(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電力源並びに該直流電力源、商用電源、及び負荷に接続されたパワーコンディショナを備える電力供給システムにおけるパワーコンディショナであって、
前記直流電力源からの直流電力を所定電圧に変換するＤＣ／ＤＣコンバータ部と、
前記ＤＣ／ＤＣコンバータ部からの直流電力を交流電力に変換するインバータ部と、
前記インバータ部の交流電力出力端と商用電源との間に配置された開閉器と、
前記インバータ部からの交流電力の出力電流を制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、
前記開閉器を開放することにより前記電力供給システムを商用電源から切り離して動作させて前記負荷へ電力を供給する自立運転へ切り替えた場合において、
第１の所定条件及び第２の所定条件を満たさない場合は、前記出力電流が前記パワーコンディショナの定格出力電流値に基づいて予め決定された第１の上限値を超えないように前記出力電流を制御し、前記第１の所定条件は前記自立運転へ切り替え後の第１の既定時間内であることであり、前記第２の所定条件は前記自立運転へ切り替え後の該第１の既定時間経過後第２の既定時間内であることであり、
前記第１の所定条件を満たす場合は、前記出力電流が前記第１の上限値よりも大きい第２の上限値を超えないように前記出力電流を制御し、
前記第２の所定条件を満たす場合は、前記出力電流が前記第１の上限値よりも大きく前記第２の上限値よりも小さい第３の上限値を超えないように前記出力電流を制御する、パワーコンディショナ。
【請求項２】
前記第１の既定時間及び前記第２の既定時間は、前記インバータ部が出力する交流電力の電力量に基づいて決定される、請求項１に記載のパワーコンディショナ。
【請求項３】
直流電力源並びに該直流電力源、商用電源、及び負荷に接続されたパワーコンディショナを備える電力供給システムであって、
前記パワーコンディショナは、
前記直流電力源からの直流電力を所定電圧に変換するＤＣ／ＤＣコンバータ部と、
前記ＤＣ／ＤＣコンバータ部からの直流電力を交流電力に変換するインバータ部と、
前記インバータ部の交流電力出力端と商用電源との間に配置された開閉器と、
前記インバータ部からの交流電力の出力電流を制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、
前記開閉器を開放することにより前記電力供給システムを商用電源から切り離して動作させて前記負荷へ電力を供給する自立運転へ切り替えた場合において、
第１の所定条件及び第２の所定条件を満たさない場合は、前記出力電流が前記パワーコンディショナの定格出力電流値に基づいて予め決定された第１の上限値を超えないように前記出力電流を制御し、前記第１の所定条件は前記自立運転へ切り替え後の第１の既定時間内であることであり、前記第２の所定条件は前記自立運転へ切り替え後の該第１の既定時間経過後第２の既定時間内であることであり、
前記第１の所定条件を満たす場合は、前記出力電流が前記第１の上限値よりも大きい第２の上限値を超えないように前記出力電流を制御し、
前記第２の所定条件を満たす場合は、前記出力電流が前記第１の上限値よりも大きく前記第２の上限値よりも小さい第３の上限値を超えないように前記出力電流を制御する、電力供給システム。
【請求項４】
直流電力源並びに該直流電力源、商用電源、及び負荷に接続されたパワーコンディショナを備える電力供給システムにおける電流制御方法であって、
前記電力供給システムを商用電源と連系して動作させる系統連系運転から商用電源から切り離して動作させて前記負荷へ電力を供給する自立運転へ切り替えるステップと、
直流電力源から供給される直流電力に基づいて前記パワーコンディショナから交流電力を出力するステップと、を含み、
前記交流電力を出力するステップは、
第１の所定条件及び第２の所定条件を満たさない場合は、前記交流電力の出力電流が前記パワーコンディショナの定格出力電流値に基づいて予め決定された第１の上限値を超えないように前記出力電流を制御し、前記第１の所定条件は前記自立運転へ切り替え後の第１の既定時間内であることであり、前記第２の所定条件は前記自立運転へ切り替え後の該第１の既定時間経過後第２の既定時間内であることであり、
前記第１の所定条件を満たす場合は、前記出力電流が前記第１の上限値よりも大きい第２の上限値を超えないように前記出力電流を制御し、
前記第２の所定条件を満たす場合は、前記出力電流が前記第１の上限値よりも大きく前記第２の上限値よりも小さい第３の上限値を超えないように前記出力電流を制御する、
電流制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電力供給システム、並びに電力供給システムにおけるパワーコンディショナ及び電流制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、太陽電池や燃料電池等を発電源とする電力供給システム（分散型電源システム）は、商用電力系統に連系させて使用するために、周波数や電圧を商用電力系統に適合するように交流電力に変換するパワーコンディショナを備える。
【０００３】
パワーコンディショナは、発電源から出力される直流電力の電圧を所定の直流電圧値に調整するＤＣ／ＤＣコンバータと、ＤＣ／ＤＣコンバータから出力される直流電力を交流電力に変換するＤＣ／ＡＣインバータと、ＤＣ／ＡＣインバータの出力から高周波成分を除去するＬＣフィルタ等のフィルタ回路を備える。
【０００４】
また電力供給システムは、パワーコンディショナが備える保護継電器により、商用電力系統と連系して動作する系統連系運転と、商用電力系統から分離して動作する自立運転とを切り替え可能に構成される（特許文献１）。
【０００５】
電力供給システムが連系する商用電力系統である配電線に地絡事故や短絡事故が発生した場合、又は何らかの原因で配電線からの電力供給が停止した場合は、区分開閉器の動作への影響防止及び配電線の作業の安全性を確保するため、電力供給システムは自立運転に切り替わる。
【０００６】
切り替え後、ＤＣ／ＡＣインバータから出力する交流電力により負荷へ給電する。ここで、一般的な電力供給システムにおいて切り替えは瞬断なしで行われないため、切り替え直後に負荷側の電子機器のコンデンサへのチャージ等に起因する過電流が発生する可能性が高い。これに対して、過電流により装置内部の部品が破損するのを防ぐため、一般的にパワーコンディショナは、過電流を防止する回路や、突入電流を抑制するための制御部を備える（特許文献２、特許文献３）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特許第５５９６９３４号
【特許文献２】特開２０１５−０３５８４７号公報
【特許文献３】特開２０１５−２３１２５９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記のような従来の電力供給システムにおいて、自立運転への切り替えが行われた後に負荷を起動する場合に、パワーコンディショナは、定格出力電流を超えて負荷へ電流を供給しない。しかしながら、例えばモータ負荷やコンプレッサ負荷等を起動させるには、当該定格出力電流の数倍の電流が必要となることが多い。そのため、このような場合に負荷をなかなか動作させることができないという課題がある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記の課題は以下の特徴を有する本発明によって解決される。すなわち、本発明の一態様としてのパワーコンディショナは、直流電力源、商用電源、及び負荷に接続されたパワーコンディショナであって、上記直流電力源からの直流電力を所定電圧に変換するＤＣ／ＤＣコンバータ部と、上記ＤＣ／ＤＣコンバータ部からの直流電力を交流電力に変換するインバータ部と、上記インバータ部の交流電力出力端と商用電源との間に配置された開閉器と、上記インバータ部からの交流電力の出力電流を制御する制御部と、を備え、上記制御部は、上記開閉器を開放することにより上記電力供給システムを商用電源から切り離して動作させて上記負荷へ電力を供給する自立運転へ切り替えた場合において、所定条件を満たさない場合は、上記出力電流が上記パワーコンディショナの定格出力電流値に基づいて予め決定された第１の上限値を超えないように上記出力電流を制御し、上記所定条件を満たす場合は、上記出力電流が上記第１の上限値よりも大きい第２の上限値を超えないように上記出力電流を制御する、パワーコンディショナである。
【００１０】
本発明の一態様としての所定条件は、自立運転へ切り替え後の既定時間内であることを含む。
【００１１】
本発明の一態様としての既定時間は、上記インバータ部が出力する交流電力の電力量に基づいて決定される。
【００１２】
本発明の一態様としての所定条件は、上記既定時間に対応する複数の条件を含み、上記第２の上限値は、それぞれの上記所定条件に対応して設定される。
【００１３】
本発明の一態様としてのパワーコンディショナは、上記インバータ部内に温度センサを備え、上記制御部は、上記温度センサにより温度を検出し、上記所定条件は、検出された温度が所定温度以下であることを含む。
【００１４】
本発明の一態様としての電力供給システムは、上記パワーコンディショナ及び上記直流電力源を備える電力供給システムである。
【００１５】
本発明の一態様としての電流制御方法は、直流電力源並びに当該直流電力源、商用電源、及び負荷に接続されたパワーコンディショナを備える電力供給システムにおける電流制御方法であって、上記電力供給システムを商用電源と連系して動作させる系統連系運転から商用電源から切り離して動作させて上記負荷へ電力を供給する自立運転へ切り替えるステップと、直流電力源から供給される直流電力に基づいてパワーコンディショナから交流電力を出力するステップと、を含み、上記交流電力を出力するステップは、所定条件を満たす場合、上記交流電力の出力電流の電流値が上記パワーコンディショナの定格出力電流値よりも大きい所定の電流値を超えないように上記出力電流を制御するステップと、上記所定条件を満たさない場合、上記出力電流の電流値が上記定格出力電流値を超えないように上記出力電流を制御するステップと、を含む、電流制御方法である。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、自立運転への切り替えが行われた後に負荷へ電力を供給するとき、パワーコンディショナ内部の部品が破損しない一定の条件下においてパワーコンディショナの定格出力電流値を超えた出力電流を許容するように制御することで、モータ負荷やコンプレッサ負荷等を今までよりも速く起動させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本実施例に係る電力供給システムを示すブロック図である。
【図２ａ】１つの実施例におけるインバータ回路周辺の回路図を示す。
【図２ｂ】１つの実施例におけるインバータ回路周辺の回路図を示す。
【図２ｃ】１つの実施例におけるインバータ回路周辺の回路図を示す。
【図３】１つの実施例に係る制御部が出力電流の電流目標値の上限値を生成する際に実行する処理を表すフローチャートを示す。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
［概要］
これより図面を参照して、本発明に係る電力供給システムの実施例について説明する。装置構成について説明した後、出力電流値の制御について説明する。
【００１９】
［装置構成］
図１は、本実施例に係る電力供給システムを示す。電力供給システム１００は、太陽電池１０１と、蓄電池１０２と、太陽電池１０１及び蓄電池１０２が接続されたパワーコンディショナ１１０を備える。図１に示す電力供給システム１００は分散型電源とも呼ばれ、商用電源１５０及び負荷１６０に接続される。例えば、商用電源１５０は電気事業者等から配電線を介して送られる商用電力系統であり、負荷１６０は自立運転時に電力が供給される自立負荷である。
【００２０】
太陽電池１０１は、好ましくは、複数のストリングスを並列接続して構成される太陽電池アレイを複数備え、逆流防止素子、サージアブソーバ、及び開閉器等を収納した接続箱が、太陽電池１０１とパワーコンディショナ１１０間に直列に接続される（図示せず）。太陽電池１０１は、発電機あるいは風力発電機の交流出力を整流して得た直流電力、又は燃料電池等により発生する直流電力を用いた発電源であってもよい。
【００２１】
蓄電池１０２は、例えば、二次電池、電気二重層キャパシタ又は超電導電力貯蔵等の他の直流電力貯蔵装置を用いることができる。本実施例におけるパワーコンディショナ１１０は蓄電池を備えるが、蓄電池を備えない構成としてもよい。なお本明細書では、直流電力源という用語は、太陽電池１０１と蓄電池１０２を含む総称として用いる。
【００２２】
パワーコンディショナ１１０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１１１と、インバータ回路１１２と、フィルタ回路１１３と、制御部１１４とを備える。
【００２３】
ＤＣ／ＤＣコンバータ１１１は、太陽電池１０１に接続され、太陽電池１０１の発電量を制御する一方向ＤＣ／ＤＣコンバータ１２１と、蓄電池１０２に接続され、蓄電池１０２の充放電を制御する双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ１２２とを備える。説明を簡単にするため、これらのコンバータはそれぞれ１つのものとして記載するが、例えば対応する太陽電池アレイごとに一方向ＤＣ／ＤＣコンバータ１２１を備えることもできる。
【００２４】
一方向ＤＣ／ＤＣコンバータ１２１は、太陽電池１０１から供給される直流電力を所定の直流リンク電圧に昇圧（又は降圧）する。双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ１２２は、放電時には蓄電池１０２が蓄える直流電力を直流リンク電圧に昇圧（又は降圧）し、充電時には例えば太陽電池１０１によって生成された直流電力を蓄電池１０２の充電に適した電圧に降圧（又は昇圧）する。一方向ＤＣ／ＤＣコンバータ１２１及び双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ１２２の少なくとも一方からの出力は、電力線を介してインバータ回路１１２に入力される。
【００２５】
インバータ回路１１２は、入力された直流電力を、例えば単相２００Ｖ、周波数６０Ｈｚの商用周波数の交流電力に変換し、電力線を介して商用電源１５０及び負荷１６０の少なくとも一方へ出力する。
【００２６】
フィルタ回路１１３は、インバータ回路１１２に接続され、インバータ回路１１２から出力される交流電力から高調波やノイズを除去し、また商用電源側からの環境要因等による外乱を防止することができる。
【００２７】
フィルタ回路１１３を通過した交流電力の電力線は、系統連系用開閉器（系統解列用リレー）１１６を介して商用電源１５０に接続される。また負荷１６０に電力を供給できるように、パワーコンディショナ１１０は負荷１６０に接続される。
【００２８】
制御部１１４は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１１１及びインバータ回路１１２の動作を制御するとともに、系統連系開閉器１１６の開閉制御を行うものであり、これらの制御は、例えばパワーコンディショナ１１０が備えるマイコン又はＤＳＰの演算処理により実現される。
【００２９】
制御部１１４は、一方向ＤＣ／ＤＣコンバータ１２１のスイッチ素子のゲートのオン／オフ指令をしてスイッチ素子を開閉することにより出力する電圧を制御することができ、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ１２２のスイッチ素子のゲートのオン／オフ指令をすることにより充放電制御をすることができる。スイッチ素子は、例えばＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴなどである。
【００３０】
また制御部１１４は、インバータ回路１１２のスイッチ素子のゲートのオン／オフ指令をすることで出力電流を制御することができる。なお制御部１１４は、フィルタ回路１１３を通過したインバータ出力電流値を電流センサ（例えばＣＴ）１１５により取得することができる。
【００３１】
図２ａ〜図２ｃは１つの実施例におけるインバータ回路１１２周辺の回路図を示す。インバータ回路１１２への入力は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１１１からの直流リンク回路１１８への入力により行われ、出力はフィルタ回路１１３側への交流電力の出力により行われる。単相インバータの場合、図２ａに示すように４つのスイッチ素子２０１〜２０４からなるフルブリッジ回路、又は図２ｂに示すように４つのスイッチ素子２０１〜２０４からなり、２つのハーフブリッジを組み合わせた回路とすることができる。図２ｂは、一般的な家庭用電源の単相３線式にあわせたものであり、漏洩電流を防止するため太陽電池１０１のプラス端子と商用電源１５０の中線点を同一電位とする構成の一部である。
【００３２】
電流制御の１つの実施例としては、基準正弦波と変調波を用いたＰＷＭ制御によりそれぞれのスイッチ素子のオン／オフを制御することで出力電流値を調整することができる。例えば、取得されたインバータ出力電流値をフィードバックして基準正弦波と比較し、その差を増幅して変調波と比較するように制御することで、出力電流値を調整することができる。
【００３３】
電流制御の他の１つの実施例としては、住宅用単相インバータの場合に使用されることがある瞬時電流制御により出力電流値を調整することができる。例えば、インバータ出力電流の制御目標値を生成し、それに対して制御目標上限値及び制御目標下限値を定め、取得されたインバータ出力電流が上限値に達すると、スイッチ素子２０１及び２０４をオン、スイッチ素子２０２及び２０３をオフとし、取得されたインバータ出力電流が下限値に達すると、スイッチ素子２０１及び２０４をオフ、スイッチ素子２０２及び２０３をオンとすることで出力電流を制御する。
【００３４】
三相インバータの場合、図２ｃに示すように６つのスイッチ素子２１１〜２１６から構成される。電流制御の１つの実施例としては、具体的には、ａ相、ｂ相、ｃ相のインバータ出力電圧に対応した変調波と搬送波とを用いたＰＷＭ制御によりそれぞれのスイッチ素子のオン／オフを制御することで出力電流値を調整することができる。
【００３５】
系統連系用開閉器の開閉制御は、一般的にパワーコンディショナが備える連系保護機能により実現することができる。連系保護機能の各種リレーは、電流センサ１１５や電圧センサ（例えばＶＴ）１１７などにより取得した電流値や電圧値に基づいて動作する。
【００３６】
パワーコンディショナ１１０は、系統連系時には系統連系用開閉器１１６を閉じて、系統連系運転を行う。連系保護機能により単独運転状態を検出した場合、一般的には単独運転を防止するリレーにより系統連系用開閉器を開放することで、自立運転を行う。ここで系統連系運転は、電力供給システム１００を商用電源と系統連系して動作させる状態をいい、自立運転は、電力供給システム１００を商用電源から切り離し（解列し）、直流電力源から負荷１６０へ電力を供給している状態をいう。なお本実施例のパワーコンディショナ１１０は、一般的なパワーコンディショナが備える連系保護機能やリレー（スイッチ）を備えることができるが、説明を簡単にするためその一部を省略していることを理解されたい。
【００３７】
また制御部１１４は、ＤＣ／ＤＣコンバータの直流電力源からの入力部である一方向ＤＣ／ＤＣコンバータ１２１や双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ１２２において、電気的な切り離しを行うことができる。
【００３８】
［出力電流値の制御］
上記のＰＷＭ制御等により、インバータ出力電流値は、供給する負荷の需要に基づいた電流目標値に近づくように制御される。ここで制御部１１４は、過電流により装置内部の部品が破損するのを防ぐため、パワーコンディショナ１１０の定格出力電流値を超えないようにインバータ出力電流の電流目標値を生成するように制御する。パワーコンディショナの定格出力電流値とは、パワーコンディショナが一定の電流を出力し続ける定常状態において、パワーコンディショナ内部の部品が当該電流の熱などにより破損しないことが保証される上限の出力電流値である。したがって通常の状態において、制御部１１４は、インバータ出力電流の上限値をパワーコンディショナ１１０の定格出力電流値に基づいた所定の値（第１の値）に設定する。インバータの出力電流値が第１の値以下であれば、パワーコンディショナ１１０の出力電流値は定格出力電流値以下となる。なお第１の値が定格出力電流値と同じ値である場合もある。
【００３９】
しかしながら前述のとおり、一般的な電力供給システムにおいて自立運転への切り替えは瞬断なしで行われないため、切り替え直後に負荷が必要とする電流値は大きくなる可能性が高い。これは、負荷側の電子機器のコンデンサへのチャージ等に起因するものであり、そのために例えばモータ負荷やコンプレッサ負荷等をなかなか起動させることができなかった。
【００４０】
本発明は、自立運転への切り替え直後において、装置内部の部品を破損しないようにインバータ出力電流の上限値を制御しつつ、パワーコンディショナの定格出力電流値を超えて電流を流すように制御することにより、例えば今までよりも短時間での負荷の起動を実現するものである。
【００４１】
図３は１つの実施例に係る制御部が出力電流の電流目標値の上限値を生成する際に実行する処理を表すフローチャートを示す。本フローチャートは、一定時間ごとに本フローチャートの処理を開始することもできるし、連系保護機能により系統連系用開閉器１１６が開放されたことをトリガーとして開始することもできる。また本フローチャートは、パワーコンディショナ１１０のメインの制御処理の一部に組み込まれて実行されてもよいし、系統連系用開閉器１１６が開放されたことをトリガーとして本フローチャートの処理が呼び出され実行されてもよい。
【００４２】
ステップ３０１において、パワーコンディショナ１１０が解列されたかどうかを判定する。パワーコンディショナ１１０が解列されていない場合は、本フローチャートの処理を終了し、解列された場合は、ステップ３０２において自立運転へ切り替えられたかどうかを判定する。自立運転へ切り替えられなかった場合は、本フローチャートの処理を終了し、切り替えられた場合は、ステップ３０３へ進む。この時点で、パワーコンディショナ１１０は、インバータ回路１１２から負荷１６０への交流電力の供給を開始する。ステップ３０３においては、所定条件を満たすかどうかを判定する。
【００４３】
ステップ３０３において所定条件を満たす場合、ステップ３０４において、インバータ出力電流の上限値を上記第１の値よりも大きい所定の値（第２の値）に設定する。第２の値は、例えば、第１の値の１．５倍の大きさであることもできるし、２倍の大きさであることもできる。
【００４４】
ここで実施例の１つとしての所定条件は、自立運転へ切り替え後の既定時間内であることを含むことができる。例えば既定時間を１００ｍｓとする場合、自立運転へ切り替え後１００ｍｓ以内であれば所定条件を満たすこととなる。
【００４５】
さらに所定条件と第２の値を段階的に設定することもできる。すなわち、所定条件は既定時間に対応する複数の条件を含み、その条件のそれぞれに対応させた第２の値を設定することができる。例えば、切り替え後１００ｍｓ未満である場合は、第２の値を第１の値の２倍の大きさとし、切り替え後１０秒未満（かつ１００ｍｓ以上）である場合は、第２の値を第１の値の１．８倍の大きさとし、切り替え後１分未満（かつ１０秒以上）である場合は、第２の値を第１の値の１．５倍の大きさとすることができる。他の実施例として、既定時間は、インバータ出力電流の電力量に基づいて決定することができる。
【００４６】
また実施例の１つとしての所定条件は、パワーコンディショナ１１０内部に設置された温度センサにより検出される温度が所定温度以下であることを含むことができる。この場合、パワーコンディショナ１１０は、当該装置におけるインバータ回路１１２内の特定の部品、例えばＩＰＭ（インテリジェントパワーモジュール）など、の温度を検出するためのセンサを備え、制御部１１４は検出された温度が所定温度以下であるかどうかを判定することができる。
【００４７】
再度フローチャートに戻ると、ステップ３０３において所定条件を満たさない場合、ステップ３０５において、インバータ出力電流の上限値を第１の値に設定し、本フローチャートの処理を終了する。
【００４８】
以上に説明した処理又は動作において、あるステップにおいて、そのステップではまだ利用することができないはずのデータを利用しているなどの処理又は動作上の矛盾が生じない限りにおいて、処理又は動作を自由に変更することができる。また以上に説明してきた各実施例は、本発明を説明するための例示であり、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。本発明は、その要旨を逸脱しない限り、種々の形態で実施することができる。
【符号の説明】
【００４９】
１００  電力供給システム
１０１  太陽電池
１０２  蓄電池
１１１  ＤＣ／ＤＣコンバータ
１１２  インバータ回路
１１３  フィルタ回路
１１４  制御部
１１５  電流センサ
１１６  系統連系用開閉器（系統解列用リレー）
１１７  電圧センサ
１１８  直流リンク回路
１２１  一方向ＤＣ／ＤＣコンバータ
１２２  双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ
１５０  商用電源
１６０  負荷
２０１〜２０４、２１１〜２１６  スイッチ素子
【図１】
0006730826.tif 000002
【図２ａ】
0006730826.tif 000003
【図２ｂ】
0006730826.tif 000004
【図２ｃ】
0006730826.tif 000005
【図３】
0006730826.tif 000006