(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2023-04-11
(45)【発行日】2023-04-19
(54)【発明の名称】分散型電源システム
(51)【国際特許分類】
H02J 3/38 20060101AFI20230412BHJP
H02M 7/48 20070101ALI20230412BHJP
【FI】
H02J3/38 130
H02M7/48 E
H02M7/48 R
(21)【出願番号】P 2019083696
(22)【出願日】2019-04-25
【審査請求日】2021-11-17
(73)【特許権者】
【識別番号】000220262
【氏名又は名称】東京瓦斯株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110000936
【氏名又は名称】弁理士法人青海国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】伴野 卓也
(72)【発明者】
【氏名】渡邉 崇之
【審査官】右田 勝則
(56)【参考文献】
【文献】特開2014-027761(JP,A)
【文献】特開2018-170931(JP,A)
【文献】特開2018-170936(JP,A)
【文献】特開2014-166114(JP,A)
【文献】特開2020-036436(JP,A)
【文献】特開2017-055490(JP,A)
【文献】特開2011-215736(JP,A)
【文献】特開2008-154334(JP,A)
【文献】特開2006-340539(JP,A)
(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
H02J 3/38
H02M 7/48
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
電力系統からの受電点における電力を計測するスマートメータと、
他のエネルギーを電気エネルギーに変換して電気を生成する発電部と、
前記電力系統と前記発電部との間の電流経路に設けられ、前記発電部で発電された電力を変換する電力変換部と、
出力制御部と、
を備え
、
前記受電点における受電電圧の許容可能な所定範囲の上限値が、許容上限値であり、
前記許容上限値より低く、前記許容上限値付近に設定された電圧が、第1電圧であり、
前記出力制御部は、
前記受電電圧が前記第1電圧以下であると判定した場合、前記電力変換部の出力電圧が前記許容上限値で一定となるように定電圧制御を行い、
前記受電電圧が前記第1電圧を超えると判定した場合、前記受電点における電力に基づいて導出される潮流方向が逆潮流であるかを判定し、
前記受電電圧が前記第1電圧を超え、かつ、前記潮流方向が逆潮流であると判定した場合、前記電力変換部の出力電圧を前記第1電圧より低い電圧に低下させ、
前記受電電圧が前記第1電圧を超え、かつ、前記潮流方向が順潮流であると判定した場合、前記電力変換部の出力電圧が前記許容上限値で一定となるように定電圧制御を行う、分散型電源システム。
【請求項2】
前記スマートメータは、前記受電点における前記受電電圧を計測し、
前記出力制御部は、前記スマートメータで計測された前記受電電圧を用いて、前記受電電圧が前記第1電圧を超えるか否かの判断を行う請求項1に記載の分散型電源システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、分散型電源システムに関する。
【背景技術】
【0002】
分散型電源システムの一例として、太陽電池を用いた太陽光発電システムがある(例えば、特許文献1)。かかる太陽光発電システムでは、太陽電池が設置された需要家側から電力系統に電力を供給する逆潮流が可能である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
電力系統は、負荷に安定した電力を供給するために、需要家における受電点の受電電圧が所定範囲内(具体的には、95V~107V)になるように制御されている。受電電圧が所定範囲の上限値(許容上限値)に達している状況で、需要家側から電力系統に電力が供給されると、電力系統の電圧が上昇し、その結果、各需要家における受電点の受電電圧が許容上限値を超えるおそれがある。このため、逆潮流が可能な分散型電源システムでは、受電電圧が許容上限値を超えないようにするために、受電電圧が許容上限値に近づくと、逆潮流となっているか否かに拘わらず、分散型電源の出力を抑制する出力抑制制御が行われる。
【0005】
しかし、このような出力抑制制御が行われると、分散型電源が設置された需要家内の負荷の消費電力を、分散型電源から供給する電力で賄いきれなくなる場合がある。そうすると、分散型電源の利用効率が低下してしまう。
【0006】
本発明は、このような課題に鑑み、分散型電源の利用効率の低下を抑制可能な分散型電源システムを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【0007】
上記課題を解決するために、本発明の分散型電源システムは、電力系統からの受電点における電力を計測するスマートメータと、他のエネルギーを電気エネルギーに変換して電気を生成する発電部と、電力系統と発電部との間の電流経路に設けられ、発電部で発電された電力を変換する電力変換部と、出力制御部と、を備え、受電点における受電電圧の許容可能な所定範囲の上限値が、許容上限値であり、許容上限値より低く、許容上限値付近に設定された電圧が、第1電圧であり、出力制御部は、受電電圧が第1電圧以下であると判定した場合、電力変換部の出力電圧が許容上限値で一定となるように定電圧制御を行い、受電電圧が第1電圧を超えると判定した場合、受電点における電力に基づいて導出される潮流方向が逆潮流であるかを判定し、受電電圧が第1電圧を超え、かつ、潮流方向が逆潮流であると判定した場合、電力変換部の出力電圧を第1電圧より低い電圧に低下させ、受電電圧が第1電圧を超え、かつ、潮流方向が順潮流であると判定した場合、電力変換部の出力電圧が許容上限値で一定となるように定電圧制御を行う。
【0008】
また、スマートメータは、受電点における受電電圧を計測し、出力制御部は、スマートメータで計測された受電電圧を用いて、受電電圧が第1電圧を超えるか否かの判断を行ってもよい。
【発明の効果】
【0009】
本発明によれば、分散型電源の利用効率の低下を抑制可能となる。
【図面の簡単な説明】
【0010】
【
図1】本実施形態による分散型電源システムの構成を示す概略図である。
【
図2】出力制御部の動作の流れを説明するフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【0011】
以下に添付図面を参照しながら、本発明の実施形態の態様について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値等は、発明の理解を容易とするための例示にすぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。
【0012】
図1は、本実施形態による分散型電源システム1の構成を示す概略図である。
図1では、制御信号の流れを破線の矢印で示している。
【0013】
分散型電源システム1は、例えば、太陽光発電装置などの分散型電源10を含む太陽光発電システムである。分散型電源システム1では、分散型電源10が設置された需要家側から電力系統12に電力を供給することができる。以後、電力の供給方向を潮流方向と呼ぶ場合がある。また、電力系統12から需要家側に電力が供給されることを、順潮流と呼ぶ場合があり、需要家側から電力系統12に電力が供給されることを、逆潮流と呼ぶ場合がある。
【0014】
分散型電源システム1は、分散型電源10の他、スマートメータ20、分電盤22および負荷24を含む。
【0015】
スマートメータ20は、電力系統12に接続され、需要家における電力系統12からの受電点に設置される。受電点は、需要家と電力系統12との境界を示す。スマートメータ20は、計測部30、通信部32およびサービスブレーカ34を含む。なお、
図1では、サービスブレーカ34をSBと表記している。
【0016】
計測部30は、受電点を流れる電流、受電点にかかる電圧(受電点における受電電圧)、受電点における電流および電圧の位相差から導出される力率、受電点における電力(受電点を通じる電力)、および、受電点における所定時間分(例えば、30分)の電力量(kWh)を計測する。なお、計測部30は、受電点における順潮流の電力を正値として計測し、受電点における逆潮流の電力を負値として計測してもよい。つまり、受電点の電力は、順潮流だけでなく逆潮流の場合も含まれる。
【0017】
通信部32は、外部と通信(無線通信または有線通信)を確立し、計測部30の計測結果などの内部情報(例えば、受電点における受電電圧および電力など)を外部に送信することができる。例えば、通信部32は、無線LANなどを通じて分散型電源10と通信を確立し、分散型電源10に内部情報を送信することができる。
【0018】
サービスブレーカ34は、契約電流容量を超過する電流が流れたときに遮断される。なお、サービスブレーカ34の機能は、分電盤22に設けられてもよい。
【0019】
分電盤22は、需要家の屋内に設置され、スマートメータ20に接続される。分電盤22は、漏電ブレーカ40、複数の分岐ブレーカ42a、42bを含む。なお、
図1では、漏電ブレーカ40をELBと表記している。
【0020】
漏電ブレーカ40は、スマートメータ20のサービスブレーカ34に接続される。漏電ブレーカ40は、漏電が生じた場合に遮断される。漏電ブレーカ40には、複数の分岐ブレーカ42a、42bが接続される。以後、複数の分岐ブレーカ42a、42bを総称して、分岐ブレーカ42と呼ぶ場合がある。なお、漏電ブレーカ40に接続される分岐ブレーカ42の数は、2個に限らず、1個でもよいし、3個以上であってもよい。
【0021】
複数の分岐ブレーカ42のうち、例えば、分岐ブレーカ42aには、負荷24が接続される。電力系統12は、分電盤22を通じて負荷24に電力を供給することができる。また、複数の分岐ブレーカ42のうち、例えば、分岐ブレーカ42bには、分散型電源10が接続される。
【0022】
分散型電源10は、例えば、需要家において発電する太陽光発電装置である。なお、分散型電源10は、太陽光発電装置に限らず、風力発電機、水力発電機、地熱発電機、太陽熱発電機、大気中熱発電機等の再生可能エネルギー発電設備であってもよいし、燃料電池、内燃力発電機、蓄電池等であってもよい。
【0023】
分散型電源10は、発電部50およびパワーコンディショナ52を含む。発電部50は、電力系統12とは独立して構成される。発電部50は、例えば、太陽電池で構成され、他のエネルギー(電気エネルギー以外のエネルギー)を電気エネルギーに変換して電気を生成(発電)する。
【0024】
パワーコンディショナ52は、電力変換部60、通信部62および制御部64を含む。発電部50は、電力変換部60を通じて分電盤22の分岐ブレーカ42bに接続される。
【0025】
電力変換部60は、発電部50で発電された電力を変換して分電盤22に出力する。つまり、発電部50は、電力変換部60および分電盤22を通じて負荷24に接続可能であり、発電した電力を負荷24に供給可能である。
【0026】
また、上述のように、発電部50は、電力変換部60を通じて分電盤22に接続され、分電盤22は、スマートメータ20を通じて電力系統12に接続される。その結果、発電部50は、電力変換部60および分電盤22を通じて電力系統12に接続されることとなる。換言すると、電力変換部60は、電力系統12と発電部50との間の電流経路に設けられる。このため、発電部50は、発電した電力のうち余剰電力(負荷24で消費されない残りの電力)を、分電盤22およびスマートメータ20を通じて電力系統12に供給可能である。つまり、需要家は、余剰電力を電力系統12側に売電することができる。
【0027】
電力変換部60は、具体的には、DC/DCコンバータ70およびインバータ72を含む。DC/DCコンバータ70は、発電部50で発生した直流電圧を、所望の直流電圧に変換してインバータ72に出力する。DC/DCコンバータ70は、例えば、昇圧チョッパである。
【0028】
インバータ72は、DC/DCコンバータ70による変換後の直流電圧を、商用周波数(50Hzまたは60Hz)の交流電圧に変換して分電盤22に出力する。
【0029】
通信部62は、外部と通信(無線通信または有線通信)を確立し、少なくとも情報を受信できる。通信部62は、例えば、スマートメータ20の通信部32と通信を確立し、スマートメータ20の内部情報を受信する。具体的には、通信部62は、スマートメータ20で計測された受電点における受電電圧および電力を受信できる。
【0030】
制御部64は、中央処理装置(CPU)、プログラム等が格納されたROM、ワークエリアとしてのRAM等を含む半導体集積回路から構成される。制御部64は、プログラムを実行することで、電力変換部60を制御する出力制御部80として機能する。
【0031】
ところで、電力系統12では、負荷24に安定した電力を供給するために、需要家における受電電圧が所定範囲内(具体的には、95V~107V)になるように制御されている。需要家は、逆潮流が可能な分散型電源10に限り、逆潮流させても受電電圧が上述の所定範囲内に維持される状況で、逆潮流させる(売電する)ことができる。以下、受電電圧の許容可能な所定範囲の上限値(具体的には、107V)を、許容上限値と呼ぶ。
【0032】
出力制御部80は、基本的には、発電部50から出力される電圧および電流の計測値に基づいて、発電部50から出力される電力が最大となるように、DC/DCコンバータ70について最大電力点追従制御(MPPT制御)を行う。
【0033】
また、出力制御部80は、電力系統12の電力を電力変換制御用の電力として取得する。例えば、出力制御部80は、電力変換制御用の電力を、電力変換部60を通じた電流経路とは別個の不図示の電流経路を通じて取得する。出力制御部80は、取得された電力変換制御用の電力に基づいて、インバータ72による電力変換後の周波数および位相が電力系統12の周波数および位相に合うようにインバータ72を制御する。
【0034】
また、出力制御部80は、基本的には、インバータ72(電力変換部60)の出力電圧が所定の電圧(以後、第2電圧と呼ぶ場合がある)で一定となるように、インバータ72について定電圧制御を行う。ここでの所定の電圧(第2電圧)は、例えば、上述の許容上限値である。インバータ72の出力電圧を第2電圧(許容上限値)とすることで、電力系統12に対してインバータ72の出力電圧が高くなり、逆潮流させることができる。
【0035】
ここで、電力系統12から各需要家に供給される電力と各需要家での消費電力とのバランスがとれている状況で、電力系統12に電力が供給(逆潮流)されると、電力系統12の電力が余剰となり、電力系統12の電圧が上昇する。電力系統12の電圧が上昇して各需要家での受電電圧が許容上限値に達している状況で、さらに電力系統12に電力が供給されると、各需要家の受電点における受電電圧が許容上限値を超えるおそれがある。
【0036】
受電点における受電電圧が許容上限値を超えてはならないため、逆潮流が可能な分散型電源10の出力制御部80は、受電点における受電電圧が許容上限値に近づくと、分散型電源10の出力を抑制する出力抑制制御を行う。具体的には、出力制御部80は、電力変換部60の出力電圧を、定電圧制御していた第2電圧より低下させる。さらに具体的には、出力制御部80は、電力変換部60の出力を、電力系統12の電圧よりも低下させる。そうすると、逆潮流が防止され、その結果、受電電圧がさらに上昇することを回避でき、受電電圧を許容上限値以下に維持することが可能となる。
【0037】
しかし、単に、電力変換部60の出力電圧を低下させると、分散型電源10が設置された需要家内(構内)の負荷24の消費電力を、分散型電源10から供給する電力で賄いきれなくなる場合がある。そうすると、分散型電源10の利用効率が低下してしまう。
【0038】
そこで、本実施形態の分散型電源システム1の出力制御部80は、以下のような制御を行う。出力制御部80は、通信部62を通じて、スマートメータ20から受電点における受電電圧および電力を取得する。出力制御部80は、取得した受電電圧が所定の第1電圧を超えたか否かを判断する。第1電圧は、許容上限値より低く、その許容上限値付近の電圧に設定される。例えば、第1電圧は、105Vなどに設定される。また、上述の第2電圧の具体例が許容上限値であるため、第1電圧は、第2電圧より低い。
【0039】
出力制御部80は、受電電圧が第1電圧以下である場合、通常制御を行う。つまり、出力制御部80は、DC/DCコンバータ70についてMPPT制御を行い、電力変換部60の出力電圧が第2電圧(許容上限値)で一定となるようにインバータ72について定電圧制御を行う。以後、電力変換部60の出力電圧が第2電圧で一定となるように定電圧制御を行っている時を、通常時と呼ぶ場合がある。
【0040】
出力制御部80は、受電電圧が第1電圧を超えた場合、受電点における潮流方向によって電力変換部60の制御を異ならせる。
【0041】
具体的には、出力制御部80は、スマートメータ20から取得された受電点における電力に基づいて、受電点における潮流方向を導出する。具体的には、出力制御部80は、スマートメータ20から取得された電力が負値であれば、潮流方向が逆潮流であるとし、正値であれば、潮流方向が順潮流であるとする。
【0042】
なお、潮流方向は、スマートメータ20において導出されてもよい。この場合、出力制御部80は、スマートメータ20から潮流方向の導出結果を取得してもよい。
【0043】
潮流方向が逆潮流である場合、出力制御部80は、出力抑制制御を行う。つまり、出力制御部80は、電力変換部60の出力電圧を第2電圧より低下させる。換言すると、出力制御部80は、電力変換部60の出力電圧が第2電圧より低い電圧で一定となるように定電圧制御する。電力変換部60の出力電圧を低下させると、受電点における受電電圧よりも電力変換部60の出力電圧を低くすることができる。これにより、逆潮流となることが中止され、受電点における受電電圧を許容上限値以下に維持することができる。
【0044】
具体的には、出力制御部80は、インバータ72に送信するパルス幅変調(PWM)信号のデューティ比を、通常時のデューティ比より小さくさせる。これにより、インバータ72におけるスイッチング素子のオン時間の比率が小さくなり、電力変換部60の出力電圧が低下する。
【0045】
低下させる出力電圧の目標値は、例えば、第1電圧(例えば、105V)よりも低い電圧(例えば、104Vなど)に設定される。つまり、出力制御部80は、電力変換部60の出力電圧を、第2電圧よりも低い第1電圧よりもさらに低くさせる。受電電圧が第1電圧を超えている状態であるため、電力変換部60の出力電圧は、第1電圧よりも低い値に制御されることで、受電点における受電電圧よりも低くなる。これにより、逆潮流となることをより確実に中止することができ、その結果、受電点における受電電圧が許容上限値を超えることを、より確実に防止できる。なお、低下させる出力電圧の目標値の具体的な設定値は、この例に限らない。
【0046】
また、電力変換部60の出力電圧を低下させる具体的な方法は、インバータ72のデューティ比を小さくさせる態様に限らない。例えば、出力制御部80は、DC/DCコンバータ70におけるMPPT制御を停止し、DC/DCコンバータ70の出力電圧(インバータ72の入力電圧)を通常時より低下させることで、電力変換部60の出力電圧を低下させてもよい。
【0047】
一方、潮流方向が順潮流である場合、出力制御部80は、通常制御を維持する。つまり、出力制御部80は、電力変換部60の出力電圧を第2電圧で維持させる(第2電圧で一定となるように定電圧制御を行う)。
【0048】
上述のように、第1電圧は、許容上限値よりも小さく設定されている。このため、受電電圧が第1電圧を超えても、受電電圧が許容上限値に達するまでには、少し余裕がある。しかし、受電電圧が第1電圧を超えた時点で、すでに逆潮流となっている場合には、その後、受電電圧がさらに上昇して許容上限値を超えるおそれがある。このため、受電電圧が第1電圧を超え、かつ、逆潮流となっている場合には、出力制御部80は、電力変換部60の出力電圧を第2電圧より低下させ(出力制御を行い)、受電電圧が許容上限値を超えることを未然に防止する。
【0049】
また、受電電圧が第1電圧を超えた時点で、順潮流となっている場合、電力系統12から電力の供給を受けなければ需要家内の負荷24に対応しきれない(余剰電力がない)状況となっている。このため、出力制御部80は、出力抑制制御を行わず、通常制御を行い、発電部50の電力が需要家内の負荷24に可能な限り供給されるようにする。
【0050】
つまり、本実施形態の分散型電源システム1では、受電電圧が第1電圧を超えても、受電点の潮流方向が順潮流であれば、出力抑制制御が行われず通常制御が行われる。このため、本実施形態の分散型電源システム1では、受電電圧が第1電圧を超えた場合に常に出力抑制制御を行う態様に比べ、発電部50から需要家内の負荷24に供給する電力が減少することを抑制できる。
【0051】
また、受電電圧が第1電圧を超え、かつ、順潮流の場合、発電部50の発電電力が電力系統12に供給されないため、その後、受電電圧がさらに上昇して許容上限値を超える可能性が低い。このため、受電電圧が第1電圧を超える場合において、出力抑制制御を行わないとしても、受電電圧が許容上限値を超えることを回避できる。
【0052】
図2は、出力制御部80の動作の流れを説明するフローチャートである。出力制御部80は、所定制御周期(例えば、1分など)の割り込み制御として
図2の一連の処理を繰り返す。
【0053】
まず、出力制御部80は、通信部62を通じてスマートメータ20から受電点における受電電圧および電力を取得する(S100)。次に、出力制御部80は、取得された受電点の受電電圧が第1電圧を超えたか否かを判断する(S110)。
【0054】
受電電圧が第1電圧を超えていない場合(S110におけるNO)、出力制御部80は、通常制御を行う(S120)。つまり、出力制御部80は、電力変換部60の出力電圧を第2電圧(許容上限値)で一定にさせる。
【0055】
受電電圧が第1電圧を超えた場合(S110におけるYES)、出力制御部80は、取得された受電点における電力に基づいて、受電点における潮流方向を導出する(S130)。次に、出力制御部80は、導出された潮流方向が逆潮流であるか否かを判断する(S140)。
【0056】
潮流方向が逆潮流ではない(順潮流である)場合(S140におけるNO)、出力制御部80は、通常制御を継続する(S120)。つまり、出力制御部80は、電力変換部60の出力電圧を、第2電圧(許容上限値)で維持させる。
【0057】
潮流方向が逆潮流である場合(S140におけるYES)、出力制御部80は、出力抑制制御を行う(S150)。つまり、出力制御部80は、電力変換部60の出力電圧を、第2電圧より低下させる。
【0058】
以上のように、本実施形態の分散型電源システム1の出力制御部80は、受電点における受電電圧が所定の第1電圧以下の場合、電力変換部60の出力電圧が所定の第2電圧で一定となるように定電圧制御を行う。また、出力制御部80は、受電電圧が第1電圧を超え、かつ、受電点における電力に基づいて導出される潮流方向が逆潮流である場合、電力変換部60の出力電圧を第2電圧より低下させる。また、出力制御部80は、受電電圧が前記第1電圧を超え、かつ、潮流方向が順潮流である場合、電力変換部60の出力電圧を第2電圧に維持させる。
【0059】
これにより、本実施形態の分散型電源システム1では、受電点における受電電圧が第1電圧を超えても、順潮流であれば、電力変換部60の出力電圧が低下しないため、分散型電源10から負荷24に十分な電力を供給することができる。
【0060】
したがって、本実施形態の分散型電源システム1によれば、分散型電源10の利用効率の低下を抑制可能となる。
【0061】
また、本実施形態の分散型電源システム1の出力制御部80は、スマートメータ20で計測された受電電圧を用いて、受電電圧が第1電圧を超えるか否かの判断を行っている。このため、本実施形態の分散型電源システム1では、受電点における受電電圧を計測する電圧計を、新たに分電盤22などに設置しなくてもよい。その結果、本実施形態の分散型電源システム1では、分散型電源システム1を導入するための工事を簡易化することができ、導入時のコストを抑えることが可能となる。
【0062】
なお、例えば、受電点の受電電圧を計測する電圧計が、スマートメータ20とは別個に分電盤22などに既にある場合には、出力制御部80は、その電圧計で計測される受電電圧を用いて、受電点の受電電圧が第1電圧を超えるか否かの判断を行ってもよい。また、出力制御部80は、電力変換制御用の電力から受電点における受電電圧を導出し、導出された受電電圧を用いて、受電電圧が第1電圧を超えるか否かの判断を行ってもよい。
【0063】
以上、添付図面を参照しながら本発明の実施形態について説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【産業上の利用可能性】
【0064】
本発明は、分散型電源システムに利用することができる。
【符号の説明】
【0065】
1 分散型電源システム
12 電力系統
20 スマートメータ
50 発電部
60 電力変換部
80 出力制御部