特開 2024-107684 再エネ利用電力システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024107684

(43)【公開日】2024-08-09

(54)【発明の名称】再エネ利用電力システム

(51)【国際特許分類】

   H02J 3/38 20060101AFI20240802BHJP

   H02J 3/32 20060101ALI20240802BHJP

   H02J 7/35 20060101ALI20240802BHJP

【ＦＩ】

H02J3/38 120

H02J3/32

H02J7/35

【審査請求】未請求

【請求項の数】2

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023011737

(22)【出願日】2023-01-30

(71)【出願人】

【識別番号】000217491

【氏名又は名称】ダイヤゼブラ電機株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001427

【氏名又は名称】弁理士法人前田特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】松井 重純

【テーマコード（参考）】

5G066

5G503

【Ｆターム（参考）】

5G066HB06

5G066HB09

5G066JB03

5G503AA01

5G503AA06

5G503BA01

5G503BB01

5G503GB03

(57)【要約】

【課題】バッテリを備えた再エネ利用電力システムにおいて、電力変換効率の低下を抑え、コスト上昇を抑え、かつ、バッテリの寿命を延ばす。
【解決手段】ＤＣ－ＤＣコンバータ１２は、再生可能エネルギーを利用して発電を行う発電部１１の出力を、所定電圧の直流電力に変換し、ＤＣバス１３に出力する。電力変換部１４は、ＤＣバス１３の直流電力を直流電力または交流電力に変換してシステム外部に出力する。スイッチ１５は、ＤＣバス１３とバッテリ１６との間に接続されており、オン状態とオフ状態とを切替可能に構成されている。ＤＣ－ＤＣコンバータ１２は、スイッチ１５のオンオフ状態に応じて、出力する直流電力の電圧値を変更する。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

再生可能エネルギーを利用して発電を行う発電部と、
前記発電部の出力を、所定電圧の直流電力に変換し、ＤＣバスに出力するＤＣ－ＤＣコンバータと、
前記ＤＣバスの直流電力を、直流電力または交流電力に変換する電力変換部と、
前記ＤＣバスに接続されており、オン状態とオフ状態とを切替可能に構成されたスイッチと、
前記スイッチに接続されたバッテリと、
前記スイッチのオンオフを制御する制御部とを備え、
前記ＤＣ－ＤＣコンバータは、前記スイッチのオンオフ状態に応じて、出力する直流電力の電圧値を変更する
再エネ利用電力システム。

【請求項2】

再生可能エネルギーを利用して発電を行う発電部と、
前記発電部の出力を、所定電圧の直流電力に変換する第１ＤＣ－ＤＣコンバータと、
前記発電部の出力を、所定電圧の直流電力に変換する第２ＤＣ－ＤＣコンバータと、
前記第１ＤＣ－ＤＣコンバータの出力、および、前記第２ＤＣ－ＤＣコンバータの出力のいずれかを選択して出力する第１スイッチと、
前記第１スイッチの出力を、直流電力または交流電力に変換する電力変換部と、
前記第２ＤＣ－ＤＣコンバータの出力端に接続されており、オン状態とオフ状態とを切替可能に構成された第２スイッチと、
前記第２スイッチに接続されたバッテリと、
前記第１スイッチの選択動作、および前記第２スイッチのオンオフを制御する制御部とを備える
再エネ利用電力システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、再生可能エネルギーを利用した発電部とバッテリを備える電力システムに関する。

【背景技術】

【0002】

図４は、特許文献１の図１に示された従来の太陽光発電システムの構成例である。図４の構成では、パワーコンディショナ１１は、太陽電池２０の出力を受ける昇圧チョッパ（ＤＣ－ＤＣコンバータ）１２と、昇圧チョッパ１２からの直流電力を交流電力に変換するインバータ１３と、インバータ１３の入力ラインと蓄電池２１との間に設けられた双方向チョッパ（ＤＣ－ＤＣコンバータ）１４とを備える。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２００２－３５４６７７号公報（図１）

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

一般に、ＤＣ－ＤＣコンバータやインバータは、入力電圧と出力電圧の差が大きいと変換効率が低下する。例えば特許文献１の構成では、インバータ１３の入力ラインに、昇圧チョッパ１２の出力と、蓄電池２１の充放電に用いられる双方向チョッパ１４が接続されている。双方向チョッパ１４が存在することにより、蓄電池２１の充放電電圧に影響なく、昇圧チョッパ１２の出力電圧をインバータ１３の動作に適した電圧に設定可能である。ただし、双方向チョッパ１４という回路が必要となるため、コスト上昇につながる。

【0005】

また、バッテリは、常時充放電されると寿命が短くなり、他の部品より寿命が短いため、できるだけ充放電を減らすことが好ましい。

【0006】

本発明では、バッテリを備えた再エネ利用電力システムにおいて、電力変換効率の低下を抑え、コスト上昇を抑え、かつ、バッテリの寿命を延ばすことを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明の態様では、再エネ利用電力システムは、再生可能エネルギーを利用して発電を行う発電部と、前記発電部の出力を所定電圧の直流電力に変換し、ＤＣバスに出力するＤＣ－ＤＣコンバータと、前記ＤＣバスの直流電力を、直流電力または交流電力に変換する電力変換部と、前記ＤＣバスに接続されており、オン状態とオフ状態とを切替可能に構成されたスイッチと、前記スイッチに接続されたバッテリと、前記スイッチのオンオフを制御する制御部とを備え、前記ＤＣ－ＤＣコンバータは、前記スイッチのオンオフ状態に応じて、出力する直流電力の電圧値を変更する。

【0008】

この構成によると、再エネ利用電力システムにおいて、発電部の発電電力が当該再エネ利用電力システムの出力電力に対して十分な場合、スイッチをオフ状態にして、バッテリをＤＣバスから切り離すことができる。このとき、ＤＣ－ＤＣコンバータは、出力する直流電力の電圧値を、システム全体の電力変換効率が最大化するような電圧に設定できるので、最適な制御が可能となる。また、バッテリの充放電を行わないときは、スイッチをオフ状態にしてバッテリをＤＣバスから切り離すことができるので、消耗品であるバッテリの寿命を延ばすことができる。

【0009】

また、本発明の別の態様では、再エネ利用電力システムは、再生可能エネルギーを利用して発電を行う発電部と、前記発電部の出力を所定電圧の直流電力に変換する第１ＤＣ－ＤＣコンバータと、前記発電部の出力を所定電圧の直流電力に変換する第２ＤＣ－ＤＣコンバータと、前記第１ＤＣ－ＤＣコンバータの出力、および、前記第２ＤＣ－ＤＣコンバータの出力のいずれかを選択して出力する第１スイッチと、前記第１スイッチの出力を、直流電力または交流電力に変換する電力変換部と、前記第２ＤＣ－ＤＣコンバータの出力端に接続されており、オン状態とオフ状態とを切替可能に構成された第２スイッチと、前記第２スイッチに接続されたバッテリと、前記第１スイッチの選択動作、および前記第２スイッチのオンオフを制御する制御部とを備える。

【0010】

この構成によると、再エネ利用電力システムにおいて、発電部の発電電力が当該再エネ利用電力システムの出力電力に対して十分な場合、第１スイッチに第１ＤＣ－ＤＣコンバータの出力を選択させる。したがって、第１ＤＣ－ＤＣコンバータの出力電圧を、システム全体の電力変換効率が最大化するような電圧に設定することによって、最適な制御が可能となる。また、第１スイッチに第２ＤＣ－ＤＣコンバータの出力を選択させ、第２スイッチをオン状態にすることによって、電力変換部に、バッテリの電力に加えて発電部からのアシスト電力が供給されるので、このモードにおけるバッテリの消費電力を抑えることが可能となる。さらに、バッテリの充放電を行わないときは、第２スイッチをオフ状態にしてバッテリを第２ＤＣ－ＤＣコンバータの出力端から切り離すことができるので、消耗品であるバッテリの寿命を延ばすことができる。

【発明の効果】

【0011】

本発明によると、バッテリを備えた再エネ利用電力システムにおいて、電力変換効率の低下を抑え、コスト上昇を抑え、かつ、バッテリの寿命を延ばすことができる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】第１実施形態に係る再エネ利用電力システムの構成

【図2】図１の再エネ利用電力システムの効果を説明するための図

【図3】第２実施形態に係る再エネ利用電力システムの構成

【図4】従来の太陽光発電システムの構成例

【発明を実施するための形態】

【0013】

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。以下の好ましい実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎず、本発明、その適用範囲あるいはその用途を制限することを意図するものではない。

【0014】

（第１実施形態）
図１は第１実施形態に係る再エネ利用電力システムの構成例である。図１において、発電部１１は、再生利用可能エネルギーを利用して発電を行う。発電部１１は、例えば、太陽電池（ＰＶ：Photovoltaic）、あるいは、温度差発電素子（ＴＥＧ：Thermoelectric Generator）である。ＤＣ－ＤＣコンバータ１２は、発電部１１の出力を、所定電圧の直流電力に変換し、ＤＣバス１３に出力する。ＤＣ－ＤＣコンバータ１２は、出力する直流電力の電圧値を変更可能に構成されている。

【0015】

ＤＣ－ＤＣコンバータ１４は、ＤＣバス１３の直流電力を、所定電圧の直流電力に変換する。ＤＣ－ＤＣコンバータ１４から出力された直流電力は、当該再エネ利用電力システムの出力電力になる。ＤＣ－ＤＣコンバータ１４は、本開示における電力変換部の例である。なお、ＤＣ－ＤＣコンバータ１４の代わりに、ＤＣバス１３の直流電力を交流電力に変換するインバータを、電力変換部として設けてもよい。この場合、本再エネ利用電力システムは、例えば系統に連結されたり、あるいはモータドライブ等に用いられたりする。

【0016】

ＤＣバス１３には、スイッチ１５が接続されている。スイッチ１５は、オン状態とオフ状態とを切り替え可能に構成されており、オン状態では入力端と出力端が電気的に導通し、オフ状態では入力端と出力端が電気的に遮断される。スイッチ１５は、例えば、機械式リレーや半導体スイッチによって構成される。バッテリ１６は、スイッチ１５を介して、ＤＣバス１３に接続されている。スイッチ１５がオン状態のとき、バッテリ１６はＤＣバス１３と電気的に接続される。スイッチ１５がオフ状態のとき、バッテリ１６はＤＣバス１３と電気的に切り離される。

【0017】

制御部１７は、スイッチ１５のオンオフ状態の切り替えを制御する。すなわち、制御部１７は、バッテリ１６の充電を行うとき、または、バッテリ１６の放電を行うとき、スイッチ１５をオン状態に制御する。また制御部１７は、バッテリ１６の充電および放電を行わないとき、スイッチ１５をオフ状態に制御する。

【0018】

ここで、制御部１７は、発電部１１の出力、ＤＣ－ＤＣコンバータ１４の出力、および、バッテリ１６の状態を監視するものとする。そして、これらを基にして、スイッチ１５のオンオフ状態の切り替えを制御する。例えば、発電部１１の発電電力が当該再エネ利用電力システムの出力電力を十分に賄える場合、制御部１７は、スイッチ１５をオフ状態にする。これにより、バッテリ１６はＤＣバス１３から電気的に切り離される。また例えば、バッテリ１６の残量が少なくバッテリ１６の充電が必要な場合、制御部１７は、スイッチ１５をオン状態にする。これにより、バッテリ１６はＤＣバス１３に電気的に接続され、ＤＣバス１３からバッテリ１６へ給電が行われる。あるいは、発電部１１の発電電力が当該再エネ利用電力システムの出力電力に対して不足している場合、制御部１７は、スイッチ１５をオン状態にする。これにより、バッテリ１６はＤＣバス１３に電気的に接続され、バッテリ１６からＤＣバス１３に給電が行われる。

【0019】

そして、制御部１７は、スイッチ１５のオンオフ状態に関する情報を、ＤＣ－ＤＣコンバータ１２に通知する。ＤＣ－ＤＣコンバータ１２は、通知された情報が示すスイッチ１５のオンオフ状態に応じて、出力する直流電力の電圧値を変更する。

【0020】

例えば、スイッチ１５がオフ状態のとき、ＤＣ－ＤＣコンバータ１２は、ＤＣ－ＤＣコンバータ１２，１４全体の電力変換効率が最大化するような電圧をもって、直流電力を出力する。例えば、ＤＣ－ＤＣコンバータ１２は、出力する直流電力の電圧を、発電部１１の出力電圧とＤＣ－ＤＣコンバータ１４の出力電圧との中間電圧に設定する。あるいは、スイッチ１５がオン状態のとき、ＤＣ－ＤＣコンバータ１２は、バッテリ１６の充電または放電に適した電圧で、直流電力を出力する。

【0021】

図２は本実施形態の効果を説明するための図である。図２は、図１の電力システムにおける各ノード、すなわち、ＤＣ－ＤＣコンバータ１２の入力ノードおよび出力ノード、ＤＣバス１３のノード、並びに、ＤＣ－ＤＣコンバータ１４の入力ノードおよび出力ノードの電圧値を表している。黒丸は、スイッチ１５がオン状態であり、バッテリ１６がＤＣバス１３に接続されて放電を行うときの電圧値を示す。白丸は、スイッチ１５がオフ状態であり、バッテリ１６がＤＣバス１３から切り離されたときの電圧値を示す。

【0022】

図２に示すように、スイッチ１５がオン状態でバッテリ１６が放電を行う場合は、ＤＣバス１３のノードの電圧値はバッテリ１６の放電電圧になり、ＤＣ－ＤＣコンバータ１２の出力ノードおよびＤＣ－ＤＣコンバータ１４の入力ノードの電圧値も、バッテリ１６の放電電圧とほぼ同じになる。一方、スイッチ１５がオフ状態でバッテリ１６がＤＣバス１３から切り離されている場合は、ＤＣバス１３のノードの電圧値はバッテリ１６の放電電圧の影響を受けず、例えば、発電部１１の出力電圧とＤＣ－ＤＣコンバータ１４の出力電圧との中間電圧に設定される。これによって、システム全体の電力変換効率を最大化することができる。なお、図２では、発電部１１の出力電圧を降圧させる場合を示しているが、昇圧させる場合も同様の効果が得られる。

【0023】

以上のように本実施形態によると、再エネ利用電力システムにおいて、発電部１１の発電電力が当該再エネ利用電力システムの出力電力に対して十分な場合、スイッチ１５をオフ状態にして、ＤＣバス１３の電圧値を、ＤＣ－ＤＣコンバータ１２，１４全体の電力変換効率が最大化するような電圧に設定することができる。したがって、ＤＣ－ＤＣコンバータ１２，１４で出力効率に係る最適制御が可能となり、再エネ利用電力システムの電力変換効率を最大化することができる。また、バッテリ１６の充放電を行わないときは、スイッチ１５をオフ状態にして、ＤＣバス１３から切り離すことができるので、消耗品であるバッテリ１６の寿命を延ばすことができる。

【0024】

（第２実施形態）
図３は第２実施形態に係る再エネ利用電力システムの構成例である。本実施形態では、第１実施形態と共通の構成要素に関しては、第１実施形態と同一の符号を付しており、ここではその詳細な説明を省略する場合がある。

【0025】

本実施形態では、ＤＣ－ＤＣコンバータ１２は、ＤＣ－ＤＣコンバータ１２，１４全体の電力変換効率が最大化するような電圧をもって、直流電力を出力する。一方、本実施形態で追加したＤＣ－ＤＣコンバータ２１は、バッテリ１６の充放電に適した電圧で、直流電力を出力する。

【0026】

スイッチ２２は、ＤＣ－ＤＣコンバータ１２の出力、および、ＤＣ－ＤＣコンバータ２１の出力のいずれかを選択して出力する。ＤＣ－ＤＣコンバータ１４は、スイッチ２２の出力を、所定電圧の直流電力に変換する。

【0027】

制御部２７は、スイッチ２２の選択動作と、スイッチ１５のオンオフ状態の切り替えを制御する。すなわち、バッテリ１６の充電を行うとき、または、バッテリ１６の放電を行うとき、制御部２７は、スイッチ２２にＤＣ－ＤＣコンバータ２１の出力を選択させるとともに、スイッチ１５をオン状態に制御する。バッテリ１６の充電および放電を行わないとき、制御部２７は、スイッチ２２にＤＣ－ＤＣコンバータ１２の出力を選択させるとともに、スイッチ１５をオフ状態に制御する。

【0028】

ここで、制御部２７は、発電部１１の出力、ＤＣ－ＤＣコンバータ１４の出力、および、バッテリ１６の状態を監視するものとする。そして、これらを基にして、スイッチ２２の選択動作と、スイッチ１５のオンオフ状態の切り替えを制御する。例えば、発電部１１の発電電力がＤＣ－ＤＣコンバータ１４の出力電力を十分に賄える場合、制御部２７は、スイッチ２２にＤＣ－ＤＣコンバータ１２の出力を選択させ、スイッチ１５をオフ状態にする。また、例えば、バッテリ１６の残量が少なくバッテリ１６の充電が必要な場合、制御部２７は、スイッチ２２にＤＣ－ＤＣコンバータ２１の出力を選択させ、スイッチ１５をオン状態にする。これにより、ＤＣ－ＤＣコンバータ２１からバッテリ１６へ給電が行われる。あるいは、発電部１１の発電電力がＤＣ－ＤＣコンバータ１４の出力電力に対して不足している場合、制御部２７は、スイッチ２２にＤＣ－ＤＣコンバータ２１の出力を選択させ、スイッチ１５をオン状態にする。これにより、バッテリ１６からＤＣ－ＤＣコンバータ１４に給電が行われる。

【0029】

以上のように本実施形態によると、再エネ利用電力システムにおいて、発電部１１の発電電力が当該再エネ利用電力システムの出力電力に対して十分な場合、スイッチ２２にＤＣ－ＤＣコンバータ１２の出力を選択させる。したがって、ＤＣ－ＤＣコンバータ１２，１４で出力効率に係る最適制御が可能となり、再エネ利用電力システムの電力変換効率を最大化することができる。また、スイッチ２２にＤＣ－ＤＣコンバータ２１の出力を選択させ、スイッチ１５をオン状態にすることによって、バッテリ１６の出力電力に加えて発電部１１からのアシスト電力が供給されるので、このモードにおけるバッテリ１６の消費電力を抑えることが可能となる。さらに、バッテリ１６の充放電を行わないときは、スイッチ１５をオフ状態にしてバッテリ１６をＤＣ－ＤＣコンバータ２１の出力端から切り離すことができるので、消耗品であるバッテリの寿命を延ばすことができる。

【産業上の利用可能性】

【0030】

本発明は、バッテリを備えた再エネ利用電力システムにおいて、電力変換効率の低下を抑え、コスト上昇を抑え、かつ、バッテリの寿命を延ばすことができるので、電力システムの省エネやコストダウンに有用である。

【符号の説明】

【0031】

１１ 発電部
１２ ＤＣ－ＤＣコンバータ
１３ ＤＣバス
１４ ＤＣ－ＤＣコンバータ（電力変換部）
１５ スイッチ
１６ バッテリ
１７ 制御部
２１ ＤＣ－ＤＣコンバータ
２２ スイッチ
２７ 制御部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】