JP2010075022A

JP2010075022A - 電力変換装置

Info

Publication number: JP2010075022A
Application number: JP2008243155A
Authority: JP
Inventors: Hidehiko Sugimoto; 英彦杉本; Yukitaka Sakamoto; 幸隆坂本; Hisatsugu Kato; 久嗣加藤
Original assignee: Tabuchi Electric Co Ltd
Current assignee: Tabuchi Electric Co Ltd
Priority date: 2008-09-22
Filing date: 2008-09-22
Publication date: 2010-04-02

Abstract

【課題】コンバータ１０とインバータ３間の平滑コンデンサを省略しても、装置の低コスト化および電力変換効率の向上を実現できる電力変換装置を提供する。
【解決手段】コンバータ制御手段２１により、コンバータ１０で第１インバータ３の変換で所望の交流電力となるように、直流電源８の直流電力から全波整流電圧波形をもつ直流電力を生成し、インバータ制御手段２２により、第１インバータ３でこの全波整流電圧波形をもつ直流電力を所望の交流電力に変換してこれを出力させるので、直流電源８の直流電力を容易に所望の交流電力に変換して交流電力系統１に出力することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、太陽電池や燃料電池などの直流電源を交流電力系統へ連系するための電力変換装置に関する。

従来から、太陽電池や燃料電池などの直流電源の直流電力をコンバータにより昇圧または降圧した後、インバータにより交流に変換して交流電力系統と連系するための電力変換装置が知られている。

例えば電圧制御型の電力変換装置では、コンバータとしてＤＣ・ＤＣコンバータが使用され、直流電源の直流電力をインバータで一旦交流電力に変換した後に、絶縁トランスでこの交流電力を昇圧または降圧して整流器で再び直流電力に変換する。この場合、ＤＣ・ＤＣコンバータとインバータ間に平滑コンデンサが設けられて、ＤＣ・ＤＣコンバータからの直流電力の平滑化、安定化が図られる（例えば、特許文献１）。
特開２００７−２０３７９号公報

しかし、従来の電圧制御型の電力変換装置では、各部のスイッチングロスや、直流電力の平滑化、安定化のために平滑コンデンサを設けているため、装置が大型化および複雑化し、装置の低コスト化、および電力変換効率の向上が図れないという問題があった。

本発明は、コンバータとインバータ間の平滑コンデンサを省略しても、装置の低コスト化および電力変換効率の向上を実現できる電力変換装置を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明に係る電力変換装置は、直流電源の直流電力を交流電力に変換して交流電力系統と連系する電力変換装置であって、前記直流電源の直流電力を昇圧または降圧するコンバータと、前記コンバータからの直流電力を交流電力に変換する第１インバータと、装置全体を制御する制御手段とを備え、前記コンバータと前記第１インバータの間の平滑コンデンサが省略されており、前記制御手段は、前記コンバータにより、前記第１インバータの変換で所望の交流電力となるように、前記直流電源の直流電力から全波整流電圧波形をもつ直流電力を生成する制御を行うコンバータ制御手段と、前記第１インバータにより、前記コンバータからの前記全波整流電圧波形をもつ直流電力を所望の交流電力に変換してこれを出力させる制御を行うインバータ制御手段とを備えている。ここで、所望の交流電力とは、交流電力系統に出力できる電力であって、所定の振幅と力率角をもつ電流と電圧からなる交流電力をいう。

この構成によれば、コンバータ制御手段により、コンバータで第１インバータの変換で所望の交流電力となるように、直流電源の直流電力から全波整流電圧波形をもつ直流電力を生成し、インバータ制御手段により、第１インバータでこの全波整流電圧波形をもつ直流電力を所望の交流電力に変換してこれを出力させるので、直流電源の直流電力を容易に所望の交流電力に変換して交流電力系統に出力することができる。これにより、コンバータとインバータ間の平滑コンデンサを省略しても、装置の低コスト化および電力変換効率の向上を実現できる。

好ましくは、前記コンバータが、第２インバータ、トランスおよび整流器を備えた絶縁形ＤＣ・ＤＣコンバータであり、前記コンバータ制御手段が、前記第２インバータにより、前記第１インバータの変換で所望の交流電力となるように、前記直流電源の直流電力を所望の交流電力に変換し、前記トランスにより該交流電力を昇圧または降圧した後に、前記整流器により前記全波整流電圧波形をもつ直流電力に変換させる制御を行う。したがって、直流電源の直流電力をより容易に所望の交流電力に変換して交流電力系統に出力することができる。

好ましくは、前記インバータ制御手段は、前記第１インバータに対して１８０°通電方式で制御するものである。したがって、より高精度の正弦波電圧波形をもつ所望の交流電力を得ることができる。

図１は本発明の一実施形態である電力変換装置の回路構成図である。この電力変換装置は、太陽電池や燃料電池などの直流電源８の直流電力を交流電力に変換して交流電力系統１へ連系するもので、この交流電力系統１および直流電源８のほかに、直流電源８の直流電力を昇圧または降圧するコンバータ１０、コンバータ１０からの直流電力を交流電力に変換する第１インバータ３、および例えばパルス幅を可変させるＰＷＭ制御を行い、装置全体を制御する制御手段２０を備えている。

この電力変換装置では、従来からコンバータ１０と第１インバータ３との間（点Ｃ−Ｄ間）に設置されていた、コンバータ１０からの直流電力を平滑化、安定化するための平滑コンデンサが省略されている。

この電力変換装置は、その他に交流電力系統１と第１インバータ３の間にローパスフィルタ２、電圧検知部１１、電流検知部１２を有し、コンバータ１０と直流電源８の間にコンデンサ７を有している。

コンバータ１０は、この例では、第２インバータ６、トランス５および整流器４を備えた絶縁形ＤＣ・ＤＣコンバータである。なお、この例では、整流器４はブリッジの構成を４つのトランジスタおよびダイオードとしているが、必要に応じてダイオードのみで構成してもよい。

前記制御手段２０は、電圧検知部１１により検知された電圧、および電流検知部１２により検知された電流に基づき、コンバータ１０および第１インバータ３を制御するもので、コンバータ制御手段２１およびインバータ制御手段２２を備えている。

前記コンバータ制御手段２１は、コンバータ１０により、第１インバータ３の変換で所望の交流電力となるように、直流電源８の直流電力から全波整流電圧波形をもつ直流電力を生成する制御を行う。すなわち、コンバータ制御手段２１は、第２インバータ６で、第１インバータ３の変換で所望の交流電力となるように、直流電源８の直流電力を所望の交流電力に変換し、トランス５で該交流電力を昇圧または降圧した後に、整流器４で前記全波整流電圧波形の直流電力に変換させる制御を行う。

前記インバータ制御手段２２は、第１インバータ３により、コンバータ１０からの前記全波整流電圧波形の直流電力を所望の交流電力に変換してこれを出力させる制御を行う。この例では、インバータ制御手段２２は、第１インバータ３に対して１８０°通電方式で制御するものである。

上記構成の電力変換装置の動作を、図２、図３を用いて説明する。
図２（ａ）は点Ａ−Ｂ間におけるＰＷＭ制御のパルス幅状態および所望の正弦波電圧波形、（ｂ）は点Ｃ−Ｄ間におけるＰＷＭ制御のパルス幅状態および所望の全波整流電圧波形、（ｃ）は点Ｅ−Ｆ間におけるＰＷＭ制御のパルス幅状態および上下２つの所望の正弦波電圧波形を示す。本装置は、点Ａ−Ｂ間のＰＷＭ電圧を、第１インバータ３で交流電力系統１に流す電流の振幅と力率角を制御できる電圧として、第１インバータ３からの出力が所望の交流電力となるように、点Ｃ−Ｄ間のＰＷＭ電圧を、この変換後の所望の交流電力に対応した全波整流電圧波形をもつ直流電力とするものである。

なお、第１インバータ３はブリッジの構成を４つのトランジスタおよびダイオードとして、点Ａ−Ｂ間で電圧と電流の位相ずれが生じた場合にトランジスタを作動させるようにしているが、点Ａ−Ｂ間で電圧と電流が同相、つまり力率が１であれば、ダイオードのみで構成してもよい。また、図２（ａ）では、電圧ゼロで切換えているが、電圧ゼロとずれたタイミングで切換えてもよい。

この例では、第２インバータ６に位相シフトインバータを用いており、この位相シフトインバータ６で、第１インバータ３の変換で所望の交流電力となるように、直流電源８の直流電力を変換して、点Ｅ−Ｆ間のＰＷＭ電圧を、上下２つ同一の所望の正弦波電圧波形で生成したものとする。上下に同じ電圧高さのものを２つ生成することにより、半波整流などに起因するトランス５におけるコアの直流偏磁を回避することができる。

図３（ａ）〜（ｃ）は、位相シフトインバータ６の動作を示す。この他に、三角波及び正弦波基準を作成し、ＰＷＭ制御をしてもよい。図３（ｄ）は整流器４の動作、（ｅ）は第１インバータ３の動作を示す。図３（ａ）は位相シフトインバータ６のａ側におけるパルスの位相をシフトさせた状態、（ｂ）はｂ側におけるパルスの位相を固定させた状態（基準パルス）、（ｃ）は、位相切換タイミングαによるａ側の位相シフトにより、同一幅のパルスを２つずつ生成し、かつ、生成されたパルスの正負の極性を１つ置きに反転させた状態を示す。こうして、図３（ｃ）の点Ｅ−Ｆ間のＰＷＭ電圧を上下２つの所望の正弦波電圧波形（破線）とすることができる。

つぎに、図３（ｄ）のように、整流器４により破線で示す所望の全波整流電圧波形が得られる（図２（ｂ））。そして、図３（ｅ）のように、第１インバータ３により、導通トランジスタ群のブリッジ切換タイミングβにより、単に前記全波整流電圧波形の直流電力が交流電力に変換されるだけなので、正弦波電圧波形をもつ所望の交流電力を容易に得ることができ、また第１インバータ３においてスイッチングロスもほとんど生じない。しかも、１８０°通電方式の制御により、破線で示す高精度の正弦波電圧波形が得られる（図２（ａ））。なお、位相シフトインバータ６と第１インバータ３のスイッチングタイミングは同期がとられている。

こうして、本発明では、コンバータ制御手段２１により、コンバータ１０で第１インバータ３の変換で所望の交流電力となるように、直流電源８の直流電力から全波整流電圧波形をもつ直流電力を生成し、インバータ制御手段２２により、第１インバータ３でこの全波整流電圧波形をもつ直流電力を所望の交流電力に変換してこれを出力させるので、直流電源８の直流電力を容易に所望の交流電力に変換して交流電力系統に出力することができる。これにより、コンバータ１０と第１インバータ３間の平滑コンデンサを省略しても、装置の低コスト化および電力変換効率の向上を実現できる。

なお、トランス５の二次側にセンタータップがあれば、図４のように、例えば二次側出力線にトランジスタおよびダイオードを設けた構成とし、コンバータ制御手段２１によりトランス５をスイッチング制御するようにしてもよい。

なお、この実施形態では、コンバータ１０を、第２インバータ６、トランス５および整流器（ダイオードのみで構成してもよい）４からなる絶縁形ＤＣ・ＤＣコンバータで構成しているが、フォワードコンバータやフライバックコンバータなどで構成してもよく、また非絶縁型のコンバータ、例えばＤＣチョッパでパルス幅制御するものなどで構成してもよい。

本発明の一実施形態に係る電力変換装置を示す回路構成図である。（ａ）〜（ｃ）は、図１の電力変換装置の動作を示すタイムチャートである。（ａ）〜（ｅ）は、図１の電力変換装置の動作を示すタイムチャートである。トランスの変形例を示す一部回路構成図である。

符号の説明

１：交流電力系統
３：第１インバータ
４：整流器
５：トランス
６：第２インバータ
８：直流電源
１０：コンバータ
２０：制御手段
２１：コンバータ制御手段
２２：インバータ制御手段

Claims

直流電源の直流電力を交流電力に変換して交流電力系統と連系する電力変換装置であって、
前記直流電源の直流電力を昇圧または降圧するコンバータと、前記コンバータからの直流電力を交流電力に変換する第１インバータと、装置全体を制御する制御手段とを備え、
前記コンバータと前記第１インバータの間の平滑コンデンサが省略されており、
前記制御手段は、
前記コンバータにより、前記第１インバータの変換で所望の交流電力となるように、前記直流電源の直流電力から全波整流電圧波形をもつ直流電力を生成する制御を行うコンバータ制御手段と、
前記第１インバータにより、前記コンバータからの前記全波整流電圧波形をもつ直流電力を所望の交流電力に変換してこれを出力させる制御を行うインバータ制御手段と、
を備えた電力変換装置。
請求項１において、
前記コンバータが、第２インバータ、トランスおよび整流器を備えた絶縁形ＤＣ・ＤＣコンバータであり、
前記コンバータ制御手段が、前記第２インバータにより、前記第１インバータの変換で所望の交流電力となるように、前記直流電源の直流電力を所望の交流電力に変換し、前記トランスにより該交流電力を昇圧または降圧した後に、前記整流器により前記全波整流電圧波形をもつ直流電力に変換させる制御を行う、電力変換装置。
請求項１において、
前記インバータ制御手段は、前記第１インバータに対して１８０°通電方式で制御するものである、電力変換装置。