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公開番号2021182833
公報種別公開特許公報(A)
公開日20211125
出願番号2020087927
出願日20200520
発明の名称電力変換システム及び自立運転制御方法
出願人住友電気工業株式会社
代理人特許業務法人サンクレスト国際特許事務所
主分類H02J 3/38 20060101AFI20211029BHJP(電力の発電,変換,配電)
要約【課題】単相2線で自立出力を提供する既存の発電システムと、単相3線で自立出力する他の蓄電可能な分散型電源とを用いて、安定した電力変換システム(及びその自立運転制御方法)を提供する。
【解決手段】直流電源と単相3線の交流電路との間に設けられる電力変換システムであって、3レグのフルブリッジ回路を有する電力変換部と、前記電力変換部を制御する制御部と、前記電力変換部の交流側から自立出力用に引き出され、電圧線である第1線及び第2線並びに中性線を有する単相3線の第1交流電路と、前記第1線と前記中性線との間に、単相2線で自立出力を供給する第2交流電路と、を備えている電力変換システムである。
【選択図】図3
特許請求の範囲【請求項1】
直流電源と単相3線の交流電路との間に設けられる電力変換システムであって、
3レグのフルブリッジ回路を有する電力変換部と、
前記電力変換部を制御する制御部と、
前記電力変換部の交流側から自立出力用に引き出され、電圧線である第1線及び第2線並びに中性線を有する単相3線の第1交流電路と、
前記第1線と前記中性線との間に、単相2線で自立出力を供給する第2交流電路と、
を備えている電力変換システム。
続きを表示(約 720 文字)【請求項2】
前記直流電源としての蓄電池を備えている請求項1に記載の電力変換システム。
【請求項3】
前記第2交流電路への電力供給源となる分散型電源と、
前記第1線と前記中性線との間、及び、前記第2線と前記中性線との間に、それぞれ接続されている第1負荷及び第2負荷と、
を備えている請求項2に記載の電力変換システム。
【請求項4】
前記第1負荷の消費電力よりも前記第2交流電路の供給電力が大きい場合、前記制御部は、前記供給電力の少なくとも一部を前記蓄電池に充電しつつ、前記第2負荷には前記蓄電池の放電により電力を供給するよう前記電力変換部を制御する、請求項3に記載の電力変換システム。
【請求項5】
前記第1交流電路とは別に、系統連系用の単相3線の第3交流電路を有する請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の電力変換システム。
【請求項6】
蓄電池と単相3線の交流電路の間に設けられ、直流と単相3線の交流との間で電力変換を行う電力変換部を含む電力変換システムの自立運転制御方法であって、
商用電力系統から解列された場合に、当該商用電力系統とは断路された自立出力用の単相3線の第1線、中性線、第2線に対して、前記第1線と前記中性線との間に、単相2線の自立出力を引き込んで電力供給し、
前記自立出力に連系し、かつ、前記自立出力を加味した上で前記電力変換部を制御することにより、前記第1線と前記中性線との間の相電力と、前記第2線と前記中性線との間の相電力とを、互いに独立して出力するよう制御する、
電力変換システムの自立運転制御方法。

発明の詳細な説明【技術分野】
【0001】
本開示は、電力変換システム及び自立運転制御方法に関する。
続きを表示(約 7,600 文字)【背景技術】
【0002】
2012年に開始された電力の固定買取価格制度(FIT:Feed−in Tariff)に促進されて、太陽光発電システムは、一般家庭等の需要家に既に多く設置されている。近年では、非常時の備えとして、蓄電システムを追加設置するケースがある。また、固定価格の買い取り期間である10年の満了を機に、太陽光発電を、より有効に利用するべく、蓄電システムを追加設置するケースが増加している。蓄電システムを追加設置した場合でも、商用電力系統の停電時、太陽光発電システムが単独で提供できる自立出力は、AC100V、1.5KVAまでとなっているのが一般的である。その場合、AC200Vの家電機器(大型エアコン、IHクッキングヒータ、貯湯型温水器など)は使用できず、AC100Vの機器に限られる。一方、新規に導入する蓄電池を使用した蓄電システムでは、単相3線の自立出力に対応可能なシステムが考えられている。
【0003】
(a)具体的には、太陽光発電の電力変換装置(パワーコンディショナ)のインバータとして、3レグ(1レグは上アーム及び下アームの2つのスイッチング素子を直列接続したもの)のフルブリッジ回路を備えたものが提案されている(例えば、特許文献1,2参照。)。この場合には、自立出力を単相3線で出力することができる。
(b)一方、2レグの場合の自立出力としては変圧器を用いて、単相2線(AC100V)を単相3線(AC100V,0,−100V)に変換することも考えられる。
(c)また、単相3線の自立出力も可能な蓄電池用の電力変換装置を新規に導入し、ここから出力される単相3線の出力を疑似商用電力系統として、太陽光発電システムが、通常通り系統連系運転をする、ということも考えられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
特開2003−018859号公報
特開2015−27197号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
上記(a)では、太陽光発電システムのインバータが3レグであることが必要であり、既に2レグのインバータを有する太陽光発電システムを使用している需要家には適さない。上記(b)では、変圧器が余分に必要となる。既に2レグのインバータを含む電力変換装置を使用している需要家では、蓄電システムを新規に導入し、上記(c)のような運転を行うことも考えられるが、商用電力系統に比べると、蓄電池用の電力変換装置から出力される電圧は、安定性に欠ける。そのため、不安定な電圧を検出した太陽光発電システムの、不本意な停止も予想される。
【0006】
かかる課題に鑑み、本開示は、単相2線で自立出力を提供する既存の発電システムと、単相3線で自立出力する他の蓄電可能な分散型電源とを用いて、安定した電力変換システム及びその自立運転制御方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0007】
本開示は、以下の発明を含む。但し、本発明は特許請求の範囲によって定められるものである。
【0008】
本開示は、直流電源と単相3線の交流電路との間に設けられる電力変換システムであって、
3レグのフルブリッジ回路を有する電力変換部と、
前記電力変換部を制御する制御部と、
前記電力変換部の交流側から自立出力用に引き出され、電圧線である第1線及び第2線並びに中性線を有する単相3線の第1交流電路と、
前記第1線と前記中性線との間に、単相2線で自立出力を供給する第2交流電路と、
を備えている電力変換システムである。
【0009】
また、本開示は、蓄電池と単相3線の交流電路の間に設けられ、直流と単相3線の交流との間で電力変換を行う電力変換部を含む、電力変換システムの自立運転制御方法であって、
商用電力系統から解列された場合に、当該商用電力系統とは断路された自立出力用の単相3線の第1線、中性線、第2線に対して、前記第1線と前記中性線との間に、単相2線の自立出力を引き込んで電力供給し、
前記自立出力に連系し、かつ、前記自立出力を加味した上で前記電力変換部を制御することにより、前記第1線と前記中性線との間の相電力と、前記第2線と前記中性線との間の相電力とを、互いに独立して出力するよう制御する、
電力変換システムの自立運転制御方法である。
【発明の効果】
【0010】
本開示によれば、単相2線で自立出力を提供する既存の発電システムを安定して生かしながら、その自立出力と、単相3線で自立出力する他の蓄電可能な分散型電源とを互いに接続して、安定した電力変換システム及びその自立運転制御方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【0011】
図1は、分散型電源としての太陽光発電システムと蓄電池システムとを備えた需要家における、電力変換システムの一例を示す単線接続図である。
図2は、商用電力系統が停電し、電力変換システムが自立運転を行っているときの接続状態を示す単線接続図である。
図3は、図2の複線図に相当する回路図である。
図4は、2組の電力変換部が共に自立運転を実行する時に、蓄電池側の電力変換部の制御部によって実行される処理を表すフローチャートの一例である。
図5は、図4のステップS4の詳細な処理の一例を示す制御ブロック図である。
図6は、電圧目標値Vuo_refを求める制御ブロック図である。
図7は、電流目標値Iu_refを求める制御ブロック図である。
図8は、電圧目標値Vow_refを求める制御ブロック図である。
図9は、電流目標値Iw_refを求める制御ブロック図である。
図10は、電圧目標値Vu_ref及び電圧目標値Vw_refを求める制御ブロック図である。
図11は、電圧目標値Vuw_ref及び電圧目標値Vo_refを求める制御ブロック図である。
図12は、フルブリッジ回路のゲート信号を求める制御ブロック図である。
図13は、U相に交流電圧101V、50Hz、500Wの補助入力(充電)を行い、W相は交流101Vで負荷3000Wに自立出力を行った結果を示す波形図である。
図14は、U相に交流電圧101V、50Hz、1500Wの補助入力(充電)を行い、W相は交流101Vで負荷1Wに自立出力を行った結果を示す波形図である。
【発明を実施するための形態】
【0012】
[本開示の実施形態の説明]
本開示の実施形態には、その要旨として、少なくとも以下のものが含まれる。
【0013】
(1)これは、直流電源と単相3線の交流電路との間に設けられる電力変換システムであって、3レグのフルブリッジ回路を有する電力変換部と、前記電力変換部を制御する制御部と、前記電力変換部の交流側から自立出力用に引き出され、電圧線である第1線及び第2線並びに中性線を有する単相3線の第1交流電路と、前記第1線と前記中性線との間に、単相2線で自立出力を供給する第2交流電路と、を備えている。
【0014】
上記の電力変換システムでは、自立運転時に、例えば、単相3線の交流電路の第1線と中性線との間をU相、第2線と中性線との間をW相とすれば、U相にのみ、交流の自立出力を引き込んで電力供給することができる。この自立出力に連系し、かつ、自立出力を加味した上で制御部が電力変換部を制御することにより、単相3線で、U相及びW相は互いに独立して電力を出力することができる。自立出力との連系により、出力は安定する。この場合、U相及びW相の電力に不均等があっても、フルブリッジ回路の3レグのうち中間レグが、その不均等な状態の調整役を担っている。このような電力変換システムによれば、単相2線で自立出力を提供する既存の発電システムを安定して生かしながら、その自立出力と、単相3線で自立出力する他の蓄電可能な分散型電源とを互いに接続して、安定した電力変換システムを提供することができる。
【0015】
(2)前記(1)の電力変換システムは、例えば、前記直流電源としての蓄電池を備えている。
この場合、上記のU相に供給できる電力が負荷の消費電力を上回る場合には、W相が放電による電力供給をしていても、U相では蓄電池に充電を行うことができる。
【0016】
(3)前記(2)の電力変換システムは、例えば、前記第2交流電路への電力供給源となる分散型電源と、前記第1線と前記中性線との間、及び、前記第2線と前記中性線との間に、それぞれ接続されている第1負荷及び第2負荷と、を備えている。
この場合、分散型電源の自立出力に連系するように、電力変換部を動作させることで、U相及びW相が独立して第1負荷及び第2負荷に電力を供給することができる。
【0017】
(4)前記(3)の電力変換システムにおいて、前記第1負荷の消費電力よりも前記第2交流電路の供給電力が大きい場合、前記制御部は、前記供給電力の少なくとも一部を前記蓄電池に充電しつつ、前記第2負荷には前記蓄電池の放電により電力を供給するよう前記電力変換部を制御してもよい。
この場合、U相では蓄電池を充電し、W相では放電により第2負荷に電力供給をすることができる。
【0018】
(5)前記(1)から(4)までのいずれかの電力変換システムにおいて、前記第1交流電路とは別に、系統連系用の単相3線の第3交流電路を有していてもよい。
この場合、商用電力系統が正常なときは、電力変換システムは系統連系運転を行い、商用電力系統の停電時には、単相2線の自立出力と連系して自立運転を行うことができる。
【0019】
(6)方法の観点からは、蓄電池と単相3線の交流電路の間に設けられ、直流と単相3線の交流との間で電力変換を行う電力変換部を含む電力変換システムの自立運転制御方法であって、商用電力系統から解列された場合に、当該商用電力系統とは断路された自立出力用の単相3線の第1線、中性線、第2線に対して、前記第1線と前記中性線との間に、単相2線の自立出力を引き込んで電力供給し、前記自立出力に連系し、かつ、前記自立出力を加味した上で前記電力変換部を制御することにより、前記第1線と前記中性線との間の相電力と、前記第2線と前記中性線との間の相電力とを、互いに独立して出力するよう制御する。
【0020】
上記の電力変換システムの自立運転制御方法によれば、自立運転時に、例えば、単相3線の交流電路の第1線と中性線との間をU相、第2線と中性線との間をW相とすれば、U相にのみ、交流の自立出力を引き込んで電力供給することができる。この自立出力に連系し、かつ、自立出力を加味した上で制御部が電力変換部を制御することにより、単相3線で、U相及びW相は互いに独立して電力を出力することができる。自立出力との連系により、出力は安定する。この場合、U相及びW相の電力に不均等があっても、フルブリッジ回路の3レグのうち中間レグが、その不均等な状態の調整役を担っている。このような電力変換システムの自立運転方法によれば、単相2線で自立出力を提供する既存の発電システムを安定して生かしながら、その自立出力と、単相3線で自立出力する他の蓄電可能な分散型電源とを互いに接続して、安定した電力変換システムを提供することができる。
【0021】
[本開示の実施形態の詳細]
以下、本開示の電力変換システムの具体例について、図面を参照して説明する。
【0022】
《回路接続の概略、系統連系時》
図1は、分散型電源としての太陽光発電システムと蓄電池システムとを備えた需要家における、電力変換システム100の一例を示す単線接続図である。図示する各要素は、図示のように接続されている。図中の電路のうち、相対的に太線部分は単相3線の交流電路である。相対的に細線部分は、単相2線の交流電路又は直流電路である。
【0023】
太陽光発電パネル1は、電力変換装置2と接続されている。太陽光発電パネル1及び電力変換装置2は、太陽光発電に基づく分散型電源300を構成している。電力変換装置2は、商用電力系統6と接続されている。電力変換装置2は、電力変換部(インバータ)21と、連系リレー22と、自立出力リレー23とを備えている。商用電力系統6と系統連系するときは、連系リレー22が閉路している。自立出力リレー23は開路している。電力変換部21は、太陽光発電パネル1の出力(直流)を交流に変換する。商用電力系統6と系統連系しているときの電力変換装置2は、交流電圧202Vで電流制御を行っている。商用電力系統6が停電しているときの電力変換装置2は、連系リレー22を開路した状態で、自立出力リレー23を閉路することができる。自立運転時の電力変換部21は、出力が交流電圧101Vとなるように電圧制御を行う。
【0024】
蓄電池3は、電力変換装置4と接続されている。蓄電池3及び電力変換装置4は、蓄電池3の充放電に基づく分散型電源200を構成している。電力変換装置4は、分電盤5を介して、商用電力系統6と接続されている。電力変換装置4は、電力変換部(双方向インバータ)41と、連系リレー42と、自立出力リレー43とを備えている。
【0025】
商用電力系統6と系統連系するときは、連系リレー42が閉路している。自立出力リレー43は開路している。電力変換部41は、蓄電池3の出力(直流)を交流に変換する。また、電力変換部41は双方向性があり、交流を直流に変換して蓄電池3を充電することができる。商用電力系統6と系統連系しているときの電力変換装置4は、交流電圧202Vで電流制御を行っている。商用電力系統6が停電しているときの電力変換装置4は、連系リレー42を開路した状態で、自立出力リレー43を閉路することができる。自立運転時の電力変換部41は、出力が交流電圧202Vとなるように電圧制御を行う。
【0026】
分電盤5は、切替スイッチ51を備えている。切替スイッチ51は、手動/自動のいずれでもよい。自動の場合は、分電盤5内に商用電力系統6の停電検出装置が設けられており、停電を検出すると自動的に、切替スイッチ51が図示の状態から自立出力リレー43のある方に切り替わる。切替スイッチ51を介して需要家の負荷7が接続されている。なお、分電盤5内には、実際には回路遮断器が設けられており、回路遮断器を介して負荷7と接続されるが、本開示では省略する。また、分電盤5とは別に、切替スイッチ51を備えるスイッチボックスを設けてもよい。
【0027】
《回路接続の概略、自立運転時》
図2は、商用電力系統6が停電し、商用電力系統6からは解列された電力変換システム100が自立運転を行っているときの接続状態を示す単線接続図である。図1との比較により明らかなように、太陽光発電中に商用電力系統6が停電すると、電力変換装置2の連系リレー22が開路し、自立出力リレー23が閉路する。電力変換装置4では、連系リレー42が開路し、自立出力リレー43が閉路する。切替スイッチ51は、図示のように、自立出力リレー43のある方に負荷7の接続を切り替えている。
【0028】
《回路構成例》
図3は、図2の複線図に相当する回路図である。図3において、電力変換部21は、直流側コンデンサ201と、直流リアクトル202と、ローサイドのスイッチング素子203と、ハイサイドのスイッチング素子204と、中間コンデンサ205と、スイッチング素子206,207,208及び209と、交流リアクトル210,211と、交流側コンデンサ212,213と、制御部214とを備えており、これらは図3に示すように接続されている。スイッチング素子203,204,206,207,208及び209は、ここではボディダイオードを有するMOSFET(Metal−Oxide−Semiconductor Field Effect Transistor)の例を示しているが、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)を用いることもできる。
【0029】
直流側コンデンサ201は、太陽光発電パネル1の出力する電圧を平滑する。直流リアクトル202、スイッチング素子203,204は、DC/DCコンバータ215を構成している。DC/DCコンバータ215の高圧側のDCバス216の電圧は、中間コンデンサ205により平滑される。スイッチング素子206,207,208及び209は、2レグのフルブリッジ回路217を構成し、直流から交流への変換を行う。フルブリッジ回路217の交流側電路218に接続された交流リアクトル210,211及び、交流側コンデンサ212,213は、スイッチングノイズを遮断するフィルタ回路を構成している。スイッチング素子203,204,206,207,208及び209は、制御部214により制御される。制御部214は、例えばコンピュータを含み、コンピュータがソフトウェア(コンピュータプログラム)を実行することで、必要な制御機能を実現する。ソフトウェアは、制御部214の記憶装置(図示せず。)に格納される。
【0030】
商用電力系統6が正常な場合、単相3線(電圧線U,W,中性線O)の交流電路8の電圧及び周波数は、商用電力系統6により支配されている。フルブリッジ回路217の交流側出力電圧は202Vであり、交流側コンデンサ212,213により、単相3線の交流電路8と整合するようになっている。自立運転中は、フルブリッジ回路217の交流側出力電圧は101Vであり、単相2線、101Vの自立出力を電力変換装置4(図2)に供給する。
(【0031】以降は省略されています)

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