(57)【要約】【課題】ＭＰＰＴ制御を行いつつ、効率よく再生可能エネルギー発電・蓄電を行うシステムを提供することを課題とする。【解決手段】ソーラモジュール１とＭＰＰＴ制御を行うパワーコンディショナ２と制御盤９とから成り、ソーラモジュール１とパワーコンディショナ２との間に、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ４と充放電コントローラ５と蓄電池６から成る蓄電装置３を介在させ、ソーラモジュール１からの再エネ直流入力電流から比率を定めた同一波形の一定部分又はフィルター機能を通した波形の一定部分を蓄電池６の充電に利用し、また、再エネ直流入力電流と同一波形の一定部分又はフィルター機能を通した波形の一定部分を放電させることにより、変動の大きい再エネ発電を安定的に稼働させることを可能にした。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ソーラモジュールとＭＰＰＴ制御を行うパワーコンディショナと制御盤とから成り、
前記ソーラモジュールとパワーコンディショナとの間に、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータと充放電コントローラと蓄電池から成る蓄電装置を介在させ、前記ソーラモジュールからの再エネ直流入力電流から比率を定めた同一波形の一定部分又はフィルター機能を通した波形の一定部分を前記蓄電池の充電に利用し、また、前記再エネ直流入力電流と同一波形の一定部分又はフィルター機能を通した波形の一定部分を放電させることにより、変動の大きい再エネ発電を安定的に稼働させることを可能にしたことを特徴とする再生可能エネルギー発電・蓄電システム。
【請求項２】
前記制御盤内に、需要先のエネルギーサービスプロバイダとの取引電力量、再エネ発電電力量、並びに、自家消費電力量を基に前記蓄電装置を制御する統合電力コントローラを装備した、請求項１に記載の再生可能エネルギー発電・蓄電システム。
【請求項３】
前記統合電力コントローラはネットワーク通信機能を有していて、日照、温度等の基礎データを収集し、また、過去の発電データや気象会社の発電予測システムや気象予測システムを利用して需給予測を行う機能を有する、請求項２に記載の再生可能エネルギー発電・蓄電システム。
【請求項４】
前記充放電コントローラは、前記統合電力コントローラとの間で通信を行う通信部と、前記統合電力コントローラからの指示を受けて前記ＤＣ／ＤＣコンバータ及び前記蓄電池の動作を制御する制御部と、前記ＤＣ／ＤＣコンバータ及び前記蓄電池の状態を検出して前記統合電力コントローラに送信する状態検出部とから成る、請求項１乃至３のいずれかに記載の再生可能エネルギー発電・蓄電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、再生可能エネルギー発電・蓄電システムに関し、より詳細には、変動の多い発電電力を、充放電コントローラとＤＣ／ＤＣコンバータと蓄電池によって安定化し、自家消費を安定的にまかない、余剰電力を系統に逆潮させて収入を得ることが可能な再生可能エネルギー発電・蓄電システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
再生可能エネルギー発電（以下「再エネ発電」とする）としては、家庭用の小規模ソーラ発電が広く普及している。一般に、この家庭用の小規模ソーラ発電の場合、図５に示されるように、ソーラパネル（以下「ソーラモジュール」とする)が複数台直列に接続されてストリングが形成される(場合によっては、複数並列にされることもある。)。
【０００３】
ソーラモジュールはパワーコンディショナ（ＰＣＳ）の開閉器に接続され、逆流防止用ダイオードＤｉを通して複数回路並列され、ＭＰＰＴ機能付昇圧コンバータで３００Ｖ程度の直流電圧に変換される(ＭＰＰＴについては後述する。)。ＤＣ／ＡＣインバータには電圧形電流制御方式が採用され、自家用負荷（宅内負荷）に給電できるように電圧と位相が調整され、ストリングの直流電流Ｉｄｃに見合った交流電流Ｉａｃが流される。そして、Ｉａｃが自家用負荷分を上回る場合は、余剰分をエネルギーサービスプロバイダ（ＥＳＰ）の配電線に逆潮流させる。
【０００４】
再エネ発電としてはソーラ発電や風力発電が増大しているが、いずれも変動が多く、安定電源としての利用が困難である。例えば、ソーラ発電の場合、発電時間は、昼にピークを持つ約半日に限られる。一方、一般的な消費としては、朝と夕方から夜にかけて増大し、昼と深夜の負荷は少ない。この状態でも、再エネを促進する固定買い取り制度（ＦＩＴ）で、昼間の余剰電力を高値売電できればそれなりのメリットがあるが、ＦＩＴ価格は徐々に低下しており、且つ、ＦＩＴ期間の制限もあることから、発電と自家消費のミスマッチが生じ、このミスマッチを減少させることが課題となっている。
【０００５】
この課題の解決のために、パワーコンディショナと蓄電池を組み合わせるケースが増大している。そして、その場合の蓄電池の取り付け方法としては、一般的には以下の３つのパターンが考えられる（図５参照）。
【０００６】
第１のパターンは、パワーコンディショナの交流側に蓄電池用パワーコンディショナ経由で蓄電池を設ける方式である（図５における（Ａ）の位置）。しかし、蓄電池をこの位置に配置した場合は、直流−交流変換が何度も行われるため、効率が悪くなる。また、蓄電池の充電がソーラから行われたか、系統の電気で行われたかの判別が困難である(電力料金の算定上、再エネ発電時のみ蓄電することを立証する必要がある。)。
【０００７】
第２のパターンは、パワーコンディショナ内のＤＣ／ＡＣインバータの直前の直流部に、蓄電池と双方向ＤＣ／ＤＣコンバータとを接続する方式である（図５における（Ｂ）の位置。特許第４７９５３１２号公報、特許第４８３７６３２号公報参照）。このパターンの場合は、後述する第３のパターンに比べて概ね安定した直流電圧源を使用できるので、コンバータは簡素なもので済み、また、ＤＣ／ＡＣインバータは直流→交流の一方向であるので、再エネ起源であることを証明することができる。更に、第１のパターンに比べて効率がよいので、最新のパワーコンディショナではこの方式を採用したものが提案されているが、既に使用中のパワーコンディショナはこのような方式を前提としていないため、この方式に改造することは困難である。
【０００８】
第３のパターンは、パワーコンディショナの直流入力部に蓄電池と双方向ＤＣ／ＤＣコンバータを接続する方式である（図５における（Ｃ）の位置）。しかるに、この部位における直流電圧、電流は、不安定な再エネ出力から最大電力を得るため、最大電力点制御（ＭＰＰＴ）を行う関係で常時変動があり、制御が難しいという問題がある。しかしながら、この第３のパターンを実現できれば、第２のパターンと同様に、再エネ起源であることを立証でき、また、効率がよいものとなるので、その実現が望まれる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特許第４７９５３１２号公報
【特許文献２】特許第４８３７６３２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、上記要望に応えるためになされたもので、上記第３のパターンを実現し、ＭＰＰＴ制御を行いつつ、効率がよく、また、再エネ起源であることの立証が可能な再生可能エネルギー発電・蓄電システムを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するための請求項１に記載の発明は、ソーラモジュールとＭＰＰＴ制御を行うパワーコンディショナと制御盤とから成り、
前記ソーラモジュールとパワーコンディショナとの間に、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータと充放電コントローラと蓄電池から成る蓄電装置を介在させ、前記ソーラモジュールからの再エネ直流入力電流から比率を定めた同一波形の一定部分又はフィルター機能を通した波形の一定部分を前記蓄電池の充電に利用し、また、前記再エネ直流入力電流と同一波形の一定部分又はフィルター機能を通した波形の一定部分を放電させることにより、変動の大きい再エネ発電を安定的に稼働させることを可能にしたことを特徴とする再生可能エネルギー発電・蓄電システムである。
【００１２】
一実施形態においては、前記制御盤内に、需要先のエネルギーサービスプロバイダとの取引電力量、再エネ発電電力量、並びに、自家消費電力量を基に前記蓄電装置を制御する統合電力コントローラを装備する。
【００１３】
一実施形態においては、前記統合電力コントローラはネットワーク通信機能を有していて、日照、温度等の基礎データを収集し、また、過去の発電データや気象会社の発電予測システムや気象予測システムを利用して需給予測を行う機能を有する。
【００１４】
一実施形態においては、前記充放電コントローラは、前記統合電力コントローラとの間で通信を行う通信部と、前記統合電力コントローラからの指示を受けて前記ＤＣ／ＤＣコンバータ及び前記蓄電池の動作を制御する制御部と、前記ＤＣ／ＤＣコンバータ及び前記蓄電池の状態を検出して前記統合電力コントローラに送信する状態検出部とから成る。
【発明の効果】
【００１５】
本発明に係る再生可能エネルギー発電・蓄電システムは上記のとおりであって、変動の多い発電電力を、パワーコンディショナの前に組み込まれる双方向ＤＣ／ＤＣコンバータと充放電コントローラと蓄電池とを含む蓄電装置によって安定化して自家消費を安定的にまかなうことができ、また、再エネ起源であることの立証が可能であって、余剰電力を系統に逆潮させて収入を得ることが可能となる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明に係る再生可能エネルギー発電・蓄電システムの構成図である。
【図２】本発明に係る再生可能エネルギー発電・蓄電システムにおけるソーラ発電を補う昇圧モードを説明するための構成図である。
【図３】本発明に係る再生可能エネルギー発電・蓄電システムにおける蓄電池充電モードを説明するための構成図である。
【図４】本発明に係る再生可能エネルギー発電・蓄電システムにおける宅内負荷運転モードを説明するための構成図である。
【図５】従来の再生可能エネルギー発電・蓄電システムの構成図である。
【図６】電流−電圧(ＩＶ)特性図及び電力-電圧（ＰＶ）特性図である。
【図７】ＭＰＰＴ中の電圧・電流値の推移を示すグラフである。
【図８】ソーラ発電からその２割を蓄電池に分流させた場合のＭＰＰＴ点を示すグラフである。
【図９】ソーラ発電量が低下しているときに蓄電池からソーラ側の電流値の４割を供給した場合のＭＰＰＴ点を示すグラフである。
【図１０】ソーラ発電電流からその４割を蓄電池に分流させた場合の波形例を示すグラフである。
【図１１】ソーラ発電電流からその４割を蓄電池に分流させる場合において、ソーラ発電電流のリップル分を任意の比率でフィルタリングして蓄電池に流すようにした場合の波形例を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
本発明の実施の形態につき、添付図面を参照しつつ詳細に説明するが、その説明の前に、本発明において採用するＭＰＰＴ制御の概要を、ソーラを事例として説明しておく。ソーラモジュールは巨大なダイオードの集合体であり、ダイオードとしての挙動をする。図６の電流−電圧(ＩＶ)特性の図では、日射量によっての変動（図６（Ａ））とモジュール温度での変動（図６（Ｂ））が大きいことが示されている。このＩＶ特性を電力−電圧（ＰＶ）特性に変換すると、図６（Ｃ）となり、それぞれの最大点は最高効率点（図６（Ｃ）の下向き矢印参照）となる。その位置は日射量とモジュール温度で変動する。
【００１８】
最大発電を常に実現するために行うのがＭＰＰＴ制御であるが、一般的には，ＭＰＰＴ制御として山登り法が採用されている。これは、モジュール電圧を徐増又は徐減し、モジュールの電流応答値にモジュール電圧を掛けた電力値が増から減に移行する点、あるいは、減から増に移行する点を以て、最大電力点と判断する方式である。従って、ＰＣＳ直流入力部は、図７に示す概念図のように、電圧、電流ともに常に振動している。前述の第３のパターンにおいて、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータを接続する場合の制御が難しいのは、この変動のためである。
【００１９】
第３のパターンの位置に蓄電池と双方向ＤＣ／ＤＣコンバータを接続する場合、コンバータはＭＰＰＴ制御を全く邪魔することなく、あたかも存在を感付かれず、ソーラ発電電流の一部を蓄電池充電に使用したり、蓄電池電流をソーラ発電電流に加えたりする必要がある。そのためには、ソーラ発電電流を常時測定し、その一定割合(相似形の電流)を双方向ＤＣ／ＤＣコンバータに分流させて蓄電に供し、あるいは、その一定割合(相似形の電流)を蓄電池から双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ経由でソーラ発電電流に重畳させることが必要となる。
【００２０】
図８は、ソーラ発電からその２割を蓄電池に分流させた例を示すもので、分流分を除いた合計のＰＶ曲線はソーラ発電曲線と相似形で、矢印のＭＰＰＴ点は全く変わらない。従って、パワーコンディショナは最高効率での発電が可能である。図９は、ソーラ発電量が低下しているときに蓄電池からソーラ側の電流値の４割を供給した例を示すもので、ＭＰＰＴ点の移動はなく、最高効率点での発電が可能である。
【００２１】
また、図１０は、実際の波形例であって、ソーラ発電電流の４割を蓄電池に分流させた場合を示している。リップルを含めて相似形にしており、ＭＰＰＴ点の移動がないことが明らかである。
【００２２】
実際には、相似波形を演算し、生成させるには若干の遅延時間を要すること、Ｃ１やＣ２といったコンデンサによる若干の遅延が生じること等により、厳密な相似波形からのずれが生じるが、それはＭＰＰＴサイクル時間に対して数パーセントの誤差と言える。但し、パワーコンデョショナによってＭＰＰＴ方式の差異があることに鑑み、ソーラ発電電流のリップル分を任意の比率でフィルタリングして蓄電池に流すようにすれば、相似波形のずれが生じにくくなり、ＭＰＰＴの移動を生じない。図１１は、その事例を示すものである。
【００２３】
次いで、本発明に係る再生可能エネルギー発電・蓄電システムの実施の形態について説明する。図１に示されるように、本発明に係る再生可能エネルギー発電・蓄電システムは、従来のシステム（図５参照）と比較して、ソーラモジュール１とパワーコンディショナ２には基本的に変更がなく、その間に双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ４と充放電コントローラ５と蓄電池６から成る蓄電装置３が挿入されるところに特徴がある。
【００２４】
また、制御盤９（自家用途ではホーム分電盤、産業用途では受電盤）に、エネルギーサービスプロバイダ（ＥＳＰ）との間の取引電力量計（Ｗｔ）１０と、自家消費（宅内負荷）電力量計（Ｗｄ）１１と、再エネ発電電力量計（Ｗｐ）１２と、統合電力コントローラ（ＩＰＣ）１３とが増設される(それぞれ瞬時電力を計測できるものとする)。
【００２５】
統合電力コントローラ１３は、充放電コントローラ５との間での通信機能を有していて、情報交換を行ってパワーコンディショナ２の出力を最適化すべく、ＤＣ／ＤＣコンバータ４を制御させる。即ち、ソーラモジュール１の出力が需要より多いときは蓄電池６に充電させ、不足の時は放電させる等の制御である。また、統合電力コントローラ１３はネットワーク通信機能を有していて、日照、温度等の基礎データを収集し、過去の発電データや気象会社の発電予測システム、気象予測システム等を利用して、直近から２日後程度までの需給予測を行う機能を有する。なお、図中のＤｉはモジュールへの逆流を防ぐダイオードである。
【００２６】
充放電コントローラ５は、統合電力コントローラ１３との間で通信を行う通信部と、統合電力コントローラ１３からの指示を受けてＤＣ／ＤＣコンバータ４及び蓄電池６の動作を制御する制御部と、ＤＣ／ＤＣコンバータ４及び蓄電池６の状態を検出して統合電力コントローラ１３に送信する状態検出部から成る。
【００２７】
ＤＣ／ＤＣコンバータ４の動作は以下のとおりである。なお、本回路は一例であって、双方向であり、且つ、昇圧と降圧を実現できれば、絶縁・非絶縁を問わず、既知の回路を使用することができる。
【００２８】
ソーラ発電を補う昇圧コンバータとしての機能
ＤＣ／ＤＣコンバータ４は、ソーラ側の電力で宅内負荷をまかなえない時に、蓄電池６の電力で補うよう作用する。蓄電池６の電圧はＭＰＰＴ電圧より低いので、この場合ＤＣ／ＤＣコンバータ４は、昇圧コンバータとして機能する。即ち、図２において、Ｑ１をオンにすると蓄電池の電流はリアクトルＬに流れ、エネルギーを蓄積する。また、Ｑ１をオンにしてＱ２をオンにすると、蓄電池６の放電にＬのエネルギーが加わり、電圧が上昇する。その比率はパルス幅制御（ＰＷＭ）のデューティ比に依存し、宅内負荷の値をフィードバックによって適正値に調整する。Ｃ２はデューティ実行時のリップルを低減するためのコンデンサである。
【００２９】
ソーラ発電の一部を充電する降圧コンバータとしての機能
蓄電池充電モードでは、降圧コンバータとして動作する。即ち、Ｑ１オフでＱ２をオンにすると、モジュール電流の一部が蓄電池６とリアクトルＬに流れる。そして、Ｑ２オフ、Ｑ１オンでモジュール電流の流入はなくなり、リアクトルＬの蓄積エネルギーが充電のために使用される。ＰＷＭのデューティ比で蓄電池６の充電電圧が調整され、充電が進めば充電電流を低減させる電池コントローラとしても機能する。蓄電池６の充電状態は、充放電コントローラ５から都度統合電力コントローラ１３に連絡される。統合電力コントローラ１３からは総発電容量が指令され、充放電コントローラ５はその指示に従ってフィードバック制御を伴いながら指示値を維持する。
【００３０】
蓄電池による宅内負荷運転機能
モジュール電流がほとんどゼロの場合は、ＤＣ／ＤＣコンバータ４がＭＰＰＴ電圧に応じて自立的に応答して、パワーコンディショナ２の許容範囲内の最低ＭＰＰＴ電圧付近が最高効率点となるような信号を出す。これは日の出時付近の時間帯において、早期にモジュール優先運転に移行するためである。
【００３１】
統合電力コントローラ１３は、ネットワークを介して日照、温度等の基礎データを収集し、過去の発電データや気象会社の発電予測システム、気象予測システム等を利用して直近から２日後程度までの需給予測を行い、その結果、余剰が想定される分についてはＥＳＰに買電の約定を申し込む。通常のサイクルとして、夜間から早朝の発電電流の不足分を、日中モジュール発電が宅内負荷を上回る部分について、充放電コントローラ５を介して蓄電池６に蓄えておけば、完全に自家消費でまかなえると言える。蓄電池６に不足分に対して余剰な充電があり、且つ、翌日も好天が期待されたり、予め翌日の自家消費が少ないことが判ったりしているような場合は、余剰分は約定に基づいて逆潮流させる。
【００３２】
ソーラ発電が少ない早朝や夕方は、統合電力コントローラ１３は先ず宅内負荷(自家消費)の充足を優先し、その電力値を充放電コントローラ５に通知する。充放電コントローラ５は、ストリング電流Ｉｓの波形をベースに、必要バッテリ電流ＩｓｂをＩｓにプラスするようＤＣ／ＤＣコントローラ４に指令する。また、充放電コントローラ５は、統合電力コントローラ１３からフィードバックを得て、ＰＩＤ制御によって最適値に補正を行う。なお、翌日も好天が期待され、発電予測上、夜間利用を考慮しても剰余が見込まれる分は、ＥＳＰに逆潮させることもあり得る。
【００３３】
夜間はモジュール発電がほぼゼロとなるので、統合電力コントローラ１３は、宅内負荷(自家消費)の電力値を充放電コントローラ５に通知する。この時は基準となる電流Ｉｓがないので、充放電コントローラ５は自立的に、最低ＭＰＰＴ電圧付近（パワーコンディショナ２の最低定格値と、蓄積したＭＰＰＴ範囲データから判断する。）で擬似的な上昇下降を行い、その電圧で必要なＩｓｂ電流を流し込む。これは、早朝は日射量が少なく、外気温が低くてＭＰＰＴ電圧は低めになるため、自立運転時はその想定値より低くし、スムーズにＩｓ追随運転を実行させるためである。
【００３４】
悪天候の持続などで蓄電量の最低限値を下回ったときは、ＥＳＰから給電を受ける。プロバイダとの契約によっては、過去の逆潮流量の還元として価格インセンティブを得る可能性もある。
【００３５】
電力自由化と分散電源増加に伴い、発電と需要のアンバランス機会が増大すると言われており、それを解決するためのデマンドレスポンスの必要性が今後増加するとみられる。統合電力コントローラ１３は、常に宅内負荷の分析や需給状況のチェックを行うことで、不要不急な負荷を制御して電力消費を低減する「下げレスポンス」、蓄電池から系統に逆潮させる「上げレスポンス」といった対応をアグリゲータやＥＳＰを通じて行い、インセンティブを得ることができる。
【００３６】
以上、本発明に係るシステムによって、エネルギー費用のゼロ化に近づくことが可能であり、更には逆潮流による収入やデマンドレスポンスによるインセンティブなどを得ることができれば、小規模な発電事業者(プロシューマ)としての収入さえも期待できる。なお且つ、完全に近い再エネエネルギー利用によって、脱炭素生活を行うことも可能となる。ＣＯ２削減のため、再エネ消費価値を有償化し取引できるようにしようという機運があるが、それが実施されれば、更なる価値の創造が期待できる。
【産業上の利用可能性】
【００３７】
本発明に係る再生可能エネルギー発電・蓄電システムは上記のとおりのものであって、既存の再エネ発電装置におけるパワーコンディッショナ２の前にＤＣ／ＤＣコンバータ４と蓄電池６と充放電コントローラ５を含む蓄電装置３を追加することにより、再エネを自家消費に安定的に使用することを可能にし、以て、配電事業者からの買電を極力低減し、また、自ら小規模発電事業者(プロシューマ)として余剰電力を送電して、収益を得るとともに、化石エネルギー依存度を下げ、ＣＯ2の削減に寄与し得るもので、その産業上の利用可能性は大である。
【符号の説明】
【００３８】
１          ソーラモジュール  
２          パワーコンディショナ
３          蓄電装置
４          ＤＣ／ＤＣコンバータ
５          充放電コントローラ
６          蓄電池
９          制御盤
１０        取引電力量計
１１        再エネ発電電力量
１２        自家消費電力量計
１３        統合電力コントローラ
【図１】
2020036416.tif 000003
【図２】
2020036416.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2020036416.tif 000008
【図７】
2020036416.tif 000009
【図８】
2020036416.tif 000010
【図９】
2020036416.tif 000011
【図１０】
2020036416.tif 000012
【図１１】
2020036416.tif 000013