JP2016144315A - 充電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】パワーコンディショナの自立運転においても、蓄電池を十分に充電することが可能な充電装置を提供する。
【解決手段】自立運転機能を有するパワーコンディショナ１２の自立運転コンセントから供給される電力により蓄電池を充電可能な充電装置２０において、蓄電池２３への充電電流を増減する増減手段と、発電電源からパワーコンディショナ１２に供給される電力の時間的変化を検出する検出手段とによって、検出手段によって検出された電力の時間的な増減に合わせて充電電流を増減させることにより、パワーコンディショナを運転停止させること無く充電を可能にする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、充電装置に関するものである。

東日本大震災における停電によって、蓄電池による非常電源装置が重要視されるようになっている。また、東日本大震災の様な大規模災害では長期停電に対応した蓄電装置の必要性が叫ばれており、例えば太陽光発電の自立運転による蓄電池の充電は、その最も手軽な方法として期待されている。また太陽電池からの直接充電を可能にした装置に関する技術も提案されている。

特許文献１には、太陽光電発電装置であって、パワーコンディショナが自立運転機能を有し、パワーコンディショナの自立運転時にも十分な充電を可能とする充電装置が記載されている。

特許文献２には、太陽電池の電流−電圧特性に基づき最大電力点に対応する電圧とするＭＰＰＴ（Maximum Power Point Tracking）制御を行うパワーコンディショナの技術が記載されている。

特許第５１６２０４３号公報 特開平１０−１１７４４０号

太陽光発電の自立運転は、非常時の充電電源として誰もが期待し、実際に蓄電池を販売する各メーカーは「長期の停電時には太陽光発電の自立運転での充電が可能です。」と謳って販売していることが多い。然るに、中・大型蓄電装置の充電は比較的大きな一定の電力によって行う事が一般的なのに対して、太陽光発電の自立運転における発電電力は日照条件に応じて大きく変動するために、実際に自立運転によって充電が可能なのは、太陽光発電の発電電力が充電に必要な電力を安定して上回る場合に限られる。

発電電力が足りない場合には、即座にパワーコンディショナが運転を停止してしまう上に、一旦運転を停止したパワーコンディショナはその後発電が回復しても自動では運転を再開しないことが多く、これが更に問題を大きくする。つまり雲が流れてきても急激に発電電力が低下する太陽光発電は、比較的大きな一定電力を必要とする蓄電池の充電には、原理的にも適していないと言うことが出来る。

市場には太陽電池の直流で直接充電するタイプの蓄電装置も存在し、それは長期停電での充電にも勿論有効であるが、中・大型の蓄電装置の充電にはある程度多数枚の太陽電池が必要になるため、現状ではいつ起きるか分からない長期停電のために多数枚の太陽電池を用意して置くことは経費的に問題が大きい。

また平常時には一般太陽光発電用（つまり自己消費及び売電用）として使用されている太陽電池を、非常時に繋ぎ替えて充電専用に用いることは、技術的には極めて有効な手段ではあるが、一般的にはメーカーの保証問題に絡む為現実的でない場合が多い。

以上のような課題に鑑みれば、やはりパワーコンディショナの自立運転でパワーコンディショナを運転停止すること無く、また、仮に小さな発電電力であっても無駄にする事無く、その時々の発電電力に応じた電力で充電できる充電システムが実現できれば、既に市場に１５０万件以上が存在する太陽光発電ユーザや今後の新規太陽光発電ユーザにとっては、非常に経済的で効率的な非常用充電電源が実現できると考えられる。また、このような自立運転時にパワーコンディショナが運転停止することがない充電システムが要望される。

上記課題を解決するために、本発明はパワーコンディショナの自立運転コンセントから供給される電力により蓄電池を充電可能な充電装置において、前記蓄電池への充電電流を増減する増減手段と、発電電源から前記パワーコンディショナに供給される発電電力の時間的変化を検出する検出手段と前記増減手段によって、前記検出手段によって検出される前記発電電力の時間的変化量がプラスの場合には前記増減手段による前記充電電流の増加を継続し、前記発電電力の時間的変化量がマイナスの場合には前記増減手段によって前記充電電流を減少させる様制御を行う制御手段を有し、前記検出手段及び前記制御手段は、平常時は停止し自立運転時のみ動作することを特徴とする。
この方法によれば、パワーコンディショナの自立運転による充電でもパワーコンディショナを運転停止することなく、しかも発電電力を無駄なく利用して効率良い蓄電池充電が可能になる。

また、発明の一側面は、上記発明に加えて、前記発電電源は太陽電池であり、前記制御手段は、前記太陽電池から前記パワーコンディショナを介して前記蓄電池へ供給される充電電流を制御することを特徴とする。
このような構成によれば、日照状態によって時々刻々と変化する太陽電池であっても、その発電電力を漏れ無く利用して蓄電池を効率よく充電することができる。

また、発明の一側面は、上記発明に加えて、前記制御手段は、前記発電電力の時間的変化量がプラスの場合には前記増減手段による前記充電電流の増加を継続し、前記発電電力の時間的変化量がマイナスである場合には前記増減手段によって前記充電電流を減少させることを特徴とする。

また、発明の一側面は、前記発電電源からの発電電力を、その時点の太陽電池電圧と太陽電池電流から演算して把握し、異なる二つの時点の電力を比較することで、発電電力の時間的変化量を検出することを特徴とする。

また、発明の一側面は、前記発電電源からの発電電力の増減を、パワーコンディショナの自立運転コンセントの出力電力または出力電流から把握し、異なる二つの時点の電力を比較することで、発電電力の時間的変化量を検出することを特徴とする。

本発明によれば、太陽電池の発電電力の変化量を観測しながら、常に太陽電池の発電量に合わせた充電電力で充電を継続させる事が可能になり、結果としてパワーコンディショナの負荷電力が入力電力より大きくなることを防ぐことが出来るため、自立運転の運転停止を確実に防ぎながら充電する蓄電装置を実現できる。

本発明の一実施形態を示すブロック図である。 一般的なＭＰＰＴ回路の動作原理を示すブロック図である。 本発明の他の実施形態を示すブロック図である。 パワーコンディショナの自立運転動作を示すブロック図である。 パワーコンディショナの自立運転において、負荷電流を変化させた場合の太陽電池電圧の変化状況を示す図である。

次に、本発明の実施形態について説明する。
（Ａ）一実施形態の構成の説明

図１は本発明の一つの実施形態に係るシステムの全体像を表す。この図に示すように、太陽光発電装置１０は一般的に商用電源系統１と連系して構成されており、本発明の実施形態に係る蓄電装置２０はその商用電源系統１および太陽光発電装置１０に接続して使う。

太陽光発電装置１０は、連系ブレーカ１１、パワーコンディショナ１２、接続箱１３、および、太陽電池１４を有している。また、蓄電装置２０は、ＭＰＰＴ回路２１Ａ、充電制御回路２２、蓄電池２３、ＡＣ−ＤＣインバータ２４、および、ＤＣ−ＡＣインバータ２５を有している。また、商用電源系統１は、電力計２および分電盤３を有している。

ここで、商用電源系統１の電力計２は、商用電源から供給（買電）される電力量または太陽光発電装置１０から商用電源へ供給（売電）される電力量を測定して表示する。分電盤３は、商用電源またはパワーコンディショナ１２から供給される電力を、各負荷に分配するとともに、各負荷の電力消費量が規定値を超える場合には遮断する遮断装置を有している。

太陽光発電装置１０の連系ブレーカ１１は、オンの状態では太陽光発電装置１０を商用電源系統１に連系させ、オフの状態では太陽光発電装置１０を商用電源系統１から切り離す。

パワーコンディショナ１２は、太陽電池１４が発生した直流電力を商用電源と同じ電圧（例えば、１００Ｖ）、同じ周波数（例えば、５０Ｈｚまたは６０Ｈｚ）、および、同じ位相を有する交流電力に変換する。また、パワーコンディショナ１２は、商用電源に無関係に、太陽電池１４で発生した直流電力を交流電力に変換し、自立運転コンセント１２ａから出力する自立運転機能を有していることが一般的である。これにより、商用電源が停電している場合であっても、パワーコンディショナ１２の図示しない操作部を操作して自立運転モードに設定し、自立運転コンセント１２ａに負荷を接続することで、負荷に最大で１．５ｋＷ程度の電力を供給することができるのが一般的である。この自立運転を利用した充電の場合は，蓄電装置２０の電源プラグ２６を、実線で表すようにパワーコンディショナ１２の自立運転コンセント１２ａに接続する。
なお平常時には、この電源プラグ２６は破線のごとく商用電源コンセントに接続する。

接続箱１３は、複数のパネルより構成される太陽電池１４のそれぞれのパネルで発電した直流電力を統合し、パワーコンディショナ１２に供給する。太陽電池１４は、複数のパネルによって構成され、太陽光を直流電力に変換して接続箱に供給する。

蓄電装置２０内のＭＰＰＴ回路２１Ａは、太陽電池からパワーコンディショナ１２に流入する発電電力を観測し、常に発電電力の最大点で太陽電池が動作するよう、充電制御回路２２を制御する。
なおこのＭＰＰＴ回路２１Ａは、平常時には動作を停止し、非常時のパワーコンディショナの自立運転で充電するときのみ有効にする。

充電制御回路２２は、蓄電池２３の特性に合わせて適切な充電電流制御を行うと共に、ＭＰＰＴ回路２１Ａからの制御信号がある場合にはそれに合わせた充電電流制御も行う。

蓄電池２３は、例えば、リチウムイオン電池、ニッケルカドミウム電池、ニッケル水素電池、または、鉛蓄電池その他の二次電池によって構成され、充電制御回路２２から供給される直流電力によって充電されるとともに、ＤＣ−ＡＣインバータ２５に対して充電された直流電力を供給する。

ＡＣ−ＤＣインバータ２４は、電源プラグ２６から供給される交流電力（ＡＣ）を、直流電力（ＤＣ）に変換して充電制御回路２２に供給する。ＤＣ−ＡＣインバータ２５は、蓄電池２３から供給される直流電力（ＤＣ）を、交流電力（ＡＣ）に変換して、負荷に供給する。

（Ｂ）実施形態の動作の説明
つぎに、本発明の実施形態の動作について図１で説明する。なお、以下では、平常時の動作と、商用電源が停電等によって停止した場合の動作についてそれぞれ説明する。

まず、商用電源が正常に動作している平常時には、太陽電池１４で発電された直流電力は、接続箱１３を介して、パワーコンディショナ１２に供給される。この場合ＭＰＰＴ回路２１Ａをも通過するが、平常時には、ＭＰＰＴ回路２１Ａの動作は無効にしておく。

パワーコンディショナ１２では、直流電力を商用電源と同じ電圧、同じ周波数、かつ、同じ位相の交流電力に変換して出力する。このようにして出力された交流電力は、連系ブレーカ１１を介して分電盤３に供給される。分電盤３に供給された交流電力は、分電盤３に接続されている図示しない負荷（例えば、家電製品等）に分配される。ここで、負荷が必要とする電力よりも、パワーコンディショナ１２から供給される電力の方が大きい場合には、余剰分が電力計２を介して商用電源に対して逆潮流（売電）される。また、負荷が必要とする電力よりもパワーコンディショナ１２から供給される電力の方が小さい場合には、不足分電力は電力計２を介して商用電源から供給（買電）される。

平常時においては、蓄電装置２０の電源プラグ２６は、自立運転コンセント１２ａには接続されず、分電盤３に接続されている図示されないコンセントに接続され、商用電源または太陽電池１４からパワーコンディショナ１２を介して供給される発電電力によって充電される。なお平常時におけるＭＰＰＴ回路２１Ａは無効にしているため、ＭＰＰＴ動作による充電電流制御は行われず通常時の充電処理を実行する。つまり蓄電装置の目的や蓄電池の特性に合わせて、例えば充電開始時にはある程度大きい定電流によって充電を実行し、満充電に近づくと電流を徐々に絞る制御、つまり一般に定電流定電圧制御と呼ばれる充電が実行されるようにする。これにより、短時間で蓄電池２３を満充電状態にすることができる。

つぎに、停電によって商用電源からの電力の供給が停止した場合の動作について説明する。

先ず、ここでは本発明によらない一般の蓄電装置や一般家電製品を、自立運転の負荷としてパワーコンディショナ１２の自立運転コンセント１２ａに接続した場合を図４で説明する。図４に示す様にこの場合は停電のため、商用電源関連部４０は無関係になる。

ユーザは、パワーコンディショナ１２の図示しない操作部を操作し、パワーコンディショナ１２を自立運転モードに切り替える。これにより、パワーコンディショナ１２の自立運転コンセント１２ａに繋がれた電源プラグ４２には、好天であれば一般に最大で１．５ｋＷの交流１００Ｖ電力を得ることができる。従ってその負荷である一般家電品や一般蓄電装置などの稼働に必要な電力がその時の発電電力以下でかつ自立運転の最大出力１．５ｋＷ以内であれば、無事に家電品は動作し、また蓄電装置も充電できる事になる。なお、商用電源の停電によって平常運転モードから自立運転モードへ切り替える場合において、蓄電装置２０への給電回路を分電盤３から自立運転コンセント１２ａへ切り替えるのは、自動で行うようにしてもよい。

ここで、太陽光発電の自立運転特有の動作を説明する。図５は、自立運転モードにおける自立運転コンセント１２ａに接続された負荷に流れる電流と、パワーコンディショナ１２への入力電圧（太陽電池１４の電圧）の変化の様子を表している。この図５に示すように、自立運転コンセント１２ａの負荷電流が増加（つまり負荷電力が増加）すると、太陽電池１４の出力電圧が、最初は僅かの変化率で徐々に減少し、そして、負荷が最大電力点付近（図５でＰmax点）を過ぎると電圧が急激に減少し、負荷電力を賄いきれない点（図５の例では×印）を超えると、即パワーコンディショナ１２は運転を停止する。なおこの特性は，太陽電池の特性によるものである。

このパワーコンディショナ１２の運転停止現象は系統連系状態では発生せず、自立運転時にのみに起きる。つまり系統連系状態ではパワーコンディショナ１２に内蔵されているＭＰＰＴ回路が動作して、常にその時々の発電量に合わせてパワーコンディショナ１２からの出力を調整している。そして負荷電力に対して発電電力が不足する場合は、不足分を商用電源系統１から補充される様に働く為、商用電源系統１が有る限り発電量如何に関わらずパワーコンディショナ１２は運転を継続する。

ところが自立運転では太陽電池１４の発電電力以外に補充するべき電力が存在しないため、発電電力量以上の電力を負荷に供給することは一切できず、従って負荷電力が発電電力を上回ればパワーコンディショナ１２が運転を停止せざるを得ないのである。

なお、自立運転においてこのようにしてパワーコンディショナ１２が停止した場合、パワーコンディショナ１２をユーザが手動で再起動しなければ、自動では運転を再開しない場合が多いことが更に問題を大きくする。特に蓄電装置を充電する目的で自立運転を使った場合は、少なくとも数時間かかる満充電までの間ユーザが蓄電装置に付き添って充電を見守ることは現実的でなく、充電が停止したことに気付かずに夕方になってしまうことも容易に考えられるため、パワーコンディショナの自立運転での充電は殆ど実用にならないと言っても過言では無い。

本発明は、このような不具合を解消して、その時々の発電量をそのまま効率よく利用して充電する方法を提供する。本発明の自立運転による充電システムの動作を、説明する。

まず、太陽光発電のパワーコンディショナに用いられるごく一般的なＭＰＰＴ回路の動作を図２により説明する。
ＭＰＰＴ回路は、図５のような特性を示す太陽電池を、常に図５に示すPmax点付近で動作させるように、太陽電池出力電流を調整する機能を有するものである。
つまり図２のＭＰＰＴ回路３０では、太陽電池１４からの流入電力を、電圧検出アンプ３１及び電流検出アンプ３２及び乗算器３３によって把握し、その時点の電力値をサンプル＆ホールド回路３４＃１に保管する。そしてその一瞬後に、サンプル＆ホールド回路３４＃１に保管されたデータをサンプル＆ホールド回路３５＃２に移すと共に、再度その時点での流入電力を乗算器３３で計算して、サンプル＆ホールド回路３４＃１に保管する。次にこの２時点で保管された電力をコンパレータ３６で比較して、最初に保管した電力より後に保管した電力が増加している場合は、ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御部３７が、電流制御回路３８に対して出力電流を増やすよう指示する。また最初に保管した電力より後に保管した電力が減少している場合はＰＷＭ制御部３７が、電流制御回路３８に対して出力電流を減らすよう指示する。電流制御回路３８は、ＰＷＭ制御部３７からの制御信号に基づいて、出力電流を増減する。これにより太陽電池を常に最大発電点付近で動作させることができ、結果としてその時の発電量に合わせた出力電力に制御された電力コントロールを実現できる。
これが一般的なＭＰＰＴ回路の動作原理であって、回路方式の差異はあっても商用電源系統に連系する太陽光発電のパワーコンディショナには殆ど例外なく同様な機能が盛り込まれている。

本発明は、このＭＰＰＴ回路の機能を使って、発電が足りない場合でも自立運転のパワーコンディショナを運転停止することなく動作させ、その時々の発電量で充電するようにするものである。

図１でその一例の動作を説明する。なお図１では、蓄電装置２０、商用電源系統１、太陽光発電装置１０の全てを表現しているが、本説明は停電時の説明であるため、系統電源系統１は動作に無関係である。
図１で太陽光発電装置１０の接続箱１３からパワーコンディショナ１２に至る経路を、蓄電装置２０のＭＰＰＴ回路２１Ａを通過させて、前記パワーコンディショナの系統連系動作と同様に、常に太陽電池１４の最大発電点に合わせた電力をパワーコンディショナ１２に供給するようにする。つまり、電圧検出アンプ３１及び電流検出アンプ３２によって検出した電圧と電流を乗算器３３によって掛け合わせて、パワーコンディショナ１２に流入する電力を把握する。それ以降のサンプル＆ホールド回路への保管、コンパレータでの比較、ＰＷＭ制御部３７での制御信号発生の各処理は、前記パワーコンディショナの一般的ＭＰＰＴ回路の場合と同じである。

本発明では、このＰＷＭ制御部３７からの制御信号を受けて、蓄電装置２０の充電制御回路２２が、充電電流を増減し、発電電力に合わせた電力で蓄電池２３を充電する。
これにより、自立運転時のパワーコンディショナ１２の運転停止を防止できる。つまり、蓄電装置の充電回路にＭＰＰＴ機能を付加することで，既存の太陽光発電システムのパワーコンディショナに手を加えること無く、自立運転時に太陽電池の発電の変動によってパワーコンディショナ１２が運転停止することを防止することが可能になる。

なお充電制御回路の回路方式などは本発明では問わず、ＰＷＭ制御部３７からの制御信号を受けて充電電流を増減出来る機能を持てば、どのような回路を用いても良い。

蓄電装置２０のＡＣ−ＤＣインバータ２４は、平常時またはパワーコンディショナ１２の自立運転時に、商用電源系統１または自立運転コンセント１２ａからのＡＣ電力をＤＣ電力に変換して充電制御回路２２に供給する。

蓄電装置２０のＤＣ−ＡＣインバータ２４は、蓄電池２３から直流電力を放電して負荷に供給する際にＡＣ電力に変換する。

（Ｃ）変形実施形態の説明
図１の実施形態は一例であって、例えば図３による実施形態も考えられる。
つまり図１の実施形態では、ＭＰＰＴ回路２１Ａを、パワ−コンディショナ１２の入力回路に入れて、パワーコンディショナに流入する電力を観測することでＭＰＰＴ制御を行っているが、図３ではＭＰＰＴ回路２７Ｂをパワーコンディショナ１２の出力（つまりこの場合蓄電池の充電電力入力回路と同じ）に入れて、パワーコンディショナの出力電力を観測することでＭＰＰＴ制御を行う例を示している。つまり図３においてパワーコンディショナ１２の出力電力は通常ＡＣ１００Ｖや２００Ｖの定電圧に制御されているため、電流を観測するだけで、電圧との掛け算をするまでもなく、電力の増減を把握している例である。

従ってＭＰＰＴ回路における時点毎の発電電力を把握する方法が、図１では太陽電池電圧と太陽電池電流を乗算することによっているのに対して、図２ではパワーコンディショナのＡＣ出力電流のみの増減を把握することで電力の増減を把握しており、従って乗算器３３が存在しない点が異なるものの、それ以外の部分の動作は前記のＭＰＰＴ回路２１Ａと変わらない。

また、前記の実施形態のＭＰＰＴ回路として極めて代表的な例のみを挙げたが、太陽光発電のパワーコンディショナに用いられるＭＰＰＴ回路としては既に様々な回路方式が提案されており、その何れの方式を用いても同様な効果が期待できる。またＭＰＰＴ制御と呼ぶかどうかに関わらず、太陽電池の発電電力の増減を検出して、蓄電装置に対する充電電流を増減する様指令を出せる回路であれば何を用いても良い。

１ 商用電源系統
２ 電力計
３ 分電盤
１０ 太陽光発電装置
１１ 連系ブレーカ
１２ パワーコンディショナ
１２ａ 自立運転コンセント
１３ 接続箱
１４ 太陽電池
２０ 蓄電装置
２１Ａ ＭＰＰＴ回路
２２ 充電制御回路
２３ 蓄電池
２４ ＡＣ−ＤＣインバータ
２５ ＤＣ−ＡＣインバータ
２６ 電源プラグ
２７Ｂ ＭＰＰＴ回路
２８ ＣＴ（電流検出センサー）
３０ ＭＰＰＴ回路
３１ 電圧検出アンプ
３２ 電流検出アンプ
３３ 乗算器
３４ サンプル＆ホールド回路＃１
３５ サンプル＆ホールド回路＃２
３６ コンパレータ
３７ ＰＷＭ制御部
３８ 電流制御回路
４０ 商用電源関連部
４２ 一般的蓄電装置の充電電源プラグ

Claims (5)

1. 自立運転機能を有するパワーコンディショナの自立運転コンセントから供給される電力により蓄電池を充電する充電装置において、
   前記蓄電池への充電電流を増減する増減手段と、発電電源から前記パワーコンディショナに供給される電力の時間的変化を検出する検出手段と、前記増減に合わせて前記充電電流を増減させ、前記検出手段によって検出される電力の時間的変化がプラスの場合には前記増減手段による前記充電電流の増加を継続し、前記電力の時間的変化がマイナスの場合には前記増減手段によって前記充電電流を減少させる制御を行う制御手段を有し、
   前記検出手段及び前記制御手段は、平常時は停止し自立運転時のみ動作する
   ことを特徴とする充電装置。
2. 前記発電電源は太陽電池であり、前記制御手段は、前記太陽電池から前記パワーコンディショナを介して前記蓄電池へ供給される充電電流を制御する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の充電装置。
3. 前記制御手段は、前記電力の時間的変化量がプラスの場合には、前記増減手段による前記充電電流を所定量増加させ、前記電力の時間的変化量がマイナスの場合には、前記増減手段によって前記充電電流を所定量減少させる、
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の充電装置。
4. 前記検出手段は、前記発電電源からの電力を、異なる時点で計測して各々を保管し、これら２つの保存値を比較することで、電力の時間的増減を検出することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の充電装置。
5. 前記検出手段で、前記パワーコンディショナの出力電力または出力電流を、異なる時点で計測して各々を保管し、これら２つの保存値を比較することで、発電電力の時間的増減を検出することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の充電装置。
   

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