(57)【要約】【課題】シンプルかつコンパクトな構成の再生可能エネルギ発電システムを提供する。【解決手段】再生可能エネルギ発電システム１０は、再生可能エネルギ発電装置１２と二次電池１４と電力変換装置１６と電力変換装置１８とを有する。電力変換装置１６は、測定および制御の時定数が電力変換装置１８の最大電力点追従制御部の時定数よりも相対的に長い低速最大電力点追従制御部を備える。電力変換装置１８は、充電回路１８ａと放電回路１８ｂと主制御および通信回路１８ｃとを有し、主制御および通信回路１８ｃは、測定および制御の時定数が電力変換装置１６の最大電力点追従制御部の時定数よりも相対的に短い高速最大電力点追従制御部を備える。電力変換装置１８および二次電池１４は、再生可能エネルギ発電装置１２と電力変換装置１６とを連結する電力線２０ａ、２０ｂに接続される。【選択図】図１
2017157137.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
再生可能エネルギ発電装置と、
前記再生可能エネルギ発電装置から出力された電力を充電し、充電された電力を放電する二次電池と、
前記再生可能エネルギ発電装置から出力された電力および前記二次電池から放電された電力を変換して出力する、測定および制御の時定数が相対的に長い低速最大電力点追従制御部を備えた電力変換装置と、
前記再生可能エネルギ発電装置から出力された電力を変換して前記二次電池に出力すると共に前記二次電池から放電された電力を変換して前記低速最大電力点追従制御部を備えた電力変換装置に出力する、測定および制御の時定数が相対的に短い高速最大電力点追従制御部を備えた二次電池用双方向電力変換装置と、を有し、
前記高速最大電力点追従制御部を備えた二次電池用双方向電力変換装置および前記二次電池が、前記再生可能エネルギ発電装置と前記低速最大電力点追従制御部を備えた電力変換装置とを連結する電力線に接続される再生可能エネルギ発電システム。
【請求項２】
前記高速最大電力点追従制御部を備えた二次電池用双方向電力変換装置は、前記二次電池に充電される電力と前記低速最大電力点追従制御部を備えた電力変換装置に流入する電力との和が最大になるように最大電力点追従制御を行う請求項１に記載の再生可能エネルギ発電システム。
【請求項３】
前記高速最大電力点追従制御部を備えた二次電池用双方向電力変換装置は、前記再生可能エネルギ発電装置の発電電力が規定量以下である場合には、その発電電力の内の前記低速最大電力点追従制御部を備えた電力変換装置に流入する電力が最小になるとともにそれ以外の電力が前記二次電池に充電されるように制御する請求項１または２に記載の再生可能エネルギ発電システム。
【請求項４】
前記高速最大電力点追従制御部を備えた二次電池用双方向電力変換装置は、前記再生可能エネルギ発電装置の発電電力が前記低速最大電力点追従制御部を備えた電力変換装置の電力変換可能量を超えた場合には、その発電電力の超過分が前記二次電池に充電されるように制御する請求項１〜３のいずれか１項に記載の再生可能エネルギ発電システム。
【請求項５】
前記高速最大電力点追従制御部を備えた二次電池用双方向電力変換装置は、前記二次電池から放電していない時に前記低速最大電力点追従制御部を備えた電力変換装置の電力変換量が規定量以下である場合には、前記二次電池に充電された電力が前記二次電池から放電されるように制御する請求項１〜４のいずれか１項に記載の再生可能エネルギ発電システム。
【請求項６】
再生可能エネルギ発電装置と、
前記再生可能エネルギ発電装置から出力された電力を充電し、充電された電力を放電する二次電池と、
前記再生可能エネルギ発電装置から出力された電力および前記二次電池から放電された電力を変換して出力するＤＣ／ＡＣ変換装置と、
前記再生可能エネルギ発電装置から出力された電力を変換して前記二次電池に出力すると共に前記二次電池から放電された電力を変換して前記ＤＣ／ＡＣ変換装置に出力する、最大電力点追従制御部を備えた二次電池用双方向電力変換装置と、を有し、
前記二次電池用双方向電力変換装置および前記二次電池が、前記再生可能エネルギ発電装置と前記ＤＣ／ＡＣ変換装置とを連結する電力線に接続される再生可能エネルギ発電システム。
【請求項７】
前記二次電池用双方向電力変換装置は、前記二次電池に充電される電力と前記ＤＣ／ＡＣ変換装置に流入する電力との和が最大になるように最大電力点追従制御を行う請求項６に記載の再生可能エネルギ発電システム。
【請求項８】
前記二次電池用双方向電力変換装置は、前記再生可能エネルギ発電装置の発電電力が規定量以下である場合には、その発電電力の内の前記ＤＣ／ＡＣ変換装置に流入する電力が最小になるとともにそれ以外の電力が前記二次電池に充電されるように制御する請求項６または７に記載の再生可能エネルギ発電システム。
【請求項９】
前記二次電池用双方向電力変換装置は、前記再生可能エネルギ発電装置の発電電力が前記ＤＣ／ＡＣ変換装置の電力変換可能量を超えた場合には、その発電電力の超過分が前記二次電池に充電されるように制御する請求項６〜８のいずれか１項に記載の再生可能エネルギ発電システム。
【請求項１０】
前記二次電池用双方向電力変換装置は、前記二次電池から放電していない時に前記ＤＣ／ＡＣ変換装置の電力変換量が規定量以下である場合には、前記二次電池に充電された電力が前記二次電池から放電されるように制御する請求項６〜９のいずれか１項に記載の再生可能エネルギ発電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、再生可能エネルギ発電装置からの出力電力を最大化する再生可能エネルギ発電システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
再生可能エネルギ発電装置とパワーコントローラとからなる発電システムを設置して発電し、自家消費すると共に売電している企業や家庭が増加している。このような発電システムに二次電池を追加して、例えば昼間太陽光で発電した電力を夜間にも利用したいという要望も増加している。このような電力供給システムが特許文献１に開示されている。
【０００３】
特許文献１には、負荷に供給する電力が不足する、或いは負荷に供給する電力が無い状態のときのために、蓄電装置に好適な量の電力を最低保持残量として保持しておくことが可能な電力供給システムが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１４−１２１１５３
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１の電力供給システムは、太陽電池用のＤＣ／ＡＣ変換装置と蓄電池用のＤＣ／ＡＣ変換装置とを別々に備えているため、システム全体が複雑かつ大規模になるという問題があった。
【０００６】
また、特許文献１の電力供給システムは、最低保持残量の電力を蓄電池に確保した後は、蓄電池に蓄電されない。従って、発電装置からの出力電力が小さい時には太陽電池用のＤＣ／ＡＣ変換装置の電力変換効率が極めて低いため、出力電力がほとんど得られないという問題があった。また、発電装置からの出力電力が発電装置用のＤＣ／ＡＣ変換装置の電力変換能力を超過した時には、超過分の出力電力が全く得られないという問題があった。
【０００７】
本発明は、従来のこのような問題点に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、シンプルかつコンパクトな構成の再生可能エネルギ発電システムを提供することにある。
また、本発明の他の目的は、上記目的に加え、発電装置からの出力電力が小さい時の出力電力および発電装置からの出力電力がＤＣ／ＡＣ変換装置の電力変換能力を超過した時の超過分の出力電力を損失させずに活用する再生可能エネルギ発電システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者は、上記目的を達成するために、鋭意研究を重ねた結果、まず、再生可能エネルギ発電装置とＤＣ／ＡＣ変換装置とを連結する電力線に二次電池用双方向ＤＣ／ＤＣ変換装置および二次電池を接続し、ＤＣ／ＡＣ変換装置の最大電力動作点追従制御を相対的に長い時定数で低速に動作させると共に、二次電池用双方向ＤＣ／ＤＣ変換装置の最大電力動作点追従制御を相対的に短い時定数で高速に動作させることによって、シンプルかつコンパクトな構成にすることができることを見出した。
【０００９】
また、本発明者は、二次電池に充電される電力とＤＣ／ＡＣ変換装置に流入する電力との和が最大になるように二次電池用双方向ＤＣ／ＤＣ変換装置が最大電力動作点追従制御を行うことによって、従来の最大電力動作点追従制御と同じ効果が得られることを見出し、本発明に至ったものである。
【００１０】
即ち、本発明の第１の態様は、再生可能エネルギ発電装置と、再生可能エネルギ発電装置から出力された電力を充電し、充電された電力を放電する二次電池と、再生可能エネルギ発電装置から出力された電力および二次電池から放電された電力を変換して出力する、測定および制御の時定数が相対的に長い低速最大電力点追従制御部を備えた電力変換装置と、再生可能エネルギ発電装置から出力された電力を変換して二次電池に出力すると共に二次電池から放電された電力を変換して低速最大電力点追従制御部を備えた電力変換装置に出力する、測定および制御の時定数が相対的に短い高速最大電力点追従制御部を備えた二次電池用双方向電力変換装置と、を有し、高速最大電力点追従制御部を備えた二次電池用双方向電力変換装置および二次電池が、再生可能エネルギ発電装置と低速最大電力点追従制御部を備えた電力変換装置とを連結する電力線に接続される再生可能エネルギ発電システムを提供するものである。
【００１１】
ここで、上記においては、高速最大電力点追従制御部を備えた二次電池用双方向電力変換装置は、二次電池に充電される電力と低速最大電力点追従制御部を備えた電力変換装置に流入する電力との和が最大になるように最大電力点追従制御を行うのが好ましい。
高速最大電力点追従制御部を備えた二次電池用双方向電力変換装置は、再生可能エネルギ発電装置の発電電力が規定量以下である場合には、その発電電力の内の低速最大電力点追従制御部を備えた電力変換装置に流入する電力が最小になるとともにそれ以外の電力が二次電池に充電されるように制御するのが好ましい。
高速最大電力点追従制御部を備えた二次電池用双方向電力変換装置は、再生可能エネルギ発電装置の発電電力が低速最大電力点追従制御部を備えた電力変換装置の電力変換可能量を超えた場合には、その発電電力の超過分が二次電池に充電されるように制御するのが好ましい。
高速最大電力点追従制御部を備えた二次電池用双方向電力変換装置は、二次電池から放電していない時に低速最大電力点追従制御部を備えた電力変換装置の電力変換量が規定量以下である場合には、二次電池に充電された電力が二次電池から放電されるように制御するのが好ましい。
【００１２】
また、本発明の第２の態様は、再生可能エネルギ発電装置と、再生可能エネルギ発電装置から出力された電力を充電し、充電された電力を放電する二次電池と、再生可能エネルギ発電装置から出力された電力および二次電池から放電された電力を変換して出力するＤＣ／ＡＣ変換装置と、再生可能エネルギ発電装置から出力された電力を変換して二次電池に出力すると共に二次電池から放電された電力を変換してＤＣ／ＡＣ変換装置に出力する、最大電力点追従制御部を備えた二次電池用双方向電力変換装置と、を有し、二次電池用双方向電力変換装置および二次電池が、再生可能エネルギ発電装置とＤＣ／ＡＣ変換装置とを連結する電力線に接続される再生可能エネルギ発電システムを提供するものである。
【００１３】
ここで、上記においては、二次電池用双方向電力変換装置は、二次電池に充電される電力とＤＣ／ＡＣ変換装置に流入する電力との和が最大になるように最大電力点追従制御を行うのが好ましい。
二次電池用双方向電力変換装置は、再生可能エネルギ発電装置の発電電力が規定量以下である場合には、その発電電力の内のＤＣ／ＡＣ変換装置に流入する電力が最小になるとともにそれ以外の電力が二次電池に充電されるように制御するのが好ましい。
二次電池用双方向電力変換装置は、再生可能エネルギ発電装置の発電電力がＤＣ／ＡＣ変換装置の電力変換可能量を超えた場合には、その発電電力の超過分が二次電池に充電されるように制御するのが好ましい。
二次電池用双方向電力変換装置は、二次電池から放電していない時にＤＣ／ＡＣ変換装置の電力変換量が規定量以下である場合には、二次電池に充電された電力が二次電池から放電されるように制御するのが好ましい。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、シンプルかつコンパクトな構成にすることができる。
また、本発明によれば、上記効果に加え、発電装置からの出力電力が小さい時の出力電力および発電装置からの出力電力がＤＣ／ＡＣ変換装置の電力変換能力を超過した時の超過分の出力電力を損失させずに活用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】図１は、本発明の再生可能エネルギ発電システムを示す回路ブロック図である。
【図２】図２は、晴天時の太陽光発電装置からの出力電力を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下に、本発明の再生可能エネルギ発電システムを添付の図面に示す好適実施形態に基づいて詳細に説明する。図１は、本発明の再生可能エネルギ発電システムを示す回路ブロック図である。
【００１７】
本発明の再生可能エネルギ発電システム１０は、再生可能エネルギ発電装置１２と、二次電池１４と、電力変換装置１６と、電力変換装置１８と、を有する。二次電池１４は、再生可能エネルギ発電装置１２から出力された電力を充電し、充電された電力を放電する。図１の再生可能エネルギ発電装置１２は、ＰＶアレイ、即ち太陽光発電（ＰＶ、Photovoltaics）用パネルがアレイ状に配置されていることを示しているが、これに限定されず、バイオマス発電装置、風力発電装置、潮力発電装置などを含む。また、図１の電力変換装置１６は、ＰＣＳ（Power Conditioning System）を示しているが、電力変換装置１６を含みさえすればこれに限定されない。
【００１８】
電力変換装置１６は、再生可能エネルギ発電装置１２から出力された電力および二次電池１４から放電された電力を変換して出力するものであり、測定および制御の時定数が電力変換装置１８の最大電力点追従制御部の時定数よりも相対的に長い低速最大電力点追従制御部を備えるのが好ましいが、最大電力点追従制御部を備えなくても良い。本発明の第１の態様は、電力変換装置１６が最大電力点追従制御部を備える場合に対応し、本発明の第２の態様は、電力変換装置１６が最大電力点追従制御部を備えない場合に対応する。電力変換装置１６は、ＤＣ／ＡＣ変換装置であり、本発明の低速最大電力点追従制御部を備えた電力変換装置およびＤＣ／ＡＣ変換装置に対応する。なお、最大電力点追従制御は、ＭＰＰＴ（Maximum Power Point Tracking）制御ともいう。
【００１９】
電力変換装置１８は、充電回路１８ａと放電回路１８ｂと主制御および通信回路１８ｃとを有し、充電回路１８ａは、再生可能エネルギ発電装置１２から出力された電力を変換して二次電池１４に出力し、放電回路１８ｂは、二次電池１４から放電された電力を変換して電力変換装置１６に出力し、主制御および通信回路１８ｃは、最大電力点追従制御部を備え、その測定および制御の時定数は、電力変換装置１６が最大電力点追従制御部を備える場合にはその時定数よりも相対的に短い。電力変換装置１８は、ＤＣ／ＤＣ変換装置であり、本発明の高速最大電力点追従制御部を備えた二次電池用双方向電力変換装置に対応する。
【００２０】
電力変換装置１８および二次電池１４は、再生可能エネルギ発電装置１２と電力変換装置１６とを連結する電力線２０ａ、２０ｂに接続される。ＰＶ出力電圧Ｖ１は、再生可能エネルギ発電装置１２の出力電圧である。ＰＣＳ入力総電圧Ｖ２は、電力変換装置１６の入力電圧である。二次電池端子電圧Ｖ３は、二次電池１４の端子電圧である。二次電池出力電圧Ｖ４は、電力変換装置１８の出力電圧である。
【００２１】
ＰＶ出力電流Ａ１は、再生可能エネルギ発電システム１０の出力電流である。ＰＣＳ入力電流Ａ２は、再生可能エネルギ発電システム１０の出力電流の内、電力変換装置１８を通らずに電力変換装置１６に流れる電流である。ＰＣＳ入力総電流Ａ３は、電力変換装置１６の入力電流である。二次電池充電電流Ａ４は、二次電池１４の充電電流である。二次電池放電電流Ａ５は、二次電池１４の放電電流である。二次電池出力電流Ａ６は、電力変換装置１８の出力電流である。
【００２２】
電力変換装置１８の最大電力点追従制御部の測定および制御の時定数は、電力変換装置１６の最大電力点追従制御部の測定および制御の時定数の１００分の１以下の値であるのが好ましい。電力変換装置１８の時定数が電力変換装置１６の時定数の１００分の１超の値である場合には、電力変換装置１６の最大電力点追従制御部が誤動作し、最大電力点を追従することができなくなる。
【００２３】
また、電力変換装置１６の最大電力点追従制御部の測定および制御の時定数は、１００ｍｓ以上であり、かつ電力変換装置１８の最大電力点追従制御部の測定および制御の時定数は、１ｍｓ以下であるのが好ましい。電力変換装置１６の時定数が１００ｍｓ未満である、または電力変換装置１８の時定数が１ｍｓ超である場合には、電力変換装置１６の最大電力点追従制御部が誤動作し、最大電力点を追従することができなくなる。
【００２４】
次に、本発明の再生可能エネルギ発電システムの制御方法について説明する。まず、最大電力点追従制御部の制御方法について説明する。
【００２５】
電力変換装置１８は、二次電池１４に充電される電力と電力変換装置１６に流入する電力との和が最大になるように最大電力点追従制御を行っても良い。具体的には、ＰＶ出力電圧Ｖ１と二次電池充電電流Ａ４との積の値に、ＰＶ出力電圧Ｖ１とＰＣＳ入力電流Ａ２との積の値を加算し、その和の値が最大になるように最大電力点追従制御を行う。このような構成とすることで、本発明の再生可能エネルギ発電システム１０は、シンプルかつコンパクトな構成で従来の最大電力動作点追従制御と同じ効果を得ることができる。
【００２６】
最大電力点追従制御の具体的な制御方法は、山登り法、電圧追従法などが知られているが、本発明では、山登り法を用いるのが好ましい。山登り法は、まず電圧を取得し、次にその電圧に第１の微小変動を与えた時の電力を計測し、さらにその電圧に第２の微小変動を与えた時の電力を計測し、２つの電力を比較することによって電力が大きくなる側に調整することを繰り返すものである。この電圧印加、電力計測、電力比較、電力調整の一連の動作周期が、本発明の最大電力点追従制御部の測定および制御の時定数に対応する。
【００２７】
次に、充電回路および放電回路の制御方法について説明する。図２は、晴天時の太陽光発電装置からの出力電力を示すグラフである。
【００２８】
電力変換装置１８は、再生可能エネルギ発電装置１２の発電電力が規定量以下である場合には、その発電電力の内の電力変換装置１６に流入する電力が最小になるとともにそれ以外の電力が二次電池１４に充電されるように制御しても良い。具体的には、例えば、早朝や夕方のような日射量が少ない時間帯には、太陽光発電装置からの出力電力が小さいので、その出力電力を電力変換装置１６に流しても出力電力がほとんど得られない。
【００２９】
これに対して、本発明では、電力変換装置１６の動作が安定する最小の電力が電力変換装置１６に流れるようにＰＶ出力電圧Ｖ１とＰＣＳ入力電流Ａ２との積の値を制御し、それ以外の電力が二次電池１４に充電されるようにＰＶ出力電圧Ｖ１と二次電池充電電流Ａ４との積の値を制御する。このような構成とすることで、本発明の再生可能エネルギ発電システム１０は、発電装置からの出力電力が小さい時の出力電力を損失させずに活用することができる。
【００３０】
例えば、規定量を１ｋＷに設定した場合、図２のＸ１、Ｘ４のように、早朝や夕方のような日射量が少ない時間帯には、太陽光発電装置からの出力電力が１ｋＷ（Ｙ１）以下であるので、その時には、その出力電力の内のほんの一部を電力変換装置１６に流し、それ以外の電力を二次電池１４に充電するように制御される。そして、太陽光発電装置からの出力電力が１ｋＷ（Ｙ１）超になった時点で二次電池１４への充電を終了し、太陽光発電装置からの全ての出力電力を電力変換装置１６に流すように制御される。
【００３１】
電力変換装置１８は、再生可能エネルギ発電装置１２の発電電力が電力変換装置１６の電力変換可能量を超えた場合には、その発電電力の超過分が二次電池１４に充電されるように制御しても良い。具体的には、例えば、正午ごろのような日射量が最も多くなる時間帯には、太陽光発電装置からの出力電力が電力変換装置１６の電力変換能力を超過することがあり、その場合には、その出力電力を電力変換装置１６に流しても超過分の出力電力が全く得られない。
【００３２】
これに対して、本発明では、発電電力の超過分が二次電池１４に充電されるようにＰＶ出力電圧Ｖ１と二次電池充電電流Ａ４との積の値を制御する。このような構成とすることで、本発明の再生可能エネルギ発電システム１０は、発電装置からの出力電力がＤＣ／ＡＣ変換装置の電力変換能力を超過した時の超過分の出力電力を損失させずに活用することができる。
【００３３】
例えば、電力変換装置１６の電力変換可能量が５ｋＷである場合、図２のＸ２のように、正午ごろのような日射量が最も多くなる時間帯には、太陽光発電装置からの出力電力が５ｋＷ（Ｙ２）を超えているので、その時には、その出力電力の内の超過分のみを二次電池１４に充電するように制御される。
【００３４】
電力変換装置１８は、二次電池１４から放電していない時に電力変換装置１６の電力変換量が規定量以下である場合には、二次電池１４に充電された電力が二次電池１４から放電されるように制御しても良い。具体的には、例えば、正午過ぎのような日射量がピークから減りつつある時間帯には、やがて太陽光発電装置からの出力電力が電力変換装置１６の電力変換能力よりも低い状態になる。
【００３５】
その場合には、二次電池１４に充電された電力が二次電池１４から放電されるように二次電池出力電圧Ｖ４と二次電池放電電流Ａ５との積の値を制御する。このような構成とすることで、本発明の再生可能エネルギ発電システム１０は、発電装置からの出力電力が小さい時の出力電力および発電装置からの出力電力がＤＣ／ＡＣ変換装置の電力変換能力を超過した時の超過分の出力電力を損失させずに活用することができる。
【００３６】
例えば、規定量を３．８ｋＷに設定しかつその電力における電力変換装置１６の変換効率が９５％の場合、図２のＸ３のように、正午過ぎのような日射量がピークから減りつつある時間帯には、やがて太陽光発電装置からの出力電力が４ｋＷ（Ｙ３）以下になると共に電力変換装置１６の電力変換量が３．８ｋＷ以下になるので、その時には、二次電池１４に充電された電力を二次電池１４から放電するように制御される。そして、二次電池１４の電圧が放電終止電圧になった時点または太陽光発電装置からの出力電力が１ｋＷ（Ｙ１）以下になった時点または電力変換装置１６の電力変換量が３．８ｋＷ超になった時点で二次電池１４からの放電を終了するように制御される。
本発明の再生可能エネルギ発電システムは、基本的に以上のように構成される。
【００３７】
以上、本発明の再生可能エネルギ発電システムについて詳細に説明したが、本発明は上記記載に限定されず、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々の改良や変更をしても良いのはもちろんである。
【産業上の利用可能性】
【００３８】
本発明の再生可能エネルギ発電システムは、シンプルかつコンパクトな構成にすることができるという効果に加え、発電装置からの出力電力が小さい時の出力電力および発電装置からの出力電力がＤＣ／ＡＣ変換装置の電力変換能力を超過した時の超過分の出力電力を損失させずに活用することができるという効果もあるので、産業上有用である。
【符号の説明】
【００３９】
１０  再生可能エネルギ発電システム
１２  再生可能エネルギ発電装置
１４  二次電池
１６、１８  電力変換装置
１８ａ  充電回路
１８ｂ  放電回路
１８ｃ  主制御および通信回路
２０ａ、２０ｂ  電力線
Ｖ１  ＰＶ出力電圧
Ｖ２  ＰＣＳ入力総電圧
Ｖ３  二次電池端子電圧
Ｖ４  二次電池出力電圧
Ａ１  ＰＶ出力電流
Ａ２  ＰＣＳ入力電流
Ａ３  ＰＣＳ入力総電流
Ａ４  二次電池充電電流
Ａ５  二次電池放電電流
Ａ６  二次電池出力電流
【図１】
2017157137.tif 000003
【図２】
2017157137.tif 000004