JP6604275B2 - 電力制御システム - Google Patents

Description

本発明は、太陽光発電装置から出力される発電電力をバッテリに蓄電可能に構成された電力制御システムに関する。

例えば、特許文献１に、太陽光発電装置（ソーラーパネル）から出力される発電電力をソーラーバッテリに蓄電可能に構成された電力システムが開示されている。この電力システムでは、ソーラーパネルが出力する発電電力を、ソーラー電力コンバータを介してソーラーバッテリに蓄電（充電）可能とし、またソーラーバッテリに蓄電された電力を、補機電力コンバータを介して補機バッテリに出力（放電）可能としている。

特開２０１４−２００１４９号公報

上記特許文献１に記載された技術では、ソーラーパネルの発電電力と補機バッテリの充電用電力とを直接比較して、補機電力コンバータが充電のために補機バッテリへ出力する電力の増加／減少を、当該比較結果に基づいてフィードバック制御している。

このため、例えば、日射量の変化などによってソーラーパネルの発電電力が短時間で大きく上下に変動したような場合には、補機電力コンバータによる補機バッテリの充電用電力の増減制御が、この発電電力の変動に追従して短時間で頻繁に切り替わってしまうという課題がある。つまり、上記特許文献１の技術では、ソーラーパネルの発電電力の変動に反応して、補機バッテリの充電用電力が機敏に変動してしまう虞がある。

本発明は、上記課題を鑑みてなされたものであり、ソーラーパネルの発電電力の変動に反応して補機バッテリの充電用電力が機敏に変動してしまう虞を抑制することができる、電力制御システムを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は、太陽光発電装置を用いた電力制御システムであって、太陽光発電装置で発生した発電電力を入力し、発電電力を第１電力に変換して出力する第１の電力変換器と、第１の電力変換器に接続され、第１の電力変換器が出力する第１電力によって充電可能な第１の蓄電池と、第１の電力変換器および第１の蓄電池に接続され、第１の電力変換器から出力される第１電力および第１の蓄電池から出力される第２電力の少なくとも一方を入力し、入力した電力を第３電力に変換して第２の蓄電池に出力する第２の電力変換器と、第１の蓄電池の蓄電量を監視し、蓄電量に応じて第１の電力変換器および第２の電力変換器が出力する電力をそれぞれ制御する制御部とを備え、制御部は、第３電力を、第１の蓄電池の蓄電量が所定の第１閾値未満であれば、ゼロに制御し、第１の蓄電池の蓄電量が第１閾値以上かつ第１閾値よりも高い所定の第３閾値未満であれば、所定の最小値から最小値よりも高い所定の最大値へ漸増する傾きを持つ一次関数で定まる値に制御し、第１の蓄電池の蓄電量が第３閾値以上であれば、最大値に制御し、制御部は、第１電力を、第１の蓄電池の蓄電量が第１閾値よりも高く第３閾値よりも低い所定の第２閾値未満であれば、最大値よりも高い所定の上限値を超えないように制限し、第１の蓄電池の蓄電量が第２閾値以上かつ第３閾値未満であれば、上限値から最大値よりも低く最小値よりも高い所定の下限値へ漸減する傾きを持つ一次関数で定まる値を超えないように制限し、第１の蓄電池の蓄電量が第３閾値以上であれば、下限値を超えないように制限する、ことを特徴とする。

この本発明では、第１の蓄電池（ソーラーバッテリ）の蓄電量（ＳＯＣ値）に基づいて、第１の電力変換器（ソーラー電力コンバータ）が出力する第１電力および第２の電力変換器（補機電力コンバータ）が出力する第３電力の双方を制御する。第１の蓄電池は、太陽光発電装置（ソーラーパネル）で発生した発電電力の変動成分を積分して蓄電することができる、つまり電力の変動を吸収することができる。

この制御により、太陽光発電装置が発生する発電電力が短時間で大きく上下に変動したとしても、第１の蓄電池の蓄電量は変動を吸収して緩やかに変化するため、太陽光発電装置の発電電力の変動に反応して、第２の電力変換器が出力する第３電力、つまり第２の蓄電池（補機バッテリ）の充電用電力が機敏に変動してしまう虞を抑制することができる。すなわち、第２の電力変換器から第２の蓄電池へ、変化が少ない充電用電力を出力することができる。

また、この本発明では、第１の蓄電池の蓄電量が所定の閾値となる点を境界として、閾値未満であれば第２の電力変換器が出力する第３電力よりも第１の電力変換器が出力する第１電力の方が大きくなるように制御し、閾値を超えれば第２の電力変換器が出力する第３電力よりも第１の電力変換器が出力する第１電力の方が小さくなるように制御する。

この制御により、太陽光発電装置が発生する発電電力に応じて、第１の蓄電池の蓄電量を、第１閾値から第３閾値までのいずれかの値に収束させることができる。具体的には、第１の蓄電池の蓄電量を、第１の電力変換器が出力する第１電力と第２の電力変換器が出力する第３電力とが一致する任意の蓄電量に収束させることができる。よって、例えば、第１閾値を過放電領域に到達する前の蓄電量に設定したり、第３閾値を過充電領域に到達する前の蓄電量に設定したりすることにより、第１の蓄電池が早期に性能劣化してしまう虞を抑制することができる。

以上述べたように、本発明の電力制御システムによれば、太陽光発電装置（ソーラーパネル）の発電電力の変動に反応して第２の蓄電池（補機バッテリ）の充電用電力が機敏に変動してしまう虞を抑制することができる。

本発明の一実施形態に係る電力制御システムの構成例を示す図 ソーラーバッテリのＳＯＣ値と補機電力コンバータの出力電力との対応関係を示す図 ソーラーバッテリのＳＯＣ値とソーラー電力コンバータの出力電力との対応関係を示す図 図２と図３とを組み合わせた図

［概要］
本実施形態に係る太陽光発電装置を用いた電力制御システムは、ソーラーパネルが発電する電力の変動による影響を受けにくいソーラーバッテリの蓄電量（ＳＯＣ値）に基づいて、補機バッテリの充電用電力を供給する電力コンバータの出力電力を制御する。これにより、当該電力コンバータの出力電力が、ソーラーパネルの発電電力の変動に反応して機敏に変動してしまう虞を抑制できる。

［電力制御システムの構成］
図１は、本発明の一実施形態に係る電力制御システム１００の構成例を示す図である。図１に例示した本実施形態の電力制御システム１００は、ソーラーパネル１１０と、ソーラー電力コンバータ１２０と、補機電力コンバータ１３０と、ソーラーバッテリ１４０と、補機バッテリ１５０と、制御部１６０と、を備えている。図１では、電力信号が流れる配線を実線で示し、制御信号が流れる配線を破線で示している。

電力制御システム１００において、ソーラーパネル１１０の出力端子は、ソーラー電力コンバータ１２０の入力端子に接続されている。ソーラー電力コンバータ１２０の出力端子は、補機電力コンバータ１３０の入力端子およびソーラーバッテリ１４０の入出力端子に接続されている。補機電力コンバータ１３０の出力端子は、補機バッテリ１５０の入出力端子に接続されている。制御部１６０は、ソーラー電力コンバータ１２０、補機電力コンバータ１３０、およびソーラーバッテリ１４０に、接続されている。

ソーラーパネル１１０は、太陽光の照射を受けて発電を行う太陽光発電装置であって、例えば太陽電池モジュールである。このソーラーパネル１１０は、発電によって得られた電力をソーラー電力コンバータ１２０に出力する。

ソーラー電力コンバータ１２０は、ソーラーパネル１１０で発生した発電電力を入力し、所定の第１電力に変換する。そして、ソーラー電力コンバータ１２０は、変換後の第１電力をソーラーバッテリ１４０および補機電力コンバータ１３０へ出力する。このソーラー電力コンバータ１２０は、例えばＤＣ／ＤＣコンバータおよびこのＤＣ／ＤＣコンバータの動作を制御する制御部などで構成される（図示せず）。また、ソーラー電力コンバータ１２０は、例えば周知の最大電力点追従（ＭＰＰＴ：Ｍａｘｉｍｕｍ Ｐｏｗｅｒ Ｐｏｉｎｔ Ｔｒａｃｋｉｎｇ）制御を用いて、ソーラーパネル１１０の動作点を設定することができる。このソーラー電力コンバータ１２０は、請求項における「第１の電力変換部」に対応する。

ソーラーバッテリ１４０は、例えばニッケル水素電池などの、充放電可能に構成された電力貯蔵要素である。このソーラーバッテリ１４０は、ソーラー電力コンバータ１２０が出力する第１電力によって充電可能に、ソーラー電力コンバータ１２０と接続されている。また、ソーラーバッテリ１４０は、補機バッテリ１５０における蓄電容量が不足してきた際など、自らの蓄電電力の一部を第２電力として放電可能に、補機電力コンバータ１３０と接続されている。よって、ソーラーバッテリ１４０の蓄電量（ＳＯＣ：State Of Charge）は、ソーラー電力コンバータ１２０から出力される第１電力から補機電力コンバータ１３０へ出力する第２電力を差し引いた差分電力の積分値となる。このソーラーバッテリ１４０は、請求項における「第１の蓄電池」に対応する。

補機電力コンバータ１３０は、ソーラー電力コンバータ１２０が出力する第１電力およびソーラーバッテリ１４０が出力する第２電力の少なくとも一方を入力し、その入力した電力を所定の第３電力に変換する。そして、補機電力コンバータ１３０は、変換後の第３電力を補機バッテリ１５０へ出力する。この補機電力コンバータ１３０は、請求項における「第２の電力変換部」に対応する。

補機バッテリ１５０は、例えば鉛蓄電池などの、充放電可能に構成された電力貯蔵要素である。この補機バッテリ１５０は、補機電力コンバータ１３０が出力する第３電力によって充電可能に、補機電力コンバータ１３０と接続されている。よって、補機電力コンバータ１３０が出力する第３電力は、補機バッテリ１５０を充電するための充電用電力となる。また、補機バッテリ１５０は、図示しない補機負荷と放電可能に接続されており、補機負荷の動作に必要な電源電力を供給する。この補機バッテリ１５０は、請求項における「第２の蓄電池」に対応する。

制御部１６０は、ソーラーバッテリ１４０のＳＯＣ値を監視する。ＳＯＣ値の監視は、電圧センサや電流センサを使用するなど、周知の手法を用いることができる。制御部１６０は、監視によって得られたソーラーバッテリ１４０のＳＯＣ値に応じて、ソーラー電力コンバータ１２０が出力する第１電力、および補機電力コンバータ１３０が出力する第３電力を、それぞれ制御する。この制御部１６０は、ソーラーバッテリ１４０のＳＯＣ値が、過放電領域に達するまで下降しないように、かつ、過充電領域に達するまで上昇しないように、ソーラー電力コンバータ１２０が出力する第１電力、および補機電力コンバータ１３０が出力する第３電力を、それぞれ制御することができる。この制御については、後述する。

なお、上述したソーラー電力コンバータ１２０、補機電力コンバータ１３０、および制御部１６０の全てまたは一部は、典型的には中央演算処理装置（ＣＰＵ：Central Processing Unit）、メモリ、および入出力インタフェースを含んだ電子制御ユニット（ＥＣＵ：Electronic Control Unit）として構成され、メモリに格納されたプログラムをＣＰＵが読み出して解釈実行することによって所定の機能を実現する。

［電力制御システムが実行する制御］
次に、図２〜図４をさらに参照して、本発明の一実施形態に係る電力制御システム１００で実行されるコンバータ制御を説明する。

図２は、制御部１６０によって制御される、ソーラーバッテリ１４０のＳＯＣ値（横軸）と補機電力コンバータ１３０が出力する第３電力（縦軸）との対応関係を示す図である。図３は、制御部１６０によって制御される、ソーラーバッテリ１４０のＳＯＣ値（横軸）とソーラー電力コンバータ１２０が出力する第１電力（縦軸）との対応関係を示す図である。図４は、図２と図３とを組み合わせた図である。

図２に示すように、ソーラーバッテリ１４０のＳＯＣ値が第１閾値Ｓ１未満となる範囲では（０＜Ｓ１）、補機電力コンバータ１３０が出力する第３電力は、０（ゼロ）に一定制御される。この制御は、ソーラーバッテリ１４０のＳＯＣ値が低い場合にソーラーバッテリ１４０から補機電力コンバータ１３０へ電力供給が行われることで、ソーラーバッテリ１４０が過放電状態に陥ることを回避するために行われる。例えば、補機電力コンバータ１３０を非動作としたり、補機電力コンバータ１３０の出力を遮断したりすることで、補機電力コンバータ１３０が出力する第３電力を０（ゼロ）に一定制御することができる。

ソーラーバッテリ１４０のＳＯＣ値が第１閾値Ｓ１以上かつ第３閾値Ｓ３未満となる範囲では（Ｓ１＜Ｓ３）、補機電力コンバータ１３０が出力する第３電力は、ＳＯＣ値が増加するにつれて漸増する所定の値となるように動的制御される。図２の例では、ＳＯＣ値の第１閾値Ｓ１から第３閾値Ｓ３までの変化に比例して、補機電力コンバータ１３０が出力する第３電力が、最小の目標電力値であるＰ_lowから最大の目標電力値であるＰ_highまでの傾きを持つ一次関数で定められる値で変化する特性を示している（Ｐ_low＜Ｐ_high）。

ソーラーバッテリ１４０のＳＯＣ値が第３閾値Ｓ３以上となる範囲では、補機電力コンバータ１３０が出力する第３電力は、最大の目標電力値であるＰ_highに一定制御される。この制御は、補機バッテリ１５０のＳＯＣ値によらず補機電力コンバータ１３０から供給される第３電力が上昇し続けることで、補機バッテリ１５０が過充電状態に陥ることを回避するために行われる。

一方、図３に示すように、ソーラーバッテリ１４０のＳＯＣ値が第２閾値Ｓ２未満となる範囲では（Ｓ１＜Ｓ２＜Ｓ３）、ソーラー電力コンバータ１２０が出力する第１電力は、上限の制限電力値であるＰ_maxを超えないように出力制限される（Ｐ_high＜Ｐ_max）。この制御は、ソーラーバッテリ１４０のＳＯＣ値が高い場合にソーラー電力コンバータ１２０からソーラーバッテリ１４０へ電力供給が行われることで、ソーラーバッテリ１４０が過充電状態に陥ることを回避するために行われる。

ソーラーバッテリ１４０のＳＯＣ値が第２閾値Ｓ２以上かつ第３閾値Ｓ３未満となる範囲では、ソーラー電力コンバータ１２０が出力する第１電力は、ＳＯＣ値が増加するにつれて漸減する所定の値を超えないように動的制限される。図３の例では、ＳＯＣ値の第２閾値Ｓ２から第３閾値Ｓ３までの変化に比例して、ソーラー電力コンバータ１２０が出力する第１電力が、上限の制限電力値であるＰ_maxから下限の制限電力値であるＰ_minまでの傾きを持つ一次関数で定められる値で変化する特性を示している（Ｐ_low＜Ｐ_min＜Ｐ_high）。

ソーラーバッテリ１４０のＳＯＣ値が第３閾値Ｓ３以上かつ第４閾値Ｓ４未満となる範囲では（Ｓ３＜Ｓ４）、ソーラー電力コンバータ１２０が出力する第１電力は、下限の制限電力値であるＰ_minを超えないように出力制限される。

ソーラーバッテリ１４０のＳＯＣ値が第４閾値Ｓ４以上となる範囲では、ソーラー電力コンバータ１２０が出力する第１電力は、０（ゼロ）に一定制御される。例えば、ソーラー電力コンバータ１２０を非動作としたり、ソーラー電力コンバータ１２０の出力を遮断したりすることで、ソーラー電力コンバータ１２０が出力する第１電力を０（ゼロ）に一定制御することができる。

［電力制御システムの制御による作用］
上述した補機電力コンバータ１３０の出力電力制御（図２）と、ソーラー電力コンバータ１２０の出力電力制御（図３）とを、ソーラーバッテリ１４０のＳＯＣ値の変化に応じて協調させて実施することによって（図４）、次のような作用が生じる。

まず、ソーラー電力コンバータ１２０の出力電力が上限の制限電力値であるＰ_maxを超えるほど、ソーラーパネル１１０によって発電される電力が十分にある場合を考える。この場合、ソーラー電力コンバータ１２０が出力する第１電力は、図３の実線上の値を取る、つまり出力が制限されることになる。

図４において、ソーラーバッテリ１４０のＳＯＣ値がソーラー電力コンバータ１２０の出力電力と補機電力コンバータ１３０の出力電力とが一致する閾値Ｃ未満の範囲では、補機電力コンバータ１３０が出力する第３電力よりもソーラー電力コンバータ１２０が出力する第１電力の方が大きい。このため、ソーラーバッテリ１４０のＳＯＣ値は、ソーラー電力コンバータ１２０が出力する第１電力から補機電力コンバータ１３０が出力する第３電力を差し引いた差分である余剰電力の蓄積によって、上昇する方向に変化する。

一方、図４において、ソーラーバッテリ１４０のＳＯＣ値が閾値Ｃを超える範囲では、補機電力コンバータ１３０が出力する第３電力よりもソーラー電力コンバータ１２０が出力する第１電力の方が小さい。このため、ソーラーバッテリ１４０のＳＯＣ値は、補機電力コンバータ１３０が出力する第３電力からソーラー電力コンバータ１２０が出力する第１電力を差し引いた差分である不足電力の放出によって、下降する方向に変化する。

すなわち、電力制御システム１００が、太陽光の照射量が十分にありソーラーパネル１１０によって発電される電力がＰ_maxよりも高くなる環境（日射強度最大環境）に置かれている場合には、ソーラーバッテリ１４０のＳＯＣ値は、ソーラー電力コンバータ１２０が出力する第１電力の値と補機電力コンバータ１３０が出力する第３電力の値とが一致する閾値Ｃに収束する（落ち着く）ことになる。この閾値Ｃが、日射強度最大環境の下で安定するソーラーバッテリ１４０のＳＯＣ値となる。

次に、ソーラー電力コンバータ１２０の出力電力が上限の制限電力値であるＰ_maxに満たず、ソーラーパネル１１０によって発電される電力が十分でない場合を考える。この場合、ソーラー電力コンバータ１２０が出力する第１電力は、図３の実線以下となる任意の値を取ることになる。

しかしながらこの場合であっても、補機電力コンバータ１３０が出力する第３電力よりもソーラー電力コンバータ１２０が出力する第１電力の方が大きければ、余剰電力の蓄積によってソーラーバッテリ１４０のＳＯＣ値は上昇する方向に変化する。また、補機電力コンバータ１３０が出力する第３電力よりもソーラー電力コンバータ１２０が出力する第１電力の方が小さければ、不足電力の放出によってソーラーバッテリ１４０のＳＯＣ値は下降する方向に変化する。

すなわち、電力制御システム１００が、太陽光の照射量が不十分であってソーラーパネル１１０によって発電される電力がＰ_maxよりも高くならない環境に置かれている場合であっても、ソーラーバッテリ１４０のＳＯＣ値は、ソーラー電力コンバータ１２０が出力する第１電力の値と補機電力コンバータ１３０が出力する第３電力の値とが最終的に一致する第１閾値Ｓ１〜第３閾値Ｓ３の範囲内における任意の値に収束する（落ち着く）ことになる。

そして、ソーラーパネル１１０による電力の発電がなく、ソーラー電力コンバータ１２０が出力する第１電力が０（ゼロ）である環境（日射強度ゼロ環境）になった場合には、ソーラーバッテリ１４０のＳＯＣ値が第１閾値Ｓ１未満となった時点で補機電力コンバータ１３０が出力する第３電力が０（ゼロ）に制御される。よって、この第１閾値Ｓ１が、日射強度ゼロ環境の下で安定するソーラーバッテリ１４０のＳＯＣ値となる。

［本実施形態における効果］
上述した本発明の一実施形態に係る電力制御システム１００によれば、ソーラーバッテリ１４０のＳＯＣ値に基づいて、ソーラー電力コンバータ１２０の出力電力（第１電力）および補機電力コンバータ１３０の出力電力（第３電力）の双方を制御している。特に、ソーラーパネル１１０で発生した発電電力を直接判断するのではなく、ソーラーパネル１１０で発生した発電電力の変動成分を積分して蓄電するソーラーバッテリ１４０のＳＯＣ値を判断して、ソーラー電力コンバータ１２０および補機電力コンバータ１３０の出力電力を制御する。

この制御により、例えば日射量の変化などによってソーラーパネル１１０が発生する発電電力が短時間で大きく上下に変動したとしても、ソーラーバッテリ１４０のＳＯＣ値は変動を吸収して緩やかに変化する。よって、ソーラーパネル１１０の発電電力の変動に反応して、補機電力コンバータ１３０の出力電力、つまり補機バッテリ１５０の充電用電力が機敏に変動してしまう虞を抑制することができる。すなわち、補機電力コンバータ１３０から補機バッテリ１５０へ、変化が少ない充電用電力を出力することができる。

また、本発明の一実施形態に係る電力制御システム１００によれば、ソーラーバッテリ１４０の任意のＳＯＣ値を境界として、当該任意のＳＯＣ値未満であれば補機電力コンバータ１３０の出力電力（第３電力）よりもソーラー電力コンバータ１２０の出力電力（第１電力）の方が大きくなるように制御し、当該任意のＳＯＣ値以上であれば補機電力コンバータ１３０の出力電力（第３電力）よりもソーラー電力コンバータ１２０の出力電力（第１電力）の方が小さくなるように制御する。

この制御により、ソーラーパネル１１０が発生する発電電力に応じて、ソーラーバッテリ１４０のＳＯＣ値を、第１閾値Ｓ１から第３閾値Ｓ３までのいずれかの値に収束させる（落ち着かせる）ことができる。具体的には、ソーラーバッテリ１４０のＳＯＣ値を、ソーラー電力コンバータ１２０の出力電力と補機電力コンバータ１３０の出力電力とが一致する任意のＳＯＣ値に収束させることができる。よって、例えば、第１閾値Ｓ１を過放電領域に到達する前のＳＯＣ値に設定したり、第３閾値Ｓ３を過充電領域に到達する前のＳＯＣ値に設定したりすることにより、ソーラーバッテリ１４０が早期に性能劣化してしまう虞を抑制することができる。

本発明は、太陽光発電装置から出力される発電電力をバッテリに蓄電可能に構成された電力制御システムとして利用可能である。

１００ 電力制御システム
１１０ ソーラーパネル
１２０ ソーラー電力コンバータ（第１の電力変換部）
１３０ 補機電力コンバータ（第２の電力変換部）
１４０ ソーラーバッテリ（第１の蓄電池）
１５０ 補機バッテリ（第２の蓄電池）
１６０ 制御部

Claims (1)

1. 太陽光発電装置を用いた電力制御システムであって、
   前記太陽光発電装置で発生した発電電力を入力し、当該発電電力を第１電力に変換して出力する第１の電力変換器と、
   前記第１の電力変換器に接続され、前記第１の電力変換器が出力する前記第１電力によって充電可能な第１の蓄電池と、
   前記第１の電力変換器および前記第１の蓄電池に接続され、前記第１の電力変換器から出力される前記第１電力および前記第１の蓄電池から出力される第２電力の少なくとも一方を入力し、当該入力した電力を第３電力に変換して第２の蓄電池に出力する第２の電力変換器と、
   前記第１の蓄電池の蓄電量を監視し、当該蓄電量に応じて前記第１の電力変換器および前記第２の電力変換器が出力する電力をそれぞれ制御する制御部と、を備え、
   前記制御部は、前記第３電力を、
   前記第１の蓄電池の蓄電量が所定の第１閾値未満であれば、ゼロに制御し、
   前記第１の蓄電池の蓄電量が前記第１閾値以上かつ前記第１閾値よりも高い所定の第３閾値未満であれば、所定の最小値から当該最小値よりも高い所定の最大値へ漸増する傾きを持つ一次関数で定まる値に制御し、
   前記第１の蓄電池の蓄電量が前記第３閾値以上であれば、前記最大値に制御し、
   前記制御部は、前記第１電力を、
   前記第１の蓄電池の蓄電量が前記第１閾値よりも高く前記第３閾値よりも低い所定の第２閾値未満であれば、前記最大値よりも高い所定の上限値を超えないように制限し、
   前記第１の蓄電池の蓄電量が前記第２閾値以上かつ前記第３閾値未満であれば、前記上限値から前記最大値よりも低く前記最小値よりも高い所定の下限値へ漸減する傾きを持つ一次関数で定まる値を超えないように制限し、
   前記第１の蓄電池の蓄電量が前記第３閾値以上であれば、前記下限値を超えないように制限する、
   電力制御システム。

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