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公開番号2020078242
公報種別公開特許公報(A)
公開日20200521
出願番号2019205411
出願日20191113
発明の名称電力管理装置、および電力管理方法
出願人京セラ株式会社
代理人
主分類H02J 13/00 20060101AFI20200424BHJP(電力の発電,変換,配電)
要約【課題】発電装置の発電余力に関する余力情報を通知し、ユーザが余力情報を的確に把握することができる電力管理装置を提供する。
【解決手段】電力管理システムにおいて、電力管理装置2は、分散型電源の最大発電電力と現在の発電電力との差分である発電余力を取得する通信部と、最大発電電力に対する構成比を表すグラフにより、発電余力を画像出力させる出力部と、を有する。グラフの面積は、最大発電電力の大きさに比例している。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項1】
分散型電源の最大発電電力と現在の発電電力との差分である発電余力を取得する通信部と、
前記最大発電電力に対する構成比を表すグラフにより、前記発電余力を画像出力させる出力部と、を有し、
前記グラフの面積は、前記最大発電電力の大きさに比例している、電力管理装置。
続きを表示(約 650 文字)【請求項2】
前記出力部は、電力系統から解列した自立運転時に、前記余力情報を出力する、
請求項1に記載の電力管理装置。
【請求項3】
前記出力部は、前記最大発電電力に対する構成比を表す帯グラフまたは円グラフにより、前記グラフを画像出力させることを特徴とする、請求項1または2に記載の電力管理装置。
【請求項4】
前記出力部は、複数の前記分散型電源の発電余力をそれぞれグラフとして画像出力させる、請求項1乃至3に記載の電力管理装置。
【請求項5】
前記出力部は、最大電力点に追従するように制御される分散型電源の発電電力を、最大発電電力に対する構成比が100%の帯グラフまたは円グラフとして画像出力させることを特徴とする、請求項1乃至4に記載の電力管理装置。
【請求項6】
前記出力部は、複数の前記分散型電源の発電余力をそれぞれ帯グラフとして画像出力する際に、複数の100%の帯グラフの長さを同一とし、それぞれの前記帯グラフの幅を出力に応じて異ならせることを特徴とする、請求項5に記載の電力管理装置。
【請求項7】
分散型電源の最大発電電力と現在の発電電力との差分である発電余力に関する余力情報を取得するステップと、
前記最大発電電力に対する構成比を表すグラフにより、前記発電余力を画像出力させるステップと、
を含み、前記グラフの面積は、前記最大発電電力の大きさに比例している電力管理方法。

発明の詳細な説明【書類名】
関連出願の相互参照
【技術分野】
【0002】
本発明は、電力管理装置、および電力管理方法に関する。
【背景技術】
【0003】
近年、需要家毎に設けられる電力管理装置(例えば、HEMS;Home Energy Management System)によって、需要家に設けられる負荷や需要家に設けられる分散電源などを制御する技術が知られている(特許文献1参照)。
【0004】
また、分散電源として、例えば太陽光発電装置などの自然エネルギーにより発電を行う発電装置を用いることが考えられている。自然エネルギーによる発電における発電量は様々な要因により変動し得るが、電力管理装置による各機器の制御のためには、発電量の予測が必要となることがある。そこで、過去の日射強度および気象情報などに基づいて日射強度を予測し、予測した日射強度を太陽光発電の発電量に換算し、予測値として算出することが提案されている(特許文献2参照)。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
特開2003−309928号公報
特開2005−086953号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
しかしながら、従来の電力管理装置は、分散型電源の発電余力に関する余力情報を通知するものではなく、ユーザは余力情報を的確に把握することができなかった。
【0007】
かかる事情に鑑みてなされた本発明の目的は、分散型電源の発電余力に関する余力情報を通知することが可能な電力管理装置および電力管理方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0008】
上記課題を解決するため、本発明に係る電力管理装置は、分散型電源の最大発電電力と現在の発電電力との差分である発電余力を取得する通信部と、前記最大発電電力に対する構成比を表すグラフにより、前記発電余力を画像出力させる出力部と、を有し、前記グラフの面積は、前記最大発電電力の大きさに比例していることを特徴とする。
【0009】
さらに、本発明に係る電力管理装置において、前記出力部は、電力系統から解列した自立運転時に、前記余力情報を出力する。
【0010】
さらに、本発明に係る電力管理装置において、前記出力部は、前記最大発電電力に対する構成比を表す帯グラフまたは円グラフにより、前記グラフを画像出力させることを特徴とする。
【0011】
さらに、本発明に係る電力管理装置において、前記出力部は、複数の前記分散型電源の発電余力をそれぞれグラフとして画像出力させることを特徴とする。
【0012】
さらに、本発明に係る電力管理装置において、前記出力部は、最大電力点に追従するように制御される分散型電源の発電電力を、最大発電電力に対する構成比が100%の帯グラフまたは円グラフとして画像出力させることを特徴とする。
【0013】
さらに、本発明に係る電力管理装置において、前記出力部は、複数の前記分散型電源の発電余力をそれぞれ帯グラフとして画像出力する際に、複数の100%の帯グラフの長さを同一とし、それぞれの前記帯グラフの幅を出力に応じて異ならせることを特徴とする。
【0014】
また、上記課題を解決するため、本発明に係る電力管理方法は、分散型電源の最大発電電力と現在の発電電力との差分である発電余力に関する余力情報を取得するステップと、前記最大発電電力に対する構成比を表すグラフにより、前記発電余力を画像出力させるステップと、を含み、前記グラフの面積は、前記最大発電電力の大きさに比例していることを特徴とする。
【発明の効果】
【0015】
本発明によれば、分散型電源の発電余力に関する余力情報を通知することができ、ユーザは余力情報を的確に把握することができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【0016】
本発明の一実施形態に係る電力管理システムの構成例を示すブロック図である。
本発明の一実施形態に係る電力管理システムの他の構成例を示すブロック図である。
本発明の一実施形態に係る電力管理システムにおける電力変換装置のDC/DCコンバータの回路図を示す図である。
本発明の一実施形態に係る電力管理システムにおける電力変換装置の制御部の機能を示すブロック図である。
本発明の一実施形態に係る電力管理システムにおける電力変換装置の動作を示すフローチャートである。
発電装置の電流−電圧特性を示す図である。
発電装置の発電電力を示す図である。
日射量が異なる場合の発電装置の発電電力を示す図である。
本発明の一実施形態に係る電力管理装置が出力する余力情報の例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0017】
以下、本発明による一実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。
【0018】
図1は、本発明の一実施形態に係る電力管理システムの構成例を示すブロック図である。電力管理システムは、電力変換装置1と電力管理装置2とを備える。図1には、電力変換装置1に接続される複数の発電装置(直流入力電源)10と、電力管理装置2に接続される交流入力機器3を併せて図示している。電力変換装置(パワーコンディショナ)1は、複数のDC/DCコンバータ(入力部)11と、中間リンクコンデンサ12と、インバータ13と、制御部14と、通信部15とを備える。なお、図1における電力変換装置1の出力は単相2線式であるが、出力の形式はこれに限らず例えば3相式であってもよい。
【0019】
電力変換装置1は、接続される複数の発電装置10から入力される直流電力を電力変換する。電力変換装置1は、通常は電力系統に連系して連系運転を行い、電力系統に停電が発生した際には連系を解除して自立運転を行い、需要家内の負荷に供給を行う。
【0020】
発電装置10は、直流電力を出力する。複数の発電装置10のそれぞれは、例えば太陽光を直流電力に変換する複数の太陽電池モジュールを直列接続した太陽電池ストリング、風力発電機、または燃料電池などの分散型電源である。複数の太陽電池モジュールは、それぞれ全く同一のモジュールを用いるなどして、出力特性などの特性を全て同一とするのが好適である。
【0021】
各DC/DCコンバータ11は、各発電装置10から入力される電圧を昇圧して一定の電圧に揃える。なお、本実施形態では発電装置10及びDC/DCコンバータ11の数が3つの場合について説明するが、発電装置10及びDC/DCコンバータ11の数は2つ以上であればよい。
【0022】
中間リンクコンデンサ12は、DC/DCコンバータ11により昇圧された直流電圧を平滑化し、インバータ13への入力電圧を安定させる。なお、各DC/DCコンバータ11内に、出力電圧を安定させるために、更に平滑化用のコンデンサを設けてもよい。
【0023】
インバータ13は、DC/DCコンバータ11の出力電圧を一括して入力し、中間リンクコンデンサ12により平滑化された直流電圧を交流電圧に変換する。インバータ13は、通常時には電力系統に連系するが、停電時等には自立運転を行い、電力系統から解列して交流入力機器(負荷機器)3に交流電力を供給する。図1では、自立運転時における電力変換装置1と交流入力機器3との接続を示している。
【0024】
制御部14は、DC/DCコンバータ11及びインバータ13のスイッチング素子のデューティ比を制御することにより、DC/DCコンバータ11及びインバータ13の出力を制御する。また、制御部14は、電力系統から解列した自立運転時に、発電装置10の発電余力を算出して取得する。その際、制御部14は少なくとも1つのDC/DCコンバータ11を優先的にMPPT制御し、該DC/DCコンバータ11に接続される発電装置10の発電電流を用いて、他のDC/DCコンバータ11に接続される発電装置10の発電余力を算出する。
【0025】
通信部15は、制御部14から発電装置10の発電余力を示す余力情報を取得し、余力情報を含む通信メッセージを電力管理装置2に送信する。通信部15は、制御部14から新規に余力情報を得たときに余力情報を送信するようにしてもよいし、所定の時間ごとに定期的に余力情報を送信するようにしてもよい。また、通信部15は、電力管理装置2から余力情報を要求されると、その応答として余力情報を送信するようにしてもよい。
【0026】
電力管理装置2は、電力変換装置1に接続される負荷機器の動作を制御する装置であり、管理対象によりHEMS(Home Energy Management System)、BEMS(Building Energy Management System)、FEMS(Factory Energy Management System)、CEMS(Community Energy Management System)と称される。
【0027】
電力管理装置2は、外部と通信を行うための通信部22と、出力部23とを備える。通信部22は、通信部15から発電余力情報を受信し、出力部23により出力する。つまり、電力管理装置2における電力管理方法は、発電装置10の発電余力に関する余力情報を電力変換装置1から受信するステップと、余力情報を出力するステップと、を含む。また、交流入力機器3から定格などの消費電力に関する情報を取得し、発電余力情報と消費電力に関する情報に基づいて、交流入力機器3を制御する。
【0028】
出力部23は、通信部22から入力される余力情報を表示器24により画像出力、またはスピーカ25により音声出力する。表示器24またはスピーカ25は図示するように電力管理装置2が内蔵してもよいし、外部に設けられていてもよい。余力情報をスピーカ25に出力する場合には、余力情報は現在の発電電力、発電余力などの音声情報である。また、発電余力が足りずに交流入力機器3を起動できない場合に、余力情報として警告音を発するようにしてもよい。余力情報を表示器24により画像出力する場合、出力部23は、負荷追従モードにおける複数の発電装置10の発電余力を画像出力させる。特に、いずれか一の発電装置10の発電電力と発電余力とをそれぞれ異なる形態で画像出力させるのが好適である。具体例については後述する。
【0029】
図2は、電力変換装置1の他の構成例を示すブロック図である。図2に示す電力変換装置1は、図1に示した電力変換装置1と比較して、出力側に更にDC/DCコンバータ16を備える。DC/DCコンバータ16は、中間リンクコンデンサ12により平滑化された直流電圧を所定の直流電圧に変換し、自立運転時に直流入力機器4に直流電力を供給する。DC/DCコンバータ16を備えることで、直流入力機器4に対して直接電力を供給することができる。
【0030】
このように、電力変換装置1は、出力側に電力変換器を備える。電力変換器は、図1に示すようにインバータ13のみであってもよいし、図2に示すように並列接続されたインバータ13及びDC/DCコンバータ16であってもよい。また、図示していないが、電力変換器はDC/DCコンバータ16のみであってもよいし、インバータ13及びDC/DCコンバータ16をそれぞれ任意の個数並列接続したものであってもよい。
【0031】
図3は、電力変換装置1におけるDC/DCコンバータ11の回路図の一例を示す図である。あわせて、DC/DCコンバータ11に対する制御を行う制御部14も示している。図3には一般的な非絶縁型ブーストコンバータを示しているが、具体的な回路構成はこれに限定されるものではなく、入力電源から見たインピーダンスを変更可能で、各入力電力を所望の値に独立して制御できる機能を有するものであればよい。
【0032】
制御部14は、入力電圧センサ19(19−1,19−2,19−3)により検出される各DC/DCコンバータ11の入力電圧と、入力電流センサ20(20−1,20−2,20−3)により検出される各DC/DCコンバータ11の入力電流と、中間リンク電圧センサ21により検出されるインバータ13の中間リンク電圧とを監視し、これらに基づいて各DC/DCコンバータ11のスイッチング素子18(18−1,18−2,18−3)に対するPWM信号を生成する。DC/DCコンバータ11に対する制御の詳細については後述する。
【0033】
図4は、電力変換装置1における制御部14の機能を示すブロック図である。図4を参照して制御部14の動作を説明する。
【0034】
デューティ比制御部141−1は、DC/DCコンバータ11−1に対するPWM信号を生成するために用いられるデューティ比を制御する。同様に、デューティ比制御部141−2は、DC/DCコンバータ11−2に対するPWM信号を生成するために用いられるデューティ比を制御し、デューティ比制御部141−3は、DC/DCコンバータ11−3に対するPWM信号を生成するために用いられるデューティ比を制御する。なお、デューティ比制御部141−2,141−3はデューティ比制御部141−1と同じ制御を行い、内部のブロック図はデューティ比制御部141−1と同じであるため、図示を省略している。
【0035】
制御モード判定部142は、連系運転時には制御モードをMPPT制御に決定する。MPPT制御では、発電装置10から得られる発電電力が最大になるように制御する。
【0036】
一方、自立運転時に全てのDC/DCコンバータ11をMPPT制御すると、交流入力機器3の消費電力と発電装置10の発電電力とのバランスが崩れてしまう。また、自立運転時に全てのDC/DCコンバータ11を負荷追従制御すると、発電装置10は最大電力で発電することができない。負荷追従制御(負荷追従モード)では、発電電力が負荷電力に追従するように、すなわち負荷の消費電力と入力電源の発電電力とが同じになるようにDC/DCコンバータ11の出力電圧を制御する。負荷の消費電力に追従しようとしてある発電装置10が最大電力点を乗り越えると、その発電装置10の発電電力が減少し、他の発電装置10が連鎖的に最大電力点を乗り越えるため、最終的に発電電力不足で停止するおそれがある。
【0037】
そのため、制御モード判定部142は、自立運転時には中間リンク電圧センサ21により検出した中間リンク電圧に応じて、制御モードをMPPT制御又は負荷追従制御のいずれかに決定する。例えば、各発電装置10の最大発電電力が200Wで、交流入力機器3の消費電力が500Wの場合、DC/DCコンバータ11−1および11−2をMPPT制御して400Wの電力を得て、DC/DCコンバータ11−3を負荷追従制御して残りの100Wの電力を得る。このようにして、発電装置10全体の発電電力を負荷の消費電力に追従させる。
【0038】
例えば、各発電装置10の最大発電電力が200Wで、交流入力機器3の消費電力が500Wの場合、DC/DCコンバータ11−1および11−2をMPPT制御して400Wの電力を得て、DC/DCコンバータ11−3を負荷追従制御して残りの100Wの電力を得る。このようにして、発電装置10全体の発電電力を負荷の消費電力に追従させる。
【0039】
MPPT制御部143は、入力電圧センサ19により検出した入力電圧、及び入力電流センサ20により検出した入力電流を監視している。そして、MPPT制御部143は、制御モード判定部142によりMPPT制御と決定された場合に、電力変換装置1への入力電力を最大限とするための動作電圧を決定する。なお、図4に示す例では入力電圧による追従を行っているが、MPPT制御の具体的な方式はこれに限られるものではない。
【0040】
負荷追従制御部144は、制御モード判定部142により負荷追従制御と決定された場合に、中間リンク電圧センサ21により検出した中間リンク電圧が目標電圧となるように、動作電圧を決定する。
【0041】
入力電圧制御部145は、入力電圧センサ19により検出した入力電圧と、MPPT制御部143又は負荷追従制御部144により決定された動作電圧指令値とを比較し、その差が0に等しくなるようデューティ比を変化させるフィードバック制御を行う。図4に示す例では入力電源の動作電圧を指令値とする制御を行っているが、制御部14が中間リンク電圧によりMPPT制御と負荷追従制御とを切り替えるように制御するものであればよい。よって、入力電源の動作電流で制御(入力電流でフィードバック制御)を行ってもよい。
【0042】
PWMユニット147は、クロック生成部146により生成されたクロックに同期した基準波形と、入力電圧制御部145によって生成されたデューティ比とを比較することで、PWM信号を生成する。そして、各DC/DCコンバータ11に対してPWM信号を出力する。
【0043】
発電余力算出部148は、電力系統から解列した自立運転時に、MPPT制御されるDC/DCコンバータ11に接続される発電装置10の発電電流を用いて、他のDC/DCコンバータ11に接続される発電装置10の発電余力を算出し、発電余力を示す余力情報を通信部15に出力する。具体的な算出方法については後述する。
【0044】
図5は、制御部14の動作を示すフローチャートである。停電が発生していない場合には(ステップS101−No)、制御部14は、連系運転を行い、全てのDC/DCコンバータ11をMPPT制御する(ステップS102)。
【0045】
停電が発生した場合には(ステップS101−Yes)、制御部14は、連系を解除して自立運転を行い、少なくとも1つのDC/DCコンバータ11を優先的にMPPT制御する(ステップS103)。この理由を、図6,7を参照して説明する。
【0046】
図6は、発電装置10が太陽電池ストリングである場合の電流−電圧特性を示す図であり、横軸に出力電圧、縦軸に出力電流を示している。太陽電池ストリングの出力電圧は、太陽電池モジュール数および温度によって決定され、変化は少ない。一方、太陽電池ストリングの出力電流は、日射量によって大きく変化し、日射量が少なくなると出力電流は低下する。つまり、日射量が変化する場合、最大発電電力は発電電流に依存する。
【0047】
図7は、3つの発電装置10−1,10−2,10−3が発電する電圧および電流を模式的に示す図である。以下、本実施形態では、発電装置10−1、発電装置10−2、発電装置10−3の順に最大発電電力が大きくなるものとする。破線で囲われた部分の面積は連系運転時(つまり、MPPT制御時)の最大発電電力を示しており、斜線が施された部分の面積は自立運転時の発電電力を示している。
【0048】
MPPT制御時における各発電装置10の発電電圧V1

,V2

,V3

は、発電装置10の太陽電池モジュール数に応じて異なる値となる。一方、MPPT制御時における各発電装置10の発電電流I1

,I2

,I3

は、日射量に応じて変化するが、発電装置10間で日射量が同じであると仮定すると、I1

,I2

,I3

とみなせる。よって、制御部14は自立運転時には、少なくとも1つのDC/DCコンバータ11を優先的にMPPT制御することにより(ステップS103)、他のDC/DCコンバータ11をMPPT制御した場合の発電電流を知ることができる。
【0049】
自立運転時において、交流入力機器3の消費電力が少ない場合でも、発電装置10−1の最大発電電力を上回るものと考えられる。よって、制御部14は自立運転時に、最大発電電力の最も小さい発電装置10−1が接続されるDC/DCコンバータ11−1を優先的にMPPT制御するのが好適である。これにより、早い段階で最大発電電流の値を取得することができる。以下、DC/DCコンバータ11−1を優先的にMPPT制御するものとして説明を続ける。
【0050】
例えば、発電装置10−1の最大発電電力が100W、発電装置10−2の最大発電電力が200W、発電装置10−3の最大発電電力が300Wで、交流入力機器3の消費電力が200Wの場合、制御部14はDC/DCコンバータ11−1をMPPT制御し、発電装置10−1から100Wを得る。残りの100Wについては、制御部14はDC/DCコンバータ11−2および11−3を負荷追従制御し、発電装置10−2および発電装置10−3から得られる電力の合計が100Wになるように制御してもよいし、DC/DCコンバータ11−2,11−3の一方のみを負荷追従制御し、発電装置10−2,10−3の一方のみから100Wを得るように制御してもよい。
(【0051】以降は省略されています)
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