JP5467642B2 - 直流型マイクログリッドネットワーク - Google Patents

Description

本発明は、直流型マイクログリッドネットワークに関するものである。

近年、地球温暖化の急激な進行が懸念されており、あらゆる分野において環境に配慮したエコ製品あるいはエコシステムの開発が要請されている。
特に、電力生成分野については、主な発電所や電力生成装置が地球温暖化に直結するもので、もって近年では二酸化炭素を発生させないクリーンな電力生成装置の開発が特に要請されるに至っている。
そして、近年注目されているのは、枯渇の恐れがなく、しかも二酸化炭素の発生を全く危惧する必要のない太陽エネルギーを利用した太陽電池の普及である。そして、当該太陽電池を含んだマイクログリッドネットワークの構築普及が近年要請されるところである。

ところで、マイクログリッドネットワークとは、エネルギー供給地域内にある複数の小型分散型電源や電源貯蔵装置等に対してIT関連技術を用いて、効果的な系統運用・制御を行い、経済性向上や供給信頼度向上を図るエネルギーシステムネットワークをいい、換言すれば小規模な電源系統網とも言えるものである。
そして、かかる概念は、原子力、火力、水力などの大規模な発電設備と送電網からなる通常の電力系統から隔離された小規模なコミュニティの多い米国で発展し、提唱された概念なのである。

ここで、大規模な発電所の電力を使用する方法と比べると，前記マイクログリッドネットワーク技術を導入することで、非常時のバックアップエネルギー供給施設が構築できる。また、既存の大型発電所のピークカットが行える。さらに、温室効果ガス排出量及びエネルギーコストが低減できる。また、導入する地域の事情を考慮したエネルギー設備が構築できるのでエネルギー損失が少ない，などの効果が期待されているのである。
加えて従来からのマイクログリッドではネットワーク内の急激な負荷変動に対して電圧変動など電力システムの質の低下をもたらすのが現状であった。

特開２００９−２７３２１０号公報

しかるに、本発明ではこのマイクログリッドネットワークをさらに発展させたものであり、本発明による直流型マイクログリッドネットワークは、供給電源からの電力を全て直流形式の電力とすると共に、これらからの直流形式の電力を合成して供給できるように構成し、かつ供給を受ける側の負荷器についても全て直流動作負荷器としたマイクログリッドネットワークとし、複数の直流形式電力生成装置、直流電源装置及び直流に変換された商用電源のうち、どの電源を現時点で優先させ、またこれらの電源をどのように組み合わせて電力供給を行えばより効率的でコストが安価でとなるか、さらには安定した直流形式の電力が日常的に安全に送出できるかなどを制御できる直流型マイクログリッドネットワークを提供することを目的とするものである。

本発明による直流型マイクログリッドネットワークは、
直流形式の電力を生成する複数の直流形式電力生成装置と、直流形式の電力に変換された交流の商用電源と、
前記複数の直流形式電力生成装置により生成された直流形式の電力と、前記交流の商用電源から変換された直流形式の電力とを合成して送出する合成装置と、
前記合成された直流形式の電力供給を受ける直流動作負荷器と、
前記複数の直流形式電力生成装置、前記商用電源及び前記直流動作負荷器とを接続する直流母線と、
を有し、
前記直流動作負荷器への前記複数の直流形式電力生成装置及び前記商用電源からの直流形式の電力供給は、燃料費を考慮した電力生成コストの安価順に電力供給するよう前記複数の直流形式電力生成装置及び前記商用電源につき電力供給の優先使用順位テーブルを設けると共に、前記複数の直流形式電力生成装置及び前記商用電源における定期的に更新される前記燃料費を考慮した電力生成コストの安価順序に対応するリアルタイムでの前記複数の直流形式電力生成装置及び前記商用電源の電力供給可能量を検知し、前記検知結果と前記優先使用順位テーブルとを参照してリアルタイムでの最適な直流形式電力生成装置及び商用電源の供給選択順位を決定して直流動作負荷器への電力供給を行う電力供給制御装置と、を備え、
前記直流母線には、電力会社の異なる複数の商用電源が、あるいは変電所の異なる複数の商用電源が接続され、いずれの商用電源からも直流形式の電力供給が可能とされた、
ことを特徴とし、
または、
前記直流形式の電力を合成しての直流動作負荷器への直流形式の電力供給は、前記直流形式の電力を生成する複数の直流形式電力生成装置と、直流に変換された交流の商用電源に各々逆流防止ダイオードを取り付けて各々から供給される直流形式の電力を合成し、当該合成した直流形式の電力の供給を行う、
ことを特徴とし、
または、
直流形式の電力を生成する複数の直流形式電力生成装置と、直流形式の電力を出力する直流電源装置と、直流形式の電力に変換された交流の商用電源と、
前記複数の直流形式電力生成装置により生成された直流形式の電力と、前記直流電源装置からの電力と、前記交流の商用電源から変換された直流形式の電力とを合成して送出する合成装置と、
前記合成された直流形式の電力供給を受ける直流動作負荷器と、
前記複数の直流形式電力生成装置、前記直流電源装置、前記商用電源及び前記直流動作負荷器とを接続する直流母線と、
を有し、
前記直流動作負荷器への前記複数の直流形式電力生成装置、直流電源装置及び前記商用電源からの直流形式の電力供給は、直流形式電力生成装置及び前記商用電源にあっては燃料費を、前記直流電源装置にあっては燃料費及び充放電効率を考慮した電力生成コストの安価順に、電力供給するよう、前記複数の直流形式電力生成装置、直流電源装置及び前記商用電源につき電力供給の優先使用順位テーブルを設けると共に、前記複数の直流形式電力生成装置、前記直流電源装置及び前記商用電源における定期的に更新される前記電力生成コストの安価順序に対応するリアルタイムでの前記複数の直流形式電力生成装置、前記直流電源装置及び前記商用電源の電力供給可能量を検知し、前記検知結果と前記優先使用順位テーブルとを参照してリアルタイムでの最適な直流形式電力生成装置及び商用電源の供給選択順位を決定して直流動作負荷器への電力供給を行う電力供給制御装置と、を備え、
前記直流母線には、電力会社の異なる複数の商用電源が、あるいは変電所の異なる複数の商用電源が接続され、いずれの商用電源からも直流形式の電力供給が可能とされた、
ことを特徴とし、
または、
前記直流形式の電力を合成しての直流動作負荷器への直流形式の電力供給は、前記電力を生成する複数の直流形式電力生成装置と、前記直流電源装置と、直流に変換された交流の商用電源に、各々逆流防止ダイオードを取り付けて各々から供給される直流形式の電力を合成し、当該合成した直流形式の電力の供給を行う、
ことを特徴とし、
または、
前記複数の直流形式電力生成装置には、少なくとも太陽電池、燃料電池、風力発電機、水力発電、バイオガス発電機が含まれる、
ことを特徴とし、
または、
前記直流電源装置は、カーバッテリーを含む電力貯蔵器である、
ことを特徴とし、
または、
前記商用電源には、電力逆潮流を可能とする逆変換装置が設けられ、該逆変換装置は、直流型マイクログリッドネットワークの前記電力を生成する複数の直流形式電力生成装置による電力生成量が直流動作負荷器の電力消費量と直流形式の直流電源装置の電力貯蔵量とを超える場合に前記商用電源に逆潮流を行う、
ことを特徴とするものである。

本発明による直流型マイクログリッドネットワークによれば、
供給電源からの電力を全て直流形式に出来ると共に、これらからの直流形式の電力をその優先使用順位や合成比率を変更可能にして合成供給できるように構成し、かつ供給を受ける側の負荷器についても、全て直流動作負荷器としたマイクログリッドネットワークとし、複数の直流形式電力生成装置、直流電源装置及び直流に変換された商用電源のうち、どの電源を現時点で優先させ、またこれらの電源をどのように組み合わせて電力供給を行えばより効率的でコストが安価であるか、また安全性が考慮されて、かつ安定して供給できるかを決定できて効率的に制御できるとの優れた効果を奏する。

本発明の実施例を説明する概略説明図である。 本発明の基本概念を説明する概略説明図である。 ３電源の実験結果を示すグラフである。 ２電源の実験結果を示すグラフである。 本発明の概略構成を説明するブロック図である。 本発明の電力供給制御装置の動作を説明するフローである。

以下、本発明を実施するための形態につき図を参照して説明する。
図１において、符号１は本発明による直流型マイクログリッドネットワークを示したものである。この直流型マイクログリッドネットワーク１には、例えばループ状に形成された直流母線２に、複数の、そして複数種類の直流形式の電力を生成する直流形式電力生成装置３・・・・が接続されている。
図１では、直流形式の電力を生成する直流形式電力生成装置３の例として、水力発電機、風力発電機、太陽電池、燃料電池、バイオガス発電機などがあげられている。しかし、決してこれら装置に決して限定されるものではなく、直流形式の電力を生成できるものであればよい。

次に符号４は直流に変換された交流の商用電源であり、本実施例では、直流母線２に、例えば２つの直流に変換された商用電源４、４が接続されている。これらの直流に変換された商用電源４は、いわゆる電力会社の異なる商用電源４を接続しても構わないし、変電所が異なる商用電源４を接続しても構わないものである。このように複数の直流に変換された商用電源４を接続しておけば、たとえ１つの商用電源４がオーバロード気味となり、また１カ所の商用電源があおり現象気味になったとしても、もしくは停電などの場合も接続してある他の箇所の商用電源４によりそれらを補うこととなり、前記の不安が解消できるものとなる。

次に、符号５は直流形式の電力を出力する複数の直流電源装置である。この直流形式の電力を出力する直流電源装置５・・・・には、カーバッテリーやバッテリーなどの電力貯蔵器なども該当する。これら電力貯蔵器である直流電源装置５は非常時に或いは直流マイクログリッド内の発生電力を直流動作負荷器の使用電力が超える場合にその機能が発揮されるものであり、いわゆるバックアップ電源として期待される。これにより本発明の直流型マイクログリッドネットワーク１の高信頼性が担保される。

さらに、バックアップ電源のほかに、前記した太陽電池など自然エネルギーを利用した直流形式電力生成装置３・・・・が、例えば日照不足などで所望の電力量を生成できないなどのデメリットを最小限に抑える補完装置の機能をも果たすことになる。
また、符号６は前記した、水力発電機、風力発電機、太陽電池、燃料電池、バイオガス発電機など複数の直流形式の電力を生成する直流形式電力生成装置３・・・・、変換された交流の商用電源４，４、直流形式の電力を出力する、カーバッテリーやバッテリーなどの電力貯蔵器を含む複数の直流電源装置５・・・・から直流形式の電力の供給を受ける直流動作負荷器であり、例として、直流で作動する直流型ＬＥＤランプ、直流型蛍光灯ランプ、直流型ヒータあるいは直流型ファンなどがあげられる。

ところで、前記した、水力発電機、風力発電機、太陽電池、燃料電池、バイオガス発電機など複数の直流形式の電力を生成する直流形式電力生成装置３・・・・、変換された交流の商用電源４，４、直流形式の電力を出力する、カーバッテリーやバッテリーなどの電力貯蔵器からなる複数の直流電源装置５・・・・は、基本の概念図として示してある図２から理解されるように、前述した複数の直流動作負荷器６・・・・へ、合成した直流形式の電力を供給できるものとなっている。

すなわち、図２に基づいて説明すると、３つの直流形式電力生成装置３・・・・であるＥ１，Ｅ２及びＥ３には、それぞれ逆流防止ダイオード７が接続されており、直流動作負荷器６であるＲＬへ合成された直流形式の電力を出力するよう構成される。そして、いずれの直流形式電力生成装置３からの出力を優先するかについては、その端子電圧を異ならせることにより行える。すなわち、図３に示すように、Ｅ１の端子電圧は１２．３０Ｖ、Ｅ２の端子電圧は１２．２５Ｖそして、Ｅ３の端子電圧は１２．２６Ｖとする。

このような端子電圧のとき、Ｅ１，Ｅ２及びＥ３には、図３に示す電流が流れるものとなった。すなわち、Ｅ１には２４．７８ｍＡ、Ｅ２には６．４５０ｍＡそしてＥ３には１２．２６ｍＡの電流が流れた。このように端子電圧の高い順から優先して電流が流れることが理解されるのである。

しかして、逆流防止ダイオード７を接続するのと共に、それぞれの端子電圧を異ならせて決定することにより、いずれの直流形式電力生成装置３・・・・、あるいは変換された交流の商用電源４，４、そして直流形式の電力を出力する、カーバッテリーやバッテリーなどの電力貯蔵器からなる複数の直流電源装置５を優先するかを選択決定できるものとなる。

図４はＥ１，Ｅ２及びＥ３のうち、２電源を使用した場合のグラフであり、やはり、端子電圧の高い順から優先して電流が流れているのが理解できる。

次に、符号８は、電力供給制御装置を示す。
ここで、図５から理解されるように、当該電力供給制御装置８は、本発明による直流型マイクログリッドネットワークに接続されている装置全てについて常時情報を取得し、動作指令を行い、また電力貯蔵指令や電力連系指令などを行なうことが出来る構成とされている。

まず、太陽電池は電源として使用したい装置ではあるが、日射量によって生成する電力に大きな変動がある。このように、太陽電池については、日射量によって、その発電量は変化するのでそれに対応する電流あるいは電圧などの検知信号１７の変化を検知し、例えば、いわゆる最大発電電力追従制御法などの制御法を利用しつつ検知作業を行い、それにより、一般的な条件下での太陽電池の電力生成コストを決定しておく。

また、風力発電機も地球温暖化を阻止できる機器であり、やはり電力生成装置として使用したい機器となる。しかし、風力発電機についてもその風速力の強弱により発電量が異なってくるので、それに対応する電流あるいは電圧を検知し、一般的な条件下での電力生成コストを決定する。
燃料電池、バイオガス発電機などについては、太陽電池や風力発電機のように、日射量や風力に発電量が大きく左右されることはないが、燃料費などは変動することがあるので、その点を考慮してやはり一般的な条件下での電力生成コストを決定しておく。

カーバッテリーやバッテリーなどの電力貯蔵器である直流電源装置５についてはバックアップ電源であり、頻繁に使用するものではないが、やはり緊急時に使用するおそれがあるので電力余裕のある場合一般的な条件下での充放電効率を考慮しつつ電力生成コストは決定しておくものとする。
また、交流の商用電源についても前記の太陽電池や風力発電機と電力生成コストと比較できるように、一般条件下における電力生成コストを決定しておく。

そしてこれら決定された各電力生成コストを安価順に並べ、これを電力供給の優先使用順位表としていわゆる優先使用順位テーブル１２を作成し、記憶部１３へあらかじめ保存しておく。
なお、期間の経過と共に、燃料費などが変動するので定期的に更新しておくのが好ましい。

次に、電力供給制御装置８は、水力発電機、風力発電機、太陽電池、燃料電池、バイオガス発電機など複数の直流形式の電力を生成する直流形式電力生成装置３が現時点においてどの程度の電力量を生成しているかあるいは貯蔵しているかを検知する生成量検知部１０を有する。

また、カーバッテリーやバッテリーなどの電力貯蔵器からなる複数の直流電源装置５がどの程度の直流形式の電力の貯蔵量を有しているかを検知する貯蔵量検知部１１を有している。
これらは、リアルタイムでの検知が可能で、その電流値や電圧値を継続して検知し、前記装置の生成量や貯蔵量、特に刻々と変化する日射量や風力にあわせてリアルタイムでの生成量が検知できるものとされている。

そして、これらの情報は制御部１４に送出される。
制御部１４では、入力された前記情報と記憶部１３に格納されている優先使用順位テーブル１２とを参照し、現時点においてどの電力生成装置３からの発電を優先し、またこれを補完するためにどの直流電源装置５やどの商用電源４をどの程度使用するかが制御部１４により演算される。

一例を挙げると、本実施例では太陽電池の使用が最も優先される。しかも図１では太陽電池が２基使用されており、リアルタイムでの太陽電池の発電量を検知し、現時点で最も発電量の多い太陽電池の使用が優先される。しかし、１基の太陽電池の使用では発電量が賄えないので他の太陽電池の使用も意図される。この場合もその他の太陽電池の発電量を検知し、どの程度の発電量が給電できるか前記制御部１４で演算される。なお、風力発電機の給電制御についても同様に制御部によって制御される。なお、符号１６はディスプレイなどの表示部、符号１７は制御信号１５などを送出する送信部である。

ここで、生成量検知部１１、貯蔵量検知部１２、制御部１４は、例えばＣＰＵなどの中央演算装置で、記憶部１３はハードディスクなどで構成されている。
ここで制御部１４によって決定された給電優先使用順位などは制御信号１５などにより複数種類の直流形式の電力を生成する直流形式電力生成装置３・・・・、図１で示す水力発電機、風力発電機、太陽電池、燃料電池、バイオガス発電機など、直流に変換された交流の商用電源４，４及び直流形式の電力を出力する複数の直流電源装置５に送出され、スイッチング装置１６などにより前記給電に沿って所定の電力が直流動作負荷器６側に送出されるものとなる。なお、信号の入出力は、回線網１９を介して行われるが、これに限定されずに優先で行っても構わない。

次に本発明による電力供給制御装置８による動作について図６を参照して説明する。
まず、電力供給制御装置８の記憶部１３に格納されている現時点における優先使用順位テーブル１２から各装置の優先使用順位情報を取得する（ステップ１００）。

次いで、生成量検知部１０あるいは貯蔵量検知部１１で検知された各装置の生成量あるいは貯蔵量情報に基づき、現時点で電力供給可能な各装置を検知する（ステップ１０２）。
前記の優先使用順位テーブル１２から取得した各装置の優先使用順位情報と生成量検知部１０あるいは貯蔵量検知部１１で検知された現時点で電力供給可能な各装置の情報とにより現時点での電力供給の安価性あるいは電力供給の安定性など装置運営上の見地から、あらゆる情報を総合勘案した結果、各装置の最適な優先使用順位を決定する（ステップ１０４）。そして、前記で選択決定された各装置、すなわち電力供給源の順に電力供給を行っていくのである（ステップ１０６）。

ここで、上記の電力供給源からの電力供給で供給量が充分であるか否かが判断され（ステップ１０８）、充分でないと判断されたときは（ステップ１０８でＮＯ）、再び、前記ステップ１００からの動作が行われる。
そして、上記の電力供給源からの電力供給で供給量が充分であると判断されたときは（ステップ１０８でＹＥＳ）、各直流動作負荷器６へ電力の供給が行われることになる（ステップ１１０）。

ところで、本発明には、商用電源４側に、電力逆潮流を可能とするパワーコンディショナなどで構成された逆変換装置（図示せず）が設けられており、該逆変換装置は、本発明における直流型マイクログリッドネットワーク１の前記電力を生成する複数の直流形式電力生成装置３・・・・による電力生成量が直流動作負荷器６の電力消費量と直流形式の直流電源装置５の電力貯蔵量とを超える場合に前記商用電源４側に逆潮流が行えるよう構成されている。

１つのマイクログリッドを他のマイクログリッドと組み合わせて複数で構築すれば、ネットワーク内の急激な負荷変動に対して電圧変動など電力の質の低下がマイクログリッド個数分の１に縮小するなどの効果が生ずるものとなる。

１ 直流型マイクログリッドネットワーク
２ 直流母線
３ 直流形式電力生成装置
４ 直流に変換された交流の商用電源
５ 直流電源装置
６ 直流動作負荷器
７ 逆流防止ダイオード
８ 電力供給制御装置
１０ 生成量検知部
１１ 貯蔵量検知部
１２ 優先使用順位テーブル
１３ 記憶部
１４ 制御部
１５ 制御信号
１６ 表示部
１７ 送信部
１８ 検知信号
１９ 回線網

Claims (7)

1. 直流形式の電力を生成する複数の直流形式電力生成装置と、直流形式の電力に変換された交流の商用電源と、
   前記複数の直流形式電力生成装置により生成された直流形式の電力と、前記交流の商用電源から変換された直流形式の電力とを合成して送出する合成装置と、
   前記合成された直流形式の電力供給を受ける直流動作負荷器と、
   前記複数の直流形式電力生成装置、前記商用電源及び前記直流動作負荷器とを接続する直流母線と、
   を有し、
   前記直流動作負荷器への前記複数の直流形式電力生成装置及び前記商用電源からの直流形式の電力供給は、燃料費を考慮した電力生成コストの安価順に電力供給するよう前記複数の直流形式電力生成装置及び前記商用電源につき電力供給の優先使用順位テーブルを設けると共に、前記複数の直流形式電力生成装置及び前記商用電源における定期的に更新される前記燃料費を考慮した電力生成コストの安価順序に対応するリアルタイムでの前記複数の直流形式電力生成装置及び前記商用電源の電力供給可能量を検知し、前記検知結果と前記優先使用順位テーブルとを参照してリアルタイムでの最適な直流形式電力生成装置及び商用電源の供給選択順位を決定して直流動作負荷器への電力供給を行う電力供給制御装置と、を備え、
   前記直流母線には、電力会社の異なる複数の商用電源が、あるいは変電所の異なる複数の商用電源が接続され、いずれの商用電源からも直流形式の電力供給が可能とされた、
   ことを特徴とする直流型マイクログリッドネットワーク。
   
2. 前記直流形式の電力を合成しての直流動作負荷器への直流形式の電力供給は、前記直流形式の電力を生成する複数の直流形式電力生成装置と、直流に変換された交流の商用電源に各々逆流防止ダイオードを取り付けて各々から供給される直流形式の電力を合成し、当該合成した直流形式の電力の供給を行う、
   ことを特徴とする請求項１記載の直流型マイクログリッドネットワーク。
   
3. 直流形式の電力を生成する複数の直流形式電力生成装置と、直流形式の電力を出力する直流電源装置と、直流形式の電力に変換された交流の商用電源と、
   前記複数の直流形式電力生成装置により生成された直流形式の電力と、前記直流電源装置からの電力と、前記交流の商用電源から変換された直流形式の電力とを合成して送出する合成装置と、
   前記合成された直流形式の電力供給を受ける直流動作負荷器と、
   前記複数の直流形式電力生成装置、前記直流電源装置、前記商用電源及び前記直流動作負荷器とを接続する直流母線と、
   を有し、
   前記直流動作負荷器への前記複数の直流形式電力生成装置、直流電源装置及び前記商用電源からの直流形式の電力供給は、直流形式電力生成装置及び前記商用電源にあっては燃料費を、前記直流電源装置にあっては燃料費及び充放電効率を考慮した電力生成コストの安価順に、電力供給するよう、前記複数の直流形式電力生成装置、直流電源装置及び前記商用電源につき電力供給の優先使用順位テーブルを設けると共に、前記複数の直流形式電力生成装置、前記直流電源装置及び前記商用電源における定期的に更新される前記電力生成コストの安価順序に対応するリアルタイムでの前記複数の直流形式電力生成装置、前記直流電源装置及び前記商用電源の電力供給可能量を検知し、前記検知結果と前記優先使用順位テーブルとを参照してリアルタイムでの最適な直流形式電力生成装置及び商用電源の供給選択順位を決定して直流動作負荷器への電力供給を行う電力供給制御装置と、を備え、
   前記直流母線には、電力会社の異なる複数の商用電源が、あるいは変電所の異なる複数の商用電源が接続され、いずれの商用電源からも直流形式の電力供給が可能とされた、
   ことを特徴とする直流型マイクログリッドネットワーク。
   
4. 前記直流形式の電力を合成しての直流動作負荷器への直流形式の電力供給は、前記直流形式の電力を生成する複数の直流形式電力生成装置と、前記直流電源装置と、直流に変換された交流の商用電源に各々逆流防止ダイオードを取り付けて各々から供給される直流形式の電力を合成し、当該合成した直流形式の電力の供給を行う、
   ことを特徴とする請求項３記載の直流型マイクログリッドネットワーク。
   
5. 前記複数の直流形式電力生成装置には、少なくとも太陽電池、燃料電池、風力発電機、水力発電、バイオガス発電機が含まれる、
   ことを特徴とする請求項１、請求項２、請求項３または請求項４記載の直流型マイクログリッドネットワーク。
   
6. 前記直流電源装置は、カーバッテリーを含む電力貯蔵器である、
   ことを特徴とする請求項３、請求項４または請求項５記載の直流型マイクログリッドネットワーク。
   
7. 前記商用電源には、電力逆潮流を可能とする逆変換装置が設けられ、該逆変換装置は、直流型マイクログリッドネットワークの前記電力を生成する複数の直流形式電力生成装置による電力生成量が直流動作負荷器の電力消費量と直流形式の直流電源装置の電力貯蔵量とを超える場合に前記商用電源に逆潮流を行う、
   ことを特徴とする請求項１、請求項２、請求項３、請求項４、請求項５または請求項６記載の直流型マイクログリッドネットワーク。
   

Images