JP6766540B2 - 分散型電源システム - Google Patents
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Description
商用電力系統が事故で停電したときには、分散型電源は自ら、一定電圧一定周波数の交流電力を、自立出力として負荷に提供する。但し、その場合、100V負荷には100V、200V負荷には200Vを提供しなければならない。従って、系統連系時とは異なる回路構成が必要となる。
一表現による本開示は、単相3線式の交流電路に接続された分散型電源システムであって、単相3線の電圧線をU線及びW線、中性線をO線とするとき、第1直流電源及び、当該第1直流電源と前記交流電路との間に設けられた電力変換装置を含み、自立出力用の2線を有する単相の第1分散型電源と、第2直流電源及び、当該第2直流電源と前記交流電路との間に設けられた電力変換装置を含み、自立出力用の2線を有する単相の第2分散型電源と、前記第1分散型電源の前記2線を前記交流電路のU線及びO線に接続し、前記第2分散型電源の前記2線を前記交流電路のW線及びO線に接続する自立出力用電路と、前記第1分散型電源による自立出力の交流位相と、前記第2分散型電源による自立出力の交流位相とを、互いに反転させる制御部と、を備えている。
本発明の実施形態の要旨としては、少なくとも以下のものが含まれる。
この場合、一方の分散型電源は外部交流電源の電圧を出力し、他方の分散型電源は、同期した制御を行うための信号によって、一方の分散型電源の電圧と、絶対値を合わせ、かつ、位相を反転することができる。
この場合、直流電源が蓄電池である場合に、一方の分散型電源と他方の分散型電源とでそれぞれの蓄電池の残量が不均衡になるのを抑制し、その結果、蓄電池の放電能力を十分に発揮することができる。
この場合、外部交流電源の出力を無駄なく使用することができる。
以下、本発明の一実施形態に係る分散型電源システムについて、検討過程の説明も入れながら順を追って説明する。
図1は、直流電源として蓄電池を用いる分散型電源の回路構成の一例を示す図である。図において、この分散型電源ESは、電力変換装置1Bと、蓄電池2Bとによって構成されている。電力変換装置1Bは、蓄電池2Bと単相3線式の交流電路3との間に設けられている。なお、単相3線の電圧線はU線、W線、中性線はO線とする。
インバータ11は、フルブリッジ回路を構成するスイッチング素子Q3〜Q6を備えている。これらスイッチング素子Q3〜Q6は、例えば、MOSFETである。MOSFETの場合は、スイッチング素子Q3〜Q6がそれぞれ、ダイオード(ボディダイオード)d3〜d6を有している。
制御部30は例えば、CPU(Central Processing Unit)を含み、ソフトウェア(コンピュータプログラム)をCPUが実行することで、必要な制御機能を実現する。ソフトウェアは、制御部30の記憶装置(図示せず。)に格納される。
また、交流から直流へ、逆方向への電力変換を行えば、商用電力系統の電力により、蓄電池2Bを充電することができる。
図2は、直流電源として太陽光発電を用いる分散型電源の回路構成の一例を示す図である。図において、この分散型電源PVは、電力変換装置1Pと、太陽光発電パネル2Pとによって構成されている。電力変換装置1Pは、太陽光発電パネル2Pと単相3線式の交流電路3との間に設けられている。なお、単相3線の電圧線はU線、W線、中性線はO線とする。
電力変換装置1Pの内部構成が、図1に示した電力変換装置1Bと異なるのは、補助入力ポート5が無い点、及び、交流から直流への逆方向変換は行わない点であり、その他の構成は同様である。
一方、商用電力系統が停電しているとき又は商用電力系統に依存しないときは、分散型電源PVは、自立運転を行い、自立出力ポート4にAC101Vの出力を提供することができる。すなわち、自立運転時のDC/DCコンバータ8及びインバータ11は、AC101Vの出力電圧となるようにスイッチング動作する。このとき、自立出力スイッチ17が閉路し、系統連系スイッチ16は開路している。
以下、このような分散型電源システムについて説明する。
図3は、分散型電源ES及び分散型電源PVを含む、分散型電源システムの回路構成の一例を示す図である。図において、分散型電源ESの内部構成は図1と同じであり、また、分散型電源PVの内部構成は図2と同じである(以下同様。)。
交流電路3のU線、W線に流れる電流は、それぞれ、電流センサ31,32によって検出される。また、分散型電源PVから交流電路3のW線に接続される電路に電流センサ33が設けられている。電流センサ31〜33の検出出力は、分散型電源ESにおける制御部30に提供される。
自立出力時の分散型電源ESは、自立出力ポート4から、AC101Vの出力を行う。
分散型電源ESの補助入力ポート5に与えることができる分散型電源PVの自立出力ポート4からの補助入力は、AC101Vで最大1.5kWである。
次に、2台の分散型電源ESの並列運転について考察する。
図4は、2台の分散型電源及び1台の分散型電源PVを含む、分散型電源システムの回路構成の一例を示す図である。2台の分散型電源の一方がES−1、他方がES−2とする。図は、見やすくするために、系統連系時に使用しない自立出力と補助入力の回路は省略している。
まず、分散型電源ES−1,ES−2は、2台のうちのいずれか一方をマスター、他方をスレーブとする。そして、電流センサ31〜33の検出出力の信号線は、マスターの制御部30に入力する。マスターは、1台のときと同様に受電点電力を計算して、その結果に基づいて充放電電力指令値を設定し、指令値をマスターとスレーブとに分配する。分配方法は種々考えられるが、放電時は下記の式(1)、充電時は式(2)に従って、蓄電池の残量に応じて電力を分配すればマスターとスレーブの電池残量が互いに乖離することなく一致した状態を維持することができる。
P:マスターとスレーブを合わせた充放電電力の指令値(符号は放電を正、充電を負とする)
P1:マスターの充放電電力指令値
P2:スレーブの充放電電力指令値
X1:マスターの電池残量(満充電状態を1、全放電状態を0とする)
X2:スレーブの電池残量(満充電状態を1、全放電状態を0とする)
P1=P×{X1/(X1+X2)}
P2=P−P1
P1=P×[(1−X1)/{(1−X1)+(1−X2)}]
P2=P−P1
次に、自立出力の場合について説明する。
自立出力では、2台の分散型電源ES−1,ES−2の自立出力を並列に接続してAC101Vで最大出力を3kVAにする接続形態(a)と、自立出力を直列に接続して単相3線出力にする接続形態(b)とが考えられる。接続形態(a)には、さらに、マスター・スレーブ方式と、CVCF(Constant Voltage Constant Frequency)方式とが考えられる。
図5は、2台の分散型電源ES−1,ES−2を互いに並列接続し、分散型電源PVを補助入力として用いる回路構成の一例を示す図である。この図は、自立出力の相互接続のみに注目した図であり、系統連系時の回路構成については図示を省略している。
次にCVCF並列運転方式について考える。この場合、2台の分散型電源ES−1,ES−2を共にCVCF制御で出力させる。その際、出力電圧の振幅と位相を互いに揃えなければ横流が流れる。主回路構成は、負荷電流を計測する電流センサ34が不要である点を除き、図5と同じである。但し、出力を合わせるための同期信号を授受する通信線を設ける必要がある。同期信号としては、例えば交流電圧が負から正に変わるゼロクロスでLレベルからHレベルに切替わるパルスを用いることができる。
本発明の実施形態としては、この直列接続方式に行き着く。
図6は、2台の分散型電源ES−1,ES−2を互いに直列接続し、分散型電源PVを補助入力として用いる回路構成の一例を示す図である。この図は、自立出力の相互接続のみに注目した図であり、系統連系時の回路構成は図示を省略している。
2台の分散型電源ES−1,ES−2による、自立出力の接続の態様に関しての特徴をまとめると以下のようになる。
(i)横流が流れない。
(ii)2台の出力電力を個別に設定できる。
(iii)同期信号等の、同期した制御を行うための信号出力は不要である。
短所としては、以下の点が挙げられる。
(i)負荷電流を計測する電流センサが必要である。
(ii)200Vの負荷には使えない。
さらに、補助入力に関しては、マスター(CVCF制御)・スレーブ(電流制御)の交代が必要であり、負荷電流の計測も必要である。
(i)負荷電流を計測する電流センサが不要である。
(ii)負荷の突入電流。始動電流に対する許容値が大きい。
短所としては、以下の点が挙げられる。
(i)同期した制御を行うための信号出力が必要である。
(ii)2台の出力電圧の振幅と位相とを互いに一致させないと横流が流れる。
(iii)2台の出力電圧は個別に設定できない。
(iv)200Vの負荷には使えない。
さらに、補助入力に関しては、同期した制御を行うための信号出力の送信・受信の交代が必要である。
(i)200V負荷、100V負荷の両方に使える。
(ii)横流が流れない。
(iii)負荷電流を計測する電流センサは不要である。
短所としては、以下の点が挙げられる。
(i)同期した制御を行うための信号出力が必要である。
(ii)一方の電池残量が0になると、200V負荷には使えなくなる。
さらに、補助入力に関しては、同期した制御を行うための信号出力の送信・受信の交代が必要である。
系統連系では2台の出力を分配するためにマスターとスレーブを決めて、マスター側に受電点の電流および分散型電源PVの出力電流をそれぞれ計測する電流センサを接続し、通信でスレーブに出力電力指令値を送信する。自立出力では200V負荷と100V負荷の両方を使うことができ、横流の問題もない。
なお、図7において、分散型電源ES−1,ES−2は、それぞれの制御部30間で必要な情報のやりとりをする例を示したが、2つの制御部30の上位に、別の制御部をいわば管理部として設け、この管理部が必要な情報を指示するようにしてもよい。このような管理部としては、例えば、電力に関する表示や操作の機能を備えたリモコン装置を利用することができる。
なお、今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。
2B 蓄電池
2P 太陽光発電パネル
3 交流電路
4 自立出力ポート
5 補助入力ポート
6 直流側コンデンサ
7 直流リアクトル
8 DC/DCコンバータ
9 中間コンデンサ
10 DCバス
11 インバータ
12 交流リアクトル
13 交流側コンデンサ
14,15 コンデンサ
16 系統連系スイッチ
17 自立出力スイッチ
18 補助入力スイッチ
21 電圧センサ
22 電流センサ
23 電圧センサ
24 電流センサ
25,26 電圧センサ
27 電流センサ
28 電圧センサ
30 制御部
31,32,33,34 電流センサ
41 系統連系用電路
42 自立出力用電路
ES,ES−1,ES−2 分散型電源
PV 分散型電源
Pu,Pw 相電源
Ruo,Rwo,Ruw 負荷
Rsuo,Rswo,Rsuw 特定負荷
Claims (6)
- 単相3線式の交流電路に接続された分散型電源システムであって、単相3線の電圧線をU線及びW線、中性線をO線とするとき、
第1直流電源及び、当該第1直流電源と前記交流電路との間に設けられた電力変換装置を含み、自立出力用の2線及び、外部からの交流入力を受け付ける補助入力ポートを有する単相の第1分散型電源と、
第2直流電源及び、当該第2直流電源と前記交流電路との間に設けられた電力変換装置を含み、自立出力用の2線及び、外部からの交流入力を受け付ける補助入力ポートを有する単相の第2分散型電源と、
第3直流電源及び、当該第3直流電源と前記交流電路との間に設けられた電力変換装置を含み、自立出力用の2線を有する単相の第3分散型電源と、
前記第1分散型電源の前記2線を前記交流電路のU線及びO線に接続し、前記第2分散型電源の前記2線を前記交流電路のW線及びO線に接続するとともに、前記第3分散型電源の前記2線を、前記第1分散型電源の前記補助入力ポート及び前記第2分散型電源の前記補助入力ポートにそれぞれ接続する自立出力用電路と、
前記第1分散型電源及び前記第2分散型電源のいずれか一方が、前記補助入力ポートに与えられた電圧を取り入れて自己の自立出力の電圧として前記2線から出力するよう制御し、かつ、前記第1分散型電源による自立出力の交流位相と、前記第2分散型電源による自立出力の交流位相とを、互いに反転させる制御部と、
を備えている分散型電源システム。 - 商用電力系統と繋がる場合に単相3線式の第1の交流電路に接続可能であり、かつ、前記商用電力系統と繋がらない場合に単相3線式の第2の交流電路に接続可能な分散型電源システムであって、単相3線の電圧線をU線及びW線、中性線をO線とするとき、
第1直流電源及び、当該第1直流電源と、前記第1の交流電路及び前記第2の交流電路との間に設けられた電力変換装置を含み、通常出力の出力線の他、自立出力の2線及び、外部からの交流入力を受け付ける補助入力ポートを有する単相の第1分散型電源と、
第2直流電源及び、当該第2直流電源と、前記第1の交流電路及び前記第2の交流電路との間に設けられた電力変換装置を含み、通常出力の出力線の他、自立出力の2線及び、外部からの交流入力を受け付ける補助入力ポートを有する単相の第2分散型電源と、
第3直流電源及び、当該第3直流電源と前記第1の交流電路との間に設けられた電力変換装置を含み、自立出力用の2線を有する単相の第3分散型電源と、
前記第1分散型電源の前記出力線及び前記第2分散型電源の前記出力線を互いに並列接続して前記第1の交流電路に接続する系統連系用電路と、
前記第1分散型電源の前記2線を前記第2の交流電路のU線及びO線に接続し、前記第2分散型電源の前記2線を前記第2の交流電路のW線及びO線に接続するとともに、前記第3分散型電源の前記2線を、前記第1分散型電源の前記補助入力ポート及び前記第2分散型電源の前記補助入力ポートにそれぞれ接続する自立出力用電路と、
前記第1分散型電源による自立出力の交流位相と、前記第2分散型電源による自立出力の交流位相とを、互いに反転させるとともに、前記自立出力用電路を前記第2の交流電路に接続するときは、前記第1分散型電源及び前記第2分散型電源のいずれか一方が、前記補助入力ポートに与えられた電圧を取り入れて自己の自立出力の電圧として前記2線から出力するよう制御する制御部と、
を備えている分散型電源システム。 - 単相3線式の交流電路に接続された分散型電源システムであって、単相3線の電圧線をU線及びW線、中性線をO線とするとき、
第1直流電源及び、当該第1直流電源と前記交流電路との間に設けられた電力変換装置を含み、自立出力用の2線を有する単相の第1分散型電源と、
第2直流電源及び、当該第2直流電源と前記交流電路との間に設けられた電力変換装置を含み、自立出力用の2線を有する単相の第2分散型電源と、
前記第1分散型電源の前記2線を前記交流電路のU線及びO線に接続し、前記第2分散型電源の前記2線を前記交流電路のW線及びO線に接続する自立出力用電路と、
前記第1分散型電源による自立出力の交流位相と、前記第2分散型電源による自立出力の交流位相とを、互いに反転させる制御部と、を備え、
前記第1分散型電源及び前記第2分散型電源の各々は、独立した外部交流電源からの入力を受け付ける補助入力ポートを備え、
前記第1分散型電源及び前記第2分散型電源の一方は、前記補助入力ポートを介して入力された前記外部交流電源の電圧を前記2線から出力し、当該電圧に基づいて、同期した制御を行うための信号を出力し、
前記第1分散型電源及び前記第2分散型電源の他方は、前記補助入力ポートを解列して前記信号に基づいて、前記外部交流電源の電圧に同期し、かつ、反転する電圧を出力する、
分散型電源システム。 - 商用電力系統と繋がる場合に単相3線式の第1の交流電路に接続可能であり、かつ、前記商用電力系統と繋がらない場合に単相3線式の第2の交流電路に接続可能な分散型電源システムであって、単相3線の電圧線をU線及びW線、中性線をO線とするとき、
第1直流電源及び、当該第1直流電源と、前記第1の交流電路及び前記第2の交流電路との間に設けられた電力変換装置を含み、通常出力の出力線の他、自立出力の2線を有する単相の第1分散型電源と、
第2直流電源及び、当該第2直流電源と、前記第1の交流電路及び前記第2の交流電路との間に設けられた電力変換装置を含み、通常出力の出力線の他、自立出力の2線を有する単相の第2分散型電源と、
前記第1分散型電源の前記出力線及び前記第2分散型電源の前記出力線を互いに並列接続して前記第1の交流電路に接続する系統連系用電路と、
前記第1分散型電源の前記2線を前記第2の交流電路のU線及びO線に接続し、前記第2分散型電源の前記2線を前記第2の交流電路のW線及びO線に接続する自立出力用電路と、
前記第1分散型電源による自立出力の交流位相と、前記第2分散型電源による自立出力の交流位相とを、互いに反転させる制御部と、を備え、
前記第1分散型電源及び前記第2分散型電源の各々は、独立した外部交流電源からの入力を受け付ける補助入力ポートを備え、
前記第1分散型電源及び前記第2分散型電源の一方は、前記補助入力ポートを介して入力された前記外部交流電源の電圧を前記2線から出力し、当該電圧に基づいて、同期した制御を行うための信号を出力し、
前記第1分散型電源及び前記第2分散型電源の他方は、前記補助入力ポートを解列して前記信号に基づいて、前記外部交流電源の電圧に同期し、かつ、反転する電圧を出力する、
分散型電源システム。 - 前記一方の分散型電源と、前記他方の分散型電源とを、交互に入れ替える請求項3又は請求項4に記載の分散型電源システム。
- 前記直流電源は蓄電池であり、前記一方の分散型電源は、前記外部交流電源の電圧を前記蓄電池に出力して充電する請求項3から請求項5のいずれか1項に記載の分散型電源システム。
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