JP5028056B2 - 給電システムおよび給電システムの制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、直流電源と蓄電池を有する複数の直流電源ストリングと電力変換装置を備え、電力供給する給電システムおよび制御方法に関する。

太陽電池または燃料電池などよりなる複数の直流電源の発電出力を各蓄電池に蓄電する直流電源ストリングを複数備え、必要に応じて電力出力する給電システムが開発されている。
例えば、特許文献１は、複数の太陽電池ストリングよりなる太陽光発電装置を開示している。この特許文献１は、第１の太陽電池ストリングと第２の太陽電池ストリングを並列接続し、これら太陽電池ストリングを最大出力動作点で直流電力が出力されるように制御するとともに、直流電力を交流電力に変換する電力変換装置と第２の太陽電池ストリングとの間に、第２の太陽電池ストリングの出力電圧を第１の太陽電池ストリングの出力電圧に調整する調整手段を備えるものである。
特開平２００４−１４６７９１号公報

上記特許文献１によれば、発電能力が異なる各太陽電池ストリングからの最大出力電力の和を最大出力電力として利用することが可能になる。
ところで、太陽電池ストリングが蓄電池を含む場合、各蓄電池の電圧が等しければ、各蓄電池から出力を取り出すことができ、各蓄電池の合計電力を出力することができる。しかし、各蓄電池電圧が等しくなければ、電圧の高い蓄電池から出力され、電圧の低い蓄電池からは出力を得ることができない。そのため、各蓄電池の合計電力を得ることができない。また、電圧の高い蓄電池から出力させるので、蓄電池の使用頻度が片寄るようになる。
本発明は、以上のような問題に鑑みて、給電システムから各蓄電池の合計電力が得られるようにし、またある１つの蓄電池が片寄って使用されないようにする給電システムを提供することを目的とする。また本発明は複雑な制御をなくし、極めて簡単な回路によって上記目的を実現できる給電システムを提供することを目的とする。

本発明の給電システムは、直流電源と蓄電池を有する複数の直流電源ストリングと、前記複数の直流電源ストリングの直流出力を交流出力に変換する電力変換装置と、前記各蓄電池電圧がほぼ等しくなるように前記電力変換装置を制御する制御部とを備える。
これにより、各蓄電池の合計電力を得ることができる。またある１つの蓄電池が片寄って使用されることがなく、システムの寿命を長くすることができる。また制御部は電力変換装置を制御することによって、各蓄電池電圧をほぼ等しくさせるので、極めて簡単な回路によって制御することができる。
また本発明の給電システムにおいて、前記蓄電池は所定の電流で充放電されることが望ましい。

また、本発明の給電システムは、直流電源と蓄電池を有する複数の直流電源ストリングと、前記各蓄電池の出力電流を検出する検出部と、前記複数の直流電源ストリングの直流出力を交流出力に変換する電力変換装置と、前記検出部により検出される各蓄電池の出力電流により、前記各蓄電池電圧がほぼ等しくなるように制御する制御部とを備える。
このように、各蓄電池の電圧を揃えておくことによって、各ストリングから偏ることなく同量の電流を取り出すことができるため、電力変換装置は給電システムから最大の電力を要求することが可能となる。また、電力変換装置の電力要求また蓄電池の電流を検出して制御するだけであるので、極めて簡単な制御回路によって、本発明の目的とする制御を実現することができる。

本発明の給電システムは、実施例において、前記制御部は、前記電力変換装置が出力する前、所定時刻または一定間隔ごと、または蓄電池電圧が所定電圧に達したとき、前記各蓄電池電圧がほぼ等しくなるように制御することが好ましい。このように制御することにより、給電システムが電力出力するときは、各蓄電池の出力がほぼ等しくなっているので、各蓄電池の合計電力を給電することができる。
また本発明の給電システムは、実施例において、前記直流電源が太陽電池または燃料電池などであることが好ましい。これにより、太陽電池または燃料電池の発電出力を有効に利用することができる。また同様に、発電機、風力発電機などの交流電源を変換することによって得られる直流電源も利用可能になる。
また本発明の給電システムは、実施例において、前記各直流電源ストリングは、それぞれ逆流防止ダイオードを介して接続することが好ましい。これにより各直流電源ストリングに備えられた蓄電池の過充電を簡単な回路で防止することができる。

また本発明は、別の観点によれば、給電システムの制御方法であって、給電システムは、直流電源と蓄電池を有する複数の直流電源ストリングと、前記複数の直流電源ストリングの直流出力を交流出力に変換する電力変換装置を備え、前記各蓄電池の電圧をほぼ等しくなるように制御する第１の工程と、前記電力変換装置から電力出力する第２の工程を有する。これにより、各蓄電池の合計電力を得ることができる。
また、本発明の給電システムの制御方法は、更に、前記直流電源の出力が異なるとき、各蓄電池が、最も低い直流電源出力量に揃えて充電し、残りの直流電源出力量を電力変換装置へ出力する第３の工程を有する。これにより、太陽電池または燃料電池などの直流電源より発電出力を得て、各蓄電池への充電量を揃えることができる。
また、本発明の給電システムの制御方法は、前記第１の工程において、前記各蓄電池の電圧をほぼ等しくする場合に、前記電力変換装置の出力電力を徐々に増加させることが好ましい。このように制御する場合は、小さい電流を流すことにより、蓄電池電圧を同じにすることができる。
また、本発明の給電システムの制御方法は、前記第１の工程において、前記各蓄電池の電圧をほぼ等しくする場合に、前記各蓄電池が全て同じ電流を出力しているかどうかチェックすることが好ましい。

本発明によれば、各蓄電池の合計電力を得ることができる。またある１つの蓄電池が片寄って使用されないようにすることができる。しかも本発明は複雑な制御をしないので、極めて簡単な回路によって本発明の給電システムを実現することができる。

（実施形態１）
本発明の実施形態１の給電システムは、図１に示すように、直流電源１Ａと蓄電池１Ｂを並列に接続して直流電源ストリング１を構成し、このような直流電源ストリングを複数並列に電力変換装置１１に接続する。図１は、３つの直流電源ストリングを電力変換装置１１に接続した場合を示すが、直流電源ストリングの数は限定がなく、２つでもよく、３つ以上でもかまわない。
電力変換装置１１は系統連係２０に接続され、本発明の給電システムは出力電力を系統連係２０に売電する。あるいは図示しないが、負荷に給電してもよい。上記電力変換装置１１に制御部１２が接続され、以下に説明するように電力変換装置１１を制御する。
なお、上記直流電源１Ａと蓄電池１Ｂの接続点Ｓより直流電源側に逆流防止ダイオード１Ｃを接続する。また各直流電源ストリングの接続点Ｔと接続点Ｓの間に逆流防止ダイオード１Ｄを接続する。ダイオード１Ｃは直流電源１Ａに流れ込む電流を防止し、ダイオード１Ｄは各直流電源ストリング間の電力のやり取りを防止する。また蓄電池１Ａの出力側に蓄電池の安全を確保するための手段、例えば蓄電池の安全範囲での電流を許容する電流ヒューズまたはブレーカ１Ｅを接続する。

ここで、上記直流電源１Ａは、例えば太陽電池または燃料電池などより得られる直流電源であるが、風力発電または発電機より得た電力を直流電力に変換して得られる直流電源であってもよい。この実施形態では太陽電池であるとして説明する。
また系統連係２０は、本発明の給電システムの動作により生じた電力を吸収する部分として示したものであり、出力電力を吸収できるのであれば、蓄電池であってもよい。蓄電池に充電した電力は、後に負荷に供給するとよい。
また直流電源ストリングに備えられる蓄電池１Ｂは、鉛電池、リチウムイオン電池、ニッケル電池など多くの種類の蓄電池が使用可能であり、この実施形態ではリチウムイオン電池であるとして説明する。また蓄電池は、電気二重層キャパシタまたは超電導電力貯蔵装置によって代替することも可能である。

また本発明の給電システムは、一般家庭の家屋に搭載される小規模太陽光発電システムであってもよく、また共同住宅、工場や公共施設などの屋根に搭載される中規模あるいは大規模太陽光発電システムであってもよいが、本発明の給電システムは、複数の直流電源ストリングであることが必要である。従って、太陽電池は、少なくとも２つの領域に分割し、その分割された領域毎に蓄電池を備えて、複数の直流電源ストリングを構成する。太陽電池は、複数の太陽電池セルまたは太陽電池セル群を直列に接続して構成される。

本発明における太陽電池の種類としては、結晶系の太陽電池セルを複数枚接続されて作製された結晶系太陽電池モジュールや、ガラス基板上にＣＶＤ等の方法により形成されたシリコン系半導体や化合物系半導体よりなる薄膜状の太陽電池を直列接続となるように加工したセルを用いた太陽電池モジュール、結晶系のシリコンとアモルファスシリコンを積層したタンデム構造の太陽電池を用いた太陽電池モジュールなどが挙げられる。
通常の太陽光発電は、日照条件、太陽電池モジュールの温度に応じて変化する最大電力点を追尾し、出力される電力が最大となるように動作点電圧が制御される。しかし本発明においては、接続される蓄電池モジュールの電圧が太陽電池モジュールの動作点電圧となるように作動させる。そのため、太陽電池モジュールの動作点電圧は蓄電池モジュールが動作する電圧範囲に限定される。

一般的に、太陽電池は、そのモジュール温度が上がると出力が低下し、その最大電力動作点は温度に対して負の傾き（温度係数）を有する直線関係が見られる。通常、結晶シリコンでは、その温度係数は、−０．４５〜―０．５％／℃程度である。またアモルファスシリコンを結晶シリコン等と積層したものやＧａＡｓなどの化合物半導体太陽電池などでは、温度係数を−０.２〜−０.３％／℃に抑えたものが開発され、実用化されている。
一方、蓄電池モジュールの動作電圧は温度の影響をさほど受けない。したがって、本発明における太陽電池モジュールは温度によって出力電圧の変化を受け難い温度特性の優れた太陽光電池を選択することが望ましい。上記のように太陽電池モジュールの温度係数は、−０．４２％／℃以下、さらに好ましくは−０．３％／℃以下の太陽電池モジュールを選択することが望ましい。これにより、高いシステム効率を得ることが可能となる。これは接続される蓄電池デバイスの種類にもよるが、蓄電池デバイスの動作電圧の温度変化による変動幅は、約２０〜３０％程度であり、一方太陽電池モジュールの使用温度幅が約６０℃であることから考慮し算出される。

本発明における、蓄電池は狭い電圧範囲でなるべくたくさん容量が取れることが好ましく、化学反応を利用した二次電池が好ましい。中でも、充放電反応に基本的に副反応を伴わない電池系が充放電による電力効率が高くより好ましい。その代表的な例としてリチウムイオン電池があげられる。
さらには、これまで蓄電デバイスとして使用されていた鉛蓄電池は、充電不足が続くと容量劣化が起こったり、ニッケル水素電池などは決まった範囲で充放電を繰り返すと、容量が十分に得られなくなるメモリー効果などが見られたりするが、リチウムイオン電池は充電不足によるサイクル劣化やメモリー効果などがなく、本願発明の蓄電モジュールを構成するための電池としては好適に使用することができる。さらに、リチウムイオン電池は周囲温度による充電電圧の変化を受けにくいため、本発明の制御方法の蓄電システムとしては非常に有効である。
リチウムイオン電池の材料には正極材料、負極材料ともに種々なものが提案されており、それらすべてが使用可能である。中でもLｉＦｅＰＯ4を正極に用いたリチウムイオン電池はその充放電曲線が平坦であり、特に好ましい。

以下には、蓄電池の出力電流値は、システムの安全上、５Ａ以下に抑える必要があり、各太陽電池の定格出力は３００Ｗ、蓄電池電圧の使用領域は４０Ｖ〜６０Ｖであるとして説明するが、これらの数値は説明のための例示であり、本発明の範囲を限定するものではない。また以下の説明において、説明を分かりやすくするために各蓄電池の電流値、電圧値を示すが、実施形態１ではこれらの電流値、電圧値は検知する必要はなく、従って電流センサーや電圧センサーを備える必要はない。

図１に示す回路において、今、蓄電池１Ｂ、２Ｂ、３Ｂの電圧は共に４０Ｖで揃っていた。その後、太陽電池１Ａ、２Ａ、３Ａが太陽光発電して各蓄電池を充電した。しかし、例えば太陽電池２Ａは雲の陰に隠れて発電出力が低下した。また太陽電池３Ａは陰に隠れて、全く発電しなかった。その結果、蓄電池１Ｂは５０Ｖ、蓄電池２Ｂは４５Ｖ、蓄電池３Ｂは４０Ｖになり、各蓄電池の電圧はばらつきを生じた。各蓄電池の電圧がばらつきを生じる原因は、日射量のばらつきだけでなく、各太陽電池の設置の向き、各太陽電池の面積、各太陽電池の発電性能、各蓄電池の充電特性によっても生じる。
このように、各蓄電池の電圧がばらついた状態で、電力変換装置１１が電力要求すると、電圧の高い蓄電池から出力される。本システムでは、各蓄電池電圧、蓄電池電流を監視していないため、一つのストリングから５Ａすべて出力される最悪のケース（各蓄電池電圧が大きくばらついている）を想定して、絶対に５Ａ以上要求しないようにする。また、本システムにおいては、電流が大きいほど電圧のバラツキを早く直すことができるため、５Ａとすることが好ましい。この場合は、蓄電池１Ｂが最も高い電圧であるので、蓄電池１Ｂから出力される。その他の蓄電池２Ｂ、３Ｂは，蓄電池１Ｂよりも電圧が十分に低いため出力に寄与することができない。そのため給電システムは蓄電池１Ｂの許容電流範囲しか電力供給できない。

上記した各蓄電池電圧のバラツキを解消するため、本発明の給電システムは、制御部１２が電力変換装置１１より５Ａ出力するよう要求した。蓄電池１Ｂは他の蓄電池２Ｂ、３Ｂより電圧が高いので、蓄電池１Ｂから電流が流れる。このとき、蓄電池１Ｂの内部抵抗が１Ωであるとすると、蓄電池１Ｂの電圧は内部抵抗の分だけ電圧低下して実質的には４５Ｖになる。そのため見かけ上、蓄電池２Ｂの電圧と等しくなる。その後、放電が進むに従って、蓄電池２Ｂからも出力されるようになる。もちろん、しばらくの間蓄電池１Ｂの方が放電電流は大きいので、蓄電池２Ｂよりも蓄電池１Ｂの方が多く放電され、電圧の下がり方も早い。その後、接続点Ｔの電圧が４０Ｖに低下し、蓄電池３Ｂからも放電が開始される。接続点Ｔの電圧が４０Ｖになった瞬間の蓄電池１Ｂの放電電流は３Ａで、蓄電池２Ｂの放電電流は２Ａであった。放電による分極がなかったときの蓄電池１Ｂの電圧はそれぞれ４３Ｖ、４２Ｖで、この時点で二つ蓄電池の電圧差が５Ｖから１Ｖに減少していた。

同様に、接続点Ｔが４０Ｖになってからも電力変換装置１１が５Ａ要求し続けると、蓄電池間の電圧が揃うように動作し、この動作が継続された結果、接続点Ｔが３７Ｖになったとき、各蓄電池から１.７Ａずつ放電され、電圧が完全にそろった。最初に制御部１２が電力変換装置より５Ａ出力するように要求してからちょうど１時間経過していた。
本システムでは、電力変換装置１１からの電力要求を１ストリングの耐電流で定期的に行うことにより、各蓄電池電圧、蓄電池電流を監視せずに安全に早く各蓄電池電圧を揃えることが可能である。
ここで、各蓄電池の電圧を接続点Ｔの電圧で説明する理由は、太陽電池は屋根または屋上に設置され、蓄電池は屋内等に設置されるので、太陽電池と蓄電池の間は接続線により接続され、そのため接続線による抵抗分だけ電圧低下するためである。

以上のようにして、３つの蓄電池の電圧を揃えることができる。この間、電力変換装置１１は出力電力を要求するだけであり、また制御部１２は電力変換装置１１に出力要求を命令するだけであり、各蓄電池が出力することにより、自ずと電圧が揃ってくるので、その他の特別な制御は必要がない。この場合の所定の電流とは、各ストリングに許容電流以上絶対に流れない電流しか電力変換装置が要求しない電流であり、本実施例では５Ａとしたが、それ以下なら何Ａでもかまわない。この動作の間に電力変換装置１１が要求した電力は系統連係に出力して売電することができるので、蓄電池に蓄電した電力を無駄にしない。また売電する代わりに、系統連係に代えて蓄電池を備え、その蓄電池に蓄電することにより、本発明の給電システムの一部として電力供給に使用してもよい。
以上のようにして、３つの蓄電池の電圧が揃った後、系統連係に売電するとき、または負荷から要求があったとき、制御部が電力変換装置１１に、各直流電源ストリングの安全上抑えられている最大電流、例えば各直流電源ストリングから５Ａずつ、合計最大電流１５Ａを出力させても、安全に出力を得ることができる。

この実施形態の給電システムは、直流電源が太陽電池である場合、その日の日没後または夕方のように所定時刻になったとき、一定時間動作させることにより、各蓄電池の電圧を揃えることができる。または本発明の給電システムが電力出力する前に、各蓄電池の電圧を揃えるように制御してもよい。あるいは、制御部にタイマーを備え、所定時間間隔、例えば３時間毎のように一定時間が経過すると、太陽電池の発電出力が各直流電源ストリングで異なり、そのため蓄電池の電圧が不揃いになると予測して、上記動作を実施してもよい。実際にシステムの電圧のバラつきがどれくらいの頻度で起こるのかを把握しておくと、どの程度定期的に、どのくらいの時間上記の制御を行えばよいか目処が立てられるため、より好ましい。
この実施形態１において、太陽電池が発電することにより蓄電池を充電し、また太陽電池の発電出力を電力変換装置を経て、系統連係または負荷に電力供給することができるが、それらについては、実施形態２および３で説明する。

（実施形態２）
図２は、本発明の実施形態２の給電システムを示す。実施形態２は、各蓄電池の充電または放電電流を検出する電流センサー１Ｆ、２Ｆ、３Ｆを備え、その検出出力を電流検出部１０２で監視し、その結果を制御部１２に送る点、および各直流電源ストリングの接続点Ｔの電圧を検出する電圧センサー５を備え、その検出出力を電圧検出部１０１で監視し、その結果を制御部１２に送る点が図１に示した実施形態１と異なる構成部分である。その他は図１に示した実施形態１と同じである。なお、図２は、図面を繁雑にしないため蓄電池１Ａの出力側に蓄電池の安全を確保する電流ヒューズまたはブレ−カを示していないが、図１と同様に接続しているものとする。また、蓄電池の出力電流値は、システムの安全上、１０Ａ以下に抑える必要がある。

図２に示す回路において、今、蓄電池１Ｂ、２Ｂ、３Ｂの電圧は共に５０Ｖで揃っていた。実施形態２でも厳密には接続点Ｔで各直流電源ストリングの蓄電池電圧を測定するが、便宜的に各蓄電池電圧で説明する。その後、太陽電池１Ａ、２Ａ、３Ａが各蓄電池を充電したが、例えば太陽電池２Ａおよびは太陽電池３Ａの発電出力が低下し、その結果、蓄電池１Ｂは６０Ｖ、蓄電池２Ｂは５５Ｖ、蓄電池３Ｂは５０Ｖになり、各蓄電池の電圧はばらつきを生じた。あるいは各太陽電池、各蓄電池の性能の個体差によってばらつきを生じた。接続点Ｔの電圧は、最も高い蓄電池電圧を検出するので、この時点では６０Ｖを検出する。
蓄電池の使用領域は４０Ｖ〜６０Ｖであるので、制御部１２は接続点Ｔの電圧が６０Ｖであることを検出すると、電力変換装置１１に２Ａの電力要求を命令する。または前記電力変換装置が出力する前、所定時刻または一定間隔ごとに、制御部が電力変換装置１１に２Ａの電力要求を命令する。

すると、蓄電池１Ｂから電流が流れるが、蓄電池１Ｂの内部抵抗が１Ωであるので、その分の電圧降下が生じて実質的には５８Ｖになる。そのため、蓄電池２Ｂ、３Ｂの電圧より高く、蓄電池１Ｂだけが出力する。そこで、制御部１２は電力変換装置１１の電力要求量を増やし、蓄電池１Ｂの電圧が蓄電池２Ｂの電圧に等しくなるようにする。さらに、制御部１２は電力変換装置１１の電力要求量を増やし、蓄電池１Ｂ、２Ｂの電圧が蓄電池３Ｂの電圧に等しくなるようにする。３つの蓄電池１Ｂ、２Ｂ、３Ｂの電圧が見た目上同じになったとき、３つの蓄電池１Ｂ、２Ｂ、３Ｂから電流を出力することができる。
以上のようにして、３つの蓄電池の電圧を揃えることができるので、つぎに電力変換装置１１の出力電力を減らす。そして、３つの蓄電池の電流が同じになると、制御部１２は電力変換装置の動作を停止させ、次に給電システムは出力電力の要求があるまで待機する。

以上の説明を図３に示すフローチャートにより、詳細に説明する。すなわち、給電システムにおいて、ｎ＋１の直流電源ストリングが接続されており、直流電源の出力が異なるとき、直流電源のうち、最小の電流をＩa、残りの電流をI１、I２、・・・Iｎとすると、（I１−Iａ）+（I２−Iａ）+ ・・・ （Ｉｎ−Ｉａ）以上の電力量を電力変換装置は常に要求するように制御する第３の工程を有する。この第３の工程は必要に応じて備えるとよい。

制御部１２は、３つの蓄電池１Ｂ、２Ｂ、３Ｂのどれかが６０Ｖになったことを検出したとき（つまり、接続点Ｔの電圧が６０Ｖを検出したとき）、または３つの蓄電池１Ｂ、２Ｂ、３Ｂの出力電流が所定値以上に不揃いなったとき、または所定時刻になったとき、または給電システムが電力出力する前、または所定時間間隔になったとき、まず、各蓄電池より流れる電流Ｉ１、Ｉ２、Ｉ３を検出する。検出した最大の電流をＩｍａｘ、最小の電流をＩｍｉｎとし、Ｉｍａｘが１０Ａ以上かどうかを判断する（Ｓ１）。もし、Ｉｍａｘが１０Ａ以上だった場合、電力変換装置の要求電力を減らし、またステップＳ１に戻る。Ｉｍａｘが１０Ａ以内だった場合、ステップＳ３に進む。

次に、Ｉｍｉｎが出力しているか判断する（Ｓ３）。もし、Ｉｍｉｎが出力している場合、電力変換装置の要求電力を減らし（Ｓ４）、またステップＳ３に戻る。もし、Ｉｍｉｎが出力していない場合、ステップＳ５に進む。
次に、電流Ｉ１、Ｉ２、Ｉ３が同じかどうかチェックする（Ｓ５）。ここで、正確にＩ１＝Ｉ２＝Ｉ３になることは困難であるので、ＩｍａｘとＩｍｉｎの差が１０％以内とするなどの範囲を設けることが好ましい。Ｉ１＝Ｉ２＝Ｉ３（この値はほぼゼロとなる）であれば、このフローを終了する。もしＩ１＝Ｉ２＝Ｉ３を満たしてなければ、電力変換装置の要求電力を増やし（Ｓ６）、ステップＳ１に戻る。

本実施形態では、三つの蓄電池電流のいずれかがゼロに近くて放電する状態で電力変換装置を制御していたが、太陽電池からの発電出力が加わる場合には、さらに合成出力を検出する検出部を設け、各ストリングの合成出力を監視して、最小の合成出力がゼロに近い状態で制御するとよい。すなわち、ステップＳ３の判定基準をＩｍｉｎではなく、合成出力の最小値をゼロに近い値にする。これにより、蓄電池の電力使用量を最小限に抑え、最速で各蓄電池の電圧を揃えることが可能となる。なぜなら、そのストリングから出力された時点で、そのストリング電圧は、接続点Ｔと見た目上同じ電圧になっていると言えるからである。このように、所定の電流とは、Iｍｉｎがゼロではなくゼロ付近で運転する電流、もしくは、Ｉｍａｘを許容電流付近で運転する電流であることを意味する。

以上に説明した各蓄電池の電圧と電流を時間経過と共に以下に説明する。
図４は、各蓄電池の電圧と電流を時間経過とともに説明するためのブロック図であり、この図は説明を簡単にするため、直流電源ストリングを２つにして示す。また、図５に、電力変換装置からの電力の要求があった場合の各蓄電池の電圧と電流の変化を時間経過と共に示す。ここで、各太陽電池はある一定出力をしているものとする。初期の蓄電池電圧の高い方の蓄電池を１Ｂ、低い方の蓄電池を２Ｂとする。
電力変換装置が電力を要求すると、蓄電池電圧が高い方の蓄電池１Ｂからまず出力する。もし、蓄電池電圧の高い方の太陽電池出力１Ａで、電力変換装置が要求する電力をまかないきれない場合は、電圧が低い方の蓄電池１Ｂからも放電される。太陽電池２Ａと蓄電池２Ｂは、電力変換装置の電力要求量と、蓄電池１Ｂとの電圧の差に応じて、電力変換装置へ放電されるか蓄電池２Ｂに充電されるか決まる。図５では、最初時間Ｔ１までの領域Ａでは、太陽電池２Ａの電力は蓄電池２Ｂへ充電されている。蓄電池２Ｂが充電されていることを図５では蓄電池２Ｂの電流が蓄電池電流の充電と放電の境界線Ｈより、下にあることで示す。

領域Ａでは、上記の状態が続いており、次に時間Ｔ１から時間Ｔ２までの領域Ｂに入ると、見た目上蓄電池電圧がそろう。これは、分極により、蓄電池電圧が揃っているように見えている状態で、電力変換装置が電力要求をやめてしまうと、またばらついてしまう状態である。領域Ｂにおいては、蓄電池１Ｂと蓄電池２Ｂの電流差が飽和状態にあり、たとえこれ以上電力変換装置から電力を要求しても、電流差は広がらない。しかし、依然電流差は存在し、電流差の分だけ二つの蓄電池の電圧差が小さくなっていき、最終的には二つの蓄電池の流れる電流が一緒かつ電圧も一緒である状態、時間Ｔ２以降に示す領域Ｃに達する。この領域Ｃでは、本当に二つの蓄電池の電圧が揃っている状態になる。

つまり、各蓄電池にバラつきが存在する場合、状態が領域Ｂに存在していれば、各電池のバラつきが最速で直っている状態と言える。領域Ｂに存在している条件として、電力変換装置が十分電力を要求していることが必要条件となる。電力変換装置が十分に電力を要求していない場合、蓄電池１Ｂの放電側への分極が少なく、見た目上蓄電池電圧が揃わない。また、電圧のバラつきが大きいときに、電力変換装置の要求電力を大きくして無理やり見た目上の蓄電池電圧をそろえにいこうとすると、蓄電池１Ｂの放電電流が大きくなりすぎ、蓄電池が過電流になったり、配線が焼ききれたり、安全ヒューズが飛んだりと、システムの安全を確保できない状態になる。前記理由により、蓄電池の電圧を見た目上揃えることができない場合には、電力変換装置を、前記状態が生じない程度に最大限大きく要求するように制御する必要がある。

以上に説明したように、実施形態２は、各蓄電池電圧のばらつきを最速で揃えることができる。しかも電力変換装置の電力要求量が小さいため、各蓄電池電圧を早く揃えることができ、かつ蓄電池の放電電力を小さくすることができる。この実施形態の説明では、電力変換装置の電力要求量を最小にする場合を説明していないが、太陽電池の出力を測定して制御することにより、電力変換装置の電力要求量を最小にすることが可能である。

（実施形態３）
実施形態３を図２を用いて説明する。この実施形態３では、蓄電池の電流を検出するセンサー１Ｆ、２Ｆ、３Ｆを用いて、太陽電池の発電量が異なる場合に、蓄電池の電圧のばらつきを未然に防ぎながら、蓄電池を最大限充電する方法を実現する。この実施形態３は、実施形態１および２に説明したように蓄電池電圧を揃えた後、給電システムにより電力供給が行われる。そして、更にこの実施形態３では、太陽電池の発電量が異なる場合に、蓄電池の電圧のばらつきを未然に防ぎながら、蓄電池を最大限充電する方法を以下のようにして実施する。

図６は、実施形態３のフローチャートを示し、太陽電池の発電量が異なっても、蓄電池電圧をばらつかせずに充電することができる処理を説明するものである。また以下の説明において、説明を分かりやすくするために太陽電池の電流値示すが、実施形態３ではこれらの電流値は検知する必要はなく、従って電流センサーを備える必要はない。
図７は各直流電源ストリングＳ１、Ｓ２、Ｓ３の太陽電池出力電流を示す。ストリング１の太陽電池出力電流は４Ａ、ストリング２、ストリング３の太陽電池出力電流は２Ａである。
今、実施形態１、２の処理のようにして、各蓄電池電圧が揃っているとすると、各ストリングの太陽電池の出力はすべて各蓄電池へ入力されることから、ストリング１の蓄電池は、他のストリングの蓄電池に比べて２Ａ多く充電される。よって、このままでは蓄電池の充電状態に差がでてしまう。

以上を基に、図６のフローチャートで説明を行う。ステップＳ１１では、今回は接続点Ｔの電圧が満充電電圧であるかどうか判断するものとする。満充電であれば、このフローチャートは終了する。しかし満充電電圧でなければ、ステップＳ１２で、Ｘを算出し、その値をＸ１に代入する。Ｘは、蓄電池１Ｂ、２Ｂ、３Ｂの出力電流Ｉ１、Ｉ２、Ｉ３のうち最大値と最小値の差の値である。現在のＸ１は、最大電流は太陽電池１Ａの出力電流I１で４A、最小電流は太陽電池２Ａ、３Ａの出力電流I２、I３で２Ａで、その差Ｘ１は２Ａである。
次にステップＳ１３では、Ｘ１＝Ｘ２を判定する。Ｘ２は初期値として、ゼロが望ましい。現在Ｘ１は２ＡでＸ２はゼロのため、ステップS１５へ進み、電力変換装置の要求電力を増やす。１Ａ増やしたとすると、太陽電池出力の多いストリングから出力され、図７に示す出力ＡからＢの領域の電力が電力変換装置へ供給される。
次にステップＳ１６ではＸ１をＸ２に代入する。これにより、現在のＸ１のデータ（２Ａ）がＸ２に格納される。

そして最初のステップS１１に戻り、接続点Ｔの電圧が満充電電圧であるかどうか判断する。満充電でなければステップＳ１２に移り、もう一度Ｘを算出し、その値をＸ１に代入する。現在のＸ１は、最大電流は太陽電池１Ａの出力電流I１で３Ａ、最小電流は太陽電池２Ａ、３Ａの出力電流I２、I３で２Ａで、その差Ｘ１は１Ａである。
次にステップＳ１３では、Ｘ１＝Ｘ２を判定する。現在Ｘ１は１ＡでＸ２は２Ａのため、ステップＳ１５へ進み、電力変換装置の要求電力を増やす。さらに１Ａ増やしたとすると、太陽電池出力の多いストリングから出力され、図７に示す出力ＡからCの領域の電力が電力変換装置へ供給される。
次にステップS１６ではＸ１をＸ２に代入する。これにより、現在のＸ１のデータ（１Ａ）がＸ２に格納される。

そして最初のステップS１１に戻り、接続点Tの電圧が満充電電圧であるかどうか判断する。満充電でなければステップS１２に移り、もう一度Xを算出し、その値をＸ１に代入する。現在のＸ１は、最大電流は太陽電池１Ａ出力電流I１で２Ａ、最小電流は太陽電池２Ａ、３Ａの出力電流I２、I３で２Ａで、その差Ｘ１はゼロである。
次にステップＳ１３では、Ｘ１＝Ｘ２を判定する。現在Ｘ１はゼロでＸ２は１Ａのため、ステップＳ１５へ進み、電力変換装置の要求電力を増やす。さらに１Ａ増やしたとすると、現時点では、太陽電池出力の多かったストリングからはすでに２Ａ出力されていることから、各ストリングとも太陽電池出力はＣ点（２A）であり、平等に1/3Aずつ出力される。その結果、図７に示す出力ＡからＤの領域の電力が電力変換装置へ供給される。
次にステップＳ１６ではＸ１をＸ２に代入する。これにより、現在のＸ１のデータ（１Ａ）がＸ２に格納される。

そして最初のステップＳ１１に戻り、接続点Ｔの電圧が満充電電圧であるかどうか判断する。満充電でなければステップＳ１２に移り、もう一度Ｘを算出し、その値をＸ１に代入する。現在のＸ１は、最大電流はI１=I２=I３=５/３Aで、その差Ｘ１はゼロである。
次にステップＳ１３では、Ｘ１＝Ｘ２を判定する。現在Ｘ１はゼロでＸ２もゼロのため、ステップＳ１４へ進み、電力変換装置の要求電力を減らす。
次にステップＳ１６ではＸ１をＸ２に代入する。これにより、現在のＸ１のデータ（１A）がX２に格納される。その後、ステップＳ１１に戻り、このフローチャートを繰り返す。

前記説明は、理想状態での挙動を説明するものであるが、実際にはステップＳ１３におけるＸ1＝Ｘ２を判定する場合に許容範囲を設定する必要がある。
本システムでは、基本的には蓄電池電圧がばらつかないように制御されるものであるが、瞬間的な日射変動などの要因で、実際には若干電圧がばらつく可能性がある。その際、Ｘがゼロになるべき領域（図７においては、Ｃより下）においてでも、ゼロにならない。本発明で説明の範囲で電力変換装置の出力を維持していると、Ｘはゼロに近づく方向へ推移する。しかし、この近づく速さの時間当たりの変化量は小さい。
一方で、局所的な日射変動や、電力変換装置の出力変更に起因する電流の変化は比較的短い時間間隔で起こる。この差を利用して、Ｘの値が変化したとき、局所的な日射変動や電力変換装置の出力変更などに起因するＸの変化か、各蓄電池の電圧バラツキによるＸの変化かを判定することが可能となる。

図６のフローチャートにおいて、状態遷移を早くし、かつ、電力変換装置の要求電力の変化量を、蓄電池のばらつきによるＸの変化を無視できるほど大きく設定することによって、許容範囲の最適値を決定することが可能となる。
蓄電池のバラツキにより変化するＸを、電力変換装置の出力調整によって変化するＸの１／５以下、好ましくは１／１０以下、より好ましくは１／２０になるように設定することが好ましい。もし１／５以下と設定した場合、ステップＳ１３は、２０％の誤差範囲でＸ１＝Ｘ２を判定すればよい。
以上の処理により、太陽電池の出力がばらついていても、各蓄電池への充電電力を揃えることが可能であり、各蓄電池の電圧バラツキを抑えつつ、最大限充電することができる。一般的に言い換えると、例えば、ｎ＋１の直流電源ストリングが接続されている場合において、各直流電源のうち、最小の電流をＩa、残りの直流電源の電流をI１、I２、・・・Iｎとすると、（I１−Iａ）+（I２−Iａ）+ ・・・ （Ｉｎ−Ｉａ）以上の電力量を電力変換装置が常に要求することにより、各蓄電池の電流値はすべてＩａに統一でき、蓄電池間の電圧バラつきを抑えつつ、最大限充電することができる。

実施形態１のブロック図を示す。 実験形態２のブロック図を示す。 実施形態２のフローチャートを示す。 各蓄電池電圧と電流の時間経過を説明するためのブロック図を示す。 各蓄電池電圧と電流の時間経過を示す。 実施形態３のフローチャートを示す。 実施形態３の処理を説明する図を示す。

符号の説明

１Ａ、２Ａ、３Ａ 太陽電池
１Ｂ、２Ｂ、３Ｂ 蓄電池
１Ｃ、２Ｃ、３Ｃ ダイオード
１Ｄ、２Ｄ、３Ｄ ダイオード
１Ｅ、２Ｅ、３Ｅ 電流センサー
１１ 電力変換装置
１２ 制御部

Claims (8)

1. 直流電源と蓄電池を有する複数の直流電源ストリングと、
   前記複数の直流電源ストリングの直流出力を交流出力に変換する電力変換装置と、
   前記各蓄電池電圧がほぼ等しくなるように前記電力変換装置を制御する制御部と
   を備えることを特徴とする給電システム。
2. 前記蓄電池が、所定の電流で充放電されることを特徴とする請求項１に記載の給電システム。
3. 直流電源と蓄電池を有する複数の直流電源ストリングと、
   前記各蓄電池の出力電流を検出する検出部と、
   前記複数の直流電源ストリングの直流出力を交流出力に変換する電力変換装置と、
   前記検出部により検出される各蓄電池の出力電流により、前記各蓄電池電圧がほぼ等しくなるように制御する制御部と、
   を備えることを特徴とする給電システム。
4. 前記制御部は、前記電力変換装置が電力出力する前、所定時刻または一定間隔ごと、または蓄電池電圧が所定電圧に達したとき、前記各蓄電池電圧がほぼ等しくなるように制御することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の給電システム。
5. 前記各直流電源ストリングは、それぞれ逆流防止ダイオードを介して接続することを特徴とする請求項1乃至４のいずれか１項に記載の給電システム。
6. 給電システムは、直流電源と蓄電池を有する複数の直流電源ストリングと、前記複数の直流電源ストリングの直流出力を交流出力に変換する電力変換装置を備え、
   前記各蓄電池の電圧をほぼ等しくなるように制御する第１の工程と、
   前記電力変換装置から電力出力する第２の工程と
   を有することを特徴とする給電システムの制御方法。
7. 前記給電システムの制御方法において、ｎ＋１の直流電源ストリングが接続されており、前記直流電源の出力が異なるとき、前記直流電源のうち、最小の電流をＩa、残りの電流をI１、I２、・・・Iｎとすると、（I１−Iａ）+（I２−Iａ）+ ・・・ （Ｉｎ−Ｉａ）以上の電力量を電力変換装置は常に要求するように制御する第３の工程を有することを特徴とする請求項６に記載の給電システムの制御方法。
8. 前記第１の工程において、前記各蓄電池の電圧をほぼ等しくする場合に、前記各蓄電池が全て同じ電流を出力しているかどうかチェックすることを特徴とする請求項６に記載の給電システムの制御方法。

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