JP2012200060A - 給電制御システム及び給電制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】給電制御システムにおいて、所定の給電電圧を確保しつつ消費電力の低減を図る。
【解決手段】実施の形態の給電制御システムは、給電装置、蓄電池、電圧監視部及び充放電制御部を備える。給電装置は、直流の電力を給電ラインを介して負荷に給電する。蓄電池は、給電ラインに接続されている。電圧監視部は、給電ライン上の電圧を監視する。充放電制御部は、電圧監視部による監視電圧が第１の基準電圧未満である場合に給電ライン上へ電力を蓄電池から放電し、前記監視電圧が第１の基準電圧より高い第２の基準電圧を超える場合に蓄電池へ給電ラインから電力を充電させる。
【選択図】図２

Description

本発明の実施形態は、給電制御システム及び給電制御方法に関する。

宅内において、商用電力系統からの交流電力に加え、太陽光発電や蓄電池を給電に利用する給電装置が知られている。この種の装置は、太陽光発電の電力を利用する連系インバータ、蓄電池の充放電を行うチョッパ回路などを備えており、負荷へ配電される交流電圧を検出しながら蓄電池の充放電を制御する。

また、上述した商用電力系統、太陽光発電、蓄電池などを適用しつつ、宅内の負荷に直流を給電する装置なども開発されている。宅内に直流を給電することによって太陽光発電の電力を有効に活用することが可能となる。しかしながら、このような給電装置の場合、蓄電池の充放電を担うチョッパ回路などで生じる変換損失（スイッチング損失）や蓄電池自体の充放電損失などが懸念される。

特開２００７−３００７９２号公報 特開２００９−１５９７３４号公報

電気学会論文誌Ｄ，１２６巻９号，２００６年

本発明が解決しようとする課題は、所定の給電電圧を確保しつつ消費電力の低減を図ることができる給電制御システム及び給電制御方法を提供することである。

実施の形態の給電制御システムは、給電装置、蓄電池、電圧監視部及び充放電制御部を備える。給電装置は、直流の電力を直流給電ラインを介して負荷に給電する。蓄電池は、双方向チョッパを介してこの直流給電ラインに接続されている。電圧監視部は、直流給電ライン上の電圧を監視する。充放電制御部は、電圧監視部による監視電圧が第１の基準電圧未満である場合に直流給電ライン上へ電力を蓄電池から放電し、前記監視電圧が第１の基準電圧より高い第２の基準電圧を超える場合には蓄電池へ直流給電ラインから電力を充電させる。

実施の形態に係る給電制御システムの主要な構成を示す図。 図１の給電制御システムが備える双方向チョッパ及び蓄電池、並びに宅内エネルギ管理部の構成を示す機能ブロック図。 図２の双方向チョッパによる蓄電池に対する充放電の開始電圧と直流給電ライン上の電圧との関係を説明するための図。 図２の蓄電池への充電によるＳＯＣ調整を説明するための図。 図４のＳＯＣ調整時における充電電流の供給について説明するための図。 図５のＳＯＣ調整の開始時及び終了時における充電電流の供給について説明するための図。 図１の給電制御システムによる給電制御方法を示すフローチャート。

以下、実施の形態を図面に基づき説明する。
図１に示すように、実施の形態に係る給電制御システム１は、給電装置１０、双方向チョッパ７及び蓄電池８を主に備える連系給電システムである。給電装置１０は、直流給電ライン９を介して直流の電力を負荷１２に給電するためのものであって、商用電源が供給される電力系統２、連系インバータ３、ＰＶ（Photo Voltaic）パネルを有する太陽電池６、及びＰＶチョッパ５を備えている。

ＰＶチョッパ（昇圧チョッパ）５は、太陽電池６から直流の電力を取り出して電圧を昇圧し、この昇圧された電力を直流給電ライン９へ供給する。連系インバータ３は、ＰＶチョッパ５と電力系統２との間に接続されている。この連系インバータ３は、交流の電力と直流の電力とを変換し、直流給電ライン９及び／又は電力系統２へ電力を供給する。また、連系インバータ３は、通常時、図３に示すように、直流給電ライン９へ給電される直流給電電圧Ｖｄｃが予め決められた連系インバータ目標電圧Ｂ１になるように制御する。

蓄電池８は、図１に示すように、双方向チョッパ７を介して直流給電ライン９に接続されている。この蓄電池８は、鉛蓄電池、ニッケル水素電池、リチウムイオン電池、ＮＡＳ電池などで構成されている。なお、蓄電池８は、例えば電気二重層コンデンサなどの蓄電装置であってもよい。蓄電池８は、図２に示すように、ＳＯＣ計算部１６を有している。ＳＯＣ計算部１６は、当該蓄電池８本体の現状の充電状態としての充電率を示すＳＯＣ（State Of Charge）［％］を算出する。

蓄電池８のＳＯＣは次の式で与えられる。
ＳＯＣ［％］＝（残容量［Ａｈ］／満充電容量［Ａｈ］）×１００［％］…式

双方向チョッパ７は、図１、図２に示すように、直流給電ライン９に接続されており、この直流給電ライン９と蓄電池８との間に接続されている。双方向チョッパ７は、蓄電池８を対象として充電電流又は放電電流を調整しつつこの蓄電池８に対する充放電及びその制御を行う。

具体的には、図２に示すように、双方向チョッパ７は、電圧監視部１８、蓄電情報取得部１７、ＳＯＣ調整電流計算部１９、閾値記憶部２０、（第１の）充放電制御部２１、及び（第２の）充放電制御部２２を備えている。電圧監視部１８は、直流給電ライン９上の直流給電電圧Ｖｄｃを常時監視している。

閾値記憶部２０は、図３に示すように、上述した連系インバータ目標電圧Ｂ１、双方向チョッパ充電開始電圧（第２の基準電圧）Ｂ３、及び双方向チョッパ放電開始電圧（第１の基準電圧）Ｂ２を予め記憶している。双方向チョッパ充電開始電圧Ｂ３及び双方向チョッパ放電開始電圧Ｂ２は、中心電圧である連系インバータ目標電圧Ｂ１を、それぞれ、略±５％増減させた電圧値に予め定められている。

充放電制御部２１は、図２、図３に示すように、電圧監視部１８による監視電圧が、双方向チョッパ放電開始電圧Ｂ２未満である場合に、直流給電ライン９上に電力を蓄電池８から放電する一方で、監視電圧が双方向チョッパ放電開始電圧Ｂ２より高い双方向チョッパ充電開始電圧Ｂ３を超える場合には蓄電池８に直流給電ライン９から電力を充電させる制御を行う。

ここで、図２、図３に示すように、連系インバータ３は、直流給電ライン９へ給電される直流給電電圧Ｖdcを連系インバータ目標電圧Ｂ１になるように制御しているものの、実際には、短時間の間で直流給電電圧Ｖdcが絶えず上下する。このため、放電開始電圧Ｂ２と充電開始電圧Ｂ３とを同じ電圧値にしてしまうと、双方向チョッパ７で充電、放電の切り替えが頻繁に生じ、双方向チョッパ７のスイッチング損失（双方向チョッパ７の消費電流）の増加や、蓄電池８自体の充放電損失のなどが懸念される。

しかしながら、本実施形態の給電制御システム１では、放電開始電圧Ｂ２と充電開始電圧Ｂ３とに幅を持たせていることで、双方向チョッパ７での充電、放電の切り替えが頻繁に生じることを抑制でき、これにより、所定の給電電圧を確保しつつも、双方向チョッパ７及び蓄電池８による電力の消費を低減させることができる。

蓄電情報取得部１７は、蓄電池８についての蓄電の量に関する情報を、蓄電池８及び宅内エネルギ管理部１４から取得する。ここで、宅内エネルギ管理部１４は、いわゆるＨＥＭＳ（Home Energy Management System）で実現されている。宅内エネルギ管理部１４は、ＳＯＣ指令部１５を有している。ＳＯＣ指令部１５は、図２に示すように、蓄電池８から現状のＳＯＣ（Ａ１）を取得する。さらに、ＳＯＣ指令部１５は、取得した現状のＳＯＣ（Ａ１）、及び、太陽電池６による現時点での発電状態などを考慮し、現時点で蓄電池８にとって理想とされる目標のＳＯＣ（Ａ２）を求め、これを蓄電情報取得部１７に通知する。

蓄電情報取得部１７は、図２に示すように、蓄電池８についての蓄電の量に関する情報として、ＳＯＣ指令部１５から目標のＳＯＣ（Ａ２）取得し、一方、蓄電池８のＳＯＣ計算部１６から現状のＳＯＣ（Ａ１）を取得する。ＳＯＣ調整電流計算部１９は、蓄電情報取得部１７から受信した現状のＳＯＣ（Ａ１）と目標のＳＯＣ（Ａ２）との差分情報に基づいて、蓄電池８へ充電すべき充電電流の値、又は蓄電池から放電すべき放電電流の値を算出する。

ここで、閾値記憶部２０には、図４に示すように、ＳＯＣ調整開始ＳＯＣ差Ｃ１［％］、ＳＯＣ調整終了ＳＯＣ差Ｃ２［％］が予め記憶されている。ＳＯＣ調整開始ＳＯＣ差Ｃ１は、ＳＯＣの調整を開始するためのタイミング（ＳＯＣ調整開始時刻Ｄ１）を定めるためのものであり、現状のＳＯＣ（Ａ１）と目標のＳＯＣ（Ａ２）との所定の差分量で規定されている。図４に示すように、目標のＳＯＣ（Ａ２）が現状のＳＯＣ（Ａ１）よりもＳＯＣ調整開始ＳＯＣ差を超えて大きい場合、図５に示すように、充電開始となる。一方、現状のＳＯＣ（Ａ１）が目標のＳＯＣ（Ａ２）よりもＳＯＣ調整開始ＳＯＣ差を超えて大きい場合、放電開始となる。これらの場合、後述する（第２の）充放電制御部２２は、ＳＯＣ調整フラグをセットする（ＳＯＣ調整フラグ＝１とする）。

また、ＳＯＣ調整終了ＳＯＣ差Ｃ２は、ＳＯＣの調整を終了させるためのタイミング（ＳＯＣ調整終了時刻Ｄ２）を定めるためのものであり、現状のＳＯＣ（Ａ１）と目標のＳＯＣ（Ａ２）と差分量で定められている。図４に示すように、目標のＳＯＣ（Ａ２）が現状のＳＯＣ（Ａ１）よりも大きく、かつＳＯＣ調整終了ＳＯＣ差未満になった場合、図５に示すように、充電終了となる。一方、現状のＳＯＣ（Ａ１）が目標のＳＯＣ（Ａ２）よりも大きく、かつＳＯＣ調整終了ＳＯＣ差未満になった場合、放電終了となる。これらの場合、（第２の）充放電制御部２２は、ＳＯＣ調整フラグを解除する（ＳＯＣ調整フラグ＝０とする）。

さらに、閾値記憶部２０には、図６に示すように、蓄電池８の充電若しくは放電を、開始及び終了させる上記タイミングでは、充電電流の値若しくは放電電流の値を予め決められたレートで上昇又は下降させる電流上昇レートＥ３、電流上昇レートＥ４を予め記憶している。図６に示す充電（及び図示しない放電）を開始させるタイミングの電流上昇レートＥ３は、例えば８０００ｍＡ／ｍｓｅｃとされ、また、図６に示す充電（及び図示しない放電）を終了させるタイミングの電流下降レートＥ４は、例えば８０００ｍＡ／ｍｓｅｃとされている。このような構成により、充電電流又は放電電流の、立ち上がり時若しくは立ち下がり時の直流電圧の変動を抑える効果が得られる。

図２に示すように、（第２の）充放電制御部２２は、電圧監視部１８による直流給電ライン９の監視電圧が、双方向チョッパ放電開始電圧Ｂ２（第１の基準電圧）以上、双方向チョッパ充電開始電圧Ｂ３（第２の基準電圧）以下である場合に、蓄電池８の蓄電の量に関する情報に基づいて、蓄電池８を充電又は放電させる制御を行う（ＳＯＣ調整電流計算部１９により算出されたＳＯＣ調整電流で充放電を行う）。このように、ＳＯＣを最適化しておくことで、その後の蓄電池８の充放電を効率的に行うことができる。言い換えれば、宅内エネルギ管理部１４（ＨＥＭＳ）が宅内における一日の電力需要を予測し、蓄電池の使用量を見越したうえで、ある時間までに目標のＳＯＣ（Ａ２）を設定するように運用することが可能となる。

より詳細には、図３〜図６に示すように、（第２の）充放電制御部２２は、現状のＳＯＣ（Ａ１）と目標のＳＯＣ（Ａ２）との差分に基づいて（ＳＯＣ調整電流計算部１９による算出結果に応じて）、蓄電池８への充電電流の値又は前記蓄電池からの放電電流の値を調整する。

つまり、（第２の）充放電制御部２２は、図４に示すように、現状のＳＯＣ（Ａ１）と目標のＳＯＣ（Ａ２）との差分（ΔＳＯＣ）が、第１の閾値であるＳＯＣ調整開始ＳＯＣ差Ｃ１を超えたタイミング（ＳＯＣ調整開始時刻Ｄ１）で蓄電池８の充電又は放電を開始させる。一方、（第２の）充放電制御部２２は、図４に示すように、現状のＳＯＣ（Ａ１）と目標のＳＯＣ（Ａ２）との差分が、第２の閾値であるＳＯＣ調整終了ＳＯＣ差Ｃ２（調整終了ΔＳＯＣ）未満になったタイミング（ＳＯＣ調整終了時刻Ｄ２）で、蓄電池の充電又は放電を終了させる。

次に、このような構成の給電制御システム１により実現される給電制御方法を、上記した図１〜図６などに加え、図７に示すフローチャートに基づき説明する。図１〜図３、図７に示すように、まず、双方向チョッパ８の電圧監視部１８は、直流給電ライン９の直流給電電圧Ｖdcを取得する（Ｓ［ステップ］１）。ここで、図３に示すように、直流給電電圧Ｖdcが、双方向チョッパ放電開始電圧Ｂ２未満であったり、双方向チョッパ充電開始電圧Ｂ３を超えている場合（Ｂ２≦Ｖdc≦Ｂ３のＮＯ：Ｓ２のＮＯ）、第１の充放電制御部２１は、充放電電流を計算し（Ｓ３）、蓄電池８の充放電を行う（Ｓ４）。

一方、図３、図７に示すように、電圧監視部１８による直流給電ライン９の直流給電電圧Ｖdcが、双方向チョッパ放電開始電圧Ｂ２以上、双方向チョッパ充電開始電圧Ｂ３以下である場合（Ｂ２≦Ｖdc≦Ｂ３のＹＥＳ：Ｓ２のＹＥＳ）、（第２の）充放電制御部２２は、蓄電池８の蓄電の量に関する情報に基づいて、蓄電池８を充電又は放電させる制御を行う。

具体的には、図４、図７に示すように、現状のＳＯＣ（Ａ１）と目標のＳＯＣ（Ａ２）との差分（ΔＳＯＣ）が、ＳＯＣ調整開始ＳＯＣ差Ｃ１を超えた場合（Ｓ５のＹＥＳ）、第２の充放電制御部２２は、ＳＯＣ調整フラグをセットする（ＳＯＣ調整フラグ＝１：Ｓ６）。この際、ＳＯＣ調整電流計算部１９によりＳＯＣ調整電流Ａ３が算出されて、蓄電池８が充放電される。

この後、図４、図７に示すように、現状のＳＯＣ（Ａ１）と目標のＳＯＣ（Ａ２）との差分（ΔＳＯＣ）が、ＳＯＣ調整終了ＳＯＣ差Ｃ２未満になった場合（Ｓ８のＹＥＳ）、第２の充放電制御部２２は、ＳＯＣ調整フラグを解除し（ＳＯＣ調整フラグ＝０：Ｓ９）、蓄電池８の充放電を一旦終了させる。

既述したように、本実施形態に係る給電制御システム１によれば、直流給電ライン９の直流給電電圧Ｖdcに大きな変動がない限りは（直流給電電圧ＶdcがＢ２≦Ｖdc≦Ｂ３の場合には）、連系インバータ３又は太陽電池６の発電による電力のみによって、負荷１２の消費電力がまかなわれることで、太陽光発電電力を有効に活用できる。すなわち、双方向チョッパ７の制御休止期間を積極的に増加させたことで、双方向チョッパ７の消費電力の低減を図りながらも、給電電圧を維持することができる。また、給電制御システム１によれば、蓄電池８の使用量などを見越したうえで、蓄電池８におけるＳＯＣの最適化を図ることができる。

以上、具体的に説明した実施形態は例示であり、技術的範囲はこれにのみ限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。例えば図１に示した太陽電池６に代えて、直流の電力を発電する例えば風力発電装置などを適用することも可能である。

１…給電制御システム、２…電力系統、３…連系インバータ、５…ＰＶチョッパ、６…太陽電池、７…双方向チョッパ、８…蓄電池、９…直流給電ライン、１０…給電装置、１２…負荷、１４…宅内エネルギ管理部、１５…ＳＯＣ指令部、１６…ＳＯＣ計算部、１７…蓄電情報取得部、１８…電圧監視部、１９…ＳＯＣ調整電流計算部、２０…閾値記憶部、２１…第１の充放電制御部、２２…第２の充放電制御部。

Claims (8)

1. 直流の電力を給電ラインを介して負荷に給電する給電装置と、
   前記給電ラインに接続された蓄電池と、
   前記給電ライン上の電圧を監視する電圧監視部と、
   前記電圧監視部による監視電圧が第１の基準電圧未満である場合に前記給電ライン上へ電力を前記蓄電池から放電し、前記監視電圧が前記第１の基準電圧より高い第２の基準電圧を超える場合には前記蓄電池へ前記給電ラインから電力を充電させる充放電制御部と、
   を備える給電制御システム。
2. 前記蓄電池についての蓄電の量に関する情報を取得する蓄電情報取得部と、
   前記電圧監視部による監視電圧が、前記第１の基準電圧以上、前記第２の基準電圧以下である場合に、前記取得された蓄電の量に関する情報に基づいて前記蓄電池を充電又は放電させる第２の充放電制御部と、
   をさらに備える請求項１記載の給電制御システム。
3. 前記蓄電情報取得部は、前記蓄電の量に関する情報として、前記蓄電池についての現状の充電率と目標の充電率とを取得する、
   請求項１又は２記載の給電制御システム。
4. 前記第２の充放電制御部は、前記現状の充電率と前記目標の充電率との差分に基づいて、前記蓄電池への充電電流の値又は前記蓄電池からの放電電流の値を調整する、
   請求項２又は３記載の給電制御システム。
5. 前記第２の充放電制御部は、前記現状の充電率と前記目標の充電率との差分が、第１の閾値を超えたタイミングで前記蓄電池の充電又は放電を開始させ、かつ前記差分が、第２の閾値未満になったタイミングで前記蓄電池の充電又は放電を終了させる、
   請求項３又は４記載の給電制御システム。
6. 前記第２の充放電制御部は、前記蓄電池の充電若しくは放電を、開始及び終了させるタイミングでは、前記充電電流の値若しくは放電電流の値を予め決められたレートで上昇又は下降させる、
   請求項５記載の給電制御システム。
7. 前記給電装置は、少なくとも太陽電池を含む、
   請求項１ないし６のいずれか１項に記載の給電制御システム。
8. 蓄電池が接続された給電ラインを介して直流の電力を負荷に給電するステップと、
   前記給電ライン上の電圧を監視するステップと、
   前記監視される電圧が第１の基準電圧未満である場合に前記給電ライン上へ電力を前記蓄電池から放電し、前記監視される電圧が前記第１の基準電圧より高い第２の基準電圧を超える場合に前記蓄電池へ前記給電ラインから電力を充電させるステップと、
   を有する給電制御方法。

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