(57)【要約】【課題】蓄電池の内部インピーダンスによらず蓄電池が本来有する充電充放電電力量を十分に有効利用することを可能とする電力給電システムを提供する。【解決手段】充放電可能な蓄電池７０と、蓄電池を充放電する充放電装置３０、４０と、蓄電池の出力電圧指令信号と蓄電池の出力電圧を検出した出力電圧検出信号との偏差を増幅した充放電電力リミットコントロール信号を出力する充放電電力リミットコントローラ２０と、を有し、充放電装置は、充放電電力リミットコントロール信号に基づき蓄電池の充放電の電力を制御する充放電コントローラ５０、９０を備える。【選択図】図１
2013021792.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
充放電可能な蓄電池と、
前記蓄電池を充放電する充放電装置と、
前記蓄電池の出力電圧指令信号と検出した前記蓄電池の出力電圧検出信号との偏差を増幅した充放電電力リミットコントロール信号を出力する充放電電力リミットコントローラと、を有し、
前記充放電装置は、前記充放電電力リミットコントロール信号に基づき前記蓄電池の充放電の電力を制御する充放電コントローラを備えることを特徴とする電力給電システム。
【請求項２】
前記充放電電力リミットコントローラは、
前記出力電圧検出信号を上限値または下限値により制限して前記出力電圧指令信号として出力するリミッタ部と、
前記出力電圧指令信号と出力電圧検出信号との偏差を比例積分して前記充放電電力リミットコントロール信号を生成するＰＩ制御部と、
を有することを特徴とする請求項１に記載の電力給電システム。
【請求項３】
商用電源に依らない発電可能な発電装置と、
前記発電装置および商用電源の少なくとも一方から電力が供給される負荷と、をさらに有し、
前記充放電装置は、
前記蓄電池の出力電圧を昇圧してバス電圧を生成するＤＣ／ＤＣコンバータと、
前記蓄電池への充電時には前記発電装置および商用電源の少なくとも一方の交流電力を整流して前記バス電圧を電圧源とする直流電力に変換し、前記蓄電池からの放電時には前記バス電圧を電圧源とする直流電力を交流電力に変換して前記負荷に電力供給するインバータと、
を備えることを特徴とする請求項１または２に記載の電力給電システム。
【請求項４】
前記充放電コントローラは、前記バス電圧のバス電圧指令信号と、検出した前記バス電圧のバス電圧検出信号と、の偏差を増幅した信号に基づきバス電圧をバス電圧指令値に追従させるＤＣ／ＤＣコンバータコントローラを有し、前記ＤＣ／ＤＣコンバータコントローラにより、前記ＤＣ／ＤＣコンバータを制御することを特徴とする請求項３に記載の電力給電システム。
【請求項５】
前記充放電コントローラは、前記商用電源からの電力指令信号と前記充放電電力リミットコントロール信号とを加算し、前記商用電源からの出力電力を示す出力電力信号を減算した信号を商用電圧検出信号で除算したインバータ電流指令信号を目標値として、前記インバータの入出力電流を検出したインバータ電流検出信号が追従するように制御するインバータコントローラを有し、前記インバータコントローラにより、前記インバータを制御することを特徴とする請求項３記載の電力給電システム。
【請求項６】
前記充放電コントローラは前記ＤＣ／ＤＣコンバータおよび前記インバータをＰＷＭにより制御することを特徴とする請求項４または５に記載の電力給電システム。
【請求項７】
前記蓄電池は、二次電池、電気二重層キャパシタ、およびリチウムイオンキャパシタの少なくともいずれかであって、内部インピーダンスを有していることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の電力給電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電力給電システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
無停電電源装置のように蓄電池を満充電の状態とするシステムにおいては、従来、ＣＣＣＶ（Ｃｏｎｓｔａｎｔ  Ｃｕｒｒｅｎｔ  Ｃｏｎｓｔａｎｔ  Ｖｏｌｔａｇｅ）制御の充電方式による充電システムにより蓄電池の充電が行なわれている。
【０００３】
このような従来のＣＣＣＶ制御の充電システムにおいては、最初は充電電流を一定に制御し制御された電流による充電を行い、蓄電池の出力電圧が満充電の出力電圧に近づいたときに充電電圧を一定に制御し制御された電圧による充電に切換えて充電を行う。ＣＣＣＶ制御により蓄電池の充電を行うことにより、充電時間を短縮するとともに蓄電池の内部インピーダンスによる電圧降下に起因する充電電力量の低下を防止することができる（特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−１５３４３６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、充電システムの用途によっては、蓄電池はＳＯＣ（Ｓｔａｔｅ  Ｏｆ  Ｃｈａｒｇｅ）が中間域の範囲で使用され、かつ充放電が不定期に繰り返される場合がある。そして、蓄電池の出力電圧が所定の電圧変動範囲を超えると充放電電流にかかわらず蓄電池への充放電が停止される。
【０００６】
このような用途に従来のＣＣＣＶ制御による充電システムが適用されると、蓄電池への充放電電流と蓄電池の内部インピーダンスにより生じた電圧降下によって蓄電池の出力電圧が電圧変動範囲を超えたときに蓄電池への充放電が停止される。このため、蓄電池が本来有する充放電電力量を十分に利用することができないという問題がある。
【０００７】
本発明はこのような問題を解決するためになされたものであり、蓄電池の出力電圧と出力電力指令値との偏差に基づく制御信号により蓄電池への充放電の電力を制御することにより、蓄電池の内部インピーダンスによらず蓄電池が本来有する充電充放電電力量を十分に有効利用することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の上記課題は、以下の手段によって解決される。
【０００９】
充放電可能な蓄電池と、前記蓄電池を充放電する充放電装置と、前記蓄電池の出力電圧指令信号と前記蓄電池の出力電圧を検出した出力電圧検出信号との偏差を増幅した充放電電力リミットコントロール信号を出力する充放電電力リミットコントローラと、を有し、前記充放電装置は、前記充放電電力リミットコントロール信号に基づき前記蓄電池の充放電の電力を制御する充放電コントローラを備えることを特徴とする電力給電システム。
【発明の効果】
【００１０】
蓄電池の出力電圧と出力電力指令値との偏差に基づく制御信号により蓄電池への充放電の電力を制御することにより、蓄電池の内部インピーダンスによらず蓄電池が本来有する充電充放電電力量を十分に有効利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施形態に係る電力給電システムの機能ブロック図である。
【図２】本発明の実施形態に係る電力給電システムの簡略回路図である。
【図３】充放電電流とＳＯＣとの関係を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係る電力給電システムについて詳細に説明する。なお、本明細書において、「増幅」という用語の概念には増幅率が１以下の場合も含むものとする。
【００１３】
図１は、本発明の実施形態に係る電力給電システムの機能ブロック図である。
【００１４】
本実施形態に係る電力給電システム１は、蓄電池１０、ＤＣ／ＤＣコンバータ（充放電装置）３０、充放電電力リミットコントローラ２０、インバータ（充放電装置）４０、ＤＣ／ＤＣコンバータコントローラ（充放電コントローラ）５０、商用電源６０、発電装置７０、負荷装置（負荷）８０、インバータコントローラ（充放電コントローラ）９０、蓄電池電圧センサ２９、バス電圧センサ３９、入力電圧センサ６９、インバータ電流センサ４９、および出力電流センサ８９を有してなる。
【００１５】
蓄電池１０は、鉛蓄電池、リチウムイオン電池といった二次電池であり得るが、これに限定されず、電気二重層キャパシタ（ＥＤＬＣ：Ｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｄｏｕｂｌｅ  Ｌａｙｅｒ  Ｃａｐａｃｉｔｏｒ）であってもよい。これらの機器は、一般的に内部インピーダンスを有する。
【００１６】
ＤＣ／ＤＣコンバータ３０は、蓄電池１０の出力電圧（以下、「蓄電池電圧」と称する）Ｖｂを昇圧してバス電圧Ｖｄを生成するバス電圧Ｖｄからインバータ４０へ電力が供給されると、後述するようにバス電圧Ｖｄを一定に制御するため蓄電池は放電される昇圧動作を行う。
【００１７】
また、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０は、バス電圧Ｖｄにインバータ４０から電力が供給されると、同様にバス電圧Ｖｄを一定に制御するため蓄電池は充電され、降圧動作を行う。
【００１８】
ＤＣ／ＤＣコンバータ３０は、ＤＣ／ＤＣコンバータコントローラ５０からのＤＣ／ＤＣコンバータコントロール信号に基づいて蓄電池１０を充放電することにより、バス電圧Ｖｄの電圧値を一定に保持する。
【００１９】
商用電源６０から出力される入力電力Ｐｉｎおよび発電装置７０から出力される電力Ｐｇｅｎの和のうち負荷装置８０で消費される電力Ｐｌｏａｄが差し引かれてなる充放電電力Ｐｉｎｖは、インバータ４０を介してバス電圧Ｖｄに供給される。ＤＣ／ＤＣコンバータ３０は、バス電圧Ｖｄに供給された充放電電力Ｐｉｎｖにより蓄電池１０を充放電することができる。ここで、負荷装置８０で消費される電力Ｐｌｏａｄから発電装置７０から出力される電力Ｐｇｅｎを指し引いた電力を出力電力Ｐｏｕｔと定義する。
【００２０】
ＤＣ／ＤＣコンバータコントローラ５０は、バス電圧指令値Ｖｄ＊にバス電圧センサ３９により検出されたバス電圧Ｖｄを追従させるようにＤＣ／ＤＣコンバータ３０をＤＣ／ＤＣコンバータコントロール信号によりＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ  Ｗｉｄｔｈ  Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）制御する。
【００２１】
充放電電力リミットコントローラ２０は、蓄電池電圧センサ２９により検出された蓄電池電圧Ｖｂと出力電圧指令値Ｖｂ＊との偏差に基づき充放電電力リミットコントロール信号ΔＰを生成する。出力電圧指令値Ｖｂ＊は蓄電池電圧Ｖｂが追従すべき目標値である。
【００２２】
充放電電力リミットコントローラ２０は、蓄電池電圧センサ２９により検出された蓄電池電圧Ｖｂが下限値ＶｂＬまたは上限値ＶｂＨのいずれかを超える場合には、検出された蓄電圧Ｖｂを下限値ＶｂＬまたは上限値ＶｂＨのいずれかに制限する。そして、制限された蓄電池電圧Ｖｂ（すなわち、下限値ＶｂＬまたは下限値ＶｂＨのいずれか）を出力電圧指令値Ｖｂ＊とする。
【００２３】
一方、蓄電池電圧Ｖｂが下限値ＶｂＬおよび下限値ＶｂＨの範囲内である場合は、検出された蓄電池電圧Ｖｂを出力電圧指令値Ｖｂ＊とすることができる。
【００２４】
充放電電力リミットコントローラ２０により生成された充放電電力リミットコントロール信号ΔＰは、インバータコントローラ９０に出力される。
【００２５】
インバータコントローラ９０は、入力電力Ｐｉｎが追従すべき目標電力である入力電力指令値Ｐｉｎ＊に、充放電電力リミットコントロール信号ΔＰを加算することにより、充放電電力Ｐｉｎｖが追従すべき目標電力である充放電電力指令値Ｐｉｎｖ＊を算出する。
【００２６】
そして、算出された充放電電力指令値Ｐｉｎｖ＊を検出された入力電圧Ｖｉｎを乗算し、検出された出力電流Ioutを減算することによりインバータ４０に流れるインバータ電流Ｉｉｎｖが追従すべき目標電流であるインバータ電流指令値Ｉｉｎｖ＊を算出する。
【００２７】
インバータコントローラ９０は、インバータ電流Ｉｉｎｖがインバータ電流指令信号Ｉｉｎｖ＊に追従し、かつ、蓄電池電圧Ｖｂが充放電リミット値に達している場合には、充放電電力リミットコントロール信号ΔＰに基づき、出力電圧指令値Ｖｂ＊に追従するようにインバータ４０をＰＷＭ制御する。インバータコントローラ９０は、インバータコントロール信号によりインバータ４０を制御する。
【００２８】
インバータ４０は、バス電圧Ｖｄを電圧源として直流電力から交流電力へ、および交流電力から直流電力へ変換をする。
【００２９】
蓄電池電圧センサ２９、バス電圧センサ３９、および入力電圧センサ６９は、公知の電圧検出器により構成することができる。
【００３０】
インバータ電流センサ４９、および出力電流センサ８９は、公知の電流検出器、例えば変流器により構成することができる。
【００３１】
商用電源６０は、電力会社から電力消費者に電力を供給するための設備である。
【００３２】
発電装置７０は、商用電源に依存しない独立した発電装置であり、太陽光発電装置、風力発電装置の他あらゆる発電装置が含まれる。
【００３３】
負荷装置８０は、交流電圧により駆動される装置で、電力を消費する装置であれば限定されない。
【００３４】
図２は、本発明の実施形態に係る電力給電システムの簡略回路図である。図１の機能ブロック図における各機能ブロックが有する機能は図２に示す回路により実現することができる。
【００３５】
なお、図２においては、簡単のため、蓄電池電圧センサ２９等の電圧検出装置およびインバータ電流センサ４９等の電流検出装置は省略されている。
【００３６】
また、本実施形態においては、駆動部５３、９４を除き、充放電電力リミットコントローラ２０、ＤＣ／ＤＣコンバータコントローラ５０、および、インバータコントローラ９０の各機能は、ソフトウェアによる演算処理によって実施する。このため、蓄電池電圧センサ２９、バス電圧センサ３９、入力電圧センサ６９、インバータ電流センサ４９、および出力電流センサ８９は、それぞれ電圧または電流をソフトウェアによる演算処理が可能な信号として検出する。これらのセンサは、例えば、検出した電圧を分圧器により減衰させ、Ａ／Ｄコンバータによりデジタル信号に変換することにより信号として電圧を検知することができる。以下の説明においては、例えば、蓄電池の出力電圧「Ｖｂ」が蓄電池電圧センサ２９により検出された場合における出力電圧検出信号を「Ｖｂ’」というように表記することとする。
【００３７】
ただし、充放電電力リミットコントローラ２０、ＤＣ／ＤＣコンバータコントローラ５０、および、インバータコントローラ９０の各機能は、その一部または全部をハードウェアのみ（例えば、電子回路）によって実現してもよいことは勿論である。
【００３８】
また、図２の説明においてはすでに図１の説明においてなされた説明は重複説明を回避するため省略する。
【００３９】
ＤＣ／ＤＣコンバータ３０は、リアクトル３２、コンデンサ３５、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ  Ｇａｔｅ  Ｂｉｐｏｌａｒ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）３１Ａ、３１Ｂ、コンデンサ３３により構成される一般的な昇圧チョッパ回路により構成することができる。
【００４０】
昇圧動作について簡単に説明する。一方のＩＧＢＴ３１Ａを導通状態とし、他方のＩＧＢＴ３１Ｂを非導通状態とすると、リアクトル３２には蓄電池１０からＩＧＢＴ３１Ａに流れる電流が印加される。この状態から、一方のＩＧＢＴ３１Ａを非導通状態とし、他方のＩＧＢＴ３１Ｂを導通状態に切り換えるとリアクトル３２に蓄積されたエネルギーが放出され、一方の端子に出力電圧Ｖｂが印加されたリアクトル３２の他方の端子の端子電圧が上昇する。上昇したリアクトル３２の端子電圧は導通状態にあるＩＧＢＴ３１Ｂを介してコンデンサ３３に印加され、その昇圧した電圧によりコンデンサ３３に電荷がチャージされる。その結果、昇圧された出力電圧Ｖｂが直流電圧として出力される。
【００４１】
昇圧された電圧はＤＣ／ＤＣインバータコントローラ５０によりバス電圧指令値Ｖｄ＊に追従させるように制御され、バス電圧指令値Ｖｄ＊と一致したバス電圧Ｖｄが出力される。
【００４２】
ＤＣ／ＤＣコンバータ３０のＩＧＢＴ３１Ａ、３１Ｂのベース端子には、ＤＣ／ＤＣコンバータコントローラ５０からＤＣ／ＤＣコンバータコントロール信号が入力され、ＤＣ／ＤＣコンバータコントロール信号によりＩＧＢＴ３１Ａ、３１Ｂの導通／非導通状態が制御される。ＤＣ／ＤＣコンバータコントロール信号はＰＷＭ信号とすることができる。
【００４３】
充放電電力リミットコントローラ２０は、リミッタ部２１とＰＩ制御部２２とで構成することができる。
【００４４】
リミッタ部２１は、出力電圧信号検出信号Ｖｂ’として検出された蓄電池電圧Ｖｂが下限値ＶｂＬ’を下回る場合は下限値ＶｂＬ’に制限して出力し、出力電圧信号検出信号Ｖｂ’が上限値ＶｂＨ’を上回る場合は上限値ＶｂＨ’に制限して出力する。これにより、リミッタ回路２１から出力される信号は下限値ＶｂＬ’と上限値ＶｂＨ’との間の範囲の電圧信号となり蓄電池１０の出力電圧指令信号Ｖｂ’＊として利用される。
【００４５】
ＰＩ制御部２２は、出力電圧信号検出信号Ｖｂ’と出力電圧指令信号Ｖｂ’＊との偏差を比例積分演算（増幅）し、出力偏差である充放電電力リミットコントロール信号ΔＰを生成し、インバータコントローラ９０に出力する。
【００４６】
インバータコントローラ９０においては、次の処理がなされる。入力電力信号Ｐｉｎ’が追従すべき目標である入力電力指令信号Ｐｉｎ’＊、に充放電電力リミットコントロール信号ΔＰ’を加算することにより、充放電電力信号Ｐｉｎｖ’が追従すべき目標である充放電電力指令信号Ｐｉｎｖ’＊を算出する。
【００４７】
乗算部９１は、算出された充放電電力指令信号Ｐｉｎｖ’＊を検出された入力電圧信号Ｖｉｎ’で乗算することにより交流に変換し、さらに検出した出力電流を減算することでインバータ電流信号Ｉｉｎｖ’の追従すべき目標であるインバータ電流指令信号Ｉｉｎｖ’＊を算出する。
【００４８】
増幅部９２は、フィードバックされてきた信号を増幅するものであり、インバータ電流指令信号Ｉｉｎｖ’＊と検出されたインバータ電流信号Ｉｉｎｖ’との偏差を増幅することでインバータ補正電圧信号とされ、入力電圧信号Ｖｉｎ’が加算されてＰＷＭ制御信号生成部９３に出力される。
【００４９】
ＰＷＭ制御信号生成部９３は入力電圧信号Ｖｉｎ’が加算されたインバータ補正電圧信号に基づいてインバータ４０を制御するためのインバータコントロール信号を生成する。インバータコントロール信号により、インバータ電流信号Ｉｉｎｖ’がインバータ電流指令信号Ｉｉｎｖ’＊に追従し、かつ、出力電圧信号検出信号Ｖｂ’が充放電リミット値に達している場合には、充放電電力リミットコントロール信号ΔＰに基づき、出力電圧指令信号Ｖｂ’＊に追従するようにインバータ４０が制御される。
【００５０】
このように、インバータコントローラ９０およびＤＣ／ＤＣコンバータコントローラ５０によりインバータ４０およびＤＣ／ＤＣコンバータがそれぞれ制御されることにより、蓄電池電圧Ｖｂが出力電力指令値Ｖｂ＊の所定の範囲内で蓄電池１０への充放電電力が制御される。これにより、充放電電流と蓄電池の内部インピーダンスとにより生じた電圧降下により蓄電池電圧Ｖｂが所定の範囲を超えることによるシステムの停止を防止し、蓄電池の内部インピーダンスに起因する充放電電力量の減少を防止することができる。
【００５１】
図３は、充放電電流とＳＯＣとの関係を示す説明図である。
【００５２】
図３に示すように、従来のＣＣＣＶ制御の充電方式のＣＣ制御を利用して蓄電池１０への充電を行うと、一定電流による充電時においては充電電流と蓄電池１０の内部インピーダンスとにより生じた電圧降下により見かけ上蓄電池電圧Ｖｂが増大する。そして充電を停止すると該電圧降下が消滅し、充電時の見かけ上の蓄電池電圧Ｖｂに対して蓄電池電圧Ｖｂが低下する。放電時は、この逆の動作となる。この現象は、図３の細い矢印で示すように蓄電池１０の使用可能なＳＯＣの範囲を縮小させる。本実施形態に係る給電システムによれば、蓄電池１０の出力電圧が所定の範囲となるように充放電電力を制御するため、蓄電池の内部インピーダンスによる影響を抑制することができる。図３の太い矢印で示すように、本実施形態に係る給電システムによれば、蓄電池１０の使用可能なＳＯＣの範囲を拡大させることができる。
【００５３】
駆動部９４は、インバータコントロール信号をインバータ４０を駆動可能な電力に増幅してインバータ４０に出力する。
【００５４】
以上、本発明の実施形態に係る電力給電システムについて詳細に説明したが、本発明の実施形態に係る電力給電システムによれば、蓄電池の出力電圧と出力電力指令値との偏差に基づく制御信号により充放電の電力を制御する。これにより、蓄電池の内部インピーダンスによる影響を抑制し、蓄電池が本来有する充電充放電電力量を十分に有効利用することができる。
【００５５】
また、充電充放電電力量を有効利用することができるため、充電地の容量を削減することが可能となり、小型化、コスト低減を実現することができる。
【符号の説明】
【００５６】
１    電力給電システム、
１０    蓄電池、
２０    充放電電力リミットコントローラ、
２９    蓄電池電圧センサ、
３０    ＤＣ／ＤＣコンバータ、
３９    バス電圧センサ、
４０    インバータ、
４９    インバータ電流センサ、
５０    ＤＣ／ＤＣコンバータコントローラ、
６０    商用電源、
７０    発電装置、
８０    負荷装置、
８９    出力電流センサ、
９０    インバータコントローラ。
【図１】
2013021792.tif 000003
【図２】
2013021792.tif 000004
【図３】
2013021792.tif 000005