JP2017041919A - 電力変換システム - Google Patents

Abstract

【課題】太陽電池あるいは蓄電池などの電源の電力を変換して調整する電力変換システムにおいて、故障が発生した場合には、健全な部位があるにもかかわらず、故障部位に接続されている関係部分を停止するか、装置全体を停止していた。そのため、健全である部位を有効に活用することができなかった。
【解決手段】電力変換システムの複数の入力部とその入力部に対応する複数の電力変換部との間に入力経路切替え部を設け、故障発生時には、故障部位を切り離し、健全な部位を他の経路に接続して、電力の回路の接続を変更できるようにした。
【選択図】図１

Description

本発明は、電力変換システムに関するもので、特に、発電装置あるいは蓄電装置などの複数の電源と、家庭用電気品などの負荷への出力部あるいは電力系統などへの出力部との間に接続され、電源の電力を変換して出力部に供給する電力変換システムに関するものである。

太陽光発電装置などの発電装置にて電力を発生させ、その電力の一部を家庭用電気として使用し、残りを電力系統に供給することが行われている。太陽光発電装置の場合には、複数の太陽光発電モジュールを直列に接続して発電ユニットとして構成し、この発電ユニット毎に電力変換部を設け、電圧などの電力変換の調整を行った上で、それぞれの電力変換部の出力を直流電力母線に接続して電力供給源とした分散型発電システムが、特許文献１に示されている。

太陽光発電装置などの発電装置によって創り出された電力を家庭用電気品に使用する場合、あるいは余剰電力を電力系統に供給する場合には、電圧などの電力変換の調整を電力変換システムにて行っている。また、蓄電池などのエネルギーを蓄積する蓄電装置に電力を蓄えておいて、その蓄電装置から必要に応じて家庭用電気品に電力を供給する場合にも、電力変換システムが使用され、出力の調整を行っている。

電力変換システムは、それぞれ複数の入力部、電力変換部、出力部によって構成され、発電装置および蓄電装置などの電源に、それぞれ入力部が接続され、電力変換部において電源の電力を変換し、出力部から出力するように構成されている。
また、太陽光発電などによる発電装置の場合には、天候の変動による発電電力の変動を想定して、必要とされる電力容量よりも大きな電力を供給できる発電装置が配置され、蓄電装置においても、必要とされる電力容量よりも大きな電力容量の蓄電装置が配置されている。

特表２００７‐５２０９８５号公報

従来の、電力変換システムにおいては、複数の電源に対してそれぞれ電力変換部が接続されて、それぞれの電源の電力を変換して出力するように構成しているが、電力変換システムの前段階の電源、あるいは構成している電力変換部のどれかに故障が発生した場合には、装置全体を停止させるか、あるいは故障した電力変換部を含む一つのユニットを停止させていた。このため、どこかが故障した場合には、システムの必要電力容量を供給することが不可能となるため、システムを停止するか、必要電力容量以下で運転を継続するしかなく、このため、故障時を想定して、電源や電力変換部の容量を必要とされる電力容量よりも大きく予め設定する必要があり、発電装置あるいは蓄電装置全体のコスト増大の要因となっていた。

本発明は、電力変換部を並列に複数備えた電力変換システムにおいて、電源あるいは電力変換部において故障が発生した場合を想定して、故障した部位だけを停止し、その故障した部位の前後に健全な部位が存在する場合には、健全な部位を有効に使用することによ
って、システムコストの小さな電力変換システムを提供することを目的とするものである。

本発明の電力変換システムにおいては、電源がそれぞれ接続される複数の入力部と、この複数の入力部のそれぞれに対応して設けられた複数の電力変換部と、入力部と電力変換部との間に設けられ、入力部と電力変換部との接続関係を所定の条件に応じて切替える入力経路切替え部とを備えたものである。

本発明によれば、電力変換部、出力部などの故障の際に、健全である電源や電力変換部などを有効に活用することができるため、装置の冗長性を高め、メンテナンス費用やシステムコストを低減することが可能となる。

本発明の実施の形態１による電力変換システムの概略的な構成を示す構成図である。 本発明の実施の形態１による電力変換システムの具体的な構成例を示す構成図である。 本発明の実施の形態１による電力変換システムの動作説明のため簡素化した説明図である。 本発明の実施の形態１による電力変換システムの故障部位と健全部位の接続切替え先を説明する説明図である。 本発明の実施の形態１による電力変換システムの入力経路切替え部と出力経路切替え部の構成を示す構成図である。 本発明の実施の形態１における電源２故障時の、ＤＣ／ＤＣ変換器２の接続切替え制御動作を説明するためのフローチャートである。 本発明の実施の形態１の図３において、電源が全て発電装置の場合のＤＣ／ＤＣ変換器２故障時の接続切替え動作を説明するためのフローチャートである。 本発明の実施の形態１の図３において、電源が全て蓄電装置の場合のＤＣ／ＤＣ変換器２故障時の接続切替え動作を説明するためのフローチャートである。 本発明の実施の形態２による、より多くの発電量を出力するための切替え動作の制御例を示すフローチャートである。 本発明の実施の形態３による電力変換システムのユニット構成の例を示した構成図である。

実施の形態１
図１は、本発明の実施の形態１による電力変換システムの概略的な構成を示す構成図である。この図に示すように、電力変換システム１００は、太陽電池などの発電装置や、蓄電池や電気自動車（ＥＶ）などの蓄電装置による電源１が接続される入力部３を有し、この入力部３に接続される入力経路切替え部１１と、入力経路切替え部１１に接続され、ＤＣ／ＤＣ変換やＤＣ／ＡＣ変換を行う電力変換部１２と、電力変換部１２に接続され、電力変換部１２の出力を家電や電力系統に出力する経路を切替えるための出力経路切替え部１３により構成されている。すなわち、入力部３と電力変換部１２との間に入力経路切替え部１１が設けられた構成となっている。

図２は、本発明の実施の形態１による電力変換システム１００の具体的な構成例を示す図である。
この構成例においては、電力変換システム１００における入力経路切替え部１１は、第１の入力経路切替え部１１ａ、第２の入力経路切替え部１１ｂ、第３の入力経路切替え部１１ｃを示している。ここに示しているように、それぞれの入力経路切替え部１１ａ、１１ｂ、１１ｃは、第１の端子が発電装置や蓄電装置による電源１の入力部３に接続され、第２の端子が電力変換部１２に接続され、第３および第４の端子が隣り合う入力経路切替え部１１に接続されており、それぞれを切離すためのスイッチ素子と、他の入力経路に切替えた際の電圧差などによる過大電流の発生を抑制するためのクッション回路と逆阻止用素子とそれを双方向通電可能とするための短絡スイッチなどを備えている。

なお、入力経路切替え部１１および出力経路切替え部１３の構成や接続先は、前述のものに限ったものではなく、例えば、入力経路切替え部１１の一端が、電源１や電力変換部１２に直接接続されても良く、隣りあう電源１と電力変換部１２の電力経路を切替えできれば良い。また、クッション回路と逆阻止用素子は、場合によっては設けられていなくてもよく、設ける場合もその箇所は図２に示したものに限るものではない。また、電力変換部１２に示したスイッチ素子についても、必ずしも設置しなくてもよい。

電力変換部１２は、第１のＤＣ／ＤＣ変換器１２ａａ、第２のＤＣ／ＤＣ変換器１２ａｂ、第３のＤＣ／ＤＣ変換器１２ａｃと、第１のＤＣ／ＡＣ変換器１２ｂａ、第２のＤＣ／ＡＣ変換器１２ｂｂと、それぞれを接続する共通のＤＣバス１２ｃとを備えている。
また、電力変換部１２には、第１のＤＣ／ＤＣ変換器１２ａａや第１のＤＣ／ＡＣ変換器１２ｂａをＤＣバス１２ｃや入力経路切替え部１１もしくは出力経路切替え部１３と切離すためのスイッチ素子とを備えている。

第１のＤＣ／ＤＣ変換器１２ａａ、第１のＤＣ／ＡＣ変換器１２ｂａ、スイッチ素子、入力経路切替え部１１、出力経路切替え部１３は、統合コントローラ１５や外部コントローラと情報授受を行うコントローラ（図示せず）によって制御されている。出力経路切替え部１３は，第１の端子が電力変換部１２に接続され、第２の端子が電力系統や家電などの負荷による出力部２に接続され、第３の端子が隣り合う出力経路切替え部１３に接続され、それぞれを切離すための手段としてスイッチ素子を備え、入力経路切替え部１１と出力経路切替え部１３は、電力変換部１２に設けられたコントローラ１４か、もしくは統合コントローラ１５により制御されている。

なお、電力変換部１２は、ＤＣ／ＤＣ変換器１２ａのみ、もしくはＤＣ／ＡＣ変換器１２ｂのみから構成されても良く、その場合には、ＤＣバス１２ｃは電力変換部１２に含まれることになり、設ける必要がなくなる。
また、コントローラ１４は、統合コントローラ１５のみとしても良く、その場合は統合コントローラ１５が電力変換部１２と入力経路切替え部１１、出力経路切替え部１３を制御し、外部のコントローラ（図示せず）や発電装置や蓄電装置などの電源１と通信授受を行うことになる。

また、出力経路切替え部１３には、入力経路切替え部１１と同様に、他の出力経路に切替えた際の電圧差などによる過大電流の発生を抑制するためのクッション回路を設けても良い。クッション回路としては、経路切替え時に限流を行うための、抵抗などの限流素子を備えたもので、限流素子を備えることにより、経路切替時の過電流を防止することができ、装置停止や故障を招くことなく、接続経路を切替えることができる。また、いずれの部位にも接続可能とすることで、故障時の冗長性が高くなる。

図３は、説明のため、図２における電力変換システム１００を簡素化し、それぞれを区別しやすいように記載したものである。
図３に示すように、電源１は、第１の電源１ａ、第２の電源１ｂ、第３の電源１ｃによって構成され、それぞれの電源１ａ、１ｂ、１ｃがこの発明の対象としている電力変換システム１００の入力部（図示せず）に接続されている。電力変換システム１００では、第１の電源１ａの入力を受けて、第１の入力経路切替え部１１ａ、第１のＤＣ／ＤＣ変換器１２ａが動作してＤＣ／ＤＣ変換器１２ａの出力がＤＣバス１２ｃに出力するように構成されている。電源側には、この図３に示すように、電源１からの電力を、第１から第３のＤＣ／ＤＣ変換器１２ａａ、１２ａｂ、１２ａｃに予め定めた条件に応じて接続関係を切替えるようにしている。また、電力を出力する側では、ＤＣバス１２ｃに第１のＤＣ／ＡＣ変換器１２ｂａ、第２のＤＣ／ＡＣ変換器１２ｂｂ、第３のＤＣ／ＡＣ変換器１２ｂｃが接続され、さらに、それぞれに出力経路切替え部１３ａ、１３ｂ、１３ｃが、第１の負荷２ａ、第２の負荷２ｂ、および第３の負荷２ｃに接続されている。

次に本発明の実施の形態１による電力変換システム１００が故障した時の切替え動作について説明する。
図４は、図３における電力変換システム１００の、各部位が故障した時に、入力経路切替え部１１と出力経路切替え部１３により、故障部位に連結される部位の接続切替え先を記載したリストを表すものである。なお、本発明の実施の形態１による電力変換システム１００の入力経路切替え部１１や出力経路切替え部１３は、図５（ａ）に示すように、両側のいずれの電力変換部１２、電源１、負荷や電力系統による出力部２にも接続可能なように、または図５（ｂ）に示すように、片側の電力変換部１２、電源１、負荷や電力系統による出力部２に接続可能なようにスイッチ素子により構成されている。

本発明の電力変換システム１００は、発電装置や蓄電装置などの電源１から出力される電力を、電力系統に適した電力に変換して、発電電力の売電、負荷への電力供給や、電力ピークカット動作などの買電電力調整動作を行うものである。また、災害時などの電力供給が途絶えた場合などに、家電やビル共用部分の機器などに電力を供給する役割を担う場合もある。このような用途にあっては、機器の部分故障時にその機器に接続される他の部位まで停止させる必要がある場合、停止させた期間だけ買電電力の増大や災害時の電力未供給などの課題が発生することになる。したがって、故障の発生の際には、可及的速やかに、故障部位を切りはずして、健全な部位によって運転を継続させるように構成している。

次に、入力経路切替え部１１と出力経路切替え部１３による接続の切替え動作を、図３における第２の電源１ｂが故障した場合を例にして説明する。
第２の電源１ｂの故障時には、第２の電源１ｂに接続されている第２のＤＣ／ＤＣ変換器１２ａｂも停止する必要が生じるが、この第２のＤＣ／ＤＣ変換器１２ａｂを有効に活用するため、第２の入力経路切替え部１１ｂは、第２のＤＣ／ＤＣ変換器１２ａｂと第２の電源１ｂとの接続線を切り離し、第２のＤＣ／ＤＣ変換器１２ａｂと隣の第１の電源１ａもしくは第３の電源１ｃとを接続するよう、経路切替えを実施する。

また、第２のＤＣ／ＤＣ変換器１２ａｂが故障した場合には、第２のＤＣ／ＤＣ変換器１２ａｂに接続され、第２のＤＣ／ＤＣ変換器１２ａｂによって供給されている第２の電源１ｂの電力を利用できなくなるので、この場合には、第２の電源１ｂを有効に活用するため、入力経路切替え部１１ｂは、第２の電源１ｂと第２のＤＣ／ＤＣ変換器１２ａｂとの接続線を切り離し、第２の電源１ｂと第１のＤＣ／ＤＣ変換器１２ａａもしくは第３のＤＣ／ＤＣ変換器１２ａｃとを接続する。また、第２のＤＣ／ＤＣ変換器１２ａｂは、第２のＤＣ／ＤＣ変換器１２ａｂの出力に配置されたスイッチにより、ＤＣバス１２ｃとの接続を切り離す。

本発明の電力変換システム１００においては、前述のように故障部位を切り離し、故障部位に接続されている健全な部位を、他の健全な部位と接続することにより、健全な部位を有効に活用できる。
次に、本発明の電力変換システム１００において、切離される故障部位と、使用される健全部位の運用について、前述の電源１ｂの故障時と、ＤＣ／ＤＣ変換器１２ａｂの故障時の動作をもとに説明する。

まず、第２の電源１ｂが故障した場合には、前述のように、第２のＤＣ／ＤＣ変換器１２ａｂが第１の電源１ａもしくは第３の電源１ｃに接続されることになる。この場合の接続の切替えは、電源や負荷の状況により決定されることになる。この決定の仕方は、通電可能な電力量などの制約を考慮して行う必要がある。

本発明における電力変換システム１００の第２の電源１ｂの故障時の動作においては、前述のように第１の電源１ａと第３の電源１ｃの状態に応じて、健全である第２のＤＣ／ＤＣ変換器１２ｂの接続を切替えて、運用することにより、第２の電源１ｂが故障した時にも、システムの必要電力容量を供給、もしくは電源容量に見合った最大限の電力を供給可能とするものである。

図６は、本発明の実施の形態１の図３における第２の電源１ｂが故障した時の、第２のＤＣ／ＤＣ変換器１２ａｂの接続切替え制御動作を説明するためのフローチャートである。電力変換システム１００を制御する制御システム（図示せず）における制御コントローラは、第２の電源１ｂの故障を検知すると、第１の電源１ａの電力供給能力と第３の電源１ｃの電力供給能力を比較し、例えば、第１の電源１ａの電力供給能力が大きい場合には、その電源に接続されている第１のＤＣ／ＤＣ変換部１２ａａの供給可能電力と、第２のＤＣ／ＤＣ変換部１２ａｂからＤＣバス１２ｃへの必要出力電力を比較する。結果として、第２のＤＣ／ＤＣ変換器１２ａｂの供給可能電力が、ＤＣバス１２ｃへの必要供給電力よりも小さい場合、入力経路切替え部１１により、第２のＤＣ／ＤＣ変換器１２ａｂは第１の電源１ａへと接続され、第１の電源１ａが第１のＤＣ／ＤＣ変換器１２ａａの供給可能電力によりその出力に制限を受けている場合には、第１の電源１ａからは、元々接続されていた第１のＤＣ／ＤＣ変換器１２ａａの供給可能電力値に第２のＤＣ／ＤＣ変換器１２ａｂの供給可能電力値を加算した電力値が供給可能となり、故障時でもシステムの必要電力容量、もしくは最大の電力供給能力が得られることになる。

一方、第２のＤＣ／ＤＣ変換器１２ａｂの供給可能電力値が、ＤＣバス１２ｃへの必要供給電力値よりも大きい場合には、前述の比較した第１のＤＣ／ＤＣ変換部１２ａａの供給可能電力値とＤＣバス１２ｃへの必要供給電力値を比較し、第１のＤＣ／ＤＣ変換器１２ａａを並列接続するか否かを決定する。第１のＤＣ／ＤＣ変換器１２ａａおよび第３のＤＣ／ＤＣ変換器１２ａｃの供給可能電力値もＤＣバス１２ｃへの必要供給電力値よりも大きい場合には、第２のＤＣ／ＤＣ変換器１２ａｂは双方から切り離され、動作を停止する。動作を停止することで、第２のＤＣ／ＤＣ変換器１２ａｂの発生する損失を低減することが可能となる。

ここで、第１の電源１ａの電力供給能力、もしくは第３の電源１ｃの電力供給能力は、太陽光発電装置の場合には、日射強度や各部の温度や残容量によって異なってくるため、これらの情報を電力変換部１２に備えられたコントローラ１４が各電源１からの通信、もしくは検出回路から得られる温度、電圧などの情報から推測して統合コントローラ１５に伝達し、統合コントローラ１５が電源１の状態を判別、比較して第２のＤＣ／ＤＣ変換器１２ａｂの接続先を示す信号を電力変換部１２のコントローラ１４に送信する。電力変換部１２の保有するコントローラ１４は、この信号を受けて切替え先を制御する。 また、例えば第１の電源１ａが発電装置であって、第３の電源１ｃが蓄電装置の場合には、第１の電源１ａからの供給が制約を受けないように優先的に判断してもよい。さらに、発電装置優先か蓄電装置優先かをユーザーが予め設定しておいて、ユーザー指定の電源が制約を受けないように、優先的に設定するようにしてもよい。

次に、第２のＤＣ／ＤＣ変換器１２ａｂが故障した時の動作について、説明する。
すでに説明したように、第２のＤＣ／ＤＣ変換器１２ａｂが故障すると、第２の電源１ｂは、第１のＤＣ／ＤＣ変換部１２ａａもしくは第３のＤＣ／ＤＣ変換部１２ａｃに切替えて接続される。

本発明の電力変換システム１００では、前述のとおり、電力系統に余剰の電力を供給することを目的としているところにも使用されるので、周辺機器の故障により、発電装置や蓄電装置が使用不可能となると、余剰電力を供給できなくなるため発電や買電抑制による電力料金の削減量が低減し、結果としてランニングコストが上昇することになる。
本発明の実施の形態１による電力変換システム１００の第２のＤＣ／ＤＣ変換器１２ａｂが故障した場合であっても、故障した第２のＤＣ／ＤＣ変換器１２ａｂに接続される第２の電源１ｂを切り離し、第１のＤＣ／ＤＣ変換器１２ａａもしくは第３のＤＣ／ＤＣ変換器１２ａｃに接続することにより、第２の電源１ｂの電力を有効に活用することができる。

第２の電源１ｂの運用方法は、第２の電源１ｂが発電装置であるか蓄電装置であるかのより異なるため、ここではそれぞれの場合について、以下に説明する。まずは、電源１が全て発電装置である場合について説明する。
電源１が発電装置である場合、発電装置の発電電力を出来る限り出力させることが、電力料金の削減量の増加につながる。また、災害時の電力供給を行う場合には、外部からの電力供給が断たれるため、運用可能な電力の総量は、発電装置の発電電力に依存する。このことから、その発電電力をでき得る限り出力した方が、より長期間にわたり電力供給を維持できる。

図７は、本発明の実施の形態１の図３において、電源１が全て発電装置の場合において、第２のＤＣ／ＤＣ変換器１２ａｂが故障した時の接続切替え動作を説明するためのフローチャートである。電力変換システム１００を制御する制御システム（図示せず）における制御コントローラは、第２のＤＣ／ＤＣ変換器１２ａｂの故障を検知すると、他の第１のＤＣ／ＤＣ変換器１２ａａおよび第３のＤＣ／ＤＣ変換器１２ａｃの供給電力余裕分を比較する。

結果として、第１のＤＣ／ＤＣ変換器１２ａａの供給可能電力値から第１の電源１ａからの供給可能電力値を減算した結果の電力値が、第３のＤＣ／ＤＣ変換器１２ａｃの供給可能電力値から第３の電源１ｃからの供給可能電力値を減算した結果の電力値よりも大きな値となる場合には、第１のＤＣ／ＤＣ変換器１２ａａの入力に、第１の電源１ａと並列に第２の電源１ｂを接続するよう経路切替えを行う。

また、第１のＤＣ／ＤＣ変換器１２ａａの供給可能電力値から第１の電源１ａからの供給可能電力値を減算した結果の電力値が、第３のＤＣ／ＤＣ変換器１２ａｃの供給可能電力値から第３の電源１ｃからの供給可能電力値を減算した結果の電力値よりも小さな値となる場合には、第３のＤＣ／ＤＣ変換器１２ａｃの入力に、第３の電源１ｃと並列に第２の電源１ｂを接続するよう経路切替えを行う。

ここで、第１の電源１ａ、第３の電源１ｃの電力供給能力およびＤＣ／ＤＣ変換器１２ａの供給可能電力は日射強度や各部の温度などによって異なってくるため、これらの情報を電力変換部１２に備えたコントローラ１４が各電源１からの通信、もしくは検出回路から得られる温度、電圧などの情報から推測して統合コントローラ１５に伝達し、統合コントローラ１５が電源１の状態を判別、比較してＤＣ／ＤＣ変換器１２ａの接続先を示す信号を各電力変換部１２に送信する。電力変換部１２の保有するコントローラ１４は、この信号を受けて電力変換部１２の切替え先を制御する。

また、発電装置のインピーダンス差や特性差（例えば、太陽光発電における最大電力点特性）によって、並列接続時に、各電源１から取り得る最大電力を取り出せない場合がある。このような場合には、発電装置の出力電力特性を検出する手段を設け、比較・判定することにより、例えば、第１の電源１ａを切り離して、第２の電源１ｂを接続するなど、より発電電力の得られるような接続方法を取ることもできる。

次に、電源１が全て蓄電装置である場合について説明する。電源１が蓄電装置である場合には、その特性として電圧源である場合が多い。電圧源の並列接続においては、並列接続する蓄電装置間の電位差が十分に縮まっていないと、高電圧側から定電圧側へ過大電流が流れる危険がある。蓄電池などでは電圧差を埋めるのに大きな電流が必要であることから、過大電流が長時間継続する恐れもある。

また、蓄電装置においては、災害時以外の平常時は、電力量よりも電力容量を有効に活用することが重要になる。すなわち、例えばピークカット動作のように、夜間の、電力消費が比較的少ない時間帯になるべく蓄電（充電）し、昼間のように、電力消費が大きい時間帯にできる限り放電する用途の場合には、昼間の電力消費を蓄電した電力で賄いきれることが望ましいため、昼間の電力消費総量を夜間に蓄電しておく必要がある。しかしながら、故障などにより蓄電装置の電力容量が減少すると、昼間の電力消費を賄いきれないといった不都合が生じる。したがって、蓄電装置を切替えする場合には、並列接続とせず、電源１毎にＤＣ／ＤＣ変換器１２ａに接続し、蓄電装置の電力容量をなるべく消費するように動作させる。また、蓄電池は使用頻度によって劣化が加速するため、各蓄電池は平均的に使用されるのが望ましい。このような場合を鑑みて、故障時にも蓄電容量は，昼間の電力消費を蓄電した電力で賄いきれるよう、昼間の電力消費よりも大きな電力容量に設定するため、システムコスト増大の要因となっていた。

図８は、本発明の実施の形態１の図３において、電源１が全て蓄電装置の場合において、第２のＤＣ／ＤＣ変換器１２ａｂが故障した時の接続切替え動作を説明するためのフローチャートである。電力変換システム１００を制御する制御システム（図示せず）における制御コントローラは、第２のＤＣ／ＤＣ変換器１２ａｂの故障を検知すると、システムが放電を実施しているか蓄電を実施しているかを判断し、電源１の残容量を比較する。結果として、以下のように切替え制御を行う。

システムの放電量とシステムの充電量とを比較し、システムの放電量がシステムの充電量よりも大きい場合には、第１の電源１ａの電力容量、第２の電源１ｂの電力容量、第３の電源１ｃの電力容量を比較し、電力容量として上位２つの電源１を異なる第１のＤＣ／ＤＣ変換器１２ａａまたは第３のＤＣ／ＤＣ変換器１２ａｃに接続する。例えば、第１の電源１ａの電力容量値が、第２の電源１ｂの電力容量値よりも大きく、第２の電源１ｂの電力容量値が、第３の電源１ｃの電力容量値よりも大きい場合には、第１の電源１ａを第１のＤＣ／ＤＣ変換器１２ａａに接続し、第２の電源１ｂを第３のＤＣ／ＤＣ変換器１２ａｃに接続、第３の電源１ｃをＤＣ／ＤＣ変換器１２ａ、ＤＣバス１２ｃから切り離す。なお電力容量が同じ場合には、切替え時の電力変動をなるべく軽減するため、切替えは実施しない。

以上により、より電力残容量の大きな蓄電池から放電することが可能であるため、電力変換システムはより大きな電力を放電出力することが可能となる。また、平均的に各蓄電池から電力を放電できるようになるため、電力容量が偏ることなく、蓄電池の劣化度合いの偏りを抑制できる。さらに、蓄電池を並列接続しないため、過大電流が流れることもない。

次に、システムの放電量がシステムの充電量よりも小さい場合について説明する。
第１の電源１ａの電力容量、第２の電源１ｂの電力容量、第３の電源１ｃの電力容量を比較し、電力容量値として下位２つの電源を異なるＤＣ／ＤＣ変換器１２ａに接続する。例えば、第１の電源１ａの電力容量値が、第２の電源１ｂの電力容量値よりも小さく、第２の電源１ｂの電力容量値が、第３の電源１ｃの電力容量値よりも小さい場合には、第２の電源１ｂを第１のＤＣ／ＤＣ変換器１２ａａに接続し、第３の電源１ｃを第３のＤＣ／ＤＣ変換器１２ａｃに接続し、第１の電源１ａを第１のＤＣ／ＤＣ変換器１２ａａから切り離す。なお電力容量が同じ場合には、切替え時の電力変動をなるべく軽減するため、切替えは実施しない。

以上により、より電力残容量の小さな蓄電池を優先的に充電することが可能であるため、平均的に各蓄電池への充電でき、蓄電池の劣化度合いの偏りを抑制できる。さらに、蓄電池を並列接続しないため、過大電流が流れることもない。

次に、電源１として発電装置と蓄電装置が混在する場合について説明する。
本発明の電力変換システム１００は、電源１として発電装置と蓄電装置が混在する場合には、基本的には発電装置の出力を優先しながら、上述した判定を行って経路切替えを実施する。ただし、災害時に電力系統からの電力供給が途絶えた場合、夜間、ユーザー設定による優先電源の指令がある場合は、蓄電装置の出力を優先しながら、上述した判定を行って経路切替えを実施する。

本発明の実施の形態１による電力変換システム１００においては、前記のように各部位の故障時に、故障の部位を切り離し、健全な部位の接続を切替えるため、健全な部位を有効に活用することができ、冗長性を持つための余分な電源や電力変換部を持つ必要がなく、システムコストを低減することが可能となる。

この電力変換システム１００では、図３に構成している各部を区分して示したように、従来の電力変換システムに対して、それぞれ独立して隣り合う電力変換部を相互接続する入力経路切替え部１１を追加するもので、この入力経路切替え部１１を着脱自在な構成として、通常は、電力変換部をそれぞれ独立して動作させるようにして、故障が生じた場合にのみ、入力経路切替え部１１を取付けて故障に対応することができる。
すなわち、図３は、入力経路切替え部を取付けた状態を表しており、この図３から入力経路切替え部１１ａ、１１ｂ、１１ｃおよびそれらを相互に接続する線を削除したものが一般的な使用状態の電力変換システムの構成となる。
なお、前述のコントローラは、追加する入力経路切替え部のブロック内に含むように構成することになる。

実施の形態２
本発明の実施の形態２による電力変換システムの構成は、実施の形態１に示した図１、図２と同様である。
本発明の実施の形態２による電力変換システム１００では、その接続切替え動作を、故障時以外にも適用し、発電装置や蓄電装置を有効活用できるようにしたものである。以下に動作について説明する。

まず、より多くの発電量を出力するための切替え動作について説明する。
電力変換部１２は、サイズや導入コストによる制約のために、通電可能な電力に制限が設けられるのが一般的である。また、電力変換部１２が温度や電力系統の変動の影響などで、通電可能な電力がさらに制限される場合がある。この制限により、発電装置による発電電力が十分に放電できない場合がある。
本発明の実施の形態２による電力変換システム１００では、より多くの発電量を出力可能とするため、以下のようにして経路を切替える。

図９は、より多くの発電量を出力するための切替え動作の制御例を示すフローチャートである。電力変換システムを含む電力制御システムにおいて、電力変換部の出力制限状態を制御コントローラが検出すると、このフローが開始することになり、隣接する電力変換部の出力制限状態と電源種別を判別する。出力制限がされていない状態で、かつ隣接する電源が発電装置である場合には、出力制限が行われている電源と隣接する電源を並列接続し、出力制限が行われている電力変換部と隣接する電力変換部を並列接続する。また、隣接する電源が蓄電装置である場合には、概蓄電装置に接続されている電力変換部と蓄電装置を切り離し、概電力変換部に出力制限が行われている発電装置からの出力を入力し、電力変換部を並列駆動する。

本発明の実施の形態２では、説明したように入力切替えを行うことにより、発電装置が電力変換部の都合により出力制限される場合に、出力制限されていない電力変換部を利用することで、発電装置が出力制限されることを抑制でき、より多くの発電量を出力することができる。

次に、蓄電池を有効活用するための切替え動作について説明する。
発熱などによる寿命劣化や破壊を防止する必要があり、瞬間的に供給可能な電力と定常的に供給可能な電力に差がある。一般的には電力変換部は、装置コストの増大を防止するため、瞬間的に供給可能な電力ではなく、定常的に供給可能な電力を基準として、その取扱い電力が決定される。ところが、災害時などの電力供給が断たれ、発電装置や蓄電装置からの電力供給のみで負荷を駆動する場合、起動などの瞬時過負荷時に定常的に供給可能な電力では電力不足となる場合がある。このため、本発明の実施の形態２における電力変換部では、災害時の運転開始時や、夜間などの発電装置が発電を停止している場合に、発電装置から電力変換部を切り離し、蓄電装置に接続し、蓄電装置に元々接続されている電力変換部に並列接続することで、蓄電装置から瞬間的に出力可能な電力を増強する。

また、蓄電池の劣化状態を検出し、蓄電池の劣化が最も激しい蓄電池を切り離し、蓄電池の劣化が比較的少ない蓄電池に、劣化の激しい蓄電池に接続されていた電力変換部を接続し、もともと接続されている電力変換部と並列駆動することで、蓄電池の劣化ばらつきを抑制する。これにより、蓄電池の劣化ばらつきによる装置寿命の延命などを実現できる。

本発明の実施の形態２による電力変換システムでは、上記のようにして、発電装置と蓄電装置、負荷などの状況に応じて経路切替えを行うことで、発電装置と蓄電装置を有効に活用することができるため、電力変換システムのシステムコストを低減することが可能となる。

実施の形態３
本発明の実施の形態３による電力変換システムの構成は、実施の形態１に示した図１、図２と同様である。
本発明の実施の形態３による電力変換システム１００では、入力経路切替え部１１、電力変換部１２、出力経路切替え部１３を個別にユニット化し、各ユニットに異なる電源１とのインターフェースを備えたものである。このように、それぞれが分離および接続の可能なユニットで構成することにより、システム構成を広く選択することが容易にできるようになり、専用設計無しでシステム構築できることによって、システム構築費用を低減することが可能になる。

図１０は、本発明の実施の形態３による電力変換システム１００のユニット構成の例を示したものである。図中、両方向矢印は接続可能であることを示している。入力経路切替え部ユニット１１は、蓄電装置インターフェースと、発電装置インターフェースのいずれかもしくは両方と、入力の経路を切替える経路切替え回路部により構成される。電力変換部ユニット１２は、蓄電装置インターフェース、発電装置インターフェースのいずれかもしくは両方、および出力負荷インターフェース、電力系統インターフェースのいずれかもしくは両方と、電力変換部により構成される。出力経路切替え部ユニット１３は、出力負荷インターフェースもしくは電力系統インターフェースのいずれかもしくは両方と、出力経路切替え回路から構成される。電力変換システム１００のそれぞれのユニットに対して、蓄電装置、発電装置、負荷、電力系統は、図１０に示したように相互接続可能としている。

この図１０に示すように、発電装置インターフェース、蓄電装置インターフェース、負荷インターフェース、電力系統インターフェースは、分離および接続の可能な構成としており、それぞれの入出力系統を適宜接続することによって、全体の機能を果たすことができ、不要なインターフェースについては、取り外し可能であり、取り外した際にも他のユニットと接続して動作可能である。

また、各ユニットはそれぞれの構成毎に複数の電力容量であるユニットを用意してもよく、この場合、様々な入出力の電力要求を実現することができる。
さらに、各ユニットの構成は、図１０に限定されるものではなく、例えば電力変換部ユニット１２として、蓄電装置インターフェースを除くものとしても良く、蓄電装置インターフェースや電力変換部を取り外し可能とし、要求に応じて取り外してユニットのコスト低減を図っても良い。
本発明の実施の形態３における電力変換システム１００は、以上のような構成にすることで、発電装置や蓄電装置、負荷や電力系統といった、様々な入出力要求に対して、ユニットの組合せにより要求を実現することが可能となる。

以上の実施形態を説明する図面において、それぞれ同一符号は、各々同一又は相当部分を示し、関係する部分については、各々関連番号をつけている。
また、本発明は、その発明の範囲内において、実施の形態を自由に組み合わせたり、実施の形態の任意の構成要素を適宜、変更または省略することが可能である。

１ 電源、１ａ 第１の電源、１ｂ 第２の電源、１ｃ 第３の電源
２ 出力部、３ 入力部、１１ 入力経路切替え部、１１ａ 第１の入力経路切替え部、１１ｂ 第２の入力経路切替え部、１１ｃ 第３の入力経路切替え部、
１２ 電力変換部、１２ａ ＤＣ／ＤＣ変換器、１２ａａ 第１のＤＣ／ＤＣ変換器、
１２ａｂ 第２のＤＣ／ＤＣ変換器、１２ｃ 第３のＤＣ／ＤＣ変換器、
１２ｃ ＤＣバス、１３ 出力経路切替え部、１４ コントローラ、
１５ 統合コントローラ、１００ 電力変換システム

Claims (9)

1. 電源がそれぞれ接続される複数の入力部と、前記入力部のそれぞれに対応して設けられた複数の電力変換部と、前記入力部と前記電力変換部との間に設けられ、前記入力部と前記電力変換部との接続関係を所定の条件に応じて切替える入力経路切替え部とを備えたことを特徴とする電力変換システム。
2. 前記入力経路切替え部が着脱可能に構成されていることを特徴とする請求項１に記載の電力変換システム。
3. 前記電源が第1の電源と第２の電源であって、前記入力部が第１の入力部と第２の入力部を有し、前記電力変換部が第１の電力変換部と第２の電力変換部とを有し、前記第１の電源が故障の場合、前記第１の電源に接続された前記第１の入力部と前記第１の電力変換部との接続を切り離し、前記第２の電源に接続された前記第２の入力部を前記第１の電力変換部に接続するように前記入力経路切替え部によって接続関係を切替えるようにしたことを特徴とする請求項１に記載の電力変換システム。
4. 前記入力経路切替え部の開閉の際に限流を行う限流素子を含む回路を備えたことを特徴とする請求項１に記載の電力変換システム。
5. 複数の前記電力変換部の通電可能電力を比較し、通電可能電力が最大となるよう、前記入力経路切替え部において入力経路を切替えることを特徴とする請求項１に記載の電力変換システム。
6. 複数の前記入力部に接続される前記電源が複数の蓄電装置であって、前記蓄電装置の劣化情報を取得し、劣化の少ない前記蓄電装置から優先的に充放電を行うように前記入力経路切替え部にて入力経路を切替えることを特徴とする請求項１に記載の電力変換システム。
7. 前記電源が、発電装置である第1の電源と蓄電装置である第２の電源である場合に、前記発電装置と前記蓄電装置のいずれかの出力を優先するために前記入力経路切替え部によって入力経路の切替え操作を行うことを特徴とする請求項１に記載の電力変換システム。
8. 前記入力経路切替え部および複数の前記電力変換部が、分離可能なユニットにより構成されていることを特徴とする請求項１に記載の電力変換システム。
9. 前記分離可能なユニットによって構成された前記入力経路切替え部および前記電力変換部が、取り外し可能な、発電装置インターフェース、蓄電装置インターフェース、負荷インターフェース、電力系統インターフェースを備えたことを特徴とする請求項８に記載の電力変換システム。