JP2015220889A - 電力供給システム - Google Patents

Abstract

【課題】出力の変動する電源が出力大の状態になったときにはその電源からの電力が優先使用されるようにして、出力変動の大きい自然エネルギー利用電源からの電力が積極的に使用されるようにした。【解決手段】電力供給システム１では、負荷３０に電力を供給するＤＣバス２０に対し、電気自動車１１、太陽電池１２、風車１３といった複数の電源が接続されている。太陽電池１２と風車１３は電力変換装置であるＡＣＤＣ変換器２２、２３を介してＤＣバス２０に接続される。ＡＣＤＣ変換装置２２、２３は、電源からの入力電力が小であるときに出力電圧が低下し、入力電力が大であるときに出力電圧が上昇するように、入力電力と出力電圧の関係が規定されている。【選択図】図１

Description

本発明は電力供給システムに関する。

自然エネルギーで発電した電力の供給システムでは、太陽電池や風車などの電源からの電力を、商用電源からの電力と併用する形にすることが多い。各電源からの電力はバスで供給される。このような電力供給システムの例を特許文献１〜３に見ることができる。

特許文献１には分散電源システムが記載されている。この分散電源システムでは直流バスに太陽光発電ユニットや風力発電ユニットなど複数台の電源ユニットが接続されている。各電源ユニットは直流バス電圧に基づいて電力の授受の量を自律的に決める。

特許文献２にも分散電源システムが記載されている。この分散電源システムでは直流バスによって風力発電ユニット、太陽光発電ユニット、電力貯蔵ユニット、フライホイールユニット、負荷ユニット、系統連系ユニットなどが相互に接続されている。各ユニットの動作は直流バスの電圧に基づいて行われる。

特許文献３には電力供給システムが記載されている。この電力供給システムは、商用電力供給源に加えて、太陽光や風力のような自然エネルギーを利用した発電手段を分散電源部として備える。分散電源部は、供給する電力値の変化が予測困難である第１発電源と、商用電力供給源とも第１発電源とも異なる第２発電源と、蓄電手段と、第２発電源制御手段と、蓄電供給制御手段とを備える。第１判定手段が判定電力値と第１発電源の供給電力値とを比較して第１発電源の供給電力値の方が判定電力値よりも小さいと判定した場合、第２発電源制御手段は第２発電源を制御し、当該分散電源部が出力すべき電力値である基準電力値と第１発電源の供給電力値との差分の電力を発電させる。第１発電源及び第２発電源の供給電力値が基準電力値よりも小さい場合には、蓄電供給制御手段が蓄電手段を制御し、基準電力値と第１発電源及び第２発電源の供給電力値との差分の電力値を供給させる。

特開２００５−２２４００９号公報 特開２００３−３３９１１８号公報 国際公開２０１１／１１４４２２号公報

自然エネルギーで発電を行う電源を含む電力供給システムにあっては、自然エネルギーによる電力が優先使用されるべきである。しかしながら自然エネルギーによる発電は出力変動が大きく、常に優先使用することとしたのでは電力の安定供給を達成できない。本願はこの点に鑑みなされたものであり、出力の変動する電源が出力大の状態になったときにはその電源からの電力が優先使用されるようにして、出力変動の大きい自然エネルギー利用電源からの電力が積極的に使用されるようにしたものである。

本発明に係る電力供給システムは、負荷に電力を供給するＤＣバスに複数の電源を接続するものであり、前記複数の電源のうち少なくとも１個は電力変換装置を介して前記ＤＣバスに接続されており、前記電力変換装置は、前記電源からの入力電力が小であるときに出力電圧が低下し、入力電力が大であるときに出力電圧が上昇するように、入力電力と出力電圧の関係が規定されていることを特徴としている。

上記構成の電力供給システムにおいて、前記複数の電源のうち、少なくとも第１電源と第２電源が各々前記電力変換装置を介して前記ＤＣバスに接続されており、前記第１電源の前記電力変換装置は、前記第１電源からの入力電力がＰ１１であるときには出力電圧Ｖ１１となり、前記第１電力源からの入力電力がＰ１２であるときは出力電圧Ｖ１２となるものであり、前記第２電源の前記電力変換装置は、前記第２電源からの入力電力がＰ２１であるときには出力電圧Ｖ２１となり、前記第２電源からの入力電力がＰ２２であるときは出力電圧Ｖ２２となるものであり、Ｖ１１＞Ｖ２１かつＶ１２＜Ｖ２２の関係が存在することが好ましい。

上記構成の電力供給システムにおいて、前記複数の電源には自然エネルギーで発電する電源が含まれることが好ましい。

上記構成の電力供給システムにおいて、前記複数の電源には蓄電装置が含まれることが好ましい。

上記構成の電力供給システムにおいて、前記電源から前記電力変換装置に対し、自立したパワーコンディショナーを介して電力供給が行われることが好ましい。

負荷に電力を供給するＤＣバスに複数の電源を接続するに際し、複数の電源のうち少なくとも１個は電力変換装置を介してＤＣバスに接続されるものとし、この電力変換装置は、電源からの入力電力が小であるときに出力電圧が低下し、入力電力が大であるときに出力電圧が上昇するように、入力電力と出力電圧の関係が規定されているから、電力変換装置を介してＤＣバスに接続される電源が自然エネルギーで発電する電源である場合、電力変換装置の入力電力が大になるときのみ出力電圧が上昇してＤＣバスに対する電力供給の優先順位が上がることとなり、電力の安定供給を実現しつつ自然エネルギーの活用が可能となる。

本発明の第１実施形態に係る電力供給システムの概念説明図である。 電力変換器の変換特性のグラフである。 自然エネルギーで発電する電源の発電量の変動の一例を示すグラフである。 電力の優先使用について説明するグラフである。 負荷変動時の電源の選択について説明するグラフである。 本発明の第２実施形態に係る電力供給システムの概念説明図である。

以下、図に基づき本発明の実施形態を説明する。

＜第１実施形態＞
図１に示す電力供給システム１は電源に電気自動車を含み、電気自動車充放電システム１０が電力供給制御装置として機能する。電力供給システム１は、分散電源として、電気自動車１１の他、太陽電池１２と風車１３を備える。燃料電池１４やガスエンジン発電機１５を電源に加えることも可能である。

電力供給システム１が蓄電池を含んでいると、その蓄電池に自然エネルギーの余剰電力を充電してためることができる。自然エネルギーの電力が小さいときは蓄電池から放電した電力を優先して使用することができ、安定して電力を使用することができる。

自然エネルギーの余剰電力を受け入れるため、また、自然エネルギーの電力が小さいときにも安定して電力を供給するために、蓄電池の容量は大きい方がよく、この意味では電気自動車の蓄電池を使用するとよい。電気自動車の蓄電池の容量は、一般的に据え置き型蓄電池の容量に比べて大きく、本願のような電力供給システムに適している。また、災害時停電時においても、蓄電池を移動させて利用することができる。

電力供給システム１が電源に電気自動車を含む構成となっているのは上記の理由によるものであり、電気自動車１１に搭載された蓄電池が電力供給システム１の蓄電装置として機能する。電気自動車以外の車両であっても、蓄電池を動力源とするものであればその蓄電池を電力供給システム１の蓄電装置とすることができる。もちろん、車両に搭載されない据え置き型の蓄電池を電力供給システム１の蓄電装置としてもよい。

電気自動車充放電システム１０は各電源の電力が結合されるＤＣバス２０を含む。ＤＣバス２０に対し、電気自動車１１、太陽電池１２、及び風車１３が、各々電力変換装置を介して接続される。電気自動車１１にとり電力変換装置となるのは双方向ＤＣＤＣ変換器２１である。太陽電池１２にとり電力変換装置となるのはＡＣＤＣ変換器２２である。風車１３にとり電力変換装置となるのはＡＣＤＣ変換器２３である。

太陽電池１２とＡＣＤＣ変換器２２の間には太陽光発電パワーコンディショナー２４が介在し、風車１３とＡＣＤＣ変換器２３の間には風力発電パワーコンディショナー２５が介在する。太陽光発電パワーコンディショナー２４は太陽電池１２のＤＣ出力をＡＣに変換して出力する。風力発電パワーコンディショナー２５は風車１３のＡＣ出力をＡＣで出力する。

太陽光発電パワーコンディショナー２４と風力発電パワーコンディショナー２５はそれ自身が自立した電力供給装置である。太陽光発電パワーコンディショナー２４の出力は自立出力（自立出力１）であり、それはＡＣＤＣ変換器２２の自立入力（自立入力１）となる。風力発電パワーコンディショナー２５の出力も自立出力（自立出力２）であり、それはＡＣＤＣ変換器２３の自立入力（自立入力２）となる。

パワーコンディショナーの各々の自立出力を使うことで、パワーコンディショナーはそれ自身が自立した電力供給装置となる。パワーコンディショナーの自立出力を電力変換器の自立入力とすることで、災害時停電時においても、複数の電力源を統合し自律的に優先順位を付けて効率よく電力を使用することができる。

電力供給システム１における負荷３０は、双方向インバータ３１を介してＤＣバス２０に接続される。

図１の電力供給システム１には商用電源が含まれていないが、ＤＣバス２０を系統連系で商用電源に接続することとしてもよい。

電力供給システム１の働きは次の通りである。複数の電源のうち、どれが優先使用されるかは、ＤＣバス２０の電圧で決まる。「電源の設定出力電圧≧バス電圧」となったとき、その電源からＤＣバス２０に電力が供給される。つまり、電力利用の優先順位は電源の設定出力電圧の高い順となる。

負荷３０の電力消費量が小であって、ＤＣバス２０の電圧が高い間は、優先順位上位の電源から電力が供給される。負荷３０の電力消費量が増大し、ＤＣバス２０の電圧が低下すると、優先順位上位の電源からだけでなく、優先順位下位の電源からも電力が供給されるようになる。

太陽電池１２や風車１３のように、自然エネルギーで発電を行う電源は、その電力をできるだけ使用したいところであるが、出力変動が大きいため、常時優先順位上位とすることができない。そこで次のようにする。すなわち電力変換装置であるＡＣＤＣ変換器２２、２３は、電源である太陽電池１２または風車１３からの入力電力が小であるときには出力電圧が低下し、入力電力が大であるときには出力電圧が上昇するように、入力電力と出力電圧の関係が規定されている。

電力変換装置である双方向ＤＣＤＣ変換器２１、ＡＣＤＣ変換器２２、及びＡＣＤＣ変換器２３における、それぞれの入力電圧と出力電圧の関係を、図２のグラフに基づき説明する。図２では、ＡＣＤＣ変換器２２はＡＣＤＣ変換器１、ＡＣＤＣ変換器２３はＡＣＤＣ変換器２とされている。なおグラフ中の電力や電圧の数値は単なる例示であり、発明を限定するものではない。

図２（ａ）のグラフは双方向ＤＣＤＣ変換器２１における入力電力と出力電圧の関係の規定の仕方を示す。入力電力が大になるにつれ出力電圧が上昇するが、その上昇の仕方は緩やかである。

図２（ｂ）のグラフはＡＣＤＣ変換器２２における入力電力と出力電圧の関係の規定の仕方を示す。入力電力が大になるにつれ出力電圧が目に見えて上昇する。

図２（ｃ）のグラフはＡＣＤＣ変換器２３における入力電力と出力電圧の関係の規定の仕方を示す。入力電力が大になるにつれ出力電圧は、ＡＣＤＣ変換器２２よりもさらに高い比率で上昇する。

ＡＣＤＣ変換器２２、２３の入力電力と出力電圧の関係は次のように規定されている。すなわち太陽電池１２が第１電源、風車１３が第２電源であるものとする。第１電源の電力変換装置であるＡＣＤＣ変換器２２は、第１電源からの入力電力がＰ１１であるときは出力電圧Ｖ１１となり、第１電源からの入力電力がＰ１２であるときは出力電圧Ｖ１２となる。第２電源の電力変換装置であるＡＣＤＣ変換器２３は、第２電源からの入力電力がＰ２１であるときは出力電圧Ｖ２１となり、第２電源からの入力電力がＰ２２であるときは出力電圧Ｖ２２となる。そして出力電圧相互間には、Ｖ１１＞Ｖ２１かつＶ１２＜Ｖ２２の関係が存在する。

上記のような入力電力と出力電圧の関係の規定は、双方向ＤＣＤＣ変換器２１とＡＣＤＣ変換器２２の間、また双方向ＤＣＤＣ変換器２１とＡＣＤＣ変換器２３の間にも存在する。

双方向ＤＣＤＣ変換器２１とＡＣＤＣ変換器２２の間における入力電力と出力電圧の関係の規定は次の通りである。すなわち電気自動車１１が第１電源、太陽電池１２が第２電源であるものとする。第１電源の電力変換装置である双方向ＤＣＤＣ変換器２１は、第１電源からの入力電力がＰ１１であるときは出力電圧Ｖ１１となり、第１電源からの入力電力がＰ１２であるときは出力電圧Ｖ１２となる。第２電源の電力変換装置であるＡＣＤＣ変換器２２は、第２電源からの入力電力がＰ２１であるときは出力電圧Ｖ２１となり、第２電源からの入力電力がＰ２２であるときは出力電圧Ｖ２２となる。そして出力電圧相互間には、Ｖ１１＞Ｖ２１かつＶ１２＜Ｖ２２の関係が存在する。

双方向ＤＣＤＣ変換器２１とＡＣＤＣ変換器２３の間における入力電力と出力電圧の関係の規定は次の通りである。すなわち電気自動車１１が第１電源、風車１３が第２電源であるものとする。第１電源の電力変換装置である双方向ＤＣＤＣ変換器２１は、第１電源からの入力電力がＰ１１であるときは出力電圧Ｖ１１となり、第１電源からの入力電力がＰ１２であるときは出力電圧Ｖ１２となる。第２電源の電力変換装置であるＡＣＤＣ変換器２３は、第２電源からの入力電力がＰ２１であるときは出力電圧Ｖ２１となり、第２電源からの入力電力がＰ２２であるときは出力電圧Ｖ２２となる。そして出力電圧相互間には、Ｖ１１＞Ｖ２１かつＶ１２＜Ｖ２２の関係が存在する。

図３のグラフには、太陽電池１２の発電電力と風車１３の発電電力が時間の経過とともにどのように変化するが示されている。言うまでもないが、このグラフは一つの想定例であり、実際の変化をプロットしたものではない。

太陽電池１２と風車１３の発電電力が変化すると、ＡＣＤＣ変換器２２、２３の入力電力が変化する。入力電力が変化するとＡＣＤＣ変換器２２、２３の出力電圧が変化する。図４のグラフには、図３のグラフにおける発電電力の変化によりもたらされたＡＣＤＣ変換器２２、２３の出力電圧の変化が示されている。図４のグラフには電気自動車１１の放電電圧も示されている。

図４のグラフには（１）〜（７）の区間が表示されている。電気自動車１１の放電電圧、ＡＣＤＣ変換器２２の出力電圧、及びＡＣＤＣ変換器２３の出力電圧の３種の電圧の関係がどのように変化したかで区間が切り替わる。

区間（１）では、ＡＣＤＣ変換器２２の出力電圧が最も高く、電気自動車１１の放電電圧がそれに次ぎ、ＡＣＤＣ変換器２３の出力電圧が最も低くなっている。従って区間（１）ではＡＣＤＣ変換器２２、電気自動車１１、ＡＣＤＣ変換器２３の順で電源としての優先順位が高くなる。

以下同様にして図４のグラフを見ていくと、電源としての優先順位は次のようになる。
区間（２）：電気自動車１１、ＡＣＤＣ変換器２２、ＡＣＤＣ変換器２３
区間（３）：電気自動車１１、ＡＣＤＣ変換器２３、ＡＣＤＣ変換器２２
区間（４）：ＡＣＤＣ変換器２３、電気自動車１１、ＡＣＤＣ変換器２２
区間（５）：ＡＣＤＣ変換器２３、ＡＣＤＣ変換器２２、電気自動車１１
区間（６）：ＡＣＤＣ変換器２２、ＡＣＤＣ変換器２３、電気自動車１１
区間（７）：ＡＣＤＣ変換器２２、電気自動車１１、ＡＣＤＣ変換器２３

このように電力供給システム１では、電力変換装置の入力電力における出力電圧を設定しておくことで、分散電源における電力供給の優先順位を自律的に変えることができる。

負荷３０が変動するとＤＣバス２０の電圧が変化する。負荷３０の電力消費量が増大すればＤＣバス２０の電圧が低下し、負荷３０の電力消費量が減少すればＤＣバス２０の電圧が上昇する。図５のグラフにはＤＣバス２０の電圧変動の例が示されている。

図５のグラフには、電気自動車１１の放電電圧、ＡＣＤＣ変換器２２の出力電圧、ＡＣＤＣ変換器２３の出力電圧に加えて、ＤＣバス２０の電圧も示されている。ＤＣバス２０の電圧よりも高い電圧の電源は出力し、ＤＣバス２０の電圧よりも低い電圧の電源は出力しない。

図５のグラフには（１）〜（１０）の区間が表示されている。電気自動車１１の放電電圧、ＡＣＤＣ変換器２２の出力電圧、ＡＣＤＣ変換器２３の出力電圧、及びＤＣバス２０の電圧の４種の電圧の関係がどのように変化したかで区間が切り替わる。負荷３０への電力供給は次のように自律的に行われる。

区間（１）では、ＡＣＤＣ変換器２２の出力電圧が最も高く、電気自動車１１の放電電圧がそれに次ぎ、ＡＣＤＣ変換器２３の出力電圧が最も低くなっている。従って区間（１）ではＡＣＤＣ変換器２２、電気自動車１１、ＡＣＤＣ変換器２３の順で電源としての優先順位が高くなる。

区間（１）：ＡＣＤＣ変換器２２と電気自動車１１がＤＣバス２０に対し出力する。ＡＣＤＣ変換器２２が電気自動車１１に優先する。ＡＣＤＣ変換器２３は出力しない。
区間（２）：電気自動車１１とＡＣＤＣ変換器２２がＤＣバス２０に対し出力する。電気自動車１１がＡＣＤＣ変換器２２に優先する。ＡＣＤＣ変換器２３は出力しない。
区間（３）：電気自動車１１がＤＣバス２０に対し出力する。ＡＣＤＣ変換器２２とＡＣＤＣ変換器２３は出力しない。
区間（４）：電気自動車１１とＡＣＤＣ変換器２３がＤＣバス２０に対し出力する。電気自動車１１がＡＣＤＣ変換器２３に優先する。ＡＣＤＣ変換器２２は出力しない。
区間（５）：ＡＣＤＣ変換器２３と電気自動車１１がＤＣバス２０に対し出力する。ＡＣＤＣ変換器２３が電気自動車１１に優先する。ＡＣＤＣ変換器２２は出力しない。
区間（６）：ＡＣＤＣ変換器２３、電気自動車１１、及びＡＣＤＣ変換器２２がこの通りの優先順位でＤＣバス２０に対し出力する。
区間（７）：ＡＣＤＣ変換器２３、ＡＣＤＣ変換器２２、及び電気自動車１１がこの通りの優先順位でＤＣバス２０に対し出力する。
区間（８）：ＡＣＤＣ変換器２２、ＡＣＤＣ変換器２３、及び電気自動車１１がこの通りの優先順位でＤＣバス２０に対し出力する。
区間（９）：ＡＣＤＣ変換器２２、電気自動車１１、及びＡＣＤＣ変換器２３がこの通りの優先順位でＤＣバス２０に対し出力する。
区間（１０）：ＡＣＤＣ変換器２２と電気自動車１１がＤＣバス２０に対し出力する。ＡＣＤＣ変換器２２が電気自動車１１に優先する。ＡＣＤＣ変換器２３は出力しない。

太陽光発電や風力発電など自然エネルギーを利用した発電は出力変動が大きいが、上記のように出力の大きさに応じて電力供給の優先順位を上げることとすれば、自然エネルギーが豊富に存在しても優先順位が低くて出力されないといったことがなくなり、自然エネルギーを有効利用することができる。また出力が小さいときは発電効率も低下しているから、そのような電源は優先順位を下げ、発電効率の高い電源を優先使用するようにして、電力供給システム１の効率を高めることができる。

＜第２実施形態＞
電力供給システム１の第２実施形態を図６に示す。第１実施形態と機能的に共通する構成要素には第１実施形態の説明で用いたのと同じ符号を付し、説明は省略する。

第２実施形態では蓄電池１６が電力供給システム１の蓄電装置として機能する。蓄電池１６は電気自動車に搭載されたものではなく、従って第２実施形態には電気自動車充放電システムが存在していない。

実施形態１の電力供給システム１では太陽電池１２が太陽光発電パワーコンディショナー２４を備え、電力を自立ＡＣ出力として出力していた。実施形態２の電力供給システム１では、太陽電池１２が発電した電力を直流のままＤＣＤＣ変換器２６でＤＣＤＣ変換してＤＣバス２０に供給する。

太陽電池１２とＤＣＤＣ変換器２６の間にはＭＰＰＴ制御装置２７が介在している。ＭＰＰＴとは「最大電力点追従」（maximum power point tracking）のことである。太陽電池１２の最適動作点は気象条件等により常に変動するが、ＭＰＰＴ制御装置２７はその最適動作点に追従するように動作する。これにより、ＤＣバス２０の電圧が変動しても太陽電池１２の最大電力を利用することができる。

第２実施形態の電力供給システム１は系統連系機能を有する。すなわち負荷３０は必要に応じ商用電源からも電力の供給を受ける。双方向インバータ３１は商用電源から電力を供給される際に系統連系を行うための電力変換装置として機能する。

双方向インバータ３１のＡＣ側は系統とつながっている。蓄電池１６を充電するときは蓄電池１６を負荷とみなし、電源が系統及び太陽電池１２となる。系統に対しては双方向インバータ３１が電力変換装置となる。

蓄電池１６が放電するときは、蓄電池１６と太陽電池１２が電源となる。双方向ＤＣＤＣ変換器２１とＤＣＤＣ変換器２６は、入力電力に応じて出力電圧を決める。

以上、本発明の各実施形態につき説明したが、本発明の範囲はこれに限定されるものではない。発明の主旨を逸脱しない限り、種々の変更を加えて実施することができる。

本発明は分散電源を含む電力供給システムに広く適用可能である。

１ 電力供給システム
１０ 電気自動車充放電システム
１１ 電気自動車
１２ 太陽電池
１３ 風車
１６ 蓄電池
２０ ＤＣバス
２１ 双方向ＤＣＤＣ変換器
２２、２３ ＡＣＤＣ変換器
２４ 太陽光発電パワーコンディショナー
２５ 風力発電パワーコンディショナー
２６ ＤＣＤＣ変換器
２７ ＭＰＰＴ制御装置
３０ 負荷
３１ 双方向インバータ

Claims (5)

1. 負荷に電力を供給するＤＣバスに複数の電源を接続する電力供給システムであって、
   前記複数の電源のうち少なくとも１個は電力変換装置を介して前記ＤＣバスに接続されており、
   前記電力変換装置は、前記電源からの入力電力が小であるときに出力電圧が低下し、入力電力が大であるときに出力電圧が上昇するように、入力電力と出力電圧の関係が規定されていることを特徴とする電力供給システム。
2. 前記複数の電源のうち、少なくとも第１電源と第２電源が各々前記電力変換装置を介して前記ＤＣバスに接続されており、
   前記第１電源の前記電力変換装置は、前記第１電源からの入力電力がＰ１１であるときには出力電圧Ｖ１１となり、前記第１電源からの入力電力がＰ１２であるときは出力電圧Ｖ１２となるものであり、
   前記第２電源の前記電力変換装置は、前記第２電源からの入力電力がＰ２１であるときには出力電圧Ｖ２１となり、前記第２電源からの入力電力がＰ２２であるときは出力電圧Ｖ２２となるものであり、
   Ｖ１１＞Ｖ２１かつＶ１２＜Ｖ２２の関係が存在することを特徴とする請求項１に記載の電力供給システム。
3. 前記複数の電源には自然エネルギーで発電する電源が含まれることを特徴とする請求項１または２に記載の電力供給システム。
4. 前記複数の電源には蓄電装置が含まれることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の電力供給システム。
5. 前記電源から前記電力変換装置に対し、自立したパワーコンディショナーを介して電力供給が行われることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の電力供給システム。

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