JP6546501B2 - 蓄電装置 - Google Patents

Description

本発明は、太陽光発電装置から出力される電力の変動を抑制する蓄電装置に関する。

電力の変動を抑制する装置として、例えば、特許文献１に記載された電力平準化装置が知られている。この電力平準化装置は、自然エネルギー発電装置に、直流変換部としてのパワーコンディショナ（ＰＣＳ）が接続され、ＰＣＳの直流リンク部に蓄電装置が接続されて構成されている。近年、太陽光発電装置（ＰＶ）から出力される電力が利用されている。しかし、前述した電力平準化装置では、専用のＰＣＳが必要となるため、専用のＰＣＳを既存のＰＶに接続することが困難であった。

また、従来の電力変動抑制装置は、図６に示すように、ＰＶ３００、ＰＶ３００に接続されるＰＣＳ２００、ＰＣＳ２００及び系統１００に接続される蓄電装置４００を有して構成されている。系統１００とＰＣＳ２００との間には、電力変換器４０１と蓄電デバイス４０２とを有する蓄電装置４００が接続されている。

この電力変動抑制装置によれば、蓄電デバイス４０２で充放電を行うことで、電力の平準化を行うことができる。

特開２００２−７８２０５号公報

しかしながら、図６に示す従来の電力変動抑制装置では、日射量の急変等によりＰＶ３００の発電電力が低下することにより、ＰＣＳ２００が停止し、ＰＣＳ２００が再起動するまでに時間がかかる。このため、売電電力が目減りするといった問題があった。

本発明の課題は、ＰＶの発電電力の急峻な電力変動を抑制するとともに、ＰＶの出力低下によりＰＣＳが停止する回数を低減することができる蓄電装置を提供することにある。

本発明に係る蓄電装置は、太陽光発電装置から入力される発電電力をパワーコンディショナに出力する蓄電装置であって、蓄電デバイスと、前記太陽光発電装置の発電電力を変換して前記蓄電デバイスを充電させ、前記蓄電装置を放電させることにより、変換した電力を前記パワーコンディショナに出力する電力変換装置と、前記電力変換装置を制御する制御部とを備え、前記制御部は、前記太陽光発電装置の発電電力と前記パワーコンディショナに出力される電力とに基づき前記蓄電デバイスを充放電させるための充放電指令を演算し、前記充放電指令を前記電力変換装置に出力し、前記太陽光発電装置の出力電圧及び出力電流の少なくとも一方が前記パワーコンディショナの動作範囲外にあると判定した場合に、前記パワーコンディショナの動作範囲内に入るように前記蓄電デバイスを放電させるための放電指令を前記電力変換装置に出力し、前記パワーコンディショナに出力される電圧を所定の時間間隔毎に検出する電圧センサと、前記パワーコンディショナに出力される電流を前記所定の時間間隔毎に検出する電流センサとを備え、前記パワーコンディショナは、前記電圧センサからの電圧値又は前記電流センサからの電流値を変化させながら電圧値と電流値の乗算である電力値を算出し、今回算出した電力値を前回算出した電力値と比較することにより最大電力点になるよう最大電力点追従制御を前記動作範囲内で行い、前記パワーコンディショナの動作範囲は、前記太陽光発電装置の温度と前記最大電力点追従制御により最大電力点を探査する際の振れ幅とにより決定される電圧範囲と、前記太陽光発電装置に照射される日射量により決定される電流範囲とから決定されることを特徴とする。

本発明によれば、制御部が太陽光発電装置の発電電力とパワーコンディショナに出力される電力とに基づき蓄電デバイスを充放電させるための充放電指令を演算し、充放電指令を電力変換装置に出力するので、電力変換装置は、充放電指令に従って太陽光発電装置の発電電力を蓄電デバイスに充電したり、蓄電デバイスを放電することにより、変換した電力をパワーコンディショナに出力する。

従って、太陽光発電装置の発電電力の急峻な電力変動を抑制することができるとともに、太陽光発電装置の出力低下によりパワーコンディショナが停止する回数を低減することができる。

本発明の実施例１に係る蓄電装置及び蓄電装置を含む電力変動抑制装置の構成を示す図である。 本発明の実施例１に係る蓄電装置を含む電力変動抑制装置においてＰＶ３の出力電圧と出力電流との温度依存特性を示す図である。 本発明の実施例１に係る蓄電装置を含む電力変動抑制装置においてＰＶ３の出力電圧と出力電流との照度依存特性を示す図である。 本発明の実施例１に係る蓄電装置を含む電力変動抑制装置においてＰＣＳのＭＰＰＴ制御時の電圧と電力との関係を示す図である。 本発明の実施例１に係る蓄電装置を含む電力変動抑制装置において電流と電圧とのカーブにおける発電出力変動抑制制御を示す図である。 従来の電力変動抑制装置を示す図である。

以下、本発明の実施の形態の蓄電装置について、図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は、本発明の実施例１に係る蓄電装置及び蓄電装置を含む電力変動抑制装置の構成を示す図である。図１において、電力変動抑制装置は、ＰＣＳ２、ＰＶ３、接続箱４、蓄電装置５を備えている。

ＰＣＳ２は、電力変換を行うもので電力系統１に接続され、ＰＶ３には接続箱４が接続されている。なお、接続箱４を設けず、ＰＶ３を直接、蓄電装置５に接続するように構成することもできる。ＰＶ３は、太陽光により発電し、発電量を接続箱４を介して蓄電装置５に出力する。

蓄電装置５は、ＰＣＳ２と、接続箱４を介するＰＶ３との間に接続され、ＰＶ３の発電電力の急峻な電力変動を抑制するとともに、ＰＶ３の出力低下によりＰＣＳ２が停止する回数を低減する。蓄電装置５は、電力変換器１１、蓄電デバイス１２、電圧センサ１４，１６、電流センサ１５，１７、制御装置１３を有している。

蓄電デバイス１２は、鉛蓄電池、リチウムイオン電池などである。電力変換器１１は、本発明の電力変換装置に対応し、ＰＶ３の発電電力を変換して蓄電装置１２を充電させ、蓄電装置１２を放電させることにより、変換した電力をＰＣＳ２に出力する。

電圧センサ１４は、ＰＣＳ２の蓄電装置側の出力電圧を検出し、検出された出力電圧を制御装置１３に出力する。電流センサ１５は、ＰＣＳ２の蓄電装置側の出力電流を検出し、検出された出力電流を制御装置１３に出力する。

電圧センサ１６は、ＰＶ３の出力電圧を検出し、検出された出力電圧を制御装置１３に出力する。電流センサ１７は、ＰＶ３の出力電流を検出し、検出された出力電流を制御装置１３に出力する。

制御装置１３は、本発明の制御部に対応し、電力変換器１１を制御する。制御装置１３は、電圧センサ１４からの出力電圧と電流センサ１５からの出力電流とを乗算することによりＰＣＳ２に出力される電力を算出する。制御装置１３は、電圧センサ１６からの出力電圧と電流センサ１７からの出力電流とを乗算することによりＰＶ３の発電電力を算出する。

制御装置１３は、ＰＶ３から入力される発電電力とＰＣＳ２に出力される電力とに基づき蓄電デバイス１２を充放電させるための充放電指令を演算し、充放電指令を電力変換器１１に出力する。

また、制御装置１３は、ＰＶ３の出力電圧及び出力電流がＰＣＳ２の動作範囲外にあると判定した場合に、ＰＣＳ２の動作範囲内に入るように蓄電デバイス１２を放電させるための放電指令を電力変換器１１に出力する。

次に、実施例１の蓄電装置を含む電力変動抑制装置の各構成について詳しく説明する。

（ＰＶ３の発電特性）
次に、ＰＶ３の発電特性について説明する。図２は本発明の実施例１に係る蓄電装置を含む電力変動抑制装置においてＰＶ３の出力電圧と出力電流との温度依存特性を示す図である。図３は本発明の実施例１に係る蓄電装置を含む電力変動抑制装置においてＰＶ３の出力電圧と出力電流との照度依存特性を示す図である。

ＰＶ３は、図２に示すように、温度が高くなると、最大発電出力Ｐｍａｘが減少し、温度が低くなると、最大発電出力Ｐｍａｘが増加する特性を有する。この特性において、電流要素である短絡電流Ｉｓｃと、最大発電時電流Ｉｐｍａｘと、電圧要素である開放電圧Ｖｏｃと、最大発電時電圧Ｖｐｍａｘとの関係に着目すると、電圧要素は、電流要素と比較して温度の高低に大きく依存する。

また、ＰＶ３に照射される照度（日射量）により、電流要素である短絡電流Ｉｓｃは、図３に示すように照度に比例して増加する。電圧要素である開放電圧Ｖｏｃは、ある一定以上の照度では大きく変化しない。このため、ＰＶ３は、ある一定以上の照度では比例して発電出力が増加する。

（ＰＣＳ２の最大電力点追従制御）
次に、ＰＣＳ２について説明する。ＰＶ３の発電出力を最大限に生かすために、ＰＣＳ２は、最大電力点追従制御（ＭＰＰＴ制御）を行う。このため、ＰＶ３が発電している際には、ＰＶ３の出力電圧と出力電流は、一定の電圧値と一定の電流値の範囲、即ち、図２に示す温度依存性による電圧範囲Ａと、図３に示す照度依存性による電流範囲Ｂの範囲内に入る。

電圧範囲Ａは、ＰＶ３の温度によるものと、最大電力点追従制御（ＭＰＰＴ制御）とにより最大電力点を探査する際の振れ幅により決定される。電流範囲Ｂは、ＰＶ３に照射される日射量により決定される。

なお，電流範囲Ｂは、ＰＶ３に照射される照度（日射量）に比例した値となるが、ＰＶ３の発電出力量が、接続された負荷であるＰＣＳ２による消費量より大きい場合には負荷量に応じた電流が流れる。

（蓄電装置５によるＰＶ３の発電出力の変動抑制制御）
次に、ＰＶ３の発電特性とＰＣＳ２の制御動作を考慮し、蓄電装置５によるＰＶ３の発電出力の変動抑制制御について説明する。ＰＣＳ２は、最大電力点を探査する際に、図４に示すＰＶ３の発電出力Ｐと電圧Ｖとの特性（Ｐ−Ｖカーブ）に示すように、ある時間間隔で電圧センサ１４からの電圧値又は電流センサ１５からの電流値を変化させながら電圧値と電流値の乗算である電力値を算出し、今回算出した電力値を前回算出した電力値と比較することにより最大電力点になるようＭＰＰＴ制御をＰＣＳ動作範囲Ｒ内で行う。

蓄電装置５は、ＰＶ３の発電出力の変動を抑制制御するとともに、日射量急減等によるＰＣＳ２の停止を抑制する。このため、ＰＣＳ２のＭＰＰＴ制御範囲を考慮して、蓄電デバイス１２の充電制御と放電制御を行う。

次に、蓄電装置５によるＰＶ３の発電出力の変動抑制制御について、図５に示すＰＶ３の出力電流Ｉと出力電圧Ｖの特性（Ｉ−Ｖカーブ）を利用して説明する（Ｉ−ＶカーブはＰ−Ｖカーブと同意の特性である）。

ＰＣＳ２は、基本的に、図５に示す点Ｐ１、点Ｐ２、点Ｐ３及び点Ｐ４で囲まれるＰＣＳ動作範囲Ｒ内においてＭＰＰＴ制御する。これは、ＭＰＰＴ制御の特性上、ある時間間隔で電圧値又は電流値を変化させているため、綺麗な直線で示される電力値（電圧値と電流値）の関係とはならないからである。

また、ＰＶ３の温度により電圧値も多少変化することから、ある程度の幅を持つ範囲による関係となる。
点Ｐ１ 電圧要素値：最大出力動作電圧Ｖｐｍａｘ値−（開放電圧Ｖｏｃ×１２０％値−最大出力動作電圧Ｖｐｍａｘ値）
電流要素値：短絡電流Ｉｓｃ値
点Ｐ２ 電圧要素値：開放電圧Ｖｏｃ×１２０％値
電流要素値：短絡電流Ｉｓｃ値
点Ｐ３ 電圧要素値：最大出力動作電圧Ｖｐｍａｘ値−（開放電圧Ｖｏｃ×１２０％値−最大出力動作電圧Ｖｐｍａｘ値）
電流要素値：最大出力動作電流Ｉｐｍａｘ×２０％値
点Ｐ４ 電圧要素値：開放電圧Ｖｏｃ×１２０％値
電流要素値：最大出力動作電流Ｉｐｍａｘ×２０％値
ここで、ＰＣＳ２のために設けられた電圧センサ１４と電流センサ１５は、直流系統の出力電圧値と出力電流値を常時測定し、ＰＶ３のために設けられた電圧センサ１６と電流センサ１７は、直流系統の出力電圧値と出力電流値を常時測定する。

制御装置１３は、日射量急減などによりＰＣＳ２が停止しないようＰＣＳ動作範囲となるように蓄電デバイス１２の放電制御を行う。また、制御装置１３は、蓄電デバイス１２への充電制御も行う。

具体的には、電圧センサ１４，１６は、ある時間間隔（サンプリング時間）で直流系統の出力電圧値を測定し、電流センサ１５，１７は、ある時間間隔（サンプリング時間）で直流系統の出力電流値を測定する。

制御装置１３は、電圧センサ１６の出力電圧値及び電流センサ１７の出力電流値の測定値が、予め設定されたＰＣＳ動作範囲Ｒ内に入っているか否かを判定する。

また、制御装置１３は、電圧センサ１６の出力電圧値及び電流センサ１７の出力電流値に基づく発電電力の今回測定値と、発電電力の前回測定値とを比較してＰＣＳ２が停止する範囲になりそうかを判定するために、発電電力の前回測定値又は発電電力の複数の過去測定値から発電電力の測定値の変化率を算出する。

制御装置１３は、これら２つの判定要素より、ＰＶ３の出力電圧値及び出力電流値（発電電力の測定値の変化率）がＰＣＳ動作範囲Ｒ外、即ち、動作停止範囲にある場合又はＰＣＳ２が動作停止範囲に入る可能性がある場合に、ＰＣＳ動作範囲Ｒ内に入る電圧値と電流値（電力値）となるように蓄電デバイス１２の放電制御を行うための放電指令を電力変換器１１に出力する。

なお、ＰＶ３の特性上、日射量急減により発電量が減少しても電圧値は、大きく変化しないため、制御装置１３は、電流値を優先して蓄電デバイス１２の放電を制御する。

制御装置１３は、放電制御を行っていない場合に、蓄電デバイス１２へ所定の充電電流で充電させるように充電指令を電力変換器１１に出力する。

次に、制御定数の決定について説明する。ＰＣＳ動作範囲において、ＰＣＳ２が停止する範囲は、ＰＣＳ自体の制御に依存するが、概ね日射量急減によりＰＣＳ２の発電量が減少し、電流値がＩｐｍａｘの２０％以下に達すると、即ち、図５に示すＰＣＳ動作範囲Ｒ外になると、ＰＣＳ停止範囲になる。このため、この停止範囲となると予想された場合に、制御装置１３は、蓄電デバイス１２の放電制御を行う。

また、測定データのサンプリング時間により電流値の変化率を算出して、放電制御する際のＩｐｍａｘ２０％以下に達するか否かを判定している。しかし、発電量が急減してしまうと、ＰＣＳ２が即停止してしまうため、電圧値が大きく変化した場合には、蓄電デバイス１２の充電制御を停止させて放電制御のみを行い、可能な限りＰＣＳ２の停止を抑制する。

なお、最大発電出力Ｐｍａｘなどの具体的な数値は、ＰＣＳ２に接続されているＰＶ３の開放電圧、短絡電流、抵抗等の諸元（基準条件（ＳＴＣ：Standard Test Cell conditions 条件）値を用いて、直列接続されたＰＶ３の個数分だけ乗じた電圧値、並列接続されたストリング数分だけ乗じた電流値とすればよい。

このように実施例１の蓄電装置によれば、制御装置１３がＰＶ３の発電電力とＰＣＳ２の出力電力とに基づき蓄電デバイス１２を充放電させるための充放電指令を演算し、充放電指令を電力変換器１１に出力するので、電力変換器１１は、充放電指令に従ってＰＶ３の発電電力を蓄電デバイス１２に充電したり、蓄電デバイス１２を放電することにより、変換した電力をＰＣＳ２に出力する。

即ち、蓄電装置は、充電制御と放電制御を組み合わせ、ＰＶの発電電力の急峻な電力変動を抑制することができるとともに、ＰＶの出力低下によりＰＣＳが停止する回数を低減することができる。

１ 電力系統
２ ＰＣＳ
３ ＰＶ
４ 接続箱
５ 蓄電装置
１１ 電力変換器
１２ 蓄電デバイス
１３ 制御装置
１４，１６ 電圧センサ
１５，１７ 電流センサ

Claims (3)

1. 太陽光発電装置から入力される発電電力をパワーコンディショナに出力する蓄電装置であって、
   蓄電デバイスと、
   前記太陽光発電装置の発電電力を変換して前記蓄電デバイスを充電させ、前記蓄電装置を放電させることにより、変換した電力を前記パワーコンディショナに出力する電力変換装置と、
   前記電力変換装置を制御する制御部とを備え、
   前記制御部は、前記太陽光発電装置の発電電力と前記パワーコンディショナに出力される電力とに基づき前記蓄電デバイスを充放電させるための充放電指令を演算し、前記充放電指令を前記電力変換装置に出力し、前記太陽光発電装置の出力電圧及び出力電流の少なくとも一方が前記パワーコンディショナの動作範囲外にあると判定した場合に、前記パワーコンディショナの動作範囲内に入るように前記蓄電デバイスを放電させるための放電指令を前記電力変換装置に出力し、
   前記パワーコンディショナに出力される電圧を所定の時間間隔毎に検出する電圧センサと、
   前記パワーコンディショナに出力される電流を前記所定の時間間隔毎に検出する電流センサとを備え、
   前記パワーコンディショナは、前記電圧センサからの電圧値又は前記電流センサからの電流値を変化させながら電圧値と電流値の乗算である電力値を算出し、今回算出した電力値を前回算出した電力値と比較することにより最大電力点になるよう最大電力点追従制御を前記動作範囲内で行い、
   前記パワーコンディショナの動作範囲は、前記太陽光発電装置の温度と前記最大電力点追従制御により最大電力点を探査する際の振れ幅とにより決定される電圧範囲と、前記太陽光発電装置に照射される日射量により決定される電流範囲とから決定されることを特徴とする蓄電装置。
2. 太陽光発電装置から入力される発電電力をパワーコンディショナに出力する蓄電装置であって、
   蓄電デバイスと、
   前記太陽光発電装置の発電電力を変換して前記蓄電デバイスを充電させ、前記蓄電装置を放電させることにより、変換した電力を前記パワーコンディショナに出力する電力変換装置と、
   前記電力変換装置を制御する制御部とを備え、
   前記制御部は、前記太陽光発電装置の発電電力と前記パワーコンディショナに出力される電力とに基づき前記蓄電デバイスを充放電させるための充放電指令を演算し、前記充放電指令を前記電力変換装置に出力し、前記太陽光発電装置の発電電力の変化率を算出し、算出された発電電力の変化率に基づき前記パワーコンディショナの動作範囲外にあると判定した場合に、前記パワーコンディショナの動作範囲内に入るように前記蓄電デバイスを放電させるための放電指令を前記電力変換装置に出力し、
   前記パワーコンディショナに出力される電圧を所定の時間間隔毎に検出する電圧センサと、
   前記パワーコンディショナに出力される電流を前記所定の時間間隔毎に検出する電流センサとを備え、
   前記パワーコンディショナは、前記電圧センサからの電圧値又は前記電流センサからの電流値を変化させながら電圧値と電流値の乗算である電力値を算出し、今回算出した電力値を前回算出した電力値と比較することにより最大電力点になるよう最大電力点追従制御を前記動作範囲内で行い、
   前記パワーコンディショナの動作範囲は、前記太陽光発電装置の温度と前記最大電力点追従制御により最大電力点を探査する際の振れ幅とにより決定される電圧範囲と、前記太陽光発電装置に照射される日射量により決定される電流範囲とから決定されることを特徴とする蓄電装置。
3. 前記制御部は、前記放電指令による放電制御を行っていない場合には、前記蓄電デバイスに所定の充電電流を流すための充電指令を前記電力変換装置に出力することを特徴とする請求項１又は請求項２記載の蓄電装置。

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