JP2017055508A

JP2017055508A - 系統連系装置

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Publication number: JP2017055508A
Application number: JP2015176347A
Authority: JP
Inventors: 内田　丈; Jo Uchida; 丈内田; 直晃荻野; Naoaki Ogino; 渡辺　均; Hitoshi Watanabe; 均渡辺
Original assignee: Hitachi Maxell Ltd
Current assignee: Maxell Ltd
Priority date: 2015-09-08
Filing date: 2015-09-08
Publication date: 2017-03-16
Anticipated expiration: 2035-09-08
Also published as: JP6599700B2

Abstract

【課題】本発明は、系統の瞬低や停電時において、系統連系規定を遵守しつつ、迅速に負荷に電力を供給しうる系統連系装置を提供することを目的とする。【解決手段】系統連系装置１は、系統連系制御部１４により、系統２又は電力変換部１１から負荷５に交流電力を供給し、電力変換部１１と系統２との間を導通させ、電力変換部１１から系統２に交流電力を供給する系統連系運転制御を行う。また、補助電力変換部１３において電圧低下が検出された場合には、系統連系制御部１４により、所定時間の間、発電装置３の直流電力に基づく所定電圧の交流電力を補助電力変換部１３から系統２に供給するとともに、電力変換部１１と系統２との間を非導通にして、電力変換部１１から負荷５に交流電力を供給する自立運転制御を行う。【選択図】図１

Description

本発明は、系統連系装置に関する。

近年、電力会社の系統と太陽電池等の発電設備とを接続し、系統と連系して宅内の負荷に電力を供給する系統連系装置が普及している。このような系統連系装置には、通常時は、系統や発電設備から宅内の負荷に電力を供給し、発電設備で生成された余剰電力を系統に供給する系統連系運転を行い、系統の停電や瞬時電圧低下（以下、瞬低）の発生時には、系統から解列し、発電設備で生成された電力を負荷に供給する自立運転を行うものが知られている（例えば、特許文献１、２参照）。

特開２０１５−６０４４号公報特開２０１５−６１４２９号公報

ところで、系統に瞬低が発生した場合に、一斉に解列すると系統全体の需給バランスが乱れ、広範囲に停電等が発生する可能性がある。そのため、系統連系規定には、事故時運転継続（ＦＲＴ：Fault Ride Through）要件が定められている。ＦＲＴ要件を満たすためには、瞬低発生時に系統連系運転を継続しなければならず、瞬低が発生した際、系統から系統連系装置をすぐに解列して自立運転に切り替えることはできない。そのため、系統から負荷に電力が供給されている場合に瞬低が発生すると、負荷に電力を供給できない。

本発明は、系統の瞬低や停電時において、系統連系規定を遵守しつつ、迅速に負荷に電力を供給しうる系統連系装置を提供することを目的とする。

本発明に係る系統連系装置は、直流電力を生成する発電装置と、交流電力を供給する系統とを接続し、前記発電装置及び前記系統の電力を負荷に供給する系統連系装置であって、前記系統と、前記発電装置と、前記負荷とに接続され、前記発電装置の直流電力を交流電力に変換する電力変換部と、前記系統の電圧低下を検出し、前記発電装置の直流電力に基づく所定電圧の交流電力を出力する補助電力変換部と、前記電力変換部と前記系統との間を導通又は非導通に切り替えるスイッチと、前記系統又は前記電力変換部から前記負荷に交流電力を供給し、前記スイッチにより前記電力変換部と前記系統との間を導通させ、前記電力変換部から前記系統に交流電力を供給する系統連系制御を行い、前記系統の電圧低下が検出された場合、所定時間の間、前記補助電力変換部から前記系統に交流電力を供給するとともに、前記スイッチにより前記電力変換部と前記系統との間を非導通にして、前記電力変換部から前記負荷に交流電力を供給する自立運転制御に切り替える系統連系制御部と、を備える。

この構成によれば、電力変換部と系統との間を導通させて系統と連系する系統連系運転を行い、系統の電圧が低下した場合には、電力変換部と系統との間を非導通にし、電力変換部を自立運転させ、所定時間の間、電力変換部から補助電力変換部を介して系統に電力を供給する。つまり、瞬低が発生した場合であっても、系統連系運転と同様に、系統に電力を供給し続けることができるので、系統連系規定のＦＲＴ要件を遵守しつつ、負荷に対して迅速に電力を供給することができる。

また、上記系統連系装置において、前記電力変換部は、前記発電装置の直流電力を蓄電池に充電し、少なくとも前記自立運転制御において、前記蓄電池から放電した直流電力を交流電力に変換して前記負荷に供給することとしてもよい。この構成によれば、瞬低の発生時においても、蓄電池の充電や、蓄電池から放電した電力を負荷に供給することができる。

また、上記系統連系装置において、前記補助電力変換部は、前記電力変換部と前記系統とに接続され、前記電力変換部で変換された交流電力を前記系統に応じた所定の電圧に変換して前記系統に供給することとしてもよい。この構成によれば、瞬低発生時において、電力変換部を自立運転させることができるとともに、系統連系運転時と同様、電力変換部から補助電力変換部を介して系統に電力を供給し続けることができる。

また、上記系統連系装置において、前記補助電力変換部は、前記発電装置と前記系統とに接続され、前記発電装置の直流電力を前記系統に応じた所定の電圧の交流電力に変換して前記系統に供給することとしてもよい。この構成によれば、瞬低発生時において、電力変換部を自立運転させることができるとともに、系統に電力を供給し続けることができる。

本発明の構成によれば、系統の瞬低や停電時において、系統連系規定を遵守しつつ、迅速に負荷に電力を供給することができる。

図１は、第１実施形態に係る系統連系装置による系統連系の構成例を示す構成図である。図２は、第１実施形態に係る系統連系装置の動作フロー図である。図３は、系統の電圧変化を例示した図である。図４は、第２実施形態に係る系統連系装置による系統連系の構成例を示す構成図である。

以下、図面を参照し、本発明の実施の形態を詳しく説明する。図中同一又は相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。

＜第１実施形態＞
図１は、本発明の第１実施形態に係る系統連系装置による系統連系の構成例を示す構成図である。図１に示すように、系統連系装置１は、配線Ｌに接続された分電盤（図示略）を介して系統２に接続されるとともに、太陽電池３、蓄電池４、及び交流負荷５と接続されている。

太陽電池３は、発電装置の一例であり、複数のセルが直列又は並列に接続された太陽電池モジュールを備え、光起電力効果によって太陽光を直流電力に変換する。

蓄電池４は、繰り返し充放電可能な二次電池であり、例えば、リチウムイオン電池が用いられる。蓄電池４は、パワーコンディショナー１１の制御の下、直流電力を充電したり放電したりする。

交流負荷５は、例えば、宅内に設置されたパーソナルコンピュータやサーバ等のＯＡ機器、テレビ、冷蔵庫、照明等、交流電力の供給によって動作する電気機器である。

系統連系装置１は、パワーコンディショナー１１、遮断スイッチ１２、サブコンバータ１３、及び連系制御部１４を備える。系統連系装置１は、系統２から供給される電力を交流負荷５へ供給したり、太陽電池３及び蓄電池４の電力を交流負荷５へ供給したりすることができる。また、系統連系装置１は、太陽電池３の電力を系統２に供給（逆潮流）することができる。以下、系統連系装置１の各構成について具体的に説明する。

パワーコンディショナー１１は、ＤＣ／ＤＣコンバータと、双方向インバータとを備える（いずれも図示略）。パワーコンディショナー１１は、ＤＣ／ＤＣコンバータにより、太陽電池３で生成された直流電力を蓄電池４の電圧に応じた所定の電圧に変換して蓄電池４に充電する。また、パワーコンディショナー１１は、双方向インバータにより、太陽電池３で生成された直流電力、蓄電池４から放電した直流電力を所定電圧の交流電力に変換したり、系統２から供給される交流電力を蓄電池４の電圧に応じた所定の電圧の直流電力に変換したりする。

パワーコンディショナー１１は、連系制御部１４の制御の下、遮断スイッチ１２のオン／オフを切り替え、その動作モードを変更する。具体的には、パワーコンディショナー１１は、連系制御部１４から、遮断スイッチ１２をオンにして、パワーコンディショナー１１と系統２との間を導通状態にし、系統２とパワーコンディショナー１１との間で相互に電力をやり取りすることができる系統連系モードで動作する。また、パワーコンディショナー１１は、連系制御部１４から電圧低下が発生したことを示す所定の制御信号が供給されると、太陽電池３の発電による余剰電力をサブコンバータ１３に出力するとともに、遮断スイッチ１２をオフにして、パワーコンディショナー１１と系統２との間を非導通状態にし、自立運転モードで動作する。自立運転モードでは、太陽電池３若しくは蓄電池４からの電力が交流負荷５に供給される。パワーコンディショナー１１は、系統連系モードの場合には、定電流制御を行い、自立運転モードの場合には、定電圧制御を行う。

遮断スイッチ１２は、例えば、交流リレー回路で構成され、パワーコンディショナー１１によってオン／オフが切り替えられる。

サブコンバータ１３は、系統２における電圧に基づいて、系統２の電圧低下及び電圧の復帰を検出し、検出結果を連系制御部１４へ出力する。また、サブコンバータ１３は、連系制御部１４から供給される所定の制御信号に応じて、パワーコンディショナー１１から供給される交流電力を系統２の電圧に応じた交流電力に変換して系統２へ出力する。サブコンバータ１３は、少なくとも所定時間の間に交流電力を出力できればよいため、パワーコンディショナー１１よりも小さい容量のものを用いることができる。

連系制御部１４は、サブコンバータ１３の検出結果に基づいて、パワーコンディショナー１１及びサブコンバータ１３を制御する。具体的には、連系制御部１４は、サブコンバータ１３によって系統２の電圧低下が検出された場合、電圧低下から所定時間内に電圧復帰が検出されるまでの間、パワーコンディショナー１１及びサブコンバータ１３に所定の制御信号を出力し、パワーコンディショナー１１からサブコンバータ１３に、太陽電池３の余剰電力を供給させる。そして、連系制御部１４は、サブコンバータ１３において、その余剰電力を系統２の電圧に応じた交流電力に変換して系統２に供給させるとともに、パワーコンディショナー１１において遮断スイッチ１２をオフにして自立運転モードに切り替えさせる。なお、この所定時間は、系統連系規定において、系統２の電圧が低下してから解列するまでの時間として定められた時間（日本国内の２０１７年３月版の系統連系規定では、瞬低及び停電時は１秒間）が含まれるように予め設定される。本実施の形態では、例えば５〜１０秒程度である。

連系制御部１４は、サブコンバータ１３において、系統２の電圧低下から系統２の電圧の復帰が検出された場合には、パワーコンディショナー１１及びサブコンバータ１３への所定の制御信号の出力を停止し、パワーコンディショナー１１において遮断スイッチ１２をオンにして系統連系モードに切り替えさせる。また、連系制御部１４は、系統２の電圧が所定時間内に復帰しない場合、所定時間の経過後、パワーコンディショナー１１からサブコンバータ１３への出力を停止させ、自立運転モードでの動作を継続する。

つまり、系統連系装置１は、系統２の電圧低下が生じた場合、電圧低下から所定時間の間は、サブコンバータ１３により系統２に余剰電力を供給して系統連系モードでの動作を維持しつつ、パワーコンディショナー１１と系統２との間を非導通状態にしてパワーコンディショナー１１を自立運転モードで動作させる。そして、系統連系装置１は、系統２の電圧が復帰した場合、パワーコンディショナー１１と系統２との間を導通状態にしてパワーコンディショナー１１を系統連系モードで動作させる。

（動作）
図２は、系統連系装置１の動作フローを示す図である。例えば、系統２の電圧が図３のように変化する場合を例に系統連系装置１の動作を説明する。なお、図３の例では、系統２の電圧は、時刻ｔ０〜ｔ１の間は電圧低下が生じていない通常時の電圧であり、時刻ｔ１〜ｔ２の間は、例えば通常時の３０％に電圧が低下し、時刻ｔ２から電圧が復帰している。

系統連系装置１は、図３の時刻ｔ０から時刻ｔ１までの間、パワーコンディショナー１１により遮断スイッチ１２をオンにして系統連系モードで動作する（ステップＳ１１）。つまり、図３の時刻ｔ０〜ｔ１の間は、太陽電池３の発電に基づく交流電力、又は蓄電池４の放電に基づく交流電力が交流負荷５に供給され、太陽電池３の余剰電力が系統２に供給されたり、蓄電池４に充電されたりする。

図３の時刻ｔ１において系統２の電圧が低下すると、系統連系装置１は、サブコンバータ１３により系統２の電圧低下を検出し（ステップＳ１２：Ｙｅｓ）、連系制御部１４からパワーコンディショナー１１とサブコンバータ１３に所定の制御信号を出力する。これにより、パワーコンディショナー１１は、太陽電池３の余剰電力をサブコンバータ１３に出力し、サブコンバータ１３は、その余剰電力を系統２の電圧に応じて変換し、系統２に供給する。また、パワーコンディショナー１１は、遮断スイッチ１２をオフにして自立運転モードに移行する（ステップＳ１３）。これにより、パワーコンディショナー１１は、太陽電池３からの電力を交流負荷５又は蓄電池４に供給したり、蓄電池４からの電力を交流負荷５に供給したりすることができる。

図３の時刻ｔ２において、系統連系装置１は、サブコンバータ１３により系統２の電圧復帰を検出する。連系制御部１４は、系統２の電圧復帰が、電圧低下から所定時間内である場合には（ステップＳ１４：Ｎｏ，Ｓ１５：Ｙｅｓ）、パワーコンディショナー１１とサブコンバータ１３への所定の制御信号の出力を停止する。これにより、パワーコンディショナー１１は、遮断スイッチ１２をオンにし、系統連系モードで動作を行う（ステップＳ１６）。このとき、パワーコンディショナー１１は、一定時間内に、電圧低下前の電力の８０％以上となるように系統２へ交流電力を出力する。具体的には、例えば、サブコンバータ１３において電圧低下前の電力の８０％以上となるように交流電力を生成し、パワーコンディショナー１１からその交流電力を一定時間内に出力してもよい。

なお、系統連系装置１は、系統２の電圧低下から所定時間内にサブコンバータ１３により系統２の電圧復帰が検出されない場合には、連系制御部１４により、系統２が停電していると判断し、パワーコンディショナー１１からサブコンバータ１３への交流電力の出力を停止させ、自立運転モードでの動作を継続する（ステップＳ１４：Ｙｅｓ，Ｓ１７）。

上述した第１実施形態では、系統連系装置１は、サブコンバータ１３によって系統２の電圧変化を監視し、系統２の電圧が低下した場合、電圧低下から所定時間内に電圧が復帰するまで、サブコンバータ１３によって系統連系を継続させるとともに、パワーコンディショナー１１によって、系統２とパワーコンディショナー１１との間を遮断して、パワーコンディショナー１１を自立運転モードで動作させる。そのため、瞬低が発生しても、系統連系規定のＦＲＴ要件を遵守しつつ、パワーコンディショナー１１を自立運転モードで動作させ、負荷に電力を供給することができる。また、系統連系装置１は、系統２の電圧が復帰した場合、パワーコンディショナー１１と系統２との間を導通状態にしてパワーコンディショナー１１を系統連系モードに切り替え、系統連系を迅速に再開させることができる。

＜第２実施形態＞
図４は、第２実施形態に係る系統連系装置による系統連系の構成例を示す構成図である。図４に示すように、系統連系装置１Ａは、第１実施形態と同様の遮断スイッチ１２を備えるとともに、パワーコンディショナー１１Ａ、連系制御部１４Ａ、及びサブインバータ１５を備える。以下、第１実施形態と異なる構成について説明する。

パワーコンディショナー１１Ａは、連系制御部１４Ａの制御の下、遮断スイッチ１２のオン／オフを切り替え、動作モードを変更する。具体的には、パワーコンディショナー１１Ａは、遮断スイッチ１２をオンにし、パワーコンディショナー１１Ａと系統２との間を導通させて系統連系モードで動作する。また、パワーコンディショナー１１Ａは、連系制御部１４から、系統２の電圧低下が発生したことを示す所定の制御信号が供給されると、遮断スイッチ１２をオフにし、パワーコンディショナー１１Ａと系統２との間を非導通にし、自立運転モードで動作する。

サブインバータ１５は、太陽電池３と系統２とに接続されている。サブインバータ１５は、系統２の電圧に基づいて瞬低及び電圧の復帰を検出し、検出結果を連系制御部１４Ａに出力する。また、サブインバータ１５は、連系制御部１４Ａから供給される所定の制御信号に応じて、太陽電池３の直流電力を系統２の電圧に応じた交流電力に変換し、系統２に供給する。

連系制御部１４Ａは、パワーコンディショナー１１Ａ及びサブインバータ１５に接続され、サブインバータ１５の検出結果に応じて、パワーコンディショナー１１Ａ及びサブインバータ１５を制御する。つまり、連系制御部１４Ａは、サブインバータ１５により系統２の電圧低下が検出された場合には、電圧低下から所定時間内に電圧復帰が検出されるまで、パワーコンディショナー１１Ａ及びサブインバータ１５に所定の制御信号を出力し、サブインバータ１５により、太陽電池３の発電による直流電力を所定の交流電力に変換して系統２に供給させる。そして、連系制御部１４Ａは、パワーコンディショナー１１Ａにより遮断スイッチ１２をオフにして、パワーコンディショナー１１Ａを自立運転モードに切り替えさせる。

また、連系制御部１４Ａは、系統２の電圧低下から所定時間内にサブインバータ１５により系統２の電圧復帰が検出された場合、パワーコンディショナー１１Ａ及びサブインバータ１５への所定の制御信号の出力を停止し、パワーコンディショナー１１Ａにより遮断スイッチ１２をオンにする。そして、パワーコンディショナー１１Ａを系統連系モードに切り替えさせ、サブインバータ１５から系統２への交流電力の出力を停止させる。

連系制御部１４Ａは、系統２の電圧低下から所定時間内にサブインバータ１５により電圧復帰が検出されなければ、所定時間の経過時に、サブインバータ１５からの出力を停止させ、パワーコンディショナー１１Ａに自立運転モードでの動作を継続させる。

つまり、系統連系装置１Ａは、サブインバータ１５によって系統２の電圧変化を監視し、系統２に電圧低下が生じた場合、サブインバータ１５から系統２に、太陽電池３の発電に基づく所定電圧の交流電力を供給しつつ、パワーコンディショナー１１Ａと系統２との間を非導通状態にしてパワーコンディショナー１１Ａを自立運転モードで動作させる。従って、本実施形態における構成において瞬低が発生しても、系統連系規定のＦＲＴ要件を遵守しつつ、パワーコンディショナー１１Ａを自立運転モードで動作させ、負荷に電力を供給することができる。

＜変形例＞
以上、本発明の実施の形態を説明したが、上述した実施の形態は本発明を実施するための例示に過ぎない。よって、本発明は上述した実施の形態に限定されることなく、その趣旨を逸脱しない範囲内で上述した実施の形態を適宜変形して実施することが可能である。以下、本発明の変形例について説明する。

（１）上述した実施形態では、発電装置として太陽電池３を用いる例を説明したが、例えば、風力を用いた発電装置や燃料電池等を発電装置として用いてもよい。

（２）上述した実施形態では、パワーコンディショナー１１、１１Ａに蓄電池４が接続されている例を説明したが、蓄電池４が接続されていなくてもよい。

（３）上述した実施形態では、系統２の電圧の復帰後、サブコンバータ１３又はサブインバータ１５から系統２への電力の供給を停止させるようにしたが、電圧復帰後もサブコンバータ１３又はサブインバータ１５から系統２への電力の供給を継続させてもよい。この場合には、パワーコンディショナー１１とサブコンバータ１３、又はパワーコンディショナー１１Ａとサブインバータ１５の両方から系統２に電力が供給される。

１，１Ａ・・・系統連系装置、２・・・系統、３・・・太陽電池、４・・・蓄電池、５・・・交流負荷、１１，１１Ａ・・・パワーコンディショナー、１２・・・遮断スイッチ、１３・・・サブコンバータ、１４，１４Ａ・・・連系制御部、１５・・・サブインバータ

Claims

直流電力を生成する発電装置と、交流電力を供給する系統とを接続し、前記発電装置及び前記系統からの電力を負荷に供給する系統連系装置であって、
前記系統と、前記発電装置と、前記負荷とに接続され、前記発電装置の直流電力を交流電力に変換する電力変換部と、
前記系統の電圧低下を検出し、前記発電装置の直流電力に基づく所定電圧の交流電力を出力する補助電力変換部と、
前記電力変換部と前記系統との間を導通又は非導通に切り替えるスイッチと、
前記系統又は前記電力変換部から前記負荷に交流電力を供給し、前記スイッチにより前記電力変換部と前記系統との間を導通させ、前記電力変換部から前記系統に交流電力を供給する系統連系制御を行い、前記系統の電圧低下が検出された場合、所定時間の間、前記補助電力変換部から前記系統に交流電力を供給するとともに、前記スイッチにより前記電力変換部と前記系統との間を非導通にして、前記電力変換部から前記負荷に交流電力を供給する自立運転制御に切り替える系統連系制御部と、
を備える系統連系装置。
前記電力変換部は、前記発電装置の直流電力を蓄電池に充電し、少なくとも前記自立運転制御において、前記蓄電池から放電した直流電力を交流電力に変換して前記負荷に供給する、請求項１に記載の系統連系装置。
前記補助電力変換部は、前記電力変換部と前記系統とに接続され、前記電力変換部で変換された交流電力を前記系統に応じた所定の電圧に変換して前記系統に供給する、請求項１又は２に記載の系統連系装置。
前記補助電力変換部は、前記発電装置と前記系統とに接続され、前記発電装置の直流電力を前記系統に応じた所定の電圧の交流電力に変換して前記系統に供給する、請求項１又は２に記載の系統連系装置。