JP2013009476A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電力変換器を構成する昇圧回路とインバータ回路に備えた平滑コンデンサの放電回路を共用し、装置の小型化を図るとともに電力変換効率の向上を促進した電力変換装置を提供する。
【解決手段】直流／交流変換を行う電力変換装置に、直流電源から得られる直流電力を受け入れる入力コンデンサＣｉｎと、この入力コンデンサＣｉｎの直流電圧を中間コンデンサＣｆに蓄えて昇圧動作を行う昇圧回路と、昇圧された直流電圧を平滑する平滑コンデンサＣｐ、Ｃｎとを備え、入力コンデンサＣｉｎと、中間コンデンサＣｆと、平滑コンデンサＣｐ、Ｃｎとにそれぞれ蓄えられた電荷を放電する共用の放電回路をもうけた。
【選択図】図１

Description

この発明は、例えば太陽電池のような直流電源の直流電力を、電圧と周波数の異なる交流電力に変換する直流／交流変換を行う電力変換装置に関するものである。

従来の電力変換装置は、系統連系装置が、発電源であるソーラーパネルからの発電電力を昇圧する昇圧回路と、前記昇圧回路により昇圧された発電電力の周波数を商用電力周波数に変換するインバータ回路と、前記インバータ回路と商用電力供給ラインとの間に介挿される系統連系スイッチと、前記系統連系スイッチが開状態となった場合に、前記昇圧回路が備える平滑用コンデンサに蓄えられている電荷を放電する放電回路とを具備するように構成される。（例えば、特許文献１参照。）

特開２００４−３５０４２０号公報

従来の電力変換装置において、系統連系装置の稼動時にあっては、前記平滑用コンデンサの電位差が高電位となっているため、装置の故障時などにおけるメンテナンス時の作業性から、運転停止時のコンデンサを一定時間内に放電させる必要がある。ところが、このような従来の電力変換装置では、出力電力量の増加とともに平滑用コンデンサの容量を大きくするか、もしくは複数のコンデンサを備える必要がある。このため、放電回路に備えた放電抵抗の容量増加や部品点数の増加を招き、電力変換装置が大型になるという問題があった。

この発明は、上記のような問題を解決するためになされたものであり、直流／交流変換を行う電力変換装置において、平滑コンデンサの放電回路を他のコンデンサの放電回路と共用し、装置の小型化を図るとともに、電力変換効率の向上を促進した電力変換装置を提供することを目的とする。

この発明に係る電力変換装置は、直流電源から得られる直流電力を受け入れる入力コンデンサと、前記入力コンデンサの直流電圧を中間コンデンサに蓄えて昇圧動作を行う昇圧回路と、昇圧された直流電圧を平滑する平滑コンデンサと、インバータ回路とを備えた電力変換部に、前記入力コンデンサと、前記中間コンデンサと、前記平滑コンデンサとにそれぞれ蓄えられた電荷を放電する共用の放電回路を設けたものである。

この発明の電力変換装置によれば、電力変換部に備えた各コンデンサの放電回路を共用できるため、装置の小型化が可能となる。また、運転停止または制御電源喪失（故障）にて放電回路を形成するようにすることにより、電力変換装置の稼動直後にメンテナンス作業が行われる場合であっても、各コンデンサの電荷が放電されており、作業性が向上する。さらに、電力変換部に備えたダイオードを用いて放電回路を形成することにより、そのダイオードにワイドバンドギャップ半導体（ＳｉＣ）を用いた場合、放電時だけでなく運転中の回路損失をも低減でき、その結果、電力変換効率の向上を促進した電力変換装置が実現できる。

上述した、またその他の、この発明の目的、特徴、効果は、以下の実施の形態における詳細な説明および図面の記載からより明らかとなるであろう。

この発明の実施の形態１及び実施の形態２に係る電力変換装置の回路図である。 この発明の実施の形態１及び実施の形態２に係る入力コンデンサの放電経路を示す回路図である。 この発明の実施の形態１及び実施の形態２に係る中間コンデンサの放電経路を示す回路図である。 この発明の実施の形態１及び実施の形態２に係る平滑コンデンサの放電経路を示す回路図である。 この発明の実施の形態３に係る電力変換装置の回路図である。

以下、この発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、各図中同一符号は同一あるいは相当部分を示すものとする。
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１に係る電力変換装置の回路図である。この発明の電力変換装置は、太陽電池等からなる直流電源１と接続可能な電力変換装置であって、昇圧回路２１により昇圧された発電電力の周波数を商用電力周波数に変換するための電力変換部２と、電力変換部２により変換された交流電力を負荷及び／または商用電力系統４に連系するための連系スイッチ３（ＭＣ２）を備えている。

電力変換部２には、直流電源１から得られる直流電力を遮断器ＭＣＣB１を介して受け入れる入力コンデンサＣｉｎと、入力コンデンサＣｉｎの直流電圧を中間コンデンサＣｆと平滑コンデンサＣｐ及びＣｎを有する昇圧回路２１と、前記入力コンデンサＣｉｎと、中間コンデンサＣｆと、平滑コンデンサＣｐ及びＣｎとにそれぞれ蓄えられた電荷を放電する放電回路２２と、インバータ回路２３を備えている。

昇圧回路２１は、入力コンデンサＣｉｎの正極側に接続された直流リアクトルＤＣＬと、直列接続された第１及び第２のスイッチング素子Ｓ１及びＳ２と、後述する中間コンデンサＣｆの充電経路と放電経路を与える直列接続された第１及び第２のダイオードＤ１及びＤ２と、スイッチング素子Ｓ１及びＳ２の接続点と、ダイオードＤ１及びＤ２の接続点との間に接続され、スイッチング素子Ｓ１及びＳ２のオン・オフにより充放電動作をする中間コンデンサＣｆと、ダイオードＤ２の一端とスイッチング素子Ｓ１一端との間に直列に接続された平滑コンデンサＣｐ及びＣｎを備えている。

放電回路２２は、平滑コンデンサＣｐに並列に接続された第１のＤＣリレーＭＣ１ａと、平滑コンデンサＣｎに並列に接続された第２のＤＣリレーＭＣ１ｂと、これら両リレーの開閉を制御するリレー制御部Ｒｅとからなるリレー回路２４を含み、さらに各ＤＣリレーＭＣ１ａ及びＭＣ１ｂにそれぞれ直列に接続された第１及び第２の放電用負荷ＤＲＰ及びＤＲＮからなる。リレー制御部Ｒｅの電源は、蓄電池または電力変換装置等から供給される。

インバータ回路２３には平滑コンデンサＣｐ及びＣｎの電圧が印加され、インバータ回路２３で交流に変換された電力が、リアクトルＬＦＵ、ＬＦＶ、及びＬＦＷと、連系スイッチ３及び遮断器ＭＣＣＢ２を介して商用電力系統４または負荷に供給される。

電力変換装置の稼動時には、ＤＣリレーＭＣ１ａ及びＭＣ１ｂは開となっている。昇圧回路２１は、第１のスイッチング素子Ｓ１のオンにより中間コンデンサＣｆが第１ダイオードＤ１を介して充電され、続いて第２のスイッチング素子Ｓ２のオンにより中間コンデンサＣｆが第２のダイオードＤ２を介して放電され、この放電電流が平滑コンデンサＣｐ及びＣｎに与えられるものであり、両スイッチング素子Ｓ１及びＳ２を交互にオン状態として直流電源１の出力に重畳して昇圧を行ない、インバータ２３により直流／交流の電力変換を行なう。

電力変換装置が運転停止または制御電源喪失（故障）等で停止した場合、メンテナンスを行なうには、入力コンデンサＣｉｎ、中間コンデンサＣｆ、及び平滑コンデンサＣｐ及びＣｎに蓄えられている電荷を放電する必要がある。このとき、リレー回路２４のリレー制御部Ｒｅを動作させてＤＣリレーＭＣ１ａ及びＭＣ１ｂを閉じ、放電用負荷ＤＲＰ及びＤＲＮを含む放電回路２２を閉成する。

図２は、放電回路２２の閉成時における入力コンデンサＣｉｎの放電経路を示す回路図である。図２中、矢印のループＸがその放電経路を示す。入力コンデンサＣｉｎは、昇圧回路２１内の直流リアクトルＤＣＬ→第１のダイオードＤ１→第２のダイオードＤ２→第１のＤＣリレーＭＣ１ａ→第１の放電用負荷ＤＲＰ→第２のＤＣリレーＭＣ１b→第２の放電用負荷ＤＲＮの経路にて電荷を放電する。

図３は、放電回路２２の閉成時における中間コンデンサＣｆの放電経路を示す回路図である。図３中、矢印のループＹがその放電経路を示す。中間コンデンサＣｆは、昇圧回路２１内の第２のダイオードＤ２→第１のＤＣリレーＭＣ１a→第１の放電用負荷ＤＲＰ→第２のＤＣリレーＭＣ１b→第２の放電用負荷ＤＲＮ→第１のスイッチング素子Ｓ１の経路にて電荷を放電する。

図４は、放電回路２２の閉成時における平滑コンデンサＣｐ及びＣｎの放電経路を示す回路図である。図４中、矢印のループＺ１及びＺ２がその放電経路を示す。平滑コンデンサＣｐは、第１のＤＣリレーＭＣ１a→第１の放電用負荷ＤＲＰの経路にて電荷を放電し、平滑コンデンサＣｎは、第２のＤＣリレーＭＣ１b→第２の放電用負荷ＤＲＮの経路にて電荷を放電する。

以上のようにこの発明に係る電力変換装置においては、各コンデンサ（Ｃｉｎ、Ｃｆ、Ｃｐ、Ｃｎ）の放電経路は、いずれも放電回路２２を共用するよう構成されるため、別々の放電回路が不要となり、使用部品の低減並びに装置の小型化を図ることができる。

実施の形態２．
次に、この発明の実施の形態２を説明する。実施の形態２の構成では、前記放電回路２２に、リレー制御部Ｒｅによるコイル励磁で主接点が開くＤＣリレー（ｂ接点）ＭＣ１ａ及びＭＣ１ｂからなるリレー回路２４を採用している。その他の構成は実施の形態１と同じである。

この構成では、運転停止または制御電源喪失（故障）時に、リレー制御部Ｒｅの電源喪失によりＤＣリレーＭＣ１ａ及びＭＣ１ｂのコイル励磁が断たれたとき、ＤＣリレーＭＣ１ａ及びＭＣ１ｂは閉じることにより放電回路２２が閉成され、放電用負荷ＤＲＰ及びＤＲＮと、電力変換部２に備えた各コンデンサ（Ｃｉｎ、Ｃｆ、Ｃｐ、Ｃｎ）とが直列接続された閉回路が形成されるため、実施の形態１と同様の効果が得られると共に、運転停止時や故障時のいかなる場合においても、前記電力変換部２が備える各コンデンサを放電できるため、メンテナンス時の作業性が向上する。

実施の形態３．
次に、この発明の実施の形態３を説明する。実施の形態３では、図５に示すように実施の形態１の昇圧回路２１の構成要素である第１のダイオードD１と第２のダイオードD２に、ワイドバンドギャップ半導体、例えばＳｉＣを主材料としたダイオード（ＳｉＣダイオード２５）を採用したものである。これにより、ダイオードＤ１及びＤ２が放電回路の一部となる放電時のみならず通常運転時の電力損失を低減でき、電力変換装置の高効率化を図ることができる。

なお、上述した実施の形態１〜３では直流電源に太陽電池を用いた場合について説明したが、この発明はこれに限られることはなく、蓄電池や定電圧電源であってもよく、本発明の範囲内にある限り、別な構成、動作へ変更を加えて実施してもよいことはいうまでもない。

１ 直流電源、 ２ 電力変換部、
３ 連系スイッチ、 ４ 商用電力系統、
２１ 昇圧回路、 ２２ 放電回路、
２３ インバータ回路、 ２４ リレー回路、
２５ ＳｉＣダイオード、
Ｃｉｎ 入力コンデンサ、 Ｓ１、Ｓ２ スイッチング素子、
Ｄ１、Ｄ２ ダイオード、 Ｃｆ 中間コンデンサ、
Ｃｐ、Ｃｎ 平滑コンデンサ、 ＭＣ１ａ、ＭＣ１ｂ ＤＣリレー、
Ｒｅ リレー制御部。

Claims (4)

1. 直流電源から得られる直流電力を受け入れる入力コンデンサと、前記入力コンデンサの直流電圧を中間コンデンサに蓄えて昇圧動作を行う昇圧回路と、昇圧された直流電圧を平滑する平滑コンデンサと、インバータ回路とを備えた電力変換部に、前記入力コンデンサと、前記中間コンデンサと、前記平滑コンデンサとにそれぞれ蓄えられた電荷を放電する共用の放電回路を設けたことを特徴とする電力変換装置。
2. 前記放電回路は、コイル励磁で主接点が開くＤＣリレーと、該ＤＣリレーに直列接続された放電用負荷を含む回路からなり、前記ＤＣリレーの励磁が断たれたとき前記主接点が閉じて、前記放電用負荷と前記各コンデンサとが直列接続される閉回路を形成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. 前記昇圧回路は、前記放電回路の一部となるダイオードを含み、該ダイオードはワイドバンドギャップ半導体で構成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電力変換装置。
4. 前記直流電源は、太陽電池であることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の電力変換装置。
   
   
   

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