JP2015226453A - 電力変換装置及びそれを用いたパワーコンディショナ - Google Patents

Abstract

【課題】装置の小型化を図ることのできる電力変換装置及びそれを用いたパワーコンディショナを提供する。
【解決手段】電力変換装置１は、第１変換回路２と、出力キャパシタＣ１と、第２変換回路３と、制御部４とを備える。第２変換回路３は、出力キャパシタＣ１の出力電圧を交流電圧に変換して負荷９に出力する。第１変換回路２は、第１昇圧部２１と、第２昇圧部２２と、バッファ部２３とを備える。第２昇圧部２２は、直流電源５からの直流電圧を第１昇圧部２１よりも昇圧する。バッファ部２３は、第２昇圧部２２の出力電圧が印加される補助キャパシタＣ２を有し、補助キャパシタＣ２の出力電圧を降圧して出力キャパシタＣ１に出力する。制御部４は、負荷９で消費される瞬時電力が所定の電力値を上回る期間において、バッファ部２３を動作させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、一般に電力変換装置及びパワーコンディショナ、より詳細には直流電源の出力を交流に変換する電力変換装置及びそれを用いたパワーコンディショナに関する。

近年、住宅用の太陽光発電装置や燃料電池、蓄電装置などの普及に伴い、これらの直流電源の出力を交流に変換する電力変換装置として、多様な電力変換装置が提供されている。例えば、特許文献１には、太陽光発電装置（solar generator）に電気的に接続され、２個のスイッチ素子（switch unit）の直列回路を２つ並列に接続したブリッジ回路を備えた電力変換装置（DC/AC converter）が開示されている。

この種の電力変換装置では、ブリッジ回路の入力電圧（直流）は最終出力電圧（交流）の瞬時値（絶対値）を下回らないことが必須の要件となる。つまり、電力変換装置は、ブリッジ回路の入力電圧を最終出力電圧の最大値（絶対値）より大きな値に維持する必要がある。このため、特許文献１に記載の電力変換装置は、ブリッジ回路の入力段にエネルギーストレージ（intermediate energy storage）を備えている。

米国特許第７０４６５３４号明細書

ここで、太陽光発電装置に接続されるパワーコンディショナのように定格容量の比較的大きな電力変換装置では、エネルギーストレージに貯蔵すべきエネルギーも比較的大きくなる。このため、この種の電力変換装置では、一般的に大容量の電解コンデンサがエネルギーストレージとして用いられる。

しかしながら、この種の電解コンデンサは比較的大型であるため、他の部品に比べて装置全体の体積に占める割合が大きく、エネルギーストレージが装置の小型化を妨げる要因となっている。

本発明は、上記の点に鑑みて為されており、装置の小型化を図ることのできる電力変換装置及びそれを用いたパワーコンディショナを提供することを目的とする。

本発明の電力変換装置は、直流電源に電気的に接続され、前記直流電源から印加される直流電圧の大きさを変化させて出力する第１変換回路と、前記第１変換回路に電気的に接続され、前記第１変換回路の出力電圧が印加される出力キャパシタと、前記出力キャパシタに電気的に接続され、前記出力キャパシタが出力する直流電圧を交流電圧に変換して負荷に出力する第２変換回路と、制御部とを備え、第１変換回路は、前記直流電源から印加される直流電圧を昇圧して前記出力キャパシタに出力する第１昇圧部と、前記直流電源から印加される直流電圧を前記第１昇圧部よりも昇圧して出力する第２昇圧部と、前記第２昇圧部に電気的に接続されるバッファ部とを備え、前記バッファ部は、前記第２昇圧部の出力電圧が印加される補助キャパシタを有し、前記補助キャパシタが出力する直流電圧を降圧して前記出力キャパシタに出力するように構成され、前記制御部は、前記負荷で消費される瞬時電力が所定の電力値を上回る期間において、前記バッファ部を動作させることを特徴とする。

本発明のパワーコンディショナは、上記の電力変換装置と、前記電力変換装置と系統電源との間に電気的に接続される解列器とを備えることを特徴とする。

本発明は、装置の小型化を図ることができる。

実施形態１に係る電力変換装置及びパワーコンディショナの構成を示す回路図である。 実施形態１に係る電力変換装置の動作説明図である。 図３Ａは、従来の電力変換装置の動作説明図で、図３Ｂは、実施形態１に係る電力変換装置のバッファ部の動作説明図である。 実施形態１に係る電力変換装置の他の構成を示す回路図である。 実施形態２に係る電力変換装置及びパワーコンディショナの構成を示す回路図である。 実施形態２に係る電力変換装置の他の構成を示す回路図である。

（実施形態１）
本発明の実施形態に係る電力変換装置１は、図１に示すように、第１変換回路２と、出力キャパシタＣ１と、第２変換回路３と、制御部４とを備える。第１変換回路２は、直流電源５に電気的に接続され、直流電源５から印加される直流電圧の大きさを変化させて出力する。出力キャパシタＣ１は、第１変換回路２に電気的に接続され、第１変換回路２の出力電圧が印加される。第２変換回路３は、出力キャパシタＣ１に電気的に接続され、出力キャパシタＣ１が出力する直流電圧を交流電圧に変換して負荷９に出力する。

第１変換回路２は、第１昇圧部２１と、第２昇圧部２２と、バッファ（buffer）部２３とを備える。第１昇圧部２１は、直流電源５から印加される直流電圧を昇圧して出力キャパシタＣ１に出力する。第２昇圧部２２は、直流電源５から印加される直流電圧を第１昇圧部２１よりも昇圧して出力する。

バッファ部２３は、第２昇圧部２２に電気的に接続される。また、バッファ部２３は、第２昇圧部２２の出力電圧が印加される補助キャパシタＣ２を有し、補助キャパシタＣ２が出力する直流電圧を降圧して出力キャパシタＣ１に出力するように構成される。

そして、制御部４は、負荷９で消費される瞬時電力Ｐ２が所定の電力値Ｐ２１を上回る期間（第２期間Ａ２。図３Ａ参照）において、バッファ部２３を動作させる。

また、本発明の実施形態に係るパワーコンディショナ８は、図１に示すように、電力変換装置１と、電力変換装置１と系統電源７との間に電気的に接続される解列器６とを備える。

以下、本実施形態の電力変換装置１及びパワーコンディショナ８について詳細に説明する。但し、以下に説明する構成は、本発明の一例に過ぎず、本発明は下記の実施形態に限定されることはなく、この実施形態以外であっても、本発明に係る技術的思想を逸脱しない範囲であれば、設計等に応じて種々の変更が可能である。

また、本実施形態のパワーコンディショナ８は、直流電源５としての太陽光発電装置に電気的に接続して使用される住宅用のパワーコンディショナであるが、本実施形態のパワーコンディショナ８の用途を限定する趣旨ではない。本実施形態のパワーコンディショナ８は、例えば家庭用燃料電池や蓄電装置など、太陽光発電装置以外の直流電源５に電気的に接続して使用されてもよい。更に、本実施形態のパワーコンディショナ８は、例えば店舗や工場、事務所などの住宅以外の建物に用いられてもよい。また、本実施形態の電力変換装置１についても、その用途をパワーコンディショナ８に限定する趣旨ではなく、本実施形態の電力変換装置１は、パワーコンディショナ８以外に用いられてもよい。

本実施形態の電力変換装置１は、図１に示すように、第１変換回路２と、第２変換回路３と、制御部４とを備えている。電力変換装置１の第１入力点１１及び第２入力点１２は、太陽光発電装置からなる直流電源５に接続箱（図示せず）を介して電気的に接続される。また、電力変換装置１の第１出力点１３及び第２出力点１４は、本実施形態のパワーコンディショナ８の一部である解列器６を介して、系統電源（商用電力系統）７と負荷９とに電気的に接続される。具体的には、パワーコンディショナ８の出力（電力変換装置１の出力）は、解列器６を介して分電盤（図示せず）に設けられた連系ブレーカ（図示せず）に電気的に接続されることにより、系統電源７に接続される。

解列器６は、図１に示すように、電力変換装置１の一方の出力端（第１出力点１３）と系統電源７との間に電気的に接続された第１接点部６１と、他方の出力端（第２出力点１４）と系統電源７との間に電気的に接続された第２接点部６２とを備えている。なお、解列器６は、第１出力点１３及び第２出力点１４の少なくとも一方と系統電源７との間に電気的に接続されていればよく、第１接点部６１及び第２接点部６２の何れかは省略されていてもよい。つまり、解列器６は、電力変換装置１と系統電源７との間に電気的に接続されていればよい。

パワーコンディショナ８は、定常時、解列器６を閉じた状態で系統連系運転を行い、直流電源５から入力される直流電力を交流電力に変換して出力する。また、パワーコンディショナ８は、系統電源７の停電等の異常時には、解列器６を開放し、系統電源７から解列された状態で交流電力を出力する自立運転を行うように構成されている。

次に、電力変換装置１の各部の構成について説明する。

第１変換回路２は、図１に示すように、第１入力点１１及び第２入力点１２に電気的に接続されている。第１変換回路２は、第１昇圧部２１と、第２昇圧部２２と、バッファ部２３とで構成されている。第１昇圧部２１は、１次巻線（インダクタ）Ｔ１１と、（第１）ダイオードＤ１と、（第１）スイッチング素子Ｑ１とを有している。第２昇圧部２２は、２次巻線（インダクタ）Ｔ１２と、（第２）ダイオードＤ２と、（第１）スイッチング素子Ｑ１とを有している。つまり、第１スイッチング素子Ｑ１は、第１昇圧部２１と第２昇圧部２２とで共用している。バッファ部２３は、補助キャパシタＣ２と、（第２）スイッチング素子Ｑ２と、（第３）ダイオードＤ３と、インダクタＬ１とを有している。

ここで、本実施形態の電力変換装置１では、１次巻線Ｔ１１及び２次巻線Ｔ１２は、トランスＴ１で構成されている。トランスＴ１は、その中間部にタップＴＡ１を有しており、第１入力点１１とタップＴＡ１との間を１次巻線Ｔ１１、全体を２次巻線Ｔ１２とする単巻変圧器（auto-transformer：オートトランス）である。つまり、第１変換回路２は、単巻変圧器で構成されるトランスＴ１を有している。そして、トランスＴ１の１次巻線Ｔ１１は、第１昇圧部２１のインダクタであり、トランスＴ１の２次巻線Ｔ１２は、第２昇圧部２２のインダクタである。勿論、１次巻線Ｔ１１及び２次巻線Ｔ１２の構成をトランスＴ１に限定する趣旨ではなく、例えば１次側と２次側とを電気的に絶縁した複巻変圧器で１次巻線Ｔ１１及び２次巻線Ｔ１２が構成されていてもよい。

第１昇圧部２１において、１次巻線Ｔ１１は、その両端のうち第１端が第１入力点１１に電気的に接続され、第２端（タップＴＡ１）が第１ダイオードＤ１のアノードに電気的に接続されている。第１ダイオードＤ１のカソードは、出力キャパシタＣ１の高電位（正極）に電気的に接続されている。第１スイッチング素子Ｑ１は、１次巻線Ｔ１１の第２端（タップＴＡ１）と第２入力点１２との間に電気的に接続されている。また、第１スイッチング素子Ｑ１の１次巻線Ｔ１１側の一端は、第１ダイオードＤ１のアノードに電気的に接続されている。第１スイッチング素子Ｑ１は、図２に示すように、制御部４から与えられる第１駆動信号によりオン／オフを切り替えられる。この第１スイッチング素子Ｑ１のスイッチング動作により、１次巻線Ｔ１１には電流Ｉ１が流れる（図２参照）。なお、図２において、破線で示す電流Ｉ１の波形は、電流Ｉ１の平均電流を示している。

第１昇圧部２１は、第１スイッチング素子Ｑ１のスイッチング動作により、入力電圧（直流電源５の出力電圧）を昇圧して出力する昇圧回路である。そして、第１昇圧部２１の出力電圧は出力キャパシタＣ１に印加される。

第２昇圧部２２において、２次巻線Ｔ１２は、その両端のうち第１端が第１入力点１１に電気的に接続され、第２端が第２ダイオードＤ２のアノードに電気的に接続されている。第２ダイオードＤ２のカソードは、バッファ部２３の補助キャパシタＣ２の高電位（正極）に電気的に接続されている。

第２昇圧部２２は、第１昇圧部２１と同様に、第１スイッチング素子Ｑ１のスイッチング動作により、入力電圧を昇圧して出力する昇圧回路である。但し、第２昇圧部２２は、直流電源５の出力電圧を昇圧して２次巻線Ｔ１２に誘起される電圧を入力電圧とする。すなわち、第２昇圧部２２の出力電圧は、第１昇圧部２１の出力電圧よりも大きい。なお、［第１昇圧部２１の出力電圧と入力電圧との差］と、［第２昇圧部２２の出力電圧と入力電圧との差］との比は、１次巻線Ｔ１１の巻き数と２次巻線Ｔ１２の巻き数との比に等しい。そして、第２昇圧部２２の出力電圧は補助キャパシタＣ２に印加される。

つまり、第１変換回路２は、第１昇圧部２１及び第２昇圧部２２で共用される（第１）スイッチング素子Ｑ１を有している。そして、第１変換回路２は、第１スイッチング素子Ｑ１のオン／オフが切り替えられることで第１昇圧部２１及び第２昇圧部２２の昇圧動作が行われるように構成されている。なお、第１スイッチング素子Ｑ１の代わりに、第１昇圧部２１と第２昇圧部２２とでスイッチング素子を個別に設けた構成であってもよい。

バッファ部２３において、補助キャパシタＣ２は、高電位（正極）が第２ダイオードＤ２のカソードに電気的に接続され、低電位（負極）が第２入力点１２に電気的に接続されている。インダクタＬ１は、その両端のうち第１端が第２スイッチング素子Ｑ２を介して補助キャパシタＣ２の高電位（正極）に電気的に接続され、第２端が出力キャパシタＣ１の高電位（正極）に電気的に接続されている。また、インダクタＬ１の第１端は、第３ダイオードのカソードに電気的に接続されている。第３ダイオードＤ３のアノードは、第２入力点１２に電気的に接続されている。第２スイッチング素子Ｑ２のインダクタＬ１側の一端は、第３ダイオードＤ３のカソードに電気的に接続されている。第２スイッチング素子Ｑ２は、制御部４から与えられる制御信号によりオン／オフを切り替えられる。

バッファ部２３は、第２スイッチング素子Ｑ２のスイッチング動作により、入力電圧（補助キャパシタＣ２の出力電圧）を降圧して出力する降圧回路である。そして、バッファ部２３の出力電圧は出力キャパシタＣ１に印加される。バッファ部２３の動作の詳細については後述する。

第２変換回路３は、図１に示すように、第１変換回路２の出力キャパシタＣ１に電気的に接続されている。第２変換回路３は、ブリッジ回路３１と、フィルタ回路３２とで構成されている。

ブリッジ回路３１は、第１スイッチＱ１１と、第２スイッチＱ１２と、第３スイッチＱ１３と、第４スイッチＱ１４とを備えるフルブリッジ回路であって、出力キャパシタＣ１の両端間に電気的に接続されている。つまり、出力キャパシタＣ１の両端間には、第１スイッチＱ１１及び第２スイッチＱ１２の直列回路と、第３スイッチＱ１３及び第４スイッチＱ１４の直列回路とが、並列に電気的に接続されている。第１〜第４スイッチＱ１１〜Ｑ１４は、制御部４から与えられる第２駆動信号によりオン／オフを切り替えられる。

具体的には、図２に示すように、第１スイッチＱ１１及び第４スイッチＱ１４は、第２駆動信号により、オン／オフが同時に切り替えられる。また、第２スイッチＱ１２及び第３スイッチＱ１３は、第２駆動信号により、オン／オフが同時に切り替えられる。そして、第１スイッチＱ１１及び第４スイッチＱ１４のオン／オフが切り替えられる期間と、第２スイッチＱ１２及び第３スイッチＱ１３のオン／オフが切り替えられる期間とは、互いに重ならない。

フィルタ回路３２は、第１リアクトル３２１及び第２リアクトル３２２と、キャパシタ３２３とで構成されている。第１リアクトル３２１は、ブリッジ回路３１の第１スイッチＱ１１及び第２スイッチＱ１２の接続点と、第１出力点１３との間に電気的に接続されている。第２リアクトル３２２は、ブリッジ回路３１の第３スイッチＱ１３及び第４スイッチＱ１４の接続点と、第２出力点１４との間に電気的に接続されている。キャパシタ３２３は、高電位（正極）が第１リアクトル３２１及び第１出力点１３の接続点と電気的に接続され、低電位（負極）が第２リアクトル３２２及び第２出力点１４の接続点と電気的に接続されている。フィルタ回路３２は、ブリッジ回路３１の出力に重畳する虞のあるノーマルモードノイズを低減する回路である。

第２変換回路３は、第１〜第４スイッチＱ１１〜Ｑ１４のスイッチング動作により、直流電圧である入力電圧（出力キャパシタＣ１の出力電圧）を交流電圧に変換して負荷９に出力するインバータ回路である。ここで、第１〜第４スイッチＱ１１〜Ｑ１４は、第２変換回路３の出力電流Ｉ３が正弦波（図２において破線で示す出力電流Ｉ３の波形）に近似するように、ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）信号から成る第２駆動信号で駆動される。このように第２変換回路３は、その出力電流Ｉ３を正弦波に近似させることで、高調波電流の抑制を図っている。

制御部４は、例えばマイコン（マイクロコンピュータ）を主構成としており、メモリ（図示せず）に記憶されているプログラムを実行することにより各種処理を実行する。プログラムは、電気通信媒体を通して提供されてもよく、記憶媒体に記憶されて提供されてもよい。制御部４は、第１スイッチング素子Ｑ１に一定周期のパルスから成る第１駆動信号を与えることで、第１スイッチング素子Ｑ１のオン／オフを切り替える。また、制御部４は、第２スイッチング素子Ｑ２に制御信号を与えることで、第２スイッチング素子Ｑ２のオン／オフを切り替える。更に、制御部４は、第１〜第４スイッチＱ１１〜Ｑ１４にＰＷＭ信号から成る第２駆動信号を与えることで、第１〜第４スイッチＱ１１〜Ｑ１４のオン／オフを切り替える。

本実施形態では、第１スイッチング素子Ｑ１及び第２スイッチング素子Ｑ２と、第１〜第４スイッチＱ１１〜Ｑ１４としては、デプレッション型のｎチャネルＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor）が用いられている。勿論、第１スイッチング素子Ｑ１及び第２スイッチング素子Ｑ２と、第１〜第４スイッチＱ１１〜Ｑ１４としては、その他の半導体スイッチが用いられていてもよい。例えば、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）や、ＧａＮ（窒化ガリウム）をなどのワイドバンドギャップの半導体材料を用いたパワー半導体デバイスが用いられていてもよい。

ここで、本実施形態の電力変換装置１の第１変換回路２が従来周知の昇圧回路で構成されている電力変換装置を、従来の電力変換装置の一例として、従来の電力変換装置の動作を説明する。

図３Ａに示すように、直流電源５の出力電力（電力変換装置１の入力電力）Ｐ１は一定である。一方、負荷９で消費される瞬時電力（第２変換回路３の出力する瞬時電力）Ｐ２は、第２変換回路３の出力電圧の周期の半分の周期で変動する。この瞬時電力Ｐ２は、出力キャパシタＣ１に蓄積されたエネルギーＥ１によって賄われる。したがって、図３Ａに示すように、入力電力Ｐ１が一定であっても、出力キャパシタＣ１に蓄積されたエネルギーＥ１は、瞬時電力Ｐ２に応じて変動する。エネルギーＥ１が所定のエネルギーＥ１１以上であれば問題ないが、瞬時電力Ｐ２が増大してエネルギーＥ１が所定のエネルギーＥ１１を下回ると、電力変換装置１が負荷９に正常に電力を供給することができない虞がある。

従来の電力変換装置では、瞬時電力Ｐ２の大小に依らず最低限のエネルギー（所定のエネルギーＥ１１）を出力キャパシタＣ１が蓄積できるように、出力キャパシタＣ１の静電容量を大きくすることで上記の問題に対応していた。しかしながら、この構成では、出力キャパシタＣ１が比較的大きい静電容量を必要とするため、出力キャパシタＣ１に電解コンデンサを用いる必要がある。電解コンデンサは、フィルムコンデンサ等の他のコンデンサと比較して大型である。このため、電解コンデンサを用いることが装置の小型化を妨げる要因となっていた。

そこで、本実施形態の電力変換装置１は、出力キャパシタＣ１とは別に補助キャパシタＣ２を設けている。そして、本実施形態の電力変換装置１は、瞬時電力Ｐ２の増大時において、補助キャパシタＣ２に蓄積されたエネルギーを出力キャパシタＣ１に供給することで、出力キャパシタＣ１に蓄積されたエネルギーＥ１を補充する構成を採用している。

以下、本実施形態の電力変換装置１の動作について説明する。先ず、制御部４は、第１スイッチング素子Ｑ１に第１駆動信号を与えることにより、第１昇圧部２１及び第２昇圧部２２の動作を開始させる。したがって、第１昇圧部２１は、直流電源５から印加される直流電圧を昇圧して、出力キャパシタＣ１に出力する。出力キャパシタＣ１は、この直流電圧が印加されることで充電される。また、第２昇圧部２２は、直流電源５から印加される直流電圧を第１昇圧部２１よりも昇圧して、バッファ部２３の補助キャパシタＣ２に出力する。補助キャパシタＣ２は、この直流電圧が印加されることで充電される。

出力キャパシタＣ１及び補助キャパシタＣ２が十分に充電されると、制御部４は、第１〜第４スイッチＱ１１〜Ｑ１４に第２駆動信号を与えることにより、第２変換回路３の動作を開始させる。したがって、第２変換回路３は、出力キャパシタＣ１から印加される直流電圧を交流電圧に変換して出力する。第２変換回路３の出力する交流電圧は負荷９に印加される。以下の説明では、第１昇圧部２１、第２昇圧部２２、第２変換回路３は動作を継続していると仮定する。

ここで、制御部４は、瞬時電力Ｐ２が所定の電力値Ｐ２１以下となる第１期間Ａ１（図３Ａ参照）では、第２スイッチング素子Ｑ２に制御信号を与えない。つまり、制御部４は、第１期間Ａ１においてはバッファ部２３を動作させない。このため、第１期間Ａ１では、第２昇圧部２２の出力電圧により補助キャパシタＣ２が充電される。図３Ｂに、補助キャパシタＣ２の充電電圧Ｖ１の波形と、第１期間Ａ１において補助キャパシタＣ２に蓄積されるエネルギーＥ２の波形とを示す。

そして、制御部４は、瞬時電力Ｐ２が所定の電力値Ｐ２１を上回る第２期間Ａ２（図３Ａ参照）では、第２スイッチング素子Ｑ２にＰＷＭ信号から成る制御信号を与える。つまり、制御部４は、第２期間Ａ２において、バッファ部２３を動作させる。第２スイッチング素子Ｑ２は、図２に示すように、制御信号によりオン／オフを切り替えられる。この動作により、インダクタＬ１には、図２に示すように正弦波に近似した電流Ｉ２が流れる。そして、バッファ部２３は、第２期間Ａ２において、補助キャパシタＣ２の出力電圧を降圧して出力キャパシタＣ１に出力する。つまり、バッファ部２３は、第２期間Ａ２において、補助キャパシタＣ２に蓄積されたエネルギーを出力キャパシタＣ１に供給することで、出力キャパシタＣ１に蓄積されたエネルギーＥ１を補充する。図３Ｂに、第２期間Ａ２において補助キャパシタＣ２から放出されるエネルギーＥ３の波形を示す。

その後、第２期間Ａ２から第１期間Ａ１に移行すると、制御部４は、制御信号の第２スイッチング素子Ｑ２への供給を停止する。したがって、バッファ部２３の動作が停止する。以下、第１期間Ａ１と第２期間Ａ２とが交互に訪れるので、制御部４は、上記の動作を繰り返す。

上述のように、本実施形態の電力変換装置１では、制御部４は、瞬時電力Ｐ２が所定の電力値Ｐ２１を上回る第２期間Ａ２において、バッファ部２３を起動することで、出力キャパシタＣ１に蓄積されたエネルギーＥ１を補充する。つまり、本実施形態の電力変換装置１は、瞬時電力Ｐ２が増大して出力キャパシタＣ１に蓄積されたエネルギーＥ１に不足が生じたとしても、この不足分を補助キャパシタＣ２に蓄積されたエネルギーで補うことができる。

このため、本実施形態の電力変換装置１では、瞬時電力Ｐ２の大小に依らず最低限のエネルギー（所定のエネルギーＥ１１）を出力キャパシタＣ１が蓄積できるように、出力キャパシタＣ１の静電容量を大きくする必要がない。したがって、本実施形態の電力変換装置１では、従来の電力変換装置と比較して出力キャパシタＣ１の静電容量を小さくできるので、例えばフィルムコンデンサ等の電解コンデンサよりも小型のコンデンサを出力キャパシタＣ１として用いることができる。

この場合、補助キャパシタＣ２が必要となる。しかしながら、補助キャパシタＣ２には、第２昇圧部２２により、出力キャパシタＣ１に印加される電圧よりも大きい電圧が印加される。このため、補助キャパシタＣ２に蓄積すべきエネルギーが同じであれば、印加電圧が大きいほど補助キャパシタＣ２に必要な静電容量を小さくできる。つまり、出力キャパシタＣ１と同様に、例えばフィルムコンデンサ等の電解コンデンサよりも小型のコンデンサを補助キャパシタＣ２として用いることができる。したがって、本実施形態の電力変換装置１は、出力キャパシタＣ１として電解コンデンサを用いる場合と比較して、全体として装置の小型化を図ることができる。

なお、制御部４において第２期間Ａ２を判定する方法は、種々考えられる。例えば、制御部４は、第２変換回路３の出力電圧のゼロクロスを監視し、ゼロクロスした時点から第２変換回路３の出力電圧の周期の８分の１の時間が経過した時点を、第２期間Ａ２が開始するタイミングと判定してもよい。そして、制御部４は、第２期間Ａ２が開始してから、第２変換回路３の出力電圧の周期の４分の１の時間が経過した時点を、第２期間Ａ２が終了するタイミングと判定してもよい。また、制御部４は、第２変換回路３の出力電圧と出力電流とから瞬時電力Ｐ２を演算し、演算した瞬時電力Ｐ２が予め記憶してある所定の電力値Ｐ２１を上回る時点を、第２期間Ａ２が開始するタイミングと判定してもよい。何れの場合でも、第２期間Ａ２は一定の周期（第２変換回路３の出力電圧の半分の周期）で訪れるので、制御部４は、第２期間Ａ２が開始するタイミングを一度判定すれば、その後は判定する必要はない。勿論、制御部４は、その他の方法で第２期間Ａ２を判定してもよい。

また、本実施形態の電力変換装置１は、例えば図４に示すように、バッファ部２３の代わりにバッファ部２４を備えて構成されていてもよい。バッファ部２４は、バッファ部２３と同様に、補助キャパシタＣ２と、第２スイッチング素子Ｑ２と、第３ダイオードＤ３と、インダクタＬ１とを有した降圧回路である。

バッファ部２４において、補助キャパシタＣ２は、高電位（正極）が第２ダイオードＤ２のカソードに電気的に接続され、低電位（負極）が出力キャパシタＣ１の高電位（正極）に電気的に接続されている。インダクタＬ１は、その両端のうち第１端が第２スイッチング素子Ｑ２を介して補助キャパシタＣ２の高電位（正極）に電気的に接続され、第２端が出力キャパシタＣ１の高電位（正極）に電気的に接続されている。また、インダクタＬ１の第１端は、第３ダイオードのカソードに電気的に接続され、第２端は第１ダイオードのカソードに電気的に接続されている。第３ダイオードＤ３のアノードは、第２入力点１２に電気的に接続されている。第２スイッチング素子Ｑ２のインダクタＬ１側の一端は、第３ダイオードＤ３のカソードに電気的に接続されている。

この構成でも、第２期間Ａ２において、バッファ部２４の補助キャパシタＣ２に蓄積されたエネルギーにより、出力キャパシタＣ１に蓄積されたエネルギーＥ１を補充することができる。つまり、この構成でも、出力キャパシタＣ１及び補助キャパシタＣ２として小型のコンデンサを用いることができるので、出力キャパシタＣ１として電解コンデンサを用いる場合と比較して、全体として装置の小型化を図ることができる。

（実施形態２）
以下、本実施形態の電力変換装置１について図面を用いて説明する。なお、本実施形態の電力変換装置１において、実施形態１の電力変換装置１と共通する構成要素については適宜説明を省略する。また、本実施形態の電力変換装置１は、実施形態１の電力変換装置１と同様に、解列器６と組み合わせることでパワーコンディショナ８を構成するが、ここではパワーコンディショナ８の説明を省略する。

本実施形態の電力変換装置１は、図５に示すように、出力キャパシタＣ１が第１出力キャパシタＣ１１及び第２出力キャパシタＣ１２の直列回路で構成されている。第１出力キャパシタＣ１１は、高電位（正極）が第１ダイオードＤ１のカソードに電気的に接続され、低電位（負極）が第２入力点１２に電気的に接続されている。つまり、第１出力キャパシタＣ１１は、第１昇圧部２１に電気的に接続されている。第２出力キャパシタＣ１２は、高電位（正極）がインダクタＬ１の第２端に電気的に接続され、低電位（負極）が第１出力キャパシタＣ１１の高電位（正極）に電気的に接続されている。つまり、第１出力キャパシタＣ１１及び第２出力キャパシタＣ１２の直列回路は、バッファ部２３に電気的に接続されている。

本実施形態の電力変換装置１は、第１昇圧部２１の出力電圧が第１出力キャパシタＣ１１に印加される点で実施形態の電力変換装置１と異なっているが、その他の点では実施形態１の電力変換装置１と同様である。したがって、本実施形態の電力変換装置１は、制御部４が実施形態１と同様の制御を行うことで、実施形態１の電力変換装置１と同様の効果を奏することが可能である。つまり、本実施形態の電力変換装置１は、瞬時電力Ｐ２が増大して出力キャパシタＣ１に蓄積されたエネルギーＥ１に不足が生じたとしても、この不足分を補助キャパシタＣ２に蓄積されたエネルギーで補うことができる。

本実施形態の電力変換装置１は、出力キャパシタＣ１が蓄積すべきエネルギーを、第１出力キャパシタＣ１１と第２出力キャパシタＣ１２とで分担している。したがって、本実施形態の電力変換装置１では、第１出力キャパシタＣ１１及び第２出力キャパシタＣ１２の各々が必要とする静電容量を、出力キャパシタＣ１が１つの場合と比較して小さくすることができる。つまり、第１出力キャパシタＣ１１及び第２出力キャパシタＣ１２の各々を、実施形態１の出力キャパシタＣ１よりも更に小型化することが可能である。したがって、本実施形態の電力変換装置１は、実施形態１の電力変換装置１と同様に、出力キャパシタＣ１として電解コンデンサを用いる場合と比較して、全体として装置の小型化を図ることができる。

また、本実施形態の電力変換装置１は、例えば図６に示すように、バッファ部２３の代わりにバッファ部２５を備えて構成されていてもよい。バッファ部２５は、バッファ部２３と同様に、補助キャパシタＣ２と、第２スイッチング素子Ｑ２と、第３ダイオードＤ３と、インダクタＬ１とを有した降圧回路である。そして、バッファ部２５では、バッファ部２３とは異なり、補助キャパシタＣ２の低電位（負極）と、第３ダイオードＤ３のアノードとが、それぞれ第１ダイオードＤ１のカソード及び第１出力キャパシタＣ１１の高電位（正極）に電気的に接続されている。つまり、バッファ部２５は、第２出力キャパシタＣ１２に電気的に接続されている。

この構成でも、第２期間Ａ２において、バッファ部２５の補助キャパシタＣ２に蓄積されたエネルギーにより、出力キャパシタＣ１に蓄積されたエネルギーＥ１を補充することができる。つまり、この構成でも、出力キャパシタＣ１及び補助キャパシタＣ２として小型のコンデンサを用いることができるので、出力キャパシタＣ１として電解コンデンサを用いる場合と比較して、全体として装置の小型化を図ることができる。

１ 電力変換装置
２ 第１変換回路
２１ 第１昇圧部
２２ 第２昇圧部
２３，２４，２５ バッファ部
３ 第２変換回路
４ 制御部
５ 直流電源
６ 解列器
７ 系統電源
８ パワーコンディショナ
Ｃ１ 出力キャパシタ
Ｃ１１ 第１出力キャパシタ
Ｃ１２ 第２出力キャパシタ
Ｃ２ 補助キャパシタ
Ｔ１ トランス（単巻変圧器）
Ｔ１１ １次巻線（インダクタ）
Ｔ１２ ２次巻線（インダクタ）
Ｑ１ （第１）スイッチング素子

Claims (5)

1. 直流電源に電気的に接続され、前記直流電源から印加される直流電圧の大きさを変化させて出力する第１変換回路と、
   前記第１変換回路に電気的に接続され、前記第１変換回路の出力電圧が印加される出力キャパシタと、
   前記出力キャパシタに電気的に接続され、前記出力キャパシタが出力する直流電圧を交流電圧に変換して負荷に出力する第２変換回路と、
   制御部とを備え、
   第１変換回路は、前記直流電源から印加される直流電圧を昇圧して前記出力キャパシタに出力する第１昇圧部と、前記直流電源から印加される直流電圧を前記第１昇圧部よりも昇圧して出力する第２昇圧部と、前記第２昇圧部に電気的に接続されるバッファ部とを備え、
   前記バッファ部は、前記第２昇圧部の出力電圧が印加される補助キャパシタを有し、前記補助キャパシタが出力する直流電圧を降圧して前記出力キャパシタに出力するように構成され、
   前記制御部は、前記負荷で消費される瞬時電力が所定の電力値を上回る期間において、前記バッファ部を動作させることを特徴とする電力変換装置。
2. 前記第１変換回路は、単巻変圧器で構成されるトランスを有し、
   前記トランスの１次巻線は、前記第１昇圧部のインダクタであり、前記トランスの２次巻線は、前記第２昇圧部のインダクタであることを特徴とする請求項１記載の電力変換装置。
3. 前記第１変換回路は、前記第１昇圧部及び前記第２昇圧部で共用されるスイッチング素子を有し、前記スイッチング素子のオン／オフが切り替えられることで前記第１昇圧部及び前記第２昇圧部の昇圧動作が行われるように構成されることを特徴とする請求項１又は２記載の電力変換装置。
4. 前記出力キャパシタは、第１出力キャパシタ及び第２出力キャパシタの直列回路で構成され、
   前記第１出力キャパシタは、前記第１昇圧部に電気的に接続されることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の電力変換装置。
5. 請求項１乃至４の何れか１項に記載の電力変換装置と、
   前記電力変換装置と系統電源との間に電気的に接続される解列器とを備えることを特徴とするパワーコンディショナ。

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