JP2014096935A - Ｄｃ−ｄｃコンバータシステム - Google Patents

Abstract

【課題】各々のＤＣ−ＤＣコンバータの入力源である二次電池の残量を均一に消費させ、全体としての最大出力で運転時間を長く保つことができるＤＣ−ＤＣコンバータシステムを提供することである。
【解決手段】並列運転中の複数台の各々のＤＣ−ＤＣコンバータ１２１〜１２ｎの出力電流の平均値を演算する監視ユニット１３を有し、各々のＤＣ−ＤＣコンバータ１２１〜１２ｎは、二次電池１１１〜１１ｎから所定の直流電力に変換して出力するＤＣ−ＤＣコンバータ主回路１５１〜１５ｎと、自己のＤＣ−ＤＣコンバータの出力電流が監視ユニット１３で演算された平均値Ｉａｖｅになるように自己のＤＣ−ＤＣコンバータの出力電流を制御する制御装置１６１〜１６ｎと、ＤＣ−ＤＣコンバータ主回路１５１〜１５ｎから出力される直流電力を電流源として負荷に出力する出力回路１７１〜１７ｎとを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、二次電池を入力源とする複数台のＤＣ−ＤＣコンバータを定電圧で並列運転し、負荷に電力を供給するＤＣ−ＤＣコンバータシステムに関する。

例えば、産業機器や通信機器等で二次電池を入力源として負荷（機器）を動作させるＤＣ−ＤＣコンバータシステムがある。このようなＤＣ−ＤＣコンバータシステムでは、例えば、太陽光パネルからの自然エネルギー（直流電力）をパワーコンディショナー（ＰＣ）により充電器を介して二次電池へ充電し、二次電池を入力源とする複数台のＤＣ−ＤＣコンバータを定電圧で並列運転し負荷に電力を供給する。

この場合、自然エネルギーを効率的に充電させるには、入力源である二次電池の残量を均一に消費する必要があり、並列接続された各ＤＣ−ＤＣコンバータの出力を均一に保つことが望ましい。また、二次電池が過放電になると、その二次電池が接続されたＤＣ−ＤＣコンバータは出力が停止するので、二次電池の残量の消費を均一に保つことでＤＣ−ＤＣコンバータシステム全体として最大出力を確保して長期間の使用ができる。

通常、単独運転するＤＣ−ＤＣコンバータは定電圧制御で動作しているが、複数台のＤＣ−ＤＣコンバータを定電圧制御で並列運転するＤＣ−ＤＣコンバータシステムでは、各々のＤＣ−ＤＣコンバータの出力電流Ｉｏ１〜Ｉｏｎを均等にするため、ＤＣ−ＤＣコンバータの出力電圧と出力電流の特性を、図３に示すような電圧電流傾斜特性直線Ｓ０とすることが一般的に行われている。

図３に示すように、ＤＣ−ＤＣコンバータの出力電流Ｉｏが出力電圧Ｖｏの基準電圧Ｖｏ０のときの基準電流Ｉｏ０より大きくなると、ＤＣ−ＤＣコンバータの出力電圧Ｖｏが低下する電圧電流傾斜特性直線Ｓ０とする。これにより、並列接続される各ＤＣ−ＤＣコンバータの出力電流に対する出力電圧を揃えることで、並列運転時の各ＤＣ−ＤＣコンバータの出力電流を均一にしているが、ＤＣ−ＤＣコンバータの調整誤差や部品のばらつきで各々のＤＣ−ＤＣコンバータの電圧電流傾斜特性に多少のアンバランスが発生することがある。特に、並列運転台数が多くなると、図４に示すように、複数台の平均的な電圧電流傾斜特性直線Ｓ０に対して、ずれた電圧電流傾斜特性直線Ｓ１、Ｓ２を有したＤＣ−ＤＣコンバータが存在することがある。その場合、並列運転時の各ＤＣ−ＤＣコンバータの出力電流を均一にできない。

各々のＤＣ−ＤＣコンバータの電圧電流傾斜特性にアンバランスがない場合は、各々のＤＣ−ＤＣコンバータの出力電流は、出力電圧Ｖｏに対して同じ特性で変化するので、各ＤＣ−ＤＣコンバータの出力電流を均一にできる。ところが、複数台の平均的な電圧電流傾斜特性直線Ｓ０に対して、異なる電圧電流傾斜特性直線Ｓ１、Ｓ２を有したＤＣ−ＤＣコンバータがあるときは、出力電圧Ｖｏの変化に対して同じ特性で変化しないので、各ＤＣ−ＤＣコンバータの出力電流を均一にできない。例えば、図４において、出力電圧がＶｏ０のときに電圧電流傾斜特性直線Ｓ０、Ｓ１、Ｓ２の出力電流はＩｏ０となり一致している。一方、出力電圧がＶｏｘのときは、電圧電流傾斜特性直線Ｓ０の出力電流はＩｏｘ０となるが、電圧電流傾斜特性直線Ｓ１の出力電流はＩｏｘ０よりも小さいＩｏｘ１、電圧電流傾斜特性直線Ｓ２の出力電流はＩｏｘ０よりも大きいＩｏｘ２となり、各ＤＣ−ＤＣコンバータの出力電流が均一にならない。

ここで、電源相互の出力電流をセンシングして電流バランスさせることなく、重負荷時の電流バランスをローコストで構成し得るようにしたものがある（例えば、特許文献１参照）。これによれば、定格出力範囲内において出力電流が大きくなれば出力電圧を小さくして、出力電圧−出力電流特性に勾配を付し、複数台の電源装置が並列運転されたとき、特性勾配が交差し、この交差で出力電流がバランスされるようにする。例えば、２つの電源装置ａ、ｂの特性勾配を調整して特性勾配が出力電流の７０％の位置で交差するように設定し、出力電流の出力範囲を軽負荷、中負荷、重負荷の３等分に分割したとき、交差を中負荷から重負荷の間（又は重負荷初期）に設定し、定格出力範囲内において出力電流がバランスされるようにする。

特開平１０−２４８２５３号公報

しかしながら、特許文献１のものでは、特性勾配が交差するのは１箇所だけであり、この交差で出力電流がバランスされているので、定格出力範囲外においては出力電流の誤差が大きくなる。

例えば、図４において、基準電圧Ｖｏ０より低い電圧ＶｏｘでＤＣ−ＤＣコンバータシステムが継続して運転されると、電圧電流傾斜特性直線Ｓ２のＤＣ−ＤＣコンバータの出力電流Ｉｏｘ２が大きくなり、その二次電池が過放電になる可能性が高くなる。もし過放電になると、その二次電池が接続されたＤＣ−ＤＣコンバータは出力が停止する。そうすると、ＤＣ−ＤＣコンバータシステム全体としての出力が低下し、最大出力での長期間の使用ができなくなる。

本発明の目的は、複数台で並列に運転させる各々のＤＣ−ＤＣコンバータの入力源である二次電池の残量を均一に消費させ、全体としての最大出力で運転時間を長く保つことができるＤＣ−ＤＣコンバータシステムを提供することである。

請求項１の発明に係るＤＣ−ＤＣコンバータシステムは、二次電池を入力源とする複数台のＤＣ−ＤＣコンバータを定電圧で並列運転し負荷に電力を供給するＤＣ−ＤＣコンバータシステムにおいて、並列運転中の前記複数台の各々のＤＣ−ＤＣコンバータの出力電流の平均値を演算する監視ユニットと、前記各々のＤＣ−ＤＣコンバータに設けられ前記二次電池から所定の直流電力に変換して出力するＤＣ−ＤＣコンバータ主回路と、前記各々のＤＣ−ＤＣコンバータに設けられ自己のＤＣ−ＤＣコンバータの出力電流が前記監視ユニットで演算された平均値になるように自己のＤＣ−ＤＣコンバータの出力電流を制御する制御装置と、前記各々のＤＣ−ＤＣコンバータに設けられ前記ＤＣ−ＤＣコンバータ主回路から出力される直流電力を電流源として前記負荷に出力する出力回路とを備えたことを特徴とする。

請求項２の発明に係るＤＣ−ＤＣコンバータシステムは、請求項１の発明において、前記制御装置は、自己のＤＣ−ＤＣコンバータの出力電流と前記監視ユニットからの前記複数台の各々のＤＣ−ＤＣコンバータの出力電流の平均値との電流差分を求める差電流演算手段と、自己のＤＣ−ＤＣコンバータの電圧電流傾斜特性直線を算出する電圧電流傾斜特性直線算出手段と、前記電圧電流傾斜特性直線算出手段で算出された前記電圧電流傾斜特性直線、現在の自己のＤＣ−ＤＣコンバータの出力電流及び前記差電流演算手段で求められた電流差分に基づいて自己のＤＣ−ＤＣコンバータ主回路の出力電流が前記監視ユニットで演算された平均値になるように自己のＤＣ−ＤＣコンバータ主回路の出力電圧を調整する電圧指令値演算手段とを備えたことを特徴とする。

本発明によれば、自己のＤＣ−ＤＣコンバータの出力電流が監視ユニットで演算された平均値になるように自己のＤＣ−ＤＣコンバータの出力電流を制御するので、各々のＤＣ−ＤＣコンバータの二次電池の残量を均一に消費することができる。従って、全体としての最大出力で運転できる時間を長く保つことができる。また、制御装置は、自己のＤＣ−ＤＣコンバータ主回路の出力電流が監視ユニットで演算された平均値になるように自己のＤＣ−ＤＣコンバータ主回路の出力電圧を調整するので、ＤＣ−ＤＣコンバータ主回路から出力される直流電力は、出力電流が監視ユニットで演算された平均値である電流源として出力回路から負荷に出力できる。

本発明の実施形態に係るＤＣ−ＤＣコンバータシステムの一例を示す構成図。 本発明の実施形態に係るＤＣ−ＤＣコンバータシステムのＤＣ−ＤＣコンバータにおける制御装置一例の構成図。 ＤＣ−ＤＣコンバータの出力電圧と出力電流との電圧電流傾斜特性直線の一例を示す特性図。 複数台のＤＣ−ＤＣコンバータの出力電圧と出力電流との電圧電流傾斜特性にばらつきが生じた場合の電圧電流傾斜特性直線の一例を示す特性図。

以下、本発明の実施形態を説明する。図１は本発明の実施形態に係るＤＣ−ＤＣコンバータシステムの構成図である。本発明の実施形態に係るＤＣ−ＤＣコンバータシステムは、二次電池１１１〜１１ｎを入力源とする複数台のＤＣ−ＤＣコンバータ１２１〜１２ｎと、並列運転中の複数台の各々のＤＣ−ＤＣコンバータ１２１〜１２ｎの出力電流Ｉｏ１〜Ｉｏｎの平均値Ｉａｖｅを演算する監視ユニット１３とから構成される。

二次電池１１１〜１１ｎを有したＤＣ−ＤＣコンバータ１２１〜１２ｎは、定電圧で並列運転され、負荷１４に電力を供給する。この並列運転により、各々のＤＣ−ＤＣコンバータ１２１〜１２ｎの出力電圧Ｖｏは負荷電圧と等しくなる。

監視ユニット１３は、並列運転中の各々のＤＣ−ＤＣコンバータ１２１〜１２ｎの出力電流Ｉｏ１〜Ｉｏｎに相当する信号［Ｉｏ１］〜［Ｉｏｎ］を入力し、その平均値Ｉａｖｅ｛＝（［Ｉｏ１］＋［Ｉｏ２］＋…＋［Ｉｏｎ］）／ｎ｝を演算し、各々のＤＣ−ＤＣコンバータ１２１〜１２ｎに出力する。

各々のＤＣ−ＤＣコンバータ１２１〜１２ｎは、ＤＣ−ＤＣコンバータ主回路１５１〜１５ｎ、制御装置１６１〜１６ｎ、出力回路１７１〜１７ｎを有する。ＤＣ−ＤＣコンバータ主回路１５１〜１５ｎは、二次電池１１１〜１１ｎに蓄電された電力を所定の直流電力に変換するものである。

制御装置１６１〜１６ｎは、ＤＣ−ＤＣコンバータ１２１〜１２ｎのＤＣ−ＤＣコンバータ主回路１５１〜１５ｎの出力電流Ｉｏ１〜Ｉｏｎが監視ユニット１３で演算された平均値Ｉａｖｅになるように、ＤＣ−ＤＣコンバータ１２１〜１２ｎのＤＣ−ＤＣコンバータ主回路１５１〜１５ｎの出力電圧Ｖｏ１〜Ｖｏｎを調整して、ＤＣ−ＤＣコンバータ１２１〜１２ｎのＤＣ−ＤＣコンバータ主回路１５１〜１５ｎの出力電流Ｉｏ１〜Ｉｏｎを制御するものである。

各々のＤＣ−ＤＣコンバータ主回路１５１〜１５ｎの出力電流Ｉｏ１〜Ｉｏｎは、出力回路１７１〜１７ｎを介して、負荷１４に出力される。

次に、各々のＤＣ−ＤＣコンバータ１２１〜１２ｎの制御装置１６１〜１６ｎについて説明する。各々のＤＣ−ＤＣコンバータ１２１〜１２ｎの制御装置１６１〜１６ｎの構成は、同じ構成であるので、ＤＣ−ＤＣコンバータ１２ｉの制御装置１６ｉについて説明する。

図２は、ＤＣ−ＤＣコンバータ１２ｉの制御装置１６ｉの一例の構成図である。制御装置１６ｉは、自己のＤＣ−ＤＣコンバータ１２ｉのＤＣ−ＤＣコンバータ主回路１５ｉの出力電流Ｉｏｉが監視ユニット１３で演算された平均値Ｉａｖｅになるように、自己のＤＣ−ＤＣコンバータ１２ｉのＤＣ−ＤＣコンバータ主回路１５ｉの出力電圧Ｖｏｉを調整して、自己のＤＣ−ＤＣコンバータ１２ｉのＤＣ−ＤＣコンバータ主回路１５ｉの出力電流Ｉｏｉを制御するものである。

制御装置１６ｉの差電流演算手段１８ｉは、出力電流検出手段１９ｉで検出された自己のＤＣ−ＤＣコンバータ１２ｉの出力電流Ｉｏｉと、監視ユニット１３からの複数台の各々のＤＣ−ＤＣコンバータ１２１〜１２ｎの出力電流の平均値Ｉａｖｅとの電流差分ΔＩｏｉを求めるものである。また、ＤＣ−ＤＣコンバータ１２ｉの出力電流Ｉｏｉに相当する信号［Ｉｏｉ］を監視ユニット１３に出力する。出力電流検出手段１９ｉは、電流変成器２０ｉで計測されたＤＣ−ＤＣコンバータ主回路１５ｉの出力電流Ｉｏｉを入力し、自己のＤＣ−ＤＣコンバータ１２ｉの出力電流Ｉｏｉとして検出する。

出力電流検出手段１９ｉで検出された自己のＤＣ−ＤＣコンバータ１２ｉの出力電流Ｉｏｉは、電圧電流傾斜特性直線算出手段２１ｉに入力される。電圧電流傾斜特性直線算出手段２１ｉは、自己のＤＣ−ＤＣコンバータ１２ｉの電圧電流傾斜特性直線Ｓｉを算出するものである。

次に、電圧指令値演算手段２２ｉは、電圧電流傾斜特性直線算出手段２１ｉで算出された電圧電流傾斜特性直線Ｓｉ、電圧検出手段２３ｉで検出された出力Ｖｏｉ及び差電流演算手段１８ｉで求められた電流差分ΔＩｏｉに基づいて、ＤＣ−ＤＣコンバータ主回路１５ｉの出力電流Ｉｏｉが監視ユニット１３で演算された平均値Ｉａｖｅになるように、ＤＣ−ＤＣコンバータ主回路１５ｉの出力電圧Ｖｏｉを調整するものである。

いま、ＤＣ−ＤＣコンバータ１２ｉは、並列運転中の複数台の各々のＤＣ−ＤＣコンバータ１２１〜１２ｎの出力電流Ｉｏ１〜Ｉｏｎの平均値Ｉａｖｅより大きい出力電流Ｉｏ１（出力電圧Ｖｏ１）と、出力電流Ｉｏ１より更に大きい出力電流Ｉｏ２（出力電圧Ｖｏ２）と、平均値Ｉａｖｅより小さい出力電流Ｉｏ３（出力電圧Ｖｏ３）で運転されているとする。この状態で、ＤＣ−ＤＣコンバータ１２ｉの出力電流Ｉｏ１は、その電流差分ΔＩｏ１｛＝Ｉｏ１−Ｉａｖｅ｝から判別された制御幅ΔＶｏ１ずつ一定時間ごとに、ＤＣ−ＤＣコンバータ主回路１５ｉの出力電圧Ｖｏｉを下げて（Ｖｏ１−ΔＶｏ１）出力し、出力電流Ｉｏ１が平均値Ｉａｖｅになるように制御する。また、ＤＣ−ＤＣコンバータ１２ｉの出力電流Ｉｏ２（出力電流Ｉｏ１より大きい）は、その電流差分ΔＩｏ２｛＝Ｉｏ２−Ｉａｖｅ｝（電流差分ΔＩｏ１より大きい）から判別された制御幅ΔＶｏ２（制御幅ΔＶｏ１より大きい制御幅）ずつ一定時間ごとに、ＤＣ−ＤＣコンバータ主回路１５ｉの出力電圧Ｖｏｉを下げて（Ｖｏ２−ΔＶｏ２）出力し、出力電流Ｉｏ２が平均値Ｉａｖｅになるように制御する。ＤＣ−ＤＣコンバータ１２ｉの出力電流Ｉｏ３は、平均値Ｉａｖｅより小さいので、その電流差分ΔＩｏ３｛＝Ｉａｖｅ−Ｉｏ３｝から判別された制御幅ΔＶｏ３ずつ一定時間ごとに、ＤＣ−ＤＣコンバータ主回路１５ｉの出力電圧Ｖｏｉを上げて（Ｖｏ３＋ΔＶｏ３）出力し、出力電流Ｉｏ３が平均値Ｉａｖｅになるように制御する。各々のＤＣ−ＤＣコンバータ１２１〜１２ｎのＤＣ−ＤＣコンバータ主回路１５ｉの出力電圧Ｖｏｉの上昇及び下降の制御幅は、その状態の平均値Ｉａｖｅと自己の出力電流Ｉｏｉの電流差分（絶対値として取扱い）の大きさにより判別されて、電流差分が大きいほど制御幅も大きくなり、電流差分が小さいほど制御幅も小さくなる。また、ＤＣ−ＤＣコンバータ主回路１５ｉの出力電圧Ｖｏｉを制御する間隔は、電圧電流傾斜特性直線Ｓｉの制御に影響を与えないほどにゆるやかに一定間隔で行う。例えば、１秒間に２回程度で行なう。これにより、各々のＤＣ−ＤＣコンバータ１２ｉのＤＣ−ＤＣコンバータ主回路１５ｉの出力電圧Ｖｏｉが徐々に可変されて、各々のＤＣ−ＤＣコンバータ１２ｉの出力電流Ｉｏｉが平均値Ｉａｖｅになるように制御を繰り返し行う。

以上のように、本発明の実施形態では、各々のＤＣ−ＤＣコンバータ１２１〜１２ｎで計測している出力電流Ｉｏ１〜Ｉｏｎに相当する電流［Ｉｏ１］〜［Ｉｏｎ］を監視ユニット１３で集約して、運転中の台数ｎで割り算した平均値Ｉａｖｅ(ＤＣ−ＤＣコンバータ１２の１台当りの出力電流)を各々のＤＣ−ＤＣコンバータ１２１〜１２ｎに出力し、各々のＤＣ−ＤＣコンバータ１２１〜１２ｎは、監視ユニット１３から入力したレベルに合わせて出力電流Ｉｏｉ(制御するのは出力電圧Ｖｏｉ)を制御する。

つまり、各々のＤＣ−ＤＣコンバータ１２１〜１２ｎの出力電流のアンバランスを補正し、二次電池１１１〜１１ｎの残量の消費を均一にするので、特定の二次電池１１が過放電になることを防止できる。従って、ＤＣ−ＤＣコンバータシステムから切り離されるのを防止でき、ＤＣ−ＤＣコンバータシステム全体として最大出力を確保して長期間の使用ができる。

本発明の実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１１…二次電池、１２…ＤＣ−ＤＣコンバータ、１３…監視ユニット、１４…負荷、１５…ＤＣ−ＤＣコンバータ主回路、１６…制御装置、１７…出力回路、１８…差電流演算手段、１９…出力電流検出手段、２０…電流変成器、２１…電圧電流傾斜特性直線算出手段、２２…電圧指令値演算手段、２３…電圧検出手段、２４…電圧変成器

Claims (2)

1. 二次電池を入力源とする複数台のＤＣ−ＤＣコンバータを定電圧で並列運転し負荷に電力を供給するＤＣ−ＤＣコンバータシステムにおいて、並列運転中の前記複数台の各々のＤＣ−ＤＣコンバータの出力電流の平均値を演算する監視ユニットと、前記各々のＤＣ−ＤＣコンバータに設けられ前記二次電池から所定の直流電力に変換して出力するＤＣ−ＤＣコンバータ主回路と、前記各々のＤＣ−ＤＣコンバータに設けられ自己のＤＣ−ＤＣコンバータの出力電流が前記監視ユニットで演算された平均値になるように自己のＤＣ−ＤＣコンバータの出力電流を制御する制御装置と、前記各々のＤＣ−ＤＣコンバータに設けられ前記ＤＣ−ＤＣコンバータ主回路から出力される直流電力を電流源として前記負荷に出力する出力回路とを備えたことを特徴とするＤＣ−ＤＣコンバータシステム。
2. 前記制御装置は、自己のＤＣ−ＤＣコンバータの出力電流と前記監視ユニットからの前記複数台の各々のＤＣ−ＤＣコンバータの出力電流の平均値との電流差分を求める差電流演算手段と、自己のＤＣ−ＤＣコンバータの電圧電流傾斜特性直線を算出する電圧電流傾斜特性直線算出手段と、前記電圧電流傾斜特性直線算出手段で算出された前記電圧電流傾斜特性直線、現在の自己のＤＣ−ＤＣコンバータの出力電流及び前記差電流演算手段で求められた電流差分に基づいて自己のＤＣ−ＤＣコンバータ主回路の出力電流が前記監視ユニットで演算された平均値になるように自己のＤＣ−ＤＣコンバータ主回路の出力電圧を調整する電圧指令値演算手段とを備えたことを特徴とする請求項１に記載のＤＣ−ＤＣコンバータシステム。

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