JP2007267508A - 電力変換装置及び分散電源システム - Google Patents

Abstract

【課題】分散電源における余剰電力を有効に利用できるとともに、負荷駆動回路の省スペース化及び低コスト化を実現する電力変換装置及び分散電源システムを提供する。
【解決手段】ＤＣ／ＤＣコンバータ１０２は、燃料電池１０１に接続され、燃料電池１０１によって発電された電力の電圧を変圧し、変圧した電力をインバータ１０３、そして家庭内負荷１０４へ通電する。ＤＣ／ＤＣコンバータ１０２は、燃料電池１０１によって発電された電力のうち、家庭内負荷１０４の消費電力を上回った余剰電力をヒータ１０７ａへ通電するヒータ駆動回路１０２ａを内部に備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、分散電源に接続され、分散電源によって発電された電力を変換し、変換した電力を負荷へ通電する電力変換装置及び分散電源システムに関する。

従来、家庭内で消費する電力を発電する、燃料電池などの分散電源を用いた発電システムが利用されつつある。このような分散電源システムでは、分散電源により発電した電力を、単独で、あるいは商用電力とともに使用できるように構成される。そして、家庭内での消費電力が、分散電源による発電量よりも多くなった場合には、商用電力で補われる一方で、家庭内での消費電力が、分散電源による発電量よりも少なくなった場合には、分散電源によって発電した電力が商用電力の送電側に流される。このように、分散電源による電力が商用電力へ流れることを「逆潮流」という。

逆潮流は、防止することが好ましい。その理由としては、例えば、停電等で電力会社からの給電が停止したときには復旧作業が行われるが、そのときに個々の家庭の分散電源システムが運転されていて逆潮流が生じると、作業の妨げになるからである。又、分散電源による電力の売電価格は、時価とともに変化するため、分散電源による発電を有効に活用できない場合があるからである。

このため、分散電源における余剰電力を、内部のヒータに通電し、内部で消費する技術が開示されている（例えば、特許文献１参照。）。この従来システムを図９に示す。燃料電池２０１で発電した電力は、ＤＣ／ＤＣコンバータ２０２及びインバータ２０３を通して、家庭内負荷２０４に送られる。インバータ２０３後の発電電力が家庭内負荷２０４を上回った場合は、商用系統２０６に逆潮流の恐れがある。しかし、上述したように、分散電源システムにおいては、売電価格は電気事業者との個別協議により決定し、発電にかかったコストが売値より安くなる場合がある。そのため、逆潮流を検知する逆潮流電力センサ２０５を設け、ヒータ駆動回路２１０ａ、２１０ｂ、２１０ｃのいずれかを設置し、貯湯槽２０７内のヒータ２０７ａに余剰電力を消費させる。尚、燃料電池などの分散電源は、急な出力調整ができないため、一定電力で使うことが好ましい。よって、電力調整用としても、ヒータなどの余剰電力装置は必要である。
特開２００４−２１３９８５号公報

しかしながら、上記の従来システムでは、ヒータ駆動回路は外付けで専用の回路が必要なため、設置用スペースが必要であり、コストが高いという課題があった。

そこで、本発明は、上記の課題に鑑み、分散電源における余剰電力を有効に利用できるとともに、負荷駆動回路の省スペース化及び低コスト化を実現する電力変換装置及び分散電源システムを提供することを目的とする。

本発明の第１の特徴は、分散電源に接続され、分散電源によって発電された電力の電圧をＤＣ／ＤＣコンバータにより、昇圧又は降圧した後、インバータにより交流に変換し、変換した電力を第１の負荷へ通電する電力変換装置であって、分散電源によって発電された電力のうち、第１の負荷の消費電力を上回った余剰電力を第２の負荷へ通電する負荷駆動回路を内部に備え、負荷駆動回路は、ＤＣ／ＤＣコンバータ内に備えられる電力変換装置であることを要旨とする。ここで、「分散電源」とは、商用電力ではなく、家庭内で消費する電力を発電する電源をいう。

第１の特徴に係る電力変換装置によると、分散電源における余剰電力を有効に利用できるとともに、負荷駆動回路の省スペース化及び低コスト化を実現することができる。

又、第１の特徴に係る電力変換装置において、負荷駆動回路は、絶縁トランスの二次側に巻かれた巻線で形成されることが好ましい。この電力変換装置によると、負荷駆動回路は絶縁されているため、漏電による悪影響を回避することができる。

又、第１の特徴に係る電力変換装置において、第２の負荷は、貯湯槽であってもよい。第１の特徴に係る負荷駆動回路は、絶縁されているため、貯湯槽のような特に漏電しやすいところに設置することも可能である。

又、第１の特徴に係る電力変換装置において、負荷駆動回路は、余剰電力の通電を遮断する電力遮断機能を備えてもよい。

又、第１の特徴に係る電力変換装置において、負荷駆動回路は、余剰電力を整流する整流機能を備えてもよい。

又、第１の特徴に係る電力変換装置において、負荷駆動回路は、余剰電力の電力量を調整する電力調整機能を備えてもよい。例えば、電力調整機能としてスイッチを備え、スイッチのＯＮ／ＯＦＦ制御により電力量を調整する。

又、第１の特徴に係る電力変換装置において、負荷駆動回路は、余剰電力を貯蔵する電力貯蔵機能を備えてもよい。例えば、電力貯蔵機能としてコンデンサあるいは充電池を備え、スイッチのＯＮ／ＯＦＦ制御により、コンデンサあるいは充電池への余剰電力の充電あるいは放電を制御する。

本発明の第２の特徴は、分散電源と、該分散電源に接続され、前記分散電源によって発電された電力の電圧をＤＣ／ＤＣコンバータにより、昇圧又は降圧した後、インバータにより交流に変換し、該変換した電力を第１の負荷へ通電する電力変換装置とを備える分散電源システムであって、電力変換装置は、分散電源によって発電された電力のうち、第１の負荷の消費電力を上回った余剰電力を第２の負荷へ通電する負荷駆動回路を備え、負荷駆動回路は、前記ＤＣ／ＤＣコンバータ内に備えられる分散電源システムであることを要旨とする。

第２の特徴に係る分散電源システムによると、分散電源における余剰電力を有効に利用できるとともに、負荷駆動回路の省スペース化及び低コスト化を実現することができる。

本発明によると、分散電源における余剰電力を有効に利用できるとともに、負荷駆動回路の省スペース化及び低コスト化を実現する電力変換装置及び分散電源システムを提供することができる。

次に、図面を用いて、本発明の実施形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には、同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、各寸法の比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。従って、具体的な寸法等は以下の説明を参酌して判断すべきものである。又、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。

（第１の実施形態）
第１の実施形態に係る分散電源システムは、図１に示すように、制御部１００と、燃料電池１０１と、電力変換装置と、家庭内負荷１０４と、逆潮流電流センサ１０５と、商用系統１０６と、貯湯槽１０７とを備える。

電力変換装置は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０２及びインバータ１０３によって構成される。即ち、電力変換装置は、燃料電池１０１に接続され、燃料電池１０１によって発電された電力の電圧をＤＣ／ＤＣコンバータ１０２により、昇圧又は降圧した後、インバータ１０３により交流に変換し、変換した電力を家庭内負荷１０４へ通電する。

ＤＣ／ＤＣコンバータ１０２は、燃料電池１０１に接続され、燃料電池１０１によって発電された電力の電圧を昇圧する。又、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０２は、燃料電池１０１によって発電された電力のうち、家庭内負荷１０４の消費電力を上回った余剰電力をヒータ１０７ａへ通電するヒータ駆動回路１０２ａを内部に備える。

インバータ１０３は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０２によって昇圧された電力を交流から直流へ変換する。

家庭内負荷１０４は、家庭の内部で消費される内部負荷であり、インバータ１０３によって変換された電力を消費する。

逆潮流電流センサ１０５は、インバータ１０３後の発電電力が家庭内負荷１０４を上回った場合に、その逆潮流を検知する。

制御部１００は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０２及びインバータ１０３を制御する。又、制御部１００は、逆潮流電流センサ１０５が逆潮流を検知した場合、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０２内のヒータ駆動回路１０２ａを制御し、貯湯槽１０７内のヒータ１０７ａに余剰電力を消費させる。

次に、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０２のヒータ駆動回路１０２ａについて、図２を用いて詳細に説明する。ヒータ駆動回路１０２ａは、絶縁トランスの二次側に巻かれた巻線で形成される。

ＤＣ／ＤＣコンバータ１０２は、ＤＣ／ＤＣコンバータ用の絶縁トランスに巻かれた、燃料電池１０１へつながる巻線Ｎ１、インバータ１０３へつながる巻線Ｎ２、ヒータ１０７ａへつながる巻線Ｎ３を備える。そして、燃料電池１０１によって発電された電力は、インバータ１０３側へつながった家庭内負荷１０４と、余剰電力を消費するヒータ１０７ａとによって、消費される。図２に示すように、ヒータ駆動回路１０２ａは、ＤＣ／ＤＣコンバータ用の絶縁トランスに巻かれた巻線Ｎ３によって形成される。ヒータ１０７ａは、スイッチＳ１がＯＮしている限り、常時ＯＮとなり、ある一定電力をヒータ１０７ａで消費することになる。

第１の実施の形態に係るＤＣ／ＤＣコンバータ１０２及び分散電源システムによると、逆潮流電流センサ１０５によって逆潮流が検知された場合、内部負荷であるヒータ１０７ａに余剰電力を消費させることができるため、分散電源における余剰電力を有効に利用できる。又、ヒータ駆動回路１０２ａをＤＣ／ＤＣコンバータ１０２内に配置しているため、負荷駆動回路の部品点数を削減し、小型化できるため、省スペース化を実現することができる。又、外部に、新たに負荷駆動回路を設置する必要がないため、低コスト化を実現することができる。

又、第１の実施形態に係るヒータ駆動回路１０２ａは、絶縁トランスに巻線を巻きつけて形成されているため、負荷や駆動回路を絶縁することができる。特に、第１の実施形態に係る分散電源システムでは、貯湯槽１０７のように漏電しやすい負荷を備えている。このため、従来は、漏電対策用の装置を新たに設置する必要があったが、第１の実施形態に係るヒータ駆動回路１０２ａは絶縁されているため、漏電による悪影響を回避することができる。

又、巻線Ｎ３の巻数を調節することにより、供給電力をヒータ１０７ａなどの負荷の仕様に合わせることができる。更に、燃料電池１０１からの発電電力を大きく変動させることなく、一定電力に保つことができる。

又、第１の実施形態に係る電力変換装置は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０２であるため、スイッチングを高周波で行うことにより、絶縁トランスを小さくでき、装置の小型化をはかることができる。

（第２の実施形態）
第２の実施形態では、第１の実施形態に加え、ヒータ駆動回路１０２ａが、余剰電力の通電を遮断する、スイッチやリレーなどの電力遮断機能を備える場合について説明する。

第２の実施形態に係るヒータ駆動回路１０２ａは、図３に示すように、スイッチＳ２を備える。スイッチＳ２をＯＮすることにより、ヒータ１０７ａに電力を送ることができ、スイッチＳ２をＯＦＦすることにより、ヒータ１０７ａへの電力を遮断することができる。

第２の実施の形態に係るＤＣ／ＤＣコンバータ１０２及び分散電源システムによると、ヒータ１０７ａの電力供給の有無を制御することができる。例えば、貯湯槽１０７に温度センサを設け、一定の温度を超えた場合は、制御部１００の制御により、ヒータ１０７ａへの電力を遮断する。このように、ヒータ１０７ａによる貯湯槽１０７内の温度上昇を防ぐことができる。

（第３の実施形態）
第３の実施形態では、第１の実施形態に加え、ヒータ駆動回路１０２ａが、余剰電力を整流する、ダイオードやコンデンサなどの整流機能を備える場合について説明する。

第３の実施形態に係るヒータ駆動回路１０２ａは、図４に示すように、ダイオードＤ１及びコンデンサＣ１を備える。ダイオードＤ１により、コンデンサＣ１両端の電圧を直流化することができる。

第３の実施の形態に係るＤＣ／ＤＣコンバータ１０２及び分散電源システムによると、直流でしか使用できない負荷（例えば、電池など）を使用することができる。

（第４の実施形態）
第４の実施形態では、第１の実施形態に加え、ヒータ駆動回路１０２ａが、余剰電力の電力量を調整する、スイッチなどの電力調整機能を備える場合について説明する。

第４の実施形態に係るヒータ駆動回路１０２ａは、図５に示すように、スイッチＳ２に配置されたダイオードを備える。スイッチＳ２のＯＮ／ＯＦＦにより、電力量を調整する。例えば、図６に示すように、スイッチＳ１を周期Ｔで動作させ、そのときのＯＮ時間をｔ１とする。又、図中ｔ２は、それぞれスイッチＳ２のＯＮ期間であり、この調整により、余剰電力の電力量を調整することができる。このとき、具体的なヒータ１０７ａに出力される電圧Ｖ_out及び電力Ｐは、以下のとおりである。

Ｖ_out＝Ｖ１×ｎ３／ｎ１×ｔ２／Ｔ
Ｐ＝Ｖ_out ²／Ｒ
ここで、Ｒは、ヒータ１０７ａの抵抗値である。又、ｎ１は、巻線Ｎ１の巻数であり、ｎ３は、巻線Ｎ３の巻数である。

スイッチＳ２のＯＮ時間ｔ２を調整することにより、電力量を調整することができる。

第４の実施の形態に係るＤＣ／ＤＣコンバータ１０２及び分散電源システムによると、インバータ１０３側の家庭内負荷１０４の電力量と、ヒータ１０７ａの電力量とを調整することができる。このため、燃料電池１０１の発電量を一定に保つことができる。

（第５の実施形態）
第５の実施形態では、第１の実施形態に加え、ヒータ駆動回路１０２ａが、余剰電力を貯蔵する、コンデンサや充電池などの電力貯蔵機能を備える場合について説明する。

第５の実施形態に係るヒータ駆動回路１０２ａは、図７に示すように、スイッチＳ２、スイッチＳ３、それぞれのスイッチ箇所に配置されたダイオード、コンデンサＣ１及び充電池を備える。このヒータ駆動回路１０２ａは、逆潮流が発生しそうになると、充電池に充電を行う。そして、燃料電池１０１がダウンなどした場合に、バックアップとして放電を行い、絶縁トランスを介してインバータ１０３側に電力を送る。

具体的には、充電時には、図８（ａ）に示すように、ヒータ駆動回路１０２ａは、逆潮流が発生しないように、充電池に充電を行う。このとき、主にスイッチＳ３のＯＮ／ＯＦＦ制御により充電を行う。例えば、スイッチＳ３のＯＮ期間ｔ３を制御することにより、充電のスピードを調整することができる。

一方、放電時には、図８（ｂ）に示すように、ヒータ駆動回路１０２ａは、インバータ１０３側に電力を送る。このとき、スイッチＳ２を制御することにより、絶縁トランスを介して巻線Ｎ２に電力を送る。又、放電時は、スイッチＳ１は常にＯＦＦとして、燃料電池１０１側への逆流を防止する。

第５の実施の形態に係るＤＣ／ＤＣコンバータ１０２及び分散電源システムによると、余剰電力をヒータなどの負荷に消費させる代わりに余剰電力を貯蔵することができる。このため、状況に応じて、充放電を行うことができる。

（その他の実施形態）
本発明は上記の実施形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。

例えば、上記の実施形態では、分散電源として、燃料電池２０１を用いたが、これに限らず、例えば、太陽電池、風力発電や水力発電を用いても構わない。尚、燃料電池や水力発電など、水を利用する発電においては、本実施形態では、絶縁トランスに巻線を巻きつけているため、負荷や駆動回路を絶縁するという効果を奏する。

又、上記の実施形態では、内部負荷として、ヒータ２０７ａを用いたが、これに限らず、例えば、他の家庭用電化製品を用いても構わない。

このように、本発明はここでは記載していない様々な実施形態等を含むことは勿論である。従って、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。

第１〜第５の実施形態に係る分散電源システムの構成ブロック図である。 第１の実施形態に係るＤＣ／ＤＣコンバータの回路図である。 第２の実施形態に係るＤＣ／ＤＣコンバータの回路図である。 第３の実施形態に係るＤＣ／ＤＣコンバータの回路図である。 第４の実施形態に係るＤＣ／ＤＣコンバータの回路図である（その１）。 第４の実施形態に係るＤＣ／ＤＣコンバータの電力制御を示す図である。 第５の実施形態に係るＤＣ／ＤＣコンバータの回路図である（その１）。 第５の実施形態に係るＤＣ／ＤＣコンバータの回路図である（その２）。 従来の実施形態に係る分散電源システムの構成ブロック図である。

符号の説明

１００…制御部
１０１…燃料電池
１０２…ＤＣ／ＤＣコンバータ
１０２ａ…ヒータ駆動回路
１０３…インバータ
１０４…家庭内負荷
１０５…逆潮流電力センサ
１０６…商用系統
１０７…貯湯槽
１０７ａ…ヒータ
２０１…燃料電池
２０２…ＤＣ／ＤＣコンバータ
２０３…インバータ
２０４…家庭内負荷
２０５…逆潮流電力センサ
２０６…商用系統
２０７…貯湯槽
２０７ａ…ヒータ
２１０ａ、２１０ｂ、２１０ｃ…ヒータ駆動回路

Claims (10)

1. 分散電源に接続され、該分散電源によって発電された電力の電圧をＤＣ／ＤＣコンバータにより、昇圧又は降圧した後、インバータにより交流に変換し、該変換した電力を第１の負荷へ通電する電力変換装置であって、
   前記分散電源によって発電された電力のうち、前記第１の負荷の消費電力を上回った余剰電力を第２の負荷へ通電する負荷駆動回路を備え、
   前記負荷駆動回路は、前記ＤＣ／ＤＣコンバータ内に備えられることを特徴とする電力変換装置。
2. 前記負荷駆動回路は、絶縁トランスの二次側に巻かれた巻線によって形成されることを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
3. 前記第２の負荷は、貯湯槽であることを特徴とする請求項１又は２に記載の電力変換装置。
4. 前記負荷駆動回路は、前記余剰電力の通電を遮断する電力遮断機能を備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の電力変換装置。
5. 前記負荷駆動回路は、前記余剰電力を整流する整流機能を備えることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の電力変換装置。
6. 前記負荷駆動回路は、前記余剰電力の電力量を調整する電力調整機能を備えることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の電力変換装置。
7. 前記電力調整機能としてスイッチを備え、該スイッチのＯＮ／ＯＦＦ制御により電力量を調整することを特徴とする請求項６に記載の電力変換装置。
8. 前記負荷駆動回路は、前記余剰電力を貯蔵する電力貯蔵機能を備えることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の電力変換装置。
9. 電力貯蔵機能としてコンデンサあるいは充電池を備え、スイッチのＯＮ／ＯＦＦ制御により、前記コンデンサあるいは前記充電池への前記余剰電力の充電あるいは放電を制御することを特徴とする請求項８に記載の電力変換装置。
10. 分散電源と、該分散電源に接続され、前記分散電源によって発電された電力の電圧をＤＣ／ＤＣコンバータにより、昇圧又は降圧した後、インバータにより交流に変換し、該変換した電力を第１の負荷へ通電する電力変換装置とを備える分散電源システムであって、
    前記電力変換装置は、前記分散電源によって発電された電力のうち、前記第１の負荷の消費電力を上回った余剰電力を第２の負荷へ通電する負荷駆動回路を備え、
    前記負荷駆動回路は、前記ＤＣ／ＤＣコンバータ内に備えられることを特徴とする分散電源システム。

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