(57)【要約】【課題】蓄電池設備と複数種の自家発電設備とを結合した自家発電系統を商用電源と連系させる電源システムにおいて、容量、電圧、電源効率の上で合理的なシステムを構築する。【解決手段】自家発電系統の母線を直流系として蓄電池設備および自家発電設備を結合し、発電電力容量で主となる設備を直流系に直接に結合し、他の設備はそれぞれ昇圧または降圧チョッパを介して電圧整合を得る。蓄電池設備または自家発電設備は、システムが要求する電力容量よりも大きい蓄電池または自家発電機を使用する場合、蓄電池のセル数または自家発電機の直列接続台数を減らしてシステムが要求する電力容量に合わせ、自家発電系統の直流電圧との電圧差は昇圧／降圧チョッパで整合させる。チョッパは、蓄電池設備または自家発電設備と自家発電母線との切り離しのための開閉手段とする。【選択図】　図１
2004088900.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
蓄電池設備と複数種の自家発電設備とを結合した自家発電系統を商用電源と連系させる電源システムにおいて、
前記自家発電系統の母線を直流系として前記蓄電池設備および自家発電設備を結合し、
前記蓄電池設備及び自家発電設備のうち、発電電力容量で主となる設備を前記直流系に直接に結合して自家発電系統の直流電圧とし、
他の蓄電池設備または自家発電設備はそれぞれ昇圧または降圧チョッパを介して自家発電系統の直流電圧との整合を得る構成としたことを特徴とする電源システム。
【請求項２】
蓄電池設備と複数種の自家発電設備とを結合した自家発電系統を商用電源と連系させる電源システムにおいて、
前記自家発電系統の母線を直流系として前記蓄電池設備および自家発電設備を結合し、
前記蓄電池設備または自家発電設備は、システムが要求する電力容量よりも大きい蓄電池または自家発電機を使用する場合、蓄電池のセル数または自家発電機の直列接続台数を減らしてシステムが要求する電力容量に合わせ、自家発電系統の直流電圧との電圧差は昇圧／降圧チョッパで整合させることを特徴とする電源システム。
【請求項３】
直流負荷をもつ電源システムにおいて、前記自家発電系統の直流母線から前記直流負荷に直接に電力供給できる電力変換器を設けたことを特徴とする請求項１または２に記載の電源システム。
【請求項４】
前記チョッパは、前記蓄電池設備または自家発電設備と自家発電母線との切り離しのための開閉手段としたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の電源システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、蓄電池設備と複数種の自家発電設備（太陽光発電設備、風力発電設備、エンジン発電機、マイクロガスタービン発電機、燃料電池など）とを結合した自家発電系統を商用電源に連系する電源システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
この種の電源システムは、例えば、負荷電力が比較的小さくなる夜間には割安な夜間電力および自家発電設備の発電電力を蓄電池設備に貯蔵しておき、負荷電力が大きくなる昼間には蓄電池設備の貯蔵電力および自家発電設備の発電電力を受電系統側に放出することで、電力系統の負荷平準化、電力料低減、無停電対策、電源効率の向上、自然エネルギーの有効利用などを可能にする。
【０００３】
図５は、従来の電源システムの構成例を示す。商用電源からの受電系統と連系可能にする自家発電系統は、発電電源として太陽光発電設備１と、風力発電設備２と夜間電力を貯蔵する蓄電池設備３を直流系の自家発電母線に接続し、この自家発電系統と商用電源との間は交直双方向電力変換設備４による電力変換によって連系し、負荷に給電する。
【０００４】
このようなシステム構成において、太陽光発電設備１や風力発電設備２は、時間・季節や天候により発電電力が大きく変化するが、この安定化・平準化を蓄電池設備３による電力貯蔵や燃料電池の発電量調節で賄うことができる。しかも、太陽光発電設備などは直流発電となり、これらを直流−交流電力変換することなく、蓄電池設備や燃料電池とを直流系で結合することができる。
【０００５】
例えば、特開平６−７８４７５号公報では、バッテリに太陽光発電装置を並設し、太陽光発電装置から昇圧チョッパを通してバッテリを充電するものが開示されている。
【０００６】
なお、風力発電設備、エンジン発電機、マイクロガスタービン発電機などは、交流発電となり、これらをシステムに組み込む場合にはその発電電力を交流−直流電力変換することにより他の直流系発電設備と結合が可能となる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
前記のように、太陽光発電設備、蓄電池設備、燃料電池は、電力変換することなく直流結合できるが、互いの発電電圧が異なり、チョッパなど、直流−直流電力変換器による電圧調整を必要とする。
【０００８】
また、蓄電池設備は、その容量規格が段階的（例えば、２２０、３３０、６６０、１０００Ａｈ／１０ｈｒ）であり、これら同規格のものの並列数で容量が決まるが、段階的なものになる。また、蓄電池設備は、その直流電圧が直列接続セル数で決まるが、常に満杯状態で一定電圧の充電をしておく蓄電池とは異なり、高頻度充放電タイプであり、その充電量、蓄電量により直流電圧が大きく変化する。
【０００９】
以上のことから、発電方式の異なる複数の自家発電設備を結合しようとすると、容量および電圧の差異から互いを直接に結合するのを難しくしている。
【００１０】
一方、風力発電設備や太陽光発電設備は、風速、日照などで発電電力が大きく変化するため、広いレンジの電圧調整を必要とする。しかも、これら設備は、その特性から発電電圧をある値に設定したときに最大電力を取り出すことができ、直流電圧を変化させて最大電力を取り出すことができるが、他の発電設備との電圧調整をしようとすると、発電効率を低下させてしまう。
【００１１】
結果的に、自家発電設備の各種電源は、互いの結合に、容量、電圧、電源効率の上で効果的な電源システムの構築を難しくしていた。
【００１２】
本発明の目的は、上記の課題を解決した電源システムを提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記の課題を解決するため、自家発電設備母線を直流系としその直流電圧をシステム容量的に最適な値に設定し、各発電設備毎にシステム電圧に整合させる昇降圧チョッパを組み込み結合することで、合理的な電源システムを構築できるようにしたもので、以下の構成を特徴とする。
【００１４】
（１）蓄電池設備と複数種の自家発電設備とを結合した自家発電系統を商用電源と連系させる電源システムにおいて、
前記自家発電系統の母線を直流系として前記蓄電池設備および自家発電設備を結合し、
前記蓄電池設備及び自家発電設備のうち、発電電力容量で主となる設備を前記直流系に直接に結合して自家発電系統の直流電圧とし、
他の蓄電池設備または自家発電設備はそれぞれ昇圧または降圧チョッパを介して自家発電系統の直流電圧との整合を得る構成としたことを特徴とする。
【００１５】
（２）蓄電池設備と複数種の自家発電設備とを結合した自家発電系統を商用電源と連系させる電源システムにおいて、
前記自家発電系統の母線を直流系として前記蓄電池設備および自家発電設備を結合し、
前記蓄電池設備または自家発電設備は、システムが要求する電力容量よりも大きい蓄電池または自家発電機を使用する場合、蓄電池のセル数または自家発電機の直列接続台数を減らしてシステムが要求する電力容量に合わせ、自家発電系統の直流電圧との電圧差は昇圧／降圧チョッパで整合させることを特徴とする。
【００１６】
（３）直流負荷をもつ電源システムにおいて、前記自家発電系統の直流母線から前記直流負荷に直接に電力供給できる電力変換器を設けたことを特徴とする。
【００１７】
（４）前記チョッパは、前記蓄電池設備または自家発電設備と自家発電母線との切り離しのための開閉手段としたことを特徴とする。
【００１８】
【発明の実施の形態】
（実施形態１）
図１は、本発明の実施形態を示すシステム構成図であり、自家発電系統は、発電電源として太陽光発電設備１と、風力発電設備２と蓄電池設備３を設け、交直双方向電力変換設備４によって自家発電系統と商用電源とを連系する場合である。
【００１９】
本実施形態では、太陽光発電設備が電力容量的に主たる電源となる場合に適用したもので、受電系統が３相２００Ｖ系になるのに対して、自家発電系統の母線電圧は直流４００Ｖとする。これに合わせて、他の自家発電設備（図示では風力発電設備２と蓄電池設備３）は、直流母線電圧と整合させた電力変換器を組み合わせた構成とする。この電力変換器は、風力発電設備２では整流器と昇降圧チョッパで構成した電力変換器２Ａとし、蓄電池設備３では昇降圧チョッパで構成した電力変換器３Ａとする。
【００２０】
コントローラ５は、運転指令部５Ａから電力変換制御部５Ｂ，５Ｃ，５Ｄに運転指令を発生し、各制御部５Ｂ，５Ｃによって電力変換器２Ａ、３Ａの電力変換制御を行い、制御部５Ｄによって電力変換設備４の電力融通制御を行う。これら制御には制御対象の出力電流、電圧等の検出信号を基に演算する。なお、制御部５Ｅは、太陽光発電設備１に風力発電設備２との整合のために電力変換器１Ａを介挿させて最大電力追従制御を行う場合のものである。
【００２１】
このように、主たる電源になる太陽光発電設備１には昇降圧チョッパを用いずにダイレクトに直流４００Ｖラインに接続し、他の発電設備になる風力発電設備２では整流器を含む昇降圧チョッパ２Ａを通して直流４００Ｖラインに接続し、蓄電池設備３は昇降圧チョッパ３Ａを通して直流４００Ｖラインに接続する。
【００２２】
このようなシステム構成とすることで、本実施形態では、容量、電圧、電源効率の上で効果的な電源システムを得ることができる。この理由を以下に詳細に説明する。
【００２３】
太陽光発電設備の場合、日照により最大電力を取り出せる直流電圧が大きく変化する。したがって、発電電圧は常に４００Ｖではなく、日射量によっては直流電圧が３００Ｖ前半にある場合に最大電力を取り出せる場合もある。また、直流電圧の変動という意味では、蓄電池設備３の放電により自家発電母線になる直流４００Ｖラインが大きく低下する。
【００２４】
したがって、直流４００Ｖラインは、実際には３００Ｖ前半から４００Ｖまでの間で変動することになる。この電圧範囲で変動する直流電力から交直双方向変換設備４がＰＷＭインバータ構成で３相２００Ｖに変換しようとする場合、図２に示すように、ＰＷＭインバータでは直流をチョッピングしてパルス幅を変調することにより、ＰＷＭ波形の平均値が交流２００Ｖ電圧と一致するように制御する。このとき、交流電圧のピーク値よりも直流電圧が高いことが交流出力に正弦波が得られないことから、直流ラインは最低減でも３００Ｖ前半が要求され、この条件をクリアしたＰＷＭ電力変換を実現することができる。
【００２５】
例えば、３相２００Ｖ系の電圧許容範囲を２２０Ｖ±１０％とする場合、直流電圧の最低値は３４２Ｖ（＝２２０×１．１×√２）となり、３相２００Ｖ系と連系する直流電圧の最低電圧を３４３Ｖよりも高く維持できる４００Ｖ系としておけば、最大電力を供給する太陽光発電設備１から直流電源ラインに直結してその間の電力変換ロスを無くすことができる。
【００２６】
なお、電力変換設備４に変圧器を介挿すれば、直流ラインの電圧条件は広げることができるが、変圧器の電力変換ロスが電源効率を低下させてしまう。
【００２７】
次に、本実施形態のシステムでは、蓄電池設備３や風力発電設備２と自家発電母線との電圧差は、昇降圧チョッパにより調整する。
【００２８】
例えば、蓄電池設備３は２００Ｖにし、自家発電母線との電圧差は昇圧チョッパ３Ａによる昇圧によって整合させる。ここで、蓄電池設備３は２００Ｖに限らないが、自家発電母線電圧が前記のように３３０Ｖ〜４００Ｖになることから、これに近い電圧とするのが好ましい。この理由は、電力変換器３Ａを昇圧チョッパとする場合、図３の回路構成になり、蓄電池設備３からの放電電力はＩＧＢＴ等の半導体スイッチＳＷのオンでリアクトルＬ１に電磁エネルギーとして蓄積し、続いてスイッチＳＷのオフでリアクトルＬ１からダイオードＤ１を通して自家発電母線側に昇圧した出力を得るため、同じ電力量変換でも蓄電池設備３の電圧が低いほどリアクトルＬ１やスイッチＳＷの制御電流が大きくなり、これらでの電力ロスが高くなり、変換効率を下げてしまう。
【００２９】
以上のように、本実施形態によれば、太陽光発電設備を主たる電源とする自家発電系統は、２００Ｖ受電系統に対して、自家発電母線を４００Ｖ系にし、電力容量的に小さい他の風力発電設備や蓄電池設備とは昇降圧チョッパにより結合することで、システム全体からみたチョッパでのロスを最小限にして電源効率を高めることができる。また、システムの直流電圧、要求電力量にマッチしたシステムを実現できる。
【００３０】
なお、本実施形態では、自家発電設備の主たる電源が太陽光発電設備とするシステムに適用した場合を示すが、この主たる電源が出力電圧変動を伴う蓄電池設備、風力発電設備、燃料電池などとするシステムに適用する場合でも当該発電設備を昇降圧チョッパを介することなく自家発電母線に直接接続し、他の発電設備は昇降圧チョッパで電圧調整することにより、同等の作用効果を得ることができる。
【００３１】
（実施形態２）
前記のように、電源システムに使用される蓄電池設備３は、高頻度充放電タイプになり、一般には大電力用として製造されているため、中小型電源システムに対しては容量的に大きすぎるタイプのものしかない。一方、蓄電池のセル当たり電圧は、一般に２Ｖ前後のものが多く、電池容量と自家発電母線電圧と整合させることがしばしば困難となる。
【００３２】
例えば、図１の蓄電池設備３を毎時１０ｋＷで夜間１２時間充電し、昼間に１０時間放電とするシステム運転において、自家発電母線電圧を２００Ｖとすると、放電電流は効率を無視すると、５０Ａ（＝１０ｋＷ×１０００／２００Ｖ）となるのに対して、蓄電池は１０時間×５０Ａ＝５００ＡＨ、１０時間率（定格的に５０Ａを１０時間連続して流すことができる蓄電能力）のものがシステムに整合したものになる。しかし、一般には、高頻度充電用製品の定格は１０００ＡＨ／１０時間率、２０００ＡＨ／１０時間率など電力容量的に大きなものしかない。
【００３３】
また、自家発電母線電圧を２００Ｖとした場合、必要な電圧を得るためには、蓄電池の電池１個当たり２Ｖなので、蓄電池は１００セル（１００個直列）構成になり、一般品の中で小さい方の容量１０００ＡＨを選定したとしても、電力容量は２０ｋＷ（＝１００Ａ×２００Ｖ）となり、必要容量の２倍もの容量となる。
【００３４】
そこで、本実施形態では、電力容量が要求されるものよりも大きい蓄電池を使用する場合、セル数を少なくした蓄電池設備とすることで、電力容量でシステムに整合させる。
【００３５】
例えば、１０００ＡＨ／１０時間の蓄電池を使用する場合、セル数を５０セルに半減した蓄電池設備とする。このとき、
１０００ＡＨ／１０時間×５０セル×２Ｖ＝１００Ａ×１００Ｖ＝１０ｋＷ
となり、前記の要求される電力容量と整合させることができる。この場合、蓄電池は、セル数を減らした分だけ、自家発電電圧２００Ｖとの間に差が出るため、蓄電池から昇降圧チョッパを利用して差電圧を調整することができる。この電圧調整は、蓄電池電圧が放電経過と共に１００％→５０％→３０％などに低下し、自家発電電圧２００Ｖとの差電圧に変化が生じても昇降圧チョッパで吸収することができる。
【００３６】
したがって、本実施形態によれば、自家発電母線電圧に整合した電力容量をもつ蓄電池を使用できない場合にも、セル数を調整することでシステムが要求する容量に整合し、かつ最適経済化した蓄電池設備を得ることができる。また、セル数の調整により、システムの任意の直流電圧に対応した蓄電池設備を実現できる。この任意の直流電圧に対応できることは、いずれの発電設備を基準にするかの自由度も高めることができる。
【００３７】
なお、本実施形態では５０セルとする場合を示すが、これは既存の蓄電池がもつ容量と、システムが要求する電力容量との関係を基に適宜変更することができる。また、蓄電池設備に適用した場合を示すが、太陽光発電設備や風力発電設備での直列数についてもシステムが要求する容量に整合させることができる。
【００３８】
（実施形態３）
図４は、本発明の実施形態を示すシステム構成図である。同図が図１と異なる部分は、自家発電系統の直流母線から直流−直流電力変換器（昇降圧チョッパ）６を通して、受電系統の直流負荷母線に直接に給電する構成にある。
【００３９】
図示のように、受電系統に直流負荷７がある場合、受電系統では受電母線から降圧トランス８と交流−直流電力変換器９を通して直流負荷７へ電力供給する電源構成としており、図１の構成では自家発電系統からの供給電力を電力変換設備４を通して一旦交流電力に変換し、受電系統の電力変換器９で再び直流電力に変換して直流負荷７に供給することになる。
【００４０】
そこで、本実施形態では、自家発電系統の直流母線から電力変換器６を通して直接に直流負荷７に電力供給する構成とすることで、電力変換設備４等を介挿することによる電力変換ロスを無くし、電源効率を高める。
【００４１】
（実施形態４）
前記までの実施形態において、自家発電設備１、２、３等は、それらに異常が発生した場合に自家発電系統から切り離しできるよう、自家発電母線との間に開閉器を設けたシステム構成を示す。
【００４２】
本実施形態では、自家発電設備の殆どが母線との間に昇圧／降圧チョッパを設けるため、このチョッパをシステムとの間を切り離すための開閉器として利用する。例えば、昇圧チョッパ３Ａを蓄電池設備の電源線短絡、過充電防止、過放電防止のために開放制御する。この場合、昇圧チョッパ３Ａが半導体スイッチであるため、ミリ秒オーダの高速遮断が可能となり、半導体遮断器特有の短絡耐量からみた機器の小型化、軽量化も併せて実現できる。結果として、システム構成およびコントローラを簡略化、コストダウンを図ることができる。
【００４３】
【発明の効果】
以上のとおり、本発明によれば、自家発電設備母線を直流系としその直流電圧をシステム容量的に最適な値に設定し、各発電設備毎にシステム電圧に整合させる昇降圧チョッパを組み込み結合したため、容量、電圧、電源効率の上で合理的な電源システムを構築できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態１を示す電源システムの構成図。
【図２】ＰＷＭインバータの入出力電圧波形。
【図３】昇圧チョッパの回路例。
【図４】本発明の実施形態３を示す電源システムの構成図。
【図５】従来のシステム構成図。
【符号の説明】
１…太陽光発電設備
２…風力発電設備
３…蓄電池設備
４…双方向電力変換設備
５…コントローラ
６、９…電力変換器
７…直流負荷
８…降圧トランス
【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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