JP5566736B2 - 太陽光発電システム - Google Patents

Description

本発明は、太陽光発電システムに関する。

太陽光発電は日射量によって発電量に長時間の変動や短時間の変動が生じるため、火力発電等の従来の発電システムに比べると安定した電力供給が困難である。また、火力発電等の同期発電機は、系統周波数が変動した際にそれを抑制する作用を潜在的に持っていること、さらに調速機が具備されており、系統周波数が変動した際にはそれを抑制するように発電量が調整されることから、系統周波数の安定化に寄与する。これに対して、太陽光発電モジュールと電力貯蔵装置とを組み合わせた発電システムでは、系統周波数が変動した際に同期発電機で生じる上記のような周波数調整作用がないため、電力系統に大量導入された場合は系統周波数の安定化が困難になることが予想される。

従来、蓄電池に代表される電力貯蔵装置と太陽光発電モジュールとを組み合わせて、太陽光発電モジュールと蓄電池との有効電力の合計を一定に制御する発電システムや、太陽光発電モジュールの出力の短時間変動を抑制する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００９−２１３３１９号公報 特開２００７−３１８８３３号公報

上記特許文献２に開示された制御装置では、インバータ電源から出力された有効電力と、出力目標値とから位相補正値を算出し、インバータ電源の端子電圧の位相を位相補正値で補正して、補正後の位相値に基づいて正弦波を生成し、供給された振幅目標値とを乗算してインバータ電源の目標電圧を算出してインバータ電源を制御している。

しかし、インバータ電源の有効電力と端子電圧とから、インバータ電源の端子電圧の位相を補正して目標電圧を算出すると、インバータ電源の出力電圧の算出精度を向上させることが困難であった。その結果、インバータ電源を電力系統と連係して運転させた場合に安定した電力供給を行なうことが困難であった。

本発明は上記事情に鑑みて成されたものであって、電力系統と連係して運転した場合であっても、安定した電力供給が可能な太陽光発電システムを提供することを目的とする。

本発明の態様による太陽光発電システムは、太陽電池と、前記太陽電池から出力された電力を充電するとともに電力変換装置へ直流電力を放電する蓄電池とを含む直流電源と、前記直流電源から出力された直流電力を交流電力に変換して電力系統に供給する前記電力変換装置と、前記電力変換装置と前記電力系統との接続点の電圧を検出する電圧検出部と、前記電力変換装置から出力された電流を検出する電流検出部と、前記電圧検出部で検出された電圧値と前記電流検出部で検出された電流値とから有効電力を検出する有効電力検出部と、前記有効電力検出部で検出された有効電力値と有効電力の出力目標値とに基づいて、有効電力値が減少した場合に角周波数を上昇させるとともに、有効電力値が増加した場合に角周波数を低下させるように、前記電力変換装置から出力される電圧の角周波数を演算する質点系演算部と、前記角周波数と、前記電流検出部で検出された電流値と、設定電圧値とに基づいて、電力系統の周波数が低下した場合には、系統電圧位相に対して出力電圧の目標値の位相差が進み方向で広がるように、前記電力変換装置の出力電圧目標値を演算する電気特性演算部と、前記出力電圧目標値に応じて前記電力変換装置を制御する電力変換制御部と、を備える。

本発明によれば、電力系統と連係して運転した場合であっても、安定した電力供給が可能な太陽光発電システムを提供することを目的とする。

本発明の第１実施形態に係る太陽光発電システムの一構成例を説明するための図である。 太陽光発電システムの出力電圧と有効電力との関係の一例を示す図である。 太陽光発電システムの出力電圧と有効電力との関係の一例を示す図である。 図１に示す太陽光発電システムの機械出力演算部の構成の一例を説明するために図である。 図１に示す太陽光発電システムの質点系演算部の構成の一例を説明するための図である。 図１に示す太陽光発電システムの界磁電圧演算部の構成の一例を説明するための図である。 太陽電池の出力と、有効電力設定値と、蓄電池の出力との関係の一例を示す図である。 本発明の第２実施形態に係る太陽光発電システムの一構成例を説明するための図である。 図７に示す太陽光発電システムの端子電圧制御部の構成の一例を説明するための図である。 図７に示す太陽光発電システムの電圧指令補正部の構成の一例を説明するための図である。

以下、本発明の第１実施形態に係る太陽光発電システムについて図面を参照して詳細に説明する。図１に示すように、本実施形態に係る太陽光発電システムは、太陽電池３と、太陽電池３で発電された電力を蓄電する蓄電池４とを備える直流電源と、太陽電池３および蓄電池４から出力された直流電力を交流電力に変換し、平滑リアクトル１８を介して電力系統１に接続された電力変換装置２と、電力変換装置２と電力系統１との接続点近傍に設置され、その接続点の電圧を検出する電圧検出部５と、電力変換装置２と電力系統１との接続点に設置され、電力変換装置２から出力された電流を検出する電流検出部６と、電圧検出部５および電流検出部６で検出された電圧値および電流値から有効電力を検出する有効電力検出部７と、電力変換装置２の動作を制御する電力変換制御部１４と、電力変換制御部１４に正弦波である出力電圧目標Ｅｃを供給する発電機特性演算装置２０と、を備えている。

電圧検出部５は、平滑リアクトル１８と電力系統１との間で、平滑リアクトル１８の近傍に接続されている。電流検出部６は、電力系統１と電力変換装置２との間に直列に接続されている。有効電力検出部７には、電圧検出部５の出力値と電流検出部６の出力値とが入力される。

発電機特性演算装置２０は、有効電力設定部８と、有効電力設定部８の出力値と質点系演算部１０の出力値とが供給される機械出力演算部９と、有効電力検出部７の出力値Ｐｅと機械出力演算部９の出力値Ｔｍとが供給される質点系演算部１０と、電圧設定部１１の出力値Ｖｒｅｆと電圧検出部５の出力値（至近電圧値）Ｖ_Ｔとが供給される界磁電圧演算部１２と、電流検出部６の出力値Ｉ_Ｇと質点系演算部１０の出力値ωと界磁電圧演算部１２の出力値Ｅｆｄとが供給される出力電圧演算部１３と、を備えている。

出力電圧演算部１３の出力値Ｅｃは、電力変換制御部１４の出力値を生成するための基準として電力変換制御部１４に供給される。電力変換制御部１４は、出力電圧演算部１３から供給された出力電圧目標Ｅｃにしたがって、電力変換装置２を制御する。

電力変換装置２は、双方向インバータであり、電力変換制御部１４から出力される制御信号に基づいて交流電圧を出力する。電力変換制御部１４は、電力変換装置２の出力電圧が電力変換制御部１４に入力される出力電圧目標Ｅｃと等しくなるように制御する。

ここで、出力電圧目標Ｅｃは例えば正弦波である。図２Ａに示すように、出力電圧が電力系統1の電圧に対して進み位相であれば電力変換装置２から電力系統１に向かって有効電力が流れる。図２Ｂに示すように、電力系統１の電圧に対する位相差が大きくなると、Ｅｃ−Ｖｓの値が大きくなり、有効電力が大きく流れる。

また、電力変換装置２の出力電圧が大きくなれば電圧検出部５で検出される電圧も大きくなり、電力変換装置２の出力電圧が小さくなれば電圧検出部５で検出される電圧も小さくなる。すなわち、出力電圧目標Ｅｃの位相と大きさを個別に変化させることで電力変換装置２から流れる有効電力と、電力変換装置２の至近電圧Ｖ_Ｔとを独立に制御することができる。

以下、出力電圧目標Ｅｃを生成する発電機特性演算装置２０について説明する。有効電力設定部８は、電力変換装置２から出力させるべき有効電力設定値Ｐｒｅｆを出力する。機械出力演算部９は、同期発電機の調速機と呼ばれる制御装置に相当し、例えば図３に示す制御ブロック図を実現するように構成されている。機械出力演算部９は、有効電力設定部８の出力値（有効電力設定値）Ｐｒｅｆと質点系演算部１０の出力値である角周波数ωとを入力信号とし、同期発電機の機械出力（機械トルク相当値）Ｔｍを演算する。角周波数ωが基準角周波数ω０より低下するとゲインＫの入力は正値となり、最終的に機械出力Ｔｍは増加する。逆に、角周波数ωが基準角周波数ω０より上昇するとゲインＫの入力は負値とり、最終的には機械出力Ｔｍは減少する。

質点系演算部１０は同期発電機の運動方程式を演算する。質点系演算部１０は、例えば図４に示すブロック図を実現するように構成されている。図４において、ブロック１０Ａの定数Ｍはタービンを含めた発電機の慣性定数に相当し、ブロック１０Ｂの係数Ｄはダンピング係数に相当する。機械出力Ｔｍが一定である場合、電力系統１の負荷減少などにより有効電力値Ｐｅが減少すると、図４に示すブロック１０Ａへの入力は正値となるので慣性定数Ｍとダンピング係数Ｄとに応じた変化率で角周波数ωは上昇する。逆に、電力系統１の負荷増加などにより有効電力値Ｐｅが増加するとブロック１０Ａへの入力は負値となるので慣性定数Ｍとダンピング係数Ｄとに応じた変化率で角周波数ωは低下する。

有効電力値Ｐｅが一定であって機械出力Ｔｍが変化する場合は極性が逆となる。したがって、機械出力Ｔｍが減少すれば角周波数ωは低下し、機械出力Ｔｍが増加すれば角周波数ωは上昇する。

質点系演算部１０は、上記のように同期発電機における角周波数ωを演算する。機械出力演算部９では角周波数ωの上昇時は機械出力Ｔｍを減少させ、角周波数ωの低下時は機械出力Ｔｍを増加させるので、角周波数ωの変動を抑制するように作用する。

質点系演算部１０で演算された角周波数ωは、電気特性演算部２１へ供給される。電気特性演算部２１は、電圧設定部１１と、界磁電圧演算部１２と、出力電圧演算部１３とを備えている。

電圧設定部１１は、電力変換装置２の至近電圧Ｖ_Ｔの目標である電圧設定値Ｖｒｅｆを出力するものである。界磁電圧演算部１２は同期発電機の励磁制御装置に相当し、例えば図５に示す制御ブロックを実現するように構成されている。

界磁電圧演算部１２は、電圧設定値Ｖｒｅｆと電圧検出部５で得られた電力変換装置２の至近電圧Ｖ_Ｔとの差分（Ｖｒｅｆ-Ｖ_Ｔ）に応じて、同期発電機の界磁電圧相当値Ｅｆｄを演算して出力電圧演算部１３へ出力する。至近電圧ＶＴが電圧設定値Ｖｒｅｆより小さい（Ｖｒｅｆ-Ｖ_Ｔ>０）と、一次遅れの入力は正値となるので界磁電圧相当値Ｅｆｄは増加し、逆に至近電圧ＶＴが電圧設定値Ｖｒｅｆより大きい（Ｖｒｅｆ-Ｖ_Ｔ<０）と一次遅れの入力は負値となるので界磁電圧相当値Ｅｆｄは減少する。

出力電圧演算部１３は同期発電機の電気特性式、いわゆるＰａｒｋ式を演算するものである。出力電圧演算部１３は、界磁電圧演算部１２の出力である界磁電圧相当値Ｅｆｄと、質点系演算部１０の出力である角周波数ωと、電流検出部６で得られる電力変換装置２の出力電流とを入力値として発電機端子電圧相当値を演算する。

電圧位相角は角周波数ωと時間との積（ωｔ）で得られるので、負荷増加等により電力系統1の周波数、即ち角周波数ωが低下した場合、機械出力演算部９と質点系演算部１０の作用により基準角周波数ω0付近に戻すよう角周波数ωは制御されるので、電力系統1の電圧位相に対して出力電圧目標Ｅｃの位相は進み方向で差がひろがり、電力系統1への供給電力が増加して、電力系統1の周波数低下を抑制するように働く。逆に、負荷減少等により電力系統1の周波数、即ち角周波数ωが上昇した場合、電力系統1の電圧位相に対して出力電圧目標Ｅｃの位相は進み方向で差が縮まるので電力系統1への供給電力が減少し、電力系統1の周波数上昇を抑制するように働く。

出力電圧演算部１３で得られる出力電圧目標Ｅｃの大きさは、界磁電圧演算部１２の出力である界磁電圧相当値Ｅｆｄと同じ方向に変化するので、電力系統1の電圧が低下すると界磁電圧相当値Ｅｆｄが大きくなり、出力電圧目標Ｅｃも大きくなるので電力系統１の電圧低下を抑制するように働く。逆に、電力系統1の電圧が上昇すると界磁電圧相当値Ｅｆｄが小さくなり、出力電圧目標Ｅｃも小さくなるので電力系統１の電圧上昇を抑制するように働く。

電力変換装置２から電力系統1へ流れる電力は太陽電池３と蓄電池４から供給される。太陽電池３の発電電力は日射量に応じて変化するため、電力変換装置２から一定の電力を電力系統1へ供給する場合は太陽電池３の発電電力との間に差が生じ、電力の過不足となる。この過不足は図６に示すように蓄電池４からの放電または蓄電池４への充電によって補われる。

なお、電圧検出部５で得られる電圧を指定値に自動制御しない場合、即ち有効電力の増減等による電圧変動を許容する場合は、電圧設定部１１で界磁電圧相当値Ｅｆｄを設定することにより界磁電圧演算部１２を省略することができる。また、同期発電機単体の特性のみが必要で角周波数ωの変動抑制が不要な場合は、有効電力設定部８で機械出力Ｔｍを設定することにより機械出力演算部９を省略することができる。

本実施形態に係る太陽光発電システムよれば、同期発電機の運動方程式、電気特性式（Ｐａｒｋ式）、同期発電機の制御装置である調速機、励磁制御装置の特性を演算する発電機特性演算装置２０の出力に基づいて電力変換制御部１４が電力変換装置２の出力電圧を制御するので、電力変換装置２は電力系統１の電圧や周波数の変化に対して同期発電機と同等に動作する。また、スケジュール通りに有効電力を出力するなど同期発電機と同様の運用も可能となるので、同期発電機と同様に扱うことができる。

上記のように本実施形態に係る太陽光発電システムによれば、電力系統全体の監視制御から見て同期発電機と同等に扱うことが可能であって、電力系統と連係して運転した場合であっても、安定した電力供給が可能な太陽光発電システムを提供することができる。

次に、本発明の第２実施形態に係る太陽光発電システムについて図面を参照して詳細に説明する。なお、以下の説明において、上述の第１実施形態に係る太陽光発電システムと同様の構成については同一の符号を付して説明を省略する。

本実施形態に係る太陽光発電システムは、発電機特性演算装置２０の電気特性演算部２１の構成が上述の第１実施形態に係る太陽光発電システムと異なっている。図７に示すように、本実施形態において、電気特性演算部２１は、電圧設定部１１と、電圧設定部１１から出力された設定値Ｖｒｅｆおよび電圧検出部５から出力された電圧値（至近電圧値）Ｖ_Ｔが供給される端子電圧制御部１５と、端子電圧制御部１５の出力値Ｅ_Ｇおよび質点系演算部１０の出力値ωが供給される電圧指令演算部１６と、電圧指令演算部１６の出力値Ｅｃ０が供給される電圧指令補正部１７と、を備えている。電圧指令補正部１７には、電圧指令演算部１６の出力値Ｅｃ０と、電流検出部６から出力された電流値Ｉ_Ｇとが供給され、出力電圧指令信号Ｅｃ´を電力変換制御部１４へ出力する。

端子電圧制御部１５は、電圧検出部５の出力である至近電圧Ｖ_Ｔを、電圧設定部１１の出力である設定値Ｖｒｅｆと等しくするように、電力変換装置２の出力電圧の振幅Ｅ_Ｇを演算する。端子電圧制御部１５は、例えば図８に示すような伝達関数を実現するように構成されている。

電圧指令演算部１６は端子電圧制御部１５の出力値Ｅ_Ｇと質点系演算部１０の出力値ωとから、電力変換装置２で出力すべき電圧を計算する。電圧指令演算部１６の出力値Ｅｃ０は、一例として下記の（１）式で得られる。なお、（１）式は１相分の電圧指令値であるが、３相の場合は（１）式と±１２０°の位相差を持つ電圧指令値とを演算すればよい。

Ｅｃ０＝ＥＧ・sinωt・・・・（１）
電圧指令補正部１７は電圧指令演算部１６の出力値Ｅｃ０を電流検出部６の出力値Ｉ_Ｇに基づいて補正する。この補正は電力変換装置２の出力電圧を同期発電機相当としたときに外部に接続されている平滑リアクトル１８の電圧降下分を補償するものであり、例えば図９に示すブロック図を実現するように構成されている。図９に示す定数Ｌは、特性を模擬する同期発電機の内部インダクタンスと平滑リアクトル１８のインダクタンスとの差に相当する値となる。

端子電圧制御部１５が至近電圧Ｖ_Ｔを設定値Ｖｒｅｆと等しくする出力電圧の振幅Ｅ_Ｇを演算し、機械出力演算部９で得た機械出力Ｔｍと有効電力検出部７で得た有効電力値Ｐｅから質点系演算部１０が同期発電機の角周波数ωを演算し、出力電圧の振幅Ｅ_Ｇと角周波数ωとを用いて電圧指令演算部１６が第１出力電圧指令Ｅｃ０を計算する。

電圧指令補正部１７では電流検出部６で得た電流値Ｉ_Ｇと定数Ｌとから求めた平滑リアクトル１８の電圧降下分により第１出力電圧指令Ｅｃ０を補正した新たな出力電圧指令Ｅｃ´を演算して、出力電圧指令Ｅｃ´を電力変換制御部１４に供給する。電力変換制御部１４では、出力電圧指令Ｅｃ´と電力変換装置２の出力電圧とが等しくなるように、電力変換装置２を制御する。

補正前の第１出力電圧指令Ｅｃ０は上記（１）式のように、質点系演算部１０の出力である角周波数ωと至近電圧（端子電圧）Ｖ_Ｔを設定値Ｖｒｅｆと等しくする出力電圧振幅ＥＧとから求めるので、電力系統１の周波数変動や電圧変動に対しては上記第１実施形態の場合と同様に、同期発電機と同等に動作する。

なお、電圧検出部５で得られる電圧を設定値に自動制御しない場合、即ち有効電力の増減等による電圧変動を許容する場合は、電圧設定部１１で出力電圧振幅Ｅ_Ｇを設定することにより端子電圧制御部１５を省略することができる。

また、角周波数ωの変動抑制が発電機の特性のみで十分な場合は、有効電力設定部８で機械出力Ｔｍを設定することにより機械出力演算部９を省略することができる。さらに、特性を模擬する同期発電機の内部リアクタンスと平滑リアクトル１８のリアクタンスとを同等とすれば、電圧指令演算部１６の出力を電力変換制御部１４に入力することにより電圧指令補正部１７を省略することができる。

上記のように、同期発電機の特性を模擬する発電機特性演算装置２０の内容を簡素化することにより、少ない演算量で同期発電機に近い特性を太陽光発電システムに付加することができる。また、スケジュール通りに有効電力を出力するなど同期発電機と同様の運用も可能となるので、同期発電機と同様に扱うことができる。すなわち、本実施形態に係る太陽光発電システムによれば、電力系統全体の監視制御から見て同期発電機と同等に扱うことが可能な太陽光発電システムを提供することができる。

なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

Ｖ_Ｔ…至近電圧（端子電圧）、Ｐｒｅｆ…有効電力設定値、Ｔｍ…機械出力（機械トルク相当値）、Ｐｅ…有効電力値、Ｖｒｅｆ…電圧設定値、Ｅｆｄ…界磁電圧相当値、Ｅｃ…出力電圧目標、Ｅｃ０…第１出力電圧指令、Ｅｃ´…出力電圧指令、１…電力系統、２…電力変換装置、３…太陽電池、４…蓄電池、５…電圧検出部、６…電流検出部、７…有効電力検出部、８…有効電力設定部、９…機械出力演算部、１０…質点系演算部、１２…界磁電圧演算部、１３…出力電圧演算部、１４…電力変換制御部、１５…端子電圧制御部、１６…電圧指令演算部、１７…電圧指令補正部、２０…発電機特性演算装置、２１…電気特性演算部。

Claims (5)

1. 太陽電池と、前記太陽電池から出力された電力を充電するとともに電力変換装置へ直流電力を放電する蓄電池とを含む直流電源と、
   前記直流電源から出力された直流電力を交流電力に変換して電力系統に供給する前記電力変換装置と、
   前記電力変換装置と前記電力系統との接続点の電圧を検出する電圧検出部と、
   前記電力変換装置から出力された電流を検出する電流検出部と、
   前記電圧検出部で検出された電圧値と前記電流検出部で検出された電流値とから有効電力を検出する有効電力検出部と、
   前記有効電力検出部で検出された有効電力値と有効電力の出力目標値とに基づいて、有効電力値が減少した場合に角周波数を上昇させるとともに、有効電力値が増加した場合に角周波数を低下させるように、前記電力変換装置から出力される電圧の角周波数を演算する質点系演算部と、
   前記角周波数と、前記電流検出部で検出された電流値と、設定電圧値とに基づいて、
   電力系統の周波数が低下した場合には、系統電圧位相に対して出力電圧の目標値の位相差が進み方向で広がるように、前記電力変換装置の出力電圧目標値を演算する電気特性演算部と、
   前記出力電圧目標値に応じて前記電力変換装置を制御する電力変換制御部と、を備えた太陽光発電システム。
2. 前記電気特性演算部には前記電圧検出部で検出された電圧値がさらに供給され、
   前記電気特性演算部は、前記電圧検出部で検出された電圧値と前記設定電圧値とに基づいて界磁電圧相当値を演算して出力する界磁電圧演算部と、前記電流検出部で検出された電流値と前記角周波数と前記界磁電圧相当値とに基づいて前記電力変換装置の出力電圧目標値を演算する出力電圧演算部と、を有する請求項１記載の太陽光発電システム。
3. 前記電気特性演算部は、前記角周波数と設定された出力電圧振幅とに基づいて第１出力電圧目標を計算する電圧指令演算部と、前記電流検出部で検出された電流値に基づいて前記第１出力電圧目標を補正して出力電圧目標を出力する電圧指令補正部と、を有する請求項１記載の太陽光発電システム。
4. 前記電気特性演算部には前記電圧検出部で検出された電圧値がさらに供給され、
   前記電気特性演算部は、前記電圧検出部で検出された電圧値と電圧設定値とを等しくするための出力電圧振幅を計算する端子電圧制御部と、前記角周波数と前記出力電圧振幅とに基づいて第１出力電圧目標を計算する電圧指令演算部と、前記電流検出部で検出された電流値に基づいて前記第１出力電圧目標を補正して出力電圧目標を出力する電圧指令補正部と、を有する請求項１記載の太陽光発電システム。
5. 前記有効電力設定部の出力と前記質点系演算部の出力に基づいて同期発電機の機械出力を計算する機械出力演算部をさらに備え、
   前記質点系演算部は、前記機械出力と前記有効電力検出部で検出された有効電力値とに基づいて、前記電力変換装置から出力される電圧の角周波数を演算するように構成された請求項１乃至請求項４記載の太陽光発電システム。

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