JP2016220292A

JP2016220292A - 電力供給システム

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Publication number: JP2016220292A
Application number: JP2015099256A
Authority: JP
Inventors: 郁朗菅; Ikuro Suga
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2015-05-14
Filing date: 2015-05-14
Publication date: 2016-12-22
Anticipated expiration: 2035-05-14
Also published as: JP6165191B2

Abstract

【課題】自立運転時に電力供給システムを低損失、高効率で運転させることができる電力供給システムを得ること。
【解決手段】バッテリと商用電源との間で双方向の電力授受を行う電力供給システムであって、商用電源が接続される側から印加される第１の直流電圧とバッテリが接続される側から印加される第２の直流電圧とを相互に変換する直流直流変換器と、商用電源の停電を検出する停電検出回路と、を備え、停電検出回路によって停電が検出された場合には、運転モードを自立運転モードに切り換え、直流直流変換器が出力する第１の直流電圧を、商用電源と系統連系していた場合の出力電圧を超えない目標電圧値とする。
【選択図】図６

Description

本発明は、バッテリと商用電源との間で双方向の電力授受を行う電力供給システムおよび当該バッテリを充放電する充放電装置に関する。

電力供給システムに関する従来技術として、下記特許文献１に記載の電力変換装置は、直流電源から供給された第１直流電圧を昇圧して第２直流電圧とするＤＣ／ＤＣコンバータ部と、第２直流電圧を商用交流電圧に変換して商用電力系統に連系するインバータ部と、第２直流電圧の目標値を商用電力系統とインバータ部との連系点における瞬時電圧値に対応づけて格納する目標値記憶部と、を有し、ＤＣ／ＤＣコンバータ部が、第２直流電圧を出力する際に、当該第２直流電圧を、目標値記憶部に格納された目標電圧値に基づいて可変する技術を開示している。

特許第３６２１９２６号公報

しかしながら、上記特許文献１には、商用電力系統が停電した場合の自立運転に関する考慮がなされておらず、したがって、自立運転時における直流電圧値に関する記載もない。このため、特許文献１の技術では、自立運転時において、電力供給システムを低損失、高効率で運転させることができないという、課題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、自立運転時に電力供給システムを低損失、高効率で運転させることができる電力供給システムを得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、バッテリと商用電源との間で双方向の電力授受を行う充放電装置を備えた電力供給システムであって、前記充放電装置は、前記商用電源が接続される側から印加される交流電圧と前記バッテリが接続される側から印加される第１の直流電圧とを相互に変換する交流直流変換器と、前記第１の直流電圧と前記バッテリが接続される側から印加される第２の直流電圧とを相互に変換する直流直流変換器と、前記商用電源の停電を検出する停電検出回路と、を備え、前記停電検出回路によって停電が検出された場合には、運転モードを自立運転モードに切り換え、前記直流直流変換器が出力する第１の直流電圧を、前記商用電源と系統連系していた場合の出力電圧を超えない目標電圧値とする。

本発明によれば、自立運転時に電力供給システムを低損失、高効率で運転させることができる、という効果を奏する。

実施の形態１に係る電力供給システムを含む電力系統図実施の形態１に係る配電盤の内部構成を示す回路図実施の形態１に係る充放電装置の構成を示す回路図放電モードから自立運転モードに移行するときの充放電装置の動作フローを示すフローチャート実施の形態２に係る直流直流変換器の詳細構成を示す回路図実施の形態２に係る制御手法の説明に供する図実施の形態３に係る制御手法の説明に供する図実施の形態４に係る直流直流変換器の詳細構成を示す回路図実施の形態５に係る交流直流変換器の詳細構成を示す回路図実施の形態６に係る電力供給システムを含む電力系統図

以下に添付図面を参照し、本発明の実施の形態に係る電力供給システムおよび充放電装置について詳細に説明する。なお、以下の実施の形態により、本発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係る電力供給システムを含む電力系統図である。図１に示すように、電力供給システム５００は、住宅１０に構成される。住宅１０には、交流電源である電力会社の電力系統（以下「商用電源」と称し、必要に応じて「商用電力系統」と言い換える）５が引き込まれている。商用電源５には、電力量計２０を介して、配電盤３０が接続されている。住宅１０に設置される負荷４０は、配電盤３０を介して、商用電源５に接続されている。負荷４０は、住宅１０で使用される電気機器であり、空調機、冷蔵庫、電子レンジ、洗濯機、テレビ、パーソナルコンピュータが例示される。

電力供給システム５００は、自立運転時の電力供給源であるバッテリ８２および、バッテリ８２を充放電するための充放電装置５０を有して構成される。充放電装置５０は、バッテリ８２の電力を充放電し、商用電源５と双方向に電力供給が可能な電力変換装置である。なお、充放電装置５０は、バッテリ８２が組み込まれた構成であってもよい。また、バッテリ８２としては、電気自動車、プラグインハイブリッド車（以下、両者を含めて「電気自動車」と総称する）が有するバッテリが例示されるが、専用または汎用のバッテリを備えた蓄電手段であってもよい。

充放電装置５０とバッテリ８２とは、充放電ケーブル９４によって接続される。充放電ケーブル９４は、バッテリ８２を充放電するためのケーブルであるが、充放電装置５０とバッテリ８２とが通信を行うための通信機能を含むものであってもよい。

商用電源５から電力が供給される場合（以下、適宜「非停電時」という）、負荷４０には商用電源５の電力が供給される。一方、商用電源５からの電力供給が途絶えている場合（以下、適宜「停電時」という）、電力供給を要する負荷４０には、電力供給システム５００を介してバッテリ８２からの電力が供給される。なお、非停電時において、電力のピークカットなどを目的として、負荷４０の消費電力の一部または全部を、電力供給システム５００を介してバッテリ８２からの電力で供給してもよい。

以上のように、実施の形態１では、電力量計２０、配電盤３０、負荷４０および、電力供給システム５００のうちの充放電装置５０によって家庭内電力系統が構成され、家庭内電力系統における負荷４０に対し、商用電源５とバッテリ８２からの放電電力が交流にて供給可能に構成される。なお、以下、実施の形態１では、バッテリ８２として、電気自動車に搭載された車載バッテリを想定した説明とする。

図２は、配電盤３０の内部構成を示す回路図である。図２に示すように、配電盤３０は、主幹ブレーカ３１、漏電ブレーカ３２、コンタクタ３３および、複数の分岐ブレーカ３４_１〜３４_Ｎ＋１を備えている。

主幹ブレーカ３１は、商用電力系統である商用電源５と、住宅１０の家庭内電力系統とを分離する遮断器である。主幹ブレーカ３１は、商用電源５から家庭内電力系統へ過電流が流れた場合に、商用電源５と連系する家庭内電力系統を、商用電源５から解列する。なお、主幹ブレーカ３１は、電力会社によっては設置されない場合もある。

漏電ブレーカ３２は、主幹ブレーカ３１の負荷側（商用電源５ではない側であり「二次側」ともいう）に設けられている。漏電ブレーカ３２は、漏電ブレーカ３２の二次側で漏電が発生した場合にオフとなる。漏電ブレーカ３２がオフになることで、漏電ブレーカ３２の二次側にある負荷４０が商用電源５から切り離される。

コンタクタ３３は、漏電ブレーカ３２の二次側に設けられている。コンタクタ３３は、充放電装置５０からの開閉指令によって動作し、商用電源５と家庭内電力系統とを連系し、また解列する。

分岐ブレーカ３４_１〜３４_Ｎは、コンタクタ３３の二次側に相互に並列になった状態で設けられている。分岐ブレーカ３４_１〜３４_Ｎのそれぞれは、負荷４０（４０_１〜４０_Ｎ）ごとに設けられ、分岐ブレーカ３４_Ｎ＋１は電力供給システム５００に対応して設けられている。分岐ブレーカ３４_１〜３４_Ｎ＋１を開閉させることで、商用電源５から負荷４０（４０_１〜４０_Ｎ）および電力供給システム５００をそれぞれ切り離すことができる。

漏電ブレーカ３２の二次側、すなわち漏電ブレーカ３２とコンタクタ３３の間には、電圧検出変圧器ＶＴ１および変流器ＣＴ１が設けられている。電圧検出変圧器ＶＴ１は、商用電源５の電圧に比例した電圧の電圧信号Ｖを出力する。変流器ＣＴ１は、漏電ブレーカ３２とコンタクタ３３の間を流れる電流に比例した値の電流信号Ｉを出力する。なお、図２では、コンタクタ３３が１台である場合を示しているが、２台のコンタクタ３３が直列に接続されていてもよい。２台のコンタクタ３３を有する場合、何れかのコンタクタ３３の接点に溶着が発生したとしても、確実に負荷４０および電力供給システム５００を、商用電源５から切り離すことができる。

上述した、主幹ブレーカ３１、漏電ブレーカ３２、コンタクタ３３および、分岐ブレーカ３４_１〜３４_Ｎ＋１は、金属製または樹脂製の筐体に収容されている。なお、配電盤３０の一部の機能を電力供給システム５００内に設けてもよい。

図３は、充放電装置５０の構成を示す回路図である。図３に示すように、充放電装置５０は、コンタクタ７２、コンタクタ７２の二次側に設けられる交流直流変換器５３、交流直流変換器５３の二次側に設けられる直流直流変換器６０、交流電源の停電を検出する停電検出回路７６ならびに、コンタクタ７２、交流直流変換器５３および直流直流変換器６０を含む充放電装置５０の各部を統括的に制御する制御ユニット７０を備えて構成される。充放電装置５０には、充放電ケーブル９４およびコンタクタ８１を介してバッテリ８２が接続されている。

コンタクタ７２は、配電盤３０に収容された分岐ブレーカ３４_Ｎ＋１の二次側に配置されている。このコンタクタ７２は、制御ユニット７０からの指示に基づいて動作する。コンタクタ７２がオフの場合には、充放電装置５０が負荷４０から切り離され、コンタクタ７２がオンの場合には、充放電装置５０が負荷４０に接続される。

交流直流変換器５３は、商用電源５の側（「一次側」ともいう）から印加される交流電圧を第１の直流電圧に変換する。あるいは、二次側から印加される第１の直流電圧を交流電圧に変換する。すなわち、交流直流変換器５３は、一次側から印加される交流電圧と二次側から印加される第１の直流電圧とを相互に変換する双方向の交流直流変換器である。

直流直流変換器６０は、一次側から印加される第１の直流電圧を内部で交流電圧に変換した後に、第２の直流電圧に変換して二次側に出力する。あるいは、二次側から印加される第２の直流電圧を交流電圧に変換した後に、第１の直流電圧に変換して一次側に出力する。すなわち、直流直流変換器６０は、一次側に印加される第１の直流電圧と二次側に印加される第２の直流電圧とを相互に変換する双方向の直流直流変換器である。なお、第１の直流電圧と第２の直流電圧とは、異なる値であっても同じ値であってもよい。

直流直流変換器６０の二次側には、直流直流変換器６０の端子間電圧を安定させるためのコンデンサ５９および、直流直流変換器６０の二次側の電圧もしくはコンデンサ５９の電圧を検出するための電圧検出回路７４が接続されている。コンデンサ５９は、必要に応じて第１のコンデンサと呼称する。

電圧検出回路７４は、必要に応じて第１の電圧検出回路と呼称する。電圧検出回路７４が検出した電圧は、制御ユニット７０に伝達される。なお、電圧検出回路７４の構成は任意であり、電圧検出機能のある専用の電圧検出器を用いてもよいし、直列接続した２個以上の抵抗器による分圧電圧を検出する構成でもよい。

直流直流変換器６０の一次側、すなわち直流直流変換器６０と交流直流変換器５３との間には、これら直流直流変換器６０および交流直流変換器５３の端子間電圧を安定させるためのコンデンサ５２が接続されている。コンデンサ５２は、必要に応じて第２のコンデンサと呼称する。

バッテリ８２とコンタクタ８１との間には、バッテリ８２の電圧を検出するための電圧検出回路８７が接続されている。

電圧検出回路８７は、必要に応じて第２の電圧検出回路と呼称する。電圧検出回路８７が検出した電圧は、制御ユニット７０に伝達される。なお、電圧検出回路８７の構成は任意であり、電圧検出機能のある専用の電圧検出器を用いてもよいし、直列接続した２個以上の抵抗器による分圧電圧を検出する構成でもよい。

充放電装置５０では、交流直流変換器５３、直流直流変換器６０、コンデンサ５２，５９および電圧検出回路７４によって、電力変換部３００が構成される。電力変換部３００では、交流直流変換器５３および直流直流変換器６０が協働して動作する。商用電源５からの交流電力は、交流直流変換器５３がコンバータ動作することで交流電力が直流電力に変換され、直流直流変換器６０によってバッテリ８２が充電される。一方、バッテリ８２からの直流電力は、直流直流変換器６０によって交流直流変換器５３に印加される直流電圧が制御され、交流直流変換器５３がインバータ動作することで交流電力に変換され、配電盤３０を介して負荷４０に供給される。

制御ユニット７０は、電力供給システムの制御部として動作する。制御ユニット７０は、交流直流変換器５３および直流直流変換器６０を構成する図３では図示を省略したスイッチング素子を動作させる。

制御ユニット７０は、ＣＰＵ、主記憶部、補助記憶部、インタフェースを有するマイクロプロセッサであるマイコン７８を備えている。制御ユニット７０は、電圧検出変圧器ＶＴ１からの電圧信号Ｖと、変流器ＣＴ１からの電流信号Ｉを監視して、配電盤３０のコンタクタ３３、充放電装置５０のコンタクタ７２を制御すると共に、交流直流変換器５３および直流直流変換器６０を制御する。なお、制御ユニット７０の実施の形態１に係る動作については後述する。

コンタクタ８１は、制御ユニット７０によって開閉制御される開閉スイッチである。コンタクタ８１は、充放電装置５０とバッテリ８２とを接続し、または解列する。

コンタクタ８１の二次側に接続されるバッテリ８２は、鉛蓄電池、リチウムイオン電池、ニッケル水素電池等の充放電が可能なセル電池を直列または直並列接続されたユニットまたはモジュールで構成される。バッテリ８２がリチウムイオン電池であれば、例えば３〜４［Ｖ］のリチウムイオン電池セルが直列に接続されることで、端子間電圧２００〜４００［Ｖ］程度のバッテリが構成される。

バッテリ８２は、コンタクタ８１がオンのときに充放電装置５０に電気的に接続され、電力の充電および放電が可能な状態になる。

つぎに、実施の形態１に係る電力供給システムにおける動作モードについて説明する。電力供給システム５００における動作モードには、「連系モード」と、「自立運転モード」とがある。「連系モード」は、非停電時、すなわち商用電源５から電力が供給されているときの動作モードであり、「自立運転モード」は、停電時、すなわち商用電源５からの電力供給が途絶えている状態での動作モードである。

また、バッテリ８２から見た動作モードには、「放電モード」と、「充電モード」とがある。「放電モード」は、バッテリ８２からの電力が負荷４０または商用電源５に供給されているときの動作モードであり、「連系モード」および「自立運転モード」の何れにおいても起動されるモードである。一方、「充電モード」は、バッテリ８２が充電されているときの動作モードであり、「連系モード」のときのみに起動されるモードである。

つぎに、バッテリ８２が電気自動車に搭載された車載バッテリである場合に、バッテリ８２の電圧範囲について説明する。なお、以下の説明において、バッテリ８２の電圧を「バッテリ電圧」と記載する。

まず、電動車両用電力供給システム協議会（Electric Vehicle Power Supply System Association：ＥＶＰＯＳＳＡ）が制定した電動自動車充放電システムガイドラインには、バッテリ電圧として、ＤＣ１５０［Ｖ］からＤＣ４５０［Ｖ］の範囲が記載されており、バッテリに対する充放電、電動自動車の車種によってもバッテリ電圧の取り扱い範囲は大きくなっている。

また、ＣＨＡｄｅＭＯ（ＣＨＡｒｇｅｄｅＭＯｖｅ）協議会が制定したＣＨＡｄｅＭＯ規格では、ＤＣ５０［Ｖ］からＤＣ５００［Ｖ］までの範囲が記載されており、ＥＶＰＯＳＳＡ規格と同様に、バッテリ電圧の取り扱い範囲が大きくなっている。

バッテリ８２が車載バッテリである場合、上述の通り、バッテリ電圧の取り扱い範囲が大きくなっているが、本実施の形態に係る充放電装置５０では、直流直流変換器６０として、昇降圧が可能で絶縁された変換器を用いるので、商用電源５と連系（以下、適宜「系統連系」と称する）していた場合の最大出力電圧未満の範囲で目標電圧値を任意に設定することが可能となる。

つぎに、実施の形態１の電力供給システムにおける充放電装置５０の動作の概要について、図３の図面などを参照して説明する。

上述の通り、充放電装置５０には停電検出回路７６が設けられている。停電検出回路７６が検出した停電信号は制御ユニット７０に入力される。制御ユニット７０は、停電信号によって商用電源５からの電力供給ができなくなったことを検知し、電力供給システム５００の動作モードを自立運転モードとする。

制御ユニット７０は、自立運転時には、バッテリ８２の出力による直流直流変換器６０の出力電圧、すなわち直流直流変換器６０の一次側の直流電圧が、系統連系していた場合の最大出力電圧未満の予め決められた目標電圧値（例えば３２０Ｖ）となるように直流直流変換器６０を制御する。

ここで、系統連系している場合には、充放電装置５０の出力電圧を、例えばＡＣ１８０［Ｖ］からＡＣ２４０［Ｖ］の変動に対応させる必要がある。この場合、ＡＣ２４０［Ｖ］のピーク電圧は３３９．４［Ｖ］であり、交流直流変換器５３をインバータ動作でＡＣ２４０［Ｖ］の出力にするためには、バッテリ８２の出力による直流直流変換器６０の出力電圧は、少なくとも３３９．４［Ｖ］以上は必要である。なお、現実には変調率を考慮する必要があり、例えば変調率を９０％に制限して使用する場合には、３８０［Ｖ］といった高い電圧が必要となる。

一方、自立運転時には、交流直流変換器５３の一次側の出力電圧を負荷４０の定格電圧に合わせたＡＣ２００［Ｖ］に制御すればよい。余裕をみて変調率を９０％に制限して使用しても、直流直流変換器６０の出力電圧は、３２０［Ｖ］あればよい。

ここで、自立運転時における直流直流変換器６０の出力電圧を「目標電圧値」とするとき、「系統連系時の最大出力電圧」、「目標電圧値」および「交流出力電圧実効値」との間には、次式の関係が存在する。

系統連系時の最大出力電圧＞目標電圧値≧交流出力電圧実効値×√２÷インバータ変調率 ……（１）

負荷４０の許容入力電圧範囲であれば、交流直流変換器５３の一次側の出力電圧をＡＣ２００［Ｖ］以下の例えばＡＣ１８０［Ｖ］に設定し、直流直流変換器６０の一次側の出力電圧が３２０［Ｖ］以下の例えば２９０［Ｖ］になるように直流直流変換器６０を制御してもよい。

なお、交流直流変換器５３のインバータ動作においては、交流直流変換器５３への入力電圧である直流直流変換器６０の一次側電圧、すなわち直流直流変換器６０の出力電圧は、交流直流変換器５３が所望の交流電圧を出力可能な範囲であれば、低い方が交流直流変換器５３でのスイッチング損失が少なくなり、交流直流変換器５３がインバータ動作するときの電力変換効率が高くなる傾向にある。

以上、直流直流変換器６０の一次側の出力電圧をバッテリ電圧の変化に対して一定値にする制御について説明したが、商用電源５と系統連系していた場合の最大出力電圧を上限とする範囲で目標電圧値を変化させてもよいことは言うまでもない。

つぎに、実施の形態１の電力供給システムにおいて、放電モードから自立運転モードに移行するときの充放電装置５０の動作について、図３および図４の図面を参照して説明する。図４は、放電モードから自立運転モードに移行するときの充放電装置５０の動作フローを示すフローチャートである。

図３において、充放電装置５０が放電モード動作で動作している状態において（ステップＳ１０１）、停電が発生した場合を想定する。停電検出回路７６によって停電が検出されると（ステップＳ１０２，Ｙｅｓ）、ステップＳ１０３の処理に移行する。一方、停電検出回路７６によって停電が検出されない場合（ステップＳ１０２，Ｎｏ）、放電モード動作を継続する。

制御ユニット７０は、コンタクタ７２を開放して系統を解列する（ステップＳ１０３）。停電検出回路７６で検出した停電信号から、制御ユニット７０で停電と判断し、商用電源５を解列する。直流直流変換器６０の一次側の目標電圧である出力電圧目標値を、放電モード動作で動作していたときの出力電圧目標値よりも低い電圧値に変更し（ステップＳ１０４）、交流直流変換器５３の出力電圧目標値を設定して（ステップＳ１０５）、自立運転モード動作を開始する（ステップＳ１０６）。ステップＳ１０３からステップＳ１０６の処理を例示すると、制御ユニット７０は、コンタクタ７２を開放して商用電源５を解列すると、直流直流変換器６０の一次側の目標電圧である出力電圧目標値を例えばＤＣ３２０［Ｖ］に変更し、交流直流変換器５３の出力電圧目標値を例えばＡＣ２００［Ｖ］に設定する。制御ユニット７０は、直流直流変換器６０の出力電圧がＤＣ３２０［Ｖ］になるように直流直流変換器６０を制御すると共に、交流直流変換器５３の出力電圧がＡＣ２００［Ｖ］になるように交流直流変換器５３を制御し、負荷４０に交流電力を供給する。

制御ユニット７０は停電検出回路７６から出力される停電信号を監視することで復電を判定し（ステップＳ１０７）、復電していない場合には（ステップＳ１０７，Ｎｏ）、ステップＳ１０６の処理を継続する。一方、復電している場合には（ステップＳ１０７，Ｙｅｓ）、商用電源５と連系した後に（ステップＳ１０８）、ステップＳ１０１の放電モード動作に戻る。

なお、図示は省略するが、充電モード動作からのフローもほぼ同様である。制御ユニット７０は、停電検出回路７６からの停電信号によって停電を判定すると、充電モード動作を停止し、系統解列、直流直流変換器６０の出力電圧目標値および交流直流変換器５３の出力電圧目標値をそれぞれ設定して、自立運転モード動作に移行する。復電した場合には、商用電源５と連系した後に、充電モード動作に戻る。

上述のように、実施の形態１による制御では、停電検出回路７６によって停電が検出された場合には、運転モードを自立運転モードとし、交流直流変換器５３の出力交流電圧を低めの設定に切り換え、直流直流変換器６０の一次側の出力電圧を系統連系していた場合の最大出力電圧未満の予め決められた目標電圧値に設定して、交流直流変換器５３の入力直流電圧を低めに制御する構成としている。これにより、交流直流変換器５３の効率が高くなり、高効率の電力供給システムを得ることができる。特に、電気自動車のバッテリを使用した場合は、大容量の電力を節約して使用することができ、自立運転時において、長時間の電力供給が可能になる。

実施の形態２．
図５は、実施の形態２に係る直流直流変換器６０の詳細構成を示す回路図である。実施の形態２では、上述したようなＥＶＰＯＳＳＡ規格またはＣＨＡｄｅＭＯ規格によって変動し得る電圧範囲の大きなバッテリ電圧に対し、柔軟且つ自由な目標電圧を設定可能とするための回路構成を示すものである。実施の形態２に係る直流直流変換器６０は、図５に示すように、磁気結合する巻線６４ａ，６４ｂを有する絶縁用のトランス６４を挟んで左右対称な構成となっており、半導体素子６２ａ，６２ｂ，６２ｃ，６２ｄがフルブリッジ接続され、リアクトル６３を介して巻線６４ａに接続される電力変換回路６１と、半導体素子６７ａ，６７ｂ，６７ｃ，６７ｄがフルブリッジ接続され、リアクトル６７を介して巻線６４ｂに接続される電力変換回路６６とが構成されている。電力変換回路６１は、一次側から印加される直流電圧を交流電圧に変換して巻線６４ａに印加する直流交流変換回路であり、電力変換回路６６は、二次側から印加される直流電圧を交流電圧に変換して巻線６４ｂに印加する直流交流変換回路である。このように構成された直流直流変換器６０は、一次側からの印加電圧と二次側からの印加電圧とを自在に昇降圧が可能で、且つ、絶縁された電圧変換器もしくは電力変換として動作する。

図６は、実施の形態２に係る制御手法の説明に供する図であり、横軸にはバッテリ電圧をとり、縦軸には目標電圧値を示している。なお、横軸に示す電圧範囲は、ＥＶＰＯＳＳＡ規格に対応させている。

図６に示すように、バッテリ電圧が３００［Ｖ］までは、直流直流変換器６０の一次側から出力する出力電圧の目標値、すなわち目標電圧値が一定電圧値でありバッテリ電圧を超えない第１の目標電圧値となるように直流直流変換器６０が制御される。なお、バッテリ電圧は、電圧検出回路８７によって計測するが、直流直流変換器６０の二次側に設けられた電圧検出回路７４の検出値で代用してもよい。

バッテリ電圧が第１の目標電圧値である例えば３００［Ｖ］を上回る場合には、系統連系していた場合の最大出力電圧である例えば３５０［Ｖ］を超えない範囲、すなわち、第１の目標電圧値以上で、且つ、商用電源と連系していた場合の最大出力電圧未満の条件を満たす第２の目標電圧値となるように直流直流変換器６０が制御される。

バッテリ電圧が、系統連系していた場合の最大出力電圧である例えば３５０［Ｖ］を超える場合には、最大出力電圧未満の一定電圧値である第３の目標電圧値として例えば３４８Ｖで制御するように直流直流変換器６０が制御される。

なお、実施の形態１では、交流直流変換器５３がインバータ動作するときの変調率の上限を９０％に設定しているが、実施の形態２では、ＡＣ２００［Ｖ］出力時の変調率の上限を９５％として計算している。

図５に示す構成の直流直流変換器６０では、入力電圧と出力電圧とがほぼ等しいときに効率が高いことが分かっている。実施の形態２では、バッテリ電圧と目標電圧値とを可能な限り近づける制御を行うので、変換器での損失を低減することができ、高効率、低損失の電力供給システムを得ることが可能となる。

また、実施の形態２では、交流直流変換器５３がインバータ動作するときの入力直流電圧を低めに設定しているので、交流直流変換器５３の効率も高くなるように制御することができ、高効率、低損失の電力供給システムを得ることが可能となる。

実施の形態３．
実施の形態２では、直流直流変換器６０が入力電圧と出力電圧が等しいときに効率が最大として、バッテリ電圧または直流直流変換器６０の二次側電圧が交流直流変換器５３および直流直流変換器６０を効率的に動作できる範囲外では、バッテリ電圧の目標電圧値を一定値で与えるものについて示したが、上記（１）式を満足する範囲であり、且つ、直流直流変換器６０が入力電圧と出力電圧の関係による効率特性を考慮して、直流直流変換器６０の出力電圧の目標電圧値に裕度を持たせた電力供給システムであってもよい。

図７は、実施の形態３に係る制御手法の説明に供する図である。実施の形態３では、バッテリ電圧と出力電圧の目標電圧範囲を、第１の目標電圧値の範囲においては、（１）式を満足する３００Ｖから直流直流変換器６０の出力電圧が入力電圧より高い範囲まで目標電圧の設定を許容範囲としている。なお、図６に示す例は、直流直流変換器６０が降圧動作とならない範囲の設定例であり、下限値は３００［Ｖ］、上限値は３１５［Ｖ］（＝３００［Ｖ］＋５％）を目標電圧設定の許容範囲としている。

また、第３の目標電圧値の範囲においては、系統連系時の最大出力電圧である３５０［Ｖ］を上限値とし、下限値は３１５［Ｖ］（＝３５０［Ｖ］−１０％）までを目標電圧設定の許容範囲としている。

また、第２の目標電圧値の範囲は、第１の目標電圧値の上限値と第３の目標電圧値の上限値とを結ぶ直線を第２の目標電圧値の上限値とし、第１の目標電圧値の下限値と第３の目標電圧値の下限値とを結ぶ直線を下限値とする許容範囲としている。

実施の形態３に係る制御手法によれば、目標電圧値の選択の許容範囲が設定されているので、バッテリ電圧と目標電圧との関係をもとに、直流直流変換器６０が高効率となる動作カーブを選択することができるので、更なる高効率化を図ることが可能となる。

実施の形態４．
図８は、実施の形態４に係る直流直流変換器６０の詳細構成を示す回路図である。実施の形態４に係る直流直流変換器６０は、図５に示す直流直流変換器６０において、半導体素子６７ａ，６７ｂ，６７ｃ，６７ｄのそれぞれを並列構成とし、且つ、それらの半導体素子をＳｉＣまたはＧａＮに代表されるワイドバンドギャップ半導体素子６７ａ１〜６７ａ８，６７ｂ１〜６７ｂ８として構成したものである。各素子には、駆動回路および駆動回路電源が設けられている。例えば、ワイドバンドギャップ半導体素子６７ａ１には、駆動回路６８ａ１（ブロック内には「駆動回路１」と表記）と、駆動回路電源６９ａ１（ブロック内には「駆動電源回路１」と表記）とが設けられ、ワイドバンドギャップ半導体素子６７ｂ１には、駆動回路６８ｂ１（ブロック内には「駆動回路２」と表記）と、駆動回路電源６９ｂ１（ブロック内には「駆動電源回路２」と表記）とが設けられている。ワイドバンドギャップ半導体素子６７ａ２〜６７ａ８，６７ｂ２〜６７ｂ８についても同様であり、対応する駆動回路６８ａ２〜６８ａ８および駆動回路電源６９ａ２〜６９ａ８ならびに、対応する駆動回路６８ｂ２〜６８ｂ８および駆動回路電源６９ｂ２〜６９ｂ８が設けられている。

図８の構成において、非停電時は全てのワイドバンドギャップ半導体素子を駆動する並列駆動を行う一方で、災害時、異常時などに停電が発生し、自立運転が長時間継続する場合には、出力電力を制限するために、並列駆動は行わず、駆動するワイドバンドギャップ半導体素子の数を制限する。

図８の構成に即して更に詳細に説明すると、非停電時には、ワイドバンドギャップ半導体素子６７ａ１〜６７ａ８，６７ｂ１〜６７ｂ８の全てを駆動対象とする２並列の駆動を行い、定格出力電力として、例えば６ｋＷを出力する。一方、災害、異常などにより停電が発生した場合は、自立運転に切り換えて負荷に電力を供給するが、その際、自立運転が長時間継続する場合は、必要な最低限の負荷に絞り込んだ上で、並列構成にされたワイドバンドギャップ半導体素子６７ａ１〜６７ａ８，６７ｂ１〜６７ｂ８のうちの一方である、例えばワイドバンドギャップ半導体素子６７ａ２，６７ａ４，６７ａ６，６７ａ８，６７ｂ２，６７ｂ４，６７ｂ６，６７ｂ８を駆動する駆動回路６８ａ２（駆動回路３）、駆動回路６８ｂ２（駆動回路４）、駆動回路６８ａ４（駆動回路７）、駆動回路６８ｂ４（駆動回路８）、駆動回路６８ａ６（駆動回路１１）、駆動回路６８ｂ６（駆動回路１２）、駆動回路６８ａ８（駆動回路１５）、駆動回路６８ｂ８（駆動回路１６）を停止すると共に、対応する駆動電源回路６９ａ２（駆動電源回路３）、駆動電源回路６９ｂ２（駆動電源回路４）、駆動電源回路６９ａ４（駆動電源回路７）、駆動電源回路６９ｂ４（駆動電源回路８）、駆動電源回路６９ａ６（駆動電源回路１１）、駆動電源回路６９ｂ６（駆動電源回路１２）、駆動電源回路６９ａ８（駆動電源回路１５）、駆動電源回路６９ｂ８（駆動電源回路１６）の動作を停止して、これらの回路の消費電力をゼロにする。このような制御を行うことにより、負荷への出力電力を、例えば１ｋＷ以下に制限することができ、省エネ化を図ることができる。

災害発生時には、負荷にバッテリの電力を長時間供給することが必要となる。このため、実施の形態４に係る電力供給システムでは、自立運転の継続時間または継続予想時間に応じて、充放電装置５０からの出力電力を制限し、損失の少ないワイドバンドギャップ半導体素子を使用して損失を低減すると共に、各アームが並列構成されたワイドバンドギャップ半導体素子を単体で駆動することにより、駆動電力を低減し、電力供給システムからの電力供給時間を長くする制御を行う。実施の形態４に係る制御を行う継続予想時間の目安は、概ね数分以上を想定するが、この時間に限定されるものではない。停電時間の継続時間は、制御ユニット７０で計測することができる。

なお、図８ではワイドバンドギャップ半導体素子を２並列で構成したものを例示したが、３並列以上で構成してもよいことは言うまでもない。また、図８では、１６個の駆動電源回路を例示したが、各アームの下側に位置する駆動電源回路のうち、例えば駆動電源回路６９ｂ１（駆動電源回路２）と駆動電源回路６９ｂ３（駆動電源回路６）、駆動電源回路６９ｂ２（駆動電源回路４）と駆動電源回路６９ｂ４（駆動電源回路８）、駆動電源回路６９ｂ５（駆動電源回路１０）と駆動電源回路６９ｂ７（駆動電源回路１４）および、駆動電源回路６９ｂ６（駆動電源回路１２）と駆動電源回路６９ｂ８（駆動電源回路１６）のように、自立運転時に動作を継続する電源回路同士および、動作を停止する電源回路同士を共用する構成としてもよい。

実施の形態５．
実施の形態４では、直流直流変換器６０を構成する半導体素子を並列構成とし、且つ、それらの半導体素子をワイドバンドギャップ半導体素子で構成する回路構成を例示したが、実施の形態５では、同様な着眼点で、交流直流変換器５３を構成する半導体素子を並列構成とし、且つ、それらの半導体素子をワイドバンドギャップ半導体素子で構成する回路構成を例示する。

図９は、実施の形態５に係る交流直流変換器５３の詳細構成を示す回路図である。実施の形態５に係る交流直流変換器５３は、ブリッジ回路を構成する第１相の上アームの半導体素子（５４ａ１，５４ａ２）、第１相の下アームの半導体素子（５４ｂ１，５４ｂ２）、第２相の上アームの半導体素子（５４ａ３，５４ａ４）および、第２相の下アームの半導体素子（５４ｂ３，５４ｂ４）の各組を並列構成とし、且つ、それらの半導体素子をＳｉＣまたはＧａＮに代表されるワイドバンドギャップ半導体素子として構成したものである。各素子には、駆動回路および駆動回路電源が設けられている。例えば、ワイドバンドギャップ半導体素子５４ａ１には、駆動回路５５ａ１（ブロック内には「駆動回路１」と表記）と、駆動回路電源５６ａ１（ブロック内には「駆動電源回路１」と表記）とが設けられ、ワイドバンドギャップ半導体素子５４ｂ１には、駆動回路５５ｂ１（ブロック内には「駆動回路２」と表記）と、駆動回路電源５６ｂ１（ブロック内には「駆動電源回路２」と表記）とが設けられている。ワイドバンドギャップ半導体素子５４ａ２〜５４ａ４，５４ｂ２〜５４ｂ４についても同様であり、対応する駆動回路５５ａ２〜５５ａ４および駆動回路電源５６ａ２〜５６ａ４ならびに、対応する駆動回路５５ｂ２〜５５ｂ４および駆動回路電源５６ｂ２〜５６ｂ４が設けられている。

図９の構成において、非停電時は全てのワイドバンドギャップ半導体素子を駆動する並列駆動を行う一方で、災害時、異常時などに停電が発生し、自立運転が長時間継続する場合には、出力電力を制限するために、並列駆動は行わず、駆動するワイドバンドギャップ半導体素子の数を制限する。

図９の構成に即して更に詳細に説明すると、非停電時には、ワイドバンドギャップ半導体素子５４ａ１〜５４ａ４，５４ｂ１〜５４ｂ４の全てを駆動対象とする２並列の駆動を行い、定格出力電力として、例えば６ｋＷを出力する。一方、災害、異常などにより停電が発生した場合は、自立運転に切り換えて負荷に電力を供給するが、その際、自立運転が長時間継続する場合は、必要な最低限の負荷に絞り込んだ上で、並列構成にされたワイドバンドギャップ半導体素子５４ａ１〜５４ａ４，５４ｂ１〜５４ｂ４のうちの一方である、例えばワイドバンドギャップ半導体素子５４ａ２，５４ａ４，５４ｂ２，５４ｂ４を駆動する駆動回路５５ａ２（駆動回路３）、駆動回路５５ｂ２（駆動回路４）、駆動回路５５ａ４（駆動回路７）、駆動回路５５ｂ４（駆動回路８）を停止すると共に、対応する駆動電源回路５６ａ２（駆動電源回路３）、駆動電源回路５６ｂ２（駆動電源回路４）、駆動電源回路５６ａ４（駆動電源回路７）、駆動電源回路５６ｂ４（駆動電源回路８）の動作を停止して、これらの回路の消費電力をゼロにする。このような制御を行うことにより、負荷への出力電力を、例えば１ｋＷ以下に制限することができ、省エネ化を図ることができる。

なお、図９はワイドバンドギャップ半導体素子を２並列で構成したものを例示したが、３並列以上で構成してもよいことは言うまでもない。また、図９では、８個の駆動電源回路を例示したが、各アームの下側に位置する駆動電源回路のうち、例えば駆動電源回路５６ｂ１（駆動電源回路２）と駆動電源回路５６ｂ３（駆動電源回路６）および、駆動電源回路５６ｂ２（駆動電源回路４）と駆動電源回路５６ｂ４（駆動電源回路８）のように、自立運転時に動作を継続する電源回路同士および、動作を停止する電源回路同士を共用する構成としてもよい。

実施の形態６．
実施の形態６では、災害、異常等の発生を、有線手段または無線手段で充放電装置５０に通知する機能を付加した電力供給システムについて説明する。図１０は、実施の形態６に係る電力供給システムを含む電力系統図である。実施の形態６では、図１０に示すように、災害、異常を含む不測事態の発生を充放電装置５０に通知することができるリモコン１４０を備えている。リモコン１４０は、有線または無線による通信機能を備えたホームエネルギーマネージメントシステム(Home Energy Management System：ＨＥＭＳ）用のコントローラであってもよい。

ユーザは、リモコン１４０を使用して、災害、異常等の発生を充放電装置５０に通知することにより、制御ユニット７０内で災害、異常発生による停電と、一般的な短時間の停電の場合とを明確に区別することができる。このとき、充放電装置５０は、長時間の運転継続を行うため、上述した出力電力の制限に関する制御ならびに、直流直流変換器６０および交流直流変換器５３での消費電力を低減した運転制御を早期に行うことができるので、自立運転時での電力供給時間をより長く行うことが可能となる。

なお、実施の形態６では、リモコン１４０を使用して、災害、異常等の発生の充放電装置５０への通知を、リモコン１４０を使用して行う形態について示したが、充放電装置５０の本体に設けたボタン等によって行ってもよいし、スマートフォンなどの携帯機器によって行ってもよい。

実施の形態７．
実施の形態７では、災害発生時での電力供給時間を更に延ばすことができる制御手法について説明する。実施の形態４から６に示す充放電装置５０において、災害、異常発生時には、充放電装置５０における発熱部品を冷却するための冷却ファンの回転数を低下させる制御もしくは冷却ファンを停止させる制御を行う。

上述した実施の形態４，５では、災害等発生時において、出力電力を１ｋＷに制限する実施形態を例示した。出力電力を制限すれば、充放電装置５０での発熱量が減少すると共に、ワイドバンドギャップ半導体素子は高温での動作が可能である。このため、実施の形態７では、充放電装置５０の冷却ファンの駆動電圧を低くして回転数を低下させたり、あるいは冷却ファンを間欠的に停止させたり、冷却ファンを完全に停止させる制御を行うことにより、冷却ファンの消費電力を削減する。その際、装置内部の温度、放熱フィンの温度により、冷却ファンの回転数を可変制御し、また、冷却ファンを間欠動作させるとなおよい。

実施の形態７に係る電力供給システムによれば、災害等発生時に、充放電装置の冷却ファンの消費電力を削減できるので、バッテリ８２から負荷４０への電力供給時間をさら更に延ばすことができる。

以上の実施の形態に示した構成は、本発明の内容の一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。

５商用電源、１０住宅、２０電力量計、３０配電盤、３１主幹ブレーカ、３２漏電ブレーカ、３３，７２，８１コンタクタ、３４（３４_１〜３４_Ｎ＋１）ブレーカ、４０（４０_１〜４０_Ｎ）負荷、５０充放電装置、５３交流直流変換器、５４ａ１〜５４ａ４，５４ｂ１〜５４ｂ４，６７ａ１〜６７ａ８，６７ｂ１〜６７ｂ８ワイドバンドギャップ半導体素子、５５ａ１〜５５ａ４，５５ｂ１〜５５ｂ４，６８ａ１〜６８ａ８，６８ｂ１〜６８ｂ８駆動回路、５６ａ１〜５６ａ４，５６ｂ１〜５６ｂ４，６９ａ１〜６９ａ８，６９ｂ１〜６９ｂ８駆動電源回路、５２コンデンサ（第２のコンデンサ）、５９コンデンサ（第１のコンデンサ）、６０直流直流変換器、６１，６６電力変換回路、６２ａ〜６２ｄ，６７ａ〜６７ｄ半導体素子、６３，６７リアクトル、６４トランス、６４ａ，６４ｂ巻線、７０制御ユニット、７４電圧検出回路（第１の電圧検出回路）、７６停電検出回路、７８マイコン、８２バッテリ、８７電圧検出回路（第２の電圧検出回路）、９４充放電ケーブル、１４０リモコン、３００電力変換部、５００電力供給システム、ＶＴ１電圧検出変圧器、ＣＴ１変流器。

制御ユニット７０は、コンタクタ７２を開放して系統を解列する（ステップＳ１０３）。停電検出回路７６で検出した停電信号から、制御ユニット７０で停電と判断し、商用電源５を解列する。直流直流変換器６０の一次側の目標電圧である出力電圧目標値を、放電モード動作で動作していたときの出力電圧目標値よりも低い電圧値に変更し（ステップＳ１０４）、交流直流変換器５３の出力電圧目標値を設定して（ステップＳ１０５）、自立運転モード動作を開始する（ステップＳ１０６）。ステップＳ１０３からステップＳ１０６の処理を例示すると、制御ユニット７０は、コンタクタ３３を開放して商用電源５を解列すると、直流直流変換器６０の一次側の目標電圧である出力電圧目標値を例えばＤＣ３２０［Ｖ］に変更し、交流直流変換器５３の出力電圧目標値を例えばＡＣ２００［Ｖ］に設定する。制御ユニット７０は、直流直流変換器６０の出力電圧がＤＣ３２０［Ｖ］になるように直流直流変換器６０を制御すると共に、交流直流変換器５３の出力電圧がＡＣ２００［Ｖ］になるように交流直流変換器５３を制御し、負荷４０に交流電力を供給する。

Claims

バッテリと商用電源との間で双方向の電力授受を行う充放電装置を備えた電力供給システムであって、
前記充放電装置は、
前記商用電源が接続される側から印加される交流電圧と前記バッテリが接続される側から印加される第１の直流電圧とを相互に変換する交流直流変換器と、
前記第１の直流電圧と前記バッテリが接続される側から印加される第２の直流電圧とを相互に変換する直流直流変換器と、
前記商用電源の停電を検出する停電検出回路と、
を備え、
前記停電検出回路によって停電が検出された場合には、運転モードを自立運転モードに切り換え、前記直流直流変換器が出力する第１の直流電圧を、前記商用電源と系統連系していた場合の出力電圧を超えない目標電圧値とする電力供給システム。
前記充放電装置は、前記バッテリの出力電圧または前記バッテリが前記直流直流変換器に接続されるときの前記第２の直流電圧をバッテリ電圧として検出する電圧検出回路を備え、
前記自立運転モードにおいて、前記直流直流変換器は、
前記バッテリ電圧が一定電圧値である第１の目標電圧値に達するまでは、前記第１の直流電圧が前記第１の目標電圧値となるように動作し、
前記バッテリ電圧が前記第１の目標電圧値を上回る場合には、前記第１の直流電圧が、前記第１の目標電圧値以上、且つ、前記商用電源と連系していた場合の最大出力電圧未満の条件を満たす第２の目標電圧値となるように動作し、
前記バッテリ電圧が前記最大出力電圧を超える場合には、前記最大出力電圧未満の一定電圧値である第３の目標電圧値となるように動作する
請求項１に記載の電力供給システム。
前記第１の目標電圧値は上限側に裕度を有して設定され、前記第３の目標電圧値は下限側に裕度を有して設定されている
請求項２に記載の電力供給システム。
前記直流直流変換器の半導体素子をワイドバンドギャップ半導体素子で構成し、当該ワイドバンドギャップ半導体素子を各アームごと並列に接続し、
非停電時には、前記ワイドバンドギャップ半導体素子を並列駆動し、
停電時には、自立運転の継続時間または継続予想時間に応じて、並列駆動する前記ワイドバンドギャップ半導体素子の数を制限する
請求項１から３の何れか１項に記載の電力供給システム。
前記交流直流変換器の半導体素子をワイドバンドギャップ半導体素子で構成し、当該ワイドバンドギャップ半導体素子を各アームごと並列に接続し、
非停電時には、前記ワイドバンドギャップ半導体素子を並列駆動し、
停電時には、自立運転の継続時間または継続予想時間に応じて、並列駆動する前記ワイドバンドギャップ半導体素子の数を制限する
請求項１から４の何れか１項に記載の電力供給システム。
前記電力供給システムは、災害の発生をシステムが把握できるように外部または手動設定によって前記充放電装置に通知可能に構成される請求項４または５に記載の電力供給システム。
前記充放電装置は冷却ファンを有し、災害の発生時には、前記冷却ファンの動作を停止もしくは制限する請求項４から６の何れか１項に記載の電力供給システム。