JP2006149080A - 電力供給制御装置および負荷電力供給システム - Google Patents

Abstract

【課題】 比較的簡単な構成で複数の負荷装置への電力供給の優先順位を設定することができ、また、発電装置の出力電圧が負荷装置の作動電圧より低い場合であっても好適に使用することができる電力供給制御装置および負荷電力供給システムを提供する。
【解決手段】 電力供給の優先順位の数と同数の出力系統（優先度１、優先度２）と、これらの出力系統から動作状態を切り替える回路開閉部２１（２１−１、２１−２）と、これらの回路開閉部２１（２１−１、２１−２）を制御する制御部２２と、電力供給制御装置２に入力された電力を電力供給制御装置２の出力側に接続された負荷装置が必要とする電圧値となるように変換する電力変換部２３とを備えた電力供給制御装置２を構成する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、電力供給制御装置および負荷電力供給システムに関する。

近年、太陽光や風力などの自然エネルギーを利用した発電技術の開発が進んでいる。この発電技術に基づく発電装置の出力電力は一般に変動が大きいため、負荷装置へ安定に電力を供給するために、蓄電池や予備発電装置などを併用することが一般的である。

ところで、自然エネルギーを利用した発電装置の出力電力を安定化させることは困難であるため、発電装置から重要な負荷に対する電力供給を優先的に行うことも検討されている（特許文献１〜２参照）。

特開２００１−５０５６５号公報 特開２００３−３２８９０号公報

しかし、前述の各特許文献に記載された技術を用いて、重要な負荷に対する電力供給を優先的に行う場合、以下のような問題点がある。

特許文献１に記載された技術を用いた場合には、複数の負荷装置への電力供給の優先順位はダイオードなどの抵抗手段により決定されるため、例えば負荷装置の作動電圧範囲が発電装置の出力電圧より高い場合には適用することができない。

特許文献２に記載された技術を用いた場合には、負荷特性記録部に記録された複数の負荷装置の消費電力および優先順位のデータを用いて、各負荷装置の電源線に接続されたスイッチをＣＰＵにより制御するため、重要な負荷に対する電力供給を安定して行うことができるものの、システムとしては複雑かつ高価なものとなり、負荷に対する電力供給を常時行う用途以外に用いることは、特にコスト面から望ましくないという問題点がある。

そこで、本発明は、比較的簡単な構成で複数の負荷装置への電力供給の優先順位を設定することができ、さらに発電装置の出力電圧が負荷装置の作動電圧より低くなる場合であっても好適に使用することができる電力供給制御装置および負荷電力供給システムを提供することを目的とする。

請求項１の発明は、出力電力が大幅に変動する発電装置から、電力供給の優先順位が定められている複数の負荷装置に電力を供給する電力供給制御装置であって、前記優先順位の数に対応した数の出力系統と、該出力系統の動作を制御する制御部と、入力された電力を前記負荷装置が必要とする電圧値となるように変換する電力変換部とを備え、前記出力系統の作動電圧範囲の下限値は、前記優先順位の高い順に低くなるようにそれぞれ設定されていることを特徴とする。

請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記制御部は、前記電力変換部から電力の供給を受けて動作することを特徴とする。

請求項３の発明は、請求項１または請求項２の発明において、前記電力変換部が前記優先順位に対応して複数設けられ、前記複数の電力変換部の作動電圧範囲の下限値は、前記優先順位の高い順に低くなるようにそれぞれ設定されていることを特徴とする。

請求項４の発明は、請求項１〜請求項３のいずれかの発明において、前記制御部は、入力電圧判定手段を備えていることを特徴とする。

請求項５の発明は、請求項１〜請求項４のいずれかの発明において、前記発電装置は、自然エネルギーを電気エネルギーに変換する装置であることを特徴とする。

請求項６の発明は、請求項５の発明において、前記自然エネルギーを電気エネルギーに変換する装置は、太陽電池を備えていることを特徴とする。

請求項７の発明は、請求項１〜請求項６の発明において、前記複数の負荷装置は、廃棄有機物処理装置を構成する負荷装置であることを特徴とする。

請求項８の発明は、請求項７の発明において、前記廃棄有機物処理装置は、バイオトイレ装置であることを特徴とする。

請求項９の発明は、出力電力が大幅に変動する発電装置と、電力供給の優先順位が定められている複数の負荷装置と、前記複数の負荷装置に電力を供給する電力供給制御装置とを備えた負荷電力供給システムであって、前記電力供給制御装置は、請求項１〜請求項８のいずれかに記載の電力供給制御装置であることを特徴とする。

本発明の電力供給制御装置は、出力電力が大幅に変動する発電装置から、電力供給の優先順位が定められている複数の負荷装置に電力を供給する電力供給制御装置であって、優先順位の数に対応した数の出力系統と、該出力系統の動作を制御する制御部と、入力された電力を前記負荷装置が必要とする電圧値となるように変換する電力変換部とを備え、前記出力系統の作動電圧範囲の下限値は、前記優先順位の高い順に低くなるようにそれぞれ設定されているため、比較的簡単な構成で複数の負荷装置への電力供給の優先順位を設定することができ、また、発電装置の出力電圧が負荷装置の作動電圧より低い場合であっても好適に使用することができる。さらに、本発明の電力供給制御装置を用いることにより、比較的簡単な構成で複数の負荷装置への電力供給の優先順位を設定することが可能な負荷電力供給システムを得ることができる。

本発明の実施の形態を、図面を用いて説明する。

図１は、本発明の電力供給制御装置が用いられる負荷電力供給システムの一例を示す説明図である。図１において、１は発電装置、２は電力供給制御装置、３は負荷装置である。発電装置１は、出力電力が大幅に変動するものであり、例えば自然エネルギーを電気エネルギーに変換する装置であり、より具体的には太陽電池や風力発電装置などを用いて構成される。負荷装置３は、電力供給の優先順位が定められており、ここでは、優先度１、・・・、ｎに対応した負荷装置（３−１、・・・、３−ｎ）を、「優先度ｎの負荷装置」と表現する。また、本発明の電力供給制御装置２を用いることにより、図１の負荷電力供給システムは本発明の実施の一形態となる。

次に、本発明の実施の形態に係る電力供給制御装置について説明する。図２は、本発明の実施の形態に係る電力供給制御装置の第１例を概略的に示す説明図である。図２に例示される電力供給制御装置は、優先度が２段階の複数の負荷装置に電力を供給する場合を示している。

図２において、電力供給制御装置２は、電力供給の優先順位の数と同数の出力系統（優先度１、優先度２）と、これらの出力系統から動作状態を切り替える回路開閉部２１（２１−１、２１−２）と、これらの回路開閉部２１（２１−１、２１−２）を制御する制御部２２と、電力供給制御装置２に入力された電力を電力供給制御装置２の出力側に接続された負荷装置が必要とする電圧値となるように変換する電力変換部２３とを備えている。

また、電力供給制御装置２の優先度１の出力側と電力変換部２３の出力側との間には、回路開閉部２１−１が閉じて優先度１の出力系統のみに電力が供給されている状態における制御部２２および電力変換部２３の誤作動を防止するため、逆流防止手段２４が設けられている。

図２において、回路開閉部２１（２１−１、２１−２）および制御部２２は、２回路の切り替えが可能なリレーとその接点等により構成することが可能である。また、回路開閉部２１（２１−１、２１−２）および制御部２２については、回路開閉部２１（２１−１、２１−２）を半導体スイッチ等により、制御部２２を制御回路によりそれぞれ構成することも可能である。電力変換部２３は、ＤＣ−ＤＣコンバータ等により構成することが可能である。逆流防止手段２４は、ダイオード等により構成することが可能である。

ここで、図２に示された電力供給制御装置２の動作について、図１に示された負荷電力供給システムを例に挙げて説明する。まず、制御部２２が動作していない状態では、最も優先順位が高い負荷装置３−１に対してのみ電力が供給される。制御部２２は、電力変換部２３から電力が供給されることにより動作し、制御部２２が動作することにより、複数（ここでは２つ）の優先順位（優先度１、優先度２）に対応した負荷装置３（３−１、３−２）に電力が供給される。

ここで、電力変換部２３は、ＤＣ−ＤＣコンバータ等により構成されるが、一般に動作可能な入力電圧範囲を有しており、入力電圧がその下限値未満の電圧であった場合には電力変換部２３は動作せず、入力電圧がその下限値以上の電圧であった場合には電力変換部２３が動作する。すなわち、電力変換部２３が動作しない状態では、制御部２２が動作していないため、電力供給制御装置２は優先度１の負荷装置３−１に対してのみ電力を供給し、電力変換部２３が動作している状態では、制御部２２が動作するため、回路開閉部２３−１が回路し、回路開閉部２３−２が閉路して、電力供給制御装置２は優先度１の負荷装置３−１および優先度２の負荷装置３−２の両方に対して電力を供給することが可能となる。図２に示された電力供給制御装置２は、優先度１の負荷装置３−１に発電装置１からの電力を直接供給しても良い場合、例えば優先度１の負荷装置３−１の動作可能電圧範囲が広い場合に好適に適用される。

ところで、負荷装置３には、動作可能電圧範囲が比較的狭いものもあり、特に優先度１の負荷装置３−１の動作可能電圧範囲が比較的狭い場合には、優先度１の出力系統の出力電圧をほぼ一定に保つ必要がある。

図３は、本発明の実施の形態に係る電力供給制御装置の第２例を概略的に示す説明図である。図３に示される電力供給制御装置は、図２に示される電力供給制御装置の回路開閉部２１−１の出力側に電力変換部２３−１を設けたものであり、それ以外の点は図２に示される電力供給制御装置と実質的な差異はない。なお、電力供給制御装置２の優先度１の出力側と電力変換部２３−１の出力側との間には、電力変換部２３−２の出力が逆流防止手段２４を通じて電力変換部２３−１に流れることによる誤作動を防止するため、逆流防止手段２５がさらに設けられている。

図３の電力供給制御装置は、また、電力変換部２３−１の動作電圧範囲の下限値を電力変換部２３−２の動作電圧範囲の下限値より低い電圧に設定することにより、電力変換部２３−１のみが動作し、該電力変換部２３−１の所定の出力電圧範囲で優先度１の負荷装置３−１のみに電力を供給することができる。電力変換部２３−２が動作する電圧範囲では、上記第１例の如く動作し、電力供給制御装置２は優先度１の負荷装置３−１および優先度２の負荷装置３−２の両方に対して電力を供給することが可能となる。また、電力変換部２３−１および電力変換部２３−２が動作しない状態では、負荷電力供給システム１はどの負荷に対しても電力を供給しない。図３に示された電力供給制御装置２は、優先度１の負荷装置３−１に供給する電力を安定化させたい場合、例えば優先度１の負荷装置３−１の動作可能電圧範囲が比較的狭い場合に好適に適用される。本例では、回路開閉部２１−１の出力側に電力変換部２３−１を設けているため、電力変換部２３−１の動作電圧範囲および電力変換部２３−２の動作電圧範囲において、優先度１の出力系統の電圧が安定する。

ところで、図２における電力変換部２３、図３における電力変換部２３−２の動作電圧範囲より高い電圧が電力変換部２３、２３−２に入力されると、電力変換部２３、２３−２は動作するが、このことにより発電装置１の出力電圧が低下する場合がある。その結果電力変換部２３、２３−２は動作を停止し、再び発電装置１の出力電圧が上昇して電力変換部２３、２３−２が再び動作するというサイクル（いわゆるチャタリング）を起こす。すると、優先度が低い負荷装置（３−２、・・・、３−ｎ）への電力供給が不安定となるため、負荷装置（３−２、・・・、３−ｎ）によっては、電力供給を安定させる必要が生じる。

そこで、いわゆるチャタリングを防止する手段を設けて、優先度が低い負荷装置（３−２、・・・、３−ｎ）への電力供給の安定化を図る。図４は、本発明の実施の形態に係る電力供給制御装置の第３例を概略的に示す説明図である。図４に示される電力供給制御装置は、図３に示される電力供給制御装置の電力変換部２３−２に相当する構成を電力変換部２３−２ａとし、さらにチャタリングを防止するための構成として電力変換部２３−２ｂおよび回路開閉部２１−３を追加したものである。ここで、電力変換部２３−１および逆流防止手段２５は任意の構成であり、これらを同時に省略することも可能である。

ここで、電力変換部２３−２ｂの動作電圧範囲の下限値は、下記の各条件を満足する値に設定する。
（１）電力変換部２３−２ａの動作電圧範囲の下限値より低い電圧値であること。
（２）優先度１の負荷装置３−１への電力供給が電力変換部２３−２ｂにより十分行える電圧値であること。
（３）電力変換部２３−２ａが動作した際の発電装置１の発電電圧低下時の電圧値より低い電圧値であること。

また、回路開閉部２１−３については、制御部２２の動作時に閉じ、制御部２２の非動作時には開くように設定する。

以下、図４に示された電力変換部２３−２ａ、２３−２ｂおよび回路開閉部２１−３の動作を説明する。まず、発電装置１の出力電圧が上昇して電力変換部２３−２ｂが動作すると、制御部２２が回路開閉部２１−３を閉じて、電力変換部２３−２ｂを動作させる。ここで、発電装置１の出力電圧が低下すると、電力変換部２３−２ａの動作は停止するが、電力変換部２３−２ｂは動作しているため、制御部２２が回路開閉部２１−３を閉じた状態を保持し、チャタリングが防止される。

ここで、図２〜図４に示された各実施形態は、出力系統が２系統の場合の例を示しているが、出力系統は３系統以上とすることもできる。図５は、本発明の実施の形態に係る電力供給制御装置の第４例を概略的に示す説明図である。図５において、制御部２２−１、・・・、２２−（ｎ−１）は、それぞれの動作時に、対応する回路開閉部２１−１、・・・、２１−（ｎ−１）を開き、それぞれの非動作時には、対応する回路開閉部２１−１、・・・、２１−（ｎ−１）を閉じるように制御する。また、電力変換部２３−１、２３−２・・・、２３−ｎの動作電圧範囲の下限値は、この順番に低くなるように設定されている。それ以外の構成については、図２〜図４とほぼ同様であるため、説明を省略する。

以下、図５に示された回路開閉部２１（２１−１、・・・、２１−（ｎ−１））、制御部２２（２２−１、・・・、２２−（ｎ−１））、電力変換部２３（２３−１、・・・、２３−ｎ）の動作を説明する。まず、発電装置１の出力電圧が上昇すると、最も低い作動電圧範囲に設定されている電力変換部２３−１が動作して最も優先順位が高い優先度１の負荷装置３−１にのみ電力が供給される。さらに、発電装置１の出力電圧が上昇すると、次に作動電圧範囲が低い電力変換部２３−２が動作し、制御部２２−１が回路開閉部２１−１を閉じて、電力変換部２３−１の動作が停止し、電力変換部２３−２により最も優先順位の高い優先度１の負荷装置３−１と次に優先順位が高い優先度２の負荷装置に電力が供給される。このように、発電装置１の出力電圧の上昇にしたがって、電力変換部２３−１、・・・、２３−ｎのうち１つだけが動作するようになっている。ここで、電力変換部２３−２、・・・、２３−ｎの動作に伴い発電装置１の出力が変動することにより発生する電圧回路開閉部２１−１、・・・、２１−（ｎ−１）のチャタリングを防止したい場合は、電力変換部２３（２３−１、・・・、２３−ｎ）に対して、図４の電力変換部２３−２に追加した構成（図４の電力変換部２３−２ｂおよび回路開閉部２１−３）と同様の構成を追加することでチャタリングが防止される。或は、各順次動作する電力変換部の互いの動作電圧範囲の一部をそれぞれ重複させることでもチャタリングが防止される。

また、優先順位の数が２以上となる電力供給制御装置は、以下のように構成することもできる。図６は、本発明の実施の形態に係る電力供給制御装置の第５例を概略的に示す説明図である。図６において、優先度１の出力系統には電力変換部６１が設けられ、それ以外の系統には制御部６２（６２−２、・・・、６２−ｎ）と回路開閉部６３（６３−２、・・・、６３−ｎ）がそれぞれ設けられている。電力変換部６１は、ＤＣ−ＤＣコンバータ等を用いて構成される。回路開閉部６３（６３−２、・・・、６３−ｎ）は、リレーまたは半導体スイッチ等を用いて構成される。また、制御部６２（６２−２、・・・、６２−ｎ）の内部には、それぞれ入力電圧判定手段６４（６４−２、・・・、６４−ｎ）が設けられている。

入力電圧判定手段６４（６４−２、・・・、６４−ｎ）は、比較回路（コンパレータ）等を用いて構成され、回路開閉部６３（６３−２、・・・、６３−ｎ）を所定の電圧以上となったときに閉じる制御を行う。入力電圧判定手段６４−２、・・・、６４−ｎは、電力供給の優先度が高い順、すなわち上記所定の電圧が低い順に配置され、発電装置１の出力電圧が上昇するにつれて、優先度１、優先度２、・・・、優先度ｎの順でそれぞれに対応した負荷装置３（３−１、３−２、・・・、３−ｎ）に電力が供給されるようになっている。

ここで、同一の優先度の負荷が複数存在する場合には、例えば入力電圧判定手段６４における所定の電圧が同一となるように複数の入力電圧判定手段６４を設けることで対応できる。

以上、本発明の実施の形態である電力供給制御装置について説明したが、次に、これらの電力供給制御装置を用いた負荷電力供給システムにおける、電力供給の優先度が異なる複数の負荷への電力供給状況について説明する。以下、図１に示された負荷電力供給システムを説明の前提とする。

なお、図１のシステムは、廃棄有機物処理装置、具体的にはバイオトイレシステムとした。また、発電装置１は、最大出力３００Ｗの太陽電池パネル（出力電圧２４Ｖ）とし、電力供給制御装置２としては、図２〜図６に例示した各装置、および比較として電力供給の優先度を設けることなく複数の負荷に発電装置１を直結した装置を準備した。優先度１の負荷装置３−１は定格消費電力２２Ｗの排気ファン、優先度２の負荷装置３−２は定格消費電力２２０Ｗのヒータとした。

図７は、本発明の負荷電力供給システムにおける電力供給状況の第１例を示すグラフ、図８は、本発明の負荷電力供給システムにおける電力供給状況の第２例を示すグラフ、図９は、電力供給の優先度を設けない場合の負荷電力供給システムにおける電力供給状況を比較として示すグラフである。

ここで、図７のグラフは、図１の図１の電力供給制御装置２として図２の電力供給制御装置を適用した場合のグラフであり、図８のグラフは、図１の電力供給制御装置２として図３の電力供給制御装置を使用した場合のグラフである。このように、図７および図８に示された本発明の負荷電力供給システムにおける優先負荷への電力供給状況は、比較のために示した図９と比較して、きわめてすぐれていることがわかる。なお、図１の電力供給制御装置２として図４〜図６の電力供給制御装置を使用した場合でも、優先度１の負荷装置３−１への電力供給状況は、図７または図８のグラフと同様となった。

以上、本発明の実施の形態を説明したが、これらはあくまでも本発明の適用範囲の一部に過ぎず、特許請求の範囲に記載された事項の範囲内で、種々の変更が可能であることはいうまでもない。例えば、本発明の電力供給制御装置および負荷電力供給システムは、出力電力が大幅に変動する発電装置により発電された電力を有効に配分することが求められるシステムに広く適用することができる。

本発明の電力供給制御装置が用いられる負荷電力供給システムの一例を示す説明図。 本発明の実施の形態に係る電力供給制御装置の第１例を概略的に示す説明図。 本発明の実施の形態に係る電力供給制御装置の第２例を概略的に示す説明図。 本発明の実施の形態に係る電力供給制御装置の第３例を概略的に示す説明図。 本発明の実施の形態に係る電力供給制御装置の第４例を概略的に示す説明図。 本発明の実施の形態に係る電力供給制御装置の第５例を概略的に示す説明図。 本発明の負荷電力供給システムにおける電力供給状況の第１例を示すグラフ。 本発明の負荷電力供給システムにおける電力供給状況の第２例を示すグラフ。 電力供給の優先度を設けない場合の負荷電力供給システムにおける電力供給状況を比較として示すグラフ。

符号の説明

１ 発電装置
２ 電力供給制御装置
３ 負荷装置
２１、６３ 回路開閉部
２２、６２ 制御部
２３、６１ 電力変換部
２４、２５ 逆流防止手段
６４ 入力電圧判定手段

Claims (9)

1. 出力電力が大幅に変動する発電装置から、電力供給の優先順位が定められている複数の負荷装置に電力を供給する電力供給制御装置であって、
   前記優先順位の数に対応した数の出力系統と、該出力系統の動作を制御する制御部と、入力された電力を前記負荷装置が必要とする電圧値となるように変換する電力変換部とを備え、
   前記出力系統の作動電圧範囲の下限値は、前記優先順位の高い順に低くなるようにそれぞれ設定されている
   ことを特徴とする電力供給制御装置。
2. 前記制御部は、前記電力変換部から電力の供給を受けて動作することを特徴とする、請求項１記載の電力供給制御装置。
3. 前記電力変換部が前記優先順位に対応して複数設けられ、前記複数の電力変換部の作動電圧範囲の下限値は、前記優先順位の高い順に低くなるようにそれぞれ設定されていることを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の電力供給制御装置。
4. 前記制御部は、入力電圧判定手段を備えていることを特徴とする、請求項１〜請求項３のいずれかに記載の電力供給制御装置。
5. 前記発電装置は、自然エネルギーを電気エネルギーに変換する装置であることを特徴とする、請求項１〜請求項４のいずれかに記載の電力供給制御装置。
6. 前記自然エネルギーを電気エネルギーに変換する装置は、太陽電池を備えていることを特徴とする、請求項５に記載の電力供給制御装置。
7. 前記複数の負荷装置は、廃棄有機物処理装置を構成する負荷装置であることを特徴とする、請求項１〜請求項６のいずれかに記載の電力供給制御装置。
8. 前記廃棄有機物処理装置は、バイオトイレ装置であることを特徴とする、請求項７に記載の電力供給制御装置。
9. 出力電力が大幅に変動する発電装置と、電力供給の優先順位が定められている複数の負荷装置と、前記複数の負荷装置に電力を供給する電力供給制御装置とを備えた負荷電力供給システムであって、
   前記電力供給制御装置は、請求項１〜請求項８のいずれかに記載の電力供給制御装置であることを特徴とする負荷電力供給システム。