JP2010142018A - 並列運転型電源装置及びその制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】一層の高性能化を図ることができる並列運転型電源装置を提供する。
【解決手段】運転台数制御部２２において、電源装置１０の総入力電流値をＤＣ−ＤＣコンバータ１３ａ〜１３ｃの運転台数で除した値（総電流値／台数）が電流センサ２４ａ〜２４ｃの定格電流値に最も近似する値となる台数に決定される構成とした。これにより、電流センサ２４ａ〜２４ｃの扱う電流値が一層定格電流値付近となるようにＤＣ−ＤＣコンバータ１３ａ〜１３ｃの運転が制御されるようになり、該電流センサ２４ａ〜２４ｃの検出精度向上による制御性向上が図られ、電源装置１０の一層の高性能化が可能となる。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＤＣ−ＤＣコンバータやインバータ等の電力変換ユニットを複数台並列接続して構成された並列運転型電源装置及びその制御方法に関するものである。

従来より、太陽電池等の直流電源と負荷との間にＤＣ−ＤＣコンバータやインバータ等の電力変換ユニットを複数台並列接続してなる並列運転型電源装置が知られている。このような電源装置においては、負荷側の要求電流に応じて電力変換ユニットの運転台数を制御し、電源装置の総出力電流の調整が行われるようになっている。

ところで、電力変換ユニットが複数並列に設けられることで、先に運転状態となった電力変換ユニットの出力電流値が既定値を超える度に次の電力変換ユニットを運転させるというように運転台数を順次増やす運転台数制御が行われるものがある。しかしながら、この構成では、先に運転状態とされる電力変換ユニットほど大きな出力電流の生成が要求されるため常に大きな負担がかかり、特定の電力変換ユニットが先に寿命に至るというように電力変換ユニットの寿命に偏りが生じることが懸念される。

一方、例えば特許文献１にて示される電源装置のように、電力変換ユニット（文献では、スイッチング電源部）を全て運転状態として全電力変換ユニットの出力電流を常に平均化し、電力変換ユニットの寿命の平均化から寿命の延長を図るようにした構成も提案されている。しかしながら、例えば電源装置の出力が低出力である場合、全電力変換ユニットにて該ユニットの定格電流値よりも電流値の小さい出力電流の生成が行われることとなり、電力変換が非効率的である。しかも、電力変換ユニット毎に該ユニットと同等の定格電流値の電流センサが設置されるが、センサの検出電流値が該センサの定格電流値からも大きく離れることでその検出精度が悪化し、これが制御性の悪化を招くことも懸念される。

そこで、例えば特許文献２にて示される電源装置では、総出力電流値から電力変換ユニット（文献では、ＤＣ−ＤＣコンバータ）の運転台数を決定する運転台数制御とともに、運転させる電力変換ユニット間の電流バランスをとる電流バランス制御を行う構成のものがある。詳しくは、総出力電流値を電力変換ユニットの定格電流値で除した値を切り上げた整数値の台数だけ電力変換ユニットを運転し、その運転された電力変換ユニットの電流バランス制御が行われる。このようにすれば、電源装置の出力が低出力である場合であっても、運転される個々の電力変換ユニットでは定格電流値に近づけての出力電流の生成が行われることとなるため、電力変換の効率向上が図られる。

尚、電流センサについては、この特許文献２では、個々の電力変換ユニット毎に設けられるのではなく、総出力電流値を検出する電流センサが１つ備えられる構成のため、該センサには定格電流値が大きなものが用いられる。そのため、低出力時の電流センサの電流検出精度は期待できない。そこで、上記特許文献１のように電力変換ユニット毎に電流センサを備える構成とした場合には、各電流センサの定格電流値に近づけての電力変換ユニットの運転が可能となるため、電流センサの検出精度向上による制御性向上が期待できる。
特公平６−２６４７３号公報 特開平１１−１２７５７３号公報

しかしながら、上記対応にて電流センサの精度向上による制御性向上が見込めるものの、総出力電流値を定格電流値で除した値がその切り下げた整数値に近い場合に、依然として電力変換ユニットや電流センサの定格電流値から離れた電流値の出力電流を生成するように電力変換ユニットが運転されることになる。そのため、電力変換ユニットの変換効率向上や電流センサの検出精度向上による制御性向上からも、電源装置の一層の高性能化を見込める余地があった。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、その目的は、一層の高性能化を図ることができる並列運転型電源装置及びその制御方法を提供することにある。

上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、直流電源と負荷との間に所定の電力変更を行う電力変換ユニットを複数台並列接続してなり、その電力変換ユニットの運転台数を決定する運転台数制御手段と、前記決定された運転台数が２以上の場合、運転対象の前記各電力変換ユニットの入力又は出力電流を平均化する電流バランス制御手段とを備え、前記ユニット毎の入力又は出力電流を検出するための電流センサの電流検出に基づく前記制御手段の制御にて総出力電力を調整する並列運転型電源装置であって、前記運転台数制御手段は、電源装置の総入力又は総出力電流値を前記電力変換ユニットの運転台数で除した値（総電流値／台数）が前記電流センサの定格電流値に最も近似する値となる台数に決定することをその要旨とする。

この発明では、運転台数制御手段において、電源装置の総入力又は総出力電流値を電力変換ユニットの運転台数で除した値（総電流値／台数）が電流センサの定格電流値に最も近似する値となる台数に決定される。これにより、電流センサの扱う電流値が一層定格電流値付近となるように電力変換ユニットの運転が制御されるようになるため、該電流センサの検出精度向上による制御性向上が図られ、電源装置の一層の高性能化が可能となる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の並列運転型電源装置において、前記電流センサにて検出する前記ユニット毎の入力又は出力電流値に基づいて前記総入力又は総出力電流値を算出する総電流算出手段を備えたことをその要旨とする。

この発明では、総電流算出手段にて、電源装置の総入力又は総出力電流値が電流センサにて検出する電力変換ユニット毎の入力又は出力電流値に基づいて算出されるため、総入出力電流値を検出するための手段を別途必要とせず、電源装置の構成の簡素化に貢献できる。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の並列運転型電源装置において、前記電力変換ユニットを制御する運転指令値を前記決定された運転台数で等分する１／Ｎ算出手段と、前記決定された運転台数で等分された前記運転指令値にて運転対象の前記電力変換ユニットを制御すべくその運転指令値の前記電流バランス制御手段への出力又は出力停止を切り替える切替手段とを備えたことをその要旨とする。

この発明では、１／Ｎ算出手段にて、電力変換ユニットを制御する運転指令値が決定運転台数で等分され、切替手段にて、決定運転台数で等分された運転指令値にて運転対象の電力変換ユニットを制御すべくその運転指令値の電流バランス制御手段への出力又は出力停止が切り替えられる。つまり、１／Ｎ算出手段及び切替手段の簡易な構成で運転対象の電力変換ユニットの運転制御が可能なため、電源装置の構成の簡素化に貢献できる。

請求項４に記載の発明は、直流電源と負荷との間に所定の電力変更を行う電力変換ユニットを複数台並列接続してなり、その電力変換ユニットの運転台数を決定する運転台数制御手段と、前記決定された運転台数が２以上の場合、運転対象の前記各電力変換ユニットの入力又は出力電流を平均化する電流バランス制御手段とを備え、前記制御手段の制御にて総出力電力を調整する並列運転型電源装置であって、前記運転台数制御手段は、電源装置の総入力又は総出力電流値を前記電力変換ユニットの運転台数で除した値（総電流値／台数）が前記電力変換ユニットの定格電流値に最も近似する値となる台数に決定することをその要旨とする。

この発明では、運転台数制御手段において、電源装置の総入力又は総出力電流値を電力変換ユニットの運転台数で除した値（総電流値／台数）が電力変換ユニットの定格電流値に最も近似する値となる台数に決定される。これにより、電力変換ユニットが一層定格電流値付近でその運転が制御されるようになるため、電力変換ユニットの変換効率向上が図られ、電源装置の一層の高性能化が可能となる。

請求項５に記載の発明は、直流電源と負荷との間に所定の電力変更を行う電力変換ユニットを複数台並列接続してなる並列運転型電源装置において、その電力変換ユニットの運転台数を決定する運転台数制御手段と、前記決定された運転台数が２以上の場合、運転対象の前記各電力変換ユニットの入力又は出力電流を平均化する電流バランス制御手段とを備え、前記制御手段の制御にて総出力電力を調整するその制御方法であって、前記運転台数制御手段において、電源装置の総入力又は総出力電流値を前記電力変換ユニットの運転台数で除した値（総電流値／台数）が前記制御手段の制御に用いる前記ユニット毎の入力又は出力電流を検出するための電流センサの定格電流値、若しくは前記電力変換ユニットの定格電流値に最も近似する値となる台数に決定するようにしたことをその要旨とする。

この発明では、上記請求項１又は４と同様の作用効果を得ることができる。

本発明によれば、一層の高性能化を図ることができる並列運転型電源装置及びその制御方法を提供することができる。

以下、本発明を具体化した一実施形態を図面に従って説明する。

図１は、本実施形態における並列運転型電源装置１０を示す。電源装置１０は、太陽電池等の直流電源１１と負荷１２との間に、電力変換ユニットとしてのＤＣ−ＤＣコンバータ１３ａ〜１３ｃが複数台（本実施形態では３台）並列接続されて構成されている。各ＤＣ−ＤＣコンバータ１３ａ〜１３ｃは、同一構成（同一定格電流値）をなす昇圧用コンバータ又は降圧用コンバータで構成され、入力線Ｌ１及び分岐線Ｌ２ａ〜Ｌ２ｃを介して入力される直流電力を所定電圧値の出力電力に変換し、その後段で分岐線Ｌ２ａ〜Ｌ２ｃが互いに接続された出力線Ｌ３を介してその変換された出力電力を負荷１２側に供給するものである。各ＤＣ−ＤＣコンバータ１３ａ〜１３ｃは、それぞれに対応して設置される電流バランス制御部２０ａ〜２０ｃの制御（スイッチング制御）にて出力電力の調整が行われる。

また、電源装置１０には、前記電流バランス制御部２０ａ〜２０ｃとともに、出力電圧制御部２１及び運転台数制御部２２が備えられている。

出力電圧制御部２１には、電源装置１０の出力電圧設定に基づく出力電圧指令値と、出力線Ｌ３上に設置される電圧センサ（図示略）にて検出した実出力電圧値との偏差が比較器２３から入力され、該出力電圧制御部２１は、その偏差に応じたその時々の運転指令値を算出する。つまり、この出力電圧制御部２１は、電源装置１０の出力電圧が一定となるような運転指令値を算出し、算出した運転指令値を１／Ｎ算出器２６に出力している。

１／Ｎ算出器２６は、運転台数制御部２２にて決定されたＤＣ−ＤＣコンバータ１３ａ〜１３ｃの運転台数に基づいて出力電圧制御部２１にて算出した運転指令値をその運転台数で等分（１／Ｎ）した値を算出する。このとき、運転台数制御部２２は、その時々の総入力電流値に応じて３台あるＤＣ−ＤＣコンバータ１３ａ〜１３ｃの内の適切な運転台数を決定している。

ここで、運転台数の決定に用いられる総入力電流値について、分岐線Ｌ２ａ〜Ｌ２ｃ上の各ＤＣ−ＤＣコンバータ１３ａ〜１３ｃの入力側には電流センサ２４ａ〜２４ｃが設置されており、各電流センサ２４ａ〜２４ｃは各ＤＣ−ＤＣコンバータ１３ａ〜１３ｃ毎の入力電流を検出し、その電流値に対応するレベル（電圧値）の出力信号を出力する。尚、電流センサ２４ａ〜２４ｃは、同一定格電流値でＤＣ−ＤＣコンバータ１３ａ〜１３ｃの定格電流値と同等のものが用いられている。総電流算出器２５は、各電流センサ２４ａ〜２４ｃの出力信号電圧に基づく各ＤＣ−ＤＣコンバータ１３ａ〜１３ｃの入力電流値からその合計である総入力電流値を算出している。そして、このように算出された総入力電流値にて、運転台数制御部２２は、ＤＣ−ＤＣコンバータ１３ａ〜１３ｃの適切な運転台数を決定している。

また、運転台数制御部２２における運転台数の決定について、本実施形態では、電流センサ２４ａ〜２４ｃの定格電流値を考慮して行っている。即ち、本実施形態では、総電流算出器２５で算出された総入力電流値をＤＣ−ＤＣコンバータ１３ａ〜１３ｃの運転台数で除したときの値（総電流値／台数）が電流センサ２４ａ〜２４ｃの定格電流値に最も近似する値となるその台数が適切な運転台数として決定される。

例えば、電流センサ２４ａ〜２４ｃに定格電流値が１００Ａのものを使用した場合、総入力電流値が１００Ａ、２００Ａ、３００Ａの時の運転台数はそれぞれ１台、２台、３台が適切であり、その間の総入力電流値においては例えば１０Ａ刻みで考えてみると、総入力電流値が１１０Ａ〜１３０Ａの時の運転台数は１台、１４０Ａ〜１９０Ａの時の運転台数は２台、２１０Ａ〜２４０Ａの時の運転台数も２台、２４０Ａ〜２９０Ａの時の運転台数は３台とすると、他の台数よりも電流センサ２４ａ〜２４ｃが扱う電流値がその定格に最も近似する。

これは、図２に示すように、電流センサ２４ａ〜２４ｃの特性を考慮してのものである。即ち、電流センサの理想特性は、ゼロ点を通過して定格電流値に対応する出力信号電圧が理想の電圧値となるものであるが、電流センサの多くには、オフセット誤差、直線性誤差、残留電圧特性（ヒステリシス誤差）、飽和特性という誤差が存在する。ここで、オフセット誤差とは、検出電流（通電電流）がゼロであっても出力信号電圧がゼロにならない誤差、直線性誤差とは、理想直線特性からのズレ、残留電圧特性とは、通電電流がゼロの時の出力電圧がゼロで、その後、定格電流を通電したときの出力電圧が定格電圧であっても、再び通電電流をゼロに戻したときの出力電圧がゼロにならないという誤差、飽和特性とは、通電電流を定格電流よりもさらに大きくしていくと、通電電流の増加に対する出力電圧の増加の割合が小さくなっていき、やがて通電電流の増加に対して出力電圧が増加しなくなる（出力電圧が飽和する）特性のことを示す。

そのため、電流センサは、例えば出荷前に、通電電流ゼロとしたときの出力電圧をゼロに調整してオフセット誤差をなくし、その後、定格電流を流したときの出力電圧が定格電圧となるように調整することで、直線性誤差を最小限まで小さくするということが行われている。しかしながら、このように通常行われている調整方法では、どうしてもゼロ電流付近で残留電圧が発生してしまい、ゼロ電流付近の検出誤差が発生してしまう。また、飽和特性についても出荷前の調整では改善できない特性であるため、定格電流を超える電流を検出する際にも検出誤差が発生してしまう。ゆえに、電流センサは、検出誤差が最も小さくなり検出精度が最良となる定格電流付近で使用するのが望ましい。これを踏まえ、本実施形態では、使用する電流センサ２４ａ〜２４ｃを極力定格電流値付近で使用するように運転台数を決定し、検出精度の向上が図られている。

このようにして運転台数制御部２２にて決定された運転台数により、１／Ｎ算出器２６では、決定されたその適切な運転台数に基づいて出力電圧制御部２１にて算出した運転指令値が運転台数で等分された値が算出される。また、電流バランス制御部２０ａ〜２０ｃ（ＤＣ−ＤＣコンバータ１３ａ〜１３ｃ）毎に対応して設けられる切替スイッチ２７ａ〜２７ｃに対し、その決定された運転台数に基づいて運転対象となったＤＣ−ＤＣコンバータ１３ａ〜１３ｃを運転させるべく対応するスイッチがオンに切り替えられる。尚、本実施形態では、ＤＣ−ＤＣコンバータ１３ａから１３ｂ、１３ｃの順に運転台数の増加に伴って使用される態様としている。

そして、切替スイッチ２７ａ〜２７ｃがオンされることで、１／Ｎ算出器２６にて算出された運転指令値が次の比較器２８ａ〜２８ｃに出力され、更に次の電流バランス制御部２０ａ〜２０ｃには、１／Ｎ算出器２６にて算出された運転指令値と、各ＤＣ−ＤＣコンバータ１３ａ〜１３ｃ毎の入力電流値との偏差が比較器２８ａ〜２８ｃから入力される。電流バランス制御部２０ａ〜２０ｃは、比較器２８ａ〜２８ｃからの運転指令値の入力によって動作して運転対象のＤＣ−ＤＣコンバータ１３ａ〜１３ｃを運転させるとともに、運転させるＤＣ−ＤＣコンバータ１３ａ〜１３ｃが２以上の場合、各コンバータ１３ａ〜１３ｃ毎の入力電流を平均化しつつ電源装置１０全体の出力電流（出力電圧は一定）が負荷１２の要求する所望の出力電流（出力電力）となるように制御する構成となっている。

次に、本実施形態の特徴的な作用効果を記載する。

（１）本実施形態では、運転台数制御部２２において、電源装置１０の総入力電流値をＤＣ−ＤＣコンバータ１３ａ〜１３ｃの運転台数で除した値（総電流値／台数）が電流センサ２４ａ〜２４ｃの定格電流値に最も近似する値となる台数に決定される構成としている。これにより、電流センサ２４ａ〜２４ｃの扱う電流値が一層定格電流値付近となるようにＤＣ−ＤＣコンバータ１３ａ〜１３ｃの運転が制御されるようになるため、該電流センサ２４ａ〜２４ｃの検出精度向上による制御性向上が図られ、電源装置１０の一層の高性能化を図ることができる。

また本実施形態では、電流センサ２４ａ〜２４ｃの定格電流値とＤＣ−ＤＣコンバータ１３ａ〜１３ｃの定格電流値とが同等に構成されていることから、ＤＣ−ＤＣコンバータ１３ａ〜１３ｃにおいても一層定格電流値付近でその運転が制御されるようになるため、ＤＣ−ＤＣコンバータ１３ａ〜１３ｃの変換効率向上が図られ、このことによっても電源装置１０の一層の高性能化を図ることができる。

（２）本実施形態では、総電流算出器２５にて、電源装置１０の総入力電流値が電流センサ２４ａ〜２４ｃにて検出するＤＣ−ＤＣコンバータ１３ａ〜１３ｃ毎の入力電流値に基づいて算出される構成のため、総入力電流値を検出するための手段を別途必要とせず、電源装置１０の構成の簡素化に貢献することができる。

（３）本実施形態では、１／Ｎ算出器２６にて、ＤＣ−ＤＣコンバータ１３ａ〜１３ｃを制御する運転指令値が決定運転台数で等分され、切替スイッチ２７ａ〜２７ｃにて、決定運転台数で等分された運転指令値の各電流バランス制御部２０ａ〜２０ｃへの出力又は出力停止が切り替えられる構成としている。つまり、１／Ｎ算出器２６及び切替スイッチ２７ａ〜２７ｃの簡易な構成で運転対象のＤＣ−ＤＣコンバータ１３ａ〜１３ｃの運転制御が可能なため、電源装置１０の構成の簡素化に貢献することができる。

尚、本発明の実施形態は、以下のように変更してもよい。

・上記実施形態では、電力変換ユニットであるＤＣ−ＤＣコンバータ１３ａ〜１３ｃを３台で構成したが、２台以上であれば設置台数を適宜変更してもよい。

・上記実施形態では、ＤＣ−ＤＣコンバータ１３ａから１３ｂ、１３ｃの順で運転台数を増台させたが、先に運転対象とするＤＣ−ＤＣコンバータ１３ａ〜１３ｃをローテーションさせる態様としてもよい。

・上記実施形態では、電流センサ２４ａ〜２４ｃをＤＣ−ＤＣコンバータ１３ａ〜１３ｃの入力側に設置し、総入力電流値に基づいて運転台数の決定を行ったが、電流センサ２４ａ〜２４ｃをＤＣ−ＤＣコンバータ１３ａ〜１３ｃの出力側に設置し、総出力電流値に基づいて運転台数の決定を行っても同様である。

・上記実施形態では、電流センサ２４ａ〜２４ｃとＤＣ−ＤＣコンバータ１３ａ〜１３ｃの各定格電流値を同等に構成したが、両者の定格電流値を異なるように構成してもよく、この場合、運転台数の決定は状況に応じていずれの定格電流値を選択して対応する。

・上記実施形態では、電力変換ユニットにＤＣ−ＤＣコンバータ１３ａ〜１３ｃを用いたが、例えば図３に示すように、電力変換ユニットとしてＤＣ−ＡＣ変換のインバータ１４ａ〜１４ｃに置換してもよい。また、電源装置１０全体の回路構成についても適宜変更してもよい。

・上記実施形態では、直流電源１１を太陽電池とした太陽光発電システムに用いる構成としたが、該システム以外の電源システムに適用してもよい。

本実施形態における並列運転型電源装置のブロック図である。 電流センサの特性を説明するための説明図である。 別例における並列運転型電源装置のブロック図である。

符号の説明

１０…並列運転型電源装置、１１…直流電源、１２…負荷、１３ａ〜１３ｃ…ＤＣ−ＤＣコンバータ（電力変換ユニット）、１４ａ〜１４ｃ…インバータ（電力変換ユニット）、２０ａ〜２０ｃ…電流バランス制御部（電流バランス制御手段）、２２…運転台数制御部（運転台数制御手段）、２４ａ−２４ｃ…電流センサ、２５…総電流算出器（総電流算出手段）、２６…１／Ｎ算出器（１／Ｎ算出手段）、２７ａ〜２７ｃ…切替手段（切替スイッチ）。

Claims (5)

1. 直流電源と負荷との間に所定の電力変更を行う電力変換ユニットを複数台並列接続してなり、その電力変換ユニットの運転台数を決定する運転台数制御手段と、前記決定された運転台数が２以上の場合、運転対象の前記各電力変換ユニットの入力又は出力電流を平均化する電流バランス制御手段とを備え、前記ユニット毎の入力又は出力電流を検出するための電流センサの電流検出に基づく前記制御手段の制御にて総出力電力を調整する並列運転型電源装置であって、
   前記運転台数制御手段は、電源装置の総入力又は総出力電流値を前記電力変換ユニットの運転台数で除した値（総電流値／台数）が前記電流センサの定格電流値に最も近似する値となる台数に決定することを特徴とする並列運転型電源装置。
2. 請求項１に記載の並列運転型電源装置において、
   前記電流センサにて検出する前記ユニット毎の入力又は出力電流値に基づいて前記総入力又は総出力電流値を算出する総電流算出手段を備えたことを特徴とする並列運転型電源装置。
3. 請求項１又は２に記載の並列運転型電源装置において、
   前記電力変換ユニットを制御する運転指令値を前記決定された運転台数で等分する１／Ｎ算出手段と、
   前記決定された運転台数で等分された前記運転指令値にて運転対象の前記電力変換ユニットを制御すべくその運転指令値の前記電流バランス制御手段への出力又は出力停止を切り替える切替手段と
   を備えたことを特徴とする並列運転型電源装置。
4. 直流電源と負荷との間に所定の電力変更を行う電力変換ユニットを複数台並列接続してなり、その電力変換ユニットの運転台数を決定する運転台数制御手段と、前記決定された運転台数が２以上の場合、運転対象の前記各電力変換ユニットの入力又は出力電流を平均化する電流バランス制御手段とを備え、前記制御手段の制御にて総出力電力を調整する並列運転型電源装置であって、
   前記運転台数制御手段は、電源装置の総入力又は総出力電流値を前記電力変換ユニットの運転台数で除した値（総電流値／台数）が前記電力変換ユニットの定格電流値に最も近似する値となる台数に決定することを特徴とする並列運転型電源装置。
5. 直流電源と負荷との間に所定の電力変更を行う電力変換ユニットを複数台並列接続してなる並列運転型電源装置において、その電力変換ユニットの運転台数を決定する運転台数制御手段と、前記決定された運転台数が２以上の場合、運転対象の前記各電力変換ユニットの入力又は出力電流を平均化する電流バランス制御手段とを備え、前記制御手段の制御にて総出力電力を調整するその制御方法であって、
   前記運転台数制御手段において、電源装置の総入力又は総出力電流値を前記電力変換ユニットの運転台数で除した値（総電流値／台数）が前記制御手段の制御に用いる前記ユニット毎の入力又は出力電流を検出するための電流センサの定格電流値、若しくは前記電力変換ユニットの定格電流値に最も近似する値となる台数に決定するようにしたことを特徴とする並列運転型電源装置の制御方法。

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