JP7067340B2 - 蓄電池システム、電力変換システム、及び放電制御方法 - Google Patents
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Description
この場合、パワーコンディショナは、自機の定格電力を超えないように出力電力を抑制制御するため、太陽光発電パネルが発電可能な出力よりも低い出力となるように太陽光発電パネルの出力を制御し、太陽光発電パネルの発電効率を低下させてしまう。
蓄電装置を設ければ、パワーコンディショナの定格電力を超える電力を太陽光発電パネルが発電可能な場合において、余剰電力が蓄電装置に蓄電されるので、パワーコンディショナは、太陽光発電パネルによる発電を高効率で維持するように制御することができる。
蓄電装置に蓄電された電力は、日射が無い時間帯等、太陽光発電パネルの出力が低下する期間に放電される。これにより、パワーコンディショナが出力する電力を平滑化することができる。
最初に実施形態の内容を列記して説明する。
(1)一実施形態である蓄電池システムは、太陽光発電パネルと、前記太陽光発電パネルの出力電力が与えられるパワーコンディショナとを繋ぐ直流電路に接続される蓄電池システムであって、蓄電池と、前記蓄電池と前記直流電路との間に接続されるDC/DC変換器と、前記DC/DC変換器を制御することで前記蓄電池の充放電制御を行う制御部と、を備え、前記制御部は、前記蓄電池の放電電力を前記直流電路へ出力させる放電制御において、前記蓄電池の放電電力の電力特性を最大電力点を有する電力特性に変換し、変換した電力特性の電力を前記直流電路へ出力するように前記DC/DC変換器を制御する。
この結果、太陽光発電パネルの出力電力が低下し、主として蓄電池システムの電力がパワーコンディショナへ与えられる場合においても、当該パワーコンディショナに最大電力点を特定させることができ、パワーコンディショナによる最大電力点追従制御を安定して実行させることができる。
この場合、蓄電池の放電電力を、最大電力点を有する電力特性として出力させる第1のモード、及び蓄電池の放電電力を所定の設定電力で一定となるような電力特性として出力させる第2のモードのうちのいずれかを必要に応じて選択することができる。
この場合、太陽光発電パネルの状況に応じて適切に放電制御の実行モードを選択することができる。
この場合、パワーコンディショナが最大電力点追従制御による電力制御を行う前に、DC/DC変換器が出力する電力の制御を行うことができ、パワーコンディショナによる最大電力点追従制御をより適切に行わせることができる。
この場合、太陽光発電パネルの出力電力が負荷装置の消費電力よりも大きい場合には、蓄電池システムに余剰電力を充電させることができ、太陽光発電パネルの出力電力が負荷装置の消費電力よりも小さい場合には、消費電力に対して不足している電力を蓄電池システムから放電させることができる。
この場合、主として蓄電池システムの電力がパワーコンディショナへ与えられる場合において、蓄電池システムの放電電力によって負荷装置の消費電力をカバーできる。
以下、好ましい実施形態について図面を参照しつつ説明する。
なお、以下に記載する実施形態の少なくとも一部を任意に組み合わせてもよい。
〔太陽光発電システムについて〕
図1は、太陽光発電システムの構成を示すブロック図である。この太陽光発電システム1は、太陽光発電パネル2と、電力変換システム3とを備えている。
電力変換システム3は、パワーコンディショナ5と、蓄電池システム6とを備えている。
PCS5は、交流電源4に接続されている。PCS5は、太陽光発電パネル2及び蓄電池システム6から与えられる直流電力を交流電力に変換し出力する機能を有している。
負荷装置9は、交流電路7及び分岐路8を介して交流電源4及びPCS5に接続されている。負荷装置9は、電力を消費する複数の機器によって構成されている。
なお、PCS5は、PCS5における入力電圧(太陽光発電パネル2及び蓄電池システム6とPCS5とを繋ぐ直流電路10の電圧(DCバス電圧Vbus))、及び入力電流を検出し、入力電圧及び入力電流に基づいてMPPT制御を行い、与えられる直流電力を交流電力に変換するように構成されている。
第1実施形態に係る蓄電池システム6は、太陽光発電パネル2と、PCS5とを繋ぐ直流電路10に接続されている。
蓄電池システム6は、太陽光発電パネル2の直流電力を蓄電するとともに、蓄電した直流電力をPCS5へ与える機能を有している。
蓄電池システム6は、この機能により、PCS5の定格電力を超える電力を太陽光発電パネル2が発電可能な場合において、余剰電力を蓄電池システム6に蓄電することができるので、PCS5は、太陽光発電パネル2による発電を高効率で維持するように制御することができる。
また、蓄電池システム6に蓄電された直流電力は、日射が無い時間帯等、太陽光発電パネル2の出力が低下、又は、出力がない期間に放電される。これにより、PCS5が出力する電力を平滑化することができる。
蓄電池20は、例えば、DC/DC変換器21の制御に応じて、直流電力を放電しDC/DC変換器21へ与えるとともに、DC/DC変換器21から与えられる直流電力を蓄電する。
逆流防止部23は、ダイオードにより構成されており、直流電路10に接続されてDC/DC変換器21の出力が太陽光発電パネル2側へ流れるのを防止する。
電流センサ24は、分岐路11が直流電路10に接続されている接続部と、逆流防止部23との間に設けられており、直流電路10の電流を検出し、検出結果を制御部22へ出力する。つまり、電流センサ24は、太陽光発電パネル2が出力する電流Ipvの検出結果を出力する。
図2中、DC/DC変換器21は、直流リアクトル30と、スイッチング素子31,32とを備えており、昇降圧チョッパ回路を構成している。
DC/DC変換器21において、蓄電池20が接続されている蓄電池20側には、電圧センサ33と、電流センサ34と、平滑コンデンサ35とが設けられている。
また、スイッチング素子31,32と、直流電路10に接続される端子36との間には、平滑コンデンサ37と、電圧センサ38とが設けられている。
制御部22は、プロセッサや、ROM、RAM等の記憶部を備えたマイコンによって構成されている。前記記憶部には、制御部22が有する機能を実現するための各種コンピュータプログラムが記憶されている。制御部22は、これらコンピュータプログラムを実行することで、後述する処理を実行する機能を実現する。
制御部22が太陽光発電パネル2からの出力電力を蓄電池20に充電させる充電制御において、DC/DC変換器21は、太陽光発電パネル2の出力電力の電圧を降圧し、蓄電池20へ出力する。
一方、制御部22が蓄電池20に放電させる放電制御において、DC/DC変換器21は、蓄電池20の放電電力の電圧を昇圧し、直流電路10へ出力する。
蓄電池システム6の制御部22は、太陽光発電パネル2の出力電力を監視し、太陽光発電パネル2がPCS5の定格電力を超える余剰電力を発電可能か否かを判定する。
制御部22は、前記判定結果に応じて、DC/DC変換器21に実行させる制御として、太陽光発電パネル2からの出力電力を蓄電池20に蓄電させる充電制御、蓄電池20の放電電力を直流電路10側へ出力させる放電制御、及び、蓄電池20の充放電を停止させるように制御する停止制御のいずれかを選択する。
図3Aにおいて、通常モードにおける蓄電池システム6の出力電力は、出力電力-出力電圧特性において設定電力で一定となるように制御される。
図3Bにおいて、模擬放電モードにおけるPCS5の入力電力は、入力電圧に対して最大電力点を有するように制御される。
つまり、蓄電池システム6のDC/DC変換器21は、蓄電池20の放電電力の電力特性を最大電力点を有する電力特性(出力電力-出力電圧特性)に変換して出力する。
図4は、蓄電池システム6が模擬放電モードによる放電制御を実行したときにおける、蓄電池システム6が直流電路10側へ出力する出力電流と出力電圧との関係の一例を示したグラフである。
図4中、横軸はDCバス電圧Vbusを示しており、縦軸は蓄電池システム6が直流電路10側へ出力する出力電流I(例えば、端子36における電流)を示している。なお、図4中のDCバス電圧Vbusは、太陽光発電パネル2からの出力電力がない場合のDCバス電圧Vbusを示しており、実質的には、蓄電池システム6が直流電路10側へ出力する出力電圧を示している。
また、図4中、電圧Vmp、及び電流Impは、最適動作点の出力電圧、及び出力電流を示している。
蓄電池システム6の制御部22は、蓄電池20の放電電力を、図4中の線図Lに示す出力電流-出力電圧特性を有する電力特性に変換して直流電路10側へ出力するようにDC/DC変換器21を制御する。
さらに、式(4)を用いて、式(1)から短絡電流Iscを消去することで、下記式(5)が得られる。
よって、制御部22は、蓄電池システム6の出力電流Iが、式(5)で求められる出力電流IとなるようにDC/DC変換器21を制御することで、図4の線図Lに示す出力電流-出力電圧特性を有する電力をDC/DC変換器21に出力させることができる。
上記式(5)及び式(6)より、式(7)が得られる。
制御部22は、記憶している各値に加え、電圧センサ33及び電圧センサ38から得られる蓄電池20の電圧Vb及びDCバス電圧Vbusを式(7)に与えることで、蓄電池20の電流Ibを求める。
制御部22は、電圧Vb及びDCバス電圧Vbusを式(7)に与えることで求められる蓄電池20の電流Ibを、電流Ibの指令値(DC/DC変換器21を制御するための指令値)として求める。
制御部22は、式(7)より求めた電流Ibの指令値と、電流センサ34から得られる電流Ibとの差分が小さくなるようにDC/DC変換器21を制御する。
以上のようにして、制御部22は、DC/DC変換器21を制御し、図4の線図Lに示す出力電流-出力電圧特性を有する電力をDC/DC変換器21に出力させる。
定数nは、上述のように、図4中の線図Lの形状を変化させる定数である。定数nは、直流電路10側へ出力される電力の出力電力-出力電圧特性における最大電力点がPCS5により検出できる程度の凸形状となるように設定される。
開放電圧Vocは、PCS5において設定される入力電圧の動作範囲以内で設定される。また、太陽光発電パネル2の開放電圧が既知である場合は、太陽光発電パネル2の開放電圧と同等の値に設定することが好ましい。
これにより、PCS5がMPPT制御による電力制御を行う前に、DC/DC変換器が出力する電力の制御を行うことができ、パワーコンディショナによるMPPT制御をより適切に行わせることができる。
本実施形態の制御部22は、太陽光発電パネル2の出力電力に応じて放電制御における実行モードの切り替えを行う。
制御部22は、電流センサ24による検出結果と、電圧センサ38が検出するDCバス電圧Vbusとに基づいて、太陽光発電パネル2の出力電力を求める。
制御部22は、まず、自己が有するカウンタの値であるカウント値kを「0」に設定し(ステップS1)、現在の実行モードが模擬放電モードか否かを判定する(ステップS2)。
ステップS2において、現在の実行モードが模擬放電モードであると判定すると、制御部22は、太陽光発電パネル2の出力電力が第1閾値Th1以上か否かを判定する(ステップS3)。
一方、ステップS3において、太陽光発電パネル2の出力電力が第1閾値Th1以上ではない(第1閾値Th1より小さい)と判定すると、制御部22はステップS6へ進み、カウント値kを「0」に設定して再度ステップS3へ戻る。
よって、制御部22は、模擬放電モードにおいて太陽光発電パネル2の出力電力が第1閾値Th1以上となるまで、ステップS3及びステップS6を繰り返し、模擬放電モードを維持する。
ステップS4において、カウント値kが所定値k1より大きいと判定すると、制御部22はステップS5へ進み、実行モードを模擬放電モードから通常モードへ切り替え(ステップS5)、ステップS1に戻る。
制御部22は、ステップS3において太陽光発電パネル2の出力電力が第1閾値Th1より小さいと判定すると、カウント値kを「0」に設定する。よって、制御部22は、カウント値kが所定値k1より大きい値となるまで、ステップS3において太陽光発電パネル2の出力電力が第1閾値Th1以上であると繰り返し判定すると、通常モードへ切り替える。
一方、ステップS8において、太陽光発電パネル2の出力電力が第2閾値Th2以下ではない(第2閾値Th2より大きい)と判定すると、制御部22はステップS11へ進み、カウント値kを「0」に設定して再度ステップS8へ戻る。
よって、制御部22は、通常モードにおいて太陽光発電パネル2の出力電力が第2閾値Th2以下となるまで、ステップS8及びステップS11を繰り返し、通常モードを維持する。
ステップS9において、カウント値kが所定値k2より大きいと判定すると、制御部22はステップS10へ進み、実行モードを通常モードから模擬放電モードへ切り替え(ステップS10)、ステップS1に戻る。
制御部22は、ステップS8において太陽光発電パネル2の出力電力が第2閾値Th2より大きいと判定すると、カウント値kを「0」に設定する。よって、制御部22は、カウント値kが所定値k2より大きい値となるまで、ステップS3において太陽光発電パネル2の出力電力が第2閾値Th2以下であると繰り返し判定すると、模擬放電モードへ切り替える。
加えて、カウント値kに対する所定値k1及び所定値k2を適切に設定することで、チャタリング発生の抑制効果を調整できるとともに、モードの切り替わり易さの感度を調整することができる。例えば、所定値k1及び所定値k2を比較的大きい値に設定すれば、モードが切り替わり難くなり、比較的小さい値に設定すれば、モードが切り替わり易くなる。
つまり、制御部22は、太陽光発電パネル2の出力電力が第2閾値Th2以下に低下すると、太陽光発電パネル2による発電が停止されたものとして、主として蓄電池システム6の電力がPCS5へ与えられると判定し、放電制御の実行モードを模擬放電モードに切り替える。
この結果、太陽光発電パネル2の出力電力が低下し、主として蓄電池システム6の電力がPCS5へ与えられる場合においても、PCS5に最大電力点を特定させることができ、PCS5による最大電力点追従制御を安定して実行させることができる。
このように、蓄電池システム6は、太陽光発電パネル2の状況に応じて適切に放電制御の実行モードを選択することができる。
図6は、第1実施形態の変形例に係る蓄電池システム6を備えた太陽光発電システム1の構成を示すブロック図である。
本変形例の蓄電池システム6は、交流電路7に設けられた電流センサ41及び電圧センサ42を備え、電流センサ41の検出結果及び電圧センサ42の検出結果に基づいて太陽光発電パネル2の出力電力を求めるように構成されている点で第1実施形態と相違している。他の構成は、第1実施形態と同様である。
なお、電圧センサ42は、交流電路7において負荷装置9が接続されている接続点と、交流電源4との間に設けられた分岐路に接続されていてもよい。
制御部22は、電流センサ41の検出結果及び電圧センサ42の検出結果からPCS5の出力電力を求める。
さらに制御部22は、蓄電池システム6の出力電流I及びDCバス電圧Vbusより蓄電池システム6が直流電路10側へ出力する電力を求める。
制御部22は、求めたPCS5の出力電力から蓄電池システム6が直流電路10側へ出力する電力を減算することで、太陽光発電パネル2の出力電力を求める。
この場合、制御部22は、通信を介して取得したPCS5の出力電力に関する情報に基づいて、太陽光発電パネル2の出力電力を求めることができる。
図7は、第2実施形態に係る蓄電池システム6を備えた太陽光発電システム1の構成を示すブロック図である。
本実施形態の蓄電池システム6は、蓄電池システム6によって蓄電される電力を自家消費目的で使用するように構成されており、交流電路7の受電点に設けられた電流センサ45を備え、電流センサ45の検出結果に基づいてPCS5の出力電力を制御するように構成されている点で第1実施形態と相違している。他の構成は、第1実施形態と同様である。
この結果、蓄電池システム6によって蓄電される電力を自家消費目的で使用することができる。
このため、制御部22は、模擬放電モードにおけるDC/DC変換器21の制御において設定される電力Pmpが、蓄電池システム6の定格出力以下でかつPCS5の定格出力以下の範囲であって、負荷装置9の負荷電力と同じ値となるように放電制御を行う。
次に、上記実施形態に係る蓄電池システム6によって、PCS5によるMPPT制御を安定して実行させることができるか否かを検証するための試験結果について説明する。
検証試験には、図8に示すような蓄電池システムを備えた太陽光発電システムに係るモデルを用い、コンピュータシミュレーションによって蓄電池システムに通常モードでの放電制御及び模擬放電モードでの放電制御をそれぞれ実行させた。
両モードで放電制御を実行したときのPCSにおける入出力電力等を求め、PCSによるMPPT制御の状態を評価した。
モデル101におけるPCS105及びDC/DC変換器121は、モデル簡略化のために電流源とし、電流指令値を電流源の電流値とした。
また、通常モードにおける蓄電池システム6の電力(電流)制御周期は1秒に設定した。
また、模擬放電モードにおける蓄電池システム6の電力(電流)制御周期は20ミリ秒に設定した。
よって、図10の上から3段目のグラフに示すように、蓄電池システム106の電力指令値を徐々に増加させ、グラフの横軸における約20秒のところから、3.5kW(片側1.75kW)一定で出力するように制御している。
これに応じて、蓄電池システム106の出力電力Iは、上から4段目のグラフのように、グラフの横軸における約20秒のところまでは徐々に増加し、その後一定となっている。
また上から4段目のグラフを見ると、蓄電池システム106の出力電流Iが、DCバス電圧Vbusが低下するのに応じて徐々に上昇していることが判る。
図11では、DCバス電圧Vbusが300ボルト付近で最大電力点が現れている。
図12に示すように、模擬放電モードにおけるDCバス電圧Vbusは、最大電力点である約300ボルトで一定となっていることが判る。
また、蓄電池システム106の出力電流Iも、DCバス電圧Vbusと同様、安定しており、MPPT制御が安定して実行されていることが判る。
一方、図13では、DCバス電圧Vbusが、徐々に低下し、蓄電池システム106の出力電流Iが、DCバス電圧Vbusが低下するのに応じて徐々に上昇していることが判る。
その後、DCバス電圧Vbusは低下を続け、保護電圧である200ボルトに到達することで、蓄電池システム106は放電を停止した。
つまり、これらの結果から、模擬放電モードにおける蓄電池システム106の電力制御周期をPCS105の制御周期よりも短く設定することで、PCS105がMPPT制御による電力制御を行う前に、DC/DC変換器121が出力する電力を制御でき、PCS105によるMPPT制御を適切に行わせることができることが明らかとなった。
なお、今回開示された実施の形態はすべ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。
2 太陽光発電パネル
3 電力変換システム
4 交流電源
5 パワーコンディショナ
6 蓄電池システム
7 交流電路
8 分岐路
8a 接続点
9 負荷装置
10 直流電路
11 分岐路
20 蓄電池
21 DC/DC変換器
22 制御部
23 逆流防止部
24 電流センサ
30 直流リアクトル
31,32 スイッチング素子
33 電圧センサ
34 電流センサ
35 平滑コンデンサ
36 端子
37 平滑コンデンサ
38 電圧センサ
41 電流センサ
42 電圧センサ
45 電流センサ
101 モデル
102 太陽光発電パネル
105 パワーコンディショナ
106 蓄電池システム
120a,120b 蓄電池
121 DC/DC変換器
123 ダイオード
Claims (8)
- 太陽光発電パネルと、前記太陽光発電パネルの出力電力が与えられるパワーコンディショナとを繋ぐ直流電路に接続される蓄電池システムであって、
蓄電池と、
前記蓄電池と前記直流電路との間に接続されるDC/DC変換器と、
前記DC/DC変換器を制御することで前記蓄電池の充放電制御を行う制御部と、を備え、
前記制御部は、前記蓄電池の放電電力を前記直流電路へ出力させる放電制御において、前記蓄電池の放電電力の電力特性が最大電力点を有する電力特性に変換されるように前記DC/DC変換器を制御し、
さらに前記制御部は、前記放電制御において、前記蓄電池の放電電力の電力特性を最大電力点を有する電力特性に変換して前記直流電路へ出力するように前記DC/DC変換器を制御する第1のモード、及び、前記蓄電池の放電電力の電力特性を所定の設定電力で一定となるような電力特性に変換して前記直流電路へ出力するように前記DC/DC変換器を制御する第2のモードのうちのいずれかを実行モードとして選択する
蓄電池システム。 - 前記制御部は、前記太陽光発電パネルの出力電力、前記太陽光発電パネルにおける日射量、及び時刻の少なくともいずれかに応じて前記実行モードを切り替える
請求項1に記載の蓄電池システム。 - 前記蓄電池の放電電力の電力特性を最大電力点を有する電力特性に変換して出力するように前記DC/DC変換器を制御する際の制御周期は、前記パワーコンディショナにおける最大電力点追従制御の制御周期よりも短い
請求項1又は請求項2に記載の蓄電池システム。 - 前記太陽光発電パネル側へ前記DC/DC変換器が出力する電力が逆流するのを防止する逆流防止部をさらに備えている
請求項1から請求項3のいずれか一項に記載の蓄電池システム。 - 太陽光発電パネルの出力電力が与えられるとともに商用電力系統と系統連系を行うパワーコンディショナと、
前記太陽光発電パネルと、前記パワーコンディショナとを繋ぐ直流電路に接続される蓄電池システムと、を備え、
前記蓄電池システムは、
蓄電池と、
前記蓄電池と前記直流電路との間に接続されるDC/DC変換器と、
前記DC/DC変換器を制御することで前記蓄電池の充放電制御を行う制御部と、を備え、
前記制御部は、前記蓄電池の放電電力を前記直流電路へ出力させる放電制御において、前記蓄電池の放電電力の電力特性が最大電力点を有する電力特性に変換されるように前記DC/DC変換器を制御し、
さらに前記制御部は、前記放電制御において、前記蓄電池の放電電力の電力特性を最大電力点を有する電力特性に変換して前記直流電路へ出力するように前記DC/DC変換器を制御する第1のモード、及び、前記蓄電池の放電電力の電力特性を所定の設定電力で一定となるような電力特性に変換して前記直流電路へ出力するように前記DC/DC変換器を制御する第2のモードのうちのいずれかを実行モードとして選択する
電力変換システム。 - 前記パワーコンディショナは、需要家の負荷装置に対して電力供給を行うように構成され、
前記制御部は、前記放電制御において前記第2のモードを選択する場合、前記商用電力系統の受電点の電力が0となるように、前記蓄電池の充放電制御を行う
請求項5に記載の電力変換システム。 - 前記パワーコンディショナは、需要家の負荷装置に対して電力供給を行うように構成され、
前記制御部は、前記放電制御において前記第1のモードを選択する場合、前記最大電力点の値が、前記負荷装置の負荷電力と同じ値となるように前記放電制御を行う
請求項5に記載の電力変換システム。 - 太陽光発電パネルと、前記太陽光発電パネルの出力電力が与えられるパワーコンディショナとを繋ぐ直流電路に接続される蓄電池システムにおける放電制御方法であって、
前記蓄電池システムが備える蓄電池と前記直流電路との間に接続されるDC/DC変換器を制御することで前記蓄電池の放電電力を前記直流電路へ出力させる放電制御ステップを含み、
前記放電制御ステップは、前記蓄電池の放電電力の電力特性が最大電力点を有する電力特性に変換されるように前記DC/DC変換器を制御し、
前記放電制御ステップにおいて、前記蓄電池の放電電力の電力特性を最大電力点を有する電力特性に変換して前記直流電路へ出力するように前記DC/DC変換器を制御する第1のモード、及び、前記蓄電池の放電電力の電力特性を所定の設定電力で一定となるような電力特性に変換して前記直流電路へ出力するように前記DC/DC変換器を制御する第2のモードのうちのいずれかが実行モードとして選択される
放電制御方法。
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