(57)【要約】【課題】  太陽光電圧を昇圧した後、交流変換して負荷あるいは系統に交流電力を供給する電力変換装置の損失を低減して効率向上を図る。【解決手段】  電圧比を１：３：９とする直流電源Ｖ１Ｂ、Ｖ２Ｂ、Ｖ３Ｂを入力とする単相インバータ1B-INV、2B-INV、3B-INVの交流側を直列接続し、各発生電圧の総和により出力電圧を階調制御するインバータユニット１を用いる。また、最大電圧の直流電源Ｖ３Ｂを太陽光電圧ＶＯをチョッパ回路３にて昇圧して生成し、ＶＯが所定の電圧Ｖｍ１（１９５Ｖ）を超えるときチョッパ回路３の昇圧動作を停止すると共に、並列接続されたリレー７ａにてチョッパ回路３内のリアクトル３ｂおよびダイオード３ｃをバイパスすることで、昇圧に係る損失を低減し、さらにチョッパ回路３内部品の導通損失を無くす。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電源の直流電力を交流電力に変換する単相インバータの交流側を複数直列接続し、上記複数の単相インバータの中から選択された所定の組み合わせによる各発生電圧の総和により出力電圧を階調制御する電力変換装置において、
上記各単相インバータの入力となる複数の上記直流電源は、電圧が最大である第１の直流電源と、その他の１あるいは複数の第２の直流電源とから成り、
第３の直流電源の電圧を昇圧し、その出力電圧を上記第１の直流電源とする昇圧回路と、該昇圧回路をバイパスさせるバイパス回路とを備え、
上記第３の直流電源の電圧が所定の電圧を超えるとき、上記昇圧回路内のスイッチのオンオフ動作を停止して昇圧動作を停止すると共に、上記バイパス回路により該昇圧回路をバイパスすることを特徴とする電力変換装置。
【請求項２】
上記昇圧回路を、リアクトル、整流用素子、および上記スイッチで構成し、上記バイパス回路により、直列接続された上記リアクトルおよび上記整流用素子の双方あるいは該整流用素子のみをバイパスすることを特徴とする請求項１記載の電力変換装置。
【請求項３】
上記バイパス回路を流れる電流が所定値以下となるとき該バイパス回路を遮断し、昇圧動作を停止した上記昇圧回路を介した電流経路に切り換えることを特徴とする請求項２記載の電力変換装置。
【請求項４】
上記昇圧回路を、リアクトル、整流用素子、および上記スイッチで構成し、上記バイパス回路により上記リアクトルのみをバイパスすることを特徴とする請求項１記載の電力変換装置。
【請求項５】
上記バイパス回路はリレーで構成したことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の電力変換装置。
【請求項６】
上記第１の直流電源と上記各第２の直流電源とは、ＤＣ／ＤＣコンバータを介して接続されたことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の電力変換装置。
【請求項７】
所定の交流電圧、交流電流を出力して負荷に供給する、あるいは該所定の交流出力を系統に並列に接続し、上記第３の電源を該系統に連系させることを特徴とした請求項１〜６のいずれかに記載の電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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し、特に分散電源を系統に連系するパワーコンディショナ等に用いる電力変換装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来のパワーコンディショナでは、例えばソーラパワーコンディショナに示されるように、太陽電池である分散電源からチョッパを用いて昇圧し、その後段にＰＷＭ制御のインバータを挿入して、出力の交流電圧を発生している。
このような従来のパワーコンディショナの基本的な動作を以下に示す。太陽電池から出力される直流電力は、パワーコンディショナの内部制御電源を駆動し内部回路が動作可能になる。チョッパ回路を用い、太陽電池の電圧を、系統へ連系するのに必要となる電圧まで昇圧する。インバータ部は４つのスイッチから構成され、系統電圧に同期した位相の出力電流となるようＰＷＭスイッチングを行う。このように出力に短冊状の波形を出力し、出力する時間比率を変えることによって出力の平均電圧をコントロールし、出力された電圧は出力側に設けられた平滑フィルタによって平均化し、系統へは交流電力が出力される（例えば、非特許文献１参照）。
【０００３】
【非特許文献１】「ソーラーパワーコンディショナ形ＫＰ４０Ｆの開発」OMRON TECHNICS Vol.42 No.2(通巻142号)２００２年
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
太陽光電圧を系統に連系させる従来のパワーコンディショナでは、インバータの出力電圧の最大値は、チョッパによる昇圧電圧の大きさによって決まる。このため、例えば２００Ｖの交流電圧を出力する場合には、昇圧された直流電圧は２８２Ｖ以上が必要であり、通常は余裕を見てさらに高く設定されている。太陽光電圧の出力電圧は、通常２００Ｖ程度、あるいはそれ以下であり、上述したように２８２Ｖ以上に昇圧する必要がある。昇圧率が高くなるとチョッパ部のスイッチング素子やダイオードの損失が大きくなり、パワーコンディショナ全体の効率が低下してしまうという問題点があった。
【０００５】
この発明は、上記のような問題点を解消するために成されたものであって、太陽光などの直流電源からの電力を交流に変換して系統や負荷に出力する電力変換装置において、各部の損失を低減して変換効率の向上を図ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この発明による第１の電力変換装置は、直流電源の直流電力を交流電力に変換する単相インバータの交流側を複数直列接続し、上記複数の単相インバータの中から選択された所定の組み合わせによる各発生電圧の総和により出力電圧を階調制御する。上記各単相インバータの入力となる複数の上記直流電源は、電圧が最大である第１の直流電源と、その他の１あるいは複数の第２の直流電源とから成り、第３の直流電源の電圧を昇圧し、その出力電圧を上記第１の直流電源とする昇圧回路と、該圧回路をバイパスさせるバイパス回路とを備える。そして、上記第３の直流電源の電圧が所定の電圧を超えるとき、上記昇圧回路内のスイッチのオンオフ動作を停止して昇圧動作を停止すると共に、上記バイパス回路により該昇圧回路をバイパスするものである。
【発明の効果】
【０００７】
この発明による電力変換装置は、第３の直流電源の電圧を昇圧する昇圧回路の出力電圧より高い電圧を出力可能となり、昇圧回路の昇圧率を低減できて損失を低減できる。また、第３の直流電源の電圧が所定の電圧を超えるとき、該昇圧回路内のスイッチのオンオフ動作を停止して昇圧動作を停止すると共にバイパス回路により該昇圧回路をバイパスするため、昇圧に係る損失を大きく低減し、さらに昇圧停止の際にも昇圧回路を構成する部品の導通損失を無くすことができ、変換効率の高い電力変換装置が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
実施の形態１．
以下、この発明の実施の形態１による電力変換装置（以下、パワーコンディショナと称す）を図について説明する。
図１は、この発明の実施の形態１によるパワーコンディショナを示す概略構成図である。図１（ａ）に示すように、複数（この場合３個）の単相インバータ3B-INV、2B-INV、1B-INVの交流側を直列に接続して単相多重変換器であるインバータユニット１を構成する。また、第３の直流電源としての太陽光による直流電源２の後段に、ＩＧＢＴ等のスイッチング素子（以下、スイッチと称す）３ａ、リアクトル３ｂおよびダイオード３ｃから成る昇圧回路としてのチョッパ回路３が設置されている。チョッパ回路３は直流電源２で得られた直流電圧ＶＯを昇圧し、第１の直流電源となる平滑コンデンサ４に充電される電圧ＶＣが得られる。また、昇圧停止時にチョッパ回路３をバイパスするため、例えばリレー７ａから成るバイパス回路７が、チョッパ回路３に並列に接続される。
【０００９】
各単相インバータ3B-INV、2B-INV、1B-INVは、図１（ｂ）に示すように、ダイオードを逆並列に接続した複数個のＩＧＢＴ等の自己消弧型半導体スイッチング素子で構成されて、直流電力を交流電力に変換して出力し、それぞれの入力の直流電源部分は双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ５にて接続される。
これらの単相インバータ3B-INV、2B-INV、1B-INVは出力として正負およびゼロの電圧を発生することができ、インバータユニット１は、これらの発生電圧を組み合わせた総和としての電圧ＶＡを階調制御により出力する。この出力電圧ＶＡはリアクトル６ａおよびコンデンサ６ｂから成る平滑フィルタ６により平滑され、交流電圧Ｖｏｕｔを系統あるいは負荷に供給する。
【００１０】
また、3B-INVの入力となる直流電源（第１の直流電源）は平滑コンデンサ４に相当し、その電圧Ｖ３Ｂ（＝ＶＣ）は、他の単相インバータ2B-INV、1B-INVの入力となる直流電源（第２の直流電源）の電圧Ｖ２Ｂ、Ｖ１Ｂよりも大きく、Ｖ１Ｂ、Ｖ２Ｂ、Ｖ３Ｂは所定の電圧比になるようにＤＣ／ＤＣコンバータ５にて制御される。このＤＣ／ＤＣコンバータ５は、各インバータの直流電源Ｖ１Ｂ、Ｖ２Ｂ、Ｖ３Ｂの電圧比を一定にしつつ、余剰もしくは不足のエネルギを互いに供給し合うものである。
なお、Ｖ１Ｂ、Ｖ２Ｂ、Ｖ３Ｂは各インバータ1B-INV、2B-INV、3B-INVの直流電源電圧を示すため、以後、各インバータの入力となる直流電源を便宜上、直流電源Ｖ１Ｂ、直流電源Ｖ２Ｂ、直流電源Ｖ３Ｂと記載する。
ここで、Ｖ１Ｂ、Ｖ２Ｂ、Ｖ３Ｂの関係を１：３：９とする。このとき図２（ａ）に示されるように３つのインバータ1B-INV、2B-INV、3B-INVの出力パターンをうまく組み合わせると、インバータユニット１の出力電圧ＶＡは、０〜１３の１４階調の出力電圧が選択できる。これにより、図２（ｂ）に示すように、ほぼ正弦波の出力電圧波形１１となる出力電圧ＶＡが得られ、平滑フィルタ６に入力される。さらに、図３に示されるように、各階調レベルにおいてＰＷＭ制御を併用すれば、より高精度に電圧波形をコントロールできる。なお、図２（ａ）で示した各インバータの出力パターンは、１が正電圧発生、−１が負電圧発生、０がゼロ電圧発生を表す。
【００１１】
Ｖ１Ｂ、Ｖ２Ｂ、Ｖ３Ｂの関係は１：３：９以外でもよく、１：２：４から１：３：９まで各種のパターンにより、出力電圧ＶＡはそれぞれ連続的な階調レベルの変化が可能である。それぞれの場合について、各インバータ1B-INV、2B-INV、3B-INVの出力パターンとそれらを直列接続したインバータユニット１の出力電圧ＶＡの階調レベルとの関係を図４のＡ〜Ｊの論理表に示す。また、これらの内、１：３：９の場合が、最もレベル数が多くなり高精度な出力電圧波形が期待できる。なお、各階調レベルにおいてＰＷＭ制御を併用すれば、より高精度に電圧波形をコントロールできる。各階調レベルにおいて電圧の出力方法にＰＷＭ制御を加えるには、Ｖ１Ｂ、Ｖ２Ｂ、Ｖ３Ｂの電圧関係によっては、複数の単相インバータの出力にＰＷＭ制御を加える必要がある。
【００１２】
また、ＰＷＭ制御を前提とした場合、直流電源Ｖ１Ｂの電圧が図４で示した電圧関係よりも大きいものであっても良く、図５（ａ）に示すように、ＰＷＭ制御による電圧制御に加え、各階調レベル間はΔＶだけオーバーラップするため、より連続的な波形出力が可能となる。図４のＡ〜Ｊの論理表に対応する条件Ａｘ〜Ｊｘを図５（ｂ）に示す。例えば条件Ｊｘでは、ΔＶ＝Ｖ１Ｂ−Ｖ３Ｂ／９となる。
【００１３】
ところで、２００Ｖの交流出力に必要な最大出力電圧は約２８２Ｖであり、インバータユニット１の出力電圧ＶＡは、最大でＶ１Ｂ＋Ｖ２Ｂ＋Ｖ３Ｂまで出力できる。このためＶ１Ｂ＋Ｖ２Ｂ＋Ｖ３Ｂが約２８２Ｖ以上であれば、パワーコンディショナは２００Ｖの交流出力が可能になる。Ｖ１Ｂ＋Ｖ２Ｂ＋Ｖ３Ｂは、チョッパ回路３で昇圧された電圧であるＶ３Ｂより大きく、例えば、Ｖ１Ｂ、Ｖ２Ｂ、Ｖ３Ｂの関係が１：３：９の場合、Ｖ３Ｂの１３／９倍となる。即ち、Ｖ３Ｂが約１９５Ｖ以上のときＶ１Ｂ＋Ｖ２Ｂ＋Ｖ３Ｂは２８２Ｖ以上となり、これが交流出力の条件となる。
このように、Ｖ１Ｂ、Ｖ２Ｂ、Ｖ３Ｂの関係が１：３：９の場合に所定の交流出力Ｖｏｕｔを得るためには、Ｖ３Ｂが約１９５Ｖ以上となるようにチョッパ回路３を動作させる必要がある。
【００１４】
このようなパワーコンディショナのチョッパ回路３の動作について以下に説明する。
チョッパ回路３では、入力となる直流電源２で得られた直流電圧（太陽光電圧）ＶＯが所定の電圧Ｖｍ１（１９５Ｖ）までＩＧＢＴスイッチ３ａをオンオフして該電圧Ｖｍ１に昇圧する。この間、バイパス回路７のリレー７ａは開放されている。そして、所定の電圧Ｖｍ１を超えるとＩＧＢＴスイッチ３ａを停止する。このとき、バイパス回路７のリレー７ａを閉じてバイパス回路７側に電流を流し、チョッパ回路３のリアクトル３ｂおよびダイオード３ｃをバイパスする。
【００１５】
チョッパ回路３における太陽光電圧ＶＯに対する動作電圧およびそのときの効率推定値を図６に示す。
図に示すように、太陽光電圧ＶＯが所定の電圧Ｖｍ１以下の範囲では、チョッパ回路３は出力電圧Ｖ３Ｂが一定電圧Ｖｍ１となるように昇圧するため、太陽光電圧ＶＯの増加と共に昇圧率が低下し、チョッパ回路３の効率が良くなる。太陽光電圧ＶＯが所定の電圧Ｖｍ１を超えると、昇圧動作を停止し、バイパス回路７のリレー７ａを閉じてバイパス回路７側に電流を流すため、損失がほとんど無くなる。このため太陽光電圧ＶＯが電圧Ｖｍ１を境に効率が急に増加する。
なお、昇圧動作を停止する所定の電圧Ｖｍ１は約１９５Ｖ以上であれば良いが、より低い電圧とした方がチョッパ回路３の損失をより低減できる。そして昇圧動作を停止後は、ＩＧＢＴスイッチ３ａの停止による大幅な損失低減だけでなく、チョッパ回路３内のリアクトル３ｂおよびダイオード３ｃをバイパスさせることで、リアクトル３ｂおよびダイオード３ｃの導通損失も無くすことができて、チョッパ回路３における損失はほぼ無くなる。
【００１６】
この実施の形態では、太陽光電圧ＶＯをチョッパ回路３で昇圧した直流電圧Ｖ３Ｂを直流源とした単相インバータ3B-INVと、他の単相インバータ2B-INV、1B-INVとの交流側を直列に接続して、各インバータの発生電圧の総和にて出力電圧を得るようにパワーコンディショナを構成した。また、単相インバータ2B-INV、1B-INVの入力となる直流電源Ｖ２Ｂ、Ｖ１Ｂは、直流電源Ｖ３ＢとＤＣ／ＤＣコンバータ５を介して接続されて、電圧制御されるため、チョッパ回路３は太陽光電圧ＶＯから直流電源Ｖ３Ｂのみを生成すれば良く、効率の良い装置構成となる。このように構成されるパワーコンディショナでは、チョッパ回路３で昇圧した直流電圧Ｖ３Ｂよりも高い電圧を出力することができ、チョッパ回路３の昇圧率を低減できて損失を低減できる。
また、電圧Ｖ３Ｂの動作領域を、パワーコンディショナの出力電圧の最大値よりも低電圧領域とすると、チョッパ回路３の昇圧率を確実に低減できて損失を低減できる。
さらに、太陽光電圧ＶＯが所定の電圧Ｖｍ１を超えるとき、昇圧動作を停止し、チョッパ回路３をバイパス回路７でバイパスさせるため、損失をほぼ無くすことができ、変換効率の高いパワーコンディショナが得られる。
【００１７】
実施の形態２．
上記実施の形態１におけるバイパス回路７の詳細について、以下に示す。
バイパス回路７はリレー７ａで構成され、チョッパ回路３内の直列接続されたリアクトル３ｂおよびダイオード３ｃのいずれか一方、あるいは双方をバイパスする。
図７（ａ）は、上記実施の形態１で示したように、リレー７ａでリアクトル３ｂおよびダイオード３ｃをバイパスするもの、図７（ｂ）は、リレー７ａでダイオード３ｃのみをバイパスするもの、図７（ｃ）は、リレー７ａでリアクトル３ｂのみをバイパスするものを、それぞれ示す。
また、リレー７ａには、並列に自己消弧型の半導体スイッチ７ｂが接続される。リレー７ａは、一般にゼロ電流にて開放するか、もしくは低い電圧で開放するため、直流電流は遮断しにくいものであるが、このように半導体スイッチ７ｂを並列に備えることにより容易に遮断できる。その場合、リレー７ａを開放するのと同時に半導体スイッチ７ｂをオンさせ、一旦電流を半導体スイッチ７ｂに移す。これによりリレー７ａを流れる電流が遮断され、その後半導体スイッチ７ｂをオフする。
【００１８】
いずれの場合も、太陽光電圧ＶＯが所定の電圧Ｖｍ１を超えると、ＩＧＢＴスイッチ３ａを停止して昇圧動作を停止し、バイパス回路７のリレー７ａを閉じてバイパス回路７側に電流を流す。
図７（ａ）の場合では、チョッパ回路３内のリアクトル３ｂおよびダイオード３ｃをバイパスさせることで、リアクトル３ｂおよびダイオード３ｃの導通損失を無くすことができて、パワーコンディショナ全体の効率を増加する。
図７（ｂ）の場合では、チョッパ回路３内のダイオード３ｃのみをバイパスさせることで、ダイオード３ｃの導通損失を無くすことができて、パワーコンディショナ全体の効率を増加する。この場合、リアクトル３ｂをバイパスしないため、リアクトル３ｂをフィルタとして利用できる。
【００１９】
図７（ａ）、図７（ｂ）では、ダイオード３ｃをバイパスさせるため、直流電源Ｖ３Ｂが太陽光電圧ＶＯより高くなると電流の逆流やさらには直流電源２である太陽光パネルへの逆電圧が掛かり、パネルの損傷を招くおそれが有る。このため、リレー７ａを流れる電流を検出し、該電流が一定値以下になるとリレー７ａを開放し、リアクトル３ｂおよびダイオード３ｃを介した電流経路に切り換えるように構成する。このようにリレー７ａを開放してダイオード３ｃの機能を有効にする事で、逆流防止とさらには太陽光パネルの逆電圧保護機能を備える。
なお、リレー７ａを開放する際、検出の遅れなどにより既に逆電流が発生していたとしても、一旦電流を半導体スイッチ７ｂに移すことにより確実に遮断できる。
【００２０】
図７（ｃ）の場合では、チョッパ回路３内のリアクトル３ｂのみをバイパスさせることで、リアクトル３ｂの導通損失を無くすことができて、パワーコンディショナ全体の効率を増加する。また、ダイオード３ｃをバイパスしないため、ダイオード３ｃにより逆流防止および太陽光パネルの逆電圧保護ができ、信頼性が容易に向上できる。この場合、半導体スイッチ７ｂを設けなくてもリレー７ａは遮断できるが、半導体スイッチ７ｂを設けることで、ダイオード３ｃの異常などの場合にも遮断できる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】この発明の実施の形態１によるパワーコンディショナを示す概略構成図である。
【図２】この発明の実施の形態１による各単相インバータの出力パターンと出力電圧波形を示す図である。
【図３】この発明の実施の形態１によるインバータのＰＷＭ制御における出力電圧波形を示す図である。
【図４】この発明の実施の形態１による各単相インバータの出力パターンと出力階調との関係を示す図である。
【図５】この発明の実施の形態１による各単相インバータの直流電圧条件と出力電圧波形を示す図である。
【図６】この発明の実施の形態１によるチョッパ回路の動作を示す図である。
【図７】この発明の実施の形態２によるバイパス回路の構成を示す図である。
【符号の説明】
【００２２】
２  第３の直流電源（太陽光）、３  昇圧回路としてのチョッパ回路、
３ａ  スイッチ、４  第１の直流電源としての平滑コンデンサ、
５，５ａ，５ｂ  ＤＣ／ＤＣコンバータ、７  バイパス回路、７ａ  リレー、
1B-INV，2B-INV，2Ba-INV，3B-INV  単相インバータ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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