JP6158562B2 - 電力変換装置、制御システム、及び制御方法 - Google Patents

電力変換装置、制御システム、及び制御方法 Download PDF

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Description

本発明は、分散電源の出力を変換する電力変換装置、制御システム、及び制御方法に関する。
近年、系統電力の需要家において、分散電源の導入が進んでいる。分散電源は、例えば、太陽電池及び燃料電池等の発電装置と、蓄電池とを含む。
前述の分散電源（太陽電池、燃料電池、及び蓄電池等）の出力はＤＣ電力であるのに対し、系統電力はＡＣ電力である。そのため、系統から電力供給を受ける負荷も、ＡＣ電力に対応した仕様となっている。そこで、分散電源の出力をＡＣ電力に変換して、系統及び／又は負荷に供給する電力変換装置が知られている。電力変換装置は、ＤＣ電力をＡＣ電力に変換するＤＣ／ＡＣ変換器を備える。
電力変換装置は、系統と連系状態である場合には、分散電源の出力をＡＣ電力に変換し、分電盤等に出力することにより、系統及び／又は負荷に供給する。このような電力変換装置の運転を、連系運転という。
又は、電力変換装置は、系統の停電等により系統と解列状態である場合には、分散電源の出力をＡＣ電力に変換し、自立運転用コンセント等に出力することにより、負荷に供給する。このような電力変換装置の運転を、自立運転という。
また、発電装置（例えば、太陽電池）及び蓄電池の両方に対応する、ハイブリッド型電力変換装置が知られている。ハイブリッド型電力変換装置は、発電装置及び蓄電池の出力を系統及び／又は負荷に供給することにより、連系運転又は自立運転を行う。また、ハイブリッド型電力変換装置は、発電装置の出力をＤＣ電力のままで蓄電池に供給することにより、蓄電池を充電することができる（例えば、特許文献１）。
特開２０１２−２２８０４３号公報
電力変換装置は、連系運転又は自立運転を行うために、分散電源の出力を、系統及び負荷への供給に適した電圧を有するＡＣ電力に変換する必要がある。そこで、電力変換装置は、分散電源の電源ラインと接続されるＤＣ／ＤＣ変換器をさらに備える。ＤＣ／ＤＣ変換器は、分散電源の出力を、系統の設定電圧に応じて定められた電圧（以下、中間電圧）を有するＤＣ電力に変換（昇圧）し、ＤＣ／ＡＣ変換器に出力する。中間電圧を有するＤＣ電力は、ＤＣ／ＡＣ変換器によって、系統及び負荷への供給に適した電圧を有するＡＣ電力に変換される。これにより、分散電源の出力が系統及び／又は負荷に供給可能となり、電力変換装置は、連系運転又は自立運転を行う。
ところで、ハイブリッド型電力変換装置が、発電装置の出力で蓄電池を充電する場合、発電装置の出力をＤＣ／ＤＣ変換器によって昇圧した後、蓄電池に供給する。しかしながら、蓄電池の充電電圧は、一般に、中間電圧よりも低い。従って、ハイブリッド型電力変換装置が、発電装置の出力で蓄電池を充電する場合には、ＤＣ／ＤＣ変換器によって発電装置の出力を中間電圧にまで昇圧した後で、蓄電池の充電電圧にまで降圧する必要がある。そのため、発電装置の出力には、昇圧時の変換損失に加えて、降圧時の変換損失もが生じてしまう。
そこで、本発明は、発電装置の出力の変換損失を抑制する電力変換装置、制御システム、及び制御方法を提供することを目的とする。
第１の特徴に係る電力変換装置は、発電装置の運転時において、前記発電装置の出力をＡＣ電力に変換して系統及び／又は負荷に供給する第１モードと、前記発電装置の出力を蓄電池に供給する第２モードとを含む複数の動作モードのいずれかで動作する。電力変換装置は、前記発電装置の電源ラインと接続されるＤＣ／ＤＣ変換器と、前記ＤＣ／ＤＣ変換器と第１の電力ラインを介して接続されるＤＣ／ＡＣ変換器とを備え、前記ＤＣ／ＤＣ変換器は、前記第１の電力ラインから分岐する第２の電力ラインを介して前記蓄電池と接続される。前記第１モードと前記第２モードとで、前記ＤＣ／ＤＣ変換器の出力電圧が異なる。
第１の特徴において、前記ＤＣ／ＤＣ変換器は、前記第１モードにおいて、前記系統の設定電圧に応じて定められた第１の電圧を有するＤＣ電力を出力し、前記第２モードにおいて、前記蓄電池の充電電圧に応じて定められた第２の電圧を有するＤＣ電力を出力する。
第１の特徴において、前記複数の動作モードのいずれかを時分割で選択する制御部をさらに備える。
第１の特徴において、前記負荷は、間欠運転を行う負荷であり、前記制御部は、前記発電装置の運転時において、前記電力変換装置が前記系統と解列状態である場合には、前記負荷の運転状態に応じて、前記第１モード又は前記第２モードのいずれかを選択する。
第１の特徴において、前記制御部は、前記発電装置の運転時において、前記電力変換装置が前記系統と解列状態にあり、かつ、前記負荷の消費電力が第１の閾値を下回る場合には、前記第２モードを選択する。
第１の特徴において、前記制御部は、前記発電装置の運転時において、前記電力変換装置が前記系統と解列状態にあり、かつ、前記負荷の消費電力が前記第１の閾値を上回る場合には、前記第１モードを選択する。
第１の特徴において、前記制御部は、前記負荷の消費電力が前記第１の閾値を超えた時点から所定の時間が経過した場合には、前記第２モードを選択する。
第１の特徴において、前記制御部は、前記発電装置の運転時において、前記電力変換装置が前記系統と解列状態である場合であって、前記負荷の消費電力が前記第１の閾値を下回り、かつ、前記発電装置の出力が第２の閾値を下回る場合には、前記第２モードを選択する。
第１の特徴において、前記制御部は、前記発電装置の運転時において、前記電力変換装置が前記系統と解列状態である場合であって、前記負荷の消費電力が前記第１の閾値を下回り、かつ、前記発電装置の出力が第２の閾値を上回る場合には、前記第２モードを選択する。
第１の特徴において、前記制御部は、前記発電装置の運転時において、前記蓄電池に蓄積された電力量が所定値を上回る場合には、前記第１モードを選択する。
第１の特徴において、前記制御部は、前記発電装置の運転時において、前記電力変換装置が前記系統と連系状態である場合には、前記系統の電圧に応じて、前記第１モード又は前記第２モードのいずれかを選択する。
第２の特徴に係る制御システムは、発電装置の運転時において、前記発電装置の出力をＡＣ電力に変換して系統及び／又は負荷に供給する第１モードと、前記発電装置の出力を蓄電池に供給する第２モードとを含む複数の動作モードのいずれかで動作する電力変換装置と、前記電力変換装置を制御する制御装置とを備える。前記電力変換装置は、前記発電装置の電源ラインと接続されるＤＣ／ＤＣ変換器と、前記ＤＣ／ＤＣ変換器と第１の電力ラインを介して接続されるＤＣ／ＡＣ変換器とを備え、前記ＤＣ／ＤＣ変換器は、前記第１の電力ラインから分岐する第２の電力ラインを介して前記蓄電池と接続される。前記ＤＣ／ＤＣ変換器の出力電圧は、前記第１モードと前記第２モードとで異なる。前記制御装置は、前記複数の動作モードのいずれかを時分割で選択する。
第３の特徴に係る制御方法は、発電装置の運転時において、前記発電装置の出力をＡＣ電力に変換して系統及び／又は負荷に供給する第１モードと、前記発電装置の出力を蓄電池に供給する第２モードとを含む複数の動作モードのいずれかで動作する電力変換装置に適用される制御方法である。前記電力変換装置は、前記発電装置の電源ラインと接続されるＤＣ／ＤＣ変換器と、前記ＤＣ／ＤＣ変換器と第１の電力ラインを介して接続されるＤＣ／ＡＣ変換器とを備え、前記ＤＣ／ＤＣ変換器は、前記第１の電力ラインから分岐する第２の電力ラインを介して前記蓄電池と接続される。前記ＤＣ／ＤＣ変換器の出力電圧は、前記第１モードと前記第２モードとで異なる。制御方法は、前記複数の動作モードのいずれかを時分割で選択するステップを備える。
本発明によれば、発電装置の出力の変換損失を抑制する電力変換装置、制御システム、及び制御方法を提供することができる。
図１は、本発明の実施形態に係る制御システムの全体構成図である。 図２は、本発明の実施形態に係るＰＣＳの詳細構成図である。 図３は、本発明の実施形態に係る制御方法を示すフロー図である。 図４は、本発明の実施形態に係る、解列時における動作モードの選択フローを示す図である。 図５は、本発明の実施形態に係る、連系時における動作モードの選択フローを示す図である。 図６は、本発明の変更例１に係る、解列時における動作モードの選択フローを示す図である。 図７は、本発明の変更例２に係る、解列時における動作モードの選択フローを示す図である。
以下において、本発明の実施形態に係る電力変換装置、制御システム、及び制御方法について、図面を参照しながら説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には、同一又は類似の符号を付している。
ただし、図面は模式的なものであり、各寸法の比率などは現実のものとは異なることに留意すべきである。従って、具体的な寸法などは以下の説明を参酌して判断すべきである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。
［実施形態の概要］
実施形態に係る電力変換装置は、発電装置の運転時において、前記発電装置の出力をＡＣ電力に変換して系統及び／又は負荷に供給する第１モードと、前記発電装置の出力を蓄電池に供給する第２モードとを含む複数の動作モードのいずれかで動作する。電力変換装置は、前記発電装置の電源ラインと接続されるＤＣ／ＤＣ変換器と、前記ＤＣ／ＤＣ変換器と第１の電力ラインを介して接続されるＤＣ／ＡＣ変換器とを備え、前記ＤＣ／ＤＣ変換器は、前記第１の電力ラインから分岐する第２の電力ラインを介して前記蓄電池と接続される。前記第１モードと前記第２モードとで、前記ＤＣ／ＤＣ変換器の出力電圧が異なる。
これによって、発電装置の出力の変換損失を抑制することができる。
［本実施形態］
以下、本実施形態に係る制御システムについて、（１）制御システムの全体構成、（２）ＰＣＳの詳細構成、（３）ＰＣＳの動作モード、（４）制御方法の順に説明する。
（１）制御システムの全体構成
図１は、本実施形態に係る制御システムの全体構成図である。以下の図面において、電力ラインは実線で示し、信号ラインは破線で示している。信号ラインは有線に限定されず、無線であってもよい。
図１に示すように、本実施形態に係る制御システムにおいては、系統１からＡＣ電力の供給を受ける需要家に、太陽電池（ＰＶ）１００、蓄電池２００、負荷３００、パワーコンディショナ（ＰＣＳ）４００、分電盤５００、及びＥＭＳ７００が設けられる。
ＰＶ１００は、分散電源の一例であり、太陽光を受けて発電する発電装置である。ＰＶ１００は、発電したＤＣ電力をＰＣＳ４００に出力する。ＰＶ１００は、１又は複数のパネルにより構成される。また、ＰＶ１００は、複数のパネルにより構成されたストリングを複数用いて構成されていてもよい。
蓄電池２００は、分散電源の一例であり、ＤＣ電力を蓄積する装置である。蓄電池２００は、蓄積したＤＣ電力を放電し、ＰＣＳ４００に出力する。また、蓄電池２００は、ＰＣＳ４００から供給されたＤＣ電力によって充電される。
負荷３００は、電力ラインを介して供給されたＡＣ電力を消費する装置である。負荷３００は、例えば、照明、エアコン、冷蔵庫、及びテレビ等の装置を含む。負荷３００は、１つの装置であってもよく、複数の装置を含んでもよい。
ＰＣＳ４００は、分散電源の出力を変換する電力変換装置の一例である。ＰＣＳ４００は、ＰＶ１００及び蓄電池２００が出力したＤＣ電力をＡＣ電力に変換し、例えば分電盤５００に出力する。また、ＰＣＳ４００は、ＰＶ１００が出力したＤＣ電力を、蓄電池２００に供給することにより、蓄電池２００を充電する。
このように、発電装置（ＰＶ１００）と、蓄電池（蓄電池２００）との両方に対応するＰＣＳは、ハイブリッドＰＣＳとも称される。
ここで、ＰＣＳ４００が系統１と連系状態である場合に、ＰＣＳ４００が出力したＡＣ電力が系統１から供給されたＡＣ電力と併せて負荷３００に供給される場合、ＰＣＳ４００の運転は、「連系運転」と称される。また、ＰＣＳ４００が系統１と解列状態である場合に、ＰＣＳ４００が出力したＡＣ電力のみが負荷３００に供給される場合、ＰＣＳ４００の運転は、「自立運転」と称される。
分電盤５００は、電力の分配を行う装置である。分電盤５００は、電力ラインを介して、系統１、負荷３００、及びＰＣＳ４００と接続されている。分電盤５００は、ＰＣＳ４００が出力したＡＣ電力が負荷３００の消費電力を下回る場合には、不足分のＡＣ電力を系統１から受電して、ＰＣＳ４００が出力したＡＣ電力と系統１から供給されたＡＣ電力とを併せて、負荷３００に供給する。
分電盤５００は、ＰＣＳ４００が出力したＡＣ電力を、系統１に逆潮流（売電）してもよい。ただし、ＰＣＳ４００が出力したＡＣ電力は、逆潮流が認められていない分散電源（例えば、蓄電池２００）の出力を含む場合がある。このようなケースにおいては、分電盤５００は、逆潮流が認められている分散電源（例えば、ＰＶ１００）の出力のみを、系統１に逆潮流することに留意すべきである。
また、分電盤５００は、系統１の停電発生時に主幹ブレーカを遮断することにより、負荷３００及びＰＣＳ４００を系統１から解列する。
また、分電盤５００は、ＰＣＳ４００及びＥＭＳ７００と信号ラインを介して接続され、ＥＣＨＯＮＥＴ ＬｉｔｅあるいはＺｉｇ Ｂｅｅ（登録商標）などの所定の通信プロトコルを用いて通信を行う。分電盤５００は、例えば、系統１から供給を受ける電力、又は系統１に逆潮流する電力の計測値を、ＰＣＳ４００及びＥＭＳ７００に送信する。
ＥＭＳ７００は、制御装置の一例であり、負荷３００、ＰＣＳ４００、及び分電盤５００を制御する装置（Ｅｎｅｒｇｙ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ Ｓｙｓｔｅｍ）である。ＥＭＳ７００は、負荷３００、ＰＣＳ４００、及び分電盤５００と、信号ラインを介して接続されている。ＥＭＳ７００は、負荷３００、ＰＣＳ４００、及び分電盤５００を、ＥＣＨＯＮＥＴ Ｌｉｔｅ等の所定の通信プロトコルに準拠した信号を用いて制御する。
ＥＭＳ７００は、ＰＶ１００の出力、蓄電池２００が蓄積した電力量（蓄電量）、及び負荷３００の消費電力の計測値を取得する。ＥＭＳ７００は、系統１から供給を受ける電力、又は系統１に逆潮流する電力の計測値を、例えば分電盤５００から取得してもよい。また、ＥＭＳ７００は、ＰＶ１００の出力、蓄電池２００の充放電電力、及び蓄電池２００の蓄電量を、ＰＣＳ４００から取得してもよい。ＥＭＳ７００は、これらの計測値に基づいて、ＰＶ１００の出力、蓄電池２００の蓄電量、及び負荷３００の消費電力の予測値を算出してもよい。また、ＥＭＳ２００は、これらの計測値をＰＣＳ４００に送信してもよい。
また、ＥＭＳ７００は、外部ネットワークを介して各種サーバと接続されてもよい。ＥＭＳ７００は、例えば、系統１から供給を受ける電力の購入単価、及び系統１に対する電力の売却単価などの情報を、各種サーバから取得してもよい。
（２）ＰＣＳの詳細構成
以下において、本実施形態に係るＰＣＳ４００の詳細構成について説明する。図２は、ＰＣＳ４００の詳細図である。
図２に示すように、本実施形態に係るＰＣＳ４００は、ＤＣ／ＤＣ変換器４１０，４２０、ＤＣ／ＡＣ変換器４３０、自立運転用コンセント４４０、及び制御部４５０を備える。
ＤＣ／ＤＣ変換器４１０は、ＰＶ１００の電源ライン１１０と接続される。また、ＤＣ／ＤＣ変換器４１０は、電力ラインＬ１を介して、ＤＣ／ＡＣ変換器４３０と接続される。
ＤＣ／ＤＣ変換器４２０は、蓄電池２００の電源ライン２１０と接続される。また、ＤＣ／ＤＣ変換器４２０は、電力ラインＬ１から分岐する電力ラインＬ２と接続される。
図２に示すように、ＰＣＳ４００には、電力ラインＬ２から分岐し、電源ライン２１０と合流する電力ラインＬ３が設けられている。すなわち、電力ラインＬ３は、ＤＣ／ＤＣ変換器４２０を迂回して、蓄電池２００を電力ラインＬ１と接続するルートを形成する。電力ラインＬ２には、電力ラインＬ３との分岐点よりもＤＣ／ＤＣ変換器４２０側に、スイッチＳＷ２が設けられており、電力ラインＬ３には、スイッチＳＷ３が設けられている。
ＤＣ／ＡＣ変換器４３０は、電力ラインＬ１を介してＤＣ／ＤＣ変換器４１０と接続され、電力ラインＬ１，Ｌ２を介してＤＣ／ＤＣ変換器４２０と接続される。また、ＤＣ／ＡＣ変換器４３０は、電力ラインＬ４を介して分電盤５００と接続される。
自立運転用コンセント４４０は、負荷３００をＰＣＳ４００に接続するための接続口である。自立運転用コンセント４４０は、電力ラインＬ４から分岐する電力ラインＬ５を介して、ＤＣ／ＡＣ変換器４３０と接続される。図２に示すように、電力ラインＬ４には、電力ラインＬ５との分岐点よりも分電盤５００側に、スイッチＳＷ４が設けられており、電力ラインＬ５には、スイッチＳＷ５が設けられている。
制御部４５０は、ＰＣＳ４００の各種機能を制御する。また、制御部４５０は、ＰＶ１００の出力の計測値と、蓄電池２００の充放電電力及び蓄電量の計測値と、自立運転用コンセント４４０が負荷３００に供給している電力の計測値とを取得する。
制御部４５０は、ＥＣＨＯＮＥＴ Ｌｉｔｅ等の所定の通信プロトコルに準拠した信号を用いて、ＥＭＳ７００と通信を行う。制御部４５０は、取得した各種の計測値を、ＥＭＳ７００に送信してもよい。また、制御部４５０には、ユーザからの入力を受け付けるユーザインターフェイス部が接続されていてもよい。
本実施形態において、ＰＣＳ４００が連系運転を行う場合、制御部４５０は、スイッチＳＷ４をオン状態（閉状態）にし、スイッチＳＷ５をオフ状態（開状態）にする。ＤＣ／ＡＣ変換器４３０は、電力ラインＬ１を介して入力されたＤＣ電力をＡＣ電力に変換し、ＡＣ電力を電力ラインＬ４に出力する。電力ラインＬ４に出力されたＡＣ電力は、分電盤５００に入力される。分電盤５００に入力されたＡＣ電力は、系統１及び／又は負荷３００に供給される。
このとき、ＰＶ１００が発電（出力）をしている場合は、ＤＣ／ＤＣ変換器４１０は、ＰＶ１００が出力したＤＣ電力を昇圧変換して、電力ラインＬ１に出力する。電力ラインＬ１に出力されたＤＣ電力は、ＤＣ／ＡＣ変換器４３０に入力される。
また、蓄電池２００が放電（出力）をしている場合は、制御部４５０は、スイッチＳＷ２をオン状態にし、スイッチＳＷ３をオフ状態にする。ＤＣ／ＤＣ変換器４２０は、蓄電池２００が出力したＤＣ電力を昇圧変換して、電力ラインＬ２に出力する。電力ラインＬ２に出力されたＤＣ電力は、電力ラインＬ１を介してＤＣ／ＡＣ変換器４３０に入力される。このようにして、ＰＣＳ４００が連系運転を行う場合、ＰＶ１００及び／又は蓄電池２００の出力は、ＤＣ／ＡＣ変換器４３０に入力される。
一方、ＰＣＳ４００が自立運転を行う場合、制御部４５０は、スイッチＳＷ４をオフ状態にし、スイッチＳＷ５をオン状態にする。これにより、ＤＣ／ＡＣ変換器４３０から出力されたＡＣ電力は、電力ラインＬ４，Ｌ５を介して自立運転用コンセント４４０に入力される。このようにして、ＰＣＳ４００が自立運転を行う場合、ＰＶ１００及び／又は蓄電池２００の出力は、自立運転用コンセント４４０に入力される。
本実施形態において、ＰＣＳ４００は、ＰＶ１００が出力したＤＣ電力を、蓄電池２００に供給することにより、蓄電池２００を充電することができる。具体的には、制御部４５０は、スイッチＳＷ２をオフ状態にし、スイッチＳＷ３をオン状態にする。これにより、ＤＣ／ＤＣ変換器４１０によって昇圧変換されたＰＶ１００の出力は、電力ラインＬ２，Ｌ３を介して蓄電池２００に入力される。
（３）ＰＣＳの動作モード
以下において、ＰＶ１００の運転時におけるＰＣＳ４００の動作モードについて説明する。本実施形態において、ＰＣＳ４００は、ＰＶ１００の運転時において、複数の動作モードのいずれかで動作する。
本実施形態において、複数の動作モードは、ＰＶ１００の運転時において、ＰＶ１００の出力をＡＣ電力に変換して系統１及び／又は負荷３００に供給する第１モードと、ＰＶ１００の出力を蓄電池２００に供給する第２モードとを含む。本実施形態においては、第１モードを標準モード、第２モードを充電モードと称する。本実施形態において、制御部４５０は、スイッチＳＷ２，ＳＷ３，ＳＷ４，ＳＷ５を制御することにより、複数の動作モードのいずれかを選択する。
本実施形態において、第１モード（標準モード）と第２モード（充電モード）とで、ＤＣ／ＤＣ変換器４１０の出力電圧が異なる。換言すると、ＤＣ／ＤＣ変換器４１０は、ＰＶ１００の出力をＤＣ／ＡＣ変換器４３０に出力するか、又は蓄電池２００に供給するかに応じて、出力するＤＣ電力の電圧を切り替える。
（３．１）標準モード
以下において、標準モードにおけるＰＣＳ４００の動作について説明する。ここで、標準モードは、ＰＶ１００の運転時に蓄電池２００が放電を行う場合、すなわち、ＰＶ１００の出力と併せて、蓄電池２００の出力を系統１及び／又は負荷３００に供給する場合を含むことに留意すべきである。
制御部４５０は、標準モードを選択する場合、スイッチＳＷ３をオフ状態にする。これにより、ＰＶ１００の出力は、ＤＣ／ＤＣ変換器４１０によって昇圧変換された後、電力ラインＬ１を介してＤＣ／ＡＣ変換器４３０に入力される。
ここで、ＰＶ１００の出力と併せて、蓄電池２００の出力を系統１及び／又は負荷３００に供給する場合には、制御部４５０は、スイッチＳＷ２をオン状態にする。ＤＣ／ＤＣ変換器４２０は、蓄電池２００の出力を昇圧変換して、電圧Ｖ１を有するＤＣ電力を電力ラインＬ２に出力する。蓄電池２００の出力は、電力ラインＬ２，Ｌ１を介してＤＣ／ＡＣ変換器４３０に入力され、ＰＶ１００の出力と併せてＡＣ電力に変換される。
また、制御部４５０は、標準モードを選択する場合、スイッチＳＷ４又はスイッチＳＷ５のいずれか一方をオン状態にする。これにより、ＰＣＳ４００の連系運転時には、ＤＣ／ＡＣ変換器４３０から出力されたＡＣ電力は、電力ラインＬ４を介して分電盤５００に入力される。また、ＰＣＳ４００の自立運転時には、ＤＣ／ＡＣ変換器４３０から出力されたＡＣ電力は、電力ラインＬ４，Ｌ５を介して自立運転用コンセント４４０に入力される。
本実施形態において、標準モードが選択された場合、ＤＣ／ＤＣ変換器４１０は、ＰＶ１００の出力を変換して、系統１の設定電圧に応じて定められた電圧Ｖ１を有するＤＣ電力を出力する。
ここで、電圧Ｖ１は、系統１の設定電圧（例えば、ＡＣ２００Ｖ）を有するＡＣ電力がＤＣ電力に変換された場合に、変換されたＤＣ電力が有する電圧に等しく、中間電圧とも称される。換言すると、電圧Ｖ１は、ＤＣ／ＡＣ変換器４３０から出力されるＡＣ電力の電圧が系統１の設定電圧と等しくなるように、ＤＣ／ＡＣ変換器４３０に入力されるＤＣ電力が有するべき目標電圧である。すなわち、ＤＣ／ＤＣ変換器４１０は、ＰＶ１００の出力を昇圧変換して、電圧Ｖ１（例えば、ＤＣ３２０Ｖ）を有するＤＣ電力をＤＣ／ＡＣ変換器４３０に出力する。電圧Ｖ１を有するＤＣ電力が、ＤＣ／ＡＣ変換器４３０によって変換されると、変換されたＡＣ電力は、系統１の設定電圧と概ね等しい電圧を有する。
（３．２）充電モード
以下において、充電モードにおけるＰＣＳ４００の動作について説明する。制御部４５０は、充電モードを選択する場合、スイッチＳＷ２をオフ状態にすると共に、スイッチＳＷ３をオン状態にする。また、制御部４５０は、スイッチＳＷ４及びスイッチＳＷ５の両方をオフ状態にする。これにより、ＰＶ１００の出力は、ＤＣ／ＤＣ変換器４１０によって昇圧変換された後、電力ラインＬ１，Ｌ２，Ｌ３を介して、蓄電池２００に入力される。
本実施形態において、充電モードが選択された場合、ＤＣ／ＤＣ変換器４１０は、ＰＶ１００の出力を変換して、蓄電池２００の充電電圧に応じて定められた電圧Ｖ２を有するＤＣ電力を出力する。電圧Ｖ２は、蓄電池２００の充電電圧と概ね等しく（例えば、ＤＣ１８０Ｖ）、一般的に、電圧Ｖ１よりも低い。
（３．３）動作モードの選択
以下において、ＰＶ１００の運転時におけるＰＣＳ４００の動作モードの選択について説明する。本実施形態において、制御部４５０は、複数の動作モードのいずれかを時分割で選択する。以下、ＰＣＳ４００が（１）系統と解列状態である場合と、（２）系統と連系状態である場合とに分けて、ＰＣＳ４００の動作モードの選択について説明する。
（３．３．１）系統と解列状態である場合
系統１が停電状態の場合、ＰＣＳ４００は、自立運転を行うことにより、負荷３００に電力を供給する必要がある。一方で、ＰＶ１００が運転を停止する夜間又は雨天等に備え、ＰＣＳ４００は、ＰＶ１００の出力で蓄電池２００を充電する必要がある。
そこで、本実施形態において、制御部４５０は、ＰＶ１００の運転時において、負荷３００の運転状態、ＰＶ１００の出力、蓄電池２００の蓄電量、及び系統１の電圧の少なくともいずれかに応じて、標準モード又は充電モードを選択する。
まず、制御部４５０は、負荷３００が間欠運転を行う負荷であるか否かを判断する。ここで、間欠運転を行う負荷とは、連続運転を行わない負荷、すなわち、運転状態と待機状態とを周期的に繰り返す負荷を意味する。
間欠運転を行う負荷は、例えば、冷蔵庫又はポット等である。例えば冷蔵庫は、コンプレッサの運転時には多量の電力を消費するが（運転状態）、コンプレッサの停止時には、運転状態への移行に備えて、少量の待機電力を消費するのみである（待機状態）。換言すると、コンプレッサが停止している待機状態の冷蔵庫に対する電力供給が一時的に中断されたとしても、冷却機能への影響は少ない。従って、負荷３００が待機状態の場合には、負荷３００に対する電力供給を一時的に中断することが可能である。
本実施形態において、負荷３００が間欠運転を行う負荷である場合には、制御部４５０は、負荷３００が運転状態であるか否かに応じて、標準モード又は充電モードのいずれかを選択する。一方、負荷３００が連続運転を行う負荷である場合には、制御部４５０は、標準モードを選択する。以下、負荷３００が間欠運転を行う負荷である場合を中心に説明する。
例えば、制御部４５０は、負荷３００の消費電力が閾値を上回る場合には、負荷３００が運転状態であると判断し、負荷３００の消費電力が閾値を下回る場合には、負荷３００が待機状態であると判断する。
そこで、本実施形態において、制御部４５０は、負荷３００の消費電力が閾値（第１の閾値）を上回る場合には、標準モードを選択する。また、制御部４５０は、負荷３００の消費電力が閾値を下回る場合には、充電モードを選択する。負荷３００の消費電力は、計測値であってもよく、予測値であってもよい。負荷３００の消費電力の閾値は、負荷３００の運転状態における定格消費電力であってもよく、負荷３００の消費電力の計測値から算出した値であってもよい。
また、制御部４５０は、動作モードを、タイマで切り替えてもよい。例えば、制御部４５０は、負荷３００の消費電力の予測値が閾値を超えた時点で、標準モードを選択し、その後、所定の時間が経過した時点で、充電モードを選択する。具体的には、制御部４５０は、負荷３００の運転状態の予測継続時間をタイマ設定する。制御部４５０は、負荷３００の消費電力の予測値が閾値を超えた時点から、タイマ設定された予測継続時間が経過した時点で、負荷３００の消費電力が閾値を下回り、負荷３００が運転状態から待機状態に移行したと判断する。
また、例えば、曇天等によりＰＶ１００の出力が少ない場合、ＰＣＳ４００は、ＰＶ１００が運転を停止する夜間に備え、蓄電池２００の蓄電量を増やす必要がある。そのため、ＰＣＳ４００は、負荷３００に対する電力供給を中断可能な場合に、ＰＶ１００の出力を蓄電池２００に供給する必要がある。
本実施形態において、制御部４５０は、負荷３００の消費電力が閾値を下回り（すなわち、負荷３００が待機状態である場合）、かつ、ＰＶ１００の出力が閾値（第２の閾値）を下回る場合に、充電モードを選択してもよい。ＰＶ１００の出力の閾値は、ユーザが設定してもよく、又は、制御部４５０が、ＰＶ１００の出力及び蓄電池２００の蓄電量等に基づいて算出してもよい。
また、一般的に、自立運転用コンセント４４０には、供給可能な電力の最大値を示す最大容量が設定されている。つまり、ＰＶ１００の出力が自立運転用コンセント４４０の最大容量を上回る場合、余剰のＡＣ電力は、負荷３００に供給することができず、無駄になってしまう。
本実施形態において、制御部４５０は、負荷３００の消費電力が閾値を下回り（すなわち、負荷３００が待機状態にある場合）、かつ、ＰＶ１００の出力が自立運転用コンセント４４０の最大容量（第２の閾値）を上回る場合に、充電モードを選択してもよい。
また、蓄電池２００がほぼ完全に充電された状態の場合には、負荷３００に対する電力供給を中断可能な場合であっても、蓄電池２００を充電することができない。そのため、このような場合に充電モードを選択したとしても、ＤＣ／ＤＣ変換器４１０によって電圧Ｖ２に昇圧されたＰＶ１００の出力は、蓄電池２００に供給することができずに無駄となってしまう。
本実施形態において、制御部４５０は、蓄電池２００の蓄電量が所定値を上回る場合には、標準モードを選択してもよい。所定値は、例えば、蓄電池２００の充放電特性に応じて定められてもよい。
（３．３．２）系統と連系状態である場合
ＰＣＳ４００が系統１と連系状態である場合、負荷３００も系統１と連系状態である。従って、負荷３００は、系統１から電力供給を受けることができる。そのため、制御部４５０は、標準モード又は充電モードのいずれを選択してもよい。
しかしながら、系統１の電圧が適正範囲の上限値（例えば、ＡＣ２２２Ｖ）を上回ると、ＰＣＳ４００の電圧上昇抑制機能が働く。このような場合、ＰＶ１００の運転時であっても、ＰＣＳ４００からの出力が抑制され、分電盤５００にＡＣ電力を出力することができない。
そこで、本実施形態において、制御部４５０は、系統１の電圧に応じて、標準モード又は充電モードのいずれかを選択する。具体的には、制御部４５０は、系統１の電圧が適正範囲の上限値を上回る場合には、充電モードを選択する。
以上説明したように、制御部４５０は、複数の動作モードのいずれかを時分割で選択する。ＤＣ／ＤＣ変換器４１０は、選択された動作モードに応じて、出力するＤＣ電力の電圧を電圧Ｖ１又は電圧Ｖ２のいずれかに切り替えるため、電圧Ｖ１で出力したＤＣ電力を電圧Ｖ２に降圧する必要がなく、昇圧及び降圧に伴う変換損失が抑制される。
また、制御部４５０は、ＰＶ１００の運転時において、負荷３００の運転状態、ＰＶ１００の出力、蓄電池２００の蓄電量、及び系統１の電圧の少なくともいずれかに応じて、動作モードを選択するため、ＰＶ１００の出力を無駄にすることなく有効活用することができる。
（４）制御方法
以下において、本発明の実施形態に係る制御方法を説明する。図３は、本発明の実施形態に係る制御方法を示すフロー図である。
図３に示すように、ステップＳ１０において、ＰＣＳ４００は、系統１と解列状態であるか否かを判定する。判定結果がＹＥＳの場合、ＰＣＳ４００は、ステップＳ２０の処理に進み、解列時における動作モードの選択を行う。判定結果がＮＯの場合、ＰＣＳ４００は、ステップＳ３０の処理に進み、連系時における動作モードの選択を行う。
図４は、ステップＳ２０における、解列時における動作モードの選択フローを示す図である。ステップＳ２１において、ＰＣＳ４００は、負荷３００が、間欠運転を行う負荷であるか否かを判定する。
ステップＳ２１において、判定結果がＹＥＳの場合、ＰＣＳ４００は、ステップＳ２２の処理に進み、判定結果がＮＯの場合、ＰＣＳ４００は、ステップＳ２５の処理に進む。
ステップＳ２２において、ＰＣＳ４００は、負荷３００が待機状態であるか否かを判定する。具体的には、ＰＣＳ４００は、負荷３００の消費電力が第１の閾値を下回る場合には、負荷３００が待機状態であると判定する。判定結果がＹＥＳの場合、ＰＣＳ４００は、ステップＳ２３の処理に進み、判定結果がＮＯの場合、ＰＣＳ４００は、ステップＳ２５の処理に進む。
ステップＳ２３において、ＰＣＳ４００は、蓄電池２００の蓄電量が所定値を下回るか否かを判定する。判定結果がＹＥＳの場合、ＰＣＳ４００は、ステップＳ２４の処理に進み、判定結果がＮＯの場合、ＰＣＳ４００は、ステップＳ２５の処理に進む。
ステップＳ２４において、ＰＣＳ４００は、充電モードを選択する。充電モードにおいて、ＰＣＳ４００は、ＰＶ１００の出力をＤＣ／ＤＣ変換器４１０によって昇圧変換し、電圧Ｖ２を有するＤＣ電力を蓄電池２００に供給する。
ステップＳ２５において、ＰＣＳ４００は、標準モードを選択する。標準モードにおいて、ＰＣＳ４００は、ＰＶ１００の出力をＤＣ／ＤＣ変換器４１０によって昇圧変換し、電圧Ｖ１を有するＤＣ電力をＤＣ／ＡＣ変換器４３０によって変換し、系統１に適した電圧を有するＡＣ電力を系統１及び／又は負荷３００に供給する。
図５は、ステップＳ３０における、連系時における動作モードの選択フローを示す図である。ステップＳ３１において、ＰＣＳ４００は、系統１の電圧が適正値を超えているか否かを判定する。判定結果がＹＥＳの場合、ＰＣＳ４００は、ステップＳ３２の処理に進み、判定結果がＮＯの場合、ＰＣＳ４００は、ステップＳ３３の処理に進む。
ステップＳ３２において、ＰＣＳ４００は、充電モードを選択する。充電モードにおいて、ＰＣＳ４００は、ＰＶ１００の出力をＤＣ／ＤＣ変換器４１０によって昇圧変換し、電圧Ｖ２を有するＤＣ電力を蓄電池２００に供給する。
ステップＳ３３において、ＰＣＳ４００は、標準モードを選択する。標準モードにおいて、ＰＣＳ４００は、ＰＶ１００の出力をＤＣ／ＤＣ変換器４１０によって昇圧変換し、電圧Ｖ１を有するＤＣ電力をＤＣ／ＡＣ変換器４３０によって変換し、系統１に適した電圧を有するＡＣ電力を系統１及び／又は負荷３００に供給する。
［変更例１］
以下において、本実施形態の変更例１を説明する。図６は、本発明の変更例１に係る、解列時における動作モードの選択フローを示す図である。以下においては、本実施形態に対する差異について主として説明する。
図６に示すように、変更例１におけるステップＳ２１，Ｓ２２の処理は、本実施形態におけるステップＳ２１，Ｓ２２の処理と同じである。ステップＳ２２において、判定結果がＹＥＳの場合、ＰＣＳ４００は、ステップＳ２３’の処理に進む。
ステップＳ２３’において、ＰＣＳ４００は、ＰＶ１１０の出力が第２の閾値を下回るか否かを判定する。判定結果がＹＥＳの場合、ＰＣＳ４００は、ステップＳ２４の処理に進み、判定結果がＮＯの場合、ＰＣＳ４００は、ステップＳ２５の処理に進む。変更例１におけるステップＳ２４，Ｓ２５の処理は、本実施形態におけるステップＳ２４，Ｓ２５の処理と同じである。
［変更例２］
以下において、本実施形態の変更例２を説明する。図７は、本発明の変更例２に係る、解列時における動作モードの選択フローを示す図である。以下においては、本実施形態に対する差異について主として説明する。
図７に示すように、変更例２におけるステップＳ２１，Ｓ２２の処理は、本実施形態におけるステップＳ２１，Ｓ２２の処理と同じである。ステップＳ２２において、判定結果がＹＥＳの場合、ＰＣＳ４００は、ステップＳ２３’’の処理に進む。
ステップＳ２３’’において、ＰＣＳ４００は、負荷３００の運転状態の予測継続時間が設定されたタイマを確認し、予測継続時間が終了したか否かを判定する。判定結果がＹＥＳの場合、ＰＣＳ４００は、ステップＳ２４の処理に進み、判定結果がＮＯの場合、ＰＣＳ４００は、ステップＳ２５の処理に進む。変更例２におけるステップＳ２４，Ｓ２５の処理は、本実施形態におけるステップＳ２４，Ｓ２５の処理と同じである。
［その他の実施形態］
本発明は上述した実施形態によって説明したが、この開示の一部をなす論述及び図面は、この発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。
ＥＭＳ２００は、ＨＥＭＳ（Ｈｏｍｅ Ｅｎｅｒｇｙ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ Ｓｙｓｔｅｍ）であってもよく、ＳＥＭＳ（Ｓtoｒｅ Ｅｎｅｒｇｙ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ Ｓｙｓｔｅｍ）であってもよく、ＢＥＭＳ（Ｂｕｉｌｄｉｎｇ Ｅｎｅｒｇｙ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ Ｓｙｓｔｅｍ）であってもよく、ＦＥＭＳ（Ｆａｃtoｒｙ Ｅｎｅｒｇｙ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ Ｓｙｓｔｅｍ）であってもよい。
上述した実施形態においては、発電装置の一例として、ＰＶ１００を説明した。しかしながら、制御システムは、ＰＶ１００に代えて、例えばＳＯＦＣ（Ｓｏｌｉｄ Ｏｘｉｄｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）又はＰＥＦＣ（Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）等の燃料電池を、発電装置として備えてもよい。又は、制御システムは、ＰＶ１００に加えて、燃料電池を発電装置としてさらに備えてもよい。ただし、燃料電池の出力は、系統１への逆潮流（売電）が認められていない場合がある。このようなケースにおいては、分電盤５００は、燃料電池の出力を系統１に逆潮流させないことに留意すべきである。
上述した実施形態においては、ＰＣＳ４００は、自立運転用コンセント４４０を備えるものとして説明した。しかしながら、自立運転用コンセント４４０は、電力ラインを介して、ＰＣＳ４００から離間して設けられていてもよい。又は、ＰＣＳ４００は、自立運転用コンセント４４０を備えていなくてもよい。ＰＣＳ４００が自立運転用コンセント４４０を備えていない場合においては、分電盤５００が、ＰＶ１００及び蓄電池２００の自立運転への切り替えを自動的に行ってもよい。このような場合、ＰＶ１００及び蓄電池２００の自立運転時においては、ＰＶ１００及び蓄電池２００の出力は、ＰＣＳ４００から分電盤５００に出力され、分電盤５００から負荷３００に供給される。
上述した実施形態においては、制御部４５０が、複数の動作モードのいずれかを選択するものとして説明した。しかしながら、制御部４５０に代えて、ＥＭＳ７００が、ＰＶ１００の発電時において、ＰＣＳ４００の複数の動作モードのいずれかを時分割で選択してもよい。このようなケースにおいて、ＥＭＳ７００は、例えば、ＰＣＳ４００及び負荷３００から取得した各種の計測値に基づいて複数の動作モードのいずれかを選択し、ＰＣＳ４００（制御部４５０）に制御信号を送信する。ＰＣＳ４００は、受信した制御信号に従って、選択された動作モードで動作する。又は、ＥＭＳ７００は、各種サーバからＰＶ１００の出力及び負荷３００の消費電力の予測値を取得し、複数の動作モードのいずれかを選択してもよい。又は、ＥＭＳ７００は、例えば、計画停電等の予定に応じて、複数の動作モードのいずれかを選択するためのスケジューリングを行ってもよい。
上述した変更例１において、ステップＳ２３’における判定結果がＹＥＳの場合、ＰＣＳ４００は、本実施形態におけるステップＳ２３の処理に進んでもよい。
上述した変更例２において、ＰＣＳ４００は、ステップＳ２３’’における判定結果がＹＥＳの場合に、本実施形態におけるステップＳ２３の処理に進んでもよい。
１…系統、１００…ＰＶ、１１０…電源ライン、２００…蓄電池、２１０…電源ライン、３００…負荷、４００…ＰＣＳ、４１０，４２０…ＤＣ／ＤＣ変換器、４３０…ＤＣ／ＡＣ変換器、４４０…自立運転用コンセント、４５０…制御部、５００…分電盤、７００…ＥＭＳ、Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４，Ｌ５…電力ライン、ＳＷ２，ＳＷ３，ＳＷ４，ＳＷ５…スイッチ、Ｖ１，Ｖ２…電圧

Claims (12)

  1. 発電装置の運転時において、前記発電装置の出力をＡＣ電力に変換して系統及び／又は負荷に供給する第１モードと、前記発電装置の出力を蓄電池に供給する第２モードとを含む複数の動作モードのいずれかで動作する電力変換装置であって、
    前記発電装置の電源ラインと接続されるＤＣ／ＤＣ変換器と、
    前記ＤＣ／ＤＣ変換器と第１の電力ラインを介して接続されるＤＣ／ＡＣ変換器とを備え、
    前記ＤＣ／ＤＣ変換器は、
    前記第１の電力ラインから分岐する第２の電力ラインを介して前記蓄電池と接続され、
    前記第１モードにおいて、前記系統の設定電圧に応じて定められた第１の電圧を有するＤＣ電力を出力し、
    前記第２モードにおいて、前記第１の電圧よりも低く、前記蓄電池の充電電圧に応じて定められた第２の電圧を有するＤＣ電力を出力する、ことを特徴とする電力変換装置。
  2. 前記複数の動作モードのいずれかを時分割で選択する制御部をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
  3. 前記負荷は、間欠運転を行う負荷であり、
    前記制御部は、前記発電装置の運転時において、前記電力変換装置が前記系統と解列状態である場合には、前記負荷の運転状態に応じて、前記第１モード又は前記第２モードのいずれかを選択することを特徴とする請求項２に記載の電力変換装置。
  4. 前記制御部は、前記発電装置の運転時において、前記電力変換装置が前記系統と解列状態にあり、かつ、前記負荷の消費電力が第１の閾値を下回る場合には、前記第２モードを選択することを特徴とする請求項３に記載の電力変換装置。
  5. 前記制御部は、前記発電装置の運転時において、前記電力変換装置が前記系統と解列状態にあり、かつ、前記負荷の消費電力が前記第１の閾値を上回る場合には、前記第１モードを選択することを特徴とする請求項４に記載の電力変換装置。
  6. 前記制御部は、前記負荷の消費電力が前記第１の閾値を超えた時点から所定の時間が経過した場合には、前記第２モードを選択することを特徴とする請求項５に記載の電力変換装置。
  7. 前記制御部は、前記発電装置の運転時において、前記電力変換装置が前記系統と解列状態である場合であって、前記負荷の消費電力が前記第１の閾値を下回り、かつ、前記発電装置の出力が第２の閾値を下回る場合には、前記第２モードを選択することを特徴とする請求項４に記載の電力変換装置。
  8. 前記制御部は、前記発電装置の運転時において、前記電力変換装置が前記系統と解列状態である場合であって、前記負荷の消費電力が前記第１の閾値を下回り、かつ、前記発電装置の出力が第２の閾値を上回る場合には、前記第２モードを選択することを特徴とする請求項４に記載の電力変換装置。
  9. 前記制御部は、前記発電装置の運転時において、前記蓄電池に蓄積された電力量が所定値を上回る場合には、前記第１モードを選択することを特徴とする請求項２に記載の電力変換装置。
  10. 前記制御部は、前記発電装置の運転時において、前記電力変換装置が前記系統と連系状態である場合には、前記系統の電圧に応じて、前記第１モード又は前記第２モードのいずれかを選択することを特徴とする請求項２に記載の電力変換装置。
  11. 発電装置の運転時において、前記発電装置の出力をＡＣ電力に変換して系統及び／又は負荷に供給する第１モードと、前記発電装置の出力を蓄電池に供給する第２モードとを含む複数の動作モードのいずれかで動作する電力変換装置と、
    前記電力変換装置を制御する制御装置とを備える制御システムであって、
    前記電力変換装置は、
    前記発電装置の電源ラインと接続されるＤＣ／ＤＣ変換器と、
    前記ＤＣ／ＤＣ変換器と第１の電力ラインを介して接続されるＤＣ／ＡＣ変換器とを備え、
    前記ＤＣ／ＤＣ変換器は、
    前記第１の電力ラインから分岐する第２の電力ラインを介して前記蓄電池と接続され、
    前記第１モードにおいて、前記系統の設定電圧に応じて定められた第１の電圧を有するＤＣ電力を出力し、
    前記第２モードにおいて、前記第１の電圧よりも低く、前記蓄電池の充電電圧に応じて定められた第２の電圧を有するＤＣ電力を出力し、
    前記制御装置は、前記複数の動作モードのいずれかを時分割で選択することを特徴とする制御システム。
  12. 発電装置の運転時において、前記発電装置の出力をＡＣ電力に変換して系統及び／又は負荷に供給する第１モードと、前記発電装置の出力を蓄電池に供給する第２モードとを含む複数の動作モードのいずれかで動作する電力変換装置に適用される制御方法であって、
    前記電力変換装置は、
    前記発電装置の電源ラインと接続されるＤＣ／ＤＣ変換器と、
    前記ＤＣ／ＤＣ変換器と第１の電力ラインを介して接続されるＤＣ／ＡＣ変換器とを備え、
    前記ＤＣ／ＤＣ変換器は、前記第１の電力ラインから分岐する第２の電力ラインを介して前記蓄電池と接続され、
    前記第１モードにおいて、前記系統の設定電圧に応じて定められた第１の電圧を有するＤＣ電力を前記ＤＣ／ＤＣ変換器が出力するステップと、
    前記第２モードにおいて、前記第１の電圧よりも低く、前記蓄電池の充電電圧に応じて定められた第２の電圧を有するＤＣ電力を前記ＤＣ／ＤＣ変換器が出力するステップと、
    前記複数の動作モードのいずれかを時分割で選択するステップとを備えることを特徴とする制御方法。
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