JP2004120969A

JP2004120969A - 電力変換装置

Info

Publication number: JP2004120969A
Application number: JP2002284640A
Authority: JP
Inventors: Kazuaki Azuma; 東　和明
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2002-09-30
Filing date: 2002-09-30
Publication date: 2004-04-15

Abstract

【課題】太陽電池のような直流電圧が変る場合や、チョッパ電圧を変動させる直流電圧変換回路を使用して、電解コンデンサへの印加電圧が変化している場合でも、電解コンデンサの寿命時期を正しく判定し、機器の耐久力を極力有効に活用し、なおかつそれらを制御する回路の構成がシンプルな電力変換装置及びそれを用いた電力供給システムを提供すること。
【解決手段】平滑コンデンサ８と、平滑コンデンサ８の電圧及びリプル電圧幅を検出する電圧検出手段９と、交流電力を検出する電力検出手段１４とを備え、電圧検出手段１４によって検出された平滑コンデンサ８のリプル電圧幅が、検出された平滑コンデンサ８の電圧及び前記交流電力に応じて設定される所定のリプル電圧幅を超えたときに平滑コンデンサ８の寿命と判定する電力変換装置１とする。
【選択図】　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、太陽電池等の直流電源から得られる直流電力を交流電力に変換する電力変換装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、太陽電池の出力をインバータにて交流に変換し、商用電力系統と連系する系統連系システムが実用化されている。この系統連系システムにおいては、図７に示すように、複数の太陽電池モジュール１８にて発電した直流電力は、電力変換装置１にて例えば交流の２００Ｖに変換され、商用電力系統１５と連系接続されている。
【０００３】
ここで電力変換装置１は、図８に示すように、太陽電池モジュール１８から得られる直流電圧を安定化させる直流電圧変換回路３と直流電力を交流電力に変換するインバータ回路４とから成る。インバータ回路４に入力される直流電圧は一定で安定していることが望ましく、一般にはインバータ回路４の前段に直流電圧の安定化のために電解コンデンサが使用されている。
【０００４】
しかしながら、電解コンデンサは寿命のある電子部品であり、使用期間の経過と共に徐々に劣化していくものである。この劣化の症状としては、一般的に静電容量の低下や損失の増加が見られ、それらの症状は使用環境温度やリプル電流値等により加速される。このため、さらに寿命劣化が進むことにより、電解コンデンサ自身が過熱し破損に至ったり、インバータ回路４の制御が不安定になることや、スイッチング素子へ過電圧が印加され、ひいてはスイッチング素子の破損を招く場合がある。
【０００５】
従って、電解コンデンサについては寿命に達する前に交換を行う必要があり、そのために定期的な点検や交換作業が必要となるが、電解コンデンサの寿命計算は、諸条件を考慮して厳しい状況下での使用を想定して計算されることが多く、結果、実際の寿命よりもかなり早期に交換してしまい、機器の耐久力を十分に活用できないという問題がある。
【０００６】
また、劣化を見込んで必要以上に電解コンデンサの容量を大きくし、容量が減少しても必要な容量を確保していられるようにする方法もあるが、定格容量を増加させることにより、コンデンサのサイズがアップし、ひいては機器の大型化やコストの上昇を招くという問題もある。
【０００７】
そのため、電解コンデンサのリプル電圧やリプル電流を検出し、任意に規定した所定の寿命判定レベルを下回ることで寿命の判定を行う方法がある（例えば、特許文献１を参照）。
【０００８】
【特許文献１】
特開平７−２２２４３６号公報（第２−４頁、第１−４図）
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前述のような方式においては、電解コンデンサへの印加電圧が一定であることが前提であるので、寿命の判定レベルが一定でしかなく、太陽電池のような直流電圧が変化する場合や、チョッパ電圧を変動させる直流電圧変換回路を使用している場合には、電解コンデンサへの印加電圧が変化するため、正しい寿命の判定ができないという問題がある。
【００１０】
また、リプル電圧は負荷条件により異なるので、例えば一般家庭の家電の総電力使用量などのように、負荷の変動がある場合には、誤判定により機器が停止するといった問題が生じる。
【００１１】
さらに、リプル電流の検出には電流センサだけでなく、その信号を処理する回路構成も必要とし、部品の増加、機器の大型化につながるという問題がある。
【００１２】
なお、コンデンサの寿命判定では、電圧を平滑したところのリプルの幅をみる方法や、チョッパ制御のフードバック機構のみで行なっているのが一般的であり、負荷変動するとリプルは増えるがリプル変動に対してもフィードバックを行なう事例は特に見当たらない。
【００１３】
本発明は上述した従来の問題点に鑑みてなされたものであり、電解コンデンサへの印加電圧や負荷条件によらず、簡易な構成にて電解コンデンサの適切な交換時期を表示すると共にスイッチング素子等の破損を阻止し、信頼性が高く、小型化が可能な優れた電力変換装置を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために、本発明の電力変換装置は、直流電源から得られる第１の直流電力を電圧値の異なる第２の直流電力に変換し、該第２の直流電力を交流電力に変換し出力する電力変換装置であって、前記第２の直流電力の電圧を平滑する平滑コンデンサと、該平滑コンデンサの電圧及びリプル電圧幅を検出する電圧検出手段と、前記交流電力を検出する電力検出手段とを備え、前記電圧検出手段によって検出された前記平滑コンデンサのリプル電圧幅が、検出された前記平滑コンデンサの電圧及び前記交流電力に応じて設定される所定のリプル電圧幅を超えたときに前記平滑コンデンサの寿命と判定することを特徴とする。
【００１５】
また、直流電源から得られる第１の直流電力を電圧値の異なる第２の直流電力に変換し、該第２の直流電力を交流電力に変換し出力する電力変換装置であって、前記第２の直流電力の電圧を平滑する平滑コンデンサと、該平滑コンデンサの電圧及びリプル電圧幅を検出する電圧検出手段と、前記交流電力を検出する電力検出手段とを備え、該電圧検出手段によって検出された前記平滑コンデンサのリプル電圧幅が零に近づくようにフィードバック制御されるとともに、該フィードバック量が前記交流電力に応じて設定される所定のレベルを超えたときに、前記平滑コンデンサの寿命と判定することを特徴とする。
【００１６】
さらに、前記平滑コンデンサの寿命判定時に、その表示を行う寿命表示手段を備えることを特徴とする。
【００１７】
そして、前記平滑コンデンサの寿命判定時に、前記交流電力の出力を低減または停止させる制御手段を備えることを特徴とする。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明に係る電力変換装置を用いた電力供給システムの実施形態について、模式的に図示した図面に基づき詳細に説明する。なお、既に説明した同様な構成部材には、同一符号を付すものとし重複した説明を省略する。
【００１９】
図１に示すように、電力変換装置１は、太陽電池や燃料電池等の直流電源２の電圧を異なる電圧に変換する直流電圧変換回路３と直流電圧変換回路３にて変換された直流電力を交流電力に変換するインバータ回路４とから構成される。直流電源２から得られる直流電力は電力変換装置１に入力され、交流電力に変換された後、商用電力系統１５に出力される。
【００２０】
直流電圧変換回路３はリアクトル５、半導体スイッチ素子６、ダイオード７、平滑コンデンサ８から成るチョッパ回路により電圧変換が行われ、平滑コンデンサ８の電圧を検出する電圧検出部（電圧検出手段）９と、この電圧検出部９の検出信号に基づき半導体スイッチ素子６のスイッチング制御を行うスイッチ制御部１０と、リプル電圧の判定を行う電圧判定部１１とを備えている。
【００２１】
また、インバータ回路４は複数の半導体スイッチ素子から成るブリッジ回路１２とリアクトルとコンデンサから成るフィルタ回路１３とを有し、直流電圧変換回路３より出力される直流電力を正弦波の商用交流波形に変換し、商用電力系統１５と連系運転を行う。また、インバータ回路４は交流電力を測定する交流出力検出器（電力検出手段）１４を備えている。
【００２２】
次に、電力変換装置１の動作について説明する。直流電圧変換回路３においては、太陽電池や燃料電池などの直流電源２から直流電力が入力され、スイッチ制御部１０により半導体スイッチ素子６が高速にオン、オフ制御される。半導体スイッチ６のオン時、リアクトル５にはエネルギーが蓄積され、半導体スイッチ６のオフ時に前記エネルギーがダイオード７を通り平滑コンデンサ８部に出力され、直流電源２とは異なる直流電圧に変換することが可能となる。なお、半導体スイッチ素子６は変換電圧に応じてパルスのデューティーをコントロールするＰＷＭ（パルス幅変調）方式により制御されている。
【００２３】
ここで、平滑コンデンサ８部に接続される電圧検出部９は、平滑コンデンサ８の電圧及びリプル電圧を検出し、平滑コンデンサ８の電圧に応じた検出電圧信号をスイッチ制御部１０にフィードバックし、出力電圧を一定に制御する。一方、検出された直流電圧信号及びリプル電圧信号は電圧判定部１１にも送信される。
【００２４】
インバータ回路４では、ブリッジ回路１２の高速スイッチング動作によるＰＷＭ制御が行われ、ＬＰＦ（ローパスフィルタ）であるフィルタ回路１３を通すことにより、図２（ａ）に示す正弦波の交流出力が得られるものである。また、インバータ回路４が有する交流出力検出器１４は正弦波の交流出力電力を検出し、検出された交流出力信号は前記の電圧判定部１１に送信される。
【００２５】
インバータ回路４が動作することにより、平滑コンデンサ８の電圧は図２（ｂ）に示すようにリプルが発生し、このリプル電圧は平滑コンデンサ８の容量、インバータ回路４の出力等によって変動する。
【００２６】
そこで、電圧判定部１１において、検出された直流電圧信号に応じて設けられる図３に示すような交流出力信号と許容リプル電圧との相関値と、検出されたリプル電圧信号とを比較し、リプル電圧信号が相関値を超えている場合には、平滑コンデンサ８の寿命とみなし、寿命判定を行う。
【００２７】
これにより、入力電源や出力の変動に左右されずに、的確にコンデンサの寿命を検出することが可能な電力変換装置を提供することが可能となる。また、図４に示すように、前記インバータ回路４はブリッジ回路１２に接続されたブリッジ制御回路１６を有し、電圧判定部１１が平滑コンデンサ８の寿命と判定を行った場合には、ブリッジ制御回路１６に出力抑制信号を出力し、ブリッジ回路１２のスイッチング動作を制御することで、交流出力（交流電力）を低減または停止させるものであるので、平滑コンデンサ８の負荷を軽減することが可能となり、平滑コンデンサ８の発熱や破損を防止することができる（請求項４に対応する第４の実施形態）。
【００２８】
次に、図４に従い請求項３に対応する第３の実施形態について説明する。前記電力変換装置１は前記電圧判定部１１に接続された表示出力部１７を有し、電圧判定部１１が平滑コンデンサ８の寿命と判定を行った場合には、その旨を表示出力部１７に表示させるものである。表示出力部１７においては視覚的な表示のみならず、音声やアラーム等の聴覚的な出力としてもよい。このようにすることで、平滑コンデンサ８の寿命時に早期の警告が可能であり、劣化状態での使用の継続について注意を促すことができるようになる。
【００２９】
さらに、図５に従い請求項２に対応する第２の実施形態について説明する。主な構成は図１に示す電力変換装置１と同等であるが、直流電圧変換回路３における動作は以下の通りとなる。平滑コンデンサ８の電圧及びリプル電圧は電圧検出部９により検出され、スイッチ制御部１０は電圧検出部９で検出されたリプル電圧がゼロになる様にＰＷＭ制御に補正信号を加え、平滑コンデンサ８部に一定電圧の出力が得られるようフィードバック制御されている。その際に、スイッチ制御部１０では、交流出力（交流電力）が無負荷時の制御値を記憶し、交流出力発生時の補正値との比較を行う。一方電圧判定部１１においては、図６に示すような、検出された直流電圧信号に応じて設けられる交流出力信号と前記補正値との相関値と、補正信号とを比較し、補正信号が相関値を超えている場合には、平滑コンデンサ８の寿命とみなし、寿命判定を行うものである。この実施形態では、平滑コンデンサ８のリプル電圧幅が零に近づくようにフィードバック制御され、このフィードバック量（電圧値）が交流電力に応じて設定される所定のレベルを超えたときに、平滑コンデンサ８の寿命と判定としているが、上記フィードバック量は電圧値を変換した電流値や周波数値としてもよい。
【００３０】
また、この第２の実施形態においても、前述した第３及び第４の実施形態のように、表示出力を同様に行なうことや、出力を低減または停止させることが可能である。
【００３１】
このように、電力変換装置１が有する平滑コンデンサ８のリプル電圧またはリプル補正信号を検出し、出力に応じた寿命判定を行う構成としたため、安全で信頼性の高い電力変換装置を提供することが可能である。
【００３２】
なお、本実施形態では太陽電池、燃料電池等を利用した電力変換装置を例にとり説明したが、これに限定されるものではなく、例えば液体燃料やガス燃料を使用した発電手段や風力、水力、波力等による発電手段でも適用が可能であり、本発明の要旨を逸脱しない範囲で適宜変更し実施が可能である。また、交流電源を一旦整流し、再度交流に変換を行う電力変換装置においても適用が可能である。
【００３３】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明の電力変換装置によれば、直流電源から得られる第１の直流電力を電圧値の異なる第２の直流電力に変換し、該第２の直流電力を交流電力に変換し出力する電力変換装置において、前記第２の直流電力の電圧を平滑する平滑コンデンサと、該平滑コンデンサの電圧及びリプル電圧幅を検出する電圧検出手段と、前記交流電力を検出する電力検出手段とを備え、前記電圧検出手段によって検出された前記平滑コンデンサのリプル電圧幅が、検出された前記平滑コンデンサの電圧及び前記交流電力に応じて設定される所定のリプル電圧幅を超えたときを、前記平滑コンデンサの寿命と判定する構成としたので、入力電源や負荷出力の変動に左右さることがなく、的確にコンデンサの寿命を検出することができるようになり、コンデンサ自身が過熱し破損に至ったり、インバータ回路の制御が不安定になることや、スイッチング素子へ過電圧が印加されスイッチング素子の破損を招くことがなく、機器の耐久力を極力有効に活用することができる。また、劣化を見込んで必要以上にコンデンサの定格容量を大きくする必要もないので、機器を小型化できる。
【００３４】
また、直流電源から得られる第１の直流電力を電圧値の異なる第２の直流電力に変換し、該第２の直流電力を交流電力に変換し出力する電力変換装置であって、前記第２の直流電力の電圧を平滑する平滑コンデンサと、該平滑コンデンサの電圧及びリプル電圧幅を検出する電圧検出手段と、前記交流電力を検出する電力検出手段とを備え、前記電圧検出手段によって検出された前記平滑コンデンサのリプル電圧幅が零に近づくようにフィードバック制御されるとともに、このフィードバック量が前記交流電力に応じて設定される所定のレベルを超えたときを、前記平滑コンデンサの寿命と判定する構成としたので、平滑コンデンサの寿命を確実に検出できるようになるだけでなく、第２の直流電力部の電圧が安定することにより、インバータ回路の制御動作も安定し、出力歪の少ない優れた電力変換装置を提供できる。
【００３５】
また、前記平滑コンデンサの寿命判定時に、寿命である旨の表示を行う寿命表示手段を備える構成とすることで、コンデンサの寿命時に早期の警告が可能であり、劣化状態での使用の継続について注意を促すことが可能となる。
【００３６】
さらに、前記平滑コンデンサの寿命判定時に、該交流出力電力の出力を低減または停止させる制御手段を備える構成とすることで、平滑コンデンサの負荷を軽くすることが可能となり、コンデンサの発熱や破損を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る電力変換装置の第１の実施形態を模式的に説明するための概略構成図である。
【図２】（ａ）、（ｂ）は本発明に係る電力変換装置の第１の実施形態の出力電圧とリプル電圧を説明する波形図である。
【図３】本発明に係る電力変換装置の第１の実施形態の相関値を説明する相関図である。
【図４】本発明に係る電力変換装置の第３及び第４の実施形態を模式的に説明する概略構成図である。
【図５】本発明に係る電力変換装置の第２の実施形態を模式的に説明するための概略構成図である。
【図６】本発明に係る電力変換装置の第２の実施の形態の相関値を説明する相関図である。
【図７】従来の系統連系システムの一例を模式的に説明する概略構成図である。
【図８】従来の電力変換装置の一例を模式的に説明する概略構成図である。
【符号の説明】
１：電力変換装置
２：直流電源
３：直流電圧変換回路
４：インバータ回路
５：リアクトル
６：半導体スイッチ素子
７：ダイオード
８：平滑コンデンサ
９：電圧検出部（電圧検出手段）
１０：スイッチ制御部
１１：電圧判定部
１２：ブリッジ回路
１３：フィルタ回路
１４：交流出力検出器（電力検出手段）
１５：商用電力系統
１６：ブリッジ制御回路
１７：表示出力部
１８：太陽電池モジュール

Claims

直流電源から得られる第１の直流電力を電圧値の異なる第２の直流電力に変換し、該第２の直流電力を交流電力に変換し出力する電力変換装置であって、前記第２の直流電力の電圧を平滑する平滑コンデンサと、該平滑コンデンサの電圧及びリプル電圧幅を検出する電圧検出手段と、前記交流電力を検出する電力検出手段とを備え、前記電圧検出手段によって検出された前記平滑コンデンサのリプル電圧幅が、検出された前記平滑コンデンサの電圧及び前記交流電力に応じて設定される所定のリプル電圧幅を超えたときを、前記平滑コンデンサの寿命と判定することを特徴とする電力変換装置。
直流電源から得られる第１の直流電力を電圧値の異なる第２の直流電力に変換し、該第２の直流電力を交流電力に変換し出力する電力変換装置であって、前記第２の直流電力の電圧を平滑する平滑コンデンサと、該平滑コンデンサの電圧及びリプル電圧幅を検出する電圧検出手段と、前記交流電力を検出する電力検出手段とを備え、前記電圧検出手段によって検出された前記平滑コンデンサのリプル電圧幅が零に近づくようにフィードバック制御されるとともに、このフィードバック量が前記交流電力に応じて設定される所定のレベルを超えたときを、前記平滑コンデンサの寿命と判定することを特徴とする電力変換装置。
前記平滑コンデンサの寿命判定時に、その表示を行う寿命表示手段を備えることを特徴とする請求項１または２に記載の電力変換装置。
前記平滑コンデンサの寿命判定時に、前記交流電力の出力を低減または停止させる制御手段を備えることを特徴とする請求項１または２に記載の電力変換装置。