JP7186070B2 - パワーコンディショナ装置 - Google Patents

Description

本発明は、パワーコンディショナ装置に関する。

近年、太陽光発電や風力発電などの分散型電源が普及し始めている。図１は、分散型電源を備える電力システムのブロック図である。分散型電源１０は、系統連系用のパワーコンディショナ装置２０を介して電力系統３０と接続されており、分散型電源１０で発生した電力は、電力系統３０を経由して電力会社に売電可能となっている。

売電可能な電力量は、供給電力が需要電力を超えないように調整され、供給電力が需要電力を超過した場合には、分散型電源１０の出力が制限され、売電が行えず、設備稼働率が低下する。

特開２０１６－１７４４３７号公報

この問題を解決するために、本発明者は、分散型電源１０と付随して、蓄電装置４０を設けたシステムについて検討した。図２は、分散型電源および蓄電装置を備える電力システムのブロック図である。図２のシステムでは、分散型電源１０の出力が制限される状況においても、分散型電源１０を稼働させ、その出力電力を蓄電装置４０に蓄電しておく。その後、需要電力が増大したときに、蓄電装置４０に蓄えておいた電力を、電力系統３０に売電することができるため、設備の稼働率の低下の問題を解決できる。

ところが図２のシステムでは、分散型電源１０と電力系統３０の間に、第１のパワーコンディショナ装置２０が必要であり、蓄電装置４０と電力系統３０の間に、第２のパワーコンディショナ装置５０が必要となり、コストが高くなると言う問題がある。

本発明は係る状況においてなされたものであり、そのある態様の例示的な目的のひとつは、低コストで設備の稼働率を高めることが可能なパワーコンディショナ装置の提供にある。

本発明のある態様はパワーコンディショナ装置に関する。パワーコンディショナ装置は、分散型電源、蓄電装置、電力系統と接続され、分散型電源の出力電力を電力系統に出力する状態、分散型電源の出力電力を蓄電装置に供給する状態、蓄電装置の電力を電力系統に出力する状態が切り替え可能に構成される。

本発明の別の態様もまた、パワーコンディショナ装置である。このパワーコンディショナ装置は、電力変換装置を備え、分散型電源が電力変換装置の１次側（直流側）、電力系統が電力変換装置の２次側（交流側）に接続される状態と、分散型電源が電力変換装置の１次側、蓄電装置が電力変換装置の２次側に接続される状態と、蓄電装置が電力変換装置の１次側、電力系統が電力変換装置の２次側に接続される状態と、が切り替え可能である。

パワーコンディショナ装置は、分散型電源を、電力変換装置の１次側と接離するための第１スイッチと、蓄電装置を、電力変換装置の１次側と接離するための第２スイッチと、蓄電装置を、電力変換装置の２次側と接離するための第３スイッチと、を備えてもよい。

電力変換装置は、三相インバータと、三相インバータの出力と接続されるリアクトルと、を含んでもよい。蓄電装置は、リアクトルを挟んで三相インバータと反対側において切離されてもよい。

電力変換装置はさらにトランスを含んでもよい。パワーコンディショナ装置は、トランスとリアクトルの間に設けられる第４スイッチをさらに備えてもよい。

なお、以上の構成要素の任意の組み合わせや本発明の構成要素や表現を、方法、装置、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。

本発明のある態様によれば、低コストで設備の稼働率を高めることが可能なパワーコンディショナ装置を提供できる。

分散型電源を備える電力システムのブロック図である。 分散型電源および蓄電装置を備える電力システムのブロック図である。 実施の形態に係るパワーコンディショナ装置のブロック図である。 一実施例に係るパワーコンディショナ装置のブロック図である。 パワーコンディショナ装置の第１状態を示す図である。 パワーコンディショナ装置の第２状態を示す図である。 パワーコンディショナ装置の第３状態を示す図である。 変形例１に係るパワーコンディショナ装置の一部分を示す回路図である。

以下、本発明を好適な実施の形態をもとに図面を参照しながら説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。

図３は、実施の形態に係るパワーコンディショナ装置１００のブロック図である。パワーコンディショナ装置１００は、分散型電源１０および蓄電装置４０とともに利用される。分散型電源１０は、太陽光発電パネルや風力発電装置などの環境発電装置であってもよいし、ガスタービンなどの発電装置であってもよい。蓄電装置４０は、バッテリやキャパシタなどである。

パワーコンディショナ装置１００は、分散型電源１０および蓄電装置４０と、電力系統３０との間に介在して、系統連系を行う。

パワーコンディショナ装置１００は、分散型電源１０の出力電力を電力系統３０に出力する第１状態φ１、分散型電源１０の出力電力を蓄電装置４０に供給する第２状態φ２、蓄電装置４０の電力を電力系統３０に出力する第３状態φ３が切り替え可能に構成される。

パワーコンディショナ装置１００は、電力変換装置１１０とパスコントローラ１２０を備える。電力変換装置１１０は、１次側（ＤＣ側）と２次側（ＡＣ側もしくはＤＣ側）の間で、電力を変換する。

分散型電源１０、蓄電装置４０および電力系統３０は、パスコントローラ１２０を介して電力変換装置１１０と接続される。パスコントローラ１２０は、分散型電源１０、電力系統３０、蓄電装置４０それぞれについて、電力変換装置１１０との接離および／または接続先のノードを制御し、第１状態φ１～第３状態φ３を切り替える。

具体的には、第１状態φ１において、パスコントローラ１２０は、分散型電源１０を電力変換装置１１０の１次側に、電力系統３０を電力変換装置１１０の２次側に接続する。また第２状態φ２において、パスコントローラ１２０は、分散型電源１０を電力変換装置１１０の１次側、蓄電装置４０を電力変換装置１１０の２次側に接続する。また第３状態φ３において、パスコントローラ１２０は、蓄電装置４０を電力変換装置１１０の１次側に、電力系統３０を電力変換装置１１０の２次側に接続する。

以上がパワーコンディショナ装置１００の基本構成である。続いてその動作を説明する。

パワーコンディショナ装置１００は、分散型電源１０が発電可能であり、電力系統３０への売電が可能な状況では、第１状態φ１を選択する。これにより分散型電源１０の電力を売電できる。

また分散型電源１０が発電可能であるが売電不能な状況では、第２状態φ２を選択することにより、分散型電源１０を稼働させて、その出力電力を蓄電装置４０に蓄えておくことができる。その後、売電可能な状況に戻ると、第３状態φ３を選択することで、蓄電装置４０に蓄えた電力を電力系統３０の送電し、売電することができる。

以上がパワーコンディショナ装置１００の動作である。図２では、分散型電源１０の稼働率を高めるために、２台のパワーコンディショナ装置が必要であった。これに対して本実施の形態によれば、１台のパワーコンディショナ装置に減らすことができるため、コストを大幅に削減できる。

本発明は、図３のブロック図や回路図として把握され、あるいは上述の説明から導かれるさまざまな装置、方法に及ぶものであり、特定の構成に限定されるものではない。以下、本発明の範囲を狭めるためではなく、発明の本質や動作の理解を助け、またそれらを明確化するために、より具体的な構成例や実施例を説明する。

図４は、一実施例に係るパワーコンディショナ装置１００のブロック図である。
パワーコンディショナ装置１００は、電力変換装置１１０に加えて、第１スイッチＳＷ１～第５スイッチＳＷ５、コントローラ１３０を備える。第１スイッチＳＷ１～第５スイッチＳＷ５は、図３におけるパスコントローラ１２０に相当する。

第１スイッチＳＷ１は、分散型電源１０を、電力変換装置１１０の１次側と接離可能に配置される。具体的には、第１スイッチＳＷ１は、電力変換装置１１０の１次側のＤＣリンク１１２と分散型電源１０の間に設けられる。図４では、ＤＣリンク１１２のＰ極側とＮ極側の両方にスイッチが挿入されるが、一方のみとしてもよい。

第２スイッチＳＷ２は、蓄電装置４０を、電力変換装置１１０の１次側と接離可能に配置される。具体的には第２スイッチＳＷ２は、蓄電装置４０の正極と、ＤＣリンク１１２のＰ極側の間に設けられる。第２スイッチＳＷ２は、蓄電装置４０の負極とＤＣリンク１１２のＮ極側に設けてもよいし、Ｐ極側とＮ極側の両方に設けてもよい。

第３スイッチＳＷ３は、蓄電装置４０を電力変換装置１１０の２次側（交流側）と接離可能に配置される。具体的には第３スイッチＳＷ３は、蓄電装置４０の正極と電力変換装置１１０の２次側の間に設けられる。

電力変換装置１１０は、三相インバータ（スイッチング回路）１１４、三相リアクトル１１６、トランス１１８を含む。この構成において、蓄電装置４０は、三相リアクトル１１６を挟んで三相インバータ１１４と反対側において切離される。この例では、蓄電装置４０は、第３スイッチＳＷ３を介して三相リアクトル１１６のＷ相と接続される。なお、第３スイッチＳＷ３の接続先として、Ｗ相に代えて、Ｕ相あるいはＶ相を選択可能であることはいうまでない。

第３状態φ３において、三相インバータ１１４のＷ相と、三相リアクトル１１６のＷ相は、ＤＣリンク１１２の電圧（すなわち分散型電源１０の出力）を昇降圧する昇降圧（Ｂｕｃｋ）コンバータとして機能する。

コントローラ１３０は、パワーコンディショナ装置１００を統括的に制御する。コントローラ１３０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＭＰＵ（Micro-Processing Unit）と、ソフトウェアプログラムの組み合わせで実装することができる。あるいはコントローラ１３０は、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）であってもよいし、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）であってもよい。

コントローラ１３０は、電力系統３０や分散型電源１０の状況にもとづいて第１状態φ１～第３状態φ３を選択し、第１スイッチＳＷ１～第５スイッチＳＷ５および三相インバータ１１４を制御する。

第４スイッチＳＷ４Ａは、三相リアクトル１１６とトランス１１８の間に設けられる。また第４スイッチＳＷ４Ｂは、トランス１１８と電力系統３０の間に設けられる。

第４スイッチＳＷ４Ｂと電力系統３０の間に、さらに第５スイッチＳＷ５を設けてもよい。第５スイッチＳＷ５はブレーカであり、第４スイッチＳＷ４Ｂは電磁接触器であってもよい。第４スイッチＳＷ４Ｂは、自動運転における電子的な制御が可能である。用途によっては、第５スイッチＳＷ５と第４スイッチＳＷ４Ｂの一方を省略してもよい。

図４に示すように、パワーコンディショナ装置１００には、電力系統３０に加えて、ひとつあるいは複数の負荷６０が接続されうる。パワーコンディショナ装置１００は、分散型電源１０あるいは蓄電装置４０の出力電力を、負荷６０に供給してもよい。

以上がパワーコンディショナ装置１００の構成である。続いてその動作を説明する。図５は、パワーコンディショナ装置１００の第１状態φ１を示す図である。第１状態φ１では、第１スイッチＳＷ１、第４スイッチＳＷ４Ａ，ＳＷ４Ｂおよび第５スイッチＳＷ５がオンである。図５～図７において、破線の矢印は電力の流れを模試的に示す。

図６は、パワーコンディショナ装置１００の第２状態φ２を示す図である。第２状態φ２では、第１スイッチＳＷ１および第３スイッチＳＷ３がオンである。このとき三相インバータ１１４のＷ相と、三相リアクトル１１６のＷ相は、ＤＣリンク１１２の電圧を降圧する降圧（Ｂｕｃｋ）コンバータとして動作する。

図７は、パワーコンディショナ装置１００の第３状態φ３を示す図である。第３状態φ３において第２スイッチＳＷ２、第４スイッチＳＷ４、第５スイッチＳＷ５がオンであり、第１スイッチＳＷ１、第３スイッチＳＷ３がオフとされる。

以上、本発明について、実施の形態をもとに説明した。この実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組み合わ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。以下、こうした変形例について説明する。

（変形例１）
図８は、変形例１に係るパワーコンディショナ装置１００の一部分を示す回路図である。この変形例において、第３スイッチＳＷ３は、三相リアクトル１１６のＵ相、Ｖ相、Ｗ相のすべての間に挿入される。第３状態φ３において第３スイッチＳＷ３がオンすると、三相リアクトル１１６の三相の出力が共通にまとめて蓄電装置４０と接続される。この場合、三相インバータ１１４および三相リアクトル１１６を、マルチフェーズのＤＣ／ＤＣコンバータとして動作させてもよい。

（変形例２）
分散型電源１０が発電不能な状況において、蓄電装置４０の蓄電量が少ない場合には、第３状態φ３を選択して、電力系統３０からの電力によって蓄電装置４０を充電してもよい。この場合、電力の向きは図７の反対となる。

（変形例３）
図４に示したスイッチＳＷ１～ＳＷ５の配置は例示に過ぎず、当業者によれば第１状態φ１～第３状態φ３を実現可能な配置の変形例が存在すること、こうした変形例が本発明の範囲に含まれることが理解される。

実施の形態にもとづき、具体的な語句を用いて本発明を説明したが、実施の形態は、本発明の原理、応用の一側面を示しているにすぎず、実施の形態には、請求の範囲に規定された本発明の思想を逸脱しない範囲において、多くの変形例や配置の変更が認められる。

１００ パワーコンディショナ装置
１１０ 電力変換装置
１１２ ＤＣリンク
１１４ 三相インバータ
１１６ 三相リアクトル
１１８ トランス
１２０ パスコントローラ
１３０ コントローラ
１０ 分散型電源
３０ 電力系統
４０ 蓄電装置
６０ 負荷
ＳＷ１ 第１スイッチ
ＳＷ２ 第２スイッチ
ＳＷ３ 第３スイッチ
ＳＷ４ 第４スイッチ
ＳＷ５ 第５スイッチ

Claims (5)

1. 電力変換装置を備え、分散型電源が前記電力変換装置の１次側、電力系統が前記電力変換装置の２次側に接続される状態と、前記分散型電源が前記電力変換装置の前記１次側、蓄電装置が前記電力変換装置の前記２次側に接続される状態と、前記蓄電装置が前記電力変換装置の前記１次側、前記電力系統が前記電力変換装置の前記２次側に接続される状態と、が切り替え可能であり、
   前記分散型電源を、前記電力変換装置の前記１次側と接離するための第１スイッチと、
   前記蓄電装置を、前記電力変換装置の前記１次側と接離するための第２スイッチと、
   前記蓄電装置を、前記電力変換装置の前記２次側と接離するための第３スイッチと、
   を備えることを特徴とするパワーコンディショナ装置。
2. 前記電力変換装置は、
   三相インバータと、
   前記三相インバータの出力と接続されるリアクトルと、
   を含み、
   前記蓄電装置は、前記リアクトルを挟んで前記三相インバータと反対側において切離されることを特徴とする請求項１に記載のパワーコンディショナ装置。
3. 電力変換装置を備え、分散型電源が前記電力変換装置の１次側、電力系統が前記電力変換装置の２次側に接続される状態と、前記分散型電源が前記電力変換装置の前記１次側、蓄電装置が前記電力変換装置の前記２次側に接続される状態と、前記蓄電装置が前記電力変換装置の前記１次側、前記電力系統が前記電力変換装置の前記２次側に接続される状態と、が切り替え可能であり、
   前記電力変換装置は、
   三相インバータと、
   前記三相インバータの出力と接続されるリアクトルと、
   を含み、
   前記蓄電装置は、前記リアクトルを挟んで前記三相インバータと反対側において切離されることを特徴とするパワーコンディショナ装置。
4. 前記電力変換装置はさらにトランスを含むことを特徴とする請求項２または３に記載のパワーコンディショナ装置。
5. 前記トランスと前記リアクトルの間に設けられる第４スイッチをさらに備えることを特徴とする請求項４に記載のパワーコンディショナ装置。

Images