(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
家庭内において直流を使用する直流幹線（１２）と、電力系統（１）からの交流を直流に変換して出力する制御整流装置（１１）と、
前記直流幹線（１２）に給電する、太陽電池（４ａ）及び燃料電池（４ｂ）といった複数の発電設備（４）と、
前記直流幹線（１２）に接続した直流負荷（８）と、
前記直流幹線（１２）に、直流を交流に変換して出力するインバータ（１６）を介して給電される交流負荷（６）と、
前記直流幹線（１２）に接続した蓄電装置（１３）と、から成り、
前記発電設備（４）の出力電流、前記直流負荷（８）及び前記交流負荷（６）の変化に対し、前記電力系統（１）から分散型電源装置へのバックアップ電流と、
前記太陽電池（４ａ）の出力電流検出手段と、負荷電流検出手段と、前記バックアップ電流の検出手段と、前記燃料電池（４ｂ）の出力電流検出手段と、前記蓄電装置（１３）から直流幹線（１２）に充放電する電流検出手段と、該蓄電装置（１３）から直流幹線（１２）に充放電する電流の積算量演算手段と、直流幹線電圧検出手段と、前記太陽電池（４ａ）の出力電流と負荷電流から必要な燃料電池（４ｂ）の出力電流を演算する手段と、その演算結果により燃料電池出力制御装置（１７）に指令を出力し、最終的に太陽電池（４ａ）の出力電流と燃料電池（４ｂ）の出力電流の和を負荷電流に等しくする制御手段と、から成り、前記蓄電装置（１３）の充放電電流の積算量をあらかじめ設定した充放電電流積算量の範囲に制御する電力調整装置（１４）と、を備え、
前記分散型電源装置から電力系統（１）へ流れる逆潮流を阻止するように構成した、ことを特徴とする直流連系による家庭用分散型電源装置。
【請求項２】
前記制御整流装置（１１）を通して給電され、かつ前記発電設備（４）である燃料電池（４ｂ）に生じる排熱を利用して温水を発生する温水器（１５）を、更に備えた、ことを特徴とする請求項１の直流連系による家庭用分散型電源装置。
【請求項３】
前記蓄電装置（１３）の充電電流積算量が過剰になり、かつ該蓄電装置（１３）の充放電電流の積算値が浮動充電域を逸脱し充電域になった場合、その過剰分を前記温水器（１５）に給電する制御を行うために、該温水器（１５）に給電流制御装置を更に備えた、ことを特徴とする請求項２の直流連系による家庭用分散型電源装置。
【請求項４】
前記バックアップ電流の検出手段と、前記蓄電装置（１３）から前記直流幹線（１２）に充放電する電流の検出手段と、前記蓄電装置（１３）から前記直流幹線（１２）に充放電する電流の積算量の演算手段と、
直流幹線電圧の検出手段と、前記蓄電装置（１３）の充放電電流積算量から、該蓄電装置（１３）が浮動充放電域内にあるかどうかを判定する第一の判定手段により、あらかじめ設定された蓄電装置（１３）の充放電電流積算量と、該蓄電装置（１３）の充放電電流の積算量とを比較し、該蓄電装置（１３）の充放電電流の積算量があらかじめ設定された蓄電装置（１３）の放電電流積算量より小なる場合は、蓄電装置（１３）が浮動充放電域を逸脱し放電域にあると判定し、
かつ前記蓄電装置（１３）の充放電状態が、充電中か放電中かを判定する第二の判定手段により、前記蓄電装置（１３）が放電中と判定されたときに、電力系統（１）からのバックアップ電流を通電制御するバックアップ電流制御手段と、
を更に備えた、ことを特徴とする請求項１又は３の直流連系による家庭用分散型電源装置。
【請求項５】
前記バックアップ電流の検出手段と、前記蓄電装置（１３）から前記直流幹線（１２）に充放電する電流の検出手段と、前記蓄電装置（１３）から前記直流幹線（１２）に充放電する電流の積算量演算手段と、直流幹線電圧の検出手段と、前記温水器（１５）への給電電流の検出手段と、前記蓄電装置（１３）の充放電電流積算量から、該蓄電装置（１３）が浮動充放電域内にあるかどうかを判定する第一の判定手段により、あらかじめ設定された蓄電装置（１３）の充放電電流積算量と、蓄電装置（１３）の充放電電流の積算量とを比較し、蓄電装置（１３）の充放電電流の積算量があらかじめ設定された蓄電装置（１３）の充電電流積算量より大なる場合は、蓄電装置（１３）が浮動充放電域を逸脱し充電域にあると判定し、
かつ前記蓄電装置（１３）の充放電状態が、充電中か放電中かを判定する第二の判定手段により、前記蓄電装置（１３）が充電中と判定されたときに、温水器（１５）の給電電流を制御する温水器（１５）の給電電流制御手段（１８）と、
充電電流が過剰な場合には、太陽電池（４ａ）の発電設備（４）を停止する停止手段と、
さらに、過剰分を抑制することが不可能な場合には、燃料電池（４ｂ）の発電装置（４）を停止する停止手段と、
を備えた、ことを特徴とする請求項２又は３の直流連系による家庭用分散型電源装置。
【請求項６】
前記太陽電池（４ａ）の出力電流検出手段と、
前記負荷電流検出手段と、
前記バックアップ電流検出手段と、
前記燃料電池（４ｂ）の出力電流検出手段と、
前記蓄電装置（１３）から直流幹線（１２）に充放電する電流の検出手段と、
前記蓄電装置（１３）から直流幹線（１２）に充放電する電流の積算量演算手段と、
直流幹線電圧検出手段と、
前記太陽電池（４ａ）の出力電流と負荷電流から必要な燃料電池（４ｂ）の出力電流を演算する手段と、
前記演算結果により燃料電池（４ｂ）の出力制御装置に指令を出力し、発電設備（４）の出力電流を負荷電流に等しくする制御手段と、
を備えた、ことを特徴とする請求項１又は２の直流連系による家庭用分散型電源装置。
【請求項７】
発電設備（４）を備えた系統連系において逆潮流を阻止する直流連系による家庭用分散型電源制御方法であって、
電力系統（１）からの交流電力を直流電力に変換して出力する制御整流装置（１１）と、
直流連系の直流母線（１２）に給電する、太陽電池（４ａ）及び燃料電池（４ｂ）といった複数の直流発電設備（４）と、前記直流母線（１２）に連系した、家庭内の直流負荷（８）と、
前記直流母線（１２）に、直流電力を交流電力に変換して出力するインバータ（１６）を介して連系した、家庭内の交流負荷（６）と、前記直流母線（１２）に連系した蓄電装置（１３）と、前記発電設備（４）の出力電流を制御することにより、前記蓄電装置（１３）の充放電電流の積算量をあらかじめ設定した充放電電流積算量の範囲に制御する電力調整装置（１４）と、を備えることにより、
前記電力調整装置（１４）により、太陽電池（４ａ）の出力電流、直流幹線電圧、温水器（１５）の給電電流、蓄電装置（１３）の充放電電流、負荷電流等を検出し、電力系統（１）からのバックアップ電流と温水器（１５）の給電電流と燃料電池出力電流について、
前記負荷減少又は発電力増加により発電電力過剰となった場合に、先ず蓄電装置（１３）に充電し、次に太陽電池（４ａ）の出力電流と負荷電流から演算した必要な燃料電池（４ｂ）の出力電流まで燃料電池（４ｂ）の出力を減少させ、燃料電池（４ｂ）の出力電流と太陽電池（４ａ）の出力電流の和が、負荷電流と平衡になるように制御し、
一方、発電電力不足となった場合に、先ず蓄電装置（１３）から放電し、次に太陽電池（４ａ）の出力電流と負荷電流から演算した必要な燃料電池（４ｂ）の出力電流まで燃料電池出力を増加させ、燃料電池（４ｂ）の出力電流と太陽電池（４ａ）の出力電流の和が、負荷電流と平衡になるように制御することで、前記蓄電装置（１３）の充放電電流積算量を設定値内に維持して、該蓄電装置（１３）に充電した電力で前記直流連系のバックアップをする、ことを特徴とする直流連系による家庭用分散型電源制御方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、発電設備を備えた分散型電源の系統連系において逆潮流を阻止することができる直流連系による家庭用分散型電源装置及びその制御方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般の需要家が太陽光発電設備等の分散型電源を系統連系する場合に、系統連系保護装置が使用されている。
【０００３】
【特許文献１】
例えば、特許第３２６４１３７号に「分散型電源システム及びその制御方法」が開示されている。この発明は、分散型電源システムの出力が電力系統の電圧制御性能を上回る速度で急激に変化したときにも電力系統電圧の変動を低減することができるシステム及びその制御方法について提案されている。
【０００４】
また、図７のブロック図に示す構成例のように、一般の需要家が自家用発電設備を交流電力系統と連系して運転を行なう場合、経済産業省のガイドラインに述べられているように系統連系保護装置の取付けが必要とされている。この交流電力系統では、電力系統１から交流幹線２に給電すると共に、交流幹線２に交流発電装置や燃料電池等の発電設備４で給電し、その「単独運転」は単独運転検出装置により検出し、遮断器５を開放して防止するようになっている。この交流幹線２から交流負荷６に給電する。ここで「単独運転」とは、発電設備が連系している電力系統の電源が、何らかの原因によって遮断された状態において、この電力系統に連系している発電設備のみが運転を継続し、他の需要家等の線路負荷に電力供給している状態をいう。
【０００５】
一般家庭内における交流負荷６としては、エアコン、冷蔵庫、洗濯機等がある。なお、直流を必要とする家庭電気製品は、製品内部の整流回路により交流から直流に変換される。この直流を必要とする負荷としては、ＯＡ機器の他、照明灯やテレビ等の電気製品がある。
【０００６】
このように構成された自家用発電設備の系統連系において、系統側に何らかの異常が発生し電力系統側が停電した場合は、公衆感電、復旧作業者の感電、事故点の拡大等が生じる恐れがあるため、確実に自家発電設備からの逆潮流及び逆充電を阻止し単独運転を防止する必要がある。例えば、電力系統停電時は、各継電器等（通常の保護継電器）では単独運転を検出することが困難である。そこで、単独運転検出装置を設けて遮断器５を開放することにより単独運転防止を行うようにしている。
【０００７】
一方、現在、家庭で使用されている交流負荷（エアコン、冷蔵庫、洗濯機等）のうち、パソコン等のＯＡ機器、テレビ等の電気製品は、交流で給電しているが、機器内部に、交流から直流への変換回路を有している。また、エアコン、照明器具等の家庭電気製品には、回転数制御、電力制御等のためにインバータが内蔵されている。このインバータは、交流幹線２から受電し、出力周波数または出力電力等を制御するものであるが、その電源回路には交流から直流への変換回路部分を有する。
【０００８】
従来、直流自家発電装置を採用する場合、家庭内電源が交流であるので、インバータにより直流を交流に変換しなければならない。一方、交流発電装置を交流電源に並列する場合は、電圧、周波数、位相を電源と合致させるための同期並列装置が必要である。
【０００９】
最近のＩＴ化傾向により、家庭内において、パソコン等のＯＡ機器の重要度が増すと、停電対策のため、ＵＰＳ等の非常用電源を導入することが多くなっている。
【００１０】
分散型電源に太陽電池４ａを備え、電力系統へ逆潮流を有する連系の場合において、深夜電力で蓄電装置を充電し、昼間、太陽電池出力過大時等に系統へ逆潮流となる場合は、蓄電装置を太陽電池４ａの回路から切り離すか、または、蓄電装置から逆潮流が発生しないような制御方法が必要となる。ここで、「逆潮流」とは、発電設備設置者（需要家）の構内から電力系統（電力会社）側へ向かう電力の流れ（電流）をいう。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかし，従来の分散型電源の，屋内幹線を交流電力とする系統連系では，その単独運転を検出するために，単独運転検出装置が必要であるが，従来の単独運転検出装置は，同一電力系統に連系する分散型電源の出力の合計と全負荷がバランスして，電力系統と分散型電源との間に電力の需給がほとんどない場合や，同一電力系統に多数の分散型電源が集中的に連系する場合等，電力系統の条件によっては確実な検出が困難な場合があるという問題を有している。
さらに、分散型電源の発電設備設置者の構内から電力系統側へ向かう電力の流れ即ち逆潮流が増えると、配電電圧が上昇するなど、電力会社の設備管理に悪影響を与えるという問題を有している。
【００１２】
また、太陽電池４ａによる発電設備では、晴天時はその出力が特に大きくなり、家庭での消費電力が少ない場合、逆潮流の増大により系統電圧が上昇し、法定値を上回る場合は、直流／交流インバータ（パワーコンデイショナ）の出力抑制機能により、発生電力を抑制することにより逆潮流を制限している。即ち、家庭における発電設備４からの電力を有効に利用できないという問題を有している。
【００１３】
本発明は、かかる問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、系統連系を直流連系にして回路構成上から逆潮流を阻止することにより、
電力系統の条件によらず確実に単独運転を防止することで単独運転検出装置を不要とすると共に、直流発電装置の発生電力を交流に変換することなく、直接、直流として利用できるようにすること、
逆潮流による配電電圧上昇に伴い抑制されていた発電出力を、蓄電装置、温水器を組合せて充電制御することにより有効に利用できるようにすること、
また、負荷変動等により生じた発電電力の過不足分については、系統からのバックアップ、蓄電装置及び温水器を組み合わせこれらの給電量を最適に制御すること、
更に、家庭内電源幹線を直流とすることにより、現在、家庭用電化製品において内蔵されている交流を直流に変換する回路部分を省略すること、
ができる直流連系による分散型電源装置及びその制御方法を提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、家庭内において直流を使用する直流幹線（１２）と、電力系統（１）からの交流を直流に変換して出力する制御整流装置（１１）と、前記直流幹線（１２）に給電するための太陽電池（４ａ）及び燃料電池（４ｂ）といった複数の発電設備（４）と、前記直流幹線（１２）に接続した直流負荷（８）と、前記直流幹線（１２）に、直流を交流に変換して出力するインバータ（１６）を介して給電される交流負荷（６）と、前記直流幹線（１２）に接続した蓄電装置（１３）と、から成り、前記発電設備（４）の出力電流、前記直流負荷（８）及び前記交流負荷（６）の変化に対し、前記電力系統（１）から分散型電源装置へのバックアップ電流と、前記太陽電池（４ａ）の出力電流検出手段と、負荷電流検出手段と、前記バックアップ電流の検出手段と、前記燃料電池（４ｂ）の出力電流検出手段と、前記蓄電装置（１３）から直流幹線（１２）に充放電する電流検出手段と、該蓄電装置（１３）から直流幹線（１２）に充放電する電流の積算量演算手段と、直流幹線電圧検出手段と、前記太陽電池（４ａ）の出力電流と負荷電流から必要な燃料電池（４ｂ）の出力電流を演算する手段と、その演算結果により燃料電池出力制御装置（１７）に指令を出力し、最終的に太陽電池（４ａ）の出力電流と燃料電池（４ｂ）の出力電流の和を負荷電流に等しくする制御手段と、から成り、前記蓄電装置（１３）の充放電電流の積算量をあらかじめ設定した充放電電流積算量の範囲に制御する電力調整装置（１４）と、を備え、前記分散型電源装置から電力系統（１）へ流れる逆潮流を阻止するように構成した、ことを特徴とする直流連系による家庭用分散型電源装置が提供される。
【００１６】
前記制御整流装置（１１）を通して給電され、かつ前記発電設備（４）である燃料電池（４ｂ）に生じる排熱を利用して温水を発生する温水器（１５）を、更に備えることができる。
前記蓄電装置（１３）の充電電流積算量が過剰になり、かつ該蓄電装置（１３）の充放電電流の積算値が浮動充電域を逸脱し充電域になった場合、その過剰分を前記温水器（１５）に給電する制御を行うために、該温水器（１５）に給電流制御装置を更に備えることができる。
【００１８】
前記バックアップ電流の検出手段と、前記蓄電装置（１３）から前記直流幹線（１２）に充放電する電流の検出手段と、前記蓄電装置（１３）から前記直流幹線（１２）に充放電する電流の積算量の演算手段と、直流幹線電圧の検出手段と、前記蓄電装置（１３）の充放電電流積算量から、該蓄電装置（１３）が浮動充放電域内にあるかどうかを判定する第一の判定手段により、あらかじめ設定された蓄電装置（１３）の充放電電流積算量と、該蓄電装置（１３）の充放電電流の積算量とを比較し、該蓄電装置（１３）の充放電電流の積算量があらかじめ設定された蓄電装置（１３）の放電電流積算量より小なる場合は、蓄電装置（１３）が浮動充放電域を逸脱し放電域にあると判定し、かつ前記蓄電装置（１３）の充放電状態が、充電中か放電中かを判定する第二の判定手段により、前記蓄電装置（１３）が放電中と判定されたときに、電力系統（１）からのバックアップ電流を通電制御するバックアップ電流制御手段と、を備えることができる。
【００１９】
前記バックアップ電流の検出手段と、前記蓄電装置（１３）から前記直流幹線（１２）に充放電する電流の検出手段と、前記蓄電装置（１３）から前記直流幹線（１２）に充放電する電流の積算量演算手段と、直流幹線電圧の検出手段と、前記温水器（１５）への給電電流の検出手段と、前記蓄電装置（１３）の充放電電流積算量から、該蓄電装置（１３）が浮動充放電域内にあるかどうかを判定する第一の判定手段により、あらかじめ設定された蓄電装置（１３）の充放電電流積算量と、蓄電装置（１３）の充放電電流の積算量とを比較し、蓄電装置（１３）の充放電電流の積算量があらかじめ設定された蓄電装置（１３）の充電電流積算量より大なる場合は、蓄電装置（１３）が浮動充放電域を逸脱し充電域にあると判定し、かつ前記蓄電装置（１３）の充放電状態が、充電中か放電中かを判定する第二の判定手段により、前記蓄電装置（１３）が充電中と判定されたときに、温水器（１５）の給電電流を制御する温水器（１５）の給電電流制御手段（１８）と、充電電流が過剰な場合には、太陽電池（４ａ）の発電設備（４）を停止する停止手段と、さらに、過剰分を抑制することが不可能な場合には、燃料電池（４ｂ）の発電装置（４）を停止する停止手段と、を備えることができる。
【００２０】
前記太陽電池（４ａ）の出力電流検出手段と、前記負荷電流検出手段と、前記バックアップ電流検出手段と、前記温水器（１５）の給電電流検出手段と、前記燃料電池（４ｂ）の出力電流検出手段と、前記蓄電装置（１３）から直流幹線（１２）に充放電する電流の検出手段と、前記蓄電装置（１３）から直流幹線（１２）に充放電する電流の積算量演算手段と、直流幹線電圧検出手段と、前記太陽電池（４ａ）の出力電流と負荷電流から必要な燃料電池（４ｂ）の出力電流を演算する手段と、前記演算結果により燃料電池（４ｂ）の出力制御装置に指令を出力し、太陽電池（４ａ）の出力電流と燃料電池（４ｂ）の出力電流の和を負荷電流に等しくする制御手段と、を備えることができる。
【００２１】
第一の判定手段により、蓄電装置充放電電流積算量が浮動充放電域と判定された場合は、発電設備の出力電流の和が負荷電流と平衡するよう燃料電池出力を制御する。最終的にこれが平衡状態になったとき、バックアップ電流及び温水器給電電流が零になるよう制御される。
【００２２】
このような制御内容を繰り返すことにより、最終的に、太陽電池（４ａ）の出力と燃料電池（４ｂ）の出力の和が負荷電流に平衡した状態で落ち着くことになる。
【００２３】
大幅な負荷変動、発電出力変動が原因で、蓄電装置（１３）および温水器（１５）の能力を超えた充電電流が発生した場合の安全対策として、温水器貯湯温度を検出し、貯湯温度上昇限度設定値を超過した場合、発電設備（４）を停止することにより、蓄電装置（１３）の過充電及び温水器（１５）の過熱を阻止し、安全性を高めることができる。
【００２４】
上記構成の制御装置では、需要家内の配電幹線を直流とし、系統と直流連系とするので、回路構成上から逆潮流を阻止することでき、その系統に対し保安上の信頼性が高くなるほか、系統電圧維持等の電力設備管理上の問題を発生しない。また、インバータを使用した家庭用電化製品の内部回路に構成されている交流−直流変換部分を省略でき、その家庭用電化製品のコストダウンに寄与することができる。
【００２５】
また、燃料電池（４ｂ）は出力変化速度が遅いので、負荷急変に対応することは困難であるが、電力系統からのバックアップ回路および直流回路に蓄電装置（１３）及び通電電流を制御することが可能な温水器（１５）を備えることにより、負荷急変に対し、バックアップ電流の調整及び蓄電装置（１３）の充放電および温水器（１５）に通電することにより即応することが可能となる。例えば、発電出力が不足の場合は、蓄電装置（１３）から速やかに放電し、さらに不足の場合は、電力系統（１）からのバックアップを可能とする。逆に発電出力が過剰の場合は、蓄電装置（１３）に速やかに充電し、さらに過剰の場合は温水器へ通電制御する。従って、系統との急速な送受電がなく、高速応答性を必要としないので、半導体高速スイッチを使用しなくとも急激な負荷変化に対応することを可能とする。
【００２６】
更に、発電設備（４）の燃料電池（４ｂ）に生じる排熱を利用することにより、温水を生成しコージェネレーション・システムとすることも可能である。このように高温になりやすい燃料電池（４ｂ）の排熱を温水器（１５）の加温に利用することができる。さらに、直流幹線（１２）から給電制御装置を通して、温水器（１５）の加温に使用することにより、発電電力過剰の場合に過剰電力を熱として蓄えることが可能となった。
【００２７】
本発明の制御方法によれば、発電設備（４）を備えた系統連系において逆潮流を阻止する直流連系による家庭用分散型電源制御方法であって、電力系統（１）からの交流電力を直流電力に変換して出力する制御整流装置（１１）と、直流連系の直流母線（１２）に給電する、太陽電池（４ａ）及び燃料電池（４ｂ）といった複数の直流発電設備（４）と、前記直流母線（１２）に連系した、家庭内の直流負荷（８）と、前記直流母線（１２）に、直流電力を交流電力に変換して出力するインバータ（１６）を介して連系した、家庭内の交流負荷（６）と、前記直流母線（１２）に連系した蓄電装置（１３）と、前記発電設備（４）の出力電流を制御することにより、前記蓄電装置（１３）の充放電電流の積算量をあらかじめ設定した充放電電流積算量の範囲に制御する電力調整装置（１４）と、を備えることにより、前記電力調整装置（１４）により、太陽電池（４ａ）の出力電流、直流幹線電圧、温水器（１５）の給電電流、蓄電装置（１３）の充放電電流、負荷電流等を検出し、電力系統（１）からのバックアップ電流と温水器（１５）の給電電流と燃料電池出力電流について、前記負荷減少又は発電力増加により発電電力過剰となった場合に、先ず蓄電装置（１３）に充電し、次に太陽電池（４ａ）の出力電流と負荷電流から演算した必要な燃料電池（４ｂ）の出力電流まで燃料電池（４ｂ）の出力を減少させ、燃料電池（４ｂ）の出力電流と太陽電池（４ａ）の出力電流の和が、負荷電流と平衡になるように制御し、一方、発電電力不足となった場合に、先ず蓄電装置（１３）から放電し、次に太陽電池（４ａ）の出力電流と負荷電流から演算した必要な燃料電池（４ｂ）の出力電流まで燃料電池出力を増加させ、燃料電池（４ｂ）の出力電流と太陽電池（４ａ）の出力電流の和が、負荷電流と平衡になるように制御することで、前記蓄電装置（１３）の充放電電流積算量を設定値内に維持して、該蓄電装置（１３）に充電した電力で前記直流連系のバックアップをする、ことを特徴とする直流連系による家庭用分散型電源制御方法が提供される。
【００２８】
上記構成の制御方法では、時間帯によって負荷減少又は発電電力増加により発電電力過剰或いは電力不足となった場合に、蓄電装置（１３）の充放電を制御すると共に太陽電池（４ａ）と燃料電池（４ｂ）の出力電流を制御することにより、深夜電力を利用する機能及びピークカット機能を容易に付加することができる。発電設備（４）の燃料電池（４ｂ）の出力変化速度が小さい分を、蓄電装置（１３）の充放電により補うことにより、燃料電池（４ｂ）の性能を超えた急激な負荷増に対しても応答が可能となった。
【００２９】
更に、蓄電装置（１３）の充放電量の積算量を制御できるので、過充電、過放電を避けることができる。
【００３０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施の形態について図面を参照して説明する。
図１は本発明の直流連系による分散型電源制御装置の基本構成を示すブロック図である。
本発明の直流連系による分散型電源制御装置は、電力系統１からの交流を直流に変換して出力する制御整流装置１１と、直流幹線１２に給電する直流発電設備４と、直流幹線１２に接続した直流負荷８と、直流幹線１２に直流を交流に変換して出力するインバータ１６を介して接続した交流負荷６と、直流幹線１２に接続した蓄電装置１３と、直流幹線１２に接続した給電制御装置１８を有する温水器１５と電力調整装置１４とを備えたものである。
【００３１】
バックアップ用制御整流装置１１は制御整流素子と整流器により構成され、直流／直流コンバータは直流側に逆流阻止のためダイオードを設置することができる。
【００３２】
本発明の分散型の発電設備４としては太陽電池４ａ及び燃料電池４ｂがある。即ち、本発明は直流連系として回路構成上から逆潮流を阻止するものであるから、直流系統に接続が容易な複数種類の直流発電設備４を配置した。この他にも種々の発電設備４を利用することができる。例えば、生ゴミ等の廃棄物を発酵処理した発酵槽において、メタンガス等のバイオガスを発酵生成させ、このバイオガスをコージェネレーション・システムの燃料として利用する発電設備４も可能である。なお交流発電設備を利用することも勿論可能であるが、この場合は、交流電力を直流電力に変換して出力するために整流装置を必要とする。更に、本発明の発電設備４としては、太陽電池光・熱複合モジュール、小型風車、ガスエンジン等を利用することができる。
【００３３】
直流幹線１２に接続した直流負荷８は、家庭内のＯＡ機器等があり、他に直流で使用できる照明灯やアイロン等がある。更に、この直流幹線１２には給電電流制御装置を有する温水器１５を接続する。
【００３４】
また、交流負荷６は直流幹線１２に、直流を交流に変換して出力するインバータ１６を介して給電するものであり、家庭内のエアコン、冷蔵庫、洗濯機等の交流機器がある。これらの交流電源で使用する家庭電気製品には、交流を直流に変換し、さらに直流を交流に変換する回路を内蔵しているものが多いが、直流を電源とすることにより交流を直流に変換する回路部分が不要となる。
【００３５】
電力調整装置１４は、太陽電池出力電流、直流幹線電圧、温水器給電電流、蓄電装置充放電電流、負荷電流等を検出し、電力系統１からのバックアップ電流と温水器給電電流と燃料電池出力電流を制御することにより、蓄電装置１３の充放電電流積算量を設定値内に維持するよう制御する。
【００３６】
負荷と発電出力が平衡状態の場合は、バックアップ電流及び温水器給電電流がなく、太陽電池出力と燃料電池出力が負荷にバランスした状態で運転している。
【００３７】
負荷減少又は発電力増加により発電電力過剰となった場合は、同時に、太陽電池出力電流と負荷電流から演算した必要な燃料電池出力電流まで燃料電池出力を減少するように制御指令を出すが、実際の出力減少までは時間遅れを生じるので、まず蓄電装置１３に充電する。さらに発電力過剰の場合で、蓄電装置充放電電流の積算値が浮動充電域を逸脱し充電域にある場合は温水器給電電流制御装置により温水器給電電流を増やし、余剰電力を熱として貯蔵する。
時間遅れで燃料電池出力が減少すると、蓄電装置１３から放電電流が流れようとするが、この電流を検出して温水器給電電流制御装置により、温水器給電電流減指令を出す。この制御により温水器給電電流が減少し、流れようとした蓄電装置１３の放電電流を打消す。この制御を繰り返すことにより、太陽電池出力電流と負荷電流から演算した必要な燃料電池出力電流まで燃料電池出力を減少するように制御し、温水器給電電流が減少する。
最終的に、燃料電池出力電流と太陽電池出力電流の和が、負荷電流と平衡する。
【００３８】
逆に、負荷増加又は発電力減少により発電電力不足となった場合は、同時に、太陽電池出力電流と負荷電流から演算した必要な燃料電池出力電流まで燃料電池出力を増加するように制御指令を出すが、実際の出力増加までは時間遅れを生じるので、まず蓄電装置１３から放電する。
さらに、蓄電装置充放電電流の積算量が浮動充電域を逸脱し、かつ放電域にある場合は、蓄電装置１３からの放電電流を検出して、放電電流を打消すように、負荷にバックアップ電流を給電する。
時間遅れで燃料電池出力が増加すると、蓄電装置１３に充電電流が流れようとする。この電流を検出してバックアップ電流制御により、バックアップ電流減指令を出す。この制御により、流れようとした蓄電装置１３の充電電流を打消す。
この制御を繰り返すことにより、太陽電池出力電流と負荷電流から演算した必要な燃料電池出力電流まで燃料電池出力を増加するように制御し、バックアップ電流が減少する。
最終的に、燃料電池出力電流と太陽電池出力電流の和が、負荷電流と平衡する。
【００３９】
電力調整装置１４は、燃料電池制御用信号を、燃料電池４ｂを制御する燃料電池出力制御装置１７に出力し、バックアップ電流制御信号をバックアップ電流制御用整流装置１８の点弧角制御装置へ出力し、温水器給電量制御信号を温水器給電制御用整流装置１８の点弧角制御装置へ出力し、さらに、温水器過熱防止制御手段により演算された太陽電池停止・再運転信号及び燃料電池停止・再運転信号を出力する。
【００４０】
直流発電設備４を備えた、電力系統１と半導体制御整流装置により直流連系にし、回路構成上から逆潮流を阻止することを特徴とした分散型電源システムにおいて、電力調整装置１４は、負荷の変動や発電出力の変化に伴い発生する電力の不平衡に対応するため、燃料電池４ｂの出力を制御する機能を有する。
電力調整装置１４は、太陽電池出力電流検出手段と、負荷電流検出手段と、バックアップ電流の検出手段と、温水器通電電流検出手段と、燃料電池出力電流検出手段と、分散型電源システムの蓄電装置１３から直流幹線１２に充放電する電流検出手段と、分散型電源システムの蓄電装置１３から直流幹線１２に充放電する電流の積算量演算手段と、直流幹線電圧検出手段と、太陽電池出力電流と負荷電流から必要な燃料電池出力電流を演算する手段と、演算結果により燃料電池出力制御装置１７に指令を出力し、最終的に太陽電池出力電流と燃料電池出力電流の和を負荷電流に等しくする制御手段とを備えたものである。
【００４１】
更に、電力調整装置１４は、バックアップ電流制御用制御整流装置点弧角制御回路と、燃料電池４ｂを制御する出力制御装置１７と、温水器給電電流制御用制御整流装置点弧角制御回路に制御信号を出力する制御と、温水器１５の過熱防止のために太陽電池４ａ及び燃料電池４ｂを停止・再起動する制御機能を有する。
【００４２】
充放電電流検出設定回路において、設定値を直流幹線電圧で補正することにより、直流幹線電圧が定格値より高い場合は、放電電流を増加補正、充電電流を減少補正し、直流幹線電圧が定格値より低い場合は、放電電流を減少補正、充電電流を増加補正し、蓄電装置１３の能力を活用する。
【００４３】
このように本発明は、需要家内電気幹線を直流とし、系統連系を直流連系とするので回路構成上から逆潮流を阻止することできる。その他、蓄電装置１３を接続しているので、停電に対する信頼性が高いので、ＯＡ機器等で瞬時停電対策として設置される無停電電源装置（ＵＰＳ等）が不要になり、そのコストダウンに寄与することができる。
【００４４】
更に、燃料電池４ｂ等の発電設備４では排熱が生じるので、これを温水の生成に利用することができる。例えば、この排熱を温水器１５の加温に利用することができる。即ち、温水器１５は、給電制御装置により過剰発電力を熱として蓄えることができる他、燃料電池４ｂの排熱を有効利用することができる。
【００４５】
図２は電力調整装置の構成を示すブロック図である。
電力調整装置１４は、データ入力・変換部及びマイクロコンピュータなどを主体とした中央処理・演算部を中心として構成されている。中央処理・演算部には、バックアップ電流（ｉＢＵＰ）、蓄電装置充放電電流、太陽電池出力電流、燃料電池出力電流、負荷電流、温水器給電電流、温水器貯湯温度、直流幹線電圧、浮動充電域判定値（充電域）、浮動充電域判定値（放電域）、温水器過熱防止設定温度、太陽電池再運転設定温度、燃料電池再運転設定温度、深夜電力タイマー設定がデータ入力・変換部を介して入力される。
【００４６】
中央処理・演算部において作成された制御信号は、制御信号変換・出力部を介して、バックアップ電流制御用点弧角制御信号、燃料電池出力制御信号、温水器給電電流制御用点弧角制御信号、燃料電池停止・再運転制御信号、太陽電池停止・再運転制御信号として出力される。
【００４７】
以上説明した本発明の電力制御装置の作動内容について、図３と図４に示すフローチャートにより説明する。図５は発電設備が太陽電池のみにおける電力調整装置による制御を示すフローチャート図である。
先ず、データ入力変換部で、バックアップ電流（ｉＢＵＰ）、蓄電装置充放電電流、太陽電池出力電流、燃料電池出力電流、負荷電流、温水器給電電流、温水器貯湯温度、直流幹線電圧が読み取られ、数秒以下の変動分を除去するため、平滑化処理され、外部設定値として、浮動充電域判定値（充電域）、浮動充電域判定値（放電域）、深夜電力タイマー設定が入力される。これらの信号及び設定値が中央処理・演算部に入力され、演算が行われる。
【００４８】
次に、蓄電装置１３の充放電状況を判定するために必要な、蓄電装置充放電電流の積算量を演算する。充放電電流の積算量の初期値は、定期的に行う充電が終了した状態を充電完了状態として、設定されている。以後、充電電流が正、放電電流が負として充放電電流が積算される。
【００４９】
まず、蓄電装置１３が浮動充電域にあると判定される場合の制御内容について説明する。
第1の判定回路で、蓄電装置充放電電流の積算量（ΣＩＢ）と、浮動充電域判定値（放電域）（ＩＢｄ）が比較され、前記蓄電装置充放電電流の積算量（ΣＩＢ）が浮動充電域判定値（放電域）（ＩＢｄ）より大で、かつ浮動充電域判定値（充電域）（ＩＢｃ）より小なる場合は、蓄電装置１３が浮動充電域にあると判定される。
この場合は、蓄電装置１３の浮動充放電を行いながら、発電設備４の出力電流が負荷電流と平衡するように、燃料電池４ｂの出力が制御される。
【００５０】
蓄電装置１３が浮動充電域を逸脱し放電域にあると判定される場合の制御内容について説明する。
第1の判定回路で、蓄電装置充放電電流の積算量（ΣＩＢ）と、浮動充電域判定値（放電域）（ＩＢｄ）が比較され、蓄電装置充放電電流の積算量（ΣＩＢ）が浮動充電域判定値（放電域）（ＩＢｄ）より小なる場合は、蓄電装置１３が浮動充電域を逸脱し放電領域にあると判定される。
【００５１】
次のステップでは、第２の判定回路で、蓄電装置充放電電流が負の場合は、蓄電装置１３が放電状態にあると判定される。
【００５２】
前述したように、蓄電装置１３の過放電を避けるために、バックアップ用半導体制御整流装置１１に点弧角制御信号を出力し、放電電流（ＩＢ）を打消すようにバックアップ電流（ｉＢＵＰ）の給電制御を行う。燃料電池４ｂは出力変化速度が小さく、速い負荷変化には追従することが難しいが、バックアップ用半導体制御整流装置１１は応答が速いので、負荷の変動や発電出力の変化に伴い発生する電力の不平衡に、即応することが可能となる。
【００５３】
負荷電流の変動や発電出力電流の変化に伴い発生する電流の不平衡に対応するため、燃料電池４ｂの出力を制御する。
【００５４】
燃料電池４ｂが必要とする出力の制御信号（ＩＦｒ）は、
負荷電流（ＩＬ）と太陽電池出力電流（ＩＳ）の差
ＩＦｒ＝ＩＬ―ＩＳ    として演算される。
【００５５】
演算の結果得られた、燃料電池４ｂが必要とする出力の制御信号（ＩＦｒ）と、
現在の燃料電池出力（ＩＦ）から、燃料電池４ｂの出力制御信号（△ＩＦ）は
△ＩＦ＝ＩＦｒ―ＩＦ            として演算される。
【００５６】
ここで、負荷過剰又は発電力不足の場合は、△ＩＦ＞０  となり燃料電池４ｂの出力増加信号となる。
負荷過剰又は発電力不足により燃料電池出力増信号が出るが、実出力増加が遅れるので不足分は瞬時に蓄電装置１３の放電により給電される。
すると、バックアップ電流制御により、蓄電装置放電電流を検出し、これを打消すように、バックアップ電流制御回路に点弧角制御信号増を出力する制御を行い、負荷電流の不足分が系統からバックアップされる。
【００５７】
バックアップ電流制御機能は、蓄電装置１３の放電電流を検出し、放電電流があらかじめ設定した値になるように、蓄電装置１３からの放電電流を打消す方向に負荷電流としてバックアップ電流（ｉＢＵＰ）を給電するよう制御する。
放電電流のあらかじめ設定した値は、通常は零とし、ピークカット運転等のため蓄電装置１３を強制放電する場合は、別に設定することができる。放電電流があらかじめ設定した値以下となった場合は、バックアップ電流（ｉＢＵＰ）を零となるように制御する。
【００５８】
このような制御内容を繰り返すことにより、最終的に、蓄電装置充放電電流の積算量（ΣＩＢ）が浮動充放電域内になり、太陽電池出力と燃料電池出力の和が負荷電流に平衡した状態で落ち着くことになる。
【００５９】
蓄電装置１３の充放電制御は、ピークカットのための強制放電制御、及び深夜電力利用のための強制充電制御を行うことができる。
【００６０】
次に、蓄電装置１３が浮動充電域を逸脱し充電域にあると判定される場合の制御内容について説明する。
【００６１】
第1の判定回路で、蓄電装置充放電電流の積算量（ΣＩＢ）と、浮動充電域判定値（充電域）（ＩＢｃ）が比較され、蓄電装置充放電電流の積算量（ΣＩＢ）が浮動充電域判定値（充電域）（ＩＢｃ）より大なる場合は、蓄電装置１３が浮動充電域を逸脱し充電域にあると判定される。
【００６２】
次のステップでは、第２の判定回路で、蓄電装置充放電電流が正の場合は、蓄電装置１３が充電状態にあると判定される。
【００６３】
前述したように、蓄電装置１３の過充電を避けるために、温水器給電用半導体制御整流装置１８に点弧角制御信号を出力し、充電電流（ＩＢ）を打消すように温水器給電電流の制御を行う。燃料電池４ｂは出力変化速度が小さく、早い負荷変化には追従することが難しいが、温水器給電用半導体制御整流装置１８は制御応答が速いので、負荷の変動や発電出力の変化に伴い発生する電力の不平衡に、即応することが可能となる。
【００６４】
負荷電流の変動や発電機出力電流の変化に伴い発生する電流の不平衡に対応するため、燃料電池４ｂの出力電流を制御する。
燃料電池４ｂが必要とする出力の制御信号（ＩＦｒ）は、
負荷電流（ＩＬ）と太陽電池出力電流（ＩＳ）の差
ＩＦｒ＝ＩＬ―ＩＳ    として演算される。
【００６５】
演算結果得られた、燃料電池４ｂが必要とする出力の制御信号（ＩＦｒ）と、現在の燃料電池出力電流（ＩＦ）から、燃料電池４ｂの出力制御信号（△ＩＦ）は、    △ＩＦ＝ＩＦｒ―ＩＦ            として演算される。
【００６６】
ここで、負荷減少又は発電力過剰の場合は、△ＩＦ＜０  となり燃料電池４ｂの出力減少信号となる。
負荷減少又は発電力過剰により燃料電池出力減信号が出るが、実出力減少が遅れるので過剰分は瞬時に蓄電装置１３に充電される。
すると、温水器通電電流制御により蓄電装置充電電流を検出し、これを逃がすように温水器通電電流制御用整流装置点弧角制御回路に点弧角制御信号増を出力し、温水器通電電流を増加する制御を行う。
蓄電装置充電電流を温水器１５に通電して逃がしている状態で燃料電池出力が減少すると、出力減少分が蓄電装置１３から放電電流として流れようとするので、この電流を検出し、温水器通電電流制御機能により、温水器通電電流を減少するように、温水器通電電流制御用整流装置点弧角制御回路に点弧角制御信号を出力する制御を行う。
【００６７】
温水器通電電流制御機能は、蓄電装置１３の充電電流を検出し、充電電流があらかじめ設定した値になるように、蓄電装置１３からの充電電流を温水器１５に逃がす方向に温水器加熱用として温水器１５の給電電流を制御する。
充電電流のあらかじめ設定した値は、通常は零とし、深夜電力利用のため蓄電装置１３を充電する場合などは、別に設定することができる。充電電流があらかじめ設定した値以下となった場合は、温水器給電電流を零となるように制御する。
【００６８】
このような制御内容を繰り返すことにより、最終的に、蓄電装置充放電電流の積算量（ΣＩＢ）が浮動充放電域内になり、太陽電池出力と燃料電池出力の和が負荷電流に平衡した状態で落ち着くことになる。
【００６９】
大幅な負荷減少、発電出力増加が原因で、蓄電装置１３の充電域を超え、さらに温水器１５の能力を超えた発電電力過剰分が発生した場合の安全対策として、発電設備４の停止制御を行う。貯湯温度を検出し、貯湯温度が所定の設定貯湯温度以上になると、太陽電池４ａの運転中は太陽電池４を停止し、太陽電池４ａの停止中であれば燃料電池４ｂ発電設備４の停止制御信号を出す。
さらに、貯湯温度が所定の設定貯湯温度以上になると、太陽電池４ａおよび燃料電池４ｂ発電設備４の同時停止制御を行うことにより、蓄電装置１３の過充電を阻止し、安全性を高めることができる。
【００７０】
このような制御内容を繰り返すことにより、最終的に、蓄電装置充放電電流の積算量（ΣＩＢ）が浮動充放電域内になり、太陽電池４ａの出力と燃料電池４ｂの出力の和が負荷電流に平衡した状態で落ち着くことになる。
【００７１】
燃料電池４ｂの運転パターンを図３のＢ側に切り替えることにより、前記蓄電装置充放電電流の積算量（ΣＩＢ）が前記浮動充放電域内にある場合は、燃料電池４ｂを定出力運転することもできる。
【００７２】
このように、本発明は直流連系に蓄電装置１３及び、給電制御装置を有する温水器１５を有するので、発電設備４の燃料電池４ｂの出力変化速度が小さい分を、蓄電装置１３の充放電制御及び、温水器１５の通電制御により補うことが可能であり、急激な負荷変化に対して、容易にその発電出力と負荷のバランスを制御することができる。さらに、プログラム制御等によりこの蓄電装置１３の充放電を制御することにより、深夜電力を利用することができるとともに、ピークカット機能を容易に付加することができる。
【００７３】
発電設備４には、交流発電機を使用することもできる。但し、この場合は、直流幹線１２と接続するため、交流／直流変換装置が必要である。蓄電装置１３には、鉛蓄電池、リチウムイオン電池、静電キャパシタを使用することができる。
【００７４】
半導体制御整流素子には、シリコン制御整流素子（ＳＣＲ）、絶縁ゲート形バイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）、双方向制御整流素子を使用することができる。双方向制御整流素子の場合は、一方向素子として使用することが可能である。
【００７５】
図６は交流給電の従来の分散型電源装置と本発明の直流給電方式の分散型電源装置の比較を示すブロック図である。
【００７６】
なお、本発明は上述した発明の実施の形態に限定されず、系統連系を直流連系にして回路構成上から逆潮流を阻止する電源制御装置（方法）であれば、上述した系統連系に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更できることは勿論である。
【００７７】
【発明の効果】
本発明の直流連系による分散型電源制御装置は、主に太陽電池と燃料電池といった複数の直流電源を有するので系統連系を直流連系にして回路構成上から逆潮流を阻止することができ、単独運転検出装置が不要となり、電力系統の条件によらず確実に単独運転を防止できる。分散型電源からの逆潮流がなくなるので、逆潮流に伴う電力系統の電圧上昇など系統管理面での問題を解消することが可能となる。
【００７８】
家庭電気製品に直流を給電するので、従来のパソコン等のＯＡ機器に内蔵されている電源回路に含まれている交流から直流への変換回路（整流回路）を省略することが可能となる。従来のインバータが使用されている家庭用電気製品の内部回路にある、交流から直流への変換回路を省略できる。
【００７９】
また、家庭内の電源幹線に蓄電装置及び給電電流制御装置を有する温水器を有するので、発電設備の出力が特に多い場合でも、その過剰出力を蓄電装置及び給電電流制御装置を有する温水器により吸収する制御が可能である。この制御を行うことにより、蓄電装置の過充電、過放電を避けることができる。
【００８０】
更に、発電設備の燃料電池に生じる排熱を利用することにより、温水を生成することも可能であり、この排熱を温水器の加温に利用することができる、等の効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の直流連系による分散型電源装置及びその制御方法を示すブロック図である。
【図２】電力調整装置の構成を示すブロック図である。
【図３】電力調整装置による制御を示すフローチャート図である。
【図４】図３のフローチャート図における温水器加熱防止制御部分を示すフローチャート図である。
【図５】発電設備が太陽電池のみにおける電力調整装置による制御を示すフローチャート図である。
【図６】交流給電の従来の分散型電源装置と本発明の直流給電方式の分散型電源装置の比較を示すブロック図である。
【図７】従来の交流給電の概要を示すブロック図である。
【符号の説明】
１  電力系統
４  発電設備
４ａ  太陽電池
４ｂ  燃料電池
５  遮断器
８  直流負荷
６  交流負荷
１１  バックアップ電流制御用制御整流装置（交流→直流）
１２  直流連系の直流母線
１３  蓄電装置
１４  電力調整装置
１５  温水器
１６  インバータ（直流→交流）
１７  燃料電池出力制御装置
１８  温水器給電電流制御用制御整流装置
【図１】
0003726265.tif 000002
【図２】
0003726265.tif 000003
【図３】
0003726265.tif 000004
【図４】
0003726265.tif 000005
【図５】
0003726265.tif 000006
【図６】
0003726265.tif 000007
【図７】
0003726265.tif 000008