JP2017070139A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】指定されたセルコンバータと予備のセルコンバータを切り替える際に、跳ね上がり電圧の発生及び出力の瞬時低下を防止する。【解決手段】直列に接続された常用の電力変換回路１０Ａ，１０Ｂと、該電力変換回路１０Ａ，１０Ｂと直列に接続された予備の電力変換回路１０Ｃと、停止対象の電力変換回路を停止させる前に、停止対象の電力変換回路が出力する電力を時間とともに低下させつつ、停止対象の電力変換回路の出力低下により不足する分の電力を予備の電力変換回路１０Ｃが同時刻に出力するよう調整する出力調整部３３と、該出力調整部３３の調整結果を元に、個々の電力変換回路が出力する電力を設定する出力指令値設定部３４と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、複数のセルコンバータが直列に接続された電力変換装置に関し、特に常用のセルコンバータと予備のセルコンバータの切り替えに関するものである。

従来、複数のセルコンバータ（電力変換回路）を直列に接続した電力変換装置では、セルコンバータが故障すると、故障したセルコンバータをスイッチにより主回路から切り離し、予備のセルコンバータをスイッチにより回路に接続している（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１に、スイッチを用いて切り換えを行う技術が開示されている。特許文献１に記載の技術では、３相で共通の予備単位インバータを有し、通常運転時は、各相で単位インバータの出力を３段直列接続した電力変換装置として運転する。一方、３段直列接続した単位インバータの何れか１台に異常が発生したときは、異常が発生した単位インバータの出力端を短絡状態とし、異常が発生した単位インバータが属する接続回路に予備単位インバータを直列に追加接続する。それにより、異常が発生した単位インバータに代えて予備単位インバータを用いて装置運転を再開する。

特開２０１１−１９３５８９号公報

しかしながら、特許文献１を含む従来の技術には、スイッチを用いて故障したセルコンバータ（単位インバータ）と予備のセルコンバータ（予備単位インバータ）を切り替えるため、跳ね上がり電圧の発生や出力の瞬時低下などの問題があった。

上記の状況から、指定されたセルコンバータと予備のセルコンバータを切り替える際に、跳ね上がり電圧の発生及び出力の瞬時低下を防止する方法が望まれていた。

本発明の一態様の電力変換装置は、直列に接続された常用の電力変換回路と、該電力変換回路と直列に接続された予備の電力変換回路と、停止対象の電力変換回路を停止させる前に、停止対象の電力変換回路が出力する電力を時間とともに低下させつつ、停止対象の電力変換回路の出力低下により不足する分の電力を予備の電力変換回路が同時刻に出力するよう調整する出力調整部と、該出力調整部の調整結果を元に、個々の電力変換回路が出力する電力を設定する出力指令値設定部と、を備える。

本発明によれば、電力変換回路の切り替え時の跳ね上がり電圧の防止、及び出力電力の瞬時低下を防止することができる。
上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

本発明の第１の実施形態に係る電力変換装置の構成例を示すブロック図である。 セルコンバータの一例を示す回路図である。 本発明の第１の実施形態に係る電力変換装置の動作例を示すフローチャートである。 本発明の第１の実施形態に係る停止対象のセルコンバータ及び予備のセルコンバータの出力電圧の一例を示すタイミングチャートである。 本発明の第２の実施形態に係る電力変換装置の構成例を示す回路図である。 本発明の第３の実施形態に係るセルコンバータの構成例を示す回路図である。 本発明の第４の実施形態に係るセルコンバータの構成例を示す回路図である。 本発明の第５の実施形態に係る電力変換装置の説明図である。

以下、本発明を実施するための形態の例について、添付図面を参照しながら説明する。なお、各図において実質的に同一の機能又は構成を有する構成要素については、同一の符号を付して重複する説明を省略する。

＜１．第１の実施形態＞
以下、本発明の第１の実施形態に係る電力変換装置について図１〜図４を参照して説明する。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る電力変換装置の構成例を示すブロック図である。図１に示す電力変換装置１は、主な構成要素として、直列に接続されたセルコンバータ１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃと、各々のセルコンバータ１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃに並列に接続された切替スイッチ２０ａ，２０ｂ，２０ｃと、制御装置３０を有する。

セルコンバータ１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃの各々は、電力変換回路の一例であって、電力変換回路の最小単位である。３個のセルコンバータ１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃのうち、セルコンバータ１０Ａ，１０Ｂは常用であり、セルコンバータ１０Ｃは予備である。常用のセルコンバータ１０Ａ，１０Ｂと予備のセルコンバータ１０Ｃは、同一の内部構成を有する。セルコンバータ１０Ａの第１の出力端子１１は、電力出力部である第１の出力端子２２に接続されている。セルコンバータ１０Ａの第２の出力端子１２は、セルコンバータ１０Ｂの第１の出力端子１１に接続されており、セルコンバータ１０Ｂの第２の出力端子１２は、セルコンバータ１０Ｃの第１の出力端子１１に接続されている。そして、セルコンバータ１０Ｃの第２の出力端子１２は、電力出力部である第２の出力端子２３に接続されている。

また、セルコンバータ１０Ａの第１の出力端子１１及び第２の出力端子１２には、切替スイッチ２０ａが接続されている。同様に、セルコンバータ１０Ｂの第１の出力端子１１及び第２の出力端子１２には、切替スイッチ２０ｂが接続され、さらにセルコンバータ１０Ｃの第１の出力端子１１及び第２の出力端子１２には、切替スイッチ２０ｃが接続されている。切替スイッチ２０ａ〜２０ｃには、例えば配線用遮断器、電磁開閉器、又は電磁接触器等が用いられる。あるいは、切替スイッチ２０ａ〜２０ｃは、大きな電流や高い電圧を扱うことのできるＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）等の半導体スイッチ（所謂パワー半導体）でもよい。

各セルコンバータ１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃに対しそれぞれの電力入力部２１ａ〜２１ｃから電力が入力される。電力出力部である第１の出力端子２２及び第２の出力端子２３から出力される出力電力Ｐ_ＯＵＴは、各セルコンバータ１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃの出力電力Ｐ_Ａ，Ｐ_Ｂ，Ｐ_Ｃの合計である。

制御装置３０は、余寿命推定部３１、セルコンバータ交換決定部３２、セルコンバータ出力調整部３３、出力指令値設定部３４、スイッチ設定部３５、及び記憶部３６を備える。

余寿命推定部３１は、各セルコンバータ１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃの余寿命を推定する。セルコンバータに用いられる半導体のスイッチング素子は、劣化に伴い使用開始初期よりも温度が上昇することが知られている。そこで、本実施形態では、個々のセルコンバータ１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃの近傍に温度センサ３７ａ，３７ｂ，３７ｃをそれぞれ配置し、各セルコンバータ１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃの温度を検出する。そして、余寿命推定部３１は、温度センサ３７ａ，３７ｂ，３７ｃにより検出された各セルコンバータ１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃの温度から、各セルコンバータ１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃの余寿命を推定する。

記憶部３６は、セルコンバータの温度と余寿命との関係を示す余寿命推定テーブルを記憶している。余寿命推定部３１は、温度センサ３７ａ〜３７ｃにより検出された温度を元に記憶部３６の余寿命推定用テーブルを参照し、余寿命を推定する。なお、記憶部３６に、余寿命推定用テーブルの代わりに、余寿命推定用計算式が記憶されていてもよい。余寿命推定部３１は、温度センサ３７ａ〜３７ｃにより検出された温度を余寿命推定用計算式に代入し、余寿命の値を得る。また、記憶部３６には、後述する余寿命の閾値も記憶されている。この記憶部３６には、例えば不揮発性の半導体メモリが用いられる。

本実施形態では、温度センサによりセルコンバータの温度を監視してセルコンバータの余寿命を推定しているが、その他種々の方法を用いることができる。例えば、余寿命推定部３１は、後述するセルコンバータのコンデンサＣ（図２参照）の電圧を測定し、電圧に含まれるリップルを解析することでセルコンバータの余寿命を推定してもよい。

セルコンバータ交換決定部３２（交換決定部の一例）は、余寿命推定部３１の余寿命推定結果を元に、交換するセルコンバータを決定する。そして、セルコンバータ交換決定部３２は、どのセルコンバータの出力を下げ、どのセルコンバータの出力を上げるかを決定する。

セルコンバータ出力調整部３３（出力調整部の一例）は、セルコンバータ交換決定部３２の決定内容を元に、あるセルコンバータが出力する電力を時間とともに下げつつ、他のセルコンバータが不足する分の電力を同時刻に出力するよう調整する制御を行う。

出力指令値設定部３４は、セルコンバータ１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃの出力が、セルコンバータ出力調整部３３で決定された各セルコンバータ１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃの出力と等しくなるよう、各セルコンバータ１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃに対し出力指令値を設定する。

スイッチ設定部３５は、セルコンバータ出力調整部３３の出力調整結果を元に、スイッチ指令を生成して該スイッチ指令を切替スイッチ２０ａ〜２０ｃへ出力し、切替スイッチ２０ａ〜２０ｃの動作（短絡状態及び解放状態）を制御する。

［セルコンバータ内部の構成例］
図２は、セルコンバータ１０Ａ〜１０Ｃの一例を示す回路図である。図２の回路図は、単相交流電力を単相交流電力に変換する電力変換回路の一例である。以下、セルコンバータ１０Ａ〜１０Ｃを代表してセルコンバータ１０Ａについて説明する。なお図２に示すセルコンバータの回路構成は、特許文献１に記載の単位インバータと同じであり、電力変換回路として一般的であると言えるので、詳細な説明は割愛する。

セルコンバータ１０Ａは、複数のダイオードを単相ブリッジ接続した整流回路ＲＣと、整流回路ＲＣの出力電圧を平滑するコンデンサＣと、スイッチング部ＳＷ１（インバータ回路）と、短絡スイッチ１４と、駆動信号制御部１３とから構成されている。

スイッチング部ＳＷ１は、一例としてＭＯＳＦＥＴ（Metal-oxide-Semiconductor Field-effect Transistor）からなる半導体スイッチＴ１〜Ｔ４及びダイオードＤ１〜Ｄ４（環流ダイオード）の逆並列回路を単相ブリッジ接続して構成されている。短絡スイッチ１４には、例えばＩＧＢＴ等の大きな電流や高い電圧を扱うことのできる半導体スイッチ（所謂パワー半導体）の他、配線用遮断器、電磁開閉器、又は電磁接触器等を用いることができる。

半導体スイッチＴ１〜Ｔ４は、駆動信号制御部１３からの電圧指令やＰＷＭ（Pulse Width Modulation）パルス指令としての駆動信号に基づいて、オン・オフ制御されるようになっている。すなわち、このセルコンバータ１０Ａは、短絡スイッチ１４が開放状態において、半導体スイッチＴ１〜Ｔ４のオン・オフ制御によるスイッチング部ＳＷ１のスイッチング動作により、所望の周波数及び振幅の単相交流電圧を出力する。

駆動信号制御部１３は、出力指令値設定部３４から伝送された出力指令値に基づいて、半導体スイッチＴ１〜Ｔ４のそれぞれをスイッチング動作（オン・オフ）させるための駆動パターンを生成する。そして、駆動信号制御部１３は、この生成された駆動パターンのそれぞれに対応した駆動信号を、半導体スイッチＴ１〜Ｔ４のそれぞれのゲート端子に出力する。これにより、半導体スイッチＴ１〜Ｔ４のそれぞれは、生成された駆動パターンに対応してオン・オフするように、スイッチング動作（オン・オフ）が制御される。

また、駆動信号制御部１３は、通常運転時には、セルコンバータ１０Ａ，１０Ｂの短絡スイッチ１４を開放状態とし、予備のセルコンバータ１０Ｃの短絡スイッチ１４を短絡状態とする制御を行う。これと並行して、スイッチ設定部３５は、セルコンバータ１０Ａ，１０Ｂに接続された切替スイッチ２０ａ，２０ｂを開放状態、予備のセルコンバータ１０Ｃの切替スイッチ２０ｃを短絡状態とする。これにより、２段直列接続したセルコンバータ１０Ａ，１０Ｂの出力の合計を全体の出力Ｐ_ｏｕｔとする電力変換装置が構成される。

半導体スイッチＴ１〜Ｔ４は、ＭＯＳＥＥＴに限らず、ＩＧＢＴなど他のスイッチング素子でもよい。

［電力変換装置の動作］
次に、第１の実施形態に係る電力変換装置の動作について図３及び図４を参照して説明する。

図３は、電力変換装置１の動作例を示すフローチャートである。図３において、セルコンバータ１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃをそれぞれ、セルコンバータＡ，Ｂ，Ｃと記載している。

図３において、まず余寿命推定部３１が、常用のセルコンバータ１０Ａ，１０Ｂの余寿命を推定する(Ｓ１)。余寿命の推定方法は公知の手法を用いることができるが、本実施形態では、各セルコンバータ１０Ａ，１０Ｂの近傍に配置された温度センサ３７ａ，３７ｂの検出温度に基づいて、各セルコンバータ１０Ａ，１０Ｂの余寿命を推定する。

次に、セルコンバータ交換決定部３２は、記憶部３６から余寿命の閾値を読み出し、余寿命推定部３１で推定された余寿命が予め設定された閾値以下であるかどうかを判定する(Ｓ２)。常用のセルコンバータ１０Ａ，１０Ｂともに余寿命が閾値以下であれば（Ｓ２のＹＥＳ）、セルコンバータ出力調整部３３は、セルコンバータ１０Ａ，１０Ｂの出力を下げる調整を行う（Ｓ３）。出力指令値設定部３４は、セルコンバータ出力調整部３３の調整結果に応じてセルコンバータ１０Ａ，１０Ｂの出力指令値を算出し、その出力指令値を駆動信号制御部１３へ出力する。駆動信号制御部１３は、受信した出力指令値に基づく駆動信号を、セルコンバータ１０Ａ，１０Ｂの半導体スイッチＴ１〜Ｔ４のそれぞれに出力する。

このようにセルコンバータ１０Ａ，１０Ｂともに余寿命が閾値以下である場合には、今後セルコンバータ１０Ａ，１０Ｂの出力が不安定になるおそれがある。即ち、電力変換装置１の出力Ｐ_ｏｕｔが不安定となる可能性がある。そこで、セルコンバータ１０Ａ，１０Ｂともに出力を下げることにより、負荷側に悪影響が及ぶのを防止することができる。

ステップＳ３のセルコンバータ出力調整部３３及び出力指令値設定部３４によるセルコンバータ１０Ａ，１０Ｂの出力変更が終了したら、制御装置３０は、本フローチャートの処理を終了する。

この際、セルコンバータ出力調整部３３は、出力を下げずに外部の監視装置等に余寿命が近いセルコンバータが存在することを示す信号を送信してもよい。あるいは、余寿命が近いセルコンバータが存在することを示す信号を電力変換装置１に設けられた不図示の表示装置に送信して、表示装置にアラームを表示させてもよい。

一方、ステップＳ２の判定処理において常用のセルコンバータ１０Ａ，１０Ｂの余寿命が閾値より大きい場合（Ｓ２のＮＯ）、セルコンバータ交換決定部３２は、個々のセルコンバータ１０Ａ，１０Ｂの余寿命を閾値と比較していく。まず、セルコンバータ交換決定部３２は、セルコンバータ１０Ａの余寿命が閾値以下であるかどうかを判定する（Ｓ４）。ここで、セルコンバータ１０Ａの余寿命が閾値以下である場合（Ｓ４のＹＥＳ）、セルコンバータ交換決定部３２は、セルコンバータ１０Ａを交換することを決定し、セルコンバータ１０Ａを停止させることをセルコンバータ出力調整部３３に通知する。

次に、セルコンバータ出力調整部３３は、停止対象のセルコンバータ１０Ａの出力を下げる調整を行う（Ｓ５）。出力指令値設定部３４は、セルコンバータ出力調整部３３の調整結果に応じてセルコンバータ１０Ａの出力指令値を算出する。駆動信号制御部１３は、その出力指令値に基づく駆動信号を、セルコンバータ１０Ａの半導体スイッチＴ１〜Ｔ４のそれぞれに出力する。

次に、ステップＳ５の処理と並行して、セルコンバータ出力調整部３３は、セルコンバータ１０Ａの出力を下げたことにより不足した分を補うように、予備のセルコンバータ１０Ｃの出力を上げる調整を行う（Ｓ６）。出力指令値設定部３４は、セルコンバータ出力調整部３３の調整結果に応じてセルコンバータ１０Ａの出力指令値を算出する。駆動信号制御部１３は、その出力指令値に基づく駆動信号を、セルコンバータ１０Ａの半導体スイッチＴ１〜Ｔ４のそれぞれに出力する。

また、ステップＳ４の判定処理においてセルコンバータ１０Ａの余寿命が閾値より大きい場合（Ｓ４のＮＯ）、セルコンバータ交換決定部３２は、セルコンバータ１０Ｂの余寿命が閾値以下であるかどうかを判定する（Ｓ７）。ここで、セルコンバータ１０Ｂの余寿命が閾値以下である場合（Ｓ７のＹＥＳ）、セルコンバータ交換決定部３２は、セルコンバータ１０Ｂを交換することを決定し、セルコンバータ１０Ｂの停止をセルコンバータ出力調整部３３に通知する。

次に、セルコンバータ出力調整部３３は、停止対象のセルコンバータ１０Ｂの出力を下げる調整を行う（Ｓ８）。出力指令値設定部３４は、セルコンバータ出力調整部３３の調整結果に応じてセルコンバータ１０Ｂの出力指令値を算出する。駆動信号制御部１３は、その出力指令値に基づく駆動信号を、セルコンバータ１０Ｂの半導体スイッチＴ１〜Ｔ４のそれぞれに出力する。

次に、ステップＳ８の処理と並行して、セルコンバータ出力調整部３３は、セルコンバータ１０Ｂの出力を下げたことにより不足した分を補うように、予備のセルコンバータ１０Ｃの出力を上げる調整を行う（Ｓ６）。

このステップＳ６のセルコンバータ出力調整部３３及び出力指令値設定部３４によるセルコンバータ１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃの出力変更が終了したら、制御装置３０は、本フローチャートの処理を終了する。

ステップＳ７の判定処理においてセルコンバータ１０Ｂの余寿命が閾値より大きい場合（Ｓ７のＮＯ）、セルコンバータ交換決定部３２は、交換すべきセルコンバータはないと判断する。そして、制御装置３０は、本フローチャートの処理を終了する。

このように、電力変換装置１は、セルコンバータ出力調整部３３は、セルコンバータ１０Ａを停止する場合、セルコンバータ１０Ａの出力Ｐ_Ａを絞り、セルコンバータ１０Ｃの出力Ｐ_Ｃを上げる。また、セルコンバータ１０Ｂを停止する場合、セルコンバータ１０Ｂの出力Ｐ_Ｂを絞り、セルコンバータ１０Ｃの出力Ｐ_Ｃを上げる。

これにより、電力変換装置１は、余寿命が閾値以下のセルコンバータ１０Ａ又は１０Ｂに代えて予備のセルコンバータ１０Ｃを用いて、出力Ｐ_ｏｕｔを変動させることなく運転を行うことが可能となる。

なお、セルコンバータ１０Ａ，１０Ｂともに余寿命が閾値以下である場合に（Ｓ２のＹＥＳ）、電力変換装置１は、ステップＳ３でセルコンバータ１０Ａ，１０Ｂの出力を下げるとともに、セルコンバータ１０Ｃの出力を上げてもよい。セルコンバータ出力調整部３３は、セルコンバータ１０Ａ，１０Ｂの出力を下げたことにより不足した分を補うように、予備のセルコンバータ１０Ｃの出力を上げる。このようにすることにより、セルコンバータ１０Ａ又は１０Ｂの余寿命が尽きるまで全体の出力Ｐ_ｏｕｔが変動することなく、運転が継続される。

次に、電力変換装置１の常用のセルコンバータを停止する場合のシーケンスについて、図４を参照して説明する。

図４は、電力変換装置１の停止対象のセルコンバータ及び予備のセルコンバータの出力電圧の一例を示すタイミングチャートである。横軸は切替スイッチが動作する時間［時刻］、縦軸は全体の出力Ｐ_out［電力］である。図４は、常用のセルコンバータ１０Ａを停止する場合の例である。

セルコンバータ１０Ｃと並列に接続された切替スイッチ２０ｃは、通常短絡している。セルコンバータ出力調整部３３は、セルコンバータ１０Ａの停止が決まると、セルコンバータ１０Ｃの出力Ｐ_ｃを０即ちセルコンバータ１０Ｃ内を短絡するよう出力指令値設定部３４に通知する。その後、セルコンバータ出力調整部３３は、切替スイッチ２０ｃを開放するようスイッチ設定部３５に通知する。

切替スイッチ２０ｃを開放した時刻が、図４のタイミングチャートのｔ１の時刻である。この後、時間とともにセルコンバータ１０Ａの出力Ｐ_Ａを図４に示すように緩やかに低下させていく。一方、不足分の電力をセルコンバータ１０Ｃの出力Ｐ_ｃで補うようセルコンバータ１０Ｃの出力Ｐ_ｃを緩やかに上げていく。

この後、セルコンバータ１０Ａの出力Ｐ_Ａが０即ちセルコンバータ１０Ａ内で短絡すると、切替スイッチ２０ａを短絡する。この時刻が図４のタイミングチャートのｔ２の時刻である。

［第１の実施形態の効果］
上記のように構成された第１の実施形態では、交換するセルコンバータをスイッチで回路から切り離すのではなく、時間をかけて交換対象のセルコンバータ１０Ａと予備のセルコンバータ１０Ｃの両方の出力電力を緩やかに変えていく。これにより、セルコンバータを切り替え時に跳ね上がり電圧を防止する効果、及び出力電力Ｐ_ＯＵＴの変動を抑える効果が得られる。

また、第１の実施形態では、セルコンバータ交換決定部３２は、余寿命推定部３１で推定した余寿命により、停止するセルコンバータを決定している。セルコンバータの余寿命を推定して故障する前に対象のセルコンバータを停止することで、電力変換装置１全体の信頼性が向上する効果がある。

また、第１の実施形態では、セルコンバータの出力の調整を行うタイミングは停止対象のセルコンバータが故障する前であるため、停止対象のセルコンバータの出力電力を制御することが可能となる。

また、第１の実施形態では、３つのセルコンバータ１０Ａ〜１０Ｃのうち１つのセルコンバータが予備であり、かつ１つのセルコンバータの余寿命が閾値以下である例を示した。４つ以上のセルコンバータが直列に接続され、この中に予備のセルコンバータが複数ある場合も、図３のフローチャートに則った手順である。この場合、停止すべきセルコンバータの台数や出力状況によっては、２つ以上の予備のセルコンバータを使用して、出力の低下を防止するようにしてもよい。また、２つのセルコンバータが直列に接続され、この中に予備のセルコンバータが１つある場合も、図３のフローチャートに則った手順となる。

＜２．第２の実施形態＞
次に、第２の実施形態として、第１の実施形態に係る電力変換装置１の具体的な電気回路の一例を説明する。なお、図５に示した電気回路は、周知慣用の技術を用いて構成可能であるため、説明は簡単に行う。以下、太陽電池から得られる電力を変換する例を説明するが、本発明は他の発電設備、車載用モータ等の動力回路の駆動回路、無停電電源装置（ＵＰＳ：Uninterruptible Power Supply）など、種々のものに適用可能である。

図５は、第２の実施形態に係る電力変換装置の構成例を示す回路図である。図５は、電気回路に着目し、図１の切替スイッチ２０ａ〜２０ｃ、制御装置３０及び温度センサ３７ａ〜３７ｃ等の記載を省略している。

電力変換装置１Ａは、直流電源として例えば太陽電池Ｅから供給される直流電圧を利用して電力変換処理を行う。太陽電池Ｅには、Ａ系統，Ｂ系統及びＣ系統の電力変換回路が並列に接続されている。太陽電池は直流電源の一例である。Ａ系統、Ｂ系統及びＣ系統の電力変換回路を代表して、Ａ系統の電力変換回路について説明する。

太陽電池Ｅには、ＭＯＳＦＥＴからなる半導体スイッチＴ１１〜Ｔ１４及びダイオードＤ１１〜Ｄ１４の逆並列回路を単相ブリッジ接続して構成されたスイッチング部ＳＷ１１が並列に接続されている。スイッチング部ＳＷ１１は、半導体スイッチＴ１１〜Ｔ１４のオン・オフ制御によるスイッチング動作により、直流電圧を単相交流電圧に変換して出力する。

スイッチング部ＳＷ１１の電力出力部には、コイルＬ１１，Ｌ１２及びコンデンサＣ１からなる１次側回路が接続されている。１次側回路は、トランスＴｒを介して、コイルＬ２１を有する２次側回路と電磁的に非接触で接続している。コイルＬ２１の一端はセルコンバータ４０Ａの第１の入力端子２４と接続し、他端はセルコンバータ４０Ａの第２の入力端子２５と接続している。そして、１次側回路から２次側回路に伝送された交流電力は、第１の入力端子２４と第２の入力端子２５を介して整流回路ＲＣに供給される。

セルコンバータ４０Ａの内部構成は、短絡スイッチ１４がないことを除いて、図２のセルコンバータ１０Ａと同様の構成である。スイッチング部ＳＷ１を構成する半導体スイッチＴ１〜Ｔ４には、駆動信号制御部１３（図２参照）から駆動信号が供給される。セルコンバータ４０Ａは、出力を０即ちセルコンバータ４０Ａ内を短絡する場合には、上側の２つの半導体スイッチＴ１，Ｔ３を同時にオンするか、又は下側の２つの半導体スイッチＴ２，Ｔ４を同時にオンする。

Ｂ系統の電力変換回路も、Ａ系統の電力変換回路と同じである。太陽電池Ｅには、スイッチング部ＳＷ１１が並列に接続されている。スイッチング部ＳＷ１１の電力出力部には、例えばコイルＬ１１，Ｌ１２及びコンデンサＣ１からなる１次側回路が接続されている。１次側回路からトランスＴｒを介して２次側回路に伝送された交流電力は、セルコンバータ４０Ｂに供給される。さらに、Ｃ系統の電力変換回路も同様に、太陽電池Ｅの電力を元に得られた交流電力が、セルコンバータ４０Ｃに供給される。

上記のように構成された第２の実施形態では、Ａ系統、Ｂ系統及びＣ系統の電力変換回路はともに、１次側と２次側との間が非接触状態（浮いている）である。セルコンバータ４０Ａ〜４０Ｃを直列に接続し、第１の出力端子２２と第２の出力端子２３から各セルコンバータ４０Ａ〜４０Ｃの出力を合成した出力Ｐ_ｏｕｔが出力される。

第２の実施形態によれば、上述した第１の実施形態による効果の他に、次のような効果がある。第２の実施形態に係るセルコンバータ４０Ａ〜４０Ｃは、上側の半導体スイッチＴ１，Ｔ３を同時にオンするか、又は下側の２つの半導体スイッチＴ２，Ｔ４を同時にオンすることで、セルコンバータ４０Ａ〜４０Ｃ内を短絡している。これにより、各セルコンバータ４０Ａ〜４０Ｃのスイッチング部ＳＷ１において短絡スイッチ１４が不要となり、セルコンバータ４０Ａ〜４０Ｃひいては電力変換装置１Ａの小型化が可能となる。

＜３．第３の実施形態＞
次に、第３の実施形態に係る電力変換装置を図６を参照して説明する。

図６は、第３の実施形態に係るセルコンバータの構成例を示す回路図である。図６に示すセルコンバータ５０のスイッチング部ＳＷ２は、コンデンサＣに対し、半導体スイッチＴ２１とダイオードＤ２１の直列接続回路を並列に接続したものである。半導体スイッチＴ２１は、上述した第１及び第２の実施形態と同様に、ＭＯＳＦＥＴ等のスイッチング素子を用いることができる。

コンデンサＣの一端に半導体スイッチＴ２１のドレイン端子が接続し、ソース端子にダイオードＤ２１のカソードが接続し、ダイオードＤ２１のアノードにコンデンサＣの他端が接続している。また、ダイオードＤ２１の両端には、短絡スイッチ１４が接続されている。そして、ダイオードＤ２１のカソードには第１の出力端子１１、アノードには第２の出力端子１２が接続されている。

スイッチング部ＳＷ２は、短絡スイッチ１４がオフ（開放状態）のとき、半導体スイッチＴ２１をオンすることで、ダイオードＤ２１の両端にかかる電圧を出力する。また、スイッチング部ＳＷ２は、短絡スイッチ１４がオン（短絡状態）のとき、半導体スイッチＴ２１をオフすることで、出力を０即ちセルコンバータ５０内を短絡する。

上記のように構成された第３の実施形態では、１個の半導体スイッチＴ２１と短絡スイッチ１４を用いてスイッチング動作を行い、所望の周波数及び振幅の出力が可能である。

＜４．第４の実施形態＞
次に、第４の実施形態に係る電力変換装置を図７を参照して説明する。

図７は、第４の実施形態に係るセルコンバータの構成例を示す回路図である。図７に示すセルコンバータ６０のスイッチング部ＳＷ３は、コンデンサＣに半導体スイッチＴ３１，Ｔ３２の直列接続回路を並列に接続したものである。半導体スイッチＴ３１，Ｔ３２は、上述した第１〜第３の実施形態と同様に、ＭＯＳＦＥＴ等のスイッチング素子を用いることができる。

コンデンサＣの一端に半導体スイッチＴ３１のドレイン端子が接続し、半導体スイッチＴ３１のソース端子に半導体スイッチＴ３２のドレイン端子が接続し、半導体スイッチＴ３２のソース端子にコンデンサＣの他端が接続している。そして、半導体スイッチＴ３２のドレイン端子には第１の出力端子１１、ソース端子には第２の出力端子１２が接続されている。

このスイッチング部ＳＷ３では、半導体スイッチＴ３２が図６のダイオードＤ２１及び短絡スイッチ１４の機能を兼ねる。スイッチング部ＳＷ３は、下側の半導体スイッチＴ３２がオフ（開放状態）のとき、半導体スイッチＴ３１をオンすることで、半導体スイッチＴ３２のドレイン−ソース間にかかる電圧を出力する。また、スイッチング部ＳＷ３は、下側の半導体スイッチＴ３２がオン（短絡状態）のとき、半導体スイッチＴ３１をオフすることで、出力を０即ちセルコンバータ６０内を短絡する。

上記のように構成された第４の実施形態では、２個の半導体スイッチＴ３１，Ｔ３２を用いてスイッチング動作を行い、所望の周波数及び振幅の出力が可能である。

なお、図６及び図７において、電力変換装置に誘導性負荷が接続される場合には、バイポーラトランジスタやＩＧＢＴなどの半導体スイッチＴ２１，Ｔ３１，Ｔ３２に並列に環流ダイオードを接続することが必要である。一方、ＭＯＳＦＥＴを使用する場合は寄生ダイオードがあるため、環流ダイオードを並列に接続する必要はない。また、セルコンバータ内の回路は、この例に限らない。

＜５．第５の実施形態＞
次に、第５の実施形態に係る電力変換装置を図８を参照して説明する。

図８は、第５の実施形態に係る電力変換装置の説明図である。図８Ａは電力変換装置の外観の一例を示す概略斜視図であり、図８Ｂは電力変換装置の内部の一例を示す概略斜視図である。

図８Ａに示すように、電力変換装置１は、セルコンバータ１０Ａ〜１０Ｃ（図１，図２参照）及び切替スイッチ２０ａ〜２０ｃを収納する、箱状の筐体２を有する。図１の制御装置３０及び温度センサ３７ａ〜３７ｃも筐体２に収納されているが、図８Ａでは記載を省略している。筐体２の内部において、一例としてセルコンバータ１０Ａ〜１０Ｃが横方向に並んで配置され、切替スイッチ２０ａ〜２０ｃが対応するセルコンバータ１０Ａ〜１０Ｃの下方に配置されている。セルコンバータ１０Ａ〜１０Ｃは、筐体２の奥側面２ｂ（図８Ｂ参照）に対して抜き差し可能に構成されている。図８Ａ及び図８Ｂでは、セルコンバータの形状は、縦方向に長い直方体であるが、この形状に限られない。

筐体２は、前面パネル２ａが開閉可能に構成されている。開閉式の前面パネル２ａには、切替スイッチ２０ａ〜２０ｃの配置に対応して貫通孔が形成されており、切替スイッチ２０ａ〜２０ｃの開閉操作子は、対応する貫通孔を通じて筐体２の外部に露出している。開閉操作子が上向きの場合には切替スイッチがオン（短絡状態）であり、下向きの場合には切替スイッチがオフ（開放状態）である。

図８Ｂに示すように、各セルコンバータ１０Ａ〜１０Ｃの背面には、第１の出力端子１１及び第２の出力端子１２としてのプラグ１１ｐ，１２ｐ（オス側電極）が設けられている。また、筐体２内の奥側面２ｂにおけるセルコンバータのプラグ１１ｐ，１２ｐに対応する位置に、コネクタ３，４（メス側電極）が設けられている。セルコンバータを筐体２内の奥側面に取り付けたとき、プラグ１１ｐ，１２ｐがコネクタ３，４に挿入される。コネクタ３，４はそれぞれ、配線を介して切替スイッチの背面に設けられた端子に接続する。

このように、第５の実施形態では、各セルコンバータ１０Ａ〜１０Ｃの切替スイッチ２０ａ〜２０ｃを各々のセルコンバータの外側に設置している。このため、出力を０即ちセルコンバータ内を短絡したセルコンバータと、該セルコンバータと並列に接続された切替スイッチを短絡すれば、全体の出力Ｐ_ｏｕｔを変動させることなく、対象のセルコンバータを交換することができる。それゆえ、保守の利便性が向上するという効果がある。

また、作業員は、切替スイッチ２０ａ〜２０ｃの開閉操作子の状態を確認した上で交換作業を行うことで、全体の出力Ｐ_ｏｕｔを変動させることなく、確実に対象のセルコンバータを交換することができる。

また、図８Ｂに示すように、第５の実施形態では、セルコンバータの背面に第１の出力端子１１及び第２の出力端子１２としてのプラグ１１ｐ，１２ｐを設けている。それゆえ、セルコンバータの交換作業時に、作業者がプラグ１１ｐ，１２ｐに触れる可能性が極めて低くなり、交換作業を安全に行うことが可能となる。

なお、本実施形態では、筐体２の外側に切替スイッチ２０ａ〜２０ｃの開閉操作子が見える構成としたが、開閉操作子が見えなくてもよい。例えば、筐体２の前面パネル２ａが閉まって状態では開閉操作子が見えないが、前面パネル２ａが開くと開閉操作子が見えるようにしてもよい。

＜６．その他＞
上述した第１〜第４の実施形態において、余寿命ではない別な要因、例えばセルコンバータの定期交換により、特定のセルコンバータを停止する場合は、セルコンバータ交換決定部３２や余寿命推定部３１を実装しなくてもよい。例えば、電力変換装置１に操作部を設け、作業員が操作部を操作して交換すべきセルコンバータを選択する。セルコンバータ交換決定部３２は、選択されたセルコンバータの情報（交換情報）を取得し、交換情報に基づき、セルコンバータ出力調整部３３に対し停止するセルコンバータを指定する構成としてもよい。このとき、予備のセルコンバータが複数ある場合には、予備から常用に切り替えるセルコンバータを選択できるようにしてもよい。

あるいは、外部の監視装置等を用いて交換すべきセルコンバータを選択し、監視装置等からネットワークを介してセルコンバータ交換決定部３２に交換情報を通知するようにしてもよい。

また、電力変換装置を小型化する場合、あるいはセルコンバータを交換しない場合は、切替スイッチ２０ａ〜２０ｂとスイッチ設定部３５を実装しなくてもよい。この場合、図４のタイミングチャートのｔ１は、停止対象のセルコンバータが出力する電力を下げ始めた時刻となり、ｔ２は同セルコンバータが出力する電力が０即ちセルコンバータ内で短絡した時刻となる。

また、上述した第１〜第４の実施形態では、単相交流電力を単相交流電力に変換するセルコンバータの例を説明したが、入力及び／又は出力は三相交流電力でもよい。また、セルコンバータは、直流電力を交流電力に変換するものや、交流電力を直流電力に変換するものでもよい。

さらに、本発明は上述した各実施形態例に限られるものではなく、特許請求の範囲に記載した本発明の要旨を逸脱しない限りにおいて、その他種々の応用例、変形例を取り得ることは勿論である。

例えば、上述した実施形態例は本発明を分かりやすく説明するために装置及びシステムの構成を詳細且つ具体的に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態例の構成の一部を他の実施形態例の構成に置き換えることは可能である。また、ある実施形態例の構成に他の実施形態例の構成を加えることも可能である。また、各実施形態例の構成の一部について、他の構成の追加、削除、置換をすることも可能である。

また、上記の各構成、機能、処理部、処理手段等は、それらの一部又は全部を、例えば集積回路で設計する等によりハードウェアで実現してもよい。また、上記の各構成、機能等は、プロセッサがそれぞれの機能を実現するプログラムを解釈し、実行することによりソフトウェアで実現してもよい。各機能を実現するプログラム、テーブル、ファイル等の情報は、メモリやハードディスク、ＳＳＤ（Solid State Drive）等の記録装置（例えば記憶部３６）、又はＩＣカード、ＳＤカード、ＤＶＤ等の記録媒体に置くことができる。

また、制御線や情報線は説明上必要と考えられるものを示しており、製品上必ずしも全ての制御線や情報線を示しているとは限らない。実際には殆ど全ての構成が相互に接続されていると考えてもよい。

また、本明細書において、時系列的な処理を記述する処理ステップは、記載された順序に沿って時系列的に行われる処理はもちろん、必ずしも時系列的に処理されなくとも、並列的あるいは個別に実行される処理（例えば、並列処理あるいはオブジェクトによる処理）をも含むものである。

１，１Ａ…電力変換装置、 ２…筐体、 ２ａ…前面パネル、 ２ｂ…奥側面、 ３，４…コネクタ、 １０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ…セルコンバータ、 １１…第１の出力端子、 １２…第２の出力端子、１１ｐ，１２ｐ…プラグ、 １３…駆動信号制御部、 １４…短絡スイッチ、 ２０ａ，２０ｂ，２０ｃ…切替スイッチ、 ２１ａ，２１ｂ，２１ｃ…電力入力部、 ２２…第１の出力端子、 ２３…第２の出力端子、 ３０…制御装置、 ３１…余寿命推定部、 ３２…セルコンバータ交換決定部、 ３３…セルコンバータ出力調整部、 ３４…出力指令値設定部、 ３５…スイッチ設定部、 ３６…記憶部、 ３７ａ，３７ｂ，３７ｃ…温度センサ、 ４０Ａ，４０Ｂ，４０Ｃ，５０，６０…セルコンバータ、 ＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３…スイッチング部

Claims (3)

1. １以上の直列に接続された常用の電力変換回路と、
   前記電力変換回路と直列に接続された予備の電力変換回路と、
   停止対象の電力変換回路を停止させる前に、前記停止対象の電力変換回路が出力する電力を時間とともに低下させつつ、前記停止対象の電力変換回路の出力低下により不足する分の電力を前記予備の電力変換回路が同時刻に出力するよう調整する出力調整部と、
   前記出力調整部の調整結果を元に、個々の電力変換回路が出力する電力を設定する出力指令値設定部と、を備える
   電力変換装置。
2. 前記電力変換回路の各々に並列に接続された切替スイッチと、
   前記切替スイッチの動作を設定するスイッチ設定部と、を更に備え、
   を備え、
   通常運転時、前記常用の電力変換回路に接続された前記切替スイッチがオフに設定されており、かつ前記予備の電力変換回路に接続された前記切替スイッチがオンに設定されており、前記停止対象の電力変換回路を停止させることが決定されると、前記スイッチ設定部は、前記予備の電力変換回路に接続された前記切替スイッチをオフにする
   請求項１に記載の電力変換装置。
3. 個々の電力変換回路の余寿命を推定する余寿命推定部と、
   前記電力変換回路の交換を決定する交換決定部と、を更に備え、
   前記交換決定部は、前記余寿命推定部により推定された余寿命が短い電力変換回路の交換を決定し、該当電力変換回路を停止するよう前記出力調整部に指示する電力変換回路交換決定部と、を更に備える
   請求項１又は２に記載の電力変換装置。

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