JP6660617B2 - 電力変換システムおよび電力変換装置 - Google Patents

電力変換システムおよび電力変換装置 Download PDF

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Description

本発明は、蓄電装置の充放電を行う電力変換装置、および、それを備えた電力変換システムに関する。
DC/DCコンバータ、インバータおよび双方向DC/DCコンバータが直流バスに接続された電力変換システムが知られている(例えば、特許文献1参照)。DC/DCコンバータは、太陽電池で発電された直流電圧を昇圧して直流バスに出力する。双方向インバータは、直流バスの直流電力を交流電力に変換して商用電力系統(以下、単に電力系統という)に出力する。太陽電池の出力電力が増加した場合には、双方向DC/DCコンバータは、直流バスの直流電力を所望の直流電力に変換して蓄電装置を充電する。太陽電池の出力電力が減少した場合には、双方向DC/DCコンバータは、蓄電装置の直流電力を所望の直流電力に変換して直流バスに出力する。
特開2015−6117号公報
このような電力変換システムでは、DC/DCコンバータ、双方向インバータおよび双方向DC/DCコンバータが一体に構成されているため、システム構成を変更することは困難である。
本発明はこうした状況に鑑みてなされたものであり、その目的は、電力変換システムの構成を容易に変更できる技術を提供することにある。
上記課題を解決するために、本発明のある態様の電力変換システムは、太陽電池から出力される直流電圧を異なる値の直流電圧に変換してバスに出力する第1電圧変換回路と、バスの直流電力を交流電力に変換し、当該交流電力を電力系統へ供給するインバータと、を有する第1電力変換装置と、蓄電装置から出力される直流電圧を異なる値の直流電圧に変換してバスに出力すること、及び、バスの直流電圧を異なる値の直流電圧に変換して蓄電装置に充電することが可能な第2電圧変換回路と、第2電圧変換回路を制御する制御部と、を有する第2電力変換装置と、バスに接続されたコンデンサと、コンデンサに蓄えられた電力を消費する電力消費部と、を備える。第2電力変換装置の制御部は、バスの電圧が所定の閾値より低くなった場合に異常を検知する。
本発明の別の態様は、電力変換装置である。この装置は、太陽電池から出力される直流電圧を異なる値の直流電圧に変換してコンデンサが接続されたバスに出力する第1電圧変換回路と、バスの直流電力を交流電力に変換し、当該交流電力を電力系統へ供給するインバータと、を有する電力変換装置に接続される電力変換装置であって、蓄電装置から出力される直流電圧を異なる値の直流電圧に変換してバスに出力すること、及び、バスの直流電圧を異なる値の直流電圧に変換して蓄電装置に充電することが可能な第2電圧変換回路と、第2電圧変換回路を制御する制御部と、を備える。制御部は、コンデンサに蓄えられた電力が電力消費部により消費されて、バスの電圧が所定の閾値より低くなった場合に、異常を検知する。
本発明によれば、電力変換システムの構成を容易に変更できる。
一実施形態に係る電力変換システムの構成を概略的に示す図である。 図1の双方向DC/ACインバータの構成を概略的に示す回路図である。
図1は、一実施形態に係る電力変換システム1の構成を概略的に示す図である。電力変換システム1は、太陽電池10と、第1電力変換装置20と、中間バス40と、ブレーカ50と、蓄電装置60と、ブレーカ62と、第2電力変換装置70と、を備える。
太陽電池10は、光起電力効果を利用し、光エネルギーを直接電力に変換する発電装置である。太陽電池10として、シリコン太陽電池、化合物半導体などを素材にした太陽電池、色素増感型(有機太陽電池)等が使用される。
第1電力変換装置20は、太陽電池用パワーコンディショナとも称され、太陽電池10の発電電力を交流電力に変換する。第1電力変換装置20は、DC/DCコンバータ(第1電圧変換回路)22と、双方向DC/ACインバータ24と、リレー26,28と、ダイオードD10と、整流部30と、電源部32と、制御部34とを有する。
DC/DCコンバータ22は、太陽電池10から出力される直流電圧を異なる値の直流電圧に変換して中間バス40に出力する。具体的にはDC/DCコンバータ22は、太陽電池10の直流電圧を昇圧する。
双方向DC/ACインバータ24は、中間バス40の直流電力を交流電力に変換し、当該交流電力を、リレー26とブレーカ50を介して電力系統52へ供給することが可能である。また、双方向DC/ACインバータ24は、ブレーカ50とリレー26を介して供給された電力系統52の交流電力を直流電力に変換し、当該直流電力を中間バス40に出力することが可能である。双方向DC/ACインバータ24のより詳しい構成は後述する。
リレー26は、制御部34により制御され、双方向DC/ACインバータ24とブレーカ50とを導通させるか否か切り替える。ブレーカ50は、ユーザなどにより操作され、リレー26と電力系統52とを導通させるか否か切り替える。ブレーカ50と電力系統52の間には、図示しない負荷が接続される。
双方向DC/ACインバータ24から出力される交流電力は、リレー28を介して自立負荷54にも供給される。リレー28は、制御部34により制御され、双方向DC/ACインバータ24と自立負荷54とを導通させるか否か切り替える。自立負荷54は、停電時などの必要な場合にユーザなどによって接続される。
ダイオードD10は、アノードが中間バス40に接続され、カソードが電源部32に接続されている。整流部30は、リレー26とブレーカ50との間に接続され、双方向DC/ACインバータ24または電力系統52から供給される交流電力を整流し、整流された電力を電源部32に供給する。
電源部32は、DC/DCコンバータを含み、ダイオードD10を介して供給される中間バス40の電力と整流部30から供給される電力とに基づいて電源用の電力を生成し、制御部34に供給する。
制御部34は、電源部32から供給された電力によって動作し、リレー26,28と、DC/DCコンバータ22と、双方向DC/ACインバータ24とを制御する。また、制御部34は、例えばRS−485規格またはTCP−IP規格に準拠した通信方式に従い通信線L1を介して第2電力変換装置70とシリアル通信し、第2電力変換装置70の動作を制御する。即ち、第1電力変換装置20はマスタ装置として機能し、第2電力変換装置70はスレーブ装置として機能する。
蓄電装置60は、電力を充放電可能であり、リチウムイオン蓄電池、ニッケル水素蓄電池、鉛蓄電池、電気二重層キャパシタ、リチウムイオンキャパシタ等を含む。蓄電装置60から出力される直流電力は、ブレーカ62を介して第2電力変換装置70に供給される。ブレーカ62は、ユーザなどにより操作され、蓄電装置60と第2電力変換装置70とを導通させるか否か切り替える。
第2電力変換装置70は、充放電ユニットとも称され、第1電力変換装置20の制御に従って蓄電装置60の充放電を行う。第2電力変換装置70は、中間バス40および通信線L1により第1電力変換装置20に接続されている。第2電力変換装置70は、リレー72と、双方向DC/DCコンバータ(第2電圧変換回路)74と、電源部76と、制御部78と、を有する。
リレー72は、ブレーカ62と双方向DC/DCコンバータ74との間に接続されており、制御部78により制御され、ブレーカ62と双方向DC/DCコンバータ74とを導通させるか否か切り替える。
双方向DC/DCコンバータ74は、蓄電装置60から出力される直流電圧を異なる値の直流電圧に変換して中間バス40に出力すること、及び、中間バス40の直流電圧を異なる値の直流電圧に変換して蓄電装置60に充電することが可能である。具体的には双方向DC/DCコンバータ74は、蓄電装置60の電圧を昇圧し、中間バス40の電圧を降圧する。
電源部76は、DC/DCコンバータを含み、ブレーカ62を介して供給された蓄電装置60の電力に基づいて電源用の電力を生成し、制御部78に供給する。制御部78は、電源部76から供給された電力によって動作し、通信線L1を介した制御部34の制御に基づいてリレー72と双方向DC/DCコンバータ74を制御する。制御部78は、中間バス40の電圧が所定の閾値より低くなった場合に、異常を検知し、双方向DC/DCコンバータ74に、蓄電装置60から出力される直流電圧を異なる値の直流電圧に変換して中間バス40に出力させる。
制御部34,78のそれぞれの構成は、ハードウェア資源とソフトウェア資源の協働、またはハードウェア資源のみにより実現できる。ハードウェア資源としてアナログ素子、マイクロコンピュータ、DSP、ROM、RAM、FPGA、その他のLSIを利用できる。ソフトウェア資源としてファームウェア等のプログラムを利用できる。
図2は、図1の双方向DC/ACインバータ24の構成を概略的に示す回路図である。
双方向DC/ACインバータ24は、中間コンデンサC1と、電力消費部36と、スイッチング素子Q1〜Q4と、ダイオードD1〜D4と、フィルタF1とを有する。
中間コンデンサC1は、中間バス40と接地ライン42との間に接続され、中間バス40の電圧を安定化させる。接地ライン42は、図1では図示を省略している。
電力消費部36は、中間バス40と接地ライン42との間に接続され、中間コンデンサC1に蓄えられた電力を消費する。電力消費部36は、放電抵抗R1と、スイッチSW1とを有する。放電抵抗R1とスイッチSW1は、中間バス40と接地ライン42との間に直列に接続されている。スイッチSW1は、放電抵抗R1に中間コンデンサC1の電力を供給するか否か切り替える。スイッチSW1としては、例えば、リレーまたは各種トランジスタを用いることができる。
スイッチSW1は、電力系統52が通電している間、制御部34によりオフ状態に制御されている。スイッチSW1は、電力系統52が停電した場合に、制御部34によりターンオンされ、放電抵抗R1に中間コンデンサC1の電力を供給する。これにより、電力系統52の停電時に中間コンデンサC1の電力が消費され、電力系統52の通電時には中間コンデンサC1の電力が消費されないので、蓄電システム1の電力変換効率を高めることができる。電力消費部36と中間コンデンサC1は、双方向DC/ACインバータ24の外部に設けられてもよい。
スイッチング素子Q1〜Q4は、例えばIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor:絶縁ゲートバイポーラトランジスタ)であり、中間バス40と接地ライン42との間にブリッジ接続されている。スイッチング素子Q1〜Q4は、制御部34の制御に従ってスイッチング動作する。スイッチング素子Q1〜Q4には、それぞれ対応するダイオードD1〜D4が逆並列に接続されている。スイッチング素子Q1〜Q4から出力される交流電力は、フィルタF1によって波形整形されてリレー26,28に供給される。
以上のように第1電力変換装置20と第2電力変換装置70は別々に構成されているため、初期導入時には蓄電装置60とブレーカ62と第2電力変換装置70とを設けずに、太陽光発電用途で第1電力変換装置20を単体で動作させることができる。この場合、初期導入費用を低減できる。
そして、設置済みの第1電力変換装置20に対して、所望の時期に第2電力変換装置70を後付けすることができる。第1電力変換装置20と第2電力変換装置70は、中間バス40および通信線L1によって接続されるので、接続が容易である。従って、設置工事を容易に行うことができる。第1電力変換装置20と第2電力変換装置70を接続することにより、電力変換システム1は、いわゆる創蓄パワーコンディショナとして機能する。
次に、電力変換システム1の動作を説明する。太陽電池10が発電している場合、DC/DCコンバータ22は、太陽電池10で発電された直流電圧を昇圧して直流バス40に出力する。双方向DC/ACインバータ24は、直流バス40の直流電力を交流電力に変換して電力系統52に出力する。
太陽電池10の発電電力が比較的大きい場合、双方向DC/DCコンバータ74は、直流バス40の直流電力に基づいて蓄電装置60を充電することもできる。太陽電池10の発電電力が比較的小さい場合、または、太陽電池10が発電していない場合、双方向DC/DCコンバータ74は、蓄電装置60の直流電力を変換して直流バス40に出力することもできる。
また、自立運転時には、リレー26がオフ状態に制御され、リレー28がオン状態に制御され、双方向DC/ACインバータ24は、交流電力を自立負荷54に出力する。
また、太陽電池10が発電しておらず、蓄電装置60を充電する場合、双方向DC/ACインバータ24は、電力系統52の交流電力を直流電力に変換して直流バス40に出力する。双方向DC/DCコンバータ74は、直流バス40の直流電力を用いて蓄電装置60を充電する。
これらの動作は、第1電力変換装置20では制御部34の制御に従って行われ、第2電力変換装置70では制御部34の制御に基づく制御部78の制御に従って行われる。
ここで、第2電力変換装置70が待機中であって蓄電装置60が中間バス40に放電しておらず、夜間などで太陽電池10が発電できない場合を想定する。この場合、双方向DC/ACインバータ24は動作していないが、リレー26はオン状態に制御されている。リレー26のオン/オフの切り替え時の音を可能な限り抑制するためである。そのため、電力系統52の交流電力により、図2に示す双方向DC/ACインバータ24のダイオードD1〜D4を介して中間バス40に電力が供給され、中間コンデンサC1が充電される。制御部34は、電力系統52の交流電力と中間バス40の直流電力に基づいて動作する。
この状態で電力系統52が停電した場合、停電を検知した制御部34は、リレー26をターンオフさせ、電力消費部36のスイッチSW1をターンオンさせる。これにより、中間コンデンサC1の電力は放電抵抗R1で消費される。電力系統52から双方向DC/ACインバータ24のダイオードD1〜D4を介して中間バス40に供給される電力は無く、中間コンデンサC1の電力も無く、整流部30から出力される電力も無いため、第1電力変換装置20の制御部34への電力供給が無くなる。そのため、制御部34は、動作を停止し、第2電力変換装置70に放電指示を出せない。なお、制御部34は、停電を検知した直後に通信線L1を介して第2電力変換装置70に放電指示を出すことは困難である。RS−485規格で通信を行うには、停電から制御部34への電力供給が無くなるまでの時間が短すぎるためである。
このとき第2電力変換装置70の制御部78は、電力系統52の停電とは無関係に、蓄電装置60の電力に基づいて動作を続けており、中間バス40の電圧が所定の閾値より低くなったことで異常を検知する。そして制御部78は、DC/DCコンバータ74に、蓄電装置60から出力される直流電圧を異なる値の直流電圧に変換して中間バス40に出力させる。そのため、中間バス40の電力に基づいて、第1電力変換装置20の制御部34が動作を再開して、第1電力変換装置20を待機状態にする。この後、自立運転を指示するユーザの操作に応じて、制御部34は、リレー28をターンオンさせる。双方向DC/ACインバータ24は、蓄電装置60の電力に基づく中間バス40の電力を交流電力に変換し、当該交流電力を、リレー28を介して自立負荷54に供給できる。
また、夜間などで太陽電池10が発電できず、第2電力変換装置70が電力系統52の交流電力に基づいて蓄電装置60を充電中に、電力系統52が停電した場合にも、同様に動作する。
このように本実施形態によれば、第1電力変換装置20と第2電力変換装置70は別々に構成されているため、初期導入時には第1電力変換装置20を設置し、その後、第1電力変換装置20に第2電力変換装置70を接続し、創蓄パワーコンディショナとしての蓄電システム1を構築できる。従って、電力変換システム1の構成を容易に変更できる。
また、第2電力変換装置70の制御部78は、中間バス40の電圧が閾値より低くなった場合に異常を検知するので、第1電力変換装置20と第2電力変換装置70が別々に構成されていても、停電を検知できる。従って、第2電力変換装置70は、第1電力変換装置20からの放電指示が無くとも、接続蓄電装置60の電力を第1電力変換装置20に供給して、停電に適切に対処できる。
以上、本発明について、実施形態をもとに説明した。この実施形態は例示であり、それらの各構成要素あるいは各処理プロセスの組合せにいろいろな変形例が可能なこと、また、そうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。
例えば、以上の実施形態では電力消費部36は第1電力変換装置20に設けられている一例について説明したが、これに替えて、または、これに加えて、電力消費部36が第2電力変換装置70に設けられていてもよい。この場合、第2電力変換装置70の電力消費部36のスイッチSW1に対しては、第1電力変換装置20の制御部34から論理信号が供給される。RS−485規格の通信ではなく、より高速な論理信号を用いるため、停電後、制御部34の動作が停止する前にスイッチSW1を制御可能である。この変形例では、設計の自由度を向上できる。
また、電力消費部36は、スイッチSW1を有さず、放電抵抗R1から構成されてもよい。この変形例では、構成および制御を簡素化できる。
なお、実施の形態は、以下の項目によって特定されてもよい。
[項目1]
太陽電池(10)から出力される直流電圧を異なる値の直流電圧に変換してバス(40)に出力する第1電圧変換回路(22)と、前記バス(40)の直流電力を交流電力に変換し、当該交流電力を電力系統(52)へ供給するインバータ(24)と、を有する第1電力変換装置(20)と、
蓄電装置(60)から出力される直流電圧を異なる値の直流電圧に変換して前記バス(40)に出力すること、及び、前記バス(40)の直流電圧を異なる値の直流電圧に変換して前記蓄電装置(60)に充電することが可能な第2電圧変換回路(74)と、前記第2電圧変換回路(74)を制御する制御部(78)と、を有する第2電力変換装置(70)と、
前記バス(40)に接続されたコンデンサ(C1)と、
前記コンデンサ(C1)に蓄えられた電力を消費する電力消費部(36)と、を備え、
前記第2電力変換装置(70)の前記制御部(78)は、前記バス(40)の電圧が所定の閾値より低くなった場合に異常を検知することを特徴とする電力変換システム(1)。
[項目2]
前記第2電力変換装置(70)の前記制御部(78)は、前記バス(40)の電圧が前記閾値より低くなった場合に、前記第2電圧変換回路(74)に、前記蓄電装置(60)から出力される直流電圧を異なる値の直流電圧に変換して前記バス(40)に出力させることを特徴とする項目1に記載の電力変換システム(1)。
[項目3]
前記電力消費部(36)は、
前記コンデンサ(C1)に蓄えられた電力を消費する放電抵抗(R1)と、
前記放電抵抗(R1)と直列に接続され、前記放電抵抗(R1)に前記コンデンサ(C1)の電力を供給するか否か切り替えるスイッチ(SW1)と、を有し、
前記スイッチ(SW1)は、前記電力系統(52)が停電した場合に、前記放電抵抗(R1)に前記コンデンサ(C1)の電力を供給することを特徴とする項目1または2に記載の電力変換システム(1)。
[項目4]
前記電力消費部(36)は、前記第1電力変換装置(20)に設けられていることを特徴とする項目1から3のいずれか1項に記載の電力変換システム(1)。
[項目5]
前記電力消費部(36)は、前記第2電力変換装置(70)に設けられていることを特徴とする項目1から3のいずれか1項に記載の電力変換システム(1)。
[項目6]
太陽電池(10)から出力される直流電圧を異なる値の直流電圧に変換してコンデンサ(C1)が接続されたバス(40)に出力する第1電圧変換回路(22)と、前記バス(40)の直流電力を交流電力に変換し、当該交流電力を電力系統(52)へ供給するインバータ(24)と、を有する電力変換装置(20)に接続される電力変換装置(70)であって、
蓄電装置(60)から出力される直流電圧を異なる値の直流電圧に変換して前記バス(40)に出力すること、及び、前記バス(40)の直流電圧を異なる値の直流電圧に変換して前記蓄電装置(60)に充電することが可能な第2電圧変換回路(74)と、
前記第2電圧変換回路(74)を制御する制御部(78)と、を備え、
前記制御部(78)は、前記コンデンサ(C1)に蓄えられた電力が電力消費部(36)により消費されて、前記バス(40)の電圧が所定の閾値より低くなった場合に、異常を検知することを特徴とする電力変換装置(70)。
1…電力変換システム、C1…中間コンデンサ、R1…放電抵抗、SW1…スイッチ、10…太陽電池、20…第1電力変換装置、22…DC/DCコンバータ(第1電圧変換回路)、24…双方向DC/ACインバータ、34…制御部、36…電力消費部、40…中間バス、52…電力系統、60…蓄電装置、70…第2電力変換装置、74…双方向DC/DCコンバータ(第2電圧変換回路)、78…制御部。

Claims (6)

  1. 太陽電池から出力される直流電圧を異なる値の直流電圧に変換してバスに出力する第1電圧変換回路と、前記バスの直流電力を交流電力に変換し、当該交流電力を電力系統へ供給するインバータと、を有する第1電力変換装置と、
    蓄電装置から出力される直流電圧を異なる値の直流電圧に変換して前記バスに出力すること、及び、前記バスの直流電圧を異なる値の直流電圧に変換して前記蓄電装置に充電することが可能な第2電圧変換回路と、前記第2電圧変換回路を制御する制御部と、を有する第2電力変換装置と、
    前記バスに接続されたコンデンサと、
    前記コンデンサに蓄えられた電力を消費する電力消費部と、を備え、
    前記第2電力変換装置の前記制御部は、前記バスの電圧が所定の閾値より低くなった場合に異常を検知することを特徴とする電力変換システム。
  2. 前記第2電力変換装置の前記制御部は、前記バスの電圧が前記閾値より低くなった場合に、前記第2電圧変換回路に、前記蓄電装置から出力される直流電圧を異なる値の直流電圧に変換して前記バスに出力させることを特徴とする請求項1に記載の電力変換システム。
  3. 前記電力消費部は、
    前記コンデンサに蓄えられた電力を消費する放電抵抗と、
    前記放電抵抗と直列に接続され、前記放電抵抗に前記コンデンサの電力を供給するか否か切り替えるスイッチと、を有し、
    前記スイッチは、前記電力系統が停電した場合に、前記放電抵抗に前記コンデンサの電力を供給することを特徴とする請求項1または2に記載の電力変換システム。
  4. 前記電力消費部は、前記第1電力変換装置に設けられていることを特徴とする請求項1から3のいずれか1項に記載の電力変換システム。
  5. 前記電力消費部は、前記第2電力変換装置に設けられていることを特徴とする請求項1から3のいずれか1項に記載の電力変換システム。
  6. 太陽電池から出力される直流電圧を異なる値の直流電圧に変換してコンデンサが接続されたバスに出力する第1電圧変換回路と、前記バスの直流電力を交流電力に変換し、当該交流電力を電力系統へ供給するインバータと、を有する電力変換装置に接続される電力変換装置であって、
    蓄電装置から出力される直流電圧を異なる値の直流電圧に変換して前記バスに出力すること、及び、前記バスの直流電圧を異なる値の直流電圧に変換して前記蓄電装置に充電することが可能な第2電圧変換回路と、
    前記第2電圧変換回路を制御する制御部と、を備え、
    前記制御部は、前記コンデンサに蓄えられた電力が電力消費部により消費されて、前記バスの電圧が所定の閾値より低くなった場合に、異常を検知することを特徴とする電力変換装置。
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