WO2021001965A1

WO2021001965A1 - 電力システム

Info

Publication number: WO2021001965A1
Application number: PCT/JP2019/026512
Authority: WO
Inventors: 海青李
Original assignee: 東芝三菱電機産業システム株式会社
Priority date: 2019-07-03
Filing date: 2019-07-03
Publication date: 2021-01-07
Also published as: JP6766971B1; US20210344201A1; CN112449736A; EP3996240B1; US11418036B2; EP3996240A4; EP3996240A1; JPWO2021001965A1; CN112449736B

Abstract

電力システムは、太陽電池パネルと、太陽電池パネルからの直流電力を交流電力に変換し、交流電力を電力系統へ出力するように構築された第一電力変換装置と、太陽電池パネルと第一電力変換装置との間に設けられ、事故発生時に開放される直流側開閉装置と、蓄電池と、太陽電池パネルと直流側開閉装置との間の接続点に接続され、直流側開閉装置の開放に応じて接続点の直流電圧が予め定められた所定閾値を超えた場合に、直流電力を変換することで蓄電池を充電する解列充電制御モードを実施するように構築された第二電力変換装置と、を備える。第二電力変換装置は、システム上位監視装置からの指令信号に基づいて蓄電池を充電する通常充電制御モードを備える。解列充電制御モードは、指令信号で通常充電制御モードが指示されていなくとも接続点の直流電圧が所定閾値を超えた場合に実施されることが好ましい。

Description

電力システム

　本出願は、電力システムに関するものである。

　従来、例えば日本特開２０１５－１０９７９６号公報に記載されているように、ＤＣリンク方式の太陽光発電システムが知られている。ＤＣリンク方式とは、太陽電池パネルと電力変換装置とを接続する直流（ＤＣ）パスに蓄電池システムが接続された方式である。

日本特開２０１５－１０９７９６号公報

　系統連系システムに事故が発生した時に、太陽電池パネル側の電力変換装置を電力系統から解列させる場合がある。太陽電池パネルが発電している最中に太陽電池パネルと電力変換装置との間の直流側開閉装置が開放されると、太陽電池パネルが発電した電力が行き場を失ってしまう。そうすると過電圧が発生し太陽電池パネルに大きな負担がかかるおそれがある。

　この出願は、上記のような課題を解決するためになされたもので、太陽電池パネルの過電圧を抑制することができる電力システムを提供することを目的とする。

　本出願にかかる電力システムは、
　太陽電池パネルと、
　前記太陽電池パネルからの直流電力を交流電力に変換し、前記交流電力を電力系統へ出力するように構築された第一電力変換装置と、
　前記太陽電池パネルと前記第一電力変換装置との間に設けられ、事故発生時に開放される直流側開閉装置と、
　蓄電池と、
　前記太陽電池パネルと前記直流側開閉装置との間の接続点に接続され、前記蓄電池の充放電を制御する第二電力変換装置と、
　を備え、
　前記直流側開閉装置の開放に応じて前記接続点の直流電圧が予め定められた所定閾値を超えた場合に、前記太陽電池パネルからの前記直流電力を変換することで前記蓄電池を充電する解列充電制御モードを実施するように構築されたものである。

　上記電力システムによれば、電力系統に対する電力システムの解列に応じて接続点の直流電圧の大きさが所定閾値を超えた場合には、第二電力変換装置が蓄電池を充電する解列充電制御モードが実施される。これにより、太陽電池パネルの発電電力を蓄電池に吸収させることができる。その結果、事故発生時に太陽電池パネルの過電圧が発生することを抑制することができる。

実施の形態にかかる電力システムの構成を示す図である。実施の形態にかかる電力システムの動作を説明するための図である。実施の形態にかかる電力システムの動作を示すタイムチャートである。

　図１および図２は、実施の形態にかかる電力システム１の構成を示す図である。図１は平常運転中の様子を模式的に表したものである。図２は系統事故２０の発生時におけるシステム解列時の動作を模式的に表したものである。

　電力システム１は、直流リンク発電システム１ａと、系統側開閉装置２と、連系トランス３と、システム上位監視装置であるメインサイトコントローラ（ＭＳＣ）１１と、を備えている。系統側開閉装置２の一端は電力系統１００に接続され、系統側開閉装置２の他端は連系トランス３の一端に接続されている。連系トランス３の他端は、交流側開閉装置４の一端に接続されている。なお、実施の形態において「開閉装置」と記載した構成要素には、開閉器および遮断器などの各種の装置を用いることができる。

　直流リンク発電システム１ａは、交流側開閉装置４と、第一電力変換装置５と、直流側開閉装置６と、太陽電池パネル７と、第二電力変換装置８と、蓄電池用開閉装置９と、蓄電池１０と、を備えている。第一電力変換装置５および第二電力変換装置８は、パワーコンディショナシステム（ＰＣＳ）とも称される。

　交流側開閉装置４の他端は、第一電力変換装置５の交流出力端に接続されている。第一電力変換装置５の直流入力端には、直流側開閉装置６の一端が接続されている。

　直流側開閉装置６の他端は、接続点Ｘを介して、太陽電池パネル７に接続されている。接続点Ｘには、第二電力変換装置８の第一入出力端も接続されている。第二電力変換装置８の第二入出力端は、蓄電池用開閉装置９を介して、蓄電池１０に接続されている。

　実施の形態では、簡略化のために一つの直流リンク発電システム１ａのみを図１に示しているが、複数の直流リンク発電システム１ａが連系トランス３に接続するように電力システム１が構築されてもよい。太陽電池パネル７は、複数の太陽電池モジュールが多数直列及び並列に接続された太陽電池アレイとして提供されてもよい。

　ＭＳＣ１１は、例えば図示しない電力計測計等を介して、系統電流Ｉｓと系統電圧Ｖｓと力率Ｐｆとを取得する。ＭＳＣ１１は、系統電流Ｉｓなどの上記各種パラメータに基づいて、有効電力上限リミッタＰ^＊ _１を直流リンク発電システム１ａの第一電力変換装置５に対して送信する。なお、一般的に、太陽光発電用の電力変換装置（ＰＶ－ＰＣＳ）へは発電上限リミッタ値だけが送信され、実際の発電量はＰＶ－ＰＣＳのＭＰＰＴ制御に応じて調整される。

　第一電力変換装置５は、太陽電池パネル７からの直流電力を交流電力に変換し、交流電力を電力系統１００へ出力するように構築されている。第一電力変換装置５は、第一電力変換回路５ａと、第一電力変換制御回路５ｂと、を備えている。

　第一電力変換回路５ａは、一例としてＩＧＢＴ等の半導体スイッチング素子で構築された電圧型三相交流インバータ回路である。第一電力変換制御回路５ｂは、ＭＳＣ１１からの有効電力上限リミッタＰ^＊ _１を上限として、ＭＰＰＴ制御機能により、ゲートパルスとしてのＰＷＭ制御信号を生成することにより第一電力変換回路５ａの半導体スイッチング素子をオンオフ制御する。

　直流側開閉装置６は、太陽電池パネル７と第一電力変換装置５との間に設けられている。電力システム１の平常運転時には、系統側開閉装置２と交流側開閉装置４と直流側開閉装置６とが投入されている。なお、直流側開閉装置６と系統側開閉装置２は、第一電力変換装置５の一部として提供されてもよく、第一電力変換装置５とは別の部品として独立に設置されてもよい。

　系統事故２０の発生時などの異常時には、第一電力変換装置５の半導体スイッチング素子がゲートブロックされ、交流側開閉装置４と直流側開閉装置６とが開放され、第一電力変換装置５の運転が停止される。交流側開閉装置４を開放することで、直流リンク発電システム１ａを電力系統１００から解列することができる。

　蓄電池１０は、ＥＳＳ（エナジーストレージシステム）用の各種の蓄電装置を用いることができる。蓄電池１０は、電気二重層コンデンサ（ＥＤＬＣ）と、リチウムイオンキャパシタ（ＬＩＣ）と、リチウムイオン二次電池（ＬＩＢ）と、ニッケル水素電池と、チタン酸リチウムを用いたＳｃｉＢ（登録商標）と、鉛蓄電池と、ナトリウム硫黄電池と、燃料電池（ＦＣ）とからなる群から選択された蓄電池であってもよい。

　蓄電池１０と第二電力変換装置８は、蓄電用開閉装置９を介して接続されている。実施の形態では、電力システム１の平常運転時においても、系統事故２０の発生時においても、蓄電用開閉装置９が投入のまま保持されるものとする。

　第二電力変換装置８は、太陽電池パネル７と直流側開閉装置６との間の接続点Ｘに接続されている。第二電力変換装置８は、第二電力変換回路８ａと、第二電力変換制御回路８ｂと、を備えている。

　第二電力変換回路８ａとしては、各種公知のＤＣ－ＤＣコンバータ回路を用いることができる。第二電力変換回路８ａは、例えば、ＰＷＭスイッチングコンバータであってもよいし、チョッパ回路を含む昇降圧コンバータであってもよい。第二電力変換制御回路８ｂは、ＭＳＣ１１からの指令信号Ｓ１に基づいて、第二電力変換回路８ａに含まれるＩＧＢＴまたはＭＯＳＦＥＴなどの半導体スイッチング素子のオン・オフを制御する。指令信号Ｓ１には、有効電力指令Ｐ^＊ _２が含まれていてもよく、あるいは電流指令値または電圧指令値が含まれていてもよい。第二電力変換装置８は、有効電力指令Ｐ^＊ _２に基づいて接続点Ｘに対する有効電力の入出力を行うように作動してもよく、電流指令値または電圧指令値に基づいて蓄電池または接続点Ｘにおける充放電電流制御または電圧制御を実施してもよい。蓄電池１０の種類および制御システムの内容に応じて、指令信号Ｓ１にどのような指令値を含ませるかを決めればよい。

　第二電力変換制御回路８ｂは、電圧検出回路８ｂ１を含んでいる。電圧検出回路８ｂ１は、第二電力変換装置８に入力される直流電圧Ｖ_ＤＣを検出する。電圧検出回路８ｂ１は、直流電圧センサを含む。実施の形態では、直流電圧Ｖ_ＤＣが電圧検出回路８ｂ１によって検出される。また、制御回路８ｂには予め所定閾値Ｖ_ｔｈが設定されている。

　第二電力変換制御回路８ｂが実施する制御モードは、放電制御モードと二つの充電制御モードとを含む。二つの充電制御モードは、通常充電制御モードと解列充電制御モードとを含む。

　放電制御モードは、ＭＳＣ１１からの指令信号Ｓ１に基づいて、蓄電池１０で蓄えた電力を接続点Ｘへと出力するように第二電力変換装置８を運転するモードである。通常充電制御モードは、ＭＳＣ１１からの指令信号Ｓ１に基づいて、直流側開閉装置６が投入されているシステム平常運転中に、接続点Ｘの余剰発電電力を蓄電池１０に蓄えるように第二電力変換装置８を運転するモードである。電力会社との取り決めなどにより、電力系統１００に出力するサイト合成出力電力の大きさにサイト合成出力上限値が存在する場合がある。この場合には、通常充電制御モードが実施されることで、サイト合成出力上限値を超える余剰発電電力を蓄電池１０に充電することができる。

　解列充電制御モードは、第一電力変換装置５の解列に応じて接続点Ｘの直流電圧Ｖ_ＤＣが予め定められた所定閾値Ｖ_ｔｈを超えた場合に、第二電力変換装置８が太陽電池パネル７の発電電力を変換することで蓄電池１０を充電するモードである。実施の形態では、指令信号Ｓ１で通常充電制御モードが指示されていなくとも、接続点Ｘの直流電圧Ｖ_ＤＣが所定閾値Ｖ_ｔｈを超えた場合には解列充電制御モードが実施されるものとする。

　放電制御モードと二つの充電制御モードとにおいて、充放電の区別および充放電量は、指令信号Ｓ１の内容で指示される。例えば、自己出力点Ｙに対する有効電力の入出力を指示するという観点から、指令信号Ｓ１に含まれる有効電力指令Ｐ^＊ _２などの指令値が正または負の任意の値に調整されてもよい。

　実施の形態によれば、次の効果が得られる。図２に示す系統事故２０の発生時には、太陽電池パネル７側の第一電力変換装置５を電力系統１００から解列させるために直流側開閉装置６が開放される。直流側開閉装置６が開放されると図２に示す太陽電池パネル７の発電電力Ｐ１が行き場を失うので、何らの措置も取られなければ太陽電池パネル７の出力電圧が過大となるおそれがある。

　この点、実施の形態にかかる電力システム１によれば、接続点Ｘの直流電圧Ｖ_ＤＣの大きさが所定閾値Ｖ_ｔｈを超えた場合には、解列充電制御モードが実施される。解列充電制御モードにより、第二電力変換装置８が蓄電池１０を充電するように動作モードを切り替える。このとき接続点Ｘと第二電力変換装置８との接続状態は維持されているので、遮断された第一電力変換装置５への電流経路を蓄電池１０の側へと切り替えて蓄電池１０へと電流を導くことができる。このような電流経路の切替により、太陽電池パネル７の発電電力を蓄電池１０に吸収させることができる。その結果、系統事故２０の発生時に太陽電池パネル７の過電圧が発生することを抑制することができる。

　なお、実施の形態によれば、指令信号Ｓ１で通常充電制御モードが指示されていなくとも、接続点Ｘの直流電圧Ｖ_ＤＣが所定閾値Ｖ_ｔｈを超えた場合には解列充電制御モードが実施されるように第二電力変換装置８が構築されている。系統事故２０の発生は系統電圧Ｖｓの変化に基づいてＭＳＣ１１でも検知されるので、ＭＳＣ１１が系統事故２０を検知したことに応じて指令信号Ｓ１を充電制御に切り替えることも考えられる。しかしながら、この場合にはＭＳＣ１１を経由することで一定の遅延が発生する。この点、実施の形態によれば、ＭＳＣ１１を経由せずに第二電力変換装置８で制御が完結しているので、接続点Ｘの電圧上昇を直接に検知してその電圧上昇に高速応答するように解列充電制御モードを作動させることができる利点がある。

　なお、実施の形態によれば、第二電力変換制御回路８ｂが持つ電圧検出回路８ｂ１によって直流電圧Ｖ_ＤＣが所定閾値Ｖ_ｔｈを超えたことが検出される。内蔵された電圧検出回路８ｂ１によれば、マイクロ秒などの高速な電圧検出が可能である。従って、系統事故２０時における直流電圧Ｖ_ＤＣの上昇をすばやく検知することができる。

　仮に第一電力変換装置５と第二電力変換装置８とを通信回線でつないで、通信回線を用いて第一電力変換装置５が停止したことを第二電力変換装置８に伝達することも考えられる。しかしながら、このような通信回線を用いる手法では、通信速度が遅い場合には数十ミリ秒から数秒程度の時間がかかるおそれがある。数秒程度の通信時間がかかってしまうと、系統事故２０の発生時における直流電圧Ｖ_ＤＣの上昇速度に比べて制御応答が遅すぎる問題がある。この点、第二電力変換装置８に内蔵された電圧検出回路８ｂ１を用いることで、直流電圧Ｖ_ＤＣの上昇を速やかに検知することができる。なお、第一電力変換装置５と第二電力変換装置８との間に通信回線を設置すると、設置作業に手間がかかったり、コストアップを招いたり、通信回線の断線などの信頼性についての問題が生じたりするという欠点もある。

　なお、第二電力変換装置８として用いられるコンバータ装置には、入力電圧を検出する電圧検出回路８ｂ１が設けられることが普通である。この点、実施の形態によれば、内蔵された電圧検出回路８ｂ１を用いることで新たな追加部品が必要とされないので、ハードウェアおよびソフトウェアの面で構築が容易であるという利点もある。

　図３は、実施の形態にかかる電力システム１の動作を示すタイムチャートである。図３のタイムチャートの時刻ｔ１において系統事故２０が発生すると、接続点Ｘの直流電圧Ｖ_ＤＣが、平常運転電圧Ｖ_ｏｐｅから急峻に上昇する。

　直流電圧Ｖ_ＤＣは、やがて時刻ｔ２において所定閾値Ｖ_ｔｈに達する。Ｖ_ＤＣ＞Ｖ_ｔｈであることが判定された時刻ｔ２において、この電圧判定に応答して第二電力変換制御回路８ｂが解列充電制御モードをオンとする。これに応答して第二電力変換回路８ａが蓄電池１０を充電するように電力変換を実施する。

　その後、時間Ｔ_ＣＲＧが経過した時刻ｔ３において、接続点Ｘの直流電圧Ｖ_ＤＣが、太陽電池パネル７の開放電圧Ｖ_ＯＣまで収束する。この電圧収束が確認された時刻ｔ３で、解列充電制御モードがオフとされる。なお、解列充電制御モードをオフとする電圧収束の判定条件は、Ｖ_ＤＣ≦Ｖ_ＯＣであってもよく、変形例としてＶ_ＤＣ≦Ｖ_{ｔｈ＿ＯＣ}であってもよい。Ｖ_{ｔｈ＿ＯＣ}は、Ｖ_ＯＣより若干高い電圧に定めた電圧収束閾値である。

　図３に示すように、所定閾値Ｖ_ｔｈは、太陽電池パネル７の開放電圧Ｖ_ＯＣよりも高く、且つ太陽電池パネル７の絶縁耐圧Ｖ_ｐｖｒよりも低い値に定められることが好ましい。これにより解列充電制御モードを作動させるための所定閾値Ｖ_ｔｈを適正値に設定することができる。

　実施の形態では、所定閾値Ｖ_ｔｈは、太陽電池パネル７の開放電圧Ｖ_ＯＣよりも高く設定されている。第二電力変換装置８は、解列充電制御モードが開始された後に直流電圧Ｖ_ＤＣが開放電圧Ｖ_ＯＣまで低下した場合には、解列充電制御モードを停止するように構築されてもよい。

　蓄電池１０は、充電上限電圧Ｖ_{ｌｉｍｉｔ}を備えている。第二電力変換装置８は、解列充電制御モードの開始時または開始後に蓄電池１０の電圧が充電上限電圧Ｖ_{ｌｉｍｉｔ}に達した場合であっても解列充電制御モードを継続する過充電制御モードを備えてもよい。

　一般的に、蓄電池１０のＳＯＣ上限に対応する充電上限電圧Ｖ_{ｌｉｍｉｔ}は、蓄電池１０が不可逆的に破壊してしまう物理的上限電圧よりも十分に低く定められている。また、系統事故２０の発生時における太陽電池パネル７の過電圧対策という観点からは、その過電圧を吸収できる程度の短時間の充電動作を実施できればよい。そこで、過充電制御モードにおいては蓄電池１０のＳＯＣが１００％であっても蓄電池１０に対して一時的に非常時電力吸収を行わせることで、系統事故２０の発生時における太陽電池パネル７の保護を優先させることができる。

　なお、この過充電制御モードを作動させるときには、蓄電池１０の保護回路が持つ通常の保護機能に数秒から数十秒程度の時限をもたせることが好ましい。通常の保護機能は、蓄電池１０が充電上限電圧Ｖ_{ｌｉｍｉｔ}に達した時点で速やかに充電を停止させるように構築されるのが普通だからである。

１　電力システム、１ａ　直流リンク発電システム、２　系統側開閉装置、３　連系トランス、４　交流側開閉装置、５　第一電力変換装置、５ａ　第一電力変換回路、５ｂ　第一電力変換制御回路、６　直流側開閉装置、７　太陽電池パネル、８　第二電力変換装置、８ａ　第二電力変換回路、８ｂ　第二電力変換制御回路、８ｂ１　電圧検出回路、９　蓄電池用開閉装置、１０　蓄電池、２０　系統事故、Ｓ１　指令信号、Ｖ_ＤＣ　直流電圧、Ｖ_{ｌｉｍｉｔ}　充電上限電圧、Ｖ_ＯＣ　開放電圧、Ｖｓ　系統電圧、Ｖ_ｔｈ　所定閾値、Ｘ　接続点

Claims

　太陽電池パネルと、
　前記太陽電池パネルからの直流電力を交流電力に変換し、前記交流電力を電力系統へ出力するように構築された第一電力変換装置と、
　前記太陽電池パネルと前記第一電力変換装置との間に設けられ、事故発生時に開放される直流側開閉装置と、
　蓄電池と、
　前記太陽電池パネルと前記直流側開閉装置との間の接続点に接続され、前記蓄電池の充放電を制御する第二電力変換装置と、
　を備え、
　前記直流側開閉装置の開放に応じて前記接続点の直流電圧が予め定められた所定閾値を超えた場合に、前記太陽電池パネルからの前記直流電力を変換することで前記蓄電池を充電する解列充電制御モードを実施するように構築された電力システム。
　前記第二電力変換装置は、システム上位監視装置からの指令信号に基づいて前記蓄電池を充電する通常充電制御モードを備え、
　前記解列充電制御モードは、前記指令信号で前記通常充電制御モードが指示されていなくとも前記接続点の前記直流電圧が前記所定閾値を超えた場合に実施される請求項１に記載の電力システム。
　前記第二電力変換装置は、入力される直流電圧を検出する電圧検出回路を含み、前記電圧検出回路により検出された前記直流電圧が前記所定閾値を超えたことを検出する請求項１または２に記載の電力システム。
　前記所定閾値は、前記太陽電池パネルの開放電圧よりも高く、且つ前記太陽電池パネルの絶縁耐圧よりも低い値に定められた請求項１～３のいずれか１項に記載の電力システム。
　前記所定閾値は、前記太陽電池パネルの開放電圧よりも高く設定され、
　前記第二電力変換装置は、前記解列充電制御モードが開始された後に前記直流電圧が前記開放電圧に収束したことが検知された場合には、前記解列充電制御モードを停止するように構築された請求項１～４のいずれか１項に記載の電力システム。
　前記蓄電池は、充電上限電圧を備え、
　前記第二電力変換装置は、前記解列充電制御モードの開始時または開始後に前記蓄電池の電圧が前記充電上限電圧に達した場合であっても前記解列充電制御モードを継続する過充電制御モードを備える請求項１～５のいずれか１項に記載の電力システム。