JP2007068385A - トランスレス型系統連係電力変換回路 - Google Patents

Abstract

【課題】トランスレス型系統連係電力変換回路を提供する。
【解決手段】本発明は、発電システムが出力した直流電源を交流電源に変換して系統に送電するために用いられる。前記直流電源をコンデンサで直列に分割した二つの直流電圧を調整するための昇降圧型コンバータと、二つの直流電圧を交流電圧に変換して系統に送電するための少なくとも一組のハーフブリッジ式インバータとを備え、それによって、絶縁変圧器を設置することなく、直流側と交流側と同時接地の問題を避けられ、電力変換回路が体積、製作コストまたは変換効率においても大幅に改善できる。
【選択図】図９

Description

本発明は、系統連係用電力変換装置に関し、特に絶縁変圧器を使用せずに電力変換を行い、電力系統に連係して電力を送電するトランスレス型電力変換回路に関する。

持続的な工業の発展により、電力の需要が日々多くなった結果、地球上の資源が枯渇しつつある。これに伴い、環境に対する負荷が少ない再生エネルギーの導入が積極的に進められて来ている。この再生エネルギーを給電源として効果的に活用し、かつ持続的に発展することは、既に先進国では重要な産業の発展の政策の一つとして押し進められている。

従来、系統連係用電力変換回路としては、一段の電力変換回路で構成した三相三線出力式、二段の電力変換回路で構成した三相三線出力式、一段の電力変換回路で構成した単相二線出力式または二段の電力変換回路で構成した単相二線出力式などがある。また、再生エネルギーの導入においては、従来の発電システムとの比較における発電コストの問題があり、再生エネルギー発電システムの一部である系統連係電力変換回路においても、低価格化、高効率化などの改善が望まれている。

図１は、従来の一段の直流―交流変換の電力変換回路で構成した三相三線式電力変換回路の図を示す。従来、直流電源の給電の安定性を図るために、通常、直流回路側にコンデンサ（図に示すＣ1）を再生エネルギーの発電電源と並列に接続することによって、電流リプルの低減を図ると共に、ノイズを低減して電圧を安定化させる機能を持たせている。また、これらの主スイッチング素子Ｑ₁、Ｑ₃、Ｑ₅のゲート駆動信号は、対向する素子Ｑ₂、Ｑ₄、Ｑ₆のゲート駆動信号と反対に動作させ、短絡状態を防止するように駆動される。即ち、Ｑ₁、Ｑ₃、Ｑ₅が導通の状態ではＱ₂、Ｑ₄、Ｑ₆が切断された状態になる。

三相の電力系統において、非接地方式、Ｙ結線による中性点接地、△結線の一相接地、Ｖ結線での一相接地など種々の接地方式があるが、系統側で接地を行った場合、直流電源側での接地は困難となる。また、系統側が接地された場合、直流電源として太陽電池パネルが用いられると、太陽電池パネルの対地電位に対する浮遊容量の影響で、高周波ノイズ電流が流れる等の問題が生ずる場合がある。図１は、直流電源側のノード２、系統電源側のノード６の両方を接地した場合の参考例である。この状態で、もしＱ₃が導通してＱ₄が切断された場合、電流は、図の点線に示すように、直流電源のプラス端子から素子Ｑ₃、インダクタＬ₂、系統側接地相、直流電源のマイナス端子の回路で流れ、交流系統側に直流電流が流れることになる。

従って、系統側が接地される場合、安全性を考慮して、この発電システムの電力変換回路の出力端に絶縁変圧器を設置して電気的に絶縁しなければ電力系統と連係して給電することはできない。
図２は、出力端に変圧器を増設した電力変換回路の図である。この変圧器がもつ絶縁特性により、系統側および直流側を同時に接地しても、異常な電流は流れることがなく、また、直流電源が非接地の太陽電池パネルでの浮遊容量による高周波電流の遮断も行える。しかし、変圧器を増設することで電力変換装置全体の体積の増大、コストの増加及び変換効率の低下をもたらす。

図３は、従来の二段の電力変換回路で構成した三相系統連係電力変換回路の図である。この方式も同様に、この直流側の電源入力端と交流側の一端とが何れも接地された場合、コンデンサＣ₂は短絡状態となり、電力変換装置は所定の交流電流を出力できなくなる。従って、図４に示すように、その安全性を考慮して、電力変換回路の出力端に絶縁変圧器を設置しなければ電力系統と連係して給電することができない。

以上の問題は、単相システムにおいても同様に生じる。図５は、一段の直流―交流変換の電力変換回路で構成した例である、三相回路と同様に、直流、交流の両方の接地により、直流電流が流れてしまう。そのため、図６に示すように、この電力変換回路の出力端に絶縁変圧器を設置し、系統と連係して給電する。
また、図７に示すように、二段の電力変換回路で構成した単相二線の電力変換回路においても、直流、交流の両方を接地する場合、図８に示すように、電力変換回路の出力端に絶縁変圧器を設置しなければ、系統と連係して給電することができない。

以上の問題を鑑みて、本発明は、前記現有の再生エネルギーまたは分散式エネルギーの電力変換回路の欠点またはその不便性を解決するために、直流および交流の一相の両端を接地可能とするトランスレス型系統連係電力変換回路を提案するものである。本発明によれば、トランスレスの回路構成を採用できると共に、直流、交流の両回路を接地して問題がないことから、発電効率を向上させ、発電システム設備の体積及び質量を減少できると同時に、装置の製作コストも低減できる合理的な、かつ以上の欠点を効果的に改善できる発明である。

本発明は、主にトランスレス型系統連係電力変換回路を提供する目的とし、発電システムが出力した直流電力を交流電力に変換して電力系統に送電するために用いられる。前記直流電源をコンデンサで直列に分割した二つの直流電圧を調整するための昇降圧型コンバータと、二つの直流電圧を交流電力に変換して系統に送電するための少なくとも一組のハーフブリッジ式インバータとを備え、それによって、絶縁変圧器を設置することなく、直流側と交流側と同時接地の問題が避けられ、電力変換回路が体積上、製作コストまたは変換効率も大幅に改善できる。

本発明における、所定の目的を達成するために用いる技術、手段及び効果をより理解するためには、本発明に係る以下の詳しい説明または添付図面を参照すれば、本発明の目的、特徴及び利点などに対して、より深く、かつ具体的に理解できると確信する。しかし、本発明に添付された図面は単なる参考または説明するために用いられるもので、本願に対する如何なる制限はない。

本発明は、主に絶縁変圧器を使用しない電力変換回路を提供し、再生エネルギーまたは分散式エネルギーが出力する直流電力を交流電力に変換して系統に送電するものである。
図９に、本発明の二段で構成した三相三線式電力変換回路の実施例の回路図を示す。本実施例の三相三線式電力変換回路１０は、昇降圧型コンバータ(Buck-Boost Converter)２０と二組のハーフブリッジ式インバータ(Half-Bridge Inverter)３０とからなるものである。前記の昇降圧型コンバータ２０は、コンデンサ（Ｃ₁、Ｃ₂）で分割された直流電圧を調整するためのもので、第１の主スイッチング素子Ｑ₅、一組の鉄心を共用する第１及び第２のインダクタ（Ｌ₁、Ｌ₂）、二つ（第１の及び第２）の受動素子（Ｄ₁、Ｄ₂）及び二つ（第１の及び第２）のコンデンサ（Ｃ₁、Ｃ₂）を備える。前記ハーフブリッジ式インバータ３０は、４つの主スイッチング素子（Ｑ₁〜Ｑ₄）で構成され、前記二つの直流電圧を交流電圧に変換して系統に電力を送電する。

前記の第１の主スイッチング素子Ｑ₅の入力端は、前記の入力直流電圧Ｖ₁のプラス端に直列して接続し、出力端は前記第２のインダクタＬ₂の一端に接続し、この第２のインダクタＬ₂の他端が前記の入力直流電圧Ｖ₁のマイナス端に接続され、さらに接地端ノード１に接続される。そして、第１のインダクタＬ₁の一端はこの接地端ノード１に接続し、他端が前記第１の受動素子Ｄ₁のプラス端に接続される。

前記第２の受動素子Ｄ₂のマイナス端は、前記第１の主スイッチング素子Ｑ₅の出力端に接続し、Ｄ₂のプラス端は前記の第２コンデンサＣ₂のマイナス端に接続する。また第１の受動素子Ｄ₁のプラス端は第１のインダクタＬ₁の他端に接続して、Ｄ₁のマイナス端を第１のコンデンサＣ₁のプラス端に接続する。
前記の第２のコンデンサＣ₂のプラス端は接地端ノード１に接続し、Ｃ₂のマイナス端は第２の受動素子Ｄ₂のプラス端に接続する。また第１のコンデンサＣ₁のプラス端は第１の受動素子Ｄ₁のマイナス端に接続し、Ｃ₁のマイナス端は接地端ノード１に接続する。

その電気回路原理は、直流電源Ｖ₁は主スイッチング素子Ｑ₅を介して作動した時、エネルギーをインダクタＬ₂に貯蔵することができる。このインダクタＬ₂とインダクタＬ₁とは同一の鉄心を共用しているので、磁気的結合の効果により、蓄積エネルギーはこの鉄心を介してインダクタＬ₁からも放出される結果、昇降圧型コンバータ２０はこれらのコンデンサＣ₁、Ｃ₂上の二つの直流電源Ｖ₅、Ｖ₆を同時に発生させられ、前記二組のハーフブリッジ式インバータ３０を通じてこの二つの直流電源Ｖ₅、Ｖ₆を交流電源に変換して出力することができる。

直流側の電源の接地に合せて、ノード１は直流側の電源の接地端、ノード２は交流側の電源の接地端である。この際、ノード１及びノード２は同じく接地点となる。Ｑ₁が導通された際、電流経路はコンデンサＣ₁のプラス（＋）から流出して主スイッチング素子Ｑ₁とインダクタＬ₃、コンデンサＣ₃を経由して、最後コンデンサＣ₁のマイナス端（−）に戻る。Ｑ₁が遮断され、Ｑ₂が導通した際の電流経路は、コンデンサＣ₂のプラス（＋）、コンデンサＣ₃、インダクタＬ₃、主スイッチング素子Ｑ₂を経由して、最後にコンデンサＣ₂のマイナス端（−）に戻る。

インダクタＬ₁、Ｌ₂を磁気的にカップリングさせ、元の単一の直流電源入力Ｖ₁を二つの直流電源Ｖ₅、Ｖ₆に変換することによって、直流側及び交流側は何れも接地システムであった時、変換回路に共通の接地点ノード１を提供することができるので、二つの電源Ｖ₅、Ｖ₆の何れのエネルギーも交流側に伝送できる適切な電気回路経路が備わる。

図１０は、本発明の二段で構成した単相二線式電力変換回路の実施例を示す。本実施例は、図９の二段で構成した三相三線式電気回路の構成における二組のハーフブリッジ式インバータ３０のその一組を取除いてこの単相電力変換回路４０にしたものである。この単相電力変換回路４０は、昇降圧型コンバータ５０と一組のハーフブリッジ式インバータ６０とからなる。前記の昇降圧型コンバータ５０は、主スイッチング素子Ｑ₃、鉄心を共用するインダクタＬ₁、Ｌ₂、二つの受動素子Ｄ₁、Ｄ₂及びコンデンサＣ₁、Ｃ₂が含まれる。そして、このハーフブリッジ式インバータ６０は二つの主スイッチング素子Ｑ₁、Ｑ₂が含まれる。

その電気回路原理は、直流電源Ｖ₁が主スイッチング素子Ｑ₃を通じて作動された際、エネルギーをインダクタＬ₂に貯蔵することができ、またインダクタＬ₁とインダクタＬ₂とは同一の鉄心を共用し、エネルギーが同時にこの鉄心を介してインダクタＬ₁中に結合されるので、この昇降圧型コンバータ５０は、これらのコンデンサＣ₁、Ｃ₂上に二つの直流電源Ｖ₃、Ｖ₄同時に発生させ、前記ハーフブリッジ式インバータ６０によりこの二つの直流電源Ｖ₃、Ｖ₄を交流電源に変換して出力することができる。

また、直流側電源の接地に合せて、そのノード１は、この直流側の接地端で、ノード２は交流側電源の接地端である。この時のノード１及びノード２は共に接地点となる。
前記インダクタＬ₁、Ｌ₂の磁気的カプリングを通じて、元の単一直流電源入力Ｖ₁を二つの直流電源Ｖ₃、Ｖ₄に変換させることで、直流側と交流側の両回路が同時に接地システムになった場合、変換回路のノード１が共通接地点となり、二つの電源Ｖ₃、Ｖ₄からハーブブリッジインバータを介して適切な回路経路によりエネルギーを交流側に伝送することができる。

以上の説明を総して、本発明の電力変換回路は、直流側と交流側が同時に接地した場合の問題を避けられるので、電力変換回路の体積、製作コスト及び変換効率において大幅に改善される。また、使用される主スイッチング素子は従来の回路構成よりも少ない数ですむので、変換効率を向上させることができる。
本発明を適用した実施例の電力変換回路と従来の電力変換回路とを比較した結果を表１に示す。

表１から分かるように、本発明の利点は、従来の電力変換回路が直面した接地システムの問題を改善できるものである。また、本発明は絶縁変圧器が不要で、電力変換回路の体積、大きさ及び質量を低減できると共に、製作コストも低減させ、かつ変換効率も効果的に向上できる。さらに、従来の一段式電力変換回路と比較しても、主スイッチング素子の数が低減され結果、スイッチングする素子の減少に伴う損失の減少により変換効率を向上することができる。

従って、本発明は、前記に掲げた技術により、従来技術と異なる技術を明らかに提供でき、全体の使用価値を向上できると共に、出願前の刊行物又は公開使用されていないので、発明特許の要件に符合して、法により特願を提出する。
前記全ての図面及び説明は、単なる本発明の実施例にすぎず、当領域を熟知している者が前記の説明に基づいてその他の様々改良の何れも、本願の発明精神及び以下の特許請求の範囲内に属するべきである。

従来の一段の変換方式による三相三線式電力変換回路を示す概略図。 出力端に変圧器を有する従来の一段の変換方式による三相三線式電力変換回路を示す概略図。 従来の二段の変換方式による三相三線式電力変換回路を示す概略図。 出力端に変圧器を有する従来の二段の変換方式による三相三線式電力変換回路を示す概略図。 従来の一段の変換方式による単相二線式電力変換回路を示す概略図。 出力端に変圧器を有する従来の一段の変換方式による単相二線式電力変換回路を示す概略図。 従来の二段の変換方式による単相二線式電力変換回路を示す概略図。 出力端に変圧器を有する従来の二段の変換方式による単相二線式電力変換回路を示す概略図。 本発明を適用した二段の変換方式による三相三線式電力変換回路の実施例を示す概略図。 本発明を適用した単相二段式電力変換回路の実施例を示す概略図。

符号の説明

１０ 三相出力二段電力変換回路、２０ 昇降圧型コンバータ、３０ ハーフブリッジ式インバータ、４０ 単相出力二段電力変換回路、５０ 昇降圧型コンバータ、６０ ハーフブリッジ式インバータ

Claims (4)

1. 発電システムが出力する直流電源を交流電源に変換して系統に電力を送電するために用いられるトランスレス型系統連係電力変換回路であって、
   前記直流電源を直列に分割した二つの直流電圧を調整する昇降圧型コンバータと、
   前記二つの直流電圧を交流電源に変換して系統に電力を給電するために用いられる、少なくとも一組のハーフブリッジ式インバータと、
   を備えるトランスレス型系統連係電力変換回路。
2. 前記昇降圧型コンバータは、
   入力端がこの入力直流電圧のプラス端上に直列に接続する第１スイッチング素子と、
   第１インダクタの一端が接地端に接続され、第２インダクタの一端が前記第１スイッチング素子の出力端に直列に接続し、第２インダクタの他端が前記直流電圧のマイナス端に接続して接地端に接続された、鉄心を共用する第１インダクタ及び第２インダクタと、
   プラス端が前記第１インダクタの他端に直列に接続する第１受動素子と、
   マイナス端が前記第１スイッチング素子の出力端に直列に接続する第２受動素子と、
   プラス端が前記第１受動素子のマイナス端に直列に接続しマイナス端が前記接地端に接続される第１コンデンサと、
   プラス端が前記接地端に接続してマイナス端が前記第二受動素子のプラス端に接続される第２コンデンサと、
   を有する請求項１記載のトランスレス型系統連係電力変換回路。
3. 前記ハーフブリッジ式インバータは、三相電力変換であって、四つのスイッチング素子を有する請求項１記載のトランスレス型系統連係電力変換回路。
4. 前記ハーフブリッジ式インバータは、単相電力変換であって、二つのスイッチング素子を有する請求項１記載のトランスレス型系統連係電力変換回路。
   
   
   
   

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