JP6150341B2 - 蓄電システムに備えられた電源装置 - Google Patents

Description

本発明は、系統電圧および蓄電池の放電電圧のいずれかを負荷に供給する蓄電システムにおいて、蓄電システムを制御する制御部に所定の電源電圧を供給する電源装置に関する。

近年、安価な深夜電力で充電しておいた蓄電池を電力需要が大きい昼間に放電させることで、電力需要の平準化と電気料金の低減とを図った蓄電システムの利用が進められている。図５に、従来の蓄電システムの一例として、特許文献１に開示された蓄電システム２０を示す。蓄電システム２０は、主に、系統Ｇからの系統電力を直流化して蓄電池Ｂを充電する機能と、蓄電池Ｂの放電電力を交流化して逆潮流しないように負荷Ｒに供給する機能とを有する双方向電力変換部１１と、双方向電力変換部１１を制御する制御部１２と、制御部１２に電源電圧を供給する電源装置１３とを備えている。

電源装置１３は、ＡＣ／ＤＣコンバータ１４と、ＤＣ／ＤＣコンバータ１５と、スイッチ手段１６とを有する。系統Ｇに停電が発生していない通常時において、スイッチ手段１６は、ＡＣ／ＤＣコンバータ１４とＤＣ／ＤＣコンバータ１５とを接続する。このとき、ＤＣ／ＤＣコンバータ１５は、ＡＣ／ＤＣコンバータ１４から供給される系統電力由来の電力に基づいて制御部１２に電源電圧を供給する。一方、系統Ｇに停電が発生した停電時において、スイッチ手段１６は、蓄電池ＢとＤＣ／ＤＣコンバータ１５とを接続する。このとき、ＤＣ／ＤＣコンバータ１５は、蓄電池Ｂの放電電力に基づいて制御部１２に電源電圧を供給する。

この蓄電システム２０によれば、停電時においても制御部１２に電源電圧を供給し続けて双方向電力変換部１１を作動させることができる。

特開２０１２−１７５８０１号公報

しかしながら、停電が発生したことを検知してスイッチ手段１６を切り替えるにはある程度の時間を要する。このため、この蓄電システム２０では、ＡＣ／ＤＣコンバータ１４内に設けた大容量コンデンサによってＡＣ／ＤＣコンバータ１４の出力保持時間を長くしておかないと、スイッチ手段１６が蓄電池ＢとＤＣ／ＤＣコンバータ１５とを接続して放電電力がＤＣ／ＤＣコンバータ１５に供給され始める前にＡＣ／ＤＣコンバータ１４からの電力供給が途絶え、制御部１２に供給する電源電圧に空白期間が生じるおそれがある。

また、この蓄電システム２０は、通常時にＡＣ／ＤＣコンバータ１４とＤＣ／ＤＣコンバータ１５とが直列に接続されるので、ＡＣ／ＤＣコンバータ１４およびＤＣ／ＤＣコンバータ１５の両方で損失が発生し、電力変換効率が低下するという問題も有している。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであって、その課題とするところは、停電発生時においても制御部に電源電圧を途切れることなく供給し続けることができ、しかも、従来のものに比べて通常時の電力変換効率が高い電源装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明に係る電源装置は、系統電圧および蓄電池の放電電圧のいずれかを負荷に供給する蓄電システムにおいて、蓄電システムを制御する制御部に所定の電源電圧を供給する電源装置であって、
系統電圧を整流および平滑して得た第１直流電圧を出力する第１電源部と、第１直流電圧よりも小さく設定された第２直流電圧を出力する第２電源部と、第１電源部および第２電源部の双方に接続され、ダイオードの整流作用を利用して選択した第１直流電圧および第２直流電圧のうちの大きい方をスイッチングする、スイッチング素子およびトランスの一次巻線からなるスイッチング部と、スイッチングによりトランスの他の巻線に誘起された電圧を直流化して電源電圧を生成する少なくとも１つの電源電圧生成部とを備え、
第２電源部は、トランスの別の他の巻線に誘起された電圧に基づいて放電電圧よりも大きい代替電圧を生成する代替電圧生成部を含み、代替電圧および放電電圧のうちの大きい方に基づいて第２直流電圧を生成するように構成され、
系統電圧の低下により第１直流電圧が第２直流電圧を下回り、スイッチング部が代替電圧に基づいて生成された第２直流電圧をスイッチングし始めると、代替電圧が低下して放電電圧を下回り、第２電源部が放電電圧に基づいて第２直流電圧を生成し始めることを特徴とする。

この構成では、スイッチング部が、ダイオードの整流作用を利用して第１直流電圧および第２直流電圧のうちの大きい方を選択する。このため、この構成によれば、大容量コンデンサを設けなくても、スイッチングする対象を第１直流電圧から第２直流電圧に、または第２直流電圧から第１直流電圧に切り替える際に、空白期間が生じることはない。また、この構成では、スイッチング部における１回の電力変換で系統電圧を制御部に出力すべき所定の電源電圧に変換する。このため、この構成によれば、電力変換を２回行う場合に比べて、通常時の電力変換効率を向上させることができる。

上記電源装置における代替電圧生成部の構成としては、例えば、別の他の巻線に誘起された電圧を整流平滑するダイオードおよびコンデンサと、整流平滑後の電圧を定電圧化して得た代替電圧を出力するシリーズレギュレータとを含んだ構成が考えられる。

また、このシリーズレギュレータが過電流保護機能を有している場合は、スイッチング部が代替電圧に基づいて生成した第２直流電圧をスイッチングし始めたときの代替電圧の低下を、該過電流保護機能を利用して実現することができる。

本発明によれば、停電発生時においても制御部に電源電圧を途切れることなく供給し続けることができ、しかも、従来のものに比べて通常時の電力変換効率が高い電源装置を提供することができる。

本発明に係る電源装置を備えた蓄電システムのブロック図である。 本発明の実施例に係る電源装置の回路図である。 本発明の実施例に係る電源装置の停電発生時の動作を示す波形図である。 比較例に係る電源装置の回路図である。 従来の電源装置を備えた蓄電システムのブロック図である。

以下、添付図面を参照して、本発明に係る電源装置の実施例について説明する。

図１に、本発明の実施例に係る電源装置１を備えた蓄電システム１０を示す。蓄電システム１０は、系統Ｇからの系統電力を直流化して蓄電池Ｂを充電する機能と、蓄電池Ｂの放電電力を交流化して逆潮流しないように負荷Ｒに供給する機能とを有する双方向電力変換部１１と、双方向電力変換部１１を制御する制御部１２と、制御部１２に電源電圧を供給する電源装置１とを備えている。電源装置１には、系統Ｇの系統電圧および蓄電池Ｂの放電電圧が入力される。また、制御部１２は、後述する第１制御部１２ａおよび第２制御部１２ｂからなる。

図２に示すように、実施例に係る電源装置１は、系統Ｇからの系統電圧を直流化して得た第１直流電圧を出力する第１電源部２と、第２直流電圧を出力する第２電源部３と、第１電源部２および第２電源部３の双方に接続され、第１直流電圧および第２直流電圧のうちの大きい方をスイッチングするスイッチング部４と、第１制御部１２ａに電源電圧を供給する第１電源電圧生成部５ａと、第２制御部１２ｂに電源電圧を供給する第２電源電圧生成部５ｂとを備えている。

第１電源部２は、整流ダイオードＤ４および平滑コンデンサＣ１を含む。第１電源部２は、これらにより系統電圧を整流平滑して第１直流電圧を生成する。系統電圧がＡＣ２００［Ｖ］の場合、第１直流電圧は２００［Ｖ］×√２≒２８３［Ｖ］となる。ただし、系統電圧は、±２０％の範囲内で変動することがある。このため、第１直流電圧も１６０［Ｖ］×√２≒２２６［Ｖ］と２４０［Ｖ］×√２≒３３９［Ｖ］の範囲内で変動することがある。

第２電源部３は、ダイオードＤ１、ダイオードＤ２、第１トランスＴ１、第１スイッチング素子Ｑ１、整流ダイオードＤ３および平滑コンデンサＣ１を含む。なお、平滑コンデンサＣ１は、第１電源部２の構成要素でもある。

蓄電池Ｂの放電電圧が後述する代替電圧よりも大きい場合、第１トランスＴ１の一次巻線Ｔ１１および第１スイッチング素子Ｑ１からなる直列回路には、ダイオードＤ１を通じて入力された放電電圧が印加される。一方、蓄電池Ｂの放電電圧が代替電圧よりも小さい場合、上記直列回路には、ダイオードＤ２を通じて入力された代替電圧が印加される。

第１スイッチング素子Ｑ１がＯＮ／ＯＦＦを繰り返すと、放電電圧または代替電圧がスイッチングされ、第１トランスＴ１の二次巻線Ｔ１２に交流電圧が誘起される。そして、第２電源部３は、整流ダイオードＤ３および平滑コンデンサＣ１によりこの交流電圧を整流平滑して、第１直流電圧よりも小さい第２直流電圧を生成する。系統電圧がＡＣ２００［Ｖ］の場合、第２直流電圧は、例えば、第１直流電圧の下限値である２２６［Ｖ］よりも小さい１８０［Ｖ］に設定される。

系統Ｇに停電が発生していない通常時においては、第１直流電圧と第２直流電圧のうちの大きい方、すなわち、第１直流電圧が平滑コンデンサＣ１の両端に現れる。このとき、第２電源部３は、無負荷で動作していると言える。一方、系統Ｇに停電が発生した停電時においては、第１直流電圧および第２直流電圧の大小関係が逆転し、第２直流電圧が平滑コンデンサＣ１の両端に現れる。

スイッチング部４は、第２トランスＴ２の一次巻線Ｔ２１および第２スイッチング素子Ｑ２からなる直列回路を含む。第２スイッチング素子Ｑ２がＯＮ／ＯＦＦを繰り返すと、平滑コンデンサＣ１の両端に現れた第１直流電圧または第２直流電圧がスイッチングされ、第２トランスＴ２の他の巻線、すなわち、一次巻線Ｔ２１ａ、Ｔ２１ｂおよび二次巻線Ｔ２２に交流電圧が誘起される。

第２電源部３は、一次巻線Ｔ２１ａ、整流ダイオードＤ５、平滑コンデンサＣ２およびシリーズレギュレータ６（本発明の「代替電圧生成部」に相当する）をさらに含む。整流ダイオードＤ５および平滑コンデンサＣ２は、第２スイッチング素子Ｑ２のスイッチングにより一次巻線Ｔ２１ａに誘起された交流電圧を整流平滑する。そして、シリーズレギュレータ６は、この整流平滑後の電圧に基づいて、蓄電池Ｂの放電電圧より大きい代替電圧を生成する。蓄電池Ｂの満充電時の放電電圧が１９０［Ｖ］の場合、代替電圧は、例えば、２００［Ｖ］に設定される。

シリーズレギュレータ６は、過電流保護機能を有する。過電流保護機能は、ダイオードＤ２を経由してトランスＴ１の一次巻線Ｔ１１に流れていくシリーズレギュレータ６の出力電流が予め定められた閾値を超えると働く。過電流保護機能が働くと、シリーズレギュレータ６は代替電圧を低下させる。

第１電源電圧生成部５ａは、一次巻線Ｔ２１ｂ、整流ダイオードＤ６および平滑コンデンサＣ３を含む。整流ダイオードＤ６および平滑コンデンサＣ３は、第２スイッチング素子Ｑ２のスイッチングにより一次巻線Ｔ２１ｂに誘起された交流電圧を整流平滑する。そして、これにより得られた直流電圧は、第１制御部１２ａに電源電圧として供給される。

同様に、第２電源電圧生成部５ｂは、二次巻線Ｔ２２、整流ダイオードＤ７および平滑コンデンサＣ４を含む。整流ダイオードＤ７および平滑コンデンサＣ４は、第２スイッチング素子Ｑ２のスイッチングにより二次巻線Ｔ２２に誘起された交流電圧を整流平滑する。そして、これにより得られた直流電圧は、第２制御部１２ｂに電源電圧として供給される。

次に、図３を参照しながら、電源装置１の動作の一例について説明する。なお、この一例では、通常時において、系統電圧がＡＣ２００［Ｖ］、代替電圧（直流）が２００［Ｖ］、放電電圧（直流）が１９０［Ｖ］、第２直流電圧が１８０［Ｖ］である。

時間ｔ０〜ｔ１の通常時においては、図３（Ｄ）に示すように、シリーズレギュレータ６が２００［Ｖ］の代替電圧を出力する一方、同図（Ｅ）に示すように、蓄電池Ｂが１９０［Ｖ］の放電電圧を出力する。このため、第２電源部３の入力電圧（一次巻線Ｔ１１および第１スイッチング素子Ｑ１からなる直列回路に印加される電圧）は、同図（Ｆ）に示すように、放電電圧（１９０［Ｖ］）よりも電圧値が大きい代替電圧（２００［Ｖ］）となり、第２電源部３は、代替電圧に基づいて１８０［Ｖ］の第２直流電圧を出力する。

また、時間ｔ０〜ｔ１の通常時において、第１電源部２は、２８３［Ｖ］の第１直流電圧を出力する。そして、平滑コンデンサＣ１の両端には、同図（Ｂ）に示すように、第１直流電圧と第２直流電圧のうちの大きい方、すなわち２８３［Ｖ］の第１直流電圧が現れる。なお、第１直流電圧が脈流しているのは、商用リップルを含んでいるからである。

時間ｔ１において停電が発生すると、同図（Ｂ）に示すように、第１直流電圧は緩やかに低下する。そして、時間ｔ２において第１直流電圧が第２直流電圧を下回ると、整流ダイオードＤ４がＯＦＦするのと同時に整流ダイオードＤ３がＯＮし、平滑コンデンサＣ１の両端に第２電源部３から出力された１８０［Ｖ］の第２直流電圧が現れ、スイッチング部４は、第２直流電圧をスイッチングし始める。これにより、第２電源部３の入力電力（一次巻線Ｔ１１および第１スイッチング素子Ｑ１からなる直列回路に入力される電力）は、同図（Ｃ）に示すように、無負荷時の１．５［Ｗ］から増加する。

第２電源部３の入力電力、すなわち、シリーズレギュレータ６の出力電流が増加すると、シリーズレギュレータ６の過電流保護機能が働き、同図（Ｄ）に示すように、代替電圧は低下し始める。そして、時間ｔ３において代替電圧が１９０［Ｖ］の放電電圧を下回ると、ダイオードＤ２がＯＦＦするのと同時にダイオードＤ１がＯＮし、同図（Ｆ）に示すように、第２電源部３は放電電圧に基づいて第２直流電圧を生成し始める。

次に、図４を参照して、比較例に係る電源装置１’に対する実施例に係る電源装置１の優位性について説明する。

図４に示すように、電源装置１’は、第２電源部３’が常に蓄電池Ｂの放電電圧に基づいて第２直流電圧を生成するよう構成されている点において電源装置１と相違している。このため、この電源装置１’では、停電が発生していない通常時においても、蓄電池Ｂに蓄えられた電力が少しずつ消費され続け（上記実施例では、１．５［Ｗ］）、蓄電池Ｂの充電が適切に行われなかった場合に蓄電池Ｂが過放電状態となってしまうおそれがある。これに対し、実施例に係る電源装置１では、通常時は代替電圧を使用し、停電時に限って蓄電池Ｂの放電電圧を使用するので、通常時に蓄電池Ｂの電力が消費され続けて過放電状態となることがない。

このように、本発明の実施例に係る電源装置１によれば、スイッチング部４が、ダイオードＤ３、Ｄ４の整流作用を利用して第１直流電圧および第２直流電圧のうちの大きい方を選択するので、スイッチングする対象を第１直流電圧から第２直流電圧に、または第２直流電圧から第１直流電圧に切り替える際に、空白期間が生じることはない。また、電源装置１によれば、スイッチング部４における１回の電力変換で系統電圧を各制御部１２ａ、１２ｂに出力すべき所定の電源電圧に変換するので、電力変換を２回行う場合に比べて、通常時の電力変換効率を向上させることができる。さらに、電源装置１によれば、通常時に蓄電池Ｂの放電電圧の代わりに代替電圧を使用するので、蓄電池Ｂが過放電状態となるのを防ぐこともできる。

以上、本発明に係る電源装置の実施例について説明してきたが、本発明の構成はこの実施例に限定されるものではない。

例えば、実施例に係る電源装置１は、２つの電源電圧生成部（第１電源電圧生成部５ａおよび第２電源電圧生成部５ｂ）を備えているが、電源電圧生成部の数は制御すべき制御部の数に応じて適宜増減してもよい。

また、実施例に係る電源装置１では、代替電圧生成部としてシリーズレギュレータ６を使用したが、通常時に蓄電池Ｂの放電電圧よりも大きい代替電圧を出力することができ、かつ出力電流が過大となったときに代替電圧を低下させることができるものを代替電圧生成部としてもよい。

１ 電源装置
２ 第１電源部
３ 第２電源部
４ スイッチング部
５ａ 第１電源電圧生成部
５ｂ 第２電源電圧生成部
６ シリーズレギュレータ（代替電圧生成部）
１０ 蓄電システム
１１ 双方向電力変換部
１２ 制御部
１２ａ 第１制御部
１２ｂ 第２制御部
Ｂ 蓄電池
Ｇ 系統
Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４ 平滑コンデンサ
Ｄ１、Ｄ２ ダイオード
Ｄ３、Ｄ４、Ｄ５、Ｄ６、Ｄ７ 整流ダイオード
Ｑ１ 第１スイッチング素子
Ｑ２ 第２スイッチング素子
Ｔ１ 第１トランス
Ｔ２ 第２トランス

Claims (3)

1. 系統電圧および蓄電池の放電電圧のいずれかを負荷に供給する蓄電システムにおいて、前記蓄電システムを制御する制御部に所定の電源電圧を供給する電源装置であって、
   前記系統電圧を整流および平滑して得た第１直流電圧を出力する第１電源部と、
   前記第１直流電圧よりも小さく設定された第２直流電圧を出力する第２電源部と、
   前記第１電源部および前記第２電源部の双方に接続され、ダイオードの整流作用を利用して選択した前記第１直流電圧および前記第２直流電圧のうちの大きい方をスイッチングする、スイッチング素子およびトランスの一次巻線からなるスイッチング部と、
   前記スイッチングにより前記トランスの他の巻線に誘起された電圧を直流化して前記電源電圧を生成する少なくとも１つの電源電圧生成部と、
   を備え、
   前記第２電源部は、前記トランスの別の他の巻線に誘起された電圧に基づいて前記放電電圧よりも大きい代替電圧を生成する代替電圧生成部を含み、前記代替電圧および前記放電電圧のうちの大きい方に基づいて前記第２直流電圧を生成するように構成され、
   前記系統電圧の低下により前記第１直流電圧が前記第２直流電圧を下回り、前記スイッチング部が前記代替電圧に基づいて生成された前記第２直流電圧をスイッチングし始めると、前記代替電圧が低下して前記放電電圧を下回り、前記第２電源部が前記放電電圧に基づいて前記第２直流電圧を生成し始める
   ことを特徴とする電源装置。
2. 前記代替電圧生成部は、
   前記別の他の巻線に誘起された電圧を整流平滑するダイオードおよびコンデンサと、
   前記整流平滑後の電圧を定電圧化して得た前記代替電圧を出力するシリーズレギュレータと、
   を含むことを特徴とする請求項１に記載の電源装置。
3. 前記シリーズレギュレータが過電流保護機能を有し、
   前記スイッチング部が前記代替電圧に基づいて生成された前記第２直流電圧をスイッチングし始めると、前記過電流保護機能が働き、その結果、前記代替電圧が低下する
   ことを特徴とする請求項２に記載の電源装置。

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