JP2017189000A - パワーコンディショナ - Google Patents

Abstract

【課題】インバータ電力の急変時においても電池セルの出力電流の急変を抑制することができるパワーコンディショナを提供する。
【解決手段】本発明に係るパワーコンディショナは、インバータ電力実効値と内部負荷電力実効値の合計を目標値に向かわせる第１制御量を算出するとともに、内部負荷電力の現在値をインバータ電力瞬時値に追従させる第２制御量を算出する。
【選択図】図１

Description

本発明は、電池から電力の供給を受けて負荷に対して提供するパワーコンディショナに関する。

パワーコンディショナは、太陽電池や燃料電池などの電池セルから直流電力の供給を受け、電気機器（負荷）に対して提供する装置である。パワーコンディショナは一般に、商用電源が停電したとき、電池が供給する電力を非常用電源として電気機器に対して提供する自立運転機能を備えている。ユーザは商用電源が停電すると、電気機器を商用電源コンセントから外し、パワーコンディショナが備えている電源コンセントに対して接続する。パワーコンディショナは自立運転モードにおいて、電池から供給される電力をその電気機器に対して供給する。

負荷が消費する電力が変動した場合、電池が出力する電力をこれに合わせて変動させることができれば、供給電力と消費電力を整合させることができる。しかし電池の種別によっては、負荷変動に対して即座に応答することが困難である場合もある。そこでパワーコンディショナは一般に、自立運転モードにおいて電池出力を一定に維持するとともに、内部負荷（例えばヒータ）によって余剰電力を消費させている。これにより、電池出力そのものは一定に維持しつつ、供給電力と消費電力を整合させることができる。

下記特許文献１は、『自立運転時に余剰電力を消費させる内部負荷の駆動回路の電力損失を抑制し得るパワーコンディショナを提供する。』ことを課題とする技術として、『パワーコンディショナ１の制御部８は、自立運転時の余剰電力が所定電力以上である場合には、内部負荷１０への通電を制御するスイッチング素子Ｑ１０をＯＮ状態に制御するとともに、コンバータ回路部４の出力電圧を可変制御してＤＣリンク部６の電圧を変化させながら内部負荷１０で余剰電力を消費させる。一方、余剰電力が所定電力未満である場合には、制御部８は、コンバータ回路部４の出力電圧を一定に制御してＤＣリンク部６の電圧を固定し、スイッチング素子Ｑ１０のＯＮ／ＯＦＦデューティ比を制御して内部負荷１０で余剰電力を消費させる。』というものを開示している（要約参照）。

特開２０１５−１５６７６９号公報

上記特許文献１に例示されるような従来のパワーコンディショナにおいては、例えば内部負荷としてヒータを設け、インバータが出力する電力（すなわち負荷に対して供給する電力、以下インバータ電力）とヒータが消費する電力（以下ヒータ電力）との合計が一定になるように、ヒータを制御する。

上記制御においては、インバータ電力の実効値（ｒｍｓ）を基準としてヒータ電力を制御するが、実効値を求める際の演算時間に起因して、ヒータ電力を制御する処理が相応に遅れることになる。そうすると、インバータ電力が瞬時的に急変した場合、インバータ電力とヒータ電力の合計が目標値から瞬時的に逸脱することになる。このことは、電池セルが出力する電流の急変をもたらす。電池セルの出力電流が急変することは、一般に電池セルを劣化させる要因となる。

本発明は、上記のような課題に鑑みてなされたものであり、インバータ電力の急変時においても電池セルの出力電流の急変を抑制することができるパワーコンディショナを提供することを目的とする。

本発明に係るパワーコンディショナは、インバータ電力実効値と内部負荷電力実効値の合計を目標値に向かわせる第１制御量を算出するとともに、内部負荷電力の現在値をインバータ電力瞬時値に追従させる第２制御量を算出する。

本発明に係るパワーコンディショナは、インバータ電力実効値と内部負荷電力実効値との合計を一定に制御するとともに、インバータ電力の急変に対してヒータ電力を追従させることができる。これにより、電池セルの出力電流の急変を抑制することができる。

パワーコンディショナ１００の構成を説明する機能ブロック図である。

＜本発明における装置構成について＞
図１は、本発明に係るパワーコンディショナ１００の構成を説明する機能ブロック図である。パワーコンディショナ１００は、燃料電池２０１から直流電力の供給を受け、これを交流電力に変換して負荷２０２に対して出力する装置である。パワーコンディショナ１００は、例えば商用電源が停電したときこれを検出するかまたはユーザが操作することにより、自立運転モードへ移行する。ユーザは、パワーコンディショナ１００が備えるコンセントに対して負荷２０２を接続する。パワーコンディショナ１００は、コンセントを介して負荷２０２に対して電力を供給する。

パワーコンディショナ１００は、演算部１１０、ヒータ１２０、インバータ１３０を備える。インバータ１３０は、燃料電池２０１から供給される直流電力を交流電力に変換して負荷２０２に対して出力する。ヒータ１２０は、燃料電池２０１から電力供給を受けてこれを熱エネルギーに変換することにより消費する、内部負荷である。演算部１１０は、インバータ１３０が出力する電力（インバータ電力）とヒータ１２０が消費する電力（ヒータ電力）の合計を一定に維持するように、ヒータ１２０の動作を制御する。具体的な制御手順については以下に説明する。

演算部１１０は、自立運転モードにおいてヒータ電力とインバータ電力の合計を一定に維持するように、ヒータ１２０を制御する。通常運転時においてはヒータ１２０を動作させる必要はない。演算部１１０は、第１制御器１１１、第２制御器１１２、第３制御器１１３、平均値算出器１１４、指令値算出器１１５を備える。説明の便宜上、まずは第２制御器１１２から説明する。

第２制御器１１２は、第１制御器１１１から後述する第１目標値を受け取る。第２制御器１１２は、インバータ１３０が出力する電力の瞬時値（ＩＮＶ瞬時電力）に対してゲインを乗じることにより第２制御量を算出し、第１目標値から第２制御量を減算することにより第２目標値を算出する。第２目標値は、ヒータ１２０の消費電力をＩＮＶ瞬時電力に対して追従させるように構成された、ヒータ１２０の制御目標値である。

第２制御量は、インバータ１３０が出力する電力の急変に対してヒータ１２０が消費する電力を追従させるための制御量である。ゲインは例えば、ゲイン＝１／（Ｋａ＋（目標合計値−第１目標値×Ｋｂ））（ＫａとＫｂは定数）によって求めることができるが、これに限られるものではなく、ヒータ電力をＩＮＶ瞬時電力に対して追従させる任意の制御量を用いることができる。

第２制御器１１２は、例えば負荷２０２が消費する電力が急変することによってインバータ１３０が出力する電力が急変した際に、ヒータ１２０が消費する電力をこれに即座に追従させる。例えば負荷２０２の消費電力が急増するとインバータ１３０の出力電力も急増するので、ヒータ１２０の消費電力もこれに応じて急減させる必要がある。そこでＩＮＶ瞬時電力に対してゲインを乗じることにより第２制御量を算出し、これを第１目標値に対して適用することにより、急変に対する追従性を高めることとした。

平均値算出器１１４は、インバータ１３０が出力する電力の平均値（例えば半サイクルの３回の平均値）を算出する。指令値算出器１１５は、インバータ電力とヒータ電力の合計の目標値（例えば７００Ｗ）からその平均値を減算することにより、ヒータ電力の指令値を算出する。

第１制御器１１１は、ヒータ電力の指令値を受け取り、ヒータ１２０の消費電力をその指令値に近づかせるための制御量（第１制御量）を算出し、指令値から第１制御量を減算することにより、ヒータ電力の制御目標値（第１目標値）を算出する。具体的には、指令値とヒータ電力の現在値（ＨＴ電力）との間の差分に対してＰＩ制御を実施することにより第１制御量を算出し、これを指令値に対して適用することにより、第１目標値を算出する。

第１制御量は、インバータ電力とヒータ電力の合計が目標合計値（例えば７００Ｗ）に向かうようにヒータ電力を制御する作用を有する。ただし第１制御器１１１に対する入力である指令値は、インバータ電力の平均値を用いて算出されているので、算出遅れなどに起因して、瞬時的には必ずしもこれらの合計が目標合計値と一致しない場合がある。いずれにしても、第１制御量はインバータ電力実効値とヒータ電力実効値を目標合計値に向かって制御する作用を有している。

第３制御器１１３は、第２目標値を受け取り、これを用いてヒータ１２０に対する駆動信号を算出する。具体的には以下の手順を用いることができる：（１）第２目標値とヒータ電力の現在値（ＨＴ電力）との間の差分Ｅｒｒを求める、（２）差分Ｅｒｒを積分することにより積分値ＥｒｒＩｎｔを求める、（３）Ｅｒｒに対してゲインＧｐを乗算するとともに、ＥｒｒＩｎｔに対してゲインＧｉを乗算し、これらを第２目標値に対して加算する（第２目標値＝第２目標値＋Ｅｒｒ×Ｇｐ＋ＥｒｒＩｎｔ×Ｇｉ）ことによりＰＩ制御を実施する、（４）求めた第２目標値に対してゲインＫを乗算することにより、ヒータ１２０に対するＰＷＭ駆動信号を算出する。

＜本発明における制御の考え方について＞
第２制御量のみを用いてヒータ１２０を制御しようとすると、インバータ電力の過渡的な変動の影響を受け過ぎて、指令値がうまく収束しない場合がある。例えばインバータ電力とヒータ電力の合計が目標合計値に達する前にヒータ電力の指令値が反対極性に向かって遷移したり、あるいは目標合計値に到達してもすぐにこれから逸脱したり、といった現象が生じる場合がある。そうすると、インバータ電力とヒータ電力の合計が目標合計値に収束するのが遅れ、結果として燃料電池２０１の出力電流が急変して劣化を促進することになる。

そこで本発明においては、インバータ電力の平均値を基準として目標合計値に向かって制御する処理（すなわち第１制御量を用いた制御）を、第２制御量に加えて加算的に用いることとした。

第１制御量は、時間的な遅れがあるとはいえ、実効値の観点から見ると、インバータ電力とヒータ電力の合計を目標合計値に向かって遷移させる作用を有している。したがって第２制御量のみであれば指令値をうまく収束させることが困難である場合であっても、第１制御量を併用することにより、総合的にはインバータ電力とヒータ電力の合計を目標合計値に向かって収束させる作用が生じる。

他方で第２制御量は、インバータ電力の瞬時的な急変に対してヒータ電力を追従させる作用を有している。第１制御量と第２制御量を加算的に用いて最終的な指令値を算出することにより、総合的にはインバータ電力とヒータ電力の合計を目標合計値に向かって収束させつつ、インバータ電力の急変によりインバータ電力とヒータ電力の合計が目標合計値から逸脱する程度を抑制することができる。すなわち、燃料電池２０１の出力電流が急変することを抑制し、燃料電池２０１の劣化を抑えることができる。

＜本発明の変形例について＞
演算部１１０およびその内部の各機能部は、その機能を実装した回路デバイスなどのハードウェアによって実現することもできるし、同等の機能を実装したソフトウェアをＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）などの演算装置が実行することにより実現することもできる。

以上の説明において、パワーコンディショナ１００が電力供給を受けるのは燃料電池２０１からであるが、その他電池（例えば太陽電池）から電力供給を受けるパワーコンディショナにおいても、本発明と同様の構成を採用することができる。

以上の説明において、パワーコンディショナ１００が備える内部負荷としてヒータ１２０を例示したが、電池が供給する電力を消費することによりインバータ電力と内部負荷電力の合計を一定に維持する作用を発揮することができれば、その他タイプの内部負荷（例えば適当な電気抵抗）を用いることもできる。ヒータ１２０を用いる場合は、電力消費によって発生する熱を用いて湯を沸かすことができるので、エネルギー効率の観点からは望ましいといえる。

１００：パワーコンディショナ、１１０：演算部、１１１：第１制御器、１１２：第２制御器、１１３：第３制御器、１１４：平均値算出器、１１５：指令値算出器、１２０：ヒータ、１３０：インバータ。

Claims (6)

1. 電池から電力の供給を受けて負荷に対して提供するパワーコンディショナであって、
   前記電池が供給する直流電力を交流電力に変換して前記負荷に対して出力するインバータ、
   前記直流電力を消費する内部負荷、
   前記インバータが出力するインバータ電力と前記内部負荷が消費する内部負荷電力との合計が目標合計値になるように前記内部負荷電力を制御する演算部、
   を備え、
   前記演算部は、
   所定期間における前記インバータ電力の平均値を算出する平均値算出器、
   前記目標合計値から前記平均値を減算することにより前記内部負荷電力の指令値を算出する指令値算出器、
   前記内部負荷電力の現在値を前記指令値に追従させる第１制御量を算出する第１制御器、
   前記内部負荷電力の現在値を前記インバータ電力の瞬時値に追従させる第２制御量を算出する第２制御器、
   を備え、
   前記演算部は、前記第１制御量と前記第２制御量を加算的に用いることにより、前記インバータ電力の実効値と前記内部負荷電力の実効値との合計を前記目標合計値に向かって制御するとともに、前記インバータ電力の瞬時値と前記内部負荷電力の瞬時値との合計が前記目標合計値から逸脱する程度を抑制する
   ことを特徴とするパワーコンディショナ。
2. 前記第１制御器は、
   前記指令値と前記内部負荷電力の現在値との間の差分に基づき前記第１制御量を算出して前記指令値から前記第１制御量を減算することにより前記内部負荷電力の第１目標値を算出し、
   前記第２制御器は、
   前記目標合計値と前記第１目標値との間の差分に基づき算出したゲインを前記インバータ電力の瞬時値に対して乗じることにより前記第２制御量を算出し、前記第１目標値から前記第２制御量を減算することにより前記内部負荷電力の第２目標値を算出する
   ことを特徴とする請求項１記載のパワーコンディショナ。
3. 前記演算部はさらに、
   前記第２目標値と前記内部負荷電力の現在値との間の差分に基づき第３制御量を算出する第３制御器を備える
   ことを特徴とする請求項２記載のパワーコンディショナ。
4. 前記演算部は、商用電源が遮断されたことを検出すると前記内部負荷に対して電力を供給するとともに前記制御を実施し、それ以外の期間においては前記制御を実施しない
   ことを特徴とする請求項１記載のパワーコンディショナ。
5. 前記内部負荷は、電力を熱エネルギーに変換するヒータである
   ことを特徴とする請求項１記載のパワーコンディショナ。
6. 前記電池は、燃料電池であり、
   前記パワーコンディショナは、前記燃料電池から電力の供給を受ける
   ことを特徴とする請求項１記載のパワーコンディショナ。

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