JP2016082665A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 電解コンデンサを使用することなく直流電力を交流電力に変換することができる電力変換装置を提供する。【解決手段】 本発明の電力変換装置１００は、直流源１１０と、直流源からの直流電圧を所望の電圧に変換する電解コンデンサレスのＤＣ−ＤＣコンバータ１２０と、電流生成回路１３０と、直流電力を交流電力に変換する変換回路１４０と、変換された交流電力を出力する出力部１５０とを含む。電流生成回路１３０は、出力部１５０により出力される交流電流の半サイクルのパワーと、電流源１１０の半サイクルのパワーとが一致するように正弦波電流を生成し、これを変換回路１４０へ供給する。【選択図】 図２

Description

本発明は、直流電力を交流電力に変換する電力変換装置に関し、特に、太陽光発電装置によって発電された電力を交流に変換する技術に関する。

直流電力を交流電力に変換するための電力変換装置にインバータが利用されている。インバータにおいて、所望の電圧波形または電流波形を得るための技術として、ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御が用いられる。また、インバータの入力側に整流回路が接続されている場合、整流回路の出力側には、出力電圧を平滑化するためにコンデンサが接続される。コンデンサは、一般に、リップルを改善できる程度に十分な容量をもつ電解コンデンサが利用される。

電解コンデンサの寿命は、温度依存性が高く、温度が上がるほど寿命は短くなる。それ故、温度の高い環境下で電解コンデンサを使用すると、その寿命がより短くなる。このため、電解コンデンサを用いない電解コンデンサレスのインバータ等が提案されている（特許文献１、２、３、４）

特開２００８−４８５８７号公報 特開２０１１−１１３２６９号公報 特開２０１２−１５７２４２号公報 特開２０１４−１０３７０３号公報

太陽光パネルによって発電された電圧は直流であり、この直流電力を送電ラインを介して売電等するには、直流電圧を交流電圧に変換しなければならない。また、太陽光パネルより発電される電圧は、天候状態によって変動する。それ故、太陽光パネルで発電された直流電力を交流電力に変換するインバータでは、発電された電圧を一定電圧に変換するＤＣ−ＤＣコンバータが必要になる。

図１は、従来の太陽光パネルによって発電された直流電圧を交流電圧に変換する電力変換装置の一例である。同図において、１０は太陽光パネルによって発電された直流電源、１２は直流電源１０の直流電圧を一定の電圧に昇圧可能なＤＣ−ＤＣコンバータ、１４は直流電力を交流電力に変換するインバータ回路である。ＤＣ−ＤＣコンバータ１２の出力には、リップル等の脈動を取り除き、出力電圧を平滑化させるための電解コンデン１６が接続されている。

しかしながら、電解コンデンサ１６には、寿命があり、例えば、その耐用年数は、１０年程度である。このため、例えば、太陽光パネル等を屋外に設置した後、電解コンデンサ１６が寿命になると、電解コンデンサ自身を交換するか、あるいは電力変換装置そのものを交換しなければならない。そうすると、メンテナンスが煩雑であり、かつそのためのコストがかかってしまう。

他方、電解コンデンサ１６を、比較的寿命の長いフィルムコンデンサやセラミックコンデンサに置換させることが考えられるが、フィルムコンデンサやセラミックコンデンサは、電解コンデンサに比べて容量が小さい。このため、充電される直流電流と放電される（交流変換で生成される）脈流電流との差電流で生じるリップル等の電圧を効果的に取り除くことができない。リップル電圧が大きくなると、インバータ回路１４のスイッチング素子の耐圧等の問題から正常な動作ができなくなるおそれがあり、仮に、高耐圧用のスイッチング素子を用いたとしても、出力される交流電力にリップルの影響がないようにインバータ回路１４を制御しなければならず、実質的にそのようなＰＷＭ制御をすることは難しい。特に、太陽光パネルによる電力を送電線を介して売電する場合には、５０Ｈｚまたは６０Ｈｚの周波数でインバータ回路１４をスイッチングさせなければならないため、リップル等の影響が大きく反映されてしまう。

そこで本発明は、このような従来の課題を解決し、電解コンデンサを使用することなく直流電力を交流電力に変換することができる、電力変換装置を提供することを目的とする。

本発明の電力変換装置は、直流電圧を発生させる直流電圧発生手段と、前記直流電圧発生手段に接続された電流生成手段と、前記直流電圧発生手段によって発生された直流電圧および前記電流生成手段によって生成された正弦波電流を交流電力に変換する変換手段と、変換された交流電力を出力する出力手段とを有し、前記電流生成手段は、前記出力手段により出力される交流電流の半サイクルのパワーと、前記電流電圧発生手段の前記半サイクルに対応するパワーとが一致するように前記正弦波電流を生成する。

好ましくは前記直流電圧発生手段は、太陽光発電装置によって発電された電圧源と、前記電圧源から供給された電圧を昇圧する昇圧回路とを含み、当該昇圧回路の出力には電解コンデンサ以外のコンデンサが接続される。好ましくは前記電流生成手段は、前記直流電圧発生手段に発生される直流電圧のリップル電圧に応じた正弦波電流を生成する。好ましくは前記電流生成手段は、ＰＷＭ制御による複数のインバータを含み、当該複数のインバータの相互の位相がずれるように複数のインバータをインターリーブ動作させる。好ましくは前記ＰＷＭ制御による複数のインバータを含み、当該複数のインバータを同一位相で動作させる。

本発明に係る電力変換方法は、直流源から入力される直流電力を電解コンデンサレスにして小容量となったことで充放電の差によって生じるより大きなリップルを含む直流電力に変換し、当該直流電力を変換部で交流電力に変換し、変換された交流電力を出力するものであって、出力される交流電流の半サイクルのパワーと前記直流源から入力される直流電力の前記半サイクルのパワーとが一致するように、前記変換部に入力される正弦波電流を算出し、算出された正弦波電流を交流電力に変換する

本発明によれば、電解コンデンサレスにより直流電圧に大きなリップルが生成されても、高精度の交流電力を出力することができる。

従来の電力変換装置の一構成例を示す図である。 本発明の実施例に係る電力変換装置の構成を示す図である。 電力変換装置から出力されるターゲットの理想的な交流電流を示す図である。 本実施例の電流生成回路の構成例を示す図である。 本実施例の電力変換装置のシミュレーション結果を示すグラフである。 本実施例の電力変換装置のシミュレーション結果を示すグラフである。 本実施例の変形例に係る電力変換装置の構成を示す図である。

以下、図面を参照して本発明の好ましい実施態様の電力変換装置について説明する。本発明の好ましい態様では、電力変換装置は、太陽光発電装置によって発電された直流電力を交流電力に変換する。但し、直流電力源は、太陽光発電装置に限らず、他の電源、例えば、二次電池等のバッテリーから供給されるものであってもよい。さらに本発明の好ましい態様では、電力変換装置は、変換された交流電力を売電等の目的のために電力会社等の送電ラインへ供給可能であり、そのために直流電力を５０Ｈｚまたは６０Ｈｚの周波数の交流電力に変換する。但し、これは一例であり、他の周波数の交流電力に変換されるものであってもよい。さらに本発明の好ましい態様では、電力変換装置は、電解コンデンサを使用しない、いわゆる電解コンデンサレスであり、長寿命化されている。

図２は、本発明の実施例に係る電力変換装置の構成例を示す図である。同図に示すように、本実施例の電力変換装置１００は、太陽光パネルによって発電された直流電力を供給する直流源１１０と、直流源１１０からの直流電圧を昇圧または降圧可能なＤＣ−ＤＣコンバータ１２０と、リップル電圧に応じた正弦波電流を生成する電流生成回路１３０と、電流生成回路１３０によって生成された正弦波電流の絶対値を正負の交流波形に変換する変換回路１４０と、交流電力を出力する出力部１５０とを備える。変換回路１４０は、スイッチング素子として複数のトランジスタＱ１、Ｑ２、Ｑ３、Ｑ４を含み、５０Ｈｚまたは６０Ｈｚに変換された交流信号を出力部１５０へ供給する。

直流源１１０の後段の電源ライン間にはコンデンサＣｉが接続され、ＤＣ−ＤＣコンバータ１２０の後段の電源ライン間にはコンデンサＣｃが接続され、電流生成回路１３０の後段の電源ライン間にはコンデンサＣｏが接続される。ここで留意すべきは、コンデンサＣｃは、電解コンデンサではなく、比較的容量の小さいフィルムコンデンサまたはセラミックコンデンサである。このため、コンデンサＣｃは、充電される直流電流と放電される（交流変換で生成される）脈流電流との差電流で生じるリップル等の脈動を吸収することはできず、ＤＣ−ＤＣコンバータ１２０をＰＷＭ制御したときのノイズ等を除去する程度の容量の大きさである。他のコンデンサＣｉ、Ｃｏも同様に、電解コンデンサではなく、フィルムコンデンサまたはセラミックコンデンサから構成される。

直流源１１０は、上記したように太陽光パネルまたは太陽光発電装置によって発電された直流電圧を供給する。太陽光パネルから供給される電圧は、日照条件等に応じて変動する。このため、ＤＣ−ＤＣコンバータ１２０は、直流源１１０から供給された直流電圧を所望の一定電圧に変換する。例えば、ＤＣ−ＤＣコンバータ１２０は、直流電圧を昇圧または降圧するチョッパ回路、あるいはスイッチングレギュレータ回路を含んで構成される。

ＤＣ−ＤＣコンバータ１２０により変換された直流電圧が電流生成回路１３０に供給される。ここで、上記したようにコンデンサＣｃは、比較的容量が小さなフィルムコンデンサ等から構成されるため、充放電電流の差で発生するリップル等を吸収することができず、それ故、ノードＮ２の電圧Ｖｃはリップル等の脈動を含む電圧となる。コンデンサＣｃの容量を小さくすればするほど、電圧Ｖｃのリップル電圧は大きくなり、そうすると、変換回路１４０のＰＷＭ制御によって正確な交流電流を生成することが難しくなる。そこで、本実施例では、別途、電流生成回路１３０を設け、電流生成回路１３０によってノードＮ２のリップル電圧またはコンデンサＣｃを補償する正弦波電流を生成し、これを変換回路１４０へ供給する。変換回路１４０は、トランジスタＱ１とＱ４の組、トランジスタＱ２とＱ４の組を交流半サイクル毎に交互にオン／オフさせることで、電流生成回路１３０によって生成された正弦波電流の絶対値を正負を含む正弦波電流に変換してステージ４の負荷へ供給する。従って、変換回路１４０は従来の様にＰＷＭ制御しなくても良いため変換回路１４０でのスイッチングロスは生じない。

次に、本実施例の電流生成回路１３０について説明する。図３は、出力部１５０から出力されるターゲットとなる理想的な交流電流の波形を示している。電流生成回路１３０は、図３に示すようなピーク電流値ＩＡを有する交流電流が出力部１５０から出力されるようにするため、正弦波の電流を生成する。この正弦波の電流を生成するため、電流Ｉｃｏを算出する。電流Ｉｃｏの算出方法の基本原理は、半サイクルで、ステージ１の流入パワー（電力）と、ステージ４の流出パワーとを一致させることである。

以下、電流Ｉｃｏの算出方法を説明する。ここで、図２のノードＮ１の電圧をＶｉ、ノードＮ２の電圧をＶｃ、ノードＮ３の電圧をＶｏとし、ノードＮ１に流入する電流をＩｉ、ノードＮ２に流入する電流をＩｃｉ、ノードＮ２を流出する電流をＩｃｏ、ノードＮ３に流入する電流および流出する電流Ｉｏ、出力部１５０から流出される電流をＩ_Ａとする。
ステージ１
流入パワー＝Ｖｉ・Ｉｉ
ステージ２
流入パワー＝Ｖｃ・Ｉｃｉ
流出パワー＝Ｖｃ・Ｉｃｏ
ステージ３
流入パワー＝Ｖｏ・Ｉｏ
流出パワー＝Ｖｏ・Ｉｏ
ステージ４
流入パワー＝Ｖｏ・｜Ｉ_Ａ｜
流出パワー＝Ｖｏ・｜Ｉ_Ａ｜

変換回路１４０は、入力された信号を交流波形に変換するスイッチング動作を行うだけであり、ステージ３の流出パラ-とステージ４の流入パワーとは等しい。故に、（１）で表される。
Ｖｏ・Ｉｏ＝Ｖｏ・｜Ｉ_Ａ｜＝Ｖａ・Ｉ_Ａ＋Ｒｏ・（Ｉ_Ａ）^２ （１）式
ここで、Ｒｏは、ステージ４のラインインピーダンス、Ｖａは、交流電圧である。
半サイクルで、ステージ１の流入パワーとステージ４の流出パワーとを一致させるため、（１）式は、（２）式のようになる。ここでは、周波数５０Ｈｚと仮定し、それ故、積算する半サイクルの期間は１０ｍｓとなる。

ここで、ステージ３のコンデンサＣｏは小さいので、
Ｖｏ＝｜Ｖａ＋ＲｏＩ_Ａ｜ （３）式
と表される。
Ｒｏは、不明なので、Ｖｏを測定し、直近の最大値ＶＯを得る。

ステージ１の流入パワーの半サイクルの平均をＥｉとすると、流入は直流なので、
Ｅｉ＝Ｖｉ・Ｉｉ （４）式
また、ノードＮ３の電圧Ｖｏは、（５）式により表される。
Ｖｏ＝ＶＯｓｉｎωｔ （５）式
出力部１５０の電流Ｉ_Ａは、（６）式により表される。
Ｉ_Ａ＝Ｉｏ＝ＩＡｓｉｎωｔ （６）式
（４）、（５）、（６）式から、
Ｅｉ＝∫Ｖｏ・Ｉｏ＝∫ＶＯｓｉｎωｔ・ＩＡｓｉｎωｔ
＝（ＶＯ・ＩＡ）／２ （７）式
求める電流Ｉｃｏは、
Ｉｃｏ＝（ＶＯ・ＩＡ）・ｓｉｎ^２ωｔ／Ｖｃ （８）式

電流生成回路１３０は、（８）式で示された電流Ｉｃｏを生成することで、図３に示すような交流電流を出力部１５０から出力させ、ノードＮ２の電圧Ｖｃのリップル電圧の影響を取り除くことができる。

電流生成回路１３０は、好ましくはＰＷＭ制御によるインバータから構成される。図４に、ＰＷＭ制御によるインバータの構成例を示す。同図に示すように、インバータ２００は、トランジスタＱ１０、Ｑ１２、インダクタＬ、ダイオードＤ１、Ｄ２と、パルス幅制御回路２１０とを含む。トランジスタＱ１０、Ｑ１２のゲートは、パルス幅制御回路２１０から供給されるパルス信号によって駆動される。パルス幅制御回路２１０は、上記した式（８）に示される電流Ｉｃｏとなるように、トランジスタＱ１０、Ｑ１２のデューティー比を決定し、正弦波状の電流を出力させる。

次に、本実施例の電力変換装置のシミュレーション結果を図５、図６に示す。図５は、直流源１１０の流入パワーとして、電圧Ｖｉが２００Ｖで一定であり、かつ電流Ｉｉが変化する場合（実線と破線との組合せ）と、電流Ｉｉが４０Ａで一定であり、かつ電圧Ｖｉが変化する場合（実線と破線の組合せ）とをぞれぞれ示している。電圧Ｖｉ、電流Ｉｉは、時刻ｔ１、ｔ２、ｔ３、ｔ４、ｔ５（図６の場合には、時刻ｔ１〜ｔ４）で段階的に低下させている。縦軸は、左側に電圧（Ｖ）、右側に電流（Ａ）を示し、横軸に時間を示し、Ｖｃ、Ｉｃｉ、Ｉｃｏ、Ｉ_Ａの波形は、入力電圧Ｖｉが低下したときの５サイクルの波形をそれぞれ表している。図５は、コンデンサＣｃを２００μＦとし、図６は、コンデンサＣｃを５０００μＦとしている。また、電圧Ｖｃは、平均が３００Ｖになるよう制御した状態で示されている。

図５の例では、コンデンサＣｃの容量が小さいので、ノードＮ２の電圧Ｖｃにはリップル電圧が発生される。他方、図６の例では、コンデンサＣｃの容量が大きいので、ノードＮ２の電圧Ｖｃには大きなリップル電圧が生じない。ここで、数式（８）により算出された電流Ｉｃｏは、電圧Ｖｃのリップルに応答して変化していることがわかる。また、最下部に示された出力部１５０の電圧Ｖａのピーク値は、２８０Ｖであり、これに同期して電流Ｉ_Ａが生成されていることがわかる。直流源の流入パワーが４Ｋｗ（電圧Ｖｉ＝２００Ｖ、電流Ｉｉ＝２０Ａ）であるとき、電流Ｉ_Ａのピーク値は、約２８Ａであり、出力パワーは４Ｋｗであり、入力パワーに一致している。

次に、本実施例の他の変形例について説明する。上記実施例では、電流生成回路１３０が図４に示すような１つのＰＷＭ制御のインバータ２００によって構成されたが、ここでは、電流生成回路が複数のＰＷＭ制御のインバータから構成される例を示す。図７は、電流生成回路１３０の構成を示す図である。本例では、電流生成回路１３０は、複数のＰＷＭ制御のインバータから構成され、図の例では、４つのインバータ２００−１、２００−２、２００−３、２００−４から構成される。インバータ２００−１〜２００−４は、図７に示すインバータと同一に構成される。１つの好ましい態様では、４つのインバータ２００−１〜２００−４は、位相を９０度ずれしてインターリーブ動作させることができる。これにより、実質的に各インバータの動作速度を１／４に低下させることができ、インバータのスイッチング素子に安価なトランジスタを利用することができる。

また、他の態様では、４つのインバータ２００−１〜２００−４は、同一位相で動作されるようにしてもよい。この場合には、４つのインバータの合成した電流が出力される。これにより、インバータの小型化を図ることができる。なお、ここには４つのインバータを例示するが、インバータの数は、他の任意の数であることができる。

また上記実施例では、太陽光パネルにより発電された電圧を直流源１１０に供給する例を示したが、太陽光発電装置にバッテリー（蓄電池）を備えられている場合には、バッテリーからの直流電圧が供給されるようにしてもよい。その場合、供給する直流電流は、ＤＣ−ＤＣコンバータ１２０により適切に制限される。

また上記実施例では、出力が電流のため、停電時等に外部の系統電力と切り離すと、交流電圧が生成できなくなる。その場合は電流出力を電圧出力に切り替えれば良い。切り替えるためには電流生成回路１３０で生成されるＩｃｏはそのままで、変換回路１４０の制御を、交流半サイクル毎のオンオフ制御から、正弦波電圧を発生するＰＷＭ制御に変更すれば電圧出力となる。
変換回路１４０の出力を
Ｖｈ ＝ Ｖｏｓｉｎωｔ
とすれば電圧出力として交流電圧Ｖｈが出力され、Ｖｏはほぼ一定になる。但し、Ｖｏを監視してＤＣ−ＤＣコンバータ１２０のＩｃｉを制御し、Ｖｏが常にＶＡになるよう制御することが望ましい。

以上、本発明の好ましい実施例について詳述したが、本発明は、特定の実施形態に限定されるものではなく、請求項の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。例えば、上記実施例では、直流源として太陽光発電装置を例示したが、本発明は、これ以外の電圧や電流が変動し得る直流源や、安定的な電圧や電流を供給し得る直流源など種々の直流源にも適用し得ることは言うまでもない。さらに上記実施例では、直流源の流入パワーと、出力部の流出パワーとが半サイクルで一致させる例を示したが、１サイクル単位で流入パワーと流出パワーを一致させるようにしてもよい。

１００：電力変換装置 １１０：直流源
１２０：ＤＣ−ＤＣコンバータ １３０：電流成形回路
１４０：変換回路 １５０：出力部
２００：ＰＷＭ制御によるインバータ ２１０：パルス幅制御回路

Claims (7)

1. 直流電圧を発生させる直流電圧発生手段と、
   前記直流電圧発生手段に接続された電流生成手段と、
   前記直流電圧発生手段によって発生された直流電圧および前記電流生成手段によって生成された正弦波電流を交流電力に変換する変換手段と、
   変換された交流電力を出力する出力手段とを有し、
   前記電流生成手段は、前記出力手段により出力される交流電流の半サイクルのパワーと、前記電流電圧発生手段の前記半サイクルに対応するパワーとが一致するように前記正弦波電流を生成する、電力変換装置。
2. 前記直流電圧発生手段は、太陽光発電装置によって発電された電圧源と、前記電圧源から供給された電圧を昇圧する昇圧回路とを含み、当該昇圧回路の出力には電解コンデンサ以外のコンデンサが接続される、請求項１に記載の電力変換装置。
3. 前記電流生成手段は、前記直流電圧発生手段に発生される直流電圧のリップル電圧に応じた正弦波電流を生成する、請求項１または２に記載の電力変換装置。
4. 前記電流生成手段は、ＰＷＭ制御による複数のインバータを含み、当該複数のインバータの相互の位相がずれるように複数のインバータをインターリーブ動作させる、請求項１ないし４いずれか１つに記載の電力変換装置。
5. 前記ＰＷＭ制御による複数のインバータを含み、当該複数のインバータを同一位相で動作させる、請求項１ないし３いずれか１つに記載の電力変換装置。
6. 直流源から入力される直流電力を電解コンデンサレスによりリップルを含む直流電力に変換し、当該直流電力を変換部で交流電力に変換し、変換された交流電力を出力する電力変換方法であって、
   出力される交流電流の半サイクルのパワーと前記直流源から入力される直流電力の前記半サイクルのパワーとが一致するように、前記変換部に入力される正弦波電流を算出し、
   算出された正弦波電流を交流電力に変換する、電力変換方法。
7. 前記直流源は、太陽光発電装置によって発電された直流電圧である、請求項６に記載の電力変換方法。
   

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