(57)【要約】  【課題】  電力を余すことなく逆潮流できる電力変換装置及びそれを用いた系統連系システムを提供すること。  【解決手段】  直流電源の直流電力を交流電力に変換し、前記交流電力を単相３線式商用系統及び交流負荷に供給して系統連系する電力変換部と、前記単相３線式商用系統のＵ−Ｏ相間及び前記Ｏ−Ｗ相間のそれぞれの商用系統電圧を監視する商用系統電圧監視部と、前記電力変換部を前記Ｕ−Ｏ相間またはＯ−Ｗ相間またはＵ−Ｗ相間のいずれかに連系させる出力切替部とを備えた電力変換装置であって、前記Ｕ−Ｏ相間、Ｏ−Ｗ相間及びＵ−Ｗ相間のそれぞれの電圧に応じて前記出力切替部を前記Ｕ−Ｏ相間またはＯ−Ｗ相間またはＵ−Ｗ相間のいずれかに切り替えて前記電力変換部と前記前記交流電力を単相３線式商用系統とを連系運転させるようにしたことを特徴とする。  【選択図】  図１
2006280106.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電源の直流電力を交流電力に変換し、前記交流電力を単相３線式商用系統及び交流負荷に供給して系統連系する電力変換部と、前記単相３線式商用系統のＵ−Ｏ相間及び前記Ｏ−Ｗ相間のそれぞれの商用系統電圧を監視する商用系統電圧監視部と、前記電力変換部を前記Ｕ−Ｏ相間またはＯ−Ｗ相間またはＵ−Ｗ相間のいずれかに連系させる出力切替部とを備えた電力変換装置であって、前記Ｕ−Ｏ相間、Ｏ−Ｗ相間及びＵ−Ｗ相間のそれぞれの電圧に応じて前記出力切替部を前記Ｕ−Ｏ相間またはＯ−Ｗ相間またはＵ−Ｗ相間のいずれかに切り替えて前記電力変換部と前記前記交流電力を単相３線式商用系統とを連系運転させるようにしたことを特徴とする電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、たとえば太陽電池や風力発電、燃料電池などの直流電源と商用電力系統とを連系させるための電力変換装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、図５に示すように、系統連系システムＪは太陽電池などの直流電源１が、直流を交流に変換する電力変換装置であるパワーコンディショナ５を介して、商用電力系統である単相３線式配電線３に接続されて成る。一般に、単相３線式配電線３はＵ相の電線Ｕ３、Ｏ相（中性線）の電線Ｏ３、Ｗ相の電線Ｗ３が接続されており、Ｏ相を基点としてＵ−Ｏ相間で１００Ｖ、Ｏ−Ｗ相間で１００Ｖを得ることができ、一般家庭などで使用される交流１００Ｖの負荷４（４ａ、４ｂ）に供給されている。また、Ｕ−Ｗ間では２００Ｖの電圧を得ることができるので、交流２００Ｖの負荷（例えばエアコンディショナなど）のように１００Ｖ系よりも電流損失の少ない機器を用いることもできる。
【０００３】
ところで、パワーコンディショナ５は、直流電源１で発電した直流電力を交流２００Ｖに変換し、単相３線式配電線３を介して負荷４に電力供給したり、電力会社に売電したりしているが、このとき、電力を送出しているのは端子部Ｕ３１と端子部Ｗ３１の２相間の２００Ｖのみであり、Ｏ相の端子部Ｏ３１からは電力は出力されない。よって、パワーコンディショナ５から出力された２００Ｖの交流電力は、一旦、単相３線式配電線３に２００Ｖとして電力供給するしかないが、単相３線式配電線３に接続することにより、前記単相３線式配電線３のＯ相である電線Ｏ３１を中性線として使用できるようになるため、負荷４ａ、４ｂに１００Ｖの電力として供給することができる。通常、パワーコンディショナ５には、単相３線式配電線３からＯ相である端子部Ｏ３１が接続されているが、これは電力送電用ではなく、後述する系統電圧上昇抑制を行なうために、単相３線式配電線であるＵ−Ｏ相間、及びＯ−Ｗ相間の電圧を検知する必要があり、そのために中性線を接続しているものである。
【０００４】
一般に、家庭内負荷にはＵ−Ｏ相間の負荷４ａと、Ｏ−Ｗ相間の負荷４ｂが存在しており、これら負荷の容量バランスでＵ−Ｏ相間電圧３ａと、Ｏ−Ｗ相間電圧３ｂのバランスが決まる。すなわち、負荷４ａの消費が大きく負荷４ｂの消費が小さければ、Ｕ−Ｏ相間電圧３ａの電圧が低下し、ほぼ変化しないＯ−Ｗ相間電圧３ｂとのバランスが崩れる現象が生じる。この様子を示したのが図６である。図６に示すように、例えば負荷４ａの消費増加によって、Ｕ−Ｏ間電圧３ａが９５Ｖに低下しても、比較的消費の少ないＯ−Ｗ間電圧３ｂは１０５Ｖ程度の電圧がある。このとき、パワーコンディショナ５は単相３線式配電線３のＵ相とＷ相（３１点と３３点）に２００Ｖの電力を出力するので、Ｕ相−Ｗ相間電圧が２００Ｖ（９５Ｖ＋１０５Ｖ＝２００Ｖ）となり、問題なく電力供給され、逆潮流も可能である。
【０００５】
一般住宅等における系統電圧は、上記の他にも電圧上昇するといった変化があり、これは以下の２点などに起因する。
【０００６】
（ア）住宅周辺地域に工場等の大電力を使用する環境が存在する場合であって、工場が休日のときは、電力を使用しないことから、系統への負荷が少なくなり、平日の工場稼働日より数ボルト電圧が上昇することがある。例えば、通常１００Ｖ前後の系統が１０３〜１０５Ｖになるといった状態であるが、これは規定で１０１±６Ｖの範囲と定められており、異常ではない。
【０００７】
（イ）家庭内の負荷の変化や、自家発電装置による逆潮流の場合であって、家電製品の使用状況によりその地域の消費電力が大きく増減すると、使用中は供給電圧が下がらないように電力会社が供給量を多くして対応するが、使用量が低下すると電圧が上昇してしまうので供給量を制限する。
【０００８】
これらの他に、家庭内での使用電力は時間帯により各部屋で変化することによっても電圧上昇は生じる。これは、前述した負荷バランスで理解できる。単相３線式配電線３におけるＵ−Ｏ相間への負荷４ａと、Ｏ−Ｗ相間への負荷４ｂが変化すると、負荷の大小により系統電圧も上下する。負荷が少なくなった場合を考えたとき、系統電圧は上昇する方向に変化することがわかる。
【０００９】
ここで、例えば前記（ア）の状況と（イ）の状況が重なったとすると、最初、図７（ａ）に示すように、系統のＵ−Ｏ相間電圧とＯ−Ｗ相間電圧がともに１０５Ｖであったものが、急な負荷軽減によって、図７（ｂ）に示すように、Ｕ−Ｏ相間電圧が上昇し、任意の電圧（一般には電圧抑制を行なうべき電圧である１０７Ｖ以下）より高くなる。
【００１０】
また、一般住宅の屋根などに設置された太陽光発電装置のように住宅内の交流負荷への電力供給や商用電力系統への逆潮流を行なうものが多数ある場合、逆潮流によって地区の商用電力系統に電力が過剰供給されてしまい電圧が上昇するといったことも生じる。
【００１１】
このような場合、電力会社が電力量を調節することにより回復していくが、送電線などの電路等に残された電力が消費されるまで、電圧は最適値に下降しないため回復に時間を要する。日本では、１０７Ｖを超えると商用電力系統の規格値を逸脱することになるため、系統連系システムは系統保護のため系統電圧上昇抑制を行なう必要があり、この手段として太陽光発電装置等の自家発電装置からの逆潮流を停止させるなどして系統電圧が１０７Ｖ以下になるように動作する。
【００１２】
これにより、少なくとも図７（ｃ）に示すように、Ｕ−Ｏ相間電圧は１０７Ｖを下回るようになる。しかしながら、太陽光発電装置などの自家発電装置からの電力の逆潮流を停止させなくてはならず、その間の発電電力が有効に活用できなくなるといった問題が生じる。
【００１３】
この対策として、任意時刻の引込柱電圧を推定できるようにして、負荷の変動によらずに常に逆潮流時の引込柱電圧が１０７Ｖを超えないように、系統電圧上昇抑制を行なう方法が提案されている（例えば、特許文献１を参照）。
【特許文献１】特開２０００−３１２４３８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
しかしながら、上述した系統連系システムでの前記系統電圧上昇抑制の方法は、そのときの出力電力を故意に低下させ、系統への逆潮流量を減少させることで、系統電圧の上昇を抑制することを実現しているものであり、直流電源に何の問題もない場合であっても、出力電力を下げることがあるということであり、これは、使用者にとっては、トータル効率を低下させることにも繋がる。
【００１５】
本発明は上述した従来の問題点に鑑みてなされたものであり、系統電圧の相の負荷バランスの崩れによる電圧上昇を生じさせない、もしくは生じにくくする制御を可能とし、また、万一電圧上昇抑制が生じた場合は、各相の電圧バランスを保つ制御を可能とし、電力を余すことなく逆潮流できる電力変換装置及びそれを用いた系統連系システムを提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
上記課題を解決するため、本発明の電力変換装置は、直流電源の直流電力を交流電力に変換し、前記交流電力を単相３線式商用系統及び交流負荷に供給して系統連系する電力変換部と、前記単相３線式商用系統のＵ−Ｏ相間及び前記Ｏ−Ｗ相間のそれぞれの商用系統電圧を監視する商用系統電圧監視部と、前記電力変換部を前記Ｕ−Ｏ相間またはＯ−Ｗ相間またはＵ−Ｗ相間のいずれかに連系させる出力切替部とを備えた電力変換装置であって、前記Ｕ−Ｏ相間、Ｏ−Ｗ相間及びＵ−Ｗ相間のそれぞれの電圧に応じて前記出力切替部を前記Ｕ−Ｏ相間またはＯ−Ｗ相間またはＵ−Ｗ相間のいずれかに切り替えて前記電力変換部と前記前記交流電力を単相３線式商用系統とを連系運転させるようにしたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の電力変換装置によれば、直流電源の直流電力を交流電力に変換し、前記交流電力を単相３線式商用系統及び交流負荷に供給して系統連系する電力変換部と、前記単相３線式商用系統のＵ−Ｏ相間及び前記Ｏ−Ｗ相間のそれぞれの商用系統電圧を監視する商用系統電圧監視部と、前記電力変換部を前記Ｕ−Ｏ相間またはＯ−Ｗ相間またはＵ−Ｗ相間のいずれかに連系させる出力切替部とを備えた電力変換装置であって、前記Ｕ−Ｏ相間、Ｏ−Ｗ相間及びＵ−Ｗ相間のそれぞれの電圧に応じて前記出力切替部を前記Ｕ−Ｏ相間またはＯ−Ｗ相間またはＵ−Ｗ相間のいずれかに切り替えて前記電力変換部と前記前記交流電力を単相３線式商用系統とを連系運転させるようにしたことで、系統電圧の相の負荷バランスの崩れによる電圧上昇を生じさせない、もしくは生じにくくする制御を可能とし、電力を余すことなく逆潮流できる電力変換装置及びそれを用いた系統連系システムを構築することができる。
【００１８】
また、万一電圧上昇が生じた場合は、電圧上昇抑制中の系統電圧の状況により、連系する相（Ｕ−Ｏ相間、Ｏ−Ｗ相間、Ｕ−Ｗ相間のいずれか）および出力電圧（１００Ｖ系、２００Ｖ系のいずれか）を切り替えてから、電圧上昇抑制制御からの復帰および系統連系させるようにしたので、電圧上昇抑制中の系統電圧の状況により電圧の低い相へ再連系でき、かつ各相の電圧バランスを保つ制御を可能とし、電力を余すことなく逆潮流できる電力変換装置を提供することができる。
【００１９】
を構築することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明に係る電力変換装置及びそれを用いた系統連系システムの実施の形態を図面に基づいて、詳細に説明する。
【００２１】
図１に示すように、系統連系システムＳは、太陽電池、風力発電手段、または燃料電池などの直流電源１が、直流を交流に変換する電力変換装置であるパワーコンディショナ２を介して、単相３線の商用電力系統である単相３線式配電線３に接続されて成る。単相３線式配電線３には、Ｕ−Ｏ相間負荷４ａ、Ｏ−Ｗ相間負荷４ｂが接続される。
【００２２】
パワーコンディショナ２は、Ｕ−Ｏ相間及び前記Ｏ−Ｗ相間のそれぞれの系統電圧を監視する系統電圧監視部２５と、前記Ｕ−Ｏ相間またはＯ−Ｗ相間またはＵ−Ｗ相間のいずれかに連系させる出力切替部２４と、逆潮流させる電圧を１００Ｖ系または２００Ｖ系のいずれかの電圧に切り替えることが可能な電圧変換部２２と、電圧及び位相を同調させ前記単相３線式系統に逆潮流させるための電力変換部２３と、前記各系統電圧監視部からの電圧情報により、前記出力切替部および電圧変換部および電力変換部を制御するための制御部２１とで構成される。
【００２３】
前記出力切替部２４は、前記電力変換部２３からの第一出力線ＩＮＶ１の出力をＵ相またはＯ相に接続する相切替スイッチ２４ａと、前記電力変換部２３からの第二出力線ＩＮＶ２の出力をＯ相またはＷ相に接続する相切替スイッチ２４ｂで構成される。
【００２４】
ここで、パワーコンディショナ２は、Ｕ−Ｏ相間及びＯ−Ｗ相間の電圧を監視し、連系直前の系統電圧の状況により、連系する相（Ｕ−Ｏ相間、Ｏ−Ｗ相間、Ｕ−Ｗ相間のいずれか）および出力電圧（１００Ｖ系、２００Ｖ系のいずれか）を切り替えてから、系統連系させるようにしている。
【００２５】
そして、このように構成された電力変換装置を、直流電源１と単相３線式系統との間に設けて、単相３線式系統へ直流電源１からの電力を逆潮流させる系統連系システムを構築している。
【００２６】
以下、本発明の系統連系システムの動作について説明する。
【００２７】
商用電力系統であるＵ相Ｕ３、Ｏ相Ｏ３、Ｗ相Ｗ３間の各電圧は、通常Ｕ−Ｏ相間電圧３ａが１０１Ｖ±６Ｖ、Ｏ−Ｗ相間電圧３ｂも１０１Ｖ±６Ｖである。パワーコンディショナ２は太陽電池等の直流電源１から得た電力を前述の交流電圧に合わせるべく直交変換（ＤＣ／ＡＣ変換）を行ない、単相３線式配電線３に出力する。
【００２８】
系統電圧監視部２５は、系統の電圧や位相の情報を制御部２１に送る。制御部２１は、連系直前の電圧情報を元に出力モードを判断し、出力切替部２４および電圧変換部２２および電力変換部２３に指令を出す。
【００２９】
出力切替部２４は、制御部２１からの指令により、相切替スイッチ２４ａ、２４ｂを切り替える。ここで、出力切替部２４の切り替えパターンを図２に示す。出力モードは、（１）Ｕ−Ｗ出力モード、（２）Ｕ−Ｏ出力モード、（３）Ｏ−Ｗ出力モードの３パターンとなる。
【００３０】
電圧変換部２２は、制御部２１からの指令により、出力電圧（１００Ｖ系、２００Ｖ系のいずれか）を切り替える。
【００３１】
電力変換部２３は、直交変換（ＤＣ／ＡＣ変換）を行ない、制御部２１からの位相情報により、出力電力の位相を調整し、系統に連系する。
【００３２】
尚、連系時の系統の負荷バランスが時間的に一定ではなく、系統連系システムＳが稼働中に負荷バランスが変化した場合は、上記システムであっても系統の電圧が上昇し、パワーコンディショナ２は電圧上昇抑制を行なう可能性もあるため、その場合は、制御部２１は、電圧上昇抑制中の系統電圧の状況を系統電圧監視部２５から入手し、再度出力モードを判断し、出力切替部２４および電圧変換部２２および電力変換部２３に指令を出す。電圧上昇抑制制御から復帰する際には、電圧上昇抑制が働くその時間帯で最も効率のよい出力モードで運転することが可能となる。
【００３３】
図３は、本実施形態にかかわる連系開始直前の出力電圧モードの判定方法を示すフローチャートである。以下、図３に基づいて本実施形態にかかわる出力電圧モードの判定方法を説明する。
【００３４】
パワーコンディショナ２の起動判定により、連系が可能であると判断した場合、連系開始直前に図３に示すフローを実行させる。
【００３５】
まず系統電圧（Ｕ−Ｏ相間電圧３ａおよびＯ−Ｗ相間電圧３ｂ）を計測し、両者の大小比較を行なう。ステップＡでは、両者の差がほぼ等しいか（両者の差があらかじめ設定される誤差範囲内であるか）の検証を行ない、両者の差がほぼ等しい場合は、出力電圧モードをＵ−Ｗ出力モードに設定して、本フローを終了する。ステップＡにおいて、両者の差が認められる場合は、ステップＢに進む。ステップＢでは、Ｕ−Ｏ相間電圧３ａとＯ−Ｗ相間電圧３ｂとの比較により、Ｕ−Ｏ相間電圧３ａの方が大きいかの検証を行なう。Ｕ−Ｏ相間電圧３ａの方が大きい場合は、出力電圧モードをＯ−Ｗ出力モードに設定して、本フローを終了する。ステップＢにおいて、Ｕ−Ｏ相間電圧３ａの方が小さい場合は、出力電圧モードをＵ−Ｏ出力モードに設定して、本フローを終了する。
【００３６】
図４は、本実施形態にかかわる電圧上昇抑制中の出力電圧モードの再判定方法を示すフローチャートである。以下、図４に基づいて本実施形態にかかわる出力電圧モードの再判定方法を説明する。
【００３７】
パワーコンディショナ２が電圧上昇抑制制御を行ない、出力抑制限界（通常出力は０ｋＷまで制限される）に達した場合、図４に示すフローを実行させる。
【００３８】
まずステップＣでは、Ｕ−Ｏ相間電圧３ａが電圧上昇抑制判定値よりも大きいか検証する。大きいと判断される場足は、ステップＤに進み、今度はＯ−Ｗ相間電圧３ｂが電圧上昇抑制判定値よりも大きいか検証する。大きいと判断される場合は、Ｕ−Ｏ相間電圧３ａおよびＯ−Ｗ相間電圧３ｂともに電圧上昇抑制判定値を超えていることになるため、再度、Ｕ−Ｏ相間電圧３ａとＯ−Ｗ相間電圧３ｂとの大小判定を行なう。大小判定は前述の図３に示すフローと同じとなるためここでは省略する。判定終了後は本フローを終了する。ステップＤにてＯ−Ｗ相間電圧３ｂが電圧上昇抑制判定値よりも小さいと判断される場合は、Ｕ−Ｏ相間電圧３ａのみが電圧上昇抑制判定値よりも大きいことになるため、出力電圧モードをＯ−Ｗ出力モードに変更して、本フローを終了する。
【００３９】
ステップＣにてＵ−Ｏ相間電圧３ａが電圧上昇抑制判定値よりも小さいと判断される場合は、ステップＥに進む。ステップＥでは、Ｏ−Ｗ相間電圧３ｂが電圧上昇抑制判定値よりも大きいか検証する。大きいと判断される場合は、Ｏ−Ｗ相間電圧３ｂのみが電圧上昇抑制判定値よりも大きいことになるため、出力電圧モードをＵ−Ｏ出力モードに変更して、本フローを終了する。ステップＥにてＯ−Ｗ相間電圧３ｂが電圧上昇抑制判定値よりも小さいと判断される場合は、出力モードの変更は行なわずに本フローを終了する。
【００４０】
このようにすることにより、系統電圧の相の負荷バランスの崩れによる電圧上昇を生じさせない、もしくは生じにくくする制御を可能とし、電力を余すことなく逆潮流できる電力変換装置及びそれを用いた系統連系システムを提供することを可能とする。
【００４１】
また、電圧上昇抑制中の系統電圧の状況により電圧の低い相へ再連系でき、かつ各相の電圧バランスを保つ制御を可能とし、電力を余すことなく逆潮流できる電力変換装置及びそれを用いた系統連系システムを提供することを可能とする。
【００４２】
なお、本実施形態ではフローチャートの説明において、Ｕ−Ｏ相間電圧を基準とした判定による説明を行なっているが、Ｏ−Ｗ相間電圧を基準とした判定を行なうことでも本発明の適用が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明に係る系統連系システムの実施形態を模式的に説明する概略構成図である。
【図２】本発明に係る系統連系システムにおける、出力モードの切り替えパターンを説明する説明図である。
【図３】本実施形態にかかわる連系開始直前の出力電圧モードの判定方法を示すフローチャートである。
【図４】本実施形態にかかわる電圧上昇抑制中の出力電圧モードの再判定方法を示すフローチャートである。
【図５】従来の系統連系システムの実施形態を模式的に説明する概略構成図である。
【図６】従来の単相３線の商用電力系統の電圧上昇の様子を説明する概略説明図である。
【図７】本発明に係る系統連系システムにおける、単相３線の商用電力系統の電圧変化の様子を説明する概略説明図である。
【符号の説明】
【００４４】
１：直流電源
２：パワーコンディショナ
２１：制御部
２２：電圧変換部
２３：電力変換部
２４：出力切替部
２４ａ：Ｕ−Ｏ相切替スイッチ
２４ｂ：Ｏ−Ｗ相切替スイッチ
２５：系統電圧監視部
３：単相３線式配電線
３ａ：Ｕ−Ｏ相間電圧
３ｂ：Ｏ−Ｗ相間電圧
４、４ａ、４ｂ：負荷
Ｕ３、Ｕ３１：Ｕ相
Ｏ３、Ｏ３１：Ｏ相
Ｗ３、Ｗ３１：Ｗ相
Ｊ：系統連系システム
Ｓ：系統連系システム
【図１】
2006280106.tif 000003
【図２】
2006280106.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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