JP5480343B2

JP5480343B2 - 直流電源システム

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Publication number: JP5480343B2
Application number: JP2012184133A
Authority: JP
Inventors: 保静松岡; 隆史山内; 和彦竹野; 崇古谷
Original assignee: NTT Docomo Inc
Current assignee: NTT Docomo Inc
Priority date: 2012-08-23
Filing date: 2012-08-23
Publication date: 2014-04-23
Anticipated expiration: 2032-08-23
Also published as: JP2014042417A

Description

本発明は、充電が可能な蓄電池を備えた直流電源システムに関する。

近年、ピーク時の消費電力の削減のために、蓄電池を利用したピークシフトに関する技術が注目されている。蓄電池を利用したピークシフトとは、昼間の電力需要が高い時間帯に蓄電池から電力を供給し、夜間の電力需要が低い時間帯に商用電力から蓄電池に電力を貯蔵しておくことである。蓄電池は、基地局装置等の通信設備にも備えられていることが多い。

ここで、既存の通信設備における電源システム９０は、例えば図１に示されるように、商用電力としての交流電源９１と、交流電源９１に接続された整流器９２と、整流器９２に接続ラインを介して接続された通信装置９３と、この接続ライン上に接続された蓄電池９４とを備えて構成されている。通信装置９３は、整流器９２から電力の供給（実線で示す）を受ける。蓄電池９４は、整流器９２を介して交流電源９１からの電力を貯蔵する浮動充電（破線で示す）が可能である。通信設備におけるピーク時の消費電力の削減のためには、蓄電池９４をピークシフトの実施に利用することが有効であると考えられる。

蓄電池をピークシフトの実施に利用するために、例えば特許文献１に記載の基地局装置では、蓄電池としてのバッテリと直流電力バスとの間に、充電制御装置としての充電用ＤＣ／ＤＣ変換回路と、放電制御装置としての昇圧回路とを備えている。

特開２０１０−１７８４７９号公報

しかしながら、基地局装置に充電制御装置及び放電制御装置というハードウェアを追加で備えると、その分だけ設置コストが高くなってしまうという問題がある。また、蓄電池の種類ごとに異なる充電制御装置及び放電制御装置を開発する必要があるため、その分だけ開発コストも高くなってしまうという問題もある。

そこで本発明は、前述した問題点を解消する為になされたものであり、蓄電池の充放電制御に必要なコストを抑えることが可能な直流電源システムを提供することを目的とする。

本発明の一形態に係る直流電源システムは、充電が可能な蓄電池を備えた直流電源システムであって、出力電圧を変化させることによって、蓄電池の充放電を制御する整流器を備えることを特徴とする。

この直流電源システムによれば、整流器が出力電圧を変化させることによって、蓄電池の充放電を制御することが可能になる。このため、この直流電源システムでは、充電制御装置及び放電制御装置というハードウェアを追加で備えることも開発する必要もなく、蓄電池の充放電を制御することができる。これにより、蓄電池の充放電制御に必要なコストを抑えることが可能になる。

また、整流器は、出力電圧を変化させることによって、蓄電池からの放電電流と、当該整流器からの出力電流との比率を制御してもよい。

この形態では、整流器が出力電圧を変化させることによって、蓄電池からの放電電流と、当該整流器からの出力電流との比率を制御することが可能になる。

また、整流器は、蓄電池を充電する際に、当該整流器の出力電圧を蓄電池の充電電圧に設定してもよい。

この形態では、蓄電池を充電する際に、当該整流器の出力電圧を蓄電池の充電電圧に設定することが可能になる。

また、直流電源システムは、太陽光が入力されると電力を出力すると共に、整流器の出力電圧及び蓄電池の電圧のうち高い方の電圧で発電するように動作する太陽光発電装置を更に備え、整流器は、当該整流器の出力電圧を制御することによって、太陽光発電装置の出力電圧が最大出力動作電圧になるよう制御する。

この形態では、整流器の出力電圧を制御することによって、太陽光発電装置の出力電圧が最大出力動作電圧になるよう制御することが可能になる。

また、整流器は、太陽光発電装置の出力電力が出力先における消費電力を上回った場合に、当該整流器の出力電圧を下げることによって、太陽光発電装置の出力電圧を、最大出力動作電圧より低い電圧に変化させる制御を行う。

この形態では、太陽光発電装置の出力電力が出力先における消費電力を上回った場合に、当該整流器の出力電圧を下げることによって、太陽光発電装置の出力電圧を、最大出力動作電圧より低い電圧に変化させることが可能になる。

本発明によれば、蓄電池の充放電制御に必要なコストを抑えることが可能な直流電源システムを提供することができる。

既存の通信設備における電源システムの構成を説明するための構成図である。直流電源システム１０を含むシステム全体の構成の概略を説明するための構成図である。整流器２の出力電圧の変化に対する各種電流の変化の一例を説明するためのグラフである。直流電源システム２０を含むシステム全体の構成の概略を説明するための構成図である。太陽光発電装置５の発電時の出力特性の一例を説明するためのＩ−Ｖ曲線のグラフである。直流電源システム３０を含むシステム全体の構成の概略を説明するための構成図である。コマンド入力のタイミングによる整流器２の出力電圧の変化を説明するためのチャートである。

以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明において同一又は相当要素には同一符号を付し、重複する説明は省略する。

（１）システムの全体構成
まず、本実施形態に係る直流電源システムを含むシステム全体の構成について、図２を用いて説明する。図２は、直流電源システム１０を含むシステム全体の構成の概略を説明するための構成図である。図２に示すように、直流電源システム１０は、充電が可能な蓄電池１と、蓄電池１に接続された整流器２とを備えて構成されている。直流電源システム１０は、夜間の電力需要が低い時間帯に、図２（Ａ）に示されるように、無線基地局等の通信装置４に電力を供給（実線で示す）しつつ、商用電力としての交流電源３から整流器２を介して蓄電池１に電力を貯蔵する浮動充電（フロート充電。破線で示す）が可能なシステムである。また、直流電源システム１０は、昼間の電力需要が高い時間帯に、図２（Ｂ）に示されるように、蓄電池１から通信装置４に直流電力を供給する制御が可能なシステムである。

整流器２は、出力する直流電圧を任意に変化させることが可能な整流器である。整流器２においては、例えば４１Ｖ〜５７Ｖの範囲で直流電圧が可変である。整流器２には、接続ラインＬ１を介して交流電源３が接続されている。整流器２は、交流電源３から入力される交流電力を直流電力に変換して出力する。整流器２の出力側には、接続ラインＬ２が接続されており、接続ラインＬ２を介して通信装置４に直流電力が出力される。また、接続ラインＬ２上に蓄電池１が接続ラインＬ３を介して接続されており、接続ラインＬ２及び接続ラインＬ３を介して蓄電池１に直流電力が出力される。

また、整流器２は、出力電圧を任意に変化させることによって、蓄電池１の充電及び放電の切り替えを制御することが可能である。図２（Ａ）に示されるように、蓄電池１の浮動充電中の電圧が５３Ｖ程度であるとすると、整流器２の出力電圧は、通常、５３Ｖ（又はそれより大きい電圧）に設定される。すなわち、整流器２は、蓄電池１を充電する際に、整流器２の出力電圧を蓄電池１の充電電圧に設定することが可能である。ここで、ピークシフト等の実施が必要な時間帯のために商用電力の使用の抑制が望まれる場合には、図２（Ｂ）に示されるように、整流器２の出力電圧が、蓄電池１の電圧未満に引き下げられる。これにより、蓄電池１から通信装置４への放電が行われるようになり、商用電力の使用が抑制される。

更に、整流器２は、出力電圧を任意に変化させることによって、蓄電池１からの放電電流と、整流器２からの出力電流との比率である電流比率を制御することが可能である。整流器２の出力電圧の変化と電流比率との関係についての詳細は、後述する。

（２）整流器電圧の変化に対する各種電流の変化
引き続き、整流器２の出力電圧の変化に対する各種電流の変化について、図３を用いて説明する。図３は、整流器２の出力電圧の変化に対する各種電流の変化の一例を説明するためのグラフである。図３のグラフは、横軸は整流器２の出力電圧であり、縦軸は整流器２の出力電流（黒い菱形）、蓄電池１からの放電電流（黒い矩形）、又は負荷としての通信装置４における消費電流（黒い三角形）である。ここでは、負荷としての通信装置４における消費電力は、３０００Ｗで一定であるとする。また、蓄電池１は、容量が６５Ａｈである鉛蓄電池であるとする。

図３に示されるように、整流器２の出力電圧を４７Ｖまで下げると、商用電力としての交流電源３から整流器２を介して出力される電力は全く使用されなくなり（出力電流は０Ａ）、負荷としての通信装置４における消費電力は全て蓄電池１からの放電により供給されるようになる（負荷消費電流と放電電流の一致）。

また、整流器２の出力電圧が４８Ｖ〜５０Ｖの範囲では、整流器２からの出力電流及び蓄電池１からの放電電流の両方により、負荷としての通信装置４に電力が供給される。この範囲では、負荷消費電流から放電電流を減算する演算処理によって得られる電流が、整流器２からの出力電流である。すなわち、この範囲では、蓄電池１からの放電電流が減少した分だけ、整流器２からの出力電流が増加する。

また、整流器２の出力電圧が５０Ｖを超えると、負荷としての通信装置４における消費電力は全て整流器２から供給されつつ、蓄電池１への充電も行われるようになる（放電電流がゼロ未満）。整流器２の出力電圧が５０Ｖを超えると、整流器２からの出力電流から負荷消費電流を減算する演算処理によって得られる電流が、蓄電池１への入力電流である。すなわち、整流器２の出力電圧が５０Ｖを超えると、整流器２からの出力電流が増加した分だけ、蓄電池１への入力電流が増加する。

このように、整流器２の出力電圧を可変として任意に変化させて各種電流を制御することにより、整流器２に接続される最適な電源を選択することが可能になり、また、前述の電流比率等を任意に細かく設定することが可能になる。

（３）第一の変形例
引き続き、本実施形態の第一変形例に係る直流電源システムを含むシステム全体の構成について、図４を用いて説明する。図４は、第一変形例に係る直流電源システム２０を含むシステム全体の構成の概略を説明するための構成図である。図４に示すように、直流電源システム２０は、図２に示される直流電源システム１０において接続ラインＬ２上に太陽光発電装置５が接続ラインＬ４を介して追加で接続された構成となっている。

太陽光発電装置５は、太陽光が入力されると電力を出力する装置である。太陽光発電装置５は、整流器２の出力電圧及び蓄電池１の電圧のうち高い方の電圧で発電するよう動作し、発電した電力を、負荷としての通信装置４に出力して供給（実線で示す）する。

直流電源システム２０は、夜間の電力需要が低い時間帯に、交流電源３から整流器２を介して通信装置４に電力を供給（実線で示す）し、整流器２の出力電圧によっては、交流電源３から整流器２を介して蓄電池１に電力を貯蔵する浮動充電（フロート充電。破線で示す）を行う。

ここで、太陽光発電装置５の発電時の出力特性について、図５を用いて説明する。図５は、太陽光発電装置５の発電時の出力特性の一例を説明するためのＩ−Ｖ曲線のグラフである。このＩ−Ｖ曲線のグラフは、横軸を出力電圧とし、縦軸を出力電流としている。このＩ−Ｖ曲線のグラフは、太陽光発電装置５に入力される日射量が１０００Ｗ／ｍ^２、８００Ｗ／ｍ^２、４００Ｗ／ｍ^２、２００Ｗ／ｍ^２である場合のそれぞれについて示している。太陽光発電装置５の最適動作電圧（最大出力動作電圧）は、太陽光発電装置５に入力される日射量に応じて決定される。太陽光発電装置５の最適動作電圧とは、太陽光発電装置５の出力電流と出力電圧の積（電力）が最大となる状態である最適動作点における出力電圧のことである。太陽光発電装置５を最大限に発電させるためには、この最適動作電圧で太陽光発電装置５を動作させる必要がある。

例えば、日射量が多く（１０００Ｗ／ｍ^２）、太陽光発電装置５の最適動作電圧が５５Ｖ程度の場合は、整流器２は、整流器２の出力電圧が５５Ｖになるよう制御を行うことにより、太陽光発電装置５の出力電圧が最適動作電圧になるよう制御して最大限に発電させる。また、日射量が低く（２００Ｗ／ｍ^２）、太陽光発電装置５の最適動作電圧が５３Ｖ程度の場合は、整流器２は、整流器２の出力電圧が５３Ｖになるよう制御を行うことにより、太陽光発電装置５の出力電圧が最適動作電圧になるよう制御して最大限に発電させる。

（４）第二の変形例
引き続き、本実施形態の第二変形例に係る直流電源システムを含むシステム全体の構成について、図６を用いて説明する。図６は、第二変形例に係る直流電源システム３０を含むシステム全体の構成の概略を説明するための構成図である。図６に示すように、直流電源システム３０は、図４に示される直流電源システム２０において接続ラインＬ４上に電流センサ６追加で接続された構成となっている。

電流センサ６は、太陽光発電装置５からの出力電流をセンシング（検知及び測定）するセンサである。電流センサ６は、センシングによって得られた出力電流の情報を整流器２に出力する。整流器２は、太陽光発電装置５の発電電力が最大になるように、すなわち、太陽光発電装置５の出力電流と整流器２の出力電圧の積（電力）が最大になるように、センシングによって得られた出力電流の情報に基づいて、整流器２の出力電圧を制御する。

太陽光発電装置５は、整流器２の出力電圧及び蓄電池１の電圧のうち高い方の電圧で発電するよう動作し、発電した電力を、負荷としての通信装置４に出力して供給（実線で示す）する。

直流電源システム３０は、夜間の電力需要が低い時間帯に、交流電源３から整流器２を介して通信装置４に電力を供給（実線で示す）し、整流器２の出力電圧によっては、交流電源３から整流器２を介して蓄電池１に電力を貯蔵する浮動充電（フロート充電。破線で示す）を行う。

ここで、太陽光発電装置５の出力電力が、負荷としての通信装置４（太陽光発電装置５の発電電力の出力先）における消費電力を上回った場合、太陽光発電装置５の動作電圧が上がって、負荷としての通信装置４に印加される電圧も上がってしまう可能性がある。ここで、整流器２は、整流器２の出力電圧を下げることによって、太陽光発電装置５の出力電圧を、最適動作電圧より低い電圧に変化させる制御を行う。このように、太陽光発電装置５の出力電圧が最適動作電圧より低い電圧になることにより、太陽光発電装置５の発電電力が抑制される。

なお、整流器２は、商用電力をどの程度使用するかを指示するコマンドを、受信することができる。コマンドは、例えば直流電源システム３０の外部から整流器２に送信して入力することが可能である。例えば、太陽光発電装置５の最適動作電圧を出力電圧に設定して動作している整流器２に対して、図７に示されるように、使用する商用電力が１００Ｗ未満となるよう指示するコマンドＣ１が入力されたとする。図７は、コマンド入力のタイミングによる整流器２の出力電圧の変化を説明するためのチャートである。コマンドＣ１が入力されると、交流電源３から供給される商用電力が１００Ｗ未満になるように、且つ、通信装置４に供給すべき電力のうち交流電源３からの供給電力では不足する分の電力が蓄電池１から放電によって供給されるように、整流器２は、整流器２の出力電圧を例えば４７.５Ｖに設定して動作する。

次に、この整流器２に対して、図７に示されるように、使用する商用電力が０Ｗ未満となるよう指示するコマンドＣ２が入力されたとする。コマンドＣ２が入力されると、交流電源３から供給される商用電力が無くなるように、且つ、通信装置４に供給すべき電力の全てが蓄電池１から放電によって供給されるように、整流器２は、整流器２の出力電圧を例えば４６Ｖに設定して動作する。

次に、この整流器２に対して、図７に示されるように、使用する商用電力が５００Ｗ未満となるよう指示するコマンドＣ３が入力されたとする。コマンドＣ３が入力されると、交流電源３から供給される商用電力が５００Ｗ未満になるように、且つ、通信装置４に供給すべき電力のうち交流電源３からの供給電力では不足する分の電力が蓄電池１から放電によって供給されるように、整流器２は、整流器２の出力電圧を例えば５１Ｖに設定して動作する。

最後に、この整流器２に対して、図７に示されるように、使用する商用電力を指定しないコマンドＣ４が入力されたとする。コマンドＣ４が入力されると、太陽光発電装置５の出力電圧が最適動作電圧になるように、整流器２は、整流器２の出力電圧を調整及び設定して動作する。

（５）本実施形態による作用及び効果
引き続き、本実施形態に係る直流電源システム１０,２０,３０による作用及び効果について説明する。直流電源システム１０,２０,３０によれば、整流器２が出力電圧を変化させることによって、蓄電池１の充放電を制御することが可能になる。このため、直流電源システム１０,２０,３０では、充電制御装置及び放電制御装置というハードウェアを追加で備えることも開発する必要もなく、蓄電池１の充放電を制御することができる。これにより、蓄電池１の充放電制御に必要なコストを抑えることが可能になる。

また、直流電源システム１０,２０,３０によれば、図３に示されるように、整流器２が出力電圧を変化させることによって、蓄電池１からの放電電流と、整流器２からの出力電流との電流比率を制御することが可能になる。

また、直流電源システム１０,２０,３０によれば、蓄電池１を充電する際に、整流器２の出力電圧を蓄電池１の充電電圧に設定することが可能になる。

また、直流電源システム２０,３０によれば、整流器２の出力電圧を制御することによって、太陽光発電装置５の出力電圧が最適動作電圧になるよう制御することが可能になる。

また、直流電源システム２０,３０によれば、太陽光発電装置５の出力電力が通信装置４における消費電力を上回った場合に、整流器２の出力電圧を下げることによって、太陽光発電装置５の出力電圧を、最適動作電圧より低い電圧に変化させることが可能になる。この結果、太陽光発電装置５の発電電力を抑えることが可能になる。

（６）変形例
以上、本発明をその実施形態に基づいて詳細に説明した。しかし、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。本発明は、その要旨を逸脱しない範囲で様々な変形が可能である。例えば、上記実施形態では、整流器２が交流電力を直流電力に変換出力する形態について説明したが、整流器２は、出力電圧を変化させることによって蓄電池１の充放電を制御することが可能であれば、変換出力する機能を有していなくてもよい。

１,９４…蓄電池、２,９２…整流器、３,９１…交流電源、４,９３…通信装置、５…太陽光発電装置、６…電流センサ、１０,２０,３０…直流電源システム、９０…電源システム、Ｌ１〜Ｌ４…接続ライン。

Claims

充電が可能な蓄電池を備えた直流電源システムであって、
出力電圧を変化させることによって、前記蓄電池の充放電を制御する整流器と、
太陽光が入力されると電力を出力すると共に、前記整流器の出力電圧及び前記蓄電池の電圧のうち高い方の電圧で発電するように動作する太陽光発電装置と、を備え、
前記整流器は、当該整流器の前記出力電圧を制御することによって、前記太陽光発電装置の出力電圧が最大出力動作電圧になるよう制御する共に、前記太陽光発電装置の出力電力が出力先における消費電力を上回った場合に、当該整流器の前記出力電圧を下げることによって、前記太陽光発電装置の出力電圧を、前記最大出力動作電圧より低い電圧に変化させる制御を行う、ことを特徴とする直流電源システム。
前記整流器は、前記出力電圧を変化させることによって、前記蓄電池からの放電電流と、当該整流器からの出力電流との比率を制御することを特徴とする請求項１に記載の直流電源システム。
前記整流器は、前記蓄電池を充電する際に、当該整流器の前記出力電圧を前記蓄電池の充電電圧に設定することを特徴とする請求項１又は２に記載の直流電源システム。