JP2010530206A - 電力供給網に電気エネルギを供給する装置および前記装置に用いる直流電圧変圧器 - Google Patents

Abstract

本発明は、直流電圧発生装置（１）に接続するための直流電圧変圧器（２）、およびバイポーラ電圧中間回路を有し、前記直流電圧変圧器（２）に接続され、かつ電力供給網（８）に接続するためのインバータ（３）を備える、前記電力供給網（８）に電気エネルギを供給する装置に関する。本発明によれば、前記直流電圧変圧器（２）は、前記直流電圧発生装置（１）を負側、正側の出力装置、またはその他の中央出力装置のいずれにおいても接地できるよう構成される。そのため、通常の動作においては充電および放電の際に接地線（１９）に電流が流れないよう構成されるストレージチョーク（１６）を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、請求項１の前提部に記載のような装置、および前記装置に適合する直流電圧変圧器に関する。

例えば太陽光発電プラント、もしくは燃料電池プラント等の直流電圧発生装置により発生した電気エネルギを交流電力送電網、詳細には電力供給網（５０／６０Ｈｚ）に供給するために、様々なインバータが用いられている。ほとんどの場合、直流電圧発生装置およびインバータの間には、直流電圧発生装置により供給される直流電圧を、インバータが必要とする、もしくはインバータに適合する直流電圧に変換する直流電圧変圧器（ＤＣ−ＤＣチョッパ）が設けられる。

様々な理由により、直流電圧発生装置の出力装置のうち１個を接地するのが好ましい。接地が好ましい理由の一つは、国によっては接地が規則として求められるからである。他の理由は、接地しない場合、動作において様々な不都合が発生するためである。また、発生する問題の１つに高周波漏れ電流がある。ポテンシャル揺動が発生した場合、直流電圧発生装置および接地間の不可避な寄生容量が原因で、安全面において非常に大きいリスクをもたらす相当量の電流が発生する場合があり、そのため故障電流センサ等を用いた複雑なモニタ方法により接点を保護、もしくは電磁両立性（ＥＭＣ）を実現する必要があり、上述の電流は接地によってのみ確実に防止できる。更に、太陽光発電装置は、製造時に用いられる技術によって、劣化に対する反応が非常に異なることが知られている。結晶セルおよび多結晶セル、もしくは所定の薄膜モジュールを備える発電装置は、好ましくは負極において接地され、裏面コンタクトセルは好ましくは正極において接地される。

上述の不都合を防止可能な上述のような接地は、直流電圧側と交流電圧側を直流的に分離する変圧器を備える直流電圧変圧器を用いることにより容易に実現可能である。使用されているのがグリッド変圧器か高周波変圧器かに関係なく、変圧器はとりわけ効率低下、相当の重量および外形寸法を有する部材、および／もしくは更なる管理費が発生する原因となり、そのため、変圧器不要の電圧コンバータが原則的に好ましい。しかしながら、変圧器不要の直流電圧変圧器を通常の形態で接続すると、必要なスイッチ、コンデンサ等が短絡する原因となるため任意の接地が不可能になったり、もしくは回路のコストが高くなったり、その他の不都合の原因となる。

したがって、他の方法で上述の不都合を防止するための多くの試みがなされている。特に、不要な漏れ電流を低減する回路が知られている（例えば、特許文献１、特許文献２、特許文献３）。これらの回路においては、例えば太陽光発電装置は、内部の電気エネルギ輸送の所定の段階において電力系統から絶縁して駆動される。太陽光発電装置が電力系統に周期的および電気的に再接続されると、その寄生容量は少量が再変換され、これにより太陽光発電装置の電位はグリッド周波数によって正弦的に、かつグリッド電圧の半分に相当する電圧振幅で変化する。すると、太陽光発電装置における２個のスイッチング周期間の低い電圧差およびスイッチングの際の非対称性により高周波電流が発生する。したがって、容量性漏れ電流をしっかりと最小限に抑えることはできるが、原則として完全に防止することはできない。

別の公知の回路装置（特許文献４）は、接地された中心点を有する、分割された太陽光発電装置を使用している。その結果、前記太陽光発電装置の全部材が固定電位を有し、そのため原則として容量性漏れ電流は流れることができない。２個の直流電流源はそれぞれ異なる発生量を有するため、電力差および電圧を補償する回路が更に設けられる。当該回路における不都合は、太陽光発電装置およびスイッチにおける高い電圧差、補償回路における更なる損失、および少なくとも４個の高周波パルススイッチが必要となるということである。

更に、変圧器を備えていないにも関わらず、太陽光発電装置を一方側で接地可能な公知の回路装置がある。その結果、原則として、容量性漏れ電流を防止することができる。しかしながら、このような回路装置には、高周波で同時にスイッチングし、平均出力電流を供給するため、５個の能動スイッチ、１個もしくは２個のスイッチを必要とするものがある（特許文献５）。したがって、「フライング・インダクタ」とも呼ばれるこの回路の効率は、電流フローに対して同時に直列に接続される構成要素の数の多さに影響を受ける。この回路の他の不都合は、電力系統に不連続な電流パルスが付加されるため容量性の電源フィルタが必要となり、この容量性の電源フィルタはその機能原則により力率を低下し、また自己が遊休電力を必要とするため部材の負荷範囲における回路の効率も低下することである。他の公知の回路（特許文献６）を用いることにより上記のような容量性の電源フィルタを使用しないことも可能ではあるが、当該回路は９個の能動スイッチを必要とし、そのうち少なくとも２個を高周波で同時に切替える必要があるため、生産コストが更に増大し、装置全体のロバスト性および効率が悪影響を受ける。フライング・インダクタの接続形態はまた、前記スイッチの電圧負荷がグリッド電圧に依存し、かつ電源異常の影響を受け、またフライング・インダクタは３個のインバータを利用して３倍にすることによる三相の動作モードでのみ駆動可能という不都合を有する。また上記とは別に、電流源特性を有するインバータが必要となり、これは、多くの場合好ましくない。

最後に、公知の装置に、直列接続され、かつ接地端子に接続される２個のコンデンサを備えるバイポーラ電圧中間回路を有するインバータに用いられるものがある（特許文献７）。そのような、今日ではここで述べるような目的で主に使用されるインバータは、３レベル回路からなるハーフブリッジインバータとして、また必要に応じて単相もしくは三相のグリッド電力用のインバータとして構成することが可能である。前述のいずれの場合においても、２個のコンデンサ間の接点は、各電力系統の中性線と連動し、各電力系統に接続される接地端子を形成する。

この公知の装置の直流電圧変圧器は、１個のチョーク、２個のダイオード、および１個のスイッチを備える。この場合、インバータの接地端子は直流電圧発生装置の負側の出力装置に接続可能である。このような接続は、２個の磁気的に結合されたコイルからなるストレージチョークを用いることにより可能となる。ストレージチョークの２個のコイルは、一方側において、スイッチが閉鎖されると２個のコイルのうち一方が直流電圧発生装置により充電され、また他方のコイルが当該一方のコイルを介して電磁結合により充電され、また他方側において、スイッチが開放されると、２個のコイルが連動する前記２個のコンデンサの各々、および当該コンデンサが備えるダイオードを介して放電されるよう、一方端において直流的に接続される。

この装置が有する、比較的単純な手段により、詳細には変圧器を用いずに１個のスイッチのみを用いて直流電圧発生装置を接地可能であるという利点は、接地端子は直流電圧変圧器の負側の出力装置にのみ接続可能であるという不都合により差引きされる。更に、この装置においては、原則として動作電流も接地端子から直流電圧発生装置に接続する接地線を流れるため、当該接地線を故障電流に関してモニタすることができない。

独国特許公開公報第１０２００４０３７４６６号 独国特許公開公報第１０２２１５９２号 独国特許公報第１０２００４０３０９１２号 独国特許公開公報第１０２２５０２０号 独国特許公報第１９６４２５２２号 独国特許公報第１９７３２２１８号 米国特許公開公報第２００７／００４７２７７号

上述の先行技術の観点から、本発明の技術的課題は上述したような装置、および詳細には前記装置に適合する直流電圧変圧器を、比較的単純な構成手段を用いて前記直流電圧発生装置をどの端子においても接地可能なように構成することである。

本発明によれば、上記課題の解決方法は請求項１および請求項１６に記載の特徴的事項により実現される。

本発明によれば、最も単純な場合には１個のストレージチョーク、２個のダイオード、および２個のスイッチのみを必要とする直流電圧変圧器を用いることにより、直流電圧発生装置を接地して動作させることが可能である。その結果、多少コストが上がるだけで、直流電圧発生装置をほぼどこにおいてでも接地可能という利点が得られる。

本発明のその他の効果は、本発明の従属請求項により明らかである。

本発明は、例示としての記載を添付の図面と共に参照ことにより、より理解可能である。

図１は、直流電圧発生装置を異なる３種類の方法で接地した、本発明によるエネルギ供給システムに電気エネルギ供給する装置の第１の実施例を示す。 図２は、直流電圧発生装置を異なる３種類の方法で接地した、本発明によるエネルギ供給システムに電気エネルギ供給する装置の第１の実施例を示す。 図３は、直流電圧発生装置を異なる３種類の方法で接地した、本発明によるエネルギ供給システムに電気エネルギ供給する装置の第１の実施例を示す。 図４は、図１〜図３に示す装置の２個のスイッチを制御する信号、およびその結果発生する電流曲線を示す。 図５は、図１〜図３に示す装置を多少変形した直流電圧変圧器を示す。 図６は、直流電圧発生装置を異なる２種類の方法で接地した、本発明による装置の第２の実施例を示す。 図６は、直流電圧発生装置を異なる２種類の方法で接地した、本発明による装置の第２の実施例を示す。 図８は、図６および図７に示す直流電圧変圧器を、プラグ端子を介して構成を選択可能な構成部材として構成したものを概略的に示す。 図８は、図６および図７に示す直流電圧変圧器を、プラグ端子を介して構成を選択可能な構成部材として構成したものを概略的に示す。 図８は、図６および図７に示す直流電圧変圧器を、プラグ端子を介して構成を選択可能な構成部材として構成したものを概略的に示す。 図１１は、本発明の直流電圧変圧器を用いて駆動可能な、図１〜図３に示すインバータ以外のインバータを示す。 図１２は、本発明の直流電圧変圧器を用いて駆動可能な、図１〜図３に示すインバータ以外のインバータを示す。 図１３は、本発明の直流電圧変圧器を用いて駆動可能な、図１〜図３に示すインバータ以外のインバータを示す。

図１によれば、電気エネルギを発生する装置は直流電圧発生装置１、直流電圧変圧器２、およびインバータ３を備える。前記直流電圧発生装置１は例えば太陽光発電プラントもしくは燃料電池プラントからなり、出力装置４（＋）および５（−）、および前記出力装置に平行に接続されるコンデンサＣを備える。

本出願の範囲に属する好ましいインバータ３は電力系統８に単相の電気エネルギを供給する２個の出力装置６および７を備え、前記電力系統８のＬ側は前記出力装置６に接続され、中性線Ｎは前記出力装置７に接続される。前記インバータ３は更に、３個の入力装置Ｅ１、Ｅ２およびＥ３を備える。前記入力装置Ｅ１およびＥ２間には２個の直列接続のコンデンサＣ１およびＣ２が配置され、前記コンデンサＣ１およびＣ２の接点は前記入力装置Ｅ３に配置される。前記コンデンサＣ１およびＣ２は、前記インバータ３の通常のバイポーラ電圧中間回路を形成する。図１に示すように、前記インバータ３はハーフブリッジインバータとして構成され、そのため２個のスイッチＳ１およびＳ２を備え、前記２個のスイッチＳ１およびＳ２の各々は、端子の一方が前記入力装置Ｅ１およびＥ２にそれぞれ接続され、他方の端子は共有する接点９に接続し、更に前記接点９から平滑チョークもしくは電源チョークＬ１を介して前記出力装置６に接続する。ダイオードＤ１、Ｄ２は更に、前記２個のスイッチＳ１、Ｓ２の一方にそれぞれ平行接続される。これにより、前記ダイオードＤ１は前記接点９から前記入力装置Ｅ１の方向に電流を流し、前記ダイオードＤ２は前記入力装置Ｅ３から前記接点９の方向に電流を流し、また前記ダイオードは対向する方向に対しては電流を流さない。最後に、前記入力装置Ｅ３は前記出力装置７に直接接続され、かつ他方側で接地されて接地端子を構成する。

前記インバータ３は、およそ以下のように動作する。前記スイッチＳ１、Ｓ２が交互にオンオフ切替えされると、前記コンデンサＣ１のＥ３に対して正となる側（入力装置Ｅ１）が前記接点９および前記電源チョークＬ１を介して、例えばスイッチ信号の正の半波の間にＬ側に接続される（まずスイッチＳ１が閉鎖され、スイッチＳ２が開放される）。次に、前記スイッチＳ１が開放されると、電流は前記電源チョークＬ１、前記コンデンサＣ２および前記ダイオードＤ２を流れ続ける。前記電力系統８の負の半波の間（スイッチＳ１は開放され、まずスイッチＳ２が閉鎖される）、前記コンデンサＣ２のＥ３に対して負となる側（入力装置Ｅ２）は、前記接点９および前記チョークＬ１を介して前記Ｌ側に接続され、電流は、前記スイッチＳ２が閉鎖された後、前記ダイオードＤ１および前記コンデンサＣ１を流れ続ける。その結果、前記２個のコンデンサＣ１、Ｃ２は交互に放電され、適合する直流電圧変圧器を用いて、公知の方法により充電される。

上述のような装置は一般的に公知（例えば米国特許公開公報第２００７／００４７２７７号、図１０）であり、したがって当業者にとっては詳細な記述は不要であるとする。

図１を参照して、本発明の直流電圧変圧器２は、前記直流電圧発生装置の前記２個の出力装置４および５に接続される２個の入力装置１０および１１、および前記インバータ３の前記入力装置Ｅ１、Ｅ２およびＥ３に接続される３個の出力装置１２、１３および１４を備える。前記入力装置１０にはスイッチＳ３が接続され、前記スイッチＳ３は接点１５に接続する。ストレージチョーク１６の一方の端子は前記接点１５に接続され、前記ストレージチョークの他方の端子は接点１７に配置され、前記接点１７は第２のスイッチＳ４を介して前記入力装置１１に接続される。更に、前記接点１７は第１のダイオードＤ３を介して前記出力装置１２に接続され、前記出力装置１３は第２のダイオードＤ４を介して前記接点１５に接続する。前記ダイオードＤ３は前記出力装置１２の方向に、前記ダイオードＤ４は前記接点１５の方向にそれぞれ電流を流すことが可能であり、対向する方向に対しては電流を流さない。その結果、前記直流電圧変圧器２の機能原理は以下となる。

前記スイッチＳ３およびＳ４が同時に閉鎖されると、前記ストレージチョーク１６は前記直流電圧発生装置１もしくはそのコンデンサＣにより充電される。前記スイッチＳ３、前記ストレージチョーク１６および前記スイッチＳ４は、電気エネルギを前記ストレージチョーク１６に蓄積する第１の直列電気回路を形成する。この時、前記ダイオードＤ３およびＤ４は、電流が前記コンデンサＣ１およびＣ２に対して流入もしくは流出するのを防ぐ。一方、前記２個のスイッチＳ３およびＳ４が同時に開放されると、前記ストレージチョーク１６は前記ダイオードＤ３、前記直列接続のコンデンサＣ１およびＣ２、および前記ダイオードＤ４を介して放電する。この段階において、前記ストレージチョーク１６は前記部材Ｄ３、Ｃ１、Ｃ２、およびＤ４とともに、前記ストレージチョーク１６を放電もしくは、それにより前記コンデンサＣ１、Ｃ２を充電するための第２の直列電気回路を形成する。前記２個のコンデンサＣ１、Ｃ２が同じ静電容量を有する場合、同一の電圧ＵＣ１＝ＵＣ２が荷電される。

開放状態にある時、前記スイッチＳ３、Ｓ４の電圧負荷は比較的小さい。前記ダイオードＤ３およびＤ４が導電状態にある時、前記スイッチＳ３における電圧は最大でＵＳ３＝ＵＣ＋ＵＣ２となり、この場合ＵＣは前記直流電圧発生装置１の出力電圧である。一方、前記スイッチＳ４における電圧は最大でＵＳ４＝ＵＣ１となる。

上記に関わらず、上述の前記直流電圧変圧器２は、前記直流電圧発生装置１を比較的広範囲の出力電圧で駆動できるという利点を有する。前記直流電圧変圧器２を設けない場合、前記直流電圧発生装置１が常に、たとえ好ましくない条件下においてでも、前記入力装置Ｅ１およびＥ２に十分に高い出力電圧を供給して、前記コンデンサＣ１およびＣ２にグリッド振幅（通常、プラスマイナス約３２５Ｖ）より高い電圧を荷電するようにしなければならない。一方、昇圧用の直流電圧変圧器２を設けた場合、前記直流電圧発生装置１の出力電圧が、前記インバータ３（もしくは前記電力系統８）が少なくとも必要とする電圧より低い場合でも、前記スイッチＳ３およびＳ４を駆動できるパルス占有率を選択することにより、前記コンデンサＣ１、Ｃ２における電圧を任意の高さに設定できる。

更に、上述の装置は非常に柔軟に使用できる。これは、Ｃ１およびＣ２における電圧を、Ｓ３およびＳ４に対して選択したパルス占有率に応じて前記コンデンサＣにおける入力電圧より高くすること、低くしたりすることが両方可能だからである。前記パルス占有率が０．５より大きい場合、前記直流電圧変圧器は昇圧モードで動作する。前記パルス占有率が０．５より低い場合、前記直流電圧変圧器２は降圧モードで動作する。パルス占有率が０．５である場合、実際には、前記直流電圧発生装置１の出力装置に加えられる電圧は直接供給されることになる。前記インバータスイッチＳ１およびＳ２の最大電圧負荷は約２・ＵＣ１であり、この場合ＵＣ１は前記コンデンサＣ１における最大電圧である。また、最も単純な場合として、所定の荷電期間の半分の期間、前記スイッチのうち一方のみを高周波でオンのままに保持し、他方をオフに保持してもよい。更に、前記インバータ側において、前記電力系統８に連続して電流を流してもよい。

以上により、本発明の大きな利点として、前記接地点Ｅ３を任意で前記直流電圧変圧器２の前記入力装置１１に接続可能であり、その結果、前記負の出力装置５（図１）に接続可能であり、また、前記直流電圧変圧器２の前記入力装置１０にも任意で接続可能であり、その結果、正側の出力装置５（図２）に接続可能であり、もしくは前記直流電圧発生装置１のその他の端子１８（図３）に接続可能であり、また、前記電力系統８の前記中性線Ｎについても同様である。通常動作においては、それぞれ破線で示され、前記接地点Ｅ３を前記直流電圧変圧器２の対応する入力装置もしくは前記直流電圧発生装置１の対応する出力装置に接続する接地線１９（図１）もしくは２０（図２）もしくは２１（図３）には電流が流れない。これは特に、前記ストレージチョーク１６および前記部材Ｅ３、Ｃ１、Ｃ２、およびＤ４が閉鎖電気回路を形成しており、前記接地線１９、２０、もしくは２１を備えないためである。そのため、依然として電流が前記接地線１９、２０、もしくは２１に流れる場合、プラントに不良があると判断してもよい。本発明によれば、好ましくは前記接地線１９、２０ もしくは２１内にブレーカ等形状のモニタ素子を配置し、事前に選択したピーク電流の許容値を超えた場合、プラントを自動的に遮断する。この機能は、前記接地端子Ｅ３が、前記直流電圧変圧器２のどの入力装置、もしくは前記直流電圧発生装置１のどの出力装置に接続されても影響を受けない。

公知の方法において、前記スイッチＳ１〜Ｓ４は実際は半導体スイッチとして構成され、ここでは図示しない、スイッチ周波数が例えば１６ｋＨｚ以上の制御装置（マイクロコントローラ、ＰＷＭコントローラ等）により駆動されて周期的にオンオフ切替されてもよい。

図４において、前記スイッチＳ３およびＳ４を駆動する信号および前記ストレージチョーク１６における電流路を例示する。図を参照して、前記２個のスイッチＳ３、Ｓ４は常に同時にオンオフ切替えされているのが分かる。

図５は、図１〜図３を変形した実施例を示し、前記ストレージチョーク１６は中央端子もしくはコイルタップ２３を介して２個のコイル部材Ｗ１１およびＷ１２に分割される。この場合、前記接点１５が前記タップ２３に接続され、その結果、前記タップ２３により固定される前記ストレージチョーク１６の前記部材Ｗ１１のみが前記ストレージチョーク１６を充電する前記第１の電気回路内に配置されるよう構成し、前記第２の電気回路は、前記ダイオードＤ４およびＤ３間に配置される前記ストレージチョーク１６全体もしくは前記部材Ｗ１１＋Ｗ１２を含む。その結果、入力電圧および出力電圧、前記スイッチＳ３および前記ダイオードＤ３およびＤ４の負荷の関係に対応する本発明による回路における電位の更なる最適化が可能となる。導電率が比較的高い場合、Ｓ３およびＳ４に対応するパルス占有率に加えて、構成部材の実効電流および電圧負荷を関係式（Ｗ１２＋Ｗ１１）：Ｗ１１により調整することが可能である。原則的に、前記タップ２３の位置は即時的に選択可能である。前記タップ２３の特別な利点は、開放状態にある前記スイッチＳ３における最大電圧負荷が電圧ＵＳ３＝ＵＣ＋［−ｎ／（ｎ＋１）］・ＵＣ１＋ＵＣ２によってのみ決定され、この場合、ｎ＝Ｗ１２／Ｗ１１およびＷ１１およびＷ１２は、同時に前記コイルＷ１１およびＷ１２の巻数を示す。前記スイッチＳ４における電圧負荷は、ＵＳ４＝ＵＣ１である。もしくは、前記タップ２３を類似の形態で前記スイッチＳ４に接続してもよい。その他については、図５に示す装置は図１〜図３に示す装置と対応しており、そのため、前記直流電圧変圧器２の前記出力装置１４は任意で前記直流電圧発生装置１の前記出力装置４もしくは５、もしくはその他の出力装置に接続してもよい。

本発明の他の実施例を図６および図７に示す。本実施例においては、上述の利点が、本質的には公知のチョークであるが、これまでに知られていない方法で電気的に接続されるストレージチョーク２４を備えることにより得られる点で図１〜図５に示す実施例と特に異なる。前記ストレージチョーク２４は第１のコイルＷ１および第２のコイルＷ２を備え、前記第１のコイルＷ１および第２のコイルＷ２は相互に磁気的に結合され、そのため例えば共有のコア２５上に巻回される。

図１に示すチョークコイル１６と同様に、前記第１のコイルＷ１は前記２個のスイッチＳ３、Ｓ４間、もしくは前記２個の接点１５および１７間に電気的に挿入される。更に、前記接点１７は図１に示すように前記ダイオードＤ３を介して前記出力装置１２に接続される。一方、前記直流電圧変圧器２の前記入力装置１３はダイオードＤ５を介して前記コイルＷ２の一方の端子に接続され、前記コイルＷ２の他方の端子は接点２６およびダイオードＤ６を介して前記接点１５に接続する。更に、前記接点２６は前記出力装置１４に接続される。上述の配置により、以下のような機能が得られる。

前記ストレージチョーク２４の前記第１のコイルＷ１は、前記２個のスイッチＳ３、Ｓ４とともに、前記直流電圧発生装置１の前記出力装置４、５に平行に配置される第１の直列電気回路を形成し、前記スイッチＳ３、Ｓ４が閉鎖されると前記コイルＷ１に電気エネルギを充電する。この際、前記２個のコイルＷ１、Ｗ２は磁気的に結合しているため、前記コイルＷ２もまた前記コイルＷ１を介して充電される。これにより、前記２個のコイルＷ１、Ｗ２の巻線方向は、図６において点線で示す端子において同一の電圧極性が得られるよう選択される。

前記スイッチＳ３、Ｓ４が開放状態にある時、前記２個のコイルＷ１、Ｗ２は、前記コイルＷ１の一方の端子（接点１７）から前記ダイオードＤ３、前記直列に実装されるコンデンサＣ１およびＣ２、前記ダイオードＤ５、前記コイルＷ２、前記接点２６および前記ダイオードＤ６を介して、前記コイルＷ１の他方の端子（接点１５）に接続する第２の直列電気回路内に配置される。図１に示す場合と同様に、前記第２の電気回路は閉鎖回路であり、前記コイルＷ１、Ｗ２を同時に放電、もしくは前記コンデンサＣ１、Ｃ２を同時に充電する。更に、前記２個のコイルＷ１、Ｗ２は前記電気回路を介して直流的に接続される。

上記のような回路構成の結果、前記直流電圧変圧器２の前記出力装置１４もしくは前記インバータ３の前記出力装置Ｅ３を、前記接地線１９（図６）もしくは前記接地線２０（図７）を介して前記直流電圧変圧器２の前記入力装置１１もしくは１０に任意で接続することが可能となり、その結果、同様に任意で前記直流電圧発生装置１の前記出力装置５もしくは４に接続することが可能となり、これにより、前記直流電圧発生装置１を前記負の出力装置５（図６）もしくは前記正側の出力装置４（図７）において接地可能である。更に、前記入力装置Ｅ３は、図３と同様に、前記直流電圧発生装置１のいずれの中央出力装置に接続してもよい。上述のいずれの場合においても、前記接地線１９〜２１には前記ストレージチョーク１６の充電もしくは放電中にも電流が流れないため、前記接地線１９、２０、および該当する場合は２１は通常の動作においては使用されない。その結果、図１〜図５に示す場合と同様に、前記接地線１９〜２１内、もしくは前記接地点Ｅ３および前記端子４、５、もしくは１８のうち１個の間に依然として電流が検出されるということは、プラントもしくは前記直流電圧変圧器２内に不良があることを示しており、プラントをオフにするために利用してもよい。

図１〜図３に示す装置に対する図６に示す装置の利点は、前記スイッチＳ３の電圧負荷がより低いことによる。前記スイッチＳ３およびＳ４が遮断されている場合、前記ダイオードＤ６は導電性のため、スイッチＳ３に加えられる最大電圧は電圧ＵＣであり、前記ダイオードＤ３もまた導電性のため、スイッチＳ４には電圧ＵＣ１が加えられる。一方、図７に示す装置においては、前記スイッチＳ３における電圧負荷はゼロであり、前記スイッチＳ４における電圧負荷はＵＣ＋ＵＣ１となる。

本発明の別途図示しない他の実施例によれば、前記チョークコイル１６の前記コイルＷ１は図５と同様の形態にタップにより２個の部材に分割可能である。これにより、図５に示すように、前記２個のコイル部材を前記第２の電気回路に配置し、かつ前記タップを前記接点１５、１７のうち一方に接続可能である。その結果、図６および図７に示す実施例における前記スイッチＳ３の電圧負荷は必要に応じて更に低減される。

図６および図７に示す前記コイルＷ１、Ｗ２の電磁結合は、好ましくは１個の共有するコア上に、必要に応じて相互の上方もしくは下方で巻回されることにより得られる。好ましくは、前記コイルＷ１、Ｗ２は同一の巻数を有し、図６および図７に概略的に示す回路構成においては、実際は前記コア２５上に対向する方向に巻回され、これにより充電および放電の際に電流が正しい方向流れる

図８〜図１０は、前記直流電圧変圧器２、ここでは特に図６および図７に示す直流電圧変圧器２を、プラグ端子等として構成される複数の端子が設けられる構成部材２７として構成する方法を示す。図８に示すように、前記直流電圧変圧器２は、図６および図７とは異なり、前記入力装置１０、１１および前記出力装置１２、１３に加えて４個の更なる出力装置２８、２９、３０、および３１を備え、出力装置１４を備えない。前記端子２８は前記入力装置１０に直接接続され、前記端子３１は入力装置１１に直接接続される。更に、前記端子２９は前記コイルＷ２の、前記ダイオードＤ５および前記接点２６に接続する前記端子３０から離れた側の端子に接続され、前記端子は図８における接点２６とは接続しない。この場合、適合する接続を介して、前記直流電圧発生装置１を任意で前記負極５（図９）もしくは前記正極４（図１０）に接地してもよい。

前記負側の出力装置５で接地するのが望ましい場合、前記端子３１は図９に示すように接地され、かつ前記インバータ３の前記入力装置Ｅ３に接続され、その結果、モニタ素子３２を介して前記電力系統８の前記中性線Ｎに接続される。更に、前記端子２９および３０は相互に接続される。その結果、前記構成要素２７を駆動するため、前記直流電圧発生装置１の前記出力装置４、５を前記入力装置１０および１１に接続し、前記出力装置１２および１３を前記インバータ３の前記入力装置Ｅ１、Ｅ２に接続し、前記端子２９、３０両方を前記インバータ３の前記入力装置Ｅ３に接続することにより、図６に示す回路構成が得られる。

一方、前記直流電圧発生装置１の正側の出力装置で接地するのが望ましい場合、前記端子２８は図１０に示すように接地され、かつ前記モニタ素子３２を介して前記インバータ３の前記入力装置Ｅ３に接続される。その他の接続は図９と同様となる。前記構成部材２７、もしくはそこに配置される前記直流電圧変圧器２の前記端子２８、３１を単に接続し直すだけで、前記直流電圧発生装置１を正側の出力装置４で接地するか、負側の出力装置５で接地するか選択可能となる。前記構成部材２７のその他の出力装置は、前記直流電圧発生装置１の中央端子を接地してもよい。

図１〜図５に示す前記直流電圧変圧器を用いた場合でも、同様の手順が実行される。

上記においては、ハーフブリッジインバータとして構成される前記インバータ３のみについて記載されているが、当業者にとっては、バイポーラ電圧中間回路を有するその他のインバータを本発明の前記直流電圧変圧器２に接続してもよいことは自明である。これについて、図１１〜図１３に概略的に示す。図１１および図１２はそれぞれ、（それぞれが単相で実装される）３レベル回路からなるハーフブリッジインバータ、および中心点を有する３レベル回路からなるインバータを示し、図１３は、三相で供給される電力系統８用のインバータを示す。前記３個のインバータは全てバイポーラ電圧中間回路を有し、前記入力装置Ｅ１〜Ｅ３および前記出力装置６、７は上述の記載に対応する。前述のようなインバータは本質的に公知のものであるため、詳細な説明は不要と考える。

本発明は上述の実施例に制限されるものではなく、上述の実施例は様々に変形してもよい。これは特に、前記インバータ３および前記直流電圧変圧器２が好ましくは図面に示すような一体化した構造体として製造・販売される場合に適用されるが、前記インバータ３および前記直流電圧変圧器２はまた、個別の構成部材として製造・販売してもよい。図８〜図１０を参照して上述した実施の形態は、前記直流電圧変圧器１の個々の場合における接地の形態にかかわらず普遍的に使用可能な直流電圧変圧器の大量生産が可能となるため、個別の構成部材としての製造・販売特に適合する。したがって、本発明は直流電圧変圧器２およびインバータ３の結合形態のみではなく、前記直流電圧変圧器２自体にも関する。更に、上述の記載においては本発明の理解に必要な構成部材のみが説明されており、特に、実質的に公知で必要な制御装置、ＭＰＰコントローラ等を更に設けてもよいことは明らかである。また、様々な特徴を、上述および図示したものとは異なる他の結合形態で使用してもよいこととする。

Claims (19)

1. 直流電圧発生装置（１）に接続するための直流電圧変圧器（２）、および前記直流電圧変圧器（２）に接続され、かつ電力供給網（８）に接続するためのインバータ（３）を有し、前記インバータは、前記直流電圧発生装置（１）の端子に接続するための接地端子（Ｅ３）にともに接続される直列接続の２個のコンデンサ（Ｃ１、Ｃ２）を有するバイポーラ電圧中間回路を備え、前記直流電圧変圧器（２）は、少なくとも２個のダイオード（Ｄ３、Ｄ４）、１個のスイッチ、および前記スイッチが閉鎖されると前記直流電圧発生装置（１）により充電され、前記スイッチが開放されると前記コンデンサ（Ｃ１、Ｃ２）および前記ダイオード（Ｄ３、Ｄ４）を介して放電される１個のストレージチョーク（１６）を備える、前記電力供給網（８）に電気エネルギを供給する装置であって、一方側において、前記ストレージチョーク（１６）および２個のスイッチ（Ｓ３、Ｓ４）は、前記スイッチ（Ｓ３、Ｓ４）が閉鎖されると前記直流電圧発生装置（１）に接続され、前記ストレージチョーク（１６）を充電する第１の電気回路を形成し、他方側において、前記ストレージチョーク（１６）、前記２個のダイオード（Ｄ３、Ｄ４）および前記２個のコンデンサ（Ｃ１、Ｃ２）は、前記スイッチ（Ｓ３、Ｓ４）を開放することにより駆動され、前記コンデンサ（Ｃ１、Ｃ２）およびダイオード（Ｄ３、Ｄ４）両方を介して前記ストレージチョーク（１６）を同時に放電する第２の電気回路内に配置されることを特徴とする、装置。
2. 前記第１の電気回路は直列回路であり、前記第１の電気回路において前記ストレージチョーク（１６）は前記２個のスイッチ（Ｓ３、Ｓ４）間に電気的に挿入されることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
3. 前記第２の電気回路は直列回路であり、前記ストレージチョーク（１６）の第１の端子から、第１のダイオード（Ｄ３）、前記２個のコンデンサ（Ｃ１、Ｃ２）、および第２のダイオード（Ｄ４）を介して、前記ストレージチョーク（１６）の第２の端子に接続することを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の装置。
4. 前記ストレージチョーク（１６）は分割され、前記２個のスイッチ（Ｓ３、Ｓ４）の一方に接続されるコイルタップ（２３）を備え、前記ストレージチョーク（１６）の前記タップ（２３）により固定される第１の部材（Ｗ１１）のみが前記第１の電気回路内に配置され、前記ストレージチョーク（１６）の第２の部材（Ｗ１１＋Ｗ１２）は前記第２の電気回路内に配置されることを特徴とする、請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の装置。
5. 前記ストレージチョーク（１６）は第１のコイル（Ｗ１）および第２のコイル（Ｗ２）を備え、前記２個のコイル（Ｗ１、Ｗ２）は磁気結合され、かつ直流的に接続され、前記第１のコイル（Ｗ１）は前記２個のスイッチ（Ｓ３、Ｓ４）とともに前記第１の電気回路を形成し、前記コイル（Ｗ１、Ｗ２）の両方は前記第２の電気回路内に配置されることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
6. 前記第２の電気回路は直列回路であり、前記第１のコイル（Ｗ１）の第１の端子から、前記第１のダイオード（Ｄ３）、前記２個のコンデンサ（Ｃ１、Ｃ２）、第２のダイオード（Ｄ５）、前記第２のコイル（Ｗ２）、および第３のダイオード（Ｄ６）を介して、前記第１のコイル（Ｗ１）の第２の端子に接続することを特徴とする、請求項５に記載の装置。
7. 前記第１のコイル（Ｗ１）は分割され、前記２個のスイッチ（Ｓ３、Ｓ４）の一方に接続されるコイルタップを備え、前記第１のコイルの前記タップにより固定される第１の部材のみが前記第１の電気回路内に配置され、前記第１のコイルの第２の部材は前記第２の電気回路内に配置されることを特徴とする、請求項５または請求項６に記載の装置。
8. 前記２個のコイル（Ｗ１、Ｗ２）は共有する１個のコア（１６）上に巻回されることを特徴とする、請求項５〜請求項７のいずれか１項に記載の装置。
9. 前記コイル（Ｗ１、Ｗ２）は前記コア（１６）上に対向して巻回されることを特徴とする、請求項８に記載の装置。
10. 前記２個のコイル（Ｗ１、Ｗ２）は同一の巻数を有することを特徴とする、請求項５〜請求項９のいずれか１項に記載の装置。
11. 前記直流電圧変圧器（２）は、プラグ端子として構成される複数の端子（１２、１３、２８〜３１）を備える構成部材（２７）として構成され、これにより、前記直流電圧変圧器（２）は前記直流電圧発生装置（１）が必要とする任意の接地に応じて前記インバータ（３）の連動する入力装置に接続可能となることを特徴とする、請求項１〜請求項１０のいずれか１項に記載の装置。
12. 前記直流電圧変圧器（２）は、前記直流電圧発生装置（１）に接続される入力装置（１０、１１）を、前記インバータ（３）の前記接地端子（Ｅ３）に接続される出力装置（１４）に接続する接地線（１９、２０、２１）を備えることを特徴とする、請求項１〜請求項１１のいずれか１項に記載の装置。
13. 故障電流を検知するモニタ素子（３２）は前記接地線（１９、２０、２１）に接続されることを特徴とする、請求項１２に記載の装置。
14. 前記インバータ（３）はハーフブリッジインバータとして構成されることを特徴とする、請求項１〜請求項１３のいずれか１項に記載の装置。
15. 前記インバータ（３）は、３レベル回路からなるハーフブリッジインバータ（図７）として構成されることを特徴とする、請求項１〜請求項１３のいずれか１項に記載の装置。
16. 前記インバータ（３）は、中心点を有する３レベル回路からなるハーフブリッジインバータ（図８）として構成されることを特徴とする、請求項１〜請求項１３のいずれか１項に記載の装置。
17. 前記インバータ（３）は、前記電力供給網（８）に単相または三相の電気エネルギを供給するよう構成される（図２〜図６または図７）ことを特徴とする、請求項１〜請求項１３のいずれか１項に記載の装置。
18. 電力供給網（８）に電気エネルギを供給し、直流電圧発生装置（１）、およびバイポーラ電圧中間回路（Ｃ１、Ｃ２）を有するインバータ（３）を配置する装置に用いる直流電圧変圧器であって、請求項１〜請求項１３の少なくとも１項に記載の通りに構成されることを特徴とする、直流電圧変圧器。
19. 前記インバータ（３）と結合して構造体を形成することを特徴とする、請求項１８に記載の直流電圧変圧器。

Images