DE112013006090T5

DE112013006090T5 - Leistungsübertragungssystem

Info

Publication number: DE112013006090T5
Application number: DE112013006090.6T
Authority: DE
Inventors: Suminobu Akiba; Minoru Murano; Shin Tanahashi
Original assignee: ZION ELECTRIC CO; ZION ELECTRIC Co Ltd
Current assignee: Sion Electric Co Ltd Sapporo-Shi Jp
Priority date: 2012-12-19
Filing date: 2013-11-28
Publication date: 2015-09-10
Also published as: US9843186B2; JP2014121241A; CN104756343A; TW201436410A; WO2014097554A1; TWI528672B; KR20150097383A; US20150123478A1; JP5709275B2

Abstract

[Problem] Bereitstellen eines Leistungsübertragungssystems, mit dem auch geringe Stärken an Leistung, die aus einigen natürlichen Energiequellen erzeugt wird, genutzt werden kann und zwar ohne Verlust, wenn Gruppen von Leistung kombiniert werden, die nicht nur von einer kommerziellen Stromquelle, sondern auch von natürlichen Energiequellen geliefert wird; eine Nutzung einer Mehrzahl von Stromquellen in Kombination; ein automatisches Zuführen von Leistung von einer anderen Stromquelle, auch wenn eine der Stromquellen abgetrennt wird; ein problemloses Festlegen einer Nutzungsprioritätsreihenfolge für die Mehrzahl von Stromquellen; Auswählen von Energie aus der am stärksten bevorzugten Stromquelle; und eine in übergreifender Weise erfolgende Nutzung von Strom ohne Verluste gemäß verschiedenen Bedingungen, die vom Typ einer Stromquelle abhängen. [Lösung] Leistungsübertragungssystem, das eine Mehrzahl von Gleichstromquellen aufweist; und eine Last, die eine Zufuhr von Gleichstrom erhält, ist dadurch gekennzeichnet, dass: eine Leistungsprioritätsabrufvorrichtung an jeder Gleichstromquellen angebracht ist, eine Steuerung durch eine Steuereinrichtung durchgeführt wird, und die Stärke einer Leistung, die der Last von den Gleichstromquellen zuzuführen ist, an denen die Leistungsprioritätsabrufvorrichtung angebracht ist, auf Basis der abgerufenen Leistungspriorität bestimmt wird.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Stromerzeugung mittels natürlicher Energie und eine Vorrichtung zum Steuern der Zuführung von Leistung, die mittels einer derartigen Stromerzeugungsvorrichtung erzeugt wird, und insbesondere ein Leistungsübertragungssystem, das die Stärke an Leistung variiert, die von Stromquellen zugeführt wird, welche aus einer Mehrzahl von Stromerzeugungsvorrichtungen bestehen, und zwar gemäß verschiedenen festgelegten Bedingungen, und diese an eine Gleichstrom-Lastseite überträgt.
TECHNISCHER HINTERGRUND
Herkömmlicherweise wird generell eine Quelle einer zu verbrauchenden Leistung lediglich von einem Stromversorgungsunternehmen bereitgestellt, und es wird ausreichend Leistung bereitgestellt, derart, dass es nicht erforderlich ist, eine Versorgungsquelle auszuwählen.
Mit anderen Worten war generell anerkannt, dass die (elektrische) Leistung eines derartigen Stromversorgungsunternehmens den Leistungsbedarf für alle Verbraucher decken kann, und sie ausreichend ist, so dass kaum irgendwelche Stromausfälle auftreten.
Jedoch wurden in den letzten Jahren, aufgrund von Erdbeben und anderen Unglücksfällen, Gefahren offensichtlich, die darin liegen, dass man sich lediglich auf eine einzige Stromquelle verlässt (beispielsweise eine kommerzielle Stromversorgung, die durch ein Stromversorgungsunternehmen bereitgestellt wird).
Demgemäß fand eine Nutzung natürlicher Energie weite Verbreitung, beispielsweise eine photovoltaische Solarstromerzeugung, jedoch gibt es viele Hindernisse für eine Nutzung natürlicher Energie, beispielsweise eine photovoltaische Solarstromerzeugung. Beispielsweise wird im Fall einer photovoltaischen Solarstromerzeugung generell ein Stromkonditionierer (Gleichstrom/Wechselstrom-Wandler) verwendet, und falls ein Ausfall der kommerziellen Stromquelle auftritt, kann der Betrieb eines derartigen Stromkonditionierers im Hinblick auf seine Sicherheit gestoppt werden, sogar wenn die Stromerzeugungskapazität ausreichend ist. Um eine photovoltaische Solarstromerzeugung während eines Ausfalls der kommerziellen Stromquelle zu nutzen, müssen Verbraucher beispielsweise den Stromkonditionierer auf einen autonomen Betriebsmodus einstellen, jedoch kann dies während eines Unglücksfalls sehr schwierig sein.
Weiter kann, sogar während Zeiträumen einer normalen Bereitstellung der kommerziellen Stromquelle, im Fall eines Verkaufs von Strom, wenn viele Anlagen zur photovoltaischen Solarstromerzeugung installiert sind, und zwar insbesondere in benachbarten Gebieten, die Hauptleitungsspannung ansteigen. Dies kann bewirken, dass Einschränkungen auf den Betrieb des Stromkonditionierers wirken, was häufig zu Fällen geführt hat, bei denen Strom nicht in ausreichender Weise verkauft werden kann.
Außerdem sind, zusätzlich zu einer Stromerzeugung mittels natürlicher Energie, beispielsweise von Solarstrom, Windstrom und Wasserstrom, viele weitere Stromoptionen verfügbar, beispielsweise Brennstoffzellen, Einrichtungen zur gekoppelten Stromerzeugung und eine Nutzung von Nachtstrom mittels Batterien. Jedoch sind derartige Optionen mit vielen Bedingungen behaftet, welche die Kosten einer derartigen Stromerzeugung, eine Nutzung von Wärme, welche gemeinsam mit einem derartigen Strom erzeugt wird, ein Ansteigen einer Stromerzeugung zur Nutzung als Wärmequelle, Einschränkungen betreffend den Zeitraum, in dem ein derartiger Strom genutzt werden kann, und dergleichen beinhalten, und somit wird eine Technik benötigt, welche diesen Bedingungen genügt, um derartige Optionen in effektiver Weise zu nutzen.
Patentdokument 1: JP H11-113188 A
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung erfolgte, um die zuvor beschriebenen herkömmlichen Probleme zu überwinden, und ihre Aufgabe besteht darin, ein Leistungsübertragungssystem bereitzustellen, welches das Folgende bewerkstelligen kann: effektive Nutzung sogar geringer Stärken an Leistung, die aus einigen natürlichen Energiequellen erzeugt wird, und zwar ohne Verlust, wenn Gruppen von Leistung kombiniert werden, die nicht nur von der kommerziellen Stromquelle, sondern auch von natürlichen Energiequellen geliefert wird (bei einer Leistungskombination eines Typs, bei dem ein sogenannter Stromkonditionierer wie zuvor erwähnt verwendet wird, war eine schwache Leistung, beispielsweise einer photovoltaischen Solarstromerzeugung bei bewölktem Wetter, fast nicht nutzbar); eine Nutzung einer Mehrzahl von Stromquellen in Kombination; ein automatisches Zuführen von Leistung von einer anderen Stromquelle, wenn eine der Stromquellen abgetrennt wird; ein problemloses Festlegen einer Nutzungsprioritätsreihenfolge für die Mehrzahl von Stromquellen und ein Auswählen von Energie aus der am stärksten bevorzugten Stromquelle (beispielsweise eine bevorzugte Nutzung der billigsten Energie, etc.); und eine in übergreifender Weise erfolgende Nutzung von Strom ohne Verluste gemäß verschiedenen Bedingungen, die vom Typ einer Stromquelle abhängen, beispielsweise teure Stromquellen wie etwa im Haus befindliche Stromgeneratoren und Brennstoffzellen, Stromquellen, die gleichzeitig Strom und Wärme erzeugen, etwa bei einer gekoppelten Erzeugung von Strom (wobei sich die Stärke einer erzeugten Leistung bedingt durch Änderungen des Bedarfs an Wärme und Warmwasser ändert), und eine Nutzung von Nachtstrom durch Speichern von diesem in einer Batterie (wobei dabei Einschränkungen betreffend die Nutzungszeit und -kapazität bestehen) (speziell ein willkürliches Bestimmen der Stärke an Leistung, die aus verschiedenen Stromerzeugungsquellen zugeführt wird, oder ein bewusstes Steuern der Stärke an erzeugter Leistung).
Weiter gibt es, als in Bezug zur Erfindung stehende Technik, eine Technik für ein Kombinieren von Leistung unter Verwendung einer Diode (Rückflussverhinderungsschaltung). Bei diesem Verfahren kann die Prioritätsreihenfolge von Stromquellen durch Ändern der Spannung festgelegt werden, jedoch bestand, wenn eine sogenannte Rückflussverhinderungsdiode verwendet wird, das Problem, dass ein Teil der Leistung als Wärme verlorengeht, wenn ein Strom zur Diode fließt. Jedoch wird bei der Erfindung für ein Kombinieren von Leistung keine Rückflussverhinderungsdiode benötigt, und daher kann die Erfindung, auch aus dieser Perspektive, ein extrem effizientes Leistungsübertragungssystem realisieren.
Das Leistungsübertragungssystem gemäß der Erfindung ist ein Leistungsübertragungssystem, das eine Mehrzahl von Gleichstromquellen und eine Last beinhaltet, die eine Versorgung mit Gleichstrom von der Mehrzahl von Gleichstromquellen erhält, dadurch gekennzeichnet, dass eine Leistungsprioritätsabrufvorrichtung an den Gleichstromquellen angebracht ist, die angebrachte Leistungsprioritätsabrufvorrichtung durch eine Steuereinrichtung gesteuert wird, und die Stärke an Leistung, die der Last von den Gleichstromquellen zuzuführen ist, an denen die Leistungsprioritätsabrufvorrichtung angebracht ist, auf Basis der abgerufenen Leistungspriorität bestimmt wird; oder
ein Leistungsübertragungssystem, das eine Mehrzahl von Gleichstromquellen und eine Last beinhaltet, die eine Zufuhr von Gleichstrom von der Mehrzahl von Gleichstromquellen erhält, dadurch gekennzeichnet, dass eine Leistungsprioritätsabrufvorrichtung an jeder Gleichstromquelle angebracht ist, die Leistungsprioritätsabrufvorrichtungen durch eine Steuereinrichtung gesteuert werden, die an jeder Leistungsprioritätsabrufvorrichtung vorgesehen ist, und die Stärke einer Leistung, die der Last von einer jeweiligen von der Mehrzahl von Gleichstromquellen zuzuführen ist, an denen die Leistungsprioritätsabrufvorrichtungen angebracht sind, auf Basis der abgerufenen Leistungspriorität bestimmt wird;
oder dadurch gekennzeichnet, dass ein ausgangsseitiger Stromwert der Leistungsprioritätsabrufvorrichtung erfasst wird, und eine maximalen Wirkungsgrad aufweisende Leistungserzeugungsstärke zu diesem Zeitpunkt bestimmt werden kann, und zwar für eine Leistungserzeugungsstärke einer photovoltaischen Solarstromerzeugungsvorrichtung, bei der es sich um eine Energiequelle handelt, an der die Leistungsprioritätsabrufvorrichtung angebracht ist; oder
dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungsprioritätsabrufvorrichtung so konfiguriert ist, dass sie einen Kondensator beinhaltet.
Gemäß der Erfindung kann das Folgende bewerkstelligt werden: effektive Nutzung sogar geringer Stärken an Leistung, die aus einigen natürlichen Energiequellen erzeugt wird, und zwar ohne Verlust, wenn Gruppen von Leistung kombiniert und übertragen werden, die nicht nur von der kommerziellen Stromquelle, sondern auch von natürlichen Energiequellen geliefert wird (bei einer Leistungskombination eines Typs, bei dem ein sogenannter Stromkonditionierer wie zuvor erwähnt verwendet wird, war eine schwache Leistung, beispielsweise einer photovoltaischen Solarstromerzeugung bei bewölktem Wetter, fast nicht nutzbar); eine Nutzung einer Mehrzahl von Stromquellen in Kombination; ein automatisches Zuführen von Leistung von einer anderen Stromquelle, wenn eine der Stromquellen abgetrennt wird; ein problemloses Festlegen einer Nutzungsprioritätsreihenfolge für die Mehrzahl von Stromquellen und ein Auswählen von Energie aus einer bevorzugten Stromquelle, wenn eine Mehrzahl von Stromquellen genutzt wird (beispielsweise eine bevorzugte Nutzung der billigsten Energie, lediglich Kompensieren eines nicht ausreichenden Anteils mit der kommerziellen Stromquelle, oder vorzugsweise Nutzung von umweltfreundlicher Energie); und Nutzung von Strom ohne Verluste gemäß verschiedenen Bedingungen, die vom Typ einer Stromquelle abhängen, beispielsweise teure Stromquellen wie etwa hauseigene Stromgeneratoren und Brennstoffzellen, Stromquellen, die gleichzeitig Strom und Wärme erzeugen, etwa bei einer gekoppelten Erzeugung von Strom (wobei sich die Stärke einer erzeugten Leistung bedingt durch Änderungen des Bedarfs an Wärme und Warmwasser ändert), und eine Nutzung von Nachtstrom durch Speichern von diesem in einer Batterie (wobei dabei Einschränkungen betreffend die Nutzungszeit und -kapazität bestehen) (speziell ein willkürliches Bestimmen der Stärke an Leistung, die aus verschiedenen Stromerzeugungsquellen zugeführt wird, oder ein bewusstes Steuern der Stärke an erzeugter Leistung). Weiter gibt es eine Technik für ein Kombinieren von Leistung unter Verwendung einer Diode (Rückflussverhinderungsschaltung) und bei diesem Verfahren kann die Prioritätsreihenfolge von Stromquellen durch Ändern der Spannung festgelegt werden, jedoch bestand, wenn eine Diode verwendet wird, das Problem, dass ein Teil der Leistung als Wärme verlorengeht, wenn ein Strom zur Diode fließt. Jedoch wird bei der Erfindung für ein Kombinieren von Leistung keine Diode benötigt, und daher kann die Erfindung eine ausgezeichnete Wirkung erzielen, insofern als sie ein extrem effizientes Leistungsübertragungssystem realisieren kann.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine Ansicht (1) zur Erläuterung einer schematischen Konfiguration, die eine schematische Konfiguration der Erfindung darstellt;
2 ist eine erläuternde Ansicht, die ein konkretes Beispiel eines Steuersignals darstellt;
3 ist eine erläuternde Ansicht (1), die eine Ausführungsform einer Leistungsprioritätsabrufvorrichtung darstellt;
4 ist eine erläuternde Ansicht (2), die eine Ausführungsform der Leistungsprioritätsabrufvorrichtung darstellt;
5 ist eine erläuternde Ansicht, welche die Beziehung zwischen t und I_on mit einem Graphen darstellt;
6 ist eine erläuternde Funktionsansicht (1) der Leistungsprioritätsabrufvorrichtung;
7 ist eine erläuternde Ansicht, die „I_off”, wie in Gleichung 7 dargestellt, mit einem Graphen erläutert;
8 ist eine erläuternde Ansicht, die einen Zyklus von AN (ON) bis AUS (OFF) des Schalters SW mit einem Graphen erläutert;
9 ist eine erläuternde Ansicht, die einen Strom erläutert, der durch eine Induktivität L fließt, wenn der Schalter SW wiederholt AN/AUS (ON/OFF) geschaltet wird;
10 ist eine erläuternde Ansicht, die einen Strom erläutert, der durch eine Diode D hindurch zu einer Ausgangsseite fließt;
11 ist eine erläuternde Ansicht (1), die einen Strom in einem jeweiligen Zyklus erläutert;
12 ist eine erläuternde Ansicht (2), die einen Strom in einem jeweiligen Zyklus erläutert;
13 ist eine erläuternde Ansicht (3), die einen Strom in einem jeweiligen Zyklus erläutert;
14 ist eine erläuternde Ansicht, die einen Zustand erläutert, bei dem die Ausgänge einer Mehrzahl von Leistungsprioritätsabrufvorrichtungen parallel angeschlossen sind;
15 ist eine erläuternde Ansicht, welche den Aufbau einer weiteren Ausführungsform der Leistungsprioritätsabrufsvorrichtung erläutert;
16 ist eine erläuternde Ansicht, welche einen AN/AUS-Zeitsteuerung des Schalters SW und eines Schalters SW-D erläutert;
17 ist eine erläuternde Ansicht (1), die eine Beziehung zwischen dem Schalter SW und dem Schalter SW-D und dem Strom erläutert;
18 ist eine erläuternde Ansicht (2), die eine Beziehung zwischen dem Schalter SW und dem Schalter SW-D und dem Strom erläutert;
19 ist eine erläuternde Ansicht (1), die einen speziellen Betrieb der Leistungsprioritätsabrufsvorrichtung erläutert;
20 ist eine erläuternde Ansicht (2), die einen speziellen Betrieb der Leistungsprioritätsabrufsvorrichtung erläutert;
21 ist eine erläuternde Ansicht, die einen Strom erläutert, der durch eine Induktivität L fließt, wenn der Schalter SW nach jeweils 100 Mikrosekunden (μs) AN/AUS (ON/OFF) geschaltet wird;
22 ist eine erläuternde Ansicht, die eine Leistung erläutert, welche bei 21 einer Last zugeführt wird;
23 ist eine erläuternde Ansicht, die einen Fall erläutert, bei dem der Schalter SW 20 μs lang auf AN (ON) geschaltet ist und dann 180 μs lang auf AUS (OFF) geschaltet ist;
24 ist eine erläuternde Ansicht, die einen Strom erläutert, der bei 23 einem Ausgang zugeführt wird;
25 ist eine erläuternde Ansicht (1), die eine Ausführungsform der Leistungsprioritätsabrufsvorrichtung erläutert, welche eine Abwärts-Zerhackersteuerschaltung (Tiefsetzsteller) verwendet;
26 ist eine erläuternde Ansicht (2), die eine Ausführungsform der Leistungsprioritätsabrufsvorrichtung erläutert, welche eine Abwärts-Zerhackersteuerschaltung (Tiefsetzsteller) verwendet;
27 ist eine erläuternde Ansicht, die einen Strom I_off erläutert, wenn bei der Ausführungsform von 26 der SW1 auf AUS (OFF) geschaltet ist;
28 ist eine erläuternde Ansicht, die einen Zyklus von AN (ON) bis AUS (OFF) von SW1 mit einem Graphen erläutert;
29 ist eine erläuternde Ansicht (1), die einen Strom erläutert, der durch L fließt, wenn SW1 wiederholt AN/AUS (ON/OFF) geschaltet wird und dieser Zyklus wiederholt wird;
30 ist eine erläuternde Ansicht (2), die einen Strom erläutert, der durch L fließt, wenn SW1 wiederholt AN/AUS (ON/OFF) geschaltet wird und dieser Zyklus wiederholt wird;
31 ist eine erläuternde Ansicht (3), die einen Strom erläutert, der durch L fließt, wenn SW1 wiederholt AN/AUS (ON/OFF) geschaltet wird und dieser Zyklus wiederholt wird;
32 ist eine erläuternde Ansicht (4), die einen Strom erläutert, der durch L fließt, wenn SW1 wiederholt AN/AUS (ON/OFF) geschaltet wird und dieser Zyklus wiederholt wird;
33 ist eine erläuternde Ansicht (5), die einen Strom erläutert, der durch L fließt, wenn SW1 wiederholt AN/AUS (ON/OFF) geschaltet wird und dieser Zyklus wiederholt wird;
34 ist eine erläuternde Ansicht (3), die eine Ausführungsform der Leistungsprioritätsabrufsvorrichtung erläutert, welche eine Abwärts-Zerhackersteuerschaltung (Tiefsetzsteller) verwendet;
35 ist eine erläuternde Ansicht (4), die eine Ausführungsform der Leistungsprioritätsabrufsvorrichtung erläutert, welche eine Abwärts-Zerhackersteuerschaltung (Tiefsetzsteller) verwendet;
36 ist eine erläuternde Ansicht, die eine Beziehung zwischen der Leistungsprioritätsabrufvorrichtung und der erzeugungsseitigen Spannung erläutert;
37 ist eine erläuternde Ansicht, die eine Ausführungsform der Leistungsprioritätsabrufsvorrichtung erläutert, welche eine Zerhackersteuerschaltung vom Sperrtyp verwendet;
38 ist eine erläuternde Ansicht (1), die eine Ausführungsform der Leistungsprioritätsabrufsvorrichtung erläutert, welche einen Kondensator verwendet;
39 ist eine erläuternde Ansicht (2), die eine Ausführungsform der Leistungsprioritätsabrufsvorrichtung erläutert, welche einen Kondensator verwendet;
40 ist eine erläuternde Ansicht (3), die eine Ausführungsform der Leistungsprioritätsabrufsvorrichtung erläutert, welche einen Kondensator verwendet;
41 ist eine erläuternde Ansicht (1), die ein Leistungsübertragungssystem erläutert, das entwickelt wurde, um eine maximale Leistung zu dem Zeitpunkt abzurufen, bei dem Leistung aus einer natürlichen Energie erzeugt wird, die sich wetterbedingt verändert, und zwar aus einer Energiequelle, bei der es sich um einen photovoltaischen Solarstromerzeuger handelt, der mit einer Leistungsprioritätsabrufvorrichtung 2 ausgerüstet ist;
42 ist eine erläuternde Ansicht (2), die ein Leistungsübertragungssystem erläutert, das entwickelt wurde, um eine maximale Leistung zu dem Zeitpunkt abzurufen, bei dem Leistung aus einer natürlichen Energie erzeugt wird, die sich wetterbedingt verändert, und zwar aus einer Energiequelle, bei der es sich um einen photovoltaischen Solarstromerzeuger handelt, der mit einer Leistungsprioritätsabrufvorrichtung 2 ausgerüstet ist;
43 ist eine erläuternde Ansicht (3), die ein Leistungsübertragungssystem erläutert, das entwickelt wurde, um eine maximale Leistung zu dem Zeitpunkt abzurufen, bei dem Leistung aus einer natürlichen Energie erzeugt wird, die sich wetterbedingt verändert, und zwar aus einer Energiequelle, bei der es sich um einen photovoltaischen Solarstromerzeuger handelt, der mit einer Leistungsprioritätsabrufvorrichtung 2 ausgerüstet ist; und
44 ist eine erläuternde Ansicht (4), die ein Leistungsübertragungssystem erläutert, das entwickelt wurde, um eine maximale Leistung zu dem Zeitpunkt abzurufen, bei dem Leistung aus einer natürlichen Energie erzeugt wird, die sich wetterbedingt verändert, und zwar aus einer Energiequelle, bei der es sich um einen photovoltaischen Solarstromerzeuger handelt, der mit einer Leistungsprioritätsabrufvorrichtung 2 ausgerüstet ist.
BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Eine Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend mit Bezug auf die Zeichnungen erläutert.
1 ist eine Konfigurationserläuterungsansicht, die eine schematische Konfiguration eines Leistungsübertragungssystems gemäß der Erfindung erläutert. In 1 bezeichnet Bezugszeichen 1 jeweils eine Energiequelle. Dabei ist bei dieser Ausführungsform ein Beispiel dargestellt, bei dem drei Energiequellen 1 ... vorhanden sind, jedoch kann das Leistungsübertragungssystem anders konfiguriert sein, sofern wenigstens eine Energiequelle 1 ... vorhanden ist (falls lediglich eine einzige Energiequelle 1 vorhanden ist, ist dies äquivalent zu einer normalen Stromquelle, da es nicht erforderlich ist, Stromquellen zu kombinieren).
Dabei repräsentieren die Energiequellen 1 verschiedene Stromerzeugungsvorrichtungen, und insbesondere Stromerzeugungsvorrichtungen, die natürliche Energie nutzen (Erzeugungseinrichtungen für photovoltaische Solarstromerzeugung, Windstromerzeugung, Wasserstromerzeugung, und dergleichen), jedoch sind die Energiequellen 1 nicht darauf eingeschränkt. Sofern eine Umwandlung in Gleichstrom (DC) erfolgen kann, kann eine beliebige Energiequelle 1 ... abgesehen von den zuvor erwähnten Energiequellen 1 ... verwendet werden.
Daher kann eine kommerzielle Stromquelle zu Gleichstrom gleichgerichtet werden, zur Verwendung als eine Energiequelle 1. Auch kann eine Batterie als in 1 dargestellte Energiequelle 1 dargestellt werden. Ein Verwenden einer Batterie ermöglicht ein Verschieben von Energie, bei dem die Batterie mit Nachtstrom geladen wird und die in der Batterie gespeicherte Leistung während des Tages bereitgestellt wird, wenn eine Leistung nicht ausreicht oder die Elektrizitätskosten steigen.
Bezugszeichen 2 bezeichnet jeweils eine Leistungsprioritätsabrufvorrichtung. Jede Leistungsprioritätsabrufvorrichtung 2 ist eine Vorrichtung, die Strom von einer Energiequelle 1 ... erhält und eine geeignete Stärke an Leistung von der Energiequelle 1 ... zu einer Last 5 überträgt, gemäß einem Steuersignal 4 von einer Steuereinrichtung 3 und mit guter Kosteneffizienz. Die Stärke einer abgegebenen Leistung, der von jeder Energiequelle 1 ... zur Last 5 übertragen wird, wird, gesteuert mittels des Steuersignals 4, von der Steuereinrichtung 3 bestimmt. Die Details dazu werden nachfolgend erläutert.
Dabei ist die Steuereinrichtung 3 eine Schaltung zur Erzeugung des Steuersignals 4, und sie führt auch einen Prozess zur Begrenzung des Steuersignals 4 bei einer Überspannung aus. Die Steuereinrichtung 3 kann mit einer elektronischen Schaltung oder dergleichen aufgebaut sein, die einen Mikrocomputer und einen Mikrocontroller, einen Komparator, einen Schwingkreis, etc. kombiniert.
Als Steuersignal 4 kann beispielsweise ein Puls mittels PWM (Pulsweitenmodulation) verwendet werden, und in diesem Fall kann die ausgegebene Stärke durch ein Pulsweitenverhältnis repräsentiert werden.
Mit anderen Worten kann, wie aus 2 zu entnehmen ist, die Stärke einer zu übertragenden Leistung durch das Verhältnis einer Zeit t_on, während der das Steuersignal 4 „1” ist, und einer Zeit t_off, während der das Steuersignal 4 „0” ist, bestimmt werden, und zwar über einen Zeitraum T von einer einzigen Periode.
Eine Spannungserfassungsvorrichtung 6 (Voltmeter) überwacht eine Spannung einer der Last 5 zugeführten Leistung. Wenn die Leistungszufuhr von den Energiequellen 1 ... groß ist und die Last 5 gering ist, oder wenn eine Abgabespannung ansteigt, wird bei einer Vorgehensweise, bei der eine der Leistungsprioritätsabrufvorrichtungen 2 weggelassen wird, wie später noch erläutert, von der Spannungserfassungsvorrichtung 6 eine Überwachung durchgeführt, derart, dass die abgegebene Spannung eine zulässige obere Spannungsgrenze nicht übersteigt.
Falls die abgegebene Spannung die zulässige obere Spannungsgrenze übersteigt (gemäß den Spezifikationen der Stromquelle oder den Konditionen der Last, etc.) (falls eine Überspannung erfasst wird), wird durch das Steuersignal 4 die von den Energiequellen 1 ... zugeführte Spannung verringert.
Als Nächstes wird der Aufbau der Leistungsprioritätsabrufvorrichtungen 2 erläutert. Wie in 3 dargestellt, können die Leistungsprioritätsabrufvorrichtungen 2 beispielsweise durch eine Vorrichtung gebildet sein, in der eine Aufwärts-Zerhackersteuerschaltung mittels PWM installiert ist.
In 3 bezeichnet L eine Induktivität (Spule) und D bezeichnet eine Diode. Anstelle der Diode D kann ein Element verwendet werden, das eine Gleichrichtungswirkung aufweist. Mit anderen Worten kann anstelle der Diode D ein Schalter (ein Schalter, der durch ein externes Signal gesteuert werden kann, beispielsweise ein Halbleiterschalter, der mit großer Schnelligkeit arbeitet, wie etwa ein FET oder ein IGBT) so gesteuert werden, dass der Strom nicht in umgekehrter Richtung fließt.
Dabei wird die Energie, die zur Ausgangsseite übertragen wird, dadurch angepasst, dass das Steuersignal 4 erzeugt wird, bei dem das Verhältnis der Zeit t_on, während der das Steuersignal 4 „1” ist, und der Zeit t_off, während der das Steuersignal 4 „0” ist, und zwar während eines einzigen Pulses, angepasst wird, und dann der Schalter SW gemäß dem Steuersignal 4 AN/AUS (ON/OFF) geschaltet wird.
Als Erstes wird, wie in 4 dargestellt, wenn der Schalter SW auf AN (ON) geschaltet wird, V_on zu 0 V, und der Strom vom Eingang fließt in Richtung I_on.
Generell wird, wenn sich ein zur Induktivität L fließender Strom I ändert, eine induzierte elektromotorische Kraft E erzeugt, und dies wird durch die folgende Gleichung repräsentiert: E = L dI / dt (Gleichung 1)
Wenn der Schalter SW auf AN (ON) geschaltet wird, wird die an die Induktivität L angelegte Spannung zu V_in. Wenn der Strom, der zu diesem Zeitpunkt durch L fließt, I_on ist, wird Gleichung 1 zu: Vin = L dIon / dt (Gleichung 2)
Wenn nach I_on umgestellt wird, wird dies zu dIon = Vin / Ldt (Gleichung 3)
Wenn beide Seiten über die Zeit t integriert werden, wird dies zu: Ion = Vin / L + I₀ (Gleichung 4), unter der Voraussetzung, dass I₀ der Wert von I_on ist, bei t = 0.
5 zeigt die Beziehung zwischen t und I_on in Form eines Graphen.
Die Zeit, während der der Schalter SW AN (ON) ist, ist ausreichend kurz, und es erfolgt innerhalb dieses Zeitraums keine Sättigung der Induktivität L.
Als Nächstes wird, wie in 6 dargestellt, der Schalter SW auf AUS (OFF) geschaltet.
Zu diesem Zeitpunkt fließt der Strom in Richtung des Ausgangs, jedoch ist ein ausreichend großer Kondensator C vorhanden, und falls die Spannung des Kondensators C den Wert V_out hätte, dann ist die Spannung auf V_out begrenzt.
Da die Abgabespannung V_out ist, hat die Spannung an beiden Enden der Induktivität L den Wert V_in – V_out. Daher ist, aus Gleichung 1, die Beziehung zu dem zur Induktivität L fließenden Strom I_off durch die folgende Differenzialgleichung ausgedrückt: Vin – Vout = L dIoff / dt (Gleichung 5)
Bei Umstellung wird dies zu: dIoff = Vin-Vout / Ldt (Gleichung 6). Wenn beide Seiten über die Zeit t integriert werden, wird dies zu: Ioff = Vin-Vout / Lt + I₁ (Gleichung 7). I₁ ist eine Integrationskonstante und entspricht dem Wert des Stroms I_off bei t = 0.
7 zeigt „I_off”, das in Gleichung 7 dargelegt ist, in Form eines Graphen.
Aufgrund der Eigenschaften von L ist der Wert des Stroms stetig, und daher ist der Wert des Stroms in dem Moment, in dem der Schalter SW auf AUS (OFF) geschaltet wird, äquivalent zu dem Wert des Stroms unmittelbar bevor der Schalter SW auf AUS (OFF) geschaltet wird.
Somit ist, mit dem zuvor Beschriebenen, ein Zyklus, ab dem Schalten des Schalters SW auf AN (ON) bis zu dessen Schalten auf AUS (OFF), aufgebaut wie in 8 dargestellt. In 8 wird, ausgehend vom ersten Stromwert I₀, der Schalter SW nach dem Zeitpunkt t₀ auf AUS (OFF) geschaltet, und der Stromwert in dem Moment seines AUS-Schaltens wird aus Gleichung 4 wie folgt berechnet: Vin / Lt₀ + I₀
Falls dieser Zeitpunkt als t = 0 von Gleichung 7 betrachtet wird, ist der Wert des Stroms äquivalent zu I₁, und somit: I₁ = Vin / Lt₀ + I₀ (Gleichung A)
Ausgehend von diesem Zustand wird, falls der Wert des Stroms, wenn der Zeitpunkt t₁ verstrichen ist, I₂ ist, I₂ wie folgt aus Gleichung 7 berechnet:
Wenn der Schalter SW wiederholt AN/AUS (ON/OFF) geschaltet wird, wird I₂ zum Anfangswert des Stroms des nächsten Zyklus.
Dabei sieht eine Änderung des Stroms über einen einzigen Zyklus wie folgt aus:
Falls der Schalter SW wiederholt AN/AUS (ON/OFF) geschaltet wird, wird der durch die Induktivität L fließende Strom dargestellt wie in 9 gezeigt.
In 9 haben, falls der Wert des Stroms zum Zeitpunkt 0 den Wert 0 hat, der Wert des Stroms zum Zeitpunkt t₀ den Wert I_A hat, und der Wert des Stroms zum Zeitpunkt t₀ + t₁ den Wert I_B hat, I_A und I_B folgende Werte:
Dabei kann der Strom, der durch die Diode D hindurch zur Seite des Ausgangs fließt, dargestellt werden wie in 10 gezeigt.
Falls eine dem Ausgang zugeführte Leistung P in Bezug auf einen Durchschnitt über eine einzige Periode betrachtet wird, wird P wie folgt berechnet:
Es versteht sich, dass, da sich der Strom lediglich wie angegeben in Gleichung B während jeder Wiederholung des Zyklus ändert, sich die Leistung ebenfalls proportional zu dessen Größe ändert. In Gleichung B wird, wenn: V_int₀ + (V_in – V_out)t₁ = 0 eine Zickzack-Linie gebildet, wie in 11 dargestellt, und es versteht sich, dass sich der Strom in jedem Zyklus nicht ändert.
Auch wird, wenn V_int₀ + (V_in – V_out)t₁ < 0 eine Zickzack-Linie gebildet, wie in 12 dargestellt, und es versteht sich, dass der Strom mit jedem Zyklus abnimmt.
Falls dieser Zustand fortdauert, wird der berechnete Wert des Stroms negativ. Jedoch wird er, da kein Fließen eines umgekehrten Stroms zu D erfolgt, in Wirklichkeit zu 0, und der Strom beginnt im nächsten Zyklus ausgehend von 0 (I₀ = 0 in Gleichung 4; siehe 13).
Aufgrund des zuvor Beschriebenen kann, falls V_in und V_out konstant sind, eine Zunahme/Abnahme des zum Ausgang fließenden Stroms durch das Verhältnis von t₀ und t₁ gesteuert werden. Mit anderen Worten versteht es sich, dass eine Zunahme/Abnahme der dem Ausgang zugeführten Leistung durch das Verhältnis von t₀ und t₁ gesteuert werden kann.
Wie zuvor erläutert, bezeichnen t₀ und t₁ die AN-Zeit und die AUS-Zeit des Schalters SW, und das Verhältnis von AN-Zeit und AUS-Zeit des Schalters SW wird durch das Steuersignal 4 gesteuert, das von der Steuereinrichtung 3 (Mikrocomputer, etc.) kommt.
Dabei können, wie in 14 dargestellt, die Ausgänge der Mehrzahl von Leistungsprioritätsabrufvorrichtungen 2 ... parallel angeschlossen sein.
In einem Stromkreis einer üblichen Konstantspannungs-Stromquelle wird durch die Spannung eine Rückkopplung aufgebracht, und somit erfolgt, falls die Ausgänge der Mehrzahl von Stromquellen direkt verbunden sind, bei den Rückkopplungen der Mehrzahl von Stromquellen eine Kollision, und der Betrieb wird instabil. Jedoch wird bei der Erfindung die Spannung nicht gesteuert, und daher gibt es keinen Einfluss auf die Leistungssteuerung, sogar wenn die Mehrzahl von Leistungsprioritätsabrufvorrichtungen 2 ... verbunden sind.
Wie 14 zu entnehmen ist, kann der Kondensator C des Ausgangs gemeinsam genutzt werden. Nimmt man an, dass die Spannungen an beiden Enden des Kondensators C konstant sind, kann man sich jede Leistungsprioritätsabrufvorrichtung 2, 2 als unabhängig vorstellen, wie zuvor beschrieben, und eine willkürliche Leistungsstärke kann von jedem Eingang zugeführt werden, dadurch, dass die AN/AUS-Zeit des Schalters SW1 bzw. des Schalters SW2 angepasst wird.
Die Leistungsprioritätsabrufvorrichtungen 2 sind normalerweise mit einer sogenannten Rückflussverhinderungsdiode ausgerüstet, so dass der Strom nicht zurückfließt, beispielsweise siehe 3 und 14. Falls es jedoch einen großen Vorwärtsspannungsabfall gibt und ein großer Strom zur Diode D fließt, sind die dadurch verursachten Verluste ebenfalls groß. Falls beispielsweise ein Vorwärtsspannungsabfall verursacht, dass ein Strom von 10 A zu einer Diode von 1 V fließt, treten Verluste einer Leistung von 10 W auf.
Somit kann, um durch eine derartige Vorwärtsspannung bedingte Verluste zu verhindern, ein Schaltelement mit einem niedrigen AN-Widerstand, wie beispielsweise ein FET, verwendet werden. Falls beispielsweise ein FET mit einem AN-Widerstand von 10 mΩ verwendet wird, betragen die Leistungsverluste bei einem Stromfluss von 10 A lediglich 1 W.
Anstelle der in 3 und 4 dargestellten Diode D kann ein Schaltelement verwendet werden, das fähig ist, einen Rückfluss zu verhindern. Falls ein Schaltelement verwendet wird, wird der Schaltkreis der Diode D in 3 und 4 zu einem Schaltkreis wie dargestellt in 15. In 15 ist, während der Schalter SW auf AN (ON) geschaltet ist, der Schalter SW-D auf AUS (OFF) geschaltet, und während der Schalter SW auf AUS (OFF) geschaltet ist, ist der Schalter SW-D auf AN (ON) geschaltet. Dadurch kann eine Operation ausgeführt werden, die zu derjenigen der Diode äquivalent ist. Auch können Verluste verringert werden, da eine Vorwärtsspannung, wie bei der Diode, nicht erzeugt wird. (Es treten zwar Verluste auf, die durch den Widerstand in den Schaltern und die AN/AUS-Zeitsteuerung bedingt sind, jedoch sind diese extrem klein, verglichen mit den durch die Diode verursachten Verlusten).
Es ist selbstverständlich, dass die Dioden D1 und D2 in 14 auch zu Schaltelementen modifiziert werden können, die fähig sind, einen Rückfluss zu verhindern.
Dabei ist die AN/AUS-Zeitsteuerung des Schalters SW und des Schalters SW-D wie in 16 dargestellt.
Wenn SW AUS (OFF) ist und SW-D AN (ON) ist, ist der Strom I_off durch die folgende Gleichung dargestellt: Ioff = Vin – Vout / Lt + I₁ (wobei der Strom zu dem Zeitpunkt, zu dem SW auf AUS (OFF) geschaltet ist, I₁ beträgt).
Wenn V_in < V_out, dann ist, falls I₁ abnimmt, der Strom I_off < 0, und zwar nach einer festen Zeit, zu der:
und ein umgekehrter Strom fließt (17).
Um dies zu verhindern, sollte SW-D auf AUS (OFF) geschaltet sein, und zwar zu dem Zeitpunkt, zu dem I = 0:
Als Nächstes wird eine konkrete Ausführungsform des Leistungsübertragungssystems gemäß der Erfindung mit Bezug auf 19 und 20 erläutert, wobei dabei spezifische Zahlenwerte präsentiert werden.
Die Induktivität L ist auf 10 mH festgelegt, die Eingangsspannung V_in = 80 V, und die Ausgangsspannung V_out = 100 V.
Wenn der Schalter SW auf AN (ON) geschaltet wird (19), sind die Spannungen an beiden Enden von L 80 V.
Der Strom zu diesem Zeitpunkt wird aus Gleichung 4 berechnet, wie folgt:
Der Schalter SW wird auf AUS (OFF) geschaltet, und zwar zum Zeitpunkt t = t₀ (siehe 20). Der Strom zu diesem Zeitpunkt wird aus Gleichung 7 berechnet, und zwar wie folgt:
Falls der Schalter SW nach jeweils 100 μs AN/AUS (ON/OFF) geschaltet wird, ist der durch die Induktivität L fließende Strom wie in 21 dargestellt.
Zu diesem Zeitpunkt ist die der Last zugeführte Leistung wie in 22 dargestellt.
Es versteht sich, dass bei dieser Ausführungsform der Strom in jedem Zyklus zunimmt. Mit anderen Worten versteht es sich, dass die zur Lastseite (Ausgangsseite) übertragene Leistung zunimmt.
Somit versteht es sich, dass die Erhöhung der dem Ausgang zugeführten Leistung wie folgt ist: 0,6 A × 100 V = 60 W Leistungserhöhung je 1 Zyklus (nach jeweils 200 μs).
In dem Fall, dass sich die Lastspannung nicht ändert, erfolgt bei dem zuvor beschriebenen Zustand, oder mit anderen Worten dem Zustand des in 20 gezeigten AN/AUS-Zeitsteuerverhältnisses des Schalters SW, eine kontinuierliche Erhöhung der dem Ausgang zugeführten Leistung.
Daher wird, um diese Zunahme zu stoppen und einen konstanten Stromversorgungszustand zu erzielen, die AN/AUS-Zeit des Schalters SW angepasst. Beispielsweise wird die AN/AUS-Zeit des Schalters SW dadurch angepasst, dass die AUS-Zeit verlängert wird. Dadurch, dass eine Anpassung auf diese Weise erfolgt, kann die zuvor beschriebene Erhöhung gestoppt werden, und es kann ein konstanter Stromversorgungszustand erzielt werden.
Speziell wird, wenn der Schalter SW so eingestellt ist, dass er 20 μs lang AN (ON) ist und 180 μs lang AUS (OFF) ist, der Zustand wie in 23 gezeigt, und der dem Ausgang zugeführte Strom ändert sich wie in 24 dargestellt.
Zu diesem Zeitpunkt ändert sich der ausgegebene Strom nicht in jedem Zyklus, und es wird eine konstante Leistung ausgegeben. Wenn das Verhältnis der AN-Zeit weiter verringert wird, kann die ausgegebene Leistung so gesteuert werden, dass sie in jedem Zyklus verringert wird.
Bei dieser Ausführungsform wurde eine sogenannte Aufwärts-Zerhackersteuerschaltung (Hochsetzsteller) verwendet. Jedoch ist eine solche Leistungssteuerung, bei der ein Leistungsprioritätsabruf in ähnlicher Weise erzielt werden kann, auch mit einer sogenannten Abwärts-Zerhackersteuerschaltung (Tiefsetzsteller) oder einer Zerhackersteuerschaltung vom Sperrtyp möglich.
Diese Ausführungsform wird nachfolgend mit Bezug auf 25 erläutert. 25 zeigt eine Ausführungsform, bei der eine Abwärts-Zerhackersteuerschaltung (Tiefsetzsteller) verwendet wird.
Dabei kann in 25 der Kondensator C1 und der Kondensator C2 auch mit einem einzigen gemeinsam genutzten Kondensator (26) realisiert werden, oder in Abhängigkeit von einem Ausgangskreis weggelassen werden.
25 zeigt eine Ausführungsform, bei der eine Leistung derart gesteuert wird, dass ein Leistungsprioritätsabruf durch die Abwärts-Zerhackersteuerschaltung (Tiefsetzsteller) bewerkstelligt werden kann. SW1 und SW2 sind Schaltvorrichtungen, die mit großer Schnelligkeit mit einem externen Signal geschaltet werden können, und ein FET, ein Transistor, ein IGBT und dergleichen kann verwendet werden. Die dem Ausgang (Last 5) zugeführte Leistung kann mittels der AN/AUS-Schaltgeschwindigkeit und dem AN/AUS-Zeitverhältnis der Schaltvorrichtungen SW1 und SW2 gesteuert werden.
Als Erstes wird der zuvor erwähnte Schaltkreis (auf Seiten von SW1-D1-L1-C1) erläutert.
Falls die Eingangsspannung V_in wäre und die Ausgangsspannung V_out wäre, wird, wenn SW1 auf AN (ON) geschaltet wird, die an L1 angelegte Spannung zu V_in – V_out.
Aus Gleichung 1 ergibt sich, dass die Beziehung zum Strom I_on zu diesem Zeitpunkt wie folgt ist: Vin – Vout = L₁ dIon / dt (Gleichung 20). Wenn nach I_on umgestellt wird, wird dies zu:
Wenn beide Seiten über die Zeit t integriert werden, wird dies zu:
I₀ ist eine Integrationskonstante und entspricht dem Wert des Stroms I_on bei t = 0.
Als Nächstes wird, nachdem die Zeit t₀ verstrichen ist, SW auf AUS (OFF) geschaltet.
Die Spannung, die zu diesem Zeitpunkt an L1 anliegt, beträgt 0 – V_out. In ähnlicher Weise wird der Strom I_off, wenn SW1 auf AUS (OFF) geschaltet ist, wie folgt berechnet: Ioff = 0-Vout / Lt + I₁ (Gleichung 23). I₁ ist eine Integrationskonstante und entspricht dem Wert des Stroms I_off bei t = 0.
Ein Graph des zuvor Beschriebenen ist in 27 dargestellt.
Aufgrund des zuvor Beschriebenen ist ein Zyklus, ab dem AN-Schalten des Schalters SW1 bis zu dessen AUS-Schalten, in dem in 28 gezeigten Graph dargestellt.
Falls SW1 wiederholt AN/AUS (ON/OFF) geschaltet wird, wird dieser Zyklus wiederholt, und der durch L hindurch fließende Strom verhält sich wie in 29 dargestellt. (Die AN-Zeit von SW ist t₀, und die AUS-Zeit von SW ist t₁).
Dieser Strom wird dem Ausgang zugeführt.
Eine Durchschnittsleistung P, die dem Ausgang über eine einzige Periode zugeführt wird, ist wie folgt:
Dabei erfolgt, wenn I₀ = I₂, keine Änderung des Durchschnitts des ausgegebenen Stroms in jedem Zyklus. Wenn I₀ < I₂, nimmt der Ausgangsstrom in jedem Zyklus zu, und wenn I₀ > I₂, nimmt der Ausgangsstrom in jedem Zyklus ab.
Wenn I₀ = I₂,
Wenn I₀ < I₂,
Wenn dies umgestellt wird, dann (Vout)t₁ < (Vin – Vout)t₀
Daher,
Ein Graph des zuvor Beschriebenen ist in 31 gezeigt, und es versteht sich, dass der Ausgangsstrom zunimmt.
In ähnlicher Weise gilt, wenn I₀ > I₂,
Ein Graph davon ist in 32 dargestellt, und es versteht sich, dass der Ausgangsstrom abnimmt.
Aus Gleichungen 28, 31 und 32 ist zu entnehmen, dass, wenn eine gewisser V_in und V_out gegeben ist, eine Zunahme/Abnahme des zum Ausgang fließenden Stroms mittels des Verhältnisses von t₀ und t₁ bestimmt werden kann.
Jedoch wird, wenn V_in > V_out, sogar in einem Zustand, bei dem Gleichung 32 erfüllt ist, oder mit anderen Worten einem Zustand, bei dem der Ausgangsstrom in jedem Zyklus abnimmt, der Strom niemals negativ. Falls in einem gewissen Zyklus der Strom den Wert 0 erreicht, dann liegt der Wert des Stroms zu Beginn irgendeines anschließenden Zyklus bei 0. Ein Graph dieses Falls ist in 33 dargestellt.
Sogar bei einer Leistungsprioritätsabrufvorrichtung, die durch eine Abwärts-Zerhackersteuerschaltung gebildet ist, kann die Rückflussverhinderungsdiode entfallen (34), ähnlich wie im Fall der Aufwärts-Zerhackersteuerschaltung.
Jedoch gibt es, wenn die zugeführte Energie natürliche Energie ist (beispielsweise ein Solarpaneel oder eine -erzeugungseinrichtung) und die Stärke der erzeugten Leistung gering ist, Fälle, bei denen die zugeführte Spannung unter die abgegebene Spannung abfällt. Mit anderen Worten ist ein Fall, bei dem V_in < V_out ist, ebenfalls möglich. Beispielsweise kann, wenn V_in < V_out in 34, ein Rückfluss dadurch verhindert werden, dass vermieden wird, dass SW1 auf AN (ON) geschaltet wird.
Falls jedoch ein Schaltelement wie beispielsweise ein FET für SW1 und SW2 verwendet wird, fließt ein Strom in umgekehrter Richtung, bedingt durch eine parasitäre Diode. Daher werden in diesem Fall Rückflussverhinderungsdioden oder ein Schaltkreis eingefügt (D3 und D4 in 35). Diese Dioden (oder der Schaltkreis) können an einer beliebigen Position angebracht sein, sofern sich diese innerhalb der SW1-L1-Ausgangsleitung (oder innerhalb der SW2-L2-Ausgangsleitung) befindet. Wenn die Richtung umgekehrt wird, können die Dioden auch auf der anderen Seite angebracht sein.
Die zuvor beschriebenen Ausführungsformen betrafen alle ein Kombinieren von zwei Systemen, jedoch können auch drei oder mehr Systeme in gleicher Weise kombiniert werden.
Wie zuvor erläutert, kann die Leistungsprioritätsabrufvorrichtung 2, die durch eine Aufwärts-Zerhackersteuerschaltung (Hochsetzsteller) gebildet ist, verwendet werden, wenn die Spannung auf der Stromerzeugungsseite geringer ist als die Spannung auf der Lastseite (36(A)), und die Leistungsprioritätsabrufvorrichtung 2, die durch eine Abwärts-Zerhackersteuerschaltung (Tiefsetzsteller) gebildet ist, kann verwendet werden, wenn die Spannung auf der Stromerzeugungsseite größer ist als die Spannung auf der Lastseite (36(B)).
Falls beispielsweise der Ausgang der Energiequelle 1 (Erzeugungseinrichtung) derart konfiguriert ist, dass die Spannung gering ist, jedoch ein großer Strom fließen kann, ist die durch eine Aufwärts-Zerhackersteuerschaltung gebildete Leistungsprioritätsabrufvorrichtung 2 geeignet. Umgekehrt ist, falls der Ausgang der Energiequelle 1 (Erzeugungseinrichtung) derart konfiguriert ist, dass er hauptsächlich elektrischen Strom von großer Spannung zuführt, die durch eine Abwärts-Zerhackersteuerschaltung gebildete Leistungsprioritätsabrufvorrichtung 2 geeignet.
Da es große Schwankungen bei der Stromerzeugung aus natürlicher Energie gibt, kann es Fälle geben, bei denen nicht kategorisch bestimmt werden kann, ob die Spannung auf der Stromerzeugungsseite größer oder niedriger als die Spannung auf der Lastseite ist. Jedoch ist es auch in derartigen Fällen möglich, eine Leistungsprioritätsabrufvorrichtung 2, die durch eine Aufwärts-Zerhackersteuerschaltung gebildet ist, und eine Leistungsprioritätsabrufvorrichtung 2, die durch eine Abwärts-Zerhackersteuerschaltung gebildet ist, zu kombinieren (ein grundlegendes Beispiel dafür ist in 36(C)) dargestellt.
Als Nächstes zeigt 37 eine Ausführungsform, die eine Zerhackersteuerschaltung vom Sperrtyp verwendet. In diesem Fall können, ähnlich wie bei 25 und 26, der Kondensator C1 und der Kondensator C2 auch mit einem einzigen gemeinsam genutzten Kondensator C1 realisiert werden, oder können weggelassen werden, abhängig vom Ausgangskreis.
Die Funktionsweise in dem Fall, bei dem die Leistungsprioritätsabrufvorrichtung 2 durch eine Zerhackersteuerschaltung vom Sperrtyp gebildet ist, ist die gleiche wie bei dem Fall einer Aufwärts-Zerhackersteuerschaltung.
Wenn der SW1 auf AN (ON) geschaltet ist, fließt ein Strom wie in Gleichung 1 angegeben (unter der Voraussetzung, dass L durch T1 ersetzt wird), und eine induzierte elektromotorische Kraft wird erzeugt. Im Fall der Aufwärts-Zerhackersteuerschaltung wurde ein Strom direkt von L geholt. Jedoch unterscheidet sich der Fall der Zerhackersteuerschaltung vom Sperrtyp darin, dass ein Strom direkt von einer Sekundärseite von T1 geholt wird.
Die Diode D1 und die Diode D2 sind Rückflussverhinderungsdioden, jedoch kann stattdessen ein Schaltelement verwendet werden (welches mit großer Schnelligkeit durch ein externes Signal auf AN/AUS (ON/OFF) gesteuert werden kann, beispielsweise ein Halbleiterschalter in der Art eines FET).
Die Leistungsprioritätsabrufvorrichtung 2, die durch eine Zerhackersteuerschaltung vom Sperrtyp gebildet ist, kann in einem Fall verwendet werden, bei dem die Spannung auf der Lastseite größer ist als die Spannung auf der Stromerzeugungsseite, sowie in einem Fall, bei dem die Spannung auf der Lastseite geringer ist als die Spannung auf der Stromerzeugungsseite.
Bei den zuvor beschriebenen Ausführungsformen wurde eine Leistungsprioritätsabrufvorrichtung 2 erläutert, welche die Induktivität L verwendet. Jedoch kann eine ähnliche Funktionsweise auch unter Verwendung eines Kondensators 30 realisiert werden. Eine derartige Ausführungsform wird nachfolgend mit Bezug auf 38 erläutert.
Bei diesem Aufbau würde der Wirkungsgrad im Vergleich mit einer Schaltung, welche die Induktivität L verwendet, beeinträchtigt werden, jedoch wird bei diesem Aufbau keine Induktivität verwendet, und daher ist diese insofern vorteilhaft, dass ein Rauschen eines Typs, der durch ein Schalten der Induktivität L erzeugt wird, nicht erzeugt wird.
Mit anderen Worten kann, wenn eine Leistung zu einem rauschempfindlichen Gerät übertragen wird, dadurch dass die Leistungsprioritätsabrufvorrichtung 2 verwendet wird, welche den Kondensator 30 gemäß dieser Ausführungsform verwendet, der Einfluss von Rauschen auf das rauschempfindliche Gerät verringert werden, und somit kann der Betrieb stabilisiert werden.
Dabei hat die Kapazität des Kondensators 30 den Wert C(F), die Spannung der Stromquelle ist V_in und die Spannung des Stromversorgungssystems ist V_out.
Wenn der Schalter zur Seite A hin geschaltet ist, wird der Kondensator 30 durch die Spannung V_in geladen, und es wird eine Ladung von C × V_in (Coulomb) gespeichert. Wenn der Schalter zur Seite B geschaltet wird, beträgt die Spannung auf der Ausgangsseite V_out, und somit wird eine Ladung der Potenzialdifferenz (V_out – V_in), oder mit anderen Worten eine Ladung von C × (V_out – V_in) (Coulomb) dem Stromversorgungssystem zugeführt.
In diesem Fall wird die dem Stromversorgungssystem zugeführte Leistung dadurch bestimmt, wie viele Male der Schalter zur Seite A/Seite B geschaltet wird, sowie die Potenzialdifferenz zwischen dem Eingang und dem Ausgang.
Daher kann die Stärke der zugeführten Leistung durch die Frequenz eines Signals, welches den Schalter AN/AUS (ON/OFF) schaltet, gesteuert werden.
Bei dieser Schaltung muss V_in > V_out erfüllt sein. Falls jedoch eine Schaltung in der Art der in 39 gezeigten verwendet wird, kann eine Leistung zugeführt werden, die innerhalb des Bereichs der Bedingung 2 V_in > V_out liegt.
In ähnlicher Weise kann, dadurch dass die Schaltung wie in 40 gezeigt aufgebaut ist, eine Leistung zugeführt werden, die innerhalb des Bereichs der Bedingung 4 V_in > V_out liegt.
Es wurde bereits erläutert, dass, dadurch dass die Leistungsprioritätsabrufvorrichtung 2 gemäß der Erfindung verwendet wird, eine Leistung von einer natürlichen Energiequelle, die durch eine photovoltaische Solarstromerzeugungseinrichtung oder dergleichen erzeugt wird, ohne Verluste und ohne Erschöpfung verwendet werden.
Auch in dem Fall, dass die Leistung auf der Lastseite bei Verwendung derartiger Energie, und zwar bei ausschließlicher Verwendung der durch die natürliche Energiequelle erzeugten Leistung, nicht ausreichend ist, kann beispielsweise eine Gleichstromquelle, die durch Gleichrichten aus einer kommerziellen Stromquelle erzeugt wird, verwendet werden, um lediglich diesen nicht ausreichenden Anteil zu kompensieren.
Ein Beispiel dafür ist in 41 gezeigt. Der Einfachheit halber beinhaltet der Aufbau eine Gleichstromquelle, die aus der kommerziellen Stromquelle gleichgerichtet wurde, und eine Stromquelle aus einer photovoltaischen Solarstromerzeugungseinrichtung (50 W).
Dabei wird, wenn der Strom, der von der photovoltaischen Solarstromerzeugungseinrichtung zugeführt wird, I₁ beträgt, der Strom von der kommerziellen Stromquelle I_AC beträgt und der zur Last fließende Strom I_RL beträgt, die folgende Gleichung aufgestellt: I₁ + I_AC = I_RL
Wenn hier hinsichtlich Leistung ersetzt wird, wird diese wie folgt zu: P₁ + P_AC = P_RL
In der obigen Gleichung beträgt die Leistung, die von der photovoltaischen Solarstromerzeugungseinrichtung zugeführt wird, P₁, die von der kommerziellen Stromquelle zugeführte Leistung beträgt P_AC, und die zur Last zugeführte Leistung beträgt P_RL.
Falls die Last 100 W beträgt und keine Stromerzeugung durch eine photovoltaische Solarstromerzeugungseinrichtung erfolgt, beispielsweise während der Nacht, erfolgt die Zuführung der Leistung zur Last vollständig aus der kommerziellen Stromquelle. P_AC = P_RL = 100 W
Falls andererseits eine Leistung von 50 W von der photovoltaischen Solarstromerzeugungseinrichtung zugeführt wird, 50 W + P_AC = 100 W
Dabei wird P_AC zu 50 W.
In dieser Weise ist die Leistung, die von der kommerziellen Stromquelle zugeführt wird, lediglich eine Stärke (nicht ausreichender Teil), die dadurch erhalten wird, dass die von der photovoltaischen Solarstromerzeugungseinrichtung zugeführte Stärke von der Leistung der Last subtrahiert wird. Ähnliche Ergebnisse wurden aus tatsächlichen Versuchsdurchführungen erzielt.
Als Nächstes wird ein Leistungsübertragungssystem erläutert, das entwickelt wurde, um eine maximale Leistung zu der Zeit abzurufen, bei der eine Leistung aus natürlicher Energie erzeugt wird, die sich wetterbedingt ändert, und zwar aus einer Energiequelle 1, bei der es sich um eine photovoltaische Solarstromerzeugungseinrichtung handelt, die mit der Leistungsprioritätsabrufvorrichtung 2 der Erfindung ausgerüstet ist.
Bei einer photovoltaischen Solarstromerzeugungseinrichtung ändert sich die abgegebene Spannung stark, aufgrund von Änderungen des Wetters und von Lastschwankungen.
In einer Solarzelle erreicht die Spannung ein Maximum (V_pv), wenn keine Last vorhanden ist, und wenn eine Last anliegt, fällt die Spannung ab.
Wenn keine Last vorhanden ist, ist der Strom 0, und die Leistung zu diesem Zeitpunkt ist V_pv × 0 = 0, und somit hat die Leistung den Wert 0. Falls weiter der Ausgang der Solarzelle kurzgeschlossen ist, erreicht der Strom ein Maximum, jedoch hat die Spannung den Wert 0 V. Somit ist die zu diesem Zeitpunkt abgerufene Leistung ebenfalls 0.
Zwischen einer Spannung von 0 bis V_pv gibt es eine Spannung, bei welcher die Leistung, die abgerufen werden kann, ein Maximum erreicht (diese Spannung wird als V_p bezeichnet). Die Beziehung zwischen der Leistung, die von der photovoltaischen Solarstromerzeugungseinrichtung abgerufen werden kann, und die Spannung kann angegeben werden wie in 42 dargestellt.
Falls die Menge an Sonnenschein gering ist, beispielsweise während bewölktem Wetter, ist im Vergleich zu klarem Wetter die erzeugte Leistung geringer. Jedoch gibt es, ähnlich wie bei klarem Wetter, eine Spannung, bei der die Leistung, die abgerufen werden kann, zwischen einer Spannung von 0 bis V_pv ein Maximum erreicht (die untere Kurve in 42).
Um eine Leistung mit einer photovoltaischen Solarstromerzeugungseinrichtung bei maximalem Wirkungsgrad abzurufen, wird üblicherweise ein Verfahren verwendet, bei dem die Abgabeleistung der photovoltaischen Solarstromerzeugungseinrichtung mit einer Leistungsmesseinrichtung gemessen wird und dann die Last derart angepasst wird, dass die Abgabeleistung ein Maximum erreicht (beispielsweise ein „Hill-Climbing”-Verfahren).
Das in 41 gezeigte Konfigurationsbeispiel wird nachfolgend erläutert. Da die Leistung der photovoltaischen Solarstromerzeugungseinrichtung durch das Steuersignal 4 der Leistungsprioritätsabrufvorrichtung 2 modifiziert werden kann, kann eine maximale Abgabeleistung durch ein Anpassen des Steuersignals 4 erzielt werden.
Generell ist es, um eine Leistung zu messen, erforderlich, die Spannung und den Strom zu messen (43). Das Produkt aus dem Strom und der Spannung zu diesem Zeitpunkt ist die Leistung.
Jedoch kann bei dem System, das die in 41 gezeigte Leistungsprioritätsabrufvorrichtung 2 verwendet, anstelle eines Messens der Leistung der abgegebene Strom I₁ beobachtet werden, und daher ist es nicht erforderlich, den Strom und die Spannung des Solarpaneels zu messen und das Produkt aus diesen zu berechnen (in 41 wird lediglich der Messwert des Amperemeters mit der Steuereinrichtung 3 gemessen).
Dies ist dadurch bedingt, dass die Spannung am Ausgang der Leistungsprioritätsabrufvorrichtung durch die Spannung auf Seiten der kommerziellen Stromquelle bestimmt ist (141 V bei diesem Beispiel) (falls die kommerzielle Stromquelle ausreichende Kapazität aufweist, erfolgt kein Spannungsabfall, sogar wenn die Last vergrößert wird), und somit wird die Leistung P zu einem Wert, der zum Wert des Stroms I₁ proportional ist, wie in der nachfolgenden Gleichung A dargestellt (44). P = 141 × I₁ (Gleichung A)
Daher wird, wenn der abgegebene Strom I₁ erfasst wird und er einen Maximalwert erreicht, das Steuersignal 4 der Leistungsprioritätsabrufvorrichtung 2 so angepasst, dass eine maximale Leistungsausgabestärke der photovoltaischen Solarstromerzeugungseinrichtung erzielt werden kann.
Bezugszeichenliste

1: Energiequelle
2: Leistungsprioritätsabrufvorrichtung
3: Steuereinrichtung
4: Steuersignal
5: Last
6: Spannungserfassungsvorrichtung
30: Kondensator

Claims

Leistungsübertragungssystem, aufweisend: eine Mehrzahl von Gleichstromquellen; und eine Last, die eine Zufuhr von Gleichstrom von der Mehrzahl von Gleichstromquellen erhält, wobei eine Leistungsprioritätsabrufvorrichtung an den Gleichstromquellen angebracht ist, die angebrachte Leistungsprioritätsabrufvorrichtung durch eine Steuereinrichtung gesteuert wird, und die Stärke einer Leistung, die der Last von den Gleichstromquellen zuzuführen ist, an denen die Leistungsprioritätsabrufvorrichtung angebracht ist, auf Basis der abgerufenen Leistungspriorität bestimmt wird.
Leistungsübertragungssystem, aufweisend: eine Mehrzahl von Gleichstromquellen; und eine Last, die eine Zufuhr von Gleichstrom von der Mehrzahl von Gleichstromquellen erhält, wobei eine Leistungsprioritätsabrufvorrichtung an jeder Gleichstromquelle angebracht ist, die Leistungsprioritätsabrufvorrichtungen durch eine Steuereinrichtung gesteuert werden, die an jeder Leistungsprioritätsabrufvorrichtung vorgesehen ist, und die Stärke einer Leistung, die der Last von jeder der Mehrzahl von Gleichstromquellen zuzuführen ist, an denen die Leistungsprioritätsabrufvorrichtungen angebracht sind, auf Basis der abgerufenen Leistungspriorität bestimmt wird.
Leistungsübertragungssystem gemäß Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei ein ausgangsseitiger Stromwert der Leistungsprioritätsabrufvorrichtung erfasst wird, und unter Verwendung des erfassten Stromwerts eine maximalen Wirkungsgrad aufweisende Leistungserzeugungsstärke zu diesem Zeitpunkt bestimmt werden kann, und zwar für eine Leistungserzeugungsstärke einer photovoltaischen Solarstromerzeugungsvorrichtung, bei der es sich um eine Energiequelle handelt, an der die Leistungsprioritätsabrufvorrichtung angebracht ist.
Leistungsübertragungssystem gemäß Anspruch 1, Anspruch 2 oder Anspruch 3, wobei die Leistungsprioritätsabrufvorrichtung so konfiguriert ist, dass sie einen Kondensator beinhaltet.