JP6306778B2

JP6306778B2 - 電気エネルギー蓄積装置

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Publication number: JP6306778B2
Application number: JP2017094579A
Authority: JP
Inventors: ウンヘキム
Original assignee: LSIS Co Ltd
Current assignee: LS Electric Co Ltd
Priority date: 2016-05-11
Filing date: 2017-05-11
Publication date: 2018-04-04
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Description

本発明は、電気エネルギー蓄積装置に関し、特にバッテリの放電時に放電された電気エネルギーが系統（grid）に供給されることを防止できる電気エネルギー蓄積装置に関する。

電気エネルギーは変換と伝送が容易であるので広く使用されている。電気エネルギーを効率的に使用するために、バッテリエネルギー蓄積システム（Battery Energy Storage System, BESS）を使用する。バッテリエネルギー蓄積システムは、商用電力系統（commercial grid）又は太陽光発電機や風力発電機などの発電機からの電気エネルギーをバッテリに充電する。また、バッテリエネルギー蓄積システムは、ローカル（local）負荷が電気エネルギーを必要とする場合、前記バッテリから充電された電気エネルギーを放電して前記負荷に供給する。

具体的には、バッテリと発電機とを含むバッテリエネルギー蓄積システムは次のように動作する。バッテリエネルギー蓄積システムは、負荷が重負荷（heavy load）の場合、蓄積された電気エネルギーを放電し、負荷が軽負荷（light load）の場合、発電機又は計器から供給される電気エネルギーを充電する。

バッテリエネルギー蓄積システムが発電機に関係なく独立して存在する場合、バッテリエネルギー蓄積システムは、外部の電力供給源から供給される遊休電力を充電する。また、負荷が重負荷の場合、バッテリエネルギー蓄積システムは、バッテリに充電された電気エネルギーを放電して電力を供給する。

電力供給が突然遮断されると、産業現場又は家庭の電気機器に故障が発生することがある。よって、電力供給システムの安定性が非常に重要とされている。一般に、電力供給システムは、一般住居地や勤務地から離れている遠隔地に設けられることが多い。よって、電力供給システムの一部に異常が発生した場合も電力供給システムが動作するようにする二重化システムが必要である。

一方、このようなバッテリエネルギー蓄積システムは、発電機又は系統から供給された電気エネルギーをバッテリに蓄積しておき、必要時に蓄積された電気エネルギーを放電して負荷に供給するシステムである。

独立型電気エネルギー蓄積装置は、放電時にローカル負荷にのみ電気エネルギーを供給し、系統には前記放電による電力供給が行われないようにしなければならない。

図８は従来技術による電気エネルギー蓄積装置を含む電気エネルギーシステムの構成を示すブロック図である。

図８を参照すると、従来技術による電気エネルギー蓄積装置５０を含む電気エネルギーシステムは、系統１０、発電機２０、第１負荷３０、第２負荷４０及び電気エネルギー蓄積装置５０を含む。

系統１０は、商用交流電力を供給するシステムであって、多くの発電所、変電所、送配電線及び負荷を含み、電力の発生、伝達及び利用が行われる。

第１負荷３０及び第２負荷４０は、系統１０又は発電機２０から電気エネルギーが供給されて電力を消費する。

第１負荷３０は、一般負荷である。

第２負荷４０は、臨界負荷（critical load）であり、使用者により設定される負荷であり得る。

より具体的には、第１負荷３０は、一般負荷であり、系統１０のみからエネルギーが供給されて電力を消費する。ここで、第１負荷３０は、様々な系統状況に応じて電力供給を中断できる負荷である。例えば、停電などの非常事態では、第１負荷３０にエネルギーが供給されない。第１負荷３０としては、複数の負荷のうち、系統状況に応じて電力供給の中断を許容できる負荷が設定される。

また、第２負荷４０は、いかなる系統状況であっても電力供給を維持しなければならない重要負荷であり、系統状況に応じてエネルギー供給源が変更される。第２負荷４０としては、複数の負荷のうち、常に正常に動作しなければならないものを中心とする負荷が使用者により設定される。

電気エネルギー蓄積装置５０は、第１スイッチ５１、バッテリ５２、充電器５３、インバータ５４、第２スイッチ５５及び第３スイッチ５６を含む。

第１スイッチ５１は、一端が系統１０及び発電機２０に接続され、他端が充電器５３に接続される。第２スイッチ５５は、一端がインバータ５４に接続され、他端が第２負荷４０に接続される。第３スイッチ５６は、一端が系統１０に接続され、他端が第２負荷４０に接続される。

充電器５３は、第１スイッチ５１を介して接続された系統１０又は発電機２０から電気エネルギーが供給され、バッテリ５２を充電するための充電電力を供給する。充電器５３は、交流を直流に変換するための整流回路を含んでもよい。

バッテリ５２は、充電器５３により変換されて供給される電気エネルギーを蓄積したり、前記蓄積された電気エネルギーを放電する。

インバータ５４は、バッテリ５２の放電により出力される直流電気エネルギーを交流電気エネルギーに変換して第２負荷４０に供給する。

このような電気エネルギー蓄積装置５０は、状況に応じて、バッテリ５２を充電したり、バッテリ５２に充電された電気エネルギー又は系統１０から供給される電気エネルギーを第２負荷４０に供給する。

一方、バッテリ５２の放電により第２負荷４０に電気エネルギーが供給される場合、第３スイッチ５６はオフ状態となり、第２スイッチ５５はオン状態となる。すなわち、バッテリ５２を放電する場合、系統１０と第２負荷４０との間の電力供給ラインは遮断されなければならず、バッテリ５２と第２負荷４０との間の電力供給ラインは電流の流れが許容されなければならない。また、バッテリ５２を放電する場合、第３スイッチ５６がオフ状態となり、バッテリ５２から放電される電気エネルギーが系統１０に流れないようにする。

しかし、このような従来技術による電気エネルギー蓄積装置５０においては、第３スイッチ５６のショートなどの故障が発生した場合、インバータ５４から出力された電気エネルギーが第３スイッチ５６を介して系統１０に流れることがあり、その逆潮流（系統１０に電気エネルギーが流れる現象）により系統１０でのエネルギーの流れが不安定になり、電気エネルギー蓄積装置５０の信頼性を大きく低下させるという問題があった。

本発明の目的は、電気エネルギー蓄積装置に備えられたバッテリの放電時にその放電による電力が系統に流れる逆潮流現象を正確かつ迅速に検知できる電気エネルギー蓄積装置を提供することにある。

本発明の他の目的は、電気エネルギー蓄積装置に逆潮流が発生するとインバータの駆動を停止させて逆潮流の供給を遮断することにより信頼性の低下を防止できる電気エネルギー蓄積装置を提供することにある。

本発明のさらに他の目的は、系統に接続されるスイッチを複数備え、逆潮流が発生すると補助スイッチを制御して系統に供給される電力を遮断すると共に負荷には正常な電力が供給されるようにした電気エネルギー蓄積装置を提供することにある。

本発明の上記目的は、系統から供給される第１電気エネルギーと発電機から供給される第２電気エネルギーとの少なくとも一方の電気エネルギーを蓄積し、前記蓄積された電気エネルギー又は前記系統と前記発電機との少なくとも一方から供給される電気エネルギーを負荷に供給する電気エネルギー蓄積装置であって、前記蓄積された電気エネルギーを前記負荷に供給する動作モードで、前記系統に流れる電気エネルギーの大きさを検知し、前記検知された電気エネルギーの大きさが予め設定された第１閾値を超えると選択的に前記蓄積された電気エネルギーの出力を遮断するように構成される、本発明による電気エネルギー蓄積装置を提供することにより達成することができる。

本発明の好ましい一態様によれば、前記電気エネルギー蓄積装置は、前記系統と前記発電機とのいずれか一方から供給される電気エネルギーを蓄積し、前記蓄積された電気エネルギーを選択的に出力するバッテリと、前記系統及び前記発電機の接続ノードと前記バッテリとの間に配置される第１スイッチと、前記バッテリと前記負荷との間に配置される第２スイッチと、前記系統と前記負荷との間に配置される第３スイッチと、前記系統と前記第３スイッチとの間に配置され、前記配置された位置での電気エネルギーの状態を検知する第１検知部と、前記第３スイッチがオフになった状態で、前記第１検知部により前記系統に電気エネルギーが流れるか否かを検知し、前記検知の結果に応じて選択的に前記バッテリの放電動作を停止させる制御部とを含む。

本発明の好ましい他の態様によれば、前記電気エネルギー蓄積装置の動作モードは、前記第１電気エネルギーを前記バッテリに充電させる第１動作モードと、前記第２電気エネルギーを前記バッテリに充電させる第２動作モードと、前記第１電気エネルギーを前記負荷に供給し、前記第２電気エネルギーを前記バッテリに充電させる第３動作モードと、前記第１電気エネルギーを前記負荷に供給する第４動作モードと、前記バッテリに蓄積された電気エネルギーを前記負荷に供給する第５動作モードとの少なくとも１つを含む。

本発明の好ましいさらに他の態様によれば、前記制御部は、前記第５動作モードで前記第１検知部により検知される電気エネルギーの大きさに基づいて、前記系統に流れる電気エネルギーが存在するか否かを検知するように構成される。

本発明の好ましいさらに他の態様によれば、前記電気エネルギー蓄積装置は、前記第２スイッチと前記負荷との間に配置され、前記配置された位置での電気エネルギーの状態を検知する第２検知部をさらに含み、前記制御部は、前記第２検知部により検知される電気エネルギーの状態に基づいて、前記系統に流れる電気エネルギーが存在するか否かを検知するように構成される。

本発明の好ましいさらに他の態様によれば、前記制御部は、前記第２検知部により検知された電気エネルギーの大きさが予め設定された第２閾値以下に減少すると、前記系統に前記電気エネルギーが流れたと判断し、前記負荷への電気エネルギーの供給を中断するように構成される。

本発明の好ましいさらに他の態様によれば、前記第３スイッチは、前記系統と前記負荷との間に配置されて互いに直列に接続されたメインスイッチ及び補助スイッチを含み、前記第１検知部は、前記メインスイッチと前記補助スイッチとの間に配置される。

本発明の好ましいさらに他の態様によれば、前記制御部は、前記第１検知部により検知された電気エネルギーの大きさが前記第１閾値を超えると、前記補助スイッチのスイッチング状態を切り替える。

本発明の好ましいさらに他の態様によれば、前記補助スイッチは、前記第１〜第５動作モードでオン状態を維持し、前記電気エネルギーの大きさが前記第１閾値を超えるとオフ状態に切り替えられるように構成される。

本発明の好ましいさらに他の態様によれば、前記電気エネルギー蓄積装置は、前記系統と前記補助スイッチとの間に配置される第３検知部をさらに含み、前記制御部は、前記第３検知部により検知された電気エネルギーの大きさが前記第１閾値を超えると、前記負荷への電気エネルギーの供給を中断するように構成される。

本発明によれば、バッテリの放電時にその放電による電力が系統に流れる逆潮流現象を正確かつ迅速に検知し、逆潮流が発生するとインバータの駆動を停止させることにより、逆潮流に起因する、系統でのエネルギーの流れが不安定になる問題を解決し、電気エネルギー蓄積装置の信頼性を向上させることができる。

また、本発明によれば、系統に接続されるスイッチをメインスイッチと補助スイッチとから構成し、逆潮流が発生すると、補助スイッチを制御することにより、前記系統に供給される電力を遮断すると共に、負荷に正常な電力が供給されるようにし、使用者の満足度を向上させることができる。

本発明の第１実施形態による電気エネルギー蓄積装置の構成を示すブロック図である。図１に示す電気エネルギー蓄積装置における第１動作モードでの電気エネルギーの流れを示すブロック図である。図１に示す電気エネルギー蓄積装置における第２動作モードでの電気エネルギーの流れを示すブロック図である。図１に示す電気エネルギー蓄積装置における第３動作モードでの電気エネルギーの流れを示すブロック図である。図１に示す電気エネルギー蓄積装置における第４動作モードでの電気エネルギーの流れを示すブロック図である。図１に示す電気エネルギー蓄積装置における第５動作モードでの電気エネルギーの流れを示すブロック図である。本発明の第２実施形態による電気エネルギー蓄積装置の構成を示すブロック図である。従来技術による電気エネルギー蓄積装置の構成を示すブロック図である。

以下、添付図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。しかし、本発明は、ここに説明する実施形態に限定されるものではなく、様々な形態で実現することができる。なお、本発明をより明確に説明するために、図面において説明と関係ない部分は省略し、明細書全体にわたって同一又は類似の構成要素には同一又は類似の符号を付す。

本明細書において、「含む」や「構成される」などの用語は、明細書に記載された様々な構成要素の全てを必ず含むものと解釈されてはならず、そのうち一部の構成要素を含まないこともあり、追加の構成要素をさらに含むこともあるものと解釈されるべきである。

本発明による電気エネルギー蓄積装置においては、バッテリの放電により電気エネルギーを負荷に供給する場合、系統に電気エネルギーが流れる逆潮流が発生したか否かを正確に検知し、前記検知の結果に基づいて前記系統に流れる電気エネルギーを遮断する。

図１は本発明の第１実施形態による電気エネルギー蓄積装置の構成を示すブロック図であり、図２〜図６は図１に示す電気エネルギー蓄積装置における動作状態に応じた電気エネルギーの流れを示すブロック図である。

図１を参照すると、本発明の第１実施形態による電気エネルギー蓄積装置１５０を含む電気エネルギーシステムは、系統１１０、発電機１２０、第１負荷１３０、第２負荷１４０及び電気エネルギー蓄積装置１５０を含む。

本発明の第１実施形態による電気エネルギー蓄積装置１５０は、第１スイッチ１５１、バッテリ１５２、充電器１５３、インバータ１５４、第２スイッチ１５５、第３スイッチ１５６、制御部１５７、第１検知部１５９及び第２検知部１５８を含む。

系統１１０は、商用交流電力を供給するシステムであって、発電所、変電所、送配電線及び負荷を含み、電力の発生、伝達及び利用が行われる。

第１負荷１３０は、一般負荷であり、系統１１０から供給される電気エネルギーを受け取り、前記受け取った電気エネルギーを消費する。

第２負荷１４０は、系統１１０から供給される電気エネルギー又はバッテリ１５２の放電により供給される電気エネルギーを受け取り、前記受け取った電気エネルギーを消費する。第２負荷１４０は、臨界負荷であり、使用者により任意に設定される負荷であり得る。

発電機１２０は、発電動作により電気エネルギーを生成し、前記生成された電気エネルギーを供給する。発電機１２０には太陽光発電機、風力発電機、水力発電機などがある。

同図においては発電機１２０が太陽光発電機である場合を示すが、これは一実施形態にすぎず、発電機１２０は太陽光発電機以外の他の発電機であってもよい。

発電機１２０が太陽光発電機である場合、発電機１２０は、太陽電池アレイ（solar cell array）及び前記太陽電池アレイから供給される直流電力を交流電力に変換して出力するＰＣＵ（Power Conversion Unit）を含む。よって、発電機１２０は、前記太陽電池アレイにより蓄積された電気エネルギーを利用して交流電力を供給することができる。ここで、前記太陽電池アレイは、複数の太陽電池モジュールを組み合わせたものであり、前記太陽電池モジュールは、複数の太陽電池セルを直列又は並列に接続して光エネルギーを電気エネルギーに変換して所定の電圧及び電流を発生する装置である。よって、前記太陽電池アレイは、光エネルギーを電気エネルギーに変換する。

なお、発電機１２０が風力発電機である場合、発電機１２０は、風力エネルギーを電気エネルギーに変換するファンを含む。

電気エネルギー蓄積装置１５０は、系統１１０及び発電機１２０から供給される電気エネルギーを蓄積したり、系統１１０から供給される電気エネルギー又は前記蓄積された電気エネルギーを第２負荷１４０に供給する。

このために、電気エネルギー蓄積装置１５０は、第１スイッチ１５１、バッテリ１５２、充電器１５３、インバータ１５４、第２スイッチ１５５、第３スイッチ１５６、制御部１５７、第１検知部１５９及び第２検知部１５８を含む。

第１スイッチ１５１は、入力端が系統１１０及び発電機１２０のいずれかに選択的に接続され、出力端が充電器１５３に接続される。

第１スイッチ１５１は、バッテリ１５２に充電電力を供給する供給源を選択するために選択的にスイッチングされる。

第１スイッチ１５１が系統１１０に接続されている場合、充電器１５３には系統１１０から供給される電気エネルギーが伝達される。また、第１スイッチ１５１が発電機１２０に接続されている場合、充電器１５３には発電機１２０から供給される電気エネルギーが伝達される。さらに、第１スイッチ１５１が系統１１０にも発電機１２０にも接続されていない場合、充電器１５３には電気エネルギーが供給されない。

充電器１５３は、一端が第１スイッチ１５１の出力端に接続され、他端がバッテリ１５２に接続される。

充電器１５３は、第１スイッチ１５１を介して供給される電気エネルギーを受け取り、前記受け取った電気エネルギーを交流から直流に変換してバッテリ１５２に供給する。

このために、充電器１５３は、受け取った交流電気エネルギーをバッテリ１５２に蓄積可能な直流電気エネルギーに変換する整流回路部などのＡＣ−ＤＣコンバータ（図示せず）を含んでもよい。

また、充電器１５３は、前記ＡＣ−ＤＣコンバータに加え、供給する電圧の大きさを調整するためのＤＣ−ＤＣコンバータ（図示せず）をさらに含んでもよい。

充電器１５３のＡＣ−ＤＣコンバータ及びＤＣ−ＤＣコンバータは、制御部１５７の制御により、選択的にいずれか一方のみ動作するようにしてもよく、両方とも動作するようにしてもよい。

バッテリ１５２は、充電器１５３により変換された直流電力を蓄積する。バッテリ１５２は、複数のバッテリセルから構成されたバッテリパックを含んでもよい。ここで、前記バッテリパックの複数のバッテリセルは、安定性、寿命向上及び高出力のために電圧を均一に維持する必要がある。よって、電気エネルギー蓄積装置１５０は、バッテリ制御装置（図示せず）をさらに含んでもよい。前記バッテリ制御装置は、前記バッテリパックの複数のバッテリセルを充電又は放電することにより各バッテリセルが均一な電圧を有するように適宜制御する。

しかし、前記複数のバッテリセルは内部インピーダンスの変化などの様々な要因により平衡状態を安定して維持することが困難である。よって、バッテリ管理システム（Battery Management System, BMS）は、前記複数のバッテリセルの充電状態を平衡化するためのバランシング機能を有する。例えば、前記バッテリパックの複数のバッテリセルの放電率の違いにより、時間が経過するにつれて前記バッテリパックの複数のバッテリセルの残容量（State Of Charge, SOC）の違いが発生することがある。このような複数のバッテリセルの容量の不均衡を解消するために、前記複数のバッテリセル毎に充電及び／又は放電のための回路をさらに含むようにしてもよい。

前記バッテリパックの複数のバッテリセルの電圧を一定に維持するために、バッテリ１５２は、前記バッテリ管理システムにより管理されるようにしてもよい。前記バッテリ管理システムは、制御部１５７内に含まれるようにしてもよい。また、バッテリ１５２は、制御部１５７の制御により、一定の電圧の電気エネルギーを放電する。

例えば、制御部１５７は、前記バッテリセルの電圧を検出し、前記バッテリセルの電圧が予め設定された下限値以下に下降すると、充電のためにバッテリ１５２に直流電力を供給し、前記バッテリセルの電圧が予め設定された上限値以上に上昇すると、放電のためにバッテリ１５２から直流電力が出力されるように制御する。

インバータ１５４は、制御部１５７の制御により動作し、バッテリ１５２から出力される直流電気エネルギーを第２負荷１４０に必要な交流電気エネルギーに変換する。

第２スイッチ１５５は、インバータ１５４と第２負荷１４０間に配置され、インバータ１５４を介して出力される電気エネルギーの供給経路を開閉する。

第２スイッチ１５５は、双方向スイッチで構成されてもよい。

第２スイッチ１５５は、一端がインバータ１５４の出力端に接続され、他端が第２負荷１４０の入力端に接続される。

第２スイッチ１５５は、バッテリ１５２からの電力供給のためにインバータ１５４を動作させる場合、制御部１５７の制御によりオン状態に動作（とりわけ、双方向スイッチのうち第２負荷側への電流の流れを許容するスイッチがオン状態に動作）して、インバータ１５４により変換された電気エネルギーを第２負荷１４０に供給する。

また、第２スイッチ１５５は、バッテリ１５２の充電動作のためにインバータ１５４の動作を停止させる場合、制御部１５７の制御によりオフ状態に動作して、インバータ１５４から第２負荷１４０への電力供給を遮断する。

第３スイッチ１５６は、系統１１０と第２負荷１４０間に配置（接続）され、系統１１０から第２負荷１４０に供給される電気エネルギーの供給経路を開路又は閉路する。

よって、第３スイッチ１５６は、一端が系統１１０に接続され、他端が第２負荷１４０の入力端に接続される。

第３スイッチ１５６は、双方向スイッチで構成されてもよい。

第３スイッチ１５６は、系統１１０から供給される電気エネルギーを第２負荷１４０に供給する場合、制御部１５７の制御によりオン状態に動作（とりわけ、双方向スイッチのうち第２負荷側への電流の流れを許容するスイッチがオン状態に動作）して、系統１１０から供給される電気エネルギーを第２負荷１４０に供給する。

また、第３スイッチ１５６は、系統１１０からの電気エネルギーを第２負荷１４０に供給しない場合、制御部１５７の制御によりオフ状態に動作して、系統１１０と第２負荷１４０間の電力供給経路を遮断する。

第２検知部１５８は、第２スイッチ１５５と第２負荷１４０間に配置（接続）され、第２スイッチ１５５を介して第２負荷１４０に供給される電気エネルギーの状態を検知する。

ここで、第２検知部１５８は、電圧センサで構成されて第２負荷１４０に供給される電気エネルギーの電圧を検知するようにしてもよく、電流センサで構成されて第２負荷１４０に供給される電気エネルギーの電流を検知するようにしてもよい。

また、第２検知部１５８は、前記検知された電気エネルギーの状態に関する情報を制御部１５７に伝達する。

第１検知部１５９は、系統１１０と第３スイッチ１５６間に配置（接続）され、系統１１０と第３スイッチ１５６間の電力ラインを流れる電気エネルギーの状態を検知する。

第３スイッチ１５６のオン状態で、第１検知部１５９は、系統１１０から第２負荷１４０に供給される電気エネルギーの状態を検知する。

また、第３スイッチ１５６のオフ状態（とりわけ、双方向スイッチのうち、第２負荷側に通電させるスイッチはオフ状態、系統側に通電させるスイッチはオン状態）で、第１検知部１５９は、第３スイッチ１５６を介して系統１１０に流れる電気エネルギーの状態を検知する。

第１検知部１５９は、第２検知部１５８と同様に、電圧センサで構成されてもよく、電流センサで構成されてもよい。

制御部１５７は、電気エネルギー蓄積装置１５０の全体動作を制御する。

特に、制御部１５７は、第１スイッチ１５１、第２スイッチ１５５及び第３スイッチ１５６のスイッチング状態（すなわち、スイッチング）を制御する。

また、制御部１５７は、充電器１５３及びインバータ１５４の電力変換動作を制御する。

すなわち、制御部１５７は、電気エネルギー蓄積装置１５０の動作モードに基づいて、第１スイッチ１５１、第２スイッチ１５５及び第３スイッチ１５６のスイッチング状態と、充電器１５３及びインバータ１５４の電力変換動作を制御する。

電気エネルギー蓄積装置１５０の動作モードは、第１〜第５動作モードを含む。

以下、図２〜図６を参照して、電気エネルギー蓄積装置１５０の第１〜第５動作モードについて説明する。

図２を参照すると、第１動作モードは、バッテリ１５２を充電させる第１充電モードである。

より具体的には、第１動作モードは、系統１１０から供給される電気エネルギーを利用してバッテリ１５２を充電させる第１充電モードである。

このために、制御部１５７は、第１スイッチ１５１を制御して充電器１５３を系統１１０に接続する。こうすることにより、充電器１５３は、第１スイッチ１５１を介して接続された系統１１０から交流電気エネルギーを受け取り、前記受け取った交流電気エネルギーをバッテリ１５２の充電のための直流電気エネルギーに電力変換する。

このとき、制御部１５７は、第２スイッチ１５５と第３スイッチ１５６がオフ状態となるように制御する。こうすることにより、第２スイッチ１５５と第３スイッチ１５６の後段（次のステージ）、すなわち第２負荷１４０への電気エネルギーの供給が遮断される。

前記第１動作モードでは、系統１１０から第１スイッチ１５１及び充電器１５３を介してバッテリ１５２に充電電力が供給される、図２の点線矢印で示すような電気エネルギーの流れが生じる。

前記第１動作モードは、発電機１２０で発電が行われず、第２負荷１４０が電気エネルギーを必要とせず、系統１１０から供給される電気エネルギーが存在し、バッテリ１５２の充電を必要とする場合に実行される。

図３を参照すると、第２動作モードは、バッテリ１５２を充電させる第２充電モードである。

より具体的には、第２動作モードは、発電機１２０から供給される電気エネルギーを利用してバッテリ１５２を充電させる第２充電モードである。

このために、制御部１５７は、第１スイッチ１５１を制御して充電器１５３を発電機１２０に接続する。こうすることにより、充電器１５３は、第１スイッチ１５１を介して接続された発電機１２０から電気エネルギーを受け取り、前記受け取った電気エネルギーを利用してバッテリ１５２の充電のための電力変換動作を行う。

ここで、発電機１２０が太陽光発電機である場合、電気エネルギーは直流エネルギーであるので、制御部１５７の制御により充電器１５３のＤＣ−ＤＣコンバータが選択的に動作して受け取った直流電気エネルギーの電圧を昇圧又は降圧してバッテリ１５２に供給するようにしてもよい。

前記第２動作モードでは、発電機１２０から第１スイッチ１５１及び充電器１５３を介してバッテリ１５２に充電電力が供給される、図３の点線矢印で示すような電気エネルギーの流れが生じる。

前記第２動作モードは、発電機１２０で発電が行われ、系統１１０から供給される電気エネルギーの料金が高く、第２負荷１４０が電気エネルギーを必要とせず、バッテリ１５２の充電を必要とする場合に実行される。

図４を参照すると、第３動作モードは、バッテリ１５２を充電させると共に第２負荷１４０に電気エネルギーを供給する充電及び供給モードである。

より具体的には、第３動作モードは、発電機１２０から供給される電気エネルギーを利用してバッテリ１５２を充電させると共に、系統１１０から供給される電気エネルギーを利用して第２負荷１４０に電気エネルギーを供給するモードである。

ここで、発電機１２０が太陽光発電機である場合、電気エネルギーは直流エネルギーであるので、制御部１５７の制御により充電器１５３のＤＣ−ＤＣコンバータが選択的に動作して受け取った直流電気エネルギーの電圧を昇圧又は降圧してバッテリ１５２に供給して充電させるようにしてもよい。

このとき、制御部１５７は、第２スイッチ１５５を制御してオフ状態に動作させ、第３スイッチ１５６（とりわけ、双方向スイッチのうち、第２負荷側に通電させるスイッチ、すなわち図４における上のスイッチ）を制御してオン状態に動作させる。第２スイッチ１５５がオフ状態となることにより、インバータ１５４と第２負荷１４０間の電力ラインは接続が遮断される。また、第３スイッチ１５６がオン状態となることにより、系統１１０と第２負荷１４０間の電力ラインは接続される。

前記第３動作モードでは、発電機１２０から第１スイッチ１５１及び充電器１５３を介してバッテリ１５２に充電電力が供給される、図４の下の点線矢印で示すような電気エネルギーの流れが生じる。また、前記第３動作モードでは、系統１１０から第３スイッチ１５６を介して第２負荷１４０に電気エネルギーが供給される、図４の上の点線矢印で示すような電気エネルギーの流れが生じる。

前記第３動作モードは、バッテリ１５２の充電を必要とし、第２負荷１４０への電気エネルギーの供給を必要とする場合に実行される。

図５を参照すると、第４動作モードは、第２負荷１４０に電気エネルギーを供給する供給モードである。

より具体的には、第４動作モードは、系統１１０から供給される電気エネルギーを利用して第２負荷１４０に電気エネルギーを供給するモードである。

このために、制御部１５７は、第１スイッチ１５１を制御して充電器１５３を発電機１２０にも系統１１０にも接続されないように分離（isolation）する。

このとき、制御部１５７は、第２スイッチ１５５を制御してオフ状態に動作させ、第３スイッチ１５６（とりわけ、双方向スイッチのうち、第２負荷側に通電させるスイッチ、すなわち図５における上のスイッチ）を制御してオン状態に動作させる。第２スイッチ１５５がオフ状態となることにより、インバータ１５４と第２負荷１４０間の電力ラインは接続が遮断される。また、第３スイッチ１５６がオン状態となることにより、系統１１０と第２負荷１４０間の電力ラインは接続される。

前記第４動作モードでは、系統１１０から第３スイッチ１５６を介して第２負荷１４０に電気エネルギーが供給される、図５の点線矢印で示すような電気エネルギーの流れが生じる。

前記第４動作モードは、バッテリ１５２の充電を必要とせず、第２負荷１４０への電気エネルギーの供給を必要とする場合に実行される。

図６を参照すると、第５動作モードは、第２負荷１４０にバッテリ１５２からの電気エネルギーを供給する供給モードである。

より具体的には、第５動作モードは、バッテリ１５２の放電動作によりバッテリ１５２に蓄積された電気エネルギーを利用して第２負荷１４０に電気エネルギーを供給するモードである。

このために、制御部１５７は、第１スイッチ１５１を制御して充電器１５３を発電機１２０及び系統１１０から分離する。すなわち、制御部１５７は、第１スイッチ１５１を制御して第１スイッチ１５１の入力端が発電機１２０と系統１１０のどちらにも接続されないようにする。

このとき、制御部１５７は、第３スイッチ１５６を制御してオフ状態に動作させ、第２スイッチ１５５（とりわけ、双方向スイッチのうち、第２負荷側に通電させるスイッチ、すなわち図６における上のスイッチ）を制御してオン状態に動作させる。第３スイッチ１５６がオフ状態となることにより、系統１１０と第２負荷１４０間の電力ラインは接続が遮断される。また、第２スイッチ１５５がオン状態となることにより、インバータ１５４と第２負荷１４０間の電力ラインは接続される。

前記第５動作モードでは、バッテリ１５２からインバータ１５４及び第２スイッチ１５５を介して第２負荷１４０に電気エネルギーが供給される、図５の点線矢印で示すような電気エネルギーの流れが生じる。

前記第５動作モードは、バッテリ１５２の充電を必要とせず、第２負荷１４０への電気エネルギーの供給を必要とし、系統１１０から正常な電気エネルギーが供給されない場合に実行される。

一方、制御部１５７は、第１検知部１５９及び第２検知部１５８から送られる検知情報を受信する。また、制御部１５７は、前記受信した検知情報に基づいて第３スイッチ１５６の状態を確認する。

バッテリ１５２が放電されてインバータ１５４が動作する場合は第３スイッチ１５６がオフ状態にある。この場合、第３スイッチ１５６の短絡などの故障が発生すると、インバータ１５４を介して出力された電気エネルギーの少なくとも一部が第３スイッチ１５６（とりわけ、双方向スイッチのうち、系統側に通電させるスイッチ）を介して系統１１０に流れることがある。

このように系統１１０に電気エネルギーが流れる逆潮流が発生すると、第１検知部１５９及び第２検知部１５８により検知される電気エネルギーの状態、すなわち電気エネルギーの大きさに変化が発生する。

例えば、このようにインバータ１５４が動作する場合、第３スイッチ１５６がオフ状態にあるので、系統１１０と第３スイッチ１５６間の電力ラインは遮断された状態となる。しかし、第３スイッチ１５６の短絡などの故障が発生すると、遮断されなければならない系統１１０と第３スイッチ１５６間の電力ラインが接続され、それにより系統１１０に電気エネルギーが流れる逆潮流が発生することがある。

よって、制御部１５７は、第１検知部１５９から送られる検知情報を受信し、前記受信した検知情報に基づいて逆潮流が発生したか否かを判断する。より具体的には、制御部１５７は、第１検知部１５９により所定の閾値以上の電流又は電圧が検知された場合、第３スイッチ１５６の故障が発生したと判断し、系統１１０に電気エネルギーが流れないようにする。

つまり、制御部１５７は、第１検知部１５９により所定の閾値以上の電流又は電圧が検知されると、インバータ１５４の動作を停止させることにより、バッテリ１５２の放電動作を停止させる。

すなわち、第３スイッチ１５６の故障が発生すると、制御部１５７は、インバータ１５４の電力変換動作を停止させてバッテリ１５２の放電動作を停止させることにより、第３スイッチ１５６を介した系統１１０への電気エネルギーの流れが中断されるようにする。

一方、制御部１５７は、第２検知部１５８から送られる検知情報に基づいて第３スイッチ１５６の状態及び逆潮流の発生を検知する。

すなわち、インバータ１５４は制御部１５７の制御により所定の大きさの電気エネルギーを出力するが、第３スイッチ１５６の故障により系統１１０に電気エネルギーが流れると、第２負荷１４０に供給される電気エネルギーが減少する。

よって、制御部１５７は、第２検知部１５８から送られる検知情報を受信し、それに基づいて第２負荷１４０に供給される電気エネルギーの大きさが予め設定された基準値以下に減少したか否かを判断する。

そして、制御部１５７は、第２負荷１４０に供給される電気エネルギーの大きさが前記基準値以下に減少すると、第３スイッチ１５６の故障が発生したと判断し、系統１１０に電気エネルギーが流れないように動作する。

すなわち、図６に示すような前記第５動作モードで、制御部１５７は、第２検知部１５８により検知された電気エネルギーの大きさが前記基準値以下になると、インバータ１５４の動作を停止させることにより、バッテリ１５２の放電動作を停止させる。つまり、電気エネルギー蓄積装置１５０の動作モードは、第６動作モードをさらに含み、前記第６動作モードは、前述したように系統１１０に流れる電気エネルギーを遮断するために、インバータ１５４の動作を停止させることによりバッテリ１５２の放電動作を停止させるモードである。

前述したように、制御部１５７は、第１検知部１５９と第２検知部１５８の少なくとも一方から検知情報を受信し、前記受信した検知情報に基づいて系統１１０に電気エネルギーが流れる逆潮流が発生したか否かを検知し、前記逆潮流が検知されると、インバータ１５４の電力変換動作を停止させてバッテリ１５２の放電動作を停止させる。

本発明の第１実施形態によれば、バッテリ１５２の放電時にその放電による電力が系統に流れる逆潮流現象を正確かつ迅速に検知し、逆潮流が発生するとインバータ１５４の駆動を停止させることにより、逆潮流に起因する、系統１１０でのエネルギーの流れが不安定になる問題を解決し、電気エネルギー蓄積装置１５０の信頼性を向上させることができる。

一方、このような第１実施形態においては、第３スイッチ１５６の故障により系統１１０に電気エネルギーが流れるか否かを検知することができ、前記検知の結果に基づいて系統１１０に流れる電気エネルギーを効率的に遮断することができる。

しかし、第１実施形態においては、系統１１０に流れる電気エネルギーを遮断することはできるが、第２負荷１４０に供給される電気エネルギーも遮断することになる。

そこで、第２実施形態においては、逆潮流の発生時に、系統に流れる電気エネルギーを遮断しながらも、第２負荷には正常な電気エネルギーが供給されるようにする方法を提示する。

図７は本発明の第２実施形態による電気エネルギー蓄積装置の構成を示すブロック図である。

図７を参照すると、本発明の第２実施形態による電気エネルギー蓄積装置２５０を含む電気エネルギーシステムは、系統２１０、発電機２２０、第１負荷２３０、第２負荷２４０及び電気エネルギー蓄積装置２５０を含む。

本発明の第２実施形態による電気エネルギー蓄積装置２５０は、第１スイッチ２５１、バッテリ２５２、充電器２５３、インバータ２５４、第２スイッチ２５５、第３スイッチ２５６、制御部２５７、第１検知部２５９及び第２検知部２５８を含む。また、本発明の第２実施形態による電気エネルギー蓄積装置２５０は、第４スイッチ２６０及び第３検知部２６１をさらに含む。

本発明の第２実施形態による電気エネルギー蓄積装置２５０において、第１スイッチ２５１、バッテリ２５２、充電器２５３、インバータ２５４、第２スイッチ２５５、第３スイッチ２５６、制御部２５７、第１検知部２５９及び第２検知部２５８は、上記第１実施形態と同じ動作を行うので、その具体的な説明は省略する。

よって、本発明の第２実施形態においては、上記第１実施形態とは異なる第４スイッチ２６０及び第３検知部２６１についてのみ説明する。

第４スイッチ２６０は、系統２１０と第２負荷２４０間の電力供給経路を開路又は閉路する補助スイッチである。

第４スイッチ２６０は、制御部２５７の制御によりスイッチングされ、正常状態でオン状態を維持する。ここで、正常状態とは、第３スイッチ２５６が正常に動作する状態、すなわち第３スイッチ２５６の短絡などの故障が発生していない状態を意味する。また、第４スイッチ２６０は、異常状態で選択的にオフ状態にスイッチングされる。

つまり、第４スイッチ２６０は、第３スイッチ２５６が正常に動作しない状態で、第３スイッチ２５６の動作を代わりに行う。

すなわち、制御部２５７は、前述したように、逆潮流が発生していないときは第４スイッチ２６０のオン状態を継続して維持する。

また、制御部２５７は、逆潮流が発生すると、第３スイッチ２５６が正常に動作しなくなるので、第４スイッチ２６０をオフ状態に切り替えて系統２１０に流れる電気エネルギーを遮断する。

このとき、第４スイッチ２６０により系統２１０に流れる電気エネルギーが遮断されるので、制御部２５７は、バッテリ２５２の放電動作及びインバータ２５４の電力変換動作を継続して行わせる。

つまり、電気エネルギー蓄積装置２５０の動作モードは、前述した第１〜第６動作モードに加え、第４スイッチ２６０のスイッチング状態が切り替えられる第７動作モードをさらに含む。

すなわち、前記第５動作モードで第３スイッチ２５６の動作状態の異常により系統２１０に電気エネルギーが流れると、電気エネルギー蓄積装置２５０は、第４スイッチ２６０により系統２１０に流れる電気エネルギーを遮断してバッテリ２５２の放電動作を維持させる第７動作モードで動作する。

第４スイッチ２６０は、前記第１〜第６動作モードでは、常にオン状態を維持し、前記第７動作モードでは、第３スイッチ２５６の機能を代わりに行い、それによりオン状態からオフ状態に切り替えられる。

前述したように、本発明の第２実施形態においては、系統２１０と第３スイッチ２５６間に第４スイッチ２６０をさらに配置し、第３スイッチ２５６が正常に動作しない状況で第４スイッチ２６０を制御して系統２１０に流れる電気エネルギーを遮断する。

一方、第４スイッチ２６０も第３スイッチ２５６のように、例えば短絡などの故障が発生することがある。よって、制御部２５７は、第４スイッチ２６０がオフ状態にある場合、第３検知部２６１から送られる検知情報を受信し、それにより第４スイッチ２６０のオフ状態でも系統２１０に電気エネルギーが流れるか否かを判断する。

そして、制御部２５７は、第４スイッチ２６０のオフ状態で、系統２１０に電気エネルギーが流れないと、バッテリ２５２の放電動作及びインバータ２５４の電力変換動作を維持させる。

また、制御部２５７は、第４スイッチ２６０のオフ状態で、系統２１０に電気エネルギーが流れ続けると、第４スイッチ２６０にも異常が発生したと判断し、インバータ２５４の電力変換動作を停止させてバッテリ２５２の放電動作を停止させる。

このような本発明の第２実施形態によれば、系統に接続されるスイッチをメインスイッチと補助スイッチとから構成し、逆潮流が発生すると、補助スイッチを制御することにより、前記系統に供給される電力を遮断すると共に、負荷に正常な電力が供給されるようにし、使用者の満足度を向上させることができる。

１１０系統
１２０発電機
１３０第１負荷
１４０第２負荷
１５０電気エネルギー蓄積装置
１５１第１スイッチ
１５２バッテリ
１５３充電器
１５４インバータ
１５５第２スイッチ
１５６第３スイッチ
１５７制御部
１５８第２検知部
１５９第１検知部

Claims

系統から供給される第１電気エネルギーと発電機から供給される第２電気エネルギーとの少なくとも一方の電気エネルギーを蓄積し、前記蓄積された電気エネルギー又は前記系統と前記発電機との少なくとも一方から供給される電気エネルギーを負荷に供給する電気エネルギー蓄積装置であって、
前記蓄積された電気エネルギーを前記負荷に供給する動作モードで、前記系統に流れる電気エネルギーの大きさを検知し、前記検知された電気エネルギーの大きさが予め設定された第１閾値を超えると選択的に前記蓄積された電気エネルギーの出力を遮断するように構成され、
前記系統と前記発電機とのいずれか一方から供給される電気エネルギーを蓄積し、前記蓄積された電気エネルギーを選択的に出力するバッテリと、
前記系統及び前記発電機の接続ノードと前記バッテリとの間に配置される第１スイッチと、
前記バッテリと前記負荷との間に配置される第２スイッチと、
前記系統と前記負荷との間に配置される第３スイッチと、
前記系統と前記第３スイッチとの間に配置され、前記配置された位置での電気エネルギーの状態を検知する第１検知部と、
前記第３スイッチがオフになった状態で、前記第１検知部により前記系統に電気エネルギーが流れるか否かを検知し、前記検知の結果に応じて選択的に前記バッテリの放電動作を停止させる制御部と、を含み、
前記電気エネルギー蓄積装置の動作モードは、
前記第１電気エネルギーを前記バッテリに充電させる第１動作モードと、
前記第２電気エネルギーを前記バッテリに充電させる第２動作モードと、
前記第１電気エネルギーを前記負荷に供給し、前記第２電気エネルギーを前記バッテリに充電させる第３動作モードと、
前記第１電気エネルギーを前記負荷に供給する第４動作モードと、
前記バッテリに蓄積された電気エネルギーを前記負荷に供給する第５動作モードとの少なくとも１つを含み、
前記第２スイッチと前記負荷との間に配置され、前記配置された位置での電気エネルギーの状態を検知する第２検知部をさらに含み、
前記制御部は、前記第２検知部により検知される電気エネルギーの状態に基づいて、前記系統に流れる電気エネルギーが存在するか否かを検知するように構成される、電気エネルギー蓄積装置。
前記制御部は、前記第５動作モードで前記第１検知部により検知される電気エネルギーの大きさに基づいて、前記系統に流れる電気エネルギーが存在するか否かを検知するように構成される、請求項１に記載の電気エネルギー蓄積装置。
前記制御部は、前記第２検知部により検知された電気エネルギーの大きさが予め設定された第２閾値以下に減少すると、前記系統に前記電気エネルギーが流れたと判断し、前記負荷への電気エネルギーの供給を中断するように構成される、請求項１に記載の電気エネルギー蓄積装置。
前記第３スイッチは、前記系統と前記負荷との間に配置されて互いに直列に接続されたメインスイッチ及び補助スイッチを含み、
前記第１検知部は、前記メインスイッチと前記補助スイッチとの間に配置される、請求項１又は２に記載の電気エネルギー蓄積装置。
前記第５動作モードにおいて、前記制御部は、前記第１検知部により検知された電気エネルギーの大きさが前記第１閾値を超えると、前記補助スイッチのスイッチング状態を切り替える、請求項４に記載の電気エネルギー蓄積装置。
前記補助スイッチは、前記第１〜第５動作モードでオン状態を維持し、前記第５動作モードにおいて、前記第１検知部により検知された電気エネルギーの大きさが前記第１閾値を超えるとオフ状態に切り替えられるように構成される、請求項４に記載の電気エネルギー蓄積装置。
前記系統と前記補助スイッチとの間に配置される第３検知部をさらに含み、
前記制御部は、前記第３検知部により検知された電気エネルギーの大きさが前記第１閾値を超えると、前記負荷への電気エネルギーの供給を中断するように構成される、請求項４〜６のいずれか一項に記載の電気エネルギー蓄積装置。