JP2016201893A - 系統連系システム - Google Patents

Abstract

【課題】 エネルギー効率の高い系統連系システムを提供すること。【解決手段】 バッテリ１Ａに接続された第一コンバータ４が、バッテリ１Ａから放電された直流を一定の電圧の直流に昇圧し、昇圧した直流を接続器７側に出力する絶縁型昇圧コンバータ部４１と、バッテリ１Ａと絶縁型昇圧コンバータ部４１との間に設けられた開閉器４２と、バッテリ１Ａと接続器７との間に設けられ、接続器７から入力される直流を降圧し、降圧した直流をバッテリ１Ａに出力する非絶縁型降圧コンバータ部４３と、を備える。ＨＥＭＳ１０は、バッテリ１Ａが放電する際には開閉器４２が閉じ、バッテリ１Ａが充電される際には開閉器４２が開くように、開閉器４２を制御する。【選択図】 図２

Description

本発明は、系統連系システムに関する。

従来より、太陽電池発電装置、風力発電機等の、再生可能エネルギーを利用した発電装置、燃料電池発電装置等の化学反応を利用した発電装置、或いは、ガスタービン発電装置、ガスエンジン発電装置等の、化石燃料を利用した発電装置、を、商用電源系統等の交流系統に連系した系統連系システムが提案されている。さらに、上記の発電装置に加え、蓄電池等の充放電可能な蓄電デバイスをも、交流系統に連系した系統連系システムも提案されている。

発電装置及び蓄電デバイスを備える系統連系システムは、例えば、昼間に太陽電池発電装置等により発電された電力の余剰分（余剰電力）を蓄電デバイスに充電することができる。そして、充電した電力を夜間に放電して家庭内の電力負荷を作動させることによって、太陽電池発電装置等により発電された余剰電力を有効利用することができる。また、電気料金の安い深夜電力を蓄電デバイスに充電することもできる。そして、充電した深夜電力を昼間に放電して家庭内の電力負荷を作動させることにより、発生する電気料金を下げることができる。

各種の発電装置及び蓄電デバイスを商用電源系統等の交流系統に連系するために、パワーコンディショナと呼ばれる系統連系装置が必要とされる。系統連系装置によって、各種の発電装置及び蓄電デバイスからの直流が、昇圧或いは降圧されるとともに、交流系統の交流と同じ周波数の交流に変換される。こうして変換された交流が、交流系統に接続される。特許文献１は、系統連系装置に利用可能な双方向コンバータを開示する。

通常では、各発電装置及び蓄電デバイスの各々に一対一に対応するように、複数の系統連系装置が、系統連系システム内に備えられる。複数の系統連系装置が系統連系システム内に備えられている場合、系統連系システムの構成が複雑化するとともに、系統連系システムを構築するためのイニシャルコストが増大する。そこで、特許文献２は、複数の系統連系装置にそれぞれ備えられていたインバータ（交流側変換装置）を共通化した系統連系システムを開示する。これによれば、複数の発電装置及び蓄電デバイスからの直流が並列接続され、並列接続された直流が、共通のインバータによって交流に変換される。インバータが共通化されることによって、系統連系システムの構成部品を削減することができる。その結果、系統連系システムが単純化されるとともに、構成部品の削減によって、系統連系システムを構築するためのイニシャルコストを低減することができる。

特開２０１４−１１０６６６５号公報 特許第３９５０７０６号明細書

（発明が解決しようとする課題）
系統連系システムを効率的に運用するために、ＥＭＳ（エネルギーマネージメントシステム）が、用いられる。特に、一般家庭用の系統連系システムに用いられるＥＭＳは、ＨＥＭＳ（ホームエネルギーマネージメントシステム）と呼ばれる。ＨＥＭＳが、各発電装置、蓄電デバイス、および系統連系装置を制御することにより、系統連系システムの効率的な運用が実現される。

しかし、いくらＨＥＭＳが効率的な運用を実現したとしても、系統連系システムを構成する各機器を作動させることによるエネルギー損失が大きい場合、システム全体としてのエネルギー効率が低下する。例えば、発電装置及び蓄電デバイスからの直流を昇圧或いは降圧する際に、エネルギー損失が発生する。また、蓄電デバイスに電力を充電する際にも、エネルギー損失が発生する。また、昇圧或いは降圧された直流を交流に変換する際に、変換効率に起因したエネルギー損失が発生する。エネルギー損失が発生すると、その分だけエネルギー効率が低下する。また、系統連系装置の制御のための電気エネルギー、蓄電デバイスの保護のため電気エネルギー、蓄電デバイスの充放電のための電気エネルギー等の、制御電源が、系統連系システムに必要である。この制御電源を発電装置及び蓄電デバイスからの電気エネルギーにより賄う場合、その分だけ、電力負荷に消費させるためのエネルギーの比率が低下し、これに起因してエネルギー効率が低下する。従って、系統連系システムのエネルギー効率を向上させるためには、システム内部の機器でのエネルギー効率を向上させる必要がある。

本発明は、エネルギー効率の高い系統連系システムを提供することを目的とする。

（課題を解決するための手段）
本発明は、直流を充放電可能な蓄電デバイス（１Ａ）と、再生可能エネルギーを利用して直流電力を発電する発電装置（１Ｂ）と、蓄電デバイスに接続され、蓄電デバイスから放電された直流を昇圧する機能を有する第一直流側変換装置（４）と、発電装置に接続され、発電装置にて発電された直流を昇圧する機能を有する第二直流側変換装置（５）と、第一直流側変換装置と第二直流側変換装置とを並列接続する接続器（７）と、接続器から出力される直流を交流に変換するとともに、変換された交流が交流系統に連系されるように構成される交流側変換装置（８）と、第一直流側変換装置、第二直流側変換装置、及び交流側変換装置を制御する制御装置（１０）と、を備えた系統連系システムであって、第一直流側変換装置が、蓄電デバイスから放電された直流を昇圧し、昇圧した直流を接続器に出力する絶縁型昇圧コンバータ部（４１）と、蓄電デバイスと絶縁型昇圧コンバータ部との間に設けられ、開閉することによって、蓄電デバイスから絶縁型昇圧コンバータ部への電力の供給が可能な供給状態と、蓄電デバイスから絶縁型昇圧コンバータ部への電力の供給が不能な遮断状態とを、切換可能な開閉器（４２）と、蓄電デバイスと接続器との間に設けられ、接続器から入力される直流を降圧し、降圧した直流を蓄電デバイスに出力する非絶縁型降圧コンバータ部（４３）と、を備え、制御装置は、蓄電デバイスが放電する際には開閉器が閉じ、蓄電デバイスが充電される際には開閉器が開くように、開閉器を制御する、系統連系システム（１００）を提供する。

この場合、絶縁型昇圧コンバータ部は、蓄電デバイスから放電された直流を交流に変換する内部変換器（４１ａ）と、内部変換器にて変換された交流を昇圧する変圧器（４１ｂ）と、変圧器に接続された共振回路（４１ｃ）と、共振回路から出力された交流を直流に変換し、変換した直流を接続器に出力する整流回路（４１ｄ）と、を備えるのがよい。そして、制御装置は、内部変換器により変換された交流の周波数が共振回路の共振周波数に一致するように、内部変換器を制御するのがよい。さらにこの場合、制御装置は、絶縁型昇圧コンバータ部の出力が一定になるように、絶縁型昇圧コンバータ部に備えられる内部変換器を制御するとよい。

また、非絶縁型降圧コンバータ部は、接続器に接続されたスイッチング素子（４３ｂ）と、蓄電デバイスとスイッチング素子との間に設けられたコイル（４３ｄ）とを備え、制御装置は、発電装置の余剰電力を蓄電デバイスに充電する際に、蓄電デバイスが交流系統からの電力を充電しないように、余剰電力の大きさに応じてスイッチング素子を制御するとよい。

本発明によれば、直流を充放電可能な蓄電デバイスから放電された直流は、絶縁型昇圧コンバータ部にて昇圧された後に、交流側変換装置で交流に変換される。絶縁型昇圧コンバータ部は、内部変換器、変圧器、共振回路、整流回路を有しており、蓄電デバイスから放電された直流は、内部変換器で一旦直流を交流に変換した後に、変圧器で昇圧される。その後、整流回路にて直流に変換される。このとき、内部変換器で変換した交流の周波数を共振回路の共振周波数に一致させることにより、電流波形が正弦波になり、変圧器におけるエネルギー損失を低減することができる。

さらに、本発明によれば、蓄電デバイスから放電された直流を絶縁型昇圧コンバータ部で昇圧する場合、絶縁型昇圧コンバータの出力（電力）が一定になるように、つまり出力が固定されるように、制御装置によって絶縁型昇圧コンバータ部の内部変換装置を制御することができる。このとき、絶縁型昇圧コンバータ部におけるエネルギー損失が最も小さくなるような、すなわち最も効率が高くなるように、絶縁型昇圧コンバータ部の出力を固定することで、蓄電デバイスの放電時におけるエネルギー損失をより一層低減することができる。

また、発電装置の余剰電力を蓄電デバイスに充電する際に、非絶縁型降圧コンバータ部に備えられるスイッチング素子は、発電装置の余剰電力のみが蓄電デバイスに充電され、交流系統からの電力が蓄電デバイスに充電されないように、発電装置の余剰電力の大きさに応じて、制御装置により制御される。このため、蓄電デバイスの充電時に交流系統からの電力を引き込む構成と比較して、充電時のエネルギー損失を低減することができる。

このように、本発明に係る系統連系システムによれば、蓄電デバイスの放電時、及び充電時のそれぞれの場合において、エネルギー損失が低減されるように、構成されている。よって、エネルギー効率の高い系統連系システムを提供することができる。

本実施形態に係る系統連系システムの概略構成を示すブロック図である。 第一コンバータの構成を示すブロック図である。

以下、本発明の実施形態について説明する。図１は、本実施形態に係る系統連系システムの概略構成を示すブロック図である。図１に示すように、本実施形態に係る系統連系システム１００は、複数の分散型電源（バッテリ１Ａ，太陽電池発電装置１Ｂ，燃料電池発電装置１Ｃ）と、各分散型電源に接続された複数の電気配線（第一電気配線２Ａ、第二電気配線２Ｂ、第三電気配線２Ｃ）と、系統連系装置３と、制御装置としてのＨＥＭＳ１０とを備える。

複数の分散型電源は、充放電可能な蓄電デバイスと、再生可能エネルギーを利用した発電装置とを含む。本実施形態においては、充放電可能な蓄電デバイスとしてバッテリ１Ａが例示される。このバッテリ１Ａは、リチウムイオン電池（リチウムイオン二次電池或いはリチウムイオンキャパシタ）でも良いが、鉛蓄電池であるのが好ましい。鉛蓄電池の充放電効率はリチウムイオン電池よりも多少低いが、鉛蓄電池は、電池自体の保護回路を必要としない。従って、システム全体のエネルギー効率を考えた場合、鉛蓄電池を使用した方が、エネルギー効率は高い。また、再生可能エネルギーを利用した発電装置として太陽電池発電装置１Ｂが例示される。再生可能エネルギーを利用した発電装置として、太陽電池発電装置１Ｂに代えて、或いは、太陽電池発電装置１Ｂに加えて、小型風力発電装置等を用いることができる。また、本実施形態においては、化学反応を利用した発電装置としての燃料電池発電装置１Ｃをも備える。これらの分散型電源は、直流を生成する。

バッテリ１Ａに第一電気配線２Ａが接続される。第一電気配線２Ａにはバッテリ１Ａから放電される直流、及び、バッテリ１Ａに充電される直流が流れる。また、太陽電池発電装置１Ｂに第二電気配線２Ｂが接続される。第二電気配線２Ｂには太陽電池発電装置１Ｂで発電された直流が流れる。また、燃料電池発電装置１Ｃには第三電気配線２Ｃが接続される。第三電気配線２Ｃには燃料電池発電装置１Ｃで発電された直流が流れる。

系統連系装置３は、第一コンバータ４（第一直流側変換装置）と、第二コンバータ５（第二直流側変換装置）と、第三コンバータ６と、接続器７（直流中間回路）と、インバータ８（交流側変換装置）とを備える。

第一コンバータ４は、第一電気配線２Ａを介してバッテリ１Ａに接続される。第一コンバータ４は、バッテリ１Ａから放電された直流を昇圧し、昇圧した直流を接続器７に出力する機能を有する。加えて、第一コンバータ４は、接続器７側から入力された直流を降圧し、降圧した直流を充電電流としてバッテリ１Ａに出力する機能を有する。第二コンバータ５は、第二電気配線２Ｂを介して太陽電池発電装置１Ｂに接続される。第二コンバータ５は、太陽電池発電装置１Ｂで発電された直流を昇圧し、昇圧した直流を接続器７に出力する機能を有する。第三コンバータ６は、第三電気配線２Ｃを介して燃料電池発電装置１Ｃに接続される。第三コンバータ６は、燃料電池発電装置１Ｃで発電された直流を昇圧し、昇圧した直流を接続器７に出力する機能を有する。

接続器７にて、第一コンバータ４からの出力電流、第二コンバータ５からの出力電流、及び、第三コンバータ６からの出力電流が、重畳される。つまり、接続器７は、第一コンバータ４、第二コンバータ５、及び第三コンバータ６を、並列接続する。

また、接続器７は、インバータ８に接続されており、入力した直流をインバータ８に出力する機能を有する。インバータ８は、接続器７側から入力された直流を、交流系統としての商用電源系統Ｃの交流と同じ周波数の交流に変換し、変換した交流を、商用電源系統Ｃに出力する。これにより、本実施形態に係る系統連系システム１００にて生成された交流が、商用電源系統Ｃに連系される。

太陽電池発電装置１Ｂ及び燃料電池発電装置１Ｃは、充電機能を有さないため、これらの発電装置に接続されたコンバータ（第二コンバータ５及び第三コンバータ６）は、それぞれの発電装置１Ｂ，１Ｃから出力された直流を昇圧する機能のみを有する。

一方、バッテリ１Ａは、充放電可能であるため、バッテリ１Ａに接続された第一コンバータ４は、バッテリ１Ａから放電された直流を昇圧する機能、及び、接続器７側からの直流を降圧する機能を有する。図２は、このような昇圧機能及び降圧機能を有する第一コンバータ４の構成を示すブロック図である。

図２に示すように、第一コンバータ４は、絶縁型昇圧コンバータ部４１と、開閉器４２と、非絶縁型降圧コンバータ部４３とを有する。バッテリ１Ａが、第一電気配線２Ａを介して、開閉器４２に接続される。開閉器４２は、絶縁型昇圧コンバータ部４１の入力側に接続される。従って、開閉器４２は、バッテリ１Ａと絶縁型昇圧コンバータ部４１との間に設けられることになる。また、絶縁型昇圧コンバータ部４１の出力側は、接続器７に接続される。従って、絶縁型昇圧コンバータ部４１は、開閉器４２を介してバッテリ１Ａと接続器７との間に設けられることになる。

開閉器４２は、開閉動作可能な切換装置である。開閉器４２が閉状態であるときには、バッテリ１Ａと絶縁型昇圧コンバータ部４１とが接続されて、バッテリ１Ａから絶縁型昇圧コンバータ部４１への電力の供給が可能になる。一方、開閉器４２が開状態であるときには、バッテリ１Ａと絶縁型昇圧コンバータ部４１との接続が遮断されて、バッテリ１Ａから絶縁型昇圧コンバータ部４１への電力の供給が不能になる。つまり、開閉器４２は、開閉することによって、バッテリ１Ａから絶縁型昇圧コンバータ部４１への電力の供給が可能な供給状態と、バッテリ１Ａから絶縁型昇圧コンバータ部４１への電力の供給が不能な遮断状態とを、切換可能に構成される。

絶縁型昇圧コンバータ部４１は、内部変換器４１ａと、変圧器４１ｂと、共振回路４１ｃと、整流回路４１ｄとを備える。内部変換器４１ａは、本実施形態では、４つのスイッチング素子を備えたＨブリッジ回路により構成されており、開閉器４２を介して、バッテリ１Ａから放電された直流が入力される。内部変換器４１ａは、入力された直流を交流に変換する。変圧器４１ｂは一次側コイルＣ１と二次側コイルＣ２を備え、内部変換器４１ａで変換された交流が一次側コイルＣ１に流れるように、内部変換器４１ａに接続される。変圧器４１ｂは、一次側コイルＣ１に入力された交流の電圧を昇圧し、二次側コイルＣ２に昇圧された交流を出力する。

共振回路４１ｃは、変圧器４１ｂの二次側コイルＣ２に接続される。共振回路４１ｃは、周知のように、コイルとキャパシタとを備えて構成される。共振回路４１ｃは、コイルのインダクタンスＬとキャパシタの容量Ｃとで定まる共振周波数の交流が入力されたとき、正弦波の交流を出力する。整流回路４１ｄは共振回路４１ｃの出力側に接続され、共振回路４１ｃから出力された交流を、直流に整流する。そして、整流回路４１ｄから出力された直流が、接続器７に入力される。

また、非絶縁型降圧コンバータ部４３は、バッテリ１Ａと接続器７との間に、絶縁型昇圧コンバータ部４１と並列的に設けられる。この非絶縁型降圧コンバータ部４３は、分岐配線４３ａと、スイッチング素子４３ｂと、ダイオード４３ｃと、コイル４３ｄと、平滑コンデンサ４３ｅと、過電圧防止回路４３ｆを備える。

分岐配線４３ａの一方の端部は、第一電気配線２Ａに接続される。一方、分岐配線４３ａの他方の端部は接続器７に接続される。この分岐配線４３ａの途中に、スイッチング素子４３ｂ、ダイオード４３ｃ、コイル４３ｄ、平滑コンデンサ４３ｅ、及び、過電圧防止回路４３ｆが介装される。分岐配線４３ａの他方端側（接続器７側）を上流側とし、一方端側（バッテリ１Ａ側）を下流側としたとき、分岐配線４３ａの上流側から下流側に向かって、スイッチング素子４３ｂ、ダイオード４３ｃ、コイル４３ｄ、平滑コンデンサ４３ｅ、過電圧防止回路４３ｆが、この順に設けられる。

この非絶縁型降圧コンバータ部４３は、公知の非絶縁型降圧チョークコンバータの構成と同一の構成であってもよい。図２に示すように、非絶縁型降圧コンバータ部４３のスイッチング素子４３ｂは、分岐配線４３ａのプラスライン（第一電気配線２Ａのプラスライン（第一電気配線２Ａのうちバッテリ１Ａの正極端子に接続される配線）から分岐した配線）に介装される。ダイオード４３ｃは、スイッチング素子４３ｂが介装されている部分よりも下流側の部分にて、分岐配線４３ａのプラスラインとマイナスライン（第一電気配線２Ａのうちバッテリ１Ａの負極端子に接続される配線）との間に介装される。ダイオード４３ｃは、分岐配線４３ａのマイナスラインからプラスラインへの電流の通過を許容し、プラスラインからマイナスラインへの電流の通過を遮断する。平滑コンデンサ４３ｅは、ダイオード４３ｃの下流側に配設され、分岐配線４３ａのプラスラインとマイナスラインとの間に介装される。コイル４３ｄは、分岐配線４３ａのプラスラインのうち、ダイオード４３ｃが設けられている部分と平滑コンデンサ４３ｅが設けられている分との間の部分に介装される。平滑コンデンサ４３ｅの下流側に設けられた過電圧防止装置４３ｆは、バッテリ１Ａの充電時にバッテリ１Ａに過大な電圧が印加されないように、非絶縁型降圧コンバータ部４３により降圧される電圧を適正な上限電圧に規制する。

ＨＥＭＳ１０は、ＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭ，無線もしくは有線による通信機能、及びモニタを備えて構成される。図１に示すように、ＨＥＭＳ１０は、バッテリ１Ａ、太陽電池発電装置１Ｂ、燃料電池発電装置１Ｃにそれぞれ電気的に接続されており、これらの起動及び停止を制御する。また、ＨＥＭＳ１０は、バッテリ１Ａ、太陽電池発電装置１Ｂ，及び燃料電池発電装置１Ｃによって生成された電気エネルギーの量を入力し、入力した電気エネルギー量をモニタ上に表示する。さらに、ＨＥＭＳ１０は、系統連系装置３の各構成要素に電気的に接続されており、系統連系装置３の動作を制御する。

上記構成の系統連系システム１００において、ＨＥＭＳ１０がバッテリ１Ａに放電指令信号を出力した場合、バッテリ１Ａは放電を開始する。バッテリ１Ａで放電された直流は、第一コンバータ４に入力される。バッテリ１Ａの放電電圧は、本実施形態では例えば４８Ｖである。また、ＨＥＭＳ１０は、バッテリ１Ａに放電指令信号を出力した場合、第一コンバータ４の開閉器４２が閉じ、且つ、非絶縁型降圧コンバータ部４３のスイッチング素子４３ｂがＯＦＦとなるように、開閉器４２及びスイッチング素子４３ｂを制御する。開閉器４２が閉じることによって、バッテリ１Ａと絶縁型昇圧コンバータ部４１が接続される。また、スイッチング素子４３ｂがＯＦＦにされることによって、非絶縁型降圧コンバータ部４３への通電が禁止される。従って、バッテリ１Ａの放電電流は、第一電気配線２Ａ、開閉器４２を通って、絶縁型昇圧コンバータ部４１に入力される。

また、バッテリ１Ａの放電時には、ＨＥＭＳ１０が、絶縁型昇圧コンバータ部４１の内部変換器４１ａに備えられるスイッチング素子の動作を制御する。このとき、内部変換器４１ａから出力される交流の周波数が、共振回路４１ｃの共振周波数に一致する周波数であるように、内部変換器４１ａのスイッチング素子の動作（例えばディーティ比）が、ＨＥＭＳ１０により制御される。従って、内部変換器４１ａからは、共振回路４１ｃの共振周波数と同じ周波数の交流が出力される。なお、内部変換器４１ａの各スイッチング素子に並列に接続されたコンデンサの容量は、内部変換器４１ａの作動によるエネルギー損失が低減されるように、定められる。

内部変換器４１ａから出力された交流は、変圧器４１ｂの一次側コイルＣ１に入力される。変圧器４１ｂの一次側コイルＣ１に入力された交流は、変圧器４１ｂにより昇圧される。そして、変圧器４１ｂの二次側コイルＣ２に、昇圧された交流が出力される。変圧器４１ｂで昇圧された交流は、共振回路４１ｃに入力される。ここで、上記したように、共振回路４１ｃに入力した交流の周波数は、共振回路４１ｃの共振周波数に一致する。この場合、共振回路４１ｃの共振周波数を持つ正弦波の交流が、共振回路４１ｃから出力される。また、その際、内部変換器４１ａのスイッチング素子を通過する電流波形の位相がシフトされ、所謂、ソフトスイッチング機能により内部変換器４１ａでのエネルギー損失が低減される。

共振回路４１ｃから出力された交流は、整流回路４１ｄにて整流されることにより、直流に変換される。そして、整流回路４１ｄは、変換した直流を出力する。ここで、本実施形態においては、整流回路４１ｄの出力電流Ｉ及び出力電圧Ｖが、それぞれ、電流計及び電圧計により検出される。電流計及び電圧計で検出された出力電流Ｉ及び出力電圧Ｖは、ＨＥＭＳ１０に入力される。そして、ＨＥＭＳ１０は、整流回路４１ｄの出力及び電圧、すなわち絶縁型昇圧コンバータ部４１の出力（電力）及び電圧が、一定になるように、入力された出力電流Ｉ及び出力電圧Ｖに基づいて、内部変換器４１ａのスイッチング素子の動作（例えばディーティ比）をフィードバック制御する。

整流回路４１ｄから出力された直流は、接続器７に入力される。なお、整流回路４１ｄから接続器７に入力された直流の電圧、すなわち絶縁型昇圧コンバータ部４１の出力電圧（接続器７に印加される電圧、直流中間電圧）は、バッテリ１Ａの放電電圧よりも高い。例えば、絶縁型昇圧コンバータ部４１の出力電圧（直流中間電圧）は、３５０Ｖである。また、上述したように、絶縁型昇圧コンバータ部４１の出力電圧及び出力（電力）は一定である。ここで、絶縁型昇圧コンバータ部４１の出力（電力）は、絶縁型昇圧コンバータ部４１が動作した場合におけるエネルギー損失が低くなるような出力に設定される。なお、出力が比較的小さい場合には、エネルギー損失も小さい。よって、例えば、絶縁型昇圧コンバータ部４１の出力が比較的小さい５００Ｗ程度に固定され、且つ電圧が３５０Ｖで固定されるように、ＨＥＭＳ１０が内部変換器４１ａのスイッチング素子の動作を制御する。

整流回路４１ｄから接続器７に入力された直流は、インバータ８によって、商用電源系統Ｃの周波数に等しい周波数の交流に変換される。そして、インバータ８で変換された交流が、商用電源系統Ｃに供給される。

このようにして、バッテリ１Ａから放電された直流が、昇圧されるとともに交流に変換されてから、商用電源系統Ｃに供給（系統連系）される。ここで、本実施形態においては、上記したように、絶縁型昇圧コンバータ部４１の出力が一定になるように、ＨＥＭＳ１０が内部変換器４１ａを制御する。このため、商用電源系統Ｃに供給される交流の出力も、常に一定（例えば５００Ｗ）である。このように出力を固定することにより、特に、絶縁型昇圧コンバータ部４１におけるエネルギー損失が小さくなるように、絶縁型昇圧コンバータ部４１の出力を固定することにより、効率良く、バッテリ１Ａから放電された直流を昇圧することができる。また、本実施形態においては、内部変換器４１ａにて変換された交流の周波数が、共振回路４１ｃの共振周波数に一致するように、ＨＥＭＳ１０が、内部変換器４１ａを制御する。このため、共振回路４１ｃから出力される交流の波形が正弦波にされる。交流波形が正弦波である場合、変圧器４１ｂ及び内部変換器４１ａにおけるエネルギー損失が最小化される。よって、さらにより一層効率良く、バッテリ１Ａから放電された直流を昇圧することができる。

また、ＨＥＭＳ１０が太陽電池発電装置１Ｂに発電指令信号を出力した場合、太陽電池発電装置１Ｂは発電を開始する。太陽電池発電装置１Ｂで発電された直流は、第二コンバータ５に入力される。また、ＨＥＭＳ１０が燃料電池発電装置１Ｃに発電指令信号を出力した場合、燃料電池発電装置１Ｃは発電を開始する。燃料電池発電装置１Ｃで発電された直流は、第三コンバータ６に入力される。第二コンバータ５又は第三コンバータ６に入力された直流は所定の電圧（例えば３５０Ｖ）に昇圧された後に、接続器７を経由してインバータ８に入力されて、交流に変換される。そして、インバータ８にて変換された交流が商用電源系統Ｃに連系する。

また、例えば、太陽電池発電装置１Ｂにて発電された電力が商用電源系統Ｃを介して電力負荷に供給されている場合において、太陽電池発電装置１Ｂが、電力負荷の消費電力以上の電力を発電した場合、余剰電力が発生する。この場合、本実施形態に係る系統連系システム１００においては、太陽電池発電装置１Ｂの余剰電力が、バッテリ１Ａに充電されるように構成されている。以下、太陽電池発電装置１Ｂの余剰電力を、バッテリ１Ａに充電する動作について説明する。

太陽電池発電装置１Ｂに余剰電力が生じていることをＨＥＭＳ１０が検知した場合、ＨＥＭＳ１０は、余剰電力をバッテリ１Ａに充電させようとする。ＨＥＭＳ１０は、余剰電力をバッテリ１Ａに充電させる際に、第一コンバータ４の開閉器４２が開くように、開閉器４２を制御する。開閉器４２が開くことによって、バッテリ１Ａと第一コンバータ４の絶縁型昇圧コンバータ部４１とが切り離される。なお、開閉器４２が開いていても、バッテリ１Ａと、第一コンバータ４の非絶縁型降圧コンバータ部４３は、接続されている。

また、太陽電池発電装置１Ｂで発電された電力は、第二コンバータ５で３５０Ｖに昇圧された後に、接続器７に入力される。このため、接続器７に印加された電圧が第一コンバータ４にも印加される。このとき、ＨＥＭＳ１０が第一コンバータ４の非絶縁型降圧コンバータ部４３のスイッチング素子４３ｂを制御することにより、太陽電池発電装置１Ｂの余剰電力が、第一コンバータ４の非絶縁型降圧コンバータ部４３内を流れる。非絶縁型降圧コンバータ部４３を流れた余剰電力は、適正な充電電圧に降圧される。そして、降圧された電力が、バッテリ１Ａに充電される。

ここで、接続器７は、インバータ８を介して商用電源系統Ｃに接続されている。そのため、バッテリ１Ａの充電時には、商用電源系統Ｃからの交流が第一コンバータ４の非絶縁型降圧コンバータ部４３に流入する虞がある。この点に関し、本実施形態に係るＨＥＭＳ１０は、太陽電池発電装置１Ｂの余剰電力のみが、第一コンバータ４の非絶縁型降圧コンバータ部４３を流れるように、余剰電力の大きさに基づいて、非絶縁型降圧コンバータ部４３のスイッチング素子４３ｂの動作（例えばディーティ比）を制御する。すなわち、ＨＥＭＳ１０は、太陽電池発電装置１Ｂの余剰電力をバッテリ１Ａに充電する際に、太陽電池発電装置１Ｂの余剰電力のみが非絶縁型降圧コンバータ部４３を流れ、商用電源系統Ｃからの電力が非絶縁型降圧コンバータ部４３に流れないように、すなわち商用電源系統Ｃからの電力がバッテリ１Ａに充電されないように、余剰電力の大きさに応じて非絶縁型降圧コンバータ部４３のスイッチング素子４３ｂを制御する。このため、太陽電池発電装置１Ｂの余剰電力のみを、効率的に、バッテリ１Ａに充電することができる。

以上のように、本実施形態に示す系統連系システム１００においては、バッテリ１Ａから放電される直流を昇圧するためのコンバータと、バッテリ１Ａに充電するための直流を降圧するためのコンバータが異なる。具体的には、バッテリ１Ａから放電される直流は、絶縁型昇圧コンバータ部４１により昇圧され、バッテリ１Ａに充電される直流は、非絶縁型降圧コンバータ部４３により降圧される。

また、本実施形態においては、バッテリ１Ａから放電された直流を、第一コンバータ４の絶縁型昇圧コンバータ部４１にて昇圧するにあたり、共振回路４１ｃの共振周波数と同じ周波数の交流に変換した上で、変圧器４１ｂにより昇圧し、昇圧した交流を直流に変換している。共振回路４１ｃの共振周波数と同じ周波数の交流に変換して、整流回路４１ｄに入力される交流の波形を正弦波化することにより、内部変換器４１ａ及び変圧器４１ｂにおける損失を低減することができる。このため、バッテリ１Ａから放電された直流を、効率的に、所望の電圧（例えば３５０Ｖ）に昇圧することができる。

また、本実施形態においては、バッテリ１Ａから放電された直流を絶縁型昇圧コンバータ部４１にて昇圧するに当たり、絶縁型昇圧コンバータ部４１の出力が一定（例えば５００Ｗ）になるように、内部変換器４１ａが制御される。つまり、絶縁型昇圧コンバータ部４１の出力が固定されている。出力を固定して効率の高い動作ポイントを外さないことにより、より一層効率的に、バッテリ１Ａから放電された直流を所望の電圧（例えば３５０Ｖ）に昇圧することができる。

また、本実施形態においては、太陽電池発電装置１Ｂの余剰電力をバッテリ１Ａに充電するにあたり、変圧器を備える絶縁型降圧コンバータではなく、変圧器を備えない非絶縁型降圧コンバータを利用している。絶縁型降圧コンバータは、上記した絶縁型昇圧コンバータのように、出力をある値に固定した状態で、降圧するのが一般的である。しかしながら、太陽電池発電装置１Ｂの出力は、天候の変化や時間等によって、変化する。そのため、太陽電池発電装置１Ｂの余剰電力も、変動する。よって、バッテリ１Ａへの出力を固定した状態で、太陽電池発電装置１Ｂの余剰電力をバッテリ１Ａに充電しようとすると、例えば不足した電力を商用電源系統Ｃから引き込んでしまう。つまり、太陽電池発電装置１Ｂの余剰電力のみならず、商用電源系統Ｃの電力もバッテリ１Ａに充電することになる。この場合、商用電源系統Ｃから購入した電力を充電し、その後、放電することにより、エネルギー損失が発生する。また、絶縁型降圧コンバータの出力を固定しない場合、効率的な作動を維持することが困難であり、結局、効率が低下する。つまり、変圧器を用いた絶縁型のコンバータを用いて、出力の不安定な再生可能エネルギーを利用した発電装置の電力余剰分のみを、効率良くバッテリ１Ａに充電することは、困難である。

この点に関し、本実施形態においては、変圧器を用いない非絶縁型の降圧コンバータを用いて、太陽電池発電装置１Ｂの余剰電力をバッテリ１Ａに充電している。このような非絶縁型の降圧コンバータを用い、スイッチング素子４３ｂをＨＥＭＳ１０で制御することによって、出力が変化する太陽電池発電装置１Ｂの余剰電力のみをバッテリ１Ａに充電することができる。よって、効率的に、余剰電力をバッテリ１Ａに充電することができる。

このように、本実施形態に係る系統連系システム１００によれば、絶縁型のコンバータを用いてバッテリ１Ａから放電された直流を昇圧し、一方、非絶縁型のコンバータを用いてバッテリ１Ａに充電される直流を降圧している。このため、バッテリ１Ａから放電された直流を商用電源系統Ｃに供給する場合、及び、再生可能エネルギーを利用した発電装置（例えば太陽電池発電装置１Ｂ）の余剰電力をバッテリ１Ａに充電する場合、のいずれにおいても、効率の高い送電を実現できる。その結果、本実施形態によれば、エネルギー効率の高い系統連系システム１００を提供することができる。

また、本実施形態においては、ＨＥＭＳ１０により発電装置及び蓄電デバイスを制御していることから、発電装置及び蓄電デバイスごとに制御電源を設けなくても良い。そのため、系統連系システムを構成する機器を制御する制御電源を削減することができ、システム全体の制御に係る消費電力を低減できる。また、ＨＥＭＳ１０の制御電源は、発電装置及び蓄電デバイスからの電力を利用する構成、商用電源からの電力を利用する構成、及びこれらを併用する構成の何れかを採用することができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されるべきものではない。例えば、上記実施形態においては、再生可能エネルギーを利用した発電装置として太陽電池発電装置を示したが、その他の発電装置、例えば、地熱発電装置等を用いてもよい。また、本発明に係る系統連系システムは、上記実施形態で示した発電装置以外の発電装置、例えばガスエンジンにより駆動される発電装置を設けてもよい。また、上記実施形態では、蓄電デバイスとしてバッテリを示したが、充放電可能な蓄電デバイスであれば、どのようなものであってもよい。このように、本発明は、その趣旨を逸脱しない限りにおいて、変形可能である。

１００…系統連系システム、１Ａ…バッテリ（蓄電デバイス）、１Ｂ…太陽電池発電装置（発電装置）、１Ｃ…燃料電池発電装置、２Ａ…第一電気配線、２Ｂ…第二電気配線、２Ｃ…第三電気配線、３…系統連系装置、４…第一コンバータ（第一直流側変換装置）、５…第二コンバータ（第二直流側変換装置）、６…第三コンバータ、７…接続器、８…インバータ（交流側変換装置）、４１…絶縁型昇圧コンバータ部、４１ａ…内部変換器、４１ｂ…変圧器、４１ｃ…共振回路、４１ｄ…整流回路、４２…開閉器、４３…非絶縁型降圧コンバータ部、４３ａ…分岐配線、４３ｂ…スイッチング素子、４３ｃ…ダイオード
４３ｄ…コイル、４３ｅ…平滑コンデンサ

Claims (4)

1. 直流を充放電可能な蓄電デバイスと、
   再生可能エネルギーを利用して直流電力を発電する発電装置と、
   前記蓄電デバイスに接続され、前記蓄電デバイスから放電された直流を昇圧する機能を有する第一直流側変換装置と、
   前記発電装置に接続され、前記発電装置にて発電された直流を昇圧する機能を有する第二直流側変換装置と、
   前記第一直流側変換装置と前記第二直流側変換装置とを並列接続する接続器と、
   前記接続器から出力される直流を交流に変換するとともに、変換された交流が交流系統に連系されるように構成される交流側変換装置と、
   前記第一直流側変換装置、前記第二直流側変換装置、及び前記交流側変換装置を制御する制御装置と、を備えた系統連系システムであって、
   前記第一直流側変換装置が、
   前記蓄電デバイスから放電された直流を昇圧し、昇圧した直流を前記接続器に出力する絶縁型昇圧コンバータ部と、
   前記蓄電デバイスと前記絶縁型昇圧コンバータ部との間に設けられ、開閉することによって、前記蓄電デバイスから前記絶縁型昇圧コンバータ部への電力の供給が可能な供給状態と、前記蓄電デバイスから前記絶縁型昇圧コンバータ部への電力の供給が不能な遮断状態とを、切換可能な開閉器と、
   前記蓄電デバイスと前記接続器との間に設けられ、前記接続器から入力される直流を降圧し、降圧した直流を前記蓄電デバイスに出力する非絶縁型降圧コンバータ部と、
   を備え、
   前記制御装置は、前記蓄電デバイスが放電する際には前記開閉器が閉じ、蓄電デバイスが充電される際には前記開閉器が開くように、前記開閉器を制御する、系統連系システム。
2. 請求項１に記載の系統連系システムにおいて、
   前記絶縁型昇圧コンバータ部は、
   前記蓄電デバイスから放電された直流を交流に変換する内部変換器と、
   前記内部変換器にて変換された交流を昇圧する変圧器と、
   前記変圧器に接続された共振回路と、
   前記共振回路から出力された交流を直流に変換し、変換した直流を前記接続器に出力する整流回路と、を備え、
   前記制御装置は、前記内部変換器により変換された交流の周波数が前記共振回路の共振周波数に一致するように、前記内部変換器を制御する、系統連系システム。
3. 請求項２に記載の系統連系システムにおいて、
   前記制御装置は、前記絶縁型昇圧コンバータ部の出力が一定になるように、前記絶縁型昇圧コンバータ部に備えられる前記内部変換器を制御する、系統連系システム。
4. 請求項１乃至３のいずれか１項に記載の系統連系システムにおいて、
   前記非絶縁型降圧コンバータ部は、
   前記接続器に接続されたスイッチング素子と、前記蓄電デバイスと前記スイッチング素子との間に設けられたコイルとを備え、
   前記制御装置は、前記発電装置の余剰電力を前記蓄電デバイスに充電する際に、前記蓄電デバイスが前記交流系統からの電力を充電しないように、前記余剰電力の大きさに応じて前記スイッチング素子を制御する、系統連系システム。

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