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公開番号2021035193
公報種別公開特許公報(A)
公開日20210301
出願番号2019154066
出願日20190826
発明の名称電源装置
出願人株式会社東芝,東芝インフラシステムズ株式会社
代理人個人,個人,個人,個人,個人
主分類H02J 7/34 20060101AFI20210201BHJP(電力の発電,変換,配電)
要約
【課題】 複数の蓄電手段に蓄えられたエネルギーを効率よく利用可能な電源装置を提供する。
【解決手段】 電源装置は、第1蓄電部と、第1蓄電部よりも大容量であり、第1蓄電部よりも長い時間をかけて電力を充電および放電することが可能である第2蓄電部と、交流電源が健全であり、負荷の消費電力値が予め設定した閾値を超えたときに第1蓄電部の放電電力を直流主回路に供給し、負荷の消費電力値が閾値未満であるときに閾値を超えない範囲で第1蓄電部および第2蓄電部を充電するように第1蓄電部と第2蓄電部とを制御し、交流電源が停電したとき、閾値を超えない電力を第2蓄電部から直流主回路へ放電可能とし、負荷の消費電力値が閾値を超えたときに第1蓄電部から直流主回路へ放電電力を供給し、負荷の消費電力値が閾値未満であるときに第2蓄電部の放電電力により第1蓄電部を充電するように第1蓄電部と第2蓄電部とを制御する制御回路と、を備える。
【選択図】図2
特許請求の範囲【請求項1】
交流電源から供給される交流電力を直流電力へ変換して出力するコンバータと、
前記コンバータから出力される直流電力を交流電力に変換して負荷へ供給するインバータと、
前記コンバータと前記インバータとの間に接続された直流主回路へ放電電力を供給するとともに、前記直流主回路から供給される電力により充電可能に前記直流主回路と接続された第1蓄電部と、
前記第1蓄電部よりも大容量であり、前記第1蓄電部より長い時間をかけて電力を充電および放電することが可能であって、前記直流主回路へ放電電力を供給するとともに、前記直流主回路から供給される電力により充電可能に前記直流主回路と接続された第2蓄電部と、
前記コンバータと、前記インバータと、前記第1蓄電部と、前記第2蓄電部と、を制御する制御回路と、を備え、
前記制御回路は、
前記交流電源が健全であるとき、前記負荷の消費電力値が予め設定した閾値を超えたときに前記第1蓄電部の放電電力を前記直流主回路に供給し、前記負荷の消費電力値が前記閾値未満であるときに、前記負荷の消費電力値と前記第1蓄電部および前記第2蓄電部への充電電力との和が前記閾値以下となるように前記第1蓄電部と前記第2蓄電部とを充電可能とし、
前記交流電源が停電したとき、前記閾値以下の電力を前記第2蓄電部から前記直流主回路へ放電可能とし、前記負荷の消費電力値が前記閾値を超えたときに前記第1蓄電部の放電電力を前記直流主回路へ供給し、前記負荷の消費電力値が前記閾値未満であるときに、前記負荷の消費電力値と前記第1蓄電部の充電電流との和が前記閾値以下となるように、前記第2蓄電部の放電電力により前記第1蓄電部を充電可能とする、ことを特徴とする電源装置。
続きを表示(約 720 文字)【請求項2】
前記第1蓄電部は、キャパシタと、前記キャパシタの充電および放電を行うキャパシタ用充放電回路と、を備え、
前記第2蓄電部は、二次電池と、前記二次電池の充電および放電を行う二次電池用充放電回路と、を備え、
前記キャパシタ用充放電回路と前記二次電池用充放電回路とは、共通の直流線を介して前記直流主回路と電気的に接続されていることを特徴とする、請求項1記載の電源装置。
【請求項3】
前記第1蓄電部は、キャパシタと、前記キャパシタの充電および放電を行うキャパシタ用充放電回路と、を備え、
前記第2蓄電部は、二次電池と、前記二次電池の充電および放電を行う二次電池用充放電回路と、を備え、
前記キャパシタ用充放電回路は直流線を介して前記直流主回路と電気的に接続され、
前記二次電池用充放電回路は、前記第1蓄電部を介して前記直流主回路へ放電電力を供給するとともに、前記第1蓄電部を介して前記直流主回路から供給される電流により前記二次電池を充電することを特徴とする、請求項1記載の電源装置。
【請求項4】
前記第1蓄電部は、キャパシタを備え、
前記第2蓄電部は、二次電池と、前記二次電池の充電および放電を行う二次電池用充放電回路と、を備え、
前記キャパシタは、高電位側の前記直流主回路と低電位側の前記直流主回路との間に接続され、
前記二次電池用充放電回路は、直流線を介して前記直流主回路と電気的に接続され、
前記制御回路は、前記コンバータを制御して前記キャパシタを充電又は放電させる、ことを特徴とする請求項1記載の電源装置。

発明の詳細な説明【技術分野】
【0001】
本発明の実施形態は、電源装置に関する。
続きを表示(約 5,900 文字)【背景技術】
【0002】
短時間に大電力を消費する負荷は、電力系統から大電力を直接受電すると受電設備の設備容量が大きくなり、契約電気料金が高額になる。
【0003】
そこで、従来、負荷と蓄電手段とを組合せて、負荷が大電力を消費する際に蓄電手段に蓄えられたエネルギーを利用することにより、電力系統から受電する電力のピークカットを行う機能が一部の装置で適用されている。また、異なる種類の蓄電手段を組合せて運用することにより、電力系統から受電する電力をピークカットする機能を向上させる取組みも検討されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
特開2005−89096号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
しかしながら、運用時の条件に応じて異なる種類の蓄電手段を切換えて使用すると、複数の蓄電手段を連携させて同時に利用することが困難であり、複数の蓄電手段に蓄えられたエネルギーを効率良く利用することができなかった。その結果、個々の蓄電手段の容量を小さくすることが困難であった。
【0006】
本発明の実施形態は上記事情を鑑みて成されたものであって、複数の蓄電手段に蓄えられたエネルギーを効率よく利用可能な電源装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0007】
実施形態による電源装置は、交流電源から供給される交流電力を直流電力へ変換して出力するコンバータと、前記コンバータから出力される直流電力を交流電力に変換して負荷へ供給するインバータと、前記コンバータと前記インバータとの間に接続された直流主回路へ放電電力を供給するとともに、前記直流主回路から供給される電力により充電可能に前記直流主回路と接続された第1蓄電部と、前記第1蓄電部よりも大容量であり、前記第1蓄電部より長い時間をかけて電力を充電および放電することが可能であって、前記直流主回路へ放電電力を供給するとともに、前記直流主回路から供給される電力により充電可能に前記直流主回路と接続された第2蓄電部と、前記コンバータと、前記インバータと、前記第1蓄電部と、前記第2蓄電部とを制御する制御回路と、を備え、前記制御回路は、前記交流電源が健全であるとき、前記負荷の消費電力値が予め設定した閾値を超えたときに前記第1蓄電部の放電電力を前記直流主回路に供給し、前記負荷の消費電力値が前記閾値未満であるときに、前記負荷の消費電力値と前記第1蓄電部および前記第2蓄電部の充電電力との和が前記閾値以下となるように前記第1蓄電部と前記第2蓄電部とを充電可能とし、前記交流電源が停電したとき、前記閾値以下の電力を前記第2蓄電部から前記直流主回路へ放電可能とし、前記負荷の消費電力値が前記閾値を超えたときに前記第1蓄電部の放電電力を前記直流主回路へ供給し、前記負荷の消費電力値が前記閾値未満であるときに、前記負荷の消費電力値と前記第1蓄電部の充電電流との和が前記閾値以下となるように、前記第2蓄電部の放電電力により前記第1蓄電部を充電可能とする。
【図面の簡単な説明】
【0008】
図1は、第1実施形態の電源装置の一構成例を概略的に示す図である。
図2は、第1実施形態の電源装置の制御回路の構成の一例を概略的に示すブロック図である。
図3は、第2実施形態の電源装置の一構成例を概略的に示す図である。
図4は、第2実施形態の電源装置の制御回路の一構成例を概略的に示すブロック図である。
図5は、第3実施形態の電源装置の一構成例を概略的に示す図である。
図6は、第3実施形態の電源装置の制御回路の一構成例を概略的に示すブロック図である。
図7は、第4実施形態の電源装置の一構成例を概略的に示す図である。
図8は、第4実施形態の電源装置の制御回路の一構成例を概略的に示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【0009】
以下、複数の実施形態の電源装置について図面を参照して詳細に説明する。
【0010】
図1は、第1実施形態の電源装置の一構成例を概略的に示す図である。本実施形態の電源装置は商用電源1と需要負荷7との間に接続され、商用電源1から供給される交流電力が所定の閾値を超えない範囲となるようにピークカット運転を行う装置である。
【0011】
本実施形態の電源装置は、コンバータ3と、インバータ5と、第1蓄電部と、第2蓄電部と、制御回路12と、電圧検出器13、14、15、17と、電流検出器16、18、19、20と、を備えている。第1蓄電部は、キャパシタ8と、キャパシタ用充放電回路9とを備えている。第2蓄電部は、二次電池10と、二次電池用充放電回路11と、を備えている。
【0012】
コンバータ3は、商用電源1と交流線を介して電気的に接続されている。コンバータ3は、商用電源1から供給された交流電力を直流電力へ変換して、直流主回路へ出力する。コンバータ3は、例えば、直流主回路に出力される直流電圧を一定に保つように制御され、直流電圧が一定電圧よりも低下するときには商用電源1からの受電電力を増加させ、直流電圧が一定電圧よりも高くなるときには商用電源1からの受電電力を減少させる。なお、商用電源1は単相交流電源であってもよく、三相交流電源であってもよい。
【0013】
インバータ5は、直流主回路を介してコンバータ3と電気的に接続され、交流線を介して需要負荷7と電気的に接続されている。インバータ5は、コンバータ3から出力された直流電力を交流電力に変換して、需要負荷7へ出力する。インバータ5は需要負荷7が要求する交流電力を交流線へ出力する。
【0014】
第1蓄電部のキャパシタ用充放電回路9と、第2蓄電部の二次電池用充放電回路11とは、共通の直流線を介して、直流主回路へ放電電力を供給するとともに、直流主回路から供給される電力により充電可能となるように直流主回路に接続されている。
【0015】
キャパシタ用充放電回路9は、直流線を介して直流主回路と電気的に接続されている。キャパシタ用充放電回路9は、制御回路12から供給される制御信号P

により動作を制御される。キャパシタ用充放電回路9は、直流線を介して供給された直流電力によりキャパシタ8を充電することが可能であり、キャパシタ8に蓄えられたエネルギーを直流線へ放電することが可能である。
【0016】
二次電池用充放電回路11は、直流線を介して直流主回路と電気的に接続されている。二次電池用充放電回路11は、制御回路12から供給される制御信号P

により動作を制御される。二次電池用充放電回路11は、直流線を介して供給された直流電力により二次電池10を充電することが可能であり、二次電池10に蓄えられたエネルギーを直流線へ放電することが可能である。
【0017】
本実施形態の電源装置において、キャパシタ8は、二次電池10よりも短時間で充電および放電を行うことが可能である。換言すると、二次電池10は、キャパシタ8と比べて長時間で充電および放電を行うことが可能である。また、二次電池10は、少なくともキャパシタ8よりも容量が大きく、商用電源1の停電している期間において需要負荷7から要求される電力を放電することが可能な容量とすることが望ましい。
【0018】
電圧検出器13は、商用電源1とコンバータ3との間に接続された交流線の電圧値V
AC
を検出する。電圧検出器14はキャパシタ8の電圧値V

を検出する。電圧検出器15は二次電池10の電圧値V

を検出する。電圧検出器17は直流主回路の電圧値V
DC
を検出する。電圧検出器13、14、15、17は、検出した電圧値を制御回路12へ供給する。
【0019】
電流検出器16は、二次電池10の充電電流および放電電流の値I
B1
を検出する。電流検出器18は、直流主回路とインバータ5との間に流れる電流の値I
DC
を検出する。電流検出器19は、キャパシタ用充放電回路9と直流線との間に流れる電流の値I

を検出する。電流検出器20は、二次電池用充放電回路11と直流線との間に流れる電流の値I
B2
を検出する。電流検出器16、18、19、20は、検出した電流値を制御回路12へ供給する。
【0020】
制御回路12は、例えば、CPU(central processing unit)やMPU(micro processing uni)などのプロセッサを少なくとも1つと、プロセッサにより演算されるプログラムが記録されたメモリと、を備えている。
【0021】
図2は、第1実施形態の電源装置の制御回路の構成の一例を概略的に示すブロック図である。なお、以下の説明において、キャパシタ8と二次電池10とから放電される電力の符号を正とし、充電される電力の符号を負とする。また、需要負荷7にて消費される電力の符号を正とする。
【0022】
制御回路12は、停電検知部120と、エネルギー残量演算部121C、121Bと、負荷消費電力演算部122と、ピークカット設定部123と、充放電電力演算部124C、124Bと、満充電判定部125C、125Bと、充電電力設定部126C、126Bと、充電電力リミット部127Cと、充放電電力リミット部127Bと、PI制御部128C、128Bと、減算器D1−D5と、切換部S1−S3と、を備えている。
【0023】
停電検知部120は、電圧検出器13から供給された値V
AC
を入力とし、入力された値に基づいて、商用電源1が停電しているか否かを判定する。停電検知部120は、商用電源1が停電していないとき(健全に動作しているとき)は「0」を出力し、商用電源1が停電していると判定したときに出力の値を「1」とする。
【0024】
エネルギー残量演算部121Cは、電圧検出器14から供給された電圧値V

を入力とし、入力された電圧値V

に基づいてキャパシタ8のエネルギー残量を演算して出力する。エネルギー残量演算部121Cは、例えばキャパシタ8が満充電のときの電圧値V

に対応するエネルギー残量を100%として、入力された電圧値V

に対応するエネルギー残量の割合を演算して出力する。
【0025】
エネルギー残量演算部121Bは、電圧検出器15から供給された電圧値V

と、電流検出器16から供給された電流値I
B1
とを入力とし、入力された電圧値V

と電流値I

とに基づいて二次電池10のエネルギー残量(SOC:state of charge)を演算して出力する。エネルギー残量演算部121Bは、例えば二次電池10が満充電のときの電圧値V

に対応するエネルギー残量を100%として、入力された電流値I

を積算した値を入力された電圧値V

により補正することによりエネルギー残量の割合を演算して出力する。
【0026】
負荷消費電力演算部122は、電流検出器18から供給された電流値I
DC
と、電圧検出器17から供給された電圧値V
DC
とを入力とし、需要負荷7における消費電力(直流主回路からインバータ5へ供給される電力)値を演算して出力する。
【0027】
ピークカット設定部123は、本実施形態の電源装置において、商用電源1から需要負荷7へ供給される電力の最大値(ピークカット値)を出力する。ピークカット値は、あらかじめ設定された所定の閾値である。制御回路12は、需要負荷7の消費電力(直流主回路からインバータ5へ供給される電力)の値がピークカット値を超えたときに、超えた分の電力をキャパシタ8および二次電池10から放電して商用電源1からの受電電力のピークカットを行う。また、制御回路12は、需要負荷7の消費電力(直流主回路からインバータ5へ供給される電力)の値がピークカット値以下のときに、余力の受電電力にて電源装置のキャパシタ8と二次電池10を充電することができる。
【0028】
充放電電力演算部124Cは、電圧検出器14から供給された値V

と、電流検出器19から供給された値I

とを入力とし、キャパシタ8の充電電力および放電電力を演算して出力する。
充放電電力演算部124Bは、電圧検出器15から供給された値V

と、電流検出器20から供給された値I
B2
とを入力として、二次電池10の充電電力および放電電力を演算して出力する。
【0029】
満充電判定部125Cは、エネルギー残量演算部121Cからキャパシタ8のエネルギー残量を受信し、キャパシタ8が満充電か否かを判定する。満充電判定部125Cは、キャパシタ8が満充電でないと判定したときに「0」を出力し、キャパシタ8が満充電であると判定したときに「1」を出力する。
【0030】
満充電判定部125Bは、エネルギー残量演算部121Bから二次電池10のエネルギー残量を受信し、二次電池10が満充電か否かを判定する。満充電判定部125Bは、二次電池10が満充電でないと判定したときに「0」を出力し、二次電池10が満充電であると判定したときに「1」を出力する。
(【0031】以降は省略されています)

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