JP2013110848A - 負荷装置およびその消費電力制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】瞬低に対してパワーコンディショナがリセットされることなく、復電後速やかに系統へ接続することを可能にする負荷装置およびその消費電力制御方法を提供する。
【解決手段】電源電圧監視部１１は、直流給電機能付きパワーコンディショナの直流出力電圧を常に監視する。監視している直流出力電圧が一定値幅より下がった場合、瞬低判定部１２は、直流出力電圧の電圧値の単位時間当たりの低下量（低下の傾き）を確認し、瞬低判定基準値の範囲に入っていることを確認した場合は、瞬低による電源電圧の低下であると判断する。コントロール部１５は、瞬低判定部１２が瞬低であると判定すると、消費電力制御部１６に消費電力の抑制を指示し、消費電力制御部１６は、直流出力電圧の低下量に対応した量だけ直流機器１７の消費電力を低減させるように制御する。
【選択図】図４

Description

本発明は、電源装置から供給された直流電圧を外部に出力する直流給電機能付きパワーコンディショナに接続される負荷装置およびその消費電力制御方法に関する。

近年の再生可能エネルギーの利用に対する取り組みの増加に伴い、その発電量は無視できない情勢になりつつある。特に、太陽光発電システムは、急激な拡大が進んでおり、総発電出力に占める割合が高くなった場合において、系統擾乱により太陽光発電システムが一斉に系統から解列すると、系統内の需給バランスが崩れ、広範囲におよぶ停電が発生する可能性がある。このため、大量に導入が想定される太陽光発電システムには、系統擾乱時に解列せず、運転を継続する等の機能（Fault Ride Through（ＦＲＴ）の機能）が求められる。

さて、太陽電池のエネルギーが全て電力系統へ電力変換されている、従来のパワーコンディショナでは、瞬時電圧低下、特に０〔Ｖ〕まで電圧が下がるような電圧低下の場合、系統電圧が消滅するため、位相と合わせることができなくなるので、ゲートブロック（Gate Block）を行って短い時間インバータ出力を停止する。従来のパワーコンディショナは、その間、太陽電池からの電力を調整することによりリンク電圧を一定に保つように制御し、系統が復電するとただちに太陽電池の発電量を上げ、インバータ出力を回復させることにより、ＦＲＴの要件に対応することが可能である。

図６は、従来のパワーコンディショナの構成を示す図である。図６を用いて従来のパワーコンディショナのＦＲＴ要件に対応した動作を説明する。電力系統１０７に連系した状態で、太陽電池１０１で発電したエネルギーをＤＣＤＣ変換器１０３で電圧変換し、ＤＣＡＣ変換器１０４でＡＣ変換して電力系統１０７へ出力している状態が発電状態である。ここで瞬低（瞬時電圧低下）が発生すると電圧検出器（ＶＴ）１０８が瞬低を検出し、ゲートブロック回路１１１でゲートブロック信号を発生し、ＤＣＡＣ変換器１０４の動作を停止するとともに、ＤＣＤＣ変換器１０３の動作を、自己消費電力を補う程度まで低減させる。

瞬低が所定の時間以上越えた場合は、停電として連系リレー１０６を解列し、図示しないエラー表示を表示し、パワーコンディショナはスタンバイ状態へ遷移する。瞬低が所定の時間以内に復電した場合は、ゲートブロック回路１１１を解除し、ＤＣＤＣ変換器１０３を動作させて再び太陽電池１０１からエネルギーを引き出すと同時にＤＣＡＣ変換器１０４を動作させてＡＣ電圧を電力系統１０７へ出力する。

特開２０１１−１０１４５５号公報

ところで、従来のパワーコンディショナが備えるＤＣＤＣ変換器のリンクコンデンサに蓄えられたエネルギーを、直流のまま外部へ出力する直流給電機能の付いたパワーコンディショナが考えられている。この直流給電機能付きパワーコンディショナは、瞬低を検出して電力系統への接続をゲートブロックにより遮断している間に、直流出力に接続された機器により消費される電力が太陽電池の発電量を上回ったときには、リンクコンデンサに蓄えたエネルギーを放出してしまい、パワーコンディショナ自体を制御するための電力がなくなった時点で、パワーコンディショナの制御系がリセットされてしまい、復電後に速やかに電力系統への接続を行うことができなくなるので、上述したＦＲＴの要件に対応させることができない。

また、直流出力に接続された機器は、通常、消費電力が一定となるように制御されるため、電力の供給源であるパワーコンディショナのリンク電圧が低下すると、その分、より多くの電流を消費し、リンク電圧の低下を加速させることとなるので、直流出力に接続された機器により消費される電力が太陽電池の発電量よりも少し多い場合においても、蓄積された電力を復電前に消費してしまい、制御系にリセットがかかり、復電後に速やかに電力系統への接続を行うことができなくなり、上述したＦＲＴの要件に対応させることができないことがある。

本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、瞬低に対してパワーコンディショナがリセットされることなく、復電後速やかに電力系統へ接続することを可能にする負荷装置およびその消費電力制御方法を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明は、電源装置から供給された直流電圧をインバータによって交流電圧に変換し、系統連系保護装置を介して電力系統へ系統連系すると共に、前記電源装置から供給された直流電圧を外部に出力する直流給電機能付きパワーコンディショナに接続される負荷装置であって、前記直流給電機能付きパワーコンディショナが出力する直流電圧が低下した場合に、単位時間における前記直流電圧の低下量を確認し、単位時間における前記直流電圧の低下量が所定の低下量の範囲にあるときは、電力系統に瞬低が発生したと判定して、前記直流電圧の低下量に応じて消費電力を抑制することを特徴とする。

前記所定の低下量の範囲は、予め設定できることが好ましい。また、電力系統に瞬低が発生したと判定した後に前記直流給電機能付きパワーコンディショナの直流電圧が変動したときは、前記直流電圧の変動に応じて消費電力の抑制量を変化させることが好ましい。

また、本発明は、電源装置から供給された直流電圧をインバータによって交流電圧に変換し、系統連系保護装置を介して電力系統へ系統連系すると共に、前記電源装置から供給された直流電圧を外部に出力する直流給電機能付きパワーコンディショナに接続される負荷装置の消費電力制御方法であって、前記直流給電機能付きパワーコンディショナが出力する直流電圧が低下した場合に、単位時間における前記直流電圧の低下量を確認するステップと、単位時間における前記直流電圧の低下量が所定の低下量の範囲にあるときは、電力系統に瞬低が発生したと判定して、前記直流電圧の低下量に応じて消費電力を抑制するステップと、を含むことを特徴とする。

本発明は、瞬低の間、リンクコンデンサの電圧低下を抑制するように動作するため、瞬低に対してパワーコンディショナがリセットされることなく、復電後速やかに電力系統へ接続することが可能となる。

本発明の負荷装置が接続される直流給電機能付きパワーコンディショナの構成を示す図である。 本発明の負荷装置が直流給電機能付きパワーコンディショナに接続された状態を示す図である。 本発明の実施の形態に係る負荷装置の構成図である。 本発明の実施の形態に係る負荷装置の動作を説明するフロートチャートである。 本発明の実施の形態に係る負荷装置の動作を説明するタイミングチャートである。 従来のパワーコンディショナの構成を示す図である。

本発明の実施の形態について説明する前に、まず、本発明の負荷装置が接続される直流給電機能付きパワーコンディショナについて説明する。図１は、本発明の負荷装置が接続される直流給電機能付きパワーコンディショナの構成を示す図である。直流給電機能付きパワーコンディショナは、パワーコンディショナの機能に加えて、リンクコンデンサに蓄えられたエネルギーを直流のまま外部へ出力する直流給電の機能を有している。

まず、パワーコンディショナの機能の部分について説明する。図１において、電源装置としての太陽電池１０１は、太陽光エネルギーを電流に変換する。通常、太陽電池１０１のフォトダイオード部は、直列つなぎのモジュールになっており、発電時は２００Ｖ程度の高電圧を発生する。ノイズフィルタ１０２は、落雷その他外部からの外乱の進入を防ぐ。ＤＣＤＣ変換器１０３は、太陽電池の発生電圧をＤＣＡＣ変換で使える電圧（例えば、２００ＶのＡＣならば３００〜３７０Ｖ、以下、リンク電圧と言う）に変換する。電力検出器（Ｐ）１１０は、発電量を測定する。ＤＣＡＣ変換器１０４は、４個のスイッチング素子をＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御し、直流のリンク電圧から商用の５０Ｈｚや６０ＨｚのＡＣ電圧に変換する。電圧検出器（ＶＴ）１０８は、ＤＣＡＣ変換後の電圧を測定し、電流検出器（ＣＴ）１０９は、ＤＣＡＣ変換後の電流を測定する。ノイズフィルタ１０５で電力系統１０７へのノイズ出力を無くす。連系リレー１０６は、必要に応じて電力系統１０７から遮断する時にオフさせる。電力系統１０７は商用電源である。ゲートブロック回路１１１は、必要に応じてＤＣＡＣ変換器１０４を緊急に停止させる。

次に、直流給電の機能の部分について説明する。図１において、ＤＣＤＣ変換器１０３のリンクコンデンサに蓄えられたエネルギーは、直流のまま分岐され、出力するラインの電力を検出する電力検出器（Ｒ）１２０を通り、出力調整回路１２１を通って、ノイズフィルタ１２２でノイズを除去され、電流検出器（ＣＴ）１２３で電流を検出されて、直流機器（図示せず）へ出力される。

このように構成することで、直流給電機能付きパワーコンディショナは、太陽電池（ＰＶ）の発電エネルギーを直流機器へ出力し、余剰分を電力系統１０７へ出力する。また、直流給電機能付きパワーコンディショナは、日射量が低下してきた場合には、直流機器への出力を補うためにＤＣＡＣ変換器１０４が逆動作を行い、すなわちＡＣＤＣ変換を行って電力系統１０７からエネルギーを吸い上げて直流機器へ出力する動作を行う。

この直流給電機能付きパワーコンディショナは、従来のパワーコンディショナと同じ処理でＦＲＴ要件に対応させようとすると、太陽電池の発電量が直流機器の消費を賄うだけの発電量にならないときは、リンク電圧を低下させ、瞬低から復電した場合に速やかに電力系統へ出力することが困難になる。

次に、本発明の負荷装置について説明する。図２は、本発明の負荷装置が直流給電機能付きパワーコンディショナに接続された状態を示す図である。本発明の負荷装置１２５は消費電力を制御できる直流機器であり、直流給電機能付きパワーコンディショナの直流出力に接続して、瞬低が生じても、復電後速やかに電力系統へ接続することを可能にするものである。

図３は、本発明の実施の形態に係る負荷装置の構成図である。図３に示す負荷装置１２５は、電源電圧監視部１１と、瞬低判定部１２と、瞬低判定基準値記憶部１３と、瞬低判定基準値設定部１４と、コントロール部１５と、消費電力制御部１６と、直流機器１７とを備えている。

電源電圧監視部１１は、直流給電機能付きパワーコンディショナの直流出力電圧を監視する。瞬低判定基準値設定部１４は、瞬低判定基準値の範囲（所定の低下量の範囲）を設定する。瞬低判定基準値の範囲は、瞬低と判定するための単位時間当たりの直流出力電圧の低下量の範囲であり、直流機器１７の消費電力量や、太陽電池の発電量に基づいて予め設定する。瞬低判定基準値記憶部１３は、設定した瞬低判定基準値を記憶する。

瞬低判定部１２は、直流給電機能付きパワーコンディショナの直流出力電圧の単位時間当たりの低下量が瞬低判定基準値の範囲にあるか否かを確認し、瞬低判定基準値の範囲にあるときは瞬低であると判定する。コントロール部１５は、瞬低判定部１２が、瞬低であると判定したときに、消費電力制御部１６に消費電力の抑制を指示する。消費電力制御部１６は、直流機器１７の消費電力を制御する。直流機器１７は、例えばＬＥＤ照明、直流駆動空調機等である。

ＬＥＤ照明等の直流機器は、広範囲の電源電圧に対応して駆動できるように設計されており、通常は電源電圧が下がった場合には、その時の状態を維持しようとする。直流機器は、例えば、ＬＥＤ照明の場合は、明るさを維持するために、消費電流量を増やして、供給される電力が一定となるように動作する。しかしながら、直流給電機能付きパワーコンディショナから電源を供給されている状態でそのような制御が行われると、瞬低が発生したときに、直流機器の消費電力が直流給電機能付きパワーコンディショナの発電量を上回っている場合には、直流給電機能付きパワーコンディショナは、直流出力電圧が徐々に低下することになるが、電圧の低下に伴い、消費電流量が増加し、パワーコンディショナ内部に蓄えられたエネルギーの消費を早めることとなり、瞬低からの複電前に、パワーコンディショナの制御電源が無くなってしまい、パワーコンディショナの制御系がリセットされてしまい、上述したＦＲＴ要件に対応できなくなってしまう。

そこで、本発明の実施の形態に係る負荷装置は、負荷装置に供給される電源の電圧低下を検出し、単位時間当たりの低下量の傾きから、瞬低が発生していると判断した場合は、例えば、負荷装置がＬＥＤ照明であった場合は照明を徐々に暗くするなどの制御を行うことにより、消費電力を減らして、直流給電機能付きパワーコンディショナの直流出力電圧の低下をおさえる。そして、ある程度、消費電力を減らしたところで、電源電圧の低下が収まった時点で、消費電力の抑制を停止させ、その電圧以上の電圧が維持されるように制御する。さらに、そのような制御の状態を継続しているうちに電源電圧が上がり始めたら、電圧の上昇幅に合わせて、徐々に元の消費電力の状態まで戻していくように制御する。

次に、本発明の実施の形態に係る負荷装置の動作を図４のフロートチャートに基づいて説明する。

まず、負荷装置１２５の電源電圧監視部１１は、直流給電機能付きパワーコンディショナの直流出力電圧を常に監視する（Ｓ１１）。そして、電源電圧監視部１１は、監視している直流出力電圧が一定値幅より下がったか否かを判定し（Ｓ１２）、一定値幅より下がった場合（Ｓ１２でＹｅｓの場合）、瞬低判定部１２は、直流出力電圧の電圧値の単位時間当たりの低下量（低下の傾き）を確認し（Ｓ１３）、瞬低判定基準値の範囲、例えば、５０〜１００Ｖ／ｍｓｅｃの範囲に入っていることを確認した場合（Ｓ１３でＹｅｓの場合）は、瞬低による電源電圧の低下であると判断する（Ｓ１４）。

Ｓ１２において、監視している電圧が一定値幅より下がらない場合（Ｓ１２でＮｏの場合）、およびＳ１３において、電圧値の単位時間当たりの低下量が所定の低下量の範囲に入っていない場合（Ｓ１３でＮｏの場合）は、Ｓ１１に戻る。

コントロール部１５は、瞬低判定部１２が瞬低であると判定すると、消費電力制御部１６に消費電力の抑制を指示し、消費電力制御部１６は、直流出力電圧の低下量に対応した量だけ直流機器１７の消費電力を低減させるように制御する。そして、消費電力制御部１５は、直流出力電圧の低下が止まり、安定するまでこの直流出力電圧の監視から消費電力の調整までを繰り返す（Ｓ１５）。この繰り返しの途中あるいは直流出力電圧が安定した後に、例えば、日射量の増加などの要因による太陽電池の発電量の増大等で直流出力電圧が上昇することがあれば、その増加量に応じて、直流機器１７の消費電力を増加させる方向に制御する。この増加方向の制御は、最大で抑制制御の開始前の値、すなわち、抑制制御していない状態まで増加させる。

そして、消費電力制御部１６は、直流出力電圧が増加し、電力を抑制しない状態まで制御し（Ｓ１６）、さらに直流出力電圧が元の値まで戻ったことを確認した時点で、瞬低が終わり、複電したと判断し（Ｓ１７）、直流機器１７の消費電力の抑制制御を終了する（Ｓ１８）。

図５は、本発明の実施の形態に係る負荷装置の動作を説明するタイミングチャートである。

本発明の負荷装置における消費電力の抑制制御は、系統電圧の瞬低が要因となる直流給電機能付きパワーコンディショナの直流給電電圧（直流出力電圧）の低下を、負荷装置が検出することにより開始される。系統電圧に瞬低が発生し、直流給電電圧が低下すると、本発明の負荷装置は、消費電力を抑制することを開始する。そして、直流給電電圧が安定するところで消費電流の抑制量を固定する。その後は、日射の変化に応じて直流給電電圧が上昇した場合は、上昇した量に合わせて消費電力量を増やす方向へ制御し、直流給電電圧が下降したら、消費電力を減らす方向へ制御する。

そして、瞬低から復電した場合は、直流給電機能付きパワーコンディショナは、ゲートブロックを解除し、太陽電池の発電量が負荷装置の消費電力を上回るときは、太陽電池からの電力により直流出力を行い、余剰分を電力系統へ交流で出力し、太陽電池の発電量が負荷装置の消費電力に満たないときは、電力系統から受け取る電力で直流出力の不足分を補うので、負荷装置への直流電力の供給は、規定値に安定することとなり、本発明の負荷装置は、消費電力の抑制を解除して安定した駆動を行うことができる。

なお、上述した実施の形態では、負荷装置の内部に、直流機器と、直流機器の消費電力を制御するコントロール部等を備えているが、直流機器と、直流機器の消費電力を制御するコントロール部等とを別体にしてもよい。

また、上述した実施の形態では、電源装置を太陽電池とし、太陽電池から昇圧回路を通して昇圧した直流電圧を供給する直流給電機能付きパワーコンディショナを例にして、本発明の負荷装置について説明したが、電源装置は、燃料電池、風力発電装置、蓄電池などでも良く、本発明の負荷装置が接続されるパワーコンディショナは、燃料電池、風力発電装置、蓄電池などの電源装置から供給された直流電圧を外部に出力する直流給電機能付きパワーコンディショナでも良い。

上述のように、本発明は、瞬低の間、リンクコンデンサの電圧低下を抑制するように動作するため、瞬低に対してパワーコンディショナがリセットされることなく、復電後速やかに電力系統へ接続することが可能となる。

また、本発明は、瞬低が生じても、その間、太陽電池の発電量以下となるように消費電力を抑制するので、パワーコンディショナが制御用の電源を失うことなく複電まで動作を継続できる。

１１ 電源電圧監視部
１２ 瞬低判定部
１３ 瞬低判定基準値記憶部
１４ 瞬低判定基準値設定部
１５ コントロール部
１６ 消費電力制御部
１７ 直流機器
１０１ 太陽電池（ＰＶ）
１０２、１０５、１２２ ノイズフィルタ
１０３ ＤＣＤＣ変換器
１０４ インバータ
１０６ 連系リレー
１０７ 電力系統
１０８ 電圧検出器（ＶＴ）
１０９、１２３ 電流検出器（ＣＴ）
１１０、１２０ 電力検出回路
１２１ 出力調整回路
１２４ 直流機器
１２５ 負荷装置

Claims (4)

1. 電源装置から供給された直流電圧をインバータによって交流電圧に変換し、系統連系保護装置を介して電力系統へ系統連系すると共に、前記電源装置から供給された直流電圧を外部に出力する直流給電機能付きパワーコンディショナに接続される負荷装置であって、
   前記直流給電機能付きパワーコンディショナが出力する直流電圧が低下した場合に、単位時間における前記直流電圧の低下量を確認し、単位時間における前記直流電圧の低下量が所定の低下量の範囲にあるときは、電力系統に瞬低が発生したと判定して、前記直流電圧の低下量に応じて消費電力を抑制することを特徴とする負荷装置。
2. 前記所定の低下量の範囲は、予め設定できることを特徴とする請求項１に記載の負荷装置。
3. 電力系統に瞬低が発生したと判定した後に前記直流給電機能付きパワーコンディショナの直流電圧が変動したときは、前記直流電圧の変動に応じて消費電力の抑制量を変化させることを特徴とする請求項１または２に記載の負荷装置。
4. 電源装置から供給された直流電圧をインバータによって交流電圧に変換し、系統連系保護装置を介して電力系統へ系統連系すると共に、前記電源装置から供給された直流電圧を外部に出力する直流給電機能付きパワーコンディショナに接続される負荷装置の消費電力制御方法であって、
   前記直流給電機能付きパワーコンディショナが出力する直流電圧が低下した場合に、単位時間における前記直流電圧の低下量を確認するステップと、
   単位時間における前記直流電圧の低下量が所定の低下量の範囲にあるときは、電力系統に瞬低が発生したと判定して、前記直流電圧の低下量に応じて消費電力を抑制するステップと、
   を含むことを特徴とする負荷装置の消費電力制御方法。

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