JP2009303381A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】複数台のインバータを直列に接続した電力変換装置において、構成部品を小型、低コスト化し、広い動作条件範囲において高い変換効率を維持しながら、直流電源の電圧変動に対する動作安定性を確保すること。
【解決手段】インバータユニット８０を構成する単相インバータのうち、最大電圧を出力するインバータ６の直流電源となるコンデンサ３は、直流電圧変換回路７０の出力によって生成され、インバータ７，８の各直流電源となるコンデンサ４，５は、コンデンサ３を直流入力として動作するＤＣ／ＤＣコンバータ１０ａ，１０ｂの各出力によって生成される。制御部９０は、インバータ７，８の各出力電力を演算する第２、第３のインバータの出力電力演算部４９と、この出力電力演算部４９によって演算された各出力電力に基づき、昇圧回路１１の動作／停止を判定する昇圧回路動作・停止判定部５０と、を備えた。
【選択図】 図１

Description

本発明は、直流電力を交流電力に変換して出力する複数のインバータを備えた電力変換装置に関するものである。

直流電力を交流電力に変換して出力するインバータを複数台直列に接続するように構成した電力変換装置として、例えば、下記特許文献１に示されたものがある。この特許文献１に示された電力変換装置では、太陽光エネルギーによって発電された直流電力を交流電力に変換して負荷あるいは系統に供給する構成において、第１〜第３のコンデンサによって供給される各直流電力をそれぞれの入力とする第１〜第３による単相インバータの交流側端子を直列接続し、各単相インバータの発生電圧の総和が出力電圧となるように構成されている。

なお、上記の構成において、第１の単相インバータを除く第２、第３の単相インバータの入力となる直流電源としてのコンデンサ（第２、第３のコンデンサ）の電圧は、第１の単相インバータに並列に設けられるコンデンサ（第１のコンデンサ）に接続されたＤＣ／ＤＣコンバータによって、所望の電圧になるように調整される。

特開２００７−１６６７８３号公報

上記のように、従来の電力変換装置は、第１の単相インバータを除く他の単相インバータの入力となる直流電源としてのコンデンサの電圧が、所望の電圧になるようにＤＣ／ＤＣコンバータにて制御される構成であるため、各単相インバータの出力負担電力の変化に伴い、ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電力も変化することとなる。特に、このＤＣ／ＤＣコンバータへの入力である第１のインバータの直流電源として機能する第１のコンデンサの電圧が低下した場合、以下に示すような問題があった。

（１）ＤＣ／ＤＣコンバータの出力負担電力が増大し、ＤＣ／ＤＣコンバータの変換可能電力を超えてしまう場合、第１のインバータ以外のインバータは入力となる直流電源が不足し、正常に動作できなくなるおそれがある。
（２）ＤＣ／ＤＣコンバータを、出力電力の増大に合わせて構成した場合には、構成部品が大型化し、高価なものになってしまう。

その一方で、従来の電力変換装置では、第１の単相インバータの直流電源としてのコンデンサ電圧を昇圧する昇圧回路が具備されており、この昇圧回路を動作させることで上記問題を回避することも可能である。しかしながら、この場合、以下に示すような問題があった。

（１）ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電力は、各単相インバータの出力負担電力の変化に伴って変化するため、あらゆる動作条件下でＤＣ／ＤＣコンバータの変換可能電力を超えないようにするためには、マージンを大きくとる必要があり、本来動作させる必要がない条件下においても、昇圧回路を動作させる必要がある。
（２）昇圧回路を頻繁に動作させる場合には、昇圧回路動作による損失が増大し、電力変換効率が低下する。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、
（１）構成部品を小型、低コスト化し、
（２）広い動作条件範囲において高い変換効率を維持しながら、
（３）直流電源の電圧変動に対する動作安定性を確保する
ことが可能となる電力変換装置を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するため、本発明にかかる電力変換装置は、第１の直流電源による直流電圧を昇圧または昇降圧して出力する直流電圧変換回路と、第２の直流電源または第３の直流電源による直流電圧を交流電圧に変換して出力する複数の単相インバータを有し、交流側端子が直列に接続された当該複数の単相インバータの各発生電圧による総和電圧を出力するインバータユニットと、前記インバータユニットの出力電圧を制御する制御部と、を備えた電力変換装置において、前記インバータユニットを構成する単相インバータのうち、最大電圧を出力する第１の単相インバータの直流電源となる前記第２の直流電源は、前記直流電圧変換回路の出力によって生成され、前記第１の単相インバータ以外の１または複数の単相インバータの直流電源となる前記第３の直流電源は、前記第２の直流電源を直流入力として動作するＤＣ／ＤＣコンバータの出力によって生成され、前記制御部は、前記第１の単相インバータ以外の各単相インバータにおける各出力電力を演算する出力電力演算部と、前記出力電力演算部によって演算された各出力電力に基づき、前記直流電圧変換回路の動作／停止を判定する判定部と、を備えたことを特徴とする。

本発明にかかる電力変換装置によれば、インバータユニットに具備される単相インバータのうち、最大電圧を出力する第１の単相インバータの直流電源となる第２の直流電源は、直流電圧変換回路の出力によって生成され、第１の単相インバータ以外の１または複数の単相インバータの直流電源となる第３の直流電源は、第２の直流電源を直流入力として動作するＤＣ／ＤＣコンバータの出力によって生成される構成において、第１の単相インバータ以外の各単相インバータにおける各出力電力を演算し、当該演算結果に基づいて直流電圧変換回路の動作／停止を判定するようにしているので、構成部品の小型化、低コスト化が可能となり、広い動作条件範囲において高い変換効率を維持しながら、直流電源の電圧変動に対する動作安定性の確保が可能となるという効果を奏する。

以下に添付図面を参照して、本発明にかかる電力変換装置の実施の形態を詳細に説明する。なお、以下に示す実施の形態により本発明が限定されるものではない。

＜実施の形態１＞
図１は、本発明の実施の形態１にかかる電力変換装置の構成を示す図であり、より詳細には、実施の形態１にかかる電力変換装置を商用系統と連系する発電システムに適用した場合の一例を示す図である。

図１において、電力変換装置１００の直流入力端である入力端６２には、第１の直流電源であり、直流電力の供給源であるＤＣ電源１が接続され、交流出力端である出力端６４には、５０Ｈｚあるいは６０Ｈｚの周波数の交流電力を供給する商用系統（以下単に「系統」という）１６が接続されている。このように構成された電力変換装置１００では、ＤＣ電源１から供給された直流電力が交流電力に変換され、系統１６との連系により、余剰電力は系統１６側に回生され、不足電力は系統１６側から供給される。

上述した機能を含み、後述する機能を具現するための構成として、本実施の形態にかかる電力変換装置１００は、直流電圧変換回路７０、インバータユニット８０、電源部１０、電流センサ３２、平滑フィルタ３１、開閉器３０、制御部９０などを具備している。

また、その細部構成として、直流電圧変換回路７０は、降圧回路１７、昇圧回路１１、およびバイパス回路１２を備えている。なお、ＤＣ電源１の直流電圧が、直流電圧変換回路７０が出力する直流電圧よりも常時小さいことが想定される場合には、降圧回路１７を設けなくてもよい。

インバータユニット８０は、複数台（図１では３台を例示）の単相インバータであるインバータ６〜８、およびスイッチ回路９を備えている。

電源部１０は、第２の直流電源であり、第１のインバータであるインバータ６の直流電源として機能するコンデンサ３、第２のインバータであるインバータ７、および第３の直流電源であり、第３のインバータであるインバータ８の各直流電源としてそれぞれ機能するコンデンサ４，５、ならびにコンデンサ３を直流入力としてコンデンサ４，５に対する直流電源として機能するＤＣ／ＤＣコンバータ１０ａ，１０ｂを備えている。

制御部９０は、インバータ７の出力電圧を検出する出力電圧検出回路４１、インバータ８の出力電圧を検出する出力電圧検出回路４２、電流センサ３２の出力に基づき、インバータユニット８０の出力電流、すなわちインバータ６〜８によるインバータ全体の出力電流を検出する出力電流検出回路４４、インバータ７およびインバータ８の出力電力を演算する出力電力演算部４９、インバータ６〜８内の各スイッチング素子に付与するスイッチング信号のパルス幅を制御するパルス幅制御部３３、ならびに出力電力演算部４９の演算結果に基づき、直流電圧変換回路７０に具備される昇圧回路１１の動作を制御する昇圧回路動作・停止判定部５０を備えている。

なお、図示の簡略化のため、図１では、パルス幅制御部３３から出力される制御信号線についてはインバータ６のみを示し、インバータ６以外の制御信号線については省略している。

インバータユニット８０は、インバータ６〜８の交流側端子間が直列に接続され、各インバータ６〜８は、ダイオードを逆並列に接続した複数個の、例えば自己消弧型半導体スイッチング素子であるＩＧＢＴを備えている。

第１のインバータであるインバータ６の直流側端子では、第１のコンデンサであるコンデンサ３が、インバータ６の直流側端子に繋がる直流母線間に接続されている。また、インバータ６の交流側端子では、交流側端子の一方に第２のインバータであるインバータ７が接続され、交流側端子の他方に第３のインバータであるインバータ８が接続されている。

また、インバータ６の交流側端子間を短絡させる短絡用スイッチとして、ダイオードを逆並列に接続した２個の、例えば自己消弧型半導体スイッチング素子であるＩＧＢＴが互いに逆極性に直列接続されたスイッチ回路９が設けられ、このスイッチ回路９は、インバータ６に並列に接続されている。なお、スイッチ回路９の作用により、インバータ６は、出力電圧として、正、負またはゼロの電圧を出力することができる。

インバータ７の直流側端子では、第２のコンデンサであるコンデンサ４が、インバータ７の直流側端子に繋がる直流母線間に接続されている。同様に、インバータ８の直流側端子では、第３のコンデンサであるコンデンサ５がインバータ８の直流側端子に繋がる直流母線間に接続されている。また、インバータ７の交流側端子では、交流側端子の一方にインバータ６が接続され、交流側端子の他方に平滑フィルタ３１の入力側端子の一方が接続され、インバータ８の交流側端子では、交流側端子の一方にインバータ６が接続され、交流側端子の他方に平滑フィルタ３１の入力側端子の他方が接続されている。

ここで、インバータ６の入力となるコンデンサ３の電圧は、他のインバータであるインバータ７，８の各入力となるコンデンサ４およびコンデンサ５の電圧よりも通常大きい。一方、コンデンサ４の電圧と、コンデンサ５の電圧とについては、何れが大きくてもよいし、両者の電圧が等しくてもよい。なお、ここでは、便宜上、コンデンサ４の電圧と、コンデンサ５の電圧とは、概略等しいと仮定する。つまり、インバータユニット８０が動作しているときのコンデンサ３〜５の各電圧（各インバータにおける母線電圧に等しい）をＶ１，Ｖ２，Ｖ３とすると、これらの電圧間には、Ｖ１＞Ｖ２＝Ｖ３の関係がある。

これらのインバータ６〜８は、上述したように、出力として正負およびゼロの電圧を発生することができ、インバータユニット８０は、これらの発生電圧を組み合わせた総和としての電圧を出力する。この出力電圧は、例えばリアクトルおよびコンデンサを組み合わせた平滑フィルタ３１によって平滑され、所望の交流電圧（Ｖｏｕｔ）が開閉器３０を介して系統１６に供給される。なお、これより詳細な動作については、上記した特許文献１の公報に適切に開示されているので、ここでのさらに詳細な説明は省略する。

つぎに、実施の形態１にかかる電力変換装置の要部動作について、図１および図２を参照して説明する。ここで、図２は、実施の形態１における昇圧回路動作・停止判定処理を示すフローチャートである。なお、以下の説明において、各インバータおよび各コンデンサを識別する際には、「第１〜第３」による接頭語もしくは図面に基づく「符号」の何れかを用いた表記とする。

まず、第２のインバータの出力電圧検出回路である出力電圧検出回路４１および第３のインバータの出力電圧検出回路である出力電圧検出回路４２は、それぞれ第２のインバータの出力電圧Ｖｏ２および第３のインバータの出力電圧Ｖｏ３を検出する（ステップＳ１１）。つぎに、電流センサ３２は、インバータユニット８０と平滑フィルタ３１との間に流れる電流Ｉｉｏを検出する（ステップＳ１２）。なお、本実施の形態の電力変換装置においては、複数のインバータが直列に接続されているため、ステップＳ１２で検出した電流Ｉｉｏは、第１〜第３のインバータ全体の出力電流に等しくなる。

第２、第３のインバータの出力電力演算部４９は、次式により第２のインバータの出力電力Ｐｏ２および第３のインバータの出力電力Ｐｏ３を演算する（ステップＳ１３）。

なお、上記（１）式および（２）式における記号の意味は、つぎのとおりである。
Ｔ：系統１６の周期[sec]（系統周波数が５０Ｈｚの場合は、２０ｍｓｅｃ）

昇圧回路動作・停止判定部５０は、第２、第３のインバータの出力電力演算部４９が演算した演算結果Ｐｏ２またはＰｏ３が予め設定された判定閾値Ｐｔｈを超えたか否かについて判定する（ステップＳ１４）。ここで、演算結果Ｐｏ２またはＰｏ３が予め設定された判定閾値Ｐｔｈを超えている場合（ステップＳ１４，Ｙｅｓ）、昇圧回路動作指令を出力する（ステップＳ１５）。一方、演算結果Ｐｏ２およびＰｏ３の何れも予め設定された判定閾値Ｐｔｈを超えていない場合（ステップＳ１４，Ｎｏ）、ステップＳ１５の処理を行わずステップＳ１１の処理に戻る。

上記のステップＳ１４における判定処理において、判定閾値であるＰｔｈは、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０ａ，１０ｂの変換可能電力を超えない値に設定される。なお、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０ａ，１０ｂの変換可能電力が異なる場合には、演算結果Ｐｏ２，Ｐｏ３に対する判定閾値を、演算結果Ｐｏ２，Ｐｏ３ごとに異ならせて設定してもよいことは無論である。

つぎに、実施の形態１にかかる電力変換装置による作用および効果について説明する。

本実施の形態の電力変換装置では、第２のインバータの出力電力および第３のインバータの出力電力を求め、その結果に基づき昇圧回路１１を動作させる構成としているため、コンデンサ３の電圧が低下してＤＣ／ＤＣコンバータ１０ａ，１０ｂの出力電力が増大した場合においても、昇圧回路動作・停止判定部５０によって、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０ａ、１０ｂの出力電力が変換可能電力を超える前に、昇圧回路の動作を開始することができる。その結果、第２のインバータ入力電源であるコンデンサ４、および第３のインバータの入力電源であるコンデンサ５の電圧が不足することがなく、当該インバータは安定動作を継続することが可能となる。

またこのとき、昇圧回路動作・停止判定部５０の作用により、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０ａ，１０ｂの出力電力は、それぞれの変換可能電力を超えることがない。その結果、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０ａ，１０ｂの能力に大きなマージンを持つ必要がなくなり、構成部品の小型化・低コスト化が可能となる。

また同時に、昇圧回路動作・停止判定部５０によって、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０ａ，１０ｂの出力電力がそれぞれの変換可能電力レベルになるまでは昇圧回路の動作が開始されることはない。その結果、不要な昇圧回路動作が抑制され、余分な損失発生を抑止することができ、より広い入力電圧範囲条件において、高い電力変換効率が得られる。

＜実施の形態２＞
図３は、本発明の実施の形態２にかかる電力変換装置の構成を示す図である。図１に示した実施の形態１にかかる電力変換装置との相違点は、第２のインバータ出力電圧検出回路４１および第３のインバータ出力電圧検出回路４２の代わりに、平滑フィルタ３１の出力電圧Ｖｆｏを検出するフィルタ出力電圧検出回路４３と、コンデンサ３の電圧である第１のコンデンサ電圧Ｖｃ１を検出する第１のコンデンサ電圧検出回路４０と、を設けた点にある。なお、その他の構成部については、実施の形態１と同一または同等であり、それらの構成部については同一符号を付して示すとともに、その詳細な説明を省略する。

つぎに、実施の形態２にかかる電力変換装置の要部動作について、図３および図４を参照して説明する。なお、図４は、実施の形態２における昇圧回路動作・停止判定処理を示すフローチャートである。

まず、フィルタ出力電圧検出回路４３は、平滑フィルタ３１の出力電圧Ｖｆｏを検出し（ステップＳ２１）、第１のコンデンサ電圧検出回路４０は、コンデンサ３の電圧である第１のコンデンサ電圧Ｖｃ１を検出し（ステップＳ２２）、電流センサ３２は、インバータユニット８０と平滑フィルタ３１との間に流れる電流Ｉｉｏを検出する（ステップＳ２３）。

第２、第３のインバータの出力電力演算部４９は、まず、次式によりインバータユニット８０、すなわちインバータ全体の出力電力であるインバータ合計出力電力Ｐｏおよび第１のインバータの出力電力Ｐｏ１を演算する（ステップＳ２４）。

ここで、上記（３）式および（４）式における記号の意味は、つぎのとおりである。
Ｉｉｏ：第３のインバータと平滑フィルタ３１との間に流れる電流
Ｐｏ ：インバータ合計出力電力
Ｐｏ１：第１のインバータの出力電力
Ｔ ：系統１６の周期[sec]（系統周波数が５０Ｈｚの場合は、２０ｍｓｅｃ）
Ａ ：第１のインバータが正電圧を出力しているとき“１”、負電圧を出力しているとき“−１”、零電圧を出力しているとき“０”

第２、第３のインバータの出力電力演算部４９は、上記（３）、（４）式および、つぎの（５）、（６）式により、第２のインバータの出力電力Ｐｏ２および第３のインバータの出力電力Ｐｏ３を演算する（ステップＳ２５）。

ここで、上記（５）式および（６）式における記号の意味は、つぎのとおりである。
Ｋ２：第２のインバータの負担電力比（本実施例では０．５を想定）
Ｋ３：第３のインバータの負担電力比（本実施例では０．５を想定）

昇圧回路動作・停止判定部５０は、第２、第３のインバータの出力電力演算部４９が演算した演算結果Ｐｏ２またはＰｏ３が予め設定された判定閾値Ｐｔｈを超えたか否かについて判定し（ステップＳ２６）、演算結果Ｐｏ２またはＰｏ３が、予め設定された判定閾値Ｐｔｈを超えている場合には（ステップＳ２６，Ｙｅｓ）、昇圧回路動作指令を出力し（ステップＳ２７）、演算結果Ｐｏ２およびＰｏ３の何れも判定閾値Ｐｔｈを超えていない場合には（ステップＳ２７，Ｎｏ）、ステップＳ２７の処理を行わずステップＳ２１の処理に戻る。

なお、上記のステップＳ２６における判定処理において、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０ａ，１０ｂの変換可能電力や負担電力比が異なる場合には、演算結果Ｐｏ２，Ｐｏ３に対する判定閾値を、演算結果Ｐｏ２，Ｐｏ３ごとに異ならせて設定してもよいことは無論である。

実施の形態２にかかる電力変換装置では、実施の形態１と同様に、第２のインバータの出力電力および第３のインバータの出力電力を求め、その結果に基づき昇圧回路１１を動作させる構成としているため、実施の形態１と同様の作用・効果が得られる。

また、実施の形態２では、実施の形態１の作用・効果に加え、以下に示す作用・効果が得られる。

まず、系統連系用として用いられる電力変換装置では、系統側に出力される出力電流が正弦波状となるような制御を行っており、この電流をモニタするための手段が必要とされる。図３中に示した、電流センサ３２は、その手段に相当するものである。

また、系統連系用の電力変換装置として機能させるためには、インバータの全体出力である出力平滑フィルタの出力電圧、およびインバータの入力電圧の情報、ならびにインバータに対するパルス幅制御の情報なども、最低限必要な情報であり、当該情報を得るための手段が必要とされる。図２中に示した、フィルタ出力電圧検出回路４３、第１のコンデンサ電圧検出回路４０、およびパルス幅制御部３３などは、その手段に相当するものである。

以上より、実施の形態２にかかる電力変換装置によれば、本装置を系統連系用として用いる場合において、新たにセンサ回路を追加することなく、第２、第３のインバータ出力電力演算部４９および昇圧回路動作・停止判定部５０の追加のみで実現することができる。また、系統連系用に限らず近年の電力変換装置では、マイコンやＤＳＰなどのプロセッサを搭載することも一般的であり、これらの手段をソフトウエアで実現することにより、実質的なコストアップなしに、実施の形態２にかかる機能の実現が可能となる。

なお、本実施の形態では、インバータ出力電流Ｉｉｏとして、インバータユニット８０と平滑フィルタ３１との間に流れる電流、すなわちインバータ８と平滑フィルタ３１との間に流れる電流を検出するようにしているが、同一電流がインバータ６、インバータ７にも流れており、電流センサを当該同一電流が流れている他の部位に設けるようにしてもよく、同様の作用、効果が得られる。

＜実施の形態３＞
図５は、本発明の実施の形態３における昇圧回路動作・停止判定処理を示すフローチャートである。図２に示す実施の形態１のフローチャートとの相違点は、ステップＳ１４の代わりに、ステップＳ３１の処理を設けた点にある。なお、実施の形態１と同一の処理については、同一符号を付して示すとともに、その詳細な説明を省略する。

図５に示すフローのステップＳ３１において、昇圧回路動作・停止判定部５０は、第２、第３のインバータの出力電力演算部４９が演算した演算結果Ｐｏ２またはＰｏ３が予め設定された判定閾値「Ｐｔｈ−α」を超えたか否かについて判定し、演算結果Ｐｏ２またはＰｏ３が判定閾値「Ｐｔｈ−α」を超えていれば、昇圧回路動作指令を出力し、演算結果Ｐｏ２およびＰｏ３の何れも判定閾値「Ｐｔｈ−α」を超えていなければ、ステップＳ１５の処理を行わずステップＳ１１の処理に戻ることになる。

なお、図５に示す例は、図１（実施の形態１）のフローにおけるステップＳ１４に代えてステップＳ３１の処理を設けたものであるが、本処理を図４（実施の形態２）のフローにおけるステップＳ２６に代えて設けるようにしても構わない。

このように、実施の形態３にかかる昇圧回路動作・停止判定処理では、昇圧回路動作・停止判定部５０の判定処理における判定閾値Ｐｔｈは、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０ａ，１０ｂの変換可能電力を超えない値とするという処理の概念を維持する一方で、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０ａ，１０ｂの回路構成部品の製造ばらつき、温度変化による最大特性変化分αを予め見込み、判定閾値を「Ｐｔｈ−α」とする処理に変更しているので、回路部品の性能のばらつきや、インバータ動作に伴う温度上昇に起因して生ずるＤＣ／ＤＣコンバータの特性変化に対しても、各インバータを安定して動作することが可能となる。

また、ＤＣ／ＤＣコンバータの特性変化に起因してＤＣ／ＤＣコンバータの最大供給可能電力値が変動しても、直流電源を適切に充電することができ、インバータの安定動作の確保が可能となる。

＜実施の形態４＞
図６は、本発明の実施の形態４にかかる電力変換装置の構成を示す図であり、図７は、本発明の実施の形態４における昇圧回路出力制御処理を示すフローチャートである。図６において、図１に示す実施の形態１にかかる電力変換装置との相違点は、昇圧回路動作・停止判定部５０の代わりに、昇圧回路制御部５１を設けた点にある。また、図８において、図２に示す実施の形態１のフローチャートとの相違点は、ステップＳ１５の代わりに、ステップＳ４１の処理を設けた点にある。なお、その他の各構成部および各フローについては、実施の形態１と同一または同等であり、それらの同一または同等の部分については、同一符号を付し、その詳細な説明を省略する。

実施の形態１〜３では、昇圧回路動作・停止判定部５０は昇圧回路の動作・停止のみを行っていたが、本実施の形態の昇圧回路制御部５１は、昇圧回路の出力電圧、すなわち第１のコンデンサであるコンデンサ３の電圧を可変する制御を行うようにしている。

図７において、昇圧回路制御部５１は、第２のインバータまたは第３のインバータの出力電力値が判定閾値Ｐｔｈを超えた場合（ステップＳ１４）に、昇圧回路の動作を開始させるとともに、第２のインバータまたは第３のインバータの出力電力値がＰｔｈ以下となるように、昇圧回路の昇圧比を可変して、出力電圧（＝コンデンサ３の電圧）を可変する制御を行う。この制御により、昇圧回路を動作させている間の不要な損失発生が抑えられ、より高い電力変換効率が得られるという効果が得られる。

なお、図７に示す例は、図２に示す実施の形態１のフローチャートにおけるステップＳ１５に代えてステップＳ４１の処理を設けたものであるが、本処理を図４（実施の形態２）のフローにおけるステップＳ２７に代えて設けるようにしても構わない。

また、本実施の形態におけるステップＳ１４の判定処理に代えて、図５（実施の形態３）のフローにおけるステップＳ３１の判定処理を適用することも可能であり、当該実施の形態３による効果をも得ることができる。

＜実施の形態５＞
図８は、本発明の実施の形態５における昇圧回路出力制御処理を示すフローチャートである。図８において、図７に示す実施の形態４のフローチャートとの相違点は、ステップＳ４１の代わりに、ステップＳ５１およびステップＳ５２の処理を設けた点にある。なお、実施の形態４と同一の処理については、同一符号を付して示すとともに、その詳細な説明を省略する。

図８において、昇圧回路制御部５１は、第２、第３のインバータの出力電力演算部４９が演算した演算結果Ｐｏ２またはＰｏ３が予め設定された判定閾値Ｐｔｈを超えたか否かについて判定し（ステップＳ１４）、演算結果Ｐｏ２またはＰｏ３が、予め設定された判定閾値Ｐｔｈを超えている場合には（ステップＳ１４，Ｙｅｓ）、昇圧回路１１の昇圧比を増大させ、第１のコンデンサであるコンデンサ３の電圧を上昇させる（ステップＳ５１）。一方、演算結果Ｐｏ２およびＰｏ３の何れも予め設定された判定閾値Ｐｔｈを超えていない場合には（ステップＳ１４，Ｎｏ）、昇圧回路１１の昇圧比を低下させ、第１のコンデンサであるコンデンサ３の電圧を下降させる（ステップＳ５２）。

この制御により、昇圧回路が動作している間も、昇圧比を最小限に抑えることができ、昇圧回路の動作中における不要な損失発生が抑えられ、より高い電力変換効率が得られるという効果がある。

なお、図８に示す例は、図２に示す実施の形態１のフローチャートにおけるステップＳ１５に代えてステップＳ５１，Ｓ５２の処理を設けたものであるが、これらの処理を図４（実施の形態２）のフローにおけるステップＳ２７に代えて設けるようにしても構わない。

また、本実施の形態におけるステップＳ１４の判定処理に代えて、図５（実施の形態３）のフローにおけるステップＳ３１の判定処理を適用することも可能であり、当該実施の形態３による効果をも得ることができる。

また、上記実施の形態１〜５を通じ、インバータユニットとして、３台のインバータを備える構成について例示したが、この構成に限定されるものではなく、２台もしくは４台以上のインバータを備える構成であっても構わない。

また、上記実施の形態１〜５では、系統に連系して動作する場合について説明したが、系統に連系せずに動作する場合などにも適用可能であることは無論である。

以上のように、本発明にかかる電力変換装置は、小型、低コスト、高効率であり、動作安定性に優れた電力変換装置として有用である。

本発明の実施の形態１にかかる電力変換装置の構成を示す図である。 本発明の実施の形態１における昇圧回路動作・停止判定処理を示すフローチャートである。 本発明の実施の形態２にかかる電力変換装置の構成を示す図である。 本発明の実施の形態２における昇圧回路動作・停止判定処理を示すフローチャートである。 本発明の実施の形態３における昇圧回路動作・停止判定処理を示すフローチャートである。 本発明の実施の形態４にかかる電力変換装置の構成を示す図である。 本発明の実施の形態４における昇圧回路出力制御処理を示すフローチャートである。 本発明の実施の形態５における昇圧回路出力制御処理を示すフローチャートである。

符号の説明

１ ＤＣ電源
３〜５ コンデンサ
６〜８ インバータ
９ スイッチ回路
１０ 電源部
１０ａ，１０ｂ ＤＣ／ＤＣコンバータ
１１ 昇圧回路
１２ バイパス回路
１６ 系統
１７ 降圧回路
３０ 開閉器
３１ 平滑フィルタ
３２ 電流センサ
３３ パルス幅制御部
４０ 第１のコンデンサ電圧検出回路
４１ 第２インバータ出力電圧検出回路
４２ 第３インバータ出力電圧検出回路
４３ フィルタ出力電圧検出回路
４４ インバータ出力電流検出回路
４９ 第２、第３インバータの出力電力演算部
５０ 昇圧回路動作・停止判定部
５１ 昇圧回路制御部
６２ 入力端
６４ 出力端
７０ 直流電圧変換回路
８０ インバータユニット
９０ 制御部
１００ 電力変換装置

Claims (10)

1. 第１の直流電源による直流電圧を昇圧または昇降圧して出力する直流電圧変換回路と、第２の直流電源または第３の直流電源による直流電圧を交流電圧に変換して出力する複数の単相インバータを有し、交流側端子が直列に接続された当該複数の単相インバータの各発生電圧による総和電圧を出力するインバータユニットと、前記インバータユニットの出力電圧を制御する制御部と、を備えた電力変換装置において、
   前記インバータユニットを構成する単相インバータのうち、最大電圧を出力する第１の単相インバータの直流電源となる前記第２の直流電源は、前記直流電圧変換回路の出力によって生成され、前記第１の単相インバータ以外の１または複数の単相インバータの直流電源となる前記第３の直流電源は、前記第２の直流電源を直流入力として動作するＤＣ／ＤＣコンバータの出力によって生成され、
   前記制御部は、
   前記第１の単相インバータ以外の各単相インバータにおける各出力電力を演算する出力電力演算部と、
   前記出力電力演算部によって演算された各出力電力に基づき、前記直流電圧変換回路の動作／停止を判定する判定部と、
   を備えたことを特徴とする電力変換装置。
2. 前記判定部は、前記出力電力演算部によって演算された前記各出力電力のうち、少なくとも一つの出力電力が所定の判定閾値を超えている場合に、前記直流電圧変換回路を動作させ、前記各出力電力の全てが前記判定閾値を超えていない場合に、前記直流電圧変換回路の動作を停止することを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
3. 前記制御部は、
   前記第１の単相インバータ以外の各単相インバータの出力電圧を検出する１または複数の第１の電圧検出回路と、
   前記インバータユニットの出力電流を検出する出力電流検出回路と、
   を備え、
   前記出力電力演算部によって演算される前記各出力電力は、前記第１の電圧検出回路によって検出された各検出電圧と、前記出力電流検出回路によって検出された検出電流とを用いて求められ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。
4. 前記制御部は、
   前記インバータユニットを構成する全単相インバータの各発生電圧による総和電圧を検出する出力電圧検出回路と、
   前記第１の単相インバータに対する入力電圧を検出する入力電圧検出回路と、
   前記インバータユニットの出力電流を検出する出力電流検出回路と、
   を備え、
   前記出力電力演算部によって演算される前記各出力電力は、前記出力電圧検出回路によって検出された検出電圧と、前記入力電圧検出回路によって検出された検出電圧と、前記出力電流検出回路によって検出された検出電流とを用いて求められ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。
5. 前記第１の単相インバータ以外の各単相インバータにおける前記各出力電力（Ｐｏ２〜Ｐｏｎ：ｎはインバータユニットを構成する単相インバータの数であり、２以上の整数））は、
   前記出力電圧検出回路によって検出された検出電圧（Ｖｆｏ）および前記出力電流検出回路によって検出された検出電流（Ｉｉｏ）を用いて算出された全単相インバータの合計出力電力（Ｐｏ）と、
   前記入力電圧検出回路によって検出された検出電圧（Ｖｃ１）および前記検出電流（Ｉｉｏ）を用いて算出された前記第１の単相インバータの出力電力（Ｐｏ１）と、
   前記各単相インバータが出力すべき電力割合として当該単相インバータごとに設定された係数（Ｋｍ：ｍは２〜ｎまでの整数）と、
   を用いて、次式によって算出されることを特徴とする請求項４に記載の電力変換装置。
   Ｐｏ２〜Ｐｏｎ＝（Ｐｏ−Ｐｏ１）×Ｋｍ
6. 第１の直流電源による直流電圧を昇圧または昇降圧して出力する直流電圧変換回路と、第２の直流電源または第３の直流電源による直流電圧を交流電圧に変換して出力する複数の単相インバータを有し、交流側端子が直列に接続された当該複数の単相インバータの各発生電圧による総和電圧を出力するインバータユニットと、前記インバータユニットの出力電圧を制御する制御部と、を備えた電力変換装置において、
   前記インバータユニットを構成する単相インバータのうち、最大電圧を出力する第１の単相インバータの直流電源となる前記第２の直流電源は、前記直流電圧変換回路の出力によって生成され、前記第１の単相インバータ以外の１または複数の単相インバータの直流電源となる前記第３の直流電源は、前記第２の直流電源を直流入力として動作するＤＣ／ＤＣコンバータの出力によって生成され、
   前記制御部は、
   前記第１の単相インバータ以外の各単相インバータにおける各出力電力を演算する出力電力演算部と、
   前記出力電力演算部によって演算された各出力電力に基づき、前記直流電圧変換回路の昇圧比を制御する昇圧回路制御部と、
   を備えたことを特徴とする電力変換装置。
7. 前記昇圧回路制御部は、前記出力電力演算部によって演算された各出力電力のうち、少なくとも一つの出力電力が所定の判定閾値を超えている場合に、前記直流電圧変換回路の昇圧比を増大する方向に制御し、前記各出力電力の全てが前記判定閾値を超えていない場合に、前記直流電圧変換回路の昇圧比が低下する方向に制御することを特徴とする請求項６に記載の電力変換装置。
8. 前記制御部は、
   前記第１の単相インバータ以外の各単相インバータの出力電圧を検出する１または複数の第１の電圧検出回路と、
   前記インバータユニットの出力電流を検出する出力電流検出回路と、
   を備え、
   前記出力電力演算部によって演算される前記第１の単相インバータ以外の各単相インバータにおける各出力電力は、前記第１の電圧検出回路によって検出された各検出電圧と、前記出力電流検出回路によって検出された検出電流とを用いて求められることを特徴とする請求項６または７に記載の電力変換装置。
9. 前記制御部は、
   前記インバータユニットを構成する全単相インバータの各発生電圧による総和電圧を検出する出力電圧検出回路と、
   前記第１の単相インバータに対する入力電圧を検出する入力電圧検出回路と、
   前記インバータユニットの出力電流を検出する出力電流検出回路と、
   を備え、
   前記出力電力演算部によって演算される前記第１の単相インバータ以外の各単相インバータにおける各出力電力は、前記出力電圧検出回路によって検出された検出電圧と、前記入力電圧検出回路によって検出された検出電圧と、前記出力電流検出回路によって検出された検出電流とを用いて求められることを特徴とする請求項６または７に記載の電力変換装置。
10. 前記所定の閾値は、前記第１の単相インバータ以外の各単相インバータに直流電力を供給するＤＣ／ＤＣコンバータの最大供給可能電力値と、該ＤＣ／ＤＣコンバータの回路構成部品の製造ばらつき、温度変化による最大特性変化分を表す値とに基づいて設定されていることを特徴とする請求項２〜５、７〜９の何れか１項に記載の電力変換装置。

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