JP2013021792A

JP2013021792A - 電力給電システム

Info

Publication number: JP2013021792A
Application number: JP2011152347A
Authority: JP
Inventors: Yoshiaki Okui; 芳明奥井
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd; Sanyo Denki Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd; Sanyo Denki Co Ltd
Priority date: 2011-07-08
Filing date: 2011-07-08
Publication date: 2013-01-31
Also published as: EP2544332A2; US20130009603A1

Abstract

【課題】蓄電池の内部インピーダンスによらず蓄電池が本来有する充電充放電電力量を十分に有効利用することを可能とする電力給電システムを提供する。
【解決手段】充放電可能な蓄電池７０と、蓄電池を充放電する充放電装置３０、４０と、蓄電池の出力電圧指令信号と蓄電池の出力電圧を検出した出力電圧検出信号との偏差を増幅した充放電電力リミットコントロール信号を出力する充放電電力リミットコントローラ２０と、を有し、充放電装置は、充放電電力リミットコントロール信号に基づき蓄電池の充放電の電力を制御する充放電コントローラ５０、９０を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、電力給電システムに関する。

無停電電源装置のように蓄電池を満充電の状態とするシステムにおいては、従来、ＣＣＣＶ（ＣｏｎｓｔａｎｔＣｕｒｒｅｎｔＣｏｎｓｔａｎｔＶｏｌｔａｇｅ）制御の充電方式による充電システムにより蓄電池の充電が行なわれている。

このような従来のＣＣＣＶ制御の充電システムにおいては、最初は充電電流を一定に制御し制御された電流による充電を行い、蓄電池の出力電圧が満充電の出力電圧に近づいたときに充電電圧を一定に制御し制御された電圧による充電に切換えて充電を行う。ＣＣＣＶ制御により蓄電池の充電を行うことにより、充電時間を短縮するとともに蓄電池の内部インピーダンスによる電圧降下に起因する充電電力量の低下を防止することができる（特許文献１）。

特開２００３−１５３４３６号公報

しかし、充電システムの用途によっては、蓄電池はＳＯＣ（ＳｔａｔｅＯｆＣｈａｒｇｅ）が中間域の範囲で使用され、かつ充放電が不定期に繰り返される場合がある。そして、蓄電池の出力電圧が所定の電圧変動範囲を超えると充放電電流にかかわらず蓄電池への充放電が停止される。

このような用途に従来のＣＣＣＶ制御による充電システムが適用されると、蓄電池への充放電電流と蓄電池の内部インピーダンスにより生じた電圧降下によって蓄電池の出力電圧が電圧変動範囲を超えたときに蓄電池への充放電が停止される。このため、蓄電池が本来有する充放電電力量を十分に利用することができないという問題がある。

本発明はこのような問題を解決するためになされたものであり、蓄電池の出力電圧と出力電力指令値との偏差に基づく制御信号により蓄電池への充放電の電力を制御することにより、蓄電池の内部インピーダンスによらず蓄電池が本来有する充電充放電電力量を十分に有効利用することを目的とする。

本発明の上記課題は、以下の手段によって解決される。

充放電可能な蓄電池と、前記蓄電池を充放電する充放電装置と、前記蓄電池の出力電圧指令信号と前記蓄電池の出力電圧を検出した出力電圧検出信号との偏差を増幅した充放電電力リミットコントロール信号を出力する充放電電力リミットコントローラと、を有し、前記充放電装置は、前記充放電電力リミットコントロール信号に基づき前記蓄電池の充放電の電力を制御する充放電コントローラを備えることを特徴とする電力給電システム。

蓄電池の出力電圧と出力電力指令値との偏差に基づく制御信号により蓄電池への充放電の電力を制御することにより、蓄電池の内部インピーダンスによらず蓄電池が本来有する充電充放電電力量を十分に有効利用することができる。

本発明の実施形態に係る電力給電システムの機能ブロック図である。本発明の実施形態に係る電力給電システムの簡略回路図である。充放電電流とＳＯＣとの関係を示す説明図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係る電力給電システムについて詳細に説明する。なお、本明細書において、「増幅」という用語の概念には増幅率が１以下の場合も含むものとする。

図１は、本発明の実施形態に係る電力給電システムの機能ブロック図である。

本実施形態に係る電力給電システム１は、蓄電池１０、ＤＣ／ＤＣコンバータ（充放電装置）３０、充放電電力リミットコントローラ２０、インバータ（充放電装置）４０、ＤＣ／ＤＣコンバータコントローラ（充放電コントローラ）５０、商用電源６０、発電装置７０、負荷装置（負荷）８０、インバータコントローラ（充放電コントローラ）９０、蓄電池電圧センサ２９、バス電圧センサ３９、入力電圧センサ６９、インバータ電流センサ４９、および出力電流センサ８９を有してなる。

蓄電池１０は、鉛蓄電池、リチウムイオン電池といった二次電池であり得るが、これに限定されず、電気二重層キャパシタ（ＥＤＬＣ：ＥｌｅｃｔｒｉｃＤｏｕｂｌｅＬａｙｅｒＣａｐａｃｉｔｏｒ）であってもよい。これらの機器は、一般的に内部インピーダンスを有する。

ＤＣ／ＤＣコンバータ３０は、蓄電池１０の出力電圧（以下、「蓄電池電圧」と称する）Ｖ_ｂを昇圧してバス電圧Ｖ_ｄを生成するバス電圧Ｖ_ｄからインバータ４０へ電力が供給されると、後述するようにバス電圧Ｖ_ｄを一定に制御するため蓄電池は放電される昇圧動作を行う。

また、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０は、バス電圧Ｖ_ｄにインバータ４０から電力が供給されると、同様にバス電圧Ｖ_ｄを一定に制御するため蓄電池は充電され、降圧動作を行う。

ＤＣ／ＤＣコンバータ３０は、ＤＣ／ＤＣコンバータコントローラ５０からのＤＣ／ＤＣコンバータコントロール信号に基づいて蓄電池１０を充放電することにより、バス電圧Ｖ_ｄの電圧値を一定に保持する。

商用電源６０から出力される入力電力Ｐ_ｉｎおよび発電装置７０から出力される電力Ｐ_ｇｅｎの和のうち負荷装置８０で消費される電力Ｐ_ｌｏａｄが差し引かれてなる充放電電力Ｐ_ｉｎｖは、インバータ４０を介してバス電圧Ｖ_ｄに供給される。ＤＣ／ＤＣコンバータ３０は、バス電圧Ｖ_ｄに供給された充放電電力Ｐ_ｉｎｖにより蓄電池１０を充放電することができる。ここで、負荷装置８０で消費される電力Ｐ_ｌｏａｄから発電装置７０から出力される電力Ｐ_ｇｅｎを指し引いた電力を出力電力Ｐ_ｏｕｔと定義する。

ＤＣ／ＤＣコンバータコントローラ５０は、バス電圧指令値Ｖ_ｄ ^＊にバス電圧センサ３９により検出されたバス電圧Ｖ_ｄを追従させるようにＤＣ／ＤＣコンバータ３０をＤＣ／ＤＣコンバータコントロール信号によりＰＷＭ（ＰｕｌｓｅＷｉｄｔｈＭｏｄｕｌａｔｉｏｎ）制御する。

充放電電力リミットコントローラ２０は、蓄電池電圧センサ２９により検出された蓄電池電圧Ｖ_ｂと出力電圧指令値Ｖ_ｂ ^＊との偏差に基づき充放電電力リミットコントロール信号ΔＰを生成する。出力電圧指令値Ｖ_ｂ ^＊は蓄電池電圧Ｖ_ｂが追従すべき目標値である。

充放電電力リミットコントローラ２０は、蓄電池電圧センサ２９により検出された蓄電池電圧Ｖ_ｂが下限値Ｖ_ｂＬまたは上限値Ｖ_ｂＨのいずれかを超える場合には、検出された蓄電圧Ｖ_ｂを下限値Ｖ_ｂＬまたは上限値Ｖ_ｂＨのいずれかに制限する。そして、制限された蓄電池電圧Ｖ_ｂ（すなわち、下限値Ｖ_ｂＬまたは下限値Ｖ_ｂＨのいずれか）を出力電圧指令値Ｖ_ｂ ^＊とする。

一方、蓄電池電圧Ｖ_ｂが下限値Ｖ_ｂＬおよび下限値Ｖ_ｂＨの範囲内である場合は、検出された蓄電池電圧Ｖ_ｂを出力電圧指令値Ｖ_ｂ ^＊とすることができる。

充放電電力リミットコントローラ２０により生成された充放電電力リミットコントロール信号ΔＰは、インバータコントローラ９０に出力される。

インバータコントローラ９０は、入力電力Ｐ_ｉｎが追従すべき目標電力である入力電力指令値Ｐ_ｉｎ ^＊に、充放電電力リミットコントロール信号ΔＰを加算することにより、充放電電力Ｐ_ｉｎｖが追従すべき目標電力である充放電電力指令値Ｐ_ｉｎｖ ^＊を算出する。

そして、算出された充放電電力指令値Ｐ_ｉｎｖ ^＊を検出された入力電圧Ｖ_ｉｎを乗算し、検出された出力電流I_outを減算することによりインバータ４０に流れるインバータ電流Ｉ_ｉｎｖが追従すべき目標電流であるインバータ電流指令値Ｉ_ｉｎｖ ^＊を算出する。

インバータコントローラ９０は、インバータ電流Ｉ_ｉｎｖがインバータ電流指令信号Ｉ_ｉｎｖ ^＊に追従し、かつ、蓄電池電圧Ｖ_ｂが充放電リミット値に達している場合には、充放電電力リミットコントロール信号ΔＰに基づき、出力電圧指令値Ｖ_ｂ ^＊に追従するようにインバータ４０をＰＷＭ制御する。インバータコントローラ９０は、インバータコントロール信号によりインバータ４０を制御する。

インバータ４０は、バス電圧Ｖ_ｄを電圧源として直流電力から交流電力へ、および交流電力から直流電力へ変換をする。

蓄電池電圧センサ２９、バス電圧センサ３９、および入力電圧センサ６９は、公知の電圧検出器により構成することができる。

インバータ電流センサ４９、および出力電流センサ８９は、公知の電流検出器、例えば変流器により構成することができる。

商用電源６０は、電力会社から電力消費者に電力を供給するための設備である。

発電装置７０は、商用電源に依存しない独立した発電装置であり、太陽光発電装置、風力発電装置の他あらゆる発電装置が含まれる。

負荷装置８０は、交流電圧により駆動される装置で、電力を消費する装置であれば限定されない。

図２は、本発明の実施形態に係る電力給電システムの簡略回路図である。図１の機能ブロック図における各機能ブロックが有する機能は図２に示す回路により実現することができる。

なお、図２においては、簡単のため、蓄電池電圧センサ２９等の電圧検出装置およびインバータ電流センサ４９等の電流検出装置は省略されている。

また、本実施形態においては、駆動部５３、９４を除き、充放電電力リミットコントローラ２０、ＤＣ／ＤＣコンバータコントローラ５０、および、インバータコントローラ９０の各機能は、ソフトウェアによる演算処理によって実施する。このため、蓄電池電圧センサ２９、バス電圧センサ３９、入力電圧センサ６９、インバータ電流センサ４９、および出力電流センサ８９は、それぞれ電圧または電流をソフトウェアによる演算処理が可能な信号として検出する。これらのセンサは、例えば、検出した電圧を分圧器により減衰させ、Ａ／Ｄコンバータによりデジタル信号に変換することにより信号として電圧を検知することができる。以下の説明においては、例えば、蓄電池の出力電圧「Ｖ_ｂ」が蓄電池電圧センサ２９により検出された場合における出力電圧検出信号を「Ｖ_ｂ’」というように表記することとする。

ただし、充放電電力リミットコントローラ２０、ＤＣ／ＤＣコンバータコントローラ５０、および、インバータコントローラ９０の各機能は、その一部または全部をハードウェアのみ（例えば、電子回路）によって実現してもよいことは勿論である。

また、図２の説明においてはすでに図１の説明においてなされた説明は重複説明を回避するため省略する。

ＤＣ／ＤＣコンバータ３０は、リアクトル３２、コンデンサ３５、ＩＧＢＴ（ＩｎｓｕｌａｔｅｄＧａｔｅＢｉｐｏｌａｒＴｒａｎｓｉｓｔｏｒ）３１Ａ、３１Ｂ、コンデンサ３３により構成される一般的な昇圧チョッパ回路により構成することができる。

昇圧動作について簡単に説明する。一方のＩＧＢＴ３１Ａを導通状態とし、他方のＩＧＢＴ３１Ｂを非導通状態とすると、リアクトル３２には蓄電池１０からＩＧＢＴ３１Ａに流れる電流が印加される。この状態から、一方のＩＧＢＴ３１Ａを非導通状態とし、他方のＩＧＢＴ３１Ｂを導通状態に切り換えるとリアクトル３２に蓄積されたエネルギーが放出され、一方の端子に出力電圧Ｖ_ｂが印加されたリアクトル３２の他方の端子の端子電圧が上昇する。上昇したリアクトル３２の端子電圧は導通状態にあるＩＧＢＴ３１Ｂを介してコンデンサ３３に印加され、その昇圧した電圧によりコンデンサ３３に電荷がチャージされる。その結果、昇圧された出力電圧Ｖ_ｂが直流電圧として出力される。

昇圧された電圧はＤＣ／ＤＣインバータコントローラ５０によりバス電圧指令値Ｖ_ｄ ^＊に追従させるように制御され、バス電圧指令値Ｖ_ｄ ^＊と一致したバス電圧Ｖ_ｄが出力される。

ＤＣ／ＤＣコンバータ３０のＩＧＢＴ３１Ａ、３１Ｂのベース端子には、ＤＣ／ＤＣコンバータコントローラ５０からＤＣ／ＤＣコンバータコントロール信号が入力され、ＤＣ／ＤＣコンバータコントロール信号によりＩＧＢＴ３１Ａ、３１Ｂの導通／非導通状態が制御される。ＤＣ／ＤＣコンバータコントロール信号はＰＷＭ信号とすることができる。

充放電電力リミットコントローラ２０は、リミッタ部２１とＰＩ制御部２２とで構成することができる。

リミッタ部２１は、出力電圧信号検出信号Ｖ_ｂ’として検出された蓄電池電圧Ｖ_ｂが下限値Ｖ_ｂＬ’を下回る場合は下限値Ｖ_ｂＬ’に制限して出力し、出力電圧信号検出信号Ｖ_ｂ’が上限値Ｖ_ｂＨ’を上回る場合は上限値Ｖ_ｂＨ’に制限して出力する。これにより、リミッタ回路２１から出力される信号は下限値Ｖ_ｂＬ’と上限値Ｖ_ｂＨ’との間の範囲の電圧信号となり蓄電池１０の出力電圧指令信号Ｖ_ｂ’^＊として利用される。

ＰＩ制御部２２は、出力電圧信号検出信号Ｖ_ｂ’と出力電圧指令信号Ｖ_ｂ’^＊との偏差を比例積分演算（増幅）し、出力偏差である充放電電力リミットコントロール信号ΔＰを生成し、インバータコントローラ９０に出力する。

インバータコントローラ９０においては、次の処理がなされる。入力電力信号Ｐ_ｉｎ’が追従すべき目標である入力電力指令信号Ｐ_ｉｎ’^＊、に充放電電力リミットコントロール信号ΔＰ’を加算することにより、充放電電力信号Ｐ_ｉｎｖ’が追従すべき目標である充放電電力指令信号Ｐ_ｉｎｖ’^＊を算出する。

乗算部９１は、算出された充放電電力指令信号Ｐ_ｉｎｖ’^＊を検出された入力電圧信号Ｖ_ｉｎ’で乗算することにより交流に変換し、さらに検出した出力電流を減算することでインバータ電流信号Ｉ_ｉｎｖ’の追従すべき目標であるインバータ電流指令信号Ｉ_ｉｎｖ’^＊を算出する。

増幅部９２は、フィードバックされてきた信号を増幅するものであり、インバータ電流指令信号Ｉ_ｉｎｖ’^＊と検出されたインバータ電流信号Ｉ_ｉｎｖ’との偏差を増幅することでインバータ補正電圧信号とされ、入力電圧信号Ｖ_ｉｎ’が加算されてＰＷＭ制御信号生成部９３に出力される。

ＰＷＭ制御信号生成部９３は入力電圧信号Ｖ_ｉｎ’が加算されたインバータ補正電圧信号に基づいてインバータ４０を制御するためのインバータコントロール信号を生成する。インバータコントロール信号により、インバータ電流信号Ｉ_ｉｎｖ’がインバータ電流指令信号Ｉ_ｉｎｖ’^＊に追従し、かつ、出力電圧信号検出信号Ｖ_ｂ’が充放電リミット値に達している場合には、充放電電力リミットコントロール信号ΔＰに基づき、出力電圧指令信号Ｖ_ｂ’^＊に追従するようにインバータ４０が制御される。

このように、インバータコントローラ９０およびＤＣ／ＤＣコンバータコントローラ５０によりインバータ４０およびＤＣ／ＤＣコンバータがそれぞれ制御されることにより、蓄電池電圧Ｖ_ｂが出力電力指令値Ｖ_ｂ ^＊の所定の範囲内で蓄電池１０への充放電電力が制御される。これにより、充放電電流と蓄電池の内部インピーダンスとにより生じた電圧降下により蓄電池電圧Ｖ_ｂが所定の範囲を超えることによるシステムの停止を防止し、蓄電池の内部インピーダンスに起因する充放電電力量の減少を防止することができる。

図３は、充放電電流とＳＯＣとの関係を示す説明図である。

図３に示すように、従来のＣＣＣＶ制御の充電方式のＣＣ制御を利用して蓄電池１０への充電を行うと、一定電流による充電時においては充電電流と蓄電池１０の内部インピーダンスとにより生じた電圧降下により見かけ上蓄電池電圧Ｖ_ｂが増大する。そして充電を停止すると該電圧降下が消滅し、充電時の見かけ上の蓄電池電圧Ｖ_ｂに対して蓄電池電圧Ｖ_ｂが低下する。放電時は、この逆の動作となる。この現象は、図３の細い矢印で示すように蓄電池１０の使用可能なＳＯＣの範囲を縮小させる。本実施形態に係る給電システムによれば、蓄電池１０の出力電圧が所定の範囲となるように充放電電力を制御するため、蓄電池の内部インピーダンスによる影響を抑制することができる。図３の太い矢印で示すように、本実施形態に係る給電システムによれば、蓄電池１０の使用可能なＳＯＣの範囲を拡大させることができる。

駆動部９４は、インバータコントロール信号をインバータ４０を駆動可能な電力に増幅してインバータ４０に出力する。

以上、本発明の実施形態に係る電力給電システムについて詳細に説明したが、本発明の実施形態に係る電力給電システムによれば、蓄電池の出力電圧と出力電力指令値との偏差に基づく制御信号により充放電の電力を制御する。これにより、蓄電池の内部インピーダンスによる影響を抑制し、蓄電池が本来有する充電充放電電力量を十分に有効利用することができる。

また、充電充放電電力量を有効利用することができるため、充電地の容量を削減することが可能となり、小型化、コスト低減を実現することができる。

１電力給電システム、
１０蓄電池、
２０充放電電力リミットコントローラ、
２９蓄電池電圧センサ、
３０ＤＣ／ＤＣコンバータ、
３９バス電圧センサ、
４０インバータ、
４９インバータ電流センサ、
５０ＤＣ／ＤＣコンバータコントローラ、
６０商用電源、
７０発電装置、
８０負荷装置、
８９出力電流センサ、
９０インバータコントローラ。

Claims

充放電可能な蓄電池と、
前記蓄電池を充放電する充放電装置と、
前記蓄電池の出力電圧指令信号と検出した前記蓄電池の出力電圧検出信号との偏差を増幅した充放電電力リミットコントロール信号を出力する充放電電力リミットコントローラと、を有し、
前記充放電装置は、前記充放電電力リミットコントロール信号に基づき前記蓄電池の充放電の電力を制御する充放電コントローラを備えることを特徴とする電力給電システム。
前記充放電電力リミットコントローラは、
前記出力電圧検出信号を上限値または下限値により制限して前記出力電圧指令信号として出力するリミッタ部と、
前記出力電圧指令信号と出力電圧検出信号との偏差を比例積分して前記充放電電力リミットコントロール信号を生成するＰＩ制御部と、
を有することを特徴とする請求項１に記載の電力給電システム。
商用電源に依らない発電可能な発電装置と、
前記発電装置および商用電源の少なくとも一方から電力が供給される負荷と、をさらに有し、
前記充放電装置は、
前記蓄電池の出力電圧を昇圧してバス電圧を生成するＤＣ／ＤＣコンバータと、
前記蓄電池への充電時には前記発電装置および商用電源の少なくとも一方の交流電力を整流して前記バス電圧を電圧源とする直流電力に変換し、前記蓄電池からの放電時には前記バス電圧を電圧源とする直流電力を交流電力に変換して前記負荷に電力供給するインバータと、
を備えることを特徴とする請求項１または２に記載の電力給電システム。
前記充放電コントローラは、前記バス電圧のバス電圧指令信号と、検出した前記バス電圧のバス電圧検出信号と、の偏差を増幅した信号に基づきバス電圧をバス電圧指令値に追従させるＤＣ／ＤＣコンバータコントローラを有し、前記ＤＣ／ＤＣコンバータコントローラにより、前記ＤＣ／ＤＣコンバータを制御することを特徴とする請求項３に記載の電力給電システム。
前記充放電コントローラは、前記商用電源からの電力指令信号と前記充放電電力リミットコントロール信号とを加算し、前記商用電源からの出力電力を示す出力電力信号を減算した信号を商用電圧検出信号で除算したインバータ電流指令信号を目標値として、前記インバータの入出力電流を検出したインバータ電流検出信号が追従するように制御するインバータコントローラを有し、前記インバータコントローラにより、前記インバータを制御することを特徴とする請求項３記載の電力給電システム。
前記充放電コントローラは前記ＤＣ／ＤＣコンバータおよび前記インバータをＰＷＭにより制御することを特徴とする請求項４または５に記載の電力給電システム。
前記蓄電池は、二次電池、電気二重層キャパシタ、およびリチウムイオンキャパシタの少なくともいずれかであって、内部インピーダンスを有していることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の電力給電システム。