JP5799253B2 - 配電システム - Google Patents

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Description

この発明は、電力系統から負荷に電力を供給する配電システムに関する。
近年、配電効率等の観点から太陽電池、燃料電池等の直流配電装置からの直流電力を負荷に供給する直流供給型配電システムが一般的になりつつある。従来、直流供給型配電システムとして、例えば、特許文献1に開示される構成が採用されている。直流供給型配電システムには、図8に示す様に太陽からの光エネルギを電気エネルギ(直流電力)に変換する太陽電池101と太陽電池101により発電される直流電力を適切な出力電圧Voutに変換し負荷に電力を供給するコンバータ103と物質の化学反応により発電する燃料電池102と燃料電池102により発電される直流電力を適切な出力電圧Voutに変換し負荷に電力を供給するコンバータ104と、太陽電池101及び燃料電池102からの直流電力による動作する直流負荷105とからなる。
太陽電池101は図7に示すような出力特性を持ち、その動作電圧により太陽電池101の出力電力は大きく変動する。太陽電池101の動作電圧をVmpで動作するようにコンバータ103で制御することができれば太陽電池101から最大出力電力Pmax出力させることができ効率的に太陽電池101を利用していることになる。この太陽電池101からの出力電力をPmaxで出力させ太陽電池101を最大限に利用するための制御を最大出力動作点追尾制御(以下、MPPT制御)という。
また、燃料電池102においても、自身に適した発電ルールが存在する。発電ルールにおいては、例えば、最大出力電力が規定されていたり、発電電力の急激な変化を規制したりしている。この発電ルールによれば、燃料電池102に適した態様にて使用されるため、燃料電池102から電力を効率よく取り出せるとともに、同燃料電池102の寿命化が図れる。
以上のように、太陽電池101及び燃料電池102等の直流発電装置においては、発電ルール、MPPT制御などのそれぞれの事情に沿って電力を発電する実益がある。
また、例えば特許文献2に示されるように、蓄電池を備えた直流配電システムが存在する。本配電システムにおいて、蓄電池は、直流発電装置からの発電電力が少なくなったときに放電を行うといった主にバックアップ用として用いられる。
特開2009−232674号公報 特開2009−159730号公報
ところで、上記特許文献1に示す配電システムにおいては、太陽電池101や燃料電池102の発電電力と直流負荷105で消費される消費電力は、各種電力変換機器での損失や配線での損失を無視すれば同一電力である。つまり、直流配電システムにおいてやりとりされる電力は直流負荷105の消費電力により決定されてしまうことになる。つまり、太陽電池101や燃料電池102の発電能力が消費電力を上回ることができる場合においても直流負荷105の消費電力分しか発電することができないため非効率な運転となる。また、逆に太陽電池101や燃料電池102の発電能力を上回る消費電力の場合には、例えば、燃料電池102から上記発電ルールを反故して電力を出力することが考えられる。しかしこれは、上述のように燃料電池102の発電効率及び寿命の点で好ましくない。
このように、太陽電池101及び燃料電池102等の直流発電装置において、直流負荷105の消費電力(需要電力)によっては、MPPT制御等に従った発電ができないおそれがある。
この発明は、こうした実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、直流負荷の需要電力に関わらず、直流発電装置において自身に適した発電が可能となる配電システムを提供することにある。
本発明に従う配電システムの一形態は、動作電圧が最大出力電圧である場合に最大の直流電力を発電する直流発電装置により発電される直流電力が直流配線を介して直流負荷に供給される直流電力系統と、前記直流配線上に設けられて前記直流発電装置の動作電圧が前記最大出力電圧となるように出力電力を制御することにより前記直流発電装置に前記最大の直流電力を発電させ、前記直流発電装置により発電された直流電力を前記直流負荷に供給するDC/DCコンバータと、前記直流配線に接続されるバッテリと、前記直流配線と前記バッテリとの間に設けられ、前記直流配線の電力を前記バッテリに充電し、前記バッテリの電力を前記直流配線に放電する充放電回路と、前記直流配線の電圧を検出する電圧検出手段と、前記充放電回路により前記バッテリの充放電を制御する制御部と、を備え、前記直流配線により供給される電力である供給電力と前記直流負荷が必要とする電力である需要電力とが平衡する場合における前記直流配線の電圧が第1指令値であり、前記第1指令値よりも大きい第1しきい値が設定される場合、前記制御部は、前記電圧検出手段により検出された前記直流配線の電圧が前記第1指令値よりも大きい電圧であり、かつ、前記第1しきい値未満の電圧である場合、前記直流発電装置が前記最大の直流電力を発電するように前記DC/DCコンバータを制御し、前記直流配線の電圧が前記第1指令値となるように前記充放電回路を制御し、前記電圧検出手段により検出された前記直流配線の電圧が前記第1しきい値以上の電圧である場合、前記直流配線の電圧が前記第1しきい値未満の電圧となるように前記DC/DCコンバータにより前記直流発電装置の発電電力を抑制する。
本発明によれば、配電システムにおいて、直流負荷の需要電力に関わらず、直流発電装置は自身に適した発電ができる。
第1の実施形態における配電システムの構成を示すブロック図。 第1の実施形態における図1の一部を拡大したブロック図。 第1の実施形態におけるコンバータ55〜58の構成を示すブロック図。 第1の実施形態における(a)は第1及び第2しきい値、第1及び第2指令値及び電圧Vの推移を示すグラフ、(b)は第1指令値及び電圧Vの推移を示すグラフ。 第1の実施形態における給電プログラムの処理手順を示すフローチャート。 第2の実施形態における図1の一部を拡大したブロック図。 太陽電池電圧−太陽電池電力特性を示すグラフ。 従来の配電システムの構成を示すブロック図。
(第1の実施形態)
以下、本発明にかかる配電システムを具体化した第1の実施形態について図1〜図6を参照して説明する。
図1に示すように、住宅には、宅内に設置された各種機器(照明機器、エアコン、家電、オーディオビジュアル機器等)に電力を供給する配電システム1が設けられている。配電システム1は、家庭用の商用交流電源(AC電源)2の電力の他に、太陽光により発電する太陽電池3の電力や、物質の化学反応により発電する燃料電池16の電力も各種機器に供給する。また、配電システム1は、直流電源(DC電源)を入力して動作するDC機器5の他に、交流電源(AC電源)を入力して動作するAC機器6にも電力を供給する。
配電システム1には、その分電盤としてコントロールユニット7及びDC分電盤(直流ブレーカ内蔵)8が設けられている。また、配電システム1には、住宅のDC機器5の動作を制御する機器として制御ユニット9及びリレーユニット10が設けられている。
コントロールユニット7には、交流電源を分岐させるAC分電盤11が直交流接続線12を介して接続されている。また、AC分電盤11には、交流系電力線23を介してAC電源2及びAC機器6が接続されている。コントロールユニット7には、直流系電力線13を介して太陽電池3が接続されるとともに、直流系電力線15を介して燃料電池16が接続されている。コントロールユニット7は、AC分電盤11から交流電力を取り込むとともに太陽電池3及び燃料電池16から直流電力を取り込み、これら電力を機器電源として所定の直流電力に変換する。そして、コントロールユニット7は、この変換後の直流電力を、直流系電力線14を介してDC分電盤8に出力する。コントロールユニット7は、AC電力を取り込むのみならず、太陽電池3や燃料電池16の電力を交流電力に変換してAC分電盤11に供給する。また、コントロールユニット7は、信号線17を介してDC分電盤8とデータのやり取りを実行する。
DC分電盤8は、直流電力対応の一種のブレーカである。DC分電盤8は、コントロールユニット7から入力した直流電力を分岐させ、その分岐後の直流電力を、直流系電力線18を介して制御ユニット9に出力したり、直流系電力線19を介してリレーユニット10に出力したりする。また、DC分電盤8は、信号線44を介して制御ユニット9とデータのやり取りをしたり、信号線45を介してリレーユニット10とデータのやり取りをしたりする。
制御ユニット9には、複数のDC機器5が接続されている。これらDC機器5は、直流電力及びデータの両方を一対の線によって搬送可能な直流供給線路22を介して制御ユニット9と接続されている。直流供給線路22は、DC機器の電源となる直流電圧に、高周波の搬送波によりデータを電送する通信信号を重畳する、いわゆる電力線搬送通信により、一対の線で電力及びデータの両方をDC機器5に搬送する。制御ユニット9は、直流系電力線18を介してDC機器5の直流電源を取得し、DC分電盤8から信号線44を介して得る動作指令を基に、どのDC機器5をどのように制御するのかを把握する。そして、制御ユニット9は、指示されたDC機器5に直流供給線路22を介して直流電圧及び動作指令を出力し、DC機器5の動作を制御する。
制御ユニット9には、宅内のDC機器5の動作を切り換える際に操作するスイッチ43が直流供給線路22を介して接続されている。また、制御ユニット9には、例えば赤外線リモートコントローラからの発信電波を検出するセンサ24が直流供給線路22を介して接続されている。よって、DC分電盤8からの動作指示のみならず、スイッチ43の操作やセンサ24の検知によっても、直流供給線路22に通信信号を流してDC機器5が制御される。
リレーユニット10には、複数のDC機器5がそれぞれ個別の直流系電力線25を介して接続されている。リレーユニット10は、直流系電力線19を介してDC機器5の直流電源を取得し、DC分電盤8から信号線45を介して得る動作指令を基に、どのDC機器5を動作させるのかを把握する。そして、リレーユニット10は、指示されたDC機器5に対し、内蔵のリレーにて直流系電力線25への電源供給をオンオフすることで、DC機器5の動作を制御する。また、リレーユニット10には、DC機器5を手動操作するための複数のスイッチ46が接続されており、スイッチ46の操作によって直流系電力線25への電源供給をリレーにてオンオフすることにより、DC機器5が制御される。
DC分電盤8には、例えば壁コンセントや床コンセントの態様で住宅に建て付けられた直流コンセント27が直流系電力線28を介して接続されている。この直流コンセント27にDC機器のプラグ(図示略)を差し込めば、同機器に直流電力を直接供給することが可能である。
また、AC分電盤11及びAC電源2との間には、AC電源2の使用量を遠隔検針可能な電力メータ29が接続されている。電力メータ29には、商用電源使用量の遠隔検針の機能のみならず、例えば電力線搬送通信や無線通信の機能が搭載されている。電力メータ29は、電力線搬送通信や無線通信等を介して検針結果を電力会社等に送信する。
配電システム1には、宅内の各種機器をネットワーク通信によって制御可能とするネットワークシステム30が設けられている。ネットワークシステム30には、同システム30のコントロールユニットとして宅内サーバ31が設けられている。宅内サーバ31は、インターネットなどのネットワークNを介して宅外の管理サーバ32と接続されるとともに、信号線33を介して宅内機器34に接続されている。また、宅内サーバ31は、DC分電盤8から直流系配線35を介して取得する直流電力を電源として動作する。
宅内サーバ31には、ネットワーク通信による宅内の各種機器の動作制御を管理するコントロールボックス36が信号線37を介して接続されている。コントロールボックス36は、信号線17を介してコントロールユニット7及びDC分電盤8に接続されるとともに、直流供給線路38を介してDC機器5を直接制御可能である。コントロールボックス36には、例えば使用したガス量や水道量を遠隔検針可能なガス/水道メータ39が接続されるとともに、ネットワークシステム30の操作パネル40が接続されている。操作パネル40には、例えばドアホン子器やセンサやカメラからなる監視機器41が接続されている。
宅内サーバ31は、ネットワークNを介して宅内の各種機器の動作指令を入力すると、コントロールボックス36に指示を通知して、各種機器が動作指令に準じた動作をとるようにコントロールボックス36を動作させる。また、宅内サーバ31は、コントロールボックス36を介してガス/水道メータ39から取得した各種情報を、ネットワークNを通じて管理サーバ32に提供可能であるとともに、監視機器41で異常検出があったことを操作パネル40から受け付けると、その旨もネットワークNを通じて管理サーバ32に提供する。
次に、コントロールユニット7の具体的構成について説明する。
図2に示すように、コントロールユニット7は、制御部51と、第1DC/DCコンバータ(以下、「第1コンバータ」という。)55と、第2DC/DCコンバータ(以下、「第2コンバータ」という。)56と、バッテリ側コンバータ57と、AC/DCコンバータ58と、バッテリ54とを備える。
第1コンバータ55は、太陽電池3から入力される直流電力(太陽電池電力Ppv)を所望の直流電力に変換してDC分電盤8に出力する。
詳細には、第1コンバータ55は、図3に示すように、太陽電池3側の電圧を検出する入力電圧検出回路61と、DC分電盤8側の電圧値を検出する出力電圧検出回路62と、太陽電池3側の電流値を検出する入力電流検出回路63と、電力変換用のパワー回路64と、前記パワー回路64を制御するCPU65と、同CPU65がアクセスする不揮発性のメモリ65aとから構成される。
CPU65は、メモリ65aに格納されるプログラムに従って、パワー回路64を適切に制御する。具体的には、同プログラムに従って、上記背景技術において説明したMPPT制御が実行される。太陽電池3の発電効率の観点からは、常時、MPPT制御が行われることが好ましい。
パワー回路64は、CPU65からの制御信号に基づき、太陽電池3から供給される電力を所望の電力に変換してDC分電盤8側に出力する。MPPT制御によれば、上記背景技術において、図6を参照して説明したように、CPU65は、パワー回路64を通じて、出力電力Pout(太陽電池電力Ppv)を最大出力電力Pmaxに制御する。
パワー回路64の入力電圧及び入力電流は入力電圧検出回路61及び入力電流検出回路63により検出され、出力電圧は出力電圧検出回路62により検出される。これら検出結果は、CPU65に出力される。これにより、CPU65は、入力電力が適切に出力電力に変換されたか否かを判断する。なお、パワー回路64は複数のスイッチ素子等で構成される。また、CPU65は、制御部51から出力電力Poutに関する指令信号を入力する。
第2コンバータ56は、燃料電池16から入力される直流電力を所望の直流電力に変換してDC分電盤8に出力する。第2コンバータ56の具体的構成は、先の図3に示される第1コンバータ55とほぼ同様である。第1コンバータ55との相違点は、図3に示すように、第2コンバータ56において、そのメモリ65aには燃料電池16の発電ルールが記憶されている。発電ルールは、最大出力電力を規定したり、発電電力の急激な変化を規制したりしている。この発電ルールに従って発電されることで、燃料電池16からの発電効率を高めつつ、同燃料電池16の長寿命化が図れる。
バッテリ側コンバータ57及びバッテリ54は、バッテリ接続線53を介して直流系電力線14に接続されている。バッテリ側コンバータ57は、直流系電力線14の電力を所望の電力に変換してバッテリ54に充電させたり、バッテリ54に充電されている電力を所望の電力に変換して直流系電力線14に放電させたりする。具体的には、バッテリ側コンバータ57は、直流系電力線14に出力する出力電流Ioutの制御を通じて、バッテリ54の充放電制御を行う。なお、バッテリ側コンバータ57は、DC/DC双方向コンバータである。バッテリ側コンバータ57の具体的構成は、バッテリ54側及び直流系電力線14側の双方向に電力を出力できることを除いて、先の図3に示される第1コンバータ55とほぼ同様である。バッテリ側コンバータ57は、制御部51により制御されるとともに、出力電圧検出回路62の検出結果を制御部51に出力する。制御部51は、同検出結果に基づき、バッテリ接続線53、ひいては直流系電力線14の電圧Vを認識できる。
AC/DCコンバータ58は、交流系電力線23からの交流電力を所望の直流電力に変換する。このように、直交流接続線12にAC/DCコンバータ58を設けることで、交流電力を直流電力に変換して直流系電力線13〜15に送電できる。
制御部51は、メモリ51aに記憶される給電プログラムに基づき、バッテリ側コンバータ57に指令信号を出力する。また、制御部51は、バッテリ側コンバータ57を通じて直流系電力線14の電圧Vを常時監視する。具体的には、制御部51は、図4(a)に示すように、電圧Vと自身のメモリ51aに記憶される第1及び第2しきい値V1,V2並びに第1及び第2指令値A1,A2とを比較する。
例えば、需要電力に対して発電電力が多い場合、直流系電力線14の電圧Vは高まる。一方、需要電力に対して発電電力が少ない場合、直流系電力線14の電圧Vは低くなる。このような傾向があることから直流系電力線14の電圧Vをみることで、発電電力及び需要電力の平衡状態の認識が可能となる。直流系電力線14の電圧Vが第1指令値A1に一致するときは、供給電力及び需要電力が平衡状態にある。制御部51は、電圧Vが第1指令値A1を超える場合、発電電力が需要電力より大きいと判断し、電圧Vが第1指令値A1未満の場合、発電電力が需要電力より小さいと判断する。そして、制御部51は、図4(b)に示すように、電圧Vが第1指令値A1を超えた期間T1,T2においては、バッテリ側コンバータ57を通じて、出力電流Ioutを減少させる。ここで、図4(b)の下段に示すように、出力電流Ioutが正の値のとき、バッテリ54の電力が放電され、出力電流Ioutが負の値のとき、直流系電力線14の電力がバッテリ54に充電される。具体的には、期間T1において出力電流Ioutが正の値で漸次減少していくため、バッテリ54から放電される電力が抑制される。次に、期間T2において出力電流Ioutの値は正から負となるため、放電から充電に切り替えられる。また、電圧Vが第1指令値A1未満となった期間T3においては、バッテリ側コンバータ57を通じて、出力電流Ioutが増加される。この期間T3においては、出力電流Ioutの値は負から正となるため、充電から放電に切り替えられる。当該制御により電圧Vは第1指令値A1に保たれる。
充電時においては、「発電電力−消費電力」で算出される余剰電力がバッテリ54に充電されることにより、電圧Vが抑制され、電力平衡状態となる。このときには、消費電力に余剰電力を足し合わせたものが需要電力となる。また、放電時においては、バッテリ54は、「需要電力−発電電力」で算出される不足電力を補填すべく放電する。
上記制御によって、電圧Vは第1指令値A1に維持され、供給電力及び需要電力は平衡状態が保たれる。これにより、太陽電池3及び燃料電池16は、需要電力に関わらず、自身の事情に見合った電力を発電できる。具体的には、常に、太陽電池3及び燃料電池16は発電ルールに従った発電が可能となる。ここで、太陽電池3の発電ルールとは、MPPT制御を通じて実行される発電である。また、発電ルールは制御ルールに相当する。
第1しきい値V1は、図4(a)に示すように、第1指令値A1より大きな値に設定される。発電電力が需要電力より大きい場合において、余剰電力をバッテリ54に十分に充電することができないときに、電圧Vは第1しきい値V1以上となる。バッテリ54に十分に充電することができない場合としては、バッテリ54が満充電状態のときや、バッテリ54の最大充放電電流を超えて充電されているときが想定される。例えば、バッテリ54が満充電状態のときには、余剰電力をバッテリ54に充電できないため、直流系電力線14の電圧Vが上昇する。また、最大充放電電流を超える電流にて充電されるときには、余剰電力に対してバッテリ54の充電可能電力が少なくなり、直流系電力線14の電圧Vが迅速に抑制されない場合がある。
制御部51は、図4(a)に示すように、直流系電力線14の電圧Vが上昇して第1しきい値V1に達したとき(図4(a)の時刻t1)には、第2コンバータ56及び第1コンバータ55の順で出力電力Poutを抑制する。これにより、直流系電力線14の電圧Vが第1しきい値V1未満となり、電圧Vの過度の上昇が抑制される。また、第2コンバータ56の出力電力を優先して抑制することで、燃料電池16の燃料の消耗を抑えつつ、太陽電池3の発電効率を維持することができる。
また、第2指令値A2は第1指令値A1より小さく、第2しきい値V2は第1指令値A1及び第2指令値A2の間の値に設定される。第2指令値A2は、迅速に電圧Vを第1指令値A1とする観点からは、第1指令値に近い値に設定することが望ましい。しかし、前記両指令値A1,A2をあまりに近い値に設定すると次のような弊害がある。例えば、電圧Vが第1指令値A1未満となった場合、バッテリ側コンバータ57を通じた電圧Vの検出からバッテリ54の充放電制御が開始されて、実際に同電圧Vが第1指令値A1に制御されるまでは一定時間を要する。このように、直流系電力線14の電圧制御の遅延に基づく第1指令値A1からの電圧Vの低下により、同電圧Vが第2指令値A2未満となっていたのでは、バッテリ54の充放電によって電圧Vを第1指令値A1に維持できるにも関わらず、交流系電力線23から直流系電力線14に電力が供給されることになる。また、結果的に電圧Vの僅かな変動であってもAC/DCコンバータ58を通じた制御が行われることとなり、AC/DCコンバータ58の動作電力の増大につながる。そこで、第2指令値A2は、第1指令値A1に近い値をとるとともに、直流系電力線14の電圧制御の遅延に基づき、検出が予想される最小電圧値未満に設定されている。
制御部51は、直流系電力線14の電圧Vを第2指令値A2に一致させる制御を行う。この制御は、電圧Vが低下して第2指令値A2に達して(図4(a)の時刻t3)、さらに第2指令値A2未満となったとき、AC/DCコンバータ58を通じて、交流系電力線23からの交流電力を直流電力に変換して直流系電力線14に供給することにより実行される。ここで、AC/DCコンバータ58は、電圧Vが第2指令値A2より大きい第2しきい値V2に達するまでは停止している。よって、直流系電力線14の電圧Vが第2指令値A2未満の場合には、バッテリ54の放電を補助する態様にて、交流系電力線23からの電力が直流系電力線14に供給される。これにより、直流系電力線14の電圧Vが第2指令値A2に制御される。このため、太陽電池3及び燃料電池16の発電に影響を及ぼすことなく、上記不足電力を補填することができる。
また、制御部51は電圧Vが低下して第2しきい値V2に達したとき、AC/DCコンバータ58を起動させる。ここで、AC/DCコンバータ58は、電圧Vが第2しきい値V2に達するまで停止している。また、AC/DCコンバータ58は、起動開始から実際に電力を供給できる起動完了まで一定時間を要する。これを考慮して第2しきい値V2は設定される。すなわち、電圧Vの急激な電圧降下があっても、同電圧Vが第2指令値A2に達したときには、AC/DCコンバータ58の起動が完了するように、第2しきい値V2は設定されている。このため、制御部51は、電圧Vが第2しきい値V2に達した時点でAC/DCコンバータ58を起動することにより電圧Vが第2指令値A2に達したとき(図4(b)の時刻t2)には、AC/DCコンバータ58を通じて直流系電力線14に電力を供給できる。これにより、より迅速に上記不足電力を補填することができる。また、AC/DCコンバータ58は、電圧Vが第2しきい値V2に達するまでは停止しているため、AC/DCコンバータ58の動作に係る消費電力を低減することができる。
また、電圧Vが第2しきい値V2となった時点で起動したAC/DCコンバータ58は、同電圧Vが第1指令値A1以上となったときに再び停止される。なお、AC/DCコンバータ58は、電圧Vが第2しきい値V2以上となったときに再び停止されてもよい。
また、図2に示すように、DC分電盤8は、DCブレーカ70と、一対のDC/DCコンバータ71からなる。DCブレーカ70は、直流系電力線14上に設けられて、直流系電力線14に異常な電流が流れたときに、その異常電流を遮断する。これにより、異常電流のDC機器5への流入が防止される。DC/DCコンバータ71は直流系電力線14の直流電力を適切な電圧に降圧してDC機器5に供給する。ここで、DCブレーカ70は、直流系電力線14の電圧を降圧しないため、高圧の電力をDC機器5に供給することができる。このように、高圧の電力を供給することで、送電時の電力損失を抑制することができる。
次に、制御部51が実行する給電制御処理手順について、図5のフローチャートを参照しつつ説明する。当該フローは、メモリ51aに格納された給電プログラムに従い実行される。なお、給電プログラムは、供給電力及び需要電力の平衡を保つ観点から作成されている。
電圧Vが第1指令値A1に維持される制御が実行される(S101)。当該制御は、前述のように、バッテリ側コンバータ57の出力電流Ioutの制御を通じて行われる。そして、電圧Vが第1しきい値V1以上であるか否かが判断される(S102)。電圧Vが第1しきい値V1未満である旨判断された場合(S102でNO)、両コンバータ55,56を通じて自身の発電ルールに従った発電が行われる(S103)。ここで、太陽電池3の発電ルールは、MPPT制御を通じて実行される。一方、電圧Vが第1しきい値V1以上である旨判断された場合(102でYES)、両コンバータ55,56を通じて、その出力電力Poutが抑制される(S104)。
つぎに、電圧Vが第2しきい値V2以下であるか否かが判断される(S105)。電圧Vが第2しきい値V2以下である旨判断された場合(S105でYES)であって、電圧Vが第2指令値A2未満のとき、AC/DCコンバータ58を通じて、電圧Vが第2指令値A2に制御される(S106)。これにて、給電プログラムの処理が終了される。一方、電圧Vが第2しきい値V2を超える場合(S106でNO)、AC/DCコンバータ58は停止状態を維持したまま、給電プログラムの処理が終了される。
なお、本フローチャートにおいて、ステップS101はバッテリ側コンバータ57を通じて実行され、ステップS102〜S104は第1及び第2コンバータ55,56を通じて実行され、ステップS105〜S107はAC/DCコンバータ58を通じて実行される。
以上、説明した実施形態によれば、以下の作用効果を奏することができる。
(1)直流系電力線14の電圧が第1指令値A1に一致するようにバッテリ54の充放電が制御される。直流系電力線14の電圧Vが第1指令値A1に一致したとき、供給電力及び需要電力が平衡状態となる。よって、直流系電力線14の電圧Vを第1指令値A1に制御することで、供給電力及び需要電力を平衡状態とすることができる。従って、発電電力及び需要電力の不平衡が生じた場合であれ、太陽電池3及び燃料電池16の発電電力を調整する必要がない。これにより、DC機器5の需要電力に関わらず、太陽電池3及び燃料電池16は自身に適切な電力で発電できる。
(2)第1コンバータ55を通じて、その入力電圧(太陽電池電力Ppv)が最大出力電圧Vmpとなるように出力電力Poutを制御することで、太陽電池3から高い効率で電力を得ることができる。上述のように、バッテリ54の充放電により供給電力及び需要電力の平衡が図られる。よって、太陽電池3の発電効率を抑制する必要がないため、発電電力の損失を低減できる。
(3)バッテリ54が満充電状態の場合や、バッテリ54がその最大充放電電流を超えて充電される場合がある。このような場合には、直流系電力線14の電圧は上昇する。本発明では、直流系電力線14の電圧Vが第1しきい値V1以上となったとき、同電圧Vが第1しきい値V1未満となるように制御される。すなわち、制御部51により両コンバータ55,56を通じて発電電力が抑制される。よって、直流系電力線14の電圧の上昇が抑制されるので、例えば、DC機器5及び直流系電力線14にDC機器5の動作や配電等に影響を及ぼしかねない過電力が供給されることを防止できる。よって、配電システム1の安全性を高めることができる。
(4)電圧Vが第2指令値A2に一致するように制御される。具体的には、当該制御は直流系電力線14の電圧Vが第2指令値A2未満となったとき、交流電力系統からAC/DCコンバータ58を通じて、直流系電力線14に電力が供給されることにより実行される。ここで、第2指令値A2は、迅速に直流系電力線14の電圧Vを第1指令値A1とする観点からは、第1指令値A1に近い値とすることが望ましい。しかし、前記両指令値A1,A2をあまりに近い値に設定するとつぎのような弊害が想定される。例えば、直流系電力線14の電圧Vが第1指令値A1未満となった場合、その直流系電力線14の電圧の検出からバッテリの放電が開始されて、実際に同電圧が第1指令値A1に制御されるまでは一定時間を要する。このように、直流系電力線14の電圧制御の遅延に基づく第1指令値A1を基準とした直流系電力線14の電圧の低下により、同電圧が第2指令値A2未満となっていたのでは、バッテリ54の放電によって電圧Vを第1指令値A1に維持できるにも関わらず、交流電力系統から直流系電力線14に電力が供給されることになる。そこで、第2指令値A2は、第1指令値A1に近い値をとるとともに、上記のような直流系電力線14の電圧制御の遅延に基づき、検出が予想される最小電圧値未満に設定されている。従って、より適切なタイミングで電圧Vが第2指令値A2未満となり、直流系電力線14の電圧の降下が迅速に解消される。よって、迅速に供給電力及び需要電力の平衡が実現される。
(5)直流系電力線14の電圧Vが第2しきい値V2以下となったとき、AC/DCコンバータ58が起動される。このように、直流系電力線14の電圧が第2しきい値以下となるまでは、AC/DCコンバータ58を停止させることができるため、AC/DCコンバータ58の動作電力の低減につながる。また、第2指令値A2未満となる前にAC/DCコンバータ58を起動させることで、同第2指令値A2未満となったときには、AC/DCコンバータ58は、すぐに交流電力系統からの交流電力を直流電力に変換して、これを直流系電力線14に供給できる。これにより、より迅速にDC機器5に供給する電力の不足を補填できる。
(6)バッテリ側コンバータ57を通じて検出される直流系電力線14の電圧Vにより供給電力及び需要電力が平衡状態であるか否かが判断可能となる。さらに、直流系電力線14の電圧Vが第1指令値A1に一致するようにバッテリ54の充放電が制御されることにより、供給電力及び需要電力を平衡状態とすることができる。このように、制御部51は、バッテリ54の充放電制御を通じて、容易に供給電力及び需要電力を平衡状態とすることができる。ここで、例えば、負荷機器の使用電力及び発電装置の発電電力をそれぞれ受信し、それらに基づき、制御部が自身に記憶される所定のアルゴリズムに従って、バッテリの電力を充放電制御する構成が考えられる。しかし、本構成に比較して、本実施形態においては負荷機器や発電装置との通信が不要となる。また、直流系電力線14の電圧Vをみてフィードバック制御するだけなので、それら通信に係る複雑な制御を省略することができる。これにより、例えば、太陽電池3の急峻な日射変動やDC機器5のON/OFFによる負荷急変による急激な電力不平衡に対応することができる。
(第2の実施形態)
以下、本発明の第2の実施形態について、図6を参照して説明する。この実施形態の配電システムは、制御部51が省略され、その機能が各コンバータ55〜58(正確には、各CPU65)に分散されて構成されている点が上記第1の実施形態と異なっている。以下、第1の実施形態との相違点を中心に説明する。
各コンバータ55〜58は、自身の出力電圧検出回路62(図3参照)を通じて、直流系電力線14の電圧Vを認識する。そして、第1コンバータ55及び第2コンバータ56は、自身のメモリ65aに第1しきい値V1を記憶している。そして、両コンバータ55,56は、電圧Vが第1しきい値V1に達したとき、自身の出力を抑制する。また、バッテリ側コンバータ57は、自身のメモリ65aに第1指令値A1を記憶している。そして、バッテリ側コンバータ57は、上記実施形態と同様に電圧Vが第1指令値A1に一致するように制御する。また、AC/DCコンバータ58は、自身のメモリ65aに第2しきい値V2及び第2指令値A2を記憶している。そして、AC/DCコンバータ58は、電圧Vが第2しきい値V2に達したとき起動し、第2指令値A2未満となったときに交流系電力線23の交流電力を直流電力に変換して直流系電力線14側に出力して、電圧Vを第2指令値A2に一致させる制御を実行する。
以上、説明した実施形態によれば、第1の実施形態の(1)〜(6)の作用効果に加え、以下の作用効果を奏することができる。
(7)第1の実施形態における制御部51を省略できる。よって、コントロールユニット7をより簡易な構成とすることができるとともに、制御部51に係るコストを抑制できる。また、各コンバータ55〜58は互いに通信することなく、しきい値、指令値を基準とした独自の発電ルールに従って発電するものの、結果的に第1の実施形態と同様に、供給電力及び需要電力の平衡を図ることができる。また、各コンバータ55〜58の通信が不要となるところ、それに係る処理が不要となる。これにより、ひいては、より迅速に電力の平衡状態を実現することができる。
さらに、各コンバータ55〜58は独立して構成されているため、システムの更新、拡張を容易に行うことができる。具体的には、必要に応じて各コンバータ55〜58の交換等を通じて、システムの更新等が可能となる。
なお、上記実施形態は、これを適宜変更した以下の形態にて実施することができる。
・上記両実施形態においては、電圧Vが第1指令値A1を超えた場合、バッテリ54に電力を充電し、電圧Vが第1指令値A1未満となった場合、バッテリ54の電力を放電する。この第1指令値A1は、ノイズ等による微量の電圧変動を許容するべく第1指令値A1を中心値として一定幅値を持って設定されていてもよい。この場合には、バッテリ54による頻繁な充放電が抑制され、バッテリ54の長寿命化が図れる。
・第1の実施形態においては、電圧Vは制御部51によりバッテリ側コンバータ57を通じて認識されていた。しかし、制御部51は、電圧Vをその他のコンバータ、例えば、AC/DCコンバータ58における出力電圧検出回路62を通じて認識してもよい。また、コンバータとは別に電圧検出回路を設けてもよい。
・上記両実施形態においては、交流系電力線23からの電力がAC/DCコンバータ58を通じて直流系統側に供給可能であった。しかし、交流系電力線23、AC機器6及びAC電源2等からなる交流系統を省略して配電システム1を構成してもよい。
・上記両実施形態においては、直流発電装置として燃料電池16及び太陽電池3を設けたが、直流発電装置は直流電力を発電するものであれば、これに限定されるものではない。例えば、蓄電池、風力発電装置等であってもよい。蓄電池、風力発電装置に関しても、発電効率や寿命の観点から自身に適した発電ルールが存在する。また、太陽電池3のみ、又は燃料電池16のみで直流発電装置を構成してもよい。
・上記両実施形態においては、第1及び第2しきい値V1、V2並びに第1及び第2指令値A1,A2を設定したが、第2しきい値V2及び第1及び第2指令値A1,A2を省略してもよい。この場合であっても、電圧Vを第1指令値A1とする制御がされることで、供給電力及び需要電力の平衡が図られる。本設定によれば、バッテリ54の充放電のみで供給電力及び需要電力の平衡を図るため、バッテリ54の最大容量が大きいものを採用したり、バッテリ54を複数設けたりするとよい。また、例えば、第1しきい値V1又は第2しきい値V2のみを省略することも可能である。
(付記1)配電システムは、直流発電装置により発電される直流電力が直流配線を介して直流負荷に供給される直流電力系統を備える配電システムにおいて、前記直流配線上に設けられて前記直流発電装置の出力電圧を前記直流発電装置が発電する直流電力が最大となる最大出力電圧に制御することにより前記直流発電装置から入力される直流電力を最大出力電力として前記直流負荷に供給するDC/DCコンバータと、前記直流配線に接続されるバッテリと、前記直流配線及び前記バッテリ間に設けられ、同直流配線の電力を同バッテリに充電し、前記バッテリからの電力を前記直流配線に放電する充放電回路と、前記直流配線の電圧を検出する電圧検出手段と、前記充放電回路を通じて前記バッテリの充放電制御を行う制御部と、を備え、前記制御部は、前記電圧検出手段を通じて検出される前記直流配線の電圧が第1指令値に一致するように前記充放電回路を通じて前記バッテリの充放電を制御することで、前記配線への供給電力と、前記直流配線を通じて必要される需要電力との平衡を図る。
上記配電システによれば、直流配線の電圧が第1指令値に一致するようにバッテリの充放電が制御される。直流配線の電圧が第1指令値に一致したとき、供給電力及び需要電力が平衡状態となるため、直流配線の電圧を第1指令値に制御することで、供給電力及び需要電力を平衡状態とすることができる。従って、直流発電装置の発電電力及び直流負荷の需要電力の不平衡が生じた場合であれ、直流発電装置の発電電力を調整する必要がない。これにより、直流負荷の需要電力に関わらず、直流発電装置は自身に適切な電力で発電できる。
(付記2)付記1に記載の配電システムにおいて、前記直流発電装置は、太陽からの光エネルギを直流電力に変換する太陽電池を備え、前記太陽電池に対応する前記DC/DCコンバータは、前記太陽電池の最大出力動作点追尾制御を実行する。
一般的に太陽電池の出力特性として、最大電力を出力する最大出力電圧値が存在する。すなわち、太陽電池の出力電圧を最大出力電圧値とすることで、最も効率良く発電できる最大出力動作点追尾制御が知られている。ここで、上記配電システムにおいては、太陽電池の出力電力とは、DC/DCコンバータの入力電力である。従って、DC/DCコンバータを入力電力が最大となるような最大出力電圧点で動作させることにより、太陽電池から高い効率で電力を得ることができる。また、上述のように、バッテリにより供給電力及び需要電力の平衡が図られる。よって、太陽電池の発電効率を抑制する必要がないため、発電電力の損失を低減できる。
(付記3)付記1又は2に記載の配電システムにおいて、前記制御部は、前記電圧検出手段を通じて検出された前記直流配線の電圧が前記第1指令値より大きい第1しきい値以上となったとき、前記DC/DCコンバータを通じて前記直流発電装置の発電電力を抑制して、前記直流配線の電圧が第1しきい値未満となるように制御する。
バッテリが満充電状態の場合や、バッテリがその最大充放電電流を超えて充電される場合がある。このような場合には、直流配線の電圧は上昇する。本発明では、直流配線の電圧が第1しきい値以上となったとき、同電圧が第1しきい値未満となるように制御される。すなわち、制御部によりDC/DCコンバータを通じて直流発電装置からの発電電力が抑制される。よって、直流配線の電圧の上昇が抑制されるので配電システムの安全性を高めることができる。
(付記4)付記1〜3の何れか一項に記載の配電システムにおいて、前記直流配線には交流電源から交流配線を介して交流電力が供給される交流電力系統が連携されてなり、前記直流配線及び前記交流配線を連結する直交流接続線上に設けられ、前記制御部からの指令に基づき前記交流配線からの交流電力を直流電力に変換して前記直流配線に出力する交流側コンバータ、を備え、前記制御部は、前記電圧検出手段を通じて検出された前記直流配線の電圧が第1指令値より小さい第2指令値未満となったとき、前記交流側コンバータを通じて、前記交流配線の電力を前記直流配線へ出力し、前記直流配線を前記第2指令値に一致するように制御する。
上記配電システムによれば、電圧が第2指令値に一致するように制御される。具体的には、当該制御は直流配線の電圧が第2指令値未満となったとき、交流電力系統から交流側コンバータを通じて、直流配線に電力が供給されることで実行される。ここで、第2指令値は、迅速に直流配線の電圧を第1指令値とする観点からは、第1指令値に近い値とすることが望ましい。しかし、前記両指令値をあまりに近い値に設定するとつぎのような弊害が想定される。例えば、直流配線の電圧が第1指令値未満となった場合、その直流配線の電圧の検出からバッテリの放電が開始されて、実際に同電圧が第1指令値に制御されるまでは一定時間を要する。このように、直流配線の電圧制御の遅延に基づく第1指令値を基準とした直流配線の電圧の低下により、同電圧が第2指令値未満となっていたのでは、バッテリの放電によって電圧を第1指令値に維持できるにも関わらず、交流電力系統から直流配線に電力が供給されることになる。そこで、第2指令値は、第1指令値に近い値をとるとともに、上記のような直流配線の電圧制御の遅延に基づき、検出が予想される最小電圧値未満に設定されている。従って、より適切なタイミングで電圧が第2指令値未満となり、直流配線の電圧の降下が迅速に解消される。これにより、迅速に供給電力及び需要電力の平衡が実現される。
(付記5)付記4に記載の配電システムにおいて、前記制御部は、前記DC/DCコンバータ、前記交流側コンバータ及び前記充放電回路に分散して設けられ、前記充放電回路は、前記第1指令値を記憶するとともに、前記直流配線の電圧が同第1指令値に一致するように前記バッテリの充放電制御を行い、前記DC/DCコンバータは、前記第1しきい値を記憶するとともに、前記直流配線の電圧が同第1しきい値未満となるように制御を行い、前記交流側コンバータは、前記第2指令値を記憶するとともに、前記直流配線の電圧が同第2指令値に一致するように前記直流配線への出力電力の制御を行う。
上記配電システムによれば、制御部が各コンバータに分散されて設けられる。よって、各コンバータは、独自で直流配線の電圧及び各自に記憶される指令値又はしきい値の比較を通じて、直流配線の電圧を制御する。このように、各コンバータは、他のコンバータとの通信を行うことなく、供給電力及び需要電力の平衡が図れる。
(付記6)付記4に記載の配電システムにおいて、前記制御部は、前記電圧検出手段を通じて検出された前記直流配線の電圧が前記第1指令値及び第2指令値の間の値に設定される第2しきい値以下となったとき、前記交流側コンバータを起動させる。
上記配電システムによれば、直流配線の電圧が第2しきい値以下となったとき、交流側コンバータが起動される。このように、直流配線の電圧が第2しきい値以下となるまでは、交流側コンバータを停止させることができるため、起動時までの交流側コンバータの待機電力をなくすことができる。また、第2指令値以下となる前に交流側コンバータを起動させることで、同第2指令値以下となったときには、交流側コンバータは、すぐに交流電力系統からの交流電力を直流電力に変換して、これを直流配線に供給できる。これにより、より迅速に前記直流負荷に供給する電力の不足を補填できる。以上により、交流側コンバータにおいて、電圧降下に対する追従制御性及び消費電力の低減を両立させることができる。
1…配電システム、2…AC電源(交流電源)、3…太陽電池(直流発電装置)、7…コントロールユニット、12…直交流接続線、13〜15…直流系電力線(直流配線)、16…燃料電池(直流発電装置)、18,19…直流系電力線、51…制御部、51a…メモリ、54…バッテリ、55…第1コンバータ、56…第2コンバータ、57…バッテリ側コンバータ(電圧検出手段、充放電回路)、58…AC/DCコンバータ(交流側コンバータ)、61…入力電圧検出回路、62…出力電圧検出回路、63…入力電流検出回路、64…パワー回路、65…CPU。

Claims (5)

  1. 動作電圧が最大出力電圧である場合に最大の直流電力を発電する直流発電装置により発電される直流電力が直流配線を介して直流負荷に供給される直流電力系統と、
    前記直流配線上に設けられて前記直流発電装置の動作電圧が前記最大出力電圧となるように出力電力を制御することにより前記直流発電装置に前記最大の直流電力を発電させ、前記直流発電装置により発電された直流電力を前記直流負荷に供給するDC/DCコンバータと、
    前記直流配線に接続されるバッテリと、
    前記直流配線前記バッテリとの間に設けられ、前記直流配線の電力を前記バッテリに充電し、前記バッテリの電力を前記直流配線に放電する充放電回路と、
    前記直流配線の電圧を検出する電圧検出手段と、
    前記充放電回路により前記バッテリの充放電を制御する制御部と、を備え、
    前記直流配線により供給される電力である供給電力と前記直流負荷が必要とする電力である需要電力とが平衡する場合における前記直流配線の電圧が第1指令値であり、前記第1指令値よりも大きい第1しきい値が設定される場合、
    前記制御部は、
    前記電圧検出手段により検出された前記直流配線の電圧が前記第1指令値よりも大きい電圧であり、かつ、前記第1しきい値未満の電圧である場合、前記直流発電装置が前記最大の直流電力を発電するように前記DC/DCコンバータを制御し、前記直流配線の電圧が前記第1指令値となるように前記充放電回路を制御し、
    前記電圧検出手段により検出された前記直流配線の電圧が前記第1しきい値以上の電圧である場合、前記直流配線の電圧が前記第1しきい値未満の電圧となるように前記DC/DCコンバータにより前記直流発電装置の発電電力を抑制する
    配電システム。
  2. 前記直流発電装置は、太陽から供給される光エネルギを直流電力に変換する太陽電池を備え、
    前記DC/DCコンバータは、前記太陽電池の動作電圧が前記最大出力電圧となるように出力電力を制御することにより前記太陽電池に前記最大の直流電力を発電させる
    請求項1に記載の配電システム。
  3. 前記直流配線は、交流電源から交流配線を介して交流電力が供給される交流電力系統が連携され、
    前記直流配線と前記交流配線とを連結する直交流接続線上に設けられ、前記制御部から送信される指令に基づいて、前記交流配線から供給される交流電力を直流電力に変換して前記直流配線に出力する交流側コンバータをさらに備え、
    前記制御部は、前記電圧検出手段により検出された前記直流配線の電圧が前記第1指令値よりも小さい第2指令値未満である場合、前記交流側コンバータにより前記交流配線の電力を前記直流配線に出力し、前記直流配線の電圧が前記第2指令値となるように前記交流側コンバータを制御する
    請求項1または2に記載の配電システム。
  4. 前記制御部の機能が前記DC/DCコンバータ、前記交流側コンバータ、および、前記充放電回路に分散され、
    前記充放電回路は、前記第1指令値を記憶し、前記直流配線の電圧が前記第1指令値となるように前記バッテリの充放電を制御し、
    前記DC/DCコンバータは、前記第1しきい値を記憶し、前記直流配線の電圧が前記第1しきい値未満の電圧となるように出力電力を制御し、
    前記交流側コンバータは、前記第2指令値を記憶し、前記直流配線の電圧が前記第2指令値となるように前記直流配線に出力する電力を制御する
    請求項3に記載の配電システム。
  5. 前記制御部は、前記電圧検出手段により検出された前記直流配線の電圧が前記第1指令値と前記第2指令値との間に設定される第2しきい値以下の電圧であることに基づいて前記交流側コンバータを起動させ、前記電圧検出手段により検出された前記直流配線の電圧が前記第2しきい値よりも小さい前記第2指令値未満であることに基づいて、前記直流配線の電圧が前記第2指令値となるように前記交流側コンバータを制御する
    請求項3に記載の配電システム。
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