分散電源用パワーコンディショナ及び分散電源システム
【課題】連系運転時には単相交流電力を出力し、自立運転時には三相交流電力を出力することが可能な分散電源用パワーコンディショナを提供する。
【解決手段】本発明の分散電源用パワーコンディショナ２０は、系統電源に分散電源１０を連系させるものであり、分散電源用パワーコンディショナ２０内の直流母線に接続された第１及び第２のスイッチング素子と、第３及び第４のスイッチング素子と、第１及び第２の容量素子とを有するインバータ２２を備え、連系運転時と自立運転時とで、第１〜第４のスイッチング素子の駆動信号の位相を切り替えることで、連系運転時には単相交流電力を出力し、自立運転時には三相交流電力を出力する。
【解決手段】本発明の分散電源用パワーコンディショナ２０は、系統電源に分散電源１０を連系させるものであり、分散電源用パワーコンディショナ２０内の直流母線に接続された第１及び第２のスイッチング素子と、第３及び第４のスイッチング素子と、第１及び第２の容量素子とを有するインバータ２２を備え、連系運転時と自立運転時とで、第１〜第４のスイッチング素子の駆動信号の位相を切り替えることで、連系運転時には単相交流電力を出力し、自立運転時には三相交流電力を出力する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、太陽電池や燃料電池などの分散電源を系統電源に連系させるパワーコンディショナと、このパワーコンディショナを用いた分散電源システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、電力消費家（需要家）の場所において、分散電源装置として太陽電池、燃料電池、風力発電装置などを配備し、これらの分散電源からの電力と電気事業者の系統電源（商用電源）からの電力とを組み合わせてその電力消費家における電力消費を賄うようにした分散型の電源システムが注目を集めている。
【０００３】
電力消費家の宅内において、分散電源からの電力を系統電源からの交流電力に重畳して負荷に配電するためには、分散電源を系統電源に連系させる必要ある。分散電源からの電力は、多くの場合、直流電力であり、また、交流電力であるとしても周波数や電圧が系統電源とは適合していないから、分散電源からの所定の交流電力に変換し、その周波数や電圧を系統電源からの電力に適合させるパワーコンディショナ（ＰＣＳ）が用いられる。パワーコンディショナからの交流電力の出力線は、一般に、電力消費家の宅内に設けられる分電盤において、系統電源側からの配電線に接続され、これによって、電力消費家の宅内にある負荷に対して、分散電源からの交流電力と系統電源からの交流電力とが一緒に供給されるようになる。パワーコンディショナは、チョッパ回路、インバータ回路、連系リアクトルやノイズフィルタなどを備え、チョッパ回路によって入力電圧を必要電圧に昇圧した後に、インバータ回路におけるスイッチング素子を用いて直流電力を交流電力に変換し、連系リアクトルやノイズフィルタを介して出力する。
【０００４】
ところで、電力事業者の電力系統は、送電効率などの観点から、一般に、三相発電機からの三相交流電力を送電線や変電所を介して消費地まで送電し、単相交流電力が必要な場合には、その単相交流電力の消費場所の直前の位置で三相電力を単相電力に変換するように構成されている。そのため、電力単価は単相電力の方が三相電力よりも高く、分散電源を系統電源に連系させて使用する場合には、三相電力側で使用するよりも単相電力側で使用するほうが、コストメリットが大きくなる。したがって、現在、分散電源を系統電源に連系させるパワーコンディショナとしては、単相交流電力を出力するものが一般的である。
【０００５】
ところで、太陽電池や燃料電池などの分散電源は、独立して電力を供給できるものであるから、地震等の災害が発生して系統電源における停電が持続することが想定される場合における非常用電源として有望なものである。しかしながら、現状では、分散電源を系統電源に連系させるシステムは単相交流電力を出力するものが一般的なので、系統電源の停電時に三相交流電力を負荷に供給する目的には使用することができない。その一方で、系統電源が停電したときに、三相交流電力で駆動される負荷、すなわち三相負荷を駆動したいという要求がある。例えば、トラック、バス、乗用車などの道路運送車両に対してガソリンや軽油などの燃料を供給する燃料供給ステーション（ガソリンスタンド）では、地震等の災害時にあっても各種の緊急車両等に給油を行う必要があるから、燃料供給ステーションにおいては、通常時には分散電源からの電力を単相交流電力で駆動される負荷すなわち単相負荷に供給しているとしても、系統電源の停電時には、分散電源からの電力で三相交流電力を発生させて三相負荷に供給できることが望まれる。また、消防施設、病院、集合住宅においても、通常時には平常時需要の多い単相交流電力を出力することが有効であるが、系統電源が停電し自立運転に移行した場合には、生命維持に必須な装置である揚水ポンプや、重要性の高い給水装置などへの電力供給のために、三相交流電力を出力することが望まれる。
【０００６】
なお、特許第３２８９４１８号明細書（特許文献１）には、三相交流電力の非常用自家発電設備が備えられている場合などに、系統電源の停電時に三相交流電力を単相交流電力に変換して負荷に供給する構成が開示されている。しかしながらこの構成は、非常時においても三相交流電力が入手可能であってそれから単相交流電力を発生させるものであり、太陽電池や燃料電池といった典型的には直流電力を出力する分散電源から三相交流電力を発生する場合には使用できない。
【０００７】
また、特許第３５５３１８０号明細書（特許文献２）には、直流電源から三相交流電力を生じる構成が開示されている。しかしながら、この構成は、単相交流電力を発生させるものではないので、通常時には系統電源と連系させて単相交流電力を発生させ、系統電源の停電時には三相交流電力を発生させる、という使い方をすることができない。
【特許文献１】特許第３２８９４１８号明細書
【特許文献２】特許第３５５３１８０号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上述したように、電力消費家の場所において太陽電池や燃料電池などの分散電源を配備し、これらの分散電源を系統電源に連系させた連系運転を行って、その電力需要家の宅内の負荷に対して単相交流電力を供給する電源システムが実用化されているが、系統電源の停電時に分散電源を系統電源から切り離した自立運転を行ってその電源システムから三相交流電力を得ることができなかった。
【０００９】
そこで、本発明は、連系運転時には単相交流電力を出力し、自立運転時には三相交流電力を出力することが可能な分散電源用パワーコンディショナと、この分散電源用パワーコンディショナを用いた分散電源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】
【００１０】
本発明では、単相系統電源と三相系統電源とを含む系統電源に分散電源を連系させる分散電源用パワーコンディショナにおいて、分散電源用パワーコンディショナ内のインバータの直流母線に接続された第１及び第２のスイッチング素子を直列接続した第１のレグと、直流母線に接続された第３及び第４のスイッチング素子を直列接続した第２のレグと、直流母線に接続された第１及び第２の容量素子を直列接続した容量分圧手段とを備え、分散電源を単相系統電源に連系させた連系運転時には、第１のレグと第２のレグの出力する商用周波交流電圧の位相を１８０度反転させて運転し、分散電源を単相系統電源から切り離した自立運転時には、第１のレグと第２のレグの出力する商用周波交流電圧の位相を６０度シフトして運転するとともに、第１のレグと第２のレグと容量分圧手段とから三相交流電圧を出力するようにした。
【００１１】
この分散電源用パワーコンディショナによれば、連系運転時と自立運転時とでインバータにおける２つのレグの出力電圧位相を切り替えることで、連系運転時には単相交流電力を出力し、自立運転時には三相交流電力を出力することができる。
【００１２】
ところで、直流電力から単相交流電力と三相交流電力との２つの電力を得るためには、異なる２つの回路を備えることが考えられる。例えば、直流電力から単相交流電力を得るための回路としては、２つのレグを用いたフルブリッジ型のインバータが考えられ、直流電力から三相交流電力を得るための回路としては、３つのレグを用いた三相ブリッジ型のインバータが考えられる。しかしながら、これらの２つの回路を備えると、装置が大型、複雑、高価となってしまう。
【００１３】
ところが、この分散電源用パワーコンディショナによれば、２つのレグを用いたフルブリッジ型のインバータ相当のインバータを１つ備えるだけであるので、大型化、複雑化、高価格化を抑制することができる。
【００１４】
上記した分散電源用パワーコンディショナは、系統電源の停電を検出する停電検出手段と、停電検出手段によって系統電源の停電が検出された場合に、連系運転から自立運転に切り替える切替制御手段とを更に備えることが好ましい。この構成によれば、系統電源が停電した場合に、連系運転から自立運転への切り替えを自立的に行うことができる。
【００１５】
上記した分散電源用パワーコンディショナは、分散電源とインバータとの間に接続された蓄電手段を更に備えることが好ましい。この構成によれば、自立運転時には出力電力に対する分散電源の電力の過不足を補償することができ、連系運転時には連系点における潮流変動を抑制することができる。
【００１６】
本発明の分散電源システムは、単相系統電源と三相系統電源とを含む系統電源に連系する分散電源システムにおいて、分散電源と、分散電源を系統電源に連係させる上記した分散電源用パワーコンディショナとを備える。
【００１７】
この分散電源システムによれば、上記した分散電源用パワーコンディショナを備えているので、連系運転時には単相交流電力を出力し、自立運転時には三相交流電力を出力することができ、大型化、複雑化、高価格化を抑制することができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、通常時には分散電源を系統電源に連系させて単相交流電力を出力でき、系統電源の停電時には分散電源を系統電源から切り離して自立運転させて三相交流電力を供給できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、図面を参照して本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、各図面において同一又は相当の部分に対しては同一の符号を附すこととする。
【００２０】
［第１の実施形態］
図１及び図２は、本発明の第１の実施形態に係る分散電源システム及び分散電源用パワーコンディショナの構成を示す回路図である。図１には分散電源を系統電源に連系させた連系運転時の状態が示されており、図２には分散電源を系統電源から切り離した自立運転時の状態が示されている。図１及び図２に示す分散電源システム１は、分散電源１０と、分散電源用パワーコンディショナ２０とを備えている。なお、図１及び図２には分散電源システム１と共に単相系統電源及び単相負荷５と三相負荷６とが示されている。
【００２１】
分散電源１０は、直流電源であり、分散電源１０には、例えば、太陽電池や燃料電池が好適に適用可能である。また、分散電源１０には、風力発電機やエンジン発電機、タービン発電機等の出力をコンバータで直流に整流したものも適用可能である。分散電源１０は、パワーコンディショナ２０に接続されている。
【００２２】
パワーコンディショナ２０は、分散電源１０を系統電源に連系させると共に、分散電源１０からの直流電力を交流電力に変換する。例えば、パワーコンディショナ２０は、系統電源が正常に稼動している通常時には、分散電源１０を単相系統電源に連系させ（連系運転）、直流電力を単相交流電力に変換して単相系統電源及び単相負荷５へ出力する。一方、系統電源の停電時には、パワーコンディショナ２０は、分散電源１０を単相系統電源から切り離し（自立運転）、直流電力を三相交流電力に変換して三相負荷６へ出力する。パワーコンディショナ２０は、昇圧チョッパ部２１と、電圧制御部２１ａと、ドライバ部２１ｂと、インバータ部２２と、連系リアクトル／ノイズフィルタ部２３と、遮断器２４，２５と、電圧監視部２６と、電流指令値演算部２７と、ドライバ部２８とを備えている。
【００２３】
昇圧チョッパ部２１は、分散電源１０からの直流電力を昇圧した昇圧直流電力を生成する。昇圧チョッパ部２１はスイッチング素子を有しており、このスイッチング素子が電圧制御部２１ａ及びドライバ部２１ｂによってフィードバック制御されて、昇圧直流電圧が系統電源電圧のピーク値以上で略一定に保持される。なお、分散電源１０の出力電圧が系統電源電圧のピーク値以上であれば、これらの昇圧チョッパ部２１、電圧制御部２１ａ及びドライバ部２１ｂは用いられなくてもよい。昇圧チョッパ部２１は、この昇圧直流電力をインバータ部２２へ出力する。
【００２４】
インバータ部２２は、昇圧チョッパ部２１からの昇圧直流電力を単相交流電力又は三相交流電力に変換する。図３は、インバータ部２２の構成を示す回路図である。図３に示すインバータ部２２は、第１〜第４のスイッチング素子３１〜３４と第１及び第２の容量素子３５，３６とを有している。本実施形態では、第１〜第４のスイッチング素子３１〜３４としてＩＰＭ（Intelligent Power Module）を用いているので、第１〜第４のスイッチング素子３１〜３４はバイポーラトランジスタとリカバリーダイオードとを有している。
【００２５】
第１及び第２のスイッチング素子３１，３２は、一対の直流母線間に直列に接続されてｕ／ｒレグ（第１のレグ）３７を構成し、第３及び第４のスイッチング素子３３，３４は、一対の直流母線間に直列に接続されてｖ／ｔレグ（第２のレグ）３８を構成する。また、第１及び第２の容量素子３５，３６は、一対の直流母線間に直列に接続されて容量分圧手段３９を構成する。一対の直流母線は、昇圧チョッパ部２１に接続されており、ｕ／ｒレグ３７、ｖ／ｔレグ３８、第１及び第２の容量素子３５，３６間の分圧点ｏ／ｓは、連系リアクトル／ノイズフィルタ部２３に接続されている。
【００２６】
第１〜第４のスイッチング素子３１〜３４は、ドライバ部２８からの駆動信号によって駆動される。これにより、インバータ部２２は、連系運転時には、直流電力を単相交流電力に変換して、ｕ／ｒレグ３７、ｖ／ｔレグ３８からそれぞれｕ相交流電力、ｖ相交流電力を出力する。一方、自立運転時には、インバータ部２２は、直流電力を三相交流電力に変換して、ｕ／ｒレグ３７、ｖ／ｔレグ３８及び分圧点ｏ／ｓからそれぞれｒ相交流電力、ｔ相交流電力、ｓ相交流電力を出力する。なお、ｕ相交流電力、ｖ相交流電力、ｒ相交流電力、ｔ相交流電力及びｓ相交流電力の周波数は商用周波数である。第１〜第４のスイッチング素子３１〜３４を駆動する駆動信号の詳細は後述する。
【００２７】
なお、インバータ部２２の大きさとしては、１００ＶＡ以上であることが好ましい。これにより、現在存在する分散電源１０の出力電力に適合しやすい。また、インバータ部２２の大きさとしては、１００ｋＶＡ以下であることが好ましい。これにより、現在存在する安価なスイッチング素子を用いることができる。
【００２８】
連系リアクトル／ノイズフィルタ部２３は、系統電源及び負荷とインバータ部２２との連系のためのリアクトルと、インダクタや容量素子などから構成されるノイズフィルタとを有している。なお、ノイズフィルタにおけるインダクタと連系リアクトルとは共用されてもよい。連系リアクトル／ノイズフィルタ部２３は、遮断器２４，２５に接続されている。
【００２９】
遮断器２４は、連系運転時にはインバータ部２２と単相系統電源及び単相負荷５とを接続し、自立運転時には切り離す。例えば、遮断器２４は、電圧監視部（停電検出手段）２６からの停電検出信号に基づいて開閉を行う。
【００３０】
遮断器２５は、連系運転時にはインバータ部２２と三相負荷６とを切り離し、自立運転時には接続する。例えば、遮断器２５は、電圧監視部（停電検出手段）２６からの停電検出信号に基づいて開閉を行う。
【００３１】
電圧監視部２６は、系統電源からの電圧及びインバータ部２２からの電圧を監視する。電圧監視部２６は、連系運転時には、主に系統電源からの電圧を監視することを目的とし、自立運転時には、主にインバータ部２２からの電圧を監視することを目的とする。電圧監視部２６は、検出した電圧波形情報を電流指令値演算部２７へ出力する。
【００３２】
電流指令値演算部２７は、連系運転時には、電圧監視部２６からの電圧波形情報に基づいて、高力率となるように系統電源電圧波形に応じた電流波形を求め、この電流波形に基づく電流指令値であって、単相交流電力を得るための第１〜第４のスイッチング素子３１〜３４各々の電流指令値をドライバ部２８へ出力する。
【００３３】
一方、自立運転時には、電流指令値演算部２７は、内部発振器からの基準信号（周波数５０Ｈｚ又は６０Ｈｚ）と電圧監視部２６からの電圧波形情報に応じた指令値であって、三相交流電力を得るための第１〜第４のスイッチング素子３１〜３４各々の指令値をドライバ部２８へ出力する。すなわち、電流指令値演算部２７は、自立運転時には、インバータ部２２の出力電圧が基準信号に応じた周波数値及び電圧値となるように、駆動信号のデューティ制御（ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御）のための指令値を求める。
【００３４】
なお、電流指令値演算部２７は、演算を行うＰＵ（Processing Unit）と、ＰＵに各処理を実行させるためのプログラムや、単相交流電力を得るための第１〜第４のスイッチング素子３１〜３４各々の電流指令値データ、三相交流電力を得るための第１〜第４のスイッチング素子３１〜３４各々の指令値データ等を記憶するＲＯＭ（Read Only Memory）とを有している。このような構成により、電流指令値演算部２７では、上記した機能が実現される。
【００３５】
また、電圧監視部２６及び電流指令値演算部２７は、停電検出手段として機能して系統電源の停電を検出する。例えば、電圧監視部２６及び電流指令値演算部２７は、単独運転検出機能を有し、定期的に電流位相を変化させて、電圧位相の変化を検出した場合に系統電源が停電したと判断する。具体的には、電流指令値演算部２７が定期的に電流位相を変化させ、電圧監視部２６が電圧位相の変化を監視する。系統電源が稼動しているときには、インバータ部２２の電流位相が変化しても系統電源からの電力によって電圧位相は変化しないが、系統電源が停電しているときには、電流位相の変化に応じて電圧位相が変化する。これにより、系統電源の停電を検出することができる。電圧監視部２６は、系統電源の停電を検出した場合に、停電検出信号を電流指令値演算部２７及び遮断器２４，２５へ出力する。
【００３６】
また、電流指令値演算部２７は、切替制御手段として機能し、電圧監視部２６からの停電検出信号に基づいて、上記した系統連系時の単相交流電力生成制御から自立運転時の三相交流電力生成制御へ自立的に切り替える。
【００３７】
ドライバ部２８は、電流指令値演算部２７からの指令値に基づいて、インバータ部２２における第１〜第４のスイッチング素子３１〜３４へ駆動信号を供給する。図４は、連系運転時における二つのレグが出力する交流電圧位相の関係を示すベクトル図であり、図５は、自立運転時における二つのレグが出力する交流電圧位相の関係を示すベクトル図である。
【００３８】
図４に示すように、ドライバ部２８は、連系運転時には、電流指令値演算部２７からの電流指令値に応じて、スイッチング素子３１，３２で構成されるｕ／ｒレグ３７と、スイッチング素子３３，３４で構成されるｖ／ｔレグ３８の交流出力電圧を、互いに１８０°の位相差をつけて駆動する。このようにして、ｕ／ｒレグ３７とｖ／ｔレグ３８との間に単相交流電力が生成されることとなる。なお、容量素子３５，３６の分圧点ｏ／ｓは中性線として用いられることとなるが、必ずしも系統に接続する必要はない。
【００３９】
一方、自立運転時には、図５に示すように、ドライバ部２８は、電流指令値演算部２７からの指令値に応じて、スイッチング素子３１，３２で構成されるｕ／ｒレグ３７と、スイッチング素子３３，３４で構成されるｖ／ｔレグ３８とを、互いに６０°の位相差をつけて駆動する。その結果、ｕ／ｒレグ３７、ｖ／ｔレグ３８及び容量素子３５，３６の分圧点ｏ／ｓの間に三相交流電力が生成されることとなる。
【００４０】
このように、第１の実施形態の分散電源用パワーコンディショナ２０によれば、連系運転時と自立運転時とでインバータ部２２における４つのスイッチング素子３１〜３４の駆動信号の位相を切り替えることで、連系運転時には単相交流電力を出力し、自立運転時には三相交流電力を出力することができる。また、第１の実施形態の分散電源用パワーコンディショナ２０によれば、系統電源が停電した場合に、連系運転から自立運転への切り替えを自立的に行うことができる。
【００４１】
したがって、第１の実施形態の分散電源用パワーコンディショナ２０によれば、４つのスイッチング素子を用いたフルブリッジ型のインバータ相当のインバータ部２２を１つ備えるだけであるので、大型化、複雑化、高価格化を抑制することができる。
【００４２】
また、第１の実施形態の分散電源システム１によれば、上記した分散電源用パワーコンディショナ２０を備えているので、連系運転時には単相交流電力を出力し、自立運転時には三相交流電力を出力することができ、系統電源が停電した場合に、連系運転から自立運転への切り替えを自立的に行うことができる。また、大型化、複雑化、高価格化を抑制することができる。
【００４３】
［第２の実施形態］
図６及び図７は、本発明の第２の実施形態に係る分散電源システム及び分散電源用パワーコンディショナの構成を示す回路図である。図６には分散電源を系統電源に連系させた連系運転時の状態が示されており、図７には分散電源を系統電源から切り離した自立運転時の状態が示されている。図６及び図７に示す分散電源システム１Ａは、分散電源システム１において分散電源用パワーコンディショナ２０に代えて分散電源用パワーコンディショナ２０Ａを備えている構成で第１の実施形態と異なっている。分散電源システム１Ａの他の構成は、分散電源システム１と同一である。
【００４４】
パワーコンディショナ２０Ａは、パワーコンディショナ２０において更に蓄電デバイス（蓄電手段）４１と、双方向コンバータ４２と、充放電制御部４３とを備えている。パワーコンディショナ２０Ａの他の構成は、パワーコンディショナ２０と同一である。
【００４５】
蓄電デバイス４１は、パワーコンディショナ２０Ａの出力電力に対する分散電源１０の電力の過不足を補償する。例えば、蓄電デバイス４１は、分散電源１０の出力電力が必要な電力より小さい場合には不足分の電力を供給し、分散電源１０の出力電力が必要な電力より大きい場合には過剰分の電力を蓄える。蓄電デバイス４１としては、２次電池、電気二重層キャパシタ等が好適に用いられる。また、鉛蓄電池、ニッケル水素電池、ニッケルカドミウム電池、リチウムイオン電池、亜鉛空気電池、レドックスフロー電池、ナトリウム硫黄電池、電気二重層キャパシタなども蓄電デバイス４１として適用可能である。
【００４６】
蓄電デバイス４１の出力パワーは、分散電源１０の定格出力パワーの０．１倍以上であることが好ましい。これにより、蓄電デバイス４１による出力電力補償効果を十分に得ることができる。また、蓄電デバイス４１の出力パワーは、１０倍以下であることが好ましい。これにより、大型化、高価格化を抑制することができる。
【００４７】
また、蓄電デバイス４１のエネルギーは、自身の定格パワーに対して１０分以上保持できるエネルギーであることが好ましい。これにより、十分なバックアップ効果をえることができる。蓄電デバイス４１のエネルギーは、自身の定格パワーに対して１０時間以下保持できるエネルギーであることが好ましい。これにより、大型化、高価格化を抑制することができる。
【００４８】
双方向コンバータ４２は、昇圧チョッパ部２１とインバータ部２２との間のノードと蓄電デバイス４１との間に設けられている。双方向コンバータ４２は、昇圧チョッパ部２１の出力電圧が蓄電デバイス４１の電圧より低下した場合に、蓄電デバイス４１からの電力をインバータ部２２に供給し、昇圧チョッパ部２１の出力電圧が蓄電デバイス４１の電圧より上昇した場合に、昇圧チョッパ部２１からの電力を蓄電デバイス４１に供給する。双方向コンバータ４２は充放電制御部４３によって制御される。
【００４９】
充放電制御部４３は、蓄電デバイス４１の急激な及び過大な充放電を抑制するように機能する。
【００５０】
この第２の実施形態の分散電源用パワーコンディショナ２０Ａでも、第１の実施形態の分散電源用パワーコンディショナ２０と同様の利点を得ることができる。更に、第２の実施形態の分散電源用パワーコンディショナ２０Ａによれば、蓄電デバイスを併用することにより、自立運転時には出力電力に対する分散電源の電力の過不足を補償することができ、連系運転時には連系点における潮流変動を抑制することができる。
【００５１】
また、第２の実施形態の分散電源システム１Ａでも、上記した分散電源用パワーコンディショナ２０Ａを備えているので、第１の実施形態の分散電源システム１と同様の利点を得ることができる。更に、第２の実施形態の分散電源システム１Ａによれば、自立運転時には出力電力に対する分散電源の電力の過不足を補償することができ、連系運転時には連系点における潮流変動を抑制することができる。
【００５２】
なお、本発明は上記した本実施形態に限定されることなく種々の変形が可能である。例えば、分散電源用パワーコンディショナ２０は、連系運転と自立運転とを自立的に行ったが、手動で行うようにしてもよい。この場合、電圧監視部２６及び電流指令値演算部２７は停電検出機能を備える必要がない。
【００５３】
また、電圧監視部２６及び電流指令値演算部２７による停電検出手段は、単独運転検出機能を用いて系統電源の停電を検出したが、過電圧検出機能や、低電圧検出機能、高周波数検出機能、低周波数検出機能などの様々な機能を用いても系統電源の停電を検出することが可能である。
【００５４】
また、電圧監視部２６は、停電検出手段としての単独運転検出機能、過電圧検出機能、低電圧検出機能、高周波数検出機能、低周波数検出機能とは別に、更に、保護手段としての単独運転検出機能、過電圧検出機能、低電圧検出機能、高周波数検出機能、低周波数検出機能などを備えていてもよい。例えば、これらの保護手段は、遮断器２４の後段の電圧を監視し、系統電源が停電した後に系統電源からの切り離しが行われない場合に、ドライバ部２８に駆動信号の生成を強制的に停止させる。
【００５５】
また、電圧監視部２６は、更に、電圧上昇抑制機能やＲＰＲ（逆潮流防止）機能を備えていてもよい。電圧上昇抑制機能は、例えば、遮断器２４の前段の電圧を監視し、電圧が上昇した場合に、電流指令値演算部２７に電流を低下させることによって電圧上昇を抑制する。ＲＰＲ機能は、逆潮流、すなわち分散電源システムから系統電源への電力供給を防止するためのものである。現在、太陽電池以外の分散電源を用いた分散電源システムでは、電気事業者へ電力を売ることが許可されていない。したがって、太陽電池以外の分散電源を用いた分散電源システムでは、ＲＰＲ機能を備える必要がある。
【００５６】
また、遮断器２４，２５に代えてリレースイッチが用いられてもよい。この場合、リレースイッチの開閉を制御するためのリレーコントローラを備える必要がある。
【００５７】
また、本実施形態では、インバータ部２２における第１〜第４のスイッチング素子３１〜３４としてＩＰＭが用いられたが、第１〜第４のスイッチング素子には様々なものが適用可能である。例えば、第１〜第４のスイッチング素子には、バイポーラトランジスタ単独が適用されてもよいし、ＦＥＴ、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）などが適用されてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る分散電源システム及び分散電源用パワーコンディショナの構成を示す回路図であって、連系運転時の状態を示す回路図である。
【図２】本発明の第１の実施形態に係る分散電源システム及び分散電源用パワーコンディショナの構成を示す回路図であって、自立運転時の状態を示す回路図である。
【図３】図１及び図２に示すインバータ部の構成を示す回路図である。
【図４】図１及び図２に示す二つのレグが出力する交流電圧位相の関係を示すベクトル図であって、連系運転時の関係を示すベクトル図である。
【図５】図１及び図２に示す二つのレグが出力する交流電圧位相の関係を示すベクトル図であって、自立運転時の関係を示すベクトル図である。
【図６】本発明の第２の実施形態に係る分散電源システム及び分散電源用パワーコンディショナの構成を示す回路図であって、連系運転時の状態を示す回路図である。
【図７】本発明の第２の実施形態に係る分散電源システム及び分散電源用パワーコンディショナの構成を示す回路図であって、自立運転時の状態を示す回路図である。
【符号の説明】
【００５９】
１，１Ａ…分散電源システム、５…単相系統電源及び単相負荷、６…三相負荷、１０…分散電源、２０，２０Ａ…分散電源用パワーコンディショナ、２１…昇圧チョッパ部、２１ａ…電圧制御部、２１ｂ…ドライバ部、２２…インバータ部、２３…連系リアクトル／ノイズフィルタ部、２４，２５…遮断器、２６…電圧監視部（停電検出手段、切替制御手段）、２７…電流指令値演算部（停電検出手段、切替制御手段）、２８…ドライバ部、３１〜３４…第１〜第４のスイッチング素子、３５，３６…第１及び第２の容量素子、３７…ｕ／ｒレグ（第１のレグ）、３８…ｖ／ｔレグ（第２のレグ）、３９…容量分圧手段、４１…蓄電デバイス（蓄電手段）、４２…双方向コンバータ、４３…充放電制御部。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、太陽電池や燃料電池などの分散電源を系統電源に連系させるパワーコンディショナと、このパワーコンディショナを用いた分散電源システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、電力消費家（需要家）の場所において、分散電源装置として太陽電池、燃料電池、風力発電装置などを配備し、これらの分散電源からの電力と電気事業者の系統電源（商用電源）からの電力とを組み合わせてその電力消費家における電力消費を賄うようにした分散型の電源システムが注目を集めている。
【０００３】
電力消費家の宅内において、分散電源からの電力を系統電源からの交流電力に重畳して負荷に配電するためには、分散電源を系統電源に連系させる必要ある。分散電源からの電力は、多くの場合、直流電力であり、また、交流電力であるとしても周波数や電圧が系統電源とは適合していないから、分散電源からの所定の交流電力に変換し、その周波数や電圧を系統電源からの電力に適合させるパワーコンディショナ（ＰＣＳ）が用いられる。パワーコンディショナからの交流電力の出力線は、一般に、電力消費家の宅内に設けられる分電盤において、系統電源側からの配電線に接続され、これによって、電力消費家の宅内にある負荷に対して、分散電源からの交流電力と系統電源からの交流電力とが一緒に供給されるようになる。パワーコンディショナは、チョッパ回路、インバータ回路、連系リアクトルやノイズフィルタなどを備え、チョッパ回路によって入力電圧を必要電圧に昇圧した後に、インバータ回路におけるスイッチング素子を用いて直流電力を交流電力に変換し、連系リアクトルやノイズフィルタを介して出力する。
【０００４】
ところで、電力事業者の電力系統は、送電効率などの観点から、一般に、三相発電機からの三相交流電力を送電線や変電所を介して消費地まで送電し、単相交流電力が必要な場合には、その単相交流電力の消費場所の直前の位置で三相電力を単相電力に変換するように構成されている。そのため、電力単価は単相電力の方が三相電力よりも高く、分散電源を系統電源に連系させて使用する場合には、三相電力側で使用するよりも単相電力側で使用するほうが、コストメリットが大きくなる。したがって、現在、分散電源を系統電源に連系させるパワーコンディショナとしては、単相交流電力を出力するものが一般的である。
【０００５】
ところで、太陽電池や燃料電池などの分散電源は、独立して電力を供給できるものであるから、地震等の災害が発生して系統電源における停電が持続することが想定される場合における非常用電源として有望なものである。しかしながら、現状では、分散電源を系統電源に連系させるシステムは単相交流電力を出力するものが一般的なので、系統電源の停電時に三相交流電力を負荷に供給する目的には使用することができない。その一方で、系統電源が停電したときに、三相交流電力で駆動される負荷、すなわち三相負荷を駆動したいという要求がある。例えば、トラック、バス、乗用車などの道路運送車両に対してガソリンや軽油などの燃料を供給する燃料供給ステーション（ガソリンスタンド）では、地震等の災害時にあっても各種の緊急車両等に給油を行う必要があるから、燃料供給ステーションにおいては、通常時には分散電源からの電力を単相交流電力で駆動される負荷すなわち単相負荷に供給しているとしても、系統電源の停電時には、分散電源からの電力で三相交流電力を発生させて三相負荷に供給できることが望まれる。また、消防施設、病院、集合住宅においても、通常時には平常時需要の多い単相交流電力を出力することが有効であるが、系統電源が停電し自立運転に移行した場合には、生命維持に必須な装置である揚水ポンプや、重要性の高い給水装置などへの電力供給のために、三相交流電力を出力することが望まれる。
【０００６】
なお、特許第３２８９４１８号明細書（特許文献１）には、三相交流電力の非常用自家発電設備が備えられている場合などに、系統電源の停電時に三相交流電力を単相交流電力に変換して負荷に供給する構成が開示されている。しかしながらこの構成は、非常時においても三相交流電力が入手可能であってそれから単相交流電力を発生させるものであり、太陽電池や燃料電池といった典型的には直流電力を出力する分散電源から三相交流電力を発生する場合には使用できない。
【０００７】
また、特許第３５５３１８０号明細書（特許文献２）には、直流電源から三相交流電力を生じる構成が開示されている。しかしながら、この構成は、単相交流電力を発生させるものではないので、通常時には系統電源と連系させて単相交流電力を発生させ、系統電源の停電時には三相交流電力を発生させる、という使い方をすることができない。
【特許文献１】特許第３２８９４１８号明細書
【特許文献２】特許第３５５３１８０号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上述したように、電力消費家の場所において太陽電池や燃料電池などの分散電源を配備し、これらの分散電源を系統電源に連系させた連系運転を行って、その電力需要家の宅内の負荷に対して単相交流電力を供給する電源システムが実用化されているが、系統電源の停電時に分散電源を系統電源から切り離した自立運転を行ってその電源システムから三相交流電力を得ることができなかった。
【０００９】
そこで、本発明は、連系運転時には単相交流電力を出力し、自立運転時には三相交流電力を出力することが可能な分散電源用パワーコンディショナと、この分散電源用パワーコンディショナを用いた分散電源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】
【００１０】
本発明では、単相系統電源と三相系統電源とを含む系統電源に分散電源を連系させる分散電源用パワーコンディショナにおいて、分散電源用パワーコンディショナ内のインバータの直流母線に接続された第１及び第２のスイッチング素子を直列接続した第１のレグと、直流母線に接続された第３及び第４のスイッチング素子を直列接続した第２のレグと、直流母線に接続された第１及び第２の容量素子を直列接続した容量分圧手段とを備え、分散電源を単相系統電源に連系させた連系運転時には、第１のレグと第２のレグの出力する商用周波交流電圧の位相を１８０度反転させて運転し、分散電源を単相系統電源から切り離した自立運転時には、第１のレグと第２のレグの出力する商用周波交流電圧の位相を６０度シフトして運転するとともに、第１のレグと第２のレグと容量分圧手段とから三相交流電圧を出力するようにした。
【００１１】
この分散電源用パワーコンディショナによれば、連系運転時と自立運転時とでインバータにおける２つのレグの出力電圧位相を切り替えることで、連系運転時には単相交流電力を出力し、自立運転時には三相交流電力を出力することができる。
【００１２】
ところで、直流電力から単相交流電力と三相交流電力との２つの電力を得るためには、異なる２つの回路を備えることが考えられる。例えば、直流電力から単相交流電力を得るための回路としては、２つのレグを用いたフルブリッジ型のインバータが考えられ、直流電力から三相交流電力を得るための回路としては、３つのレグを用いた三相ブリッジ型のインバータが考えられる。しかしながら、これらの２つの回路を備えると、装置が大型、複雑、高価となってしまう。
【００１３】
ところが、この分散電源用パワーコンディショナによれば、２つのレグを用いたフルブリッジ型のインバータ相当のインバータを１つ備えるだけであるので、大型化、複雑化、高価格化を抑制することができる。
【００１４】
上記した分散電源用パワーコンディショナは、系統電源の停電を検出する停電検出手段と、停電検出手段によって系統電源の停電が検出された場合に、連系運転から自立運転に切り替える切替制御手段とを更に備えることが好ましい。この構成によれば、系統電源が停電した場合に、連系運転から自立運転への切り替えを自立的に行うことができる。
【００１５】
上記した分散電源用パワーコンディショナは、分散電源とインバータとの間に接続された蓄電手段を更に備えることが好ましい。この構成によれば、自立運転時には出力電力に対する分散電源の電力の過不足を補償することができ、連系運転時には連系点における潮流変動を抑制することができる。
【００１６】
本発明の分散電源システムは、単相系統電源と三相系統電源とを含む系統電源に連系する分散電源システムにおいて、分散電源と、分散電源を系統電源に連係させる上記した分散電源用パワーコンディショナとを備える。
【００１７】
この分散電源システムによれば、上記した分散電源用パワーコンディショナを備えているので、連系運転時には単相交流電力を出力し、自立運転時には三相交流電力を出力することができ、大型化、複雑化、高価格化を抑制することができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、通常時には分散電源を系統電源に連系させて単相交流電力を出力でき、系統電源の停電時には分散電源を系統電源から切り離して自立運転させて三相交流電力を供給できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、図面を参照して本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、各図面において同一又は相当の部分に対しては同一の符号を附すこととする。
【００２０】
［第１の実施形態］
図１及び図２は、本発明の第１の実施形態に係る分散電源システム及び分散電源用パワーコンディショナの構成を示す回路図である。図１には分散電源を系統電源に連系させた連系運転時の状態が示されており、図２には分散電源を系統電源から切り離した自立運転時の状態が示されている。図１及び図２に示す分散電源システム１は、分散電源１０と、分散電源用パワーコンディショナ２０とを備えている。なお、図１及び図２には分散電源システム１と共に単相系統電源及び単相負荷５と三相負荷６とが示されている。
【００２１】
分散電源１０は、直流電源であり、分散電源１０には、例えば、太陽電池や燃料電池が好適に適用可能である。また、分散電源１０には、風力発電機やエンジン発電機、タービン発電機等の出力をコンバータで直流に整流したものも適用可能である。分散電源１０は、パワーコンディショナ２０に接続されている。
【００２２】
パワーコンディショナ２０は、分散電源１０を系統電源に連系させると共に、分散電源１０からの直流電力を交流電力に変換する。例えば、パワーコンディショナ２０は、系統電源が正常に稼動している通常時には、分散電源１０を単相系統電源に連系させ（連系運転）、直流電力を単相交流電力に変換して単相系統電源及び単相負荷５へ出力する。一方、系統電源の停電時には、パワーコンディショナ２０は、分散電源１０を単相系統電源から切り離し（自立運転）、直流電力を三相交流電力に変換して三相負荷６へ出力する。パワーコンディショナ２０は、昇圧チョッパ部２１と、電圧制御部２１ａと、ドライバ部２１ｂと、インバータ部２２と、連系リアクトル／ノイズフィルタ部２３と、遮断器２４，２５と、電圧監視部２６と、電流指令値演算部２７と、ドライバ部２８とを備えている。
【００２３】
昇圧チョッパ部２１は、分散電源１０からの直流電力を昇圧した昇圧直流電力を生成する。昇圧チョッパ部２１はスイッチング素子を有しており、このスイッチング素子が電圧制御部２１ａ及びドライバ部２１ｂによってフィードバック制御されて、昇圧直流電圧が系統電源電圧のピーク値以上で略一定に保持される。なお、分散電源１０の出力電圧が系統電源電圧のピーク値以上であれば、これらの昇圧チョッパ部２１、電圧制御部２１ａ及びドライバ部２１ｂは用いられなくてもよい。昇圧チョッパ部２１は、この昇圧直流電力をインバータ部２２へ出力する。
【００２４】
インバータ部２２は、昇圧チョッパ部２１からの昇圧直流電力を単相交流電力又は三相交流電力に変換する。図３は、インバータ部２２の構成を示す回路図である。図３に示すインバータ部２２は、第１〜第４のスイッチング素子３１〜３４と第１及び第２の容量素子３５，３６とを有している。本実施形態では、第１〜第４のスイッチング素子３１〜３４としてＩＰＭ（Intelligent Power Module）を用いているので、第１〜第４のスイッチング素子３１〜３４はバイポーラトランジスタとリカバリーダイオードとを有している。
【００２５】
第１及び第２のスイッチング素子３１，３２は、一対の直流母線間に直列に接続されてｕ／ｒレグ（第１のレグ）３７を構成し、第３及び第４のスイッチング素子３３，３４は、一対の直流母線間に直列に接続されてｖ／ｔレグ（第２のレグ）３８を構成する。また、第１及び第２の容量素子３５，３６は、一対の直流母線間に直列に接続されて容量分圧手段３９を構成する。一対の直流母線は、昇圧チョッパ部２１に接続されており、ｕ／ｒレグ３７、ｖ／ｔレグ３８、第１及び第２の容量素子３５，３６間の分圧点ｏ／ｓは、連系リアクトル／ノイズフィルタ部２３に接続されている。
【００２６】
第１〜第４のスイッチング素子３１〜３４は、ドライバ部２８からの駆動信号によって駆動される。これにより、インバータ部２２は、連系運転時には、直流電力を単相交流電力に変換して、ｕ／ｒレグ３７、ｖ／ｔレグ３８からそれぞれｕ相交流電力、ｖ相交流電力を出力する。一方、自立運転時には、インバータ部２２は、直流電力を三相交流電力に変換して、ｕ／ｒレグ３７、ｖ／ｔレグ３８及び分圧点ｏ／ｓからそれぞれｒ相交流電力、ｔ相交流電力、ｓ相交流電力を出力する。なお、ｕ相交流電力、ｖ相交流電力、ｒ相交流電力、ｔ相交流電力及びｓ相交流電力の周波数は商用周波数である。第１〜第４のスイッチング素子３１〜３４を駆動する駆動信号の詳細は後述する。
【００２７】
なお、インバータ部２２の大きさとしては、１００ＶＡ以上であることが好ましい。これにより、現在存在する分散電源１０の出力電力に適合しやすい。また、インバータ部２２の大きさとしては、１００ｋＶＡ以下であることが好ましい。これにより、現在存在する安価なスイッチング素子を用いることができる。
【００２８】
連系リアクトル／ノイズフィルタ部２３は、系統電源及び負荷とインバータ部２２との連系のためのリアクトルと、インダクタや容量素子などから構成されるノイズフィルタとを有している。なお、ノイズフィルタにおけるインダクタと連系リアクトルとは共用されてもよい。連系リアクトル／ノイズフィルタ部２３は、遮断器２４，２５に接続されている。
【００２９】
遮断器２４は、連系運転時にはインバータ部２２と単相系統電源及び単相負荷５とを接続し、自立運転時には切り離す。例えば、遮断器２４は、電圧監視部（停電検出手段）２６からの停電検出信号に基づいて開閉を行う。
【００３０】
遮断器２５は、連系運転時にはインバータ部２２と三相負荷６とを切り離し、自立運転時には接続する。例えば、遮断器２５は、電圧監視部（停電検出手段）２６からの停電検出信号に基づいて開閉を行う。
【００３１】
電圧監視部２６は、系統電源からの電圧及びインバータ部２２からの電圧を監視する。電圧監視部２６は、連系運転時には、主に系統電源からの電圧を監視することを目的とし、自立運転時には、主にインバータ部２２からの電圧を監視することを目的とする。電圧監視部２６は、検出した電圧波形情報を電流指令値演算部２７へ出力する。
【００３２】
電流指令値演算部２７は、連系運転時には、電圧監視部２６からの電圧波形情報に基づいて、高力率となるように系統電源電圧波形に応じた電流波形を求め、この電流波形に基づく電流指令値であって、単相交流電力を得るための第１〜第４のスイッチング素子３１〜３４各々の電流指令値をドライバ部２８へ出力する。
【００３３】
一方、自立運転時には、電流指令値演算部２７は、内部発振器からの基準信号（周波数５０Ｈｚ又は６０Ｈｚ）と電圧監視部２６からの電圧波形情報に応じた指令値であって、三相交流電力を得るための第１〜第４のスイッチング素子３１〜３４各々の指令値をドライバ部２８へ出力する。すなわち、電流指令値演算部２７は、自立運転時には、インバータ部２２の出力電圧が基準信号に応じた周波数値及び電圧値となるように、駆動信号のデューティ制御（ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御）のための指令値を求める。
【００３４】
なお、電流指令値演算部２７は、演算を行うＰＵ（Processing Unit）と、ＰＵに各処理を実行させるためのプログラムや、単相交流電力を得るための第１〜第４のスイッチング素子３１〜３４各々の電流指令値データ、三相交流電力を得るための第１〜第４のスイッチング素子３１〜３４各々の指令値データ等を記憶するＲＯＭ（Read Only Memory）とを有している。このような構成により、電流指令値演算部２７では、上記した機能が実現される。
【００３５】
また、電圧監視部２６及び電流指令値演算部２７は、停電検出手段として機能して系統電源の停電を検出する。例えば、電圧監視部２６及び電流指令値演算部２７は、単独運転検出機能を有し、定期的に電流位相を変化させて、電圧位相の変化を検出した場合に系統電源が停電したと判断する。具体的には、電流指令値演算部２７が定期的に電流位相を変化させ、電圧監視部２６が電圧位相の変化を監視する。系統電源が稼動しているときには、インバータ部２２の電流位相が変化しても系統電源からの電力によって電圧位相は変化しないが、系統電源が停電しているときには、電流位相の変化に応じて電圧位相が変化する。これにより、系統電源の停電を検出することができる。電圧監視部２６は、系統電源の停電を検出した場合に、停電検出信号を電流指令値演算部２７及び遮断器２４，２５へ出力する。
【００３６】
また、電流指令値演算部２７は、切替制御手段として機能し、電圧監視部２６からの停電検出信号に基づいて、上記した系統連系時の単相交流電力生成制御から自立運転時の三相交流電力生成制御へ自立的に切り替える。
【００３７】
ドライバ部２８は、電流指令値演算部２７からの指令値に基づいて、インバータ部２２における第１〜第４のスイッチング素子３１〜３４へ駆動信号を供給する。図４は、連系運転時における二つのレグが出力する交流電圧位相の関係を示すベクトル図であり、図５は、自立運転時における二つのレグが出力する交流電圧位相の関係を示すベクトル図である。
【００３８】
図４に示すように、ドライバ部２８は、連系運転時には、電流指令値演算部２７からの電流指令値に応じて、スイッチング素子３１，３２で構成されるｕ／ｒレグ３７と、スイッチング素子３３，３４で構成されるｖ／ｔレグ３８の交流出力電圧を、互いに１８０°の位相差をつけて駆動する。このようにして、ｕ／ｒレグ３７とｖ／ｔレグ３８との間に単相交流電力が生成されることとなる。なお、容量素子３５，３６の分圧点ｏ／ｓは中性線として用いられることとなるが、必ずしも系統に接続する必要はない。
【００３９】
一方、自立運転時には、図５に示すように、ドライバ部２８は、電流指令値演算部２７からの指令値に応じて、スイッチング素子３１，３２で構成されるｕ／ｒレグ３７と、スイッチング素子３３，３４で構成されるｖ／ｔレグ３８とを、互いに６０°の位相差をつけて駆動する。その結果、ｕ／ｒレグ３７、ｖ／ｔレグ３８及び容量素子３５，３６の分圧点ｏ／ｓの間に三相交流電力が生成されることとなる。
【００４０】
このように、第１の実施形態の分散電源用パワーコンディショナ２０によれば、連系運転時と自立運転時とでインバータ部２２における４つのスイッチング素子３１〜３４の駆動信号の位相を切り替えることで、連系運転時には単相交流電力を出力し、自立運転時には三相交流電力を出力することができる。また、第１の実施形態の分散電源用パワーコンディショナ２０によれば、系統電源が停電した場合に、連系運転から自立運転への切り替えを自立的に行うことができる。
【００４１】
したがって、第１の実施形態の分散電源用パワーコンディショナ２０によれば、４つのスイッチング素子を用いたフルブリッジ型のインバータ相当のインバータ部２２を１つ備えるだけであるので、大型化、複雑化、高価格化を抑制することができる。
【００４２】
また、第１の実施形態の分散電源システム１によれば、上記した分散電源用パワーコンディショナ２０を備えているので、連系運転時には単相交流電力を出力し、自立運転時には三相交流電力を出力することができ、系統電源が停電した場合に、連系運転から自立運転への切り替えを自立的に行うことができる。また、大型化、複雑化、高価格化を抑制することができる。
【００４３】
［第２の実施形態］
図６及び図７は、本発明の第２の実施形態に係る分散電源システム及び分散電源用パワーコンディショナの構成を示す回路図である。図６には分散電源を系統電源に連系させた連系運転時の状態が示されており、図７には分散電源を系統電源から切り離した自立運転時の状態が示されている。図６及び図７に示す分散電源システム１Ａは、分散電源システム１において分散電源用パワーコンディショナ２０に代えて分散電源用パワーコンディショナ２０Ａを備えている構成で第１の実施形態と異なっている。分散電源システム１Ａの他の構成は、分散電源システム１と同一である。
【００４４】
パワーコンディショナ２０Ａは、パワーコンディショナ２０において更に蓄電デバイス（蓄電手段）４１と、双方向コンバータ４２と、充放電制御部４３とを備えている。パワーコンディショナ２０Ａの他の構成は、パワーコンディショナ２０と同一である。
【００４５】
蓄電デバイス４１は、パワーコンディショナ２０Ａの出力電力に対する分散電源１０の電力の過不足を補償する。例えば、蓄電デバイス４１は、分散電源１０の出力電力が必要な電力より小さい場合には不足分の電力を供給し、分散電源１０の出力電力が必要な電力より大きい場合には過剰分の電力を蓄える。蓄電デバイス４１としては、２次電池、電気二重層キャパシタ等が好適に用いられる。また、鉛蓄電池、ニッケル水素電池、ニッケルカドミウム電池、リチウムイオン電池、亜鉛空気電池、レドックスフロー電池、ナトリウム硫黄電池、電気二重層キャパシタなども蓄電デバイス４１として適用可能である。
【００４６】
蓄電デバイス４１の出力パワーは、分散電源１０の定格出力パワーの０．１倍以上であることが好ましい。これにより、蓄電デバイス４１による出力電力補償効果を十分に得ることができる。また、蓄電デバイス４１の出力パワーは、１０倍以下であることが好ましい。これにより、大型化、高価格化を抑制することができる。
【００４７】
また、蓄電デバイス４１のエネルギーは、自身の定格パワーに対して１０分以上保持できるエネルギーであることが好ましい。これにより、十分なバックアップ効果をえることができる。蓄電デバイス４１のエネルギーは、自身の定格パワーに対して１０時間以下保持できるエネルギーであることが好ましい。これにより、大型化、高価格化を抑制することができる。
【００４８】
双方向コンバータ４２は、昇圧チョッパ部２１とインバータ部２２との間のノードと蓄電デバイス４１との間に設けられている。双方向コンバータ４２は、昇圧チョッパ部２１の出力電圧が蓄電デバイス４１の電圧より低下した場合に、蓄電デバイス４１からの電力をインバータ部２２に供給し、昇圧チョッパ部２１の出力電圧が蓄電デバイス４１の電圧より上昇した場合に、昇圧チョッパ部２１からの電力を蓄電デバイス４１に供給する。双方向コンバータ４２は充放電制御部４３によって制御される。
【００４９】
充放電制御部４３は、蓄電デバイス４１の急激な及び過大な充放電を抑制するように機能する。
【００５０】
この第２の実施形態の分散電源用パワーコンディショナ２０Ａでも、第１の実施形態の分散電源用パワーコンディショナ２０と同様の利点を得ることができる。更に、第２の実施形態の分散電源用パワーコンディショナ２０Ａによれば、蓄電デバイスを併用することにより、自立運転時には出力電力に対する分散電源の電力の過不足を補償することができ、連系運転時には連系点における潮流変動を抑制することができる。
【００５１】
また、第２の実施形態の分散電源システム１Ａでも、上記した分散電源用パワーコンディショナ２０Ａを備えているので、第１の実施形態の分散電源システム１と同様の利点を得ることができる。更に、第２の実施形態の分散電源システム１Ａによれば、自立運転時には出力電力に対する分散電源の電力の過不足を補償することができ、連系運転時には連系点における潮流変動を抑制することができる。
【００５２】
なお、本発明は上記した本実施形態に限定されることなく種々の変形が可能である。例えば、分散電源用パワーコンディショナ２０は、連系運転と自立運転とを自立的に行ったが、手動で行うようにしてもよい。この場合、電圧監視部２６及び電流指令値演算部２７は停電検出機能を備える必要がない。
【００５３】
また、電圧監視部２６及び電流指令値演算部２７による停電検出手段は、単独運転検出機能を用いて系統電源の停電を検出したが、過電圧検出機能や、低電圧検出機能、高周波数検出機能、低周波数検出機能などの様々な機能を用いても系統電源の停電を検出することが可能である。
【００５４】
また、電圧監視部２６は、停電検出手段としての単独運転検出機能、過電圧検出機能、低電圧検出機能、高周波数検出機能、低周波数検出機能とは別に、更に、保護手段としての単独運転検出機能、過電圧検出機能、低電圧検出機能、高周波数検出機能、低周波数検出機能などを備えていてもよい。例えば、これらの保護手段は、遮断器２４の後段の電圧を監視し、系統電源が停電した後に系統電源からの切り離しが行われない場合に、ドライバ部２８に駆動信号の生成を強制的に停止させる。
【００５５】
また、電圧監視部２６は、更に、電圧上昇抑制機能やＲＰＲ（逆潮流防止）機能を備えていてもよい。電圧上昇抑制機能は、例えば、遮断器２４の前段の電圧を監視し、電圧が上昇した場合に、電流指令値演算部２７に電流を低下させることによって電圧上昇を抑制する。ＲＰＲ機能は、逆潮流、すなわち分散電源システムから系統電源への電力供給を防止するためのものである。現在、太陽電池以外の分散電源を用いた分散電源システムでは、電気事業者へ電力を売ることが許可されていない。したがって、太陽電池以外の分散電源を用いた分散電源システムでは、ＲＰＲ機能を備える必要がある。
【００５６】
また、遮断器２４，２５に代えてリレースイッチが用いられてもよい。この場合、リレースイッチの開閉を制御するためのリレーコントローラを備える必要がある。
【００５７】
また、本実施形態では、インバータ部２２における第１〜第４のスイッチング素子３１〜３４としてＩＰＭが用いられたが、第１〜第４のスイッチング素子には様々なものが適用可能である。例えば、第１〜第４のスイッチング素子には、バイポーラトランジスタ単独が適用されてもよいし、ＦＥＴ、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）などが適用されてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る分散電源システム及び分散電源用パワーコンディショナの構成を示す回路図であって、連系運転時の状態を示す回路図である。
【図２】本発明の第１の実施形態に係る分散電源システム及び分散電源用パワーコンディショナの構成を示す回路図であって、自立運転時の状態を示す回路図である。
【図３】図１及び図２に示すインバータ部の構成を示す回路図である。
【図４】図１及び図２に示す二つのレグが出力する交流電圧位相の関係を示すベクトル図であって、連系運転時の関係を示すベクトル図である。
【図５】図１及び図２に示す二つのレグが出力する交流電圧位相の関係を示すベクトル図であって、自立運転時の関係を示すベクトル図である。
【図６】本発明の第２の実施形態に係る分散電源システム及び分散電源用パワーコンディショナの構成を示す回路図であって、連系運転時の状態を示す回路図である。
【図７】本発明の第２の実施形態に係る分散電源システム及び分散電源用パワーコンディショナの構成を示す回路図であって、自立運転時の状態を示す回路図である。
【符号の説明】
【００５９】
１，１Ａ…分散電源システム、５…単相系統電源及び単相負荷、６…三相負荷、１０…分散電源、２０，２０Ａ…分散電源用パワーコンディショナ、２１…昇圧チョッパ部、２１ａ…電圧制御部、２１ｂ…ドライバ部、２２…インバータ部、２３…連系リアクトル／ノイズフィルタ部、２４，２５…遮断器、２６…電圧監視部（停電検出手段、切替制御手段）、２７…電流指令値演算部（停電検出手段、切替制御手段）、２８…ドライバ部、３１〜３４…第１〜第４のスイッチング素子、３５，３６…第１及び第２の容量素子、３７…ｕ／ｒレグ（第１のレグ）、３８…ｖ／ｔレグ（第２のレグ）、３９…容量分圧手段、４１…蓄電デバイス（蓄電手段）、４２…双方向コンバータ、４３…充放電制御部。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
単相系統電源と三相系統電源とを含む系統電源に分散電源を連系させる分散電源用パワーコンディショナにおいて、
前記分散電源用パワーコンディショナ内のインバータの直流母線に接続された第１及び第２のスイッチング素子を直列接続した第１のレグと、前記直流母線に接続された第３及び第４のスイッチング素子を直列接続した第２のレグと、前記直流母線に接続された第１及び第２の容量素子を直列接続した容量分圧手段とを備え、
前記分散電源を前記単相系統電源に連系させた連系運転時には、前記第１のレグと前記第２のレグの出力する商用周波交流電圧の位相を１８０度反転させて運転し、
前記分散電源を前記単相系統電源から切り離した自立運転時には、前記第１のレグと前記第２のレグの出力する商用周波交流電圧の位相を６０度シフトして運転するとともに、前記第１のレグと前記第２のレグと前記容量分圧手段とから三相交流電圧を出力するようにしたことを特徴とする、分散電源用パワーコンディショナ。
【請求項２】
前記系統電源の停電を検出する停電検出手段と、
前記停電検出手段によって前記系統電源の停電が検出された場合に、前記連系運転から前記自立運転に切り替える切替制御手段と、
を更に備える、請求項１に記載の分散電源用パワーコンディショナ。
【請求項３】
前記分散電源と前記インバータとの間に接続された蓄電手段を更に備える、請求項１又は２に記載の分散電源用パワーコンディショナ。
【請求項４】
単相系統電源と三相系統電源とを含む系統電源に連系する分散電源システムにおいて、
分散電源と、
前記分散電源を前記系統電源に連係させる請求項１〜３の何れか１項に記載の分散電源用パワーコンディショナと、
を備える、分散電源システム。
【請求項１】
単相系統電源と三相系統電源とを含む系統電源に分散電源を連系させる分散電源用パワーコンディショナにおいて、
前記分散電源用パワーコンディショナ内のインバータの直流母線に接続された第１及び第２のスイッチング素子を直列接続した第１のレグと、前記直流母線に接続された第３及び第４のスイッチング素子を直列接続した第２のレグと、前記直流母線に接続された第１及び第２の容量素子を直列接続した容量分圧手段とを備え、
前記分散電源を前記単相系統電源に連系させた連系運転時には、前記第１のレグと前記第２のレグの出力する商用周波交流電圧の位相を１８０度反転させて運転し、
前記分散電源を前記単相系統電源から切り離した自立運転時には、前記第１のレグと前記第２のレグの出力する商用周波交流電圧の位相を６０度シフトして運転するとともに、前記第１のレグと前記第２のレグと前記容量分圧手段とから三相交流電圧を出力するようにしたことを特徴とする、分散電源用パワーコンディショナ。
【請求項２】
前記系統電源の停電を検出する停電検出手段と、
前記停電検出手段によって前記系統電源の停電が検出された場合に、前記連系運転から前記自立運転に切り替える切替制御手段と、
を更に備える、請求項１に記載の分散電源用パワーコンディショナ。
【請求項３】
前記分散電源と前記インバータとの間に接続された蓄電手段を更に備える、請求項１又は２に記載の分散電源用パワーコンディショナ。
【請求項４】
単相系統電源と三相系統電源とを含む系統電源に連系する分散電源システムにおいて、
分散電源と、
前記分散電源を前記系統電源に連係させる請求項１〜３の何れか１項に記載の分散電源用パワーコンディショナと、
を備える、分散電源システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２００８−２８３７６４（Ｐ２００８−２８３７６４Ａ）
【公開日】平成２０年１１月２０日（２００８．１１．２０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−１２４７４０（Ｐ２００７−１２４７４０）
【出願日】平成１９年５月９日（２００７．５．９）
【出願人】（０００００４４４４）新日本石油株式会社 (1,898)
【出願人】（５０７１５１５２６）株式会社ジーエス・ユアサ パワーサプライ (375)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年１１月２０日（２００８．１１．２０）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年５月９日（２００７．５．９）
【出願人】（０００００４４４４）新日本石油株式会社 (1,898)
【出願人】（５０７１５１５２６）株式会社ジーエス・ユアサ パワーサプライ (375)
【Ｆターム（参考）】
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