(57)【要約】【課題】  再生可能エネルギーを用いた高効率な並列運転電源システムを提供する。【解決手段】  直流発電機１０１と、直流発電機１０１の出力を変圧する第１ＤＣ−ＤＣコンバータ１０４と、交流発電機１０２と、交流発電機１０２の出力を直流へ変換するＡＣ−ＤＣコンバータ１０５と、第１ＤＣ−ＤＣコンバータ１０４の出力とＡＣ−ＤＣコンバータ１０５の出力を交流に変換するインバータ１０６と、交流発電機１０２の出力の接続先を、ＡＣ−ＤＣコンバータ１０５の入力又はインバータ１０６の出力に切り替えるスイッチ１０３と、スイッチ１０３の切り替えを制御する制御部１０７とを備える。【選択図】図１
2015111962.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流発電機と、
前記直流発電機の出力を変圧する第１ＤＣ−ＤＣコンバータと、
交流発電機と、
前記交流発電機の出力を直流へ変換するＡＣ−ＤＣコンバータと、
前記第１ＤＣ−ＤＣコンバータの出力と前記ＡＣ−ＤＣコンバータの出力を交流に変換するインバータと、
前記交流発電機の出力の接続先を、前記ＡＣ−ＤＣコンバータの入力又は前記インバータの出力に切り替えるスイッチと、
前記スイッチの切り替えを制御する制御部とを備えることを特徴とする並列運転電源システム。
【請求項２】
前記制御部は、前記直流発電機の出力比率が負荷消費電力の１／２未満のとき、前記交流発電機の出力を前記インバータの出力と接続し、前記直流発電機の出力比率が負荷消費電力の１／２以上のとき、前記交流発電機の出力を前記ＡＣ−ＤＣコンバータの入力へ接続するよう、前記スイッチを切り替えることを特徴とする請求項１記載の並列運転電源システム。
【請求項３】
前記並列運転電源システムは、前記交流発電機の出力に並列に接続される力率調整部を備えることを特徴とする請求項１又は２いずれか１項に記載の並列運転電源システム。
【請求項４】
前記並列運転電源システムは、前記インバータの入力に一端が接続される第２ＤＣ−ＤＣコンバータと、該第２ＤＣ−ＤＣコンバータの他端に接続される蓄電部を備えることを特徴とする請求項１〜３いずれか１項に記載の並列運転電源システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は電源システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
複数の電源を並列に用い、これら複数の電源から負荷に対して並列給電が可能な電源システムとして、例えば特許文献１の技術が知られている。図８は、特許文献１の電源システムの構成を示すブロック図である。
【０００３】
特許文献１の電源システムは、商用電力系統１からの交流を直流に変換するコンバータ２と、太陽電池９と、太陽電池９から常に最大の電力を取り出すための最大電力点追従制御機能を備えたＤＣ−ＤＣコンバータ８とからなる電源装置５と、直流を所定の周波数と電圧を持つ交流に変換するインバータ３と、所定の制御を行う制御回路４と、負荷７に供給する電力の供給元を切り替える接続切替装置６とを備えて構成されている。
【０００４】
そして、特許文献１では、電源装置５の出力電力値、すなわち太陽電池９の発電状態に応じて、接続切替装置６を制御回路４の制御信号により切り替えることで、インバータ３の出力又は商用電力系統１から負荷に電力を供給し、電源装置５の電力供給量の変動の影響を受けることなく、負荷に対して安定した電力を供給できるようにしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−３２８６５６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１の技術を、商用電力系統から独立した自立型の発電機と太陽電池等の再生可能エネルギーを用いる電源との並列運転電源システムに適用する場合、以下のような課題が生じる。すなわち、特許文献１では、電源装置５の出力のみでは負荷７に供給する電力が不足する場合に、制御回路４からの制御信号で制御されたコンバータ２が動作し、商用電力系統１の交流電力が直流電力に変換され、この変換された直流電力と電源装置５の出力の双方がインバータ３に入力された後、負荷７へ必要な交流電力がインバータ３から供給される。つまり、電源装置５と商用電力系統１にて並列運転が行われる際は、両者は直流部分でのみ接続されるようになっている。
【０００７】
したがって、電源装置５と商用電力系統１により並列運転が行われる場合は、商用電力系統１から供給される電力が一旦直流に変換された後、再度交流電力に変換されて負荷に供給されるので、これら変換の際に常に電力ロスが発生してしまう。
【０００８】
また、電源装置５の出力が予め設定した出力値を下回ると、商用電力系統１の出力が負荷７に直接供給されるように接続切替装置６の切り替えが行われるので、電源装置５の出力状況によっては、常に商用電力系１のみで負荷７へ電力供給が行われることになり、この場合、電源装置５の太陽電池９の利用率は大きく損なわれる。
【０００９】
本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、再生可能エネルギーを用いた高効率な並列運転電源システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、直流発電機と、前記直流発電機の出力を変圧する第１ＤＣ−ＤＣコンバータと、交流発電機と、前記交流発電機の出力を直流へ変換するＡＣ−ＤＣコンバータと、前記第１ＤＣ−ＤＣコンバータの出力と前記ＡＣ−ＤＣコンバータの出力を交流に変換するインバータと、前記交流発電機の出力の接続先を、前記ＡＣ−ＤＣコンバータの入力又は前記インバータの出力に切り替えるスイッチと、前記スイッチの切り替えを制御する制御部とを備えることを特徴とする。
【００１１】
また、前記制御部は、前記直流発電機の出力比率が負荷消費電力の１／２未満のとき、前記交流発電機の出力を前記インバータの出力と接続し、前記直流発電機の出力比率が負荷消費電力の１／２以上のとき、前記交流発電機の出力を前記ＡＣ−ＤＣコンバータの入力へ接続するよう、前記スイッチを切り替えることを特徴とする。
【００１２】
また、前記並列運転電源システムは、前記交流発電機の出力に並列に接続される力率調整部を備えることを特徴とする。
【００１３】
また、前記並列運転電源システムは、前記インバータの入力に一端が接続される第２ＤＣ−ＤＣコンバータと、該第２ＤＣ−ＤＣコンバータの他端に接続される蓄電部を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の並列運転電源システムによれば、再生可能エネルギーの使用比率を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施形態１を示すブロック図である。
【図２】実施形態２を示すブロック図である。
【図３】実施形態３を示すブロック図である。
【図４】晴天時の負荷消費電力と直流発電機出力との時刻毎の関係を示すグラフである。
【図５】曇天時、雨天時の負荷消費電力と直流発電機出力との時刻毎の関係を示すグラフである。
【図６】不規則天候時の負荷消費電力と直流発電機出力との時刻毎の関係を示すグラフである。
【図７】直流発電機の最大出力と負荷消費電力のバランスについて説明するグラフである。
【図８】従来の電源システムのブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
〔実施形態１〕
本発明の第１の実施形態について図１及び、図４〜６を参照して説明する。図１は、本発明の並列運転電源システム１００のブロック図であり、図４〜６は天候による、負荷消費電力と直流発電機出力の関係を表わしたグラフである。
【００１７】
先ず、図１を参照して並列運転電源システム１００の構成を説明する。並列運転電源システム１００は、再生可能エネルギーを使用した直流発電機１０１と、直流発電機１０１の出力を変圧する第１ＤＣ−ＤＣコンバータ１０４と、化石燃料を使用した交流発電機１０２と、交流発電機１０２の出力を直流に変換するＡＣ−ＤＣコンバータ１０５と、第１ＤＣ−ＤＣコンバータ１０４及びＡＣ−ＤＣコンバータ１０５の出力を交流に変換するインバータ１０６と、交流発電機１０２の出力供給先を、ＡＣ−ＤＣコンバータ１０５又は負荷１０９へ切り替えるスイッチ１０３と、システム制御を行う制御部１０７と、インバータ１０６の出力と負荷１０９との間に介在されるリレー１０８を備えている。
【００１８】
次に、上記した各ブロックについて具体的に説明する。直流発電機１０１には、例えば、１００ｋＷ程度の太陽光発電装置が用いることができる。また、太陽光発電に限らず、他の再生可能エネルギーを用いる発電装置を用いることもできる。
【００１９】
第１ＤＣ−ＤＣコンバータ１０４は、昇圧チョッパ方式であり、内蔵のマイコンでデューティ比を変化させることにより昇圧比を調整し、直流発電機１０１の最大電力点追従制御を行う。
【００２０】
交流発電機１０２は、例えば、１００ｋＷ程度のガスタービンが用いられる。また、常時回転子が一定速度となるよう調速制御が可能なものが好ましい。この調速制御には、遠心振り子を用いた機械式を採用しても良いし、電子式（電子ガバナ）を採用することもできる。また、ガスタービンに限らず、ディーゼル発電機など他の回転式発電機を採用しても構わない。
【００２１】
ＡＣ−ＤＣコンバータ１０５は、例えば、ダイオードブリッジによる整流回路と電圧整合用のＤＣ−ＤＣコンバータが組み合わされて用いられる。また、内部にマイコンを備えており、第１ＤＣ−ＤＣコンバータ１０４が最大電力点追従制御を行うことで生じるＤＣ系統の電圧変動に応じて、出力の調整を行う。
【００２２】
インバータ１０６は、トランスレス方式であり、内蔵のマイコンによるＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御にて、第１ＤＣ−ＤＣコンバータ１０４或いは、ＡＣ−ＤＣコンバータ１０５の直流出力を交流に変換する。更に、オペアンプ、変流器及び出力トランスが内蔵されており、出力値をオペアンプで増幅し、マイコンでＡＤ変換することにより、電流値、電圧値の検出を行う。また更に、交流発電機に組み込まれた、図示しないエンコーダ又はレゾルバ等、回転子を検出するセンサーにより信号を得て交流発電機と同期を図る。
【００２３】
スイッチ１０３は、交流発電機１０２の出力をＡＣ−ＤＣコンバータ１０５経由でのＤＣ母線１１４への接続又は負荷１０９への接続に切り替える。
【００２４】
制御部１０７は、例えば、ＲＳ４８５のシリアル通信を用いて、第１ＤＣ−ＤＣコンバータ１０４、ＡＣ−ＤＣコンバータ１０５、インバータ１０６、スイッチ１０３の各々の動作を制御する。
【００２５】
リレー１０８は、直流発電機１０１と交流発電機１０２の動作状態に連系して、インバータ１０６の出力と負荷１０９との間を断続する。
【００２６】
次に、図１と図４を参照して並列運転電源システム１００の基本動作について説明する。図１の並列運転電源システム１００において、直流発電機１０１と交流発電機１０２は下記の手順で並列運転される。また、図４は、晴天日の終日における並列運転時の負荷消費電力と直流発電機１０１の出力の関係を時刻毎に表わしたグラフである。以下、直流発電機１０１は太陽光発電装置である場合を例として説明する。
【００２７】
また、図４を参照し、基本動作の説明に先立って並列運転時の負荷消費電力と直流発電機１０１の出力との関係について説明しておく。図４に示すように、直流発電機１０１の出力曲線１２２は、太陽光を使用するため１日を通して不規則なものとなり、また、当然のことながら夜間は出力がない。よって、個々の時刻において直流発電機１０１の出力曲線１２２が負荷消費電力曲線１２１の値に満たない部分は、交流発電機１０２の出力（図示省略）のみが負荷に供給されている。
【００２８】
次に、図１を参照して、並列運転電源システム１００の基本動作の実際を説明する。先に説明した、夜間において交流発電機１０２の出力のみが負荷に供給される際、直流発電機１０１の出力がないため、第１のＤＣ−ＤＣコンバータ１０４及びインバータ１０６の出力は停止しているが、第１のＤＣ−ＤＣコンバータ１０４は、直流発電機１０１からの入力電圧を逐次モニタし、予め設定した時間毎に制御部１０７に送信する。直流発電機１０１からの入力電圧が予め設定した電圧に達すると、制御部１０７が第１ＤＣ−ＤＣコンバータ１０４及びインバータ１０６に動作指示を出し、出力動作が開始される。なお、第１のＤＣ−ＤＣコンバータ１０４、インバータ１０６、ＡＣ−ＤＣコンバータ１０５はそれぞれ、入力電圧の他、少なくとも入力電流を測定し、これらを制御部１０７に送信している。また、インバータ１０６からの出力手順は下記のとおりである。
（１）インバータ１０６に内蔵されるマイコンにより、交流発電機１０２と同じ周波数の基準正弦波が作成される。
（２）リレー１０８がオフされ、インバータ１０６は交流発電機１０２に組み込まれた検出器１１７から交流発電機１０２の電圧位相を取得する。
（３）基準正弦波の電圧位相が、交流発電機１０２の電圧位相に合うように調節される。
（４）手順（３）での位相が合致した時点でリレー１０８がオンされ、インバータ１０６と交流発電機１０２の出力が接続される。
（５）交流発電機１０２に流出する電流値が検出器１１８により検出される。
（６）交流発電機１０２に流出する電流値が最大になるように、また基準正弦波に位相が合致するように（高力率となるように）、インバータ１０６の電流フィードバック制御が行われる。
【００２９】
次に、制御部１０７による、並列運転電源システム１００の制御動作の詳細について説明する。制御部１０７はインバータ１０６を制御し、インバータ１０６の検出器１１６が、交流発電機１０２の出力電流を、検出器１１５がＡＣ母線１１３の電圧を検出する。
【００３０】
また、ＡＣ母線１１３の電圧が許容できる範囲で、直流発電機１０１からの電流が最大となるようにインバータ１０６の出力電流を上げるよう制御する。この動作はインバータ１０６の出力電圧を上げても、出力電流が増加しなくなるまで所望のゲインにて電流フィードバック制御が行われる。すなわち、システム内にて直流発電機１０１の出力が最大となるよう制御が行われる。
【００３１】
一方、インバータ１０６の出力が一定電圧を維持している状態で、出力電流が減少していく場合は、気象条件等により直流発電機１０１の出力が低下していると判断され、出力電流が低下しないレベルまで、インバータ１０６の出力電圧を低下させる制御を行う。
【００３２】
また、直流発電機１０１の出力に応じて、スイッチ１０３の切り替え制御を行う。具体的には、直流発電機１０１の出力比率が小さいとき、例えば、負荷消費電力の１／２未満のときは、制御部１０７の指示により、スイッチ１０３がＡＣ母線１１３側に切り替えられるとともにＡＣ−ＤＣコンバータ１０５の動作を停止させて、上述した基本動作による運転が行われる。
【００３３】
また、直流発電機１０１の出力比率が大きいとき、例えば負荷消費電力の１／２以上のときは、制御部１０７の指示により、スイッチ１０３がＡＣ−ＤＣコンバータ１０５側に切り替えられるとともにＡＣ−ＤＣコンバータ１０５が動作を開始する。ここで、スイッチ１０３は機械式でも良いが、ＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）やトライアックなどの半導体を用いたスイッチがより好ましい。
【００３４】
更に、インバータ１０６の制御を、一般的なパワーコンディショナが自律運転する際と同様の定電圧出力動作をさせるために電圧フィードバック制御に変更する。以下に、インバータ１０６の電圧フィードバック制御の手順を説明する。
（１）インバータ１０６に内蔵されるマイコンにより、交流発電機１０２と同じ周波数の基準正弦波が作成される。
（２）基準正弦波の電圧位相は、スイッチ１０３が切り替わる前と同じに保つ。（随時、交流発電機１０２の電圧位相を検出器１１７により検出し、同期が保たれるよう補正を行う。）
（３）ＡＣ母線１１３の電圧値を検出器１１５により検出する。
（４）ＡＣ母線１１３の電圧が許容範囲内であることをモニタし、且つ一定電圧が保たれるよう、電圧フィードバック制御を行う。
【００３５】
上記のスイッチ１０３の切り替え動作及び出力制御の変更は、制御部１０７が負荷消費電力及び直流発電機１０１の出力電圧を比較して交流発電機１０２、及びスイッチ１０３に指示を行い実施される。このとき、図４のように、直流発電機１０１の出力が負荷消費電力に比較して小さく又、安定している晴天時や、図５のように曇天又は雨天時の場合は特に問題はないが、時刻単位で天候が不規則に変化することで、図６の丸破線で囲まれた部分のように、直流発電機１０１の出力曲線１２２が頻繁に増減する場合がある。
【００３６】
このような場合、スイッチ１０３の切り替えがあまりに高速に切り替えられると制御及びインバータ１０６との同期が困難となるため、スイッチ１０３の切り替え制御は、切り替えが必要な状態が一定時間以上、例えば３０分以上継続する場合に切り替えを行うように予め設定すると良い。
【００３７】
実施形態１によれば、負荷１０９に対して、常に直流発電機１０１の出力と交流発電機１０２の出力とを合わせた出力が供給され、システム内で直流発電機１０１の出力が最大となるよう制御される。したがって、並列運転電源システム１００内において、直流発電機１０１に用いる再生可能エネルギーの使用比率を最大限に高めることができる。
【００３８】
〔実施形態２〕
本発明の他の実施形態について、図２を参照して説明する。図２において、実施形態１と同一部分は、同一符号で示している。本実施形態が実施形態１と異なる点は、ＡＣ母線１１３に対して力率調整部１１０が追加された点にある。
【００３９】
力率調整部１１０は、内部にコンデンサとリアクトルと開閉器の直列回路を複数備えている。また、軽負荷時の位相進み過ぎを防止する遮断機を備えるとより好ましい。そして力率調整部１１０は、制御部１０７により開閉器の開閉制御が行われ、コンデンサ容量が多段階に調節されることで、ＡＣ母線１１３の力率が規定の力率となるように調整する。
【００４０】
実施形態２によれば、インバータ１０６が電圧フィードバック制御されているときに、力率が低下することによって、負荷の消費電流に依存してＡＣ母線１１３が過電流になることを防止できる。
【００４１】
〔実施形態３〕
本発明の更に他の実施形態について、図３と図７を参照して説明する。図３において、実施形態１又は実施形態２と同一部分については、同一符号で示している。また、図７は、直流発電機の最大出力と負荷消費電力のバランスについて説明するグラフである。
【００４２】
本実施形態が実施形態１又は実施形態２と異なる点は、ＤＣ母線１１４に対して、第２ＤＣ−ＤＣコンバータ１１２を介して蓄電部１１１が接続された点にある。
【００４３】
先ず、図７を参照し、直流発電機の最大出力と負荷消費電力のバランスについて説明する。並列運転電源システム１００において、直流発電機１０１による出力を最大限に利用することについては、上記実施形態で説明したとおりであり、このことを考慮すると直流発電機１０１の最大出力は、想定する負荷消費電力を超えないように設定することが好ましい。しかし、例えば、負荷も含めたシステムの設置条件等により、図７のように直流発電機１０１の最大出力が、負荷消費電力を超えてしまう場合も考えられる。このような場合、負荷消費電力曲線１２１を上回る丸破線に囲まれた部分の電力は実際には出力されず、直流発電機１０１が発生する熱として変換されるため、電力としての利用効率は低下してしまう。本実施形態では、係る状況に対応するために上述のとおり、ＤＣ母線１１４に対して、第２ＤＣ−ＤＣコンバータ１１２を介して蓄電部１１１を接続する構成とする。
【００４４】
次に、図３を参照して本実施形態の具体的構成と動作を説明する。蓄電部１１１には、鉛電池、ニッケル水素電池、リチウムイオン電池、電気二重層キャパシタ又はリチウムイオンキャパシタなどが使用できる。また、第２ＤＣ−ＤＣコンバータ１１２は、電力の方向を双方向に制御できる双方向コンバータである。
【００４５】
第２ＤＣ−ＤＣコンバータ１１２は、内部にマイコンを備えており、第１ＤＣ−ＤＣコンバータ１０４が、直流発電機１０１の最大電力点追従制御を行うことで生じるＤＣ母線１１４の電圧変動に応じて、制御部１０７の制御により昇降圧比を調整し、ＤＣ母線１１４出力の調整を行う。なお、図示は省略するが、蓄電部１１１は、双方向インバータを介してＡＣ母線１１３に接続することもできる。
【００４６】
実施形態３によれば、直流発電機１０１の出力比率が高い場合、或いは、気象条件の急変等による出力変動が生じた場合に、蓄電部１１１によりＤＣ母線１１４の出力をバックアップする。これにより、直流発電機１０１に出力変動が生じても、負荷１０９に対する電力品質を安定させることができる。また、直流発電機１０１の出力変動があっても、インバータ１０６における電流フィードバック制御と電圧フィードバック制御、及びスイッチの切り替え動作が頻繁に切り替わることを抑制することもできる。
【００４７】
今回開示された実施形態は全ての点で例示であって制限的なものではない。本発明の範囲は上記した説明ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内での全ての変更が含まれることが意図されるものである。
【産業上の利用可能性】
【００４８】
本発明による並列運転電源システムは、商用電力系統との連系システムも含めた、電源システム全般に広く適用することができる。
【符号の説明】
【００４９】
１００  並列運転電源システム
１０１  直流発電機
１０２  交流発電機
１０３  スイッチ
１０４  第１ＤＣ−ＤＣコンバータ
１１２  第２ＤＣ−ＤＣコンバータ
１０５  ＡＣ−ＤＣコンバータ
１０６  インバータ
１０７  制御部
１０８  リレー
１０９  負荷
１１０  力率調整部
１１１  蓄電部
１１３  ＡＣ母線
１１４  ＤＣ母線
１１５、１１６、１１７、１１８  検出器
１２１  負荷消費電力曲線
１２２  直流発電機１０１の出力曲線
【図１】
2015111962.tif 000003
【図２】
2015111962.tif 000004
【図３】
2015111962.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
2015111962.tif 000008
【図７】
2015111962.tif 000009
【図８】
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