JP5081596B2 - 電力供給システム - Google Patents

Description

本発明は、直流発電機と系統電力を用いて負荷装置に電力を配電する電力供給システムに関する。また本発明は、直流発電機と蓄電装置と系統電力を用いて負荷装置に電力を配電する電力供給システムに関する。

直流発電機と系統電力とを用いて、電力供給システムを効率よく運転させる技術はこれまでにも多く開発されている。例えば、特許文献１は、自然エネルギー系電力と深夜電力を組み合わせて、ほぼ１００％に近い使用率で共通に利用される電子変圧器を介して負荷に電力を供給する給電システムである。より詳しくは、風力発電機、太陽光発電装置、及び燃料電池の定格電力電圧を、蓄電池の定格電圧に統一して直流電力源を構成し、蓄電池が直流電力源により満充電に達するまでは商用交流電源から交流電力を負荷に供給し、蓄電池が満充電もしくは商用交流電源の停電時は、直流電力源及び蓄電池から直流電力を供給し、蓄電池の放電進行時は燃料電池から電力補給を行い、深夜・電力供給時間帯は商用交流電源から交流電力を負荷に供給するものである。
また、特許文献２は、燃料電池等直流発電機出力と双方向直流―交流電力変換装置の直流出力側を接続し、この接続点に直流電力変換装置を介して直流コンセントを接続し、また前記双方向直流―交流電力変換装置の交流端子に交流電力系統と交流負荷を接続する構成である。
また、特許文献３は、燃料電池発電装置が発電した直流電力の電圧を変換する直流電力変換装置と交流電力を直流電力に変換する交流−直流電力変換装置を備え、前記直流電力変換装置の出力端子に、前記交流−直流電力変換装置の直流出力端子と直流負荷を接続し、前記交流−直流電力変換装置の交流入力端子に交流電力系統と交流負荷を接続するものである。
特開２００６−２５４６９４号公報 特開２００３−２０４６８２号公報 特開２００７−１２４８３０号公報

しかしながら、上記従来技術は、直流発電装置の出力変動、負荷の変動及び商用交流電源（交流電力系統）の停電に対応してインバータやＡＣ／ＤＣコンバータ、ＤＣ／ＤＣコンバータを制御する必要がある。この制御ために制御装置が必要となるが、制御装置によってインバータやＡＣ／ＤＣコンバータ、ＤＣ／ＤＣコンバータを制御するためには、時計や電圧計などセンサーが必要であるとともに、これら時計やセンサーの出力に応じて制御動作するようにシステムを構築しなければならない。
本発明は、上記のような問題を解決するためになされたものであって、直流電力源の出力を高効率で負荷装置に供給するとともに、複雑な制御を行うことなく、交流電力系統と直流電力源と負荷装置の間で、或いは交流電力系統と直流電力源と負荷装置と蓄電装置の間での電力の融通が可能な電力供給システムを提供することを目的とする。

本発明の電力供給システムは、上記課題を解決するために、直流発電装置、負荷装置及び系統電力とをそれぞれ接続する直流母線と、前記直流発電装置と直流母線の間に接続され，前記直流母線への出力電圧を電圧Ｖ１に制御するＤＣ／ＤＣコンバータと、前記系統電力と直流母線の間に接続され、前記直流母線からの入力電圧Ｖ２に応じて制御動作するインバータと、前記系統電力と直流母線の間に接続され、前記直流母線への出力電圧を電圧Ｖ３に制御するＡＣ／ＤＣコンバータとを備え、前記各電圧がＶ１＞Ｖ２＞Ｖ３に設定されるものである。更に前記直流母線に接続される蓄電装置を備え、前記蓄電装置の満充電電圧がＶ４、前記蓄電装置の空電圧がＶ５とするとき、前記各電圧がＶ１＞Ｖ２＞Ｖ４＞Ｖ３＞Ｖ５に設定されるものである。
これにより、直流母線の電圧値によって、直流発電機または系統電力が、直流母線へ電力を供給できるかどうか、あるいは、系統電力が、直流母線から電力を受給できるかどうかが決まる。また直流母線の電圧値によって、直流発電機、蓄電装置または系統電力が、直流母線へ電力を供給できるかどうか、あるいは、系統電力が、直流母線から電力を受給できるかどうかが決まる。
上記のように、各電圧をＶ１＞Ｖ２＞Ｖ４＞Ｖ３＞Ｖ５に設定した場合、潮流母線へ供給できる順位は次のように自動的に決定される。（１）蓄電装置の電圧がＡＣ／ＤＣコンバータの出力電圧より高いときは、１位が直流発電機、２位が蓄電装置、３位が系統電力である。（２）蓄電装置の電圧がＡＣ／ＤＣコンバータの出力電圧より低いときは、１位が直流発電機、２位が系統電力、３位が蓄電装置である。
このため、ＤＣ／ＤＣコンバータ、インバータ及びＡＣ／ＤＣコンバータを制御する制御装置を必要としない。
そして、上記のように電圧設定をすることにより、直流発電機の発電電力のほうが、系統電力より優先的に直流母線へ供給することになる。
また、上記のように電圧設定をすることにより、直流発電機の発電電力が、負荷消費量より多い場合は、自動的に系統電力へ逆潮流される。しかし、蓄電装置から系統電力へ逆潮流することはない。またＡＣ／ＤＣコンバータは必要に応じて出力し、蓄電装置を充電する。そのとき、蓄電装置の充電電圧に応じて充電するとよい。
また、本発明の電力供給システムは、実施形態において、前記インバータと、前記ＡＣ／ＤＣコンバータを一体化し、双方向インバータとするものである。
これにより、電力供給システムの構成部品を少なくすることができ、より低コストでシステムを構築することができる。

本発明によれば、直流発電機の電力を高効率で直流負荷装置に供給することができる。 また、各コンバータ及びインバータが自立的に運転するだけで、直流発電機と系統電力と負荷装置の間で、蓄電装置を含む場合は蓄電装置を含めて、適切に電力の融通ができるので、複雑な制御回路が不要となり、低コストで信頼性の高い電力供給システムを提供することができる。更に蓄電装置を備える場合も、全く複雑な制御を必要とせずに蓄電装置から系統電力への逆潮流を防止できる。

（実施形態１）
図１は実施形態１の構成を示すブロック図である。
系統電力１はＡＣ／ＤＣコンバータ２に接続され、ＡＣ／ＤＣコンバータ２の出力端子は直流母線１０に接続される。定格出力が例えば、１ｋＷの太陽電池３はＤＣ／ＤＣコンバータ４に接続され、ＤＣ／ＤＣコンバータ４の出力端子は、直流母線１０に接続される。直流母線１０に負荷装置５が接続され、またインバータ６の入力端子が接続される。インバータ６の出力端子は系統電力１に接続される。そして、ＤＣ／ＤＣコンバータ４の出力電圧Ｖ１と、インバータ６の入力電圧Ｖ２と、ＡＣ／ＤＣコンバータ２の出力電圧Ｖ３は、Ｖ１＞Ｖ２＞Ｖ３に設定される。
上記負荷装置５は、本発明の電力供給システムが家庭用である場合は、家庭内にある負荷装置であり、例えば、照明装置、テレビ、パソコン、録画再生装置、音響設備、エアコン、洗濯機、冷蔵庫、掃除機等である。オフィスである負荷装置の場合は、複写機、パソコン、コンピュータ、照明装置、電話機等のオフィス設備である。また公共施設の負荷装置である場合は、街灯、交通信号、標識、案内板等である。工場の負荷装置の場合は、モータ、加工装置のような工場設備等である。

ここで、ＡＣ／ＤＣコンバータ２、ＤＣ／ＤＣコンバータ４、インバータ６それぞれの直流母線１０への目標電圧について、具体的電圧値を参照して説明する。この電圧値は一例であり、本発明はこの電圧値に制限されるものではない。
ＤＣ／ＤＣコンバータ４は、直流母線１０に例えば２１０Ｖを出力するように制御される。つまり、直流母線１０の電圧が２１０Ｖより低いとき、太陽電池３からの電力供給量を増やすよう制御する。また、直流母線１０の電圧が２１０Ｖより高いとき、太陽電池３からの電力供給量を減らすよう制御する。以上の動作で、ＤＣ／ＤＣコンバータ４は、直流母線１０への出力電圧を２１０Ｖに保つよう制御する。
インバータ６は、直流母線１０の電圧が例えば２００Ｖより高いとき、直流母線１０から電力を要求する量を増やすよう制御し、系統へ逆潮流する。また、直流母線１０の電圧が２００Ｖより低いとき、直流母線１０から電力を要求する量を減らすよう制御する。以上の動作で、インバータ６は、直流母線１０の電圧を２００Ｖに保つよう制御する。
ＡＣ／ＤＣコンバータ２は、直流母線１０に例えば１９０Ｖを出力するように制御される。つまり、直流母線１０の電圧が１９０Ｖより低いとき、系統電力１からの電力供給量を増やすよう制御する。また、直流母線１０の電圧が１９０Ｖより高いとき、系統電力１からの電力供給量を減らすよう制御する。以上の動作で、ＡＣ／ＤＣコンバータ２は、直流母線１０電圧を１９０Ｖに保つよう制御する。

次に、以上のように各電圧を設定した場合の実施形態１の動作を説明する。
ある晴天時に、太陽電池３の発電電力は例えば１０００Ｗであった。その時の負荷装置５の電力量は、例えば７００Ｗであった。太陽電池３の発電電力で負荷装置５を十分まかなえる状態であるので、ＤＣ／ＤＣコンバータ４は、負荷装置５に７００Ｗ供給しながら直流母線１０の電圧を２１０Ｖへ制御しようとする。しかし、インバータ６は、直流母線１０の電圧が２００Ｖより高いとき、直流母線１０から電力を要求する量を増やし、系統電力１へ逆潮流するように制御する。その結果、直流母線１０の電圧は２００Ｖとなり、太陽電池３の発電量が１０００Ｗ、負荷装置５への供給電力量が７００Ｗ、インバータ６を介した系統電力１への逆潮流電力量が３００Ｗで動作する。また、この場合、直流母線１０の電圧は２００Ｖであるので、ＡＣ／ＤＣコンバータ２は直流母線１０に対して出力することができない。

その後、太陽電池３の発電電力が例えば５００Ｗとなった。負荷装置５の電力量は７００Ｗのままであるので、太陽電池３の発電電力で負荷装置５が要求する電力を十分まかなえない状態となった。その場合、ＤＣ／ＤＣコンバータ４は直流母線１０の電圧を２００Ｖに保持できなくなり、電圧が下がっていった。直流母線１０の電圧が１９０Ｖを下回ると、系統電力１からＡＣ／ＤＣコンバータ２を介して負荷装置５に電力が供給された。その結果、直流母線１０の電圧は１９０Ｖとなり、太陽電池３の発電量が５００Ｗ、系統電力１からＡＣ／ＤＣコンバータ２を介して負荷装置５へ２００Ｗが供給され、その結果、負荷装置５は７００Ｗ消費する動作となる。また、この場合、直流母線１０の電圧は１９０Ｖなので、インバータ６を介した系統電力１への逆潮流は行われない。

その後、負荷装置５の電力量が例えば３００Ｗになった。太陽電池３の発電電力は５００Ｖのままであったので、上記と同様の動作で、直流母線１０の電圧は２００Ｖ、太陽電池３の発電量は５００Ｗ、負荷装置５への供給電力量は３００Ｗ、インバータ６を介した系統電力１への逆潮流電力量は２００Ｗとなった。

本実施形態では、直流発電機として太陽電池を用いた例を示したが、風力発電機、燃料電池、バッテリー等、電力供給可能なものであれば何でも構わない。また、直流発電機は１つでなくてもよく、例えば太陽光発電と風力発電の両方を備えていてもよい。
また、本実施形態では、ＤＣ／ＤＣコンバータ４、インバータ６、ＡＣ／ＤＣコンバータ２それぞれの直流母線１０への目標電圧を１０Ｖずつ差をつけたが、何Ｖ差をつけても構わないし、電圧差をそれぞれ同じにしなくても構わない。例えば、電圧差は、１〜２０Ｖとするのが好ましい。電圧差を１Ｖとした場合でもＤＣ／ＤＣコンバータ４、インバータ６、ＡＣ／ＤＣコンバータ２の動作感度範囲内である場合は、本発明を実施することが可能である。また、電圧差を２０Ｖとすると、例えば太陽電池３からのＤＣ／ＤＣコンバータ４の出力を２００Ｖ、インバータ６の入力電圧を１８０Ｖ、ＡＣ／ＤＣコンバータ２の出力電圧を１６０Ｖに設定することなる。したがって、負荷装置５は、太陽電池３からＤＣ／ＤＣコンバータ４の出力が供給される場合は、２００Ｖが供給されることになる。また系統電力１からＡＣ／ＤＣコンバータ２を介して電力が供給される場合は、１６０Ｖが供給されることになる。このように負荷装置５が受ける電圧は、太陽電池の出力変化によって変動することになる。このため、負荷装置５に供給する電圧があまりに大きく変動すると、負荷装置５の種類によっては使えなくなったり、負荷装置５の前段に電圧安定化のために、別途ＤＣ／ＤＣコンバータを挿入したりする必要がある。

このように電圧差が大きい場合、負荷装置５が動作しなくなることがあるので、負荷装置５の動作範囲になるように設定する必要がある。また電圧安定化のＤＣ／ＤＣコンバータを挿入した場合は、そのＤＣ／ＤＣコンバータのために効率が下がるなどの悪影響がでてくる。これらを考慮すると、２０Ｖ以上に５０Ｖや１００Ｖも差をつけることは好ましくない。しかし、負荷装置の種類によっては電圧差が大きくても動作するものがあるので、そのような負荷装置の場合は、２０Ｖ以上であってもよい。
以上のように、負荷装置の動作電圧範囲、電圧安定化のＤＣ／ＤＣコンバータによって効率が低下しない範囲で、電圧差を設定するとよい。更に、ＡＣ／ＤＣコンバータ２、ＤＣ／ＤＣコンバータ４、インバータ６の制御能力、動作感度を考慮して電圧差を設定するとよい。従って、１Ｖ以上２０Ｖ以下が好ましい電圧差である。

また、本実施形態では、ＤＣ／ＤＣコンバータ４の直流母線１０に対する目標電圧は２１０Ｖのように１つの電圧に設定したが、２１０Ｖから２２０Ｖの間になるようにというように、一定の範囲内になるように、目標電圧を設定してもかまわない。ＡＣ／ＤＣコンバータ４、インバータ６の直流母線１０に対する目標電圧も同様である。その場合、各直流母線１０への目標電圧が重なる部分があってはならない。
なお、上記説明は直流母線１０の配線抵抗を０としているが、実際には配線抵抗があるので、配線抵抗による電圧降下を考慮して電圧差を設定する必要がある。また、本実施形態は、停電等系統電力１が切り離された場合にも動作することが可能である。
また、本実施形態の負荷装置５の前段に、必要に応じてＤＣ／ＤＣコンバータを設置してもよい。その場合は、太陽電池３の発電電力は負荷装置５が最優先に消費する。

次に、ＤＣ／ＤＣコンバータ４、ＡＣ／ＤＣコンバータ２、インバータ６の回路について説明する。
図２は、昇圧チョッパよりなるＤＣ−ＤＣコンバータ４を示し、太陽電池からの出力直流電圧を２１０Ｖまで昇圧する電圧変換回路である。図２に示すように、昇圧チョッパは、スイッチ素子４１が約２０ｋＨｚでＰＷＭ（パルス幅変調）駆動され、入力端子４２，４３間に入力された直流電圧を昇圧して、出力端子４４，４５間に高い直流電圧を得ることができる一般的な回路である。コンデンサ４７は平滑用コンデンサである。４８は、リアクトルである。図２に示す回路以外に、電流共振型絶縁コンバータ、双方向チョッパ型ＤＣ／ＤＣコンバータ、双方向絶縁型ＣｕｋＤＣ／ＤＣコンバータなどを適用することができる。
次に、図２の昇圧チョッパ回路の動作について説明する。スイッチ素子４１がオン状態になるとリアクトル４８にエネルギーが蓄積され、スイッチ素子４１がオフ状態になるとリアクトル４８に蓄積されたエネルギーが放出されて電解コンデンサ４７に充電される。スイッチ素子４１のオン状態とオフ状態との割合を制御することにより、入力端子４２、４３から入力される電圧を所定の電圧（本例では２１０Ｖ）に昇圧し、出力端子４４、４５から出力される。これにより、ＤＣ／ＤＣコンバータ４は自身の出力電圧が目標電圧Ｖ１に一致するようにＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧を制御する。
前記スイッチ素子４１には、ＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）などを用いるとよい。

インバータ回路６は、図３に示すように４つのスイッチ素子６１、６２、６３および６４からなるフルブリッジ回路を用いることができる。スイッチ素子にはＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴが用いられ、約２０ｋＨｚでＰＷＭ駆動される。入力端子６５，６６間に入力された直流電力は、フルブリッジ回路により交流電圧変換され、リアクトル６７および６８により平滑化され、出力波形はほぼ正弦波となって出力端子６９，７０間に出力される。
インバータ回路６の出力端子６９、７０に系統電力が接続される場合は、インバータ回路６の出力電圧は系統電力の電圧に決められるため、インバータ回路６は入力端子６５、６６間に印加される直流電圧が設定された電圧の場合に動作するように制御される。すなわち、電流型インバータとして制御される。
このインバータ回路６は、スイッチング素子６１と６４、スイッチング素子６２と６３がペアとなって半周期ごとにオンとオフを入れ替えることにより直流電力を交流電力に変換する。スイッチング素子６１〜６４は入力端子６５、６６間に印加される直流電力の電圧Ｖ２に応じてＰＷＭ駆動を制御することにより、入力端子６５、６６間の電圧を制御する。

ＡＣ／ＤＣコンバータ回路２は、図４に示すように４つのダイオード素子２１、２２、２３および２４からなるダイオードブリッジ回路を用いることができる。入力端子２５，２６間に入力された交流電力は、ダイオードブリッジ回路により整流されて直流となり、コンデンサ２７により平滑化され、出力端子２８，２９間に電圧Ｖ３の直流電力を出力する。

（実施形態２）
図５に実施形態２のブロック図を示す。実施形態２は、実施形態１のインバータ６とＡＣ／ＤＣコンバータ２を一体化して、双方向インバータ７とした点以外は、実施形態１と同じである。
実施形態２の双方向インバータ７の動作は、実施形態１のインバータ６、ＡＣ／ＤＣコンバータ２の機能が一体化しており、直流母線１０の電圧が２００Ｖのときに、双方向インバータ７が系統電力１へ逆潮流し、直流母線１０の電圧が１９０Ｖのときに、双方向インバータ７が系統電力１から負荷装置５へ電力を供給する点以外は実施形態１と同じであるので、ここでは省略する。

図６は、双方向インバータ回路７を示す。この双方向インバータ回路７は、図２に示したインバータ回路とは、コンデンサ８１が端子７５，７６間に接続される点で相違するが、その他は同じである。
この双方向インバータ回路７は、端子７５，７６間に入力された直流電力は、フルブリッジ回路により交流電圧変換され、リアクトル７７および７８により平滑化され、出力波形はほぼ正弦波となって端子７９，８０間に出力される。この双方向インバータ回路７は、スイッチング素子７１と７４、スイッチング素子７２と７３がペアとなって半周期ごとにオンとオフを入れ替えることにより直流電力を商用交流電力に変換する。スイッチング素子７１〜７４は入力端子７５、７６間に印加される直流電力の電圧Ｖ２に応じてＰＷＭ駆動のパルス幅を制御することにより、出力端子に商用交流電力の電圧に変換する。
端子７９、８０間に交流電力が入力されるときは、スイッチング素子７１〜７４のスイッチング動作は必要でなく、図４に示したＡＣ／ＤＣコンバータと同様の動作を行い、端子７５，７６間に電圧Ｖ３の直流電力を出力する。

（実施形態３）
図７は実施形態３の構成を示すブロック図である。実施形態３は、実施形態１に蓄電装置を接続した点が相違点である。即ち、１ｋＷのリチウムイオン電池１１がダイオード１２を介して潮流母線１０に接続される。また、系統電力１と蓄電装置１１の間に第２のＡＣ／ＤＣコンバータ１３が接続される。その他は、図１に示した実施形態１と同じである。この実施形態３では、蓄電装置１１の満充電電圧をＶ４、空電圧をＶ５とすると、各電圧をＶ１＞Ｖ２＞Ｖ４＞Ｖ３＞Ｖ５に設定する。

次に、実施形態３の場合のＡＣ／ＤＣコンバータ２、ＤＣ／ＤＣコンバータ４、インバータ６それぞれの直流母線への目標電圧について、具体的電圧値を参照して説明する。この電圧は一例であり、本発明はこの電圧値に制限されるものではない。
ＤＣ／ＤＣコンバータ４は、直流母線１０に１１５Ｖで出力されるように制御されている。つまり、直流母線１０の電圧が１１５Ｖより低いとき、太陽電池３からの電力供給量を増やすよう制御する。また、直流母線１０の電圧が１１５Ｖより高いとき、太陽電池３からの電力供給量を減すよう制御する。以上の動作で、ＤＣ／ＤＣコンバータ４は、直流母線１０電圧を１１５Ｖに保つよう制御する。

インバータ６は、直流母線１０の電圧が１１０Ｖより高いとき、直流母線１０から電力を要求する量を増やすよう制御し、系統電力１へ逆潮流する。また、直流母線１０の電圧が１１０Ｖより低いとき、直流母線１０から電力を要求する量を減らすよう制御する。以上の動作で、インバータ６は、直流母線１０の電圧を１１０Ｖに保つよう制御する。
ＡＣ／ＤＣコンバータ２は、直流母線１０に８０Ｖを出力するように制御される。つまり、直流母線１０の電圧が８０Ｖより低いとき、系統電力１からの電力供給量を増やすよう制御する。また、直流母線１０の電圧が８０Ｖより高いとき、系統電力１からの電力供給量を減らすよう制御する。以上の動作で、ＡＣ／ＤＣコンバータ２は、直流母線１０の電圧を８０Ｖに保つよう制御する。

次に、リチウムイオン二次電池１１の満充電電圧Ｖ４、空電圧Ｖ５、直流母線１０への影響について説明する。本実施形態３の電力供給システムでは、単セル電圧が満充電で４．２Ｖ、空状態で３Ｖのリチウムイオン二次電池を２５個直列接続しで使用した。よって、満充電電圧は１０５Ｖ、空電圧は７５Ｖである。また、第２のＡＣ／ＤＣコンバータ１３の出力電圧は、常にリチウムイオン二次電池電圧に支配される。また、逆流防止ダイオード１２を介して直流母線１０と接続されているため、太陽電池３の発電量が多く直流母線１０の電圧が１１０Ｖ以上のときなどでは、リチウムイオン二次電池１１の電圧は、直流母線１０の電圧より低いため、影響を与えない。また、太陽電池３の発電量が少ないときなどは、リチウムイオン二次電池１１の電圧が、直流母線１０の電圧となる場合が存在する。
次に第２のＡＣ／ＤＣコンバータ１３の動作について説明する。第２のＡＣ／ＤＣコンバータ１３は、電力会社の深夜電力時間帯のみ動作するものである。深夜電力時間帯を迎えると、第２のＡＣ／ＤＣコンバータ１３は動作し、リチウムイオン二次電池１１を充電する。また、一度充電が完了した場合、第２のＡＣ／ＤＣコンバータ１３は動作を停止し、次の深夜電力時間帯まで動作しない。第２のＡＣ／ＤＣコンバータ１３の動作はこのように時間設定される。

次に、以上のように電圧を設定した場合の実施形態３の動作を説明する。
ある朝の晴天時に、太陽電池３の発電電力は１０００Ｗであった。その時のリチウムイオン二次電池１１は満充電で１０５Ｖであり、そのときの負荷装置５の要求電力量は７００Ｗであった。太陽電池３の発電電力で負荷装置５を十分まかなえる状態であるので、ＤＣ／ＤＣコンバータ４は、負荷装置５に７００Ｗ供給しながら直流母線１０の電圧を１１５Ｖへ制御しようとする。しかし、インバータ６は、直流母線１０の電圧が１１０Ｖより高いとき、直流母線１０から電力を要求する量を増やし、系統電力１へ逆潮流するように制御する。その結果、直流母線１０の電圧は１１０Ｖとなり、太陽電池３の発電量が１０００Ｗ、負荷装置５への供給電力量が７００Ｗ、インバータ６を介した系統電力１への逆潮流電力量が３００Ｗで動作する。また、この場合、直流母線１０の電圧は１１０Ｖであるので、ＡＣ／ＤＣコンバータ２は直流母線１０に対して出力することができない。同様に、リチウムイオン二次電池は１０５Ｖなので、直流母線に対して出力することができない。

その後、日がかげって太陽電池３の発電電力が５００Ｗとなった。負荷装置５の電力量は７００Ｗのままであるので、太陽電池３の発電電力で負荷装置５を十分まかなえない状態となった。その場合、直流母線１０の電圧を１１０Ｖに保持できなくなり、電圧が下がっていった。直流母線１０の電圧が１０５Ｖを下回ると、リチウムイオン二次電池１１から負荷装置５に電力が供給された。その結果、直流母線１０の電圧は１０５Ｖとなり、太陽電池３の発電量が５００Ｗ、リチウムイオン二次電池１１から負荷装置５へ２００Ｗとなり、負荷装置５は電力量７００Ｗで動作することができる。もちろん、電力を供給するとリチウムイオン二次電池１１の電圧は下がるので、直流母線１０の電圧も徐々に下がっていく。また、この場合、直流母線１０の電圧は１０５Ｖ以下であるので、インバータ６を介した系統電力１への逆潮流は行われない。また、ＡＣ／ＤＣコンバータ２の出力電圧は８０Ｖであるので、リチウムイオン二次電池１１の電圧が８０Ｖまで放電されない限り、系統電力１から出力しない。
その後、上記の状態が続き、リチウムイオン二次電池１１の電圧がさがっていき、８０Ｖを切った。よって、ＡＣ／ＤＣコンバータ２を介して系統電力１から負荷装置５へ電力量２００Ｗが供給された。

その後、晴天になり、太陽電池３の出力が１０００Ｗとなった。負荷装置５は７００Ｗのままの動作状態であるので、太陽電池３の発電電力で負荷装置５を十分まかなえる状態に戻った。よって、上記で述べたように、直流母線１０の電圧は１１０Ｖとなり、インバータ６を介して系統電力１へ３００Ｗ逆潮流された。
その後、日が落ちて、太陽電池３の発電量は０Ｗとなったが、負荷装置５は電力量１０００Ｗに増加した。この時、リチウムイオン二次電池１１は８０Ｖ以下であるため、系統電力１がＡＣ／ＤＣインバータ２を介して負荷装置５へ１０００Ｗ電力を供給し、直流母線１０の電圧は８０Ｖとなる。
その後、電力会社が設定する深夜電力時間帯を迎え、第２のＡＣ／ＤＣコンバータ１３が起動した。その時、系統電力１は、第２のＡＣ／ＤＣコンバータ１３を介してリチウムイオン二次電池１１へ充電しながら、負荷装置５へ電力を供給した。リチウムイオン二次電池１１が８０Ｖ未満の間は、系統電力１から負荷装置５への電力供給は、ＡＣ／ＤＣコンバータ２を介して行われ、８０Ｖ以上になった後は、第２のＡＣ／ＤＣコンバータ１３を介して行われる。リチウムイオン二次電池１１が８０Ｖ未満の場合は、直流母線１０は８０Ｖに維持され、８０Ｖ以上の場合は、リチウムイオン二次電池１１の電圧が、直流母線１０の電圧となる。リチウムイオン二次電池１１が満充電（１０５Ｖ）になると、系統電力１からリチウムイオン二次電池１１への充電は終了するが、深夜電力時間帯は、第２のＡＣ／ＤＣコンバータ１３を介して系統電力１から１０００Ｗの負荷装置５へ電力供給が行われた。深夜電力時間帯が終了すると、また朝から同様の動作を行う。

本実施形態３でも、直流発電機は太陽電池３以外に、風力発電機、燃料電池、バッテリー等、電力供給可能なものを使用することができる。また、直流発電機は１つでなくても２つ以上であってもよい。また、ＤＣ／ＤＣコンバータ４、インバータ６、ＡＣ／ＤＣコンバータ２の直流母線１０への目標電圧、及びリチウムイオン二次電池１１の満充電電圧、空電圧の各電圧差は、実施形態１で説明したように１〜２０Ｖにすることができ、負荷装置５の種類によっては２０Ｖ以上に設定することもできる。またＤＣ／ＤＣコンバータ４、インバータ６、ＡＣ／ＤＣコンバータ２の直流母線１０に対する目標電圧は、実施形態１と同様に一定の電圧範囲に設定しても適わない。その場合、各直流母線への目標電圧が重なる部分があってはならない。
また、本実施例の負荷装置５の前段に、必要に応じてＤＣ／ＤＣコンバータを設置してもよい。その場合は、太陽電池３の発電電力は負荷装置５が最優先に消費する。
また、第２のＡＣ／ＤＣコンバータ１３の動作については、深夜電力時間帯中ずっと動作しなくても、リチウムイオン二次電池１１を満充電したら停止してもかまわない。また、深夜電力時間帯のみならず、電力が安い等、ユーザーにとってメリットのある時間帯に動作し、リチウムイオン二次電池１１を充電すればよい。また、系統異常時に、第２のＡＣ／ＤＣコンバータ１３を動作させることで、太陽電池３の発電電力を、インバータを介して充電できるようにしてもよい。
また、本実施形態ではスイッチ素子としてダイオード１２を用いたが、ＦＥＴやＩＧＢＴ等を用いて、負荷装置５からリチウムイオン二次電池１１への電流を遮断してもよい。
この実施形態３に使用されるＤＣ／ＤＣコンバータ４、インバータ６、ＡＣ／ＤＣコンバータ２の回路は、実施形態１で図２〜図４に示した回路と同じである。

（実施形態４）
図８に実施形態４のブロック図を示す。実施形態４はインバータ６とＡＣ／ＤＣコンバータ２が一体化して双方向インバータ１７となった点以外は、実施形態３と同じである。
実施形態４の動作は、実施形態３のインバータ６とＡＣ／ＤＣコンバータ２の機能が一体化しており、直流母線電圧が１１０Ｖのときに、双方向インバータ１７が系統電力１へ逆潮流し、直流母線１０の電圧が８０Ｖのときに、双方向インバータ１７が系統電力１から負荷装置５へ電力を供給する点以外は実施形態３と同じである。
双方向インバータ１７の回路は、実施形態２で図６に示した回路と同じである。

本発明の実施形態１の構成を示すブロック図である。 本発明の実施形態１に使用されるＤＣ−ＤＣコンバータ回路の回路図である。 本発明の実施形態１に使用されるインバータ回路の回路図である。 本発明の実施形態１に使用されるＡＣ−ＤＣコンバータ回路の回路図である。 本発明の実施形態２の構成を示すブロック図である。 本発明の実施形態２に使用される双方向インバータ回路の回路図である。 本発明の実施形態３の構成を示すブロック図である。 本発明の実施形態４の構成を示すブロック図である。

符号の説明

１ 系統電力
２ ＡＣ／ＤＣコンバータ
３ 太陽電池
４ ＤＣ／ＤＣコンバータ
５ 負荷装置
６ インバータ
７ 双方向インバータ
１０ 直流母線
１１ 蓄電装置

Claims (7)

1. 直流発電装置、負荷装置及び系統電力とをそれぞれ接続する直流母線と、
   前記直流発電装置と直流母線の間に接続され，前記直流母線への出力電圧を電圧Ｖ１に制御するＤＣ／ＤＣコンバータと、
   前記系統電力と直流母線の間に接続され、前記直流母線からの入力電圧Ｖ２に応じて制御動作するインバータと、
   前記系統電力と直流母線の間に接続され、前記直流母線への出力電圧を電圧Ｖ３に制御するＡＣ／ＤＣコンバータと、
   前記直流母線に接続される蓄電装置と
   を備え、前記蓄電装置の満充電電圧を電圧Ｖ４、前記蓄電装置の空電圧を電圧Ｖ５とするとき、前記各電圧がＶ１＞Ｖ２＞Ｖ４＞Ｖ３＞Ｖ５に設定し、各電圧差は前記ＡＣ／ＤＣコンバータ、ＤＣ／ＤＣコンバータ、およびインバータの動作感度範囲内に設定し、かつ前記負荷装置の動作範囲になるように設定し、前記ＤＣ／ＤＣコンバータ、インバータおよびＡＣ／ＤＣコンバータをそれぞれ自立運転する電力供給システム。
2. 更に、前記系統電力と蓄電装置の間に第２のＡＣ／ＤＣコンバータを接続し、第２のＡＣ／ＤＣコンバータは電力会社の深夜電力時間帯のみ動作し、深夜電力時間帯に蓄電装置を充電する請求項１に記載の電力供給システム。
3. 前記ＤＣ／ＤＣコンバータは、出力電圧が電圧Ｖ１より低いときはＤＣ／ＤＣコンバータの出力を増加し、出力電圧が電圧Ｖ１より高いときはＤＣ／ＤＣコンバータの出力を減少するように運転される請求項１または２に記載の電力供給システム。
4. 前記インバータは、入力電圧が電圧Ｖ２より高いときはインバータの出力を増加し、入力電圧が電圧Ｖ２より低いときはインバータの出力を減少するように運転される請求項１から３までのいずれか１項に記載の電力供給システム。
5. 前記ＡＣ／ＤＣコンバータは、出力電圧が電圧Ｖ３より低いときはＡＣ／ＤＣコンバータの出力を増加し、出力電圧が電圧Ｖ３より高いときはＡＣ／ＤＣコンバータの出力を減少するように運転される請求項１から４までのいずれか１項に記載の電力供給システム。
6. 前記インバータと前記ＡＣ／ＤＣコンバータは、双方向インバータよりなる請求項１から５までのいずれか１項に記載の電力供給システム。
7. 前記負荷装置は、照明装置、テレビ、パソコン、録画再生装置、音響設備、エアコン、洗濯機、冷蔵庫、掃除機、街灯、オフィス設備、工場設備等である請求項１に記載の電力供給システム。

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