JP7073647B2 - 発電システム - Google Patents

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    • H02J3/38Arrangements for parallely feeding a single network by two or more generators, converters or transformers

Description

本発明は、発電システムと昇圧ユニットとに関する。
複数の太陽電池(太陽電池ストリング;以下、PVと表記する)の出力を接続箱で並列接続してパワーコンディショナ(以下、PCSと表記する)に供給することが行われているが、定格出力電圧が揃っていない複数のPVを接続箱で並列接続したのでは、各PVから最大電力を取り出すことができない。そのため、複数のPVの定格出力電圧が揃っていない場合には、低定格出力電圧のPVと接続箱との間に昇圧ユニットを挿入することが行われている。
昇圧ユニットは、接続されているPVの出力電圧を、当該PVから最大電力を取り出せる電圧に自動調整するMPPT(Maximum Power Point Tracking)機能を有している(例えば、特許文献1参照)。そのため、昇圧ユニットを用いて、例えば図1に示した構成の太陽光発電システムを構築した場合には、昇圧ユニットの入力電圧(PV#2の出力電圧)が、PV#2から最大電力を取り出せる電圧に制御される。そして、昇圧ユニットの出力とPV#1の出力とが接続箱内で並列接続されており、PV#1及びPV#2と昇圧ユニットと接続箱とからなる発電部の出力電圧は、PCSのMPPT機能により最大電力が取り出せる電圧に制御される。従って、この太陽光発電システムでは、図2に模式的に示したように、昇圧ユニットにより、PV#2の出力電圧が、昇圧比Vm1/Vm2で昇圧される。そして、その結果として、PV#1、PV#2の双方から最大電力を取り出せる状態が形成されることになる。なお、Vm1、Vm2とは、それぞれ、PV#1、PV#2の最大出力動作電圧のことである。
特開2014-10705号公報
上記したように、昇圧ユニットを用いれば、定格出力電圧が揃っていない複数のPVのそれぞれから最大電力を取り出すことが可能となる。ただし、昇圧ユニットと瞬時電圧低下(以下、瞬低とも表記する)時にゲートブロックを行うPCSとが組み合わされた既存の太陽光発電システムは、瞬低後のPCSの出力電力が瞬低前の出力電圧によりもかなり小さくなることがあり得るものとなっている。
具体的には、図1に示した構成の太陽光発電システムのPCSが、瞬低時にゲートブロックを行うものである場合を考える。この場合、瞬低発生前には、昇圧ユニットによって、PV#2の出力電圧が、PV#1、PV#2の双方から最大電力を取り出せる電圧に昇圧されている(図2参照)。そして、図3に模式的に示してあるように、PCS内の制御部は、系統電圧が所定電圧まで下がったことを検出した際(図では、“瞬低発生”)に、ゲートブロックを行うが、昇圧ユニット内の制御部は、PCSが動作していない間も、MPPT制御を継続している。そのため、図3に模式的に示してあるように、瞬低であることが確定する前に、過電圧により昇圧ユニットが動作を停止することがあり得る。
そして、昇圧ユニットが動作を停止している場合には、PV#2の出力がそのまま接続箱に供給される。従って、瞬低であることが確定する前に、過電圧により昇圧ユニットが
動作を停止すると、発電部のPV特性が、図3に示したもの(PV#1のPV特性とPV#2のPV特性とを加算したもの)となっている状態が形成される。そして、瞬低であることが確定すると、PCS内の制御部がゲートブロックを解除して電力変換回路(DC/DCコンバータ及びDC/ACインバータ)の運転を開始するが、昇圧ユニットは動作を停止したままである。そのため、図3に示してあるように、瞬低後のPCSの出力電力が瞬低前の出力電力P1よりもかなり低い電力P2となってしまうことがある。
本発明は、かかる従来の問題点に鑑みなされたものであり、昇圧ユニットと、瞬低中に動作を停止する(ゲートブロックが行われる)タイプのパワーコンディショナとを含む、瞬低時にパワーコンディショナの入力電圧が短時間のうちに瞬低前の電圧に復帰する発電システムと、そのような発電システムを構築できる昇圧ユニットとを提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明の、昇圧ユニットと、前記昇圧ユニットの出力が接続箱を介して入力されるパワーコンディショナとを含む発電システムの昇圧ユニットは、直流発電装置の出力電圧を昇圧するための昇圧部と、前記直流発電装置から最大電力が取り出されるように前記昇圧部を制御する昇圧制御処理を実行可能な昇圧制御部であって、前記昇圧制御処理を中止している間に所定の復帰通知を受信した場合に、前記昇圧制御処理を再開する昇圧制御部と、を備える。そして、本発明の発電システムのパワーコンディショナは、前記接続箱を介して入力される直流電圧を交流電圧に変換するための変換部と、系統に供給可能な交流が前記変換部から出力されるように前記変換部を制御する制御処理を実行可能な制御部であって、系統電圧の所定の異常低下を検出した場合に、前記制御処理を中止し、その後、所定時間内に系統電圧の復帰を検出した場合に、前記復帰通知を前記昇圧ユニットに送信すると共に前記制御処理を再開する制御部と、を備える。
すなわち、本発明の発電システムのパワーコンディショナの制御部は、瞬低であることが確定した場合(系統電圧の所定の異常低下を検出してから、所定時間内に系統電圧の復帰を検出した場合)に、復帰通知を昇圧ユニットに送信する。そして、本発明の発電システムの昇圧ユニットの昇圧制御部は、昇圧制御処理を中止している間に復帰通知を受信した場合に昇圧制御処理を再開する機能を有している。従って、本発明の発電システムでは、瞬低時にパワーコンディショナの入力電圧が短時間のうちに瞬低前の電圧に復帰することになる。
本発明の発電システムに、『前記パワーコンディショナの前記制御部は、系統電圧の前記所定の異常低下を検出した場合に、前記制御処理を中止すると共に所定の瞬低通知を前記昇圧ユニットに送信し、前記昇圧ユニットの昇圧制御部は、前記昇圧制御処理の実行中に前記瞬低通知を受信した場合に、前記昇圧制御処理を中止する』構成を採用しておいてもよい。この構成を採用しておけば、瞬低時に、昇圧ユニットの各部に比較的に大きな電圧がかからないようにすること(過電圧により動作を停止する前に昇圧ユニットの動作を停止させること)が可能となる。
本発明の発電システムに、瞬低通知がパワーコンディショナの制御部から昇圧ユニットの昇圧制御部に送信される構成を採用する場合には、さらに、『前記昇圧ユニットの前記昇圧制御部が、前記昇圧制御処理を中止する前に、前記昇圧部の昇圧比を記憶し、前記復帰通知を受信した場合に、前記昇圧部の昇圧比を前記昇圧制御処理の中止前に記憶した前記昇圧比に調整する昇圧比調整処理を行ってから前記昇圧制御処理を再開する』構成を採用しておいてもよい。なお、この構成を採用しておけば、瞬低後のパワーコンディショナの入力電圧の復帰速度がより早い発電システムを得ることができる。
また、瞬低後のパワーコンディショナの入力電圧の復帰速度を向上させるために、本発明の発電システムのパワーコンディショナの制御部として、前記制御処理として、前記接続箱に直接的又は間接的に接続されている複数の直流発電装置から最大電力が取り出される状態で前記系統に供給可能な交流が前記変換部から出力されるように前記変換部を制御する処理を行い、前記制御処理を中止する前に、前記変換部の入力電圧を記憶し、前記制御処理を再開する前に、前記変換部の入力電圧を前記制御処理の中止前に記憶した前記入力電圧に調整する入力電圧調整処理を行うものを採用しておいてもよい。また、パワーコンディショナに、入力電圧調整処理を行う制御部を採用する場合には、瞬低後のパワーコンディショナの入力電圧の復帰速度をさらに向上させるために、『前記パワーコンディショナの前記制御部は、前記入力電圧調整処理の完了時に、所定の調整完了通知を前記昇圧ユニットに送信し、前記昇圧ユニットの前記昇圧制御部は、前記昇圧比調整処理の完了後、且つ、前記調整完了通知の受信後に、前記昇圧制御処理を再開する』構成を採用しておいてもよい。
また、本発明の昇圧ユニットは、直流発電装置の出力電圧を昇圧するための昇圧部と、前記直流発電装置から最大電力が取り出されるように前記昇圧部を制御する昇圧制御処理を実行可能な昇圧制御部であって、前記昇圧制御処理を中止している間に所定の復帰通知を受信した場合に、前記昇圧制御処理を再開する昇圧制御部と、を備える。従って、本発明の昇圧ユニットを用いておけば、瞬低時にパワーコンディショナの入力電圧が短時間のうちに瞬低前の電圧に復帰する発電システムを構築できる。
瞬低後のパワーコンディショナの入力電圧の復帰速度がより早い発電システムを構築できるようにするために、本発明の昇圧ユニットの昇圧制御部として、『前記昇圧制御処理を中止する前に、前記昇圧部の昇圧比を記憶し、前記復帰通知を受信した場合に、前記昇圧部の昇圧比を前記昇圧制御処理を中止する前に記憶した前記昇圧比に調整する昇圧比調整処理を行ってから前記昇圧制御処理を再開する』ものを採用しておいてもよい。
本発明によれば、昇圧ユニットの出力が接続箱を介して入力されるパワーコンディショナを含む発電システムであって、瞬低時にパワーコンディショナの入力電圧が短時間のうちに瞬低前の電圧に復帰する発電システムと、そのような発電システムを構築できる昇圧ユニットとを提供することができる。
図1は、昇圧ユニットが用いられた太陽光発電システムの概略構成図である。 図2は、昇圧ユニットの機能を説明するためのPV特性図である。 図3は、昇圧ユニットが用いられた太陽光発電システムで生じ得る問題の説明図である。 図4は、本発明の一実施形態に係る発電システムの概略構成及び使用形態の説明図である。 図5は、本発明の一実施形態に係るパワーコンディショナの制御部の機能を説明するための状態遷移図である。 図6は、本発明の一実施形態に係る昇圧ユニットの制御部の機能を説明するための状態遷移図である。 図7は、実施形態に係る発電システムの瞬低時の動作を説明するための図である。
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。なお、以下で説明する実施形
態の構成は例示であり、本発明は実施形態の構成に限定されない。
図4に、本発明の一実施形態に係る発電システムの構成及び使用形態を示す。
図示してあるように、本実施形態に係る発電システムは、パワーコンディショナ(以下、PCSと表記する)10と発電部20とを備える。
発電部20は、PV(太陽電池、太陽電池ストリング)#1と、PV#1よりも定格出力電圧が低いPV#2と、PV#2の出力電圧を昇圧する昇圧ユニット21と、接続箱35とを組み合わせたユニットである。なお、発電部20は、出力電圧の昇圧が不要なn(≧1)個のPVと、出力電圧の昇圧が必要なm(≧1)個のPVと、それらm個のPVのそれぞれについて設けられた昇圧ユニット21と、出力電圧の昇圧が不要なn個のPVの出力とm個の昇圧ユニット21の出力とを並列接続する接続箱35とを含むものであれば、具体的な構成が図4に示したものとは異なっていてもよい。また、発電部20は、接続箱35内にm個の昇圧ユニット21が内蔵されたものであってもよい。
昇圧ユニット21は、接続されているPV(図では、PV#2)の出力電圧を昇圧するためのユニットである。昇圧ユニット21は、DC/DCコンバータ(“D/D”)22と制御部23とにより構成されており、昇圧ユニット21内には、DC/DCコンバータ22の入力電圧、入力電流等を測定するための各種センサ(図示略)が設けられている。
DC/DCコンバータ22は、昇圧チョッパ回路等の、1つ以上の半導体スイッチのON/OFFにより入力電圧を昇圧する回路である。制御部23は、基本的には、各種センサの出力に基づき、接続されているPV(図では、PV#2)から最大電力が取り出されるようにDC/DCコンバータ22を制御するMPPT制御処理(以下、通常昇圧制御処理とも表記する)を行うユニットである。この制御部23は、プロセッサ(CPU、マイクロコントローラ)、ゲートドライバ、通信線28を介してパワーコンディショナ10内の制御部13との間で通信を行うための通信インターフェース回路等から構成されている。
PCS10は、発電部20からの直流電力を交流電力に変換して系統40に供給するための装置である。PCS10は、DC/DCコンバータ(“D/D”)11とDC/ACインバータ(“INV”)12と制御部13とにより構成されており、PCS10内には、各所の電圧、電流を測定するための各種センサ(図示略)が設けられている。なお、図1には、PCS10が系統40のみに接続された様子を示してあるが、PCS10は、系統40に電力を供給することがあるものであれば、系統40と家庭内負荷とに接続されるものであってもよい。
DC/DCコンバータ11は、昇圧チョッパ回路等の、1つ以上の半導体スイッチのON/OFFにより入力電圧を昇圧する回路である。DC/ACインバータ12は、フルブリッジインバータ回路等の、複数の半導体スイッチのON/OFFにより、直流電圧を交流電圧に変換する回路である。このDC/ACインバータ12は、単相交流、3相交流のいずれを出力する回路であってもよい。
制御部13は、基本的には、PCS10内の各種センサの出力に基づき、発電部20から最大電力が取り出されるようにDC/DCコンバータ11を制御しながら、系統40に供給可能な交流が出力されるようにDC/ACインバータ12を制御する処理(以下、通常制御処理と表記する)を行うユニットである。この制御部13は、プロセッサ(CPU、マイクロコントローラ)、ゲートドライバ、通信線28を介して昇圧ユニット21内の制御部23との間で通信を行うための通信インターフェース回路等から構成されている。
以下、本実施形態に係る発電システムの機能を具体的に説明する。
本実施形態に係る発電システムは、瞬低発生後にPCS10の出力電圧が短時間のうちに瞬低発生前の電圧に復帰するようにするために、PCS10の制御部13及び昇圧ユニット21の制御部23に特殊な機能を付与したシステムである。なお、瞬低(瞬時電圧低下)が発生したことが確定するのは、系統40の電圧が、一旦、所定電圧(制御部13がゲートブロックを行う電圧)以下となった時点から所定時間以内に正常な電圧に復帰したときである。ただし、本実施形態に係る発電システムは、上記のように、瞬低発生時における制御部13及び制御部23の動作に特徴があるものである。そのため、以下では、系統40の電圧が、所定電圧以下となった後、所定時間以内に正常な電圧に復帰しなかった場合における制御部13及び制御部23の動作については、説明を省略する。
まず、PCS10の制御部13の瞬低発生時の動作を説明する。
図5に、制御部13の状態遷移図を示す。なお、この図5は、瞬低発生時における制御部13の状態遷移のみを示したものであり、系統40に生じた電圧低下が瞬低ではなかった場合、制御部13は、図5に示されていない状態に遷移する。
図示してあるように、制御部13は、通常制御中状態、停止中状態、及び、動作点電圧調整中状態間を遷移可能なように構成(プログラミング)されている。
通常制御中状態は、制御部13が、通常制御処理を行いながら、瞬低の発生を監視している状態である。ここで、通常制御処理とは、既に説明(定義)したように、発電部20から最大電力が取り出されるようにDC/DCコンバータ11を制御しながら、系統40に供給可能な交流が出力されるようにDC/ACインバータ12を制御する処理のことである。
この通常制御中状態で動作している制御部13は、図示してあるように、瞬低が発生していないこと(“瞬低未発生”)を検出する度に、所定の第1通知を昇圧ユニット21へ送信する。そして、制御部13は、瞬低が発生したことを検出した場合には、その時点における動作点電圧(DC/DCコンバータ11の入力電圧;以下、瞬低時電圧と表記する)を内部に記憶してから、停止中状態に移行する。
停止中状態は、制御部13が通常制御処理を中止している状態であると共に、制御部13が復電の発生(系統40の電圧の正常な電圧への復帰)を監視している状態である。この停止中状態で動作している制御部13は、瞬低が継続していること(“瞬低発生中”)を検出する度に、所定の第2通知を昇圧ユニット21へ送信する。そして、制御部13は、復電の発生を検出した場合には、所定の第3通知を昇圧ユニット21へ送信してから、動作点電圧調整中状態に移行する。
動作点電圧調整中状態に移行した制御部13は、動作点電圧調整処理と入力電圧監視処理とを開始する。ここで、動作点電圧調整処理とは、DC/DCコンバータ11の入力電圧が、瞬低時電圧(瞬低発生検出時に記憶した動作点電圧)となるようにDC/DCコンバータ11を制御しながら、系統40に供給可能な交流が出力されるようにDC/ACインバータ12を制御する処理のことである。また、入力電圧監視処理とは、DC/DCコンバータ11の入力電圧が瞬低時電圧となっているか否かを周期的に検出して、DC/DCコンバータ11の入力電圧が瞬低時電圧となっていないこと(“動作点電圧調整未完”)を検出する度に上記した第3通知を昇圧ユニット21に送信する処理のことである。
そして、動作点電圧調整中状態にある制御部13は、入力電圧監視処理によりDC/D
Cコンバータ11の入力電圧が瞬低時電圧となったことが検出されたときに、上記した第1通知を送信することにより昇圧ユニット21に動作点電圧調整処理の完了を通知してから、通常制御中状態に移行する。
次に、昇圧ユニット21の制御部23の瞬低発生時の動作を説明する。
図6に、制御部23の状態遷移図を示す。この図6も、図5と同様に、瞬低発生時における制御部23の状態遷移のみを示したものである。
図示してあるように、制御部23は、通常制御中状態、停止中状態、及び、昇圧比調整中状態間を遷移可能なように、構成(プログラミング)されている。
通常制御中状態は、制御部23が、制御部13から第1通知又は第2通知が送信されてくるのを監視しながら、通常昇圧制御処理(MPPT制御処理)を行っている状態である。図示してあるように、この通常制御中状態で動作している制御部23は、第1通知を受信した場合には、何も行わないが、第2通知を受信した場合には、その時点における昇圧比(以下、瞬低時昇圧比と表記する)を内部に記憶してから、停止中状態に移行する。
停止中状態は、制御部23が昇圧制御処理を中止している状態であると共に、制御部23が制御部13からの第2通知及び第3通知の受信を監視している状態である。この停止中状態で動作している制御部23は、第2通知を受信した場合には、何も行わないが、第3通知を受信した場合には、昇圧比調整中状態に移行する。
昇圧比調整中状態に移行した制御部23は、DC/DCコンバータ22の昇圧比が、瞬低時昇圧比(第2通知受信時に記憶した昇圧比)となるようにDC/DCコンバータ22を制御する昇圧比調整処理を開始する。また、制御部23は、制御部13から第3通知又は第1通知が受信されるのを監視する処理も開始する。そして、制御部23は、昇圧比調整処理が完了する前に第3通知又は第1通知を受信した場合には、昇圧比調整処理を続行し、昇圧比調整処理の完了後に第1通知を受信したときに、通常制御中状態に移行する。
以上の説明から明らかなように、本実施形態に係る発電システムでは、瞬低が発生した場合、PCS10の制御部13から昇圧ユニット21の制御部23に第1通知が送信される。そして、第1通知を受信した制御部23は、昇圧制御処理を中止する。従って、図7に模式的に示したように、本実施形態に係る発電システムにおいても、瞬低中の発電部20のPV特性は、過電圧により昇圧ユニット21の動作が停止された後のPV特性(図3参照)と同様のものとなる。
ただし、所定時間内の系統40の電圧復帰により瞬低であることが確定すると、PCS10の制御部13は、昇圧ユニット21(制御部23)に第3通知を送信して、動作点電圧調整処理を開始する。また、第3通知を受信した昇圧ユニット21内に制御部23は、昇圧比調整処理を開始する。そして、動作点電圧調整処理は、動作点電圧を、瞬低発生前の動作点電圧に戻す処理であり、昇圧比調整処理は、昇圧比を、瞬低発生前の昇圧比に戻す処理である。さらに、各処理が開始されるのは、瞬低発生後、1秒程度の時間しか経過していないときであるため、瞬低発生前後で各PVへの日照量も変化していない。従って、制御部13による動作点電圧調整処理と制御部23による昇圧比調整処理とが開始されると、短時間の内に、図7に示してあるように、発電部20のPV特性が、瞬低発生前のPV特性(図3参照)と同様のものとなっている状態が形成される。
そして、発電部20のPV特性が、瞬低発生前のPV特性と同様のものとなっていれば、制御部13による通常制御処理(DC/DCコンバータ11に対するMPPT制御処理とDC/ACインバータ12に対する制御処理)、制御部23による通常昇圧制御処理(
DC/DCコンバータ22に対するMPPT制御処理)が開始されても、PCS10の出力は大きく変動することはない。
従って、本実施形態に係る発電システムは、瞬低後に、PCS10の出力電圧が短時間のうちに瞬低前の電圧に復帰するシステムであると共に、瞬低時に、PCS10の出力が大きく変動することもないシステムとして機能することになる。
《変形形態》
上記した実施形態に係る発電システムは、各種の変形を行えるものである。例えば、制御部13、制御部23から、第1、第2通知に関連する機能を取り除いてもよい。すなわち、制御部13を、瞬低終了時に第3通知を昇圧ユニット21に対して送信して通常制御処理を再開するものに変形し、制御部23を、通常昇圧制御処理を行っていない状況(過電圧によりMPPT制御を停止している状況等)で第3通知を受信した場合に、通常昇圧制御処理を再開するものに変形してもよい。制御部13、制御部23から、他の機能を取り除いてもよいし、発電システムを、具体的な構成が上記したものとは異なるシステム、例えば、PVではない発電装置の出力が昇圧ユニット21に供給されるシステムや、制御部13から制御部23へ各通知が無線送信されるシステム、に変形してもよい。
10 パワーコンディショナ
11、22 DC/DCコンバータ
12 DC/ACインバータ
13、23 制御部
20 発電部
21 昇圧ユニット
28 通信線
35 接続箱
40 系統

Claims (2)

  1. 昇圧ユニットと、前記昇圧ユニットの出力が接続箱を介して入力されるパワーコンディショナとを含む発電システムにおいて、
    前記昇圧ユニットは、
    直流発電装置の出力電圧を昇圧するための昇圧部と、
    前記直流発電装置から最大電力が取り出されるように前記昇圧部を制御する昇圧制御処理を実行可能な昇圧制御部であって、前記昇圧制御処理を中止している間に所定の復帰通知を受信した場合に、前記昇圧制御処理を再開する昇圧制御部と、
    を備え、
    前記パワーコンディショナは、
    前記接続箱を介して入力される直流電圧を交流電圧に変換するための変換部と、
    系統に供給可能な交流が前記変換部から出力されるように前記変換部を制御する制御処理を実行可能な制御部であって、系統電圧の所定の異常低下を検出した場合に、前記制御処理を中止し、その後、所定時間内に系統電圧の復帰を検出した場合に、前記復帰通知を前記昇圧ユニットに送信すると共に前記制御処理を再開する制御部と、
    を備え、
    前記パワーコンディショナの前記制御部は、
    前記制御処理として、前記接続箱に直接的又は間接的に接続されている複数の直流発電装置から最大電力が取り出される状態で前記系統に供給可能な交流が前記変換部から出力されるように前記変換部を制御する処理を行い、
    前記制御処理を中止する前に、前記変換部の入力電圧を記憶し、
    前記制御処理を再開する前に、前記変換部の入力電圧を前記制御処理の中止前に記憶した前記入力電圧に調整する入力電圧調整処理を行い、
    前記入力電圧調整処理の完了時に、所定の調整完了通知を前記昇圧ユニットに送信し、
    前記昇圧ユニットの前記昇圧制御部は、
    前記昇圧制御処理を中止する前に、前記昇圧部の昇圧比を記憶し、
    前記復帰通知を受信した場合に、前記昇圧部の昇圧比を前記昇圧制御処理の中止前に記憶した前記昇圧比に調整する昇圧比調整処理を行い、
    前記昇圧比調整処理の完了後、且つ、前記調整完了通知の受信後に、前記昇圧制御処理を再開する、
    ことを特徴とする発電システム。
  2. 前記パワーコンディショナの前記制御部は、系統電圧の前記所定の異常低下を検出した場合に、前記制御処理を中止すると共に所定の瞬低通知を前記昇圧ユニットに送信し、
    前記昇圧ユニットの昇圧制御部は、前記昇圧制御処理の実行中に前記瞬低通知を受信した場合に、前記昇圧制御処理を中止する、
    ことを特徴とする請求項1に記載の発電システム。
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