパワーコンディショナには、次のようないくつかの好ましい態様がある。

前記の蓄電池に対する充放電電力を捕捉する手段については、蓄電池の充放電ラインでの充放電電力を検出する第１の電力検出器とするのが好ましい。この場合に、前記のフィードバック制御系としては、目標値であるゼロ電力と前記の第１の電力検出器による充放電電力との差分電力値を生成する減算器を備えたものとする。この点は従来例と同様の構成である。

また、前記のフィードフォワード制御系については、前記のフィードバック制御系における減算器が出力する差分電力値と前記の発電源電力捕捉手段が出力する捕捉電力値とを加算してＤＣ／ＡＣインバータに対する二次電力指令値を生成する加算器を備えた構成が好ましい。フィードバック制御系の減算器が生成する差分電力値はＤＣ／ＡＣインバータに対する一次電力指令値となり、フィードフォワード制御系の加算器は減算器が生成する一次電力指令値（差分電力値）に発電源電力捕捉手段による捕捉電力値を加算してＤＣ／ＡＣインバータに対する二次電力指令値を生成する。充放電電力のある量の変動に対して、その充放電電力をゼロ電力に復帰させるのに必要なＤＣ／ＡＣインバータへの電力指令値に関して、従来例であれば減算器でその電力指令値の全体を生成するためゲインが大きいものとなる。これに対して、本発明のこの実施の態様によれば、ＤＣ／ＡＣインバータへ与えなければならない電力指令値（二次電力指令値）について、フィードフォワード制御系に加算器を設けているので、発電源の捕捉電力値に電力指令値の大きな部分を負担させることができる。その結果として、減算器で負担させるのは電力指令値のうちの小さな部分ですむ。したがって、減算器を含むフィードバック制御系でのループゲインは低めに抑えることが可能となる。このことは、蓄電池に対する充放電電力をゼロ電力に収束させる制御につき、その推移を穏やかなものにしながら素早い収束性能をもたせ、系の安定化を良好にする上で有効な対応策となる。

以下は、上記構成の本発明の蓄電池付きパワーコンディショナにおいて、充放電電圧の積算的な変動を収束する機能を追加するものである。上記した発電源電力捕捉手段とフィードフォワード制御系とを備えた蓄電池付きパワーコンディショナにあっては、充放電電力の瞬間的な変動をリアルタイムでゼロ電力に収束する。しかし、常時きわめて正確にゼロ電力に保つことには困難が伴う。ゼロ電力とは微小に異なる誤差電力が次第に累積し、長い時間スパンでは誤差電力の積算値が無視できない程度にまで増加し、蓄電池の充放電端子の電圧（電力ではなく電圧である点に要注意）が規定の電圧からかけ離れるようになる。そうなると、ＤＣリンク部に直結の蓄電池から系統電源への逆潮流のおそれが生じてくる。この不都合をも回避して系のより良い安定化を図るのが、ここで説明しようとする充放電電圧の積算的な変動を収束する機能の追加である。

すなわち、上記構成の本発明の蓄電池付きパワーコンディショナにおいて、さらに、前記のフィードフォワード制御系に関して、二次電力指令値に対して蓄電池の充放電端子における充放電電圧に応じた電力補正値を追加してＤＣ／ＡＣインバータに対する最終二次電力指令値とし、フィードフォワード制御を行うようにした構成である。蓄電池の充放電ラインにおける充放電電圧（充放電電力ではない）を検出し、その充放電電圧に応じた電力補正値を二次電力指令値に足し合わせ、その結果である最終二次電力指令値をもってＤＣ／ＡＣインバータを制御する。ここで、充放電電圧と電力補正値との相関関係については経験や試験などから予め分かっている。充放電電圧が規定の目標電圧からずれると、そのずれを解消する分の電力補正値が求められ、その電力補正値を二次電力指令値に足し合わせて最終二次電力指令値としてＤＣ／ＡＣインバータの制御に用いる。その結果、充放電電力の瞬間的な変動に対してだけでなく充放電電圧の長い時間スパンでの積算的な変動に対しても、それらの変動を解消して規定の状態へと収束させることが可能となる。

そして、フィードフォワード制御系における前記の電力補正値を生成する手段としては、規定の目標電圧と充放電電圧との差分電圧値を生成する減算器と、この減算器の出力に一定係数を乗算する乗算器とによって構成するのが好ましい。

なお、前記の発電源電力捕捉手段については、発電源の出力電力を検出する第２の電力検出器とするのが好ましい。あるいは、ＤＣ変換部の出力電力を検出する第２の電力検出器とするのもよい。これらは発電源の出力電力を直接的に捕捉するものといえる。あるいは、発電源に入力される再生可能エネルギーの検出器としてもよい。例えば、発電源が太陽電池の場合に日射計とする。この日射計は太陽電池（直流発電源）の出力電力を間接的に捕捉するものの一例である。

以下、本発明にかかわる蓄電池付きパワーコンディショナの実施例１を図１を用いて詳細に説明する。図１は実施例１の蓄電池付きパワーコンディショナの概略構成図である。図１において、１は発電源の一例であって、再生可能エネルギーである日射エネルギーを元にして発電を行う太陽電池（直流発電源）、２は太陽電池１からの直流電圧を昇圧するＤＣ／ＤＣコンバータ（昇圧チョッパ）、３はＤＣ／ＤＣコンバータ２の出力を交流電力に変換する双方向性のＤＣ／ＡＣインバータ、４はＤＣリンク部、５はパワーコンディショナ主部、６は系統電源、７は負荷、８は蓄電池、９は充放電ライン、１０は第１の電力検出器、１１は減算器、１２は増幅器、１３はフィードバック制御系、１４は発電源電力捕捉手段の一例である第２の電力検出器、１５は加算器、１６はフィードフォワード制御系である。ＤＣ／ＤＣコンバータ２が本発明の「ＤＣ変換部」に相当する。

太陽電池１の出力端子にＤＣ／ＤＣコンバータ２の入力端子が接続され、ＤＣ／ＤＣコンバータ２の出力端子に双方向性のＤＣ／ＡＣインバータ３の一方の入出力端子が接続されている。ＤＣ／ＡＣインバータ３のもう一方の入出力端子には系統電源６と負荷７が接続されるようになっている。ＤＣ／ＤＣコンバータ２とＤＣ／ＡＣインバータ３とがパワーコンディショナ主部５を構成している。パワーコンディショナ主部５におけるＤＣ／ＡＣインバータ３と系統電源６とは負荷７に対して並列に接続されている。ＤＣ／ＤＣコンバータ２とＤＣ／ＡＣインバータ３とを接続するＤＣリンク部４に対して蓄電池８の充放電端子が充放電ライン９を介して接続されている。

ＤＣ／ＡＣインバータ３に対するフィードバック制御系１３は第１の電力検出器１０と減算器１１と増幅器１２と加算器１５から構成されている。一方、フィードフォワード制御系１６は第２の電力検出器１４と加算器１５から構成されている。フィードバック制御系１３において、第１の電力検出器１０は充放電ライン９に結合され、第１の電力検出器１０の出力端子は減算器１１のマイナス入力端子に接続されている。減算器１１のプラス入力端子には電力目標値Ｐｄである電力値ゼロが入力されるようになっている（Ｐｄ＝０ｋＷ）。減算器１１において、電力目標値Ｐｄと蓄電池８に対する充放電電力Ｐｂとの差分電力値Ｐｅ（＝−Ｐｂ）が生成され、その差分電力値Ｐｅは増幅率αの増幅器１２を介して差分電力値Ｐｅ′（＝α・Ｐｅ＝−α・Ｐｂ）となり、加算器１５の一方の入力端子に出力されるようになっている。フィードフォワード制御系１６において、第２の電力検出器１４は太陽電池１からＤＣ／ＤＣコンバータ２への電力ラインに結合され、第２の電力検出器１４の出力端子は加算器１５のもう一方の入力端子に接続されている。フィードフォワード制御系１６はフィードバック制御系１３に対して加算器１５を介して合流している。第２の電力検出器１４は太陽電池１の太陽光発電電力Ｐｓを捕捉して加算器１５に与える。加算器１５はフィードバック制御系１３における増幅器１２からの差分電力値Ｐｅ′（従来例での電力指令値Ｐｃに相当）に対してフィードフォワード制御系１６における第２の電力検出器１４からの太陽光発電電力Ｐｓを加算し、二次電力指令値Ｐｃ′（＝Ｐｅ′＋Ｐｓ＝−α・Ｐｂ＋Ｐｓ）としてＤＣ／ＡＣインバータ３の制御端子に与えるようになっている。

次に、上記のように構成された実施例１の蓄電池付きパワーコンディショナの動作を説明する。

太陽電池１による直流の太陽光発電電力ＰｓはＤＣ／ＤＣコンバータ２に入力され、昇圧される。その昇圧された直流電力はＤＣ／ＡＣインバータ３に入力され、交流電力に変換され、負荷７に対して給電される。ＤＣ／ＤＣコンバータ２は太陽電池１による太陽光発電電力Ｐｓが最大となるように運転される（最大電力追従制御）。負荷７で消費する電力が太陽光発電電力Ｐｓで賄えないときは系統電源６からも負荷７に対して給電する。つまり、太陽光発電電力Ｐｓが負荷７の消費電力に対して不足するときは、系統電源６からの給電で補う。逆に、太陽電池１・パワーコンディショナ主部５の系による電力が負荷７の消費電力を上回るときは、その余剰電力が系統電源６に向けて逆潮流される（売電）。

また、必要に応じて、蓄電池８への充電が行われる。蓄電池８への充電はＤＣリンク部４から充放電ライン９を介して行われるが、その要因の電力については、太陽電池１による太陽光発電電力Ｐｓの場合と、系統電源６からの給電電力の場合とがある。系統電源６が停電したとき、負荷７への給電を継続するためには、蓄電池８から放電される直流電力をＤＣ／ＡＣインバータ３で交流電力に変換した上で負荷７に供給する。このとき、系統電源６は停電状態にあるため蓄電池８から系統電源６への逆潮流は防止されている。

通常時（非停電時）において、蓄電池８から系統電源６への逆潮流を防止するためには、蓄電池８がＤＣリンク部４に直結されていて蓄電池８がＤＣ／ＡＣインバータ３に対して常時的な接続状態にある関係上、フィードバック制御系１３は充放電ライン９での充放電電力Ｐｂがゼロ電力に維持されるようにＤＣ／ＡＣインバータ３をフィードバック制御すればよい。

ここで、太陽電池１による太陽光発電電力Ｐｓの影響がなく、太陽光発電電力Ｐｓ＝０と仮定する。その仮定の構成は上記の図４に示す従来例と等価の構成となる。

いま、充放電電力Ｐｂが規定のゼロ電力から上昇したとする。このとき、充放電電力Ｐｂはプラス値となる。減算器１１が生成する差分電力値Ｐｅは、Ｐｅ＝−Ｐｂ（マイナス値）、増幅器１２が生成する差分電力値Ｐｅ′は、増幅器１２の増幅率をαとして、Ｐｅ′＝α・Ｐｅ＝−α・Ｐｂとなる。上記のように太陽光発電電力Ｐｓ＝０であると仮定しているから、加算器１５が生成する二次電力指令値Ｐｃ′は、Ｐｃ′＝−α・Ｐｂである。このマイナス値の二次電力指令値Ｐｃ′がＤＣ／ＡＣインバータ３に与えられ、ＤＣ／ＡＣインバータ３はＤＣリンク部４に現れている直流電力に対する交流電力への変換量を増加させる。その結果として、規定のゼロ電力から上昇した充放電電力Ｐｂは元のゼロ電力に収束するように低減される。

また、上記とは逆に、充放電電力Ｐｂが規定のゼロ電力から下降したとする。このとき、充放電電力Ｐｂはマイナス値となる。増幅器１２が生成する差分電力値Ｐｅ′は、Ｐｅ′＝−α・Ｐｂ（プラス値）となる。加算器１５が生成する二次電力指令値Ｐｃ′＝−α・Ｐｂはプラス値である。このプラス値の二次電力指令値Ｐｃ′がＤＣ／ＡＣインバータ３に与えられ、ＤＣリンク部４に現れている直流電力に対する交流電力への変換量を減少させる。その結果として、規定のゼロ電力から下降した充放電電力Ｐｂは元のゼロ電力に収束するように増加される。

以上のようにして、太陽電池１で生成されＤＣ／ＤＣコンバータ２を通った直流電力は実質的にその１００パーセントがＤＣ／ＡＣインバータ３での交流変換を受けることになる。ひいては、ＤＣ／ＤＣコンバータ２は太陽電池１による発電電力を最大限に活かす変換動作を実行する。

太陽の日射量は経時的に変動するので、ＤＣ／ＤＣコンバータ２からＤＣ／ＡＣインバータ３への出力電力も経時的に変動する。また、系統電源６には他のユーザーによる多数の分散型電源（太陽電池、燃料電池など）が接続されている関係で系統電源６の電圧も経時的に変動する。ＤＣ／ＡＣインバータ３はその出力電圧が系統電源６の電圧と等しくなるように動作するが、系統電源６の電圧が経時的に変動するのでＤＣ／ＡＣインバータ３の動作状態も経時的に変動する。その結果、ＤＣ／ＤＣコンバータ２とＤＣ／ＡＣインバータ３を結ぶＤＣリンク部４と蓄電池８との間の充放電ライン９における電圧・電流も経時的に変動することになる。

いま、それまで日射を遮っていた雲が流れ去り、太陽電池１への日射が増大化したとする。すると、太陽光発電電力Ｐｓが急激に大きく増加変動する。第２の電力検出器１４は太陽光発電電力Ｐｓを検出し、検出結果を加算器１５に与える。加算器１５ではフィードバック制御系１３の増幅器１２からの差分電力値Ｐｅ′＝−α・Ｐｂと太陽光発電電力Ｐｓとを加算し、加算結果の二次電力指令値Ｐｃ′（＝−α・Ｐｂ＋Ｐｓ）をＤＣ／ＡＣインバータ３に与える。ここで、太陽光発電電力Ｐｓが増加しているので、二次電力指令値Ｐｃ′も増加する。その結果、ＤＣ／ＡＣインバータ３による交流電力への変換量が増加する。このようなフィードフォワード制御系１６によるインバータ制御が機能しないと仮定すると、太陽光発電電力Ｐｓの増加により充放電ライン９での充放電電力Ｐｂが急激に上昇し、ゼロ電力制御が間に合わなくなる。しかし、ここではフィードフォワード制御系１６によるインバータ制御が機能して、ＤＣリンク部４における直流電力に対する交流電力への変換量が増加し、ＤＣ／ＤＣコンバータ２から給電される直流電力を実質的に１００パーセント交流電力に変換し、負荷７へと給電する。その結果として、充放電ライン９における充放電電力Ｐｂはゼロ電力制御されることになる。

上記とは逆に、それまで日射があった太陽電池１に雲がかかって日蔭になったとする。すると、太陽光発電電力Ｐｓが急激に大きく減少変動する。ここで、太陽光発電電力Ｐｓが減少しているので、二次電力指令値Ｐｃ′（＝−α・Ｐｂ＋Ｐｓ）も減少する。その結果、ＤＣ／ＡＣインバータ３による交流電力への変換量が減少する。このフィードフォワード制御系１６によるインバータ制御が機能して、ＤＣリンク部４における直流電力に対する交流電力への変換量が減少し、ＤＣ／ＤＣコンバータ２から給電される直流電力の交流電力への変換が維持される。この場合も、充放電ライン９における充放電電力Ｐｂはゼロ電力制御されることになる。

以上のようにして、蓄電池８がＤＣリンク部４に対して常時的直結状態であるにもかかわらず、系統連系運転時においてパワーコンディショナ主部５に対する蓄電池８の電力的な繋がりを実質的に切り離すことができる。結果として、系統電源６への逆潮流防止が機能する。

ゼロ電力制御についてフィードバック制御系１３による「後追い制御」だけでは太陽光発電電力Ｐｓの急激な変動に対応するのがむずかしいが、フィードフォワード制御系１６によるインバータ制御を合わせ込んで「先回り制御」としているため、応答性が良く、制御系が素早く安定化するのである。

次に、本発明にかかわる蓄電池付きパワーコンディショナの実施例２を図２を用いて詳細に説明する。図２は実施例２の蓄電池付きパワーコンディショナの概略構成図である。実施例２の図２において実施例１の図１で用いたのと同一符号は同一の構成要素を指すものとし、詳しい説明は省略する。図２においては、実施例１の図１の構成に加えて、減算器１７と乗算器１８と加算器１９からなる第２のフィードフォワード制御系２０を有している。この実施例２では実施例１の図１で符号１６で示されるフィードフォワード制御系を第１のフィードフォワード制御系１６と呼ぶこととする。

第２のフィードフォワード制御系２０における減算器１７は規定の電圧目標値Ｖｄと充放電電圧Ｖｂとの差分電圧値Ｖｅ（＝Ｖｄ−Ｖｂ）を生成する。乗算器１８は減算器１７の出力に一定係数ｋを乗算して差分電力値Ｑｅ（＝ｋ・（Ｖｄ−Ｖｂ））に電力変換する。この差分電力値Ｑｅは電力補正値として機能するため、以下、電力補正値Ｑｅと称する。加算器１９は乗算器１８の出力である電力補正値Ｑｅ（＝ｋ・（Ｖｄ−Ｖｂ））にフィードバック制御系１３の加算器１５の差分電力値Ｐｅ′（＝−α・Ｐｂ＋Ｐｓ）を加算して最終二次電力指令値Ｐｃ″（＝−α・Ｐｂ＋Ｐｓ＋ｋ・（Ｖｄ−Ｖｂ））を生成し、これをＤＣ／ＡＣインバータ３の制御端子に出力する。

図３は実施例２の充放電電圧Ｖｂと電力補正値Ｑｅとの関係を示すグラフである。ここでは、充放電電圧Ｖｂの規定値が一例として「３５４Ｖ」となっている。つまり、蓄電池８の正規の充放電電圧が「３５４Ｖ」である。このとき、電力補正値Ｑｅは「０ｋＷ」とする。電圧目標値Ｖｄが「３５４Ｖ」ということである。充放電電圧Ｖｂとして例えば高めの「３５７Ｖ」を検出したときは、電圧目標値Ｖｄとの差分は「３Ｖ」であり、電力補正値Ｑｅとして「−０．６ｋＷ」が得られる。乗算器１８の係数ｋについては、ｋ＝−０．６／（３５７−３５４）＝−０．２となる。充放電電圧Ｖｂとして例えば低めの「３５１Ｖ」を検出したときは電力補正値Ｑｅとして「＋０．６ｋＷ」が得られる。この図３の充放電電圧Ｖｂから電力補正値Ｑｅへの変換は図２の減算器１７と乗算器１８との協働で行われる。

蓄電池付きパワーコンディショナの運転を開始してからある長さの時間が経過すると、充放電電力Ｐｂとゼロ電力との間の微小な誤差の電力が次第に累積し、長い時間スパンでは誤差電力の積算値が無視できないほどに増加し、蓄電池８の充放電電圧Ｖｂが規定の電圧からずれを生じる場合がある。そこで、減算器１７のマイナス入力端子では充放電ライン９における蓄電池８の充放電電圧Ｖｂを監視している。減算器１７では電圧目標値Ｖｄと充放電電圧Ｖｂとの差分電圧値Ｖｅ（＝Ｖｄ−Ｖｂ）を算出し、乗算器１８に出力する。乗算器１８では入力した差分電圧値Ｖｅに係数ｋを乗算し、電力補正値Ｑｅ（＝ｋ・（Ｖｄ−Ｖｂ））を生成し、加算器１９に出力する。加算器１９はフィードバック制御系１３およびフィードフォワード制御系１６の加算器１５からの二次電力指令値Ｐｃ′（＝−α・Ｐｂ＋Ｐｓ）に乗算器１８からの電力補正値Ｑｅ（＝ｋ・（Ｖｄ−Ｖｂ））を加算し、最終二次電力指令値Ｐｃ″（＝−α・Ｐｂ＋Ｐｓ＋ｋ・（Ｖｄ−Ｖｂ））を生成し、ＤＣ／ＡＣインバータ３の制御端子に出力する。

この第２のフィードフォワード制御系２０の動作により、蓄電池８の充放電電圧Ｖｂの長い時間スパンでの積算的な変動に対しても、それらの変動を解消して規定の状態へと収束させることができる。

なお、上記実施例では、発電源電力捕捉手段としての第２の電力検出器１４を太陽電池１とＤＣ／ＤＣコンバータ２との接続ラインに設けたが、第２の電力検出器１４の設置箇所としては、ＤＣ／ＤＣコンバータ２とＤＣ／ＡＣインバータ３と繋ぐＤＣリンク部４であってもよい。

また、発電源電力捕捉手段として日射計を用いるときは、検出した単位面積当たりの日射量（ｋＷ／ｍ² ）に乗算器を用いて太陽電池パネル１枚当りの面積（ｍ² ）とパネル数とを乗算して電力補正値を求めるように構成すればよい。

図３の充放電電圧Ｖｂと電力補正値Ｑｅとの関係を示すグラフはリニアな関係であったが、両者の関係は必ずしもリニアである必要はなく、任意の曲線の関数としてもよい。充放電電圧Ｖｂから電力補正値Ｑｅへの変換については、加算器、減算器、乗算器等の演算器を用いるほか、換算テーブルを用いてもよいし、マイクロコンピュータによって演算で求めてもよい。

また、上記実施例では、発電源として太陽電池（直流発電源）を例に説明したが、発電源として交流発電源を利用した場合には、交流発電源からの交流電圧を直流電圧に変換するＡＣ／ＤＣコンバータ（交流／直流変換手段）が本発明の「ＤＣ変換部」として機能する。さらに必要に応じてＡＣ／ＤＣコンバータにより交流電圧から変換された直流電圧をＤＣ／ＤＣコンバータを用いて昇圧する場合には、ＡＣ／ＤＣコンバータとＤＣ／ＤＣコンバータとが本発明の「ＤＣ変換部」として機能する。

本発明は、ＤＣ変換部とＤＣ／ＡＣインバータを繋ぐＤＣリンク部に対し第２の双方向性のコンバータを介することなく蓄電池を直結する方式の蓄電池付きパワーコンディショナにおいて、蓄電池に対する充放電電力をゼロ電力に収束させる制御につき、素早い収束性能をもち、系の安定化を良好化するための技術として有用である。

１ 太陽電池（直流発電源）
２ ＤＣ／ＤＣコンバータ（ＤＣ変換部）
３ 双方向性のＤＣ／ＡＣインバータ
４ ＤＣリンク部
５ パワーコンディショナ主部
６ 系統電源
７ 負荷
８ 蓄電池
９ 充放電ライン
１０ 第１の電力検出器
１１ 減算器
１２ 増幅器
１３ フィードバック制御系（第１のフィードフォワード制御系）
１４ 第２の電力検出器（発電源電力捕捉手段）
１５ 加算器
１６ フィードフォワード制御系
１７ 減算器
１８ 乗算器
１９ 加算器
２０ 第２のフィードフォワード制御系

Claims (8)

1. 再生可能エネルギーを元にして発電を行う発電源と、
   前記発電源からの発電出力が直流の場合には前記発電源からの直流電圧を昇圧する一方、前記発電源からの発電出力が交流の場合には前記発電源からの交流電圧を直流電圧に変換するＤＣ変換部と、
   前記ＤＣ変換部の出力を交流電力に変換するものであって、系統電源と負荷に対する接続部を有する双方向性のＤＣ／ＡＣインバータと、
   前記ＤＣ変換部と前記ＤＣ／ＡＣインバータとを接続するＤＣリンク部に充放電端子が接続された蓄電池と、
   前記蓄電池の充放電端子における充放電電力に基づいてこの充放電電力が実質的にゼロに収束するように前記ＤＣ／ＡＣインバータに対する電力指令値を与えてフィードバック制御を行うフィードバック制御系とを備えたパワーコンディショナであって、
   さらに、
   前記発電源の出力電力を直接的または間接的に捕捉する発電源電力捕捉手段と、
   前記フィードバック制御系による前記電力指令値に前記発電源電力捕捉手段による捕捉電力値を追加して前記ＤＣ／ＡＣインバータに対する二次電力指令値としフィードフォワード制御を行うフィードフォワード制御系とを備えている蓄電池付きパワーコンディショナ。
2. 前記蓄電池に対する充放電電力を捕捉する手段は前記蓄電池の充放電ラインでの充放電電力を検出する第１の電力検出器であり、前記フィードバック制御系は目標値であるゼロ電力と前記第１の電力検出器による充放電電力との差分電力値を生成する減算器を備えている請求項１に記載の蓄電池付きパワーコンディショナ。
3. 前記フィードフォワード制御系は前記減算器が出力する前記差分電力値と前記発電源電力捕捉手段が出力する前記捕捉電力値とを加算して前記二次電力指令値を生成する加算器を備えている請求項２に記載の蓄電池付きパワーコンディショナ。
4. さらに、前記二次電力指令値に対して前記蓄電池の充放電端子における充放電電圧に応じた電力補正値を追加して前記ＤＣ／ＡＣインバータに対する最終二次電力指令値とし、フィードフォワード制御を行う第２のフィードフォワード制御系を備えている請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の蓄電池付きパワーコンディショナ。
5. 前記第２のフィードフォワード制御系における前記電力補正値を生成する手段は、規定の目標電圧と前記充放電電圧との差分電圧値を生成する減算器と、前記減算器の出力に一定係数を乗算する乗算器とによって構成されている請求項４に記載の蓄電池付きパワーコンディショナ。
6. 前記発電源電力捕捉手段は前記発電源の出力電力を検出する第２の電力検出器である請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載の蓄電池付きパワーコンディショナ。
7. 前記発電源電力捕捉手段は前記ＤＣ変換部の出力電力を検出する第２の電力検出器である請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載の蓄電池付きパワーコンディショナ。
8. 前記発電源電力捕捉手段は前記発電源に入力される前記再生可能エネルギーの検出器である請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載の蓄電池付きパワーコンディショナ。

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