JP2005218151A

JP2005218151A - 電力変換装置

Info

Publication number: JP2005218151A
Application number: JP2004017879A
Authority: JP
Inventors: Shinichiro Sumiyoshi; 眞一郎住吉
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2004-01-27
Filing date: 2004-01-27
Publication date: 2005-08-11

Abstract

【課題】余剰電力を熱に変換せず、さらに系統に逆潮流を発生させることもなく、発電した電力を有効に活用できる電力変換手段を提供する。
【解決手段】第２コンバータ１８の動作と蓄電手段１９によって、直流電源１１が発生した電力の一部を内部に電力として充電し、蓄電された電力は必要に応じて外部に取り出すことができるものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、太陽電池または燃料電池などの直流電力を商用周波数の交流電力に変換して系統に電力を注入する電力変換装置に関するものである。

従来、この種の電力変換装置としては、例えば高周波トランスの１次側に共振コンデンサとスイッチング素子を配置し、スイッチング素子の電圧波形を共振させてゼロ電圧スイッチング動作を行うと共に、１次インバータが商用２倍周期で正弦波変調を行い、さらに高周波トランスの２次側ではダイオードとコンデンサで高周波成分を整流し、高周波トランスの２次側に配置した２次インバータで極性切換を行うことにより、概ね力率１の正弦波電流を生成している高効率な電力変換装置があった（例えば特許文献１参照）。

図７は、従来使用している電力変換装置の構成を示す接続図である。直流電源１の出力電力は第１インバータ２で高周波電力に変換された後、高周波トランス３を介して２次側へ電力伝達される。高周波トランス３の２次側に発生した高周波電力は整流手段４で高周波の脈流に変換され、フィルタコンデンサ９で高周波電流成分のみが除去された後、第２インバータ５で系統６に同期した正弦波状の交流電流に変換されて、系統６に注入されるものである。ここで、第１インバータ２はスイッチング素子８と共振コンデンサ７で構成され、第２インバータ５はＱ１からＱ４の４個のスイッチング素子でフルブリッジ構成されている。
特開２０００−３２７５１号公報

しかしながら、前記従来の構成では、経済性の面で逆潮流が困難でかつ応答性が低い燃料電池のような直流電源においては、発電電力が系統に接続された家庭内機器で消費されない場合、装置内部で発生エネルギーを熱に変換処理する必要があった。

本発明は、上記従来の課題を解決するもので、直流電源で発生した電力を内部に蓄電する手段を有し、逆潮流を発生させることなく発電電力を有効に活用できる電力変換手段を提供することを目的とする。

前記目的を達成するために、本発明の電力変換装置は、直流電源の出力に第２コンバータと、これに接続された蓄電手段を設けたものである。第２コンバータの動作と蓄電手段によって、内部に電力を充電し、蓄電された電力は必要に応じて外部に取り出すことができるものである。

本発明の電力変換装置は、直流電源の出力に接続された蓄電手段に、電力を充電して発電電力の系統への逆潮流を防止することができるため、直流電源の安定な運転が可能となる。

第１の発明は、高周波トランスと、高周波トランスで絶縁された１次側に直流電源と、直流電力を高周波電力に変換する第１コンバータと、直流電力を所定の電圧に変換する第２コンバータと、蓄電手段と、高周波トランスの２次側には整流手段と、スイッチング素子４個で構成されて系統に交流電流を注入するインバータとが配置され、直流電源の出力に第１コンバータと第２コンバータとを並列に接続し、第２コンバータの出力には直列に蓄電手段を接続することで、発電が家庭内機器の消費を上回った余剰電力を蓄電手段に充電することができる。

第２の発明は、特に、第１の発明の蓄電手段を２次電池で構成することで、安価な構成とすることができる。

第３の発明は、第１または第２の発明において、蓄電手段の直流電圧を検出する電圧検知手段を配置し、直流電圧に基づいて第２コンバータの出力電流を決定することで、蓄電手段の直列及び並列構成に依存しない汎用性のある装置とすることができる。

第４の発明は、第１〜３のいずれか１つの発明において、第２コンバータの出力電流を一定値以下で制御することで、蓄電手段を長寿命化することができるものである。

第５の発明は、第１〜４のいずれか１つの発明において、第２コンバータは双方向出力が可能な構成として、蓄電手段からインバータに電力を供給することで、仮に停電が発生し、かつ直流電源から電力が供給されない場合でも、家庭内機器に電力を供給することができる。

第６の発明は、第１〜５のいずれか１つの発明において、第２コンバータを昇降圧コンバータとすることで、直流電源の電圧、蓄電手段の電圧によらず充放電動作を確保することができる。

第７の発明は、第１〜６のいずれか１つの発明において、電圧検知手段の検知電圧がしきい値以下の時は制御手段が第２コンバータの動作を停止することで、蓄電手段がないことを自動で判定する安全な装置とすることができる。

第８の発明は、第１〜７のいずれか１つの発明において、第２コンバータの制御電力を蓄電手段から供給することで、直流電源及び系統の動作状態にかかわらず、双方向コンバータが動作するための電力を安定に供給することができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、本実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
本実施の形態は請求項１、２に係わる。図１は、本発明の第１の実施の形態における電力変換装置の接続図を示すものである。

図１において、直流電源１１で発電した直流電力は、第１コンバータ１２で高周波電力に変換された後、高周波トランス１３で昇圧されて２次側へ電力伝達される。高周波トランス１３の２次側には整流手段１４が配置され、整流手段１４の出力にはフィルタコンデンサ１６を有するインバータ１５、系統１７の順で接続されている。また直流電源１１の出力には第１コンバータ１２と並列に第２コンバータ１８が配置されて、第２コンバータの出力には蓄電手段１９が接続されている。

以上のように構成された電力変換装置について以下にその動作、作用を説明する。

まず、直流電源１１の出力が家庭内機器の消費電力に比較して小さい時は、第１コンバータ１２が商用２倍周期で正弦波変調を行い、高周波トランス１３の２次側に発生した高周波電力の内、高周波成分はフィルタコンデンサ１６で除去され、商用周波成分がインバータ１５で極性切換されて、系統電圧に同期した低歪みの交流電流を生成する。一方、直流電源１１の出力が家庭内電力に比較して大きく、そのままでは系統１７への逆潮流が発生するような場合は、第２コンバータ１８が余剰電力分を蓄電手段１９に充電する。

以上のように、本実施例の形態においては直流電源で発生した電力の内、家庭内で消費されない電力を第２コンバータが蓄電手段に充電することで、発電の継続を実現すると共に、系統への逆潮流も防止することができる。

なお、蓄電手段１９を２次電池にすることで、安価な構成とすることができる。

（実施の形態２）
本実施の形態は請求項３に係わる。図２は、本発明の第２の実施の形態における電力変換装置の接続図を示すものである。

図２において、図１の回路構成と異なるのは、蓄電手段１９の電圧検出手段２０と、第２コンバータ制御手段２１と、第２コンバータ電力指令手段２２とを配置して、第２コンバータに電流指令値を与えるようにした点である。上記以外の構成要素は第１の実施の形態と同等であり、説明を省略する。

直流電源１１の出力が家庭内電力に比較して大きく、そのままでは系統１７への逆潮流が発生するような場合に、第２コンバータ１８の余剰電力が充電電力として演算されて、第２コンバータ電力指令手段２２から電力指令値が生成される。同時に電圧検出手段２０は蓄電手段１９の電圧を検出し、前記電力指令値を除算することで、電流指令値が得られる。電流指令値は第２コンバータ制御手段２１を通じて、第２コンバータ１８のスイッチング素子の駆動信号として与えられる。

以上のように、本実施の形態においては蓄電手段の直流電圧を検出する電圧検知手段を有し、蓄電手段の直流電圧に基づいて第２コンバータの出力電流指令値を決定することで、蓄電手段の直列及び並列構成に依存しない汎用性のある装置とすることができる。

（実施の形態３）
本実施の形態は請求項４に係わる。図３は、本発明の第３の実施の形態における電力変換装置の接続図を示すものである。

図３において、図２の回路構成と異なるのは、第２コンバータ制御手段２１の出力に出力電流リミッタ２３を配置する構成とした点である。上記以外の構成要素は第２の実施の形態と同等であり、説明を省略する。

以上のように構成された電力変換装置について、図３を参照して以下にその動作、作用を説明する。

図３において、直流電源１１の出力が家庭内電力に比較して大きく、そのままでは系統１７への逆潮流が発生するような場合に、第２コンバータ１８の余剰電力が充電電力として演算されて、第２コンバータ電力指令手段２２から電力指令値が生成される。同時に電圧検出手段２０は蓄電手段１９の電圧を検出し、前記電力指令値を除算することで、第２コンバータ制御手段２１で電流指令値が得られる。ここで、前記電力指令値と蓄電手段１９の電圧によって決定された第２コンバータ１８への出力電流指令値が、出力電流リミッタ２３に比較して大きい場合、電流指令値は出力電流リミッタ値に変更されて、第２コンバータ１８のスイッチング素子の駆動信号として与えられる。なお、出力電流リミッタ値は蓄電手段１９の容量によって決定づけられるものである。

以上のように、本実施の形態においては第２コンバータの出力電流を一定値以下で制御することで、蓄電手段を長寿命化することを実現することができる。

（実施の形態４）
本実施の形態は請求項５、６に係わる。図４は、本発明の第４の実施の形態における電力変換装置の接続図を示すものである。

図４において図３の回路構成と異なるのは、第２コンバータを双方向コンバータ２４として、インバータ１５と系統１７との間にリレーを配置して装置と系統１７との切り離しを可能にした点である。上記以外の構成要素は第１の実施の形態と同等であり、説明を省略する。

以上のように構成された電力変換装置について、以下にその動作、作用を説明する。

インバータ１５と系統１７との間は切り離しが可能とする構成において、直流電源１１の出力が家庭内電力に比較して大きく、そのままでは系統１７への逆潮流が発生するような場合は、双方向コンバータ２４が直流電源１１で発生した電力の一部を蓄電手段１９に充電する。また、インバータ１５の出力を系統１７と独立に出力する場合において、蓄電手段１９の電圧は双方向コンバータ２４によって、第１コンバータ１２の直流電圧と同一の電圧に変換される。さらに第１コンバータは高周波スイッチングで商用２倍周期の正弦波変調を行い、高周波トランス１３で電力伝達されて、整流手段１４とインバータ１５とで、系統１７とは独立の交流電圧を発生する。

以上のように、本実施の形態においては第２コンバータが双方向出力が可能な構成として、蓄電手段からインバータに電力を供給することで、仮に停電が発生し、かつ直流電源から電力が供給されない場合でも、家庭内機器に電力を供給することができる。

（実施の形態５）
本実施の形態は請求項７に係わる。本実施の形態５において、回路の構成要素は第２の実施の形態と同様であり、説明を省略する。

以上のように構成された電力変換装置について、図５の波形図を参照して以下にその動作、作用を説明する。

蓄電手段１９の電圧を検知する電圧検知手段２０によって得られた電圧検知手段信号が、しきい値以上の時は第２コンバータ制御手段２１は第２コンバータ２４に起動信号を送り、また、これがしきい値以下の時は停止信号を送信する。ここで仮に交換などの理由により蓄電手段１９が未接続であった場合は、電圧検知信号が出力されないことから蓄電手段１９が未接続または劣化していると自動判定し、第２コンバータ２４の動作を停止する。

以上のように、本実施の形態においては電圧検知手段の検知電圧がしきい値以下の時は制御手段が第２コンバータの動作を停止することで、蓄電手段がないことを自動で判定する安全な装置とすることができる。

（実施の形態６）
本実施の形態は請求項８に係わる。図６は、本発明の第６の実施の形態における電力変換装置の接続図を示すものである。図６において図２の回路構成と異なるのは、制御電力発生手段２５を配置して、蓄電手段から電力を供給する構成とした点である。上記以外の構成要素は実施の形態２と同等であり、説明を省略する。

制御電力発生手段２５は蓄電手段１９を電力供給源として、双方向コンバータ２４と第２コンバータ制御手段２１を駆動する電力を生成する。したがって直流電源１１及び系統１７の動作状況にかかわらず、常時双方向コンバータ２４を動作させる。

以上のように、本実施の形態においては双方向コンバータの制御電力を蓄電手段から与えることで、直流電源及び系統の動作状態にかかわらず、双方向コンバータが動作するための電力を安定に供給することができる。

以上のように、本発明にかかる電力変換装置は蓄電手段を有して効率的な余剰電力処理を実現す可能となるので、太陽電池や燃料電池及び風力発電等の用途にも適用できる。

本発明の実施の形態１における電力変換装置の接続図本発明の実施の形態２における電力変換装置の接続図本発明の実施の形態３における電力変換装置の接続図本発明の実施の形態４における電力変換装置の接続図本発明の実施の形態５における電力変換装置の各部動作を示す波形図本発明の実施の形態６における電力変換装置の接続図従来の電力変換装置の接続図

符号の説明

１１直流電源
１２第１コンバータ
１３高周波トランス
１４整流手段
１５インバータ
１６フィルタコンデンサ
１７系統
１８第２コンバータ
１９蓄電手段
２０電圧検出手段
２１第２コンバータ制御手段
２２第２コンバータ電力指令手段
２３出力電流リミッタ
２４双方向コンバータ
２５制御電力発生手段

Claims

高周波トランスと、前記高周波トランスで絶縁された１次側に直流電源と、直流電力を高周波電力に変換する第１コンバータと、直流電力を所定の電圧に変換する第２コンバータと、蓄電手段と、前記高周波トランスの２次側には整流手段と、スイッチング素子４個で構成されて系統に交流電流を注入するインバータとが配置され、直流電源の出力に前記第１コンバータと前記第２コンバータとを並列に接続し、前記第２コンバータの出力には直列に前記蓄電手段を接続した電力変換装置。
蓄電手段を２次電池で構成した請求項１記載の電力変換装置。
蓄電手段の直流電圧を検出する電圧検知手段を配置し、直流電圧に基づいて第２コンバータの出力電流を決定する請求項１、２のいずれかに記載の電力変換装置。
第２コンバータ制御手段から出力された電流指令値は出力電流リミッタと比較され、前記第２コンバータの出力電流を一定以下で制御する請求項１〜３のいずれか１項に記載の電力変換装置。
第２コンバータは双方向出力が可能な構成として、蓄電手段からインバータに電力を供給する請求項１〜４のいずれか１項に記載の電力変換装置。
第２コンバータを昇降圧コンバータで構成した請求項１〜５のいずれか１項に記載の電力変換装置。
電圧検知手段の検知電圧がしきい値以下の時は第２コンバータの動作を停止する請求項１〜６のいずれか１項に記載の電力変換装置。
第２コンバータの制御電力を蓄電手段から供給する請求項１〜７のいずれか１項に記載の電力変換装置。