JP2019168769A - 電力変換装置及び方法、並びに電力変換システム - Google Patents

Abstract

【課題】ＰＶの発電電力を有効に利用可能な電力変換装置を提供する。【解決手段】電力変換装置５０は、発電設備５４と、発電設備の直流電力を、商用電力系統５８及びバッテリ５２に配分する第２のコンバータ部７２と、直流電力を商用電力系統に配分するインバータ部７４と、バッテリに配分する第１のコンバータ７０と、制御部８２と、を備える。制御部は、商用電力系統への配分電力が所定の上限を超えていないときに、直流電力を商用電力系統に配分するようインバータ部を制御する。所定の上限を超えてるときには、商用電力系統への電力が所定の上限内に収まるようにインバータ部を制御しながら、バッテリへの電力の配分を行う。商用電力系統への配分電力が所定の上限を超えており、かつ、バッテリへの配分電力が所定の上限以上であるときに、発電設備による直流電力の発電を抑制する。【選択図】図１

Description

この発明は、電力変換装置及び方法、並びに電力変換システムに関する。

住宅用の太陽光発電設備（Ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ。以下「ＰＶ」と呼ぶ。）に他の自家発電設備を併設した電力変換システムがある。この種の電力変換システムでは、晴天の昼間等ではＰＶで比較的大きな電力が発電され、自家消費電力を上回ることがある。そうした場合には、余剰電力を商用電力系統に逆潮流して電力会社に販売（売電）できる。さらに、上記電力変換システムにさらにバッテリ又は燃料電池等の太陽電池以外の電源が設けられることもある。こうしたＰＶ以外の電源を設けたものは、ダブル発電と呼ばれている。ダブル発電では、夜間等においても自家消費電力の大部分を主として自家発電設備の発電電力でまかなうことができ、商用電源の使用量が削減される。バッテリの場合には、電力料金が割安な夜間で、自家消費電力も少なくなる時間帯に充電が行われる。

このように複数種類の電源の間の電力変換を行うものは、パワーコンディショナと呼ばれる。パワーコンディショナでは、電力を扱う関係上、環境により出力上限が規定される。入力上限も出力上限により規定されるので、パワーコンディショナに入力される電力量の合計には限度がある。

一方、ＰＶは、その性格上、常に最大効率で電力を発生させることができるわけではない。ＰＶで十分な電力量を得るために、例えばＰＶを複数個設置することがある。これは、ＰＶのいわば過積載ということができる。そうした場合には、仮に全てのＰＶが上限に近い電力を発電すると、パワーコンディショナへの入力上限を上回ってしまう可能性がある。そのような事態が発生すると、パワーコンディショナに不都合が生じることがある。

こうした問題を解決するための提案が後掲の特許文献１に開示されている。

特許第６１６７３３７号

上記した特許文献１に開示されたパワーコンディショナは、複数のＰＶにそれぞれ対応する複数の昇圧回路を持つ。各昇圧回路は、その昇圧回路に設定された電流値、電圧値又は直流電力値により異常を検知してその昇圧回路の出力電力を減少させる第１の保護動作部を持つ。このパワーコンディショナはさらに、動作している全ての昇圧回路の総出力電圧又は総電流の値から何らかの異常を検知して各昇圧回路の出力電力を減少させる第２の保護動作部を持つ。

このように二重の保護動作部を持つことにより、昇圧回路のいずれかに異常が生じたときだけではなく、全てのＰＶに不具合が生じたときでもパワーコンディショナを保護できる。

この特許文献１に開示されたパワーコンディショナでは、全体的な異常が検知されたときにもパワーコンディショナを保護できるという効果を持つ。しかし、上記したダブル発電の形式のシステム等において、ＰＶによる発電電力がパワーコンディショナの入力上限を超えてしまうようなときには、パワーコンディショナへの入力を制限せざるを得ないという問題が残る。すなわち、特許文献１に開示の技術では、ＰＶの発電電力を十分に活かすことができないという問題があった。

それ故に本発明は、動作環境に制限があるパワーコンディショナなどのような電力変換装置において、ＰＶの発電電力を有効に利用できるようにすること、そのような電力変換装置の動作方法及びそうした電力変換装置を含む電力変換システムを提供することを目的とする。

本発明の一局面に係る電力変換装置は、発電設備と、第１の電力配分先及び第２の電力配分先との間に設けられ、発電設備からの直流電力を、第１の電力配分先及び第２の電力配分先に配分する出力変換装置であって、直流電力を第１の電力配分先に配分する第１の電力変換部と、直流電力を第２の電力配分先に配分する第２の電力変換部と、第１の電力変換部による第１の電力配分先への配分電力が所定の上限を超えているか否かを判定する第１の判定部と、第１の判定部による判定結果に基づいて、第１の電力変換部と第２の電力変換部とを制御する制御処理部とを含み、制御処理部は、第１の判定部による判定が否定であるときに、直流電力を変換して第１の電力配分先に配分するよう第１の電力変換部を制御する第１の制御部と、第１の判定部による判定が肯定であるときに、第１の電力配分先への電力の配分が所定の上限内に収まるように第１の電力変換部を制御しながら、第２の電力配分先への電力の配分を行う第２の制御部と、第２の電力配分先への配分電力が所定の上限以上か否かを判定する第２の判定部と、第１の判定部の判定が肯定であり、かつ第２の判定部による判定が肯定であるときに、発電設備による直流電力の発電を抑制する発電抑制部とを含む。

本発明の他の局面に係る電力変換装置の制御方法は、発電設備と、第１の電力配分先及び第２の電力配分先との間に設けられ、発電設備からの直流電力を、第１の電力配分先及び第２の電力配分先に配分する出力変換装置の制御方法である。電力変換装置は、直流電力を第１の電力配分先に配分する第１の電力変換部と、直流電力を第２の電力配分先に配分する第２の電力変換部とを含む。この制御方法は、第１の電力変換部による第１の電力配分先への配分電力が所定の上限を超えているか否かを判定する第１の判定ステップと、第１の判定ステップにおける判定結果に基づいて、第１の電力変換部と第２の電力変換部とを制御する制御処理ステップとを含む。制御処理ステップは、第１の判定ステップにおける判定が否定であるときに、直流電力を変換して第１の電力配分先に配分するよう第１の電力変換部を制御する第１の制御ステップと、第１の判定ステップにおける判定が肯定であるときに、第１の電力配分先への電力の配分が所定の上限内に収まるように第１の電力変換部を制御しながら、第２の電力配分先への電力の配分を行う第２の制御ステップと、第２の電力配分先への配分電力が所定の上限以上か否かを判定する第２の判定ステップと、第１の判定ステップにおける判定が肯定であり、かつ第２の判定ステップにおける判定が肯定であるときに、発電設備による直流電力の発電を抑制するステップとを含む。

さらに他の局面に係る電力変換システムは、上記した電力変換装置と、電力変換装置の第１の電力配分先又は第２の電力配分先のいずれかとして電力変換装置に接続されるバッテリと、電力変換装置に直流電力を供給するよう電力変換装置に接続される発電設備とを含む。

本発明によれば、動作環境に制限があるパワーコンディショナなどのような電力変換装置において、ＰＶの発電電力を有効に利用できるようにすること、そのような電力変換装置の動作方法及びそうした電力変換装置を含む電力変換システムを提供できる。

第１の実施形態に係る電力変換システムの概略構成を示すブロック図である。 第１の実施形態に係る電力変換システムでの制御部とコンバータ部及びインバータ部の間の関係を示す図である。 第１の実施形態に係る電力変換装置の１例であるパワーコンディショナを通常モードで制御するプログラムの制御構造を示すフローチャートである。 第１の実施形態に係る電力変換装置の１例であるパワーコンディショナを抑制モードで制御するプログラムの制御構造を示すフローチャートである。 第２の実施形態に係るパワーコンディショナを通常モードで制御するプログラムの制御構造を示すフローチャートである。 第２の実施形態に係るパワーコンディショナを抑制モードで制御するプログラムの制御構造を示すフローチャートである。 第３の実施形態に係るパワ−コンディショナにおける制御部、コンバータ部、インバータ部及び制御部の動作を設定する設定値を格納する設定部の関係を示すブロック図である。 第３の実施形態に係るパワーコンディショナを充電優先モードと交流出力優先との間で切替えて動作させるプログラムの一部の制御構造を示すフローチャートである。 第３の実施形態に係る電力変換システムの概略構成を示すブロック図である。 第４の実施形態に係るパワーコンディショナを、売電優先と自家消費優先との間で切替えて動作させるプログラムの一部の制御構造を示すフローチャートである。 第４の実施形態に係るパワーコンディショナを、売電優先と自家消費優先との間で切替えて動作させるプログラムの他の一部の制御構造を示すフローチャートである。 第４の実施形態に係るパワーコンディショナを、売電優先と自家消費優先との間で切替えて動作させるプログラムの一部の制御構造を示すフローチャートである。

［本発明の実施形態の説明］
以下の説明及び図面では、同一の部品には同一の参照番号を付してある。したがって、それらについての詳細な説明は繰返さない。

以下に記載する実施形態は、少なくとも以下の構成を含む。

（１）本発明の第１の局面に係る電力変換装置は、発電設備と、第１の電力配分先及び第２の電力配分先との間に設けられ、発電設備からの直流電力を、第１の電力配分先及び第２の電力配分先に配分する出力変換装置である。この電力変換装置は、発電設備からの直流電力を第１の電力配分先に配分する第１の電力変換部と、発電設備からの直流電力を第２の電力配分先に配分する第２の電力変換部と、第１の電力変換部による第１の電力配分先への配分電力が所定の上限を超えているか否かを判定する第１の判定部と、第１の判定部による判定結果に基づいて、第１の電力変換部と第２の電力変換部とを制御する制御処理部とを含む。制御処理部は、第１の判定部による判定が否定であるときに、直流電力を変換して第１の電力配分先に配分するよう第１の電力変換部を制御する第１の制御部と、第１の判定部による判定が肯定であるときに、第１の電力配分先への電力の配分が所定の上限内に収まるように第１の電力変換部を制御しながら、第２の電力配分先への電力の配分を行う第２の制御部と、第２の電力配分先への配分電力が所定の上限以上か否かを判定する第２の判定部と、第１の判定部の判定が肯定であり、かつ第２の判定部による判定が肯定であるときに、発電設備による直流電力の発電を抑制する発電抑制部とを含む。

この電力変換装置により、発電設備による発電機会を長くし、かつ発電設備の発電電力を有効に利用できる。なぜなら、発電設備の発電電力が第１の電力配分先への上限を超えた時点では発電設備の発電を抑制せずに第２の電力配分先への電力の配分を開始し、第２の電力配分先への電力の配分が上限を超えて初めて抑制するためである。

（２）好ましくは、第１の電力配分先は交流電路であり、第２の電力配分先はバッテリである。第１の電力変換部は、発電設備の直流電力を交流電路への重畳に適した交流電力に変換して交流電路に出力するインバータ部を含む。第２の電力変換部は、発電設備からの直流電力でバッテリを充電するコンバータ部を含む。第１の判定部は、第１の電力変換部による出力電力が所定の上限以上か否かを判定する。第２の判定部は、第２の電力変換部によるバッテリの充電が所定の充電電力許容値を超えているか否かを判定する。

この電力変換装置により、発電設備による発電機会を長くし、かつ発電設備の発電電力を有効に利用できる。なぜなら、発電設備の発電電力が交流電路への出力上限を超えた時点では発電設備の発電を抑制せずにバッテリへの充電を開始し、バッテリへの充電電力が上限を超えて初めて抑制するためである。

（３）より好ましくは、第１の電力配分先は、さらに、交流電路と並列にインバータ部の出力に接続された負荷を含む。第１の判定部は、第１の電力変換部による出力電力が負荷の消費電力以上か否かを判定する。

この電力変換装置により、発電設備による発電機会を長くし、かつ発電設備の発電電力を有効に利用できる。なぜなら、発電設備の発電電力が負荷の消費電力以上となった時点では発電設備の発電を抑制せずにバッテリへの充電を開始し、バッテリへの充電電力が上限を超えて初めて抑制するためである。

（４）さらに好ましくは、第１の電力配分先はバッテリであり、第２の電力配分先は交流電路である。第１の電力変換部は、発電設備の直流電力でバッテリを充電するコンバータ部を含む。第２の電力変換部は、発電設備の直流電力を交流電路への重畳に適した交流電力に変換して交流電路に出力するインバータ部を含む。第１の判定部は、第１の電力変換部によるバッテリへの充電が所定の充電電力許容値を超えているか否か判定し、第２の判定部は、第２の電力変換部による交流電路への出力電力が上限以上であるか否かを判定する。

この電力変換装置により、発電設備による発電機会を長くし、かつ発電設備の発電電力を有効に利用できる。なぜなら、発電設備の発電電力がバッテリへの充電電力の上限を超えた時点では発電設備の発電を抑制せずに交流電路への出力を開始し、交流電路への出力電力が上限を超えて初めて抑制するためである。

（５）さらに好ましくは、電力変換装置は、設定値にしたがって第１の動作モード及び第２の動作モードのいずれでも動作可能である。第１の動作モードでは、第１の電力配分先は交流電路、第２の電力配分先はバッテリであり、第２の動作モードでは、第１の電力配分先はバッテリ、第２の電力配分先は交流電路である。

この電力変換装置により、発電設備による発電機会を長くし、かつ発電設備の発電電力を有効に利用できる。なぜなら、設定に応じ、発電設備の発電電力が交流電路への出力上限を超えた時点では発電設備の発電を抑制せずにバッテリへの充電を開始し、バッテリへの充電電力が上限を超えて初めて抑制するようにする動作と、発電設備の発電電力がバッテリへの充電電力の上限を超えた時点では発電設備の発電を抑制せずに交流電路への出力を開始し、交流電路への出力電力が上限を超えて初めて抑制するという動作を切替えることができるためである。

（６）さらに好ましくは、電力変換装置は、発電設備からの直流電力を第１の電力配分先及び第２の電力配分先に配分するために、発電設備からの直流電力に対する昇圧を行う昇圧回路をさらに含む。制御処理部は、発電設備の発電抑制時には昇圧回路による昇圧動作を停止させ、第１の電力変換部及び第２の電力変換部の入力に発電設備の出力電力を直結する。

この電力変換装置により、発電設備による発電機会を長くし、かつ発電設備の発電電力を有効に利用できる。なぜなら、発電設備からの直流電力のうち、昇圧回路における昇圧動作に消費される部分をなくすことができるためである。

（７）本発明の第２の局面に係る電力変換装置の制御方法は、発電設備と、第１の電力配分先及び第２の電力配分先との間に設けられ、発電設備からの直流電力を、第１の電力配分先及び第２の電力配分先に配分する出力変換装置の制御方法である。電力変換装置は、直流電力を第１の電力配分先に配分する第１の電力変換部と、直流電力を第２の電力配分先に配分する第２の電力変換部とを含む。この制御方法は、第１の電力変換部による第１の電力配分先への配分電力が所定の上限を超えているか否かを判定する第１の判定ステップと、第１の判定ステップにおける判定結果に基づいて、第１の電力変換部と第２の電力変換部とを制御する制御処理ステップとを含む。制御処理ステップは、第１の判定ステップにおける判定が否定であるときに、直流電力を変換して第１の電力配分先に配分するよう第１の電力変換部を制御する第１の制御ステップと、第１の判定ステップにおける判定が肯定であるときに、第１の電力配分先への電力の配分が所定の上限内に収まるように第１の電力変換部を制御しながら、第２の電力配分先への電力の配分を行う第２の制御ステップと、第２の電力配分先への配分電力が所定の上限以上か否かを判定する第２の判定ステップと、第１の判定ステップにおける判定が肯定であり、かつ第２の判定ステップにおける判定が肯定であるときに、発電設備による直流電力の発電を抑制するステップとを含む。

この電力変換方法により、発電設備による発電機会を長くし、かつ発電設備の発電電力を有効に利用できる。なぜなら、発電設備の発電電力が第１の電力配分先への上限を超えた時点では発電設備の発電を抑制せずに第２の電力配分先への電力の配分を開始し、第２の電力配分先への電力の配分が上限を超えて初めて抑制するためである。

（８）本発明の第３の局面に係る電力変換システムは、上記した電力変換装置と、電力変換装置の第１の電力配分先又は第２の電力配分先のいずれかとして電力変換装置に接続されるバッテリと、電力変換装置に直流電力を供給するよう電力変換装置に接続される発電設備とを含む。

この電力変換システムにより、発電設備による発電機会を長くし、かつ発電設備の発電電力を有効に利用できる。なぜなら、発電設備の発電電力が第１の電力配分先への上限を超えた時点では発電設備の発電を抑制せずに第２の電力配分先への電力の配分を開始し、第２の電力配分先への電力の配分が上限を超えて初めて抑制するためである。

［本発明の実施形態の詳細］
本発明の実施形態に係る電力変換装置及び方法並びに電力変換システムの具体例を、以下に図面を参照しつつ説明する。なお、本発明はこれらの例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

＜第１の実施形態＞
〈構成〉
図１を参照して、第１の実施形態に係る電力変換システム５０は、バッテリ５２及びＰＶ５４と、商用電力系統５８に接続された電力変換装置の１例であるパワーコンディショナ５６とを含む。

パワーコンディショナ５６は、バッテリ５２に接続された昇圧回路である第１のコンバータ部７０、ＰＶ５４からの直流電力を昇圧する昇圧回路である第２のコンバータ部７２、第１のコンバータ部７０と第２のコンバータ部７２との出力側に共通に接続され、第１のコンバータ部７０及び第２のコンバータ部７２の出力する直流電力を交流電力に変換し商用電力系統５８に逆潮流する機能と逆に商用電力系統５８からの電力を第１のコンバータ部７０及び第２のコンバータ部７２に供給するインバータ部７４と、第１のコンバータ部７０、第２のコンバータ部７２及びインバータ部７４を制御する制御部８２とを含む。第１のコンバータ部７０とバッテリ５２との間には、相互の間の電流値及び電圧値を測定しその情報を制御部８２に与える電流・電圧センサ７６が設けられる。同様に第２のコンバータ部７２とＰＶ５４との間にも電流・電圧センサ７８が設けられ、第１のコンバータ部７０とインバータ部７４との間には電流・電圧センサ８０が設けられる。

図２を参照して、制御部８２は、これらからの情報に基づいて第１のコンバータ部７０、第２のコンバータ部７２、インバータ部７４を制御する。インバータ部７４は、ＰＶ５４からの直流電力を最大限利用するために、以下に説明するようなプログラムによる制御を行う。

図３を参照して、このプログラムは、一定時間間隔で繰返し実行される。なお、このプログラムと図４に示すプログラムとを切替えて実行するために、動作モードを記憶しておく必要がある。制御部８２にはそのための記憶領域が準備されているものとする。このプログラムは、ＰＶ５４の発電電力がインバータ部７４の交流出力許容値以上か否かを判定するステップ１００と、ステップ１００の判定が否定のときには現状にしたがって運転を継続して処理を終了するステップ１１４とを含む。

このプログラムはさらに、ステップ１００の判定が肯定のときに、バッテリ５２への充電電力を所定量だけ増やすステップ１０２と、バッテリ５２への充電電力が、予め決まっているバッテリ５２の充電電力の許容値以上か否かを判定するステップ１０４とを含む。ステップ１０４の判定が否定のときには制御はステップ１０２に戻り、バッテリ５２への充電電力が再び所定量増加される。ステップ１１２の判定が肯定のときには、ステップ１１４の処理が実行されプログラムの実行を終える。すなわち、ステップ１０２、１０４及び１１２の処理が行われることにより、ＰＶ５４の発電電力からバッテリ５２への充電電力をさし引いた値が交流出力許容値以内に収まるまで、充電電力が増加され、その条件が充足された時点でこのプログラムの処理が終わる。

一方ステップ１０４の判定が肯定のときには、ステップ１０６で動作モードが通常モードから抑制モードに変更される。これは、バッテリ５２の充電電力が許容値以上となりこれ以上ＰＶ５４の発電電力をバッテリ５２の充電に利用できないため、ＰＶ５４の発電能力を抑制する必要が生じたためである。そのため、続くステップ１０８でＰＶ５４の発電電力を一定量抑制する処理が実行される。その後、ステップ１１０でＰＶ５４の発電電力が充電電力許容値と交流出力許容値との和より小さくなったか否かが判定される。依然として判定が否定であれば制御はステップ１０８に戻り、再度ＰＶ５４の発電電力が抑制される。このステップ１０８及びステップ１１０を実行することにより、ＰＶ５４の発電電力がバッテリ５２の充電電力許容値と交流出力許容値との和の範囲に収まるまでＰＶ５４の発電電力が抑制される。ステップ１１０の判定が肯定になった時点でステップ１１４において新たな設定により運転を継続することが選択され、このプログラムの実行を終了する。

図３のプログラムによってＰＶ５４の発電電力が抑制された後、環境の変化によりＰＶ５４の発電電力を抑制する必要がなくなることがある。したがって、そうした環境の変化に応答してＰＶ５４の状態を戻す処理が必要である。図４は、そうした処理を実行するためのプログラムの制御構造を示す。

図４を参照して、このプログラムは、動作モードが抑制モードのときに繰返し実行される。このプログラムは、ＰＶ５４の発電電力が充電電力許容値と交流出力許容値より和より小さいか否かを判定するステップ１３０と、ステップ１３０の判定が否定のときに、すなわち依然としてＰＶ５４の発電電力が充電電力許容値と交流出力許容値より和より大きいときには何も処理を行わずこのプログラムの実行を終了する。

このプログラムはさらに、ステップ１３０の判定が肯定のときに、動作モードを抑制モードから通常モードに変更するステップ１３２と、ステップ１３２の後、ＰＶ５４の抑制運転を解除し、バッテリ５２への充電出力を減らす制御を行うステップ１３４と、ステップ１３４の後、ＰＶ５４の発電電力とバッテリ５２の充電電力との差が交流出力許容値より小さいか否かを判定するステップ１３６とを含む。ステップ１３６の判定が肯定のときには、ＰＶ５４の発電電力を全て交流側に出力しても問題ないということである。したがってステップ１３８でそのようにパワーコンディショナ５６の各部を制御してこのプログラムの実行を終了する。ステップ１３６の判定が否定なら、ＰＶ５４の発電電力の一部はバッテリ５２に回さなければならないので、何もせずこのプログラムの実行を終了する。

〈動作〉
電力変換システム５０は通常は通常モードで動作する。図１に示すＰＶ５４で直流電力が発電され、第２のコンバータ部７２により昇圧される。電流・電圧センサ７６、７８及び８０等はいずれも各位置における電流値及び電圧値を測定しその値を示す信号を制御部８２に与える。

ＰＶ５４の発電電力が低いときには、図３のプログラムではステップ１００での判定がＮＯとなり、何も変化しない。

ＰＶ５４の発電電力が増加し、インバータ部７４の交流出力許容値になると、図３のステップ１００→１０２→１０４という経路で処理が進む。バッテリの充電電力が許容値未満なら、ステップ１１２でＰＶ５４の発電電力と充電電力の差が交流出力許容値か否かが判定され、判定が否定なら制御はステップ１０２に戻る。ステップ１０２→１０４→１１２の処理が繰返され、ステップ１１２の判定が肯定になったらそのときの設定でパワーコンディショナ５６の動作が継続される（ステップ１１４）。

一方、上記繰返しの間にステップ１０４の判定でバッテリ５２の充電電力が許容値以上となった場合には、ステップ１０６で動作モードが抑制モードに設定され、それを示す値が制御部８２の記憶領域内に保存される。さらに、ＰＶ５４の発電電力がバッテリ５２の充電電力許容値と交流出力許容値との和の範囲に収まるまで、ステップ１０８及び１１０が繰返される。ステップ１１０の判定が肯定になった時点で、この新たな設定でパワーコンディショナ５６の制御が継続される（ステップ１１４）。

パワーコンディショナ５６の動作モードが一旦抑制モードになった後は、抑制モードを解除すべき条件が生じたら抑制モードを解除し、通常モードに戻す必要がある。図４はそのため、抑制モードとなったときに所定時間間隔で繰返し起動される。

図４のステップ１３０で、ＰＶ５４の発電電力がバッテリ５２の充電電力許容値とインバータ部７４の交流出力許容値の和より小さいか否かが判定される。この条件が成立しない限りパワーコンディショナ５６を通常動作モードにすることはできない。したがって、この条件が充足していないときには何もせず処理を終わる。

ステップ１３０の判定が肯定になると、ステップ１３２で動作モードを抑制モードから通常モードに戻す。これを示す変数の値は制御部８２の記憶領域に格納される。ステップ１３２で抑制運転を解除し、バッテリ５２への充電電力を減らす制御が行われる。ＰＶ５４の発電電力は抑制がされない状態に回復する。

続くステップ１３６でＰＶ５４の発電電力からバッテリ５２の充電電力を差し引いた値が交流出力許容値より小さいか否かが判定される。この判定が否定であれば、ＰＶ５４の発電電力をバッテリ５２への充電に使用することは不要になり、全て交流側に出力することができる。したがってこの状態では、ＰＶ５４の出力を効率よく商用電路に売電できることになる。

以上のように、この第１の実施形態によれば、通常は交流側にＰＶ５４の発電電力を配分する。ＰＶ５４の発電電力が交流出力許容値より大きくなっても、直ちにＰＶ５４の発電を抑制するのではなく、交流側に配分した後の余剰電力をバッテリ５２の充電に用いる。バッテリ５２への充電電力が許容値に達して初めてＰＶ５４の発電の抑制が行われる。その結果、ＰＶ５４による発電機会をできるだけ長くすることができる。

＜第２の実施形態＞
第１の実施形態では、通常はＰＶ５４の発電電力をインバータ部７４の交流出力側に配分し、ＰＶ５４の発電電力が過大になったときには電力をバッテリ５２の充電に用いる。いわば交流優先の制御方法である。しかしそうした方法だけが可能なわけではない。第１の実施形態において、通常はＰＶ５４の発電電力をバッテリ５２の充電に用い、ＰＶ５４の発電電力が過大になったときにインバータ部７４の交流出力側にその電力を配分するようにもできる。したがってこの方式はいわば「充電優先」と呼ぶことができる。図５及び図６はそうした処理を実現するためのものである。図５は図３に、図６は図４に、それぞれ対応する。ハードウェアは図１に示したものをそのまま用いることができる。この実施形態でも、動作は通常モードで始まる。

図５を参照して、ステップ１６０で、ＰＶ５４の発電電力がバッテリ５２の充電電力許容値未満であれば何も設定を変えず運転を継続する（ステップ１７４）。

ステップ１６０で、ＰＶ５４の発電電力がバッテリ５２の充電電力許容値以上となったときには、ＰＶ５４の発電電力のうち、インバータ部７４の交流側に配分する出力電力を一定量増やす。続くステップ１６４で交流側の出力電力が許容値未満であれば、ステップ１７２でＰＶ５４の発電電力からバッテリ５２の充電電力を差し引いた値が交流出力許容値より小さいか否か判定し、判定が否定なら再度ステップ１６２に戻る。

ステップ１６２，１６４及び１７２の繰返しの中で、ステップ１７２でＰＶ５４の発電電力とバッテリ５２の充電電力との差が交流出力許容値より小さくなればそのときの設定でパワーコンディショナ５６を運転しても問題はない。したがってその設定で運転を継続する（ステップ１７４）。一方ステップ１６４の判定が肯定になったときにはこれ以上充電も交流への出力もできないため、動作モードは抑制モードに入る（ステップ１６６）。この抑制モードを示す変数の値は制御部８２の記憶領域に記憶される。

続くステップ１６８及び１７０によって、ＰＶ５４の発電電力が交流出力許容値と充電電力許容値の和より小さくなるまでＰＶ５４の発電電力が抑制される。ステップ１７０の判定が肯定になったときにこのループが終わり、そのときの設定でパワーコンディショナ５６の運転が継続される（ステップ１７４）。

この実施形態でも、第１の実施形態と同様、条件の変更に応答して抑制モードから通常モードにパワーコンディショナ５６の動作モードを復帰させる必要がある。そのため、動作モードが抑制モードのときには、図６に示すプログラムが定期的に実行される。

図６を参照して、このプログラムでは、ステップ２００でＰＶ５４の発電電力が交流出力許容値と充電電力許容値の和より小さくなっているか否かが判定される。この判定が否定なら抑制モードが維持される。ステップ２００の判定が肯定なら動作モードを通常モードにする（ステップ２０２）。続くステップ２０４で抑制運転を解除し、交流側への出力電力を増加させる。さらにステップ２０６で発電電力から交流出力電力を差し引いた値が充電電力許容値より小さいか否か判定する。この判定が肯定なら発電電力を全てバッテリ側に回すように設定を変更する（ステップ２０８）。この判定が否定なら充電電力許容値より大きな電力でバッテリ５２を充電してしまうことを避けるため設定をステップ２０４の状態にして運転を継続する。

以上のように、この第２の実施形態によれば、通常はバッテリ５２の充電にＰＶ５４の発電電力を配分する。ＰＶ５４の発電電力がバッテリ５２の充電電力許容値より大きくなっても、直ちにＰＶ５４の発電を抑制するのではなく、バッテリ５２に配分した後の余剰電力を交流出力に配分する。交流出力電力が許容値上限に達して初めてＰＶ５４の発電の抑制が行われる。その結果、ＰＶ５４による発電機会をできるだけ長くすることができる。

＜第３の実施形態＞
第１の実施形態及び第２の実施形態は、それぞれ交流優先及び充電優先と呼ぶことができる制御方式である。しかし、両者を組み合わせることもできる。設備の管理者が何らかの事情でいずれかの方式を変更する可能性があるときには、この方式が有効である。

図７を参照して、この方式では、いずれの方式を選択しているのかを設定情報として保存しておく必要がある。そのために、この第３の実施形態に係る電力変換装置は、設定情報を記憶する設定部２３２が設けられ、この設定部２３２の設定値にしたがって第１のコンバータ部７０、第２のコンバータ部７２、及びインバータ部７４を交流優先方式又は充電優先方式で切替えて制御できる制御部２３０を含む。

本実施形態では、交流優先方式では図３及び図４に示すプログラムを用い、充電優先方式では図５及び図６に示すプログラムを用いる。問題となるのは両者をどのようにして切替えるか、である。

既に述べたように、図３又は図５に示したプログラムは通常モードのときに一定時間おきに起動され、図４又は図６に示したプログラムは、抑制モードのときに、一定時間おきに起動される。そこで、制御方式に必要な情報は、交流優先か否かと、通常モードが抑制モードか、という２つの情報である。この２つの情報を用い、一定時間おきに起動するプログラムを選択すればよい。図８にそうしたプログラムの起動を行うためのプログラムの制御構造を示す。

図８を参照して、このプログラムは、一定時間おきに起動される。このプログラムは、起動直後に、設定部２３２を参照して、現在設定されているのが交流優先か否かを決定するステップ２５０と、ステップ２５０で交流優先が設定されていると判定されたときに、動作モードが通常モードか否かを判定するステップ２５８とを含む。ステップ２５８で通常モードと判定されたときには、ステップ２６０で通常モードで交流出力優先のプログラム（図３）を実行して処理を終了する。通常モードではないと判定されたときには、ステップ２６２において抑制モードで交流出力優先のプログラム（図４）を実行して処理を終了する。

ステップ２５０で交流優先ではないと判定されたときには、ステップ２５２で動作モードが通常モードか否かが判定される。通常モードと判定されたときには、ステップ２５４で通常モードで充電優先のプログラム（図５）が実行される。ステップ２５２で通常モードでないと判定されたときには、ステップ２５６で、抑制モードで充電優先のプログラム（図６）が実行される。

以上のように、この実施形態によれば、交流出力優先と充電優先とを選択してパワーコンディショナを動作させることができる。装置の設置環境及び運用方針に応じて適切な動作をさせ、ＰＶ５４による発電機会を長くすることができる。

＜第４の実施形態＞
第１〜第３の実施形態では、基本的にはＰＶ５４の発電電力をできるだけ売電することを目標としている。それは、現状では太陽光発電のみ売電が認められていること、売電単価が有利であり、太陽光発電の電力を自家消費に回さず、自家消費分の電力を外部の商用電力から購入した方が経済上の効率が良いためである。

しかし、売電単価が常にそのような良い条件であるとは限らない。政策的に、電力変換システムの導入後所定年の間は有利な条件で売電ができるが、ある年限を過ぎると売電するより自家消費したほうがよいという状態になることが当然に起こり得る。そうしたときに、当初のスキームにしたがって太陽光発電パネルの発電電力をできるだけ売電に振り向けるように電力変換システムを運用したとすれば、大きな損失を招く。そこでこの第４の実施形態では、導入後の初期には太陽光発電の発電電力を売電することを前提として動作するが、ある条件が充足したら売電ではなく自家消費に回すように電力変換装置を制御する。

図９を参照して、この第４の実施形態に係る電力変換システム２８０は、ＰＶ５４及びバッテリ５２と、商用電力系統５８との間に設けられたパワーコンディショナ２８２を含む。パワーコンディショナ２８２が図１に示すパワーコンディショナ５６と異なるのは、上記した条件に関する設定を記憶する設定部２９２と、この設定部２９２に記憶された設定にしたがって、導入初期にはＰＶ５４の発電電力を売電優先で処理し、所定の条件が充足されたら自家消費に回すようパワーコンディショナ２８２の各部を制御する制御部２９０を含む点である。

なお、インバータ部７４と商用電力系統５８との間には自家消費の負荷２８６が接続されており、商用電力系統５８からの電力を検知するための、カレントトランスからなる電力センサ２８４が設けられている。電力センサ２８４の出力は制御部２９０に与えられる。制御部２９０は、この値とパワーコンディショナ２８２内部の電流・電圧センサ７６、７８、８０等の出力とから負荷２８６の消費電力を計算できる。また、以下の説明では売電優先の際のパワーコンディショナ２８２の動作は、第３の実施形態でいう交流出力優先に相当するものである。この第４の実施形態は、ちょうど第３の実施形態の充電優先の代わりに自家消費優先というべきモードを採用した点、売電優先と自家消費優先とを、設定部２９２に記憶された情報により判定すること、という点で異なっているが、それ以外の部分では第３の実施形態とよく似ている。

売電優先のときの通常モード及び抑制モードには、図３及び図４に示すプログラムを用いる。自家消費優先のときの通常モード及び抑制モードで使用されるプログラムを図１０及び図１１に示す。

図１０を参照して、この自家消費優先でかつ通常モードでのプログラムは、ＰＶ５４の発電電量が自家消費電力以上か否かを判定するステップ３００を含む。ステップ３００の判定が否定なら発電電力を全て自家消費電力として消費できるので、設定を何も替えずにパワーコンディショナ２８２の運転を継続する。

このプログラムはさらに、ステップ３００の判定が否定のときに、ＰＶ５４の発電電力の一部が余剰電力となるので、バッテリ５２への充電電力を所定量だけ増加させるステップ１０２と、ステップ１０２の後に、バッテリ５２の充電電力が許容値以上になっているか否かを判定するステップ１０４とを含む。ステップ１０４の判定が否定であれば、制御はステップ３０４に進む。

ステップ３０４では、ＰＶ５４の発電電力からバッテリ５２への充電電力を差し引いた値が自家消費電力より小さいか否かについて判定が行われる。判定が否定ならまだＰＶ５４の発電電力をさらにバッテリ５２の充電電力に配分することが可能なので、制御はステップ１０２に戻り、さらに充電電力を増加させる。一方、ステップ３０４の判定が肯定なら、自家消費電力をＰＶ５４の発電電力でほぼまかない、同時に余剰の電力でバッテリ５２の充電が可能な状態である。したがってステップ３０４の判定がされたときの設定でパワーコンディショナ２８２の運転を継続する。

すなわち、ステップ１０２，１０４及び３０４の繰返しを実行することで、自家消費電力をＰＶ５４の発電電力でほぼまかない、かつバッテリ５２の充電を可能な限り最大の電力で行うよう、ＰＶ５４の発電電力を配分できる。

一方、ステップ１０４の判定が肯定となったときには、バッテリ５２への充電電力がそのときの設定値以上にはできないということである。したがって、ＰＶ５４の発電を抑制する必要が生じる。そのため、ステップ１０６で動作モードを抑制モードに変更する。この抑制モードを表す変数の値は、パワーコンディショナ２８２内の所定の記憶箇所に保存される。

続いて、ステップ１０８でＰＶ５４の発電電力を実際に所定量だけ抑制する処理を行う。さらにステップ３０２で、ＰＶ５４の発電電力が、バッテリ５２の充電電力の許容値と自家消費電力とを合計したものより大きいか否かを判定する。この判定が否定であれば、まだＰＶ５４の発電電力が大きすぎるので、制御をステップ１０８に戻し、さらに発電電力を抑制する。こうして、ステップ３０２の判定が肯定となったときには、自家消費電力を全てまかないながら、余剰電力でバッテリ５２の充電を行うことができるように、ＰＶ５４の発電電力等が設定された状態となる。したがってこのときの設定を用いてパワーコンディショナ２８２の運転を継続する（ステップ１１４）。

この抑制運転は、ある条件が充足されたときには解除する必要がある。そのためのプログラムの制御構造を図１１に示す。図１１を参照して、このプログラムは、パワーコンディショナ２８２の抑制状態にあるときに実行されるプログラムである。このプログラムは、ＰＶ５４の発電電力が、バッテリ５２の充電電力許容値と自家発電消費電力の合計より小さいか否かを判定するステップ３１０を含む。ステップ３１０の判定が否定ならまだ抑制状態を継続する必要があるため、何もせずこのプログラムの実行を終了する。

このプログラムはさらに、ステップ３１０の判定が肯定の時に実行され、動作モードを通常モードに変更するステップ１３２を含む。この動作モードを表す変数の値はパワーコンディショナ２８２の所定の記憶領域に記憶される。このプログラムはこれに加えて、ステップ１３２の後に、実際にＰＶ５４の抑制運転を解除し、バッテリ５２への充電電力を減らす制御を行うステップ１３４とを含む。

このプログラムはさらに、ステップ１３４の後、ＰＶ５４の発電電力からバッテリ５２の充電電力を差し引いた値が自家消費電力より小さいか否かを判定するステップ３１２と、ステップ３１２の判定が肯定のときに、発電電力を全て交流側に配分するようパワーコンディショナ２８２の設定を変更して処理を終了するステップ１３８とを含む。ステップ３１２の判定が否定のときには、ＰＶ５４の発電電力を全て交流側に配分し自家消費電力に充当する設定としてこのプログラムの実行を終了する。

上記した売電優先と自家消費優先との切替えは、上記した４つのプログラムを、売電優先か否かという条件と、抑制モードか否かという２つの条件に応じて切替えて実行することで実現できる。図１２にそうしたプログラムの一例を示す。このプログラムは図８に死示したものと同様の構成を持つ。

図１２を参照して、このプログラムは、一定時間おきに起動される。このプログラムは、起動直後に、設定部２９２を参照して、現在設定されているのが売電優先か否かを判定するステップ３３０と、ステップ３３０で売電優先が設定されていると判定されたときに、動作モードが通常モードか否かを判定するステップ３３２とを含む。ステップ３３２で通常モードと判定されたときには、ステップ３３４で通常モードで交流出力優先のプログラム（図３）を実行して処理を終了する。通常モードではないと判定されたときには、ステップ３３６において抑制モードで交流出力優先のプログラム（図４）を実行して処理を終了する。

ステップ３３０で売電優先ではないと判定されたときには、ステップ３３８で動作モードが通常モードか否かが判定される。通常モードと判定されたときには、ステップ３４０で通常モードで自家消費優先のプログラム（図１０）が実行される。ステップ３３８で通常モードでないと判定されたときには、ステップ３４２で、抑制モードで自家消費優先のプログラム（図１１）が実行される。

以上のように、この実施形態によれば、売電優先と、自家消費優先とを選択してパワーコンディショナを動作させることができる。装置の設置環境、太陽光発電設備による発電電力に関する政策の動向、及びユーザの運用方針に応じて適切な動作をさせることができる。

なお、第４の実施形態では設定部２９２に売電優先か自家消費優先かを示す値を格納する。この値は、例えばディップスイッチ等により手動で設定することもできるし、外部から通信により設定することもできる。売電優先から自家消費優先に変更すべき日付が設備の設置時点で判明しているなら、売電優先か自家消費優先かを実際の稼働日と特定の日付との比較に基づいて判定してもよい。この場合、比較対象となる特定の日付を設定部２９２に保存することになる。

以上のように、この第４の実施形態では、ＰＶ５４の発電電力を売電に配分すべきか、自家消費電力に配分すべきかに関する事情が変わったときに、どちらか最適な動作態様を選択できる。したがって、単にＰＶ５４による発電機会を長くするだけではなく、経済的にも適切な動作態様となるようパワーコンディショナ２８２を制御できる。

この第４の実施形態では、売電優先のためのプログラムとして図３及び図４に示す交流出力優先のプログラムを使用している。しかし以上の説明から明らかなように、売電優先のためのプログラムとして、図５及び図６に示す充電優先のプログラムを用いることもできる。また、図９に示す電力センサ２８４については、図４に示すように商用電力系統５８に近い位置ではなく、負荷２８６に近い位置に設けても良い。

なお、以上の全ての実施形態において、抑制モードのときには、ＰＶ５４からの電圧が高くなる。したがってその場合には、第２のコンバータ部７２内のスイッチングによる昇圧動作を停止することもできる。ＰＶ５４からの出力を第１のコンバータ部７０及びインバータ部７４に第２のコンバータ部７２によるスイッチング動作なしで接続することになり効率的である。

上記実施形態では、プログラム及び図示しないプロセッサによって電力変換装置の制御部を実現しているが、専用のハードウェアを用いて制御部を実現することもできる。

今回開示された実施の形態は全ての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、発明の詳細な説明の記載により示されるわけではなく、特許請求の範囲の各請求項によって示され、特許請求の範囲の文言と均等の意味及び範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。

５０、２８０ 電力変換システム
５２ バッテリ
５４ ＰＶ
５６、２８２ パワーコンディショナ
５８ 商用電力系統
７０ 第１のコンバータ部
７２ 第２のコンバータ部
７４ インバータ部
７６、７８、８０ 電流・電圧センサ
８２、２３０、２９０ 制御部
１０２、１０４、１０６、１０８、１１０、１１２、１１４、１３０、１３２、１３４、１３６、１３８、１６０、１６２、１６４、１６６、１６８、１７０、１７２、１７４、２００、２０２、２０４、２０６、２５０、２５２、２５４、２５６、２５８、２６０、２６２ ステップ
２３２、２９２ 設定部
２８４ 電力センサ
２８６ 負荷

Claims (8)

1. 発電設備と、第１の電力配分先及び第２の電力配分先との間に設けられ、前記発電設備からの直流電力を、前記第１の電力配分先及び前記第２の電力配分先に配分する出力変換装置であって、
   前記直流電力を前記第１の電力配分先に配分する第１の電力変換部と、
   前記直流電力を前記第２の電力配分先に配分する第２の電力変換部と、
   前記第１の電力変換部による前記第１の電力配分先への配分電力が所定の上限を超えているか否かを判定する第１の判定部と、
   前記第１の判定部による判定結果に基づいて、前記第１の電力変換部と前記第２の電力変換部とを制御する制御処理部とを含み、
   前記制御処理部は、
   前記第１の判定部による判定が否定であるときに、前記直流電力を変換して前記第１の電力配分先に配分するよう前記第１の電力変換部を制御する第１の制御部と、
   前記第１の判定部による判定が肯定であるときに、前記第１の電力配分先への電力の配分が前記所定の上限内に収まるように前記第１の電力変換部を制御しながら、前記第２の電力配分先への電力の配分を行う第２の制御部と、
   前記第２の電力配分先への配分電力が所定の上限以上か否かを判定する第２の判定部と、
   前記第１の判定部の判定が肯定であり、かつ前記第２の判定部による判定が肯定であるときに、前記発電設備による直流電力の発電を抑制する発電抑制部とを含む、電力変換装置。
2. 前記第１の電力配分先は交流電路であり、
   前記第２の電力配分先はバッテリであり、
   前記第１の電力変換部は、前記発電設備の直流電力を前記交流電路への重畳に適した交流電力に変換して前記交流電路に出力するインバータ部を含み、
   前記第２の電力変換部は、前記発電設備からの直流電力で前記バッテリを充電するコンバータ部を含み、
   前記第１の判定部は、前記第１の電力変換部による出力電力が所定の上限以上か否かを判定し、
   前記第２の判定部は、前記第２の電力変換部による前記バッテリの充電が所定の充電電力許容値を超えているか否かを判定する、請求項１に記載の電力変換装置。
3. 前記第１の電力配分先は、さらに、前記交流電路と並列に前記インバータ部の出力に接続された負荷を含み、
   前記第１の判定部は、前記第１の電力変換部による出力電力が前記負荷の消費電力以上か否かを判定する、請求項２に記載の電力変換装置。
4. 前記第１の電力配分先はバッテリであり、
   前記第２の電力配分先は交流電路であり、
   前記第１の電力変換部は、前記発電設備の直流電力で前記バッテリを充電するコンバータ部を含み、
   前記第２の電力変換部は、前記発電設備の直流電力を前記交流電路への重畳に適した交流電力に変換して前記交流電路に出力するインバータ部を含み、
   前記第１の判定部は、前記第１の電力変換部による前記バッテリへの充電が所定の充電電力許容値を超えているか否かを判定し、
   前記第２の判定部は、前記第２の電力変換部による前記交流電路への出力電力が上限以上であるか否かを判定する、請求項１に記載の電力変換装置。
5. 請求項１に記載の電力変換装置であって、
   設定値にしたがって第１の動作モード及び第２の動作モードのいずれでも動作可能であり、
   前記第１の動作モードでは、前記第１の電力配分先は交流電路、前記第２の電力配分先はバッテリであり、
   前記第２の動作モードでは、前記第１の電力配分先は前記バッテリ、前記第２の電力配分先は前記交流電路である、請求項１に記載の電力変換装置。
6. 前記発電設備からの直流電力を前記第１の電力配分先及び前記第２の電力配分先に配分するために、前記発電設備からの直流電力に対する昇圧を行う昇圧回路をさらに含み、
   前記制御処理部は、前記発電設備の発電抑制時には前記昇圧回路による昇圧動作を停止させ、前記第１の電力変換部及び前記第２の電力変換部の入力に前記発電設備の出力電力を直結する、請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の電力変換装置。
7. 発電設備と、第１の電力配分先及び第２の電力配分先との間に設けられ、前記発電設備からの直流電力を、前記第１の電力配分先及び第２の電力配分先に配分する出力変換装置の制御方法であって、
   前記電力変換装置は、
   前記直流電力を前記第１の電力配分先に配分する第１の電力変換部と、
   前記直流電力を前記第２の電力配分先に配分する第２の電力変換部とを含み、
   前記制御方法は、前記第１の電力変換部による前記第１の電力配分先への配分電力が所定の上限を超えているか否かを判定する第１の判定ステップと、
   前記第１の判定ステップにおける判定結果に基づいて、前記第１の電力変換部と前記第２の電力変換部とを制御する制御処理ステップとを含み、
   前記制御処理ステップは、
   前記第１の判定ステップにおける判定が否定であるときに、前記直流電力を変換して前記第１の電力配分先に配分するよう前記第１の電力変換部を制御する第１の制御ステップと、
   前記第１の判定ステップにおける判定が肯定であるときに、前記第１の電力配分先への電力の配分が前記所定の上限内に収まるように前記第１の電力変換部を制御しながら、前記第２の電力配分先への電力の配分を行う第２の制御ステップと、
   前記第２の電力配分先への配分電力が所定の上限以上か否かを判定する第２の判定ステップと、
   前記第１の判定ステップにおける判定が肯定であり、かつ前記第２の判定ステップにおける判定が肯定であるときに、前記発電設備による直流電力の発電を抑制するステップとを含む、電力変換装置の制御方法。
8. 請求項１に記載の電力変換装置と、
   前記電力変換装置の前記第１の電力配分先又は前記第２の電力配分先のいずれかとして前記電力変換装置に接続されるバッテリと、
   前記電力変換装置に前記直流電力を供給するよう前記電力変換装置に接続される発電設備とを含む、電力変換システム。

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