(57)【要約】【課題】直流電圧を変圧する変圧部への入力電流のより正確な読み取りを図る。【解決手段】本開示に係る電力変換装置１０は、複数のセルスタック４それぞれに対応して設けられ、対応するセルスタック４から出力された直流電圧を、スイッチング素子のスイッチングにより昇圧する複数の変圧部１１と、複数の変圧部１１それぞれに、対応するセルスタック４から入力される入力電流の電流値を検出する電流センサ１４と、複数の変圧部１１それぞれについて、電流センサ１４により検出された入力電流の電流値に対するローパスフィルタ処理後の電流値を読み取り、読み取った電流値に基づき、変圧部１１のスイッチング素子のスイッチングを制御する制御部１６と、を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスを用いて発電する複数のセルスタックそれぞれに対応して設けられ、対応するセルスタックから出力された直流電圧を、スイッチング素子のスイッチングにより変圧する複数の変圧部と、
前記複数の変圧部それぞれに、対応するセルスタックから入力される入力電流の電流値を検出する電流センサと、
前記複数の変圧部それぞれについて、前記電流センサにより検出された入力電流の電流値に対するローパスフィルタ処理後の電流値を読み取り、該読み取った電流値に基づき、前記変圧部のスイッチング素子のスイッチングを制御する制御部と、を備えることを特徴とする電力変換装置。
【請求項２】
請求項１に記載の電力変換装置において、
前記制御部は、前記電流センサにより検出された入力電流の電流値に、前記ローパスフィルタ処理のカットオフ周波数以上の周波数のノイズが生じるように、前記ローパスフィルタ処理後の電流値を読み取る読み取りタイミングと前記変圧部のスイッチング素子をスイッチングするスイッチングタイミングとを異ならせることを特徴とする電力変換装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の電力変換装置において、
前記ローパスフィルタ処理は、ハードウェアからなるローパスフィルタによる行われる第１のローパスフィルタ処理と、ソフトウェアにより実現される第２のローパスフィルタ処理とを含むことを特徴とする電力変換装置。
【請求項４】
請求項３に記載の電力変換装置において、
前記制御部は、前記ローパスフィルタによる前記第１のローパスフィルタ処理後の電流値に対して前記第２のローパスフィルタ処理を行い、該第２のローパスフィルタ処理後の電流値を、前記ローパスフィルタ処理後の電流値として読み取ることを特徴とする電力変換装置。
【請求項５】
ガスを用いて発電する複数のセルスタックそれぞれに対応して設けられ、対応するセルスタックから出力された直流電圧を、スイッチング素子のスイッチングにより変圧する複数の変圧部を備える電力変換装置の制御方法であって、
前記複数の変圧部それぞれについて、対応するセルスタックから入力される入力電流の電流値を検出するステップと、
前記検出された入力電流の電流値に対するローパスフィルタ処理後の電流値を読み取り、該読み取った電流値に基づき、前記変圧部のスイッチング素子のスイッチングを制御するステップと、を含むことを特徴とする電力変換装置の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、電力変換装置およびその制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、燃料電池などの分散電源が商用の電力系統に接続される電力システムが普及しつつある。このような電力システムにおいては、電力系統に連系し、分散電源により得られた直流電力を交流電力に変換して、負荷に出力する電力変換装置（パワーコンディショナー）が用いられる。特許文献１には、複数の太陽電池モジュールそれぞれに対応して設けられた複数のＤＣ／ＤＣコンバータと、各ＤＣ／ＤＣコンバータへの入力電圧に基づき、各ＤＣ／ＤＣコンバータのスイッチング素子を制御する制御部とを備える電力変換装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１７−７３９７３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述したような電力変換装置においては、ＤＣ／ＤＣコンバータ（変圧部）の制御として、ＤＣ／ＤＣコンバータへの入力電流に基づく電流制御が行われる場合がある。この場合、ＤＣ／ＤＣコンバータの適切な制御のためには、ＤＣ／ＤＣコンバータへの入力電流を正確に読み取る必要がある。上述したようなＤＣ／ＤＣコンバータへの入力電流の読み取りについては、改善の余地があった。
【０００５】
本開示の目的は、上述した課題を解決し、直流電圧を変圧する変圧部への入力電流のより正確な読み取りを図ることができる電力変換装置およびその制御方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するため、第１の観点による電力変換装置は、ガスを用いて発電する複数のセルスタックそれぞれに対応して設けられ、対応するセルスタックから出力された直流電圧を、スイッチング素子のスイッチングにより昇圧する複数の変圧部と、前記複数の変圧部それぞれに、対応するセルスタックから入力される入力電流の電流値を検出する電流センサと、前記複数の変圧部それぞれについて、前記電流センサにより検出された入力電流の電流値に対するローパスフィルタ処理後の電流値を読み取り、該読み取った電流値に基づき、前記変圧部のスイッチング素子のスイッチングを制御する制御部と、を備える。
【０００７】
また、第２の観点による電力変換装置の制御方法は、ガスを用いて発電する複数のセルスタックそれぞれに対応して設けられ、対応するセルスタックから出力された直流電圧を、スイッチング素子のスイッチングにより昇圧する複数の変圧部を備える電力変換装置の制御方法であって、前記複数の変圧部それぞれについて、対応するセルスタックから入力される入力電流の電流値を検出するステップと、前記検出された入力電流の電流値に対するローパスフィルタ処理後の電流値を読み取り、該読み取った電流値に基づき、前記変圧部のスイッチング素子のスイッチングを制御するステップと、を含む。
【発明の効果】
【０００８】
本開示によれば、直流電圧を変圧する変圧部への入力電流のより正確な読み取りを図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本開示の一実施形態に係る電力変換装置の要部構成例を示す図である。
【図２】図１に示す電力変換装置の制御方法を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本開示の実施の形態について図面を参照して説明する。
【００１１】
図１は、本開示の一実施形態に係る電力変換装置１０（パワーコンディショナー）の要部構成例を示す図である。本実施形態に係る電力変換装置１０は、電力系統２に連系し、直流電源であるホットモジュール１から出力された直流電力を交流電力に変換して、負荷３に出力する。
【００１２】
ホットモジュール１は、ガスなどを用いて発電する複数のセルスタック４ａ〜４ｄを備える。セルスタック４ａ〜４ｄはそれぞれ、固体酸化物形燃料電池装置（ＳＯＦＣ：Ｓｏｌｉｄ  Ｏｘｉｄｅ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ）または固体高分子形燃料電池装置（ＰＥＦＣ：Ｐｏｌｙｍｅｒ  Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ）などである。セルスタック４ａ〜４ｄはそれぞれ、燃料（例えば、所定割合で配合されたガス、空気および改質水）の電気化学反応によって発電し、直流電力を出力する。図１に示すように、セルスタック４ａ〜４ｄは、電力変換装置１０に並列に接続されている。したがって、電力変換装置１０には、直流電力が４系統（４つのストリング）で並列入力される。
【００１３】
電力変換装置１０は、変圧部１１ａ〜１１ｄと、中間リンクコンデンサ１２と、インバータ部１３と、電流センサ１４ａ〜１４ｄと、ローパスフィルタ（ＬＰＦ：Ｌｏｗ  Ｐａｓｓ  Ｆｉｌｔｅｒ）１５ａ〜１５ｄと、制御部１６とを備える。
【００１４】
変圧部１１ａと、電流センサ１４ａと、ＬＰＦ１５ａと、セルスタック４ａとが対応して設けられている。変圧部１１ｂと、電流センサ１４ｂと、ＬＰＦ１５ｂとセルスタック４ｂとが対応して設けられている。変圧部１１ｃと、電流センサ１４ｃと、ＬＰＦ１５ｃと、セルスタック４ｃとが対応して設けられている。変圧部１１ｄと、電流センサ１４ｄと、ＬＰＦ１５ｄと、セルスタック４ｄとが対応して設けられている。以下では、セルスタック４ａ〜４ｄを区別しない場合には、セルスタック４と称する。また、変圧部１１ａ〜１１ｄを区別しない場合には、変圧部１１と称する。また、電流センサ１４ａ〜１４ｄを区別しない場合には、電流センサ１４と称する。また、ＬＰＦ１５ａ〜１５ｄを区別しない場合には、ＬＰＦ１５と称する。
【００１５】
変圧部１１は、対応するセルスタック４から出力される直流電圧を、所定の直流電圧に変圧するＤＣ／ＤＣコンバータである。変圧部１１は、変圧後の直流電圧を中間リンクコンデンサ１２に出力する。なお、以下では、変圧部１１は、セルスタック４から出力される直流電圧（５０〜１００Ｖ程度）を昇圧して（例えば、３２０Ｖ）、中間リンクコンデンサ１２に出力するものとして説明する。変圧部１１は、ＦＥＴ（Ｆｉｅｌｄ  Ｅｆｆｅｃｔ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）あるいはＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ  Ｇａｔｅ  Ｂｉｐｏｌａｒ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）などのスイッチング素子を複数備えている。制御部１６の制御に従い、複数のスイッチング素子がオン／オフすることで、変圧部１１は、対応するセルスタック４から出力される直流電圧を所定の直流電圧に変換する。変圧部１１（ＤＣ／ＤＣコンバータ）は、当業者によく知られた周知の構成を用いればよいため、詳細な説明を省略する。
【００１６】
中間リンクコンデンサ１２は、変圧部１１ａ〜１１ｄそれぞれから出力された直流電圧をまとめて一時的に蓄積するバッファとして機能する。中間リンクコンデンサ１２は、変圧部１１ａ〜１１ｄそれぞれから出力された直流電圧を平滑化して、インバータ部１３に出力する。
【００１７】
インバータ部１３は、中間リンクコンデンサ１２により平滑化された直流電圧を交流電圧に変換するインバータである。インバータ部１３は、変換により得られた交流電圧を負荷３に出力する。インバータ部１３は、ＦＥＴあるいはＩＧＢＴなどのスイッチング素子を複数備えている。制御部１６の制御に従い、複数のスイッチング素子がオン／オフすることで、インバータ部１３は、直流電圧を交流電圧に変換する。インバータ部１３は、当業者によく知られた周知の構成を用いればよいため、詳細な説明を省略する。
【００１８】
電流センサ１４は、対応するセルスタック４から変圧部１１に入力される入力電流の電流値を検出し、検出した電流値を対応するＬＦＰ１５に出力する。
【００１９】
ＬＰＦ１５は、所定のカットオフ周波数より低い周波数成分を透過し、カットオフ周波数より高い周波数成分（ノイズ）を遮断するローパスフィルタ処理（第１のローパスフィルタ処理）を行う。ＬＰＦ１５は、対応する電流センサ１４から出力された入力電流の電流値（アナログ信号）に対してローパスフィルタ処理を行って、制御部１６に出力する。ＬＰＦ１５によるローパスフィルタ処理は、抵抗、コイルおよびコンデンサなどのハードウェアを用いて実現される。
【００２０】
制御部１６は、プロセッサなどであり、電力変換装置１０全体の動作を制御する。制御部１６は、変圧部１１を制御して（変圧部１１が備えるスイッチング素子のオン／オフを制御して）、対応するセルスタック４の出力電圧を所定の直流電圧に昇圧させる。また、制御部１６は、インバータ部１３を制御して（インバータ部１３が備えるスイッチング素子のオン／オフを制御して）、変圧部１１から出力された直流電圧を交流電圧に変換させる。
【００２１】
制御部１６は、電流センサ１４により検出された変圧部１１への入力電流の電流値に対するローパスフィルタ処理後の電流値を読み取る。そして、制御部１６は、読み取った電流値に基づき、変圧部１１のスイッチング素子のスイッチングを制御する。制御部１６は、複数の変圧部１１それぞれについて、上述した入力電流の電流値の読み取りと、読み取った電流値に基づくスイッチング素子のスイッチングの制御とを行う。
【００２２】
電流センサ１４により検出される入力電流の電流値にはノイズが含まれている。特に、変圧部１１に昇圧させるために、変圧部１１のスイッチング素子をスイッチングした際にノイズが大きくなり、実際の入力電流の電流値とは異なる電流値が検出されることがある。このような誤った電流値を用いて変圧部１１を制御すると、変圧部１１への入力電流が振動して、安定した制御が困難となり、セルスタック４の劣化を招いてしまう。
【００２３】
そこで、制御部１６は、電流センサ１４により検出された入力電流の電流値に対するローパスフィルタ処理後の電流値を読み取る。ローパスフィルタ処理により、入力電流の電流値に含まれるノイズを取り除くことができる。そのため、制御部１６は、より正確な電流値を読み取ることができる。その結果、制御部１６は、変圧部１１を安定して制御し、セルスタック４の劣化を抑制することができる。
【００２４】
制御部１６は、ＬＰＦ１５によるローパスフィルタ処理（第１のローパスフィルタ処理）後の電流値に対して、２回目のローパスフィルタ処理（第２のローパスフィルタ処理）を行い、２回目のローパスフィルタ処理後の電流値を読み取ってもよい。上述したように、ＬＰＦ１５によるローパスフィルタ処理は、抵抗、コイルおよびコンデンサなどのハードウェアを用いて実現される。一方、２回目のローパスフィルタ処理は、プロセッサである制御部１６上で動作するソフトウェアによる処理により実現される。
【００２５】
２回のローパスフィルタ処理を行う場合、１回目のローパスフィルタ処理のカットオフ周波数と、２回目のローパスフィルタ処理のカットオフ周波数とは同じであってもよい。ハードウェアによるローパスフィルタ処理だけでは、入力電流の電流値に含まれるノイズを十分に取り除くことができないことがある。また、ハードウェアによるローパスフィルタ処理で、入力電流の電流値に含まれるノイズを十分に取り除こうとすると、フィルタの段数を増やす必要がある。フィルタの段数を増やすと、ローパスフィルタ処理による遅延が増大してしまう。そこで、ハードウェアにより実現されるローパスフィルタ処理と、ソフトウェアにより実現されるローパスフィルタ処理とを組み合わせることで、遅延を抑制しつつ、入力電流の電流値に含まれるノイズを取り除くことができる。
【００２６】
さらに本実施形態においては、制御部１６は、入力電流の電流値を読み取る読み取りタイミングと、変圧のために、変圧部１１のスイッチング素子をスイッチングするスイッチングタイミングとを異ならせる。すなわち、制御部１６は、読み取りタイミングとスイッチングタイミングとが一致しないようにする。詳細は後述するが、読み取りタイミングとスイッチングタイミングとを異ならせることで、電流センサ１４により検出される入力電流の電流値に含まれるノイズを除去しやすくなる。
【００２７】
次に、本実施形態に係る電力変換装置１０の制御方法について図２を参照して説明する。
【００２８】
制御部１６は、電流センサ１４により検出された入力電流の電流値に対するローパスフィルタ処理後の電流値を読み取る。そして、制御部１６は、読み取った電流値に基づき、変圧部１１のスイッチング素子のスイッチングを制御する。すなわち、本実施形態に係る制御方法は、複数の変圧部１１それぞれについて、対応するセルスタック４から入力される入力電流の電流値を検出するステップを含む。さらに、本実施形態に係る制御方法は、検出された入力電流の電流値に対するローパスフィルタ処理後の電流値を読み取り、読み取った電流値に基づき、変圧部１１のスイッチング素子のスイッチングを制御するステップを含む。
【００２９】
変圧部１１のスイッチング素子のスイッチングを制御するステップでは、制御部１６は、読み取った電流値に基づき、所定の期間内における変圧部１１のスイッチング素子のオン／オフの時間を制御する。具体的には、制御部１６は、所定の期間内において、読み取った電流値に基づき、変圧部１１に昇圧させるために、一定時間だけスイッチング素子をオンとし、残りの時間は、スイッチング素子をオフとする。そして、制御部１６は、所定の期間が経過すると、変圧部１１に昇圧させるために、スイッチング素子を再び、オフからオンに切り替える。したがって、制御部１６は、所定のスイッチング周期で、スイッチング素子をオフからオンに切り替える。
【００３０】
さらに、本実施形態においては、制御部１６は、図２に示すように、読み取りタイミング（黒丸）と、変圧部１１に昇圧させるためにスイッチング素子をオフからオンに切り替えるスイッチングタイミング（白丸）とを異ならせる。
【００３１】
読み取りタイミングとスイッチングタイミングとが異なることで、電流センサ１４により検出される入力電流の電流値には、読み取りタイミングとスイッチングタイミングとのずれに応じたノイズ周期のノイズが生じる。そのため、ローパスフィルタ処理によるノイズの除去が容易となるノイズが生じるような読み取りタイミングとスイッチングタイミングとのずれを設けることで、ノイズを除去することができる。したがって、ローパスフィルタ処理後の電流値を読み取ることで、より正確な電流値を読み取ることができる。その結果、制御部１６は、変圧部１１を安定して制御し、セルスタック４の劣化を抑制することができる。
【００３２】
例えば、スイッチング周期を２１．３８ｋＨｚとし、読み取り周期を１９．２ｋＨｚとすると、電流センサ１４により検出される入力電流の電流値には、ノイズ周期が２．１８ｋＨｚのノイズが生じる。ここで、ローパスフィルタ処理のカットオフ周波数を、例えば、０．５ｋＨｚとすることで、上述したノイズを除去することができる。すなわち、読み取りタイミングとスイッチングタイミングとのずれにより入力電流の電流値に生じるノイズが、ローパスフィルタ処理のカットオフ周波数以上とすることで、ノイズを除去することができる。
【００３３】
なお、制御部１６は、図２に示すように、各変圧部１１の制御タイミングを異ならせる。複数の変圧部１１それぞれのスイッチング素子を同じタイミングでオンにすると、大きなノイズが生じやすい。そこで、各変圧部１１の制御タイミングを異ならせることで、ノイズの発生を抑制することができる。
【００３４】
このように本実施形態においては、電力変換装置１０は、複数のセルスタック４それぞれに対応して設けられ、対応するセルスタック４から出力された直流電圧を、スイッチング素子のスイッチングにより昇圧する複数の変圧部１１を備える。また、電力変換装置１０は、複数の変圧部１１それぞれに、対応するセルスタック４から入力される入力電流の電流値を検出する電流センサ１４を備える。さらに、電力変換装置１０は、複数の変圧部１１それぞれについて、検出された入力電流の電流値に対するローパスフィルタ処理後の電流値を読み取り、読み取った電流値に基づき、変圧部１１のスイッチング素子のスイッチングを制御する制御部１６を備える。ここで、制御部１６は、電流値を読み取る読み取りタイミングと、変圧部１１のスイッチング素子をスイッチングするスイッチングタイミングとを異ならせる。
【００３５】
読み取りタイミングとスイッチングタイミングとが異なることで、電流センサ１４により検出される入力電流の電流値に生じるノイズのノイズ周期が大きくなる。そのため、ローパスフィルタ処理によるノイズの除去が容易となる。したがって、ローパスフィルタ処理後の電流値を読み取ることで、より正確な電流値を読み取ることができる。
【００３６】
なお、上述した実施形態においては、変圧部１１は、セルスタック４から出力された直流電圧を昇圧する例を用いて説明したが、これに限られるものではない。変圧部１１は、セルスタック４から出力された直流電圧を降圧して、中間リンクコンデンサ１２に出力してもよい。この場合、例えば、セルスタック４からは４００Ｖの直流電圧が出力され、変圧部１１は、その直流電圧を、例えば、３２０Ｖに降圧して、中間リンクコンデンサ１２に出力する。
【００３７】
本開示の一実施形態を諸図面及び実施例に基づき説明してきたが、当業者であれば本開示に基づき種々の変形及び修正を行うことが容易であることに注意されたい。従って、これらの変形及び修正は本開示の範囲に含まれることに留意されたい。
【符号の説明】
【００３８】
１    ホットモジュール
２    電力系統
３    負荷
４ａ〜４ｄ    セルスタック
１０    電力変換装置
１１ａ〜１１ｄ    変圧部
１２    中間リンクコンデンサ
１３    インバータ部
１４ａ〜１４ｄ    電流センサ
１５ａ〜１５ｄ    ＬＰＦ
１６    制御部
【図１】
2019047558.tif 000003
【図２】
2019047558.tif 000004