JP7424195B2 - 電力変換装置、電力変換システム、電源システム、及び、電力変換装置の接続方法 - Google Patents

Description

本開示は、電力変換装置、電力変換システム、電源システム、及び、電力変換装置の接続方法に関する。

太陽光発電の普及により、既に多くの一般家庭にも太陽光発電システムが導入されている。太陽光発電システムを備えた需要家には、屋根に備えられた太陽光発電パネルのほか、パワーコンディショナ（電力変換装置）が屋内又は屋外に設置されている。近年、さらに、太陽光発電に蓄電池を併用するシステムが提案されている（例えば、特許文献１～４参照。）。

特許文献１には、太陽光発電パネル及び蓄電池の双方と接続できるハイブリッドタイプのパワーコンディショナが記載されている。特許文献２には、太陽光発電パネル用のＤＣ／ＤＣ変換回路を含む変圧装置が外付けされる蓄電パワーコンディショナが記載されている。

また近年、既設の太陽光発電システムに蓄電池を後付けするニーズが高まっている。蓄電池を後付けする場合、既設の太陽光発電システムのパワーコンディショナと蓄電池のパワーコンディショナとが別々に設置されることになる。このような構成のシステムでは、通常、商用電力系統に接続された交流の配電線を経由して、太陽光発電パネルから蓄電池に充電される。この場合、商用電力系統が停電すると蓄電池を充電できなくなるという不都合が生じる。

特許文献３及び４に記載の技術は、いずれも、このような不都合を解消することを目的とする。具体的には、特許文献３及び４は、既設の太陽光発電システムに蓄電池を後付けするシステムにおいて、太陽光発電システムのパワーコンディショナと蓄電池とを接続する、商用電力系統以外の経路を別途設けることにより、商用電力系統の停電時にも蓄電池の充電を可能とする技術を提案する。

特開２０１２－２２２９０８号公報 特開２０１９－１０３１９８号公報 特開２０１７－１３５８８９号公報 特開２０１９－１９８２２３号公報

既設の太陽光発電システムのパワーコンディショナが、耐用年数としてはまだ十分使用できる場合に、蓄電池を新規に導入するからといって特許文献１に記載のようなハイブリッドタイプのパワーコンディショナに取り替えるのは「もったいない」という意識がユーザ側には働く。既設のパワーコンディショナと、ハイブリッドタイプのパワーコンディショナとを併用すると、ＤＣ／ＤＣ変換回路の機能が重複して、機能を遊ばせてしまうという無駄が生じる。

一方、特許文献２に記載の技術は、蓄電池を後付けする場合に、既設の太陽光発電システムのパワーコンディショナと蓄電池のパワーコンディショナとでＤＣ／ＡＣ変換回路が重複するという不都合を解消することを目的とする。そのために、特許文献２では、外付けされる変圧装置にＤＣ／ＡＣ変換回路を設けない構成としている。しかしながら、既設の太陽光発電システムのパワーコンディショナにはＤＣ／ＡＣ変換回路が既に設けられている。そのため、既設の太陽光発電システムに特許文献２の蓄電パワーコンディショナを後付けすると、上記目的が達成できない。このことから、特許文献２に記載の技術は、太陽光発電システムを蓄電池と共に新設することを想定した技術であると言える。特許文献１のパワーコンディショナについても同様である。

このように、特許文献１及び２は、太陽光発電システムを蓄電池と共に新設することを想定しており、特許文献３及び４は、既設の太陽光発電システムのパワーコンディショナの存在を前提としている。すなわち、従来は、太陽光発電システムが既設か否かによって、それに応じた蓄電池システム（パワーコンディショナ）が選択されていた。しかしながら、適切な選択が容易ではないこともあり得る。そうした場合、特許文献１～４のパワーコンディショナは、太陽光発電システムが既設か否かによって適切な導入が妨げられるという問題が生じる。

そこで、本開示は、需要家に、太陽光発電システムが既設であるか、それとも、蓄電池と共に新設するかに関わらず、汎用的に無駄なく導入できる電力変換装置、電力変換システム、電源システム、及び、電力変換装置の接続方法を提供することを目的とする。

本開示は、以下の発明を含む。但し、本発明は特許請求の範囲によって定められるものである。

《電力変換装置》
本開示の電力変換装置は、
蓄電池と第１の交流電路との間に設けられる電力変換装置であって、
前記蓄電池とＤＣバスとの間に設けられるＤＣ／ＤＣ変換回路と、
前記ＤＣバスと前記第１の交流電路との間に設けられるＤＣ／ＡＣ変換回路と、
前記第１の交流電路とは別の第２の交流電路との接続に供する交流補助端子と、
前記交流補助端子と前記ＤＣバスとの間に設けられるＡＣ／ＤＣ変換回路と、
前記ＤＣバスに接続された直流補助端子と、
前記ＤＣ／ＤＣ変換回路、前記ＤＣ／ＡＣ変換回路、及び、前記ＡＣ／ＤＣ変換回路を制御する制御部と、
を備えている電力変換装置である。

《電力変換システム》
また、前記電力変換装置を第１の電力変換装置として備え、かつ、太陽光発電パネルに接続された第２の電力変換装置を備える電力変換システムであって、
（ａ）前記第２の交流電路とは、前記第２の電力変換装置における自立出力の交流電路である電力変換システムであるか、または、
（ｂ）前記直流補助端子は、前記第２の電力変換装置の直流出力電路と接続されている電力変換システムである。

《電源システム》
一方、本開示は、蓄電池、及び、前記蓄電池と第１の交流電路との間に設けられる電力変換装置とを含む電源システムであって、前記電力変換装置は、
前記蓄電池とＤＣバスとの間に設けられるＤＣ／ＤＣ変換回路と、
前記ＤＣバスと前記第１の交流電路との間に設けられるＤＣ／ＡＣ変換回路と、
前記第１の交流電路とは別の第２の交流電路との接続に供する交流補助端子と、
前記交流補助端子と前記ＤＣバスとの間に設けられるＡＣ／ＤＣ変換回路と、
前記ＤＣバスに接続された直流補助端子と、
前記ＤＣ／ＤＣ変換回路、前記ＤＣ／ＡＣ変換回路、及び、前記ＡＣ／ＤＣ変換回路を制御する制御部と、
を備えている電源システムである。

《電力変換装置の接続方法》
本開示は、蓄電池とＤＣバスとの間に設けられるＤＣ／ＤＣ変換回路と、前記ＤＣバスと第１の交流電路との間に設けられるＤＣ／ＡＣ変換回路と、前記第１の交流電路とは別の第２の交流電路との接続に供する交流補助端子と前記ＤＣバスとの間に設けられるＡＣ／ＤＣ変換回路と、前記ＤＣバスに接続された直流補助端子と、を備えた電力変換装置についての、その接続方法であって、
商用電力系統以外から交流電力を供給できる場合は、前記交流補助端子に交流電力を供給し、直流電源から直流電力を供給できる場合は、前記直流補助端子に直流電力を供給する、電力変換装置の接続方法である。

本開示によれば、太陽光発電システムの既設／新設に関わらず、汎用的に無駄なく導入できる電力変換装置、電力変換システム、電源システム、及び、電力変換装置の接続方法を提供することができる。

図１は、既設の太陽光発電システムの一例を示す単線接続図である。 図２は、図１に示した既設の太陽光発電システムに、蓄電池による電源システムを後付けで併設した一例を示す単線接続図である。 図３は、制御部による電力変換装置の動作を示すフローチャートの一例である。 図４は、新設による、太陽光発電システム、及び、蓄電池による電源システムを含む、直流２電源の電源システムの一例を示す単線接続図である。 図５は、制御部による電力変換装置の、運転開始時における動作を示すフローチャートの一例である。 図６は、電力変換装置の連系運転中の、ＤＣ／ＡＣ変換回路の動作を示すフローチャートの一例である。 図７は、電力変換装置の連系運転中の、ＤＣ／ＤＣ変換回路の動作を示すフローチャートの一例である。 図８は、太陽光発電システム、蓄電池による電源システム、及び、燃料電池システムを含む、直流２電源及び交流１電源の電源システムの一例を示す単線接続図である。

［本開示の実施形態の説明］
本開示の実施形態には、その要旨として、少なくとも以下のものが含まれる。

（１）開示するのは、蓄電池と第１の交流電路との間に設けられる電力変換装置であって、前記蓄電池とＤＣバスとの間に設けられるＤＣ／ＤＣ変換回路と、前記ＤＣバスと前記第１の交流電路との間に設けられるＤＣ／ＡＣ変換回路と、前記第１の交流電路とは別の第２の交流電路との接続に供する交流補助端子と、前記交流補助端子と前記ＤＣバスとの間に設けられるＡＣ／ＤＣ変換回路と、前記ＤＣバスに接続された直流補助端子と、前記ＤＣ／ＤＣ変換回路、前記ＤＣ／ＡＣ変換回路、及び、前記ＡＣ／ＤＣ変換回路を制御する制御部と、を備えている。

上記のような電力変換装置では、蓄電池と交流電路との間で双方向に電力変換を行うことができるほか、補助的に、外部の他の交流電路又は直流電路と接続することができる。例えば、既に太陽光発電システムが設置されている需要家では、太陽光発電システムの電力変換装置から交流の自立出力を取り込むことができる。太陽光発電システムも同時に新設する需要家の場合には、太陽光発電システムのＤＣ／ＤＣ変換回路から直流の通常出力を取り込めばよい。こうして、補助入力（又は出力）として、交流及び直流の何れにも対応することができる汎用性のある電力変換装置を提供することができる。従って、汎用的に無駄なく導入できる電力変換装置を提供することができる。

（２）前記（１）の電力変換装置において、前記交流補助端子に外部から交流電力が供給され、前記直流補助端子には外部から直流電力が供給されない第１の接続状態と、前記直流補助端子に外部から直流電力が供給され、前記交流補助端子は外部へ交流電力を供給可能な第２の接続状態と、前記直流補助端子に外部から直流電力が供給され、かつ、前記交流補助端子に外部から交流電力が供給される第３の接続状態と、を択一的に選択する設定部を備え、前記制御部は、前記設定部における選択に基づいて制御を実行する、という構成であってもよい。
この場合、電力変換装置の取り付けの際に、関連設備の既設、新設等の条件に合わせて、所望の接続状態を、簡単に設定することができる。

（３）電力変換システムとしては、前記（１）の電力変換装置を第１の電力変換装置として備え、かつ、太陽光発電パネルに接続された第２の電力変換装置を備える電力変換システムであって、前記第２の交流電路とは、前記第２の電力変換装置における自立出力の交流電路である。
この場合、自立出力を有効に活用することができる。

（４）他の電力変換システムとしては、前記（１）の電力変換装置を第１の電力変換装置として備え、かつ、太陽光発電パネルに接続された第２の電力変換装置を備え、前記直流補助端子は、前記第２の電力変換装置の直流出力電路と接続されている。
この場合、第２の電力変換装置ではＤＣ／ＡＣ変換回路（インバータ回路）を省略することができる。

（５）さらに他の電力変換システムとしては、前記（４）において、前記ＡＣ／ＤＣ変換回路は双方向に電力変換が可能であり、前記制御部は、前記ＡＣ／ＤＣ変換回路が直流から交流への電力変換を行うことにより前記交流補助端子に交流補助出力を提供できるよう制御する。
この場合、交流補助端子から外部へ、交流電力を提供することができる。

（６）また、これは、蓄電池、及び、前記蓄電池と第１の交流電路との間に設けられる電力変換装置とを含む電源システムであって、前記電力変換装置は、前記蓄電池とＤＣバスとの間に設けられるＤＣ／ＤＣ変換回路と、前記ＤＣバスと前記第１の交流電路との間に設けられるＤＣ／ＡＣ変換回路と、前記第１の交流電路とは別の第２の交流電路との接続に供する交流補助端子と、前記交流補助端子と前記ＤＣバスとの間に設けられるＡＣ／ＤＣ変換回路と、前記ＤＣバスに接続された直流補助端子と、前記ＤＣ／ＤＣ変換回路、前記ＤＣ／ＡＣ変換回路、及び、前記ＡＣ／ＤＣ変換回路を制御する制御部と、を備えている。

上記のような電源システムの電力変換装置では、蓄電池と交流電路との間で双方向に電力変換を行うことができるほか、補助的に、外部の他の交流電路又は直流電路と接続することができる。例えば、既に太陽光発電システムが設置されている需要家では、太陽光発電システムの電力変換装置から交流の自立出力を取り込むことができる。太陽光発電システムも同時に新設する需要家の場合には、太陽光発電システムのＤＣ／ＤＣ変換回路から直流の通常出力を取り込めばよい。こうして、補助入力（又は出力）として、交流及び直流の何れにも対応することができる汎用性のある電力変換装置を提供することができる。従って、汎用的に無駄なく導入できる電力変換装置を用いて、電源システムを構成することができる。

（７）前記（６）の電源システムにおいて、前記交流補助端子に交流電力を供給する燃料電池システムと、前記直流補助端子に直流電力を供給する太陽光発電用の電力変換装置と、を備えていてもよい。
この場合、補助的な交流入力及び直流入力を共に得ることができる。

（８）方法の観点からは、蓄電池とＤＣバスとの間に設けられるＤＣ／ＤＣ変換回路と、前記ＤＣバスと第１の交流電路との間に設けられるＤＣ／ＡＣ変換回路と、前記第１の交流電路とは別の第２の交流電路との接続に供する交流補助端子と前記ＤＣバスとの間に設けられるＡＣ／ＤＣ変換回路と、前記ＤＣバスに接続された直流補助端子と、を備えた電力変換装置についての、その接続方法であって、商用電力系統以外から交流電力を供給できる場合は、前記交流補助端子に交流電力を供給し、直流電源から直流電力を供給できる場合は、前記直流補助端子に直流電力を供給する、電力変換装置の接続方法である。

上記のような電力変換装置の接続方法では、蓄電池と交流電路との間で双方向に電力変換を行うことができるほか、補助的に、外部の他の交流電路又は直流電路と接続することができる。例えば、既に太陽光発電システムが設置されている需要家では、太陽光発電システムの電力変換装置から交流の自立出力を取り込むことができる。太陽光発電システムも同時に新設する需要家の場合には、太陽光発電システムのＤＣ／ＤＣ変換回路から直流の通常出力を取り込めばよい。こうして、電力変換装置の接続に際して、補助入力（又は出力）として、交流及び直流の何れにも対応することができる汎用性のある接続方法を提供することができる。従って、汎用的に無駄なく導入できる電力変換装置の接続方法を提供することができる。

（９）前記（８）の電力変換装置の接続方法において、前記ＤＣ／ＡＣ変換回路による交流出力に加えて、前記ＡＣ／ＤＣ変換回路が直流から交流への電力変換を行うことにより交流補助出力を負荷に提供するようにしてもよい。
この場合、交流補助端子からも負荷へ、交流電力を提供することができる。

［本開示の実施形態の詳細］
以下、本開示の電力変換装置、電力変換システム、及び、電源システムの具体例について、図面を参照して説明する。

《第１実施形態》
図１は、既設の太陽光発電システム１００の一例を示す単線接続図である。図において、電力変換装置１は、直流電力を出力する太陽光発電パネル２と、商用電力系統３に繋がる交流電路４との間に設けられている。電力変換装置１は、ＤＣ／ＤＣ変換回路１１、ＤＣ／ＡＣ変換回路１２、制御部１３、系統連系リレー１４及び自立出力リレー１５を備えている。交流電路４には需要家の負荷５が接続されている。自立出力リレー１５の出力端側は、開放されていてもよいが、ここでは、負荷６が接続されているものとする。制御部１３は、例えばコンピュータを含み、コンピュータがソフトウェア（コンピュータプログラム）を実行することで、必要な制御機能を実現する。ソフトウェアは、制御部１３の記憶装置（図示せず。）に格納される。

制御部１３は、ＤＣ／ＤＣ変換回路１１により、太陽光発電パネル２の出力電圧を所定電圧に昇圧させるとともに、太陽光発電パネル２から、その時点での最大電力を引き出すＭＰＰＴ（Ｍａｘｉｍｕｍ Ｐｏｗｅｒ Ｐｏｉｎｔ Ｔｒａｃｋｉｎｇ）制御を行う。ＤＣ／ＡＣ変換回路１２は、ＤＣ／ＤＣ変換回路１１が出力する電力を直流から交流に変換し、出力する。

商用電力系統３との系統連系運転中の電力変換装置１においては、系統連系リレー１４が閉路し、自立出力リレー１５が開路している。系統連系運転中の交流電路４の電圧は商用電力系統３により決まり、例えばＡＣ２０２Ｖである。ＤＣ／ＡＣ変換回路１２は、電流制御を行う。自立出力運転中の電力変換装置１においては、系統連系リレー１４が開路し、自立出力リレー１５が閉路している。この場合のＤＣ／ＡＣ変換回路１２は、電圧制御を行い、出力電圧は例えばＡＣ１０１Ｖである。この出力電圧は、負荷６に供給される。

図２は、図１に示した既設の太陽光発電システム１００に、蓄電池による電源システム２００を後付けで併設した一例を示す単線接続図である。図において、太陽光発電システム１００の構成は、図１と同様であるので、同一符号を付して説明を省略する。また、交流電路４には負荷５が接続され、負荷６は、電力変換装置７の自立出力側に接続されている。２つの電力変換装置１，７は、電力変換システム３１を構成している。

太陽光発電システム１００に併設された電源システム２００において、電力変換装置７は、蓄電池８と、商用電力系統３に繋がる交流電路４との間に設けられている。電力変換装置７は、ＤＣ／ＤＣ変換回路７１、ＤＣ／ＡＣ変換回路７２、制御部７３、系統連系リレー７４、自立出力リレー７５、ＡＣ／ＤＣ変換回路７６、及び、設定部７７を備えている。制御部７３は、例えばコンピュータを含み、コンピュータがソフトウェア（コンピュータプログラム）を実行することで、必要な制御機能を実現する。ソフトウェアは、制御部７３の記憶装置（図示せず。）に格納される。ＤＣ／ＤＣ変換回路７１、ＤＣ／ＡＣ変換回路７２、及び、ＡＣ／ＤＣ変換回路７６は、制御部７３により制御される。

ＤＣ／ＤＣ変換回路７１、ＤＣ／ＡＣ変換回路７２、及び、ＡＣ／ＤＣ変換回路７６は、いずれも、ＤＣバス７８に接続されている。ＤＣ／ＤＣ変換回路７１は、蓄電池８とＤＣバス７８との間に設けられている。ＤＣ／ＡＣ変換回路７２は、ＤＣバス７８と交流電路４との間に設けられている。

蓄電池８を放電させる際のＤＣ／ＤＣ変換回路７１は、蓄電池８の出力電圧を昇圧してＤＣバス７８に送り込む。ＤＣ／ＡＣ変換回路７２は、ＤＣバス７８の電圧を交流電圧に変換し、出力する。連系出力の場合は例えばＡＣ２０２Ｖを出力し、自立出力の場合は例えばＡＣ１０１Ｖを出力する。
蓄電池８を充電する際のＤＣ／ＡＣ変換回路７２は、交流電路４の電圧を直流電圧に変換し、ＤＣバス７８に供給する。ＤＣ／ＤＣ変換回路７１は、ＤＣバス７８の電圧を蓄電池８の充電に適した電圧に降圧し、蓄電池８を充電する。

ＡＣ／ＤＣ変換回路７６の交流側には、交流補助端子Ｔ_ＡＣが設けられている。従って、ＡＣ／ＤＣ変換回路７６は、交流補助端子Ｔ_ＡＣとＤＣバス７８との間に設けられている。交流電路４を例えば「第１の交流電路４」とすると、交流補助端子Ｔ_ＡＣは、第２の交流電路９と接続されている。交流電路９は、太陽光発電システム１００における電力変換装置１から自立出力を供給できる電路である。また、ＤＣバス７８には、直流補助端子Ｔ_ＤＣが接続されていて、ここに外部の直流電路を接続することができる。但し、図２の状態では、直流補助端子Ｔ_ＤＣは、開放されており、外部の直流電路と接続されていない。

電源システム２００を設置した作業者は、設定部７７を操作し、図２に示すような接続状態になっていることを制御部７３に認識させる。図２に示すような接続状態とは、交流補助端子Ｔ_ＡＣに交流電路９を介して外部から交流電力が供給され、直流補助端子Ｔ_ＤＣには外部から直流電力が供給されない状態（第１の接続状態）である。

商用電力系統３との系統連系運転中の電力変換装置７においては、系統連系リレー７４が閉路し、自立出力リレー７５が開路している。太陽光発電システム１００の電力変換装置１も系統連系運転を行っている場合には、２台の電力変換装置１，７は交流電路４に対して互いに並列に接続されている関係となる。太陽光発電システム１００の電力変換装置１は、交流電路４に電力を供給する一方向の動作のみを行う。電源システム２００の電力変換装置７は、交流電路４に電力を供給する動作と、交流電路４の電力に基づいて蓄電池８を充電する動作との両方が可能である。このようにして、既設の太陽光発電システム１００に、蓄電池８に基づく電源システム２００を併用した電源システム３００を実現することができる。

一方、自立出力運転中の電力変換装置７においては、系統連系リレー７４が開路し、自立出力リレー７５が閉路している。この場合のＤＣ／ＡＣ変換回路７２は、電圧制御を行っており、出力電圧は例えばＡＣ１０１Ｖである。この出力電圧は、負荷６に供給される。また、このとき、電力変換装置１も自立出力運転を行っている。電力変換装置１の自立出力は、交流電路９を介して、電力変換装置７の交流補助端子Ｔ_ＡＣに与えられる。ＡＣ／ＤＣ変換回路７６は、入力された自立出力の交流電圧を直流電圧に変換し、ＤＣバス７８に提供する。このようにして、自立運転に関しても、既設の太陽光発電システム１００に、蓄電池８に基づく電源システム２００を併用した電源システム３００を実現することができる。

図３は、制御部７３による電力変換装置７の動作を示すフローチャートの一例である。運転開始指令を受けた電力変換装置７は、制御動作を開始し、ＤＣ／ＤＣ変換回路７１に内蔵されている電圧センサにより蓄電池８の電圧が正常か否かを判定する（ステップＳ１）。正常であれば、電力変換装置７は、ＤＣ／ＤＣ変換回路７１において昇圧動作を開始する（ステップＳ２）。

続いて、電力変換装置７は、系統連系リレー７４を開路した状態でＤＣ／ＡＣ変換回路７２に内蔵された電圧センサにより、商用電力系統３が正常か否（停電）かを判定する（ステップＳ３）。正常であれば、電力変換装置７は、系統連系運転を実行する（ステップＳ４）。

商用電力系統３が正常でない状態である場合は、ステップＳ３の判定が「ＮＯ」となる。この場合、電力変換装置７は、系統の停電判定を行い、停電を確認すると、自立運転を開始する（ステップＳ５）。自立運転開始後、電力変換装置７は、交流補助端子Ｔ_ＡＣへの補助入力の電圧が閾値以上か否かを、ＡＣ／ＤＣ変換回路７６に内蔵した電圧センサにより判定する（ステップＳ６）。電圧が閾値以上であれば、電力変換装置７は、ＡＣ／ＤＣ変換回路７６を動作させ、直流電圧を出力することによりＤＣバス７８を充電する（ステップＳ７）。電圧が閾値に満たない場合は、電力変換装置７は、ＡＣ／ＤＣ変換回路７６を動作させない（ステップＳ８）。

なお、ステップＳ１において、蓄電池の電圧が正常でない状態のときは、電力変換装置７は、「蓄電池異常」と判定し、動作を停止する（ステップＳ９）。

《第２実施形態》
図４は、新設による、太陽光発電システム１００、及び、蓄電池による電源システム２００を含む、直流２電源の電源システム４００の一例を示す単線接続図である。図において、電力変換装置１Ａは、直流電力を出力する太陽光発電パネル２に接続されている。電力変換装置１Ａは、ＤＣ／ＤＣ変換回路１１及び制御部１３を備えている。制御部１３は、例えばコンピュータを含み、コンピュータがソフトウェア（コンピュータプログラム）を実行することで、必要な制御機能を実現する。ソフトウェアは、制御部１３の記憶装置（図示せず。）に格納される。

制御部１３は、ＤＣ／ＤＣ変換回路１１により、太陽光発電パネル２の出力電圧を所定電圧に昇圧させるとともに、太陽光発電パネル２から、その時点での最大電力を引き出すＭＰＰＴ制御を行う。電力変換装置１Ａは、自身では交流出力を行わず、直流出力を出力端子Ｔ_ｏｕｔに供給する。従って、電力変換装置１ＡにはＤＣ／ＡＣ変換回路（インバータ回路）は不要である。

図４において、電源システム２００の構成は、図２と同様であるので、同一符号を付して説明を省略する。また、交流電路４には負荷５が接続され、自立出力端側には負荷６が接続されている。電源システム２００に関して図２と異なるのは、直流補助端子Ｔ_ＤＣと、電力変換装置１Ａの出力端子Ｔ_ｏｕｔとが直流電路１０を介して互いに接続されている点、交流補助端子Ｔ_ＡＣが補助出力用となっている点である。交流補助端子Ｔ_ＡＣには、例えば、負荷２０を接続することができる。２つの電力変換装置１Ａ，７は、電力変換システム３２を構成している。

電源システム４００を設置した作業者は、設定部７７を操作し、図４に示すような接続状態になっていることを制御部７３に認識させる。図４に示すような接続状態とは、直流補助端子Ｔ_ＤＣに直流電路１０を介して外部から直流電力が供給され、交流補助端子Ｔ_ＡＣは交流電路９を介して外部へ交流電力を供給できる状態（第２の接続状態）である。

蓄電池８を放電させる際のＤＣ／ＤＣ変換回路７１は、蓄電池８の出力電圧を昇圧してＤＣバス７８に送り込む。ＤＣバス７８には電力変換装置１Ａの出力も提供される。ＤＣ／ＡＣ変換回路７２は、ＤＣバス７８の電圧を交流電圧に変換し、出力する。連系出力の場合は例えばＡＣ２０２Ｖを出力し、自立出力の場合は例えばＡＣ１０１Ｖを出力する。
蓄電池８を充電する際のＤＣ／ＡＣ変換回路７２は、交流電路４の電圧を直流電圧に変換し、ＤＣバス７８に供給する。ＤＣ／ＤＣ変換回路７１は、ＤＣバス７８の電圧を蓄電池８の充電に適した電圧に降圧し、蓄電池８を充電する。また、交流電路４に依存せず、電力変換装置１Ａからの直流出力に基づいて蓄電池８を充電することもできる。

商用電力系統３との系統連系運転中の電力変換装置７においては、系統連系リレー７４が閉路し、自立出力リレー７５が開路している。太陽光発電システム１００の電力変換装置１Ａも直流出力を提供している場合には、太陽光発電パネル２及びＤＣ／ＤＣ変換回路１１、並びに、蓄電池８及びＤＣ／ＤＣ変換回路７１の２系統の直流電源が、ＤＣバス７８に対して、並列に接続されている関係となる。太陽光発電システム１００の電力変換装置１Ａは、ＤＣバス７８に直流で電力を供給する一方向の動作のみを行う。電源システム２００の電力変換装置７は、交流電路４に電力を供給する動作と、交流電路４の電力に基づいて、又は、電力変換装置１Ａから送られてくる電力に基づいて、蓄電池８を充電する動作との両方が可能である。このようにして、太陽光発電システム１００と、蓄電池８に基づく電源システム２００とを併用した電源システム４００を実現することができる。

一方、自立出力運転中の電力変換装置７においては、系統連系リレー７４が開路し、自立出力リレー７５が閉路している。この場合のＤＣ／ＡＣ変換回路７２は、電圧制御を行っており、出力電圧は例えばＡＣ１０１Ｖである。この出力電圧は、負荷６に供給される。また、このとき、太陽光発電が行われていれば、電力変換装置１Ａの出力は、直流補助端子Ｔ_ＤＣからＤＣバス７８に与えられる。このようにして、自立運転に関しても、太陽光発電システム１００と、蓄電池８に基づく電源システム２００とを併用した電源システム４００を実現することができる。

（運転開始時の動作）
図５は、制御部７３による電力変換装置７の、運転開始時における動作を示すフローチャートの一例である。運転開始指令を受けた電力変換装置７は、制御動作を開始し、ＤＣ／ＤＣ変換回路７１に内蔵されている電圧センサにより蓄電池８の電圧が正常か否かを判定する（ステップＳ１１）。正常であれば、電力変換装置７は、ＤＣ／ＤＣ変換回路７１において昇圧動作を開始する（ステップＳ１２）。

続いて、電力変換装置７は、系統連系リレー７４を開路した状態でＤＣ／ＡＣ変換回路７２に内蔵された電圧センサにより、商用電力系統３が正常か否（停電）かを判定する（ステップＳ１３）。正常であれば、電力変換装置７は、系統連系運転を実行する（ステップＳ１４）。

商用電力系統３が正常でない状態である場合は、ステップＳ１３の判定が「ＮＯ」となる。この場合、電力変換装置７は、系統の停電判定を行い、停電を確認すると、自立運転を開始する（ステップＳ１５）。

なお、ステップＳ１１において、蓄電池の電圧が正常でない状態になれば、電力変換装置７は、「蓄電池異常」と判定し、動作を停止する（ステップＳ１６）。

（連系運転中の動作）
図６は、電力変換装置７の連系運転中の、ＤＣ／ＡＣ変換回路７２の動作を示すフローチャートの一例である。連系運転開始後、電力変換装置７は、ＤＣ／ＡＣ変換回路７２により、ＤＣバス７８の電圧が一定に保たれるように、ＤＣバス電圧一定化制御を行う（ステップＳ２１）。直流補助端子Ｔ_ＤＣには、電力変換装置１Ａからの電力が入力されるが、太陽光発電パネル２（ＰＶ）の発電する電力は日照条件により変動し、増加又は減少する（ステップＳ２２）。電力変換装置１Ａからの入力される電力が変動すると、ＤＣバス７８の電圧も変動する。

そこで、電力変換装置７は、ＤＣバス７８の電圧が変動したか否かを判定する（ステップＳ２３）。変動したと判定した場合、電力変換装置７は、ＤＣ／ＡＣ変換回路７２の出力電流を増減（電流制御）して、ＤＣバス電圧の一定化を図る（ステップＳ２４）。ＤＣ／ＡＣ変換回路７２にはスイッチング素子及びリアクトルの能力等から出力電流（出力電力）の上限値がある。太陽光発電パネル２の発電電力が大きい場合、ＤＣ／ＡＣ変換回路７２の出力電流が上限値に達すると、蓄電池８を充電することにより発電電力が無駄になることを抑制できる。しかし、ＤＣ／ＡＣ変換回路７２の出力電流が上限値に達し、かつ、蓄電池８の充電電流も上限値に達した場合は、発電電力の行き先が無くなり、発電を抑制するしかない状態になる。特に、太陽光発電パネル２の発電電力が電力変換装置７の最大出力を超えるいわゆる過積載の場合には、このような状態になることがある。

そこで、電力変換装置７は、ＤＣ／ＡＣ変換回路７２の出力電流が上限値以上であり、かつ、蓄電池８の充電電流も上限値以上であるか否か、を判定する（ステップＳ２５）。ここで、「ＹＥＳ」となる場合には、電力変換装置７は、ＡＣ／ＤＣ変換回路７６に直流から交流への変換（逆方向変換）を実行させ、交流補助端子Ｔ_ＡＣから負荷２０へ交流電力を出力できる状態とする（ステップＳ６）。このようにして、太陽光発電パネル２の発電電力をフル活用することができる。

一方、ステップＳ２５の判定が「ＮＯ」の場合は、負荷５への給電と蓄電池８への充電により太陽光発電パネル２の発電電力が無駄なく使用されているので、特別な動作はしない（ステップＳ２７）。また、ステップＳ２３においてＤＣバス電圧に特に変動が見られない場合は、電力変換装置７は、ＤＣ／ＡＣ変換回路７２の出力電流を一定に保持する（ステップＳ２８）。

図７は、電力変換装置７の連系運転中の、ＤＣ／ＤＣ変換回路７１の動作を示すフローチャートの一例である。連系運転開始後、電力変換装置７は、ＤＣ／ＤＣ変換回路７１により、交流電路４へ出力する電力の目標値を定め、それに合わせた電力を出力するＥＭＳ（Ｅｎｅｒｇｙ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ Ｓｙｓｔｅｍ）制御を行う（ステップＳ３１）。

直流補助端子Ｔ_ＤＣには、電力変換装置１Ａからの電力が入力されるが、太陽光発電パネル２（ＰＶ）の発電する電力は日照条件により変動し、増加又は減少する（ステップＳ３２）。電力変換装置１Ａから入力される電力が変動すると、ＤＣ／ＡＣ変換回路７２の出力電流も変動する。

そこで、電力変換装置７は、ＤＣ／ＡＣ変換回路７２の出力電流が変動したか否かを判定する（ステップＳ３３）。変動したと判定した場合、電力変換装置７は、ＤＣ／ＤＣ変換回路７１の電力目標値を更新する（ステップＳ３４）。ここで、図６のステップＳ２５と同様に、電力変換装置７は、ＤＣ／ＡＣ変換回路７２の出力電流が上限値以上であり、かつ、蓄電池８の充電電流も上限値以上であるか否か、を判定する（ステップＳ３５）。ここで、「ＹＥＳ」となる場合には、電力変換装置７は、ＡＣ／ＤＣ変換回路７６に直流から交流への変換（逆方向変換）を実行させ、交流補助端子Ｔ_ＡＣから負荷２０へ交流電力を出力できる状態とする（ステップＳ３６）。このようにして、太陽光発電パネル２の発電電力をフル活用することができる。

一方、ステップＳ３５の判定が「ＮＯ」の場合は、負荷５への給電と蓄電池８への充電により太陽光発電パネル２の発電電力が無駄なく使用されているので、特別な動作はしない（ステップＳ３７）。また、ステップＳ３３においてＤＣ／ＡＣ変換回路７２の出力電流に特に変動が見られない場合は、電力変換装置７は、ＤＣ／ＤＣ変換回路７１の電力目標値を一定に保持する（ステップＳ３８）。

なお、上記の場合、ＤＣ／ＤＣ変換回路７１がＥＭＳ制御を行い、ＤＣ／ＡＣ変換回路７２がＤＣバス電圧一定化制御を行っているが、ＤＣ／ＡＣ変換回路７２がＥＭＳ制御を行い、ＤＣ／ＤＣ変換回路７１がＤＣバス電圧一定化制御を行うことも可能である。

このようにして、太陽光発電システム１００と、蓄電池８に基づく電源システム２００とを併用した電源システム４００を実現することができる。

《第３実施形態》
図８は、太陽光発電システム１００、蓄電池による電源システム２００、及び、燃料電池システム２１を含む、直流２電源及び交流１電源の電源システム５００の一例を示す単線接続図である。図４と共通の構成要素については、同一符号を付して説明を省略する。図４との違いは、燃料電池システム（電力変換装置も含む。）２１を電力変換装置７の交流補助端子Ｔ_ＡＣに接続した点である。ＡＣ／ＤＣ変換回路７６は、図４とは異なり、燃料電池システム２１からの補助入力を受け付けて交流から直流への変換を行う。

電源システム５００を設置した作業者は、設定部７７を操作し、図８に示すような接続状態になっていることを制御部７３に認識させる。図８に示すような接続状態とは、直流補助端子Ｔ_ＤＣに直流電路１０を介して外部から直流電力が供給され、交流補助端子Ｔ_ＡＣにも交流電路９を介して外部から交流電力が供給される状態（第３の接続状態）である。

蓄電池８を放電させる際のＤＣ／ＤＣ変換回路７１は、蓄電池８の出力電圧を昇圧してＤＣバス７８に送り込む。ＤＣバス７８には電力変換装置１Ａの出力も提供される。さらに、燃料電池システム２１からの補助入力により、ＡＣ／ＤＣ変換回路７６は交流から直流への変換を行い、ＤＣバス７８に電力を送り込む。ＤＣ／ＡＣ変換回路７２は、ＤＣバス７８の電圧を交流電圧に変換し、出力する。連系出力の場合は例えばＡＣ２０２Ｖを出力し、自立出力の場合は例えばＡＣ１０１Ｖを出力する。

蓄電池８を充電する際のＤＣ／ＡＣ変換回路７２は、交流電路４の電圧を直流電圧に変換し、ＤＣバス７８に供給する。ＤＣ／ＤＣ変換回路７１は、ＤＣバス７８の電圧を蓄電池８の充電に適した電圧に降圧し、蓄電池８を充電する。また、交流電路４に依存せず、電力変換装置１Ａからの直流出力、又は、燃料電池システム２１からの補助入力に基づいて、蓄電池８を充電することもできる。

商用電力系統３との系統連系運転中の電力変換装置７においては、系統連系リレー７４が閉路し、自立出力リレー７５が開路している。太陽光発電システム１００の電力変換装置１Ａも直流出力を提供し、さらに燃料電池システム２１からの補助入力が提供されている場合には、太陽光発電パネル２及びＤＣ／ＤＣ変換回路１１、蓄電池８及びＤＣ／ＤＣ変換回路７１、並びに、燃料電池システム２１からの補助入力をＡＣ／ＤＣ変換回路７６で直流に変換したもの、の合計３系統の直流電源が、ＤＣバス７８に対して、並列に接続されている関係となる。

太陽光発電システム１００の電力変換装置１Ａは、ＤＣバス７８に直流で電力を供給する一方向の動作のみを行う。燃料電池システム２１からの補助入力を受けるＡＣ／ＤＣ変換回路７６も、交流から直流への変換動作のみを行う。電源システム２００の電力変換装置７は、交流電路４に電力を供給する動作と、交流電路４の電力、電力変換装置１Ａ又は燃料電池システム２１から送られてくる電力に基づいて蓄電池８を充電する動作の両方が可能である。このようにして、太陽光発電システム１００と、蓄電池８に基づく電源システム２００と、燃料電池システム２１による補助入力とを併用した電源システム５００を実現することができる。

一方、自立出力運転中の電力変換装置７においては、系統連系リレー７４が開路し、自立出力リレー７５が閉路している。この場合のＤＣ／ＡＣ変換回路７２は、電圧制御を行っており、出力電圧は例えばＡＣ１０１Ｖである。この出力電圧は、負荷６に供給される。また、このとき、太陽光発電が行われていれば、電力変換装置１Ａの出力は、直流補助端子Ｔ_ＤＣからＤＣバス７８に与えられる。燃料電池システム２１の補助入力もＡＣ／ＤＣ変換回路７６を介してＤＣバス７８に与えられる。このようにして、自立運転に関しても、太陽光発電システム１００と、蓄電池８に基づく電源システム２００と、燃料電池システム２１による補助入力とを併用した電源システム５００を実現することができる。

《開示のまとめ》
本開示の電力変換装置７は、蓄電池８と第１の交流電路４との間に設けられるものであって、蓄電池８とＤＣバス７８との間にＤＣ／ＤＣ変換回路７１が、ＤＣバス７８と第１の交流電路４との間にＤＣ／ＡＣ変換回路７２が、それぞれ設けられている。そして、第２の交流電路９との接続に供する交流補助端子Ｔ_ＡＣと、交流補助端子Ｔ_ＡＣとＤＣバス７８との間に設けられるＡＣ／ＤＣ変換回路７６と、ＤＣバス７８に接続された直流補助端子Ｔ_ＤＣとを備えている。

このような電力変換装置７では、蓄電池８と交流電路４との間で双方向に電力変換を行うことができるほか、補助的に、外部の他の交流電路９又は直流電路１０と接続することができる。既に太陽光発電システム１００が設置されている需要家では、太陽光発電システム１００の電力変換装置１から交流の自立出力を取り込むことができる。太陽光発電システム１００も同時に新設する需要家の場合には、太陽光発電システム１００の電力変換装置１ＡにおけるＤＣ／ＤＣ変換回路１１から直流の通常出力を取り込めばよい。こうして、補助入力（又は出力）として、交流及び直流の何れにも対応することができる汎用性のある電力変換装置７を提供することができる。電力変換装置７は、共通の回路構成でありながら、汎用性を発揮する。すなわち、既設の太陽光発電システム１００への併設、太陽光発電システム１００と共に新設、及び、燃料電池システムも含めた３系統の電源システム、のいずれにも適用可能である。従って、汎用的に無駄なく導入できる電力変換装置７を提供することができる。

《補記》
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。本発明の範囲は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。

１，１Ａ 電力変換装置
２ 太陽光発電パネル
３ 商用電力系統
４ （第１の）交流電路
５，６ 負荷
７ 電力変換装置
８ 蓄電池
９ （第２の）交流電路
１０ 直流電路
１１ ＤＣ／ＤＣ変換回路
１２ ＤＣ／ＡＣ変換回路
１３ 制御部
１４ 系統連系リレー
１５ 自立出力リレー
２０ 負荷
２１ 燃料電池システム
３１，３２ 電力変換システム
７１ ＤＣ／ＤＣ変換回路
７２ ＤＣ／ＡＣ変換回路
７３ 制御部
７４ 系統連系リレー
７５ 自立出力リレー
７６ ＡＣ／ＤＣ変換回路
７７ 設定部
７８ ＤＣバス
１００ 太陽光発電システム
２００ 電源システム
３００ 電源システム
４００ 電源システム
５００ 電源システム
Ｔ_ＡＣ 交流補助端子
Ｔ_ＤＣ 直流補助端子
Ｔ_ｏｕｔ 出力端子

Claims (9)

1. 蓄電池と第１の交流電路との間に設けられる系統連系可能な電力変換装置であって、
   前記蓄電池とＤＣバスとの間に設けられるＤＣ／ＤＣ変換回路と、
   前記ＤＣバスと前記第１の交流電路との間に設けられるＤＣ／ＡＣ変換回路と、
   前記第１の交流電路とは別の交流電路であって、連系運転時において前記第１の交流電路に接続されない第２の交流電路との接続に供する交流補助端子と、
   前記交流補助端子と前記ＤＣバスとの間に設けられるＡＣ／ＤＣ変換回路と、
   前記ＤＣバスに接続された直流補助端子と、
   前記ＤＣ／ＤＣ変換回路、前記ＤＣ／ＡＣ変換回路、及び、前記ＡＣ／ＤＣ変換回路を制御する制御部と、
   を備えている電力変換装置。
2. 前記交流補助端子に外部から交流電力が供給され、前記直流補助端子には外部から直流電力が供給されない第１の接続状態と、前記直流補助端子に外部から直流電力が供給され、前記交流補助端子は外部へ交流電力を供給可能な第２の接続状態と、前記直流補助端子に外部から直流電力が供給され、かつ、前記交流補助端子に外部から交流電力が供給される第３の接続状態と、を択一的に選択する設定部を備え、
   前記制御部は、前記設定部における選択に基づいて制御を実行する、請求項１に記載の電力変換装置。
3. 請求項１に記載の電力変換装置を第１の電力変換装置として備え、かつ、太陽光発電パネルに接続された第２の電力変換装置を備える電力変換システムであって、
   前記第２の交流電路とは、前記第２の電力変換装置における自立出力の交流電路である電力変換システム。
4. 請求項１に記載の電力変換装置を第１の電力変換装置として備え、かつ、太陽光発電パネルに接続された第２の電力変換装置を備える電力変換システムであって、
   前記直流補助端子は、前記第２の電力変換装置の直流出力電路と接続されている電力変換システム。
5. 前記ＡＣ／ＤＣ変換回路は双方向に電力変換が可能であり、
   前記制御部は、前記ＡＣ／ＤＣ変換回路が直流から交流への電力変換を行うことにより前記交流補助端子に交流補助出力を提供できるよう制御する、請求項４に記載の電力変換システム。
6. 蓄電池、及び、前記蓄電池と第１の交流電路との間に設けられる系統連系可能な電力変換装置とを含む電源システムであって、前記電力変換装置は、
   前記蓄電池とＤＣバスとの間に設けられるＤＣ／ＤＣ変換回路と、
   前記ＤＣバスと前記第１の交流電路との間に設けられるＤＣ／ＡＣ変換回路と、
   前記第１の交流電路とは別の交流電路であって、連系運転時において前記第１の交流電路に接続されない第２の交流電路との接続に供する交流補助端子と、
   前記交流補助端子と前記ＤＣバスとの間に設けられるＡＣ／ＤＣ変換回路と、
   前記ＤＣバスに接続された直流補助端子と、
   前記ＤＣ／ＤＣ変換回路、前記ＤＣ／ＡＣ変換回路、及び、前記ＡＣ／ＤＣ変換回路を制御する制御部と、
   を備えている電源システム。
7. 前記交流補助端子に交流電力を供給する燃料電池システムと、
   前記直流補助端子に直流電力を供給する太陽光発電用の電力変換装置と、を備える請求項６に記載の電源システム。
8. 蓄電池とＤＣバスとの間に設けられるＤＣ／ＤＣ変換回路と、前記ＤＣバスと第１の交流電路との間に設けられるＤＣ／ＡＣ変換回路と、前記第１の交流電路とは別の交流電路であって、連系運転時において前記第１の交流電路に接続されない第２の交流電路との接続に供する交流補助端子と前記ＤＣバスとの間に設けられるＡＣ／ＤＣ変換回路と、前記ＤＣバスに接続された直流補助端子と、を備えた系統連系可能な電力変換装置の接続方法であって、
   商用電力系統以外から交流電力を供給できる場合は、前記交流補助端子に交流電力を供給し、直流電源から直流電力を供給できる場合は、前記直流補助端子に直流電力を供給する、電力変換装置の接続方法。
9. 前記ＤＣ／ＡＣ変換回路による交流出力に加えて、前記ＡＣ／ＤＣ変換回路が直流から交流への電力変換を行うことにより交流補助出力を負荷に提供する、請求項８に記載の電力変換装置の接続方法。

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