JP4191625B2 - 分散電源システム - Google Patents

Description

本発明は、複数の分散電源ユニットを有する分散電源システムに関する。

従来の分散電源システムにおいて、各ユニットが直流バス電圧のみを検出し自律運転するために、図２に示すように各ユニットは直流電圧により動作モードを決めていた（例えば、特許文献１参照。）。
特開２００３−３３９１１８号公報（第４−８頁、図１−１８）

ところで、上述した分散電源の制御法では、連系ユニットや電力貯蔵ユニットが複数あった場合、柔軟に対応できないという問題がある。追加される毎に、各ユニットが協調して動作するように直流電圧に対する動作モードを調整する手順を構築するという課題がある。また、異容量のユニットを接続するための手法を明らかにするという課題がある。

本発明は、上記問題点を解決するためのものであり、その目的は、複数の分散電源ユニットが自律的に協調運転するとともに、装置容量に依存せずに、簡単にユニットを追加することを可能にするシステムを提供することにある。

所定範囲内での電圧変動が許容された直流バスと、前記直流バスに接続され、前記直流バスとの間で電力の授受が行われるとともに、前記直流バス電圧に基づいて電力の授受の量を自律的に決める電源ユニット複数台と備える分散電源システムにおいて、電力の授受の量を自律的に決めるために、ユニットから直流バスへ入出力する電力または電流に従い、直流電圧指令値を変更する機能または直流電圧の制御性を変更させる機能をユニットに持たせることにより、容易にユニットを追加することが可能となる。

指令値を変更する機能は、直流電圧指令値を変更するために、直流電流のゲイン倍した値を直流電圧指令値から減算する機能と、さらに、前記ゲインが直流電圧により変化する機能により実現される。

本発明によれば、所定範囲内での電圧変動が許容された直流バスと、前記直流バスに接続され、前記直流バスとの間で電力の授受が行われるとともに、前記直流バス電圧に基づいて電力の授受の量を自律的に決める電源ユニット複数台とを備える分散電源システムにおいて、複数の分散電源ユニットが自律的に協調運転するとともに、装置容量に依存せずに、簡単にユニットを追加することを可能にするシステムを提供することができる。

従って、システムの拡張性、保守性が向上し分散電源システムの普及に貢献することができる。

図１の分散電源システム構成において、以下実施形態を説明する。

１． 連系・電力貯蔵ユニットの制御法
電力貯蔵ユニットにおいて、直流電圧制御器は、直流電圧Ｖｄｃがその指令値Ｖｄｃ^* となるような電流指令値Ｉｂｔ^* を発生させる。電流制御器はバッテリの電流ＩｂｔがＩｂｔ^* となるようにチョッパをＰＷＭ操作する。バッテリ充放電器は、バッテリが満充電または、放電終止となった場合、Ｉｂｔ^* を零にする。一方、連系ユニットにおいて、直流電圧制御器は、直流電圧Ｖｄｃがその指令値Ｖｄｃ^* となるような電流指令値Ｉａｃ^* を発生させる。電流制御器は系統電流ＩａｃがＩａｃ^* となるようにコンバータをＰＷＭ操作する。

電力貯蔵ユニットと連系ユニットは、上述したように直流電圧制御系を構成している。ユニットの直流出力は電圧源となり、ユニットは互いに電圧制御の誤差があると横流が生じる。これを簡単に抑制するためには、出力にインピーダンスを挿入すればよいが、損失が発生することや、コストアップになることから現実的ではない。図３（ａ）参照。

そこで、図３（ｂ）のように直流電圧制御系において、ユニットの直流電流Ｉｄｃを検出しゲインＫを乗じて直流電圧指令値Ｖｄｃ^* から減算するパスを追加する。
直流電圧ＶｄｃがＶｄｃ^* に追従するとすると、
Ｖｄｃ＝Ｖｄｃ０−Ｋ・Ｉｄｃ
となり、Ｋ・Ｉｄｃは電圧降下を表し、Ｋは等価的なインピーダンスとなる。したがって、実際にインピーダンスを挿入しなくても、Ｋ・Ｉｄｃのパスを追加することにより横流を抑制できる。

Ｋの設計を考える。等価インピーダンスは抵抗成分のみでいので、Ｋを定数とする。
直流系統電圧を３４５Ｖ±８Ｖ、ユニットの定格を１０ｋＷとした場合、Ｋは次式で決まる。

Ｋ＝ΔＶｄｃ・Ｖｄｃｍｉｎ／Ｐｕ＝０．２７（Ω） （１）
ただし、ΔＶｄｃ：電圧変動量 ８Ｖ、Ｖｄｃｍｉｎ：直流電圧下限値 ３３７Ｖ、Ｐｕ：定格電力 １０ｋＷ。

出力電圧Ｖｄｃと出力電流Ｉｄｃの関係は図４のようになる。傾きが等価抵抗、二点差線で囲まれる面積が定格電力となる。

異容量のユニットを接続する場合、等価抵抗Ｋを式￥ｒｅｆ｛ｅｑ＿ｋ｝で計算した値にすればよい。５ｋＷ定格のユニットでは、Ｋ＝０．５４となる。
図４において、破線は、５ｋＷユニットの出力電圧Ｖｄｃと出力電流Ｉｄｃの関係を示す。５ｋＷのユニットと１０ｋＷのユニットを接続し、Ｖｄｃ＝３４０Ｖとなった場合、それぞれのユニットから流れ出す電流は
Ｉｄｃ１０ｋ＝（３４５−３４０）／（０．２７）＝１８．５Ａ （図４上 点Ｂ）
Ｉｄｃ５ｋ＝（３４５−３４０）／（０．５４）＝９．２５Ａ （図４上 点Ａ）
ただし、Ｉｄｃ１０ｋ：１０ｋＷのユニットから流れ出す電流、Ｉｄｃ５ｋ：５ｋＷのユニットから流れ出す電流となり、ユニット容量に比例した電流を流すことができる。

２．発電ユニットの制御
太陽光発電ユニットにおいて、ＭＰＰＴ制御器は、発電電力が最大となるような電流指令Ｉｐｖ^* を生成する。太陽光パネルの電流がこの指令値に追従するように電流制御器は、昇圧チョッパをＰＷＭ操作する。発電抑制器は、直流電圧が上昇したとき、Ｉｐｖ^* を適正な値にリミットする。また、風力発電ユニットにおいては、、ＭＰＰＴ制御器は発電電力が最大となるような回転速度指令値ω^* を生成する。速度制御器は風車の回転速度ωがω^* となるようなトルク分電流指令値Ｉｗｇｑ^* を発生する。電流制御器は、Ｉｗｇｑ^* がＩｗｇｑとなるようにインバータをＰＷＭ操作する。太陽光発電ユニット同様、発電抑制器は、直流電圧が上昇したとき、Ｉｗｇｑ^* を適正な値にリミットする。

太陽光、風力発電ユニットのような発電ユニットは、図５（ａ）のように直流系統から見た時、電流源として見えるように制御をする。すなわち、ＭＰＰＴ制御器から与えられる指令値の電流を出力するように電流制御を行う。直流電圧の制御は行わない。電流源として直流系統に接続されるので、発電ユニットと他のユニット間での横流は流れない。直流系統電圧は、直流電圧を制御しているユニットにより決まる。

たとえば、発電ユニット１台と、連系ユニット１台のみが直流系統に接続されているときの直流系統電圧を考える。図５（ａ）は等価回路となる。発電ユニットから１０Ａの電流を出力している場合、連系ユニットの等価抵抗０．２７Ωとすれば、直流系統電圧Ｖｄｃは、Ｖｄｃ＝３４５＋０．２７×１０＝３４７．７＄Ｖとなる。

３．連系ユニットと電力貯蔵ユニットの自律協調制御
電力貯蔵ユニットがある分散電源の場合、発電電力が負荷電力に対し余剰の場合その電力を貯蔵ユニットに蓄え、発電電力が不足した場合、貯蔵ユニットより放出したい。
連系ユニットを介しての交流系統からの電力のやり取りは極力ない方が良い。しかし、
１．節で述べた制御法では、連系ユニットと電力貯蔵ユニットとが均等に電力を分担してしまう。

そこで、図６のように連系ユニットと電力貯蔵ユニットの等価抵抗特性を直流電圧の値により可変にする。この図において、３４５Ｖ±６Ｖの範囲では電力貯蔵ユニットの等価抵抗が連系ユニットの等価抵抗より非常に小さく、±６Ｖを超えると電力貯蔵ユニットの等価抵抗が連系ユニットの等価抵抗より大きくなる。たとえば、発電電力が１６Ａ、直流系統電圧が３４９Ｖのとき、電力貯蔵ユニットに１５Ａ（点ａ１）、連系インバータに１Ａ（点ａ２）の分担で流れ、電力貯蔵を優先的に行う。発電電力が４８Ａ、直流系統電圧が３５２．５Ｖの場合（電力貯蔵ユニットの定格を超えた場合）、電力貯蔵ユニットに２７Ａ（点ｂ１）、連系インバータに２１Ａ（点ｂ２）の分担で流れる。

連系ユニットの等価抵抗が小さくなり、電力貯蔵ユニットが吸収できない電力は連系ユニットが吸収し、交流系統へ回生する。

直流バスに接続された分散電源システムを示す図である。 従来方式の直流電圧による制御動作モード切り換えを示す図である。 連系／電力貯蔵ユニットの直流電圧制御系を示す図である。 直流電圧−直流出力電流との関係を示す図である。 発電ユニットの直流出力制御法を示す図である。 連系ユニットと電力貯蔵ユニットとの電力分担を示す図である。

Claims (1)

1. 所定範囲内での電圧変動が許容された直流バスと、
   前記直流バスに接続され、前記直流バスとの間で電力の授受が行われるとともに、前記直流バス電圧に基づいて電力の授受の量を自律的に決める電源ユニット複数台と、
   を備える分散電源システムにおいて、
   前記電源ユニットは、電流の入出力が行われる電源が接続された電圧源として動作し、前記直流バスの接続端の電圧が電圧指令値となるように電流指令値を設定する直流電圧制御器と、前記電源との間で入出力される電流が前記電流指令値となるように制御する電流制御器とを備え、
   前記直流電圧制御器は、前記直流バスとの間で入出力される電流を検出し、この検出した電流値に所定のゲインを乗じた値を前記電圧指令値から減じることにより前記電圧指令値の補正を行い、
   前記電源ユニット複数台の中には第１および第２の電源ユニットが含まれており、前記直流バスの電圧が所定範囲に含まれている場合には前記第１の電源ユニットに対応する前記ゲインの方が前記第２の電源ユニットに対応する前記ゲインよりも小さな値に、前記直流バスの電圧が前記所定範囲よりも高いあるいは低い場合には前記第１の電源ユニットに対応する前記ゲインの方が前記第２の電源ユニットに対応する前記ゲインよりも大きな値に設定され、
   前記第１の電源ユニットは、前記電源としてバッテリが接続された電力貯蔵ユニットでり、
   前記第２の電源ユニットは、前記電源として交流系統が接続された連系ユニットであることを特徴とする分散電源システム。
   

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