JP5342598B2

JP5342598B2 - 電力変換器

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Publication number: JP5342598B2
Application number: JP2011091997A
Authority: JP
Inventors: 義明野崎; 敏之藤田
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2011-04-18
Filing date: 2011-04-18
Publication date: 2013-11-13
Anticipated expiration: 2031-04-18
Also published as: WO2012144357A1; JP2012228028A

Description

本発明は、家庭などの交流系統からは独立に制御可能な小規模エリアにおける直流給電システムに関するものである。

広域に及ぶ交流系統範囲でＩＴ技術を駆使することにより電力需給制御を行おうとするスマートグリッドが世界中で推進されている。一方、これとは独立に、デジタル家電などの直流家電が普及した家庭内などの小規模エリアでは、当該エリア内での電力システムを最適化しようとするマイクログリッドが提唱され、その計画が商用レベルで推進されている。

太陽光発電は、これまで交流系統に連系したり、家庭内の交流配電と接続される必要があったことから、発電直流出力をパワーコンディショナによって交流電力に変換する必要があった。また、掃除機、洗濯機、エアコンディショナ、冷蔵庫などのようにモータを用いる家電機器や一般照明器具には交流電力の供給が適していた。しかし、昨今、家電のデジタル化が進んだことや照明のＬＥＤ化が進められていること、ＴＶ装置や音響機器など元々機器内で交流−直流変換を行うことにより稼動していた家電機器などがあることから、家庭内においては必ずしも交流配電が優れているとは限らなくなった。例えば、交流で給電される家電機器は、内蔵する電源回路によって交流を直流に変換するので、交流−直流変換に伴う電力損失が発生するとともに、整流回路などは本来不要な部品であった。また、パワーコンディショナはインバータによって直流−交流変換を行うので、直流電力で稼動する機器にとっては余分な設備であって、インバータ内の損失が太陽光発電出力の利用効率向上を妨げていた。

そこで、交流系統から受ける商用の配電システムの他に、外部からの直流給電により稼動する直流家電が接続される直流給電システムを一般家庭などの小規模エリア内に敷設することが提唱された。直流配電網では、図６に示す直流給電システム１０１のように、エアコンディショナ、ＴＶ装置などの直流機器１３０が、交流−直流変換を伴うことなく直接に、あるいは図示しないＤＣ−ＤＣコンバータを介してＤＣバスＢに接続される。ＤＣバスＢには、太陽光発電装置１１０（例えば出力電圧１００Ｖ〜３８０Ｖ）から直流−交流変換を伴うことなくＤＣ−ＤＣコンバータ１２０を介して直流電力が供給される。ＤＣバスＢの母線電圧は例えば３８０Ｖ〜４００Ｖの一定範囲の電圧に保持されるよう制御される。また、昨今開発が進んだリチウムイオン電池などの蓄電池１１１が、ＤＣ−ＤＣコンバータ１２１を介してＤＣバスＢに接続可能に存在するようになったことで、余剰電力の蓄積が可能になり、直流給電システム１０１がますます現実的なものに押し上げられた。このように直流給電システムなどを導入することにより一般家庭内などの小規模エリア内における電力網の最適化を行う構想は前記マイクログリッドと呼ばれる。

特許文献１には、直流給電路に蓄電池を備える場合の電力効率を改善した直流給電システムが説明されている。

日本国特許公開公報「特開２００８−０４８４７０号公報：２００８年２月２８日公開」

上記の直流給電システム１０１においては、深夜にはほとんどの負荷が動作を停止し、実質的に待機電力のみを消費する状態となる。このときには、図６において、例えば蓄電池１１１がＤＣバスの漸次の電圧低下を補うように、貯蔵した電力をＤＣ−ＤＣコンバータ１２１を介してＤＣバスＢに放電する。ＤＣ−ＤＣコンバータ１２１は、蓄電池１１１の出力電圧（例えば３０Ｖ〜６０Ｖ）をＤＣバスＢの電圧にまで昇圧する。

しかしながら、このように深夜でもＤＣ−ＤＣコンバータを動作させる必要があるため、待機負荷にＤＣ−ＤＣコンバータの電力消費分が加わった電力が深夜に消費される。ＤＣ−ＤＣコンバータの電力消費は、主にスイッチング損失である。この結果、図７に示すように、朝から夜にかけていくつかのピーク負荷を経た後に、深夜にほぼ負荷休止状態となったはずのシステムにおいても、無視できないほどの電力Ｗ０が消費される。

このように、直流配電システムには、負荷休止時間帯でも一定以上の電力が消費されて、電力効率の向上が妨げられるという問題があった。

本発明は、上記従来の問題点に鑑みなされたものであり、その目的は、負荷休止時間帯の電力消費を抑制して高い電力効率を得ることのできる直流給電システムおよびその制御方法を実現することにある。

本発明の直流給電システムは、上記課題を解決するために、
接続される直流機器に直流給電を行う直流給電システムであって、
上記直流給電の母線となる直流バスと、
上記直流バスに直流電力を供給する１つ以上の直流電力供給手段であって、第１の動作電源によって動作してそれぞれに定められた電圧範囲で直流出力を行う上記直流電力供給手段と、
上記直流バスとの間で充放電を行う第１の蓄電手段および第２の蓄電手段とを備えており、
直流電力発生装置と、上記第１の動作電源によって動作して上記直流電力発生装置と上記直流バスとの間に受け渡しする直流電力の電圧変換を行うように設けられた第１のＤＣ−ＤＣコンバータとを備えた上記直流電力供給手段が１つ以上含まれており、
上記第１の蓄電手段は、上記直流バスに直結された第１の蓄電池を備えており、
上記第２の蓄電手段は、第２の蓄電池と、第２の動作電源によって動作して上記第２の蓄電池と上記直流バスとの間で受け渡しする直流電力の電圧変換を行うように設けられた第２のＤＣ−ＤＣコンバータとを備えており、
上記直流バスの母線電圧範囲は、各上記直流電力供給手段から上記直流バスに供給される直流電力の電圧範囲のそれぞれと、上記第２の蓄電手段から上記直流バスに供給される直流電力の電圧範囲との和からなる１つの電圧範囲であり、
上記直流機器の動作可能電圧範囲は上記母線電圧範囲を包含しており、
上記第１の蓄電池の充放電可能電圧範囲は上記母線電圧範囲を包含しており、
各上記第１の動作電源および上記第２の動作電源のそれぞれの投入および遮断を制御する制御部を備えていることを特徴としている。

上記の発明によれば、第１の蓄電池の充放電可能電圧範囲が母線電圧範囲を包含しているので、母線電圧範囲の任意の電圧において第１の蓄電手段から直流バスへの電力供給を行うことができる。従って、軽負荷時には、制御部によって各第１の動作電源および第２の動作電源を遮断して各直流電力供給手段および第２の蓄電手段から直流バスへの電力供給を遮断することができる。これにより、各第１の動作電源および第２の動作電源を遮断した分だけ消費電力を削減することができる。

以上により、負荷休止時間帯の電力消費を抑制して高い電力効率を得ることのできる直流給電システムおよびその制御方法を実現することができるという効果を奏する。

本発明の直流給電システムは、上記課題を解決するために、
上記直流電力供給手段として、上記第１の動作電源によって動作して交流系統の交流電力を直流電力に変換して上記直流バスに供給するＡＣ−ＤＣコンバータが備えられており、
上記制御部は上記ＡＣ−ＤＣコンバータの動作電源の投入および遮断を制御することを特徴としている。

上記の発明によれば、直流電力発生装置から直流バスへの電力供給を行うことができない場合に、交流系統から直流バスへ電力供給を行うことができるという効果を奏する。

また、第１の蓄電手段から直流バスへの電力供給を行う間にＡＣ−ＤＣコンバータの動作を停止させることにより、交流配電網からの電力供給を止めるとともに、ＡＣ−ＤＣコンバータの消費電力を削減することができるという効果を奏する。

本発明の直流給電システムは、上記課題を解決するために、
上記直流バスの母線電圧を検出する電圧センサを備えており、
上記制御部は、供給される開始指示信号を受けて開始するとともに供給される終了指示信号を受けて終了する第１の制御モードであって、
供給される遮断指示信号を受けて各上記第１の動作電源および上記第２の動作電源のうちの動作しているものを遮断する遮断制御と、
上記遮断制御が行われた状態で、上記電圧センサによって検出された上記直流バスの母線電圧が上記母線電圧範囲の下限電圧を下回ると、各上記電力供給手段および上記第２の蓄電手段のうちの上記母線電圧範囲の下限電圧を含む電圧範囲を分担するものから上記直流バスへの直流電力の供給を始めて、予め定められたシーケンスに従って各上記電力供給手段および上記第２の蓄電手段のうちの上記母線電圧に適合する電圧範囲を分担するものによって上記直流バスに直流電力が供給されるように、各上記第１の動作電源および上記第２の動作電源のそれぞれの投入および遮断を選択制御する第１の電源制御とを行う第１の制御モードで動作することが可能であり、
上記第１の制御モードの上記開始指示信号は上記遮断指示信号となることを特徴としている。

上記の発明によれば、制御部によって各第１の動作電源および第２の動作電源が遮断された状態において、直流バスの母線電圧が下限電圧より降下しても、必要最小限の電力供給によって直流バスを運転することができるという効果を奏する。

本発明の直流給電システムは、上記課題を解決するために、
上記直流バスから上記直流機器に流れる電流の総和である負荷電流を検出する電流センサを備えており、
上記電流センサは、上記制御部が上記第１の制御モードにおいて上記第１の電源制御を行っているときに、上記負荷電流が所定値以下になったことを検出すると、上記遮断指示信号を上記制御部に供給することを特徴としている。

上記の発明によれば、直流機器がほとんど負荷電流を伴わない場合に、直流バスへの電力供給の遮断を効率よく行うことができるという効果を奏する。

本発明の直流給電システムは、上記課題を解決するために、
上記直流バスから上記直流機器に流れる電流の総和である負荷電流を検出する電流センサを備えており、
上記制御部は、上記第１の制御モードにおいて上記遮断制御が行われた状態で、上記電流センサによって上記負荷電流が所定値を超えたことが検出されると、予め定められたシーケンスに従って各上記電力供給手段および上記第２の蓄電手段のうちの上記母線電圧に適合する電圧範囲を分担するものによって上記直流バスに直流電力が供給されるように、各上記第１の動作電源および上記第２の動作電源のそれぞれの投入および遮断を選択制御する第２の電源制御を行うことを特徴としている。

上記の発明によれば、直流機器がある程度の負荷電流を必要とする場合に、直流バスへの電力供給の再開を効率よく行うことができるという効果を奏する。

本発明の直流給電システムは、上記課題を解決するために、
上記電流センサは、上記制御部が上記第１の制御モードにおいて上記第２の電源制御を行っているときに、上記負荷電流が所定値以下になったことを検出すると、上記遮断指示信号を上記制御部に供給することを特徴としている。

本発明の直流給電システムは、上記課題を解決するために、
上記制御部は、上記第１の制御モードで動作していないときに、予め定められたシーケンスに従って各上記電力供給手段および上記第２の蓄電手段のうちの上記母線電圧に適合する電圧範囲を分担するものによって上記直流バスに直流電力が供給されるように、各上記第１の動作電源および上記第２の動作電源のそれぞれの投入および遮断を選択制御する第３の電源制御を行う第２の制御モードで動作することが可能であることを特徴としている。

上記の発明によれば、第２の制御モードでは、各直流電力供給手段および第２の蓄電手段によって、それぞれが分担する電圧範囲で直流バスを効率よく運転することができるという効果を奏する。

本発明の直流給電システムは、上記課題を解決するために、
上記母線電圧範囲および上記充放電可能電圧範囲の各上限電圧は４１０Ｖであり、上記母線電圧範囲および上記充放電可能電圧範囲の各下限電圧は３５０Ｖであることを特徴としている。

上記の発明によれば、太陽光発電装置やリチウムイオン電池といった汎用の電力供給源の取り扱い電圧付近を用いて、直流バスを効率よく運転することができるという効果を奏する。

本発明の直流給電システムは、上記課題を解決するために、
上記母線電圧範囲の上限電圧は４１０Ｖであるとともに上記母線電圧範囲の下限電圧は３５０Ｖであり、
上記充放電可能電圧範囲の上限電圧は３８０Ｖよりも３８０Ｖの８％以上だけ大きい電圧であるとともに、上記充放電可能電圧範囲の下限電圧は３８０Ｖよりも３８０Ｖの８％以上だけ小さい電圧であることを特徴としている。

また、第１の蓄電池の充放電可能電圧範囲が、実用的な電圧範囲で母線電圧範囲よりも広くなるため、母線電圧の変化に対して第１の蓄電池の動作マージンを適切に設定することができるという効果を奏する。

本発明の直流給電システムは、上記課題を解決するために、
上記直流電力発生装置として太陽光発電装置が備えられており、
上記太陽光発電装置を備える上記直流電力発生装置から上記直流バスに供給される直流電力の電圧範囲は、上記太陽光発電装置と上記直流バスとの間の直流電力の受け渡しをする上記第１のＤＣ−ＤＣコンバータによって４００Ｖ±１０Ｖに制御されることを特徴としている。

上記の発明によれば、汎用の電力供給源の取り扱い電圧付近を用いて、直流バスを効率よく運転することができるという効果を奏する。

本発明の直流給電システムは、上記課題を解決するために、
上記直流電力供給手段として、交流系統の交流電力を直流電力に変換して上記直流バスに供給するＡＣ−ＤＣコンバータが備えられており、
上記ＡＣ−ＤＣコンバータから上記直流バスに供給される直流電力の電圧範囲は、上記ＡＣ−ＤＣコンバータによって３８０Ｖ±１０Ｖに制御されることを特徴としている。

上記の発明によれば、交流電力を汎用の電力供給源の取り扱い電圧付近に変換して用いるので、直流バスを効率よく運転することができるという効果を奏する。

本発明の直流給電システムは、上記課題を解決するために、
上記第２の蓄電手段から上記直流バスへ供給する直流電力の電圧範囲は、上記第２のＤＣ−ＤＣコンバータによって３６０Ｖ±１０Ｖに制御されることを特徴としている。

上記の発明によれば、この構成によれば、直流バスの最も低い電圧範囲を分担することからベース電力を貯蔵することができるので、直流バスを効率よく運転することができるという効果を奏する。

本発明の直流給電システムは、上記課題を解決するために、
上記直流電力発生装置として太陽光発電装置が備えられていることを特徴としている。

上記の発明によれば、太陽光発電装置を、発電電力の利用効率をあまり低下させずに直流給電システムに好適に利用することができるという効果を奏する。

本発明の直流給電システムの制御方法は、上記課題を解決するために、
上記直流給電システムを制御する直流給電システムの制御方法であって、
上記直流バスの母線電圧を検出し、
上記制御部に、供給される開始指示信号を受けて開始するとともに供給される終了指示信号を受けて終了する第１の制御モードであって、
供給される遮断指示信号を受けて各上記第１の動作電源および上記第２の動作電源のうちの動作しているものを遮断する遮断制御と、
上記遮断制御が行われた状態で、上記直流バスの母線電圧が上記母線電圧範囲の下限電圧を下回ると、各上記電力供給手段および上記第２の蓄電手段のうちの上記母線電圧範囲の下限電圧を含む電圧範囲を分担するものから上記直流バスへの直流電力の供給を始めて、予め定められたシーケンスに従って各上記電力供給手段および上記第２の蓄電手段のうちの上記母線電圧に適合する電圧範囲を分担するものによって上記直流バスに直流電力が供給されるように、各上記第１の動作電源および上記第２の動作電源のそれぞれの投入および遮断を選択制御する第１の電源制御とを行う第１の制御モードで動作させ、
上記第１の制御モードの上記開始指示信号は上記遮断指示信号となることを特徴としている。

本発明の直流給電システムの制御方法は、上記課題を解決するために、
上記直流バスから上記直流機器に流れる電流の総和である負荷電流を検出し、
上記制御部が上記第１の制御モードにおいて上記第１の電源制御を行っているときに、上記負荷電流が所定値以下になったことを検出すると、上記遮断指示信号を上記制御部に供給することを特徴としている。

本発明の直流給電システムの制御方法は、上記課題を解決するために、
上記直流バスから上記直流機器に流れる電流の総和である負荷電流を検出し、
上記制御部に、上記第１の制御モードにおいて上記遮断制御が行われた状態で、上記負荷電流が所定値を超えたことを検出すると、予め定められたシーケンスに従って各上記電力供給手段および上記第２の蓄電手段のうちの上記母線電圧に適合する電圧範囲を分担するものによって上記直流バスに直流電力が供給されるように、各上記第１の動作電源および上記第２の動作電源のそれぞれの投入および遮断を選択制御する第２の電源制御を行わせることを特徴としている。

本発明の直流給電システムの制御方法は、上記課題を解決するために、
上記制御部が上記第１の制御モードにおいて上記第２の電源制御を行っているときに、上記負荷電流が所定値以下になったことを検出すると、上記遮断指示信号を上記制御部に供給することを特徴としている。

本発明の直流給電システムの制御方法は、上記課題を解決するために、
上記制御部に、上記第１の制御モードで動作していないときに、予め定められたシーケンスに従って各上記電力供給手段および上記第２の蓄電手段のうちの上記母線電圧に適合する電圧範囲を分担するものによって上記直流バスに直流電力が供給されるように、各上記第１の動作電源および上記第２の動作電源のそれぞれの投入および遮断を選択制御する第２の電源制御を行う第２の制御モードで動作させることを特徴としている。

この発明によれば、負荷休止時間帯の電力消費を抑制して高い電力効率を得ることのできる直流給電システムおよびその制御方法を実現することができるという効果を奏する。

本発明の実施形態を示すものであり、直流給電システムの構成を示すブロック図である。本発明の実施形態を示すものであり、図１の直流給電システムにおける１日の電力使用量の変化を表す負荷曲線を示すグラフである。本発明の実施形態を示すものであり、第１の蓄電池の充電量と電圧との関係を説明するグラフである。本発明の実施形態を示すものであり、図１の直流給電システムによる第１の制御モード時の動作を電圧および電流との関係で示すグラフである。本発明の実施形態を示すものであり、（ａ）はＤＣ−ＤＣコンバータの構成を示す回路ブロック図、（ｂ）は（ａ）のＤＣ−ＤＣコンバータの制御信号の波形図である。従来技術を示すものであり、直流給電システムの構成を示すブロック図である。従来技術を示すものであり、図６の直流給電システムにおける１日の電力使用量の変化を表す負荷曲線を示すグラフである。

本発明の実施形態について図１ないし図５を用いて説明すれば、以下の通りである。

図１に、本実施形態に係る直流給電システム１の構成を示す。

直流給電システム１は、接続される直流機器３０に直流給電を行うものである。直流給電システム１は、一例として一般家庭内における配電システムとして示されている。当該直流給電システム１は、ＤＣバス（直流バス）Ｂ、太陽光発電装置（直流電力発生装置：図中「ソーラー」と表記）１０、制御器（制御部）１１、蓄電池（第１の蓄電手段、第１の蓄電池）１２、蓄電池（第２の蓄電池）１３、電圧センサ１４、電流センサ１５、ＤＣ−ＤＣコンバータ（第１のＤＣ−ＤＣコンバータ）２０、ＤＣ−ＤＣコンバータ（第２のＤＣ−ＤＣコンバータ）２２、および、ＡＣ−ＤＣコンバータ（直流電力供給手段）２３を備えている。

直流機器３０は、エアコンディショナやＴＶ装置などの直流電力で動作する、直流家電などの負荷機器である。ここでは、一例として、直流機器３０が３５０Ｖ−４１０Ｖの直流電圧で動作するものとする。当該直流機器３０は、ＤＣバスＢにＤＣ−ＤＣコンバータを介することなく接続される。なお、直流機器３０は、ＤＣバスＢにＤＣ−ＤＣコンバータを介することなく接続されていなくとも、電源スイッチなどのスイッチを介してＤＣバスＢに接続されていてよい。

また、上記例以外に、（１）ＤＣバスＢにＤＣ−ＤＣコンバータを介して接続される他の直流機器が存在する、あるいは、（２）直流機器としてＤＣバスＢにＤＣ−ＤＣコンバータを介して接続される直流機器のみが存在する、のいずれかであってもよい。（１）および（２）の場合には当該ＤＣ−ＤＣコンバータが直流給電システム１の構成要素に含まれる。

ＤＣバスＢは、直流給電システム１の母線として直流機器３０に供給する電力を搬送する。ここでは、ＤＣバスＢに直結される直流機器３０に電力を供給する目的があることから、ＤＣバスＢの母線電圧範囲は直流機器３０の動作電圧範囲内、すなわちここでは直流３５０Ｖ〜４１０Ｖの電圧範囲内、に設定される。また、前記（１）の場合には、ＤＣバスＢの母線電圧範囲はＤＣバスＢにＤＣ−ＤＣコンバータを介することなく接続される直流機器３０の動作電圧範囲に設定される。

太陽光発電装置１０は、ＤＣバスＢに発電した直流電力を供給する。太陽光発電装置１０は、セルアレイ数に応じた直流の出力電圧、例えば１００Ｖ−３８０Ｖを出力する。当該出力電圧はＤＣバスＢへの電力供給に際して直流−交流変換が行われる必要がない。従って、当該出力電圧は、太陽光発電装置１０とＤＣバスＢとの間で受け渡しする直流電力の電圧変換を行うＤＣ−ＤＣコンバータ２０によって、ＤＣバスＢの母線電圧に変換される。太陽光発電装置１０とＤＣ−ＤＣコンバータ２０とは、直流バスに直流電力を供給する直流電力供給手段を構成している。ＤＣ−ＤＣコンバータ２０は、ここでは太陽光発電装置１０の出力電圧をＤＣバスＢの母線電圧に昇圧する昇圧コンバータからなる。ＤＣ−ＤＣコンバータ２０は、ＤＣ−ＤＣコンバータ２０に個別に割り当てられた動作電源（第１の動作電源：図示せず）によって動作する。当該動作電源の投入および遮断は、制御器１１から供給される制御信号ｐｓ１によって制御される。なお、ＤＣ−ＤＣコンバータ２０は、太陽光発電装置１０の出力電圧をＤＣバスＢの母線電圧に降圧する降圧コンバータからなっていてもよい。

ここでは、太陽光発電装置１０の出力電圧１００Ｖ−３８０ＶはＤＣ−ＤＣコンバータ２０によって４００Ｖ±１０Ｖの範囲で変換される。これにより、ＤＣバスＢの母線電圧は４００Ｖ±１０Ｖの電圧範囲に制御される。このように、太陽光発電装置１０とＤＣ−ＤＣコンバータ２０とは、母線電圧範囲３５０Ｖ−４１０Ｖのうち３９０Ｖ−４１０Ｖを分担する。この構成によれば、汎用の電力供給源の取り扱い電圧付近を用いて、ＤＣバスＢを効率よく運転することができる。

太陽光発電装置１０が直流電力発生装置として設けられているので、発電電力の利用効率をあまり低下させずに直流給電システム１に好適に利用することができる。また、図示しないが、太陽光発電装置１０が商用交流系統に連系されて、発電した電力の売電が行えるようになっていてもよい。直流電力供給手段として、太陽光発電装置１０が必ずしも備えられている必要はない。また、第１のＤＣ−ＤＣコンバータと組み合わされて直流電力供給手段となる直流電力発生装置として、燃料電池などの化学燃料発電装置や、風力発電装置などの自然エネルギー発電装置（最終出力を直流とする）なども可能である。

蓄電池１２は、任意の２次電池で構成される。蓄電池１２として、例えば、リチウムイオン電池、鉛蓄電池、ニッケルカドミウム電池、ニッケル水素電池、ナトリウム硫黄電池（ＮＡＳ電池）などが使用可能である。

図１の蓄電池１２の充電可能電圧範囲は、例えば３５０Ｖ−４１０Ｖである。ここでは、上記充放電可能電圧範囲の上限電圧は母線電圧の上限電圧と同じ４１０Ｖであり、上記充放電可能電圧範囲の下限電圧は母線電圧の下限電圧と同じ３５０Ｖであるが、充電可能電圧範囲はこれには限らない。蓄電池１２の充電可能電圧範囲は、母線電圧範囲３５０Ｖ−４１０Ｖの中心電圧である３８０Ｖよりも３８０Ｖの８％以上だけ大きい上限電圧と、当該中心電圧３８０Ｖよりも３８０Ｖの８％以上だけ小さい下限電圧を有していてもよい。すなわち、蓄電池１２の充電可能電圧範囲は、ＤＣバスＢの母線電圧範囲を包含している。これらの構成によれば、太陽光発電装置やリチウムイオン電池といった汎用の電力供給源の取り扱い電圧付近を用いて、直流バスを効率よく運転することができる。また、蓄電池１２の充電可能電圧範囲は、ＤＣバスＢの母線電圧範囲を上述のように包含している場合には、蓄電池１２の充放電可能電圧範囲が、実用的な電圧範囲で母線電圧範囲よりも広くなるので、母線電圧の変化に対して第１の蓄電池の動作マージンを適切に設定することができる。

蓄電池１２は、ＤＣバスＢに常時直結されており、ＤＣバスＢとの間で充放電を行う。蓄電池１２とＤＣバスＢとが互いに直結されているので、いずれか一方の電圧が他方の電圧よりも高い状態になると、電圧の高いほうから低いほうへ電力供給が行われて互いの電圧が等しくなるように互いの間で電流が流れる。図３に、蓄電池１２の充電量と電圧との関係を示す。蓄電池１２の充電可能電圧範囲が、ＤＣバスＢの母線電圧範囲（例えば３５０Ｖ−４１０Ｖ）を包含しているので、ＤＣバスＢが母線電圧範囲の任意の電圧にある場合でも、蓄電池１２はＤＣバスＢとの間で電力のやり取りを行うことが可能である。

蓄電池１３も蓄電池１２と同様の２次電池で構成される。但し、蓄電池１３の充電可能電圧は、ＤＣバスＢの母線電圧範囲の値よりも小さく、例えば３０Ｖ−６０Ｖの範囲にある。すなわち、充電可能電圧範囲で比較して、蓄電池１２が高電圧蓄電池であるのに対して、蓄電池１３は低電圧蓄電池である。また、蓄電池１３は直流給電システム１のベース電力を貯蔵する大容量蓄電池であり、一般に、蓄電池１２よりも容量が大きい。蓄電池１３は、蓄電池１３とＤＣバスＢとの間で受け渡しする電力の電圧変換を行うＤＣ−ＤＣコンバータ２２を介してＤＣバスＢとの間で充放電を行う。蓄電池１３とＤＣ−ＤＣコンバータ２２とは第２の蓄電手段を構成している。

ここでは、蓄電池１３の出力電圧３０Ｖ−６０ＶはＤＣ−ＤＣコンバータ２２によって３６０Ｖ±１０Ｖの範囲で変換される。これにより、ＤＣバスＢの母線電圧は３６０Ｖ±１０Ｖの電圧範囲に制御される。このように、蓄電池１３とＤＣ−ＤＣコンバータ２２とは、母線電圧範囲３５０Ｖ−４１０Ｖのうち３５０Ｖ−３７０Ｖを分担する。この構成によれば、ＤＣバスＢの最も低い電圧範囲を分担することからベース電力を貯蔵することができるので、ＤＣバスＢを効率よく運転することができる。

このように、蓄電池１２は高電圧小容量の蓄電池であり、蓄電池１３は低電圧大容量の蓄電池である。蓄電池１２が高電圧小容量の蓄電池であるので、ベース電力を貯蔵する大容量の蓄電池１３の役割を阻害することなく、深夜などの軽負荷時の電力供給源として適切な容量を提供することができる。また、蓄電池１２は高電圧蓄電池であるがゆえに小容量とすることで危険性の増大を抑制することが可能である。

また、蓄電池１３は低電圧蓄電池であることから、一般家庭内や限られたスペースで用いる場合の安全性が高い。ＤＣ−ＤＣコンバータ２２は、ＤＣバスＢから蓄電池１３への充電を行うときに動作する降圧コンバータと、蓄電池１３からＤＣバスＢへの放電を行うときに動作する昇圧コンバータとが組み合わされた双方向ＤＣ−ＤＣコンバータである。ＤＣ−ＤＣコンバータ２２は、ＤＣ−ＤＣコンバータ２２に個別に割り当てられた動作電源（第２の動作電源：図示せず）によって動作する。当該動作電源の投入および遮断は、制御器１１から供給される制御信号ｐｓ２によって制御される。蓄電池１２は直流給電システム１に常時接続されて使用される。

ＡＣ−ＤＣコンバータ２３は、交流配電網４０の交流電力を直流電力に変換してＤＣバスＢに供給する。この交流配電網は、例えば商用交流系統から家屋内に引き込まれた単相３線による交流２００Ｖの電源である。ＡＣ−ＤＣコンバータ２３として、ここではＤＣバスＢの母線電圧が交流配電網４０の交流電圧の整流電圧よりも大きいため昇圧型コンバータが用いられるが、ＤＣバスＢの母線電圧が交流配電網４０の交流電圧の整流電圧よりも小さい場合には降圧型コンバータが用いられる。ＡＣ−ＤＣコンバータ２３は、ＡＣ−ＤＣコンバータ２３に個別に割り当てられた動作電源（第１の動作電源：図示せず）によって動作する。当該動作電源の投入および遮断は、制御器１１から供給される制御信号ｐｓ３によって制御される。ＡＣ−ＤＣコンバータ２３は、必ずしも設けられる必要はない。

ここでは、交流配電網４０の交流電圧２００ＶはＡＣ−ＤＣコンバータ２３によって３８０Ｖ±１０Ｖの範囲で変換される。これにより、ＤＣバスＢの母線電圧は３９０Ｖ±１０Ｖの電圧範囲に制御される。このように、ＡＣ−ＤＣコンバータ２３は、母線電圧範囲３５０Ｖ−４１０Ｖのうち３７０Ｖ−３９０Ｖを分担する。

このように、ＤＣバスＢの母線電圧範囲は、各直流電力供給手段からＤＣバスＢに供給される直流電力の電圧範囲のそれぞれと、第２の蓄電手段からＤＣバスＢに供給される直流電力の電圧範囲との和からなる１つの電圧範囲である。また、直流機器３０の動作可能電圧範囲が上記母線電圧範囲を包含していれば、母線電圧が母線電圧範囲のどこにあっても直流機器３０は動作可能である。

なお、以上の電圧範囲の分担は一例であり、どのような機器がどのような電圧範囲を分担するかは適宜設定可能である。従って、互いに重なる電圧範囲を有する複数の機器が存在していてもよい。

電圧センサ１４はＤＣバスＢの母線電圧を検出し、電圧検出信号ｓ１を制御器１１に供給する。電流センサ１５はＤＣバスＢから直流機器３０に流れる電流の総和である負荷電流を検出し、電流検出信号ｓ２を制御器１１に供給する。

制御器１１は、直流給電システム１の給電制御を行う。給電制御として、ここでは通常負荷時制御モード（第２の制御モード）と軽負荷時制御モード（第１の制御モード）との２種類の動作を行う。制御器１４は、ユーザの各種操作を受け付け可能なように、例えば１つの制御盤に収められていてもよい。

通常負荷時制御モードは、朝から夜にかけての住人が活動する時間帯のように、通常量の負荷が稼動している場合に適合する給電制御モードである。軽負荷時制御モードは、深夜などの住人が活動を停止している時間帯のように、待機負荷程度の軽負荷が稼動しているあるいは無負荷の場合に適合する給電制御モードである。通常負荷であるか、軽負荷であるかはユーザの都合により決定されるので、１日のどの時間帯を通常負荷時制御モードで動作させるか軽負荷時制御モードで動作させるかは、ユーザによって適宜決定可能である。

次に、制御器１１の給電制御モードを詳細に説明することによって、直流給電システム１の給電制御を説明する。

通常負荷時制御モードでは、制御器１１は、予め定められたシーケンスに従って各電力供給手段および第２の蓄電手段のうちの母線電圧に適合する電圧範囲を分担するものによってＤＣバスＢに直流電力が供給されるように、電力供給手段および第２の蓄電手段の動作電源のそれぞれの投入および遮断を選択制御する電源制御（第３の電源制御）を行う。例えば、日中に日照量が十分で太陽光発電装置１０からの電力供給が可能であれば、制御器１１は、太陽光発電装置１０からの発電量情報を参照するなどして、ＤＣ−ＤＣコンバータ２０の動作電源を投入する一方、ＤＣ−ＤＣコンバータ２２およびＡＣ−ＤＣコンバータ２３の各動作電源を遮断する。このとき、母線電圧は４００Ｖ±１０Ｖの範囲に制御される。また、例えば日中に日照量が十分でない場合や、夜間などには、太陽光発電装置１０からの発電量情報を得るなどして、ＡＣ−ＤＣコンバータ２３の動作電源を投入する一方、ＤＣ−ＤＣコンバータ２０およびＤＣ−ＤＣコンバータ２２の各動作電源を遮断する。このとき、母線電圧は３８０Ｖ±１０Ｖの範囲に制御される。

また、蓄電池１３からＤＣバスＢへの電力供給についても、ＤＣ−ＤＣコンバータ２２の動作電源を投入する一方、ＤＣ−ＤＣコンバータ２０およびＡＣ−ＤＣコンバータ２３の各動作電源を遮断してもよい。しかしここでは、蓄電池１３は、太陽光発電装置１０や交流配電網４０からの電力供給のベース電力を賄うためにベース電力貯蔵用として機能させたいという目的がある。従って、通常負荷時制御モードでは、太陽光発電装置１０や交流配電網４０からの電力供給が行われている間に、ＤＣバスＢから充電電力を得るためにＤＣ−ＤＣコンバータ２２の動作電源が投入されるのが有利である。また、蓄電池１３は、太陽光発電装置１０および交流配電網４０からの電力供給が不能になった場合には、蓄電池１３からＤＣバスＢへ放電電力を与えるという非常用途にも適している。

通常負荷時制御モードでは、各直流電力供給手段および第２の蓄電手段によって、それぞれが分担する電圧範囲で直流バスを効率よく運転することができる。

通常負荷時制御モードは、ユーザによる通常負荷時制御モードの開始指示に伴って発生する開始指示信号が制御器１１に供給されることで開始されてもよい。通常負荷時制御モードの終了についても、ユーザによる通常負荷時制御モードの開始指示で行うことができる。本実施形態では、通常負荷時制御モード用に設けた開始指示および終了指示は存在せず、次に説明する軽負荷時制御モードを行う期間以外であれば、必然的に通常負荷時制御モードで動作するようになっている。

次に、軽負荷時制御モードでは、制御器１１は、遮断制御と電源制御（第１の電源制御）とを行う。遮断制御では、制御器１１に供給される遮断指示信号を受けて、ＤＣ−ＤＣコンバータ２０、ＤＣ−ＤＣコンバータ２２、および、ＡＣ−ＤＣコンバータ２３の各動作電源のうちの動作しているものを遮断する制御を行う。軽負荷時制御モードの開始指示信号は上記遮断指示信号となり、軽負荷時制御モードが開始されるときには、まず遮断制御が開始される。電源制御では、遮断制御が行われた状態で、電圧センサ１４からの電圧検知信号ｓ１によってＤＣバスＢの母線電圧が母線電圧範囲の下限電圧３５０Ｖを下回ることが制御器１１に伝達されると、各電力供給手段および第２の蓄電手段のうちの母線電圧範囲の下限電圧３５０Ｖを含む電圧範囲を分担する第２の蓄電手段からＤＣバスＢへの直流電力の供給を始めるように、ＤＣ−ＤＣコンバータ２２の動作電源を投入する制御を行う。そして、電源制御では、この後に、予め定められたシーケンスに従って、各電力供給手段および第２の蓄電手段のうちの母線電圧に適合する電圧範囲を分担するものによってＤＣバスＢに直流電力が供給されるように、各動作電源のそれぞれの投入および遮断を選択制御する。この構成によれば、制御器１１によって各動作電源が遮断された状態において、ＤＣバスＢの母線電圧が下限電圧より降下しても、必要最小限の電力供給によってＤＣバスＢを運転することができる。

また、軽負荷時制御モードにおいて制御器１１が電源制御を行っているときに、電流センサ１５からの電流検知信号ｓ２によってＤＣバスＢから直流機器３０へ流れる負荷電流が１Ａ以下といった所定値以下になったことが制御器１１に伝達されるとする。このような場合に、電流検知信号ｓ２が前記遮断指示信号となり、制御器１１が再び遮断制御を行うようにしてもよい。当該遮断制御が行われれば、電圧センサ１４からの電圧検知信号ｓ１によってＤＣバスＢの母線電圧が母線電圧範囲の下限電圧３５０Ｖを下回ることが制御器１１に伝達されると、再び電源制御が行われる。この構成によれば、直流機器３０がほとんど負荷電流を伴わない場合に、ＤＣバスＢへの電力供給の遮断を効率よく行うことができる。なお、負荷電流が所定値以下になったときに電流センサ１５が制御器１１に遮断制御信号を供給する構成は、制御器１１に必ずしも備わっていなくてよい。

さらに、制御器１１は、軽負荷時制御モードにおいて遮断制御が行われた状態で、電流センサ１５によって負荷電流が１Ａといった所定値を超えたことが検出されると、第１の電源制御とは異なる電源制御である第２の電源制御を行ってもよい。第２の電源制御では、予め定められたシーケンスに従って各電力供給手段および第２の蓄電手段のうちの母線電圧に適合する電圧範囲を分担するものによってＤＣバスＢに直流電力が供給されるように、各動作電源のそれぞれの投入および遮断を選択制御する。この構成によれば、直流機器３０がある程度の負荷電流を必要とする場合に、ＤＣバスＢへの電力供給の再開を効率よく行うことができる。

軽負荷時制御モードは、ユーザによる軽負荷時制御モードの開始指示に伴って発生する開始指示信号が制御器１１に供給されることで開始されてもよい。軽負荷時制御モードの終了についても、ユーザによる軽負荷時制御モードの開始指示で行うことができる。

図４に、軽負荷時制御モードによるＤＣバスＢの電圧変化の一例を示す。

時刻ｔ１では、それまで負荷電流が１Ａ以下であることから各動作電源が遮断されていたものが、負荷電流が１Ａを超えたため、ＤＣ−ＤＣコンバータ２２の動作電源が投入（スタート）された例を示す。時刻ｔ１−ｔ２の期間には、３５０Ｖ−３７０Ｖの電圧範囲においてＤＣ−ＤＣコンバータ２２の動作電源のみが投入され、３７０Ｖ−３９０Ｖの電圧範囲においてＡＣ−ＤＣコンバータ２３の動作電源のみが投入され、３９０Ｖ−４１０Ｖの電圧範囲においてＤＣ−ＤＣコンバータ２０の動作電源のみが投入される。時刻ｔ２では、負荷電流が１Ａ以下となったために、そのときに動作していたＤＣ−ＤＣコンバータ２０の動作電源が遮断（ストップ）され、全ての動作電源が遮断された状態となった例が示されている。時刻ｔ２−ｔ３の期間には、負荷電流が１Ａ以下であることから各動作電源は遮断されたままとなる。従って、直流機器３０の待機負荷などに起因してＤＣバスＢの電圧が低下していき、その電圧低下分を補うように蓄電池１２からＤＣバスＢへの放電が行われる。時刻ｔ３では、母線電圧が下限電圧３５０Ｖを下回ったこと、あるいは、負荷電流が１Ａを超えたことにより、ＤＣ−ＤＣコンバータ２２の動作電源が投入（スタート）された例を示す。期間ｔ３−ｔ４には期間ｔ１−ｔ２と同様の制御が行われる。時刻ｔ４では、負荷電流が１Ａ以下となったために、そのときに動作していたＤＣ−ＤＣコンバータ２２の動作電源が遮断（ストップ）され、全ての動作電源が遮断された状態となった例が示されている。時刻ｔ４以降は、負荷電流が１Ａ以下であることから全ての動作電源が遮断された状態が維持される。

以上のような軽負荷時制御モードを、深夜に適用することによって、直流給電システム１は、深夜においてＤＣ−ＤＣコンバータ２０・２２およびＡＣ−ＤＣコンバータの動作電源が随時停止されることで、従来よりも深夜の消費電力が削減される。直流給電システム１には、太陽光発電装置１０とＤＣバスＢとの間にＤＣ−ＤＣコンバータ２０が設けられているが、太陽光発電装置１０の出力電圧がＤＣバスＢの母線電圧と等しくなくても、従来のような直流−交流変換が不要であるし、負荷休止期間にはＤＣ−ＤＣコンバータ２０の動作電源を停止することができるので、消費電力を極力抑制することができる。

これにより、１日の消費電力の変化を示す図２の負荷曲線に示すように、朝から夜にかけての期間Ｔ１では通常負荷時制御モードによって従来と同様の電力消費を行う一方、深夜から朝にかけての期間Ｔ２には消費電力がＷ１となり、図７の消費電力Ｗ０よりも小さくなる。軽負荷時制御モードを深夜以外に適用する場合にも、同様の消費電力の削減が達成されることはもちろんである。

これにより、負荷休止時間帯の電力消費を抑制して高い電力効率を得ることのできる直流給電システムおよびその制御方法を実現することができる。

次に、図５（ａ）に、前記ＤＣ−ＤＣコンバータ２０・２２に用いられるＤＣ−ＤＣコンバータの基本構成を示す。当該ＤＣ−ＤＣコンバータの基本構成は、コンバータ部２０１と制御部２０２とを備えている。

コンバータ部２０１は、例えば、チョークコイル２０１ａ、スイッチングトランジスタ２０１ｂ、および、スイッチングトランジスタ２０１ｃを備えている。コンバータ部２０１の活性ライン上に、チョークコイル２０１ａを入力側としてチョークコイル２０１ａとスイッチングトランジスタ２０１ｃとが直列に接続されている。スイッチングトランジスタ２０１ｂは、チョークコイル２０１ａとスイッチングトランジスタ２０１ｃとの接続点と、コモンラインとの間に接続されている。

制御部２０２は、スイッチングトランジスタ２０１ｂの制御端子であるゲート端子に、図５（ｂ）で示される制御信号Ｘ１を入力して、スイッチングトランジスタ２０１ｂの導通遮断を制御する。また、制御部２０２は、スイッチングトランジスタ２０１ｃの制御端子であるゲート端子に、図５（ｂ）で示される制御信号Ｘ２を入力して、スイッチングトランジスタ２０１ｃの導通遮断を制御する。制御信号Ｘ１・Ｘ２のそれぞれはアクティブレベル（ここではＨｉｇｈ）と非アクティブレベル（ここではＬｏｗ）との２値電圧により構成されている。制御信号Ｘ１のアクティブ期間と制御信号Ｘ２のアクティブ期間とは互いに重ならない。

図５（ａ）のＤＣ−ＤＣコンバータに直流電圧が入力された状態で、制御信号Ｘ１がアクティブレベルになるとともに制御信号Ｘ２が非アクティブレベルになると、スイッチングトランジスタ２０１ｂが導通状態になるとともにスイッチングトランジスタ２０１ｃが遮断状態となる。従って、チョークコイル２０１ａとスイッチングトランジスタ２０１ｂとを通して電流が流れる。このとき、チョークコイル２０１ａには、スイッチングトランジスタ２０１ｂの導通期間の最後に流れる電流値によって決まる磁気エネルギーが蓄積される。この状態から、制御信号Ｘ１が非アクティブレベルになるとともに、制御信号Ｘ２がアクティブレベルになると、スイッチングトランジスタ２０１ｂが遮断状態になるとともにスイッチングトランジスタ２０１ｃが導通状態となる。このとき、チョークコイル２０１ａに蓄積されていた磁気エネルギーはスイッチングトランジスタ２０１ｃを通して流れる電流によって電気エネルギーとして放出され、図示しないキャパシタなどで平滑化された直流出力となる。

チョークコイル２０１ａとスイッチングトランジスタ２０１ｂとを通して流れる電流は、スイッチングトランジスタ２０１ｂの導通抵抗が小さい場合に、およそ、入力電圧とチョークコイル２０１ａの自己インダクタンスとに依存する比例定数を有するように増大する。すなわち、チョークコイル２０１ａに蓄積される磁気エネルギーの大きさは、スイッチングトランジスタ２０１ｂの導通期間の長さに応じて変化する。従って、スイッチングトランジスタ２０１ｂの導通期間の長さと、スイッチングトランジスタ２０１ｃの導通期間の長さとを調節することにより、ＤＣ−ＤＣコンバータの出力電圧の大きさを制御することができる。これにより、図５（ａ）の基本構成は、昇圧コンバータとしても降圧コンバータとしても使用することができる。ＤＣ−ＤＣコンバータ２０は前記例では昇圧コンバータのみからなるので、図５（ａ）の基本構成を１つ備えていればよい。ＤＣ−ＤＣコンバータ２２は昇圧コンバータと降圧コンバータとからなるので、図５（ａ）の基本構成が２つ、互いに逆並列になるように組み合わされた構成とすることができる。このとき、一方が昇圧コンバータまたは降圧コンバータとして動作するときには他方は動作を停止する。

以上、直流給電システム１について説明した。なお、直流給電システム１は、一般家庭内に限らず、オフィスビルや工場などの事業所内でも有効に機能する。

本発明は、マイクログリッドに好適に使用することができる。

１直流給電システム
１０太陽光発電装置（直流電力供給手段の一部、直流電力発生手段）
１１制御器（制御部）
１２蓄電池（第１の蓄電手段、第１の蓄電池）
１３蓄電池（第２の蓄電手段の一部、第２の蓄電池）
１４電圧センサ
１５電流センサ
２０ＤＣ−ＤＣコンバータ（直流電力供給手段の一部、第１のＤＣ−ＤＣコンバータ）
２２ＤＣ−ＤＣコンバータ（第２の蓄電手段の一部、第２のＤＣ−ＤＣコンバータ）
２３ＡＣ−ＤＣコンバータ（直流電力供給手段）
３０直流機器
４０交流配電網
ＢＤＣバス（直流バス）

Claims

接続される負荷に直流給電を行う電力変換器であって、
直流バスに接続され、上記直流バスに直流電力を供給するか、もしくは、上記直流バスから直流電力を受け取る第１の蓄電池と、
第２の蓄電池と上記直流バスとに接続され、動作電源によって動作し、上記第２の蓄電池および上記直流バスの間で受け渡しが行われる直流電力を、電圧変換を行って供給するＤＣ−ＤＣコンバータと、
上記負荷が高負荷のときに上記動作電源を動作させる制御を行い、上記負荷が軽負荷のときに、遮断指示信号を受けて、上記動作電源の遮断制御を行う制御部と、を備えていることを特徴とする電力変換器。
接続される負荷に直流給電を行う電力変換器であって、
直流バスに接続され、上記直流バスに直流電力を供給するか、もしくは、上記直流バスから直流電力を受け取る第１の蓄電池と、
直流電力発生装置と上記直流バスとに接続され、動作電源によって動作し、上記直流電力発生装置および上記直流バスの間で受け渡しが行われる直流電力を、電圧変換を行って供給するＤＣ−ＤＣコンバータと、
上記負荷が高負荷のときに上記動作電源を動作させる制御を行い、上記負荷が軽負荷のときに、遮断指示信号を受けて、上記動作電源の遮断制御を行う制御部と、を備えていることを特徴とする電力変換器。
接続される負荷に直流給電を行う電力変換器であって、
直流バスに接続され、上記直流バスに直流電力を供給するか、もしくは、上記直流バスから直流電力を受け取る第１の蓄電池と、
交流系統と上記直流バスとに接続され、動作電源によって動作し、上記交流系統および上記直流バスの間で受け渡しが行われる電力を、交流直流変換を行って供給するＡＣ−ＤＣコンバータと、
上記負荷が高負荷のときに上記動作電源を動作させる制御を行い、上記負荷が軽負荷のときに、遮断指示信号を受けて、上記動作電源の遮断制御を行う制御部と、を備えていることを特徴とする電力変換器。
上記第１の蓄電池の充放電可能電圧範囲が、上記直流バスの電圧範囲に含まれていることを特徴とする請求項１から３までのいずれか１項に記載の電力変換器。
上記遮断指示信号は、上記直流バスに接続される上記負荷に流れる電流の総和である負荷電流が所定値以下になった場合に発生するようになっていることを特徴とする請求項１から４までのいずれか１項に記載の電力変換器。
上記負荷電流を検出する電流センサを備えており、
上記電流センサは、上記負荷電流が上記所定値以下になったことを検出すると、上記遮断指示信号を上記制御部に供給することを特徴とする請求項５に記載の電力変換器。
上記直流バスの電圧を検出する電圧センサを備えており、
上記制御部は、
上記電圧センサが上記直流バスの電圧が所定の下限値を下回ったことを検出した場合に、上記動作電源を動作させる制御、および上記動作電源の遮断制御のいずれかを行うことを特徴とする請求項１から６までのいずれか１項に記載の電力変換器。