JP6351200B2 - 電力供給システム - Google Patents

Description

本発明は、交流電源及び直流電源から負荷装置に電力を供給するための電源供給システムに関する。

従来、交流電源に接続されるＤＣ／ＤＣコンバータと、直流電源に接続されるＡＣ／ＤＣコンバータ及びインバータと、ＤＣ／ＤＣコンバータ及びＡＣ／ＤＣコンバータに接続される負荷装置と、を備える電源供給システムが知られている（特許文献１参照）。

特開２００９―１４２０１３号公報

しかしながら、特許文献１の電力供給システムでは、インバータを制御するための制御装置を設ける必要があるため、電源供給システムの構成が複雑になってしまう。

本発明は、上述の問題に鑑みてなされたものであり、簡易な構成で交流電源と直流電源を切り替え可能な電力供給システムを提供することを目的とする。

第１の態様に係る電力供給システムは、直流電源及び交流電源の電力を負荷装置に供給するためのものであり、電力供給システムは、第１ダイオードと、ＡＣ/ＤＣコンバータと、第２ダイオードと、ＤＣ/ＤＣコンバータと、を備える。第１ダイオードは、直流電源の出力側に接続される。ＡＣ/ＤＣコンバータは、交流電源の出力側に接続される。第２ダイオードは、ＡＣ/ＤＣコンバータの出力側に接続される。ＤＣ/ＤＣコンバータは、第１ダイオード及び第２ダイオードそれぞれの出力側と負荷装置の入力側に接続される。

第１の態様に係る電力供給システムによれば、直流電源から十分な電力が供給される間は、第１ダイオードを介した電力供給を行えるとともに、直流電源の電力が不足したときには、第２ダイオードを介した電力供給に切り替えることができる。同様に、直流電源の電力が不足している間は、第２ダイオードを介した電力供給を行えるとともに、直流電源が十分な発電を開始したときには、第１ダイオードを介した電力供給に切り替えることができる。このように、制御装置を必要としない簡易な構成によって、交流電源と直流電源を瞬断することなく切り替えることができる。

第２の態様に係る電力供給システムは、第１の態様に係り、蓄電池と、電圧検出器と、開閉器と、を備える。蓄電池は、直流電源と並列に第１ダイオードに接続される。電圧検出器は、蓄電池の出力電圧を検出する。開閉器は、交流電源とＡＣ/ＤＣコンバータの間に配置される。開閉器は、電圧検出器によって検出される電圧が閾値よりも大きい場合には交流電源とＡＣ/ＤＣコンバータを電気的に断絶し、電圧検出器によって検出される電圧が閾値以下である場合には交流電源とＡＣ/ＤＣコンバータを電気的に接続する。

第２の態様に係る電力供給システムによれば、第１ダイオードから第２ダイオードに切り替えられる直前まで、ＡＣ/ＤＣコンバータが起動されないため、ＡＣ/ＤＣコンバータの待機電力を低減することができる。

第３の態様に係る電力供給システムは、第２の態様に係り、直流電源と蓄電池の間に配置されるチャージコントローラを備える。チャージコントローラは、出力電圧を所定の目標値に調整する。

第３の態様に係る電力供給システムによれば、蓄電池にとって適切な充電電圧を得ることができる。

本発明によれば、簡易な構成で交流電源と直流電源を切り替え可能な電力供給システムを提供することができる。

電力供給システムの構成を示す回路図 太陽電池のＩ−Ｖカーブを示すグラフ 母線にかかる電圧の推移を示すグラフ

（電力供給システム１００の構成）
以下において、実施形態に係る電力供給システム１００について、図面を参照しながら説明する。図１は、電力供給システム１００の構成を示す回路図である。

１．電力供給システム１００の概要
電力供給システム１００は、家庭、オフィス、或いは工場などに設置される。電力供給システム１００は、交流電源１０と、直流電源２０と、負荷装置３０と、に接続される。電力供給システム１００は、交流電源１０、直流電源２０、或いは後述する蓄電池１３０の電力を負荷装置３０に供給する。

交流電源１０は、交流電流を電力供給システム１００に供給可能である。交流電源１０は、例えば発電所や変電所である。交流電源１０には、発電所に接続される送電線や変電所に接続される配電線が含まれる。

直流電源２０は、直流電流を電力供給システム１００に供給可能である。直流電源２０は、例えば太陽発電装置、熱電発電装置、水力発電装置、或いは風力発電装置である。本実施形態では、直流電源２０によって供給される電力が変動することが想定されている。例えば、直流電源２０が太陽発電装置である場合には、夜間や雨・曇りの間は発電量が少ないため、負荷装置３０によって要求される電力を供給できないときがある。このとき、後述する蓄電池１３０から電力が供給される場合を除いて、負荷装置３０への電力供給源は、直流電源２０から交流電源１０に切り替えられる。

負荷装置３０は、例えばＡＶ機器、パーソナルコンピュータ、エアコン、照明機器などの家庭設備、複写機などのオフィス設備、或いはモータや加工装置などの工場設備である。

２．電力供給システム１００の内部構成
電力供給システム１００は、図１に示すように、逆流防止ダイオード１１０と、チャージコントローラ１２０と、蓄電池１３０と、電圧検出器１４０と、第１ダイオード１５０と、開閉器１６０と、ＡＣ/ＤＣコンバータ１７０と、第２ダイオード１８０と、ＤＣ/ＤＣコンバータ１９０と、母線２００と、を備える。

逆流防止ダイオード１１０は、直流電源２０の出力側に接続される。逆流防止ダイオード１１０は、アノードとカソードを有する。逆流防止ダイオード１１０のアノードは、直流電源２０に接続される。逆流防止ダイオード１１０のカソードは、チャージコントローラ１２０に接続される。逆流防止ダイオード１１０は、直流電源２０からチャージコントローラ１２０へ一方向にのみ電流を流す。これによって、直流電源２０への電流の逆流が防止される。

チャージコントローラ１２０は、直流電源２０と第１ダイオード１５０の間に配置される。本実施形態において、チャージコントローラ１２０は、逆流防止ダイオード１１０の出力側と蓄電池１３０及び第１ダイオード１５０それぞれの入力側に接続される。チャージコントローラ１２０は、直流電源２０の出力電圧を制御する。ここで、図２は、一般的な太陽電池のＰ−Ｖカーブを示すグラフである。図２に示すように、太陽電池の出力電圧が目標値Ｖ_TGTよりも大きければ、電力値Ｐは低下してしまう。そこで、チャージコントローラ１２０は、出力電圧を目標値Ｖ_TGTに調整することによって、最大電力Ｐ_ＭＡＸが得られるように制御する。また、チャージコントローラ１２０が出力電圧を目標値Ｖ_TGTに抑えることによって、蓄電池１３０に過大な負荷をかけない程度の適切な充電電圧を出力できる。

蓄電池１３０は、チャージコントローラ１２０の出力側と第１ダイオード１５０の入力側（アノード）に接続される。蓄電池１３０は、直流電源２０と並列に第１ダイオード１５０に接続されている。蓄電池１３０は、直流電源２０からの電荷を蓄える。蓄電池１３０に蓄えられた電荷は、必要に応じて第１ダイオード１５０を介して負荷装置３０に供給される。蓄電池１３０の出力電圧は、十分な電荷が蓄えられている場合には、後述する第１ダイオード１５０の出力電圧Ｖ１以上の値であるが、電荷が消費されるに従って徐々に小さい値となる。蓄電池１３０としては、鉛蓄電池やリチウムイオン電池など周知の二次電池を用いることができる。

電圧検出器１４０は、蓄電池１３０の出力側に接続される。電圧検出器１４０は、蓄電池１３０の出力電圧を検出する。電圧検出器１４０は、検出された蓄電池１３０の出力電圧が閾値Ｖ_TH以下であるか否かを判定する。電圧検出器１４０は、検出された蓄電池１３０の出力電圧が閾値Ｖ_THよりも大きい場合には開閉器１６０を開く（すなわち、オフにする）。一方で、電圧検出器１４０は、検出された蓄電池１３０の出力電圧が閾値Ｖ_TH以下である場合には開閉器１６０を閉じる（すなわち、オンにする）。閾値Ｖ_THは、後述する切替え電圧Ｖ_Pよりも所定値αだけ高い値である。所定値αは、後述するＡＣ/ＤＣコンバータ１７０の待機電力の削減量に応じて適宜設定可能である。

第１ダイオード１５０は、チャージコントローラ１２０及び蓄電池１３０の出力側とＤＣ/ＤＣコンバータ１９０の入力側に接続される。第１ダイオード１５０は、アノードとカソードを有する。第１ダイオード１５０のアノードは、チャージコントローラ１２０及び蓄電池１３０に接続される。第１ダイオード１５０のカソードは、ＤＣ/ＤＣコンバータ１９０に接続される。第１ダイオード１５０は、チャージコントローラ１２０及び蓄電池１３０からＤＣ/ＤＣコンバータ１９０への一方向にのみ電流を流す。また、第１ダイオード１５０は、入力電圧が切替え電圧Ｖ_P以上である場合に電流を流し、入力電圧が切替え電圧Ｖ_Pよりも小さい場合には電流を流さない。切替え電圧Ｖ_Pは、負荷装置３０によって要求される電力に応じて適宜設定可能である。

開閉器１６０は、交流電源１０とＡＣ/ＤＣコンバータ１７０の間に配置される。開閉器１６０は、交流電源１０の出力側とＡＣ/ＤＣコンバータ１７０の入力側に接続される。開閉器１６０は、交流電源１０とＡＣ/ＤＣコンバータ１７０との電路を開閉するためのスイッチである。開閉器１６０の開閉は、電圧検出器１４０によって制御される。具体的に、開閉器１６０は、蓄電池１３０の出力電圧が閾値Ｖ_THよりも大きい場合に電圧検出器１４０によって開かれることによって、交流電源１０とＡＣ/ＤＣコンバータ１７０を電気的に断絶する。開閉器１６０は、蓄電池１３０の出力電圧が閾値Ｖ_TH以下である場合に電圧検出器１４０によって閉じられることによって、交流電源１０とＡＣ/ＤＣコンバータ１７０を電気的に接続する。

ＡＣ/ＤＣコンバータ１７０は、開閉器１６０を介して交流電源１０に接続される。ＡＣ/ＤＣコンバータ１７０は、開閉器１６０の出力側と第２ダイオード１８０の入力側（アノード）に接続されている。ＡＣ/ＤＣコンバータ１７０は、開閉器１６０が閉じられた場合、すなわち、交流電源１０から電流が供給される場合に、交流電源１０から入力される交流電流を直流電流に変換する。

第２ダイオード１８０は、ＡＣ/ＤＣコンバータ１７０の出力側とＤＣ/ＤＣコンバータ１９０の入力側に接続される。第２ダイオード１８０は、アノードとカソードを有する。第２ダイオード１８０のアノードは、ＡＣ/ＤＣコンバータ１７０に接続される。第２ダイオード１８０のカソードは、ＤＣ/ＤＣコンバータ１９０に接続される。第２ダイオード１８０は、ＡＣ/ＤＣコンバータ１７０からＤＣ/ＤＣコンバータ１９０への一方向にのみ電流を流す。また、第２ダイオード１８０は、第１ダイオード１５０の出力電圧が切替え電圧Ｖ_Pよりも小さくなった場合にのみ電流を流す。なお、交流電源１０の電圧は切替え電圧Ｖ_Pと同じであるものとする。

ＤＣ/ＤＣコンバータ１９０は、第１ダイオード１５０及び第２ダイオード１８０と負荷装置３０との間に配置される。ＤＣ/ＤＣコンバータ１９０は、第１ダイオード１５０及び第２ダイオード１８０それぞれの出力側に接続される。ＤＣ/ＤＣコンバータ１９０と第１ダイオード１５０及び第２ダイオード１８０は、母線２００によって接続されている。ＤＣ/ＤＣコンバータ１９０は、母線２００にかかる電圧（以下、「母線電圧」という。）を負荷装置３０に適した電圧まで昇圧させる。母線電圧は、第１ダイオード１５０の出力電圧が切替え電圧Ｖ_P以上である場合には、直流電源２０及び蓄電池１３０それぞれの出力電圧に等しく、第１ダイオード１５０の出力電圧が切替え電圧Ｖ_Pよりも小さい場合には、交流電源１０の出力電圧値に等しい。

（母線２００にかかる電圧の推移）
以下において、母線電圧の推移について、図面を参照しながら説明する。図３は、母線電圧の推移を示すグラフである。ただし、図３では、直流電源２０の発電量が徐々に低下する場合が想定されている。

まず、直流電源２０が発電している第１期間D1（時刻0〜時刻T1）では、直流電源２０及び蓄電池１３０それぞれの出力電圧が母線２００にかかる。母線電圧は、直流電源２０の発電量が徐々に低減するに従って低下する。そして、時刻T1において直流電源２０の発電量は０になる。ただし、第１期間D1では、直流電源２０及び蓄電池１３０それぞれの出力電圧が切替え電圧Ｖ_P以上であるため、第１ダイオード１５０を介して直流電源２０から負荷装置３０へ電力が供給されている。

次に、直流電源２０の発電量が０になった後の第２期間T2（時刻T1〜時刻T3）では、蓄電池１３０の出力電圧が母線２００にかかる。母線電圧は、蓄電池１３０の電荷が消費されるに従って徐々に低下する。時刻T2では、蓄電池１３０の出力電圧が閾値Ｖ_TH（切替え電圧Ｖ_P+所定値α）まで低下している。本実施形態では、時刻T2において、電圧検出器１４０が開閉器１６０を閉じることによってＡＣ/ＤＣコンバータ１７０が起動され、交流電源１０からの電力供給の準備が整う。そして、時刻T3では、蓄電池１３０の出力電圧が切替え電圧Ｖ_Pまで低下している。ただし、第２期間D2では、蓄電池１３０の出力電圧が切替え電圧Ｖ_P以上であるため、第１ダイオード１５０を介して蓄電池３０から負荷装置３０へ電力が供給されている。

次に、蓄電池１３０の出力電圧が切替え電圧Ｖ_Pになった後の第３期間T3（時刻T3以降）では、時刻T3の直後に蓄電池１３０の出力電圧が切替え電圧Ｖ_Pよりも低くなる。そのため、第１ダイオード１５０における電流の流れは断たれて、蓄電池３０から負荷装置３０への電力供給が終了する。それと同時に、第２ダイオード１８０における電流の流れが生まれて、交流電源１０から負荷装置３０への電力供給が開始される。

（作用及び効果）
（１）電力供給システム１００は、直流電源２０に接続される第１ダイオード１５０と、交流電源１０に接続されるＡＣ/ＤＣコンバータ１７０と、ＡＣ/ＤＣコンバータ１７０の出力側に接続される第２ダイオード１８０と、第１ダイオード１５０及び第２ダイオード１８０それぞれの出力側と負荷装置３０の入力側に接続されるＤＣ/ＤＣコンバータ１９０と、を備える。

従って、直流電源２０が十分に発電している間は、第１ダイオード１５０を介した電力供給を行えるとともに、直流電源２０の電力が不足したときには、第２ダイオード１５０を介した電力供給に切り替えることができる。同様に、直流電源２０の電力が不足している間は、第２ダイオード１５０を介した電力供給を行えるとともに、直流電源２０が十分な発電を開始したときには、第１ダイオード１５０を介した電力供給に切り替えることができる。このように、制御装置を必要としない簡易な構成によって、交流電源１０と直流電源２０を切り替えることができる。

（２）開閉器１６０は、電圧検出器１４０によって検出される蓄電池１３０の出力電圧が閾値Ｖ_THよりも大きい場合には、交流電源１０とＡＣ/ＤＣコンバータ１７０を電気的に断絶する。

従って、第１ダイオード１５０から第２ダイオード１８０に切り替えられる直前まで、ＡＣ/ＤＣコンバータ１７０が起動されないため、ＡＣ/ＤＣコンバータ１７０の待機電力を低減することができる。

（３）チャージコントローラ１２０は、出力電圧を目標値Ｖ_TGTに調整する。

従って、蓄電池１３０にとって適切な充電電圧を得ることができる。

（その他の実施形態）
本発明は上述した実施形態によって説明したが、この開示の一部をなす論述及び図面は、この発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。

（Ａ）上記実施形態において、電力供給システム１００は、蓄電池１３０及び電圧検出器１４０を備えることとしたが、これらを備えていなくてもよい。また、電力供給システム１００は、複数の蓄電池を備えていてもよい。

（Ｂ）上記実施形態において、電力供給システム１００は、１つの直流電源２０に接続されることとしたが、これに限られるものではない。電力供給システム１００は、複数の直流電源２０に接続されていてもよい。

（Ｃ）上記実施形態において、電力供給システム１００は、１つの負荷装置３０に接続されることとしたが、これに限られるものではない。電力供給システム１００は、複数の負荷装置３０に接続されていてもよい。

（Ｄ）上記実施形態において、電力供給システム１００は、チャージコントローラ１２０を備えることとしたが、これを備えていなくてもよい。

１０ 交流電源
２０ 直流電源
３０ 負荷装置
１００ 電力供給システム
１１０ 逆流防止ダイオード
１２０ チャージコントローラ
１３０ 蓄電池
１４０ 電圧検出器
１５０ 第１ダイオード
１６０ 開閉器
１７０ ＡＣ/ＤＣコンバータ
１８０ 第２ダイオード
１９０ ＤＣ/ＤＣコンバータ
２００ 母線

Claims (2)

1. 直流電源及び交流電源のいずれか一方の電力を負荷装置に供給するための電力供給システムであって、
   前記直流電源の出力側に、アノードが接続される第１ダイオードと、
   前記直流電源と並列に前記第１ダイオードのアノードに接続される蓄電池と、
   前記交流電源の出力側に接続されるＡＣ/ＤＣコンバータと、
   前記ＡＣ/ＤＣコンバータの出力側に、アノードが接続される第２ダイオードと、
   前記第１ダイオード及び前記第２ダイオードそれぞれのカソードと、前記負荷装置の入力側との間に接続されるＤＣ/ＤＣコンバータと、
   前記蓄電池の出力電圧を検出する電圧検出器と、
   前記交流電源と前記ＡＣ/ＤＣコンバータの間に配置される開閉器と、
   を備え、
   前記第１ダイオードは、前記直流電源及び前記蓄電池それぞれの電圧値が所定の切替え電圧以上である場合、又は、前記蓄電池の電圧値が前記所定の切替え電圧以上である場合に電流を流し、かつ、前記直流電源及び前記蓄電池のうち大きい方の電圧値が前記所定の切替え電圧未満である場合に電流を流さず、
   前記第２ダイオードは、前記直流電源及び前記蓄電池それぞれの電圧値が前記所定の切替え電圧以上である場合、又は、前記蓄電池の電圧値が前記所定の切替え電圧以上である場合に電流を流さず、かつ、前記直流電源及び前記蓄電池のうち大きい方の電圧値が前記所定の切替え電圧未満である場合に電流を流し、
   前記ＡＣ/ＤＣコンバータから前記第２ダイオードに入力される直流電流の電圧は、前記所定の切替え電圧と同じであり、
   前記開閉器は、前記電圧検出器によって検出される電圧が閾値よりも大きい場合には前記交流電源と前記ＡＣ/ＤＣコンバータを電気的に断絶し、前記電圧検出器によって検出される電圧が前記閾値以下である場合には前記交流電源と前記ＡＣ/ＤＣコンバータを電気的に接続し、
   前記閾値は、前記所定の切替え電圧よりも大きい、
   電力供給システム。
2. 前記直流電源と前記蓄電池の間に配置されるチャージコントローラを備え、
   前記チャージコントローラは、出力電圧を所定の目標値に調整する、
   請求項１に記載の電力供給システム。

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