(57)【要約】【課題】電気二重層コンデンサにリップル電流を流さないようにし、電気二重層コンデンサの劣化、破壊を防ぐ電気二重層コンデンサを備えた電力変換装置および蓄電装置を提供する。【解決手段】電気二重層コンデンサ６、リアクトル７、スイッチ８および電流検出器９から成り、電解コンデンサ３の直流母線間に接続された直列体と、電流検出器９で検出した電流のリップル成分を監視し、予め設定された値を超えるとスイッチ８により電流を遮断するとともに逆変換装置５が動作している時はその動作を停止する保護回路１０と、を備えた。【選択図】図１
2007259508.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流電源（１）を直流電圧に変換する順変換装置（２）と、
前記直流電圧を平滑する電解コンデンサ（３）と、
前記直流電圧を交流電圧に変換して電動機（４）を駆動制御する逆変換装置（５）と、を有し、
前記直流電圧の回生電力を貯蔵する電気二重層コンデンサ（６）を備えた電力変換装置において、
前記電解コンデンサ（３）の直流母線間に直列に前記電気二重層コンデンサ（６）とリアクトル（７）を備え、
前記電気二重層コンデンサ（６）の内部抵抗とコンデンサ容量、前記リアクトル（７）のインダクタンス、前記交流電源（１）の電源周波数で決定される第１のインピーダンスをＺ１とし、
前記電解コンデンサ（３）の内部抵抗とコンデンサ容量、前記交流電源（１）の電源周波数で決定される第２のインピーダンスをＺ２とすると、
前記Ｚ１と前記Ｚ２の関係は、Ｚ１＞＞Ｚ２であることを特徴とする電気二重層コンデンサを備えた電力変換装置。
【請求項２】
前記電気二重層コンデンサ（６）、前記リアクトル（７）と直列に接続されたスイッチ（８）および電流検出器（９）と、
前記電流検出器（９）で検出した電流のリップル成分を監視し、予め設定された値を超えると前記スイッチ（８）により前記電流を遮断するとともに前記逆変換装置（５）が動作している時はその動作を停止する保護回路（１０）と、を備えたことを特徴とする請求項１に記載の電気二重層コンデンサを備えた電力変換装置。
【請求項３】
発電制御コンバータ（２９）と並列に接続されたＤＣ−ＤＣコンバータ（２１）を有し、
前記ＤＣ−ＤＣコンバータ（２１）で変換された直流電力を蓄電する電気二重層コンデンサ（２２）を備えた蓄電装置において、
前記ＤＣ−ＤＣコンバータ（２１）の出力に並列接続された電解コンデンサ（２３）と、
前記電解コンデンサ（２３）の直流母線間に直列に接続された前記電気二重層コンデンサ（２２）およびリアクトル（２４）を備え、
前記電気二重層コンデンサ（２２）の内部抵抗とコンデンサ容量、前記リアクトル（７）のインダクタンス、前記ＤＣ−ＤＣコンバータ（２１）のスイッチング周波数で決定される第１のインピーダンスをＺ３とし、
前記電解コンデンサ（２３）の内部抵抗とコンデンサ容量、前記ＤＣ−ＤＣコンバータ（２１）のスイッチング周波数で決定される第２のインピーダンスをＺ４とすると、  
前記Ｚ３と前記Ｚ４の関係は、Ｚ３＞＞Ｚ４であることを特徴とする電気二重層コンデンサを備えた蓄電装置。
【請求項４】
前記電気二重層コンデンサ（２２）、前記リアクトル（２４）と直列に接続されたスイッチ（２５）および電流検出器（２６）と、
前記電流検出器（２６）で検出した電流のリップル成分を監視し、予め設定された値を超えると前記スイッチ（２５）により前記電流を遮断すると共に前記ＤＣ−ＤＣコンバータ（２１）の動作を停止する保護回路（２７）と、を備えたことを特徴とする請求項３に記載の電気二重層コンデンサを備えた蓄電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、インバータドライブなどの電力変換装置および分散電源システム等に用いられる蓄電装置に関し、特に主回路に電気二重層コンデンサを備えた電力変換装置および蓄電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のインバータドライブやサーボドライブなどの電力変換装置における電動機の回生電力の処理方法として、回生抵抗にて消費する方法と、電源回生コンバータで電源に電力を返す方法がある。前者は、回生電力が無駄に消費されることに加えて、回生電力が大きい場合は回生抵抗容量も大きくなり、装置の大型化、高コスト化を招く等の欠点がある。一方、後者は、装置が複雑になると共に高コストとなるといった欠点がある。また、インバータ主回路の電解コンデンサの容量を大きくすれば回生電力を吸収できるが、回生電力が大きいと電解コンデンサの個数が多くなり、装置の大型化、高コスト化の面から得策でない。
しかし、近年、大容量の電気二重層コンデンサが実用段階に入っており、回生処理用として電解コンデンサの代わりに電気二重層コンデンサを使うことにより、さほど装置が大型化することなしに回生電力を吸収可能となる（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
また、従来の分散電源システム、あるいは非常用電源などに用いられる蓄電装置では、バッテリが使用されていたが、バッテリは寿命、パワー密度の点で難があった。
しかし、大容量の電気二重層コンデンサの実用化に伴い、これら蓄電装置にも高寿命、高パワー密度の電気二重層コンデンサが適用されつつある（例えば、特許文献２参照）。
【０００４】
このように、従来の電気二重層コンデンサを備えた電力変換装置、あるいは蓄電装置は、回生処理用の電解コンデンサやバッテリを単純に電気二重層コンデンサに置き換えたものである。
【特許文献１】特開２００１−１０３７６９号公報（第２−３頁、第１図）
【特許文献２】特開２００４−２８９９５０号公報（第３−６頁、第１図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、電気二重層コンデンサのデータシートには許容リップル電流に関して明確に記載されておらず、電気二重層コンデンサは基本的にリップル電流を流してはいけないコンデンサである。このため、従来装置に用いていた電解コンデンサ、あるいはバッテリを電気二重層コンデンサに単純に置き換えることは出来ない。すなわち、単純に置き換えると、電気二重層コンデンサにリップル電流が流れてしまう場合があり、このリップル電流を放置すると、電気二重層コンデンサの劣化、果ては破壊に至るという問題があった。        
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、電気二重層コンデンサにリップル電流をほとんど流さないようにでき、何らかの異常が発生して電気二重層コンデンサにリップル電流が流れた場合でも電気二重層コンデンサの通電電流を遮断することにより電気二重層コンデンサの劣化、破壊を防ぐことができる電気二重層コンデンサを備えた電力変換装置および蓄電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】
【０００６】
上記問題を解決するため、請求項１に記載の発明は、交流電源を直流電圧に変換する順変換装置と、前記直流電圧を平滑する電解コンデンサと、前記直流電圧を交流電圧に変換して電動機を駆動制御する逆変換装置と、を有し、前記直流電圧の回生電力を貯蔵する電気二重層コンデンサを備えた電力変換装置において、前記電解コンデンサの直流母線間に直列に前記電気二重層コンデンサとリアクトルを備え、前記電気二重層コンデンサの内部抵抗とコンデンサ容量、前記リアクトルのインダクタンス、前記交流電源の電源周波数で決定される第１のインピーダンスをＺ１とし、前記電解コンデンサの内部抵抗とコンデンサ容量、前記交流電源の電源周波数で決定される第２のインピーダンスをＺ２とすると、 前記Ｚ１と前記Ｚ２の関係は、Ｚ１＞＞Ｚ２であることを特徴としている。
【０００７】
また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の電気二重層コンデンサを備えた電力変換装置において、前記電気二重層コンデンサ、前記リアクトルと直列に接続されたスイッチおよび電流検出器と、前記電流検出器で検出した電流のリップル成分を監視し、予め設定された値を超えると前記スイッチにより前記電流を遮断するとともに前記逆変換装置が動作している時はその動作を停止する保護回路と、を備えたことを特徴としている。
【０００８】
また、請求項３に記載の発明は、発電制御コンバータと並列に接続されたＤＣ−ＤＣコンバータを有し、前記ＤＣ−ＤＣコンバータで変換された直流電力を蓄電する電気二重層コンデンサを備えた蓄電装置において、前記ＤＣ−ＤＣコンバータの出力に並列接続された電解コンデンサと、前記電解コンデンサの直流母線間に直列に接続された前記電気二重層コンデンサおよびリアクトルを備え、前記電気二重層コンデンサの内部抵抗とコンデンサ容量、前記リアクトルのインダクタンス、前記ＤＣ−ＤＣコンバータのスイッチング周波数で決定される第１のインピーダンスをＺ３とし、前記電解コンデンサの内部抵抗とコンデンサ容量、前記ＤＣ−ＤＣコンバータのスイッチング周波数で決定される第２のインピーダンスをＺ４とすると、前記Ｚ３と前記Ｚ４の関係は、Ｚ３＞＞Ｚ４であることを特徴としている。
【０００９】
また、請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の電気二重層コンデンサを備えた蓄電装置において、前記電気二重層コンデンサ、前記リアクトルと直列に接続されたスイッチおよび電流検出器と、前記電流検出器で検出した電流のリップル成分を監視し、予め設定された値を超えると前記スイッチにより前記電流を遮断すると共に前記ＤＣ−ＤＣコンバータの動作を停止する保護回路と、を備えたことを特徴としている。
【発明の効果】
【００１０】
請求項１に記載の発明によると、装置の正常動作時においては、電気二重層コンデンサにリップル電流がほとんど流れないようにすることが可能で電気二重層コンデンサの劣化、破壊を防ぐことができる電気二重層コンデンサを備えた電力変換装置を得ることができる。
【００１１】
また、請求項２に記載の発明によると、請求項１に記載の発明による効果に加え、何らかの異常が発生して電気二重層コンデンサにリップル電流が流れても、電流検出器によりこのリップル電流を検出し、電気二重層コンデンサの通電電流を遮断するようにしているので電気二重層コンデンサの劣化、破壊を防ぐことができる電気二重層コンデンサを備えた電力変換装置を得ることができる。
【００１２】
また、請求項３に記載の発明によると、装置の正常動作時においては、電気二重層コンデンサにリップル電流がほとんど流れないようにすることが可能で電気二重層コンデンサの劣化、破壊を防ぐことができる電気二重層コンデンサを備えた蓄電装置を得ることができる。
【００１３】
また、請求項４に記載の発明によると、請求項３に記載の発明による効果に加え、何らかの異常が発生して電気二重層コンデンサにリップル電流が流れても、電流検出器によりこのリップル電流を検出し、電気二重層コンデンサの通電電流を遮断するようにしているので電気二重層コンデンサの劣化、破壊を防ぐことができる電気二重層コンデンサを備えた蓄電装置を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の具体的実施例について、図に基づいて説明する。
【実施例１】
【００１５】
図１は、本発明の第１実施例を示す電気二重層コンデンサを備えた電力変換装置の構成図である。
図１において、１は単相または三相の交流電源、２は順変換装置、３は電解コンデンサ、４は電動機、５は逆変換装置、６は電気二重層コンデンサ、７はリアクトル、８、１１はスイッチ、９はＣＴなどの電流検出器、１０は保護回路、１２は抵抗である。
本発明が、従来技術である特許文献１の電力変換装置と異なる点は、電気二重層コンデンサ６の通電ラインに、リアクトル７、スイッチ８、電流検出器９を直列に備え、電流検出器９によるリップル電流の増加検出に基づいてスイッチ８を開閉する保護回路１０を備えるようにしている点である。
以下、図１を用いて、本実施例の電気二重層コンデンサを備えた電力変換装置の動作を説明する。
電気二重層コンデンサ６に直列にリアクトル７とスイッチ８を接続し、電気二重層コンデンサ６の通電電流を電流検出器９にて検出する。スイッチ８は、通常はオンしている。
電解コンデンサ３及び電気二重層コンデンサ６は、交流電源１から順変換装置２、及び抵抗１２を介して充電され、充電が完了するとスイッチ１１をオンし、抵抗１２の両端を短絡する。      
電気二重層コンデンサ６が充電中の場合、あるいは電気二重層コンデンサ６が充電完了後、逆変換装置５が動作した場合、電解コンデンサ３及び電気二重層コンデンサ６にはリップル電流が流れる。しかし、ここで、電解コンデンサ３の内部抵抗、及びコンデンサ容量、及び電源周波数で決定されるインピーダンスよりも、電気二重層コンデンサ６の内部抵抗、コンデンサ容量、リアクトル７のインダクタンス及び電源周波数で決定されるインピーダンスの方が十分大きくなるようにコンデンサ３、電気二重層コンデンサ６、及びリアクトル７を選定すると、リップル電流は主に電解コンデンサ３に流れ、電気二重層コンデンサ６にはほとんど流れないようにすることができる。  
具体的には、電気二重層コンデンサ６の内部抵抗をＲ１、容量をＣ１、リアクトル７のインダクタンスをＬ１、電解コンデンサ３の内部抵抗をＲ２、容量をＣ２とし、電源周波数をｆとすると、電気二重層コンデンサ６及びとリアクトル７により決定されるインピーダンスＺ１、及び電解コンデンサ３のインピーダンスＺ２は下記の式１、式２で表される。ωの計算式は交流電源１が単相、三相の場合によって異なり、下記の式３、式４で表される。
【００１６】
【数１】
2007259508.tif 000003
【００１７】
【数２】
2007259508.tif 000004
【００１８】
単相電源の場合、
ω＝２π×２ｆ−−−−−−−−−（式３）
三相電源の場合、
ω＝２π×６ｆ−−−−−−−−−（式４）
ここで、Ｚ１＞＞Ｚ２となるようにＲ１、Ｃ１、Ｌ１、Ｒ２、Ｃ２を選定すると、リップル電流の大部分は電解コンデンサ３に流れることになり、電気二重層コンデンサ６にはほとんどリップル電流は流れないようにすることができる。
【００１９】
しかしながら、電解コンデンサ３の劣化によるインピーダンスＺ２の増加、逆変換装置５の過大な負荷によるリップル電流の増加、主回路母線の地絡等が発生した場合、電気二重層コンデンサ６のリップル電流が増加することになり、放置すると電気二重層コンデンサ６の劣化、果ては破壊を招くことになる。
そこで本実施例における保護回路１０は、電気二重層コンデンサ６のリップル電流を電流検出器９にて監視し、リップル電流が増加して予め設定された値を越えたことを検出すると、逆変換装置５が動作している時はこれを停止すると共に、スイッチ８を開路することにより電気二重層コンデンサ６にリップル電流が流れないようにし、電気二重層コンデンサ６の劣化、破壊を未然に防ぐ。
なお、電解コンデンサ３のインピーダンスが電気二重層コンデンサ６のインピーダンスより十分小さくなるよう各コンデンサを選定すれば、リアクトル７の削除は可能である。
【００２０】
以上述べたように、本実施例に係る電気二重層コンデンサを備えた電力変換装置は、電気二重層コンデンサ６の通電ラインに、リアクトル７、スイッチ８、電流検出器９を備えているので、正常運転時には電気二重層コンデンサにリップル電流を流す事無く、また、何らかの異常が発生して電気二重層コンデンサにリップル電流が流れてもこのリップル電流を検出し、電気二重層コンデンサ６の通電を遮断することにより、電気二重層コンデンサ６の劣化、破壊を未然に防ぐことができる。      
【実施例２】
【００２１】
図２は、本発明の第２実施例を示す電気二重層コンデンサを備えた蓄電装置の構成図であり、電気二重層コンデンサを備えた蓄電装置を分散電源システムに適用した例である。
図２において、２０は蓄電装置、２１はＤＣ／ＤＣコンバータ、２２は電気二重層コンデンサ、２３は電解コンデンサ、２４はリアクトル、２５はスイッチ、２６はＣＴなどの電流検出器、２７は保護回路、２８は発電装置、２９は発電制御コンバータ、３０は負荷装置である。
本発明が、従来技術である特許文献２の蓄電装置と異なる点は、電気二重層コンデンサ２２の通電ラインに、リアクトル２４、スイッチ２５、電流検出器２６を直列に備え、電流検出器２６によるリップル電流の増加検出に基づいてスイッチ２５を開閉する保護回路２７を備えるようにしている点である。
以下、図２を用いて本実施例の電気二重層コンデンサを備えた蓄電装置の動作を説明する。
風力発電装置、太陽光発電装置等の発電装置２８は、発電制御コンバータ２９によって制御され、その出力は直流電圧Ｖｄｃに変換され、負荷装置３０に供給される。
蓄電装置２０は、発電制御コンバータ２９と負荷装置３０との間に接続され、電解コンデンサ２３、リアクトル２４、スイッチ２５、電流検出器２６、電気二重層コンデンサ２２、及びＤＣ／ＤＣコンバータ２１より構成される。スイッチ２５は、通常はオンしている。
ＤＣ／ＤＣコンバータ２１は、電気二重層コンデンサ２２の充放電制御を行うことにより、発電装置２８の発電電力の大小、負荷装置３０の消費電力の大小にかかわらず、直流電圧Ｖｄｃを一定に制御するよう動作する。
具体的には、発電装置２８から供給される電力が、負荷装置３０で消費される電力より大きい時は、Ｖｄｃは上昇するが、その場合は、その差の電力を蓄電装置２０内部の電気二重層コンデンサ２２に充電し、Ｖｄｃを低下させる。その逆の、発電装置２８から供給される電力が、負荷装置３０で消費される電力より小さい時は、Ｖｄｃは低下するが、その場合は、その差の電力を蓄電装置２０内部の電気二重層コンデンサ２２から放電し、Ｖｄｃを上昇させる。
この蓄電装置２０に適用した電気二重層コンデンサ２２の場合も、前述の第１実施例の場合と同様、リップル電流が流れないようにする必要がある。
電気二重層コンデンサ２２の内部抵抗をＲ１、容量をＣ１、リアクトル２４のインダクタンスをＬ１、電解コンデンサ２３の内部抵抗をＲ２、容量をＣ２とした時の、電解コンデンサ２３、リアクトル２４、電気二重層コンデンサ２２の部品選定に関するインピーダンス計算式を式５、式６に示す。式５、式６は、前述の式１、式２と同じ式であるが、第１実施例で述べたインバータ等の順逆変換装置の主回路に適用する場合と異なる点は、周波数ｆである。周波数ｆは、蓄電装置に適用の場合は、ＤＣ／ＤＣコンバータ２１のスイッチング周波数とする。ωの計算式は下記の式７で表される。
【００２２】
【数５】
2007259508.tif 000005
【００２３】
【数６】
2007259508.tif 000006
【００２４】
ω＝２π×ｆ−−−−−−−−−（式７）
前述の第１実施例の場合と同様、ここで、Ｚ３＞＞Ｚ４となるようにＲ１、Ｃ１、Ｌ１、Ｒ２、Ｃ２を選定すると、リップル電流の大部分は電解コンデンサ２３に流れることになり、電気二重層コンデンサ２２にはほとんどリップル電流は流れないようにすることができる。
【００２５】
保護回路２７の動作に関しては、前述の第１実施例の場合と同様である。具体的には、電気二重層コンデンサ２２のリップル電流を電流検出器２６にて検出し、リップル電流の増加を検出すると、負荷装置３０が動作している時はこれを停止すると共に、ＤＣ／ＤＣコンバータ２１を停止し、スイッチ２５をオフして、電気二重層コンデンサ２２にリップル電流が流れないようにし、電気二重層コンデンサ２２の劣化、破壊を未然に防ぐ。
【００２６】
以上述べたように、本実施例に係る電気二重層コンデンサを備えた蓄電装置は、電気二重層コンデンサ２２の通電ラインに、リアクトル２４、スイッチ２５、電流検出器２６を備えているので、正常運転時には電気二重層コンデンサにリップル電流を流す事無く、また、何らかの異常が発生して電気二重層コンデンサにリップル電流が流れてもこのリップル電流を検出し、電気二重層コンデンサ２２の通電を遮断することにより、電気二重層コンデンサ２２の劣化、破壊を未然に防ぐことができる。
【産業上の利用可能性】
【００２７】
本発明は、実施例に示したインバータドライブなどの電力変換装置、あるいは分散電源システムなどの蓄電装置のみならず、一般的な電気二重層コンデンサの応用装置に適用できる。
また、電解コンデンサに関しても、許容値を超える過大なリップル電流が流れると、素子の劣化、破壊を招く。電解コンデンサの通電ラインのリップル電流を電流検出器にて検出し、許容値を超えた場合はスイッチにて遮断することにより、電解コンデンサの劣化、破壊を防ぐことができる。したがって、本発明は電解コンデンサの保護回路にも適用可能であると言える。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の第１実施例を示す電気二重層コンデンサを備えた電力変換装置の構成図
【図２】本発明の第２実施例を示す電気二重層コンデンサを備えた蓄電装置の構成図
【符号の説明】
【００２９】
１  交流電源
２  順変換装置
３、２３  電解コンデンサ
４  電動機
５  逆変換装置
６、２２  電気二重層コンデンサ
７、２４  リアクトル
８、１１、２５  スイッチ
９、２６  電流検出器
１０、２７  保護回路
１２  抵抗
２０  蓄電装置
２１  ＤＣ／ＤＣコンバータ
２８  発電装置
２９  発電制御コンバータ
３０  負荷装置
【図１】
2007259508.tif 000007
【図２】
2007259508.tif 000008