JP7152892B2 - 直流給電システム - Google Patents

Description

本発明は、複数の蓄電池を用いて直流電圧を外部負荷へ出力する直流給電システムに関する。

従来、停電時においても動作させるべき直流の外部負荷に電力を供給する直流給電システムとして、蓄電池を含んだものが種々検討されている。その一例として、特許文献１には、図６に示すように、交流電力系統Ｇから入力される交流電圧を直流電圧に変換して外部負荷Ｌへの給電路１０２へ出力する整流装置１０１と、蓄電池１０３と、給電路１０２と蓄電池１０３との間に設けられた双方向電力変換装置１０４とを備えた直流給電システム１００が開示されている。この直流給電システム１００は、停電により整流装置１０１が直流電圧を正常に出力することができなくなると、双方向電力変換装置１０４が蓄電池１０３の電圧を昇圧して給電路１０２へ出力し、これにより、外部負荷Ｌへの電力の供給が継続される。

特開２０１２－１２０４１４号公報

しかしながら、上記従来の直流給電システム１００は、蓄電池１０３および双方向電力変換装置１０４の少なくとも一方に何らかの異常が発生すると、停電時に外部負荷Ｌへ電力を供給することができなくなるという問題があった。

なお、特許文献１には、複数の双方向電力変換装置（蓄電池）を備えた構成も開示されている。しかしながら、この構成では、複数の外部負荷と複数の双方向電力変換装置（蓄電池）とが１対１に接続されているので、いずれかの双方向電力変換装置（蓄電池）に異常が発生すると、それに対応する外部負荷への電力の供給はやはり途絶えてしまう。

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、停電時に外部負荷への電力の供給をより確実に継続することができる直流給電システムを提供することにある。

上記課題を解決するために鋭意検討した結果、本発明者は、複数の双方向電力変換装置（および蓄電池）を外部負荷に対して並列的に接続すれば、外部負荷への電力の供給が途切れる可能性が大幅に低減されることを見出し、本発明を完成させるに至った。

すなわち、本発明に係る直流給電システムは、直流電圧Ｖ_Ｒを外部負荷へ給電路を介して出力する直流電圧出力装置と、複数の蓄電池と、蓄電池のそれぞれと給電路との間に各１つ設けられた双方向電力変換装置とを備え、双方向電力変換装置は、給電路から入力される直流電圧Ｖ_Ｒを降圧して蓄電池へ供給する充電モードと、蓄電池の電圧を昇圧して給電路へ出力するバックアップモードとで動作する電力変換回路と、電力変換回路の動作を制御する制御回路とを有し、制御回路は、電力変換回路をバックアップモードで動作させるとき、電力変換回路から出力される電圧の目標値Ｖ_Ｔを予め定められた電圧Ｖ_０から該電力変換回路の出力電流Ｉ_０と仮想抵抗Ｒ_Ｖとの積を引いた値“Ｖ_０－Ｉ_０・Ｒ_Ｖ”に設定することを特徴としている。

上記直流給電システムは、蓄電池と双方向電力変換装置とからなる独立した複数のバックアップ手段を備えている。したがって、上記直流給電システムによれば、いずれかのバックアップ手段に異常が生じたとしても、他のバックアップ手段により外部負荷への電力の供給を継続することができる。

ここで、単に複数のバックアップ手段を並列的に備えただけでは、各バックアップ手段を構成する双方向電力変換装置の出力電圧に誤差が生じた場合に、出力電圧が最も高いバックアップ手段だけが外部負荷に電力を供給し、他のバックアップ手段は電力の供給に全く寄与しなくなることがあり得る。しかしながら、上記直流給電システムは、バックアップモードで動作する電力変換回路の目標値Ｖ_Ｔが予め定められた電圧Ｖ_０から該電力変換回路の出力電流Ｉ_０と仮想抵抗Ｒ_Ｖとの積を引いた値“Ｖ_０－Ｉ_０・Ｒ_Ｖ”に設定されている。したがって、上記直流給電システムによれば、上記のアンバランスを解消することができる。

上記直流給電システムの制御回路は、例えば、給電路の電圧が予め定められた閾値Ｖ_ＴＨ（ただし、Ｖ_Ｒ＞Ｖ_ＴＨ＞Ｖ_０）を上回っていれば、電力変換回路を充電モードで動作させるか停止させ、給電路の電圧が閾値Ｖ_ＴＨを下回っていれば、電力変換回路をバックアップモードで動作させる。

上記直流給電システムの双方向電力変換装置は、電力変換回路と給電路との間に設けられた通電遮断手段を有していてもよい。この場合、制御回路は、電力変換回路の出力電流Ｉ_０が予め定められた閾値Ｉ_ＴＨを上回ると、通電遮断手段を作動させることが好ましい。

上記直流給電システムの双方向電力変換装置は、電力変換回路を診断する自己診断回路を有していてもよい。この場合、制御回路は、自己診断回路によって電力変換回路の異常が検知されると、該電力変換回路を停止させることが好ましい。

また、上記直流給電システムの制御回路は、通電遮断手段および自己診断回路の両方を有していてもよい。この場合、制御回路は、自己診断回路によって電力変換回路の異常が検知されると、該電力変換回路を停止させるとともに、通電遮断手段を作動させることがさらに好ましい。

本発明によれば、停電時に外部負荷への電力の供給をより確実に継続することができる直流給電システムを提供することができる。

本発明に係る直流給電システムのブロック図である。 図１に示す直流給電システムの、交流電力系統が正常であるときの給電経路を示す図である。 図１に示す直流給電システムの、交流電力系統が異常であり、かつ２つの双方向電力変換装置が正常であるときの給電経路を示す図である。 図１に示す直流給電システムの、交流電力系統が異常であり、かつ外部負荷が異常であるときの給電経路を示す図である。 図１に示す直流給電システムの、交流電力系統が異常であり、かつ２つの双方向電力変換装置のうちの１つが異常であるときの給電経路を示す図である。 従来の直流給電システムのブロック図である。

以下、添付図面を参照しつつ、本発明に係る直流給電システム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直流給電システム１を示す。同図に示すように、直流給電システム１は、交流電力系統Ｇから入力される交流電圧を直流電圧Ｖ_Ｒに変換して外部負荷Ｌへの給電路３に出力する整流装置２と、第１蓄電池４と、第２蓄電池５と、第１蓄電池４と給電路３との間に設けられた第１双方向電力変換装置６と、第２蓄電池５と給電路３との間に設けられた第２双方向電力変換装置７とを備えている。第１双方向電力変換装置６および第２双方向電力変換装置７は、同一の構成を有している。第１蓄電池４および第２蓄電池５も、同一の構成を有している。なお、図１では、外部負荷Ｌが複数の外部負荷の集合体として示されているが、外部負荷Ｌは単一の外部負荷であってもよい。また、本実施例では、整流装置２が、本発明の「直流電圧出力装置」に相当する。

整流装置２は、複数のダイオード、コイルおよびキャパシタを組み合わせた回路で構成されている。ただし、本発明では、整流装置２の構成は特に限定されない。整流装置２が給電路３に出力する直流電圧Ｖ_Ｒは、交流電力系統Ｇから入力される交流電圧の振幅に対応している。例えば、停電により交流電力系統Ｇから入力される交流電圧の振幅がゼロになると、直流電圧Ｖ_Ｒはゼロになる。

第１蓄電池４および第２蓄電池５は、リチウム電池からなっている。ただし、本発明では、第１蓄電池４および第２蓄電池５の種別は特に限定されない。

第１双方向電力変換装置６は、一方の入出力端子が第１蓄電池４に接続された電力変換回路１０と、電力変換回路１０の他方の入出力端子と給電路３との間に設けられた通電遮断手段１２と、電力変換回路１０および通電遮断手段１２の動作を制御する制御回路１１とを有している。

電力変換回路１０は、制御回路１１からの指令に基づいて双方向に動作するＤＣ／ＤＣ変換回路からなっている。電力変換回路１０は、給電路３および通電遮断手段１２を介して入力される整流装置２からの直流電圧Ｖ_Ｒを降圧して第１蓄電池４へ供給する充電モードと、第１蓄電池４の電圧を昇圧して給電路３へ出力するバックアップモードとで動作することができる。なお、電力変換回路１０は、制御回路１１からの指令がない場合は、動作を停止する。この場合、電力の変換は行われない。

通電遮断手段１２は、制御回路１１からの指令に基づいて開状態または閉状態をとるスイッチからなっている。通電遮断手段１２は、制御回路１１からの指令があった場合に開状態となり、電力変換回路１０を給電路３から切り離して、電力変換回路１０と給電路３との間の通電を遮断する。なお、通電遮断手段１２は、予め定められた過電流値を超える電流を検知したときに開状態となる機能を有していてもよい。

第１双方向電力変換装置６は、自己診断回路１３をさらに有している。自己診断回路１３は、電力変換回路１０において過電流、過電圧等の各種異常が発生しているか否かを診断するとともに、診断した結果を制御回路１１に通知する。自己診断回路１３は、電力変換回路１０に内包されていてもよい。

制御回路１１は、マイクロプロセッサ（ＭＰＵ，Micro-processing unit）等からなっている。制御回路１１は、給電路３の電圧と、第１蓄電池４の電圧と、電力変換回路１０から出力される電流と、自己診断回路１３による診断の結果とに基づいて、電力変換回路１０および通電遮断手段１２を制御する。

上記した通り、第１双方向電力変換装置６および第２双方向電力変換装置７は、同一の構成を有している。ただし、第２双方向電力変換装置７の制御回路１１は、第１蓄電池４ではなく第２蓄電池５の電圧に基づいて、電力変換回路１０および通電遮断手段１２を制御する。

続いて、第１双方向電力変換装置６および第２双方向電力変換装置７の制御回路１１による制御について、さらに詳しく説明する。

（第１制御）
第１双方向電力変換装置６の制御回路１１は、給電路３の電圧（直流電圧Ｖ_Ｒ）が予め定められた閾値Ｖ_ＴＨを上回っており、かつ、第１蓄電池４の電圧が予め定められた閾値Ｖ_ＴＨＢを上回っていれば、第１双方向電力変換装置６の電力変換回路１０の動作を停止させる。同様に、第２双方向電力変換装置７の制御回路１１は、直流電圧Ｖ_Ｒが予め定められた閾値Ｖ_ＴＨを上回っており、かつ、第２蓄電池５の電圧が閾値Ｖ_ＴＨＢを上回っていれば、第２双方向電力変換装置７の電力変換回路１０の動作を停止させる。これらの場合、外部負荷Ｌには、交流電力系統Ｇに由来する直流電圧Ｖ_Ｒが供給される（図２中の実線で示された矢印参照）。

ここで、閾値Ｖ_ＴＨは、交流電力系統Ｇが正常であるときの直流電圧Ｖ_Ｒの下限値Ｖ_ＲＭＩＮよりも僅かに小さい値に設定されている（Ｖ_ＴＨ＜Ｖ_ＲＭＩＮ）。したがって、給電路３の電圧が予め定められた閾値Ｖ_ＴＨを上回っているということは、交流電力系統Ｇが正常であること（すなわち、停電が発生していないこと）を意味している。また、閾値Ｖ_ＴＨＢは、満充電時の第１蓄電池４（第２蓄電池５）の電圧Ｖ_{ＢＦＵＬＬ}よりも僅かに小さい値に設定されている（Ｖ_ＴＨＢ＜Ｖ_{ＢＦＵＬＬ}）。したがって、第１蓄電池４（第２蓄電池５）の電圧が予め定められた閾値Ｖ_ＴＨＢを上回っているということは、第１蓄電池４（第２蓄電池５）の充電が不要であることを意味している。

（第２制御）
第１双方向電力変換装置６の制御回路１１は、給電路３の電圧が閾値Ｖ_ＴＨを上回っており、かつ、第１蓄電池４の電圧が閾値Ｖ_ＴＨＢを下回っていれば、第１双方向電力変換装置６の電力変換回路１０を充電モードで動作させる。同様に、第２双方向電力変換装置７の制御回路１１は、給電路３の電圧が閾値Ｖ_ＴＨを上回っており、かつ、第２蓄電池５の電圧が閾値Ｖ_ＴＨＢを下回っていれば、第２双方向電力変換装置７の電力変換回路１０を充電モードで動作させる。これらの場合も、外部負荷Ｌには、交流電力系統Ｇに由来する直流電圧Ｖ_Ｒが供給される。また、これらの場合、直流電圧Ｖ_Ｒは、第１蓄電池４および／または第２蓄電池５の充電にも利用される（図２中の破線で示された矢印参照）。

（第３制御）
第１双方向電力変換装置６の制御回路１１は、給電路３の電圧が閾値Ｖ_ＴＨを下回っていれば、第１双方向電力変換装置６の電力変換回路１０をバックアップモードで動作させる。同様に、第２双方向電力変換装置７の制御回路１１は、給電路３の電圧が閾値Ｖ_ＴＨを下回っていれば、第２双方向電力変換装置７の電力変換回路１０をバックアップモードで動作させる。これにより、第１蓄電池４および第２蓄電池５の電圧が昇圧されて給電路３に出力される。そして、外部負荷Ｌには、第１蓄電池４および第２蓄電池５に由来する直流電圧が供給される（図３参照）。

ここで、第１双方向電力変換装置６の制御回路１１は、第１双方向電力変換装置６の電力変換回路１０から出力される電圧が目標値Ｖ_Ｔ１となるように該電力変換回路１０を制御する。目標値Ｖ_Ｔ１は、予め定められた電圧Ｖ_０（ただし、Ｖ_０＜Ｖ_ＴＨ）から第１双方向電力変換装置６の電力変換回路１０の出力電流Ｉ_０１と仮想抵抗Ｒ_Ｖとの積を引いた値“Ｖ_０－Ｉ_０１・Ｒ_Ｖ”である。同様に、第２双方向電力変換装置７の制御回路１１は、第２双方向電力変換装置７の電力変換回路１０から出力される電圧が目標値Ｖ_Ｔ２（＝Ｖ_０－第２双方向電力変換装置７の電力変換回路１０の出力電流Ｉ_０２と仮想抵抗Ｒ_Ｖとの積Ｉ_０２・Ｒ_Ｖ）となるように該電力変換回路１０を制御する。

このような制御によれば、第１蓄電池４および第２蓄電池５をバランスよく放電させることができる。また、このような制御によれば、外部負荷Ｌの内部、または給電路３において短絡等の異常が発生して出力電流Ｉ_０１，Ｉ_０２が急増したとしても、目標値Ｖ_Ｔ１，Ｖ_Ｔ２が直ちに下げられるので、大電流が流れ続けることによる各部の損傷を防ぐことができる。

なお、仮想抵抗Ｒ_Ｖは、外部負荷Ｌの内部、または給電路３において短絡等の異常が発生していないときに目標値Ｖ_Ｔ１，Ｖ_Ｔ２が電圧Ｖ_０に対して極端に小さくなることがないように、数十［ｍΩ］～数［Ω］の範囲の比較的小さな値に設定されていることが好ましい。

第１双方向電力変換装置６の制御回路１１は、第３制御が行われている最中に急増した出力電流Ｉ_０１が予め定められた閾値Ｉ_ＴＨを上回ると、電力変換回路１０の動作を停止させるとともに、通電遮断手段１２を開状態とすることが好ましい（図４参照）。同様に、第２双方向電力変換装置７の制御回路１１は、第３制御が行われている最中に急増した出力電流Ｉ_０２が閾値Ｉ_ＴＨを上回ると、電力変換回路１０の動作を停止させるとともに、通電遮断手段１２を開状態とすることが好ましい（図４参照）。これにより、大電流による各部の損傷をより確実に防ぐことができる。なお、第１双方向電力変換装置６のおよび第２双方向電力変換装置７の制御回路１１は、電力変換回路１０の動作を停止させるだけでもよいし、通電遮断手段１２を開状態とするだけでもよい。

第３制御が行われている最中に交流電力系統Ｇが停電から復旧して直流電圧Ｖ_Ｒが閾値Ｖ_ＴＨを上回ると、第３制御は終了し、第１制御または第２制御が開始される。上記した通り、電圧Ｖ_０および閾値Ｖ_ＴＨはＶ_０＜Ｖ_ＴＨの関係を有しているので、第３制御が終了するためには、交流電力系統Ｇが停電から復旧することが必要である。

（第４制御）
第３制御が行われている最中に第１双方向電力変換装置６の自己診断回路１３が異常を検知すると、第１双方向電力変換装置６の制御回路１１は、電力変換回路１０の動作を停止させるとともに、通電遮断手段１２を開状態とする。これにより、外部負荷Ｌには、第２蓄電池５に由来する直流電圧のみが供給される（図５参照）。また、第２双方向電力変換装置７側で異常が検知された場合は、第２蓄電池５に由来する直流電圧のみが外部負荷Ｌに供給される。

以上のように、本発明に係る直流給電システム１は、独立した２つのバックアップ手段を備えている。したがって、本発明に係る直流給電システム１によれば、いずれかのバックアップ手段（例えば、第１蓄電池４および第１双方向電力変換装置６）に異常が生じたとしても、他方のバックアップ手段（例えば、第２蓄電池５および第２双方向電力変換装置７）により外部負荷Ｌへの電力の供給を継続することができる。

また、本発明に係る直流給電システム１では、バックアップモードで動作する電力変換回路１０の出力電圧の目標値Ｖ_Ｔ１，Ｖ_Ｔ２が出力電流Ｉ_０１，Ｉ_０２と仮想抵抗Ｒ_Ｖとを考慮して算出される。したがって、本発明に係る直流給電システム１によれば、これらを考慮しない場合に比べ、２つのバックアップ手段をバランスよく動作させることができる。

なお、本発明に係る直流給電システムは、上記実施例で示した構成に限定されるものではない。

例えば、本発明に係る直流給電システムは、３つ以上の蓄電池と、これに対応する３つ以上の双方向電力変換装置とを備えていてもよい。

また、本発明に係る直流給電システムの双方向電力変換装置は、通電遮断手段および自己診断回路を有していなくてもよい。

また、第１双方向電力変換装置６および第２双方向電力変換装置７は、本発明において必要とされる機能を有する限りにおいて、互いに異なった構成を有していてもよい。同様に、第１蓄電池４および第２蓄電池５も、異なった構成を有していてもよい。

また、充電モードにおける第１双方向電力変換装置６（および第２双方向電力変換装置７）の動作は、給電路３の電圧と第１蓄電池４（および第２蓄電池５）の電圧との高低関係に応じた任意の電圧変換であってもよい。つまり、第１双方向電力変換装置６（および第２双方向電力変換装置７）は、充電モードにおいて給電路３の電圧に対して第１蓄電池４（および第２蓄電池５）の電圧が高ければ、直流電圧Ｖ_Ｒを昇圧して第１蓄電池４（および第２蓄電池５）へ供給してもよい。

同様に、バックアップモードにおける第１双方向電力変換装置６（および第２双方向電力変換装置７）の動作も、給電路３の電圧と第１蓄電池４（および第２蓄電池５）の電圧との高低関係に応じた任意の電圧変換であってもよい。つまり、第１双方向電力変換装置６（および第２双方向電力変換装置７）は、バックアップモードにおいて給電路３の電圧に対して第１蓄電池４（および第２蓄電池５）が高ければ、第１蓄電池４（および第２蓄電池５）の電圧を降圧して給電路３へ出力してもよい。

また、仮想抵抗Ｒ_Ｖは、状況に応じて変化する可変値であってもよい。上記実施例のように仮想抵抗Ｒ_Ｖを固定値としても複数の蓄電池（第１蓄電池４および第２蓄電池５）の放電をバランスさせる効果は得られるものの、各種センシング（例えば、出力電流Ｉ_０１，Ｉ_０２の検出）における誤差等から若干のアンバランスが生じてしまうことがあり得る。そこで、例えば、各蓄電池４，５の残量（電圧）が低下していくにしたがって仮想抵抗Ｒ_Ｖを微増させれば、このアンバランスを緩和することができる。

あるいは、仮想抵抗Ｒ_Ｖは、定常時には比較的小さな値に設定される一方、短絡発生等の異常時には比較的大きな値に設定されてもよい。これにより、定常時の電圧降下Ｉ_０１・Ｒ_Ｖ（Ｉ_０２・Ｒ_Ｖ）を最小限としつつ、異常時の過電流保護を強く機能させることができる。なお、この場合は、仮想抵抗Ｒ_Ｖを次式により設定することができるが、これは単なる一例である。

Ｒ_Ｖ＝Ｒ_０ （Ｉ_０１＜Ｉ_ｔｈ）
Ｒ_Ｖ＝Ｒ_０＋（Ｉ_０１－Ｉ_ｔｈ）Ａ （Ｉ_０１≧Ｉ_ｔｈ）

Ｒ_Ｖ＝Ｒ_０ （Ｉ_０２＜Ｉ_ｔｈ）
Ｒ_Ｖ＝Ｒ_０＋（Ｉ_０２－Ｉ_ｔｈ）Ａ （Ｉ_０２≧Ｉ_ｔｈ）

ここで、Ａは、異常時の過電流保護の強さを決定するための係数であり、Ｉ_ｔｈは、定常時と異常時を区別するための閾値である。

また、本発明の直流電圧出力装置は、直流電圧Ｖ_Ｒを出力する任意の構成を有していてもよい。例えば、直流電圧出力装置は、直流電圧Ｖ_Ｒを出力する直流電源装置、一次電池または二次電池であってもよい。

１ 直流給電システム
２ 整流装置
３ 給電路
４ 第１蓄電池
５ 第２蓄電池
６ 第１双方向電力変換装置
７ 第２双方向電力変換装置
１０ 電力変換回路
１１ 制御回路
１２ 通電遮断手段
１３ 自己診断回路
Ｇ 交流電力系統
Ｌ 外部負荷

Claims (3)

1. 直流電圧Ｖ_Ｒを外部負荷へ給電路を介して出力する直流電圧出力装置と、
   複数の蓄電池と、
   前記蓄電池のそれぞれと前記給電路との間に各１つ設けられた双方向電力変換装置と、
   を備え、
   前記双方向電力変換装置は、
   前記給電路から入力される前記直流電圧Ｖ_Ｒを電圧変換して前記蓄電池へ供給する充電モードと、前記蓄電池の電圧を電圧変換して前記給電路へ出力するバックアップモードとで動作する電力変換回路と、
   前記電力変換回路の動作を制御する制御回路と、
   を有し、
   前記制御回路は、前記電力変換回路を前記バックアップモードで動作させるとき、前記電力変換回路から出力される電圧の目標値Ｖ_Ｔを予め定められた電圧Ｖ_０から該電力変換回路の出力電流Ｉ_０と該電力変換回路に接続された前記蓄電池の残量が低下するにしたがって増加する仮想抵抗Ｒ_Ｖとの積を引いた値“Ｖ_０－Ｉ_０・Ｒ_Ｖ”に設定し、
   また、前記制御回路は、異常発生時に、定常時よりも大きな前記仮想抵抗Ｒ _Ｖ を使用して前記目標値Ｖ _Ｔ を設定する
   ことを特徴とする直流給電システム。
2. 前記制御回路は、前記給電路の電圧が予め定められた閾値Ｖ_ＴＨを上回っていれば、前記電力変換回路を前記充電モードで動作させるか停止させ、前記給電路の電圧が前記閾値Ｖ_ＴＨを下回っていれば、前記電力変換回路を前記バックアップモードで動作させ、
   前記直流電圧Ｖ_Ｒ、前記電圧Ｖ_０および前記閾値Ｖ_ＴＨは、Ｖ_Ｒ＞Ｖ_ＴＨ＞Ｖ_０の関係を有している
   ことを特徴とする請求項１に記載の直流給電システム。
3. 前記双方向電力変換装置は、前記電力変換回路と前記給電路との間に設けられた通電遮断手段をさらに有し、
   前記制御回路は、前記電力変換回路の前記出力電流Ｉ_０が予め定められた閾値Ｉ_ＴＨを上回ると、前記通電遮断手段を作動させる
   ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の直流給電システム。

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