JP2006288002A - 電源装置およびその制御方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】 曇天時等に発電出力が低下する太陽電池を安定した電源として活用できるようにする。
【解決手段】 太陽電池1の出力は、DC−DCコンバータ5で降圧して利用される。バッテリ2はコンバータ5の出力で充電され、バッテリ2が充電されるとコンバータ5は一旦停止され、バッテリ2のみの電力が低圧インバータ回路6に供給される。バッテリ2による電力供給開始と共にコンバータ5の出力電圧を上昇させてコンバータ5からの電力供給分を増大させる。コンバータ5の電力を増大しているときに太陽電池1の能力を判断し、能力が低下しているときはコンバータ5の出力電圧を低下させてバッテリ2からの電力供給分を相対的に増大させる。
【選択図】 図1

Description

本発明は、電源装置およびその制御方法に関し、特に、エンジン駆動式発電機のような電源と太陽電池とを組み合わせて、その発電出力を取り出すことができるようにした電源装置およびその制御方法に関する。
エンジン駆動式発電機等の小規模な発電装置は、携帯用電源装置や非常用電源装置としてさまざまな用途に普及している。この種の電源装置を、家庭用コジェネレーション装置のような小規模発電装置として利用する場合、商用電源と系統連系させたり、太陽電池を併設したりすることによりエネルギの総合的な有効利用を図ることが可能になる。
例えば、特開平8−186927号公報には、商用電源(系統)の出力と、太陽光発電装置(太陽電池)の出力と、燃料を使用する発電装置(発電機)の出力とを連系接続した電源システムが開示されている。
特開平8−186927号公報
上述の特許文献に記載された電源システムでは、太陽電池出力と発電機出力、あるいは太陽電池出力と系統出力とを連系接続させることから、太陽電池の出力電圧を高めに設定せざるを得ない。しかし、家庭用の小規模な太陽電池発電では曇天時には、高電圧出力を得ることができないので、太陽電池の発電電力を十分に活用しにくいという問題がある。
また、曇天時等、太陽電池の発電出力が小さいときに、この発電出力を負荷へ供給したとしてもあまり有効な電力源とならず、むしろ電力源が安定しないために、系統連系出力を開始したり停止したりする動作を繰り返すことになる等、制御が不安定になり易い。
本発明の目的は、曇天時等、出力電圧があまり高くない状態でも発電電力を有効に活用できる電源装置およびその制御方法を提供することにある。
本発明は、太陽電池の出力を制御するDC−DCコンバータと、このDC−DCコンバータの出力で充電されるバッテリと、前記DC−DCコンバータの出力および前記バッテリの出力が並列で入力されるインバータとを有する電源装置において、
前記バッテリの残容量が予定容量以下のときに前記DC−DCコンバータの出力で該バッテリが充電されるように構成し、
前記太陽電池の出力電力が予定値を超えたときは、前記DC−DCコンバータの出力を前記インバータに供給し、
前記太陽電池の出力電力が予定値以下のときには、前記DC−DCコンバータの出力を前記インバータに供給せずに前記バッテリの充電に充て、
前記バッテリが予定容量まで充電されたときに該バッテリから前記インバータへ電力供給を開始するように構成した点に第1の特徴がある。
また、本発明は、太陽電池からインバータへの電力供給開始時に、前記DC−DCコンバータの出力電圧を前記バッテリの電圧値より低い値から前記バッテリの出力電圧がゼロになるまで徐々に上昇させる手段を具備した点に第2の特徴がる。
また、本発明は、前記インバータへの供給電力が予め設定した値のときに、前記DC−DCコンバータのスイッチングデューティが予め設定した値以上になったことによって前記太陽電池の出力電力が予定値以下であると判断して、前記DC−DCコンバータの動作を停止させるようにした点に第3の特徴がある。
また、本発明は、前記バッテリの残容量が予定容量以下になったときに該バッテリから前記インバータへの電力供給を停止するようにした点に第4の特徴がある。
さらに、本発明は、電源としてさらなる発電機を加えるとともに、前記DC−DCコンバータを降圧型とし、前記バッテリ電圧を昇圧して該インバータに入力する昇圧コンバータと、前記発電機の出力を整流して前記インバータに供給する整流回路とを並列接続した点に第5の特徴がある。
また、さらに本発明は、太陽電池と、太陽電池の出力を制御するDC−DCコンバータと、DC−DCコンバータの出力で充電されるバッテリと、DC−DCコンバータの出力およびバッテリの出力が並列で入力されるインバータとを備えた電源装置の制御方法において、前記太陽電池の出力電力が予定値を超える状態では、前記DC−DCコンバータの出力電圧を前記バッテリの電圧よりも高くし、
前記太陽電池の出力電力が予定値以下のときは前記DC−DCコンバータの出力電圧を前記バッテリの電圧よりも低下させるかDC−DCコンバータを動作停止させ、前記バッテリの残容量が予定容量に不足する場合は、前記DC−DCコンバータの出力を前記インバータに供給せずに前記バッテリの充電に充て、前記バッテリの残容量が予定容量以上となった状態で前記DC−DCコンバータの出力電圧を前記バッテリの電圧よりも低下させるかDC−DCコンバータを動作停止させる点に第6の特徴がある。
第1の特徴を有する本発明によれば、バッテリの残容量が少ないときには、まず、バッテリが予定容量まで充電される。そして、太陽電池の出力電力が小さいときはバッテリからインバータへ電力供給を行い、太陽電池の出力電力が大きいときはバッテリによる電力供給に代えて太陽電池からインバータへ電力が供給される。したがって、曇天時等、太陽電池の出力が小さい場合には、安定した電力源であるバッテリからの電力が利用され、バッテリの残容量が低下したときには太陽電池の出力でバッテリは充電される。晴天時は太陽電池の出力電力が大きく所定電力量を安定に確保できるので、その出力はインバータを通じて交流に変換されて利用される。こうして、バッテリに充電された電力や晴天時の十分大きな電力を利用できるので安定した電力源を確保できる。
第2の特徴によれば、太陽電池の出力をDC−DCコンバータで制御することによって、インバータへの電力供給をバッテリのみからの供給状態から太陽電池出力へ、急激な出力変化を伴わずに切り替えることができる。
第3の特徴によれば、DC−DCコンバータのスイッチングデューティが予め設定した値以上になったことにより曇天等で太陽電池の出力電力が十分でないことを判断して、バッテリからの電力供給に切り替えられるので、安定した電力供給が可能である。
第4の特徴によれば、バッテリの残容量が少なくなったときにバッテリから前記インバータへの電力供給を停止して不安定な電力供給を回避できる。そして、このバッテリからの出力停止中に、小出力状態となっている太陽電池の出力を有効活用してバッテリを充電できる。
第5の特徴によれば、太陽電池の出力を低電圧であるバッテリ電圧まで降圧して使用するので、太陽電池を、その出力があまり高くない状態でもバッテリを充電するために活用することができる。また、低圧仕様のバッテリを介して太陽電池の出力を利用できるので、低コスト化にも貢献できる。
第6の特徴によれば、太陽電池の出力が大きいときには、太陽電池の安定した電力を供給することができる。また、太陽電池の出力電力が小さいときにはその出力はバッテリ充電にのみ振り向けられ、バッテリの残容量が十分ある場合にはDC−DCコンバータからの供給を停止させて、バッテリの安定した電力をインバータへ供給できる。
以下に図面を参照して本発明の一実施形態を詳細に説明する。図1は太陽電池の出力とエンジン発電機の出力とを商用電力系統に連系させた電源装置の構成を示すブロック図である。図1に示した電源装置は、太陽電池1とバッテリ2とエンジン発電機3とを電源として備える。バッテリ2は太陽電池1の出力で充電することができる。バッテリ2は定格電圧12ボルト、満充電電圧14.5ボルトのものとして以下の説明をする。エンジン発電機3は、都市ガスを燃料とするガス内燃機関で駆動される3相の多極磁石式発電機である。太陽電池1、バッテリ2、およびエンジン発電機3の出力は合体させた状態で系統電源4と連系される。なお、エンジン発電機3の駆動源はガス内燃機関に限らず、ガソリン等、他の燃料を使用する種類の機関であってもよい。
電源装置は、低電圧領域100を構成する要素と、高電圧領域200を構成する要素とからなる。低電圧領域100には、太陽電池1、バッテリ2、DC−DCコンバータ5、および低圧インバータ回路6が含まれる。一方、高電圧領域200には、エンジン発電機3、直流平滑回路8,9、昇圧コンバータ10、高圧インバータ回路11が含まれる。高圧インバータ回路11はLCフィルタ回路を含むことができる。高圧インバータ回路11の出力は系統電源4に接続される。
低電圧領域100と高電圧領域200とは、低圧インバータ回路6と直流平滑回路8との間に設けられた絶縁トランス昇圧回路7によって結合される。
DC−DCコンバータ5は非絶縁降圧チョッパからなり、昇圧コンバータ10は非絶縁昇圧チョッパからなる。DC−DCコンバータ5はチョッパを構成するFET等のスイッチング素子のデューティ(オン時間比率)を制御することにより入力電圧を降圧して出力する。昇圧コンバータ10は、チョッパを構成するFET等のスイッチング素子のデューティを制御することにより入力電圧を昇圧して出力する。低圧インバータ回路6は入力を矩形波交流に変換する回路であり、FET等のスイッチング素子でブリッジを構成している。高圧インバータ回路11は、入力を系統連系に適合する単相交流に変換する回路であり、FET等のスイッチング素子をブリッジ接続してなる。FETのデューティを制御するFETドライブ回路は周知のものを使用できる。
太陽電池1の出力電圧V1はDC−DCコンバータ5で降圧されて電圧V5となり、ダイオードD1を介してバッテリ2に印加される。降圧された太陽電池1の電圧V5とバッテリ2の電圧V2は一体に整合された状態(V5=V2)で低圧インバータ回路6に印加されて、矩形波交流に変換される。この矩形波交流はさらに絶縁トランス昇圧回路7で昇圧されて高圧矩形波交流となり、直流平滑回路8に入力される。低圧インバータ回路6と絶縁トランス昇圧回路7とで、バッテリ電圧の昇圧回路を形成する。直流平滑回路8は、入力された高圧矩形波交流を整流・平滑化して直流電圧を出力する。
エンジン発電機3から出力される三相交流は、直流平滑回路9で整流・平滑化される。直流平滑回路9から出力される電力P3は直流平滑回路8から出力される電力と合体されて、その電圧(発電機直流電圧)V8が昇圧コンバータ10に入力される。昇圧コンバータ10で昇圧された電圧(連系直流電圧)V8は高圧インバータ回路11に入力されて系統連系交流電圧Voutの単相交流に変換され、LCフィルタ回路でノイズ除去されて系統電源4に連系される。
昇圧コンバータ10は、発電機3の出力や太陽電池1およびバッテリ2の出力変動を抑制し、かつ系統連系交流電圧Voutを維持するのに必要な連系直流電圧V10を出力するようにデューティが設定される。高圧インバータ回路11は、系統電源4と同じ品質(電圧、周波数、ノイズ等に関して)の系統連系交流を形成し、系統電源4の位相と同期をとって連系させる系統連系機能を有する。つまり高圧インバータ回路11は系統連系制御部を構成する。系統連系機能を有する装置の一例は特公平4−10302号公報に開示されている。
太陽電池1の出力電力が小さいときには、太陽電池1の出力電力をバッテリ2の充電のみに振り向ける。そして、バッテリ電圧V2が所定値、例えば、定格出力電圧に相当する電圧値Vref以上になったときにはバッテリ2から低圧インバータ回路6への電力供給が行われる。
上記電源装置の動作をフローチャートとともに説明する。電源装置が初期状態では、DC−DCコンバータ5、低圧インバータ回路6、発電機3、昇圧コンバータ10、および高圧インバータ回路11は動作を停止している。したがって、系統電源4に対して電力は出力されない。
図2は、電源装置の動作を示すフローチャート(その1)である。ここでは、バッテリ2による系統連系出力の発電を説明する。ステップS1では、太陽電池1の出力電圧V1がバッテリ2の電圧(バッテリ電圧)V2より高いかどうかを判断する。太陽電池1の出力電圧がバッテリ電圧V2より高ければ、ステップS2に進んでDC−DCコンバータ5の動作を開始させる。DC−DCコンバータ5は、その出力電圧V5がバッテリ電圧V2より高く維持されるようにデューティ制御される。この出力電圧V5によってバッテリ2は充電される。
ステップS3では、バッテリ2に供給される電力P2’がバッテリ2の所定電力Pch以下であるかを判断する。バッテリ2が満充電になると充電電力P2’は低下するので、ステップS3で満充電か否かの判断をすることができる。しかし、さらにステップS4でも確実のために満充電の判断が行われる。ステップS4では、バッテリ電圧V2が満充電電圧値Vf(14.5ボルト)以上であるかどうかを判断する。ステップS3およびステップS4がいずれも肯定であれば、バッテリ2は満充電と判断し、ステップS5に進んでDC−DCコンバータ5の動作を停止させる(デューティをゼロにする)。つまりバッテリ2の充電は一旦停止する。
ステップS6では、低圧インバータ回路6を駆動する。低圧インバータ回路6は、絶縁トランス昇圧回路7での昇圧量を考慮し、発電機直流電圧V8が予め設定した電圧となるようにデューティ制御される。ステップS7では、昇圧コンバータ10および高圧インバータ回路11を駆動開始し、系統電源4に連系させる電力Poutを出力させる。第1段階の系統連系出力Poutの設定値は、50ワットとする。ここでは、DC−DCコンバータ5は停止しているし、発電機3も始動していないので、バッテリ2からのみの発電出力が系統電源4に連系される。
図3は、電源装置の動作を示すフローチャート(その2)である。ここでは、太陽電池1による系統連系出力の発電を図3に続けて説明する。ステップS8では、DC−DCコンバータ5を駆動する。このとき、まずDC−DCコンバータ5の出力電圧V5がバッテリ電圧V2以下になるようにデューティ制御を行う。そして、ステップS9では、出力電圧V5を徐々に(予め設定した分)上昇させる。DC−DCコンバータ5のデューティを段階的に上げていくことで、出力電圧V5を徐々に上昇させることができる。
DC−DCコンバータ5の出力電圧V5がバッテリ電圧V2(+ダイオードD1の順電圧)より低い領域では太陽電池1の出力電力P1は低圧インバータ回路6に入力されないので、低圧インバータ回路6には太陽電池1の出力電力P1は供給されず、バッテリ2からの電力P2だけが供給される。
ステップS10では、バッテリ2から低圧インバータ回路6に供給される電力P2が設定電力値(好ましくはゼロ)になったかどうかを判断する。DC−DCコンバータ5の出力電圧V5がバッテリ電圧V2以上に上昇したならば、バッテリ2に代わり、DC−DCコンバータ5の出力電力P1が低圧インバータ回路6に供給されるようになり、バッテリ2からの電力供給は停止される。そこで、ステップS10が肯定ならば、出力電圧V5が十分に上昇したと判断されるので、ステップS11に進んでDC−DCコンバータ5の出力電圧V5の上昇を停止させる。ステップS12では、系統連系出力Poutの設定を1段階上昇させる。この例では1段階は50ワットとしているので系統連系出力Poutの設定値は100ワットに変更される。
晴天時ならば、DC−DCコンバータ5の出力電圧V5は高いまま維持されるので、バッテリ2の電力P2はゼロのままであり、DC−DCコンバータ5から低圧インバータ回路6に供給される電力P1だけが増加する。つまり晴天時はバッテリ2の充電電力は使用されない。このときには、系統電源に連系させる電力設定値電力Poutの設定値を更に上昇させることができる。
曇天時等(晴天でない場合)、太陽電池1の大きい出力が得られない時は、DC−DCコンバータ5は、所定の出力電圧V5を維持するためにデューティが大きくなるように運転することになる。
ステップS13では、系統連系出力Poutの設定値が所定値(例えば、100ワット)以下かどうかを判断する。系統連系出力Poutの設定値が100ワット以下のときはさらにステップS14でDC−DCコンバータ5のデューティが所定値(100%)に達しているかどうかが判断される。ステップS13およびステップS14の双方が肯定ならば、100ワットの出力を得るには十分でない曇天時等と判断される。肯定でない場合は、この状態のままで太陽電池1からの電力供給が継続される。
天気が曇天時等と判断されたら、DC−DCコンバータ5の出力電圧V5を低減させるため、ステップS15に進んでDC−DCコンバータ5のデューティをゼロまで徐々に低下させる。DC−DCコンバータ5のデューティが低下して出力電圧がバッテリ2の電圧以下に低下すると、バッテリ2のみから系統連系出力が供給される。したがって、バッテリ2の残容量が徐々に低下する。ステップS16では、バッテリ2の残容量が所定値(例えば、60%)に低下したかどうかが判断される。ステップS16の判断が否定であるうちは、バッテリ2からの電力供給が継続される。ステップS16の判断が肯定ならば、低圧インバータ回路6、昇圧コンバータ10、および高圧インバータ回路11をいずれも停止してバッテリ2からの電力供給は停止する(ステップS17)。バッテリ2の残容量が60%未満の状態は、初期状態と同じであるので、図2のステップS1に戻ってバッテリ2の充電の処理を開始する。
図2,図3の処理はエンジン発電機3を運転していない場合のものである。エンジン発電機3を運転した場合は、発電機3の出力電力P3が、太陽電池1とバッテリ2からの電力に加わるので、系統連系出力の設定値に、電力P3を上乗せして制御を行う。つまり、電力P3の上乗せ分を考慮して系統連系出力Poutの設定値を設定したり、ステップS15等での判断を行えばよい。例えば、エンジン発電機3の出力電力P3が1キロワットであったとすれば、ステップS15での判断では、系統連系出力Poutの設定値を、100ワットに代えて1.1キロワットとして行う。
図4は、本実施形態の要部機能を示すブロック図である。図4において、太陽電池能力判定部13は、太陽電池1が十分に大きい出力を発生しているかどうかを判定する。コンバータ駆動部14は、DC−DCコンバータ5のデューティ制御を行う。残容量検出部15は、バッテリ2の残容量(出力電圧で代表)を検出する。インバータ駆動部16は、低圧インバータ回路6のスイッチング素子の切り替え制御をする。バッテリ電力検出部17は、バッテリ2の出力電力を監視する。なお、図4では、説明の簡単のため、高電圧領域200の機能は省略してある。
残容量検出部15は、バッテリ2の残容量が予定値以下であれば、DC−DCコンバータ5を駆動してバッテリ2の充電電圧を発生させる。インバータ駆動部16は、バッテリ2が充電されるまで低圧インバータ回路6の動作を停止させている。バッテリ2が充電されると、インバータ駆動部16は低圧インバータ回路6を動作開始させる。低圧インバータ回路6の動作開始後、コンバータ駆動部14はDC−DCコンバータ5の出力電圧を上昇させるようにデューティ制御を行う。
バッテリ電力検出部17は、バッテリ2の出力電力がゼロになったときに、DC−DCコンバータ5の出力電圧上昇を停止させる。太陽電池能力判定部13はDC−DCコンバータ5のデューティを検出して、デューティが100%であれば、太陽電池1の発電状態は現在の出力要求に対して十分でないと判定し、DC−DCコンバータ5のスイッチングデューティを低下させて、その出力電圧を低下させる。DC−DCコンバータ5の出力電圧がバッテリ電圧に対して低くなると、バッテリ2からのみ低圧インバータ回路6に電力が供給される。そして、バッテリ2の残容量が低下すれば、低圧インバータ回路6は停止され、DC−DCコンバータ5はバッテリ2の充電のための出力を発生する。
本発明の一実施形態に係る電源装置の構成を示すブロック図である。 本発明の一実施形態に係る電源装置の動作を示すフローチャート(その1)である。 本発明の一実施形態に係る電源装置の動作を示すフローチャート(その2)である。 本発明の一実施形態に係る電源装置の要部制御機能を示すブロック図である。
符号の説明
1…太陽電池、 2…バッテリ、 3…発電機、 4…系統電源、 5…DC−DCコンバータ、 6…低圧インバータ回路、 7…絶縁トランス昇圧回路、 10…昇圧コンバータ、 11…高圧インバータ回路、 13…太陽電池電力検出部、 15…バッテリ残容量検出部、 17…バッテリ電力検出部

Claims (6)

  1. 太陽電池と、この太陽電池の出力を制御するDC−DCコンバータと、このDC−DCコンバータの出力で充電されるバッテリと、前記DC−DCコンバータの出力および前記バッテリの出力が並列で入力されるインバータとを有する電源装置において、
    前記バッテリの残容量が予定容量以下のときに前記DC−DCコンバータの出力で該バッテリが充電されるように構成し、
    前記太陽電池の出力電力が予定値を超えたときは、前記DC−DCコンバータの出力を前記インバータに供給し、
    前記太陽電池の出力電力が予定値以下のときには、前記DC−DCコンバータの出力を前記インバータに供給せずに前記バッテリの充電に充て、
    前記バッテリが予定容量まで充電されたときに該バッテリから前記インバータへ電力供給を開始するように構成したことを特徴とする電源装置。
  2. 前記太陽電池からインバータへの電力供給開始時に、前記DC−DCコンバータの出力電圧を前記バッテリの電圧値より低い値から前記バッテリの出力電圧がゼロになるまで徐々に上昇させる手段を具備したことを特徴とする請求項1記載の電源装置。
  3. 前記インバータへの供給電力が予め設定した値のときに、前記DC−DCコンバータのスイッチングデューティが予め設定した値以上になったことによって前記太陽電池の出力電力が予定値以下であると判断して、前記DC−DCコンバータの動作を停止させるようにしたことを特徴とする請求項1記載の電源装置。
  4. 前記バッテリの残容量が予定容量以下になったときに該バッテリから前記インバータへの電力供給を停止するようにしたことを特徴とする請求項3記載の電源装置。
  5. 発電機を備えており、
    前記DC−DCコンバータが降圧型であり、
    前記バッテリ電圧を昇圧して該インバータに入力する昇圧コンバータと、前記発電機の出力を整流して前記インバータに供給する整流回路とが並列に接続されていることを特徴とする請求項1記載の電源装置。
  6. 太陽電池と、この太陽電池の出力を制御するDC−DCコンバータと、このDC−DCコンバータの出力で充電されるバッテリと、前記DC−DCコンバータの出力および前記バッテリの出力が並列で入力されるインバータとを備えた電源装置の制御方法において、
    前記太陽電池の出力電力が予定値を超える状態では、前記DC−DCコンバータの出力電圧を前記バッテリの電圧よりも高くし、
    前記太陽電池の出力電力が予定値以下のときは前記DC−DCコンバータの出力電圧を前記バッテリの電圧よりも低下させるかDC−DCコンバータを動作停止させ、
    前記バッテリの残容量が予定容量に不足する場合は、前記DC−DCコンバータの出力を前記インバータに供給せずに前記バッテリの充電に充て、前記バッテリの残容量が予定容量以上となった状態で前記DC−DCコンバータの出力電圧を前記バッテリの電圧よりも低下させるかDC−DCコンバータを動作停止させることを特徴とする電源装置の制御方法。
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