(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電力系統に接続され、前記電力系統との間で電力を授受する電力バッファ装置であって、
第１の電力貯蔵ユニットと、
前記第１の電力貯蔵ユニットが接続された直流部と、多相の出力部とを有する多相インバータと、
前記多相インバータの前記出力部の各相ごとに前記電力系統との間でそれぞれ少なくとも１つ以上配置され、前記各相に直列に接続された、直流部と単相の出力部とを有する単相インバータと、
前記単相インバータの直流部に接続され、容量が前記第１の電力貯蔵ユニットよりも小さく、単位容量当たりの充放電電流が前記第１の電力貯蔵ユニットよりも大きい第２の電力貯蔵ユニットと、
前記多相インバータおよび前記単相インバータの動作を制御する制御回路と、を備え、
前記制御回路は、
前記多相インバータが、前記電力バッファ装置の出力波形の半周期について１パルスを出力し、
前記多相インバータから出力される電力を、前記単相インバータに接続される前記第２の電力貯蔵ユニットに蓄積し、
前記単相インバータのそれぞれが、
前記１パルスと合わせて前記出力波形を形成し、前記電力系統の電圧波形との電圧差を解消して、前記出力波形が前記電圧波形に近似するように複数のパルスを出力するように制御する、電力バッファ装置。
【請求項２】
前記単相インバータのそれぞれが出力する前記複数のパルスの一部は、
前記１パルスとは反対の極性を有し、前記電力系統の前記電圧波形と前記１パルスとの電圧差を解消する電圧パターンを形成し、
前記単相インバータの出力電力のトータルがゼロとなるように、前記電圧パターン、前記１パルスのパルス幅およびパルス高さが設定される、請求項１記載の電力バッファ装置。
【請求項３】
前記単相インバータのそれぞれが出力する前記複数のパルスの一部は、
前記１パルスとは反対の極性を有し、前記電力系統の前記電圧波形と前記１パルスとの電圧差を解消する電圧パターンを形成し、
前記単相インバータの出力電力のトータルと前記多相インバータの出力電力とが同じになるように前記電圧パターン、前記１パルスのパルス幅およびパルス高さが設定される、請求項１記載の電力バッファ装置。
【請求項４】
前記出力波形の半周期分を包含するように前記１パルスのパルス幅およびパルス高さが設定される、請求項１記載の電力バッファ装置。
【請求項５】
前記電力バッファ装置の出力電流の周期は、前記系統電圧に対して９０度ずれるように制御され、
前記出力波形の半周期の半分以上を包含するように前記多相インバータが出力する前記１パルスのパルス幅およびパルス高さが設定され、
前記単相インバータのそれぞれが出力する前記複数のパルスの一部は、
前記１パルスとは反対の極性を有し、前記電力系統の前記電圧波形と前記１パルスとの電圧差を解消するとともに、前記出力波形の半周期の残る部分を構成する電圧パターンを形成する、請求項１記載の電力バッファ装置。
【請求項６】
前記電力バッファ装置の前記出力電流は、
前記系統電圧に対して９０度ずれた無効電流成分と、前記系統電圧と同相の有効電流成分とを含む、請求項５記載の電力バッファ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は電力バッファ装置に関し、特に太陽光発電装置や風力発電装置などの分散電源から電力系統に電力を供給する構成において、電力を安定供給するために使用される電力バッファ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば特許文献１には、太陽光発電装置や風力発電装置などの分散電源から電力系統に電力を供給する場合、当該分散電源が電力系統に供給する電力の余剰分を電力貯蔵部に貯蔵し、分散電源からの供給電力が減少したときには、電力貯蔵部に蓄えられた電力を電力系統に供給することで、電力系統に供給される電力の変動を抑制する電力バッファ装置が開示されている。
【０００３】
【特許文献１】特開２００２−１０１５５７号公報（図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
以上説明した特許文献１に開示される電力バッファ装置は、以下のような問題点を有している。
【０００５】
すなわち、一般に電力貯蔵部はバッテリーにより構成するが、バッテリーとしては安価な鉛バッテリーなどを用いることが多い。しかし、鉛バッテリーは、充電電流を大きく取れないため、大きな充電電力を扱うには、大容量のものを使用せざるを得ない。その結果、電力貯蔵部が大型でかつ高コストとなってしまう。
【０００６】
また、特許文献１では電力貯蔵部に貯蔵された電力を直接、インバータの直流部に供給しているが、チョッパで一旦昇圧してインバータの直流部に供給する構成も考えられ、直流電流をインバータで交流電流に変換して平滑フィルタを通して電力系統に供給する。
【０００７】
この場合、大電力を扱う双方向性チョッパやインバータおよび平滑フィルタでの電力損失が大きいため、分散電源による発電電力の有効利用ができにくくなる。また、電力損失が大きいと大型の冷却装置や大型の平滑フィルタも必要になるため、電力バッファ装置が大型で高コストとなってしまう。
【０００８】
本発明は上記のような問題点を解消するためになされたもので、電力貯蔵部が小型であるとともに、電力効率が高く、低コストで実現される電力バッファ装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係る請求項１記載の電力バッファ装置は、電力系統に接続され、前記電力系統との間で電力を授受する電力バッファ装置であって、第１の電力貯蔵ユニットと、前記第１の電力貯蔵ユニットが接続された直流部と、多相の出力部とを有する多相インバータと、前記多相インバータの前記出力部の各相ごとに前記電力系統との間でそれぞれ複数配置され、前記各相に直列に接続された、直流部と単相の出力部とを有する単相インバータと、前記単相インバータの前記直流部に接続され、容量が前記第１の電力貯蔵ユニットよりも小さく、単位容量当たりの充放電電流が前記第１の電力貯蔵ユニットよりも大きい第２の電力貯蔵ユニットと、前記多相インバータおよび前記単相インバータの動作を制御する制御回路と、を備え、前記制御回路は、前記多相インバータが、前記電力バッファ装置の出力波形の半周期について１パルスを出力し、前記多相インバータから出力される電力を、前記単相インバータに接続される前記第２の電力貯蔵ユニットに蓄積し、前記単相インバータのそれぞれが、前記１パルスと合わせて前記出力波形を形成し、前記電力系統の電圧波形との電圧差を解消して、前記出力波形が前記電圧波形に近似するように複数のパルスを出力するように制御する。
【発明の効果】
【００１０】
本発明に係る請求項１記載の電力バッファ装置によれば、第１の電力貯蔵ユニットは多相インバータの直流部に接続され、第２の電力貯蔵ユニットのそれぞれは、単相インバータのそれぞれ直流部に接続されるので、チョッパ回路を有さずとも第１および第２の電力貯蔵ユニットの電力を結合でき、電力損失を低減して電力効率を高めることができる。また、単相インバータのそれぞれに第２の電力貯蔵ユニットを接続するので、第２の電力貯蔵ユニットが小型で済み、電力貯蔵部を全体として小型化でき、コストを低減できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
＜電力バッファ装置に対する基本的な要求＞
発明の実施の形態の説明に先立って、まず、電力バッファ装置に対する基本的な要求を説明する。
図１は、太陽光発電装置の１日の（日の出から日没までの）出力特性を示しており、横軸に時間を、縦軸に装置出力（任意単位）を示している。
【００１２】
また、図２には図１に示す出力特性をパターン化した図を示しており、変動ピークが大きく、変動が短時間で終わる特性Ａ１と、変動ピークが小さく、変動が長時間持続する特性Ａ２とを有することが示されている。
【００１３】
このように太陽光発電の場合、数１０分〜数時間単位の長時間の出力変動と、数分〜数１０分程度の短時間の出力変動とを有し、両者が重畳された変動特性を示すこともある。
【００１４】
このような変動特性を有する太陽光発電においては、電力系統に供給される電力変動を抑制するためには、短時間だけでなく長時間の変動も補償できるような電力バッファ装置が望まれる。
【００１５】
電力バッファ装置の最も単純な構成としては、電力貯蔵部をインバータの直流入力部に接続し、インバータの交流出力部を平滑フィルタに接続する構成が考えられるが、この構成では、電力貯蔵部であるバッテリーの出力電圧が低下した場合でも所定の電圧を出力できるように、予めバッテリーの出力電圧を高くしておかねばならない。そのため、バッテリーの直列数が増加して回路が複雑になったり、インバータの定格電圧が高電圧になって、コストや電力損失の点で望ましくない。
【００１６】
また、電力貯蔵部とインバータの直流入力部との間にチョッパ回路を配設し、バッテリーの出力電圧が低下してきた場合でもチョッパ回路の昇圧機能によって、インバータに与える電圧を一定にする構成も考えられる。
【００１７】
この場合、バッテリーの出力電圧を低く設定することが可能なので、インバータの定格電圧も低く設定することが可能であるが、チョッパ回路による電力損失が発生するので、結果的に電力バッファ装置の電力効率を下げてしまう可能性がある。
【００１８】
ここで、例えば高インピーダンスバッテリーの代表格である鉛バッテリーは、特に充電時の電流に制限があるため、充電時の電流を大きくしようとすると、結果的にバッテリーの容量を大きくしなければならない。電力バッファ装置に適用した場合においても、長時間の変動に重畳された短時間の変動を抑制するために、大電流に対応したバッテリーが必要となり、それは結果的に貯蔵エネルギーの大きな大容量のものを用いる結果となる。短時間の変動は変動する総電力量は小さいにもかかわらず、充電電流の仕様を確保するために、鉛バッテリーが大容量化してしまう。
【００１９】
＜本発明に至る第１のステップ＞
上述したような鉛バッテリーの大容量化を抑制するという観点に立って、発明者等は本発明に至る第１のステップとして、以下に説明する電力バッファ装置７０および８０を開発した。
【００２０】
図３は電力バッファ装置７０の構成を説明するブロック図である。
図３に示すように、太陽光発電装置１や風力発電装置２などの分散電源で生成された電力は、何れもパワーコンバータ３を介して電力系統ＰＷＬに接続され、電力系統ＰＷＬを介して電力需要者９に供給される。
【００２１】
そして電力系統ＰＷＬには、分散電源からの供給電力が低下した場合に、予め電力貯蔵ユニット４および７に蓄えた電力を放出することで電力系統ＰＷＬの電力を一定に保つ電力バッファ装置７０が接続されている。
【００２２】
電力バッファ装置７０は、高インピーダンスで大容量かつ単位容量当たりの充放電電流が小さなバッテリーで構成される電力貯蔵ユニット４と、低インピーダンスで低容量かつ単位容量当たりの充放電電流が大きなキャパシタあるいはバッテリーで構成される電力貯蔵ユニット７とを有し、電力貯蔵ユニット４の出力電圧は３相インバータ５の直流部に直接に与えられる構成となっており、電力貯蔵ユニット７の出力電圧はチョッパ回路８に与えられて昇圧された後、３相インバータ５の直流部に与えられる構成となっている。
【００２３】
そして、３相インバータ５の出力部は平滑フィルタ６に接続され、平滑フィルタ６を介して３相インバータ５の出力電圧が電力系統ＰＷＬに与えられる構成となっている。
【００２４】
ここで、チョッパ回路８は昇圧チョッパであり、電力貯蔵ユニット７の２つの出力線Ｓ１およびＳ２の間に介挿されたトランジスタ８２と、トランジスタ８２より前段の出力線Ｓ１中に介挿されたインダクタ８１と、トランジスタ８２より前段の出力線Ｓ１中に介挿されたトランジスタ８４と、トランジスタ８２および８４のそれぞれに逆並列に接続されたダイオード８３および８５とを有している。また、チョッパ回路８の２つの出力線Ｓ１１およびＳ１２の間にはキャパシタＣ１が介挿されている。
【００２５】
そして、チョッパ回路８の出力線Ｓ１１は連系リアクトルＬ２を介して３相インバータ５の直流部に接続され、出力線Ｓ１２は直接に３相インバータ５の直流部に接続されている。
【００２６】
また、電力貯蔵ユニット４の一方の出力線Ｓ３は連系リアクトルＬ１を介して３相インバータ５の直流部に接続され、他方の出力線Ｓ４は直接に３相インバータ５の直流部に接続されている。
【００２７】
なお、電力貯蔵ユニット４の出力線Ｓ３とチョッパ回路８の出力線Ｓ１１とは３相インバータ５の同じ入力端に接続され、電力貯蔵ユニット４の出力線Ｓ４とチョッパ回路８の出力線Ｓ１２とは３相インバータ５の同じ入力端に接続されている。
【００２８】
平滑フィルタ６は、３相インバータ５の３つの出力線Ｕ、ＶおよびＷにそれぞれ介挿されたインダクタ６１、６２および６３と、出力線ＵとＶとの間、出力線ＶとＷとの間および出力線ＵとＷとの間にそれぞれ介挿された、キャパシタ６４、６５および６６とを有している。
【００２９】
以上説明したように電力バッファ装置７０においては、電力貯蔵ユニット７の出力をチョッパ回路８で昇圧する構成となっているので、図２に示した特性Ａ１のように、変動ピークが大きく、変動が短時間で終わる電力変動に対しては、電力貯蔵ユニット７の出力をチョッパ回路８で昇圧して３相インバータ５の直流部に供給することで変動を抑制し、図２に示した特性Ａ２のように、変動ピークが小さく、変動が長期に渡る電力変動に対しては、電力貯蔵ユニット４の出力を３相インバータ５の直流部に供給することで抑制できる。
【００３０】
図４（ａ）、（ｂ）は上述した動作を模式的に説明する図であり、図４（ａ）には、チョッパ回路８の出力線Ｓ１１に流れる電流ｉｃによる電力波形と、電力貯蔵ユニット４の出力線Ｓ３に流れる電流ｉｂによる電力波形とを示す図であり、電流ｉｃによる電力波形は、図２に示した特性Ａ１とは逆相となるように与えられ、電流ｉｂによる電力波形は、図２に示した特性Ａ２とは逆相となるように与えられる。
【００３１】
図４（ｂ）は、電流ｉｃおよび電流ｉｂによる電力波形を重畳した、電流ｉｏによる電力波形を示しており、電力系統に対して当該電力波形を実現するように電力を供給することで、図２に示すような電力変動を抑制して、電力需要者９に安定した電力を供給することができる。
【００３２】
図５に示す電力バッファ装置８０も同様の技術思想に基づくものであり、図５は電力バッファ装置８０の構成を説明するブロック図である。
【００３３】
図５に示すように、電力バッファ装置８０においては、電力貯蔵ユニット７の出力電圧は３相インバータ５の直流部に直接に与えられる構成となっており、電力貯蔵ユニット４の出力電圧はチョッパ回路８に与えられて昇圧された後、３相インバータ５の直流部に与えられる構成となっている点が電力バッファ装置７０とは異なっている。なお、図３に示す電力バッファ装置７０と同じ構成については同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
【００３４】
チョッパ回路８は、電力貯蔵ユニット４の２つの出力線Ｓ３およびＳ４の間に介挿されたトランジスタ８２と、トランジスタ８２より前段の出力線Ｓ３中に介挿されたインダクタ８１と、トランジスタ８２より前段の出力線Ｓ３中に介挿されたトランジスタ８４と、トランジスタ８２および８４のそれぞれに逆並列に接続されたダイオード８３および８５とを有している。
【００３５】
そして、チョッパ回路８の出力線Ｓ１３およびＳ１４は、３相インバータ５の直流部に直接に接続されている。
【００３６】
また、電力貯蔵ユニット７の２つの出力線Ｓ１およびＳ２も、３相インバータ５の直流部に直接に接続されている。
【００３７】
なお、電力貯蔵ユニット７の出力線Ｓ１とチョッパ回路８の出力線Ｓ１３とは３相インバータ５の同じ入力端に接続され、電力貯蔵ユニット７の出力線Ｓ２とチョッパ回路８の出力線Ｓ１４とは３相インバータ５の同じ入力端に接続されている。
【００３８】
以上説明したように電力バッファ装置８０においては、電力貯蔵ユニット４の出力をチョッパ回路４で昇圧して３相インバータ５の直流部に供給し、電力貯蔵ユニット７の出力を３相インバータ５の直流部に直接に供給する構成となっているので、図２に示した特性Ａ１のように、変動ピークが大きく、変動が短時間で終わる電力変動に対しては、電力貯蔵ユニット７の出力を３相インバータ５の直流部に供給することで抑制することができ、図２に示した特性Ａ２のように、変動ピークが小さく、変動が長期に渡る電力変動に対しては、電力貯蔵ユニット４の出力をチョッパ回路４で昇圧して３相インバータ５の直流部に供給することで抑制できる。従って、高インピーダンスで大容量のバッテリーで構成される電力貯蔵ユニット４の出力電圧を低く設定することができ、電力貯蔵ユニット４を小型化できる。
【００３９】
以上説明した電力バッファ装置７０および８０を採用することで、大きな電力量を伴わない短時間の変動分については、小容量でかつ低インピーダンスのキャパシタもしくはバッテリーで構成される電力貯蔵ユニット７から電力を供給して安定化できるため、電力貯蔵ユニット４も含めて電力貯蔵装置が全体的に小さくなり電力バッファ装置全体のサイズやコストを低減できる。
【００４０】
＜本発明に至る第２のステップ＞
上述したように、電力バッファ装置７０および８０を採用することで、鉛バッテリーの大容量化を抑制できるという目的は達成できるが、３相インバータ５の出力はＰＷＭ（パルス幅変調）制御された矩形波状の電圧を有しており、それを平滑化するための平滑フィルタ６は大きな容量を持たざるを得ず、電力バッファ装置７０および８０が大型化するとともに、コストも高くなることが考えられる。
【００４１】
さらに、３相インバータ５は高周波でのスイッチングが要求されるため、電力損失が大きく、冷却装置などが大型化する可能性もある。
【００４２】
そこで、装置のさらなる小型化およびコスト低減の観点に立って、発明者等は本発明に至る第２のステップとして、以下に説明する電力バッファ装置９０を開発した。
【００４３】
図６は電力バッファ装置９０の構成を説明するブロック図である。
図６に示すように電力バッファ装置９０は、３相インバータ５の後段に、各相ごとに少なくとも１つ以上の単相インバータを直列に接続した構成を有し、出力線Ｕには単相インバータ１１および２１が順に直列に接続され、出力線Ｖには単相インバータ１２および２２が順に直列に接続され、出力線Ｗには単相インバータ１３および２３が順に直列に接続されている。なお、電力バッファ装置９０は、図３および図５にそれぞれ示した電力バッファ装置７０および８０の３相インバータ５より後段の構成を変更したものであり、その他の構成については電力バッファ装置７０および８０と同様であるので、図示は省略している。
【００４４】
平滑フィルタ６Ａは、単相インバータ２１〜２３のそれぞれの出力線に介挿されたインダクタ６１Ａ、６２Ａおよび６３Ａと、単相インバータ２１の出力線と単相インバータ２２の出力線との間、単相インバータ２２の出力線と単相インバータ２３の出力線との間、および単相インバータ２１の出力線と単相インバータ２３の出力線との間にそれぞれ介挿された、キャパシタ６４Ａ、６５Ａおよび６６Ａとを有している。
【００４５】
ここで、例えば３相インバータ５の出力線Ｕからの出力電圧をＶｕｃ、２つの単相インバータ１１および２１の出力電圧をそれぞれＶｕｂおよびＶｕａとし、それらの電圧比を４：２：１とする。
【００４６】
これらの電圧の組み合わせによって得られたＵ相の最終出力電圧Ｖｕｏは、複数のレベルを持った略正弦波の形状を有する。このような正弦波の形状を持った波形を平滑化することは簡単であり、平滑フィルタ６Ａは小容量のもので充分である。
【００４７】
図７（ａ）〜（ｄ）には、出力電圧Ｖｕｃ、ＶｕｂおよびＶｕａの電圧比を４：２：１とした場合に得られる各出力単独での波形と、Ｕ相の最終出力電圧Ｖｕｏの出力波形を示す。
【００４８】
すなわち図７（ａ）は、３相インバータ５の出力電圧Ｖｕｃの波形を示しており、図７（ｂ）は、単相インバータ１１の出力電圧Ｖｕｂの単独波形を示しており、図７（ｃ）は、単相インバータ２１の出力電圧Ｖｕａの単独波形を示している。そして図７（ｄ）は、これらの波形を重畳したＵ相の最終出力電圧Ｖｕｏの波形を示しており、その輪郭形状は略正弦波であると言える。
【００４９】
なお、Ｖｕｃ、Ｖｕｂ，Ｖｕａの電圧の関係は、４：２：１以外でも良く、電圧比の設定によっては、より正弦波に近似した波形を得ることができる。
【００５０】
図８〜図１７に、３相インバータ５の出力をＶｃとし、単相インバータ１１〜１３の出力をＶｂとし、単相インバータ２１〜２３の出力をＶａとして、各出力電圧の電圧比と最終出力電圧Ｖｏとの関係をテーブルとして示す。なお、各テーブルにはＡ〜Ｊまでの記号を付している。
【００５１】
図８に示すテーブルＡは、図７（ａ）〜（ｄ）に示した電圧比の場合の最終出力電圧Ｖｏのレベルを示しており、Ｖａ：Ｖｂ：Ｖｃ＝１：２：４の場合には１段階ずつ７段階の出力が可能であることが判る。
【００５２】
ここで、図８〜図１７におけるＶａ、Ｖｂ、Ｖｃの各欄における０、１、−１の数値は係数であり、Ｖａ、ＶｂおよびＶｃが、それぞれ１Ｖ、２Ｖおよび４Ｖである場合、例えば、レベル３を得るには、それぞれの係数を１、１および０とすることで、１×１Ｖ＋２×１Ｖ＋０×４Ｖ＝３Ｖとなる。
【００５３】
なお、インバータは直流電圧が例えば２Ｖであれば、その出力は＋２Ｖ、０および−２Ｖとなるので、係数には−１も含まれている。
【００５４】
図８〜図１７に示すように３相インバータ５および単相インバータ１１〜１３の出力電圧比を高くすることでレベルの階数が増え、図１７に示すテーブルＪからは、Ｖａ：Ｖｂ：Ｖｃ＝１：３：９の場合には１３段階の出力が可能であることが判る。このように最終出力電圧Ｖｏの出力レベルが大きくなることで、波形の輪郭を滑らかにすることができる。
【００５５】
図８〜図１７に示したように、３つの各インバータの出力電圧比を変えることで、１段階ずつ変化する電圧波形を得ることができるが、各レベルにおいてＰＷＭ制御を併用することで、波形の輪郭をより滑らかにすることができ、平滑フィルタ６Ａの容量をさらに低減することできる。
【００５６】
例えば、図１８には最終出力電圧Ｖｏがレベル１の場合についてＰＷＭ制御を実行した状態を模式的に示している。
【００５７】
ここで、図７（ｄ）に示したように、単相インバータ２１〜２３の出力電圧Ｖａは３相インバータ５および単相インバータ１１〜１３の出力電圧ＶｃおよびＶｂによって構成される電圧波形の凹凸を滑らかにするように使用され、電圧波形の輪郭を構成する。図１８は、当該電圧波形の輪郭に沿って出力電圧Ｖａが配置された状態を表しており、それぞれはＰＷＭ制御されている。なお、図１８において示される斜めの直線ＬＸは目標電圧を示しており、ＰＷＭ制御を行うことで直線ＬＸに近似した電圧を得ることができ、電圧波形の輪郭を滑らかにできる。
【００５８】
図１９には、ＰＷＭ制御を併用する場合の電圧比の条件Ａｘ〜Ｊｘをテーブルとして示している。
条件Ａｘ〜Ｊｘのそれぞれは、基本的には図８〜図１７に示したテーブルＡ〜Ｊに示されるインバータの出力電圧Ｖａ、ＶｂおよびＶｃの電圧比と同じであるが、上述したように出力電圧ＶｃおよびＶｂによって構成される電圧波形の凹凸を滑らかにするという観点から、出力電圧Ｖａについては１以上としている。
【００５９】
上述したように、電力バッファ装置９０を採用することで出力平滑フィルタの容量を小さくすることができで、コストを低減できるとともに、３相インバータのスイッチングの回数を大幅に低減できるので、電力損失が低減し、冷却装置も小型化できる。
【００６０】
しかしながら、電力バッファ装置９０は、図３および図５に示した電力バッファ装置７０および８０のインバータ部分を改良して効率化を図るものであり、ある程度は効率化を達成できるものの、２つの電力貯蔵ユニット４および７を結合するためのチョッパ回路が必要であり、チョッパ回路での電力損失は電力バッファ装置全体の電力効率を低下させる可能性がある。
【００６１】
＜実施の形態＞
上記認識に基づき、発明者等はチョッパ回路を必要とせず、電力効率をさらに向上させた電力バッファ装置に想到した。以下、本発明に係る電力バッファ装置の実施の形態について説明する。
【００６２】
＜Ａ．装置構成＞
＜Ａ−１．全体構成＞
図２０は本発明に係る実施の形態の電力バッファ装置１００の全体構成を説明するブロック図である。
【００６３】
電力バッファ装置１００は、高インピーダンスで大容量かつ単位容量当たりの充放電電流が小さなバッテリーで構成される電力貯蔵ユニット４（第１の電力貯蔵ユニット）と、低インピーダンスで低容量かつ単位容量当たりの充放電電流が大きなキャパシタあるいはバッテリーで構成される電力貯蔵ユニット７（第２の電力貯蔵ユニット）とを有している点で、図３、図５および図６にそれぞれ示した電力バッファ装置７０〜９０と共通するが、電力バッファ装置１００においては、３相インバータ５Ａ（多相インバータ）の直流部には電力貯蔵ユニット４のみが接続され、電力貯蔵ユニット７は接続されていない。
【００６４】
そして、３相インバータ５Ａの出力線Ｕには単相インバータ３１および４１が順に直列に接続され、出力線Ｖには単相インバータ３２および４２が順に直列に接続され、出力線Ｗには単相インバータ３３および４３が順に直列に接続され、単相インバータ３１〜３３および４１〜４３の直流部には、個々に電力貯蔵ユニット７が接続されている。
【００６５】
平滑フィルタ６Ａは、単相インバータ４１〜４３のそれぞれの出力線に介挿されたインダクタ６１Ａ、６２Ａおよび６３Ａと、単相インバータ４１の出力線と単相インバータ４２の出力線との間、単相インバータ４２の出力線と単相インバータ４３の出力線との間、および単相インバータ４１の出力線と単相インバータ４３の出力線との間にそれぞれ介挿された、キャパシタ６４Ａ、６５Ａおよび６６Ａとを有している。なお、３相インバータ５Ａ、単相インバータ３１〜３３および４１〜４３のそれぞれは、制御回路１０によって動作を制御されている。
【００６６】
このような構成を採用することで、図２に示した特性Ａ２のように、変動ピークが小さく、変動が長期に渡る電力変動に対しては、電力貯蔵ユニット４の出力を３相インバータ５の直流部に供給することで抑制できる。また、特性Ａ１のように、変動ピークが大きく、変動が短時間で終わる電力変動に対しては、電力貯蔵ユニット７の出力を単相インバータ３１〜３３および４１〜４３の直流部に供給することで変動を抑制できる。
【００６７】
なお、各単相インバータ側の直流部は互いに電気的に絶縁されている必要があるため、図２０に示す電力バッファ装置１００の構成では計６個の電力貯蔵ユニット７を要する。
【００６８】
＜Ａ−２．３相インバータ構成例＞
ここで、３相インバータ５Ａの構成の一例を図２１に示す。
図２１に示すように３相インバータ５Ａは３レベルインバータであり、各相４個ずつ、計１２個のトランジスタを有している。
【００６９】
すなわち、Ｕ、ＶおよびＷの各相においては、電力貯蔵ユニット４のアノードおよびカソードにそれぞれ接続される電力線ＰＬおよびＮＬの間に、トランジスタＱ１１、Ｑ１２、Ｑ２１およびＱ２２が直列に接続され、それぞれのトランジスタには、ダイオードＤ１１、Ｄ１２、Ｄ２１およびＤ２２が逆並列に接続された構成を有している。なお、各相における出力ノードはトランジスタＱ１１およびＱ２１の接続ノードである。
【００７０】
そして、トランジスタＱ１１およびＱ１２の接続ノードにカソードが接続されたダイオードＤ３１と、トランジスタＱ２１およびＱ２２の接続ノードにアノードが接続されたダイオードＤ３２とが直列に接続されている。
【００７１】
また、電力線ＰＬおよびＮＬの間には、直列に接続されたキャパシタＣ１１およびＣ１２が配設され、各相におけるダイオードＤ３１およびＤ３２の接続ノードは、共通してキャパシタＣ１１およびＣ１２の接続ノードに接続されている。
【００７２】
このような３レベルインバータを使用することで、１つの半導体素子に印加される電圧を電源電圧の半分に抑えることができる。
【００７３】
また、３相インバータ５Ａの代わりに、図２２に示す３相インバータ５Ｂを使用しても良い。
【００７４】
図２２に示すように３相インバータ５Ｂは２レベルインバータであり、各相２個ずつ、計６個のトランジスタを有している。
【００７５】
すなわち、Ｕ、ＶおよびＷの各相においては、電力貯蔵ユニット４のアノードおよびカソードにそれぞれ接続される電力線ＰＬおよびＮＬの間に、トランジスタＱ３１およびＱ３２が直列に接続され、それぞれのトランジスタには、ダイオードＤ３１およびＤ３２が逆並列に接続された構成を有している。なお、各相における出力ノードはトランジスタＱ３１およびＱ３２の接続ノードである。
【００７６】
このような２レベルインバータを使用することで、相電圧出力はＰＷＭ制御されたものとなるが、単相インバータと組み合わせることで、正弦波に近似した波形を得ることができる。
【００７７】
また、３相インバータ５Ａの代わりに、図２３に示す３相インバータ５Ｃを使用しても良い。
【００７８】
図２３に示すように３相インバータ５Ｃは、電源が個々に独立した３つの単相インバータＩＶ１、ＩＶ２およびＩＶ３をスター結線して得られる３レベルインバータであり、各相４個ずつ、計１２個のトランジスタを有している。
【００７９】
すなわち、Ｕ、ＶおよびＷに対応する単相インバータＩＶ１、ＩＶ２およびＩＶ３のそれぞれにおいては、電力貯蔵ユニット４Ａのアノードおよびカソードにそれぞれ接続される電力線ＰＬおよびＮＬの間に、トランジスタＱ４１およびＱ４２が直列に接続されるとともに、これと平行にトランジスタＱ５１およびＱ５２が直列に接続されている。そして、それぞれのトランジスタには、ダイオードＤ４１およびＤ４２、ダイオードＤ５１およびＤ５２が逆並列に接続された構成を有している。なお、各相における出力ノードはトランジスタＱ４１およびＱ４２の接続ノードである。
【００８０】
そして、各相のトランジスタＱ５１およびＱ５２の接続ノードは共通に接続され、３つの単相インバータがスター結線された構成となっている。
【００８１】
このような構成においては、互いに電気的に絶縁された電力貯蔵ユニット４Ａが必要となるが、個々の電力貯蔵ユニット４Ａは電力容量が小さくて済むので、小型化できる。
【００８２】
また、３相インバータ５Ａの代わりに、図２４に示す３相インバータ５Ｄを使用しても良い。
【００８３】
図２４に示すように３相インバータ５Ｄは、電源が個々に独立した３つの単相インバータＩＶ１、ＩＶ２およびＩＶ３をデルタ結線して得られる３レベルインバータであり、各相４個ずつ、計１２個のトランジスタを有している。
【００８４】
すなわち、Ｕ、ＶおよびＷに対応する単相インバータＩＶ１、ＩＶ２およびＩＶ３のそれぞれにおいては、電力貯蔵ユニット４Ａのアノードおよびカソードにそれぞれ接続される電力線ＰＬおよびＮＬの間に、トランジスタＱ４１およびＱ４２が直列に接続されるとともに、これと平行にトランジスタＱ５１およびＱ５２が直列に接続されている。そして、それぞれのトランジスタには、ダイオードＤ４１およびＤ４２、ダイオードＤ５１およびＤ５２が逆並列に接続された構成を有している。
【００８５】
なお、各相における出力ノードはトランジスタＱ５１およびＱ５２の接続ノードであるが、Ｕ相の出力ノードには、Ｗ相のトランジスタＱ４１およびＱ４２の接続ノードが接続され、Ｖ相の出力ノードには、Ｕ相のトランジスタＱ４１およびＱ４２の接続ノードが接続され、Ｗ相の出力ノードには、Ｖ相のトランジスタＱ４１およびＱ４２の接続ノードが接続されて、３つの単相インバータがデルタ結線された構成となっている。
【００８６】
このような構成においては、互いに電気的に絶縁された電力貯蔵ユニット４Ａが必要となるが、個々の電力貯蔵ユニット４Ａは電力容量が小さくて済むので、小型化できる。
【００８７】
また、３相インバータ５Ａの代わりに、図２５に示す３相インバータ５Ｅを使用しても良い。
【００８８】
図２５に示すように３相インバータ５Ｅは、電源が個々に独立した２つの単相インバータＩＶ１１およびＩＶ１２をＶ結線して得られる３レベルインバータであり、各インバータに４個ずつ、計８個のトランジスタを有している。
【００８９】
すなわち、各単相インバータにおいては、電力貯蔵ユニット４Ａのアノードおよびカソードにそれぞれ接続される電力線ＰＬおよびＮＬの間に、トランジスタＱ６１およびＱ６２が直列に接続されるとともに、これと平行にトランジスタＱ７１およびＱ７２が直列に接続されている。そして、それぞれのトランジスタには、ダイオードＤ６１およびＤ６２、ダイオードＤ７１およびＤ７２が逆並列に接続された構成を有している。
【００９０】
Ｕ相の出力ノードは、インバータＩＶ１１のトランジスタＱ７１およびＱ７２の接続ノードであり、Ｗ相の出力ノードは、インバータＩＶ１２のトランジスタＱ６１およびＱ６２の接続ノードであり、インバータＩＶ１１のトランジスタＱ６１およびＱ６２の接続ノードと、インバータＩＶ１２のトランジスタＱ７１およびＱ７２の接続ノードとが共通に接続されてＶ相の出力ノードとなっている。
【００９１】
このような構成においては、互いに電気的に絶縁された電力貯蔵ユニット４Ａが必要となるが、個々の電力貯蔵ユニット４Ａは電力容量が小さくて済むので、小型化できる。
【００９２】
以上説明した３相インバータ５Ｃ、５Ｄおよび５Ｅにおいては、高インピーダンスの大容量バッテリーが複数個必要となり、図２０に示した電力バッファ装置１００とは、構成が若干異なることになる。
【００９３】
そこで、図２６には３相インバータ５Ｃを使用する電力バッファ装置１００Ａの構成を示す。なお、図２０に示す電力バッファ装置１００と同一の構成については同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
【００９４】
図２６に示す電力バッファ装置１００Ａにおいては、３相インバータ５Ｃを構成する単相インバータＩＶ１、ＩＶ２およびＩＶ３のそれぞれの直流部には電力貯蔵ユニット４Ａが接続されている。
【００９５】
＜Ｂ．装置動作＞
次に、図２０に示した電力バッファ装置１００の動作について説明する。
電力バッファ装置１００の基本的な動作は、電力系統ＰＷＬの電圧と電力バッファ装置１００の出力電圧との差の電圧が平滑フィルタ６Ａに印加され、電力系統ＰＷＬの電圧が低い場合には、電力バッファ装置１００から電流が電力系統ＰＷＬに供給される。電流を電力系統ＰＷＬに供給する際には電力貯蔵ユニット４および７に充電された電力を消費して分散電源の発電電力の不足分を補償する。
【００９６】
逆に電力系統ＰＷＬの電圧が高い場合には、電力系統ＰＷＬから電流が電力バッファ装置１００供給される。この場合には、分散電源の発電電力の余剰電力が電力貯蔵ユニット４および７の充電に使用される。なお、電力バッファ装置１００の出力の電流波形は、高調波成分が極力少ない正弦波状のものが望ましい。
【００９７】
ここで、説明を簡単にするために平滑フィルタ６Ａの容量は充分に小さく、系統電圧にほぼ等しい電圧を電力バッファ装置１００が出力するものと仮定する。
【００９８】
以下、動作説明のための電力制御パターンの一例として、図２７に示すような電力制御パターンを電力系統ＰＷＬに供給するものとする。
【００９９】
図２７において、長時間の電力変動に幅は±５００ｋＷ以下であり、短時間の電力変動の幅も±５００ｋＷ以下であると仮定する。なお、図２７は電力系統ＰＷＬの電力変動に対して、それを抑制するように動作する電力制御パターンであり、電力系統ＰＷＬの電力変動パターンは、図２７のパターンを反転させたものに相当する。
【０１００】
図２７においては、電力制御パターンを領域Ａ〜Ｅの５つに分類している。
すなわち、領域Ａは長時間の電力変動および短時間の電力変動が独立して存在し、ともに抑制すべき電力変動は５００ｋＷ以下の領域である。また、領域ＢおよびＤは、長時間の電力変動に短時間の負極性の電力変動が重畳された領域であり、領域Ｃは、長時間の電力変動に短時間の正極性の電力変動が重畳された領域である。そして、領域Ｅは、長時間の電力変動のみが存在する領域である。
【０１０１】
＜Ｂ−１．領域Ａでの変動抑制＞
図２８（ａ）、（ｂ）および図２９（ａ）、（ｂ）は、図２７に示す領域Ａの電力制御パターンに相当する電力バッファ装置１００の出力波形を示している。
【０１０２】
図２８（ａ）に示す制御パターンＰ１において、３相インバータ５Ａの相電圧出力は電力バッファ装置１００の出力波形の半周期について、当該半周期分の正弦波の一部を包含する１パルスを出力する。そして、単相インバータ３１〜３３および４１〜４３の組み合わせは、正弦波の立ち上がり、立ち下がり部分で正の電圧、中央部分で負の電圧とを発生し、正弦波電流との演算によるトータル電力量がゼロとなるように制御回路１０によって制御されている。なお、単相インバータ３１〜３３および４１〜４３の出力と３相インバータ５Ａが出力する１パルスと合わせることで、電力系統の電圧波形との電圧差を解消して電力系統の電圧波形に近似するように制御されている。
【０１０３】
すなわち、単相インバータ３１〜３３および４１〜４３は、３相インバータ５Ａが出力する１パルスに対応する位置に、当該１パルスとは反対の極性の電圧パターンを形成し、当該電圧パターンは、電力系統の電圧波形と３相インバータ５Ａが出力する１パルスとの電圧差を解消するとともに、正弦波の立ち上がり、立ち下がり部分の電力を打ち消すように設定されている。
【０１０４】
単相インバータの電力量の制御は、３相インバータの１パルスの出力幅で行うことができる。また、電力系統へ供給する電流の大きさは、電力バッファ装置１００の出力電圧の大きさを調整することで制御できる。
【０１０５】
なお、電力バッファ装置１００の出力動作は、図７（ａ）〜（ｄ）を用いて説明した電力バッファ装置９０の出力動作と同じであり、図７（ａ）に示す出力電圧Ｖｕｃが、図２８（ａ）における３相インバータ５Ａの出力電圧に対応し、図７（ｂ）、（ｃ）に示した、出力電圧ＶｕｂおよびＶｕａが、単相インバータ３１〜３３および４１〜４３の組み合わせによる出力電圧に対応する。
【０１０６】
図７（ａ）〜（ｄ）と異なるのは、３相インバータ５Ａにおいては、出力パルスのパルス幅およびパルス高さが、正弦波状の系統電圧波形の半周期のうち一部分あるいは半周期の全部を包含するように設定されているので、系統電圧との差の分を単相インバータ３１〜３３および４１〜４３による負極性の出力電圧としてキャンセルすることで、電力系統の電圧波形に近似するように構成されている点である。
【０１０７】
ここで、単相インバータ３１〜３３および４１〜４３の組み合わせによる出力電圧は、ＰＷＭ制御などを併用した高精度の電圧であり、ここでは、平滑フィルタ６Ａで平滑された後の波形イメージを示している。
【０１０８】
また、図２８（ｂ）に示す制御パターンＰ１１は、出力電流が系統電圧に対して負の場合の出力波形を示しており、電力貯蔵ユニット４に電力系統ＰＷＬから余剰電力を充電している場合のパターンである。なお、出力電流の極性が反転しているだけで、その他は図２８（ａ）に示す制御パターンＰ１と同様である。
【０１０９】
図２７において領域Ａは抑制すべき電力変動が５００ｋＷ以下であるため、高インピーダンスで大容量のバッテリーで構成される電力貯蔵ユニット４が接続されている３相インバータ５Ａによって電力変動の抑制を行う。
【０１１０】
この理由は、領域Ａの変動抑制に小容量の低インピーダンスキャパシタもしくは低インピーダンスバッテリーで構成される電力貯蔵ユニット７が接続されている単相インバータ３１〜３３および４１〜４３により電力を供給すると、電力貯蔵ユニット７では容量が小さく、充分な電力供給ができない可能性があるだけでなく、電力貯蔵ユニット７の蓄電量が不足している状態で、図２７に示す波形Ｑのような１ＭＷのピークを有する突発的な変動抑制が発生した場合に対応できなくなるからである。
【０１１１】
また、図２９（ａ）、（ｂ）に示す制御パターンＰ２およびＰ１２は、図２８（ａ）、（ｂ）に示す制御パターンＰ１およびＰ１１と同様であるが、制御パターンＰ２およびＰ１２は、図２７に示す波形Ｐのように、長時間の電力変動がなく短時間の電力変動（±５００ｋＷ以下）のみが発生する場合に使用する。
【０１１２】
この理由は、電力貯蔵ユニット７が接続されている単相インバータ３１〜３３および４１〜４３により電力を供給すると、電力貯蔵ユニット７の蓄電量が不足している状態で、図２７に示す波形Ｑのような１ＭＷのピークを有する突発的な変動が発生した場合に対応できなくなるからである。
【０１１３】
以上説明したように、制御パターンＰ１、Ｐ１１、Ｐ２およびＰ１２は、長時間の電力変動と、短時間の電力変動とが独立して発生することが考えられる場合で、かつ電力変動が所定値以下、ここでは５００ｋＷ以下の場合の抑制に有効である。
【０１１４】
＜Ｂ−２．領域ＢおよびＤでの変動抑制＞
図２７に示す領域ＢおよびＤは、５００ｋＷの長時間の変動に５００ｋＷの短時間の負極性の変動が重畳している場合の電力制御パターンを示しており、１ＭＷの電力を供給する必要があるため、３相インバータ５Ａおよび単相インバータ３１〜３３および４１〜４３から電力を供給する。
【０１１５】
図３０（ａ）、（ｂ）は、図２７に示す領域ＢおよびＤの電力制御パターンに相当する電力バッファ装置１００の出力パターンを示している。
【０１１６】
図３０（ａ）に示す制御パターンＰ３において、３相インバータ５Ａの相電圧出力は１パルスの電圧を出力するが、そのパルス幅は図２８（ａ）に示す制御パターンＰ１よりも狭くなっている。一方、単相インバータ３１〜３３および４１〜４３の出力は、正弦波の立ち上がり、立ち下がり部分で出力する時間が長いため、合計の電力量はゼロではなく、３相インバータ５Ａと同様に正の値となる。従って、このパターンでは単相インバータ３１〜３３および４１〜４３は、領域ＢおよびＤにおける短時間の電力変動の抑制を担っていることとなり、単相インバータ３１〜３３および４１〜４３に接続される電力貯蔵ユニット７のエネルギーは減少することとなる。
【０１１７】
ここで、電力系統ＰＷＬに供給する電流の値が２倍になるように制御すればトータルの電力量は１ＭＷとなり、また１パルスのパルス幅およびパルス高さを調整することにより、単相インバータと３相インバータとの電力の比を定めることができる。なお、図３０（ａ）、（ｂ）に示す例では、単相インバータ３１〜３３および４１〜４３の出力電力のトータルと３相インバータ５Ａの出力電力とが同じになるように１パルスのパルス幅をおよびパルス高さが設定されている。
【０１１８】
また、図３０（ｂ）に示す制御パターンＰ１３は、出力電流が系統電圧に対して負の場合の出力波形を示しており、電力貯蔵ユニット４および７の両方に電力系統ＰＷＬから余剰電力を充電する場合のパターンである。
【０１１９】
以上説明したように、制御パターンＰ１およびＰ３は、長時間の電力変動に短時間の電力変動が重畳して発生することが考えられる場合で、かつ電力変動が所定値を越える場合、ここでは５００ｋＷを越える場合の抑制に有効である。
【０１２０】
＜Ｂ−３．領域Ｃでの変動抑制＞
図２７に示す領域Ｃは、５００ｋＷの長時間の変動に短時間でかつ正極性の電力変動が重畳している場合の電力制御パターンを示している。そして、領域Ｂにおける正極性の制御パターンの後に連続しているので、領域Ｂの制御パターンの生成のために、電力貯蔵ユニット７のエネルギーが減少しているので、長時間の電力変動を抑制する動作を維持しつつ、短時間の電力変動を抑制するために使用する電力貯蔵ユニット７を充電する。そうでないと、次の領域Ｄで再び高い電力を出力できなくなるからである。
【０１２１】
このため、領域Ｃでは３相インバータ５Ａは正極性の電力を供給し、単相インバータ３１〜３３および４１〜４３は負極性の電力を供給することになる。これに対応する制御パターンを、図３１（ａ）、（ｂ）、図３２（ａ）、（ｂ）および図３３（ａ）、（ｂ）に示す。
【０１２２】
図３１（ａ）に示す制御パターンＰ４は、３相インバータ５Ａの出力する１パルスの幅を、図２８（ａ）に示した制御パターンＰ１よりも広げ、正弦波の半周期１００％分の長さ相当するパルス幅とし、出力波形の半周期分を包含するようにパルス幅およびパルス高さが設定されている。
【０１２３】
このようなパターンを採用する場合、単相インバータ３１〜３３および４１〜４３の出力は電流に対して逆極性の電圧を発生する時間が長くなるため、３相インバータ５Ａが正極性の電力、単相インバータ３１〜３３および４１〜４３が負極性の電力を出力することができる。
【０１２４】
また、図３１（ｂ）に示す制御パターンＰ１４は、出力電流が系統電圧に対して負の場合の出力波形を示しており、電力貯蔵ユニット４に電力系統ＰＷＬから余剰電力を充電している場合のパターンである。なお、出力電流の極性が反転しているだけで、その他は図３１（ａ）に示す制御パターンＰ４と同様である。
【０１２５】
図３１（ａ）に示す制御パターンＰ４の場合、３相インバータ５Ａの出力する１パルスの幅を正弦波の半周期１００％に広げても、３相インバータ５Ａの出力電力と単相インバータ３１〜３３および４１〜４３の出力電力との比には限界があり、制御パターンＰ４のような波形条件（３相インバータの出力電圧ピークと系統電圧のピークが一致する条件）においては、その比は矩形波の面積と正弦波の面積から１：（１−２/π）となり最大でも１：０．３６程度である。従って、長時間の変動を制御するための３相インバータ５Ａの出力電力が５００ｋＷであるのに対し、短時間の変動を制御するための単相インバータ３１〜３３および４１〜４３の出力電力は−１８０ｋＷ程度である。
【０１２６】
従って、図２７に示す領域Ｃのように、５００ｋＷの長時間の変動に短時間の正極性の電力変動が重畳している場合には、単相インバータ３１〜３３および４１〜４３による負極性の出力電力をより大きくすることが望ましい。
【０１２７】
３相インバータ５Ａの出力電力に対する単相インバータ３１〜３３および４１〜４３の出力電力の比をより大きくするには、図３２（ａ）、（ｂ）に示す制御パターンＰ５およびＰ１５が有効である。
【０１２８】
図３２（ａ）に示す制御パターンＰ５においては、出力電流が系統電圧に対して９０度ずれるように制御されているので、電力系統ＰＷＬに供給する電力は全て無効電力となりトータルの有効電力はゼロである。
【０１２９】
そして、系統電圧の正弦波の前半部分では単相インバータ３１〜３３および４１〜４３が電圧出力を担い、後半部分では３相インバータ５Ａは１パルスを出力し、単相インバータ３１〜３３および４１〜４３は逆極性の電圧を出力している。すなわち、単相インバータ３１〜３３および４１〜４３は、系統電圧の正弦波の前半部分を構成する電圧パターンを出力するとともに、系統電圧の正弦波の後半部分では、３相インバータ５Ａが出力する１パルスに対応する位置に、当該１パルスとは反対の極性の電圧パターンを形成し、当該電圧パターンは、電力系統の電圧波形と３相インバータ５Ａが出力する１パルスとの電圧差を解消する電圧パターンを出力している。
【０１３０】
このようなパターンを採用する場合、単相インバータ３１〜３３および４１〜４３は電圧と電流との積が何れの時刻でも負となり、３相インバータ５Ａは電圧と電流との積が正となる。
【０１３１】
また、トータルの電力がゼロであるということは、単相インバータ３１〜３３および４１〜４３と３相インバータ５Ａとの電力は極性が反対で、絶対値は同じということになる。すなわち、３相インバータ５Ａの出力電力と単相インバータ３１〜３３および４１〜４３の出力電力との比は１：１ということになる。従って、長時間の変動を制御するための３相インバータ５Ａの出力電力が５００ｋＷであるのに対し、短時間の変動を制御するための単相インバータ３１〜３３および４１〜４３の出力電力は−５００ｋＷとなり、電力バッファ装置１００全体での出力の収支はゼロとなる。
【０１３２】
このような制御パターンＰ５を用いることで、領域Ｃにおいて、トータル電力がゼロでありながら小容量の低インピーダンスキャパシタもしくは低インピーダンスバッテリーで構成される電力貯蔵ユニット７を充電することが可能となる。
【０１３３】
なお、図３２（ｂ）に示す制御パターンＰ１５は、出力電流が系統電圧に対して負の場合の出力波形を示しており、電力貯蔵ユニット４に電力系統ＰＷＬから余剰電力を充電している場合のパターンである。なお、出力電流の極性が反転しているだけで、その他は図３２（ａ）に示す制御パターンＰ５と同様である。
【０１３４】
出力電流が系統電圧に対して９０度ずれるように制御することでトータルの有効電力をゼロとする制御パターンとしては、図３３（ａ）、（ｂ）に示す制御パターンＰ６およびＰ１６も考えられる。
【０１３５】
図３３（ａ）に示す制御パターンＰ６においても、出力電流が系統電圧に対して９０度ずれるように制御されているので、電力系統ＰＷＬに供給する電力は全て無効電力となりトータルの有効電力はゼロである。
【０１３６】
そして、３相インバータ５Ａが出力する１パルスのパルス幅およびパルス高さは、図３２（ａ）に示した制御パターンＰ５よりも広く、系統電圧の正弦波の半周期の半分以上を包含している。
【０１３７】
このため、３相インバータ５Ａが出力するパルスのうち、正弦波の前半部分に対応する領域は出力電流が負極性であり、この領域での３相インバータ５Ａの出力電力は負極性となる。従って、この負極性の出力電力分だけ３相インバータ５Ａのトータル電力は図３２（ａ）に示した制御パターンＰ５よりも小さくなる。従って、長時間の変動を制御するための３相インバータ５Ａの出力電力が３００ｋＷであるのに対し、短時間の変動を制御するための単相インバータ３１〜３３および４１〜４３の出力電力は−３００ｋＷとなり、電力バッファ装置１００全体での出力の収支はゼロとなる。
【０１３８】
また、単相インバータ３１〜３３および４１〜４３が電圧出力を担うのは、系統電圧の正弦波の前半部分の半分以下であるので、単相インバータ３１〜３３および４１〜４３のトータル電力は図３２（ａ）に示した制御パターンＰ５よりも小さくなる。
【０１３９】
さらに、３相インバータ５Ａがパルスを出力すると同時に、単相インバータ３１〜３３および４１〜４３は負極性の電圧を出力し、その状態は位相９０度まで続く。この負極性の電圧を維持している領域では電流も負極性であるため、単相インバータ３１〜３３および４１〜４３の出力電力は正極性となる。このため、単相インバータ３１〜３３および４１〜４３の出力のうち、この負極性の出力電力分だけトータル電力が小さくなる。
【０１４０】
このような制御パターンＰ６を用いることで、領域Ｃにおいて、トータル電力がゼロでありながら小容量の低インピーダンスキャパシタもしくは低インピーダンスバッテリーで構成される電力貯蔵ユニット７を充電することが可能となる。
【０１４１】
なお、図３３（ｂ）に示す制御パターンＰ１６は、出力電流が系統電圧に対して負の場合の出力波形を示しており、電力貯蔵ユニット４に電力系統ＰＷＬから余剰電力を充電している場合のパターンである。なお、出力電流の極性が反転しているだけで、その他は図３３（ａ）に示す制御パターンＰ５と同様である。
【０１４２】
出力電流が系統電圧に対して９０度ずれるように制御することでトータルの有効電力をゼロとする制御パターンとしては、図３４（ａ）、（ｂ）に示す制御パターンＰ７およびＰ１７も考えられる。
【０１４３】
図３４（ａ）、（ｂ）に示す制御パターンＰ７およびＰ１７においては、３相インバータ５Ａの出力パターンおよび単相インバータ３１〜３３および４１〜４３の出力パターンは、図３３（ａ）、（ｂ）に示す制御パターンＰ６およびＰ１６と同じである。
【０１４４】
しかし、制御パターンＰ７およびＰ１７においては、系統電圧と同相の有効電流成分と系統電圧に対して９０度ずれた無効電流成分とを合成した電流を流している。なお、図３４（ａ）、（ｂ）においては有効電流成分と無効電流成分とを合成した電流の代わりに有効電流成分および無効電流を示している。
【０１４５】
この場合、無効電流成分は電力貯蔵ユニット４および７に対する充電に寄与し、有効電流成分は電力系統ＰＷＬへの電力の供給に寄与する。
【０１４６】
従って、両者を混合した電力の比は、例えば３相インバータ５Ａの出力電力が７００ｋＷ（あるいは−７００ｋＷ）、単相インバータ３１〜３３および４１〜４３の出力電力が−２００ｋＷ（あるいは２００ｋＷ）となるように、トータル電力が正極性または負極性の電力となる条件で、２つのインバータの電力の極性を反対にすることが可能である。
【０１４７】
＜Ｃ．効果＞
以上説明したように、図２０に示した電力バッファ装置１００を用いることで、３相インバータのスイッチングを１パルス化できるため、スイッチング損失を大幅に低減することが可能となる。
【０１４８】
また、３相インバータと単相インバータとを組み合わせて使用することで、系統電圧の正弦波に近似した高精度の電圧波形を生成することができ、平滑フィルタ６Ａの容量を大幅に低減することができる。
【０１４９】
また、電力貯蔵ユニット４および７を、それぞれ３相インバータ５Ａの直流源および単相インバータ３１〜３３および４１〜４３の直流源として使用し、３相インバータと単相インバータとの出力の組み合わせパターンを調整することで２種類の電力貯蔵ユニットからの電力負担量を任意に設定することが可能となるため、チョッパ回路が不要となり、装置の低コスト化、低損失化を図ることができる。
【０１５０】
なお、以上の説明においては、電力系統が３相であるものとして説明し、多相インバータとして３相インバータを使用する例を示したが、本発明の適用はこれに限定されるものではなく、３相よりも多くの相を有する電力系統に対しても適用可能であるし、また電力系統が２相である場合にも本発明は適用可能であることは言うまでもなく、その場合には３相インバータの代わりに２相インバータを用いれば良い。
【０１５１】
また、以上の説明では多相インバータの出力部の各相ごとに電力系統との間でそれぞれ同数の単相インバータを配設する構成を示したが、これに限定されるものではなく、多相インバータの出力部の各相ごとに電力系統との間で単相インバータの配設個数が異なる構成であっても良い。
【０１５２】
また、以上の説明では多相インバータの出力部の各相ごとに電力系統との間でそれぞれ複数の単相インバータを配設する構成を示したが、これに限定されるものではなく、多相インバータの出力部の各相ごとに電力系統との間に１つの単相インバータを配設した構成であっても本発明の実現は可能であり、多相インバータの出力部の各相ごとに電力系統との間に１つ以上の単相インバータを有していれば良い。
【図面の簡単な説明】
【０１５３】
【図１】太陽光発電装置の出力特性を示す図である。
【図２】太陽光発電装置の出力特性をパターン化した図である。
【図３】本発明に至る第１のステップの電力バッファ装置の構成例を示すブロック図である。
【図４】本発明に至る第１のステップの電力バッファ装置の動作を模式的に説明する図である。
【図５】本発明に至る第１のステップの電力バッファ装置の他の構成例を示すブロック図である。
【図６】本発明に至る第２のステップの電力バッファ装置の構成例を示すブロック図である。
【図７】本発明に至る第２のステップの電力バッファ装置の動作を模式的に説明する図である。
【図８】３相インバータおよび単相インバータを直列に接続した場合の、各出力電圧の電圧比と最終出力電圧との関係を示す図である。
【図９】３相インバータおよび単相インバータを直列に接続した場合の、各出力電圧の電圧比と最終出力電圧との関係を示す図である。
【図１０】３相インバータおよび単相インバータを直列に接続した場合の、各出力電圧の電圧比と最終出力電圧との関係を示す図である。
【図１１】３相インバータおよび単相インバータを直列に接続した場合の、各出力電圧の電圧比と最終出力電圧との関係を示す図である。
【図１２】３相インバータおよび単相インバータを直列に接続した場合の、各出力電圧の電圧比と最終出力電圧との関係を示す図である。
【図１３】３相インバータおよび単相インバータを直列に接続した場合の、各出力電圧の電圧比と最終出力電圧との関係を示す図である。
【図１４】３相インバータおよび単相インバータを直列に接続した場合の、各出力電圧の電圧比と最終出力電圧との関係を示す図である。
【図１５】３相インバータおよび単相インバータを直列に接続した場合の、各出力電圧の電圧比と最終出力電圧との関係を示す図である。
【図１６】３相インバータおよび単相インバータを直列に接続した場合の、各出力電圧の電圧比と最終出力電圧との関係を示す図である。
【図１７】３相インバータおよび単相インバータを直列に接続した場合の、各出力電圧の電圧比と最終出力電圧との関係を示す図である。
【図１８】ＰＷＭ制御を併用した場合の効果を模式的に説明する図である。
【図１９】ＰＷＭ制御を併用する場合の電圧比の条件を示す図である。
【図２０】本発明に係る実施の形態の電力バッファ装置の構成例を説明するブロック図である。
【図２１】３相インバータの構成例を説明する図である。
【図２２】３相インバータの構成例を説明する図である。
【図２３】３相インバータの構成例を説明する図である。
【図２４】３相インバータの構成例を説明する図である。
【図２５】３相インバータの構成例を説明する図である。
【図２６】本発明に係る実施の形態の電力バッファ装置の他の構成例を説明するブロック図である。
【図２７】電力制御パターンの一例を示す図である。
【図２８】本発明に係る実施の形態の電力バッファ装置の出力波形を示す図である。
【図２９】本発明に係る実施の形態の電力バッファ装置の出力波形を示す図である。
【図３０】本発明に係る実施の形態の電力バッファ装置の出力波形を示す図である。
【図３１】本発明に係る実施の形態の電力バッファ装置の出力波形を示す図である。
【図３２】本発明に係る実施の形態の電力バッファ装置の出力波形を示す図である。
【図３３】本発明に係る実施の形態の電力バッファ装置の出力波形を示す図である。
【図３４】本発明に係る実施の形態の電力バッファ装置の出力波形を示す図である。
【符号の説明】
【０１５４】
４，７  電力貯蔵ユニット、５Ａ  ３相インバータ、３１〜３３，４１〜４３  単相インバータ、ＰＷＬ  電力系統。
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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