WO2017168965A1 - 電力変換装置 - Google Patents
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Definitions
- a solar cell power conditioner that converts DC power generated by a solar cell into AC power and outputs the AC power to a commercial power system (hereinafter simply referred to as a power system) is known.
- the power conditioner for a solar cell includes a booster circuit that boosts a DC voltage and outputs the boosted voltage to a DC bus, and an inverter that converts DC power of the DC bus into AC power.
- the second transistor Q2 is an NPN-type bipolar transistor, and has an emitter connected to the other end of the inductor L1, a collector connected to the second DC terminal T2, and a base to which the second control signal S2 is supplied. .
- the second diode D2 has a cathode connected to the collector of the second transistor Q2 and an anode connected to the emitter of the second transistor Q2.
- each of the bidirectional buck-boost circuits 31 determines that the power storage device 20 is connected when receiving the charge / discharge information, and determines that the power generation device 10 is connected when not receiving the charge / discharge information. To do. This saves the labor for the operator to make settings. In addition, setting errors by the operator can be suppressed.
- a determination unit provided outside the bidirectional step-up / down circuit 31 may perform such determination.
- the energy of the power storage device 20 may be released to the outside.
- the bidirectional insulation type buck-boost circuit 50 it is possible to suppress the release of such energy to the outside. Therefore, safety can be further improved.
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Abstract
複数の双方向昇降圧回路31-1~31-5は、発電装置10または蓄電装置20に接続可能な第1直流端子T1と、直流バス32に接続された第2直流端子T2とをそれぞれ有する。双方向インバータ34は、直流バス32に接続された第3直流端子T3と、電力系統40に接続可能な交流端子T4とを有する。複数の双方向昇降圧回路31-1~31-5は、それぞれ、発電装置10に接続された場合に昇圧動作を行い、蓄電装置20に接続された場合に昇圧動作または降圧動作を行う。
Description
本発明は、直流電力を交流電力に変換する電力変換装置に関する。
太陽電池で発電された直流電力を交流電力に変換し、当該交流電力を商用電力系統(以下、単に電力系統という)に出力する太陽電池用パワーコンディショナが知られている。太陽電池用パワーコンディショナは、直流電圧を昇圧して直流バスに出力する昇圧回路と、直流バスの直流電力を交流電力に変換するインバータとを備える。
また、太陽電池に加えて蓄電池も接続できる創蓄パワーコンディショナも知られている。創蓄パワーコンディショナは、太陽電池用パワーコンディショナの構成に加え、蓄電池が接続される双方向昇降圧回路を備える。双方向昇降圧回路は、直流バスの電圧を降圧して蓄電池を充電し、蓄電池の直流電圧を昇圧して直流バスに出力する(例えば、特許文献1参照)。
しかし、上記従来の太陽電池用パワーコンディショナを所有しているユーザが新たに蓄電池を導入したい場合であっても、太陽電池用パワーコンディショナには蓄電池を接続できない。そのため、太陽電池用パワーコンディショナは使用できず、新たに創蓄パワーコンディショナを購入する必要がある。
本発明はこうした状況に鑑みてなされたものであり、その目的は、システム構成を容易に変更できる技術を提供することにある。
上記課題を解決するために、本発明のある態様の電力変換装置は、発電装置または蓄電装置に接続可能な第1直流端子と、直流バスに接続された第2直流端子とをそれぞれ有する複数の双方向昇降圧回路と、前記直流バスに接続された第3直流端子と、電力系統に接続可能な交流端子とを有する双方向インバータと、を備え、前記複数の双方向昇降圧回路は、それぞれ、前記発電装置に接続された場合に昇圧動作を行い、前記蓄電装置に接続された場合に昇圧動作または降圧動作を行う。
本発明によれば、システム構成を容易に変更できる。
図1は、一実施形態に係る電力変換システム1の構成を示すブロック図である。電力変換システム1は、複数の発電装置10と、複数の蓄電装置20と、電力変換装置30と、電力系統40とを備える。
発電装置10は、例えば太陽電池であり、太陽光のエネルギーに基づいて発電し、直流電力を出力する。
蓄電装置20は、例えばリチウムイオン蓄電池、ニッケル水素蓄電池、鉛蓄電池、電気二重層キャパシタまたはリチウムイオンキャパシタ等を含み、電力を蓄電する。
蓄電装置20は、例えばリチウムイオン蓄電池、ニッケル水素蓄電池、鉛蓄電池、電気二重層キャパシタまたはリチウムイオンキャパシタ等を含み、電力を蓄電する。
電力変換装置30は、複数の双方向昇降圧回路31-1~31-5と、直流バス32と、設定スイッチ33と、双方向インバータ34とを有する。電力変換装置30は、パワーコンディショナとも称される。
双方向昇降圧回路31-1~31-5の数は、2台以上であれば特に限定されない。双方向昇降圧回路31-1~31-5は、それぞれ同一の回路構成を有している。そのため、以下では、双方向昇降圧回路31-1~31-5をそれぞれ区別する必要が無い場合には双方向昇降圧回路31と称す。
複数の双方向昇降圧回路31は、発電装置10または蓄電装置20に接続可能な第1直流端子T1と、直流バス32に接続された第2直流端子T2とをそれぞれ有する。複数の双方向昇降圧回路31は、それぞれ、操作者により設定される設定スイッチ33の設定に従って、発電装置10に接続された場合に昇圧動作を行い、蓄電装置20に接続された場合に昇圧動作または降圧動作を行う。設定スイッチ33は、例えば、DIP(Dual In-line Package)スイッチであってもよい。
図示する例では、3台の双方向昇降圧回路31-1~31-3には、それぞれ発電装置10が接続されている。そのため、双方向昇降圧回路31-1~31-3は、それぞれ、昇圧動作を行い、降圧動作を行わないよう設定される。具体的には、双方向昇降圧回路31-1~31-3は、それぞれ、発電装置10から供給された電圧を昇圧して直流バス32に供給する。
2台の双方向昇降圧回路31-4,31-5には、それぞれ蓄電装置20が接続されている。そのため、双方向昇降圧回路31-4,31-5は、それぞれ、昇圧動作または降圧動作を行うよう設定される。具体的には、双方向昇降圧回路31-4,31-5は、それぞれ、発電装置10の出力電力が減少した場合に、蓄電装置20から供給された電圧を昇圧して直流バス32に供給し、発電装置10の出力電力が増加した場合などに、直流バス32の電圧を降圧して蓄電装置20に供給する。
双方向インバータ34は、直流バス32に接続された第3直流端子T3と、電力系統40に接続された交流端子T4とを有する。双方向インバータ34は、直流バス32の直流電力を交流電力に変換して当該交流電力を電力系統40に出力し、電力系統40の交流電力を直流電力に変換して当該直流電力を直流バス32に出力する。
双方向昇降圧回路31と双方向インバータ34は、図示を省略した制御回路によって制御される。
双方向昇降圧回路31と双方向インバータ34は、図示を省略した制御回路によって制御される。
図2は、図1の双方向昇降圧回路31の回路図である。双方向昇降圧回路31は、インダクタL1と、第1キャパシタC1と、第2キャパシタC2と、第1トランジスタQ1と、第2トランジスタQ2と、第1ダイオードD1と、第2ダイオードD2と、制御部CT1とを含む。
第1キャパシタC1は、第1直流端子T1に接続された一端と、第1基準電圧端子T11および第2基準電圧端子T12に接続された他端とを有する。第1基準電圧端子T11および第2基準電圧端子T12には、接地電圧が供給される。図1では、第1基準電圧端子T11および第2基準電圧端子T12の図示は省略している。
インダクタL1は、第1直流端子T1に接続された一端を有する。
インダクタL1は、第1直流端子T1に接続された一端を有する。
第1トランジスタQ1は、NPN型バイポーラトランジスタであり、インダクタL1の他端に接続されたコレクタと、第1基準電圧端子T11に接続されたエミッタと、第1制御信号S1が供給されるベースとを有する。
第1ダイオードD1は、第1トランジスタQ1のコレクタに接続されたカソードと、第1トランジスタQ1のエミッタに接続されたアノードとを有する。
第2トランジスタQ2は、NPN型バイポーラトランジスタであり、インダクタL1の他端に接続されたエミッタと、第2直流端子T2に接続されたコレクタと、第2制御信号S2が供給されるベースとを有する。
第2ダイオードD2は、第2トランジスタQ2のコレクタに接続されたカソードと、第2トランジスタQ2のエミッタに接続されたアノードとを有する。
第2キャパシタC2は、第2直流端子T2に接続された一端と、第1基準電圧端子T11に接続された他端とを有する。
制御部CT1は、設定スイッチ33の設定に従って、第1制御信号S1と第2制御信号S2を生成する。制御部CT1の構成は、ハードウェア資源とソフトウェア資源の協働、またはハードウェア資源のみにより実現できる。ハードウェア資源としてアナログ素子、マイクロコンピュータ、DSP、ROM、RAM、FPGA、その他のLSIを利用できる。ソフトウェア資源としてファームウェア等のプログラムを利用できる。
発電装置10に接続された双方向昇降圧回路31-1~31-3のそれぞれにおいて、制御部CT1は、第1トランジスタQ1をスイッチングさせる第1制御信号S1を生成し、第2トランジスタQ2をオフさせる第2制御信号S2を生成する。第1制御信号S1は、例えばパルス幅変調信号であり、第2制御信号S2は接地電圧等の固定電圧である。第1トランジスタQ1がオフすることにより、第2トランジスタQ2のエミッタ-コレクタ間はハイインピーダンスになる。これにより、双方向昇降圧回路31-1~31-3は、発電装置用の昇圧チョッパ回路として動作する。
蓄電装置20に接続された双方向昇降圧回路31-4,31-5のそれぞれにおいて、制御部CT1は、昇圧動作時には、第1トランジスタQ1をスイッチングさせる第1制御信号S1を生成し、第2トランジスタQ2をオフさせる第2制御信号S2を生成する。これにより、双方向昇降圧回路31-4,31-5は、蓄電装置用の昇圧チョッパ回路として動作する。
蓄電装置20に接続された双方向昇降圧回路31-4,31-5のそれぞれにおいて、制御部CT1は、降圧動作時には、第2トランジスタQ2をスイッチングさせる第2制御信号S2を生成し、第1トランジスタQ1をオフさせる第1制御信号S1を生成する。第2制御信号S2は、例えばパルス幅変調信号であり、第1制御信号S1は接地電圧等の固定電圧である。これにより、双方向昇降圧回路31-4,31-5は、蓄電装置用の降圧チョッパ回路として動作する。
次に、電力変換システム1の全体的な動作を説明する。電力変換システム1の初期導入時には、例えば、3台の発電装置10が接続され、蓄電装置20は接続されていないと想定する。即ち、2台の双方向昇降圧回路31-4,31-5の第1直流端子T1には、何も接続されていない。設置作業者などの操作者は、設定スイッチ33を操作し、3台の双方向昇降圧回路31-1~31-3に発電装置10が接続され、2台の双方向昇降圧回路31-4,31-5には何も接続されていないことを設定する。これにより、電力変換装置30は、太陽電池用パワーコンディショナとして動作し、発電された直流電力を電力系統の周波数に応じた周波数の交流電力に変換する系統連系動作を行う。何も接続されていない双方向昇降圧回路31-4,31-5は、停止状態になる。
例えば初期導入から数年後、ユーザが新たに2台の蓄電装置20を導入したい場合、2台の双方向昇降圧回路31-4,31-5の第1直流端子T1に蓄電装置20がそれぞれ接続される。これにより図1の構成となる。設置作業者などの操作者は、設定スイッチ33を操作し、2台の双方向昇降圧回路31-4,31-5に蓄電装置20が接続されたことを設定する。これにより、電力変換装置30は、創蓄パワーコンディショナとして動作する。即ち、電力変換装置30は、発電された電力による系統連系動作、発電された電力による系統連系動作および蓄電装置20の蓄電動作、並びに、電力系統40の電力による蓄電装置20の蓄電動作を行う。
以上で説明したように本実施形態によれば、それぞれ同一の回路構成の複数の双方向昇降圧回路31を設け、双方向昇降圧回路31は、それぞれ、発電装置10に接続された場合に昇圧動作を行い、蓄電装置20に接続された場合に昇圧動作または降圧動作を行うようにしている。これにより、それぞれの双方向昇降圧回路31は発電装置10と蓄電装置20の両方に対応できる。よって、電力変換システム1のシステム構成を容易に変更できる。
従って、ユーザは、初期導入時には発電装置10のみを電力変換装置30に接続して、その後、蓄電装置20を電力変換装置30に後付けすることができる。そのため、電力変換システム1の構成を変更する際に電力変換装置30を買い換える必要がない。また、初期導入時から発電装置10および蓄電装置20が設けられる場合と比較して、初期導入時のコストを下げることができる。
また、発電装置10と蓄電装置20の総数が双方向昇降圧回路31の数以下であれば、発電装置10と蓄電装置20を任意の数ずつ接続できる。さらに、双方向昇降圧回路31の数と同数の蓄電装置20を接続することもでき、双方向昇降圧回路31の数と同数の発電装置10を接続することもできる。従って、電力変換システム1の構成の自由度を高くできる。
また、発電装置10のみが接続される場合と、発電装置10と蓄電装置20が接続される場合とで電力変換装置30を共用できるので、用途毎に異なる電力変換装置を製造する必要がなく、量産により電力変換装置30を低コスト化することもできる。
以上、本発明について、実施例をもとに説明した。この実施例は例示であり、それらの各構成要素あるいは各処理プロセスの組合せにいろいろな変形例が可能なこと、また、そうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。
例えば、電力変換装置30は、設定スイッチ33に替えて、操作者の入力を受け付け、双方向昇降圧回路31の動作に関連する情報を表示するユーザインタフェースを備えてもよい。双方向昇降圧回路31の動作に関連する情報は、双方向昇降圧回路31に発電装置10と蓄電装置20のいずれが接続されていると設定されているかを示す設定情報を含む。双方向昇降圧回路31は、それぞれ、ユーザインタフェースの入力に従って、昇圧動作を行うか、昇圧動作または降圧動作を行うかを切り替える。操作者は、ユーザインタフェースに表示された設定情報を確認することにより、双方向昇降圧回路31の動作をより容易に設定できる。
また、双方向昇降圧回路31は、それぞれ、接続されている装置が発電装置10か蓄電装置20か判定された判定結果に応じて、昇圧動作を行うか、昇圧動作または降圧動作を行うかを切り替えてもよい。具体的には蓄電装置20は、自己の充放電を管理する蓄電池管理部(Battery Management Unit;BMU)を有する。蓄電池管理部は、充放電に関する充放電情報を、接続された双方向昇降圧回路31に通信線を介して送信する。双方向昇降圧回路31は、充放電情報に基づいて蓄電装置20の充放電を制御する。そこで、双方向昇降圧回路31は、それぞれ、充放電情報を受信した場合に蓄電装置20が接続されていると判定し、充放電情報を受信しない場合に発電装置10が接続されていると判定する。これにより、操作者が設定を行う労力を省ける。また、操作者による設定の間違いを抑制できる。双方向昇降圧回路31の外部に設けられた判定部が、このような判定を行ってもよい。
また、図3に示すように、蓄電装置20と双方向昇降圧回路31との間に双方向絶縁型昇降圧回路(双方向絶縁型DC-DCコンバータ)を設けてもよい。
図3は、一実施形態の変形例に係る電力変換システム1Aの構成を示すブロック図である。電力変換システム1Aは、図1の構成に加え、2台の双方向絶縁型昇降圧回路50を備える。複数の双方向昇降圧回路31の第1直流端子T1は、それぞれ、双方向絶縁型昇降圧回路50を介して蓄電装置20に接続可能である。図3の例では、双方向昇降圧回路31-4,31-5の第1直流端子T1は、それぞれ、双方向絶縁型昇降圧回路50を介して蓄電装置20に接続されている。双方向絶縁型昇降圧回路50は、昇圧および降圧可能な絶縁トランスを有し、蓄電装置20が放電されるときに昇圧動作を行い、蓄電装置20が充電されるときに降圧動作を行うことができる。即ち絶縁トランスは、昇降圧比に対応した巻き線比を有している。
例えば電力変換装置30が故障し、双方向絶縁型昇降圧回路50が設けられていない場合、蓄電装置20のエネルギーが外部に放出される可能性がある。この変形例では、双方向絶縁型昇降圧回路50が設けられていることにより、このようなエネルギーの外部への放出を抑制できる。従って、安全性をより高めることができる。
なお、実施の形態は、以下の項目によって特定されてもよい。
[項目1]
発電装置(10)または蓄電装置(20)に接続可能な第1直流端子(T1)と、直流バス(32)に接続された第2直流端子(T2)とをそれぞれ有する複数の双方向昇降圧回路(31)と、
前記直流バス(32)に接続された第3直流端子(T3)と、電力系統(40)に接続可能な交流端子(T4)とを有する双方向インバータ(34)と、を備え、
前記複数の双方向昇降圧回路(31)は、それぞれ、前記発電装置(10)に接続された場合に昇圧動作を行い、前記蓄電装置(20)に接続された場合に昇圧動作または降圧動作を行うことを特徴とする電力変換装置(30)。
[項目2]
操作者により設定される設定スイッチ(33)を備え、
前記複数の双方向昇降圧回路(31)は、それぞれ、前記設定スイッチ(33)の設定に従って、前記昇圧動作を行うか、前記昇圧動作または前記降圧動作を行うかを切り替えることを特徴とする項目1に記載の電力変換装置(30)。
[項目3]
操作者の入力を受け付け、前記複数の双方向昇降圧回路(31)の動作に関連する情報を表示するユーザインタフェースを備え、
前記複数の双方向昇降圧回路(31)は、それぞれ、前記ユーザインタフェースの入力に従って、前記昇圧動作を行うか、前記昇圧動作または前記降圧動作を行うかを切り替えることを特徴とする項目1に記載の電力変換装置(30)。
[項目4]
前記複数の双方向昇降圧回路(31)は、それぞれ、接続されている装置が前記発電装置(10)か前記蓄電装置(20)か判定された判定結果に応じて、前記昇圧動作を行うか、前記昇圧動作または前記降圧動作を行うかを切り替えることを特徴とする項目1に記載の電力変換装置(30)。
[項目5]
前記複数の双方向昇降圧回路(31)の前記第1直流端子(T1)は、それぞれ、双方向絶縁型昇降圧回路(50)を介して前記蓄電装置(20)に接続可能であることを特徴とする項目1から4のいずれか1項に記載の電力変換装置。
発電装置(10)または蓄電装置(20)に接続可能な第1直流端子(T1)と、直流バス(32)に接続された第2直流端子(T2)とをそれぞれ有する複数の双方向昇降圧回路(31)と、
前記直流バス(32)に接続された第3直流端子(T3)と、電力系統(40)に接続可能な交流端子(T4)とを有する双方向インバータ(34)と、を備え、
前記複数の双方向昇降圧回路(31)は、それぞれ、前記発電装置(10)に接続された場合に昇圧動作を行い、前記蓄電装置(20)に接続された場合に昇圧動作または降圧動作を行うことを特徴とする電力変換装置(30)。
[項目2]
操作者により設定される設定スイッチ(33)を備え、
前記複数の双方向昇降圧回路(31)は、それぞれ、前記設定スイッチ(33)の設定に従って、前記昇圧動作を行うか、前記昇圧動作または前記降圧動作を行うかを切り替えることを特徴とする項目1に記載の電力変換装置(30)。
[項目3]
操作者の入力を受け付け、前記複数の双方向昇降圧回路(31)の動作に関連する情報を表示するユーザインタフェースを備え、
前記複数の双方向昇降圧回路(31)は、それぞれ、前記ユーザインタフェースの入力に従って、前記昇圧動作を行うか、前記昇圧動作または前記降圧動作を行うかを切り替えることを特徴とする項目1に記載の電力変換装置(30)。
[項目4]
前記複数の双方向昇降圧回路(31)は、それぞれ、接続されている装置が前記発電装置(10)か前記蓄電装置(20)か判定された判定結果に応じて、前記昇圧動作を行うか、前記昇圧動作または前記降圧動作を行うかを切り替えることを特徴とする項目1に記載の電力変換装置(30)。
[項目5]
前記複数の双方向昇降圧回路(31)の前記第1直流端子(T1)は、それぞれ、双方向絶縁型昇降圧回路(50)を介して前記蓄電装置(20)に接続可能であることを特徴とする項目1から4のいずれか1項に記載の電力変換装置。
1…電力変換システム、10…発電装置、20…蓄電装置、30…電力変換装置、31…双方向昇降圧回路、32…直流バス、33…設定スイッチ、34…双方向インバータ、40…電力系統、50…双方向絶縁型昇降圧回路、T1…第1直流端子、T2…第2直流端子、T3…第3直流端子、T4…交流端子。
本発明は、直流電力を交流電力に変換する電力変換装置に利用可能である。
Claims (5)
- 発電装置または蓄電装置に接続可能な第1直流端子と、直流バスに接続された第2直流端子とをそれぞれ有する複数の双方向昇降圧回路と、
前記直流バスに接続された第3直流端子と、電力系統に接続可能な交流端子とを有する双方向インバータと、を備え、
前記複数の双方向昇降圧回路は、それぞれ、前記発電装置に接続された場合に昇圧動作を行い、前記蓄電装置に接続された場合に昇圧動作または降圧動作を行うことを特徴とする電力変換装置。 - 操作者により設定される設定スイッチを備え、
前記複数の双方向昇降圧回路は、それぞれ、前記設定スイッチの設定に従って、前記昇圧動作を行うか、前記昇圧動作または前記降圧動作を行うかを切り替えることを特徴とする請求項1に記載の電力変換装置。 - 操作者の入力を受け付け、前記複数の双方向昇降圧回路の動作に関連する情報を表示するユーザインタフェースを備え、
前記複数の双方向昇降圧回路は、それぞれ、前記ユーザインタフェースの入力に従って、前記昇圧動作を行うか、前記昇圧動作または前記降圧動作を行うかを切り替えることを特徴とする請求項1に記載の電力変換装置。 - 前記複数の双方向昇降圧回路は、それぞれ、接続されている装置が前記発電装置か前記蓄電装置か判定された判定結果に応じて、前記昇圧動作を行うか、前記昇圧動作または前記降圧動作を行うかを切り替えることを特徴とする請求項1に記載の電力変換装置。
- 前記複数の双方向昇降圧回路の前記第1直流端子は、それぞれ、双方向絶縁型昇降圧回路を介して前記蓄電装置に接続可能であることを特徴とする請求項1から4のいずれか1項に記載の電力変換装置。
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