JP7482281B2

JP7482281B2 - 電力変換システム

Info

Publication number: JP7482281B2
Application number: JP2023056821A
Authority: JP
Inventors: 偉霖劉
Original assignee: Darfon Electronics Corp
Current assignee: Darfon Electronics Corp
Priority date: 2022-04-06
Filing date: 2023-03-31
Publication date: 2024-05-13
Anticipated expiration: 2043-03-31
Also published as: JP2023154409A; US20230327473A1

Description

本発明は電力変換システム（Ｐｏｗｅｒｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎｓｙｓｔｅｍ；ＰＣＳ）に関し、特に充電式電池の充電比率に基づいてその出力する交流電周波数を調整する電力変換システムに関する。

電力変換システム（Ｐｏｗｅｒｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎｓｙｓｔｅｍ；ＰＣＳ）は二方向の電力変換コンバーターであり、オングリッド（ｏｎ－ｇｒｉｄ）とオフグリッド（ｏｆｆ－ｇｒｉｄ）の電気エネルギーの貯蔵に応用できる。電力変換システムを如何にして有効に操作するかは、従来から当該技術分野の重要課題とされてきた。

本発明は、充電式電池の充電比率に基づいてその出力する交流電周波数を調整する電力変換システムを提供する。

本発明の電力変換システムは交流電源ポート、直流電源ポート、電圧電流計、及びマイクロコントロールユニットを含む。直流電源ポートは充電式電池にカップリングされる。電圧電流計は交流電源ポートにカップリングされて、電力変換システムが交流電源ポートから出力する電圧及び電流を検出する。マイクロコントロールユニットは電力変換システムの電力潮流を制御し、かつ、充電式電池から充電状態信号を受信する。また、マイクロコントロールユニットは充電状態信号に基づいて、充電式電池の現段階の充電比率を把握し、かつ、電圧電流計が検出した電圧及び電流に基づいて、電力変換システムの対外出力電力をさらに算出する。マイクロコントロールユニットは商用電源のオフグリッドの発生を検出した場合、マイクロコントロールユニットは、充電式電池の現段階の充電比率が第１設定比率より大きいか否かを判断するステップ、充電式電池の現段階の充電比率が第１設定比率より大きいと判断された時、対外出力電力が第１設定電力より小さいか否かを判断するステップ、対外出力電力が第１設定電力より小さいと判断された時、電力変換システムが交流電源ポートから出力する交流電周波数を高くして、交流電源ポートにカップリングされた太陽光発電インバーターの電気エネルギーの出力を停止させるステップとを実行する。

本発明の一実施例の電力変換システム及びカップリングされた商用電源、負荷、充電式電池、太陽光発電インバーターと太陽光パネルの機能ブロック図である。図１のマイクロコントロールユニットが電力変換システムを制御するフローチャートである。

図１は本発明の一実施例の電力変換システム（Ｐｏｗｅｒｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎｓｙｓｔｅｍ；ＰＣＳ）１００とそれにカップリングされた商用電源１０、負荷６０、充電式電池７０、太陽光発電インバーター（Ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃｉｎｖｅｒｔｅｒ；ＰＶｉｎｖｅｒｔｅｒ）５０及び太陽光パネル８０の機能ブロック図である。太陽光発電インバーター５０は太陽光パネル８０で生成された直流電を交流電に変換し、かつ、変換後の交流電を負荷６０及び／又は電力変換システム１００に提供する。

電力変換システム１００は商用電源接続ポート１２、交流電源ポート１４、直流電源ポート１６、電圧電流計３０及びマイクロコントロールユニット（ｍｉｃｒｏｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｕｎｉｔ；ＭＣＵ）４０を含む。電力変換システム１００は商用電源接続ポート１２によって商用電源１０に接続され、かつ、商用電源１０から電力を受けることができる。直流電源ポート１６は充電式電池７０にカップリングされ、電力変換システム１００は直流電源ポート１６によって、充電式電池７０に対し充電を行い、又は充電式電池７０から電力を受けることができる。電圧電流計３０は交流電源ポート１４にカップリングされて、電力変換システム１００が交流電源ポート１４から出力する電圧Ｖａ及び電流Ｉａを検出する。ここで、電圧Ｖａ及び電流Ｉａはそれぞれ交流電の電圧及び交流電の電流である。マイクロコントロールユニット４０は電力変換システムの操作を制御し、かつ、充電式電池７０から充電状態信号ＳＯＣを受信する。ここで、マイクロコントロールユニット４０は充電状態信号ＳＯＣに基づいて、充電式電池７０の現段階の充電比率を取得し、かつ、電圧電流計３０が検出した電圧Ｖａ及び電流Ｉａに基づいて、電力変換システム１００の対外出力電力ＰＩｎｖを取得する。ここで、対外出力電力ＰＩｎｖが正であれば、電力変換システム１００は交流電源ポート１４によって外部へ電気エネルギーを出力することを示し、対外出力電力ＰＩｎｖが負であれば、電力変換システム１００は交流電源ポート１４によって外部から電気エネルギーを受けることを示す。

電力変換システム１００はさらに、直流インバーター２０及び電源インバーター２２を含んでもよい。直流インバーター２０は充電式電池７０が出力する直流電圧Ｖｂを異なる値の直流電圧Ｖｄに変換し、電源インバーター２２は直流電圧Ｖｄを交流電形式の電圧Ｖａに変換する。

図２は図１のマイクロコントロールユニット４０が電力変換システム１００を制御するフローチャートである。マイクロコントロールユニット４０は商用電源のオフグリッド（ｏｆｆ－ｇｒｉｄ）の発生を検出した場合（例えば、接続ポート１２と商用電源１０の間の接続が切断され、又は商用電源１０が停電になった場合）、マイクロコントロールユニット４０は図２のプロセスを実行し、このプロセスは以下のステップを含む。

ステップＳ１００：マイクロコントロールユニット４０は電力変換システム１００がグリッドに再接続された否かを判断する。なお、変換システム１００が商用電源１０に再接続され、又は太陽光発電インバーター５０が給電を開始した場合、電力変換システム１００はグリッドに再接続されたことを意味する。マイクロコントロールユニット４０は電力変換システム１００がグリッドに再接続されていないと判断した場合、ステップＳ１０２を実行し、逆の場合、ステップＳ１１３を実行する。

ステップＳ１０２：マイクロコントロールユニット４０は充電状態信号ＳＯＣに基づいて、充電式電池７０の現段階の充電比率が設定比率Ｓ２より大きいか否かを判断する。なお、比率Ｓ２（例えば、２０％から９０％の間にある）は予め設定され、マイクロコントロールユニット４０は充電式電池７０の現段階の充電比率が設定比率Ｓ２より大きいと判断した場合、ステップＳ１０４を実行し、逆の場合、ステップＳ１００に戻る。

ステップＳ１０４：マイクロコントロールユニット４０は対外出力電力ＰＩｎｖが設定電力Ｐ１より小さいか否かを判断する。なお、電力Ｐ１（例えば、５００ワット）は予め設定され、かつ異なる制御ニーズによって調整可能である。マイクロコントロールユニット４０は対外出力電力ＰＩｎｖが設定電力Ｐ１より小さいと判断した場合、ステップＳ１０６を実行し、逆の場合、ステップＳ１００に戻る。

ステップＳ１０６：マイクロコントロールユニット４０は電力変換システム１００が交流電源ポート１４から出力する交流電の周波数Ｆを高くして、交流電源ポート１４にカップリングされた太陽光発電インバーター５０の電気エネルギーの出力を停止させ、過周波数保護に移る。例えば：マイクロコントロールユニット４０は交流電の周波数Ｆを（ＦＴｒｉｐ＋Ｍａｘｓｔｅｐ）まで高くする。なお、ＦＴｒｉｐは例えば６０．６ヘルツ（Ｈｚ）であり、Ｍａｘｓｔｅｐは例えば０．３ヘルツである。さらに言うと、交流電の周波数Ｆが一旦ＦＴｒｉｐ以上に達すると、太陽光発電インバーター５０は電気エネルギーの出力が停止し、周波数Ｆｔｒｉｐを中断周波数と言ってもよい。従って、交流電の周波数Ｆが（ＦＴｒｉｐ＋Ｍａｘｓｔｅｐ）に等しい時、太陽光発電インバーター５０の電気エネルギーの出力をより確実に停止させることができる。マイクロコントロールユニット４０がステップＳ１０６を実行した後、ステップＳ１００に戻る。

ステップＳ１１３：マイクロコントロールユニット４０は充電状態信号ＳＯＣに基づいて、充電式電池７０の現段階の充電比率が設定比率Ｓ１より小さいか否かを判断する。なお、設定比率Ｓ１は設定比率Ｓ２より１０％低くてもよいため、設定比率Ｓ２が２０％から９０％の間にある場合、設定比率Ｓ１は１０％から８０％の間にあってもよい。マイクロコントロールユニット４０は充電式電池７０の現段階の充電比率が設定比率Ｓ１より小さくないと判断した場合、ステップＳ１１５を実行し、逆の場合、ステップＳ１１７を実行する。

ステップＳ１１５：マイクロコントロールユニット４０は電力変換システム１００が交流電源ポート１４から出力する交流電の周波数Ｆを中断周波数Ｆｔｒｉｐに設定し、太陽光発電インバーター５０の電気エネルギーの出力を停止させて、過周波数保護に移る。

ステップＳ１１７：マイクロコントロールユニット４０は電力変換システム１００が交流電源ポート１４から出力する交流電の周波数Ｆを一般周波数Ｆｎｏｒｍａｌに設定し、太陽光発電インバーター５０の電気エネルギーの出力を復帰させ、一般周波数Ｆｎｏｒｍａｌは例えば６０ヘルツである。マイクロコントロールユニット４０はステップＳ１１７を実行してから、ステップＳ１００に戻る。

太陽光発電インバーター５０は電圧又は周波数が正常な作業範囲を超えたことを検出した場合、保護を起動し（例えば、過電圧、不足電圧、過周波数、不足周波数、単独運転（Ｉｓｌａｎｄｉｎｇ）・・・等の状況）、それ以上グリッドへ電力を出力せず、ここで、マイクロコントロールユニット４０は太陽光発電インバーター５０が遮断された否かを判断し、状態に基づいて電力変換システム１００の交流出力周波数を調整し、太陽光発電インバーター５０を再接続させてオングリッド給電できるかを決定する。太陽光発電インバーター５０は商用電源端の電圧と周波数が正常な作業範囲内にあることを検出した場合、グリッドに再接続させて給電する条件が成立したと判断し、太陽光発電インバーター５０は特定秒数（例えば：オングリッド法規定の３００秒）をカウントしてから、グリッドに接続して出力する。

本発明において、太陽光発電インバーター５０が交流電源ポート１４の出力する交流電の周波数Ｆに対する応答方式は、全出力（１００％）又は無出力（０％）の二段式である。例を挙げると、交流電源ポート１４が出力する交流電の周波数Ｆが５９．３ヘルツから６０．５ヘルツの間にある場合、太陽光発電インバーター５０は太陽光パネル８０から受けた電気エネルギーを変換した後、変換後の電力を百パーセント出力する。交流電源ポート１４が出力する交流電の周波数が５９．３ヘルツより小さい、又は６０．５ヘルツより大きい場合、太陽光発電インバーター５０は電力出力を停止する。

前記図２のプロセスから分かるように、マイクロコントロールユニット４０は商用電源のオフグリッドの発生を検出し、及び充電式電池７０の現段階の充電比率が設定比率Ｓ２より大きく、かつ対外出力電力ＰＩｎｖが設定電力Ｐ１より小さいと判断した場合、マイクロコントロールユニット４０は電力変換システム１００が交流電源ポート１４から出力する交流電の周波数Ｆを高くして、太陽光発電インバーター５０の電気エネルギーの出力を停止させ、過周波数保護に移り、電力変換システム１００は充電式電池７０の電気エネルギーを負荷６０に提供し、負荷６０のエネルギーを中断させないようにする。ここで、電力変換システム１００の対外出力電力ＰＩｎｖの数値は正数である。

また、マイクロコントロールユニット４０は商用電源オフグリッドの発生を検出し、かつ、マイクロコントロールユニット４０は充電式電池７０の現段階の充電比率が設定比率Ｓ２以下であることを検出した場合、マイクロコントロールユニット４０は交流電源ポート１４から出力される交流電の周波数Ｆを維持し、太陽光発電インバーター５０に継続して電気エネルギーを出力させる。類似的に、マイクロコントロールユニット４０は商用電源のオフグリッドの発生を検出し、及び充電式電池７０の現段階の充電比率が設定比率Ｓ２より大きく、かつ対外出力電力Ｐｎｖが設定電力Ｐ１以上であると判断した場合、マイクロコントロールユニット４０は交流電源ポート１４から出力される交流電の周波数を維持し、太陽光発電インバーター５０の電気エネルギーの出力を継続させる。

また、マイクロコントロールユニット４０は充電式電池７０の現段階の充電比率が設定比率Ｓ１より小さいと判断した場合、マイクロコントロールユニット４０は交流電源ポート１４から出力される交流電の周波数Ｆを低くして、太陽光発電インバーター５０の電気エネルギーの出力を復帰させる。ここで、負荷６０の消費電力が太陽光発電インバーター５０の出力する電力より大きい場合、電力変換システム１００は充電式電池７０からの電力を負荷６０へ出力するようにする。一方、この時の太陽光発電インバーター５０から出力される電力が負荷６０の消費電力より大きい場合、太陽光発電インバーター５０は別途電気エネルギーを電力変換システム１００に出力し、充電式電池７０に対し充電を行う。

また、マイクロコントロールユニット４０は充電式電池７０の現段階の充電比率が設定比率Ｓ２と設定比率Ｓ１との間にあると判断した場合、マイクロコントロールユニット４０は交流電源ポート１４から出力される交流電の周波数Ｆを中断周波数Ｆｔｒｉｐに設定して、太陽光発電インバーター５０の電気エネルギーの出力を停止させ、過周波数保護に移る。

本発明のマイクロコントロールユニット４０は商用電源のオフグリッドの発生を検出した場合、電力変換システム１００に交流電周波数Ｆを出力させ、太陽光発電インバーター５０が単独（Ｉｓｌａｎｄｉｎｇ）保護にならないよう誘導し、発電してグリッドに提供し、そのエネルギーを負荷６０と電力変換システム１００に提供し、マイクロコントロールユニット４０は充電式電池７０の現段階の充電比率、及び対外出力電力ＰＩｎｖの正負と大きさに基づいて、電力変換システム１００が出力する交流電の周波数を動的に調整し、これにより、全体の電力潮流を効率的に制御できる。

以上は本発明の好ましい実施例に過ぎず、請求の範囲の記載範囲内で施された等価な変更と修飾も本発明の範囲に属する。

１０商用電源
１２商用電源接続ポート
１４交流電源ポート
１６直流電源ポート
２０直流インバーター
２２電源インバーター
３０電圧電流計
４０マイクロコントロールユニット
５０太陽光発電インバーター
６０負荷
７０充電式電池
８０太陽光パネル
１００電力変換システム
Ｆ周波数
Ｉａ電流
ＰＩｎｖ電力
Ｖａ電圧
Ｖｂ直流電圧
Ｖｄ直流電圧
ＳＯＣ充電状態信号
Ｓ１００、Ｓ１０２、Ｓ１０４、Ｓ１０６、Ｓ１１３、Ｓ１１５、Ｓ１１７ステップ

Claims

電力変換システム（Ｐｏｗｅｒｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎｓｙｓｔｅｍ；ＰＣＳ）であって、
交流電源ポートと、
充電式電池にカップリングされた直流電源ポートと、
前記交流電源ポートにカップリングされて、前記電力変換システムが前記交流電源ポートから出力する電圧及び電流を検出する電圧電流計と、
前記電力変換システムの操作を制御し、かつ、前記充電式電池から充電状態（ｓｔａｔｅｏｆｃｈａｒｇｅ；ＳＯＣ）信号を受信するマイクロコントロールユニット（ｍｉｃｒｏｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｕｎｉｔ；ＭＣＵ）とを含み、
前記マイクロコントロールユニットは前記充電状態信号に基づいて前記充電式電池の現段階の充電比率を取得し、かつ、前記電圧電流計が検出した前記電圧及び前記電流に基づいて、前記電力変換システムの対外出力電力を取得し、
前記マイクロコントロールユニットが商用電源のオフグリッド（ｏｆｆ－ｇｒｉｄ）の発生を検出した場合、前記マイクロコントロールユニットは、
前記充電式電池の現段階の充電比率が第１設定比率より大きいか否かを判断するステップと、
前記充電式電池の現段階の充電比率が前記第１設定比率より大きいと判断された場合、前記対外出力電力が第１設定電力より小さいか否かを判断するステップと、
前記対外出力電力が前記第１設定電力より小さいと判断された場合、前記電力変換システムは前記交流電源ポートから出力される交流電の周波数を高くして、前記交流電源ポートにカップリングされた太陽光発電インバーターによる電気エネルギーの出力を停止させるステップとを実行する、電力変換システム。
前記マイクロコントロールユニットが商用電源のオフグリッドの発生を検出し、及び、前記充電式電池の現段階の充電比率が前記第１設定比率より大きく、かつ前記対外出力電力が前記第１設定電力より小さいと判断された場合、前記電力変換システムは、前記充電式電池からの電気エネルギーを負荷に提供することを特徴とする、請求項１に記載の電力変換システム。
前記マイクロコントロールユニットが商用電源のオフグリッドの発生を検出し、かつ、前記マイクロコントロールユニットが前記充電式電池の現段階の充電比率が前記第１設定比率以下であると判断した場合、前記マイクロコントロールユニットは前記交流電源ポートから出力される前記交流電の周波数を維持し、前記太陽光発電インバーターに継続して電気エネルギーを出力させる、請求項１に記載の電力変換システム。
前記マイクロコントロールユニットが商用電源のオフグリッドの発生を検出し、及び、前記充電式電池の現段階の充電比率が前記第１設定比率より大きく、かつ前記対外出力電力が前記第１設定電力以上であると判断された場合、前記マイクロコントロールユニットは前記交流電源ポートから出力される前記交流電の周波数を維持して、前記太陽光発電インバーターに電気エネルギーを継続して出力させる、請求項１に記載の電力変換システム。
前記マイクロコントロールユニットが前記充電式電池の現段階の充電比率が第２設定比率より小さいと判断した場合、前記マイクロコントロールユニットは前記交流電源ポートが出力する前記交流電の周波数を低くして、前記太陽光発電インバーターの電気エネルギー出力を復帰させ、前記第２設定比率は前記第１設定比率より小さい、請求項１に記載の電力変換システム。
前記マイクロコントロールユニットが前記充電式電池の現段階の充電比率が前記第２設定比率より小さいと判断した場合、前記太陽光発電インバーターは負荷への電気エネルギー出力を復帰させ、前記負荷の消費電力が前記太陽光発電インバーターの出力する電力より大きいと判断された場合、前記電力変換システムは電気エネルギーを前記負荷に出力する、請求項５に記載の電力変換システム。
前記マイクロコントロールユニットが前記充電式電池の現段階の充電比率が前記第２設定比率より小さいと判断した場合、前記太陽光発電インバーターは負荷への電気エネルギー出力を復帰させ、前記太陽光発電インバーターの出力する電力が前記負荷の消費電力より大きい場合、前記太陽光発電インバーターは別途電気エネルギーを前記電力変換システムへ出力して、前記充電式電池に対し充電を行う、請求項５に記載の電力変換システム。
前記マイクロコントロールユニットが前記充電式電池の現段階の充電比率が前記第１設定比率と第２設定比率との間にあると判断した場合、前記マイクロコントロールユニットは前記交流電源ポートから出力される前記交流電の周波数を中断周波数に設定して、前記太陽光発電インバーターの電気エネルギーの出力を停止させ、前記第２設定比率は前記第１設定比率より小さい、請求項１に記載の電力変換システム。