JP2009232661A - 小型風力発電系統連系装置 - Google Patents

Abstract

【課題】構成を簡素化する。
【解決手段】連系装置１を、小型風力発電系統ＷＧを太陽光発電系統とともに商用電源系統ＡＣに連系させた風力発電連系状態、または、太陽光発電系統のみを商用電源系統ＡＣに連系させた風力発電非連系状態のうち、一方の連系状態に切り替える切替手段２と、切替手段２の切替動作を制御する切替制御手段３とを備えるように構成する。切替手段２を、出力端子Ｔ３と出力側接地端子Ｔ４との間に接続した整流素子としてのダイオードＤ１と、入力端子Ｔ１と出力端子Ｔ３との間に接続したスイッチング素子としての有接点リレーＳ２を有して構成する。また切替制御手段３を、風力発電連系状態の場合、有接点リレーＳ２を閉状態にそれぞれ切り替える一方、風力発電非連系状態の場合、有接点リレーＳ２を開状態にそれぞれ切り替えるように構成する。
【選択図】図２

Description

本発明は、小型風力発電系統を太陽光発電系統に連系させる小型風力発電系統連系装置に関する。

近年、太陽光発電に次いで風力発電の余剰電力も各電力会社が購入するようになり、小型風力発電の系統連系を促進する下地がようやく整備されてきた。しかし、小型風力発電電力は、発電電力が小さく、間欠的な発電であるため、設備の使用率が著しく低くなる等の理由により、小型風力発電用の系統連系インバータはいまだに市販されていない。このため、太陽光発電用の系統連系インバータを使った小型風力発電機用の系統連系技術が種々提案されてきたが、これらの技術にも問題が多く実用化には至っていない。特許文献１の技術では、風力発電用バッテリの電圧を太陽光電圧まで昇圧する装置が必要であった。この結果、装置が大型になり、昇圧の過程で、損失が発生するという問題があった。以上の背景より、実質、小型風力発電の系統連系を行うことができない状況だった。

特許３９６６９９８号公報

そこで、本発明では上記課題を鑑み、簡単な構成で太陽光発電系統と系統連系できる小型風力発電系統連系装置の提供を課題とする。

上記課題を解決するため、請求項１の発明に係る小型風力発電系統連系装置は、小型風力発電系統を、他の直流電力発電系統によって発電された直流電力を所定周波数の交流電力に変換する系統連系インバータを介して、前記他の直流電力発電系統とともに、交流電力系統に連系させる小型風力発電系統連系装置であって、前記小型風力発電系統の正極に接続された入力端子と、前記小型風力発電系統の負極に接続された入力側接地端子と、前記他の直流電力発電系統の正極が前記系統連系インバータの正極入力端子に接続された場合、前記他の直流電力発電系統の負極に接続される一方、前記他の直流電力発電系統の正極が前記系統連系インバータの正極入力端子に接続されない場合、前記系統連系インバータの正極入力端子に接続される出力端子と、前記他の直流電力発電系統の負極が前記系統連系インバータの負極入力端子に接続された場合、前記他の直流電力発電系統の正極に接続される一方、前記他の直流電力発電系統の負極が前記系統連系インバータの負極入力端子に接続されない場合、前記系統連系インバータの負極入力端子に接続される出力側接地端子と、前記小型風力発電系統を前記他の直流電力発電系統とともに前記交流電力系統に連系させた風力発電連系状態、または、前記他の直流電力発電系統のみを前記交流電力系統に連系させた風力発電非連系状態のうち、一方の連系状態に切り替える切替手段と、前記切替手段の切替動作を制御する切替制御手段と、を備え、前記切替制御手段が、前記小型風力発電系統が備えた風力発電電力を蓄える蓄電手段の充放電状態を検知し、検知した充放電状態に基づき、風力発電連系状態、または、風力発電非連系状態のいずれか一方に切り替えるように構成される。

請求項２の発明に係る小型風力発電系統連系装置は、
前記切替手段が、
前記出力端子と前記出力側接地端子との間に接続され、風力発電非連系状態時に導通する整流素子と、
前記入力端子と前記出力端子との間に接続したスイッチング素子と、を有し、前記切替制御手段が、風力発電連系状態の場合、前記スイッチング素子を閉状態に切り替える一方、風力発電非連系状態の場合、前記スイッチング素子を開状態に切り替えるように構成される。

請求項３の発明に係る小型風力発電系統連系装置は、前記切替手段が、前記出力端子と前記出力側接地端子との間に接続した第１スイッチング素子と、前記入力端子と前記出力端子との間に接続した第２スイッチング素子と、を有し、前記切替制御手段が、風力発電連系状態の場合、前記第１スイッチング素子を開状態、及び、前記第２スイッチング素子を閉状態にそれぞれ切り替える一方、風力発電非連系状態の場合、前記第１スイッチング素子を閉状態、及び、前記第２スイッチング素子を開状態にそれぞれ切り替えるように構成される。

請求項１の発明によれば、構成を簡素化でき、小型、軽量、かつ低価格で小型風力発電系統を太陽光発電系統に系統連系できる。

請求項２の発明によれば、スイッチング素子のみ制御すればよいので制御電力を小さくできる。また、他の直流電力発電系統として太陽光発電系統を用いた場合には、太陽電池の電流の遮断が発生しない構成が可能となり、その場合には、系統連系インバータの運転状態に悪影響を与えることがない。

請求項３の発明によれば、連系する際の損失を小さくできる。また、風力発電電力の損失を抑えた系統連系が実現できる。さらに、他の直流電力発電系統として太陽光発電系統を用いた場合には、太陽電池の電流の遮断が発生しない構成が可能となり、その場合には、系統連系インバータの運転状態に悪影響を与えることがない。

以下、本発明を具体化した実施の形態を、図面に基づいて詳細に説明する。
図１は、本発明の小型風力発電系統連系装置（以下連系装置）の基本構成と、外部接続状態を説明する回路図である。本連系装置１は、小型風力発電系統ＷＧを、他の直流電力発電系統として太陽光発電系統を構成する太陽電池ＰＶによって発電された直流電力を所定周波数の交流電力に変換する系統連系インバータＩＮＶを介して、太陽光発電系統とともに、商用電源系統ＡＣに連系させるように構成されている。また負荷ＲＬには、系統連系インバータＩＮＶと商用電源系統ＡＣから電力が供給される。なお、小型風力発電系統ＷＧは、小型風力発電機で生成された三相交流発電電力を全波整流回路等の整流回路によって所定の直流電力に変換して出力するように構成されている。

連系装置１は、小型風力発電系統ＷＧを太陽光発電系統とともに商用電源系統ＡＣに連系させた風力発電連系状態、または、太陽光発電系統のみを商用電源系統ＡＣに連系させた風力発電非連系状態のうち、一方の連系状態に切り替える切替手段２と、切替手段２の切替動作を制御する切替制御手段３とを備えるように構成されている。

また連系装置１は、小型風力発電系統ＷＧの正極に接続された入力端子Ｔ１と、小型風力発電系統ＷＧの負極に接続された入力側接地端子Ｔ２と、太陽電池ＰＶの正極が系統連系インバータＩＮＶの正極入力端子Ｐに接続された場合、太陽電池ＰＶの負極に接続された出力端子Ｔ３と、系統連系インバータＩＮＶの負極入力端子Ｎに直接接続された出力側接地端子Ｔ４と、を備えている。

切替手段２は、出力端子Ｔ３と出力側接地端子Ｔ４との間に接続した第１スイッチング素子としての有接点リレーＳ１と、入力端子Ｔ１と出力端子Ｔ３との間に接続した第２スイッチング素子としての有接点リレーＳ２を有して構成されている。また切替制御手段３は、風力発電連系状態の場合、有接点リレーＳ１を開状態、及び、有接点リレーＳ２を閉状態にそれぞれ切り替える一方、風力発電非連系状態の場合、有接点リレーＳ１を閉状態、及び、有接点リレーＳ２を開状態にそれぞれ切り替えるように構成されている。

図１において、小型風力発電機ＷＧの出力を蓄電手段であるバッテリＢＴに接続し（充電用配線）、バッテリＢＴの正極及び負極出力を連系装置１の入力端子Ｔ１および入力側接地端子Ｔ２のそれぞれに接続する（放電用配線）。また太陽電池ＰＶの負極を連系装置１の出力端子Ｔ３に接続し、系統連系インバータＩＮＶの負極入力端子Ｎを連系装置１の出力側接地端子Ｔ４に接続する。太陽電池ＰＶの正極を系統連系インバータＩＮＶの正極入力端子Ｐに接続する。系統連系インバータＩＮＶの出力端子Ｒ，Ｔを交流負荷ＲＬ及び商用電源系統ＡＣに接続する。

連系装置１の出力端子Ｔ３，出力側接地端子Ｔ４間に有接点リレーＳ１を接続し、入力端子Ｔ１と出力端子Ｔ３間に有接点リレーＳ２を接続し、入力側接地端子Ｔ２と出力側接地端子Ｔ４とが短絡されている。

この連系装置１では、バッテリＢＴが充電不足の間（風力発電の非連系時）は、有接点リレーＳ１を閉、有接点リレーＳ２を開とし、太陽電池ＰＶの発電電力のみを系統連系する。バッテリＢＴの充電が完了した場合（風力発電の連系開始時）、有接点リレーＳ１を開の後、有接点リレーＳ２を閉とし、太陽電池ＰＶとバッテリＢＴとを直列接続する。バッテリＢＴは電圧が低いため（１２Ｖまたは２４Ｖ）、夜間は系統連系運転は行われず、太陽電池ＰＶが発電する日中のみバッテリＢＴから放電され、風力発電電力が太陽光発電電力とともに系統連系される。太陽電池ＰＶは定電流源とみなせるため、太陽電池ＰＶの出力電流に等しい電流がバッテリＢＴから放電される。太陽電池ＰＶのパワーを利用して系統連系インバータＩＮＶに風力発電電力を注入していることになる。バッテリＢＴの放電が完了した場合（風力発電の連系終了時）には、有接点リレーＳ２開の後、有接点リレーＳ１閉として太陽電池ＰＶのみの系統連系に切り替える。

これらの切替動作は、切替制御手段３によって、太陽電池ＰＶの発電状況や系統連系インバータＩＮＶの運転状態に関係なく、バッテリＢＴの充放電状態に基づいて何時でも行うことができる。充放電状態の判断は、バッテリＢＴの電圧を充放電状態情報として検知し、検知した電圧が予め設定した電圧（閾値）まで上昇または降下することを検出する電圧検出回路４を用いることによる。この電圧検出回路４や有接点リレー等の動作駆動の電源はバッテリＢＴから得ている。

なお、図１では、Ｓ１，Ｓ２を有接点リレーとしているが、パワーＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴ等の他のスイッチング素子でも良い。有接点リレーは直流電流の開閉時に生ずるアークで接点の劣化や溶着が発生する虞があるため、信頼性という点ではスイッチング素子の方が適しているのは自明である。

一般家庭で太陽光発電および風力発電を行う場合、太陽光発電の発電量が、風力発電の発電量より相当大きいため、風力発電と太陽光発電のハイブリッド連系運転は短時間しか行われず、ほとんどが太陽光発電の単独運転となることが想定される。このため、本連系装置１は、太陽光発電の単独運転時の悪影響、すなわち、本連系装置１を介して太陽電池ＰＶの電流が流れる際の損失を最小限にしなければならない。また、接続切り替え時に系統連系インバータＩＮＶの運転状態に影響を与えることも避けなければならない。図１の構成では、接続切り替え時電流が遮断されるため、系統連系インバータＩＮＶの運転停止やサージ電圧発生により系統連系インバータＩＮＶが誤動作する虞があり、その対策が必要になる。尚、接続切り替え後のハイブリッド連系運転状態では、太陽電池ＰＶの電圧（１００Ｖ〜３５０Ｖ）に比し、バッテリＢＴの電圧（１２Ｖまたは２４Ｖ）が低いため、最大電力点追随制御等の系統連系インバータＩＮＶの動作に影響を与えることはない。

次に、図２は、図１の有接点リレーＳ１を風力発電非連系状態時に導通する整流素子であるダイオードＤ１とし、有接点リレーＳ２をスイッチング素子であるパワーＭＯＳＦＥＴ（Ｑ２）とした本発明の他の実施形態を示す回路図である。風力発電の非連系時にＱ２をオフ（開状態）にする。このためダイオードＤ１がオンして導通し、太陽電池ＰＶの電流はダイオードＤ１を経由して系統連系インバータＩＮＶに入力される。風力発電の連系開始時にＱ２をオン（閉状態）にする。ダイオードＤ１にバッテリＢＴによる逆電圧が印加されるため、ダイオードＤ１がオフとなり、太陽電池ＰＶの発電電流は、バッテリＢＴ、Ｑ２を経由して流れるようになり、風力発電電力が太陽光電力とともに系統連系インバータＩＮＶに入力される。風力発電の連系終了時にはＱ２をオフし、太陽電池ＰＶの電流はダイオードＤ１を経由して系統連系インバータＩＮＶに入力されるようになる。

この構成においては、切替駆動するはＱ２のみであり構成がシンプルになる。またダイオードＤ１とバッテリＢＴ間にＱ２が接続されるので、Ｑ２への印加電圧はバッテリＢＴの電圧となり、低定格電圧のパワーＭＯＳＦＥＴが使用できる。低定格電圧のパワーＭＯＳＦＥＴはオン抵抗が低いためＱ２の損失を低くすることができる。また、太陽電池ＰＶの電流の遮断が発生しないため、系統連系インバータＩＮＶの運転状態に影響を与えることはない。ただし、太陽電池ＰＶのみのときダイオードＤ１を介して太陽電池ＰＶの電流が流れるため、発電量が多いときにはダイオードＤ１での損失が大きくなる（４ｋＷシステムで２０Ｗ程度）。

次に、図３は、図２のダイオードＤ１の損失をほぼ解消する本発明の他の実施形態を示す回路図である。図１のＳ１，Ｓ２をそれぞれパワーＭＯＳＦＥＴ（Ｑ１，Ｑ２）としている。風力発電の非連系時にＱ１をオン、Ｑ２をオフにする。このため、太陽電池ＰＶの発電電流はＱ１のチャンネル部を流れて系統連系インバータＩＮＶに入力される。Ｑ１の印加電圧もバッテリＢＴの電圧となるので、低定格電圧のすなわちオン抵抗の小さいパワーＭＯＳＦＥＴが使用できる。このため、この状態でのＱ１の損失を図２の構成と比べて著しく低減できる（４ｋＷシステムで最大１Ｗ程度）。なお、この構成においては、風力発電の連系開始時にはＱ１をオフ（Ｑ１のボディダイオードオン）の後、Ｑ２オン（Ｑ１のボディダイオードオフ）し、風力発電の連系終了時にはＱ２オフ（Ｑ１のボディダイオードオン）の後Ｑ１オン（Ｑ１のボディダイオードオフ）するので、太陽電池ＰＶの電流の遮断は発生しないため、系統連系インバータＩＮＶの運転状態に影響を与えることはない。

図４は、図２のダイオードＤ１の損失を更に低減する本発明の他の実施形態を示す回路図である。図１のＳ１を有接点リレーＸ１とダイオードＤ１との並列接続したものから構成し、図１のＳ２をパワーＭＯＳＦＥＴ（Ｑ２）としている。風力発電の非連系時、Ｘ１を閉、Ｑ２をオフにする。このため太陽電池ＰＶの発電電流はＸ１を流れて系統連系インバータＩＮＶに入力される。このため、この状態でのＸ１の損失がほぼ０になる。なお、この構成においては、風力発電の連系開始時にはＸ１開（Ｄ１オン）の後、Ｑ２オン（Ｄ１オフ）し、風力発電の連系終了時にはＱ２オフ（Ｄ１オン）の後、Ｘ１閉（Ｄ１オフ）するので、太陽電池ＰＶの電流の遮断は発生しないため、系統連系インバータＩＮＶの運転状態に影響を与えることはない。また、Ｘ１と並列にＤ１が接続されて電流のバイパス回路が確保されているため、Ｘ１開閉時のアークの発生を抑止できるので、信頼性の高い装置とすることができる。更にＸ１をラッチングリレーとすることにより、Ｘ１を開閉する駆動電力のみでよくなり、制御電力を図２の構成と同程度まで低減できる。

尚、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で各部の形状並びに構成を適宜に変更して実施することも可能である。
（１）他の直流電力発電系統は、太陽光発電系統に限らず、直流電力を出力するものであれば、他の交流発電系統の出力段で直流変換したものや燃料電池発電系統等としても良い。
（２）切替制御手段は、バッテリの電圧に限らず、充放電状態に基づくものであれば、電流（蓄電量）を検出して充放電完了等、充放電状態の判断結果に応じて切り替えても良い。
（３）本連系装置１は、図１、２に相当する図５（ａ）の概略回路図のように、出力端子Ｔ３を太陽電池ＰＶ１の負極に接続し、出力側接地端子Ｔ４を系統連系インバータＩＮＶの負極入力端子Ｎに直接接続する構成に限らず、図５（ｂ）のように、出力端子Ｔ３を系統連系インバータＩＮＶの正極入力端子に直接接続し、出力側接地端子Ｔ４を太陽電池ＰＶ２の正極に接続する構成や、図５（ｃ）のように、出力端子Ｔ３を太陽電池ＰＶ１の負極に接続し、出力側接地端子Ｔ４を太陽電池ＰＶ２の正極に接続する構成とすることもできる。これらの場合も、図１〜図４の場合と同様の作用効果を得ることができる。

本発明の一実施形態を示す回路図である。 本発明の他の実施形態を示す回路図である。 本発明の他の実施形態を示す回路図である。 本発明の他の実施形態を示す回路図である。 本発明の他の実施形態を示す（ａ）〜（ｃ）は概略回路図である。

符号の説明

１・・小型風力発電系統連系装置（連系装置）、２・・切替手段、３・・切替制御手段、４・・電圧検出回路、ＷＧ・・小型風力発電系統、ＢＴ・・バッテリ、ＰＶ、ＰＶ１、ＰＶ２・・太陽電池、ＩＮＶ・・系統連系インバータ、ＲＬ・・負荷、ＡＣ・・商用電源系統、Ｄ１・・整流素子、Ｓ１・・第１スイッチング素子、Ｓ２・・第２スイッチング素子、Ｑ１，Ｑ２・・パワーＭＯＳＦＥＴ、Ｘ１・・有接点リレー。

Claims (3)

1. 小型風力発電系統を、他の直流電力発電系統によって発電された直流電力を所定周波数の交流電力に変換する系統連系インバータを介して、前記他の直流電力発電系統とともに、交流電力系統に連系させる小型風力発電系統連系装置であって、
   前記小型風力発電系統の正極に接続された入力端子と、
   前記小型風力発電系統の負極に接続された入力側接地端子と、
   前記他の直流電力発電系統の正極が前記系統連系インバータの正極入力端子に接続された場合、前記他の直流電力発電系統の負極に接続される一方、前記他の直流電力発電系統の正極が前記系統連系インバータの正極入力端子に接続されない場合、前記系統連系インバータの正極入力端子に接続される出力端子と、
   前記他の直流電力発電系統の負極が前記系統連系インバータの負極入力端子に接続された場合、前記他の直流電力発電系統の正極に接続される一方、前記他の直流電力発電系統の負極が前記系統連系インバータの負極入力端子に接続されない場合、前記系統連系インバータの負極入力端子に接続される出力側接地端子と、
   前記小型風力発電系統を前記他の直流電力発電系統とともに前記交流電力系統に連系させた風力発電連系状態、または、前記他の直流電力発電系統のみを前記交流電力系統に連系させた風力発電非連系状態のうち、一方の連系状態に切り替える切替手段と、
   前記切替手段の切替動作を制御する切替制御手段と、を備え、
   前記切替制御手段は、
   前記小型風力発電系統が備えた風力発電電力を蓄える蓄電手段の充放電状態を検知し、検知した充放電状態に基づき、風力発電連系状態、または、風力発電非連系状態のいずれか一方に切り替える、
   ことを特徴とする小型風力発電系統連系装置。
2. 前記切替手段は、
   前記出力端子と前記出力側接地端子との間に接続され、風力発電非連系状態時に導通する整流素子と、
   前記入力端子と前記出力端子との間に接続したスイッチング素子と、を有し、
   前記切替制御手段は、
   風力発電連系状態の場合、前記スイッチング素子を閉状態に切り替える一方、
   風力発電非連系状態の場合、前記スイッチング素子を開状態に切り替える、
   請求項１に記載の小型風力発電系統連系装置。
3. 前記切替手段は、
   前記出力端子と前記出力側接地端子との間に接続した第１スイッチング素子と、
   前記入力端子と前記出力端子との間に接続した第２スイッチング素子と、を有し、
   前記切替制御手段は、
   風力発電連系状態の場合、前記第１スイッチング素子を開状態、及び、前記第２スイッチング素子を閉状態にそれぞれ切り替える一方、
   風力発電非連系状態の場合、前記第１スイッチング素子を閉状態、及び、前記第２スイッチング素子を開状態にそれぞれ切り替える、
   請求項１に記載の小型風力発電系統連系装置。

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