(57)【要約】【課題】電力損失が小さく、電気機器を安定に動作させることが可能な給電システムを提供する。【解決手段】この給電システムでは、太陽電池１の出力が大きい場合、太陽電池１の出力をＤＣ／ＤＣコンバータ２および直流給電線路６を介して電気機器８に供給するとともに、余剰電力をＤＣ／ＤＣコンバータ２およびインバータ３を介して商用電力系統に逆潮流させる。また、太陽電池１の出力が小さい場合、商用交流電力を交流給電線路７を介して電気機器８に供給する。電気機器８では、コンバータ１２が交流電力を直流電力に変換して電源回路１３を介して本体部１４に供給する。したがって、太陽電池１の出力が低下した場合でも、電気機器８は安定に動作する。【選択図】図１
2012120364.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電力を出力する直流電源と、
前記直流電源で生成される直流電力を供給するための直流給電線と、
交流電力を供給するための交流給電線と、
前記交流給電線を介して供給される交流電力を直流電力に変換する交流／直流変換器、前記直流給電線を介して供給される直流電力と前記交流／直流変換器で生成される直流電力とを受ける電源端子、および前記電源端子を介して供給される直流電力によって駆動される本体部を含む電気機器とを備え、
前記交流／直流変換器は、前記直流給電線の電圧が変動した場合、前記電源端子の直流電圧が予め定められた電圧よりも低いときは前記電源端子に直流電力を供給し、前記電源端子の直流電圧が前記予め定められた電圧よりも高いときは前記電源端子への直流電力の供給を停止する、給電システム。
【請求項２】
前記電気機器は、
さらに、前記直流給電線に接続される直流端子、および
前記直流端子と前記電源端子の間に接続されたスイッチを含む、請求項１に記載の給電システム。
【請求項３】
前記電気機器は、
さらに、前記直流給電線に接続される直流端子、および
アノードが前記直流端子に接続され、カソードが前記電源端子の間に接続されたダイオードを含む、請求項１に記載の給電システム。
【請求項４】
前記直流電源は、
太陽光を直流電力に変換する太陽電池と、
前記太陽電池の出力端子と前記直流給電線との間に設けられる直流／直流変換器とを含む、請求項１から請求項３までのいずれかに記載の給電システム。
【請求項５】
さらに、前記直流電源と前記交流給電線との間に設けられ、前記直流電源で生成された直流電力のうちの余剰電力を交流電力に変換して前記交流給電線に供給する直流／交流変換器を備える、請求項４に記載の給電システム。
【請求項６】
前記直流電源は、太陽光を直流電力に変換して前記直流給電線に与える太陽電池を含む、請求項１から請求項３までのいずれかに記載の給電システム。
【請求項７】
さらに、前記太陽電池の出力端子に接続される直流／直流変換器と、
前記直流／直流変換器で生成された直流電力のうちの余剰電力を交流電力に変換して前記交流給電線に供給する直流／交流変換器とを備える、請求項６に記載の給電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は給電システムに関し、特に、交流電力と直流電力の両方を供給する給電システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
太陽電池、燃料電池などの再生可能エネルギー源は、エネルギーを直流電力として出力する。また、多くの家庭用電気機器の本体部は、直流電力で駆動される。従来の給電システムでは、再生可能エネルギー源で生成された直流電力を直流／交流変換器によって交流電力に変換し、その交流電力を屋内配線を介して電気機器に供給し、電気機器に内蔵された交流／直流変換器によって交流電力を直流電力に再変換し、その直流電力で本体部を駆動していた。
【０００３】
このような給電システムでは、直流／交流変換器および交流／直流変換器の各々において電力損失が発生する。そこで、再生可能エネルギー源で生成された直流電力をそのまま屋内配線を介して電気機器に供給する給電システムが開発されている（たとえば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１０−４１７８４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、再生可能エネルギー源で生成された直流電力のみで電気機器を駆動させると、再生可能エネルギー源の出力が低下した場合に電力が不足し、配電電圧の低下を引き起こすことにより、電気機器の動作が不安定になると言う問題がある。
【０００６】
それゆえに、この発明の主たる目的は、電力損失が小さく、低コストで、電気機器を安定に動作させることが可能な給電システムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この発明に係る給電システムは、直流電力を生成する直流電源と、直流電源で生成される直流電力を供給するための直流給電線と、交流電力を供給するための交流給電線と、電気機器とを備えたものである。電気機器は、交流給電線を介して供給される交流電力を直流電力に変換する交流／直流変換器と、直流給電線を介して供給される直流電力と交流／直流変換器で生成される直流電力とを受ける電源端子と、電源端子を介して供給される直流電力によって駆動される本体部とを含む。交流／直流変換器は、直流給電線の電圧が変動した場合、電源端子の直流電圧が予め定められた電圧よりも低いときは電源端子に直流電力を供給し、電源端子の直流電圧が予め定められた電圧よりも高いときは電源端子への直流電力の供給を停止する。
【０００８】
好ましくは、電気機器は、さらに、直流給電線に接続される直流端子と、直流端子と電源端子の間に接続されたスイッチとを含む。
【０００９】
また好ましくは、電気機器は、さらに、直流給電線に接続される直流端子と、アノードが直流端子に接続され、カソードが電源端子の間に接続されたダイオードとを含む。
【００１０】
また好ましくは、直流電源は、太陽光を直流電力に変換する太陽電池と、太陽電池の出力端子と直流給電線との間に設けられる直流／直流変換器とを含む。
【００１１】
また好ましくは、さらに、直流電源と交流給電線との間に設けられ、直流電源で生成された直流電力のうちの余剰電力を交流電力に変換して交流給電線に供給する直流／交流変換器を備える。
【００１２】
また好ましくは、直流電源は、太陽光を直流電力に変換して直流給電線に与える太陽電池を含む。
【００１３】
また好ましくは、さらに、太陽電池の出力端子に接続される直流／直流変換器と、直流／直流変換器で生成された直流電力のうちの余剰電力を交流電力に変換して交流給電線に供給する直流／交流変換器とを備える。
【発明の効果】
【００１４】
この発明に係る給電システムでは、電気機器は、交流給電線を介して供給される交流電力を直流電力に変換する交流／直流変換器と、直流給電線を介して供給される直流電力と交流／直流変換器で生成される直流電力とを受ける電源端子と、電源端子を介して供給される直流電力によって駆動される本体部とを含む。直流電源の出力電圧は変動し、交流／直流変換器は、電源端子の直流電圧が予め定められた電圧よりも低い場合は電源端子に直流電力を供給し、電源端子の直流電圧が予め定められた電圧よりも高い場合は電源端子への直流電力の供給を停止する。したがって、直流電源の出力が大きい場合は、電気機器は直流電源から供給される直流電力を交流電力に変換せずに直流電力のみで駆動されるので、電力損失を小さく抑えることができる。また、直流電源の出力が小さい場合は、交流／直流変換器から電源端子に直流電力が供給されるので、直流電源の出力が低下した場合でも、電気機器を安定に動作させることができる。また、交流／直流変換器は従来から電気機器に設けられているので、コスト高になることもない。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】この発明の実施の形態１による給電システムの構成を示す回路ブロック図である。
【図２】図１に示した太陽電池の特性を示す図である。
【図３】図１に示した絶縁型インバータの構成を示す回路ブロック図である。
【図４】図１に示したＡＣ／ＤＣコンバータの構成を示す回路図である。
【図５】図４に示したＡＣ／ＤＣコンバータの入力電圧波形と出力電圧波形を示すタイムチャートである。
【図６】図１に示した給電システムの動作を示すタイムチャートである。
【図７】図１に示した給電システムの動作を示す他のタイムチャートである。
【図８】図１に示した給電システムの動作を示すさらに他のタイムチャートである。
【図９】実施の形態１のＡＣ／ＤＣコンバータの構成の変更例を示す回路ブロック図である。
【図１０】この発明の実施の形態２による給電システムの構成を示す回路ブロック図である。
【図１１】この発明の実施の形態３による給電システムの構成を示す回路ブロック図である。
【図１２】この発明の実施の形態４による給電システムの構成を示す回路ブロック図である。
【図１３】この発明の実施の形態５による給電システムの構成を示す回路ブロック図である。
【図１４】図１３に示した給電システムの動作を示すタイムチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
［実施の形態１］
この発明の実施の形態１による給電システムは、図１に示すように、太陽電池１、ＤＣ／ＤＣコンバータ２、絶縁型インバータ３、柱上トランス４、制御回路５、直流給電線路６、交流給電線路７、複数（図では、２つ）の家庭用電気機器８を備える。直流給電線路６は、正電圧給電線６ａおよび負電圧給電線６ｂを含む。交流給電線路７は、２本の交流給電線７ａ，７ｂを含む。太陽電池１は、太陽光を直流電力に変換する。
【００１７】
図２は、太陽電池１の動作を示す図である。図２において、Ｉは太陽電池１から出力される直流電流であり、Ｖは太陽電池１から出力される直流電圧であり、Ｐ＝ＶＩは太陽電池１から出力される直流電力である。電圧−電流特性を参照して、電流Ｉが０Ａである場合は電圧Ｖが最大になる。太陽電池１の出力電流Ｉを０Ａから増やして行くと電圧Ｖが徐々に低下し、電流Ｉがある値を超えると電圧Ｖが急に低下し、電流Ｉが最大値になると電圧Ｖは０Ｖになる。
【００１８】
また、電圧−電力特性を参照して、電流Ｉが０Ａである場合、電力Ｐは０Ｗである。電流Ｉを０Ａから増やして行くと電圧Ｖが徐々に低下するとともに電力Ｐが上昇し、電力Ｐはピーク値を越えた後に徐々に低下する。電流Ｉが最大値になると電圧Ｖは０Ｖになり、電力Ｐは０Ｗになる。このように電力Ｐはピーク値を有する。電力Ｐがピーク値になるときの電圧Ｖは最大電力動作電圧と呼ばれる。太陽光の強度が強くなると電流Ｉおよび電力Ｐが増大し、太陽光の強度が弱くなると電流Ｉおよび電力Ｐが減少する。
【００１９】
図１に戻って、ＤＣ／ＤＣコンバータ２は、太陽電池１と直流給電線路６の間に設けられて制御回路５によって制御され、いわゆる山登り法により最大電力点追従動作を行なう。ＤＣ／ＤＣコンバータ２は、太陽電池１の出力電圧Ｖが最大電力動作電圧になるように、正電圧給電線６ａに正電流を供給するとともに、負電圧給電線６ｂに負電流を供給する。
【００２０】
なお、後述する柱状トランス４は、住宅側において、中点が接地(アース)された２００Ｖの交流電圧を受電している。このため、後述するＡＣ／ＤＣコンバータ１２が非絶縁型である場合、ＡＣ／ＤＣコンバータ１２の出力電圧の対地電位と、ＤＣ／ＤＣコンバータ２の出力電圧の対地電位に注意しなければならない。後述するが、本実施の形態１ではＡＣ／ＤＣコンバータ１２は非絶縁型であり、出力電圧の中間電位が接地される。そのため、ＤＣ／ＤＣコンバータ２の出力電圧の中間電位（すなわち直流給電線路６の中間電位）も接地され、正電圧給電線６ａおよび負電圧給電線６ｂの直流電圧をそれぞれＶＰ，ＶＮとすると、ＶＰ＋ＶＮ＝０となる。
【００２１】
また、ＡＣ／ＤＣコンバータ１２とインバータ３によって交流給電線路７と直流給電線路６を絶縁する場合、直流給電線路６をアース電位に対して、フローティング状態にすることができる。また、フローティング状態にした後、高抵抗器で中間電位になるように分割したノードを接地することで、対地電位を安定化させることができ、感電に対する安全性も確保することができる。
【００２２】
また、太陽電池１の電位を直流給電線路６や交流電力系統と絶縁したい場合、絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータを用いる。ただし、絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータは高周波トランスを含んでおり、高周波トランスにおいて銅損、鉄損などの損失が発生する。これに対して非絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータは高周波トランスを含まず、電力変換効率がよいので、ＡＣ／ＤＣコンバータ１２やＤＣ／ＤＣコンバータ２としては非絶縁型を用いることが好ましい。
【００２３】
絶縁型インバータ３は、制御回路５によって制御され、正電圧給電線６ａおよび負電圧給電線６ｂの直流電圧ＶＰ，ＶＮに基づいて、２００Ｖの単相交流電圧ｖａ，ｖｂを生成して交流電力系統と連係する。インバータ３は、図３に示すように、高周波ＰＷＭインバータ２０，高周波絶縁トランス２１、整流回路２２、および折り返しインバータ２３を含む。
【００２４】
高周波ＰＷＭインバータ２０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ２の出力電圧ＶＰ，ＶＮに基づいて、高周波のＰＷＭパルス波形を有する交流電圧を生成する。高周波絶縁トランス２１は、互いに絶縁された１次巻線２１ａおよび２次巻線２１ｂを有する。高周波ＰＷＭインバータ２０で生成された交流電圧は、高周波絶縁トランス２１で変圧され、整流回路２２で全波整流される。また、整流回路２２と折り返しインバータ２３の間にフィルタとしてコイルを設け、整流回路２２の出力電圧を平均化してもよい。折り返しインバータ２３は、整流回路２２の出力電圧を交互に折り返し、コイルとコンデンサのフィルタを通して、２００Ｖの単相交流電圧ｖａ，ｖｂを生成する。本実施の形態１では絶縁型のインバータ３を用いており、インバータ３には高周波絶縁トランス２１が設けられているので、インバータ３の入力側と出力側の間に短絡電流が流れることがない。
【００２５】
なお、絶縁型インバータ３の代わりに非絶縁型のインバータを使用した場合、交流電圧を生成する高周波ＰＷＭインバータ２０のスイッチング動作のタイミングのズレ等によって、直流給電線路６の中間電位がアース電位(接地電位)から大きくふれてしまい、接地点を介してインバータの出力側と入力側の間に大きな電流が流れてしまう恐れがある。しかし、絶縁型のインバータ３を用いれば、そのような恐れがない。
【００２６】
また、特開２００１−２５８１６０号公報および特開２００７−６８３８５号公報には、非絶縁型インバータを用いた場合であっても、接地点を介して大きな電流が流れるのを防止する方法が開示されている。
【００２７】
図１に戻って、インバータ３で生成された交流電圧ｖａ，ｖｂは、それぞれ交流給電線７ａ，７ｂに与えられる。また、交流給電線７ａ，７ｂは、電柱に設けられた柱上トランス４を介して商用電力系統に接続されている。インバータ３で生成された交流電力のうちの余剰の交流電力は、柱上トランス４を介して商用電力系統に逆潮流する。インバータ３で生成された交流電力が足りない場合は、商用電力系統から柱上トランス４を介して交流給電線路７に交流電力が供給される。柱上トランス４から交流給電線７ａ，７ｂに供給される単相の交流電圧の位相は、それぞれインバータ３の出力電圧ｖａ，ｖｂと同じである。
【００２８】
制御回路５は、直流給電線路６の電圧ＶＰ−ＶＮが一定値（たとえば、３６０Ｖ）になるように、インバータ３の出力電流を制御する。ＤＣ／ＤＣコンバータ２は太陽電池１の最大出力電力を出力するので、電圧ＶＰ−ＶＮが一定値になるようにインバータ３を制御することで、太陽電池１の最大電力負荷としてインバータ３を動作させることができる。直流給電線路６から電気機器８へ電力が供給されて消費される場合でも、電圧ＶＰ−ＶＮが一定値になるようにインバータ３を制御することで、太陽電池１の最大電力がインバータ３の出力と電気機器８群の消費電力との和となり、太陽電池１を最大電力動作点で動作させることができる。また、制御回路５は、何らかの原因でインバータ３の出力電流を制御できない場合、直流給電線路６の電圧ＶＰ−ＶＮが上限値（たとえば、４００Ｖ）以下になるように、ＤＣ／ＤＣコンバータ２を制御する。この場合、上限値４００Ｖの直流電圧が電気機器８に供給される。
【００２９】
また、制御回路５は、商用電力系統側からの指示に従って、ＤＣ／ＤＣコンバータ２および絶縁型インバータ３の各々をオン／オフするとともに、絶縁型インバータ３による逆潮流電力量を制御する。したがって、この給電システムは、スマートグリット方式にも対応可能となっている。また、制御回路５は、商用電力系統が停電したときや、瞬時電圧低下が発生したときは、インバータ３を制御して商用電力系統への逆潮流を停止させる。
【００３０】
家庭用電気機器８は、たとえば、直流電力で動作するエアコン、電気式床暖房、ＩＨクッキングヒータ、食器洗い乾燥機、電気温水器、洗濯乾燥機、浴室換気暖房乾燥機などである。電気機器８は、直流接続口１０、交流接続口１１、ＡＣ／ＤＣコンバータ１２、電源回路１３、および本体部１４を含む。
【００３１】
直流接続口１０は直流端子１０ａ，１０ｂを含み、交流接続口１１は交流端子１１ａ，１１ｂを含む。直流端子１０ａ，１０ｂは、それぞれ正電圧給電線６ａおよび負電圧給電線６ｂに接続されるとともに、それぞれコンバータ１２の出力ノード１２ｃ，１２ｄに接続される。交流端子１１ａ，１１ｂは、それぞれ交流給電線７ａ，７ｂに接続されるとともに、それぞれコンバータ１２の入力ノード１２ａ，１２ｂに接続される。
【００３２】
太陽電池１の最大電力が直流電力系統の消費電力よりも小さい場合は、インバータ３の出力電流を０Ａまで低下させても、直流給電線路６の電圧ＶＰ−ＶＮが低下する。ＡＣ／ＤＣコンバータ１２は、直流給電線路６の電圧ＶＰ−ＶＮが所定の電圧値（たとえば、２８２Ｖ）よりも低下した場合、交流給電線７ａ，７ｂから入力ノード１２ａ，１２ｂを介して与えられた交流電圧ｖａ，ｖｂを整流して正の直流電流と負の直流電流を生成し、生成した正の直流電流および負の直流電流をそれぞれ出力ノード１２ｃ，１２ｄに出力する。
【００３３】
なお、直流給電線路６の電圧ＶＰ−ＶＮが３６０Ｖ以下である場合は、絶縁型インバータ３から商用電力系統への逆潮流電流は０Ａに設定される。したがって、ＡＣ／ＤＣコンバータ１２で生成された直流電力が絶縁型インバータ３を介して商用電力系統に逆潮流することはない。
【００３４】
図４は、ＡＣ／ＤＣコンバータ１２の構成を示す回路図である。図４において、ＡＣ／ＤＣコンバータ１２は、リアクトル３０、ダイオード３１〜３４、およびコンデンサ３５を含む。リアクトル３０は、３つの巻線３０ａ〜３０ｃを含む。巻線３０ａ，３０ｃの一方端子は、それぞれ入力ノード１２ａ，１２ｂに接続される。ダイオード３１，３３のカソードはそれぞれ巻線３０ｃ，３０ａの他方端子に接続され、それらのアノードはともに出力ノード１２ｄに接続される。
【００３５】
ダイオード３２，３４のアノードはそれぞれ巻線３０ｃ，３０ａの他方端子に接続され、それらのカソードはともに出力ノード１２ｃ（電源端子）に接続される。巻線３０ｂの一方端子は巻線３０ａの他方端子に接続され、巻線３０ｂの他方端子は巻線３０ａの一方端子に接続される。コンデンサ３５は、出力ノード１２ｃ，１２ｄ間に接続される。
【００３６】
リアクトル３０は、過電流および突入電流を抑制するために設けられている。ダイオード３１〜３４は、交流電圧ｖａ，ｖｂを全波整流するために設けられている。コンデンサ３５は、出力ノード１２ｃ，１２ｄ間の直流電圧を平滑化するために設けられている。
【００３７】
図５（ａ）は入力ノード１２ａ，１２ｂに与えられる交流電圧ｖａ，ｖｂを示すタイムチャートであり、図５（ｂ）は出力ノード１２ｃ，１２ｄが直流給電線路６に接続されていない場合に出力ノード１２ｃ，１２ｄに現れる直流電圧ＶＣ，ＶＤを示すタイムチャートである。
【００３８】
図５（ａ）において、交流電圧ｖａ，ｖｂの各々は、対地電位を基準とすると２００Ｖの単相交流電圧である。交流電圧ｖａ，ｖｂの位相は互いに１８０度ずれており、交流電圧ｖａ，ｖｂの振幅は同じである。交流電圧ｖａ，ｖｂの各々の正側のピーク値は＋１４１Ｖであり、負側のピーク値は−１４１Ｖである。また、図５（ｂ）において、直流電圧ＶＣは＋１４１Ｖであり、直流電圧ＶＤは−１４１Ｖである。
【００３９】
出力ノード１２ｃ，１２ｄがそれぞれ正電圧給電線６ａおよび負電圧給電線６ｂに接続されている場合において、正電圧給電線６ａおよび負電圧給電線６ｂの電圧ＶＰ，ＶＮが通常の電圧であるとき、すなわちＶＰ＝＋１８０Ｖ，ＶＮ＝−１８０Ｖであるときは、ダイオード３１〜３４の各々は逆バイアス状態になり、ダイオード３１〜３４に電流は流れない。直流給電線路６の電圧ＶＰ−ＶＮが低下してＶＰ＜＋１４１Ｖ，ＶＮ＞−１４１Ｖになると、ダイオード３１〜３４の各々は順バイアス状態になり、コンバータ１２から正電圧給電線６ａおよび負電圧給電線６ｂに正の直流電流および負の直流電流がそれぞれ供給される。
【００４０】
図１に戻って、電源回路１３は、直流端子１０ａ，１０ｂ間の電圧に基づいて各機器に必要な様々な直流電源電圧や高周波交流電圧を生成する。本体部１４は、電源回路１３で生成された電源電圧に基づいて所定の動作を行なう。たとえば、電気機器８がＩＨクッキングヒータである場合、本体部１４は電源回路１３の出力電圧に基づいて高周波電力を生成し、その高周波電力を対象物（たとえば、金属製の鍋の底）に供給して対象物を加熱する。
【００４１】
図６は、太陽光の強度が変化した場合における給電システムの動作を示すタイムチャートである。図６では、給電線６ａ，６ｂ間の直流電圧ＶＰ−ＶＮと、ＡＣ／ＤＣコンバータ１２の出力設定電圧ＶＣ−ＶＤとが示されている。太陽光の強度が強く、太陽電池１で十分な直流電力が生成されている場合（時刻ｔ０〜ｔ１）、ＶＰ−ＶＮ＞ＶＣ−ＶＤとなり、太陽電池１で生成される直流系統電力のみが使用され、商用電力系統から供給される交流系統電力は使用されない。太陽電池１で生成された直流電力は、電気機器８群で使用されるとともに、絶縁型インバータ３で交流電力に変換されて交流電力で駆動される電気機器（図示せず）で消費され、住宅内の余剰電力は商用電力系統に逆潮流する。
【００４２】
たとえば夕刻になって太陽光の強度が弱くなり、太陽電池１で生成される直流電力が電気機器８の消費電力よりも小さくなると（時刻ｔ１〜ｔ２）、ＡＣ／ＤＣコンバータ１２から直流給電線路６に不足分の直流電力が供給されてＶＰ−ＶＮ＝ＶＣ−ＶＤとなる。この場合、直流系統電力と交流系統電力の両方が電気機器８で使用される。太陽電池１で生成された直流電力は、電気機器８のみで使用され、商用電力系統に逆潮流することはない。
【００４３】
次に夜になって太陽電池１が直流電力を生成しなくなると（時刻ｔ２〜ｔ３）、ＡＣ／ＤＣコンバータ１２から直流給電線路６に直流電力が供給されてＶＰ−ＶＮ＝ＶＣ−ＶＤとなる。この場合は、直流系統電力は生成されず、交流系統電力のみが使用される。
【００４４】
次いで朝になって太陽光の強度が強くなると、太陽電池１で十分な直流電力が生成されて（時刻ｔ３以降）、ＶＰ−ＶＮ＞ＶＣ−ＶＤとなる。太陽電池１で生成された直流電力は、電気機器８で使用されるとともに、絶縁型インバータ３で交流電力に変換されて交流電力で駆動される電気機器（図示せず）で消費され、住宅内の余剰電力は商用電力系統に逆潮流する。
【００４５】
図７（ａ）（ｂ）は、負荷が変化した場合における給電システムの動作を示すタイムチャートである。図７（ａ）では、給電線６ａ，６ｂ間の直流電圧ＶＰ−ＶＮと、ＡＣ／ＤＣコンバータ１２の出力設定電圧ＶＣ−ＶＤとが示されている。図７（ｂ）では、電気機器８群全体の消費電流ＩＬが示されている。
【００４６】
図７（ａ）（ｂ）において、太陽電池１で生成される直流電力が電気機器８の消費電力よりも大きい場合、すなわち負荷電流ＩＬが小さい場合（時刻ｔ０〜ｔ１）、ＶＰ−ＶＮ＞ＶＣ−ＶＤとなり、太陽電池１で生成される直流系統電力のみが使用され、商用電力系統から供給される交流系統電力は使用されない。太陽電池１で生成された直流電力は、電気機器８群で使用されるとともに、絶縁型インバータ３で交流電力に変換されて交流電力で駆動される電気機器（図示せず）で消費され、住宅内の余剰電力は商用電力系統に逆潮流する。
【００４７】
負荷電流ＩＬが増大して太陽電池１で生成される直流電力が電気機器８群の消費電力よりも小さくなると（時刻ｔ１〜ｔ２）、ＡＣ／ＤＣコンバータ１２から直流給電線路６に不足分の直流電力が供給されてＶＰ−ＶＮ＝ＶＣ−ＶＤとなる。この場合、直流系統電力と交流系統電力の両方が電気機器８群で使用される。太陽電池１で生成された直流電力は、電気機器８群のみで使用され、商用電力系統に逆潮流することはない。
【００４８】
次に、負荷電流ＩＬが減少して太陽電池１で生成される直流電力が電気機器８群の消費電力よりも大きくなると（時刻ｔ２以降）、ＶＰ−ＶＮ＞ＶＣ−ＶＤとなる。太陽電池１で生成された直流電力は、電気機器８で使用されるとともに、絶縁型インバータ３で交流電力に変換されて商用電力系統に逆潮流する。
【００４９】
図８（ａ）（ｂ）は、負荷がパルス的に変動した場合における給電システムの動作を示すタイムチャートである。図８（ａ）では、給電線６ａ，６ｂ間の直流電圧ＶＰ−ＶＮと、ＡＣ／ＤＣコンバータ１２の出力設定電圧ＶＣ−ＶＤとが示されている。図８（ｂ）では、電気機器８群全体の消費電流ＩＬが示されている。
【００５０】
図８（ａ）（ｂ）において、負荷電流ＩＬが小さく太陽電池１で生成される直流電力が電気機器８群の消費電力よりも大きい場合、ＶＰ−ＶＮ＞ＶＣ−ＶＤとなっている。太陽電池１で生成された直流電力は、電気機器８群で使用されるとともに、絶縁型インバータ３で交流電力に変換されて交流電力で駆動される電気機器（図示せず）で消費され、住宅内の余剰電力は商用電力系統に逆潮流する。ある時刻ｔ１〜ｔ２において負荷電流ＩＬがパルス的に急増した場合でも、ＡＣ／ＤＣコンバータ１２から直流電流が瞬時に供給され、電気機器８群は安定に動作する。
【００５１】
この実施の形態１では、太陽電池１で生成された直流電力を直流給電線路６を介して電気機器８群に直接供給するので、太陽電池１で生成された直流電力を交流電力に変換して電気機器８群に供給し、電気機器８群内で交流電力を直流電力に変換していた従来に比べ、電力変換時の損失を小さくすることができ、電力の利用効率の向上を図ることができる。電気機器８群としているが、電気機器８単体に本発明の給電システムを適用することは当然可能である。
【００５２】
また、太陽電池１で生成される直流電力が低下した場合や、負荷電流ＩＬが急に増加した場合でも、直流電力の不足分はＡＣ／ＤＣコンバータ１２のダイオード３１〜３４を介して即座に補充されるので、直流給電電圧が大きく低下して電気機器８が動作不能になることがない。
【００５３】
また、太陽電池１で生成される直流電力が電気機器８群の消費電力を上回っている場合、商用電力系統が停電したときや、瞬時電圧低下が発生したときでも、商用電力系統に逆潮流をすることなく、電気機器８群を使用することができる。
【００５４】
また、現在の日本の法律では、太陽電池１で生成した直流電力が余った場合、余剰電力を商用電力系統に逆潮流させて電力会社に売ることが可能となっている。本実施の形態１では、家庭における電力の利用効率を向上させることにより、売電電力を大きくして売電料金を多く得ることができる。
【００５５】
また、電気機器８群には通常、ＡＣ／ＤＣコンバータ１２が設けられており、本発明を実施する場合において、家電機器側のコストが大きく上がることなく低コストで直流交流両用の家電機器を実現することができる。また、直流系統側の電圧安定化のためのＡＣ／ＤＣコンバータを別途設ける必要がないため、給電システムの低コスト化を図ることができる。また、交流電圧を常に受電しているので、交流電圧から得られる交流信号をクロック信号として使用することもできる。
【００５６】
なお、この実施の形態１では、直流電源として太陽電池１を用いた場合について説明したが、これに限るものではなく、直流電源として、燃料電池、蓄電池、直流発電機などを用いてもよい。また、直流電源として、太陽電池１、燃料電池、蓄電池、直流発電機などのうちの少なくとも２つの電源が並列接続されたものを用いてもよい。また、直流電源は、太陽電池１などの出力電圧を所定範囲内に安定化させたり、太陽電池１を最大出力動作点動作をさせるＤＣ／ＤＣコンバータを含んでいてもよい。
【００５７】
また、ＤＣ／ＤＣコンバータ２を除去してもよい。この場合、太陽電池、燃料電池などの出力−電流特性に基づき、直流電源の出力電圧が所定の範囲内になるように、インバータ３によって直流電源の出力電流を制御すればよい。
【００５８】
また、さらにインバータ３を除去してもよい。直流電源が燃料電池や太陽電池の場合、直流電源の出力電圧がＡＣ／ＤＣコンバータ１２の出力設定電圧ＶＣ−ＶＤよりも高くなるように電池のセル数などを調整すれば、直流電源から電気機器８へ給電することができる。また、直流電源として蓄電池を使用した場合、蓄電池の電圧がＡＣ／ＤＣコンバータ１２の出力設定電圧ＶＣ−ＶＤよりも高い場合に、直流給電線路６を介して電気機器８へ給電することができる。蓄電池の電荷量が減少して蓄電池の出力電圧がＡＣ／ＤＣコンバータ１２の出力設定電圧ＶＣ−ＶＤよりも低くなると、ＡＣ／ＤＣコンバータ１２から直流電力が出力される。蓄電池への充電は、別途交流系統から、充電器を用いて行なわれる。
【００５９】
図９は、この実施形態１の変更例を示す回路ブロック図であって、図４と対比される図である。図９を参照して、この変更例では、ＡＣ／ＤＣコンバータ１２がＡＣ／ＤＣコンバータ４０で置換される。ＡＣ／ＤＣコンバータ４０は、ＡＣ／ＤＣコンバータ１２に電圧検出器４１，４２、電流検出器４３、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）４４，４５、ダイオード４６，４７、および制御回路４８からなる力率改善回路を追加したものである。力率改善回路は、高調波電流抑制規制（ＪＩＳ  Ｃ  ６１０００−３−２：２００５）に従って、各家電機器に設けられる。
【００６０】
電圧検出器４１は、入力ノード１２ａ，１２ｂ間の交流電圧を検出する。電圧検出器４２は、出力ノード１２ｃ，１２ｄ間の直流電圧ＶＣ−ＶＤを検出する。電流検出器４３は、リアクトル３０の巻線３０ａの一方端子とダイオード３４のアノードとの間に介挿され、交流電流を検出する。
【００６１】
ＩＧＢＴ４４，４５のコレクタは互いに接続され、ＩＧＢＴ４４のエミッタはダイオード３４のアノードに接続され、ＩＧＢＴ４５のエミッタはダイオード３１のカソードに接続される。ダイオード４６，４７は、それぞれＩＧＢＴ４４，４５に逆並列に接続される。制御回路４８は、電圧検出器４１によって検出される交流電流と電流検出器４３によって検出される交流電流との位相が一致し、かつ電圧検出器４２によって検出される直流電圧ＶＣ−ＶＤが所定の電圧（たとえば３００Ｖ）になるように、ＩＧＢＴ４４，４５の各々をオン／オフさせる。この変更例１では、ＡＣ／ＤＣコンバータ４０が力率改善回路を含むので、実施の形態１よりも高い電力効率が得られる。
【００６２】
なお、上記実施の形態１では、各電気機器８のＡＣ／ＤＣコンバータ１２の出力電流が他の電気機器８にも供給され、ＡＣ／ＤＣコンバータ１２に過電流が流れる恐れがある。これを防止するため、ＡＣ／ＤＣコンバータ１２に出力電流を対応の本体部１４の最大消費電流以下に制限する電流制限回路を設けてもよい。電流制限回路は、コンデンサ３５と出力ノード１２ｃとの間に接続されたＩＧＢＴやＦＥＴなどの半導体スイッチング素子と、出力ノード１２ｃへ流出する電流量を検出する電流検出器と、検出した電流値が所定電流値以上になると半導体スイッチング素子を遮断する制御回路とで実現できる。
【００６３】
［実施の形態２］
図１０は、この発明の実施の形態２による給電システムの構成を示す回路ブロック図であって、図１と対比される図である。図１０を参照して、この給電システムが図１の給電システムと異なる点は、各電気機器８にスイッチ１５が追加されている点である。スイッチ１５は、直流端子１０ａとコンバータ１２の出力ノード１２ｃとの間に接続され、制御回路５によって制御される。スイッチ１５としては、トランジスタのような半導体素子を使用してもよいし、短絡、開放の制御が可能なメカリレーなどを使用してもよい。
【００６４】
この実施の形態２では、各電気機器８にスイッチ１５を設けたので、たとえば商用電力系統が停電した場合、複数の電気機器８から太陽電池１の出力のみで運転可能な台数の電気機器８を選択し、選択した電気機器８のみを運転することができる。
【００６５】
［実施の形態３］
図１１は、この発明の実施の形態３による給電システムの構成を示す回路ブロック図であって、図１と対比される図である。図１１を参照して、この給電システムが図１の給電システムと異なる点は、絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ５０が追加され、絶縁型インバータ３が非絶縁型インバータ３Ａで置換され、ＤＣ／ＤＣコンバータ２が非絶縁型コンバータ２Ａで置換されている点である。
【００６６】
絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ５０は、太陽電池１と非絶縁型インバータ３Ａの間に設けられ、出力ノード５０ａから正電流を出力するとともに、出力ノード５０ｂから負電流を出力する。絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ５０では、入力側と出力側の間に絶縁トランスが設けられており、入力側と出力側の間に短絡電流が流れたり、対地に大電流が流れることがない。
【００６７】
非絶縁型インバータ３Ａは、絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ５０の出力ノード５０ａ，５０ｂの直流電圧ＶＰ１，ＶＮ１に基づいて交流電圧ｖａ，ｖｂを生成する。非絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ２Ａは、太陽電池１と直流給電線路６の間に設けられ、正電圧給電線６ａに正電流を供給するとともに、負電圧給電線６ｂに負電流を供給する。
【００６８】
制御回路５は、直流電圧ＶＰ１が所定の正電圧になり、かつ直流電圧ＶＮ１が所定の負電圧になるように、非絶縁型インバータ３Ａを制御する。また、制御回路５は、正電圧給電線６ａの直流電圧ＶＰが所定の正電圧になり、かつ負電圧給電線６ｂの直流電圧ＶＮが所定の負電圧になるように、非絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ２Ａを制御する。上述したように、ＡＣ／ＤＣコンバータ１２が非絶縁型であり、その出力電圧の中間電位が接地電位である場合、非絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ２Ａの出力電圧の中間電位も接地電位に合わせる必要がある。
【００６９】
この実施の形態３では、インバータ３Ａ用のＤＣ／ＤＣコンバータ５０と直流給電線路６用のＤＣ／ＤＣコンバータ２Ａとを別々に設けたので、直流給電線路６の電圧ＶＰ−ＶＮを安定化させることができる。
【００７０】
また、逆潮流可能な交流電圧を出力するように制御する必要があるインバータ３Ａへの電圧ＶＰ１−ＶＮ１よりも直流給電線路６の電圧ＶＰ−ＶＮを低くするなど、自由な電圧設計が可能となり、電気機器８の耐圧を下げることができる。
【００７１】
また、１００Ｖの交流電圧で動作する電気機器や低い直流電圧で動作する電気機器に対しても本発明の給電システムを適用することができる。１００Ｖの交流電圧で動作する電気機器の多くは、交流電圧をＡＣ／ＤＣコンバータで直流電圧に変換し、直流電圧で本体部を動作させている。したがって、本実施の形態３と同様に、直流給電線路６の電圧ＶＰ−ＶＮをＡＣ／ＤＣコンバータの出力電圧よりも高い電圧とし、直流給電線路６をＡＣ／ＤＣコンバータの出力ノードに並列に接続すればよい。
【００７２】
また、低い直流電圧で動作する電気機器は、交流電圧をＡＣ／ＤＣコンバータで直流電圧に変換し、その直流電圧をＤＣ／ＤＣコンバータで最適動作電圧に変換し、その最適動作電圧で本体部を動作させている。この場合は、直流給電線路６の電圧ＶＰ−ＶＮをＡＣ／ＤＣコンバータの出力電圧よりも高い電圧に設定し、直流給電線路６をＡＣ／ＤＣコンバータの出力ノードに並列に接続すればよい。
【００７３】
なお、この実施の形態３でも、実施の形態２で示したように、各電気機器８にスイッチ１５を追加してもよいことは言うまでもない。
【００７４】
［実施の形態４］
図１２は、この発明の実施の形態４による給電システムの構成を示す回路ブロック図であって、図１１と対比される図である。図１２を参照して、この給電システムが図１１の給電システムと異なる点は、太陽電池１が太陽電池１Ａで置換され、非絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ２Ａが除去されている点である。
【００７５】
太陽電池１Ａの正側出力端子１ａおよび負側出力端子１ｂは、それぞれ正電圧給電線６ａおよび負電圧給電線６ｂに直接接続される。絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ５０は、制御回路５によって制御され、太陽電池１Ａの出力電圧ＶＰ−ＶＮが最大電力動作電圧になるように最大電力点追従動作を行なう。直流給電線路６の直流電圧ＶＰ−ＶＮは、各電気機器８に給電される。制御回路５は、直流電圧ＶＰ１が所定の正電圧（たとえば、＋１８０Ｖ）になり、かつ直流電圧ＶＮ１が所定の負電圧（たとえば、−１８０Ｖ）になるように、非絶縁型インバータ３Ａの出力電流を制御する。また、制御回路５は、商用電力系統の電圧異常、スマートグリッド方式などの都合で非絶縁型インバータ３の出力電流を制御できない場合、絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ５０の出力電圧が所定の値以上(たとえば４００Ｖ以上)にならないように絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ５０を制御する。
【００７６】
この実施の形態４では、太陽電池１Ａの出力電圧をそのまま直流給電線路６に供給するので、太陽電池１Ａで生成された直流電圧を１００％の効率で電気機器８に供給することができる。
【００７７】
なお、この実施の形態４では、絶縁型のＤＣ／ＤＣコンバータ５０と非絶縁型のインバータ３Ａを使用したが、これに限定されるものではない。上述したように、非絶縁型のコンバータおよびインバータは、絶縁型のものよりも効率が良いが、感電や、地絡電流などの危険性を低減する安全性の観点からは絶縁型のものよりも劣る。したがって、効率を優先させる場合は非絶縁型を使用し、安全性を優先させる場合は絶縁型を使用すればよい。また、上述したように、商用電力系統への連携インバータ動作において、直流電圧が変動して漏電が起こる可能性があるので、直流給電線路６と交流給電線路７の間をインバータ部またはコンバータ部で絶縁することが安全面で好ましい。
【００７８】
［実施の形態５］
図１の給電システムでは、各電気機器８のＡＣ／ＤＣコンバータ１２の出力設定電圧ＶＣ−ＶＤが他の電気機器８のＡＣ／ＤＣコンバータ１２の出力設定電圧ＶＣ−ＶＤとハードウェアなどの誤差の影響で微妙に異なるため、直流給電線路６の電圧ＶＰ−ＶＮが低下した場合には、１つのＡＣ／ＤＣコンバータ１２から直流給電線路６を介して各電気機器８に直流電力が供給されることになる。各ＡＣ／ＤＣコンバータ１２に電流制限回路を設けた場合は、１つのＡＣ／ＤＣコンバータ１２の出力電流が制限されて出力電圧が低下すると、他のＡＣ／ＤＣコンバータ１２から直流電力が供給されることになる。いずれの場合も、ＡＣ／ＤＣコンバータ１２の定格電流の設計が容易でない。この実施の形態５では、この問題の解決が図られる。
【００７９】
図１３は、この発明の実施の形態５による給電システムの構成を示す回路ブロック図であって、図１と対比される図である。図１３を参照して、この給電システムが図１の給電システムと異なる点は、各電気機器８にダイオード１６が追加されている点である。ダイオード１６のアノードは直流端子１０ａに接続され、そのカソードはコンバータ１２の出力ノード１２ｃに接続される。
【００８０】
図１４は、この給電システムの動作を示すタイムチャートであって、図６と対比される図である。図１４において、ＶＥはダイオード１６のカソードの実際の直流電圧である。太線はＶＥ−ＶＮを示し、細線はＶＰ−ＶＮを示し、点線はＶＣ−ＶＤを示している。直流電圧ＶＥ−ＶＮは、直流電圧ＶＰ−ＶＮとＡＣ／ＤＣコンバータ１２の出力設定電圧ＶＣ−ＶＤのうちの高い方の電圧と同じ電圧になる。また、この給電システムでは、ＡＣ／ＤＣコンバータ１２から直流給電線路６に電流が供給されないので、太陽電池１での発電が無い場合（時刻ｔ２〜ｔ３）、直流電圧ＶＰ−ＶＮが低下してしまう。
【００８１】
この実施の形態５では、各電気機器８にダイオード１６を設けたので、各電気機器８のＡＣ／ＤＣコンバータ１２から他の電気機器８に電流が流れるのを防止することができる。したがって、各電気機器８のＡＣ／ＤＣコンバータ１２の定格電流を容易に設計することができる。
【００８２】
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。
【符号の説明】
【００８３】
１，１Ａ  太陽電池、１ａ  正側出力端子、１ｂ  負側出力端子、２，２Ａ，５０  ＤＣ／ＤＣコンバータ、３，３Ａ  インバータ、４  柱上トランス、５  制御回路、６  直流給電線路、６ａ  正電圧給電線、６ｂ  負電圧給電線、７  交流給電線路、７ａ，７ｂ  交流給電線、８  家庭用電気機器、１０  直流接続口、１０ａ，１０ｂ  直流端子、１１  交流接続口、１１ａ，１１ｂ  交流端子、１２，４０  ＡＣ／ＤＣコンバータ、１２ａ，１２ｂ  入力ノード、１２ｃ，１２ｄ  出力ノード、１３  電源回路、１４  本体部、１５  スイッチ、１６，３１〜３４，４６，４７  ダイオード、２０  高周波ＰＷＭインバータ、２１  絶縁トランス、２１ａ  １次巻線、２１ｂ  ２次巻線、２２  整流回路、２３  折り返しインバータ、３０  リアクトル、３０ａ，３０ｂ，３０ｃ  巻線、３５  コンデンサ、４１，４２  電圧検出器、４３  電流検出器、４８  制御回路。
【図１】
2012120364.tif 000003
【図２】
2012120364.tif 000004
【図３】
2012120364.tif 000005
【図４】
2012120364.tif 000006
【図５】
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【図６】
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【図７】
2012120364.tif 000009
【図８】
2012120364.tif 000010
【図９】
2012120364.tif 000011
【図１０】
2012120364.tif 000012
【図１１】
2012120364.tif 000013
【図１２】
2012120364.tif 000014
【図１３】
2012120364.tif 000015
【図１４】
2012120364.tif 000016