(57)【要約】【課題】配電線の連系点の系統電圧を極力一定に保つことができる太陽光発電装置を提供することである。【解決手段】電圧制御部１７は、太陽電池１１を最大電力追従制御する最大電力追従制御部１６からの有効電力出力指令が零のときは、インバータ１２の出力電圧Ｖｃが予め定めた所定値になる無効電力出力指令を出力し、最大電力追従制御部１６からの有効電力出力指令が増加するにつれて、インバータ１２の出力電圧が予め定めた所定値を維持するように無効電力出力指令を調整した出力電力指令を出力し、インバータ制御部１８は、電圧制御部１７からの出力電力指令に基づきインバータ１２の出力電力を制御する。【選択図】  図１
2012016150.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
太陽光により直流電力を発電する太陽電池と、
前記太陽電池で出力した直流電力を交流に変換して交流系統に出力するインバータと、
前記インバータと交流系統との間に接続され前記インバータの出力電圧を昇圧して前記交流系統に連系する連系変圧器と、
前記太陽電池の出力電力が最大電力となるように最大電力追従制御を行う最大電力追従制御部と、
前記最大電力追従制御部からの有効電力出力指令が零のときは前記インバータの出力電圧が予め定めた所定値になる無効電力出力指令を出力し前記最大電力追従制御部からの有効電力出力指令が増加するにつれて前記インバータの出力電圧が予め定めた所定値を維持するように無効電力出力指令を調整した出力電力指令を出力する電圧制御部と、
前記電圧制御部からの出力電力指令に基づき前記インバータの出力電力を制御するインバータ制御部とを備えたことを特徴とする太陽光発電装置。
【請求項２】
太陽光により直流電力を発電する太陽電池と、
前記太陽電池で出力した直流電力を交流に変換して交流系統に出力するインバータと、
前記インバータと交流系統との間に接続され前記インバータの出力電圧を昇圧して前記交流系統に連系する連系変圧器と、
前記太陽電池の出力電力が最大電力となるように最大電力追従制御を行う最大電力追従制御部と、
前記最大電力追従制御部からの零以外の有効電力出力指令があるとその有効電力出力指令を維持したまま前記連系変圧器が接続された交流系統の系統電圧が予め定めた所定値になるように無効電力出力指令を調整した出力電力指令を出力し前記最大電力追従制御部からの有効電力出力指令に対して無効電力出力指令の調整だけでは前記系統電圧を予め定めた所定値に維持することができないときは有効電力出力指令も調整した出力電力指令を出力する電圧制御部と、
前記電圧制御部からの出力電力指令に基づき前記インバータの出力電力を制御するインバータ制御部とを備えたことを特徴とする太陽光発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、太陽電池の発電した直流電力を交流に変換し、既存の電力系統に連系して交流電力を供給する太陽光発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
太陽光発電装置は、太陽電池の直流電力をインバータで交流に変換し、既存の電力系統に連系して運転するものである。そして、太陽電池の出力制御の際には、太陽電池を最大電力追従制御｛ＭＰＰＴ（Maximum Power Point Tracking）制御｝し、インバータを介して電力系統に電力を供給する。
【０００３】
電力系統の連系点の電圧は、分散電源が出力する有効電力Ｐ及び無効電力Ｑに対して電圧上昇するように変動する。この場合の電圧変動ΔＶは、系統電圧をＶｓ、連系線の抵抗をＲ、連系線のリアクタンスをＸとしたとき、（１）式で近似できる。
【０００４】
ΔＶ＝（Ｒ・Ｐ＋Ｘ・Ｑ）／Ｖｓ…（１）
従って、分散電源の連系点の電圧上昇を抑制するためには、Ｒ・Ｐ＋Ｘ・Ｑが零となるように有効電力Ｐに対して無効電力Ｑを制御すればよいことになる。
【０００５】
分散電源が接続された電力系統の連系点の電圧を一定に制御するものとして、系統電圧と系統電流の検出値を用いて、分散電源に対する無効電流指令を作成し配電線の電圧を一定にするようにしたものがある（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０００−３３３３７３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、特許文献１のものでは、商用系統側に送り出す電力に比例して無効電力を系統側から受け入れるようにしなければならないので、分散電源として太陽光発電装置を用いた場合には、太陽光発電装置は進相運転領域の運転をしなければならない。
【０００８】
一般に、太陽光発電装置は発電出力が気象条件（天候）に左右されエネルギー密度が小さいことから、太陽電池を最大電力追従制御して有効電力を出力することを基本とし、最大有効電力が出力されるまでは、連系点の系統電圧が上昇すること許容し、最大有効電力が出力されるようになると、配電線の電圧が上昇したときに遅相運転領域での運転も行い配電線の電圧調整をしているに過ぎない。
【０００９】
本発明の目的は、配電線の連系点の系統電圧を極力一定に保つことができる太陽光発電装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
請求項１の発明に係る太陽光発電装置は、太陽光により直流電力を発電する太陽電池と、前記太陽電池で出力した直流電力を交流に変換して交流系統に出力するインバータと、前記インバータと交流系統との間に接続され前記インバータの出力電圧を昇圧して前記交流系統に連系する連系変圧器と、前記太陽電池の出力電力が最大電力となるように最大電力追従制御を行う最大電力追従制御部と、前記最大電力追従制御部からの有効電力出力指令が零のときは前記インバータの出力電圧が予め定めた所定値になる無効電力出力指令を出力し前記最大電力追従制御部からの有効電力出力指令が増加するにつれて前記インバータの出力電圧が予め定めた所定値を維持するように無効電力出力指令を調整した出力電力指令を出力する電圧制御部と、前記電圧制御部からの出力電力指令に基づき前記インバータの出力電力を制御するインバータ制御部とを備えたことを特徴とする。
【００１１】
請求項２の発明に係る太陽光発電装置は、太陽光により直流電力を発電する太陽電池と、前記太陽電池で出力した直流電力を交流に変換して交流系統に出力するインバータと、前記インバータと交流系統との間に接続され前記インバータの出力電圧を昇圧して前記交流系統に連系する連系変圧器と、前記太陽電池の出力電力が最大電力となるように最大電力追従制御を行う最大電力追従制御部と、前記最大電力追従制御部からの零以外の有効電力出力指令があるとその有効電力出力指令を維持したまま前記連系変圧器が接続された交流系統の系統電圧が予め定めた所定値になるように無効電力出力指令を調整した出力電力指令を出力し前記最大電力追従制御部からの有効電力出力指令に対して無効電力出力指令の調整だけでは前記系統電圧を予め定めた所定値に維持することができないときは有効電力出力指令も調整した出力電力指令を出力する電圧制御部と、前記電圧制御部からの出力電力指令に基づき前記インバータの出力電力を制御するインバータ制御部とを備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
請求項１の発明によれば、電圧制御部は、最大電力追従制御部からの有効電力出力指令が零のときはインバータの出力電圧が予め定めた所定値になる無効電力出力指令を出力し、最大電力追従制御部からの有効電力出力指令が増加するにつれてインバータの出力電圧が予め定めた所定値を維持するように無効電力出力指令を調整した出力電力指令を出力するので、太陽電池の出力電力が零から徐々に増加してもインバータの出力電圧は予め定めた所定値に維持され、太陽電池の出力電力が増加したことに伴う電圧変動を系統電圧に与えることがない。
【００１３】
請求項２の発明によれば、電圧制御部は、最大電力追従制御部からの零以外の有効電力出力指令があると、連系変圧器が接続された交流系統の系統電圧が予め定めた所定値になるように有効電力出力指令を維持したまま無効電力出力指令を調整した出力電力指令を出力し、最大電力追従制御部からの有効電力出力指令に対して無効電力出力指令の調整だけでは系統電圧を予め定めた所定値に維持することができないときは有効電力出力指令も調整した出力電力指令を出力するので、系統電圧をほぼ一定にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の実施形態に係る太陽光発電装置の構成図。
【図２】本発明の実施形態のインバータが交流系統に供給できる有効・無効電力（Ｐ＋ｊＱ）の特性図。
【図３】本発明の実施形態の最大電力追従制御部からの有効電力出力指令が零のときの電圧制御部による制御の一例を示すインバータの有効・無効電力（Ｐ＋ｊＱ）の特性図。
【図４】本発明の実施形態の最大電力追従制御部からの有効電力出力指令がＰ１のときの電圧制御部による制御の一例を示すインバータの有効・無効電力（Ｐ＋ｊＱ）の特性図。
【図５】本発明の実施形態の最大電力追従制御部からの有効電力出力指令がＰｍａｘのときの電圧制御部による制御の一例を示すインバータの有効・無効電力（Ｐ＋ｊＱ）の特性図。
【図６】本発明の実施形態の最大電力追従制御部からの有効電力出力指令が零でない状態で系統電圧Ｖｓが定格電圧の許容範囲を超えて上昇したときにインバータから−Ｑを供給して系統電圧Ｖｓを調整したときの電圧制御部による制御の一例を示すインバータの有効・無効電力（Ｐ＋ｊＱ）の特性図。
【図７】本発明の実施形態の最大電力追従制御部からの有効電力出力指令がＰ３のときの電圧制御部による制御の他の一例を示すインバータの有効・無効電力（Ｐ＋ｊＱ）の特性図。
【図８】本発明の実施形態の最大電力追従制御部からの有効電力出力指令がＰ４のときの電圧制御部による制御の他の一例を示すインバータの有効・無効電力（Ｐ＋ｊＱ）の特性図。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の実施の形態を説明する。図１は本発明の実施形態に係る太陽光発電装置の構成図である。
【００１６】
太陽電池１１は太陽光により直流電力を発電し、太陽電池１１で発電された直流電力はインバータ１２に入力される。インバータ１２は直流電力を交流に変換し連系変圧器１３及び連系開閉器１４を介して交流系統１５（例えば配電線）に接続される。連系変圧器１３は、例えば、柱上変圧器でありインバータ１２の出力電圧を交流系統の連系点（配電線）の定格電圧になるように昇圧する。最大電力追従制御部１６は、太陽電池１１の直流電圧Ｖｄ及び直流電流Ｉｄを入力し、太陽電池１１の出力電力が最大電力Ｐとなるように最大電力追従制御を行うものであり、最大電力追従制御による出力指令を電圧制御部１７に出力する。
【００１７】
電圧制御部１７は、最大電力追従制御部１６の最大電力追従制御による出力指令、インバータ１２の出力電圧Ｖｃ及びインバータ１２の出力電流Ｉｃを入力し、インバータ１２の出力電圧Ｖｃが予め定めた所定値Ｖｃ０を維持するように出力電力指令をインバータ制御部１８に出力する。また、系統電圧Ｖｓを入力し系統電圧Ｖｓが定格電圧から所定値以上に上昇したときは系統電圧Ｖｓが定格電圧の許容範囲になるように出力電力指令をインバータ制御部１８に出力する。
【００１８】
インバータ制御部１８は、電圧制御部からの出力電力指令に基づき前記インバータの出力電力を制御する。これにより、インバータ１２の出力電圧Ｖｃは予め定めた所定値Ｖｃ０を維持するように制御される。また、系統電圧Ｖｓが定格電圧から所定値以上に上昇したときは系統電圧Ｖｓが定格電圧の許容範囲になるようにインバータ１２の出力電圧Ｖｃを制御する。
【００１９】
図２は本発明の実施形態のインバータ１２が交流系統１５に供給できる有効・無効電力（Ｐ＋ｊＱ）の特性図である。交流系統１５に接続された自励式のインバータ１２が交流系統１５に供給できる有効・無効電力（Ｐ＋ｊＱ）は、図２に示すように、インバータ１２の皮相電力最大値Ｓｍａｘを半径とした円内の任意の値となる。有効電力Ｐ及び無効電力Ｑの向きについては、通常、他励式のインバータの場合には入力方向を正とするが、ここでは自励式のインバータを一種の電源とみなし、インバータ１２からの出力方向を正とする。従って、図２の右半平面が逆変換運転の状態、左半平面が順変換運転の状態に対応する。
【００２０】
また、皮相電力最大値Ｓｍａｘは、交流系統１５の系統電圧｜Ｖｓ｜とインバータ１２の実効値電流容量｜Ｉｃｍａｘ｜との積（Ｓｍａｘ＝｜Ｖｓ｜・｜Ｉｃｍａｘ｜）で与えられ、系統電圧Ｖｓが定格１．０ｐｕの場合にはＭＶＡ容量に一致する。ＰＱ可制御領域は、皮相電力最大値Ｓｍａｘを半径とした円内であることから、ＰＱ可制御領域は、｜Ｉｃｍａｘ｜のみならず系統電圧Ｖｓの大きさ｜Ｖｓ｜にも依存して変化し、その増減に対応してＰＱ可制御領域も同心円状に増減する。なお、図２中のφは、系統電圧Ｖｓとインバータ１２の出力電流Ｉｃとの位相差である。
【００２１】
一般に、自励式のインバータにおいては、ＰＱ指令値に基づいて系統電圧Ｖｓに対してインバータの出力電流Ｉｃを演算し、このインバータの出力電流Ｉｃを交流系統１５に流し込むのに必要なインバータ１２の出力電圧ＶｃをＰＷＭ制御により発生している。
【００２２】
図３は本発明の実施形態の最大電力追従制御部１６からの有効電力出力指令が零のときの電圧制御部１７による制御の一例を示すインバータ１２の有効・無効電力（Ｐ＋ｊＱ）の特性図である。電圧制御部１７は、インバータ１２の出力電圧が予め定めた所定値Ｖｃ０になるようにインバータ制御部１８に出力電力指令を出力するものであることから、最大電力追従制御部１６からの有効電力出力指令が零のときは、図３に示すように、インバータ１２から交流系統１５に無効電力Ｑ０を出力し、インバータ１２の出力電圧Ｖｃを予め定めた所定値Ｖｃ０に維持する。このときの系統電圧Ｖｓは、（１）式からΔＶ０（＝Ｘ・Ｑ０／Ｖｓ）だけ上昇することになる。
【００２３】
図４は本発明の実施形態の最大電力追従制御部１６からの有効電力出力指令がＰ１のときの電圧制御部１７による制御の一例を示すインバータ１２の有効・無効電力（Ｐ＋ｊＱ）の特性図である。最大電力追従制御部１６からの有効電力出力指令が出始めると、電圧制御部１７は、インバータ１２の出力電圧Ｖｃが予め定めた所定値Ｖｃ０を維持するように無効電力出力指令を調整した出力電力指令値を出力する。従って、電圧制御部１７は、最大電力追従制御部１６からの有効電力出力指令がＰ１のときは、図４に示すように、有効電力出力Ｐ１としたときに、インバータ１２の出力電圧Ｖｃが予め定めた所定値Ｖｃ０になるように無効電力ＱをＱ０からＱ１に減少させて、インバータ１２の出力電圧Ｖｃが予め定めた所定値Ｖｃ０を維持する。このときの系統電圧Ｖｓは、（１）式からΔＶ１｛＝（Ｒ・Ｐ１＋Ｘ・Ｑ１）／Ｖｓ｝だけ上昇することになる。
【００２４】
図５は本発明の実施形態の最大電力追従制御部１６からの有効電力出力指令がＰｍａｘのときの電圧制御部１７による制御の一例を示すインバータ１２の有効・無効電力（Ｐ＋ｊＱ）の特性図である。最大電力追従制御部１６からの有効電力出力指令がＰｍａｘとなると、電圧制御部１７は、インバータ１２の出力電圧Ｖｃが予め定めた所定値Ｖｃ０を維持するように無効電力出力指令を調整するが、そのときは、図５に示すように、無効電力Ｑを零にして、インバータ１２の出力電圧Ｖｃが予め定めた所定値Ｖｃ０を維持する。このときの系統電圧Ｖｓは、（１）式からΔＶ２（＝Ｒ・Ｐｍａｘ／Ｖｓ）だけ上昇することになる。
【００２５】
本発明の実施形態の一例では、系統電圧Ｖｓが定常的に上昇することになる。すなわち、太陽電池１１の出力（有効電力出力）が零のときはΔＶ０（＝Ｘ・Ｑ０／Ｖｓ）だけ上昇し、有効電力出力がＰ１のときはΔＶ１｛＝（Ｒ・Ｐ１＋Ｘ・Ｑ１）／Ｖｓ｝だけ上昇し、有効電力出力がＰｍａｘのときはΔＶ２（＝Ｒ・Ｐｍａｘ／Ｖｓ）だけ上昇する。そこで、系統変圧器１３の固定タップをその分だけインバータ１２側の設定を低電圧設定にしておく。例えば、太陽電池１１の出力（有効電力出力）が零のときのΔＶ０（＝Ｘ・Ｑ０／Ｖｓ）分だけ、あるいは太陽電池１１の有効電力出力がＰｍａｘのときのΔＶ２（＝Ｒ・Ｐｍａｘ／Ｖｓ）分だけ、系統変圧器１３の固定タップを低電圧設定にしておく。これにより、太陽電池１１の出力が変動しても系統電圧Ｖｓはほぼ一定値に調整できる。
【００２６】
図６は本発明の実施形態の最大電力追従制御部１６からの有効電力出力指令が零でない状態で系統電圧Ｖｓが定格電圧の許容範囲を超えて上昇したときにインバータ１２から−Ｑを供給して系統電圧Ｖｓを調整したときの電圧制御部１７による制御の一例を示すインバータ１２の有効・無効電力（Ｐ＋ｊＱ）の特性図である。
【００２７】
例えば、最大電力追従制御部１６からの有効電力出力指令がＰｍａｘであるときに、系統電圧Ｖｓが定格電圧の許容範囲を超えて上昇したときは、電圧制御部１７は、系統電圧Ｖｓが定格電圧の許容範囲になるように有効電力出力指令及び無効電力出力指令を調整する。
【００２８】
図６に示すように、有効電力をＰｍａｘからＰ２とするとともに無効電力Ｑを−Ｑ２にして、系統電圧Ｖｓが定格電圧の許容範囲になるようにインバータ１２の出力電圧Ｖｃを制御する。この場合、太陽電池１１の出力は無効電力Ｑを調整しても最大限出力できる有効電力Ｐ２とする。つまり、インバータ１２の皮相電力最大値Ｓｍａｘを半径とした円の円周上で運転させる。
【００２９】
このときの系統電圧Ｖｓの変動分は、（１）式からΔＶ３｛＝（Ｒ・Ｐ２−Ｘ・Ｑ２）／Ｖｓ｝となる。このΔＶ３は、有効電力Ｐｍａｘを出力しているときの系統電圧Ｖｓ変動分ΔＶ２（＝Ｒ・Ｐｍａｘ／Ｖｓ）より小さくなり、系統電圧Ｖｓは下がることになる。この場合、有効電力を零とし無効電力Ｑを−Ｑｍａｘとすることで、系統電圧Ｖｓの下げ方向の変動分として最大でΔＶ３（＝−Ｘ・Ｑｍａｘ／Ｖｓ）とすることができる。これにより、無効電力Ｑの調整は、＋Ｑから−Ｑの範囲で行うことができ、従来例の場合の（０から−Ｑ）と比較して２倍の範囲（＋Ｑから−Ｑ）で制御可能となる。
【００３０】
以上の説明では、太陽電池１１の出力が零のときは、インバータ１２は予め無効電力Ｑ０を出力して系統電圧Ｖｓが高めになるようにしておき、そのために、系統変圧器１３の固定タップをその高めの電圧分だけインバータ１２側の設定を低電圧設定にしておいたが、系統変圧器１３の固定タップは通常の設定としておき、太陽電池１１の出力が出始めると、交流系統１５の系統電圧Ｖｓが予め定めた所定値（定格電圧）になるように無効電力Ｑを調整し、無効電力Ｑの調整だけでは系統電圧Ｖｓを定格電圧に維持することができないときは有効電力Ｐも調整するようにしてもよい。
【００３１】
電圧制御部１７は、最大電力追従制御部１６から零以外の有効電力出力指令があると、有効電力出力指令を維持したまま交流系統１５の系統電圧Ｖｓが定格電圧の許容幅を維持するように、無効電力出力指令を調整した出力電力指令をインバータ制御部１８に出力する。その場合、最大電力追従制御部１６からの有効電力出力指令に対して無効電力出力指令の調整だけでは系統電圧Ｖｓを定格電圧の許容幅に維持することができないときは、有効電力Ｐも調整した出力電力指令を出力する。
【００３２】
図７は本発明の実施形態の最大電力追従制御部１６からの有効電力出力指令がＰ３のときの電圧制御部１７による制御の他の一例を示すインバータ１２の有効・無効電力（Ｐ＋ｊＱ）の特性図である。
【００３３】
電圧制御部１７は最大電力追従制御部１６から零以外の有効電力出力指令があると、有効電力出力指令を維持したまま交流系統１５の系統電圧Ｖｓが定格電圧の許容幅を維持するように、無効電力出力指令を調整した出力電力指令をインバータ制御部１８に出力する。
【００３４】
従って、電圧制御部１７は、最大電力追従制御部１６からの有効電力出力指令がＰ３のときは、図７に示すように、有効電力出力Ｐ３を維持したときに、系統電圧Ｖｓが定格電圧の許容幅を維持する無効電力Ｑ３を演算し、有効電力がＰ３で無効電力がＱ３となる出力電力指令をインバータ制御部１８に出力する。これにより、系統電圧Ｖｓは予め定めた所定値（定格電圧の許容幅内の電圧）に維持される。
【００３５】
そして、有効電力出力指令がＰｍａｘとなったときは、電圧制御部１７は、インバータ１２の出力電圧Ｖｓが予め定めた所定値を維持するように無効電力出力指令を調整するので、そのときは、図５に示した場合と同様に、無効電力Ｑは零となる。これは、系統変圧器１３の固定タップは通常の設定としているからである。
【００３６】
有効電力出力指令がＰｍａｘの状態で、系統電圧Ｖｓが定格電圧の許容範囲を超えて上昇したときには、図６に示した場合と同様に、有効電力をＰｍａｘからインバータ１２の皮相電力最大値Ｓｍａｘを半径とした円の円周上のＰ２とするとともに無効電力Ｑを−Ｑ２にして、系統電圧Ｖｓが定格電圧の許容範囲になるようにインバータ１２の出力電圧Ｖｃを制御する。
【００３７】
一方、有効電力出力指令がＰｍａｘの状態で、系統電圧Ｖｓが定格電圧の許容範囲を超えて下降したときには、図８に示すように、有効電力をＰｍａｘからインバータ１２の皮相電力最大値Ｓｍａｘを半径とした円の円周上のＰ４とするとともに無効電力ＱをＱ４にして、系統電圧Ｖｓが定格電圧の許容範囲になるようにインバータ１２の出力電圧Ｖｃを制御する。
【００３８】
これにより、系統変圧器１３の固定タップは通常の設定のままで系統電圧Ｖｓを調整できる。しかも、無効電力Ｑの調整は、＋Ｑから−Ｑの範囲で行うことができ、従来例の場合の（０から−Ｑ）と比較して２倍の範囲（＋Ｑから−Ｑ）で制御可能となり、系統電圧Ｖｓが定格電圧の許容範囲を超えて下降したときでも系統電圧Ｖｓを調整できる。
【００３９】
本発明の実施の形態によれば、系統変圧器１３のタップを予め低電圧に設定しておき、無効電力を出力しておくので、太陽電池１１の有効電力が出始めると無効電力を制御して系統電圧Ｖｓをほぼ一定値に保つことができる。
【００４０】
また、系統変圧器１３のタップは通常の設定のままとしておき、太陽電池１１の有効電力が出始めたら、無効電力を調整して系統電圧Ｖｓの制御を行い、無効電力だけの調整で系統電圧Ｖｓを許容幅に調整できないときは、有効電力を調整するので、系統電圧Ｖｓをほぼ許容幅に調整できる。また、無効電力Ｑの調整は、＋Ｑから−Ｑの範囲で行うことができ、従来の場合の（０から−Ｑ）と比較して２倍の範囲（＋Ｑから−Ｑ）で制御可能となる。
【符号の説明】
【００４１】
１１…太陽電池、１２…インバータ、１３…連系変圧器、１４…連系開閉器、１５…交流系統、１６…最大電力追従制御部、１７…電圧制御部、１８…インバータ制御部
【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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