(57)【要約】【課題】脈動分を抑制した出力電力を三相交流系統に供給できる太陽光発電設備を提供することである。【解決手段】二次電池またはキャパシタが並列接続された電力変換器１４を三相交流系統の各相にカスケードに接続して２個のカスケード変換器システム１３Ａ、１３Ｂを構成し、２個のカスケード変換システムの中性点間に太陽電池１５を接続し、制御装置１６は、太陽電池１５の動作点が最大電力を取り出す最適動作点になるように制御したときの太陽電池１５の出力電流の変動分を２個のカスケード変換器システム１３Ａ、１３Ｂの直流ループに循環させ、その変動分の電力を二次電池またはキャパシタに充放電して出力電力を平均化し、平均化した出力電力を三相交流系統１１に出力するように、２個のカスケード変換器システム１３Ａ、１３Ｂの電力変換器１４を制御する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
二次電池またはキャパシタが並列接続された電力変換器を三相交流系統の各相にカスケードに接続して構成された２個のカスケード変換器システムと、
前記２個のカスケード変換システムの中性点間に接続された太陽電池と、
前記２個のカスケード変換器システムの電力変換器を制御する制御装置とを備え、
前記制御装置は、前記太陽電池の動作点が最大電力を取り出す最適動作点になるように制御したときの前記太陽電池の出力電流の変動分を２個のカスケード変換器システムの直流ループに循環させ、その変動分の電力を前記二次電池またはキャパシタに充放電して出力電力を平均化し、平均化した出力電力を前記三相交流系統に出力するように、前記２個のカスケード変換器システムの電力変換器を制御することを特徴とする太陽光発電設備。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、太陽光を利用して発電し電力系統に連系して運転制御される太陽光発電設備に関する。
【背景技術】
【０００２】
太陽光発電設備は、日射強度及び温度により最大電力を発生させる動作点が異なるため、太陽電池の発電電力を有効に活用するには、刻々変化していく最適動作点に追従させて発電することが重要となる。
【０００３】
このような最大電力を取り出す最適動作点を求めるには、太陽電池の出力が最大となる最適動作点に追従制御させる最大電力追従制御｛ＭＰＰＴ（Maximum Power Point Tracking）制御｝が用いられる。例えば、現状の動作点で得られる出力電力と、現状の動作点から少しだけ移動させた動作点で得られる出力電力とを比較して最適動作点への方向判断を行い、最適動作点へと追従させる山登り法などが用いられる（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
また、太陽光発電設備は、夜間には発電できないので、太陽光発電設備と系統との間に二次電池を設置して、昼間において発電した発電電力を二次電池に充電するようにしたものもある。一方、電力変換器をカスケードに接続してカスケード変換器を構成し、各々の電力変換器に二次電池を接続して構成された電力貯蔵装置がある（例えば、非特許文献１参照）。この電力貯蔵装置は、カスケード変換器の直流電圧部はそれぞれ独立しており、二次電池と単相ブリッジコンバータを１つのセル構造としており、拡張性が高く高耐圧設計や低歪みの出力波形を実現できるものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００４−２９５６８８号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】平成２１年電気学会全国大会、４−１６６、２００９／３／１７〜１９北海道、電池電力貯槽装置に使用するカスケードＰＷＭ変換器の実験的検討
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
太陽光発電設備の出力電力には脈動分が含まれるが、その脈動分を含んだ出力電力が三相交流系統に供給されると、三相交流系統の電圧変動や周波数変動が増加するなどの問題が顕在化する虞がある。今後は太陽光発電設備の導入が増加することが予想されるので、太陽光発電設備の出力電力による電圧変動対策や周波数変動対策が必要となる。
【０００８】
本発明の目的は、太陽光発電設備の出力電力の変動分を平均化して三相交流系統に供給できる太陽光発電設備を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係る太陽光発電設備は、二次電池またはキャパシタが並列接続された電力変換器を三相交流系統の各相にカスケードに接続して構成された２個のカスケード変換器システムと、前記２個のカスケード変換システムの中性点間に接続された太陽電池と、前記２個のカスケード変換器システムの電力変換器を制御する制御装置とを備え、前記制御装置は、前記太陽電池の動作点が最大電力を取り出す最適動作点になるように制御したときの前記太陽電池の出力電流の変動分を２個のカスケード変換器システムの直流ループに循環させ、その変動分の電力を前記二次電池またはキャパシタに充放電して出力電力を平均化し、平均化した出力電力を前記三相交流系統に出力するように、前記２個のカスケード変換器システムの電力変換器を制御することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、太陽電池の動作点が最大電力を取り出す最適動作点になるように制御したときの太陽電池の出力電力の変動分を二次電池またはキャパシタに充放電して出力電力を平均化し、平均化した出力電力を三相交流系統に出力するので、変動分を抑制した出力電力を三相交流系統に供給できる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施形態に係る太陽光発電設備の構成図。
【図２】本発明の実施形態に係る２個のカスケード変換器システムの電力の流れの説明図。
【図３】本発明の実施の形態における２個のカスケード変換器システムの電力の時間的な変化を示す図。
【図４】本発明の実施形態における制御装置の回路構成図。
【図５】本発明の実施形態における電力変換器に並列接続された二次電池またはキャパシタの充放電電力の説明図。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の実施形態を説明する。図１は本発明の実施形態に係る太陽光発電設備の構成図である。三相交流系統１１に設けられた受電変圧器１２の二次側には、２個のカスケード変換器システム１３Ａ、１３Ｂが並列接続されている。カスケード変換器システム１３Ａ、１３Ｂは、受電変圧器１２の二次側において、三相の各相に、二次電池またはキャパシタが並列接続された複数の電力変換器１４をカスケードに接続して構成され、各相はＹ接続されている。図１では各々の電力変換器１４に、それぞれ二次電池及びキャパシタが並列接続された場合を示している。そして、２個のカスケード変換システム１３Ａ、１３Ｂの間に太陽電池１５が接続されている。
【００１３】
制御装置１６は、２個のカスケード変換器システム１３Ａ、１３Ｂの各々の電力変換器１４を制御するものであり、直流ループ電流制御部１７と電力制御部１８とを有している。
【００１４】
太陽電池１５の出力電力Ｐｄｃは直流電力検出器１９で検出され、直流電力検出器１９で検出された出力電力Ｐｄｃは制御装置１６の直流ループ電流制御部１７及び電力制御部１８に入力される。
【００１５】
直流ループ電流制御部１７は、太陽電池１５の動作点が最大電力を取り出す最適動作点になるように制御したときの太陽電池１５の出力電流を、２個のカスケード変換器システム１３Ａ、１３Ｂと太陽電池１５とで形成される直流ループ（太陽電池１５−カスケード変換器システム１３Ａ−カスケード変換器システム１３Ｂ−太陽電池１５）に循環させ、直流ループの各相に流れる直流ループ電流を制御するものである。
【００１６】
直流ループ電流制御部１７では、２台のカスケード変換器システム１３Ａ、１３Ｂの直流電流検出器２０ｒＡ、２０ｓＡ、２０ｔＡ及び２０ｒＢ、２０ｓＢ、２０ｔＢで検出された電流を各相ごとに差をとり各相の直流ループ電流Iｄｒ｛＝（ＩｄｒＡ−ＩｄｒＢ）｝、Iｄｓ｛＝（ＩｄｓＡ−ＩｄｓＢ）｝、Iｄｔ｛＝（ＩｄｓＡ−ＩｄｓＢ）｝を演算し、この直流ループ電流Iｄｒ、Iｄｓ、Iｄｔおよび直流電圧検出器２１で検出された直流電圧Ｖｄｃから太陽電池１５の動作点が最大電力を取り出す最適動作点になるように制御するときの制御指令ｇを演算して電力制御部１８に出力する。
【００１７】
電力制御部１８は、太陽電池１５の出力電力の変動分を二次電池またはキャパシタに充放電して出力電力を平均化し、平均化した出力電力を三相交流系統１１に出力するように制御するものである。
【００１８】
電力制御部１８は、直流電力検出器１９からの太陽電池１５の出力電力Ｐｄｃ、電力検出器２２Ａ、２２Ｂで検出されたカスケード変換器システム１３Ａ、１３Ｂの電力ＰＡ、ＰＢ、電流検出器２３で検出されたシステム出力電流Ｉｒ、Ｉｓ、Ｉｔ、電圧検出器２４で検出された受電変圧器１２の二次側電圧Ｖｒ、Ｖｓ、Ｖｔ、及び直流ループ電流制御部１７で演算された制御指令ｇを入力し、太陽電池１５の出力電流の変動分の電力を二次電池またはキャパシタに充放電して出力電力を平均化し、平均化した出力電力を三相交流系統１１に出力するように、２個のカスケード変換器システム１３Ａ、１３Ｂの電力変換器１４を制御する。
【００１９】
図２は、２個のカスケード変換器システム１３Ａ、１３Ｂの電力ＰＡ、ＰＢ、二次電池またはキャパシタ電力ＰｂａｔＡ、ＰｂａｔＢ、太陽電池電力Ｐｄｃの流れを説明する図である。太陽電池電力ＰｄｃはＰｄｃＡとＰｄｃＢに分流し、ＰｄｃＡはＰＡとＰｂａｔＡに、またＰｄｃＢはＰＢとＰｂａｔＢに分流する。さらにカスケード変換器システム１３Ａの直流電力ＰｄｃＡは、三相のＲ、Ｓ、Ｔ相ごとに分流し、ＰｄｃＡｒ、ＰｄｃＡｓ、ＰｄｃＡｔとなり、カスケード変換器システム１３Ａの交流電力ＰＡはＲ相への電力ＰＡｒ、Ｓ相への電力ＰＡｓ、Ｔ相への電力ＰＡｔとなる。
【００２０】
同様に、カスケード変換器システム１３Ｂの直流電力ＰｄｃＢは、三相のＲ、Ｓ、Ｔ相ごとに分流し、ＰｄｃＢｒ、ＰｄｃＢｓ、ＰｄｃＢｔとなり、カスケード変換器システム１３Ｂの交流電力ＰＢはＲ相への電力ＰＢｒ、Ｓ相への電力ＰＢｓ、Ｔ相への電力ＰＢｔとなる。
【００２１】
また、直流ループに流れる直流ループ電流Ｉｄは、太陽電池１５→カスケード変換器システム１３Ａ→カスケード変換器システム１３Ｂ→太陽電池１５に流れる電流となる。
【００２２】
図３は、本発明の実施の形態における２個のカスケード変換器システムの電力の時間的な変化を示す図である。日射強度が変動して太陽電池出力Ｐｄｃが変動すると、カスケード変換器システム１３Ａ、１３Ｂは太陽電池出力の平均的な電力を出力するように制御されているため、太陽電池出力と平均電力の差分が二次電池またはキャパシタに流入する。
【００２３】
図４は、本発明の実施形態における制御装置の回路構成図である。直流電力検出器１９で検出された太陽電池１５の直流電力Ｐｄｃは、制御装置１６の直流ループ電流制御部１７及び電力制御部１８に入力される。直流ループ電流制御部１７では、太陽電池１５の直流電力Ｐｄｃは最大電力追従制御部２５に入力され、太陽電池１５の動作点が最大電力を取り出す最適動作点になるように制御される。最大電力追従制御部２５は、最大電力を取り出す最適動作点の直流電圧Ｖｄ１を加算器２６に出力する。加算器２６では現在の直流電圧Ｖｄｃと最適動作点の直流電圧Ｖｄ１との偏差が求められ、直流電圧制御要素２７によりその制御指令が演算され加算器２８に出力される。
【００２４】
加算器２８では、直流電圧制御要素２７からの出力と三相一括直流ループ電流算出部２９からの三相一括直流ループ電流との偏差｛＝（ＩｄｒＡ＋ＩｄｓＡ＋ＩｄｔＡ）−（ＩｄｒＢ＋ＩｄｓＢ＋ＩｄｔＢ）｝が求められ、直流電流制御要素３０によりその制御指令ｇが演算され、電力制御部１８に出力される。
【００２５】
制御指令ｇは、太陽電池１５の動作点が最大電力を取り出す最適動作点になるように制御したときにそれぞれのカスケード変換器システム１３Ａ、１３Ｂが出力すべき直流電圧に比例する信号である。
【００２６】
電力制御部１８は、カスケード変換器システム１３Ａの電力変換器１４を制御するＡ系制御部３１Ａと、カスケード変換器システム１３Ｂの電力変換器１４を制御するＢ系制御部３１Ｂとを備えている。
【００２７】
直流電力検出部１９からの太陽電池１５の直流電力Ｐｄｃは、移動平均演算部３２に入力され、太陽電池１５の直流電力Ｐｄｃの移動平均値を求めることにより変動分が除去される。移動平均演算部３２の出力は係数器３３Ａ、３３Ｂに入力され、カスケード変換器システム１３Ａ、１３Ｂでの太陽電池１５の直流電力Ｐｄｃを流す分担比率が決められる。図３では、１／２ずつ均等に分担する場合を示している。
【００２８】
係数器３３Ａ、３３Ｂで分担を決定された分担電力Ｐ１Ａ、Ｐ１Ｂは加算器３４Ａ、３４Ｂに入力され、電力検出器２２Ａ、２２Ｂで検出されカスケード変換器システム１３Ａ、１３Ｂを流れる電力ＰＡ、ＰＢと比較され、電力制御要素３５Ａ、３５Ｂによりその制御指令が演算される。その制御指令及び分担電力Ｐ１Ａ、Ｐ１Ｂは加算器３６Ａ、３６Ｂにより加算され、加算器３７Ａ、３７Ｂに出力される。
【００２９】
三相／ｄｑ変換部３８Ａ、３８Ｂは、電流検出器２３ｒＡ、２３ｓＡ、２３ｔＡ及び２３ｒＢ、２３ｓＢ、２３ｔＢで検出されたシステム出力電流ＩｒＡ、ＩｓＡ、ＩｔＡ及びＩｒＢ、ＩｓＢ、ＩｔＢをｄｑ軸の電流に変換するものであり、このｄ軸電流と加算器３６Ａ、３６Ｂの出力とが加算器３７Ａ、３７Ｂで比較され、ｄ軸電流制御要素３９Ａ、３９Ｂによりその制御指令が演算され、加算器４０Ａ、４０Ｂに出力される。
【００３０】
三相／ｄｑ変換部４１は、電圧検出器２４で検出された受電変圧器１２の二次側電圧Ｖｒ、Ｖｓ、Ｖｔをｄｑ軸の電圧に変換するものであり、このｄ軸電圧は加算器４０Ａ、４０Ｂに出力され、ｄ軸電流制御要素３９Ａ、３９Ｂからの制御指令に加算され、ｄｑ／三相変換部４２Ａ、４２Ｂに出力される。
【００３１】
三相のシステム出力電流ＩｒＡ、ＩｓＡ、ＩｔＡ及びＩｒＢ、ＩｓＢ、ＩｔＢに対するｑ軸の電流に関しても同様に、電力検出器２０Ａ、２０Ｂで検出されたカスケード変換器システム１３Ａ、１３Ｂの無効電力ＱＡ、ＱＢは無効電力目標値Ｑ１Ａ、Ｑ１Ｂと加算器４３Ａ、４３Ｂで比較され、無効電力制御要素４４Ａ、４４Ｂによりその制御指令が演算される。この制御指令及び無効電力目標値Ｑ１Ａ、Ｑ１Ｂは加算器４５Ａ、４５Ｂにより加算され、加算器４６Ａ、４６Ｂに出力される。
【００３２】
そして、加算器４６Ａ、４６Ｂにより、三相／ｄｑ変換部３８Ａ、３８Ｂからのｑ軸電流が加算器４５Ａ、４５Ｂの出力に加算され、ｑ軸電流制御要素４７Ａ、４７Ｂによりその制御指令が演算され、加算器４８Ａ、４８Ｂに出力される。加算器４８Ａ、４８Ｂでは、ｑ軸電流制御要素４７Ａ、４７Ｂからの制御指令に三相／ｄｑ変換部４１からのｄ軸電圧が加味され、ｄｑ／三相変換部４２Ａ、４２Ｂに出力される。
【００３３】
ｄｑ／三相変換部４２Ａ、４２Ｂは、ｄｑ軸電流指令値を三相のシステム出力電流ＩｒＡ、ＩｓＡ、ＩｔＡ及びＩｒＢ、ＩｓＢ、ＩｔＢに対するそれぞれの指令値に変換し、加算器４９Ａ、５０Ａ、５１Ａ、加算器４９Ｂ、５０Ｂ、５１Ｂに出力する。加算器４９Ａ、５０Ａ、５１Ａでは、直流ループ電流制御部１７からの制御指令ｇを加算して、カスケード変換器システム１３Ａの電力変換器１４に出力する。一方、加算器４９Ｂ、５０Ｂ、５１Ｂでは、直流ループ電流制御部１７からの制御指令ｇを符号反転器５２で反転した制御指令を加算して、カスケード変換器システム１３Ｂの電力変換器１４に出力する。
【００３４】
これにより、カスケード変換器システム１３Ａ、１３Ｂの電力変換器１４は、太陽電池１５の出力電力Ｐｄｃを三相交流系統１１に出力する際に、カスケード変換器システム１３Ａ、１３Ｂの直流ループに、太陽電池１５の動作点が最大電力を取り出す最適動作点になるように制御したときの太陽電池１５の出力電流を直流ループ電流Ｉｄとして流すように制御される。この場合、直流ループの各相には、直流ループ電流Ｉｄの３分の１ずつ流すことになる。
【００３５】
図５は、電力変換器１４に並列接続された二次電池またはキャパシタの充放電電力の説明図である。図５において、Ｐｄｃは太陽電池１５の出力電力、Ｐｏｕｔは三相交流系統１１への供給電力、Ｐｘは二次電池またはキャパシタの充放電電力である。
【００３６】
図５に示すように、太陽電池１５の出力電力Ｐｄｃには脈動分を含んでおり、太陽電池１５の出力電力Ｐｄｃを三相交流系統１１に供給する際に、カスケード変換器システム１３Ａ、１３Ｂの出力は、太陽電池出力の平均的な電力となるように制御されているから、太陽電池出力とカスケード変換器システム１３Ａ、１３Ｂの出力の和との差分｛＝Ｐｄｃ−（ＰＡ＋ＰＢ）｝がカスケード変換器システム１３Ａ、１３Ｂの二次電池またはキャパシタに脈動分電力Ｐｘとして充放電される。
【００３７】
例えば、時点ｔ１〜時点ｔ２においては、二次電池またはキャパシタに脈動分電力Ｐｘ１が充電され、時点ｔ２〜時点ｔ３においては、二次電池またはキャパシタに脈動分電力Ｐｘ２が放電される。以下同様に、時点ｔ３〜時点ｔ４、時点ｔ５〜時点ｔ６、時点ｔ７〜時点ｔ８、時点ｔ９〜時点ｔ１０…において、二次電池またはキャパシタに脈動分電力Ｐｘ３、Ｐｘ５、Ｐｘ７、Ｐｘ９…が充電され、時点ｔ４〜時点ｔ５、時点ｔ６〜時点ｔ７、時点ｔ８〜時点ｔ９……において、二次電池またはキャパシタに脈動分電力Ｐｘ４、Ｐｘ６、Ｐｘ８…が放電される。
【００３８】
これにより、三相交流系統１１には、平均化された電力が出力されるので、三相交流系統１１に供給される供給電力Ｐｏｕｔには太陽電池１５で発電した際の脈動分が除去された電力となる。
【００３９】
本発明の実施形態によれば、太陽電池１５の動作点が最大電力を取り出す最適動作点になるように制御したときの太陽電池１５の出力電力Ｐｄｃの変動分を、電力変換器１４に並列接続された二次電池またはキャパシタに充放電して出力電力を平均化するので、三相交流系統１１に供給される供給電力Ｐｏｕｔは脈動分が除去された電力となり、三相交流系統１１には、脈動分を抑制した出力電力を供給できる。
【符号の説明】
【００４０】
１１…三相交流系統、１２…受電変圧器、１３…カスケード変換器システム、１４…電力変換器、１５…太陽電池、１６…制御装置、１７…直流ループ電流制御部、１８…電力制御部、１９…直流電力検出器、２０…直流電流検出器、２１…直流電圧検出器、２２…電力検出器、２３…電流検出器、２４…電圧検出器、２５…最大電力追従制御部、２６…加算器、２７…直流電圧制御要素、２８…加算器、２９…三相一括直流ループ電流算出部、３０…直流電流制御要素、３１Ａ…Ａ系制御部、３１Ｂ…Ｂ系制御部、３２…移動平均演算部、３３…係数器、３４…加算器、３５…電力制御要素、３６…加算器、３７…加算器、３８…三相／ｄｑ変換部、３９…ｄ軸電流制御要素、４０…加算器、４１…三相／ｄｑ変換部、４２…ｄｑ／三相変換部、４３…加算器、４４…無効電力制御要素、４５…加算器、４６…加算器、４７…ｑ軸電流制御要素、４８…加算器、４９…加算器、５０…加算器、５１…加算器、５２…符号反転器
【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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