直流給電システム
【課題】直流給電部を所定電圧範囲に制御する直流給電システムを提供する。
【解決手段】商用配電系統より電力変換器を介して、負荷へ直流電力を供給する直流給電部に蓄電設備を接続する。直流給電部の電圧を監視し、前記直流給電部の電圧が所定電圧範囲以下になるとき、前記商用配電系統から前記直流給電部への電力を供給させ、前記直流給電部の電圧が前記所定電圧範囲以上になるとき、前記直流給電部から前記商用配電系統へ電力を供給させるように前記電力変換器を制御する。
【解決手段】商用配電系統より電力変換器を介して、負荷へ直流電力を供給する直流給電部に蓄電設備を接続する。直流給電部の電圧を監視し、前記直流給電部の電圧が所定電圧範囲以下になるとき、前記商用配電系統から前記直流給電部への電力を供給させ、前記直流給電部の電圧が前記所定電圧範囲以上になるとき、前記直流給電部から前記商用配電系統へ電力を供給させるように前記電力変換器を制御する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、直流給電システムに関し、特に、直流給電電圧を所定電圧範囲に制御する直流給電システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、太陽電池、風力発電装置及び燃料電池のような分散電源装置が普及し始めている。しかし、現状では分散電源装置で発電した直流電力は交流に変換され、電力を消費する機器において再度直流に変換されて使用される。このように、直流−交流変換及び交流−直流変換が行われるので、そのたびに、変換損失を生じる。そこで、分散電源が発電する直流を交流に変換することなく、直流のまま送電して機器で使用することにより、変換損失を低減させる直流給電システムが提案されている。
また、現在日本において、低圧配電系統を介して一般需要家に供給される電圧は、標準電圧が２００Ｖまたは１００Ｖであり、発電設備等により、２０２Ｖ±２０Ｖまたは１０１Ｖ±６Ｖの範囲内に維持されている（停電等の異常時を除く。非特許文献１参照）。そして、家電製品を含め、多くの電気機器は、交流電圧が上記所定範囲内で供給されることを前提に設計されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】電力品質確保に係る系統連系技術要件ガイドライン（平成１６年１０月１日資源エネルギー庁）第２章第２節２．電圧変動
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
直流給電システムが一般需要家に普及するにあたり、現在の配電系統により供給される交流電圧と同様に、直流供給電圧も所定範囲を逸脱しないよう維持することが求められる。
本発明は、このような要望に対応するために、直流給電電圧を所定電圧範囲に制御する直流給電システムを提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の直流給電システムは、上記課題を解決するため、配電系統より双方向電力変換器を介して、負荷へ直流電力を供給する直流給電部に蓄電設備を接続し、直流給電部の電圧を監視し、前記直流給電部の電圧が所定電圧範囲以下になるとき、前記配電系統から前記直流給電部へ電力を供給し、前記直流給電部の電圧が前記所定電圧範囲以上になるとき、前記直流給電部から前記配電系統へ電力を供給するように前記双方向電力変換器を制御する制御部を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、直流給電部の電圧変化を監視し、その電圧変化よって双方向電力変換器の配電系統に対する電力に授受を制御するので、蓄電設備の出力電圧が変動しても、直流給電部の電圧を所定電圧範囲に維持することができ、負荷への供給電圧が安定になる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】本発明の直流給電システムによる実施形態のブロック図を示す。
【図２】本発明の直流給電システムによる実施形態に使用されるリチウムイオン二次電池の容量―電圧特性を示す。
【図３】本発明の直流給電システムによる実施形態に使用されるＤＣ／ＡＣ変換器の回路図を示す。
【図４】本発明の直流給電システムによる実施形態に使用されるＤＣ／ＡＣ変換器の制御部のブロック図を示す。
【図５】本発明の直流給電システムによる実施形態に使用されるＡＣ／ＤＣ変換器の回路図を示す。
【図６】本発明の直流給電システムによる実施形態に使用されるＡＣ／ＤＣ変換器の制御部のブロック図を示す。
【図７】本発明の直流給電システムによる別の実施形態に使用されるリチウムイオン二次電池の容量―電圧特性を示す。
【図８】本発明の直流給電システムに使用されるＤＣ／ＡＣ変換器およびＡＣ／ＤＣ変換器の電流目標値設定表１を示す。
【図９】本発明の直流給電システムに使用されるＤＣ／ＡＣ変換器およびＡＣ／ＤＣ変換器の電流目標値設定表２を示す。
【図１０】本発明の直流給電システムに使用されるＤＣ／ＡＣ変換器およびＡＣ／ＤＣ変換器の電流目標値設定表３を示す。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
本発明の直流給電システムは、配電系統より双方向電力変換器を介して、負荷へ直流電力を供給する直流給電部に蓄電設備を接続し、直流給電部の電圧を監視し、前記直流給電部の電圧が所定電圧範囲以下になるとき、前記配電系統から前記直流給電部へ電力を供給し、前記直流給電部の電圧が前記所定電圧範囲以上になるとき、前記直流給電部から前記配電系統へ電力を供給するように前記双方向電力変換器を制御する制御部を備えるものである。
また、本発明の直流給電システムにおいて、所定電圧範囲の下限値を蓄電設備の電圧安定範囲の下限値に設定し、所定電圧範囲の上限値を蓄電設備の上限値に設定することが好ましい。このように、所定電圧範囲の下限値を蓄電設備の電圧安定範囲の下限値に設定し、所定電圧範囲の上限値を蓄電設備の上限値に設定すると、蓄電設備を電圧安定範囲の広い電圧範囲で使用することが可能になり、蓄電設備の利用効率が向上する。
【０００９】
本発明の直流給電システムが接続される交流配電系統は、例えば、単相２線式、単相３線式、三相３線式または三相４線式などであり、交流電圧は例えば９０Ｖ〜４４０Ｖである。また、本発明では、交流配電系統から買電したり、分散電源の発電電力を交流配電系統へ売電したりすることができる。
また、上記双方向電力変換器は、ＡＣ／ＤＣ変換器およびＤＣ／ＡＣ変換器を含む。
また、上記負荷は、エアコン、冷蔵庫、洗濯機、テレビ、照明装置、パソコン、コンピュータ、複写機、ファクシミリ、ショーケースなどの電気機器を含む。
また、上記直流給電部は、双方向電力変換部、蓄電設備および／または分散電源より直流電力が供給される部分であり、屋内配線では、この直流給電部が負荷へ配線される。
【００１０】
また、上記蓄電設備には、代表的には、リチウムイオン二次電池を用いることができ、特にリン酸鉄リチウムを正極に用いたリチウムイオン二次電池が好適であるが、正極にコバルト系リチウムを使用したリチウムイオン二次電池、及び他の材料を使用したリチウムイオン二次電池、およびその他の電池、例えば鉛電池またはニッケル電池のような二次電池も使用可能である。ここで、蓄電設備は、負荷の消費電力に対応する電池容量を有することが好ましい。また、本発明では、蓄電設備は、直流給電部に直結される。即ち、蓄電設備と直流給電部の間に、ＤＣ／ＤＣ変換器のような電力変換器を介在させることがない。従って、負荷変動などの外乱に対して、蓄電設備により直流給電部の電圧を蓄電池電圧に維持することが可能になる。
また、蓄電設備は、所定の電圧安定範囲を有し、この電圧安定範囲に直流給電部の電圧範囲を維持する。そのため、蓄電設備の所定の電圧安定範囲は、直流給電部が供給する直流電源として規格、または標準化された電圧範囲と一致するよう設定することが好ましい。
また、上記電圧安定範囲は、直流給電部の直流電圧が所定範囲を維持するように制御するために設定された電圧範囲である。
【００１１】
また、本発明の直流給電システムにおいて、所定電圧範囲の下限値を蓄電設備の電圧安定範囲の下限値に設定し、所定電圧範囲の上限値を蓄電設備の上限値に設定することが好ましい。また、分散電源は、太陽光発電装置、風力発電装置または燃料電池のような発電装置を指す。分散電源が接続される場合、直流給電部の電圧が所定の電圧安定範囲以上になるとき、直流給電部から配電系統へ供給する電力、即ち、売電を増加するように制御する。
【００１２】
また、本発明において、更に、双方向電力変換器の電流を検出する自経路検出部を備え、前記制御部は、前記直流給電部の電圧情報と、前記自経路検出部の自経路電流情報に基づいて、前記電力変換器を制御することが望ましい。これにより、直流給電電圧が所定電圧範囲内であれば、直流給電電圧を目標値として制御することなく、売電量もしくは買電量を目標値に制御することが可能となる。
また、本発明において、更に、前記直流給電部に接続される分散電源を備えことが望ましい。これにより、分散電源の発電出力も含めて双方向電力変換器を制御するので、分散電源の発電出力を有効に利用することが可能になる。
また、本発明において、前記制御部は、前記所定の電圧範囲内の上限部または下限部に直流給電部の電圧変化を緩やかに変化させる電流制御目標値を設定し、直流給電部の電圧が所定の電圧範囲内の上限部または下限部に達したとき、制御部は、電流制御目標値に基づいて双方向電力変換器の電流を制御することが望ましい。これにより、よりきめ細かく直流給電部の電圧を安定に維持することが可能になる。
【００１３】
以下には、本発明の直流給電システムの実施形態を図面とともに説明する。
図１は、本発明の実施形態のブロック図を示す。図１に示すように、本発明の直流電力供給システムは、直流給電部１に、太陽光発電システム２と、蓄電池３と、配電系統システム４と、直流負荷５が接続されて構成される。このように、直流給電部１は、太陽光発電システム２と、蓄電池３と、配電系統システム４に接続され、太陽光発電システム２、蓄電池３または配電系統システム４より、直流負荷５に電力を供給する。図１は、直流給電部１、太陽光発電システム２、蓄電池３、配電系統システム４及び直流負荷５をそれぞれ１つ示すが、これらの個数は制限がなく、１つでも複数でもかまわない。また、本発明の最小構成では、直流給電部１と、蓄電池３と、配電系統システム４と、負荷５を備えて、構成される。
ここで、直流給電部１の電圧をV、太陽光発電システム２の出力電流をＩpv、蓄電池３の放電電流をＩdc、蓄電池３の充電電流をIch、配電系統システム４のＤＣ／ＡＣ変換器４２に流れる電流をIsell、ＡＣ／ＤＣ変換器４３を流れる電流をIbuy、直流負荷５に供給される電流をIloadとし、以下説明する。
【００１４】
太陽光発電システム２は、太陽電池２１と、ＤＣ／ＤＣ変換器２２とを備えて構成される。この実施形態は、太陽光発電システムを分散電源装置の代表として説明するが、風力発電装置、燃料電池およびその他の分散電源装置であってもよい。
太陽電池２１は、結晶型太陽電池、多結晶型太陽電池または薄膜型太陽電池を使用することができ、例えば、最大日照時に例えば、５ｋＷを発電することができるものが使用される。
【００１５】
ＤＣ／ＤＣ変換器２２は、太陽電池２１の出力電圧を、直流給電部１への直流電圧に変換するものであり、直流給電部１の電圧Vと電流Ipvの両方を検出して、直流給電部の電圧Vが、蓄電池３の満充電（残量１００％）の時の電圧（４２０Ｖ）以下においては、太陽電池２１を最大電力点追従（ＭＰＰＴ）制御する。しかし、直流給電部の電圧Vが蓄電池３の満充電（残量１００％）の時の電圧（４２０Ｖ）に達した場合は、直流給電部の電圧Vが蓄電池３の満充電（残量１００％）の時の電圧（４２０Ｖ）に維持する制御に切り替える。この場合、太陽電池２１を最大電力点追従（ＭＰＰＴ）制御することができないため、太陽電池の発電量をいくらか無駄にしてしまうことになる。しかし、本発明の実施形態では、直流給電部の電圧を３６０Ｖ〜４００Ｖの電圧安定範囲となるように、ＤＣ／ＤＣ変換器が制御を行なうので、異常時でなければ、４２０Ｖに達することはない。また、ＤＣ／ＤＣ変換器の出力電流は、太陽電池２１が最大５ｋＷ発電するため、直流給電電圧４００Ｖの場合に５ｋＷ／４００Ｖ＝１２．５Ａとなる。
【００１６】
蓄電池３は、リチウムイオン二次電池であり、定格電圧３８０Ｖ、１０Ａｈ（例えば、１００直列、１並列）で構成され、直流給電部１に直結されている。ここで、直結とは、直流給電部１と蓄電池３の間に、ＤＣ／ＤＣ変換器のような電力変換器が介在されないという意味である。従って、直流給電部１と蓄電池３の電圧はほぼ等しくなる（実際には配線の電圧降下が存在する）。このリチウムイオン二次電池は、図２に示す容量―電圧特性を持っている。即ち、このリチウムイオン二次電池は、電池容量が空の時（０％）は、例えば３００Ｖ、２０％の時は、例えば３６０Ｖ、５０％の時は、例えば３８０Ｖ（定格電圧）、８０％の時は、例えば４００Ｖ、１００％（満充電）の時は、例えば４２０Ｖである。ここで示した電圧は、一例であり、電圧は直流電源の規格、または標準化に対応して設定するとよい。即ち、定格電圧を直流供給電圧の基準電圧、空の時の電圧を直流供給電圧の電圧安定範囲以下の電圧、満充電の時の電圧を直流供給電圧の電圧安定範囲以上の電圧に設定するとよい。
【００１７】
リチウムイオン二次電池は、１セルあたり電池電圧は３Ｖであり、満充電のとき４．２Ｖである。３Ｖ以下に放電すると、電池の劣化が急激に進行するので、３Ｖ以下にならないように使用する。また、リチウムイオン二次電池は、３Ｖ以下、０Ｖになるまで放電しても、ごく僅かな放電しか行なわれないので、３Ｖ以下ではリチウムイオン二次電池は使用されない。ここでは、リチウムイオン二次電池を代表的に示したが、鉛電池またはニッケル電池などその他の電池でも使用可能である。
【００１８】
このように、蓄電池３は、電池容量が５０％のときの電圧３８０Ｖを中心にして、±２０Ｖの範囲、即ち、電池容量が２０％〜８０％で、３６０Ｖ〜４００Ｖの範囲に電圧安定範囲を有する。従って、蓄電池３には、例えば、電池容量が２０％〜８０％の間で、電圧変動が３８０Ｖを中心にして±２０Ｖのように変動の少ない蓄電池が選択される。言い換えれば、直流電源の規格、または標準化の設定に対応して、直流電源の中心電圧と電池容量が５０％のときの電圧とが一致し、直流電源の上限値電圧が電池の電圧安定範囲以上の電圧に一致し、直流電源の下限値電圧が電池の電圧安定範囲以下の電圧に一致するような蓄電池を選択する。従って、電圧変動の少ない蓄電池を使用することにより、蓄電池容量を広範囲で使用することが可能になり、蓄電池の利用率が向上する。
【００１９】
負荷５は、例えば、家庭で使用されるエアコン、冷蔵庫、洗濯機、テレビ、照明装置またはパソコンのような電気機器、オフィスで使用されるコンピュータ、複写機またはファクシミリのような電気機器、また店舗で使用されるショーケース及び照明装置を含む。勿論、これら以外の電力を消費するどのような電気機器も含む。本発明において、負荷５の消費電流は、全く使用しない場合、０Ａであり、全ての機器を使用した場合に、例えば最大１５Ａであると設定した。従って、負荷の消費電流は、０Ａ〜１５Ａまで変化する。
【００２０】
配電系統システム４は、配電系統４１に接続され、交流を直流給電部１の直流に、または直流給電部１の直流を配電系統４１の交流に変換する双方向変換器よりなる。具体的には、配電系統４１の交流を直流に変換するＤＣ／ＡＣ変換器４２と、配電系統４１の交流を直流に変換するＡＣ／ＤＣ変換器４３とで構成される。
上記配電系統４１に電力会社より送電される商用電力の電圧は、単相二線式交流１００Ｖ（１０１Ｖ±６Ｖ）、三相３線式交流２００Ｖ（２０２Ｖ±２０Ｖ）、または三相４線式交流１００Ｖ／２００Ｖである。また、本発明では、配電系統から買電したり、分散電源で発電した電力を配電系統へ売電したりする。
【００２１】
図３は、ＤＣ／ＡＣ変換器４２の回路図を示す。ＤＣ／ＡＣ変換器４２は、４つのスイッチング素子４２１ａ〜４２１ｄをブリッジに接続して構成されるＤＣ／ＡＣ変換部４２１と、２つの連系リアクトル４２２と、直流給電部１の直流電圧を検出する電圧検出部４２３と、直流給電部１の電流を検出する電流検出部４２４と、制御部４２５とを備えて構成され、直流給電部１の直流電圧を配電系統４１のＡＣ２００Ｖに変換する。
本発明の直流給電システムは、直流給電部１に蓄電池３を直結しているので、上記電圧検出部４２３が直流給電部１の直流電圧を検出することにより、蓄電池３の電圧を検出することできる。従って、電圧検出部４２３の検出電圧によって、図２に示す蓄電池の容量―電圧特性に基づいて蓄電池残量を推測することが可能である。電圧検出部４２３の検出電圧は差動増幅器４２６を経て、制御部４２５に入力される。
【００２２】
図４は、制御部４２５のブロック図を示す。制御部４２５は、制御目標値選択部４２５ａと、ＰＷＭ制御部４２５ｂと、比較部４２７とを備えて構成される。制御目標値選択部４２５ａは、図３に示すように、電圧検出部４２３で検出された直流給電部１の直流電圧を、差動検出部４２６を介して直流電圧情報４２６ｓとして受け、図８または図９の電流目標値設定表１または２に基づき、電流目標値Isell値を決定し、比較部４２７へ出力する。図８および図９の電流目標値設定表１または２に関しては後述する。また、比較部４２７は、電流検出部４２４（図３）で検出された直流給電部１の自経路電流を自経路電流情報４２４ｓとして受ける。比較部４２７は、電流値Isell値と自経路電流情報４２４ｓを比較し、その差分量を出力する。この差分量に基づいて、ＰＷＭ制御部４２５ｂはＤＣ／ＡＣ変換部４２１の４つのスイッチング素子４２１ａ〜４２１ｄをデューティ駆動する駆動信号４２５ｓを生成する。
【００２３】
図５は、ＡＣ／ＤＣ変換器４３の回路図を示す。ＡＣ／ＤＣ変換器４３は、整流部４３１と、昇圧回路４３２と、電圧検出部４３３と、電流検出部４３４と、制御部４３５とで構成され、交流２００Ｖを直流給電部１への直流電圧に変換する。
整流部４３１は、４つのダイオード４３１ａ〜４３１ｄをブリッジに接続して構成される。昇圧回路４３２は、昇圧用インダクタンス４３２ａ、スイッチング素子４３２ｂ、ダイオード４３２ｃおよび平滑コンデンサ４３２ｄにより構成される。電圧検出部４３３は、直流給電部１の電圧Vを検出し、差動増幅器４３６を経て制御部４３５に直流電圧情報４３６ｓを提供する。電流検出部４３４は、直流給電部１に流れる自経路電流を検出し、制御部４３５に自経路電流情報４３４ｓを提供する。
【００２４】
図６は、制御部４３５のブロック図を示す。制御部４３５は、図４に示したＤＣ／ＡＣ変換器４２の制御部４２５と類似し、制御目標値選択部４３５ａ、スイッチング素子駆動信号生成部４３５ｂおよび比較器４３７よりなる。
制御目標値選択部４３５ａは、電圧検出部４３３（図５）で検出された直流給電部１の直流電圧を、差動検出部４３６を介して、直流電圧情報４３６ｓとして受けられる。制御目標値選択部４３５ａは、図８または図９の電流目標値設定表１または２に基づき、電流値Ibuy値を決定する。図８および図９の電流目標値設定表１または２に関しては後述する。電流検出部４３４（図５）で検出された直流給電部１の自経路電流は自経路電流情報４３４ｓとして比較部４３７に与えられ、比較部４３７は電流値Ibuy値と、自経路電流情報４３４ｓを比較し、その差分量を出力する。この差分量に基づいて、スイッチング素子駆動信号生成部４３５ｂはスイッチング素子４３２ｂをデューティ駆動するため、三角波比較によるＰＩ制御によりスイッチング駆動信号４３５ｓとして生成する。
【００２５】
図８は、分散電源２として太陽光発電システムが用いられた場合の電流目標値設定表１を示す。図８の電流目標値設定表１に基づいて、図４の制御目標値選択部４２５ａが制御され、また図６の制御目標値選択部４３５ａが制御される。
即ち、制御目標値選択部４２５ａは、直流給電部１の電圧Vを電圧検出部４２３より差動増幅器４２６を介して直流電圧情報４２６ｓを取得する。直流供給部１の直流電圧が３６０〜４００Ｖの間の場合、７〜１７時の間は、制御目標値選択部４２５ａは、ＤＣ／ＡＣ変換器４２の電流値Isellを１０Ａに制御する。電流値Isellを１０Ａとするため、ＤＣ／ＡＣ変換部４２１は、Isellが１０Ａになるようにデューティ制御される。これは、直流給電部１の直流電圧が直流電源として規格、または標準化された電圧範囲内にあり、かつ太陽光発電システムが所定の発電量を出力するので、１０Ａの売電を行っていることを示す。
【００２６】
そして、それ以外の時間帯（１７時〜２３時、および２３時〜７時）では太陽光発電システムの発電出力はなくなるので、ＤＣ／ＡＣ変換器４２の電流値Isellを０Ａに制御する。電流値Isellを０Ａとするため、比較部４２７の出力は０になり、そのため、ＰＷＭ制御部４２５ｂはデューティ比０の駆動信号を出力し、ＤＣ／ＡＣ変換部４２１の動作を停止させる。従って、直流給電部１から配電系統４１への売電はなくなり、蓄電池３からの電力は、負荷５に供給される。このように、電流値Isellを０Ａにするのに代えて、ＤＣ／ＡＣ変換部４２１を停止させる信号を出力してもよい。
【００２７】
一方、制御目標値選択部４３５ａは、図５に示す電圧検出部４３３より差動増幅器４３６を介して直流電圧情報４３６ｓを取得する。直流給電部１の直流電圧が３６０〜４００Ｖの間の場合、７〜１７時の間は、制御目標値選択部４３５ａは、ＡＣ／ＤＣ変換器４３の電流値Ibuyを０Ａになるように制御する。電流値Ibuyを０Ａとするため、スイッチング素子４３２ｂは、Ibuyを０Ａに制御する。電流値Ibuyを０Ａとするため、比較部４３７の出力は０になり、そのため、スイッチング素子駆動信号生成部４３５ｂはデューティ比０の駆動信号を出力し、昇圧回路４３２の動作を停止させる。従って、配電系統４１から直流給電部１の買電はなくなる。また、電流値Ibuyを０Ａにするのに代えて、ＡＣ／ＤＣ変換器４３の動作を停止させる信号を出力してもよい。このように、直流給電部１の直流電圧が３６０〜４００Ｖであり、７〜１７時の間は、直流給電部１の直流電圧が直流電源として規格、または標準化された電圧範囲内にあり、配電系統４１より買電が不要であることを示す。
【００２８】
しかし、それ以外の時間帯では、例えば、１７時〜２３時は、直流給電部１の直流電圧Vが３６０〜４００Ｖの間の場合、制御目標値選択部４３５ａは、ＡＣ／ＤＣ変換器４３の電流値Ibuyを、３Ａになるように制御する。電流値Ibuyを３Ａとするため、スイッチング素子４３２ｂは、Ibuyが３Ａになるようにデュ−ティ制御される。これは、直流給電部１の直流電圧Vが直流電源として規格、または標準化された電圧範囲内にあり、かつ太陽光発電システム２の発電出力がないので、不足分を配電系統４１より買電していることを示す。
【００２９】
更に、例えば、２３時〜７時は、直流給電部１の直流電圧が３６０〜４００Ｖの間の場合、制御目標値選択部４３５ａは、ＡＣ／ＤＣ変換器４３の電流値Ibuyを、１０Ａになるように制御する。電流値Ibuyを１０Ａとするため、スイッチング素子４３２ｂは、電流値Ibuyが１０Ａになるようにデュ−ティ制御される。これは、直流給電部１の直流電圧が直流電源として規格、または標準化された電圧範囲内にあり、かつ太陽光発電システムの発電出力がないので、深夜電力によって、需要電力の不足分及び蓄電池の充電電力を配電系統４１より買電していることを示す。
【００３０】
以上は、直流給電部１の直流電圧Vが直流電源として規格、または標準化された電圧範囲内（３６０Ｖ〜４００Ｖ）にある場合を説明したが、次は、図９の電流目標値設定表２を使用して直流電源の規格、または標準化された電圧範囲から逸脱した場合を説明する。
即ち、直流給電部１の直流電圧Vが直流電源として規格、または標準化された電圧範囲以上になった場合、例えば、太陽光発電システムの発電出力が増加し、または負荷がなくなり、Ｖ≧４００Ｖになった場合である。この場合、制御目標値選択部４２５ａは、図９に示すように、ＤＣ／ＡＣ変換器４２の電流値Isellを、２０Ａになるように制御する。電流値Isellを２０Ａとするため、ＤＣ／ＡＣ変換部４２１は、Isellが２０Ａになるようにデューティ制御される。これは、直流給電部１の直流電圧Vが直流電源の規格、または標準化された電圧範囲以上になったので、２０Ａの売電を行っていることを示す。この実施形態の太陽光発電システムは、最大４００Ｖ、１２．５Ａを出力すると設定しているので、電流値Isell＝２０Ａの場合、蓄電池は必ず放電することになる。このとき、ＡＣ／ＤＣ変換器４３は動作停止するよう制御される。
【００３１】
逆に、直流給電部１の直流電圧Vが直流電源として規格、または標準化された電圧範囲以下になった場合、例えば、太陽光発電システムの発電出力が低下し、または大きい負荷が接続され、Ｖ≦３６０Ｖになった場合である。この場合、制御目標値選択部４３５ａは、ＡＣ／ＤＣ変換器４３の電流値Ibuyを、２０Ａになるように制御する。スイッチング素子４３２ｂは、電流値Ibuyが２０Ａになるようにデューティ制御される。これは、直流給電部１の直流電圧が直流電源の規格、または標準化された電圧範囲以下になったので、２０Ａの買電を行っていることを示す。また、直流負荷量の最大値は１５Ａであるため、電流値Ｉbuy＝２０Ａの場合、蓄電池は必ず充電することになる。このとき、ＤＣ／ＡＣ変換器４２は動作停止するよう制御される。
なお、図８に示した電流目標値設定表１と、図９に示した電流目標値設定表２は、図９に示した電流目標値設定表２が優先的に使用される。
【００３２】
以上は、本発明の直流給電システムに分散電源２として太陽光発電システムが接続された場合に、太陽光発電システムの発電時間（７時から１７時）により制御する場合であるが、発電時間は季節変動するので、季節に対応して変動させることが望ましい。また、風力発電システムの場合は、時間に寄らず発電出力が得られるので、発電出力に基づいて制御するとよい。また、燃料電池が用いられる場合は、燃料電池の活用時間または発電出力に基づいて制御するとよい。
【００３３】
図８及び図９では、電流値Isell，Ibuyは、０Ａ、３Ａ、１０Ａまたは２０Ａのように段階的に変化した。しかし、このように段階的に電流値が変化すると、直流給電部１の電圧変動が段階的に生じる場合があるので、このような不都合を軽減するため、段階をさらに増やして複数の段階にしてもよい。
または、図１０に示す電流目標値設定表３を使用するとよい。即ち、図１０は、電圧安定範囲内の上限部または下限部に、直流給電部の電圧変化を緩やかに変化させる電流目標値を設定し、この電流目標値に基づいて、制御目標値選択部４２５ａを制御し、また制御目標値選択部４３５ａを制御する。
【００３４】
例えば、電流目標値設定表３では、直流給電部１の直流電圧Vが３６５Ｖ〜３９５Ｖの範囲では、図８に示した電流目標値設定表１に従って制御される。また、４００Ｖ以上、３６０Ｖ以下では、図９に示した電流目標値設定表２に従って制御される。しかし、直流給電部１の直流電圧が３９５Ｖ〜４００Ｖ（上限部）および３６０Ｖ〜３６５Ｖ（下限部）の範囲では、次のように制御される。
直流給電部１の直流電圧Vが３９５Ｖ〜４００Ｖの場合、制御目標値選択部４２５ａは、ＤＣ／ＡＣ変換器４２の電流値Isellを、次式（１）のように制御する。
Isell＝（直流電圧―３９５）×２＋１０ ・・・（１）
（ただし、３９５、２および１０は定数）
電流値Isellを式（１）のように制御するため、ＤＣ／ＡＣ変換部４２１は、デューティ制御される。これは、直流給電部１の直流電圧が直流電源として規格、または標準化された電圧範囲の上限部にあるので、直流電圧の変化分の半分のように緩やかに変化するように制御していることを示す。このとき、電流値Ibuyは、０に制御され、ＡＣ／ＤＣ変換器４３は動作停止するよう制御される。
【００３５】
また、直流給電部１の直流電圧が３６０Ｖ〜３６５Ｖの範囲では、制御目標値選択部４３５ａは、ＡＣ／ＤＣ変換器４３の電流値Ibuyを、次式（２）のように制御する。
Ibuy＝（３６５−直流電圧）×２＋１０ ・・・（２）
（ただし、３６５、２および１０は定数）
電流値Ibuyを式（２）のように制御するため、スイッチング素子４３２ｂは、デューティ制御される。これは、直流給電部１の直流電圧が直流電源として規格、または標準化された電圧範囲の下限部にあるので、直流電圧の変化分の半分のように緩やかに変化するように制御していることを示す。このとき、電流値Isellは０に制御され、ＤＣ／ＡＣ変換器４２は動作停止するよう制御される。
【００３６】
以上のような構成をとることにより、蓄電池と直流給電部との間に電力変換器を介することなく直流給電電圧を３６０〜４００Ｖの範囲内で動作させることができ、高効率、低コストなシステムが実現可能となる。
本実施形態ではＤＣ／ＤＣ変換器２２を使用したが、本変換器はなくても構わない。その場合、蓄電池の電圧を太陽電池の最大電力点電圧に極力近くなるように設計しておく必要がある。
【００３７】
上記実施形態では、図２の容量―電圧特性を有する一般的なリチウムイオン二次電池を、蓄電池３に使用したが、正極にリン酸鉄リチウムを使用したリチウムイオン二次電池を使用することもできる。この電池の容量―電圧特性を図７に示す。この蓄電池は、電圧安定範囲を３６０Ｖ〜４００Ｖに設定した場合、蓄電池の容量は５％〜９５％まで使用可能となり、図２の容量―電圧特性を有する蓄電池と比較して、蓄電池の稼働率を上げることが可能となる。
【００３８】
上記実施形態では、ＩbuyもしくはIsellの電流目標値を図８のように時刻によって設定をしたが、特にどのような方法で設定しても構わない。例えば、時刻ではなく例えば外部からの信号によりＩbuyもしくはIsellの目標電流値を設定してもよい。図８はあくまで一例であり、上記実施形態にしばられるものではない。ただし、図９の電圧設定による目標電流制御は必ず必要であり、図８がどのようにＩbuyもしくはIsellの目標電流値を設定しても、図９の制御が優先される。
【符号の説明】
【００３９】
１ 直流給電部
２ 太陽光発電システム
３ 蓄電池
４ 配電系統システム
５ 直流負荷
２１ 太陽電池
４１ 配電系統
４２ ＤＣ／ＡＣ変換器
４３ ＡＣ／ＤＣ変換器
４２１ ＤＣ／ＡＣ変換部
４２３ 直流電圧検出部
４２４ 自経路電流検出部
４２５ 制御部
４２５ａ 制御目標値選択部
４２５ｂ ＰＷＭ制御部
４３１ 整流部
４３２ 昇圧回路
４３２ｂ スイッチング素子
４３３ 直流電圧検出部
４３４ 自経路電流検出部
４３５ 制御部
４３５ａ 制御目標値選択部
４３５ｂ スイッチング素子駆動信号生成部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、直流給電システムに関し、特に、直流給電電圧を所定電圧範囲に制御する直流給電システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、太陽電池、風力発電装置及び燃料電池のような分散電源装置が普及し始めている。しかし、現状では分散電源装置で発電した直流電力は交流に変換され、電力を消費する機器において再度直流に変換されて使用される。このように、直流−交流変換及び交流−直流変換が行われるので、そのたびに、変換損失を生じる。そこで、分散電源が発電する直流を交流に変換することなく、直流のまま送電して機器で使用することにより、変換損失を低減させる直流給電システムが提案されている。
また、現在日本において、低圧配電系統を介して一般需要家に供給される電圧は、標準電圧が２００Ｖまたは１００Ｖであり、発電設備等により、２０２Ｖ±２０Ｖまたは１０１Ｖ±６Ｖの範囲内に維持されている（停電等の異常時を除く。非特許文献１参照）。そして、家電製品を含め、多くの電気機器は、交流電圧が上記所定範囲内で供給されることを前提に設計されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】電力品質確保に係る系統連系技術要件ガイドライン（平成１６年１０月１日資源エネルギー庁）第２章第２節２．電圧変動
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
直流給電システムが一般需要家に普及するにあたり、現在の配電系統により供給される交流電圧と同様に、直流供給電圧も所定範囲を逸脱しないよう維持することが求められる。
本発明は、このような要望に対応するために、直流給電電圧を所定電圧範囲に制御する直流給電システムを提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の直流給電システムは、上記課題を解決するため、配電系統より双方向電力変換器を介して、負荷へ直流電力を供給する直流給電部に蓄電設備を接続し、直流給電部の電圧を監視し、前記直流給電部の電圧が所定電圧範囲以下になるとき、前記配電系統から前記直流給電部へ電力を供給し、前記直流給電部の電圧が前記所定電圧範囲以上になるとき、前記直流給電部から前記配電系統へ電力を供給するように前記双方向電力変換器を制御する制御部を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、直流給電部の電圧変化を監視し、その電圧変化よって双方向電力変換器の配電系統に対する電力に授受を制御するので、蓄電設備の出力電圧が変動しても、直流給電部の電圧を所定電圧範囲に維持することができ、負荷への供給電圧が安定になる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】本発明の直流給電システムによる実施形態のブロック図を示す。
【図２】本発明の直流給電システムによる実施形態に使用されるリチウムイオン二次電池の容量―電圧特性を示す。
【図３】本発明の直流給電システムによる実施形態に使用されるＤＣ／ＡＣ変換器の回路図を示す。
【図４】本発明の直流給電システムによる実施形態に使用されるＤＣ／ＡＣ変換器の制御部のブロック図を示す。
【図５】本発明の直流給電システムによる実施形態に使用されるＡＣ／ＤＣ変換器の回路図を示す。
【図６】本発明の直流給電システムによる実施形態に使用されるＡＣ／ＤＣ変換器の制御部のブロック図を示す。
【図７】本発明の直流給電システムによる別の実施形態に使用されるリチウムイオン二次電池の容量―電圧特性を示す。
【図８】本発明の直流給電システムに使用されるＤＣ／ＡＣ変換器およびＡＣ／ＤＣ変換器の電流目標値設定表１を示す。
【図９】本発明の直流給電システムに使用されるＤＣ／ＡＣ変換器およびＡＣ／ＤＣ変換器の電流目標値設定表２を示す。
【図１０】本発明の直流給電システムに使用されるＤＣ／ＡＣ変換器およびＡＣ／ＤＣ変換器の電流目標値設定表３を示す。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
本発明の直流給電システムは、配電系統より双方向電力変換器を介して、負荷へ直流電力を供給する直流給電部に蓄電設備を接続し、直流給電部の電圧を監視し、前記直流給電部の電圧が所定電圧範囲以下になるとき、前記配電系統から前記直流給電部へ電力を供給し、前記直流給電部の電圧が前記所定電圧範囲以上になるとき、前記直流給電部から前記配電系統へ電力を供給するように前記双方向電力変換器を制御する制御部を備えるものである。
また、本発明の直流給電システムにおいて、所定電圧範囲の下限値を蓄電設備の電圧安定範囲の下限値に設定し、所定電圧範囲の上限値を蓄電設備の上限値に設定することが好ましい。このように、所定電圧範囲の下限値を蓄電設備の電圧安定範囲の下限値に設定し、所定電圧範囲の上限値を蓄電設備の上限値に設定すると、蓄電設備を電圧安定範囲の広い電圧範囲で使用することが可能になり、蓄電設備の利用効率が向上する。
【０００９】
本発明の直流給電システムが接続される交流配電系統は、例えば、単相２線式、単相３線式、三相３線式または三相４線式などであり、交流電圧は例えば９０Ｖ〜４４０Ｖである。また、本発明では、交流配電系統から買電したり、分散電源の発電電力を交流配電系統へ売電したりすることができる。
また、上記双方向電力変換器は、ＡＣ／ＤＣ変換器およびＤＣ／ＡＣ変換器を含む。
また、上記負荷は、エアコン、冷蔵庫、洗濯機、テレビ、照明装置、パソコン、コンピュータ、複写機、ファクシミリ、ショーケースなどの電気機器を含む。
また、上記直流給電部は、双方向電力変換部、蓄電設備および／または分散電源より直流電力が供給される部分であり、屋内配線では、この直流給電部が負荷へ配線される。
【００１０】
また、上記蓄電設備には、代表的には、リチウムイオン二次電池を用いることができ、特にリン酸鉄リチウムを正極に用いたリチウムイオン二次電池が好適であるが、正極にコバルト系リチウムを使用したリチウムイオン二次電池、及び他の材料を使用したリチウムイオン二次電池、およびその他の電池、例えば鉛電池またはニッケル電池のような二次電池も使用可能である。ここで、蓄電設備は、負荷の消費電力に対応する電池容量を有することが好ましい。また、本発明では、蓄電設備は、直流給電部に直結される。即ち、蓄電設備と直流給電部の間に、ＤＣ／ＤＣ変換器のような電力変換器を介在させることがない。従って、負荷変動などの外乱に対して、蓄電設備により直流給電部の電圧を蓄電池電圧に維持することが可能になる。
また、蓄電設備は、所定の電圧安定範囲を有し、この電圧安定範囲に直流給電部の電圧範囲を維持する。そのため、蓄電設備の所定の電圧安定範囲は、直流給電部が供給する直流電源として規格、または標準化された電圧範囲と一致するよう設定することが好ましい。
また、上記電圧安定範囲は、直流給電部の直流電圧が所定範囲を維持するように制御するために設定された電圧範囲である。
【００１１】
また、本発明の直流給電システムにおいて、所定電圧範囲の下限値を蓄電設備の電圧安定範囲の下限値に設定し、所定電圧範囲の上限値を蓄電設備の上限値に設定することが好ましい。また、分散電源は、太陽光発電装置、風力発電装置または燃料電池のような発電装置を指す。分散電源が接続される場合、直流給電部の電圧が所定の電圧安定範囲以上になるとき、直流給電部から配電系統へ供給する電力、即ち、売電を増加するように制御する。
【００１２】
また、本発明において、更に、双方向電力変換器の電流を検出する自経路検出部を備え、前記制御部は、前記直流給電部の電圧情報と、前記自経路検出部の自経路電流情報に基づいて、前記電力変換器を制御することが望ましい。これにより、直流給電電圧が所定電圧範囲内であれば、直流給電電圧を目標値として制御することなく、売電量もしくは買電量を目標値に制御することが可能となる。
また、本発明において、更に、前記直流給電部に接続される分散電源を備えことが望ましい。これにより、分散電源の発電出力も含めて双方向電力変換器を制御するので、分散電源の発電出力を有効に利用することが可能になる。
また、本発明において、前記制御部は、前記所定の電圧範囲内の上限部または下限部に直流給電部の電圧変化を緩やかに変化させる電流制御目標値を設定し、直流給電部の電圧が所定の電圧範囲内の上限部または下限部に達したとき、制御部は、電流制御目標値に基づいて双方向電力変換器の電流を制御することが望ましい。これにより、よりきめ細かく直流給電部の電圧を安定に維持することが可能になる。
【００１３】
以下には、本発明の直流給電システムの実施形態を図面とともに説明する。
図１は、本発明の実施形態のブロック図を示す。図１に示すように、本発明の直流電力供給システムは、直流給電部１に、太陽光発電システム２と、蓄電池３と、配電系統システム４と、直流負荷５が接続されて構成される。このように、直流給電部１は、太陽光発電システム２と、蓄電池３と、配電系統システム４に接続され、太陽光発電システム２、蓄電池３または配電系統システム４より、直流負荷５に電力を供給する。図１は、直流給電部１、太陽光発電システム２、蓄電池３、配電系統システム４及び直流負荷５をそれぞれ１つ示すが、これらの個数は制限がなく、１つでも複数でもかまわない。また、本発明の最小構成では、直流給電部１と、蓄電池３と、配電系統システム４と、負荷５を備えて、構成される。
ここで、直流給電部１の電圧をV、太陽光発電システム２の出力電流をＩpv、蓄電池３の放電電流をＩdc、蓄電池３の充電電流をIch、配電系統システム４のＤＣ／ＡＣ変換器４２に流れる電流をIsell、ＡＣ／ＤＣ変換器４３を流れる電流をIbuy、直流負荷５に供給される電流をIloadとし、以下説明する。
【００１４】
太陽光発電システム２は、太陽電池２１と、ＤＣ／ＤＣ変換器２２とを備えて構成される。この実施形態は、太陽光発電システムを分散電源装置の代表として説明するが、風力発電装置、燃料電池およびその他の分散電源装置であってもよい。
太陽電池２１は、結晶型太陽電池、多結晶型太陽電池または薄膜型太陽電池を使用することができ、例えば、最大日照時に例えば、５ｋＷを発電することができるものが使用される。
【００１５】
ＤＣ／ＤＣ変換器２２は、太陽電池２１の出力電圧を、直流給電部１への直流電圧に変換するものであり、直流給電部１の電圧Vと電流Ipvの両方を検出して、直流給電部の電圧Vが、蓄電池３の満充電（残量１００％）の時の電圧（４２０Ｖ）以下においては、太陽電池２１を最大電力点追従（ＭＰＰＴ）制御する。しかし、直流給電部の電圧Vが蓄電池３の満充電（残量１００％）の時の電圧（４２０Ｖ）に達した場合は、直流給電部の電圧Vが蓄電池３の満充電（残量１００％）の時の電圧（４２０Ｖ）に維持する制御に切り替える。この場合、太陽電池２１を最大電力点追従（ＭＰＰＴ）制御することができないため、太陽電池の発電量をいくらか無駄にしてしまうことになる。しかし、本発明の実施形態では、直流給電部の電圧を３６０Ｖ〜４００Ｖの電圧安定範囲となるように、ＤＣ／ＤＣ変換器が制御を行なうので、異常時でなければ、４２０Ｖに達することはない。また、ＤＣ／ＤＣ変換器の出力電流は、太陽電池２１が最大５ｋＷ発電するため、直流給電電圧４００Ｖの場合に５ｋＷ／４００Ｖ＝１２．５Ａとなる。
【００１６】
蓄電池３は、リチウムイオン二次電池であり、定格電圧３８０Ｖ、１０Ａｈ（例えば、１００直列、１並列）で構成され、直流給電部１に直結されている。ここで、直結とは、直流給電部１と蓄電池３の間に、ＤＣ／ＤＣ変換器のような電力変換器が介在されないという意味である。従って、直流給電部１と蓄電池３の電圧はほぼ等しくなる（実際には配線の電圧降下が存在する）。このリチウムイオン二次電池は、図２に示す容量―電圧特性を持っている。即ち、このリチウムイオン二次電池は、電池容量が空の時（０％）は、例えば３００Ｖ、２０％の時は、例えば３６０Ｖ、５０％の時は、例えば３８０Ｖ（定格電圧）、８０％の時は、例えば４００Ｖ、１００％（満充電）の時は、例えば４２０Ｖである。ここで示した電圧は、一例であり、電圧は直流電源の規格、または標準化に対応して設定するとよい。即ち、定格電圧を直流供給電圧の基準電圧、空の時の電圧を直流供給電圧の電圧安定範囲以下の電圧、満充電の時の電圧を直流供給電圧の電圧安定範囲以上の電圧に設定するとよい。
【００１７】
リチウムイオン二次電池は、１セルあたり電池電圧は３Ｖであり、満充電のとき４．２Ｖである。３Ｖ以下に放電すると、電池の劣化が急激に進行するので、３Ｖ以下にならないように使用する。また、リチウムイオン二次電池は、３Ｖ以下、０Ｖになるまで放電しても、ごく僅かな放電しか行なわれないので、３Ｖ以下ではリチウムイオン二次電池は使用されない。ここでは、リチウムイオン二次電池を代表的に示したが、鉛電池またはニッケル電池などその他の電池でも使用可能である。
【００１８】
このように、蓄電池３は、電池容量が５０％のときの電圧３８０Ｖを中心にして、±２０Ｖの範囲、即ち、電池容量が２０％〜８０％で、３６０Ｖ〜４００Ｖの範囲に電圧安定範囲を有する。従って、蓄電池３には、例えば、電池容量が２０％〜８０％の間で、電圧変動が３８０Ｖを中心にして±２０Ｖのように変動の少ない蓄電池が選択される。言い換えれば、直流電源の規格、または標準化の設定に対応して、直流電源の中心電圧と電池容量が５０％のときの電圧とが一致し、直流電源の上限値電圧が電池の電圧安定範囲以上の電圧に一致し、直流電源の下限値電圧が電池の電圧安定範囲以下の電圧に一致するような蓄電池を選択する。従って、電圧変動の少ない蓄電池を使用することにより、蓄電池容量を広範囲で使用することが可能になり、蓄電池の利用率が向上する。
【００１９】
負荷５は、例えば、家庭で使用されるエアコン、冷蔵庫、洗濯機、テレビ、照明装置またはパソコンのような電気機器、オフィスで使用されるコンピュータ、複写機またはファクシミリのような電気機器、また店舗で使用されるショーケース及び照明装置を含む。勿論、これら以外の電力を消費するどのような電気機器も含む。本発明において、負荷５の消費電流は、全く使用しない場合、０Ａであり、全ての機器を使用した場合に、例えば最大１５Ａであると設定した。従って、負荷の消費電流は、０Ａ〜１５Ａまで変化する。
【００２０】
配電系統システム４は、配電系統４１に接続され、交流を直流給電部１の直流に、または直流給電部１の直流を配電系統４１の交流に変換する双方向変換器よりなる。具体的には、配電系統４１の交流を直流に変換するＤＣ／ＡＣ変換器４２と、配電系統４１の交流を直流に変換するＡＣ／ＤＣ変換器４３とで構成される。
上記配電系統４１に電力会社より送電される商用電力の電圧は、単相二線式交流１００Ｖ（１０１Ｖ±６Ｖ）、三相３線式交流２００Ｖ（２０２Ｖ±２０Ｖ）、または三相４線式交流１００Ｖ／２００Ｖである。また、本発明では、配電系統から買電したり、分散電源で発電した電力を配電系統へ売電したりする。
【００２１】
図３は、ＤＣ／ＡＣ変換器４２の回路図を示す。ＤＣ／ＡＣ変換器４２は、４つのスイッチング素子４２１ａ〜４２１ｄをブリッジに接続して構成されるＤＣ／ＡＣ変換部４２１と、２つの連系リアクトル４２２と、直流給電部１の直流電圧を検出する電圧検出部４２３と、直流給電部１の電流を検出する電流検出部４２４と、制御部４２５とを備えて構成され、直流給電部１の直流電圧を配電系統４１のＡＣ２００Ｖに変換する。
本発明の直流給電システムは、直流給電部１に蓄電池３を直結しているので、上記電圧検出部４２３が直流給電部１の直流電圧を検出することにより、蓄電池３の電圧を検出することできる。従って、電圧検出部４２３の検出電圧によって、図２に示す蓄電池の容量―電圧特性に基づいて蓄電池残量を推測することが可能である。電圧検出部４２３の検出電圧は差動増幅器４２６を経て、制御部４２５に入力される。
【００２２】
図４は、制御部４２５のブロック図を示す。制御部４２５は、制御目標値選択部４２５ａと、ＰＷＭ制御部４２５ｂと、比較部４２７とを備えて構成される。制御目標値選択部４２５ａは、図３に示すように、電圧検出部４２３で検出された直流給電部１の直流電圧を、差動検出部４２６を介して直流電圧情報４２６ｓとして受け、図８または図９の電流目標値設定表１または２に基づき、電流目標値Isell値を決定し、比較部４２７へ出力する。図８および図９の電流目標値設定表１または２に関しては後述する。また、比較部４２７は、電流検出部４２４（図３）で検出された直流給電部１の自経路電流を自経路電流情報４２４ｓとして受ける。比較部４２７は、電流値Isell値と自経路電流情報４２４ｓを比較し、その差分量を出力する。この差分量に基づいて、ＰＷＭ制御部４２５ｂはＤＣ／ＡＣ変換部４２１の４つのスイッチング素子４２１ａ〜４２１ｄをデューティ駆動する駆動信号４２５ｓを生成する。
【００２３】
図５は、ＡＣ／ＤＣ変換器４３の回路図を示す。ＡＣ／ＤＣ変換器４３は、整流部４３１と、昇圧回路４３２と、電圧検出部４３３と、電流検出部４３４と、制御部４３５とで構成され、交流２００Ｖを直流給電部１への直流電圧に変換する。
整流部４３１は、４つのダイオード４３１ａ〜４３１ｄをブリッジに接続して構成される。昇圧回路４３２は、昇圧用インダクタンス４３２ａ、スイッチング素子４３２ｂ、ダイオード４３２ｃおよび平滑コンデンサ４３２ｄにより構成される。電圧検出部４３３は、直流給電部１の電圧Vを検出し、差動増幅器４３６を経て制御部４３５に直流電圧情報４３６ｓを提供する。電流検出部４３４は、直流給電部１に流れる自経路電流を検出し、制御部４３５に自経路電流情報４３４ｓを提供する。
【００２４】
図６は、制御部４３５のブロック図を示す。制御部４３５は、図４に示したＤＣ／ＡＣ変換器４２の制御部４２５と類似し、制御目標値選択部４３５ａ、スイッチング素子駆動信号生成部４３５ｂおよび比較器４３７よりなる。
制御目標値選択部４３５ａは、電圧検出部４３３（図５）で検出された直流給電部１の直流電圧を、差動検出部４３６を介して、直流電圧情報４３６ｓとして受けられる。制御目標値選択部４３５ａは、図８または図９の電流目標値設定表１または２に基づき、電流値Ibuy値を決定する。図８および図９の電流目標値設定表１または２に関しては後述する。電流検出部４３４（図５）で検出された直流給電部１の自経路電流は自経路電流情報４３４ｓとして比較部４３７に与えられ、比較部４３７は電流値Ibuy値と、自経路電流情報４３４ｓを比較し、その差分量を出力する。この差分量に基づいて、スイッチング素子駆動信号生成部４３５ｂはスイッチング素子４３２ｂをデューティ駆動するため、三角波比較によるＰＩ制御によりスイッチング駆動信号４３５ｓとして生成する。
【００２５】
図８は、分散電源２として太陽光発電システムが用いられた場合の電流目標値設定表１を示す。図８の電流目標値設定表１に基づいて、図４の制御目標値選択部４２５ａが制御され、また図６の制御目標値選択部４３５ａが制御される。
即ち、制御目標値選択部４２５ａは、直流給電部１の電圧Vを電圧検出部４２３より差動増幅器４２６を介して直流電圧情報４２６ｓを取得する。直流供給部１の直流電圧が３６０〜４００Ｖの間の場合、７〜１７時の間は、制御目標値選択部４２５ａは、ＤＣ／ＡＣ変換器４２の電流値Isellを１０Ａに制御する。電流値Isellを１０Ａとするため、ＤＣ／ＡＣ変換部４２１は、Isellが１０Ａになるようにデューティ制御される。これは、直流給電部１の直流電圧が直流電源として規格、または標準化された電圧範囲内にあり、かつ太陽光発電システムが所定の発電量を出力するので、１０Ａの売電を行っていることを示す。
【００２６】
そして、それ以外の時間帯（１７時〜２３時、および２３時〜７時）では太陽光発電システムの発電出力はなくなるので、ＤＣ／ＡＣ変換器４２の電流値Isellを０Ａに制御する。電流値Isellを０Ａとするため、比較部４２７の出力は０になり、そのため、ＰＷＭ制御部４２５ｂはデューティ比０の駆動信号を出力し、ＤＣ／ＡＣ変換部４２１の動作を停止させる。従って、直流給電部１から配電系統４１への売電はなくなり、蓄電池３からの電力は、負荷５に供給される。このように、電流値Isellを０Ａにするのに代えて、ＤＣ／ＡＣ変換部４２１を停止させる信号を出力してもよい。
【００２７】
一方、制御目標値選択部４３５ａは、図５に示す電圧検出部４３３より差動増幅器４３６を介して直流電圧情報４３６ｓを取得する。直流給電部１の直流電圧が３６０〜４００Ｖの間の場合、７〜１７時の間は、制御目標値選択部４３５ａは、ＡＣ／ＤＣ変換器４３の電流値Ibuyを０Ａになるように制御する。電流値Ibuyを０Ａとするため、スイッチング素子４３２ｂは、Ibuyを０Ａに制御する。電流値Ibuyを０Ａとするため、比較部４３７の出力は０になり、そのため、スイッチング素子駆動信号生成部４３５ｂはデューティ比０の駆動信号を出力し、昇圧回路４３２の動作を停止させる。従って、配電系統４１から直流給電部１の買電はなくなる。また、電流値Ibuyを０Ａにするのに代えて、ＡＣ／ＤＣ変換器４３の動作を停止させる信号を出力してもよい。このように、直流給電部１の直流電圧が３６０〜４００Ｖであり、７〜１７時の間は、直流給電部１の直流電圧が直流電源として規格、または標準化された電圧範囲内にあり、配電系統４１より買電が不要であることを示す。
【００２８】
しかし、それ以外の時間帯では、例えば、１７時〜２３時は、直流給電部１の直流電圧Vが３６０〜４００Ｖの間の場合、制御目標値選択部４３５ａは、ＡＣ／ＤＣ変換器４３の電流値Ibuyを、３Ａになるように制御する。電流値Ibuyを３Ａとするため、スイッチング素子４３２ｂは、Ibuyが３Ａになるようにデュ−ティ制御される。これは、直流給電部１の直流電圧Vが直流電源として規格、または標準化された電圧範囲内にあり、かつ太陽光発電システム２の発電出力がないので、不足分を配電系統４１より買電していることを示す。
【００２９】
更に、例えば、２３時〜７時は、直流給電部１の直流電圧が３６０〜４００Ｖの間の場合、制御目標値選択部４３５ａは、ＡＣ／ＤＣ変換器４３の電流値Ibuyを、１０Ａになるように制御する。電流値Ibuyを１０Ａとするため、スイッチング素子４３２ｂは、電流値Ibuyが１０Ａになるようにデュ−ティ制御される。これは、直流給電部１の直流電圧が直流電源として規格、または標準化された電圧範囲内にあり、かつ太陽光発電システムの発電出力がないので、深夜電力によって、需要電力の不足分及び蓄電池の充電電力を配電系統４１より買電していることを示す。
【００３０】
以上は、直流給電部１の直流電圧Vが直流電源として規格、または標準化された電圧範囲内（３６０Ｖ〜４００Ｖ）にある場合を説明したが、次は、図９の電流目標値設定表２を使用して直流電源の規格、または標準化された電圧範囲から逸脱した場合を説明する。
即ち、直流給電部１の直流電圧Vが直流電源として規格、または標準化された電圧範囲以上になった場合、例えば、太陽光発電システムの発電出力が増加し、または負荷がなくなり、Ｖ≧４００Ｖになった場合である。この場合、制御目標値選択部４２５ａは、図９に示すように、ＤＣ／ＡＣ変換器４２の電流値Isellを、２０Ａになるように制御する。電流値Isellを２０Ａとするため、ＤＣ／ＡＣ変換部４２１は、Isellが２０Ａになるようにデューティ制御される。これは、直流給電部１の直流電圧Vが直流電源の規格、または標準化された電圧範囲以上になったので、２０Ａの売電を行っていることを示す。この実施形態の太陽光発電システムは、最大４００Ｖ、１２．５Ａを出力すると設定しているので、電流値Isell＝２０Ａの場合、蓄電池は必ず放電することになる。このとき、ＡＣ／ＤＣ変換器４３は動作停止するよう制御される。
【００３１】
逆に、直流給電部１の直流電圧Vが直流電源として規格、または標準化された電圧範囲以下になった場合、例えば、太陽光発電システムの発電出力が低下し、または大きい負荷が接続され、Ｖ≦３６０Ｖになった場合である。この場合、制御目標値選択部４３５ａは、ＡＣ／ＤＣ変換器４３の電流値Ibuyを、２０Ａになるように制御する。スイッチング素子４３２ｂは、電流値Ibuyが２０Ａになるようにデューティ制御される。これは、直流給電部１の直流電圧が直流電源の規格、または標準化された電圧範囲以下になったので、２０Ａの買電を行っていることを示す。また、直流負荷量の最大値は１５Ａであるため、電流値Ｉbuy＝２０Ａの場合、蓄電池は必ず充電することになる。このとき、ＤＣ／ＡＣ変換器４２は動作停止するよう制御される。
なお、図８に示した電流目標値設定表１と、図９に示した電流目標値設定表２は、図９に示した電流目標値設定表２が優先的に使用される。
【００３２】
以上は、本発明の直流給電システムに分散電源２として太陽光発電システムが接続された場合に、太陽光発電システムの発電時間（７時から１７時）により制御する場合であるが、発電時間は季節変動するので、季節に対応して変動させることが望ましい。また、風力発電システムの場合は、時間に寄らず発電出力が得られるので、発電出力に基づいて制御するとよい。また、燃料電池が用いられる場合は、燃料電池の活用時間または発電出力に基づいて制御するとよい。
【００３３】
図８及び図９では、電流値Isell，Ibuyは、０Ａ、３Ａ、１０Ａまたは２０Ａのように段階的に変化した。しかし、このように段階的に電流値が変化すると、直流給電部１の電圧変動が段階的に生じる場合があるので、このような不都合を軽減するため、段階をさらに増やして複数の段階にしてもよい。
または、図１０に示す電流目標値設定表３を使用するとよい。即ち、図１０は、電圧安定範囲内の上限部または下限部に、直流給電部の電圧変化を緩やかに変化させる電流目標値を設定し、この電流目標値に基づいて、制御目標値選択部４２５ａを制御し、また制御目標値選択部４３５ａを制御する。
【００３４】
例えば、電流目標値設定表３では、直流給電部１の直流電圧Vが３６５Ｖ〜３９５Ｖの範囲では、図８に示した電流目標値設定表１に従って制御される。また、４００Ｖ以上、３６０Ｖ以下では、図９に示した電流目標値設定表２に従って制御される。しかし、直流給電部１の直流電圧が３９５Ｖ〜４００Ｖ（上限部）および３６０Ｖ〜３６５Ｖ（下限部）の範囲では、次のように制御される。
直流給電部１の直流電圧Vが３９５Ｖ〜４００Ｖの場合、制御目標値選択部４２５ａは、ＤＣ／ＡＣ変換器４２の電流値Isellを、次式（１）のように制御する。
Isell＝（直流電圧―３９５）×２＋１０ ・・・（１）
（ただし、３９５、２および１０は定数）
電流値Isellを式（１）のように制御するため、ＤＣ／ＡＣ変換部４２１は、デューティ制御される。これは、直流給電部１の直流電圧が直流電源として規格、または標準化された電圧範囲の上限部にあるので、直流電圧の変化分の半分のように緩やかに変化するように制御していることを示す。このとき、電流値Ibuyは、０に制御され、ＡＣ／ＤＣ変換器４３は動作停止するよう制御される。
【００３５】
また、直流給電部１の直流電圧が３６０Ｖ〜３６５Ｖの範囲では、制御目標値選択部４３５ａは、ＡＣ／ＤＣ変換器４３の電流値Ibuyを、次式（２）のように制御する。
Ibuy＝（３６５−直流電圧）×２＋１０ ・・・（２）
（ただし、３６５、２および１０は定数）
電流値Ibuyを式（２）のように制御するため、スイッチング素子４３２ｂは、デューティ制御される。これは、直流給電部１の直流電圧が直流電源として規格、または標準化された電圧範囲の下限部にあるので、直流電圧の変化分の半分のように緩やかに変化するように制御していることを示す。このとき、電流値Isellは０に制御され、ＤＣ／ＡＣ変換器４２は動作停止するよう制御される。
【００３６】
以上のような構成をとることにより、蓄電池と直流給電部との間に電力変換器を介することなく直流給電電圧を３６０〜４００Ｖの範囲内で動作させることができ、高効率、低コストなシステムが実現可能となる。
本実施形態ではＤＣ／ＤＣ変換器２２を使用したが、本変換器はなくても構わない。その場合、蓄電池の電圧を太陽電池の最大電力点電圧に極力近くなるように設計しておく必要がある。
【００３７】
上記実施形態では、図２の容量―電圧特性を有する一般的なリチウムイオン二次電池を、蓄電池３に使用したが、正極にリン酸鉄リチウムを使用したリチウムイオン二次電池を使用することもできる。この電池の容量―電圧特性を図７に示す。この蓄電池は、電圧安定範囲を３６０Ｖ〜４００Ｖに設定した場合、蓄電池の容量は５％〜９５％まで使用可能となり、図２の容量―電圧特性を有する蓄電池と比較して、蓄電池の稼働率を上げることが可能となる。
【００３８】
上記実施形態では、ＩbuyもしくはIsellの電流目標値を図８のように時刻によって設定をしたが、特にどのような方法で設定しても構わない。例えば、時刻ではなく例えば外部からの信号によりＩbuyもしくはIsellの目標電流値を設定してもよい。図８はあくまで一例であり、上記実施形態にしばられるものではない。ただし、図９の電圧設定による目標電流制御は必ず必要であり、図８がどのようにＩbuyもしくはIsellの目標電流値を設定しても、図９の制御が優先される。
【符号の説明】
【００３９】
１ 直流給電部
２ 太陽光発電システム
３ 蓄電池
４ 配電系統システム
５ 直流負荷
２１ 太陽電池
４１ 配電系統
４２ ＤＣ／ＡＣ変換器
４３ ＡＣ／ＤＣ変換器
４２１ ＤＣ／ＡＣ変換部
４２３ 直流電圧検出部
４２４ 自経路電流検出部
４２５ 制御部
４２５ａ 制御目標値選択部
４２５ｂ ＰＷＭ制御部
４３１ 整流部
４３２ 昇圧回路
４３２ｂ スイッチング素子
４３３ 直流電圧検出部
４３４ 自経路電流検出部
４３５ 制御部
４３５ａ 制御目標値選択部
４３５ｂ スイッチング素子駆動信号生成部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
配電系統より双方向電力変換器を介して、負荷へ直流電力を供給する直流給電部に蓄電設備を接続し、直流給電部の電圧を監視し、前記直流給電部の電圧が所定電圧範囲以下になるとき、前記配電系統から前記直流給電部へ電力を供給し、前記直流給電部の電圧が前記所定電圧範囲以上になるとき、前記直流給電部から前記配電系統へ電力を供給するように前記双方向電力変換器を制御する制御部を備えることを特徴とする直流給電システム。
【請求項２】
前記所定電圧範囲は、蓄電設備の電圧変動可能範囲に対応するよう設定される請求項１に記載の直流給電システム。
【請求項３】
更に、前記双方向電力変換器の電流を検出する自経路検出部を備え、前記制御部は、前記直流給電部の電圧情報と、前記自経路検出部の自経路電流情報に基づいて、前記双方向電力変換器を制御する請求項１または２に記載の直流給電システム。
【請求項４】
更に、前記直流給電部に接続される分散電源を備える請求項１から３までのいずれか１項に記載の直流給電システム。
【請求項５】
前記制御部は、直流給電部の電圧変化を緩やかに変化させる電流制御目標値を設定し、直流給電部の電圧が所定の電圧範囲内の上限部または下限部に達したとき、制御部は、電流制御目標値に基づいて双方向電力変換器の電流を制御する請求項１から４までのいずれか１項に記載の直流給電システム。
【請求項１】
配電系統より双方向電力変換器を介して、負荷へ直流電力を供給する直流給電部に蓄電設備を接続し、直流給電部の電圧を監視し、前記直流給電部の電圧が所定電圧範囲以下になるとき、前記配電系統から前記直流給電部へ電力を供給し、前記直流給電部の電圧が前記所定電圧範囲以上になるとき、前記直流給電部から前記配電系統へ電力を供給するように前記双方向電力変換器を制御する制御部を備えることを特徴とする直流給電システム。
【請求項２】
前記所定電圧範囲は、蓄電設備の電圧変動可能範囲に対応するよう設定される請求項１に記載の直流給電システム。
【請求項３】
更に、前記双方向電力変換器の電流を検出する自経路検出部を備え、前記制御部は、前記直流給電部の電圧情報と、前記自経路検出部の自経路電流情報に基づいて、前記双方向電力変換器を制御する請求項１または２に記載の直流給電システム。
【請求項４】
更に、前記直流給電部に接続される分散電源を備える請求項１から３までのいずれか１項に記載の直流給電システム。
【請求項５】
前記制御部は、直流給電部の電圧変化を緩やかに変化させる電流制御目標値を設定し、直流給電部の電圧が所定の電圧範囲内の上限部または下限部に達したとき、制御部は、電流制御目標値に基づいて双方向電力変換器の電流を制御する請求項１から４までのいずれか１項に記載の直流給電システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２０１２−１４７５０８（Ｐ２０１２−１４７５０８Ａ）
【公開日】平成２４年８月２日（２０１２．８．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１３９９（Ｐ２０１１−１３９９）
【出願日】平成２３年１月６日（２０１１．１．６）
【出願人】（０００００５０４９）シャープ株式会社 (33,933)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年８月２日（２０１２．８．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１月６日（２０１１．１．６）
【出願人】（０００００５０４９）シャープ株式会社 (33,933)
【Ｆターム（参考）】
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