JP2018098952A - 蓄電システム及び太陽光発電システム - Google Patents

Abstract

【課題】逆潮流による売電量の増加や、夕方の電力不足の解消、出力抑制による余剰電力の売買機会喪失に効果を発揮する。【解決手段】太陽光発電システムは、太陽電池１とパワーコンディショナ（ＰＣＳ）２０と蓄電システム１０とを備えている。蓄電システム１０は、太陽電池１の直流電力を貯める蓄電池１５と、前記直流電力を所定の直流電力に変換して蓄電池１５を充電するコンバータ１４と、蓄電池１５に貯められた直流電力を放電するスイッチ１６と、このスイッチ１６から放電された直流電力をＰＣＳ２０へ導くダイオード１７と、ＰＣＳ２０の入力電力を検出して検出信号を出力するセンサ１１，１２と、前記検出信号に基づいてコンバータ１４及びスイッチ１６を制御する制御部１３と、を有している。【選択図】図１

Description

本発明は、蓄電池を有する蓄電システム及びこれを備えた太陽光発電システムに関するものである。

従来、蓄電池を有する蓄電システムを備えた蓄電池併設型の太陽光発電システムは、例えば、３つの特許文献１〜３に記載された何れかに大別される。

特許文献１の太陽光発電システムは、太陽電池に対し、逆流防止用ダイオードを介して並列に、蓄電池を接続する方式である。この方式では、太陽電池モジュールに対し、逆流防止用ダイオードを介して並列に、蓄電池モジュールを接続し、その太陽電池モジュールと蓄電池モジュールの間にスイッチを備える太陽電池ストリングを、ＤＣ／ＡＣ（直流／交流）変換装置を介して電力系統に接続した構成になっている。そして、スイッチにより、太陽電池モジュールと蓄電池モジュールの合成出力又は太陽電池モジュールの出力を切り替えて取り出すことにより、太陽光発電出力を平滑し、タイムシフトを可能にしている。

特許文献２の太陽光発電システムは、太陽電池とこの出力側に接続された逆流防止用ダイオードを、最大電力点追従（Maximum Power Point Tracking、以下「ＭＰＰＴ」という。）機能を搭載した双方向コンバータを介して、電力系統側に接続するＤＣリンク方式である。この方式では、電力系統への逆潮流時に、受電電力が所定の電力を下回らないように双方向コンバータを制御している。

特許文献３の太陽光発電システムは、太陽電池に対して並列に蓄電池を設置し、太陽電池用のパワーコンディショナ（以下「ＰＣＳ」という。）を介して、電力系統側で接続するＡＣリンク方式である。

特開２００７−２０１２５７号公報 特開２００２−１７１６７４号公報 特開２００２−３４１７５号公報

しかしながら、特許文献１〜３に記載された従来の蓄電システム及びこれを備えた太陽光発電システムでは、次の（１）〜（４）のような課題がある。

（１） 特許文献１の課題
特許文献１に記載された太陽電池と蓄電池の並列構成は、最も簡便なものの、太陽電池の出力電圧が蓄電池電圧を超えないように制限されてしまい、太陽電池の持つ最大電力を取り出すことができなくなる。

（２） 特許文献２の課題
特許文献２のＤＣリンク方式では、太陽電池の電力を最大限に取り出すことが可能であるが、蓄電池を充放電可能にするために、ＤＣ／ＤＣ変換を行う双方向のコンバータと、ＤＣ／ＡＣ変換を行う双方向のインバータが必要となるので、電力損失が大きく、製造コストも高い。又、系統電力を蓄電池に貯めるため、蓄電池から電力系統へ逆潮流することができない。

（３） 特許文献３の課題
特許文献３のＡＣリンク方式は、特許文献２のＤＣ方式と同様に、太陽電池電力の最大化と系統電力の充放電が可能である。しかし、蓄電池に充電する電力が、電力系統由来なのか、あるいは、太陽光由来なのかを判断しづらく、蓄電池電力の逆潮流が困難なこと、専用の電力センサを太陽光発電出力側に設ける必要があり、システム構成が複雑である。

（４） その他の課題
近年の太陽光発電は、ＰＣＳの定格電力を遙かに超える太陽電池を接続して、朝や夕刻等の最低発電量を底上げして一日中安定した発電を行うことにより、総発電量を増やす（つまり、逆潮流の売電による利益を増やす）ための過積載と呼ばれる設置形態が増えている。しかし、現状の過積載の設置形態では、太陽電池が持つ余剰発電電力を十分に活用できていない。

本発明の蓄電システムは、直流電力を蓄積し、前記直流電力を交流電力に変換して電力系統へ供給するＰＣＳへ、前記直流電力を入力する蓄電システムであって、前記ＰＣＳの入力電圧範囲に合致した電圧範囲を持ち、前記直流電力を貯める蓄電池と、前記直流電力を所定の直流電力に変換して前記蓄電池を充電する電力変換器と、前記蓄電池に貯められた前記直流電力を放電する放電用スイッチと、前記ＰＣＳの入力電力を検出して検出信号を出力するセンサと、前記検出信号に基づいて前記電力変換器の変換電力を制御すると共に、前記太陽電池の非発電時に前記スイッチをオン状態にして前記蓄電池の放電を制御する制御部と、を有することを特徴とする。

本発明の太陽光発電システムは、太陽光を直流電力に変換する太陽電池と、前記直流電力を交流電力に変換して電力系統へ供給するＰＣＳと、前記直流電力を蓄積して前記ＰＣＳへ入力する前記発明の蓄電システムと、を備えることを特徴とする。

本発明の蓄電システム及びこれを備えた太陽光発電システムによれば、次の（ａ）〜（ｃ）のような効果がある。

（ａ） 過積載設置で、太陽電池が持つ余剰電力のみを蓄電池に充電しておき、夜間等の太陽電池が発電できない時間帯に、蓄電池放電を行うことで、より多くの太陽光由来エネルギーの供給と、ＰＣＳの稼働向上を実現できる。

（ｂ） 前記（ａ）の結果、同一の太陽電池から逆潮流による売電量の増加や、夕方の電力不足の解消、出力抑制による余剰電力の売買機会喪失に効果を発揮できる。

（ｃ） 今後、太陽光発電が増加するに従い、日中は電気が余り、日が沈む夕方から電気が不足する傾向が強まるが、余った電気を貯めておき、電力が不足する時間帯に逆潮流するタイムシフトの必要性の高まりに対応することが可能になる。

本発明の実施例１における太陽光発電システムの概略を示す構成図 図１の太陽光発電システムの動作原理を示す図 図１中の蓄電システムの動作を示すフローチャート 本発明の実施例２における太陽光発電システムの概略を示す構成図

本発明を実施するための形態は、以下の好ましい実施例の説明を添付図面と照らし合わせて読むと、明らかになるであろう。但し、図面はもっぱら解説のためのものであって、本発明の範囲を限定するものではない。

（実施例１の構成）
図１は、本発明の実施例１における太陽光発電システムの概略を示す構成図である。
本実施例１の太陽光発電システムは、太陽電池としての太陽電池アレイ１と、蓄電システム１０と、ＰＣＳ２０と、を備えている。

太陽電池アレイ１は、太陽光を直流電力に変換するものであり、ＰＣＳ２０の定格出力電力（例えば、１０ｋＷ）を超えた過積載の最大出力電力（例えば、１５ｋＷ）能力を有している。太陽電池アレイ１とＰＣＳ２０との間には、蓄電システム１０が設けられている。

蓄電システム１０は、過積載の太陽電池アレイ１にて余っている直流電力を蓄電池１５に蓄え、その蓄えた直流電力をＰＣＳ２０へ入力するシステムであり、例えば、既設の太陽電池アレイ１とＰＣＳ２０との間に、後付け可能な構成になっている。

この蓄電システム１０は、ＰＣＳ２０の入力電力を検出して検出信号を出力するセンサ（例えば、電圧センサ１１及び電流センサ１２）を有している。電圧センサ１１は、太陽電池アレイ１とＰＣＳ２０とを接続する電線５上の直流電圧を検出して検出電圧信号Ｓ１１を出力するものであり、例えば、抵抗分圧回路等により構成されている。電流センサ１２は、電線５を流れるＰＣＳ２０の直流入力電流を検出して検出電流信号Ｓ１２を出力するものであり、計器用変流器（ＣＴ）等により構成されている。電圧センサ１１及び電流センサ１２の出力側には、制御部１３が接続されている。電線５には、電力変換器（例えば、ＤＣ／ＤＣ変換用の充電用コンバータ）１４と、逆流防止素子（例えば、逆流防止用ダイオード）１７及び放電用スイッチ１６と、が分岐接続されている。更に、コンバータ１４とスイッチ１６とには、蓄電池１５が接続されている。

制御部１３は、検出電圧信号Ｓ１１及び検出電流信号Ｓ１２からＰＣＳ２０の入力電力を検出すると共に、蓄電池１５の放電条件Ｈ１及び放電停止条件Ｈ２をメモリ１３ａに記憶し、この記憶した放電条件Ｈ１及び放電停止条件Ｈ２と、検出した入力電力と、に基づいてコンバータ１４の変換電力を制御すると共に、太陽電池アレイ１の非発電時にスイッチ１６をオン状態にして蓄電池１５の放電を制御する機能を有し、中央処理装置（ＣＰＵ）等で構成されている。コンバータ１４は、制御部１３により制御され、電線５上の直流電力を所定の直流電力に変換して蓄電池１５を充電する機能を有している。蓄電池１５は、ＰＣＳ２０の入力電圧範囲に合致した電圧範囲を持ち、直流電力を貯めるものである。スイッチ１６は、制御部１３によりオン／オフが制御され、蓄電池１５に貯められた直流電力を放電するものであり、スイッチング素子等により構成されている。スイッチ１６の出力側には、ダイオード１７が接続されている。ダイオード１７は、スイッチ１６から放電された直流電力を、電線５を通してＰＣＳ２０へ導く素子である。

ＰＣＳ２０は、電線５上の直流電力を交流電力に変換するＤＣ／ＡＣ変換用のインバータ２１と、事故等の場合に電力系統３０を保護する系統連系保護装置２２と、を有している。インバータ２１は、太陽電池アレイ１で発電した直流電力を交流電力に変換するパワー半導体素子を持った電力変換部、そのパワー半導体素子をオン／オフ制御する制御装置、内部故障に対する保護装置、ＭＰＰＴ制御装置等を有している。系統連系保護装置２２は、周波数の上昇／下降の検出、過不足電圧の検出、及び単独運転検出等、太陽光発電システムが電力系統３０の保安及び電力品質確保に関する諸規定を満たすための装置である。ＰＣＳ２０と電力系統３０との間には、図示しないが、負荷装置等が接続されている。

（実施例１の動作原理）
図２は、図１の太陽光発電システムの動作原理を示す図である。図２の横軸は、早朝、昼間、夜間の時間経過を示す時間Ｔ、縦軸は、太陽光発電電力である。

近年、太陽光発電システムの普及に伴い、ダックカーブ（「アヒル」の形をしたグラフ）と言われる、夕方の電力不足が問題となりつつある。太陽光発電量は、昼間にピークを迎えるのに対して、電力需要は、夕方がピークになる。そのため、昼間の電力需要が大きく下がって電力供給が過剰になるのに対して、夕方に電力不足が問題となる。このようなダックカーブの問題を、本実施例１では以下のように解消している。

本実施例１の太陽光発電システムでは、ＰＣＳ２０の定格電力４１（例えば、１０ｋＷ）を超える過積載の太陽電池アレイ１（例えば、直流出力電力が１５ｋＷ）を備えている。太陽電池アレイ１は、過積載のため、早朝、昼間及び夜間前の太陽光発電量４２は、ＰＣＳ定格電力４１を超えて余剰電力４３（例えば、５ｋＷ）が生じる。この余剰電力４３を蓄電システム１０内の蓄電池１５に蓄える。夕方以降の夜間になると、太陽電池アレイ１の発電が停止するにも拘わらず、電力需要が増加する。そこで、蓄電池１５に蓄えた余剰電力４３を夜間に放電する。この放電電力は、ＰＣＳ２０にて交流電力に変換され、図示しない負荷装置の電力需要のために消費されるか、あるいは、余剰電力４３を電力系統３０側へ逆潮流して売電することにより、収益の増加を可能にしている。

（実施例１の蓄電システムの動作）
図３は、図１中の蓄電システム１０の動作を示すフローチャートである。
蓄電池システム１０の動作では、ステップＳＴ１〜ＳＴ９が実行される。

図３の蓄電システム１０の動作が開始されると、ステップＳＴ１において、制御部１３は、電圧センサ１１から出力される検出電圧信号Ｓ１１に基づき、太陽電池アレイ１の状態が、発電中の電圧有りか、非発電中の電圧無しかを判定し、電圧無しのときには、ステップＳＴ７へ進み、電圧有りのときには、ステップＳＴ２へ進む。

ステップＳＴ２において、制御部１３は、コンバータ１４を起動させる。コンバータ１４は、太陽電池アレイ１から出力された直流電力を所定の直流電力に変換し、蓄電池１５を充電していき、ステップＳＴ３へ進む。ステップＳＴ３において、制御部１３は、太陽電池アレイ１の状態が、発電中の電圧有りか、非発電中の電圧無しかを判定し、電圧無しのときには、ステップＳＴ１に戻り、電圧有りのときには、ステップＳＴ４へ進む。

ステップＳＴ４において、制御部１３は、電圧センサ１１から出力された検出電圧信号Ｓ１１と、電流センサ１２から出力された検出電流信号Ｓ１２と、に基づき、ＰＣＳ２０の入力電力を検出し、この入力電力が減少している（つまり変動している）か、又は、ＰＣＳ２０の変換電力が許容最大値になっている（つまり変動していない）か、を判定し、変動しているときには、ステップＳＴ５へ進み、変動していないときには、ステップＳＴ６へ進む。

ステップＳＴ５において、制御部１３は、コンバータ１４を制御し、蓄電池１５の充電電力を減少させてＰＣＳ２０の入力電力を維持させ、ステップＳＴ４に戻る。又、ステップＳＴ６において、制御部１３は、コンバータ１４を制御し、蓄電池１５の充電電力を徐々に増加（漸増）させる。蓄電池電圧が上昇して蓄電池１５が満充電（満タン）になった場合、制御部１３の制御により、以降の充電が中止され、ステップＳＴ４に戻る。

一方、ステップＳＴ１からステップＳＴ７へ進んだ場合、制御部１３は、メモリ１３ａに記憶された放電条件Ｈ１が成立しているか、又は、不成立かを判定する。放電条件Ｈ１は、放電が許可された時間帯である（例えば、夜間）、蓄電池残量が零ではない、蓄電池１５に異常がない、あるいは、外部装置からの放電指示がある場合等である。放電条件Ｈ１が不成立のときには、ステップＳＴ１に戻り、成立のときには、ステップＳＴ８へ進む。

ステップＳＴ８において、制御部１３は、スイッチ１６をオンする。スイッチ１６のオンにより、蓄電池１５が放電し、ダイオード１７を経由して、ＰＣＳ２０へ供給される。ＰＣＳ２０は、放電電力を交流電力に変換し、電力系統３０へ逆潮流する。次に、ステップＳＴ９へ進む。

ステップＳＴ９において、制御部１３は、メモリ１３ａに記憶された放電停止条件Ｈ２が成立しているか、又は、不成立かを判定する。放電停止条件Ｈ２は、太陽電池電圧が発生した場合、蓄電池残量が零の場合（つまり、蓄電池電圧が低下し、規定の放電停止電圧に到達した場合）、あるいは、蓄電池１５に異常が発生した場合等である。放電停止条件Ｈ２が不成立のときには、その条件が成立するまで、ステップＳＴ９の判定を繰り返す。放電停止条件Ｈ２が成立した場合、制御部１３は、スイッチ１６をオフしてＰＣＳ２０の運転を停止させ、ステップＳＴ１に戻る。

（実施例１の効果）
本実施例１の蓄電システム１０及びこれを備えた太陽光発電システムによれば、次の（ａ）〜（ｃ）のような効果がある。

（ａ） 過積載設置で、太陽電池アレイ１が持つ余剰電力のみを、コンバータ１４によって蓄電池１５に充電しておき、夜間等の太陽電池アレイ１が発電できない時間帯に、スイッチ１６によって蓄電池放電を行うことで、ＰＣＳ２０へのより多くの太陽光由来エネルギーの供給と、ＰＣＳ２０の稼働向上を実現できる。

（ｂ） 前記（ａ）の結果、同一の太陽電池アレイ１から電力系統３０への逆潮流による売電量の増加や、夕方の電力不足の解消（ダックカーブ緩和）、出力抑制による余剰電力の売買機会喪失に効果を発揮できる。

（ｃ） 今後、太陽光発電が増加するに従い、日中は電気が余り、日が沈む夕方から電気が不足する傾向が強まるが、余った電気を貯めておき、電力が不足する時間帯に逆潮流するタイムシフトの必要性の高まりに対応することが可能になる。

（実施例２の構成）
図４は、本発明の実施例２における太陽光発電システムの概略を示す構成図であり、実施例１を示す図１中の要素と共通の要素には共通の符号が付されている。

本実施例２の太陽光発電システムでは、実施例１の１つの太陽電池アレイ１に代えて、並列に設置された複数の太陽電池としての太陽電池ストリング１ａ，１ｂ，１ｃが設けられ、この出力側に、実施例１の蓄電システム１０とは構成の異なる蓄電システム１０Ａを介して、実施例１と同様のＰＣＳ２０が接続されている。

各太陽電池ストリング１ａ，１ｂ，１ｃは、複数の太陽電池モジュール（ソーラパネル）を直列に配線し、まとまった電力量が得られるようにしたものである。蓄電システム１０Ａでは、実施例１の蓄電システム１０の入力段に、新たに集電箱１８が追加されている。集電箱１８は、各太陽電池ストリング１ａ，１ｂ，１ｃの出力側に接続された複数の逆流防止用ダイオード１８ａ，１８ｂ，１８ｃを有し、これらのダイオード１８ａ，１８ｂ，１８ｃの出力側が共通に接続されている。集電箱１８の出力側には、実施例１の蓄電システム１０と同様に、電圧センサ１１及び電流センサ１２が接続されている。その他の構成は、実施例１と同様である。

（実施例２の作用・効果）
並列に設置された複数の太陽電池ストリング１ａ，１ｂ，１ｃから出力された直流電力は、蓄電システム１０Ａ内の集電箱１８にて合流された後、充電用コンバータ１４又はＰＣＳ２０へ供給され、実施例１と同様に動作する。

本実施例２の蓄電システム１０Ａ及びこれを備えた太陽光発電システムによれば、実施例１と略同様の効果がある。更に、複数の太陽電池ストリング１ａ，１ｂ，１ｃが並列に設置されているので、各太陽電池ストリング１ａ，１ｂ，１ｃから出力される直流電力の電圧変動が抑制され、更に、過積載が容易になる。

（変形例）
本発明は、上記実施例１、２に限定されず、種々の利用形態や変形が可能である。この利用形態や変形例としては、例えば、次の（ｉ）、（ｉｉ）のようなものがある。

（ｉ） 図１、図４の蓄電システム１０，１０Ａは、図示の構成に限定されず、他の変形が可能である。例えば、電圧センサ１１及び電流センサ１２は、これらの機能を有する１つの電力センサに代えても良い。又、逆流防止用ダイオード１７は、スイッチ素子等を用いた他の逆流防止素子に代えても良い。

（ｉｉ） 図３のフローチャートは、他の処理のフローに変更したり、あるいは、他の処理のステップを付加しても良い。

１ 太陽電池アレイ
１ａ，１ｂ，１ｃ 太陽電池ストリング
１０，１０Ａ 蓄電システム
１１ 電圧センサ
１２ 電流センサ
１３ 制御部
１４ 充電用コンバータ
１５ 蓄電池
１６ 放電用スイッチ
１７ 逆流防止用ダイオード
１８ 集電箱
２０ ＰＣＳ（パワーコンディショナ）
３０ 電力系統

Claims (12)

1. 直流電力を蓄積し、前記直流電力を交流電力に変換して電力系統へ供給するパワーコンディショナへ、前記直流電力を入力する蓄電システムであって、
   前記パワーコンディショナの入力電圧範囲に合致した電圧範囲を持ち、前記直流電力を貯める蓄電池と、
   前記直流電力を所定の直流電力に変換して前記蓄電池を充電する電力変換器と、
   前記蓄電池に貯められた前記直流電力を放電する放電用スイッチと、
   前記パワーコンディショナの入力電力を検出して検出信号を出力するセンサと、
   前記検出信号に基づいて前記電力変換器の変換電力を制御すると共に、前記太陽電池の非発電時に前記スイッチをオン状態にして前記蓄電池の放電を制御する制御部と、
   を有することを特徴とする蓄電システム。
2. 太陽光を直流電力に変換する太陽電池と、
   前記直流電力を交流電力に変換して電力系統へ供給するパワーコンディショナと、
   前記直流電力を蓄積して前記パワーコンディショナへ入力する蓄電システムと、
   を備える太陽光発電システムであって、
   前記蓄電システムは、
   前記パワーコンディショナの入力電圧範囲に合致した電圧範囲を持ち、前記直流電力を貯める蓄電池と、
   前記直流電力を所定の直流電力に変換して前記蓄電池を充電する電力変換器と、
   前記蓄電池に貯められた前記直流電力を放電する放電用スイッチと、
   前記パワーコンディショナの入力電力を検出して検出信号を出力するセンサと、
   前記検出信号に基づいて前記電力変換器の変換電力を制御すると共に、前記太陽電池の非発電時に前記スイッチをオン状態にして前記蓄電池の放電を制御する制御部と、
   を有することを特徴とする太陽光発電システム。
3. 前記蓄電システムは、更に、
   前記スイッチから放電された前記直流電力を前記パワーコンディショナへ導く逆流防止素子を有することを特徴とする請求項２記載の太陽光発電システム。
4. 前記制御部は、
   前記太陽電池の発電中は、前記検出信号に基づいて、前記パワーコンディショナにおける変換電力の増加が許容値に達しているか否かを判定し、前記許容値に達している場合、前記電力変換器による前記蓄電池への充電を漸増させ、前記パワーコンディショナの入力電力が減少しない範囲で前記太陽電池の余剰電力を前記蓄電池へ充電させる制御を行うことを特徴とする請求項３記載の太陽光発電システム。
5. 前記制御部は、
   日射減少により前記パワーコンディショナの入力電力が減少した場合、前記電力変換器の変換電力を減少させて、前記パワーコンディショナの入力電力を維持させ、前記蓄電池の電圧が上昇して満充電になった場合、前記蓄電池への以降の充電を中止させる制御を行うことを特徴とする請求項４記載の太陽光発電システム。
6. 前記制御部は、
   放電条件が充足されると、前記スイッチをオン状態にして前記蓄電池の放電を開始させ、前記蓄電池の放電電力を前記逆流防止素子を介して前記パワーコンディショナへ入力させ、前記パワーコンディショナの運転によって前記蓄電池の放電電力を前記電力系統へ供給させる制御を行うことを特徴とする請求項５記載の太陽光発電システム。
7. 前記放電条件とは、
   前記太陽電池の非発電状態の場合、前記蓄電池の放電が許可された時間帯である場合、前記蓄電池の電池残量が零ではない場合、前記蓄電池に異常がない場合、及び、外部装置からの指示があった場合、を含む条件であることを特徴とする請求項６記載の太陽光発電システム。
8. 前記制御部は、
   放電停止条件が充足されると、前記スイッチをオフ状態に切り替えて前記蓄電池の放電を停止させる制御を行うことを特徴とする請求項７記載の太陽光発電システム。
9. 前記放電停止条件とは、
   前記蓄電池の放電により、前記蓄電池の電圧が低下して規程の放電停止電圧に到達した場合、前記太陽電池が発電状態の場合、前記蓄電池の電池残量が零の場合、前記蓄電池に異常が発生した場合、を含む条件であることを特徴とする請求項８記載の太陽光発電システム。
10. 前記センサは、
    前記パワーコンディショナの入力電流及び入力電圧から前記入力電力を検出する電流センサ及び電圧センサであることを特徴とする請求項２〜９のいずれか１項記載の太陽光発電システム。
11. 前記蓄電システムは、
    並列に設置された複数の前記太陽電池の出力電力を入力して合流する集電箱を有することを特徴とする請求項２〜１０のいずれか１項記載の太陽光発電システム。
12. 前記太陽電池及び前記パワーコンディショナが既設の場合には、
    前記蓄電池システムを、前記太陽電池と前記パワーコンディショナとの間に接続して、前記太陽光発電システムを構築することを特徴とする請求項２〜１１のいずれか１項記載の太陽光発電システム。

Images