JP2004180467A - 系統連系形電源システム - Google Patents

Abstract

【課題】太陽電池の発電電力を電源系統に売電中に、電源系統の電圧が上昇して太陽電池からの売電を停止する必要がある場合でも、負荷電力を超えて発電された電力を蓄電手段に蓄電し、電源系統側電圧の上昇を抑制し、太陽電池の発電電力を有効活用する。
【解決手段】電源系統の電力あるいは太陽電池の発電電力を蓄電する蓄電手段と、蓄電手段に電力を充電する手段と、蓄電手段から電力を放電する手段と、太陽電池あるいは蓄電手段の電力を交流電力に変換し電源系統に出力する手段、あるいは、電源系統から交流電力を入力する手段と、電源系統側の電力および電圧を検出する手段を設け、電源系統側の電力と電圧を検出し、負荷電力が太陽電池の発電電力よりも小さく、電源系統側電力が売電状態のとき、電源系統側の電圧が所定の値以上の場合に、太陽電池の発電電力を蓄電手段に蓄電する。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、太陽光発電システムと蓄電システムとを併用した系統連系形の電源システムに関し、太陽電池の発電電力の電源系統への売電と、太陽電池の発電電力または、夜間電力の蓄電による電力ピークシフト、および、負荷の大きさが急峻に変動する負荷へのピーク電力供給とを組み合わせたシステムに好適な系統連系形電源システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
太陽光発電システムは、太陽電池の発電電力を負荷に供給すると供に、余剰電力を電源系統に売電できる。一方、電力ピークシフト手段として、蓄電池を用い、電気料金の安い夜間電力を蓄電し、電力の利用度の大きい昼間に使用する蓄電システムが知られている。
【０００３】
太陽光発電と蓄電とを組み合わせたシステムとして、特開２００１−５５４３号公報に記載されているように、太陽電池から構成された直流電力源と、この直流電力源の出力を電気二重層コンデンサや鉛蓄電池に充電するとともに、充電した直流電力を前記出力に対して放電する放電手段と、この放電手段の動作を制御する制御手段を設け、直流電力源の出力とその目標値との比較に基づいて前記充電手段の充電／放電を切り替え制御する方式が知られている。しかし、本方式では、太陽電池の出力とその目標値との比較に基づいて前記充電手段の充電／放電を切り替え制御する。このため、太陽電池の発電電力が負荷電力よりも大きく、太陽電池の発電電力を売電している状態で、電源系統の電圧が上昇した場合、太陽電池からの売電を停止する必要がある。このため、太陽電池の発電電力を有効に使用できないという問題点がある。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００１−５５４３号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、太陽光発電と蓄電とを組み合わせたシステムにおいて、太陽電池の発電電力を電源系統に売電中に、電源系統の電圧が上昇して太陽電池からの売電を停止する必要がある場合においても、負荷電力を超えて発電された電力を蓄電手段に蓄電することで、電源系統側電圧の上昇を抑制し、太陽電池の発電電力を有効に活用することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、電源系統側の電力および電圧を検出する手段と、太陽電池の発電電力を検出する手段とを設け、負荷電力および電源系統側の電力の大きさに応じて太陽電池からの放電を制御するようにしたことにある。すなわち、電源系統側の電圧が所定のしきい値以上の場合に、太陽電池の発電電力を蓄電手段に蓄電する。
【０００７】
太陽電池の発電電力と負荷電力との差分が、電源系統に対して売電される。太陽電池の発電電力を電源系統に売電中に、電源系統電圧の上昇により、太陽電池からの売電を停止する必要がある場合、負荷電力を超えて発電された電力を蓄電するように制御される。
【０００８】
このため、電源系統側電圧の上昇を抑制でき、太陽電池の発電電力を活用できる。一方、夜間や朝夕、あるいは、昼間でも曇りや雨で太陽光発電電力が少ないか無い場合に、負荷電力が大きいときには電源系統から供給させる電力が所定のしきい値を超過する条件となる。この場合には、電源系統から供給される電力が所定のしきい値を超えないように、蓄電池からの放電電力が制御される。
【０００９】
これにより、太陽光発電と蓄電池を組み合わせたシステムにおいて、電源系統の電圧が所定のしきい値を超えないように制御する。すなわち、電源系統の電圧を検出することで、電源系統の電圧が高い場合には太陽電池の発電電力を蓄電手段に蓄電するので、電源系統電圧の上昇を抑制できる。このため、太陽電池の発電を停止させることがないので、太陽光発電の運転効率を低下させることはない。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の第１の実施例を図１により説明する。電源系統１から負荷３に対して電源系統電力が供給されている。配線２の分電盤４０１には電源システム５が接続されており、また、配線２の分電盤４０２には太陽光発電システムのパワーコンディショナー６が接続されている。パワーコンディショナー６は、逆流防止ダイオード８を介して太陽電池７の発電電力を入力し、電源系統１に対し、交流に変換された太陽電池の発電電力を出力する。パワーコンディショナー６の発電電力は、電源系統１に接続された負荷３に供給させるとともに、発電電力が負荷電力より大きく、電源系統の電圧が所定のしきい値を超えていない場合に、電源系統側に売電する。パワーコンディショナー６は、太陽電池７の発電電圧を昇圧するためのＤＣ／ＤＣ変換器６０３、平滑コンデンサ６０５、直流電力を電源系統１の位相に同期した交流電力に変換するためのＡＣ／ＤＣ変換器６０２、電源系統１とＡＣ／ＤＣ変換器６０２とを接続するための開閉器６０１、電源系統１の電圧を検出するための系統電圧検出用トランス６０４から構成される。
【００１１】
これに対し、電源システム５を、パワーコンディショナー６と同様に、電源系統１に対して連系させる。電源システム５は、蓄電池５００、双方向ＤＣ／ＤＣ変換器５０３、平滑コンデンサ５０５、双方向ＡＣ／ＤＣ変換器５０２、開閉器５０１、系統電圧検出用トランス５０４、電力検出手段５０９、充放電制御手段５０８、電圧検出手段５０６、しきい値判別手段５０７、表示器９から構成されている。また、交流電流検出器４０３は、パワーコンディショナー６、および電源システム５の電源系統１への連系点より下流側に設けられている。
【００１２】
電源システム５は、交流電流検出器４０３より演算させる電源系統１の電力が、所定のしきい値を超えないように、蓄電池５００の電力を双方向ＤＣ／ＤＣ変換器５０３、双方向ＡＣ／ＤＣ変換器５０２を介して、電源系統１に放電する。この時、太陽電池７が発電を行っている場合は、パワーコンディショナー６は、その発電電力をＤＣ／ＤＣ変換器６０３、ＡＣ／ＤＣ変換器６０２を介して、電源系統１に放電する。
【００１３】
また、負荷３の消費電力より太陽電池７の発電電力が大きい場合は電源系統１から購入する電力はゼロとなり、パワーコンディショナー６は、その発電電力をＤＣ／ＤＣ変換器６０３、ＡＣ／ＤＣ変換器６０２を介して、電源系統１に放電する。
【００１４】
また、表示器９により、そのときの電源システムから出力される電力、および電源系統側の電力を表示する。
【００１５】
分電盤４０１に設けた交流電流検出器４０３により検出された電源系統側の交流電流は、電力検出５０９において、系統電圧検出用トランス５０４の検出信号と乗算され、電源系統側の電力検出値となる。電圧検出５０６において、系統電圧検出用トランス５０４の検出信号により、電源系統側の電圧検出値となる。充放電制御５０８では、電力検出５０９および、電圧検出５０６からしきい値判別手段５０７の検出値の大きさに応じ、蓄電池５００からの放電電流、あるいは、蓄電池５００への充電電流を制御する。蓄電池５００からの放電、あるいは充電は、双方向ＤＣ／ＤＣ変換器５０３により実行される。ここで、平滑コンデンサ５０５の直流電圧Ｖｄｃは、双方向ＡＣ／ＤＣ変換器５０２により、太陽電池７から取り出せる電力が最大になるように調整される。双方向ＤＣ／ＤＣ変換器５０３は、調整されたＶｄｃ値に対して、蓄電池５００からの放電、あるいは充電を行う。
【００１６】
次に、双方向ＡＣ／ＤＣ変換器５０２の構成を図２に示す。４個のＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）をフルブリッジ接続した電力変換器５０２１、交流リアクトル５０２２、フィルタコンデンサ５０２３、電力変換器５０２１の相電流を検出するための電流検出器５０２４、相電流を検出して電力変換器５０２１へのゲートパルス信号を出力する交流電流制御手段５０２５、平滑コンデンサ５０１１、５０１２の直列電圧Ｖｄｃを検出し、その値が所定の値となるように制御する直流電圧制御手段５０２６、電力変換器５０２１の相電流と系統電圧の検出値を用い、電力変換器５０２１から出力あるいは入力する電力を演算する電力演算手段５０２７から構成される。電力変換器５０２１は単相３線出力で、平滑コンデンサ５０１１，５０１２の中点Ｎを単相３線の中点として出力する。
【００１７】
また、双方向ＤＣ／ＤＣ変換器５０３の構成を図３に示す。２個のＩＧＢＴをハーフブリッジ接続した電力変換器５０５１、直流リアクトル５０５２、平滑コンデンサ５０５３、電流検出器５０５４、電流制御手段５０５５から構成されている。電流制御手段５０５５は、電力変換器５０５１のゲート信号を制御し、直列接続された平滑コンデンサ５０１１、５０１２と蓄電池５０６との間で、双方向（充電／放電）に電流を制御する。
【００１８】
太陽電池７による発電電力を含めた電源系統１の電力は、太陽電池７による発電電力または、蓄電池５００の電力を双方向ＤＣ／ＤＣ変換器５０３、双方向ＡＣ／ＤＣ変換器５０２を介して、負荷３に放電する。また、太陽電池７による発電電力が負荷３の負荷電力よりも多く、交流電流検出器４０３より演算させた電源系統電圧が所定のしきい値以下の場合は、太陽電池７による発電電力を電源系統１に売電する。
【００１９】
一方、負荷電力が太陽電池７の発電電力よりも小さく売電している状態で、電源系統の電圧が所定のしきい値を超えたとき、太陽電池７による発電電力を電源システム５に蓄電する。これにより、電源系統１の電圧が上昇し、太陽電池７からの売電を停止する必要がある場合においても、負荷電力を超えて発電された電力を電源システム５に蓄電することで、売電電力をゼロにできる。この結果、電源系統１の電圧の上昇を抑制でき、太陽電池７の発電電力を活用できる。
【００２０】
以上、述べたように、本実施例によれば、太陽光発電システムと分離して電源システム５を設け、電源システム５への電源系統１の電力検出点を、太陽光発電システム、あるいは、電源システム５の連系点より電源系統１の下流側に設け、また、電源系統１の電圧を検出する手段を設けることにより、太陽光発電システムのように電源系統１に対して電力を出力する装置がある場合でも、電源系統１の電力と電圧を検出し、負荷３の電力が太陽電池７の発電電力よりも小さく、電源系統１の電力が売電状態のとき、電源系統１の電圧が所定のしきい値以上の場合に、太陽電池７の発電電力を蓄電手段に蓄電する。これにより、太陽光発電と蓄電とを組み合せたシステムを高効率に運転する。
【００２１】
ここで、双方向ＤＣ／ＤＣ変換器５０３は、充放電制御手段５０８の演算結果に基づき、蓄電池５００からの放電電流や蓄電池５００への充電電流を制御する。一方、双方向ＡＣ／ＤＣ変換器５０２は、太陽電池７からの発電電力を交流電力に変換し電源系統１に出力する。また、双方向ＡＣ／ＤＣ変換器５０２は、平滑コンデンサ５０５の直流電圧Ｖｄｃを調整する機能を持っており、この平滑コンデンサ５０５の直流電圧を調整することで、太陽電池７から最大電力を取り出せるように制御する。
【００２２】
いま、図１に示す構成において、電源系統１の配線２に接続された負荷３の電力が、太陽電池７の発電電力より大きい場合、太陽電池７の出力電力は、負荷３で使われ、不足する電力分は、電源系統側１から供給を受ける。電源系統１の電力および電圧を検出し、その検出値が所定のしきい値を超えないように、蓄電池５００の電力を電源系統１に出力することで、負荷３の電力から太陽電池７の発電電力を引いた値がしきい値を超える分だけ、蓄電池５００から出力することができる。ここで、充放電制御手段５０８は、電力検出手段５０９で検出された電源系統側電力から所定のしきい値を引いた値がゼロになるように、双方向ＤＣ／ＤＣ変換器５０３を制御して蓄電池５００からの放電電流を制御する。
【００２３】
一方、太陽電池７の発電電力が負荷３の電力より大きい場合には、電圧検出手段５０６により検出される電源系統側の電圧が所定のしきい値以下のとき、負荷で消費される電力に対する余剰分は電源系統１に売電される。この場合は、電力検出手段５０９により検出される電源系統側の電力は負の値となり、所定のしきい値以下であるため、蓄電池５００からの放電は行われない。
【００２４】
このように、電源系統１の電力および電圧を検出し、その検出値に応じて、太陽電池７からの放電電力を負荷３への給電、または、電源系統１へ売電、または、蓄電池５００へ充電することにより、電源系統１の電圧が如何なる場合においても太陽電池７の発電電力を活用でき、また、電源系統１の電圧上昇も抑制できる。
【００２５】
本実施例の動作波形を図４に示す。図４（１）に電源系統１の電圧変動の一例を示す。横軸は時刻で、電源系統の電圧が時刻とともに変化し、系統電圧が所定のしきい値を超える場合を示す。図４（２）に負荷電力と太陽光発電電力の一例を示す。横軸は時刻で、日中は、太陽光発電電力の大きさが日射量の応じ、時刻とともに変化している。また、負荷電力は、朝方と正午前後、および夕方にかけて、電力ピークがある場合を示す。ここで、夜間の電気料金の安い電力を蓄電池５００に蓄電したり、夜間の蓄電に備え、蓄電池５００の余剰電力を放電する部分を、余剰蓄電放電分として斜線で示した。
【００２６】
負荷電力から太陽光発電電力を引いた電力値が、電源系統１から供給を受ける電力、すなわち購入する電力となる。また、負荷電力より太陽光発電電力が大きい場合には、その差分が電源系統１に対して売電する電力となる。この時、系統電圧が所定値を超えている時間帯で、太陽電池７の発電電力が負荷３の負荷電力を上回り、太陽電池７の発電電力が余っている場合は、電源系統１への売電は行わない。その関係を図４（３）に示す。系統側の電力、すなわち、電源系統１から購入する電力を検出し、その電力が所定の値を超えないように、図４（４）に示すように蓄電池５００からピークカット放電を行う。また、電源系統１の電圧が所定の値を超えた場合に、太陽電池７の余剰電力を蓄電池５００に蓄電することで、電源系統１の電圧の上昇を抑制できる。
【００２７】
以上、述べたように、本実施例によれば、太陽光発電と蓄電とを組み合わせたシステムにおいて、電源系統１の電力および電圧を検出し、電源系統１の電圧が所定の上限値を超えないように、太陽電池７の発電電力のうち、売電分を蓄電池に充電する。このため、電源系統１の電圧が上昇し、太陽電池７からの売電を停止する必要がある場合であっても、負荷３の負荷電力を超えて発電された電力を蓄電池５００に蓄電できるので、太陽電池７の発電を停止させることなく、発電電力を有効できるという利点がある。
【００２８】
また、電源系統の電力値、電源系統への交流電力出力値、電源系統からの交流電力入力値、蓄電手段から放電される電力値、蓄電手段に充電される電力値を演算し、表示器９に表示することで、蓄電池５００からのピークカット放電運転をモニタすることができ、本システムの導入効果を示すことができる。また、各電力値を積算して電力量として表示することで、月間や年間のピークカット電力量を表示することができる。また、それらの値を外部からモニタできるようにすることで、本システムの導入による改善効果を数値として管理することができる。
【００２９】
本発明による第２の実施例の構成を図５に示す。第１の実施例との相違点は、太陽電池７の出力電圧を、ＤＣ／ＤＣ変換器５１３を用いて昇圧させた出力を、平滑コンデンサ５１５、および双方向ＤＣ／ＤＣ変換器５２０に供給していることにある。これにより、太陽電池７の出力電圧が低い場合でも、ＤＣ／ＤＣ変換器５１３により太陽電池電圧を調整し、双方向ＡＣ／ＤＣ変換器５１２で交流電力に変換できる。これにより、太陽光発電システムを広い運転領域で稼動させることができる。このとき、蓄電池５１０からの放電電力は、第１の実施例と同様に、双方向ＤＣ／ＤＣ変換器５２０により実行される。
【００３０】
また、電源システム５１は、逆流防止ダイオード８を介して太陽電池７からの発電電力を入力する。電源システム５１は、平滑コンデンサ５１５、双方向ＡＣ／ＤＣ変換器５１２、蓄電池５１０、双方向ＤＣ／ＤＣ変換器５２０、開閉器５１１、系統電圧検出用トランス５１４、電力検出手段５１９、充放電制御手段５１８、電圧検出手段５１６、しきい値判別手段５１７、表示器９１から構成されている。
【００３１】
電源システム５１は、交流電流検出器４１６より演算させる電源系統１の電力が、所定のしきい値を超えないように、蓄電池５１０の電力を双方向ＤＣ／ＤＣ変換器５２０、双方向ＡＣ／ＤＣ変換器５１２を介して、電源系統１に放電する。この時、太陽電池７が発電を行っている場合は、その発電電力をＤＣ／ＤＣ変換器５１３、双方向ＡＣ／ＤＣ変換器５２０を介して、電源系統１に放電する。
【００３２】
また、負荷３の消費電力より太陽電池７の発電電力が大きい場合は電源系統１から購入する電力はゼロとなり、太陽電池７は、その発電電力を逆流防止ダイオード８、ＤＣ／ＤＣ変換器５１３、双方向ＡＣ／ＤＣ変換器５２０を介して、電源系統１に放電する。
【００３３】
また、表示器９１により、そのときの電源システムから出力される電力、および電源系統側の電力を表示する。
【００３４】
分電盤４１１に設けた交流電流検出器４１３により検出された電源系統側の交流電流は、電力検出５１９において、系統電圧検出用トランス５１４の検出信号と乗算され、電源系統側の電力検出値となる。電圧検出５１６において、系統電圧検出用トランス５１４の検出信号により、電源系統側の電圧検出値となる。充放電制御５１８では、電力検出５１９および、電圧検出５１６からしきい値判別手段５１７の検出値の大きさに応じ、蓄電池５１０からの放電電流、あるいは、蓄電池５１０への充電電流を制御する。蓄電池５１０からの放電、あるいは充電は、双方向ＤＣ／ＤＣ変換器５２０により実行される。ここで、平滑コンデンサ５１５の直流電圧Ｖｄｃは、双方向ＡＣ／ＤＣ変換器５１２により、太陽電池７から取り出せる電力が最大になるように調整される。双方向ＤＣ／ＤＣ変換器５２０は、調整されたＶｄｃ値に対して、蓄電池５１０からの放電、あるいは充電を行う。
【００３５】
太陽電池７による発電電力を含めた電源系統１の電力は、太陽電池７による発電電力または、蓄電池５１０の電力を双方向ＤＣ／ＤＣ変換器５２０、双方向ＡＣ／ＤＣ変換器５１２を介して、負荷３に放電する。また、太陽電池７による発電電力が負荷３の負荷電力よりも多く、交流電流検出器４１３より演算させた電源系統電圧が所定のしきい値以下の場合は、太陽電池７による発電電力を電源系統１に売電する。
【００３６】
一方、負荷電力が太陽電池７の発電電力よりも小さく売電している状態で、電源系統の電圧が所定のしきい値を超えたとき、太陽電池７による発電電力をＤＣ／ＤＣ変換器５１３、双方向ＤＣ／ＤＣ変換器５２０を介して蓄電池５１０に蓄電する。これにより、電源系統１の電圧が上昇し、太陽電池７からの売電を停止する必要がある場合においても、負荷電力を超えて発電された電力を蓄電池５１０に蓄電することで、売電電力をゼロにできる。この結果、電源系統１の電圧の上昇を抑制でき、太陽電池７の発電電力を活用できる。
【００３７】
本実施例によれば、電源系統の電圧に関わらず、太陽光発電システムを広範な運転状態で動作させることがる。
【００３８】
【発明の効果】
本発明によれば、太陽光発電手段と蓄電池による電力蓄電手段とを組み合わせたようなシステムにおいて、電源系統の電力および電圧を監視し、負荷電力が太陽電池の発電電力よりも小さく売電状態のとき、系統電圧が上昇した場合でも、太陽電池の発電電力を蓄電手段に蓄電することにより、系統電圧の上昇を抑制できる。これにより、太陽光発電システムの運転効率を向上できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施例による構成図。
【図２】双方向ＡＣ／ＤＣ変換器の構成図。
【図３】双方向ＤＣ／ＤＣ変換器の構成図。
【図４】動作波形図。
【図５】第２の実施例の構成図。
【符号の説明】
１…電源系統、２…配線、３…負荷、４…分電盤、５…電源システム、６…パワーコンディショナー、７…太陽電池、９…表示器、５０２…双方向ＡＣ／ＤＣ変換器、５０３…双方向ＤＣ／ＤＣ変換器、５００…蓄電池。

Claims (4)

1. 電源系統の電力あるいは太陽電池の発電電力を蓄電する手段と、前記、蓄電手段に電力を充電する手段と、前記、蓄電手段から電力を放電する手段と、太陽電池あるいは蓄電手段の電力を交流電力に変換し電源系統に出力する手段、あるいは、電源系統から交流電力を入力する手段と、電源系統側の電力および電圧を検出する手段とを設け、電源系統側の電力および電圧を検出し、負荷電力が太陽電池の発電電力よりも小さく、太陽電池の発電電力が電源系統側へ売電状態のとき、電源系統側の電圧が所定のしきい値以上の場合に、太陽電池の発電電力を蓄電手段に蓄電することを特徴とする系統連系形電源システム。
2. 請求項１において、太陽電池の発電電力と蓄電手段の出力電力とを電源系統側で個別に連系することを特徴とする連系形電源システム。
3. 請求項１において、太陽電池の発電電力と蓄電手段の出力電力とを直流側で連系することを特徴とする連系形電源システム。
4. 請求項１において、電源系統の電力および電圧値、電源系統への交流電力出力値、電源系統からの交流電力入力値、蓄電手段から放電される電力値、蓄電手段に充電される電力値、あるいは各電力値の積算値を計測、もしくは演算する手段を設け、それらの値を表示、あるいは、外部からモニタできることを特徴とする系統連系形電源システム。

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