JP6795082B2 - DC power supply system - Google Patents
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Description
この発明は、直流給電システムに関する。 The present invention relates to a DC power supply system.
従来から、太陽電池と蓄電池とを組み合わせた給電システムが提供されている。このような給電システムにおいては、蓄電池における過充電や過放電を防止するために、様々な工夫が行われている。 Conventionally, a power supply system that combines a solar cell and a storage battery has been provided. In such a power supply system, various measures have been taken to prevent overcharging and overdischarging of the storage battery.
例えば、特許文献1では、蓄電部における蓄電池パックの単位セルの電圧、および蓄電池パックの直列電圧を、それぞれ上限値および下限値と比較し、上限値を超える場合には蓄電部の充電処理を停止し、下限値未満の場合には蓄電部の放電処理を停止している。
For example, in
しかしながら、特許文献1の方法では、太陽電池の発電量と電力系統からの供給電力が維持された状態で、直流負荷の消費電力が急に低下し、かつ蓄電部の充電処理が停止されている場合には、システム停止になり得るという問題があった。
However, in the method of
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、直流負荷の消費電力が急に低下した場合であっても、システム停止を防止することのできる直流給電システムを提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above problems, and to provide a DC power supply system capable of preventing a system outage even when the power consumption of a DC load suddenly drops. The purpose.
本発明の第1の態様は、直流負荷を接続可能な直流バスラインと、前記直流バスラインに電力を供給するための発電装置と、前記直流バスラインに電力を供給可能な二次電池と、前記二次電池の充放電を制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記二次電池の充電量が所定の充電許容上限値よりも低い所定の充電設定値に達するまでは、充電電流値が第1の値を超えないように制御し、前記充電量が前記充電設定値を超えた場合には、充電電流値を前記第1の値よりも低い第2の値とするように制御する、ことを特徴とする。 The first aspect of the present invention includes a DC bus line to which a DC load can be connected, a power generation device for supplying power to the DC bus line, and a secondary battery capable of supplying power to the DC bus line. The control unit includes a control unit that controls charging / discharging of the secondary battery, and the control unit charges the secondary battery until the charge amount reaches a predetermined charge setting value lower than a predetermined charge allowable upper limit value. The current value is controlled so as not to exceed the first value, and when the charge amount exceeds the charge set value, the charge current value is set to a second value lower than the first value. It is characterized by controlling.
本発明によれば、直流負荷の消費電力が急に低下した場合であっても、システム停止を防止することができる。 According to the present invention, it is possible to prevent the system from stopping even when the power consumption of the DC load suddenly drops.
(第1実施形態)
以下、本発明の第1実施形態に係る直流給電システムについて、図面を参照しながら詳細に説明する。図1は、本実施形態に係る直流給電システム100の概略構成を示す図である。図1に示すように、直流給電システム100は、太陽電池1と、PVコンバータ2と、リチウムイオンバッテリ3と、双方向DC−DCコンバータ4と、HVDCバス5と、直流負荷6とを備えている。また、直流給電システム100は、制御部7と、双方向DC−ACコンバータ8と、CANバス9と、電力系統10と、双方向DC−ACコンバータ8と電力系統10との間に接続される交流負荷11とを備えている。(First Embodiment)
Hereinafter, the DC power supply system according to the first embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of a DC
発電装置としての太陽電池1は、例えば、シリコン系の太陽電池、または、銅(Cu)、インジウム(I)、セレン(Se)から構成される化合物半導体系のCIS太陽電池等が用いられる。
As the
PV(Photovoltaic)コンバータ2は、太陽電池1の出力電力に対して最大電力点追従(MPPT:Maximum Power Point Tracking)制御を行い、HVDCバス5に電力を供給する。
The PV (Photovoltaic)
二次電池としてのリチウムイオンバッテリ3は、充放電が可能な蓄電池である。二次電池としては、リチウムイオンバッテリ3の他に、ナトリウム−硫黄電池等の他の種類の蓄電池を用いてもよい。
The
双方向DC−DCコンバータ4は、リチウムイオンバッテリ3およびHVDCバス5に接続されており、リチウムイオンバッテリ3の出力電圧の電圧値を所定の電圧値に変換し、HVDCバス5に供給する。また、HVDCバス5を介して供給される電圧の電圧値を所定の電圧値に変換し、リチウムイオンバッテリ3に供給する。
The bidirectional DC-DC converter 4 is connected to the
直流バスラインとしてのHVDCバス5は、高電圧直流給電(HVDC:High−Voltage Direct Current)用のバスであり、PVコンバータ2、双方向DC−DCコンバータ4、直流負荷6、および双方向DC−ACコンバータ8と接続される。
The HVDC
直流負荷6は、HVDCバス5に接続される直流駆動が可能な装置であり、例えば、冷蔵庫、エアーコンディショナー等が挙げられる。
The
制御部7は、例えばCPU、ROM、およびRAM等から構成される。制御部7は、CANバス9を介して、PVコンバータ2、双方向DC−DCコンバータ4、および双方向DC−ACコンバータ8と接続され、これらのコンバータの制御を行う。
The control unit 7 is composed of, for example, a CPU, a ROM, a RAM, and the like. The control unit 7 is connected to the
DC−AC変換器としての双方向DC−ACコンバータ8は、電力系統10およびHVDCバス5と接続され、電力系統10から供給される交流電圧を直流電圧に変換してHVDCバス5に供給する。また、双方向DC−ACコンバータ8は、HVDCバス5に供給される直流電圧を交流電圧に変換して交流負荷11に供給、または電力系統10に逆潮流する。
The bidirectional DC-AC converter 8 as a DC-AC converter is connected to the
CAN(Controller Area Network)バス9は、PVコンバータ2、双方向DC−DCコンバータ4、制御部7、および双方向DC−ACコンバータ8と接続され、制御信号等の信号の伝達経路として用いられる。
The CAN (Control Area Network) bus 9 is connected to a
電力系統10は、200V等の商用の交流電圧が供給される。また、HVDCバス5を介して供給される太陽電池1の直流電圧を、双方向DC−ACコンバータ8によって、交流電圧に変換して電力系統10に逆潮流することも可能となっている。
A commercial AC voltage such as 200V is supplied to the
以上のように本実施形態の直流給電システム100は、内部の電流と電圧の供給が直流で行われるため、リレー等のスイッチが不要であり、電力の供給経路の切り替えが必要な場合に、切れ目なくシームレスに電力の供給経路の切り替えを行うことができる。
As described above, in the DC
次に、以上のような本実施形態の直流給電システム100における動作ついて添付図面を参照しつつ説明する。図2は、直流給電システム100における定常状態の動作を説明する図である。図3は、直流給電システム100において直流負荷6の消費電力が減少した場合の動作を説明する図である。図4は、直流給電システム100におけるSOC(State of Charge:充電率)に応じた充電電流制限値を示す図である。図5は、直流給電システム100におけるSOCに応じた充電電流制限値の制御を示すフローチャートである。
Next, the operation of the DC
なお、本実施形態の直流給電システム100においては、PVコンバータ2の出力段とHVDCバス5との接続経路中に、図示を省略する発電電力センサが設けられており、制御部7により太陽電池1の発電電力量を検出することが可能となっている。また、双方向DC−DCコンバータ4の入出力段とHVDCバス5との接続経路中には、図示を省略する電力センサが設けられており、制御部7によりリチウムイオンバッテリ3の放電電力量、充電電力量、およびSOCを検出することが可能となっている。さらに、直流負荷6の入力段とHVDCバス5との接続経路中には、図示を省略する電力センサが設けられており、制御部7により直流負荷の消費電力量を検出することが可能となっている。また、双方向DC−ACコンバータ8の入出力段とHVDCバス5との接続経路中には、図示を省略する電力センサが設けられており、制御部7により、電力系統10への供給電力量および電力系統10からの供給電力量を検出することが可能となっている。なお、以下の説明では、双方向DC−ACコンバータ8と電力系統10との間に接続される交流負荷11は、説明を簡素化するために接続されていないものとして省略する。
In the DC
(定常状態の動作)
まず、直流給電システム100における定常状態の動作について説明する。制御部7は、太陽電池1の発電電力量と、直流負荷6の消費電力量とを比較し、発電電力量が消費電力量を下回っていると判断した場合には、太陽電池1の発電電力を直流負荷6に供給し、不足分として電力系統10から電力を直流負荷6に供給する。具体的には、制御部7は、双方向DC−DCコンバータ4を非アクティブ状態とし、双方向DC−ACコンバータ8をアクティブ状態とする。そして、制御部7は、不足分の電力を直流負荷6に供給するように双方向DC−ACコンバータ8を制御する。(Steady state operation)
First, the steady state operation in the DC
図2に示す例では、太陽電池1の発電電力量が7kWであり、直流負荷6の消費電力量が10kWなので、制御部7は、太陽電池1の発電電力量である7kWを直流負荷6に供給し、不足分の3kWを電力系統10側から供給する。この場合には、リチウムイオンバッテリ3の充電およびリチウムイオンバッテリ3からの放電は行われない。
In the example shown in FIG. 2, since the power generation amount of the
(直流負荷6の消費電力が減少した場合の動作)
以上のような定常状態での動作中に、直流負荷6の消費電力が何らかの原因で急に減少することがある。この場合には、制御部7は、発電電力量が消費電力量を上回っていると判断し、太陽電池1の発電電力量のうち、直流負荷6の消費電力量に相当する分の電力を直流負荷6に供給する。また、制御部7は、余剰電力をリチウムイオンバッテリ3に供給して、リチウムイオンバッテリ3の充電を行う。具体的には、制御部7は、双方向DC−DCコンバータ4をアクティブ状態とし、双方向DC−ACコンバータ8を非アクティブ状態とする。(Operation when the power consumption of the
During the operation in the steady state as described above, the power consumption of the
図3に示す例では、直流負荷6の消費電力量が、図2に示す場合から5kWに減少し、太陽電池1の発電電力量が7kWなので、制御部7は、発電電力量が消費電力量を上回っていると判断する。制御部7は、太陽電池1の発電電力量の7kWのうち、5kWを直流負荷6に供給すると共に、余剰電力の3kWを、双方向DC−DCコンバータ4を介してリチウムイオンバッテリ3に供給する。
In the example shown in FIG. 3, the power consumption of the
(リチウムイオンバッテリ3の充電を行う場合の動作)
次に、制御部7の制御により、リチウムイオンバッテリ3の充電を行う場合の動作について説明する。図4は、直流給電システム100におけるSOCに応じた充電電流制限値を示す図である。図5は、直流給電システム100におけるSOCに応じた充電電流制限値の制御を示すフローチャートである。(Operation when charging the lithium-ion battery 3)
Next, the operation when the
本実施形態では、リチウムイオンバッテリ3のSOCに応じて、充電電流制限値を変更する制御を行っている。充電電流制限値とは、C(Capacity)レートとも呼ばれ、リチウムイオンバッテリ3の容量に対する充電電流値の相対的な比率を表している。例えば、充電電流制限値が1[C]とは,ある容量のセルを定電流で充電して,1時間で充電終了となる電流値のことを言う。例えば、リチウムイオンバッテリ3の定格容量が40Ahの場合には、1[C]の充電とは、充電電流値が40Aの充電を表す。また、0.5[C]、0.3[C]、0.1[C]の充電とは、それぞれ、充電電流値が20A、12A、4Aの充電を表す。
In the present embodiment, control is performed to change the charging current limit value according to the SOC of the
図4に示すように、本実施形態では、SOCが20%〜70%の場合には、充電電流制限値を1[C]に設定している。また、SOCが75%、80%、および85%の場合には、それぞれ充電電流制限値を0.5[C]、0.3[C]、および0.1[C]に設定している。そして、SOCが90%に達した場合には、充電電流制限値を0[C]に設定している。 As shown in FIG. 4, in the present embodiment, when the SOC is 20% to 70%, the charging current limit value is set to 1 [C]. When the SOC is 75%, 80%, and 85%, the charging current limit values are set to 0.5 [C], 0.3 [C], and 0.1 [C], respectively. .. Then, when the SOC reaches 90%, the charging current limit value is set to 0 [C].
本実施形態では、SOCが90%の場合の充電量を充電許容上限値としており、SOCが90%に達した場合には、充電電流制限値を0[C]に設定して充電を停止している。また、本実施形態では、SOCが75%の場合の充電量を充電設定値としており、充電量が充電許容上限値よりも低い充電設定値に達するまでは、充電電流値が第1の値を超えないように制御する。一例として、第1の値は、充電電流制限値が1[C]の場合の充電電流値としている。さらに、本実施形態では、充電量が充電設定値を超えた場合、つまり、SOCが75%を超えた場合には、充電電流値を第1の値よりも低い第2の値とするように制御する。一例として、第2の値は、充電電流制限値が0.5[C]、0.3[C]、および0.1[C]の場合のそれぞれの充電電流値としている。 In the present embodiment, the charge amount when the SOC is 90% is set as the allowable upper limit value for charging, and when the SOC reaches 90%, the charging current limit value is set to 0 [C] and charging is stopped. ing. Further, in the present embodiment, the charge amount when the SOC is 75% is set as the charge setting value, and the charge current value is set to the first value until the charge amount reaches the charge set value lower than the charge allowable upper limit value. Control so that it does not exceed. As an example, the first value is the charging current value when the charging current limit value is 1 [C]. Further, in the present embodiment, when the charge amount exceeds the charge set value, that is, when the SOC exceeds 75%, the charge current value is set to a second value lower than the first value. Control. As an example, the second value is the charging current value when the charging current limit value is 0.5 [C], 0.3 [C], and 0.1 [C], respectively.
図5に示すように、制御部7は、まず、SOCが75%以上かにより、リチウムイオンバッテリ3の充電量が充電設定値に達しているかどうかを判断する(S10)。制御部7は、SOCが75%未満の場合には(S10:NO)、充電電流制限値を1[C]に設定する(S11)。つまり、制御部7は、SOCが充電許容上限値の90%よりも低い充電設定値の75%に達するまでは、充電電流値が第1の値を超えないように、充電電流制限値を1[C]に設定して充電を行う。
As shown in FIG. 5, the control unit 7 first determines whether or not the charge amount of the
また、制御部7は、SOCが75%以上80%未満の場合には(S10:YES、S12:NO、S13:NO、S15:NO)、充電電流制限値を0.5[C]に設定する(S17)。制御部7は、SOCが80%以上85%未満の場合には(S10:YES、S12:NO、S13:NO、S15:YES)、充電電流制限値を0.3[C]に設定する(S16)。制御部7は、SOCが85%以上90%未満の場合には(S10:YES、S12:NO、S13:YES)、充電電流制限値を0.1[C]に設定する(S14)。つまり、制御部7は、充電量が充電設定値の75%を超えた場合には、充電電流値を第1の値よりも低い第2の値とするように、充電電流制限値を0.5[C]、0.3[C]、または0.1[C]に設定して充電を行う。 Further, when the SOC is 75% or more and less than 80% (S10: YES, S12: NO, S13: NO, S15: NO), the control unit 7 sets the charging current limit value to 0.5 [C]. (S17). When the SOC is 80% or more and less than 85% (S10: YES, S12: NO, S13: NO, S15: YES), the control unit 7 sets the charging current limit value to 0.3 [C] ( S16). When the SOC is 85% or more and less than 90% (S10: YES, S12: NO, S13: YES), the control unit 7 sets the charging current limit value to 0.1 [C] (S14). That is, when the charge amount exceeds 75% of the charge set value, the control unit 7 sets the charge current limit value to 0 so that the charge current value becomes a second value lower than the first value. Charging is performed by setting the value to 5 [C], 0.3 [C], or 0.1 [C].
さらに、制御部7は、SOCが90%に達した場合には(S10:YES、S12:YES)、充電電流制限値を0[C]に設定して充電を停止する(S18)。 Further, when the SOC reaches 90% (S10: YES, S12: YES), the control unit 7 sets the charging current limit value to 0 [C] and stops charging (S18).
以上のように、本実施形態によれば、リチウムイオンバッテリ3の充電量が充電設定値の75%を超えた場合には、充電量が充電許容上限値の90%にすぐに到達しないように、充電電流値を、充電量が充電設定値の75%未満の場合の充電電流値よりも低くする。その結果、リチウムイオンバッテリ3への充電量は、SOCが75%を超えたとしても、満充電になるまでに余裕が生じるため、直流負荷6の消費電力量が急に減少した場合に、余剰電力をリチウムイオンバッテリ3への充電により吸収することができる。したがって、直流負荷6の消費電力量が急に減少した場合でも、HVDCバス電圧が急上昇して過電圧保護機能が働き、システムが停止することを防止して、運転継続しやすい直流給電システムを提供することができる。
As described above, according to the present embodiment, when the charge amount of the
また、本実施形態では、充電量が充電許容上限値の90%に近づくに従って、段階的に充電電流値を減少させているので、リチウムイオンバッテリ3のSOCが75%を超えたとしても、満充電になるまでの期間を引き延ばすことができる。
なお、第1の値、第2の値はリチウムイオン電池の充放電特性や電池容量に依存する値であり、実用化されているリチウムイオン電池では10C程度の充電が可能であるものもあるため、本実施例に示した値に限らず適宜設定が可能である。Further, in the present embodiment, the charging current value is gradually reduced as the charging amount approaches 90% of the allowable upper limit value of charging, so that even if the SOC of the
The first value and the second value depend on the charge / discharge characteristics and the battery capacity of the lithium ion battery, and some of the lithium ion batteries in practical use can be charged at about 10 C. , Not limited to the values shown in this example, it can be set as appropriate.
(第2実施形態)
本発明の第2実施形態について図面を参照しつつ説明する。図6は、第2実施形態に係る直流給電システム100におけるSOCに応じた充電電流制限値の制御を示すフローチャートである。(Second Embodiment)
A second embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 6 is a flowchart showing the control of the charging current limit value according to the SOC in the DC
第1実施形態では、充電量が充電許容上限値の90%に到達した場合には、充電電流制限値を0に設定して、リチウムイオンバッテリ3の充電を停止する例について説明した。しかしながら、本実施形態では、充電量が充電許容上限値の90%に到達していても、HVDCバス5の電圧値が所定時間内に閾値を超えて増加したときは、リチウムイオンバッテリ3のへ電流が流れることを許可する。
In the first embodiment, an example in which the charging current limit value is set to 0 and the charging of the
図6に示すように、充電量が充電許容上限値の90%に到達するまでの制御は、図5に示す第1実施形態における制御と同様なので、重複する説明は省略する。本実施形態における制御部7は、図6に示すように、充電量が充電許容上限値の90%に到達したと判断すると(S12:YES)、HVDCバス5の電圧値が閾値を超えて上昇したかどうかを判断する(S20)。HVDCバス5の電圧値が閾値を超えて上昇したかどうかは、例えば、分圧抵抗等を用いてHVDCバス電圧をモニタする電圧検出回路を設ける等することにより検出し、閾値と比較することにより判断可能である。
As shown in FIG. 6, the control until the charge amount reaches 90% of the allowable upper limit value of charge is the same as the control in the first embodiment shown in FIG. 5, and therefore the duplicate description will be omitted. As shown in FIG. 6, when the control unit 7 in the present embodiment determines that the charge amount has reached 90% of the allowable upper limit value of charge (S12: YES), the voltage value of the
制御部7は、HVDCバス5の電圧値が閾値を超えて上昇したと判断した場合には(S20:YES)、リチウムイオンバッテリ3のへ電流が流れることを許可する。次に、制御部7は、HVDCバス5の電圧上昇が所定時間以上続いたか否か、すなわち所定時間内に電圧上昇が止まったか否かを判断する(S22)。電圧上昇が過渡的(所定時間内に電圧上昇が止まった)であれば(S22:NO)、充電の許可を継続する。しかし、HVDCバス5の電圧値が閾値を超えて上昇していないと判断した場合(S20:NO)、または電圧上昇が過渡的でない(所定時間以上続く)と判断した場合には(S22:YES)、充電電流制限値を0[C]に設定して(S23)、リチウムイオンバッテリ3のへ電流が流れないように制御する。
When the control unit 7 determines that the voltage value of the
この際の「所定時間」は、ミリ秒単位であり、例えば1秒以内である。リチウムイオンバッテリ3の充電容量を40Ahとすると、仮に10Cで充電したとしても、1秒では約0.1Ah程度しか容量には影響がなく、これはSOCに換算すれば0.25%程度の上昇にしかならないため、リチウムイオンバッテリの寿命には実質的に影響がない。
The "predetermined time" at this time is in milliseconds, for example, within 1 second. Assuming that the charge capacity of the lithium-
以上のように、本実施形態によれば、リチウムイオンバッテリ3の充電量が充電許容上限値の90%に達していても、HVDCバス5の電圧値が閾値を超えて過渡的に上昇したときには、リチウムイオンバッテリ3のへ電流が流れることを許可する。したがって、直流負荷6が軽負荷に急変して消費電力が過渡的に大きく低下した場合でも、システムが停止することを防止して、運転継続しやすい直流給電システムを提供することができる。
As described above, according to the present embodiment, even if the charge amount of the
本発明は、太陽電池と蓄電池とを組み合わせた直流給電システムに利用可能である。 The present invention can be used in a DC power supply system that combines a solar cell and a storage battery.
1 太陽電池
3 リチウムイオンバッテリ
6 直流負荷
7 制御部
10 電力系統
100 直流給電システム1
Claims (2)
前記直流バスラインに電力を供給するための発電装置と、
前記直流バスラインに電力を供給可能な二次電池と、
前記二次電池の充放電を制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、前記二次電池の充電量が所定の充電許容上限値よりも低い所定の充電設定値に達するまでは、充電電流値が第1の値を超えないように制御し、前記充電量が前記充電設定値を超えた場合には、充電電流値を前記第1の値よりも低い第2の値とするように制御するとともに、
前記直流バスラインの電圧値が閾値を超えて上昇したとき、該電圧上昇が所定時間内に収まれば、前記二次電池の充電量が前記充電許容上限値に達していても、前記二次電池へ電流が流れることを許可し、所定時間経過後に、前記二次電池へ流れる電流がゼロとなるように制御する、
ことを特徴とする直流給電システム。 A DC bus line that can connect a DC load,
A power generation device for supplying electric power to the DC bus line,
A secondary battery that can supply power to the DC bus line,
A control unit that controls charging / discharging of the secondary battery is provided.
The control unit controls the charging current value so as not to exceed the first value until the charge amount of the secondary battery reaches a predetermined charge set value lower than the predetermined charge allowable upper limit value, and the charge is performed. When the amount exceeds the charge set value, the charge current value is controlled to be a second value lower than the first value, and the charge current value is controlled to be a second value .
When the voltage value of the DC bus line rises beyond the threshold value, if the voltage rise is within a predetermined time, even if the charge amount of the secondary battery reaches the charge allowable upper limit value, the secondary battery Allows the current to flow to the secondary battery, and controls the current flowing to the secondary battery to become zero after a lapse of a predetermined time .
A DC power supply system characterized by this.
ことを特徴とする請求項1に記載の直流給電システム。 The control unit includes a plurality of values as the second value, and when the charge amount exceeds the charge set value, the second value is gradually lowered .
The DC power supply system according to claim 1.
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