(57)【要約】【課題】自然エネルギー発電装置で発電した電力を有効に電力系統に供給する。【解決手段】直流出力を与える発電装置と、直交変換する第１の電力変換器と、発電装置に並列に接続されたコンデンサと、発電装置と第１の電力変換器の間に並列に入力側を接続する昇降圧器と、入力側を昇降圧器の出力側に接続された蓄電装置と一方を蓄電装置の出力側に接続され他方を第１の電力変換器の交流側に接続された第２の電力変換器で構成された蓄電システムを備え、第１の電力変換器の交流側と第２の電力変換器の交流側が電力系統と連系する給電システムであって、第１の電力変換器が動作可能な電圧以下の状態においては昇降圧器を操作して蓄電装置に蓄電を行わせる手段と、第１の電力変換器が動作可能な電圧以上であってかつ変換効率が所定値に達するまでの状態においては第１の電力変換器と昇降圧器を併用した運転を行わせ、これらの出力電力比率を変更する手段を備えたことを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
自然エネルギーを利用して直流出力を与える発電装置と、該発電装置の直流出力と交流とを変換する第１の電力変換器と、前記発電装置と前記第１の電力変換器の間に並列に接続されたコンデンサと、前記発電装置と前記第１の電力変換器の間に並列に入力側を接続する昇降圧器と、入力側を前記昇降圧器の出力側に接続された蓄電装置と一方を該蓄電装置の出力側に接続され他方を前記第１の電力変換器の交流側に接続された第２の電力変換器で構成された蓄電システムを備え、前記第１の電力変換器の交流側と前記第２の電力変換器の交流側が電力系統と連系する給電システムであって、
前記発電装置の出力電圧が前記第１の電力変換器が動作可能な電圧以下の状態においては前記昇降圧器を操作して前記蓄電装置に蓄電を行わせる手段と、前記発電装置の出力電圧が前記第１の電力変換器が動作可能な電圧以上であってかつ前記第１の電力変換器の変換効率が所定値に達するまでの状態においては前記第１の電力変換器と前記昇降圧器を併用した運転を行わせ、これらの出力電力比率を変更する手段を備えたことを特徴とする給電システム。
【請求項２】
請求項１に記載の給電システムであって、
第１の電力変換器と前記昇降圧器を併用した運転を行う際に、前記発電装置の出力が増加するときには前記第１の電力変換器の出力電力の割合を増加するように前記第１の電力変換器と昇降圧器の出力電力比率を変更し、前記発電装置の発電電力が減少するときには前記第１の電力変換器の出力電力の割合を減少するように前記第１の電力変換器と昇降圧器の出力電力比率を変更する手段を有することを特徴とする給電システム。
【請求項３】
自然エネルギーを利用して直流出力を与える発電装置と、該発電装置の直流出力と交流とを変換する第１の電力変換器と、前記発電装置と前記第１の電力変換器の間に並列に接続されたコンデンサと、前記発電装置と前記第１の電力変換器の間に並列に入力側を接続する昇降圧器と、入力側を前記昇降圧器の出力側に接続された蓄電装置と一方を該蓄電装置の出力側に接続され他方を前記第１の電力変換器の交流側に接続された第２の電力変換器で構成された蓄電システムを備え、前記第１の電力変換器の交流側と前記第２の電力変換器の交流側が電力系統と連系する給電システムであって、
前記蓄電システム内の前記蓄電装置を直列接続された複数の蓄電池モジュールで構成し、前記昇降圧器と前記蓄電装置の間に選択装置を備えて、前記蓄電池モジュールを個別に選択可能に構成し、直列接続された複数の蓄電池モジュールの一部が前記選択装置を介して前記昇降圧器に接続されて電力を供給され、前記直列接続された複数の蓄電池モジュールの両端に前記第２の電力変換器が接続されて運転することを特徴とする給電システム。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の給電システムであって、
前記蓄電装置を直列接続された複数の蓄電池モジュールで構成し、前記第２の電力変換器は前記蓄電池モジュールごとに配置された複数の小型変換器を含むことを特徴とする給電システム。
【請求項５】
自然エネルギーを利用して直流出力を与える発電装置と、該発電装置の直流出力と交流とを変換する第１の電力変換器と、前記発電装置と前記第１の電力変換器の間に並列に接続されたコンデンサと、前記発電装置と前記第１の電力変換器の間に並列に入力側を接続する昇降圧器と、入力側を前記昇降圧器の出力側に接続された蓄電装置と一方を該蓄電装置の出力側に接続され他方を前記第１の電力変換器の交流側に接続された第２の電力変換器で構成された蓄電システムを備え、前記第１の電力変換器の交流側と前記第２の電力変換器の交流側が電力系統と連系する給電システムの運転方法であって、
前記発電装置の出力電圧が前記第１の電力変換器が動作可能な電圧以下の状態においては前記昇降圧器を操作して前記蓄電装置に蓄電を行い、前記発電装置の出力電圧が前記第１の電力変換器が動作可能な電圧以上であってかつ前記第１の電力変換器の変換効率が所定値に達するまでの状態においては前記第１の電力変換器と前記昇降圧器を併用した運転を行い、これらの出力電力比率を変更することを特徴とする給電システムの運転方法。
【請求項６】
請求項５に記載の給電システムの運転方法であって、
第１の電力変換器と前記昇降圧器を併用した運転を行う際に、前記発電装置の出力が増加するときには前記第１の電力変換器の出力電力の割合を増加するように前記第１の電力変換器と昇降圧器の出力電力比率を変更し、前記発電装置の発電電力が減少するときには前記第１の電力変換器の出力電力の割合を減少するように前記第１の電力変換器と昇降圧器の出力電力比率を変更する手段を有することを特徴とする給電システムの運転方法。
【請求項７】
自然エネルギーを利用して直流出力を与える発電装置と、該発電装置の直流出力と交流とを変換する第１の電力変換器と、前記発電装置と前記第１の電力変換器の間に並列に接続されたコンデンサと、前記発電装置と前記第１の電力変換器の間に並列に入力側を接続する昇降圧器と、入力側が選択装置を介して前記昇降圧器の出力側に接続され直列接続された複数の蓄電池モジュールで構成された蓄電装置と一方を該蓄電装置の出力側に接続され他方を前記第１の電力変換器の交流側に接続された第２の電力変換器で構成された蓄電システムを備え、前記第１の電力変換器の交流側と前記第２の電力変換器の交流側が電力系統と連系する給電システムの運転方法であって、
前記直列接続された複数の蓄電池モジュールの一部が前記選択装置を介して前記昇降圧器に接続されて電力を供給され、前記直列接続された複数の蓄電池モジュールの両端に前記第２の電力変換器が接続されて運転することにより、前記蓄電池モジュールの寿命を調整することを特徴とする給電システムの運転方法。
【請求項８】
自然エネルギーを利用して直流出力を与える発電装置と、該発電装置の直流出力と交流とを変換する第１の電力変換器と、前記発電装置と前記第１の電力変換器の間に並列に接続されたコンデンサと、前記発電装置と前記第１の電力変換器の間に並列に入力側を接続する昇降圧器と、入力側が選択装置を介して前記昇降圧器の出力側に接続され直列接続された複数の蓄電池モジュールで構成された蓄電装置と一方を該蓄電装置の出力側に接続され他方を前記第１の電力変換器の交流側に接続された第２の電力変換器で構成された蓄電システムを備え、前記第１の電力変換器の交流側と前記第２の電力変換器の交流側が電力系統と連系する給電システムの運転方法であって、
前記第２の電力変換器が停止または切り離され、かつ前記直列接続された複数の蓄電池モジュールの一部が前記選択装置を介して前記昇降圧器に接続されて電力を供給されている状態において、前記直列接続された複数の蓄電池モジュールの他の一部が取り外されることを特徴とする給電システムの運転方法。
【請求項９】
自然エネルギーを利用して直流出力を与える発電装置と、該発電装置の直流出力と交流とを変換する第１の電力変換器と、前記発電装置と前記第１の電力変換器の間に並列に接続されたコンデンサと、前記発電装置と前記第１の電力変換器の間に並列に入力側を接続する昇降圧器と、入力側が選択装置を介して前記昇降圧器の出力側に接続され直列接続された複数の蓄電池モジュールで構成された蓄電装置と一方を該蓄電装置の複数の蓄電池モジュールの出力側にそれぞれ接続され他方を前記第１の電力変換器の交流側に接続された複数の小型電力変換器を含む第２の電力変換器で構成された蓄電システムを備え、前記第１の電力変換器の交流側と前記第２の電力変換器の交流側が電力系統と連系する給電システムの運転方法であって、
前記複数の小型電力変換器の一部を運転することにより、前記蓄電池モジュールの寿命を調整することを特徴とする給電システムの運転方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電力変換器を備えた給電システムとその運転方法に関し、特に太陽光発電システムや風力発電システムといった再生可能エネルギーの発電装置を電力系統に連系して電力を供給する給電システムに適用して有効な給電システムとその運転方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、エネルギー自給率向上のため、再生可能エネルギーの利用が推進されている。その一翼を担うものとして、太陽光発電や風力発電といった再生可能エネルギー（新エネルギー）がある。これらは、エネルギー源が枯渇する心配が無く発電時にＣＯ２を排出しないが、天候に依存するため出力が不安定である。そのため、再生可能エネルギー利用拡大時には、電力の出力変動を抑制するため電力貯蔵装置が不可欠である。
【０００３】
電力貯蔵装置の一つに蓄電システムがあり、新エネルギーと蓄電システムを組み合わせることで、新エネルギーの出力電力の変動を抑制することができる。新エネルギーの出力電力が小さい場合は、パワーコンディショナＰＣＳの動作条件を満たさずパワーコンディショナＰＣＳが動作しないため電力系統に電力を供給できない。
【０００４】
非特許文献１には、太陽電池から蓄電池に直流と直流とを変換する変換器を介して直接蓄電池に充電する技術が紹介されている。さらに、特許文献１には、朝夕や曇りといった日射強度が小さい場合に、パワーコンディショナＰＣＳが動作を開始する電圧を閾値として昇圧器と電力変換器を切り替えることで、動作電圧以下では昇圧器を介して蓄電システムに蓄電し、動作を開始する電圧以上では電力変換器を介して電力系統に電力を供給するシステムが紹介されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第０３５８１６９９号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】雑誌「電機」平成８年３月号（日本電機工業会発行）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、電力変換器が動作を開始する電圧を閾値として昇圧器と電力変換器の一方を選択して電力を供給しているため、電力変換器が動作する電力以上かつ太陽電池の発電電力が小さい場合は電力変換器の損失が大きく有効に電力を供給できていないという課題がある。
【０００８】
また蓄電システムが大容量化してくると、複数の蓄電池を併用することになるが、複数の蓄電池間の寿命が均一化できず、寿命の短い蓄電池に全体寿命が左右されるという課題がある。
【０００９】
以上のことから本発明においては、自然エネルギーを利用した発電装置と第１の電力変換器と昇降圧器と蓄電システムが接続されたシステムにおいて、発電装置で発電した電力を有効に電力系統に供給し、さらには蓄電池の寿命管理を可能とすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
以上のことから本発明は、自然エネルギーを利用して直流出力を与える発電装置と、発電装置の直流出力と交流とを変換する第１の電力変換器と、発電装置と第１の電力変換器の間に並列に接続されたコンデンサと、発電装置と第１の電力変換器の間に並列に入力側を接続する昇降圧器と、入力側を昇降圧器の出力側に接続された蓄電装置と一方を蓄電装置の出力側に接続され他方を第１の電力変換器の交流側に接続された第２の電力変換器で構成された蓄電システムを備え、第１の電力変換器の交流側と第２の電力変換器の交流側が電力系統と連系する給電システムであって、発電装置の出力電圧が第１の電力変換器が動作可能な電圧以下の状態においては昇降圧器を操作して蓄電装置に蓄電を行わせる手段と、発電装置の出力電圧が第１の電力変換器が動作可能な電圧以上であってかつ第１の電力変換器の変換効率が所定値に達するまでの状態においては第１の電力変換器と昇降圧器を併用した運転を行わせ、これらの出力電力比率を変更する手段を備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本願において開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば以下の通りである。
【００１２】
本発明の給電システムでは、電力を第１の電力変換器と昇降圧器の出力電力比率を変更することで、発電装置で発電した電力を有効に電力系統に供給し、寿命管理も行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】実施例１の給電システムの全体概略構成例を示すシステムブロック図。
【図２】第１の電力変換器の接続構成例を示す回路図。
【図３】昇降圧器の接続構成例を示す回路図。
【図４】日射強度と第１の電力変換器が出力する電力の推移例を示す図。
【図５】第１の電力変換器の電力変換効率曲線の例を示す図。
【図６】従来制御による昇降圧器と第１の電力変換器の出力電力比率を示す図。
【図７】本発明制御による昇降圧器と第１の電力変換器の出力電力比率を示す図。
【図８】本発明のシステム制御装置の制御内容の一例をブロック線図。
【図９】実施例２の給電システムの全体概略構成例を示すシステムブロック図。
【図１０】初期状態の蓄電池モジュールの蓄電池容量の例を模式的に示す図。
【図１１】使用、劣化後の電池モジュールの容量が減少した例を模式的に示す図。
【図１２】蓄電池モジュール出力アシスト時の回路構成を示す図。
【図１３】蓄電池モジュール出力アシスト時の各部電流変化を示す図。
【図１４】アシスト制御の結果として寿命が揃えられた状態を示す図。
【図１５】３台の蓄電池モジュールで構成するときの回路構成を示す図。
【図１６】蓄電池モジュール切り離し時の継続運転を説明する図。
【図１７】実施例４の給電システムの全体概略構成例を示すシステムブロック図。
【図１８】実施例５の給電システムの全体概略構成例を示すシステムブロック図。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、実施の形態においては便宜上その必要があるときは、複数のセクションまたは実施の形態に分割して説明するが、特に明示した場合を除き、それらは互いに無関係なものではなく、一方は他方の一部または全部の変形例、詳細、補足説明等の関係にある。また、以下の実施の形態において、要素の数等（個数、数値、量、範囲等を含む）に言及する場合、特に明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されるものではなく、特定の数以上でも以下でも良い。
【００１５】
さらに、以下の実施の形態において、その構成要素（要素ステップ等も含む）は、特に明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。同様に、以下の実施の形態において、構成要素等の形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合および原理的に明らかにそうでないと考えられる場合等を除き、実質的にその形状等に近似または類似するもの等を含むものとする。このことは、上記数値および範囲についても同様である。
【００１６】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一の部材には原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。
【実施例１】
【００１７】
図１に、本発明の電力変換装置を電力系統へ電力を供給するシステムに適用した実施例として給電システム１００を示す。給電システム１００は、電力系統１１０と連系し電力を供給するシステムである。給電システム１００は、発電装置１０１、コンデンサ１０２、第１の電力変換器１０３、昇降圧器１０４、蓄電システム１０５、システム制御装置１０９を有する。なお、本実施例では、電力系統１１０が単相の場合を例に挙げて説明するが、電力系統１１０が三相の場合もある。この場合には、三相の電力変換器を用いて三相の電力系統１１０と連系することになる。
【００１８】
発電装置１０１は、例えば、太陽光発電や風力発電といった自然エネルギーを利用した発電装置であり、直流出力を与える。発電装置１０１は、その出力端に直流電流値と直流電圧値を計測する計測装置（図示せず）を備えるものとする。発電装置１０１の出力は、第１の電力変換器１０３において交流に変換され、電力系統１１０に電力を供給する。第１の電力変換器１０３の具体的な回路構成は図２に示されており、後述する。
【００１９】
蓄電システム１０５は、第２の電力変換器１０８と蓄電池装置１０６から構成され、第１の電力変換器１０３と並列に接続されている。このうち蓄電装置１０６は、蓄電池モジュール１０７ａと蓄電池モジュール１０７ｂを有し、これらを直列接続している。なお、図１では蓄電装置として蓄電池を例に挙げて説明するが、キャパシタなど他の蓄電装置を用いてもよい。また蓄電池モジュール１０７は３組以上を直列接続したものとすることもできる。
【００２０】
発電装置１０１の出力端には第１の電力変換器１０３の直流側を接続し、これに並列にコンデンサ１０２と昇降圧器１０４の入力側を接続している。なお図示の例では昇降圧器１０４がコンデンサ１０２の発電装置１０１側から分岐接続されているが、これはコンデンサ１０２の第１の電力変換器１０３側から分岐接続されていてもよい。昇降圧器１０４の具体的な回路構成は図３に示されており、後述する。
【００２１】
昇降圧器１０４の出力側に蓄電システム１０５の蓄電装置１０６を接続している。第２の電力変換器１０８の交流側が、第１の電力変換器１０３の交流側に並列に接続されている。これにより、第２の電力変換器１０８も電力系統１１０と連系することになる。
【００２２】
制御装置１０９は、適宜給電システム１００の各所から電流、電圧などを入力し、電力系統１１０との連系に必要な各種の操作量を適宜給電システム１００の各所（図示の例では第１の電力変換器１０３および昇降圧器１０４）に与え、これを制御している。制御装置１０９の具体的な回路構成は図８に示されており、後述する。
【００２３】
図２に第１の電力変換器１０３の構成例を示す。第１の電力変換器１０３は、スイッチング回路２０、直流側接続部２１、交流側接続部２２、変換器制御装置２７で構成されている。直流側接続部２１には、第１の電力変換器１０３の直流側の電圧と電流とを計測する計測装置２１０を備え、計測した電圧データと電流データを変換器制御装置２７に送信する。変換器制御装置２７は取得したデータを図１のシステム制御装置１０９へ送信する。
【００２４】
スイッチング回路２０は、例えばＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ  Ｇａｔｅ  Ｂｉｐｏｌａｒ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）などのスイッチング素子２３ａ〜２６ａで構成されている。なお、本実施の形態では、スイッチング素子２３ａ〜２６ａとしてＩＧＢＴを用いた場合を例に挙げて説明するが、ＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ  Ｏｘｉｄｅ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  Ｆｉｅｌｄ  Ｅｆｆｅｃｔ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）など、他のスイッチング素子を用いてもよい。
【００２５】
スイッチング回路２０は、上アームのスイッチング素子２３ａのエミッタと下アームのスイッチング素子２４ａのコレクタとが電気的に直列に接続されて構成された第１のレグと、上アームのスイッチング素子２５ａのエミッタと下アームのスイッチング素子２６ａのコレクタとが電気的に直列に接続されて構成された第２のレグとを有し、上アームのスイッチング素子２３ａ、２５ａのドレイン同士及び下アームのスイッチング素子２４ａ、２５ａのソース同士が電気的に接続されて、第１のレグと第２のレグが電気的に並列に接続された単相フルブリッジインバータ回路である。スイッチング素子２３ａ〜２６ａのコレクタとエミッタ間には、それぞれダイオード２２ｂ〜２５ｂが設けられている。なお、第２の電力変換器１０８も第１の電力変換器１０３と同様に構成されている。
【００２６】
交流側接続部２２は、電力系統１１０に接続される交流端子を含んでいる。図２では単相の場合を例示しているが、電力系統１１０が三相の場合もある。この場合には、スイッチング回路２０が三相の電力変換回路として構成されることになる。交流側接続部２２には、電力系統１１０の交流電圧と電流とを計測する計測装置２２０を備え、計測した電圧データと電流データを変換器制御装置２７に送信する。変換器制御装置２７は取得したデータを図１のシステム制御装置１０９へ送信する。
【００２７】
図３に昇降圧器１０４の構成例を示す。昇降圧器１０４は、スイッチング回路３０、直流側接続部３１、交流側接続部３２、昇降圧器制御装置３７を有する。
【００２８】
なお図１に示すように、昇降圧器１０４の交流側接続部３２には蓄電システム１０５の蓄電装置１０６が接続されており、交流側接続部３２に印加される電流、電圧は直流である。このように交流側接続部３２は直流出力を与えているが、直流側接続部３１に対比するためにこのように呼称する。
【００２９】
図３のスイッチング回路３０は、例えばＩＧＢＴなどのスイッチング素子３３ａ、３４ａとインダクタ３５で構成されている。なお、本実施の形態では、スイッチング素子３３ａ、３４ａとしてＭＯＳＦＥＴを用いた場合を例に挙げて説明するが、ＩＧＢＴなど、他のスイッチング素子を用いてもよい。
【００３０】
スイッチング回路３０は、スイッチング素子３３ａのエミッタとスイッチング素子３４ａのコレクタとインダクタ３５の一端とが電気的に接続された構成であり、スイッチング素子３３ａのコレクタとインダクタ３５のスイッチング素子３４ａと接続していない側の間が入力となり、スイッチング素子３４ａのエミッタとインダクタ３５のスイッチング素子３４ａと接続していない側の一端との間が出力となる昇降圧チョッパ回路を形成している。
【００３１】
以下、発電装置１０１が例えば、太陽光発電である場合を例にとって、図１の給電システム１００の制御、運用における問題点を説明する。この問題は太陽光発電におけるエネルギー源である日射強度が低いときに十分な発電電力が得られないというものであるが、この問題は風力発電における微風時の発電電力が十分に得られないという課題と共通する。このため、以下の説明では太陽光発電を例にとって行うが、この解決策はそのまま風力発電にも適用可能なものである。
【００３２】
図４に日射強度と従来の制御により第１の電力変換器１０３が出力する電力の推移例を示す。横軸は、ある日の朝から夕方までの１日における時刻を表している。縦軸は二軸となっており、左側の縦軸は出力電力を示し、右側の縦軸は日射強度を示している。実線が日射強度であり、破線が第１の電力変換器１０３の出力電力を示している。この事例によれば、昼間の日射強度が高い時期には日射強度にほぼ比例する出力電力が得られているが、朝夕の日射強度が低い時期には比例的な出力電力が得られない。一定以上の日射強度がないと出力電力が得られない傾向が表れている。
【００３３】
この図で期間ｔ１は、日射強度があり第１の電力変換器１０３が非動作の状態の期間を示し、期間ｔ２は第１の電力変換器の電力変換効率が低い期間を模式的に示している。第１の電力変換器１０３の非動作の状態とは、第１の電力変換器１０３の入力電圧が、変換器が動作するために必要な電圧（以下動作可能電圧という）以下の状態である。期間ｔ２は、第１の電力変換器１０３の電力変換効率が低いため発電装置で発電する電力を有効に出力できない期間である。
【００３４】
図５に第１の電力変換器１０３の電力変換効率曲線の例を示す。横軸は発電装置１０１が出力する発電電力を示し、縦軸は電力変換効率を示す。期間ｔ１は第１の電力変換器１０３が非動作の期間を示し、図５の期間ｔ１に対応している。期間ｔ２は第１の電力変換器１０３の電力変換効率が低い期間を示し、図５の期間ｔ２に対応している。第１の電力変換器１０３のような直流を交流に変換する電力変換器は、変換する電力により変換効率が変わり、変換する電力が小さくなるに従い電力変換効率も低下する傾向を有する。
【００３５】
図６に従来の制御による昇降圧器１０４と第１の電力変換器１０３の出力電力比率を示す。図６は発電装置の発電電力（横軸）に対する出力比率（縦軸）を示したものであり、図６上が昇降圧器１０４の出力電力比率を示し、図６下が第１の電力変換器１０３の出力電力比率を示している。従来の制御では、第１の電力変換器１０３が非動作の期間ｔ１では、昇降圧器１０４を選択して動作させ、発電装置１０１の出力を蓄電池１０６に蓄電する。第１の電力変換器１０３の入力電圧が、その動作可能電圧より大きくなり動作することができる場合は、第１の電力変換器１０３を選択して動作させる制御となる。
【００３６】
つまり期間ｔ１での出力電力比率は、昇降圧器１０４が１００％で、第１の電力変換器１０３は０％となる。期間ｔ２での出力電力比率は、昇降圧器１０４が０％で、第１の電力変換器１０３は１００％となる。そのため、第１の電力変換器１０３の電力変換効率が低い期間ｔ２において、第１の電力変換器１０３のみで電力変換するため有効に電力を系統へ供給できていない。
【００３７】
図７に本発明の制御による昇降圧器１０４と第１の電力変換器１０３の出力電力比率例を示す。本制御では、第１の電力変換器１０３の電力変換効率の低い期間ｔ２に、昇降圧器１０４と第１の電力変換器１０３を両方動作させ、発電装置１０１の電力に応じて、昇降圧器１０４と第１の電力変換比率を変更する。これにより、発電装置１０１で発電した電力を有効に蓄電することができる。なお期間ｔ１での出力電力比率は、従来通り昇降圧器１０４が１００％で、第１の電力変換器１０３は０％である。
【００３８】
図８に本発明のシステム制御装置１０９の制御内容の一例をブロック線図で表したものを示す。図１のシステム制御装置１０９は、図２の変換器制御装置２７に具備されている計測装置２１０から、第１の電力変換器１０３の直流側の電圧と電流を入力している。また計測装置２２０から第１の電力変換器１０３の交流側の電圧と電流を入力している。
【００３９】
図８の処理では、最初に演算ブロック４０１において第１の電力変換器１０３の直流側の電圧と電流から発電装置１０１の発電電力値Ｐ１０１を演算する。次に発電電力演算ブロック４０１で演算した発電装置１０１の発電電力値データを変換器出力電力値演算ブロック４０２に入力し、第１の電力変換器１０３と昇降圧器１０４の出力電力比率を演算し、第１の電力変換器１０３の目標出力電力値Ｐ１０３と昇降圧器１０４の目標出力電力値Ｐ１０４を演算する。
【００４０】
ここでの具体的な処理は、図７の比率特性に応じて第１の電力変換器１０３と昇降圧器１０４の出力電力を定めたものである。例えば発電電力Ｐ１０３がＰ１以下のＰ４である領域ｔ１では、昇降圧器１０４の出力比率を１００％として昇降圧器１０４の目標出力電力値Ｐ１０４をＰ４に設定し、第１の電力変換器１０３の出力比率を０％として第１の電力変換器１０３の目標出力電力値Ｐ１０３を０に設定する。
【００４１】
そして特に発電電力がＰ１以上、Ｐ２以下の領域ｔ２においては、図７の発電電力Ｐ１０１がＰ３であるとき、電力変換器１０３の出力比率を例えば２０％として第１の電力変換器１０３の目標出力電力値Ｐ１０３を（０．２＊Ｐ１０１）として求め、昇降圧器１０４の出力比率を８０％として昇降圧器１０４の目標出力電力値Ｐ１０４を（０．８＊Ｐ１０１）に設定する。期間ｔ２においてこの比率は発電電力に応じて逐次変更設定される。このように変換器出力電力値演算ブロック４０２では、あらかじめ設定された図７のような比率特性を記憶しておいて、発電装置１０１の発電電力Ｐ１０１に応じて、第１の電力変換器１０３と昇降圧器１０４の出力電力比率を演算し、それぞれの目標出力電力値Ｐ１０３、Ｐ１０４を与える。
【００４２】
また図８において、演算ブロック４０３では入力した交流系統側の電流、電圧を用いて第１の電力変換器１０３が電力系統１１０と連系するために出力する電圧目標値Ｖ１０３を計算する。この計算では例えば電力系統１１０内に仮想した受電端電圧を一定値と仮定し、受電端との間で所望の電力量（Ｐ１０３）を融通するために必要な送電端電圧としての電圧目標値Ｖ１０３を計算する。この場合に送電端とは、第１の電力変換器１０３の交流側端子を意味している。
【００４３】
目標電圧計算ブロック４０３で計算した目標電圧値データＶ１０３と変換器出力電力値演算ブロック４０２で演算した第１の電力変換器１０３の目標出力電力値Ｐ１０３をスイッチングパターン生成ブロック４０４ａに入力し、第１の電力変換器１０３のスイッチング素子２３ａ〜２６ａのスイッチングパターンを生成する。スイッチングパターン生成ブロック４０４ａで生成した第１の電力変換器１０３のスイッチングパターンは、図２に示す第１の電力変換器１０３内の変換器制御装置２７に通信手段を用いて送付される。
【００４４】
ここで、スイッチングパターン生成ブロック４０４ａはＰＷＭなどの変調器を含み、変調波とキャリヤ信号とから、第１の電力変換器１０３のスイッチング素子の点弧タイミング信号を生成するものである。このときにキャリヤ信号としては通常は三角波を使用することが多い。また変調波としては、送電端に要求される第１の電力変換器１０３の目標出力電力値Ｐ１０３と目標電圧値データＶ１０３とを得るために必要な電流についての正弦波形が算出して用いられる。
【００４５】
また、変換器出力電力値演算ブロック４０２で演算した昇降圧器１０４の目標出力電力値Ｐ１０４をスイッチングパターン生成ブロック４０４ｂへ入力し、昇降圧器１０４のスイッチング素子３３ａ、３４ｂのスイッチングパターンを生成する。スイッチングパターン生成ブロック４０４ｂもＰＷＭなどの変調器を含み、変調波とキャリヤ信号とから、昇降圧器１０４のスイッチング素子の点弧タイミング信号を生成する。ここで生成した昇降圧器１０４のスイッチングパターンは、図３に示す昇降圧器１０４内の昇降圧器制御装置３７に通信手段を用いて送付される。
【００４６】
以上、本実施例の給電システムにより、第１の電力変換器１０３の電力変換効率が低い期間ｔ２に昇降圧器１０４を介して蓄電装置１０６に電力を蓄電することできる。よって、発電装置１０１で発電した電力を有効に利用することができる。
【実施例２】
【００４７】
実施例２では、実施例１の給電システム１００の変形例について説明する。実施例１では、第１の電力変換器１０３と昇降圧器１０４の出力電力比率を変更することで、発電装置１０１が発電した電力を、昇降圧器１０４を介して蓄電装置１０６に蓄電した。実施例２の給電システム１００では、昇降圧器１０４を介して蓄電装置１０６に蓄電する際の蓄電方法について説明する。
【００４８】
図９に実施例２の給電システム１００の構成例を示す。実施例１の給電システム１００の構成例との違いは、蓄電システム１０５に選択装置１１２を設けた点である。選択装置１１２を昇降圧器１０４と蓄電装置１０６との間に設置し、昇降圧器１０４の出力側を蓄電池モジュール１０７ａ又は蓄電池モジュール１０７ｂを選択して接続することを可能にする構成を採用したことである。
【００４９】
図９は選択装置の部分でのみ図１と攻勢が相違しているので、以下の説明では選択装置１１２部分を中心にして説明する。選択装置１１２は、選択スイッチ１１１ａと１１１ｂから構成され、選択スイッチ１１１ａと１１１ｂの入力端子を昇降圧器１０４の出力側と接続する。選択スイッチ１１１ａの２つある出力端の内１つを蓄電池モジュール１０７ａの正極に接続し、他端を蓄電池モジュール１０７ａと蓄電池モジュール１０７ｂの間に接続する。同様に選択スイッチ１１１ｂの２つある出力端の１つを蓄電池モジュール１０７ｂの負極側に接続し、他端を蓄電池モジュール１０７ａと蓄電池モジュール１０７ｂの間に接続する。図９の構成により、発電装置１０１で発電した電力を、昇降圧器１０４を介して蓄電池モジュール１０７ａ又は１０７ｂに個別に充電することが可能となる。
【００５０】
図１０に初期状態の蓄電池モジュール１０７の蓄電池容量の例を模式的に示す。ここでは２つの蓄電池モジュール１０７ａ、１０７ｂの初期容量を、縦軸に蓄電池容量をとって示している。一般的に、蓄電池は、製造時のばらつき等により蓄電池容量に差が生じる。図示の例では蓄電池モジュール１０７ｂの初期蓄電池容量が蓄電池モジュール１０７ａの初期蓄電池容量よりも低くなっている。これに対し、寿命容量が同じと考えると、蓄電池モジュール１０７ｂの蓄電池容量は蓄電池モジュール１０７ａの蓄電池容量よりも小さいものであり、これら容量の相違する蓄電池モジュール１０７が並列使用されることになる。製品化に際しては極力性能の一致を図るが、バラつきによる差を完全に一致させることを避けられない。
【００５１】
図１１に図１０の初期状態からの使用により劣化し、蓄電池モジュールの容量が減少した例を模式的に示す。縦軸は蓄電池容量を示す。図示の使用例は、実施例１の図１のように、蓄電池モジュール１０７ａと１０７ｂを直列に接続し、第２の電力変換器１０８で一括して均等に使用した結果の状態を表している。図１１に示す通り、実施例１の均等使用方式によれば、初期状態で電池容量が小さい蓄電池モジュール１０７ｂの方が蓄電池モジュール１０７ａよりも早く寿命を迎えることになる。これにより、まだ寿命を迎えていない蓄電池モジュール１０７ａはそれ自体使用可能であるが、蓄電池モジュール１０７ｂの寿命により蓄電システム１０５としての全体寿命が決まってしまうという事態を生じる。
【００５２】
このため、蓄電システム１０５使用開始時の蓄電池モジュール１０７ａ、１０７ｂの初期容量不一致が避けられないにしても、その後の使用による寿命到達時期は蓄電池モジュール１０７ａと１０７ｂで一致させ、蓄電システム１０５全体としての有効利用を図りたいという要望がある。図９のシステムでは、選択装置１１２の利用により寿命到達時期の一致化に貢献可能である。
【００５３】
以下、寿命到達時期の一致化に貢献可能な選択装置１１２の利用手法を説明する。この前提として従来の図１の蓄電池モジュール直列接続の場合に、蓄電装置１０６から電力系統１１０に電力供給するときと比較する。この事例では、蓄電装置１０６から電流値Ｉｔを出力するとする。このとき、蓄電池モジュール１０７ａと蓄電池モジュール１０７ｂは、それぞれ電流値Ｉｔ／２を出力しており、合計として電流値Ｉｔを得ている。
【００５４】
本発明の実施例では、図１２に示すように昇降圧器１０４の出力を用いて蓄電池モジュール１０５の出力をアシストする。ここでは選択装置１１２の選択スイッチ１１１ａと１１１ｂの切り替え位置を図示のようにし、昇降圧器１０４の出力を蓄電池モジュール１０７ｂに接続している。この構成では、蓄電池モジュール１０７ｂと昇降圧器１０４を並列接続し、その後蓄電池モジュール１０７ａを直列に接続している。
【００５５】
図１３は、図１２のように接続され蓄電池モジュール１０５がアシストするときの各部電流変化を示している。直前の状態では、蓄電装置１０６から電流値Ｉｔ＝１を出力するために、蓄電池モジュール１０７ａと蓄電池モジュール１０７ｂは、それぞれ電流値Ｉｔ／２（１／２）を出力しているとする。
【００５６】
これに対し蓄電池モジュール１０５がアシストする状態では選択スイッチ１１１ａと１１１ｂの切り替えにより、昇降圧器１０４が蓄電池モジュール１０７ｂに並列接続され、その出力を０から０．５に向けて時間変化させたとする。蓄電システム１０５の出力が電流値Ｉｔ＝１に制御されているとすると、昇降圧器１０４がアシストした電流分が蓄電池モジュール１０７ｂの出力電流から減少することになる。この場合に、蓄電池モジュール１０７ａの出力は昇降圧器１０４の出力電流の影響を受けないので０．５を維持する。
【００５７】
この結果、全体出力としては１を保持したまま、蓄電容量の小さい蓄電池モジュール１０７ｂを使用せず、これを休ませる期間を得ることができる。これにより、蓄電池モジュールの劣化の進行を遅らせることが可能となる。係るアシストにより、蓄電池モジュール１０７ｂの使用期間を少なくし、結果として蓄電池モジュール１０７ａと同時期に寿命を迎えるように調整することができる。低容量の電池モジュール１０７ｂをアシストすることにより、劣化の進行を遅らせることができるため、蓄電池モジュール１０７ａと寿命をそろえることができる。図１４は、上記アシスト制御の結果として寿命が揃えられた状態を示す図である。
【００５８】
以上、本実施例の給電システムにより、蓄電システムに選択装置を備えることで昇降圧器の出力側を蓄電池モジュール毎に接続することが可能となる。これにより、昇降圧器の出力で低容量の蓄電池モジュールの出力をアシストすることができ、低容量の蓄電池モジュールの劣化の進行を遅らせることができる。よって、蓄電システムの長寿命化が可能となる。
【００５９】
なお図９では、２つの蓄電池モジュール１０７ａ、１０７ｂを２つの選択スイッチ１１１ａと１１１ｂで切り替える例を説明した。この考えを例えば３つの蓄電池モジュールに適用する場合には、選択スイッチの回路は図１５のように構成すればよい。
【００６０】
実施例２では、２つの蓄電池モジュール１０７ａ、１０７ｂの寿命管理を行っており、これを均等化すべく２つの選択スイッチ１１１ａと１１１ｂで切り替え使用しているが、この前提として２つの蓄電池モジュール１０７ａ、１０７ｂの寿命が把握されている必要がある。この寿命把握の点については、製造初期段階からSOC（state of charge）などの運転履歴管理を行うことで把握するなど、いくつかの手法が知られているので、本発明の運用ではこの結果を参照して使用方法を決定することができる。
【実施例３】
【００６１】
実施例３では、蓄電池モジュールの故障時の運転方法について説明する。実施例２では、蓄電システム１０５に選択スイッチ１１１を設置し、昇降圧器１０４からの電力を蓄電池モジュール１０７毎に蓄電した。実施例３では、選択装置１０２により選択した蓄電池モジュール１０７をメンテナンスにより切り離す際に、切り離す蓄電池が出力する電力を昇降圧器１０４から出力することで蓄電システム１０５の運転継続を可能とする方法について説明する。
【００６２】
従来の考え方によれば、例えば蓄電池モジュール１０７ａが故障により、電力を供給できなくなった場合、蓄電池モジュール１０７ａを交換する必要がある。この時、蓄電システム１０５は運転を停止しなければならない。
【００６３】
ここで説明する手法では、図１６のＡに示すように、最初に蓄電システム１０５が第２の電力変換器１０８を介して電力系統１１０に電力を供給しないタイミングを検知する。つまり、第２の電力変換器１０８の停止、あるいは電力系統１１０からの切り離しを確認する。
【００６４】
次の段階では、図１６のＢに示すように、２つの選択スイッチ１１１ａと１１１ｂを図示の位置に制御する。これにより、蓄電池モジュール１０７ｂは昇降圧器１０４に接続されているが、蓄電池モジュール１０７ａは昇降圧器１０４に接続されていない。また蓄電池モジュール１０７ａは、停止あるいは電力系統１１０からの切り離された第２の電力変換器１０８との間でも回路形成していない。
【００６５】
次の段階では、図１６のＣに示すように、蓄電池モジュール１０７ｂに昇降圧器１０４から出力する。昇降圧器１０４が電力を出力することにより、蓄電システム１０５について、蓄電池モジュール１０７ｂの運転を継続することができる。
【００６６】
最後に図１６のＤに示すように、故障した蓄電池モジュール１０７ａを切り離し、新たな蓄電池モジュール１０７ａを接続する。
【００６７】
以上、本実施例の給電システムにより、蓄電システムの蓄電池モジュールが故障し切り離した場合でも、昇降圧器が故障した蓄電池モジュール分の電力を供給することで、蓄電システムの運転を継続することが可能である。
【実施例４】
【００６８】
実施例４では、実施例２の変形例について説明する。実施例２では、蓄電システムに選択装置を設け、蓄電池モジュール毎に昇降圧器の出力を蓄電した。実施例４では、第２の電力変換器と蓄電装置との間に蓄電池モジュール毎に小型変換器を設置し、蓄電池モジュールを分割した場合について説明する。
【００６９】
図１７に実施例４の給電システムの全体概略構成例を示す。実施例２との構成の違いは、蓄電システム１０５の蓄電装置１０６と第２の電力変換器１０８の間に小型変換器１１３ａと１１３ｂを設置し、蓄電モジュール１０７ａの出力は小型変換器１１３ａを介して出力し、蓄電池モジュール１０７ｂの出力は小型変換器１１３ｂを介して出力するように分割していることである。
【００７０】
実施例２では、蓄電池モジュール１０７ａ、１０７ｂが直列接続されており、蓄電池モジュール毎の蓄電池容量のばらつきを昇降圧器１０４の出力を用いてアシストすることで、低容量の蓄電池モジュールの劣化を遅らせて長寿命化した。この対策は、蓄電池モジュール１０７ａ、１０７ｂの充電動作時に不均一な動作をさせたものである。
【００７１】
これに対し実施例４では、蓄電池モジュール１０７ａ、１０７ｂの放電動作時に小型変換器１１３ａ、１１３ｂを用いて不均一な動作をさせたものである。小型変換器１１３ａ、１１３ｂにより、蓄電池モジュール１１７ａ、１１７ｂをそれぞれ異なる放電運転状態に制御することで分割管理することができる。このため、蓄電池容量が小さい方の蓄電池モジュールの劣化を遅らせることが可能となり、蓄電システム１０５の長寿命化が可能となる。
【００７２】
実施例４の放電側による寿命均等化制御は、さらに充電側による寿命均等化制御を併用することでより高い制御効果を得ることができる。選択装置１１２を用いて、昇降圧器１０４の出力電力を蓄電池モジュール１０７ａ、１０７ｂ毎に選択して蓄電することで、蓄電池モジュールの充電状態を管理できる。
【００７３】
蓄電池モジュール１０７ａの蓄電池容量が、蓄電池モジュール１０７ｂの蓄電池容量よりも大きい場合、蓄電池モジュール１０７ａを優先的に小型変換器１１３ａを介して充放電することで、蓄電池モジュール１０７ｂの劣化を遅らせることができる。
【００７４】
電池モジュール１０７ａの充電状態を変更するために、蓄電池モジュール１０７ａに充電する場合に、選択装置１１２を用いて昇降圧器１０４の出力を蓄電池モジュール１０７ａに充電する。これにより、蓄電モジュール１０７ａの充電状態を充電により変更する際は、第１の電力変換器１０３と第２の電力変換器１０８と小型変換器１１３ａを介して充電するよりも損失が少なく充電できる。
【００７５】
以上、本実施例の給電システムにより、小型変換器を用いて蓄電池モジュールを分割管理する際に、充電による蓄電池モジュールの充電状態変更を高効率で行える。よって、発電装置で発電した電力を有効に利用することができる。
【実施例５】
【００７６】
実施例５は実施例４の変形例である。実施例５を図１８を用いて説明する。図１７の実施例４では、蓄電池モジュール１０７ａ、１０７ｂに小型変換器１１３ａ。１１３ｂをそれぞれ接続し、第２の電力変換器１０８を介して電力を電力系統１１０へ供給する構成において、蓄電池モジュールに高効率に充電する方法について説明した。実施例５では、蓄電池モジュールに小型変換器をそれぞれ接続し、これらの小型変換器を第１の電力変換器と電力系統の間に直列に接続する構成において、蓄電池モジュールに高効率に充電する方法について説明する。
【００７７】
図１５に本実施例の構成例を示す。実施例４の構成例との違いは、第２の電力変換器１０８を使用せず、第１の電力変換器１０３と電力系統１１０の間に蓄電池モジュール１０７ａ、１０７ｂを分割するために設置した小型変換器１１３ａ、１１３ｂが直列接続されていることである。
【００７８】
実施例４と同様に、蓄電池モジュール１０７ａの蓄電池容量が、蓄電池モジュール１０７ｂの蓄電池容量よりも大きい場合、蓄電池モジュール１０７ａを優先的に小型変換器１１３ａを介して充放電することで、蓄電池モジュール１０７ｂの劣化を遅らせることができる。蓄電池モジュール１０７ａの充電状態を変更するために、蓄電池モジュール１０７ａに充電する場合に、選択装置１１２を用いて昇降圧器１０４の出力を蓄電池モジュール１０７ａに充電する。これにより、蓄電モジュール１０７ａの充電状態を充電により変更する際は、第１の電力変換器と１０８と小型変換器１１３ａを介して充電するよりも損失が少なく充電できる。
【００７９】
以上、実施例５の給電システムにより、小型変換器を用いて蓄電池モジュールを分割管理する際に、充電による蓄電池モジュールの充電状態変更を高効率で行える。よって、発電装置で発電した電力を有効に利用することができる。
【００８０】
なお実施例２から実施例５は、蓄電池モジュール１０７の運転条件全般において実行可能であり、日照強度が弱い場合にのみ限定的に使用できるものではない。
【符号の説明】
【００８１】
２０：スイッチング回路
２１：直流側接続部
２２：交流側接続部
２３ａ〜２６ａ：スイッチング素子
２２ｂ〜２５ｂ：ダイオード
２７：制御装置
２８：平滑化コンデンサ
２９：開閉器
３０：スイッチング回路
３１：直流側接続部
３２：交流側接続部
３３ａ〜３６ａ：スイッチング素子
３３ｂ〜３６ｂ：寄生ダイオード
３７：制御装置
１００：給電システム
１０１：発電装置
１０２：コンデンサ
１０３：第１の電力変換器
１０４：昇降圧器
１０５：蓄電システム
１０６：蓄電装置
１０７ａ〜１０７ｂ：蓄電池モジュール
１０８：第２の電力変換器
１０９：制御装置
１１０：電力系統
１１１ａ〜１１１ｂ：選択スイッチ
１１２：選択装置
１１３ａ〜１１３ｂ：小型電力変換器
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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