JP2012249471A - 配電システム - Google Patents

Abstract

【課題】電力変換による損失を小さく抑えることにより、電力を有効に活用することができる配電システムを提供する。
【解決手段】配電システムは、直流電源部１０の出力端子１３に接続された負荷用ＤＣ／ＤＣコンバータ４１およびパワーコンディショナ４２と、交流電力系統３０に接続されたＡＣ／ＤＣコンバータ４３と、これらを制御する制御部５０とを備えている。制御部５０は、直流電源部１０からの電力が交流電力系統３０よりも優先的に負荷に供給されるように、各部の動作を個別に制御する。直流電源部１０は、直流負荷２１に対しては負荷用ＤＣ／ＤＣコンバータ４１を介して電力供給し、交流負荷２２に対してはパワーコンディショナ４２を介して電力供給する。交流電力系統３０は、直流負荷２１に対してはＡＣ／ＤＣコンバータ４３を介して電力供給し、交流負荷２２に対しては直接電力供給する。
【選択図】図１

Description

本発明は、直流電力を出力する直流電源部を備え、直流電源部および交流電力系統からの電力を負荷に供給する配電システムに関する。

従来から、分電盤と直流電源出力端子との間に変圧器および整流器を有し、直流電源を容易に取ることができるようにしたシステムが提案されている（たとえば特許文献１参照）。このシステムは、変圧器および整流器によって交流電圧を６Ｖ，３Ｖ，１．５Ｖの３種類の直流電圧に変換し、これら３種類の直流電圧を直流電源出力端子から出力する。

ところで、一般的な太陽光発電システムや燃料電池発電システムは、太陽電池や燃料電池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を備えている。この種のシステムにおいて上述のように直流電源を取り出し可能とする場合、パワーコンディショナで交流電力に変換された太陽電池や燃料電池の出力を、さらに直流電力に変換することが一般的である。つまり、太陽電池や燃料電池の出力に対しては電力変換が２度行われるため、電力変換による損失が大きくなる。

一方、直流負荷に対して、ＤＣ／ＤＣコンバータ（直流直流変換器）で定電圧化された太陽電池の出力（直流電力）を供給する配電システムが提案されている（たとえば特許文献２参照）。この配電システムは、交流負荷には、交流用分電盤を経由して交流電力系統から供給される交流電力、もしくはパワーコンディショナから出力される交流電力を供給する。

実開平４−１２８０２４号公報 特開２０１０−４１８８６号公報

しかし、特許文献２に記載の配電システムでは、太陽電池の発電電力が直流負荷の消費電力より小さい場合、交流電力系統から直流負荷への電力供給が行われる。この場合、配電システムは、交流電力系統からの交流電力をパワーコンディショナで直流電力に変換した後、さらにＤＣ／ＤＣコンバータで変圧することになるため、電力変換による損失が大きくなるという問題がある。

本発明は上記事由に鑑みて為されており、電力変換による損失を小さく抑えることにより、電力を有効に活用することができる配電システムを提供することを目的とする。

本発明の配電システムは、直流電力を生成する発電装置および蓄電池を有し出力端子から直流電力を出力する直流電源部を備え、直流電力の供給を受けて動作する直流負荷と交流電力の供給を受けて動作する交流負荷とに対して、前記直流電源部および交流電力系統からの電力を供給する配電システムであって、前記直流電源部の前記出力端子と前記直流負荷との間に挿入され、前記直流電源部からの直流電力を所望の電圧レベルの直流電力に変換し前記直流負荷に供給する第１の電力変換器と、前記直流電源部の前記出力端子と前記交流負荷との間に挿入され、前記直流電源部からの直流電力を交流電力に変換し前記交流負荷に供給する第２の電力変換器と、前記交流電力系統と前記直流負荷との間に挿入され、前記交流電力系統からの交流電力を直流電力に変換し前記第２の電力変換器を通さずに前記直流負荷に供給する第３の電力変換器と、前記直流負荷および前記交流負荷に対して前記直流電源部の出力が前記交流電力系統よりも優先的に供給され、前記直流負荷および前記交流負荷の消費電力を前記直流電源部の出力のみで賄えない場合に、前記交流電力系統からの電力が、前記交流負荷には直接供給され、前記直流負荷には前記第３の電力変換器を介して供給されるように、前記第１ないし前記第３の各電力変換器を制御する制御部とをさらに備えることを特徴とする。

この配電システムにおいて、前記直流電源部は、前記出力端子に対して前記発電装置と前記蓄電池とを択一的に接続する切替部と、前記出力端子と前記蓄電池との間に挿入され前記発電装置からの直流電力を所望の電圧レベルの直流電力に変換し前記蓄電池に供給する第４の電力変換器および開閉器の直列回路からなる充電回路とを有し、前記制御部は、前記発電装置の発電電力が所定値以上である発電期間には、前記切替部にて前記出力端子を前記発電装置に接続するとともに前記開閉器をオンし、前記発電装置の発電電力が前記所定値を下回る停止期間には、前記切替部にて前記出力端子を前記蓄電池に接続するとともに前記開閉器をオフするように、前記切替部および前記充電回路を制御することが望ましい。

この配電システムにおいて、前記発電装置は太陽電池からなり、前記制御部は、前記発電装置の発電電力が前記直流負荷および前記交流負荷の消費電力の和以上である場合に、前記第４の電力変換器に最大電力追従制御を行わせることがより望ましい。

この配電システムにおいて、前記制御部は、前記直流電源部の出力が前記交流負荷よりも前記直流負荷に対して優先的に供給され、前記直流電源部の出力から前記直流負荷の消費電力を差し引いた電力が前記交流負荷に供給されるように、前記第１ないし前記第３の各電力変換器を制御することがより望ましい。

この配電システムにおいて、前記発電装置は太陽電池からなり、前記制御部は、前記発電装置の発電電力が前記直流負荷の消費電力よりも小さい場合に、前記第１の電力変換器に最大電力追従制御を行わせることがより望ましい。

この配電システムにおいて、前記発電装置は太陽電池からなり、前記制御部は、前記発電装置の発電電力が前記直流負荷の消費電力以上で、且つ前記直流負荷および前記交流負荷の消費電力の和よりも小さい場合に、前記第２の電力変換器に最大電力追従制御を行わせることがより望ましい。

本発明は、電力変換による損失を小さく抑えることにより、電力を有効に活用することができるという利点がある。

実施形態に係る配電システムの概略構成を示すブロック図である。 実施形態に係る配電システムに用いられる太陽電池の特性の説明図である。 実施形態に係る配電システムの動作を示す説明図である。

本実施形態の配電システムは、図１に示すように太陽電池１１および蓄電池１２を有する直流電源部１０を備えており、直流負荷２１および交流負荷２２に対して、直流電源部１０および交流電力系統３０から電力を供給するシステムである。太陽電池１１は発電装置を構成する。ここでは、配電システムが一般的な戸建住宅に用いられる場合を例として説明するが、これに限らず、配電システムは集合住宅の各住戸や施設、工場等に用いられてもよい。

直流負荷（図中「ＤＣ負荷」）２１および交流負荷（図中「ＡＣ負荷」）２２は、住宅内の各所に配置された電気機器や、コンセント、壁スイッチ等の配線器具や照明設備などを含んでいる。直流負荷２１は、直流電力の供給を受けて動作する直流駆動型の負荷、交流負荷２２は、交流電力の供給を受けて動作する交流駆動型の負荷である。なお、直流負荷２１には、比較的高い電圧（たとえば３００Ｖ）で動作する空調装置や冷蔵庫等の高圧直流負荷と、比較的低い電圧（たとえば４８Ｖ）で動作する電話やパーソナルコンピュータや液晶テレビなどの低圧直流負荷とがある。

交流電力系統３０は、電力会社が需要家に交流電力を供給するためのシステムであって、異常時（停電時）を除いて常に交流電力を需要家である住宅に供給する。交流電力系統３０は、単相三線式であって、中性極と一対の電圧極との３線からなる引込線によって住宅に引き込まれている。住宅内には、主幹ブレーカおよび複数個の分岐ブレーカ等を収納した分電盤（図示せず）が設けられており、交流電力系統３０は、分電盤を介して直流負荷２１、交流負荷２２に電力供給する。

直流電源部１０は、発電装置としての太陽電池１１で生成される直流電力、あるいは蓄電池１２から放電される直流電力を、出力端子１３から出力する。太陽電池１１は、日射量に応じて発電電力が変動するため、基本的には昼間に発電を行い夜間に発電を停止する。そこで、直流電源部１０は、昼間に太陽電池１１の出力によって蓄電池１２を充電し、夜間に蓄電池１２に蓄積された電力を放電するように動作する。直流電源部１０の具体的な構成については後述する。

ところで、配電システムは、上記構成に加え、直流電源部１０の出力端子１３に接続された負荷用ＤＣ／ＤＣコンバータ４１およびパワーコンディショナ４２と、交流電力系統３０に接続されたＡＣ／ＤＣコンバータ４３と、後述の制御部５０とをさらに備えている。なお、負荷用ＤＣ／ＤＣコンバータ４１とパワーコンディショナ４２とＡＣ／ＤＣコンバータ４３と制御部５０とは、分電盤内あるいは分電盤の周辺に設置される。

負荷用ＤＣ／ＤＣコンバータ４１は、直流電源部１０と直流負荷２１との間に挿入されており、直流電源部１０からの直流電力を所望の電圧レベルの直流電力に変換して直流負荷２１に供給する第１の電力変換器を構成する。負荷用ＤＣ／ＤＣコンバータ４１から出力される直流電力の電圧レベルは、直流負荷２１の動作電圧に合わせて設定される。

パワーコンディショナ４２は、直流電源部１０と交流負荷２２との間に挿入されており、直流電源部１０からの直流電力を交流電力系統３０の位相に同期した交流電力に変換して交流負荷２２に供給する第２の電力変換器を構成する。つまり、パワーコンディショナ４２はインバータ回路を有している。ここで、パワーコンディショナ４２の出力は交流電力系統３０と共に交流負荷２２に接続されているため、交流電力系統（商用電源）３０の停電時に直流電源部１０の単独運転を防止する必要がある。そこで、パワーコンディショナ４２は、交流電力系統の停電検出時にインバータ回路の動作を停止させ、交流電力系統３０との間に挿入された解列リレー（図示せず）を解列させる保護装置（図示せず）を有している。

ＡＣ／ＤＣコンバータ４３は、交流電力系統３０と直流負荷２１との間に挿入され、交流電力系統３０からの交流電力を所望の電圧レベルの直流電力に変換し直流負荷２１に供給する第３の電力変換器を構成する。ＡＣ／ＤＣコンバータ４３は、直流負荷２１に対して負荷用ＤＣ／ＤＣコンバータ４１と並列になるように、交流電力系統３０と直流負荷２１との間において、負荷用ＤＣ／ＤＣコンバータ４１およびパワーコンディショナ４２とは別経路で接続されている。したがって、ＡＣ／ＤＣコンバータ４３は、負荷用ＤＣ／ＤＣコンバータ４１とパワーコンディショナ４２とのいずれも通すことなく、交流電力系統３０からの電力を直流負荷２１に供給する。

また、交流電力系統３０は、交流負荷２２に対しては、負荷用ＤＣ／ＤＣコンバータ４１とパワーコンディショナ４２とＡＣ／ＤＣコンバータ４３とのいずれも通すことなく、交流電力を供給する。

要するに、本実施形態の配電システムは、直流電源部１０および交流電力系統３０と、直流負荷２１および交流負荷２２との間に、負荷用ＤＣ／ＤＣコンバータ４１とパワーコンディショナ４２とＡＣ／ＤＣコンバータ４３とが並列に接続されている。そのため、直流電源部１０は、直流負荷２１に対しては負荷用ＤＣ／ＤＣコンバータ４１のみを介して電力供給し、交流負荷２２に対してはパワーコンディショナ４２のみを介して電力供給することになる。一方、交流電力系統３０は、直流負荷２１に対してはＡＣ／ＤＣコンバータ４３のみを介して電力供給し、交流負荷２２に対してはいずれの電力変換器も介さずに電力供給することになる。

制御部５０は、マイコン（マイクロコンピュータ）を主構成とし、少なくとも、負荷用ＤＣ／ＤＣコンバータ４１とパワーコンディショナ４２とＡＣ／ＤＣコンバータ４３、さらに直流電源部１０との間で通信する機能を具備している。

制御部５０は、直流負荷２１および交流負荷２２に対して直流電源部１０からの電力が交流電力系統３０よりも優先的に供給されるように、負荷用ＤＣ／ＤＣコンバータ４１とパワーコンディショナ４２とＡＣ／ＤＣコンバータ４３との各々の動作を個別に制御する。具体的には、制御部５０は、直流負荷２１および交流負荷２２の消費電力を直流電源部１０からの電力だけで賄えない場合に限り、不足分の電力を交流電力系統３０から直流負荷２１および交流負荷２２に供給するように制御する。

ここでは、制御部５０は、直流電源部１０から出力される電力、つまり負荷用ＤＣ／ＤＣコンバータ４１およびパワーコンディショナ４２の入力と、直流負荷２１および交流負荷２２の各々の消費電力とを計測する電力計測部（図示せず）を有している。制御部５０は、電力計測部で電力の計測を定期的に行い、直流電源部１０の出力が直流負荷２１および交流負荷２２の消費電力の合計を下回った場合に、交流電力系統３０からの電力を直流負荷２１および交流負荷２２へ供給する。このとき、交流電力系統３０からの電力は、交流負荷２１には直接供給され、直流負荷２２にはＡＣ／ＤＣコンバータ４３を介して供給される。なお、電力計測部は必須の構成ではなく、電力を計測する機能に代えて、制御部５０は、たとえば電圧の変動に基づいて負荷への供給電力の余剰分の有無を判断する機能を有していてもよい。

また、制御部５０は、直流電源部１０からの電力が、交流負荷２２よりも直流負荷２１に対して優先的に供給されるように、負荷用ＤＣ／ＤＣコンバータ４１およびパワーコンディショナ４２の動作を制御する。具体的には、制御部５０は、直流負荷２１の消費電力を直流電源部１０からの電力で賄ってなお直流電源部１０からの電力に余剰分が生じる場合に限り、この余剰分を交流負荷２２に供給するように制御する。ここでは、制御部５０は、電力計測部で電力の計測を定期的に行い、直流電源部１０の出力が直流負荷２１の消費電力よりも大きい場合に、パワーコンディショナ４２を作動させて直流電源部１０からの電力を交流負荷２２にも供給する。

ところで、本実施形態の配電システムに用いられている直流電源部１０は、図１に示すように、出力端子１３に対して太陽電池１１と蓄電池１２とを択一的に接続する切替部１４と、蓄電池１２の充電を行う充電回路とを有している。充電回路は、出力端子１３と蓄電池１２との間に挿入された充電用ＤＣ／ＤＣコンバータ４４と開閉器１５との直列回路からなる。

切替部１４は、太陽電池１１に接続された第１接点１４１と、蓄電池１２に接続された第２接点１４２とを有しており、出力端子１３となる共通接点を、第１接点１４１と第２接点１４２とに対して択一的に接続する。つまり、直流電源部１０は、切替部１４が第１接点１４１を出力端子１３に接続した状態で、太陽電池１１の発電電力を出力端子１３から出力し、切替部１４が第２接点１４２を出力端子１３に接続した状態で、蓄電池１２の放電電力を出力端子１３から出力する。

充電用ＤＣ／ＤＣコンバータ４４は、出力端子１３に対して開閉器１５を介して接続され、太陽電池１１からの直流電力を所望の電圧レベルの直流電力に変換して蓄電池１２に供給する第４の電力変換器を構成する。充電用ＤＣ／ＤＣコンバータ４４から出力される直流電力の電圧レベルは、蓄電池１２の充電電圧に合わせて設定される。これにより、切替部１４にて太陽電池１１が出力端子１３に接続された状態で開閉器１５がオンすると、充電用ＤＣ／ＤＣコンバータ４４は、太陽電池１１から電力供給を受けて蓄電池１２を充電することができる。

ここにおいて、制御部５０は、負荷用ＤＣ／ＤＣコンバータ４１とパワーコンディショナ４２とＡＣ／ＤＣコンバータ４３とに加えて、切替部１４と開閉器１５と充電用ＤＣ／ＤＣコンバータ４４との各々についても以下のように制御する。

すなわち、制御部５０は、太陽電池１１が発電を行う昼間などで太陽電池１１の発電電力が所定値以上である発電期間には、切替部１４を第１接点１４１側に切り替えて出力端子１３を太陽電池１１に接続するとともに、充電回路の開閉器１５をオンする。これにより、直流電源部１０は、発電期間においては、太陽電池１１の発電電力を出力端子１３から出力し、且つ太陽電池１１からの電力によって蓄電池１２を充電可能となる。

ただし、制御部５０は、太陽電池１１から直流負荷２１および交流負荷２２に電力供給してもなお太陽電池１１の発電電力に余剰分（余剰電力）が生じる場合に限って蓄電池１２が充電されるように、充電用ＤＣ／ＤＣコンバータ４４の動作を制御する。つまり、制御部５０は、太陽電池１１の発電電力が直流負荷２１および交流負荷２２の消費電力の和以上である場合に限って、余剰電力で蓄電池１２が充電されるように充電用ＤＣ／ＤＣコンバータ４４を作動させる。したがって、蓄電池１２は、太陽電池１１の発電電力から直流負荷２１および交流負荷２２の消費電力の和を差し引いた電力によって充電される。余剰電力が生じていない場合には、制御部５０は、充電用ＤＣ／ＤＣコンバータ４４の動作を停止させる。

一方、制御部５０は、太陽電池１１が発電を停止する夜間などで太陽電池１１の発電電力が所定値を下回る停止期間には、切替部１４を第２接点１４２側に切り替えて出力端子１３を蓄電池１２に接続するとともに、充電回路の開閉器１５をオフにする。これにより、直流電源部１０は、停止期間においては、蓄電池１２に蓄えられた電力を出力端子１３から出力し、且つ蓄電池１２の充電は停止する。

なお、制御部５０は、発電期間と停止期間とを、電力計測部で計測される太陽電池１１の発電電力および現在時刻に基づいて判別し、たとえば１８時以降で且つ発電電力が１００Ｗ以下となったことをもって、発電期間から停止期間に切り替わったと判断する。また、発電期間と停止期間との判別方法は、この例に限らず、制御部５０は、太陽電池１１の発電電力のみから発電期間と停止期間とを判別してもよい。この場合、たとえば太陽電池１１にダミー負荷が接続され、太陽電池１１が発電を行っている限り直流負荷２１および交流負荷２２がつながっていなくても太陽電池１１の発電電力がゼロにならない構成とすれば、制御部５０は、発電電力がゼロか否かで判断できる。

ところで、太陽電池１１は、発電電力が一定ではなく、図２に示すように出力電圧に応じて発電電力が変化する特性を持つので、発電電力が最大となる最適点（最大電力点）で動作することが望ましい。なお、図２では、横軸が太陽電池１１の出力電圧、縦軸が太陽電池１１の発電電力を示し、発電電力が最大となる最適点を黒丸で示している。

そこで、本実施形態では、太陽電池１１の出力に接続される負荷用ＤＣ／ＤＣコンバータ４１とパワーコンディショナ４２と充電用ＤＣ／ＤＣコンバータ４４との各々が、最大電力追従（ＭＰＰＴ：Maximum Power Point Tracking）制御の機能を有している。最大電力追従制御は、太陽電池１１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、太陽電池１１の動作点が常に最大電力点を追従して、太陽電池１１の出力を最大限に引き出す制御であって、周知の技術であるから、詳しい説明は省略する。

本実施形態においては、制御部５０は、太陽電池１１の発電電力と直流負荷２１および交流負荷２２の消費電力との関係に応じて、最大電力追従制御を行わせる対象を切り替える。具体的には、制御部５０は、負荷用ＤＣ／ＤＣコンバータ４１とパワーコンディショナ４２と充電用ＤＣ／ＤＣコンバータ４４との中で、その時々において出力が固定的でない電力変換器に最大電力追従制御を行わせる。

すなわち、太陽電池１１の発電電力が直流負荷２１および交流負荷２２の消費電力の和以上である場合には、太陽電池１１の余剰電力が充電用ＤＣ／ＤＣコンバータ４４から蓄電池１２に供給されるので、充電用ＤＣ／ＤＣコンバータ４４の出力は固定的でない。この場合、制御部５０は、充電用ＤＣ／ＤＣコンバータ４４に最大電力追従制御を行わせる。

また、太陽電池１１の発電電力が直流負荷２１の消費電力よりも小さい場合には、直流負荷２１に供給される電力の不足分は、交流電力系統３０からの電力供給で補われるので、直流負荷２１に電力供給する負荷用ＤＣ／ＤＣコンバータ４１の出力は固定的でない。この場合、制御部５０は、負荷用ＤＣ／ＤＣコンバータ４１に最大電力追従制御を行わせる。

さらにまた、太陽電池１１の発電電力が直流負荷２１の消費電力以上で、且つ直流負荷２１および交流負荷２２の消費電力の和よりも小さい場合、交流負荷２２に供給される電力の不足分は、交流電力系統３０からの電力供給で補われる。したがって、この場合、交流負荷２１に電力供給するパワーコンディショナ４２の出力は固定的でなく、制御部５０は、パワーコンディショナ４２に最大電力追従制御を行わせる。

次に、本実施形態の配電システムの動作について図３を参照して説明する。

制御部５０は、太陽電池１１が発電中か否か、つまり発電期間と停止期間との別を判断し（図３のＳ１）、発電期間と判断すれば（Ｓ１：ＹＥＳ）、切替部１４にて出力端子１３を第１接点１４１に接続するとともに充電回路の開閉器１５をオンにする（Ｓ２）。

それから、制御部５０は、太陽電池１１の発電電力と直流負荷２１および交流負荷２２の消費電力とを比較する（Ｓ３）。このとき、発電電力が直流負荷２１および交流負荷２２の消費電力の和よりも大きければ（Ｓ３：ＹＥＳ）、制御部５０は、負荷用ＤＣ／ＤＣコンバータ４１とパワーコンディショナ４２と充電用ＤＣ／ＤＣコンバータ４４とを作動させる。これにより、直流負荷２１は、太陽電池１１から負荷用ＤＣ／ＤＣコンバータ４１を介して電力供給され、交流負荷２２は、太陽電池１１からパワーコンディショナ４２を介して電力供給される（Ｓ４）。さらに、太陽電池１１は、余剰電力を充電用ＤＣ／ＤＣコンバータ４４を介して蓄電池１２に供給して蓄電池１２を充電する。このとき、制御部５０は、充電用ＤＣ／ＤＣコンバータ４４に最大電力追従制御を行わせることにより、太陽電池１１の直流電力を最大限に引き出す。

また、太陽電池１１の発電電力が直流負荷２１および交流負荷２２の消費電力の和以下であれば（Ｓ３：ＮＯ）、制御部５０は、続けて発電電力と直流負荷２１の消費電力とを比較する（Ｓ５）。このとき、発電電力が直流負荷２１の消費電力よりも小さければ（Ｓ５：ＹＥＳ）、制御部５０は、負荷用ＤＣ／ＤＣコンバータ４１とＡＣ／ＤＣコンバータ４３とを作動させる。これにより、直流負荷２１は、太陽電池１１から負荷用ＤＣ／ＤＣコンバータ４１を介して電力供給されるとともに、不足分が交流電力系統３０からＡＣ／ＤＣコンバータ４３を介して供給され、交流負荷２２は、交流電力系統３０から直接電力供給される（Ｓ６）。このとき、制御部５０は、負荷用ＤＣ／ＤＣコンバータ４１に最大電力追従制御を行わせることにより、太陽電池１１の直流電力を最大限に引き出す。

また、太陽電池１１の発電電力が直流負荷２１の消費電力以上であれば（Ｓ５：ＮＯ）、制御部５０は、負荷用ＤＣ／ＤＣコンバータ４１とパワーコンディショナ４２とを作動させる。これにより、直流負荷２１は、太陽電池１１から負荷用ＤＣ／ＤＣコンバータ４１を介して電力供給され、交流負荷２２は、太陽電池１１からパワーコンディショナ４２を介して電力供給されるとともに、不足分が交流電力系統３０から直接供給される（Ｓ７）。このとき、制御部５０は、パワーコンディショナ４２に最大電力追従制御を行わせることにより、太陽電池１１の直流電力を最大限に引き出す。

一方、制御部５０は、太陽電池１１が発電中でない、つまり停止期間と判断すると（Ｓ１：ＮＯ）、切替部１４にて出力端子１３を第２接点１４２に接続するとともに充電回路の開閉器１５をオフにする（Ｓ８）。

それから、制御部５０は、蓄電池１２の放電電力と直流負荷２１および交流負荷２２の消費電力とを比較する（Ｓ９）。このとき、放電電力が直流負荷２１および交流負荷２２の消費電力の和よりも大きければ（Ｓ９：ＹＥＳ）、制御部５０は、負荷用ＤＣ／ＤＣコンバータ４１とパワーコンディショナ４２とを作動させる。これにより、直流負荷２１は、蓄電池１２から負荷用ＤＣ／ＤＣコンバータ４１を介して電力供給され、交流負荷２２は、蓄電池１２からパワーコンディショナ４２を介して電力供給される（Ｓ１０）。

また、蓄電池１２の放電電力が直流負荷２１および交流負荷２２の消費電力の和以下であれば（Ｓ９：ＮＯ）、制御部５０は、続けて放電電力と直流負荷２１の消費電力とを比較する（Ｓ１１）。このとき、放電電力が直流負荷２１の消費電力よりも小さければ（Ｓ１１：ＹＥＳ）、制御部５０は、負荷用ＤＣ／ＤＣコンバータ４１とＡＣ／ＤＣコンバータ４３とを作動させる。これにより、直流負荷２１は、蓄電池１２から負荷用ＤＣ／ＤＣコンバータ４１を介して電力供給されるとともに、不足分が交流電力系統３０からＡＣ／ＤＣコンバータ４３を介して供給され、交流負荷２２は、交流電力系統３０から直接電力供給される（Ｓ１２）。

また、蓄電池１２の放電電力が直流負荷２１の消費電力以上であれば（Ｓ１１：ＮＯ）、制御部５０は、負荷用ＤＣ／ＤＣコンバータ４１とパワーコンディショナ４２とを作動させる。これにより、直流負荷２１は、蓄電池１２から負荷用ＤＣ／ＤＣコンバータ４１を介して電力供給され、交流負荷２２は、蓄電池１２からパワーコンディショナ４２を介して電力供給されるとともに、不足分が交流電力系統３０から直接供給される（Ｓ１３）。

なお、制御部５０は、電力計測部での発電電力あるいは放電電力、並びに消費電力の計測を定期的に行っており、図３のＳ１〜Ｓ１３の処理を定期的に繰り返す。

以上説明した本実施形態の配電システムによれば、直流電源部１０および交流電力系統３０に対して、負荷用ＤＣ／ＤＣコンバータ４１とパワーコンディショナ４２とＡＣ／ＤＣコンバータ４３とが並列に接続されている。これにより、直流電源部１０は、直流負荷２１に対しては負荷用ＤＣ／ＤＣコンバータ４１のみを介して電力供給し、交流負荷２２に対してはパワーコンディショナ４２のみを介して電力供給するので、１度だけの電力変換で負荷への電力供給が可能になる。交流電力系統３０は、直流負荷２１に対してはＡＣ／ＤＣコンバータ４３のみを介して電力供給し、交流負荷２２に対してはいずれの電力変換器も介さずに電力供給するので、１度だけの電力変換あるいは電力変換なしで負荷への電力供給が可能になる。

したがって、この配電システムは、直流電源部１０と交流電力系統３０とのいずれから、直流負荷２１と交流負荷２２とのいずれに電力供給する場合でも、２度以上の電力変換が行われることはなく、電力変換による損失を小さく抑えることができる。つまり、たとえば、交流電力系統からの交流電力が双方向パワーコンディショナで直流電力に変換された後、さらにＤＣ／ＤＣコンバータで変圧されるような構成に比べて、電力変換の回数が少なくなり、電力変換による損失が小さくなる。なお、ここでいう双方向パワーコンディショナは、直流電力と交流電力とを双方向に変換可能なパワーコンディショナを意味している。その結果、本実施形態の配電システムは、直流電源部１０および交流電力系統３０から供給される電力を有効に活用することができるという利点がある。

また、本実施形態の配電システムにおいては、制御部５０は、直流電源部１０の出力が交流負荷２２よりも直流負荷２１に対して優先的に供給されるように、負荷用ＤＣ／ＤＣコンバータ４１およびパワーコンディショナ４２の動作を制御する。そのため、直流電源部１０の出力が直流負荷２１および交流負荷２２の消費電力の和以上でない限り、交流負荷２２には、交流電力系統３０から電力供給されることになる。交流電力系統３０から交流負荷２２への電力供給路上には電力変換器は介在しないので、交流電力系統３０は、交流負荷２２へ効率よく電力を供給することができる。

さらにまた、本実施形態では、制御部５０は、発電電力と消費電力との関係に応じて、負荷用ＤＣ／ＤＣコンバータ４１とパワーコンディショナ４２と充電用ＤＣ／ＤＣコンバータ４４とのいずれかに最大電力追従制御を行わせる。そのため、配電システムは、太陽電池１１の発電電力と直流負荷２１および交流負荷２２の消費電力とがどのような関係にあっても、最大電力追従制御により、その時々において太陽電池１１の出力を最大限に引き出すことが可能である。要するに、この配電システムは、太陽電池１１の利用効率が高くなるため、太陽電池１１の出力の不足分を補うために交流電力系統３０から供給される電力を小さく抑えることが可能である。

ところで、将来的に、太陽電池や燃料電池が普及するのに伴い、売電による交流電力系統の電圧上昇抑制問題が深刻化すると、交流電力系統の電力を安定させるという観点から、今後、太陽電池等で生じた余剰電力の逆潮流が制限されることが考えられる。この場合、本実施形態のように余剰電力を蓄えるための蓄電池を配電システムに用いることが有効である。

ただし、一般的には、本実施形態の構成と異なり、蓄電池を用いる場合、蓄電池の充放電は１つの充放電回路にて行われ、蓄電池は、充電時には充放電回路から電力供給され、放電時には充放電回路を介して電力が取り出される。この構成では、充放電回路での電力損失が問題となる可能性がある。すなわち、蓄電池から出力される直流電力は、充放電回路にて変圧された後、さらにＤＣ／ＤＣコンバータで変圧されてから直流負荷に供給されるか、あるいはパワーコンディショナで交流電力に変換されてから交流負荷に供給されることになる。したがって、蓄電池の充放電が１つの充放電回路で行われる構成では、蓄電池の放電電力に対して電力変換が２度行われるため、電力変換による損失が大きくなるという問題がある。

これに対して、本実施形態の配電システムでは、制御部５０が、直流電源部１０の切替部１４と開閉器１５と充電用ＤＣ／ＤＣコンバータ４４との各々を制御することにより、蓄電池１２の放電電力に対する電力変換による損失を小さく抑えることができる。すなわち、制御部５０は、太陽電池１１の発電期間には、切替部１４にて出力端子１３を太陽電池１１に接続するとともに開閉器１５をオンし、太陽電池１１の停止期間には、切替部１４にて出力端子１３を蓄電池１２に接続するとともに開閉器１５をオフする。したがって、充電用ＤＣ／ＤＣコンバータ４４は、蓄電池１２の充電時にのみ使用されることとなり、蓄電池１２の放電時には、蓄電池１２からいずれの電力変換器も介さずに出力端子１３に直流電力が出力される。

つまり、蓄電池１２は、太陽電池１１と同様に直流負荷２１に対しては負荷用ＤＣ／ＤＣコンバータ４１のみを介して電力供給し、交流負荷２２に対してはパワーコンディショナ４２のみを介して電力供給するので、１度だけの電力変換で負荷へ電力供給可能になる。結果的に、本実施形態の配電システムによれば、蓄電池１２から直流負荷２１と交流負荷２２とのいずれに電力供給する場合でも、電力変換による損失を小さく抑えることができ、電力を有効に活用することができる。

なお、本実施形態の配電システムは、負荷用ＤＣ／ＤＣコンバータ４１とパワーコンディショナ４２と充電用ＤＣ／ＤＣコンバータ４４との全てに最大電力追従制御の機能を有しているが、この例に限らない。つまり、負荷用ＤＣ／ＤＣコンバータ４１とパワーコンディショナ４２と充電用ＤＣ／ＤＣコンバータ４４とのうち、１つもしくは２つの電力変換器のみが最大電力追従制御の機能を有していてもよい。

また、パワーコンディショナ４２が最大電力追従制御の機能を有することは、太陽電池１１の発電電力が直流負荷２１の消費電力以上で、且つ直流負荷２１および交流負荷２２の消費電力の和よりも小さいという条件を満たし得る需要家で有用である。ただし、このような条件を満たし得ない需要家に用いられる配電システムにおいても、パワーコンディショナ４２が最大電力追従制御の機能を有していてもよい。

負荷用ＤＣ／ＤＣコンバータ４１が最大電力追従制御の機能を有することは、太陽電池１１の発電電力が直流負荷２１の消費電力よりも小さいという条件を満たし得る需要家で有用である。ただし、このような条件を満たし得ない需要家に用いられる配電システムにおいても、負荷用ＤＣ／ＤＣコンバータ４１が最大電力追従制御の機能を有していてもよい。

充電用ＤＣ／ＤＣコンバータ４４が最大電力追従制御の機能を有することは、太陽電池１１の発電電力が直流負荷２１および交流負荷２２の消費電力の和以上であるという条件を満たし得る需要家で有用である。ただし、このような条件を満たし得ない需要家に用いられる配電システムにおいても、充電用ＤＣ／ＤＣコンバータ４４が最大電力追従制御の機能を有していてもよい。

なお、直流電源部１０は、直流電力を生成する発電装置として、たとえば燃料電池など、太陽電池１１以外の装置を適用してもよい。本実施形態では、直流負荷２１と交流負荷２２との両方に電力供給を行う配電システムについて説明したが、直流負荷２１と交流負荷２２とのいずれか一方に電力供給を行う配電システムに同様の構成を適用してもよい。

１０ 直流電源部
１１ 太陽電池（発電装置）
１２ 蓄電池
１３ 出力端子
１４ 切替部
１５ 開閉器
２１ 直流負荷
２２ 交流負荷
３０ 交流電力系統
４１ 負荷用ＤＣ／ＤＣコンバータ（第１の電力変換器）
４２ パワーコンディショナ（第２の電力変換器）
４３ ＡＣ／ＤＣコンバータ（第３の電力変換器）
４４ 充電用ＤＣ／ＤＣコンバータ（第４の電力変換器）
５０ 制御部

Claims (6)

1. 直流電力を生成する発電装置および蓄電池を有し出力端子から直流電力を出力する直流電源部を備え、直流電力の供給を受けて動作する直流負荷と交流電力の供給を受けて動作する交流負荷とに対して、前記直流電源部および交流電力系統からの電力を供給する配電システムであって、
   前記直流電源部の前記出力端子と前記直流負荷との間に挿入され、前記直流電源部からの直流電力を所望の電圧レベルの直流電力に変換し前記直流負荷に供給する第１の電力変換器と、
   前記直流電源部の前記出力端子と前記交流負荷との間に挿入され、前記直流電源部からの直流電力を交流電力に変換し前記交流負荷に供給する第２の電力変換器と、
   前記交流電力系統と前記直流負荷との間に挿入され、前記交流電力系統からの交流電力を直流電力に変換し前記第２の電力変換器を通さずに前記直流負荷に供給する第３の電力変換器と、
   前記直流負荷および前記交流負荷に対して前記直流電源部の出力が前記交流電力系統よりも優先的に供給され、前記直流負荷および前記交流負荷の消費電力を前記直流電源部の出力のみで賄えない場合に、前記交流電力系統からの電力が、前記交流負荷には直接供給され、前記直流負荷には前記第３の電力変換器を介して供給されるように、前記第１ないし前記第３の各電力変換器を制御する制御部とをさらに備えることを特徴とする配電システム。
2. 前記直流電源部は、前記出力端子に対して前記発電装置と前記蓄電池とを択一的に接続する切替部と、前記出力端子と前記蓄電池との間に挿入され前記発電装置からの直流電力を所望の電圧レベルの直流電力に変換し前記蓄電池に供給する第４の電力変換器および開閉器の直列回路からなる充電回路とを有し、
   前記制御部は、前記発電装置の発電電力が所定値以上である発電期間には、前記切替部にて前記出力端子を前記発電装置に接続するとともに前記開閉器をオンし、前記発電装置の発電電力が前記所定値を下回る停止期間には、前記切替部にて前記出力端子を前記蓄電池に接続するとともに前記開閉器をオフするように、前記切替部および前記充電回路を制御することを特徴とする請求項１に記載の配電システム。
3. 前記発電装置は太陽電池からなり、
   前記制御部は、前記発電装置の発電電力が前記直流負荷および前記交流負荷の消費電力の和以上である場合に、前記第４の電力変換器に最大電力追従制御を行わせることを特徴とする請求項２に記載の配電システム。
4. 前記制御部は、前記直流電源部の出力が前記交流負荷よりも前記直流負荷に対して優先的に供給され、前記直流電源部の出力から前記直流負荷の消費電力を差し引いた電力が前記交流負荷に供給されるように、前記第１ないし前記第３の各電力変換器を制御することを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の配電システム。
5. 前記発電装置は太陽電池からなり、
   前記制御部は、前記発電装置の発電電力が前記直流負荷の消費電力よりも小さい場合に、前記第１の電力変換器に最大電力追従制御を行わせることを特徴とする請求項４に記載の配電システム。
6. 前記発電装置は太陽電池からなり、
   前記制御部は、前記発電装置の発電電力が前記直流負荷の消費電力以上で、且つ前記直流負荷および前記交流負荷の消費電力の和よりも小さい場合に、前記第２の電力変換器に最大電力追従制御を行わせることを特徴とする請求項４または請求項５に記載の配電システム。

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