(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電池からの電力を交流電圧に変換する双方向電力変換回路とインバータブリッジを備え、
系統電源から電池を充電する時は前記インバータブリッジをコンバータとして動作させ、電池の放電時は前記インバータブリッジをインバータとして動作させて、電池と系統電源との連系運転を行い、
系統電圧が消滅したときは自立運転に切替えて単相３線式負荷に電池からの電力を供給するパワーコンディショナの制御装置において、
前記インバータブリッジが、直列に接続された２つのコンデンサが前記双方向変換回路と並列に接続されると共に、Ｕ相とＶ相の２つのハーフブリッジ回路が前記双方向変換回路と並列に接続された構成を備え、
連系運転時にインバータ出力から連系リレーをオン及び自立リレーをオフにして単相３線式負荷に電力を供給すると共に、連系リレーと直列に配置されかつ前記自立リレーと連動する系統リレーをオンにして系統電源に電力を供給し、
前記系統電源と単相３線式負荷との間にサーキットブレーカを設け、系統電圧が消失したときはこのサーキットブレーカをオフにすることで前記自立リレーがオンになり、この自立リレーのオンに連動して系統リレーがオフになり、単相３線式負荷に電池からの電力を供給する自立運転に切り替え、
自立リレーがオンになったとき、直流側を前記２つのコンデンサの中間点が、前記単相３線式負荷のＮ相に接続され、前記インバータブリッジがハーフブリッジ動作へと移行すること、
を特徴とするパワーコンディショナの制御装置。
【請求項２】
前記自立リレーと系統リレーは、互いに相手のｂ接点によりインターロックを取り、同時に投入することがないことを特徴とする請求項１に記載のパワーコンディショナの制御装置。
【請求項３】
系統リレーの系統電源側に交流電源電圧検出リレーが設けられ、この電圧検出リレーのｂ接点が前記自立リレーに直列に接続され、
この電圧検出リレーにより、系統電圧が低下又は消滅を検出したした場合に、自立リレーがオンとなり、自立運転を開始することを特徴とする請求項１または請求項２に記載のパワーコンディショナの制御装置。
【請求項４】
インバータの出力リプルを吸収するフィルタコンデンサが、Ｕ相とＶ相の２つのハーフブリッジ回路の出力側に接続されていることを特徴とする請求項１または２に記載のパワーコンディショナの制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、パワーコンディショナの制御装置に関する。
【０００２】
自然エネルギーを利用する場合に、エネルギーを電池に貯蔵して、必要な時にインバータにより交流に変換して使用する技術が、従来から知られている。その場合、電池を利用した自立運転と、系統からの電力使用との切換を行うためにパワーコンディショナの制御装置が使用される。
【０００３】
パワーコンディショナの制御装置は、
(1) 系統電源から電池を充電する。
(2) 電池から放電するエネルギーを系統に供給する。
(3) 系統電圧が無くなったとき電池によって自立運転して、単相３線式負荷に電力を供給する。
などの用途に使用される。この制御装置としては、例えば、特許文献１や２に記載のものが知られている。
【０００４】
パワーコンディショナの制御装置のひとつとして、電池からの電力を単相３線式交流に変換するにあたり、Ｕ相、Ｎ相及びＶ相のハーフブリッジ素子を利用したものが知られている。しかし、この従来技術は、Ｎ相を作るためのハーフブリッジ素子が１組必要となり、回路が複雑である。また、一般に電池側からの自立運転時と系統の電力容量の差から、及び電力会社が定めた系統連系ガイドラインにより、従来技術では、自立運転時の負荷と系統連系時の負荷とを別々に設けている。そのため、自立運転時と系統連系時とでは、それに合わせて負荷を切り替える必要がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−０１８８５９号公報
【特許文献２】特許第３５３９４５５号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本実施形態の目的は、インバータが単独運転を検出した時や系統電圧が低下した時に、速やかに自立運転に移行することが可能で、しかも、運転時において系統電源と自立電源が干渉することがないパワーコンディショナの制御装置を提供することにある。
また、前記のようなパワーコンディショナの制御装置を簡単な回路で構成することも、本実施形態の目的の一つである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記の目的を達成するために、実施形態のパワーコンディショナの制御装置は、次の点を特徴とする。
【０００８】
（１）電池からの電力を交流電圧に変換する双方向電力変換回路とインバータブリッジを備える。
（２）系統電源から電池を充電する時は前記インバータブリッジをコンバータとして動作させ、電池の放電時は前記インバータブリッジをインバータとして動作させて、電池と系統電源との連系運転を行う。
（３）系統電圧が消滅したときは自立運転に切替えて単相３線式負荷に電池からの電力を供給する。
（４）前記インバータブリッジが、直列に接続された２つのコンデンサが前記双方向変換回路と並列に接続されると共に、Ｕ相とＶ相の２つのハーフブリッジ回路が前記双方向変換回路と並列に接続された構成を備える。
（５）連系運転時にインバータ出力から連系リレーをオン及び自立リレーをオフにして単相３線式負荷に電力を供給すると共に、連系リレーと直列に配置されかつ前記自立リレーと連動する系統リレーをオンにして系統電源に電力を供給する。
（６）前記系統電源と単相３線式負荷との間にサーキットブレーカを設け、系統電圧が消失したときはこのサーキットブレーカをオフにすることで前記自立リレーがオンになり、この自立リレーのオンに連動して系統リレーがオフになり、単相３線式負荷に電池からの電力を供給する自立運転に切り替え、
（７）自立リレーがオンになったとき、直流側を前記２つのコンデンサの中間点が、前記単相３線式負荷のＮ相に接続され、前記インバータブリッジがハーフブリッジ動作へと移行する。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】第１の実施形態の回路図。
【図２】第２の実施形態の回路図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
１．第１の実施形態
［構成］
第１の実施形態を、図１を用いて説明する。
電池１に接続された双方向電力変換回路２の出力に、コンデンサ３ｕと３ｖが直列となって接続されている。双方向電力変換回路２の出力には、前記コンデンサ３ｕと３ｖと並列に、Ｕ相のハーフブリッジ回路４ｕとＶ相のハーフブリッジ回路４ｖが接続されている。
【００１１】
Ｕ相のハーフブリッジ回路４ｕの出力は、直列に接続されたリアクトル７ｕと電流検出器８ｕを介してＵ相の連系リレー１０ｕに接続されている。Ｕ相の連系リレー１０ｕの出力は、系統リレー３０ｕ及びサーキットブレーカ１２ｕを通って、交流電源１３のＵ相に接続されている。Ｖ相のハーフブリッジ回路４ｖの出力は、直列に接続されたリアクトル７ｖと電流検出器８ｖを介してＶ相の連系リレー１０ｖに接続されている。Ｖ相の連系リレー１０ｖの出力は、系統リレー３０ｖ及びサーキットブレーカ１２ｖを通って、交流電源１３のＶ相に接続されている。なお、このサーキットブレーカ１２ｕ，１２ｖは、安全スイッチ用で、系統電源１３との開閉を手動で行うものである。
【００１２】
Ｕ相及びＶ相のリアクトル７ｕ，７ｖには、それぞれフィルタコンデンサ９ｕ，９ｖが接続されている。このリアクトル７ｕ，７ｖとフィルタコンデンサ９ｕ，９ｖは、前記各相の電力中の高周波成分（出力リプル）を吸収する。このフィルタコンデンサ９ｕ，９ｖの他端は、前記双方向電力変換回路２と並列に接続されたコンデンサ３ｕ，３ｖの中間点から伸びるＮ相の配線に接続されている。
【００１３】
Ｕ相とＶ相の連系リレー１０ｕ，１０ｖには、それぞれ並列に自立リレー３１ｕ，３１ｖが接続されている。これら自立リレー３１ｕ，３１ｖは、前記サーキットブレーカ１２ｕ，１２ｖ，１２ｎのｂ接点（常開接点）１２ｂ及び系統リレー３０ｕ，３０ｖのｂ接点（常開接点）３０ｂを介して、制御回路２１に接続されている。
【００１４】
一方、系統リレー３０ｕ，３０ｖは、自立リレー３１ｕ，３１ｖのｂ接点（常開接点）３１ｂを介して、制御回路２１に接続されている。これにより、
(1) 自立リレー３１ｕ，３１ｖと、
(2) サーキットブレーカ１２ｕ〜１２ｎ及び系統リレー３０ｕ，３０ｖとは、
(1) 又は(2) のいずれか一方のみが投入され、(1) と(2) の両者が同時に投入されることがない。
【００１５】
すなわち、自立リレー３１ｕ〜３１ｎを動作させる励磁巻線は、
(1) サーキットブレーカ１２ｕ〜１２ｎのｂ接点１２ｂにより、サーキットブレーカ１２ｕ〜１２ｎがオフになっている。
(2) 系統リレー３０ｕ，３０ｖがオフになっている。
という二つの条件を満足した場合に励磁され、この巻線の励磁により自立リレー３１が投入される。
【００１６】
また、系統リレー３０ｕ，３０ｖには、自立リレー３１ｕ〜３１ｎのｂ接点３１ｂが直列に接続されているので、自立リレー３１ｕ〜３１ｎが投入されているときは、系統リレー３０ｕ，３０ｖは投入されず、系統電源１３と電池１による自立電源が混触することはない。
【００１７】
単相３線負荷１５は、Ｕ相の連系リレー１０ｕと系統リレー３０ｕの接続点と、Ｖ相の連系リレー１０ｖと系統リレー３０ｖの接続点の２箇所から２００Ｖを取り出している。また、単相３線負荷１５の１００Ｖは、サーキットブレーカ１２ｎのＮ相から取り出している。すなわち、電池による自立運転になると、自立リレー３１ｕ〜３１ｎが投入され、サーキットブレーカ１２ｎから取り出されたＮ相は、自立リレー３１ｎを通ってコンデンサ３ｕと３ｖの中点に接続され、ハーフブリッジインバータが構成される。
【００１８】
前記電池１の電圧は、その出力端に設けられた電圧検出回路２２によって検出される。電圧検出回路２２によって検出された電池電圧は、制御回路２１に入力される。
【００１９】
制御回路２１は、ハーフブリッジ回路４ｕ，４ｖのゲート駆動回路１８ｕ，１８ｖ、連系リレー１０ｕ，１０ｖ、系統リレー３０ｕ，３０ｖ及び自立リレー３１ｕ〜３１ｎを制御して、次の処理を行う。
(1) 電池の充電時は、ハーフブリッジ回路４ｕ，４ｖをコンバータとして動作させ、電池の放電時は、ハーフブリッジ回路４ｕ，４ｖをインバータとして動作させる。
(2) 連系運転時に、ハーフブリッジ回路４ｕ，４ｖを、系統連系インバータとして動作させる。
(3) 自立運転時に、ハーフブリッジ回路４ｕ，４ｖを、自立インバータとして動作させる。
【００２０】
また、制御回路２１は、電流検出器８ｕ，８ｖや負荷１５などからの情報、例えば、周波数や電圧、周波数変化率の異常等の情報に基づいて、系統電圧の異常あるいは消失を検出する。この検出結果に従い、制御回路２１は、ハーフブリッジ回路４ｕ，４ｖのゲート駆動回路１８ｕ，１８ｖを制御して、単独運転を検出すると、Ｕ相及びＶ相のゲート信号を遮断し、自立運転に切り替えて負荷に電力を供給する。
【００２１】
［作用］
前記のような構成を有する本実施形態の作用を説明する。
【００２２】
（１）系統連系運転
サーキットブレーカ１２ｕ，１２ｖ，１２ｎが投入されると、サーキットブレーカ１２ｕ，１２ｖ，１２ｎのｂ接点１２ｂが開放されるため、自立リレー３１ｕ〜３１ｎはオフになる。そのため、自立リレー３１ｕ〜３１ｎのｂ接点３１ｂが投入され、このｂ接点３１ｂに接続された巻線が励磁され、系統リレー３０ｕ，３０ｖがオンになり、単相３線負荷１５に系統電源１３が接続される。
【００２３】
この状態において、制御回路２１が連系リレー１０ｕ，１０ｖを投入し、ハーフブリッジ回路４ｕと４ｖをインバータとして駆動させる。これにより、Ｕ相の連系リレー１０ｕと系統リレー３０ｕの接続点と、Ｖ相の連系リレー１０ｖと系統リレー３０ｖの接続点の２箇所において、電池１側と系統電源１３とがＡＣ２００Ｖで連系する。その結果、電池１からの電力を、系統又は負荷１５に供給することができる。
【００２４】
一方、系統電源１３により電池１を充電する場合は、制御回路２１によりハーフブリッジ回路４ｕと４ｖをコンバータとして運転することにより、双方向電力変換回路２を介して電池を充電する。
【００２５】
（２）単独運転検出
系統電圧の異常あるいは消失が発生すると、制御回路２１はその異常や消失を検出して、単独運転を検出する。単独運転を検出すると、制御回路２１は、Ｕ相及びＶ相のゲート信号を遮断すると同時に、連系リレー１０ｕ，１０ｖをオフにする。前記のように、系統電源１３の異常の判定は、制御回路２１が検出した周波数や電圧、周波数変化率の変化などに基づいて行われる。制御回路２１は、異常の判定結果に従い、系統リレー３０ｕ，３０ｖをオフとする。
【００２６】
（３）自立運転
次に、自立運転について説明する。負荷１５に系統電源１３からの電圧が印加されていないので、手動でサーキットブレーカ１２ｕ〜１２ｎをオフにすると、制御回路２１が自立信号を自立リレー３１に出力する。これにより、サーキットブレーカ１２ｕ〜１２ｎのｂ接点１２ｂと系統リレー３０ｕ，３０ｖのｂ接点３０ｂの条件が成立して、自立リレー３１ｕ〜３１ｎがオンになる。この場合、自立リレー３１ｕ〜３１ｎがオンになると、系統リレー３０ｕ，３０ｖのコイルには、自立リレー３１ｕ〜３１ｎのｂ接点３１ｂの条件が入っているので、系統リレー３０はオフの状態にロックされる。
【００２７】
この状態で、制御回路２１からＵ相、Ｖ相のゲート信号を出力して、ハーブブリッジ回路４ｕ，４ｖに対してコンデンサ３ｕと３ｖの中点との間でハーフブリッジ動作をさせる。すると、ハーブブリッジ回路４ｕ，４ｖからはＡＣ１００Ｖが２組出力し、コンデンサ３ｕと３ｖの中点との間からＡＣ１００Ｖが１組出力する。その結果、自立リレー３１ｕ〜３１ｖが投入されているので、負荷１５には単相３線式の電圧が印加され、負荷は運転を開始する。
【００２８】
［効果］
以上説明したように、第１の実施形態では、系統が停電になったときサーキットブレーカ１２ｕ〜１２ｎを手動でオフにすることにより、系統電源１３の電力で運転していた負荷１５に対する接続を変更することなく、自動的に負荷１５に単相３線式の自立電源を供給することができる。その結果、サーキットブレーカ１２ｕ〜１２ｎを手動でオフにするという簡単な操作で、負荷１５の運転を信頼性良く再開することができる。また、３相の交流を生成するにあたり、Ｎ相用のハーフブリッジ回路を必要としないので、回路構成が簡単になる。
【００２９】
２．第２の実施形態
［構成］
第１の実施形態ではサーキットブレーカ１２ｕ〜１２ｎをオフにすることにより、自立運転を自動的に行ったが、これでも手動の操作が必要である。第２の実施形態は、サーキットブレーカを手動でオフにすることなく、自動で連系運転から自立運転に切替えるものである。第２の実施形態の構成を図２に示す。
【００３０】
第２の実施形態では、サーキットブレーカ１２ｕ，１２ｖの負荷側に、電圧検出リレー４０が接続されている。この電圧検出リレー４０のａ接点（常閉接点）４０ａが系統電源１３のＮ相と負荷１５の中性点の間に設けられている。同様に、制御回路２１にも電圧検出リレー１０のａ接点４０ａが設けられ、このａ接点４０ａが開となった場合に、系統リレー３０ｕ，３０ｖをオフにするように構成されている。一方、自立リレー３１の励磁コイルには、第１実施形態のサーキットブレーカ１２ｕ〜１２ｎのｂ接点１２ｂの代わりに、電圧検出リレー４０のｂ接点４０ｂが接続されている。
【００３１】
［作用］
このような構成を有する第２の実施形態の作用は、次の通りである。
（１）系統連系運転
系統電源１３が正常に供給され、サーキットブレーカ１２ｕ，１２ｖがオンの時は、その負荷側に設けられた電圧検出リレー４０が検出する電圧値も正常である。そのため、系統電源１３のＮ相と負荷１５の中性点の間に設けられた電圧検出リレー４０のａ接点４０ａがオンになり、系統電源１３からの電力が負荷１５に供給される。
【００３２】
同時に、電圧検出リレー４０のｂ接点４０ｂがオフになっているので、自立リレー３１ｕ〜３１ｎがオフになる。それに伴い、自立リレー３１ｕ〜３１ｎのｂ接点３１ｂがオンになり、系統リレー３０ｕ，３０ｖがオンとなる。その結果、負荷１５には、単相３線電源が供給される。
【００３３】
制御装置２１からの指令により、連系リレー１０ｕ，１０ｖがオンになると、Ｕ相及びＶ相のハーフブリッジ回路４ｕ，４ｖはインバータ動作し、このインバータ動作により電池１からの電力が負荷や系統電源に供給されて、系統連系動作となる。
【００３４】
（２）単独運転検出及び自立運転
系統電源１３が消失すると、これを検出した制御装置２１は、ハーフブリッジ回路４ｕ，４ｖに使用されているパワー素子をゲートオフにして、連系リレー１０ｕ，１０ｖをオフにする。系統電源１３の消失により、電圧検出リレー４０がオフとなると、制御回路２１に入力している電圧検出リレー４０のａ接点４０ａが開となり、系統リレー３０ｕ，３０ｖをオフにする。
【００３５】
電圧検出リレー４０のｂ接点４０ｂと、系統リレー３０ｕ，３０ｖのｂ接点３０ｂが接続されると、自立リレー３１ｕ，３１ｖがオンとなる。その結果、自立リレー３１ｕ，３１ｖのｂ接点３１ｂが接続されている励磁コイルへの給電が断たれ、系統リレー３０ｕ，３０ｖはオフになる。
【００３６】
このような各リレーの動作時間からあらかじめ定めておいた一定の時間の後に、制御装置２１は、ハーフブリッジ回路４ｕ，４ｖをインバータとして駆動させる。その結果、電池１は自立運転し、単相３線式の電圧を負荷１５に供給する。
【００３７】
［効果］
本実施形態では、サーキットブレーカ１２ｕ，１２ｖを手動でオフにしなくても、自動で自立運転に切替わって負荷に電力を供給することができる。
【００３８】
３．他の実施形態
以上はリレーシーケンスで系統電源から自立電源に切替える方法を説明したが、これらはディジタルロジックやマイコンによる制御でも達成できることは説明するまでもない。また、図２に示すように、フィルタのコンデンサ９は２００Ｖ側に挿入しても作用は同じである。また、図２における、電圧検出リレーの代わりに、停電検出回路を使用しても良い。
【００３９】
なお、前記の実施形態は、本明細書において一例として提示したものであって、発明の範囲を限定することを意図するものではない。すなわち、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の範囲を逸脱しない範囲で、種々の省略や置き換え、変更を行うことが可能である。これらの実施形態やその変形例は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
【符号の説明】
【００４０】
１…電池
２…双方向電力変換回路
３ｕ、３ｖ…コンデンサ
４ｕ，４ｖ…ハーフブリッジ回路
７ｕ、７ｖ…リアクトル
８ｕ、８ｖ…電流検出器
９ｕ、９ｖ…フィルタコンデンサ
１０ｕ，１０ｖ…連系リレー
１２ｕ，１２ｖ，１２ｎ…サーキットブレーカ
１３…系統電源
１５…負荷
１８ｕ，１８ｖ…ゲート駆動回路
２１…制御回路
２２…電圧検出器
３０ｕ，３０ｖ…系統リレー
３１ｕ，３１ｖ，３１ｎ…自立リレー
４０…電圧検出リレー
【図１】
0005848039.tif 000002
【図２】
0005848039.tif 000003