(57)【要約】【課題】  エンジン発電機と太陽電池の出力を合体して系統に連系させるシステムにおいて太陽電池の発電電力に対応する発電出力だけを逆潮流可能にする。【解決手段】  系統電力計算部２０は、系統４から負荷へ供給される電力を計算する。インバータ駆動制御回路２２は、系統電力が出力制御設定値ＣＰＶ以上になれば、高圧インバータ回路１１を駆動して電源装置に出力を生じさせる。出力制御設定値ＣＰＶはエンジン発電機３のみの運転では順電力（買い側）に設定される。太陽電池１の出力電力が連系される場合は出力制御設定値ＣＰＶは太陽電池１の出力電力に応じて逆電力（売り側）に変更される。太陽電池１の出力電力が大きい場合は、この設定値ＣＰＶの変更により系統４への逆潮流が許容される。逆潮流が制限値ＲＰＬＭＴ以上になれば、保護のため電源装置は出力を停止する。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の電力源としての発電機と、この発電機の出力を整流する整流回路と、この整流回路の出力を所定周波数の交流電力に変換して出力するインバータと、このインバータの出力を系統連系接続する系統連系制御装置とを有する電源装置において、
前記系統連系制御装置が、連系運転時の逆潮流の値が所定値以下となるように前記インバータの出力を制御するインバータ制御部を含んでいるとともに、
第２の電力源としての太陽電池と、
前記太陽電池の出力を前記インバータの入力側に供給する太陽電池出力制御部とを備え、
前記インバータ制御部では、前記太陽電池出力制御部で検出される前記太陽電池の発電電力値に対応する値を、前記逆潮流の値を判断する前記所定値に上乗せして制御するように構成されたことを特徴とする電源装置。
【請求項２】
太陽電池の出力を使って充電されるバッテリと、
前記太陽電池の出力を降圧して前記バッテリに供給する降圧コンバータと、
前記バッテリ電圧を昇圧して前記インバータの入力側に供給する昇圧コンバータとを備え、
前記インバータ制御部では、前記昇圧コンバータを通過する電力値を前記太陽電池の発電電力値として使用するように構成されたことを特徴とする請求項１記載の電源装置。
【請求項３】
太陽電池の出力を使って充電されるバッテリと、
前記太陽電池の出力を降圧して前記バッテリに供給する降圧コンバータと、
前記バッテリ電圧を昇圧して前記インバータの入力側に供給する昇圧コンバータとを備え、
前記インバータ制御部では、前記降圧インバータを通過する電力値を前記太陽電池の発電電力値として使用するように構成されたことを特徴とする請求項１記載の電源装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電源装置に関し、特に、エンジン駆動式発電機のような電源と太陽電池とを組み合わせて、その発電出力を取り出すことができるようにした電源装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
エンジン駆動式発電機等の小規模な発電装置は、携帯用電源装置や非常用電源装置としてさまざまな用途に普及している。この種の電源装置を、家庭用コジェネレーション装置のような小規模発電装置として利用する場合、商用電源と系統連系させたり、太陽電池を併設したりすることによりエネルギの総合的な有効利用を図ることが可能になる。
【０００３】
例えば、特開平８−１８６９２７号公報には、商用電源（系統）の出力と、太陽光発電装置（太陽電池）の出力と、燃料を使用する発電装置（発電機）の出力とを連系接続した電源システムが開示されている。
【特許文献１】特開平８−１８６９２７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述の特許文献に記載された電源システムでは、太陽電池出力と発電機出力、あるいは太陽電池出力と系統出力とを連系接続させることから、太陽電池の出力電圧を高めに設定せざるを得ない。しかし、家庭用の小規模な太陽電池発電では曇天時には、高電圧出力を得ることができないので、太陽電池の発電電力を十分に活用しにくいという問題がある。
【０００５】
また、エネルギの有効活用を図るという観点から、電源装置で発電した電力を系統に逆潮流させることは重要である。しかし、エンジンやガスタービン等、燃料を使用する機関で駆動される発電機の出力電力と、太陽光発電の出力電力とでは、商用電力供給者による買い取り価格が異なり、後者が高価格である。したがって、太陽光発電を取り入れた複合電源装置を構築する際、この価格差に対処することは採算コストを考慮して普及促進を図るための大きな現実的課題である。
【０００６】
本発明の目的は、上記発電電力の価格差を考慮して採算性を改善し、太陽光発電を利用した複合システムの普及を図ることで、より有効なエネルギ利用を図る電源装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、第１の電力源としての発電機と、この発電機の出力を整流する整流回路と、この整流回路の出力を所定周波数の交流電力に変換して出力するインバータと、このインバータの出力を系統連系接続する系統連系制御装置とを有する電源装置において、前記系統連系制御装置が、連系運転時の逆潮流の値が所定値以下となるように前記インバータの出力を制御するインバータ制御部を含んでいるとともに、第２の電力源としての太陽電池と、前記太陽電池の出力を前記インバータの入力側に供給する太陽電池出力制御部とを備え、前記インバータ制御部では、前記太陽電池出力制御部で検出される前記太陽電池の発電電力値に対応する値を、前記逆潮流の値を判断する前記所定値に上乗せして制御するように構成された点に第１の特徴がある。
【０００８】
また、本発明は、太陽電池の出力を使って充電されるバッテリと、太陽電池の出力を降圧して前記バッテリに供給する降圧コンバータと、前記バッテリの電圧を昇圧して前記インバータの入力側に供給する昇圧コンバータとを備え、前記インバータ制御部では、前記昇圧コンバータを通過する電力値を前記太陽電池の発電電力値として使用するように構成された点に第２の特徴があり、前記降圧インバータを通過する電力値を前記太陽電池の発電電力値として使用するように構成された点に第３の特徴がある。
【発明の効果】
【０００９】
第１の特徴を有する本発明によれば、逆潮流の大きさを判断する所定値に太陽電池出力対応分が上乗せされるので、発生する逆潮流電力のうち所定値を超えた逆潮流分の全てが太陽電池の発電出力であることが明確になる。したがって、この所定値を超えた逆潮流分を太陽光発電の売価で販売することが可能である。したがって、本発明の電源装置の利用者にとってこの種の電源装置を備えたコジェネレーション装置等の設備導入の採算性が高まるので、電源装置に太陽電池を組み合わせたシステムの普及に大きい効果を発揮することができる。
【００１０】
第２の特徴によれば、一旦バッテリに充電された太陽電池の発電電力も、インバータの入力側に供給される電力として検出することができる。
【００１１】
第３の特徴によれば、太陽電池の出力部に近い回路損失の少ない部分で電力を検出するので、太陽電池の発電出力を小電力まで検出することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下に図面を参照して本発明の一実施形態を詳細に説明する。図２は太陽電池の出力とエンジン発電機の出力とを商用電力系統に連系させた電源装置の構成を示すブロック図である。図２に示した電源装置は、太陽電池１とバッテリ２とエンジン発電機３とを電源として備える。バッテリ２は太陽電池１の出力で充電することができる。エンジン発電機３は、都市ガスを燃料とするガス内燃機関で駆動される３相の多極磁石式発電機である。太陽電池１、バッテリ２、およびエンジン発電機３の出力は合体させた状態で系統電源４と連系される。なお、エンジン発電機３の駆動源はガス内燃機関に限らず、ガソリン等、他の燃料を使用する種類の機関であってもよい。
【００１３】
電源装置は、低電圧領域１００を構成する要素と、高電圧領域２００を構成する要素とからなる。低電圧領域１００には、太陽電池１、バッテリ２、ＤＣ−ＤＣコンバータ５、および低圧インバータ回路６が含まれる。一方、高電圧領域２００には、エンジン発電機３、直流平滑回路８，９、昇圧コンバータ１０、高圧インバータ回路１１が含まれる。高圧インバータ回路１１はＬＣフィルタ回路を含むことができる。高圧インバータ回路１１の出力は系統電源４に接続される。
【００１４】
低電圧領域１００と高電圧領域２００とは、低圧インバータ回路６と直流平滑回路８との間に設けられた絶縁トランス昇圧回路７によって結合される。
【００１５】
ＤＣ−ＤＣコンバータ５は非絶縁降圧チョッパからなり、昇圧コンバータ１０は非絶縁昇圧チョッパからなる。ＤＣ−ＤＣコンバータ５はチョッパを構成するＦＥＴ等のスイッチング素子のデューティ（オン時間比率）を制御することにより入力電圧を降圧して出力する。昇圧コンバータ１０は、チョッパを構成するＦＥＴ等のスイッチング素子のデューティを制御することにより入力電圧を昇圧して出力する。低圧インバータ回路６はＦＥＴ等のスイッチング素子でブリッジを構成しており、矩形波交流を絶縁トランス昇圧回路７に入力する。高圧インバータ回路１１は、入力を系統連系に適合する三相交流に変換する回路であり、ＦＥＴ等のスイッチング素子をブリッジ接続してなる。ＦＥＴのデューティを制御するＦＥＴドライブ回路は周知のものを使用できる。
【００１６】
太陽電池１の出力電圧Ｖ１はＤＣ−ＤＣコンバータ５で降圧されて電圧Ｖ５となり、ダイオードＤ１を介してバッテリ２に印加される。降圧された太陽電池１の電圧Ｖ５とバッテリ２の電圧Ｖ２は、電圧Ｖ２が十分な所定の充電電圧であるときは、ほぼＶ５＝Ｖ２の状態で低圧インバータ回路６に入力されて、矩形波交流に変換される。この矩形波交流はさらに絶縁トランス昇圧回路７で昇圧されて高圧矩形波交流となり、直流平滑回路８に入力される。低圧インバータ回路６と絶縁トランス昇圧回路７とで、バッテリ電圧の昇圧回路を形成する。直流平滑回路８は、入力された高圧矩形波交流を整流・平滑化して直流電圧を出力する。
【００１７】
エンジン発電機３から出力される三相交流は、直流平滑回路９で整流・平滑化される。直流平滑回路９から出力される電力Ｐ３は直流平滑回路８から出力される電力（Ｐ１＋Ｐ２）と合体されて、その電圧（発電機直流電圧）Ｖ８が昇圧コンバータ１０に入力される。昇圧コンバータ１０で昇圧された電圧（連系直流電圧）Ｖ８は高圧インバータ回路１１に入力されて三相交流に変換され、ＬＣフィルタ回路でノイズ除去されて出力電圧Ｖｏｕｔとして負荷に供給されるとともに、系統電源４に連系される。
【００１８】
昇圧コンバータ１０は、高圧インバータ回路１１の出力電流の変動にかかわらず、高圧インバータ回路１１の入力側電圧が所定値に維持できるようにデューティが制御される。高圧インバータ回路１１は、系統電源４と同じ品質（電圧、周波数、ノイズ等に関して）の交流出力を形成し、系統電源４の位相と同期をとって連系させる系統連系機能を有する。つまり高圧インバータ回路１１は系統連系制御部を構成する。系統連系機能を有する装置の一例は特公平４−１０３０２号公報に開示されている。
【００１９】
図１は、上記電源装置を含むコジェネレーションシステムを示すブロック図であり、図２と同符号は同一部分を示す。配電盤１２には、メインスイッチ１３とコジェネレーション装置専用スイッチ１４と、家庭内電気負荷１５専用のスイッチ１６と、発電機３を駆動するエンジン３Ａの排熱を利用する貯湯タンク１７に制御電力を供給するためのスイッチ１８とが設けられる。メインスイッチ１３とコジェネレーション装置専用スイッチ１４、並びにスイッチ１６，１８はそれぞれ過電流ブレーカ機能を有する。
【００２０】
高圧インバータ回路１１の出力側と配電盤１２との間には、系統連系保護のための解列スイッチ１９が設けられる。
【００２１】
系統電力計算部２０では、メインスイッチ１３を流れる電流ＣＴと、解列スイッチ１９とコジェネレーション装置専用スイッチ１４との間で測定される系統電圧ＶＴとによって系統から供給される電力（系統電力ＰＣＮと呼ぶ）が計算される。この系統電力ＰＣＮが負であった場合、つまり逆電力が供給されていれば逆潮流状態である。
【００２２】
インバータ駆動制御回路２２は、系統電力計算部２０で計算された系統電力ＰＣＮが売り側に割り込まない範囲で、すなわち逆潮流とならない範囲で高圧インバータ回路１１をデューティ制御する。家庭内負荷はエンジン発電機３の発電電力でまかなわれ、エンジン発電機３の最大出力電力を超える家庭内負荷が発生したときに系統電力ＰＣＮから不足分の電力が供給される。
【００２３】
太陽電池電力計算部２１では、太陽電池１からの入力電力をもとに、低圧インバータ回路６および絶縁トランス昇圧回路７からなるバッテリ電圧の昇圧コンバータ６，７を通過する電力が計算される。エンジン発電機３とともに太陽電池１を運転する場合は、太陽電池電力計算部２１で計算された電力値分を逆潮流可能とする。逆潮流の電力が予め設定される逆潮流制限値ＲＰＬＭＴ以上になると、逆電力保護機能が作用してインバータ駆動制御回路２２は高圧インバータ回路１１の出力を停止する。
【００２４】
図３および図４を参照して電源装置の制御機能を説明する。図３はエンジン発電機３のみを運転する場合の制御機能を示す図である。プラス（正）側の電力表示は系統４から家庭への電力の買い側の電力（順電力）を示し、マイナス（負）側の電力表示は家庭から系統４への売り側の電力（逆電力）を示す。
【００２５】
図３において、家庭の合計消費電力を出力制御設定値ＣＰＶ以上と想定して高圧インバータ回路１１はこの出力制御設定値ＣＰＶ（ここでは１００ワット）以上の順電力状態で運転される。但し、高圧インバータ回路１１の最大出力Ｐｏｕｔｍａｘは、例えば１キロワットであり、家庭内の消費電力が１キロワット以上となった場合は、不足分が系統電源４側からの電力で補われる。一方、家庭内消費電力が１キロワット未満に減少した場合は、余剰電力による逆潮流が発生しないように高圧インバータ回路１１の出力Ｐｏｕｔを制御する。
【００２６】
系統電力計算部２０で計算された系統電力ＰＣＮが逆潮流制限値ＲＰＬＭＴ以上の逆電力となった場合、つまり逆潮流電力が異常に増大したときには、インバータ駆動制御回路２２は、高圧インバータ回路１１の出力をゼロにして電源装置の発電出力を停止する。逆潮流制限値ＲＰＬＭＴは電源装置の出力電力に応じて決定される。例えば、１キロワットの最大出力電力に対しては−５０ワットに設定される。
【００２７】
図４はエンジン発電機３の発電電力に加えて太陽電池１の発電電力を系統と連系して負荷に供給する場合の制御概要を示す図である。エンジン発電機３のみを運転する場合と同様、電源装置は、高圧インバータ回路１１の出力Ｐｏｕｔが出力制御設定値ＣＰＶ以上の順電力状態となるように運転される。しかし、太陽電池１を運転する場合は、出力制御設定値ＣＰＶを、太陽電池１の発電電力分だけ逆電力方向つまり売り側に変更して高圧インバータ回路１１を制御する。
【００２８】
太陽電池１の発電電力と関連して出力制御設定値ＣＰＶだけでなく逆潮流制限値ＲＰＬＭＴも売り側に変更される。例えば、太陽電池１の出力電圧に基づいて絶縁トランス昇圧回路７の出力電力が３００ワットと計算された場合、出力制御設定値ＣＰＶは逆電力２００ワット（１００−３００＝−２００）に変更される。これによって、逆潮流は売り側２００ワット以内で許容される。つまり太陽電池１の発電電力のうち２００ワットが逆潮流可能分となる。最大出力電力が１．３キロワットになるのに伴い、逆潮流に対する保護のための逆潮流制限値ＲＰＬＭＴは−３５０ワット（−５０−３００＝−３５０）に設定される。これにより、逆電力保護のための逆潮流有無は系統電力ＰＣＮが売り側に３５０ワット以上に割り込んだか否かで判断される。
【００２９】
太陽電池１の発電電力分３００ワットが加わった場合、高圧インバータ回路１１の最大出力Ｐｏｕｔｍａｘは、１．３キロワットとなるので、家庭内消費電力が１．３キロワットを超える場合に、不足分が系統４側からの電力で補われる。一方、家庭内消費電力が１．３キロワット未満に減少した場合は、逆潮流が２００ワット以上発生しないように高圧インバータ回路１１の出力Ｐｏｕｔが制御される。
【００３０】
図５は、電源装置の要部制御動作を示すフローチャートであり、エンジン発電機３のみを運転する場合の例を示す。図５のステップＳ１では、系統電力ＰＣＮが逆潮流制限値ＲＰＬＭＴ（例えば−５０ワット）以下であるかどうか、つまり系統電力ＰＣＮが逆潮流制限値ＲＰＬＭＴ以上の逆電力側に割り込んでいるかどうかを判断する。ステップＳ１の判断が肯定ならば、ステップＳ２に進んで、逆電力状態が所定時間以上維持されているか否かが判断される。これによって逆潮流が瞬時だけのものなのか否かを判断する。ステップＳ２の判断が肯定ならば、高圧インバータ回路１１の出力制御が異常であると判断し、ステップＳ３に進んで高圧インバータ回路１１の出力を停止する。
【００３１】
ステップＳ１の判断が否定の場合は、ステップＳ４に進んで系統電力ＰＣＮが出力制御設定値ＣＰＶ（例えば１００ワット）以上か否かを判断する。ステップＳ４の判断が肯定ならば、ステップＳ５に進んで高圧インバータ回路１１の出力電力Ｐｏｕｔは最大電力値Ｐｏｕｔｍａｘ（発電機３のみ運転時は１キロワット）未満か否かを判断する。ステップＳ５が肯定ならば、まだ出力を増加させる余地があると判断されるので、ステップＳ６に進んで高圧インバータ回路１１の出力を所定電力分増加させる。ステップＳ５の判断が否定、つまり最大電力値Ｐｏｕｔｍａｘが出力されているならばステップＳ７に進んで高圧インバータ回路１１の出力電力をそのときの値つまり１キロワットが得られるデューティで高圧インバータ回路１１をスイッチング制御する。
【００３２】
ステップＳ２またはステップＳ４の判断が否定の場合はステップＳ８に進む。ステップＳ８では、高圧インバータ回路１１の出力電力Ｐｏｕｔを減少させて、逆潮流量の低減、もしくは逆潮流の解消を図る。
【００３３】
図６は、電源装置の要部制御動作を示すフローチャートであり、エンジン発電機３と太陽電池１とを運転する場合の例を示す。図６のステップＳ１０では、太陽電池１からの出力電力の有無を太陽電池電力計算部２１で計算された値が所定値以上か否かによって判断する。太陽電池１からの出力電力がない場合は、ステップＳ１１に進んで、太陽電池出力電力値を表す変数ＳＯＬに「０」をセットする。太陽電池１の出力電力がある場合はステップＳ１２に進んで太陽電池電力計算部１９で計算された値を変数ＳＯＬにセットする。
【００３４】
ステップＳ１３では、逆潮流制限値ＲＰＬＭＴを、電力値ＳＯＬ分だけを減算して更新する。
【００３５】
ステップＳ１４では、系統電力ＰＣＮが逆潮流制限値ＲＰＬＭＴ以下であるかどうか、つまり系統電力ＰＣＮが逆潮流制限値ＲＰＬＭＴ以上の逆電力を発生しているかどうかを判断する。太陽電池電力計算部１９で計算された値が３００ワットであれば、ステップＳ１３で逆潮流制限値ＲＰＬＭＴは−５０ワットから３００ワットが減算されているので、系統電力ＰＣＮが−３５０ワット以上の逆電力発生状態であるかどうかが判断される。
【００３６】
ステップＳ１４の判断が肯定ならば、ステップＳ１５に進んで、逆電力状態が所定時間以上維持されているか否かが判断される。ステップＳ１５の判断が肯定ならば、高圧インバータ回路１１の出力制御が異常であると判断されるので、ステップＳ１６に進んで高圧インバータ回路１１の出力を停止する。
【００３７】
ステップＳ１４の判断が否定の場合は、ステップＳ１７に進んで系統電力ＰＣＮが太陽電池１の発電電力分を上乗せした出力制御設定値ＣＰＶ以上か否かを判断する。ステップＳ１７の判断が肯定ならば、ステップＳ１８に進んで高圧インバータ回路１１の出力電力は最大電力値（発電機３の出力に太陽電池１の出力が加わるので１キロワット＋ＳＯＬ）未満か否かを判断する。ステップＳ１８の判断が肯定ならば、ステップＳ１９に進んで高圧インバータ回路１１の出力を所定電力分増加させる。ステップＳ１８の判断が否定、つまり最大電力値が出力されているならばステップＳ２０に進んで高圧インバータ回路１１の出力電力をそのときの値つまり１キロワット＋ＳＯＬが得られるデューティで高圧インバータ回路１１をスイッチング制御する。
【００３８】
ステップＳ１５またはステップＳ１７の判断が否定の場合はステップＳ２１に進む。ステップＳ２１では、高圧インバータ回路１１の出力電力Ｐｏｕｔを減少させて逆潮流量を低減、もしくは逆潮流の解消を図る。
【００３９】
図７はエンジン発電機２のみを運転したときの電源装置の出力電力と家庭内消費電力との関係を示す図である。この図に示すように、高圧インバータ回路１１は家庭内負荷１５や貯湯タンク１６等での消費電力Ｐｃに対してインバータ出力電力Ｐｏｕｔが過大となって逆潮流が発生しないように（採算が悪い運転とならないように）制御される。すなわち、高圧インバータ回路１１の出力電力Ｐｏｕｔが１キロワット未満の領域では常に一定の電力差（ここでは１００ワット）が買い側に発生している。
【００４０】
これに対して、エンジン発電機２と太陽電池１を運転したときの電源装置の出力電力と家庭内消費電力との関係は図８に示すようになる。図８に示すように、高圧インバータ回路１１の出力電力Ｐｏｕｔには太陽電池１の発電電力分が上乗せされるので、高圧インバータ回路１１の出力電力Ｐｏｕｔは家庭内消費宇電力Ｐｃを上回っており、出力電力Ｐｏｕｔが１キロワット未満では常に一定の電力余剰（ここでは２００ワット）が生じている。この余剰分は系統に逆潮流される。
【００４１】
したがって、採算の悪い逆潮流電力運転を防止するような運転制御を行う必要がなくなり、実際に逆潮流される電力量が太陽電池の発電電力量以下であれば、逆潮流電力はすべて太陽電池発電によるものであると判断することができる。
【００４２】
本実施形態では、太陽電池１の出力電力を低圧インバータ回路６および絶縁トランス昇圧回路７からなる昇圧コンバータを通過する電力により計算したが、太陽電池１の出力電力の計算はこの位置でのものに限定されない。ＤＣ−ＤＣコンバータ５つまり太陽電池の出力を降圧する降圧コンバータを通過する電力により計算するようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明の一実施形態に係る電源装置を含むコジェネレーションシステムのブロック図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る電源装置の要部ブロック図である。
【図３】本発明の一実施形態に係る電源装置の動作を示す模式図である（エンジン発電機のみ運転時）。
【図４】本発明の一実施形態に係る電源装置の動作を示す模式図である（エンジン発電機と太陽電池運転時）。
【図５】電力制御のフローチャートである（エンジン発電機のみ運転時）。
【図６】電力制御のフローチャートである（エンジン発電機と太陽電池運転時）。
【図７】本発明の一実施形態に係る電源装置の出力電力と消費電力との関係を示す図である（エンジン発電機のみ運転時）。
【図８】本発明の一実施形態に係る電源装置の出力電力と消費電力との関係を示す図である（エンジン発電機と太陽電池運転時）。
【符号の説明】
【００４４】
１…太陽電池、  ２…バッテリ、  ３…発電機、  ４…系統電源、  ５…ＤＣ−ＤＣコンバータ、  ６…低圧インバータ回路、  ７…絶縁トランス昇圧回路、  １０…昇圧コンバータ、  １１…高圧インバータ回路、  ２０…系統電力計算部、  ２１…太陽電池電力計算部、  ２２…インバータ駆動制御回路
【図１】
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【図２】
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【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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【図８】
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