特許 7438489 電源システムおよび電源装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-02-16

(45)【発行日】2024-02-27

(54)【発明の名称】電源システムおよび電源装置

(51)【国際特許分類】

   H02J 3/28 20060101AFI20240219BHJP

   H02J 15/00 20060101ALI20240219BHJP

   H02J 3/38 20060101ALI20240219BHJP

   H02J 7/35 20060101ALI20240219BHJP

【ＦＩ】

H02J3/28

H02J15/00 G

H02J3/38 130

H02J3/38 110

H02J7/35 K

【請求項の数】 4

(21)【出願番号】P 2020018190

(22)【出願日】2020-02-05

(65)【公開番号】P2021125974

(43)【公開日】2021-08-30

【審査請求日】2022-11-18

【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成２９年度、国立研究開発法人新エネルギー・産業技術総合開発機構「水素社会構築技術開発事業／水素エネルギーシステム技術開発／ＣＯ２フリーの水素社会構築を目指したＰ２Ｇシステム技術開発」委託研究、産業技術力強化法第１７条の適用を受ける特許出願

(73)【特許権者】

【識別番号】000004606

【氏名又は名称】ニチコン株式会社

(73)【特許権者】

【識別番号】391017849

【氏名又は名称】山梨県

(74)【代理人】

【識別番号】110000475

【氏名又は名称】弁理士法人みのり特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】宮川 竜治

(72)【発明者】

【氏名】坂本 正樹

【審査官】辻丸 詔

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１６－２２６２３８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００７－２４９３４１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１５－０４０５５１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００６－１６１１２３（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１２／０８６０７１（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２０１８－２０７７７８（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０２Ｊ ３／２８

Ｈ０２Ｊ １５／００

Ｈ０２Ｊ ３／３８

Ｈ０２Ｊ ７／３５

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

発電装置と水電解装置とを備え、前記発電装置の直流の発電電力に基づいて生成した水電解電力を前記水電解装置に供給し、前記発電電力から前記水電解電力を差し引いた送電電力を商用電力系統に送電する電源システムであって、
前記発電電力が入力され、最大電力点追従動作を行うとともに前記発電電力を昇圧または降圧して直流を出力する第１電力変換装置と、
前記第１電力変換装置で昇圧または降圧された前記発電電力の変動成分に相当する直流の変動電力が入力され、前記変動電力を昇圧または降圧して生成した直流の前記水電解電力を前記水電解装置に出力する第２電力変換装置と、
前記第１電力変換装置で昇圧または降圧された前記発電電力から前記変動電力を差し引いた平滑化電力が入力され、前記平滑化電力を交流に変換して前記送電電力を出力する第３電力変換装置と、を備え、
前記第２電力変換装置は、前記第１電力変換装置で昇圧または降圧された後の前記発電電力の電力値を取得し、当該電力値から前記水電解装置の定格電力よりも小さい値に設定された所定のバイアス値を差し引くことで前記平滑化電力の目標値を算出し、前記平滑化電力の電力値が前記目標値に近づくように、入力される前記変動電力を制御することで、前記水電解電力が前記発電電力を超えないようにすることを特徴とする電源システム。

【請求項2】

前記第２電力変換装置は、前記発電電力の電力値の移動平均を算出し、前記移動平均から前記バイアス値を差し引いて前記目標値を算出することを特徴とする請求項１に記載の電源システム。

【請求項3】

前記第２電力変換装置は、前記発電電力の増減に応じて前記水電解電力を増減させることで、前記第１電力変換装置と前記第２電力変換装置および前記第３電力変換装置とを相互に接続する直流バスの電圧を一定に保つ制御を行うことを特徴とする請求項１または２に記載の電源システム。

【請求項4】

発電装置の直流の発電電力に基づいて生成した水電解電力を水電解装置に供給し、前記発電電力から前記水電解電力を差し引いた送電電力を商用電力系統に送電する電源システムにおいて用いられる電源装置であって、
前記発電電力が入力され、最大電力点追従動作を行うとともに前記発電電力を昇圧または降圧して直流を出力する第１電力変換装置と、
前記第１電力変換装置で昇圧または降圧された前記発電電力の変動成分に相当する直流の変動電力が入力され、前記変動電力を昇圧または降圧して生成した直流の前記水電解電力を前記水電解装置に出力する第２電力変換装置と、
前記第１電力変換装置で昇圧または降圧された前記発電電力から前記変動電力を差し引いた平滑化電力が入力され、前記平滑化電力を交流に変換して前記送電電力を出力する第３電力変換装置と、を備え、
前記第２電力変換装置は、前記第１電力変換装置で昇圧または降圧された後の前記発電電力の電力値を取得し、当該電力値から前記水電解装置の定格電力よりも小さい値に設定された所定のバイアス値を差し引くことで前記平滑化電力の目標値を算出し、前記平滑化電力の電力値が前記目標値に近づくように、入力される前記変動電力を制御することで、前記水電解電力が前記発電電力を超えないようにすることを特徴とする電源装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、電源システムおよび当該電源システムにおいて用いられる電源装置に関する。

【背景技術】

【0002】

従来の電源システムとして、例えば、特許文献１に記載のものが知られている。図２に示すように、特許文献１に記載の電源システム１００は、太陽電池１０１と、第１パワーコンディショナ装置１０２と、蓄電池１０３と、第２パワーコンディショナ装置１０４とを備える。

【0003】

電源システム１００では、第２パワーコンディショナ装置１０４の制御下で蓄電池１０３を充放電させることにより、太陽電池１０１の発電電力（第１パワーコンディショナ装置１０２で交流に変換された発電電力）の変動成分を吸収し、商用電力系統に送電される送電電力を平滑化している。

【0004】

ところで、蓄電池１０３には充放電容量があり、充電または放電の一方向の動作のみを長時間継続させることはできないため、蓄電池１０３の充放電容量を常に監視し、例えば、充電動作を一定時間行ったら、放電動作を行う等の制御が必要になる。

【0005】

この点、蓄電池１０３の代わりに水電解装置を用いることで、制御にかかる負荷を軽減することができる。しかしながら、水電解装置は、蓄電池１０３の充電動作に相当する一方向の動作しかできず、蓄電池１０３の放電動作に相当する動作（第２パワーコンディショナ装置１０４側に電力を出力する動作）はできない。このため、単に蓄電池１０３を水電解装置に置き換えただけでは、太陽電池１０１の発電電力の変動成分を安定して吸収することができず、送電電力を平滑化できないおそれがある。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【文献】特開２０１６－１０３９００号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

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、水電解装置を用いて送電電力を平滑化することが可能な電源システムおよび電源装置を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0008】

上記課題を解決するために、本発明に係る電源システムは、
発電装置と水電解装置とを備え、前記発電装置の発電電力に基づいて生成した水電解電力を前記水電解装置に供給し、前記発電電力から前記水電解電力を差し引いた送電電力を商用電力系統に送電する電源システムであって、
前記発電電力が入力され、前記発電電力を昇圧または降圧して直流を出力する第１電力変換装置と、
前記第１電力変換装置で昇圧または降圧された前記発電電力の変動成分に相当する直流の変動電力が入力され、前記変動電力を昇圧または降圧して生成した直流の前記水電解電力を前記水電解装置に出力する第２電力変換装置と、
前記第１電力変換装置で昇圧または降圧された前記発電電力から前記変動電力を差し引いた平滑化電力が入力され、前記平滑化電力を交流に変換して前記送電電力を出力する第３電力変換装置と、を備え、
前記第２電力変換装置は、前記水電解電力が前記発電電力を超えないように、入力される前記変動電力を制御することを特徴とする。

【0009】

この構成によれば、水電解電力を出力する第２電力変換装置は、水電解電力が発電電力を超えないように、入力される変動電力を制御するので、水電解装置単独でも送電電力を平滑化することができる。さらに、この構成によれば、発電電力を交流に変換することなく水電解電力を生成するため、変換効率に優れ、システム全体の小型化およびコストダウンを図ることができる。

【0010】

上記電源システムにおいて、
前記第２電力変換装置は、前記平滑化電力または前記送電電力の目標値を算出し、前記平滑化電力または前記送電電力の電力値が前記目標値に近づくように、入力される前記変動電力を制御するよう構成できる。

【0011】

上記電源システムにおいて、
前記第２電力変換装置は、前記発電電力の電力値の移動平均を算出し、前記移動平均から所定のバイアス値を差し引いて前記目標値を算出するよう構成できる。ここで、バイアス値としては、水電解装置から発生させる水素の必要量に応じた値に設定することが好ましい。

【0012】

上記電源システムにおいて、
前記第２電力変換装置は、前記発電電力の増減に応じて前記水電解電力を増減させることで、前記第１電力変換装置と前記第２電力変換装置および前記第３電力変換装置とを相互に接続する直流バスの電圧を一定に保つ制御を行うよう構成できる。

【0013】

上記課題を解決するために、本発明に係る電源装置は、
発電装置の発電電力に基づいて生成した水電解電力を水電解装置に供給し、前記発電電力から前記水電解電力を差し引いた送電電力を商用電力系統に送電する電源システムにおいて用いられる電源装置であって、
前記発電電力が入力され、前記発電電力を昇圧または降圧して直流を出力する第１電力変換装置と、
前記第１電力変換装置で昇圧または降圧された前記発電電力の変動成分に相当する直流の変動電力が入力され、前記変動電力を昇圧または降圧して生成した直流の前記水電解電力を前記水電解装置に出力する第２電力変換装置と、
前記第１電力変換装置で昇圧または降圧された前記発電電力から前記変動電力を差し引いた平滑化電力が入力され、前記平滑化電力を交流に変換して前記送電電力を出力する第３電力変換装置と、を備え、
前記第２電力変換装置は、前記水電解電力が前記発電電力を超えないように、入力される前記変動電力を制御することを特徴とする。

【0014】

この構成によれば、水電解電力を出力する第２電力変換装置は、水電解電力が発電電力を超えないように、入力される変動電力を制御するので、水電解装置単独でも送電電力を平滑化することができる。さらに、この構成によれば、発電電力を交流に変換することなく水電解電力を生成するため、変換効率に優れ、システム全体の小型化およびコストダウンを図ることができる。

【発明の効果】

【0015】

本発明によれば、水電解装置を用いて送電電力を平滑化することが可能な電源システムおよび電源装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0016】

【図1】本発明に係る電源システムのブロック図である。

【図2】従来の電源システムのブロック図である。

【発明を実施するための形態】

【0017】

以下、添付図面を参照して、本発明に係る電源システムおよび電源装置の実施形態について説明する。

【0018】

図１に、本発明の一実施形態に係る電源システム１を示す。電源システム１は、発電装置２と、水電解装置３と、本発明の一実施形態に係る電源装置４とを備える。

【0019】

発電装置２は、再生可能エネルギーを利用して発電し、直流の発電電力を出力する。発電装置２は、本実施形態では、太陽電池で構成される。

【0020】

水電解装置３は、電気エネルギー（本実施形態では、電源装置４から出力される直流の水電解電力）により水を分解して水素を生成する。水電解装置３によって生成された水素は、産業プロセス、材料加工、添加剤、水素ステーション、燃料電池装置、ボイラー、パイプラインなど多様な需要用途に向けて供給される。

【0021】

電源装置４は、第１電力変換装置１０と、第２電力変換装置２０と、第３電力変換装置３０と、これらの装置を相互に接続する直流バス４０とを備える。

【0022】

第１電力変換装置１０は、第１ＤＣ／ＤＣ電力変換部１１および第１制御部１２を備え、第２電力変換装置２０は、第２ＤＣ／ＤＣ電力変換部２１および第２制御部２２を備え、第３電力変換装置３０は、ＤＣ／ＡＣ電力変換部３１および第３制御部３２を備える。第１制御部１２、第２制御部２２および第３制御部３２は、相互に通信可能に構成されている。発電装置２が風力発電など交流を出力する場合、第１電力変換装置１０は、ＡＣ／ＤＣ電力変換部またはＡＣ／ＤＣ電力変換部とＤＣ／ＤＣ電力変換部と、制御部を備えてもよい。

【0023】

第１ＤＣ／ＤＣ電力変換部１１は、入力側に発電装置２が接続され、出力側に直流バス４０を介して第２ＤＣ／ＤＣ電力変換部２１およびＤＣ／ＡＣ電力変換部３１が接続される。第１ＤＣ／ＤＣ電力変換部１１は、第１制御部１２の制御下で、入力された直流の発電電力を昇圧または降圧して直流バス４０に出力する。

【0024】

第１制御部１２は、例えば、マイコンおよび／または専用のＩＣからなり、第１ＤＣ／ＤＣ電力変換部１１に入力される発電装置２の発電電力が最大になるように、第１ＤＣ／ＤＣ電力変換部１１に対してＭＰＰＴ制御（最大電力点追従制御）を行う。

【0025】

第２ＤＣ／ＤＣ電力変換部２１は、入力側に直流バス４０が接続され、出力側に水電解装置３が接続される。第２ＤＣ／ＤＣ電力変換部２１は、第２制御部２２の制御下で、入力された直流電力を昇圧または降圧し、当該昇圧または降圧した直流電力を水電解電力として水電解装置３に出力する。

【0026】

第２制御部２２は、例えば、マイコンおよび／または専用のＩＣからなる。第２制御部２２は、発電電力の変動成分に相当する直流の変動電力が第２ＤＣ／ＤＣ電力変換部２１に入力されるように、水電解電力が発電電力を超えない範囲で第２ＤＣ／ＤＣ電力変換部２１に入力される変動電力を制御する。

【0027】

具体的には、第２制御部２２は、まず発電電力の電力値を取得する。例えば、第２制御部２２は、発電装置２の出力電流および出力電圧を検出する不図示の電流検出手段および電圧検出手段の検出結果に基づいて、発電電力の電力値を算出してもよいし、第１制御部１２と通信を行い、第１制御部１２から発電電力の電力値を取得してもよい。また、発電電力の電力値の代わりに、第１ＤＣ／ＤＣ電力変換部１１で昇圧または降圧された後の発電電力の電力値を取得してもよい。

【0028】

発電電力の電力値を取得した第２制御部２２は、平滑化電力（発電電力から変動電力を差し引くことで平滑化された電力）の目標値を算出する。例えば、第２制御部２２は、発電電力の電力値の移動平均を算出し、上記のとおり水電解電力が発電電力を超えないように当該移動平均から所定のバイアス値を差し引くことで、平滑化電力の目標値を算出する。

【0029】

第２制御部２２は、上記バイアス値を水電解装置３の定格電力よりも小さい値（例えば、定格電力の１／２）に設定する。第２制御部２２は、発電電力の変動が小さいときはバイアス値を設定値に維持する一方、発電電力の変動がプラス側に大きくなれば水電解装置３の定格電力を超えない範囲でバイアス値を大きくし、発電電力の変動がマイナス側に大きくなればバイアス値を小さくする。

【0030】

平滑化電力の目標値を算出した第２制御部２２は、所定の周期で平滑化電力の電力値を取得する。例えば、第２制御部２２は、ＤＣ／ＡＣ電力変換部３１の入力電流および入力電圧を検出する不図示の電流検出手段および電圧検出手段の検出結果に基づいて、平滑化電力の電力値を算出してもよいし、第３制御部３２と通信を行い、第３制御部３２から平滑化電力の電力値を取得してもよい。また、平滑化電力の電力値の代わりに、商用電力系統に送電される送電電力の電力値を取得してもよい。その場合、第２制御部２２は、送電電力の目標値を算出しておくことが好ましい。

【0031】

第２制御部２２は、平滑化電力（または送電電力）の電力値が目標値に近づくように、第２ＤＣ／ＤＣ電力変換部２１に入力される変動電力の制御（例えば、フィードバック制御）を行う。これにより、水電解装置３は、変動電力に応じた水電解電力を吸収することができる。なお、第２制御部２２は、電力変換部２１の出力電力（水電解電力）を制御することで、第２ＤＣ／ＤＣ電力変換部２１に入力される変動電力を間接的に制御してもよい。

【0032】

また、第２制御部２２は、上記の制御（例えば、フィードバック制御）と併せて、発電電力の増減に応じて水電解電力を増減させつつ、直流バス４０の電圧を一定に保つ制御を行うことが好ましい。

【0033】

ＤＣ／ＡＣ電力変換部３１は、入力側に直流バス４０が接続され、出力側に商用電力系統が接続される。ＤＣ／ＡＣ電力変換部３１は、第３制御部３２の制御下で、入力された直流の平滑化電力を交流の送電電力に変換し、当該送電電力を商用電力系統に送電させる。

【0034】

第３制御部３２は、例えば、マイコンおよび／または専用のＩＣからなり、平滑化された緩やかな変化の送電電力が商用電力系統に送電されるように、ＤＣ／ＡＣ電力変換部３１のＤＣ／ＡＣ変換動作を制御する。

【0035】

結局、本実施形態では、水電解電力が発電電力を超えないように、第２制御部２２が第２ＤＣ／ＤＣ電力変換部２１に入力される変動電力の制御を行うので、水電解装置３だけでも（例えば、蓄電池を並設しなくても）送電電力を平滑化することができる。

【0036】

さらに、本実施形態では、第１ＤＣ／ＤＣ電力変換部１１と第２ＤＣ／ＤＣ電力変換部２１とが直流バス４０で接続されている。これにより、第１ＤＣ／ＤＣ電力変換部１１がＭＰＰＴ動作（最大電力点追従動作）を行って直流の発電電力を出力し、当該発電電力を交流に変換することなく、第２ＤＣ／ＤＣ電力変換部２１が直流の水電解電力を生成して水電解装置３に供給することができる。したがって、本実施形態に係る電源システム１および電源装置４は、変換効率に優れている。

【0037】

また、ＤＣ／ＤＣ電力変換部は、ＤＣ／ＡＣ電力変換部（またはＡＣ／ＤＣ変換部）と比較して小型化および低コスト化に有利である。このため、発電電力を交流に変換することなく水電解電力を生成できる電源システム１および電源装置４は、システム全体および装置全体の小型化やコストダウンを図ることができる。

【0038】

以上、本発明に係る電源システムおよび電源装置の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。

【0039】

本発明に係る電源装置は、発電電力が入力され、当該発電電力を昇圧または降圧して直流を出力する第１電力変換装置と、直流の変動電力が入力され、当該変動電力を昇圧または降圧して生成した直流の水電解電力を水電解装置に出力する第２電力変換装置と、直流の平滑化電力が入力され、当該平滑化電力を交流に変換して送電電力を出力する第３電力変換装置とを備え、第２電力変換装置は、水電解電力が発電電力を超えないように、入力される変動電力を制御するのであれば、適宜構成を変更できる。

【0040】

例えば、上記実施形態に係る電源システム１において、ＥＭＳコントローラ等で構成される統括制御部を設けた場合、統括制御部が、第１制御部１２、第２制御部２２および第３制御部３２の機能の少なくとも一部を備えていてもよい。

【0041】

本発明に係る電源システムは、上記本発明に係る電源装置と、発電装置と、水電解装置とを備えるのであれば、適宜構成を変更できる。

【0042】

本発明の発電装置は、再生可能エネルギーを利用して発電し、直流の発電電力を出力するのであれば、太陽電池以外の手段（例えば、風力発電手段）で構成できる。

【符号の説明】

【0043】

１ 電源システム
２ 発電装置
３ 水電解装置
４ 電源装置
１０ 第１電力変換装置
１１ 第１ＤＣ／ＤＣ電力変換部
１２ 第１制御部
２０ 第２電力変換装置
２１ 第２ＤＣ／ＤＣ電力変換部
２２ 第２制御部
３０ 第３電力変換装置
３１ ＤＣ／ＡＣ電力変換部
３２ 第３制御部
４０ 直流バス

【図1】

【図2】