JP2019122182A - 電力変換システム - Google Patents

Abstract

【課題】車両用の充放電装置を、パワーコンディショナを備える太陽光発電システムに併設する場合において、太陽光を用いて発電された電気を効率的に車両の駆動用の蓄電池に蓄えることができる電力変換システムを得ること。【解決手段】電力変換システム４は、太陽光パネル２に接続されるパワーコンディショナ５と、車両用の充放電装置６とを備え、パワーコンディショナ５は、太陽光パネル２から出力された直流電圧を直流母線電圧に変換して母線５６に出力するＤＣＤＣ変換器５１と、母線５６に接続するとともに、充放電装置６と接続可能な接続端子５５とを備え、充放電装置６は、母線６６に接続するとともに、母線５６と接続端子５５を介して接続可能な接続端子６５と、母線６６に出力された直流母線電圧を直流充電電圧に変換して蓄電池３１に出力するＤＣＤＣ変換器６１とを備える。【選択図】図１

Description

本発明は、直流電源から供給される電力を交流電力に変換する第１の電力変換装置と、蓄電池の充放電を制御する第２の電力変換装置とを備える電力変換システムに関する。

太陽光を電力に変換する太陽光パネルと、太陽光パネルに接続されるパワーコンディショナとを備える太陽光発電システムは、温室効果ガス排出量の削減、エネルギー自給率の向上、および再生可能エネルギーの固定価格買取制度（ＦＩＴ（Feed-in Tariff）制度）の導入によって得られる経済的メリットのために導入されている。近年、太陽光発電システムの導入量は一気に増大してきている。しかし、太陽光を用いて発電された電気の買取価格は、年々引き下げられ、太陽光を用いて発電された電気を売電することによる経済的メリットは低下してきている。さらに、ＦＩＴ制度で定められた一定期間が過ぎて太陽光を用いて発電された電気の買取期間が終了した後においては、太陽光を用いて発電された電気を売電することはできない。このため、太陽光を用いて発電された電気を売電せずに消費して、経済的メリットを向上させる時代が本格的に到来してきている。

また、近年、ガソリンをエネルギー源として走行するガソリン車だけではなく、電気をエネルギー源として走行する電気自動車（ＥＶ：Electric Vehicle）、ガソリンと電気とをエネルギー源として走行するプラグインハイブリッド自動車（ＰＨＥＶ：Plug-in Hybrid Electric Vehicle）、および水素をエネルギー源として走行する燃料電池車（ＦＣＶ：Fuel Cell Vehicle）などのエコカーが普及してきている。ＥＶおよびＰＨＥＶは、駆動用の蓄電池を搭載しており、これらの蓄電池の電力を家庭内負荷において利用可能とさせる電力変換システムであるＶ２Ｈ（Vehicle to Home）システムも普及しつつある。

このような背景から、既設の太陽光発電システムに車両用の充放電装置を併設し、太陽光を用いて発電された電気を車両用の充放電装置によってＥＶまたはＰＨＥＶの駆動用の蓄電池に蓄えて、蓄電池に蓄えられた電力を家庭内負荷で使用することが可能となってきている。車両用の充放電装置としては、以下の特許文献１に記載の車両用の充放電装置がある。

特開２０１３−２５５３６０号公報

しかしながら、上述した特許文献１に記載の車両用の充放電装置としての電力変換装置を、パワーコンディショナとしての電力変換装置を備える太陽光発電システムに併設する場合、一般に車両用の電力変換装置は太陽光発電システムが備える電力変換装置と分電盤との間に接続される。このため、太陽光を用いて発電された電気は、太陽光発電システムが備える電力変換装置において直流（ＤＣ：Direct Current）から交流（ＡＣ：Alternating Current）に電力変換されてから車両用の電力変換装置に供給され、車両用の電力変換装置において交流から直流に電力変換されて車両の駆動用の蓄電池に蓄えられる。直流から交流、および交流から直流への電力変換では電力損失が大きくなるため、太陽光を用いて発電された電気を効率的に車両の駆動用の蓄電池に蓄えることができていない、という問題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、車両用の充放電装置としての電力変換装置を、パワーコンディショナとしての電力変換装置を備える太陽光発電システムに併設する場合において、太陽光を用いて発電された電気を効率的に車両の駆動用の蓄電池に蓄えることができる電力変換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、本発明にかかる電力変換システムは、第１の電力変換装置を備える。電力変換システムは、第２の電力変換装置を備える。第１の電力変換装置は、第１の電力変換装置の外部の直流電源から出力された第１の直流電圧を第２の直流電圧に変換して第１の電力変換装置内の第１の母線に出力する第１の電力変換器を備える。第１の電力変換装置は、第１の母線に出力された第２の直流電圧を交流電圧に変換する第２の電力変換器を備える。第１の電力変換装置は、第１の母線に接続するとともに、第２の電力変換装置と接続可能な第１の接続部を備える。第２の電力変換装置は、第２の電力変換装置内の第２の母線に接続するとともに、第１の母線と第１の接続部を介して接続可能な第２の接続部を備える。第２の電力変換装置は、第２の母線に出力された第２の直流電圧を第３の直流電圧に変換して第２の電力変換装置の外部の第１の蓄電池に出力し、また第１の蓄電池から出力された第４の直流電圧を第２の直流電圧に変換して第２の母線に出力する第３の電力変換器を備える。

本発明によれば、車両用の充放電装置としての電力変換装置を、パワーコンディショナとしての電力変換装置を備える太陽光発電システムに併設する場合において、太陽光を用いて発電された電気を効率的に車両の駆動用の蓄電池に蓄えることができる、という効果を奏する。

本発明の実施の形態１にかかる電力変換システムを備える充放電システムの一例を説明するための構成図 本発明の実施の形態２にかかる電力変換システムを備える充放電システムの一例を説明するための構成図 本発明の実施の形態３にかかる電力変換システムを備える充放電システムの一例を説明するための構成図

以下に、本発明の実施の形態にかかる電力変換システムを図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
まず、本発明の実施の形態１にかかる電力変換システムについて説明する。図１は、本発明の実施の形態１にかかる電力変換システムを備える充放電システムの一例を説明するための構成図である。

図１に示す、充放電システム１は、太陽光パネル２と、電気自動車３と、本発明の実施の形態１にかかる電力変換システム４とを備える。太陽光パネル２は、太陽光を直流電圧に変換する。太陽光パネル２は、直流電源として機能する。太陽光パネル２は、電力変換システム４に接続される。太陽光パネル２は、第１の電力変換装置の外部の直流電源の一例である。

電気自動車３は、蓄電池３１と、電池３２とを備える。蓄電池３１と電池３２とは、同一の外部装置である電気自動車３に設けられている。蓄電池３１は、電気自動車３の駆動用の蓄電池である。蓄電池３１は、電力を充電および放電可能な二次電池である。蓄電池３１は、直流電力を蓄電可能であるとともに、放電時には直流電源としても機能する。蓄電池３１は、たとえば、出力およびエネルギー密度が高く、繰り返しの充電および放電でも劣化の少ないリチウムイオン電池によって実現される。電池３２は、電気自動車３のシステムを起動させるための電力、および電気自動車３の内部の電装設備への電力を供給する二次電池である。電池３２は、たとえば、鉛蓄電池によって実現される。電池３２は、補機電池とも呼ばれる。蓄電池３１は、充電ケーブル９を介して電力変換システム４に接続される。電池３２は、電力変換システム４に接続される。蓄電池３１は、第２の電力変換装置の外部の第１の蓄電池の一例である。電池３２は、第２の電力変換装置の外部の第２の蓄電池の一例である。

電力変換システム４は、太陽光パネル２に接続されるパワーコンディショナ５と、車両用の充放電装置６とを備える。パワーコンディショナ５と充放電装置６とは、後述する接続端子５５，６５を介して接続される。パワーコンディショナ５には、太陽光パネル２、系統電源７および家庭内負荷８が接続される。充放電装置６には、電気自動車３が接続される。パワーコンディショナ５は、第１の電力変換装置の一例である。充放電装置６は、第２の電力変換装置の一例である。

パワーコンディショナ５は、ＤＣＤＣ変換器５１と、ＤＣＡＣ変換器５２と、制御回路５３と、電源回路５４と、接続端子５５とを備える。ＤＣＤＣ変換器５１は、第１の電力変換器の一例である。ＤＣＡＣ変換器５２は、第２の電力変換器の一例である。制御回路５３は、第１の制御回路の一例である。電源回路５４は、第１の電源回路の一例である。接続端子５５は、第１の接続部の一例である。

ＤＣＤＣ変換器５１は、太陽光パネル２と接続される。ＤＣＤＣ変換器５１は、太陽光パネル２から出力された直流電圧を直流母線電圧に変換して母線５６に出力する。太陽光パネル２から出力された直流電圧は、第１の直流電圧の一例である。直流母線電圧は、第２の直流電圧の一例である。母線５６は、第１の母線の一例である。ＤＣＡＣ変換器５２は、系統電源７および家庭内負荷８と接続される。ＤＣＡＣ変換器５２は、母線５６に出力された直流母線電圧を交流電圧に変換して系統電源７または家庭内負荷８に出力する。ＤＣＡＣ変換器５２は、系統電源７から供給された交流電圧を直流母線電圧に変換して母線５６に出力する。

制御回路５３は、ＤＣＤＣ変換器５１およびＤＣＡＣ変換器５２を制御する。電源回路５４は、母線５６に出力された直流母線電圧の電圧値がある電圧値以上となった場合に動作する。電源回路５４は、母線５６に接続する。電源回路５４は、母線５６に出力された直流母線電圧を制御回路５３の動作に必要な直流電圧に変換し、直流電圧を制御回路５３に供給する。接続端子５５は、母線５６と制御線５７とにそれぞれ接続するとともに、後述する接続端子６５を介して充放電装置６と接続可能である。

充放電装置６は、ＤＣＤＣ変換器６１と、制御回路６２と、電源回路６３，６４と、接続端子６５とを備える。ＤＣＤＣ変換器６１は、第３の電力変換器の一例である。制御回路６２は、第２の制御回路の一例である。電源回路６３は、第２の電源回路の一例である。電源回路６４は、第４の電力変換器の一例である。接続端子６５は、第２の接続部の一例である。

ＤＣＤＣ変換器６１は、充電ケーブル９を介して蓄電池３１と接続されている。ＤＣＤＣ変換器６１は、母線６６および接続端子５５，６５を介して母線５６に接続し、母線５６，６６に出力された直流母線電圧を直流充電電圧に変換して充電ケーブル９を介して蓄電池３１に出力する。母線６６は、第２の母線の一例である。直流充電電圧は、第３の直流電圧の一例である。ＤＣＤＣ変換器６１は、蓄電池３１から出力された直流放電電圧を直流母線電圧に変換して母線６６に出力する。直流放電電圧は、第４の直流電圧の一例である。

制御回路６２は、ＤＣＤＣ変換器６１を制御する。電源回路６３は、母線６６および接続端子５５，６５を介して母線５６に接続する。電源回路６３は、母線５６，６６に出力された直流母線電圧を制御回路６２の動作に必要な直流電圧に変換し、直流電圧を制御回路６２に供給する。電源回路６４は、電池３２と接続される。電源回路６４は、電池３２から出力された直流電圧を直流母線電圧に変換して母線６６に出力する。電池３２から出力された直流電圧は、第５の直流電圧の一例である。接続端子６５は、母線６６と制御線６７とにそれぞれ接続するとともに、パワーコンディショナ５と接続端子５５を介して接続可能である。接続端子５５と接続端子６５とが接続されることにより、母線５６と母線６６とが接続され、制御線５７と制御線６７とが接続される。

充放電システム１では、太陽光パネル２で発電された電気を蓄電池３１に蓄えることが可能であり、太陽光パネル２で発電された電気を売電することが可能であり、太陽光パネル２で発電された電気を家庭内負荷８に供給することが可能である。充放電システム１では、蓄電池３１に蓄えられた電気を売電することが可能であり、蓄電池３１に蓄えられた電気を家庭内負荷８に供給することが可能である。

図１に示す充放電システム１では、太陽光パネル２で発電された電気を蓄電池３１に蓄える場合には、太陽光パネル２で発電された電気は、パワーコンディショナ５において交流に電力変換されることなく充放電装置６に供給されて蓄電池３１に蓄えられる。具体的には、太陽光パネル２で発電された電気は、ＤＣＤＣ変換器５１、母線５６、接続端子５５，６５およびＤＣＤＣ変換器６１を介して蓄電池３１に蓄えられる。

図１に示す充放電システム１では、太陽光パネル２で発電された電気を売電また家庭内負荷８に供給する場合には、太陽光パネル２で発電された電気は、パワーコンディショナ５において交流に電力変換されて系統電源７または家庭内負荷８に供給される。具体的には、太陽光パネル２で発電された電気は、ＤＣＤＣ変換器５１、母線５６およびＤＣＡＣ変換器５２を介して系統電源７または家庭内負荷８に供給される。

図１に示す充放電システム１では、太陽光パネル２で発電された電気を蓄電池３１に蓄えるか、太陽光パネル２で発電された電気を売電また家庭内負荷８に供給するかの切替えは、制御回路５３によるＤＣＤＣ変換器５１およびＤＣＡＣ変換器５２の制御、および制御回路６２によるＤＣＤＣ変換器６１の制御によって実現される。

図１に示す充放電システム１では、蓄電池３１に蓄えられた電気を売電また家庭内負荷８に供給する場合には、蓄電池３１に蓄えられた電気は、充放電装置６において交流に電力変換されることなくパワーコンディショナ５において交流に電力変換されて系統電源７または家庭内負荷８に供給される。具体的には、蓄電池３１に蓄えられた電気は、ＤＣＤＣ変換器６１、母線６６、接続端子６５，５５、母線５６およびＤＣＡＣ変換器５２を介して系統電源７または家庭内負荷８に供給される。

図１に示す充放電システム１では、系統電源７からの電力の供給が停止した時、かつ太陽光を用いた発電ができない夜間または雨天時において、電池３２に蓄えられた電気を、電源回路５４，６３，６４に供給可能であり、制御回路５３，６２に電力を供給することが可能である。

本実施の形態によれば、太陽光を用いて発電された電気は、パワーコンディショナ５において交流に電力変換されることなく直流のまま充放電装置６に供給されて蓄電池３１に蓄えられる。これにより、太陽光を用いて発電された電気を直流から交流に電力変換する場合と比較して、太陽光を用いて発電された電気を効率的に蓄電池３１に蓄えることができる。

本実施の形態によれば、蓄電池３１に蓄えられた電気は、充放電装置６において交流に電力変換されることなくパワーコンディショナ５において交流に電力変換されて系統電源７または家庭内負荷８に供給される。これにより、充放電装置６にＤＣＡＣ変換器を設ける必要をなくすことができ、充放電装置６の低コスト化、小型化および軽量化を実現することができる。

本実施の形態によれば、電池３２に蓄えられた電気を、電源回路５４に供給することができるため、電池３２に蓄えられた電気によってもパワーコンディショナ５を動作させることが可能である。

本実施の形態によれば、系統電源７からの電力の供給が停止した時、かつ太陽光を用いた発電ができない夜間または雨天時において、電池３２に蓄えられた電気を、電源回路５４，６３，６４に供給可能であり、制御回路５３，６２に電力を供給することが可能である。これにより、系統電源７からの電力の供給が停止した時、かつ太陽光を用いた発電ができない夜間または雨天時においても、充放電システム１を動作させることが可能であり、蓄電池３１に蓄えられた電気を家庭内負荷８に供給することが可能である。

本実施の形態によれば、パワーコンディショナ５と、充放電装置６とは接続端子５５，６５を介して接続可能である。このため、既設のパワーコンディショナ５に後から充放電装置６を接続して、パワーコンディショナ５に充放電装置６を併設することが可能である。

実施の形態２．
次に、本発明の実施の形態２にかかる電力変換システムについて説明する。図２は、本発明の実施の形態２にかかる電力変換システムを備える充放電システムの一例を説明するための構成図である。充放電システム１Ａでは、外部電池１０を備える点が、上述した実施の形態１と異なる。実施の形態１と重複した構成および作用については説明を省略し、以下に異なる構成および作用についての説明を行う。

図２に示す、充放電システム１Ａは、外部電池１０を備える。外部電池１０は、第２の蓄電池の一例である。外部電池１０は、上述した電気自動車３の電池３２とは別の電池であり、電気自動車３の外部に別途設けられる。すなわち、蓄電池３１と外部電池１０とは、それぞれ別の外部装置内に設けられる。外部電池１０は、たとえば、単１形、単２形または単３形の円筒型単電池、または９Ｖ型の平形６層電池を使用して構成してもよい。

充放電装置６の電源回路６４は、外部電池１０と接続される。電源回路６４は、外部電池１０から出力された直流電圧を直流母線電圧に変換して母線６６に出力する。

本実施の形態によれば、上述した実施の形態１と同様の効果を奏することができる。本実施の形態によれば、外部電池１０からの電力を、電源回路５４に供給することができるため、外部電池１０からの電力によってもパワーコンディショナ５を動作させることが可能である。

本実施の形態によれば、系統電源７からの電力の供給が停止した時、かつ太陽光を用いた発電ができない夜間または雨天時において、外部電池１０からの電力を、電源回路５４，６３，６４に供給可能であり、制御回路５３，６２に電力を供給することが可能である。これにより、系統電源７からの電力の供給が停止した時、かつ太陽光を用いた発電ができない夜間または雨天時においても、充放電システム１Ａを動作させることが可能であり、蓄電池３１に蓄えられた電気を家庭内負荷８に供給することが可能である。

本実施の形態によれば、外部電池１０は、電気自動車３の電池３２ではないため、充放電装置６の電源回路６４に電力を供給する直流電源の選択肢を多くすることができる。

実施の形態３．
次に、本発明の実施の形態３にかかる電力変換システムについて説明する。図３は、本発明の実施の形態３にかかる電力変換システムを備える充放電システムの一例を説明するための構成図である。充放電システム１Ｂでは、電力変換システム４Ａが線延長ケーブル１１を備え、パワーコンディショナ５Ａが地絡検知回路５８を備える点が、上述した実施の形態１と異なる。実施の形態１と重複した構成および作用については説明を省略し、以下に異なる構成および作用についての説明を行う。

図２に示す、充放電システム１Ｂでは、電力変換システム４Ａが線延長ケーブル１１を備える。線延長ケーブル１１は、ケーブルの一例である。パワーコンディショナ５Ａと充放電装置６とは、接続端子５５，６５および線延長ケーブル１１を介して接続される。線延長ケーブル１１は、母線延長ケーブル１１１と、制御線延長ケーブル１１２とを備える。接続端子５５と接続端子６５とが線延長ケーブル１１を介して接続されることにより、母線５６と母線６６とが母線延長ケーブル１１１を介して接続され、制御線５７と制御線６７とが制御線延長ケーブル１１２を介して接続される。

パワーコンディショナ５Ａは、地絡検知回路５８を備える。地絡検知回路５８は、接続端子５５および母線５６に接続する。地絡検知回路５８は、母線５６の地絡を検知する。

本実施の形態によれば、上述した実施の形態１と同様の効果を奏することができる。本実施の形態によれば、パワーコンディショナ５Ａと充放電装置６とが線延長ケーブル１１を介して接続される。これにより、パワーコンディショナ５Ａと充放電装置６とを線延長ケーブル１１の長さの分だけ離して設置することができるため、充放電装置６の設置場所の制約を少なくすることができる。電気自動車３が駐車する駐車場のスペースにおいて、充放電装置６の設置性を向上させることができる。充放電装置６の設置性が向上されることにより、パワーコンディショナ５Ａの設置性も向上させることができる。

本実施の形態によれば、母線５６の地絡を検知する地絡検知回路５８を備える。これにより、母線延長ケーブル１１１の劣化または予期せぬ不具合、または外部からの影響により母線５６が地絡した場合に、母線５６の地絡を検知することが可能であり、母線５６の地絡を検知したときに、パワーコンディショナ５Ａの動作を停止させることが可能となる。

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、構成の一部を省略および変更することも可能である。

１，１Ａ，１Ｂ 充放電システム、２ 太陽光パネル、３ 電気自動車、４，４Ａ 電力変換システム、５，５Ａ パワーコンディショナ、６ 充放電装置、７ 系統電源、８ 家庭内負荷、９ 充電ケーブル、１０ 外部電池、１１ 線延長ケーブル、３１ 蓄電池、３２ 電池、５１，６１ ＤＣＤＣ変換器、５２ ＤＣＡＣ変換器、５３，６２ 制御回路、５４，６３，６４ 電源回路、５５，６５ 接続端子、５６，６６ 母線、５７，６７ 制御線、５８ 地絡検知回路、１１１ 母線延長ケーブル、１１２ 制御線延長ケーブル。

Claims (7)

1. 第１の電力変換装置と第２の電力変換装置とを備える電力変換システムであって、
   前記第１の電力変換装置は、
   前記第１の電力変換装置の外部の直流電源から出力された第１の直流電圧を第２の直流電圧に変換して前記第１の電力変換装置内の第１の母線に出力する第１の電力変換器と、
   前記第１の母線に出力された前記第２の直流電圧を交流電圧に変換する第２の電力変換器と、
   前記第１の母線に接続するとともに、前記第２の電力変換装置と接続可能な第１の接続部とを備え、
   前記第２の電力変換装置は、
   前記第２の電力変換装置内の第２の母線に接続するとともに、前記第１の母線と前記第１の接続部を介して接続可能な第２の接続部と、
   前記第２の母線に出力された前記第２の直流電圧を第３の直流電圧に変換して前記第２の電力変換装置の外部の第１の蓄電池に出力し、また前記第１の蓄電池から出力された第４の直流電圧を前記第２の直流電圧に変換して前記第２の母線に出力する第３の電力変換器とを備える
   ことを特徴とする電力変換システム。
2. 前記第１の電力変換装置は、
   前記第１の電力変換器および前記第２の電力変換器を制御する第１の制御回路と、
   前記第１の母線に出力された前記第２の直流電圧を用いて前記第１の制御回路に電力を供給する第１の電源回路とを備え、
   前記第２の電力変換装置は、
   前記第３の電力変換器を制御する第２の制御回路と、
   前記第２の母線に出力された前記第２の直流電圧を用いて前記第２の制御回路に電力を供給する第２の電源回路とを備える
   ことを特徴とする請求項１に記載の電力変換システム。
3. 前記第２の電力変換装置は、
   前記第２の電力変換装置の外部の第２の蓄電池から出力された第５の直流電圧を前記第２の直流電圧に変換して前記第２の母線に出力する第４の電力変換器を備える
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の電力変換システム。
4. 前記第１の蓄電池と前記第２の蓄電池とは、同一の外部装置内に設けられている
   ことを特徴とする請求項３に記載の電力変換システム。
5. 前記第１の蓄電池と前記第２の蓄電池とは、それぞれ別の外部装置内に設けられている
   ことを特徴とする請求項３に記載の電力変換システム。
6. 前記第１の接続部と前記第２の接続部とを接続するケーブルを備える
   ことを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の電力変換システム。
7. 前記第１の電力変換装置は、
   前記第１の母線の地絡を検知する地絡検知回路を備える
   ことを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の電力変換システム。

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