JP2019068526A - コンバータシステム - Google Patents

Abstract

【課題】急な負荷変動に対応可能なコンバータシステムを提供する。【解決手段】コンバータシステム１００は、変換部３と制御回路４とを備える。変換部３は、互いに電気的に並列に接続されている複数の電力変換回路３０を有する。複数の電力変換回路３０の各々は、動作モードとして、電力変換回路３０が出力する個別電力が、個別電力の下限に近づくように、スイッチング素子をスイッチング制御する第１モードと、個別電力が下限よりも大きな所定の電力閾値ＰＴＨ以上となるように、スイッチング素子をスイッチング制御する第２モードと、を有する。制御回路４は、出力電力に応じて、複数の電力変換回路３０のうちで第２モードを行わせる電力変換回路３０の数を変更する。【選択図】図１

Description

本開示は、一般にコンバータシステムに関し、より詳細には、電気的に並列に接続される複数の電力変換回路を備えたコンバータシステムに関する。

従来、並列に接続され、一方向又は双方向に電力を変換する複数の電源装置を備えた並列型電源装置が知られている（例えば特許文献１参照）。

特許文献１に記載の並列型電源装置では、複数の電源装置が各々コントローラを備えている。そして、複数のコントローラのうちの一つが、複数の電源装置のうちの稼働する台数を、複数の電源装置に流れる電流又は複数の電源装置の電力の合計値に応じて決定している。

特開２０１５−２７２１０号公報

並列に接続された複数の電源装置（電力変換回路）を備えた並列型電源装置（コンバータシステム）では、出力電力が増加して稼働中の電源装置の定格電力の合計を超えた場合等に、稼働する電源装置の台数を増加させる必要がある。しかしながら、電源装置（電力変換回路）は、停止している状態から電力を出力可能な状態となるまでに、例えばスイッチング素子のデューティを徐々に上昇させる時間等が必要であり、所定の起動時間が必要である。このため、例えば短時間で消費電力が急増する場合等、急な負荷変動に対応するのが困難であった。

本開示は上記事由に鑑みてなされており、急な負荷変動に対応可能なコンバータシステムを提供することを目的とする。

本開示の一態様に係るコンバータシステムは、変換部と、制御回路と、を備える。前記変換部は、一対の入力端子から入力される直流の入力電力を直流の出力電力に変換して一対の出力端子から出力する。前記制御回路は、前記変換部の動作を制御する。前記変換部は、複数の電力変換回路を有する。前記複数の電力変換回路の各々は、スイッチング素子を備えている。前記複数の電力変換回路は、前記一対の入力端子と前記一対の出力端子との間に互いに電気的に並列に接続されている。前記出力電力は、前記複数の電力変換回路の各々から前記一対の出力端子に出力される個別電力の合計である。前記複数の電力変換回路の各々は、前記制御回路の制御に応じて行う動作モードとして、第１モードと第２モードとを有する。前記第１モードは、前記個別電力が、出力可能な前記個別電力の下限に近づくように、前記スイッチング素子をスイッチング制御する動作モードである。前記第２モードは、前記個別電力が前記下限よりも大きな所定の電力閾値以上となるように、前記スイッチング素子をスイッチング制御する動作モードである。前記制御回路は、前記出力電力に応じて、前記複数の電力変換回路のうちで前記第２モードを行わせる電力変換回路の数を変更する。

本開示のコンバータシステムは、急な負荷変動に対応可能という利点がある。

図１は、本開示の一実施形態に係るコンバータシステムを備えた電力システムのブロック図である。 図２は、同上のコンバータシステムの電力変換回路の回路図である。 図３は、同上のコンバータシステムの電力変換回路の変換効率の特性を示す説明図である。

（実施形態）
以下、本実施形態のコンバータシステム１００を添付の図面に基づいて説明する。

図１は、本実施形態のコンバータシステム１００を備えた電力システムのブロック図である。図１に示すように、コンバータシステム１００は、一対の第１端子１と、一対の第２端子２と、変換部３と、制御回路４と、を備えている。なお、本実施形態では、電力システムが一般的な戸建て住宅に用いられる場合を例として説明するが、これに限らず、電力システムは集合住宅の各住戸、事業所等に用いられてもよい。

変換部３は、一対の第１端子１と一対の第２端子２との間に電気的に接続されている。変換部３は、一対の入力端子（一対の第１端子１と一対の第２端子２とのうちの一方）から入力される直流の入力電力を、直流の出力電力に変換して、一対の出力端子（一対の第１端子１と一対の第２端子２とのうちの他方）から出力する。

本実施形態の電力システムでは、一対の第１端子１の間に、蓄電池５が電気的に接続されている。蓄電池５は、例えば鉛蓄電池又はリチウムイオン電池等からなる。また、一対の第２端子２にはインバータ（ＡＣ−ＤＣコンバータ）６の一端が電気的に接続されている。インバータ６の他端には、交流電源（例えば、商用電源等の系統電源）７及び負荷機器８が接続されている。

本実施形態の変換部３は、蓄電池５の直流電力（第１直流電力）とインバータ６の直流電力（第２直流電力）との間で、電力変換を行うよう構成されている。本実施形態の変換部３は、蓄電池５の直流電力とインバータ６の直流電力との間で、双方向の電力変換を行うことが可能である。ここで、蓄電池５の直流電力（第１直流電力）は、蓄電池５の電圧（一対の第１端子１間の電圧：第１直流電圧Ｖ１）と、第１端子１を流れる電流との積である。インバータ６の直流電力（第２直流電力）は、インバータ６の電圧（一対の第２端子２間の電圧：第２直流電圧Ｖ２）と、第２端子２を流れる電流との積である。例えば、蓄電池５の放電時、変換部３は、蓄電池５からの第１直流電力を第２直流電力に変換し、インバータ６に出力する。蓄電池５の充電時、変換部３は、インバータ６からの第２直流電力を第１直流電力に変換し、蓄電池５に出力する。

図１に示すように、変換部３は、複数の電力変換回路３０を有している。複数の電力変換回路３０は、一対の第１端子１と一対の第２端子２との間に、互いに電気的に並列に接続されている。変換部３から出力される出力電力は、複数の電力変換回路３０の各々から出力される個別電力の、合計電力である。複数の電力変換回路３０の各々の個別電力の大きさ（絶対値）の上限値（各電力変換回路３０の定格電力）は、例えば１ｋＷである。複数の電力変換回路３０の各々の個別電力の大きさ（絶対値）の下限値は、例えば略０Ｗである。

本実施形態では、複数の電力変換回路３０は、同じ回路構成を有する。図２に、各電力変換回路３０の回路構成を示す。各電力変換回路３０は、スイッチング素子３００（第１スイッチング素子３０１及び第２スイッチング素子３０２）と、第１コンデンサ３０３と、第２コンデンサ３０４と、インダクタ３０５と、コントローラ３０６と、電流センサ３０７と、を備えている。また、電力変換回路３０は、一対の第１端子３０８と、一対の第２端子３０９と、を備えている。各電力変換回路３０の一対の第１端子３０８は、コンバータシステム１００の一対の第１端子１にそれぞれ電気的に接続されている。各電力変換回路３０の一対の第２端子３０９は、コンバータシステム１００の一対の第２端子２にそれぞれ電気的に接続されている。

第１スイッチング素子３０１及び第２スイッチング素子３０２の各々は、エンハンスメント型のｎチャネルＭＯＳＦＥＴ（metal-oxide-semi conductorfield-effect transistor）である。第１スイッチング素子３０１及び第２スイッチング素子３０２の各々におけるドレイン−ソース間には、寄生ダイオード（ボディダイオード）が存在する。第１スイッチング素子３０１及び第２スイッチング素子３０２の各々では、寄生ダイオードのアノードがソース側、カソードがドレイン側である。

第１コンデンサ３０３の第１端および第２端は、一対の第１端子３０８にそれぞれ電気的に接続されている。インダクタ３０５の第１端は、第１コンデンサ３０３の第１端（高電位側の端子）に電気的に接続されている。第１スイッチング素子３０１のドレインは、インダクタ３０５の第２端に電気的に接続されている。第１スイッチング素子３０１のソースは、第１コンデンサ３０３の第２端（低電位側の端子）に電気的に接続されている。第１スイッチング素子３０１のゲートは、コントローラ３０６に電気的に接続されている。第２スイッチング素子３０２のソースは、インダクタ３０５の第２端に電気的に接続されている。第２スイッチング素子３０２のドレインは、第２コンデンサ３０４の第１端（高電位側の端子）に電気的に接続されている。第２スイッチング素子３０２のゲートは、コントローラ３０６に電気的に接続されている。第２コンデンサ３０４の第２端（低電位側の端子）は、第１スイッチング素子３０１のソースに電気的に接続されている。また、第２コンデンサ３０４の第１端および第２端は、一対の第２端子３０９にそれぞれ電気的に接続されている。電流センサ３０７は、シャント抵抗である。電流センサ３０７は、第２スイッチング素子３０２及び第２コンデンサ３０４の接続点と、一方の第２端子２（高電位側の第２端子２）と、の間の電路に介在している。コントローラ３０６は、シャント抵抗である電流センサ３０７の両端電圧を計測し、計測した両端電圧からシャント抵抗に流れる電流を求める。

コントローラ３０６は、例えばマイクロコンピュータを主構成としており、メモリ（図示せず）に記憶されているプログラムを実行することにより各種処理を実行する。プログラムは、予めメモリに記憶されて提供されてもよく、電気通信回線を通して提供されてもよく、記憶媒体に記憶されて提供されてもよい。コントローラ３０６は、制御回路４に電気的に接続されている。コントローラ３０６は、第１スイッチング素子３０１及び第２スイッチング素子３０２をスイッチング制御する。コントローラ３０６は、各スイッチング素子３００のゲートにＰＷＭ（Pulse Width Modulation）信号を出力することで、スイッチング素子３００をスイッチング制御する。コントローラ３０６は、制御回路４からの制御信号に応じて、各スイッチング素子３００をスイッチング制御する。

電力変換回路３０は、第１スイッチング素子３０１がスイッチング制御され、第２スイッチング素子３０２がオフ制御されることで、一対の第１端子３０８に入力される第１直流電圧Ｖ１を昇圧して一対の第２端子３０９から出力する昇圧動作を行う。また、電力変換回路３０は、第１スイッチング素子３０１がオフ制御され、第２スイッチング素子３０２がスイッチング制御されることで、一対の第２端子３０９に入力される第２直流電圧Ｖ２を降圧して一対の第１端子３０８に出力する降圧動作を行う。このように、本実施形態では、複数の電力変換回路３０の各々は双方向ＤＣ−ＤＣコンバータである。

コントローラ３０６は、電流センサ３０７で計測される電流の値が、制御回路４からの制御信号で指定される値となるように、第１スイッチング素子３０１又は第２スイッチング素子３０２に出力するＰＷＭ信号のデューティを調整する。

上記のように、複数の電力変換回路３０の各々は、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータである。このため、複数の電力変換回路３０を備えた変換部３は、第１動作と第２動作とを切り換えて実行可能である。変換部３の第１動作は、一対の入力端子としての一対の第１端子１に入力される直流の入力電力を、直流の出力電力に変換して、一対の出力端子としての一対の第２端子２から出力する動作である。変換部３の第２動作は、一対の入力端子としての一対の第２端子２に入力される直流の入力電力を、直流の出力電力に変換して、一対の出力端子としての一対の第１端子１から出力する動作である。本実施形態では、変換部３の第１動作は、各電力変換回路３０に昇圧動作を行わせることで実現される。また、変換部３の第２動作は、各電力変換回路３０に降圧動作を行わせることで実現される。

制御回路４は、変換部３の動作を制御する。制御回路４は、複数の電力変換回路３０の各々の動作を制御する。制御回路４は、各電力変換回路３０のコントローラ３０６に制御信号を出力することで、各電力変換回路３０の動作を制御する。制御信号には、電力変換回路３０に昇圧動作を行わせるか或いは降圧動作を行わせるかの情報、電力変換回路３０の個別電力の目標値（或いは、電力変換回路３０が出力する電流の目標値）の情報等が含まれる。制御回路４は、例えばマイクロコンピュータを主構成としており、メモリ（図示せず）に記憶されているプログラムを実行することにより各種処理を実行する。プログラムは、予めメモリに記憶されて提供されてもよく、電気通信回線を通して提供されてもよく、記憶媒体に記憶されて提供されてもよい。

複数の電力変換回路３０の各々は、制御回路４の制御（制御回路４からの制御信号）に応じて行う動作モードとして、第１〜第３モードを有している。

第１モードは、電力変換回路３０の個別電力が、出力可能な個別電力の下限に近づくように、この電力変換回路３０のスイッチング素子３００（昇圧動作の場合は第１スイッチング素子３０１、降圧動作の場合は第２スイッチング素子３０２）をスイッチング制御するモードである。第１モードにおいて、電力変換回路３０のコントローラ３０６は、電力変換回路３０の個別電力が下限に近づくように（電流センサ３０７で計測される電流の値がゼロに近づくように）、ＰＷＭ信号のデューティを調整する。例えば、コントローラ３０６は、電力変換回路３０を通過する電力が、スイッチング素子３００、コンデンサ３０３、３０４等で熱等に変換されて消費される程度に小さくなるようなデューティで、スイッチング素子３００をスイッチングする。

ここで、「電力変換回路３０の個別電力が、出力可能な個別電力の下限に近づくようにスイッチング素子３００をスイッチング制御する」とは、一例として、電力変換回路３０の個別電力が例えば０Ｗに近づくようにスイッチング素子３００をスイッチング制御することを意味する。但しこれに限らず、電力変換回路３０の個別電力が、スイッチング素子３００のスイッチング制御を維持しながら取り得る最小値に近づくように、スイッチング素子３００をスイッチング制御することであってもよい。例えば、電力変換回路３０の個別電力が１Ｗ、２Ｗ等に近づくように、スイッチング素子３００をスイッチング制御することであってもよい。

第２モードは、電力変換回路３０の個別電力が、下限よりも大きな所定の電力閾値Ｐ_ＴＨ以上となるように、この電力変換回路３０のスイッチング素子３００（昇圧動作の場合は第１スイッチング素子３０１、降圧動作の場合は第２スイッチング素子３０２）をスイッチング制御するモードである。第２モードにおいて、電力変換回路３０のコントローラ３０６は、電力変換回路３０の個別電力の大きさが制御信号で指定される目標値に近づくように（電流センサ３０７で計測される電流の値が制御信号で指定される目標値に近づくように）、ＰＷＭ信号のデューティを調整する。ここで、所定の電力閾値Ｐ_ＴＨは、図３に示す電力変換回路３０の変換効率の特性に基づいて、予め定められている。電力変換回路３０の変換効率は、図３に示すように、電力変換回路３０に入力可能な電力の上限値Ｐ_ｌｉｍよりも小さな電力値で最大（最大効率：１００％）となり、最大効率（１００％）となる電力値よりも小さい範囲では、この電力値から離れるにつれて単調に減少する。電力閾値Ｐ_ＴＨは、例えば、変換効率が最大効率に対して所定の割合（例えば半分、３０％、１０％等）となるときの、入力電力の値（図３では、変換効率が最大効率の７０％のときの入力電力の値）である。

第３モードは、スイッチング素子３００のスイッチング動作を停止するモードである。すなわち、第３モードでは、第１スイッチング素子３０１及び第２スイッチング素子３０２の両方がオフ制御される。

制御回路４は、一対の出力端子（第１動作の場合は一対の第２端子２、第２動作の場合は一対の第１端子１）から出力される出力電力に応じて、複数の電力変換回路３０のうちで第２モードを行わせる電力変換回路３０の数を変更する。出力電力は、一対の出力端子を流れる電流と一対の出力端子間の電圧との積である。例えば、制御回路４は、第１動作の場合、一対の第２端子２と変換部３との間の電路に設けられた電流センサ（例えばカレントトランス）９（図１参照）で計測される電流（負荷電流）と、図示しない分圧抵抗を用いて計測される第２直流電圧Ｖ２との積から、出力電力を求める。

制御回路４は、求めた出力電力の値（絶対値）に応じて、第２モードを行わせる電力変換回路３０の数を決定する。例えば制御回路４は、予めメモリに記憶された制御データを参照して、第２モードを行わせる電力変換回路３０の数を決定する。制御データでは、出力電力の値に対して、複数段階の増加用閾値ＴＩ_ｎ及び複数段階の減少用閾値ＴＤ_ｎが規定されている。

増加用閾値ＴＩ_ｎは、変換部３が備える電力変換回路３０の数を「Ｘ」とすると、「Ｘ−１」個ある（ｎ＝１、・・・、Ｘ−１）。制御回路４は、出力電力が、最も小さな（一段階目の）増加用閾値ＴＩ_１よりも小さい場合、１台の電力変換回路３０のみに、第２モードを行わせる。制御回路４は、出力電力が、最も小さな増加用閾値ＴＩ_１よりも小さな値から変化してこの閾値ＴＩ_１を超えると、第２モードを行わせる電力変換回路３０の数を２台に増加させる。同様に、制御回路４は、出力電力が、Ｌ（Ｌ＝１、・・・、Ｘ−１）番目に小さな増加用閾値ＴＩ_Ｌよりも小さな値から変化してこの閾値ＴＩ_Ｌを超えると、第２モードを行わせる電力変換回路３０の数をＬ＋１台に増加させる。

減少用閾値ＴＤ_ｎは、変換部３が備える電力変換回路３０の数をＸとすると、「Ｘ−１」個ある（ｎ＝１、・・・、Ｘ−１）。制御回路４は、出力電力が、最も大きな減少用閾値ＴＤ_Ｘ−１よりも大きな場合、Ｘ台全ての電力変換回路３０に、第２モードを行わせる。制御回路４は、出力電力が、最も大きな減少用閾値ＴＤ_Ｘ−１よりも大きな値から変化してこの閾値ＴＤ_Ｘ−１を下回ると、第２モードを行わせる電力変換回路３０の数をＸ−１台に減少させる。同様に、制御回路４は、出力電力が、Ｍ（Ｍ＝１、・・・、Ｘ−１）番目に大きな減少用閾値ＴＤ_Ｘ−Ｍよりも大きな値から変化してこの閾値ＴＤ_Ｘ−Ｍを下回ると、第２モードを行わせる電力変換回路の数をＸ−Ｍ台に減少させる。

すなわち、制御回路４は、複数の電力変換回路３０のうち第２モードを行う電力変換回路３０の数がＮ（Ｎは１以上の整数）のとき、出力電力を増加用閾値ＴＩ_Ｎと比較する。制御回路４は、出力電力が増加用閾値ＴＩ_Ｎを超えたときに、第２モードを行わせる電力変換回路３０の数を増加させる。また、制御回路４は、複数の電力変換回路３０のうち第２モードを行う電力変換回路３０の数がＮ＋１のとき、出力電力を減少用閾値ＴＤ_Ｎと比較する。制御回路４は、出力電力が減少用閾値ＴＤ_Ｎを下回ったときに、第２モードを行わせる電力変換回路３０の数を減少させる。

ここで、第２モードを行う電力変換回路３０の数をＮからＮ＋１に増加させるための増加用閾値は、第２モードを行う電力変換回路３０の数をＮ＋１からＮに減少させるための減少用閾値よりも、大きいことが好ましい。すなわち、第２モードを行う電力変換回路３０の数を決定するための、出力電力に対する閾値は、ヒステリシス特性を有していることが好ましい。具体的には、第２モードを行う電力変換回路３０の数が３個のとき、制御回路４は、出力電力が増加すると、出力電力を増加用閾値ＴＩ_４と比較する。一方、第２モードを行う電力変換回路３０の数が４個のとき、制御回路４は、出力電力が減少すると、出力電力を減少用閾値ＴＤ_３と比較する。ここにおいて、第２モードを行う電力変換回路３０の数を３から４に増やすときと、第２モードを行う電力変換回路３０の数を４から３に減らすときとでは、使用する閾値が違っており、増加用閾値ＴＩ_４の方が、減少用閾値ＴＤ_３よりも大きい。同様に、第２モードを行う電力変換回路３０の数を２から３に増やすときと、第２モードを行う電力変換回路３０の数を３から２に減らすときとでは、使用する閾値が違っており、増加用閾値ＴＩ_３の方が、減少用閾値ＴＤ_２よりも大きい。

また、第１動作における複数段階の増加用閾値は、第２動作における複数段階の増加用閾値とは別に設定されていてもよい。同様に、第１動作における複数段階の減少用閾値は、第２動作における複数段階の減少用閾値とは別に設定されていてもよい。例えば制御回路４は、第１動作において、第１動作用の第１制御データを参照して、第２モードを行わせる電力変換回路３０の数を決定してもよい。また制御回路４は、第２動作において、第２動作用の第２制御データを参照して、第２モードを行わせる電力変換回路３０の数を決定してもよい。

言い換えれば、制御回路４は、第１動作において、第２モードを行う電力変換回路３０の数がＮ（Ｎは１以上の整数）のとき、出力電力を第１閾値（第１動作用のＮ番目に小さな増加用閾値ＴＩ_Ｎ）と比較する。制御回路４は、出力電力が第１閾値を超えたときに、第２モードを行わせる電力変換回路３０の数を増加させる。また、制御回路４は、第２動作において、第２モードを行う電力変換回路３０の数がＮのとき、出力電力を第２閾値（第２動作用のＮ番目に小さな増加用閾値ＴＩ_Ｎ）と比較する。制御回路４は、出力電力が第２閾値を超えたときに、第２モードを行わせる電力変換回路３０の数を増加させる。

上記のように制御回路４は、出力電力に応じて、第２モードを行わせる電力変換回路３０の数を変更している。したがって、特に変換部３からの出力電力が比較的小さい場合、複数の電力変換回路３０の全てが均等に個別電力を出力する構成に比べて、変換効率の高い領域で各電力変換回路３０を動作させることが可能となる。これにより、変換部３による変換効率を向上させることが可能となる。

次に、複数の電力変換回路３０のうちのいずれかに第２モードを行わせる場合、どの電力変換回路３０に第２モードを行わせるかについて、説明する。

制御回路４は、例えば、所定の要因に基づいて、第２モードを行わせる電力変換回路３０を決定する。所定の要因は、例えば、複数の電力変換回路３０の各々の累積動作時間、複数の電力変換回路３０の各々を通過した電力の量である累積通過電力量、複数の電力変換回路３０の各々の累積稼働回数から選択される。

例えば、複数の電力変換回路３０の各々の累積動作時間に基づいて第２モードを行わせる電力変換回路３０を決定する場合、制御回路４は、累積動作時間が最も小さい電力変換回路３０から順に、第２モードを行わせる。電力変換回路３０の累積動作時間は、例えば、電力変換回路３０の出荷時からの、電力変換回路３０が第２モードを行った時間の累積値である。累積動作時間は、例えば、電力変換回路３０のコントローラ３０６が備える計時部によって計測される。

例えば、複数の電力変換回路３０の各々の累積通過電力量に基づいて第２モードを行わせる電力変換回路３０を決定する場合、制御回路４は、累積通過電力量が最も小さい電力変換回路３０から順に、第２モードを行わせる。電力変換回路３０の累積通過電力は、例えば、電力変換回路３０の出荷時から累積された、電力変換回路３０を通過した電力量の総量である。累積通過電力量は、例えば、電流センサ３０７を用いて計測された電流と、第２直流電圧Ｖ２と、計時部による計時時間から求めることが可能である。

例えば、複数の電力変換回路３０の各々の累積稼働回数に基づいて第２モードを行わせる電力変換回路３０を決定する場合、制御回路４は、累積稼働回数が最も小さい電力変換回路３０から順に、第２モードを行わせる。電力変換回路３０の累積稼働回数は、例えば、電力変換回路３０の出荷時からの、電力変換回路３０が第２モードを行った回数の累積値である。

これにより、複数の電力変換回路３０の寿命を均等化することが可能となる。

なお、制御回路４は、ランダムに又は予め決められた順番に基づいて、第２モードを行わせる電力変換回路３０を決定してもよい。

また、制御回路は、所定の要因に基づいて、複数の電力変換回路３０のうちで第２モードを行わせる電力変換回路３０を変更してもよい。所定の要因は、例えば、複数の電力変換回路３０の各々の累積動作時間、複数の電力変換回路３０の各々を通過した電力の量である累積通過電力量から選択される。

例えば、複数の電力変換回路３０の各々の累積動作時間に基づいて第２モードを行わせる電力変換回路３０を変更する場合、制御回路４は、複数の電力変換回路３０の累積動作時間が略同じになるように、第２モードを行わせる電力変換回路３０を変更する。

例えば、複数の電力変換回路３０の各々の累積通過電力量に基づいて第２モードを行わせる電力変換回路３０を変更する場合、制御回路４は、複数の電力変換回路３０の累積通過電力量が略同じになるように、第２モードを行わせる電力変換回路３０を変更する。

或いは、制御回路４は、一定時間ごとに、第２モードを行わせる電力変換回路３０を変更してもよい。

本実施形態のコンバータシステム１００では、複数の電力変換回路３０のうちで第２モードを行わない電力変換回路３０は、第１モード又は第３モードを行う。本実施形態では、制御回路４は、第２モードを行わない電力変換回路３０がある場合（全ての電力変換回路３０が第２モードを行っている以外の場合）には、第２モードを行わない電力変換回路３０のうちの少なくとも１つに、第１モードを行わせる。

上述のように、第１モードでは、電力変換回路３０の個別電力が下限に近づくように、スイッチング素子３００がスイッチング制御される。すなわち、第１モードを行う電力変換回路３０は、一対の出力端子に出力する個別電力を下限（例えば０Ｗ）としながらも、スイッチング素子３００のスイッチング制御を維持している。したがって、第１モードを行う電力変換回路３０は、スイッチング素子３００のスイッチング制御を停止する第３モードを行う電力変換回路３０に比べて、短時間で第２モードに移行することが可能である。よって、変換部３の第１動作において、負荷機器８による消費電力が短時間に増加した場合であっても、第１モードを行っている電力変換回路３０の動作モードを第２モードに変更することで、変換部３から出力可能な出力電力の上限を短時間で増加させることができる。このため、本実施形態のコンバータシステム１００は、急な負荷変動に対応可能となる。

なお、例えば住人の外出中、又は夜間等、出力電力が急変する可能性が低い場合には、第２モードを行わない電力変換回路３０の全てに第３モードを行わせてもよい。第１モードを行う電力変換回路３０は、スイッチング素子３００をスイッチング制御しているため、第２モードを行う電力変換回路３０よりは少ないものの、電力の損失を生じる。このため、電力が急変する可能性が低い場合、第２モードを行わない電力変換回路３０の全てに第３モードを行わせることで、電力の損失を低減することが可能となる。

また、交流電源（商用電源）７の停電時等の、コンバータシステム１００が交流電源７から切り離された自立運転時には、第２モードを行わない電力変換回路３０の全てに第１モードを行わせてもよい。コンバータシステム１００が交流電源（商用電源）７と連系する連系運転時には、負荷機器８による消費電力が短時間で増加してコンバータシステム１００から負荷機器８への電力供給が不足しても、不足分を交流電源７から供給することが可能である。一方、自立運転時には、コンバータシステム１００からの電力供給が不足すると、負荷機器８に十分な電力が供給されなくなる可能性がある。このため、自立運転時には、第２モードを行わない電力変換回路３０の全てに第１モードを行わせることが好ましい。

制御回路４は、第２モードを行わない電力変換回路３０がある場合には、第１モードを行う電力変換回路３０の数が常に１つとなるように、複数の電力変換回路３０を制御してもよい。例えば、変換部３が、４つの電力変換回路３０を備えている場合を想定する。この場合において、例えば、出力電力に応じて１つの電力変換回路３０のみが第２モードを行っているとする。このとき、制御回路４は、残りの３つの電力変換回路３０のうちのいずれか１つに第１モードを行わせ、２つの電力変換回路３０に第３モードを行わせる。そして、出力電力が増加して２つの電力変換回路３０に第２モードを行わせる場合には、第１モードを行っていた電力変換回路３０を第２モードに移行させ、第３モードを行っていた２つの電力変換回路３０のうちのいずれかを第１モードに移行させる。このように変換部３を制御することで、急な負荷変動に対応可能としつつ、変換部３での電力損失を低減することが可能となる。

（変形例）
上述の実施形態は、本開示の様々な実施形態の一つに過ぎない。上述の実施形態は、本開示の目的を達成できれば、設計等に応じて種々の変更が可能である。以下、上述の実施形態の変形例を列挙する。以下に説明する変形例は、適宜組み合わせて適用可能である。

電力変換回路３０は、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータに限られず、一方向に電力を通過させる単方向のＤＣ−ＤＣコンバータでもよい。例えば、コンバータシステム１００の一対の第１端子１に、太陽光発電設備が接続されてもよい。

電力変換回路３０のトポロジーは、図２の構成に限られない。例えば、電力変換回路３０は、インダクタを介してブリッジ接続された４つのスイッチング素子を備えた構成であってもよいし、或いは絶縁形のコンバータであってもよい。

出力電力の値が電力閾値Ｐ_ＴＨよりも小さい場合には、制御回路４は、１つの電力変換回路３０の個別電力が出力電力と等しくなるようにこの電力変換回路３０を動作させ、残りの電力変換回路３０に第１モード又は第３モードを行わせてもよい。

制御回路４は、複数の電力変換回路３０の各々に、第１モードと第２モードとのいずれかを行わせる構成であってもよい。すなわち、電力変換回路３０は、動作モードとして第３モードを有していなくてもよい。

制御回路４は、外部の装置から送信される出力電力の指令値に基づいて、第２モードを行わせる電力変換回路３０の数を決定してもよい。例えば制御回路４の制御データでは、出力電力の指令値に対して、複数段階の増加用閾値ＴＩ_ｎ及び複数段階の減少用閾値ＴＤ_ｎが規定されていてもよい。この場合、電流センサ９が省略されてもよい。

電力変換回路３０は、コントローラ３０６を備えていなくてもよい。例えば、制御回路４が直接スイッチング素子３００の動作を制御してもよい。

制御回路４は、複数の電力変換回路３０を備えた変換部３に後付けで接続されて、複数の電力変換回路３０の動作を制御する構成であってもよい。すなわち、制御回路４は、互いに電気的に並列に接続された複数の電力変換回路３０を備えた変換部３の動作を制御する制御回路である。変換部３は、一対の入力端子から入力される直流の入力電力を直流の出力電力に変換して、一対の出力端子から出力する。出力電力は、複数の電力変換回路３０の各々から一対の出力端子に出力される個別電力の合計である。制御回路４は、複数の電力変換回路３０の各々に制御信号を出力することで、変換部３の動作を制御する。制御信号は、第１モード指定信号と、第２モード指定信号とを含む。第１モード指定信号は、電力変換回路３０に第１モードを行わせるための信号である。第２モード指定信号は、電力変換回路３０に第２モードを行わせるための信号である。電力変換回路３０の第１モードは、個別電力が下限となるようにスイッチング素子３００をスイッチング制御する動作モードである。電力変換回路３０の第２モードは、個別電力が下限よりも大きな所定の電力閾値Ｐ_ＴＨ以上となるように、スイッチング素子３００をスイッチング制御する動作モードである。制御回路４は、出力電力に応じて、複数の電力変換回路３０のうちで第２モード指定信号を出力する電力変換回路３０の数を変更する。

（態様）
以上説明した基本例及び変形例から明らかなように、第１の態様のコンバータシステム（１００）は、変換部（３）と、制御回路（４）と、を備える。変換部（３）は、一対の入力端子から入力される直流の入力電力を直流の出力電力に変換して一対の出力端子から出力する。制御回路（４）は、変換部（３）の動作を制御する。変換部（３）は、複数の電力変換回路（３０）を有する。複数の電力変換回路（３０）の各々は、スイッチング素子（３００）を備えている。複数の電力変換回路（３０）は、一対の入力端子と一対の出力端子との間に互いに電気的に並列に接続されている。出力電力は、複数の電力変換回路（３０）の各々から一対の出力端子に出力される個別電力の合計である。複数の電力変換回路（３０）の各々は、制御回路（４）の制御に応じて行う動作モードとして、第１モードと第２モードとを有する。第１モードは、個別電力が下限となるようにスイッチング素子（３００）をスイッチング制御する動作モードである。第２モードは、個別電力が下限よりも大きな所定の電力閾値（Ｐ_ＴＨ）以上となるように、スイッチング素子（３００）をスイッチング制御する動作モードである。制御回路（４）は、出力電力に応じて、複数の電力変換回路（３０）のうちで第２モードを行わせる電力変換回路（３０）の数を変更する。

この構成によれば、電力変換回路（３０）が動作モードとして第１モードを有しているので、電力変換回路（３０）が動作モードとして第１モードを有していない場合に比べて、電力変換回路（３０）が第２モードに移行する時間を短縮可能である。したがって、本態様のコンバータシステム（１００）によれば、急な負荷変動に対応可能となる。

第２の態様のコンバータシステム（１００）では、第１の態様において、制御回路（４）は、以下の制御を行う。すなわち、制御回路（４）は、複数の電力変換回路（３０）のうち第２モードを行う電力変換回路の数がＮ（Ｎは１以上の整数）のとき、出力電力を増加用閾値（ＴＩ_Ｎ）と比較する。制御回路（４）は、出力電力が増加用閾値（ＴＩ_Ｎ）を超えたときに、第２モードを行わせる電力変換回路（３０）の数を増加させる。また、制御回路（４）は、複数の電力変換回路（３０）のうち第２モードを行う電力変換回路（３０）の数がＮ＋１のとき、出力電力を減少用閾値（ＴＤ_Ｎ）と比較する。制御回路（４）は、出力電力が減少用閾値（ＴＤ_Ｎ）を下回ったときに、第２モードを行わせる電力変換回路（３０）の数を減少させる。

この構成によれば、制御回路（４）は、出力電力が増加用閾値（ＴＩ_Ｎ）を超えたときに、第２モードを行わせる電力変換回路（３０）の数を増加させる。これにより、電力変換回路（３０）を変換効率の高い領域で動作させることが可能となり、変換部（３）の変換効率を向上させることが可能となる。

第３の態様のコンバータシステム（１００）では、第２の態様において、減少用閾値（ＴＤ_Ｎ）は、増加用閾値（ＴＩ_Ｎ）よりも小さい。

この構成によれば、第２モードを行う電力変換回路（３０）の数を決定するための、出力電力に対する閾値が、ヒステリシス特性を有している。これにより、第２モードを行う電力変換回路（３０）の数が頻繁に変わるような事態を回避することが可能となり、変換部（３）の動作を安定させることが可能となる。

第４の態様のコンバータシステム（１００）では、第１の態様において、複数の電力変換回路（３０）の各々は、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータである。

この構成によれば、変換部（３）に双方向の電力変換を行わせることが可能となる。

第５の態様のコンバータシステム（１００）は、第４の態様において、一対の第１端子（１）及び一対の第２端子（２）を備える。制御回路（４）は、変換部（３）の動作を第１動作と第２動作とで切り換えて、変換部（３）に双方向の電力変換を行わせる。第１動作は、一対の入力端子としての一対の第１端子（１）から入力電力を受け取り一対の出力端子としての一対の第２端子（２）から出力電力を出力する動作である。第２動作は、一対の入力端子としての一対の第２端子（２）から入力電力を受け取り一対の出力端子としての一対の第１端子（１）から出力電力を出力する動作である。制御回路（４）は、第１動作において、第２モードを行う電力変換回路（３０）の数がＮ（Ｎは１以上の整数）のとき出力電力を第１閾値（第１動作用のＮ番目に小さな増加用閾値ＴＩ_Ｎ）と比較する。制御回路（４）は、第１動作において、出力電力が第１閾値を超えたときに第２モードを行わせる電力変換回路（３０）の数を増加させる。制御回路（４）は、第２動作において、第２モードを行う電力変換回路（３０）の数がＮのとき出力電力を第２閾値（第２動作用のＮ番目に小さな増加用閾値ＴＩ_Ｎ）と比較する。制御回路（４）は、第２動作において、出力電力が第２閾値を超えたときに第２モードを行わせる電力変換回路（３０）の数を増加させる。

この構成によれば、第１動作時（例えば、蓄電池５を放電する放電動作時）と第２動作時（例えば、蓄電池５を充電する充電動作時）とで、増加用閾値（ＴＩ_Ｎ）が独立して設定される。これにより、第１動作時と第２動作時とで電力変換回路（３０）の変換効率の特性が異なる場合であっても、第１動作時と第２動作時との各々において、電力変換回路（３０）を変換効率の高い領域で動作させることが可能となる。したがって、第１動作時と第２動作時との各々において、変換部（３）の変換効率を向上させることが可能となる。

第６の態様のコンバータシステム（１００）は、第１〜第５のいずれかの態様において、制御回路（４）は、所定の要因に基づいて、複数の電力変換回路（３０）のうちで第２モードを行わせる電力変換回路（３０）を決定する。

この構成によれば、第２モードを行う電力変換回路（３０）が所定の要因に基づいて変更されるので、複数の電力変換回路（３０）のうちで第２モードを行う電力変換回路（３０）が均等化され、複数の電力変換回路（３０）の回路部品の寿命が均等化される。結果的に、変換部（３）の寿命を延ばすことが可能となる。

第７の態様のコンバータシステム（１００）は、第６の態様において、所定の要因は、複数の電力変換回路（３０）の各々の累積動作時間、複数の電力変換回路（３０）の各々を通過した電力の量である累積通過電力量、複数の電力変換回路（３０）の各々の累積稼働回数から選択される。

この構成によれば、複数の電力変換回路（３０）の回路部品の寿命がより均等化され、変換部（３）の寿命を延ばすことが可能となる。

第８の態様のコンバータシステム（１００）は、第１〜第７のいずれかの態様において、複数の電力変換回路（３０）の各々は、動作モードとして、スイッチング素子（３００）のスイッチング動作を停止する第３モードを更に有する。

この構成によれば、電力変換回路（３０）第２モードを行わないときに、この電力変換回路（３０）に第３モードを行わせることで、変換部（３）での電力の損失を低減することが可能となる。

第９の態様のコンバータシステム（１００）は、第８の態様において、制御回路（４）は、複数の電力変換回路（３０）のうち第１モードを行わない電力変換回路（３０）ごとに、第２モードを行うか第３モードを行うかを決定する。

この構成によれば、複数の電力変換回路（３０）のうち第１モードを行わない電力変換回路（３０）に、個別に第２モード又は第３モードを行わせることが可能となる。

１００ コンバータシステム
１ 第１端子
２ 第２端子
３ 変換部
３０ 電力変換回路
３００ スイッチング素子
４ 制御回路
Ｐ_ＴＨ 電力閾値
ＴＤ_Ｎ 減少用閾値
ＴＩ_Ｎ 増加用閾値

Claims (9)

1. 一対の入力端子から入力される直流の入力電力を直流の出力電力に変換して一対の出力端子から出力する変換部と、
   前記変換部の動作を制御する制御回路と、
   を備え、
   前記変換部は、各々がスイッチング素子を備えており前記一対の入力端子と前記一対の出力端子との間に互いに電気的に並列に接続されている複数の電力変換回路を有し、前記出力電力は、前記複数の電力変換回路の各々から前記一対の出力端子に出力される個別電力の合計であり、
   前記複数の電力変換回路の各々は、前記制御回路の制御に応じて行う動作モードとして、
   前記個別電力が、出力可能な前記個別電力の下限に近づくように、前記スイッチング素子をスイッチング制御する第１モードと、
   前記個別電力が前記下限よりも大きな所定の電力閾値以上となるように、前記スイッチング素子をスイッチング制御する第２モードと、
   を有し、
   前記制御回路は、前記出力電力に応じて、前記複数の電力変換回路のうちで前記第２モードを行わせる電力変換回路の数を変更する
   コンバータシステム。
2. 前記制御回路は、
   前記複数の電力変換回路のうち前記第２モードを行う電力変換回路の数がＮ（Ｎは１以上の整数）のとき、前記出力電力を増加用閾値と比較し、前記出力電力が前記増加用閾値を超えたときに、前記第２モードを行わせる電力変換回路の数を増加させ、
   前記複数の電力変換回路のうち前記第２モードを行う電力変換回路の数がＮ＋１のとき、前記出力電力を減少用閾値と比較し、前記出力電力が前記減少用閾値を下回ったときに、前記第２モードを行わせる電力変換回路の数を減少させる
   請求項１記載のコンバータシステム。
3. 前記減少用閾値は、前記増加用閾値よりも小さい
   請求項２記載のコンバータシステム。
4. 前記複数の電力変換回路の各々は、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータである
   請求項１記載のコンバータシステム。
5. 一対の第１端子及び一対の第２端子を備え、
   前記制御回路は、前記変換部の動作を、前記一対の入力端子としての前記一対の第１端子から前記入力電力を受け取り前記一対の出力端子としての前記一対の第２端子から前記出力電力を出力する第１動作と、前記一対の入力端子としての前記一対の第２端子から前記入力電力を受け取り前記一対の出力端子としての前記一対の第１端子から前記出力電力を出力する第２動作とで切り換えて、前記変換部に双方向の電力変換を行わせ、
   前記制御回路は、
   前記第１動作において、前記第２モードを行う電力変換回路の数がＮ（Ｎは１以上の整数）のとき前記出力電力を第１閾値と比較して、前記出力電力が前記第１閾値を超えたときに前記第２モードを行わせる電力変換回路の数を増加させ、
   前記第２動作において、前記第２モードを行う電力変換回路の数がＮのとき前記出力電力を第２閾値と比較して、前記出力電力が前記第２閾値を超えたときに前記第２モードを行わせる電力変換回路の数を増加させる
   請求項４記載のコンバータシステム。
6. 前記制御回路は、所定の要因に基づいて、前記複数の電力変換回路のうちで前記第２モードを行わせる電力変換回路を決定する
   請求項１〜５のいずれか一項に記載のコンバータシステム。
7. 前記所定の要因は、前記複数の電力変換回路の各々の累積動作時間、前記複数の電力変換回路の各々を通過した電力の量である累積通過電力量、前記複数の電力変換回路の各々の累積稼働回数から選択される
   請求項６記載のコンバータシステム。
8. 前記複数の電力変換回路の各々は、前記動作モードとして、前記スイッチング素子のスイッチング動作を停止する第３モードを更に有する
   請求項１〜７のいずれか一項に記載のコンバータシステム。
9. 前記制御回路は、前記複数の電力変換回路のうち前記第１モードを行わない電力変換回路ごとに、前記第２モードを行うか前記第３モードを行うかを決定する
   請求項８記載のコンバータシステム。

Images