JP7274944B2

JP7274944B2 - 直流連携システム

Info

Publication number: JP7274944B2
Application number: JP2019104709A
Authority: JP
Inventors: 彰訓加藤
Original assignee: 河村電器産業株式会社
Priority date: 2019-06-04
Filing date: 2019-06-04
Publication date: 2023-05-17
Anticipated expiration: 2039-06-04
Also published as: JP2020198736A

Description

本発明は、自家発電電力と商用電源を連携させて効率良く直流負荷に電力を供給する直流連携システムに関する。

従来より、太陽光発電等の自家発電装置により発電した電力、及び蓄電池に蓄えられた電力を使用して直流負荷を稼働させる直流連携システムがある。
例えば、特許文献１では、直流幹線に電力を供給するために、商用電力を直流変換する整流調整装置、太陽光発電の出力を昇圧するＤＣ／ＤＣコンバータ、蓄電池の電圧を昇圧するＤＣ／ＤＣコンバータをそれぞれ設けると共に、個々の出力電力を検出して制御する電力調整装置を別途設けて、特定の電源設備が過負荷にならないよう制御した。

特開２００４－２０８４２６号公報

上述した従来の直流連携システムでは、太陽光発電や蓄電池に電流センサを設けて電力を監視し、電力監視装置により発電電力量や充放電電力を管理したため、自家発電装置による発電電力と商用電力を連携して直流負荷に電力を供給するには複雑な電力制御を実施していた。

そこで、本発明はこのような問題点に鑑み、複雑な電力制御を実施することなく自家発電装置による発電電力を負荷に供給する直流連携システムを提供することを目的としている。

上記課題を解決する為に、請求項１の発明は、自家発電電力、蓄電池、及び商用電力の３種類のうち、少なくとも２種類の電力を電源として、所定電圧の直流に変換して直流母線に重畳させて統合し、統合した直流電力を複数の負荷に供給する直流連携システムであって、直流母線を分岐して負荷に電力を供給する負荷電路には、負荷毎に優先順位を設定する負荷優先順位設定回路が設けられており、負荷優先順位設定回路は、負荷電路毎に電力供給をオン／オフする直流母線の電圧変動幅をボリューム抵抗により設定することで優先順位が設定され、優先順位の低い負荷電路に対しては電圧変動幅を狭く設定することで、供給される電力が低下して直流母線の電圧が低下したら、電圧変動幅を狭く設定された負荷電路から順に電力供給が停止されることを特徴とする。
この構成によれば、供給される電力が低下すると、優先順位が低く設定された負荷から順に停止するため、一斉に負荷が停止する事態を防止できる。一方、極力停止を回避したい負荷は優先順位を高く設定することで、安全確保がし易い。
そして、自家発電電力や蓄電池に電流センサを設けて電力を監視しないため、電力を監視して制御する複雑な制御をすること無く複数の電源を連携させて直流負荷に電力を供給できる。

請求項２の発明は、請求項１に記載の構成において、直流母線と各負荷との間には、突入電流から負荷を保護する負荷保護回路が配置されていることを特徴とする。
この構成によれば、電源投入時に発生する突入電流から負荷を保護でき、負荷の劣化を防止できる。

請求項３の発明は、請求項１又は２に記載の構成において、電源は自家発電電力を含み、自家発電電力は、逆流防止回路を含む入力保護回路を介して直流母線に重畳されることを特徴とする。
この構成によれば、自家発電装置には電流の逆流が発生しないため、自家発電装置を保護できる。

請求項４の発明は、請求項３に記載の構成において、入力保護回路は、逆流防止回路に加えて、アーク保護回路、サージ保護回路を具備して成ることを特徴とする。
この構成によれば、商用電力等から直流母線に流れ込んだ雷サージや、接点開閉等で発生するアークから自家発電装置を保護できる。

請求項５の発明は、請求項２に記載の構成において、負荷優先順位設定回路と、負荷保護回路と、直流母線とが共通する盤に組み付けられ、盤には、電源を接続する複数の入力部、負荷を接続するための複数の出力部が設けられて成ることを特徴とする。
この構成によれば、直流連携させるための主要回路が１つの盤に収容されているため、直流連携システムの施工がし易い。

請求項６の発明は、請求項５に記載の構成において、電源は蓄電池及び商用電力を含み、盤には、蓄電池の出力を所定電圧に昇圧／降圧するＤＣ／ＤＣコンバータと、商用電力を所定電圧の直流に変換するＡＣ／ＤＣコンバータが組み付けられていることを特徴とする。
この構成によれば、蓄電池の出力を昇圧／降圧するＤＣ／ＤＣコンバータと、商用電力を直流に変換するＡＣ／ＤＣコンバータが盤に組み付けられているため、蓄電池、商用電力が直接盤に接続でき、簡易な施工で済む。

本発明によれば、供給される電力が十分でなければ、優先順位の低い所定の負荷から順に停止するため、一斉に負荷が停止する事態を防止できる。また、重要な負荷は優先順位を高く設定することで、緊急時の安全確保がし易い。
そして、自家発電電力や蓄電池に電流センサを設けて電力を監視しないため、電力を監視して制御する複雑な制御をすること無く複数の電源を連携させて直流負荷に電力を供給できる。

本発明に係る直流連携システムの一例を示す構成図である。入力保護回路の回路図である。負荷優先順位設定回路及び負荷保護回路の回路図である。

以下、本発明を具体化した実施の形態を、図面を参照して詳細に説明する。図１は本発明に係る直流連携システムの一例を示す構成図であり、主要回路は箱状に形成された盤（直流連携盤）１に組み付けられ、収容されている。
盤１には複数の入力部１１、出力部１２が設けられ、入力部１１には各種電源が接続され、出力部１２には複数の負荷２が接続されている。

図１では、入力部１１は第１～第４入力部（１１ａ～１１ｄ）の４入力部により構成され、出力部１２は第１～第４出力部（１２ａ～１２ｄ）の４出力部より構成されている。
そして盤１の内部には、２つの入力保護回路３、蓄電池２５の電圧を昇圧／降圧するためのＤＣ／ＤＣコンバータ４、商用電力２６を直流変換するＡＣ／ＤＣコンバータ５、入力された直流電力が重畳される直流母線６、直流母線６を保護する主幹保護回路７、負荷優先順位設定回路８、負荷保護回路９等が組み付けられている。

第１入力部１１ａ、第２入力部１１ｂは自家発電装置の入力部であり、ここでは再生可能エネルギーである太陽光発電装置２１と風力発電装置２２が接続されている。
但し、太陽光発電装置２１はＤＣ／ＤＣコンバータ２３ａを備えた制御盤２３を介して接続され、所定電圧に昇圧された直流電力が入力される。
また風力発電装置２２は、ＡＣ／ＤＣコンバータ２４ａ備えた制御盤２４を介して接続され、発電電力が所定の電圧の直流に変換されて入力される。
そして、太陽光発電装置２１が接続された第１入力部１１ａ、及び風力発電装置２２が接続された第２入力部１１ｂは、盤１内でそれぞれ入力保護回路３に接続されたのち直流母線６に接続され、入力された電力が重畳され一体化される。

第３入力部１１ｃには蓄電池２５が接続され、盤１内でＤＣ／ＤＣコンバータ４により所定の直流電圧に昇圧／降圧されて直流母線６に重畳される。
第４入力部１１ｄには商用電力２６が接続され、盤１内でＡＣ／ＤＣコンバータ５により所定の直流電圧に変換されて直流母線６に重畳される。

こうして、４種類の電源による直流電力が重畳された直流母線６は、主幹保護回路７を介した後分岐され、負荷優先順位設定回路８及び負荷保護回路９を介して負荷２が接続された個々の出力部１２に接続されている。

図２は入力保護回路３の回路図である。入力保護回路３は、直流開閉器３１、アーク保護回路３２、サージ保護回路３３、逆流防止回路３４を具備している。
アーク保護回路３２は、閉路状態にある直流開閉器３１を開操作した際に発生する直流アークを抑制する回路である。コンデンサＣ１に蓄積された電荷により、直流開閉器３１を開操作した瞬間の接点間の電圧は緩やかに変化し、アークの発生が防止される。
サージ保護回路３３は、落雷等で電路に入り込んだ高電圧から電源を保護する。

逆流防止回路３４は、順方向のみに電流が流れ、逆方向に流れないよう阻止する回路である。直流母線６に接続される電路上にＭＯＳＦＥＴから成るスイッチング素子Ｍ５が配置され、逆流発生時このスイッチング素子Ｍ５がオフする。
具体的に、電路電流が順方向に流れているとき（スイッチング素子Ｍ５がオンしているとき）、スイッチング素子Ｍ５のドレイン側とソース側の電圧をみると、ソース側の電位がドレイン側に比べて高い。このとき、トランジスタＱ１はオフ状態でコレクタ側に電源電圧が印加されている。
一方、逆方向に流れようとすると、スイッチング素子Ｍ５のソース側の電位がドレイン側に比べて低くなる。このとき、トランジスタＱ１はオンしてスイッチング素子Ｍ５のゲート電圧がゼロになる。こうして、スイッチング素子Ｍ５はオフして逆方向の流れが防止される。

図３は負荷優先順位設定回路８、負荷保護回路９の回路図であり、これらの回路は直流母線６から分岐した負荷電路６ａに設けられている。尚、１０は負荷優先順位設定回路８及び負荷保護回路９の電源回路である。
負荷優先順位設定回路８は、ボリューム抵抗ＶＲ１、コンパレータＩＣ１－１、ＭＯＳＦＥＴから成るスイッチング素子Ｍ１－１を主要素子として構成されている。
ボリューム抵抗ＶＲ１を調整してコンパレータＩＣ１－１への電圧指令値を設定し、コンパレータＩＣ１－１出力の「Ｈｉ」或いは「Ｌｏ」の出力の閾値が設定される。こうして、直流母線６の電圧の変化に応じて負荷２への出力がオン／オフ操作され、ボリューム抵抗ＶＲ１の操作により負荷の優先順位が設定される。

ボリューム抵抗ＶＲ１の操作によりコンパレータＩＣ１－１の「＋」入力を上げると直流母線６の電圧変動に対して広いレンジで「Ｈｉ」信号を出力し、結果高い優先順位となる。一方、ボリューム抵抗ＶＲ１の操作によりコンパレータＩＣ１－１の「＋」入力を下げると直流母線６の電圧変動に対して狭いレンジで「Ｈｉ」信号を出力し、結果低い優先順位となる。

負荷保護回路９は、抵抗（突入防止抵抗）Ｒ１７、ＭＯＳＦＥＴから成るスイッチング素子Ｍ１－１、Ｍ１－２、ツェナーダイオードＺＤ５、トランジスタＱ１０１－１を主要素子として構成されている。突入防止抵抗Ｒ１７により、電源投入時に負荷２に容量成分が存在した場合に発生する突入電流が制限される。

具体的に、電源投入時、スイッチング素子Ｍ１－１がオンし、負荷電流が流れる。このとに突入防止抵抗Ｒ１７、スイッチング素子Ｍ１－１に負荷電流が流れる。
このとき、スイッチング素子Ｍ１－２はオフしているが、突入電流が減少して行き、突入防止抵抗Ｒ１７にかかる電圧がツェナーダイオードＺＤ５の電圧以下になると、トランジスタＱ１０１－１がオンし、スイッチング素子Ｍ１－２がオンする。すると、スイッチング素子Ｍ１－１はゲート電圧がゼロになるためオフし、電路電流（直流母線６の分岐電流）は、スイッチング素子Ｍ１－２を通り、突入防止抵抗Ｒ１７を通らない。
こうして、電源投入時のみ突入防止抵抗Ｒ１７を介して電路電流が流れることで、突入電流が制限される。

このように、負荷優先順位設定回路８を備えるため、供給される電力が低下すると、優先順位が低く設定された負荷２から順に停止するため、一斉に負荷２が停止する事態を防止できる。一方、極力停止を回避したい負荷２は優先順位を高く設定することで、安全確保がし易い。
そして、自家発電電力や蓄電池２５に電流センサを設けて電力を監視しないため、電力を監視して制御する複雑な制御をすること無く複数の電源を連携させて直流負荷に電力を供給できる。
また、負荷保護回路９により、電源投入時に発生する突入電流から負荷２を保護でき、負荷２の劣化を防止できる。
更に、入力保護回路３により自家発電装置には電流の逆流が発生しないため、自家発電装置を保護できるし、商用電力等から直流母線６に流れ込んだ雷サージや、接点開閉等で発生するアークから自家発電装置を保護できる。
また、直流連携させるための主要回路が１つの盤１に収容されているため、直流連携システムの施工がし易いし、盤１には更に蓄電池２５の出力を昇圧／降圧するＤＣ／ＤＣコンバータ４と、商用電力２６を直流に変換するＡＣ／ＤＣコンバータ５も組み付けられているため、蓄電池２５、商用電力２６を直接盤１に接続でき、更に簡易な施工で済む。

尚、上記実施形態では、自家発電電力、蓄電池２５、及び商用電力２６の３種類の電源を直流母線６に重畳して負荷２に供給しているが、３種類に限定するもので無く、何れか２種類の電源のみを直流母線６に重畳させても良い。
また、主要回路を盤１内に組み付けてシステムを構成しているが、自家発電電力の入力保護回路３と蓄電池２５のＤＣ／ＤＣコンバータ４は、発電している場所や蓄電池２５の設置場所に分散配置しても良い。その場合、それらの出力を盤１の直流母線６に接続すれば良い。
更に、商用電力２６を直流変換するＡＣ／ＤＣコンバータ５を盤１から独立させても良いし、逆に太陽光発電装置２１の制御盤２３、風力発電装置２２の制御盤２４を盤１と一体に形成しても良い。
また、自家発電装置として再生可能エネルギーである太陽光発電装置２１と風力発電装置２２を備えているが、何れか一方のみでも良いし他の発電設備であっても良い。

１・・盤、２・・負荷、３・・入力保護回路、４・・ＤＣ／ＤＣコンバータ、５・・ＡＣ／ＤＣコンバータ、６・・直流母線、６ａ・・負荷電路、７・・主幹保護回路、８・・負荷優先順位設定回路、９・・負荷保護回路、１１・・入力部、１２・・出力部、２１・・太陽光発電装置、２２・・風力発電装置、２３ａ・・ＤＣ／ＤＣコンバータ、２４ａ・・ＡＣ／ＤＣコンバータ、２５・・蓄電池、２６・・商用電力、３２・・アーク保護回路、３３・・サージ保護回路、３４・・逆流防止回路。

Claims

自家発電電力、蓄電池、及び商用電力の３種類のうち、少なくとも２種類の電力を電源として、所定電圧の直流に変換して直流母線に重畳させて統合し、統合した直流電力を複数の負荷に供給する直流連携システムであって、
前記直流母線を分岐して前記負荷に電力を供給する負荷電路には、負荷毎に優先順位を設定する負荷優先順位設定回路が設けられており、
前記負荷優先順位設定回路は、負荷電路毎に電力供給をオン／オフする前記直流母線の電圧変動幅をボリューム抵抗により設定することで優先順位が設定され、
優先順位の低い負荷電路に対しては前記電圧変動幅を狭く設定することで、供給される電力が低下して前記直流母線の電圧が低下したら、前記電圧変動幅を狭く設定された前記負荷電路から順に電力供給が停止されることを特徴とする直流連携システム。
前記直流母線と各負荷との間には、突入電流から負荷を保護する負荷保護回路が配置されていることを特徴とする請求項１記載の直流連携システム。
前記電源は前記自家発電電力を含み、前記自家発電電力は、逆流防止回路を含む入力保護回路を介して前記直流母線に重畳されることを特徴とする請求項１又は２記載の直流連携システム。
前記入力保護回路は、前記逆流防止回路に加えて、アーク保護回路、サージ保護回路を具備して成ることを特徴とする請求項３記載の直流連携システム。
前記負荷優先順位設定回路と、前記負荷保護回路と、前記直流母線とが共通する盤に組み付けられ、
前記盤には、前記電源を接続する複数の入力部、負荷を接続するための複数の出力部が設けられて成ることを特徴とする請求項２記載の直流連携システム。
前記電源は前記蓄電池及び前記商用電力を含み、前記盤には、前記蓄電池の出力を所定電圧に昇圧／降圧するＤＣ／ＤＣコンバータと、前記商用電力を所定電圧の直流に変換するＡＣ／ＤＣコンバータが組み付けられていることを特徴とする請求項５記載の直流連携システム。