JP2020167904A - 電力変換装置、電力変換システム、及び電力変換装置の制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】太陽電池の出力の回復を図る。【解決手段】電力変換装置１００は、出力キャパシタＣ１と、太陽電池１と出力キャパシタＣ１との間に電気的に接続されるＤＣ／ＤＣコンバータ２と、を備える。電力変換装置１００の動作モードは、第１モードと第２モードとを含む。第１モードは、ＤＣ／ＤＣコンバータ２を動作させて、太陽電池１からの出力電力を変換した直流電力を出力キャパシタＣ１に供給する動作モードである。第２モードは、基準電位Ｖｂ１に対する太陽電池１の正極１１の電圧の絶対値と基準電位Ｖｂ１に対する太陽電池１の負極１２の電圧の絶対値との間の大小関係が、第１モードとは反対となる動作モードである。基準電位Ｖｂ１は、出力キャパシタＣ１の正極１５と負極１６との中間電位である。【選択図】図１

Description

本開示は、一般に電力変換装置、電力変換システム、及び電力変換装置の制御方法に関し、より詳細には、太陽電池に接続される電力変換装置、この電力変換装置を含む電力変換システム、及びこの電力変換装置の制御方法に関する。

従来、太陽光発電装置の直流出力を使って電機製品に電力を供給する太陽光発電システムが知られており、例えば特許文献１に開示されている。特許文献１に記載の太陽光発電システムでは、インバータに、太陽電池アレイとバッテリーとが並列に接続されている。インバータは、太陽電池アレイ又はバッテリーからの直流電力を交流に変換して、連系スイッチを介して電力系統に出力する。

特開平９−９１０４９号公報

特許文献１に記載の太陽光発電システムでは、太陽電池アレイの電極に対地電圧が印加されることで、ＰＩＤ（Potential Induced Degradation）現象が発生し、太陽電池アレイが劣化して出力が低下する可能性があった。

本開示は、上記の点に鑑みてなされており、ＰＩＤ現象により低下した太陽電池の出力の回復を図ることが可能な電力変換装置、電力変換システム、電力変換装置の制御方法を提供することを目的とする。

本開示の一態様に係る電力変換装置は、キャパシタと、ＤＣ／ＤＣコンバータと、を備える。ＤＣ／ＤＣコンバータは、太陽電池と前記キャパシタとの間に電気的に接続される。前記電力変換装置の動作モードは、第１モードと第２モードとを含む。前記第１モードは、前記ＤＣ／ＤＣコンバータを動作させて、前記太陽電池からの出力電力を変換した直流電力を前記キャパシタに供給する動作モードである。前記第２モードは、基準電位に対する前記太陽電池の正極の電圧の絶対値と前記基準電位に対する前記太陽電池の負極の電圧の絶対値との間の大小関係が、前記第１モードとは反対となる動作モードである。前記基準電位は、前記キャパシタの正極と負極との中間電位である。

本開示の一態様に係る電力変換システムは、前記電力変換装置と、前記太陽電池と、蓄電池と、充放電回路と、を備える。前記充放電回路は、前記蓄電池の電力を前記キャパシタに放電し、かつ前記直流電力で前記蓄電池を充電する。

本開示の一態様に係る電力変換装置の制御方法は、キャパシタ、及びＤＣ／ＤＣコンバータを備える電力変換装置の制御方法である。前記ＤＣ／ＤＣコンバータは、太陽電池と前記キャパシタとの間に電気的に接続される。前記電力変換装置の動作モードは、第１モードと第２モードとを含む。前記第１モードは、前記ＤＣ／ＤＣコンバータを動作させて、前記太陽電池からの出力電力を変換した直流電力を前記キャパシタに供給する動作モードである。前記第２モードは、基準電位に対する前記太陽電池の正極の電圧の絶対値と前記基準電位に対する前記太陽電池の負極の電圧の絶対値との間の大小関係が、前記第１モードとは反対となる動作モードである。前記基準電位は、前記キャパシタの正極と負極との中間電位である。前記制御方法は、所定の切替条件を満たした場合に、前記電力変換装置を前記第２モードで動作させることを含む。

本開示によれば、ＰＩＤ現象により低下した太陽電池の出力の回復を図ることが可能となるという利点がある。

図１は、本開示の一実施形態に係る電力変換システムを示す概略回路図である。 図２は、同上の電力変換システムの、第１モードにおける要部の等価回路図である。 図３は、同上の電力変換システムの、第２モードにおける要部の等価回路図である。 図４Ａは、同上の電力変換システムの要部の、第１モードにおける電位の関係を示す図である。図４Ｂは、同上の電力変換システムの要部の、第２モードにおける電位の関係を示す図である。 図５は、本開示の一実施形態の第１変形例に係る電力変換システムの概略回路図である。 図６は、本開示の一実施形態の第２変形例に係る電力変換システムの概略回路図である。

（１）概要
図１に示すように、本実施形態の電力変換システム２００は、太陽電池１と、電力変換装置１００と、を備えている。電力変換装置１００は、太陽電池１を単相３線式の電力系統６に系統連系させる装置である。本開示でいう「電力系統」は、電力会社等の電気事業者が需要家の受電設備に電力を供給するためのシステム全体を意味する。本実施形態では、一例として、このような電力変換システム２００が、オフィスビル、病院、商業施設及び学校等の、非住宅施設に導入される場合を想定して説明する。

図１に示すように、電力変換システム２００の電力変換装置１００は、キャパシタ（以下、「出力キャパシタ」ともいう）Ｃ１と、ＤＣ／ＤＣコンバータ２と、インバータ３と、を備えている。

ＤＣ／ＤＣコンバータ２は、太陽電池１と出力キャパシタＣ１との間に接続される。インバータ３は、出力キャパシタＣ１と電力系統６との間に接続される。本開示でいう「接続する」は、端子、電子部品、又は電線等の要素同士を機械的に接続することの他、要素同士を電気的に接続することを含んでいる。

電力変換装置１００の動作モードは、第１モードと第２モードとを含む。

第１モードは、電力変換装置１００の通常の動作モード（通常モード）である。第１モードでは、電力変換装置１００は、ＤＣ／ＤＣコンバータ２を動作させて、太陽電池１が出力する直流電力（太陽電池１からの出力電力）をＤＣ／ＤＣコンバータ２にて所望の直流電力に変換し、変換した直流電力を出力キャパシタＣ１に供給する。また第１モードでは、電力変換装置１００は、インバータ３を動作させて、出力キャパシタＣ１からの直流電力をインバータ３にて交流電力に変換し、変換した交流電力を電力系統６に供給する。

第２モードは、ＰＩＤ現象により低下した太陽電池１の出力の回復を図るための動作モード（リバースモード）である。第２モードは、基準電位Ｖｂ１に対する太陽電池１の正極１１の電圧の絶対値Ａ１と基準電位Ｖｂ１に対する太陽電池１の負極１２の電圧の絶対値Ａ２との間の大小関係が、第１モードとは反対となる動作モードである（図４Ａ、図４Ｂ参照）。本開示でいう「基準電位Ｖｂ１」は、電力系統６の中性線が大地に接続されている状態における、大地の電位をいう。本実施形態では、基準電位Ｖｂ１は、出力キャパシタＣ１の正極１５と負極１６との中間電位（正極１５の電位と負極１６の電位の中間の電位）となる。

本実施形態の電力変換装置１００は、動作モードとして第２モードを有しているので、ＰＩＤ現象により低下した太陽電池１の出力の回復を図ることが可能となる、という利点がある。

（２）構成
電力変換装置１００は、図１に示すように、正極線Ｌ１、負極線Ｌ２、キャパシタ（以下、「入力キャパシタ」ともいう）Ｃ０、出力キャパシタＣ１、ＤＣ／ＤＣコンバータ２、整流素子Ｄ１、インバータ３、解列リレー４、及び制御回路１０を備えている。入力キャパシタＣ０及び出力キャパシタＣ１、ＤＣ／ＤＣコンバータ２、インバータ３、解列リレー４、並びに制御回路１０は、１つの筐体７に収納されている。

電力変換装置１００には、太陽電池１が接続されている。正極線Ｌ１は、太陽電池１の正極１１とインバータ３の高電位の入力端との間に接続されている。負極線Ｌ２は、太陽電池１の負極１２とインバータ３の低電位の入力端との間に接続されている。

入力キャパシタＣ０は、太陽電池１とＤＣ／ＤＣコンバータ２との間に接続されている。入力キャパシタＣ０の正極（第１電極）１３は、正極線Ｌ１に接続されており、太陽電池１の正極１１、及びＤＣ／ＤＣコンバータ２の高電位の入力端に接続されている。入力キャパシタＣ０の負極（第２電極）１４は、負極線Ｌ２に接続されており、太陽電池１の負極１２、及びＤＣ／ＤＣコンバータ２の低電位の入力端に接続されている。入力キャパシタＣ０は、太陽電池１の出力する直流電圧を安定化する機能を有している。

ＤＣ／ＤＣコンバータ２は、非絶縁方式の昇圧型のＤＣ／ＤＣコンバータ（昇圧チョッパ回路）である。ＤＣ／ＤＣコンバータ２は、インダクタＬ０と、開閉素子（第１開閉素子）ＳＷ０と、整流素子（第１整流素子；以下、「第１ダイオード」ともいう）Ｄ０と、スイッチング素子Ｑ０と、を有している。

インダクタＬ０は、正極線Ｌ１に接続されている。インダクタＬ０の第１端は、ＤＣ／ＤＣコンバータ２の高電位の入力端に接続され、入力キャパシタＣ０の正極１３に接続されている。

開閉素子ＳＷ０は、正極線Ｌ１に接続されている。第１ダイオードＤ０は、開閉素子ＳＷ０に並列に接続されている。ここで、開閉素子ＳＷ０は、エンハンスメント型のｎチャネルＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）からなる。開閉素子ＳＷ０のソースは、インダクタＬ０の第２端に接続されている。開閉素子ＳＷ０のドレインは、ＤＣ／ＤＣコンバータ２の高電位の出力端に接続され、出力キャパシタＣ１の正極１５に接続されている。開閉素子ＳＷ０は、制御回路１０（後述する）から与えられる制御信号Ｓ１０によりオン／オフする。第１ダイオードＤ０は、ここでは、開閉素子ＳＷ０の寄生ダイオード（ボディダイオード）である。ただし、開閉素子ＳＷ０は、第１ダイオードＤ０とは別体に設けられた例えばメカニカルリレー等であってもよいし、他の半導体スイッチであってもよい。第１ダイオードＤ０のアノードは、インダクタＬ０の第２端に接続され、カソードは、ＤＣ／ＤＣコンバータ２の高電位の出力端に接続され、出力キャパシタＣ１の正極１５に接続されている。

スイッチング素子Ｑ０は、エンハンスメント型のｎチャネルＭＯＳＦＥＴからなる。スイッチング素子Ｑ０のソースは、ＤＣ／ＤＣコンバータ２の低電位の入力端及び出力端に接続され、入力キャパシタＣ０の負極１４に接続されている。スイッチング素子Ｑ０のドレインは、インダクタＬ０の第２端及び第１ダイオードＤ０のアノード（開閉素子ＳＷ０のソース）に接続されている。言い換えれば、スイッチング素子Ｑ０は、第１ダイオードＤ０とインダクタＬ０の接続点と、負極線Ｌ２との間に接続されている。スイッチング素子Ｑ０は、整流素子（ボディダイオード）を備えている。スイッチング素子Ｑ０の整流素子は、アノードが負極線Ｌ２に接続されており、カソードが正極線Ｌ１に接続されている。スイッチング素子Ｑ０は、制御回路１０から与えられる制御信号Ｓ０によりオン／オフする。スイッチング素子Ｑ０はＭＯＳＦＥＴに限定されず、例えば、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor：絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）、又はバイポーラトランジスタ等の他の半導体開閉素子であってもよい。

ＤＣ／ＤＣコンバータ２は、スイッチング素子Ｑ０が制御回路１０によりＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御されることで、入力キャパシタＣ０の両端電圧を昇圧可能である（以下、このＤＣ／ＤＣコンバータ２の動作を「昇圧動作」ともいう）。具体的には、制御回路１０は、スイッチング素子Ｑ０をスイッチング制御し、開閉素子ＳＷ０をオフ制御することで、入力キャパシタＣ０の両端電圧を昇圧し、昇圧した直流電圧を出力キャパシタＣ１及びインバータ３に出力する。

出力キャパシタＣ１は、ＤＣ／ＤＣコンバータ２とインバータ３との間に接続されている。出力キャパシタＣ１の正極（第１電極）１５は、正極線Ｌ１に接続されており、ＤＣ／ＤＣコンバータ２の高電位の出力端、及びインバータ３の高電位の入力端に接続されている。出力キャパシタＣ１の負極（第２電極）１６は、負極線Ｌ２に接続されており、整流素子Ｄ１を介してＤＣ／ＤＣコンバータ２の低電位の出力端に接続され、インバータ３の低電位の入力端に接続されている。出力キャパシタＣ１は、ＤＣ／ＤＣコンバータ２の出力する直流電圧を安定化する機能を有している。

整流素子（第２整流素子；以下、「第２ダイオード」ともいう）Ｄ１は、負極線Ｌ２に接続されている。第２ダイオードＤ１のアノードは、出力キャパシタＣ１の負極１６、及びインバータ３の低電位の入力端に接続されている。第２ダイオードＤ１のカソードは、ＤＣ／ＤＣコンバータ２の低電位の出力端に接続され、スイッチング素子Ｑ０のソースに接続されている。第２ダイオードＤ１は、太陽電池１の負極１２から出力キャパシタＣ１の負極１６に向かって電流が流れるのを阻止する。

インバータ３は、フルブリッジ接続された４つのスイッチング素子（以下、「第１〜第４スイッチング素子」ともいう）Ｑ１〜Ｑ４を有している。第１〜第４スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４は、いずれも、デプレッション形のｎチャネルＭＯＳＦＥＴからなる。第１〜第４スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４は、それぞれ制御回路１０から与えられる制御信号Ｓ１〜Ｓ４によりオン／オフする。

インバータ３では、第１スイッチング素子Ｑ１及び第３スイッチング素子Ｑ３の直列回路と、第２スイッチング素子Ｑ２及び第４スイッチング素子Ｑ４の直列回路とが、出力キャパシタＣ１の両端間に対して並列に接続されている。第１スイッチング素子Ｑ１のドレイン及び第２スイッチング素子Ｑ２のドレインは、ＤＣ／ＤＣコンバータ２の高電位の出力端、及び出力キャパシタＣ１の正極１５に接続されている。第３スイッチング素子Ｑ３のソース及び第４スイッチング素子Ｑ４のソースは、出力キャパシタＣ１の負極１６に接続されている。第１スイッチング素子Ｑ１のソースと第３スイッチング素子Ｑ３のドレインとの接続点は、解列リレー４の第１接点部４１を介して、電力系統６の第１電圧線１７に接続されている。第２スイッチング素子Ｑ２のソースと第４スイッチング素子Ｑ４のドレインとの接続点は、解列リレー４の第２接点部４２を介して、電力系統６の第２電圧線１８に接続されている。

インバータ３は、双方向のＤＣ／ＡＣコンバータである。インバータ３は、第１〜第４スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４が制御回路１０によりＰＷＭ制御されることで、出力キャパシタＣ１と電力系統６（解列リレー４）との間において、直流電圧から交流電圧、又は交流電圧から直流電圧への変換を行う。つまり、インバータ３は、出力キャパシタＣ１からの直流電力を交流電力に変換して電力系統６（解列リレー４）へ出力する機能と、電力系統６（解列リレー４）からの交流電力を直流電力に変換して出力キャパシタＣ１へ出力する機能と、を有する。

解列リレー４は、第１接点部４１と、第２接点部４２と、を備える。第１接点部４１は、正極線Ｌ１に接続されている。第２接点部４２は、負極線Ｌ２に接続されている。第１接点部４１と第２接点部４２とは、制御回路１０から与えられる制御信号Ｓ２０により、同時にオン又は同時にオフする。

制御回路１０は、例えば、１以上のプロセッサ及びメモリを有するマイクロコントローラにて構成されている。言い換えれば、制御回路１０は、１以上のプロセッサ及びメモリを有するコンピュータシステムにて実現されており、１以上のプロセッサがメモリに格納されているプログラムを実行することにより、コンピュータシステムが制御回路１０として機能する。プログラムは、ここでは制御回路１０のメモリに予め記録されているが、インターネット等の電気通信回線を通じて、又はメモリカード等の非一時的な記録媒体に記録されて提供されてもよい。制御回路１０は、例えば、ＦＰＧＡ（Field- Programmable Gate Array）、又はＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）等で構成されてもよい。

制御回路１０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ２のスイッチング素子Ｑ０及びインバータ３の４つのスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４をスイッチング制御するための制御信号Ｓ０〜Ｓ４を出力する。制御信号Ｓ０〜Ｓ４は、直接的に、又は駆動回路を介して、スイッチング素子Ｑ０〜Ｑ４のゲートに印加され、スイッチング素子Ｑ０〜Ｑ４を個別にオン／オフする。制御回路１０は、デューティ比を調節可能なＰＷＭ方式によって、スイッチング素子Ｑ０〜Ｑ４を制御する。

また、制御回路１０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ２の開閉素子ＳＷ０のオン／オフを制御するための制御信号Ｓ１０を出力する。

また、制御回路１０は、解列リレー４の第１接点部４１及び第２接点部４２のオン／オフを制御するための制御信号Ｓ２０を出力する。制御回路１０は、電力系統６の停電等の異常時に、第１接点部４１及び第２接点部４２をオフし、電力系統６から解列された状態でインバータ３から交流電力を出力させる自立運転を行うように、ＤＣ／ＤＣコンバータ２及びインバータ３を制御する。

（３）動作
次に、本実施形態の電力変換装置１００の動作について説明する。上述のように、電力変換装置１００の動作モードは、第１モード（通常モード）と第２モード（リバースモード）とを含んでいる。

まず、本実施形態の電力変換装置１００の第１モードにおける動作について、図１を用いて説明する。日中など、太陽電池１が十分な太陽光を受けて発電している場合、太陽電池１は、ＤＣ／ＤＣコンバータ２を介して、インバータ３に直流電力を出力する。インバータ３は、入力された直流電力を交流電力に変換し、変換した交流電力を電力系統６に出力する。これにより、太陽電池１の発電する電力が、電力系統６に接続されている負荷に供給される。

具体的には、第１モードにおいて、制御回路１０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ２のスイッチング素子Ｑ０をスイッチング制御し、開閉素子ＳＷ０をオフに維持する。これにより、ＤＣ／ＤＣコンバータ２は、太陽電池１からの出力電力を昇圧し、昇圧した直流電圧を出力キャパシタＣ１に出力する。また第１モードにおいて、制御回路１０は、インバータ３の４つのスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４をスイッチング制御する。すなわち、制御回路１０は、対角に配置された２つのスイッチング素子が同時にオンし、かつ出力キャパシタＣ１の両端間に直列接続された２つのスイッチング素子が同時にオンしないように、第１〜第４スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４を制御する。これにより、インバータ３は、出力キャパシタＣ１からの直流電力を交流電力に変換し、変換した交流電力を電力系統６に出力する。

ここで、第１モードにおいてインバータ３が上記のように動作している場合、出力キャパシタＣ１の正極１５と負極１６とには、基準電位Ｖｂ１（大地の電位）に対して絶対値が等しく正負が逆の電位差が生じる。例えば、図２に示すように、出力キャパシタＣ１の両端電圧がＶＢである場合、出力キャパシタＣ１の正極１５には基準電位Ｖｂ１に対して＋ＶＢ／２の電位差（対地電圧）が発生し、負極１６には基準電位Ｖｂ１に対して−ＶＢ／２の電位差（対地電圧）が発生する。なお、図２は、第１モードにおける、電力変換装置１００の要部の等価回路を示す。

第１モードにおいては、ＤＣ／ＤＣコンバータ２が動作（昇圧動作）することで、第２ダイオードＤ１には、出力キャパシタＣ１の負極１６から太陽電池１の負極１２に向かう向きの電流が流れる。これにより、第１モードでは、第２ダイオードＤ１の両端間に順方向電圧Ｖｆ１が発生する。第１モードでは、負極線Ｌ２において電圧降下を生じる要素が第２ダイオードＤ１のみである。このため、第１モードでは、太陽電池１の負極１２の電位Ｖ_Ｎは、基準電位Ｖｂ１を基準としたときの出力キャパシタＣ１の負極１６の電位（Ｖｂ１−ＶＢ／２）よりも第２ダイオードＤ１の順方向電圧Ｖｆ１だけ低い電位（Ｖｂ１−ＶＢ／２−Ｖｆ１）に維持される（図４Ａ参照）。なお、第１モードにおいて、太陽電池１の正極１１の電位Ｖ_Ｐは、入力キャパシタＣ０の両端電圧（太陽電池１の出力電圧）をＶ_ＰＮとすれば、負極１１の電位Ｖ_ＮよりもＶ_ＰＮだけ高くなり、Ｖｂ１−ＶＢ／２−Ｖｆ１＋Ｖ_ＰＮとなる。図４Ａは、第１モードにおいて、太陽電池１の出力電圧Ｖ_ＰＮが出力キャパシタＣ１の両端電圧の半分（ＶＢ／２）よりも小さい場合の、基準電位Ｖｂ１、太陽電池１の正極１１の電位Ｖ_Ｐ、負極１２の電位Ｖ_Ｎの関係を示す。この場合、図４Ａに示されるように、基準電位Ｖｂ１に対する太陽電池１の負極１２の電圧の絶対値Ａ２は、基準電位Ｖｂ１に対する太陽電池１の正極１１の電圧の絶対値Ａ１よりも大きくなる（Ａ１＜Ａ２）。

上述のように、第１モードにおいて、太陽電池１は、負極１２が大地（基準電位Ｖｂ１）に対して負電位となる。このため、第１モードでは、ＰＩＤ現象によって太陽電池１の出力の低下が発生する可能性がある。

そこで、本実施形態の電力変換装置１００は、動作モードとして第２モードを有している。

第２モードでは、基準電位Ｖｂ１に対する太陽電池１の正極１１の電圧の絶対値Ａ１と基準電位Ｖｂ１に対する太陽電池１の負極１２の電圧の絶対値Ａ２との間の大小関係が、第１モードとは反対となる（Ａ１＞Ａ２）ように、電力変換装置１００が動作する。

具体的には、第２モードにおいて、制御回路１０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ２のスイッチング素子Ｑ０をオフに維持し、開閉素子ＳＷ０をオンに維持する。また、第２モードにおいて制御回路１０は、第１モードと同様に、インバータ３の第１〜第４スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４を制御する。

ここで、第２モードにおいてインバータ３が上記のように動作している場合、第１モードと同様に、出力キャパシタＣ１の正極１５と負極１６とには、基準電位Ｖｂ１（大地の電位）に対して絶対値が等しく正負が逆の電位差が生じる。例えば、図３に示すように、出力キャパシタＣ１の両端電圧がＶＢである場合、出力キャパシタＣ１の正極１５には基準電位Ｖｂ１に対して＋ＶＢ／２の電位差（対地電圧）が発生し、負極１６には基準電位Ｖｂ１に対して−ＶＢ／２の電位差（対地電圧）が発生する。なお、図３は、第２モードにおける、電力変換装置１００の要部の等価回路を示す。

第２モードにおいては、ＤＣ／ＤＣコンバータ２が昇圧動作を停止することで、直流電力に対しては、太陽電池１の正極１１と出力キャパシタＣ１の正極１５とがほぼ同電位となる。すなわち、第２モードでは、太陽電池１の正極１１の電位Ｖ_Ｐは、基準電位Ｖｂ１を基準としたときの出力キャパシタＣ１の正極１５の電位（Ｖｂ１＋ＶＢ／２）とほぼ同電位に維持される。

また、第２モードにおいて、太陽電池１の負極１２の電位Ｖ_Ｎは、太陽電池１の出力電圧（入力キャパシタＣ０の両端電圧）をＶ_ＰＮとすれば、正極１１の電位Ｖ_ＰよりもＶ_ＰＮだけ低くなり、Ｖｂ１＋ＶＢ／２−Ｖ_ＰＮとなる。したがって、第２モード（Ａ１＞Ａ２となる動作モード）において、太陽電池１の出力電圧Ｖ_ＰＮが出力キャパシタＣ１の両端電圧ＶＢの半分（ＶＢ／２）よりも小さい場合、太陽電池１の負極１２の電位Ｖ_Ｎが、基準電位Ｖｂ１に対して正に維持されることになる。図４Ｂは、第２モードにおいて、太陽電池１の出力電圧Ｖ_ＰＮが出力キャパシタＣ１の両端電圧の半分（ＶＢ／２）よりも小さい場合の、基準電位Ｖｂ１、太陽電池１の正極１１の電位Ｖ_Ｐ、負極１２の電位Ｖ_Ｎの関係を示す。上述のように、第２モードでは、基準電位Ｖｂ１に対する太陽電池１の負極１２の電圧の絶対値Ａ２は、基準電位Ｖｂ１に対する太陽電池１の正極１１の電圧の絶対値Ａ１よりも小さくなる。

一般に、太陽電池１が大地（基準電位Ｖｂ１）に対して負電位となることで発生するＰＩＤ現象は、正電圧を印加することで解消され出力が回復することが知られている。

本実施形態では、上記のように、電力変換装置１００の動作モードが、第２モード（Ａ１＞Ａ２となる動作モード）を含んでいる。第２モードでは、上記のように太陽電池１の出力電圧Ｖ_ＰＮの大きさによっては、太陽電池１の電極の電位を、大地（基準電位Ｖｂ１）に対して正に維持することが可能である。したがって、本実施形態によれば、電力変換装置１００を第２モードで動作させることで、太陽電池１の出力の回復を図ることが可能となる。

ここで、電力変換装置１００が第１モードで動作するか第２モードで動作するかは、制御回路１０によって制御される。制御回路１０は、例えば、所定の切替条件が満たされた場合に、電力変換装置１００を第２モードで動作させる。

切替条件は、例えば、太陽電池１の出力電圧が所定の閾値電圧よりも小さいことであってもよい。閾値電圧は、例えば、電力変換装置１００の起動電圧（５０〜６０Ｖ程度）以下の値である。ここでいう「起動電圧」は、電力変換装置１００が第１モードで動作するために必要な電圧をいう。制御回路１０は、例えば夕方等の太陽電池１の出力電圧が漸減する場合のように、太陽電池１の出力電圧が、閾値電圧よりも大きい値から小さい値に変化したときに、電力変換装置１００の動作モードを第１モードから第２モードに切り替えてもよい。ここにおいて、電力変換装置１００の第２モードでは、ＤＣ／ＤＣコンバータ２の昇圧動作が停止するので、太陽電池１の出力電力を出力キャパシタＣ１に供給することができない。このため、太陽電池１の発電電力を有効に利用する観点から、第２モードは、太陽電池１の出力電圧が小さい場合（一例において、電力変換装置１００の起動電圧より小さい場合）に行われることが好ましい。

切替条件は、第２モードでの動作を指示する指示信号を、制御回路１０が外部の指示装置から受け取ることであってもよい。例えば、太陽電池１の所有者若しくは太陽電池１のメンテナンスを行う業者等が、電圧計等を用いて、太陽電池１の出力電圧が所望の値よりも低下していることを確認した場合、指示装置を用いて電力変換装置１００に第２モードでの動作を指示してもよい。これにより、太陽電池１の出力が低下した場合に、所望のタイミングで、太陽電池１の出力の回復を図ることが可能となる。

切替条件は、現在時刻が所定の第１時刻になることであってもよい。第１時刻は、例えば、太陽電池１の出力電圧が小さくなる（例えば、電力変換装置１００の起動電圧よりも小さくなる）と推定される時刻（夜間等）である。もちろん、第１時刻は、太陽電池１の出力電圧が比較的大きくなると推定される時刻であってもよい。第１時刻は、１日のうちに複数回あってもよい。例えば制御回路１０は、１日のうちで複数回、間欠的に（例えば、１時間毎に数分間程度）、電力変換装置１００を第２モードで動作させてもよい。

制御回路１０は、例えば、第２モードでの動作を開始してから所定の動作時間が経過すると、電力変換装置１００の第２モードでの動作を終了してもよい。動作時間は、例えば数時間程度である。また、制御回路１０は、第２モードでの動作の終了を指示する終了信号を外部の指示装置から受け取った場合に、電力変換装置１００の第２モードでの動作を終了してもよい。或いは、制御回路１０は、現在時刻が所定の第２時刻になると、電力変換装置１００の第２モードでの動作を終了してもよい。

制御回路１０は、電力変換装置１００の第２モードでの動作を終了した場合、第１モードでの動作（ＤＣ／ＤＣコンバータ２の昇圧動作）を開始してもよいし、電力変換装置１００の動作（インバータ３の動作）を停止してもよい。

（４）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。以下に、いくつかの変形例について列記する。以下では上述した実施形態を「基本例」と呼ぶ。上述した基本例及び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。

（４．１）第１変形例
第１変形例の電力変換システム２００は、図５に示すように、蓄電池５及び充放電回路５０を更に備えている点で、基本例の電力変換システム２００と相違する。

本変形例において、蓄電池５は、充放電回路５０を介して電力変換装置１００に接続されている。蓄電池５及び充放電回路５０は、電力変換装置１００に対して、太陽電池１及びＤＣ／ＤＣコンバータ２の直列回路と並列に接続されている。

充放電回路５０は、双方向のＤＣ／ＤＣコンバータである。充放電回路５０は、電力変換装置１００におけるＤＣ／ＤＣコンバータ２と出力キャパシタＣ１との接続点と、蓄電池５と、の間に接続されている。充放電回路５０は、蓄電池５の出力する直流電力を所定の大きさの直流電力に変換し、変換した直流電力を出力キャパシタＣ１に出力する機能を有している。また、充放電回路５０は、出力キャパシタＣ１の出力する直流電力を所定の大きさの直流電力に変換し、変換した直流電力を蓄電池５に出力する機能を有している。

なお、第２整流素子Ｄ１は、インバータ３から見て太陽電池１側、より詳細には、蓄電池５（及び充放電回路５０）が接続される接続点よりも太陽電池１側における負極線Ｌ２の部分に設けられている。

本変形例の電力変換システム２００では、例えば日中など、太陽電池１が十分な太陽光を受けて発電している場合、電力変換装置１００は第１モードで動作し、太陽電池１がＤＣ／ＤＣコンバータ２を介してインバータ３に直流電力を出力する。また、インバータ３は、入力された直流電力を交流電力に変換し、変換した交流電力を電力系統６に出力する。これにより、太陽電池１の発電する電力が、電力系統６に接続されている負荷に供給される。また、太陽電池１の発電電力に余剰電力がある場合、太陽電池１は、ＤＣ／ＤＣコンバータ２及び充放電回路５０を介して余剰電力を蓄電池５に出力することで、蓄電池５を充電してもよい。

一方、天気が曇り又は雨、若しくは夜間など、太陽電池１が十分な太陽光を受けることができず発電していない場合、蓄電池５は、充放電回路５０を介して、インバータ３に直流電力を出力する。このとき、電力変換装置１００は第２モードで動作する、つまり、ＤＣ／ＤＣコンバータ２は昇圧動作を停止し、インバータ３は、入力された直流電力を交流電力に変換し変換した交流電力を電力系統６に出力する。これにより、蓄電池５が放電する電力が、電力系統６に接続されている負荷に供給される。また、このとき、電力変換装置１００が第２モードで動作することで、太陽電池１の正極１１の電位が出力キャパシタＣ１の正極１５と同電位に維持され、太陽電池１の出力電圧Ｖ_ＰＮの大きさによっては太陽電池１の負極１２の電位を大地に対して正に維持することが可能となり、太陽電池１の出力の回復を図ることが可能となる。

もちろん、例えば夜間等に、インバータ３のみを動作させて（ＤＣ／ＤＣコンバータ２及び充放電回路５０の動作を停止させて）、電力変換装置１００を第２モードで動作させてもよい。

（４．２）第２変形例
第２変形例の電力変換システム２００は、図６に示すように、第２ダイオード（第２整流素子）Ｄ１に並列に接続される第２開閉素子ＳＷ１を更に備えている点で、基本例の電力変換システム２００と相違する。

第２開閉素子ＳＷ１は、エンハンスメント型のｎチャネルＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）からなる。第２開閉素子ＳＷ１のソースは、出力キャパシタＣ１の負極１６に接続され、第２開閉素子ＳＷ１のドレインは、スイッチング素子Ｑ０のソースに接続されている。第２開閉素子ＳＷ１は、制御回路１０から与えられる制御信号Ｓ３０によりオン／オフする。本変形例において、第２ダイオードＤ１は、第２開閉素子ＳＷ１の寄生ダイオード（ボディダイオード）である。ただし、第２開閉素子ＳＷ１は、第２ダイオードＤ１とは別体に設けられた例えばメカニカルリレー等であってもよいし、他の半導体スイッチであってもよい。

第２開閉素子ＳＷ１は、第１モードではオンされる。これにより、第１モードでは、太陽電池１の負極１２とインバータ３の低電位の入力端との間の経路が短絡される。したがって、本変形例によれば、第１モードにおいて、基本例に比べて第２ダイオードＤ１が導通することによる損失を抑制することが可能となる。

また、第２開閉素子ＳＷ１は、第２モードではオフされる。したがって、第２モードにおいて、本変形例の電力変換装置１００は、基本例の電力変換装置１００における第２モードと同様の等価回路（図３参照）となる。したがって、本変形例の電力変換装置１００でも、基本例の電力変換装置１００と同様に、太陽電池１の出力の回復を図ることが可能となる。

（４．３）その他の変形例
入力キャパシタＣ０及び出力キャパシタＣ１、ＤＣ／ＤＣコンバータ２、インバータ３、解列リレー４、並びに制御回路１０は、１つの筐体７に収納されていなくてもよく、複数の筐体に分散して収納されていてもよい。

第２ダイオード（第２整流素子）Ｄ１（及びそれと並列の第２開閉素子ＳＷ１）は、図１等に示す位置に設けられていなくてもよい。第２ダイオード（第２整流素子）Ｄ１（及びそれと並列の第２開閉素子ＳＷ１）は、負極線Ｌ２において、出力キャパシタＣ１の負極１６とインバータ３の低電位の入力端との接続点よりも、太陽電池１の負極１２側に設けられていればよい。

例えば、第２ダイオード（第２整流素子）Ｄ１（及びそれと並列の第２開閉素子ＳＷ１）は、入力キャパシタＣ０の負極１４の負極線Ｌ２との接続点と、スイッチング素子Ｑ０におけるソースの負極線Ｌ２との接続点と、の間の負極線Ｌ２の部分に設けられていてもよい。

或いは、第２ダイオード（第２整流素子）Ｄ１（及びそれと並列の第２開閉素子ＳＷ１）は、太陽電池１の負極１２と、入力キャパシタＣ０の負極１４の負極線Ｌ２との接続点と、の間の負極線Ｌ２の部分に設けられていてもよい。この場合、第２ダイオード（第２整流素子）Ｄ１（及びそれと並列の第２開閉素子ＳＷ１）は、筐体７とは別体の接続箱に収納されて、負極線Ｌ２に後付けで接続される構成であってもよい。

ＤＣ／ＤＣコンバータ２は、昇圧型のＤＣ／ＤＣコンバータに限られず、降圧型のＤＣ／ＤＣコンバータであってもよいし、昇圧及び降圧の両方が可能なＤＣ／ＤＣコンバータであってもよい。

電力変換システム２００は、インバータ３と電力系統６との間に、フィルタ回路を備えていてもよい。フィルタ回路は、インバータ３の出力する交流電圧の高周波成分を除去し正弦波状の電圧を生成する機能を有する。フィルタ回路は、例えば、正極線Ｌ１に接続されている第１インダクタと、負極線Ｌ２に接続されている第２インダクタと、第１インダクタの電力系統６側の端部及び第２インダクタの電力系統６側の端部の間を接続するキャパシタと、を備えていてもよい。

電力変換システム２００は、解列リレー４を備えていなくてもよい。

電力変換システム２００は、非住宅施設に導入されることに限られず、住宅に導入されてもよいし、電気自動車等、施設以外に適用されてもよい。

本開示でいう「太陽電池１の出力の回復」は、ＰＩＤ現象により低下した太陽電池１の出力を、太陽電池１の製造当初の出力まで回復させることに限られず、低下した太陽電池１の出力を向上させることも含む。

制御回路１０は、第１モードにおいて、ＤＣ／ＤＣコンバータ２を同期整流式に制御してもよい。つまり、制御回路１０は、スイッチング素子Ｑ０がオンのときに開閉素子ＳＷ０をオフし、スイッチング素子Ｑ０がオフのときに開閉素子ＳＷ０をオンにするように、開閉素子ＳＷ０を制御してもよい。このように、ＤＣ／ＤＣコンバータ２を同期整流式に制御することで、第１ダイオードＤ０が導通することによる損失を抑制することが可能である。

（５）態様
以上説明した実施形態等から以下の態様が開示されている。

第１の態様の電力変換装置（１００）は、キャパシタ（出力キャパシタＣ１）と、ＤＣ／ＤＣコンバータ（２）と、を備えている。ＤＣ／ＤＣコンバータ（２）は、太陽電池（１）とキャパシタとの間に電気的に接続される。電力変換装置（１００）の動作モードは、第１モードと第２モードとを含む。第１モードは、ＤＣ／ＤＣコンバータ（２）を動作させて、太陽電池（１）からの出力電力を変換した直流電力をキャパシタに供給する動作モードである。第２モードは、基準電位（Ｖｂ１）に対する太陽電池（１）の正極（１１）の電圧の絶対値（Ａ１）と基準電位（Ｖｂ１）に対する太陽電池（１）の負極（１２）の電圧の絶対値（Ａ２）との間の大小関係が、第１モードとは反対となる動作モードである。基準電位（Ｖｂ１）は、キャパシタの正極（１５）と負極（１６）との中間電位である。

この態様によれば、第１モードにおいて負となる太陽電池（１）の負極（１２）の対地電圧を、第２モードにおいて正とすることが可能となり、太陽電池（１）の出力の回復を図ることが可能となる。

第２の態様の電力変換装置（１００）は、第１の態様において、正極線（Ｌ１）と負極線（Ｌ２）と開閉素子（ＳＷ０）とを備える。正極線（Ｌ１）は、太陽電池（１）の正極（１１）とキャパシタ（出力キャパシタＣ１）の正極（１５）とを電気的に接続する。負極線（Ｌ２）は、太陽電池（１）の負極（１２）とキャパシタの負極（１６）とを電気的に接続する。開閉素子（ＳＷ０）は、正極線（Ｌ１）に接続されている。開閉素子（ＳＷ０）は、第１モードでは、キャパシタの正極（１５）から太陽電池（１）の正極（１１）への電流の流れを阻止し、第２モードでは、キャパシタの正極（１５）から太陽電池（１）の正極（１１）への電流の流れを許容する。

この態様によれば、開閉素子（ＳＷ０）によって、基準電位（Ｖｂ１）に対する太陽電池（１）の正極（１１）の電圧の絶対値（Ａ１）と負極（１２）の電圧の絶対値（Ａ２）との間の大小関係を、第２モードと第１モードとで反対とすることが可能となる。

第３の態様の電力変換装置（１００）では、第２の態様において、ＤＣ／ＤＣコンバータ（２）は、第１整流素子（第１ダイオードＤ０）と、インダクタ（Ｌ０）と、スイッチング素子（Ｑ０）と、を有する。第１整流素子は、開閉素子（ＳＷ０）に電気的に並列に接続される。インダクタ（Ｌ０）は、正極線（Ｌ１）に接続され、第１整流素子に電気的に直列に接続される。スイッチング素子（Ｑ０）は、第１整流素子とインダクタ（Ｌ０）との接続点と負極線（Ｌ２）との間に電気的に接続される。電力変換装置（１００）は、第２整流素子（第２ダイオードＤ１）を更に備える。第２整流素子は、負極線（Ｌ２）に接続され、太陽電池（１）の負極（１２）からキャパシタ（出力キャパシタＣ１）の負極（１６）への電流の流れを阻止する。開閉素子（ＳＷ０）は、第１モードではオフされ、第２モードではオンされる。

この態様によれば、開閉素子（ＳＷ０）のオン／オフによって、基準電位（Ｖｂ１）に対する太陽電池（１）の正極（１１）の電圧の絶対値（Ａ１）と負極（１２）の電圧の絶対値（Ａ２）との間の大小関係を、第２モードと第１モードとで反対とすることが可能となる。

第４の態様の電力変換装置（１００）では、第３の態様において、開閉素子（ＳＷ０）は、第１開閉素子である。電力変換装置（１００）は、第２整流素子（第２ダイオードＤ１）に電気的に並列に接続される第２開閉素子（ＳＷ１）を更に備える。第２開閉素子（ＳＷ１）は、第１モードではオンされ、第２モードではオフされる。

この態様によれば、第１モードにおいて、第２ダイオードＤ１が導通することによる損失を抑制することが可能となる。

第５の態様の電力変換装置（１００）は、第１〜第４の何れか一つの態様において、インバータ（３）を更に備える。インバータ（３）は、キャパシタ（出力キャパシタＣ１）と電力系統（６）との間に電気的に接続されている。インバータ（３）は、第１モードにおいて、直流電力を交流電力に変換して変換した交流電力を電力系統（６）に供給する。

この態様によれば、太陽電池（１）で発電した直流電力を交流電力に変換して電力系統（６）に供給することが可能となる。

第６の態様の電力変換システム（２００）は、第１〜第５の何れか一つの態様の電力変換装置（１００）と、太陽電池（１）と、蓄電池（５）と、充放電回路（５０）と、を備える。充放電回路（５０）は、蓄電池（５）の電力をキャパシタ（出力キャパシタＣ１）に放電し、かつ直流電力で蓄電池（５）を充電する。

この態様によれば、太陽電池（１）及び蓄電池（５）を備えたシステムにおいて、太陽電池（１）の出力の回復を図ることが可能となる。

第７の態様の電力変換装置（１００）の制御方法は、キャパシタ（出力キャパシタＣ１）、及びＤＣ／ＤＣコンバータ（２）を備える電力変換装置（１００）の制御方法である。ＤＣ／ＤＣコンバータ（２）は、太陽電池（１）とキャパシタとの間に電気的に接続される。電力変換装置（１００）の動作モードは、第１モードと第２モードとを含む。第１モードは、ＤＣ／ＤＣコンバータ（２）を動作させて、太陽電池（１）からの出力電力を変換した直流電力をキャパシタに供給する動作モードである。第２モードは、基準電位（Ｖｂ１）に対する太陽電池（１）の正極（１１）の電圧の絶対値（Ａ１）と基準電位（Ｖｂ１）に対する太陽電池（１）の負極（１２）の電圧の絶対値（Ａ１）との間の大小関係が、第１モードとは反対となる動作モードである。基準電位（Ｖｂ１）は、キャパシタの正極（１５）と負極（１６）との中間電位である。この制御方法は、所定の切替条件を満たした場合に、電力変換装置（１００）を第２モードで動作させることを含む。

この態様によれば、第１モードにおいて負となる太陽電池（１）の負極（１２）の対地電圧を、第２モードにおいて正とすることが可能となり、太陽電池（１）の出力の回復を図ることが可能となる。

１００ 電力変換装置
２００ 電力変換システム
１ 太陽電池
１１ 太陽電池の正極
１２ 太陽電池の負極
１５ 出力キャパシタの正極
１６ 出力キャパシタの負極
２ ＤＣ／ＤＣコンバータ
３ インバータ
５ 蓄電池
５０ 充放電回路
６ 電力系統
Ｃ１ 出力キャパシタ（キャパシタ）
Ｄ０ 第１ダイオード（第１整流素子）
Ｄ１ 第２ダイオード（第２整流素子）
Ｌ０ インダクタ
Ｑ０ スイッチング素子
ＳＷ０ 開閉素子（第１開閉素子）
ＳＷ１ 第２開閉素子
Ｌ１ 正極線
Ｌ２ 負極線
Ｖｂ１ 基準電位

Claims (7)

1. 電力変換装置であって、
   キャパシタと、
   太陽電池と前記キャパシタとの間に電気的に接続されるＤＣ／ＤＣコンバータと、
   を備え、
   前記電力変換装置の動作モードは、
   前記ＤＣ／ＤＣコンバータを動作させて、前記太陽電池からの出力電力を変換した直流電力を前記キャパシタに供給する第１モードと、
   前記キャパシタの正極と負極との中間電位を基準電位としたときに、前記基準電位に対する前記太陽電池の正極の電圧の絶対値と前記基準電位に対する前記太陽電池の負極の電圧の絶対値との間の大小関係が、前記第１モードとは反対となる第２モードと、
   を含む、
   電力変換装置。
2. 前記太陽電池の前記正極と前記キャパシタの前記正極とを電気的に接続する正極線と、
   前記太陽電池の前記負極と前記キャパシタの前記負極とを電気的に接続する負極線と、
   前記正極線に接続されている開閉素子と、
   を備え、
   前記開閉素子は、
   前記第１モードでは、前記キャパシタの前記正極から前記太陽電池の前記正極への電流の流れを阻止し、
   前記第２モードでは、前記キャパシタの前記正極から前記太陽電池の前記正極への電流の流れを許容する、
   請求項１に記載の電力変換装置。
3. 前記ＤＣ／ＤＣコンバータは、
   前記開閉素子に電気的に並列に接続される第１整流素子と、
   前記正極線に接続され、前記第１整流素子に電気的に直列に接続されるインダクタと、
   前記第１整流素子と前記インダクタとの接続点と前記負極線との間に電気的に接続されるスイッチング素子と、
   を有し、
   前記電力変換装置は、前記負極線に接続され、前記太陽電池の前記負極から前記キャパシタの前記負極への電流の流れを阻止する第２整流素子を更に備え、
   前記開閉素子は、前記第１モードではオフされ、前記第２モードではオンされる、
   請求項２に記載の電力変換装置。
4. 前記開閉素子は、第１開閉素子であり、
   前記電力変換装置は、前記第２整流素子に電気的に並列に接続される第２開閉素子を更に備え、
   前記第２開閉素子は、前記第１モードではオンされ、前記第２モードではオフされる、
   請求項３に記載の電力変換装置。
5. 前記キャパシタと電力系統との間に電気的に接続されており、前記第１モードにおいて、前記直流電力を交流電力に変換して前記交流電力を前記電力系統に供給するインバータを更に備える、
   請求項１〜４の何れか一項に記載の電力変換装置。
6. 請求項１〜５の何れか一項に記載の電力変換装置と、
   前記太陽電池と、
   蓄電池と、
   前記蓄電池の電力を前記キャパシタに放電し、かつ前記直流電力で前記蓄電池を充電する充放電回路と、
   を備える、
   電力変換システム。
7. キャパシタ、及び太陽電池と前記キャパシタとの間に電気的に接続されるＤＣ／ＤＣコンバータを備える電力変換装置の制御方法であって、
   前記電力変換装置の動作モードは、
   前記ＤＣ／ＤＣコンバータを動作させて、前記太陽電池からの出力電力を変換した直流電力を前記キャパシタに供給する第１モードと、
   前記キャパシタの正極と負極との中間電位を基準電位としたときに、前記基準電位に対する前記太陽電池の正極の電圧の絶対値と前記基準電位に対する前記太陽電池の負極の電圧の絶対値との間の大小関係が、前記第１モードとは反対となる第２モードと、
   を含み、
   所定の切替条件を満たした場合に、前記電力変換装置を前記第２モードで動作させることを含む、
   電力変換装置の制御方法。

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