(57)【要約】【課題】  従来のハイブリッド発電システムではシステムの利用率を十分に向上させることが出来ない、一見、蓄電器の利用により余剰電力を有効に利用できるようであるが、放電できる条件がなかなか整わないため充電した電力が生かされないケースがある。さらに風力発電の発電効率の特徴である頻繁な電力の上昇下降に対応した充電手段を保有していないので風力発電の有効活用に繋がらない。【解決手段】  風力発電の出力側に制御性のよい昇降圧器を設けることにより、並列発電が可能になった。また蓄電器を採用して、余剰電力並びに直交変換器入力規格に満たない電力を蓄電し、システムの発電出力が販売契約電力値未満のときに放電してシステム全体の効率を高める。多数の機器を制御するため制御装置を設けて常時監視・常時制御のシステムとした。さらに蓄電器の部材として通常のバッテリーに加え電気二重層コンデンサを活用し蓄電特性を高めている。【選択図】  図１
2005051955.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
直交変換器を介して系統電源と連系運転する太陽光発電装置の直流出力と風力発電装置の直流出力を入切スイッチを介して直流連系したハイブリッド発電システムにおいて、風力発電の出力側に電圧の昇降圧器を設けて太陽光発電の出力電圧レベルと同等に調整して直流連系することにより、太陽光発電装置出力と風力発電装置出力の並列接続による電力容量の加算出力を可能にし、直交変換器を介して内部消費及び外部電力系統に連系し、また自然環境の変動に対応して太陽光単独発電または風力単独発電の出力のみの運転状態にも対応して制御することを特徴とする太陽光発電と風力発電のハイブリッド発電システム。
【請求項２】
前記風力発電の出力部に蓄電器を設けて、並列発電または風力単独発電時に発電電力が販売契約電力値を超えて外部電力系統に出力されることがないようにシステム内に充電し、また風力発電電圧が太陽光発電出力電圧に達しないときにその弱い風力発電電力を充電し、該ハイブリッド発電システム全体の出力が弱いときに放電することによりハイブリッド発電システムの効率を高めることを特徴とする請求項１に記載の太陽光発電と風力発電とのハイブリッド発電システム。
【請求項３】
運転制御方法として並列発電、太陽光単独発電、風力単独発電、非接続の４ヶの運転状態を設け、さらに風力発電が非接続の時に該風力発電の弱い発電電力をシステム内の蓄電器に蓄積する弱充電の状態２ヶ、またさらに外部電力系統へ販売するときに販売契約電力値を超過しないようにシステム内の蓄電器に電力の蓄積を行う充電状態２ヶを含め計８ヶの運転状態のいずれかを選択するような運転制御方法、並びに販売電力が契約電力以内に収まる範囲内で随時に放電を行う運転制御方法を特徴とする請求項１並びに請求項２に記載の太陽光発電と風力発電とのハイブリッド発電システム。
【請求項４】
請求項２に述べた蓄電器の構成として通常バッテリ−に加え電気二重層コンデンサを組合わせる形態で使用することにより、ノコギリ状の上昇下降の激しい電力であってもロスが少ない充電が提供されることを特徴とする請求項２に記載の太陽光発電と風力発電とのハイブリッド発電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、太陽光発電装置と風力発電装置並びに制御装置より成るハイブリッド発電システムの発電電力を、直交変換器を介して内部消費に供給しさらに外部電力系統に連系する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
太陽光発電と風力発電は、いずれもクリーンな自然エネルギーを利用する発電であるが、そのため気象条件によって影響を受けるものであり、直交変換器を介して外部の商用電力系統に連系して用いるのが効率的である。この効率を高めるための各種方法が提起されているが、気象条件の激しい変動に対応して細かく制御する考案は、今日まで殆ど提起されていない。
【特許文献１】特許公開２０００−１１６００７号公報
【０００３】
図２は、特許公開２０００−１１６００７号を例に従来技術による太陽光発電と風力発電より成るハイブリッド電源システムの回路構成を示すブロック図である。図２において、太陽光発電装置２１と風力発電装置２６は交流連系して外部電力系統に接続するが、風力発電２６が所定の出力に満たない時には蓄電器３０に充電し、蓄電器３０の電圧ＶB が所定の電圧に上昇していて風力発電２６の出力がないときには、入切ボックス２８、２９を閉じて放電し出力の低下を助ける。蓄電器３０の電圧ＶB が所定の電圧まで放電によって低下したときは入切ボックス２８を開いて放電を停止し、風力発電装置２６によって再び蓄電器３０を充電する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述した運転方法によるとハイブリッド発電システムの利用率を十分に向上させることが出来ない。一見、蓄電器の利用により余剰電力を有効に活用できるようであるが、放電できる条件がなかなか整わないため充電した電力が生かされないケースがある。さらに風力発電の発電効率の特徴である頻繁な電力の上昇下降に対応した充電手段を保有していないので風力発電の有効活用が不十分である。
【０００５】
本発明は上述した従来技術の欠点を解消し、ハイブリッド発電システムの発電効率を高めるものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記した課題を解決するための手段として、直交変換器を介して外部電力系統に連系運転するハイブリッド発電システムにおいて、太陽光発電装置の直流出力と風力発電装置の直流出力の双方を、入切スイッチを介して直流連系した構成並びにその作動を制御する方法を以下に述べる。（１）並列発電：日中に太陽光発電の出力があるときには、風力発電の出力電圧を太陽光発電装置の出力電圧に合わせて直流並列接続をして直交変換器入力とする。（２）太陽光単独発電：風力発電の出力が太陽光発電に達しない時には風力の直流並列接続を遮断する。（３）風力単独発電：夜間など太陽光発電装置の出力がないときには太陽光発電出力端子を遮断して風力発電の出力のみを直交変換器への入力とする。（４）非接続：太陽光発電、風力発電がともに所定の電圧に達しないで正規出力できない状態。（５）充電：前記の（１）及び（３）のときに風力発電の出力が高く、内部消費を差引いても余力があるときは外部電力系統に送り出し販売するがこのときの販売電力は販売契約電力値以下に定められているのでその余剰電力はシステム内の蓄電器に充電する。（６）弱充電：前記の非接続状態中に風力発電電力が弱いながらも充電できるレベルの値以上のときは、充電状態に移行して蓄電器に充電する。（７）放電：前記（６）において蓄電した電力量が所定のレベル以上に達していてかつ、システムからの出力が所定の出力値より低いときに放電状態に移行する。以上述べて来たような太陽光発電、風力発電の直流並列接続並びに各単独接続、非接続、充電、放電並びにそれらの運転制御を特徴とする太陽光発電と風力発電とのハイブリッド発電システムを構成することである。
【０００７】
上記したようなシステムによリ、従来のいずれかの出力のみを出力として選択するのでなく条件に応じて蓄電器に充電を行い、出力に際しては太陽光発電、風力発電、蓄電器の三者の何れからも並列的に同時に接続して取り出すことが可能となり、ハイブリッド発電として最高効率を引き出すことが出来る。
【発明の効果】
【０００８】
風力発電の出力側に制御性のよい昇降圧器を設けることにより、有効な並列発電が可能になった。また蓄電器を採用して、短時間での上昇下降の激しい規格未満電力並びに余剰電力を蓄電し、風力出力がないときに放電することによりシステム全体の効率を高めることが出来る。多数の機器を制御するため制御装置を設けて常時監視・常時制御のシステムとしている。さらに蓄電器の部材として電気二重層コンデンサを活用し蓄電特性を高めている。以上により高い効率のハイブリッド発電システムを実現することが可能になった。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
本発明である太陽光発電と風力発電によるハイブリッド発電システムの構成並びに制御方法について、以下に例を用いて説明するが、本発明はこれらの例に限るものではない。
【００１０】
図１は本発明の発電システムの電力並びに信号の回路構成を示すブロック図である。図１において１は太陽光発電装置を示し、２は太陽光発電装置の電力出力を直交変換器に送るか否かの切換えを行う入切ボックスであり、３は電力出力を直交変換器に繋げる接続箱である。図1の４は直交変換器であり直流電力を交流電力に変換し、電圧を所定のレベルにする装置である。５は制御装置であり太陽光発電装置の出力部５ｓ１および風力発電装置６に繋がる昇降圧器７の出力側５ｓ２の電圧を取り込んで、昇降圧器７の出力電圧の制御ならびに４ヶの入切ボックス２、８、１０、１４の接続の入切を制御する。昇降圧器７、１３に対して制御信号線５ｃ２、５ｃ６を配線し、入切ボックス２、８、１０，１４に対して制御信号線５ｃ１、５ｃ３、５ｃ４、５ｃ７を配線する。また当発電システムの出力側を制御するため内部電力消費１７の電流値を５ｓ４により検出し、直交変換器４の出力電流を５ｓ６により検出し、さらに分電盤１６の外部電力系統への接合部の電流を５ｓ５により検出する。風力発電装置６の発電出力は入切ボックス８を介し接続箱９を経て直交変換器４に太陽光発電１の出力と並列に接続されている。昇降圧器７の出力は１０の入切ボックスにも接続されており、システムの状態によって制御装置５の制御指令により５ｃ４を介して入りとなった場合は蓄電器１２に電力が充電される。充電された電力は蓄電器１２の充電状態を５ｓ３により感知して、そのレベルにより昇降圧器１３、入切ボックス１４、接続箱１５を介して直交変換器４に接続され電力出力する。直交変換器４はシステムの安定的な運転のため開始電圧と停止電圧とは異なった値を儲け、その入り切りにヒステリシス特性を持たせている。即ち直交変換器４が停止状態から稼動状態に入るのには該器への入力電圧が一定の高さSＩＮが必要であり、稼動状態から停止状態に戻る時にはＳＯＵＴが必要であるが、SＩＮがＳＯＵＴよりも大きい数値に設定してあり、これによりハンチングなどを避けてシステムの安定的な運転をしている。
【００１１】
次に具体的なシステムの制御の働きを図３に沿って説明する。図３は本システムにおける制御の状態推移図であり、円は状態を示し、矢印は状態から状態への遷移を示す。ａからｈまでの各円形は本ハイブリッド発電システムの運転の状態即ち接続状態を示す。ａは並列接続で太陽光発電と風力発電がともに出力稼動して接続され運転している状態である。ｂの太陽光単独接続は太陽光発電装置のみが出力稼動して単独で直交変換器に接続され電力出力している状態、ｃの風力単独接続は風力発電装置のみが出力稼動して直交変換器に接続されている状態、ｄの両方非接続は太陽光発電装置、風力発電装置の何れも出力側に接続されていない状態である。さらにｅは並列接続時に風力電力が出て販売契約電力以上出力する時に蓄電器に充電を行う状態であり、ｆは風力単独接続時に発電電力が販売契約電力以上出力する時に蓄電器に充電を行う状態である。システムの出力が販売契約電力との関係でどの状態にあるかを常時監視するようになっており、そのためのデータを５ｓ４、５ｓ５、５ｓ６から得る。ｇは太陽光単独接続状態のときに風力発電出力は有っても主力側に接続できない弱いレベルのときに、その電力を充電するいわゆる弱充電の状態であり、ｈも両方非接続状態のときに風力発電が弱いレベルで有りその電力を充電するいわゆる弱充電の状態である。本システムはシステム全体が正常に動作しているとき、ある任意の瞬間において上記８ヶの状態中の何れか一つの状態を必ず選択する制御を行う。
【００１２】
次に各状態間の遷移について説明する。本システムに於いてはある任意の状態から他の状態に遷移するのに、定められたルート以外には何も条件を付加しない。例えばｃの状態からｂの状態に遷移するとき、１）ｃ⇒ｂ、２）ｃ⇒ａ⇒ｂ、３）ｃ⇒ｄ⇒ｂ、４）ｃ⇒ａ⇒ｄ⇒ｂ、５）ｃ⇒ｄ⇒ａ⇒ｂの５通りのルートが考えられるが、本システムの制御は状況によりこの５通りのルートの何れであっても可能である。
【００１３】
遷移の生起要因は主として太陽光と風力の自然条件であり、従として制御上の要因がある。生起要因の決定マップの概念を図４に示す。図４は横軸に太陽光の強度、縦軸に風力の強度をとり、太陽光強度×風力強度の平面上の区切られた領域で特定の運転状態が決定されることを示している。図４のグラフで横軸上のＳＩＮは太陽光発電が有効に機能する限界の強度を示し、太陽光強度が低い状態から高い状態になる時ＳＩＮの値をもって太陽光発電が可能の領域になる。逆に太陽光強度が高い状態から低い状態に移るときＳＯＵＴをもって太陽光発電が不可能の領域になる。縦軸上のＷＬとＷＵは夫々風力発電有効風速と風力発電危険風速をしめす。風力強度がＷＬとＷＵの間にあるとき風力発電が有効に機能する。これらＳＩＮ、ＳＯＵＴ、ＷＬ、ＷＵの値は個々のシステムに特有のものである。図４の領域４１、４２は風力がＷＵ以上のとき風車が破損する危険があるため風車を停止するか風車の回転に一定の制限を加える。前記領域４１の状態は図３の状態ｄに対応する。図４の領域４２では太陽光単独発電を行い、該領域４２は図３の状態ｂに対応する。領域４１，４２の状態において風車を停止せずに風車の回転に制限を加えた場合は領域４３、４５の範囲と考える。図４の領域４３では風力単独発電を行い、該領域４３は図３の状態ｃに対応する。
【００１４】
図４の領域４４では風力単独発電の発電出力が大きく内部消費を差し引いてもなお余剰電力があるとき該余剰電力を外部電力系統に販売するが、該販売電力が販売契約電力値を超えた場合に予め用意された蓄電器に充電するものであり、該領域は図３の状態ｆに対応する。図４の領域４５では並列発電を行い、該領域４５は図３の状態ａに対応する。図４の領域４６では並列発電の発電出力が大きく内部消費を差し引いてもなお余剰電力があるとき該余剰電力を外部電力系統に販売するが、該販売電力が販売契約電力値を超えた場合に予め用意された蓄電器に充電するものであり、該領域は図３の状態ｅに対応する。
【００１５】
図４の領域４７では太陽光、風力の何れも発電せず、該領域は図３の状態ｄに対応する。図４の領域４８では直交変換器に入力するレベルまでは電圧を揚げられないが充電できるレベルの風力発電が得られるとき充電を行うもので、該領域は図３の弱充電ｈに対応する。図４の領域４９では太陽光単独発電を行い図３のｂの状態に対応する。図４の領域５０では直交変換器に入力するレベルまでは電圧を揚げられないが充電できるレベルの風力発電が得られるとき充電を行うもので、該領域は図３の太陽光単独発電＋弱充電ｇに対応する。
【００１６】
図５はシステムの放電・非放電を説明している。ｇは非放電状態でありシステムは放電しない。ｊは蓄電した電力を放電する状態であり、該状態は図３のの各状態とは独立に制御されるが、例外が設けられている。その例外は図３のｅ，ｆに対して放電状態を重ねることはないことである。即ち充電が行われるのはシステム出力が電力の販売契約電力値を超えないようにするためであり、その時はシステム出力は制限値に達しており、それ以上に放電してシステムの出力を高める余地はない。
【００１７】
システムが前記のｅ，ｆの充電状態でなくて且つ蓄電器の容量が一定の値を超え、システム出力が販売契約電力値に満たない場合には制御装置５は放電を指示して。放電状態にはいる。放電は蓄電器の蓄電容量が所定の値以下になるまで続けられる。
【実施例１】
【００１８】
つぎに本発明に於けるシステムの具体的働きについて例を用いて述べる。まずこの例では前述したＳＩＮ、ＳＯＵＴは夫々１００Ｖ、６０Ｖであり、ＷＬとＷＵは夫々電圧換算で１００Ｖ、２００Ｖであるとする。ＳＩＮ、ＳＯＵＴの値は直交変換器の特性によるものであり開始電圧を１００Ｖ、停止電圧を６０Ｖとしているからであり、開始はスイッチ開の状態からスイッチ閉にすること、また停止はスイッチ閉の状態からスイッチ開の状態にすることである。
【００１９】
本ハイブリッド発電システムの運転状態の実施例を夜間の風力単独発電から朝の凪で無発電、日中の並列運転、夕方並列運転から風力単独運転に至る例で説明する。夜明け前は弱めの風があり風力単独運転ｃで運転され、７０〜９０Ｖの範囲の出力が出ていた。この間、昇降圧器７は稼動せずに運転していた。やがて少しずつ東の空が白む頃、なぎとなり風車が停止して風力発電の出力が０Ｖとなり両方非接続ｄとなった。３０分ほど後に反対向きの風が出て風力単独接続ｃの状態となって運転が続き６３〜７０Ｖの出力がしばらく続き、辺りが明るくなり太陽の角度が徐々に高さを増して遂に太陽光発電出力５ｓ１が１００Ｖに達した。このとき制御装置５はまず昇降装置７に対して電圧降下の指令を出し、センサ５ｓ２が１００Ｖを検出するまで電圧を降下させる。
【００２０】
つぎに入切ボックス２を接続してシステムは並列接続ａとなり並列発電をする。この時点から制御装置５の制御指令により昇降圧器７が働いて、センサ５ｓ２の電圧値はセンサ５ｓ１の電圧値に合わせるように制御される。日中は多くの時間で並列発電ａが継続するが、何回かの中断があり太陽光単独接続ｂとなるがその手順は以下のように進められる。風が弱まってきたとき制御装置５は昇降圧器７に５ｃ２を通じて指令を出して昇圧するが、それでも太陽光発電のレベルに達しないときには、５ｃ３を通じて制御信号を出し、入切ボックス８を切断する。これにより太陽光単独接続の状態ｂになる。しかし風力発電は太陽光発電のレベルには届かないながらも出力しており、この電力を有効利用するため入切ボックス１０を閉じて蓄電器に充電するいわゆる弱充電状態ｇとなる。この弱充電ｇの状態での風力の揺らぎに対応した有効な充電を本システムの電力二重層コンデンサが果たしている。夕方は再び風力が回復して並列発電が続けられた。やがて太陽が西に傾き、徐々に太陽光も弱まってきて、遂にその出力が６０Ｖをわったとき、制御装置５により５ｃ１を通じて入切ボックス２が切断され、風力単独接続ｃに切り替えられた。
【００２１】
以上例を用いて述べて来たように本発明になるハイブリッド発電システムは有効に機能して効率の良い発電ができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】太陽光発電と風力発電のハイブリッド発電システムの回路ブロック図である。
【図２】従来の太陽光発電と風力発電のハイブリッド発電システムの回路ブロック図である。
【図３】ハイブリッド発電システムにおいて電気回路の接続を制御する考え方を示す状態遷移図である。
【図４】ハイブリッド発電システムにおいて自然環境の変動に対するシステム制御領域の分割方法を示す制御領域マップである。
【図５】ハイブリッド発電システムにおいて放電の考え方を示す状態遷移図である。
【符号の説明】
【００２３】
１  太陽光発電装置
２  入切スイッチ
４  直交変換器
５  制御装置
６  風力発電装置
７  昇降圧器
８  入切スイッチ
１０  入切スイッチ
１１  電流制御器
１２  蓄電器
１３  昇降圧器
１４  入切スイッチ
１７  内部電力消費
【図１】
2005051955.tif 000003
【図２】
2005051955.tif 000004
【図３】
2005051955.tif 000005
【図４】
2005051955.tif 000006
【図５】
2005051955.tif 000007