JP6033438B2 - 電力制御システム - Google Patents

Description

この発明は、電力系統に接続し、電力系統の潮流電力を制御する電力制御システムに関するものである。

従来の電力制御システムは、発電システム、バッテリ及び電力系統を接続して、負荷に電力を供給する電力貯蔵システムを制御する。この電力貯蔵システムの制御では、電力系統が負荷と接続しているか否かを判断するステップと、発電システムで電力が発電されるか否かを判断するステップと、を含み、発電システムの発電電力量、バッテリの充電状態、バッテリの充電電力量、負荷の消費電力量及び時間のうち、少なくともいずれか１つの判断結果によって、電力貯蔵システムの複数の動作モードのうちいずれか１つにより動作する（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１１−２５４６９６号公報

このような電力制御システムでは、電力系統に接続される各部の電力状況を監視してその情報に応じて動作モードを変更するため、動作モードの切り替え時に、システム動作の停止を要したり、タイムラグが発生する。このため動作モードの切り替え時に電力状況の瞬間的な変動を引き起こすことがあり、その場合、電力状況の瞬間的な変動にシステム動作が追従できず、負荷の運転状況や電力系統の安定性に影響を及ぼす可能性があった。

この発明は、上記のような問題点を解消するために成されたものであって、負荷の運転状況や電力系統の安定性に影響を及ぼすことなく、電力系統に接続される電力貯蔵装置を充放電させ、電力系統の潮流電力を制御することを目的としている。

この発明に係る電力制御システムは、第１入出力側が電力貯蔵装置に接続され、双方向のＤＣ／ＤＣ電力変換動作により上記電力貯蔵装置を充放電させるＤＣ／ＤＣコンバータと、直流側が上記ＤＣ／ＤＣコンバータの第２入出力側に接続され、交流側が電力系統に接続されて、直流、交流間の電力変換動作を双方向で行うＤＣ／ＡＣコンバータと、上記ＤＣ／ＤＣコンバータの上記第２入出力側と上記ＤＣ／ＡＣコンバータの直流側との間に接続された電力平滑用素子と、上記電力系統の潮流電力を検出する潮流電力検出部と、上記ＤＣ／ＡＣコンバータと上記電力系統との間に接続される負荷よりも上記電力系統側で、上記電力系統に流出する逆潮流電力を検出する逆潮流電力検出部と、与えられた電力指令値である上記電力系統からの上記潮流電力の指令値と、上記潮流電力検出部および上記逆潮流電力検出部の検出結果とに基づいて、上記ＤＣ／ＤＣコンバータおよび上記ＤＣ／ＡＣコンバータを出力制御する制御装置とを備える。そして、上記制御装置は、上記電力系統からの上記潮流電力を上記電力指令値に追従制御する第１電力制御部と、上記逆潮流電力を抑制制御する第２電力制御部とを備えて、上記ＤＣ／ＡＣコンバータへの第１出力電力指令を生成する電力制御部と、上記電力平滑用素子の電圧が目標電圧となるように上記ＤＣ／ＤＣコンバータへの第２出力電力指令を生成する第１電圧制御部と、上記電力平滑用素子の電圧変動を抑制するように上記第１出力電力指令を補正する第２電圧制御部とを備えたものである。

この発明の電力制御システムによれば、負荷の運転状況や電力系統の安定性に影響を及ぼすことなく、電力貯蔵装置を充放電させ、電力系統の潮流電力を信頼性良く制御することができる。

この発明の実施の形態１による電力制御システムの概略構成を示す図である。 この発明の実施の形態１による電力制御システムの制御装置の構成を示す図である。 この発明の実施の形態１による充電優先モードにおける電力潮流状態を示す図である。 この発明の実施の形態１による充電優先モードにおける各部の波形図を示した説明図である。 この発明の実施の形態１による買電抑制モードにおける電力潮流状態を示す図である。 この発明の実施の形態１による買電最小モードにおける電力潮流状態を示す図である。 この発明の実施の形態１による売電最大モード時の電力潮流状態を示す図である。 この発明の実施の形態２による電力制御システムに適用される電力料金を示す図である。

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１による電力制御システムの概略構成を示す図である。電力制御システム１００は、後述するＤＣ／ＤＣコンバータ１２を電力貯蔵装置１０に接続するための入力回路１１と、第１入出力側が入力回路１１を介して電力貯蔵装置１０に接続されたＤＣ／ＤＣコンバータ１２と、直流側がＤＣ／ＤＣコンバータ１２の第２入出力側に接続されたＤＣ／ＡＣコンバータ１３と、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２の第２入出力側とＤＣ／ＡＣコンバータ１３の直流側との間に接続された電力平滑用素子としての平滑コンデンサ１４と、ＤＣ／ＡＣコンバータ１３の交流側を電力系統１に接続するための出力回路１５とを備える。出力回路１５は、電力系統に接続するための分電盤１６に接続される。電力系統１には負荷３が接続されると共に、例えば太陽電池等の発電装置２が電力系統１に接続され、出力回路１５を介したＤＣ／ＡＣコンバータ１３の交流出力、電力系統１、負荷３および発電装置２は、分電盤１６にて接続される。
また電力制御システム１００は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２およびＤＣ／ＡＣコンバータ１３を制御する制御装置３０を備える。さらに電力制御システム１００は、電力潮流情報２０を検出するための潮流電力検出部２１および逆潮流電力検出部２２と、平滑コンデンサ１４の電圧Ｖｃを検出する電圧センサ２３とを備える。

ＤＣ／ＤＣコンバータ１２は、双方向のＤＣ／ＤＣ電力変換動作により電力貯蔵装置１０を充放電させる。ＤＣ／ＡＣコンバータ１３は、直流側がＤＣ／ＤＣコンバータ１２に接続され、交流側が電力系統１に接続されて、直流、交流間の電力変換動作を双方向で行う。
分電盤１６には、潮流電力検出部２１および逆潮流電力検出部２２が設けられると共に、切り替えスイッチ１８ａ、１８ｂを備えて、ＤＣ／ＡＣコンバータ１３の交流出力、電力系統１、負荷３および発電装置２の接続状況を切り替える。

潮流電力検出部２１は、電力系統１の潮流電力Ｐｆを検出する。逆潮流電力検出部２２は、出力回路１５と電力系統１との間に接続される負荷３よりも電力系統１側に設けられ、電力系統１に流出する逆潮流電力Ｐｆａを検出する。この逆潮流電力検出部２２よりも電力系統１側で発電装置２の発電電力が電力系統１に連系される。
このため、逆潮流電力検出部２２が検出する逆潮流電力Ｐｆａは、電力系統１に流出する電力貯蔵装置１０の放電電力である。また発電装置２からの発電電力が電力系統１側に供給され、即ち売電されているときは、潮流電力検出部２１は売電電力を検出する。

制御装置３０は、指令値生成部としての上位制御装置４から電力指令値３３を受信し、潮流電力検出部２１からの潮流電力Ｐｆと逆潮流電力検出部２２からの逆潮流電力Ｐｆａとによる電力潮流情報２０、電圧センサ２３からの平滑コンデンサ１４の電圧Ｖｃ、および電力貯蔵装置１０からの情報３４に基づいて、ＤＣ／ＡＣコンバータ１３への第１出力電力指令としての出力電力指令（補正後）３１、およびＤＣ／ＤＣコンバータ１２への第２出力電力指令としての出力電力指令３２を生成して出力する。
平滑コンデンサ１４の電圧変動は、各部を構成する素子の耐圧設計などに影響をおよぼすため、なるべく一定に制御されることが好ましい。このため、制御装置３０は、電力系統１の潮流電力Ｐｆを制御すると共に、平滑コンデンサ１４の電圧Ｖｃを制御する。
なお、電力指令値３３は、上位制御装置４から受信するものとしたが、制御装置３０が内部で保持しているものを用いても良い。

制御装置３０の構成および動作について、図２に基づいて以下に説明する。
図２に示すように、制御装置３０は、電力系統１の潮流電力Ｐｆを電力指令値３３に追従制御する第１電力制御部３５と、逆潮流電力Ｐｆａを抑制制御する第２電力制御部３６と、平滑コンデンサ１４の電圧Ｖｃが設定された目標電圧ＶＡとなるように制御する第１電圧制御部３７と、平滑コンデンサ１４の電圧変動を抑制するための第２電圧制御部３８とを備える。
なお、この場合、電力貯蔵装置１０を放電する電力方向、また電力系統１へ出力する（売電する）電力方向を正とする。

第１電力制御部３５は、電力制御器３５ａを備え、潮流電力検出部２１にて検出された潮流電力Ｐｆが電力指令値３３に追従するように、ＰＩ制御などにより演算して制御指令を出力する。第２電力制御部３６は、電力制御器３６ａを備え、逆潮流電力検出部２２にて検出された逆潮流電力Ｐｆａを抑制するように、ＰＩ制御などにより演算して制御指令を出力する。そして、第１電力制御部３５からの制御指令と、第２電力制御部３６からの制御指令とから、ＤＣ／ＡＣコンバータ１３への第１出力電力指令としての出力電力指令（補正前）３１ａを生成する。
なお、逆潮流電力Ｐｆａがゼロ以下のときは、第１電力制御部３５からの制御指令が出力電力指令３１ａとなる。

電圧センサ２３にて検出された平滑コンデンサ１４の電圧Ｖｃ（コンデンサ電圧Ｖｃ）は、第１電圧制御部３７および第２電圧制御部３８に入力される。第１電圧制御部３７では、電圧制御器３７ａおよびリミッタ３７ｂを備え、電圧制御器３７ａは、コンデンサ電圧Ｖｃが目標電圧ＶＡに追従するように、ＰＩ制御などにより演算して制御指令を出力する。電圧制御器３７ａからの制御指令は、リミッタ３７ｂにて制限され、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２への出力電力指令３２として出力される。リミッタ３７ｂでは、電力貯蔵装置１０からの情報３４である制限値Ｌｉｍなどにより電圧制御器３７ａからの制御指令を制限する。

第２電圧制御部３８では、電圧制御器３８ａを備え、コンデンサ電圧Ｖｃに対して目標電圧ＶＡより所定電圧αだけ高い上限電圧（ＶＡ＋α）と目標電圧ＶＡより所定電圧αだけ低い下限電圧（ＶＡ−α）との２種の基準電圧を用いて、ＤＣ／ＡＣコンバータ１３への出力電力指令３１ａを補正する補正値３９を出力する。
即ち、電圧制御器３８ａは、コンデンサ電圧Ｖｃが上限電圧（ＶＡ＋α）を超えると、コンデンサ電圧Ｖｃが上限電圧（ＶＡ＋α）以下になるようにＰＩ制御などにより補正値３９を演算する。また、コンデンサ電圧Ｖｃが下限電圧（ＶＡ−α）未満になると、コンデンサ電圧Ｖｃが下限電圧（ＶＡ−α）以上になるようにＰＩ制御などにより補正値３９を演算する。
そして、出力電力指令３１ａは補正値３９にて補正され、補正後の出力電力指令３１がＤＣ／ＡＣコンバータ１３を制御する。

次に、電力制御システム１００における動作の制約条件について、以下に説明する。
第１制約条件は、電力貯蔵装置１０の放電電力が電力系統１へ流出してはならない、というものである。
第２制約条件は、電力貯蔵装置１０への充電時には、電力系統１からの買電電力が所定の値を超過してはならない、というものである。
第３制約条件は、各装置（電力貯蔵装置１０、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２、ＤＣ／ＡＣコンバータ１３）の都合により、各出力電力をそれぞれのタイミングで抑制する制約条件である。

上記第１制約条件は、電力貯蔵装置が接続され、かつ電力系統１に接続される全ての電力制御システムが守るべき条件である。上記第２制約条件は、分電盤１６、または分電盤１６より電力系統１側に配置された、例えば、一般家庭の契約ブレーカの通電容量に依るものである。電力制御システム１００は、この契約ブレーカの通電容量を超過した買電電力となるような動作はしてはならないという制約条件がある。上記第３制約条件は、電力貯蔵装置１０、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２、ＤＣ／ＡＣコンバータ１３の各装置の都合、例えば蓄積電力の残容量や動作温度によって決まる制約条件である。

制御装置３０は、上記第１〜第３制約条件を守りながら、潮流電力Ｐｆを電力指令値３３に追従させ、逆潮流電力Ｐｆａを抑制し、コンデンサ電圧Ｖｃを目標電圧ＶＡに制御するように、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２およびＤＣ／ＡＣコンバータ１３を出力制御する。そして、コンデンサ電圧Ｖｃが上限電圧（ＶＡ＋α）を超える、あるいは下限電圧（ＶＡ−α）未満になると、ＤＣ／ＡＣコンバータ１３の出力電力指令３１を補正してコンデンサ電圧Ｖｃの電圧変動を抑制する。

そして、制御装置３０は、電力指令値３３が変化しても上述した同様の制御動作を行う。これにより、電力指令値３３に応じて、ＤＣ／ＡＣコンバータ１３への出力電力指令３１およびＤＣ／ＤＣコンバータ１２への出力電力指令３２が変化し、電力制御システム１００は、以下に示す複数の動作モードを自動的に切り替えて動作する。
なお、電力制御システム１００の各部が安定状態にあるとき、電力系統１の潮流電力Ｐｆは電力指令値３３に制御され、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２の出力電力およびＤＣ／ＡＣコンバータ１３の出力電力は等しく、コンデンサ電圧Ｖｃも一定となる。

まず、第１動作モードとなる充電優先モードを以下に示す。
図３は充電優先モード時の電力潮流状態の例を示す図である。なお、図３において発電装置２は発電していないものとしている。また、図４は充電優先モードにおける電力状況の一例を示した各部の波形図である。
充電優先モードでは、電力指令値３３として買電電力最大値Ｐｍａｘが設定される。この買電電力最大値Ｐｍａｘは、上述した第２制約条件により決定されるもので、契約ブレーカの通電容量などにより決定されるものであるが、契約ブレーカの通電容量以下ならば、使用者が設定しても良い。
なお、売電する電力方向を正としたため、この場合、買電電力最大値Ｐｍａｘは負の値である。

図３に示すように、電力系統１の潮流電力Ｐｆは、負荷３に負荷電力として供給され、残った電力が電力貯蔵装置１０に充電される。
まず、第１電力制御部３５では、電力指令値３３である買電電力最大値Ｐｍａｘから、潮流電力検出部２１にて検出された潮流電力Ｐｆである実際の買電電力を減算した（買電電力最大値−実際の買電電力）、即ち（Ｐｍａｘ−Ｐｆ）がゼロとなるようにＤＣ／ＡＣコンバータ１３の出力電力指令３１の基本情報である制御指令を出力する。例えば、（│Ｐｍａｘ│＞│Ｐｆ│）の場合、電力貯蔵装置１０の充電電力を増加させるように制御指令の大きさを増加させる。逆に、（│Ｐｍａｘ│＜│Ｐｆ│）の場合、電力貯蔵装置１０の充電電力を減少させるように制御指令の大きさを減少させる。
そして結果として、第１電力制御部３５は、−（│Ｐｍａｘ│−負荷電力）となる制御指令を出力する。

逆潮流電力Ｐｆａがゼロ以下で、平滑コンデンサ１４の電圧Ｖｃが下限電圧から上限電圧までの範囲内の場合、第１電力制御部３５からの制御指令はそのままＤＣ／ＡＣコンバータ１３の出力電力指令３１となる。そして、ＤＣ／ＡＣコンバータ１３は、（│Ｐｍａｘ│−負荷電力）を直流側に出力する。なお、電力貯蔵装置１０を放電する電力方向を正としたため、出力電力指令３１はＤＣ／ＡＣコンバータ１３の交流側への出力に対応し、出力電力指令３２はＤＣ／ＤＣコンバータ１２の平滑コンデンサ１４側への出力に対応する。

また、第１電圧制御部３７は、平滑コンデンサ１４の電圧Ｖｃが目標電圧ＶＡとなるように、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２の出力電力指令３２を生成する。そして結果として、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２の出力電力指令３２は、ＤＣ／ＡＣコンバータ１３の出力電力指令３１と等しくなり、−（│Ｐｍａｘ│−負荷電力）となる。この時、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２の出力電力およびＤＣ／ＡＣコンバータ１３の出力電力は等しく、コンデンサ電圧Ｖｃも目標電圧ＶＡに一定制御される。

またＤＣ／ＡＣコンバータ１３が直流側に（│Ｐｍａｘ│−負荷電力）を出力するとき、買電電力の大きさは、
│買電電力│＝負荷電力＋（ＤＣ／ＡＣコンバータ１３の直流側への出力電力）
＝負荷電力＋（│Ｐｍａｘ│−負荷電力）
＝│Ｐｍａｘ│
となる。
このように、負荷電力が変動しても、実際の買電電力（検出された潮流電力Ｐｆ）を、電力指令値３３である買電電力最大値Ｐｍａｘと等しくなるよう制御することができ、上記第２の制約条件も満足することができる。

ここで、例えば、図４に示すように負荷電力の変動があった場合について以下に説明する。この場合、検出される潮流電力Ｐｆ、買電電力最大値Ｐｍａｘおよび出力電力指令３１、３２は負の値であるが、図４では絶対値を用いて電力の大きさを表示している。
負荷電力が０で、実際の買電電力（潮流電力Ｐｆ）が電力指令値３３である買電電力最大値Ｐｍａｘに制御されている安定状態のとき、ＤＣ／ＡＣコンバータ１３およびＤＣ／ＤＣコンバータ１２の出力電力指令３１、３２は共に買電電力最大値Ｐｍａｘと等しい。この時、平滑コンデンサ１４の電圧Ｖｃも目標電圧ＶＡで一定制御されている。そして、│Ｐｍａｘ│である電力が電力貯蔵装置１０に充電される。

時刻ｔ１において、所定の負荷電力が発生すると、電力系統１の潮流電力Ｐｆである実際の買電電力の大きさ、即ち│Ｐｆ│が増加する。第１電力制御部３５は、│Ｐｆ│が│Ｐｍａｘ│を超過しないように、ＤＣ／ＡＣコンバータ１３の出力電力指令３１（絶対値）を低下させる。これによりＤＣ／ＡＣコンバータ１３の出力に接続される平滑コンデンサ１４の電圧Ｖｃは、ＤＣ／ＡＣコンバータ１３とＤＣ／ＤＣコンバータ１２との出力電力差により低下する。第１電圧制御部３７は、低下したコンデンサ電圧Ｖｃが目標電圧ＶＡになるように、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２の出力電力指令３２（絶対値）を低下させる。

これにより、ＤＣ／ＡＣコンバータ１３およびＤＣ／ＤＣコンバータ１２の出力電力指令３１、３２（絶対値）は共に低下して（│Ｐｍａｘ│−負荷電力）と同等となり、実際の買電電力（潮流電力Ｐｆ）が電力指令値３３である買電電力最大値Ｐｍａｘに戻り、コンデンサ電圧Ｖｃも目標電圧ＶＡに戻る（時刻ｔ２）。
なお、便宜上図４では、実際の買電電力（潮流電力Ｐｆ）、コンデンサ電圧Ｖｃ、ＤＣ／ＡＣコンバータ１３の出力電力指令３１およびＤＣ／ＤＣコンバータ１２の出力電力指令３２は、負荷電力が変化する時刻ｔ１に同期して変化するように図示したが、上述したように、それぞれタイミングをずらして変化する。

このような制御により、コンデンサ電圧Ｖｃが正常範囲を逸脱することを防止でき、電力制御システム１００の主回路の各部を構成する素子の耐圧に影響を及ぼすことなく、ＤＣ／ＡＣコンバータ１３およびＤＣ／ＤＣコンバータ１２の出力電力指令３１、３２をスムーズに変化させて電力制御できる。

ところで、充電優先モードにおいては、電力貯蔵装置１０を急速に充電するために、電力貯蔵装置１０への充電電力は大きくとるのが一般的である。しかしながら、過大な電力により充電すると電力貯蔵装置１０の劣化を招く恐れがあることや、満充電近くにおいては、比較的低電流で充電制御を行う方が良いという電力貯蔵装置１０の要求がある。このため上記第３の制約条件として、電力貯蔵装置１０の充放電電力には制限値Ｌｉｍが設定されている。
充電優先モードにおいて、電力貯蔵装置１０の充電電力が制限値Ｌｉｍで制限される場合について、以下に説明する。

電力貯蔵装置１０に設定される制限値Ｌｉｍは、電力貯蔵装置１０からの情報３４として制御装置３０に入力される。第１電圧制御部３７の電圧制御器３７ａが出力する制御指令は、大きさが制限値Ｌｉｍ以下の時はそのままＤＣ／ＤＣコンバータ１２の出力電力指令３２となる。ＤＣ／ＡＣコンバータ１３の直流側への出力電力が増加して平滑コンデンサ１４の電圧Ｖｃも上昇し、電圧制御器３７ａが出力する制御指令の大きさが制限値Ｌｉｍを超えると、出力電力指令３２の大きさは、リミッタ３７ｂにて制限値Ｌｉｍに制限される。これにより、ＤＣ／ＡＣコンバータ１３の直流側への出力電力がＤＣ／ＤＣコンバータ１２の直流側への出力電力より大きくなり、平滑コンデンサ１４の電圧Ｖｃは上昇するが、第１電圧制御部３７の制御では抑制できない。

第２電圧制御部３８は、コンデンサ電圧Ｖｃが上限電圧（ＶＡ＋α）を超えると、コンデンサ電圧Ｖｃが上限電圧（ＶＡ＋α）以下になるように補正値３９を演算して、ＤＣ／ＡＣコンバータ１３の出力電力指令３１の大きさを低減補正する。これにより、ＤＣ／ＡＣコンバータ１３の出力電力とＤＣ／ＤＣコンバータ１２の出力電力とを等しくすることができ、コンデンサ電圧Ｖｃは上限電圧（ＶＡ＋α）以下に制御される。
この第２電圧制御部３８は、コンデンサ電圧Ｖｃが下限電圧（ＶＡ−α）から上限電圧（ＶＡ＋α）までの範囲内では動作しないため、第１電圧制御部３７での制御に影響を及ぼすことがない。
このような制御により、上記第３の制約条件も満足させ、信頼性良く運転を継続させることができる。

次に、第２動作モードとなる買電抑制モードを以下に示す。
図５は買電抑制モード時の電力潮流状態の例を示す図である。この場合、発電装置２は発電しているものとし、図５に示すように、電力系統１の潮流電力Ｐｆである買電電力と発電装置２からの発電電力は、負荷３に負荷電力として供給され、足りない負荷電力分が電力貯蔵装置１０から放電される。なお、発電装置２が発電しない場合でも良い。
買電抑制モードでは、上位制御装置４からの電力指令値３３として買電電力指令値Ｐ＊が設定される。この買電電力指令値Ｐ＊は、電力制御システム１００の使用者が設定しても良い。

制御装置３０の基本制御は、充電優先モードの場合と同様であり、潮流電力Ｐｆを電力指令値３３に追従させ、逆潮流電力Ｐｆａを抑制し、コンデンサ電圧Ｖｃを目標電圧ＶＡに制御するように、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２およびＤＣ／ＡＣコンバータ１３を出力制御する。
第１電力制御部３５では、（買電電力指令値−実際の買電電力）、即ち（Ｐ＊−Ｐｆ）がゼロになるように、ＤＣ／ＡＣコンバータ１３の出力電力指令３１の基本情報である制御指令を出力する。
逆潮流電力Ｐｆａがゼロ以下で、平滑コンデンサ１４の電圧Ｖｃが下限電圧から上限電圧までの範囲内の場合、第１電力制御部３５からの制御指令はそのままＤＣ／ＡＣコンバータ１３の出力電力指令３１となる。そして結果として、第１電力制御部３５は、−（│Ｐ＊│＋発電電力−負荷電力）となる制御指令（出力電力指令３１）を出力する。

また、第１電圧制御部３７は、平滑コンデンサ１４の電圧Ｖｃが目標電圧ＶＡとなるように、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２の出力電力指令３２を生成する。そして結果として、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２の出力電力指令３２は、ＤＣ／ＡＣコンバータ１３の出力電力指令３１と等しくなり、−（│Ｐ＊│＋発電電力−負荷電力）となる。この時、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２の出力電力およびＤＣ／ＡＣコンバータ１３の出力電力は等しく、コンデンサ電圧Ｖｃも目標電圧ＶＡに一定制御される。

ＤＣ／ＡＣコンバータ１３およびＤＣ／ＤＣコンバータ１２の出力電力指令３１、３２の値が負であるとき電力貯蔵装置１０は充電され、正であるとき電力貯蔵装置１０は放電される。即ち、−（│Ｐ＊│＋発電電力−負荷電力）の正負の極性により、充放電が自動的に切り替わる。図５では、−（│Ｐ＊│＋発電電力−負荷電力）が正で、電力貯蔵装置１０は放電し、買電電力と発電電力と電力貯蔵装置１０からの放電電力とが負荷３に供給される場合の電力潮流を、矢印で示している。

また、このような制御により、コンデンサ電圧Ｖｃが正常範囲を逸脱することを防止でき、電力制御システム１００の主回路の各部を構成する素子の耐圧に影響を及ぼすことなく、ＤＣ／ＡＣコンバータ１３およびＤＣ／ＤＣコンバータ１２の出力電力指令３１、３２をスムーズに変化させて電力制御できる。

ここで、例えば、負荷電力が急激に減少した場合について以下に説明する。
負荷電力が急激に減少すると、ＤＣ／ＡＣコンバータ１３の出力電力により、負荷３よりも電力系統１側に逆潮流電力が流出する。第２電力制御部３６では、逆潮流電力検出部２２にて検出された逆潮流電力Ｐｆａを抑制するように、制御指令を出力する。この制御指令により、ＤＣ／ＡＣコンバータ１３への出力電力指令３１が減少し、電力貯蔵装置１０からの放電電力は抑制される。
このように第２電力制御部３６により逆潮流電力Ｐｆａを抑制でき、上記第１の制約条件を満足できる。
なお、第２電力制御部３６の制御応答性を第１電力制御部３５の制御応答性より高速に設定する事により、逆潮流電力Ｐｆａを瞬時に抑制することが可能になり、上記第１の制約条件を遵守できる。

また、買電抑制モードにおいて、電力貯蔵装置１０の放電電力が制限値Ｌｉｍで制限される場合について、以下に説明する。
この場合、ＤＣ／ＡＣコンバータ１３およびＤＣ／ＤＣコンバータ１２の出力電力指令３１、３２は正である。ＤＣ／ＡＣコンバータ１３の出力電力が増加して、平滑コンデンサ１４の電圧Ｖｃも低下し、第１電圧制御部３７の電圧制御器３７ａが出力する制御指令が大きくなり制限値Ｌｉｍを超えると、出力電力指令３２は、リミッタ３７ｂにて制限値Ｌｉｍに制限される。これにより、ＤＣ／ＡＣコンバータ１３の出力電力がＤＣ／ＤＣコンバータ１２の出力電力より大きくなり、平滑コンデンサ１４の電圧Ｖｃは低下するが、第１電圧制御部３７の制御では抑制できない。

第２電圧制御部３８は、コンデンサ電圧Ｖｃが下限電圧（ＶＡ−α）未満になると、コンデンサ電圧Ｖｃが下限電圧（ＶＡ−α）以上になるように補正値３９を演算して、ＤＣ／ＡＣコンバータ１３の出力電力指令３１を低減補正する。これにより、ＤＣ／ＡＣコンバータ１３の出力電力とＤＣ／ＤＣコンバータ１２の出力電力とを等しくすることができ、コンデンサ電圧Ｖｃは下限電圧（ＶＡ−α）以上に制御される。
このような制御により、上記第３の制約条件の１つである電力貯蔵装置１０の放電電力制限の条件も満足させ、信頼性良く運転を継続させることができる。

また、上述した買電抑制モードのうち、特に、電力指令値３３としての買電電力指令値Ｐ＊が０の場合の買電最小モードについて、以下に説明する。図６は買電最小モード時の電力潮流状態の例を示す図である。図６に示すように、発電装置２からの発電電力は、負荷３に負荷電力として供給され、足りない負荷電力分が電力貯蔵装置１０から放電される。この場合の制御は、買電電力指令値Ｐ＊を０とした買電抑制モードでの制御である。

さらに、買電最小モードにおいて、発電装置２からの発電電力が負荷電力よりも大きい場合、余剰電力を電力系統１側へ売電する事もできる。この場合、第１電圧制御部３７で電力貯蔵装置１０への充電を禁止する。発電装置２からの発電電力は、負荷３に負荷電力として供給され、余剰電力は電力系統１側へ売電される。また負荷電力が足りない時は、電力貯蔵装置１０から放電される。

次に、第３動作モードとなる売電最大モードを以下に示す。
図７は売電最大モード時の電力潮流状態の例を示す図である。この場合、発電装置２から出力される発電電力をできるだけ多く電力系統１へ逆潮流して売電する動作を行う。図７に示すように、発電装置２からの発電電力は電力系統１に供給され、電力貯蔵装置１０からの放電電力が負荷３に供給される。
売電最大モードでは、電力指令値３３として売電電力最大値ＰＡｍａｘが設定される。この売電電力最大値ＰＡｍａｘは、充電優先モードの場合と同様に、上述した第２制約条件により決定されるもので、契約ブレーカの通電容量などにより決定されるものであるが、使用者が設定しても良い。なお、売電する電力方向を正としたため、この場合、売電電力最大値ＰＡｍａｘは正の値である。

制御装置３０の基本制御は、充電優先モードおよび買電抑制モードの場合と同様であり、潮流電力Ｐｆを電力指令値３３に追従させ、逆潮流電力Ｐｆａを抑制し、コンデンサ電圧Ｖｃを目標電圧ＶＡに制御するように、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２およびＤＣ／ＡＣコンバータ１３を出力制御する。
第１電力制御部３５では、電力指令値３３である売電電力最大値ＰＡｍａｘから、潮流電力検出部２１にて検出された潮流電力Ｐｆである実際の売電電力を減算した（売電電力最大値−実際の売電電力）、即ち（ＰＡｍａｘ−Ｐｆ）がゼロとなるようにＤＣ／ＡＣコンバータ１３の出力電力指令３１の基本情報である制御指令を出力する。例えば、（ＰＡｍａｘ＞Ｐｆ）の場合、電力貯蔵装置１０の放電電力を増加させるように制御指令を増加させる。逆に（ＰＡｍａｘ＜Ｐｆ）の場合、電力貯蔵装置１０の放電電力を減少させるように制御指令を減少させる。

この場合、電力貯蔵装置１０の放電電力を最大とするように、第１電力制御部３５の制御指令が生成される。この制御指令は、負荷３の状態に依存せず決まる。そして、ＤＣ／ＡＣコンバータ１３の出力電力指令３１による放電電力が負荷電力を超えると、負荷３よりも電力系統１側に逆潮流電力が流出する。第２電力制御部３６では、逆潮流電力検出部２２にて検出された逆潮流電力Ｐｆａを抑制するように、制御指令を出力する。この制御指令により、電力貯蔵装置１０の放電電力を減少させるようにＤＣ／ＡＣコンバータ１３への出力電力指令３１が低減される。そして、出力電力指令３１は負荷電力の値となり、ＤＣ／ＡＣコンバータ１３は負荷電力のみを交流側に供給する。

また、第１電圧制御部３７は、平滑コンデンサ１４の電圧Ｖｃが目標電圧ＶＡとなるように、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２の出力電力指令３２を生成する。そして結果として、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２の出力電力指令３２は、ＤＣ／ＡＣコンバータ１３の出力電力指令３１と等しくなる。この時、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２の出力電力およびＤＣ／ＡＣコンバータ１３の出力電力は等しく、コンデンサ電圧Ｖｃも目標電圧ＶＡに一定制御される。

このような制御により逆潮流電力を抑制でき、上記第１の制約条件を逸脱することなく、信頼性良く運転を継続することができる。
また、コンデンサ電圧Ｖｃが正常範囲を逸脱することを防止でき、電力制御システム１００の主回路の各部を構成する素子の耐圧に影響を及ぼすことなく、ＤＣ／ＡＣコンバータ１３およびＤＣ／ＤＣコンバータ１２の出力電力指令３１、３２をスムーズに変化させて電力制御できる。

以上、複数の動作モードについて説明したが、各動作モード間の遷移は、同じ制御装置３０による同様の制御で、電力指令値３３を変化させるのみで行う。制御装置３０は、電力指令値３３に応じてＤＣ／ＡＣコンバータ１３およびＤＣ／ＤＣコンバータ１２の出力電力指令３１、３２を変化させることで、各装置の停止や出力停止をすることなく、各動作モード間の遷移を行うことができる。

また、電力制御システム１００は、平滑コンデンサ１４の電圧Ｖｃを目標電圧ＶＡに制御する第１電圧制御部３７と別に第２電圧制御部３８を備える。この第２電圧制御部３８は、平滑コンデンサ１４の電圧Ｖｃに対して目標電圧ＶＡより所定電圧αだけ高い上限電圧（ＶＡ＋α）と目標電圧ＶＡより所定電圧αだけ低い下限電圧（ＶＡ−α）との２種の基準電圧を用いる。そして、コンデンサ電圧Ｖｃが上昇した場合、コンデンサ電圧Ｖｃが上限電圧（ＶＡ＋α）を超えた時点で動作を開始し、コンデンサ電圧Ｖｃが上限電圧（ＶＡ＋α）以下になるように制御する。また、コンデンサ電圧Ｖｃが下降した場合、コンデンサ電圧Ｖｃが下限電圧（ＶＡ−α）未満になった時点で動作を開始し、コンデンサ電圧Ｖｃが下限電圧（ＶＡ−α）以上になるように制御する。
このため、第１電圧制御部３７の動作と第２電圧制御部３８の動作との干渉による制御の発振などが防止でき、平滑コンデンサ１４の電圧変動を信頼性良く抑制でき、電力制御システム１００を信頼性良く運転させることができる。

また、第１電圧制御部３７にリミッタ３７ｂを設けてＤＣ／ＤＣコンバータ１２の出力電力指令３１を制限して、電力貯蔵装置１０の要求を満たすように電力制御システム１００を運転させる。そして、出力電力指令３１が制限されている間に、第２電圧制御部３８が動作することにより平滑コンデンサ１４の電圧変動が抑制され、電力制御システム１００は信頼性良く運転継続することができる。

負荷３の負荷電力、発電装置２の発電電力、および電力貯蔵装置１０の充放電電力の制限値Ｌｉｍは、非同期で刻一刻と変動し、電力状況は頻繁に変わる。上記実施の形態１による電力制御システム１００では、電力状況の頻繁な変動時にも、制御装置３０が、ＤＣ／ＡＣコンバータ１３およびＤＣ／ＤＣコンバータ１２の出力電力指令３１、３２を適正に生成して制御するため、不要な運転停止やタイムラグを伴うことがなく、装置都合による電力変動の影響を負荷３や電力系統１に対して与えることなく、運転を継続することが可能である。

また、電力制御システム１００の運用時に、上位制御装置４の制御結果として、頻繁な動作モードの変更を行う必要がある場合にも、制御装置３０が、ＤＣ／ＡＣコンバータ１３およびＤＣ／ＤＣコンバータ１２の出力電力指令３１、３２を適正に生成して制御するため、不要な運転停止やタイムラグを伴うことがなく、装置都合による電力変動の影響を負荷３や電力系統１に対して与えることなく、運転を継続することが可能である。

なお、上記実施の形態１では、電力制御システム１００に太陽電池などの発電装置２を接続するものとしたが、発電装置２は接続しなくても良い。その場合、売電することはなく、動作モードが売電最大モードとなることはない。

実施の形態２．
次に、この発明の実施の形態２では、上記実施の形態１で示した電力制御システム１００の複数の動作モードの運用について説明する。
各動作モードは、電力制御システム１００の使用者の要求による選択の他、上位制御装置４の制御によって切り替えられる。この上位制御装置４の制御では、環境に貢献するように動作モードを切り替え制御する。

環境に貢献するよう動作モードを切り替え制御するには、時間帯や季節に応じて買電電力の量を制御する。例えば、電力需要が縮小する夜間などに、充電優先モードにより電力貯蔵装置１０に充電を行い、電力需要が拡大する昼間などに買電抑制モードにより電力貯蔵装置１０から放電させて負荷電力を賄う。このように、夜間など電力需要が縮小する時間帯の電力を利用し、昼間など電力需要が拡大する時間帯の負荷電力とすることで、時間帯毎の電力需要を平準化することが可能である。これにより、電力系統１は電力需要変動に対応するための火力発電所の発電量を削減することができ、結果として二酸化炭素の排出量を削減できることで環境に貢献できる。

このような電力需要平準化の制御方法として、上位制御装置４が、時間帯、および季節などのタイムスケジュールを管理する方法と、上位制御装置４が電力需要情報を取得する方法の二通りの方法を有する。
タイムスケジュールを管理する方法では、上位制御装置４がタイムスケジュールを管理し、設定されたタイムスケジュールに基づいて電力指令値３３を決定する。これにより、電力制御システム１００の動作モードが切り替え制御される。
電力指令値３３を決定する機能を有する上位制御装置４を、電力制御システム１００が備える場合は、電力制御システム１００が外部に依存することなく単独で動作することが可能である。

電力需要情報を取得する方法では、上位制御装置４が更に上位の制御システムから電力需要情報を取得する。例えば、電力制御システム１００が家庭に配置された場合には、その家庭が所属する町、村などのコミュニティの需要電力を管理する上位の制御システムから、コミュニティの需要電力を上記電力需要情報として取得する。そして、上位制御装置４にて、取得した需要電力に応じて電力指令値３３を決定する。これにより、電力制御システム１００の動作モードが切り替え制御される。

上記実施の形態１で述べたように、電力制御システム１００は、電力状況の頻繁な変動時にも、上位制御装置４の制御結果として、頻繁な動作モードの変更を行う必要がある場合にも、不要な運転停止やタイムラグを伴うことがなく、装置都合による電力変動の影響を負荷３や電力系統１に対して与えることなく、運転を継続することが可能である。このため、上記二通りの方法のいずれの場合にも、不要な運転停止やタイムラグを伴うことがなく、運転継続できる。特に、電力需要情報を取得する方法において、頻繁に電力需要が変化するような場合にも、電力制御システム１００の動作が実際の電力需要変化に容易に追従し、負荷３や電力系統１への影響を軽減することが可能である。

実施の形態３．
上記実施の形態２では、環境に貢献するように電力制御システム１００の動作モードを切り替え制御したが、この実施の形態３では、上位制御装置４の制御により、使用者の利益が増加するように動作モードを切り替え制御する。
図８は、実施の形態３による電力制御システム１００に適用される電力料金を示す図である。
電力料金体系は時事刻々と変化し、図８に示すように、電力料金の種別毎の大小関係を、以下の３ケースで考える。
ＣＡＳＥ１は、売電電力料金＞買電電力料金（昼間）＞買電電力料金（夜間）
ＣＡＳＥ２は、買電電力料金（昼間）＞売電電力料金＞買電電力料金（夜間）
ＣＡＳＥ３は、買電電力料金（昼間）＞買電電力料金（夜間）＞売電電力料金
である。

この実施の形態３では、上位制御装置４が電力料金情報を取得し、その料金情報によって、以下のように動作モードを切り替えるように、電力指令値３３を決定する。
ＣＡＳＥ１およびＣＡＳＥ２では、料金の安い夜間に充電優先モードにより電力制御システム１００を動作させ、電力貯蔵装置１０に充電を行う。そして昼間は、売電最大モードにより電力制御システム１００を動作させて発電装置２の発電電力を全て売電し、電力貯蔵装置１０からの放電電力により昼間の負荷電力を全て賄い、買電は行わない。これにより、使用者は最大限の利益を得ることが可能となる。また、発電装置２の売電料金と買電料金との差が小さい場合などには、昼間の負荷電力を、電力貯蔵装置１０からの放電電力と発電装置２の発電電力とにより全て賄い、買電を行わず、かつ、余剰な発電電力のみ売電するようにしても利益を得ることができる。

ＣＡＳＥ３では、夜間に充電優先モードにより電力制御システム１００を動作させ、電力貯蔵装置１０に充電を行う。そして昼間は、買電最小モードにより電力制御システム１００を動作させ、電力貯蔵装置１０からの放電電力と発電装置２の発電電力とにより昼間の負荷電力を全て賄い、買電は行わない。これにより、使用者は最大限の利益を得ることが可能となる。
ＣＡＳＥ３の場合では、発電装置２の発電電力の変動もしくは負荷電力の変動により、（発電電力＞負荷電力）となる場合に、その余剰電力を電力貯蔵装置１０に充電する。電力制御システム１００では、電力状況の変動に対し、システム動作の停止やタイムラグなく、電力貯蔵装置１０の充電と放電とを連続的に切り替えることができる。このため、電力系統１の安定性や負荷３の運転状況に影響を及ぼすことなく電力潮流制御を行い、しかも使用者は最大限の利益を得ることが可能となる。

なお、上位制御装置４が、上記実施の形態２による環境に貢献するように動作モードを切り替え制御する第１モードと、この実施の形態３で説明した、使用者の利益が増加するように動作モードを切り替え制御する第２モードとのいずれかを選択して用いるようにしても良い。この場合、第１モードと第２モードとを外部入力により切り替える機能を上位制御装置４が備えて、電力制御システム１００の使用者により切り替え可能にしても良い。

なお、この発明は、発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。

Claims (7)

1. 第１入出力側が電力貯蔵装置に接続され、双方向のＤＣ／ＤＣ電力変換動作により上記電力貯蔵装置を充放電させるＤＣ／ＤＣコンバータと、
   直流側が上記ＤＣ／ＤＣコンバータの第２入出力側に接続され、交流側が電力系統に接続されて、直流、交流間の電力変換動作を双方向で行うＤＣ／ＡＣコンバータと、
   上記ＤＣ／ＤＣコンバータの上記第２入出力側と上記ＤＣ／ＡＣコンバータの直流側との間に接続された電力平滑用素子と、
   上記電力系統の潮流電力を検出する潮流電力検出部と、
   上記ＤＣ／ＡＣコンバータと上記電力系統との間に接続される負荷よりも上記電力系統側で、上記電力系統に流出する逆潮流電力を検出する逆潮流電力検出部と、
   与えられた電力指令値である上記電力系統からの上記潮流電力の指令値と、上記潮流電力検出部および上記逆潮流電力検出部の検出結果とに基づいて、上記ＤＣ／ＤＣコンバータおよび上記ＤＣ／ＡＣコンバータを出力制御する制御装置とを備え、
   上記制御装置は、
   上記電力系統からの上記潮流電力を上記電力指令値に追従制御する第１電力制御部と、上記逆潮流電力を抑制制御する第２電力制御部とを備えて、上記ＤＣ／ＡＣコンバータへの第１出力電力指令を生成する電力制御部と、
   上記電力平滑用素子の電圧が目標電圧となるように上記ＤＣ／ＤＣコンバータへの第２出力電力指令を生成する第１電圧制御部と、
   上記電力平滑用素子の電圧変動を抑制するように上記第１出力電力指令を補正する第２電圧制御部とを備えた
   電力制御システム。
2. 上記第２電圧制御部は、上記電力平滑用素子の上記目標電圧より高い上限電圧と上記目標電圧より低い下限電圧とを用い、上記電力平滑用素子の電圧が上記上限電圧を超えると上記電力平滑用素子の電圧が上記上限電圧以下となるように上記第１出力電力指令を補正すると共に、上記電力平滑用素子の電圧が上記下限電圧未満になると上記電力平滑用素子の電圧が上記下限電圧以上となるように上記第１出力電力指令を補正する
   請求項１に記載の電力制御システム。
3. 上記第１電圧制御部は、上記電力貯蔵装置の充放電に対して設定された制限値で上記第２出力電力指令を制限するリミッタを有し、
   上記第２電圧制御部は、上記電力平滑用素子の電圧が、上記下限電圧以上かつ上記上限電圧以下の電圧範囲を外れた場合のみ動作し、
   上記第２出力電力指令が上記リミッタにて制限されている状態で、上記第２電圧制御部が動作する
   請求項２に記載の電力制御システム。
4. 上記逆潮流電力検出部よりも上記電力系統側で発電装置が上記電力系統に連系され、
   上記制御装置は、上記ＤＣ／ＤＣコンバータおよび上記ＤＣ／ＡＣコンバータを出力制御することで、上記電力系統からの上記潮流電力を制御すると共に、上記電力貯蔵装置の充放電を制御し、
   上記負荷に電力供給すると共に上記発電装置の発電電力を利用する
   請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の電力制御システム。
5. 上記制御装置が、上記電力指令値が変化しても同様の制御動作により上記ＤＣ／ＤＣコンバータおよび上記ＤＣ／ＡＣコンバータを出力制御することで、
   上記電力制御システムは、上記電力指令値に応じて、上記電力系統からの上記潮流電力を最大にして上記電力貯蔵装置を充電する第１動作モード、上記潮流電力を抑制し上記電力貯蔵装置を充放電させる第２動作モード、上記潮流電力を負にして上記発電装置の上記発電電力を上記電力系統に供給し、上記電力貯蔵装置を放電させる第３動作モードの複数の動作モードを自動的に切り換えて動作する
   請求項４に記載の電力制御システム。
6. 上記電力系統からの上記潮流電力における夜間と昼間との平準化を図るように上記電力指令値が決定される
   請求項４に記載の電力制御システム。
7. 上記電力指令値を決定する指令値生成部を備え、該指令値生成部は、設定されたタイムスケジュールあるいは電力需要情報に基づいて上記電力指令値を決定する第１モードと、電力料金に応じて上記電力指令値を決定する第２モードとのいずれかを選択して用いる
   請求項４に記載の電力制御システム。

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