(57)【要約】【課題】系統が発生する無効電力処理を達成すると共に常時、逆潮流を発生させることなく発電電力を有効に活用できる電力変換手段を提供する電力変換装置を提供する。【解決手段】第２コンバータ１８の動作と蓄電手段１９によって、直流電源１１が発生した電力の一部を内部に電力として充電し、蓄電された電力は必要に応じて外部に取り出すことができるものである。【選択図】図１
2005218150.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高周波トランスと、前記高周波トランスで絶縁された１次側に直流電源と、直流電力を高周波電力に変換する第１コンバータとが配置され、前記高周波トランスの２次側には整流手段と、スイッチング素子４個で構成されて系統に交流電流を注入するインバータと、直流電力を所定の電圧に変換する第２コンバータと、蓄電手段とが配置され、前記整流手段の出力には前記インバータと第２コンバータとを並列に接続し、前記第２コンバータの出力には直列に蓄電手段を接続した電力変換装置。
【請求項２】
蓄電手段を２次電池で構成した請求項１記載の電力変換装置。
【請求項３】
蓄電手段の直流電圧を検出する電圧検知手段を配置し、直流電圧に基づいて第２コンバータの出力電流を決定する請求項１または２に記載の電力変換装置。
【請求項４】
第２コンバータ制御手段から出力された電流指令値は出力電流リミッタと比較され、前記第２コンバータの出力電流を一定以下で制御する請求項１〜３のいずれか１項に記載の電力変換装置。
【請求項５】
第２コンバータは双方向出力が可能な構成として、蓄電手段からインバータに電力を供給する請求項１〜４のいずれか１項に記載の電力変換装置。
【請求項６】
双方向コンバータはインバータの回生電力を蓄電手段に充電する請求項１〜５のいずれか１項に記載の電力変換装置。
【請求項７】
電圧検知手段の検知電圧がしきい値以下の時は第２コンバータの動作を停止する請求項１〜６のいずれか１項に記載の電力変換装置。
【請求項８】
第２コンバータの制御電力を蓄電手段から供給する請求項１〜７のいずれか１項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、太陽電池または燃料電池などの直流電力を商用周波数の交流電力に変換して系統に電力を注入する電力変換装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種の電力変換装置としては、例えば高周波トランスの１次側に共振コンデンサとスイッチング素子を配置し、スイッチング素子の電圧波形を共振させてゼロ電圧スイッチング動作を行うと共に、１次インバータが商用２倍周期で正弦波変調を行い、さらに高周波トランスの２次側ではダイオードとコンデンサで高周波成分を整流し、高周波トランスの２次側に配置した２次インバータで極性切換を行うことにより、概ね力率１の正弦波電流を生成している高効率な電力変換装置があった（例えば特許文献１参照）。
【０００３】
図８は、従来使用している電力変換装置の構成を示す接続図である。直流電源１の出力電力は第１インバータ２で高周波電力に変換された後、高周波トランス３を介して２次側へ電力伝達される。高周波トランス３の２次側に発生した高周波電力は整流手段４で高周波の脈流に変換され、フィルタコンデンサ９で高周波電流成分のみが除去された後、第２インバータ５で系統６に同期した正弦波状の交流電流に変換されて、系統６に注入されるものである。ここで、第１インバータ２はスイッチング素子８と共振コンデンサ７で構成され、第２インバータ５はＱ１からＱ４の４個のスイッチング素子でフルブリッジ構成されている。
【特許文献１】特開２０００−３２７５１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、前記従来の構成では、整流手段の通流が系統への単方向のみであり、さらにフィルタコンデンサが高周波成分のフィルタ機能しか有していないため、必要な無効電力処理を行うことができなかった。また、経済性の面で逆潮流が困難でかつ応答性が低い燃料電池のような直流電源においては、発電電力が系統に接続された家庭内機器で消費されない場合、装置内部で発生エネルギーを熱に変換処理する必要があった。
【０００５】
本発明は、上記従来の課題を解決するもので、直流電源で発生した電力を内部に蓄電する手段を有し、系統が発生する無効電力処理を達成すると共に常時、逆潮流を発生させることなく発電電力を有効に活用できる電力変換手段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】
【０００６】
前記目的を達成するために、本発明の電力変換装置は、高周波トランスの２次側の整流手段の出力に第２コンバータと、これに接続された蓄電手段を設けたものである。第２コンバータの動作と蓄電手段によって、内部に電力を充電し、蓄電された電力は必要に応じて外部に取り出すことができるものである。
【発明の効果】
【０００７】
本発明の電力変換装置は、高周波トランスの２次側に接続された蓄電手段に、商用周期内の無効電力を一時的に蓄えることに加えて、定常的にも電力を充電して発電電力の系統への逆潮流を防止することができるため、直流電源の安定な運転が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
第１の発明は、高周波トランスと、高周波トランスで絶縁された１次側に直流電源と、直流電力を高周波電力に変換する第１コンバータとが配置され、高周波トランスの２次側には整流手段と、スイッチング素子４個で構成されて系統に交流電流を注入するインバータと、直流電力を所定の電圧に変換する第２コンバータと、蓄電手段とが配置され、整流手段の出力にはインバータと第２コンバータとを並列に接続し、第２コンバータの出力には直列に蓄電手段を接続することで、発電が家庭内機器の消費を上回った電力を蓄電手段に充電することができる。
【０００９】
第２の発明は、特に、第１の発明の蓄電手段を２次電池で構成することで、安価な構成とすることができる。
【００１０】
第３の発明は、第１または第２の発明において、蓄電手段の直流電圧を検出する電圧検知手段を配置し、直流電圧に基づいて第２コンバータの出力電流を決定することで、蓄電手段の直列及び並列構成に依存しない汎用性のある装置とすることができる。
【００１１】
第４の発明は、第１〜３のいずれか１つの発明において、第２コンバータの出力電流を一定値以下で制御することで、蓄電手段を長寿命化することができるものである。
【００１２】
第５の発明は、第１〜４のいずれか１つの発明において、第２コンバータは双方向出力が可能な構成として、蓄電手段からインバータに電力を供給することで、仮に停電が発生し、かつ直流電源から電力が供給されない場合でも、家庭内機器に電力を供給することができる。
【００１３】
第６の発明は、第１〜５のいずれか１つの発明において、双方向コンバータがインバータの回生電力を蓄電手段に充電することで、系統の揺動に対しても装置の安定な動作を確保することができる。
【００１４】
第７の発明は、第１〜６のいずれか１つの発明において、電圧検知手段の検知電圧がしきい値以下の時は制御手段が双方向コンバータの動作を停止することで、蓄電手段がないことを自動で判定する安全な装置とすることができる。
【００１５】
第８の発明は、第１〜７のいずれか１つの発明において、双方向コンバータの制御電力を蓄電手段から供給することで、直流電源及び系統の動作状態にかかわらず、双方向コンバータが動作するための電力を安定に供給することができる。
【００１６】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、本実施の形態によって本発明が限定されるものではない。
【００１７】
（実施の形態１）
本実施の形態は請求項１、２に係わる。図１は、本発明の第１の実施の形態における電力変換装置の接続図を示すものである。
【００１８】
図１において、直流電源１１で発電した直流電力は、第１コンバータ１２で高周波電力に変換された後、高周波トランス１３で昇圧されて２次側へ電力伝達される。高周波トランス１３の２次側には整流手段１４が配置され、整流手段１４の出力にはフィルタコンデンサ１６を有するインバータ１５と、第２コンバータとが並列に接続されている。またインバータ１５の出力には系統１７が、第２コンバータ１８の出力には蓄電手段１９がそれぞれ接続されている。
【００１９】
以上のように構成された電力変換装置について以下にその動作、作用を説明する。
【００２０】
まず、直流電源１１の出力が家庭内機器の消費電力に比較して小さい時は、第１コンバータ１２が商用２倍周期で正弦波変調を行い、高周波トランス１３の２次側に発生した高周波電力の内、高周波成分はフィルタコンデンサ１６で除去され、商用周波成分がインバータ１５で極性切換されて、系統電圧に同期した低歪みの交流電流を生成する。一方、直流電源１１の出力が家庭内電力に比較して大きく、そのままでは系統１７への逆潮流が発生するような場合は、第２コンバータ１８が整流手段１４を通過した電力の一部を蓄電手段１９に充電する。
【００２１】
以上のように、本実施例の形態においては直流電源で発生した電力の内、家庭内で消費されない電力を第２コンバータが蓄電手段に充電することで、装置を停止させることなくしかも系統への逆潮流を発生させずに電力を蓄電することができる。
【００２２】
なお、蓄電手段１９を２次電池にすることで、安価な構成とすることができる。
【００２３】
（実施の形態２）
本実施の形態は請求項３に係わる。図２は、本発明の第２の実施の形態における電力変換装置の接続図を示すものである。
【００２４】
図２において、図１の回路構成と異なるのは、蓄電手段１９の電圧検出手段２０と、第２コンバータ制御手段２１と、第２コンバータ電力指令手段２２とを配置して、第２コンバータに電流指令値を与えるようにした点である。上記以外の構成要素は第１の実施の形態と同等であり、説明を省略する。
【００２５】
以上のように構成された電力変換装置について以下にその動作、作用を説明する。
【００２６】
直流電源１１の出力が家庭内電力に比較して大きく、そのままでは系統１７への逆潮流が発生するような場合に、第２コンバータ１８の余剰電力が充電電力として演算されて、第２コンバータ電力指令手段２２から電力指令値が生成される。同時に電圧検出手段２０は蓄電手段１９の電圧を検出し、前記電力指令値を除算することで、電流指令値が得られる。電流指令値は第２コンバータ制御手段２１を通じて、第２コンバータ１８のスイッチング素子の駆動信号として与えられる。
【００２７】
以上のように、本実施の形態においては蓄電手段の直流電圧を検出する電圧検知手段を有し、蓄電手段の直流電圧に基づいて第２コンバータの出力電流指令値を決定することで、蓄電手段の直列及び並列構成に依存しない汎用性のある装置とすることができる。
【００２８】
（実施の形態３）
本実施の形態は請求項４に係わる。図３は、本発明の第３の実施の形態における電力変換装置の接続図を示すものである。
【００２９】
図３において、図２の回路構成と異なるのは、第２コンバータ制御手段２１の出力に出力電流リミッタ２３を配置する構成とした点である。上記以外の構成要素は第２の実施の形態と同等であり、説明を省略する。
【００３０】
以上のように構成された電力変換装置について、図３を参照して以下にその動作、作用を説明する。
【００３１】
図３において、直流電源１１の出力が家庭内電力に比較して大きく、そのままでは系統１７への逆潮流が発生するような場合に、第２コンバータ１８の余剰電力が充電電力として演算されて、第２コンバータ電力指令手段２２から電力指令値が生成される。同時に電圧検出手段２０は蓄電手段１９の電圧を検出し、前記電力指令値を除算することで、第２コンバータ制御手段２１で電流指令値が得られる。ここで、前記電力指令値と蓄電手段１９の電圧によって決定された第２コンバータ１８への出力電流指令値が、出力電流リミッタ２３に比較して大きい場合、電流指令値は出力電流リミッタ値に変更されて、第２コンバータ１８のスイッチング素子の駆動信号として与えられる。なお、出力電流リミッタ値は蓄電手段１９の容量によって決定づけられるものである。
【００３２】
以上のように、本実施の形態においては第２コンバータの出力電流を一定値以下で制御することで、蓄電手段を長寿命化することを実現することができる。
【００３３】
（実施の形態４）
本実施の形態は請求項５に係わる。図４は、本発明の第４の実施の形態における電力変換装置の接続図を示すものである。
【００３４】
図５において図３の回路構成と異なるのは、第２コンバータを双方向コンバータ２４として、インバータ１５と系統１７との間にリレーを配置して装置と系統１７との切り離しを可能にした点である。上記以外の構成要素は第１の実施の形態と同等であり、説明を省略する。
【００３５】
以上のように構成された電力変換装置について、以下にその動作、作用を説明する。
【００３６】
インバータ１５と系統１７との間は切り離しが可能とする構成において、直流電源１１の出力が家庭内電力に比較して大きく、そのままでは系統１７への逆潮流が発生するような場合は、双方向コンバータ２４が整流手段１４を通過した電力の一部を蓄電手段１９に充電する。また、インバータ１５の出力を系統１７と独立に出力する場合において、蓄電手段１９の電圧は双方向コンバータ２４によって、インバータ１５の出力電圧ピーク（例えばＡＣ１００Ｖの時は１４１Ｖ）以上の直流電圧に変換されて、インバータ１５に入力される。さらにインバータ１５は高周波スイッチングによって正弦波を出力し、系統１７とは独立の交流電源として動作する。
【００３７】
以上のように、本実施の形態においては第２コンバータが双方向出力が可能な構成として、蓄電手段からインバータに電力を供給することで、仮に停電が発生し、かつ直流電源から電力が供給されない場合でも、家庭内機器に電力を供給することができる。
【００３８】
（実施の形態５）
本実施の形態は請求項６に係わる。図５は、本発明の第５の実施の形態における電力変換装置の接続図を示すものである。
【００３９】
図５において図４の回路構成と異なるのは、フィルタコンデンサ１６の入力電圧を検出するフィルタコンデンサ電圧検知手段２５を配置して、双方向コンバータ制御手段２６で双方向コンバータ２４を制御する構成とした点である。上記以外の構成要素は第４の実施例と同等であり、説明を省略する。
【００４０】
以上のように構成された電力変換装置について、以下にその動作、作用を説明する。
【００４１】
通常、力率１運転時は第１コンバータ１２が商用周期で正弦波変調を行い、高周波トランス１３の２次側に発生した高周波電力の内、整流手段１４を通過した電流の中で、高周波成分はインバータ１５のフィルタコンデンサ１６で除去され、商用周波成分がインバータ１５で極性切換されて、系統電圧に同期した低歪み電流を生成する。しかし、系統１７が位相跳躍や周波数変化といった揺動を発生した場合は、インバータ１２の入力への回生電力が発生し、フィルタコンデンサ１６の電圧が急激に増加する。ここで、フィルタコンデンサ電圧検知手段２５で電圧を検知して、一定値以上であれば双方向コンバータ２４は蓄電手段１９に前記回生電力を蓄積することで、フィルタコンデンサ１６の電圧増加を抑えて装置の動作を維持する。
【００４２】
以上のように、本実施の形態においては第２コンバータがインバータの回生電力を蓄電手段に充電することで、系統の揺動に対しても装置の安定な動作を確保することができる。
【００４３】
（実施の形態６）
本実施の形態は請求項７に係わる。本実施の形態６において、回路の構成要素は第２の実施の形態と同様であり、説明を省略する。
【００４４】
以上のように構成された電力変換装置について、図６の波形図を参照して以下にその動作、作用を説明する。
【００４５】
蓄電手段１９の電圧を検知する電圧検知手段２０によって得られた電圧検知手段信号が、しきい値以上の時は第２コンバータ制御手段２１は第２コンバータ２４に起動信号を送り、また、これがしきい値以下の時は停止信号を送信する。ここで仮に交換などの理由により蓄電手段１９が未接続であった場合は、電圧検知信号が出力されないことから蓄電手段１９が未接続または劣化していると自動判定し、第２コンバータ２４の動作を停止する。
【００４６】
以上のように、本実施の形態においては電圧検知手段の検知電圧がしきい値以下の時は制御手段が第２コンバータの動作を停止することで、蓄電手段がないことを自動で判定する安全な装置とすることができる。
【００４７】
（実施の形態７）
本実施の形態は請求項８に係わる。図７は、本発明の第７の実施の形態における電力変換装置の接続図を示すものである。図７において図５の回路構成と異なるのは、制御電力発生手段２７を配置して、蓄電手段から電力を供給する構成とした点である。上記以外の構成要素は実施の形態１と同等であり、説明を省略する。
【００４８】
以上のように構成された電力変換装置について、以下にその動作、作用を説明する。
【００４９】
制御電力発生手段２７は蓄電手段１９を電力供給源として、双方向コンバータ２４と双方向コンバータ制御手段２６を駆動する電力を生成する。したがって直流電源１１及び系統１７の動作状況にかかわらず、常時双方向コンバータ２４を動作させる。
【００５０】
以上のように、本実施の形態においては双方向コンバータの制御電力を蓄電手段から与えることで、直流電源及び系統の動作状態にかかわらず、双方向コンバータが動作するための電力を安定に供給することができる。
【００５１】
以上のように、本実施の形態においては双方向コンバータの制御電力を蓄電手段から供給することで、電力損失を最小にすることができる。
【産業上の利用可能性】
【００５２】
以上のように、本発明にかかる電力変換装置は蓄電手段を有して効率的な余剰電力処理を実現すると共に回生動作も可能となるので、太陽電池や燃料電池及び風力発電等の用途にも適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】本発明の実施の形態１における電力変換装置の接続図
【図２】本発明の実施の形態２における電力変換装置の接続図
【図３】本発明の実施の形態３における電力変換装置の接続図
【図４】本発明の実施の形態４における電力変換装置の接続図
【図５】本発明の実施の形態５における電力変換装置の接続図
【図６】本発明の実施の形態６における電力変換装置の各部動作を示す波形図
【図７】本発明の実施の形態７における電力変換装置の接続図
【図８】従来の電力変換装置の接続図
【符号の説明】
【００５４】
１１  直流電源
１２  第１コンバータ
１３  高周波トランス
１４  整流手段
１５  インバータ
１６  フィルタコンデンサ
１７  系統
１８  第２コンバータ
１９  蓄電手段
２０  電圧検出手段
２１  第２コンバータ制御手段
２２  第２コンバータ電力指令手段
２３  出力電流リミッタ
２４  双方向コンバータ
２５  フィルタコンデンサ電圧検知手段
２６  双方向コンバータ制御手段
２７  制御電力発生手段
【図１】
2005218150.tif 000003
【図２】
2005218150.tif 000004
【図３】
2005218150.tif 000005
【図４】
2005218150.tif 000006
【図５】
2005218150.tif 000007
【図６】
2005218150.tif 000008
【図７】
2005218150.tif 000009
【図８】
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