JP2008118832A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】余剰電力を熱エネルギーの形で蓄熱する手段を有する上で、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簡素で安価な構成の電力変換手段を提供する。
【解決手段】複数の出力手段を有する高周波トランス１３と、高周波トランス１３で絶縁された１次巻線１３ａに直流電源１１と、直流電力１１を高周波電力に変換する第１インバータ１２と、高周波トランス１３の２次巻線１３ｂに接続された第１整流手段１５と、複数のスイッチング素子からなる系統１７に交流電流を注入する第２インバータ１６と、高周波トランス１３の３次巻線１３ｃとで構成され、高周波トランス１３の１次巻線１３ａから入力される高周波電力を、２次巻線１３ｂを通じて系統に出力し、第３巻線１３ｃを通じてヒータ１９に出力する電力変換装置としたものである。
【選択図】図１

Description

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。

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）。

図６は、従来使用している電力変換装置の構成を示す回路である。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。
特開２０００−３２７５１号公報

しかしながら、前記従来の構成では、出力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、経済性向上の点で逆潮流を防止することが求められるために、蓄電などの方法を含めて装置内部で発生電力を活用する必要があった。

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熱エネルギーの形で蓄熱する手段を有し、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簡素で安価な構成の電力変換手段を提供することを目的とする。

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次側に系統への出力用とは別に専用の３次巻線を追加して、電力を取り出す構成としたものである。これにより燃料電池の発電電力と家庭内の消費電力との差を高周波トランスの３次巻線を通じて取り出すことが可能となり、新たな電力変換器を追加することなく燃料電池や系統から絶縁された独立の出力を得ることができるものである。

本発明の電力変換装置は、高周波トランスの出力に接続された３次巻線を介して、燃料電池の発電電力の一部を瞬時に熱に変換することができるため、家庭内機器の負荷変動や系統の瞬時電圧低下などの異常に対してもシステムを停止する必要のない安定な運転が可能となる。

第１の発明は、複数の出力手段を有する高周波トランスと、前記高周波トランスの１次側に設けられ直流電源から電力供給される１次巻線と、直流電力を高周波電力に変換する第１インバータと、前記高周波トランスの２次側に設けられ電力を平滑させる第１整流手段に接続された２次巻線と、加熱手段に電力供給する３次巻線とを有し、前記１次巻線から入力される高周波電力を、前記２次巻線を通じて系統に出力し、前記３次巻線を通じて前記加熱手段に出力する電力変換装置とするもので、高周波トランスの１次巻線に発生する高周波電力を、２次巻線を通じて系統に出力するとともに、第３巻線を通じて系統とは別電位のヒータに出力することも可能とし、発電が家庭内機器の消費を上回った余剰電力のみヒータに熱エネルギーとして蓄積することができる。

第２の発明は、特に、第１の発明の高周波トランス３次巻線の出力にダイオードとコンデンサからなる第２整流手段を接続してヒータに接続することで、高周波電力を平滑した直流電圧とすることができるため、ヒータへの供給電力を安定化することができる。

第３の発明は、第１、２のいずれか１つの発明において、第２整流手段とヒータとの間に電圧変換コンバータを接続して、ヒータに印加する電圧を可変することで蓄積するヒータ電力を詳細に制御する装置とすることができる。

第４の発明は、第１〜３のいずれか１つの発明において、加熱手段をヒータとするものである。

第５の発明は、第１〜３のいずれか１つの発明において、３次巻線の出力を第２整流手段から取り出した後、誘導加熱制御を可能とする加熱コイルを接続し、加熱コイルは非接触で金属製配管を加熱することで、配管内部にヒータを追加することなく余剰電力処理が可能となるものである。

第６の発明は、第１〜５のいずれか１つの発明において、第１インバータの電力を制御する第１インバータ電力制御手段と、第２インバータの電力を制御する第２インバータ電力制御手段と、前記第１インバータ電力制御手段から発信される第１インバータの電力指令値と前記第２インバータ電力制御手段から発信される第２インバータの電力指令値とを比較する電力指令値比較手段と、加熱手段と３次巻線との間に接続手段とを有し、前記第２インバータ電力指令値が前記第１インバータ電力指令値より小さい時には接続手段をオンすることで、余剰電力が発生しない時の電力損失を最小とするものである。

第７の発明は、第６の発明において、接続手段を半導体スイッチとすることで３次巻線と第２整流手段との接続と切り離しが高速化できると共に、接続手段の駆動電力も小さくすることができる。

第８の発明は、第１〜７のいずれか１つの発明において、第１インバータの動作周波数を可変することで、３次巻線から得られる出力電力を制御することができるため、簡素で安価な構成とすることができる。

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。

（実施の形態１）
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回路図を示すものである。

図１において、直流電源１１で発電した直流電力は、１次側で第１インバータ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はその１次側に設けられた１次巻線１３ａと、２次側に設けられた２次巻線１３ｂ、３次巻線１３ｃを有し、２次巻線１３ｂには限流手段１４と第１整流手段１５とが配置され、第１整流手段１５の出力には系統に電力を注入する第２インバータ１６、系統１７の順で接続されている。また３次巻線１３ｃには第２整流手段１８と余剰電力を熱に変換するヒータ１９とが接続されている。ヒータ１９は加熱手段としての一例である。

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。

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のスイッチング動作により、高周波トランス１３の２次側に発生した高周波電力は第１整流手段１５を通じて平滑されて直流電圧の形でエネルギー蓄積される。第２インバータ１６は直流電源１１で発生した電力の全てを系統電圧に同期した低歪みの交流電流に変換する。一方、家庭内負荷の変動から直流電源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、負荷電力相当分が第２インバータ１６の出力電力となり、発電電力から第２インバータ１６の出力電力を減じた値が、高周波トランス１３の２次側に配置された３次巻線１３ｃで受電されて、これを第２整流手段１８で平滑することにより、ヒータ１９に直流電力を供給している。

以上のように、本実施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高周波トランスの３次巻線で取り出すことによって、入出力電圧の系統からから絶縁された安定な直流電圧を得ることができるので、最小の部品追加で安全性を確保し、さらに瞬時電圧低下といった系統変動に対しても、運転を確実に継続することが可能となり、加えて系統への逆潮流も防止することができる。

（実施の形態２）
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回路図を示すものである。

図２において、図１の回路構成と異なるのは、３次巻線１３ｃに接続された第２整流手段１８とヒータ１９との間に電圧変換コンバータ２０を配置した点である。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。

以上のように構成された電力変換装置について図２を参照して以下にその動作、作用を説明する。

直流電源１１の出力が家庭内の負荷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インバータ１６は出力電力を小さくして逆潮流を防止するとともに、高周波トランス１３の３次巻線１３ｃから得られる高周波電力は第２整流手段１８で整流されて直流電圧に変換した後、ヒータ１９で熱に変換する。ここで例えば出力電力一定で直流電源１１の電圧が変化した場合、第１インバータ１２の導通時間は変化する。この時、３次巻線１３ｃに発生する電圧の平均値が変化することから、第２整流手段１８が出力する直流電圧も変化する。そこで、電圧変換コンバータ２０が第２整流手段１８の出力する直流電圧を調整して、必要な電圧に変換することで、ヒータ１９に印加する電圧を維持して消費電力を一定に維持する。

以上のように、本実施の形態においては第２整流手段の出力電圧の変化を電圧変換コンバータで調整してヒータへの印加電圧を一定値とすることで、必要な範囲における余剰電力の安定維持が図れる装置とする。

（実施の形態３）
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回路を示すものである。

図３において、図２の回路構成と異なるのは、電圧変換コンバータ２０の出力に誘導加熱用の加熱コイル２１を接続して、水２３が流れる金属配管２２の周囲を加熱コイル２１が覆う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。

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。

図３において、直流電源１１の出力が家庭内の負荷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インバータ１６は出力電力を小さくして逆潮流を防止するとともに、高周波トランス１３の３次巻線１３ｃから得られる高周波電力は第２整流手段１８で整流されて直流電圧に変換した後、熱に変換する。ここで電圧変換コンバータ２０は第２整流手段１８で平滑した直流電圧を高周波スイッチングすることで、加熱コイル２１に高周波電力を発生させて、近傍の金属を加熱する構成である。ここで例えば燃料電池の場合、反応によって発生する水２３やコージェネレーションとして熱利用する上での水２３など、燃料電池システムは内部に水が流れる構成であるため多くの金属配管２２を有している。金属配管２２の周辺に加熱コイル２１を取り巻くように配置することで、加熱コイル２１を通じた余剰電力の熱変換を実施する。

以上のように、本実施の形態においてはヒータを新たに設置することなく、システム内に既に存在する金属配管を誘導加熱方式で加熱することで、精度の良い余剰電力の処理を実現することができる。

（実施の形態４）
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回路図を示すものである。

図４において図３の回路構成と異なるのは、第２整流手段１８とヒータ１９との間に接続手段２４を配置し、これを第１インバータの電力を制御する第１インバータ電力制御手段２５と、第２インバータの電力を制御する第２インバータ電力制御手段２６から得られるそれぞれの電力指令値を電力指令値比較手段２７で比較した上で、接続手段２４を駆動するようにした点である。上記以外の構成要素は第３の実施の形態と同等であり、説明を省略する。

以上のように構成された電力変換装置について、図４を参照して以下にその動作、作用を説明する。

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インバータ１２のスイッチング動作により、高周波トランス１３の２次側に発生した高周波電力は全て第１整流手段１５を通じて平滑されて直流電圧の形でエネルギー蓄積され、第２インバータ１６が系統電圧に同期した低歪みの交流電流に変換する。この時は第２平滑手段１８とヒータ１９とが接続されないように接続手段２４は開とする。ここで、高周波トランス１３の３次巻線１３ｃに発生した電圧は第２整流手段で直流電圧に変換されるが、ヒータ１９で電力消費されることがないため、高周波トランス１３から見て無負荷となり、発電電力の全ては高周波トランス１３の２次巻線１３ｂから第１整流手段１５と第２インバータ１６を通じて最終的に系統１７に注入される。特に接続手段２４を半導体スイッチで構成した場合、高速かつ駆動電力の少ない方法となる。具体的な制御手法としては、第１インバータ電力制御手段２５から得られる電力指令値と第２インバータ電力制御手段２６から得られる電力指令値とを電力指令値比較手段２７で比較し、第２インバータ電力指令値が第１インバータ電力指令値より小さいときのみ、接続手段２４を導通させる。

以上のように、本実施の形態においては第２整流手段とヒータとの間に接続手段を配置して、ヒータでの余剰電力処理が必要なときのみ接続手段を閉じることで、余剰電力処理が不要なときの損失増加を軽減する電力変換装置を実現することができる。

（実施の形態５）
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回路図を示すものである。

図５において図４の回路構成と異なるのは、第１インバータ１２と第１インバータ電力制御手段２５との間に周波数可変手段を接続したことと、第２整流手段１８を削除した点である。上記以外の構成要素は第３及び４の実施の形態と同等であり、説明を省略する。

以上のように構成された電力変換装置について、図５を参照して以下にその動作、作用を説明する。

図５において、直流電源１１の出力が家庭内の負荷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インバータ１６は出力電力を小さくして逆潮流を防止するとともに、直流電源１１が発生する発電電力の一部を熱に変換する必要があることから、第１インバータ１２と高周波トランス１３が発生した高周波電力の一部を高周波トランス１３の３次巻線１３ｃは直接、加熱コイル２１に印加するため、金属配管２２は第１インバータ１２の動作周波数で誘導加熱される。ここで、加熱コイル２１から金属配管２２への伝達電力は第１インバータ１２の周波数で変化することから、余剰電力に合致するように第１インバータ電力制御手段２５は、周波数可変手段２８で第１インバータ１２の動作周波数を変化させている。

以上のように、本実施の形態においては第１インバータの動作周波数を変化させて直接加熱コイルに発生する電力を制御することが可能となるため、系統とヒータへの電力分配制御において、構成の簡素化を実現することができる。

以上のように、本発明にかかる電力変換装置は簡素な構成追加で、入出力電圧と絶縁された新たな電圧出力での余剰電力処理を実現することができるので、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。

本発明の実施の形態１における電力変換装置の回路図 本発明の実施の形態２における電力変換装置の回路図 本発明の実施の形態３における電力変換装置の回路図 本発明の実施の形態４における電力変換装置の回路図 本発明の実施の形態５における電力変換装置の回路図 従来の電力変換装置の回路図

符号の説明

１１ 直流電源
１２ 第１インバータ
１３ 高周波トランス
１３ａ １次巻線
１３ｂ ２次巻線
１３ｃ ３次巻線
１４ 限流手段
１５ 第１整流手段
１６ 第２インバータ
１７ 系統
１８ 第２整流手段
１９ ヒータ
２０ 電圧変換コンバータ
２１ 加熱コイル
２２ 金属配管
２３ 水
２４ 接続手段
２５ 第１インバータ電力制御手段
２６ 第２インバータ電力制御手段
２７ 電力指令値比較手段
２８ 周波数可変手段

Claims (8)

1. 複数の出力手段を有する高周波トランスと、前記高周波トランスの１次側に設けられ直流電源から電力供給される１次巻線と、直流電力を高周波電力に変換する第１インバータと、前記高周波トランスの２次側に設けられ電力を平滑させる第１整流手段に接続された２次巻線と、加熱手段に電力供給する３次巻線とを有し、前記１次巻線から入力される高周波電力を、前記２次巻線を通じて系統に出力し、前記３次巻線を通じて前記加熱手段に出力する電力変換装置。
2. ３次巻線と加熱手段との間には、ダイオードとコンデンサとを有する第２整流手段を接続した請求項１記載の電力変換装置。
3. 第２整流手段と加熱手段との間に電圧変換コンバータを接続して、加熱手段に印加する電圧を可変する請求項１または２に記載の電力変換装置。
4. 加熱手段をヒータとする請求項１〜３いずれか１項に記載の電力変換装置。
5. 加熱手段を加熱コイルとし、前記加熱コイルは非接触で金属製配管を加熱する請求項１〜３いずれか１項に記載の電力変換装置。
6. 第１インバータの電力を制御する第１インバータ電力制御手段と、第２インバータの電力を制御する第２インバータ電力制御手段と、前記第１インバータ電力制御手段から発信される第１インバータの電力指令値と前記第２インバータ電力制御手段から発信される第２インバータの電力指令値とを比較する電力指令値比較手段と、加熱手段と３次巻線との間に接続手段とを有し、前記第２インバータ電力指令値が前記第１インバータ電力指令値より小さい時には接続手段をオンする請求項１〜５のいずれか１項に記載の電力変換装置。
7. 接続手段は半導体スイッチである請求項６記載の電力変換装置。
8. 第１インバータの動作周波数を可変することで、３次巻線の出力電力を制御する請求項１〜７いずれか１項に記載の電力変換装置。

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