JP2018011420A - 電力変換装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】単相３線出力の開始時における中性点クランプ方式のインバータ回路の入力電圧分圧用の第１、第２コンデンサの電圧アンバランスに起因して不具合が生じることを抑止できる電力変換装置を提供する。
【解決手段】電力変換装置は、入力された直流電圧を１／２に分圧するための直列接続された第１コンデンサ及び第２コンデンサを備えた中性点クランプ方式のインバータ回路を含み、単相３線出力用制御処理の開始が指示されたときに、第１コンデンサの端子間電圧と第２コンデンサの端子間電圧との間の電圧差が所定の閾値以下ではなかった場合には、電圧差を低減するためのコンデンサ電圧均衡化処理を行ってから、単相３線出力用制御処理を開始する。
【選択図】図７

Description

本発明は、電力変換装置に関し、特に、三相交流出力又は単相３線出力を行うように制御される中性点クランプ方式のインバータ回路を備えた電力変換装置に関する。
インバータ回路として、入力電圧を直列接続された２つのコンデンサで分圧して三相交流等を出力する、中性点クランプ方式のインバータ回路（例えば、特許文献１〜３参照）が知られている。そのようなインバータ回路を用いれば、連系運転時には、系統に三相交流を供給し、自立運転時には、単相３線出力を行うパワーコンディショナを製造することが出来る。
ただし、中性点クランプ方式のインバータ回路を用いたパワーコンディショナの利用状況によっては、入力電圧分圧用の２つのコンデンサの端子間電圧がアンバランスとなってしまう（２つのコンデンサの端子間電圧が異なってしまう）場合がある。そして、コンデンサ電圧がアンバランスになっている状態で単相３線出力を開始させると、正常な単相３線出力が得られないことや、インバータ回路の部品への過電流や過電圧によりインバータ回路が破損することがあり得る。
特開平８−３１７６６３号公報 特開平６−２６１５５１号公報 特開平８−２３７９５６号公報
そこで、本発明の目的は、単相３線出力の開始時における中性点クランプ方式のインバータ回路の入力電圧分圧用の第１、第２コンデンサの電圧アンバランスに起因して不具合が生じることを抑止できる電力変換装置を提供する。
上記目的を達成するために、本発明の電力変換装置は、入力された直流電圧を１／２に分圧するための直列接続された第１コンデンサ及び第２コンデンサと、複数のスイッチング素子と、第１〜第３出力端子とを備えた中性点クランプ方式のインバータ回路と、前記インバータ回路に対して、前記第１出力端子及び前記第２出力端子間から第１の交流を出力させると共に前記第３出力端子及び前記第２出力端子間から前記第１の交流の極性を反転した第２の交流を出力させるための単相３線出力用制御処理を実行可能な制御装置と、を含む。そして、本発明の電力変換装置の制御装置は、前記単相３線出力用制御処理の開始が指示されたときに、前記第１コンデンサの端子間電圧と前記第２コンデンサの端子間電圧との間の電圧差が所定の閾値以下ではなかった場合には、前記電圧差を低減するためのコンデンサ電圧均衡化処理を行ってから、前記単相３線出力用制御処理を開始する。
すなわち、本発明の電力変換装置は、第１コンデンサ及び第２コンデンサの端子間電圧差が大きかった場合、当該電圧差を低減させてから、単相３線出力用制御処理を開始する構成を有している。従って、本発明の電力変換装置では、第１コンデンサと第２コンデンサの端子間電圧に大きな差がある状態で単相３線出力用制御処理が開始されることにより上記不具合が生じることを抑止することが出来る。
なお、本発明の電力変換装置は、通常、第１コンデンサ及び第２コンデンサの端子間電圧差が所定の閾値以下であった場合には、前記コンデンサ電圧均衡化処理を行うことなく、前記単相３線出力用制御処理を開始する装置として構成されるものである。ただし、本発明の電力変換装置を、端子間電圧差が所定の閾値以下であった場合にも、コンデンサ電圧均衡化処理を行ってから、単相３線出力用制御処理を開始する装置として構成しておいても良い。
また、本発明の電力変換装置は、さまざまな形で実現することが出来る。例えば、本発明の電力変換装置を、前記コンデンサ電圧均衡化処理が、前記第１コンデンサ、前記第２コンデンサの中の端子間電圧が高い方のコンデンサに蓄えられている電力で、他方のコンデンサが充電されるように前記インバータ回路を制御する処理である装置として実現しても良い。また、前記インバータ回路が、前記第１コンデンサの両端に並列接続された第１抵抗と、前記第２コンデンサの両端に並列接続された第２抵抗とを備えた回路であり、前記コンデンサ電圧均衡化処理が、前記第１コンデンサの端子間電圧と前記第２コンデンサの端子間電圧との間の電圧差が、前記閾値以下の第２閾値以下となるまで待機する処理である装置として、本発明の電力変換装置を実現しても良い。
また、前記インバータ回路が、第１抵抗と第１スイッチング素子とを直列接続した回路が前記第１コンデンサの両端に並列接続され、第２抵抗と第２スイッチング素子とを直列接続した回路が前記第２コンデンサの両端に並列接続された回路であり、前記コンデンサ電圧均衡化処理が、前記第１スイッチング素子及び前記第２スイッチング素子を、所定時間の間だけ、又は、前記第１コンデンサの端子間電圧と前記第２コンデンサの端子間電圧との間の電圧差が前記閾値以下の第２閾値以下となるまでＯＮする処理である装置として、本発明の電力変換装置を実現しても良い。
また、本発明の他の態様の電力変換装置は、入力された直流電圧を１／２に分圧するための直列接続された第１コンデンサ及び第２コンデンサと、複数のスイッチング素子と、第１〜第３出力端子とを備えた中性点クランプ方式のインバータ回路と、直流発電装置からの電圧に基づき、前記第１コンデンサの両端間に印加する電圧と、前記第２コンデンサの両端間に印加する電圧とを生成するＤＣ／ＤＣ変換回路であって、前記第１コンデンサの両端間に印加する電圧の大きさと、前記第２コンデンサの両端間に印加する電圧と各コンデンサの両端間に印加する電圧の大きさとを、個別に制御可能なＤＣ／ＤＣ変換回路と、前記インバータ回路に対して、前記第１出力端子及び前記第２出力端子間から第１の交流を出力させると共に前記第３出力端子及び前記第２出力端子間から前記第１の交流の極性を反転した第２の交流を出力させるための単相３線出力用制御処理を実行可能な制御装置であって、前記第１コンデンサと前記第２コンデンサの両端間に同じ電圧が印加されるように前記ＤＣ／ＤＣ変換回路を制御する制御装置と、を備える。
すなわち、この電力変換装置では、常時、ＤＣ／ＤＣ変換回路から、インバータ回路の第１コンデンサと第２コンデンサの両端間に同じ電圧が印加される。従って、本発明のこの態様の電力変換装置でも、第１コンデンサと第２コンデンサの端子間電圧に大きな差がある状態で単相３線出力用制御処理が開始されることにより上記不具合が生じることを抑止することが出来る。
本発明の電力変換装置によれば、単相３線出力の開始時におけるコンデンサ電圧のアンバランスに起因して不具合が生じることを抑止することが出来る。
図１は、本発明の一実施形態に係る電力変換装置の概略構成図である。 図２は、単相三線出力の説明図である。 図３は、正のＶｕｏが出力されときのＵ相電位、Ｏ相電位、Ｖｕｏの時間変化パターンを示したタイムチャートである。 図４は、負のＶｕｏが出力されときのＵ相電位、Ｏ相電位、Ｖｕｏの時間変化パターンを示したタイムチャートである。 図５は、図３示してある電位、電圧の時間変化を実現するために制御ユニットがインバータ回路に対して行う制御内容の説明図である。 図６は、図４示してある電位、電圧の時間変化を実現するために制御ユニットがインバータ回路に対して行う制御内容の説明図である。 図７は、実施形態に係る電力変換装置の制御ユニットが実行する自立運転用制御処理の流れ図である。 図８は、コンデンサ電圧均衡化処理の内容の説明図である。 図９は、コンデンサ電圧均衡化処理の内容の説明図である。 図１０は、コンデンサ電圧均衡化処理の変形例を説明するための図である。 図１１は、Ｏ相電位の制御が行われた場合におけるＵ相電位、Ｏ相電位、Ｖｕｏの時間変化パターンを示したタイムチャートである。 図１２は、Ｏ相電位の制御のために使用されるモード５の説明図である。 図１３は、Ｏ相電位の制御のために使用されるモード６の説明図である。 図１４は、実施形態に係る電力変換装置の変形例の説明図である。 図１５は、実施形態に係る電力変換装置の別の変形例の説明図である。 図１６は、実施形態に係る電力変換装置のさらに別の変形例の説明図である。
以下、図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。
図１に、本発明の一実施形態に係る電力変換装置の概略構成を示す。
本実施形態に係る電力変換装置は、直流発電装置（本実施形態では、太陽電池アレイ）により発電された電力を系統に供給する連系運転機能と、直流発電装置により発電された電力を各種負荷（交流電源で動作する機器）に供給する自立運転機能とを有するパワーコンディショナである。
図示してあるように、電力変換装置は、直流発電装置が接続される入力端子１１ｐ及び入力端子１１ｎと、ＤＣ／ＤＣ変換回路１０と、インバータ回路２０と、制御ユニット３０とを備える。なお、入力端子１１ｐが、正側（高電位側）の入力端子であり、入力端子１１ｎが、負側（低電位側）の入力端子である。また、図示は省略してあるが、電力変換装置は、インバータ回路２０の出力端子（Ｕ端子２４ｕ、Ｏ端子２４ｏ及びＷ端子２４ｗ）を系統に接続するための継電器（以下、系統用喧伝器と表記する）、自立運転用の１００Ｖ及び２００Ｖコンセント、各コンセントにインバータ回路２０の出力端子を接続するための継電器（コンセント用継電器と表記する）も、備えている。
ＤＣ／ＤＣ変換回路１０は、電力変換装置の入力端子１１ｐ及び１１ｎから入力された電圧を昇圧するための回路である。電力変換装置に接続される直流発電装置の出力電圧によっては、このＤＣ／ＤＣ変換回路１０として、入力電圧の降圧のみが可能な回路、又は、入力電圧の昇圧及び降圧が可能な回路が使用される。
インバータ回路２０は、ダイオードクランプ形のＮＰＣ（Neutral Point Clamped）イ
ンバータ回路である。図示してあるように、インバータ回路２０は、入力端子２１ｐ、入
力端子２１ｎ、Ｕ端子２４ｕ、Ｏ端子２４ｏ及びＷ端子２４ｗを備える。また、インバータ回路２０は、入力端子２１ｐ、２１ｎ間に並列に接続された、分圧回路２２、Ｕ相用レグ２３ｕ、Ｏ相用レグ２３ｏ及びＷ相用レグ２３ｗを備える。
入力端子２１ｐ、２１ｎは、ＤＣ／ＤＣ変換回路１０による昇圧後の電圧が入力される端子である。なお、入力端子１１ｐ、１１ｎと同様に、入力端子２１ｐが正側の入力端子であり、入力端子２１ｎが負側の入力端子である。
分圧回路２２は、同容量の第１コンデンサＣ１と第２コンデンサＣ２とを直列接続した回路である。入力端子２１ｐ、２１ｎ間に印加された電圧Ｖは、この分圧回路２２によって、通常、１／２Ｖ（第１コンデンサＣ１の端子間電圧）と１／２Ｖ（第１コンデンサＣ２の端子間電圧）とに分圧される。以下、分圧回路２２の、第１コンデンサＣ１と第２コンデンサＣ２との接続部分のことを中性点と表記する。
図示してあるように、分圧回路２２には、第１コンデンサＣ１の端子間電圧を測定するための電圧センサ３１ｐ、第２コンデンサＣ２の端子間電圧を測定するための電圧センサ３１ｎが取り付けられている。
Ｕ相用レグ２３ｕは、Ｕ端子２４ｕの電位を変化させるための回路である。図示してあるように、Ｕ相用レグ２３ｕは、直列接続されたスイッチング素子Ｓｕ１〜Ｓｕ４と、各スイッチング素子Ｓｕｍ（ｍ＝１〜４）に並列接続されたダイオードＤｕｍとを備える。さらに、Ｕ相用レグ２３ｕは、中性点からの電流を、スイッチング素子Ｓｕ１、Ｓｕ２間の配線に供給するためのダイオードＤｕ５と、スイッチング素子Ｓｕ３、Ｓｕ４間からの電流を、中性点に供給するためのダイオードＤｕ６とを備える。そして、Ｕ相用レグ２３ｕのスイッチング素子Ｓｕ２、Ｓｕ３間には、リアクトルＬｕを介してＵ端子２４ｕが接続されている。
Ｏ相用レグ２３ｏは、Ｏ端子２４ｏの電位を変化させるための回路である。図示してあるように、Ｏ相用レグ２３ｏは、直列接続されたスイッチング素子Ｓｏ１〜Ｓｏ４と、各スイッチング素子Ｓｏｍ（ｍ＝１〜４）に並列接続されたダイオードＤｏｍとを備える。さらに、Ｏ相用レグ２３ｏは、中性点からの電流を、スイッチング素子Ｓｏ１、Ｓｏ２間の配線に供給するためのダイオードＤｏ５と、スイッチング素子Ｓｏ３、Ｓｏ４間からの電流を、中性点に供給するためのダイオードＤｏ６とを備える。そして、Ｏ相用レグ２３ｏのスイッチング素子Ｓｏ２、Ｓｏ３間には、リアクトルＬｏを介してＯ端子２４ｏが接続されている。
Ｗ相用レグ２３ｗは、Ｗ端子２４ｗの電位を変化させるための回路である。図示してあるように、Ｗ相用レグ２３ｗは、直列接続されたスイッチング素子Ｓｗ１〜Ｓｗ４と、各スイッチング素子Ｓｗｍ（ｍ＝１〜４）に並列接続されたダイオードＤｗｎとを備える。さらに、Ｗ相用レグ２３ｗは、中性点からの電流を、スイッチング素子Ｓｗ１、Ｓｗ２間の配線に供給するためのダイオードＤｗ５と、スイッチング素子Ｓｗ３、Ｓｗ４間からの電流を、中性点に供給するためのダイオードＤｗ６とを備える。そして、Ｗ相用レグ２３ｗのスイッチング素子Ｓｗ２、Ｓｗ３間には、リアクトルＬｗを介してＷ端子２４ｗが接続されている。
図示してあるように、リアクトルＬｗとＷ端子２４ｗとを接続する配線には、コンデンサＣ５の一端が接続されており、リアクトルＬｏとＯ端子２４ｏとを接続する配線には、コンデンサＣ４の一端が接続されている。また、リアクトルＬｕとＵ端子２４ｕとを接続する配線には、コンデンサＣ３の一端が接続されており、コンデンサＣ５の他端は、コンデンサＣ３の他端とコンデンサＣ４の他端とに接続されている。
制御ユニット３０は、プロセッサ（本実施形態では、マイクロコントローラ）、ゲート・ドライバＩＣ等から構成された、ＤＣ／ＤＣ変換回路１０及びインバータ回路２０を制御するユニットである。この制御ユニット３０には、上記した電圧センサ３１ｐ、３１ｎを含む各種センサの出力が入力されており、制御ユニット３０は、入力された情報に基づき、ＤＣ／ＤＣ変換回路１０及びインバータ回路２０を以下のように制御する。
制御ユニット３０は、連系運転時にも自立運転時にも、ＤＣ／ＤＣ変換回路１０に対してＭＰＰＴ（Maximum Power Point Tracking）制御を行う。また、制御ユニット３０は、インバータ回路２０に対しては、連系運転時と自立運転時とで異なる内容の制御を行う。
具体的には、制御ユニット３０は、連系運転時には、インバータ回路２０の出力端子（Ｕ端子２４ｕ、Ｏ端子２４ｏ及びＷ端子２４ｗ）が三相交流出力端子となるように、インバータ回路２０を制御する三相交流出力用制御処理を行う。すなわち、制御ユニット３０は、連系運転時には、インバータ回路２０の出力端子から三相交流が出力されるように、インバータ回路２０を制御する三相交流出力用制御処理を行う。
また、制御ユニット３０は、自立運転時には、インバータ回路２０の出力端子（Ｕ端子２４ｕ、Ｏ端子２４ｏ及びＷ端子２４ｗ）が単相三線出力端子となるように、インバータ回路２０を制御する。
ここで、『インバータ回路２０の出力端子が単相三線出力端子となる』とは、各端子間の電圧が図２に示したように時間変化するということである。すなわち、『インバータ回路２０の出力端子が単相三線出力端子となる』とは、Ｕ端子２４ｕ、Ｏ端子２４ｏ間の出力電圧Ｖｕｏが、１００Ｖｒｍｓの交流となり、Ｗ端子２４ｗ、Ｏ端子２４ｏ間の出力電圧Ｖｗｏが、出力電圧Ｖｕｏを極性反転した１００Ｖｒｍｓの交流となり、Ｕ端子２４ｕ、Ｗ端子２４ｗ間の出力電圧Ｖｕｗが、出力電圧Ｖｕｏと同位相の２００Ｖｒｍｓの交流となる、ということである。
以下、本実施形態に係る電力変換装置の構成及び機能をさらに具体的に説明する。なお、本実施形態に係る電力変換装置は、自立運転時（正確には、自立運転への移行時及び自立運転中）に、インバータ回路２０に対して特殊な制御を行うように、制御ユニット３０を構成（プログラミング）した装置となっている。そのため、以下では、制御ユニット３０による、自立運転時のインバータ回路２０に対する制御内容を中心に、本実施形態に係る電力変換装置の機能を説明することにする。
まず、自立運転中に制御ユニット３０がインバータ回路２０に対して行う基本的な制御内容を説明する。
図３に、正のＶｕｏが出力されときのＵ相電位、Ｏ相電位、Ｖｕｏの時間変化を示し、図４に、負のＶｕｏが出力されるときのＵ相電位、Ｏ相電位、Ｖｕｏの時間変化を示す。また、図５、図６に、それぞれ、図３、図４に示してある電位、電圧の時間変化を実現するために制御ユニット３０がインバータ回路２０に対して行う制御内容を示す。なお、図３及び図４に示してある電位、電圧の変化パターンは、リアクトルＬｕ、Ｌｏ及びＬｗとコンデンサＣ３〜Ｃ５とにより平滑化されることを考慮していないものである。また、図３、図４及び以下の説明において、Ｕ相電位、Ｏ相電位、Ｗ相電位とは、それぞれ、中性点の電位を基準とした、Ｕ端子２４ｕ、Ｏ端子２４ｏ、Ｗ端子２４ｗの電位のことである。
図３及び図４に示してあるように、自立運転中、制御ユニット３０は、基本的には、Ｏ
相電位が０Ｖとなり、Ｕ相電位が時間変化するように、インバータ回路２０を制御する。また、正のＶｕｏを出力する場合、制御ユニット３０は、第１コンデンサＣ１の電圧Ｖｃが負荷４０に印加されるモード１（図５（ａ））と、負荷４０に電圧が印加されないモード２（負荷４０の両端が中性点に接続されるモード２；図５（ｂ））とで交互に動作するように、インバータ回路２０を制御する。負のＶｕｏを出力する場合、制御ユニット３０は、第２コンデンサＣ２の電圧Ｖｃが、負荷４０に、正のＶｕｏの出力時とは逆方向に印加されるモード３（図６（ａ））と、負荷４０に電圧が印加されないモード４（負荷４０の両端が中性点に接続されるモード４；図６（ｂ））とで交互に動作するように、インバータ回路２０を制御する。
なお、制御ユニット３０が行う上記制御は、“モード１の持続時間＋モード２の持続時間”が、予め設定されている時間（以下、スイッチング周期と表記する）と一致し、モード１の持続時間／スイッチング周期を、その時点において出力すべきＶｕｏ値に応じて変化させる制御である。
また、自立運転中、制御ユニット３０は、Ｗ相電位が、−Ｕ相電位（Ｕ相電位の極性を反転させた電位）となるように、インバータ回路２０を制御する。
第１コンデンサＣ１の端子間電圧と第２コンデンサＣ２の端子間電圧とが等しい場合、上記制御により、正常な単相３線出力（図２参照）を得ることが出来る。ただし、電力変換装置の利用状況によっては、コンデンサ電圧がアンバランスとなってしまう（第１コンデンサＣ１の端子間電圧と第２コンデンサＣ２の端子間電圧とが異なってしまう）場合もある。そして、コンデンサ電圧がアンバランスになると、正常な単相３線出力が得られないことや、インバータ回路２０の部品への過電流や過電圧によりインバータ回路２０が破損することがあり得る。
そのような不具合が生ずることを抑止するために、本実施形態に係る電力変換装置の制御ユニット３０は、自立運転の開始が指示された場合、図７に示した手順の自立運転用制御処理を行うように、構成（プログラミング）されている。なお、自立運転用制御処理のステップＳ１０１〜Ｓ１０３の処理は、コンセント用継電器、系統用継電器が共にＯＦＦとされている状態で行われる処理である。
すなわち、自立運転の開始が指示されたため、この自立運転用制御処理を開始した制御ユニット３０は、まず、電圧センサ３１ｐ、３１ｎを用いて第１コンデンサＣ１の端子間電圧と第２コンデンサＣ２の端子間電圧とを測定し、測定した端子間電圧間の電圧差を算出する（ステップＳ１０１）。
次いで、制御ユニット３０は、算出した電圧差の絶対値が、第１設定値以下であるか否かを判断する（ステップＳ１０２）。ここで、第１設定値とは、上記のような不具合が生ずる恐れがある電圧差として予め設定されている値のことである。
制御ユニット３０は、電圧差の絶対値が第１設定値以下ではなかった場合（ステップＳ１０２；ＮＯ）には、ステップＳ１０３にて、コンデンサ電圧均衡化処理を行う。
コンデンサ電圧均衡化処理は、コンデンサＣ１、Ｃ２間の電圧差が、予め設定されている、第１設定値よりも小さな第２設定値以下となるまで、端子間電圧がより高い方のコンデンサ（Ｃ１又はＣ２）に蓄えられている電力で他方のコンデンサ（Ｃ２又はＣ１）を充電する処理である。
以下、第１コンデンサＣ１の端子間電圧が第２コンデンサＣ２の端子間電圧よりも高か
い場合を例に、コンデンサ電圧均衡化処理の内容をより具体的に説明する。
第１コンデンサＣ１の端子間電圧が第２コンデンサＣ２の端子間電圧よりも高かった場合、制御ユニット３０は、図８及び図９に示した内容のコンデンサ電圧均衡化処理を行う。なお、図８、図９及び後述する図１０におけるリアクトルＬ０、コンデンサＣ０は、それぞれ、リアクトルＬｕ及びリアクトルＬｏに相当するインダクタンス成分、コンデンサＣ３及びコンデンサＣ４に相当する静電容量成分である。
すなわち、第１コンデンサＣ１の端子間電圧が第２コンデンサＣ２の端子間電圧よりも高かった場合、制御ユニット３０は、コンデンサ電圧均衡化処理を開始して、第１コンデンサＣ１に放電させた電力でリアクトルＬ０及びコンデンサＣ０を充電する放電モード（図８（ａ））と、リアクトルＬ０及びコンデンサＣ０に充電した電力で第２コンデンサＣ２を充電する充電モード（図８（ｂ））とで交互に動作するようにインバータ回路２０を制御する。さらに、図９に示した電流経路で、第１コンデンサＣ１からの放電と第２コンデンサＣ２への充電を交互に行う。なお、図８と図９の動作を低周波で入れ替え、それぞれの中の（ａ）と（ｂ）の切り替えは高周波で行うのが良い。
また、第１コンデンサＣ１の端子間電圧が第２コンデンサＣ２の端子間電圧よりも高い場合に、インバータ回路２０に図８の（ａ）、（ｂ）に示した状態を短周期で交互に取らせる制御と、インバータ回路２０に図１０の（ａ）、（ｂ）に示した状態を交互に取らせる制御とを繰り返すコンデンサ電圧均衡化処理であって、図８の（ａ）の状態から図１０の（ａ）の状態へ、又は、図１０の（ａ）の状態から図８の（ａ）の状態へ移行するコンデンサ電圧均衡化処理が実行されるようにしておいても良い。
図７に戻って、説明を続ける。
コンデンサ電圧均衡化処理を終えた制御ユニット３０は、単相３線出力用制御処理を開始する（ステップＳ１０４）。また、電圧差の絶対値が第１設定値以下であった場合（ステップＳ１０２；ＹＥＳ）、制御ユニット３０は、コンデンサ電圧均衡化処理を行うことなく、単相３線出力用制御処理を開始する（ステップＳ１０４）。
単相３線出力用制御処理を開始した制御ユニット３０は、まず、コンセント用継電器（自立運転用の１００Ｖ及び２００Ｖコンセントにインバータ回路２０の出力端子を接続するための継電器）をＯＮする。そして、制御ユニット３０は、図３〜図６を用いて説明した制御処理に、第１コンデンサＣ１の端子間電圧と第２コンデンサＣ２の端子間電圧の電圧差（以下、コンデンサ電圧差と表記する）を小さくするための制御処理を加えた処理を開始する。
すなわち、自立運転用の１００Ｖ、２００Ｖコンセントに接続される機器によっては、自立運転中に、コンデンサ電圧がアンバランスとなってしまう（第１コンデンサＣ１の端子間電圧と第２コンデンサＣ２の端子間電圧とが異なってしまう）場合がある。そして、コンデンサ電圧がアンバランスになると、既に説明したように、正常な単相３線出力が得られないことや、インバータ回路２０の部品への過電流や過電圧によりインバータ回路２０が破損することがあり得る。
そのような不具合が生ずることを抑止するために、制御ユニット３０は、自立運転中に、コンデンサ電圧差が第３設定値を超えた場合には、コンデンサ電圧差を小さくするためのＯ相電位の制御処理を行うように構成されている。なお、第３設定値とは、予め定められている値のことである。この第３設定値としては、例えば、上記した第１設定値と同じ値を使用することが出来る。
具体的には、コンデンサ電圧差が第３設定値を超えた場合、制御ユニット３０は、以下の条件を満たすようにＯ相電位を制御する制御処理を開始する。
条件１：Ｏ相電位が正又は負に変化しているときに、端子間電圧が高い方のコンデンサ（Ｃ１又はＣ２）に蓄積された電力が他方のコンデンサに蓄積された電力よりも多く消費される。
条件２：Ｏ相電位を、１スイッチング周期内の時間平均値が“０”となるように変化させる。
条件３：Ｏ相電位を正又は負となる時間が、コンデンサ電圧差に応じた時間となる。
なお、条件３は、Ｏ相電位を上下する時間がコンデンサ電圧差に比例するといった条件であっても、Ｏ相電位を上下する時間が、コンデンサ電圧差に比例した値と、コンデンサ電圧差の時間積分値とから求められるといった条件であっても、Ｏ相電位を上下する時間が、コンデンサ電圧差に比例した値と、コンデンサ電圧差の時間積分値と、コンデンサ電圧差の時間微分値とから求められるといった条件であっても良い。
条件１が成立すれば、両コンデンサＣ１及びＣ２の端子間電圧差を低減することが出来る。また、条件２が成立すれば、Ｖｕｏ、Ｖｗｏ、Ｖｕｗの波形に悪影響を与えない（各出力波形を歪ませない）ことが出来る。具体的には、正のＶｕｏの出力時を例に説明すると、図１１から明らかなように、条件２が成立すれば、Ｖｕｏの１スイッチング周期内の積分値が、Ｏ相電位を変化させない場合と同じ値となる。従って、条件２が成立すれば、Ｖｕｏ、Ｖｗｏ、Ｖｕｗの波形に悪影響を与えない（各出力波形を歪ませない）ことが出来る。また、条件３が成立するようにしておけば、両コンデンサＣ１及びＣ２の端子間電圧差を、短時間のうちに低減することが可能となる。
そして、インバータ回路２０は、条件１〜３を満たした状態で図１１に示してあるようにＵ相電位、Ｏ相電位を変化させることができる構成を有している。
具体的には、第２コンデンサＣ２の端子間電圧の方が第１コンデンサＣ１の端子間電圧よりも高い場合、モード１で動作しているインバータ回路２０（図５（ａ））を、図１２に示した電流経路が形成されるモード５で動作させれば、Ｕ相電位を変えずに、Ｏ相電位を上げること（Ｏ相電位を、端子２１ｐの電位（正電位）とすること）が出来る。また、モード２で動作しているインバータ回路２０（図５（ｂ））を、図１３に示した電流経路が形成されるモード６で動作させれば、Ｕ相電位を変えずに、第２コンデンサＣ２に蓄えられた電力に基づき、Ｏ相電位を下げること（Ｏ相電位を、端子２１ｎの電位（負電位）とすること）が出来る。
そのため、第２コンデンサＣ２の端子間電圧の方が第１コンデンサＣ１の端子間電圧よりも高い状況下、正のＶｕｏを出力する場合、単相３線出力用制御処理では、図１１に示してあるように、インバータ回路２０の動作モードが、モード１、５、１、２、６、２といった順に繰り返し変更される。
正のＶｕｏの出力時に上記制御が行われる場合、単相３線出力用制御処理では、負のＶｕｏの出力時、正／負のＶｕｏの出力時にも同様の制御が行われる。すなわち、上記条件１〜３を満たすように、Ｕ端子２４ｕの接続先を、一時的に、中性点から入力端子２１ｐ又は２１ｎに変更する制御が行われる。
そして、単相３線出力用制御処理では、コンデンサ電圧差が、第３設定値以下の第４設定値（例えば、第２設定値と同じ値）以下となったときに、通常の制御処理が開始される。
図７に戻って、自立運転用制御処理の残りのステップについて説明する。
上記のような内容の単相３線出力用制御処理を開始した制御ユニット３０は、自立運転モードの解除が指示されるのを監視する（ステップＳ１０５）。そして、制御ユニット３０は、自立運転モードの解除が指示された場合（ステップＳ１０５；ＹＥＳ）には、単相３線出力用制御処理を終了する（ステップＳ１０６）と共に、この自立運転用制御処理を終了して、三相交流出力用制御処理を開始する。
以上、説明したように、本実施形態に係る電力変換装置は、コンデンサ電圧平衡化処理を行う機能（図７、図８等参照）を有している。従って、電力変換装置では、第１コンデンサＣ１と第２コンデンサＣ２の端子間電圧に大きな差がある状態で単相３線出力用制御処理が開始されて不具合が生じてしまうことも抑止することが出来る。また、電力変換装置の制御ユニット３０は、上記条件１〜３が満たされるように、Ｏ相電位を制御する処理を行う機能を有している。そして、当該処理が行われれば、Ｖｕｏ及びＶｗｏ（及びＶｕｗ）の波形に悪影響が与えられない形で、端子間電圧が高い方のコンデンサの端子間電圧を他方のコンデンサの端子間電圧に近づくことになる。従って、本実施形態に係る電力変換装置によれば、単相３線出力中に、正常な単相３線出力が得られなくなるといったような不具合が発生し難いことにもなる。
《変形例》
上記した実施形態に係る電力変換装置は、各種の変形を行えるものである。例えば、電力変換装置を、単相で系統連系する装置や単相３線出力のみを行う装置に変形することが出来る。また、図１４に示してあるように、電力変換装置のインバータ回路２０の第１コンデンサＣ１、第２コンデンサＣ２に、それぞれ、数百ｋΩ程度の抵抗２５ｐ、抵抗２５ｎを並列接続しておくと共に、上記したコンデンサ電圧均衡化処理の代わりに、コンデンサ電圧差が第２設定値以下となるのを待機する処理が行われるようにしておくことが出来る。また、図１５に示してあるように、第１コンデンサＣ１、第２コンデンサＣ２に、それぞれ、抵抗２６ｐとスイッチング素子２７ｐとを直列接続した回路、抵抗２６ｎとスイッチング素子２７ｎを直列接続した回路を並列接続しておくと共に、上記したコンデンサ電圧均衡化処理の代わりに、スイッチング素子２７ｐ、２７ｎを、一定時間の間だけ、又は、コンデンサ電圧差が規定値以下となるまで、ＯＮする処理が行われるようにしておくことも出来る。
また、電力変換装置を、図１６に示した構成を有する装置、すなわち、第１コンデンサＣ１の両端と第２コンデンサＣ２の両端とに印加する電圧を個別に制御可能な、２つの直流発電装置３５と接続されるＤＣ／ＤＣ変換回路１０を備えた装置に変形することも出来る。この場合、制御ユニット３０を、第１コンデンサＣ１の端子間電圧と第２コンデンサＣ２の端子間電圧とが一致するようにＤＣ／ＤＣ変換回路１０を制御するユニットとしておくだけで、単相３線出力の開始時や実行中に、コンデンサ電圧のアンバランスに起因する不具合が生ずることを抑止できることになる。
また、単相３線出力用制御処理中のＯ相電位の制御処理は、第１コンデンサＣ１及び第２コンデンサＣ２の中の、端子間電圧が高い方のコンデンサに蓄積された電力が他方のコンデンサに蓄積された電力よりも多く消費されるようにＯ相電位を正負に変化させる処理でありさえすれば、上記したものと具体的な内容が異なる処理であっても良い。従って、例えば、第２コンデンサＣ２の端子間電圧の方が第１コンデンサＣ１の端子間電圧よりも高い状況下において正のＶｕｏを出力する場合（図１１参照）、インバータ回路２０の動作モードが、モード５、１、６、２といった順や、モード１、５、６、２といった順で繰り返し変更されるようにしておいても良い。
また、Ｏ相電位を制御する制御処理が常に行われるように、電力変換装置（制御ユニット３０）を変形しても良い。ただし、当該制御処理は、第１コンデンサＣ１の端子間電圧と第２コンデンサＣ２の端子間電圧がほぼ一致している場合には、不要な処理である。そして、当該制御処理のＯＮ／ＯＦＦが頻繁に行われるのも好ましいことではないので、制御ユニット３０は、上記したように、コンデンサ電圧差が第３設定値を超えている場合にＯ相電位を制御する処理を開始し、コンデンサ電圧差が第４設定値よりも小さな第４設定値以下となった場合に当該処理を終了する装置として構成しておくことが好ましい。
また、制御ユニット２０を、単相３線出力用制御処理の実行中に、コンデンサ電圧差が過度に大きくなった場合、単相３線出力用制御処理を中止すると共にコンセント用継電器をＯＦＦし、コンデンサ電圧均衡化処理によりコンデンサ電圧差を小さくしてから、単相３線出力を再開するユニットに変形しておいても良い。さらに、インバータ回路２０の具体的な構成（回路構成、使用されている素子）が上記したものとは異なっていても良いことや、自立運転時の電力の出力先が自立運転用のコンセントではなくても良いことなどは、当然のことである。
１０ ＤＣ／ＤＣ変換回路
１１ｎ、１１ｐ 入力端子
２０ インバータ回路
２１ｎ、２１ｐ 入力端子
２２ 分圧回路
２３ｏ Ｏ相用レグ
２３ｕ Ｕ相用レグ
２３ｗ Ｗ相用レグ
２４ｏ Ｏ端子
２４ｕ Ｕ端子
２４ｗ Ｗ端子
２７ｎ、２７ｐ スイッチング素子
３０ 制御ユニット
３１ｎ、４１ｐ 電圧センサ
３５ 直流発電装置
４０ 負荷
Ｃ１〜Ｃ５ コンデンサ
Ｄｕ１〜Ｄｕ６、Ｄｏ１〜Ｄｏ６、Ｄｗ１〜Ｄｗ６ ダイオード
Ｌｕ、Ｌｏ、Ｌｗ リアクトル
Ｓｕ１〜Ｓｕ４、Ｓｏ１〜Ｓｏ４、Ｓｗ１〜Ｓｗ６ スイッチング素子

Claims (6)

  1. 入力された直流電圧を１／２に分圧するための直列接続された第１コンデンサ及び第２コンデンサと、複数のスイッチング素子と、第１〜第３出力端子とを備えた中性点クランプ方式のインバータ回路と、
    前記インバータ回路に対して、前記第１出力端子及び前記第２出力端子間から第１の交流を出力させると共に前記第３出力端子及び前記第２出力端子間から前記第１の交流の極性を反転した第２の交流を出力させるための単相３線出力用制御処理を実行可能な制御装置と、
    を含み、
    前記制御装置は、前記単相３線出力用制御処理の開始が指示されたときに、前記第１コンデンサの端子間電圧と前記第２コンデンサの端子間電圧との間の電圧差が所定の閾値以下ではなかった場合には、前記電圧差を低減するためのコンデンサ電圧均衡化処理を行ってから、前記単相３線出力用制御処理を開始する
    ことを特徴とする電力変換装置。
  2. 前記制御装置は、前記電圧差が前記閾値以下であった場合には、前記コンデンサ電圧均衡化処理を行うことなく、前記単相３線出力用制御処理を開始する
    ことを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
  3. 前記コンデンサ電圧均衡化処理が、前記第１コンデンサ、前記第２コンデンサの中の端子間電圧が高い方のコンデンサに蓄えられている電力で、他方のコンデンサが充電されるように前記インバータ回路を制御する処理である
    ことを特徴とする請求項１又は２に記載の電力変換装置。
  4. 前記インバータ回路が、前記第１コンデンサの両端に並列接続された第１抵抗と、前記第２コンデンサの両端に並列接続された第２抵抗とを備えた回路であり、
    前記コンデンサ電圧均衡化処理が、前記第１コンデンサの端子間電圧と前記第２コンデンサの端子間電圧との間の電圧差が、前記閾値以下の第２閾値以下となるまで待機する処理である
    ことを特徴とする請求項１又は２に記載の電力変換装置。
  5. 前記インバータ回路が、第１抵抗と第１スイッチング素子とを直列接続した回路が前記第１コンデンサの両端に並列接続され、第２抵抗と第２スイッチング素子とを直列接続した回路が前記第２コンデンサの両端に並列接続された回路であり、
    前記コンデンサ電圧均衡化処理が、前記第１スイッチング素子及び前記第２スイッチング素子を所定時間の間だけＯＮする処理である
    ことを特徴とする請求項１又は２に記載の電力変換装置。
  6. 入力された直流電圧を１／２に分圧するための直列接続された第１コンデンサ及び第２コンデンサと、複数のスイッチング素子と、第１〜第３出力端子とを備えた中性点クランプ方式のインバータ回路と、
    直流発電装置からの電圧に基づき、前記第１コンデンサの両端間に印加する電圧と、前記第２コンデンサの両端間に印加する電圧とを生成するＤＣ／ＤＣ変換回路であって、前記第１コンデンサの両端間に印加する電圧の大きさと、前記第２コンデンサの両端間に印加する電圧と各コンデンサの両端間に印加する電圧の大きさとを、個別に制御可能なＤＣ／ＤＣ変換回路と、
    前記インバータ回路に対して、前記第１出力端子及び前記第２出力端子間から第１の交流を出力させると共に前記第３出力端子及び前記第２出力端子間から前記第１の交流の極性を反転した第２の交流を出力させるための単相３線出力用制御処理を実行可能な制御装
    置であって、前記第１コンデンサと前記第２コンデンサの両端間に同じ電圧が印加されるように前記ＤＣ／ＤＣ変換回路を制御する制御装置と、
    を備えることを特徴とする電力変換装置。
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