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技術 蓄電池用変換装置、電力供給システムおよび電力供給制御方法

出願人 住友電気工業株式会社
発明者 秋田哲男綾井直樹清水裕介
出願日 2017年2月8日 (3年10ヶ月経過) 出願番号 2017-021558
公開日 2017年5月18日 (3年7ヶ月経過) 公開番号 2017-085892
状態 拒絶査定
技術分野 交流の給配電 電池等の充放電回路
主要キーワード 自立電源 制限閾値 交流電源用 電流値積 出力抑制制御 直流電力供給 電力余剰 DCバスライン
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2017年5月18日)のものです。
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図面 (16)

課題

線路を介して直流電力を供給する構成において、安定かつ変換効率の高い電力供給を行なう。

解決手段

蓄電池用変換装置101は、蓄電池106からの直流電圧を変換して線路151に供給する放電動作、および線路151からの直流電圧を変換して蓄電池106に供給する充電動作を行なうことが可能な電圧変換部13と、電圧変換部13の充電動作および放電動作を制御する制御部12とを備える。制御部12は、線路151の電圧が上昇して充電開始閾値以上になると充電動作を開始させ、線路151の電圧が下降して充電停止閾値以下になると充電動作を停止させ、線路151の電圧が下降して放電開始閾値以下になると放電動作を開始させ、線路151の電圧が上昇して放電停止閾値以上になると放電動作を停止させる。充電停止閾値および放電停止閾値は、充電開始閾値と放電開始閾値との間の値である。

概要

背景

一般家庭およびオフィス等において、各種電気機器に供給する電力は、通常、電力系統からの交流電力である。

これに対して、たとえば、自然エネルギー活用および電力系統の停電時の対処等のために、太陽電池等の発電装置、および蓄電池等を設置し、これら発電装置および蓄電池からの直流電力を交流電力に変換して各種電気機器に供給する直流配電システムが開発されている。

たとえば、特開2012−161189号公報(特許文献1)には、以下のような技術が開示されている。すなわち、太陽電池と、上記太陽電池の直流電力を交流電力に変換して負荷に出力するパワーコンディショナとを含む電力システムにおいて、上記太陽電池の電力を蓄電池に対して充放電制御する。より詳細には、上記パワーコンディショナ内のDCバスラインと上記蓄電池との間に双方向DC/DCコンバータ介装し、上記DCバスラインにおけるライン電圧監視し、上記ライン電圧が一定範囲になるように、双方向DC/DCコンバータをPWM制御し、上記蓄電池への充電と、上記蓄電池の充電電圧の上記DCバスラインへの放電とを制御する。

概要

線路を介して直流電力を供給する構成において、安定かつ変換効率の高い電力供給を行なう。蓄電池用変換装置101は、蓄電池106からの直流電圧を変換して線路151に供給する放電動作、および線路151からの直流電圧を変換して蓄電池106に供給する充電動作を行なうことが可能な電圧変換部13と、電圧変換部13の充電動作および放電動作を制御する制御部12とを備える。制御部12は、線路151の電圧が上昇して充電開始閾値以上になると充電動作を開始させ、線路151の電圧が下降して充電停止閾値以下になると充電動作を停止させ、線路151の電圧が下降して放電開始閾値以下になると放電動作を開始させ、線路151の電圧が上昇して放電停止閾値以上になると放電動作を停止させる。充電停止閾値および放電停止閾値は、充電開始閾値と放電開始閾値との間の値である。

目的

この発明は、上述の課題を解決するためになされたもので、その目的は、線路を介して直流電力を供給する構成において、安定かつ変換効率の高い電力供給を行なうことが可能な蓄電池用変換装置、電力供給システムおよび電力供給制御方法を提供する

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

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請求項1

蓄電池からの直流電圧を変換して線路に供給する放電動作、および前記線路からの直流電圧を変換して前記蓄電池に供給する充電動作を行なうことが可能な電圧変換部と、前記電圧変換部の前記充電動作および前記放電動作を制御する制御部とを備え、前記制御部は、前記線路の電圧が上昇して充電開始閾値以上になると前記充電動作を開始させ、前記線路の電圧が下降して充電停止閾値以下になると前記充電動作を停止させ、前記線路の電圧が下降して放電開始閾値以下になると前記放電動作を開始させ、前記線路の電圧が上昇して放電停止閾値以上になると前記放電動作を停止させ、前記充電停止閾値および前記放電停止閾値は、前記充電開始閾値と前記放電開始閾値との間の値であり、前記制御部は、前記充電動作において前記電圧変換部から前記蓄電池へ流れる電流一定値に制御し、かつ前記放電動作において前記蓄電池から前記電圧変換部へ流れる電流を一定値に制御する、蓄電池用変換装置

請求項2

前記制御部は、前記充電動作において前記電圧変換部から前記蓄電池へ流れる電流を所定値に制御し、かつ前記放電動作において前記蓄電池から前記電圧変換部へ流れる電流を所定値に制御する、請求項1に記載の蓄電池用変換装置。

請求項3

前記蓄電池用変換装置は、さらに、前記蓄電池および前記電圧変換部間を流れる電流を測定する測定部を備え、前記電圧変換部は、スイッチ素子を含み、前記制御部は、前記充電動作において、前記測定部によって測定される前記電流が所定値になるように前記スイッチ素子を制御し、かつ前記放電動作において、前記測定部によって測定される前記電流が所定値になるように前記スイッチ素子を制御する、請求項2に記載の蓄電池用変換装置。

請求項4

発電装置からの直流電圧を変換して線路に供給する発電装置用変換装置と、蓄電池からの直流電圧を変換して前記線路に供給する放電動作、および前記線路からの直流電圧を変換して前記蓄電池に供給する充電動作を行なうことが可能な蓄電池用変換装置とを備える電力供給システムであって、前記蓄電池用変換装置は、前記線路の電圧が上昇して充電開始閾値以上になると前記充電動作を開始させ、前記線路の電圧が下降して充電停止閾値以下になると前記充電動作を停止させ、前記線路の電圧が下降して放電開始閾値以下になると前記放電動作を開始させ、前記線路の電圧が上昇して放電停止閾値以上になると前記放電動作を停止させ、前記充電停止閾値および前記放電停止閾値は、前記充電開始閾値と前記放電開始閾値との間の値であり、前記蓄電池用変換装置は、前記充電動作において前記蓄電池へ流れる電流を一定値に制御し、かつ前記放電動作において前記蓄電池から流れる電流を一定値に制御する、電力供給システム。

請求項5

前記発電装置用変換装置は、前記線路の電圧が上昇して前記充電開始閾値より大きい第1の制限閾値以上になると、前記線路の電圧が所定の上限値を超えないように出力抑制制御を行ない、前記電力供給システムは、さらに、交流電源からの交流電圧を直流電圧に変換して前記線路に供給する交流電源用変換装置を備え、前記交流電源用変換装置は、前記線路の電圧が上昇して前記充電開始閾値より大きい第2の制限閾値以上になると、前記線路の電圧が所定の上限値を超えないように出力抑制制御を行ない、前記第2の制限閾値は、前記第1の制限閾値より小さい、請求項4に記載の電力供給システム。

請求項6

蓄電池からの直流電圧を変換して線路に供給する放電動作、および前記線路からの直流電圧を変換して前記蓄電池に供給する充電動作を行なうことが可能な蓄電池用変換装置における電力供給制御方法であって、前記線路の電圧が上昇して充電開始閾値以上になると前記充電動作を開始させるステップと、前記線路の電圧が下降して充電停止閾値以下になると前記充電動作を停止させるステップと、前記線路の電圧が下降して放電開始閾値以下になると前記放電動作を開始させるステップと、前記線路の電圧が上昇して放電停止閾値以上になると前記放電動作を停止させるステップとを含み、前記充電停止閾値および前記放電停止閾値は、前記充電開始閾値と前記放電開始閾値との間の値であり、前記充電動作において前記蓄電池へ流れる電流を一定値に制御し、かつ前記放電動作において前記蓄電池から流れる電流を一定値に制御する、電力供給制御方法。

技術分野

0001

本発明は、蓄電池用変換装置電力供給システムおよび電力供給制御方法に関し、特に、蓄電池充放電を制御することにより線路を介した直流電力供給を制御する蓄電池用変換装置、電力供給システムおよび電力供給制御方法に関する。

背景技術

0002

一般家庭およびオフィス等において、各種電気機器に供給する電力は、通常、電力系統からの交流電力である。

0003

これに対して、たとえば、自然エネルギー活用および電力系統の停電時の対処等のために、太陽電池等の発電装置、および蓄電池等を設置し、これら発電装置および蓄電池からの直流電力を交流電力に変換して各種電気機器に供給する直流配電システムが開発されている。

0004

たとえば、特開2012−161189号公報(特許文献1)には、以下のような技術が開示されている。すなわち、太陽電池と、上記太陽電池の直流電力を交流電力に変換して負荷に出力するパワーコンディショナとを含む電力システムにおいて、上記太陽電池の電力を蓄電池に対して充放電制御する。より詳細には、上記パワーコンディショナ内のDCバスラインと上記蓄電池との間に双方向DC/DCコンバータ介装し、上記DCバスラインにおけるライン電圧監視し、上記ライン電圧が一定範囲になるように、双方向DC/DCコンバータをPWM制御し、上記蓄電池への充電と、上記蓄電池の充電電圧の上記DCバスラインへの放電とを制御する。

先行技術

0005

特開2012−161189号公報

発明が解決しようとする課題

0006

しかしながら、特許文献1に記載の技術では、DC/DCコンバータが、DCバスラインにおけるライン電圧を一定値に維持するために電流値を細かく変化させることから、電流発振が生じてしまう。この電流の発振が生じると、DCバスラインを通して流れる電流が上限を超え、機器が保護のために動作を停止し、電力供給が停止する問題がある。

0007

また、DC/DCコンバータの出力電流が小さい状態が継続されるため、DC/DCコンバータにおける半導体スイッチ素子オン抵抗が大きい状態で回路を動作させることになり、変換効率が低くなってしまう。

0008

この発明は、上述の課題を解決するためになされたもので、その目的は、線路を介して直流電力を供給する構成において、安定かつ変換効率の高い電力供給を行なうことが可能な蓄電池用変換装置、電力供給システムおよび電力供給制御方法を提供することである。

課題を解決するための手段

0009

(1)この発明のある局面に係わる蓄電池用変換装置は、蓄電池からの直流電圧を変換して線路に供給する放電動作、および上記線路からの直流電圧を変換して上記蓄電池に供給する充電動作を行なうことが可能な電圧変換部と、上記電圧変換部の上記充電動作および上記放電動作を制御する制御部とを備え、上記制御部は、上記線路の電圧が上昇して充電開始閾値以上になると上記充電動作を開始させ、上記線路の電圧が下降して充電停止閾値以下になると上記充電動作を停止させ、上記線路の電圧が下降して放電開始閾値以下になると上記放電動作を開始させ、上記線路の電圧が上昇して放電停止閾値以上になると上記放電動作を停止させ、上記充電停止閾値および上記放電停止閾値は、上記充電開始閾値と上記放電開始閾値との間の値であり、上記制御部は、上記充電動作において上記電圧変換部から上記蓄電池へ流れる電流を一定値に制御し、かつ上記放電動作において上記蓄電池から上記電圧変換部へ流れる電流を一定値に制御する。

0010

このような構成により、蓄電池の充電動作および放電動作が停止する期間を設けることができるため、線路の電流が発振することを抑制し、線路の電圧レベルを安定させることができる。また、蓄電池の電圧が蓄電残量によって変化しても蓄電池の充放電電流を一定値に制御することができるため、安定した動作を実現することができる。また、放電電流および充電電流の値をある程度大きく設定することにより、たとえば蓄電池用変換装置における半導体スイッチ素子のオン抵抗が小さい状態で回路を動作させることができるため、蓄電池用変換装置の効率を高めることができる。したがって、線路を介して直流電力を供給する構成において、安定かつ変換効率の高い電力供給を行なうことができる。

0011

(2)好ましくは、上記蓄電池用変換装置は、さらに、上記充電動作および上記放電動作が停止しているときの上記蓄電池の電圧を測定する測定部を備える。

0012

このように、各閾値電圧の設定により充電動作および放電動作が停止する停止期間を確保し、この停止期間において蓄電池の電圧を測定する構成により、蓄電池の起電力を正確かつ容易に測定することができる。たとえば、蓄電池の起電力を測定することによって蓄電池の残量を正確に把握することが可能となる。

0013

(3)より好ましくは、上記制御部は、上記測定部によって測定された上記電圧に基づいて、上記蓄電池の蓄電残量を算出する。

0014

このような構成により、停止期間において測定した蓄電池の起電力から、現在の蓄電池の正確な蓄電残量を求めることができるため、たとえば蓄電池の充電率を算出するための電流値積分の誤差補正することができる。

0015

(4)より好ましくは、上記制御部は、算出した上記蓄電残量が所定条件を満たす場合には、上記線路の電圧に関わらず、上記充電動作または上記放電動作を開始させない。

0016

このような構成により、停止期間における測定結果を用いて算出した蓄電池の蓄電残量をさらに考慮して充電動作および放電動作を行なうことができるため、線路を介して直流電力を供給する構成において、過充電および過放電を防ぐことができる。

0017

(5)好ましくは、上記制御部は、上記充電動作において上記電圧変換部から上記蓄電池へ流れる電流を所定値に制御し、かつ上記放電動作において上記蓄電池から上記電圧変換部へ流れる電流を所定値に制御する。

0018

このように、蓄電池を定電流で放電および充電する構成により、放電時間または充電時間と定電流値とから電流値積分を正確に行なうことが可能となる。また、定電流の値をある程度大きく設定することにより、たとえば蓄電池用変換装置がトランジスタを備え、当該トランジスタとして特にIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)を用いた場合、IGBTのオン抵抗が小さい状態で回路を動作させることができるため、蓄電池用変換装置の効率を高めることができる。また、定電流の値をある程度大きく設定することにより、放電時間または充電時間に対する停止時間の比率が高くなるため、蓄電池用変換装置に含まれるリアクトルおよび/または変圧器鉄損が低減され、効率を高めることができる。

0019

(6)より好ましくは、上記蓄電池用変換装置は、さらに、上記蓄電池および上記電圧変換部間を流れる電流を測定する測定部を備え、上記電圧変換部は、スイッチ素子を含み、上記制御部は、上記充電動作において、上記測定部によって測定される上記電流が所定値になるように上記スイッチ素子を制御し、かつ上記放電動作において、上記測定部によって測定される上記電流が所定値になるように上記スイッチ素子を制御する。

0020

このような構成により、電圧変換部におけるスイッチ素子のスイッチングを制御する簡易かつ適切な方法で蓄電池の定電流放電および定電流充電を行なうことができる。

0021

(7)好ましくは、上記充電停止閾値および上記放電停止閾値は、上記充電開始閾値および上記放電開始閾値の中央値である。

0022

このような構成により、線路の電圧上昇および電圧下降における放電動作および充電動作の停止時間の長さに差が生じることを抑制することができるため、放電動作および充電動作の停止期間における蓄電池の蓄電残量の算出を安定して行なうことができる。また、充電停止用の閾値および放電停止用の閾値を共通化することができるため、線路の電圧に基づく充電動作および放電動作の制御の簡易化を図ることができる。

0023

(8)この発明のある局面に係わる電力供給システムは、発電装置からの直流電圧を変換して線路に供給する発電装置用変換装置と、蓄電池からの直流電圧を変換して上記線路に供給する放電動作、および上記線路からの直流電圧を変換して上記蓄電池に供給する充電動作を行なうことが可能な蓄電池用変換装置とを備える電力供給システムであって、上記蓄電池用変換装置は、上記線路の電圧が上昇して充電開始閾値以上になると上記充電動作を開始させ、上記線路の電圧が下降して充電停止閾値以下になると上記充電動作を停止させ、上記線路の電圧が下降して放電開始閾値以下になると上記放電動作を開始させ、上記線路の電圧が上昇して放電停止閾値以上になると上記放電動作を停止させ、上記充電停止閾値および上記放電停止閾値は、上記充電開始閾値と上記放電開始閾値との間の値である。

0024

このような構成により、蓄電池の充電動作および放電動作が停止する期間を設けることができるため、線路の電流が発振することを抑制し、線路の電圧レベルを安定させることができる。また、放電電流および充電電流の値をある程度大きく設定することにより、たとえば蓄電池用変換装置における半導体スイッチ素子のオン抵抗が小さい状態で回路を動作させることができるため、蓄電池用変換装置の効率を高めることができる。したがって、線路を介して直流電力を供給する構成において、安定かつ変換効率の高い電力供給を行なうことができる。

0025

(9)好ましくは、上記発電装置用変換装置は、上記線路の電圧が上昇して上記充電開始閾値より大きい第1の制限閾値以上になると、上記線路の電圧が所定の上限値を超えないように出力抑制制御を行なう。

0026

このような構成により、線路を介して直流電力を供給する構成において、線路の電圧が過大となることを防ぎ、より安定した電力供給を行なうことができる。

0027

(10)好ましくは、上記電力供給システムは、さらに、交流電源からの交流電圧を直流電圧に変換して上記線路に供給する交流電源用変換装置を備え、上記交流電源用変換装置は、上記線路の電圧が上昇して上記充電開始閾値より大きい第2の制限閾値以上になると、上記線路の電圧が所定の上限値を超えないように出力抑制制御を行なう。

0028

このような構成により、線路を介して直流電力を供給する構成において、線路の電圧が過大となることを防ぎ、より安定した電力供給を行なうことができる。

0029

(11)好ましくは、上記電力供給システムは、さらに、上記線路からの直流電圧を変換して負荷に供給する負荷用変換装置を備え、上記負荷用変換装置は、電圧変換部を含み、上記蓄電池用変換装置の上記充電動作または上記放電動作の開始および停止の周期よりも短い周期で上記電圧変換部の出力電圧の制御を行なう。

0030

このような構成により、上記線路の直流電圧が変動しても負荷に対しては一定の直流電圧または交流電圧を供給することができる。

0031

(12)この発明のある局面に係わる電力供給制御方法は、蓄電池からの直流電圧を変換して線路に供給する放電動作、および上記線路からの直流電圧を変換して上記蓄電池に供給する充電動作を行なうことが可能な蓄電池用変換装置における電力供給制御方法であって、上記線路の電圧が上昇して充電開始閾値以上になると上記充電動作を開始させるステップと、上記線路の電圧が下降して充電停止閾値以下になると上記充電動作を停止させるステップと、上記線路の電圧が下降して放電開始閾値以下になると上記放電動作を開始させるステップと、上記線路の電圧が上昇して放電停止閾値以上になると上記放電動作を停止させるステップとを含み、上記充電停止閾値および上記放電停止閾値は、上記充電開始閾値と上記放電開始閾値との間の値である。

0032

このような構成により、蓄電池の充電動作および放電動作が停止する期間を設けることができるため、線路の電流が短時間で変化することを抑制し、線路の電圧レベルを安定させることができる。したがって、線路を介して直流電力を供給する構成において、安定かつ変換効率の高い電力供給を行なうことができる。

発明の効果

0033

本発明によれば、線路を介して直流電力を供給する構成において、安定かつ変換効率の高い電力供給を行なうことができる。

図面の簡単な説明

0034

本発明の実施の形態に係る電力供給システムの構成を示す図である。
本発明の実施の形態に係る蓄電池用変換装置の構成を示す図である。
本発明の実施の形態に係る蓄電池の充電率と電池電圧との対応関係の一例を示す図である。
本発明の実施の形態に係る発電装置用変換装置の構成を示す図である。
本発明の実施の形態に係る蓄電池用変換装置の充放電動作の一例を示す図である。
本発明の実施の形態に係る蓄電池用変換装置における充放電動作用の閾値電圧の一例を示す図である。
本発明の実施の形態に係る蓄電池用変換装置による電力供給動作の手順を示すフローチャートである。
本発明の実施の形態に係る蓄電池用変換装置による電力供給動作の一例を示す図である。
本発明の実施の形態に係る電力供給システムの電力不足時におけるシミュレーション結果を示す図である。
本発明の実施の形態に係る電力供給システムの電力不足時におけるシミュレーション結果を示す図である。
本発明の実施の形態に係る電力供給システムの電力余剰時におけるシミュレーション結果を示す図である。
本発明の実施の形態に係る電力供給システムの電力余剰時におけるシミュレーション結果を示す図である。
本発明の実施の形態に係る電力供給システムの電力バランス時におけるシミュレーション結果を示す図である。
本発明の実施の形態に係る電力供給システムの他のシミュレーション結果を示す図である。
本発明の実施の形態に係る電力供給システムにおける負荷用変換装置の制御周期と蓄電池用変換装置のオンオフ周期との関係の一例を示す図である。

実施例

0035

以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。

0036

[構成および基本動作
図1は、本発明の実施の形態に係る電力供給システムの構成を示す図である。

0037

図1を参照して、電力供給システム201は、蓄電池用変換装置101と、発電装置102と、発電装置用変換装置103と、交流電源104と、交流電源用変換装置105と、蓄電池106と、負荷用変換装置107とを備える。

0038

電力供給システム201は、たとえば太陽光自立電源ステム等の分散電源システムであり、線路151を介して負荷装置108に電力を供給する。なお、電力供給システム201は、系統連携を行なってもよい、すなわち、線路151からの電力供給先が交流電源104側であってもよい。

0039

電力供給システム201では、たとえば、発電装置102において発電された直流電力が、発電装置用変換装置103において昇圧されて蓄電池106に充電されるか、あるいは負荷用変換装置107によって交流電力に変換されて負荷装置108に供給される。蓄電池用変換装置101により、蓄電池106の充放電が制御される。

0040

より詳細には、蓄電池用変換装置101、発電装置用変換装置103、交流電源用変換装置105および負荷用変換装置107は、線路151と電気的に接続されている。

0041

発電装置102は、自然エネルギーを利用した発電装置、たとえば太陽光発電機または風力発電機であり、発電した直流電力を発電装置用変換装置103へ出力する。発電装置102の出力電力は、たとえば2.4kWである。

0042

発電装置用変換装置103は、たとえばDC/DCコンバータであり、発電装置102から受けた直流電力を異なる電圧値の直流電力に変換して線路151へ出力する。発電装置用変換装置103は、たとえばMPPT(最大電力点追従)制御を行なうことにより、発電装置102の出力電力の最大化を図る。

0043

蓄電池106は、たとえば、鉛電池Liイオン電池レドックスフロー電池NAS電池、NI−Cd電池、Ni−MH電池、電気二重層キャパシタ、またはLiイオンキャパシタである。より具体的には、蓄電池106は、たとえば、起電力が12Vであり、容量が105Ahであり、出力電力が5kWhであり、4直列鉛蓄電池である。あるいは、蓄電池106は、たとえば、起電力が30Vであり、容量が40Ahであり、出力電力が2.4kWhであり、2直列のLiイオン電池である。なお、後述するシミュレーションでは、蓄電池106として上記の鉛蓄電池を用いている。

0044

蓄電池用変換装置101は、たとえば双方向DC/DCコンバータであり、放電動作において、蓄電池106からの直流電力を異なる電圧値の直流電力に変換して線路151へ出力し、充電動作において、線路151からの直流電力を異なる電圧値の直流電力に変換して蓄電池106へ出力する。

0045

交流電源用変換装置105は、たとえば力率改善回路を含むAC/DCコンバータであり、商用電力系統等における交流電源104から受けた100Vの交流電力を直流電力に変換して線路151へ出力する。たとえば、交流電源用変換装置105は、線路151に供給する電流を一定値に制御する定電流制御を行なう。

0046

負荷用変換装置107は、たとえばDC/ACコンバータであり、線路151からの直流電力をたとえば100Vの交流電力に変換して負荷装置108へ出力する。負荷装置108は、たとえば家電機器である。なお、負荷用変換装置107は、負荷装置の種類に応じて、DC/DCコンバータとすることも可能である。

0047

蓄電池用変換装置101、発電装置用変換装置103、交流電源用変換装置105および負荷用変換装置107による線路151の合成容量は9mFである。この合成容量と負荷装置108の消費電力とにより、蓄電池106の充放電時における線路151の電圧上昇および電圧下降の傾きが決まる。

0048

図2は、本発明の実施の形態に係る蓄電池用変換装置の構成を示す図である。

0049

図2を参照して、蓄電池用変換装置101は、測定部11と、制御部12と、電圧変換部13と、電圧測定器36,37と、電流測定器38とを備える。制御部12は、PI演算部20と、充放電判定部21と、電池残量算出部22とを含む。電圧変換部13は、PWM(Pulse Width Modulation)回路23と、昇降圧チョッパ回路24とを含む。昇降圧チョッパ回路24は、キャパシタ31,35と、コイル32と、トランジスタ33,34とを含む。なお、昇降圧チョッパ回路24は、トランジスタの代わりに他の種類のスイッチ素子を含む構成であってもよい。

0050

電圧変換部13は、蓄電池106からの直流電圧を変換して線路151に供給する放電動作、および線路151からの直流電圧を変換して蓄電池106に供給する充電動作を行なうことが可能である。制御部12は、電圧変換部13の充電動作および放電動作を制御する。

0051

より詳細には、電圧測定器37は、線路151の電圧Vdcを測定し、測定値を測定部11へ出力する。電圧測定器36は、蓄電池106のたとえば端子間の電圧である電池電圧Vbを測定し、測定値を測定部11へ出力する。電流測定器38は、蓄電池106および電圧変換部13間を流れる電流、具体的には蓄電池106に入力または出力される電池電流Ibdcを測定し、測定値を測定部11へ出力する。

0052

測定部11は、電圧Vdc、電池電圧Vbおよび電池電流Ibdcの測定値をPI演算部20へ出力し、電圧Vdcの測定値を充放電判定部21へ出力する。また、測定部11は、蓄電池106の充電時間および放電時間を測定し、充電時間および放電時間、ならびに電池電圧Vbおよび電池電流Ibdcの測定値を電池残量算出部22へ出力する。

0053

充放電判定部21は、測定部11から受けた電圧Vdcに基づいて蓄電池106の充電動作および放電動作の開始および停止の判断を行ない、判断結果をPI演算部20へ出力する。

0054

電池残量算出部22は、測定部11から受けた蓄電池106の充電時間および放電時間、ならびに電池電圧Vbおよび電池電流Ibdcの測定値に基づいて蓄電池106の蓄電残量たとえば充電率を算出する。そして、電池残量算出部22は、算出した充電率に基づいて蓄電池106の充電動作および放電動作の開始および停止の判断を行ない、判断結果をPI演算部20へ出力する。

0055

図3は、本発明の実施の形態に係る蓄電池の充電率と電池電圧との対応関係の一例を示す図である。

0056

図3を参照して、蓄電池106は、たとえば一般始動用またはサイクル用の液式鉛蓄電池であり、充電率が100%のときの電池電圧すなわち起電力が12.72Vであり、充電率が下がるにつれて起電力が小さくなり、充電率が25%のときの起電力が11.82Vとなる。

0057

たとえば、蓄電池用変換装置101は、図3の対応関係を示す情報を記憶している。電池残量算出部22は、測定部11から受けた蓄電池106の充電時間および放電時間、ならびに電池電圧Vbおよび電池電流Ibdcの測定値に基づいて、蓄電池106の起電力、すなわち蓄電池106の端子電圧から蓄電池106の内部抵抗を通して流れる電流による電圧分が除外された電圧値を算出する。そして、電池残量算出部22は、図3に示す対応関係を参照することにより、蓄電池106の起電力から蓄電池106の充電率を求める。

0058

再び図2を参照して、PI演算部20は、充放電判定部21から受けた判断結果、電池残量算出部22から受けた判断結果、ならびに測定部11から受けた電圧Vdc、電池電圧Vbおよび電池電流Ibdcの測定値に基づいてPI(比例積分演算を行ない、昇降圧チョッパ回路24におけるトランジスタ33,34のスイッチングのデューティ比をそれぞれ求める。

0059

PWM回路23は、PI演算部20から受けたデューティ比に従って、昇降圧チョッパ回路24におけるトランジスタ33,34用のPWM制御信号をそれぞれ生成し、トランジスタ33,34へ出力する。

0060

トランジスタ33,34は、たとえば逆流阻止ダイオードを有するIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)であり、PWM回路23から受けたPWM制御信号に基づいてスイッチングする。これにより、たとえば、蓄電池106の放電動作において、蓄電池106の電池電圧Vbが昇圧されて線路151に供給され、蓄電池106の充電動作において、線路151の電圧Vdcが降圧されて蓄電池106に供給される。

0061

たとえば、電圧変換部13は、蓄電池106の充電動作として定電流充電を行ない、蓄電池106の放電動作として定電流放電を行なう。すなわち、制御部12は、充電動作において電圧変換部13から蓄電池106へ流れる電流を一定値に制御し、かつ放電動作において蓄電池106から電圧変換部13へ流れる電流を一定値に制御する。この一定値は、たとえばユーザによって予め設定された値、すなわち所定値である。

0062

より詳細には、制御部12は、蓄電池106の充電動作において、測定部11によって測定される電流Ibdcが所定値になるようにトランジスタ33,34を制御し、かつ蓄電池106の放電動作において、測定部11によって測定される電流Ibdcが所定値になるようにトランジスタ33,34を制御する。

0063

たとえば、制御部12は、蓄電池106の充電動作において、トランジスタ33を常時オフし、蓄電池106の入力電流Ibdcが所定値になるようにトランジスタ34のオン状態およびオフ状態切り替える。また、制御部12は、蓄電池106の放電動作において、トランジスタ34を常時オフし、蓄電池106の出力電流Ibdcが所定値になるようにトランジスタ33のオン状態およびオフ状態を切り替える。

0064

図4は、本発明の実施の形態に係る発電装置用変換装置の構成を示す図である。

0065

図4を参照して、発電装置用変換装置103は、測定部41と、PI演算部42と、電圧変換部43と、電圧測定器66,67と、電流測定器68とを備える。電圧変換部43は、PWM回路51と、昇圧チョッパ回路52とを含む。昇圧チョッパ回路52は、キャパシタ61,65と、コイル62と、トランジスタ63と、ダイオード64とを含む。

0066

より詳細には、電圧測定器67は、線路151の電圧Vdcを測定し、測定値を測定部41へ出力する。電圧測定器66は、発電装置102のたとえば端子間の電圧である発電電圧Vgを測定し、測定値を測定部41へ出力する。電流測定器68は、発電装置102から出力される発電電流Igを測定し、測定値を測定部41へ出力する。

0067

測定部41は、電圧Vdc、発電電圧Vgおよび発電電流Igの測定値をPI演算部42へ出力する。

0068

PI演算部42は、測定部41から受けた電圧Vdc、発電電圧Vgおよび発電電流Igの測定値に基づいてPI(比例積分)演算を行ない、昇圧チョッパ回路52におけるトランジスタ63のスイッチングのデューティ比を求める。

0069

PWM回路51は、PI演算部42から受けたデューティ比に従ってPWM制御信号を生成し、昇圧チョッパ回路52におけるトランジスタ63へ出力する。

0070

トランジスタ63は、たとえばIGBTであり、PWM回路51から受けたPWM制御信号に基づいてスイッチングする。これにより、たとえば、発電装置102の発電電圧Vgが昇圧されて線路151に供給される。

0071

図5は、本発明の実施の形態に係る蓄電池用変換装置の充放電動作の一例を示す図である。

0072

図5を参照して、ここでは、線路151の電圧Vdcの下限値を160Vとし、上限値を190Vとした場合について説明する。また、負荷装置108の消費電力は一定であると仮定する。

0073

蓄電池用変換装置101は、発電装置102の発電量が増加し、線路151の電圧Vdcが上昇して190Vに達すると、蓄電池106の充電を開始する(タイミングt1)。これにより、発電装置102の発電する電力の余剰分が蓄電池106に供給され、線路151の電圧Vdcが下降する。このとき、蓄電池106における電流は−30A、すなわち線路151から蓄電池106へ30Aの充電電流が流れる。

0074

その後、たとえば蓄電池106の充電量が大きい場合、線路151の電圧Vdcが下降して175Vに達すると、蓄電池用変換装置101は、蓄電池106の充電を停止する(タイミングt2)。この30Aとタイミングt1からタイミングt2までの時間との積により、充電電流の積分値が算出される。

0075

その後、線路151の電圧Vdcが再び上昇して190Vに達すると、蓄電池用変換装置101は、蓄電池106の充電を再び開始する(タイミングt3)。

0076

また、蓄電池用変換装置101は、発電装置102の発電量が減少し、線路151の電圧Vdcが下降して160Vに達すると、蓄電池106の放電を開始する(タイミングt11)。これにより、発電装置102の発電電力不足分が線路151に供給され、線路151の電圧Vdcが上昇する。このとき、蓄電池106における電流は30A、すなわち蓄電池106から線路151へ30Aの放電電流が流れる。

0077

その後、たとえば蓄電池106の放電量が大きい場合、線路151の電圧Vdcが上昇して175Vに達すると、蓄電池用変換装置101は、蓄電池106の放電を停止する(タイミングt12)。この30Aとタイミングt11からタイミングt12までの時間との積により、放電電流の積分値が算出される。

0078

その後、線路151の電圧Vdcが再び下降して160Vに達すると、蓄電池用変換装置101は、蓄電池106の放電を再び開始する(タイミングt13)。

0079

また、発電装置用変換装置103は、線路151の電圧が上昇して190Vより大きい195V以上になると、線路151の電圧が所定の上限値たとえば195Vを超えないように出力抑制制御を行なう。より詳細には、発電装置102の発電量が増加し、線路151の電圧Vdcが上昇して190Vに達し、蓄電池106の充電を開始した場合において(タイミングt21)、発電装置102の発電量が非常に大きいときには、線路151の電圧Vdcがさらに上昇して195Vに達する。そうすると、発電装置用変換装置103は、発電装置102のMPPT制御を停止し、線路151の電圧Vdcが195Vを超えないように制御する、具体的には、発電装置102から受ける電流を制限する(タイミングt22)。そして、発電装置用変換装置103は、発電装置102の発電量が減少し、出力電圧が195Vから低下すると、MPPT制御を再開する。

0080

また、交流電源用変換装置105は、線路151の電圧が上昇して190Vより大きい193V以上になると、線路151の電圧が所定の上限値たとえば193Vを超えないように出力抑制制御を行なう。より詳細には、発電装置102の発電量が増加し、線路151の電圧Vdcが上昇して190Vに達し、蓄電池106の充電を開始した場合において(タイミングt31)、発電装置102の発電量が非常に大きいときには、線路151の電圧Vdcがさらに上昇して193Vに達する。そうすると、交流電源用変換装置105は、定電流制御を停止し、線路151の電圧Vdcが193Vを超えないように制御する、具体的には、交流電源104から受ける電流を制限する(タイミングt32)。そして、交流電源用変換装置105は、発電装置102の発電量が減少し、出力電圧が193Vから低下すると、定電流制御を再開する。

0081

このように、交流電源用変換装置105が出力抑制制御を開始する電圧である制限閾値を、発電装置用変換装置103が出力抑制制御を開始する電圧である制限閾値よりも小さくすることにより、発電装置102を用いた自然エネルギーの活用を優先させることができる。

0082

また、蓄電池用変換装置101、発電装置用変換装置103、交流電源用変換装置105および負荷用変換装置107は、線路151の電圧が上昇して200Vになると、線路151の電圧が異常上昇していると判断し、動作を停止する。

0083

上記のような動作において、蓄電池106の充電電流および放電電流は30Aで一定である。

0084

電力供給システム201では、充電電流および放電電流を一定の大電流に設定することができ、蓄電池用変換装置101におけるトランジスタとして特にIGBTを用いた場合、IGBTのオン抵抗が小さい状態で回路を動作させることができるため、蓄電池用変換装置101の効率を高めることができる。

0085

なお、線路151の電圧Vdcは、正電圧に限らず、負電圧であってもよい。負電圧の場合、電圧の「上昇」は、たとえば−180Vから−190Vへの方向に電圧の大きさが変わることを意味し、電圧の「下降」は、たとえば−190Vから−180Vへの方向に電圧の大きさが変わることを意味する。

0086

図6は、本発明の実施の形態に係る蓄電池用変換装置における充放電動作用の閾値電圧の一例を示す図である。

0087

図6を参照して、充電開始電圧Vdchiは190Vであり、充放電停止電圧Vdc0は175Vであり、放電開始電圧Vdcloは160Vである。

0088

なお、充電停止電圧および放電停止電圧は異なる電圧であってもよい。すなわち、充電停止電圧および放電停止電圧は、充電開始電圧Vdchiおよび放電開始電圧Vdcloの間の電圧であればよい。

0089

図6に示す例では、充電停止電圧および放電停止電圧の値は、充電開始電圧Vdchiおよび放電開始電圧Vdcloの中央値である。

0090

蓄電池用変換装置101における制御部12は、線路151の電圧Vdcが上昇して充電開始閾値以上すなわち充電開始電圧Vdchi以上になると充電動作を開始させ、線路151の電圧Vdcが下降して充電停止閾値以下すなわち充放電停止電圧Vdc0以下になると充電動作を停止させる。

0091

また、制御部12は、線路151の電圧Vdcが下降して放電開始閾値以下すなわち放電開始電圧Vdclo以下になると放電動作を開始させ、線路151の電圧Vdcが上昇して放電停止閾値以上すなわち充放電停止電圧Vdc0以上になると放電動作を停止させる。

0092

図7は、本発明の実施の形態に係る蓄電池用変換装置による電力供給動作の手順を示すフローチャートである。図7に示す停止モードにおいて、蓄電池用変換装置101は蓄電池106の充電動作および放電動作を停止し、充電モードにおいて、蓄電池用変換装置101は蓄電池106の充電動作を行ない、放電モードにおいて、蓄電池用変換装置101は蓄電池106の放電動作を行なう。

0093

たとえば、蓄電池用変換装置101において、測定部11は、停止モード時、すなわち充電動作および放電動作が停止しているときの蓄電池106の電圧Vbを測定する。

0094

また、たとえば、制御部12は、停止モードにおいて測定部11によって測定された蓄電池106の電圧Vbに基づいて、蓄電池106の蓄電残量を算出する。そして、制御部12は、算出した蓄電残量が所定条件を満たす場合には、線路151の電圧Vdcに関わらず、充電動作または放電動作を開始させない。

0095

具体的には、図7を参照して、制御部12は、停止モードにおいて(ステップS1)、線路151の電圧Vdcの判定を行ない(ステップS2)、電圧Vdcが充電開始電圧Vdchiより大きい場合であって(ステップS2でYES)、蓄電池106の残量たとえば充電率が所定値以下であるときには(ステップS3でYES)、充電モードへ遷移する(ステップS4)。

0096

次に、制御部12は、充電モードにおいて(ステップS4)、線路151の電圧Vdcの判定を行ない(ステップS5)、電圧Vdcが充放電停止電圧Vdc0に達するまで充電モードを継続し(ステップS5でNO)、電圧Vdcが充放電停止電圧Vdc0に達すると(ステップS5でYES)、停止モードへ遷移する(ステップS1)。

0097

また、制御部12は、停止モードにおいて(ステップS1)、線路151の電圧Vdcの判定を行ない(ステップS2)、電圧Vdcが充電開始電圧Vdchi以下かつ放電開始電圧Vdclo未満である場合であって(ステップS2でNOかつステップS6でYES)、蓄電池106の残量たとえば充電率が所定値以上であるときには(ステップS7でYES)、放電モードへ遷移する(ステップS8)。

0098

次に、制御部12は、放電モードにおいて(ステップS8)、線路151の電圧Vdcの判定を行ない(ステップS9)、電圧Vdcが充放電停止電圧Vdc0に達するまで放電モードを継続し(ステップS9でNO)、電圧Vdcが充放電停止電圧Vdc0に達すると(ステップS9でYES)、停止モードへ遷移する(ステップS1)。

0099

一方、制御部12は、電圧Vdcが充電開始電圧Vdchiより大きい場合であっても(ステップS2でYES)、蓄電池106の残量たとえば充電率が所定値より大きいときには(ステップS3でNO)、充電モードへ遷移せず、停止モードを継続する(ステップS1)。

0100

また、制御部12は、電圧Vdcが放電開始電圧Vdclo未満である場合であっても(ステップS6でYES)、蓄電池106の残量たとえば充電率が所定値未満であるときには(ステップS7でNO)、放電モードへ遷移せず、停止モードを継続する(ステップS1)。

0101

図8は、本発明の実施の形態に係る蓄電池用変換装置による電力供給動作の一例を示す図である。

0102

図8を参照して、制御部12は、線路151の電圧Vdcが充放電停止電圧Vdc0たとえば175Vの状態において、停止モードを選択している。

0103

このとき、発電装置102の発電量が負荷装置108の消費電力量よりも大きいことから、電圧Vdcが上昇する。

0104

そして、制御部12は、電圧Vdcの上昇により、電圧Vdcが充電開始電圧Vdchiより小さい状態から、電圧Vdcが充電開始電圧Vdchiより大きい状態に変わると、充電モードへ遷移する。

0105

充電モードへ遷移した後、発電装置102の発電量が、負荷装置108の消費電力量および蓄電池106の充電量の和よりも小さいと、電圧Vdcが下降する。

0106

そして、制御部12は、電圧Vdcの下降により、電圧Vdcが充放電停止電圧Vdc0より大きい状態から、電圧Vdcが充放電停止電圧Vdc0より小さい状態に変わると、停止モードへ遷移する。

0107

停止モードへ遷移した後、発電装置102の発電量が負荷装置108の消費電力量よりも大きいと、電圧Vdcが再び上昇する。

0108

そして、制御部12は、電圧Vdcの上昇により、電圧Vdcが充電開始電圧Vdchiより小さい状態から、電圧Vdcが充電開始電圧Vdchiより大きい状態に変わると、再び充電モードへ遷移する。

0109

また、電圧Vdcの下降によって停止モードに遷移した後、発電装置102の発電量が負荷装置108の消費電力量よりも小さいと、電圧Vdcが下降する。

0110

そして、制御部12は、電圧Vdcの下降により、電圧Vdcが放電開始電圧Vdcloより大きい状態から、電圧Vdcが放電開始電圧Vdcloより小さい状態に変わると、放電モードへ遷移する。

0111

放電モードへ遷移した後、発電装置102の発電量および蓄電池106の放電量の和が負荷装置108の消費電力量よりも大きいと、電圧Vdcが再び上昇する。

0112

そして、制御部12は、電圧Vdcの上昇により、電圧Vdcが充放電停止電圧Vdc0より小さい状態から、電圧Vdcが充放電停止電圧Vdc0より大きい状態に変わると、停止モードへ遷移する。

0113

停止モードに遷移した後、発電装置102の発電量が負荷装置108の消費電力量よりも小さいと、電圧Vdcが再び下降する。

0114

そして、制御部12は、電圧Vdcの下降により、電圧Vdcが放電開始電圧Vdcloより大きい状態から、電圧Vdcが放電開始電圧Vdcloより小さい状態に変わると、再び放電モードへ遷移する。

0115

図9は、本発明の実施の形態に係る電力供給システムの電力不足時におけるシミュレーション結果を示す図である。

0116

図9において、CH1は電池電流すなわち蓄電池106を通して流れる電流であり、CH2は蓄電池106の端子電圧Vbであり、CH3はDCバス電圧すなわち線路151の電圧Vdcであり、CH4はインバータ電圧すなわち負荷用変換装置107の出力電圧である。また、本シミュレーションでは、蓄電池106の充電電流を20Aとし、放電電流を37.5Aに設定した。

0117

また、CH1の目盛りの大きさは20A/divであり、CH2の目盛りの大きさは2V/divであり、CH3の目盛りの大きさは10V/divであり、CH4の目盛りの大きさは200V/divであり、時間を示す横軸の目盛りの大きさは20ms/divである。

0118

図9は、発電装置102の出力電力がゼロであり、たとえば交流電子負荷である負荷装置108の消費電力が500Wである場合、すなわち発電量が500W不足している場合を示している。

0119

図9を参照して、DCバス電圧CH3が下降して160Vに達すると蓄電池106の放電動作が開始され、蓄電池106の放電電流CH1が上昇し、これによりDCバス電圧CH3が上昇する。また、このとき、蓄電池106の端子電圧CH2が若干下降する。

0120

そして、DCバス電圧CH3が上昇して175Vに達すると蓄電池106の放電動作が停止され、蓄電池106の放電電流CH1がゼロとなり、これによりDCバス電圧CH3が再び下降する。

0121

すなわち、DCバス電圧CH3が所定範囲で安定しており、インバータ電圧CH4が安定し、負荷装置108に安定して電力が供給されていることが分かる。

0122

図10は、本発明の実施の形態に係る電力供給システムの電力不足時におけるシミュレーション結果を示す図である。図の見方図9と同様である。

0123

図10は、発電装置102の出力電力が500Wであり、たとえば交流電子負荷である負荷装置108の消費電力が1000Wである場合、すなわち発電量が500W不足している場合を示している。

0124

この場合も図9と同様の動作になる。すなわち、DCバス電圧CH3が所定範囲で安定しており、インバータ電圧CH4が安定し、負荷装置108に安定して電力が供給されていることが分かる。

0125

図11は、本発明の実施の形態に係る電力供給システムの電力余剰時におけるシミュレーション結果を示す図である。図の見方は図9と同様である。

0126

図11は、発電装置102の出力電力が500Wであり、たとえば交流電子負荷である負荷装置108の消費電力がゼロである場合、すなわち発電量が500W余っている場合を示している。

0127

DCバス電圧CH3が上昇して190Vに達すると蓄電池106の充電動作が開始され、蓄電池106の充電電流CH1が上昇し、これによりDCバス電圧CH3が下降する。また、このとき、蓄電池106の端子電圧CH2が若干上昇する。

0128

そして、DCバス電圧CH3が下降して175Vに達すると蓄電池106の充電動作が停止され、蓄電池106の充電電流CH1がゼロとなり、これによりDCバス電圧CH3が再び上昇する。

0129

すなわち、DCバス電圧CH3が所定範囲で安定しており、インバータ電圧CH4が安定し、負荷装置108に安定して電力が供給されていることが分かる。

0130

図12は、本発明の実施の形態に係る電力供給システムの電力余剰時におけるシミュレーション結果を示す図である。図の見方は図9と同様である。

0131

図12は、発電装置102の出力電力が1000Wであり、たとえば交流電子負荷である負荷装置108の消費電力が500Wである場合、すなわち発電量が500W余っている場合を示している。

0132

この場合も図11と同様の動作になる。すなわち、DCバス電圧CH3が所定範囲で安定しており、インバータ電圧CH4が安定し、負荷装置108に安定して電力が供給されていることが分かる。

0133

図13は、本発明の実施の形態に係る電力供給システムの電力バランス時におけるシミュレーション結果を示す図である。時間を示す横軸の目盛りの大きさが1s/divである点を除き、図の見方は図9と同様である。

0134

図13は、発電装置102の出力電力が500Wであり、たとえば交流電子負荷である負荷装置108の消費電力が450Wであり、発電装置102から負荷装置108までの経路電力ロスが50Wである場合、すなわち発電量および消費電力量のバランスがとれている場合を示している。

0135

図13を参照して、このような電力バランス時でも、DCバス電圧CH3が所定範囲で安定しており、インバータ電圧CH4が安定し、負荷装置108に安定して電力が供給されていることが分かる。

0136

図14は、本発明の実施の形態に係る電力供給システムの他のシミュレーション結果を示す図である。

0137

図14において、グラフG1は線路151の電圧Vdcを示し、グラフG2は発電装置用変換装置103の入力電力を示し、グラフG3は負荷用変換装置107の出力電力を示し、グラフG4は蓄電池106の出力電力を示している。各グラフは、1秒間の平均値プロットしたものである。

0138

図14を参照して、13時51分では天気曇りであり、発電装置102の出力電力が少なく、蓄電池106の放電動作が行われている状態である。

0139

次に、13時51分を過ぎてから天気が曇りから晴れへ変化し、発電装置102の出力電力が上昇すると(グラフG2)、蓄電池106の放電動作が停止し、蓄電池106の出力電力が下降する(グラフG4)。

0140

次に、13時53分前になると、発電装置102の出力電力の上昇により蓄電池106の充電動作が開始される(グラフG4)。

0141

次に、13時57過ぎに天気が晴れから一時的に曇りになると、発電装置102の出力電力の下降によって蓄電池106の充電動作から放電動作への切り替えが行われ、蓄電池106の出力電力が一時的に上昇する(グラフG4)。これと同様の動作が、13時59分、14時過ぎ、14時1分前にそれぞれ行われる。具体的には、13時57分〜14時1分の間において発電装置102の出力電力の変動が4回生じており、1回目は発電装置102の出力電力が10秒で0Wに下降し、10秒で1000Wに上昇した状態、2回目は発電装置102の出力電力が5秒で0Wに下降し、5秒で1000Wに上昇した状態、3回目は発電装置102の出力電力が2秒で0Wに下降し、2秒で1000Wに上昇した状態、4回目は発電装置102の出力電力が1秒で0Wに下降し、1秒で1000Wに上昇した状態である。

0142

次に、14時2分に天気が晴れから曇りに変化し、発電装置102の出力電力が下降すると(グラフG2)、蓄電池106の充電動作が停止し、蓄電池106の出力電力が下降し、その後、蓄電池106の充電動作が開始される(グラフG4)。

0143

以上のような天気の変動に対して、DCバス電圧すなわち線路151の電圧Vdcは、160V〜190Vの範囲で安定していることが分かる(グラフG1)。また、13時57分〜14時1分の間における発電装置102の出力電力の変動に対して、蓄電池106の充電動作および放電動作の切り替えによる線路151の電力の入出力が適切に行なえていることが分かる(グラフG4)。

0144

図15は、本発明の実施の形態に係る電力供給システムにおける負荷用変換装置の制御周期と蓄電池用変換装置のオン/オフ周期との関係の一例を示す図である。

0145

図15を参照して、負荷用変換装置107は、前述のような電力変換を行うための電圧変換部を含む。そして、負荷用変換装置107は、蓄電池用変換装置101の充電動作または放電動作の開始および停止の周期、具体的には充電動作または放電動作のオン/オフ周期よりも短い周期で上記電圧変換部の動作内容を変更可能である。たとえば、負荷用変換装置107は、蓄電池用変換装置101の充電動作または放電動作の開始および停止の周期よりも短い周期で上記電圧変換部の出力電圧を制御する。

0146

より詳細には、発電装置102がたとえば1300Wの太陽光発電を行う場合、蓄電池用変換装置101の充電動作または放電動作のオン/オフ周期は約50ms(ミリ秒)すなわち周波数が20Hzである。

0147

そして、負荷用変換装置107の上記周期たとえばPWM制御信号の周期は、蓄電池用変換装置101の充電動作または放電動作のオン/オフ周期よりも十分に短い必要があり、たとえば66.7us(マイクロ秒)すなわち周波数が15kHzである。

0148

ところで、特許文献1に記載の技術では、DC/DCコンバータが、DCバスラインにおけるライン電圧を一定値に維持するために電流値を細かく変化させることから、電流の発振が生じてしまう。この電流の発振が生じると、DCバスラインを通して流れる電流が上限を超え、機器が保護のために動作を停止し、電力供給が停止する問題がある。また、DC/DCコンバータの出力電流が小さい状態が継続されるため、DC/DCコンバータにおける半導体スイッチ素子のオン抵抗が大きい状態で回路を動作させることになり、変換効率が低くなってしまう。

0149

これに対して、本発明の実施の形態に係る蓄電池用変換装置では、制御部12は、線路151の電圧Vdcが上昇して充電開始閾値以上になると充電動作を開始させ、線路151の電圧Vdcが下降して充電停止閾値以下になると充電動作を停止させる。また、制御部12は、線路151の電圧Vdcが下降して放電開始閾値以下になると放電動作を開始させ、線路151の電圧Vdcが上昇して放電停止閾値以上になると放電動作を停止させる。充電停止閾値および放電停止閾値は、充電開始閾値と放電開始閾値との間の値である。そして、制御部12は、充電動作において電圧変換部13から蓄電池106へ流れる電流を一定値に制御し、かつ放電動作において蓄電池106から電圧変換部13へ流れる電流を一定値に制御する。

0150

すなわち、本発明の実施の形態に係る蓄電池用変換装置では、充電電流および放電電流を一定にして、スイッチング期間およびスイッチング停止期間を繰り返す。

0151

このような構成により、蓄電池106の充電動作および放電動作が停止する期間を設けることができるため、線路151の電流が発振することを抑制し、線路151の電圧レベルを安定させることができる。また、蓄電池106の電圧が蓄電残量によって変化しても蓄電池106の充放電電流を一定値に制御することができるため、安定した動作を実現することができる。また、放電電流および充電電流の値をある程度大きく設定することにより、たとえば蓄電池用変換装置101におけるトランジスタ33,34のオン抵抗が小さい状態で回路を動作させることができるため、蓄電池用変換装置101の効率を高めることができる。

0152

したがって、本発明の実施の形態に係る蓄電池用変換装置では、線路を介して直流電力を供給する構成において、安定かつ変換効率の高い電力供給を行なうことができる。

0153

また、電池の充電率を計算する方法として、前述のように、電池の充電電流または放電電流の積分値に基づいて充電率を計算する方法がある。この方法では、システムの運転時間が長くなると、充電率の計算における誤差が大きくなる。このため、リチウムイオン電池等の蓄電池を用いるシステムでは、運転中に電池残量を管理することが困難である。

0154

また、蓄電池が劣化すると、充電率に対する起電力の低下が生じるため、起電力の変化を把握し、充電率の判断に適宜反映する必要がある。ここで、鉛電池およびリチウムイオン電池は、電流が流れると内部抵抗によって見かけ上出力電圧が上昇する。このため、充電率を判断する指標となる起電力を正確に把握することが困難である。

0155

これに対して、本発明の実施の形態に係る蓄電池用変換装置では、測定部11は、充電動作および放電動作が停止しているときの蓄電池106の電圧Vbを測定する。

0156

このように、各閾値電圧の設定により充電動作および放電動作が停止する停止期間を確保し、この停止期間において蓄電池の電圧を測定する構成により、蓄電池の起電力を正確かつ容易に測定することができる。たとえば、蓄電池106の残量を正確に把握することが可能となる。これにより、起電力を測定することが容易なレドックスフロー電池等の大型な電池を使用することなく、小型で安価な鉛電池およびリチウムイオン電池等を蓄電池として用いながら、蓄電池106の起電力を正確かつ容易に測定することができる。

0157

また、本発明の実施の形態に係る蓄電池用変換装置では、制御部12は、測定部11によって測定された蓄電池106の電圧Vbに基づいて、蓄電池106の蓄電残量を算出する。

0158

このような構成により、停止期間において測定した蓄電池106の起電力から、現在の蓄電池106の正確な蓄電残量を求めることができるため、たとえば蓄電池106の充電率を算出するための電流値積分の誤差を補正することができる。

0159

また、本発明の実施の形態に係る蓄電池用変換装置では、制御部12は、算出した蓄電残量が所定条件を満たす場合には、線路151の電圧Vdcに関わらず、充電動作または放電動作を開始させない。

0160

このような構成により、停止期間における測定結果を用いて算出した蓄電池106の蓄電残量をさらに考慮して充電動作および放電動作を行なうことができるため、線路を介して直流電力を供給する構成において、過充電および過放電を防ぐことができる。

0161

また、本発明の実施の形態に係る蓄電池用変換装置では、制御部12は、充電動作において電圧変換部13から蓄電池106へ流れる電流を所定値に制御し、かつ放電動作において蓄電池106から電圧変換部13へ流れる電流を所定値に制御する。

0162

このように、蓄電池106を定電流で放電および充電する構成により、放電時間または充電時間と定電流値とから電流値積分を正確に行なうことが可能となる。

0163

また、定電流の値をある程度大きく設定することにより、たとえば蓄電池用変換装置101におけるトランジスタとして特にIGBTを用いた場合、IGBTのオン抵抗が小さい状態で回路を動作させることができるため、蓄電池用変換装置101の効率を高めることができる。

0164

また、本発明の実施の形態に係る蓄電池用変換装置では、制御部12は、蓄電池106の充電動作において、測定部11によって測定される電流Ibdcが所定値になるようにトランジスタ33,34を制御し、かつ蓄電池106の放電動作において、測定部11によって測定される電流Ibdcが所定値になるようにトランジスタ33,34を制御する。

0165

このような構成により、電圧変換部13におけるトランジスタ33,34のスイッチングを制御する簡易かつ適切な方法で蓄電池106の定電流放電および定電流充電を行なうことができる。

0166

また、本発明の実施の形態に係る蓄電池用変換装置では、充電停止閾値および放電停止閾値は、充電開始閾値および放電開始閾値の中央値である。

0167

このような構成により、線路151の電圧上昇および電圧下降における放電動作および充電動作の停止時間の長さに差が生じることを抑制することができるため、放電動作および充電動作の停止期間における蓄電池106の蓄電残量の算出を安定して行なうことができる。また、充電停止用の閾値および放電停止用の閾値を共通化することができるため、線路151の電圧に基づく充電動作および放電動作の制御の簡易化を図ることができる。

0168

また、本発明の実施の形態に係る電力供給システムでは、発電装置用変換装置103は、線路151の電圧が上昇して充電開始閾値より大きい第1の制限閾値以上になると、線路151の電圧が所定の上限値を超えないように出力抑制制御を行なう。

0169

このような構成により、線路を介して直流電力を供給する構成において、線路の電圧が過大となることを防ぎ、より安定した電力供給を行なうことができる。なお、この上限値は、たとえば充電開始閾値より大きい値に設定される。

0170

また、本発明の実施の形態に係る電力供給システムでは、交流電源用変換装置105は、線路151の電圧が上昇して充電開始閾値より大きい第2の制限閾値以上になると、線路151の電圧が所定の上限値を超えないように出力抑制制御を行なう。

0171

このような構成により、線路を介して直流電力を供給する構成において、線路の電圧が過大となることを防ぎ、より安定した電力供給を行なうことができる。なお、この上限値は、たとえば充電開始閾値より大きい値に設定される。

0172

また、本発明の実施の形態に係る電力供給システムでは、負荷用変換装置107は、蓄電池用変換装置101の充電動作または放電動作の開始および停止の周期よりも短い周期で上記電圧変換部の出力電圧の制御を行なう。

0173

このような構成により、線路151の電圧変化に対して負荷用変換装置107の制御を追従させることができるため、負荷装置108への供給電圧を一定に制御することができる。

0174

上記実施の形態は、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、上記説明ではなく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および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

0175

11,41測定部
12 制御部
13,43電圧変換部
20,42PI演算部
21充放電判定部
22電池残量算出部
23,51PWM回路
24,52昇降圧チョッパ回路
31,35,61,65キャパシタ
32,62コイル
33,34,63トランジスタ
36,37,66,67電圧測定器
38,68電流測定器
64ダイオード
101蓄電池用変換装置
102発電装置
103発電装置用変換装置
104交流電源
105交流電源用変換装置
106蓄電池
107負荷用変換装置
201 電力供給システム

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