JP2016039653A - 蓄電池の過充電防止のための給電システム及びその制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、蓄電池の過充電による劣化や破損を防止することが可能な給電システム及びその制御方法を提供する。【解決手段】本発明は、定電圧制御の電力変換装置と定電圧制御の電力変換装置以外の定電流制御の電力変換装置とを含む、電源にそれぞれ接続された複数の電力変換装置と、複数の電力変換装置を介して電源の各々と接続された負荷と、蓄電池と、蓄電池における蓄電池電圧を測定する電圧センサと、定電流制御の電力変換装置の各々について設定された出力電流設定値を制御するための制御コントローラと、を含む給電システムであって、制御コントローラは、蓄電池電圧を電圧センサから受信し、受信した蓄電池電圧が蓄電池の上限値以上の場合、受信した蓄電池電圧が充電電圧上限値未満となるまで定電流制御の電力変換装置の各々の出力電流設定値を減少するように変更することを繰り返すことを特徴とする。【選択図】図５

Description

本発明は、複数の分散電源から負荷に給電を行う系において、フロート充電を行う蓄電池の過充電防止のための給電システム及びその制御方法に関する。

図１は、従来の給電システムを示す。図１には、電源１１と、電力変換装置２１と、電力変換装置２１を介して電源１１に接続された負荷３０と、電力変換装置２１と負荷３０との間に接続された電圧センサ４０及び蓄電池５０とを備えた従来の給電システムが示されている。図１に示されるように、従来の給電システムでは、１つの電源１から電力変換装置２１を介して蓄電池５０をフロート充電しつつ負荷３０に電力を供給することができる。

図２は、図１に示す従来の給電システムに、太陽光発電や風力発電等の分散電源システムを並列接続した構成を示す。図２には、電源１１〜１３と、電源１１〜１３にそれぞれ接続された電力変換装置２１〜２３と、電力変換装置２１〜２３を介して電源１１〜１３にそれぞれ接続された負荷３０と、電力変換装置２１〜２３と負荷３０との間に接続された電圧センサ４０及び蓄電池５０とを備えた給電システムが示されている。

図２に示す給電システムでは、電力変換装置２１〜２３は並列接続されており、主電源となる商用系統等の電源１１のみからだけでなく、太陽光発電や風力発電等の電源１２及び１３からも電力を供給することができる。特許文献１には、複数の分散電源を複数の負荷装置に接続した時にシステムを安定的に動作させるためのシステムが示されている。

特開２００６−３４５６１０号公報

しかしながら、複数の分散電源から複数の負荷装置に直流給電する給電システムにおいては、この給電システムに蓄電池を直結した場合に分散電源の出力電圧が上昇することで蓄電池が過充電になる恐れがあった。

電力変換装置の運転モードには、電流に関わらず一定の電圧を供給する定電圧（ＣＶ）制御と負荷の端子電圧に関わらず一定の電流を供給する定電流（ＣＣ）制御とがある。蓄電池に対して複数のＣＶ制御の電力変換装置が接続されている場合、電力変換装置の出力電圧を制御することができるため、蓄電池の過充電を抑制することができる。しかし、電力変換装置をＣＶ制御で運転した場合、各分散電源装置からの出力電流を固定することは難しく出力電力を任意の値に調整することが困難であるため、蓄電池の充放電量を自由に制御するなどのＥＭＳ制御ができない。

一方、主電源に接続された電力変換装置をＣＶ制御で運転し、それ以外の電力変換装置をＣＣ制御で運転することにより、ＣＶ制御の電力変換装置以外の電力変換装置の出力電力を自由に制御する方法もある。しかし、この場合、図３に示されるように、ＣＶ制御とＣＣ制御の電力変換装置のＩ−Ｖ特性が交わる点が動作点になるため、ＣＣ制御の電力変換装置の出力電流の増加に伴いＣＶ制御の電力変換装置の出力電圧が上昇する。この出力電圧が蓄電池の充電電圧上限値を超えると蓄電池が過充電になるため、ＣＶ制御とＣＣ制御の電力変換装置を組み合わせた場合には蓄電池が過充電となる可能性が高くなる。

さらに、電力システムの構築コスト低減のため、電力変換装置〜蓄電池〜負荷までの電力配線を許容電流値を満たす範囲で細径化させることが考えられる。しかし、電力配線の細径化により電圧降下が増大するため、給電電圧を維持するために電力変換装置の出力電圧を上昇させる必要がある。これらの対策の結果として、図４に示されるように、ＣＶ制御の電力変換装置のＩＶ特性において蓄電池の充電電圧上限値を逸脱する範囲ができ、ＣＶ制御の電力変換装置の出力電流が小さい場合等の特定の負荷条件では動作点が蓄電池の充電電圧上限値を超えるようになる。この状態で、他の電力変換装置から電力を給電すると出力電圧が蓄電池の充電電圧上限値を超過し、蓄電池が過充電になる恐れがある。

本発明は、上述のような課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、複数の分散電源の精密な出力制御をすることにより、蓄電池の過充電による劣化や破損を防止することが可能な給電システム及びその制御方法を提供することにある。

上記課題を解決するために、請求項１に記載の給電システムは、電源にそれぞれ接続された複数の電力変換装置であって、前記複数の電力変換装置は、定電圧制御の電力変換装置と前記定電圧制御の電力変換装置以外の定電流制御の電力変換装置とを含む、複数の電力変換装置と、前記複数の電力変換装置を介して前記電源の各々と接続された負荷と、前記複数の電力変換装置と前記負荷との間に接続された蓄電池と、前記蓄電池における蓄電池電圧を測定する電圧センサと、前記定電流制御の電力変換装置の各々について設定された出力電流設定値を制御するための制御コントローラと、を含む、前記蓄電池にフロート充電を行いつつ前記負荷に電力を供給する給電システムであって、前記制御コントローラは、前記蓄電池電圧を前記電圧センサから受信し、当該受信した蓄電池電圧が前記蓄電池の充電電圧上限値以上の場合、前記定電流制御の電力変換装置の各々の前記出力電流設定値を減少するように変更し、前記受信した蓄電池電圧が前記充電電圧上限値未満となるまで前記出力電流設定値の減少を繰り返すことを特徴とする。

請求項２に記載の給電システムは、請求項１に記載の給電システムであって、前記受信した蓄電池電圧が前記充電電圧上限値未満の場合、前記定電流制御の電力変換装置の各々の前記出力電流設定値を増加するように変更することを特徴とする。

請求項３に記載の給電システムは、請求項１又は２に記載の給電システムであって、 前記出力電流設定値は、前記定電流制御の電力変換装置の各々についての電流出力割合を変えないように変更されることを特徴とする。

請求項４に記載の制御方法は、電源にそれぞれ接続された複数の電力変換装置であって、前記複数の電力変換装置は、定電圧制御の電力変換装置と前記定電圧制御の電力変換装置以外の定電流制御の電力変換装置とを含む、複数の電力変換装置と、前記複数の電力変換装置を介して前記電源の各々と接続された負荷と、前記複数の電力変換装置と前記負荷との間に接続された蓄電池と、前記蓄電池における蓄電池電圧を測定する電圧センサと、前記定電流制御の電力変換装置の各々について設定された出力電流設定値を制御するための制御コントローラと、を含む、前記蓄電池にフロート充電を行いつつ前記負荷に電力を供給する給電システムの制御方法であって、前記制御コントローラは、前記蓄電池電圧を前記電圧センサから受信するステップと、当該受信した蓄電池電圧が前記蓄電池の充電電圧上限値以上の場合、前記定電流制御の電力変換装置の各々の前記出力電流設定値を減少するように変更するステップとを実行し、前記変更するステップは、前記受信した蓄電池電圧が前記充電電圧上限値未満となるまで繰り返されることを特徴とする。

請求項５に記載の制御方法は、請求項４に記載の制御方法であって、前記制御コントローラは、前記受信した蓄電池電圧が前記充電電圧上限値未満の場合、前記定電流制御の電力変換装置の各々の前記出力電流設定値を増加するように変更するステップをさらに実行することを特徴とする。

請求項６に記載の制御方法は、請求項４又は５に記載の制御方法であって、前記出力電流設定値は、前記定電流制御の電力変換装置の各々についての電流出力割合を変えないように変更されることを特徴とする。

本発明は、分散電源から蓄電池をフロート充電しているシステムに新たな分散電源装置を並列接続した場合において、分散電源の電力変換装置について適切な出力電流値を設定することで、蓄電池の過充電を抑制することができる。

従来の給電システムを示す図である。 従来の給電システムに分散電源システムを並列接続した構成を示す図である。 従来の給電システムにおけるＣＶ制御とＣＣ制御の電力変換装置のＩ−Ｖ特性を示す図である。 従来の給電システムにおいて、許容電流値を満たす範囲で電力配線を細径化したときのＣＶ制御とＣＣ制御の電力変換装置のＩ−Ｖ特性を示す図である。 本発明の実施例に係る給電システムを示す図である。 本発明に係る給電システムにおける制御フローを示す図である。

（実施例）
図５は、本発明の実施例に係る蓄電池の過充電防止のための給電システムの構成を示す。図５には、電源１１〜１３と、電源１１〜１３にそれぞれ接続された電力変換装置２１〜２３と、電力変換装置２１〜２３を介して電源１１〜１３にそれぞれ接続された負荷３０と、電力変換装置２１〜２３と負荷３０との間に接続された電圧センサ４０及び蓄電池５０と、電力変換装置２１〜２３及び電圧センサ４０と通信線を介して接続された制御コントローラ６０と、を備えた給電システムが示されている。制御コントローラ６０はネットワーク７０と接続されている。電圧センサ４０は、蓄電池５０における蓄電池電圧Ｖ_battを測定することができる。

以下の実施例では、電源１１を主電源とし、電源１１に接続された電力変換装置２１をＣＶ制御で運転し、その他の電力変換装置２２及び２３をＣＣ制御で運転する例を示しているが、主電源とする電源及びＣＶ制御で運転する電力変換装置はこれに限られない。また、本実施例では、３つの電源及び電力変換装置を用いた例を示しているが、２以上の電源及び電力変換装置を用いて構成することができる。

本発明に係る給電システムは、複数の分散電源から負荷に電力供給を行いながら接続された蓄電池にフロート充電を行うシステムにおいて、主電源である電源１１に接続された電力変換装置２１をＣＶ制御で運転し、その他の電源１２及び１３に接続された電力変換装置２２及び２３をＣＣ制御で運転して、制御コントローラ６０により蓄電池４の電圧が上限を超えないようＣＣ制御で運転を行う電力変換装置２２及び２３の出力電流値の制御を行う。これにより、複数の分散電源の精密な出力制御が可能となり、蓄電池の過充電による劣化や破損を防止することが可能となる。以下、図６を用いてその制御方法を示す。

図６は、本発明に係る給電システムにおける制御コントローラ６０の制御フローを示す。図６に示されるように、制御コントローラ６０の制御が開始されると、ステップ１０１で、制御コントローラ６０は、ネットワーク７０からＣＣ制御で運転する電力変換装置２２及び２３の出力電流初期値Ｉ２_SET’及びＩ３_SET’を受信する。ステップ１０２で、制御コントローラ６０は、電力変換装置２２及び２３の出力電流設定値Ｉ２_SET及びＩ３_SETを０（すなわち、電力変換装置２２及び２３が停止状態）に設定する。ステップ１０３で、制御コントローラ６０は、電圧センサ４０から蓄電池５０における蓄電池電圧Ｖ_battを受信する。ステップ１０４で、制御コントローラ６０は、受信した蓄電池電圧Ｖ_battが蓄電池５０の充電電圧上限値Ｖ_limit未満か否かを判定する。ここで、蓄電池５０の充電電圧上限値Ｖ_limitは、蓄電池５０自体の保護を目的に蓄電池５０の電圧特性に応じた充電禁止電圧に設定することができる。蓄電池電圧Ｖ_battが蓄電池５０の充電電圧上限値Ｖ_limit以上の場合、ステップ１０５で、制御コントローラ６０は、電力変換装置２１の出力電圧を下げることにより蓄電池電圧Ｖ_battを蓄電池電圧Ｖ_{batt_1}まで下げる制御を行い、蓄電池電圧Ｖ_battが蓄電池電圧Ｖ_{batt_1}まで下がった後にステップ１０３に戻る。蓄電池電圧Ｖ_{batt_1}はユーザによって充電電圧上限値Ｖ_limit未満に任意設定される。蓄電池電圧Ｖ_battが蓄電池５０の充電電圧上限値Ｖ_limit未満の場合、ステップ１０６で、制御コントローラ６０は、電力変換装置２２及び２３の出力電流設定値Ｉ２_SET及びＩ３_SETを出力電流初期値Ｉ２_SET’及びＩ３_SET’に設定する。ここで、電力変換装置２２及び２３は、出力電流値がＩ２_SET’及びＩ３_SET’の運転状態となる。

出力電流初期値Ｉ２_SET’及びＩ３_SET’の設定後、ステップ１０７で、制御コントローラ６０は、再び電圧センサ４０から蓄電池５０の蓄電池電圧Ｖ_battを受信する。そして、ステップ１０８で、制御コントローラ６０は、再度受信した蓄電池電圧Ｖ_battが蓄電池５０の充電電圧上限値Ｖ_limit未満か否かを判定する。蓄電池電圧Ｖ_battが蓄電池５０の充電電圧上限値Ｖ_limit以上の場合、ステップ１０９で、制御コントローラ６０は、電力変換装置２２及び２３の出力電流設定値Ｉ２_SET及びＩ３_SETを減少するように変更後、ステップ１０７に移行する。蓄電池電圧Ｖ_battが蓄電池５０の充電電圧上限値Ｖ_limit未満の場合、ステップ１１０で、制御コントローラ６０は、電力変換装置２２及び２３の出力電流設定値Ｉ２_SET及びＩ３_SETを増加するように変更後、ステップ１０７に移行する。

このように、ステップ１０７、１０８、１０９及び１１０の動作を繰り返すことで、蓄電池電圧Ｖ_battが充電電圧上限値Ｖ_limit未満の場合は電力変換装置２２及び２３の出力電流設定値Ｉ２_SET及びＩ３_SETを増加させ、蓄電池電圧が充電電圧上限値Ｖ_limit以上の場合は電力変換装置２２及び２３の出力電流設定値Ｉ２_SET及びＩ３_SETを減少させ、充電電圧上限値Ｖ_limitとならないよう出力電流値を常に変化させることができるため、蓄電池５０の過充電を抑制することが可能となる。

上記ステップ１０９においては、蓄電池電圧Ｖ_battが蓄電池５０の充電電圧上限値Ｖ_limit以上であるため、出力電流設定値Ｉ２_SET及びＩ３_SETを減少するように次の出力電流設定値Ｉ２_SET’’及びＩ３_SET’’に変更する。ここでは、以下の（式１）及び（式２）のように、設定値変更前後の電流出力状態の維持のため電力変換装置２２及び２３の電流出力割合を変えないように、電力変換装置２２及び２３の出力電流設定値Ｉ２_SET及びＩ３_SETを次の出力電流設定値Ｉ２_SET’’及びＩ３_SET’’に変更する。
Ｉ２_SET’’＝Ｉ２_SET−Ｉ２_SET’／（Ｉ２_SET’＋Ｉ３_SET’） （式１）
Ｉ３_SET’’＝Ｉ３_SET−Ｉ３_SET’／（Ｉ２_SET’＋Ｉ３_SET’） （式２）

また、上記ステップ１１０においては、蓄電池電圧Ｖ_battが蓄電池５０の充電電圧上限値Ｖ_limit未満であるため、出力電流設定値Ｉ２_SET及びＩ３_SETを増加するように次の出力電流設定値Ｉ２_SET’’及びＩ３_SET’’に変更する。ここでは、以下の（式３）及び（式４）のように、設定値変更前後の電流出力状態の維持のため電力変換装置２２及び２３の電流出力割合を変えないように、電力変換装置２２及び２３の出力電流設定値Ｉ２_SET及びＩ３_SETを次の出力電流設定値Ｉ２_SET’’及びＩ３_SET’’に変更する。
Ｉ２_SET’’＝Ｉ２_SET＋Ｉ２_SET’／（Ｉ２_SET’＋Ｉ３_SET’） （式３）
Ｉ３_SET’’＝Ｉ３_SET＋Ｉ３_SET’／（Ｉ２_SET’＋Ｉ３_SET’） （式４）

以上のように、本発明によると、分散電源、負荷、蓄電池、電圧センサ及び制御コントローラのみの構成であるため、従来のシステム構成（分散電源、負荷装置、蓄電池、電圧センサ）に制御コントローラを追加するだけで、複数の分散電源の精密な出力制御が可能となり蓄電池の過充電による劣化や破損を防止することが可能となる。

電源 １１、１２、１３
電力変換装置 ２１、２２、２３
負荷 ３０
電圧センサ ４０
蓄電池 ５０
制御コントローラ ６０
ネットワーク ７０

Claims (6)

1. 電源にそれぞれ接続された複数の電力変換装置であって、前記複数の電力変換装置は、定電圧制御の電力変換装置と前記定電圧制御の電力変換装置以外の定電流制御の電力変換装置とを含む、複数の電力変換装置と、
   前記複数の電力変換装置を介して前記電源の各々と接続された負荷と、
   前記複数の電力変換装置と前記負荷との間に接続された蓄電池と、
   前記蓄電池における蓄電池電圧を測定する電圧センサと、
   前記定電流制御の電力変換装置の各々について設定された出力電流設定値を制御するための制御コントローラと、
   を含む、前記蓄電池にフロート充電を行いつつ前記負荷に電力を供給する給電システムであって、
   前記制御コントローラは、
   前記蓄電池電圧を前記電圧センサから受信し、当該受信した蓄電池電圧が前記蓄電池の充電電圧上限値以上の場合、前記定電流制御の電力変換装置の各々の前記出力電流設定値を減少するように変更し、前記受信した蓄電池電圧が前記充電電圧上限値未満となるまで前記出力電流設定値の減少を繰り返すことを特徴とする給電システム。
2. 前記受信した蓄電池電圧が前記充電電圧上限値未満の場合、前記定電流制御の電力変換装置の各々の前記出力電流設定値を増加するように変更することを特徴とする請求項１に記載の給電システム。
3. 前記出力電流設定値は、前記定電流制御の電力変換装置の各々についての電流出力割合を変えないように変更されることを特徴とする請求項１又は２に記載の給電システム。
4. 電源にそれぞれ接続された複数の電力変換装置であって、前記複数の電力変換装置は、定電圧制御の電力変換装置と前記定電圧制御の電力変換装置以外の定電流制御の電力変換装置とを含む、複数の電力変換装置と、
   前記複数の電力変換装置を介して前記電源の各々と接続された負荷と、
   前記複数の電力変換装置と前記負荷との間に接続された蓄電池と、
   前記蓄電池における蓄電池電圧を測定する電圧センサと、
   前記定電流制御の電力変換装置の各々について設定された出力電流設定値を制御するための制御コントローラと、
   を含む、前記蓄電池にフロート充電を行いつつ前記負荷に電力を供給する給電システムの制御方法であって、前記制御コントローラは、
   前記蓄電池電圧を前記電圧センサから受信するステップと、
   当該受信した蓄電池電圧が前記蓄電池の充電電圧上限値以上の場合、前記定電流制御の電力変換装置の各々の前記出力電流設定値を減少するように変更するステップと
   を実行し、
   前記変更するステップは、前記受信した蓄電池電圧が前記充電電圧上限値未満となるまで繰り返されることを特徴とする制御方法。
5. 前記制御コントローラは、前記受信した蓄電池電圧が前記充電電圧上限値未満の場合、前記定電流制御の電力変換装置の各々の前記出力電流設定値を増加するように変更するステップをさらに実行することを特徴とする請求項４に記載の制御方法。
6. 前記出力電流設定値は、前記定電流制御の電力変換装置の各々についての電流出力割合を変えないように変更されることを特徴とする請求項４又は５に記載の制御方法。

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