JP6704838B2 - 蓄電システムに備えられた電源装置 - Google Patents

Description

本発明は、系統電圧または蓄電池の放電電圧を負荷に供給する蓄電システムにおいて、蓄電システムの制御を担う制御部に所定の電源電圧を供給する電源装置に関する。

近年、安価な深夜電力で充電しておいた蓄電池を電力需要が大きい昼間に放電させることで、電力需要の平準化と電気料金の低減とを図った蓄電システムの利用が進められている。図４に、従来の蓄電システムの一例として、特許文献１に開示された蓄電システム２０を示す。蓄電システム２０は、主に、系統Ｇからの系統電力を直流化して蓄電池Ｂを充電する機能と、蓄電池Ｂの放電電力を交流化して逆潮流しないように負荷Ｒに供給する機能とを有する双方向電力変換部１１と、双方向電力変換部１１を制御する制御部１２と、制御部１２に所定の電源電圧を供給する電源装置１３とを備えている。

電源装置１３は、ＡＣ／ＤＣコンバータ１４と、ＤＣ／ＤＣコンバータ１５と、スイッチ手段１６とを有する。系統Ｇに停電が発生していない通常時において、スイッチ手段１６は、ＡＣ／ＤＣコンバータ１４とＤＣ／ＤＣコンバータ１５とを接続する。このとき、ＤＣ／ＤＣコンバータ１５は、ＡＣ／ＤＣコンバータ１４から供給される系統電力由来の電力に基づいて制御部１２に所定の電源電圧を供給する。一方、系統Ｇに停電が発生している停電時において、スイッチ手段１６は、蓄電池ＢとＤＣ／ＤＣコンバータ１５とを接続する。このとき、ＤＣ／ＤＣコンバータ１５は、蓄電池Ｂの放電電力に基づいて制御部１２に所定の電源電圧を供給する。

この蓄電システム２０によれば、停電時においても制御部１２に電源電圧を供給し続けて双方向電力変換部１１を作動させることができる。

特開２０１２−１７５８０１号公報

しかしながら、停電が発生したことを検知してスイッチ手段１６を切り替えるにはある程度の時間を要する。このため、この蓄電システム２０では、ＡＣ／ＤＣコンバータ１４内に設けた大容量コンデンサ（不図示）によってＡＣ／ＤＣコンバータ１４の出力保持時間を長くしておかないと、スイッチ手段１６が蓄電池ＢとＤＣ／ＤＣコンバータ１５とを接続して放電電力がＤＣ／ＤＣコンバータ１５に供給され始める前にＡＣ／ＤＣコンバータ１４からの電力供給が途絶え、制御部１２に供給する電源電圧に空白期間が生じるおそれがある。

また、この蓄電システム２０は、通常時にＡＣ／ＤＣコンバータ１４とＤＣ／ＤＣコンバータ１５とが直列に接続されるので、ＡＣ／ＤＣコンバータ１４およびＤＣ／ＤＣコンバータ１５の両方で損失が発生し、電力変換効率が低下するという問題も有している。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであって、その課題とするところは、停電時においても制御部に電源電圧を途切れることなく供給し続けることができ、しかも、従来のものに比べて通常時の電力変換効率が高い電源装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明に係る電源装置は、系統電圧または蓄電池の放電電圧を負荷に供給する蓄電システムにおいて、当該蓄電システムの制御を担う制御部に所定の電源電圧を供給する電源装置であって、系統電圧の整流および平滑によって得た第１直流電圧を出力する第１電源部と、第１直流電圧よりも低い第２直流電圧を出力する第２電源部と、第１電源部および第２電源部の双方に接続され、ダイオードの整流作用によって選択された第１直流電圧および第２直流電圧のうちの大きい方をスイッチングする、スイッチング素子およびトランスの一次巻線からなるスイッチング部と、当該スイッチングによりトランスの他の巻線に誘起された電圧を直流化して所定の電源電圧を生成する少なくとも１つの電源電圧生成部とを備え、第２電源部は、系統電圧の整流および平滑により得られた第３直流電圧および放電電圧のうちの大きい方から第２直流電圧を生成する昇圧チョッパ回路からなり、（１）系統電圧が正常範囲内に収まっている場合は、第２電源部が第３直流電圧から第２直流電圧を生成するとともに、スイッチング部が第１直流電圧をスイッチングし、（２）系統電圧が正常範囲の下限を下回っている場合は、第２電源部が放電電圧から第２直流電圧を生成するとともに、スイッチング部が第２直流電圧をスイッチングすることを特徴とする。

この構成では、スイッチング部が、ダイオードの整流作用によって選択された第１直流電圧および第２直流電圧のうちの大きい方をスイッチングする。このため、この構成によれば、大容量コンデンサを設けなくても、スイッチング部のスイッチング対象が第１直流電圧から第２直流電圧に、または第２直流電圧から第１直流電圧に切り替わる際に、空白期間が生じることはない。さらに、この構成では、系統電圧が正常範囲内に収まっている通常時に、スイッチング部における１回の電力変換で系統電圧を制御部に出力すべき所定の電源電圧に変換する。このため、この構成によれば、電力変換を２回行う場合に比べて、通常時の電力変換効率を向上させることができる。

上記電源装置の昇圧チョッパ回路は、入力された電圧を検出する電圧検出部を含み、電圧検出部によって検出した電圧が予め設定された閾値を下回った場合は、昇圧チョッパ動作によって第２直流電圧を生成し、それ以外の場合は、昇圧チョッパ動作によってではなく入力された電圧を通過させることによって第２直流電圧を生成するよう構成されていることが好ましい。

この構成では、昇圧チョッパ回路に入力される電圧が予め設定された閾値を下回った場合に、昇圧チョッパ回路において昇圧チョッパ動作が行われる。逆に言うと、昇圧チョッパ回路に入力される電圧が閾値以上であれば、昇圧チョッパ動作は行われない。このため、この構成によれば、昇圧チョッパ動作による損失を低減することができる。

上記電源装置は、系統電圧が正常範囲内に収まっているときの第３直流電圧の下限よりも放電電圧の上限が小さく、かつ、閾値が放電電圧の上限および下限の間に設定されていることが好ましい。

この構成によれば、系統電圧が正常範囲内に収まっている通常時に、蓄電池の電力が消費されるのを防ぐことができる。また、この構成によれば、系統電圧の大幅な低下により昇圧チョッパ回路に入力される電圧が第３直流電圧から蓄電池の放電電圧に切り替わった後においても、蓄電池の放電が進んで当該蓄電池の放電電圧が閾値を下回るまでの間は、昇圧チョッパ動作が行われないので、昇圧チョッパ動作による損失を低減することができる。

上記電源装置は、第１直流電圧を得るための系統電圧の整流をダイオードブリッジで行うとともに、第３直流電圧を得るための系統電圧の整流を当該ダイオードブリッジを構成する一部のダイオードを利用して行うよう構成されていることが好ましい。

この構成では、第１直流電圧を得るための整流に用いられるダイオードブリッジの一部を流用して第３直流電圧を得るための整流が行われる。したがって、この構成によれば、第３直流電圧を得るための部品の数を低減することができる。

本発明によれば、停電時においても制御部に電源電圧を途切れることなく供給し続けることができ、しかも、従来のものに比べて通常時の電力変換効率が高い電源装置を提供することができる。

本発明に係る電源装置を備えた蓄電システムのブロック図である。 本発明の実施例に係る電源装置の回路図である。 本発明の変形例に係る電源装置の回路図である。 従来の電源装置を備えた蓄電システムのブロック図である。

以下、添付図面を参照して、本発明に係る電源装置の実施例について説明する。

図１に、本発明の実施例に係る電源装置１Ａを備えた蓄電システム１０を示す。蓄電システム１０は、系統Ｇからの系統電力を直流化して蓄電池Ｂを充電する機能と、蓄電池Ｂの放電電力を交流化して逆潮流しないように負荷Ｒに供給する機能とを有する双方向電力変換部１１と、双方向電力変換部１１を制御する制御部１２と、制御部１２に所定の電源電圧を供給する電源装置１Ａとを備えている。電源装置１Ａには、系統Ｇの系統電圧および蓄電池Ｂの放電電圧が入力される。また、制御部１２は、後述する第１制御部１２ａおよび第２制御部１２ｂからなる。

図２に示すように、本実施例に係る電源装置１Ａは、系統Ｇの系統電圧の直流化によって得た第１直流電圧を出力する第１電源部２と、第２直流電圧を出力する第２電源部３と、第１電源部２および第２電源部３の双方に接続され、第１直流電圧および第２直流電圧のうちの大きい方をスイッチングするスイッチング部６と、第１制御部１２ａに所定の電源電圧を供給する第１電源電圧生成部７ａと、第２制御部１２ｂに所定の電源電圧を供給する第２電源電圧生成部７ｂとを備えている。

また、電源装置１Ａは、カソード同士が接続された２つの整流ダイオードＤ１，Ｄ２と、蓄電池Ｂに接続された逆流防止ダイオードＤ３と、第２電源部３の入力に並列接続された平滑コンデンサＣ２とを備えている。整流ダイオードＤ１，Ｄ２のカソードは、逆流防止ダイオードＤ３のカソードに接続されている。

第１電源部２は、ダイオードブリッジＤＢ１および平滑コンデンサＣ１を含んでいる。第１電源部２は、これらにより系統電圧を整流および平滑して第１直流電圧を生成する。系統電圧がＡＣ２００［Ｖ］の場合、第１直流電圧は２００［Ｖ］×√２≒２８３［Ｖ］となる。ただし、系統電圧は、±２０％の範囲内で変動することがある。このため、第１直流電圧も１６０［Ｖ］×√２≒２２６［Ｖ］〜２４０［Ｖ］×√２≒３３９［Ｖ］の範囲内で変動することがある。

整流ダイオードＤ１，Ｄ２および平滑コンデンサＣ２、並びに、ダイオードブリッジＤＢ１を構成する４つのダイオードのうち低電位側の直流ラインに接続された２つのダイオードは、系統電圧を整流および平滑して第３直流電圧を生成する。すなわち、整流ダイオードＤ１，Ｄ２の２つのダイオードと、ダイオードブリッジＤＢ１を構成する４つのダイオードのうち低電位側の直流ラインに接続された２つのダイオードとの合計４つのダイオードがブリッジ整流ダイオードを構成し、当該ブリッジ整流ダイオードと平滑コンデンサＣ２とにより系統電圧が直流化され、直流化後の電圧が第３直流電圧として平滑コンデンサＣ２の両端に現れる。第１直流電圧と同様、第３直流電圧も２２６［Ｖ］〜３３９［Ｖ］の範囲内で変動することがある。

第２電源部３は、コイルＬ、整流ダイオードＤ４、第１スイッチング素子Ｑ１、平滑コンデンサＣ１およびスイッチング制御部５からなる昇圧チョッパ回路と、電圧検出部４とを含んでいる。なお、平滑コンデンサＣ１は、第１電源部２の構成要素でもある。

第３直流電圧が蓄電池Ｂの放電電圧よりも大きい場合は、平滑コンデンサＣ２の両端に現れた第３直流電圧が昇圧チョッパ回路の入力電圧となる。一方、蓄電池Ｂの放電電圧が第３直流電圧よりも大きい場合は、平滑コンデンサＣ２の両端に現れた蓄電池Ｂの放電電圧が昇圧チョッパ回路の入力電圧となる。昇圧チョッパ回路に入力される電圧は、整流ダイオードＤ１，Ｄ２、逆流防止ダイオードＤ３およびダイオードブリッジＤＢ１の整流作用によって、空白期間なしに自動的に切り替わる。

本実施例では、蓄電池Ｂの放電電圧が１４４［Ｖ］〜１９６．８［Ｖ］（満充電時）の範囲内で変動する。前述した通り、通常時の第３直流電圧の下限は２２６［Ｖ］なので、通常は、第３直流電圧が昇圧チョッパ回路に入力される。逆に言うと、停電により系統電圧、ひいては第３直流電圧が大幅に低下した場合に限って、蓄電池Ｂの放電電圧が昇圧チョッパ回路に入力される。

スイッチング制御部５が第１スイッチング素子Ｑ１を連続的にスイッチングさせると、昇圧チョッパ回路は入力された電圧を昇圧する。一方、スイッチング制御部５が第１スイッチング素子Ｑ１をスイッチングさせない場合、昇圧チョッパ回路は入力された電圧をそのまま通過させる。これらの動作により、第２電源部３は第２直流電圧を生成する。

第２電源部３の電圧検出部４は、昇圧チョッパ回路に入力された電圧と予め設定された閾値Ｖｔとの大小関係を判定し、その結果をスイッチング制御部５に伝達する。スイッチング制御部５は、昇圧チョッパ回路に入力された電圧が閾値Ｖｔ以上である場合は、第１スイッチング素子Ｑ１をスイッチングさせない（オフ状態に維持する）。この場合、第２電源部３は、入力された電圧を第２直流電圧としてそのまま出力する。ただし、コイルＬおよび整流ダイオードＤ４において電圧降下が発生するので、第２直流電圧は第３直流電圧（＝第１直流電圧）よりも僅かに低くなる。一方、スイッチング制御部５は、昇圧チョッパ回路に入力された電圧が閾値Ｖｔ未満である場合は、スイッチング素子Ｑ１をスイッチングさせて入力された電圧を閾値Ｖｔまで昇圧する。この場合、第２電源部３は、閾値Ｖｔまで昇圧した後の電圧を第２直流電圧として出力する。

本実施例では、閾値Ｖｔが１６８［Ｖ］に設定されている。すなわち、閾値Ｖｔは、蓄電池Ｂの放電電圧の下限（１４４［Ｖ］）と上限（１９６．８［Ｖ］）の間に設定されている。停電により昇圧チョッパ回路の入力電圧が第３直流電圧から蓄電池Ｂの放電電圧に切り替わっても、蓄電池Ｂの放電電圧が閾値Ｖｔを下回るまでの間は昇圧チョッパ動作が行われないので、その間の昇圧チョッパ動作による損失が発生することはない。

平滑コンデンサＣ１の両端には、整流ダイオードＤ４およびダイオードブリッジＤＢ１の整流作用によって選択された、第１直流電圧および第２直流電圧のうちの大きい方が現れる。第１直流電圧が第２直流電圧よりも大きい場合、すなわち、平滑コンデンサＣ１の両端に第１直流電圧が現れる場合、第２電源部３は無負荷で動作していると言える。

スイッチング部６は、トランスＴの一次巻線Ｔ１および第２スイッチング素子Ｑ２の直列回路を含んでいる。不図示のスイッチング制御回路が第２スイッチング素子Ｑ２を連続的にスイッチングさせると、平滑コンデンサＣ１の両端に現れた第１直流電圧または第２直流電圧がスイッチングされ、トランスＴの他の巻線、すなわち、二次巻線Ｔ２およびもうひとつの一次巻線Ｔ３に交流電圧が誘起される。

第１電源電圧生成部７ａは、一次巻線Ｔ３、整流ダイオードＤ５および平滑コンデンサＣ３を含んでいる。整流ダイオードＤ５および平滑コンデンサＣ３は、第２スイッチング素子Ｑ２のスイッチングにより一次巻線Ｔ３に誘起された交流電圧を整流および平滑する。そして、これにより得られた直流電圧は、第１制御部１２ａに電源電圧として供給される。

同様に、第２電源電圧生成部７ｂは、二次巻線Ｔ２、整流ダイオードＤ６および平滑コンデンサＣ４を含んでいる。整流ダイオードＤ６および平滑コンデンサＣ４は、第２スイッチング素子Ｑ２のスイッチングにより二次巻線Ｔ２に誘起された交流電圧を整流および平滑する。そして、これにより得られた直流電圧は、第２制御部１２ｂに電源電圧として供給される。

本実施例に係る電源装置１Ａの動作について、さらに詳しく説明する。

［条件１］系統Ｇ：正常
この条件では、第３直流電圧の下限（２２６［Ｖ］）が蓄電池Ｂの放電電圧の上限（１９６．８［Ｖ］）よりも大きいので、蓄電池Ｂの放電電圧の多寡にかかわらず、第３直流電圧が第２電源部３の入力電圧となる。また、この条件では、第２電源部３の入力電圧が閾値Ｖｔ（１６８［Ｖ］）よりも大きいので、第２電源部３は第３直流電圧を第２直流電圧としてそのまま出力する（ただし、第２直流電圧は、コイルＬおよび整流ダイオードＤ４における電圧降下の分だけ第３直流電圧よりも僅かに小さい）。したがって、平滑コンデンサＣ１の両端には、第３直流電圧よりも僅かに大きい第１直流電圧が現れる。そして、第２電源部３は無負荷で動作する。

［条件２］系統Ｇ：停電、１６８［Ｖ］≦蓄電池Ｂの放電電圧≦１９６．８［Ｖ］
この条件では、第３直流電圧がゼロなので、蓄電池Ｂの放電電圧が第２電源部３の入力電圧となる。また、この条件では、第２電源部３の入力電圧が閾値Ｖｔ（１６８［Ｖ］）以上なので、第２電源部３は蓄電池Ｂの放電電圧を第２直流電圧としてそのまま出力する（ただし、コイルＬおよび整流ダイオードＤ４において電圧降下が生じる）。さらに、この条件では、第１直流電圧もゼロである。したがって、平滑コンデンサＣ１の両端には第２直流電圧が現れる。その結果、第２電源部３は有負荷で動作し、蓄電池Ｂの放電電圧は低下していく。

［条件３］系統Ｇ：停電、１４４［Ｖ］≦蓄電池Ｂの放電電圧＜１６８［Ｖ］
この条件では、第３直流電圧がゼロなので、蓄電池Ｂの放電電圧が第２電源部３の入力電圧となる。また、この条件では、第２電源部３の入力電圧が閾値Ｖｔ（１６８［Ｖ］）よりも小さいので、第２電源部３は昇圧チョッパ動作によって蓄電池Ｂの放電電圧を閾値Ｖｔまで昇圧し、昇圧後の電圧を第２直流電圧として出力する。さらに、この条件では、第１直流電圧もゼロである。したがって、平滑コンデンサＣ１の両端には第２直流電圧が現れる。その結果、第２電源部３は有負荷で動作し、蓄電池Ｂの放電電圧は低下していく。

条件１が成立しているとき（通常時）に停電が発生すると、蓄電池Ｂの放電電圧の多寡に応じて条件２または条件３が成立する。また、条件２が成立した状態が長く続くと、蓄電池Ｂの放電電圧が閾値Ｖｔを下回り、条件３が成立する。条件２または条件３が成立しているとき（停電時）に停電が復旧すると、条件１が成立する。

なお、条件３が成立しているときに蓄電池Ｂの放電電圧を昇圧するのは、スイッチング部６に供給される電圧が小さくなると、トランスＴおよび第２スイッチング素子Ｑ２に流れる電流が増加し、それに伴ってスイッチング部６における損失が増加するからである。

このように、本発明の実施例に係る電源装置１Ａによれば、ダイオードＤ４およびダイオードブリッジＤＢ１の整流作用によって第１直流電圧および第２直流電圧のうちの大きい方が選択されるので、スイッチング部６のスイッチング対象が第１直流電圧から第２直流電圧に、または第２直流電圧から第１直流電圧に切り替わる際に、空白期間が生じることはない。また、この電源装置１Ａによれば、系統電圧が正常範囲内に収まっている通常時に、スイッチング部６における１回の電力変換で系統電圧を各制御部１２ａ、１２ｂに出力すべき所定の電源電圧に変換するので、電力変換を２回行う場合に比べて、通常時の電力変換効率を向上させることができる。

以上、本発明に係る電源装置の実施例について説明してきたが、本発明の構成はこの実施例に限定されるものではない。

例えば、実施例に係る電源装置１Ａは、２つの電源電圧生成部（第１電源電圧生成部７ａおよび第２電源電圧生成７ｂ）を備えていたが、電源電圧生成部の数は制御すべき制御部の数に応じて増減してもよい。

また、実施例に係る電源装置１Ａでは、整流ダイオードＤ１，Ｄ２とダイオードブリッジＤＢ１の一部とを利用して系統電圧を整流したが、図３に示す電源装置１Ｂのように、整流ダイオードＤ１，Ｄ２の代わりにダイオードブリッジＤＢ２を備え、ダイオードブリッジＤＢ２のみで系統電圧を整流してもよい。ただし、この場合は部品点数が増大する。

また、実施例に係る電源装置１Ａにおける蓄電池Ｂの放電電圧の上下限および閾値Ｖｔは単なる一例であり、変更することができる。ただし、放電電圧の上限は、通常時の第３直流電圧の下限（２２６［Ｖ］）よりも小さく、かつ、閾値Ｖｔは、蓄電池Ｂの放電電圧の上限と下限の間にあることが好ましい。

１ 電源装置
２ 第１電源部
３ 第２電源部
４ 電圧検出部
５ スイッチング制御部
６ スイッチング部
７ａ 第１電源電圧生成部
７ｂ 第２電源電圧生成部
１０ 蓄電システム
１１ 双方向電力変換部
１２ 制御部
１２ａ 第１制御部
１２ｂ 第２制御部
Ｂ 蓄電池
Ｇ 系統
Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４ 平滑コンデンサ
Ｄ１，Ｄ２，Ｄ４，Ｄ５，Ｄ６ 整流ダイオード
Ｄ３ 逆流防止ダイオード
ＤＢ１，ＤＢ２ ダイオードブリッジ
Ｌ コイル
Ｑ１ 第１スイッチング素子
Ｑ２ 第２スイッチング素子
Ｔ トランス

Claims (4)

1. 系統電圧または蓄電池の放電電圧を負荷に供給する蓄電システムにおいて、前記蓄電システムの制御を担う制御部に所定の電源電圧を供給する電源装置であって、
   前記系統電圧の整流および平滑によって得た第１直流電圧を出力する第１電源部と、
   前記第１直流電圧よりも低い第２直流電圧を出力する第２電源部と、
   前記第１電源部および前記第２電源部の双方に接続され、ダイオードの整流作用によって選択された前記第１直流電圧および前記第２直流電圧のうちの大きい方をスイッチングする、スイッチング素子およびトランスの一次巻線からなるスイッチング部と、
   前記スイッチングにより前記トランスの他の巻線に誘起された電圧を直流化して前記所定の電源電圧を生成する少なくとも１つの電源電圧生成部と、
   を備え、
   前記第２電源部は、前記系統電圧の整流および平滑により得られた第３直流電圧および前記放電電圧のうちの大きい方から前記第２直流電圧を生成する昇圧チョッパ回路からなり、
   （１）前記系統電圧が正常範囲内に収まっている場合は、前記第２電源部が前記第３直流電圧から前記第２直流電圧を生成するとともに、前記スイッチング部が前記第１直流電圧をスイッチングし、（２）前記系統電圧が前記正常範囲の下限を下回っている場合は、前記第２電源部が前記放電電圧から前記第２直流電圧を生成するとともに、前記スイッチング部が前記第２直流電圧をスイッチングする
   ことを特徴とする電源装置。
2. 前記昇圧チョッパ回路は、入力された電圧を検出する電圧検出部を含み、前記電圧検出部によって検出した電圧が予め設定された閾値を下回った場合は、昇圧チョッパ動作によって前記第２直流電圧を生成し、それ以外の場合は、前記昇圧チョッパ動作によってではなく入力された電圧を通過させることによって前記第２直流電圧を生成する
   ことを特徴とする請求項１に記載の電源装置。
3. 前記系統電圧が前記正常範囲内に収まっているときの前記第３直流電圧の下限よりも前記放電電圧の上限が小さく、かつ、前記閾値が前記放電電圧の上限および下限の間に設定されている、
   ことを特徴とする請求項２に記載の電源装置。
4. 前記第１直流電圧を得るための前記系統電圧の整流はダイオードブリッジで行われ、
   前記第３直流電圧を得るための前記系統電圧の整流は前記ダイオードブリッジを構成する一部のダイオードを利用して行われる、
   ことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一項に記載の電源装置。

Images