JP4932026B1

JP4932026B1 - 直流給電システム

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Inventors: 亮二松井
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Abstract

【課題】直流給電部に電力変換器を介さず蓄電部を直結した直流給電システムにおいて、直流給電部の電圧を安定化する。
【解決手段】直流バス部１に蓄電部３が直結される直流給電システムにおいて、蓄電部３の異常が検知された場合には、電池監視ユニット６は、シャットダウン信号ＳＤを活性化（遮断指令）して出力するとともに、この遮断指令の出力に先行して、系統電力システム４に対して活性化したシャットダウン予告信号ＳＤＮを出力する。系統電力システム４では、シャットダウン予告信号ＳＤＮを受けて、ＤＣ／ＡＣ変換器４２が電力変換動作を停止するとともに、ＡＣ／ＤＣ変換器４４が電流制御モードから電圧制御モードに切換えられる。その後、スイッチ７が遮断指令に従って蓄電部３および直流バス部１の間の電路を遮断する。
【選択図】図１

Description

この発明は、直流給電システムに関し、より特定的には、直流負荷に直流電力を安定して給電するための構成に関する。

近年、太陽電池、風力発電装置および燃料電池のような分散電源装置が普及し始めている。現状では、分散電源装置が発電した直流電力を交流電力に変換し、さらに、その交流電力を、電力を消費する機器において直流電力に変換して使用する。このように、直流−交流変換および交流−直流変換が行なわれるため、その電力変換のたびに電力損失が生じる。そこで、分散電源装置が発電する直流電力を交流電力に変換することなく、直流電力のまま送電して機器で使用することにより、変換損失を低減させる直流給電システムが提案されている。

このような直流給電システムとして、たとえば特開２００５−２２４００９号公報（特許文献１）には、直流バスに接続された複数の電源ユニットの各々が電流制御部を有しており、該電流制御部が、対応する電源ユニットに入出力する電流に従って自律的に直流電圧指令値または直流電圧の制御性を変更する機能を備える構成が開示されている。この特許文献１に記載の直流給電システムは、複数の分散電源が自律的に協調運転するとともに、装置容量に依存せずに、簡単に電源ユニットを追加することを可能としている。

特開２００５−２２４００９号公報

しかしながら、上記の特許文献１に記載の直流給電システムにおいては、複数の分散電源を自律的に協調運転することが可能になる一方で、各電源ユニットにおける入出力電流が変化すると、この変化に応じて直流バスの電圧の制御目標値が変更されるため、システム全体の制御が複雑化するという問題があった。

また、電源ユニットごとに電力変換器を設ける必要あるため、該電力変換器における変換損失が増大するとともに、システムのコストアップが発生するという問題があった。

このような課題を解決するためには、蓄電池のような電圧安定化能力の高い電圧源を電力変換器を介さず直流バスに直結することによって、直流バスの電圧を無制御で安定化させることが可能である。

しかしながら、上記のように、蓄電池を直流バスに直結させる構成においては、蓄電池に異常が検知された場合には、蓄電池を過充電や過放電などから保護するために蓄電池を直流バスから速やかに遮断する必要が生じる。このように蓄電池が直流バスから遮断された場合においても、直流バスの電圧変動を抑制し、直流負荷に対して安定して直流電力を供給できる直流給電システムの構築が求められる。

それゆえ、この発明は係る課題を解決するためになされたものであり、その目的は、直流バスに電力変換器を介さず蓄電部を直結した直流給電システムにおいて、直流バスの電圧を安定化することである。

この発明のある局面に従えば、直流負荷に直流電力を供給するための直流給電システムであって、系統電力および直流負荷の間に配設された直流バスと、電源電圧を直流バスに出力する蓄電部と、蓄電部の異常を検知する蓄電部監視ユニットと、直流バスおよび蓄電部の間を接続／遮断するためのスイッチと、直流バスおよび系統電力の間で電力変換する電力変換装置とを備える。電力変換装置は、直流バスからの直流電力を交流電力に変換して系統電力へ供給する直流／交流変換器と、系統電力からの交流電力を直流電力に変換して直流バスへ供給する交流／直流変換器とを含む。直流給電システムは、蓄電部が正常であるときには、直流／交流変換器を、自経路の電流値が電流目標値になるように制御される電流制御モードに設定する一方、蓄電部監視ユニットにより蓄電部の異常が検知されたときには、直流／交流変換器の電力変換動作を停止させる第１の電力変換制御手段と、蓄電部が正常であるときには、交流／直流変換器を電流制御モードに設定する一方、蓄電部監視ユニットにより蓄電部の異常が検知されたときには、交流／直流変換器を、直流バスの電圧が電圧目標値になるように制御する電圧制御モードに設定する第２の電力変換制御手段と、蓄電部監視ユニットにより蓄電部の異常が検知されたときには、第１の電力変換制御手段による直流／交流変換器の電力変換動作の停止後であって、かつ、第２の電力変換制御手段による電圧制御モードの設定後に、スイッチにより蓄電部を直流バスから遮断する電源遮断手段とをさらに備える。

好ましくは、蓄電部監視ユニットは、蓄電部の異常が検知されたときに、電源遮断手段に蓄電部の遮断指令を出力するとともに、第１および第２の電力変換制御手段に蓄電部の遮断予告信号を出力する。第１の電力変換制御手段は、遮断予告信号を受けたときに、直流／交流変換器の電力変換動作を停止させる。第２の電力変換制御手段は、遮断予告信号を受けたときに、交流／直流変換器を電圧制御モードに設定する。蓄電部監視ユニットは、遮断予告信号を出力してから所定期間経過後に遮断指令を出力する。

好ましくは、蓄電部監視ユニットは、蓄電部の異常が検知されたときに、第１および第２の電力変換制御手段に蓄電部の遮断予告信号を出力する。第１の電力変換制御手段は、遮断予告信号を受けたときに、直流／交流変換器の電力変換動作を停止させる。第２の電力変換制御手段は、遮断予告信号を受けたときに、交流／直流変換器を電圧制御モードに設定する。電力変換装置は、第１の電力変換制御手段による直流／交流変換器の電力変換動作の停止後であって、かつ、第２の電力変換制御手段による電圧制御モードの設定後に、電源遮断手段に蓄電部の遮断指令を出力する。

好ましくは、蓄電部監視ユニットは、遮断予告信号を出力するとともに、蓄電部の異常を報知する報知手段をさらに含む。

好ましくは、蓄電部は、直流バスに直結される。

この発明によれば、直流バスに電力変換器を介さず蓄電部を直結した直流給電システムにおいて、蓄電部が遮断された場合においても直流バスの電圧を安定化することができ、直流負荷に安定的に電力を供給可能な直流給電システムを構築することができる。

この発明の実施の形態に従う直流給電システムの全体の構成を概略的に示す図である。蓄電部の充電容量−電圧曲線を示す図である。図１におけるＤＣ／ＡＣ変換器の概略構成図である。図３における制御部の制御構造を示す図である。図１におけるＡＣ／ＤＣ変換器の概略構成図である。図５における制御部の制御構造を示す図である。電池監視ユニットにおける異常検知時の処理を説明するためのタイミングチャートである。本発明の実施の形態の変更例に従う直流給電システムの全体の構成を概略的に示す図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中の同一または相当する部分には同一符号を付してその説明は繰返さない。

図１は、この発明の実施の形態に従う直流給電システムの全体の構成を概略的に示す図である。

図１を参照して、本実施の形態に従う直流給電システムは、直流バス１と、蓄電部３と、系統電力システム４と、直流負荷５と、電池監視ユニット６と、スイッチ７とを備える。

直流バス１は、直流負荷５に直流電力を供給する。直流負荷５は、一例として、家庭で使用される空調機、冷蔵庫、洗濯機、テレビ、照明装置またはパーソナルコンピュータのような電気機器である。あるいは、オフィスで使用されるコンピュータ、複写機またはファクシミリのような電気機器や、または、店舗で使用されるショーケースまたは照明装置のような電気機器であってもよい。直流バス１には、蓄電部３および系統電力システム４が接続されている。

なお、本実施の形態に従う直流給電システムにおいては、直流バス１、蓄電部３、系統電力システム４および直流負荷５をそれぞれ１個ずつ備える場合について説明するが、これらの個数には制限がなく、１個でも複数個であってもよい。

（蓄電部の構成）
蓄電部３は、一例として、リチウムイオン二次電池などの充放電可能に構成された二次電などからなる。蓄電部３は、複数の電池セルを直列接続して構成されており、一例として、定格電圧３８０Ｖおよび１０Ａｈを有している。

図２は、蓄電部３の充電容量−電圧曲線を示す図である。図２において、横軸は蓄電部３の充電容量（Ａｈ）、縦軸は蓄電部３の電圧（Ｖ）を示している。図２を参照して、蓄電部３は、空状態（充電容量が０％）のときに３００Ｖとなり、充電容量２０％のときに３６０Ｖとなり、充電容量５０％のときに３８０Ｖとなり、充電容量８０％のときに４００Ｖとなり、満充電状態（充電容量が１００％）のときに４２０Ｖとなる。

なお、上述の図２に示す特性は、蓄電部３の一例として、リチウムイオン二次電池を用いた場合について説明したが、蓄電部３としては、リチウムイオン電池に限らず、鉛蓄電池またはニッケル水素電池などを使用することも可能である。

ここで、図１に示す構成において、蓄電部３は、直流バス１に「直結」されており、直流バス１との間で直流電力の授受を行なう。ここで、「直結」とは、直流バス１と蓄電部３との間に、ＤＣ／ＤＣ変換器のような電力変換器が介在していないことを意味する。したがって、直流バス１の電圧は、蓄電部３の電源電圧とほぼ等しくなる。このように蓄電部３を直流バス１に直結する構成としたことにより、蓄電部３が有する高い電圧安定化能力を活かして、急激な負荷変動による直流バス１の電圧変動を抑制することが可能となる。

スイッチ７は、蓄電部３と直流バス１との間に配設される。スイッチ７は、電池監視ユニット６からのシャットダウン信号ＳＤが非活性化（導通指令に相当する。）されると、蓄電部３を直流バス１と電気的に接続し、シャットダウン信号ＳＤが活性化（遮断指令に相当する。）されると、蓄電部３と直流バス１との間の電路を遮断する。

電池監視ユニット６は、過充電、過放電および温度上昇などから蓄電部３を保護するために、蓄電部３の状態を監視する。具体的には、充放電電流検出部６０は、直流バス１に介挿され、蓄電部３に対して入出力される充放電電流Ｉｂを検出し、その検出値を電池監視ユニット６へ出力する。充放電電圧検出部６２は、蓄電部３の充放電電圧Ｖｂを検出し、その検出値を電池監視ユニット６へ出力する。温度検出部６４は、蓄電部３の温度Ｔｂを検出し、その検出値を電池監視ユニット６へ出力する。なお、充放電電流検出部６０は、蓄電部３からの放電電流Ｉｄｃを、正値の充放電電流Ｉｂとして検出し、蓄電部３への充電電流Ｉｃｈを、負値の充放電電流Ｉｂとして検出する。電池監視ユニット６は、充放電電流検出部６０からの充放電電流Ｉｂの検出値、充放電電圧検出部６２からの充放電電圧Ｖｂの検出値および温度検出部６４からの蓄電池温度Ｔｂの検出値に基づいて、蓄電部３の状態（充電状態および温度状態）を監視する。そして、蓄電部３の異常が検知されると、電池監視ユニット６は、蓄電部３を保護するためにシャットダウン信号ＳＤを活性化（遮断指令）することにより、スイッチ７によって蓄電部３と直流バス１との間の電路を遮断する。

さらに、電池監視ユニット６は、上述のシャットダウン信号ＳＤを活性化（遮断指令）するのに先行して、蓄電部３の遮断を予告するためのシャットダウン予告信号ＳＤＮを活性化する。この活性化されたシャットダウン予告信号ＳＤＮは、系統電力システム４内のＤＣ／ＡＣ変換器４２およびＡＣ／ＤＣ変換器４４へ送信される。ＤＣ／ＡＣ変換器４２は、電池監視ユニット６からシャットダウン予告信号ＳＤＮを受けると、電力変換動作を停止する。一方、ＡＣ／ＤＣ変換器４４は、電池監視ユニット６からシャットダウン予告信号ＳＤＮを受けると、後述する方法によって、「電流制御モード」から「電圧制御モード」に切換わる。

（系統電力システムの構成）
図１に示す構成において、系統電力システム４は、直流バス１との間で直流電力の授受を行なう。系統電力システム４は、ＤＣ／ＡＣ変換器４２と、ＡＣ／ＤＣ変換器４４と、系統電力４０とを含む。

系統電力４０は、電力会社等から受電する電力（たとえば、ＡＣ２００Ｖとする）である。ＤＣ／ＡＣ変換器４２およびＡＣ／ＤＣ変換器４４は、直流バス１および系統電力４０の間に並列接続される。本実施の形態に従う直流給電システムにおいては、ＡＣ／ＤＣ変換器４４を介して電力会社等から系統電力４０を買う（買電）するとともに、ＤＣ／ＡＣ変換器４２を介して余剰電力を電力会社等に売る（売電）することを可能に構成されている。なお、図１では、ＤＣ／ＡＣ変換器４２に流れる電流をＩｓｅｌｌ、ＡＣ／ＤＣ変換器４４に流れる電流をＩｂｕｙと表記する。また、直流負荷５に供給される電流Ｉｌｏａｄと表記する。買電時においては、電流Ｉｂｕｙから電流Ｉｌｏａｄを差し引いた電流が、蓄電部３の充電電流Ｉｃｈとなる。また、売電時においては、蓄電部３の放電電流Ｉｄｃから電流Ｉｌｏａｄを差し引いた電流が、電流Ｉｓｅｌｌとなる。電流ＩｓｅｌｌおよびＩｂｕｙをどのような値にするかについては、直流給電システムの使用者または管理者が自在に設定することができる。

ＤＣ／ＡＣ変換器４２は、直流バス１から受ける直流電力を交流電力に変換して系統電力４０へ供給する。図３は、図１におけるＤＣ／ＡＣ変換器４２の概略構成図である。

図３を参照して、ＤＣ／ＡＣ変換器４２は、ＤＣ／ＡＣ変換部３０と、連系リアクトル３２と、制御部３４と、直流電圧検出部３６と、自経路電流検出部３８とを含む。

ＤＣ／ＡＣ変換部３０は、制御部３４からの駆動信号ＤＲＶ１に応じて、直流バス１から受けた直流電力を交流電力に変換して系統電力４０（図１）へ出力する。ＤＣ／ＡＣ変換部３０は、スイッチング素子であるトランジスタＱ１〜Ｑ４と、ダイオードＤ１〜Ｄ４とを含む。トランジスタＱ１，Ｑ２は、直流バス１を構成する正母線ＰＬおよび負母線ＳＬの間に直列に接続される。連系リアクトル３２は、トランジスタＱ１およびＱ２の接続点と系統電力４０との間に接続される。トランジスタＱ３，Ｑ４は、正母線ＰＬおよび負母線ＳＬの間に直列に接続される。連系リアクトル３２は、トランジスタＱ３およびＱ４の接続点と系統電力４０との間に接続される。各トランジスタＱ１〜Ｑ４のコレクタ−エミッタ間には、エミッタ側からコレクタ側へ電流を流すダイオードＤ１〜Ｄ４がそれぞれ接続されている。

なお、トランジスタＱ１〜Ｑ４として、たとえば、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）を用いることができる。または、パワーＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor）等の電力スイッチング素子を用いてもよい。

直流電圧検出部３６は、正母線ＰＬと負母線ＳＬとの間に接続され、直流バス１からＤＣ／ＡＣ変換部３０へ供給される直流電力の電圧値Ｖｄｃを検出し、その検出結果を制御部３４へ出力する。

自経路電流検出部３８は、負母線ＳＬに介挿され、直流バス１からＤＣ／ＡＣ変換部３０へ供給される直流電力の電流値（自経路電流値）Ｉｓｅｌｌを検出し、その検出結果を制御部３４へ出力する。

制御部３４は、直流電圧検出部３６から受けた電圧値Ｖｄｃと、自経路電流検出部３８から受けた自経路電流値Ｉｓｅｌｌと、電池監視ユニット６から受けたシャットダウン予告信号ＳＤＮとに基づいて、後述する制御構造に従って、トランジスタＱ１〜Ｑ４のオン・オフを制御する駆動信号ＤＲＶ１を生成し、ＤＣ／ＡＣ変換部３０を制御する。

図４は、図３における制御部３４の制御構造を示す図である。
図４を参照して、制御部３４は、減算部３４０と、切替部３４２と、スイッチング素子駆動信号生成部３４４と、制御目標値選択部３４６とを含む。

制御目標値選択部３４６は、自経路電流値Ｉｓｅｌｌの電流目標値Ｉｓｅｌｌ^＊を決定する。この電流目標値Ｉｓｅｌｌ^＊は、たとえば日時に応じて異なる電流値となるように事前に決定し、図示しない記憶部に格納しておくことができる。あるいは、制御部３４と直流給電システムの外部との間で通信を行なうことによって、所望の電流値を適宜取得するようにしてもよい。

制御目標値選択部３４６は、さらに、電池監視ユニット６から活性化されたシャットダウン予告信号ＳＤＮを受けたときには、切替信号を非活性化して切替部３４２へ出力する。一方、シャットダウン予告信号ＳＤＮが非活性化されているときには、制御目標値選択部３４６は、切替信号を活性化して切替部３４２へ出力する。

減算部３４０は、自経路電流値Ｉｓｅｌｌと電流目標値Ｉｓｅｌｌ^＊との差から電流偏差を演算し、切替部３４２へ出力する。

切替部３４２は、制御目標値選択部３４６から出力された切替信号に基づいて、減算部３４０から受けた電流偏差およびＤＣ／ＡＣ変換部３０の動作を停止させる停止指令のいずれか一方を選択してスイッチング素子駆動信号生成部３４４へ出力する。具体的には、切替部３４２は、切替信号が活性化されているとき、すなわち、シャットダウン予告信号ＳＤＮが非活性化されているときには、減算部３４０から受けた電流偏差を選択してスイッチング素子駆動信号生成部３４４へ出力する。一方、切替部３４２は、切替信号が非活性化されているとき、すなわち、シャットダウン予告信号ＳＤＮが活性化されているときには、停止指令を選択してスイッチング素子駆動信号生成部３４４へ出力する。

スイッチング素子駆動信号生成部３４４は、少なくとも比例要素（Ｐ：proportional element）および積分要素（Ｉ：integral element）を含んで構成され、切替部３４２から電流偏差を受けると、この入力された電流偏差に応じて操作信号を生成する。そして、スイッチング素子駆動信号生成部３４４は、この操作信号に基づいてＤＣ／ＡＣ変換部３０のトランジスタＱ１〜Ｑ４のオンデューティーを規定するデューティー指令を生成すると、この生成したデューティー指令と搬送波とを比較して、駆動信号ＤＲＶ１を生成して、ＤＣ／ＡＣ変換部３０を制御する。

以上のように、シャットダウン予告信号ＳＤＮが非活性化されているとき、すなわち、蓄電部３の異常が検知されていないときには、制御部３４は、自経路電流値Ｉｓｅｌｌが所定の電流目標値Ｉｓｅｌｌ^＊となるように駆動信号ＤＲＶ１を生成してＤＣ／ＡＣ変換部３０を制御する（以下、「電流制御モード」とも称す）。

これに対して、スイッチング素子駆動信号生成部３４４は、切替部３４２から停止指令を受けたときには、ＤＣ／ＡＣ変換部３０における電力変換動作を停止させる。具体的には、スイッチング素子駆動信号生成部３４４は、ＤＣ／ＡＣ変換部３０に含まれるトランジスタＱ１〜Ｑ４のゲートを遮断する。したがって、シャットダウン予告信号ＳＤＮが活性化されたとき、すなわち、蓄電部３の異常が検知されたときには、ＤＣ／ＡＣ変換部３０は動作を停止する。このとき、ＤＣ／ＡＣ変換部３０は、シャットダウン信号ＳＤが活性化されて蓄電部３と直流バス１との間の電路が遮断されるのに先行して、停止する。

再び図１を参照して、ＡＣ／ＤＣ変換器４４は、系統電力４０から受ける交流電力を直流電力に変換して直流バス１へ供給する。図５は、図１におけるＡＣ／ＤＣ変換器４４の概略構成図である。

図５を参照して、ＡＣ／ＤＣ変換器４４は、整流部５２と、昇圧回路５０と、制御部５４と、直流電圧検出部５６と、自経路電流検出部５８とを含む。

整流部５２は、正母線ＰＬおよび負母線ＳＬの間に直列接続されたダイオードＤ７およびＤ８と、正母線ＰＬおよび負母線ＳＬの間に直列接続されたダイオードＤ９およびＤ１０とを含む。整流部５２は、ダイオードＤ７およびＤ８の接続点およびダイオードＤ９およびＤ１０の接続点の間に系統電力４０からの交流電力を受け、この交流電力を直流電力に整流する。

昇圧回路５０は、制御部５４からの駆動信号ＤＲＶ２に応じて、整流部５２からの直流電力を昇圧する。昇圧回路５０は、整流部５２の出力端子間に直列接続されたインダクタＬ１およびスイッチング素子であるトランジスタＱ５、ダイオードＤ５，Ｄ６およびインダクタＬ１からなる昇圧チョッパ回路と、平滑コンデンサＣ１とを含む。

平滑コンデンサＣ１は、正母線ＰＬと負母線ＳＬとの間に接続され、正母線ＰＬおよび負母線ＳＬの間の直流電圧に含まれる交流成分を低減する。なお、トランジスタＱ５として、たとえば、ＩＧＢＴを用いることができる。または、パワーＭＯＳＦＥＴ等の電力スイッチング素子を用いてもよい。

以下、昇圧回路５０の昇圧動作について説明する。昇圧動作時においては、制御部５４は、トランジスタＱ５を所定のデューティー比でオン・オフさせる。トランジスタＱ５のオン期間においては、整流部５２からインダクタＬ１およびダイオードＤ６を順に介して、放電電流が正母線ＰＬへ流れる。同時に、整流部５２からインダクタＬ１、トランジスタＱ５および負母線ＳＬを順に介して、ポンプ電流が流れる。インダクタＬ１は、このポンプ電流により電磁エネルギーを蓄積する。続いて、トランジスタＱ５がオン状態からオフ状態に遷移すると、インダクタＬ１は、蓄積した電磁エネルギーを放電電流に重畳する。その結果、昇圧回路５０から正母線ＰＬおよび負母線ＳＬへ供給される直流電力の平均電圧は、デューティー比に応じてインダクタＬ１に蓄積される電磁エネルギーに相当する電圧だけ昇圧される。

このような昇圧回路５０の昇圧動作を制御するため、制御部５４は、トランジスタＱ５のオン・オフを制御する駆動信号ＤＲＶ２を生成する。

直流電圧検出部５６は、正母線ＰＬと負母線ＳＬとの間に接続され、昇圧回路５０から直流バス１へ供給される直流電力の電圧値Ｖｄｃを検出し、その検出結果を制御部５４へ出力する。

自経路電流検出部５８は、負母線ＳＬに介挿され、昇圧回路５０から直流バス１へ供給される直流電力の電流値（自経路電流値）Ｉｂｕｙを検出し、その検出結果を制御部５４へ出力する。

制御部５４は、直流電圧検出部５６から受けた電圧値Ｖｄｃと、自経路電流検出部５８から受けた自経路電流値Ｉｂｕｙと、電池監視ユニット６から受けたシャットダウン予告信号ＳＤＮとに基づいて、後述する制御構造に従って、トランジスタＱ５のオン・オフを制御する駆動信号ＤＲＶ２を生成し、昇圧回路５０を制御する。

図６は、図５における制御部５４の制御構造を示す図である。
図６を参照して、制御部５４は、減算部５４０，５４２と、切替部５４４と、スイッチング素子駆動信号生成部５４６と、制御目標値選択部５４８とを含む。

制御目標値選択部５４８は、自経路電流値Ｉｂｕｙの電流目標値Ｉｂｕｙ^＊を決定する。この電流目標値Ｉｂｕｙ^＊は、たとえば日時に応じて異なる電流値となるように事前に決定し、図示しない記憶部に格納しておくことができる。あるいは、制御部５４と直流給電システムの外部との間で通信を行なうことによって、所望の電流値を適宜取得するようにしてもよい。

制御目標値選択部５４８は、さらに、直流電圧値Ｖｄｃの電圧目標値Ｖｄｃ^＊を決定する。この電圧目標値Ｖｄｃ^＊は、たとえば蓄電部３の定格電圧３８０Ｖに等しい電圧値となるように事前に決定し、図示しない記憶部に格納しておくことができる。あるいは、制御部５４と直流給電システムの外部との間で通信を行なうことによって、所望の電流値を適宜取得するようにしてもよい。

制御目標値選択部５４８は、さらに、電池監視ユニット６から活性化されたシャットダウン予告信号ＳＤＮを受けたときには、切替信号を非活性化して切替部５４４へ出力する。一方、シャットダウン予告信号ＳＤＮが非活性化されているときには、制御目標値選択部５４８は、切替信号を活性化して切替部５４４へ出力する。

減算部５４２は、自経路電流値Ｉｂｕｙと電流目標値Ｉｂｕｙ^＊との差から電流偏差を演算し、切替部５４４へ出力する。

減算部５４０は、直流電圧値Ｖｄｃと電圧目標値Ｖｄｃ^＊との差から電圧偏差を演算し、切替部５４４へ出力する。

切替部５４４は、制御目標値選択部５４８から出力された切替信号に基づいて、減算部５４２から受けた電流偏差および減算部５４０から受けた電圧偏差のいずれか一方を選択してスイッチング素子駆動信号生成部５４６へ出力する。具体的には、切替部５４４は、切替信号が活性化されているときには、減算部５４２から受けた電流偏差を選択してスイッチング素子駆動信号生成部５４６へ出力する。一方、切替部５４４は、切替信号が非活性化されているとき、すなわち、シャットダウン予告信号ＳＤＮが活性化されているときには、減算部５４０から受けた電圧偏差を選択してスイッチング素子駆動信号生成部５４６へ出力する。

スイッチング素子駆動信号生成部５４６は、少なくとも比例要素および積分要素を含んで構成され、切替部５４４から電流偏差を受けると、この入力された電流偏差に応じて操作信号を生成する。そして、スイッチング素子駆動信号生成部５４６は、この操作信号に基づいて昇圧回路５０のトランジスタＱ５のオンデューティーを規定するデューティー指令を生成すると、この生成したデューティー指令と搬送波とを比較して、駆動信号ＤＲＶ２を生成して、昇圧回路５０を制御する。以上のように、制御部５４は、自経路電流値Ｉｂｕｙが所定の電流目標値Ｉｂｕｙ^＊となるように駆動信号ＤＲＶ２を生成して昇圧回路５０を制御する（電流制御モード）。

これに対して、スイッチング素子駆動信号生成部５４６は、切替部５４４から電圧偏差を受けると、この入力された電圧偏差に応じて操作信号を生成する。そして、スイッチング素子駆動信号生成部５４６は、この操作信号に基づいて昇圧回路５０のトランジスタＱ５のオンデューティーを規定するデューティー指令を生成すると、この生成したデューティー指令と搬送波とを比較して、駆動信号ＤＲＶ２を生成して、昇圧回路５０を制御する。以上のように、制御部５４は、直流電圧値Ｖｄｃが所定の電圧目標値Ｖｄｃ^＊となるように駆動信号ＤＲＶ２を生成して昇圧回路５０を制御する（以下、「電圧制御モード」とも称す）。

上述のように、制御部５４は、シャットダウン予告信号ＳＤＮが非活性化されているとき、すなわち、蓄電部３の異常が検知されていないときには、自経路電流Ｉｂｕｙが所定の電流目標値Ｉｂｕｙ^＊となるように駆動信号ＤＲＶ２を生成して昇圧回路５０を制御する（電流制御モード）。そして、シャットダウン予告信号ＳＤＮが活性化されたとき、すなわち、蓄電部３の異常が検知されたときには、直流電圧値Ｖｄｃが所定の電圧目標値Ｖｄｃ^＊となるように駆動信号ＤＲＶ２を生成して昇圧回路５０を制御する（電圧制御モード）。すなわち、蓄電部３の異常が検知されたときには、制御部５４は、昇圧回路５０について、電流制御モードから電圧制御モードに切換える。なお、この制御モードの切換えは、シャットダウン信号ＳＤが活性化されて蓄電部３と直流バス１との間の電路が遮断されるのに先行して、実行される。

以下、蓄電部３の異常が検知された場合の直流給電システムの運転制御（異常時運転制御）について、図面を参照して説明する。

（異常時制御）
図７は、電池監視ユニット６（図１）における異常検知時の処理を説明するためのタイミングチャートである。

電池監視ユニット６は、充放電電流検出部６０から入力される充放電電流値Ｉｂ、充放電電圧検出部６２から入力される充放電電圧値Ｖｂおよび温度検出部６４から入力される蓄電池温度Ｔｂに基づいて、蓄電部３の異常診断を実行する。そして、図３に示すように、時刻ｔ１において蓄電部３の異常が検知された場合には、電池監視ユニット６は、シャットダウン予告信号ＳＤＮを活性化（論理ハイ）させる。

活性化されたシャットダウン予告信号ＳＤＮは、系統電力システム４内のＤＣ／ＡＣ変換器４２およびＡＣ／ＤＣ変換器４４へそれぞれ送信される。ＤＣ／ＡＣ変換器４２においては、図３および図４で説明したように、制御部３４が、シャットダウン予告信号ＳＤＮの活性化に応じて、ＤＣ／ＡＣ変換器４２における電力変換動作を停止させる。

また、ＡＣ／ＤＣ変換器４４においては、図５および図６で説明したように、制御部５４が、シャットダウン予告信号ＳＤＮの活性化に応じて、昇圧回路５０に対する制御モードを、電流制御モードから電圧制御モードに切換える。

続いて、時刻ｔ２から所定期間が経過した時刻ｔ３において、電池監視ユニット６は、シャットダウン信号ＳＤを活性化（論理ハイ）させる。このシャットダウン信号ＳＤの活性化に応じて、スイッチ７によって蓄電部３と直流バス１との間の電路が遮断される。なお、所定期間は、電池監視ユニット６および系統電力システム４の間の通信におけるタイムラグを考慮したものであり、一例として、数ミリ秒〜数秒程度に設定される。この所定期間を設けたことによって、タイムラグの影響を受けることなく、蓄電部３および直流バス１の間の電路が遮断されるよりも前に、確実に昇圧回路５０に対する制御モードが切換えられる。

すなわち、蓄電部３の異常検知時においては、蓄電部３と直流バス１との間の電路を遮断するのに先行して、系統電力システム４において、ＤＣ／ＡＣ変換器４２を停止するとともに、ＡＣ／ＤＣ変換器４４に対する制御モードを電流制御モードから電圧制御モードに切換える。

ここで、蓄電部３の異常が検知された場合には、蓄電部３の保護の観点から蓄電部３を直流バス１から遮断させる必要がある一方で、蓄電部３の遮断後においては、負荷変動によって直流バス１の電圧が低下してしまう可能性がある。本実施の形態に従う直流給電システムにおいては、蓄電部３を遮断するのに先行して、ＤＣ／ＡＣ変換器４２の電力変換動作を停止させるとともに、ＡＣ／ＤＣ変換器４４に対して、直流バス１の電圧値Ｖｄｃを所定の目標電圧Ｖｄｃ^＊に維持するように電圧制御モードによる制御が実行される。そのため、その後に、蓄電部３を直流バス１から遮断したことによって、直流バス１の電圧値が低下するのを抑制することができる。この結果、蓄電部３の異常が検知された後においても、継続して、直流負荷５に直流電力を安定的に供給することが可能となる。

なお、蓄電部３の異常が検知された場合には、電池監視ユニット６は、上記のシャットダウン予告信号ＳＤＮを生成するとともに、蓄電部３の異常を報知する構成とすることにより、直流給電システムの使用者または管理者に蓄電部３の異常を知らせることができる。なお、異常を報知する手段としては、異常報知灯を点灯させる、あるいは、警報音を発生させる、という手法が考えられる。あるいは、光、リモコンへの表示、直流負荷５に接続される表示器への表示などの手法を用いることも可能である。

なお、本実施の形態においては、一例として、系統電力システム４がＤＣ／ＡＣ変換器４２およびＡＣ／ＤＣ変換器４４を備える構成について説明したが、直流バス１から受ける直流電力を交流電力に変換して系統電力へ供給する一方、系統電力からの交流電力を直流電力に変換して直流バス１へ供給することが可能に構成された双方向ＤＣ／ＡＣ変換器を備える構成とすることも可能である。この場合、双方向ＤＣ／ＡＣ変換器は、電池監視ユニット６からシャットダウン予告信号ＳＤＮを受けると、直流バス１の電圧値Ｖｄｃを所定の目標電圧Ｖｄｃ^＊に維持するように電圧制御モードによる制御が行なわれる。

（変更例）
本発明は、上述した電池監視ユニット６がシャットダウン信号ＳＤおよびシャットダウン予告信号ＳＤＮをスイッチ７および系統電力システム４へそれぞれ出力する構成に代えて、シャットダウン予告信号ＳＤＮを受けた系統電力システム４がシャットダウン信号ＳＤをスイッチ７へ出力する構成についても適用できる。

図８は、本発明の実施の形態の変更例に従う直流給電システムの全体の構成を概略的に示す図である。

図８を参照して、直流給電システムは、図１に示す直流給電システムにおいて、電池監視ユニット６からスイッチ７へシャットダウン信号ＳＤを出力する構成に代えて、系統電力システム４からシャットダウン信号ＳＤをスイッチ７へ出力する構成としたものである。

具体的には、電池監視ユニット６は、蓄電部３の異常が検知された場合には、シャットダウン予告信号ＳＤＮを活性化する。この活性化されたシャットダウン予告信号ＳＤＮは、系統電力システム４内のＤＣ／ＡＣ変換器４２およびＡＣ／ＤＣ変換器４４へ送信される。これにより、ＤＣ／ＡＣ変換器４２においては、制御部３４は、シャットダウン予告信号ＳＤＮを受けると、ＤＣ／ＡＣ変換部３０における電力変換動作を停止する。また、ＡＣ／ＤＣ変換器４４においては、制御部５４は、シャットダウン予告信号ＳＤＮを受けると、昇圧回路５０について、電流制御モードから電圧制御モードに切換える。

そして、ＤＣ／ＡＣ変換器４２およびＡＣ／ＤＣ変換器４４の各々において上記の処理が完了すると、系統電力システム４は、シャットダウン信号ＳＤを活性化（遮断指令）してスイッチ７へ出力する。したがって、このシャットダウン信号ＳＤの活性化に応じて、スイッチ７によって蓄電部３と直流バス１との間の電路が遮断される。

その他については、上述した実施の形態についての記載と同様であるので、詳細な説明は繰り返さない。

本発明の実施の形態の変更例によれば、蓄電部３の異常が検知された場合には、系統電力システム４が、ＤＣ／ＡＣ変換器４２の電力変換動作を停止させる一方、ＡＣ／ＤＣ変換器４４に対して、直流バス１の電圧値Ｖｄｃを所定の目標電圧Ｖｄｃ^＊に維持するように電圧制御モードによる制御を行ない、その後に、蓄電部３を直流バス１から遮断させる。したがって、上述の本発明の実施の形態における効果と同様の効果を発揮させることができる。さらに、本変更例において、シャットダウン信号ＳＤは、系統電力システム４によって、ＡＣ／ＤＣ変換器４４に対する制御モードを電圧制御モードに切換えた後に活性化されるため、直流バス１の電圧値Ｖｄｃの安定度を向上することができる。この結果、蓄電部３の異常が検知された後においても、継続して、直流負荷５に直流電力を安定的に供給することが可能となる。

今回開示された実施の形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１直流バス、３蓄電部、４系統電力システム、５直流負荷、６電池監視ユニット、７スイッチ、３０ＤＣ／ＡＣ変換部、３２連系リアクトル、３４制御部
、３６，５６直流電圧検出部、３８，５８自経路電流検出部、４０系統電力、４２ＤＣ／ＡＣ変換器、４４ＡＣ／ＤＣ変換器、５０昇圧回路、５２整流部、５４制御部、３４０，５４０，５４２減算部、３４２，５４４切替部、３４４，５４６スイッチング素子駆動信号生成部、３４６，５４８制御目標値選択部、Ｃ１平滑コンデンサ、Ｄ１〜Ｄ９ダイオード、ＰＬ正母線、ＳＬ負母線、Ｑ１〜Ｑ５トランジスタ。

Claims

直流負荷に直流電力を供給するための直流給電システムであって、
系統電力および前記直流負荷の間に配設された直流バスと、
電源電圧を前記直流バスに出力する蓄電部と、
前記蓄電部の異常を検知する蓄電部監視ユニットと、
前記直流バスおよび前記蓄電部の間を接続／遮断するためのスイッチと、
前記直流バスおよび前記系統電力の間で電力変換する電力変換装置とを備え、
前記電力変換装置は、
前記直流バスからの直流電力を交流電力に変換して前記系統電力へ供給する直流／交流変換器と、
前記系統電力からの交流電力を直流電力に変換して前記直流バスへ供給する交流／直流変換器とを含み、
前記蓄電部が正常であるときには、前記直流／交流変換器を、自経路の電流値が電流目標値になるように制御される電流制御モードに設定する一方、前記蓄電部監視ユニットにより前記蓄電部の異常が検知されたときには、前記直流／交流変換器の電力変換動作を停止させる第１の電力変換制御手段と、
前記蓄電部が正常であるときには、前記交流／直流変換器を前記電流制御モードに設定する一方、前記蓄電部監視ユニットにより前記蓄電部の異常が検知されたときには、前記交流／直流変換器を、前記直流バスの電圧が電圧目標値になるように制御する電圧制御モードに設定する第２の電力変換制御手段と、
前記蓄電部監視ユニットにより前記蓄電部の異常が検知されたときには、前記第１の電力変換制御手段による前記直流／交流変換器の電力変換動作の停止後であって、かつ、前記第２の電力変換制御手段による前記電圧制御モードの設定後に、前記スイッチにより前記蓄電部を前記直流バスから遮断する電源遮断手段とをさらに備える、直流給電システム。
前記蓄電部監視ユニットは、前記蓄電部の異常が検知されたときに、前記電源遮断手段に前記蓄電部の遮断指令を出力するとともに、前記第１および第２の電力変換制御手段に前記蓄電部の遮断予告信号を出力し、
前記第１の電力変換制御手段は、前記遮断予告信号を受けたときに、前記直流／交流変換器の電力変換動作を停止させ、
前記第２の電力変換制御手段は、前記遮断予告信号を受けたときに、前記交流／直流変換器を前記電圧制御モードに設定し、
前記蓄電部監視ユニットは、前記遮断予告信号を出力してから所定期間経過後に前記遮断指令を出力する、請求項１に記載の直流給電システム。
前記蓄電部監視ユニットは、前記蓄電部の異常が検知されたときに、前記第１および第２の電力変換制御手段に前記蓄電部の遮断予告信号を出力し、
前記第１の電力変換制御手段は、前記遮断予告信号を受けたときに、前記直流／交流変換器の電力変換動作を停止させ、
前記第２の電力変換制御手段は、前記遮断予告信号を受けたときに、前記交流／直流変換器を前記電圧制御モードに設定し、
前記電力変換装置は、前記第１の電力変換制御手段による前記直流／交流変換器の電力変換動作の停止後であって、かつ、前記第２の電力変換制御手段による前記電圧制御モードの設定後に、前記電源遮断手段に前記蓄電部の遮断指令を出力する、請求項１に記載の直流給電システム。
前記蓄電部監視ユニットは、前記遮断予告信号を出力するとともに、前記蓄電部の異常を報知する報知手段をさらに含む、請求項２または３に記載の直流給電システム。
前記蓄電部は、前記直流バスに直結される、請求項１から４のいずれか１項に記載の直流給電システム。