配電システム
【課題】交流電力と直流電力とをそれぞれ配電するシステムにおいて、直流電力を出力するＤＣ−ＤＣコンバータを安定動作させ、安定した直流電力の供給を可能にする。
【解決手段】太陽電池１から出力される直流電力を交流電力系統ＡＣの位相に同期した交流電力に変換して出力するパワーコンディショナ３と、太陽電池１から出力される直流電力の電圧レベルを所望の電圧レベルに変換して出力するＤＣ−ＤＣコンバータ５とを備え、これらのパワーコンディショナ３とＤＣ−ＤＣコンバータ５とが同時動作可能である構成において、ＤＣ−ＤＣコンバータ５の入力電圧がパワーコンディショナ３の動作電圧範囲と同じかまたは狭い所定の範囲である場合のみ、この所定の動作電圧範囲においてＤＣ−ＤＣコンバータ５を動作させる。
【解決手段】太陽電池１から出力される直流電力を交流電力系統ＡＣの位相に同期した交流電力に変換して出力するパワーコンディショナ３と、太陽電池１から出力される直流電力の電圧レベルを所望の電圧レベルに変換して出力するＤＣ−ＤＣコンバータ５とを備え、これらのパワーコンディショナ３とＤＣ−ＤＣコンバータ５とが同時動作可能である構成において、ＤＣ−ＤＣコンバータ５の入力電圧がパワーコンディショナ３の動作電圧範囲と同じかまたは狭い所定の範囲である場合のみ、この所定の動作電圧範囲においてＤＣ−ＤＣコンバータ５を動作させる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、交流電力と直流電力とを負荷機器に配電する配電システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、住宅、店舗、オフィスビルなどの建物において、交流電力と直流電力とを配電する配電システムとして、例えば特許文献１に記載のものがある。特許文献１の配電システムは、分電盤と交流電源用コンセントを有し、交流電源用コンセントに直流出力電源端子が設けられ、分電盤内に変圧器と整流器が配設されて構成されており、変圧器によって１００ボルト又は２００ボルトの交流電圧を６ボルト、３ボルト、１．５ボルトの３種類の交流電圧に変換した後、これらの交流電圧を整流器で整流することによって６ボルト、３ボルト、１．５ボルトの３種類の直流電圧を得るとともに、分電盤内で作成したこれら３種類の直流電圧を直流出力電源端子へ配電するものである。
【０００３】
また、地球環境保護の観点から、自家発電用として太陽光発電装置のような直流発電設備を建物に設置し、直流発電設備の直流電力出力を交流電力に電力変換して電力会社から供給される商用電源（交流電力系統）と系統連系運転を行う配電システムが提案されている（例えば特許文献２参照）。この種の系統連系システムでは、直流発電設備で発電された直流電力を、直流電力から交流電力に変換する電力変換器（パワーコンディショナ）により交流電力に変換することによって、交流電源である商用電源と協調させる構成を採用している。ここで、建物内の負荷で消費される電力を超える電力が直流発電設備から供給されている場合、余剰分の電力を商用電源に逆潮流させること（いわゆる、売電）が可能となっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】実開平４−１２８０２４号公報
【特許文献２】特開２００３−２８４２４５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記特許文献２に記載のような配電システムにおいて、上記特許文献１のように直流電力を供給する場合、太陽光発電装置のような直流発電設備から出力される直流電力をパワーコンディショナにおいて交流電力に変換した後、再度交流電力から直流電力に変換することになる。このため、２段階の電力変換が必要であり、電力変換による電力損失が増加し、電力の利用効率が低下するという課題がある。そこで、交流電力と直流電力を効率よく配電するために、直流発電設備から出力される直流電力を交流電力に変換するパワーコンディショナと、直流発電設備から出力される直流電力の電圧レベルを所望の電圧レベルに変換するＤＣ−ＤＣコンバータとを設けて、パワーコンディショナから交流電力を、ＤＣ−ＤＣコンバータから直流電力をそれぞれ供給するような構成を本出願人は提案している。このようなパワーコンディショナとＤＣ−ＤＣコンバータとを備えた構成において、両者を同時に動作可能とした場合、直流発電設備の発電量が少ない状態でＤＣ−ＤＣコンバータを動作させると、動作が不安定となり、安定して直流電力を供給できないという課題がある。また、ＤＣ−ＤＣコンバータの動作が不安定であると、パワーコンディショナの動作を妨げてしまうことがある。
【０００６】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、その目的は、交流電力と直流電力とをそれぞれ配電するシステムにおいて、直流電力を出力するＤＣ−ＤＣコンバータを安定動作させることができ、安定した直流電力の供給が可能な配電システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、直流電力源と交流電力系統とに接続され、前記直流電力源から出力される直流電力を前記交流電力系統の位相に同期した交流電力に変換して出力するとともに変換された交流電力を前記交流電力系統に逆潮流するパワーコンディショナと、前記直流電力源から出力される直流電力の電圧レベルを所望の電圧レベルに変換して出力するＤＣ−ＤＣコンバータとを備え、前記パワーコンディショナと前記ＤＣ−ＤＣコンバータとが前記直流電力源に対して並列接続され、これらのパワーコンディショナとＤＣ−ＤＣコンバータとが同時動作可能であり、前記ＤＣ−ＤＣコンバータの入力電圧が所定の範囲である場合のみ当該ＤＣ−ＤＣコンバータを動作させるように制御する動作制御部を備える配電システムを提供する。
上記構成により、直流電力を出力するＤＣ−ＤＣコンバータを安定動作させることができ、安定した直流電力の供給が可能となる。
【０００８】
また、本発明は、上記の配電システムであって、前記動作制御部は、前記所定の範囲を、前記パワーコンディショナの動作電圧範囲と同じかまたは狭い範囲とし、この範囲の動作電圧範囲において前記ＤＣ−ＤＣコンバータを動作させるものを含む。
上記構成により、パワーコンディショナが動作している状態でＤＣ−ＤＣコンバータを動作させるため、入力電圧が安定した状態で動作させることができ、安定動作させることができる。また、ＤＣ−ＤＣコンバータがパワーコンディショナの動作を妨げることを防げる。
【０００９】
また、本発明は、上記の配電システムであって、前記動作制御部は、前記ＤＣ−ＤＣコンバータの入力電圧が前記動作電圧範囲に入ってから所定時間後に当該ＤＣ−ＤＣコンバータを動作開始させるものを含む。
上記構成により、パワーコンディショナが安定して動作するのを待ってからＤＣ−ＤＣコンバータを動作させることができ、ＤＣ−ＤＣコンバータの動作をより安定させることが可能になる。
【００１０】
また、本発明は、上記の配電システムであって、前記動作制御部は、前記ＤＣ−ＤＣコンバータにおける単位時間あたりの入力電圧変化量が所定以下となった場合に当該ＤＣ−ＤＣコンバータを動作開始させるものを含む。
上記構成により、パワーコンディショナの安定動作を確認してからＤＣ−ＤＣコンバータを動作させることができ、ＤＣ−ＤＣコンバータの動作をより安定させることが可能になる。
【００１１】
また、本発明は、上記の配電システムであって、前記交流電力系統の停電を検出する停電検出部を備え、前記動作制御部は、前記停電検出部により停電が検出された場合に、前記所定の範囲の動作電圧範囲を非停電時よりも拡大して前記ＤＣ−ＤＣコンバータを動作させるものを含む。
上記構成により、停電時はパワーコンディショナの動作が停止するので、パワーコンディショナの動作と関係なく、より広い範囲でＤＣ−ＤＣコンバータを動作させることによって、太陽電池等の直流電力源による発電電力を有効利用することが可能になる。
【００１２】
また、本発明は、上記の配電システムであって、前記交流電力系統の停電を検出する停電検出部を備え、前記動作制御部は、前記停電検出部により停電が検出された場合に、前記ＤＣ−ＤＣコンバータの動作を停止させるものを含む。
上記構成により、停電時はパワーコンディショナの動作が停止するので、ＤＣ−ＤＣコンバータの安定動作が困難になる場合があるため、動作停止することで不安定な動作を抑止可能となる。
【００１３】
また、本発明は、上記の配電システムであって、前記直流電力源として太陽電池を備えており、前記動作制御部は、前記太陽電池の設置個数によって前記動作電圧範囲の設定を変更するものを含む。
上記構成により、太陽電池の発電量のピーク電圧に応じて、適切な動作電圧範囲でＤＣ−ＤＣコンバータを動作させることが可能になる。
【００１４】
また、本発明は、直流電力源から出力される直流電力の電圧レベルを所望の電圧レベルに変換して出力するＤＣ−ＤＣコンバータを備え、前記直流電力源に対して、この直流電力源から出力される直流電力を交流電力系統の位相に同期した交流電力に変換して出力するパワーコンディショナとともに並列接続され、前記パワーコンディショナと同時動作可能であり、前記ＤＣ−ＤＣコンバータの入力電圧が所定の範囲である場合のみ当該ＤＣ−ＤＣコンバータを動作させるように制御する動作制御部を備える直流配電装置を提供する。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、交流電力と直流電力とをそれぞれ配電するシステムにおいて、直流電力を出力するＤＣ−ＤＣコンバータを安定動作させることができ、安定した直流電力の供給が可能な配電システムを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の実施形態に係る配電システムの構成を示す図
【図２】（ａ）、（ｂ）はパワーコンディショナの動作を説明する図
【図３】本実施形態におけるＤＣ−ＤＣコンバータの動作制御部の第１構成例を示す図
【図４】本実施形態の第１構成例の動作制御部によるＤＣ−ＤＣコンバータの動作範囲の第１例を示す図
【図５】本実施形態の第１構成例の動作制御部によるＤＣ−ＤＣコンバータの動作範囲の第２例を示す図
【図６】ＤＣ−ＤＣコンバータの動作制御に関する入力電圧波形の第１例を示す図
【図７】ＤＣ−ＤＣコンバータの動作制御に関する入力電圧波形の第２例を示す図
【図８】本実施形態におけるＤＣ−ＤＣコンバータの動作制御部の第２構成例を示す図
【図９】本実施形態の配電システムの応用例を示す図
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明に係る配電システムを戸建て住宅に適用した実施形態について図面を参照しながら詳細に説明する。但し、本発明に係る配電システムが適用可能な建物は戸建て住宅に限定されるものではなく、集合住宅の各住戸や事務所等にも適用可能である。
【００１８】
図１は本発明の実施形態に係る配電システムの構成を示す図である。本実施形態の配電システムは、太陽電池１、中継端子箱（「接続箱」とも呼ばれる）２、パワーコンディショナ３、交流分電盤４、ＤＣ−ＤＣコンバータ５、ＡＣ−ＤＣコンバータ６を有して構成される。
【００１９】
太陽電池１は、複数（図示例では３つ）の太陽電池モジュール１Ａ，１Ｂ，１Ｃを有して構成され、直流電力源として用いられるものである。中継端子箱２は、各太陽電池モジュール１Ａ〜１Ｃから直流出力を取り出すための出力ケーブル７を一つのケーブル８にまとめるものである。これらの太陽電池１と中継端子箱２とにより、直流発電設備の一例としての太陽光発電装置が構成されている。パワーコンディショナ３は、太陽電池１から出力される直流電力を商用電源（交流電力系統）ＡＣの位相に同期した交流電力に変換するとともに、変換された交流電力を交流電力系統ＡＣに逆潮流する。交流分電盤４は、交流電力系統ＡＣまたはパワーコンディショナ３から出力される交流電力を分岐し、複数の分岐ブレーカ（図示せず）を介して宅内に配電する。ＤＣ−ＤＣコンバータ５は、太陽電池１から出力される直流電力の電圧レベルを所望の電圧レベルに変換する。ＡＣ−ＤＣコンバータ６は、交流分電盤４を介して供給される交流電力を所望の電圧レベルの直流電力に変換する。また、交流分電盤４から出力される交流電力を配電する交流配電路１１には、交流負荷機器１３が接続される。ＤＣ−ＤＣコンバータ５またはＡＣ−ＤＣコンバータ６から出力される直流電力を配電する直流配電路１２には、直流負荷機器１４が接続される。
【００２０】
太陽電池モジュール１Ａ〜１Ｃは、複数個（図示例では８個）の太陽電池セルを図示しない外囲器に封入した従来周知の構成を有し、例えば、住宅の屋根に設置される。なお、中継端子箱２は、複数のストリング出力側と負荷側とを端子にて中継し、必要に応じて逆流防止素子、直流開閉器などを収納した密閉箱である（ＪＩＳ Ｃ８９６０参照）。
【００２１】
パワーコンディショナ３は、太陽電池１の直流出力を昇圧する昇圧チョッパ回路（図示せず）、昇圧チョッパ回路で昇圧された直流出力を交流電力系統ＡＣの位相に同期した正弦波の交流出力に変換するインバータ（図示せず）、インバータを制御することで交流出力を調整するインバータ制御回路（図示せず）、系統連系保護装置などを有している。
【００２２】
交流分電盤４は、いわゆる住宅用分電盤（住宅盤）と同様に、扉付のボックス内に１次側が交流電力系統ＡＣに接続された主幹ブレーカ（図示せず）、及び主幹ブレーカの２次側に接続された導電バー（図示せず）に分岐接続された複数の分岐ブレーカ等が収納される。さらに、交流分電盤４のボックス内にパワーコンディショナ３の出力線が引き込まれ、ボックス内においてパワーコンディショナ３の出力線が交流電力系統ＡＣに並列接続されている。また、分岐ブレーカの２次側に交流配電路１１が接続され、この交流配電路１１を介して宅内の交流負荷機器１３に交流電力が供給される。交流配電路１１の末端には、交流負荷機器１３を接続するためのコンセント（図示せず）が設けられる。
【００２３】
ＤＣ−ＤＣコンバータ５は、例えばスイッチングレギュレータ等により構成され、出力電圧を検出するとともに検出した出力電圧が目標電圧と一致するように出力電圧を増減する制御（フィードバック制御）を行う定電圧制御方式によって、太陽電池１から出力される直流電力の電圧レベルを所望の電圧レベルに変換する。ＡＣ−ＤＣコンバータ６は、例えばスイッチングレギュレータ、インバータ等により構成され、交流電圧を直流電圧に整流し、出力電圧の定電圧制御を行うことによって、交流分電盤４より出力される交流電力から所望の電圧レベルの直流電力に変換する。ＤＣ−ＤＣコンバータ５及びＡＣ−ＤＣコンバータ６の各出力端は並列接続されて直流配電路１２と接続され、この直流配電路１２には保護回路（図示せず）が設けられる。そして、ＤＣ−ＤＣコンバータ５、ＡＣ−ＤＣコンバータ６でそれぞれ所望の電圧レベルに変換された直流電力のうち、いずれかの直流電力が直流配電路１２を介して直流負荷機器１４に供給される。上記ＤＣ−ＤＣコンバータ５、ＡＣ−ＤＣコンバータ６等の構成要素を含む直流電力を出力する機能部分を直流配電装置として構成することも可能である。直流配電路１２の末端には、直流負荷機器１４を接続するためのコンセント（図示せず）が設けられる。
【００２４】
本実施形態では、パワーコンディショナ３とＤＣ−ＤＣコンバータ５とを並列接続し、両者を同時動作可能とした構成において、ＤＣ−ＤＣコンバータ５を動作させる際に、入力電圧が所定の範囲である場合のみ動作させる。
【００２５】
まず、本実施形態の配電システムにおけるパワーコンディショナ３の動作について説明する。図２の（ａ）、（ｂ）はパワーコンディショナ３の動作を説明する図である。
【００２６】
パワーコンディショナ３のインバータ制御回路においては、太陽電池１の温度変化や日射強度の変化に伴う出力電圧や出力電流の変動に対して、太陽電池１の動作点が常に最大出力点を追従して太陽電池１の直流出力を最大限とする最大出力追従制御（以下、ＭＰＰＴ制御（maximum power point tracking control））を行っている。このようなＭＰＰＴ制御については従来周知であるので、詳細な説明は省略する。また、パワーコンディショナ３の系統連系保護装置は、交流電力系統ＡＣの電圧を監視して適正値よりも上昇した場合に、インバータ制御回路に指令を与えてＭＰＰＴ制御を停止してインバータの出力を低下させることにより、系統電圧の上昇を抑制している。
【００２７】
図２（ａ）の曲線Ａは、ある日射条件における太陽電池１の出力特性を示している。出力電力Ｐ１はＤＣ−ＤＣコンバータ５から直流配電路１２を介して直流負荷機器１４に供給される電力（直流需要電力）であって、インバータ制御回路の初期状態の動作点Ｘ１が当該直流需要電力Ｐ１によって決定される。インバータ制御回路がＭＰＰＴ制御を開始すると、交流配電路１１に供給する交流電力を調整しながら、出力特性（曲線Ａ）のピークと一致する動作点Ｘ２に到達して太陽電池１から最大の出力（最大電力Ｐ２）を取り出すことができる。このとき、最大電力Ｐ２と直流需要電力Ｐ１の差分（Ｐ２−Ｐ１）が交流配電路１１を介して交流負荷機器１３に供給される。ここで、パワーコンディショナ３の供給電力（Ｐ２−Ｐ１）が交流負荷機器１３の消費電力を下回っているときは、交流電力系統ＡＣから供給される交流電力が交流配電路１１を介して交流負荷機器１３に供給される。一方、パワーコンディショナ３の供給電力（Ｐ２−Ｐ１）が交流負荷機器１３の消費電力を上回っているときは、パワーコンディショナ３から供給される交流電力（Ｐ２−Ｐ１）の余剰分が交流電力系統ＡＣに逆潮流される。
【００２８】
また、図２（ｂ）に示すように、日射が弱くなって太陽電池１の出力特性が曲線Ａから曲線Ｂに低下し、太陽電池１の出力電力が直流需要電力Ｐ１を下回ると、インバータ制御回路が動作を停止する。このとき、直流負荷機器１４については動作を停止するか、もしくは別途設けられる補助電源（蓄電池など）から電源が供給される。一方、太陽電池１の出力特性が曲線Ａから曲線Ｂに低下しても太陽電池１の出力電力が直流需要電力Ｐ１を上回っている場合、インバータ制御回路が動作点をＸ２からＸ３へ移行させて太陽電池１の出力を減少させる。その後、再度、ＭＰＰＴ制御を行うことで出力特性（曲線Ｂ）のピークと一致する動作点Ｘ４に到達して太陽電池１から最大の出力（最大電力Ｐ４）を取り出すことができる。ただし、直流需要電力Ｐ１が変動した場合にも、上述した日射量の変動時と同様にしてＭＰＰＴ制御の再調整によって太陽電池１から最大出力を取り出すことができる。
【００２９】
本実施形態の配電システムでは、交流負荷機器１３には従来と同様に交流分電盤４を経由して交流電力系統ＡＣから供給される交流電力、またはパワーコンディショナ３から出力される交流電力を配電し、直流負荷機器１４にはＤＣ−ＤＣコンバータ５で定電圧化された太陽電池１の直流電力、または交流分電盤４から供給される交流電力をＡＣ−ＤＣコンバータ６で変換した直流電力を配電する。この場合、パワーコンディショナ３から出力される交流電力を直流電力に変換して配電する場合と比較して直流電力を効率よく配電することができる。しかも、パワーコンディショナ３とＤＣ−ＤＣコンバータ５が太陽電池１に対して並列接続されているので、日射量や直流負荷（直流需要電力）の変動に対して直流負荷及び交流負荷への太陽電池１の出力電力の振り分けが自動的に調節される。ここで、ＤＣ−ＤＣコンバータ５を介して直流負荷機器１４に優先的に直流電力が供給され、その次に、パワーコンディショナ３によって交流負荷機器１３に優先的に交流電力が供給され、最後に交流電力系統ＡＣに交流電力が供給される。このように、直流負荷や交流負荷が変動した際でも、太陽電池１から出力される直流電力が自動的に直流負荷機器１４、交流負荷機器１３、交流電力系統ＡＣに振り分けられ、その結果、電力効率の向上が図れるという利点がある。
【００３０】
次に、本実施形態の配電システムにおけるＤＣ−ＤＣコンバータ５の動作について説明する。
【００３１】
図３は本実施形態におけるＤＣ−ＤＣコンバータ５の動作制御部の第１構成例を示す図である。第１構成例では、ＤＣ−ＤＣコンバータ５の動作制御部として、入力電圧監視回路２１と、ＯＮ／ＯＦＦ制御回路２２とを備えている。入力電圧監視回路２１は、太陽電池１からＤＣ−ＤＣコンバータ５への入力電圧、すなわち太陽電池１の発電により出力される直流電力の出力電圧を検出して監視する。ＯＮ／ＯＦＦ制御回路２２は、入力電圧監視回路２１の検出結果に基づき、ＤＣ−ＤＣコンバータ５に対して制御信号を出力して動作をオンオフする。この際、ＯＮ／ＯＦＦ制御回路２２は、ＤＣ−ＤＣコンバータ５の入力電圧が所定の範囲である場合に、ＤＣ−ＤＣコンバータ５の動作をオンし、所定の範囲を外れた場合はオフするように動作制御を行う。上記の入力電圧監視回路２１、ＯＮ／ＯＦＦ制御回路２２は、ＤＣ−ＤＣコンバータ５の内部に設けてもよいし、外部に設ける構成としてもよい。
【００３２】
図４は図３に示した本実施形態の第１構成例の動作制御部によるＤＣ−ＤＣコンバータ５の動作範囲の第１例を示す図である。図４は、太陽電池１の出力電力の電圧と電流との関係、及びＤＣ−ＤＣコンバータ５が動作する電圧範囲を示したものである。太陽電池１は、日射強度の変化に伴い出力電圧及び電流が変化し、日射強度が強いほど高い電圧及び電流が出力される。本実施形態では、太陽電池１から最大限の出力電力が取得可能な高圧側の所定範囲をＤＣ−ＤＣコンバータ５の動作電圧範囲とし、ＯＮ／ＯＦＦ制御回路２２によって入力電圧がこの動作電圧範囲にある場合に動作させる。例えば、明け方または夕方など、太陽電池への日射強度が弱い場合は、発電量が少なく、出力電圧が低く不安定なときがある。このように直流発電設備の発電量が少ない状態でＤＣ−ＤＣコンバータ５を動作させると、動作が不安定となり、安定して直流電力を供給できない場合がある。そこで、本実施形態のように入力電圧が所定電圧より高い所定の範囲を動作電圧範囲とすることによって、ＤＣ−ＤＣコンバータ５を安定動作させることができ、安定した直流電力の供給が可能となる。また、ＤＣ−ＤＣコンバータ５がパワーコンディショナ３の動作を妨げることもない。
【００３３】
図５は図３に示した本実施形態の第１構成例の動作制御部によるＤＣ−ＤＣコンバータ５の動作範囲の第２例を示す図である。図５の例では、ＤＣ−ＤＣコンバータ５の動作電圧範囲を、パワーコンディショナ３の動作電圧範囲と同じかこれより狭い範囲とし、ＯＮ／ＯＦＦ制御回路２２によって入力電圧がこの動作電圧範囲にある場合に動作させる。パワーコンディショナ３が動作している状態であれば、上記のＭＰＰＴ制御によって、太陽電池１の出力電圧、すなわちＤＣ−ＤＣコンバータ５の入力電圧が安定した状態となるため、ＤＣ−ＤＣコンバータ５を安定して動作させることができる。
【００３４】
ＤＣ−ＤＣコンバータ５の動作は、上記の動作電圧範囲とともに、時間、電圧変動幅によって制御することも可能である。これらの変形例を以下に示す。
【００３５】
第１変形例として、ＯＮ／ＯＦＦ制御回路２２は、計時を行うタイマを有し、ＤＣ−ＤＣコンバータ５の入力電圧が所定の動作電圧範囲に入ってから、所定時間経過後に動作開始させるようにする。これにより、パワーコンディショナ３が動作するのを待ってからＤＣ−ＤＣコンバータ５を動作させることが可能である。また、ＤＣ−ＤＣコンバータ５を動作させてから入力電圧が動作電圧範囲の最低動作電圧を下回った場合は直ちに動作を停止し、その後入力電圧が復帰してもしばらくは動作停止させたままとし、所定時間経過後に動作開始させるようにする。この場合、パワーコンディショナ３が安定動作した後でＤＣ−ＤＣコンバータ５が動作開始するので、ＤＣ−ＤＣコンバータ５の動作をより安定させることができる。また、パワーコンディショナ３がＤＣ−ＤＣコンバータ５の安定動作を妨げることもない。
【００３６】
第２変形例として、ＯＮ／ＯＦＦ制御回路２２は、入力電圧監視回路２１の検出出力によってＤＣ−ＤＣコンバータ５の入力電圧を監視し、単位時間あたりの入力電圧変化量（例えば入力電圧変動幅）が所定値以下となった場合に動作開始させるようにする。これにより、パワーコンディショナ３の動作を確認してからＤＣ−ＤＣコンバータ５を動作させることが可能である。
【００３７】
図６はＤＣ−ＤＣコンバータ５の動作制御に関する入力電圧波形の第１例を示す図である。図６の第１例は、ＤＣ−ＤＣコンバータ５の入力電圧が上昇し、入力電圧変動幅が大きい状態からパワーコンディショナ３の動作によって入力電圧変動幅が小さくなる様子を示している。この場合、入力電圧を監視して単位時間あたりの電圧変動幅が所定値以下となったことを判定した時点でＤＣ−ＤＣコンバータ５の動作をオンする。図７はＤＣ−ＤＣコンバータ５の動作制御に関する入力電圧波形の第２例を示す図である。図７の第２例は、ＤＣ−ＤＣコンバータ５の入力電圧が上昇する際、パワーコンディショナ３の動作によって入力電圧が一旦上昇した後、徐々に低下して安定する様子を示している。この場合、入力電圧を監視して一旦上昇した後に徐々に低下したことを判定した時点でＤＣ−ＤＣコンバータ５の動作をオンする。
【００３８】
このように、ＤＣ−ＤＣコンバータ５の入力電圧変動幅が所定値以下となった場合にＤＣ−ＤＣコンバータ５を動作させることで、入力電圧によってパワーコンディショナ３の安定動作を確認した後にＤＣ−ＤＣコンバータ５を動作させることができる。これにより、ＤＣ−ＤＣコンバータ５をより安定的に動作させることができる。
【００３９】
図８は本実施形態におけるＤＣ−ＤＣコンバータ５の動作制御部の第２構成例を示す図である。第２構成例では、ＤＣ−ＤＣコンバータ５の動作制御部として、入力電圧監視回路２１と、ＯＮ／ＯＦＦ制御回路２２と、停電検出部の機能を有する停電検出回路２３とを備えている。停電検出回路２３は、交流分電盤４、交流配電路１１等の交流電力系統ＡＣからの交流電力の供給路に接続され、交流電力系統ＡＣの停電を検出する。ＯＮ／ＯＦＦ制御回路２２は、入力電圧監視回路２１の検出結果に基づき、ＤＣ−ＤＣコンバータ５の入力電圧が所定の範囲である場合に動作をオンするようＤＣ−ＤＣコンバータ５の動作制御を行う。また、ＯＮ／ＯＦＦ制御回路２２は、停電検出回路２３の検出結果に基づき、停電時のＤＣ−ＤＣコンバータ５の動作を制御する。停電時のＤＣ−ＤＣコンバータ５の動作制御として、ＯＮ／ＯＦＦ制御回路２２は、以下の第１制御例または第２制御例のいずれかを行うものとする。
【００４０】
停電時の第１制御例では、停電を検出した場合に、ＤＣ−ＤＣコンバータ５の動作電圧範囲を非停電時よりも拡大し、より大きな電圧範囲においてＤＣ−ＤＣコンバータ５を動作させるようにする。停電時はパワーコンディショナ３の動作が停止するので、パワーコンディショナ３の動作と関係なく、より広い範囲でＤＣ−ＤＣコンバータ５を動作させることによって、太陽電池１による発電電力を有効利用することができる。この場合、停電時には太陽電池１からの直流電力を配電し、電力を利用可能である。
【００４１】
一方、停電時の第２制御例では、停電を検出した場合に、ＤＣ−ＤＣコンバータ５の動作を停止させるようにする。停電時はパワーコンディショナ３の動作が停止するので、ＤＣ−ＤＣコンバータ５の安定動作が困難になる場合があるため、動作停止することで不安定な動作を抑止できる。
【００４２】
なお、上述した本実施形態の構成及び動作の各例において、ＤＣ−ＤＣコンバータ５の動作電圧範囲の設定を変更可能とし、太陽電池１の設置個数（発電量のピーク電圧）によって動作電圧範囲を切り替えることも可能である。この場合、ＯＮ／ＯＦＦ制御回路２２においてオンオフ制御するＤＣ−ＤＣコンバータ５の動作電圧範囲を、配電システムの設置工事のときに予め設定する際、太陽電池１の設置個数（太陽電池セルの直列枚数）によって切り替える。これにより、太陽電池１の発電量のピーク電圧に応じて、適切な動作電圧範囲でＤＣ−ＤＣコンバータ５を動作させることが可能になる。
【００４３】
次に、本実施形態の配電システムを、太陽電池及び蓄電池を備え交流電力と直流電力を配電可能としたハイブリッド配電システムに適用した応用例の構成を示す。図９は本実施形態の配電システムの応用例を示す図である。
【００４４】
この応用例の配電システムは、交流配電路１０６を介して交流負荷機器に交流電力を配電する交流分電盤１０４と、直流配電路１０７を介して直流負荷機器に直流電力を配電する直流配電装置を構成する直流分電盤１１０とを備えている。交流分電盤１０４は、入力端に交流電力源である商用電源（交流電力系統）１０５とパワーコンディショナ１０３とが接続され、出力端に交流配電路１０６と直流分電盤１１０とが接続されている。交流分電盤１０４は、商用電源１０５またはパワーコンディショナ１０３から供給される交流電力を分岐して交流配電路１０６と直流分電盤１１０に交流電力を出力する。
【００４５】
配電システムの直流電力源としては、太陽光を受光して光電変換することで発電を行い直流電力を出力する太陽電池１０１と、直流電力の蓄電及び蓄電した直流電力の出力が可能な二次電池により構成される蓄電池１０２とを備えている。直流分電盤１１０は、入力端に太陽電池１０１、蓄電池１０２、交流分電盤１０４が接続され、出力端に直流配電路１０７が接続されている。直流分電盤１１０は、太陽電池用コンバータ１１１、蓄電池用コンバータ１１２、ＡＣ−ＤＣコンバータ１１３、制御部１１４、表示部１１５を有して構成される。
【００４６】
太陽電池１０１の出力線路は２つに分岐され、パワーコンディショナ１０３と直流分電盤１１０の太陽電池用コンバータ１１１とが並列接続されている。パワーコンディショナ１０３は、太陽電池１０１から出力される直流電力を商用電源１０５の位相に同期した交流電力に変換して出力するとともに、変換された交流電力を商用電源１０５に逆潮流する。太陽電池用コンバータ１１１は、ＤＣ−ＤＣコンバータを有して構成され、太陽電池１０１から出力される直流電力を所望の電圧レベルに変換して出力する。蓄電池用コンバータ１１２は、ＤＣ−ＤＣコンバータを有して構成され、蓄電池１０２から出力される直流電力を所望の電圧レベルに変換して出力する。ＡＣ−ＤＣコンバータ１１３は、交流分電盤１０４から供給される交流電力を所望の電圧レベルの直流電力に変換して出力する。
【００４７】
制御部１１４は、マイクロコンピュータ等を有してなる情報処理装置により構成され、直流分電盤１１０の各部の動作制御を司るものである。制御部１１４は、太陽電池用コンバータ１１１、蓄電池用コンバータ１１２、ＡＣ−ＤＣコンバータ１１３の各コンバータの動作のＯＮ／ＯＦＦ制御、並びに出力電圧制御を行うとともに、表示部１１５の表示制御を行う。表示部１１５は、液晶表示装置等により構成され、制御部１１４の指示に基づき、文字、数字、画像等によって直流分電盤１１０の動作状態等の各種情報を示す表示を行う。
【００４８】
上記のような配電システムにおいても、太陽電池用コンバータ１１１のＤＣ−ＤＣコンバータに上述した本実施形態の構成を適用することによって、ＤＣ−ＤＣコンバータを安定動作させることができ、安定した直流電力の供給が可能となる。
【００４９】
なお、上記の実施形態では、直流電力源として太陽電池を有して構成される太陽光発電装置を備える構成を示しているが、これに限るものではなく、燃料電池を有して構成される燃料電池発電装置のような他の直流発電設備などを備える構成であっても、同様に適用可能である。
【００５０】
なお、本発明は、本発明の趣旨ならびに範囲を逸脱することなく、明細書の記載、並びに周知の技術に基づいて、当業者が様々な変更、応用することも本発明の予定するところであり、保護を求める範囲に含まれる。また、発明の趣旨を逸脱しない範囲で、上記実施形態における各構成要素を任意に組み合わせてもよい。
【符号の説明】
【００５１】
１ 太陽電池
２ 中継端子箱
３ パワーコンディショナ
４ 交流分電盤
５ ＤＣ−ＤＣコンバータ
６ ＡＣ−ＤＣコンバータ
１１ 交流配電路
１２ 直流配電路
１３ 交流負荷機器
１４ 直流負荷機器
２１ 入力電圧監視回路
２２ ＯＮ／ＯＦＦ制御回路
２３ 停電検出回路
１０１ 太陽電池
１０２ 蓄電池
１０３ パワーコンディショナ
１０４ 交流分電盤
１０５ 商用電源
１０６ 交流配電路
１０７ 直流配電路
１１０ 直流分電盤（直流配電装置）
１１１ 太陽電池用コンバータ
１１２ 蓄電池用コンバータ
１１３ ＡＣ−ＤＣコンバータ
１１４ 制御部
１１５ 表示部
ＡＣ 交流電力系統
【技術分野】
【０００１】
本発明は、交流電力と直流電力とを負荷機器に配電する配電システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、住宅、店舗、オフィスビルなどの建物において、交流電力と直流電力とを配電する配電システムとして、例えば特許文献１に記載のものがある。特許文献１の配電システムは、分電盤と交流電源用コンセントを有し、交流電源用コンセントに直流出力電源端子が設けられ、分電盤内に変圧器と整流器が配設されて構成されており、変圧器によって１００ボルト又は２００ボルトの交流電圧を６ボルト、３ボルト、１．５ボルトの３種類の交流電圧に変換した後、これらの交流電圧を整流器で整流することによって６ボルト、３ボルト、１．５ボルトの３種類の直流電圧を得るとともに、分電盤内で作成したこれら３種類の直流電圧を直流出力電源端子へ配電するものである。
【０００３】
また、地球環境保護の観点から、自家発電用として太陽光発電装置のような直流発電設備を建物に設置し、直流発電設備の直流電力出力を交流電力に電力変換して電力会社から供給される商用電源（交流電力系統）と系統連系運転を行う配電システムが提案されている（例えば特許文献２参照）。この種の系統連系システムでは、直流発電設備で発電された直流電力を、直流電力から交流電力に変換する電力変換器（パワーコンディショナ）により交流電力に変換することによって、交流電源である商用電源と協調させる構成を採用している。ここで、建物内の負荷で消費される電力を超える電力が直流発電設備から供給されている場合、余剰分の電力を商用電源に逆潮流させること（いわゆる、売電）が可能となっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】実開平４−１２８０２４号公報
【特許文献２】特開２００３−２８４２４５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記特許文献２に記載のような配電システムにおいて、上記特許文献１のように直流電力を供給する場合、太陽光発電装置のような直流発電設備から出力される直流電力をパワーコンディショナにおいて交流電力に変換した後、再度交流電力から直流電力に変換することになる。このため、２段階の電力変換が必要であり、電力変換による電力損失が増加し、電力の利用効率が低下するという課題がある。そこで、交流電力と直流電力を効率よく配電するために、直流発電設備から出力される直流電力を交流電力に変換するパワーコンディショナと、直流発電設備から出力される直流電力の電圧レベルを所望の電圧レベルに変換するＤＣ−ＤＣコンバータとを設けて、パワーコンディショナから交流電力を、ＤＣ−ＤＣコンバータから直流電力をそれぞれ供給するような構成を本出願人は提案している。このようなパワーコンディショナとＤＣ−ＤＣコンバータとを備えた構成において、両者を同時に動作可能とした場合、直流発電設備の発電量が少ない状態でＤＣ−ＤＣコンバータを動作させると、動作が不安定となり、安定して直流電力を供給できないという課題がある。また、ＤＣ−ＤＣコンバータの動作が不安定であると、パワーコンディショナの動作を妨げてしまうことがある。
【０００６】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、その目的は、交流電力と直流電力とをそれぞれ配電するシステムにおいて、直流電力を出力するＤＣ−ＤＣコンバータを安定動作させることができ、安定した直流電力の供給が可能な配電システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、直流電力源と交流電力系統とに接続され、前記直流電力源から出力される直流電力を前記交流電力系統の位相に同期した交流電力に変換して出力するとともに変換された交流電力を前記交流電力系統に逆潮流するパワーコンディショナと、前記直流電力源から出力される直流電力の電圧レベルを所望の電圧レベルに変換して出力するＤＣ−ＤＣコンバータとを備え、前記パワーコンディショナと前記ＤＣ−ＤＣコンバータとが前記直流電力源に対して並列接続され、これらのパワーコンディショナとＤＣ−ＤＣコンバータとが同時動作可能であり、前記ＤＣ−ＤＣコンバータの入力電圧が所定の範囲である場合のみ当該ＤＣ−ＤＣコンバータを動作させるように制御する動作制御部を備える配電システムを提供する。
上記構成により、直流電力を出力するＤＣ−ＤＣコンバータを安定動作させることができ、安定した直流電力の供給が可能となる。
【０００８】
また、本発明は、上記の配電システムであって、前記動作制御部は、前記所定の範囲を、前記パワーコンディショナの動作電圧範囲と同じかまたは狭い範囲とし、この範囲の動作電圧範囲において前記ＤＣ−ＤＣコンバータを動作させるものを含む。
上記構成により、パワーコンディショナが動作している状態でＤＣ−ＤＣコンバータを動作させるため、入力電圧が安定した状態で動作させることができ、安定動作させることができる。また、ＤＣ−ＤＣコンバータがパワーコンディショナの動作を妨げることを防げる。
【０００９】
また、本発明は、上記の配電システムであって、前記動作制御部は、前記ＤＣ−ＤＣコンバータの入力電圧が前記動作電圧範囲に入ってから所定時間後に当該ＤＣ−ＤＣコンバータを動作開始させるものを含む。
上記構成により、パワーコンディショナが安定して動作するのを待ってからＤＣ−ＤＣコンバータを動作させることができ、ＤＣ−ＤＣコンバータの動作をより安定させることが可能になる。
【００１０】
また、本発明は、上記の配電システムであって、前記動作制御部は、前記ＤＣ−ＤＣコンバータにおける単位時間あたりの入力電圧変化量が所定以下となった場合に当該ＤＣ−ＤＣコンバータを動作開始させるものを含む。
上記構成により、パワーコンディショナの安定動作を確認してからＤＣ−ＤＣコンバータを動作させることができ、ＤＣ−ＤＣコンバータの動作をより安定させることが可能になる。
【００１１】
また、本発明は、上記の配電システムであって、前記交流電力系統の停電を検出する停電検出部を備え、前記動作制御部は、前記停電検出部により停電が検出された場合に、前記所定の範囲の動作電圧範囲を非停電時よりも拡大して前記ＤＣ−ＤＣコンバータを動作させるものを含む。
上記構成により、停電時はパワーコンディショナの動作が停止するので、パワーコンディショナの動作と関係なく、より広い範囲でＤＣ−ＤＣコンバータを動作させることによって、太陽電池等の直流電力源による発電電力を有効利用することが可能になる。
【００１２】
また、本発明は、上記の配電システムであって、前記交流電力系統の停電を検出する停電検出部を備え、前記動作制御部は、前記停電検出部により停電が検出された場合に、前記ＤＣ−ＤＣコンバータの動作を停止させるものを含む。
上記構成により、停電時はパワーコンディショナの動作が停止するので、ＤＣ−ＤＣコンバータの安定動作が困難になる場合があるため、動作停止することで不安定な動作を抑止可能となる。
【００１３】
また、本発明は、上記の配電システムであって、前記直流電力源として太陽電池を備えており、前記動作制御部は、前記太陽電池の設置個数によって前記動作電圧範囲の設定を変更するものを含む。
上記構成により、太陽電池の発電量のピーク電圧に応じて、適切な動作電圧範囲でＤＣ−ＤＣコンバータを動作させることが可能になる。
【００１４】
また、本発明は、直流電力源から出力される直流電力の電圧レベルを所望の電圧レベルに変換して出力するＤＣ−ＤＣコンバータを備え、前記直流電力源に対して、この直流電力源から出力される直流電力を交流電力系統の位相に同期した交流電力に変換して出力するパワーコンディショナとともに並列接続され、前記パワーコンディショナと同時動作可能であり、前記ＤＣ−ＤＣコンバータの入力電圧が所定の範囲である場合のみ当該ＤＣ−ＤＣコンバータを動作させるように制御する動作制御部を備える直流配電装置を提供する。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、交流電力と直流電力とをそれぞれ配電するシステムにおいて、直流電力を出力するＤＣ−ＤＣコンバータを安定動作させることができ、安定した直流電力の供給が可能な配電システムを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の実施形態に係る配電システムの構成を示す図
【図２】（ａ）、（ｂ）はパワーコンディショナの動作を説明する図
【図３】本実施形態におけるＤＣ−ＤＣコンバータの動作制御部の第１構成例を示す図
【図４】本実施形態の第１構成例の動作制御部によるＤＣ−ＤＣコンバータの動作範囲の第１例を示す図
【図５】本実施形態の第１構成例の動作制御部によるＤＣ−ＤＣコンバータの動作範囲の第２例を示す図
【図６】ＤＣ−ＤＣコンバータの動作制御に関する入力電圧波形の第１例を示す図
【図７】ＤＣ−ＤＣコンバータの動作制御に関する入力電圧波形の第２例を示す図
【図８】本実施形態におけるＤＣ−ＤＣコンバータの動作制御部の第２構成例を示す図
【図９】本実施形態の配電システムの応用例を示す図
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明に係る配電システムを戸建て住宅に適用した実施形態について図面を参照しながら詳細に説明する。但し、本発明に係る配電システムが適用可能な建物は戸建て住宅に限定されるものではなく、集合住宅の各住戸や事務所等にも適用可能である。
【００１８】
図１は本発明の実施形態に係る配電システムの構成を示す図である。本実施形態の配電システムは、太陽電池１、中継端子箱（「接続箱」とも呼ばれる）２、パワーコンディショナ３、交流分電盤４、ＤＣ−ＤＣコンバータ５、ＡＣ−ＤＣコンバータ６を有して構成される。
【００１９】
太陽電池１は、複数（図示例では３つ）の太陽電池モジュール１Ａ，１Ｂ，１Ｃを有して構成され、直流電力源として用いられるものである。中継端子箱２は、各太陽電池モジュール１Ａ〜１Ｃから直流出力を取り出すための出力ケーブル７を一つのケーブル８にまとめるものである。これらの太陽電池１と中継端子箱２とにより、直流発電設備の一例としての太陽光発電装置が構成されている。パワーコンディショナ３は、太陽電池１から出力される直流電力を商用電源（交流電力系統）ＡＣの位相に同期した交流電力に変換するとともに、変換された交流電力を交流電力系統ＡＣに逆潮流する。交流分電盤４は、交流電力系統ＡＣまたはパワーコンディショナ３から出力される交流電力を分岐し、複数の分岐ブレーカ（図示せず）を介して宅内に配電する。ＤＣ−ＤＣコンバータ５は、太陽電池１から出力される直流電力の電圧レベルを所望の電圧レベルに変換する。ＡＣ−ＤＣコンバータ６は、交流分電盤４を介して供給される交流電力を所望の電圧レベルの直流電力に変換する。また、交流分電盤４から出力される交流電力を配電する交流配電路１１には、交流負荷機器１３が接続される。ＤＣ−ＤＣコンバータ５またはＡＣ−ＤＣコンバータ６から出力される直流電力を配電する直流配電路１２には、直流負荷機器１４が接続される。
【００２０】
太陽電池モジュール１Ａ〜１Ｃは、複数個（図示例では８個）の太陽電池セルを図示しない外囲器に封入した従来周知の構成を有し、例えば、住宅の屋根に設置される。なお、中継端子箱２は、複数のストリング出力側と負荷側とを端子にて中継し、必要に応じて逆流防止素子、直流開閉器などを収納した密閉箱である（ＪＩＳ Ｃ８９６０参照）。
【００２１】
パワーコンディショナ３は、太陽電池１の直流出力を昇圧する昇圧チョッパ回路（図示せず）、昇圧チョッパ回路で昇圧された直流出力を交流電力系統ＡＣの位相に同期した正弦波の交流出力に変換するインバータ（図示せず）、インバータを制御することで交流出力を調整するインバータ制御回路（図示せず）、系統連系保護装置などを有している。
【００２２】
交流分電盤４は、いわゆる住宅用分電盤（住宅盤）と同様に、扉付のボックス内に１次側が交流電力系統ＡＣに接続された主幹ブレーカ（図示せず）、及び主幹ブレーカの２次側に接続された導電バー（図示せず）に分岐接続された複数の分岐ブレーカ等が収納される。さらに、交流分電盤４のボックス内にパワーコンディショナ３の出力線が引き込まれ、ボックス内においてパワーコンディショナ３の出力線が交流電力系統ＡＣに並列接続されている。また、分岐ブレーカの２次側に交流配電路１１が接続され、この交流配電路１１を介して宅内の交流負荷機器１３に交流電力が供給される。交流配電路１１の末端には、交流負荷機器１３を接続するためのコンセント（図示せず）が設けられる。
【００２３】
ＤＣ−ＤＣコンバータ５は、例えばスイッチングレギュレータ等により構成され、出力電圧を検出するとともに検出した出力電圧が目標電圧と一致するように出力電圧を増減する制御（フィードバック制御）を行う定電圧制御方式によって、太陽電池１から出力される直流電力の電圧レベルを所望の電圧レベルに変換する。ＡＣ−ＤＣコンバータ６は、例えばスイッチングレギュレータ、インバータ等により構成され、交流電圧を直流電圧に整流し、出力電圧の定電圧制御を行うことによって、交流分電盤４より出力される交流電力から所望の電圧レベルの直流電力に変換する。ＤＣ−ＤＣコンバータ５及びＡＣ−ＤＣコンバータ６の各出力端は並列接続されて直流配電路１２と接続され、この直流配電路１２には保護回路（図示せず）が設けられる。そして、ＤＣ−ＤＣコンバータ５、ＡＣ−ＤＣコンバータ６でそれぞれ所望の電圧レベルに変換された直流電力のうち、いずれかの直流電力が直流配電路１２を介して直流負荷機器１４に供給される。上記ＤＣ−ＤＣコンバータ５、ＡＣ−ＤＣコンバータ６等の構成要素を含む直流電力を出力する機能部分を直流配電装置として構成することも可能である。直流配電路１２の末端には、直流負荷機器１４を接続するためのコンセント（図示せず）が設けられる。
【００２４】
本実施形態では、パワーコンディショナ３とＤＣ−ＤＣコンバータ５とを並列接続し、両者を同時動作可能とした構成において、ＤＣ−ＤＣコンバータ５を動作させる際に、入力電圧が所定の範囲である場合のみ動作させる。
【００２５】
まず、本実施形態の配電システムにおけるパワーコンディショナ３の動作について説明する。図２の（ａ）、（ｂ）はパワーコンディショナ３の動作を説明する図である。
【００２６】
パワーコンディショナ３のインバータ制御回路においては、太陽電池１の温度変化や日射強度の変化に伴う出力電圧や出力電流の変動に対して、太陽電池１の動作点が常に最大出力点を追従して太陽電池１の直流出力を最大限とする最大出力追従制御（以下、ＭＰＰＴ制御（maximum power point tracking control））を行っている。このようなＭＰＰＴ制御については従来周知であるので、詳細な説明は省略する。また、パワーコンディショナ３の系統連系保護装置は、交流電力系統ＡＣの電圧を監視して適正値よりも上昇した場合に、インバータ制御回路に指令を与えてＭＰＰＴ制御を停止してインバータの出力を低下させることにより、系統電圧の上昇を抑制している。
【００２７】
図２（ａ）の曲線Ａは、ある日射条件における太陽電池１の出力特性を示している。出力電力Ｐ１はＤＣ−ＤＣコンバータ５から直流配電路１２を介して直流負荷機器１４に供給される電力（直流需要電力）であって、インバータ制御回路の初期状態の動作点Ｘ１が当該直流需要電力Ｐ１によって決定される。インバータ制御回路がＭＰＰＴ制御を開始すると、交流配電路１１に供給する交流電力を調整しながら、出力特性（曲線Ａ）のピークと一致する動作点Ｘ２に到達して太陽電池１から最大の出力（最大電力Ｐ２）を取り出すことができる。このとき、最大電力Ｐ２と直流需要電力Ｐ１の差分（Ｐ２−Ｐ１）が交流配電路１１を介して交流負荷機器１３に供給される。ここで、パワーコンディショナ３の供給電力（Ｐ２−Ｐ１）が交流負荷機器１３の消費電力を下回っているときは、交流電力系統ＡＣから供給される交流電力が交流配電路１１を介して交流負荷機器１３に供給される。一方、パワーコンディショナ３の供給電力（Ｐ２−Ｐ１）が交流負荷機器１３の消費電力を上回っているときは、パワーコンディショナ３から供給される交流電力（Ｐ２−Ｐ１）の余剰分が交流電力系統ＡＣに逆潮流される。
【００２８】
また、図２（ｂ）に示すように、日射が弱くなって太陽電池１の出力特性が曲線Ａから曲線Ｂに低下し、太陽電池１の出力電力が直流需要電力Ｐ１を下回ると、インバータ制御回路が動作を停止する。このとき、直流負荷機器１４については動作を停止するか、もしくは別途設けられる補助電源（蓄電池など）から電源が供給される。一方、太陽電池１の出力特性が曲線Ａから曲線Ｂに低下しても太陽電池１の出力電力が直流需要電力Ｐ１を上回っている場合、インバータ制御回路が動作点をＸ２からＸ３へ移行させて太陽電池１の出力を減少させる。その後、再度、ＭＰＰＴ制御を行うことで出力特性（曲線Ｂ）のピークと一致する動作点Ｘ４に到達して太陽電池１から最大の出力（最大電力Ｐ４）を取り出すことができる。ただし、直流需要電力Ｐ１が変動した場合にも、上述した日射量の変動時と同様にしてＭＰＰＴ制御の再調整によって太陽電池１から最大出力を取り出すことができる。
【００２９】
本実施形態の配電システムでは、交流負荷機器１３には従来と同様に交流分電盤４を経由して交流電力系統ＡＣから供給される交流電力、またはパワーコンディショナ３から出力される交流電力を配電し、直流負荷機器１４にはＤＣ−ＤＣコンバータ５で定電圧化された太陽電池１の直流電力、または交流分電盤４から供給される交流電力をＡＣ−ＤＣコンバータ６で変換した直流電力を配電する。この場合、パワーコンディショナ３から出力される交流電力を直流電力に変換して配電する場合と比較して直流電力を効率よく配電することができる。しかも、パワーコンディショナ３とＤＣ−ＤＣコンバータ５が太陽電池１に対して並列接続されているので、日射量や直流負荷（直流需要電力）の変動に対して直流負荷及び交流負荷への太陽電池１の出力電力の振り分けが自動的に調節される。ここで、ＤＣ−ＤＣコンバータ５を介して直流負荷機器１４に優先的に直流電力が供給され、その次に、パワーコンディショナ３によって交流負荷機器１３に優先的に交流電力が供給され、最後に交流電力系統ＡＣに交流電力が供給される。このように、直流負荷や交流負荷が変動した際でも、太陽電池１から出力される直流電力が自動的に直流負荷機器１４、交流負荷機器１３、交流電力系統ＡＣに振り分けられ、その結果、電力効率の向上が図れるという利点がある。
【００３０】
次に、本実施形態の配電システムにおけるＤＣ−ＤＣコンバータ５の動作について説明する。
【００３１】
図３は本実施形態におけるＤＣ−ＤＣコンバータ５の動作制御部の第１構成例を示す図である。第１構成例では、ＤＣ−ＤＣコンバータ５の動作制御部として、入力電圧監視回路２１と、ＯＮ／ＯＦＦ制御回路２２とを備えている。入力電圧監視回路２１は、太陽電池１からＤＣ−ＤＣコンバータ５への入力電圧、すなわち太陽電池１の発電により出力される直流電力の出力電圧を検出して監視する。ＯＮ／ＯＦＦ制御回路２２は、入力電圧監視回路２１の検出結果に基づき、ＤＣ−ＤＣコンバータ５に対して制御信号を出力して動作をオンオフする。この際、ＯＮ／ＯＦＦ制御回路２２は、ＤＣ−ＤＣコンバータ５の入力電圧が所定の範囲である場合に、ＤＣ−ＤＣコンバータ５の動作をオンし、所定の範囲を外れた場合はオフするように動作制御を行う。上記の入力電圧監視回路２１、ＯＮ／ＯＦＦ制御回路２２は、ＤＣ−ＤＣコンバータ５の内部に設けてもよいし、外部に設ける構成としてもよい。
【００３２】
図４は図３に示した本実施形態の第１構成例の動作制御部によるＤＣ−ＤＣコンバータ５の動作範囲の第１例を示す図である。図４は、太陽電池１の出力電力の電圧と電流との関係、及びＤＣ−ＤＣコンバータ５が動作する電圧範囲を示したものである。太陽電池１は、日射強度の変化に伴い出力電圧及び電流が変化し、日射強度が強いほど高い電圧及び電流が出力される。本実施形態では、太陽電池１から最大限の出力電力が取得可能な高圧側の所定範囲をＤＣ−ＤＣコンバータ５の動作電圧範囲とし、ＯＮ／ＯＦＦ制御回路２２によって入力電圧がこの動作電圧範囲にある場合に動作させる。例えば、明け方または夕方など、太陽電池への日射強度が弱い場合は、発電量が少なく、出力電圧が低く不安定なときがある。このように直流発電設備の発電量が少ない状態でＤＣ−ＤＣコンバータ５を動作させると、動作が不安定となり、安定して直流電力を供給できない場合がある。そこで、本実施形態のように入力電圧が所定電圧より高い所定の範囲を動作電圧範囲とすることによって、ＤＣ−ＤＣコンバータ５を安定動作させることができ、安定した直流電力の供給が可能となる。また、ＤＣ−ＤＣコンバータ５がパワーコンディショナ３の動作を妨げることもない。
【００３３】
図５は図３に示した本実施形態の第１構成例の動作制御部によるＤＣ−ＤＣコンバータ５の動作範囲の第２例を示す図である。図５の例では、ＤＣ−ＤＣコンバータ５の動作電圧範囲を、パワーコンディショナ３の動作電圧範囲と同じかこれより狭い範囲とし、ＯＮ／ＯＦＦ制御回路２２によって入力電圧がこの動作電圧範囲にある場合に動作させる。パワーコンディショナ３が動作している状態であれば、上記のＭＰＰＴ制御によって、太陽電池１の出力電圧、すなわちＤＣ−ＤＣコンバータ５の入力電圧が安定した状態となるため、ＤＣ−ＤＣコンバータ５を安定して動作させることができる。
【００３４】
ＤＣ−ＤＣコンバータ５の動作は、上記の動作電圧範囲とともに、時間、電圧変動幅によって制御することも可能である。これらの変形例を以下に示す。
【００３５】
第１変形例として、ＯＮ／ＯＦＦ制御回路２２は、計時を行うタイマを有し、ＤＣ−ＤＣコンバータ５の入力電圧が所定の動作電圧範囲に入ってから、所定時間経過後に動作開始させるようにする。これにより、パワーコンディショナ３が動作するのを待ってからＤＣ−ＤＣコンバータ５を動作させることが可能である。また、ＤＣ−ＤＣコンバータ５を動作させてから入力電圧が動作電圧範囲の最低動作電圧を下回った場合は直ちに動作を停止し、その後入力電圧が復帰してもしばらくは動作停止させたままとし、所定時間経過後に動作開始させるようにする。この場合、パワーコンディショナ３が安定動作した後でＤＣ−ＤＣコンバータ５が動作開始するので、ＤＣ−ＤＣコンバータ５の動作をより安定させることができる。また、パワーコンディショナ３がＤＣ−ＤＣコンバータ５の安定動作を妨げることもない。
【００３６】
第２変形例として、ＯＮ／ＯＦＦ制御回路２２は、入力電圧監視回路２１の検出出力によってＤＣ−ＤＣコンバータ５の入力電圧を監視し、単位時間あたりの入力電圧変化量（例えば入力電圧変動幅）が所定値以下となった場合に動作開始させるようにする。これにより、パワーコンディショナ３の動作を確認してからＤＣ−ＤＣコンバータ５を動作させることが可能である。
【００３７】
図６はＤＣ−ＤＣコンバータ５の動作制御に関する入力電圧波形の第１例を示す図である。図６の第１例は、ＤＣ−ＤＣコンバータ５の入力電圧が上昇し、入力電圧変動幅が大きい状態からパワーコンディショナ３の動作によって入力電圧変動幅が小さくなる様子を示している。この場合、入力電圧を監視して単位時間あたりの電圧変動幅が所定値以下となったことを判定した時点でＤＣ−ＤＣコンバータ５の動作をオンする。図７はＤＣ−ＤＣコンバータ５の動作制御に関する入力電圧波形の第２例を示す図である。図７の第２例は、ＤＣ−ＤＣコンバータ５の入力電圧が上昇する際、パワーコンディショナ３の動作によって入力電圧が一旦上昇した後、徐々に低下して安定する様子を示している。この場合、入力電圧を監視して一旦上昇した後に徐々に低下したことを判定した時点でＤＣ−ＤＣコンバータ５の動作をオンする。
【００３８】
このように、ＤＣ−ＤＣコンバータ５の入力電圧変動幅が所定値以下となった場合にＤＣ−ＤＣコンバータ５を動作させることで、入力電圧によってパワーコンディショナ３の安定動作を確認した後にＤＣ−ＤＣコンバータ５を動作させることができる。これにより、ＤＣ−ＤＣコンバータ５をより安定的に動作させることができる。
【００３９】
図８は本実施形態におけるＤＣ−ＤＣコンバータ５の動作制御部の第２構成例を示す図である。第２構成例では、ＤＣ−ＤＣコンバータ５の動作制御部として、入力電圧監視回路２１と、ＯＮ／ＯＦＦ制御回路２２と、停電検出部の機能を有する停電検出回路２３とを備えている。停電検出回路２３は、交流分電盤４、交流配電路１１等の交流電力系統ＡＣからの交流電力の供給路に接続され、交流電力系統ＡＣの停電を検出する。ＯＮ／ＯＦＦ制御回路２２は、入力電圧監視回路２１の検出結果に基づき、ＤＣ−ＤＣコンバータ５の入力電圧が所定の範囲である場合に動作をオンするようＤＣ−ＤＣコンバータ５の動作制御を行う。また、ＯＮ／ＯＦＦ制御回路２２は、停電検出回路２３の検出結果に基づき、停電時のＤＣ−ＤＣコンバータ５の動作を制御する。停電時のＤＣ−ＤＣコンバータ５の動作制御として、ＯＮ／ＯＦＦ制御回路２２は、以下の第１制御例または第２制御例のいずれかを行うものとする。
【００４０】
停電時の第１制御例では、停電を検出した場合に、ＤＣ−ＤＣコンバータ５の動作電圧範囲を非停電時よりも拡大し、より大きな電圧範囲においてＤＣ−ＤＣコンバータ５を動作させるようにする。停電時はパワーコンディショナ３の動作が停止するので、パワーコンディショナ３の動作と関係なく、より広い範囲でＤＣ−ＤＣコンバータ５を動作させることによって、太陽電池１による発電電力を有効利用することができる。この場合、停電時には太陽電池１からの直流電力を配電し、電力を利用可能である。
【００４１】
一方、停電時の第２制御例では、停電を検出した場合に、ＤＣ−ＤＣコンバータ５の動作を停止させるようにする。停電時はパワーコンディショナ３の動作が停止するので、ＤＣ−ＤＣコンバータ５の安定動作が困難になる場合があるため、動作停止することで不安定な動作を抑止できる。
【００４２】
なお、上述した本実施形態の構成及び動作の各例において、ＤＣ−ＤＣコンバータ５の動作電圧範囲の設定を変更可能とし、太陽電池１の設置個数（発電量のピーク電圧）によって動作電圧範囲を切り替えることも可能である。この場合、ＯＮ／ＯＦＦ制御回路２２においてオンオフ制御するＤＣ−ＤＣコンバータ５の動作電圧範囲を、配電システムの設置工事のときに予め設定する際、太陽電池１の設置個数（太陽電池セルの直列枚数）によって切り替える。これにより、太陽電池１の発電量のピーク電圧に応じて、適切な動作電圧範囲でＤＣ−ＤＣコンバータ５を動作させることが可能になる。
【００４３】
次に、本実施形態の配電システムを、太陽電池及び蓄電池を備え交流電力と直流電力を配電可能としたハイブリッド配電システムに適用した応用例の構成を示す。図９は本実施形態の配電システムの応用例を示す図である。
【００４４】
この応用例の配電システムは、交流配電路１０６を介して交流負荷機器に交流電力を配電する交流分電盤１０４と、直流配電路１０７を介して直流負荷機器に直流電力を配電する直流配電装置を構成する直流分電盤１１０とを備えている。交流分電盤１０４は、入力端に交流電力源である商用電源（交流電力系統）１０５とパワーコンディショナ１０３とが接続され、出力端に交流配電路１０６と直流分電盤１１０とが接続されている。交流分電盤１０４は、商用電源１０５またはパワーコンディショナ１０３から供給される交流電力を分岐して交流配電路１０６と直流分電盤１１０に交流電力を出力する。
【００４５】
配電システムの直流電力源としては、太陽光を受光して光電変換することで発電を行い直流電力を出力する太陽電池１０１と、直流電力の蓄電及び蓄電した直流電力の出力が可能な二次電池により構成される蓄電池１０２とを備えている。直流分電盤１１０は、入力端に太陽電池１０１、蓄電池１０２、交流分電盤１０４が接続され、出力端に直流配電路１０７が接続されている。直流分電盤１１０は、太陽電池用コンバータ１１１、蓄電池用コンバータ１１２、ＡＣ−ＤＣコンバータ１１３、制御部１１４、表示部１１５を有して構成される。
【００４６】
太陽電池１０１の出力線路は２つに分岐され、パワーコンディショナ１０３と直流分電盤１１０の太陽電池用コンバータ１１１とが並列接続されている。パワーコンディショナ１０３は、太陽電池１０１から出力される直流電力を商用電源１０５の位相に同期した交流電力に変換して出力するとともに、変換された交流電力を商用電源１０５に逆潮流する。太陽電池用コンバータ１１１は、ＤＣ−ＤＣコンバータを有して構成され、太陽電池１０１から出力される直流電力を所望の電圧レベルに変換して出力する。蓄電池用コンバータ１１２は、ＤＣ−ＤＣコンバータを有して構成され、蓄電池１０２から出力される直流電力を所望の電圧レベルに変換して出力する。ＡＣ−ＤＣコンバータ１１３は、交流分電盤１０４から供給される交流電力を所望の電圧レベルの直流電力に変換して出力する。
【００４７】
制御部１１４は、マイクロコンピュータ等を有してなる情報処理装置により構成され、直流分電盤１１０の各部の動作制御を司るものである。制御部１１４は、太陽電池用コンバータ１１１、蓄電池用コンバータ１１２、ＡＣ−ＤＣコンバータ１１３の各コンバータの動作のＯＮ／ＯＦＦ制御、並びに出力電圧制御を行うとともに、表示部１１５の表示制御を行う。表示部１１５は、液晶表示装置等により構成され、制御部１１４の指示に基づき、文字、数字、画像等によって直流分電盤１１０の動作状態等の各種情報を示す表示を行う。
【００４８】
上記のような配電システムにおいても、太陽電池用コンバータ１１１のＤＣ−ＤＣコンバータに上述した本実施形態の構成を適用することによって、ＤＣ−ＤＣコンバータを安定動作させることができ、安定した直流電力の供給が可能となる。
【００４９】
なお、上記の実施形態では、直流電力源として太陽電池を有して構成される太陽光発電装置を備える構成を示しているが、これに限るものではなく、燃料電池を有して構成される燃料電池発電装置のような他の直流発電設備などを備える構成であっても、同様に適用可能である。
【００５０】
なお、本発明は、本発明の趣旨ならびに範囲を逸脱することなく、明細書の記載、並びに周知の技術に基づいて、当業者が様々な変更、応用することも本発明の予定するところであり、保護を求める範囲に含まれる。また、発明の趣旨を逸脱しない範囲で、上記実施形態における各構成要素を任意に組み合わせてもよい。
【符号の説明】
【００５１】
１ 太陽電池
２ 中継端子箱
３ パワーコンディショナ
４ 交流分電盤
５ ＤＣ−ＤＣコンバータ
６ ＡＣ−ＤＣコンバータ
１１ 交流配電路
１２ 直流配電路
１３ 交流負荷機器
１４ 直流負荷機器
２１ 入力電圧監視回路
２２ ＯＮ／ＯＦＦ制御回路
２３ 停電検出回路
１０１ 太陽電池
１０２ 蓄電池
１０３ パワーコンディショナ
１０４ 交流分電盤
１０５ 商用電源
１０６ 交流配電路
１０７ 直流配電路
１１０ 直流分電盤（直流配電装置）
１１１ 太陽電池用コンバータ
１１２ 蓄電池用コンバータ
１１３ ＡＣ−ＤＣコンバータ
１１４ 制御部
１１５ 表示部
ＡＣ 交流電力系統
【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電力源と交流電力系統とに接続され、前記直流電力源から出力される直流電力を前記交流電力系統の位相に同期した交流電力に変換して出力するとともに変換された交流電力を前記交流電力系統に逆潮流するパワーコンディショナと、
前記直流電力源から出力される直流電力の電圧レベルを所望の電圧レベルに変換して出力するＤＣ−ＤＣコンバータとを備え、
前記パワーコンディショナと前記ＤＣ−ＤＣコンバータとが前記直流電力源に対して並列接続され、これらのパワーコンディショナとＤＣ−ＤＣコンバータとが同時動作可能であり、
前記ＤＣ−ＤＣコンバータの入力電圧が所定の範囲である場合のみ当該ＤＣ−ＤＣコンバータを動作させるように制御する動作制御部を備える配電システム。
【請求項２】
請求項１に記載の配電システムであって、
前記動作制御部は、前記所定の範囲を、前記パワーコンディショナの動作電圧範囲と同じかまたは狭い範囲とし、この範囲の動作電圧範囲において前記ＤＣ−ＤＣコンバータを動作させる配電システム。
【請求項３】
請求項２に記載の配電システムであって、
前記動作制御部は、前記ＤＣ−ＤＣコンバータの入力電圧が前記動作電圧範囲に入ってから所定時間後に当該ＤＣ−ＤＣコンバータを動作開始させる配電システム。
【請求項４】
請求項１に記載の配電システムであって、
前記動作制御部は、前記ＤＣ−ＤＣコンバータにおける単位時間あたりの入力電圧変化量が所定以下となった場合に当該ＤＣ−ＤＣコンバータを動作開始させる配電システム。
【請求項５】
請求項１に記載の配電システムであって、
前記交流電力系統の停電を検出する停電検出部を備え、
前記動作制御部は、前記停電検出部により停電が検出された場合に、前記所定の範囲の動作電圧範囲を非停電時よりも拡大して前記ＤＣ−ＤＣコンバータを動作させる配電システム。
【請求項６】
請求項１に記載の配電システムであって、
前記交流電力系統の停電を検出する停電検出部を備え、
前記動作制御部は、前記停電検出部により停電が検出された場合に、前記ＤＣ−ＤＣコンバータの動作を停止させる配電システム。
【請求項７】
請求項２に記載の配電システムであって、
前記直流電力源として太陽電池を備えており、
前記動作制御部は、前記太陽電池の設置個数によって前記動作電圧範囲の設定を変更する配電システム。
【請求項８】
直流電力源から出力される直流電力の電圧レベルを所望の電圧レベルに変換して出力するＤＣ−ＤＣコンバータを備え、
前記直流電力源に対して、この直流電力源から出力される直流電力を交流電力系統の位相に同期した交流電力に変換して出力するパワーコンディショナとともに並列接続され、前記パワーコンディショナと同時動作可能であり、
前記ＤＣ−ＤＣコンバータの入力電圧が所定の範囲である場合のみ当該ＤＣ−ＤＣコンバータを動作させるように制御する動作制御部を備える直流配電装置。
【請求項１】
直流電力源と交流電力系統とに接続され、前記直流電力源から出力される直流電力を前記交流電力系統の位相に同期した交流電力に変換して出力するとともに変換された交流電力を前記交流電力系統に逆潮流するパワーコンディショナと、
前記直流電力源から出力される直流電力の電圧レベルを所望の電圧レベルに変換して出力するＤＣ−ＤＣコンバータとを備え、
前記パワーコンディショナと前記ＤＣ−ＤＣコンバータとが前記直流電力源に対して並列接続され、これらのパワーコンディショナとＤＣ−ＤＣコンバータとが同時動作可能であり、
前記ＤＣ−ＤＣコンバータの入力電圧が所定の範囲である場合のみ当該ＤＣ−ＤＣコンバータを動作させるように制御する動作制御部を備える配電システム。
【請求項２】
請求項１に記載の配電システムであって、
前記動作制御部は、前記所定の範囲を、前記パワーコンディショナの動作電圧範囲と同じかまたは狭い範囲とし、この範囲の動作電圧範囲において前記ＤＣ−ＤＣコンバータを動作させる配電システム。
【請求項３】
請求項２に記載の配電システムであって、
前記動作制御部は、前記ＤＣ−ＤＣコンバータの入力電圧が前記動作電圧範囲に入ってから所定時間後に当該ＤＣ−ＤＣコンバータを動作開始させる配電システム。
【請求項４】
請求項１に記載の配電システムであって、
前記動作制御部は、前記ＤＣ−ＤＣコンバータにおける単位時間あたりの入力電圧変化量が所定以下となった場合に当該ＤＣ−ＤＣコンバータを動作開始させる配電システム。
【請求項５】
請求項１に記載の配電システムであって、
前記交流電力系統の停電を検出する停電検出部を備え、
前記動作制御部は、前記停電検出部により停電が検出された場合に、前記所定の範囲の動作電圧範囲を非停電時よりも拡大して前記ＤＣ−ＤＣコンバータを動作させる配電システム。
【請求項６】
請求項１に記載の配電システムであって、
前記交流電力系統の停電を検出する停電検出部を備え、
前記動作制御部は、前記停電検出部により停電が検出された場合に、前記ＤＣ−ＤＣコンバータの動作を停止させる配電システム。
【請求項７】
請求項２に記載の配電システムであって、
前記直流電力源として太陽電池を備えており、
前記動作制御部は、前記太陽電池の設置個数によって前記動作電圧範囲の設定を変更する配電システム。
【請求項８】
直流電力源から出力される直流電力の電圧レベルを所望の電圧レベルに変換して出力するＤＣ−ＤＣコンバータを備え、
前記直流電力源に対して、この直流電力源から出力される直流電力を交流電力系統の位相に同期した交流電力に変換して出力するパワーコンディショナとともに並列接続され、前記パワーコンディショナと同時動作可能であり、
前記ＤＣ−ＤＣコンバータの入力電圧が所定の範囲である場合のみ当該ＤＣ−ＤＣコンバータを動作させるように制御する動作制御部を備える直流配電装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１１−７８２１５（Ｐ２０１１−７８２１５Ａ）
【公開日】平成２３年４月１４日（２０１１．４．１４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２２７４２３（Ｐ２００９−２２７４２３）
【出願日】平成２１年９月３０日（２００９．９．３０）
【出願人】（０００００５８３２）パナソニック電工株式会社 (17,916)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年４月１４日（２０１１．４．１４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年９月３０日（２００９．９．３０）
【出願人】（０００００５８３２）パナソニック電工株式会社 (17,916)
【Ｆターム（参考）】
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