JP2013247780A

JP2013247780A - 制御装置、電力供給システム、および制御方法

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Publication number: JP2013247780A
Application number: JP2012120100A
Authority: JP
Inventors: Akira Goto; 亮後藤
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2012-05-25
Filing date: 2012-05-25
Publication date: 2013-12-09

Abstract

【課題】直流負荷の消費電力の変動に対して交流直流変換器による変換における電力の損失の増大を抑制する。
【解決手段】制御装置１１は電力供給システム１０において蓄電池１６の充電および放電を制御する。電力供給システム１０は交流直流変換器１４で変換した直流電力および蓄電池１６に放電させた直流電力を直流負荷１７に供給可能である。電力供給システム１０は交流直流変換器１４で交換した直流電力を蓄電池１６に充電可能である。制御装置１１は直流負荷１７の消費電力に応じて電力供給システム１０における交流直流変換器１４の変換効率が最大となるように蓄電池１６の充電および放電を制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、直流負荷に直流電力を供給可能な蓄電池を制御する制御装置、電力供給システム、および制御方法に関する。

商用系統の電力需要のピーク外時間帯に蓄電池に充電し、電力需要のピーク時間帯に蓄電池から放電する電力を需要家の負荷に供給する電力供給システムが開示されている（特許文献１および特許文献２参照）。

特開２００８−２５３０３３号公報特開２００２−３５９０８７号公報

負荷には商用系統が電力を供給することが一般的であるため、従来の負荷は交流電力を用いて駆動するように製造される。しかし、上述の電力供給システムにおいては蓄電池が電力を供給可能なので、一部の負荷においては直流電力を用いて駆動するように製造される。蓄電池が直流負荷に直接直流電力を供給することにより、直流電力を交流電力に変換する際に生じる変換ロスの発生を防止可能である。

ただし、蓄電池が常に電力を供給できるわけではないので、商用系統からも直流負荷に電力を給電可能に構成する必要がある。そのような構成においては、直流負荷の消費電力の変動に応じて、直流電力に変換される交流電力が変動する。

商用系統の交流電力の直流電力への変換には、交流直流変換器が用いられる。交流直流変換器の変換効率は、変換する電力に応じて変動する。それゆえ、直流電力に変換する交流電力が変動する場合には、変換による電力の損失が増大するという問題が生じ得る。

したがって、かかる事情に鑑みてなされた本発明の目的は、直流負荷の消費電力の変動に対して交流直流変換における電力の損失の増大を抑制する制御装置、電力供給システム、および制御方法を提供することにある。

上述した諸課題を解決すべく、第１の観点による制御装置は、
交流直流変換器で変換した直流電力および蓄電池に放電させた直流電力を直流負荷に供給可能且つ交流直流変換器で交換した直流電力を前記蓄電池に充電可能な電力供給システムにおいて、蓄電池の充電および放電を制御する制御装置であって、
直流負荷の消費電力に応じて電力供給システムにおける交流直流変換器の変換効率が最大となるように、蓄電池の充電および放電を制御する
ことを特徴とするものである。

また、当該制御装置は、
交流直流変換器特有の変換効率を最大化させる変換電力である最大変換電力と、蓄電池の最大充電電力および最大放電電力とに対する消費電力の比較に基づいて、蓄電池の充電および放電の制御を変える
ことが好ましい。

また、当該制御装置は、
消費電力が最大変換電力より大きく且つ最大変換電力に最大放電電力を加えた電力未満である場合に、消費電力から蓄電池の放電電力を減じた電力が最大変換電力に一致するように、蓄電池を放電させる
ことが好ましい。

また、当該制御装置は、
消費電力が最大変換電力から最大充電電力を減じた電力より大きく且つ最大変換電力未満である場合に、消費電力と蓄電池への充電電力との合計が最大変換電力に一致するように、蓄電池を充電させる
ことが好ましい。

また、当該制御装置は、
消費電力が最大変換電力に最大放電電力を加えた電力を超える場合に、蓄電池に最大放電電力で放電させる
ことが好ましい。

また、当該制御装置は、
消費電力が最大変換電力から最大充電電力を減じた電力未満である場合に、蓄電池を最大充電電力で充電させる
ことが好ましい。

また、当該制御装置は、
消費電力が最大放電電力未満である場合に、蓄電池に消費電力で放電させる
ことが好ましい。

また、上述した諸課題を解決すべく、第１の観点による電力供給システムは、
交流直流変換器および蓄電池の少なくとも一方と、
交流直流変換器で変換した直流電力および蓄電池に放電させた直流電力を直流負荷に供給可能であって交流直流変換器で交換した直流電力を前記蓄電池に充電可能な電力供給システムにおいて、直流負荷の消費電力に対して電力供給システムにおける交流直流変換器の変換効率が最大となるように、蓄電池の充電および放電を制御する制御装置とを備える
ことを特徴とするものである。

上述したように本発明の解決手段を装置として説明してきたが、本発明はこれらに実質的に相当する方法、プログラム、プログラムを記録した記憶媒体としても実現し得るものであり、本発明の範囲にはこれらも包含されるものと理解されたい。

例えば、本発明の第１の観点を方法として実現させた制御方法は、
交流直流変換器で変換した直流電力および蓄電池に放電させた直流電力を直流負荷に供給可能且つ交流直流変換器で交換した直流電力を蓄電池に充電可能な電力供給システムにおいて、蓄電池の充電および放電を制御する制御方法であって、
直流負荷の消費電力を検出する検出ステップと、
消費電力に応じて電力供給システムにおける交流直流変換器の変換効率が最大となるように、蓄電池の充電および放電を制御する
ことを特徴としている。

上記のように構成された本発明に係る制御装置、電力供給システム、および制御方法によれば、直流負荷の消費電力の変動に対して交流直流変換における電力の損失の増大を抑制可能である。

本発明の一実施形態に係る制御装置を含む電力供給システムの概略構成を示す機能ブロック図である。図１における交流直流変換器の出力電力の調整可能範囲を説明する概念図である。第１の範囲から第５の範囲を説明するための、交流直流変換器における出力電力および変換効率の関係を示すグラフである。消費電力が第２の範囲に含まれる場合において変換効率が最大となる出力電圧を示すための、交流直流変換器における出力電力および変換効率の関係を示すグラフである。消費電力が第３の範囲に含まれる場合において変換効率が最大となる出力電圧を示すための、交流直流変換器における出力電力および変換効率の関係を示すグラフである。消費電力が第４の範囲に含まれる場合において変換効率が最大となる出力電圧を示すための、交流直流変換器における出力電力および変換効率の関係を示すグラフである。消費電力が第５の範囲に含まれる場合において変換効率が最大となる出力電圧を示すための、交流直流変換器における出力電力および変換効率の関係を示すグラフである。第１の実施形態において制御装置が実行する充電および放電処理を示すフローチャートである。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。

まず、本発明の一実施形態に係る制御装置を含む電力供給システムについて説明する。図１は、本実施形態に係る制御装置を含む電力供給システムの概略構成を示す機能ブロック図である。図１において、各機能ブロックを結ぶ実線は、電力の流れを表す。また、図１において、各機能ブロックを結ぶ破線は、制御信号または通信される情報の流れを表す。

図１に示すように、本実施形態に係る電力供給システム１０は、制御装置１１、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２、センサ１３、および交流直流変換器１４を含んで構成される。

電力供給システム１０は、商用系統１５から給電される電力の他、蓄電池１６に充電された電力のうち放電された電力を、直流負荷１７に供給可能である。

制御装置１１は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２を介して蓄電池１６への充電及び蓄電池１６からの放電を制御する。また、制御装置１１は、交流直流変換器１４における商用系統１５から給電される交流電力の直流電力への変換を制御する。制御装置１１による蓄電池１６の充電および放電の制御については、後に詳細に説明する。

ＤＣ／ＤＣコンバータ１２は、制御装置１１による制御に基づいて蓄電池１６を充電するときの充電電力および蓄電池１６から放電させるときの放電電力を調整する。

センサ１３は、直流負荷１７の消費電力を検出する。また、センサ１３は、検出した消費電力を制御装置１１に通知する。

交流直流変換器１４は、制御装置１１による制御に基づいて、商用系統１５から給電される交流電力を直流電力に変換する。

図１において、電力供給システム１０に接続される直流負荷１７は、任意の数とすることができる。これらの直流負荷１７は、例えば、照明などの種々の電化製品である。

次に、制御装置１１による蓄電池１６の充電および放電の制御について詳細に説明する。制御装置１１は、センサ１３が検出した消費電力が第１の範囲から第５の範囲のいずれに含まれるかを判別し、判別した範囲に応じて充電および放電の制御を変える。

蓄電池１６の充電および放電を制御することにより、交流直流変換器１４に変換させる電力、すなわち出力電力を調整することが可能である。直流負荷１７に直流電力を給電する場合に交流直流変換器１４に変換させる電力すなわち出力電力は、図２に示すように、直流負荷１７の消費電力から蓄電池１６の最大放電電力を減じた電力以上、直流負荷１７の消費電力に蓄電池１６の最大充電電力を加えた電力以下の範囲である調整可能範囲内で調整可能である。または、出力電力がゼロになるように調整も可能である。

制御装置１１は、第１の範囲から第５の範囲それぞれにおいて電力供給システム１０における交流直流変換器１４の変換効率が最大となるように、蓄電池１６の充電および放電の制御を変える。言い換えると、交流直流変換器１４が交流直流変換を実行する場合には調整可能範囲内で変換効率が最大となるように、制御装置１１は蓄電池１６の充電および放電を制御する。

第１の範囲から第５の範囲は、交流直流変換器１４の出力電力および変換効率の関係と、蓄電池１６の最大充電電力および最大放電電力とに基づいて、予め定められる。以下の説明において、最大変換電力とは、交流直流変換器１４において変換効率が最大となる出力電力である。また、蓄電池１６の最大放電電力とは、蓄電池１６が放電可能な電力の最大値である。また、蓄電池１６の最大充電電力とは、蓄電池１６が充電可能な電力の最大値である。また、第１の基準電力とは、最大変換電力から蓄電池１６の最大充電電力を減じた電力である。また、第２の基準電力とは、最大変換電力に蓄電池１６の最大放電電力を加えた電力である。

図３に示すように、第１の範囲は、０より大きく、蓄電池１６の最大放電電力以下の範囲である。第２の範囲は、蓄電池１６の最大放電電力より大きく、第１の基準電力以下の範囲である。第３の範囲は、第１の基準電力より大きく、最大変換電力以下の範囲である。第４の範囲は、最大変換電力より大きく、第２の基準電力以下の範囲である。第５の範囲は、第２の基準電力より大きい範囲である。

直流負荷１７の消費電力が第１の範囲に含まれる場合には、制御装置１１は、蓄電池１６の放電電力のみにより直流負荷１７に給電し、交流直流変換器１４の交流直流変換を停止するように、すなわち蓄電池１６の放電電力が直流負荷１７の消費電力に一致するように、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２および交流直流変換器１４を制御する。

直流負荷１７の消費電力が第２の範囲に含まれる場合には、制御装置１１は、蓄電池１６が実質的に最大充電電力で充電されるように、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２および交流直流変換器１４を制御する。すなわち、このような制御では、商用系統１５から給電される電力が直流負荷１７および蓄電池１６に給電され、直流負荷１７が駆動し、蓄電池１６への充電が実行される。

直流負荷１７の消費電力が第３の範囲に含まれる場合には、制御装置１１は、直流負荷１７の消費電力および蓄電池１６の充電電力の合計が最大変換電力に実質的に一致するように、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２および交流直流変換器１４を制御する。このような制御では、商用系統１５の電力が直流負荷１７および蓄電池１６に給電され、直流負荷１７が駆動し、蓄電池１６への充電が実行される。

直流負荷１７の消費電力が第４の範囲に含まれる場合には、制御装置１１は、最大変換電力および蓄電池１６の放電電力の合計が直流負荷１７の消費電力に実質的に一致するように、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２および交流直流変換器１４を制御する。このような制御では、商用系統１５の電力および蓄電池１６の放電する電力が直流負荷１７に給電され、直流負荷１７が駆動する。

直流負荷１７の消費電力が第５の範囲に含まれる場合には、制御装置１１は、蓄電池１６が最大放電電力で放電するように、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２および交流直流変換器１４を制御する。このような制御では、商用系統１５の電力および蓄電池１６の放電する電力が直流負荷１７に給電され、直流負荷１７が駆動する。

ただし、上述の蓄電池１６の充電の制御は、蓄電池１６に充電された電力の残量が蓄電池１６への充電が不可能となる上限閾値以下である場合に、実行される。また、上述の蓄電池１６への放電の制御は、蓄電池１６に充電された電力の残量が蓄電池１６の放電が不可能となる下限閾値以上である場合に、実行される。

消費電力が第１の範囲に含まれる場合には、調整可能範囲内で変換効率を最大化させる制御より、蓄電池１６のみを用いて直流負荷に給電する制御の方が、電力供給システム１０における交流直流変換器１４の効率を向上可能である。

また、消費電力が第２の範囲から第５の範囲に含まれる場合には、上述のような制御を行うことにより、調整可能範囲内で交流直流変換器１４の変換効率が最大となる（図４〜図７参照）。

次に、制御装置１１が実行する蓄電池１６の充電および放電処理について、図８のフローチャートを用いて説明する。充電および放電処理は、各直流負荷１７のＯＮ／ＯＦＦの切替え時やセンサ１３による消費電力の変動の検出時、または例えば１０分間などの所定の周期毎に開始する。

ステップＳ１００において、制御装置１１は、センサから直流負荷１７の消費電力を取得する。消費電力を取得すると、プロセスはステップＳ１０１に進む。

ステップＳ１０１では、制御装置１１は、消費電力が第２の範囲および第３の範囲のいずれかに含まれるか否かを判別する。消費電力が第２の範囲および第３の範囲のいずれかに含まれる場合には、プロセスはステップＳ１０２に進む。消費電力が第２の範囲および第３の範囲の何れにも含まれない場合、すなわち消費電力が第１の範囲、第４の範囲、および第５の範囲のいずれかに含まれる場合には、プロセスはステップＳ１０７に進む。

ステップＳ１０２では、制御装置１１は、蓄電池１６に充電された電力の残量を上限閾値と比較する。電力の残量が上限閾値を超える場合には、プロセスはステップＳ１０３に進む。電力の残量が上限閾値以下である場合には、プロセスはステップＳ１０４に進む。

ステップＳ１０３では、制御装置１１は、蓄電池１６の充電および放電のいずれも停止し、商用系統１５の電力のみを直流負荷１７に給電するように、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２および交流直流変換器１４を制御する。充電および放電の停止後に、充電および放電処理を終了する。

ステップＳ１０４では、制御装置１１は、消費電力が第２の範囲に含まれるか否かを判別する。消費電力が第２の範囲に含まれる場合には、プロセスはステップＳ１０５に進む。消費電力が第２の範囲に含まれない場合、すなわち消費電力が第３の範囲に含まれる場合には、プロセスはステップＳ１０６に進む。

ステップＳ１０５では、制御装置１１は、蓄電池１６への充電電力が最大充電電力に実質的に一致するように、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２および交流直流変換器１４を制御する。充電電力の調整後、充電および放電処理を終了する。

ステップＳ１０６では、制御装置１１は、蓄電池１６への充電電力が最大変換電力から消費電力を減じた電力に実質的に一致するように、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２および交流直流変換器１４を制御する。充電電力の調整後、充電および放電処理を終了する。

前述のように、ステップＳ１０１において消費電力が第２の範囲および第３の範囲の何れにも含まれない場合に、プロセスはステップＳ１０７に進む。ステップＳ１０７では、制御装置１１は、蓄電池１６に充電された電力の残量を下限閾値と比較する。電力の残量が下限閾値未満である場合には、プロセスは前述のステップＳ１０３に進む。電力の残量が下限閾値以上である場合には、プロセスはステップＳ１０８に進む。

ステップＳ１０８では、制御装置１１は、消費電力が第１の範囲に含まれるか否かを判別する。消費電力が第１の範囲に含まれる場合には、プロセスはステップＳ１０９に進む。消費電力が第１の範囲に含まれない場合には、プロセスはステップＳ１１０に進む。

ステップＳ１０９では、制御装置１１は、蓄電池１６の放電電力が消費電力に実質的に一致するように、すなわち直流負荷１７を蓄電池１６のみから給電するように、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２および交流直流変換器１４を制御する。放電電力の調整後、充電および放電処理を終了する。

ステップＳ１１０では、制御装置１１は、消費電力が第４の範囲に含まれるか否かを判別する。消費電力が第４の範囲に含まれる場合には、プロセスはステップＳ１１１に進む。消費電力が第４の範囲に含まれない場合、すなわち消費電力が第５の範囲に含まれる場合には、プロセスはステップＳ１１２に進む。

ステップＳ１１１では、制御装置１１は、蓄電池１６の放電電力が消費電力から最大変換電力を減じた電力に実質的に一致するように、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２および交流直流変換器１４を制御する。放電電力の調整後、充電および放電処理を終了する。

ステップＳ１１２では、制御装置１１は、蓄電池１６の放電電力が最大放電電力に実質的に一致するように、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２および交流直流変換器１４を制御する。放電電力の調整後、充電および放電処理を終了する。

以上のような構成の本実施形態の制御装置１１によれば、電力供給システム１０における交流直流変換器１４の変換効率が最大となるように、蓄電池１６の充電および放電を制御可能である。変動する直流負荷１７の消費電力に対して変換効率が最大の状態で交流直流変換器１４による交流直流変換を実行するので、変換による電力の損失の増大を抑制することが可能である。

本発明を諸図面や実施形態に基づき説明してきたが、当業者であれば本開示に基づき種々の変形や修正を行うことが容易であることに注意されたい。従って、これらの変形や修正は本発明の範囲に含まれることに留意されたい。

１０電力供給システム
１１制御装置
１２ＤＣ／ＤＣコンバータ
１３センサ
１４交流直流変換器
１５商用系統
１６蓄電池
１７直流負荷

Claims

交流直流変換器で変換した直流電力および蓄電池に放電させた直流電力を直流負荷に供給可能且つ前記交流直流変換器で交換した直流電力を前記蓄電池に充電可能な電力供給システムにおいて、前記蓄電池の充電および放電を制御する制御装置であって、
前記直流負荷の消費電力に応じて前記電力供給システムにおける前記交流直流変換器の変換効率が最大となるように、前記蓄電池の充電および放電を制御する
ことを特徴とする制御装置。
請求項１に記載の制御装置であって、前記交流直流変換器特有の変換効率を最大化させる変換電力である最大変換電力と、前記蓄電池の最大充電電力および最大放電電力とに対する前記消費電力の比較に基づいて、前記蓄電池の充電および放電の制御を変えることを特徴とする制御装置。
請求項２に記載の制御装置であって、前記消費電力が前記最大変換電力より大きく且つ前記最大変換電力に前記最大放電電力を加えた電力未満である場合に、前記消費電力から前記蓄電池の放電電力を減じた電力が前記最大変換電力に一致するように、前記蓄電池を放電させることを特徴とする制御装置。
請求項２または請求項３に記載の制御装置であって、前記消費電力が前記最大変換電力から前記最大充電電力を減じた電力より大きく且つ前記最大変換電力未満である場合に、前記消費電力と前記蓄電池への充電電力との合計が前記最大変換電力に一致するように、前記蓄電池を充電させることを特徴とする制御装置。
請求項２から請求項４のいずれかに記載の制御装置であって、前記消費電力が前記最大変換電力に前記最大放電電力を加えた電力を超える場合に、前記蓄電池に前記最大放電電力で放電させることを特徴とする制御装置。
請求項２から請求項５のいずれかに記載の制御装置であって、前記消費電力が前記最大変換電力から前記最大充電電力を減じた電力未満である場合に、前記蓄電池を前記最大充電電力で充電させることを特徴とする制御装置。
請求項２から請求項６のいずれかに記載の制御装置であって、前記消費電力が前記最大放電電力未満である場合に、前記蓄電池に前記消費電力で放電させることを特徴とする制御装置。
請求項１から請求項７のいずれかの制御装置と、前記交流直流変換器および前記蓄電池の少なくとも一方とを備えることを特徴とする電力供給システム。
交流直流変換器で変換した直流電力および蓄電池に放電させた直流電力を直流負荷に供給可能且つ前記交流直流変換器で交換した直流電力を前記蓄電池に充電可能な電力供給システムにおいて、前記蓄電池の充電および放電を制御する制御方法であって、
前記直流負荷の消費電力を検出する検出ステップと、
前記消費電力に応じて前記電力供給システムにおける前記交流直流変換器の変換効率が最大となるように、前記蓄電池の充電および放電を制御する
ことを特徴とする制御方法。