JP6323893B2

JP6323893B2 - 系統連系装置

Info

Publication number: JP6323893B2
Application number: JP2017049613A
Authority: JP
Inventors: 福永　哲也; 哲也福永; 和男末包; 岡本　茂; 茂岡本
Original assignee: Sansha Electric Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Sansha Electric Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2017-03-15
Filing date: 2017-03-15
Publication date: 2018-05-16
Anticipated expiration: 2033-05-31
Also published as: JP2017118818A

Description

本発明は、系統連系装置に係り、さらに詳しくは、系統電源、蓄電池及び発電装置から負荷へ電力を供給する系統連系装置の改良に関する。

系統電源だけでなく、蓄電池及び太陽電池からも負荷へ電力供給を行うことができる系統連系装置が従来から知られている。直流電力を出力する太陽電池は、ＰＶ（Photo Voltaic）パワーコンディショナと呼ばれるインバータ装置を介して、系統電源及び負荷と接続される。蓄電池は、ＰＶパワーコンディショナのＤＣ入力端子に対し、太陽電池と並列に接続され、太陽電池の発電電力によって充電され、停電時や瞬間的な電圧低下時における負荷への電力供給をバックアップする。

このような系統連系装置では、太陽電池及び蓄電池がＤＣライン上で接続されているため、太陽電池の出力電圧が蓄電池の電圧によって支配され、太陽電池を最大効率で発電させることができないという課題があった（例えば、特許文献１）。

また、上記系統連系装置では、太陽電池及び蓄電池が、ともにＰＶパワーコンディショナのＤＣ入力端子に接続されているため、ＡＣライン上において、蓄電池の出力電力と、太陽電池の発電電力とを区分することができず、太陽電池からの発電電力のみを交流電力として計測することができず、太陽電池による発電電力を売電することができないという問題があった。

一般に、電力会社は、低価格の夜間電力を利用して充電した蓄電池の電力を昼間に販売するのを防止するため、蓄電池の出力電力を電力会社に販売することを禁止している。このため、太陽電池の発電電力を電力会社に販売するには、蓄電池の出力とは区別して、太陽電池の出力のみを計測しなければならない。しかも、この電力計測は、ＡＣライン上で行わなければならないため、上記系統連系装置では、太陽電池の発電電力を販売することができないとう問題があった。

さらに、従来の系統連系装置では、系統電源の停電時にインバータ装置の動作を停止させ、復電時に動作を再開させるように構成されている（例えば、特許文献２）。系統電源の停電中に系統側へ電力を供給することは禁止されているため、停電中はインバータ装置を停止させる必要がある。このため、発電装置の出力を利用して蓄電池を充電することはできるが、発電装置の出力を負荷へ供給することができないという問題があった。

なお、一般的な無停電電源装置は、系統電源の停電時に、蓄電池の出力を負荷に供給することができるが、この種の電源装置は、太陽電池などの発電装置を備えておらず、負荷へ電力を供給できるのは、停電発生直後の短い時間だけに限定される。

特開２０００−１３２２５１号公報特開２０１３−５６３０号公報

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、非停電状態では、系統電源及び発電装置から負荷へ電力を供給する連系運転を行う一方、停電状態では、系統電源への逆潮流を防止しつつ、蓄電池及び発電装置から負荷へ電力を供給する自立運転を行うことができる系統連系装置を提供することを目的とする。

また、系統電源及び発電装置から負荷へ電力を供給する連系運転時に、蓄電池を充電することができ、かつ、発電装置の発電電力を販売することができる系統連系装置を提供することを目的とする。

また、停電時に自律的に出力を停止させる発電装置を用いて、停電から復電までの停電状態において、発電装置から負荷へ電力を供給することができる系統連系装置を提供することを目的とする。

特に、上記発電装置が太陽電池からなる系統連系装置を提供することを目的とする。

また、系統電源及び太陽電池から負荷へ電力を供給する連系運転時に、蓄電池を充電することができ、かつ、太陽電池を高効率で発電させることができる系統連系装置を提供することを目的とする。

第１の本発明による系統連系装置は、蓄電池が接続されるＤＣ端子及び系統電源が接続されるＡＣ端子を有し、上記ＤＣ端子及び上記ＡＣ端子間において双方向の電力変換を行う双方向インバータ回路と、上記ＡＣ端子を含む共通ラインに、上記系統電源と並列にそれぞれ接続された負荷及び発電装置と、上記系統電源の電圧を計測する系統電圧計測手段と、上記ＡＣ端子と上記系統電源とを、導通可能に接続する系統スイッチと、上記ＡＣ端子と上記負荷及び上記発電装置とを、導通可能に接続する自立スイッチと、上記負荷及び上記発電装置を、上記系統電源側又は上記ＡＣ端子側のいずれかに選択的に接続する連系切替スイッチと、上記系統電圧計測手段の計測結果に基づいて、上記系統電源の停電及び復電を検知し、上記系統スイッチを導通状態にして上記自立スイッチを非導通状態にするとともに、上記連系切替スイッチを上記系統電源側に接続した連系接続とし、かつ、上記双方向インバータ回路及び上記発電装置を駆動させた連系運転状態、並びに、上記系統スイッチを非導通状態にして上記自立スイッチを導通状態にするとともに、上記連系切替スイッチを上記ＡＣ端子側に接続した自立接続とし、かつ、上記双方向インバータ回路及び上記発電装置を駆動させた自立運転状態を切り替える連系制御手段とを備えて構成される。

この様な構成を採用することにより、連系運転状態では、系統スイッチ、自立スイッチ及び連系切替スイッチを連系接続にすることにより、系統電源、負荷、発電装置及び蓄電池が共通ライン上で互いに接続される。一方、自立運転状態では、各スイッチを自立接続にすることにより、系統電源から遮断された状態で、負荷、発電装置及び蓄電池が共通ライン上で互いに接続される。

運転状態の切り替えは、系統電源の停電及び復電を検知して行われ、停電前又は復電後の連系運転時には、蓄電池を充電しつつ、系統電源及び発電装置から負荷へ電力を供給することができる。また、停電から復電までの自立運転時には、発電装置及び蓄電池の電力が系統電源に逆潮流するのを防止しつつ、発電装置及び蓄電池から負荷へ電力を供給することができる。また、発電装置の電力を利用して蓄電池を充電することができる。

また、蓄電池及び発電装置を双方向インバータ回路を介して共通ライン上で接続することにより、蓄電池の出力とは区別して、発電装置の出力のみを交流電力として計測することができる。このため、発電装置によって発電された電力を電力会社に販売することが可能になる。

第２の本発明による系統連系装置は、上記構成に加え、上記連系制御手段が、上記系統スイッチ及び上記自立スイッチを非導通状態にするとともに、上記連系切替スイッチを上記系統電源側に接続した発電装置連系接続とし、かつ、上記発電装置を駆動させた発電装置連系運転状態に切り替えるように構成される。

この様な構成によれば、発電装置連系運転状態において、負荷及び発電装置を系統電源に接続したままで、蓄電池を系統電源から切り離すことができる。従って、運転状態を発電装置連系運転状態に切り替えることにより、発電装置によって発電された電力を電力会社に販売することが可能になる。

第３の本発明による系統連系装置は、上記構成に加え、上記連系制御手段が、上記連系運転状態、上記自立運転状態及び上記発電装置連系運転状態間で運転状態を切り替える場合に、上記双方向インバータ回路及び上記発電装置を停止させた自立停止状態を運転状態の切替の間に設けるように構成される。

この様な構成によれば、連系運転状態、上記自立運転状態及び上記発電装置連系運転状態間で運転状態を切り替える際に、双方向インバータ回路及び発電装置を一旦停止させることができる。つまり、停電時や復電時などに運転状態を切り替える場合、系統電源との共通ラインに接続された装置は停止させなければならないという電力会社の要求を満たすことができる。

第４の本発明による系統連系装置は、上記構成に加え、上記発電装置が、上記共通ラインに供給される電圧に基づいて停電及び復電を判断し、停電の判断後に出力を停止し、復電の判断後に出力を再開し、上記連系制御手段が、停電を検知して連系運転状態から自立停止状態に移行した後、自立停止状態から自立運転状態への移行時に、上記自立スイッチを導通状態にするとともに、上記連系切替スイッチを上記ＡＣ端子側に接続する制御を行うことにより、上記蓄電池から上記共通ラインへの電力供給が開始し、上記発電装置が復電と判断して出力を再開するように構成される。

この様な構成によれば、自立停止状態から自立運転状態への移行時に、蓄電池から共通ラインへの電力供給により、共通ラインの電圧レベルが上昇するので、発電装置は、復電と判断して出力を再開する。つまり、停電を検知して連系運転状態から自立運転状態へ移行する際に、発電装置の出力を一旦停止させた後、発電装置が自律的に出力を再開することによって自立運転状態に移行させることができる。

第５の本発明による系統連系装置は、上記構成に加え、上記連系制御手段が、復電を検知して自立運転状態から自立停止状態に移行した後、自立停止状態から連系運転状態への移行時に、上記系統スイッチを導通状態にするとともに、上記連系切替スイッチを上記系統電源側に接続する制御を行うことにより、上記共通ラインへの電力供給が再開し、上記発電装置が復電と判断して出力を再開するように構成される。

この様な構成によれば、自立停止状態から連系運転状態への移行時に、共通ラインへの電力供給により、共通ラインの電圧レベルが上昇するので、発電装置は、復電と判断して出力を再開する。つまり、復電を検知して自立運転状態から連系運転状態へ移行する際に、発電装置の出力を一旦停止させた後、発電装置が自律的に出力を再開することによって連系運転状態に移行させることができる。

第６の本発明による系統連系装置は、上記構成に加え、上記連系制御手段が、停電を検知し上記双方向インバータ回路及び上記発電装置を停止させて連系運転状態から自立停止状態に移行した後、上記系統スイッチ、上記自立スイッチ及び上記連系切替スイッチを上記自立接続にするとともに、上記双方向インバータ回路を起動させて自立運転状態に切り替える制御を行う一方、復電を検知し上記双方向インバータ回路及び上記発電装置を停止させて自立運転状態から自立停止状態に移行した後、上記系統スイッチ、上記自立スイッチ及び上記連系切替スイッチを上記連系接続にするとともに、上記双方向インバータ回路を起動させて連系運転状態に切り替える制御を行うように構成される。

この様な構成によれば、双方向インバータ回路、発電装置、各スイッチを制御することにより、運転状態を切り替えることができる。

第７の本発明による系統連系装置は、上記構成に加え、上記発電装置が、光起電力効果を利用して直流電力を生成する太陽電池と、上記太陽電池の直流電力を交流電力に変換するとともに、上記太陽電池の発電効率を制御するパワーコンディショナとからなるように構成される。この様な構成によれば、太陽電池と蓄電池とが双方向インバータ回路を介して共通ライン上で接続されるので、太陽電池の出力電圧が蓄電池の電圧によって影響されるのを抑制し、太陽電池を高効率で発電させることができる。

第８の本発明による系統連系装置は、上記構成に加え、上記蓄電池が、上記双方向インバータ回路によって充電及び放電されるように構成される。この様な構成によれば、系統電源又は発電装置から供給される電力を利用して蓄電池を充電する一方、蓄電池の放電電力を負荷に供給することができる。

本発明によれば、非停電状態では、系統電源及び発電装置から負荷へ電力を供給する連系運転を行う一方、停電状態では、系統電源への逆潮流を防止しつつ、蓄電池及び発電装置から負荷へ電力を供給する自立運転を行う系統連系装置を提供することができる。

また、系統電源及び発電装置から負荷へ電力を供給する連系運転時に、蓄電池を充電することができ、かつ、発電装置の発電電力を販売する系統連系装置を提供することができる。

また、停電時に自律的に出力を停止させる発電装置を用いて、停電から復電までの停電状態において、発電装置から負荷へ電力を供給する系統連系装置を提供することができる。

特に、上記発電装置が太陽電池からなる系統連系装置を提供することができる。

また、系統電源及び太陽電池から負荷へ電力を供給する連系運転時に、蓄電池を充電することができ、かつ、太陽電池を高効率で発電させる系統連系装置を提供することができる。

本発明の実施の形態による系統連系装置１の一構成例を示したシステム図である。図１の系統連系装置１の動作の一例を示した図である。図１の連系制御部１５の構成例を示したブロック図である。図１の系統電源２、双方向インバータ回路１１、ＳＷ２１〜２３及びＰＶパワーコンディショナ４の動作の一例を示したタイミングチャートである。図１の系統連系装置１における連系運転時の動作の一例を示したフローチャートである。図１の系統連系装置１における自立運転時の動作の一例を示したフローチャートである。

図１は、本発明の実施の形態による系統連系装置１の一構成例を示したシステム図である。系統連系装置１は、系統電源２が接続され、系統電源２からの電力を負荷３へ供給することができる。また、蓄電池１０、ＰＶパワーコンディショナ４及び太陽電池５を内蔵し、太陽電池５及び蓄電池１０の出力を負荷３へ供給することができる。さらに、系統電源２及び太陽電池５の電力により蓄電池１０を充電することができ、太陽電池５の出力を系統電源２に逆潮流させることもできる。つまり、系統連系装置１では、系統電源２と、分散型電源としての太陽電池５及び蓄電池１０とを連系させることにより、これらの各電源から負荷３へ電力を供給することができる。

この系統連系装置１は、負荷３、ＰＶパワーコンディショナ４、太陽電池５、蓄電池１０、双方向インバータ回路１１、電圧計１４、連系制御部１５、系統端子１６、系統ＳＷ（スイッチ）２１、自立ＳＷ２２、連系切替ＳＷ２３により構成される。

＜系統端子１６＞
系統端子１６は、系統電源２が接続される外部端子であり、電力会社の電力網（商用系統）を介して、所定の交流電力が系統端子１６へ供給される。この系統端子１６は、例えば、分電盤や引込線を介して商用系統に接続される。

負荷３は、交流電力の供給を受けて動作する機器であり、例えば、住宅内に配置されたテレビ受像機や冷蔵庫などの電気機器、コンセントや壁スイッチなどの配線器具、エアーコンディショナや照明設備などの設備機器などが含まれる。

太陽電池５は、光起電力効果を利用して直流電力を生成する発電装置であり、太陽光のエネルギーを電力に変換することができる。例えば、複数のセルを直列又は並列に接続した太陽電池モジュール（photovoltaic module）からなる。

負荷３及びＰＶパワーコンディショナ４は、双方向インバータ回路１１のＡＣ端子１３を含む共通ライン６に、系統電源２と並列にそれぞれ接続されている。

＜ＰＶパワーコンディショナ４＞
ＰＶパワーコンディショナ４は、入力端子（図示せず）が太陽電池５に接続され、出力端子（図示せず）が共通ライン６に接続され、太陽電池５から入力される直流電力を交流電力に変換し、共通ライン６へ出力するインバータ装置であり、その出力を系統電源２の波形と同期させる系統連系制御を行っている。また、系統電源２の停電及び復電を判断し、出力を停止又は再開させる系統保護制御を行っている。

ＰＶパワーコンディショナ４は、停電及び復電を、共通ライン６に所定の電圧が発生しているか否かによって判断し、所定の電圧を検出すると非停電状態と判断してＰＶパワーコンディショナ４を稼働する。また、共通ライン６上の電圧が所定レベル以下に低下したまま一定時間以上経過すると停電状態と判断し、ＰＶパワーコンディショナ４を停止する。さらに、太陽電池５の動作点を制御し、出力電力を最大化させる太陽電池５の動作点制御を行っている。

本実施の形態では、説明を容易にするため、実際の停電状態及び非停電状態の検出を、後述の連系制御部１５で行い、この連系制御部１５によってＰＶパワーコンディショナ４を停止し、その後のＰＶパワーコンディショナ４の稼働の再開は、ＰＶパワーコンディショナ４の判断で行うものとして説明するが、ＰＶパワーコンディショナ４の制御を、連系制御部１５で行っても良い。

例えば、ＰＶパワーコンディショナ４は、チョッパ回路、インバータ回路及び制御回路（いずれも不図示）により構成され、太陽電池５が接続された入力端子の電圧は、チョッパ回路により直流の中間電圧へ昇圧され、インバータ回路により、当該中間電圧が交流電圧へ変換され、出力端子から共通ライン６へ出力される。制御回路は、入力端子及び出力端子の電圧に基づいて、これらの回路を制御する。

太陽電池５の動作点制御は、インバータ回路及びチョッパ回路のスイッチング動作を制御することにより行われる。太陽電池５は、日射量や温度によって出力特性（Ｖ−Ｉ特性）が変化する。このため、周知のＭＰＰＴ（Maximum Power Point Tracking：最大電力点追従）により、太陽電池５の出力電圧を制御し、出力特性上における動作点を最適化すれば、出力電力を最大化することができる。

系統保護制御は、停電及び復電を判断し、停電と判断した場合に、ＰＶパワーコンディショナ４の出力を停止させ、復電と判断した場合に、出力を再開させることにより、停電状態のときにＰＶパワーコンディショナ４から交流電力が出力されるのを防止している。停電及び復電の判断は、共通ライン６に供給される電圧に基づいて行われ、出力の停止は、チョッパ回路及びインバータ回路のスイッチング動作を停止させることにより行われる。つまり、ＰＶパワーコンディショナ４は、自律的に系統保護制御を行うことができる。

＜蓄電池１０＞
蓄電池１０は、直流電力を入出力することにより、充電及び放電が行われる二次電池であり、例えば、リチウムイオン電池を用いることができる。蓄電池１０に蓄積された電力は、双方向インバータ回路１１のＤＣ端子１２に供給される。なお、蓄電池１０は、系統連系装置１に内蔵されているものに限定されず、外部接続されるものであってもよい。

＜双方向インバータ回路１１＞
双方向インバータ回路１１は、蓄電池１０が接続されるＤＣ端子１２と、系統電源２が接続されるＡＣ端子１３とを有し、ＤＣ端子１２及びＡＣ端子１３間において双方向の電力変換を行う電力変換装置である。蓄電池１０の充電時には、ＡＣ端子１３に入力された交流電力が、双方向インバータ回路１１により直流電力に変換され、ＤＣ端子１２から出力される。一方、蓄電池１０の放電時には、ＤＣ端子１２に入力された直流電力が、双方向インバータ回路１１により交流電力に変換され、ＡＣ端子１３から出力される。

例えば、双方向インバータ回路１１は、スイッチング回路、ＡＣフィルタ及び変圧器（いずれも不図示）により構成される。スイッチング回路は、半導体スイッチング素子、例えば、ＦＥＴ（電界効果トランジスタ）からなり、ＡＣ端子１３の電圧が一定となるようにスイッチング動作を行っている。また、連系制御部１５から入力されるゲート駆動信号に基づいて、スイッチング動作を停止させる。ＡＣフィルタは、スイッチング回路の交流出力を波形整形し、低ひずみの交流電圧を得るための回路素子である。変圧器は、系統電源２と絶縁するとともに、ＡＣフィルタの交流出力を昇圧するための回路素子である。なお、双方向インバータ回路１１は、連系制御部１５がゲート駆動信号の出力を停止することにより、動作を停止する。

＜ＳＷ２１〜２３＞
連系切替ＳＷ２３は、連系運転と自立運転とを切り替えるための切替スイッチであり、負荷３及びＰＶパワーコンディショナ４を、系統電源側又はＡＣ端子１３側のいずれかに選択的に接続する。具体的には、負荷３及びＰＶパワーコンディショナ４に接続された共通端子ｓ０を連系運転端子ｓ１又は自立運転端子ｓ２のいずれかに選択的に接続する。連系運転端子ｓ１は、連系運転時に選択される端子であり、系統端子１６及び系統ＳＷ２１に接続されている。一方、自立運転端子ｓ２は、自立運転時に選択される端子であり、自立ＳＷ２２に接続されている。

つまり、連系切替ＳＷ２３が連系運転端子ｓ１側に接続される連系運転時に、系統ＳＷ２１をオンさせれば、双方向インバータ回路１１、系統電源２、負荷３及びＰＶパワーコンディショナ４を互いに接続することができる。一方、連系切替ＳＷ２３が自立運転端子ｓ２側に接続される自立運転時に、系統ＳＷ２１をオフし、自立ＳＷ２２をオンさせれば、系統電源２を切り離した状態で、双方向インバータ回路１１、負荷３及びＰＶパワーコンディショナ４を互いに接続することができる。

系統ＳＷ２１は、双方向インバータ回路１１を系統電源２から切り離すためのスイッチであり、ＡＣ端子１３と系統電源２とを、導通可能に接続している。すなわち、系統ＳＷ２１は、系統端子１６と、双方向インバータ回路１１のＡＣ端子１３とを導通可能に接続している。連系運転時には、連系切替ＳＷ２３を介して、負荷３及びＰＶパワーコンディショナ４が系統電源２に接続されている。この状態において、系統ＳＷ２１をオフさせれば、系統電源２に対し、ＰＶパワーコンディショナ４が接続され、双方向インバータ回路１１は接続されていない状態となり、太陽電池５による発電電力の売電が可能になる。

自立ＳＷ２２は、自立運転時に双方向インバータ回路１１を負荷３及びＰＶパワーコンディショナ４に接続するためのスイッチであり、ＡＣ端子１３と負荷２及びＰＶパワーコンディショナ４とを、導通可能に接続している。すなわち、自立ＳＷ２２は、連系切替ＳＷ２３の自立運転端子ｓ２と、双方向インバータ回路１１のＡＣ端子１３とを導通可能に接続している。このため、停電を検知すると自立ＳＷ２２をオンさせて、双方向インバータ回路１１を負荷３及びＰＶパワーコンディショナ４と接続し、停電中にも継続して負荷３に電力を供給することができる。例えば、系統ＳＷ２１、自立ＳＷ２２及び連系切替ＳＷ２３は、電磁石を用いて電気接点を開閉する電磁リレーからなる。

＜電圧計１４＞
電圧計１４は、系統電源２の電圧を計測する系統電圧計測手段であり、その計測結果は連系制御部１５へ出力される。この電圧計１４は、系統ＳＷ２１と系統端子１６との間に配置されているため、ＳＷ２１〜２３の動作状態にかかわらず、系統電源２の電圧波形を正しく計測することができる。

＜連系制御部１５＞
連系制御部１５は、電圧計１４による系統電圧の計測結果に基づいて、系統電源２の停電及び復電を検知し、双方向インバータ回路１１及びＳＷ２１〜２３を制御することにより、連系運転状態、自立運転状態、自立停止状態及び発電装置連系運転状態を切り替える。

停電は、系統電源２の電圧レベルが一定値よりも低下した状態が一定時間以上継続することであり、系統電源２における瞬間的な電圧低下は、停電とは異なる。また、復電は、系統電源２の電圧レベルが停電前の状態に概ね復帰することである。

連系運転状態は、ＳＷ２１〜２３を連系接続とし、かつ、双方向インバータ回路１１及びＰＶパワーコンディショナ４を駆動させた運転状態である。連系接続は、系統ＳＷ２１をオンにして自立ＳＷ２２をオフにするとともに、連系切替ＳＷ２３を系統電源２側に接続した接続状態である。すなわち、連系接続では、連系切替ＳＷ２３が連系運転端子ｓ１側に切り替えられ、系統電源２をＡＣ端子１３に接続することにより、系統電源２、負荷３、ＰＶパワーコンディショナ４及び双方向インバータ回路１１が共通ライン６上で互いに接続されている。

自立運転状態は、ＳＷ２１〜２３を自立接続とし、かつ、双方向インバータ回路１１及びＰＶパワーコンディショナ４を駆動させた運転状態である。自立接続は、系統ＳＷ２１をオフにして自立ＳＷ２２をオンにするとともに、連系切替ＳＷ２３をＡＣ端子１３側に接続した接続状態である。すなわち、自立接続では、連系切替ＳＷ２３が自立運転端子ｓ２側に切り替えられ、系統電源２をＡＣ端子１３から切り離すことにより、蓄電池１０及びＰＶパワーコンディショナ４から供給される電力が系統電源２に逆潮流するのを防止しつつ、負荷３、ＰＶパワーコンディショナ４及び双方向インバータ回路１１が共通ライン６上で互いに接続されている。

自立停止状態は、ＳＷ２１及び２２をオフにし、かつ、双方向インバータ回路１１及びＰＶパワーコンディショナ４を停止させた状態である。すなわち、自立停止状態では、負荷３及びＰＶパワーコンディショナ４が系統電源２から切り離されるとともに、ＰＶパワーコンディショナ４及び双方向インバータ回路１１の動作が停止している。

発電装置連系運転状態は、ＳＷ２１及び２２をオフにするとともに、連系切替ＳＷ２３を系統電源２側に接続し、かつ、ＰＶパワーコンディショナ４を駆動させた運転状態である。発電装置連系運転状態では、負荷２及びＰＶパワーコンディショナ４を系統電源２に接続したままで、蓄電池１０が系統電源２から切り離されるので、太陽電池５によって発電された電力を電力会社に販売することが可能になる。

連系制御部１５は、連系運転状態から自立運転状態への移行時に、ＰＶパワーコンディショナ４の動作を停止させた後、蓄電池１０から負荷３への電力供給を再開し、その後、ＰＶパワーコンディショナ４の出力を再開させる。

図２は、図１の系統連系装置１の動作の一例を示した図であり、連系運転状態、自立運転状態、自立停止状態及び発電装置連系運転状態における系統ＳＷ２１、自立ＳＷ２２、連系切替ＳＷ２３、双方向インバータ回路１１及びＰＶパワーコンディショナ４の動作状態がそれぞれ示されている。

系統ＳＷ２１は、連系運転状態においてオン状態であり、自立運転状態、自立停止状態及び発電装置連系運転状態においてオフ状態である。自立ＳＷ２２は、自立運転状態においてオン状態であり、連系運転状態、自立停止状態及び発電装置連系運転状態においてオフ状態である。連系切替ＳＷ２３は、連系運転状態及び発電装置連系運転状態において系統側、すなわち、連系運転端子ｓ１側であり、自立運転状態においてインバータ側、すなわち、自立運転端子ｓ２側である。

また、連系切替ＳＷ２３は、自立停止状態において不定であり、直前の運転状態における接続状態が維持される。例えば、停電を検知して連系運転状態から自立停止状態に移行する場合は、系統側である。また、自立運転中に何らかの異常等が生じて自立停止状態に移行する場合は、インバータ側である。また、復電を検知して自立運転状態から自立停止状態に移行する場合は、系統側である。

双方向インバータ回路１１及びＰＶパワーコンディショナ４は、いずれも連系運転状態及び自立運転状態において稼動状態であり、自立停止状態において停止状態である。また、発電装置連系運転状態において、双方向インバータ回路１１は停止状態であり、ＰＶパワーコンディショナ４は稼動状態である。

連系制御部１５は、系統電源２の停電及び復電を検知して連系運転状態又は自立運転状態のいずれかに動作状態を切り替える。このため、停電前や復電後の連系運転時には、系統電源２又はＰＶパワーコンディショナ４から供給される電力を利用して蓄電池１０を充電し、或いは、蓄電池１０、系統電源２又はＰＶパワーコンディショナ４から供給される電力を利用して負荷３を駆動することができる。

また、停電後から復電までの自立運転時には、蓄電池１０やＰＶパワーコンディショナ４から供給される電力が系統電源２に逆潮流するのを防止しつつ、ＰＶパワーコンディショナ４から供給される電力を利用して蓄電池１０を充電し、或いは、ＰＶパワーコンディショナ４又は蓄電池１０から供給される電力を利用して負荷３を駆動することができる。

また、連系制御部１５は、連系運転中に、ユーザ操作に基づいて、発電装置連系運転状態に切り替える。この発電装置連系運転状態では、負荷３及びＰＶパワーコンディショナ４を系統電源２に接続したままで、蓄電池１０が系統電源２から切り離されるので、太陽電池５によって発電された電力を電力会社に販売することができる。

また、連系制御部１５は、連系運転状態、自立運転状態及び発電装置連系運転状態間で運転状態を切り替える場合に、自立停止状態を運転状態の切替の間に設ける。すなわち、連系運転状態、自立運転状態及び発電装置連系運転状態間で運転状態を切り替える場合は、自立停止状態を経由して行われる。このため、双方向インバータ回路１１及びＰＶパワーコンディショナ４を一旦停止させることができる。つまり、停電時や復電時などに運転状態を切り替える場合、系統電源２との共通ライン６に接続された装置は停止させなければならないという電力会社の要求を満たすことができる。

＜連系制御部１５＞
図３は、図１の連系制御部１５の構成例を示したブロック図である。この連系制御部１５は、系統状態判別部１５１、ＳＷ切替部１５２及びインバータ制御部１５３により構成される。系統状態判別部１５１は、電圧計１４によって計測された系統電圧に基づいて、系統電源２の停電及び復電を判別し、その判別結果をＳＷ切替部１５２及びインバータ制御部１５３へ出力する。

ＳＷ切替部１５２は、系統状態判別部１５１の判別結果に基づいて、ＳＷ２１〜２３を切り替えることにより、連系運転状態、自立運転状態、自立停止状態又は発電装置連系運転状態のいずれかに動作状態を切替制御する。インバータ制御部１５３は、系統状態判別部１５１の判別結果に基づいて、ゲート駆動信号を生成し、双方向インバータ回路１１へ出力する。このインバータ制御部１５３は、連系運転状態から自立運転状態への移行時に、ゲート駆動信号の出力を停止することによって蓄電池１０からＰＶパワーコンディショナ４への電力供給を遮断し、その後、一定時間が経過すれば、ゲート駆動信号の出力を再開することによって蓄電池１０からＰＶパワーコンディショナ４への電力供給を再開させる。

また、インバータ制御部１５３は、自立運転状態から連系運転状態への移行時に、或いは、連系運転状態から自立運転状態への移行時に、ゲート駆動信号の出力を停止することによって双方向インバータ回路１１を一旦停止させ、その後、一定時間が経過すれば、ゲート駆動信号の出力を再開することによって双方向インバータ回路１１の出力を再開させる。

図４は、図１の系統電源２、双方向インバータ回路１１、ＳＷ２１〜２３及びＰＶパワーコンディショナ４の動作の一例を示したタイミングチャートである。この図には、系統電源２の停電時や復電時における系統連系装置１の動作が示されている。

連系運転状態では、系統ＳＷ２１はオン、自立ＳＷ２２はオフ、連系切替ＳＷ２３は連系運転端子ｓ１側にあり、双方向インバータ回路１１とＰＶパワーコンディショナ４は稼動状態になっている。

時刻ｔ_１において系統電源２が非停電状態から停電状態へ移行すれば、共通ライン６の電圧が低下するため、ＰＶパワーコンディショナ４は停電状態と判断し、ＰＶパワーコンディショナ４を停止状態にする。また、連系制御部１５は、系統電源２の停電を検知し、ゲート駆動信号を停止して双方向インバータ回路１１の動作を停止させ（時刻ｔ_２）、自立停止状態にする。このように、ＰＶパワーコンディショナ４と双方向インバータ回路１１の両方をを停止させ、系統電源２への電力の逆潮流を防止することができる。

連系制御部１５は、その後の時刻ｔ_３において、系統ＳＷ２１をオフに切り替え、時刻ｔ_４において双方向インバータ回路１１の動作を再開させた後、双方向インバータ回路１１の出力が安定する時刻ｔ_５において、自立ＳＷ２２をオン状態に切り替えるとともに、連系切替ＳＷ２３をインバータ側に切り替える。つまり、時刻ｔ_５において、蓄電池１０のエネルギーが双方向インバータ回路１１で交流電力に変換されて負荷３に供給され、負荷３の駆動が再開される。

双方向インバータ回路１１の動作を再開させてから自立ＳＷ２２及び連系切替ＳＷ２３を切り替えることにより、双方向インバータ回路１１の交流出力が安定するのに要する時間を確保することができる。

ＰＶパワーコンディショナ４は、時刻ｔ_５における連系切替ＳＷ２３の切替によって蓄電池１０からの電力供給が再開されたことにより、共通ライン６に電圧が発生するため、復電と判断し、時刻ｔ_６において出力を再開する。この時点で自立運転状態が開始する。

自立運転状態では、ＰＶパワーコンディショナ４及び蓄電池１０から負荷３に電力が供給され、或いは、ＰＶパワーコンディショナ４の余剰電力によって蓄電池１０が充電される。このように、蓄電池１０は、停電発生から自立運転状態になる前のＰＶパワーコンディショナ４が出力を再開するまでの短時間にだけ、単独で負荷３に電力を供給できればよく、自立運転状態ではＰＶパワーコンディショナ４によって充電されるので、蓄電池１０の容量は小さくても良く、装置全体を小型で安価にすることができる。

一方、時刻ｔ_７において系統電源２が停電状態から非停電状態へ移行すれば、連系制御部１５は、系統電源２の復電を検知し、ゲート駆動信号を停止して双方向インバータ回路１１の動作を停止させる（時刻ｔ_８）。この時点で系統ＳＷ２１はオフ、自立ＳＷ２２はオン、連系切替ＳＷ２３はインバータ側にあるため、双方向インバータ回路１１が停止状態になると、系統電源２は切り離された状態になっている。したがって、負荷３への電力供給源はＰＶパワーコンディショナ４だけになり、共通ライン６に供給される電圧を検出できなくなり、ＰＶパワーコンディショナ４は、再び停電状態になったと判断し、停止状態にする。このようにして、復電した際にも一時的に自立停止状態になる。

連系制御部１５は、時刻ｔ_９において、自立ＳＷ２２をオフに切り替えるとともに、連系切替ＳＷ２３を系統側に切り替え、その後の時刻ｔ_１０において双方向インバータ回路１１の動作を再開させてから、双方向インバータ回路１１の出力が安定した時刻ｔ_１１において系統ＳＷ２１をオンに切り替える。このように、双方向インバータ回路１１の動作が停止した後、自立ＳＷ２２及び連系切替ＳＷ２３を切り替えることにより、共通ライン６における電圧レベルを速やかに低下させ、ＰＶパワーコンディショナ４を確実に停止させることができる。

また、双方向インバータ回路１１の動作を再開させてから系統ＳＷ２１をオンすることにより、双方向インバータ回路１１の交流出力が安定するのに要する時間を確保することができる。

ＰＶパワーコンディショナ４は、時刻ｔ_１１における系統ＳＷ２１の切替によって蓄電池１０からの電力供給が再開されたことにより、共通ライン６の電圧レベルが上昇し、これによって復電と判断し、時刻ｔ_１２において出力を再開する。この時点で連系運転状態が開始する。このように、連系運転状態と自立運転状態との移行時には、必ずＰＶパワーコンディショナ４の停止を行うため、ＰＶパワーコンディショナ４と双方向インバータ回路１１を一時的に停止するようにして、系統電源２への逆潮流を確実に防止している。

図５のステップＳ１０１〜Ｓ１０９は、図１の系統連系装置１における連系運転時の動作の一例を示したフローチャートである。まず、ＰＶパワーコンディショナ４は、共通ライン６上の電圧の有無を検出し（ステップＳ１０１）、一定レベル以上の電圧が検出されなくなると停電と判断し、出力を停止する（ステップＳ１０２，Ｓ１０３）。

また、連系制御部１５は、電圧計１４により系統電源２の電圧を計測し、停電及び復電を判別する。このとき、停電が検知されれば、連系制御部１５は、ゲート駆動信号を停止して双方向インバータ回路１１を停止させ、系統ＳＷ２１をオフする（ステップＳ１０４，Ｓ１０５）。この時点で連系運転状態は終了して自立停止状態となる。

次に、連系制御部１５は、双方向インバータ回路１１を起動させ、自立ＳＷ２２をオンしてから連系切替ＳＷ２３をインバータ側へ切り替える（ステップＳ１０６〜Ｓ１０８）。この時点では、蓄電池１０の電力のみで負荷３が駆動される。ＰＶパワーコンディショナ４は、連系切替ＳＷ２３の切替によって蓄電池１０からの電力供給が再開されたことにより、共通ライン６の電圧レベルが上昇し、これによって、復電と判断し、出力を再開する。この時点で自立運転状態が開始する（ステップＳ１０９）。

図６のステップＳ２０１〜Ｓ２０９は、図１の系統連系装置１における自立運転時の動作の一例を示したフローチャートである。まず、連系制御部１５は、電圧計１４により系統電源２の電圧を計測し、停電及び復電を判別する（ステップＳ２０１，Ｓ２０２）。このとき、非停電状態であると判別されれば、連系制御部１５は、ゲート駆動信号を停止して双方向インバータ回路１１を停止させる（ステップＳ２０３）。

次に、ＰＶパワーコンディショナ４は、共通ライン６上の電圧の有無を検出し（ステップＳ２０４）、一定レベル以上の電圧が検出されなくなると、停電と判断して出力を停止する（ステップＳ２０５）。この時点で自立運転状態は終了し、自立停止状態となる。次に、連系制御部１５は、自立ＳＷ２２をオフするとともに、連系切替ＳＷ２３を系統側に切り替える（ステップＳ２０６）。

次に、連系制御部１５は、双方向インバータ回路１１を起動させ、系統ＳＷ２１をオンする（ステップＳ２０７，Ｓ２０８）。ＰＶパワーコンディショナ４は、系統ＳＷ２１の切替によって系統電源２からの電力供給が再開されたことにより、共通ライン６の電圧レベルが上昇し、これによって、復電と判断して出力を再開する（ステップＳ２０９）。この時点で連系運転状態が開始する。

本実施の形態によれば、停電前又は復電後の連系運転時には、蓄電池１０を充電しつつ、系統電源２及び太陽電池５から負荷３へ電力を供給することができる。また、停電から復電までの自立運転時には、太陽電池５及び蓄電池１０の電力が系統電源２に逆潮流するのを防止しつつ、太陽電池５及び蓄電池１０から負荷３へ電力を供給することができる。また、自立運転中であっても、太陽電池５の発電電力を利用して蓄電池１０を充電することができる。

また、蓄電池１０及びＰＶパワーコンディショナ４を双方向インバータ回路１１を介して共通ライン６上で接続することにより、蓄電池１０の出力とは区別して、太陽電池５の出力のみを交流電力として計測することができる。このため、太陽電池５によって発電された電力を電力会社に販売することが可能になる。

具体的には、連系切替ＳＷ２３を連系運転端子ｓ１側に接続し、系統ＳＷ２１と自立ＳＷ２２をオフにすると、双方向インバータ回路１１と蓄電池１０が共通ライン６から切り離され、系統電源２と、ＰＶパワーコンディショナ４及び太陽電池５からなる発電装置と負荷３との発電装置連系状態になる。この状態では、一般家庭に普及している所謂連系状態と同じ構成となっている。そのため、共通ライン６に出力される電力は、蓄電池１０とは全く無関係な、明確に太陽電池５とＰＶパワーコンディショナ４で生成された発電電力と認知される。

電力会社では、蓄電池に蓄電した電力を系統電源２に逆潮流することを禁止しているため、一般に蓄電池を備えたタイプの系統連系装置からの売電は認められていない。これは、電気料金の安い夜間に、系統電源２から蓄電池１０に蓄電し、昼間に蓄電池１０から系統電源２に売電するのは不合理であるという理由によるものである。しかし本発明によれば、蓄電池１０を備えているにも係わらず、蓄電池１０をシステムから切り離すことができるため、共通ライン６上に発電のメーターを取り付ければ、正当に売電することができる。

なお、本実施の形態では、発電装置がＰＶパワーコンディショナ４及び太陽電池５からなる場合の例について説明したが、本発明は発電装置をこれに限定するものではない。例えば、電気化学反応を利用して継続的に電力を取り出すことができる燃料電池から電力の供給を受ける系統連系装置にも本発明は適用することができる。或いは、風力や水力を利用して発電する発電装置から電力の供給を受けるような構成であっても良い。

また、本実施の形態では、連系運転状態から自立運転状態への移行時に、双方向インバータ回路１１の動作を一時的に停止させる場合の例について説明したが、本発明は、停電検知時の連系制御をこれに限定するものではない。例えば、系統電源２の停電を検知した後、双方向インバータ回路１１の稼動状態を維持しつつ、系統ＳＷ２１を速やかにオフ状態に切り替え、一定時間が経過してから自立ＳＷ２２及び連系切替ＳＷ２３を切り替えるような構成であっても良い。

１系統連系装置
２系統電源
３負荷
４ＰＶパワーコンディショナ
５太陽電池
６共通ライン
１０蓄電池
１１双方向インバータ回路
１２ＤＣ端子
１３ＡＣ端子
１４電圧計
１５連系制御部
１６系統端子
２１系統ＳＷ
２２自立ＳＷ
２３連系切替ＳＷ

Claims

蓄電池が接続されるＤＣ端子及び系統電源が接続されるＡＣ端子を有し、上記ＤＣ端子及び上記ＡＣ端子間において双方向の電力変換を行う双方向インバータ回路と、
上記ＡＣ端子を含む共通ラインに、上記系統電源と並列にそれぞれ接続された負荷及び発電装置と、
上記系統電源の電圧を計測する系統電圧計測手段と、
上記ＡＣ端子と上記系統電源とを、導通可能に接続する系統スイッチと、
上記負荷及び上記発電装置を、上記系統電源側又は上記ＡＣ端子側のいずれかに選択的に接続する連系切替スイッチと、
上記系統電圧計測手段の計測結果に基づいて、上記系統電源の停電及び復電を検知し、当該検知結果に基づいて、上記双方向インバータ回路を停止又は起動させるとともに、上記系統スイッチ及び上記連系切替スイッチを制御する連系制御手段とを備え、
上記発電装置は、上記共通ラインに供給される電圧に基づいて停電及び復電を判断し、停電の判断後に出力を停止し、復電の判断後に出力を再開し、
上記連系制御手段は、上記系統スイッチを導通状態にするとともに、上記連系切替スイッチを上記系統電源側に接続した連系接続とし、かつ、上記双方向インバータ回路及び上記発電装置を駆動させた連系運転状態と、
上記系統スイッチを非導通状態にするとともに、上記連系切替スイッチを上記ＡＣ端子側に接続した自立接続とし、かつ、上記双方向インバータ回路及び上記発電装置を駆動させた自立運転状態とを切り替え、
上記連系運転状態及び上記自立運転状態間で運転状態を切り替える場合に、上記双方向インバータ回路を停止させた自立停止状態を運転状態の切り替えの間に設け、
上記自立停止状態から上記連系運転状態への切り替えは、上記双方向インバータ回路の動作を再開させてから上記系統スイッチを導通状態にすることにより行われ、
上記自立停止状態から上記自立運転状態への切り替えは、上記双方向インバータ回路の動作を再開させてから上記連系切替スイッチを切り替えることにより行われることを特徴とする系統連系装置。
上記連系制御手段は、上記系統スイッチを非導通状態にするとともに、上記連系切替スイッチを上記系統電源側に接続した発電装置連系接続とし、かつ、上記発電装置を駆動させた発電装置連系運転状態に切り替えることを特徴とする請求項１に記載の系統連系装置。