JP7265942B2

JP7265942B2 - 電源システム

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Publication number: JP7265942B2
Application number: JP2019120025A
Authority: JP
Inventors: 竜治宮川
Original assignee: Nichicon Corp
Current assignee: Nichicon Corp
Priority date: 2019-06-27
Filing date: 2019-06-27
Publication date: 2023-04-27
Anticipated expiration: 2039-06-27
Also published as: JP2021005981A

Description

本発明は、電源システムに関し、特に、入力側または出力側の電力変換部の少なくとも一方が複数の電力変換装置で構成された電源システムに関する。

入力側または出力側の電力変換部の少なくとも一方が複数の電力変換装置で構成された電源システムでは、一般に、入力側電力変換部と出力側電力変換部とを接続する直流バスの電圧（以下、直流バス電圧）を一定に維持する制御が行われる（例えば、特許文献１参照）。

上記の電源システムでは、各電力変換装置の入力・出力の収支が合わなければ、直流バス電圧がゼロや無限大に向かって発散する場合がある。その場合、各電力変換装置において電力変換を行うことができなくなるので、そのような事態を回避するために、直流バス電圧を一定に維持する制御を行い、強制的に入力・出力の収支を合わせている。

いずれか一つの電力変換装置の入力電力または出力電力を可変させることで、直流バス電圧を一定に維持することができる。入力側の電力変換部がＤＣ／ＤＣ電力変換器とＡＣ／ＤＣ電力変換器からなり、出力側の電力変換部がＤＣ／ＤＣ電力変換器とＤＣ／ＡＣ電力変換器からなる回路構成の場合、例えば、入力側のＡＣ／ＤＣ電力変換器の交流入力電力を可変させ、直流バス電圧を一定に維持することで、他の電力変換器は電力を自由に入出力できる。

しかしながら、何らかの理由により、一つの電力変換装置の入力電力または出力電力を可変させても、直流バス電圧を一定に維持することができない場合（例えば、一つの電力変換装置だけでは、直流バス電圧を一定に維持する電力を賄いきれない場合）がある。この場合、複数の電力変換器を協調させて、直流バス電圧を一定に維持することになる。

複数の電力変換器を協調させる場合、どの入力・出力を制御するかの調停の問題が生じる。例えば、一つの出力側の電力変換器の出力を上昇させる場合、他の出力側の電力変換器の出力をどのように抑制するか、あるいは、どの入力側の電力変換器の出力を上昇させるかなど、状況に応じて適切な制御を行う制御アルゴリズムを構成する必要がある。

この点、各電力変換器に制御制約が存在すると、制御アルゴリズムを構成することが困難になる。例えば、入力側に太陽電池（太陽光発電装置）が接続される電力変換器は、入力可能な電力の最大値が刻々変化するなど制約が大きいため、当該電力変換器を含む電源システムでは、どのように制御アルゴリズムを構成すればよいのかという問題が生じる。

また、制御アルゴリズムを構成できたとしても、コントローラ（制御部）の構成について、下記の問題が生じる。

すべての電力変換器を一つのコントローラで集中制御する場合、システム規模が大きくなればコントローラの負荷が高くなり、また、結線のためのハーネスが膨大となってくる。一方で、電力変換器ごとにそれぞれコントローラを設けて分散制御する場合、分散したコントローラの相互の通信が必要となるが、通信遅延・通信途絶などの発生を考慮する必要がある。

特開２０１４－２３０４５５号公報

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、制御アルゴリズムや制御部の構成の問題を回避できる電源システムを提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明に係る電源システムは、
直流電力を出力する入力側電力変換部と、
前記直流電力が入力される出力側電力変換部と、
前記入力側電力変換部と前記出力側電力変換部とを接続し、前記直流電力を伝送する直流バスと、
前記入力側電力変換部を制御する入力側制御部と、
前記出力側電力変換部を制御する出力側制御部と、
を備え、
前記入力側電力変換部および前記出力側電力変換部は、一方が一または複数の電力変換装置で構成され、他方が複数の電力変換装置で構成され、
前記入力側制御部は、
前記入力側電力変換部を構成する前記電力変換装置の入力電力、入力電流または入力電圧と前記直流バスにおける直流バス電圧との関係が一義的に決まる入出力特性を規定した第１データを有し、
前記第１データに基づいて、前記直流バス電圧に応じて前記入力側電力変換部を制御し、
前記出力側制御部は、
前記出力側電力変換部を構成する前記電力変換装置の出力電力、出力電流または出力電圧と前記直流バス電圧との関係が一義的に決まる入出力特性を規定した第２データを有し、
前記第２データに基づいて、前記直流バス電圧に応じて前記出力側電力変換部を制御することを特徴とする。

この構成によれば、直流バス電圧は、特定の電力変換装置の制御に依拠することなく、入力側電力変換部の入力電力、入力電流または入力電圧や、出力側電力変換部の出力電力、出力電流または出力電圧との関係で一義的に決まる値に安定する。また、この構成によれば、入力側制御部および出力側制御部は、相互の通信に依拠することなく、各電力変換装置に意図した（第１データおよび第２データで規定した）電力変換を行わせることができる。

上記電源システムにおいて、
前記入力側電力変換部は、複数の前記電力変換装置で構成され、
前記第１データでは、複数の異なる前記入出力特性が規定されていてもよい。

上記電源システムにおいて、
前記入力側制御部は、前記直流バス電圧が上昇または低下すると、前記第１データに基づいて、前記入力側電力変換部を構成する複数の前記電力変換装置を順次停止させるよう構成できる。

上記電源システムにおいて、
前記出力側電力変換部が、複数の前記電力変換装置で構成され、
前記第２データでは、複数の異なる前記入出力特性が規定されていてもよい。

上記電源システムにおいて、
前記出力側制御部は、前記直流バス電圧が上昇または低下すると、前記第２データに基づいて、前記出力側電力変換部を構成する複数の前記電力変換装置を順次停止させるよう構成できる。

本発明によれば、制御アルゴリズムや制御部の構成の問題を回避できる電源システムを提供することができる。

本発明の第１実施形態に係る電源システムのブロック図である。入力側電力変換部を構成する電力変換装置の入出力特性の一例を示す図である。入力側電力変換部を構成する電力変換装置の入出力特性の別の例を示す図である。出力側電力変換部を構成する電力変換装置の入出力特性の一例を示す図である。本発明の第２実施形態に係る電源システムのブロック図である。各電力変換装置の入出力特性の一例を示す図である。双方向電力変換器の入出力特性の一例を示す図である。

以下、添付図面を参照して、本発明に係る電源システムの実施形態について説明する。

［第１実施形態］
図１に、本発明の第１実施形態に係る電源システム１０を示す。

電源システム１０は、入力側電力変換部を構成する第１電力変換装置１１および第２電力変換装置１２と、出力側電力変換部を構成する第３電力変換装置１３および第４電力変換装置１４と、直流バス１５と、入力側制御部１６と、出力側制御部１７とを備える。

第１電力変換装置１１は、少なくとも１つのＤＣ／ＤＣ電力変換器を含み、入力された直流電力（直流入力）を昇圧または降圧して出力する。第１電力変換装置１１は、入力側に直流電源１が接続され、出力側に直流バス１５が接続される。

第２電力変換装置１２は、少なくとも１つのＡＣ／ＤＣ電力変換器を含み、入力された交流電力（交流入力）を直流電力に変換して出力する。第２電力変換装置１２は、入力側に交流電源２（例えば、商用電力系統）が接続され、出力側に直流バス１５が接続される。

第３電力変換装置１３は、少なくとも１つのＤＣ／ＤＣ電力変換器を含み、入力された直流電力を昇圧または降圧して出力する。第３電力変換装置１３は、入力側に直流バス１５が接続され、出力側に直流負荷３が接続される。

第４電力変換装置１４は、少なくとも１つのＤＣ／ＡＣ電力変換器を含み、入力された直流電力を交流電力に変換して出力する。第４電力変換装置１４は、入力側に直流バス１５が接続され、出力側に交流負荷４が接続される。

直流バス１５は、第１電力変換装置１１、第２電力変換装置１２、第３電力変換装置１３および第４電力変換装置１４を相互に接続し、例えば、第１電力変換装置１１および／または第２電力変換装置１２から出力された直流電力を、第３電力変換装置１３および／または第４電力変換装置１４に伝送する。

入力側制御部１６は、例えば、マイコンおよび／または専用のＩＣからなり、第１電力変換装置１１および第２電力変換装置１２の入出力特性に関するデータ（本発明の「第１データ」に相当）を記憶している。入力側制御部１６は、このデータに基づいて第１電力変換装置１１および第２電力変換装置１２を制御する。

入力側制御部１６が、第１電力変換装置１１を制御する制御部と第２電力変換装置１２を制御する制御部とで構成される場合（分散制御の場合）、第１電力変換装置１１の制御部に第１電力変換装置１１の入出力特性に関するデータを記憶させ、第２電力変換装置１２の制御部に第２電力変換装置１２の入出力特性に関するデータを記憶させる。これにより、第１電力変換装置１１の制御部と第２電力変換装置１２の制御部とは、相互に通信を行う必要がなくなる。

図２に、第１電力変換装置１１および第２電力変換装置１２の入出力特性の一例を示す。図２に示す入出力特性は、電源システム１０の出力電力が減少したときに、自然と第１電力変換装置１１および第２電力変換装置１２の入力電力を絞る制御を行うためのものである。

電源システム１０の出力電力が入力電力を下回ると、直流バス１５における電圧（直流バス電圧）は上昇する。このとき入力側制御部１６は、直流バス電圧を低下させるのではなく、上昇する直流バス電圧に応じて入力電力を減少させるように、第１電力変換装置１１および／または第２電力変換装置１２を制御する。その結果、直流バス電圧が一定値で安定し、（変換効率を考慮しなければ）入力電力と出力電力とが釣り合う。

図３に、第１電力変換装置１１および第２電力変換装置１２の入出力特性の別の例を示す。図３に示す入出力特性は、第１電力変換装置１１と第２電力変換装置１２とに異なる特性をもたせることで、所定の入力を優先させる制御を行うためのものである。

図３の場合、電源システム１０の出力電力が入力電力を下回り、直流バス電圧が上昇すると、入力側制御部１６は、第１電力変換装置１１の入力電力を維持したまま第２電力変換装置１２の入力電力を絞り始める。さらに直流バス電圧が上昇し、第２電力変換装置１２の入力電力がゼロになると、入力側制御部１６は、第１電力変換装置１１の入力電力を絞り始める。

この制御によれば、最初から第１電力変換装置１１および第２電力変換装置１２の双方の入力電力を絞る制御よりも、第１電力変換装置１１の変換効率の低下を抑え、入力側電力変換部の変換効率の低下を抑えることができる。

再び図１を参照して、出力側制御部１７は、例えば、マイコンおよび／または専用のＩＣからなり、第３電力変換装置１３および第４電力変換装置１４の入出力特性に関するデータ（本発明の「第２データ」に相当）を記憶している。出力側制御部１７は、このデータに基づいて第３電力変換装置１３および第４電力変換装置１４を制御する。

出力側制御部１７が、第３電力変換装置１３を制御する制御部と第４電力変換装置１４を制御する制御部とで構成される場合（分散制御の場合）、第３電力変換装置１３の制御部に第３電力変換装置１３の入出力特性に関するデータを記憶させ、第４電力変換装置１４の制御部に第４電力変換装置１４の入出力特性に関するデータを記憶させる。これにより、第３電力変換装置１３の制御部と第４電力変換装置１４の制御部とは、相互に通信を行う必要がなくなる。

図４に、第３電力変換装置１３および第４電力変換装置１４の入出力特性の一例を示す。図４に示す入出力特性は、電源システム１０の入力電力が減少したときに自然と出力電力を絞る制御を行うためのものである。

電源システム１０の入力電力が出力電力を下回ると、直流バス電圧は低下する。このとき出力側制御部１７は、直流バス電圧を上昇させるのではなく、低下する直流バス電圧に応じて出力電力を減少させるように、第３電力変換装置１３および／または第４電力変換装置１４を制御する。その結果、直流バス電圧が一定値で安定し、（変換効率を考慮しなければ）入力電力と出力電力とが釣り合う。

また、出力側制御部１７は、第３電力変換装置１３と第４電力変換装置１４とに異なる特性をもたせた入出力特性に関するデータを記憶することで、所定の出力を優先させる制御を行ってもよい。

結局、本実施形態に係る電源システム１０において、直流バス電圧は、特定の電力変換装置の制御に依拠することなく、第１電力変換装置１１～第４電力変換装置１４の入出力特性によって一義的に決まる値に安定する。

すなわち、本実施形態に係る電源システム１０では、電力変換装置の数が増えても、入力側制御部１６および出力側制御部１７への負荷や、結線のためのハーネスが過度に増大することはない。また、入力側制御部１６および出力側制御部１７は、相互に通信を行わなくてもよいので、通信遅延や通信途絶といった問題も生じない。

さらに、本実施形態に係る電源システム１０では、電力や電圧が不連続に変化するポイントがないため、ハンチングなどのリスクを回避できる。

［第２実施形態］
図５に、本発明の第２実施形態に係る電源システム２０を示す。

電源システム２０は、入力側電力変換部を構成する第１電力変換装置２１および第２電力変換装置２２と、出力側電力変換部を構成する第３電力変換装置２３と、直流バス２４と、第１入力側制御部２５と、第２入力側制御部２６と、出力側制御部２７とを備える。

第１電力変換装置２１は、ＤＣ／ＤＣ電力変換器を含み、入力された直流電力（直流入力）を昇圧または降圧して出力する。第１電力変換装置２１は、入力側に太陽電池５が接続され、出力側に直流バス２４が接続される。

第２電力変換装置２２は、ＡＣ／ＤＣ電力変換器を含み、入力された交流電力（交流入力）を直流電力に変換して出力する。第２電力変換装置２２は、入力側に交流電源６（例えば、商用電力系統）が接続され、出力側に直流バス２４が接続される。

第３電力変換装置２３は、並列接続された複数（本実施形態では、８個）のＤＣ／ＤＣ電力変換器Ａ～Ｈを含み、入力された直流電力を昇圧または降圧して出力する。第３電力変換装置２３は、入力側に直流バス２４が接続され、出力側に直流負荷７が接続される。

直流バス２４は、第１電力変換装置２１、第２電力変換装置２２および第３電力変換装置２３（ＤＣ／ＤＣ電力変換器Ａ～Ｈ）を相互に接続し、例えば、第１電力変換装置２１および／または第２電力変換装置２２から出力された直流電力を、第３電力変換装置２３に伝送する。

第１入力側制御部２５は、例えば、マイコンおよび／または専用のＩＣからなり、第１電力変換装置２１の入出力特性に関するデータを記憶している（図６の２１参照）。第１入力側制御部２５は、このデータを最大値として第１電力変換装置２１を制御する。

第２入力側制御部２６は、例えば、マイコンおよび／または専用のＩＣからなり、第２電力変換装置２２の入出力特性に関するデータを記憶している（図６の２２参照）。第２入力側制御部２６は、このデータに基づいて第２電力変換装置２２を制御する。

出力側制御部２７は、例えば、マイコンおよび／または専用のＩＣからなり、第３電力変換装置２３を構成するＤＣ／ＤＣ電力変換器Ａ～Ｈの入出力特性に関するデータを記憶している（図６のＡ～Ｈ参照）。出力側制御部２７は、このデータに基づいてＤＣ／ＤＣ電力変換器Ａ～Ｈを制御する。なお、出力側制御部２７は、ＤＣ／ＤＣ電力変換器Ａ～Ｈを１対１で制御する８個の制御部で構成されていてもよい。

図６に示すように、第１入力側制御部２５は、電源システム２０の出力電力が減少して直流バス電圧が上昇するとき、上昇する直流バス電圧に応じて入力電力を減少させるよう第１電力変換装置２１を制御する。同様に、第２入力側制御部２６は、電源システム２０の出力電力が減少して直流バス電圧が上昇するとき、上昇する直流バス電圧に応じて入力電力を減少させるよう第２電力変換装置２２を制御する。

一方、出力側制御部２７は、電源システム１０の入力電力が減少して直流バス電圧が低下するとき、低下する直流バス電圧に応じて出力電力を減少させるように、第３電力変換装置２３を構成するＤＣ／ＤＣ電力変換器Ａ～Ｈを制御する。

具体的には、出力側制御部２７は、ＤＣ／ＤＣ電力変換器Ａ～Ｈの出力電力をＤＣ／ＤＣ電力変換器Ｈから順に絞っていく。例えば、ＤＣ／ＤＣ電力変換器Ｈの出力電力がゼロになるまでＤＣ／ＤＣ電力変換器Ａ～Ｇの出力電力は維持される。

一般に、ＤＣ／ＤＣ電力変換器Ａ～Ｈは、出力電力が低下すると電力の変換効率も低下する。この制御によれば、ＤＣ／ＤＣ電力変換器Ａ～Ｈの出力電力を同時に絞る制御と比較して、第３電力変換装置２３における変換効率の低下を抑えることができる。

以上、本発明に係る電源システムの実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。

本発明の電源システムは、入力側電力変換部と、出力側電力変換部と、直流バスと、入力側制御部と、出力側制御部とを備え、入力側電力変換部および出力側電力変換部の一方が一または複数の電力変換装置で構成され、他方が複数の電力変換装置で構成されていればよい。なお、入力側制御部と出力側制御部とをまとめて、１つの制御部（例えば、１つのマイコンおよび／または専用のＩＣ）で構成してもよい。

本発明の入力側制御部は、入力側電力変換部を構成する電力変換装置の入力電力、入力電流または入力電圧と直流バス電圧との関係が一義的に決まる入出力特性を規定した第１データを有し、第１データに基づいて、直流バス電圧に応じて入力側電力変換部を制御するのであれば、適宜構成を変更できる。

本発明の出力側制御部は、出力側電力変換部を構成する電力変換装置の出力電力、出力電流または出力電圧と直流バス電圧との関係が一義的に決まる入出力特性を規定した第２データを有し、第２データに基づいて、直流バス電圧に応じて出力側電力変換部を制御するのであれば、適宜構成を変更できる。

入力側電力変換部および／または出力側電力変換部は、双方向電力変換器であってもよい。商用電力系統と接続される電力変換部を双方向の電力変換器にすることで、商用電力系統から直流バスに電力を供給するだけでなく直流バスから商用電力系統に電力を出力することが可能となる。蓄電池と接続される電力変換部を双方向の電力変換器にすることで、蓄電池から直流バスに電力を供給するだけでなく直流バスから蓄電池に電力を出力することが可能となる。

この場合、直流バス電圧（双方向電力変換器の両入出力端のうち、直流バスが接続される一方端側の電圧）と双方向電力変換器の変換電力を正負の両方向に規定したデータに従って双方向電力変換を行う。規定データとして、図７に双方向電力変換器の入出力特性の一例を示す。この規定データは、直流バス電圧が高い場合には直流バスから送受電設備（商用電力系統、蓄電池など）に電力を供給し、直流バス電圧が低い場合には送受電設備から直流バスに電力を供給するように連続的に切り替わるように規定する。

１直流電源
２、６交流電源
３、７直流負荷
４交流負荷
５太陽電池
１０、２０電源システム
１１、２１第１電力変換装置
１２、２２第２電力変換装置
１３、２３第３電力変換装置
１４第４電力変換装置
１５、２４直流バス
１６入力側制御部
１７、２７出力側制御部
２５第１入力側制御部
２６第２入力側制御部

Claims

直流電力を出力する入力側電力変換部と、
前記直流電力が入力される出力側電力変換部と、
前記入力側電力変換部と前記出力側電力変換部とを接続し、前記直流電力を伝送する直流バスと、
前記入力側電力変換部を制御する入力側制御部と、
前記出力側電力変換部を制御する出力側制御部と、
を備え、
前記入力側電力変換部および前記出力側電力変換部は、一方が一または複数の電力変換装置で構成され、他方が複数の電力変換装置で構成され、
前記入力側制御部は、
前記入力側電力変換部を構成する前記電力変換装置の入力電力、入力電流または入力電圧と前記直流バスにおける直流バス電圧との関係が一義的に決まる入出力特性を規定した第１データを有し、
前記第１データに基づいて、上昇する前記直流バス電圧に応じて前記入力電力を減少させるように前記入力側電力変換部を制御し、
前記出力側制御部は、
前記出力側電力変換部を構成する前記電力変換装置の出力電力、出力電流または出力電圧と前記直流バス電圧との関係が一義的に決まる入出力特性を規定した第２データを有し、
前記第２データに基づいて、低下する前記直流バス電圧に応じて前記出力電力を減少させるように前記出力側電力変換部を制御することを特徴とする電源システム。
前記入力側電力変換部は、複数の前記電力変換装置で構成され、
前記第１データでは、複数の異なる前記入出力特性が規定されていることを特徴とする請求項１に記載の電源システム。
前記入力側制御部は、前記直流バス電圧が上昇または低下すると、前記第１データに基づいて、前記入力側電力変換部を構成する複数の前記電力変換装置を順次停止させることを特徴とする請求項２に記載の電源システム。
前記出力側電力変換部が、複数の前記電力変換装置で構成され、
前記第２データでは、複数の異なる前記入出力特性が規定されていることを特徴とする請求項１～３のいずれか一項に記載の電源システム。
前記出力側制御部は、前記直流バス電圧が上昇または低下すると、前記第２データに基づいて、前記出力側電力変換部を構成する複数の前記電力変換装置を順次停止させることを特徴とする請求項４に記載の電源システム。