JP2020043748A - 電力変換システム - Google Patents

Abstract

【課題】低出力状態における損失を低減することが可能な電力変換システムを提供する。【解決手段】蓄電池２と、蓄電池２に並列に接続されたフィルタを含む三相系統連系インバータ３と、三相系統連系インバータ３よりも電流容量の小さなフィルタを含む単相インバータ４と、三相系統連系インバータ３に接続される電力系統の状態に基づいて三相系統連系インバータ３を制御し、単相インバータに接続される独立電源の状態に基づいて、単相インバータ４を制御する制御部５と、を備える電力変換システム。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、電力変換システムに関する。

近年、太陽光発電や風力発電などの再生可能エネルギーの拡大および蓄電池を含めたシステムの導入によって、災害時の電力供給や、ＶＰＰ（ｖｉｒｔｕａｌ ｐｏｗｅｒ ｐｌａｎｔ）を主な用途とする電力変換システムが増えている。このような電力変換システムは、通常時の電力ピークカットや、災害時に電力系統から電力供給が絶たれた際に、太陽光発電や、蓄電池等の電源から電力を需要家に供給する。

上記のような電力変換システムは、一般的に電源と、直流を交流に変換する電力変換装置を組み合わせたシステムであり、電力を負荷へ供給する。この電力変換システムは、通常運転時には電力系統に連系して運用される。一方、災害時などによって電力変換システムが電力系統から解列された場合、この電力変換システムは、電源の電力を負荷に供給する自立運転を行う。例えば特許文献１では太陽光発電と蓄電池を電源とし、各電源にＤＣ／ＤＣが接続され、三相電力または単相電力を出力するＤＣ／ＡＣにより構成されている。

特許第６２００１２３号公報

従来の技術によれば、電力変換装置の出力は、一般的に三相系統連系対応の電力変換装置において単相電力を供給する場合に、三相系統連系対応の電力変換装置の容量と比較して、必要としている単相電力は低い場合が多い。さらに、三相出力を単相出力へ変換するトランスが必要となる。そのため、通常運転および自立運転に関わらず、損失が大きくなる。そこで、装置の構成により容量の異なる複数のインバータを切り替えることで低出力状態の損失を低減することが可能であるが、太陽光発電や、蓄電池等を電源とするコンバータについては電源毎に接続され、なおかつ三相出力と同程度の容量が必要になる為、自立運転などの低出力状態時に装置効率が低下するおそれがある。

本実施形態は、上記のような従来技術の問題点を解決するために提案されたものである。本実施形態の目的は、低出力状態における損失を低減することが可能な電力変換システムを提供することである。

本実施形態に係る電力変換システムは、蓄電池と、前記蓄電池に接続されたフィルタを含む容量の異なる複数のインバータと、前記複数のインバータの少なくとも一つに接続される電力系統の状態に基づいて前記複数のインバータを制御する制御部と、を備える。

本実施形態によれば、低出力状態における損失を低減することが可能な電力変換システムを提供することができる。

第１実施形態に係る電力変換システムの構成を示すブロック図。 第２実施形態に係る電力変換システムの構成を示すブロック図。 第３実施形態に係る電力変換システムの構成を示すブロック図。 第４実施形態に係る電力変換システムの構成を示すブロック図。

以下、本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。実施形態は、本発明を限定するものではない。

（第１実施形態）
図１は、第１実施形態に係る電力変換システム１の構成を示すブロック図である。図１に示すように、本実施形態に係る電力変換システム１は、蓄電池２と、三相系統連系インバータ３と、単相インバータ４と、連系用スイッチ１１と、三相負荷用スイッチ１２と、独立電源用スイッチ２１と、単相負荷用スイッチ２２と、それらを制御する制御部５から構成されている。

蓄電池２は三相系統連系インバータ３を介して三相負荷２００または単相負荷４００に電力を供給する電源に相当する。三相負荷２００は、例えば、三相２００Ｖの電気製品に相当する。単相負荷４００は、例えば、単相１００Ｖの電気製品に相当する。蓄電池２の容量は数十ｋＷｈである。

三相系統連系インバータ３は、電力系統１００から出力された交流電圧を所定値の直流電圧に変換し、蓄電池２へ充電を行う。また、蓄電池２から出力された直流電圧を所定値の交流電圧に変換し、電力系統１００に連系されるとともに、三相負荷２００へ電力を供給する。

単相インバータ４は、独立電源３００から出力された交流電圧を所定値の直流電圧に変換し、蓄電池２へ充電を行う。また、独立電源３００の出力が無い場合においては蓄電池２から出力された直流電圧を単相負荷４００へ電力を供給することも可能である。

制御部５は、電力系統１００の状態に基づいて、三相系統連系インバータ３および単相インバータ４を制御する。制御部５には、例えば、所定のプログラムに基づいて種々の制御動作を実行するＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）を用いることができる。

（第１実施形態の作用）
以下、図１を参照して本実施形態に係る電力変換システム１の作用を説明する。ここでは、通常運転と自立運転を説明する。

通常運転では、まず、制御部５は連系用スイッチ１１、三相負荷用スイッチ１２および単相負荷用スイッチ２２をオンさせて、独立電源用スイッチ２１をオフさせる。次に、制御部５は三相系統連系インバータ３を駆動する。これにより、蓄電池２の直流電力が三相系統連系インバータ３を介して交流電力へと変換される。このとき、三相系統連系インバータ３は制御部５によって、三相交流電力を出力するように制御される。同時に制御部５は単相インバータを駆動する。これにより、蓄電池２の直流電力が単相インバータ４を介して交流電力へと変換される。このとき、単相インバータ４は制御部５によって、単相交流電力を出力するように制御される。

通常運転では、電力変換システム１は制御部５により、あらかじめ決められた電力スケジュールにより運転を行う。三相負荷２００の消費電力が多い時間帯に蓄電池２を放電させて三相負荷２００へ電力供給を行い、三相負荷２００の消費電力が少ない時間帯に電力系統から蓄電池２へ充電を行う。また、制御部５により単相インバータは単相負荷４００に電力供給する。

本実施形態では、制御部５が電力系統１００から三相系統連系インバータ３に入力される交流電圧を検出している。この検出電圧が、しきい値よりも小さくなると、制御部５は通常運転から自立運転に切り替える。自立運転では、蓄電池２が三相負荷２００および単相負荷４００に電力を供給する電源として機能する。

まず、制御部５は連系用スイッチ１１、独立電源用スイッチ２１をオフさせて、三相負荷用スイッチ１２、単相負荷用スイッチ２２をオンさせる。次に、制御部５は三相系統連系インバータ３が三相交流電力を出力するように制御し、単相インバータ４が単相交流出力するように制御する。これにより、三相系統連系インバータ３から三相交流電力を三相負荷２００に供給され、単相インバータ４から単相交流電力が単相負荷４００に供給される。

さらに、制御部５は独立電源３００から単相インバータ４に入力される交流電圧を検出している。この検出電圧が、しきい値よりも大きくなると独立電源用スイッチ２１をオンさせる。これにより、制御部５は独立電源３００の状態に基づいて単相交流電力を入力できるように制御する。その結果、独立電源３００から単相インバータ４を介して蓄電池２へ電力を供給する。独立電源３００とは、例えば、太陽光発電システムの自立運転時の単相１００Ｖ出力である。一般的に独立電源３００は三相系統連系インバータ３よりも低容量である為、単相インバータ４は独立電源３００と同程度の低容量のものを使用することができる。

（第１実施形態の効果）
本実施形態によれば、電力変換システム１における単相負荷４００への電力供給に対して、通常運転時は単相交流電力を、三相系統連系インバータ３を介することなく単相インバータ４により単相負荷４００に電力供給できるため、効率良く運転することができる。また同様に、自立運転時は独立電源３００の発電している単相電力を、三相系統連系インバータ３を介することなく単相インバータ４により蓄電池２へ効率よく充電することができる。そのため、蓄電池２を介して三相負荷２００に電力供給できる時間を長くすることができる。

（第２実施形態）
図２は、第２実施形態に係る電力変換システム１Ａの構成を示すブロック図である。上述した第１実施形態に係る電力変換システム１と同様の構成については、同じ符号を付し、詳細な説明を省略する。

電力変換システム１Ａの構成について説明する。電力変換システム１Ａでは、第１ＤＣ／ＤＣコンバータ６が蓄電池２と三相系統連系インバータ３の間に設けられ、第２ＤＣ／ＤＣコンバータ７が蓄電池２と単相インバータ４の間に設けられている。第２ＤＣ／ＤＣコンバータ７は第１ＤＣ／ＤＣコンバータ６よりも電力容量が小さい。また、第１ＤＣ／ＤＣコンバータ６および、第２ＤＣ／ＤＣコンバータ７は制御部５によって直流電力を出力するように制御される。

（第２実施形態の作用）
次に、電力変換システム１Ａの作用について説明する。第１ＤＣ／ＤＣコンバータ６は蓄電池２から出力された直流電圧を所定の直流電圧に変換する。三相系統連系インバータ３は第１ＤＣ／ＤＣコンバータ６から出力された直流電圧を所定値の交流電圧に変換する。この時、第１ＤＣ／ＤＣコンバータ６が出力する直流電圧は三相連系インバータの容量に合わせて決めることができる。同様に第２ＤＣ／ＤＣコンバータ７は、蓄電池２から出力された直流電圧を所定の直流電圧に変換する。単相インバータ４は第２ＤＣ／ＤＣコンバータ７から出力された直流電圧を所定値の交流電圧に変換する。この時、第２ＤＣ／ＤＣコンバータ７が出力する直流電圧は単相インバータ４の容量に合わせて決めることができ、出力する直流電圧は第１ＤＣ／ＤＣコンバータ６と第２ＤＣ／ＤＣコンバータ７とで異なってもよい。その他の構成については第１実施形態に係る電力変換システム１と同様なのでその説明を省略する。

（第２実施形態の効果）
本実施形態によれば、蓄電池２の出力電圧が三相系統連系インバータ３および単相インバータ４の入力電圧範囲と異なる場合であっても、ＤＣ／ＤＣコンバータにより所定の直流電圧を出力することで運転可能となる。また、三相系統連系インバータ３と単相インバータ４の入力電圧範囲が異なる場合においても、蓄電池２と三相系統連系インバータ３の間および、蓄電池２と単相インバータ４の間の一方もしくは両方にＤＣ／ＤＣコンバータを使用することで運転可能となる。以上により、電力変換システム１Ａ内の蓄電池２と三相系統連系インバータ３、単相インバータ４の仕様を多様化することができ、システム構成しやすくなる。さらに、接続するＤＣ／ＤＣコンバータは１つのインバータのみに接続されることからインバータと同容量にすることができ、また、インバータは負荷によって最適な容量に決定できるため、効率の良い構成とすることが可能となる。

（第３実施形態）
図３は、第３実施形態に係る電力変換システム１Ｂの構成を示すブロック図である。上述した第１実施形態に係る電力変換システム１および、第２実施形態に係る電力変換システム１Ａと同様の構成については、同じ符号を付し、詳細な説明を省略する。

電力変換システム１Ｂの構成について説明する。電力変換システム１Ｂでは、操作表示部８が制御部５に接続されている。

（第３実施形態の作用）
次に電力変換システム１Ｂの作用について説明する。電力変換システム１Ｂでは、操作表示部８はユーザの操作により、停電時に通常運転から自立運転へ移行する場合に、自動で移行するか、もしくは待機して操作表示部により手動で自立運転へ移行するかを決めることが可能となる。また、電力系統が復電した場合において、自立運転から通常運転へ移行する場合においてもユーザの操作によって自動で移行するか、もしくは自立運転を継続し、ユーザの操作によって連系運転へ移行するかを決めることが可能となる。また、操作表示部８は通常運転での電力スケジュールの設定・変更および、装置の入出力電圧値・電流値・電力値や、故障履歴などを確認することも可能である。その他の構成については第１実施形態に係る電力変換システム１および、第２実施形態に係る電力変換システム１Ａと同様なのでその説明を省略する。

（第３実施形態の効果）
本実施形態によれば、ユーザの使用用途によって電力変換システム１Ｂの動作を決めることができるため、蓄電池２の電力を有効活用することが可能となる。

（第４実施形態）
図４は、第４実施形態に係る電力変換システム１Ｃの構成を示すブロック図である。上述した第１実施形態に係る電力変換システム１、第２実施形態に係る電力変換システム１Ａおよび、第３実施形態に係る電力変換システム１Ｂと同様の構成については、同じ符号を付し、詳細な説明を省略する。

電力変換システム１Ｃの構成について説明する。電力変換システム１Ｃでは、外部の通信制御部５００との接続を可能としている。

（第４実施形態の作用）
次に電力変換システム１Ｃの作用について説明する。電力変換システム１Ｃでは、外部の通信制御部５００による指令で電力変換システム１Ｃ内の操作表示部８と同様な操作を通信により行うことが可能となる。また、電力変換システム１Ｃを複数台制御することも可能となる。

（第４実施形態の効果）
本実施形態によれば、電力変換システム１Ｃが遠方に設置されている場合においても、システムを制御することができるため、利便性が向上する。また、複数台の電力変換システムを制御することが可能になるため、大容量の電力供給にも対応することができる。

以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１・・・電力変換システム
２・・・蓄電池
３・・・三相系統連系インバータ
４・・・単相インバータ
５・・・制御部
６・・・第１ＤＣ／ＤＣコンバータ
７・・・第２ＤＣ／ＤＣコンバータ
８・・・操作表示部
１１・・・連系用スイッチ
１２・・・三相負荷用スイッチ
２１・・・独立電源用スイッチ
２２・・・単相負荷用スイッチ
１００・・・電力系統
２００・・・三相負荷
３００・・・独立電源
４００・・・単相負荷
５００・・・通信制御部

Claims (5)

1. 蓄電池と、前記蓄電池に接続されたフィルタを含む容量の異なる複数のインバータと、前記複数のインバータの少なくとも一つに接続される電力系統の状態に基づいて前記複数のインバータを制御する制御部と、を備える電力変換システム。
2. 前記複数のインバータは、三相系統連系インバータと、前記三相系統連系インバータよりも電流容量の小さな単相インバータを有し、前記制御部は前記三相連系インバータに接続される電力系統の状態に基づいて、前記三相連系インバータを制御し、前記単相インバータに接続される独立電源の状態に基づいて、前記単相インバータを制御する、請求項１に記載の電力変換システム。
3. 前記蓄電池の直流電力を昇圧する双方向ＤＣ／ＤＣコンバータを有し、前記蓄電池と前記三相連系インバータの間および、前記蓄電池と前記単相インバータの間の少なくとも一方に接続されることを特徴とする、請求項２に記載の電力変換システム。
4. 前記制御部に接続される操作表示部とをさらに備え、前記操作表示部は前記制御部への指令および状態の表示をする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の電力変換システム。
5. 前記制御部は通信制御部と接続され、前記通信制御部からの通信指令により制御する請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の電力変換システム。

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