以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明を繰返さない。
[実施の形態1]
図1は、この発明の実施の形態1による蓄電装置が適用される直流システムの全体の構成を概略的に示す図である。
図1を参照して、直流システムは、電力系統50と、直流電力源である太陽光発電システム60と、電力系統50および太陽光発電システム60の間に結合される蓄電装置100とを備える。なお、本実施の形態に従う直流システムにおいては、電力系統50、太陽光発電システム60および蓄電装置100をそれぞれ1個ずつ備える場合について説明するが、これらの個数には制限がなく、1個でも複数個であってもよい。
電力系統50は、代表的には、単相3線式の商用交流電力系統である。単相3線式の商用交流電力系統は、中性線が抵抗を介して接地されており、中性線以外の2線(R相線RLおよびT相線TL)を使用してAC200Vを供給する。
太陽光発電システム60は、太陽電池62と、DC/DC変換器64とを含む。太陽電池62は、結晶型太陽電池、多結晶型太陽電池または薄膜型太陽電池などで構成される。DC/DC変換器64は、太陽電池62と蓄電装置100との間に接続され、太陽電池62から受ける直流電力を電圧変換して蓄電装置100へ供給する。DC/DC変換器64は、太陽電池62から最大の電力を取得できるような制御(いわゆる最大電力点追従制御)を行なう。
(蓄電装置の構成)
蓄電装置100は、直流バス30と、蓄電池20と、監視ユニット22と、双方向DC/AC変換器10と、接続端子40,42とを備える。
直流バス30は、直流電力を伝達するための電力線であり、電力線対である正母線PLおよび負母線NLで構成される。直流バス30には、双方向DC/AC変換器10、蓄電池20および接続端子40,42が接続されている。
接続端子40,42は、蓄電装置100の外部に設けられた直流電力源を直流バス30に電気的に接続させるための「接続部」を構成する。本実施の形態1に従う直流システムにおいては、接続端子40は、太陽光発電システム60を直流バス30に電気的に接続させる。接続端子40に太陽光発電システム60が連結されることによって、太陽電池62で発電された電力が直流バス30に供給される。
蓄電池20は、再充電可能な電力貯蔵要素であり、代表的にリチウムイオン電池やニッケル水素電池などの二次電池で構成される。蓄電池20は、複数の電池セルを直列接続して構成されており、一例として、定格電圧380Vを有している。図2は、蓄電池20の残容量−電圧曲線を示す図である。図2において、横軸は蓄電池20の残容量(SOC:State of Charge)(%)、縦軸は蓄電池20の電圧(V)を示している。なお、SOCは、満充電容量に対する現在の残容量を百分率(0〜100%)で示したものである。図2を参照して、蓄電池20は、空状態(SOCが0%)のときに340Vとなり、SOCが20%のときに360Vとなり、SOCが50%のときに380V(定格電圧)となり、SOCが80%のときに400Vとなり、満充電状態(SOCが100%)のときに420Vとなる。
本実施の形態1に従う蓄電装置100において、蓄電池20は直流バス30に「直結」されており、直流バス30との間で直流電力の授受を行なう。ここで、「直結」とは、直流バス30と蓄電池20との間に、DC/DC変換器のような電力変換器が介在していないことを意味する。したがって、直流バス30の電圧は、蓄電池20の電源電圧とほぼ等しくなる。
図2に示す特性において、蓄電池20の電圧は、20%から80%までの広いSOCの範囲で、380±20Vの変動範囲が抑えられている。このように、SOCの変化に対して電圧の変化が比較的安定しているため、蓄電池20は高い電圧安定化能力を有している。したがって、電圧を安定化できるSOCの範囲(たとえば20%〜80%)にSOCを維持させるように、蓄電池20の充放電を制御することにより、蓄電池20は直流バス30に対して安定した電圧を供給することができる。
監視ユニット22は、蓄電池20に設けられた電流センサ15、電圧センサ16および温度センサ17の出力に基づいて、蓄電池20の状態値を検出する。具体的には、電流センサ15は、蓄電池20に入出力される充放電電流(電池電流)Ibを検出し、その検出値を監視ユニット22へ出力する。電圧センサ16は、蓄電池20の充放電電圧(電池電圧)Vbを検出し、その検出値を監視ユニット22へ出力する。温度センサ17は、蓄電池20の温度(電池温度)Tbを検出し、その検出値を監視ユニット22へ出力する。
電流センサ15は、蓄電池20への充電電流Ichを、正値の電池電流Ibとして検出し、蓄電池20からの放電電流Idcを、負値の電池電流Ibとして検出する。電流センサ15は「充放電電流検出部」に対応する。
監視ユニット22は、電流センサ15からの電池電流Ibの検出値、電圧センサ16からの電池電圧Vbの検出値および温度センサ17からの電池温度Tbの検出値に基づいて、蓄電池20のSOCを推定する。たとえば、監視ユニット22は、蓄電池20の開放電圧とSOCとの関係に基づいてSOC推定値を算出する。あるいは、蓄電池20の充放電量の積算値に基づいてSOC推定値を順次演算してもよい。充放電量の積算値は、電池電流Ibおよび電池電圧Vbの積(電力)を時間的に積分することで得られる。なお、SOCを推定する方法については、その他の周知の一般的な技術を利用することができる。以下では、電池電流Ib、電池電圧Vb、電池温度Tb、およびSOC推定値を包括的に「電池データ」とも総称する。
双方向DC/AC変換器10は、直流バス30および電力系統50の間に接続される。双方向DC/AC変換器10は、直流バス30から受ける直流電力を交流電力に変換して電力系統50へ供給する。また、双方向DC/AC変換器10は、電力系統50から受ける交流電力を直流電力に変換して直流バス30へ供給する。このように、本実施の形態1に従う蓄電装置100は、電力会社等から系統電力を買う(買電)とともに、余剰電力を電力会社等に売る(売電)することが可能に構成されている。
なお、図1では、双方向DC/AC変換器10に流れる電流(以下、「自経路電流」とも称する)Iinvについて、買電時の自経路電流をIbuy、売電時の自経路電流をIsellと表記する。電流IsellおよびIbuyをどのような値にするかについては、後述するように、直流システムの利用者または電力会社等が自在に設定することができる。
ここで、本実施の形態1による蓄電装置100においては、上述したように、蓄電池20の高い電圧安定化能力を活かして直流バス30の電圧を安定させることができる。したがって、直流バス30に接続される太陽光発電システム60および双方向DC/AC変換器10においては、直流バス30の電圧変動を抑制するための制御を協調して行なう必要性がなくなる。これにより、太陽光発電システム60および双方向DC/AC変換器10は、直流バス30に対して入出力する電力を自律的に制御することができる。
具体的には、太陽光発電システム60においては、DC/DC変換器64は、直流バス30の電圧が420V(満充電状態のときの蓄電池20の電圧に相当)よりも低いときには、太陽電池62を最大電力点追従制御する。そして、直流バス30の電圧が420Vに到達すると、DC/DC変換器64は、最大電力点追従制御から直流バス30の電圧を420Vに維持するための制御に切替えて太陽電池62を制御する。
また、双方向DC/AC変換器10においては、電力会社等からの売電電力または買電電力に対する要請や蓄電池20のSOCに応じて、直流バス30および電力系統50の間で授受される電力を制御する。
(双方向DC/AC変換器の構成)
次に、図面を参照して、本発明の実施の形態1に従う「電力変換部」の一形態である双方向DC/AC変換器10の構成について説明する。
図3は、図1における双方向DC/AC変換器10の詳細な構成を示す回路図である。
図3を参照して、双方向DC/AC変換器10は、双方向インバータ200と、連系リアクトル210,220と、電流センサ230と、電圧センサ240と、制御部250とを含む。
双方向インバータ200は、売電時には、制御部250からのスイッチング制御信号S1〜S4に応じて、直流バス30から受けた直流電力を交流電力に変換して電力系統50に出力する。また、双方向インバータ200は、買電時には、制御部250からのスイッチング制御信号S1〜S4に応じて、電力系統50から受けた交流電力を直流電力に変換して直流バス30に出力する。
具体的には、双方向インバータ200は、スイッチング素子であるトランジスタQ1〜Q4と、ダイオードD1〜D4とを含む。トランジスタQ1,Q2は、直流バス30を構成する正母線PLおよび負母線NLの間に直列に接続される。トランジスタQ1とトランジスタQ2との中間点はR相線RLに接続される。連系リアクトル210は、R相線RLに介挿接続される。
トランジスタQ3,Q4は、正母線PLおよび負母線NLの間に直列に接続される。トランジスタQ3とトランジスタQ4との中間点はT相線TLに接続される。連系リアクトル220は、T相線TLに介挿接続される。各トランジスタQ1〜Q4のコレクタ−エミッタ間には、エミッタ側からコレクタ側へ電流を流すダイオードD1〜D4がそれぞれ接続されている。トランジスタQ1〜Q4およびダイオードD1〜D4は、フルブリッジ回路を構成する。
なお、トランジスタQ1〜Q4として、例えば、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)を用いることができる。または、パワーMOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor)等の電力スイッチング素子を用いてもよい。
電流センサ230は、T相線TLに介挿され、双方向インバータ200および電力系統50の間で授受される電力の電流値(自経路電流)Iinvを検出し、その検出結果を制御部250へ出力する。電流センサ230は「自経路電流検出部」に対応する。
電圧センサ240は、正母線PLと負母線SLとの間に接続され、直流バス30および双方向インバータ200の間で授受される直流電力の電圧値Vdcを検出し、その検出結果を制御部250へ出力する。なお、上記のように、蓄電池20は直流バス30に「直結」されていることから、直流バス30の電圧Vdcは電池電圧Vbに等しい。現実には、電圧値Vdcおよび電池電圧Vbとの間には、配線インピーダンスによって若干の電圧差が生じるが、本実施の形態では無視できるほど小さいものとする。
制御部250は、電流センサ230から受けた自経路電流Iinvと、電圧センサ240から受けた電圧Vdcと、電流センサ15から受けた電池電流Ibと、監視ユニット22からの電池データ(電池電圧Vb、電池温度Tbおよび電池残量SOC)とに基づいて、後述する制御構造に従って、トランジスタQ1〜Q4のオン・オフを制御するためのスイッチング制御信号S1〜S4を生成し、双方向インバータ200を制御する。
具体的には、制御部250は、双方向インバータ200における制御目標値を設定する。この制御目標値には、自経路電流Iinvの電流目標値Inv*と、電池電流Ibの電流目標値Ib*とが含まれる。以下の説明では、自経路電流Iinvの電流目標値Iinv*を「自経路電流目標値」とも記し、電池電流Ibの電流目標値Ib*を「電池電流目標値」とも表記する。
制御目標値(自経路電流目標値Iinv*および電池電流目標値Ib*)は、たとえば日時や蓄電池20のSOCに応じて異なる値となるように事前に決定し、図示しないメモリに格納しておくことができる。図4は、双方向DC/AC変換器10が用いる目標値設定表の一例を示す図である。同図では、電池電流は、上記のように、蓄電池20の充電方向を正方向とし、蓄電池20の放電方向を負方向として表記されている。また、自経路電流Iinvは、売電方向を正方向とし、買電方向を負方向として表記されている。電池電流目標値Ib*は、充電電流Ichの電流目標値Ich*と、放電電流Idcの電流目標値Idc*とを含む。自経路電流目標値Iinv*は、売電時の自経路電流Isellの電流目標値Isell*と、買電時の自経路電流Ibuyの電流目標値Ibuy*とを含む。
制御部250は、図4に示す目標値設定表に従って、日時および蓄電池20のSOCに応じて、自経路電流目標値Iinv*または電池電流目標値Ib*を設定する。あるいは、制御部250と直流システムの外部との間で通信を行なうことによって、図4の目標値設定表に従って設定された制御目標値を取得するようにしてもよい。
図4を参照して、たとえば7時〜17時の時間帯であって、蓄電池20のSOCが20%以上80%未満の場合には、太陽光発電システム60が発電した電力を積極的に売電するように、自経路電流目標値Iinv*を10Aに設定する。すなわち、売電時の自経路電流目標値Isell*を10Aに設定する。この場合、制御部250は、自経路電流Iinvが自経路電流目標値Iinv*となるようにスイッチング制御信号S1〜S4を生成して双方向インバータ200を制御する。
一方、7時〜17時の時間帯であって、蓄電池20のSOCが20%未満の場合には、太陽光発電システム60で発電した電力で蓄電池20が充電されるように、電池電流目標値Ib*を8Aに設定する。すなわち、蓄電池20の充電電流Ichの電流目標値Ich*を8Aに設定する。この場合、制御部250は、電池電流Ibが電池電流目標値Ib*となるようにスイッチング制御信号S1〜S4を生成して双方向インバータ200を制御する。
なお、制御部250は、スイッチング制御信号S1〜S4の生成において、電力系統50および双方向インバータ200の間で授受される交流電力(交流電圧、交流電流(自経路電流)Iinv)に対して、力率改善(Power Factor Correction)制御を実行する。具体的には、制御部250は、交流電圧の位相に交流電流の位相を合わせるように、交流電流の波形を補正することによって力率を改善する。
以下の説明では、それぞれの電流制御を区別するために、自経路電流目標値Iinv*に基づいた電流制御を「自経路電流制御」とも記し、電池電流目標値Ib*に基づいた電流制御を「電池電流制御」とも表記する。
(1)自経路電流制御
自経路電流制御によって電力系統50との間で授受される電力を制御しているときには、太陽光発電システム60から直流バス30に供給される電力の変動を受けて、蓄電池20に充放電される電力が変動する。そのため、自経路電流制御の実行中に、電池電流Ibが蓄電池20に流すことのできる電流範囲を外れてしまう可能性がある。このような電流超過による蓄電池20の性能劣化を抑制するためには、自経路電流制御の実行中において電池電流Ibを電流範囲内に収める必要がある。
したがって、制御部250は、自経路電流制御の実行中において、電池電流Ibが所定の電流範囲から外れた場合には、電池電流Ibが当該電流範囲に収まるように、自経路電流目標値Iinv*を調整する。
図5は、本実施の形態1による蓄電装置における自経路電流制御を実現するための制御処理手順を示したフローチャートである。図5に示すフローチャートによる制御処理は、一定の制御周期毎に制御部250によって実行される。また、図5に示した各ステップは、制御部250によるソフトウェア処理および/またはハードウェア処理によって実現されるものとする。
図5を参照して、制御部250は、ステップS01により、自経路電流Iinvの電流目標値Iinv**を設定する。具体的には、制御部250は、図示しないメモリに格納された目標値設定表(図4)を参照することにより、日時および蓄電池20のSOCに応じて自経路電流目標値Iinv*を設定する。制御部250は、目標値設定表に従って定められた自経路電流目標値Iinv*を、自経路電流目標値Iinv**の初期値とする。すなわち、初期値Iinv*は、日時および蓄電池20のSOCに応じて変化する可変値となる。
次に、制御部250は、自経路電流Iinvが自経路電流目標値Iinv**となるようにスイッチング制御信号S1〜S4を生成して、双方向インバータ200を制御する(電流制御)。具体的には、制御部250は、ステップS02により、電流センサ230により検出される自経路電流Iinvと自経路電流目標値Iinv**とを比較する。自経路電流Iinvが自経路電流目標値Iinv**より小さい場合(ステップS02のYES判定時)には、制御部250は、ステップS02により、自経路電流Iinvと自経路電流目標値Iinv**との電流偏差に基づいたスイッチング制御信号S1〜S4を生成する。このような制御を行なうことにより、自経路電流Iinvは正方向(売電方向)に変化する(すなわち、自経路電流Iinvが増加)。
一方、自経路電流Iinvが自経路電流目標値Iinv**以上となる場合(ステップS02のNO判定時)には、制御部250は、ステップS04により、自経路電流Iinvと自経路電流目標値Iinv**との電流偏差に基づいたスイッチング制御信号S1〜S4を生成する。このような制御を行なうことにより、自経路電流Iinvは負方向(買電方向)に変化する(すなわち、自経路電流Iinvが減少)。
制御部250は、上記ステップS02〜S04に示した電流制御の実行中に、電流センサ15から電池電流Ibを取得する。そして、制御部250は、電池電流Ibが所定の電流範囲内に収まっているか否かを判定する。具体的には、ステップS05では、制御部250は、電池電流Ibが電流範囲の下限値Ibmin以上であるか否かを判定する。電池電流Ibが下限値Ibminより小さい場合(ステップS05のNO判定時)は、制御部250は、ステップS06により、自経路電流目標値Iinv**を所定量ΔI1だけ減少させる。
すなわち、蓄電池20の放電電流Idcが電流範囲から外れる場合(ステップS05のNO判定時)には、制御部250は、自経路電流目標値Iinv**を減少させるように自経路電流目標値Iinv**を調整する。双方向DC/AC変換器10においては、調整後の自経路電流目標値Iinv**に従って電力変換動作が実行されることにより、売電時における自経路電流Isellが減少する一方で、買電時における自経路電流Ibuyが増加する。このように売電時および買電時の各々において蓄電池20から直流バス30に供給される電力が減少するように、自経路電流目標値Iinv**を調整することにより、蓄電池20の放電電流Idcが電流範囲内に収まる。
これに対して、電池電流Ibが電流範囲の下限値Ibmin以上である場合(ステップS05のYES判定時)には、制御部250は、さらにステップS07により、電池電流Ibが電流範囲の上限値Ibmax以下であるか否かを判定する。電池電流Ibが上限値Ibmaxより大きい場合(ステップS07のNO判定時)には、制御部250は、ステップS08により、自経路電流目標値Iinv**を所定量ΔI1だけ減少させる。
すなわち、蓄電池20の充電電流Ichが電流範囲から外れる場合(ステップS07のNO判定時)には、制御部250は、自経路電流目標値Iinv**を増加させるように自経路電流目標値Iinv**を調整する。双方向DC/AC変換器10においては、調整後の自経路電流目標値Iinv**に従って電力変換動作が実行されることにより、売電時における自経路電流Isellが増加する一方で、買電時における自経路電流Ibuyが減少する。このように売電時および買電時の各々において蓄電池20から直流バス30に供給される電力が増加するように、自経路電流目標値Iinv**を調整することにより、蓄電池20の充電電流Ichが電流範囲内に収まる。
このように、電池電流Ibが蓄電池20の電流範囲から外れる場合には、電池電流Ibが当該電流範囲内に収まるように、自経路電流目標値Iinv**を所定量ΔI1だけ増加または減少させる。この所定量ΔI1は、双方向AC/DC変換器10における電流制御の制御速度などを考慮して定められる。
一方、ステップS07において、電池電流Ibが上限値Ibmax以下である場合(ステップS07のYES判定時)、すなわち、電池電流Ibが電流範囲内に収まっている場合には、制御部250は、ステップS09〜S12により、自経路電流目標値Iinv**を初期値Iinv*に戻すための復帰処理を実行する。
具体的には、制御部250は、ステップS09により、自経路電流目標値Iinv**が初期値Iinv*より大きいか否かを判定する。自経路電流目標値Iinv**が初期値Iinv*より大きい場合(ステップS09のYES判定時)には、制御部250は、ステップS10により、自経路電流目標値Iinv**を所定量ΔI2だけ減少させる。
一方、自経路電流目標値Iinv**が初期値Iinv*以下となる場合(ステップS09のNO判定時)には、制御部250はさらにステップS11により、自経路電流目標値Iinv**が初期値Iinv*より小さいか否かを判定する。自経路電流目標値Iinv**が初期値Iinv*より小さい場合(ステップS11のYES判定時)には、制御部250は、ステップS12により、自経路電流目標値Iinv**を所定量ΔI2だけ増加させる。この所定量ΔI2は、双方向AC/DC変換器10における電流制御の制御速度などを考慮して定められる。一方、自経路電流目標値Iinv**が初期値Iinv*と等しい場合(ステップS11のNO判定時)には、上述した自経路電流目標値Iinv**の復帰処理を行なわない。
以上説明したように、制御部250は、自経路電流制御の実行中は、電池電流Ibが蓄電池20の電流範囲内に収まるように自経路電流目標値Iinv**を調整する。これにより、蓄電装置100は、蓄電池20の電流制限を遵守しつつ、電力系統50との間で電力を授受することができる。
(2)電池電流制御
一方、電池電流制御によって蓄電池20に充放電される電力を電力系統50との間で授受される電力を制御しているときには、太陽光発電システム60から直流バス30に供給される電力の変動を受けて、双方向DC/AC変換器10に入出力される電力が変動する。そのため、電池電流制御の実行中に、自経路電流Iinvが双方向DC/AC変換器10に流すことのできる電流範囲を外れてしまう可能性がある。なお、この電流範囲は、例えば双方向DC/AC変換器10の定格出力に基づいて定められる。
制御部250は、電池電流制御の実行中において、自経路電流Iinvが所定の電流範囲から外れた場合には、自経路電流Iinvが当該電流範囲に収まるように、電池電流目標値Ib*を調整する。
図6は、本実施の形態1による蓄電装置における電池電流制御を実現するための制御処理手順を示したフローチャートである。図6に示すフローチャートによる制御処理は、一定の制御周期毎に制御部250によって実行される。また、図6に示した各ステップは、制御部250によるソフトウェア処理および/またはハードウェア処理によって実現されるものとする。
図6を参照して、制御部250は、ステップS21により、電池電流Ibの電流目標値Ib**を設定する。具体的には、制御部250は、図示しないメモリに格納された目標値設定表(図4)を参照することにより、日時および蓄電池20のSOCに応じて電池電流目標値Ib*を設定する。制御部250は、目標値設定表に従って定められた電池電流目標値Iib*を、電池電流目標値Ib**の初期値とする。すなわち、初期値Ib*は、日時および蓄電池20のSOCに応じて変化する可変値となる。
次に、制御部250は、電池電流Ibが電池電流目標値Ib**となるようにスイッチング制御信号S1〜S4を生成して、双方向インバータ200を制御する(電流制御)。具体的には、制御部250は、ステップS22により、電流センサ15により検出される電池電流Ibと電池電流目標値Ib**とを比較する。電池電流Ibが電池電流目標値Ib**より小さい場合(ステップS22のYES判定時)には、制御部250は、ステップS23により、電池電流Ibと電池電流目標値Ib**との電流偏差に基づいたスイッチング制御信号S1〜S4を生成する。このような制御を行なうことにより、電池電流Iibは正方向(充電方向)に変化する(すなわち、電池電流Ibが増加)。
一方、電池路電流Ibが電池電流目標値Ib**以上となる場合(ステップ22のNO判定時)には、制御部250は、ステップS24により、電池電流Ibと電池電流目標値Ib**との電流偏差に基づいたスイッチング制御信号S1〜S4を生成する。このような制御を行なうことにより、電池電流Ibは負方向(放電方向)に変化する(すなわち、電池電流Ibが減少)。
制御部250は、上記ステップS22〜S24に示した電流制御の実行中に、電流センサ230から自経路電流Iinvを取得する。そして、制御部250は、自経路電流Iinvが所定の電流範囲内に収まっているか否かを判定する。具体的には、ステップS25では、制御部250は、自経路電流Iinvが電流範囲の下限値Iinvmin以上であるか否かを判定する。自経路電流Iinvが下限値Iinvminより小さい場合(ステップS25のNO判定時)は、制御部250は、ステップS26により、電池電流目標値Ib**を所定量ΔI3だけ減少させる。
すなわち、買電時の自経路電流Ibuyが電流範囲から外れる場合(ステップS25のNO判定時)には、制御部250は、電池電流目標値Ib**を減少させるように電池電流目標値Ib**を調整する。そして、調整後の電池電流目標値Ib**に従って電力変換動作が実行されることにより、蓄電池20においては、充電時における電池電流(充電電流)Ichが減少する一方で、放電時における電池電流(放電電流)Idcが増加する。このように充電時には直流バス30から蓄電池20に供給される電力が減少する一方で、放電時には蓄電池20から直流バス30に供給される電力が増加するように、電池電流目標値Ib**を調整することにより、買電時における自経路電流Iinvが電流範囲内に収まる。
これに対して、自経路電流Iinvが電流範囲の下限値Iinvmin以上である場合(ステップS25のYES判定時)には、制御部250は、さらにステップS27により、自経路電流Iinvが電流範囲の上限値Iinvmax以下であるか否かを判定する。自経路電流Iinvが上限値Iinvmaxより大きい場合(ステップS27のNO判定時)には、制御部250は、ステップS28により、電池電流目標値Ib**を所定量ΔI3だけ減少させる。
すなわち、売電時の自経路電流Isellが電流範囲から外れる場合(ステップS27のNO判定時)には、制御部250は、電池電流目標値Ib**を増加させるように電池電流目標値Ib**を調整する。調整後の電池電流目標値Ib**に従って電力変換動作が実行されることにより、蓄電池20においては、充電時における電池電流(充電電流)Ichが増加する一方で、放電時における電池電流(放電電流)Idcが減少する。このように充電時には直流バス30から蓄電池20に供給される電力が増加する一方で、放電時には蓄電池20から直流バス30に供給される電力が減少するように、電池電流目標値Ib**を調整することにより、売電時における自経路電流Iinvが電流範囲内に収まる。
このように、自経路電流Iinvが双方向DC/AC変換器10の電流範囲から外れる場合には、自経路電流Iinvが当該電流範囲内に収まるように、電池電流目標値Ib**を所定量ΔI3だけ増加または減少させる。この所定量ΔI3は、双方向AC/DC変換器10における電流制御の制御速度などを考慮して定められる。
一方、ステップS27において、自経路電流Iinvが上限値Iinvmax以下である場合(ステップS27のYES判定時)、すなわち、自経路電流Iinvが電流範囲内に収まっている場合には、制御部250は、ステップS29〜S32により、電池電流目標値Ib**を初期値Ib*に戻すための復帰処理を実行する。
具体的には、制御部250は、ステップS29により、電池電流目標値Ib**が初期値Ib*より大きいか否かを判定する。電池電流目標値Ib**が初期値Ib*より大きい場合(ステップS29のYES判定時)には、制御部250は、ステップS30により、電池電流目標値Ib**を所定量ΔI4だけ減少させる。
一方、電池電流目標値Ib**が初期値Ib*以下となる場合(ステップS29のNO判定時)には、制御部250はさらにステップS31により、電池電流目標値Ib**が初期値Ib*より小さいか否かを判定する。電池電流目標値Ib**が初期値Ib*より小さい場合(ステップS31のYES判定時)には、制御部250は、ステップS32により、電池電流目標値Ib**を所定量ΔI4だけ増加させる。この所定量ΔI4は、双方向AC/DC変換器10における電流制御の制御速度などを考慮して定められる。一方、電池電流目標値Ib**が初期値Ib*と等しい場合(ステップS31のNO判定時)には、上述した電池電流目標値Ib**の復帰処理を行なわない。
以上説明したように、制御部250は、電池電流制御の実行中は、自経路電流Iinvが双方向DC/AC変換器10の電流範囲内に収まるように電池電流目標値Ib**を調整する。これにより、蓄電装置100は、双方向DC/AC変換器10の電流制限を遵守しつつ、蓄電池20を充放電することができる。
このように、実施の形態1による蓄電装置によれば、直流バスに直結された蓄電池が直流バスの電圧を安定化させるため、直流バスに接続される複数の電力変換器においては、直流バスの電圧変動を抑制するための制御を協調して行なう必要がない。これにより、複数の電力変換器は、直流バスに対して入出力する電力を自律的に制御できる。この結果、直流バスに接続させる外部の直流電力源の増設および変更が容易となるため、直流システムの仕様の変更を容易に実現できる。
[実施の形態2]
図7は、この発明の実施の形態2による蓄電装置が適用される直流システムの全体の構成を概略的に示す図である。
図7を参照して、本実施の形態2による蓄電装置110は、図1に示す蓄電装置100において、蓄電装置の外部に設けられた蓄電池(以下、「外部蓄電池」とも称する)25を直流バス30に電気的に接続させるための接続端子44と、外部蓄電池25と直流バス30との間で授受される直流電力を伝達するための直流バス34とをさらに設けたものである。
外部蓄電池25は、蓄電池20と同様に、リチウムイオン電池やニッケル水素電池などの二次電池で構成される。外部蓄電池25は、複数の電池セルを直列接続して構成されており、蓄電池20と同じ定格電圧(380V)を有している。
本実施の形態2では、監視ユニット22は、外部蓄電池25に設けられた電流センサ、電圧センサおよび温度センサ(図示せず)の出力に基づいて、外部蓄電池25の電池データ(電池電流、電池温度およびSOC)を取得する。監視ユニット22は、一例として、外部蓄電池25との間で直流バス34を用いた電力線通信または無線による通信を行なうことにより、外部蓄電池25の電池データを取得することができる。
あるいは、直流バス34に電流センサを介挿接続することにより、当該電流センサが検出した外部蓄電池25の充放電電流を取得する構成としてもよい。この場合、監視ユニット22は、電流センサからの電池電流の検出値に基づいて外部蓄電池25のSOCを推定する。よって、監視ユニット22が取得する外部蓄電池25の電池データからは、電池電流およびSOCが省略される。
直流バス30には、蓄電池20の充放電電流Ibと外部蓄電池25の充放電電流Ibextとの合計値を検出するための電流センサ18が設けられる。電流センサ18は、充放電電流IbおよびIbextの合計値Ib♯(Ib♯=Ib+Ibext)を検出し、その検出値を双方向DC/AC変換器10へ出力する。
上述の実施の形態1による蓄電装置100では、装置内部の蓄電池20を直流バス30に直結させる構成について説明したが、この発明の実施の形態2では、外部蓄電池25をさらに直流バス30に直結させる。これにより、実質的に蓄電池の容量が増えるため、蓄電池が直流バス30に対して入出力可能な電力を増やすことができる。その結果、電力系統50および外部の直流電力源または直流負荷との間でより多くの電力を融通することが可能となるため、外部の直流電力源または直流負荷の個数を増やす、あるいは、より高電力の仕様のものを適用することができる。
図7に示す直流システムでは、蓄電装置110は、電力系統50、太陽光発電システム60および蓄電システム70の間に結合される。接続端子42に蓄電システム70が連結されることによって、直流バス30および蓄電システム70の間で電力の授受が行なわれる。蓄電システム70は、蓄電池74と、蓄電池74および直流バス30の間で双方向の電圧変換を行なうDC/DC変換器72とを含む。DC/DC変換器72における電圧変換動作は、蓄電池74の電圧と直流バス30の電圧とに応じて、図示しない制御部からのスイッチング指令に従って制御される。
図8は、本実施の形態2による直流システムにおける電力の融通を説明する図である。
図8を参照して、直流バス30には、双方向DC/AC変換器10、蓄電池20、太陽光発電システム60および蓄電システム70が接続されている。直流バス30にはさらに、直流バス34を介して外部蓄電池25が接続されている。
上記の直流システムにおいて、双方向DC/AC変換器10の最大入出力電力を示す定格電力が4kWであり、蓄電池20の最大充放電電力を示す定格充放電電力が2kWであると想定する。また、太陽光発電システム60の最大発電電力を示す定格発電電力が3kWであり、蓄電システム70の定格充放電電力が5kWであると想定する。
この場合、蓄電装置110においては、双方向DC/AC変換器10および蓄電池20から直流バス30に入力される電力の最大値は6kW(=4kW+2kW)となるため、直流バス30は6kWの電力を外部の直流電力源に供給することができる。また、直流バス30から双方向DC/AC変換器10および蓄電池20に出力される電力の最大値は6kW(=4kW+2kW)となるため、直流バス30が外部の直流電力源から6kWの電力を受け入れることができる。すなわち、直流バス30は、外部の直流電力源との間に、6kWの電力供給能力と、6kWの電力受入れ能力とを有している。
一方、外部の直流電力源(太陽光発電システム60および蓄電システム70)から直流バス30に入力される電力の最大値は8kW(=3kW+5kW)となる。また、直流バス30から外部の直流電力源に出力される電力の最大値は5kWとなる。したがって、直流電力源から直流バス30に入力される電力が最大値8kWに達すると、直流バス30の電力受入れ能力(6kW)を超えてしまうことになる。このような事態となると、定格充電電力を上回る電力が蓄電池20に充電される虞がある。
したがって、本実施の形態2では、直流バス30に外部蓄電池25をさらに接続することにより、この電力の超過分を外部蓄電池25に回収させる。図8の例では、外部蓄電池25として、定格充放電電力が2kWである蓄電池を用いることにより、直流バス30は外部の直流電力源から供給される電力(8kW)をすべて受入れ可能となる。
なお、本実施の形態2による蓄電装置110において、双方向DC/AC変換器10は、上述した自経路電流制御および電池電流制御を、電流センサ18により検出された充放電電流の合計値Ib♯に基づいて実行する。具体的には、自経路電流制御において、制御部250は、蓄電池20および外部蓄電池25の各々についての電流範囲に基づいて、充放電電流の合計値Ib♯の電流範囲を設定する。そして、制御部250は、充放電電流の合計値Ib♯が当該電流範囲内に収まるように、自経路電流目標値Iinv*を調整する。
また、電池電流制御においては、蓄電池20の電池電流目標値Ib*に代えて、蓄電池20および25全体での電池電流目標値Ib♯*が設定され、充放電電流の合計値Ib♯がこの電池電流目標値Ib♯*となるように双方向インバータ200が制御される。なお、電池電流目標値Ib♯*については、蓄電池20および外部蓄電池25のSOCに応じて設定することができる。
このように、実施の形態2による蓄電装置によれば、外部蓄電池を直流バスに対して直結可能に構成したことにより、蓄電池および外部蓄電池によって直流バスの電圧を安定化させながら、蓄電装置、電力系統および外部の直流電力源または直流負荷の間でより多くの電力を融通することが可能となる。この結果、直流システムの仕様のさらなる豊富化を実現できる。
[実施の形態3]
図9は、この発明の実施の形態3による蓄電装置が適用される直流システムの全体の構成を概略的に示す図である。
図9を参照して、本実施の形態3による蓄電装置120は、図1に示す蓄電装置100において、外部の直流電力源に関する情報を取得するための情報取得部80をさらに設けたものである。
情報取得部80は、外部の直流電力源(太陽光発電システム60および蓄電システム70)が直流バス30に対して入出力する電力に関する情報を取得する。この電力に関する情報には、例えば、直流電力源の最大入出力電力を示す定格電力が含まれる。あるいは、直流電力源から直流バス30に供給される瞬時電力を含むようにしてもよい。
情報取得部80は、外部の直流電力源との間で直流バス30を用いた電力線通信が可能に構成される。情報取得部80は、接続端子40,42に直流電力源が連結されると、直流電力源との間で通信を行なうことによって、上述した電力に関する情報を取得する。
なお、情報取得部80は、無線によって直流電力源と通信を行なうように構成されてもよい。あるいは、接続端子40,42の各々を、連結される直流電力源の種類に対応させた専用のコネクタで構成するとともに、当該コネクタに直流電力源が連結されたことを検知するためのセンサを設ける構成としてもよい。上記の構成において、情報取得部80は、当該センサから出力される検知信号からコネクタの種類を判別することにより、対応する直流電力源の電力に関する情報を取得する。
双方向DC/AC変換器10において、制御部250は、情報取得部80により取得した電力情報に基づいて、電力系統50、直流電力源および蓄電装置120の間での電力の融通が可能か否かを判定する。
具体的には、制御部250は、図7で説明したように、双方向DC/AC変換器10の直流バス30への入出力可能な電力および蓄電池20の充放電可能な電力に基づいて、直流バス30の電力供給能力および電力受入れ能力を算出する。例えば、制御部250は、双方向DC/AC変換器10の定格出力電力および蓄電池20の定格放電電力を合計した値を、直流バス30の電力供給能力として算出する。また、制御部250は、双方向DC/AC変換器10の定格入力電力および蓄電池20の定格充電電力を合計した値を、直流バス30の電力受入れ能力として算出する。
制御部250はさらに、直流バス30に対して要求される入出力電力を算出する。例えば、制御部250は、太陽光発電システム60の定格発電電力および蓄電システム70の定格放電電力を合計した値を、直流バス30に受入れを要求する電力である要求入力電力として算出する。また、制御部250は、蓄電システム70の定格充電電力を、直流バス30に供給を要求する電力である要求出力電力として算出する。
そして、制御部250は、算出した直流バス30の要求入力電力と直流バス30の電力受入れ能力とを比較するとともに、算出した直流バス30の要求出力電力と直流バス30の電力供給能力とを比較する。電力受入れ能力および電力供給能力の少なくとも一方が要求される電力を下回る場合、制御部250は、電力系統50、直流電力源および蓄電装置120の間の電力の融通が不可能であると判定する。
図10は、本実施の形態3による蓄電装置における電力の融通の可否の判定動作を説明するフローチャートである。なお、図10に示すフローチャートは、制御部250において予め格納したプログラムを実行することで実現できる。
図10を参照して、ステップS41により蓄電装置120が起動されると、ステップS42において、情報取得部80は、外部の直流電力源との間で通信を行なうことにより、当該直電力源が直流バス30に対して入出力する電力に関する情報を取得する。情報取得部80は、取得した直流電力源の電力情報を双方向DC/AC変換器10の制御部250へ送出する。
ステップS43では、制御部250は、取得した電力情報に基づいて、電力系統50、直流電力源および蓄電装置120の間での電力の融通が可能か否かを判定する。具体的には、制御部250は、上述した方法によって、直流バス30の電力供給能力および電力受入れ能力を算出する。また、制御部250は、上述した方法によって、直流バス30に対する要求入力電力および要求出力電力を算出する。制御部250は、算出した直流バス30の要求入力電力と直流バス30の電力受入れ能力とを比較するとともに、算出した直流バス30の要求出力電力と直流バス30の電力供給能力とを比較する。
要求入力電力が直流バス30の電力受入れ能力より小さく、かつ、要求出力電力が直流バス30の電力供給能力より小さい場合には、制御部250は、電力系統50、直流電力源および蓄電装置120の間での電力の融通が可能と判定する(ステップS43のYES判定)。したがって、制御部250は、ステップS44に進み、上述した電流制御を実行することによって双方向インバータ200における電力変換動作を制御する。
これに対して、直流バス30の電力受入れ能力が要求入力電力より小さい場合、または直流バス30の電力供給能力が要求出力電力より小さい場合には、制御部250は、電力系統50、直流電力源および蓄電装置120の間での電力の融通が不可能と判定する(ステップS43のNO判定)。この場合、制御部250は、ステップS45により、直流システムの利用者に対して、電力の融通が不可能である旨の警告を出力する。なお、警告は、表示を用いてもよいし、音声により行なってもよい。
なお、図10では、電力の融通が不可能である旨の警告を出力する構成について説明したが、外部の直流電力源の直流バス30に対する入出力電力に制限をかけることで、電力の融通を可能とするようにしてもよい。
図11は、本実施の形態3による蓄電装置における電力の融通の可否の判定動作の変更例を説明するフローチャートである。図11に示すフローチャートは、図10に示すフローチャートにおいて、ステップS45に代えて、ステップS46を設けたものである。
図11を参照して、制御部250は、図10と同様のステップS41〜43により、外部の直流電力源の電力情報に基づいて、電力系統50、直流電力源および蓄電装置120の間での電力の融通が可能か否かを判定する。そして、電力の融通が可能と判定された場合には、制御部250は、ステップS44により、双方向インバータ200における電力変換動作を制御する。
一方、電力の融通が不可能と判定された場合には、制御部250は、ステップS46により、外部の直流電力源の直流バス30への入出力電力を制限する。具体的には、直流バス30への要求入力電力が直流バス30の電力受入れ能力を超える場合には、制御部250は、太陽光発電システム60の定格発電電力から、電力受入れ能力に対する要求入力電力の超過分を差し引いた電力を、太陽光発電システム60の発電許容電力とする。あるいは、蓄電システム70の定格放電電力から上記の超過分を差し引いた電力を、蓄電システム70の放電許容電力とする。もしくは、太陽光発電システム60の発電電力および蓄電システム70の放電電力の両方を減少させるようにしてもよい。
一方、直流バス30の要求出力電力が直流バス30の電力供給能力を超える場合には、制御部250は、蓄電システム70の定格充電電力から、電力供給能力に対する要求出力電力の超過分を差し引いた電力を、蓄電システム70の充電許容電力とする。
このように、実施の形態3による蓄電装置によれば、蓄電装置の起動時に外部の直流電力源の電力情報を取得できるため、電力系統、直流電力源および蓄電装置の間での電力の融通の可否を判定することができる。これにより、直流システムの利用者に対して、電力の融通の可否を事前に報知することができる。あるいは、電力の融通が不可能と判定されたときには、外部の直流電力源の入出力電力に制限をかけることにより、電力の融通を実現させることができる。
[実施の形態4]
図12は、この発明の実施の形態4による蓄電装置が適用される直流システムの全体の構成を概略的に示す図である。
図12を参照して、本実施の形態4による蓄電装置130は、図9に示す蓄電装置120において、外部蓄電池25を直流バス30に電気的に接続させるための接続端子44と、外部蓄電池25と直流バス30との間で授受される直流電力を伝達するための直流バス34と、蓄電池20の充放電電流Ibと外部蓄電池25の充放電電流Ibextとの合計値Ib♯を検出するための電流センサ18とをさらに設けたものである。なお、外部蓄電池25を直流バス30に直結させるための構成は、図7と同様であるので詳細な説明は繰り返さない。また、電流センサ18の構成についても、図7と同様であるので、詳細な説明は繰り返さない。
本実施の形態4による蓄電装置130において、情報取得部80は、外部の直流電力源(太陽光発電システム60および蓄電システム70)が直流バス30に対して入出力する電力に関する情報を取得するとともに、外部蓄電池25の充放電電力に関する情報を取得可能に構成される。この充放電電力に関する情報には、外部蓄電池25の定格充放電電力が含まれる。
双方向DC/AC変換器10において、制御部250は、情報取得部80からの電力情報に基づいて、直流バス30の電力受入れ能力および電力供給能力を算出する。直流バス30の電力受入れ能力は、双方向DC/AC変換器10の定格入力電力および蓄電池20の定格充電電力の合計値に、外部蓄電池25の定格充電電力を加算することにより算出される。同様に、直流バス30の電力供給能力は、双方向DC/AC変換器10の定格出力電力および蓄電池20の定格放電電力の合計値に、外部蓄電池25の定格放電電力を加算することにより算出される。
制御部250は、直流バス30に対する要求入力電力および要求出力電力をさらに算出すると、これらの算出した結果に基づいて、上述した方法によって、電力系統50、直流電力源および蓄電装置130の間での電力の融通が可能か否かを判定する。
本実施の形態4では、外部蓄電池25が直流バス30に直結されたことによって、直流バス30の電力受入れ能力および電力供給能力がそれぞれ増加する。したがって、制御部250は、この増加した電力受入れ能力および電力供給能力の少なくとも一方が要求される電力を下回る場合、電力系統50、直流電力源および蓄電装置120の間の電力の融通が不可能であると判定する。
図13は、本実施の形態4による蓄電装置における電力の融通の可否の判定動作を説明するフローチャートである。図13に示すフローチャートは、図10に示すフローチャートにおいて、ステップS47をさらに設けたものである。
図13を参照して、制御部250は、図10と同様のステップS42により外部の直流電力源の電力情報を取得するとともに、ステップS47により外部蓄電池25の充放電電力に関する情報を取得する。そして、制御部250は、図10と同様のステップS43により、外部の直流電力源の電力情報および外部蓄電池25の充放電電力の情報に基づいて、電力系統50、直流電力源および蓄電装置120の間での電力の融通が可能か否かを判定する。そして、電力の融通が可能と判定された場合には、制御部250は、ステップS44により、双方向インバータ200における電力変換動作を制御する。
一方、電力の融通が不可能と判定された場合には、制御部250は、図10と同様のステップS45により、その旨を示す警告を直流システムの利用者に対して出力する。
なお、このステップS45の警告に代えて、図11のステップS46により、外部の直流電力源の直流バス30への入出力電力を制限することにより、電力の融通を実現させるようにしてもよい。
(直流システムの構成例)
上述の実施の形態1〜4では、直流システムの一例として、蓄電装置100〜130に、太陽光発電システム60、蓄電システム70および電力系統50が接続される構成について説明した。しかしながら、本発明の適用はこのような直流システムに限定されるものではない。具体的には、電力系統および直流電力源の間に蓄電装置が接続されていれば、本発明を適用することが可能である。したがって、例えば直流電力源として、太陽光発電システム60および蓄電システム70を例示したが、風力発電装置および燃料電池などを用いてもよい。また、直流電力源とともに直流負荷を蓄電装置に接続させるようにしてもよい。
また、上述の実施の形態1〜4では、電力変換部として、直流バス30および電力系統5の間で双方向に電力変換を行なう双方向DC/AC変換器10について説明したが、直流バス30から受ける直流電力を交流電力に変換して電力系統50へ供給するためのDC/AC変換器と、電力系統50から受ける交流電力を直流電力に変換して直流バス30へ供給するためのAC/DC変換器とを備える構成としてもよい。
今回開示された実施の形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。