JP2015231274A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】パワーコンディショナを小型・軽量化することができる電力変換装置を提供する。
【解決手段】電源装置１０は、複数の電源ユニット２０，３０，４０の直流電源（２１，３１，４１）と商用系統６２との間に設けられ、パワーコンディショナ５０を備える。各電源ユニット２０，３０，４０は、直流電源（２１，３１，４１）に接続されたＤＣ／ＤＣコンバータ２２，３２，４２を有する。パワーコンディショナ５０は、各電源ユニット２０，３０，４０のＤＣ／ＤＣコンバータ２２，３２，４２に接続され、各電源ユニット２０，３０，４０に共通化されたＤＣ／ＡＣ変換回路５２を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、パワーコンディショナを備えた電力変換装置に関するものである。

発電システムと商用系統の間において電力を管理するシステムが知られている（例えば特許文献１）。また、電源ソースとして太陽電池や蓄電池等の直流電源を家庭内に設置するケースが増えている。例えば、図３に示すように、太陽電池１００と蓄電池１０５を家庭内の電源ソースとして設置した場合においては、太陽電池１００に対して専用のパワーコンディショナ１０１を設置するとともに、蓄電池１０５に対して専用のパワーコンディショナ１０６を設置する。パワーコンディショナ１０１においては、太陽電池１００の電圧とのレベル合わせのためのＤＣ／ＤＣコンバータ１０２と、商用系統１１０に接続するためのＤＣ／ＡＣ変換回路１０３と、系統保護回路１０４とが搭載されている。また、パワーコンディショナ１０６においては、蓄電池１０５の電圧とのレベル合わせのためのＤＣ／ＤＣコンバータ１０７と、商用系統１１０に接続するためのＤＣ／ＡＣ変換回路１０８と、系統保護回路１０９とが搭載されている。

特開２０１１−１０９９０１号公報

ところが、各直流電源に対応する専用のパワーコンディショナを用い、各パワーコンディショナには各直流電源に合わせたＤＣ／ＤＣコンバータおよびＤＣ／ＡＣ変換回路がそれぞれ搭載されており、機器の大型化を招いている。

本発明の目的は、パワーコンディショナを小型・軽量化することができる電力変換装置を提供することにある。

請求項１に記載の発明では、複数の電源ユニットの直流電源と商用系統との間に設けられ、パワーコンディショナを備える電力変換装置であって、前記各電源ユニットは、前記直流電源に接続されたＤＣ／ＤＣコンバータを有し、前記パワーコンディショナは、前記各電源ユニットのＤＣ／ＤＣコンバータに接続され、前記各電源ユニットに共通化されたＤＣ／ＡＣ変換回路を有することを要旨とする。

請求項１に記載の発明によれば、各電源ユニットにおいてはＤＣ／ＤＣコンバータを有するとともに、パワーコンディショナにおいては各電源ユニットに共通化されたＤＣ／ＡＣ変換回路を有するので、パワーコンディショナを小型・軽量化することができる。

請求項２に記載の発明では、請求項１に記載の電力変換装置において、前記パワーコンディショナは、前記ＤＣ／ＡＣ変換回路を複数並列接続していることを要旨とする。
請求項２に記載の発明によれば、冗長性向上を図ることができる。

請求項３に記載の発明では、請求項２に記載の電力変換装置において、前記並列接続された各ＤＣ／ＡＣ変換回路には、それぞれ、電路を手動で開閉する開閉器が接続されていることを要旨とする。

請求項３に記載の発明によれば、運転中にＤＣ／ＡＣ変換回路の交換が可能となる。

本発明によれば、パワーコンディショナを小型・軽量化することができる。

実施形態における電力変換装置の構成図。 別例の電力変換装置の構成図。 一般的な電力変換装置の構成図。

以下、本発明を具体化した一実施形態を図面に従って説明する。
図１には、家庭内に電源ソースとして直流電源を設置した場合における各種直流電源と商用系統、家電機器の接続状態を示す。図１に示すように、電力変換装置１０は、複数の電源ユニット２０，３０，４０の直流電源（２１，３１，４１）と商用系統６２との間に設けられる。電力変換装置１０は、パワーコンディショナ５０を備える。パワーコンディショナ５０は、ＤＣ／ＡＣ変換回路（インバータ）５２を有する。パワーコンディショナ５０は電源ユニット２０，３０，４０と接続されている。また、パワーコンディショナ５０は分電盤６０および開閉リレー６１を介して商用系統６２と接続されている。分電盤６０には家電機器６３が接続されている。

第１の電源ユニット２０は、太陽電池ユニットであり、直流電源としての太陽電池２１とＤＣ／ＤＣコンバータ２２を有する。ＤＣ／ＤＣコンバータ２２は、太陽電池２１から直流電力を入力して所望の電圧に変換してパワーコンディショナ５０に出力する。詳しくは、ＤＣ／ＤＣコンバータ２２には、太陽電池２１のパネルの特性に合わせた最大電力追従制御機能を持たせている。

第２の電源ユニット３０は、定置型蓄電池ユニットであり、直流電源としての定置型蓄電池３１とＤＣ／ＤＣコンバータ３２を有する。ＤＣ／ＤＣコンバータ３２は、定置型蓄電池３１から直流電力を入力して所望の電圧に変換してパワーコンディショナ５０に出力する。また、ＤＣ／ＤＣコンバータ３２は、パワーコンディショナ５０から直流電力を入力して所望の電圧に変換して定置型蓄電池３１に出力して充電に供する。さらに、ＤＣ／ＤＣコンバータ３２には、定置型蓄電池３１の消費レベルを確認しながら出力する監視機能を持たせている。

第３の電源ユニット４０は、電動車両用の蓄電池ユニットであり、直流電源としての車載蓄電池（車載バッテリ）４１とＤＣ／ＤＣコンバータ４２を有する。ＤＣ／ＤＣコンバータ４２は、車載蓄電池４１から直流電力を入力して所望の電圧に変換してパワーコンディショナ５０に出力する。また、ＤＣ／ＤＣコンバータ４２は、パワーコンディショナ５０から直流電力を入力して所望の電圧に変換して車載蓄電池４１に出力して充電に供する。さらに、ＤＣ／ＤＣコンバータ４２には、車載蓄電池４１の消費レベルを確認しながら出力する監視機能を持たせている。また、車載蓄電池４１からＤＣ／ＡＣ変換回路５２への入力電圧と同等のレベルが供給できるのであればＤＣ／ＤＣコンバータ４２を介さずに出力できるようになっている。電動車両は電気自動車（ＥＶ）、プラグインハイブリッド車（ＰＨＶ）、燃料電池車（ＦＣＶ）を含む。

このように、各電源ユニット２０，３０，４０は、直流電源（２１，３１，４１）に接続されたＤＣ／ＤＣコンバータ２２，３２，４２を有する。この際、各直流電源（２１，３１，４１）に対し最適なＤＣ／ＤＣコンバータ２２，３２，４２を設定することができる。

ＤＣ／ＤＣコンバータ２２，３２，４２は、それぞれ、半導体スイッチング素子、コイル、コンデンサ等を備えており、半導体スイッチング素子のスイッチング動作に伴い昇圧または降圧する。

パワーコンディショナ５０は、立方体形状、円筒形状、卵型形状等の箱形の筐体内に部品が収納されており、筐体外部の冷却ファンおよび筐体内部の内部ファン等の冷却機構による空冷方式または、ファンを用いない自然空冷方式にて、発熱する筐体内の部品が冷却されるようになっている。パワーコンディショナ５０（筐体）は壁面等に取り付けられる。

パワーコンディショナ５０は、ジャンクションボックス５１と、ＤＣ／ＡＣ変換回路５２と、系統保護回路５３と、電力監視回路５４とを有する。ジャンクションボックス５１において各ＤＣ／ＤＣコンバータ２２，３２，４２と接続されているとともにＤＣ／ＡＣ変換回路５２と接続されている。つまり、パワーコンディショナ５０は、各電源ユニット２０，３０，４０に共通化されたＤＣ／ＡＣ変換回路５２を有し、ＤＣ／ＡＣ変換回路５２はジャンクションボックス５１を介して各電源ユニット２０，３０，４０のＤＣ／ＤＣコンバータ２２，３２，４２に接続されている。

ＤＣ／ＡＣ変換回路５２は、半導体スイッチング素子、コンデンサ等を備えており、半導体スイッチング素子のスイッチング動作に伴い直流を交流に、または、交流を直流に変換する。スイッチング動作に伴いＤＣ／ＡＣ変換回路５２の構成部品が発熱する。

パワーコンディショナ５０のＤＣ／ＡＣ変換回路５２は、ジャンクションボックス５１を介して各ＤＣ／ＤＣコンバータ２２，３２，４２から入力する直流電力を交流電力に変換して出力するとともに、商用系統６２からの交流電力を直流電力に変換してＤＣ／ＤＣコンバータ３２，４２に出力する。

各電源ユニット２０，３０，４０におけるＤＣ／ＤＣコンバータ２２，３２，４２には、それぞれ、小容量のコンデンサが備えられる。一方、パワーコンディショナ５０のＤＣ／ＡＣ変換回路５２には、大容量の電解コンデンサが用いられ、電解コンデンサにより直流から交流に変換する際に発生するリップルを除去して脈動成分が平滑化される。電解コンデンサは、ドライアップの発生により寿命が短い。

パワーコンディショナ５０の系統保護回路５３は、電路を開閉するリレー、電圧の過不足を検出してリレーを駆動する回路部、周波数の上限・下限を検出してリレーを駆動する回路等で構成されている。

次に、このように構成した電力変換装置１０の作用について説明する。
電力変換装置１０の動作として、電源ユニット２０の太陽電池２１からの発電電力はＤＣ／ＤＣコンバータ２２を介してパワーコンディショナ５０に入力され、ＤＣ／ＡＣ変換回路５２を介して商用系統６２へ売電される。または、太陽電池２１の電力はＤＣ／ＡＣ変換回路５２から分電盤６０を経由して家電機器６３に供給され、家電機器６３で使用される。

また、電源ユニット３０の定置型蓄電池３１の電力はＤＣ／ＤＣコンバータ３２を介してパワーコンディショナ５０に入力され、ＤＣ／ＡＣ変換回路５２から分電盤６０を経由して家電機器６３に供給され、家電機器６３で使用される。さらに、電源ユニット４０の車載蓄電池４１の電力はＤＣ／ＤＣコンバータ４２を介してパワーコンディショナ５０に入力され、ＤＣ／ＡＣ変換回路５２から分電盤６０を経由して家電機器６３に供給され、家電機器６３で使用される。

また、電源ユニット３０，４０の蓄電池３１，４１が充電される。詳しくは、商用系統６２からの電力が、パワーコンディショナ５０のＤＣ／ＡＣ変換回路５２を介して蓄電池３１，４１に供給され、蓄電池３１，４１が充電される。また、売電できない状態や、電源ユニット２０の太陽電池２１からの発電電力（再生可能エネルギー）で充電する場合においては、パワーコンディショナ５０を停止し、太陽電池２１からの出力電力が直接、蓄電池３１，４１に供給されて蓄電池３１，４１が充電される。この場合の充電対象の直流電源は、第２の電源ユニット３０の定置型蓄電池３１のみでも、第３の電源ユニット４０の車載蓄電池４１のみでも、第２の電源ユニット３０の定置型蓄電池３１および第３の電源ユニット４０の車載蓄電池４１でもよい。

図３においては、直流電源毎にそれぞれ専用のパワーコンディショナ１０１，１０６を設置しており、設備のコストアップ、機器の大型化により導入しにくい面がある。また、図３におけるＤＣ／ＤＣコンバータ１０２，１０７は、電圧レベル調整や動作モード設定のため各直流電源（１００，１０５）に合わせて専用のものが必要である。さらに、図３におけるＤＣ／ＤＣコンバータ１０２，１０７に備えられるコンデンサは小容量でよいが、ＤＣ／ＡＣ変換回路１０３，１０８に備えられるコンデンサは直流から交流に変換する際に発生するリップルを除去して脈動成分を平滑化するために大容量の電解コンデンサを用いることになり装置が大型化する。

これに対し、図１の本実施形態では、各電源ユニット２０，３０，４０においてはＤＣ／ＤＣコンバータ２２，３２，４２を有する（パワーコンディショナ５０からＤＣ／ＤＣコンバータ２２，３２，４２が外部に出ている）とともに、パワーコンディショナ５０においては各電源ユニットに共通化されたＤＣ／ＡＣ変換回路５２を有するので、パワーコンディショナの小型・軽量化が図られる。また、寿命が長いＤＣ／ＤＣコンバータ２２，３２，４２を有する各電源ユニット２０，３０，４０はそのまま継続して使用でき、パワーコンディショナにおける寿命が短いＤＣ／ＡＣ変換回路５２についてはパワーコンディショナ５０ごと交換することができメンテナンス性に優れている。さらに、パワーコンディショナ５０のＤＣ／ＡＣ変換回路５２、系統保護回路５３を共通化することで、コスト（機器、工事）の低減が図られるとともに設置スペースの節約が図られる。

また、図３において、蓄電池１０５を充電する場合、交流、直流変換がそれぞれ発生し、変換ロスによる損失が発生する。詳しくは、例えば、太陽電池１００で発生した電力により蓄電池１０５を充電しようとすると、発生した直流電力を交流に変換し、再度直流変換することになり変換ロスが発生する。

これに対し図１の本実施形態においては、太陽電池２１の電力を蓄電池３１，４１の充電に供する場合、直流から交流への変換を行わないので、即ち、ＤＣ／ＡＣ変換回路５２を介して交流に変換しないため、交流化のための変換損が無くなる。

上記実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。
（１）図３における交流変換するためのＤＣ／ＡＣ変換回路１０３，１０８は共通の商用系統１１０に接続するためのものであるので共通化が可能である。そこで、図１に示すように、パワーコンディショナ５０は、各電源ユニット２０，３０，４０に共通化されたＤＣ／ＡＣ変換回路５２を有し、ＤＣ／ＡＣ変換回路５２は各電源ユニット２０，３０，４０のＤＣ／ＤＣコンバータ２２，３２，４２に接続されている。

よって、図３に比べ図１では共通化されたＤＣ／ＡＣ変換回路５２を用いるとともにＤＣ／ＤＣコンバータ２２，３２，４２がパワーコンディショナ５０の外部に配置されており、パワーコンディショナ５０の小型化、軽量化を図ることができる。また、パワーコンディショナ５０は、各電源ユニット２０，３０，４０に共通化されたＤＣ／ＡＣ変換回路５２を有するので、コスト低減を図ることができる。さらに、設置スペースが節約できる。詳しくは、パワーコンディショナ５０は、ＤＣ／ＡＣ変換回路５２と系統保護回路５３のみで構成できるので、図３の従来装置に比べ半分程度の大きさにダウンサイジング（小型化）可能である。また、取り付け要件（壁の強度、取付け面積）を緩和することができる。

（２）図３のパワーコンディショナ１０１，１０６においては、熱源となるＤＣ／ＤＣコンバータとＤＣ／ＡＣ変換回路を有する構成となっていたが、図１の本実施形態においては、熱源を分けることでパワーコンディショナの発熱量を低減することができ、筐体面積に対する内部発熱源を減らせるので筐体を利用した放熱効率が上がり冷却ファン（内部ファン含む）削減によるコストダウン、メンテナンス性向上、騒音低減が可能となる。

（３）各直流電源（２１，３１，４１）を直流で接続することで交流化のための変換損失を減らすことができる。つまり、直流電源間で電力をやりとりする場合、即ち、太陽電池２１の出力電力で蓄電池３１，４１を充電する場合に交流変換を行わなくても済むので、エネルギーロスを減らすことができる（運用の効率アップを図ることができる）。

（４）商用系統６２側に開閉リレー６１を設置し、パワーコンディショナ５０からの指令で並列、解列することで、停電検出時に自前の電源に切替ることで停電での不具合の回避が可能である。この場合、パワーコンディショナが複数あると、自立運転切替もその分実施しなくてはならず煩わしいが、停電検出により商用系統６２から家庭内配線を切り替えると同時にパワーコンディショナ５０が自立運転を開始すれば、家庭内全てに対し電力供給が続けられる。よって、従来の太陽電池や蓄電池のように専用コンセントからの限定的な供給や自立モード切替などの煩わしさから開放することができる。

実施形態は前記に限定されるものではなく、例えば、次のように具体化してもよい。
・図１では、第１の電源ユニット２０が太陽電池ユニット、第２の電源ユニット３０が定置型蓄電池ユニット、第３の電源ユニット４０が電動車両用の蓄電池ユニットであったが、これに限るものではない。例えば、風力発電による電源ユニット、燃料電池を用いた電源ユニット、発電機を用いた電源ユニット等でもよい。

・図２に示すように、ＤＣ／ＡＣ変換回路の故障時の冗長性向上や出力アップを図るべく、パワーコンディショナにおいて、ＤＣ／ＡＣ変換回路を複数台搭載してもよい。以下、詳しく述べる。

図２において、パワーコンディショナ５０は、各電源ユニット２０，３０，４０のＤＣ／ＤＣコンバータ２２，３２，４２に接続され、各電源ユニット２０，３０，４０に共通化されたＤＣ／ＡＣ変換回路７０，７３を有し、パワーコンディショナ５０は、ＤＣ／ＡＣ変換回路（７０，７３）を複数並列接続している。並列接続された各ＤＣ／ＡＣ変換回路７０，７３には、それぞれ、電路を手動で開閉する開閉器７２，７５が接続されている。また、ＤＣ／ＡＣ変換回路７０には系統保護回路７１が接続されているとともに、ＤＣ／ＡＣ変換回路７３には系統保護回路７４が接続されている。

このように、パワーコンディショナ５０にＤＣ／ＡＣ変換回路（７０，７３）を複数台搭載することにより、２台のうちの１台のＤＣ／ＡＣ変換回路が故障しても１／２の出力で運転継続可能であり、１台のＤＣ／ＡＣ変換回路が故障しても停止することが無く、冗長性向上が図られる。即ち、長寿命の要求があるとともに出力性能が低下しても動作し続けることへのニーズに応えることができる。また、開閉器７２，７５を操作して電路を開けることにより運転中にＤＣ／ＡＣ変換回路の交換が可能である。さらに、直流電源を増設して出力アップする時にＤＣ／ＡＣ変換回路の増設で対応して、システムアップが可能である。

図２の構成とすることにより、以下のような効果を得ることができる。
（５）パワーコンディショナ５０において並列接続した複数のＤＣ／ＡＣ変換回路７０，７３を、基本的に常時動作させて必要な出力を得ることができる。

（６）冗長性向上について、電力変換装置（電源システム）は停止しないことを求められるので、ＤＣ／ＡＣ変換回路を複数搭載することで１台が故障しても残りのＤＣ／ＡＣ変換回路で運転継続が可能である。

（７）開閉器７２，７５を用いて電源運転中においてＤＣ／ＡＣ変換回路を交換することができ、システム稼働中でも安全にＤＣ／ＡＣ変換回路を交換することができる。
（８）システムの拡張として、必要によりＤＣ／ＡＣ変換回路を増設することで大電力化に対応可能となる。即ち、電源ユニットの増設（入力ソース）の増加に対して出力性能をアップさせることができる。また、電源ユニットの増設といった直流入力チャネルの増設などシステムアップや組み合わせ自由度が高い。

なお、図２の開閉器７２，７５を無くすることも可能である。また、系統保護回路７１，７４は共通化して１つの系統保護回路のみ用いることも可能である。

１０…電力変換装置、２０…電源ユニット、２１…太陽電池、２２…ＤＣ／ＤＣコンバータ、３０…電源ユニット、３１…定置型蓄電池、３２…ＤＣ／ＤＣコンバータ、４０…電源ユニット、４１…車載蓄電池、４２…ＤＣ／ＤＣコンバータ、５０…パワーコンディショナ、５２…ＤＣ／ＡＣ変換回路、６２…商用系統、７０…ＤＣ／ＡＣ変換回路、７２…開閉器、７３…ＤＣ／ＡＣ変換回路、７５…開閉器。

Claims (3)

1. 複数の電源ユニットの直流電源と商用系統との間に設けられ、パワーコンディショナを備える電力変換装置であって、
   前記各電源ユニットは、前記直流電源に接続されたＤＣ／ＤＣコンバータを有し、
   前記パワーコンディショナは、前記各電源ユニットのＤＣ／ＤＣコンバータに接続され、前記各電源ユニットに共通化されたＤＣ／ＡＣ変換回路を有することを特徴とする電力変換装置。
2. 前記パワーコンディショナは、前記ＤＣ／ＡＣ変換回路を複数並列接続していることを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
3. 前記並列接続された各ＤＣ／ＡＣ変換回路には、それぞれ、電路を手動で開閉する開閉器が接続されていることを特徴とする請求項２に記載の電力変換装置。