JP2009044794A - 電力変換装置及び電力変換制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】コンバータ回路の電流定格を変更することなくＥＤＬＣを用いることができる電力変換装置を提供する。
【解決手段】
交流電源１から供給される交流電力を変換するコンバータ２、コンバータ２と直列に接続されるインバータ３、コンバータ２、インバータ３を直列に接続する直流部１１に接続される第１蓄電ユニット９及び第２蓄電ユニット１０を有する電力変換装置において、交流電源１は正常動作時にコンバータ２及びインバータ３を介して負荷装置４に電力を供給し、交流電源１に異常が発生した場合、第２蓄電ユニット１０が第１蓄電ユニット９よりも優先的に電力を負荷装置４に供給し、交流電源１が復帰した場合、第１蓄電ユニット９による第２蓄電ユニット１０の充電後、交流電源１がコンバータ２を介して第１蓄電ユニット９に充電する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、電力変換装置及び電力変換制御方法にかかり、特に、電源による電力の供給に異常が発生した場合にも、負荷装置に供給される電力変動を防ぐ電力変換装置及び電力変換制御方法に関する。

電力変換装置は、停電や瞬停、ブラウンアウトといった電源トラブルに関わらず機器に一定の電力を供給して機器を保護する装置として広く使用されている。このような電力変換装置を備えた電源装置は、停電があっても機器に電力を供給することから、無停電電源装置とも呼ばれている。
図７は、一般的な電力変換装置を例示した図である。図示した電力変換装置は、交流電源１から負荷装置４に供給される電力を一定に保つものである。電力変換装置は、交流電源から供給される電力を直流電圧に変換するコンバータ回路（順変換器）２、変換された直流電圧を所定の交流電圧に変換するインバータ回路（逆変換回路）３、交流電源１による給電が停止した場合に負荷装置４に電力を供給する二次電池６を備えている。

さらに、図示した電力変換装置では、コンバータ２とインバータ３との間の直流部１１に双方向チョッパ回路３３等の直流・直流変換回路を接続している。双方向チョッパ回路３３は、二次電池６の動作を最適化するために設けられる構成である。
従来の電力変換装置では、二次電池６として、鉛蓄電池等が使用されていたが、近年では、二次電池６に代えて電気二重層キャパシタ（ＥＤＬＣ：electric double layer capacitor）を使用するものがある。ＥＤＬＣは、充放電の効率が高く、また、充放電時間が短い上、サイクル寿命が長いという利点を有する蓄電デバイスである。

ただし、ＥＤＬＣは、鉛電池やリチウム電池に比べてエネルギー密度が小さいという欠点がある。このような欠点を補う従来技術として、例えば、特許文献１、特許文献２が挙げられる。特許文献１に記載された電力制御装置は、二次電池とＥＤＬＣとを並列に設け、停電発生直後にはＥＤＬＣから負荷装置に電力を供給する。そして、以降に電力の供給源を二次電池に切替えている。
このような特許文献１によれば、電源１によって供給される電力の急激な変化に即座に対応し、以降は安定に電力を負荷装置に供給することができる。

また、特許文献２には、二次電池とＥＤＬＣとを併用したハイブリッド燃料システムが記載されている。このシステムでは、瞬間的に消費電力が増加した場合にはＥＤＬＣによって給電し、二次電池が放電する電流を制限する。このような特許文献２によれば、二次電池の寿命低下を防止し、しかも消費電力の急激な変化に対応することができる。
特開２００２−３４１７９号公報 特開２００２−１１０２１０号公報

しかしながら、上記した特許文献１及び特許文献２では、停電からの電源復帰後にコンバータ回路を介して二次電池及びＥＬＤＣを充電する。このため、コンバータ回路には、負荷装置に供給される電流に加えて二次電池やＥＬＤＣといった蓄電デバイスの充電電流が流入する。
二次電池だけを備えた電力変換装置では、二次電池の最大充電電流が一般的にコンバータ回路に流せる電流の定格の１割程度であるため、設計余裕の範囲で充電することが可能である。しかし、ＥＤＬＣの特徴である高速充電を実現するには、二次電池だけを備えた電力変換装置に設けられているコンバータ回路に流せる以上の電流を流すことが必要になる。このため、従来技術においてＥＤＬＣを電力変換装置に設けるには、コンバータ回路の電流定格を変更してコンバータ回路をより大型化することが必要になる場合がある。
本発明は、このような点に鑑みてなされたものであり、コンバータ回路の電流定格を変更することなくＥＤＬＣを用いることができる電力変換装置を提供し、回路構成を大型化することなく急激な供給電流の変化に対応することができるようにすることを目的とする。

以上の課題を解決するため、本発明の請求項１に記載の電力変換装置は、交流電源から供給される交流電力を直流電力に変換する順変換器と、前記順変換器によって変換された直流電力を所望の周波数の交流電力に変換する逆変換器と、前記順変換器と前記逆変換器とを直列に接続する直流部に接続される第１蓄電ユニット及び、前記直流部に接続されて前記第１蓄電ユニットよりも高速に充放電できる第２蓄電ユニットとを有し、正常動作時、前記交流電源は、前記順変換器及び前記逆変換器を介して負荷装置に電力を供給し、前記交流電源に異常が発生した場合、前記第２蓄電ユニットは前記第１蓄電ユニットよりも優先的に電力を負荷装置に供給し、前記交流電源が復帰した場合、前記第１蓄電ユニットによる前記第２蓄電ユニットの充電後、前記交流電源が前記順変換器を介して前記第１蓄電ユニットに充電することを特徴とする。

本発明の請求項２に記載の電力変換装置は、請求項１に記載の発明において、前記第１蓄電ユニットが、第１蓄電デバイスと、該第１蓄電デバイスから供給される直流電力の電圧値を変換する第１直流・直流変換回路を備え、 前記第２蓄電ユニットは、前記第１蓄電デバイスよりも高速に充放電できる第２蓄電デバイスと、該第２蓄電デバイスから供給される直流電力の電圧値を変換する第２直流・直流変換回路を備えることを特徴とする。

本発明の請求項３に記載の電力変換装置は、交流電源から供給される交流電力を直流電力に変換する順変換器と、前記順変換器によって変換された直流電力を所望の周波数の交流電力に変換する逆変換器と、前記順変換器と前記逆変換器とを直列に接続する直流部に接続される第１蓄電ユニット及び第２蓄電ユニットと、を有する電力変換装置であって、前記第１蓄電ユニットは、第１蓄電デバイスと、前記交流電源から前記順変換器を介さずに電力を供給して前記第１蓄電デバイスを充電する第１充電手段と、当該第１充電手段によって充電された前記第１蓄電デバイスを放電させる第１放電手段と、を備え、前記第２蓄電ユニットは、前記第１蓄電デバイスよりも高速に充放電できる第２蓄電デバイスと、前記交流電源から前記順変換器を介さずに電力を供給して前記第２蓄電デバイスを充電する第２充電手段と、当該第２充電手段によって充電された前記第２蓄電デバイスを放電させる第２放電手段と、を備え、正常動作時、前記交流電源は、前記順変換器及び前記逆変換器を介して負荷装置に電力を供給すると共に前記第１充電手段を介して前記第１蓄電デバイスを、前記第２充電手段を介して前記第２蓄電デバイスをそれぞれ充電し、前記交流電源に異常が発生した場合、前記第１充電手段及び前記第２充電手段がそれぞれ充電を停止すると共に、前記第２放電手段は前記第１放電手段よりも優先的に前記第２蓄電デバイスから電力を負荷装置に供給し、前記交流電源が復帰した場合、前記交流電源は前記第１充電手段を介して前記第１蓄電デバイスを、前記第２充電手段を介して前記第２蓄電デバイスをそれぞれ充電することを特徴とする。

本発明の請求項４に記載の電力変換装置は、請求項３に記載の発明において、前記第２放電手段が前記第２蓄電デバイスを充電する充電機能を有し、前記交流電源が復帰した場合、前記第２放電手段が前記第１放電手段を介して前記第１蓄電デバイスから前記第２蓄電デバイスに電力を供給して前記第２蓄電デバイスを所定の電圧レベルまで充電した後、前記交流電源が前記第１充電手段を介して前記第１蓄電デバイスを、前記第２充電手段を介して前記第２蓄電デバイスをそれぞれ充電することを特徴とする。
本発明の請求項５に記載の電力変換装置は、請求項２から４のいずれか１項に記載の電力変換装置に記載の発明において、前記第１蓄電デバイスが前記第２蓄電デバイスよりも容量が大きい蓄電デバイスであり、前記第２蓄電デバイスは前記第１蓄電デバイスよりもサイクル寿命の長い蓄電デバイスであることを特徴とする。

本発明の請求項６に記載の電力変換制御方法は、交流電源から供給される交流電力を直流電力に変換する順変換器と、前記順変換器によって変換された直流電力を所望の周波数の交流電力に変換する逆変換器と、前記順変換器と前記逆変換器とを直列に接続する直流部に接続される第１蓄電ユニット及び、前記直流部に接続されて前記第１蓄電ユニットよりも高速に充放電できる第２蓄電ユニットとを有する電力変換装置に適用される電力変換制御方法おいて、前記交流電源の正常動作時、前記順変換器及び前記逆変換器を介して前記交流電源から負荷装置に電力を供給する正常制御工程と、前記正常制御工程中に前記交流電源に異常が発生した場合、前記第１蓄電ユニットよりも優先的に前記第２蓄電ユニットから電力を負荷装置に供給する異常制御工程と、前記異常制御工程から前記交流電源が復帰した場合、前記第１蓄電ユニットによる前記第２蓄電ユニットの充電後、前記交流電源が前記順変換器を介して前記第１蓄電ユニットに充電する復帰制御工程と、を含むことを特徴とする。

本発明の請求項７に記載の電力変換制御方法は、交流電源から供給される交流電力を直流電力に変換する順変換器と、前記順変換器によって変換された直流電力を所望の周波数の交流電力に変換する逆変換器と、前記順変換器と前記逆変換器とを直列に接続する直流部に接続され、第１蓄電デバイスと、前記交流電源から前記順変換器を介さずに電力を供給して前記第１蓄電デバイスを充電する第１充電手段と、当該第１充電手段によって充電された前記第１蓄電デバイスを放電させる第１放電手段と、を備えた第１蓄電ユニット及び、前記第１蓄電デバイスよりも高速に充放電できる第２蓄電デバイスと、前記交流電源から前記順変換器を介さずに電力を供給して前記第２蓄電デバイスを充電する第２充電手段と、当該第２充電手段によって充電された前記第２蓄電デバイスを放電させる第２放電手段と、を備えた第２蓄電ユニットと、を有する電力変換装置に適用される電力変換制御方法であって、前記交流電源が、前記順変換器及び前記逆変換器を介して負荷装置に電力を供給すると共に前記第１充電手段を介して前記第１蓄電デバイスを、前記第２充電手段を介して前記第２蓄電デバイスをそれぞれ充電する正常制御工程と前記正常制御工程中に前記交流電源に異常が発生した場合、前記第１充電手段及び前記第２充電手段がそれぞれ充電を停止すると共に、前記第２放電手段は前記第１放電手段よりも優先的に前記第２蓄電デバイスから電力を負荷装置に供給する異常制御工程と、前記異常制御工程において前記交流電源が復帰した場合、前記交流電源は前記第１充電手段を介して前記第１蓄電デバイスを、前記第２充電手段を介して前記第２蓄電デバイスをそれぞれ充電することを復帰制御工程と、を含むことを特徴とする。

請求項１に記載の発明によれば、交流電源が正常動作時には前記順変換器及び前記逆変換器を介して負荷装置に電力を供給し、交流電源に異常が発生した場合には第２蓄電ユニットによって電力を負荷装置に供給し、交流電源が復帰した場合には第１蓄電ユニットによる前記第２蓄電ユニットの充電後、交流電源が前記順変換器を介して第１蓄電ユニットに充電することができる。このため、順変換器を介することなく第２蓄電ユニットを高速充電することができるので、第１蓄電ユニットと同様の電流定格の構成を第２蓄電ユニットに適用することができる。

したがって、請求項１に記載の発明は、順変換器（コンバータ回路）の電流定格を変更することなく、第１蓄電ユニットよりも高速に充放電できる第２蓄電ユニットを用いることができる電力変換装置を提供できる。このような電力変換装置は、回路構成を大型化することなく急激な供給電流の変化に対応することができる。
請求項２に記載の発明によれば、放電電圧が制御可能な第１蓄電ユニット、第１蓄電ユニットよりも高速に充放電でき、かつ放電電圧が制御可能な第２蓄電ユニットを比較的簡易な構成によって実現することができる。

請求項３に記載の発明によれば、交流電源から順変換器を介さずに電力を供給して第１蓄電デバイスを充電する第１充電手段、交流電源から順変換器を介さずに電力を供給して第２蓄電デバイスを充電する第２充電手段により、第１蓄電デバイス、第２蓄電デバイスを充電するための電流を順変換器から供給する必要がなくなる。このため、順変換器の電流定格を変更することなく第２蓄電デバイスを高速充電することができる電力変換装置を提供することができる。

請求項４に記載の発明によれば、第２放電手段が前記第２蓄電デバイスを充電する充電機能を有するので、第２蓄電デバイスを充電するための電流を第２充電手段から供給する必要がなくなる。このため、順変換器ばかりでなく第２充電手段の電流定格を変更することなく第２蓄電デバイスを高速充電することができる電力変換装置を提供することができる。
請求項５に記載の発明によれば、第１蓄電デバイスが第２蓄電デバイスよりも容量が大きいため、第１蓄電デバイスによって負荷装置に対して安定に電力を供給することができる。また、優先して電力の供給に使用される第２蓄電デバイスは第１蓄電デバイスよりもサイクル寿命が長いため、よりサイクル寿命が短い第１蓄電デバイスの長寿命化を図ることができる。

請求項６に記載の発明によれば、交流電源が正常動作時には前記順変換器及び前記逆変換器を介して負荷装置に電力を供給し、交流電源に異常が発生した場合には第２蓄電ユニットによって電力を負荷装置に供給し、交流電源が復帰した場合には第１蓄電ユニットによる前記第２蓄電ユニットの充電後、交流電源が前記順変換器を介して第１蓄電ユニットに充電することができる。このため、順変換器を介することなく第２蓄電ユニットを高速充電することができるので、第１蓄電ユニットと同様の電流定格の構成を第２蓄電ユニットに適用することができる。

請求項７に記載の発明によれば、交流電源が正常動作時には交流電源が順変換器及び逆変換器を介して負荷装置に電力を供給すると共に第１充電手段を介して第１蓄電デバイスを、前記第２充電手段を介して第２蓄電デバイスをそれぞれ充電し、交流電源に異常が発生した場合には第１充電手段及び第２充電手段がそれぞれ充電を停止すると共に、第２放電手段は第１放電手段よりも優先的に第２蓄電デバイスから電力を負荷装置に供給し、交流電源が復帰した場合には交流電源が第１充電手段を介して第１蓄電デバイスを、第２充電手段を介して第２蓄電デバイスをそれぞれ充電することができる。このため、順変換器を介することなく第２蓄電ユニットを高速充電することができるので、第１蓄電ユニットと同様の電流定格の構成を第２蓄電ユニットに適用することができる。

以下、図を参照して本発明にかかる実施形態１ないし３を説明する。
図１は、実施形態１の電力変換装置の構成を説明するための図である。実施形態１では、図示した電力変換装置を、無停電電源装置に適用されるものとする。
電力変換装置は、交流電源１から供給される交流電力を直流電力に変換する順変換器であるコンバータ２と、コンバータ２によって変換された直流電力を所望の交流電力に変換する逆変換器であるインバータ３とを備えている。コンバータ２とインバータ３とは直列に接続されていて、コンバータ２とインバータ３とを接続する部位を直流部１１とする。また、直流部１１には、第１蓄電ユニット９、第１蓄電ユニット９よりも高速に充放電できる第２蓄電ユニット１０が接続されている。

さらに、実施形態１の電力変換装置は、コンバータ２、インバータ３、第１蓄電ユニット９、第２蓄電ユニット１０を制御する制御回路１２を備えている。制御回路１２は、コンバータ２を制御するＣＮＶ制御部１２ａ、インバータ３を制御するＩＮＶ制御部１２ｂ、第１蓄電ユニット９、第２蓄電ユニット１０を制御するＣｈｏｐ制御部１２ｃを備えている。
制御回路１２ａは、無停電電源装置全体を制御する制御部の一部として構成されてもよい。また、電力変換装置を独立に制御する構成として設けられるものであってもよい。制御回路１２が電力変換装置を制御する信号線ｓを図中に一点鎖線で示し、電力の流れを示す実線と区別する。

第１蓄電ユニット９は、第１蓄電デバイスである二次電池６と、二次電池６から供給される直流電力の電圧値を変換する第１直流・直流変換回路を備えている。また、第２蓄電ユニットは、二次電池６よりも高速に充放電できる電気二重層キャパシタ（ＥＤＬＣ）８と、ＥＤＬＣ８から供給される直流電力の電圧値を変換する第２直流・直流変換回路を備えている。なお、負荷装置４は、交流電源１によって電力の供給を受けて動作する機器等である。

実施形態１では、第１直流・直流変換回路、第２直流・直流変換回路にいずれもＣＨＯＰ回路を適用する。第１直流・直流変換回路をＣＨＯＰ回路５、第２直流・直流変換回路をＣＨＯＰ回路７とし、ＣＨＯＰ回路５に流れる電流をＩｃｈｏｐ１、ＣＨＯＰ回路７に流れる電流をＩｃｈｏｐ２と記す。
このように構成された実施形態１の電力変換装置では、正常動作時、交流電源１は、コンバータ２及びインバータ３を介して負荷装置４に電力を供給する。また、交流電源１に停電等の異常が発生した場合、第２蓄電ユニット１０は第１蓄電ユニット９よりも優先的に電力を負荷装置４に供給する。そして、交流電源１が異常から復帰した場合、第１蓄電ユニット９による第２蓄電ユニット１０の充電後、交流電源１がコンバータ２介して第１蓄電ユニット９に充電する。

図２は、図１に示した電力変換装置の動作を説明するためのタイムチャートであって、電力変換装置による電力変換制御方法を説明するための図である。図は、横軸に時間ｔを、縦軸に電流値を示していて、図中の網線はそれぞれ出力電圧一定制御、放電、充電といった各構成の動作の種別を示している。図示した処理は、制御回路１２によって行われている。

図中の最上段に記した電源モードとは、交流電源１の状態を示している。実施形態１では、電源モードが正常、停電、復電の３通りある。電源モード正常時の動作が実施形態１の電力変換制御方法の正常工程に相当する。また、電源モード停電時の動作が実施形態１の電力変換制御方法の異常工程、電源モード復電時の動作が実施形態１の電力変換制御方法の復帰工程にそれぞれ相当する。
図中において、Ｉｉｎｖは、インバータ３の電流値を示し、Ｉｃｎｖはコンバータ２の電流値を示す。Ｉｃｈｏｐ１は二次電池６の電流値であり、Ｉｃｈｏｐ２はＥＤＬＣ８の電流値である。以下、図２を用い、実施形態１の電力変換装置の動作を電源モードごとに説明する。

（電源モード：正常）
交流電源１の正常動作時、ＣＮＶ制御部１２ａは、コンバータ２が出力する直流電力の電圧値を監視している。そして、監視している電圧を、後段のインバータ３や第１蓄電ユニット９、第２蓄電ユニット１０が消費する電力による電圧の低下によらず一定に保つよう制御する。このような制御を、図中に出力電圧一定制御と記す。
また、ＩＮＶ制御部１２ｂは、インバータ３が出力する電圧値を監視している。そして、インバータ３にかかる負荷によらず一定の交流電圧が負荷装置４に供給されるように電流Ｉｉｎｖを制御する。ＣＮＶ制御部１２ａは、コンバータ２に、交流電源１から供給された電力を変換して一定の値の直流電圧を出力するようにＩｃｎｖを制御させる。
さらに、ｃｈｏｐ制御部１２ｃは、ＣＨＯＰ回路５及びＣＨＯＰ回路７を制御する。この制御により、ＣＨＯＰ回路５及びＣＨＯＰ回路７は、各々に接続されている二次電池やＥＤＬＣ８に蓄電される電力の電圧値が一定の値（浮動充電電圧）に保たれるように浮動充電制御を行っている。

（電源モード：停電）
停電が発生して交流電源１が電力による負荷装置４への電力供給がなくなった場合、ＣＮＶ制御部１２ａは、図示しない回路によるゲートオフ等によってコンバータ２と交流電源１を電気的に切り離す。このとき、ＥＤＬＣ８が放電し、電力がＣＨＯＰ回路７、インバータ３を介して負荷装置に供給される。ｃｈｏｐ制御部１２ｃは、ＥＤＬＣ８からＣＨＯＰ回路７に供給された電力を、インバータ３から一定の値の直流電圧が供給されるように制御する。ＩＮＶ制御部１２ｂは、正常時と同様に、インバータ３の出力電圧を監視して、一定の交流電流が出力されるようにインバータ３を制御する。

ｃｈｏｐ制御部１２ｃは、ＥＤＬＣ８が一定の放電終止電圧に達したことによってＥＤＬＣ８の放電を終了させる。そして、ＣＨＯＰ回路５を制御し、ＥＤＬＣ８の放電終了と同時に二次電池６の放電を開始させる。この際、ＣＨＯＰ回路５は、インバータ３に供給される直流電圧の値が一定になるよう制御する。なお、インバータ３に電力を供給する蓄電デバイスを切替る制御は、ＣＨＯＰ回路７とＣＨＯＰ回路５との動作をラップさせることによって円滑にできる。
このような実施形態１は、上記したように、二次電池６よりもサイクル寿命の長いＥＤＬＣ８を負荷装置４への電力供給に使用する。このため、停電時間が短い場合には二次電池６を使って負荷装置４に電力を供給することが必要ない。このため、二次電池６の充放電の回数の増加を抑え、二次電池６を長寿命化することができる。

（電源モード：復電）
交流電源１が停電から復帰（復電）すると、ＣＮＶ制御部１２ａは、正常時と同様に、コンバータ２が出力する直流電力の電圧値を監視し、出力電圧一定制御を開始する。ＩＮＶ制御部１２ｂは、インバータ３から一定の交流電圧が出力されるように出力電圧一定制御を継続する。
コンバータ２の制御開始と同時に、ｃｈｏｐ制御部１２ｃは、二次電池６とＣＨＯＰ回路５を制御してＥＤＬＣ８の高速充電を開始する。この際、ｃｈｏｐ制御部１２ｃは、ＥＤＬＣ８の高速充電に必要な充電電流の量を演算によって求める。そして、求められた充電電流をＣＨＯＰ回路７へ充電指令として与えると共に、ＣＨＯＰ回路５に放電電流指令として与える。このような処理により、二次電池６に蓄電されている電力が放電され、ＥＤＬＣ８に充電される。

以上の動作により、二次電池６に蓄えられた電力がコンバータ２を介することなくＥＤＬＣ８を高速充電することができる。したがって、実施形態１は、ＥＤＬＣ８の高速充電にあたってコンバータ２の電流定格を変更する必要がない。さらに、ＥＤＬＣ８の充電時間を二次電池６の放電時間以上に設定すれば、ＣＨＯＰ回路７の充電電流耐量が二次電池の放電電流耐量以下の値になるので、第１蓄電ユニット９の回路構成の仕様を変更することなく第２蓄電ユニット１０に適用することが可能になる。

ｃｈｏｐ制御部１２ｃは、ＥＤＬＣ８の高速充電終了後、ＣＨＯＰ回路７の充電制御を高速充電から浮動充電に切替える。浮動充電により、ＥＤＬＣ８の電圧は浮動電圧の値に保たれる。また、ｃｈｏｐ制御部１２ｃは、二次電池６の電圧を浮動電圧に保つよう、ＣＨＯＰ回路５に二次電池６の浮動充電を開始させる。なお、この際、コンバータ２を流れる電流Ｉｃｎｖは、二次電池６の充電に必要な量だけ増加する。
以上述べたように、実施形態１の電力変換装置は、コンバータ２の電流定格を変更することなく、二次電池６よりも高速に充放電できるＥＤＬＣ８を用いることができる電力変換装置、電力変換制御方法を提供できる。このような電力変換装置、電力変換制御方法は、回路構成を大型化することなく急激な供給電流の変化に対応することができる。

（実施形態２）
次に、本発明の実施形態２について説明する。図３は、本発明の実施形態２の電力変換装置の構成を説明するための図である。図示した構成は実施形態１で説明した構成と同様の構成を含んでいて、同様の構成については同様の符号を付して説明を一部略すものとする。
実施形態２の電流変換装置では、実施形態１で説明した電力変換装置と同様に、交流電源１、コンバータ２、インバータ３が直流部１１によって直列に接続されている。また、直流部１１には、第２蓄電ユニット３０、第１蓄電ユニット３９が接続されている。

第１蓄電ユニット３９は、二次電池６、交流電源１からコンバータ２を介さずに電力を供給して二次電池６を充電する交流・直流変換器３５、交流・直流変換器３５によって充電された二次電池６を放電させる直流・直流変換器１５を備えている。第２蓄電ユニット３０は、二次電池６よりも高速に充放電できるＥＤＬＣ８、交流電源１からコンバータ２を介さずに電力を供給してＥＤＬＣ８を充電する交流・直流変換器３７、交流・直流変換器３７によって充電されたＥＤＬＣ８を放電させる直流・直流変換器１７を備えている。

以上の構成において、二次電池６が第１蓄電デバイス、交流・直流変換器３５が第１充電手段、直流・直流変換器１５が第１放電手段として機能する。また、ＥＤＬＣ８が第２蓄電デバイス、交流・直流変換器３７が第２充電手段、直流・直流変換器１７が第２放電手段として機能する。充電手段として機能する直流・直流変換器が出力する電流をＩｃｈｇ１、Ｉｃｈｇ２、放電手段として機能する直流・直流変換器が出力する電流をＩｃｈｏｐ１、Ｉｃｈｏｐ２と記す。

また、実施形態２の電力変換装置は、以上の構成を統括して制御する制御回路３２を備えている。制御回路３２は、コンバータ２を制御するＣＮＶ制御部３２ａ、インバータ３を制御するＩＮＶ制御部３２ｂ、第１蓄電ユニット３９、第２蓄電ユニット３０を制御する充放電制御部３２ｃを備えている。制御回路３２が電力変換装置を制御する信号線ｓを図中に一点鎖線で示し、電力の流れを示す実線と区別する。

実施形態２の電力変換装置は、正常動作時、交流電源１は、コンバータ２及びインバータ３を介して負荷装置４に電力を供給すると共に交流・直流変換器３５を介して二次電池６を充電する。また、交流・直流変換器３７を介してＥＤＬＣ８を充電する。
交流電源１に異常が発生した場合、交流・直流変換器３５及び交流・直流変換器３７がそれぞれ充電を停止すると共に、直流・直流変換器１７は直流・直流変換器１５よりも優先的にＥＤＬＣ８から電力を負荷装置４に供給する。さらに、交流電源１が復帰した場合、交流電源１は、交流・直流変換器３５を介して二次電池６を、交流・直流変換器３７を介してＥＤＬＣ８をそれぞれ充電する。

図４は、図３に示した電力変換装置の動作を説明するためのタイムチャートであって、電力変換装置による電力変換制御方法を説明するための図である。図は、横軸に時間ｔを、縦軸に電流値を示していて、図中の網線はそれぞれ出力電圧一定制御、放電、充電といった各構成の動作の種別を示している。図示した処理は、制御回路３２によって行われている。
実施形態２においても、電源モードは正常、停電、復電の３通りある。電源モード正常時の動作が実施形態２の電力変換制御方法の正常工程に相当する。また、電源モード停電時の動作が実施形態２の電力変換制御方法の異常工程、電源モード復電時の動作が実施形態２の電力変換制御方法の復帰工程にそれぞれ相当する。

図中において、Ｉｉｎｖは、インバータ３の電流値を示し、Ｉｃｎｖはコンバータ２の電流値を示す。Ｉｃｈｏｐ１は二次電池６の電流値であり、Ｉｃｈｏｐ２はＥＤＬＣ８の電流値である。また、Ｉｃｎｇ１は交流・直流変換器３５から二次電池６に供給される電流値であり、Ｉｃｈｎｇ２は交流・直流変換器３７からＥＤＬＣ８に供給される電流値である。以下、図４を用い、実施形態２の電力変換装置の動作を電源モードごとに説明する。

（電源モード：正常）
交流電源１の正常動作時、ＣＮＶ制御部３２ａは、コンバータ２が出力する直流電力の電圧値を監視している。そして、監視している電圧を、後段のインバータ３や第１蓄電ユニット３９、第２蓄電ユニット３０が消費する電力による電圧の低下によらず一定に保つよう制御する。このような制御を、図中に出力電圧一定制御と記す。
また、ＩＮＶ制御部３２ｂは、インバータ３が出力する電圧値を監視している。そして、インバータ３にかかる負荷によらず一定の交流電圧が負荷装置４に供給されるように電流Ｉｉｎｖを制御する。ＣＮＶ制御部３２ａは、コンバータ２に、交流電源１から供給された電力を変換して一定の値の直流電圧を出力するようにＩｃｎｖを制御させる。
さらに、充放電制御部３２ｃは、直流・直流変換器１５及び直流・直流変換器１７を制御する。この制御により、直流・直流変換器１５及び直流・直流変換器１７は、各々に接続されている二次電池やＥＤＬＣ８に蓄電される電力の電圧値が一定の値に保たれるように浮動充電制御を行っている。この際、充放電制御部３２ｃは、直流・直流変換器１７、直流・直流変換器１５を停止させて待機状態におくよう制御している。

（電源モード：停電）
停電が発生して交流電源１が電力による負荷装置４への電力供給がなくなった場合、ＣＮＶ制御部３２ａは、図示しない回路によるゲートオフ等によってコンバータ２と交流電源１を電気的に切り離す。また、交流・直流変換器３５、交流・直流変換器３７は、それぞれ交流電源１の復帰までの間、充電動作を停止する。
このとき、充放電制御部３２ｃは、交流・直流変換器１７を制御してＥＤＬＣ８を放電させる。放電電力は、インバータ３を介して負荷装置４に供給される。また、充放電制御部３２ｃは、インバータ３から一定の値の直流電圧が供給されるように交流・直流変換器１７を制御する。ＩＮＶ制御部３２ｂは、正常時と同様に、インバータ３の出力電圧を監視して、一定の交流電流が出力されるようにインバータ３を制御する。

充放電制御部３２ｃは、直流・直流変換器１７を制御してＥＤＬＣ８が一定の放電終止電圧に達したときにＥＤＬＣ８の放電を終了させる。そして、直流・直流変換器１５を制御し、ＥＤＬＣ８の放電終了と同時に二次電池６の放電を開始させる。この際、直流・直流変換器１５は、インバータ３に供給される直流電圧の値が一定になるよう制御する。なお、インバータ３に電力を供給する蓄電デバイスを切替る制御は、直流・直流変換器１７と直流・直流変換器１５との動作をラップさせることによって円滑にできる。

（電源モード：復電）
交流電源１が停電から復電すると、ＣＮＶ制御部３２ａは、正常時と同様に、コンバータ２が出力する直流電力の電圧値を監視し、出力電圧一定制御を開始する。ＩＮＶ制御部３２ｂは、インバータ３から一定の交流電圧が出力されるように出力電圧一定制御を継続する。
コンバータ２の制御開始と同時に、充放電制御部３２ｃは、交流・直流変換器３７を制御してＥＤＬＣ８の高速充電を開始する。この際、充放電制御部３２ｃは、ＥＤＬＣ８の充電レベルを監視し、ＥＤＬＣ８の電圧が所定の電圧を超えた場合に充電の制御を浮動充電に切替える。また、交流・直流変換器３５は、二次電池６が所定の電圧値に達するまで最大電流で充電し、その後浮動充電に制御を切替える。なお、この際、直流・直流変換器１５、直流・直流変換器１７は停止して待機状態になっている。

このような実施形態２によれば、ＥＤＬＣ８及び二次電池６を充電するための電流は、全てコンバータ２を介することなく交流・直流変換器３５、交流・直流変換器３７に供給される。このため、コンバータ２はインバータ３が必要とする電流だけを供給すればよく、コンバータ２の電流定格を一定にしたままＥＤＬＣ８等の蓄電デバイスの高速充電が可能な電力変換装置を提供することができる。

（実施形態３）
次に、本発明の実施形態３について説明する。図５は、本発明の実施形態３の電力変換装置の構成を説明するための図である。図示した構成は実施形態２で説明した構成と同様の構成を含んでいて、同様の構成については同様の符号を付して説明を一部略すものとする。
実施形態３の電流変換装置は、実施形態２で説明した電力変換装置の直流・直流変換器１７を直流・直流変換器５７に置き換えて構成されている。直流・直流変換器１７と直流・直流変換器５７との相違は、直流・直流変換器１７がＥＤＬＣ８から電力を取り出す放電機能のみを有するのに対し、直流・直流変換器５７が放電機能と共にＥＤＬＣ８を充電する双方向動作可能な構成を有する点である。

実施形態３の電力変換装置は、交流電源１が停電から復帰した場合、交流・直流変換器３５が直流・直流変換器５７を介して二次電池６からＥＤＬＣ８に電力を供給してＥＤＬＣ８を所定の電圧レベルまで充電した後、交流電源１が交流・直流変換器３５を介して二次電池６を、交流・直流変換器３７を介してＥＤＬＣ８をそれぞれ充電するよう動作する。

図６は、図５に示した電力変換装置の動作を説明するためのタイムチャートであって、電力変換装置による電力変換制御方法を説明するための図である。図は、横軸に時間ｔを、縦軸に電流値を示していて、図中の網線はそれぞれ出力電圧一定制御、放電、充電といった各構成の動作の種別を示している。図示した処理は、実施形態２と同様に、制御回路３２によって行われている。
以下、図６を用い、実施形態３の電力変換装置の動作を説明する。なお、実施形態３の電力変換装置は、交流電源１の正常時、停電時には実施形態２と同様に動作し、復電時についてのみ実施形態２と異なる動作をする。このため、以下の説明では、実施形態３の電力変換装置の復電時の動作モードについてのみ説明をする。

（電源モード：復電）
交流電源１が停電から復電すると、ＣＮＶ制御部３２ａは、正常時と同様に、コンバータ２が出力する直流電力の電圧値を監視し、出力電圧一定制御を開始する。ＩＮＶ制御部３２ｂは、インバータ３から一定の交流電圧が出力されるように出力電圧一定制御を継続する。
コンバータ２の制御開始と同時に、充放電制御部３２ｃは、ＥＤＬＣ８の高速充電に必要な充電電流の量を演算によって求める。そして、求められた充電電流を直流・直流変換器５７へ充電指令として与えると共に、直流・直流変換器１５に放電電流指令として与える。このような処理により、二次電池６に蓄電されている電力が放電され、ＥＤＬＣ８が高速充電される。

高速充電の後、充放電制御部３２ｃは、交流・直流変換器３７を制御して交流電源１からＥＤＬＣ８に電力を供給して浮動制御する。また、交流・直流変換器３５を最大電流充電から浮動充電し、二次電池６の電圧値を一定に保つ。なお、浮動充電の開始後、直流・直流変換器１５及び直流・直流変換器５７は待機状態になる。
このような実施形態３によれば、ＥＤＬＣ８の充電に必要な電力がコンバータ２や交流・直流変換器３７を介することなく供給できる。このため、ＥＤＬＣ８を高速充電するためにコンバータ２の電流定格を変更する必要がないばかりか、交流・直流変換器３７の電流容量を軽減することができる。

本発明の実施形態１の電力変換装置の構成を説明するための図である。 図１に示した電力変換装置の動作を説明するためのタイムチャートである。 本発明の実施形態２の電力変換装置の構成を説明するための図である。 図３に示した電力変換装置の動作を説明するためのタイムチャートである。 本発明の実施形態３の電力変換装置の構成を説明するための図である。 図５に示した電力変換装置の動作を説明するためのタイムチャートである。 一般的な電力変換装置を例示した図である。

符号の説明

１ 交流電源、
２ コンバータ
３ インバータ
４ 負荷装置
５，７ ＣＨＯＰ回路
６ 二次電池
９，１０，３０，３９ 蓄電ユニット
１１ 直流部
１２，３２ 制御回路
１５，１７，５７ 直流・直流変換器
３５，３７ 交流・直流変換器

Claims (7)

1. 交流電源から供給される交流電力を直流電力に変換する順変換器と、
   前記順変換器によって変換された直流電力を所望の周波数の交流電力に変換する逆変換器と、
   前記順変換器と前記逆変換器とを直列に接続する直流部に接続される第１蓄電ユニット及び、前記直流部に接続されて前記第１蓄電ユニットよりも高速に充放電できる第２蓄電ユニットとを有し、
   正常動作時、前記交流電源は、前記順変換器及び前記逆変換器を介して負荷装置に電力を供給し、前記交流電源に異常が発生した場合、前記第２蓄電ユニットは前記第１蓄電ユニットよりも優先的に電力を負荷装置に供給し、前記交流電源が復帰した場合、前記第１蓄電ユニットによる前記第２蓄電ユニットの充電後、前記交流電源が前記順変換器を介して前記第１蓄電ユニットに充電することを特徴とする電力変換装置。
2. 前記第１蓄電ユニットは、第１蓄電デバイスと、該第１蓄電デバイスから供給される直流電力の電圧値を変換する第１直流・直流変換回路を備え、 前記第２蓄電ユニットは、前記第１蓄電デバイスよりも高速に充放電できる第２蓄電デバイスと、該第２蓄電デバイスから供給される直流電力の電圧値を変換する第２直流・直流変換回路を備えることを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
3. 交流電源から供給される交流電力を直流電力に変換する順変換器と、
   前記順変換器によって変換された直流電力を所望の周波数の交流電力に変換する逆変換器と、
   前記順変換器と前記逆変換器とを直列に接続する直流部に接続される第１蓄電ユニット及び第２蓄電ユニットと、を有する電力変換装置であって、
   前記第１蓄電ユニットは、
   第１蓄電デバイスと、前記交流電源から前記順変換器を介さずに電力を供給して前記第１蓄電デバイスを充電する第１充電手段と、当該第１充電手段によって充電された前記第１蓄電デバイスを放電させる第１放電手段と、を備え、
   前記第２蓄電ユニットは、
   前記第１蓄電デバイスよりも高速に充放電できる第２蓄電デバイスと、前記交流電源から前記順変換器を介さずに電力を供給して前記第２蓄電デバイスを充電する第２充電手段と、当該第２充電手段によって充電された前記第２蓄電デバイスを放電させる第２放電手段と、を備え、
   正常動作時、前記交流電源は、前記順変換器及び前記逆変換器を介して負荷装置に電力を供給すると共に前記第１充電手段を介して前記第１蓄電デバイスを、前記第２充電手段を介して前記第２蓄電デバイスをそれぞれ充電し、前記交流電源に異常が発生した場合、前記第１充電手段及び前記第２充電手段がそれぞれ充電を停止すると共に、前記第２放電手段は前記第１放電手段よりも優先的に前記第２蓄電デバイスから電力を負荷装置に供給し、前記交流電源が復帰した場合、前記交流電源は前記第１充電手段を介して前記第１蓄電デバイスを、前記第２充電手段を介して前記第２蓄電デバイスをそれぞれ充電することを特徴とする電力変換装置。
4. 前記第２放電手段が前記第２蓄電デバイスを充電する充電機能を有し、
   前記交流電源が復帰した場合、前記第２放電手段が前記第１放電手段を介して前記第１蓄電デバイスから前記第２蓄電デバイスに電力を供給して前記第２蓄電デバイスを所定の電圧レベルまで充電した後、前記交流電源が前記第１充電手段を介して前記第１蓄電デバイスを、前記第２充電手段を介して前記第２蓄電デバイスをそれぞれ充電することを特徴とする請求項３に記載の電力変換装置。
5. 前記第１蓄電デバイスが前記第２蓄電デバイスよりも容量が大きい蓄電デバイスであり、前記第２蓄電デバイスは前記第１蓄電デバイスよりもサイクル寿命が長い蓄電デバイスであることを特徴とする請求項２から４のいずれか１項に記載の電力変換装置。
6. 交流電源から供給される交流電力を直流電力に変換する順変換器と、
   前記順変換器によって変換された直流電力を所望の周波数の交流電力に変換する逆変換器と、
   前記順変換器と前記逆変換器とを直列に接続する直流部に接続される第１蓄電ユニット及び、前記直流部に接続されて前記第１蓄電ユニットよりも高速に充放電できる第２蓄電ユニットとを有する電力変換装置に適用される電力変換制御方法であって、
   前記交流電源の正常動作時、前記順変換器及び前記逆変換器を介して前記交流電源から負荷装置に電力を供給する正常制御工程と、
   前記正常制御工程中に前記交流電源に異常が発生した場合、前記第１蓄電ユニットよりも優先的に前記第２蓄電ユニットから電力を負荷装置に供給する異常制御工程と、
   前記異常制御工程において前記交流電源が復帰した場合、前記第１蓄電ユニットによる前記第２蓄電ユニットの充電後、前記交流電源が前記順変換器を介して前記第１蓄電ユニットに充電する復帰制御工程と、
   を含むことを特徴とする電力変換制御方法。
7. 交流電源から供給される交流電力を直流電力に変換する順変換器と、
   前記順変換器によって変換された直流電力を所望の周波数の交流電力に変換する逆変換器と、
   前記順変換器と前記逆変換器とを直列に接続する直流部に接続され、第１蓄電デバイスと、前記交流電源から前記順変換器を介さずに電力を供給して前記第１蓄電デバイスを充電する第１充電手段と、当該第１充電手段によって充電された前記第１蓄電デバイスを放電させる第１放電手段と、を備えた第１蓄電ユニット及び、前記第１蓄電デバイスよりも高速に充放電できる第２蓄電デバイスと、前記交流電源から前記順変換器を介さずに電力を供給して前記第２蓄電デバイスを充電する第２充電手段と、当該第２充電手段によって充電された前記第２蓄電デバイスを放電させる第２放電手段と、を備えた第２蓄電ユニットと、を有する電力変換装置に適用される電力変換制御方法であって、
   前記交流電源が、前記順変換器及び前記逆変換器を介して負荷装置に電力を供給すると共に前記第１充電手段を介して前記第１蓄電デバイスを、前記第２充電手段を介して前記第２蓄電デバイスをそれぞれ充電する正常制御工程と
   前記正常制御工程中に前記交流電源に異常が発生した場合、前記第１充電手段及び前記第２充電手段がそれぞれ充電を停止すると共に、前記第２放電手段は前記第１放電手段よりも優先的に前記第２蓄電デバイスから電力を負荷装置に供給する異常制御工程と、
   前記異常制御工程において前記交流電源が復帰した場合、前記交流電源は前記第１充電手段を介して前記第１蓄電デバイスを、前記第２充電手段を介して前記第２蓄電デバイスをそれぞれ充電することを復帰制御工程と、
   を含むことを特徴とする電力変換制御方法。

Images