JP2017085780A - 直流給電システム - Google Patents

Abstract

【課題】災害時などの非常時においても安定した電力授受を行うことができる直流給電システムを提供すること。【解決手段】本発明に係る直流給電システム１００は、通常時には系統電源１からの電力と、太陽光発電装置２からの電力とを主に併用して直流バス３０を介して宅内負荷５に直流電力を供給し、系統電源１の停電時には自立運転を行い、太陽光発電装置２、電気自動車３および蓄電池ユニット４のうちの少なくとも１つの電源装置を用いて宅内負荷５に直流バス３０を介して直流電力を供給する。直流給電システム１００では、自立運転時において、直流バス３０に印加する電源装置の優先順位が、太陽光発電装置２、蓄電池ユニット４、電気自動車３の順に設定されている。【選択図】図１

Description

本発明は、複数の電力供給源からの電力を使用して直流負荷に電力を供給する直流給電システムに関する。

下記特許文献１には、太陽光発電装置、車載用の蓄電池である第１の蓄電池、低電圧蓄電池である第２の蓄電池および系統電力によるハイブリッド構成による直流給電システムが開示されている。

特許第５２９０３４９号公報

しかしながら、上記特許文献１の直流給電システムでは、第１の蓄電池と第２の蓄電池との間の充電優先順位の制御および放電優先順位の制御が規定されていないため、災害時などの非常時において、安定した電力授受が行えないという問題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、災害時などの非常時においても安定した電力授受を行うことができる直流給電システムを提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するため、本発明に係る直流給電システムは、通常時には系統電源からの電力と、太陽光発電装置からの電力とを主に併用して直流バスを介して直流負荷に直流電力を供給し、系統電源の停電時には自立運転を行い、太陽光発電装置、可搬型の蓄電装置および定置型の蓄電装置のうちの少なくとも１つの電源装置を用いて直流負荷に直流バスを介して直流電力を供給する。直流給電システムは、系統電源から印加される交流電圧を第１の直流電圧に変換して直流バスに印加する第１の電力変換部、太陽光発電装置から印加される直流電圧を第２の直流電圧に変換して直流バスに印加する第２の電力変換部、可搬型の蓄電装置から印加される直流電圧を第３の直流電圧に変換して直流バスに印加する一方で、他の電力変換部もしくは直流バスを介して印加される直流電圧によって可搬型の蓄電装置を充電する第３の電力変換部、および、定置型の蓄電装置から印加される直流電圧を第４の直流電圧に変換する一方で、他の電力変換部もしくは直流バスから印加される直流電圧によって定置型の蓄電装置を充電する第４の電力変換部を備える。直流給電システムでは、自立運転時において、直流バスに印加する電源装置の優先順位が、太陽光発電装置、定置型の蓄電装置、可搬型の蓄電装置の順に設定されている。

本発明によれば、災害時などの非常時においても安定した電力授受を行うことができる、という効果を奏する。

実施の形態１に係る直流給電システムの構成を示すブロック図 図１に示した第３および第４の電力変換部の構成を示す回路図 実施の形態１に係る直流給電システムにおける自立運転モード時の動作を説明するフローチャート 実施の形態３の直流給電システムで使用する閾値についての説明図 実施の形態３の直流給電システムにおける閾値可変の構成例を示す回路図 実施の形態４に係る直流給電システムの構成を示すブロック図 実施の形態５に係る直流給電システムの構成を示すブロック図 実施の形態１から５に係る直流給電システムを制御する制御ユニットのハードウェア構成を示すブロック図

以下に、本発明の実施の形態に係る直流給電システムを図面に基づいて説明する。なお、以下に示す実施の形態により本発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係る直流給電システムの構成を示すブロック図である。図１に示すように、実施の形態１に係る直流給電システム１００は、通常時には商用電源である系統電源１からの電力と、複数種の電源装置のうちの１つである太陽光発電装置（photovoltaic power generation unit：以下、必要に応じて「ＰＶ」と表記）２からの電力とを主に併用して宅内負荷５に電力を供給し、系統電源１の異常時、すなわち停電時には、太陽光発電装置２に加え、複数種の電源装置のうちの他である電気自動車（electric vehicle：以下、必要に応じて「ＥＶ」と表記）３および蓄電池ユニット（battery unit：以下、必要に応じて「ＢＡＴ」と表記）４のうちの少なくとも１つを用いて、宅内負荷５に電力を供給するシステムである。宅内負荷５は直流負荷であり、照明器具、空調機、冷蔵庫、電子レンジ、洗濯機、テレビ、パーソナルコンピュータなどが含まれる。

太陽光発電装置２は、自然エネルギーを利用する電源装置の例示であり、太陽電池２ａを有している。電気自動車３は、可搬型の蓄電装置の例示であり、ハイブリッド電気自動車なども含まれる。電気自動車３は、蓄電池３ａを有している。蓄電池ユニット４は、定置型の蓄電装置の例示であり、リチウムイオン電池、ニッケル水素電池または鉛蓄電池なども含まれる。蓄電池ユニット４は、蓄電池４ａを有している。

次に、実施の形態１に係る直流給電システム１００の構成について説明する。図１に示すように、実施の形態１に係る直流給電システム１００は、直流バス３０に直流電力を供給可能に構成される第１の電力変換部１２、第２の電力変換部１６、第３の電力変換部２０および第４の電力変換部２４を備えている。第２の電力変換部１６、第３の電力変換部２０および第４の電力変換部２４の出力は合流点５０にて合流された後に直流バス３０に印加されるように構成されている。

第１の電力変換部１２は、ＡＣ／ＤＣコンバータとしての機能を有し、系統電源１から印加される交流電圧を第１の直流電圧に変換して直流バス３０に印加する。

第２の電力変換部１６は、ＤＣ／ＤＣコンバータとしての機能を有し、太陽光発電装置２の太陽電池２ａから印加される直流電圧を第２の直流電圧に変換して直流バス３０に印加する。

第３の電力変換部２０は、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータとしての機能を有し、電気自動車３の蓄電池３ａから印加される直流電圧を第３の直流電圧に変換して直流バス３０に印加する一方で、他の電力変換部もしくは直流バス３０から印加される直流電圧によって蓄電池３ａを充電する。

第４の電力変換部２４は、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータとしての機能を有し、蓄電池ユニット４の蓄電池４ａから印加される直流電圧を第４の直流電圧に変換する一方で、他の電力変換部もしくは直流バス３０から印加される直流電圧によって蓄電池４ａを充電する。

また、実施の形態１に係る直流給電システム１００には、停電検出回路１０、発電量検出回路１４、電池容量検出回路１８，２２、制御電源生成手段２６および制御ユニット２８が設けられている。

停電検出回路１０は、系統電源１の停電を検出し、検出結果を制御ユニット２８に伝達する。発電量検出回路１４は、太陽電池２ａの出力電圧と出力電流を検出することで太陽光発電装置２の発電量を監視し、監視結果を制御ユニット２８に伝達する。太陽光発電装置２が発電量の監視機能を有している場合には、発電量検出回路１４は不要である。電池容量検出回路１８は、蓄電池３ａの電池容量として残容量もしくは充電率（ＳＯＣ：State Of Charge）を監視し、監視結果を制御ユニット２８に伝達する。電気自動車３が電池容量の監視機能を有している場合には、電池容量検出回路１８は不要である。電池容量検出回路２２は、蓄電池４ａの電池容量として残容量もしくは充電率を監視し、監視結果を制御ユニット２８に伝達する。蓄電池ユニット４が電池容量の監視機能を有している場合には、電池容量検出回路２２は不要である。

制御電源生成手段２６は、直流バス３０から供給される電力で制御ユニット２８を動作させるための電力を生成する。制御ユニット２８は、停電検出回路１０からの監視信号に基づいて、系統電源１の停電を検出する。制御ユニット２８は、系統電源１の停電を検出した場合には、直流給電システム１００の動作モードを、系統連系運転モードから自立運転モードに切り替える。本実施の形態に係る直流給電システム１００は、自立運転モード時の動作に特徴があり、制御ユニット２８は、自立運転モード時において、宅内負荷５に供給する電力源の優先順位を太陽光発電装置２、蓄電池ユニット４、電気自動車３の順序とする。なお、自立運転モード時の更なる詳細な動作については後述する。また、系統連系運転モード時の動作については公知であり、ここでの詳細な説明は省略する。

第３の電力変換部２０および第４の電力変換部２４の詳細構成は図２に示す通りである。第３の電力変換部２０および第４の電力変換部２４は、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータとして動作するためのＤＣ／ＤＣ変換回路１３０を有して構成される。ＤＣ／ＤＣ変換回路１３０は、蓄電池側から印加される直流電圧を内部で交流電圧に変換した後に、再度直流電圧に変換して直流バス３０側に出力するか、もしくは、直流バス３０から印加される直流電圧を交流電圧に変換した後に、再度直流電圧に変換して蓄電池側に出力する。すなわち、ＤＣ／ＤＣ変換回路１３０は、蓄電池側に印加される直流電圧と直流バス３０側に印加される直流電圧とを相互に変換する動作を行う。

図２に示すように、ＤＣ／ＤＣ変換回路１３０は、磁気結合する巻線１３４ａ，１３４ｂを有する絶縁用のトランス１３４を挟んで左右対称な構成となっている。ＤＣ／ＤＣ変換回路１３０では、スイッチング素子１３２ａ，１３２ｂ，１３２ｃ，１３２ｄがフルブリッジ接続され、リアクトル１３３を介して巻線１３４ａに接続される電力変換回路１３１と、スイッチング素子１３８ａ，１３８ｂ，１３８ｃ，１３８ｄがフルブリッジ接続され、リアクトル１３７を介して巻線１３４ｂに接続される電力変換回路１３６とが構成されている。電力変換回路１３１は、直流バス３０から印加される直流電圧を交流電圧に変換して巻線１３４ａに印加するＤＣ／ＡＣ変換回路であり、電力変換回路１３６は、蓄電池側から印加される直流電圧を交流電圧に変換して巻線１３４ｂに印加するＤＣ／ＡＣ変換回路である。このように構成されたＤＣ／ＤＣ変換回路１３０は、直流バス３０からの印加電圧と蓄電池側からの印加電圧とを自在に昇降圧が可能で、且つ、絶縁された電圧変換器もしくは電力変換器として動作する。

電力変換回路１３１の入出力端子、すなわちＤＣ／ＤＣ変換回路１３０の直流バス３０側には、端子間電圧を安定させるためのコンデンサ１２０が設けられている。コンデンサ１２０は、必要に応じて第１のコンデンサと呼称する。また、電力変換回路１３６の入出力端子、すなわちＤＣ／ＤＣ変換回路１３０の蓄電池側には、端子間電圧を安定させるためのコンデンサ１２２が接続されている。コンデンサ１２２は、必要に応じて第２のコンデンサと呼称する。

次に、実施の形態１に係る直流給電システム１００における自立運転モード時の動作について、図１および図３の図面を参照して説明する。図３は、実施の形態１に係る直流給電システム１００の自立運転モード時の動作を説明するフローチャートである。図３に示す各ステップの処理は、制御ユニット２８の制御下で行われる。なお、図３では、符号の表記は省略している。

まず、上述したように停電検出回路１０によって系統電源１の停電が検出される（ステップＳ１０１）。停電検出には、閾値判定を用いることができる。例えば、系統電源１の出力電圧が閾値以上であれば停電ではないと判定し、系統電源１の出力電圧が閾値未満であれば停電であると判定することができる。ステップＳ１０１の判定処理において、停電が検出されないと判定された場合には（ステップＳ１０１，Ｎｏ）、ステップＳ１０１の処理を繰り返し実行する。一方、停電が検出されたと判定された場合には（ステップＳ１０１，Ｙｅｓ）、自立運転モードに移行し（ステップＳ１０２）、自立運転モードによる宅内負荷５への電力供給を行う（ステップＳ１０３）。

次に、発電量検出回路１４によってＰＶ２での発電の有無が検出される（ステップＳ１０４）。発電の有無の検出には、閾値判定を用いることができる。例えば、ＰＶ２の出力電圧が閾値以上であればＰＶ２は発電していると判定し、ＰＶ２の出力電圧が閾値未満であればＰＶ２は発電していないと判定することができる。ステップＳ１０４の判定処理において、ＰＶ２が発電していないと判定された場合には（ステップＳ１０４，Ｎｏ）、後述するステップＳ１０７に移行する。一方、ＰＶ２が発電していると判定された場合（ステップＳ１０４，Ｙｅｓ）、ＰＶ２からの電力供給を開始する（ステップＳ１０５）。

更に、制御ユニット２８によってＰＶ２での発電量が充分であるか否かが判定される（ステップＳ１０６）。発電量の充足／非充足の判定には、閾値を用いることができる。例えば、発電量検出回路１４によってＰＶ２の出力電圧と出力電流を検出して制御ユニット２８に伝達し、制御ユニット２８は、ＰＶ２の出力電圧と出力電流とから発電量を演算し、演算した発電量を閾値と比較することにより、発電量の充足／非充足を判定することができる。ステップＳ１０６の判定処理において、ＰＶ２での発電量が充分であると判定された場合には（ステップＳ１０６，Ｙｅｓ）、ステップＳ１０６の判定処理を繰り返し実行する。一方、ＰＶ２での発電量が充分ではない、すなわち不充分であると判定された場合には（ステップＳ１０６，Ｎｏ）、ＢＡＴ４からの電力供給を開始する（ステップＳ１０７）。

次に、電池容量検出回路２２によってＢＡＴ４の電池容量が充分であるか否かが判定される（ステップＳ１０８）。電池容量の充足／非充足の判定には、閾値を用いることができる。例えば、ＢＡＴ４の電池容量を閾値と比較することにより、電池容量の充足／非充足の判定を行うことができる。ステップＳ１０８の判定処理において、ＢＡＴ４の電池容量が充分であると判定された場合には（ステップＳ１０８，Ｙｅｓ）、ステップＳ１０８の処理が繰り返し実行される。一方、ＢＡＴ４の電池容量が充分でない、すなわち不充分であると判定された場合には（ステップＳ１０８，Ｎｏ）、さらにＥＶ３が直流給電システム１００に接続されているか否かが判定される（ステップＳ１０９）。

ＥＶ３が直流給電システム１００に接続されていなければ（ステップＳ１０９，Ｎｏ）、後述するステップＳ１１２に移行する。一方、ＥＶ３が直流給電システム１００に接続されていれば（ステップＳ１０９，Ｙｅｓ）、ＥＶ３からの電力供給を開始する（ステップＳ１１０）。

次に、電池容量検出回路１８によってＥＶ３の電池容量が充分であるか否かが判定される（ステップＳ１１１）。電池容量の充足／非充足の判定には、閾値を用いることができる。例えば、ＥＶ３の電池容量を閾値と比較することにより、電池容量の充足／非充足の判定を行うことができる。ステップＳ１１１の判定処理において、ＥＶ３の電池容量が充分であると判定された場合には（ステップＳ１１１，Ｙｅｓ）、ステップＳ１１１の処理を繰り返し実行する。一方、ＥＶ３の電池容量が充分ではない、すなわち不充分であると判定された場合には（ステップＳ１１１，Ｎｏ）、宅内負荷５への電力供給を終了して（ステップＳ１１２）、図３のフローを終了させる。

なお、上述した処理において、宅内負荷５への電力供給を１つの電源装置、すなわち優先する電源装置から行っている場合には、他の電源装置からの電力供給は行わないようにする。具体的に説明すると、ＰＶ２から電力供給を行っている場合には、ＥＶ３およびＢＡＴ４からの電力供給を停止し、ＢＡＴ４から電力供給を行っている場合には、ＰＶ２およびＥＶ３からの電力供給を停止し、ＥＶ３から電力供給を行っている場合には、ＰＶ２およびＢＡＴ４からの電力供給を停止するようにする。なお、電力供給の停止は、制御ユニット２８の制御により、対応する電力変換部、すなわちＰＶ２の場合には第２の電力変換部１６、ＥＶ３の場合には第３の電力変換部２０、ＢＡＴ４の場合には第４の電力変換部２４の動作を停止することで実現できる。

上述したように、実施の形態１に係る直流給電システム１００によれば、系統電源１の停電を検出して自立運転を開始したならば、自然エネルギーを利用する電源装置である太陽光発電装置２、可搬型の蓄電装置である電気自動車３および定置型の蓄電装置である蓄電池ユニット４に関して優先順位を設けた出力制御を行うようにしている。優先順位は、太陽光発電装置２、蓄電池ユニット４、電気自動車３の順である。

すなわち、自立運転モードに移行した場合には、まず第１の優先度、すなわち優先順位の最も高い太陽光発電装置２からの電力を宅内負荷５に供給する。次に、太陽光発電装置２の出力が閾値を切った場合には、次の優先度、すなわち優先順位が２番目の蓄電池ユニット４の出力に切り替え、蓄電池ユニット４からの電力を宅内負荷５に供給する。更に、蓄電池ユニット４の出力が閾値を切った場合には、次の優先度、すなわち優先順位が３番目の電気自動車３の出力に切り替え、電気自動車３からの電力を宅内負荷５に供給する。

以上説明したように、実施の形態１に係る直流給電システムによれば、自然エネルギーを利用する電源装置である太陽光発電装置、定置型の蓄電装置である蓄電池ユニットおよび可搬型の蓄電装置である電気自動車を含む複数種の電源装置に優先順位をつけ、優先度が高い電源装置の出力が判定閾値に達した場合は、制御ユニットからの指令によって、次に優先度の高い電源装置に切り替えるようにしている。太陽光発電装置を優先的に用いることにより、定置型蓄電装置である蓄電池ユニットの蓄電池の充放電による劣化を抑制すると共に、この制御により、太陽光発電装置および定置型の蓄電池ユニットの電力を使い切ってしまった場合でも、可搬型の電気自動車の電力を利用することができるので、災害時などの非常時においても安定した電力授受を行うことが可能となる。

また、実施の形態１に係る直流給電システムによれば、自立運転モード時に宅内負荷に供給する電力の優先順位を太陽光発電装置、蓄電池ユニット、電気自動車の順に設定しているので、災害時において利便性の高い電気自動車の電力を残すことが可能になるのと共に、移動手段としての電気自動車の走行距離を確保することが可能となる。

また、実施の形態１に係る直流給電システムによれば、優先する電源装置以外の電源装置に接続される電力変換部の動作を停止するようにしているので、不要な待機電力を削減することができ、省エネルギー化を図ることができる。

実施の形態２．
実施の形態１では、宅内負荷への電力供給を優先する電源装置から行っている場合には、他の電源装置に接続される電力変換部の動作を停止するようにしていたが、実施の形態２では、電力変換部の動作は停止せず、電力変換部への出力指令電圧を制御することで、同様な機能を実現するものである。以下、実施の形態２に係る直流給電システムについて説明する。なお、システムの構成については、実施の形態１と同一または同等である。

実施の形態２では、優先する電源装置に接続されている電力変換部に対する出力指令電圧を非優先の電源装置に接続されている電力変換部に対する出力指令電圧よりも大きく設定する。具体的に説明すると、ＰＶ２から電力供給を行う場合には、ＰＶ２に接続される電力変換部に対する出力指令電圧を、ＥＶ３およびＢＡＴ４に接続される電力変換部に対する出力指令電圧よりも大きくする。このように制御すれば、宅内負荷５への電力供給は、出力指令電圧の最も大きなＰＶ２からの電力が供給されることになる。また、ＢＡＴ４から電力供給を行う場合には、ＢＡＴ４に接続される電力変換部に対する出力指令電圧を、ＰＶ２およびＥＶ３に接続される電力変換部に対する出力指令電圧よりも大きくする。このように制御すれば、宅内負荷５への電力供給は、出力指令電圧の最も大きいＢＡＴ４からの電力が供給されることになる。

このように、実施の形態２に係る直流給電システムによれば、電力変換部の動作を停止することなく、優先順位に従った出力制御が可能となるので、電源装置の切り替えを円滑且つ確実に行うことができる。

実施の形態３．
実施の形態１および実施の形態２では、宅内負荷５への電力供給を何れか１つの電源装置のみで行うようにしているが、実施の形態３では、宅内負荷５への電力供給を複数の電源装置で行うことができるように変更したものである。以下、実施の形態３に係る直流給電システムについて、図４および図５の図面を参照して説明する。なお、システムの構成については、実施の形態１と同一または同等である。

図４は、実施の形態３の直流給電システムで使用する閾値についての説明図である。図４には、第１の閾値から第４の閾値までの４つの閾値が示されている。実施の形態１では、ＰＶ２における発電量の充足／非充足の判定に１段階の閾値を用いて判定していたが（図３のステップＳ１０６参照）、実施の形態３では、第１の閾値と、第１の閾値よりも値の小さな第２の閾値という２段階の閾値を使用する。具体的に説明すると、ＰＶ２の発電量が第１の閾値以上である場合には、ＰＶ２の出力のみで宅内負荷５への電力供給を行う。一方、ＰＶ２の発電量が減少し、ＰＶ２の発電量が第１の閾値未満且つ第２の閾値以上であれば、ＰＶ２の出力とＢＡＴ４の出力とを併用して宅内負荷５への電力供給を行い、さらに、ＰＶ２の発電量が第２の閾値未満になれば、ＰＶ２の出力を停止させ、ＢＡＴ４の出力のみで宅内負荷５への電力供給を行う。

また、ＰＶ２の発電量の低下時において、実施の形態１では、ＢＡＴ４における発電量の充足／非充足の判定に１段階の閾値を用いて判定していたが（図３のステップＳ１０８参照）、実施の形態３では、第３の閾値と、第３の閾値よりも値の小さな第４の閾値という２段階の閾値を使用する。具体的に説明すると、ＢＡＴ４の発電量が第３の閾値以上である場合には、ＢＡＴ４の出力のみで宅内負荷５への電力供給を行う。一方、ＢＡＴ４の発電量が減少し、ＢＡＴ４の発電量が第３の閾値未満且つ第４の閾値以上であれば、ＢＡＴ４の出力とＥＶ３の出力とを併用して宅内負荷５への電力供給を行い、さらに、ＢＡＴ４の発電量が第４の閾値未満になれば、ＢＡＴ４の出力を停止させ、ＥＶ３の出力のみで宅内負荷５への電力供給を行う。

なお、図４では、ＰＶ２およびＢＡＴ４における発電量の充足／非充足の判定に２つの閾値を用いる場合を例示したが、３段階以上の閾値を用いてもよい。例えば定置型の蓄電池ユニットが２台ある場合を想定すると、ＰＶ２の発電量が最初の閾値を下回った場合にはＰＶ２の出力に加えて何れか１台の蓄電池ユニットを併用して電力供給を行い、ＰＶ２の発電量が２番目の閾値を下回った場合にはＰＶ２の出力に加えて２台の蓄電池ユニットを併用して電力供給を行い、さらに３番目の閾値を下回った場合には、２台の蓄電池ユニットのみで電力供給を行うといった運用が可能となる。

また、図４では、ＰＶ２の発電量が低下した後に再度上昇した場合（以下「再発電」と称する）を考慮していないが、ＰＶ２の再発電を考慮してもよい。例えばＰＶ２の発電量が低下して第２の閾値を切った後に再発電してＰＶ２の発電量が第１の閾値以上になった場合には、ＢＡＴ４またはＥＶ３からの電力供給を中止してＰＶ２からの電力供給を再開すればよい。

図５は、実施の形態３の直流給電システムにおける閾値可変の構成例を示す回路図である。図５において、図１および図２に示す構成要素と同一もしくは同等のものには同一の符号を付して示している。

図５において、ＤＣ／ＤＣ変換回路１３０の直流バス３０側に位置するコンデンサ１２０の両端には、直列接続された抵抗素子１２４，１２６が並列に接続されている。抵抗素子１２４，１２６による分圧電圧は、コンパレータ１１０のプラス端子に印加され、コンパレータ１１０のマイナス端子には基準電圧生成手段１１２の出力電圧が印加される。基準電圧生成手段１１２の出力電圧は、制御ユニット２８からの制御によって変更され得るように構成されている。基準電圧生成手段１１２の出力電圧を変更することは、上述した閾値を変更することに対応する。コンパレータ１１０の比較結果は、制御ユニット２８に入力される。制御ユニット２８は、コンパレータ１１０の比較結果に基づいて、ＤＣ／ＤＣ変換回路１３０の出力電圧を制御する。

以上の説明のように、実施の形態３に係る直流給電システムによれば、電源装置の切り替え判定を少なくとも２段階の閾値を用いて行うこととしたので、電源装置の出力を重複させながら切り替えることができ、実施の形態２に比して、電源装置の切り替えの更なる円滑化が可能となる。

実施の形態４．
図６は、実施の形態４に係る直流給電システムの構成を示すブロック図である。実施の形態１から実施の形態３では、第２の電力変換部１６、第３の電力変換部２０および第４の電力変換部２４の出力を直流バス３０に直結する構成について開示した。一方、実施の形態４では、第２の電力変換部１６、第３の電力変換部２０および第４の電力変換部２４のそれぞれと、第２の電力変換部１６、第３の電力変換部２０および第４の電力変換部２４による出力の合流点５０との間に、逆流防止素子としてのダイオード３１，３２ｂ，３４ｂのそれぞれを設ける構成を開示するものである。なお、図６において、図１に示す構成要素と同一もしくは同等のものには同一の符号を付して示している。

実施の形態２に係る直流給電システムは、第２の電力変換部１６、第３の電力変換部２０または第４の電力変換部２４の動作は停止せず、該当する電力変換部への出力指令電圧を制御することで、所望する電源装置からの電力供給を実現するものである。上述したように、優先度が高い電源装置に接続される電力変換部の出力電圧は、優先度が低い他の２つの電力変換部の出力電圧よりも高めに設定されている。このため、図１の構成では、当該他の２つの電力変換部の入出力端に設けられたコンデンサ１２０（図２，５参照）を充電してしまうことになる。この充電を防ぐため、各電力変換部の出力段に直流バス３０側にカソードが向くようにダイオード３１，３２ｂ，３４ｂを設けている。この構成により、優先度が高い電源装置に接続される電力変換部の出力電圧が高めに設定されている場合であっても、出力電圧が高めに設定されている電力変換部から出力電圧が低めに設定されている電力変換部への電力の流れ、すなわち逆流が阻止されるので、入出力端に設けられたコンデンサ１２０への不要な充電を抑止することが可能となる。この構成により、エネルギーの有効利用が可能となり、省エネルギー化を図ることができる。また、コンデンサ１２０への不要な充電を抑止できるので、コンデンサ１２０の寿命を延ばすことが可能となる。

なお、図６の構成において、ダイオード３２ｂのみでは、電気自動車３の蓄電池３ａに対する充電ができない。このため、蓄電池３ａの充電を可能とするトランジスタ３２ａをダイオード３２ｂの両端に逆並列に接続して構成している。トランジスタ３２ａとダイオード３２ｂとが逆並列に接続される素子構成は、図２に示した電力変換回路に用いられるスイッチング素子と同様であり、スイッチング素子３２を用いて構成することができる。

同様に、図６の構成において、ダイオード３４ｂのみでは、蓄電池ユニット４の蓄電池４ａに対する充電ができないため、蓄電池４ａの充電を可能とするトランジスタ３４ａをダイオード３４ｂの両端に逆並列に接続して構成している。トランジスタ３４ａとダイオード３４ｂとが逆並列に接続される素子構成は、図２に示した電力変換回路に用いられるスイッチング素子と同様であり、スイッチング素子３４を用いて構成することができる。なお、スイッチング素子３２とスイッチング素子３４とを符号無しで区別する場合、スイッチング素子３２を「第１のスイッチング素子」と呼称し、スイッチング素子３４を「第２のスイッチング素子」と呼称する。

以上説明したように、実施の形態４に係る直流給電システムによれば、第２、第３および第４の電力変換部のそれぞれと、第２、第３および第４の電力変換部による出力の合流点との間に逆流防止素子としてのダイオードを設けているので、電力変換部の入出力端に設けられたコンデンサへの不要な充電を抑止することができる。また、コンデンサへの不要な充電を抑止することができるので、エネルギーの有効利用が可能となり、省エネルギー化を図ることができる。さらに、電力変換部の入出力端に設けられたコンデンサへの不要な充電を抑止できるので、当該コンデンサの寿命の延伸が可能となる。

実施の形態５．
実施の形態１では、優先度の低い電源装置に接続される電力変換部の動作を停止することで宅内負荷への電力供給を制御していた。また、実施の形態２では、電力変換部の動作は停止せず、電力変換部への出力指令電圧を制御することで、実施の形態１と同様な機能を実現していた。一方、実施の形態５では、電力変換部の動作を停止することなく、また、電力変換部への出力指令電圧に差異を設けなくても宅内負荷への電力供給を自在に制御できる構成を開示するものである。以下、実施の形態５に係る直流給電システムについて、図７の図面を参照して説明する。

図７は、実施の形態５に係る直流給電システムの構成を示すブロック図である。図７に示す実施の形態５に係る直流給電システム１００は、図６の構成において、第３の電力変換部２０とスイッチング素子３２との間にスイッチング素子３６が挿入され、第４の電力変換部２４とスイッチング素子３４との間にスイッチング素子３８が挿入されるように構成されている。なお、その他の構成については、図６に示した実施の形態４の構成と同一もしくは同等であり、それらの共通の構成要素には同一の符号を付して示し、重複する説明を省略する。また、スイッチング素子３６とスイッチング素子３８とを符号無しで区別する場合、スイッチング素子３６を「第３のスイッチング素子」と呼称し、スイッチング素子３８を「第４のスイッチング素子」と呼称する。

第３の電力変換部２０とスイッチング素子３２との間に接続されるスイッチング素子３６は、スイッチング素子３２と同様な構成であり、ダイオード３６ｂと、ダイオード３６ｂの両端に逆並列に接続されるトランジスタ３６ａとを有して構成されている。ただし、スイッチング素子３２が電気自動車３の蓄電池３ａに対する充電を阻止する向きに接続されているのに対し、スイッチング素子３６は、蓄電池３ａからの放電を阻止する向きに接続されている。スイッチング素子３２のダイオード３２ｂが逆流防止素子として動作するのに対し、スイッチング素子３６のダイオード３６ｂは放電防止素子として動作する。蓄電池３ａからの放電を行うには、スイッチング素子３６のトランジスタ３６ａをオンに制御すればよい。

また、第４の電力変換部２４とスイッチング素子３４との間に接続されるスイッチング素子３８は、スイッチング素子３４と同様な構成であり、ダイオード３８ｂと、ダイオード３８ｂの両端に逆並列に接続されるトランジスタ３８ａとを有して構成されている。ただし、スイッチング素子３４が蓄電池ユニット４の蓄電池４ａに対する充電を阻止する向きに接続されているのに対し、スイッチング素子３８は、蓄電池４ａからの放電を阻止する向きに接続されている。スイッチング素子３４のダイオード３４ｂが逆流防止素子として動作するのに対し、スイッチング素子３８のダイオード３８ｂは放電防止素子として動作する。蓄電池４ａからの放電を行うには、スイッチング素子３８のトランジスタ３８ａをオンに制御すればよい。

スイッチング素子３６を設けたことにより、第３の電力変換部２０の動作を停止しなくても、トランジスタ３６ａをオフに制御することで、蓄電池３ａからの放電を抑止することができる。また、スイッチング素子３８を設けたことにより、第４の電力変換部２４の動作を停止しなくても、トランジスタ３８ａをオフに制御することで、蓄電池４ａからの放電を抑止することができる。なお、トランジスタ３６ａ，３８ａの制御によって、直流バス３０への電力供給を制御できるので、実施の形態２において行っていた電力変換部に対する出力指令電圧の制御は不要である。

以上説明したように、実施の形態５に係る直流給電システムによれば、逆流防止素子としてのダイオードを含む第１のスイッチング素子と第３の電力変換部との間に放電防止素子としてのダイオードを含む第３のスイッチング素子を設けると共に、逆流防止素子としてのダイオードを含む第２のスイッチング素子と第４の電力変換部との間に放電防止素子としてのダイオードを含む第４のスイッチング素子を設けているので、第３の電力変換部の動作を停止しなくても可搬型の蓄電池からの放電を抑止することができ、また、第４の電力変換部の動作を停止しなくても、定置型の蓄電池からの放電を抑止することができる。さらに、第３および第４のスイッチング素子に対する導通制御を行うことにより、直流バスへの電力供給を制御できるので、電力変換部に対する出力指令電圧の制御を不要とすることができる。

最後に、実施の形態１から５に係る直流給電システム１００を制御する制御ユニット２８のハードウェア構成について説明する。図８は、制御ユニット２８のハードウェア構成を示すブロック図である。制御ユニット２８の機能は、図８に示すように、演算を行うＣＰＵ（Central Processing Unit：中央処理装置）２８ａと、ＣＰＵ２８ａによって読みとられるプログラムが保存されるメモリ２８ｂと、信号の入出力を行うインターフェイス２８ｃとによって実現することができる。

具体的には、メモリ２８ｂには、制御ユニット２８の機能を実行するプログラムが格納されている。ＣＰＵ２８ａは、インターフェイス２８ｃを介して、停電検出回路１０からの監視信号、発電量検出回路１４および電池容量検出回路１８，２２からの検出信号を受信する。ＣＰＵ２８ａは、これらの監視信号および検出信号に基づいて、第２の電力変換部１６、第３の電力変換部２０または第４の電力変換部２４のスイッチング素子をオンオフ制御するための信号を生成し、インターフェイス２８ｃを介して、該当する電力変換部に出力する。

ＣＰＵ２８ａは、電気自動車３の蓄電池３ａの充電を行う場合には、スイッチング素子３２のトランジスタ３２ａをオンにする制御信号を生成し、インターフェイス２８ｃを介してトランジスタ３２ａのゲートに当該制御信号を印加する。

ＣＰＵ２８ａは、蓄電池ユニット４の蓄電池４ａの充電を行う場合には、スイッチング素子３４のトランジスタ３４ａをオンにする制御信号を生成し、インターフェイス２８ｃを介してトランジスタ３４ａのゲートに当該制御信号を印加する。

ＣＰＵ２８ａは、電気自動車３の蓄電池３ａの放電を行う場合には、スイッチング素子３６のトランジスタ３６ａをオンにする制御信号を生成し、インターフェイス２８ｃを介してトランジスタ３６ａのゲートに当該制御信号を印加する。

ＣＰＵ２８ａは、蓄電池ユニット４の蓄電池４ａの放電を行う場合には、スイッチング素子３８のトランジスタ３８ａをオンにする制御信号を生成し、インターフェイス２８ｃを介してトランジスタ３８ａのゲートに当該制御信号を印加する。

なお、以上の実施の形態に示した構成は、本発明の内容の一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。

１ 系統電源、２ 太陽光発電装置、２ａ 太陽電池、３ 電気自動車、３ａ 蓄電池、４ 蓄電池ユニット、４ａ 蓄電池、５ 宅内負荷、１０ 停電検出回路、１２ 第１の電力変換部（ＡＣ／ＤＣコンバータ）、１４ 発電量検出回路、１６ 第２の電力変換部（ＤＣ／ＤＣコンバータ）、１８，２２ 電池容量検出回路、２０ 第３の電力変換部（双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ）、２４ 第４の電力変換部（双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ）、２６ 制御電源生成手段、２８ 制御ユニット、２８ａ ＣＰＵ、２８ｂ メモリ、２８ｃ インターフェイス、３０ 直流バス、３１ ダイオード（逆流防止素子）、３２ スイッチング素子（第１のスイッチング素子）、３２ａ トランジスタ、３２ｂ ダイオード（逆流防止素子）、３４ スイッチング素子（第２のスイッチング素子）、３４ａ トランジスタ、３４ｂ ダイオード（逆流防止素子）、３６ スイッチング素子（第３のスイッチング素子）、３６ａ トランジスタ、３６ｂ ダイオード、３８ スイッチング素子（第４のスイッチング素子）、３８ａ トランジスタ、３８ｂ ダイオード、５０ 合流点、１００ 直流給電システム、１１０ コンパレータ、１１２ 基準電圧生成手段、１２０ コンデンサ（第１のコンデンサ）、１２２ コンデンサ（第２のコンデンサ）、１２４，１２６ 抵抗素子、１３０ ＤＣ／ＤＣ変換回路、１３１，１３６ 電力変換回路（ＤＣ／ＡＣ変換回路）、１３２ａ，１３２ｂ，１３２ｃ，１３２ｄ，１３８ａ，１３８ｂ，１３８ｃ，１３８ｄ スイッチング素子、１３３，１３７ リアクトル、１３４ トランス、１３４ａ，１３４ｂ 巻線。

上述した課題を解決し、目的を達成するため、本発明に係る直流給電システムは、通常時には系統電源からの電力と、太陽光発電装置からの電力とを主に併用して直流バスを介して直流負荷に直流電力を供給し、系統電源の停電時には自立運転を行い、太陽光発電装置、可搬型の蓄電装置および定置型の蓄電装置のうちの少なくとも１つの電源装置を用いて直流負荷に直流バスを介して直流電力を供給する。さらに、本発明に係る直流給電システムは、系統電源から印加される交流電圧を第１の直流電圧に変換して直流バスに印加する第１の電力変換部と、太陽光発電装置から印加される直流電圧を第２の直流電圧に変換して直流バスに印加する第２の電力変換部と、可搬型の蓄電装置から印加される直流電圧を第３の直流電圧に変換して直流バスに印加する一方で、他の電力変換部もしくは直流バスを介して印加される直流電圧によって可搬型の蓄電装置を充電する第３の電力変換部と、定置型の蓄電装置から印加される直流電圧を第４の直流電圧に変換する一方で、他の電力変換部もしくは直流バスから印加される直流電圧によって定置型の蓄電装置を充電する第４の電力変換部と、を備える。さらに、本発明に係る直流給電システムは、自立運転時において、直流バスに印加する電源装置の優先順位が、太陽光発電装置、定置型の蓄電装置、可搬型の蓄電装置の順に設定され、優先順位に従って、太陽光発電装置の発電量、定置型の蓄電装置の電池容量および可搬型の蓄電装置の電池容量を閾値判定し、太陽光発電装置の発電量が第１の閾値以上である場合には、太陽光発電装置の出力のみで直流負荷への電力供給を行い、太陽光発電装置の発電量が減少し、太陽光発電装置の発電量が第１の閾値未満、且つ、第１の閾値よりも値の小さな第２の閾値以上であれば、太陽光発電装置の出力と定置型の蓄電装置の出力とを併用して直流負荷への電力供給を行い、定置型の蓄電装置の発電量が第３の閾値以上である場合には、定置型の蓄電装置の出力のみで直流負荷への電力供給を行い、定置型の蓄電装置の発電量が減少し、定置型の蓄電装置の発電量が第３の閾値未満、且つ、第３の閾値よりも値の小さな第４の閾値以上であれば、定置型の蓄電装置の出力と可搬型の蓄電装置の出力とを併用して直流負荷への電力供給を行い、定置型の蓄電装置の発電量が第４の閾値未満になれば、可搬型の蓄電装置の出力のみで直流負荷への電力供給を行う。

Claims (7)

1. 通常時には系統電源からの電力と、太陽光発電装置からの電力とを主に併用して直流バスを介して直流負荷に直流電力を供給し、前記系統電源の停電時には自立運転を行い、前記太陽光発電装置、可搬型の蓄電装置および定置型の蓄電装置のうちの少なくとも１つの電源装置を用いて前記直流負荷に前記直流バスを介して直流電力を供給する直流給電システムであって、
   前記系統電源から印加される交流電圧を第１の直流電圧に変換して前記直流バスに印加する第１の電力変換部と、
   前記太陽光発電装置から印加される直流電圧を第２の直流電圧に変換して前記直流バスに印加する第２の電力変換部と、
   前記可搬型の蓄電装置から印加される直流電圧を第３の直流電圧に変換して前記直流バスに印加する一方で、他の電力変換部もしくは前記直流バスを介して印加される直流電圧によって前記可搬型の蓄電装置を充電する第３の電力変換部と、
   前記定置型の蓄電装置から印加される直流電圧を第４の直流電圧に変換する一方で、他の電力変換部もしくは直流バスから印加される直流電圧によって前記定置型の蓄電装置を充電する第４の電力変換部と、を備え、
   前記自立運転時において、前記直流バスに印加する電源装置の優先順位が、前記太陽光発電装置、前記定置型の蓄電装置、前記可搬型の蓄電装置の順に設定されている直流給電システム。
2. 前記自立運転時において、優先する電源装置以外の電源装置に接続される電力変換部の動作を停止する請求項１に記載の直流給電システム。
3. 前記自立運転時において、優先する電源装置に接続される電力変換部に対する出力指令電圧が非優先の電源装置に接続される電力変換部に対する出力指令電圧よりも大きく設定されている請求項１に記載の直流給電システム。
4. 前記第２、第３および第４の電力変換部のそれぞれと、前記第２、第３および第４の電力変換部による出力の合流点との間に逆流防止素子としてのダイオードが設けられている請求項３に記載の直流給電システム。
5. 前記第２の電力変換部と、前記第２、第３および第４の電力変換部による出力の合流点との間には逆流防止素子としてのダイオードが設けられ、
   前記第３の電力変換部と前記合流点との間には逆流防止素子としてのダイオードを含む第１のスイッチング素子が設けられると共に、前記第４の電力変換部と前記合流点との間には逆流防止素子としてのダイオードを含む第２のスイッチング素子が設けられ、
   前記第１のスイッチング素子と前記第３の電力変換部との間には放電防止素子としてのダイオードを含む第３のスイッチング素子が設けられると共に、前記第２のスイッチング素子と前記第４の電力変換部との間には放電防止素子としてのダイオードを含む第４のスイッチング素子が設けられている請求項１に記載の直流給電システム。
6. 前記優先順位に従って、前記太陽光発電装置の発電量、前記可搬型の蓄電装置の電池容量および前記定置型の蓄電装置の電池容量を閾値判定し、前記閾値判定に基づいて前記電源装置の切り替えを行う請求項１から５の何れか１項に記載の直流給電システム。
7. 前記閾値判定に基づいて前記電源装置の切り替えを行う際に、少なくとも２段階の閾値を用いて前記閾値判定を行う請求項６に記載の直流給電システム。

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