JP2012095418A - 直流給電システム - Google Patents
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Abstract
【解決手段】分散電源装置と、前記分散電源装置を負荷に接続する直流バスと、複数の直流電源装置と、前記直流バスに複数の直流電源装置をそれぞれ接続するコンバータと、前記複数のコンバータを制御する制御器とを備える。前記制御器は、前記分散電源装置より直流バスに供給される電圧が所定電圧より低下するとき、少なくとも1つのコンバータによって1つの直流電源装置から直流バスへ電力供給し、他の少なくとも1つのコンバータによって、前記直流バスの電圧を所定値に保つように直流バスから他の直流電源装置へ電力を供給するように制御する。
【選択図】図1
Description
電源装置の出力電圧の安定化技術として、無停電電源装置においては、商用交流電源から入力される交流を直流に変換するAC/DC変換器を、商用交流電源が停電した後の復旧時にソフトスタートすることが公知である(例えば、特許文献1参照)。
また、複数の組電池を並列接続して、各組電池が出力する電力を各コンバータを介して負荷に供給する場合、各コンバータの出力電流を制御することにより、出力電圧を安定化する技術が公知である(例えば、特許文献2参照)。
本発明は、上記出力電圧制御技術を応用して、分散電源装置及び直流電源装置が接続される直流バスの電圧を安定にする直流給電システムを提供するものである。特に、太陽光発電装置、風力発電装置、燃料電池のように自然再生エネルギーを利用した分散電源装置より直流電源を供給する直流給電システムに好適に利用されるものである。
このようにコンバータを制御することにより、1つの直流電源装置から直流バスへ電力供給するとき、他の直流電源装置へ電力供給するように制御するので、直流バスの電圧の異常上昇を抑え、電圧を安定化させることができる。
このように、制御器は、少なくとも1つのコンバータが蓄電池から直流バスへ放電するとき、他の少なくとも1つのコンバータが直流バスから蓄電池を充電するように制御するので、直流バスの電圧の異常上昇を抑え、電圧を安定化させることができる。
このように制御器が動作するので、蓄電池の充電量の平準化を測ることができ、その結果、各蓄電池の充電量を余力を残すことなく有効に活用することができる。
本発明の直流給電システムは、直流バスに商用交流電源装置を接続するので、商用交流電源装置から電力を購入(買電)することが可能であるとともに、本発明の直流給電システムより商用交流電源装置へ電力を販売(売電)することが可能である。
上記直流電源装置は、蓄電池を含み、充放電可能な電源装置である。この直流電源装置は複数備えられ、それぞれ直流バスに接続される。
また、上記直流バスは、複数の直流電源装置、負荷及び系統電力が接続され、負荷へ電力を供給するため、屋内に配線される電源供給線であり、例えば、家庭用の直流バスの場合、400V×5A程度の電流容量を有するのが好ましい。
また、上記コンバータは、直流電源装置の出力電圧が直流バスの電圧に一致するよう昇圧または降圧し、また直流バスの電圧を直流電源装置の電圧に一致するよう降圧または昇圧し、直流バスより蓄電池を充電し、または蓄電池より直流バスへ放電するコンバータである。従って、上記コンバータは、電圧変換と、充電制御及び放電制御機能を備える。
また、制御器は、複数のコンバータに対して共通の制御器が1つ備えられ、制御器は複数のコンバータを制御し、直流電源装置から直流バスへ電力供給するよう、または直流バスから直流電源装置へ電力を吸収するよう制御する。ここで、電力を吸収するとは、通常、蓄電池に充電することであり、本発明でもそのように使うが、負荷またはダミー負荷によって、電力を消費してもよい。
また、本発明は、実施形態において、直流バスに商用交流電源装置が接続されるが、商用交流電源装置は、電力会社から電力を購入することが可能な電源装置であり、本発明では商用交流電源装置から電力を購入(買電)することが可能であるとともに、本発明の直流給電システムより商用交流電源装置へ電力を販売(売電)することが可能である。
図1は、本発明の直流給電システムを表す実施形態のブロック図である。図1に示すように、本発明の直流給電システムは、直流バス1に、太陽光発電システム2と、少なくとも2系統の直流電源装置3と、系統電力システム4と、負荷5を接続して、構成される。このように、直流バス1に、太陽光発電システム2と、直流電源装置3と、系統電力システム4が接続され、太陽光発電システム2、直流電源装置3または系統電力システム4より、負荷5に電力を供給する。従って、直流バス1を屋内配線することにより、屋内に存在する電気機器に直流電力を供給することができる。図1は、直流バス1、太陽光発電システム2、系統電力システム4及び負荷5をそれぞれ1つ示すが、これらの個数は制限がなく、1つでも複数でもかまわない。
また、規定値上限電圧V4は、直流バス1の規定値電圧V1の10%〜20%増である。規定値下限電圧V5は、直流バス1の規定値電圧V1の10%〜20%減である。
上記規定値上限電圧V4は、直流バス1の規定値電圧V1の10%〜20%増及び規定値下限電圧V5は、直流バス1の規定値電圧V1の10%〜20%減としたが、この設定は厳密ではなく、本発明の直流給電システムに接続される負荷の正常動作電圧範囲によって設定するとよい。即ち、電圧変動があっても正常に動作する負荷が接続される場合は、負荷が正常動作する電圧範囲に設定すればよく、また、電圧変動があった場合に正常動作しない負荷の場合は、その負荷が正常動作する電圧範囲になるように設定する。また、規定値上限電圧V4と規定値下限電圧V5の絶対値は、異なっていてもよい。
太陽電池パネル21は、結晶型太陽電池、多結晶型太陽電池または薄膜型太陽電池よりなり、ここでは、例えば、発電出力が1900W、出力電圧が280Vの多結晶太陽電池が使用される。
DC/DC変換器22は、太陽電池パネル21によって発電された直流出力電圧を、直流バス1の規定値電圧(例えば、380V、または350から400Vの間)に変換するものであり、直流バス1の電圧と電流の両方を検出して、直流バス1の規定値電圧V1(例えば、380V)以下においては、太陽電池パネル21を最大電力点追従(MPPT)制御する。しかし、直流バス1の規定値電圧V1に達した場合は、直流バス1の規定値電圧V1を維持する制御に切り替える。
蓄電池31は、例えば、リチウムイオン二次電池であり、定格電圧48V(例えば、10直列、1並列)で構成される。ここでは、リチウムイオン二次電池を代表的に示したが、鉛電池またはニッケル電池などその他の電池でも使用可能である。
2つの系統の蓄電池システム3は、同じ蓄電池31及び同じ双方向DC/DCコンバータを使用し、同じ蓄電池容量及び同じ電流容量を有することが望ましいが、本発明の直流給電システムが有効に動作するためには、蓄電池容量及び同じ電流容量の差は、2倍〜1/2倍程度であるとよい。これ以上の差があると、制御を有効にすることができなくなり、本発明の効果が得られなくなる可能性がある。
また、このように2つの双方向コンバータ32a、32bを備えるので、低消費電力負荷が接続されるときは、1つの双方向コンバータだけを動作させると、高効率動作させることができる。
図2は、本発明の直流給電システムの制御特性と、本発明の直流給電システムのように制御しなかった場合の制御特性を比較して示し、制御器33が、双方向DC/DCコンバータ32を制御したときの直流バス1の電圧変化及び電流変化を示す。図2の上側に電圧変化、下側に電流変化を示す。図2の横軸は任意時間、縦軸は電圧を示す。縦軸のV1は、直流バス1の規定値電圧(所定電圧)を示す。規定値電圧は380Vのように固定電圧が望ましいが、350V〜400Vの範囲にあるとする。V4は、直流バス1の規定値上限電圧を示し、規定値電圧V0の10%〜20%増である。V5は、直流バス1の規定値下限電圧を示し、規定値電圧V0の10%〜20%減である。
このように、直流バス1の電圧が規定値電圧V1以下に低下したとき(T1)、その電圧低下を検出し、直流電源装置3の双方向DC/DCコンバータ32が動作するよう制御部33が制御する。つまり、制御部33は、直流バス1の電圧検出部より、規定値電圧V1以下の電圧低下信号を受け、DC/DCコンバータ32の半導体スイッチング素子のスイッチング動作を開始させる。このように、直流電源装置3aまたは3bが放電動作を開始すると、直流電源装置3aまたは3bより電流曲線(b)に示すように電流が供給されるため、その電圧は、直流バス1の規定値上限電圧V4より高くなる。例えば、直流バス1の電圧は、図2の立上り線(a1)及び変化曲線(a2)のように上昇し、規定値上限電圧V4を超えることがある。ここで、立上り線(a1)と、変化曲線(a2)は、分けて説明したが、この2つの線は1つの連続した動作曲線である。このように、規定値上限電圧V4を超えるか、または規定値上限電圧V4を超えないとしても太陽光発電システム2の出力設定電圧V2より大きくなることがある。このように、直流バス1の電圧が上昇すると、負荷5の正常動作電圧範囲を超えるので、負荷は異常動作をするようになる。
即ち、図2の上昇曲線(c)は直流電源装置3aのDC/DCコンバータ32aが放電動作するときの放電電流の変化を示し、図2の下降曲線(d)は直流電源装置3bのDC/DCコンバータ32bが充電動作するときの充電電流の変化を示す。このように、直流電源装置3aのDC/DCコンバータ32aは、図2の上昇曲線(c)のように放電方向に制御するので、直流バス1の電圧を上昇させる。しかし、DC/DCコンバータ32bは、図2の下向き曲線(d)のように充電方向に制御し、直流バス1の電圧を下降させる。このとき、DC/DCコンバータ32bの充電量は、直流バス1の電圧が所定値、例えば、規定値電圧V1になるように、DC/DCコンバータ32aの放電量に対応するように制御する。このように、DC/DCコンバータ32aは、放電方向に制御し、DC/DCコンバータ32bは、充電方向に制御するので、直流電源装置3aのDC/DCコンバータ32aと、直流電源装置3bのDC/DCコンバータ32bの電流変化を合わせた電流変化は、曲線(t)のように変化の少ない曲線になる。その結果、直流バス1の電圧は、立上り線(s1)と、変化曲線(s2)に示すように電圧変動が少なくなる。ここでも、立上り線(s1)と、変化曲線(s2)は1つの連続した動作曲線である。そのため、直流バス1の電圧変動は、太陽光発電システム2の出力設定電圧V2と、商用電源システム4の出力設定電圧V3の範囲内に抑えることができる。
そして、直流バス1の電圧が規定値電圧に達したとき(T2)、制御部33は、その放電電流と充電電流のままにDC/DCコンバータ32aの充電動作と、DC/DCコンバータ32bの放電動作を継続させる。
このような場合に、本発明の直流給電システムは、制御部33によって直流電源装置3bのDC/DCコンバータ32bは充電動作し、直流電源装置3aのDC/DCコンバータ32aは放電動作するように制御する。このように制御することにより、直流電源装置3aのDC/DCコンバータ32aと、直流電源装置3bのDC/DCコンバータ32bの電流変化を合わせた電流変化は、変化の少ない曲線になる。その結果、直流バス1は、電圧変動が少なくなる。そのため、直流バス1の電圧変動は、太陽光発電システム2の出力設定電圧V2と、商用電源システム4の出力設定電圧V3の範囲内に抑えることができる。
2 太陽光発電システム
3 直流電源装置
4 系統電力システム
5 負荷
21 太陽電池パネル
22 DC/DCコンバータ
31 蓄電池
32 双方向DC/DCコンバータ
33 制御部
41 系統電力
42 双方向インバータ
Claims (4)
- 分散電源装置と、
前記分散電源装置を負荷に接続する直流バスと、
複数の直流電源装置と、
前記直流バスに複数の直流電源装置をそれぞれ接続するコンバータと、
前記複数のコンバータを制御する制御器と
を備え、
前記制御器は、前記分散電源装置より直流バスに供給される電圧が所定電圧より低下するとき、少なくとも1つのコンバータによって1つの直流電源装置から直流バスへ電力供給し、他の少なくとも1つのコンバータによって、前記直流バスの電圧を所定値に保つように直流バスから他の直流電源装置へ電力を供給するように制御することを特徴とする直流給電システム。 - 前記複数の直流電源装置は、それぞれ蓄電池であり、前記制御器は、少なくとも1つのコンバータが蓄電池から直流バスへ放電するとき、少なくとも他の1つのコンバータが直流バスから蓄電池を充電するように制御する請求項1に記載の直流給電システム。
- 前記制御器は、蓄電量の多い蓄電池を放電し、蓄電量の少ない蓄電池を充電するよう制御する請求項1または2に記載の直流給電システム。
- 前記直流バスに商用交流電源装置を接続した請求項1から3までのいずれか1項に記載の直流給電システム。
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