JP6204237B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、交流電源から入力される交流電力を直流電力に変換し出力する電力変換装置に関する。

従来、交流電源の電圧変動が激しい電源環境において、出力電流の低下が検出されることによる誤動作を避けることを目的とした電力変換装置として、特許文献１に記載されたものがある。特許文献１に記載の電力変換装置では、交流電源から入力される入力電圧を検出し、入力電圧が所定値以下と判定した場合、出力電流の指令値を所定値以下に設定している。これにより、出力電流の指令値に対して実際の出力電流が低下したと検出されないようになり、誤動作を避けることができるとしている。

特開２００６−１２９６１９号公報

特許文献１に記載の電力変換装置では、入力電圧の変動が激しい電源環境であっても電力の出力を継続することができるものの、入力電圧の変動により平滑コンデンサに印加される電圧が変動することを避けることはできない。したがって、平滑コンデンサの容量は、一時的に上昇する電圧を考慮したものとせざるを得ないため、平滑コンデンサの容量は大きくなる。

また、特許文献１に記載の電力変換装置が電力を供給する電気負荷が、重負荷から軽負荷へと変化した場合においても、平滑コンデンサに印加される電圧は一時的に上昇する。したがって、電力の供給対象となる電気負荷が変化するものである場合には、平滑コンデンサの容量はその変化を考慮した容量とする必要が生じ、平滑コンデンサの容量が大きくなる。

すなわち、特許文献１に記載の電力変換装置においては、平滑コンデンサに印加される電圧の変動を考慮して平滑コンデンサの容量を決定する必要があるため、平滑コンデンサの容量が大きくなる。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、その主たる目的は、平滑コンデンサの容量を低減可能な電力変換装置を提供することにある。

本発明は、交流電源から入力される交流電力を直流電力に変換し出力する電力変換装置であって、入力端に前記交流電源が接続され、交流電力を直流電力に変換し出力端から出力するＡＣ−ＤＣ変換回路と、前記ＡＣ−ＤＣ変換回路の出力端に並列接続される平滑コンデンサと、前記平滑コンデンサの電圧であるＤＣリンク電圧を検出するＤＣリンク電圧検出手段と、前記ＡＣ−ＤＣ変換回路の制御を行う制御装置とを備え、前記制御装置は、前記ＤＣリンク電圧が第１所定値よりも大きい場合に、前記ＤＣリンク電圧の値に基づいて前記ＡＣ−ＤＣ変換回路の出力電力を抑制することを特徴とする。

上記構成により、交流電源のから入力される電圧が上昇した場合や、出力端に接続される電気負荷がより軽い負荷へと変化した場合において、ＤＣリンク電圧が上昇方向へ変化したとしても、ＤＣリンク電圧に基づいてＡＣ−ＤＣ変換回路の出力電圧を抑制しているため、ＤＣリンク電圧の上昇を抑制することができる。したがって、平滑コンデンサの容量を低減することができる。

第１実施形態に係る電力変換装置の回路図である。 第１実施形態における、ＤＣリンク電圧制御の制御ブロック図である。 第１実施形態における過電圧垂下制御を行った場合のグラフである。 第１実施形態における過電圧垂下制御を行わない場合のグラフである。 第２実施形態における、ＤＣリンク電圧制御の制御ブロック図である。 第３実施形態における、ＤＣリンク電圧制御の制御ブロック図である。 第４実施形態における、ＤＣリンク電圧Ｖｃにより係数ｋを求める際に用いるグラフである。 第５実施形態における、ＤＣリンク電圧Ｖｃにより係数ｋを求める際に用いるグラフである。 第６実施形態における、ＤＣリンク電圧Ｖｃにより係数ｋを求める際に用いるグラフである。 第７実施形態における、ＤＣリンク電圧Ｖｃにより係数ｋを求める際に用いるグラフである。 第８実施形態における、ＤＣリンク電圧制御の制御ブロック図である。 第９実施形態に係る電力変換装置の回路図である。

以下、各実施形態を図面に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、図中、同一符号を付しており、同一符号の部分についてはその説明を援用する。

＜第１実施形態＞
本実施形態に係る電力変換装置は、家庭用電源や商用電源等の交流電源から入力される交流電力を直流電力へ変換して出力するものであり、二次電池への電力の供給に用いられる。

図１は、本実施形態に係る電力変換装置の回路図である。本実施形態に係る電力変換装置は、ＡＣ−ＤＣ変換回路１００と、ＡＣ−ＤＣ変換回路１００の出力端に並列接続される平滑コンデンサ１５０と、制御装置３００とにより構成される。ＡＣ−ＤＣ変換回路１００の入力端には交流電源４００が接続され、ＡＣ−ＤＣ変換回路１００の出力端には、ＤＣ−ＤＣ変換回路２００の入力端が接続される。一方、ＤＣ−ＤＣ変換回路２００の出力端は、二次電池５００に接続される。

ＡＣ−ＤＣ変換回路１００は、ダイオードブリッジ回路１０と、第１平滑リアクトル１１と、ハーフブリッジ回路１２とにより構成されている。交流電源４００は、ＡＣ−ＤＣ変換回路１００の入力端を経て、ダイオードブリッジ回路１０に接続されている。

ダイオードブリッジ回路１０は、４個のダイオードＤ１〜Ｄ４を備えている。ダイオードＤ１のカソード及びダイオードＤ３のカソードは、第１配線１５に接続されている。ダイオードＤ１のアノードは、交流電源４００の第１端及びダイオードＤ２のカソードに接続されており、ダイオードＤ３のアノードは、交流電源４００の第２端及びダイオードＤ４のカソードに接続されている。ダイオードＤ２のアノード及びダイオードＤ４のアノードは、第２配線１６に接続されている。そして、第１配線１５及び第２配線１６により、ダイオードブリッジ回路１０と、ハーフブリッジ回路１２が接続されている。なお、ダイオードブリッジ回路１０とハーフブリッジ回路１２の間の第１配線１５には、第１平滑リアクトル１１が設けられている。

ハーフブリッジ回路１２は、ダイオードＤ５とＭＯＳＦＥＴである開閉素子Ｑ１とを備えている。ダイオードＤ５のカソードは、ＡＣ−ＤＣ変換回路１００の高圧側出力端に接続されており、ダイオードＤ５のアノードは、第１配線１５及び開閉素子Ｑ１のドレイン端子に接続されている。一方、開閉素子Ｑ１のソース端子は、第２配線１６に接続されている。そして、第２配線１６は、ＡＣ−ＤＣ変換回路１００の低圧側出力端に接続されている。なお、開閉素子Ｑ１は、逆方向に並列接続された寄生ダイオードを備えている。また、ダイオードＤ５は、順方向へ電流を流し、逆方向への電流を遮断するため、順方向電流が流れる際にＯＮとなり、逆方向電流が流れる際にＯＦＦとなるスイッチング素子と見なすことができる。

ＤＣ−ＤＣ変換回路２００は、ブリッジ回路２０と、第１コイル２１ａと第２コイル２１ｂとにより構成されるトランス２１と、ダイオードブリッジ回路２２と、第２平滑リアクトル２３とを備えている。

ブリッジ回路２０は、ＭＯＳＦＥＴである開閉素子Ｑ２〜Ｑ５を備えている。開閉素子Ｑ２及び開閉素子Ｑ４は、高圧側である上アームに設けられており、開閉素子Ｑ３及び開閉素子Ｑ５は、低圧側である下アームに設けられている。開閉素子Ｑ２のドレイン端子は高圧側配線２４に接続されており、ソース端子は開閉素子Ｑ３のドレイン端子及び第１コイル２１ａの一端に接続されている。開閉素子Ｑ４のドレイン端子は高圧側配線２４に接続されており、ソース端子は開閉素子Ｑ５のドレイン端子及び第１コイル２１ａの他端に接続されている。開閉素子Ｑ３のソース端子及び開閉素子Ｑ５のソース端子は、共に低圧側配線２５に接続されている。高圧側配線２４及び低圧側配線２５は、それぞれ、ＡＣ−ＤＣ変換回路１００の高圧側出力端及び低圧側出力端に接続されている。なお、開閉素子Ｑ２〜Ｑ５は、それぞれ、逆方向に並列接続された寄生ダイオードを備えている。

ダイオードブリッジ回路２２は、ダイオードＤ６〜Ｄ９を備えている。ダイオードＤ６及びダイオードＤ８は、高圧側である上アームに設けられており、ダイオードＤ７及びダイオードＤ９は、低圧側である下アームに設けられている。ダイオードＤ６のカソードは高圧側配線２６に接続されており、アノードはダイオードＤ７のカソード及び第２コイル２１ｂの一端に接続されている。ダイオードＤ８のカソードは高圧側配線２６に接続されており、アノードはダイオードＤ９のカソード及び第２コイル２１ｂの他端に接続されている。ダイオードＤ７のアノード及びダイオードＤ９のアノードは、共に低圧側配線２７に接続されている。高圧側配線２６は、第２平滑リアクトル２３を介し、出力端を経て二次電池５００の正極に接続されており、低圧側配線２７は、出力端を経て二次電池５００の負極に接続されている。

本実施形態に係る電力変換装置は、第１電圧検出器３１と、入力電流検出手段として機能する電流検出器３２と、ＤＣリンク電圧検出手段として機能する第２電圧検出器３３とを備えている。

第１電圧検出器３１は、ＡＣ−ＤＣ変換回路１００の入力端に並列接続されており、交流電源４００から入力される交流電圧である入力電圧Ｖａｃを検出する。電流検出器３２は、ダイオードブリッジ回路１０とハーフブリッジ回路１２との間の第２配線１６に設けられており、ダイオードブリッジ回路１０からハーフブリッジ回路１２を経て、平滑コンデンサ１５０へ流入する電流値である入力電流ｉＬを検出する。第２電圧検出器３３は、平滑コンデンサ１５０に並列接続されており、ＡＣ−ＤＣ変換回路１００から出力され、平滑コンデンサ１５０に印加される電圧であるＤＣリンク電圧Ｖｃを検出する。

制御装置３００は、ＤＣリンク電圧制御部３４と、係数算出部３５とを備えている。制御装置３００には、計測された入力電圧Ｖａｃ、入力電流ｉＬ、ＤＣリンク電圧Ｖｃが入力される。また、ＤＣリンク電圧Ｖｃを、平滑コンデンサ１５０の耐圧値よりも低い所定の電圧値に維持するためのＤＣリンク電圧指令値Ｖｃ＊が、入力、若しくは、制御装置３００が備えるメモリから読み出される。係数算出部３５は、ＤＣリンク電圧Ｖｃを用いて、ＤＣリンク電圧Ｖｃの制御である過電圧垂下制御に用いる係数ｋを算出し、ＤＣリンク電圧制御部３４に入力する。ＤＣリンク電圧制御部３４は、入力電圧Ｖａｃ、入力電流ｉＬ、ＤＣリンク電圧Ｖｃ、ＤＣリンク電圧指令値Ｖｃ＊、係数ｋを用いて演算を行ってＰＷＭ信号を生成し、開閉素子Ｑ１にＰＷＭ信号を送信する。

図２は、本実施形態に係る電力変換装置において、制御装置３００が実行する制御の制御ブロック図である。

まず、ＤＣリンク電圧制御部３４は、ＤＣリンク電圧指令値Ｖｃ＊からＤＣリンク電圧Ｖｃを減算し、ＰＩ制御器に入力することにより電流指令最大値ＩＬ＊を得る。一方、係数算出部３５は、入力されたＤＣリンク電圧Ｖｃに基づいて、０以上１以下の係数ｋを算出し、算出された係数ｋをＤＣリンク電圧制御部３４へ出力する。そして、ＤＣリンク電圧制御部３４において、電流指令最大値ＩＬ＊に係数ｋを乗算することにより過電圧垂下制御を行い、補正電流指令最大値ＩＬ＊’を得る。

また、ＤＣリンク電圧制御部３４は、入力電圧Ｖａｃの位相を検出して絶対値処理を行うことにより、位相絶対値｜ｓｉｎθ｜を得る。そして、補正電流指令最大値ＩＬ＊’と位相絶対値｜ｓｉｎθ｜とを乗算することで、電流指令値｜ｉＬ＊’｜を得る。

次に、入力された入力電流ｉＬに絶対値処理を行い入力電流絶対値｜ｉＬ｜を得て、電流指令値｜ｉＬ＊’｜と入力電流絶対値｜ｉＬ｜との偏差をとり、入力電流偏差ｄｉＬを得る。得られた入力電流偏差ｄｉＬをＰＩ制御器に入力して入力電圧指令値｜Ｖｉｎ＊｜を得ることにより、ＤＣリンク電圧Ｖｃのフィードバック制御を、入力電流ｉＬのフィードバック制御をマイナーループ制御として備える電圧フィードバック制御とする。そして、ＰＩ制御器から出力された入力電圧指令値｜Ｖｉｎ＊｜と電源電圧絶対値｜Ｖａｃ｜との偏差を取ってＤＣリンク電圧Ｖｃで除算することにより、必要なｄｕｔｙ比を得る。そして、得られたｄｕｔｙ比に基づいてＰＷＭ信号を生成することにより、開閉素子Ｑ１へＯＮ／ＯＦＦ信号を出力する。

ここで、過電圧垂下制御に用いる係数ｋについて説明する。係数ｋは、ＤＣリンク電圧Ｖｃが第１所定値Ｖ１以下の場合には１である。ＤＣリンク電圧Ｖｃが第１所定値Ｖ１から第２所定値Ｖ２へと上昇するのに伴い、係数ｋを１から０へと直線的に単調減少させる。そして、ＤＣリンク電圧Ｖｃが第２所定値Ｖ２以上の場合には、係数ｋを０とする。すなわち、ＤＣリンク電圧Ｖｃが第２所定値Ｖ２以上の場合には電流指令値｜ｉＬ＊’｜は０となり、ＡＣ−ＤＣ変換回路１００の出力電力が制御範囲の最小値となる。なお、第１所定値Ｖ１は、交流電源４００が定常状態である場合のＤＣリンク電圧Ｖｃの値にリプル電圧のピーク値を加算した値よりも、大きい値と設定されている。一方、第２所定値Ｖ２は、平滑コンデンサ１５０の耐圧よりも小さい値と設定されている。

図３は、ＤＣ−ＤＣ変換回路２００の出力端に接続される二次電池５００が取り替えられ、ＤＣ−ＤＣ変換回路２００の出力が半減した場合に、本実施形態に係る制御を行った場合の入力電圧Ｖａｃ、補正電流指令最大値ＩＬ＊’、交流入力電流Ｉａｃ、ＤＣ−ＤＣコンバータ出力電力Ｐｏｕｔ、ＤＣリンク電圧Ｖｃを示している。一方、図４は、係数算出部３５に係る制御を行わなかった場合の入力電圧Ｖａｃ、電流指令最大値ＩＬ＊、交流入力電流Ｉａｃ、ＤＣ−ＤＣコンバータ出力電力Ｐｏｕｔ、ＤＣリンク電圧Ｖｃを示している。なお、図３において、比較のために電流指令最大値ＩＬ＊も示している。

ＤＣ−ＤＣコンバータの出力が低下することにより、ＤＣリンク電圧Ｖｃの上昇が開始する。そして、図３において、ＤＣリンク電圧Ｖｃが第１所定値Ｖ１以上となれば、過電圧垂下制御が行われ、補正電流指令最大値ＩＬ＊’は、過電圧垂下制御が行われない場合の電流指令最大値ＩＬ＊よりも小さくなる。この制御により、ＤＣリンク電圧Ｖｃが第２所定値Ｖ２以上となることが抑制される。

一方、図４では、過電圧垂下制御が行われないため、ＤＣリンク電圧Ｖｃが第１所定値Ｖ１以上である場合において、電流指令最大値ＩＬ＊の減少幅は小さくなる。したがって、ＡＣ−ＤＣ変換回路１００の出力電力は抑制しきれず、それに伴い、ＤＣリンク電圧Ｖｃは、第２所定値Ｖ２以上となる。

本実施形態に係る電力変換装置は、上記構成により、以下の効果を奏する。

・交流電源４００から入力される電圧が上昇した場合や、接続される電気負荷がより軽い負荷へと変化した場合等において、ＤＣリンク電圧Ｖｃが上昇方向へ変位したとしても、ＤＣリンク電圧Ｖｃに基づいてＡＣ−ＤＣ変換回路１００の出力電圧を抑制しているため、ＤＣリンク電圧Ｖｃを第２所定値Ｖ２よりも小さい値へ収束させることができる。したがって、平滑コンデンサ１５０の耐圧は、第２所定値Ｖ２よりも大きい値に対する耐圧とすればよく、交流電源４００のから入力される電圧が上昇した場合や、出力端に接続される電気負荷がより軽い負荷へと変化した場合の、ＤＣリンク電圧Ｖｃの上昇に対応する耐圧とする必要が生じない。ゆえに、平滑コンデンサ１５０の容量を低減することができる。

・リプル電圧を考慮せずに第１所定値Ｖ１を定めた場合、交流電源４００が定常状態であっても、リプル電圧の影響によりＤＣリンク電圧Ｖｃが上昇し、ＤＣリンク電圧Ｖｃが第１所定値Ｖ１よりも大きくなる場合がある。この場合には、交流電源４００が定常状態であるにも係わらずＡＣ−ＤＣ変換回路１００の出力を抑制する制御が行われるため、ＡＣ−ＤＣ変換回路１００による電力の供給効率が低下する。上記構成により、交流電源４００が定常状態である場合には、リプル電圧の影響が生じたとしても、ＡＣ−ＤＣ変換回路１００の出力を抑制する制御は行われないため、ＡＣ−ＤＣ変換回路１００の電力の供給効率をより高めることができる。

・係数ｋを連続的に変化させることにより、補正電流指令最大値ＩＬ＊’を連続的に変化させることができる。これにより、ＤＣリンク電圧Ｖｃが上昇方向へ変化した場合には、補正電流指令最大値ＩＬ＊’が減少し、ＤＣリンク電圧Ｖｃが低下方向へ変化した場合には、補正電流指令最大値ＩＬ＊’が増加することとなる。したがって、ＤＣリンク電圧Ｖｃを補正電流指令最大値ＩＬ＊’に対応した値へと収束させることができ、ＤＣリンク電圧Ｖｃの発振を防ぐことができる。

＜第２実施形態＞
本実施形態に係る電力変換装置は、回路構成は第１実施形態に係る電力変換装置と共通しており、第１実施形態とは、ＤＣリンク電圧制御部３４が行う制御が一部異なっている。

図５は、本実施形態に係る電力変換装置において、制御装置３００が実行する制御の制御ブロック図である。

まず、ＤＣリンク電圧制御部３４は、ＤＣリンク電圧指令値Ｖｃ＊からＤＣリンク電圧Ｖｃを減算し、ＰＩ制御器に入力することにより電流指令最大値ＩＬ＊を得る。一方、係数算出部３５は、入力されたＤＣリンク電圧Ｖｃに基づいて、０以上１以下の係数ｋを算出し、算出された係数ｋをＤＣリンク電圧制御部３４へ出力する。そして、ＤＣリンク電圧制御部３４において、電流指令最大値ＩＬ＊に係数ｋを乗算して過電圧垂下制御を行い、補正電流指令最大値ＩＬ＊’を得る。

また、ＤＣリンク電圧制御部３４は、入力電圧Ｖａｃの位相を検出して絶対値処理を行うことにより、位相絶対値｜ｓｉｎθ｜を得る。そして、補正電流指令最大値ＩＬ＊’と位相絶対値｜ｓｉｎθ｜とを乗算することで、電流指令値｜ｉＬ＊’｜を得る。次に、入力された入力電流ｉＬに絶対値処理を行い入力電流絶対値｜ｉＬ｜を得て、電流指令値｜ｉＬ＊’｜と入力電流絶対値｜ｉＬ｜との偏差をとり、入力電流偏差ｄｉＬを得る。そして、入力電流偏差ｄｉＬをピーク電流制御器に入力することにより必要なｄｕｔｙ比を得て、得られたｄｕｔｙ比に基づいてＰＷＭ信号を生成することにより、開閉素子Ｑ１へＯＮ／ＯＦＦ信号を出力する。

本実施形態に係る電力変換装置は、上記構成により、第１実施形態に係る電力変換装置が奏する効果に準ずる効果を奏する。

＜第３実施形態＞
本実施形態に係る電力変換装置は、回路構成は第１実施形態に係る電力変換装置と共通しており、第１実施形態とは、ＤＣリンク電圧制御部３４が行う制御が一部異なっている。

図６は、本実施形態に係る電力変換装置において、制御装置３００が実行する制御の制御ブロック図である。

まず、ＤＣリンク電圧制御部３４は、ＤＣリンク電圧指令値Ｖｃ＊からＤＣリンク電圧Ｖｃを減算し、ＰＩ制御器に入力することにより電流指令最大値ＩＬ＊を得て、得られた電流指令最大値ＩＬ＊をリミッタに入力する。リミッタは、電流指令最大値ＩＬ＊が、所定の上限値以下であり、且つ、所定の下限値以上であるかを判定する。そして、電流指令最大値ＩＬ＊が所定の上限値以上であれば、電流指令最大値ＩＬ＊を所定の上限値へと変更し、所定の下限値以下であれば、電流指令最大値ＩＬ＊を所定の下限値へと変更する。一方、係数算出部３５は、入力されたＤＣリンク電圧Ｖｃに基づいて、０以上１以下の係数ｋを算出し、算出された係数ｋをＤＣリンク電圧制御部３４へ出力する。そして、ＤＣリンク電圧制御部３４において、電流指令最大値ＩＬ＊に係数ｋを乗算して過電圧垂下制御を行い、補正電流指令最大値ＩＬ＊’を得る。

また、ＤＣリンク電圧制御部３４は、入力電圧Ｖａｃの位相を検出して絶対値処理を行うことにより、位相絶対値｜ｓｉｎθ｜を得る。そして、補正電流指令最大値ＩＬ＊’と位相絶対値｜ｓｉｎθ｜とを乗算することで、電流指令値｜ｉＬ＊’｜を得る。次に、入力された入力電流ｉＬに絶対値処理を行い入力電流絶対値｜ｉＬ｜を得て、電流指令値｜ｉＬ＊’｜と入力電流絶対値｜ｉＬ｜との偏差をとり、入力電流偏差ｄｉＬを得る。そして、入力電流偏差ｄｉＬをピーク電流制御器に入力することにより必要なｄｕｔｙ比を得て、得られたｄｕｔｙ比に基づいてＰＷＭ信号を生成することにより、開閉素子Ｑ１へＯＮ／ＯＦＦ信号を出力する。

なお、本実施形態では、電流指令最大値ＩＬ＊をリミッタに入力し、リミッタを経た電流指令最大値ＩＬ＊に対して係数ｋを乗算しているが、電流指令最大値ＩＬ＊に係数ｋを乗算して補正電流指令最大値ＩＬ＊’を得た後に、補正電流指令最大値ＩＬ＊をリミッタへ入力するものとしてもよい。

本実施形態に係る電力変換装置は、上記構成により、第１実施形態に係る電力変換装置が奏する効果に準ずる効果を奏する。

＜第４実施形態＞
本実施形態に係る電力変換装置は、上記各実施形態に係る電力変換装置に対して、係数算出部３５により係数ｋを求める処理が異なっている。

図７は、本実施形態において、係数算出部３５が係数ｋを算出する際に用いる、ＤＣリンク電圧Ｖｃと係数ｋの関係を示すグラフである。

ＤＣリンク電圧Ｖｃが第１所定値Ｖ１未満の場合には、係数ｋは１である。ＤＣリンク電圧Ｖｃが、第１所定値Ｖ１から第２所定値Ｖ２へと上昇するのに伴い、係数ｋを、１から、１よりも小さく０よりも大きい値であるｋ２へと直線的に減少させる。そして、ＤＣリンク電圧Ｖｃが第２所定値以上の場合には、係数ｋを０とする。

本実施形態に係る電力変換装置は、上記構成により、第１実施形態に係る電力変換装置が奏する効果に加えて、以下の効果を奏する。

・係数ｋを１から０まで連続的に減少させた場合、係数ｋが０に近い値の場合、補正電流指令最大値ＩＬ＊’の値が小さくなる。したがって、ＡＣ−ＤＣ変換回路１００は、微小電流の出力にも対応可能なものとする必要が生ずる。本実施形態では、係数ｋを１からｋ１まで連続的に変化させているため、補正電流指令最大値ＩＬ＊’は、０よりも大きく、ｋ１×ＩＬ＊よりも小さい値とならない。したがって、ＡＣ−ＤＣ変換回路１００は微小電流の出力に対応する必要が生じないため、微小電流の出力に対応するための部員等を省略することができる。

＜第５実施形態＞
本実施形態に係る電力変換装置は、上記各実施形態に係る電力変換装置に対して、係数算出部３５により係数ｋを求める処理が異なっている。

図８は、本実施形態において、係数算出部３５が係数ｋを算出する際に用いる、ＤＣリンク電圧Ｖｃと係数ｋの関係を示すグラフである。

ＤＣリンク電圧Ｖｃが第１所定値Ｖ１未満の場合には、係数ｋは１である。ＤＣリンク電圧Ｖｃが、第１所定値Ｖ１から第２所定値Ｖ２へと上昇するのに伴い、係数ｋを、指数関数的に、又は、２次以上の多項式的に単調減少させる。すなわち、ＤＣリンク電圧Ｖｃの上昇に伴い、係数ｋの減少量が大きくなっている。そして、ＤＣリンク電圧Ｖｃが第２所定値Ｖ２以上の場合には、係数ｋを０とする。

なお、係数ｋは、ＤＣリンク電圧Ｖｃの上昇に伴い、その減少量が大きくなればよいため、如何なる関数に基づいて係数ｋを算出するかは任意に設定することができる。また、上記第４実施形態と同様に、１よりも小さく０よりも大きい値であるｋ１を設け、ＤＣリンク電圧Ｖｃが、第１所定値Ｖ１から第２所定値Ｖ２へと上昇するのに伴い、係数ｋを、１からｋ１まで指数関数的に、又は、２次以上の多項式的に減少させるものとしてもよい。

本実施形態に係る電力変換装置は、上記構成により、第１実施形態に係る電力変換装置が奏する効果に加えて、以下の効果を奏する。

・平滑コンデンサ１５０として用いられるセラミックコンデンサ等は、印加される電圧が上昇するに伴い静電容量が低下する直流バイアス特性を有している。ここで、係数ｋを指数関数的に、又は、２次以上の多項式的に減少させると、係数ｋを直線的に変化させる場合と比べて、ＤＣリンク電圧Ｖｃが上昇した場合の出力電力の抑制量を大きくすることができる。したがって、平滑コンデンサ１５０が直流バイアス特性を持つものである場合に、係数ｋの変化により、静電容量の低下に伴う耐圧の低下を保障することができる。

＜第６実施形態＞
本実施形態に係る電力変換装置は、上記各実施形態に係る電力変換装置に対して、係数算出部３５により係数ｋを求める処理が異なっている。

図９は、本実施形態において、係数算出部３５が係数ｋを算出する際に用いる、ＤＣリンク電圧Ｖｃと係数ｋの関係を示すグラフである。本実施形態では、ＤＣリンク電圧Ｖｃの上昇に伴い、係数ｋを段階的に変化させている。

ＤＣリンク電圧Ｖｃが第１所定値Ｖ１未満の場合には、係数ｋは１である。ＤＣリンク電圧Ｖｃが、第１所定値Ｖ１以上であり、且つ、第１所定値Ｖ１よりも大きく第２所定値Ｖ２よりも小さい値であるＶα未満の場合には、係数ｋを１よりも小さく０よりも大きい値であるｋ２とする。ＤＣリンク電圧Ｖｃが、Ｖα以上でありＶαよりも大きく第２所定値Ｖ２よりも小さい値であるＶβ未満の場合には、係数ｋをｋ２よりも小さく０よりも大きい値であるｋ３とする。ＤＣリンク電圧Ｖｃが、Ｖβ以上でありＶβよりも大きく第２所定値Ｖ２よりも小さい値であるＶγ未満の場合には、係数ｋをｋ３よりも小さく０よりも大きい値であるｋ４とする。ＤＣリンク電圧Ｖｃが、Ｖγ以上であり第２所定値未満の場合には、係数ｋをｋ４よりも小さく０よりも大きい値であるｋ５とする。そして、ＤＣリンク電圧Ｖｃが第２所定値Ｖ２以上の場合には、係数ｋを０とする。

なお、第１所定値Ｖ１から第２所定値Ｖ２にかけて、係数ｋを何段階で変化させるかは任意に設定可能である。各段階での係数ｋの変化幅、及び、ＤＣリンク電圧Ｖｃの幅は、同一でもよく、異なっていてもよい。また、ＤＣリンク電圧Ｖｃが上昇した場合の出力電力の抑制量を大きくするために、ＤＣリンク電圧Ｖｃの上昇に伴い、係数ｋの変化幅を大きくしてもよい。

本実施形態に係る電力変換装置は、上記構成により、第１実施形態に係る電力変換装置が奏する効果に加えて、以下の効果を奏する。

・係数ｋを所定の関数に基づいて求める場合には、演算処理や、マッピング処理を行う必要があり、制御装置３００の演算量が増加する。本実施形態に係る電力変換装置では、演算処理を減少させたりマッピング処理を省いたりすることができるため、制御装置３００の処理負荷を低下させることができ、それに伴い、制御装置３００が備えるメモリをより容量の小さなものとすることもできる。

・ＤＣリンク電圧Ｖｃの上昇に伴い、係数ｋの減少幅を大きくすれば、第５実施形態に係る電力変換装置が奏する効果に準ずる効果を奏するものとすることができる。

＜第７実施形態＞
本実施形態に係る電力変換装置は、上記各実施形態に係る電力変換装置に対して、係数算出部３５により係数ｋを求める処理が異なっている。

図１０は、本実施形態において、係数算出部３５が係数ｋを算出する際に用いる、ＤＣリンク電圧Ｖｃと係数ｋの関係を示すグラフである。本実施形態は、第６実施形態と同様に、ＤＣリンク電圧Ｖｃの上昇に伴い、係数ｋを段階的に変化させるとともに、段階的に減少する場合と段階的に増加する場合との間にヒステリシスを設けている。

ＤＣリンク電圧Ｖｃが第１所定値Ｖ１未満の場合には、係数ｋは１である。ＤＣリンク電圧Ｖｃが、第１所定値Ｖ１から、第１所定値Ｖ１よりも大きく第２所定値Ｖ２よりも小さい値であるＶα’へ上昇する場合には、係数ｋを１とする。ＤＣリンク電圧Ｖｃが、Ｖα’から、Ｖα’よりも大きく第２所定値Ｖ２よりも小さい値であるＶβ’へ上昇する場合には、係数ｋを１よりも小さく０よりも大きい値であるｋ２とする。ＤＣリンク電圧Ｖｃが、Ｖβ’から、Ｖβ’よりも大きく第２所定値Ｖ２よりも小さい値であるＶγ’へ上昇する場合には、係数ｋをｋ２よりも小さく０より大きい値であるｋ３とする。ＤＣリンク電圧Ｖｃが、Ｖγ’から、Ｖγ’よりも大きく第２所定値Ｖ２よりも小さい値であるＶΔ’へ上昇する場合には、係数ｋをｋ３よりも小さく０よりも大きい値であるｋ４とする。ＤＣリンク電圧Ｖｃが、ＶΔ’から、第２所定値Ｖ２へ上昇する場合には、係数ｋをｋ４よりも小さく０よりも大きい値であるｋ５とする。そして、ＤＣリンク電圧Ｖｃが第２所定値Ｖ２よりも大きい場合には、係数ｋを０とする。

一方、ＤＣリンク電圧Ｖｃが、第２所定値Ｖ２からＶΔ’へ低下する場合には、係数ｋを０とする。ＤＣリンク電圧Ｖｃが、ＶΔ’からＶγ’へ低下する場合には、係数ｋをｋ５とする。ＤＣリンク電圧Ｖｃが、Ｖγ’からＶβ’へ低下する場合には、係数ｋをｋ４とする。ＤＣリンク電圧Ｖｃが、Ｖβ’からＶα’へ低下する場合には、係数ｋをｋ３とする。ＤＣリンク電圧Ｖｃが、Ｖα’から第１所定値Ｖ１へ低下する場合には、係数ｋをｋ２とする。そして、ＤＣリンク電圧Ｖｃが第１所定値Ｖ１よりも小さい場合には、係数ｋを１とする。

なお、本実施形態においても、第６実施形態と同様に、第１所定値Ｖ１から第２所定値Ｖ２にかけて、係数ｋを何段階で変化させるかは任意に設定可能である。各段階での係数ｋの変化幅、及び、ＤＣリンク電圧Ｖｃの幅は、同一でもよく、異なっていてもよい。また、ＤＣリンク電圧Ｖｃが上昇した場合の出力電力の抑制量を大きくするために、ＤＣリンク電圧Ｖｃの上昇に伴い、係数ｋの変化幅を大きくしてもよい。

本実施形態は、上記構成により、第６実施形態に係る電力変換装置が奏する効果に加えて、以下の効果を奏する。

・係数ｋを段階的に増減させる場合、ＤＣリンク電圧Ｖｃのわずかな変化に対して、係数ｋの段階的な増減が繰り返されてしまい、それに伴い、出力電力が変動するおそれがある。係数ｋを、段階的に減少する場合と段階的に増加する場合との間にヒステリシスを有するものとすることにより、係数ｋの段階的な増減の繰り返しを防ぐことができ、それにより、出力電力の変動を抑制することができる。

＜第８実施形態＞
本実施形態に係る電力変換装置は、回路構成は第１実施形態に係る電力変換装置と共通しており、第１実施形態とは、ＤＣリンク電圧制御部３４が行う制御、及び、係数算出部３５が行う係数ｋの算出方法が異なっている。

図１１は、本実施形態に係る電力変換装置において、制御装置３００が実行する制御の制御ブロック図である。

まず、係数算出部３５が、入力されたＤＣリンク電圧Ｖｃに基づいて、０よりも大きく１以下である係数ｋを算出し、算出された係数ｋをＤＣリンク電圧制御部３４へ出力する。ＤＣリンク電圧制御部３４は、ＤＣリンク電圧指令値Ｖｃ＊に係数ｋを乗算することにより過電圧垂下制御を行い、補正ＤＣリンク電圧指令値Ｖｃ＊’を得る。そして、得られた補正ＤＣリンク電圧指令値Ｖｃ＊’からＤＣリンク電圧Ｖｃを減算し、ＰＩ制御器に入力することにより補正電流指令最大値ＩＬ＊’を得る。

また、ＤＣリンク電圧制御部３４は、入力電圧Ｖａｃの位相を検出して絶対値処理を行うことにより、位相絶対値｜ｓｉｎθ｜を得る。そして、補正電流指令最大値ＩＬ＊’と位相絶対値｜ｓｉｎθ｜とを乗算することで、電流指令値｜ｉＬ＊’｜を得る。次に、入力された入力電流ｉＬに絶対値処理を行い入力電流絶対値｜ｉＬ｜を得て、電流指令値｜ｉＬ＊’｜と入力電流絶対値｜ｉＬ｜との偏差をとり、入力電流偏差ｄｉＬを得る。得られた入力電流偏差ｄｉＬをＰＩ制御器に入力し、その出力である入力電圧指令値｜Ｖｉｎ＊｜と電源電圧絶対値｜Ｖａｃ｜との偏差を取ってＤＣリンク電圧Ｖｃで除算することにより、必要なｄｕｔｙ比を得る。そして、得られたｄｕｔｙ比に基づいてＰＷＭ信号を生成することにより、開閉素子Ｑ１へＯＮ／ＯＦＦ信号を出力する。

ここで、過電圧垂下制御に用いる係数ｋについて説明する。係数ｋは、ＤＣリンク電圧Ｖｃが第１所定値Ｖ１以下の場合には１である。ＤＣリンク電圧Ｖｃが第１所定値Ｖ１から第２所定値Ｖ２へと上昇するのに伴い、係数ｋを、１から、０よりも大きく１よりも小さい値であるｋ６へと直線的に減少させる。そして、ＤＣリンク電圧Ｖｃが０以上の場合には、係数ｋを０とする。なお、係数ｋは、指数関数的に、又は、２次以上の多項式的に単調減少させてもよく、段階的に変化させてもよい。

本実施形態に係る電力変換装置は、上記構成により、第１実施形態に係る電力変換装置に準ずる効果を奏する。

＜第９実施形態＞
図１２は、本実施形態に係る電力変換回路の回路図を示している。本実施形態に係る電力変換装置は、第１実施形態に係る電力変換装置に対して、ＡＣ−ＤＣ変換回路１００の構成が異なっている。

ＡＣ−ＤＣ変換回路１００は、第１リアクトル１３ａと第２リアクトル１３ｂとにより構成される平滑リアクトル１３と、ブリッジ回路１４を備えている。交流電源４００は、ＡＣ−ＤＣ変換回路１００の入力端子を経て、第１リアクトル１３ａ及び第２リアクトル１３ｂに接続される。

ブリッジ回路１４は、ダイオードＤ５ａ、ダイオードＤ５ｂ、ＭＯＳＦＥＴである開閉素子Ｑ１ａ及び開閉素子Ｑ１ｂを備えている。ダイオードＤ５ａ及びダイオードＤ５ｂは、高圧側である上アームに設けられており、開閉素子Ｑ１ａ及び開閉素子Ｑ１ｂは、低圧側である下アームに設けられている。ダイオードＤ５ａのカソードは高圧側配線１５Ａに接続されており、アノードは開閉素子Ｑ１ａのドレイン端子及び第１リアクトル１３ａに接続されている。ダイオードＤ５ｂのカソードは高圧側配線１５Ａに接続されており、アノードは開閉素子Ｑ１ｂのドレイン端子及び第２リアクトル１３ｂに接続されている。そして、開閉素子Ｑ１ａのソース端子及び開閉素子Ｑ１ｂのソース端子は、共に低圧側配線１６Ａに接続されている。高圧側配線１５Ａ、低圧側配線１６Ａは、それぞれ、ＡＣ−ＤＣ変換回路１００の高圧側出力端、低圧側出力端に接続されている。

第１電圧検出器３１は、第１実施形態に係る電力変換装置と同様に、ＡＣ−ＤＣ変換回路１００の入力端に並列接続されており、交流電源４００から入力される交流電圧である入力電圧Ｖａｃを検出する。電流検出器３２は、平滑リアクトル１３とブリッジ回路１４との間に設けられており、平滑リアクトル１３からブリッジ回路１４を経て、平滑コンデンサ１５０へ流入する電流値である入力電流ｉＬを検出する。第２電圧検出器３３は、平滑コンデンサ１５０に並列接続されており、ＡＣ−ＤＣ変換回路１００から出力され、平滑コンデンサ１５０に印加される電圧であるＤＣリンク電圧Ｖｃを検出する。

なお、本実施形態に係る電力変換装置において、上記各実施形態と同様の制御が行われるものの、ＤＣリンク電圧制御部３４は、開閉素子Ｑ１ａ及び開閉素子Ｑ１ｂのＯＮ／ＯＦＦ制御を行う。

本実施形態に係る電力変換装置は、上記構成により、第１実施形態に係る電力変換装置に準ずる効果を奏する。

＜変形例＞
・上記各実施形態において、ＡＣ−ＤＣ変換回路１００の出力端にＤＣ−ＤＣ変換回路２００が接続されるものとしたが、直流電力の入力を要する電気負荷であるならば、ＤＣ−ＤＣ変換回路２００以外の電気負荷が接続されるものとしてもよい。その場合には、ＡＣ−ＤＣ変換回路１００から出力される直流電力により電気負荷が駆動されるものとすればよい。また、ＡＣ−ＤＣ変換回路１００の出力端にＤＣ−ＤＣ変換回路２００が接続される場合においても、ＤＣ−ＤＣ変換回路２００の出力端に接続されるものは二次電池５００に限られることはなく、二次電池５００以外の、直流電力の入力を要する電気負荷が接続されてもよい。

・上記各実施形態において、第２所定値Ｖ２を平滑コンデンサ１５０の耐圧よりも小さい値に設定するものとしたが、第２所定値Ｖ２の設定方法はこれに限られない。ＤＣ−ＤＣ変換回路２００などの電気機器には、機器を過電圧から保護するために、機器の駆動を停止する過電圧保護停止機能を備えるのが一般的である。そして、過電圧保護停止機能の動作開始を判定するための閾値を設け、入力される電圧が閾値以上であるかを監視し、入力される電圧が閾値以上であれば、過電圧保護機能により、機器の動作を停止する。

ここで、第２所定値Ｖ２が閾値よりも大きい場合には、出力電力を抑制する制御が行われたとしても、ＤＣリンク電圧Ｖｃが閾値以上となり得るため、ＤＣ−ＤＣ変換回路２００が過電圧保護停止機能により停止する場合がある。そこで、第２所定値Ｖ２を閾値よりも小さい値に設定する。こうすることにより、ＤＣリンク電圧Ｖｃが閾値以上となることを防ぐことができるため、それに伴い、ＤＣ−ＤＣ変換回路２００へ入力される電圧も、閾値以上となることを防ぐことができる。したがって、電力変換装置が過電圧保護機能を有するＤＣ−ＤＣ変換回路２００へ電力を供給する場合において、過電圧保護機能の動作を抑制することができる。なお、ＡＣ−ＤＣ変換回路１００の出力端に、ＤＣ−ＤＣ変換回路２００以外の電気負荷が接続されるものとした場合においては、第２所定値Ｖ２を、接続される電気負荷の、過電圧保護停止機能を動作させる閾値よりも小さい値に設定すればよい。

３３…第２電圧検出器、１００…ＡＣ−ＤＣ変換回路、１５０…平滑コンデンサ、３００…制御装置、４００…交流電源。

Claims (12)

1. 交流電源（４００）から入力される交流電力を直流電力に変換し出力する電力変換装置であって、
   入力端に前記交流電源が接続され、交流電力を直流電力に変換し出力端から出力するＡＣ−ＤＣ変換回路（１００）と、
   前記ＡＣ−ＤＣ変換回路の出力端に並列接続される平滑コンデンサ（１５０）と、
   前記平滑コンデンサの電圧であるＤＣリンク電圧を検出するＤＣリンク電圧検出手段（３３）と、
   前記ＡＣ−ＤＣ変換回路の制御を行う制御装置（３００）と、を備え、
   前記制御装置は、前記ＤＣリンク電圧が第１所定値よりも大きい場合に、前記ＤＣリンク電圧の値に基づいて前記ＡＣ−ＤＣ変換回路の出力電力を抑制し、
   前記制御装置は、前記ＤＣリンク電圧が第１所定値よりも大きい場合に、前記ＤＣリンク電圧が前記第１所定値よりも大きい値である第２所定値を超えないように前記ＡＣ−ＤＣ変換回路の出力電力を抑制し、前記ＤＣリンク電圧が前記第２所定値よりも大きい場合に、前記ＡＣ−ＤＣ変換回路の出力電力を制御範囲の最小値とすることで前記ＡＣ−ＤＣ変換回路の出力電力を抑制することを特徴とする電力変換装置。
2. 交流電源（４００）から入力される交流電力を直流電力に変換し出力する電力変換装置であって、
   入力端に前記交流電源が接続され、交流電力を直流電力に変換し出力端から出力するＡＣ−ＤＣ変換回路（１００）と、
   前記ＡＣ−ＤＣ変換回路の出力端に並列接続される平滑コンデンサ（１５０）と、
   前記平滑コンデンサの電圧であるＤＣリンク電圧を検出するＤＣリンク電圧検出手段（３３）と、
   前記ＡＣ−ＤＣ変換回路の制御を行う制御装置（３００）と、
   前記平滑コンデンサへ流入する電流値を検出する入力電流検出手段（３２）と、を備え、
   前記制御装置は、前記入力電流検出手段により検出された電流値のフィードバック制御をマイナーループ制御として備える電圧フィードバック制御により前記ＡＣ−ＤＣ変換回路の出力電力を制御し、前記ＤＣリンク電圧が第１所定値よりも大きい場合に、前記ＤＣリンク電圧が前記第１所定値よりも大きい値である第２所定値を超えないように前記ＡＣ−ＤＣ変換回路の出力電力を抑制することを特徴とする電力変換装置。
3. 交流電源（４００）から入力される交流電力を直流電力に変換し出力する電力変換装置であって、
   入力端に前記交流電源が接続され、交流電力を直流電力に変換し出力端から出力するＡＣ−ＤＣ変換回路（１００）と、
   前記ＡＣ−ＤＣ変換回路の出力端に並列接続される平滑コンデンサ（１５０）と、
   前記平滑コンデンサの電圧であるＤＣリンク電圧を検出するＤＣリンク電圧検出手段（３３）と、
   前記ＡＣ−ＤＣ変換回路の制御を行う制御装置（３００）と、を備え、
   前記制御装置は、前記ＤＣリンク電圧が第１所定値よりも大きい場合に、前記ＤＣリンク電圧の値に基づいて前記ＡＣ−ＤＣ変換回路の出力電力を抑制し、
   前記制御装置は、前記平滑コンデンサへ流入する電流を指令する値である電流指令値に、前記ＤＣリンク電圧に応じて求められる０以上１以下の係数を乗算することにより、前記ＡＣ−ＤＣ変換回路の出力電力を抑制することを特徴とする電力変換装置。
4. 交流電源（４００）から入力される交流電力を直流電力に変換し出力する電力変換装置であって、
   入力端に前記交流電源が接続され、交流電力を直流電力に変換し出力端から出力するＡＣ−ＤＣ変換回路（１００）と、
   前記ＡＣ−ＤＣ変換回路の出力端に並列接続される平滑コンデンサ（１５０）と、
   前記平滑コンデンサの電圧であるＤＣリンク電圧を検出するＤＣリンク電圧検出手段（３３）と、
   前記ＡＣ−ＤＣ変換回路の制御を行う制御装置（３００）と、を備え、
   前記制御装置は、前記ＤＣリンク電圧が第１所定値よりも大きい場合に、前記ＤＣリンク電圧の値に基づいて前記ＡＣ−ＤＣ変換回路の出力電力を抑制し、
   前記制御装置は、前記ＤＣリンク電圧を指令する値である電圧指令値に、前記ＤＣリンク電圧に応じて求められる０以上１以下の係数を乗算することにより、前記ＡＣ−ＤＣ変換回路の出力電力を抑制することを特徴とする電力変換装置。
5. 前記平滑コンデンサへ流入する電流値を検出する入力電流検出手段（３２）をさらに備え、
   前記制御装置は、前記電流値のフィードバック制御をマイナーループ制御として備える、電圧フィードバック制御により前記出力電力を制御することを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
6. 前記制御装置は、前記平滑コンデンサへ流入する電流を指令する値である電流指令値に、前記ＤＣリンク電圧に応じて求められる０以上１以下の係数を乗算することにより、前記ＡＣ−ＤＣ変換回路の出力電力を抑制することを特徴とする請求項１又は２に記載の電力変換装置。
7. 前記制御装置は、前記ＤＣリンク電圧を指令する値である電圧指令値に、前記ＤＣリンク電圧に応じて求められる０以上１以下の係数を乗算することにより、前記ＡＣ−ＤＣ変換回路の出力電力を抑制することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の電力変換装置。
8. 前記第１所定値は、前記交流電源が定常状態である場合の前記ＤＣリンク電圧の値にリプル電圧のピーク値を加算した値よりも大きい値であることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の電力変換装置。
9. 前記ＡＣ−ＤＣ変換回路の出力端は、入力電圧が所定電圧よりも大きい場合に動作を停止する機器（２００）に接続されており、
   前記第２所定値は、前記所定電圧よりも小さい値であることを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
10. 前記係数は、前記ＤＣリンク電圧の上昇に伴い、単調減少することを特徴とする請求項３，４，６又は７に記載の電力変換装置。
11. 前記係数は、前記ＤＣリンク電圧の上昇に伴い、段階的に減少することを特徴とする請求項３，４，６又は７に記載の電力変換装置。
12. 前記係数は、段階的に減少する場合と段階的に増加する場合との間にヒステリシスを有することを特徴とする請求項１１に記載の電力変換装置。

Images