(57)【要約】【課題】  多様な電力源からの電力フローをフレキシブルに制御可能である小型化の電源装置を提供する。【解決手段】  電源装置が、多巻線トランス（２０）と、これに接続される複数の電力変換器と、を備え、第１電力変換器は、整流器部（１，２，３）と、直流電力を交流電力に変換する変換器部（１１，１２，１３）とを備え、整流器部の交流側は互いに直列接続されかつ外部交流系統（１００）に接続され、整流器部の直流側は変換器部の直流側に接続され、平常時には、第１電力変換器および第２電力変換器（２２）を制御して、外部交流系統からの電力が蓄電装置（３２）に伝送され、かつ第１電力変換器および第３電力変換器（２３）を制御して、外部交流系統からの電力が受電機器（３３）に伝送され、停電時には、第２電力変換器および第３電力変換器を制御して、蓄電装置からの電力が受電機器に伝送される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
多巻線トランスと、
前記多巻線トランスに接続される複数の電力変換器と、
を備える電源装置において、
前記多巻線トランスが有する複数の第１巻線には、前記複数の電力変換器の内、複数の第１電力変換器が接続され、
前記第１電力変換器は、整流器部と、前記整流器部に接続され、直流電力を交流電力に変換する変換器部と、を備え、
複数の前記整流器部の交流側は、互いに直列接続されるとともに、外部交流系統に接続され、
前記整流器部の直流側は、前記変換器部の直流側に接続され、
前記変換器部の交流側は、前記第１巻線に接続され、
前多巻線トランスの第２巻線には、前記複数の電力変換器の内、第２電力変換器が接続され、
前記第２電力変換器の交流側が前記第２巻線に接続され、
前記第２電力変換器の直流側には蓄電装置が接続され、
前多巻線トランスの第３巻線には、前記複数の電力変換器の内、第３電力変換器が接続され、
前記第３電力変換器の交流側が前記第３巻線に接続され、
前記第３電力変換器の直流側には受電機器が接続され、
前記外部交流系統の平常時には、複数の前記第１電力変換器および前記第２電力変換器を制御することにより、複数の前記第１電力変換器と、前記複数の第１巻線と、前記第２巻線と、前記第２電力変換器とを介して、前記外部交流系統からの電力が前記蓄電装置に伝送され、
前記外部交流系統の平常時には、複数の前記第１電力変換器および前記第３電力変換器を制御することにより、複数の前記第１電力変換器と、前記複数の第１巻線と、前記第３巻線と、前記第３電力変換器とを介して、前記外部交流系統からの電力が前記受電機器に伝送され、
前記外部交流系統の停電時には、前記第２電力変換器および前記第３電力変換器を制御することにより、前記第２電力変換器と、前記第２巻線と、前記第３巻線と、前記第３電力変換器とを介して、前記蓄電装置からの電力が前記受電機器に伝送されることを特徴とする電源装置。
【請求項２】
請求項１に記載の電源装置において、
前記外部交流系統の停電時には、前記第１電力変換器の前記変換器部を動作させることを特徴とする電源装置。
【請求項３】
請求項２に記載の電源装置において、
複数の前記第１電力変換器における複数の前記変換器部は、直流側電圧がバランスするように制御されることを特徴とする電源装置。
【請求項４】
請求項２に記載の電源装置において、
複数の前記第１電力変換器における複数の前記変換器部は、交流側の電圧がバランスするように制御されることを特徴とする電源装置。
【請求項５】
請求項１に記載の電源装置において、
前記第１電力変換器の前記変換器部と前記第２電力変換器および前記第３電力変換器の各交流側の電圧は方形波交流電圧であり、
前記外部交流系統の平常時には、前記第２電力変換器が、前記第１電力変換器の前記方形波交流電圧と前記第２電力変換器の前記方形波交流電圧との間に位相差を設定するように制御され、
前記外部交流系統の平常時には、前記第３電力変換器が、前記第１電力変換器の前記方形波交流電圧と前記第３電力変換器の前記方形波交流電圧との間に位相差を設定するように制御され、
前記外部交流系統の停電時には、前記第３電力変換器が、前記第２電力変換器の前記方形波交流電圧と前記第３電力変換器の前記方形波交流電圧との間に位相差を設定するように制御されることを特徴とする電源装置。
【請求項６】
請求項１に記載の電源装置において、
前多巻線トランスの第４巻線には、前記複数の電力変換器の内、第４電力変換器が接続され、
前記第４電力変換器の交流側が前記第４巻線に接続され、
前記第４電力変換器の直流側には発電装置が接続され、
前記外部交流系統の平常時には、前記第４電力変換器および前記第２電力変換器を制御することにより、前記第４電力変換器と、前記第４巻線と、前記第２巻線と、前記第２電力変換器とを介して、前記発電装置からの電力が前記蓄電装置に伝送され、
前記外部交流系統の平常時には、前記第４電力変換器および前記第３電力変換器を制御することにより、前記第４電力変換器と、前記第４巻線と、前記第３巻線と、前記第３電力変換器とを介して、前記発電装置からの電力が前記受電機器に伝送され、
前記外部交流系統の停電時には、前記第４電力変換器および前記第３電力変換器を制御することにより、前記第４電力変換器と、前記第４巻線と、前記第３巻線と、前記第３電力変換器とを介して、前記発電装置からの電力が前記受電機器に伝送されることを特徴とする電源装置。
【請求項７】
請求項１に記載の電源装置において、
前記受電機器が、負荷装置であることを特徴とする電源装置。
【請求項８】
請求項１に記載の電源装置において、
前記受電機器が、前記蓄電装置とは別の蓄電装置であることを特徴とする電源装置。
【請求項９】
請求項１に記載の電源装置において、
前記蓄電装置は電気自動車に搭載されることを特徴とする電源装置。
【請求項１０】
請求項８に記載の電源装置において、
前記別の蓄電装置は電気自動車に搭載されることを特徴とする電源装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、外部系統および蓄電装置に接続され、受電機器に電力を供給する電源装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
再生可能エネルギー発電や電気自動車の普及、蓄電装置の利用拡大に伴い、高品質の電力制御が可能でかつ小型の電源装置が要求されている。
【０００３】
これに対し、非特許文献１（Ｆｉｇ．１（ｃ））および特許文献１（Ｆｉｇ．１）に記載の従来技術が知られている。
【０００４】
本従来技術では、モーターを駆動する電源装置において、トランスの複数の一次巻線の各々に、複数台の一次側電力変換器の内の一台の出力側が接続されるとともに、複数の一次側電力変換器の入力側が直列接続される。さらに、トランスの二次巻線には二次側電力変換器の入力側が接続される。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】C. Gu, Z. Zheng, L. Xu, K. Wang and Y. Li, “Modeling and Control of a Multiport Power Electronic Transformer (PET) for Electric Traction Applications,” IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 31, no. 2, pp. 915-927, February 2016.
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許出願公開第２００２／０１０１７４７号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記従来技術では、一次側電力変換器および二次側電力変換器を備えることにより、トランスを小型化することができるとともに、トランスの一次側および二次側で電力を制御することができる。しかし、上記従来技術では、商用交流電源のような外部系統や、蓄電池のような蓄電装置など、多様な電力源からの電力フローをフレキシブルに制御することについては、なんら考慮されていない。
【０００８】
そこで、本発明は、多様な電力源からの電力フローをフレキシブルに制御可能であるとともに小型化が可能な電源装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために、本発明による電源装置は、多巻線トランスと、多巻線トランスに接続される複数の電力変換器と、を備えるものであって、多巻線トランスが有する複数の第１巻線には、複数の電力変換器の内、複数の第１電力変換器が接続され、第１電力変換器は、整流器部と、整流器部に接続され、直流電力を交流電力に変換する変換器部と、を備え、複数の整流器部の交流側は、互いに直列接続されるとともに、外部交流系統に接続され、整流器部の直流側は、変換器部の直流側に接続され、変換器部の交流側は、第１巻線に接続され、多巻線トランスの第２巻線には、複数の電力変換器の内、第２電力変換器が接続され、第２電力変換器の交流側が第２巻線に接続され、第２電力変換器の直流側には蓄電装置が接続され、多巻線トランスの第３巻線には、複数の電力変換器の内、第３電力変換器が接続され、第３電力変換器の交流側が第３巻線に接続され、第３電力変換器の直流側には受電機器が接続され、外部交流系統の平常時には、複数の第１電力変換器および第２電力変換器を制御することにより、複数の第１電力変換器と、複数の第１巻線と、第２巻線と、第２電力変換器とを介して、外部交流系統からの電力が蓄電装置に伝送され、外部交流系統の平常時には、複数の第１電力変換器および第３電力変換器を制御することにより、複数の第１電力変換器と、複数の第１巻線と、第３巻線と、第３電力変換器とを介して、外部交流系統からの電力が受電機器に伝送され、外部交流系統の停電時には、第２電力変換器および第３電力変換器を制御することにより、第２電力変換器と、第２巻線と、第３巻線と、第３電力変換器とを介して、蓄電装置からの電力が受電機器に伝送される。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、電源装置を小型化できるとともに、外部交流系統と蓄電装置と受電機器との間で、電力フローをフレキシブルに制御できる。
【００１１】
上記した以外の課題、構成および効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】実施例１である電源装置の回路構成図である。
【図２】単位変換器の主回路部の構成例を示す回路図である。
【図３】外部交流系統の平常時（第１モード）における、実施例１の電源装置における電力伝送の状態を示す図である。
【図４】第１モードにおける、実施例１の電源装置における制御の流れを示すフローチャートである。
【図５】第１モードにおける実施例１の電源装置における電流および電圧を示す動作波形図である。
【図６】外部交流系統の停電時（第２モード）における、本実施例１の電源装置における電力伝送の状態を示す図である。
【図７】第２モードにおける、実施例１の電源装置における制御の流れを示すフローチャートである。
【図８】第２モードにおける、実施例１の電源装置における電流および電圧を示す動作波形図である。
【図９】実施例２である電源装置の回路構成図である。
【図１０】第１モードにおける、実施例２の電源装置における電力伝送の状態を示す図である。
【図１１】第１モードにおける、実施例２の電源装置における制御の流れを示すフローチャートである。
【図１２】第１モードにおける、実施例２の電源装置における電流および電圧を示す動作波形図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の実施形態について、下記の実施例１〜２により、図面を用いながら説明する。各図において、参照番号が同一のものは同一の構成要件あるいは類似の機能を備えた構成要件を示している。
【実施例１】
【００１４】
図１は、本発明の実施例１である電源装置の回路構成図である。
【００１５】
図１に示すように、本実施例１の電源装置は、複数の巻線（図１では６巻線）を備える多巻線トランス２０と、多巻線トランス２０の複数の巻線（ｎ１１〜ｎ２３）に接続される複数の電力変換器を備えている。
【００１６】
多巻線トランス２０においては、一個の磁性体コアに６個の独立した巻線（ｎ１１〜ｎ２３）が巻装されている。
【００１７】
巻線ｎ１１には、単位変換器１と単位変換器１１とからなる電力変換器が接続される。単位変換器１の直流側と単位変換器１１の直流側が平滑コンデンサを介して接続される。また、単位変換器１１の交流側が巻線ｎ１１に接続される。
【００１８】
巻線ｎ１２には、単位変換器２と単位変換器１２とからなる電力変換器が接続される。単位変換器２の直流側と単位変換器１２の直流側が平滑コンデンサを介して接続される。また、単位変換器１２の交流側が巻線ｎ１２に接続される。
【００１９】
巻線ｎ１３には、単位変換器３と単位変換器１３とからなる電力変換器が接続される。単位変換器３の直流側と単位変換器１３の直流側が平滑コンデンサを介して接続される。また、単位変換器１３の交流側が巻線ｎ１３に接続される。
【００２０】
単位変換器１〜３の各交流側は、互いに直列接続され、高調波抑制用のリアクトル１０を介して、外部交流系統１００（例えば、商用交流電源）に接続される。本実施例１においては、このように、複数の単位変換器（１〜３）の各交流側が互いに直列接続されるので、トランスを介することなく、外部交流系統１００からの電力を受電できる。また、複数の単位変換器（１〜３）で、外部交流系統１００の電圧を分担するので、各単位変換器の主回路を構成する半導体素子の耐圧を低減できる。これらにより、電源装置が小型化できる。
【００２１】
単位変換器１，２および３は、外部交流系統１００からの交流電力を直流電力に変換する。単位変換器１１，１２，１３は、それぞれ単位変換器１，２および３が出力する直流電力を、所定周波数および所定電圧の交流電力に変換して、それぞれ巻線ｎ１１，ｎ１２，ｎ１３に出力する。
【００２２】
巻線ｎ２１には、単位変換器２１からなる電力変換器の交流側が接続される。単位変換器２１の直流側は、平滑コンデンサを備え、平滑コンデンサを介して、発電装置３１に接続される。発電装置３１は、太陽光発電装置や風力発電装置などの分散電源装置である。
【００２３】
巻線ｎ２２には、単位変換器２２からなる電力変換器の交流側が接続される。単位変換器２２の直流側は、平滑コンデンサを備え、平滑コンデンサを介して、蓄電装置３２に接続される。蓄電装置３２は、蓄電器および充放電制御回路などを備える。蓄電器としては、蓄電池やキャパシタなどが適用される。
【００２４】
巻線ｎ２３には、単位変換器２３からなる電力変換器の交流側が接続される。単位変換器２３の直流側は、平滑コンデンサを備え、平滑コンデンサを介して、受電機器である負荷装置３３に接続される。
【００２５】
単位変換器２１は、発電装置３１からの直流電力を交流電力に変換して、この交流電力を巻線ｎ２１に出力する。
【００２６】
単位変換器２２は、巻線ｎ２２が出力する交流電力を直流電力に変換して、この直流電力を蓄電装置３２の受電電力として出力する。また、単位変換器２２は、蓄電装置３２からの直流電力を交流電力に変換して、この交流電力を蓄電装置３２から給電される電力として巻線ｎ２２に出力する。すなわち、単位変換器２２は、双方向変換器として動作する。
【００２７】
単位変換器２３は、巻線ｎ２３が出力する交流電力を直流電力に変換して、この直流電力を負荷装置３３が受電する電力として出力する。
【００２８】
本実施例１では、多巻線トランス２０の複数の巻線の各々に電力変換器が接続されるので、電力変換器を制御することにより、給電側（外部交流系統１００、発電装置３１、蓄電装置３２（放電時））と受電側（負荷装置３３、蓄電装置３２（充電時））の間の電力伝送を制御できる。後述するように、本実施例１では、単位変換器１１〜１２，２１〜２３の交流側の電圧Ｖ１１〜Ｖ１３，Ｖ２１〜Ｖ２３、すなわち巻線ｎ１１〜ｎ２３の端子電圧の位相を制御することにより、給電側と受電側の間の電力伝送が制御される。これにより、本実施例１の電源装置は、給電側と受電側の間の電力フローをフレキシブルに制御できる
また、多巻線トランス２０の複数の巻線の各々に電力変換器が接続されるので、電力変換器におけるスイッチング周波数に応じて、多巻線トランス２０を高周波化（例えば、１ｋＨ以上）することができる。したがって、多巻線トランス２０が小型化できるので、電源装置を小型化できる。
【００２９】
制御装置２００は、単位変換器の直流側電圧（Ｖ１〜Ｖ６）の検出値、単位変換器の交流側の電圧すなわち巻線の端子間電圧（Ｖ１１〜Ｖ２３）の検出値、単位変換器の交流側の電流すなわち巻線に流れる電流（ｉ１１〜ｉ２３）の検出値に基づいて、単位変換器の交流側の電圧すなわち巻線の端子間電圧（Ｖ１１〜Ｖ２３）の指令値（Ｖ１１＊〜Ｖ２３＊）を作成する。これらの検出値は、図示されない電圧センサおよび電流センサによって検出される。なお、指令値（Ｖ１１＊〜Ｖ２３＊）は、単位変換器（１１〜２３）に与えられる。
【００３０】
なお、図１では、制御装置２００への入力として、便宜上、これら検出値のすべてが記載されているが、制御装置２００は、制御装置２００において動作する制御手段に応じた検出値を入力する。また、制御装置２００は、電流・電圧の検出値に代えて、演算によって求められる推定値を用いてもよい。
【００３１】
図２は、単位変換器１〜３，１１〜１３，２１〜２３の主回路部の構成例を示す回路図である。
【００３２】
図２に示す構成例では、一つの半導体スイッチング素子（例えば、Ｓ１）および一つのダイオード（例えば、Ｄ１）が逆並列に接続され、一つのアームが構成される。二つのアームが直列に接続されて、一つのレグ（ハーフブリッジ回路）が構成される。さらに、二つのレグが並列に接続されて、単位変換器の主回路部となる単相フルブリッジ回路が構成される。各レグにおける二つのアームの直列接続点が単位変換器の交流側に位置し、二つのレグの並列接続の両端が単位変換器の直流側に位置する。
【００３３】
半導体スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ４として、図２の構成例では、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）が適用されているが、これに限らず、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）や接合型バイポーラトランジスタが適用されてもよい。
【００３４】
複数の単位変換器の内、単位変換器１〜３は、整流器として動作する。すなわち、単位変換器１〜３において、ダイオードＤ１〜Ｄ４は整流ダイオードとして動作する。なお、単位変換器１〜３における半導体スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ４を動作することにより、高調波が低減されるとともに、力率が向上される。
【００３５】
なお、単位変換器１〜３として、図２における半導体スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ４が用いられない、単相のダイオード整流回路を適用してもよい。
【００３６】
多巻線トランスを介して電力伝送を行う二つの単位変換器、すなわち給電側となる単位変換器１１〜１３および２１並びに単位変換器２２（ただし蓄電装置３２の放電時）の内の一つの単位変換器と、受電側となる単位変換器２２（ただし蓄電装置３２の充電時）および単位変換器２３の内の一つの単位変換器とは、多巻線トランス２０とともに、いわゆるＤＡＢ（Dual Active Bridge）方式のＤＣ／ＤＣコンバータと同様の回路構成を備えている。このため、このような二つの単位変換器の交流側の電圧の位相差を制御することにより、二つの単位変換器間で伝送される電力を制御することができる。
【００３７】
なお、単位変換器１１〜２３の各々が備える駆動制御装置（図示せず）によって、制御装置２００が作成する電圧指令値Ｖ１１＊〜Ｖ２３＊に応じて、各単位変換器における半導体スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ４がオン・オフ制御される。これにより、単位変換器１１〜２３は、交流側の電圧Ｖ１１〜Ｖ２３を、制御装置２００が作成する電圧指令値Ｖ１１＊〜Ｖ２３＊になるように制御する。
【００３８】
次に、本実施例１の電源装置の動作の概略について説明する。
【００３９】
電源装置の動作は、外部交流系統１００の平常時と停電時では異なる。そこで、以下の説明において、平常時および停電時における動作を、それぞれ、第１モードおよび第２モードと記す。
【００４０】
第１モードでは、外部交流系統１００側および発電装置３１側から給電される電力が、蓄電装置３２側（充電状態）および負荷装置３３側で受電される。この場合、単位変換器１１〜１３の各々は、出力電圧（Ｖ１１，Ｖ１２，Ｖ１３）を所定電圧（例えば、定格電圧）に制御し、単位変換器２１は、出力電圧Ｖ２１を所定電圧（例えば、定格電圧）の付近に制御する。また、単位変換器２２は、交流側の電圧Ｖ２２を所定電圧（例えば、定格電圧）の付近に制御するとともにＶ２２の位相を制御して、蓄電装置３２に充電する電力を出力する。単位変換器２３は、交流側の電圧Ｖ２３の位相を制御して、負荷装置３３側で用いられる電力を出力する。
【００４１】
第２モードでは、発電装置３１側および蓄電装置３２側（放電状態）から給電される電力が、負荷装置３３側で受電される。この場合、単位変換器２２は、交流側の電圧Ｖ２２を所定電圧（例えば、定格電圧）に制御し、単位変換器２１は、交流側の電圧Ｖ２１を定格電圧の付近に制御する。また、単位変換器２３は、交流側の電圧Ｖ２３の位相を制御して、負荷装置で用いられる電力を出力する。
【００４２】
ここで、単位変換器１１〜１３の各々は、交流側の電圧（Ｖ１１，Ｖ１２，Ｖ１３）を所定電圧（例えば、定格電圧）の付近に制御する。
【００４３】
これにより、単位変換器１１〜１３の直流側の電圧Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３が、略一定値に制御される。このため、外部交流系統１００の停電時に、蓄電装置３２側からの電力の流入によるＶ１，Ｖ２，Ｖ３の増大が抑制される。したがって、単位変換器１１〜１３を構成する半導体スイッチング素子やダイオードに過電圧がかかることが防止されるので、電源装置の信頼性が向上する。また、半導体スイッチング素子やダイオードの耐圧を大きくする必要がないので、電源装置の電力損失や電源装置の大きさを低減できる。
【００４４】
次に、第１モードおよび第２モードの各々について、本実施例１の電源装置の動作を具体的に説明する。
【００４５】
図３は、第１モード、すなわち外部交流系統１００の平常時における、本実施例１の電源装置における電力伝送の状態を示す図である。
【００４６】
図３に示すように、外部交流系統１００側から給電される電力Ｐ１１，Ｐ１２，Ｐ１３が、それぞれ多巻線トランス２０の巻線ｎ１１，ｎ１２，ｎ１３に入力される。また、発電装置３１側から給電される電力Ｐ２１が、多巻線トランス２０の巻線ｎ２１に入力される。電力Ｐ１１〜Ｐ１３およびＰ２１は、巻線ｎ２２およびｎ２３に伝送され、巻線ｎ２２およびｎ２３から出力される。線ｎ２２およびｎ２３からそれぞれ出力される電力Ｐ２２およびＰ２３は、それぞれ蓄電装置３２および負荷装置３３によって受電される。なお、電力Ｐ２２によって、蓄電装置３２が充電される。
【００４７】
なお、本実施例１においては、多巻線トランス２０の効率がほぼ１００％であり、多巻線トランス２０への総入力電力（Ｐ１１＋Ｐ１２＋Ｐ１３＋Ｐ２１）と、多巻線トランス２０からの総出力電力（Ｐ２２＋Ｐ２３）は実質等しい。
【００４８】
図４は、第１モード、すなわち外部交流系統１００の平常時における、本実施例１の電源装置における制御の流れを示すフローチャートである。また、図５は、第１モードにおける本実施例１の電源装置における電流および電圧を示す動作波形図である。
【００４９】
以下、図４に示す制御の流れについて、適宜、図５を参照しながら説明する。
【００５０】
まず、ステップＳ１１において、制御装置２００（図１）は、発電装置３１側から給電され多巻線トランス２０の巻線ｎ２１へ入力される電力Ｐ２１、および多巻線トランス２０の巻線ｎ２３から出力され負荷装置３３が受電する電力Ｐ２３に応じて、外部交流系統１００側からそれぞれ多巻線トランス２０の巻線ｎ１１，ｎ１２，ｎ１３へ入力される電力Ｐ１１，Ｐ１２，Ｐ１３、並びに多巻線トランス２０から蓄電装置３２側へ出力される電力Ｐ２２を、式（１）の条件（Ｐ１１＋Ｐ１２＋Ｐ１３＋Ｐ２１（多巻線トランス２０への入力）＝Ｐ２２＋Ｐ２３（多巻線トランス２０からの出力）から導出される）のもとで設定する。
【００５１】
Ｐ２２＝Ｐ１１＋Ｐ１２＋Ｐ１３＋Ｐ２１−Ｐ２３  …（１）
Ｐ２２は、蓄電装置３２の状態（ＳＯＣなど）や充電速さなどに応じて変化するが、制御装置２００は、例えば、巻線ｎ２２の両端電圧および巻線ｎ２２の両端に流れる電流ｉ２２の検出値に基づいて、Ｐ２２を算出する。また、制御装置２００は、巻線ｎ２３の両端電圧（Ｖ２３）および巻線ｎ２３に流れる電流ｉ２３の検出値に基づいて、Ｐ２３を算出する。また、制御装置２００は、巻線ｎ２１の両端電圧（Ｖ２１）および巻線ｎ２１に流れる電流ｉ２１の検出値に基づいて、Ｐ２１を算出する。さらに、制御装置２００は、式（１）に基づいて、Ｐ１１，Ｐ１２，Ｐ１３を設定する。なお、本実施例１では、単位変換器１１，１２，１３は電力容量が同じであり、Ｐ１１＝Ｐ１２＝Ｐ１３である。
【００５２】
次に、ステップＳ１２において、制御装置２００は、単位変換器１，２，３（整流器として動作）の直流出力電圧、すなわち単位変換器１１，１２，１３の直流側電圧Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３がバランスするように、すなわちＶ１＝Ｖ２＝Ｖ３となるように（図５）、単位変換器１１，１２，１３を制御する。なお、本実施例１では、単位変換器１，２，３の回路構成は同じであり（図２）、単位変換器１，２，３の各入力電圧は、外部交流系統１００の系統電圧の１／３である。したがって、単位変換器１，２，３の各直流出力電圧は、単位変換器１，２，３の交流入力電圧の１／３の整流後の電圧となる。
【００５３】
また、本実施例１では、Ｖ４，Ｖ５，Ｖ６が所定値となり、かつＶ４＝Ｖ５＝Ｖ６となるように、単位変換器２１，２２，２３が制御される。これにより、本実施例１の電源装置を用いて、直流給電系統を構築できる。この場合、Ｖ４＝Ｖ５＝Ｖ６＝直流母線電圧となる。なお、外部交流系統の系統電圧や直流母線電圧に応じて、もしくは制御の簡単化のために、Ｖ１＝Ｖ２＝Ｖ３＝Ｖ４＝Ｖ５＝Ｖ６としてもよい。
【００５４】
次に、ステップＳ１３において、制御装置２００は、単位変換器１１，１２，１３が、Ｖ４，Ｖ５，Ｖ６に応じた一定電圧（定格電圧）で、かつ一定周波数の方形波交流電圧である電圧Ｖ１１，Ｖ１２，Ｖ１３（図５）を出力するように、単位変換器１１，１２，１３を制御する。
【００５５】
本実施例では、単位変換器１１，１２，１３は、Ｖ１１，Ｖ１２，Ｖ１３として、通流率５０％で半導体スイッチング素子をオン・オフ制御して定電圧（定格電圧）・定周波数の方形波交流電圧を出力する。
【００５６】
なお、Ｖ１１，Ｖ１２，Ｖ１３は、相互に位相差はなく、後述するように位相の基準電圧として用いられる。
【００５７】
次に、ステップＳ１４において、制御装置２００は、単位変換器２１が、所定電圧（定格電圧）付近であり、かつＶ１１，Ｖ１２，Ｖ１３と同相である電圧Ｖ２１を出力するように、単位変換器２１を制御する。なお、本実施例１では、Ｖ２１は、Ｖ１１，Ｖ１２，Ｖ１３と同様に、定電圧（定格電圧）・定周波数の方形波交流電圧であるとともに、Ｖ１１，Ｖ１２，Ｖ１３と同相である（図５）。これにより、外部交流系統１００側および発電装置３１側から、蓄電装置３２側および負荷装置３３側へ電力（Ｐ１１＋Ｐ１２＋Ｐ１３＋Ｐ２１）を給電することができる。なお、Ｖ１１，Ｖ１２，Ｖ１３は互いに同相であるから、いずれかを位相の基準とすればよい（以下のステップでも同様）。
【００５８】
次に、ステップＳ１５において、制御装置２００は、単位変換器２２の交流側の電圧Ｖ２２が、所定電圧（定格電圧）付近であり、かつＶ１１，Ｖ１２，Ｖ１３に対し位相差（図５における「δ２」）を有するように、単位変換器２２を制御する。なお、本実施例１では、Ｖ２２は、Ｖ１１，Ｖ１２，Ｖ１３と同様に、定電圧（定格電圧）・定周波数の方形波交流電圧であるとともに、Ｖ１１，Ｖ１２，Ｖ１３に対して位相が遅れている（図５）。これにより、ステップＳ１１で設定されたＰ２２が、外部交流系統１００側および発電装置３１側より蓄電装置３２側へ伝送される。
【００５９】
次に、ステップＳ１６において、制御装置２００は、単位変換器２３の交流側の電圧Ｖ２３が、所定電圧（定格電圧）付近であり、かつＶ１１，Ｖ１２，Ｖ１３に対し位相差（図５における「δ３」）を有するように、単位変換器２３を制御する。なお、本実施例１では、Ｖ２３は、Ｖ１１，Ｖ１２，Ｖ１３と同様に、定電圧（定格電圧）・定周波数の方形波交流電圧であるとともに、Ｖ１１，Ｖ１２，Ｖ１３に対して位相が遅れている（図５）。これにより、ステップＳ１１で設定されたＰ２３が、外部交流系統１００側および発電装置３１側より負荷装置３３側へ伝送される。
【００６０】
ここで、Ｖ２２の位相差（δ２）、Ｖ２３の位相差（δ３）は、例えば、次のような手段で設定される（第２モードにおいても同様）。
【００６１】
ステップＳ１５，Ｓ１６のように、給電側の方形波交流電圧（Ｖ１１，Ｖ１２，Ｖ１３，Ｖ２１）と受電側の方形波交流電圧（Ｖ２２，Ｖ２３）との間に位相差を設定することによる電力伝送は、いわゆるＤＡＢ（Dual Active Bridge）コンバータの動作原理である。公知のＤＡＢコンバータの回路動作を考慮すると、Ｐ１１，Ｐ１２，Ｐ１３，Ｐ２１，Ｐ２２，Ｐ２３は、Ｖ１〜Ｖ６、Ｖ２２の位相差（δ２）、Ｖ２３の位相差（δ３）、多巻線トランス２０の回路定数（漏れインダクタンスなど）を用いて数式で表される。これらの数式および式（１）に基づいて、ステップＳ１１で設定された各電力値に応じて、位相差δ２，δ３が、制御装置２００において算出される。
【００６２】
図６は、第２モード、すなわち外部交流系統１００の停電時における、本実施例１の電源装置における電力伝送の状態を示す図である。
【００６３】
図６に示すように、外部交流系統１００側からは電力は給電されない。また、発電装置３１側から給電される電力Ｐ２１が、多巻線トランス２０の巻線ｎ２１に入力される。また、蓄電装置３２側から給電される電力Ｐ２２（蓄電装置３２の放電電力）が、多巻線トランス２０の巻線ｎ２２に入力される。電力Ｐ２１およびＰ２２は、巻線ｎ２３に伝送され、巻線ｎ２３から出力される。巻線ｎ２３から出力される電力Ｐ２３は、負荷装置３３によって受電される。
【００６４】
なお、本実施例１においては、多巻線トランス２０の効率がほぼ１００％であり、多巻線トランス２０への総入力電力（Ｐ２１＋Ｐ２２）と、多巻線トランス２０からの総出力電力（Ｐ２３）は実質等しい。
【００６５】
図７は、第２モード、すなわち外部交流系統１００の停電時における、本実施例１の電源装置における制御の流れを示すフローチャートである。また、図８は、第２モードにおける本実施例１の電源装置における電流および電圧を示す動作波形図である。
【００６６】
以下、図７に示す制御の流れについて、適宜、図８を参照しながら説明する。
【００６７】
まず、ステップＳ２１において、制御装置２００（図１）は、発電装置３１側から給電され多巻線トランス２０の巻線ｎ２１へ入力される電力Ｐ２１、および多巻線トランス２０の巻線ｎ２３から出力され負荷装置３３が受電する電力Ｐ２３に応じて、蓄電装置３２側から多巻線トランス２０の巻線ｎ２２へ入力される電力Ｐ２２を、式（２）の条件（Ｐ２１＋Ｐ２２（多巻線トランス２０への入力）＝Ｐ２３（多巻線トランス２０からの出力）から導出される）のもとで設定する。
【００６８】
Ｐ２２＝Ｐ２３−Ｐ２１  …（２）
次に、ステップＳ２２において、制御装置２００は、Ｖ４，Ｖ５，Ｖ６が所定値となり、かつＶ４＝Ｖ５＝Ｖ６となるように（図８）、単位変換器２１，２２，２３を制御する。これにより、単位変換器２１，２２，２３に対して、第１モードにおけるステップＳ１２（図５）と同様の制御が継続して実行される。
【００６９】
ここで、Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３は、蓄電装置３２の放電などにより、単位変換器１１，１２，１３側へ電力が流入すると、停電直後から上昇する（図８）。このため、第１モードにおいて、Ｖ１＝Ｖ２＝Ｖ３＝Ｖ４＝Ｖ５＝Ｖ６となるように制御されている場合には、停電時は、Ｖ１＝Ｖ２＝Ｖ３＞Ｖ４＝Ｖ５＝Ｖ６となる（図８）。
【００７０】
次に、ステップＳ２３において、制御装置２００は、単位変換器２１が、一定電圧（定格電圧付近）で一定周波数の電圧Ｖ２１を出力するように、単位変換器２１を制御する。本実施例１では、単位変換器２１は、Ｖ２１として、通流率５０％で半導体スイッチング素子をオン・オフ制御して定電圧（定格電圧）・定周波数の方形波交流電圧（図８）を出力する。すなわち、単位変換器２１は、第１モードにおける動作を継続する。
【００７１】
なお、停電時において、Ｖ２１は、位相の基準電圧として用いられる。
【００７２】
次に、ステップＳ２４において、制御装置２００は、単位変換器２２の交流側の電圧Ｖ２２が、第１モードから継続して一定電圧（定格電圧付近）で一定周波数（Ｖ２１と同じ周波数）の方形波交流電圧になるように、かつＶ２１と同相になるように（図８）、単位変換器２２を制御する。これにより、発電装置３１側および蓄電装置３２側から電力（Ｐ２１＋Ｐ２２）を給電できる。
【００７３】
次に、ステップＳ２５において、制御装置２００は、単位変換器２３の交流側の電圧Ｖ２３が、所定電圧（定格電圧）付近であり、かつＶ２１に対し位相差（図８における「δ３」）を有するように、単位変換器２３を制御する。なお、本実施例１では、制御装置２００は、Ｖ２３が、Ｖ２１と同様に、定電圧（定格電圧）・定周波数の方形波交流電圧になるように、かつ、Ｖ２１に対して位相が遅れるように（図８）、単位変換器２３を制御する。これにより、負荷装置３３側へ電力Ｐ２３が伝送される。
【００７４】
ここで、Ｖ２３の位相差（δ３）は、前述の第１モードと同様に、公知のＤＡＢコンバータの回路動作を考慮して設定できる。すなわち、Ｐ２３は、Ｖ４〜Ｖ６、Ｖ２３の位相差（δ３）、多巻線トランス２０の回路定数（漏れインダクタンスなど）を用いて数式で表される。これらの数式および式（２）に基づいて、位相差δ３が、制御装置２００において算出される。
【００７５】
次に、ステップＳ２６において、制御装置２００は、停電時に、単位変換器１１，１２，１３の交流側の電圧が定格電圧付近になるように、単位変換器１１，１２，１３を制御する。このとき、制御装置２００は、単位変換器１１，１２，１３の交流側の電圧Ｖ１１，Ｖ１２，Ｖ１３が、定電圧・定周波数の方形波交流電圧になるように、かつＶ１１，Ｖ１２，Ｖ１３の位相をＶ２１に合わせるように、単位変換器１１，１２，１３を制御する。また、制御装置２００は、Ｖ１１，Ｖ１２，Ｖ１３が、定格電圧付近で、Ｖ１１＝Ｖ１２＝Ｖ１３となるように単位変換器１１，１２，１３を制御するとともに、単位変換器１１，１２，１３の直流側電圧Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３がバランスするように、すなわちＶ１＝Ｖ２＝Ｖ３となるように単位変換器１１，１２，１３を制御する。
【００７６】
これにより、単位変換器１１，１２，１３が動作して電力を出力するので、停電直後からのＶ１，Ｖ２，Ｖ３の増大が抑制される。このため、単位変換器１１，１２，１３を構成する半導体スイッチング素子に過電圧がかかることが防止される。また、電圧バランス制御により、単位変換器１１，１２，１３において、局所的に過電圧がかかることが防止される。したがって、半導体スイッチング素子の耐圧の設定にあたって、停電時における電圧上昇を見込む必要がなくなり、半導体スイッチング素子の耐圧を低減することができる。
【実施例２】
【００７７】
以下、本発明の実施例２について、図９〜１２を用いて説明する。なお、主に、実施例１と異なる点について説明する。
【００７８】
図９は、本発明の実施例２である電源装置の回路構成図である。
【００７９】
図９に示すように、本実施例２においては、単位変換器２１，２２，２３の直流側には、それぞれ電気自動車６１，６２，６３（ＥＶ）が接続される。すなわち、本実施例２の電源装置は、複数の電気自動車を充電する充電装置用の電源として機能する。なお、電気自動車６１，６２，６３の各々は、蓄電器を備える蓄電装置を搭載しており、この蓄電装置の蓄電器が、本実施例２の電源装置によって充電される。
【００８０】
給電対象が電気自動車であるため、電源装置側でアースが取られる。なお、本実施例２では、図９に示すように、多巻線トランス２０の巻線ｎ２１，ｎ２２，ｎ２３の両端の内の一方が接地される。
【００８１】
他の回路構成は、各単位変換器の構成（図２）を含め、前述の実施例１と同様である。
【００８２】
次に、本実施例２の電源装置の動作の概略について説明する。
【００８３】
電源装置の動作は、外部交流系統１００の平常時と停電時では異なる。そこで、以下の説明において、平常時および停電時における動作を、それぞれ、第１モードおよび第２モードと記す。
【００８４】
第１モードでは、外部交流系統１００側から給電される電力が、電気自動車６１，６２，６３側（充電状態）で受電される。この場合、Ｖ１１，Ｖ１２，Ｖ１３を互いに同相とし、これらの電圧と、Ｖ２１，Ｖ２２，Ｖ２３との各位相差を調整することにより、電気自動車ごとに充電電力を設定できる。したがって、電気自動車の蓄電池の容量や所望の充電スピードなどに応じて、充電電力を調整することができる。
【００８５】
第２モードでは、電気自動車６１，６２，６３間で電力を伝送することができる。例えば、外部交流系統１００が停電した場合、充電の優先度が高い電気自動車や、充電を急ぐ電気自動車に対して、他の電気自動車に蓄電されている電力によって充電が可能である。さらに、実施例１と同様に、単位変換器１１〜１３を動作させる。これにより、外部交流系統１００の停電時に、電気自動車６１〜６２側からの電力の流入によるＶ１，Ｖ２，Ｖ３の増大が抑制される。
【００８６】
次に、第１モードおよび第２モードの各々について、本実施例２の電源装置の動作を具体的に説明する。
【００８７】
図１０は、第１モード、すなわち外部交流系統１００の平常時における、本実施例２の電源装置における電力伝送の状態を示す図である。
【００８８】
図１０に示すように、外部交流系統１００側から給電される電力Ｐ１１，Ｐ１２，Ｐ１３が、それぞれ多巻線トランス２０の巻線ｎ１１，ｎ１２，ｎ１３に入力される。電力Ｐ１１〜Ｐ１３は、巻線ｎ２１〜ｎ２３に伝送され、巻線ｎ２２〜ｎ２３から出力される。巻線ｎ２１，ｎ２２，ｎ２３からそれぞれ出力される電力Ｐ２１，Ｐ２２およびＰ２３は、それぞれ電気自動車６１，６２および６３によって受電される。
【００８９】
なお、本実施例２においては、多巻線トランス２０の効率がほぼ１００％であり、多巻線トランス２０への総入力電力（Ｐ１１＋Ｐ１２＋Ｐ１３）と、多巻線トランス２０からの総出力電力（Ｐ２１＋Ｐ２２＋Ｐ２３）は実質等しい。
【００９０】
図１１は、第１モード、すなわち外部交流系統１００の平常時における、本実施例２の電源装置における制御の流れを示すフローチャートである。また、図１２は、第１モードにおける本実施例２の電源装置における電流および電圧を示す動作波形図である。
【００９１】
以下、図１１に示す制御の流れについて、適宜、図１２を参照しながら説明する。
【００９２】
まず、ステップＳ３１において、制御装置２００は、電気自動車６１，６２，６３への電力の配分Ｐ２１，Ｐ２２，Ｐ２３を設定する。Ｐ２１〜Ｐ２３は、電気自動車６１〜６３に搭載される蓄電装置の状態（ＳＯＣなど）や所望の充電スピードなどに応じて変化するが、制御装置２００は、例えば、巻線ｎ２１の両端電圧Ｖ２１および巻線ｎ２１に流れる電流ｉ２１の検出値に基づいて、Ｐ２１を算出する。また、制御装置２００は、巻線ｎ２２の両端電圧Ｖ２２）および巻線ｎ２２に流れる電流ｉ２２の検出値に基づいてＰ２２を算出し、巻線ｎ２３の両端電圧Ｖ２３および巻線ｎ２３に流れる電流ｉ２３の検出値に基づいてＰ２３を算出する。
【００９３】
次に、ステップＳ３２において、制御装置２００は、単位変換器１１，１２，１３の直流側電圧Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３がバランスするように、すなわちＶ１＝Ｖ２＝Ｖ３となるように、単位変換器１１，１２，１３を制御する。また、制御装置２００は、単位変換器２１，２２，２３の直流側電圧Ｖ４，Ｖ５，Ｖ６がバランスするように、すなわちＶ４＝Ｖ５＝Ｖ６となるように、単位変換器２１，２２，２３を制御する。
【００９４】
次に、ステップＳ３３において、制御装置２００は、単位変換器１１，１２，１３の交流側の電圧Ｖ１１，Ｖ１２，Ｖ１３が、一定電圧（定格電圧）で一定周波数の方形波交流電圧（図１２）となるように、単位変換器１１，１２，１３を制御する。本実施例２では、単位変換器１１，１２，１３は、Ｖ１１，Ｖ１２，Ｖ１３として、通流率５０％で半導体スイッチング素子をオン・オフ制御して定電圧（定格電圧）・定周波数の方形波交流電圧を出力する。なお、Ｖ１１，Ｖ１２，Ｖ１３は、相互に位相差はなく、後述するように位相の基準電圧として用いられる。なお、Ｖ１１，Ｖ１２，Ｖ１３のいずれかを位相の基準電圧とすればよい。
【００９５】
次に、ステップＳ３４において、制御装置２００は、単位変換器２１の交流側の電圧Ｖ２１が、所定電圧（定格電圧）付近であり、かつＶ１１，Ｖ１２，Ｖ１３に対し位相差（図１２における「δ１」）を有するように、単位変換器２１を制御する。なお、本実施例２では、制御装置２００は、Ｖ２１が、定電圧（定格電圧）・定周波数の方形波交流電圧になるように、かつ、Ｖ１１，Ｖ１２，Ｖ１３に対して位相が遅れるように（図１２）、単位変換器２１を制御する。これにより、電気自動車６１側へ電力Ｐ２１が伝送される。
【００９６】
次に、ステップＳ３５において、制御装置２００は、単位変換器２２の交流側の電圧Ｖ２２が、所定電圧（定格電圧）付近であり、かつＶ１１，Ｖ１２，Ｖ１３に対し位相差（図１２における「δ２」）を有するように、単位変換器２２を制御する。なお、本実施例２では、制御装置２００は、Ｖ２２が、定電圧（定格電圧）・定周波数の方形波交流電圧になるように、かつ、Ｖ１１，Ｖ１２，Ｖ１３に対して位相が遅れるように（図１２）、単位変換器２２を制御する。これにより、電気自動車６２側へ電力Ｐ２２が伝送される。
【００９７】
次に、ステップＳ３６において、制御装置２００は、単位変換器２３の交流側の電圧Ｖ２３が、所定電圧（定格電圧）付近であり、かつＶ１１，Ｖ１２，Ｖ１３に対し位相差（図１２における「δ３」）を有するように、単位変換器２３を制御する。なお、本実施例２では、制御装置２００は、Ｖ２３が、定電圧（定格電圧）・定周波数の方形波交流電圧になるように、かつ、Ｖ１１，Ｖ１２，Ｖ１３に対して位相が遅れるように（図１２）、単位変換器２３を制御する。これにより、電気自動車６３側へ電力Ｐ２３が伝送される。
【００９８】
なお、図１２においては、Ｐ２１＞Ｐ２２＞Ｐ２３であり、δ１＞δ２＞δ３となる。
【００９９】
位相差δ１，δ２，δ３は、前述の実施例１と同様に、公知のＤＡＢコンバータの動作を考慮して設定できる。たとえば、Ｐ１１，Ｐ１２，Ｐ１３，Ｐ２１，Ｐ２２，Ｐ２３を、Ｖ１〜Ｖ６、Ｖ２１の位相差（δ１）Ｖ２２の位相差（δ２）、Ｖ２３の位相差（δ３）、多巻線トランス２０の回路定数（漏れインダクタンスなど）を用いて数式で表し、これらの数式および「多巻線トランスへの入力電力（Ｐ１１＋Ｐ１２＋Ｐ１３）＝多巻線トランスからの出力電力（Ｐ２１＋Ｐ２２＋Ｐ２３）」という条件に基づいて、制御装置２００において算出される。
【０１００】
なお、本実施例２の電源装置の第２モードの動作は、実施例１（図１）における発電装置３１、蓄電装置３２、負荷装置３３を、それぞれ電気自動車６１、電気自動車６２、電気自動車６３に置き換えれば、実施例１と同様の動作となる。この場合、外部交流系統１００の停電時に、電気自動車６１および電気自動車６２からの給電電力が、電気自動車６３によって受電され、電気自動車６３に搭載された蓄電池が充電される。
【０１０１】
なお、本発明は前述した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、前述した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置き換えをすることが可能である。
【０１０２】
例えば、多巻線トランスが備える巻線数は、６巻線に限らず、交流側が直列接続される単位変換器（整流器）の個数（２以上）や、発電装置や蓄電装置および負荷装置の個数に応じて、適宜設定される。なお、上述の実施例の電源装置と同様に、少なくとも蓄電装置および受電機器（負荷装置、蓄電装置（放電時））が少なくとも１台ずつ接続される場合、巻線数は少なくとも４巻線となる（単位変換器の直列数を２以上とする）。
【０１０３】
また、外部交流系統１００からの電力は、単相交流電力に限らず、三相交流電力でもよい。この場合、単位変換器１〜３（整流器）として、三相フルブリッジ回路が適用される。
【符号の説明】
【０１０４】
１，２，３  単位変換器
１０  リアクトル
２０  多巻線トランス
１１，１２，１３，２１，２２，２３  単位変換器
３１  発電装置
３２  蓄電装置
３３  負荷装置
６１，６２，６３  電気自動車
１００  外部交流系統
２００  制御装置
【図１】
2020182257.tif 000003
【図２】
2020182257.tif 000004
【図３】
2020182257.tif 000005
【図４】
2020182257.tif 000006
【図５】
2020182257.tif 000007
【図６】
2020182257.tif 000008
【図７】
2020182257.tif 000009
【図８】
2020182257.tif 000010
【図９】
2020182257.tif 000011
【図１０】
2020182257.tif 000012
【図１１】
2020182257.tif 000013
【図１２】
2020182257.tif 000014