WO2021261094A1 - 直流バス制御システム - Google Patents

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WO2021261094A1
WO2021261094A1 PCT/JP2021/017714 JP2021017714W WO2021261094A1 WO 2021261094 A1 WO2021261094 A1 WO 2021261094A1 JP 2021017714 W JP2021017714 W JP 2021017714W WO 2021261094 A1 WO2021261094 A1 WO 2021261094A1
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WO
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charge
power
bus
discharge
voltage
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PCT/JP2021/017714
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French (fr)
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克彦 津野
克司 藤井
佳代 小池
智之 和田
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国立研究開発法人理化学研究所
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Publication date
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    • H02J7/34—Parallel operation in networks using both storage and other dc sources, e.g. providing buffering
    • H02J7/35—Parallel operation in networks using both storage and other dc sources, e.g. providing buffering with light sensitive cells

Definitions

  • This disclosure relates to a DC bus control system.
  • the power generation of this type of power supply system fluctuates greatly depending on the weather, season, location, etc. Therefore, in order to maintain the voltage of the DC bus to which the power supply system is connected within a predetermined allowable range, the power supply of a solar cell, a wind power generator, etc. is supplied to the DC bus via a power converter having a wide input range and a large capacity. It is desirable to connect to. However, in that case, increasing the capacity of the power converter leads to an increase in size, complexity, and cost of the entire system.
  • Patent Document 1 The applicant has proposed a control system for efficiently controlling the power fluctuation of the DC bus caused by the fluctuation of the input power supply and the load (Patent Document 1).
  • the main stabilizer controls the DC bus voltage based on the electricity storage amount index to control the fuel cell, the water electrolysis cell, and the electricity storage device. According to the control system of Patent Document 1, it is possible to efficiently control the power fluctuation of the DC bus caused by the fluctuation of the input power supply and the load.
  • Patent Document 1 aims at early stabilization of the DC voltage, and does not take into consideration the deterioration of the water electrolysis cell (charging element) and the fuel cell (discharge element). Water electrolysis cells and fuel cells deteriorate when operated with an excessive or too small current or voltage, or when the current or voltage fluctuates too rapidly. When the water electrolysis cell or the fuel cell deteriorates, long-term continuous operation is hindered.
  • An object of the present invention is to provide a control system capable of efficiently controlling power fluctuations of a DC bus caused by fluctuations of an input power source and a load, and capable of long-term and stable operation. ..
  • the DC bus control system that controls the power fluctuation of the DC bus that connects between the input power supply and the load includes a main stabilizer having a first charge / discharge element and a first power converter, and a second charge.
  • the first power converter includes a discharge element, a charge element, or a plurality of quasi-stabilizers having a discharge element and a second power converter, wherein the first power converter obtains a bus voltage target value and the bus voltage target value.
  • the second power converter is configured to transfer and receive DC power in both directions between the first charging / discharging element and the DC bus so that the voltages of the DC bus match.
  • a current target value is obtained according to the difference between the charging or discharging threshold of the charging / discharging element, the charging element, or the charging / discharging of the DC bus and the voltage of the DC bus, and the current equal to the current target value is the second charging / discharging element. It is configured to transfer DC power between the second charging / discharging element, charging element, or discharging element and the DC bus so as to flow through the discharging element, charging element, or discharging element.
  • the quasi-stabilizer is a first quasi-stabilizer having a charge / discharge element and a second power converter, and at least one second quasi-stabilizer having a charging element or a discharging element and a second power converter. Including stabilizers,
  • the response speed of the first metastability device is characterized in that the charge amount of the charge element or the discharge amount of the discharge element of the second metastability device is determined so as to change with a predetermined time constant. And.
  • the power fluctuation of the DC bus caused by the fluctuation of the input power supply and the load is efficiently controlled, and the response speed of the charging element or the discharging element of the semi-stabilizing device is slowed down. It is possible to prevent deterioration and provide a control system capable of long-term and stable operation.
  • FIG. 1 is an overall configuration diagram of a DC bus control system according to this embodiment.
  • the DC bus control system shown in FIG. 1 includes a photovoltaic power generation system 10 and a wind power generation system 20 which are renewable energy power supply systems as input power sources. These power generation systems 10 and 20 are connected in parallel and their output side is connected to the DC bus 70.
  • the photovoltaic power generation system 10 includes a solar cell 11 and a power converter 12, and the wind power generation system 20 includes a wind power generator 21 and a power converter 22.
  • the input power supply may be arbitrary.
  • energy such as wave power or geothermal power may be used in addition to the above-mentioned ones, or hydropower (small hydropower) power generation, tidal power generation, tidal power generation, temperature. It may be a power supply system such as differential power generation. Further, these combinations may be used, including those described above.
  • the number of power supply systems connected in parallel with each other is not particularly limited.
  • the DC bus 70 is connected to the main stabilizing device 30, the metastabilizing devices 40, 50, and 60, and is also connected to the load 90.
  • the main stabilizer 30 sets a variable bus voltage target value within a predetermined allowable range centered on the reference bus voltage (reference voltage of the DC bus 70), and the output voltage on the DC bus 70 side is the bus voltage target value.
  • the power converter 32 is operated so as to match the above, and the power storage device 31 is charged / discharged.
  • the semi-stabilizing device 40 calculates an input / output current target value based on the difference between the charge / discharge threshold value and the voltage of the DC bus, and powers the input / discharge current so as to match the input / output current target value.
  • the converter 42 is operated to control the charging / discharging of the power storage device 41.
  • the power storage devices 31 and 41 are, for example, a battery (secondary battery), an electric double layer capacitor, a capacitor, a flywheel, a redox flow battery, or the like.
  • the power converters 32 and 42 are, for example, isolated DC / DC converters or choppers, and can transfer and receive DC power in both directions as shown by arrows.
  • the power converter 52 performs DC / DC conversion so that the input / output current matches the input / output current target value calculated based on the difference between the charge threshold value and the voltage of the DC bus.
  • DC power is supplied to the water electrolysis cell 51 (a kind of charging operation), and water is electrolyzed to generate hydrogen gas and oxygen gas.
  • the quasi-stabilizer 60 supplies the DC power generated by the electrochemical reaction of the fuel cell 61 to the DC bus 70 via the power converter 62 (a kind of discharge operation), but at that time, the discharge threshold value is reached.
  • the power converter 62 performs DC / DC conversion so that the input / output current matches the input / output current target value calculated based on the difference between the DC bus and the voltage of the DC bus.
  • a CH system is obtained by electrochemically reducing carbon dioxide.
  • a means for producing bonds (CH4, C2H4, etc.) or alcohol, or a means for producing ammonia by reducing hydrogen may be used, and as an alternative to the fuel cell 61, a fuel cell using alcohol or the like or a chemical substance may be used. It may be a power generation means for rotating a turbine or the like by burning (hydrogen, CH system, alcohol, ammonia, etc.).
  • FIG. 2 is another configuration example of the metastability device.
  • the metastability device 50A having an integrated structure may be used in which the above-mentioned metastability devices 50 and 60 share the hydrogen storage device 53.
  • the power storage devices 31 and 41 are capable of absorbing (charging) and discharging (discharging) DC power. Further, the water electrolysis cell 51 (and the hydrogen storage device 53 in FIG. 2) converts DC power into gas and stores it, and the fuel cell 61 (and the hydrogen storage device 53) converts the gas into DC power for power generation. Operation is possible.
  • the power storage devices 31 and 41 constitute a charging / discharging element, the water electrolysis cell 51 (and the hydrogen storage device 53) constitutes a charging element, and the fuel cell 61 (and the hydrogen storage device 53) constitutes a discharging element.
  • each of the stabilizers 30, 40, 50, and 60 is regarded as a power buffer that transfers DC power to and from the DC bus 70 by the operation of the power converters 32, 42, 52, and 62, respectively. be able to.
  • the main stabilizing device 30 and the semi-stabilizing device 40 are power buffers having a charge / discharge function
  • the semi-stabilizing device 50 is a power buffer having a charging function
  • the semi-stabilizing device 60 is a power buffer having a discharging function.
  • the number of main stabilizing devices 30 having a bus voltage target value setting function may be one, but only the required number of semi-stabilizing devices may be provided according to the number of parallel power supply systems and the required power of the load 90. ..
  • the monitoring / indicating device 80 collects state information (voltage, current, temperature, etc.) of each power generation system 10 and 20, the main stabilizing device 30, and the semi-stabilizing devices 40, 50, and 60, and monitors and operates the state. In addition to monitoring, operation commands (start / stop commands, etc.) for each part, charge / discharge threshold commands, etc. are generated based on these monitoring results. Various monitoring signals and commands can be transmitted / received between the monitoring / instruction device 80 and each of the above-mentioned parts by wire or wirelessly.
  • the load 90 may be a DC load such as a DC electric motor, or a DC / AC converter that converts DC power into AC power and an AC load thereof. Further, an AC power system may be connected to the DC bus 70 via a DC / AC converter.
  • a solar power generation system 10 and a wind power generation system 20 are provided as input power sources.
  • the photovoltaic power generation system 10 and the wind power generation system 20 have a common function in that the generated power using renewable energy is converted into DC power by the power converters 12 and 22 and supplied to the DC bus 70. Therefore, in the following, the solar power generation system 10 will be described as an example.
  • FIG. 3 is a block diagram showing a configuration example of the power converter 12 in the photovoltaic power generation system 10.
  • the power converter 12 includes a DC / DC converter 12A and a control circuit 12B.
  • the DC / DC conversion unit 12A converts the DC output voltage of the solar cell 11 into a DC voltage of a predetermined size by the operation of the semiconductor switching element and outputs the DC output voltage to the DC bus 70, and is composed of, for example, a boost chopper. There is.
  • the output voltage and current of the solar cell 11 are detected by the voltage detector 12a and the current detector 12b, and these detected values are input to the MPPT control unit 12c. ..
  • the MPPT control unit 12c searches for the maximum output point of the solar cell 11 by a mountain climbing method or the like and outputs it to the voltage / current control unit 12d.
  • the voltage / current control unit 12d sends a drive pulse generated by PWM (pulse width modulation) control or the like to the drive circuit 12e, and the drive circuit 12e is a semiconductor switching element of the DC / DC conversion unit 12A based on the drive pulse. On and off.
  • PWM pulse width modulation
  • the voltage of the DC bus 70 is detected by the voltage detector 12f, and this bus voltage detection value is input to the comparison unit 12g together with the bus voltage target value sent from the main stabilizer 30 described later.
  • the comparison unit 12g generates a control signal according to the deviation between the bus voltage detection value and the bus voltage target value, and outputs the control signal to the voltage / current control unit 12d.
  • the voltage / current control unit 12d calculates a drive pulse that matches the bus voltage detection value with the bus voltage target value based on the control signal. For example, the bus voltage detection value sets the bus voltage target value. If it exceeds the voltage, the control operation is performed so as to reduce the output voltage of the DC / DC converter 12A (including stopping the operation).
  • FIG. 4 is a block diagram showing a configuration example of the power converter 32 in the main stabilizer 30.
  • the power converter 32 includes a DC / DC converter 32A and a control circuit 32B.
  • the DC / DC converter 32A has a function of bidirectionally transferring DC power between the DC bus 70 and the power storage device 31 to control charge / discharge of the power storage device 31, and is an isolated type equipped with a semiconductor switching element. It is composed of a DC / DC converter, a chopper, and the like. A sensor 31a for detecting voltage / current and temperature is installed in the power storage device 31.
  • control circuit 32B The configuration of the control circuit 32B is as follows.
  • the voltage of the DC bus 70 is detected by the voltage detector 32a, and the bus voltage target value calculation unit 32b calculates the bus voltage target value according to the first storage amount index of the power storage device 31.
  • the calculation method of the bus voltage target value will be described later.
  • a charge rate SOC: State of Charge
  • SOC State of Charge
  • the offset calculation unit 32c calculates the offset of the bus voltage target value based on the difference between the second storage amount index of the power storage device 31 and the target value of the second storage amount index.
  • the second storage amount index is an index of the storage amount of the power storage device 31 obtained by a method different from that of the first storage amount index, and is, for example, the terminal voltage (battery voltage) of the power storage device 31 detected by the sensor 31a. Can be used.
  • the offset calculation unit 32c obtains the above offset as a value corresponding to the integral value of the difference between the second storage amount index and the target value, for example. More specifically, the offset is obtained as a value obtained by multiplying a value obtained by integrating the difference between the second storage amount index and the target value thereof by a predetermined gain.
  • the integral calculation is not performed, and only when the magnitude of the charge / discharge current is smaller than the predetermined value, the integral calculation is performed. good. That is, the offset is obtained as a value corresponding to the integrated value of the difference between the second storage amount index and the target value of the storage amount index only when the magnitude of the charge / discharge current of the power storage device 31 is smaller than a predetermined value. It is good.
  • the second power storage amount index (for example, terminal voltage) accurately represents the power storage amount of the power storage device 31. It is determined as a value that can be expected.
  • the deviation between the bus voltage target value and the bus voltage detection value is calculated by the subtractor 32d, the offset is further subtracted from the voltage deviation by the subtractor 32e, and the voltage deviation after offset correction is input to the charge / discharge control unit 32f. ..
  • the voltage / current, temperature, and charge / discharge threshold value of the power storage device 31 are input to the charge / discharge control unit 32f, and the charge / discharge control unit 32f takes the bus voltage detection value into a bus while considering these input information.
  • a drive pulse is generated by performing PWM control or the like so as to match the voltage target value.
  • the drive circuit 32g turns on and off the semiconductor switching element of the DC / DC converter 32A according to the drive pulse.
  • the DC / DC converter 32A controls the charging / discharging of the power storage device 31 as described above to match the bus voltage detection value with the bus voltage target value.
  • the amount of electricity stored in the electricity storage device 31 can be estimated to be an approximate value based on the terminal voltage thereof.
  • the terminal voltage varies depending on the magnitude of the charge / discharge current, but when the charge / discharge current is sufficiently small (when it is equal to or less than the above-mentioned predetermined value), the terminal voltage can be regarded as representing the amount of electricity stored in the power storage device 31. Therefore, by performing an integral calculation of the difference between the terminal voltage and the target value only when the charge / discharge current is small, it is possible to perform steady offset removal of the storage index as in the integral control of PID control.
  • the amount of electricity stored in the electricity storage device 31 can be maintained at the target value of the second electricity storage amount index, and the actual electricity storage amount of the electricity storage device 31 is not exhausted or overflowed, and continuous operation for a long period of time is stable. You will be able to do it.
  • the charge / discharge threshold value of the power storage device 31 may be set by the control circuit 32B by itself, or may be received as a command from the monitoring / instruction device 80 of FIG.
  • FIG. 5 is a block diagram showing a configuration example of the power converter 42 in the metastability device 40 of FIG.
  • the power converter 42 includes a DC / DC converter 42A and a control circuit 42B.
  • the power converter 42 has the same function as the power converter 32 of FIG. 4A in that DC power is exchanged in both directions between the DC bus 70 and the power storage device 41. Similar to the power storage device 31, the power storage device 41 is provided with a sensor 41a for detecting voltage / current and temperature.
  • the control circuit 42B includes a voltage detector 42a, a comparison unit 42b, a subtractor 42c, a charge / discharge control unit 42d, and a drive circuit 42e.
  • the power converter 42 shown in FIG. 5 differs from the power converter 32 of FIG. 4A in the following points.
  • the charge / discharge control unit 42d calculates the input / output current target value based on the deviation between the charge / discharge threshold value and the bus voltage detection value.
  • the charge / discharge control unit 42d further performs charge / discharge control for the power storage device 41 so that the input / output current of the DC / DC conversion unit 42A matches the input / output current target value.
  • the charge / discharge threshold value may be a threshold value (charge threshold value and discharge threshold value) related to charge / discharge of the power storage device 41, and the input / output current target value may be set according to the difference between the threshold value and the voltage of the DC bus 70. ..
  • the comparison unit 42b provided in the control circuit 42B compares the charge / discharge threshold value of the power storage device 41 with the bus voltage detection value, and either a charge command or a charge command or a charge command according to the magnitude relationship between the discharge threshold value and the bus voltage detection value.
  • a discharge command is output to control the operation of the charge / discharge control unit 42d.
  • the charge / discharge threshold value may be set by the control circuit 42B by itself, or may be received as a command from the monitoring / indicating device 80.
  • FIG. 6 is a block diagram showing a configuration example of the power converter 52 in the metastability device 50.
  • the power converter 52 includes a DC / DC converter 52A and a control circuit 52B.
  • the DC / DC conversion unit 52A has a function of converting the DC power of the DC bus 70 into a predetermined size and supplying it to the water electrolysis cell 51, and is an isolated DC / DC converter or chopper equipped with a semiconductor switching element. It is composed of such things.
  • the water electrolysis cell 51 is an operation of electrolyzing water using DC power supplied from the DC / DC conversion unit 52A and storing the generated hydrogen gas in an external storage device (not shown), in other words, a kind. Performs charging operation.
  • the control circuit 52B that controls the DC / DC conversion unit 52A is generally configured in the same manner as the control circuit 42B in FIG.
  • the voltage of the DC bus 70 is detected by the voltage detector 52a, the deviation between the charging threshold and the bus voltage detection value is calculated by the subtractor 52c, and this voltage deviation is the charging control. It is input to the unit 52d. Further, the bus voltage detection value is input to the comparison unit 52b together with the charge threshold value, and the comparison unit 52b outputs a charge command to the charge control unit 52d when the bus voltage detection value exceeds the charge threshold value.
  • the charge threshold value corresponds to the start voltage of electrolysis by the water electrolysis cell 51. That is, the charging threshold is a threshold for charging the water electrolysis cell 51.
  • the charge control unit 52d calculates an input / output current target value based on the voltage deviation input from the subtractor 52c, and charges the DC / DC conversion unit 52A so that the input / output current matches the input / output current target value.
  • a drive pulse as a command is generated and output to the drive circuit 52e.
  • DC power is supplied to the water electrolytic cell 51 to electrolyze water by turning on and off the semiconductor switching element of the DC / DC conversion unit 52A according to the drive pulse.
  • the DC / DC conversion unit 52A operates so as to match the input / output current with the input / output current target value while controlling the DC power supplied to the water electrolysis cell 51 by the above operation.
  • the power generation operation by the fuel cell 61 is considered as a discharging operation, and the water electrolysis cell 51, the charging threshold, and the charging control unit 52d of the semi-stabilizing device 50 shown in FIG. 6 are fueled, respectively. It may be configured by replacing the battery 61, the discharge threshold, and the discharge control unit.
  • the discharge threshold value in this case corresponds to the starting voltage of power generation by the fuel cell 61.
  • the quasi-stabilizing device 60 when the bus voltage detection value falls below the discharge threshold value, a drive pulse corresponding to the discharge command is output to the discharge control unit to operate the DC / DC conversion unit, and the power generated by the fuel cell 61 is generated. , Is supplied to the DC bus 70 via the DC / DC conversion unit.
  • the DC / DC converter operates so as to match the input / output current with the input / output current target value while controlling the generated power of the fuel cell 61 by the above operation.
  • the water electrolysis cell 51 and the fuel cell 61 are also provided with sensors for detecting voltage, current, temperature, etc., and these detected values are input to the charge control unit 52d and the discharge control unit.
  • the illustration is omitted.
  • charge threshold value and the discharge threshold value may be set by each control circuit by themselves, or may be received as a command from the monitoring / instruction device 80.
  • the configurations and operations of the power converters 12, 32, 42, and 52 shown in FIGS. 3 to 6, and particularly the control circuits 12B, 32B, 42B, and 52B, are merely exemplary and the techniques of the present invention. Needless to say, the target range is not limited, and a configuration different from these may be adopted.
  • FIG. 7 shows the charge / discharge power of the power storage device 41 of the semi-stabilizing device 40 according to the voltage of the DC bus 70, the input power of the water electrolysis cell 51 of the semi-stabilizing device 50, and the fuel of the semi-stabilizing device 60. It is a conceptual diagram which shows each of the output power of a battery 61 schematically.
  • the horizontal width of the triangle symbol in FIG. 7 indicates the magnitude of each electric power, and the wider the width, the larger the electric power value.
  • FIG. 7 illustrates a case where the input power source is a renewable energy power source system, and the renewable energy power source system is, for example, the photovoltaic power generation system 10 and / or the wind power generation system 20 of FIG.
  • the charge / discharge operation of each part is controlled according to the voltage of the DC bus 70 to which these generated electric powers are supplied, the charge / discharge threshold of the power storage device 41, the water electrolysis cell 51, the fuel cell 61, and the like.
  • (B) regarding the power storage device 41 is a case where the charge threshold value and the discharge threshold value are set lower than (a) according to the reference bus voltage, and (c) is a case where the charge threshold value and the discharge threshold value are set higher than (a). ..
  • the same threshold setting change operation is also possible for the charge threshold of the water electrolysis cell 51 and the discharge threshold of the fuel cell 61.
  • the DC bus 70 and the semi-stabilizing devices 40, 50, and 60 are controlled by changing the charging threshold and the discharging threshold of the power storage device 41, the water electrolysis cell 51, and the fuel cell 61 to control the charging / discharging operation.
  • the DC power sent to and received from and can be adjusted individually. In other words, it is possible to finely control the operation of each power buffer.
  • the charge threshold value and the discharge threshold value can be changed based on the command from the monitoring / indicating device 80, or the power converters 42, 52, and 62 can perform themselves.
  • 8A and 8B are operation explanatory views of the main stabilizer 30.
  • the main stabilizing device 30 transfers DC power between the DC bus 70 and the power storage device 31, and controls the charge / discharge of the power storage device 31.
  • the control circuit 32B in the power converter 32 sets a bus voltage target value based on the first storage amount index (for example, charge rate) of the power storage device 31, for example, according to the characteristics shown in FIG. 8B.
  • This bus voltage target value may be set so as to be higher as the first storage amount index is larger and lower as the first storage amount index is smaller within the allowable range of the voltage of the DC bus 70.
  • the control circuit 32B controls the DC / DC converter 32A so that the bus voltage detection value matches the voltage target value.
  • an upper limit and a lower limit may be set for the bus voltage target value.
  • the upper limit is a value corresponding to the maximum operation of charging the water electrolysis cell or the battery (a value indicating the maximum operation) or a value slightly higher than that.
  • the lower limit is a value corresponding to the maximum operation of the fuel cell or battery discharge (a value indicating the maximum operation) or a value slightly lower than that.
  • the relationship between the first storage amount index and the target value determined by the bus voltage target value calculation unit 32b is shown in FIG. 8C. Since the first storage amount index takes only a value between the lower limit value and the upper limit value, the bus voltage target value also takes a value corresponding to this range.
  • the main stabilizer 30 uses the offset calculation unit 32c to take into consideration the integrated value of the difference between the second storage amount index (battery voltage) and its target value. The voltage target value is determined. Therefore, the difference between the calculated storage amount index (first storage amount index) and the actual storage amount as described above can be automatically eliminated in the long term.
  • 9A and 9B are operation explanatory views of the metastability devices 40 and 50.
  • the power converter 42 of the quasi-stabilizer 40 charges the power storage device 41 using the DC power of the DC bus 70, and the power converter 52 of the quasi-stabilizer 50
  • the DC power of the DC bus 70 is supplied to the water electrolytic cell 51 to electrolyze the water.
  • the charging characteristics in this case are as shown in FIG. 9B, and the power converters 42 and 52 are controlled so that the charging current increases as the voltage of the DC bus 70 becomes higher than the charging threshold of the power storage device 41 or the water electrolysis cell 51, respectively. do.
  • FIGS. 10A and 10B are operation explanatory views of the metastability devices 40 and 60.
  • the power converter 42 of the quasi-stabilizer 40 discharges the power storage device 41 to supply DC power to the DC bus 70, and the power converter 62 of the quasi-stabilizer 60. Operates the fuel cell 61 to generate power to supply DC power to the DC bus 70.
  • the discharge characteristics in this case are as shown in FIG. 10B, and the power converters 42 and 62 are controlled so that the discharge current increases as the voltage of the DC bus 70 becomes lower than the discharge threshold of the power storage device 41 or the fuel cell 61, respectively. ..
  • the DC bus control system changes in the power input / output balance of the entire system are first dealt with by current input / output to the main stabilizing device 30 (storage device 31) having a fast response speed. By doing so, the response to other devices is relaxed. At this time, when the current flows into the main stabilizing device 30, the charging of the power storage device 31 increases the first storage amount index and raises the bus voltage. On the contrary, in the case of the outflow of the current from the main stabilizing device 30, the discharge of the power storage device 31 reduces the first storage amount index and lowers the bus voltage. These operations are performed by the power converter 32 (DC / DC converter 32A and control circuit 32B) of the main stabilizer 30.
  • charging or discharging is performed by increasing or decreasing the amount of current inflow to the charging element or the discharging element according to the fluctuation of the bus voltage. This operation is performed by the power converter of the metastability device.
  • the system control can be performed by the distributed processing by the operation of each device, and the centralized overall control can be performed. Is not necessary.
  • the problem of error which is a problem when centralized management is performed, can be solved.
  • the reaction speed of the main stabilizer needs to follow the power fluctuation of the system, but since the main stabilizer absorbs the fast fluctuation, the operation of the semi-stabilizer can be relatively slow, and there is no problem.
  • the direction of the current can also be controlled, it can be used in devices such as water electrolysis cells and fuel cells that can absorb or release electric power in only one direction and are not suitable for high-speed output fluctuations.
  • the main stabilizing device 30 determines the target value of the DC bus voltage based on the second storage amount index of the power storage device 31, the storage amount of the power storage device 31 is determined. It can be kept constant, and long-term continuous operation can be performed stably.
  • the maximum is 3 V (more preferably, the maximum is 2.5 V, the rating is 2.0 V), and the time from zero to the rating is 30 seconds or more (more preferably 60). It is desirable to control the voltage application such as seconds or more, more preferably 5 minutes or more), and not to apply a higher speed voltage change. Further, if the voltage is 0.8 V or less and 0.6 V or more for each single cell of the fuel cell 61, and the load is always 15% or more (if the state where the load is 15% or less continues for 5 minutes or more).
  • Stop the fuel cell control the load so that the time from zero to rating is 30 seconds or more (more preferably 60 seconds or more, further preferably 5 minutes or more), and the voltage fluctuation is 0 over 1 second or more. It is desirable to keep it within the range of .7V-0.8V.
  • the time constant of the water electrolysis cell 51 and the fuel cell 61 and the maximum power (current) or the minimum power (current) are controlled as follows.
  • FIG. 7B is a diagram showing the relationship between the bus voltage and the electric power (electric power) in the water electrolysis cell 51.
  • the bus voltage is constant at a predetermined power W1 min (current I1 min ) while the bus voltage is 0 to the first threshold V min , and the bus voltage is between the first threshold V min and the second threshold V max .
  • the electric power (current) gradually increases, and when the bus voltage is equal to or higher than the second threshold value V max , the electric power W1 max (current I1 max ) is constant.
  • the threshold values Vmin, Vmax and the power W1 min , W1 max (currents I1 min , I1 max ) can be set based on a command from the monitoring / indicating device 80 or by the power converter 52.
  • the time constant of the response of such a water electrolysis cell 51 is given as follows.
  • I1 max is a current corresponding to the upper limit value provided in the first storage amount index.
  • the proportional gain Kp is a ratio when converting the bus voltage to the current of the quasi-stabilizer, and can be set by the power converter 52.
  • FIG. 7C is a diagram showing the relationship between the bus voltage and the electric power (electric power) in the fuel cell 61.
  • the bus voltage is constant at a predetermined power W2 max (current I2 max ) between 0 and the first threshold V min
  • the bus voltage is constant between the first threshold V min and the second threshold V max .
  • the electric power (current) gradually decreases, and when the bus voltage is equal to or higher than the second threshold value V max , the electric power W2 min (current I2 min ) is constant.
  • the threshold values Vmin, Vmax and the power W2 min , W2 max (currents I2 min , I2 max ) can be set based on a command from the monitoring / indicating device 80 or by the power converter 62.
  • the time constant in the fuel cell is also given as follows and can be set in the same manner as the water electrolysis cell 51.
  • the power storage device 41 of the semi-stabilizing device 40 is a power storage device that can transfer DC power in both directions, such as a super capacitor, and the time constant thereof is the time constant of the power storage device 31 of the main stabilizing device 30. Almost equal. In the present disclosure, “almost equal” means that one is within plus or minus 30 percent of the other, but may be plus or minus 10 percent or plus or minus 3 percent.
  • the hydroelectric commentary 51 and the fuel cell 61 respond with the time constant described above.
  • the maximum current and the minimum current are set so that the time from the minimum voltage to the rated voltage of the water electrolysis cell 51 and the fuel cell is 30 seconds or more, more preferably 60 seconds or more, still more preferably 5 minutes or more.
  • a super capacitor for the metastability device 40A and a secondary battery for the metastability device 40B By using a plurality of quasi-stabilizing devices having different time constants, it becomes easier to control the time constants of the water electrolysis cell 51 and the fuel cell 61.
  • the metastability device 40A corresponds to the first metastability device
  • the metastability devices 50 and 60 are respectively set in the second metastability device
  • the metastability device 40B is used.
  • the third metastabilizing device corresponds to the third metastabilizing device.

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Abstract

入力電源と負荷との間を接続する直流バスの電力変動を制御する直流バス制御システムであって、第１の充放電要素と第１の電力変換器とを有する主安定化装置と、第２の充放電要素、充電要素、または放電要素と第２の電力変換器とを有する複数の準安定化装置とを含み、前記複数の準安定化装置は、充放電要素と第２の電力変換器とを有する第１の準安定化装置と、充電要素または放電要素と第２の電力変換器とを有する少なくとも１つの第２の準安定化装置と、を含み、前記第１の準安定化装置の応答速度は、前記第２の準安定化装置の充電要素の充電量または放電要素の放電量が、所定の時定数で変化するように定められる

Description

直流バス制御システム
　本開示は、直流バス制御システムに関する。
　近年、化石エネルギーや原子力エネルギーの代替電源として、太陽光や風力、波力等の再生可能エネルギーを利用した電源システムが注目されており、これらの一部は既に実用化されている。
　この種の電源システムは、天候や季節、立地等によって発電電力が大きく変動する。このため、電源システムが接続される直流バスの電圧を所定の許容範囲に維持するには、太陽電池や風力発電機等の電源を、入力範囲が広く大容量の電力変換器を介して直流バスに接続することが望ましい。しかしながら、その場合には、電力変換器の大容量化によってシステム全体の大型化や複雑化、高コスト化を招くことになる。
　本件出願人は、入力電源や負荷の変動に起因して生ずる直流バスの電力変動を効率的に制御するための制御システムを提案している（特許文献１）。特許文献１の制御システムは、主安定化装置が、蓄電量指標に基づいて直流バス電圧を制御して、燃料電池や水電解セルや蓄電装置の制御を行う。特許文献１の制御システムによれば、入力電源や負荷の変動に起因して生ずる直流バスの電力変動を効率的に制御可能である。
　しかしながら、特許文献１の制御システムは、直流電圧の早期安定を目指しており、水電解セル（充電要素）、燃料電池（放電要素）の劣化を考慮に入れていない。水電解セルや燃料電池は、過大または過小な電流または電圧で動作させたり、電流または電圧の変動が急激すぎたりすると、劣化が生じる。そして、水電解セルあるいは燃料電池の劣化が生じると、長期の連続運転が阻害される。
国際公開第２０１９／１０３０５９
　本発明は、入力電源や負荷の変動に起因して生ずる直流バスの電力変動を効率的に制御可能であり、かつ、長期的・安定的に運転可能な制御システムを提供することを目的とする。
　入力電源と負荷との間を接続する直流バスの電力変動を制御する直流バス制御システムは、第１の充放電要素と第１の電力変換器とを有する主安定化装置と、第２の充放電要素、充電要素、または放電要素と第２の電力変換器とを有する複数の準安定化装置とを含み、前記第１の電力変換器は、バス電圧目標値を求め、前記バス電圧目標値に前記直流バスの電圧が一致するように、前記第１の充放電要素と前記直流バスとの間で直流電力を双方向に授受するよう構成され、前記第２の電力変換器は、前記第２の充放電要素、充電要素、または放電要素の充電又は放電に関する閾値と前記直流バスの前記電圧との差分に応じて電流目標値を求め、前記電流目標値に等しい電流が前記第２の充放電要素、充電要素、または放電要素に流れるように、前記第２の充放電要素、充電要素、または放電要素と前記直流バスとの間で直流電力を授受するよう構成されており、前記複数の準安定化装置は、充放電要素と第２の電力変換器とを有する第１の準安定化装置と、充電要素または放電要素と第２の電力変換器とを有する少なくとも１つの第２の準安定化装置と、を含み、
　前記第１の準安定化装置の応答速度は、前記第２の準安定化装置の充電要素の充電量または放電要素の放電量が、所定の時定数で変化するように定められる、ことを特徴とする。
　本発明によれば、入力電源や負荷の変動に起因して生ずる直流バスの電力変動を効率的に制御し、かつ、準安定化装置の充電要素または放電要素の応答速度を遅くすることでその劣化を防止でき、長期的・安定的に運転可能な制御システムを提供することができる。
実施形態に係る直流バス制御システムの全体構成図である。 実施形態における準安定化装置の他の例を示す構成図である。 太陽光発電システム内の電力変換器の一構成例を示すブロック図である。 主安定化装置内の電力変換器の一構成例を示すブロック図である。 準安定化装置内の電力変換器の一構成例を示すブロック図である。 準安定化装置内の電力変換器の一構成例を示すブロック図である。 蓄電装置の充放電電力、水電解セルの入力電力、燃料電池の出力電力等とバス電圧との関係を模式的に示した概念図である。 水電解セルにおけるバス電圧と発生電力（電流）の関係を説明する図である。 燃料電池におけるバス電圧と発生電力（電流）の関係を説明する図である。 主安定化装置の動作説明図である。 主安定化装置の動作説明図である。 主安定化装置の動作説明図である。 準安定化装置の動作説明図である。 準安定化装置の動作説明図である。 準安定化装置の動作説明図である。 準安定化装置の動作説明図である。
　以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
＜第１の実施形態＞
　図１は、この実施形態に係る直流バス制御システムの全体構成図である。図１に示される直流バス制御システムは、入力電源として、再生可能エネルギー電源システムである太陽光発電システム１０及び風力発電システム２０を含む。これらの発電システム１０及び２０は並列に接続されてその出力側が直流バス７０に接続されている。太陽光発電システム１０は太陽電池１１及び電力変換器１２を含み、風力発電システム２０は風力発電機２１及び電力変換器２２を含む。
　入力電源は任意のものであってよい。入力電源が再生可能エネルギー電源システムである場合、上述したもの以外に波力や地熱等のエネルギーを利用したものであっても良いし、水力（小水力）発電、潮力発電、潮流発電、温度差発電等の電源システムであっても良い。また、上述したものも含め、これらの組み合わせであっても良い。
　更に、互いに並列に接続される電源システムの数は特に限定されない。
　直流バス７０には、主安定化装置３０及び準安定化装置４０，５０，及び６０が接続されていると共に、負荷９０が接続されている。
　主安定化装置３０は、基準バス電圧（直流バス７０の基準電圧）を中心とした所定の許容範囲内で可変のバス電圧目標値を設定し、直流バス７０側の出力電圧がバス電圧目標値に一致するように電力変換器３２を動作させて蓄電装置３１を充放電制御する。
　また、準安定化装置４０は、充放電閾値と前記直流バスの前記電圧との差分に基づいて入出力電流目標値を演算し、入出力電流が前記入出力電流目標値に一致するように電力変換器４２を動作させて蓄電装置４１を充放電制御する。
　ここで、蓄電装置３１及び４１は、例えばバッテリー（二次電池）、電気二重層コンデンサー、キャパシタ、フライホイール、又はレドックスフロー電池等である。また、電力変換器３２及び４２は、例えば絶縁型のＤＣ／ＤＣコンバータ又はチョッパ等であり、矢印に示すごとく双方向に直流電力を授受可能である。
　準安定化装置５０は、充電閾値と前記直流バスの前記電圧との差分に基づいて演算した入出力電流目標値に入出力電流が一致するように電力変換器５２がＤＣ／ＤＣ変換を行って水電解セル５１に直流電力を供給し（一種の充電動作）、水を電気分解して水素ガス及び酸素ガスを生成する。また、準安定化装置６０は、燃料電池６１の電気化学反応により発生した直流電力を、電力変換器６２を介して直流バス７０に供給する（一種の放電動作）が、その際に、放電閾値と前記直流バスの前記電圧との差分に基づいて演算した入出力電流目標値に入出力電流が一致するように電力変換器６２がＤＣ／ＤＣ変換を行う。
　上述した準安定化装置５０や準安定化装置６０の構成はあくまで例示的なものであり、水電解セル５１に代わるものとしては、電気化学的に、二酸化炭素還元を行ってＣ－Ｈ系の結合（ＣＨ４，Ｃ２Ｈ４等）やアルコールを製造する手段、または、窒素を還元してアンモニアを製造する手段でも良いし、燃料電池６１に代わるものとしては、アルコール等を用いた燃料電池や、化学物質（水素やＣ－Ｈ系、アルコール、アンモニア等）を燃焼してタービン等を回転させる発電手段でも構わない。
　図２は、準安定化装置の他の構成例である。図示する如く、前述した準安定化装置５０及び６０が水素貯蔵装置５３を共有するような一体構造の準安定化装置５０Ａであっても良い。
　図１において、蓄電装置３１及び４１は直流電力の吸収（充電）、放出（放電）が可能である。また、水電解セル５１（及び、図２の水素貯蔵装置５３）は直流電力をガスに変換して蓄積し、燃料電池６１（及び、同じく水素貯蔵装置５３）はガスを直流電力に変換する発電動作が可能である。蓄電装置３１及び４１は充放電要素を構成し、水電解セル５１（及び水素貯蔵装置５３）は充電要素を構成し、燃料電池６１（及び水素貯蔵装置５３）は放電要素を構成する。
　上記のように、各安定化装置３０，４０，５０，及び６０は、電力変換器３２，４２，５２，及び６２の動作により直流バス７０との間で直流電力をそれぞれ授受する電力バッファとみなすことができる。また主安定化装置３０及び準安定化装置４０は充放電機能を有する電力バッファ、準安定化装置５０は充電機能を有する電力バッファ、準安定化装置６０は放電機能を有する電力バッファである。
　なお、バス電圧目標値の設定機能を有する主安定化装置３０は１台で良いが、準安定化装置は、電源システムの並列数や負荷９０の要求電力に応じて必要台数だけ設ければ良い。
　監視・指示装置８０は、各発電システム１０及び２０、主安定化装置３０、及び準安定化装置４０，５０，及び６０の状態情報（電圧、電流、温度等）を収集して状態監視や動作監視を行うと共に、これらの監視結果に基づいて各部の運転指令（起動・停止指令等）、及び充放電閾値指令等を生成する。監視・指示装置８０と上述した各部との間では、有線または無線により各種の監視信号及び指令を送受信可能である。
　負荷９０は、直流電動機等の直流負荷、又は直流電力を交流電力に変換するＤＣ／ＡＣ変換器及びその交流負荷であっても良い。また、直流バス７０にＤＣ／ＡＣ変換器を介して交流電力系統が接続されていても良い。
　次に、図１における各部の構成について説明する。図１の構成では、入力電源として太陽光発電システム１０及び風力発電システム２０を有している。
　太陽光発電システム１０及び風力発電システム２０は、再生可能エネルギーを用いた発電電力を電力変換器１２及び２２により直流電力に変換して直流バス７０に供給する点で共通の機能を有する。このため、以下では、太陽光発電システム１０を例として説明をする。
　図３は、太陽光発電システム１０内の電力変換器１２の一構成例を示すブロック図である。この電力変換器１２は、ＤＣ／ＤＣ変換部１２Ａと制御回路１２Ｂとを備えている。
　ＤＣ／ＤＣ変換部１２Ａは、半導体スイッチング素子の動作により太陽電池１１の直流出力電圧を所定の大きさの直流電圧に変換して直流バス７０に出力するものであり、例えば昇圧チョッパによって構成されている。
　ＤＣ／ＤＣ変換部１２Ａを制御する制御回路１２Ｂでは、太陽電池１１の出力電圧及び電流が電圧検出器１２ａ及び電流検出器１２ｂにより検出され、これらの検出値はＭＰＰＴ制御部１２ｃに入力されている。ＭＰＰＴ制御部１２ｃでは、山登り法等により太陽電池１１の最大出力点を探索して電圧・電流制御部１２ｄに出力する。
　電圧・電流制御部１２ｄは、ＰＷＭ（パルス幅変調）制御等により生成した駆動パルスを駆動回路１２ｅに送出し、駆動回路１２ｅは、上記駆動パルスに基づいてＤＣ／ＤＣ変換部１２Ａの半導体スイッチング素子をオン及びオフさせる。
　また、直流バス７０の電圧が電圧検出器１２ｆにより検出され、このバス電圧検出値は後述の主安定化装置３０から送られたバス電圧目標値と共に比較部１２ｇに入力されている。比較部１２ｇは、バス電圧検出値とバス電圧目標値との偏差に応じた制御信号を生成して電圧・電流制御部１２ｄに出力する。
　電圧・電流制御部１２ｄは、上記制御信号に基づいて、バス電圧検出値をバス電圧目標値に一致させるような駆動パルスを演算するものであり、例えば、バス電圧検出値がバス電圧目標値を上回る場合にはＤＣ／ＤＣ変換部１２Ａの出力電圧を低下させる（運転停止も含む）ように制御動作を行う。
　図４は主安定化装置３０内の電力変換器３２の一構成例を示すブロック図である。この電力変換器３２は、ＤＣ／ＤＣ変換部３２Ａ及び制御回路３２Ｂを備えている。
　ＤＣ／ＤＣ変換部３２Ａは、直流バス７０と蓄電装置３１との間で直流電力を双方向に授受して蓄電装置３１を充放電制御する機能を有し、半導体スイッチング素子を備えた絶縁型のＤＣ／ＤＣコンバータやチョッパ等により構成されている。蓄電装置３１には、電圧・電流及び温度を検出するセンサ３１ａが設置されている。
　制御回路３２Ｂの構成は、以下の通りである。
　電圧検出器３２ａにより直流バス７０の電圧が検出されると共に、バス電圧目標値演算部３２ｂにより、蓄電装置３１の第１の蓄電量指標に応じてバス電圧目標値が演算される。なお、バス電圧目標値の演算方法については後述する。
　上記の蓄電量指標としては、例えば、センサ３１ａにより検出される蓄電装置３１の充放電電流を積分して得た充電率（ＳＯＣ：State of Charge）を用いることができる。
　オフセット演算部３２ｃは、蓄電装置３１の第２の蓄電量指標と、第２の蓄電量指標も目標値の差分に基づいて、バス電圧目標値のオフセットを演算する。第２の蓄電量指標は、第１の蓄電量指標とは異なる方式によって求められる蓄電装置３１の蓄電量の指標であり、例えば、センサ３１ａにより検出される蓄電装置３１の端子電圧（バッテリー電圧）を用いることができる。
　オフセット演算部３２ｃは、例えば、第２の蓄電量指標とその目標値との差分の積分値に応じた値として上述のオフセットを求める。より具体的には、オフセットは、第２の蓄電量指標とその目標値との差分を積分した値に、所定のゲインを乗じた値として求められる。
　ここで、蓄電装置３１の充放電電流の大きさ（絶対値）が所定値よりも大きいときは積分演算を行わず、充放電電流の大きさが所定値よりも小さきときのみ積分演算を行うとよい。すなわち、オフセットは、第２の蓄電量指標とその蓄電量指標の目標値との差分を、蓄電装置３１の充放電電流の大きさが所定値より小さいときのみ積分した値に応じた値として求めるとよい。ここでの所定値は、例えば、蓄電装置３１の充放電電流の大きさがその値よりも小さければ、第２の蓄電量指標（例えば、端子電圧）が蓄電装置３１の蓄電量を精度良く表すと期待できるような値として決定される。
　バス電圧目標値とバス電圧検出値との偏差が減算器３２ｄにより演算され、さらに減算器３２ｅによって電圧偏差からオフセットが減算され、オフセット補正後の電圧偏差は充放電制御部３２ｆに入力されている。
　充放電制御部３２ｆには蓄電装置３１の電圧・電流、温度、及び、充放電閾値が入力されており、充放電制御部３２ｆは、これらの入力情報を考慮しながら、バス電圧検出値がバス電圧目標値に一致するようにＰＷＭ制御等を行って駆動パルスを生成する。駆動回路３２ｇは、上記駆動パルスに従ってＤＣ／ＤＣ変換部３２Ａの半導体スイッチング素子をオン及びオフさせる。ＤＣ／ＤＣ変換部３２Ａは、上記のように蓄電装置３１を充放電制御してバス電圧検出値をバス電圧目標値に一致させる。
　一般に蓄電装置３１の蓄電量は、その端子電圧によっておよその値が推定できる。端子電圧は充放電電流の大きさによっても変動するが、充放電電流が十分に小さいとき（上記の所定値以下であるとき）は、端子電圧は蓄電装置３１の蓄電量を表すとみなせる。そこで、充放電電流が小さいときのみ端子電圧とその目標値の差分を積分演算することで、ＰＩＤ制御の積分制御と同様に、定常的な蓄電指標のオフセット除去が行える。すなわち、蓄電装置３１の蓄電量を、第２の蓄電量指標の目標値に保つことができ、蓄電装置３１の実蓄電量が枯渇したりオーバーフローしたりすることなく、長期間の連続運転を安定して行えるようになる。
　なお、蓄電装置３１の充放電閾値は、制御回路３２Ｂが自ら設定しても良いし、図１の監視・指示装置８０からの指令として受信しても良い。
　図５は、図１の準安定化装置４０内の電力変換器４２の一構成例を示すブロック図である。この電力変換器４２は、ＤＣ／ＤＣ変換部４２Ａ及び制御回路４２Ｂを備えている。電力変換器４２は、直流バス７０と蓄電装置４１との間で直流電力を双方向に授受する点で、図４Ａの電力変換器３２と同様の機能を有する。蓄電装置４１には、前記蓄電装置３１と同様に、電圧・電流、及び温度を検出するセンサ４１ａが設けられている。制御回路４２Ｂは、電圧検出器４２ａ、比較部４２ｂ、減算器４２ｃ、充放電制御部４２ｄ、及び駆動回路４２ｅを含む。
　図５に示す電力変換器４２は図４Ａの電力変換器３２と以下の点で異なる。制御回路４２Ｂは、充放電閾値とバス電圧検出値との偏差に基づいて充放電制御部４２ｄが入出力電流目標値を演算する。充放電制御部４２ｄは更に、ＤＣ／ＤＣ変換部４２Ａの入出力電流が入出力電流目標値に一致するように蓄電装置４１に対する充放電制御を行う。ここで上記充放電閾値は蓄電装置４１の充放電に関する閾値（充電閾値及び放電閾値）であってよく、当該閾値と直流バス７０の電圧との差分に応じて入出力電流目標値を定めてよい。
　更に、制御回路４２Ｂに設けられた比較部４２ｂは、蓄電装置４１の充放電閾値をバス電圧検出値と比較し、充電閾値または放電閾値とバス電圧検出値との大小関係に応じて充電指令または放電指令を出力して充放電制御部４２ｄの動作を制御する。なお、充放電閾値は、制御回路４２Ｂが自ら設定しても良いし、監視・指示装置８０から指令として受信しても良い。
　図６は準安定化装置５０内の電力変換器５２の一構成例を示すブロック図である。この電力変換器５２は、ＤＣ／ＤＣ変換部５２Ａ及び制御回路５２Ｂを備えている。
　ＤＣ／ＤＣ変換部５２Ａは、直流バス７０の直流電力を所定の大きさに変換して水電解セル５１に供給する機能を有し、半導体スイッチング素子を備えた絶縁型のＤＣ／ＤＣコンバータやチョッパ等により構成されている。水電解セル５１は、ＤＣ／ＤＣ変換部５２Ａから供給された直流電力を用いて水を電気分解し、生成された水素ガスを外部の貯蔵装置（図示せず）に貯蔵する動作、言い換えれば一種の充電動作を行う。
　ＤＣ／ＤＣ変換部５２Ａを制御する制御回路５２Ｂは、おおむね図５の制御回路４２Ｂと同様に構成されている。
　すなわち、図６の制御回路５２Ｂにおいて、電圧検出器５２ａにより直流バス７０の電圧が検出されると共に、充電閾値とバス電圧検出値との偏差が減算器５２ｃにより演算され、この電圧偏差が充電制御部５２ｄに入力されている。また、バス電圧検出値は充電閾値と共に比較部５２ｂに入力されており、比較部５２ｂは、バス電圧検出値が充電閾値を上回ると充電指令を充電制御部５２ｄに出力する。ここで、充電閾値は、水電解セル５１による電気分解の開始電圧に相当する。即ち上記充電閾値は、水電解セル５１の充電に関する閾値である。
　充電制御部５２ｄは、減算器５２ｃから入力された電圧偏差に基づいて入出力電流目標値を演算すると共に、ＤＣ／ＤＣ変換部５２Ａの入出力電流が入出力電流目標値に一致するように充電指令としての駆動パルスを生成し、駆動回路５２ｅに出力する。駆動回路５２ｅでは、上記駆動パルスに従ってＤＣ／ＤＣ変換部５２Ａの半導体スイッチング素子をオン及びオフさせることにより、水電解セル５１に直流電力を供給して水を電気分解する。
　ＤＣ／ＤＣ変換部５２Ａは、上記の動作により水電解セル５１に供給される直流電力を制御しつつ、入出力電流を入出力電流目標値に一致させるように動作する。
　図１の準安定化装置６０については、燃料電池６１による発電動作を放電動作と考え、図６に示した準安定化装置５０の水電解セル５１、充電閾値、及び充電制御部５２ｄをそれぞれ燃料電池６１、放電閾値、放電制御部に置き換えて構成すれば良い。この場合の放電閾値は、燃料電池６１による発電の開始電圧に相当する。
　準安定化装置６０では、バス電圧検出値が放電閾値を下回ったときに放電指令に相当する駆動パルスを放電制御部に出力してＤＣ／ＤＣ変換部を動作させ、燃料電池６１による発電電力を、ＤＣ／ＤＣ変換部を介して直流バス７０に供給する。
　ＤＣ／ＤＣ変換部は、上記の動作により燃料電池６１の発電電力を制御しつつ、入出力電流を入出力電流目標値に一致させるように動作する。
　水電解セル５１や燃料電池６１にも、電圧・電流及び温度等を検出するセンサが設けられ、これらの検出値が充電制御部５２ｄや放電制御部に入力されているが、便宜上、上記センサの図示は省略してある。
　また、充電閾値及び放電閾値は、各制御回路が自ら設定しても良いし、監視・指示装置８０から指令として受信しても良い。
　図３～図６に示した電力変換器１２，３２，４２，及び５２、特に制御回路１２Ｂ，３２Ｂ，４２Ｂ，及び５２Ｂの構成や動作は、あくまで例示的なものであって何ら本発明の技術的範囲を限定するものではなく、これらと異なる構成を採用しても良いことは言うまでもない。
　次に、図７は、直流バス７０の電圧に応じた準安定化装置４０の蓄電装置４１の充放電電力、準安定化装置５０の水電解セル５１の入力電力、準安定化装置６０の燃料電池６１の出力電力を、それぞれ模式的に示した概念図である。図７における三角形シンボルの横方向の幅は各電力の大きさを示しており、幅が広いほど電力値が大きくなる。
　図７では、入力電源が再生可能エネルギー電源システムである場合を例示しており、再生可能エネルギー電源システムは、例えば、図１の太陽光発電システム１０及び／又は風力発電システム２０である。これらの発電電力が供給される直流バス７０の電圧と蓄電装置４１、水電解セル５１、燃料電池６１の充放電閾値等に応じて、各部の充放電動作が制御される。
　例えば、蓄電装置４１に関する（ａ）に示すように、バス電圧が蓄電装置４１の充電閾値より高ければ高いほど蓄電装置４１に供給される充電電力は大きくなり、バス電圧が蓄電装置４１の放電閾値より低ければ低いほど蓄電装置４１から放出される放電電力は大きくなる。同様にして、バス電圧が水電解セル５１の充電閾値より高ければ高いほど水電解セル５１に供給される充電電力は大きくなり、バス電圧が燃料電池６１の放電閾値より低ければ低いほど燃料電池６１から発生する放電電力は大きくなる。
　蓄電装置４１に関する（ｂ）は、基準バス電圧に応じて充電閾値及び放電閾値を（ａ）より低く設定した場合、（ｃ）は充電閾値及び放電閾値を（ａ）より高く設定した場合である。同様の閾値の設定変更操作は水電解セル５１の充電閾値及び燃料電池６１の放電閾値に対しても可能である。
　このように、蓄電装置４１、水電解セル５１、及び燃料電池６１の充電閾値及び放電閾値を変化させて充放電動作を制御することにより、直流バス７０と準安定化装置４０，５０，及び６０との間で授受される直流電力を個別に調整することができる。言い換えれば、それぞれの電力バッファとしての動作をきめ細かく制御することが可能である。
　前述したごとく充電閾値及び放電閾値の変更は、監視・指示装置８０からの指令に基づき、あるいは、電力変換器４２，５２，及び６２が自ら行うことができる。
　図８Ａ及び８Ｂは主安定化装置３０の動作説明図である。
　図８Ａに破線（太線）で示すように、主安定化装置３０は直流バス７０と蓄電装置３１との間で直流電力を授受し、蓄電装置３１を充放電制御する。電力変換器３２内の制御回路３２Ｂは、例えば図８Ｂに示す特性に従って、蓄電装置３１の第１の蓄電量指標（例えば充電率）に基づきバス電圧目標値を設定する。
　このバス電圧目標値は、直流バス７０の電圧の許容範囲内で、第１の蓄電量指標が大きいほど高く、第１の蓄電量指標が小さいほど低くなるように設定してもよく、このバス電圧目標値にバス電圧検出値が一致するように制御回路３２ＢがＤＣ／ＤＣ変換部３２Ａを制御する。
　あるいは、バス電圧目標値に上限と下限とを設定してもよい。上限は、水電解セルまたはバッテリーの充電の最大動作に対応する値（最大動作を指示する値）またはそれよりも少し上回る値とする。また、下限は、燃料電池又はバッテリーの放電の最大動作に対応する値（最大動作を指示する値）またはそれよりも少し下回る値とする。
　バス電圧目標値に上限および下限を設定した場合、第１の蓄電量指標と、バス電圧目標値演算部３２ｂによって決定される目標値の関係は、図８Ｃに示すようになる。第１の蓄電量指標は下限値と上限値の間の値のみをとるので、バス電圧目標値もこの範囲に対応した値をとることになる。第１の蓄電量指標に上限を設けることで、発生電力が過剰な場合でも、その状況が解消した後に比較的短時間にシステムを正常な状態に戻すことができる。負荷電力が過剰である場合には、第１の蓄電量指標に下限が設けられていることで、上記と同様の効果が得られる。
　なお、発生電力または負荷電力が過剰な場合には、第１の蓄電量指標（計算により求められ、制御に用いられる値）と実際の蓄電装置３１の蓄電量に差が生じる。しかしながら、本実施形態に係る直流バス制御システムにおいては、主安定化装置３０はオフセット演算部３２ｃによって、第２の蓄電量指標（バッテリー電圧）とその目標値の差分の積分値も考慮してバス電圧目標値を決定している。したがって、上述のような、計算上の蓄電量指標（第１の蓄電量指標）と実際の蓄電量との差は長期的には自動的に解消することができる。
　図９Ａ及び９Ｂは準安定化装置４０及び５０の動作説明図である。
　図９Ａに破線（太線）で示すように、準安定化装置４０の電力変換器４２は直流バス７０の直流電力を用いて蓄電装置４１を充電し、準安定化装置５０の電力変換器５２は直流バス７０の直流電力を水電解セル５１に供給して水を電気分解する。
　この場合の充電特性は図９Ｂに示す通りであり、直流バス７０の電圧が蓄電装置４１または水電解セル５１の充電閾値より高くなるほど充電電流が大きくなるように電力変換器４２及び５２をそれぞれ制御する。
　図１０Ａ及び１０Ｂは準安定化装置４０及び６０の動作説明図である。
　図１０Ａに破線（太線）で示すように、準安定化装置４０の電力変換器４２は蓄電装置４１を放電させて直流バス７０に直流電力を供給し、準安定化装置６０の電力変換器６２は燃料電池６１を発電動作させて直流バス７０に直流電力を供給する。
　この場合の放電特性は図１０Ｂに示す通りであり、直流バス７０の電圧が蓄電装置４１または燃料電池６１の放電閾値より低くなるほど放電電流が大きくなるように電力変換器４２及び６２をそれぞれ制御する。
　本実施形態に係る直流バス制御システムによれば、システム全体の電力の入出力バランスの変化に対して、まず、応答速度の速い主安定化装置３０（蓄電装置３１）への電流入出力で対応することで他の装置への応答を緩和する。この際、主安定化装置３０への電流が流入の場合には、蓄電装置３１の充電により第１の蓄電量指標が増加し、バス電圧を上昇させる。逆に、主安定化装置３０からの電流の流出の場合には、蓄電装置３１の放電により第１の蓄電量指標が減少し、バス電圧が下降する。これらの動作は、主安定化装置３０の電力変換器３２（ＤＣ／ＤＣ変換部３２Ａおよび制御回路３２Ｂ）によって行われる。
　一方、準安定化装置は、バス電圧の変動に応じて、充電要素または放電要素への電流流入量を増減させて、充電または放電が行われる。この動作は、準安定化装置の電力変換器によって行われる。
　これら一連の動作は、主安定化装置３０への電流の入出力がゼロとなるように行われ、結果的に、システム全体への電流入出力の総和がゼロになるように制御される。したがって、ある直流バス電圧で、準安定化装置の電流の流入・流出が一定の値になったところで定常状態に至る。
　本実施形態によれば、各装置の動作が直流バスラインの電圧を信号としてアナログ的に行われるため、システム制御は各装置の動作による分散処理で行うことが可能であり、集中的な全体制御は必要ない。結果的に、集中的管理を行う場合に問題となる誤差の問題も解消できる。主安定化装置の反応速度は、システムがもつ電力変動に追従する必要があるが、主安定化装置が速い変動を吸収するため、準安定化装置の動作は比較的緩慢でも問題なく、また、その電流の向きも制御可能なため、水電解セルや燃料電池などの電力の吸収または放出の一方向しかできない、かつ、高速出力変動に適しない装置でも利用可能である。さらには、これらの装置の動作電圧閾値の設定や直流バス電圧に対する電流の流入・流出割合を変えることによって複数の装置を準安定化装置として利用することが可能となる。また、各装置の動作シグナルが直流バス電圧であることから、準安定化装置の増減も比較的簡単に行える。
　さらに、本実施形態によれば、主安定化装置３０が、蓄電装置３１の第２の蓄電量指標に基づいて、直流バス電圧の目標値を決定しているので、蓄電装置３１の蓄電量を一定に保つことができ、長期の連続運転を安定して行うことができる。
＜長寿命化のための構成＞
　ここで、水電解セル５１および燃料電池６１の劣化を防止し長期連続運転を実現するための構成について説明する。
　水電解セル５１および燃料電池６１の劣化を防止するためには、急激な電力変動を避けること、および過大または過小な電力での稼働を避けることが重要である。より詳細には、水電解セル５１の各単体セルに対して、最大で３Ｖ（より好ましくは最大２．５Ｖ、定格２．０Ｖ）、ゼロから定格までの時間は３０秒以上（より好ましくは６０秒以上、さらに好ましくは５分以上）といった電圧印加制御をし、これ以上の高速な電圧変化は加えないことが望ましい。また、燃料電池６１の各単体セルに対して電圧が０．８Ｖ以下０．６Ｖ以上とし、負荷は必ず１５％以上（負荷が１５％以下になるような状態が５分以上続くようであれば、燃料電池を停止）、ゼロから定格までの時間は３０秒以上（より好ましくは６０秒以上、さらに好ましくは５分以上）とするような負荷制御をし、電圧変動は１秒以上かけて０．７Ｖ―０．８Ｖの範囲内になるようにすること望ましい。
　そこで、本実施形態においては以下のようにして、水電解セル５１および燃料電池６１の時定数および、最大電力（電流）または最小電力（電流）を制御する。
　図７Ｂは、水電解セル５１におけるバス電圧と電力（電力）の関係を示す図である。水電解セル５１は、バス電圧が０から第１閾値Ｖｍｉｎの間は所定の電力Ｗ１ｍｉｎ（電流Ｉ１ｍｉｎ）で一定であり、バス電圧が第１閾値Ｖｍｉｎから第２閾値Ｖｍａｘの間は徐々に電力（電流）が増加し、バス電圧が第２閾値Ｖｍａｘ以上では電力Ｗ１ｍａｘ（電流Ｉ１ｍａｘ）で一定である。ここで、閾値Ｖｍｉｎ，Ｖｍａｘおよび電力Ｗ１ｍｉｎ，Ｗ１ｍａｘ（電流Ｉ１ｍｉｎ，Ｉ１ｍａｘ）は、監視・指示装置８０からの指令に基づき、あるいは、電力変換器５２によって設定可能である。
　このような水電解セル５１の応答の時定数は、以下のように与えられる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　ここで、Ｉ１ｍａｘは、第１の蓄電量指標に設けられる上限値に対応する電流である。比例ゲインＫｐはバス電圧と準安定化装置の電流に変換する際の比であり、電力変換器５２によって設定可能である。
　同様に、図７Ｃは、燃料電池６１におけるバス電圧と電力（電力）の関係を示す図である。燃料電池６１は、バス電圧が０から第１閾値Ｖｍｉｎの間は所定の電力Ｗ２ｍａｘ（電流Ｉ２ｍａｘ）で一定であり、バス電圧が第１閾値Ｖｍｉｎから第２閾値Ｖｍａｘの間は徐々に電力（電流）が減少し、バス電圧が第２閾値Ｖｍａｘ以上では電力Ｗ２ｍｉｎ（電流Ｉ２ｍｉｎ）で一定である。ここで、閾値Ｖｍｉｎ，Ｖｍａｘおよび電力Ｗ２ｍｉｎ，Ｗ２ｍａｘ（電流Ｉ２ｍｉｎ，Ｉ２ｍａｘ）は、監視・指示装置８０からの指令に基づき、あるいは、電力変換器６２によって設定可能である。
　燃料電池における時定数も、以下のように与えられ、水電解セル５１と同様に設定可能である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
　ここで、準安定化装置４０の蓄電装置４１は、スーパーコンデンサーのような双方向に直流電力を授受可能な蓄電装置であり、その時定数は、主安定化装置３０の蓄電装置３１の時定数とほぼ等しい。本開示において「ほぼ等しい」とは、一方が他方のプラスマイナス３０パーセント以内であることを意味するが、プラスマイナス１０パーセントあるいはプラスマイナス３パーセントであってもよい。
　主安定化装置３０の蓄電装置３１とほぼ同じ時定数の蓄電装置４１を有することで、水電解説５１および燃料電池６１が上記で説明される時定数で応答する。ここで、水電解セル５１および燃料電池が、最小電圧から定格電圧に達するまでの時間が３０秒以上、より好ましくは６０秒以上、さらに好ましくは５分以上になるように最大電流、最小電流、およびゲインを定めることで、水電解セル５１および燃料電池６１の劣化を抑制して、長時間の安定稼働が図られる。
　なお、上記の説明では、充放電要素を有する準安定化装置が１つのみである例を説明したが、充放電要素を有する準安定化装置が複数存在してもよい。例えば、主安定化装置３０の蓄電装置３１とほぼおなじ時定数の蓄電装置（充放電要素）を有する準安定化装置４０Ａと、主安定化装置３０の蓄電装置３１よりも小さい時定数を有する準安定化装置４０Ｂを有してもよい。例えば、準安定化装置４０Ａにはスーパーコンデンサーを用いて、準安定化装置４０Ｂには二次電池を用いることが考えられる。時定数が異なる複数の準安定化装置を用いることで、水電解セル５１および燃料電池６１の時定数の制御がより簡便となる。
　なお、上記の例において、準安定化装置４０Ａが第１の準安定化装置に相当し、準安定化装置５０，６０がそれぞれ第２の準安定化装置に装置し、準安定化装置４０Ｂが第３の準安定化装置に相当する。
１０：太陽光発電システム
１１：太陽電池
１２：電力変換器
１２Ａ：ＤＣ／ＤＣ変換部
１２Ｂ：制御回路
１２ａ，１２ｆ：電圧検出器
１２ｂ：電流検出器
１２ｃ：ＭＰＰＴ制御部
１２ｄ：電圧・電流制御部
１２ｅ：駆動回路
１２ｇ：比較部
２０：風力発電システム
２１：風力発電機
２２：電力変換器
３０：主安定化装置
３１：蓄電装置
３１ａ：センサ
３２：電力変換器
３２Ａ：ＤＣ／ＤＣ変換部
３２Ｂ：制御回路
３２ａ：電圧検出器
３２ｂ：バス電圧目標値演算部
３２ｃ：オフセット演算部
３２ｄ：減算器
３２ｅ：減算器
３２ｆ：充放電制御部
３２ｇ：駆動回路
４０：準安定化装置
４１：蓄電装置
４１ａ：センサ
４２：電力変換器
４２Ａ：ＤＣ／ＤＣ変換部
４２Ｂ：制御回路
４２ａ：電圧検出器
４２ｂ：比較部
４２ｃ：減算器
４２ｄ：充放電制御部
４２ｅ：駆動回路
５０，５０Ａ：準安定化装置
５１：水電解セル
５２：電力変換器
５２Ａ：ＤＣ／ＤＣ変換部
５２Ｂ：制御回路
５２ａ：電圧検出器
５２ｂ：比較部
５２ｃ：減算器
５２ｄ：充電制御部
５２ｅ：駆動回路
５３：水素貯蔵装置
６０：準安定化装置
６１：燃料電池
６２：電力変換器
７０：直流バス
８０：監視・指示装置
９０：負荷

Claims (11)

  1. 　入力電源と負荷との間を接続する直流バスの電力変動を制御する直流バス制御システムであって、
    　第１の充放電要素と第１の電力変換器とを有する主安定化装置と、
    　第２の充放電要素、充電要素、または放電要素と第２の電力変換器とを有する複数の準安定化装置と
    を含み、
    　前記第１の電力変換器は、バス電圧目標値を求め、前記バス電圧目標値に前記直流バスの電圧が一致するように、前記第１の充放電要素と前記直流バスとの間で直流電力を双方向に授受するよう構成され、
    　前記第２の電力変換器は、前記第２の充放電要素、充電要素、または放電要素の充電又は放電に関する閾値と前記直流バスの前記電圧との差分に応じて電流目標値を求め、前記電流目標値に等しい電流が前記第２の充放電要素、充電要素、または放電要素に流れるように、前記第２の充放電要素、充電要素、または放電要素と前記直流バスとの間で直流電力を授受するよう構成されており、
    　前記複数の準安定化装置は、充放電要素と第２の電力変換器とを有する第１の準安定化装置と、充電要素または放電要素と第２の電力変換器とを有する少なくとも１つの第２の準安定化装置と、を含み、
    　前記第１の準安定化装置の応答速度は、前記第２の準安定化装置の充電要素の充電量または放電要素の放電量が、所定の時定数で変化するように定められる、
    　ことを特徴とする直流バス制御システム。
  2. 　前記所定の時定数は、最小電圧から定格電圧に達するまでの時間が３０秒以上である、
    　請求項１に記載の直流バス制御システム。
  3. 　前記所定の時定数は、最小電圧から定格電圧に達するまでの時間が６０秒以上である、
    　請求項１に記載の直流バス制御システム。
  4. 　前記主安定化装置の第１の充放電要素および前記第１の準安定化装置の充放電要素はいずれもコンデンサーである、
    　請求項１から３のいずれか１項に記載の直流バス制御システム。
  5. 　前記主安定化装置の第１の充放電要素および前記第１の準安定化装置の第２の充放電要素の時定数は等しい、
    　請求項４に記載の直流バス制御システム。
  6. 　前記複数の準安定化装置は、充放電要素と第２の電力変換器とを有する第３の準安定化装置をさらに含み、
    　前記第１の準安定化装置の充放電要素および前記第３の準安定化装置の充放電要素の時定数は異なる、
    　請求項４または５に記載の直流バス制御システム。
  7. 　前記第１の電力変換器は、前記第１の充放電要素の第１の蓄電量指標に応じた目標値から、前記第１の充放電要素の前記第１の蓄電量指標とは異なる方式で求められる第２の蓄電量指標に応じたオフセットを減算することにより前記バス電圧目標値を求める、
    　請求項１から６のいずれか１項に記載の直流バス制御システム。
  8. 　前記第２の蓄電量指標は前記第１の充放電要素の端子電圧であり、
    　前記オフセットは、前記第２の蓄電量指標と前記第２の蓄電量指標の目標値との差分の積分値に応じた値である、
    　請求項７に記載の直流バス制御システム。
  9. 　前記オフセットは、前記第２の蓄電量指標と前記第２の蓄電量指標の目標値との差分を、前記第１の充放電要素の充放電電流の大きさが所定値より小さいときのみ積分した値に応じた値である、
    　請求項８に記載の直流バス制御システム。
  10. 　前記第１の蓄電量指標は、前記第１の充放電要素の充放電電流を積分した値であり、
    　前記第１の蓄電量指標には、所定の上限および下限が設定される、
    　請求項７から９のいずれか１項に記載の直流バス制御システム。
  11. 　前記上限は、前記第２の充放電要素または前記充電要素の充電の最大動作に対応する値であり、
    　前記下限は、前記第２の充放電要素または前記放電要素の放電の最大動作に対応する値である、
    　請求項１０に記載の直流バス制御システム。
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