JP6225672B2

JP6225672B2 - 給電設備及びその運転方法

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Publication number: JP6225672B2
Application number: JP2013248547A
Authority: JP
Inventors: 裕幸加悦; 直嗣鵜殿; 哲男秋田; 裕介清水; 綾井　直樹; 直樹綾井
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2013-11-29
Filing date: 2013-11-29
Publication date: 2017-11-08
Anticipated expiration: 2033-11-29
Also published as: JP2015106999A

Description

本発明は、負荷に電力を供給する給電設備及びその運転方法に関する。

例えば無線基地局で使用する電力の供給用途には、系統連系による売電を目的としない太陽光発電装置と、リチウムイオン電池等のエネルギー密度の高い蓄電池と、系統電源に基づく直流電源とを組み合わせた給電設備が提案されている（例えば、特許文献１（図２，図６〜８）参照）。このような給電設備は、系統電源からの買電のみに依存しない点で有用性がある。

このような異種複数の電源による電圧は、一旦、ＤＣバスに統合され、その後、直接又は必要に応じて所望の電圧に変換され、負荷に電力を供給することができる。太陽光発電装置が発電しているときの蓄電池は、負荷電力に対して太陽光発電電力に余剰分があるときには充電される。また、太陽光発電装置が発電しない夜間は、系統電源に基づく直流電源から負荷に電力が供給される。停電時には、蓄電池から負荷に電力が供給される。

このように、蓄電池は、太陽光発電装置の余剰電力の充電や、系統電源に基づく直流電源の停電時に非常用電力供給を行う、バッファとしての機能若しくはバックアップ機能を有する。

特開２０１３−４２６２７号公報

しかしながら、蓄電池をバッファとして使用するだけでは、例えば商用電力需要のピークを避けるためのピークシフトには貢献できない。また、バックアップとして待機するだけでは、蓄電池が実際に活躍する機会が少ない。例えば、系統電源に基づく直流電源からＤＣバスへの給電を意図的に停止させれば、蓄電池を積極的に活用することができる。しかし、この場合、蓄電池の残量が下限値に達して放電できなくなると、直流電源に切り替えるが、その際に瞬時停電が起きる。さらに、負荷の消費電力に対し、系統電源に基づく直流電源と、蓄電池からのどちらか一方からしか電力を供給できない。負荷の消費電力に対し、系統に基づく直流電源と、蓄電池の両方から供給できれば、系統に基づく直流電源の供給電力をより細かに制御することができ、ピークシフトに貢献することができる。

かかる従来の問題点に鑑み、本発明は、給電設備及びその運転方法に関して、瞬時停電を防止しつつ、蓄電池の積極的な活用を実現することを目的とする。

本明細書には以下の発明を開示している。但し、本発明は、特許請求の範囲によって定められるものである。
これは、負荷に電力を供給する給電設備であって、コンデンサによる容量を持つＤＣバスと、蓄電池と、前記ＤＣバスと前記蓄電池との間に介在する双方向性の変換装置と、ダイオードを介して、電力を前記ＤＣバスに提供する定電圧電源装置と、前記ＤＣバスの電圧が充電開始電圧Ｖ_Ｃ以上になると、前記変換装置が前記蓄電池の充電を開始し、前記ＤＣバスの電圧が放電開始電圧Ｖ_Ｄ以下になると、前記変換装置が前記蓄電池から放電を開始し、前記定電圧電源装置の電圧をＶ_Ｆとするとき、相対的な大小関係において、Ｖ_Ｄ＜Ｖ_Ｆ＜Ｖ_Ｃの関係にある通常モード、及び、Ｖ_Ｆ＜Ｖ_Ｄ＜Ｖ_Ｃの関係にある放電モードを、前記変換装置及び前記電源装置の少なくとも一方を制御することにより選択的に実現する制御部と、を備えている。

また、これは、コンデンサによる容量を持つＤＣバスから負荷に電力を供給し、前記ＤＣバスと蓄電池との間に双方向性の変換装置が介在し、定電圧電源装置は、ダイオードを介して電力を前記ＤＣバスに提供するよう構成された給電設備において、その制御部によって実行される給電設備の運転方法であって、前記ＤＣバスの電圧が充電開始電圧Ｖ_Ｃ以上になると、前記変換装置が前記蓄電池の充電を開始し、前記ＤＣバスの電圧が放電開始電圧Ｖ_Ｄ以下になると、前記変換装置が前記蓄電池から放電を開始し、前記定電圧電源装置の電圧をＶ_Ｆとするとき、通常モードでは、相対的な大小関係において、Ｖ_Ｄ＜Ｖ_Ｆ＜Ｖ_Ｃの関係とし、放電モードでは、相対的な大小関係において、Ｖ_Ｆ＜Ｖ_Ｄ＜Ｖ_Ｃの関係とする給電設備の運転方法である。

本発明によれば、瞬時停電を防止しつつ、蓄電池の積極的な活用を実現することができる。

給電設備の一実施形態を示す接続図である。図１における蓄電池用の変換装置の回路図である。ＤＣバスの電圧と、蓄電池の充放電との関係を示すグラフである。ＤＣバスの電圧及び充放電電力の時間変化の一例を示すグラフである。ＤＣバスの電圧及び充放電電力の時間変化の一例を示すグラフである。積極充電モードにおける、ＤＣバスの電圧と、蓄電池の充放電との関係を示すグラフである。ＤＣバスの電圧、定電圧電源装置からの入力電力、及び、蓄電池への充電電力の時間変化の一例を示すグラフである。放電制御から制限放電制御にモード変更する状態での、ＤＣバスの電圧及び充放電電力の変化を示すグラフである。放電モードから積極充電モードへのモード変更を示す図である。給電設備のハードウェア構成の第２例を示す接続図である。給電設備のハードウェア構成の第３例を示す接続図である。図１における変換装置（ＡＣ／ＤＣコンバータ）の回路図である。ＤＣバスの電圧と、蓄電池の充放電との関係を示すグラフである。放電制御から制限放電制御にモード変更する状態での、ＤＣバスの電圧及び充放電電力の変化を示すグラフである。給電設備を含む給電システムの構成例を示す図である。１日の使用電力の変化を一例として示すグラフである。

［実施形態の要旨］
本発明の実施形態の要旨としては、少なくとも以下のものが含まれる。

（１）これは、負荷に電力を供給する給電設備であって、コンデンサによる容量を持つＤＣバスと、蓄電池と、前記ＤＣバスと前記蓄電池との間に介在する双方向性の変換装置と、ダイオードを介して、電力を前記ＤＣバスに提供する定電圧電源装置と、前記ＤＣバスの電圧が充電開始電圧Ｖ_Ｃ以上になると、前記変換装置が前記蓄電池の充電を開始し、前記ＤＣバスの電圧が放電開始電圧Ｖ_Ｄ以下になると、前記変換装置が前記蓄電池から放電を開始し、前記定電圧電源装置の電圧をＶ_Ｆとするとき、相対的な大小関係において、Ｖ_Ｄ＜Ｖ_Ｆ＜Ｖ_Ｃの関係にある通常モード、及び、Ｖ_Ｆ＜Ｖ_Ｄ＜Ｖ_Ｃの関係にある放電モードを、前記変換装置及び前記定電圧電源装置の少なくとも一方を制御することにより選択的に実現する制御部と、を備えている。

上記のように構成された給電設備では、通常モードと放電モードとで、電圧に関する相対的な大小関係が異なる。かかる相対的な大小関係とするには、例えば、通常モードでの放電開始電圧Ｖ_Ｄ及び充電開始電圧Ｖ_Ｃを、放電モードでは上方へシフトすればよい。あるいは、放電開始電圧Ｖ_Ｄ及び充電開始電圧Ｖ_Ｃはそのままで、放電モードでの定電圧を、通常モードでの定電圧より低い値にしてもよい。

通常モードの場合、蓄電池は定電圧電源装置のバックアップ的な存在であり、定電圧電源装置の停電等が起きない限り、蓄電池の放電は行われない。一方、放電モードでは、定電圧Ｖ_Ｆは放電開始電圧Ｖ_Ｄを下回るため、定電圧Ｖ_Ｆが提供できる状態であっても、蓄電池の放電が行われ、ＤＣバスの電圧を上げる。このとき、定電圧電源装置はダイオードを介してＤＣバスに接続されているため、定電圧Ｖ_ＦよりＤＣバスの電圧が高いときは、定電圧電源装置からＤＣバスへの給電はできない状態となる。いわば、ＤＣバスへの定電圧Ｖ_Ｆの供給を押しとどめて、蓄電池の放電が行われることになる。すなわち、このときの定電圧電源装置は、蓄電池によるＤＣバスへの給電に対するバックアップ的な存在になる。

従って、ハードウェア構成を変えることなく、必要に応じて放電モードを選択することにより、蓄電池を、より積極的に活用して負荷に給電を行うことができる。また、放電モードで蓄電池の残量が下限値に達しても、定電圧電源装置の定電圧Ｖ_Ｆが待機しているため、瞬時停電は生じない。

（２）また、（１）において、前記制御部は、前記充電開始電圧Ｖ_Ｃ、前記放電開始電圧Ｖ_Ｄ、前記定電圧Ｖ_Ｆの相対的な大小関係において、さらに、Ｖ_Ｄ＜Ｖ_Ｃ＜Ｖ_Ｆの関係にある積極充電モードを選択して実現することが可能であってもよい。
この場合、負荷に必要な電力に対して定電圧電源装置の供給能力に十分な余裕があり、いわゆる余剰電力がある場合、その余剰電力によって積極的に蓄電池を充電することができる。これにより、蓄電池に十分な残量がある状態をできるだけ多く保ち、蓄電池の運用効率を向上させることができる。

（３）また、（１）又は（２）の給電設備に関して、前記放電モードにおいて、前記変換装置は、前記ＤＣバスへ供給する電流を一定値に制限するようにしてもよい。
この場合、負荷へ供給する電力が蓄電池のみからでは不足する場合にはＤＣバスの電圧が下がって定電圧電源装置から自動的に定電圧で電力が供給される。すなわち、蓄電池から供給する電力を一定値に制限することにより、負荷の電力に応じて自動的に、定電圧電源装置からの電力を併用することができる。

（４）また、（２）の給電設備において、前記制御部は、前記放電モードで前記蓄電池の残量が所定値まで低下すると、前記積極充電モードを実行するようにしてもよい。
この場合、蓄電池の過放電を防止することができる。

（５）また、（１）〜（４）のいずれかの給電設備において、前記変換装置が前記蓄電池の放電を停止させる前記ＤＣバスの電圧閾値を放電停止電圧Ｖ_Ｓとするとき、前記充電開始電圧Ｖ_Ｃとの関係は、Ｖ_Ｃ＞Ｖ_Ｓであることが好ましい。
この場合、放電停止の時期と、充電開始の時期とが、互いにずれるので、変換装置の挙動（放電／充電）を安定させることができる。

（６）また、（１）〜（５）のいずれかの給電設備において、前記ＤＣバスに、前記定電圧電源装置とは別に、自然エネルギーを利用した発電装置が接続されていてもよい。
この場合、かかる発電装置は発電量が安定しないため、ＤＣバスの電圧が変動しやすいが、いずれのモードにおいても、かかる発電装置の発電電力が、余剰時には蓄電池が充電し、不足時には蓄電池が放電することで、適時に蓄電池を活用して負荷に安定して給電を行うことができる。

（７）また、（１）〜（６）のいずれかの給電設備において、例えば、１日の時間帯、もしくは曜日に応じて前記制御部が、前記放電モードを選択して実行することが好ましい。
この場合、電力需要の多い時間帯、曜日に積極的に蓄電池から給電すれば、いわゆるピークシフトを容易に実現することができる。

（８）一方、方法の観点からは、コンデンサによる容量を持つＤＣバスから負荷に電力を供給し、前記ＤＣバスと蓄電池との間に双方向性の変換装置が介在し、定電圧電源装置は、ダイオードを介して電力を前記ＤＣバスに提供するよう構成された給電設備の運転方法であって、前記ＤＣバスの電圧が充電開始電圧Ｖ_Ｃ以上になると、前記変換装置が前記蓄電池の充電を開始し、前記ＤＣバスの電圧が放電開始電圧Ｖ_Ｄ以下になると、前記変換装置が前記蓄電池から放電を開始し、前記定電圧電源装置の電圧をＶ_Ｆとするとき、通常モードでは、相対的な大小関係において、Ｖ_Ｄ＜Ｖ_Ｆ＜Ｖ_Ｃの関係とし、放電モードでは、相対的な大小関係において、Ｖ_Ｆ＜Ｖ_Ｄ＜Ｖ_Ｃの関係とするものである。

上記のような給電設備の運転方法では、通常モードと放電モードとで、電圧に関する相対的な大小関係が異なる。かかる相対的な大小関係とするには、例えば、通常モードでの放電開始電圧Ｖ_Ｄ及び充電開始電圧Ｖ_Ｃを、放電モードでは上方へシフトすればよい。あるいは、放電開始電圧Ｖ_Ｄ及び充電開始電圧Ｖ_Ｃはそのままで、放電モードでの定電圧を、通常モードでの定電圧より低い値にしてもよい。

［実施形態の詳細］
以下、実施形態の詳細について図面を参照して説明する。

《ハードウェア構成の第１例》
図１は、給電設備１００の一実施形態を示す接続図である。図において、ＤＣバス１と、蓄電池２との間には、双方向性の変換装置（ＤＣ／ＤＣコンバータ）３が設けられている。また、商用の交流電源４から変換装置（ＡＣ／ＤＣコンバータ）５は定電圧Ｖ_Ｆを供給し、さらにダイオード６を介して、ＤＣバス１に電力を供給することができる。変換装置５は、ＡＣ／ＤＣの整流を行う。交流電源４、変換装置５及びダイオード６は、定電圧Ｖ_ＦをＤＣバスに提供する定電圧電源装置７を構成している。

また、太陽光発電装置８の出力は、変換装置９を介してＤＣバス１に電圧を供給する。変換装置９は、太陽光発電装置８に対してＭＰＰＴ（Maximum Power Point Tracking）制御を行う。ＤＣバス１の電圧は、インバータ１０により交流の所定電圧に変換され、負荷１１に電力が供給される。
ＤＣバス１にはコンデンサ１２が接続されており、これによって、ＤＣバス１は、静電容量を有している。

図２は、図１における蓄電池２用の変換装置３の回路図である。変換装置３は、変換部３１と、蓄電池２の両端子間の電圧Ｖ_Ｂを検知する電圧センサ３２と、蓄電池２から変換部３１へ出力する電流Ｉ_Ｂ又はその逆に、変換部３１から蓄電池２へ入力する電流Ｉ_Ｂを検知する電流センサ３３と、ＤＣバス１の電圧Ｖ_ＤＣを検知する電圧センサ３４と、制御部３０とを備えている。変換部３１は、左側から順に、コンデンサ３１１、スイッチング素子３１２，３１３、リアクトル３１４及びコンデンサ３１５を備え、図示のように接続されている。

制御部３０は、スイッチング素子３１２，３１３のオン／オフを制御する。また、電圧センサ３２，３４及び電流センサ３３の検知出力情報は、制御部３０に与えられる。
蓄電池２の放電によりＤＣバス１に電力を送り込むときは、制御部３０の制御に基づくスイッチング素子３１２，３１３のＰＷＭ制御により、昇圧チョッパとしての制御が行われる。ＤＣバス１の電圧Ｖ_ＤＣに基づいて蓄電池２を充電するときは、制御部３０の制御に基づくスイッチング素子３１２，３１３のＰＷＭ制御により、降圧チョッパとしての制御が行われる。なお、制御部３０は、変換装置３の一部としてではなく、外部にあってもよい。

以下、給電設備１００の動作について説明するが、これはまた、給電設備１００の運転方法についての説明でもある。

《通常モード／放電モード》
図３は、ＤＣバス１の電圧と、蓄電池２の充放電との関係を示すグラフである。左側の通常モードでは、
蓄電池２の充電を開始するＤＣバス１の電圧閾値（この閾値以上では充電）を充電開始電圧Ｖ_Ｃ、
変換装置３が蓄電池２に放電を開始させるＤＣバス１の電圧閾値（この閾値以下では放電）を放電開始電圧Ｖ_Ｄ、
定電圧電源装置からＤＣバス１に提供される定電圧をＶ_Ｆ、
とするとき、相対的な大小関係において、Ｖ_Ｄ＜Ｖ_Ｆ＜Ｖ_Ｃの関係にある。

変換装置３が蓄電池２の放電を停止させるＤＣバス１の電圧閾値（放電停止電圧）及び、蓄電池２への充電を停止するＤＣバス１の電圧閾値（充電停止電圧）は、Ｖ_Ｄ〜Ｖ_Ｃの範囲内で種々の設定の仕方があるが、ここでは共通の値とし、充放電停止電圧Ｖ_Ｓとする。すなわち、これは、充電停止電圧Ｖ_Ｓでもあり、また、放電停止電圧Ｖ_Ｓでもある。さらに、ここでは、Ｖ_Ｓ≒Ｖ_Ｆとする。
また、ここで、Ｖ_Ｓ＜Ｖ_Ｃの関係であることにより、放電停止の時期と、充電開始の時期とが、互いにずれるので、変換装置３の挙動（放電／充電）を安定させることができる。

通常モードにおいて、太陽光発電装置８の発電量が増大し、負荷電力に比べて余剰電力が増大すると、ＤＣバス１の電圧が定電圧電源装置７から提供される定電圧Ｖ_Ｆより上昇する。ＤＣバス１の電圧が充電開始電圧Ｖ_Ｃに達すると、変換装置３は、ＤＣバス１の電圧に基づいて蓄電池２を充電する。充電によりＤＣバス１の電圧が下がり、充放電停止電圧Ｖ_Ｓ（定電圧Ｖ_Ｆとほぼ同じ）になると、充電停止となる。太陽光発電装置８の発電量と負荷電力との関係が同様であれば、その後再び、ＤＣバス１の電圧は上昇する。

通常モードでは、定電圧電源装置７から定電圧Ｖ_Ｆが供給されている限り、蓄電池２が放電することはないが、もし定電圧電源装置７が停電すると、ＤＣバス１の電圧が下がる場合がある。電圧が、放電開始電圧Ｖ_Ｄまで下がると、変換装置３は、蓄電池２を放電させてＤＣバス１に電圧を提供する。この結果、ＤＣバス１の電圧が上がり、充放電停止電圧Ｖ_Ｓ（定電圧Ｖ_Ｆとほぼ同じ）になると、放電停止となる。その後も同じ状況であれば、同様に、蓄電池２からの放電が繰り返される。

図４は、例えば太陽光発電装置８の出力が０である場合の、ＤＣバス１の電圧及び充放電電力の時間変化の一例を示すグラフである。中央の破線はＤＣバス１の電圧（３８０Ｖ）である。点線は、定電圧電源装置７の出力する電力（２０００Ｗ）、実線は、蓄電池２の出力する電力（０Ｗ）である。すなわち、太陽光発電のような変動要素がなく、負荷電力が一定であるとすると、定電圧電源装置７から必要な電力が安定供給され、蓄電池２は電力供給には寄与しない。

図３に戻り、右側の放電モードでは、制御部３０は、充電開始電圧Ｖ_Ｃ、充放電停止電圧Ｖ_Ｓ、放電開始電圧Ｖ_Ｄをそれぞれ、通常モードよりも上方へシフトさせる（閾値を変更する。）。すなわち、通常モードと異なり、相対的な大小関係において前述の各値は、Ｖ_Ｆ＜Ｖ_Ｄ＜Ｖ_Ｃの関係にある。また、Ｖ_Ｄ＜Ｖ_Ｓ＜Ｖ_Ｃである。

太陽光発電装置８の発電量が増大し、負荷電力に比べて余剰電力が増大すると、ＤＣバス１の電圧が充放電停止電圧Ｖ_Ｓより上昇する。ＤＣバス１の電圧が充電開始電圧Ｖ_Ｃに達すると、変換装置３は、ＤＣバス１の電圧に基づいて蓄電池２を充電する。充電によりＤＣバス１の電圧が下がり、充放電停止電圧Ｖ_Ｓになると、充電停止となる。太陽光発電装置８の発電量と負荷電力との関係が同様であれば、その後再び、ＤＣバス１の電圧は上昇する。

また、定電圧電源装置７が停電しなくても、ＤＣバス１の電圧が、放電開始電圧Ｖ_Ｄ（＞Ｖ_Ｆ）まで下がると、変換装置３は、蓄電池２を放電させてＤＣバス１に電圧を提供する。この結果、ＤＣバス１の電圧が上がり、充放電停止電圧Ｖ_Ｓになると、放電停止となる。その後も同じ状況であれば、同様に、蓄電池２からの放電が繰り返される。

図５は、例えば太陽光発電装置８の出力が０若しくは少ない場合の、ＤＣバス１の電圧及び充放電電力の時間変化の一例を示すグラフである。中央の折れ線状の破線はＤＣバス１の電圧である。点線は、定電圧電源装置７の出力する電力（０Ｗ）、実線は、蓄電池２の出力する電力（約２８００Ｗと０Ｗの間欠出力で平均約２０００Ｗ）である。すなわち、必要な電力は蓄電池２から供給され、定電圧電源装置７は、電力供給には寄与しない。ＤＣバス１の電圧は変動するが、一定電圧（３８０Ｖ）以上である。

以上のように、通常モードの場合、蓄電池２は定電圧電源装置７のバックアップ的な存在であり、定電圧電源装置７の停電等が起きない限り、蓄電池２の放電は行われない。一方、放電モードでは、定電圧Ｖ_Ｆは放電開始電圧Ｖ_Ｄを下回るため、定電圧Ｖ_Ｆが提供できる状態であっても、蓄電池２の放電が行われ、ＤＣバス１の電圧を上げる。このとき、定電圧電源装置７はダイオード６を介してＤＣバス１に接続されているため、定電圧Ｖ_ＦよりＤＣバス１の電圧が高いときは、定電圧電源装置７からＤＣバス１への給電はできない状態となる。いわば、ＤＣバス１への定電圧Ｖ_Ｆの供給を押しとどめて、蓄電池２の放電が行われることになる。すなわち、このときの定電圧電源装置７は、蓄電池２によるＤＣバス１への給電に対するバックアップ的な存在になる。

蓄電池２の放電が進むと、ＤＣバス１の電圧が下がるが、電圧が定電圧Ｖ_Ｆ以下になれば、待機している定電圧電源装置７から定電圧Ｖ_Ｆが供給される。従って、瞬時停電が起きることも無い。

このようにして、給電設備１００のハードウェア構成を何ら変えることなく、必要に応じて放電モードを選択することにより、蓄電池２を、より積極的に活用して負荷１１に給電を行うことができる。また、放電モードで蓄電池２の残量が下限値に達したとしても、定電圧電源装置７の定電圧Ｖ_Ｆが待機しているため、瞬時停電は起きない。

また、上記太陽光発電装置８のほか、風力発電装置等も含めた自然エネルギーを利用した発電装置がＤＣバス１に接続されている場合、かかる発電装置の発電量が安定しないため、ＤＣバス１の電圧が変動しやすい。しかしながら、どのモードにおいても、かかる発電装置の発電電力が、余剰時には蓄電池が充電し、不足時には蓄電池が放電することで、適時に蓄電池２を活用して負荷に安定して給電を行うことができる。

《積極充電モード》
次に、上記の通常モード及び放電モードとは別に、さらに設定可能な積極充電モードについて説明する。
図６は、積極充電モードにおける、ＤＣバス１の電圧と、蓄電池２の充放電との関係を示すグラフである。
図において、積極充電モードでは、充電開始電圧Ｖ_Ｃ、放電開始電圧Ｖ_Ｄ、定電圧Ｖ_Ｆの相対的な大小関係が、Ｖ_Ｄ＜Ｖ_Ｃ＜Ｖ_Ｆの関係にある。充放電停止電圧Ｖ_Ｓは、Ｖ_Ｄ＜Ｖ_Ｓ＜Ｖ_Ｃの関係にある。

制御部３０が積極充電モードを選択するのは、定電圧電源装置７による供給電力に比して負荷１１の需要電力が少ない場合である。この場合、定電圧電源装置７の供給力から見て、いわゆる余剰電力がある。この状態で積極充電モードが選択されると、ＤＣバス１の電圧は、充電開始電圧Ｖ_Ｃ以上であるため、制御部３０は、蓄電池２の充電を行うように変換装置３を動作させる。もちろん、定電圧電源装置７の停電時には、蓄電池２によるバックアップが行われる。

図７は、ＤＣバス１の電圧、定電圧電源装置７からの入力電力、及び、蓄電池２への充電電力の時間変化の一例を示すグラフである。定電圧電源装置７の余剰電力は、蓄電池２の充電に使用されている。ＤＣバスの電圧（３８０Ｖ）は安定している。

このように、負荷１１に必要な電力に対して定電圧電源装置７の供給能力に十分な余裕があり、余剰電力がある場合には、積極充電モードを選択することにより、余剰電力によって積極的に蓄電池２を充電することができる。これにより、蓄電池２に十分な残量がある状態をできるだけ多く保ち、蓄電池２の運用効率を向上させることができる。

《制限放電モード》
例えば、図３の放電モードにおいて、蓄電池２が放電している場合を考える。この場合において、蓄電池２のみからでは負荷１１に必要な電力を全てまかなえないか若しくは負担が大きい場合は、定電圧電源装置７の援助が必要となる。そこで、このような状況が実現できるよう、蓄電池２の放電電流を制限するようにしてもよい。放電電流の制限は、制御部３０が変換装置３の定電流制御における電流値を一定値に定め、その一定値に制限することにより、容易に実現できる。

図８は、放電制御から制限放電制御にモード変更する状態での、ＤＣバス１の電圧及び充放電電力の変化を示すグラフである。時間ｔが、０〜ｔ１までは、変換装置３が蓄電池２を放電させている。時刻ｔ１以後は、蓄電池２の放電電流が一定電流に制限される。これにより、ＤＣバス１の電圧が下がり、約３８０Ｖになると、それまで０Ｗだった定電圧電源装置７から必要な電力が供給される。

このように、負荷１１へ供給する電力が蓄電池２のみからでは不足する場合にはＤＣバス１の電圧が下がって定電圧電源装置７から自動的に定電圧（Ｖ_Ｆ）で電力が供給される。すなわち、蓄電池２から供給する電力を一定値に制限することにより、負荷１１の電力に応じて自動的に、定電圧電源装置７からの電力を併用することができる。一定値の値を適宜選択することにより、蓄電池２と、定電圧電源装置７との間で、電力供給の負担割合を定めることができる。また、この場合、制限後のＤＣバス１の電圧が安定している。負担割合を決める演算も比較的容易である。

《放電モードから積極充電モード》
図９は、放電モードから積極充電モードへのモード変更を示す図である。図９の左の放電モードにおいて、蓄電池２の残量が所定値まで低下した場合、制御部３０は、変換装置３の制御を、右側に示す積極放電モードに変更する。なお、蓄電池２の残量は、電圧センサ３２（図２）によって検知する電圧Ｖ_Ｂ又は電流センサ３３（図２）によって検知する電流Ｉ_Ｂの積算により把握することができる。
積極充電モードでは、制御部３０は、充電開始電圧Ｖ_Ｃ、充放電停止電圧Ｖ_Ｓ、放電開始電圧Ｖ_Ｄをそれぞれ、放電モードよりも下方へシフトさせる（閾値を変更する。）。すなわち、相対的な大小関係において各値はＶ_Ｄ＜Ｖ_Ｓ＜Ｖ_Ｃ＜Ｖ_Ｆの関係とする。これにより、蓄電池２を充電することができる。

《ハードウェア構成の第２例》
図１０は、給電設備１００のハードウェア構成の第２例を示す接続図である。図１との違いは、定電圧電源装置７が直流電源となり、負荷１１も直流負荷である点であり、その他の構成は同様である。この場合も第１例と全く同様に、変換装置３の制御部に対して、上記の各モードを適用することができる。

《ハードウェア構成の第３例》
図１１は、給電設備１００のハードウェア構成の第３例を示す接続図である。図１との違いは、定電圧電源装置７が直流電源となり、負荷１１も直流負荷である点である。また、この構成には太陽光発電装置が無く、最も簡素な直流給電設備の構成である。この場合も第１例と全く同様に、変換装置３の制御部に対して、上記の各モードを適用することができる。

《定電圧電源装置側の制御による通常モード／放電モード、その他》
なお、上記の各モードでは、変換装置３の制御部３０が、ＤＣバス１の電圧に対する変換装置３の動作の閾値を変えるものであった。
しかしながら、変換装置３の動作の閾値を変えずに、定電圧電源装置７の定電圧Ｖ_Ｆを変える（Ｖ_ＦＨ又はＶ_ＦＬ）ことによっても、同様な相対的変化を実現することができる。

図１２は、図１における変換装置（ＡＣ／ＤＣコンバータ）５の回路図である。変換装置５は、同期整流回路５１と、交流電圧Ｖ_ＡＣを検知する電圧センサ５２と、入力電流Ｉ_ＡＣを検知する電流センサ５３と、ＤＣバス１の電圧Ｖ_ＤＣを検知する電圧センサ５４と、制御部５０とを備えている。

制御部５０は、同期整流回路５１内のスイッチング素子（図示せず。）のオン／オフを制御し、出力電圧も制御する。また、電圧センサ５２，５４及び電流センサ５３の検知出力情報は、制御部５０に与えられる。
なお、制御部５０は、変換装置５の一部としてではなく、外部にあってもよい。

図１３は、ＤＣバス１の電圧と、蓄電池２の充放電との関係を示すグラフである。まず、左側の通常モードでは、
蓄電池２の充電を開始するＤＣバス１の電圧閾値を充電開始電圧Ｖ_Ｃ、
変換装置３が蓄電池２に放電を開始させるＤＣバス１の電圧閾値を放電開始電圧Ｖ_Ｄ、
定電圧電源装置からＤＣバス１に提供される定電圧をＶ_ＦＨ、
とするとき、相対的な大小関係において、Ｖ_Ｄ＜Ｖ_ＦＨ＜Ｖ_Ｃの関係にある。なお、充放電停止電圧Ｖ_Ｓは、Ｖ_Ｄ〜Ｖ_Ｃの範囲内で種々の設定の仕方があるが、ここでは、Ｖ_Ｓ≒Ｖ_ＦＨとする。

通常モードにおいて、太陽光発電装置８の発電量が増大し、負荷電力に比べて余剰電力が増大すると、ＤＣバス１の電圧が定電圧電源装置７から提供される定電圧Ｖ_ＦＨより上昇する。ＤＣバス１の電圧が充電開始電圧Ｖ_Ｃに達すると、変換装置３は、ＤＣバス１の電圧に基づいて蓄電池２を充電する。充電によりＤＣバス１の電圧が下がり、充放電停止電圧Ｖ_Ｓ（定電圧Ｖ_ＦＨとほぼ同じ）になると、充電停止となる。太陽光発電装置８の発電量と負荷電力との関係が同様であれば、その後再び、ＤＣバス１の電圧は上昇する。

定電圧電源装置７から定電圧Ｖ_ＦＨが供給されている限り、蓄電池２が放電することはないが、定電圧電源装置７が停電すると、ＤＣバス１の電圧が下がる場合がある。電圧が、放電開始電圧Ｖ_Ｄまで下がると、変換装置３は、蓄電池２を放電させてＤＣバス１に電圧を提供する。この結果、ＤＣバス１の電圧が上がり、充放電停止電圧Ｖ_Ｓ（定電圧Ｖ_ＦＨとほぼ同じ）になると、放電停止となる。その後も同じ状況であれば、同様に、蓄電池２からの放電が繰り返される。

一方、右側の放電モードでは、変換装置５の制御部５０が、定電圧Ｖ_ＦＨの値を低下させ、別の定電圧Ｖ_ＦＬとする。この結果、通常モードと異なり、相対的な大小関係において前述の各値は、Ｖ_ＦＬ＜Ｖ_Ｄ＜Ｖ_Ｃの関係にある。また、Ｖ_Ｄ＜Ｖ_Ｓ＜Ｖ_Ｃである。

放電モードにおいて、太陽光発電装置８の発電量が増大し、負荷電力に比べて余剰電力が増大すると、ＤＣバス１の電圧が充放電停止電圧Ｖ_Ｓより上昇する。ＤＣバス１の電圧が充電開始電圧Ｖ_Ｃに達すると、変換装置３は、ＤＣバス１の電圧に基づいて蓄電池２を充電する。充電によりＤＣバス１の電圧が下がり、充放電停止電圧Ｖ_Ｓになると、充電停止となる。太陽光発電装置８の発電量と負荷電力との関係が同様であれば、その後再び、ＤＣバス１の電圧は上昇する。

また、定電圧電源装置７が停電しなくても、ＤＣバス１の電圧が、放電開始電圧Ｖ_Ｄ（＞Ｖ_ＦＬ）まで下がると、変換装置３は、蓄電池２を放電させてＤＣバス１に電圧を提供する。この結果、ＤＣバス１の電圧が上がり、充放電停止電圧Ｖ_Ｓになると、放電停止となる。その後も同じ状況であれば、同様に、蓄電池２からの放電が繰り返される。

このように、定電圧電源装置７側の制御部５０を用いて定電圧Ｖ_ＦをＶ_ＦＨ又はＶ_ＦＬに変化させても、図３に示すような、動作閾値をシフトするのと同じことができ、同様な作用効果を得ることができる。
すなわち、通常モードでの放電開始電圧Ｖ_Ｄ及び充電開始電圧Ｖ_Ｃを、放電モードではシフトするか、あるいは、放電開始電圧Ｖ_Ｄ及び充電開始電圧Ｖ_Ｃはそのままで、放電モードでの定電圧を、通常モードでの定電圧より変化させるか、いずれでもよい。また、これらを併用することも可能である。その他の各種モードに関しても同様である。

なお、蓄電池２の制限放電モードに関しても、変換装置５の出力電流を制限することにより、類似のことができる。この場合は、蓄電池２の出力を制限するというよりも、定電圧電源装置７から出力するが、その出力を制限することで、蓄電池２にもある程度出力を負担させるという意味合いになる。
図１４は、放電制御から制限放電制御にモード変更する状態での、ＤＣバス１の電圧及び充放電電力の変化を示すグラフである。時間ｔが、０〜ｔ１までは、定電圧電源装置７から負荷１１に電力が供給され、蓄電池２からは電力が出力されていない。時刻ｔ１において定電圧電源装置７からの出力を制限すると、蓄電池２からも出力が負荷１１に提供される。

このようにして、定電圧電源装置７と、蓄電池２とを併用した電力供給が可能である。ただし、図８に示す制御と比較すると、ＤＣバス１の電圧が揺れ動く点と、負担割合の計算が煩雑になるという若干の難しさはある。

《実用的なシステムの例》
図１５は、給電設備１００を含む給電システムの構成例を示す図である。図１で説明したように、給電設備１００は、例えば、ＤＣバス１、蓄電池２、双方向性の変換装置３、交流電源４、変換装置５、太陽光発電装置８、変換装置９、インバータ１０、負荷１１を備えている。４つの変換装置３，５，９，１０は、１つのマルチパワーコンディショナ１０１として構成することもできる。モードの切り替えを行う制御部は、例えば変換装置３又は５に内蔵することもできるし、マルチパワーコンディショナ１０１内に独立して設けることもできる。またさらに、ＤＣバス１に他の発電装置を拡張ユニット１０２として接続する場合もある。例えば、太陽光発電装置２１から変換装置２３を介して、あるいは、風力発電装置２２から変換装置２４を介して、それぞれＤＣバス１に電力を送り込むことができる。

《ピークシフト》
上記のような給電設備は、モード変更により、ピークシフトに対応することができる。例えば、１日の使用電力が図１６のように変化する需要家の場合、電力需要が多くなると予想される時間帯若しくは曜日に応じて節減の目標電力を設定する。そして、目標電力を超える時間帯は積極的に蓄電池の電力を活用し、蓄電池が失った電力は、例えば夜間電力を利用して充電するようにすれば、ピークシフトに容易に対応することができる。

《その他》
なお、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及び範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。

１ＤＣバス
２蓄電池
３変換装置
４交流電源
５変換装置
６ダイオード
７定電圧電源装置
８太陽光発電装置
９変換装置
１０インバータ
１１負荷
１２コンデンサ
２１太陽光発電装置
２２風力発電装置
２３，２４変換装置
３０制御部
３１変換部
３２電圧センサ
３３電流センサ
３４電圧センサ
５０制御部
５１同期整流回路
５２電圧センサ
５３電流センサ
５４電圧センサ
１００給電設備
１０１マルチパワーコンディショナ
１０２拡張ユニット
３１１コンデンサ
３１２，３１３スイッチング素子
３１４リアクトル
３１５コンデンサ

Claims

負荷に電力を供給する給電設備であって、
コンデンサによる容量を持つＤＣバスと、
蓄電池と、
前記ＤＣバスと前記蓄電池との間に介在する双方向性の変換装置と、
ダイオードを介して、電力を前記ＤＣバスに提供する定電圧電源装置と、
前記ＤＣバスの電圧が充電開始電圧Ｖ_Ｃ以上になると、前記変換装置に前記蓄電池の充電を開始させ、前記ＤＣバスの電圧が放電開始電圧Ｖ_Ｄ以下になると、前記変換装置に前記蓄電池から放電を開始させ、前記定電圧電源装置の電圧を定電圧Ｖ_Ｆとするとき、相対的な大小関係において、Ｖ_Ｄ＜Ｖ_Ｆ＜Ｖ_Ｃの関係にある通常モードからＶ_Ｆ＜Ｖ_Ｄ＜Ｖ_Ｃの関係にある放電モードへの移行を、前記変換装置の制御に関して、前記定電圧Ｖ _Ｆに対して前記充電開始電圧Ｖ _Ｃ及び前記放電開始電圧Ｖ _Ｄを相対的にシフトさせることにより実現する制御部と
を備えている給電設備。
前記制御部は、前記充電開始電圧Ｖ_Ｃ、前記放電開始電圧Ｖ_Ｄ、前記定電圧Ｖ_Ｆの相対的な大小関係において、さらに、Ｖ_Ｄ＜Ｖ_Ｃ＜Ｖ_Ｆの関係にある積極充電モードを選択して実現することが可能である請求項１に記載の給電設備。
前記放電モードにおいて、前記変換装置は、前記ＤＣバスへ供給する電流を一定値に制限する請求項１又は請求項２に記載の給電設備。
前記制御部は、前記放電モードで前記蓄電池の残量が所定値まで低下すると、前記積極充電モードを実行する請求項２に記載の給電設備。
前記変換装置が前記蓄電池の放電を停止させる前記ＤＣバスの電圧閾値を放電停止電圧Ｖ_Ｓとするとき、前記充電開始電圧Ｖ_Ｃとの関係は、Ｖ_Ｃ＞Ｖ_Ｓである請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の給電設備。
前記ＤＣバスに、前記定電圧電源装置とは別に、自然エネルギーを利用した発電装置が接続されている請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の給電設備。
時間に応じて前記制御部が、前記放電モードを選択して実行する請求項１〜請求項６のいずれか１項に記載の給電設備。
コンデンサによる容量を持つＤＣバスから負荷に電力を供給し、前記ＤＣバスと蓄電池との間に双方向性の変換装置が介在し、定電圧電源装置は、ダイオードを介して電力を前記ＤＣバスに提供するよう構成された給電設備の運転方法であって、
前記ＤＣバスの電圧が充電開始電圧Ｖ_Ｃ以上になると、前記変換装置が前記蓄電池の充電を開始し、前記ＤＣバスの電圧が放電開始電圧Ｖ_Ｄ以下になると、前記変換装置が前記蓄電池から放電を開始し、前記定電圧電源装置の電圧を電圧Ｖ_Ｆとするとき、
通常モードでは、相対的な大小関係において、Ｖ_Ｄ＜Ｖ_Ｆ＜Ｖ_Ｃの関係とし、
前記通常モードから放電モードに移行するときは、前記電圧Ｖ _Ｆに対して前記充電開始電圧Ｖ _Ｃ及び前記放電開始電圧Ｖ _Ｄを相対的にシフトさせることにより、前記放電モードでは、相対的な大小関係において、Ｖ_Ｆ＜Ｖ_Ｄ＜Ｖ_Ｃの関係とする、
給電設備の運転方法。
負荷に電力を供給する給電設備であって、
コンデンサによる容量を持つＤＣバスと、
蓄電池と、
前記ＤＣバスと前記蓄電池との間に介在する双方向性の変換装置と、
ダイオードを介して、電力を前記ＤＣバスに提供する定電圧電源装置と、
前記ＤＣバスの電圧が充電開始電圧Ｖ _Ｃ以上になると、前記変換装置に前記蓄電池の充電を開始させ、前記ＤＣバスの電圧が放電開始電圧Ｖ _Ｄ以下になると、前記変換装置に前記蓄電池から放電を開始させる第１の制御部と、
前記定電圧電源装置の電圧を電圧Ｖ _Ｆとするとき、相対的な大小関係において、Ｖ _Ｄ＜Ｖ _Ｆ＜Ｖ _Ｃの関係にある通常モードからＶ _Ｆ＜Ｖ _Ｄ＜Ｖ _Ｃの関係にある放電モードへの移行を、前記定電圧電源装置の制御に関して、前記充電開始電圧Ｖ _Ｃ及び前記放電開始電圧Ｖ _Ｄに対して前記電圧Ｖ _Ｆを相対的にシフトさせることにより実現する第２の制御部と
を備えている給電設備。