(57)【要約】【課題】自立運転時に必要とされるバランストランスの容量を低減し、低コストで宅内の広範囲の負荷に安定的に電力供給する電源システムを実現する。【解決手段】１実施形態の電源システムは、太陽光パネルと、単相３線式の配電系統に連系して前記太陽光パネルの出力を交流に変換するインバータと、蓄電装置と、前記配電系統に連系して前記蓄電装置の出力を交流に変換して前記蓄電装置を放電し、及び前記配電系統に発生している交流を直流に変換して前記蓄電装置を充電する電力変換器と、前記電力変換器と前記配電系統の間に設けられた第１開閉器と、トランスと、前記電力変換器と前記トランスの１次側間に設けられた第２開閉器と、前記トランスの２次側と前記配電系統の間に設けられた第３開閉器とを具備し、自立運転出力する場合、前記第１開閉器は解放され、前記第２及び第３開閉器は投入され、前記インバータは、前記電力変換器によって系統電圧が確立された配電系統に連系する。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
太陽光パネルと、
単相３線式の配電系統に連系して前記太陽光パネルの出力を交流に変換するインバータと、
蓄電装置と、
前記配電系統に連系して前記蓄電装置の出力を交流に変換して前記蓄電装置を放電し、及び前記配電系統に発生している交流を直流に変換して前記蓄電装置を充電する電力変換器と、
前記電力変換器と前記配電系統の間に設けられた第１開閉器と、
トランスと、
前記電力変換器と前記トランスの１次側間に設けられた第２開閉器と、
前記トランスの２次側と前記配電系統の間に設けられた第３開閉器とを具備し、
自立運転出力する場合、前記第１開閉器は解放され、前記第２及び第３開閉器は投入され、前記インバータは、前記電力変換器によって系統電圧が確立された配電系統に連系することを特徴とする電源システム。
【請求項２】
前記配電系統が単相３線式の電源から電力を供給されている場合、前記蓄電装置の放電電力は前記電力変換器から前記トランスを介さずに前記配電系統に供給されることを特徴とする請求項１記載の電源システム。
【請求項３】
自立運転時に前記インバータの出力は、前記電力変換器の出力よりも小さくなるように制御されることを特徴とする請求項１または２記載の電源システム。
【請求項４】
前記インバータの直流側と前記電力変換器の直流側が並列接続されていることを特徴とする請求項１乃至３のうち１項記載の電源システム。
【請求項５】
前記インバータの直流側と前記電力変換器の直流側を並列接続する経路に逆流防止手段が設けられ、前記太陽光パネル側の電力が蓄電装置側に供給されないように構成されていることを特徴とする請求項４記載の電源システム。
【請求項６】
前記逆流防止手段を短絡するスイッチを具備し、前記インバータの直流側電圧と前記電力変換器の直流側電圧の電圧差が所定値以下になった場合、前記スイッチが投入されることを特徴とする請求項５記載の電源システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、単相３線式の配電網において自立運転する電源システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
太陽光発電などの自然エネルギーの普及により一般住宅においても太陽光発電装置を導入する家屋が増えている。日本の住宅用の配電方式は単相３線式方式が普及しており、太陽光パネルはパワーコンディショナを介して連系運転される。一方、地震等によって電力系統が停電になった場合には、自立運転出力用の回路に切り替え、専用自立運転プラグから電源供給することが可能になっている。
【０００３】
また、専用の電源プラグではなく、住宅内の単相３線式の配電網全体を自立運転で電力供給する方式も提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第３３２７７７４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来文献では、単相３線式の配電網について、電力系統からり切り離された場合に、インバータが自立運転することが開示されている。しかしながら、太陽光パネルに接続されるインバータが単相３線式で自立運転するためには、従来では、単相−単相３線式で系統連系するためのバランストランスが必要になる。このバランストランスは、単相出力の太陽光パワーコンディショナで単相３線のＲ−Ｎ相、Ｔ−Ｎ相間の電圧バランスを保つために必要であり、コスト増に大きく直結する部品である。
【０００６】
そこで実施形態は、自立運転時に必要とされるバランストランスの容量を低減し、低コストで宅内の広範囲の負荷に安定的に電力供給する電源システムを実現することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
１実施形態の電源システムは、太陽光パネルと、単相３線式の配電系統に連系して前記太陽光パネルの出力を交流に変換するインバータと、蓄電装置と、前記配電系統に連系して前記蓄電装置の出力を交流に変換して前記蓄電装置を放電し、及び前記配電系統に発生している交流を直流に変換して前記蓄電装置を充電する電力変換器と、前記電力変換器と前記配電系統の間に設けられた第１開閉器と、トランスと、前記電力変換器と前記トランスの１次側間に設けられた第２開閉器と、前記トランスの２次側と前記配電系統の間に設けられた第３開閉器とを具備し、自立運転出力する場合、前記第１開閉器は解放され、前記第２及び第３開閉器は投入され、前記インバータは、前記電力変換器によって系統電圧が確立された配電系統に連系する。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】第１実施形態に係る宅内電源システムの全体構成を示す図である。
【図２】自立運転時の開閉器７〜９の開閉状態を示す図である。
【図３】第２実施形態に係る宅内電源システムの全体構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
［第１実施形態］（基本構成）
以下、電源システムの第１実施形態を図１に従って具体的に説明する。
【００１０】
図１は、第１実施形態に係る太陽光発電装置及び蓄電装置を含む宅内電源システムの全体構成を示す図である。１は電力会社の電力系統から引き込まれる単相３線式電源を表す。単相３線式電源１は、Ｎ相を中点としてＲ−Ｔ相間にＡＣ２００Ｖを発生する。２は太陽光パネルモジュールであり、３は蓄電池である。４は単相３線式電源に接続される宅内負荷（様々な家電機器）を示している。
【００１１】
５は太陽光パワーコンディショナ（ＰＣＳ）であり、制御部５ａ、昇圧チョッパ部５ｂ、平滑コンデンサＣ１、Ｃ２、インバータ５ｃ、ＬＣフィルタ５ｄを含む。昇圧チョッパ部５ｂは制御部５ａの制御の下、太陽光パネル２の電圧を昇圧し最大電力点追従制御を行う。太陽光パネル２は日照量に応じて出力電圧及び出力電力が変化する。また太陽光パネル２は負荷電流が日照量に応じた所定値を超えると急激に出力電圧が低下するとともに出力電力が低下する。制御部５ａは太陽光パネル２が最大電力で動作するよう昇圧チョッパ５ｂを用いて、太陽光パネル２の出力電圧及び電流を制御する。この制御を最大電力点追従制御という。
【００１２】
インバータ５ｃは制御部５ａの制御の下、昇圧チョッパ部５ｂにより昇圧された直流電圧を系統連系してＰＷＭ変調する。ここで系統連系とは、配電系統２１に発生している単相３線式交流と同位相で交流電圧を出力することを言う。ＬＣフィルタ５ｄはインバータ５ｃから出力されるＰＷＭ波形の電圧を、正弦波の電圧に変換する。
【００１３】
６は蓄電池ＰＣＳであり、制御部６ａ、双方向（昇降圧）チョッパ６ｂ、平滑コンデンサＣ３、Ｃ４、電力変換器６ｃ、ＬＣフィルタ６ｄを含む。双方向チョッパ６ｂは制御部６ａの制御の下、蓄電池３の出力電圧を昇圧して蓄電池３を放電させ、及び制御部６ａの制御の下、平滑コンデンサＣ４の電圧を降圧して蓄電池３を充電する。電力変換器６ｃは制御部５ａの制御の下、双方向チョッパ６ｂにより昇圧された直流電圧を、系統連系してＰＷＭ変調する。ＬＣフィルタ６ｄは電力変換器６ｃから出力されるＰＷＭ波形の電圧を、正弦波の電圧に変換する。また電力変換器６ｃは蓄電池３を充電する際に、制御部６ａの制御の下、ＬＣフィルタ６ｄから提供される交流電力を直流電力に変換し、双方向チョッパ６ｂに提供する。
【００１４】
７は配電系統２１を単相３線式電源１に接続するか否かを選択するための開閉器であり、８は蓄電池ＰＣＳ６の系統連系用開閉器、９は自立運転時に閉路する開閉器であり、１０は１次側単相入力を単相３線出力するためのトランスである。２０はこの宅内電源システムを総合的に制御する主制御部である。主制御部２０は開閉器７〜９の開閉を制御するとともに、制御部５ａ、５ｂに指令を与えることにより、太陽光ＰＣＳ及び蓄電池ＰＣＳを制御する。
【００１５】
図１の開閉器の開閉状態は、システムが系統連系を行っている状態を示しており、太陽光ＰＣＳと蓄電池ＰＣＳが単相３線式配電系統に系統連系している。系統連系している場合、太陽光ＰＣＳは単相３線式電源１と共に宅内負荷に電力を供給する。また太陽光ＰＣＳは日照が十分に強ければ、電力系統と宅内負荷と蓄電池に電力を供給する。また、日照が十分あり、宅内負荷に対する電力供給に余裕があり、系統電圧か高く系統に電力を供給できない場合、余剰発電電力は蓄電池に蓄電される。
【００１６】
次に、単相３線式電源１に接続されている電力系統が停電した場合の動作について、図２を参照して説明する。図２は自立運転時の開閉器７〜９の開閉状態を示す。
【００１７】
Ｒ−Ｔ相の系統電圧が所定値以下となると、主制御部２０は停電と判断し、開閉器７を開き、太陽光ＰＣＳ５を停止し、開閉器８を開いて開閉器９を投入し、蓄電池ＰＣＳ６の動作を開始させ、その後太陽光ＰＣＳ５の動作を開始させる。このとき制御部６ａは、宅内配電網のＲ−Ｔ相間電圧がＡＣ２００Ｖとなるように、チョッパ６ｂ、電力変換器６ｄを制御する。これにより、トランス１０を介して蓄電池ＰＣＳが宅内の単相３線式配電網に対して電源供給する。
【００１８】
宅内配線Ｒ−Ｔ相間には２００Ｖ家電機器が接続され、宅内配線ＲＮ相間及びＴＮ相間には様々な１００Ｖ家電機器が任意の数だけ接続されており、任意の数の家電機器が電源ＯＮとなっている。従って、バランストランス１０を使用することなく、単にスイッチ８を閉じて自立運転すると、宅内配線Ｒ−Ｎ相間及びＴ−Ｎ相間の消費電力量は一般に異なり、宅内配線Ｒ−Ｎ相間の電圧及びＴ−Ｎ相間の電圧にアンバランスが生じる。例えば宅内配線Ｒ−Ｎ相間電圧が１３０Ｖ、Ｔ−Ｎ相間電圧が７０Ｖというような電圧となることが想定される。このような場合、１００Ｖ家電機器は正常に動作しないばかりか損傷する可能性もある。本実施形態のようにバランストランスを介して、蓄電池ＰＣＳの電力を宅内負荷に供給することで、宅内配線Ｒ−Ｎ相間の電圧及びＴ−Ｎ相間の電圧にアンバランスは生じない。太陽光ＰＣＳは、蓄電池ＰＣＳが出力する電圧に連系してＡＣ２００Ｖを宅内負荷に供給する。
【００１９】
図１の系統連系状態であれば、太陽光ＰＣＳ５のインバータ５ｃ及び蓄電池ＰＣＳ６の電力変換器６ｃは単相２００Ｖを出力している。すなわち太陽光ＰＣＳ５は、系統電圧と同位相でＡＣ２００Ｖを常に出力し、日照量あるいは宅内負荷に応じて出力電流を変化させる。しかし、図２に示すように前述の開閉器動作により蓄電池ＰＣＳ６がトランス１０を介して電力供給する場合は、トランス２次側電圧が単相３線式の所定電圧、すなわち日本ではＲ−Ｎ相間、Ｔ−Ｎ相間それぞれ単相１００Ｖで、Ｒ−Ｔ相間が２００Ｖになるように、制御部６ａはトランスの変圧比に応じて１次側電圧を決める。例えば１次側と２次側の変圧比が１：２であれば１次側電圧１００Ｖ、２次側電圧２００Ｖとなる。ここで太陽光ＰＣＳ５を動作させずに、蓄電池ＰＣＳをフル出力させる、すなわち２００Ｖの所定定格電力で自立運転させることを考えた場合、変圧器１０のｋＶＡ容量は定格出力分必要となり、変圧器のコスト増大に直結してしまう。
【００２０】
そこで本実施形態では、併設している太陽光ＰＣＳ５が、蓄電池ＰＣＳ６にて自立運転を行っている配電系統へ系統連系することで、太陽光ＰＣＳ側からの電力供給が可能になりバランストランスの容量を減らすことが出来る。この自立運転出力を行う場合には、蓄電池ＰＣＳ６側の自立運転出力容量以下で太陽光ＰＣＳ５が系統連系することになる。蓄電池ＰＣＳ６側の自立運転出力容量以上で太陽光ＰＣＳ５が系統連系すると、Ｒ−Ｎ相間電圧とＴ−Ｎ相間電圧にアンバランスが生じる。これはＲ−Ｎ相間に接続されている宅内負荷の大きさとＴ−Ｎ相間に接続されている宅内負荷の大きさが一般に異なるからである。例えば、自立運転で宅内負荷６ｋＶＡに対して電力供給する必要がある場合、蓄電池ＰＣＳ６はバランストランスを介して３ｋＶＡの出力を行い、太陽光ＰＣＳ５は最大３ｋＶＡで連系することになる。このように、蓄電池３の電力を交流出力する電力変換器６ｃの容量は、自立運転時に供給する予定である宅内負荷の消費電力の１／２の出力が可能である。尚、宅内配電系統の電圧を確立するのは、図２の場合であれば蓄電池ＰＣＳであり、まず蓄電池ＰＣＳ６が宅内配電系統の電圧を確立した後に、ＰＶ−ＰＣＳ５を連系させる。
【００２１】
また本実施形態では図２のように、自立運転時のみにバランストランス１０を介して蓄電池ＰＣＳ６が宅内負荷に電力供給する。単相３線式電源１との系統連系時にバランストランスを介したまま連系運転しても良いが、自立運転モードが単相３線式電源１の電力系統が停電した場合に適用されることを想定すれば、常にバランストランスを介して充放電するのは効率悪化の観点から良くないとも言える。従って、本実施形態では、自立運転モード時のみバランストランスを介して蓄電池ＰＣＳから出力する方式を適用している。
【００２２】
尚、本実施形態では停電時の自立運転について説明したが、例えば電力不足の時、ユーザが意図的に系統連系運転から自立運転に切り替えてもよい。この場合、ユーザから操作部（図示されず）を介して主制御部２０に自立運転モードを指令する信号が入力される。主制御部２０はこの信号に応答して、開閉器７を開く。この後の動作は前述した停電時の動作と同様であるから省略する。
【００２３】
[第２実施形態]
次に、電源システムの第２実施形態を図３を用いて説明する。
【００２４】
図３の第２実施形態では、太陽光ＰＣＳ５の直流リンク部５ｅ、５ｆと蓄電池ＰＣＳ６の直流リンク部６ｅ、６ｆが、スイッチ回路１４を介して接続されている。
【００２５】
太陽光発電の場合であると電源が不安定となるため、図２の実施形態では自立運転出力を高出力で安定して出力することが出来ない。従って図３の実施形態では、蓄電池ＰＣＳ６と太陽光ＰＣＳ５の直流リンク部が逆流防止手段としてのダイオード１１を介して接続され、この問題を解消している。
【００２６】
太陽光ＰＣＳ５が無負荷状態で停止している際に、太陽光パネルの発電によって昇圧チョッパ部のダイオード１３を介して、直流コンデンサＣ２が充電されて４００Ｖ以上の高電圧になってしまう場合がある。そのような状況下で蓄電池ＰＣＳ６の直流リンクを太陽光ＰＣＳの直流リンクに直接つなげてしまった場合電位差から過電流が流れる可能性がある。これを防止するために逆流防止のダイオード１１が接続されている。太陽光ＰＣＳ５の直流リンク電圧が高く、蓄電池ＰＣＳ６の直流リンク電圧が低い場合、蓄電池ＰＣＳ６が宅内配電系統に自立出力して系統電圧を確立したのち、太陽光ＰＣＳ５が連系運転すればよい。太陽光ＰＣＳ５の出力が低下した場合、蓄電池ＰＣＳ側直流リンクから太陽光ＰＣＳ５の直流リンクへ電流が流れ２つの直流リンク電圧は同電位となり、太陽光ＰＣＳから電流が安定して出力される。
【００２７】
また、太陽光パネル２の発電量が大きく、太陽光ＰＣＳの直流リンク電圧が蓄電池ＰＣＳの直流リンク電圧に対して同電位以上となった場合は、ダイオード１１をスイッチング素子１２により短絡することでバイパスし、太陽光パネルの発電電力を蓄電池の充電に直接回すことが可能となる。
【００２８】
以上のように構成、実施することで、自立運転時に必要とされるバランストランスの容量を低減し、低コストで宅内の広範囲の負荷に安定的に電力供給することが出来るようになる。
【００２９】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００３０】
１…単相３線式電源、２…太陽光パネルモジュール、３…蓄電池、４…宅内負荷、５…太陽光パワーコンディショナ（ＰＣＳ）、５ａ…制御部、５ｂ…昇圧チョッパ、５ｃ…インバータ、５ｄ…ＬＣフィルタ、６…蓄電池ＰＣＳ、６ａ…制御部、６ｂ…双方向チョッパ、６ｃ…電力変換器、６ｄ…ＬＣフィルタ、７、８、９…開閉器、１０…バランストランス、２０…主制御部、Ｃ１、Ｃ２…平滑コンデンサ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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