JP4570245B2

JP4570245B2 - 分散電源システム

Info

Publication number: JP4570245B2
Application number: JP2000398017A
Authority: JP
Inventors: 誠尾上; 政樹江口
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2000-12-27
Filing date: 2000-12-27
Publication date: 2010-10-27
Anticipated expiration: 2020-12-27
Also published as: JP2002199592A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は分散電源システムに関し、特に、商用系統電源に連系した複数の直流電力供給手段の供給する直流出力をインバータ回路により交流に変換して交流電力を供給する分散電源システムの出力制御に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、小規模ながら太陽電池や燃料電池などのクリーンな発電方式が脚光を浴びており、その直流出力を交流電力に変換し、商用系統電源と連系して運転する分散電源システムが一部実用化されている。また、これらの新しい直流電力供給手段を組合せた分散電源システムが注目されるようになった。
【０００３】
太陽電池１を利用した分散電源システム１００は、図４に示すように、太陽電池１の出力が、ＤＣ／ＤＣコンバータ１１に与えられて電圧が調整され、インバータ主回路３によって交流電力に変換され、商用系統電源２０へと連系運転される。太陽電池１の出力電力は直流電力計測手段６によって計測され、制御部１３に送出され、該制御部１３によって太陽電池１が最大動作点で動作するように制御される。
【０００４】
一方、燃料電池２を利用した分散電源システム２００は、燃料電池２の出力がＤＣ／ＤＣコンバータ１２に与えられて電圧が調整され、インバータ主回路４にて交流電力に変換され、商用系統電源２０と連系運転される。インバータ主回路４の出力電力は交流負荷５へ供給され、商用系統電源２０へ逆潮流を行なわないように交流電力計測手段９において電力が計測されて制御部１４に送出され、インバータ主回路４の出力を制御するように構成されている。燃料電池２の出力電力は直流電力計測手段７によって計測され、制御部１４に送出され、制御部１４によって燃料電池２が最適な動作点で動作するように制御される。
【０００５】
また、図５に示すような複数の太陽電池１ａ，１ｂを商用系統電源２０と逆潮流ありの連系を行なうシステムが知られている。このシステムでは、複数の太陽電池１ａ，１ｂの出力が設置場所などにより異なるシステムに適用されている。
各太陽電池１ａ，１ｂの出力はそれぞれＤＣ／ＤＣコンバータ１１ａ，１１ｂによって電圧が調整され、インバータ主回路４の入力側にて結合され、インバータ主回路４によって交流電力に変換され、商用系統電源２０と連系し、逆潮流を行なう構成となっている。
【０００６】
各々の太陽電池１ａ，１ｂの出力電力は、各々の直流電力計測手段６ａ，６ｂにおいて計測され、制御部１５に送出されて各々の太陽電池１ａ，１ｂが最大動作点で動作するように制御される。このシステムでは複数の太陽電池１ａ，１ｂに対して、１つのインバータ主回路４での交流電力供給が可能となる。
【０００７】
さらに、複数の電力供給システムよりエネルギ需要家の負荷に電力を供給するシステムが特開平８−１８６９３７号公報に開示されている。このシステムでは、太陽電池と商用系統電源が連系されており、燃料を使用する発電装置は商用系統電源とは分離されている。エネルギ需要家の負荷の消費電力が燃料を使用する発電装置の最大発電量以下の場合、このシステムは燃料を使用する発電装置を稼動し、エネルギ需要家の負荷の電力は燃料を使用する発電装置により供給し、太陽電池で発電される電力はエネルギ需要家の負荷には接続せず、すべて商用系統電源に逆潮流するような制御が行なわれる。
【０００８】
また、エネルギ需要家の負荷の消費電力が燃料を使用する発電装置の最大発電量より大きい場合、このシステムは太陽電池で発電される電力と商用系統電源からの電力をエネルギ需要家の負荷に供給するように制御を行なう。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
近年、太陽電池や燃料電池などのさまざまな直流電力供給手段の普及に伴ない、複数の直流電力供給手段を用いた分散電源システムが開発されている。上述の特開平８−１８６９３７号公報に記載されたシステムにおいては、燃料を使用する発電装置が直流出力であり、エネルギ需要家の負荷が交流負荷の場合、燃料を使用する発電装置の出力電力を交流に変換するインバータ回路が必要となる。燃料を使用する発電装置は、太陽電池や商用系統電源と分離されているため、燃料を使用する発電装置用のインバータ回路は、太陽電池用のインバータ回路を用いることができない。
【００１０】
また、複数の直流電力供給手段を図４に示すように、太陽電池１と燃料電池２の出力をそれぞれ別のインバータ主回路３，４で交流に変換し、商用系統電源２０と連系しても、インバータ主回路４は太陽電池と燃料電池の台数分必要になる。
【００１１】
そこで、図５に示すような１つのインバータ主回路４で交流電力に変換する構成としてコストダウンおよび小型化を図ることが可能である。
【００１２】
しかしながら、太陽電池１と燃料電池２の混成システムは、図５に示すような１台のインバータ主回路４を用いるようなシステム構成にすると、燃料電池２の出力が商用系統電源に逆潮流してしまう可能性がある。
【００１３】
それゆえに、この発明の主たる目的は、１つのインバータ回路で交流電力に変換する構成であっても、逆潮流を行なわない直流電力供給手段の供給電力が商用系統電源に逆潮流することなく、逆潮流を行なう直流電力供給手段の供給電力は逆潮流を行なうことができる分散電源システムを提供することである。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
この発明は、複数の直流電力供給手段を有する分散電源システムにおいて、複数の直流電力供給手段のうち、商用系統電源への逆潮流を行なわない直流電力供給手段の出力電力の合計と交流負荷の消費電力とを比較する電力比較手段と、電力比較手段の比較出力に基づいて、逆潮流を行なわない各直流電力供給手段の出力電力の合計が交流負荷の消費電力より大きくならないように、該逆潮流を行なわない直流電力供給手段の出力を制御する出力制御手段とを含む。
【００１５】
さらに、逆潮流を行なわない直流電力供給手段の出力に接続され、直流電力供給手段から出力される電力を所定の電力に調整する電力調整手段を含むことを特徴とする。
【００１６】
さらに、逆潮流を行なわない直流電力供給手段の出力電力の合計を計測する第１の計測手段および交流負荷の消費電力を計測する第２の計測手段と、逆潮流を行なう直流電力供給手段の出力電力の合計を計測する第３の計測手段および商用系統電源への逆潮流電力を計測する第４の計測手段とのいずれか一方を備え、電力比較手段は各計測手段からの計測値を用いて逆潮流を行なわない各直流電力供給手段の出力電力の合計と交流負荷の消費電力との比較を行なうことを特徴とする。
【００１７】
【発明の実施の形態】
図１はこの発明の第１の実施形態の太陽電池と燃料電池を有する分散電源システムの構成を示すブロック図である。このシステムは、逆潮流を行なう太陽電池１と、逆潮流を行なわない燃料電池２と、これらの直流出力を商用周波数の交流電力に変換して商用系統電源２０と接続する系統連系インバータ１６と、この系統連系インバータ１６の出力側に接続される一般家庭などの交流負荷５と、交流負荷５の消費電力Ｐ₄を検出する交流電力計測手段９と、燃料電池２の燃料や空気の流量を制御し、燃料電池出力電力Ｐ₂を制御する燃料電池出力制御手段１０とから構成される。
【００１８】
系統連系インバータ１６について詳細に説明すると、太陽電池１の出力はＤＣ／ＤＣコンバータ１１によって商用系統電源と連系するために、所定の電圧に調整される。燃料電池２の出力も同様にしてＤＣ／ＤＣコンバータ１２によって電圧の調整が行なわれる。ＤＣ／ＤＣコンバータ１１，１２は、たとえば昇圧チョッパで構成され、昇圧チョッパ内のスイッチング素子のオン時間とオフ時間とのデューティによって電力の調整が行なわれる。
【００１９】
ＤＣ／ＤＣコンバータ１１の出力とＤＣ／ＤＣコンバータ１２の出力は並列接続して結合され、インバータ主回路３に入力される。インバータ主回路３は結合された電力を商用周波数の交流電力に変換して商用系統電源２０に接続する。
【００２０】
図２は図１に示したシステムの動作を説明するためのフローチャートである。
次に、図２を参照して図１の動作について説明する。燃料電池２の出力電力Ｐ₂は直流電力計測手段６によって出力電圧と電流が検出される。直流電力計測手段６では、この検出値をもとに燃料電池出力電力Ｐ₂を算出し、燃料電池出力電力データＤ₂として電力比較手段８へ出力する。複数の燃料電池が接続されたシステムにおいては、各燃料電池出力電力Ｐ₂の合計を燃料電池出力データＤ₂とする。
【００２１】
また、交流電力計測手段９は交流負荷５の消費する電圧と電流を検出し、この検出値をもとに交流負荷消費電力Ｐ₄を算出し、交流負荷消費電力データＤ₄として電力比較手段８へ出力する。電力比較手段８は燃料電池出力電力データＤ₂と交流負荷の消費電力データＤ₄とを比較するため、交流負荷５の消費電力から燃料電池２の出力電力を減算し、電力比較結果Ｓ₁を制御信号発生手段１７に出力する。
【００２２】
ここで、電力比較結果Ｓ₁は第（１）式で示される。
Ｓ₁＝Ｄ₄−Ｄ₂……（１）
制御信号発生手段１７は電力比較結果Ｓ₁が負であるか否かを判別し、負でない場合燃料電池２の出力を現在の状態に保ち、負の場合には出力を抑制するように、燃料電池出力制御手段１０に対して燃料電池出力制御信号Ｓ₂を出力する。
【００２３】
上述の一連の動作において、図１に示した太陽電池１の出力は１ｋＷであり、燃料電池２の出力は１ｋＷであり、交流負荷５の消費電力が３ｋＷの場合、系統連系インバータ１６において直流電力計測手段６は燃料電池２の出力１ｋＷを計測し、電力比較手段８に送出する。
【００２４】
太陽電池１の出力１ｋＷと燃料電池２の出力１ｋＷが結合され、２ｋＷの電力となり、インバータ主回路３によって商用周波数の交流電力に変換される。この変換された２ｋＷの電力は商用系統電源２０に連系され、交流負荷５に供給される。交流負荷５は３ｋＷの電力を消費するため、不足分の１ｋＷについては、商用系統電源２０から供給を受ける。このとき、交流電力計測手段９は交流負荷５の消費電力３ｋＷを計測し、電力比較手段８に送出する。電力比較手段８においては、各電力計測手段６，９で計測された燃料電池２の出力電力１ｋＷと交流負荷５の消費電力３ｋＷを用いて、電力比較結果Ｓ₁＝３−１＝２を得る。
【００２５】
制御信号発生回路１７において、この電力比較結果Ｓ₁が負でないと判断され、燃料電池出力調整回路１０に対して現在の出力を維持するように燃料電池出力制御信号Ｓ₂が送出される。燃料電池出力調整回路１０は燃料電池出力制御信号Ｓ₂を受け、出力を維持するように運転する。
【００２６】
次に、上述の運転条件において、交流負荷５の消費電力が１．５ｋＷに減少した場合、太陽電池１の出力１ｋＷと燃料電池２の出力１ｋＷは、上述の説明と同様に２ｋＷの交流電力に変換される。この変換された２ｋＷの電力は商用系統電源２０に連系され、交流負荷５に供給される。
【００２７】
交流負荷５は１．５ｋＷの電力しか消費しないため、余剰分の０．５ｋＷについては、商用系統電源２０へ逆潮流を行なう。交流電力計測手段９は交流負荷５の消費電力が１．５ｋＷに減少したことを検出し、電力比較手段８に送出する。
電力比較手段８では、電力比較結果Ｓ₁＝１．５−１＝０．５が得られ、燃料電池２は上述の説明と同様にして現在の出力を維持する。
【００２８】
次に、上述の運転条件において、交流負荷５の消費電力が０．５ｋＷに減少した場合、太陽電池１の出力１ｋＷと燃料電池２の出力１ｋＷが、同様にして２ｋＷの交流電力に変換される。変換された２ｋＷの電力は商用系統電源２０に連系され、交流負荷５に供給される。交流負荷５は０．５ｋＷの電力しか消費しない。
【００２９】
このとき、交流電力計測手段９は交流負荷５の消費電力が０．５ｋＷに減少したことを検出し、電力比較手段８に送出する。電力比較手段８においては、各電力計測手段６，９で計測された燃料電池２の出力電力１ｋＷと交流負荷５の消費電力０．５ｋＷを用いて、電力比較結果Ｓ₁＝０．５−１＝−０．５を得る。
【００３０】
制御信号発生手段１７において、この電力比較結果Ｓ₁は負であると判別され、燃料電池出力制御手段１０に対して電力比較結果Ｓ₁の０．５ｋＷ分だけ出力を減少するように、燃料電池出力制御信号Ｓ₂を送出する。
【００３１】
燃料電池出力制御手段１０はその燃料電池出力制御信号Ｓ₂を受け、出力を０．５ｋＷに減少して運転する。その結果、太陽電池１が１ｋＷを出力し、燃料電池２が０．５ｋＷを出力し、交流負荷５が０．５ｋＷの電力を消費する状態となる。太陽電池１の出力１ｋＷと燃料電池２の出力０．５ｋＷは、上述の説明と同様にして１．５ｋＷの交流電力に変換される。この変換された１．５ｋＷの電力は商用系統電源２０に連系され、交流負荷５に供給される。
【００３２】
交流負荷５は０．５ｋＷの電力しか消費しないため、余剰分の１ｋＷについては、商用系統電源２０へ逆潮流を行なう。交流電力計測手段９は交流負荷５の消費電力が０．５ｋＷであることを検出し、電力比較手段８に送出する。電力比較手段８では電力比較結果Ｓ₁＝０．５−０．５＝０が得られ、燃料電池２は上述と同じように現在の出力０．５ｋＷを維持する。
【００３３】
これにより、燃料電池２の出力は商用系統電源２０に逆潮流することなく、交流負荷５で消費されなかった太陽電池１の出力は商用系統電源２０に逆潮流を行なうことができる。
【００３４】
図３はこの発明の第２の実施形態の分散電源システムの構成を示すブロック図である。このシステムでは、直流電力計測手段６と交流電力計測手段９が検出電力および燃料電池２の出力を調整する手段が、図１と異なっている。すなわち、このシステムでは、直流電力計測手段６が太陽電池１の出力電力Ｐ₁を検出し、交流電力計測手段９が商用系統電源２０への逆潮流電力Ｐ₃を検出する。ここで、検出された太陽電池出力電力Ｐ₁は太陽電池出力電力データＤ₁として、逆潮流電力Ｐ₃は逆潮流電力データＤ₃として電力比較手段８へ出力される。
【００３５】
電力比較手段８は太陽電池出力電力データＤ₁と逆潮流電力データＤ₃を比較するため、商用系統電源２０への逆潮流電力から太陽電池１の出力電力を減算し、電力比較結果Ｓ₁を制御信号発生手段１７に出力する。
【００３６】
ここで、電力比較Ｓ₁は第（２）式で表わされる。
Ｓ₁＝Ｄ₁−Ｄ₃……（２）
ここで、第（１）式と第（２）式とにおいて、電力比較結果Ｓ₁は太陽電池出力電力データＤ₁と逆潮流電力データＤ₃の比較結果と、燃料電池出力電力データＤ₂と交流負荷消費電力データＤ₄の比較結果となるが、各電力間には次の第（３）式の関係があるため、比較対象が異なるだけで値は同じなる。
【００３７】
Ｐ₁＋Ｐ₂＝Ｐ₃＋Ｐ₄……（３）
制御信号発生手段１７は電力比較結果Ｓ₁が負であるか否かを判別し、負でない場合には太陽電池２の出力を現在の状態に保ち、負の場合には出力を抑制するようにＤＣ／ＤＣコンバータ制御信号Ｓ₃をＤＣ／ＤＣコンバータ１１に出力し、電力を調整する。
【００３８】
第１の実施形態において、直流電力計測手段６が太陽電池１の出力電力Ｐ₁を検出し、かつ交流電力計測手段９が商用系統電源２０への逆潮流電力Ｐ₃の電力を検出するような構成とすることもできる。
【００３９】
また、図３に示したシステムは、第１の実施形態に記載の燃料電池出力制御手段１０を備えるようにしてもよく、制御信号発生手段１７は燃料電池出力制御手段１０に対して燃料電池出力制御信号Ｓ₂を出力し、燃料電池２の出力制御を行なうこともできる。
【００４０】
また、インバータ主回路３にＤＣ／ＤＣコンバータを備え、結合された電力をＤＣ／ＤＣコンバータ制御信号Ｓ₃によって制御することもできる。
【００４１】
また、太陽電池１は複数の太陽電池アレイを含むようにしてもよく、燃料電池２は複数接続することもでき、燃料電池出力制御手段１０を各燃料電池ごとに設けてもよい。
【００４２】
また、系統連系インバータ１６は直流電力計測手段６と電力比較手段８とＤＣ／ＤＣコンバータ１１と制御信号発生手段１７をそれぞれ独立して外部に設けるようにしてもよい。
【００４３】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【００４４】
【発明の効果】
以上のように、この発明によれば、逆潮流を行なわない直流電力供給手段の出力電力の合計と交流負荷の消費電力とを直接もしくは間接的に計測し、その計測値を電力比較手段において比較し、その比較結果をもとに逆潮流を行なわない直流電力供給手段の出力の合計が交流負荷の消費電力より大きくならないように、逆潮流を行なわない直流電力供給手段の出力電力を制御することができる。
【００４５】
これによって、逆潮流を行なわない直流電力供給手段は、交流負荷で消費される電力より多くの電力の供給を行なうことなく、逆潮流を行なう電力のみを商用系統電源に逆潮流することができる。
【００４６】
さらに、複数の直流電力供給手段からの供給電力を結合し、１つのインバータにて交流に変換することができるため、装置の簡略化を図ることができる。
【００４７】
また、逆潮流を行なわない直流電力供給手段について逆潮流を行なわない直流電力供給手段の出力が制御できない、もしくは制御に対する応答が悪い、あるいは制御を行なうと電力供給効率が低下するなどの場合に、交流負荷の消費電力に応じてインバータ主回路に入力する電力を制御することができ、システム全体としての効率を下げることなく電力の供給を行なうことができる。
【００４８】
さらに、直流電力と交流電力の電力検出点を複数から選択することにより、電力検出点をできるだけ少なくするように選択でき、装置の簡略化および低コスト化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の第１の実施形態の分散電源システムの構成を示すブロック図である。
【図２】図１に示した分散電源システムの動作を説明するためのフローチャートである。
【図３】この発明の第２の実施形態の分散電源システムの構成を示すブロック図である。
【図４】従来の太陽電池および燃料電池を用いた分散電源システムの構成を示すブロック図である。
【図５】従来の複数の太陽電池を有する分散電源システムの構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
１太陽電池、２燃料電池、３インバータ主回路、５交流負荷、６，７直流電力計測手段、８電力比較手段、９交流電力計測手段、１０燃料電池出力制御手段、１１，１２ＤＣ／ＤＣコンバータ、１３，１４，１５制御部、１６系統連系インバータ、１７制御信号発生手段、２０商用系統電源、１００，２００分散電源システム。

Claims

商用系統電源への逆潮流を行なう少なくとも１つの直流電力供給手段と前記商用系統電源への逆潮流を行なわない少なくとも１つの直流電力供給手段とを含む複数の直流電力供給手段を有する分散電源システムにおいて、
前記複数の直流電力供給手段に共通に接続され、前記複数の直流電力供給手段からの電力を交流電力に変換して前記商用系統電源に接続するインバータと、
前記複数の直流電力供給手段のうち、前記商用系統電源への逆潮流を行なわない直流電力供給手段の出力電力の合計と交流負荷の消費電力とを比較する電力比較手段と、
前記電力比較手段の比較出力に基づいて、前記逆潮流を行なわない各直流電力供給手段の出力電力の合計が前記交流負荷の消費電力より大きくならないように、該逆潮流を行なわない直流電力供給手段の出力を制御する出力制御手段とを備えた、分散電源システム。
さらに、前記逆潮流を行なわない直流電力供給手段の出力に接続され、前記直流電力供給手段から出力される電力を所定の電力に調整する電力調整手段を含むことを特徴とする、請求項１に記載の分散電源システム。
商用系統電源への逆潮流を行なう少なくとも１つの直流電力供給手段と前記商用系統電源への逆潮流を行なわない少なくとも１つの直流電力供給手段とを含む複数の直流電力供給手段を有する分散電源システムにおいて、
前記複数の直流電力供給手段のうち、前記商用系統電源への逆潮流を行なわない直流電力供給手段の出力電力の合計と交流負荷の消費電力とを比較する電力比較手段と、
前記電力比較手段の比較出力に基づいて、前記逆潮流を行なわない各直流電力供給手段の出力電力の合計が前記交流負荷の消費電力より大きくならないように、該逆潮流を行なわない直流電力供給手段の出力を制御する出力制御手段と、
前記逆潮流を行なわない直流電力供給手段の出力電力の合計を計測する第１の計測手段および前記交流負荷の消費電力を計測する第２の計測手段と、
前記逆潮流を行なう直流電力供給手段の出力電力の合計を計測する第３の計測手段および前記商用系統電源への逆潮流電力を計測する第４の計測手段とのいずれか一方を備え、
前記電力比較手段は各計測手段からの計測値を用いて前記逆潮流を行なわない各直流電力供給手段の出力電力の合計と前記交流負荷の消費電力との比較を行なうことを特徴とする、分散電源システム。