JP2014073042A - 制御装置、蓄電池電力変換装置、電力システム、及び電力システムの制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】売電量を一定とする蓄電池の充電制御において、太陽電池の発電量及び／又は負荷の急激な変動に対する充電制御の追従性を向上できる蓄電池電力変換装置用の制御装置を提供する。
【解決手段】電力変換装置と商用系統とを接続する第１接続点から前記商用系統への電力ラインの途中に挿入される電流センサーからのアナログ信号である電流検出信号を監視して売買電量が売電量設定値で一定となるように蓄電池への充電電力を制御する制御装置とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、太陽電池と蓄電池を備えた電力システムに関する。

昨今、一度利用しても比較的短期間に再生が可能であり、資源が枯渇しない再生可能エネルギーが注目されており、例えば太陽光を用いた発電システムが普及しつつある。

また、上記太陽光発電システムに蓄電池を組み合わせた電力システムも従来提案されている（例えば特許文献１参照）。

特開平１０−２０１１２９号公報

上記電力システムにおいて、系統連系した商用系統から極力電力供給を受けずに、即ち電力会社から買電しないで、太陽電池による発電と蓄電池の放電によって負荷で消費する電力を賄うことを目的とした運転モード（クリーンモード）を設けることが考えられる。

上記クリーンモード時の蓄電池の充電制御として、上記システムから商用系統への電力供給量、即ち電力会社への売電量が一定（極力ゼロ）となるように蓄電池の充電制御を行うことが考えられる。しかしながら、太陽電池の発電量は日射量の変動により変動しやすく、又、負荷も変動しやすいので、太陽電池の発電量及び／又は負荷が急激に変動した場合に蓄電池の充電制御の追従性が悪いと、買電をしてしまったり、必要以上に売電してしまったりする問題がある。

そこで、本発明は、売電量を一定とする蓄電池の充電制御において、太陽電池の発電量及び／又は負荷の急激な変動に対する充電制御の追従性を向上できる蓄電池電力変換装置用の制御装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために本発明は、
太陽光を受けて電力を発電する太陽電池と、
前記太陽電池による発電電力を電力変換して出力する電力変換装置と、
蓄電池と、
前記電力変換装置と商用系統とを接続する第１接続点と負荷とを接続する第２接続点に接続され、前記蓄電池からの放電電力を電力変換して前記第２接続点に出力したり、前記第２接続点から入力される電力を電力変換して前記蓄電池へ充電させる蓄電池電力変換装置と、を備えた電力システムにおける前記蓄電池電力変換装置を制御する制御装置であって、
前記第１接続点から前記商用系統への電力ラインの途中に挿入される電流センサーからのアナログ信号である電流検出信号を監視して前記商用系統に対する売電量が一定となるように前記蓄電池への充電電力を制御する、ことを特徴としている（第１の構成）。

また、上記構成の制御装置は更に、前記電流センサーからのアナログ信号である電流検出信号を監視して前記商用系統に対する買電量が一定となるように前記蓄電池からの放電電力を制御し、
前記電流検出信号に基づいて逆潮流が発生したと判定した場合に、前記蓄電池電力変換装置に備えられて前記蓄電池と前記商用系統との接続・遮断を切替える切替え部を遮断させる制御を行うこととしてもよい（第２の構成）。

また、本発明は、上記第１の構成又は第２の構成の制御装置を備えた蓄電池電力変換装置とする。

また、本発明は、上記構成の蓄電池電力変換装置と、前記太陽電池と、前記電力変換装置と、前記蓄電池と、前記電流センサーと、を備えた電力システムとする。

また、本発明は、
太陽光を受けて電力を発電する太陽電池と、
前記太陽電池による発電電力を電力変換して出力する電力変換装置と、
蓄電池と、
前記電力変換装置と商用系統とを接続する第１接続点と負荷とを接続する第２接続点に接続され、前記蓄電池からの放電電力を電力変換して前記第２接続点に出力したり、前記第２接続点から入力される電力を電力変換して前記蓄電池へ充電させる蓄電池電力変換装置と、を備えた電力システムの制御方法であって、
前記第１接続点から前記商用系統への電力ラインの途中に挿入される電流センサーからのアナログ信号である電流検出信号を監視して前記商用系統に対する売買電量が売電量設定値で一定となるように前記蓄電池への充電電力を制御する、ことを特徴とする電力システムの制御方法とする。

本発明によると、売電量を一定とする蓄電池の充電制御において、太陽電池の発電量及び／又は負荷の急激な変動に対する充電制御の追従性を向上できる。

本発明の一実施形態に係る電力システムの全体構成を示す図である。

以下に本発明の一実施形態について図面を参照して説明する。本発明の一実施形態に係る電力システムの全体構成を図１に示す。

図１に示す電力システム１００は、太陽電池１と、パワーコンディショナー２と、蓄電池パワーコンディショナー３と、蓄電池ボックス４と、電流センサー５と、売買センサー６と、リモコン（リモートコントローラー）７と、を備えている。

太陽電池１は、例えば複数の太陽電池セルが接続されてなるモジュールであり、太陽光を受けて直流電力を発電する。

パワーコンディショナー２（電力変換装置）は、太陽電池１により発電された直流電力を交流電力に変換する装置であり、ＤＣ／ＤＣコンバータ２１と、ＤＣ／ＡＣコンバータ２２と、保護リレー２３と、連系リレー２４と、を備えている。

ＤＣ／ＤＣコンバータ２１は、太陽電池１により発電された直流電力を所定電圧値の直流電力に変換する。ＤＣ／ＡＣコンバータ２２は、ＤＣ／ＤＣコンバータ２１から出力される直流電力を交流電力に変換する。

ＤＣ／ＡＣコンバータ２２の出力側に、接続・遮断を切替え可能な保護リレー２３及び連系リレー２４が順に接続されている。保護リレー２３及び連系リレー２４が共に接続状態で、ＤＣ／ＡＣコンバータ２２の出力は保護リレー２３及び連系リレー２４を介してパワーコンディショナー２の外部へ出力される。

連系リレー２４と商用系統１１０を接続する電力ラインの途中に、電流センサー５及び売買センサー６が挿入される。

電流センサー５は、例えば、ホール素子方式センサーや変流器方式センサー等の簡易なセンサーで構成される。電流センサー５は、電力ラインに流れる電流の電流値及び電流方向を示す検出信号をアナログ信号として出力する。

売買センサー６は、売電力及び買電力を把握するために用いられる電流センサーであり、例えば電流センサー５と同様に構成される。

連系リレー２４と電流センサー５を接続する接続点Ｐ１（第１接続点）には、家庭内負荷１２０が接続される。家庭内負荷１２０は、家庭内で用いられる各種電気機器（例えば冷蔵庫、テレビ、エアコン等）であり、供給された電力を消費する。なお、本実施形態の電力システムは家庭用に限ることはないので、負荷も家庭用に限ることはない。

接続点Ｐ１と家庭内負荷１２０との接続点Ｐ２（第２接続点）には、蓄電池パワーコンディショナー３が接続される。

蓄電池パワーコンディショナー３（蓄電池電力変換装置）は、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ３１と、双方向ＤＣ／ＡＣコンバータ３２と、保護リレー３３と、連系リレー３４（切替え部）と、制御部３５と、を備えている。

接続点Ｐ２と双方向ＤＣ／ＡＣコンバータ３２の間には、接続・遮断を切替え可能な連系リレー３４及び保護リレー３３が順に接続されている。保護リレー３３及び連系リレー３４が接続状態で双方向ＤＣ／ＡＣコンバータ３２は、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ３１からの直流電力を交流電力に変換して接続点Ｐ２側へ出力したり、接続点Ｐ２からの交流電力を直流電力に変換して双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ３１側へ出力したりする。

双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ３１は、双方向ＤＣ／ＡＣコンバータ３２からの直流電力を所定電圧値の直流電力に変換し、その直流電力を蓄電池ボックス４内の蓄電池４１に充電させたり、蓄電池４１から放電された直流電力を所定電圧値の直流電力に変換して双方向ＤＣ／ＡＣコンバータ３２側へ出力したりする。

蓄電池４１は、例えば、リチウムイオン電池で構成される。また、蓄電池ボックス４は、蓄電池パワーコンディショナー３とＲＳ４８５準拠のシリアル通信が可能であり、蓄電池情報を蓄電池パワーコンディショナー３へ送信する。

蓄電池パワーコンディショナー３の制御部３５（制御装置）は、例えばマイコンとＤＳＰ（デジタルシグナルプロセッサー）の組み合わせにより構成され、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ３１及び双方向ＤＣ／ＡＣコンバータ３２の駆動制御を行ったり、保護リレー３３及び連系リレー３４の接続・遮断切替え制御を行ったりする。

リモコン７は、各種情報の表示機能やユーザからの操作入力を受付ける機能を有し、パワーコンディショナー２及び蓄電池パワーコンディショナー３を遠隔制御するコントローラである。

リモコン７は、電流センサーである売買センサー６から、ＲＳ４８５準拠のシリアル通信によって電力ラインに流れる電流の電流値及び電流方向を示す検出信号を受け、該検出信号に基づいて買電力及び売電力を表示する。

また、リモコン７は、パワーコンディショナー２から太陽電池発電情報を、蓄電池パワーコンディショナー３から蓄電池ボックス４からの蓄電池情報をそれぞれＲＳ４８５準拠のシリアル通信によって受け、これらの情報を表示もする。

また、リモコン７は、パワーコンディショナー２及び蓄電池パワーコンディショナー３へＲＳ４８５準拠のシリアル通信によって運転停止を指示したり、蓄電池パワーコンディショナー３の制御部３５に対して上記シリアル通信によって動作モードの設定を行ったりもする。

このような構成である電力システム１００は、商用系統１１０から極力電力供給を受けずに、即ち電力会社から買電しないで、太陽電池１による発電と蓄電池４１の放電によって家庭内負荷１２０で消費する電力を賄うことを目的とした運転モード（クリーンモード）での運転が可能である。

上記クリーンモード時の蓄電池４１の放電制御について、まず説明する。ここで、系統連系規定では、蓄電池４１から放電した電力を電力会社へ売電することは禁止されているので、次のような逆潮流禁止制御を行っている。

蓄電池パワーコンディショナー３の制御部３５は、放電モードである場合、電流センサー５からアナログ信号として電力ラインに流れる電流の電流値及び電流方向を示す検出信号を受け、該検出信号に基づいて逆潮流（系統側への（売電方向の）電力供給）が発生したか否かを判定する。例えば、定格の５％以上の電力（定格２ｋＷの場合１００Ｗ以上）が０．５秒以上系統側へ供給された場合に逆潮流が発生したと判定する。

制御部３５は、逆潮流が発生したと判定した場合、連系リレー３４を遮断すると共に、双方向ＤＣ／ＡＣコンバータ３２の動作を停止させる。このように、電流センサー５からのアナログ信号としての電流検出信号を用いることにより、迅速に蓄電池４１からの逆潮流を禁止することができる。

また、このように逆潮流を禁止した場合、パワーコンディショナー２から出力される太陽光発電による電力のうち家庭内負荷１２０で消費される電力を除いた余剰分の電力は系統側へ売電されるが、いわゆる押上げ発電（ダブル発電）なしでの売電価格が適用されるため有利となる（押上げ発電ありの売電価格が例えば３６円／ｋＷｈに対して、押上げ発電なしの場合は例えば４２円／ｋＷｈ）。

上記の制御部３５による逆潮流禁止動作が発生すると蓄電池パワーコンディショナー３が停止してしまうため、これをなるべく発生しないようにするために次のような蓄電池パワーコンディショナー３の出力制御を行っている。

ここで、太陽電池１による発電量をＰ（ｋＷ）（＝正の値）、家庭内負荷１２０をＲ（ｋＷ）（＝正の値）、蓄電池４１からの放電電力をＢ（ｋＷ）（＝正の値）、系統に対する売買電量をＡ（ｋＷ）（買電方向を正の値）とすれば（図１を参照）、
Ｐ＋Ａ＋Ｂ＝Ｒ （１）
即ち、Ｒ−（Ｐ＋Ｂ）＝Ａ （２）
が成り立つ。

太陽電池１による発電量Ｐは日射量の変動により変動しやすく、又、負荷Ｒも設置者の生活パターンの影響で変動しやすく、これらの変動により上記売買電量Ａの値は変動する。制御部３５は、電流センサー５からの検出信号を監視することにより上記売買電量Ａの値を監視し、上記Ａの値が買電量設定値（正の値）で一定となるように上記放電電力Ｂを制御する。制御部３５は、双方向ＤＣ／ＡＣコンバータ３２及び双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ３１を駆動制御することにより放電電力を制御する。

これにより、系統からの買電量が一定に制御されるので、逆潮流の発生を抑制し、上記の逆潮流禁止動作が行われることを抑制することができる。また、電流センサー５からのアナログ信号に基づいて制御するので、日射量や負荷の変動への追従性に優れる。

次に、クリーンモード時の蓄電池１の充電制御について説明する。

上記（１）式、及び（２）式において、Ｂの値を負の値にすればＢは蓄電池４１への充電電力を表すことになる（図１に示すＢの方向の逆方向）。上述の通り、太陽電池１による発電量Ｐは日射量の変動により変動しやすく、又、負荷Ｒも変動しやすいが、充電モードの場合、制御部３５は、電流センサー５からの検出信号を監視することにより上記売買電量Ａの値を監視し、上記売買電量Ａの値が売電量設定値（負の値）で一定となるように充電電力Ｂを制御する。制御部３５は、双方向ＤＣ／ＡＣコンバータ３２及び双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ３１を駆動制御することにより充電電力を制御する。制御部３５は、蓄電池４１の残量であるＳＯＣ（state of charge）の値が１００％より低い場合に当該充電制御を行う。なお、上記売電量設定値はゼロとすることも可能である。

これにより、電流センサー５からのアナログ信号に基づいて制御するので、日射量や負荷の変動への追従性に優れ、買電したり必要以上に売電したりすることを抑制できる。

仮に同様の機能をリモコン７で実現しようとすれば、リモコン７は、太陽電池の発電量情報と家庭内負荷情報を取得し、これらに基づいて売電量が一定となるよう充電電力を制御部３５に指令することが考えられる。しかしながら、リモコン７と制御部３５の通信はＲＳ４８５準拠のシリアル通信であり、数秒単位で通信が行われるので、指令後に太陽電池１の発電量や家庭内負荷１２０が急激に変動した場合に指令値が適切なものでなくなり、買電をしてしまったり、必要以上に売電してしまったりする。

また、制御部３５は、上記蓄電池４１の放電制御時は上記Ａの設定値を正の値としているものを、充電制御時は負の値にソフト的な制御により変更すればよいので、ハード構成を共用でき、コストを低減できる。

なお、上記充電制御において発生する売電、即ち逆潮流は、あくまで太陽電池１による発電の余剰分によるものであるため、充電制御時に上記の逆潮流禁止制御は行わない。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明の趣旨の範囲内であれば、実施形態は種々変形が可能である。

１ 太陽電池
２ パワーコンディショナー
２１ ＤＣ／ＤＣコンバータ
２２ ＤＣ／ＡＣコンバータ
２３ 保護リレー
２４ 連系リレー
３ 蓄電池パワーコンディショナー
３１ 双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ
３２ 双方向ＤＣ／ＡＣコンバータ
３３ 保護リレー
３４ 連系リレー
３５ 制御部
４ 蓄電池ボックス
４１ 蓄電池
５ 電流センサー
６ 売買センサー
７ リモコン
１００ 電力システム
１１０ 商用系統
１２０ 家庭内負荷

Claims (5)

1. 太陽光を受けて電力を発電する太陽電池と、
   前記太陽電池による発電電力を電力変換して出力する電力変換装置と、
   蓄電池と、
   前記電力変換装置と商用系統とを接続する第１接続点と負荷とを接続する第２接続点に接続され、前記蓄電池からの放電電力を電力変換して前記第２接続点に出力したり、前記第２接続点から入力される電力を電力変換して前記蓄電池へ充電させる蓄電池電力変換装置と、を備えた電力システムにおける前記蓄電池電力変換装置を制御する制御装置であって、
   前記第１接続点から前記商用系統への電力ラインの途中に挿入される電流センサーからのアナログ信号である電流検出信号を監視して前記商用系統に対する売買電量が売電量設定値で一定となるように前記蓄電池への充電電力を制御する、
   ことを特徴とする制御装置。
2. 前記電流センサーからのアナログ信号である電流検出信号を監視して前記商用系統に対する売買電量が買電量設定値で一定となるように前記蓄電池からの放電電力を制御し、
   前記電流検出信号に基づいて逆潮流が発生したと判定した場合に、前記蓄電池電力変換装置に備えられて前記蓄電池と前記商用系統との接続・遮断を切替える切替え部を遮断させる制御を行う、
   ことを特徴とする請求項１に記載の制御装置。
3. 請求項１又は請求項２に記載の制御装置を備えた蓄電池電力変換装置。
4. 請求項３に記載の蓄電池電力変換装置と、前記太陽電池と、前記電力変換装置と、前記蓄電池と、前記電流センサーと、を備えた電力システム。
5. 太陽光を受けて電力を発電する太陽電池と、
   前記太陽電池による発電電力を電力変換して出力する電力変換装置と、
   蓄電池と、
   前記電力変換装置と商用系統とを接続する第１接続点と負荷とを接続する第２接続点に接続され、前記蓄電池からの放電電力を電力変換して前記第２接続点に出力したり、前記第２接続点から入力される電力を電力変換して前記蓄電池へ充電させる蓄電池電力変換装置と、を備えた電力システムの制御方法であって、
   前記第１接続点から前記商用系統への電力ラインの途中に挿入される電流センサーからのアナログ信号である電流検出信号を監視して前記商用系統に対する売買電量が売電量設定値で一定となるように前記蓄電池への充電電力を制御する、ことを特徴とする電力システムの制御方法。

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