JP2006262549A - 電源装置の系統連携システム - Google Patents

Abstract

【課題】 複数の電源装置から構成される電力系統に関する負荷への供給率を、負荷の大きさに応じて変えて系統連携することができる電源装置の系統連携システムを提供する。
【解決手段】 負荷電流Ｉｏが０Ａから動作点Ｐまでは、Ｖ１＞Ｖ２より、負荷への電力供給はコンバータ２より行われる。コンバータ２は、その出力レギュレーションが意図的に悪化されているため、負荷電流Ｉｏの増加に従い、出力電流Ｉ１が増加する一方、出力電圧Ｖ１が低下する。負荷電流Ｉｏが動作点Ｐを超えると、コンバータ５から負荷へ電力供給が開始される。重負荷時には、出力電圧Ｖ１の低下により、出力電流Ｉ２が負荷へ流れ始める。これにより、出力電流Ｉ１＝Ｉａ一定となり、動作点Ｐを超える負荷電流Ｉｏの増加分は出力電流Ｉ２により補われて負荷へ供給されることとなる。
【選択図】 図３

Description

本発明は、複数の電源装置を並列接続してなり、複数系統の電力を連携して負荷に供給する電源装置の系統連携システムに関する。

通常、スイッチング電源装置を代表とする電源装置は、一乃至複数の負荷に対して一台取付けられるが、特許文献１のように、電力供給の信頼性を高めるために複数台並列接続される場合がある。特許文献１には、ＤＣ／ＤＣコンバータを共通する負荷に複数台接続して並列運転を行った時に問題となる、他のＤＣ／ＤＣコンバータからの出力電流の流れ込みを阻止する手段が開示されている。

図５は、電源装置を複数台並列接続した電源システムの一例を示したブロック図である。同図では、負荷としての例えばＤＣ／ＤＣコンバータなどのコンバータ１へは、例えばＤＣ／ＤＣコンバータなどのコンバータ２，５からなる電源システム８から２系統（系統Ａ，Ｂ）の電力が供給されている。電源システム８の入力となる、コンバータ２の系統Ａとコンバータ５の系統Ｂとは、例えば商用電源などの同一の入力の場合もあるが、一般的には、商用電源と他の入力電源を組み合わせることが多い。他の入力電源としては、例えば、商用電源が停電した時などに備えて配設された、非常用の発電機や太陽光発電システムなどが挙げられる。コンバータ２の出力側にはダイオード10のアノードが接続され、同様に、コンバータ５の出力側にはダイオード11のアノードが接続され、ダイオード10，11のカソードがそれぞれコンバータ１へ接続されている。すなわち、コンバータ２，５は、ダイオード10，11を介して同一ライン（線路）に接続され、系統Ａ，Ｂの２系統の電力を共通の負荷となるコンバータ１へ供給する。ダイオード10，11は、並列運転時にコンバータ２，５から出力される出力電流Ｉ１，Ｉ２が互いに流れ込むことを阻止するために設けられている。なお、Ｖ１，Ｉ１は、それぞれコンバータ２のコンバータ部３から出力される出力電圧と出力電流である。Ｖ２，Ｉ２は、それぞれコンバータ５のコンバータ部６から出力される出力電圧と出力電流である。Ｖｏ，Ｉｏは、それぞれ電源システム８全体としてコンバータ１へ出力される負荷電圧と負荷電流である。

コンバータ２は、系統Ａの入力電力を電力変換して出力するコンバータ部３と、出力電圧Ｖ１が一定値になるようコンバータ部３を制御する定電圧制御部４とからなる。一方、コンバータ５は、系統Ｂの入力電力を電力変換して出力するコンバータ部６と、出力電圧Ｖ２が一定値になるようコンバータ部６を制御する定電圧制御部７とからなる。すなわち、コンバータ２，５は略同様の構成となっている。図６は、コンバータ２の構成をより詳細に示した回路図である。同図において、102はコンバータ２に系統Ａの入力電力を供給する例えば商用電源などの交流入力電源であり、コンバータ２の一対の入力端子103，104に接続されている。105はダイオードブリッジであり、ＰＦＣ回路106に接続される。一対の入力端子103，104を介して交流入力電源102から供給される入力電圧Ｖｉｎは、ダイオードブリッジ105で全波整流され、ＰＦＣ回路106で力率改善されることで、直流電圧に変換される。107は入力側と出力側とを絶縁するトランスで、一次巻線107ａの一端にはＰＦＣ回路106が接続され、他端にはＭＯＳ型ＦＥＴからなるスイッチング素子110のドレインが接続される。スイッチング素子110のソースはダイオードブリッジ105と接続され、ゲートはスイッチング素子110のオン・オフ動作（スイッチング動作）を制御する例えばＰＷＭ制御ＩＣなどのスイッチング制御回路111と接続される。

また、トランス107の二次側である二次巻線107ｂには、整流平滑回路115や一対の出力端子116，117が設けられ、該一対の出力端子116，117から出力電圧Ｖ１，出力電流Ｉ１が取り出される。その他、出力電圧Ｖ１を安定化させる帰還ループとして、出力電圧検出回路118が設けられ、出力電圧検出回路118から出力電圧Ｖ１のフィードバック信号がスイッチング制御回路111に送られる。スイッチング制御回路111では、該フィードバック信号に基づき、スイッチング素子110のゲートへ入力するパルスを周知のＰＷＭ制御（パルス幅制御）することで、出力電圧Ｖ１の安定化を図るようにしている。すなわち、出力電圧検出回路118とスイッチング制御回路111が定電圧制御部４に相当し、それ以外の構成がコンバータ部３に相当する。
特開２００２−３４５２３９号公報

従来、２系統以上の電力をコンバータ１へ供給する電源システム８では、その出力が安定したＤＣ電圧となるようにコンバータ２，５で各々独立した定電圧制御がなされていた。すなわち、電源システム８では、系統Ａと系統Ｂの系統連携がなされておらず、コンバータ１へは、コンバータ２，５の各出力のうちＤＣ電圧レベルの高い方から選択的に電力供給がなされていた。

コンバータ２，５の各出力特性を示したものが図７である。ここでの出力特性とは、負荷電流Ｉｏの増加に対する各出力電圧Ｖ１，Ｖ２の変化を表す特性を言う。同図は、出力電圧Ｖ１と出力電圧Ｖ２とが、無負荷時（Ｉｏ＝０）にＶ１＞Ｖ２なる関係を有している場合についてのものである。コンバータ２，５が並列接続されているため、負荷電圧Ｖｏは、出力電圧Ｖ１又は出力電圧Ｖ２のうちＤＣ電圧レベルの高い方と同値になる一方、負荷電流Ｉｏは出力電流Ｉ１と出力電流Ｉ２を足し合わせた電流（Ｉｏ＝Ｉ１＋Ｉ２）となる。コンバータ２の出力電圧Ｖ１は定電圧制御部４により一定の電圧Ｖａに制御されているため、負荷を変化させ、負荷電流Ｉｏを次第に増加させていっても、その値は変化しない。同様に、コンバータ５の出力電圧Ｖ２も定電圧制御部７により一定の電圧Ｖｂに制御されているため、負荷電流Ｉｏの増減にかかわらず、その値は変化しない。従って、Ｖ１＞Ｖ２から負荷電圧Ｖｏ＝Ｖ１＝Ｖａ（一定値）となる。このとき、負荷へはコンバータ２の電力のみ供給されるため、出力電流Ｉ１＝Ｉｏとなる一方、出力電流Ｉ２＝０となる。

このように、従来の電源システム８では、相異なる電力系統に属するコンバータ２とコンバータ５の出力に対して系統連携がなされていないため、ＤＣ電圧レベルの低いコンバータ５は、通常時コンバータ１へ電力供給をせず、ＤＣ電圧レベルの高いコンバータ２の系統Ａに例えば停電などの異常が発生した時のみ動作する。これでは、コンバータ１の入力供給源となるコンバータ２以外は通常時動作していないため不経済である。また、負荷変動によるピーク負荷対応も各々のコンバータ２，５が対応する必要があり、コンバータ２，５の出力容量が大きくなり、コストアップにもなる。

そこで本発明は上記問題点に鑑み、複数の電源装置から構成される電力系統を系統連携して、負荷への供給率を負荷の大きさに応じて変化させることができる電源装置の系統連携システムを提供することを目的とする。

本発明における請求項１では、一の電源装置の出力特性と他の電源装置の出力特性とが交わる動作点を設けて、これら複数の電源装置を並列運転して負荷に電力を供給する電源装置の系統連携システムを構成している。

本発明は、従来、各電源装置の出力特性が定出力特性となるよう安定化制御されているため、出力電圧レベルの高い方からしか負荷へ電力供給がなされないことに着目し、並列運転する電源装置の出力特性に傾きをつけて、互いの出力特性が動作点で交わるように構成している。この動作点を設けることにより、軽負荷時は一の電源装置からしか負荷へ電力が供給されていなくても、動作点より増加する分の電力を他の電源装置から補って負荷へ供給することができる。すなわち、複数の電源装置から構成される電力系統を系統連携して、負荷への供給率を負荷の大きさに応じて変化させることができる。

本発明の請求項１によると、各電源装置の出力電力を系統連携して負荷へ供給することができるため、負荷を各電源装置に分散させて、小型・小容量の電源装置でもピーク負荷に容易に対応することができると共に、一の電力系統の入力に異常が発生しても他の電力系統により出力を安定供給できる。また、複数の入力電力を効率的に利用できるため、例えば蓄電エネルギーあるいは、太陽光発電エネルギー等を常時利用することができ、環境にやさしい電源システムを提供することができる。

以下、添付図面を参照しながら、本発明における電源装置の系統連携システムの好ましい各実施例を説明する。なお、従来例と同一箇所には同一符号を付し、共通する部分の説明は重複するため極力省略する。

図１は、本実施例における電源装置の系統連携システムの構成を模式的に示したブロック図である。同図では、従来例と同様に、負荷としての例えばＤＣ／ＤＣコンバータなどのコンバータ１へは、例えばＤＣ／ＤＣコンバータなどのコンバータ２，５からなる電源システム８から２系統（系統Ａ，Ｂ）の電力が供給されている。もちろん３系統以上の電力を供給するようにしてもよい。コンバータ２，５は、逆流阻止用のダイオード10，11を介して同一ライン（線路）に接続され、コンバータ１へ電力を供給する。

コンバータ２は、系統Ａの入力電力を電力変換して出力するコンバータ部３と、コンバータ部３を制御する出力制御部15とからなる。出力制御部15については後述する。一方、コンバータ５は、系統Ｂの入力電力を電力変換して出力するコンバータ部６と、出力電圧が一定値になるようコンバータ部６を制御する定電圧制御部７とからなる。すなわち、コンバータ５では、定電圧制御部７がコンバータ部６に対して周知のＰＷＭ制御を行うことにより、出力電圧Ｖ２の安定化が図られている。図２は、コンバータ２の構成をより詳細に示した回路である。同図において、102はコンバータ２に入力電力を供給する例えば商用電源などの交流入力電源であり、コンバータ２の一対の入力端子103，104に接続されている。コンバータ部３は従来例と同様の構成となっている。すなわち、コンバータ部３は、ダイオードブリッジ105と、ＰＦＣ回路106と、一次巻線107ａと二次巻線107ｂとを有するトランス107と、スイッチング素子110と、整流平滑回路115とからなり、入力端子103，104と出力端子116，117との間に接続されている。一方、出力制御部15は、スイッチング素子110のオン・オフ動作（スイッチング動作）を制御する例えばＰＷＭ制御ＩＣなどのスイッチング制御回路111と、出力電圧Ｖ１を安定化させる帰還ループとしての出力電圧検出回路118と、後述する出力レギュレーション可変手段20とから構成されている。

出力制御部15では、スイッチング制御回路111が出力電圧検出回路118から送られる出力電圧Ｖ１のフィードバック信号に基づき、スイッチング素子110のゲートへ入力するパルスを周知のＰＷＭ制御（パルス幅制御）することで、出力電圧Ｖ１の安定化を図るようにしている。出力レギュレーション可変手段20は、出力電圧Ｖ１の安定度を決定する、出力電流Ｉ１に対する出力電圧Ｖ１の変動比率である出力レギュレーションを変化させるものである。具体的には、スイッチング素子110のゲートへ入力するパルスを所望の導通幅に固定して、そのデューティ比を一定にする。出力レギュレーション可変手段20にパルス幅調整手段としてのボリウムを設けて、電源システム８を運転しながら手動でデューティ比を適宜可変させながら出力レギュレーションを調整できるようにしてもよい。当該パルスのデューティ比を一定にすることにより、出力レギュレーションが悪化し（出力電圧Ｖ１の安定度が低下し）、出力電流Ｉ１ひいては負荷電流Ｉｏに応じて出力電圧Ｖ１が変動する、すなわち出力特性が定出力特性から任意の傾きを有するものになる。

一般的に、コンバータ２，５などの電源装置では、負荷となる例えば電子機器などを正常に動作させるために、出力電圧を安定化して供給している。従って、コンバータ２を単独で運転する際には出力レギュレーションをできるだけ良くしなければならないが、本実施例における電源システム８では、コンバータ２の出力レギュレーションを意図的に悪化させることで系統Ａと系統Ｂの系統連携を可能としている。すなわち、単独運転時と並列運転時（系統連携時）とでは、要求される出力レギュレーションが異なることとなる。そのため、コンバータ２を単独運転と並列運転とで兼用する必要がある場合には、コンバータ２に単独運転モードと系統連携モードを設け、操作手段（図示せず）などにより系統連携モードに設定された時にのみ、出力レギュレーション可変手段20が機能するよう構成するのが好ましい。このようにすれば、単独運転モード時にはコンバータ２から安定した出力電力が得られる一方、複数の電源装置を並列運転する系統連携モード時には出力レギュレーションを変化させて、相異なる系統に属する出力電力の系統連携を図ることができる。さらに、並列接続された他の電源装置の入力を検出して、当該入力遮断時に系統連携モードから単独運転モードに自動的に切換わるように電源システム８を構成すれば、他系統に異常が発生した場合に自系統の出力電力を安定化することができる。

次に、本発明の特徴部である出力レギュレーション可変手段20の作用について、コンバータ２，５ひいては電源システム８の出力特性を参照しながら説明する。

本実施例におけるコンバータ２，５の各出力特性を示したものが図３である。同図は、出力電圧Ｖ１と出力電圧Ｖ２とが、無負荷時（Ｉｏ＝０）にＶ１＞Ｖ２なる関係を有している場合についてのものである。軽負荷時（負荷電流Ｉｏが０からＩｐ（動作点Ｐ）まで）は、Ｖ１＞Ｖ２より、コンバータ１への電力供給はコンバータ２の系統Ａより行われる。従って、電源システム８からの出力は、負荷電圧Ｖｏ＝Ｖ１，負荷電流Ｉｏ＝Ｉ１となるため、軽負荷時におけるコンバータ５の出力特性は、出力電圧Ｖ２＝Ｖｂ，出力電流Ｉ２＝０で一定となる。コンバータ２は、出力レギュレーション可変手段20によりその出力レギュレーションが意図的に悪化されているため、負荷電流Ｉｏの増加に従い、出力電流Ｉ１が増加する一方、出力電圧Ｖ１が低下する。

その後、負荷電流Ｉｏが動作点Ｐを超え重負荷になると、コンバータ５の系統Ｂからコンバータ１へ電力供給が開始される。重負荷時には、出力電圧Ｖ１の低下によりＶ１＜Ｖ２の関係となり、出力電流Ｉ２がコンバータ１へ流れ始める。これにより、出力電流Ｉ１＝Ｉａ一定となり、動作点Ｐを超える負荷電流Ｉｏの増加分（Ｉｏ−Ｉａ）は出力電流Ｉ２により補われてコンバータ１へ供給されることとなる。このとき、コンバータ５の出力電圧Ｖ２は、定電圧制御部７により一定の電圧Ｖｂに定電圧制御されるため、負荷電圧ＶｏはＶｂ一定となる。すなわち、本実施例における電源システム８では、コンバータ２，５の出力特性が交わる動作点Ｐで系統Ａと系統Ｂの系統連携が図られ、負荷電流Ｉｏの増加に従い、コンバータ１への電力供給率がコンバータ２からコンバータ５へ次第にシフト（移行）する。

この動作点Ｐは、コンバータ２の出力レギュレーションを変更することで、任意に変えることができる。動作点Ｐを変化させることにより、コンバータ２，５に対する負荷への供給率を変化させることができる。例えば、動作点Ｐをコンバータ１に通常動作時に流れる負荷電流Ｉｏよりも大幅に低く設定しておけば、コンバータ５からの電力供給を負荷電流Ｉｏが低い段階から開始することができるため、コンバータ１の通常動作時には、コンバータ２とコンバータ５の両方から均等に電力供給を行わせることも可能である。従って、複数の入力電力を効率的に利用できるため、例えば蓄電エネルギーあるいは、太陽光発電エネルギー等を常時利用することができ、環境にやさしい電源システムを提供することができる。反対に、動作点Ｐをコンバータ１に通常動作時に流れる負荷電流Ｉｏよりも高く設定しておけば、コンバータ１の通常動作時には、コンバータ１への電力供給はコンバータ２のみで行い、コンバータ１の最大出力時（ピーク負荷時）にはコンバータ５を系統連携してコンバータ２の負担を軽くすることもできる。従って、コンバータ２が小型・小容量のものでもピーク負荷に容易に対応することができる。もちろん、本実施例の電源システム８でも、従来と同様に、一の電力系統の入力に例えば停電などの異常が発生しても他の電力系統により出力を安定供給できることは言うまでもない。

以上のように本実施例では、一の電源装置としてのコンバータ２の出力特性と他の電源装置としてのコンバータ５の出力特性とが交わる動作点Ｐを設けて、これらコンバータ２，５を並列運転して負荷としてのコンバータ１に電力を供給する電源装置の系統連携システムとしての電源システム８を構成している。

本発明は、従来、コンバータ２，５の出力特性が定出力特性となるよう安定化制御されているため、出力電圧レベルの高い方からしか負荷へ電力供給がなされないことに着目し、並列運転するコンバータ２，５の出力特性に傾きをつけて、互いの出力特性が動作点Ｐで交わるように構成している。この動作点Ｐを設けることにより、軽負荷時はコンバータ２からしかコンバータ１へ電力が供給されていなくても、動作点Ｐより増加する分の電力をコンバータ５から補ってコンバータ１へ供給することができる。すなわち、複数のコンバータ２，５から構成される電力系統Ａ，Ｂに関するコンバータ１への供給率を、コンバータ１の大きさに応じて変化させて系統連携することができる。以上より、コンバータ２，５の出力電力を系統連携してコンバータ１へ供給することができるため、コンバータ１の負荷をコンバータ２，５に分散させて、小型・小容量のコンバータ２でもピーク負荷に容易に対応することができると共に、系統Ａの入力に電圧低下などの異常が発生しても系統Ｂにより出力を安定供給できる。また、複数の入力電力を効率的に利用できるため、例えば蓄電エネルギーあるいは、太陽光発電エネルギー等を常時利用することができ、環境にやさしい電源システムを提供することができる。

図４は、本実施例における電源装置の系統連携システムの構成を示した回路図である。同図では、従来例と同様に、負荷Ｌへは、例えばＤＣ／ＤＣコンバータなどのコンバータ２，５からなる電源システム８から２系統（系統Ａ，Ｂ）の電力が供給されている。コンバータ５は、系統Ｂの入力電力を電力変換して出力するコンバータ部６と、出力電圧Ｖ２が一定値になるようコンバータ部６を制御する定電圧制御部７とからなる。コンバータ２の入力端子103，104には交流入力電源102が接続され、入力端子103，104と出力端子116，117との間にコンバータ部３と定電圧制御部４が接続されている。コンバータ部３は、ダイオードブリッジ105と、ＰＦＣ回路106と、一次巻線107ａと二次巻線107ｂとを有するトランス107と、スイッチング素子110と、整流平滑回路115とから構成される。一方、定電圧制御部４は、スイッチング素子110のオン・オフ動作（スイッチング動作）を制御する例えばＰＷＭ制御ＩＣなどのスイッチング制御回路111と、整流平滑回路115により整流平滑された出力電圧Ｖ１´を安定化させる帰還ループとしての出力電圧検出回路118とから構成されている。

本実施例では、コンバータ部３の後段に出力電圧調整手段としての系統連携手段25が接続されている。系統連携手段25は、出力電流Ｉ１を検出するカレントトランス21と、出力電流Ｉ１が流れることにより出力降下電圧Ｖｒを発生させる可変抵抗23と、カレントトランス21の検出電流に応じて可変抵抗23の抵抗値を変化させる電圧可変手段22とから構成される。

次に本実施例の特徴部となる系統連携手段25の作用について説明する。

系統連携手段25は、出力電流Ｉ１に応じて出力電圧Ｖ１を変動させるものである。具体的には、出力電流Ｉ１をカレントトランス21で検出し、電圧可変手段22が出力電流Ｉ１に応じて可変抵抗23の抵抗値を変化させることにより、出力降下電圧Ｖｒを変化させ、系統連携手段25に入力される出力電圧Ｖ１´を出力降下電圧Ｖｒ分降下させ、出力電圧Ｖ１（Ｖ１＝Ｖ１´−Ｖｒ）として出力する。出力電圧Ｖ１´は定電圧制御部４により安定化されているため定出力特性を有するが、出力電流Ｉ１に応じて出力降下電圧Ｖｒを適宜制御することで、出力電圧Ｖ１の出力特性を自在に変化させることができる。すなわち、出力電流Ｉ１ひいては負荷電流Ｉｏに応じて出力電圧Ｖ１を直接変動させて、コンバータ２の出力特性に任意の傾きを与えることができる。従って、系統連携手段25によりコンバータ２，５の出力特性が交わる動作点Ｐを設けることができるため、負荷電流Ｉｏの増加に従い、コンバータ１への電力供給率をコンバータ２からコンバータ５へシフトさせることができる。

なお、本発明は、上記各実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で変更可能である。本発明は、複数の電源装置のみからなる電源システムに限らず、コンバータ２と電池など種々の組み合わせが考えられ、ＤＣ−ＵＰＳ（直流出力の無停電電源装置）などにも適用可能である。コンバータ５にも出力レギュレーション可変手段20や系統連携手段25を設けてコンバータ２，５両者の出力特性に傾きを持たせるように構成してもよい。また、コンバータ２，５の制御方式に関しても、ＰＷＭ制御方式に限定されるものではなく、例えばＰＦＭ制御方式など本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の制御方式に変更可能であることは言うまでもない。

本発明の第１実施例における電源装置の系統連携システムの構成を示すブロック図である。 同上、電源装置の系統連携システムを構成する電源装置の回路図である。 同上、電源装置の系統連携システムを構成する各電源装置の負荷電流に対する出力電圧の変化を示す出力特性図である。 本発明の第２実施例における電源装置の系統連携システムの構成を示す回路図である。 従来例における電源システムの構成を示すブロック図である。 同上、電源システムを構成する電源装置の回路図である。 同上、電源システムを構成する各電源装置の負荷電流に対する出力電圧の変化を示す出力特性図である。

符号の説明

１ コンバータ（負荷）
２ コンバータ（一の電源装置）
５ コンバータ（他の電源装置）
８ 電源システム（電源装置の系統連携システム）

Claims (1)

1. 複数の電源装置を並列運転して負荷に電力を供給する電源装置の系統連携システムであって、一の電源装置の出力特性と他の電源装置の出力特性とが交わる動作点を設けるように構成したことを特徴とする電源装置の系統連携システム。
   
   

Images