JP2014027856A

JP2014027856A - 系統連系装置

Info

Publication number: JP2014027856A
Application number: JP2012168733A
Authority: JP
Inventors: Takashi Yamakawa; 崇山川; Yosuke Shinomoto; 洋介篠本; Kazunori Hatakeyama; 和徳畠山
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2012-07-30
Filing date: 2012-07-30
Publication date: 2014-02-06

Abstract

【課題】再生可能エネルギーを利用して発電する電源が電力系統から解列された状態でも電気自動車の蓄電池を安定して行うことが可能な系統連系装置を得ること。
【解決手段】本発明にかかる系統連系装置１００は、再生可能エネルギーを利用して交流電力を発電し、発電した電力を系統電源１と連系して供給する発電手段（ＰＶ２，ＰＶ−ＰＣＳ３）と、蓄電池の充電手段（ＥＶ−ＰＣＳ５）と、系統電源１の異常を検出したとき、発電手段、充電手段および宅内負荷６を系統電源１から切り離す第１の開閉手段（ＳＷ１０）と、発電手段と充電手段を接続した状態を維持しつつ宅内負荷を発電手段から切り離すための第２の開閉手段（ＳＷ１２，ＳＷ２２，ＳＷ３１）と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、太陽光発電などにより得ら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系統連系装置に関する。

太陽光や風力などを利用して発電を行うシステムでは、発電された直流電力を交流電力に変換し、電力系統に連系して宅内負荷などへ供給する。また、発電量が宅内での需要よりも大きい場合、電力系統へ送る（売電する）。ここで、電力系統に異常（例えば停電など）が発生した場合には、保安のため、解列して連系を終了する（例えば特許文献１）。

特許文献１に記載された電力供給システムは、太陽光発電や燃料電池発電など、複数の分散電源を備えるとともに、双方向インバータと蓄電池を含んだ蓄電部を備えており、電力系統が解列された場合、蓄電部は蓄電池からの直流電力を交流電力に変換して出力し、各分散電源は、蓄電部を基準電源として連系運転を行う。

特開２０１１−１８８６０７号公報

近年、太陽光発電システムの普及速度が高まっている。また、電気自動車やプラグインハイブリット車（以下、これらをまとめて電気自動車等と記載する）の普及も進んでおり、電気自動車等の蓄電池の充電設備が一般家庭に設置されるようになってきている。将来的には、太陽光発電システムなどの不安定な電源（再生可能エネルギーを利用して発電する自家発電システム）と電気自動車等の蓄電池の充電設備が併設された家庭が増加していくと予想される。しかしながら、従来の系統連系装置は、電気自動車等の蓄電池の充電設備が併設されることを想定していないため、以下のような問題点を有する。

すなわち、電力系統が停電するなどして解列した場合、自家発電システムが単独運転を行って宅内負荷に電力を供給することは可能であるが、宅内負荷も不安定であるため、不安定な電源と不安定な宅内負荷を組み合わせた状態では電気自動車等の蓄電池の充電動作を安定して行うことができないという問題がある。また、電気自動車等の蓄電池の充電動作を優先させることができないため、充電の所要時間が大きくなるという問題がある。例えば、電気自動車を使用したいが充電が不十分な場合においては、充電動作を優先的に行えるのが望ましい。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、再生可能エネルギーを利用して発電する電源が電力系統から解列された状態でも電気自動車等の蓄電池の充電動作を安定して行うことが可能な系統連系装置を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかる系統連系装置は、再生可能エネルギーを利用して交流電力を発電し、発電した電力を電力系統と連系して供給する発電手段と、蓄電池の充電手段と、電力系統の異常を検出したとき、前記発電手段、前記充電手段および宅内負荷を電力系統から切り離す第１の開閉手段と、前記発電手段と前記充電手段を接続した状態を維持しつつ前記宅内負荷を前記発電手段から切り離すための第２の開閉手段と、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、電力系統で異常が発生した場合においても再生可能エネルギーを利用して発電した電力を最大限利用して電気自動車の蓄電池を安定的に充電することができる、という効果を奏する。

図１は、系統連系装置の実施の形態１の構成例を示す図である。図２は、系統電源が停電した場合の系統連系装置の動作を示す図である。図３は、系統連系装置の動作の一例を示すフローチャートである。図４は、開閉器の故障判定方法の一例を示すフローチャートである。図５は、開閉器の故障判定方法の一例を示すフローチャートである。図６は、系統連系装置の実施の形態２の構成例を示す図である。図７は、電源が２つの場合の系統連系装置の構成例を示す図である。

以下に、本発明にかかる系統連系装置の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、本発明にかかる系統連系装置の実施の形態１の構成例を示す図である。本実施の形態の系統連系装置１００は、太陽光発電機能を有しており、通常時には、電力系統である系統電源１に電力を逆潮流し、系統電源１の停電時等の異常時には、系統電源１から解列して宅内負荷６などに電力を供給する。なお、本実施の形態では、系統連系装置１００が太陽光発電機能を有する場合について説明するが、太陽光発電機能に代えて風力発電などの他の発電機能（再生可能エネルギーを利用して発電を行う機能）を有する構成としてもよい。

図１に示したように、系統連系装置１００は、太陽光発電部（ＰＶ）２と、電力変換部（ＰＶ−ＰＣＳ）３と、充電部（ＥＶ−ＰＣＳ）５と、制御部７と、開閉器（ＳＷ）１１、１２、２１、２２および３１とを備えている。太陽光発電部２は、電力変換部３とともに発電手段を構成し、太陽光を利用して発電を行う。電力変換部３は、太陽光発電部２から出力される直流電力を交流電力に変換する。充電部５は、系統電源１などから供給された交流電力を直流電力に変換して電気自動車（ＥＶ）４の蓄電池を充電する。制御部７は、電力変換部３の動作状態やＥＶ４の蓄電池の状態、系統電源１の状態などに基づいて、ＳＷ１１、１２、２１、２２および３１を制御する。ＥＶ−ＰＣＳ５は、ＥＶ４の蓄電池を充電するために電力変換を行うものであるが、この動作に加え、系統電源１の停電時においてＥＶ４の蓄電池から放電された直流電力を交流電力に変換して宅内負荷６に供給する機能を備えるようにしてもよい。なお、ブレーカとしての開閉器（ＳＷ）１０は、系統電源１の異常時（例えば停電時）など、系統連系装置１００を系統電源１から解列する必要がある場合に開放される。ＰＶ−ＰＣＳ３やＥＶ−ＰＣＳ５は一般的なインバータやコンバータを利用して電力変換を行うものであり、その詳細説明については省略する。

ＳＷ１０は、系統電源１と宅内負荷６を接続する電路に配設されている。ＳＷ１１およびＳＷ１２は直列に接続された状態で、ＰＶ−ＰＣＳ３と宅内負荷６を接続する電路上に配設されている。ＳＷ２１およびＳＷ２２は直列に接続された状態で、ＥＶ−ＰＣＳ５と宅内負荷６を接続する電路上に配設されている。ＳＷ３１は、ＳＷ１１およびＳＷ１２の接続点とＳＷ２１およびＳＷ２２の接続点とを結ぶ電路上に配設されている。ここで、図１に示したＳＷ１０、１１、１２、２１、２２および３１の状態は、通常時のものである。すなわち、通常時においては、ＳＷ３１のみが開放されており、その他のＳＷは閉じられている。

以上のような構成の系統連系装置１００において、制御部７は、何らかの理由でＳＷ１０が開放され、系統電源１からの電力供給が停止した場合、ＥＶ４の蓄電池の状態や停電時の優先動作設定内容に基づいて、各開閉器（ＳＷ１１，ＳＷ１２，ＳＷ２１，ＳＷ２２，ＳＷ３１）を制御する。例えば、ＥＶ４を充電する（ＥＶ４の蓄電池を充電する）必要がある場合、宅内負荷６を切り離すとともにＰＶ−ＰＣＳ３から出力される電力がＥＶ−ＰＣＳ５に供給されるように各開閉器を制御する。具体的には、図２に示したように、ＳＷ１１およびＳＷ２１が閉じた状態を維持しつつ、ＳＷ１２およびＳＷ２２を開放するとともにＳＷ３１を閉じる。ただし、ＥＶ４の蓄電池が接続されていない場合や蓄電池がフル充電の場合には宅内負荷６を切り離さない。ＰＶ−ＰＣＳ３から制御部７へ出力される情報は、例えば、ＰＶ２の発電量である。ＥＶ−ＰＣＳ５から制御部７へ出力される情報は、例えば、ＥＶ４の蓄電池の接続状態（蓄電池が接続されているか否かを示す情報）、ＥＶ４の蓄電池の充電状態（電池残量の情報）である。

次に、系統連系装置１００の動作例について、図３を用いて説明する。図３は、系統連系装置１００の動作の一例を示すフローチャートである。

系統連系装置１００は、系統電源１に異常（例えば停電）が生じたかどうかを監視している（ステップＳ１）。

系統電源１の異常を検出した場合（ステップＳ１：Ｙｅｓ）、まず、ＥＶ４の充電動作を優先させる必要があるか否かを確認する（ステップＳ２）。例えば、利用者により充電動作の優先指定が予め指定されていた場合、充電動作を優先させる必要ありと判断する。充電動作を優先させる必要がない場合（ステップＳ２：Ｎｏ）、自装置内の各開閉器（ＳＷ）の設定を変更しない（ステップＳ６）。なお、系統電源１の異常を検出した時点でＳＷ１０は開放される。ＳＷ１０の制御は、制御部７が行ってもよいし図示を省略した他の制御手段で行うようにしても構わない。

一方、充電動作を優先させる必要がある場合には（ステップＳ２：Ｙｅｓ）、充電開始条件を満足しているか否かを確認する（ステップＳ３）。このステップＳ３では、ＥＶ４がＥＶ−ＰＣＳ５に接続されておりかつ蓄電池がフル充電ではない場合、充電開始条件を満足していると判断する。なお、蓄電池がフル充電かどうかではなく、蓄電池の残量が所定のしきい値未満かどうかで判断するようにしてもよい。充電開始条件は一例であり、他の条件を使用しても構わない。また、系統電源１の異常を検出した時点で充電動作を行っていた場合（ＥＶ４の充電中に系統電源１の異常を検出した場合）には、充電開始条件を満足していると判断する。充電開始条件を満足していない場合（ステップＳ３：Ｎｏ）、自装置内の各開閉器の設定を変更しない（ステップＳ６）。

一方、充電開始条件を満足している場合には（ステップＳ３：Ｙｅｓ）、各開閉器が故障していないかどうか確認する（ステップＳ４）。

開閉器の故障判定は、図示を省略した電圧検出部を利用して行う。例えば図４や図５に示した手順で行う。図４は、単一の開閉器を対象とした故障判定方法の一例を示す図である。図４（ａ）に示したように電力変換部（ＰＣＳ：Power Conversion System）の出力側に開閉器（ＳＷ＃１）および電圧検出部が接続され、かつＳＷ＃１がＰＣＳと電圧検出部の間に位置している場合、図４（ｂ）のステップＳ１１〜Ｓ１７に示した手順に従ってＳＷ＃１の故障判定を行うことができる。すなわち、まずＳＷ＃１がＯＦＦとなるように制御し（ステップＳ１１）、この状態における電圧検出部の検出値Ｖが閾値以下かどうか判定する（ステップＳ１２）。検出値Ｖが閾値よりも大きい場合（ステップＳ１２：Ｎｏ）、ＳＷ＃１が溶着故障（ＳＷ＃１を開放することができない状態）と判断する（ステップＳ１５）。検出値Ｖが閾値以下の場合（ステップＳ１２：Ｙｅｓ）、ＳＷ＃１がＯＮとなるように制御し（ステップＳ１３）、この状態における電圧検出部の検出値Ｖが閾値よりも大きいかどうか判定する（ステップＳ１４）。検出値Ｖが閾値よりも大きい場合（ステップＳ１４：Ｙｅｓ）、ＳＷ＃１が正常と判断する（ステップＳ１６）。一方、検出値Ｖが閾値以下の場合（ステップＳ１４：Ｎｏ）、ＳＷ＃１が開放故障（ＳＷ＃１を閉じることができない状態）と判断する（ステップＳ１７）。

図５は、直列に接続された２つの開閉器を対象とした故障判定方法の一例を示す図である。図５（ａ）に示したように電力変換部（ＰＣＳ）の出力側に２つの開閉器（ＳＷ＃１，ＳＷ＃２）および電圧検出部が接続され、かつＳＷ＃１およびＳＷ＃２がＰＣＳと電圧検出部の間に位置している場合、図５（ｂ）のステップＳ２１〜Ｓ３３に示した手順に従ってＳＷ＃１およびＳＷ＃２の故障判定を行うことができる。この故障判定方法は、図４に示した場合（単一の開閉器を対象とした場合）と同様である。すなわち、２つの開閉器を制御し、各開閉器が取りうる状態の全ての組み合わせについて設定し（ステップＳ２１，Ｓ２３，Ｓ２５，Ｓ２７）、各設定（各開閉器の状態の組み合わせ）において、電圧検出部の検出値Ｖと閾値を比較し（ステップＳ２２，Ｓ２４，Ｓ２６，Ｓ２８）、比較結果に基づいて各開閉器の故障判定を行う（ステップＳ２９，Ｓ３０，Ｓ３１，Ｓ３２，Ｓ３３）。

図３の説明に戻り、系統連系装置１００は、開閉器の故障を検出した場合（ステップＳ４：Ｎｏ）、故障内容に応じた動作を行う（ステップＳ７）。例えば、開閉器の故障を検出した旨を示すアラートを、図示を省略している表示部パネル等に表示する。各開閉器の設定変更は、故障箇所に応じて、必要であれば行う。

これに対して、各開閉器が故障していない場合（ステップＳ４：Ｙｅｓ）、ＳＷ１２およびＳＷ２２を開放するとともに、ＳＷ３１を閉じる（ステップＳ５）。この結果、宅内負荷６が切り離され、ＰＶ−ＰＣＳ３から出力される全電力を蓄電池の充電に使用できるようになり、短時間で安定的に蓄電池を充電できる。太陽光発電は、光量に応じて発電量が変動する不安定な電源であるため、安定電源である系統電源１から解列された場合、これに不安定な宅内負荷６を接続した状態でＥＶ４の蓄電池を充電しようとすると、充電動作が不安定となり効率的な充電ができない。ＥＶ−ＰＣＳ５の仕様にもよるが、ＥＶ−ＰＣＳ５に供給される電力が不安定な場合、充電動作を開始しない、または、充電開始後に宅内負荷６での電力消費量が増加すると充電動作を中止してしまう可能性がある。そのため、ＥＶ−ＰＣＳ５への電力供給を安定化させるのが望ましい。図３に示した制御に従い宅内負荷６を切り離した場合、宅内負荷６の変動の影響を排除でき、ＥＶ−ＰＣＳ５に供給される電力の不安定さを改善できる。

なお、図３のステップＳ４の処理（開閉器の故障判定）は省略しても構わない。開閉器の故障検出は、系統電源１の異常を検出した場合のみならず、系統電源１が正常な場合にも行っているため、ステップＳ４を省略しても大きな問題にはならない。ステップＳ４を実行する場合には、系統電源１で異常が発生したことに伴い系統連系装置１００内の開閉器が故障した場合、それを確実に検出することができる。また、想定外の箇所への通電や想定箇所に対して未通電となることを防止できる。

また、ＥＶ４の充電動作を優先させる必要があるか否かを確認するステップＳ２を省略し、ＥＶ４を充電する必要がある場合（ステップＳ３で充電開始条件を満足していると判断した場合）には宅内負荷６を切り離すようにしてもよい。

ここで、ＳＷ１１とＳＷ１２、ＳＷ２１とＳＷ２２を直列に接続して開閉器の二重化を図り、ＰＶ−ＰＣＳ３およびＥＶ−ＰＣＳ５が二重化された開閉器を介して系統電源１に連系する構成としているのは、安全性を規定する法令を満足するためである。ＰＶ−ＰＣＳ３およびＥＶ−ＰＣＳ５を設置する場合、各装置（ＰＶ−ＰＣＳ３、ＥＶ−ＰＣＳ５）と系統電源１を接続する電路に二重化された開閉器（直列接続された２つの開閉器）がそれぞれ配設されることになる。そのため、図１に示した系統連系装置１００では、各電路上の二重化された開閉器の中点（２つの開閉器の接続点）の一方に開閉器（ＳＷ３１）の一端を接続し、他方に開閉器（ＳＷ３１）の他端を接続して、系統電源１の異常時などにおいて宅内負荷６を切り離し可能な構成を実現している。ＳＷ３１を図１に示した位置とすることにより、宅内負荷６を切り離し可能な構成を容易に実現できる。図１に示した構成とは異なり、宅内負荷６を切り離すための開閉器を宅内負荷６の近傍に配設する場合には、既に施設されているケーブルの切断等を行ってから開閉器を取付ける必要があるなど、困難な作業を強いられる可能性が高い。

このように、本実施の形態の系統連系装置は、太陽光発電装置（ＰＶ２およびＰＶ−ＰＣＳ３）と、電気自動車（ＥＶ４）の蓄電池の充電装置（ＥＶ−ＰＣＳ５）と、太陽光発電装置が電力系統（系統電源１）から解列され、かつ電気自動車を充電する必要がある場合に、太陽光発電装置と充電装置が接続された状態を維持しつつ宅内負荷６を太陽光発電装置から切り離すための開閉器（ＳＷ１２、ＳＷ２２およびＳＷ３１）とを備えることとした。これにより、電力系統で異常が発生した場合においても太陽光発電装置が発電した電力を最大限利用して電気自動車を安定的に充電することができる。また、ＳＷ３１を備えたことにより、障害耐性が向上する。例えば、ＳＷ１２とＳＷ２２の何れかが開放故障した場合であっても、他方の開閉器（ＳＷ１２またはＳＷ２２）とＳＷ３１を用いることで、太陽光発電装置および充電装置を系統電源１および宅内負荷６と接続することができる。

実施の形態２．
実施の形態１では、系統電源１での異常発生により系統電源１から解列された状態においても電気自動車の蓄電池を安定的に充電することが可能な系統連系装置について説明したが、系統連系装置を図６に示した構成としてもよい。すなわち、宅内負荷６の近傍に、系統電源１、太陽光発電装置（ＰＶ２，ＰＶ−ＰＣＳ３）および電気自動車（ＥＶ４）の充電装置（ＥＶ−ＰＣＳ５）から宅内負荷６を切り離すための開閉器（ＳＷ）３２をさらに追加した構成としてもよい。

ＳＷ３２を追加した構成とした場合、図６に示したように、系統電源１が正常な状態においてＳＷ３２を開放して宅内負荷６を切り離すことにより、系統電源１およびＰＶ−ＰＣＳ３の双方から供給される全電力をＥＶ４の充電に使用できるようになり、超急速充電を実現できる。

なお、図６のＳＷ３１は省略が可能である。ＳＷ３１を省略した構成の系統連系装置では、系統電源１の異常を検出した場合、ＳＷ３２を開放することにより、実施の形態１と同様の充電動作（宅内負荷６を切り離し、ＰＶ−ＰＣＳ３からの全供給電力を使用した充電動作）を実現できる。ＳＷ３１およびＳＷ３２の双方を備えた構成の場合、一部の開閉器が故障しても実施の形態１と同様の充電動作を実現できる（障害耐性が向上する）。例えば、ＳＷ１２またはＳＷ２２が溶着故障した場合でも、ＳＷ３２が正常であれば、宅内負荷６を切り離すことができる。ＳＷ３２が溶着故障した場合でもＳＷ１２およびＳＷ２２が正常であれば宅内負荷６を切り離すことができる。

図６では、不安定な電源（太陽光発電など）が１つの場合を示したが、図７に示したように、さらに、風力発電部（Wind Power）８、電力変換部（Ｗ−ＰＣＳ）９、開閉器（ＳＷ）３３を備えた構成（不安定な電源が２つの場合）としてもよい。この場合、宅内負荷６を切り離して行う超急速充電では、Ｗ−ＰＣＳ９から供給される電力が上積みされるので、充電速度をさらに高めることができる。図７に示したように、電源が複数の場合、各電源と宅内負荷６を接続する電路上に設けられた２つの開閉器（ＳＷ１１とＳＷ１２，ＳＷ２１とＳＷ２２，ＳＷ４１とＳＷ４２）の中点同士を開閉器（ＳＷ３１，ＳＷ３３）経由で接続して拡張する。さらに多くの電源を備える場合にも同様の方法で拡張が可能である。

各実施の形態では、電気自動車の蓄電池を充電する場合について説明したが、その他の蓄電池（定置蓄電池など）に置き換えることが可能である。

各実施の形態において、制御部７が制御する開閉器（ＳＷ１１，ＳＷ１２，ＳＷ２１，ＳＷ２２，ＳＷ３１，ＳＷ３２，ＳＷ３３，ＳＷ４１，ＳＷ４２）として、利用者が操作可能な構成のもの（例えばラッチ式の開閉器）を採用してもよい。この場合、制御部７による制御が不可能な状態となった場合でも手動で操作することができ、所望の経路を設定できる。

以上のように、本発明は、再生可能エネルギーを利用して発電した電力を電力系統に供給する系統連系装置として有用である。

１系統電源、２太陽光発電部（ＰＶ）、３電力変換部（ＰＶ−ＰＣＳ）、４電気自動車（ＥＶ）、５充電部（ＥＶ−ＰＣＳ）、６宅内負荷、７制御部、８風力発電部（Wind Power）、９電力変換部（Ｗ−ＰＣＳ）、１１，１２，２１，２２，３１，３２，３３，４１，４２開閉器（ＳＷ）、１００系統連系装置。

Claims

再生可能エネルギーを利用して交流電力を発電し、発電した電力を電力系統と連系して供給する発電手段と、
蓄電池の充電手段と、
電力系統の異常を検出したとき、前記発電手段、前記充電手段および宅内負荷を電力系統から切り離す第１の開閉手段と、
前記発電手段と前記充電手段を接続した状態を維持しつつ前記宅内負荷を前記発電手段から切り離すための第２の開閉手段と、
を備えることを特徴とする系統連系装置。
前記第２の開閉手段は、前記発電手段、前記充電手段および前記宅内負荷が前記電力系統から切り離された場合、前記宅内負荷を前記発電手段から切り離すことを特徴とする請求項１に記載の系統連系装置。
前記第２の開閉手段は、前記発電手段、前記充電手段および前記宅内負荷が前記電力系統から切り離され、かつ前記充電手段が充電動作を行う必要がある場合、前記宅内負荷を前記発電手段から切り離すことを特徴とする請求項１または２に記載の系統連系装置。
前記発電手段は、直列に接続された２つの第１の開閉器を介して、前記第１の開閉手段と前記宅内負荷を接続している電路に接続され、
前記充電手段は、直列に接続された２つの第２の開閉器を介して、前記電路に接続され、
前記第２の開閉手段は、前記２つの第１の開閉器の間にある接続点および前記２つの第２の開閉器の間にある接続点を接続する第３の開閉器と、前記２つの第１の開閉器のうち、前記電路側の第１の開閉器と、前記２つの第２の開閉器のうち、前記電路側の第２の開閉器とにより構成されていることを特徴とする請求項１、２または３に記載の系統連系装置。
前記発電手段と前記電路の接続点および前記充電手段と前記電路の接続点よりも前記宅内負荷側に配設された第４の開閉器をさらに備えることを特徴とする請求項４に記載の系統連系装置。