(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電力源と、この直流電力源の出力を充電するとともに、充電した直流電力を前記出力に対して放電する充放電手段と、この充放電手段の動作を制御する制御手段とを備え、
前記制御手段は、前記直流電力源の出力とその目標値との比較に基づいて前記充放電手段の充電／放電を切り換え制御するものであることを特徴とする直流電力出力装置。
【請求項２】
請求項１記載の直流電力出力装置であって、
前記制御手段は、前記直流電力源の出力が前記目標値より大きいときは、前記充放電手段を充電動作させ、前記直流電力源の出力が前記目標値より小さいときは、前記充放電手段を放電動作させるものであることを特徴とする直流電力出力装置。
【請求項３】
請求項１または２記載の直流電力出力装置であって、
前記目標値は、直流電力源の出力の移動平均であることを特徴とする直流電力出力装置。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれか記載の直流電力出力装置であって、  前記直流電力源は、太陽電池であることを特徴とする直流電力出力装置。
【請求項５】
請求項４記載の直流電力出力装置と、この直流電力出力装置の直流出力を交流電力に変換するインバータとを備えたことを特徴とする太陽光発電システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、太陽電池等の直流電力源の出力を、インバータ等に出力する直流電力出力装置、およびこの直流電力出力装置を備える太陽光発電システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
系統連系型太陽光発電システムは、太陽電池と、直流集電箱と、系統連系型インバータと、系統連系保護装置とを備えて構成されており、太陽の日射を太陽電池により直流の電気エネルギーに変換して、その直流電力を直流集電箱で集電したのち、系統連系型インバータによって交流電力に変換して系統に逆潮流するようになっている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
このような構成の系統連系型太陽光発電システムにおいては、太陽の日射の変動による太陽電池発電電力（直流）の変動が太陽光発電システムの出力変動となって連系する系統への逆潮流電力を変動させ、そのため系統電圧を急激に変動させる可能性があるという問題があった。
【０００４】
また、大規模に太陽光発電システムが導入設置されるような場合には、広範囲な地域において日射変動が発生すると系統に大きな電力揺動が発生するため、系統電圧のみならず、系統電圧の周波数の変動や、発電設備の付加増大など数々の不具合の発生が懸念されていた。
【０００５】
さらには、太陽光発電システム、風力発電システム、燃料電池システム、電力貯蔵システム等を併用して、電力の地域自給度を高めるシステムを構築する場合には、太陽光発電システムや風力発電システムの急激な出力電力変動を制御速度の早い電力貯蔵システムが補わなければならず、電力貯蔵システムの負担が増えるという問題があった。
【０００６】
したがって、本発明においては、日射の変動等による直流電力源の発電電力変動を吸収して系統への逆潮流電力の変動を抑制することを課題としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、次のような手段によって、上述した課題の解決を達成している。
【０００８】
本発明の請求項１に記載の発明は、直流電力源と、この直流電力源の出力を充電するとともに、充電した直流電力を前記出力に対して放電する充放電手段と、この充放電手段の動作を制御する制御手段とを備え、前記制御手段は、前記直流電力源の出力とその目標値との比較に基づいて前記充放電手段の充電／放電を切り換え制御するものであることに特徴を有しており、これにより次のような作用を有する。すなわち、制御手段は、目標値との比較により充放電手段の充放電動作を切り換えるので、充放電手段による充放電操作を受けた後の直流電流源の出力を目標値に追随させることが可能とになり、その値は滑らかにかつ比較的安定したものとなる。
【０００９】
本発明の請求項２に記載の発明は、請求項１に係る直流電力出力装置であって、前記制御手段は、前記直流電力源の出力が前記目標値より大きいときは、前記充放電手段を充電動作させ、前記直流電力源の出力が前記目標値より小さいときは、前記充放電手段を放電動作させるものであることに特徴を有しており、これにより次のような作用を有する。すなわち、直流電力源の出力が目標値より大きいときは充電動作を、直流電力源の出力が目標値より小さいときは放電動作をそれぞれ行うので、充放電手段による充放電操作を受けた後の直流電流源の出力を確実に目標値に追随させることが可能とになり、その値はより滑らかにかつより安定したものとなる。
【００１０】
本発明の請求項３に記載の発明は、請求項１または２に係る直流電力出力装置であって、前記目標値は、直流電力源の出力の移動平均であることに特徴を有しており、これにより次のような作用を有する。すなわち、目標値が移動平均であるので、目標値は固定されることなく直流電力源の出力のその時々の値に対してある程度追随した状態で設定されることになる。そのため、直流電力源の出力が比較的小さい状態が、ある程度継続したとしても、そのときの出力に追随して目標値が設定されることになるので、充放電手段が過放電になることはない。同様に、直流電力源の出力が比較的大きい状態が、ある程度継続したとしても、そのときの出力に追随して目標値が設定されることになるので、充放電手段が過充電になることはない。
【００１１】
本発明の請求項４に記載の発明は、請求項１ないし３のいずれか記載の直流電力出力装置であって、前記直流電力源は、太陽電池であることに特徴を有しており、これにより次のような作用を有する。すなわち、太陽電池の出力は太陽の日射量により変動しやすいという特徴がある。そのため、このような直流電力源を有する直流電力出力装置に本発明を実施すれば、上述した請求項１〜３の作用が顕著なものとなる。
【００１２】
本発明の請求項５に記載の発明は、請求項４に係る直流電力出力装置と、この直流電力出力装置の直流出力を交流電力に変換するインバータとを備えて太陽光発電システムを構成したことに特徴があり、これにより次のような作用を有する。すなわち、太陽光発電システムでは、太陽電池の直流出力の変動が太陽光発電システムの出力変動となって連系する系統への逆潮流電力を変動させて系統電圧を急激に変動させる可能性がある。そのため、このような特徴を有する太陽光発電システムに本発明を実施すれば、上述した請求項１〜３の作用が顕著なものとなる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施の形態を図面を参照して詳細に説明する。
【００１４】
図１は、本発明の一実施の形態の直流電力出力装置を組み込んだ太陽光発電システムの構成を示す図である。この太陽光発電システムは、太陽電池１と、直流集電箱２と、系統連系型インバータ３と、系統連系保護継電器４と、充放電制御部５と、充放電素子６とを備えている。図１に示すインバータ３は、インバータ回路３１、共に図示しない制御回路、インバータ駆動回路等を備えている。
【００１５】
太陽電池１は、多数直並列に組み合わされて構成されており、通常は日射を受けることができる屋外に設置されている。直流集電箱２は、太陽電池１の出力をダイオードを用いて１つに集約している。系統連系型インバータ３は、直流集電箱２で集電された太陽電池１の出力を連系する系統電圧と同じ大きさ同じ位相の交流電圧に変換したうえで、電力系統７へ連系させて逆潮流している。また、系統連系型インバータ３は最大電力点追跡制御（以下、ＭＰＰＴ制御という）により太陽電池１の出力電力が最大となるように太陽電池１の出力電圧を制御している。系統連系保護継電器４は、電力系統７の異常を検出した場合のみ、系統連系型インバータ３と電力系統７とを解列するようになっている。電力系統７の異常とは、電力系統７の電圧過多、電圧不足、周波数上昇、周波数低下、停電等を指している。
【００１６】
充放電素子６は、電気二重層コンデンサや鉛蓄電池等の電気エネルギーを蓄電、放電することができるものから構成されており、直流集電箱２と系統連系型インバータ３とを接続する配線８の中間点８ａに、分岐配線９を介して接続されている。この充放電素子６は、直流集電箱２の出力の一部を中間点８ａから分岐配線９を介して取り込んで充電するとともにと、充電した直流充電電力を分岐配線９から中間点８ａを介して直流集電箱２の出力（太陽電池１の出力）に合成して、系統連系型インバータ３に供給している。
【００１７】
充放電制御部５は、分岐配線９の中途部に設けられて、充放電素子６の充放電を制御している。具体的には、充放電制御部５は、ＤＣ／ＤＣコンバータ等から構成される充放電切換部５１と、充放電切換部５２の動作切換を行う切換指令部５ｂとから構成されている。切換指令部５ｂは、中間点８ａと、直流集電箱２の出力端２ａとの間に設けた電力センサ１０（具体的には電圧センサおよび電流センサ）から供給される直流集電箱２の出力電力情報（太陽電池１の出力電力情報）に基づいて充電動作と放電動作との切り換え判断を行い、その判断に基づいて、充放電切換部５１の切り換えを行っている。なお、切換指令部５２は、アナログ回路で構成することもできるが、ＣＰＵ上にソフトウエアにして構成することもできる。
【００１８】
なお、本実施の形態では、太陽電池１から直流電力源が構成され、充放電素子６から充放電手段が構成され、充放電制御部５から制御手段が構成されている。そして、太陽電池１と、直流集電箱２と、充放電素子６と、充放電制御部５とから直流電力出力装置が構成されている。
【００１９】
以下、この太陽光発電システムの動作を図２のグラフを参照して説明する。図２は、電力センサ１０により測定される太陽電池１の出力電力の経時変化を示している。
【００２０】
太陽電池１で作成された直流電力は、直流集電箱２を介して系統連系型インバータ３に出力される。このとき、系統連系型インバータ３に入力される太陽電池１の出力電力（具体的には直流集電箱２の出力電力）は、電力センサ１０により検出されて充放電制御部５の切換指令部５２に常時入力される。図２において、切換指令部５２に入力される太陽電池出力電力の経時変化は符号αで示されている。切換指令部５２では、入力される太陽電池出力電力を任意の時間単位でその移動平均を取り、その移動平均を算出する。図２では、移動平均の経時変化は符号βで示されている。
【００２１】
そして、切換指令部５２では、入力される太陽電池出力電力αと、算出した移動平均βとを比較し、太陽電池出力電力αが移動平均βを上回る場合（α＞β：図２のイの領域）では、充放電素子６の充電開始を判断する。一方、太陽電池出力αが移動平均βを下回る場合（α＜β：図２のロの領域）では、充放電素子６の放電開始を判断する。充放電切換部５１は、このような切換指令部５２の判断に基づいて、充放電素子６の充放電動作を切り換えする。
【００２２】
これにより、太陽電池出力電力（直流集電箱出力電力）αが移動平均βを上回る場合（α＞β：図２のイの領域）では、充放電素子６は、太陽電池出力電力αが移動平均βまで低下するまでその充電を実行する。反対に、太陽電池出力電力（直流集電箱出力電力）αが移動平均βを下回る場合（α＜β：図２のロの領域）では、充放電素子６は、太陽電池出力電力１が移動平均まで上昇するまでその放電を実行する。
【００２３】
したがって、系統連系型インバータ３のインバータ回路３１の入力端３ａには、充放電素子６の充放電動作により増減制御されることで、急激な電力変化が吸収されて均され、移動平均βに近似した状態となった出力電力が入力されることになる。
【００２４】
そのため、この系統連系型太陽光発電システムにおいては、太陽の日射の変動による太陽電池出力電力の変動が直接的にインバータの出力変動となって連系する電力系統７への逆潮流電力が変動することがなくなった。これにより、逆潮流電力の変動に起因する系統電圧の急激な変動を防止することができる。
【００２５】
さらには、この太陽光発電システムを、大規模に導入設置する場合において、広範囲な地域で日射変動が発生したとしても、電力系統７に大きな電力揺動を発生させることがなくなり、系統電圧のみならず、系統電圧の周波数の変動や、発電設備の負荷増大など数々の不具合の発生を防止することができる。
【００２６】
なお、この太陽光発電システムでは、次のように構成すれば、系統連系型インバータ３が行う最大電力点追跡制御（ＭＰＰＴ制御）を問題なく行うことができる。すなわち、最大電力点追跡制御（ＭＰＰＴ制御）において制御情報として必要となる太陽電池１の出力電力の測定を、配線８における充放電素子６の入出力点（充放電入出力点）８ａより太陽電池側（直流集電箱側）で行えばよい。そうすれば、最大電力点追跡制御（ＭＰＰＴ制御）の実施に支障は生じない。例えば、充放電切換制御で用いる電力センサ１０を、最大電力点追跡制御（ＭＰＰＴ制御）で必要となる電力測定手段として兼用すればよい。この場合には、電力センサを削減することができるという効果がある。
【００２７】
また、他の実施の形態としては、図３の様に、系統連系型インバータ３内部に充放電制御部５と充放電素子６を内蔵しても良い。系統連系型インバータ内部に充放電制御部５と充放電素子６を内蔵することによって、装置全体の小型化、コストダウン化を図ることができる。
【００２８】
さらに、図４の様に、系統連系型インバータ３内部に直流集電箱２と系統連系保護継電器４と充放電制御部５と充放電素子６を内蔵しても良い。系統連系インバータ内部にこれらの装置を内蔵することによって、装置全体の小型化、コストダウン化を図ることができる。
【００２９】
また、図５の様に、既に設置済みの系統連系型インバータ３に対しても、インバータ内部の電力センサ１０とインバータ回路３１の入力端３ａとの中間点３ｂで充放電制御部５と充放電素子６を結線することによって、複雑な改造を行うこと無く、日射による出力変動を抑制することができる。この場合、系統連系型インバータ３が行う最大電力点追跡制御（ＭＰＰＴ制御）は、制御情報として必要となる太陽電池１の出力電力の測定を、充放電制御部５が接続されている点より太陽電池側で行う必要がある。
【００３０】
上述した実施の形態では、太陽電池の出力電力の目標値として、移動平均を用いたが、この他、制御開始点から現在までの絶対平均値を目標値として用いてもよい。また、所定期間（季節、月、週等）における過去の日射量の平均値から目標値を設定してもよい。さらには、その日の天気予報等から目標値を設定するようにしてもよい。太陽電池の出力電力の目標値として、太陽電池の出力電力の近未来値を、現時点の太陽電池の出力電力の変化具合から予測し、その値を用いてある任意の時間単位で移動平均値を算出し、それを目標値とする方法でも良い。これにより、太陽電池の出力電力の移動平均を求める際に生じていた時間遅れを無くすことができ、充放電素子６の蓄電容量を少なくすることができる。このように目標値は種々設定することが可能である。
【００３１】
さらには、上述した実施の形態では、太陽光発電システムにおいて本発明を実施していたが、この他、風力発電システムや波力発電システム等、種々の直流電力出力装置を含むシステムにおいて実施することができる。さらにまた、太陽光発電システム、風力発電システム、燃料電池システム、電力貯蔵システム等を併用して、電力の地域自給度を高めるシステムを構築した場合にも本発明を実施できる。この場合においては、太陽光発電システムや風力発電システム等の急激な出力電力変動が生じることがないため、制御速度の早い電力貯蔵システム等が出力変動を補う必要がなくなり、電力貯蔵システムの負担が軽減される。
【００３２】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、充放電手段による充放電操作を受けた後の直流電流源の出力を目標値に追随させることが可能とになり、その値は安定したものとなる。そのため、直流電力源の出力変動によって、その出力電力の供給先に影響を与えるという不都合がなくなる。特に、本発明を太陽光発電システム等に実施する場合には、太陽光発電システムの出力変動となって連系する系統への逆潮流電力を変動させ、そのため系統電圧を急激に変動させるといった不都合を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態に係る太陽光発電システムの構成を示す図である。
【図２】実施の形態の太陽光発電システムにおける太陽電池の出力電力の制御の説明に供する図である。
【図３】本発明の他の実施の形態に係る太陽光発電システムの構成を示す図である。
【図４】本発明のさらに他の実施の形態に係る太陽光発電システムの構成を示す図である。
【図５】本発明のさらに別の実施の形態に係る太陽光発電システムの構成を示す図である。
【符号の説明】
１    太陽電池                   ２    直流集電箱
３    系統連系型インバータ       ４    系統連系保護継電器
５    充放電制御部               ５１  充放電切換部
５２  切換指令部                 ６    充放電素子
７    電力系統                   １０  電力センサ
【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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