WO2020021677A1

WO2020021677A1 - 電力変換装置および電力変換システム

Info

Publication number: WO2020021677A1
Application number: PCT/JP2018/028094
Authority: WO
Inventors: 健太山邉
Original assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Current assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Priority date: 2018-07-26
Filing date: 2018-07-26
Publication date: 2020-01-30
Anticipated expiration: 2021-01-26
Also published as: CN111279603B; US11183850B2; US20210273457A1; JP6844752B2; JPWO2020021677A1; CN111279603A

Abstract

電力変換システムは、蓄電池と、電力系統と系統連系するように構築され、蓄電池の電力を変換して負荷機器と電力系統との間の接続点に出力することで、負荷機器に電力を供給する第一電力変換装置と、電力系統が第一電力変換装置から切り離された自立運転時において、蓄電池の状態が予め定めた残電力不足条件に合致した場合に、第一電力変換装置ではない他の装置に対して負荷機器に供給される電力を低減するための信号を送信する制御手段と、を備える。負荷機器は、負荷本体と、指令値に従って負荷本体を制御する負荷制御部と、を含んでもよい。負荷機器制御部が、上記の他の装置であり、信号は、負荷本体の消費電力を低下させる運転を負荷制御部が行うように負荷制御部に対して送信する負荷調整信号を含んでもよい。

Description

電力変換装置および電力変換システム

　本発明は、電力変換装置および電力変換システムに関するものである。

　従来、例えば日本特開２０１７－１１２７６２号公報に記載されているように、蓄電装置が遮断されたときに電力変換装置の停止処理を実行する電力変換システムが知られている。

日本特開２０１７－１１２７６２号公報

　上記従来の技術では、蓄電池の側に何らかの異常が検出されたときに、蓄電池と接続された電力変換装置の出力電力を急峻に低下させている。電力変換装置の急停止が突然に発生すると、このような急停止は電力変換装置以外の他の装置にとって予期しない停止動作となる可能性が高い。

　系統連系システムの自立運転中には電力系統からの電力供給を受けられないので、上記のような予期しない停止動作が起きると種々の問題が発生する。例えば負荷機器にとっては、供給電力が突然に遮断されてしまう。例えば蓄電池以外の電源と接続する他の電力変換装置にとっては、自立運転の安定性が突然に低下してしまう。これらの事態により、システム全体としての制御安定性が低下するという問題がある。

　本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、自立運転時において蓄電池の残電力量が低下したときにシステムの制御が不安定になることを抑制するように改良された電力変換装置および電力変換システムを提供することを目的とする。

　本出願の実施形態の一つにかかる第一の電力変換システムは、
　蓄電池と接続され、電力系統と系統連系するように構築され、前記蓄電池の電力を変換して負荷機器と前記電力系統との間の接続点に出力することで前記負荷機器に電力を供給する第一電力変換装置と、
　前記電力系統が前記第一電力変換装置から切り離された自立運転時において、前記蓄電池の状態が予め定めた残電力不足条件に合致した場合に、前記負荷機器の負荷制御部に対して前記負荷機器に供給される電力を低減するための負荷調整信号を送信する制御手段と、
　を備える。

　本出願の実施形態の一つにかかる第二の電力変換システムは、
　蓄電池と接続され、電力系統と系統連系するように構築され、前記蓄電池の電力を変換して負荷機器と前記電力系統との間の接続点に出力することで、前記負荷機器に電力を供給する第一電力変換装置と、
　太陽電池パネルと接続され、前記太陽電池パネルで発電した電力を変換して前記負荷機器と前記電力系統との前記接続点に供給する第二電力変換装置と、
　前記電力系統が前記第一電力変換装置から切り離された自立運転時において、前記蓄電池の状態が予め定めた残電力不足条件に合致した場合に、前記第一電力変換装置の運転停止と前記第二電力変換装置の運転停止とを協調させて行うための協調停止信号を前記第二電力変換装置に送信する制御手段と、
　を備える。

　上記第一の電力変換システムによれば、蓄電池の残電力量が低下した場合に、負荷機器に供給される電力を低減するための制御指示を発することができる。これにより、電力変換システム全体として不安定な電力制御が行われることを防止できる。

　上記第二の電力変換システムによれば、蓄電池の残電力量が低下した場合に、協調停止を行うことにより電力変換システム全体として不安定な電力制御が行われることを防止できる。

実施の形態にかかる電力変換システムを示す図である。実施の形態にかかる電力変換システムの停止動作を示す図である。実施の形態にかかる電力変換システムで実行されるルーチンのフローチャートである。実施の形態にかかる電力変換システムで実行されるルーチンのフローチャートである。実施の形態にかかる電力変換システムの蓄電池状態の一例を示す図である。実施の形態にかかる電力変換システムの蓄電池状態の一例を示す図である。実施の形態の変形例にかかる電力変換装置および電力変換システムを示す図である。比較例にかかる電力変換装置および電力変換システムを示す図である。比較例にかかる電力変換装置および電力変換システムの停止動作を示す図である。

　図１は、実施の形態にかかる電力変換システム２０を示す図である。電力変換システム２０は、蓄電池２と、複数の太陽電池パネルを含む太陽電池アレイ３と、負荷機器４と、上位監視装置であるＭＳＣ（メインサイトコントローラ）５と、遮断器６と、第一電力変換装置１ａと、第二電力変換装置１ｂと、を備える。

　第一電力変換装置１ａは、第一電力変換回路１０ａと、第一制御装置１１ａとを備えている。第一電力変換回路１０ａは、直流交流変換を行うインバータ回路であり、半導体スイッチング素子などで構成されている。第一制御装置１１ａは、第一電力変換回路１０ａを構成する半導体スイッチング素子のスイッチング制御等を行う。

　第一電力変換装置１ａは、蓄電池２と接続されている。第一電力変換装置１ａは、電力系統７と系統連系するように構築されている。第一制御装置１１ａが第一電力変換回路１０ａを制御することで、蓄電池２の電力が変換されて負荷機器４と電力系統７との間の接続点に供給されている。これにより、第一電力変換装置１ａは、負荷機器４に電力を供給する。

　第一制御装置１１ａは、蓄電池充電モードで第一電力変換回路１０ａを駆動してもよい。蓄電池充電モードとは、電力系統７の系統電圧を変換することで蓄電池２を充電する運転モードのことである。

　第二電力変換装置１ｂは、第二電力変換回路１０ｂと、第二制御装置１１ｂとを備えている。第二電力変換回路１０ｂは、直流交流変換を行うインバータ回路であり、半導体スイッチング素子などで構成されている。第二制御装置１１ｂは、第二電力変換回路１０ｂを構成する半導体スイッチング素子のスイッチング制御等を行う。

　第二電力変換装置１ｂは、太陽電池アレイ３と接続されている。第二電力変換回路１０ｂの出力端は、負荷機器４と第一電力変換装置１ａの間の接続点に接続されており、この接続点を介して電力系統７とも接続している。

　第二電力変換装置１ｂは、電力系統７と系統連系するように構築されている。第二制御装置１１ｂが第二電力変換回路１０ｂを制御することで、太陽電池アレイ３で発電された電力が変換されて負荷機器４と第一電力変換装置１ａの間の接続点に供給される。これにより、第二電力変換装置１ｂは、負荷機器４に電力を供給する。

　負荷機器４は、負荷本体４ｂと、指令値に従って負荷本体４ｂを制御する負荷制御部４ａと、を含んでいる。負荷本体４ｂは、誘導負荷または抵抗負荷であるものとする。

　遮断器６の一端は電力系統７に接続されている。遮断器６の他端は、負荷機器４、第一電力変換装置１ａおよび第二電力変換装置１ｂが互いに接続された配線部に接続している。遮断器６がターンオフされると、負荷機器４、第一電力変換装置１ａおよび第二電力変換装置１ｂが、電力系統７が切り離される。電力系統７が切り離された後は、第一電力変換装置１ａおよび第二電力変換装置１ｂが「自立運転モード」で発電を継続する。

　ＭＳＣ５は、第一電力変換回路１０ａ、第二電力変換回路１０ｂ、負荷制御部４ａ、および遮断器６それぞれと、無線または有線で通信可能に接続されている。

　ＭＳＣ５は、上記の自立運転モードでの運転時において、蓄電池２の状態が予め定めた残電力不足条件に合致した場合に、負荷制御部４ａに対して負荷調整信号Ｓ３を送信する。負荷調整信号Ｓ３は、負荷本体４ｂの消費電力を低下させる運転を負荷制御部４ａに行わせるために負荷制御部４ａに対して送信される信号である。

　なお、「残電力不足条件」には、蓄電池２の残電力量が予め定めた下限値に達したことが含まれてもよく、蓄電池２の残電力量に基づいて第一電力変換装置１ａが電力を出力可能な残運転時間Ｔ_ｏｐが予め定めた下限時間以下となったことが含まれてもよい。

　負荷調整信号Ｓ３によって負荷機器４の側の要求電力が低減されることで突然の負荷電力遮断を抑制できるので、電力変換システム２０全体として不安定な電力制御が行われることを防止できる。逆起電力および突入電流の発生を防止でき、安全に負荷機器４を停止することもできる。徐々に低下させる場合の変化率は、例えばランプ（ｒａｍｐ：傾斜路）状であってもよい。

　また、ＭＳＣ５は、上記の自立運転モードでの運転時において、蓄電池２の状態が予め定めた残電力不足条件に合致した場合に、協調停止信号Ｓ２を第二電力変換装置１ｂに送信する。協調停止信号Ｓ２は、第一電力変換装置１ａの運転停止時期に合わせて第二電力変換装置１ｂの運転停止を行うための信号である。

　協調停止信号Ｓ２の送受信に伴うシステム協調停止の具体的な方式は、様々な方式が想定される。協調停止信号Ｓ２が送受信された後に、第一電力変換装置１ａが先に停止してそのあとに第二電力変換装置１ｂが停止してもよい。協調停止信号Ｓ２が送受信された後に、第二電力変換装置１ｂが先に停止してそのあとに第一電力変換装置１ａが停止してもよい。協調停止信号Ｓ２が送受信された後に、第一電力変換装置１ａと第二電力変換装置１ｂとが同時に停止してもよい。

　仮に第一電力変換装置１ａのみが停止して太陽光発電システム側の第二電力変換装置１ｂのみの運転が継続してしまうと、蓄電池２無しの運転となり安定な電力制御ができなくなる可能性がある。その結果、電力変換システム２０の出力が不安定となり、負荷機器４への電力供給が不安定となる。

　この点、実施の形態によれば、蓄電池２の残電力量が少なくなったときに、太陽光発電システム側の第二電力変換装置１ｂが単独で動作し続けないように、第一電力変換装置１ａと第二電力変換装置１ｂとを協調停止させることができる。協調停止を行うことにより電力変換システム２０全体として不安定な電力制御が行われることを防止できる。

　以上の通り、実施の形態によれば、蓄電池２の状態が予め定めた残電力不足条件に合致した場合に、第二電力変換装置１ｂおよび負荷制御部４ａに対して協調停止信号Ｓ２および負荷調整信号Ｓ３が送信される。協調停止信号Ｓ２および負荷調整信号Ｓ３を送信することにより、電力変換システム２０全体として不安定な電力制御が行われることを防止することができる。

　図２は、実施の形態にかかる電力変換システム２０の停止動作を示す図である。ＭＳＣ５は、蓄電池２の状態が予め定めた残電力不足条件に合致した場合に、図２に示す変化率で負荷機器４に供給される電力を低下させるように電力変換システム２０を制御する。一例として、ＭＳＣ５は、負荷機器４に与えられる負荷供給電力が予め定めた低下率で徐々に減少するように、第一電力変換装置１ａに与える電力指令値を低下させてもよい。

　これにより自立運転中の電力変換システム２０を緩やかに停止することができるので、負荷機器４への電力供給が急停止することを抑制することができる。なお、第二電力変換装置１ｂも、図２に示す傾向で出力電力が低下するように緩やかに停止させても良い。

　図８は、比較例にかかる電力変換装置および電力変換システムを示す図である。図９は、比較例にかかる電力変換装置および電力変換システムの停止動作を示す図である。図９に示すように、第一電力変換装置１ａおよび第二電力変換装置１ｂが急峻に運転停止されることで負荷供給電力が突然に低下することは好ましくない。この点、実施の形態によれば、負荷機器４への供給電力が突然に遮断されることを確実に抑制することができる。

　図３および図４は、実施の形態にかかる電力変換システム２０で実行されるルーチンのフローチャートである。ＭＳＣ５には図３および図４に記載されたルーチンが予めプログラムの形態で記憶されている。

　図３のフローチャートは、蓄電池２の残電力量に基づいて第一電力変換装置１ａが電力を出力可能な残運転時間Ｔ_ｏｐを算出する処理を示している。図３のルーチンでは、まず、ＭＳＣ５は、蓄電池２における最新のＳＯＣ（Ｓｔａｔｅ　ｏｆ　Ｃｈａｒｇｅ：充電状態）が予め定められた閾値ＳＯＣｔｈ以下となっているか否かを判定する処理を実行する（ステップＳ１００）。

　ＳＯＣは、仕様上の完全放電状態を０％とし、満充電状態を１００％としたときの、残電力量［％］を表す。ＭＳＣ５は、継続的に第一制御装置１１ａから蓄電池２の電圧値および電流値などの電気的情報を受信することで、蓄電池２のＳＯＣを算出している。

　ステップＳ１００の判定結果が否定（ＮＯ）である場合には、今回のルーチンが終了する。

　ステップＳ１００の判定結果が肯定（ＹＥＳ）である場合には、ＭＳＣ５は、残運転時間Ｔ_ｏｐを算出する（ステップＳ１０１）。残運転時間Ｔ_ｏｐは、現時点でのＳＯＣ［％］から決まる残電力量と、現時点での負荷機器４の消費電力に基づいて算出してもよい。負荷機器４の消費電力として、例えば予め定めた一定期間における負荷機器４の平均消費電力の値を用いてもよい。

　残運転時間Ｔ_ｏｐをより高精度に算出するために、ＳＯＣトレンドの蓄積を行っても良い。ＳＯＣトレンドの蓄積とは、負荷機器４への電力供給に伴うＳＯＣの減少傾向を予め定めた期間に渡って記録することである。

　ＳＯＣトレンドの蓄積により、蓄電池２のＳＯＣが相対的に速く低下する高消費電力運転の場合と、蓄電池２のＳＯＣが相対的に遅く低下する低消費電力運転の場合と、を含む様々なＳＯＣ消費傾向が記録される。これらの異なるＳＯＣ消費傾向に基づいて各種分析を行うことで、残運転時間Ｔ_ｏｐをより高精度に算出することができる。各種分析は、例えば、ＳＯＣ低下率の平均値、ＳＯＣ低下率の中央値、およびＳＯＣ低下率の極大値などに基づいて、現在のＳＯＣから残運転時間Ｔ_ｏｐを推定することを含んでもよい。

　次に、ステップＳ１０１で算出された残運転時間Ｔ_ｏｐが報知される（ステップＳ１０２）。例えば、ＭＳＣ５からシステム監視用端末に残運転時間Ｔ_ｏｐの数値または割合などが表示されてもよい。

　次に、ＭＳＣ５は、残運転時間Ｔ_ｏｐが予め定めた下限閾値Ｔ_ｏｐＬ以下となっているか否かを判定する処理を実行する（ステップＳ１０４）。このステップＳ１０４の判定結果が否定（ＮＯ）である場合には、今回のルーチンが終了する。

　ステップＳ１０４の判定結果が肯定（ＹＥＳ）である場合には、ＳＯＣ≦ＳＯＣｔｈかつＴ_ｏｐ≦Ｔ_ｏｐＬとなっている。この場合、ＭＳＣ５は、前述した「他の装置」への通信処理を実行するとともに、システム停止処理を実行する（ステップＳ１０６）。「他の装置」への通信処理では、ＭＳＣ５が、上述した協調停止信号Ｓ２および負荷調整信号Ｓ３を出力する。システム停止処理では、第一電力変換装置１ａに対して停止信号Ｓ１が発せられ、図２で説明したように第一電力変換装置１ａが緩やかに遮断される。その後、今回のルーチンが終了する。

　図４のフローチャートは、蓄電池２の蓄電容量の経時変化を取得する処理を含んでいる。図４のルーチンでは、まず、図３のルーチンで述べたステップＳ１０１、Ｓ１０４の処理が実行される。ステップＳ１０４の判定結果が肯定（ＹＥＳ）であった場合には、ＭＳＣ５は警報器あるいはシステム監視用端末で警報を鳴らすアラーム処理を実行する（ステップＳ１２０）。

　ステップＳ１０４の判定結果が否定（ＮＯ）であった場合には、次に、ＭＳＣ５はＳＯＣサンプリングデータを読み込む（ステップＳ１１０）。ＭＳＣ５は、予め定められた期間に渡ってＳＯＣを時系列的にサンプリングしているものとする。

　次に、ＭＳＣ５は、ＳＯＣサンプリングデータに基づいて蓄電池特性評価を実施する（ステップＳ１１２）。蓄電池特性評価は様々な公知技術を用いることができる。以下に具体例を示す。

　図５および図６は、実施の形態にかかる電力変換システム２０の蓄電池状態の一例を示す図である。図５に示すように、負荷機器４への電力供給が行われることで蓄電池２のＳＯＣは低下する一方で、予め設定された充電条件が成立すると蓄電池充電モードとなり蓄電池２が充電されてＳＯＣが回復する。図５の特性５０のように蓄電池充電モードにおいてＳＯＣがほぼ１００％まで充電される場合もある。

　しかしながら、蓄電池２の状態によっては、特性５１、５２のように充電によってＳＯＣが十分に回復しない場合もある。そこで、充電によって予め定めたＳＯＣレベルまでＳＯＣが回復しない場合には、蓄電池２の特性が異常であるか或いは蓄電池２が劣化しているとみなしてもよい。

　また、図６に示すように、蓄電池２の容量維持率は充放電繰り返し回数に比例して低下していくのが一般的である。基準特性６１に対して、実際の特性６２が予め定めた基準幅Ｄｔｈを超えて乖離している場合には、蓄電池２が異常であるとみなしてもよい。

　他にも、容量維持率が予め定めた基準維持率Ｐｔｈを下回ったか否かに基づいて、蓄電池２の消耗の進行度合いを評価してもよい。また、充放電繰り返し回数が予め定めた基準回数Ｎｔｈに達したか否かに基づいて蓄電池２の消耗の進行度合いを評価してもよい。

　次に、ＭＳＣ５は、ステップＳ１１２の蓄電池特性評価の結果に基づいて、蓄電池２が寿命に達したか否かを判定する処理を実行する（ステップＳ１１８）。ステップＳ１１８の判定結果が否定（ＮＯ）である場合には、今回のルーチンが終了する。

　ステップＳ１１８の判定結果が肯定（ＹＥＳ）である場合には、ステップＳ１２０のアラーム処理が行われたあと、今回のルーチンが終了する。

　上述した図３および図４にかかる具体的処理によれば、蓄電池状態をリアルタイムに監視することで自立運転の継続が可能かどうかを精度良く評価することができる。予め蓄電池２の状態を正確に検出しておくことで蓄電池２の残電力量が枯渇する前に余裕を持って第一電力変換装置１ａによる負荷機器４への電力供給を停止させることができる。従って、負荷機器４への供給電力が突然に遮断されることを抑制することができる。また、ＳＯＣトレンドを評価蓄積することで、蓄電池２の状態を精度良くモニタすることができる。

　図７は、実施の形態の変形例にかかる第一電力変換装置１ａおよび電力変換システム２０を示す図である。図７の変形例では、ＭＳＣ５が省略されており、ＭＳＣ５の代わりに第一電力変換装置１ａに内蔵された第一制御装置１１ａが上述した実施の形態にかかる各制御動作を実行する。

　例えば、第一制御装置１１ａは、自立運転モードにおいて、蓄電池２の状態が予め定めた残電力不足条件に合致した場合に、協調停止信号Ｓ２および負荷調整信号Ｓ３を負荷制御部４ａおよび第二制御装置１１ｂに送信する。これ以外のＭＳＣ５の動作についても同様に第一制御装置１１ａで実行される。図７の変形例によれば、負荷機器４への供給電力が突然に遮断されることによる弊害を抑制するように改良された第一電力変換装置１ａが提供される。

　なお、上述した実施の形態では、下記の特徴的構成（Ａ）～（Ｄ）すべてが同一の電力変換システム２０に搭載されている。構成（Ａ）は、負荷調整信号Ｓ３を負荷制御部４ａに伝達することで負荷供給電力を低減するものである。構成（Ｂ）は、協調停止信号Ｓ２を第二電力変換装置１ｂに伝達することで第一電力変換装置１ａと第二電力変換装置１ｂとを協調停止させるものである。構成（Ｃ）は、蓄電池２の残運転時間Ｔ_ｏｐの算出および蓄電池２の各種評価を行うものである。構成（Ｄ）は、少なくとも第一電力変換装置１ａの出力電力を予め定めた低下率で徐々に低下させることでソフトな負荷電力遮断を行うものである。

　しかしながら、特徴的構成（Ａ）～（Ｄ）は同時に実施される必要はない。特徴的構成（Ａ）～（Ｄ）のうち一つまたは複数の構成を持つ電力変換システム２０が提供されてもよい。

１ａ　第一電力変換装置、１ｂ　第二電力変換装置、２　蓄電池、３　太陽電池アレイ、４　負荷機器、４ａ　負荷制御部、４ｂ　負荷本体、６　遮断器、７　電力系統、１０ａ　第一電力変換回路、１０ｂ　第二電力変換回路、１１ａ　第一制御装置、１１ｂ　第二制御装置、２０　電力変換システム、Ｓ１　停止信号、Ｓ２　協調停止信号、Ｓ３　負荷調整信号、ＳＯＣｔｈ　閾値、Ｔ_ｏｐ　残運転時間

Claims

　蓄電池と接続され、電力系統と系統連系するように構築され、前記蓄電池の電力を変換して負荷機器と前記電力系統との間の接続点に出力することで前記負荷機器に電力を供給する第一電力変換装置と、
　前記電力系統が前記第一電力変換装置から切り離された自立運転時において、前記蓄電池の状態が予め定めた残電力不足条件に合致した場合に、前記負荷機器の負荷制御部に対して前記負荷機器に供給される電力を低減するための負荷調整信号を送信する制御手段と、
　を備える電力変換システム。
　蓄電池と接続され、電力系統と系統連系するように構築され、前記蓄電池の電力を変換して負荷機器と前記電力系統との間の接続点に出力することで、前記負荷機器に電力を供給する第一電力変換装置と、
　太陽電池パネルと接続され、前記太陽電池パネルで発電した電力を変換して前記負荷機器と前記電力系統との前記接続点に供給する第二電力変換装置と、
　前記電力系統が前記第一電力変換装置から切り離された自立運転時において、前記蓄電池の状態が予め定めた残電力不足条件に合致した場合に、前記第一電力変換装置の運転停止と前記第二電力変換装置の運転停止とを協調させて行うための協調停止信号を前記第二電力変換装置に送信する制御手段と、
　を備える電力変換システム。
　前記蓄電池の残電力量に基づいて前記第一電力変換装置が電力を出力可能な残運転時間を算出する手段と、前記蓄電池の蓄電容量の経時変化を取得する手段と、のうち少なくとも一つを含む請求項１または２に記載の電力変換システム。
　前記蓄電池の状態が前記残電力不足条件に合致した場合に、前記第一電力変換装置の出力電力が予め定めた低下率で徐々に減少するように前記第一電力変換装置を制御する請求項１または２に記載の電力変換システム。