WO2021039678A1

WO2021039678A1 - 直流給電装置

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Publication number: WO2021039678A1
Application number: PCT/JP2020/031746
Authority: WO
Inventors: 實村野; 真棚橋; 伸一尾崎; 幸伸高橋
Original assignee: シオン電機株式会社
Priority date: 2019-08-23
Filing date: 2020-08-22
Publication date: 2021-03-04
Also published as: JPWO2021039678A1

Abstract

太陽電池等由来の直流電力と商用電源由来の直流電力と蓄電装置とを合成する場合に、太陽電池等由来の直流電力を効率的に取得できる直流給電装置を提供する。直流電力を発電する発電装置から前記直流電力を受電し負荷に伝送する伝送路と、受電した交流電力を直流電力に変換し当該直流電力を前記伝送路に出力する交直流変換部と、前記伝送路と蓄電部との間の接続状態を、充電、放電または切断の何れかに制御する充放電制御部と、を有し、前記交直流変換部が、前記充放電制御部の接続状態に応じて、前記伝送路に出力する直流電力の電圧Ｖｏｕｔを調整する直流給電装置を提供する。

Description

直流給電装置

　本発明は、直流給電装置に関する。

　たとえば、特許文献１は、設置コストの低減、直流負荷に対する安定的な電力供給、および、電力供給能力の向上を目的とする直流電源利用システムを開示している。当該直流電源利用システムは、直流電源と、交流商用電源と、交流商用電源を直流電源に変換する直流変換器と、直流電源及び直流に変換された商用電源の双方から直流の電力供給を受ける直流負荷器とを備え、直流電源と直流負荷器との間及び直流変換器と直流負荷器との間には各々逆流防止のダイオードが取り付けられると共に、直流電源側から優先的に直流負荷器に電力供給を行う電源優先供給装置が取り付けられたことを特徴とする。当該直流電源利用システムによれば、直流電源に太陽電池を含む場合に日射量が減少したとしても、その日射量において発電した電力を最大限利用できる簡易な制御法が提供できるとされている。

　たとえば、特許文献２は、負荷の消費する電力が、太陽電池からの電力と略等しいかそれより大きい場合において、太陽電池から発電された電力を最大限取り出すことが出来て無駄なく使用できる太陽光発電用電力給電システムを開示する。当該太陽光発電用電力供給システムは、「直流電力を出力する太陽光電源装置と、前記太陽光電源装置以外の電源装置と、前記太陽光電源装置と前記電源装置からの直流電力を合成する直流電力合成装置と、該直流電力合成装置で合成された直流電力が入力される直流電力消費の負荷を有する電気製品とを備え、前記直流電力消費の負荷を有する電気製品の消費電力が、前記太陽光電源装置の直流発電電力と略等しいか前記直流発電電力よりも大きい条件において、太陽光電源装置から最大効率の直流電力が取得できる電圧値を検出し、前記太陽光電源装置以外の電源装置から前記直流電力消費の負荷を有する電気製品へ出力される電圧値を、前記検出した太陽光電源装置から最大効率の直流電力が取得できる電圧値と略同等の電圧値として設定し、前記直流電力を送出する太陽光電源装置と前記電源装置からの直流電力を直流電力合成装置で合成し、合成した直流電力を前記直流電力消費の負荷を有する電気製品へ電力供給するシステムであって、前記直流電力消費の負荷を有する電気製品内には、整流回路と電圧変換回路と前記直流電力合成装置を有し、前記太陽光電源装置からの最大効率の直流電力が取得できる電圧値が検出されたとき、前記太陽光電源装置以外の電源装置から前記直流電力消費の負荷への出力電圧を電気製品内の前記電圧変換回路により前記検出された電圧値に設定し、かつ前記整流回路により交流電源入力可能な構成とし、前記電圧変換回路と直流電力消費の負荷との間に直流電力合成装置を接続して、該直流電力合成装置に電気製品の外部にある太陽光電源装置を接続した、こと」を特徴とする。本発明の電力供給システムによれば、「前記太陽光電源装置からの最大効率の直流電力が取得できる電圧値が検出されたとき、前記太陽光電源装置以外の電源装置から前記直流電力消費の負荷への出力電圧を電気製品内の前記電圧変換回路により前記検出された電圧値に設定」することで、負荷の消費する電力が、太陽電池からの電力より大きい場合において、太陽電池から発電された電力を最大限取り出すことが出来て無駄なく使用できる優れた効果を奏する、とされている。

特開２０１１－１８１０５５号公報特許第５８１２５０３号公報

　上記した直流電源利用システムあるいは太陽光発電用電力給電システムによれば、太陽電池のような出力電圧に応じて取り出せる電力が変動する電源由来の直流電力と、商用電源のように原則として電圧変動がない電源に由来する直流電力とを、簡易な制御法によって合成し、効率的な負荷への直流電力供給を実現できるものの、太陽電池からの供給電力が負荷の消費電力を上回る場合の余剰電力を有効に活用することができないことから、本発明者らは、当該余剰電力が発生した場合の電力を蓄電する蓄電装置を備えた電力供給システムの発明を為し、これを特許出願した（特願2017-169034号）。当該電力供給システムによれば、余剰電力を蓄電装置に蓄電し、太陽電池からの供給電力で負荷の消費電力が賄えない場合に蓄電装置から負荷に電力を供給し、商用電力からの電力供給を抑制して電気代を節約できる効果を得ることができる。

　しかし、引用文献１、２に記載のような蓄電装置を備えない構成においては、「太陽光電源装置以外の電源装置から前記直流電力消費の負荷への出力電圧」を「前記太陽光電源装置からの最大効率の直流電力が取得できる電圧値」に設定することで容易に太陽電池から最大電力を取得できるものの、蓄電装置を備える上記電力供給システムの構成では、負荷への出力電圧、すなわち太陽電池の出力電圧は蓄電装置の出力電圧で制限され、太陽電池から最大電力を得ることが困難な場合があった。

　また、太陽電池のような出力電圧に応じて取り出せる電力が変動する電源装置では、設置環境や動作環境の変動によって一時的に想定電圧を超えることがある。たとえば、太陽光パネルへの入射光に建物や雲からの反射光が加わった場合や、風の発生、気温低下などにより太陽光パネル温度が低下し、想定電圧を超える電圧が発生する場合がある。特に、太陽光パネルを最大電力が取得できる電圧の近傍で稼働させようとした場合にその可能性が大きい。このような場合に、接続機器の許容電圧を超える可能性が発生し、機器損失の可能性が生じる場合がある。

　また、負荷によっては、特定の電圧範囲に制限しなければならない場合があり、負荷の許容電圧の範囲が十分に広い場合であっても、たとえば蓄電装置（バッテリー）の寿命を延ばすため、あえて使用電圧範囲を制限したい場合がある。

　さらに、蓄電装置（バッテリー）が満充電電圧に達した場合は、一般に、充電方向の電流を遮断するよう制御するが、バッテリーの最大容量まで充電されているわけではない。

　本発明の目的は、太陽電池のような出力電圧に応じて取り出せる電力が変動する電源由来の直流電力と、商用電源のように原則として電圧変動がない電源に由来する直流電力と、蓄電装置への直流電力の充電および放電を、簡易な制御法によって合成する場合に、太陽電池等由来の直流電力を効率的に取得できる直流給電装置を提供することにある。

　本発明の他の目的は、太陽電池のように設置環境や動作環境によって一時的に高い電圧を発生するような電源由来の直流電力を利用する場合であっても、電圧上昇を抑制し、安全な稼働を実現できる直流給電装置を提供することにある。

　本発明の他の目的は、使用電圧範囲を制限したい機器を利用する場合に利便なように、使用電圧範囲の規定が可能な直流給電装置を提供することにある。

　本発明のさらに他の目的は、蓄電装置が最大容量まで充電可能となる直流給電装置を提供することにある。

　上記課題を解決するために、本発明の第１の態様においては、直流電力を発電する発電装置から前記直流電力を受電し負荷に伝送する伝送路と、受電した交流電力を直流電力に変換し当該直流電力を前記伝送路に出力する交直流変換部と、前記伝送路と蓄電部との間の接続状態を、充電、放電または切断の何れかに制御する充放電制御部と、を有し、前記交直流変換部が、前記充放電制御部の接続状態に応じて、前記伝送路に出力する直流電力の電圧Ｖｏｕｔを調整する直流給電装置を提供する。

　前記発電装置の出力電圧Ｖｇｅｎが、前記蓄電部の最小充電電圧Ｖｂａｔ＿ｍｉｎ以下である場合、前記充放電制御部が、前記接続状態を前記切断に制御し、前記交直流変換部が、前記電圧Ｖｏｕｔを、前記蓄電部の最小充電電圧Ｖｂａｔ＿ｍｉｎ以上、前記発電装置から最大電力が得られる電圧Ｖｃｅｌｌ＿ｍａｘの１１０％以下の範囲の電圧、または、前記電圧Ｖｃｅｌｌ＿ｍａｘに調整しても良い。

　前記発電装置の出力電圧Ｖｇｅｎが、前記蓄電部の最小充電電圧Ｖｂａｔ＿ｍｉｎを超え前記蓄電部の最大充電電圧Ｖｂａｔ＿ｍａｘに満たない場合、前記充放電制御部が、前記接続状態を、前記発電装置からの受電電力Ｐｉｎが前記負荷への供給電力Ｐｏｕｔを上回る場合には前記充電に制御し、前記受電電力Ｐｉｎが前記供給電力Ｐｏｕｔを下回る場合には前記放電に制御し、前記交直流変換部が、前記電圧Ｖｏｕｔを、前記最小充電電圧Ｖｂａｔ＿ｍｉｎ未満に調整しても良い。

　前記発電装置の出力電圧Ｖｇｅｎが、前記蓄電部の最大充電電圧Ｖｂａｔ＿ｍａｘ以上である場合、前記充放電制御部が、前記接続状態を前記切断に制御し、前記交直流変換部が、前記電圧Ｖｏｕｔを、前記蓄電部の最小充電電圧Ｖｂａｔ＿ｍｉｎ未満に調整しても良い。

　前記充放電制御部が、前記蓄電部へのフローティング充電を制御するフローティング充電制御部を有しても良く、前記発電装置の出力電圧Ｖｇｅｎが、前記蓄電部の最大充電電圧Ｖｂａｔ＿ｍａｘ以上である場合、前記充放電制御部が、前記接続状態を前記切断に制御するとともに、前記フローティング充電制御部が、前記蓄電部にフローティング充電を行っても良い。

　前記伝送路からの複数の負荷への電力供給を制御する負荷コントローラと、前記複数の負荷のうち１以上の負荷への電力供給の遮断または低減を検知する検知部と、をさらに有しても良く、前記検知部が、前記遮断または前記低減を検知したとき、前記負荷コントローラが、当該遮断または前記低減により低下することとなる供給電力の全部または一部を、前記電力供給が遮断または低減される負荷以外の他の負荷に供給するよう制御しても良い。あるいは、前記伝送路からの複数の負荷への電力供給を制御する負荷コントローラと、前記伝送路の電圧Ｖｂｕｓの変動を予測する電圧予測部と、をさらに有しても良く、前記電圧予測部が、前記伝送路の最大電圧Ｖｂｕｓ＿ｍａｘを超えて前記電圧Ｖｂｕｓが変動すると予測したとき、前記負荷コントローラが、前記変動を抑制するに必要な直流電力を、現に電力供給されている負荷以外の他の負荷に供給するよう制御しても良い。この場合、前記伝送路の電圧Ｖｂｕｓが前記蓄電部の最大充電電圧Ｖｂａｔ＿ｍａｘを超えている場合に、前記負荷コントローラが前記制御を実施しても良い。また、前記他の負荷は、ダミー負荷であっても良い。

　なお、上記の発明の概要は、本発明の必要な特徴の全てを列挙したものではない。また、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となりうる。

直流給電装置１００を含む電力システム１０の一例を示す機能ブロック図である。充放電制御部１３０の一例を示す回路ブロック図である。直流給電装置１００の動作の一例を示す説明図である。発電装置１４０の動作の一例を示す説明図である。充放電制御部１３０の他の例を示す回路ブロック図である。フローティング充電制御部１３４の一例を示す回路図である。フローティング充電制御部１３４の他の例を示す回路図である。直流給電装置２００を含む電力システム２０の一例を示す機能ブロック図である。ダミー負荷１７６の一例を示す回路図である。ダミー負荷１７６の他の例を示す回路図である。ダミー負荷１７６のさらに他の例を示す回路図である。ダミー負荷１７６のさらに他の例を示す回路図である。直流給電装置３００を含む電力システム３０の一例を示す機能ブロック図である。

　以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。

（実施の形態１）
　図１は、本発明の一実施の形態である直流給電装置１００を含む電力システム１０の一例を示す機能ブロック図である。電力システム１０は、直流給電装置１００を有する他、発電装置１４０、商用電源１５０、蓄電部１６０、負荷１７０を有する。

　発電装置１４０は、出力電圧Ｖｇｅｎで直流電力を出力する電気装置である。発電装置１４０は、たとえば太陽電池、燃料電池等を挙げることができる。発電装置１４０は、太陽電池のように出力電圧に応じて取り出せる電力が変動する電源装置である。発電装置１４０は、再生可能エネルギーであることが好ましい。なお、図１では単一の発電装置１４０を例示するが、発電装置１４０は、複数の発電装置１４０であっても良い。

　商用電源１５０は、電力会社等から送電線を介して供給される交流電力源である。なお、本実施の形態１の直流給電装置１００は、可能な限り、太陽電池等に代表される自然エネルギーにより負荷１７０への電力供給を賄おうとするものであるから、商用電源１５０からの電力は、発電装置１４０からの電力が不足する場合に限り利用する予備的電力である。

　蓄電部１６０は、単一または複数の蓄電池（バッテリー）を組み合わせた直流蓄電装置である。複数の蓄電池を直並列に組み合わせて接続することで、蓄電部１６０の電圧を調整することができる。蓄電部１６０は、発電装置１４０から受電した直流電力を蓄電し、蓄電した直流電力を負荷１７０に給電する機能を有する。蓄電部１６０は、蓄電池の寿命や安全性を考慮して、最小充電電圧Ｖｂａｔ＿ｍｉｎおよび最大充電電圧Ｖｂａｔ＿ｍａｘが規定されている。最大充電電圧Ｖｂａｔ＿ｍａｘは、蓄電部１６０への充電を停止する電圧であり、最小充電電圧Ｖｂａｔ＿ｍｉｎは、蓄電部１６０からの放電を停止する電圧である。蓄電部１６０は、最小充電電圧Ｖｂａｔ＿ｍｉｎから最大充電電圧Ｖｂａｔ＿ｍａｘの電圧範囲で充放電されるよう制御される。

　負荷１７０は、直流電力を消費する電気電子機器である。たとえば直流入力を有するインバータ方式のエアーコンディショナ、直流駆動可能なＬＥＤ等の照明器具、直流入力を有するコンピュータ等電子機器が例示できる。

　直流給電装置１００は、伝送路１１０、交直流変換部１２０、充放電制御部１３０を有する。

　伝送路１１０は、発電装置１４０から直流電力を受電し負荷１７０に伝送する。また、伝送路１１０は、交直流変換部１２０が出力する直流電力を受電し、充放電制御部１３０を介して蓄電部１６０に充放電される直流電力を受送電する。伝送路１１０には、図示するように受動素子、能動素子などの電気素子が配置されていないので、伝送路１１０の銅損を無視すれば、交直流変換部１２０、充放電制御部１３０、発電装置１４０の出力電圧は一致する。

　交直流変換部１２０は、受電した交流電力を直流電力に変換し、変換した直流電力を伝送路１１０に出力する。また、交直流変換部１２０は、充放電制御部１３０の接続状態に応じて、伝送路１１０に出力する直流電力の電圧Ｖｏｕｔを調整する。充放電制御部１３０の接続状態に応じた電圧Ｖｏｕｔの調整については後に詳述する。

　交直流変換部１２０は、整流部１２２と電圧調整部１２４とを有する。整流部１２２は、商用電源１５０から交流電力を受電し、直流電力に変換（整流）する。整流部１２２の出力電圧は、商用電源１５０の交流電圧に依存する。電圧調整部１２４は、整流部１２２からの直流電力を受け、当該直流電力の電圧を、たとえばＤＣ／ＤＣコンバータによって所定の電圧Ｖｏｕｔに調整し、伝送路１１０に出力する。なお、ここでは、受電した交流電力を直流に整流した後に電圧を調整する例を示しているが、整流した後の電圧がＶｏｕｔになるよう受電した交流電力の電圧をたとえば変圧器によって昇圧または降圧し、その後整流して出力電圧がＶｏｕｔになるよう調整してもよい。

　充放電制御部１３０は、伝送路１１０と蓄電部１６０との間の接続状態を、充電、放電または切断の何れかに制御する。図２は、充放電制御部１３０の一例を示す回路ブロック図である。充放電制御部１３０は、ダイオードＤ１，Ｄ２、スイッチＳＷ１，ＳＷ２、スイッチ制御部１３２を有する。ダイオードＤ１およびスイッチＳＷ１の直列回路と、ダイオードＤ２およびスイッチＳＷ２の直列回路との並列回路が伝送路１１０の＋ラインと蓄電部１６０の＋端子との間に接続されている。また、伝送路１１０の－ラインと蓄電部１６０の－端子との間は直接接続されている。

　スイッチ制御部１３２は、スイッチＳＷ１およびＳＷ２の開閉を制御する。スイッチ制御部１３２からの信号Ｓｉｇ１に応じてスイッチＳＷ１が開閉され、スイッチ制御部１３２からの信号Ｓｉｇ２に応じてスイッチＳＷ２が開閉される。スイッチＳＷ１が開、スイッチＳＷ２が閉であるとき、充放電制御部１３０の接続状態（伝送路１１０と蓄電部１６０との間の接続状態）は放電である。スイッチＳＷ１が閉、スイッチＳＷ２が開であるとき、同接続状態は充電である。スイッチＳＷ１およびＳＷ２がともに開であるとき、同接続状態は切断である。なお、スイッチＳＷ１およびＳＷ２がともに閉となる制御は、禁止はされないが、蓄電部１６０の安全性確保の観点から好ましくはない。

　次に、電力システム１０における直流給電装置１００の動作を説明する。図３は、直流給電装置１００の動作の一例を示す説明図である。図３において、横軸は時間、縦軸は電圧を示し、Ｖｇｅｎは発電装置１４０の出力電圧、Ｖｏｕｔ（Ｖｏｕｔ＿ｈｉｇｈおよびＶｏｕｔ＿ｌｏｗ）は交直流変換部１２０の出力電圧を示す。実線は伝送路１１０の電圧を示す。

　図３における時間は、ほぼ１日の経過を示し、初期において太陽が昇り始め、時間の経過とともに太陽が南中し、終期において日没を迎える。発電装置１４０の出力電圧Ｖｇｅｎは、太陽の昇り始めから南中に至るまで上昇し、南中時点で極大値を示した後、日没に至るまで下降する。

　本実施の形態１の直流給電装置１００では、発電装置１４０の出力が伝送路１１０に直接接続されているので、伝送路１１０と蓄電部１６０とが直接接続されると、蓄電部１６０の端子電圧が最大充電電圧Ｖｂａｔ＿ｍａｘを超える場合、あるいは最小充電電圧Ｖｂａｔ＿ｍｉｎを下回る場合が生じ、蓄電部１６０の安全性および寿命に悪影響を及ぼす可能性が生じる。よって、本実施の形態１の直流給電装置１００では充放電制御部１３０を設けている。

　充放電制御部１３０は、発電装置１４０の出力電圧Ｖｇｅｎが、蓄電部１６０の最小充電電圧Ｖｂａｔ＿ｍｉｎ以下である場合、接続状態を切断に制御する（図３の「切断Ａ」）。また、充放電制御部１３０は、発電装置１４０の出力電圧Ｖｇｅｎが、蓄電部１６０の最大充電電圧Ｖｂａｔ＿ｍａｘ以上である場合、接続状態を切断に制御する（図３の「切断Ｂ」）。このように制御することで、蓄電部１６０の過放電および過充電を防止することができる。

　また、充放電制御部１３０は、発電装置１４０の出力電圧Ｖｇｅｎが最小充電電圧Ｖｂａｔ＿ｍｉｎを超え最大充電電圧Ｖｂａｔ＿ｍａｘに満たない場合、かつ、発電装置１４０からの受電電力Ｐｉｎが負荷１７０への供給電力Ｐｏｕｔを上回る場合には、接続状態を充電に制御する（図３の「充電」）。また、充放電制御部１３０は、発電装置１４０の出力電圧Ｖｇｅｎが最小充電電圧Ｖｂａｔ＿ｍｉｎを超え最大充電電圧Ｖｂａｔ＿ｍａｘに満たない場合、かつ、受電電力Ｐｉｎが供給電力Ｐｏｕｔを下回る場合には、接続状態を放電に制御する（図３の「放電」）。このように制御することで、蓄電部１６０の安全性をより高めることができる。なお、図３では、Ｖｇｅｎが上昇過程にある午前の接続状態を「充電」、Ｖｇｅｎが下降過程にある午後の接続状態を「放電」と表記しているが、一般的に午前は充電状態にある場合が多く、午後は放電状態にある場合が多いので代表的な例として示しているに過ぎない。日照や気温等によって変動する太陽電池の発電状態、負荷における電力消費の状態によっては、午前であっても接続状態が「放電」になったり、午後における接続状態が「充電」になったりする場合があることは勿論である。

　交直流変換部１２０は、発電装置１４０の出力電圧Ｖｇｅｎが蓄電部１６０の最小充電電圧Ｖｂａｔ＿ｍｉｎ以下である場合、すなわち、充放電制御部１３０の接続状態が「切断Ａ」である場合、交直流変換部１２０の電圧Ｖｏｕｔを、Ｖｏｕｔ＿ｈｉｇｈに調整する。ここで、Ｖｏｕｔ＿ｈｉｇｈは、発電装置１４０から最大電力Ｐｍａｘが得られる電圧Ｖｃｅｌｌ＿ｍａｘとすることができる。

　充放電制御部１３０の接続状態を切断とし、交直流変換部１２０の出力電圧ＶｏｕｔをＶｏｕｔ＿ｈｉｇｈとすることで、発電装置１４０から取得する電力を最大化することができる。仮に充放電制御部１３０を設けず、交直流変換部１２０の出力電圧Ｖｏｕｔを一定電圧とするなら、商用電源１５０から蓄電部１６０への充電を抑制する観点から（商用電源１５０は有料であるため、たとえ蓄電部１６０に充電余力があったとしても商用電源１５０からの充電電力供給は好ましくない。）、当該一定電圧は、蓄電部１６０が充電状態にならない低い電圧（最小充電電圧Ｖｂａｔ＿ｍｉｎ以下、たとえばＶｏｕｔ＿ｌｏｗ）に設定せざるを得ない。発電装置１４０の動作の一例を表す図４に示す通り、発電装置１４０から取得可能な電力は出力電圧に依存しており、電圧がＶｃｅｌｌ＿ｍａｘであるときに最大電力Ｐｍａｘが得られ、たとえば当該一定電圧がＶｏｕｔ＿ｌｏｗである場合には最大電力Ｐｍａｘより少ない電力しか取得できない。

　そこで、本実施の形態１の直流給電装置１００では充放電制御部１３０を設け、充放電制御部１３０の接続状態が「切断Ａ」となるような場合には、交直流変換部１２０の出力電圧ＶｏｕｔをＶｏｕｔ＿ｈｉｇｈ（最大電力Ｐｍａｘが得られる電圧Ｖｃｅｌｌ＿ｍａｘ）に調整するものである。これにより、図４に示すΔＰだけ多く発電装置１４０から電力を取得できるようになる。

　なお、充放電制御部１３０の接続状態が「切断Ａ」である場合の交直流変換部１２０の出力電圧Ｖｏｕｔ＿ｈｉｇｈは、最小充電電圧Ｖｂａｔ＿ｍｉｎ以上、Ｖｃｅｌｌ＿ｍａｘの１１０％以下の範囲の電圧であってもよい。当該範囲の電圧であれば、Ｐｍａｘの電力は得られないものの、「切断Ａ」状態における電力としては十分大きな電力を取得することが可能になる。

　また、発電装置１４０の出力電圧Ｖｇｅｎが、蓄電部１６０の最小充電電圧Ｖｂａｔ＿ｍｉｎを超え蓄電部１６０の最大充電電圧Ｖｂａｔ＿ｍａｘに満たない場合であって、発電装置１４０からの受電電力Ｐｉｎが負荷１７０への供給電力Ｐｏｕｔを上回る場合、すなわち充放電制御部１３０の接続状態が「充電」である場合、あるいは、受電電力Ｐｉｎが供給電力Ｐｏｕｔを下回る場合、すなわち充放電制御部１３０の接続状態が「放電」である場合には、交直流変換部１２０の電圧Ｖｏｕｔを、Ｖｏｕｔ＿ｌｏｗに調整する。ここで、Ｖｏｕｔ＿ｌｏｗは、最小充電電圧Ｖｂａｔ＿ｍｉｎ未満とすることができる。

　充放電制御部１３０の接続状態が「充電」または「放電」の場合に、交直流変換部１２０の出力電圧ＶｏｕｔをＶｏｕｔ＿ｌｏｗ（最小充電電圧Ｖｂａｔ＿ｍｉｎ未満）とすることで、余剰電力を蓄電部１６０に充電し、不足電力を蓄電部１６０から給電（放電）するとともに、商用電源１５０からの電力供給を抑制できる。

　また、交直流変換部１２０は、発電装置１４０の出力電圧Ｖｇｅｎが、蓄電部１６０の最大充電電圧Ｖｂａｔ＿ｍａｘ以上である場合、すなわち、充放電制御部１３０の接続状態が「切断Ｂ」である場合、交直流変換部１２０の電圧Ｖｏｕｔを、Ｖｏｕｔ＿ｌｏｗに調整する。ここで、Ｖｏｕｔ＿ｌｏｗは、最小充電電圧Ｖｂａｔ＿ｍｉｎ未満とすることができる。

　充放電制御部１３０の接続状態が「切断Ｂ」である場合に、交直流変換部１２０の出力電圧ＶｏｕｔをＶｏｕｔ＿ｌｏｗ（最小充電電圧Ｖｂａｔ＿ｍｉｎ未満）とすることで、蓄電部１６０への過充電を防止するとともに、商用電源１５０からの電力供給を抑制できる。

　以上の制御を纏めると、充放電制御部１３０が切断Ａ状態である場合に交直流変換部１２０の出力電圧ＶｏｕｔをＶｏｕｔ＿ｈｉｇｈに調整し、充放電制御部１３０が充電、切断Ｂ、放電の各状態である場合に交直流変換部１２０の出力電圧ＶｏｕｔをＶｏｕｔ＿ｌｏｗに調整する。このように制御した場合の伝送路１１０の電圧は、充放電制御部１３０が切断ＡのときＶｏｕｔ＿ｈｉｇｈであり、充放電制御部１３０が充電、切断Ｂ、放電のときＶｇｅｎである。充放電制御部１３０が切断Ａであるとき、蓄電部１６０の過放電を防止するとともに最大電力Ｐｍａｘを取得することができ、充放電制御部１３０が充電、切断Ｂ、放電であるとき、蓄電部１６０の過充電を防止するとともに余剰電力を有効活用できる。

　なお、充放電制御部１３０は、図５に示すように、フローティング充電制御部１３４をさらに有しても良い。フローティング充電制御部１３４は、蓄電部１６０が最大充電電圧Ｖｂａｔ＿ｍａｘに達した後、フローティング充電を実施する。すなわち、本実施の形態１の直流給電装置１００の充放電制御部１３０は、蓄電部１６０へのフローティング充電を制御するフローティング充電制御部１３４を有してよく、発電装置１４０の出力電圧Ｖｇｅｎが蓄電部１６０の最大充電電圧Ｖｂａｔ＿ｍａｘ以上である場合に、充放電制御部１３０が接続状態を切断に制御するとともに、フローティング充電制御部１３４が蓄電部１６０にフローティング充電を行うものであっても良い。フローティング充電とは、蓄電池が最大電圧に達し満充電になった後、自然放電を抑えるために微小電流で常時補充電を充電の段階をいう。充電状態にある蓄電部１６０の電圧は、内部抵抗により、実際の蓄電部１６０の電圧より高くなることがある。このため、蓄電部１６０の電圧が最大充電電圧Ｖｂａｔ＿ｍａｘに達したと判断されて充放電制御部１３０の接続状態が切断に制御された時点では、満充電に至っていない場合がある。このような場合、フローティング充電制御部１３４により、蓄電部１６０を満充電まで充電することができる。

　図６は、フローティング充電制御部１３４の一例を示す回路図である。このフローティング充電制御部１３４は、スイッチＳＷ３および抵抗Ｒ３の直列回路、スイッチＳＷ４および抵抗Ｒ４の直列回路、スイッチＳＷ５および抵抗Ｒ５の直列回路が並列に接続された回路で構成される例である。スイッチＳＷ３、スイッチＳＷ４およびスイッチＳＷ５の開閉がスイッチ制御部１３２からの信号Ｓｉｇ３により制御されて、蓄電部１６０の自然放電を抑えるために必要な微小電流が制御される。なお、ここではスイッチおよび抵抗の直列回路が３つの例を示しているが、単一でもよく、より多くのスイッチおよび抵抗の直列回路で構成されても良い。スイッチの閉制御は単一のスイッチに対して実施されても良く、複数のスイッチに対して実施されても良い。

　図７は、フローティング充電制御部１３４の他の例を示す回路図である。このフローティング充電制御部１３４は、スイッチ制御部１３２からの信号Ｓｉｇ３により制御されるＤＣ／ＤＣコンバータで構成される例である。信号Ｓｉｇ３により、蓄電部１６０の自然放電を抑えるために必要な微小電流が流れるようＤＣ／ＤＣコンバータを制御することができる。
（実施の形態２）
　図８は、直流給電装置２００を含む電力システム２０の一例を示す機能ブロック図である。本実施の形態２の直流給電装置２００は、負荷１７０が複数であり、負荷コントローラ２１０および検知部２２０を有する以外は実施の形態１の直流給電装置１００と同様である。直流給電装置１００と同様の構成については説明を省略する。

　本電力システム２０の負荷１７０には複数の負荷（負荷１７２、１７４）を有し、負荷１７０にはダミー負荷１７６が含まれる。負荷１７２、１７４は、実施の形態１の負荷１７０と同様、通常の負荷であり、直流電力を消費する電気電子機器、たとえば直流入力を有するインバータ方式のエアーコンディショナ、直流駆動可能なＬＥＤ等の照明器具、直流入力が可能なコンピュータ等電子機器等である。ダミー負荷１７６は、伝送路１１０の電圧が許容電圧を超えそうになった場合に余剰電力を逃がすための負荷である。なお、図８では、二つの負荷１７２、１７４、および１つのダミー負荷１７６を例示するが、より多くの負荷およびダミー負荷を備えても良い。

　負荷コントローラ２１０は、伝送路１１０からの複数の負荷１７０（負荷１７２、１７４、ダミー負荷１７６）への電力供給を制御する。検知部２２０は、複数の負荷１７０（負荷１７２、１７４、ダミー負荷１７６）のうち１以上の負荷への電力供給の遮断または低減を検知する。たとえば、負荷１７２に備えたスイッチがオフになった場合、当該スイッチからの信号等を受けて、スイッチオフに基づく負荷１７２への電力供給の遮断を検知する。あるいは負荷１７２がエアーコンディショナ等パワー制御機能を有するような負荷である場合、当該パワー制御機構からの信号を受けて負荷１７２への電力供給の低減を検知する。

　検知部２２０が、前記したような負荷１７２への電力供給の遮断または低減を検知したとき、負荷コントローラ２１０は、当該遮断または低減により低下することとなる供給電力の全部または一部を、電力供給が遮断または低減される負荷（負荷１７２）以外の他の負荷（負荷１７４またはダミー負荷１７６）に供給するよう制御する。上記制御は、負荷１７４が未使用である場合には優先的に負荷１７４への電力供給が行われ、負荷１７４が既に使用中で電力供給を受け付けない場合にはダミー負荷１７６に電力供給されるよう制御されても良い。

　複数の負荷１７０（負荷１７２、１７４、ダミー負荷１７６）の何れかに供給電力の遮断または低減が発生した場合、伝送路１１０の急激な電圧上昇等の電圧変動が発生する場合がある。このような電圧変動、特に急な電圧上昇を生じた場合、伝送路１１０を構成する電気部材や伝送路１１０に接続されている機器に障害を発生させる可能性がある。しかし、本実施の形態２の直流給電装置２００では、負荷コントローラ２１０および検知部２２０を有するので、複数の負荷の何れかに供給電力の遮断または低減が発生した場合であっても、伝送路１１０の電圧変動を抑え、上記した電気部材や機器等への障害の発生を防止することができる。なお、負荷への供給電力の遮断または低減を発生するようなスイッチ操作やコントローラ操作が行われても、伝送路１１０への電圧変動が発生するまでにはある程度のタイムラグがあるので、当該電圧変動が発生するまでのタイムラグの間にダミー負荷１７６等への電力供給を開始すれば、伝送路１１０の電圧変動は極めて小さく抑制することが可能である。

　図９は、ダミー負荷１７６の一例を示す回路図である。このダミー負荷１７６は、スイッチＳＷ６および抵抗Ｒ６の直列回路、スイッチＳＷ７および抵抗Ｒ７の直列回路、スイッチＳＷ８および抵抗Ｒ８の直列回路が並列に接続された回路で構成される例である。スイッチＳＷ６、スイッチＳＷ７およびスイッチＳＷ８の開閉が負荷コントローラ２１０からの信号Ｓｉｇ４により制御されて、適切な負荷容量（消費電力）が選択できる。なお、ここではスイッチおよび抵抗の直列回路が３つの例を示しているが、単一でもよく、より多くのスイッチおよび抵抗の直列回路で構成されても良い。スイッチの閉制御は単一のスイッチに対して実施されても良く、複数のスイッチに対して実施されても良い。

　図１０は、ダミー負荷１７６の他の例を示す回路図である。このダミー負荷１７６は、電界効果トランジスタＦＥＴ１が抵抗Ｒ９に直列接続された回路で構成され、負荷コントローラ２１０からの信号Ｓｉｇ４によってＦＥＴ１に流れる電流を制御する。このような構成とすることで、信号Ｓｉｇ４により、ダミー負荷１７６で消費される電力を連続的に制御し、適切な消費電力を選択できるようになる。なお、ＦＥＴ１は、回路に流れる電流が制御可能なものであれば、バイポーラトランジスタ等他の能動素子に代えることが可能である。

　図１１は、ダミー負荷１７６のさらに他の例を示す回路図である。このダミー負荷１７６は、コイルＬ１、コンデンサＣ１、抵抗Ｒ１０、ダイオードＤ３と電界効果トランジスタＦＥＴ２とで構成される例であり、降圧チョッパーによる容量変更可能な負荷の構成例である。この例では、負荷コントローラ２１０からの信号Ｓｉｇ４として、ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）信号を送り、デューティ比により消費電力を調整することができる。このような構成によれば、負荷の消費電力が動的に変更可能なので、より詳細な制御が可能となる。消費エネルギー量は、回路構成（抵抗値）、ＰＷＭのデューティ比、伝送路１１０の電圧から計算できるので、照明あるいは機械装置など特定の容量の負荷を切断する場合には、同じ容量となるように負荷からの信号Ｓｉｇ４を送ることで、見かけ上消費電力が変化しないため、伝送路１１０の電圧の実質的な変動は生じない。なお、図１１のダミー負荷１７６は、図１２に示すような、コイルＬ２、コンデンサＣ２、抵抗Ｒ１１、ダイオードＤ４、電界効果トランジスタＦＥＴ３、ＦＥＴ４で構成される昇圧チョッパーの構成例に変更することも可能である。図１２の構成例では、図１１の場合と同様に、負荷コントローラ２１０からの信号Ｓｉｇ４（ＰＷＭ信号）をＦＥＴ３に送り、デューティ比による消費電力の調整を行うとともに、負荷コントローラ２１０からの信号Ｓｉｇ５により、ＦＥＴ４のＯＮ／ＯＦＦを制御して、負荷を使わない場合の電力消費を抑制することができる。

（実施の形態３）
　図１３は、直流給電装置３００を含む電力システム３０の一例を示す機能ブロック図である。本実施の形態３の直流給電装置３００は、検知部２２０に代えて電圧予測部３２０を有する以外は実施の形態２の直流給電装置２００と同様である。直流給電装置２００と同様の構成については説明を省略する。

　電圧予測部３２０は、伝送路１１０の電圧Ｖｂｕｓの変動を予測する。電圧予測部３２０は、伝送路１１０の最大電圧Ｖｂｕｓ＿ｍａｘを超えて電圧Ｖｂｕｓが変動すると予測したとき、負荷コントローラ２１０が、変動を抑制するに必要な直流電力を、現に電力供給されている負荷（たとえば負荷１７２）以外の他の負荷（たとえば負荷１７４、ダミー負荷１７６）に供給するよう制御する。

　太陽光発電の発電電力は、日射量及び太陽電池への日光入射角、温度、電力を取り出すときの太陽電池の電圧によって決まる。気象条件については、突然０から１００％になる、というような変化は起こらないので発電電力は連続的に変化する。負荷が一定であれば、差分値または微分値により、電圧上昇は容易に予測できる。伝送路１１０の電圧Ｖｂｕｓが上昇傾向にあるか、下降傾向にあるのかは、電圧Ｖｂｕｓの時間微分値または一定時間後の電圧の差分によって調べることができる。そして、「差分値（または微分値）×時間」によって、一定時間経過後の電圧が予測できる。

　電圧予測部３２０は、伝送路１１０の電圧Ｖｂｕｓの一定時間後の値（予測電圧）を予測し、予測電圧が許容電圧（最大電圧Ｖｂｕｓ＿ｍａｘ）を超えると電圧予測部３２０が判断した場合、負荷コントローラ２１０は、現に電力供給されている負荷（たとえば負荷１７２）以外の他の負荷（たとえば負荷１７４、ダミー負荷１７６）に電力を送り、伝送路１１０の電圧Ｖｂｕｓが許容電圧（最大電圧Ｖｂｕｓ＿ｍａｘ）に達する前にこれを制限する。

　本実施の形態３の直流給電装置３００によれば、電圧予測部３２０を有し、電圧予測部３２０の予測に応じて負荷コントローラ２１０が、伝送路１１０の電圧Ｖｂｕｓが最大電圧Ｖｂｕｓ＿ｍａｘに達しないよう他の負荷（負荷１７４、ダミー負荷１７６）に電力を送るので、伝送路１１０の電圧Ｖｂｕｓは常に最大電圧Ｖｂｕｓ＿ｍａｘ未満に維持され、結果、伝送路１１０を構成する電気部材や伝送路１１０に接続されている機器の障害発生を防止することができるとともに、発電装置１４０における余剰電力を減らすことができる。

　なお、実施の形態２の直流給電装置２００または実施の形態３の直流給電装置３００において、伝送路１１０の電圧変動の影響を大きく受けるのは、伝送路１１０の電圧が高い場合であるから、伝送路１１０の電圧Ｖｂｕｓが蓄電部１６０の最大充電電圧Ｖｂａｔ＿ｍａｘを超えている場合に、上記した負荷コントローラ２１０が制御を実施するとき、特に顕著な効果を奏することができる。

　以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。

　１０…電力システム、２０…電力システム、３０…電力システム、１００…直流給電装置、１１０…伝送路、１２０…交直流変換部、１２２…整流部、１２４…電圧調整部、１３０…充放電制御部、１３２…スイッチ制御部、１３４…フローティング充電制御部、１４０…発電装置、１５０…商用電源、１６０…蓄電部、１７０…負荷、１７２…負荷、１７４…負荷、１７６…ダミー負荷、２００…直流給電装置、２１０…負荷コントローラ、２２０…検知部、３００…直流給電装置、３２０…電圧予測部、Ｃ１，Ｃ２…コンデンサ、Ｄ１～Ｄ４…ダイオード、Ｌ１、Ｌ２…コイル、Ｒ１～Ｒ１１…抵抗、ＳＷ１～ＳＷ８…スイッチ、ＦＥＴ１、ＦＥＴ２…電界効果トランジスタ。

Claims

　直流電力を発電する発電装置から前記直流電力を受電し負荷に伝送する伝送路と、
　受電した交流電力を直流電力に変換し当該直流電力を前記伝送路に出力する交直流変換部と、
　前記伝送路と蓄電部との間の接続状態を、充電、放電または切断の何れかに制御する充放電制御部と、を有し、
　前記交直流変換部が、前記充放電制御部の接続状態に応じて、前記伝送路に出力する直流電力の電圧Ｖｏｕｔを調整する
　直流給電装置。
　前記発電装置の出力電圧Ｖｇｅｎが、前記蓄電部の最小充電電圧Ｖｂａｔ＿ｍｉｎ以下である場合、
　前記充放電制御部が、前記接続状態を前記切断に制御し、
　前記交直流変換部が、前記電圧Ｖｏｕｔを、前記蓄電部の最小充電電圧Ｖｂａｔ＿ｍｉｎ以上、前記発電装置から最大電力が得られる電圧Ｖｃｅｌｌ＿ｍａｘの１１０％以下の範囲の電圧、または、前記電圧Ｖｃｅｌｌ＿ｍａｘに調整する
　請求項１に記載の直流給電装置。
　前記発電装置の出力電圧Ｖｇｅｎが、前記蓄電部の最小充電電圧Ｖｂａｔ＿ｍｉｎを超え前記蓄電部の最大充電電圧Ｖｂａｔ＿ｍａｘに満たない場合、
　前記充放電制御部が、前記接続状態を、前記発電装置からの受電電力Ｐｉｎが前記負荷への供給電力Ｐｏｕｔを上回る場合には前記充電に制御し、前記受電電力Ｐｉｎが前記供給電力Ｐｏｕｔを下回る場合には前記放電に制御し、
　前記交直流変換部が、前記電圧Ｖｏｕｔを、前記最小充電電圧Ｖｂａｔ＿ｍｉｎ未満に調整する
　請求項１または請求項２に記載の直流給電装置。
　前記発電装置の出力電圧Ｖｇｅｎが、前記蓄電部の最大充電電圧Ｖｂａｔ＿ｍａｘ以上である場合、
　前記充放電制御部が、前記接続状態を前記切断に制御し、
　前記交直流変換部が、前記電圧Ｖｏｕｔを、前記蓄電部の最小充電電圧Ｖｂａｔ＿ｍｉｎ未満に調整する
　請求項１から請求項３の何れか一項に記載の直流給電装置。
　前記充放電制御部が、前記蓄電部へのフローティング充電を制御するフローティング充電制御部を有し、
　前記発電装置の出力電圧Ｖｇｅｎが、前記蓄電部の最大充電電圧Ｖｂａｔ＿ｍａｘ以上である場合、
　前記充放電制御部が、前記接続状態を前記切断に制御するとともに、前記フローティング充電制御部が、前記蓄電部にフローティング充電を行う
　請求項１から請求項４の何れか一項に記載の直流給電装置。
　前記伝送路からの複数の負荷への電力供給を制御する負荷コントローラと、
　前記複数の負荷のうち１以上の負荷への電力供給の遮断または低減を検知する検知部と、をさらに有し、
　前記検知部が、前記遮断または前記低減を検知したとき、前記負荷コントローラが、当該遮断または前記低減により低下することとなる供給電力の全部または一部を、前記電力供給が遮断または低減される負荷以外の他の負荷に供給するよう制御する
　請求項１から請求項５の何れか一項に記載の直流給電装置。
　前記伝送路からの複数の負荷への電力供給を制御する負荷コントローラと、
　前記伝送路の電圧Ｖｂｕｓの変動を予測する電圧予測部と、をさらに有し、
　前記電圧予測部が、前記伝送路の最大電圧Ｖｂｕｓ＿ｍａｘを超えて前記電圧Ｖｂｕｓが変動すると予測したとき、前記負荷コントローラが、前記変動を抑制するに必要な直流電力を、現に電力供給されている負荷以外の他の負荷に供給するよう制御する
　請求項１から請求項５の何れか一項に記載の直流給電装置。
　前記伝送路の電圧Ｖｂｕｓが前記蓄電部の最大充電電圧Ｖｂａｔ＿ｍａｘを超えている場合に、前記負荷コントローラが前記制御を実施する
　請求項６または請求項７に記載の直流給電装置。
　前記他の負荷が、ダミー負荷である
　請求項６から請求項８の何れか一項に記載の直流給電装置。