JP7261078B2 - 分散型電源システム - Google Patents

Description

本発明は、分散型電源システムに関する。

分散型電源システムの一例として、太陽電池を用いた太陽光発電システムがある（例えば、特許文献１）。かかる太陽光発電システムでは、太陽電池が設置された需要家側から電力系統に電力を供給する逆潮流が可能である。

特開２０１８－１７０９３３号公報

電力系統は、負荷に安定した電力を供給するために、需要家における受電点の受電電圧が所定範囲内（具体的には、９５Ｖ～１０７Ｖ）になるように制御されている。受電電圧が所定範囲の上限値（許容上限値）に達している状況で、需要家側から電力系統に電力が供給されると、電力系統の電圧が上昇し、その結果、各需要家における受電点の受電電圧が許容上限値を超えるおそれがある。このため、逆潮流が可能な分散型電源システムでは、受電電圧が許容上限値を超えないようにするために、受電電圧が許容上限値に近づくと、逆潮流となっているか否かに拘わらず、分散型電源の出力を抑制する出力抑制制御が行われる。

しかし、このような出力抑制制御が行われると、分散型電源が設置された需要家内の負荷の消費電力を、分散型電源から供給する電力で賄いきれなくなる場合がある。そうすると、分散型電源の利用効率が低下してしまう。

本発明は、このような課題に鑑み、分散型電源の利用効率の低下を抑制可能な分散型電源システムを提供することを目的としている。

上記課題を解決するために、本発明の分散型電源システムは、電力系統からの受電点における電力を計測するスマートメータと、他のエネルギーを電気エネルギーに変換して電気を生成する発電部と、電力系統と発電部との間の電流経路に設けられ、発電部で発電された電力を変換する電力変換部と、出力制御部と、を備え、受電点における受電電圧の許容可能な所定範囲の上限値が、許容上限値であり、許容上限値より低く、許容上限値付近に設定された電圧が、第１電圧であり、出力制御部は、受電電圧が第１電圧以下であると判定した場合、電力変換部の出力電圧が許容上限値で一定となるように定電圧制御を行い、受電電圧が第１電圧を超えると判定した場合、受電点における電力に基づいて導出される潮流方向が逆潮流であるかを判定し、受電電圧が第１電圧を超え、かつ、潮流方向が逆潮流であると判定した場合、電力変換部の出力電圧を第１電圧より低い電圧に低下させ、受電電圧が第１電圧を超え、かつ、潮流方向が順潮流であると判定した場合、電力変換部の出力電圧が許容上限値で一定となるように定電圧制御を行う。

また、スマートメータは、受電点における受電電圧を計測し、出力制御部は、スマートメータで計測された受電電圧を用いて、受電電圧が第１電圧を超えるか否かの判断を行ってもよい。

本発明によれば、分散型電源の利用効率の低下を抑制可能となる。

本実施形態による分散型電源システムの構成を示す概略図である。 出力制御部の動作の流れを説明するフローチャートである。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の実施形態の態様について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値等は、発明の理解を容易とするための例示にすぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。

図１は、本実施形態による分散型電源システム１の構成を示す概略図である。図１では、制御信号の流れを破線の矢印で示している。

分散型電源システム１は、例えば、太陽光発電装置などの分散型電源１０を含む太陽光発電システムである。分散型電源システム１では、分散型電源１０が設置された需要家側から電力系統１２に電力を供給することができる。以後、電力の供給方向を潮流方向と呼ぶ場合がある。また、電力系統１２から需要家側に電力が供給されることを、順潮流と呼ぶ場合があり、需要家側から電力系統１２に電力が供給されることを、逆潮流と呼ぶ場合がある。

分散型電源システム１は、分散型電源１０の他、スマートメータ２０、分電盤２２および負荷２４を含む。

スマートメータ２０は、電力系統１２に接続され、需要家における電力系統１２からの受電点に設置される。受電点は、需要家と電力系統１２との境界を示す。スマートメータ２０は、計測部３０、通信部３２およびサービスブレーカ３４を含む。なお、図１では、サービスブレーカ３４をＳＢと表記している。

計測部３０は、受電点を流れる電流、受電点にかかる電圧（受電点における受電電圧）、受電点における電流および電圧の位相差から導出される力率、受電点における電力（受電点を通じる電力）、および、受電点における所定時間分（例えば、３０分）の電力量（ｋＷｈ）を計測する。なお、計測部３０は、受電点における順潮流の電力を正値として計測し、受電点における逆潮流の電力を負値として計測してもよい。つまり、受電点の電力は、順潮流だけでなく逆潮流の場合も含まれる。

通信部３２は、外部と通信（無線通信または有線通信）を確立し、計測部３０の計測結果などの内部情報（例えば、受電点における受電電圧および電力など）を外部に送信することができる。例えば、通信部３２は、無線ＬＡＮなどを通じて分散型電源１０と通信を確立し、分散型電源１０に内部情報を送信することができる。

サービスブレーカ３４は、契約電流容量を超過する電流が流れたときに遮断される。なお、サービスブレーカ３４の機能は、分電盤２２に設けられてもよい。

分電盤２２は、需要家の屋内に設置され、スマートメータ２０に接続される。分電盤２２は、漏電ブレーカ４０、複数の分岐ブレーカ４２ａ、４２ｂを含む。なお、図１では、漏電ブレーカ４０をＥＬＢと表記している。

漏電ブレーカ４０は、スマートメータ２０のサービスブレーカ３４に接続される。漏電ブレーカ４０は、漏電が生じた場合に遮断される。漏電ブレーカ４０には、複数の分岐ブレーカ４２ａ、４２ｂが接続される。以後、複数の分岐ブレーカ４２ａ、４２ｂを総称して、分岐ブレーカ４２と呼ぶ場合がある。なお、漏電ブレーカ４０に接続される分岐ブレーカ４２の数は、２個に限らず、１個でもよいし、３個以上であってもよい。

複数の分岐ブレーカ４２のうち、例えば、分岐ブレーカ４２ａには、負荷２４が接続される。電力系統１２は、分電盤２２を通じて負荷２４に電力を供給することができる。また、複数の分岐ブレーカ４２のうち、例えば、分岐ブレーカ４２ｂには、分散型電源１０が接続される。

分散型電源１０は、例えば、需要家において発電する太陽光発電装置である。なお、分散型電源１０は、太陽光発電装置に限らず、風力発電機、水力発電機、地熱発電機、太陽熱発電機、大気中熱発電機等の再生可能エネルギー発電設備であってもよいし、燃料電池、内燃力発電機、蓄電池等であってもよい。

分散型電源１０は、発電部５０およびパワーコンディショナ５２を含む。発電部５０は、電力系統１２とは独立して構成される。発電部５０は、例えば、太陽電池で構成され、他のエネルギー（電気エネルギー以外のエネルギー）を電気エネルギーに変換して電気を生成（発電）する。

パワーコンディショナ５２は、電力変換部６０、通信部６２および制御部６４を含む。発電部５０は、電力変換部６０を通じて分電盤２２の分岐ブレーカ４２ｂに接続される。

電力変換部６０は、発電部５０で発電された電力を変換して分電盤２２に出力する。つまり、発電部５０は、電力変換部６０および分電盤２２を通じて負荷２４に接続可能であり、発電した電力を負荷２４に供給可能である。

また、上述のように、発電部５０は、電力変換部６０を通じて分電盤２２に接続され、分電盤２２は、スマートメータ２０を通じて電力系統１２に接続される。その結果、発電部５０は、電力変換部６０および分電盤２２を通じて電力系統１２に接続されることとなる。換言すると、電力変換部６０は、電力系統１２と発電部５０との間の電流経路に設けられる。このため、発電部５０は、発電した電力のうち余剰電力（負荷２４で消費されない残りの電力）を、分電盤２２およびスマートメータ２０を通じて電力系統１２に供給可能である。つまり、需要家は、余剰電力を電力系統１２側に売電することができる。

電力変換部６０は、具体的には、ＤＣ／ＤＣコンバータ７０およびインバータ７２を含む。ＤＣ／ＤＣコンバータ７０は、発電部５０で発生した直流電圧を、所望の直流電圧に変換してインバータ７２に出力する。ＤＣ／ＤＣコンバータ７０は、例えば、昇圧チョッパである。

インバータ７２は、ＤＣ／ＤＣコンバータ７０による変換後の直流電圧を、商用周波数（５０Ｈｚまたは６０Ｈｚ）の交流電圧に変換して分電盤２２に出力する。

通信部６２は、外部と通信（無線通信または有線通信）を確立し、少なくとも情報を受信できる。通信部６２は、例えば、スマートメータ２０の通信部３２と通信を確立し、スマートメータ２０の内部情報を受信する。具体的には、通信部６２は、スマートメータ２０で計測された受電点における受電電圧および電力を受信できる。

制御部６４は、中央処理装置（ＣＰＵ）、プログラム等が格納されたＲＯＭ、ワークエリアとしてのＲＡＭ等を含む半導体集積回路から構成される。制御部６４は、プログラムを実行することで、電力変換部６０を制御する出力制御部８０として機能する。

ところで、電力系統１２では、負荷２４に安定した電力を供給するために、需要家における受電電圧が所定範囲内（具体的には、９５Ｖ～１０７Ｖ）になるように制御されている。需要家は、逆潮流が可能な分散型電源１０に限り、逆潮流させても受電電圧が上述の所定範囲内に維持される状況で、逆潮流させる（売電する）ことができる。以下、受電電圧の許容可能な所定範囲の上限値（具体的には、１０７Ｖ）を、許容上限値と呼ぶ。

出力制御部８０は、基本的には、発電部５０から出力される電圧および電流の計測値に基づいて、発電部５０から出力される電力が最大となるように、ＤＣ／ＤＣコンバータ７０について最大電力点追従制御（ＭＰＰＴ制御）を行う。

また、出力制御部８０は、電力系統１２の電力を電力変換制御用の電力として取得する。例えば、出力制御部８０は、電力変換制御用の電力を、電力変換部６０を通じた電流経路とは別個の不図示の電流経路を通じて取得する。出力制御部８０は、取得された電力変換制御用の電力に基づいて、インバータ７２による電力変換後の周波数および位相が電力系統１２の周波数および位相に合うようにインバータ７２を制御する。

また、出力制御部８０は、基本的には、インバータ７２（電力変換部６０）の出力電圧が所定の電圧（以後、第２電圧と呼ぶ場合がある）で一定となるように、インバータ７２について定電圧制御を行う。ここでの所定の電圧（第２電圧）は、例えば、上述の許容上限値である。インバータ７２の出力電圧を第２電圧（許容上限値）とすることで、電力系統１２に対してインバータ７２の出力電圧が高くなり、逆潮流させることができる。

ここで、電力系統１２から各需要家に供給される電力と各需要家での消費電力とのバランスがとれている状況で、電力系統１２に電力が供給（逆潮流）されると、電力系統１２の電力が余剰となり、電力系統１２の電圧が上昇する。電力系統１２の電圧が上昇して各需要家での受電電圧が許容上限値に達している状況で、さらに電力系統１２に電力が供給されると、各需要家の受電点における受電電圧が許容上限値を超えるおそれがある。

受電点における受電電圧が許容上限値を超えてはならないため、逆潮流が可能な分散型電源１０の出力制御部８０は、受電点における受電電圧が許容上限値に近づくと、分散型電源１０の出力を抑制する出力抑制制御を行う。具体的には、出力制御部８０は、電力変換部６０の出力電圧を、定電圧制御していた第２電圧より低下させる。さらに具体的には、出力制御部８０は、電力変換部６０の出力を、電力系統１２の電圧よりも低下させる。そうすると、逆潮流が防止され、その結果、受電電圧がさらに上昇することを回避でき、受電電圧を許容上限値以下に維持することが可能となる。

しかし、単に、電力変換部６０の出力電圧を低下させると、分散型電源１０が設置された需要家内（構内）の負荷２４の消費電力を、分散型電源１０から供給する電力で賄いきれなくなる場合がある。そうすると、分散型電源１０の利用効率が低下してしまう。

そこで、本実施形態の分散型電源システム１の出力制御部８０は、以下のような制御を行う。出力制御部８０は、通信部６２を通じて、スマートメータ２０から受電点における受電電圧および電力を取得する。出力制御部８０は、取得した受電電圧が所定の第１電圧を超えたか否かを判断する。第１電圧は、許容上限値より低く、その許容上限値付近の電圧に設定される。例えば、第１電圧は、１０５Ｖなどに設定される。また、上述の第２電圧の具体例が許容上限値であるため、第１電圧は、第２電圧より低い。

出力制御部８０は、受電電圧が第１電圧以下である場合、通常制御を行う。つまり、出力制御部８０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ７０についてＭＰＰＴ制御を行い、電力変換部６０の出力電圧が第２電圧（許容上限値）で一定となるようにインバータ７２について定電圧制御を行う。以後、電力変換部６０の出力電圧が第２電圧で一定となるように定電圧制御を行っている時を、通常時と呼ぶ場合がある。

出力制御部８０は、受電電圧が第１電圧を超えた場合、受電点における潮流方向によって電力変換部６０の制御を異ならせる。

具体的には、出力制御部８０は、スマートメータ２０から取得された受電点における電力に基づいて、受電点における潮流方向を導出する。具体的には、出力制御部８０は、スマートメータ２０から取得された電力が負値であれば、潮流方向が逆潮流であるとし、正値であれば、潮流方向が順潮流であるとする。

なお、潮流方向は、スマートメータ２０において導出されてもよい。この場合、出力制御部８０は、スマートメータ２０から潮流方向の導出結果を取得してもよい。

潮流方向が逆潮流である場合、出力制御部８０は、出力抑制制御を行う。つまり、出力制御部８０は、電力変換部６０の出力電圧を第２電圧より低下させる。換言すると、出力制御部８０は、電力変換部６０の出力電圧が第２電圧より低い電圧で一定となるように定電圧制御する。電力変換部６０の出力電圧を低下させると、受電点における受電電圧よりも電力変換部６０の出力電圧を低くすることができる。これにより、逆潮流となることが中止され、受電点における受電電圧を許容上限値以下に維持することができる。

具体的には、出力制御部８０は、インバータ７２に送信するパルス幅変調（ＰＷＭ）信号のデューティ比を、通常時のデューティ比より小さくさせる。これにより、インバータ７２におけるスイッチング素子のオン時間の比率が小さくなり、電力変換部６０の出力電圧が低下する。

低下させる出力電圧の目標値は、例えば、第１電圧（例えば、１０５Ｖ）よりも低い電圧（例えば、１０４Ｖなど）に設定される。つまり、出力制御部８０は、電力変換部６０の出力電圧を、第２電圧よりも低い第１電圧よりもさらに低くさせる。受電電圧が第１電圧を超えている状態であるため、電力変換部６０の出力電圧は、第１電圧よりも低い値に制御されることで、受電点における受電電圧よりも低くなる。これにより、逆潮流となることをより確実に中止することができ、その結果、受電点における受電電圧が許容上限値を超えることを、より確実に防止できる。なお、低下させる出力電圧の目標値の具体的な設定値は、この例に限らない。

また、電力変換部６０の出力電圧を低下させる具体的な方法は、インバータ７２のデューティ比を小さくさせる態様に限らない。例えば、出力制御部８０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ７０におけるＭＰＰＴ制御を停止し、ＤＣ／ＤＣコンバータ７０の出力電圧（インバータ７２の入力電圧）を通常時より低下させることで、電力変換部６０の出力電圧を低下させてもよい。

一方、潮流方向が順潮流である場合、出力制御部８０は、通常制御を維持する。つまり、出力制御部８０は、電力変換部６０の出力電圧を第２電圧で維持させる（第２電圧で一定となるように定電圧制御を行う）。

上述のように、第１電圧は、許容上限値よりも小さく設定されている。このため、受電電圧が第１電圧を超えても、受電電圧が許容上限値に達するまでには、少し余裕がある。しかし、受電電圧が第１電圧を超えた時点で、すでに逆潮流となっている場合には、その後、受電電圧がさらに上昇して許容上限値を超えるおそれがある。このため、受電電圧が第１電圧を超え、かつ、逆潮流となっている場合には、出力制御部８０は、電力変換部６０の出力電圧を第２電圧より低下させ（出力制御を行い）、受電電圧が許容上限値を超えることを未然に防止する。

また、受電電圧が第１電圧を超えた時点で、順潮流となっている場合、電力系統１２から電力の供給を受けなければ需要家内の負荷２４に対応しきれない（余剰電力がない）状況となっている。このため、出力制御部８０は、出力抑制制御を行わず、通常制御を行い、発電部５０の電力が需要家内の負荷２４に可能な限り供給されるようにする。

つまり、本実施形態の分散型電源システム１では、受電電圧が第１電圧を超えても、受電点の潮流方向が順潮流であれば、出力抑制制御が行われず通常制御が行われる。このため、本実施形態の分散型電源システム１では、受電電圧が第１電圧を超えた場合に常に出力抑制制御を行う態様に比べ、発電部５０から需要家内の負荷２４に供給する電力が減少することを抑制できる。

また、受電電圧が第１電圧を超え、かつ、順潮流の場合、発電部５０の発電電力が電力系統１２に供給されないため、その後、受電電圧がさらに上昇して許容上限値を超える可能性が低い。このため、受電電圧が第１電圧を超える場合において、出力抑制制御を行わないとしても、受電電圧が許容上限値を超えることを回避できる。

図２は、出力制御部８０の動作の流れを説明するフローチャートである。出力制御部８０は、所定制御周期（例えば、１分など）の割り込み制御として図２の一連の処理を繰り返す。

まず、出力制御部８０は、通信部６２を通じてスマートメータ２０から受電点における受電電圧および電力を取得する（Ｓ１００）。次に、出力制御部８０は、取得された受電点の受電電圧が第１電圧を超えたか否かを判断する（Ｓ１１０）。

受電電圧が第１電圧を超えていない場合（Ｓ１１０におけるＮＯ）、出力制御部８０は、通常制御を行う（Ｓ１２０）。つまり、出力制御部８０は、電力変換部６０の出力電圧を第２電圧（許容上限値）で一定にさせる。

受電電圧が第１電圧を超えた場合（Ｓ１１０におけるＹＥＳ）、出力制御部８０は、取得された受電点における電力に基づいて、受電点における潮流方向を導出する（Ｓ１３０）。次に、出力制御部８０は、導出された潮流方向が逆潮流であるか否かを判断する（Ｓ１４０）。

潮流方向が逆潮流ではない（順潮流である）場合（Ｓ１４０におけるＮＯ）、出力制御部８０は、通常制御を継続する（Ｓ１２０）。つまり、出力制御部８０は、電力変換部６０の出力電圧を、第２電圧（許容上限値）で維持させる。

潮流方向が逆潮流である場合（Ｓ１４０におけるＹＥＳ）、出力制御部８０は、出力抑制制御を行う（Ｓ１５０）。つまり、出力制御部８０は、電力変換部６０の出力電圧を、第２電圧より低下させる。

以上のように、本実施形態の分散型電源システム１の出力制御部８０は、受電点における受電電圧が所定の第１電圧以下の場合、電力変換部６０の出力電圧が所定の第２電圧で一定となるように定電圧制御を行う。また、出力制御部８０は、受電電圧が第１電圧を超え、かつ、受電点における電力に基づいて導出される潮流方向が逆潮流である場合、電力変換部６０の出力電圧を第２電圧より低下させる。また、出力制御部８０は、受電電圧が前記第１電圧を超え、かつ、潮流方向が順潮流である場合、電力変換部６０の出力電圧を第２電圧に維持させる。

これにより、本実施形態の分散型電源システム１では、受電点における受電電圧が第１電圧を超えても、順潮流であれば、電力変換部６０の出力電圧が低下しないため、分散型電源１０から負荷２４に十分な電力を供給することができる。

したがって、本実施形態の分散型電源システム１によれば、分散型電源１０の利用効率の低下を抑制可能となる。

また、本実施形態の分散型電源システム１の出力制御部８０は、スマートメータ２０で計測された受電電圧を用いて、受電電圧が第１電圧を超えるか否かの判断を行っている。このため、本実施形態の分散型電源システム１では、受電点における受電電圧を計測する電圧計を、新たに分電盤２２などに設置しなくてもよい。その結果、本実施形態の分散型電源システム１では、分散型電源システム１を導入するための工事を簡易化することができ、導入時のコストを抑えることが可能となる。

なお、例えば、受電点の受電電圧を計測する電圧計が、スマートメータ２０とは別個に分電盤２２などに既にある場合には、出力制御部８０は、その電圧計で計測される受電電圧を用いて、受電点の受電電圧が第１電圧を超えるか否かの判断を行ってもよい。また、出力制御部８０は、電力変換制御用の電力から受電点における受電電圧を導出し、導出された受電電圧を用いて、受電電圧が第１電圧を超えるか否かの判断を行ってもよい。

以上、添付図面を参照しながら本発明の実施形態について説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

本発明は、分散型電源システムに利用することができる。

１ 分散型電源システム
１２ 電力系統
２０ スマートメータ
５０ 発電部
６０ 電力変換部
８０ 出力制御部

Claims (2)

1. 電力系統からの受電点における電力を計測するスマートメータと、
   他のエネルギーを電気エネルギーに変換して電気を生成する発電部と、
   前記電力系統と前記発電部との間の電流経路に設けられ、前記発電部で発電された電力を変換する電力変換部と、
   出力制御部と、
   を備え、
   前記受電点における受電電圧の許容可能な所定範囲の上限値が、許容上限値であり、
   前記許容上限値より低く、前記許容上限値付近に設定された電圧が、第１電圧であり、
   前記出力制御部は、
   前記受電電圧が前記第１電圧以下であると判定した場合、前記電力変換部の出力電圧が前記許容上限値で一定となるように定電圧制御を行い、
   前記受電電圧が前記第１電圧を超えると判定した場合、前記受電点における電力に基づいて導出される潮流方向が逆潮流であるかを判定し、
   前記受電電圧が前記第１電圧を超え、かつ、前記潮流方向が逆潮流であると判定した場合、前記電力変換部の出力電圧を前記第１電圧より低い電圧に低下させ、
   前記受電電圧が前記第１電圧を超え、かつ、前記潮流方向が順潮流であると判定した場合、前記電力変換部の出力電圧が前記許容上限値で一定となるように定電圧制御を行う、分散型電源システム。
2. 前記スマートメータは、前記受電点における前記受電電圧を計測し、
   前記出力制御部は、前記スマートメータで計測された前記受電電圧を用いて、前記受電電圧が前記第１電圧を超えるか否かの判断を行う請求項１に記載の分散型電源システム。

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