JP2017184398A

JP2017184398A - 電力変換装置

Info

Publication number: JP2017184398A
Application number: JP2016066685A
Authority: JP
Inventors: 杉本　敏; Satoshi Sugimoto; 敏杉本; 好克井藤; Yoshikatsu Ito
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2016-03-29
Filing date: 2016-03-29
Publication date: 2017-10-05
Anticipated expiration: 2036-03-29
Also published as: JP6664096B2; WO2017168965A1

Abstract

【課題】システム構成を容易に変更できる技術を提供する。【解決手段】複数の双方向昇降圧回路３１−１〜３１−５は、発電装置１０または蓄電装置２０に接続可能な第１直流端子Ｔ１と、直流バス３２に接続された第２直流端子Ｔ２とをそれぞれ有する。双方向インバータ３４は、直流バス３２に接続された第３直流端子Ｔ３と、電力系統４０に接続可能な交流端子Ｔ４とを有する。複数の双方向昇降圧回路３１−１〜３１−５は、それぞれ、発電装置１０に接続された場合に昇圧動作を行い、蓄電装置２０に接続された場合に昇圧動作または降圧動作を行う。【選択図】図１

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する。

太陽電池で発電された直流電力を交流電力に変換し、当該交流電力を商用電力系統（以下、単に電力系統という）に出力する太陽電池用パワーコンディショナが知られている。太陽電池用パワーコンディショナは、直流電圧を昇圧して直流バスに出力する昇圧回路と、直流バスの直流電力を交流電力に変換するインバータとを備える。

また、太陽電池に加えて蓄電池も接続できる創蓄パワーコンディショナも知られている。創蓄パワーコンディショナは、太陽電池用パワーコンディショナの構成に加え、蓄電池が接続される双方向昇降圧回路を備える。双方向昇降圧回路は、直流バスの電圧を降圧して蓄電池を充電し、蓄電池の直流電圧を昇圧して直流バスに出力する（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１２−１６１１８９号公報

しかし、上記従来の太陽電池用パワーコンディショナを所有しているユーザが新たに蓄電池を導入したい場合であっても、太陽電池用パワーコンディショナには蓄電池を接続できない。そのため、太陽電池用パワーコンディショナは使用できず、新たに創蓄パワーコンディショナを購入する必要がある。

本発明はこうした状況に鑑みてなされたものであり、その目的は、システム構成を容易に変更できる技術を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明のある態様の電力変換装置は、発電装置または蓄電装置に接続可能な第１直流端子と、直流バスに接続された第２直流端子とをそれぞれ有する複数の双方向昇降圧回路と、前記直流バスに接続された第３直流端子と、電力系統に接続可能な交流端子とを有する双方向インバータと、を備え、前記複数の双方向昇降圧回路は、それぞれ、前記発電装置に接続された場合に昇圧動作を行い、前記蓄電装置に接続された場合に昇圧動作または降圧動作を行う。

本発明によれば、システム構成を容易に変更できる。

一実施形態に係る電力変換システムの構成を示すブロック図である。図１の双方向昇降圧回路の回路図である。一実施形態の変形例に係る電力変換システムの構成を示すブロック図である。

図１は、一実施形態に係る電力変換システム１の構成を示すブロック図である。電力変換システム１は、複数の発電装置１０と、複数の蓄電装置２０と、電力変換装置３０と、電力系統４０とを備える。

発電装置１０は、例えば太陽電池であり、太陽光のエネルギーに基づいて発電し、直流電力を出力する。
蓄電装置２０は、例えばリチウムイオン蓄電池、ニッケル水素蓄電池、鉛蓄電池、電気二重層キャパシタまたはリチウムイオンキャパシタ等を含み、電力を蓄電する。

電力変換装置３０は、複数の双方向昇降圧回路３１−１〜３１−５と、直流バス３２と、設定スイッチ３３と、双方向インバータ３４とを有する。電力変換装置３０は、パワーコンディショナとも称される。

双方向昇降圧回路３１−１〜３１−５の数は、２台以上であれば特に限定されない。双方向昇降圧回路３１−１〜３１−５は、それぞれ同一の回路構成を有している。そのため、以下では、双方向昇降圧回路３１−１〜３１−５をそれぞれ区別する必要が無い場合には双方向昇降圧回路３１と称す。

複数の双方向昇降圧回路３１は、発電装置１０または蓄電装置２０に接続可能な第１直流端子Ｔ１と、直流バス３２に接続された第２直流端子Ｔ２とをそれぞれ有する。複数の双方向昇降圧回路３１は、それぞれ、操作者により設定される設定スイッチ３３の設定に従って、発電装置１０に接続された場合に昇圧動作を行い、蓄電装置２０に接続された場合に昇圧動作または降圧動作を行う。設定スイッチ３３は、例えば、ＤＩＰ（Dual In-line Package）スイッチであってもよい。

図示する例では、３台の双方向昇降圧回路３１−１〜３１−３には、それぞれ発電装置１０が接続されている。そのため、双方向昇降圧回路３１−１〜３１−３は、それぞれ、昇圧動作を行い、降圧動作を行わないよう設定される。具体的には、双方向昇降圧回路３１−１〜３１−３は、それぞれ、発電装置１０から供給された電圧を昇圧して直流バス３２に供給する。

２台の双方向昇降圧回路３１−４，３１−５には、それぞれ蓄電装置２０が接続されている。そのため、双方向昇降圧回路３１−４，３１−５は、それぞれ、昇圧動作または降圧動作を行うよう設定される。具体的には、双方向昇降圧回路３１−４，３１−５は、それぞれ、発電装置１０の出力電力が減少した場合に、蓄電装置２０から供給された電圧を昇圧して直流バス３２に供給し、発電装置１０の出力電力が増加した場合などに、直流バス３２の電圧を降圧して蓄電装置２０に供給する。

双方向インバータ３４は、直流バス３２に接続された第３直流端子Ｔ３と、電力系統４０に接続された交流端子Ｔ４とを有する。双方向インバータ３４は、直流バス３２の直流電力を交流電力に変換して当該交流電力を電力系統４０に出力し、電力系統４０の交流電力を直流電力に変換して当該直流電力を直流バス３２に出力する。
双方向昇降圧回路３１と双方向インバータ３４は、図示を省略した制御回路によって制御される。

図２は、図１の双方向昇降圧回路３１の回路図である。双方向昇降圧回路３１は、インダクタＬ１と、第１キャパシタＣ１と、第２キャパシタＣ２と、第１トランジスタＱ１と、第２トランジスタＱ２と、第１ダイオードＤ１と、第２ダイオードＤ２と、制御部ＣＴ１とを含む。

第１キャパシタＣ１は、第１直流端子Ｔ１に接続された一端と、第１基準電圧端子Ｔ１１および第２基準電圧端子Ｔ１２に接続された他端とを有する。第１基準電圧端子Ｔ１１および第２基準電圧端子Ｔ１２には、接地電圧が供給される。図１では、第１基準電圧端子Ｔ１１および第２基準電圧端子Ｔ１２の図示は省略している。
インダクタＬ１は、第１直流端子Ｔ１に接続された一端を有する。

第１トランジスタＱ１は、ＮＰＮ型バイポーラトランジスタであり、インダクタＬ１の他端に接続されたコレクタと、第１基準電圧端子Ｔ１１に接続されたエミッタと、第１制御信号Ｓ１が供給されるベースとを有する。

第１ダイオードＤ１は、第１トランジスタＱ１のコレクタに接続されたカソードと、第１トランジスタＱ１のエミッタに接続されたアノードとを有する。

第２トランジスタＱ２は、ＮＰＮ型バイポーラトランジスタであり、インダクタＬ１の他端に接続されたエミッタと、第２直流端子Ｔ２に接続されたコレクタと、第２制御信号Ｓ２が供給されるベースとを有する。

第２ダイオードＤ２は、第２トランジスタＱ２のコレクタに接続されたカソードと、第２トランジスタＱ２のエミッタに接続されたアノードとを有する。

第２キャパシタＣ２は、第２直流端子Ｔ２に接続された一端と、第１基準電圧端子Ｔ１１に接続された他端とを有する。

制御部ＣＴ１は、設定スイッチ３３の設定に従って、第１制御信号Ｓ１と第２制御信号Ｓ２を生成する。制御部ＣＴ１の構成は、ハードウェア資源とソフトウェア資源の協働、またはハードウェア資源のみにより実現できる。ハードウェア資源としてアナログ素子、マイクロコンピュータ、ＤＳＰ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＦＰＧＡ、その他のＬＳＩを利用できる。ソフトウェア資源としてファームウェア等のプログラムを利用できる。

発電装置１０に接続された双方向昇降圧回路３１−１〜３１−３のそれぞれにおいて、制御部ＣＴ１は、第１トランジスタＱ１をスイッチングさせる第１制御信号Ｓ１を生成し、第２トランジスタＱ２をオフさせる第２制御信号Ｓ２を生成する。第１制御信号Ｓ１は、例えばパルス幅変調信号であり、第２制御信号Ｓ２は接地電圧等の固定電圧である。第１トランジスタＱ１がオフすることにより、第２トランジスタＱ２のエミッタ−コレクタ間はハイインピーダンスになる。これにより、双方向昇降圧回路３１−１〜３１−３は、発電装置用の昇圧チョッパ回路として動作する。

蓄電装置２０に接続された双方向昇降圧回路３１−４，３１−５のそれぞれにおいて、制御部ＣＴ１は、昇圧動作時には、第１トランジスタＱ１をスイッチングさせる第１制御信号Ｓ１を生成し、第２トランジスタＱ２をオフさせる第２制御信号Ｓ２を生成する。これにより、双方向昇降圧回路３１−４，３１−５は、蓄電装置用の昇圧チョッパ回路として動作する。

蓄電装置２０に接続された双方向昇降圧回路３１−４，３１−５のそれぞれにおいて、制御部ＣＴ１は、降圧動作時には、第２トランジスタＱ２をスイッチングさせる第２制御信号Ｓ２を生成し、第１トランジスタＱ１をオフさせる第１制御信号Ｓ１を生成する。第２制御信号Ｓ２は、例えばパルス幅変調信号であり、第１制御信号Ｓ１は接地電圧等の固定電圧である。これにより、双方向昇降圧回路３１−４，３１−５は、蓄電装置用の降圧チョッパ回路として動作する。

次に、電力変換システム１の全体的な動作を説明する。電力変換システム１の初期導入時には、例えば、３台の発電装置１０が接続され、蓄電装置２０は接続されていないと想定する。即ち、２台の双方向昇降圧回路３１−４，３１−５の第１直流端子Ｔ１には、何も接続されていない。設置作業者などの操作者は、設定スイッチ３３を操作し、３台の双方向昇降圧回路３１−１〜３１−３に発電装置１０が接続され、２台の双方向昇降圧回路３１−４，３１−５には何も接続されていないことを設定する。これにより、電力変換装置３０は、太陽電池用パワーコンディショナとして動作し、発電された直流電力を電力系統の周波数に応じた周波数の交流電力に変換する系統連系動作を行う。何も接続されていない双方向昇降圧回路３１−４，３１−５は、停止状態になる。

例えば初期導入から数年後、ユーザが新たに２台の蓄電装置２０を導入したい場合、２台の双方向昇降圧回路３１−４，３１−５の第１直流端子Ｔ１に蓄電装置２０がそれぞれ接続される。これにより図１の構成となる。設置作業者などの操作者は、設定スイッチ３３を操作し、２台の双方向昇降圧回路３１−４，３１−５に蓄電装置２０が接続されたことを設定する。これにより、電力変換装置３０は、創蓄パワーコンディショナとして動作する。即ち、電力変換装置３０は、発電された電力による系統連系動作、発電された電力による系統連系動作および蓄電装置２０の蓄電動作、並びに、電力系統４０の電力による蓄電装置２０の蓄電動作を行う。

以上で説明したように本実施形態によれば、それぞれ同一の回路構成の複数の双方向昇降圧回路３１を設け、双方向昇降圧回路３１は、それぞれ、発電装置１０に接続された場合に昇圧動作を行い、蓄電装置２０に接続された場合に昇圧動作または降圧動作を行うようにしている。これにより、それぞれの双方向昇降圧回路３１は発電装置１０と蓄電装置２０の両方に対応できる。よって、電力変換システム１のシステム構成を容易に変更できる。

従って、ユーザは、初期導入時には発電装置１０のみを電力変換装置３０に接続して、その後、蓄電装置２０を電力変換装置３０に後付けすることができる。そのため、電力変換システム１の構成を変更する際に電力変換装置３０を買い換える必要がない。また、初期導入時から発電装置１０および蓄電装置２０が設けられる場合と比較して、初期導入時のコストを下げることができる。

また、発電装置１０と蓄電装置２０の総数が双方向昇降圧回路３１の数以下であれば、発電装置１０と蓄電装置２０を任意の数ずつ接続できる。さらに、双方向昇降圧回路３１の数と同数の蓄電装置２０を接続することもでき、双方向昇降圧回路３１の数と同数の発電装置１０を接続することもできる。従って、電力変換システム１の構成の自由度を高くできる。

また、発電装置１０のみが接続される場合と、発電装置１０と蓄電装置２０が接続される場合とで電力変換装置３０を共用できるので、用途毎に異なる電力変換装置を製造する必要がなく、量産により電力変換装置３０を低コスト化することもできる。

以上、本発明について、実施例をもとに説明した。この実施例は例示であり、それらの各構成要素あるいは各処理プロセスの組合せにいろいろな変形例が可能なこと、また、そうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。

例えば、電力変換装置３０は、設定スイッチ３３に替えて、操作者の入力を受け付け、双方向昇降圧回路３１の動作に関連する情報を表示するユーザインタフェースを備えてもよい。双方向昇降圧回路３１の動作に関連する情報は、双方向昇降圧回路３１に発電装置１０と蓄電装置２０のいずれが接続されていると設定されているかを示す設定情報を含む。双方向昇降圧回路３１は、それぞれ、ユーザインタフェースの入力に従って、昇圧動作を行うか、昇圧動作または降圧動作を行うかを切り替える。操作者は、ユーザインタフェースに表示された設定情報を確認することにより、双方向昇降圧回路３１の動作をより容易に設定できる。

また、双方向昇降圧回路３１は、それぞれ、接続されている装置が発電装置１０か蓄電装置２０か判定された判定結果に応じて、昇圧動作を行うか、昇圧動作または降圧動作を行うかを切り替えてもよい。具体的には蓄電装置２０は、自己の充放電を管理する蓄電池管理部（Battery Management Unit；BMU）を有する。蓄電池管理部は、充放電に関する充放電情報を、接続された双方向昇降圧回路３１に通信線を介して送信する。双方向昇降圧回路３１は、充放電情報に基づいて蓄電装置２０の充放電を制御する。そこで、双方向昇降圧回路３１は、それぞれ、充放電情報を受信した場合に蓄電装置２０が接続されていると判定し、充放電情報を受信しない場合に発電装置１０が接続されていると判定する。これにより、操作者が設定を行う労力を省ける。また、操作者による設定の間違いを抑制できる。双方向昇降圧回路３１の外部に設けられた判定部が、このような判定を行ってもよい。

また、図３に示すように、蓄電装置２０と双方向昇降圧回路３１との間に双方向絶縁型昇降圧回路（双方向絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータ）を設けてもよい。

図３は、一実施形態の変形例に係る電力変換システム１Ａの構成を示すブロック図である。電力変換システム１Ａは、図１の構成に加え、２台の双方向絶縁型昇降圧回路５０を備える。複数の双方向昇降圧回路３１の第１直流端子Ｔ１は、それぞれ、双方向絶縁型昇降圧回路５０を介して蓄電装置２０に接続可能である。図３の例では、双方向昇降圧回路３１−４，３１−５の第１直流端子Ｔ１は、それぞれ、双方向絶縁型昇降圧回路５０を介して蓄電装置２０に接続されている。双方向絶縁型昇降圧回路５０は、昇圧および降圧可能な絶縁トランスを有し、蓄電装置２０が放電されるときに昇圧動作を行い、蓄電装置２０が充電されるときに降圧動作を行うことができる。即ち絶縁トランスは、昇降圧比に対応した巻き線比を有している。

例えば電力変換装置３０が故障し、双方向絶縁型昇降圧回路５０が設けられていない場合、蓄電装置２０のエネルギーが外部に放出される可能性がある。この変形例では、双方向絶縁型昇降圧回路５０が設けられていることにより、このようなエネルギーの外部への放出を抑制できる。従って、安全性をより高めることができる。

なお、実施の形態は、以下の項目によって特定されてもよい。

［項目１］
発電装置（１０）または蓄電装置（２０）に接続可能な第１直流端子（Ｔ１）と、直流バス（３２）に接続された第２直流端子（Ｔ２）とをそれぞれ有する複数の双方向昇降圧回路（３１）と、
前記直流バス（３２）に接続された第３直流端子（Ｔ３）と、電力系統（４０）に接続可能な交流端子（Ｔ４）とを有する双方向インバータ（３４）と、を備え、
前記複数の双方向昇降圧回路（３１）は、それぞれ、前記発電装置（１０）に接続された場合に昇圧動作を行い、前記蓄電装置（２０）に接続された場合に昇圧動作または降圧動作を行うことを特徴とする電力変換装置（３０）。
［項目２］
操作者により設定される設定スイッチ（３３）を備え、
前記複数の双方向昇降圧回路（３１）は、それぞれ、前記設定スイッチ（３３）の設定に従って、前記昇圧動作を行うか、前記昇圧動作または前記降圧動作を行うかを切り替えることを特徴とする項目１に記載の電力変換装置（３０）。
［項目３］
操作者の入力を受け付け、前記複数の双方向昇降圧回路（３１）の動作に関連する情報を表示するユーザインタフェースを備え、
前記複数の双方向昇降圧回路（３１）は、それぞれ、前記ユーザインタフェースの入力に従って、前記昇圧動作を行うか、前記昇圧動作または前記降圧動作を行うかを切り替えることを特徴とする項目１に記載の電力変換装置（３０）。
［項目４］
前記複数の双方向昇降圧回路（３１）は、それぞれ、接続されている装置が前記発電装置（１０）か前記蓄電装置（２０）か判定された判定結果に応じて、前記昇圧動作を行うか、前記昇圧動作または前記降圧動作を行うかを切り替えることを特徴とする項目１に記載の電力変換装置（３０）。
［項目５］
前記複数の双方向昇降圧回路（３１）の前記第１直流端子（Ｔ１）は、それぞれ、双方向絶縁型昇降圧回路（５０）を介して前記蓄電装置（２０）に接続可能であることを特徴とする項目１から４のいずれか１項に記載の電力変換装置。

１…電力変換システム、１０…発電装置、２０…蓄電装置、３０…電力変換装置、３１…双方向昇降圧回路、３２…直流バス、３３…設定スイッチ、３４…双方向インバータ、４０…電力系統、５０…双方向絶縁型昇降圧回路、Ｔ１…第１直流端子、Ｔ２…第２直流端子、Ｔ３…第３直流端子、Ｔ４…交流端子。

Claims

発電装置または蓄電装置に接続可能な第１直流端子と、直流バスに接続された第２直流端子とをそれぞれ有する複数の双方向昇降圧回路と、
前記直流バスに接続された第３直流端子と、電力系統に接続可能な交流端子とを有する双方向インバータと、を備え、
前記複数の双方向昇降圧回路は、それぞれ、前記発電装置に接続された場合に昇圧動作を行い、前記蓄電装置に接続された場合に昇圧動作または降圧動作を行うことを特徴とする電力変換装置。
操作者により設定される設定スイッチを備え、
前記複数の双方向昇降圧回路は、それぞれ、前記設定スイッチの設定に従って、前記昇圧動作を行うか、前記昇圧動作または前記降圧動作を行うかを切り替えることを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
操作者の入力を受け付け、前記複数の双方向昇降圧回路の動作に関連する情報を表示するユーザインタフェースを備え、
前記複数の双方向昇降圧回路は、それぞれ、前記ユーザインタフェースの入力に従って、前記昇圧動作を行うか、前記昇圧動作または前記降圧動作を行うかを切り替えることを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
前記複数の双方向昇降圧回路は、それぞれ、接続されている装置が前記発電装置か前記蓄電装置か判定された判定結果に応じて、前記昇圧動作を行うか、前記昇圧動作または前記降圧動作を行うかを切り替えることを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
前記複数の双方向昇降圧回路の前記第１直流端子は、それぞれ、双方向絶縁型昇降圧回路を介して前記蓄電装置に接続可能であることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の電力変換装置。