(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電源装置から供給されたＤＣ電力をインバータによってＡＣ電力に変換し、系統連系保護装置を介してＡＣ系統へ系統連系すると共に、前記電源装置から供給された前記ＤＣ電力を外部のＤＣ負荷に出力する直流給電機能付きパワーコンディショナにおいて、
前記直流給電機能付きパワーコンディショナは、
前記ＡＣ系統の瞬低を検出したならばゲートブロックを行い、前記電源装置の電力供給量が前記ＤＣ負荷の消費電力量より多い場合は、前記電源装置の電力供給量を前記ＤＣ負荷の消費電力量に合わせて低下させ、前記電源装置の電力供給量が前記ＤＣ負荷の消費電力量より少ない場合は、前記ＤＣ負荷の消費電力量を抑制する制御を行い、
前記ＤＣ負荷の消費電力量を抑制する際に、複数ある前記ＤＣ負荷に予め優先順位を付与しておき、前記優先順位が低い順に前記ＤＣ負荷への電力を遮断し、前記瞬低から復電して前記ゲートブロックが解除された後、前記優先順位の逆順で前記ＤＣ負荷への前記ＤＣ電力の遮断を解除する負荷コントローラを備える
ことを特徴とする直流給電機能付きパワーコンディショナ。
【請求項２】
前記負荷コントローラは、前記ＤＣ負荷の消費電力量を抑制する際に、前記優先順位に基づいてＰＷＭ制御で電力を抑制すべき割合を増やすことを特徴とする請求項１に記載の直流給電機能付きパワーコンディショナ。
【請求項３】
前記負荷コントローラは、前記瞬低から復電して前記ゲートブロックが解除された後、前記優先順位に基づいてＰＷＭ制御で電力を抑制すべき割合を減らすことを特徴とする請求項２に記載の直流給電機能付きパワーコンディショナ。
【請求項４】
電源装置から供給されたＤＣ電力をインバータによってＡＣ電力に変換し、系統連系保護装置を介してＡＣ系統へ系統連系すると共に、前記電源装置から供給された前記ＤＣ電力を外部のＤＣ負荷に出力する直流給電機能付きパワーコンディショナの制御方法において、
前記ＡＣ系統の瞬低を検出したならばゲートブロックを行うステップと、
前記電源装置の電力供給量が前記ＤＣ負荷の消費電力量より多い場合は、前記電源装置の電力供給量を前記ＤＣ負荷の消費電力量に合わせて低下させ、前記電源装置の電力供給量が前記ＤＣ負荷の消費電力量より少ない場合は、前記ＤＣ負荷の消費電力量を抑制する制御を行うステップと、
前記ＤＣ負荷の消費電力量を抑制する際に、複数ある前記ＤＣ負荷に予め優先順位を付与するステップと、
前記優先順位が低い順に前記ＤＣ負荷への電力を遮断し、前記瞬低から復電して前記ゲートブロックが解除された後、前記優先順位の逆順で前記ＤＣ負荷への電力の遮断を解除するステップと、
を含むことを特徴とする直流給電機能付きパワーコンディショナの制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電源装置から供給されたＤＣ電力をインバータによってＡＣ電力に変換してＡＣ系統へ系統連系すると共に、電源装置から供給されたＤＣ電力を外部に出力する直流給電機能付きパワーコンディショナおよびその制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、太陽電池（ＰＶ）の増加に伴い、その発電量は無視できない情勢になりつつある。太陽光発電システムの普及拡大が進み、総発電出力に占める割合が高くなった場合において、系統擾乱により太陽光発電システムが一斉に系統から解列すると、系統内の需給バランスが崩れ、広範囲に停電が及ぶ可能性がある。このため、大量に導入が想定される太陽光発電システムには、系統擾乱時に解列せず、運転を継続する等の機能（Fault Ride Through（ＦＲＴ）の機能）が求められる。
【０００３】
さて、太陽電池のエネルギーは、全てパワーコンディショナでＡＣ系統へ電力変換されている。従来のパワーコンディショナは、瞬時低下、特に０〔Ｖ〕まで電圧が下がると系統電圧が消滅し、位相と合わせることができなくなるので、ゲートブロック（Gate Block）を行って短い時間インバータ出力を停止する。従来のパワーコンディショナは、その間、太陽電池からの電力を調整することによりリンク電圧を一定に保つように制御し、系統が復電すると直ちに太陽電池の発電量を上げ、インバータ出力を回復させることにより、ＦＲＴの要件に対応することが可能である。
【０００４】
図６は、従来のパワーコンディショナの構成を示す図である。図６を用いて従来のパワーコンディショナのＦＲＴ要件に対応した動作を説明する。ＡＣ系統１０７に連系した状態で、太陽電池１０１で発電したエネルギーをＤＣＤＣ変換器１０３で電圧変換し、ＤＣＡＣ変換器１０４でＡＣ変換してＡＣ系統１０７へ出力している状態が発電状態である。ここで瞬低（系統電圧の瞬時低下）が発生すると電圧検出器（ＶＴ）１０８が瞬低を検出し、ゲートブロック回路１１１でゲートブロック信号を発生し、図示されるスイッチング素子の全ゲート信号をＯＦＦすることによりＤＣＡＣ変換器１０４の動作を停止するとともに、ＤＣＤＣ変換器１０３の動作を、自己消費電力を補う程度まで低減させる。
【０００５】
瞬低が所定の時間以上越えた場合は、停電として連系リレー１０６を解列し、図示しないエラー表示を表示し、パワーコンディショナシステム（ＰＣＳ）はスタンバイ状態へ遷移する。瞬低が所定の時間以内に復電した場合は、ゲートブロック回路１１１を解除し、ＤＣＤＣ変換器１０３を動作させて再び太陽電池１０１からエネルギーを引き出すと同時にＤＣＡＣ変換器１０４を動作させてＡＣ電圧をＡＣ系統１０７へ出力する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１１−１０１４５５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、従来のパワーコンディショナが備えるＤＣＤＣ変換器のリンクコンデンサに蓄えられたエネルギーを、ＤＣのまま外部へ出力する直流給電機能の付いたパワーコンディショナが考えられている。この直流給電機能付きパワーコンディショナは、上述したＦＲＴの要件に対応させようとすると、瞬時低下を検出して系統への接続をゲートブロックにより遮断している間に、直流出力に接続された機器により消費される電力が太陽電池の発電量を上回ったときには、リンクコンデンサに蓄えたエネルギーを放出して、パワーコンディショナ自体を制御するための電力がなくなってしまい、復電後に速やかに系統への接続を行うことができなくなる。
【０００８】
本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、瞬低が発生しても、復電後、速やかに系統へ接続を行うことが可能となる直流給電機能付きパワーコンディショナおよびその制御方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するため、本発明は、電源装置から供給されたＤＣ電力をインバータによってＡＣ電力に変換し、系統連系保護装置を介してＡＣ系統へ系統連系すると共に、前記電源装置から供給された前記ＤＣ電力を外部のＤＣ負荷に出力する直流給電機能付きパワーコンディショナにおいて、前記直流給電機能付きパワーコンディショナは、前記ＡＣ系統の瞬低を検出したならばゲートブロックを行い、前記電源装置の電力供給量が前記ＤＣ負荷の消費電力量より多い場合は、前記電源装置の電力供給量を前記ＤＣ負荷の消費電力量に合わせて低下させ、前記電源装置の電力供給量が前記ＤＣ負荷の消費電力量より少ない場合は、前記ＤＣ負荷の消費電力量を抑制する制御を行い、前記ＤＣ負荷の消費電力量を抑制する際に、複数ある前記ＤＣ負荷に予め優先順位を付与しておき、前記優先順位が低い順に前記ＤＣ負荷への電力を遮断し、前記瞬低から復電して前記ゲートブロックが解除された後、前記優先順位の逆順で前記ＤＣ負荷への前記ＤＣ電力の遮断を解除する負荷コントローラを備えることを特徴とする。
【００１０】
本発明の直流給電機能付きパワーコンディショナは、前記ＤＣ負荷の電力消費量を調整する負荷コントローラを備え、前記負荷コントローラは前記ＤＣ負荷の消費電力量を抑制する制御を行うことが好ましい。
【００１１】
前記負荷コントローラは、前記ＤＣ負荷の消費電力量を抑制する際に、複数ある前記ＤＣ負荷に予め優先順位を付与しておき、優先順位が低い順に前記ＤＣ負荷への電力を遮断することが好ましく、前記負荷コントローラは、瞬低から復電してゲートブロックが解除された後、前記優先順位の逆順で前記ＤＣ負荷への電力の遮断を解除することが好ましい。
【００１２】
または、前記負荷コントローラは、前記ＤＣ負荷の消費電力量を抑制する際に、複数ある前記ＤＣ負荷に予め優先順位を付与しておき、前記優先順位に基づいてＰＷＭ制御で電力を抑制すべき割合を増やすことが好ましく、前記負荷コントローラは、瞬低から復電してゲートブロックが解除された後、前記優先順位に基づいてＰＷＭ制御で電力を抑制すべき割合を減らすことが好ましい。
【００１３】
また、本発明は、電源装置から供給されたＤＣ電力をインバータによってＡＣ電力に変換し、系統連系保護装置を介してＡＣ系統へ系統連系すると共に、前記電源装置から供給された前記ＤＣ電力を外部のＤＣ負荷に出力する直流給電機能付きパワーコンディショナの制御方法において、前記ＡＣ系統の瞬低を検出したならばゲートブロックを行うステップと、前記電源装置の電力供給量が前記ＤＣ負荷の消費電力量より多い場合は、前記電源装置の電力供給量を前記ＤＣ負荷の消費電力量に合わせて低下させ、前記電源装置の電力供給量が前記ＤＣ負荷の消費電力量より少ない場合は、前記ＤＣ負荷の消費電力量を抑制する制御を行うステップと、前記ＤＣ負荷の消費電力量を抑制する際に、複数ある前記ＤＣ負荷に予め優先順位を付与するステップと、前記優先順位が低い順に前記ＤＣ負荷への電力を遮断し、前記瞬低から復電して前記ゲートブロックが解除された後、前記優先順位の逆順で前記ＤＣ負荷への電力の遮断を解除するステップと、を含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明は、ＡＣ系統の瞬低の間、昇圧回路のリンクコンデンサの電圧を一定に保つことができるので、復電後、速やかにＡＣ系統へ出力することが可能となる。
また、本発明は、ＡＣ系統の瞬低が生じても、その間、太陽電池の発電量が負荷消費量以上あれば、直流給電に影響を与えることなく出力を継続できる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施形態に係る直流給電機能付きパワーコンディショナの構成を説明する図である。
【図２】本発明の実施形態に係る直流給電機能付きパワーコンディショナのＦＲＴ要件に対応した動作を説明するフローチャートである。
【図３】優先順位によりＤＣ負荷の電力を抑制する方法を説明する図である。
【図４】ＰＷＭ制御によりＤＣ負荷の電力を抑制する方法を説明する図である。
【図５】Disable１とDisable２の動作を説明するタイミングチャートの一例を示す図である。
【図６】従来のパワーコンディショナの構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。図１は、本発明の実施形態に係る直流（ＤＣ）給電機能付きパワーコンディショナの構成を説明する図である。本発明に係る直流給電機能付きパワーコンディショナは、パワーコンディショナの機能に加えて、リンクコンデンサに蓄えられたエネルギーをＤＣのまま外部へ出力する直流給電の機能を有している。
【００１７】
まず、パワーコンディショナの機能の部分について説明する。図１において、電源装置としての太陽電池１０１は、太陽光エネルギーを電流に変換する。通常、太陽電池１０１のフォトダイオード部は、直列つなぎのモジュールになっており、発電時は２００Ｖ程度の高電圧を発生する。ノイズフィルタ１０２は、落雷その他外部からの外乱の進入を防ぐ。ＤＣＤＣ変換器１０３（昇圧回路）は、太陽電池の発生電圧をＤＣＡＣ変換で使える電圧（例えば、２００ＶのＡＣならば３００〜３７０Ｖ、以下、リンク電圧と言う）に変換する。電力検出器（Ｐ）１１０は、発電量を測定する。ＤＣＡＣ変換器１０４は、４個のスイッチング素子をＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御し、直流のリンク電圧から商用の５０Ｈｚや６０ＨｚのＡＣ電圧に変換する。電圧検出器（ＶＴ）１０８は、ＤＣＡＣ変換後の電圧を測定し、電流検出器（ＣＴ）１０９は、ＤＣＡＣ変換後の電流を測定する。ノイズフィルタ１０５で系統へのノイズ出力を無くす。連系リレー１０６（系統連系保護装置）は、必要に応じてＡＣ系統１０７から遮断する時にオフさせる。ＡＣ系統１０７は商用電源である。ゲートブロック回路１１１は、必要に応じてＤＣＡＣ変換器１０４を緊急に停止させる。
【００１８】
次に、直流給電の機能の部分について説明する。図１において、ＤＣＤＣ変換器１０３（昇圧回路）のリンクコンデンサに蓄えられたエネルギーは、ＤＣのまま分岐され、出力するラインの電力を検出する電力検出器（Ｒ）１２０を通り、出力調整回路１２１を通って、ノイズフィルタ１２２でノイズを除去され、電流検出器（ＣＴ）１２３で電流を検出されて、負荷コントローラ１２５を介してＤＣ負荷１２４へ出力される。なお、負荷コントローラ１２５は、直流給電機能付きパワーコンディショナの装置内部に備えてもよいし、装置外部にあってもよい。すなわち、負荷コントローラ１２５は、パワーコンディショナ装置と別体であってもよい。
【００１９】
このように構成することで、本発明の実施形態に係る直流給電機能付きパワーコンディショナは、太陽電池（ＰＶ）の発電エネルギーをＤＣ負荷１２４へ出力し、余剰分をＡＣ系統へ出力する。また、本発明の実施形態に係る直流給電機能付きパワーコンディショナは、日射量が低下してきた場合には、ＤＣ負荷１２４への出力を補うためにＤＣＡＣ変換器１０４が逆動作を行い、すなわちＡＣＤＣ変換を行ってＡＣ系統１０７からエネルギーを吸い上げてＤＣ負荷１２４へ出力する動作を行う。
【００２０】
この直流給電機能付きパワーコンディショナは、従来のパワーコンディショナと同じ処理でＦＲＴ要件に対応させようとすると、太陽電池の発電量がＤＣ負荷の消費を賄うだけの発電量にならないときは、リンク電圧を低下させ、瞬低から復電した場合に速やかにＡＣ系統へ出力することが困難になる。
【００２１】
図２は、図１に示す本発明の実施形態に係る直流給電機能付きパワーコンディショナのＦＲＴ要件に対応した動作を説明するフローチャートである。
【００２２】
直流給電機能付きパワーコンディショナは、電圧検出器（ＶＴ）１０８で系統電圧を監視し（Ｓ１１）、瞬低を検出すると（Ｓ１２）、ゲートブロック回路１１１によりゲートブロック信号を発生して、ＤＣＡＣ変換器１０４の動作を停止する（Ｓ１３）。
【００２３】
直流給電機能付きパワーコンディショナは、電力検出器（Ｐ）と電力検出器（Ｒ）を比較し（Ｓ１４）、太陽電池の発電量（以下、ＰＶ発電量という）が負荷電力消費量より大きい場合（Ｓ１４でＮｏの場合）は、ＤＣＤＣ変換器１０３をＭＰＰＴ（Maximum Power Point Tracking）制御から定電圧制御に変更してリンク電圧を一定に保つ（Ｓ１５）。
【００２４】
ＰＶ発電量が負荷電力消費量以下の場合（Ｓ１４でＹｅｓの場合）は、ＤＣＤＣ変換器１０３のＭＰＰＴ制御を継続しつつ、出力調整回路１２１からDisable信号を発信し、Disable信号を受信した負荷コントローラ１２５が、ＤＣ負荷１２４に電力抑制の指令を出すことで消費電力を抑制させ、ＰＶ発電量と負荷消費電力をほぼ一致させてリンク電圧を一定に保つ（Ｓ１６）。
【００２５】
ＤＣ負荷１２４の電力を抑制する方法には、負荷コントローラ１２５がDisable信号を受信（監視）しながら、優先順位によりＤＣ負荷の電力を抑制する方法と、ＰＷＭ制御により電力を抑制する方法等がある。
【００２６】
図３は、優先順位によりＤＣ負荷の電力を抑制する方法を説明する図である。直流（ＤＣ）給電機能付きパワーコンディショナ２０１の出力調整回路１２１が発したDisable信号より、負荷コントローラ１２５が、予めＤＣ負荷１２３に付与した優先順位に基づいて、電力を遮断すべきＤＣ負荷１２４を段階的に増やしていく。その際、Disable信号が解除されれば抑制量としては十分ということになり、抑制対象のＤＣ負荷１２４としては増やすことをやめ、その抑制状態を継続する。また、負荷コントローラ１２５は、常にDisable信号を監視しており、再度、日射量の増加に対して、抑制すべきＤＣ負荷１２４を減少させ、逆に日射量の減少に対して、抑制すべきＤＣ負荷１２４を増加させる。これら全てを事前に設定したＤＣ負荷１２４の優先順位に基づいて行う。この場合、遮断対象のＤＣ負荷（ＤＣ機器）は当然、機能できなくなる。ＤＣ負荷（ＤＣ機器）がＬＥＤ照明の場合は消灯する。また、負荷コントローラ１２５は、瞬低から復電してゲートブロックが解除された後は、優先順位の逆順でＤＣ負荷１２４への電力の遮断を解除する。
【００２７】
図４は、ＰＷＭ制御によりＤＣ負荷の電力を抑制する方法を説明する図である。図３と同様に直流（ＤＣ）給電機能付きパワーコンディショナ２０１の出力調整回路１２１が発したDisable信号より、負荷コントローラ１２５が優先順位に基づいて電力をＰＷＭ制御で抑制すべき割合増やす。すなわち、ＰＷＭ制御によりＤＣ負荷１２４への制御信号のＤｕｔｙ比を減らす。その際、Disable信号が解除されれば抑制量としては十分ということになり、Disable信号が解除された時点でＰＷＭ抑制量を増やすことをやめ、復電までその抑制状態を継続する。また、常にDisable信号を監視しており、再度、日射量の増加に対して、ＰＷＭ抑制量を減少させ、逆に日射量の減少に対して、ＰＷＭ抑制量を増加させる。この場合、遮断ではないため、ＤＣ負荷（ＤＣ機器）がＬＥＤ照明の場合、ＬＥＤ照明は一瞬暗くなるかもしれないが完全なる暗闇は回避できる（消灯しない）。また、負荷コントローラ１２５は、瞬低から復電してゲートブロックが解除された後は、優先順位に基づいてＰＷＭ制御で電力を抑制すべき割合を減らす。
【００２８】
上述した２つの抑制方法は、系統電圧の瞬低の検出時から開始される。直流給電機能付きパワーコンディショナは、ゲートブロック（Gate Block）後に２種のDisable信号（Disable１、Disable２）をその時の日射に合わせて抑制量を増減させながら発信する。図５は、Disable１とDisable２の動作を説明するタイミングチャートの一例を示す図である。また、Disable１とDisable２の関係は、表１のとおりである。
【００２９】
【表１】
0005749632.tif 000002
【００３０】
図５において、Disable１とDisable２が共に“１”の状態から共に“０”の状態（抑制量増加）になると、抑制対象となるＤＣ負荷を増加させて、ＤＣの消費電力を抑制する。次に、Disable１が“０”でDisable２が“１”の状態（抑制量現状維持）になると、抑制対象増加を停止し、Disable１とDisable２が共に“０”の状態（抑制量増加）になると、抑制対象増加を再開する。次に、再びDisable１が“０”でDisable２が“１”の状態（抑制量現状維持）になると、抑制対象増加を停止し、Disable１とDisable２が共に“１”の状態（通常および抑制の回復）になると、抑制対象を減少させる。次に、再びDisable１が“０”でDisable２が“１”の状態（抑制量現状維持）になると、抑制対象減少を停止し、Disable１とDisable２が共に“１”の状態（通常および抑制の回復）になると、抑制対象を減少させて抑制解除を完了する。
【００３１】
図２において、直流給電機能付きパワーコンディショナは、電圧検出器（ＶＴ）１０８で系統電圧を監視し（Ｓ１７）、瞬低から復電すると（Ｓ１８でＹｅｓの場合）、ゲートブロック回路１１１によりゲートブロック信号を停止してゲートブロックを解除する（Ｓ１９）。
【００３２】
直流給電機能付きパワーコンディショナは、電力検出器（Ｐ）と電力検出器（Ｒ）を比較し（Ｓ２０）、ＰＶ発電量が負荷電力消費量より大きい場合（Ｓ２０でＮｏの場合）は、ＤＣＤＣ変換器１０３を定電圧制御からＭＰＰＴ制御に切り替えるが、定電圧制御の動作点と瞬低直前のＭＰＰＴ動作点まで動作点を移動していく割合とＤＣＡＣ変換器１０４の出力を上昇させていく割合を合わせる（Ｓ２１）。これによって再出力する際のリンク電圧変動を抑えることができる。
【００３３】
ＰＶ発電量が負荷電力消費量以下の場合（Ｓ２０でＹｅｓの場合）は、ＤＣＤＣ変換器１０３はＭＰＰＴ制御を継続しているので、Disable信号を解除しながら負荷コントローラ１２５によりフル駆動まで上げていく割合とＤＣＡＣ変換器１０４の出力を上昇させていく割合を合わせる（Ｓ２２）。これによって再出力する際のリンク電圧変動を抑えることができる。
【００３４】
Ｓ１８において、瞬低から復電していない場合（Ｓ１８でＮｏの場合）は、瞬低が所定時間（例えば１秒）を越えたか否かを判定し（Ｓ２３）、瞬低が所定時間を越えた場合（Ｓ２３でＹｅｓの場合）は停電として連系リレー１０６を解列する（Ｓ２４）。瞬低が所定時間以下の場合（Ｓ２３でＮｏの場合）は、Ｓ１４に戻って、直流給電機能付きパワーコンディショナは、電力検出器（Ｐ）と電力検出器（Ｒ）を比較する。
【００３５】
上述のように、本発明は、ＡＣ系統の瞬低の間、ＤＣＤＣ変換器（昇圧回路）のリンクコンデンサの電圧（リンク電圧）を一定に保つことができるので、復電後、速やかにＡＣ系統へ出力することが可能となる。
また、本発明は、ＡＣ系統の瞬低が生じても、その間、太陽電池の発電量が負荷消費量以上あれば、直流給電に影響を与えることなく出力を継続できる。
【００３６】
なお、上述した実施の形態では、電源装置を太陽電池とし、ＤＣＤＣ変換器（昇圧回路）を通じて電圧を昇圧し、コンデンサにより平滑した直流電力をＤＣ負荷に供給する構成を例にして直流給電機能付きパワーコンディショナについて説明したが、電源装置は、燃料電池、風力発電装置、蓄電池などでも良い。ＤＣＤＣ変換器（昇圧回路）に含まれるコンデンサは、直流電力を供給する電源装置の出力端におけるコンデンサ、或いは電源装置の出力端における総合的な静電容量を換算した仮想のコンデンサであっても良い。
【符号の説明】
【００３７】
１０１  太陽電池（ＰＶ）
１０２、１０５、１２２  ノイズフィルタ
１０３  ＤＣＤＣ変換器
１０４  ＤＣＡＣ変換器
１０６  連系リレー
１０７  ＡＣ系統
１０８  電圧検出器（ＶＴ）
１０９、１２３  電流検出器（ＣＴ）
１１０  電力検出器（Ｐ）
１２０  電力検出器（Ｒ）
１２１  出力調整回路
１２４  ＤＣ負荷
１２５  負荷コントローラ
２０１  直流給電機能付きパワーコンディショナ
【図１】
0005749632.tif 000003
【図２】
0005749632.tif 000004
【図３】
0005749632.tif 000005
【図４】
0005749632.tif 000006
【図５】
0005749632.tif 000007
【図６】
0005749632.tif 000008