JP5028056B2 - 給電システムおよび給電システムの制御方法 - Google Patents
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Description
例えば、特許文献1は、複数の太陽電池ストリングよりなる太陽光発電装置を開示している。この特許文献1は、第1の太陽電池ストリングと第2の太陽電池ストリングを並列接続し、これら太陽電池ストリングを最大出力動作点で直流電力が出力されるように制御するとともに、直流電力を交流電力に変換する電力変換装置と第2の太陽電池ストリングとの間に、第2の太陽電池ストリングの出力電圧を第1の太陽電池ストリングの出力電圧に調整する調整手段を備えるものである。
ところで、太陽電池ストリングが蓄電池を含む場合、各蓄電池の電圧が等しければ、各蓄電池から出力を取り出すことができ、各蓄電池の合計電力を出力することができる。しかし、各蓄電池電圧が等しくなければ、電圧の高い蓄電池から出力され、電圧の低い蓄電池からは出力を得ることができない。そのため、各蓄電池の合計電力を得ることができない。また、電圧の高い蓄電池から出力させるので、蓄電池の使用頻度が片寄るようになる。
本発明は、以上のような問題に鑑みて、給電システムから各蓄電池の合計電力が得られるようにし、またある1つの蓄電池が片寄って使用されないようにする給電システムを提供することを目的とする。また本発明は複雑な制御をなくし、極めて簡単な回路によって上記目的を実現できる給電システムを提供することを目的とする。
これにより、各蓄電池の合計電力を得ることができる。またある1つの蓄電池が片寄って使用されることがなく、システムの寿命を長くすることができる。また制御部は電力変換装置を制御することによって、各蓄電池電圧をほぼ等しくさせるので、極めて簡単な回路によって制御することができる。
また本発明の給電システムにおいて、前記蓄電池は所定の電流で充放電されることが望ましい。
このように、各蓄電池の電圧を揃えておくことによって、各ストリングから偏ることなく同量の電流を取り出すことができるため、電力変換装置は給電システムから最大の電力を要求することが可能となる。また、電力変換装置の電力要求また蓄電池の電流を検出して制御するだけであるので、極めて簡単な制御回路によって、本発明の目的とする制御を実現することができる。
また本発明の給電システムは、実施例において、前記直流電源が太陽電池または燃料電池などであることが好ましい。これにより、太陽電池または燃料電池の発電出力を有効に利用することができる。また同様に、発電機、風力発電機などの交流電源を変換することによって得られる直流電源も利用可能になる。
また本発明の給電システムは、実施例において、前記各直流電源ストリングは、それぞれ逆流防止ダイオードを介して接続することが好ましい。これにより各直流電源ストリングに備えられた蓄電池の過充電を簡単な回路で防止することができる。
また、本発明の給電システムの制御方法は、更に、前記直流電源の出力が異なるとき、各蓄電池が、最も低い直流電源出力量に揃えて充電し、残りの直流電源出力量を電力変換装置へ出力する第3の工程を有する。これにより、太陽電池または燃料電池などの直流電源より発電出力を得て、各蓄電池への充電量を揃えることができる。
また、本発明の給電システムの制御方法は、前記第1の工程において、前記各蓄電池の電圧をほぼ等しくする場合に、前記電力変換装置の出力電力を徐々に増加させることが好ましい。このように制御する場合は、小さい電流を流すことにより、蓄電池電圧を同じにすることができる。
また、本発明の給電システムの制御方法は、前記第1の工程において、前記各蓄電池の電圧をほぼ等しくする場合に、前記各蓄電池が全て同じ電流を出力しているかどうかチェックすることが好ましい。
本発明の実施形態1の給電システムは、図1に示すように、直流電源1Aと蓄電池1Bを並列に接続して直流電源ストリング1を構成し、このような直流電源ストリングを複数並列に電力変換装置11に接続する。図1は、3つの直流電源ストリングを電力変換装置11に接続した場合を示すが、直流電源ストリングの数は限定がなく、2つでもよく、3つ以上でもかまわない。
電力変換装置11は系統連係20に接続され、本発明の給電システムは出力電力を系統連係20に売電する。あるいは図示しないが、負荷に給電してもよい。上記電力変換装置11に制御部12が接続され、以下に説明するように電力変換装置11を制御する。
なお、上記直流電源1Aと蓄電池1Bの接続点Sより直流電源側に逆流防止ダイオード1Cを接続する。また各直流電源ストリングの接続点Tと接続点Sの間に逆流防止ダイオード1Dを接続する。ダイオード1Cは直流電源1Aに流れ込む電流を防止し、ダイオード1Dは各直流電源ストリング間の電力のやり取りを防止する。また蓄電池1Aの出力側に蓄電池の安全を確保するための手段、例えば蓄電池の安全範囲での電流を許容する電流ヒューズまたはブレーカ1Eを接続する。
また系統連係20は、本発明の給電システムの動作により生じた電力を吸収する部分として示したものであり、出力電力を吸収できるのであれば、蓄電池であってもよい。蓄電池に充電した電力は、後に負荷に供給するとよい。
また直流電源ストリングに備えられる蓄電池1Bは、鉛電池、リチウムイオン電池、ニッケル電池など多くの種類の蓄電池が使用可能であり、この実施形態ではリチウムイオン電池であるとして説明する。また蓄電池は、電気二重層キャパシタまたは超電導電力貯蔵装置によって代替することも可能である。
通常の太陽光発電は、日照条件、太陽電池モジュールの温度に応じて変化する最大電力点を追尾し、出力される電力が最大となるように動作点電圧が制御される。しかし本発明においては、接続される蓄電池モジュールの電圧が太陽電池モジュールの動作点電圧となるように作動させる。そのため、太陽電池モジュールの動作点電圧は蓄電池モジュールが動作する電圧範囲に限定される。
一方、蓄電池モジュールの動作電圧は温度の影響をさほど受けない。したがって、本発明における太陽電池モジュールは温度によって出力電圧の変化を受け難い温度特性の優れた太陽光電池を選択することが望ましい。上記のように太陽電池モジュールの温度係数は、−0.42%/℃以下、さらに好ましくは−0.3%/℃以下の太陽電池モジュールを選択することが望ましい。これにより、高いシステム効率を得ることが可能となる。これは接続される蓄電池デバイスの種類にもよるが、蓄電池デバイスの動作電圧の温度変化による変動幅は、約20〜30%程度であり、一方太陽電池モジュールの使用温度幅が約60℃であることから考慮し算出される。
さらには、これまで蓄電デバイスとして使用されていた鉛蓄電池は、充電不足が続くと容量劣化が起こったり、ニッケル水素電池などは決まった範囲で充放電を繰り返すと、容量が十分に得られなくなるメモリー効果などが見られたりするが、リチウムイオン電池は充電不足によるサイクル劣化やメモリー効果などがなく、本願発明の蓄電モジュールを構成するための電池としては好適に使用することができる。さらに、リチウムイオン電池は周囲温度による充電電圧の変化を受けにくいため、本発明の制御方法の蓄電システムとしては非常に有効である。
リチウムイオン電池の材料には正極材料、負極材料ともに種々なものが提案されており、それらすべてが使用可能である。中でもLiFePO4を正極に用いたリチウムイオン電池はその充放電曲線が平坦であり、特に好ましい。
このように、各蓄電池の電圧がばらついた状態で、電力変換装置11が電力要求すると、電圧の高い蓄電池から出力される。本システムでは、各蓄電池電圧、蓄電池電流を監視していないため、一つのストリングから5Aすべて出力される最悪のケース(各蓄電池電圧が大きくばらついている)を想定して、絶対に5A以上要求しないようにする。また、本システムにおいては、電流が大きいほど電圧のバラツキを早く直すことができるため、5Aとすることが好ましい。この場合は、蓄電池1Bが最も高い電圧であるので、蓄電池1Bから出力される。その他の蓄電池2B、3Bは,蓄電池1Bよりも電圧が十分に低いため出力に寄与することができない。そのため給電システムは蓄電池1Bの許容電流範囲しか電力供給できない。
本システムでは、電力変換装置11からの電力要求を1ストリングの耐電流で定期的に行うことにより、各蓄電池電圧、蓄電池電流を監視せずに安全に早く各蓄電池電圧を揃えることが可能である。
ここで、各蓄電池の電圧を接続点Tの電圧で説明する理由は、太陽電池は屋根または屋上に設置され、蓄電池は屋内等に設置されるので、太陽電池と蓄電池の間は接続線により接続され、そのため接続線による抵抗分だけ電圧低下するためである。
以上のようにして、3つの蓄電池の電圧が揃った後、系統連係に売電するとき、または負荷から要求があったとき、制御部が電力変換装置11に、各直流電源ストリングの安全上抑えられている最大電流、例えば各直流電源ストリングから5Aずつ、合計最大電流15Aを出力させても、安全に出力を得ることができる。
この実施形態1において、太陽電池が発電することにより蓄電池を充電し、また太陽電池の発電出力を電力変換装置を経て、系統連係または負荷に電力供給することができるが、それらについては、実施形態2および3で説明する。
図2は、本発明の実施形態2の給電システムを示す。実施形態2は、各蓄電池の充電または放電電流を検出する電流センサー1F、2F、3Fを備え、その検出出力を電流検出部102で監視し、その結果を制御部12に送る点、および各直流電源ストリングの接続点Tの電圧を検出する電圧センサー5を備え、その検出出力を電圧検出部101で監視し、その結果を制御部12に送る点が図1に示した実施形態1と異なる構成部分である。その他は図1に示した実施形態1と同じである。なお、図2は、図面を繁雑にしないため蓄電池1Aの出力側に蓄電池の安全を確保する電流ヒューズまたはブレ−カを示していないが、図1と同様に接続しているものとする。また、蓄電池の出力電流値は、システムの安全上、10A以下に抑える必要がある。
蓄電池の使用領域は40V〜60Vであるので、制御部12は接続点Tの電圧が60Vであることを検出すると、電力変換装置11に2Aの電力要求を命令する。または前記電力変換装置が出力する前、所定時刻または一定間隔ごとに、制御部が電力変換装置11に2Aの電力要求を命令する。
以上のようにして、3つの蓄電池の電圧を揃えることができるので、つぎに電力変換装置11の出力電力を減らす。そして、3つの蓄電池の電流が同じになると、制御部12は電力変換装置の動作を停止させ、次に給電システムは出力電力の要求があるまで待機する。
次に、電流I1、I2、I3が同じかどうかチェックする(S5)。ここで、正確にI1=I2=I3になることは困難であるので、ImaxとIminの差が10%以内とするなどの範囲を設けることが好ましい。I1=I2=I3(この値はほぼゼロとなる)であれば、このフローを終了する。もしI1=I2=I3を満たしてなければ、電力変換装置の要求電力を増やし(S6)、ステップS1に戻る。
図4は、各蓄電池の電圧と電流を時間経過とともに説明するためのブロック図であり、この図は説明を簡単にするため、直流電源ストリングを2つにして示す。また、図5に、電力変換装置からの電力の要求があった場合の各蓄電池の電圧と電流の変化を時間経過と共に示す。ここで、各太陽電池はある一定出力をしているものとする。初期の蓄電池電圧の高い方の蓄電池を1B、低い方の蓄電池を2Bとする。
電力変換装置が電力を要求すると、蓄電池電圧が高い方の蓄電池1Bからまず出力する。もし、蓄電池電圧の高い方の太陽電池出力1Aで、電力変換装置が要求する電力をまかないきれない場合は、電圧が低い方の蓄電池1Bからも放電される。太陽電池2Aと蓄電池2Bは、電力変換装置の電力要求量と、蓄電池1Bとの電圧の差に応じて、電力変換装置へ放電されるか蓄電池2Bに充電されるか決まる。図5では、最初時間T1までの領域Aでは、太陽電池2Aの電力は蓄電池2Bへ充電されている。蓄電池2Bが充電されていることを図5では蓄電池2Bの電流が蓄電池電流の充電と放電の境界線Hより、下にあることで示す。
実施形態3を図2を用いて説明する。この実施形態3では、蓄電池の電流を検出するセンサー1F、2F、3Fを用いて、太陽電池の発電量が異なる場合に、蓄電池の電圧のばらつきを未然に防ぎながら、蓄電池を最大限充電する方法を実現する。この実施形態3は、実施形態1および2に説明したように蓄電池電圧を揃えた後、給電システムにより電力供給が行われる。そして、更にこの実施形態3では、太陽電池の発電量が異なる場合に、蓄電池の電圧のばらつきを未然に防ぎながら、蓄電池を最大限充電する方法を以下のようにして実施する。
図7は各直流電源ストリングS1、S2、S3の太陽電池出力電流を示す。ストリング1の太陽電池出力電流は4A、ストリング2、ストリング3の太陽電池出力電流は2Aである。
今、実施形態1、2の処理のようにして、各蓄電池電圧が揃っているとすると、各ストリングの太陽電池の出力はすべて各蓄電池へ入力されることから、ストリング1の蓄電池は、他のストリングの蓄電池に比べて2A多く充電される。よって、このままでは蓄電池の充電状態に差がでてしまう。
次にステップS13では、X1=X2を判定する。X2は初期値として、ゼロが望ましい。現在X1は2AでX2はゼロのため、ステップS15へ進み、電力変換装置の要求電力を増やす。1A増やしたとすると、太陽電池出力の多いストリングから出力され、図7に示す出力AからBの領域の電力が電力変換装置へ供給される。
次にステップS16ではX1をX2に代入する。これにより、現在のX1のデータ(2A)がX2に格納される。
次にステップS13では、X1=X2を判定する。現在X1は1AでX2は2Aのため、ステップS15へ進み、電力変換装置の要求電力を増やす。さらに1A増やしたとすると、太陽電池出力の多いストリングから出力され、図7に示す出力AからCの領域の電力が電力変換装置へ供給される。
次にステップS16ではX1をX2に代入する。これにより、現在のX1のデータ(1A)がX2に格納される。
次にステップS13では、X1=X2を判定する。現在X1はゼロでX2は1Aのため、ステップS15へ進み、電力変換装置の要求電力を増やす。さらに1A増やしたとすると、現時点では、太陽電池出力の多かったストリングからはすでに2A出力されていることから、各ストリングとも太陽電池出力はC点(2A)であり、平等に1/3Aずつ出力される。その結果、図7に示す出力AからDの領域の電力が電力変換装置へ供給される。
次にステップS16ではX1をX2に代入する。これにより、現在のX1のデータ(1A)がX2に格納される。
次にステップS13では、X1=X2を判定する。現在X1はゼロでX2もゼロのため、ステップS14へ進み、電力変換装置の要求電力を減らす。
次にステップS16ではX1をX2に代入する。これにより、現在のX1のデータ(1A)がX2に格納される。その後、ステップS11に戻り、このフローチャートを繰り返す。
本システムでは、基本的には蓄電池電圧がばらつかないように制御されるものであるが、瞬間的な日射変動などの要因で、実際には若干電圧がばらつく可能性がある。その際、Xがゼロになるべき領域(図7においては、Cより下)においてでも、ゼロにならない。本発明で説明の範囲で電力変換装置の出力を維持していると、Xはゼロに近づく方向へ推移する。しかし、この近づく速さの時間当たりの変化量は小さい。
一方で、局所的な日射変動や、電力変換装置の出力変更に起因する電流の変化は比較的短い時間間隔で起こる。この差を利用して、Xの値が変化したとき、局所的な日射変動や電力変換装置の出力変更などに起因するXの変化か、各蓄電池の電圧バラツキによるXの変化かを判定することが可能となる。
蓄電池のバラツキにより変化するXを、電力変換装置の出力調整によって変化するXの1/5以下、好ましくは1/10以下、より好ましくは1/20になるように設定することが好ましい。もし1/5以下と設定した場合、ステップS13は、20%の誤差範囲でX1=X2を判定すればよい。
以上の処理により、太陽電池の出力がばらついていても、各蓄電池への充電電力を揃えることが可能であり、各蓄電池の電圧バラツキを抑えつつ、最大限充電することができる。一般的に言い換えると、例えば、n+1の直流電源ストリングが接続されている場合において、各直流電源のうち、最小の電流をIa、残りの直流電源の電流をI1、I2、・・・Inとすると、(I1−Ia)+(I2−Ia)+ ・・・ (In−Ia)以上の電力量を電力変換装置が常に要求することにより、各蓄電池の電流値はすべてIaに統一でき、蓄電池間の電圧バラつきを抑えつつ、最大限充電することができる。
1B、2B、3B 蓄電池
1C、2C、3C ダイオード
1D、2D、3D ダイオード
1E、2E、3E 電流センサー
11 電力変換装置
12 制御部
Claims (8)
- 直流電源と蓄電池を有する複数の直流電源ストリングと、
前記複数の直流電源ストリングの直流出力を交流出力に変換する電力変換装置と、
前記各蓄電池電圧がほぼ等しくなるように前記電力変換装置を制御する制御部と
を備えることを特徴とする給電システム。 - 前記蓄電池が、所定の電流で充放電されることを特徴とする請求項1に記載の給電システム。
- 直流電源と蓄電池を有する複数の直流電源ストリングと、
前記各蓄電池の出力電流を検出する検出部と、
前記複数の直流電源ストリングの直流出力を交流出力に変換する電力変換装置と、
前記検出部により検出される各蓄電池の出力電流により、前記各蓄電池電圧がほぼ等しくなるように制御する制御部と、
を備えることを特徴とする給電システム。 - 前記制御部は、前記電力変換装置が電力出力する前、所定時刻または一定間隔ごと、または蓄電池電圧が所定電圧に達したとき、前記各蓄電池電圧がほぼ等しくなるように制御することを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の給電システム。
- 前記各直流電源ストリングは、それぞれ逆流防止ダイオードを介して接続することを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載の給電システム。
- 給電システムは、直流電源と蓄電池を有する複数の直流電源ストリングと、前記複数の直流電源ストリングの直流出力を交流出力に変換する電力変換装置を備え、
前記各蓄電池の電圧をほぼ等しくなるように制御する第1の工程と、
前記電力変換装置から電力出力する第2の工程と
を有することを特徴とする給電システムの制御方法。 - 前記給電システムの制御方法において、n+1の直流電源ストリングが接続されており、前記直流電源の出力が異なるとき、前記直流電源のうち、最小の電流をIa、残りの電流をI1、I2、・・・Inとすると、(I1−Ia)+(I2−Ia)+ ・・・ (In−Ia)以上の電力量を電力変換装置は常に要求するように制御する第3の工程を有することを特徴とする請求項6に記載の給電システムの制御方法。
- 前記第1の工程において、前記各蓄電池の電圧をほぼ等しくする場合に、前記各蓄電池が全て同じ電流を出力しているかどうかチェックすることを特徴とする請求項6に記載の給電システムの制御方法。
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