(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電源と前記直流電源からの直流電力を交流電力に変換する電力変換部とを備える電力ストリングを複数並列接続した電力供給システムであって、
前記直流電源の出力電力量に応じて前記電力変換部を制御する制御部と、
前記直流電源にそれぞれ接続した蓄電部と
を備え、
前記制御部は、前記直流電源の数がｎ、前記直流電源の１つの出力電力量が電力供給システム全体の出力電力量の１／ｎ未満であるとき、ａ）ｎ台の直流電源の内、最も電圧値が高い蓄電部に接続された電力変換部を起動・動作させ、他の（ｎ−１）台の電力変換部は動作停止させ、ｂ）起動させた電力変換部の要求出力電力量は１つの直流電源が発電する発電量のｎ倍とし、ｃ）前記電力変換部を所定時間運転する毎に、前記全蓄電部の蓄電量を比較し、最も高い電圧値を示す蓄電部に接続された電力変換部を起動・運転を開始させる
ことを特徴とする電力供給システム。
【請求項２】
直流電源と前記直流電源からの直流電力を交流電力に変換する電力変換部とを備える電力ストリングを複数並列接続した電力供給システムであって、
前記直流電源の出力電力量に応じて前記電力変換部を制御する制御部と、
前記直流電源にそれぞれ接続した蓄電部と
を備え、
前記制御部は、前記直流電源の数がｎ、前記１つの直流電源の出力電力量が電力供給システム全体の出力電力量の１／ｎ〜２／ｎであるとき、ａ）ｎ台の直流電源の内、最も高い電圧値と、その次に高い電圧値を持つ２つの蓄電部に接続された２つの電力変換部を起動・動作させ、他の（ｎ−２）台の電力変換部は動作停止させ、ｂ）起動させた２つの電力変換部への要求出力電力量は１つの直流電源が発電する発電量のｎ／２倍とし、ｃ）前記２つの電力変換部を所定時間運転する毎に、前記全蓄電部の蓄電量を比較し、最も高い電圧値とその次に高い電圧値を示す蓄電部に接続された２つの電力変換部を起動・運転を開始させる
ことを特徴とする電力供給システム。
【請求項３】
前記制御部は、更に、ｄ）電力変換部の切り替えの際、運転停止する電力変換部の出力電力は所定時間をかけて減少させ、起動開始する電力変換部からの出力電力は同じ所定時間をかけて増加させることを特徴とする請求項１または２に記載の電力供給システム。
【請求項４】
前記制御部は、更に、ｅ）前記所定時間運転前に電力変換部の出力電力量が閾値を越えて変化した場合は、即座に再判断を行い、各電力変換部に指示を出し直すことを特徴とする請求項１から３までのいずれか１項に記載の電力供給システム。
【請求項５】
前記直流電源は、太陽電池、風力発電装置または燃料電池のような発電装置から直流電力を出力する装置、またはこれらの組み合わせであることを特徴とする請求項１から４までのいずれか１項に記載の電力供給システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、太陽電池、風力発電装置、燃料電池のように発電量が環境により大きく変動する直流電源を備える電力供給システムに関し、特に低出力時も高効率に電力供給するシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
太陽電池、風力発電装置のように自然エネルギーを利用する発電装置、あるいは燃料電池は、電気的負荷または系統電力に接続するために、電力変換部が使用される。しかし、電力変換部は、一般的に低出力時に変換効率が低下することが知られている。
そのため、従来の太陽電池装置は、図１０に示すように、複数の太陽電池３１ａ、３１ｂ、３１ｃの出力を１つの接続箱３２にまとめるように接続する。その後、複数並列接続したインバータ３３ａ、３３ｂ、３３ｃを介して負荷３４または系統電力３５に接続し、インバータ３３ａ、３３ｂ、３３ｃの運転を制御部３６により制御するものであった。
このようにインバータを制御するシステムは、例えば家庭用太陽電池システムや数１０ｋＷ〜数ＭＷクラスの発電量を有する大規模太陽電池システムで使用されている。
図１０に示すようなシステムは、例えば、特許文献１により小出力のインバータを複数並列接続し、太陽電池の発電量が少ないときはインバータの運転台数を少なくする技術として開示されている。また特許文献２は運転するインバータを所定の法則、例えば各インバータの出力電力量の少ない順または運転時間の少ない順あるいはランダムに選択する技術として開示している。
【特許文献１】特開平６−１６５５１３号公報
【特許文献２】特開２０００−３０５６３３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、特許文献１および２は、太陽電池の発電量が少ないときインバータの運転台数を少なくし、またインバータを出力電力量の少ない順または運転時間の少ない順あるいはランダムに選択するため、太陽電池出力を検知し、その検知出力により複雑に制御する必要がある。そのため制御部の構成及び制御が複雑になる。またこの制御装置は、太陽電池の発電量が急激に大きくなった場合の対策が必要であり、高度な制御が必要となる。また太陽電池の発電量の変動に応じてインバータを切り替えるので、頻繁に大きく発電量が変動する太陽電池では、切替動作回数が多くなり、高信頼性の切替回路が必要となる。さらに太陽電池の発電量に応じて出力が変動するので、負荷及び系統電力は不安定な動作を強いられる。またこのシステムの最大出力は、太陽電池の発電量によって決定され、最大電力の制御ができない。
【０００４】
本発明は、以上のような問題点に鑑みて、電力変換部の複雑な制御が必要ない電力供給システムを提供するものである。また直流電源の出力電力量をタイムシフトすることができる電力供給システムを提供するものである。更に最大電力を制御することができる電力供給システムを提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の電力供給システムは前記課題を解決するために、直流電源と、前記直流電源からの直流電力を変換する電力変換部を備える電力ストリングを複数並列接続した電力供給システムであって、前記直流電源の出力電力量に応じて前記電力変換部を制御する制御部と、前記直流電源の少なくとも１つ以上に接続した蓄電部とを備えるものである。
ここで、直流電源は、例えば太陽電池、風力発電装置あるいは燃料電池のような発電装置から直流電力を得るものを指す。また電力変換部は、いわゆるインバータであり、直流を交流に変換するもので、高周波絶縁変圧器を使用する方式、ＰＷＭ制御して商用周波変圧器で絶縁する方式など、どのような形式でも使用することができ、それぞれが同一形式でも、異なっていてもよい。また蓄電部は、直流電源より出力された直流電力を蓄電するものであり、代表的には蓄電池であり、その外に、電力を水素に変化して貯蔵する形式の水素貯蔵システムのように、電力を貯蔵し、取り出せるものであればよい。
【０００６】
このように本発明は、直流電源の少なくとも１つ以上に接続した蓄電部を備えることにより、急激な変動を吸収して出力を安定化することができ、また電力変換部の高度で、複雑な制御をなくすことができ、そのため切替スイッチの動作回数を少なくすることができる。また直流電源より出力された電力を蓄電部に蓄電することにより、直流電源からの電力を、出力された時刻と異なる時刻に出力する、いわゆるタイムシフトして負荷または系統に供給をすることができる。また蓄電部に蓄電された最大電力を取り出すことにより、電力供給システムから出力する最大出力電力、または負荷あるいは系統が要求する最大電力量に応じて、最大出力電力量を制御することができる。
【０００７】
本発明の電力供給システムは、前記直流電源が太陽電池、風力発電装置または燃料電池のような発電装置から直流電力を出力する装置、またはこれらの組合せであるとよい。これにより、直流電源として各種電源を使用することができ、またそれらを任意に組み合わせて用いることが可能になる。
本発明の電力供給システムは、前記蓄電部を各直流電源にそれぞれ備えることが望ましい。このように蓄電部を備えると、直流電源からの出力電力量の変動をより少なくし、安定化することができ、その結果、電力変換部の高度で複雑な制御をなくすことができる。またより多くの電力量を蓄電部に蓄電することができるので、タイムシフトする電力量をより多くすることができ、かつ最大出力電力量を大きくすることができる。
また本発明において、前記制御部は前記電力変換部をオン・オフ制御して電力供給システムの出力を決定するものである。この場合に、制御部は各電力ストリングの電力量を検知して、その合計値として、この発明の電力供給システムの出力値を決定することができる。あるいは、負荷または系統から要求される電力値を出力することが可能になる。
このように本発明によれば、太陽光発電装置、風力発電装置、燃料電池のような直流電源の出力と、蓄電部に蓄電した電力の合計を出力することができる。
【０００８】
また本発明において、制御部は決めた出力値に応じて、任意の電力変換部を起動させるものである。このように制御部が決めた出力値に応じて、任意の電力変換部を起動させるので、電力変換部を高変換効率で運転することができる。
また本発明の電力供給システムは、前記直流電源の出力電力量を検知する検知手段を更に備え、前記検知手段が検知した出力電力量に応じて前記制御部が前記電力変換部を制御することが望ましい。これにより、直流電源により発電された電力を有効に利用することができる。
また本発明の電力供給システムは、前記蓄電部の蓄電量を検知する検知手段を更に備え、前記検知手段が検知した蓄電量に応じて前記制御部が電力変換部を制御することが望ましい。これにより、蓄電部に蓄電された電力を有効に利用することができる。
【０００９】
また本発明の電力供給システムは、更に、電力供給システムの出力電力量を検知する検知手段を備え、前記検知手段が検知した電力量に応じて前記制御部が電力変換部を制御することが望ましい。これにより、本発明の電力供給システムの出力電力量に応じて蓄電量を制御することができる。
また本発明の電力供給システムは、前記制御部が前記各電力変換部を定期的に順次起動させるとよい。このように起動させることにより、各電力変換部を均一に作動させることができる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、電力供給システムの複雑な制御をなくすことができ、そのため切替回路の動作回数を少なくすることができる。また直流電源で発電された電力をタイムシフトして供給をすることができる。さらに蓄電部に蓄電された最大電力を取り出すことにより、最大出力電力量を制御することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
《電力供給システムの構成》
本発明の電力供給システムの構成は、図１に示すように複数の直流電源１ａ、１ｂ、１ｃと、各直流電源１ａ、１ｂ，１ｃからの直流電力を変換する電力変換部２ａ、２ｂ、２ｃを備える電力ストリングを複数並列接続する。さらに前記直流電源の出力電力量に応じて電力変換部２ａ、２ｂ、２ｃを制御する制御部３と、前記直流電源１ａ、１ｂ、１ｃに接続した蓄電部４ａ、４ｂまたは４ｃを備える。電力変換部２ａ、２ｂ、２ｃの出力は１つにまとめられ、負荷５またはスイッチ６を介して系統電力である商用電力７に接続される。
【００１２】
上記直流電源１は、例えば太陽電池、風力発電装置あるいは燃料電池のような発電装置から直流発電電力を得るものである。大規模な直流電源である場合、各直流電源の仕様、性能は異なるのが当然であり、例えば太陽電池や風力発電装置ではその設置場所、方角、傾きにより出力電力値が相違する。また図１は、３つの直流電源１ａ、１ｂ，１ｃ、３つの電力変換部２ａ、２ｂ、２ｃを示すが、この数は任意であり、２つでもよく、それ以上であってもかまわないし、各直流電源１および各電力変換部２は同じもの、同じ性能のものでもよいし、それぞれが異なっていてもよい。また、直流電源は、太陽電池、風力発電装置あるいは燃料電池など任意の異なる組合せであってもかまわない。また、蓄電部４ａ、４ｂまたは４ｃは、直流電源１ａ、１ｂ、１ｃにそれぞれ備える必要はなく、少なくとも１つ以上であってもよい。
また上記電力変換部２ａ、２ｂ、２ｃは、いわゆるインバータであり、直流を交流に変換するものである。電力変換部は、高周波絶縁変圧器を使用する方式、ＰＷＭ制御して商用周波変圧器で絶縁する方式など、どのような形式でも使用することができ、それぞれが同一形式でも、異なっていてもよい。
【００１３】
上記制御部３は、直流電源１の出力電力量に応じて制御する外に、蓄電部４の蓄電量、電力供給システムの出力あるいは制御部自身が決めた出力値によって制御することができるものである。
図１に示した電力供給システムは、制御部３を備え、制御部３が電力変換部２を制御するシステムであるが、制御部３を備えないで、電力変換部２ａ〜２ｃのどれか１つ、または全ての電力変換部が互いに他の電力変換部を制御する方式にすることも可能である。この方式の場合を図１に接続線８で示し、制御部３を備える場合と同様に動作させることが可能である。
上記蓄電部４は、直流電源１より出力された直流電力を蓄電するものであり、代表的には蓄電池が使用される。その外に、直流電源１からの出力により水を電気分解して、その発生した水素を貯蔵し、必要に応じて水素を燃焼させて電力を得る形式の水素貯蔵システムであってもかまわない。蓄電部４は、直流電源１の少なくとも１つに備えればよく、各直流電源１にそれぞれ備えることがより好ましい。
【００１４】
さらに、本発明の電力供給システムを、太陽電池を直流電源とする実施形態について、図２のブロック図とともに説明する。図２は本発明の一実施形態であり、この図２によって本発明は限定されるものではない。
【００１５】
図２に示すように、太陽電池モジュール１１は、最大電力電圧Ｖｐｍ＝５１Ｖ、最大短絡電流Ｉｓｃ＝２Ａ、出力８５Ｗの薄膜―微結晶太陽電池パネルである。太陽電池アレイ１０は、上記太陽電池モジュール１１を４直列、３並列に接続した１２枚構成である。従って、その最大出力は１０２０Ｗである。図２は、太陽電池アレイ１０を３つ示している。
蓄電池モジュール１２は、５．７Ａｈのリチウムイオン電池を４８直列して構成され、保護回路、電力カウンターを有する回路部を伴って構成される。
【００１６】
この実施形態で、３つの太陽電池アレイ１０の発電電力量と、３つの蓄電池モジュール１２の蓄電容量は、それぞれ同じであるとして説明するが、必ずしも同じである必要はなく、各々が異なっていてもよい。また太陽電池アレイは設置場所により受光量は異なるので、そのため発電量が異なってもかまわない。
【００１７】
上記蓄電池モジュール１２に備えられた保護回路は、公知の電圧監視用ＩＣ、ＦＥＴまたは制御用ＣＰＵなどから構成され、例えば電圧異常を検出したとき、回路を開列して、蓄電池を保護するなどの機能を有するものである。即ち、過充電防止回路、過放電防止回路、過電流防止回路、直列に接続された蓄電池デバイスの各セルの電圧監視回路、各セルの電圧を調整するバランス回路などを含む。
また電力カウンターは、電力監視用ＩＣが使用され、蓄電池の充放電力を監視し、蓄電池の充電状態を外部に出力する機能を有するものである。
【００１８】
上記構成の太陽電池アレイ１０は、蓄電池モジュール１２の電力が太陽電池モジュール１１に逆流しないように設けられたダイオードよりなる逆流防止素子１３を介して、蓄電池モジュール１２に並列接続される。
太陽電池アレイ１０と蓄電池モジュール１２を並列接続する接続点１４と、蓄電池モジュール１２の間にスイッチ１５を接続し、更に接続点１４は、電流センサー１６および逆流防止ダイオード１７を介してＤＣ／ＡＣ変換装置２０に接続される。
接続線１８は、太陽電池アレイ１０および蓄電池モジュール１２をＤＣ／ＡＣ変換装置２０に接続するアースラインである。
【００１９】
ここでスイッチ１５としては、電界効果型トランジスタ（ＭＯＳ  ＴＦＴ）を使用する。スイッチ１５は、制御回路（図示しない）によって、蓄電池モジュール１２を太陽電池アレイ１０に接続したり、太陽電池アレイ１０から開列したりするように制御する。スイッチ１５の詳細は後述する。
また電流センサー１６には、例えばシャント抵抗を接続し、その両端の電圧を測定するものや、ホールセンサーなどを利用したものを使用することができる。
【００２０】
このようにして、太陽電池アレイ１０をＤＣ/ＡＣ変換装置２０に接続した複数個の電力ストリングを並列に合流させ、負荷３０に接続する。あるいはスイッチ４０を介して系統電力５０と逆潮流（太陽電池のような分散電源の発電電力を系統に向かって出力すること）可能なように連係させる。
上記複数のＤＣ/ＡＣ変換装置２０を合流した電圧、電流を検知するために電流計２１、電圧計２２が出力部に設けられ、その検出結果は出力管理装置６０に供給される。
上記蓄電池モジュール１２の電圧値、蓄電量やＳＯＣ（State of Charge;充電状態）などの信号は、信号線１９によって、ＤＣ/ＡＣ変換装置２０に供給し、ＤＣ/ＡＣ変換装置２０の出力を決定するために使用する。また上記信号は出力管理部６０に供給され、ＤＣ/ＡＣ変換装置２０の制御用信号として利用される。
信号線１９と出力管理部６０を接続する信号線２３は、電圧値、蓄電量やＳＯＣなどの信号を出力管理部６０へ供給するとともに、後述するように出力管理部６０がＤＣ/ＡＣ変換装置２０の運転・停止指示するための信号を供給する接続線として利用される。
【００２１】
以上のような構成において、太陽電池アレイ１０は普通屋根や屋上など日当たりの良い場所に設置される。一方、蓄電池モジュール１２やＤＣ／ＡＣ変換装置２０は、太陽電池架台の下や太陽電池アレイ１０の近くに設置した建造物に格納する。そのため太陽電池アレイ１０と、蓄電池モジュール１２やＤＣ／ＡＣ変換装置２０の間の距離は長いので、配線抵抗を考慮した設計が必要になる。
上記構成において、太陽電池モジュール１１は、薄膜太陽電池のように温度特性に優れ、適切な電圧範囲に設定することができる素子を用いることが望ましい。またアモルファスシリコン太陽電池や結晶系シリコンとアモルファスシリコンを積層したタンデム構造太陽電池も用いることができる。
【００２２】
また蓄電池モジュール１２は、充電不足によるサイクル劣化、メモリー効果のない電池が望ましい。このような電池デバイスとしては、リチウムイオン電池が適しており、リチウムイオン電池は、電圧範囲を太陽電池に対応させて電圧範囲を狭く設定することができるとともに、充放電曲線が平坦であり、部分充電におけるサイクル劣化やメモリー効果がなく、好ましい。
蓄電池モジュール１２の電圧範囲は、太陽電池が所定の日射量及び温度のときの最大電力電圧点（Ｖｐｍａｘ）に対して、所定の日射量及び温度における６０％から１００％の電力を取り出すことが可能な電圧範囲に設定する。これにより、電圧範囲を狭くして太陽電池の出力を平滑化することができる。
通常の太陽電池システムは、日射条件、太陽電池素子の温度に応じて変化する最大電力点追尾方式により動作点が制御されるが、この発明では蓄電池モジュール１２の電圧が太陽電池アレイ１０の動作点電圧となるように動作させる。これにより太陽電池アレイ１０の動作点電圧を蓄電池モジュール１２が動作する電圧範囲に限定することができる。
【００２３】
図３に示すように、蓄電池モジュール１２の動作電圧範囲を太陽電池アレイ１０のＰ−Ｖ曲線Ａにおいて、ＳＯＣ２０％〜ＳＯＣ８０％の範囲とする。ＳＯＣは、蓄電部の充電状態を示し、ＳＯＣ１００％が満充電、ＳＯＣ０％が放電終了を表す。ＳＯＣ２０％〜ＳＯＣ８０％の範囲の最大電力点電圧（Ｐｍａｘ）に対する比率は、図３の右側目盛と、効率の曲線Ｂから効率は、９２％〜１００％であることが分かる。
【００２４】
一般に、太陽電池モジュール１１は温度上昇すると、出力が低下する傾向があり、その傾きを表す温度係数はマイナスを示す。例えば結晶シリコンの温度係数は、ー０．４５〜０．５％／℃である。
これに対して蓄電池モジュール１２は動作電圧が温度によって殆んど影響を受けないので、本発明に使用する太陽電池モジュール１１は温度特性に優れている太陽電池を選択することが望ましい。例えば、温度係数が−０.４２％／℃以下、さらには−０．３％／℃以下が望ましい。このように温度係数の小さい太陽電池としては、上記したように、温度係数が−０．１７〜−０．２％℃の薄膜太陽電池が適し、薄膜太陽電池を使用すると、高いシステム効率を得ることができる。
【００２５】
《電圧範囲の設定》
本発明において、蓄電池モジュール１２を充放電する電圧範囲は、図４のように示すことができる。図４は、充電容量と充放電電圧の関係を示し、充電曲線Ｃで示すように充電され、放電曲線Ｄで示すように放電する。この電圧範囲は任意に設定することが可能であるが、本発明では、ＳＯＣ２０％〜ＳＯＣ８０％の範囲とするので、充電終止電圧はＳＯＣ８０％の電圧であり、放電終止電圧はＳＯＣ２０％の電圧である。結局、電池使用領域はＳＯＣの中心６０％である。
リチウムイオン電池は満充電状態に近い状態で放置すると使用していなくても劣化するため、蓄電デバイスとしてリチウムイオン電池を用いる場合には、電池の中心部の電力を活用することは、電池のサイクル特性上、好ましい。
【００２６】
上記電圧は、太陽電池モジュール１１の種類および直列数と、蓄電池モジュール１２の種類および直列数、および使用する充電状態を適宜選択することによって実現可能である。また上記電圧範囲は固定でもかまわないし、日射量や気候条件、蓄電池デバイスの劣化状況などによって、設定値を順次変えていくことも可能である。
上記電圧を日射条件や気候条件によって変更する場合は、過去の日射データや気温データをもとに適切な期間に区切り、電圧範囲を設定すればよい。
例えば、気温が低い冬季には太陽電池モジュールの温度が低くなるため、電圧範囲を高く設定する。また気温が高くなる夏季には電圧範囲を低く設定する。更に春季や秋季は、冬季と夏季の中間の電圧範囲に設定する。このように日射条件を考慮して設定する場合、日射が安定した地域などにおいては下限値を８０％以上とすることも可能である。
また、蓄電池モジュール１２は劣化が進むと、内部抵抗が増加するため、段階的に上記範囲内で充電終止電圧を上げていき、放電終止電圧では下げていくように予め設定しておくことも可能である。そのために、スイッチを備え、制御ソフト中に設定された設定値を、通信手段などを利用してアップデートが可能なようにしておくとよい。
【００２７】
《充電制御方法》
本発明では、ＤＣ／ＡＣ変換装置２０からの出力を制御することによって、ＤＣ／ＡＣ変換装置２０からの出力を平滑化するとともに、蓄電池モジュール１２の充電を制御することが可能である。つまり、太陽電池アレイ１０の発電電力量からＤＣ/ＡＣ変換装置２０の出力を引き算したものが充電電力となるからである。このように出力制御することにより、太陽電池アレイ１０の発電出力を平滑化するとともに、充電制御を行うことができる。
ＤＣ／ＡＣ変換装置２０の出力制御は、太陽電池アレイ１０からの出力変動を吸収するために一定の出力としてもかまわないし、または、充電電流が一定になるようにＤＣ／ＡＣ変換装置２０の出力を制御してもかまわない。
【００２８】
出力平滑化を重視した場合の制御方法を図５を用いて説明する。この図は、ある日の１６：００〜１７：００の太陽電池アレイの発電電力Ｅ、ＤＣ／ＡＣ変換装置の出力Ｆ、蓄電池モジュールへの充電電力Ｇ、ＳＯＣ（充電状態）Ｈの関係を示すものである。
夕刻に近づくにつれて、日射量が少なくなってきて、発電電力Ｅが徐々に低下しているが、ＤＣ／ＡＣ変換装置からの出力Ｆを一定になるよう制御されているので、日射量が下がってくるにもかかわらず、一定の出力を得ることが可能である。さらに同時に蓄電池モジュールへの充電電力Ｇを徐々に下げることが可能となり、二つの制御が同時に達成可能となる。
このような制御は、蓄電池モジュールの充電末期に利用すると、蓄電池モジュールの充電制御でよく活用される定電流・定電圧充電と同様の効果が得られ、非常に有効である。通常は、充電制御装置によって電池の満充電が近くなってくると、充電電力を絞るような制御が行われるが、本発明の太陽光発電システムでは満充電の近くで充電電力を絞るような制御は必要なく、ＤＣ／ＡＣ変換装置の出力制御のみで同時に充電制御が達成できる。
【００２９】
ついで、充電電流を制御する場合について、図６を用いて説明する。この図は、ある日の１０：００〜１１：００の太陽電池アレイ１０の発電電力Ｉ、ＤＣ／ＡＣ変換装置の出力Ｊ、蓄電池モジュールへの充電電力Ｋの関係を示すものである。
日射量の変動に伴って、太陽電池アレイ１０の発電電力Ｉが急峻に変化しているが、本発明は随時追従する制御ではなく、日射量の大きな流れに従って出力制御することによって、ＤＣ／ＡＣ変換装置からの出力Ｊを平滑化することが可能となる。さらに充電電力Ｋは、変動があるものの、常に一定電力以下になるように同時に制御されている。電池の制御において、定格充電電力以上の充電を行わないように制御することは電池の寿命を延ばすためにも重要であり、通常は専用の充電装置によって、そのような制御がなされるが、本発明ではＤＣ／ＡＣ変換装置からの出力を平滑化すると同時に、充電電力の制御を同時に達成可能となる。
【００３０】
《容量のバランスについて》
太陽電池アレイの出力をＰ1（Ｗ）、蓄電池モジュールの蓄電容量Ｗ1（Ｗｈ）とした場合には、そのバランスは、Ｐ１×１時間＜Ｗ1とすることが好ましい。この程度の蓄電池容量を持っていれば、細かい時間間隔での出力の平準化は可能である。
通常の蓄電池の充電制御においては、蓄電池に大電流が流れ込まないように電流制限が設けられている。しかし、太陽電池モジュールは、そのデバイスに流すことが可能な最大電流が、太陽電池モジュールの内部抵抗や配線抵抗などによって決まっており、太陽電池アレイの出力と蓄電池モジュールの蓄電容量のバランスを調整することによって、通常必要であった充電時の電流制限回路が不要になる。
【００３１】
従って、この容量バランスは非常に重要である。このような観点からも充電電流の最小値は上記下限値が好ましいが、更に好ましくは、Ｐ１×０.５時間、さらに好ましくはＰ１×０．３時間とすることが好ましい。通常の蓄電池デバイスは１Ｃ（蓄電池容量を１時間で充電する電流）程度の充電電流は許容しているため、最小値をＰ１×１時間とすると、蓄電池デバイスの選択肢をかなり広げることができて好ましい。
蓄電池モジュール１２の最大容量値は、大きくても本発明を実施する場合に問題はないが、設備サイズ、コスト、設備の稼働率等の観点から、Ｐ１×１０時間、さらに好ましくはＰ１×５時間程度とすることが好ましい。十分な蓄電容量があれば、細かい時間間隔での出力の平滑化と電力をタイムシフトする大きな時間での電力シフト（平準化）の両立が可能となり、好ましい。
【００３２】
《スイッチ切り替え動作の説明》
本発明は、太陽電池ストリングに接続された蓄電池モジュール１２の電圧を検出してスイッチ１５を接続したり、開列したり切り替えるので、たとえば満充電後しばらくの間、太陽電池アレイ１０を切り離し、太陽電池の発電電力のみを最大電力点追尾方式で活用する。その後太陽電池の発電電力が低下した際に、再度蓄電池モジュール１２を接続し、太陽電池アレイ１０と蓄電池モジュール１２の合成された電力を活用することが可能となる。
また、本発明は、太陽電池アレイ１０からの電流を検出してスイッチ１５を切り替える。そのため、たとえば、図２に示すように各太陽電池ストリングを並列接続し、一定電力制御している時に、一部の太陽電池アレイの日射量が低下したり、日陰になったりして、一部の太陽電池アレイの出力が低下した場合、極端には故障のため発電不能になった場合に、ある太陽電池アレイのみに出力要求が集中することを回避することが可能となる。
【００３３】
本発明の太陽電池ストリングは、蓄電池モジュールを有するため、日射がなくても要求されるだけの電力を供給できるが、一定以上の蓄電量が消費された場合に、出力を太陽電池アレイ１０のみに切り替えれば、太陽電池アレイ１０からの電力は有限であるため、電力を能力以上に要求されると電圧が下がり、他の太陽電池ストリング中の蓄電池モジュール１２からの出力を促すこととなる。
通常の通信手段で外部より信号を送ることによって、スイッチ１５を太陽電池アレイ１０と、蓄電池モジュール１２を開列するようにすれば、太陽電池アレイ１０を最大電力点追尾で動作させるようなことが可能となる。
【００３４】
《動作アルゴリズム》
図１または図２に示す本発明の電力供給システムは、次の動作アルゴリズムにより動作する。
本発明の電力供給システムは、出力する電力を、その瞬間の日射強度を入力変数とし、予め定められたアルゴリズム（変数を使用した関数）に従って導出する。このアルゴリズムは図７の表１に示すように、日射強度に対応して、台数制御するものである。このアルゴリズムは、出力管理装置６０内の記憶部６１に格納され、出力管理装置６０が算出した要求出力電力値を各ＤＣ／ＡＣインバータ２０に電気信号の形で伝達される仕組みである。
【００３５】
図７に示す表１において、指示パターンとして示した「台数制御１」は、日射強度が０〜０．３ｋＷ／ｍ2のとき、ＤＣ／ＡＣインバータを１台だけ動作させる指示を意味している。このとき、動作指示されたＤＣ／ＡＣインバータ２０への要求出力は、日射強度×１つの太陽電池アレイの発電電力×３である。
「台数制御２」は、日射強度が０．３〜０．６ｋＷ／ｍ2のとき、２台のＤＣ／ＡＣインバータを動作させる指示である。このとき、動作指示されたＤＣ／ＡＣインバータ２０への要求出力は、日射強度×１つの太陽電池アレイの発電電力×１．５である。
また「全数動作」とは、日射強度が０．６〜１．０ｋＷ／ｍ2のとき、各太陽電池アレイ１０に備えられたそれぞれのＤＣ／ＡＣインバータ２０を全部動作させる指示である。このとき、動作指示された各ＤＣ／ＡＣインバータ２０への要求出力は、日射強度×１つの太陽電池アレイの発電電力×１である。
【００３６】
「台数制御」を具体的な事例で説明する。
電流センサー１６により、各太陽電池アレイ１０に入射する日射強度が１．０ｋＷ／ｍ2（日本では条件の良い晴天日の太陽光の強さ）程度に相当する検知出力を得た場合、出力管理装置６０は、図７に示す表１のアルゴリズムに従って「全数動作」を指示パターンとして選択し、全てのＤＣ／ＡＣインバータ２０ａ、２０ｂ、２０ｃに起動・運転の指示を出す。各太陽電池アレイ１０は最大の発電能力を発揮するため、蓄電池モジュール１２を充電すると同時に、ＤＣ／ＡＣインバータ２０ａ、２０ｂ、２０ｃを経由して系統３０に最大電力を逆潮流する。または負荷４０に電力供給する。
【００３７】
この説明では、日射強度を電流センサー１６により検知しているが、複数のＤＣ/ＡＣ変換装置２０が合流するところに設けた電流計２１、電圧計２２により、検知してもよい。以下の説明も同様である。
日射強度が継続する間は、上記動作を継続する。即ち、各太陽電池アレイ１０は最大の発電能力を発揮し、蓄電池モジュール１２を充電すると同時に、ＤＣ／ＡＣインバータ２０ａ、２０ｂ、２０ｃを経由して系統３０に最大電力を逆潮流する。または負荷４０に電力供給する。
【００３８】
次に、電流センサー１６の検知出力により、日射強度が０．１ｋＷ／ｍ2になったことを検知した場合、図７のアルゴリズムから出力管理装置６０は、「台数制御１」を読み出す。ここで、出力管理装置６０は、各蓄電池モジュール１２に備えられた電圧検出部で検出した電圧値を信号線１９，２３を経由して読み出し、それを比較して、全蓄電池モジュール１２ａ、１２ｂ、１２ｃの中で最も大きな電圧値を示す蓄電池モジュールを選択する。
例えば蓄電池モジュール１２ａを選択したとする。そして、その蓄電池モジュール１２ａに接続されたＤＣ／ＡＣインバータ２０ａを起動し、ＤＣ／ＡＣ変換動作を指示する。その他のＤＣ／ＡＣインバータ２０ｂ、２０ｃには停止の指示を出す。（図８のｔ１〜ｔ２参照）
【００３９】
この時、ＤＣ／ＡＣインバータ２０ａへの要求出力電力は、太陽電池アレイ１０ａで発電している電力の略３倍の電力である。要求出力電力の算出式は、日射強度（ｋＷ／ｍ2）×1つの太陽電池アレイの発電電力×３である。従って、この場合は、0.1×1.02×3＝0.306kWである。
この場合、要求出力電力は、当然太陽電池アレイ１０ａで発電している電力量だけでは不足するので、不足電力量は蓄電池モジュール１２ａからの持ち出しとなる。これにより、ＤＣ／ＡＣインバータ２０ａは高出力時運転し、高変換効率で動作する。
この間、ＤＣ／ＡＣインバータ２０ｂ、２０ｃは動作停止し、太陽電池アレイ１０ｂ、１０ｃの出力により、それぞれの蓄電池モジュール１２ｂ、１２ｃを充電する。このときの充電電流は小さい充電電流で充電することになる。
【００４０】
その５分後、日射強度は大きく変動しないで、0〜0.3 kW/m2の範囲内であった場合、出力管理装置６０は、全蓄電池モジュール１２ａ、１２ｂ、１２ｃの中で最も大きな電圧値を示す蓄電池モジュールを選択する。つまり、その前の５分間で、蓄電池モジュール１２ａが選択され、その蓄電量を消費したので、蓄電池モジュール１２ａよりも大きな電圧値を示す蓄電池モジュールがあるか探す。
この場合、蓄電池モジュール１２ｂがより大きな電圧値を示していたとすると、その蓄電池モジュール１２ｂに接続されているＤＣ／ＡＣインバータ２０ｂに起動・運転指示を出す。そして、ＤＣ／ＡＣインバータ２０ａに停止指示の信号を出す。ＤＣ／ＡＣインバータ２０ｃには引き続き停止指示の信号を出す。（図８のｔ２〜ｔ３参照）
【００４１】
このようにＤＣ／ＡＣインバータ２０ａからＤＣ／ＡＣインバータ２０ｂに動作を切替る場合、停止指示されたＤＣ／ＡＣインバータ２０ａは徐々に電圧を低下させ、一方ＤＣ／ＡＣインバータ２０ｂは徐々に電圧を上昇させるようにすると、切れ目のない切替えを実現することができる。
よって今度は，ＤＣ／ＡＣインバータ２０ｂに上記と同じ要求出力電力が出され、太陽電池アレイ１０ｂの発電電力と、蓄電池モジュール１２ｂからの放電電力がＤＣ／ＡＣインバータ２０ｂを介して系統３０に出力される。
【００４２】
さらにその３分後、日射強度が0.5kW/m2に増えた場合、電流センサー１６の検知出力によりそれを検知して、出力管理装置６０は、即座に「台数制御２」と判断し、全蓄電池モジュール１２ａ、１２ｂ、１２ｃの中で最も大きな電圧値と、その次の電圧値を示す２つの蓄電池モジュールを選択する。そして、その２つの蓄電池モジュール接続されたインバータに起動・動作指示を出す。この場合は，ＤＣ／ＡＣインバータ２０ａと２０ｃが選択され、起動・動作指示が出されたとする。ＤＣ／ＡＣインバータ１２ｂに停止指示を出す。（図８のｔ３〜ｔ４参照）
この時の各インバータへの要求出力電力は0.5×1.02×1.5＝0.765kWで、計１．５３ｋＷある。
【００４３】
上記のように電力供給システムを動作させることにより、日射強度が低下して太陽電池アレイの発電量が低下した場合に、動作させるインバータの台数を最小限に抑えることが可能となる。これは従来の運転方法である、低日射時にも全インバータを動作させる場合と比べ、インバータの運転維持のためのエネルギーを削減できるという点においてメリットとなる。
【００４４】
《一般化した動作アルゴリズム》
上記した本発明の動作アルゴリズムは、次のように一般化することができる。
先ず、前提条件は、次のとおりであるとする。
・太陽電池アレイの数（＝インバータ台数）：ｎ
・日射強度：1/n(kW/m2)未満
【００４５】
この条件の下、次のように動作アルゴリズムを一般化する。
ａ）ｎ台のインバータの内、最も電圧値が大きい蓄電池モジュールに接続されたインバータｘのみを起動・動作させ、他の(n-1)台のインバータは動作停止させる。
ｂ）起動させたインバータｘへの要求出力電力は、その日射強度によって1つの太陽電池アレイが発電する発電量のｎ倍とする。（すなわち、(ｎ-1)倍分の電力は、その太陽電池アレイに接続された蓄電池モジュールから持ち出す事になる。
ｃ）出力管理装置は一定時間毎に、運転させるインバータを判断し直す。すなわちインバータxが一定時間運転した後は、再度全蓄電池モジュールの蓄電量を比較し、最も高い電圧値を示す蓄電池モジュールに接続されたインバータyが起動・運転を開始する。インバータxに運転停止の指示を出す。
ｄ）インバータ切り替えの際、出力電力の切れ目が生じないように、インバータｘの出力電力は数秒間をかけて一定の傾きで減少し、インバータｙからの出力電力は同じ時間をかけて同じ一定の傾きで増加する。
ｅ）一定時間が経過する前に日射強度が閾値を越えて変化した場合、出力管理装置は即座に再判断を行ない、各インバータに指示を出し直す。
【００４６】
また、前提条件が次の場合の動作アルゴリズムは、以下のとおりである。
・太陽電池アレイの数（＝インバータ台数）：ｎ
・日射強度が1/n〜2/n(kW/m2) 
【００４７】
ａ）常時ｎ台のインバータの内、最も高い電圧値とその次に高い電圧値を持つ２つの蓄電池モジュールに接続されたインバータｘ、ｙのみを起動・動作させ、他の(ｎ−２)台のインバータは動作停止させる。
ｂ）起動させたインバータｘ、ｙへの要求出力電力は、その日射強度によって1つの太陽電池アレイが発電する発電量のｎ／２倍とする。（すなわち、(ｎ／２−１)倍分の電力はその太陽電池アレイに接続された蓄電池モジュールから持ち出す事になる。
ｃ）出力管理装置は一定時間毎に、運転するインバータを判断し直す。すなわちインバータｘ、ｙが一定時間運転した後は、再び、全蓄電池モジュールの電圧値を比較し、最も大きい電圧値とその次の電圧値を持つ２つの蓄電池モジュールに接続されたインバータz、ａが起動・運転を開始する。インバータｘ、ｙは動作停止させる。
ｄ）この切り替えの際、出力電力の切れ目が生じないように、インバータｘ、ｙの出力電力は数秒間をかけて一定の傾きで低下し、インバータｚ、ａからの出力電力は同じ時間をかけて同じ一定の傾きで増加する。
ｅ）一定時間が経過する前に日射強度が閾値を越えて変化した場合、出力管理装置は即座に再判断を行ない、各インバータに指示を出し直す。
【００４８】
本発明の別の実施形態では、太陽電池アレイの出力、蓄電池モジュールに蓄電された電力がほぼ同等であるとして、各太陽電池ストリングを順番に起動する。即ち、図９に示すように ＤＣ／ＡＣインバータ２０ａ〜２０ｃを順番に等間隔に起動する。このように順番、時間間隔を予め決めておけば、センサーや制御が不要になり、簡単なアルゴリズムにより各ＤＣ／ＡＣインバータを制御することができる。従って制御部３をなくして、各ＤＣ／ＡＣインバータ間で起動順を決めるだけでよい。
【００４９】
更に別の実施形態として、本発明を大規模電力供給システムに適用する場合、太陽電池アレイは、大面積になり、そのため各太陽電池アレイから同じ出力を得ることができない。例えば、太陽電池アレイの設置場所または設置の方角、傾きにより、朝方に多く発電する太陽電池アレイと、夕方に多く発電する太陽電池アレイが存在することになる。また面積の異なる太陽電池アレイを使用せざるを得なくなる。そのため各太陽電池アレイの出力電力、および蓄電池モジュールに蓄電される電力量は異なる。さらに翌日が曇りまたは雨天であることが予測される場合は、その予測に従って各電力供給システムを制御するとよい。
すなわち、朝方に多く発電する太陽電池アレイを含む太陽電池ストリング対しては、朝方多くの電力を蓄電し、夕方に多く放電させるように制御するとよい。逆に夕方多く発電する太陽電池アレイを含む太陽電池ストリング対しては、夕方多くの電力を蓄電し、朝方には多く放電させるように制御するとよい。
同様に翌日が曇りまたは雨天であることが予測されている場合は、当日の放電は少なくして、翌日に多く放電するようにする。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】電力供給システムの構成図を示す。
【図２】実施形態のブロック図を示す。
【図３】太陽電池アレイのＰ−Ａ特性図を示す。
【図４】蓄電池モジュールの充放電特性図を示す。
【図５】出力平滑化を重視した制御方法を示す。
【図６】充電電流を制御する制御方法を説明する図を示す。
【図７】電力供給システムの制御アルゴリズムを示す。
【図８】電力供給システムの制御を説明するタイムチャート図を示す。
【図９】電力供給システムの制御を説明するタイムチャート図を示す。
【図１０】従来の電力供給システムの構成図を示す。
【符号の説明】
【００５１】
１    直流電源
２    電力変換部
３    制御部
４    蓄電部
５、３０  負荷
７、５０  商用電力（系統）
１０  太陽電池アレイ
１１  太陽電池モジュール
１２  蓄電池モジュール
１５  スイッチ
１６  電流センサー
１９  信号線
２０  ＤＣ／ＡＣ変換装置
２１  電流計
２２  電圧計
６０  出力管理装置
６１  記憶部
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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