JP4920774B2 - Dc/dcコンバータ、その制御方法並びに直流給電システム - Google Patents

Dc/dcコンバータ、その制御方法並びに直流給電システム Download PDF

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Description

本発明は、蓄電池用DC/DCコンバータの制御方法に関する。
特許文献1には、直流負荷に対し商用電源からの直流電力を供給すると共に、蓄電池の電力をDC/DC変換した直流電力を供給する無遮断直流供給システムが開示されている。本システムでは、商用電源からの電力供給が止まった際、DC/DCコンバータが、蓄電池からの電力をDC/DC変換することを開始し、直流負荷に対し高速に立ち上がり電力を供給する。
特開昭61−46128号公報(第1図等)
しかしながら、上記従来のシステムは、大電力を消費するデータセンターや工場の無停電を実現するシステムであり、家庭用の直流給電システムのようにシステム全体の消費電力が小さい場合に休止状態のDC/DCコンバータが蓄電池からの電力供給を始めた際、直流負荷がつながる直流バスの電圧が規定値より高くなり、直流バスにつながる機器の信頼性が低下するという問題があった。例えば380Vの直流給電システムにおいては、直流バスにつながる機器に使用される部品の多くが500V〜600V耐圧であり、直流電圧の上昇は機器の信頼性低下の大きな原因となる。
上記問題点を鑑み、本発明は、直流バス電圧の上昇を抑えることができ、直流バスに接続される機器の信頼性向上を図ることができるDC/DCコンバータ、その制御方法並びに直流給電システムを提供することを目的とする。
上記目的を達成するために本発明は、スイッチング制御を行う制御部を有し、スイッチング制御により蓄電池からの電力を直流バスに接続された直流負荷に供給するDC/DCコンバータにおいて、
前記制御部は、DC/DCコンバータの停止状態において前記直流バスの電圧が所定電圧以下となったことを検出すると、スイッチングのパルス幅を除々に広げるスイッチング制御を開始し、DC/DCコンバータの出力電流が流れたことを検出した後に出力設定電圧に対応したパルス幅でスイッチング制御を行う構成とする。
このような構成によれば、DC/DCコンバータの停止状態において直流バス電圧が低下し所定電圧以下となると、スイッチングのパルス幅を除々に広げるスイッチング制御を行い、スイッチング制御の間も直流バス電圧は低下し、DC/DCコンバータの出力電圧が直流バス電圧を超えるとDC/DCコンバータの出力電流が流れ、その後に出力設定電圧に対応したパルス幅でスイッチング制御を行うので、直流バス電圧の上昇を抑えることができ、直流バスに接続される直流負荷としての機器の信頼性を向上させることができる。
また、上記構成において、前記制御部は、DC/DCコンバータの出力電流が流れたことを検出した直後に前記出力設定電圧に対応したパルス幅でスイッチング制御を行う構成としてもよい。
このような構成によれば、直流バス電圧をより迅速に出力設定電圧に安定化することができる。
また、上記構成において、前記制御部は、DC/DCコンバータの出力電流が流れたことを検出した直後に前記出力設定電圧より低い電圧に対応したパルス幅でスイッチング制御を開始し、DC/DCコンバータの出力電流が増加した後所定電流値まで減少したことを検出すると、前記出力設定電圧に対応したパルス幅でスイッチング制御を行う構成としてもよい。
このような構成によれば、直流負荷がより軽負荷である場合でも直流バス電圧の上昇を抑えることができる。
また、本発明の直流給電システムは、上記いずれかの構成のDC/DCコンバータと、前記DC/DCコンバータに接続された蓄電池と、前記DC/DCコンバータに接続された直流バスと、前記直流バスに接続された直流負荷と、を備え、
前記直流バスに接続された太陽光発電システム、燃料電池システム並びに商用電源の電力を変換するAC/DCコンバータのうち少なくとも一つを備えた構成とする。
また、本発明は、スイッチング制御を行う制御部を有し、スイッチング制御により蓄電池からの電力を直流バスに接続された直流負荷に供給するDC/DCコンバータの制御方法において、
DC/DCコンバータの停止状態において前記直流バスの電圧が所定電圧以下となったことを検出する第1ステップと、
前記第1ステップの後、スイッチングのパルス幅を除々に広げるスイッチング制御を開始し、DC/DCコンバータの出力電流が流れたことを検出した後に出力設定電圧に対応したパルス幅でスイッチング制御を行う第2ステップと、を有する構成とする。
また、上記構成において、前記第2ステップにおいて、DC/DCコンバータの出力電流が流れたことを検出した直後に前記出力設定電圧に対応したパルス幅でスイッチング制御を行う構成としてもよい。
また、上記構成において、前記第2ステップにおいて、DC/DCコンバータの出力電流が流れたことを検出した直後に前記出力設定電圧より低い電圧に対応したパルス幅でスイッチング制御を開始し、DC/DCコンバータの出力電流が増加した後所定電流値まで減少したことを検出すると、前記出力設定電圧に対応したパルス幅でスイッチング制御を行う構成としてもよい。
本発明によると、直流バス電圧の上昇を抑えることができ、直流バスに接続される機器の信頼性向上を図ることができる。
本発明の一実施形態に係る直流給電システムの構成を示す図である。 本発明に係る蓄電池用DC/DCコンバータの一構成例を示す図である。 本発明に係る蓄電池用DC/DCコンバータによる放電時制御の一例を示す波形図である。 本発明に係る蓄電池用DC/DCコンバータによる放電時制御の別の一例を示す波形図である。 本発明に係る蓄電池用DC/DCコンバータの別の一構成例を示す図である。
以下に本発明の実施形態を図面を参照して説明する。図1に、本発明の一実施形態に係る直流給電システム100の構成を示す。図1に示すように、直流給電システム100は、太陽電池1と太陽電池用DC/DCコンバータ2とからなる太陽光発電システム3と、双方向インバータ4と、商用電源5と、蓄電池6と、蓄電池用DC/DCコンバータ7と、直流バス8と、直流負荷12としてのDC駆動エアコン9、DC駆動TV10並びにDC駆動冷蔵庫11とを備えている。直流バス8には、太陽電池用DC/DCコンバータ2と、双方向インバータ4と、蓄電池用DC/DCコンバータ7と、直流負荷12が接続されている。
太陽電池用DC/DCコンバータ2は、太陽電池1からの直流電力をDC/DC変換する。双方向インバータ4は、商用電源5からの交流電力を直流電力に変換したり、直流電力を系統側へ逆潮流したりする。また、例えば太陽電池用DC/DCコンバータ2の出力設定電圧を390V、蓄電池用DC/DCコンバータ7の出力設定電圧を380V、双方向インバータ4の出力設定電圧を370Vとする。
ここで、図2に、蓄電池用DC/DCコンバータ7の一構成例を示す。蓄電池用DC/DCコンバータ7は、充電用DC/DCコンバータ13と、放電用DC/DCコンバータ14とから構成される。
充電用DC/DCコンバータ13は、降圧チョッパ回路13Aと、コントローラ13Bと、平滑コンデンサ13Cとから構成される。降圧チョッパ回路13Aは、NPN型トランジスタで構成されるスイッチング素子13Dと、ダイオード13Eと、インダクタ13Fと、コンデンサ13Gとから構成される。平滑コンデンサ13Cの一端が直流バス8の正極およびスイッチング素子13Dのコレクタに接続される。スイッチング素子13Dのエミッタがインダクタ13Fの一端およびダイオード13Eのカソードに接続され、スイッチング素子13Dのベースがコントローラ13Bに接続される。インダクタ13Fの他端はコンデンサ13Gの一端および蓄電池6の正極に接続される。そして、平滑コンデンサ13Cの他端、ダイオード13Eのアノード、コンデンサ13Gの他端並びに蓄電池6の負極が直流バス8の負極に接続される。なお、スイッチング素子13Dは、IGBT(絶縁ゲートバイポーラトランジスタ)やMOSFETで構成されてもよい。
放電用DC/DCコンバータ14は、昇圧チョッパ回路14Aと、コントローラ14Bと、平滑コンデンサ14Cと、電圧センサ14Hと、電流センサ14Iとから構成される。昇圧チョッパ回路14Aは、インダクタ14Dと、NPN型トランジスタで構成されるスイッチング素子14Eと、ダイオード14Fと、コンデンサ14Gとから構成される。平滑コンデンサ14Cの一端が蓄電池6の正極およびインダクタ14Dの一端に接続される。インダクタ14Dの他端がスイッチング素子14Eのコレクタおよびダイオード14Fのアノードに接続される。スイッチング素子14Eのベースがコントローラ14Bに接続される。ダイオード14Fのカソードがコンデンサ14Gの一端および電圧センサ14Hに接続される。電圧センサ14Hはコントローラ14Bおよび直流バス8の正極にも接続される。そして、蓄電池6の負極、平滑コンデンサ14Cの他端、スイッチング素子14Eのエミッタ並びにコンデンサ14Gの他端が電流センサ14Iに接続され、電流センサ14Iはコントローラ14Bおよび直流バス8の負極にも接続される。なお、スイッチング素子14Eは、IGBT(絶縁ゲートバイポーラトランジスタ)やMOSFETで構成されてもよい。
充電動作の際は、直流バス8からの入力電圧は平滑コンデンサ13Cにより平滑化され、平滑化された電圧が降圧チョッパ回路13Aにより設定電圧まで降圧され、蓄電池6が充電される。コントローラ13Bがスイッチング素子13Dを設定電圧に対応したデューティ比でスイッチング制御することで降圧チョッパ回路13Aは降圧動作を行う。
また、放電動作の際は、蓄電池6からの入力電圧が平滑コンデンサ14Cにより平滑化され、平滑化された電圧が昇圧チョッパ回路14Aにより設定電圧まで昇圧され、直流バス8に昇圧された電圧が出力される。コントローラ14Bが設定電圧に対応したデューティ比でスイッチング素子14Eをスイッチング制御することで昇圧チョッパ回路14Aは昇圧動作を行う。
電圧センサ14Hは、直流バス8の電圧を検出するセンサであり、検出信号をコントローラ14Bに出力する。電流センサ14Iは、放電用DC/DCコンバータ14の出力電流を検出するセンサであり、検出信号をコントローラ14Bに出力する。
ここで、太陽電池用DC/DCコンバータ2(図1)の出力電力が直流負荷12の必要電力に対して十分大きく、蓄電池6の充電量が少ない場合、蓄電池用DC/DCコンバータ7の充電用DC/DCコンバータ13が蓄電池6に充電を行い、蓄電池6の充電量が十分になると、蓄電池用DC/DCコンバータ7は停止状態となる。
このように、蓄電池6の充電量が十分で蓄電池用DC/DCコンバータ7が停止状態の場合に、太陽電池1の発電量が減少し、直流負荷12の必要とする電力に対して太陽電池用DC/DCコンバータ2の出力電力が不足すると直流バス8の電圧が低下し、蓄電池用DC/DCコンバータ7が蓄電池6の電力を直流バス8に供給開始する(即ち、放電動作を開始する)。以下、この放電動作について図3も用いながら説明する。なお、図3中、規定上限電圧Vmaxは例えば420Vであり、規定下限電圧Vminは例えば340Vである。
図3のタイミングT0で既に直流バス電圧V1が太陽電池用DC/DCコンバータ2の出力設定電圧Vs(=390V)より低下しており、直流バス電圧がさらに低下してゆき、タイミングT1で直流バス電圧V1が蓄電池用DC/DCコンバータ7の出力設定電圧Vb(=380V)以下となったことをコントローラ14B(図2)が電圧センサ14Hの検出信号より検出すると、コントローラ14Bはスイッチング制御を開始する。
ここで、コントローラ14Bはスイッチングのパルス幅を除々に広げてゆき、放電用DC/DCコンバータ14の出力電圧V3が徐々に上昇し、この間も直流バス電圧V1は低下し、タイミングT2で放電用DC/DCコンバータ14の出力電圧V3が直流バス電圧V1を超えると、放電用DC/DCコンバータ14の出力電流I1が流れ、これをコントローラ14Bが電流センサ14Iの検出信号により検出する。
すると、コントローラ14Bは、蓄電池用DC/DCコンバータ7の出力設定電圧Vbに対応したパルス幅でスイッチング制御を開始する。これにより、直流バス電圧V1(=放電用DC/DCコンバータ14の出力電圧V3)が出力設定電圧Vbまで上昇し安定化する。
ここで、従来制御では、タイミングT1でコントローラ14Bは、蓄電池用DC/DCコンバータ7の出力設定電圧Vbに対応したパルス幅でスイッチング制御を開始するので、放電用DC/DCコンバータ14の出力電圧V2が急激に立ち上がり、直流バス電圧V0が規定上限電圧Vmax(=420V)を超えて上昇してしまった。これに対し本発明の制御では、直流バス電圧V1の上昇を抑えて、直流バス電圧V1を蓄電池用DC/DCコンバータ7の出力設定電圧Vbに安定化でき、直流バス8につながる直流負荷12としての各機器の信頼性を向上させることができる。
また、蓄電池用DC/DCコンバータ7の放電動作における制御の別実施形態について図4を用いて以下説明する。
図4のタイミングT0で既に直流バス電圧V1が太陽電池用DC/DCコンバータ2の出力設定電圧Vs(=390V)より低下しており、直流バス電圧がさらに低下してゆき、タイミングT1で直流バス電圧V1が蓄電池用DC/DCコンバータ7の出力設定電圧Vb(=380V)以下となったことをコントローラ14Bが電圧センサ14Hの検出信号より検出すると、コントローラ14Bはスイッチング制御を開始する。
ここで、コントローラ14Bはスイッチングのパルス幅を除々に広げてゆき、放電用DC/DCコンバータ14の出力電圧V3が徐々に上昇し、この間も直流バス電圧V1は低下し、タイミングT2で放電用DC/DCコンバータ14の出力電圧V3が直流バス電圧V1を超えると、放電用DC/DCコンバータ14の出力電流I1が流れ、これをコントローラ14Bが電流センサ14Iの検出信号により検出する。
すると、コントローラ14Bは、蓄電池用DC/DCコンバータ7の出力設定電圧Vbより低い設定電圧に対応したパルス幅でスイッチング制御を開始する。その後、放電用DC/DCコンバータ14の出力電流I1が増加した後、所定電流値まで減少したことを電流センサ14Iの検出信号によりコントローラ14Bが検出すると(タイミングT3)、コントローラ14Bは、蓄電池用DC/DCコンバータ7の出力設定電圧Vbに対応したパルス幅でスイッチング制御を開始する。
このような制御方法によれば、直流負荷12がより軽負荷である場合でも、直流バス電圧V1の上昇を抑えて、直流バス電圧V1を蓄電池用DC/DCコンバータ7の出力設定電圧Vbに安定化でき、直流バス8につながる直流負荷12としての各機器の信頼性を向上させることができる。
また、図5に、蓄電池用DC/DCコンバータ7の別の構成例を示し、これはいわゆる双方向DC/DCコンバータを示す。
図5に示すように、蓄電池用DC/DCコンバータ7は、コンデンサ15と、インダクタ16と、放電用スイッチング素子17と、充電用スイッチング素子18と、コンデンサ19と、コントローラ20と、ドライバ21と、電圧センサ22と、電流センサ23と、を備えている。コンデンサ15の一端が蓄電池6の正極およびインダクタ16の一端に接続される。インダクタ16の他端が放電用スイッチング素子17の一端および充電用スイッチング素子18の一端に接続される。充電用スイッチング素子18の他端がコンデンサ19の一端および電圧センサ22に接続される。そして、コンデンサ15の他端、放電用スイッチング素子17の他端、コンデンサ19の他端並びに電流センサ23が蓄電池6の負極に接続される。また、電圧センサ22は直流バス8の正極およびコントローラ20に、電流センサ23は直流バス8の負極およびコントローラ20にも接続される。コントローラ20は、ドライバ21を介して放電用スイッチング素子17および充電用スイッチング素子18をスイッチング制御する。
放電動作時には、放電用スイッチング素子17がオンで且つ充電用スイッチング素子18がオフの状態で、蓄電池6の出力電圧によってインダクタ16にエネルギーが蓄えられる。その後、放電用スイッチング素子17がオフに切り換えられると共に充電用スイッチング素子18がオンに切り換えられると、インダクタ16に蓄えられたエネルギーが、充電用スイッチング素子18を経て、コンデンサ19によって安定化されたのち直流バス8に供給される。このようにして昇圧放電動作が実行される。
一方、充電動作時には、充電用スイッチング素子18がオンで且つ放電用スイッチング素子17がオフ状態で、直流バス8から出力される電力がインダクタ16を経て蓄電池6に供給され、充電が行われる。その後、充電用スイッチング素子18がオフに切り換えられると共に放電用スイッチング素子17がオンに切り換えられると、コンデンサ15並びに放電用スイッチング素子17に電流が流れて、インダクタ16に蓄えられたエネルギーがキャンセルされる。このようにして降圧充電動作が実行される。
このような双方向動作を行う蓄電池用DC/DCコンバータ7を用いた場合も、先に図3、図4を用いて説明した放電時制御と同様な放電時制御を行うことができる。スイッチングのパルス幅を除々に広げる等のスイッチング制御は、コントローラ20がドライバ21を介して放電用スイッチング素子17に対して行えばよい。
なお、本発明に係る直流給電システム100において、太陽光発電システム3の代わりに、燃料電池システムを直流バス8に接続するようにしてもよい。
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明の趣旨の範囲内であれば、実施形態は種々変更が可能である。
100 直流給電システム
1 太陽電池
2 太陽電池用DC/DCコンバータ
3 太陽光発電システム
4 双方向インバータ
5 商用電源
6 蓄電池
7 蓄電池用DC/DCコンバータ
8 直流バス
9 DC駆動エアコン
10 DC駆動TV
11 DC駆動冷蔵庫
12 直流負荷
13 充電用DC/DCコンバータ
14 放電用DC/DCコンバータ
Vmax 規定上限電圧
Vmin 規定下限電圧
Vs 太陽電池用DC/DCコンバータの出力設定電圧
Vb 蓄電池用DC/DCコンバータの出力設定電圧
Vg 双方向インバータの出力設定電圧
V0 従来方式での直流バス電圧
V1 本発明方式での直流バス電圧
V2 従来方式での蓄電池用DC/DCコンバータ出力電圧
V3 本発明方式での蓄電池用DC/DCコンバータ出力電圧
I0 従来方式での蓄電池用DC/DCコンバータ出力電流
I1 本発明方式での蓄電池用DC/DCコンバータ出力電流

Claims (7)

  1. スイッチング制御を行う制御部を有し、スイッチング制御により蓄電池からの電力を直流バスに接続された直流負荷に供給するDC/DCコンバータにおいて、
    前記制御部は、DC/DCコンバータの停止状態において前記直流バスの電圧が所定電圧以下となったことを検出すると、スイッチングのパルス幅を除々に広げるスイッチング制御を開始し、前記直流バスの電圧が低下してDC/DCコンバータの出力電圧が前記直流バスの電圧を超えることによりDC/DCコンバータの出力電流が流れたことを検出した後に出力設定電圧に対応したパルス幅でスイッチング制御を行うことを特徴とするDC/DCコンバータ。
  2. 前記制御部は、DC/DCコンバータの出力電流が流れたことを検出した直後に前記出力設定電圧に対応したパルス幅でスイッチング制御を行うことを特徴とする請求項1に記載のDC/DCコンバータ。
  3. 前記制御部は、DC/DCコンバータの出力電流が流れたことを検出した直後に前記出力設定電圧より低い電圧に対応したパルス幅でスイッチング制御を開始し、DC/DCコンバータの出力電流が増加した後所定電流値まで減少したことを検出すると、前記出力設定電圧に対応したパルス幅でスイッチング制御を行うことを特徴とする請求項1に記載のDC/DCコンバータ。
  4. 請求項1〜請求項3のいずれかに記載のDC/DCコンバータと、前記DC/DCコンバータに接続された蓄電池と、前記DC/DCコンバータに接続された直流バスと、前記直流バスに接続された直流負荷と、を備え、
    前記直流バスに接続された太陽光発電システム、燃料電池システム並びに商用電源の電力を変換するAC/DCコンバータのうち少なくとも一つを備えたことを特徴とする直流給電システム。
  5. スイッチング制御を行う制御部を有し、スイッチング制御により蓄電池からの電力を直流バスに接続された直流負荷に供給するDC/DCコンバータの制御方法において、
    DC/DCコンバータの停止状態において前記直流バスの電圧が所定電圧以下となったことを検出する第1ステップと、
    前記第1ステップの後、スイッチングのパルス幅を除々に広げるスイッチング制御を開始し、前記直流バスの電圧が低下してDC/DCコンバータの出力電圧が前記直流バスの電圧を超えることによりDC/DCコンバータの出力電流が流れたことを検出した後に出力設定電圧に対応したパルス幅でスイッチング制御を行う第2ステップと、を有することを特徴とするDC/DCコンバータの制御方法。
  6. 前記第2ステップにおいて、DC/DCコンバータの出力電流が流れたことを検出した直後に前記出力設定電圧に対応したパルス幅でスイッチング制御を行うことを特徴とする請求項5に記載のDC/DCコンバータの制御方法。
  7. 前記第2ステップにおいて、DC/DCコンバータの出力電流が流れたことを検出した直後に前記出力設定電圧より低い電圧に対応したパルス幅でスイッチング制御を開始し、DC/DCコンバータの出力電流が増加した後所定電流値まで減少したことを検出すると、前記出力設定電圧に対応したパルス幅でスイッチング制御を行うことを特徴とする請求項5に記載のDC/DCコンバータの制御方法。
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