JP2021191096A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】比較的安価に製造することができ、比較的規模が小さく、かつ入力される過電圧を抑制する電力変換装置を得ること。【解決手段】電力変換装置は、分散型電源から電力変換装置に出力された直流電圧を上昇させるコンバータ部２１と、コンバータ部２１によって得られた直流電圧を平滑する平滑コンデンサ２２と、平滑コンデンサ２２によって平滑された直流電圧を交流電圧に変換するインバータ部２３と、コンバータ部２１を制御する制御器３と、分散型電源の出力電圧値を検出する電圧検出器とを有する。コンバータ部２１及びインバータ部２３による電力変換動作が停止している場合、制御器３は、電圧検出器によって検出された出力電圧値が制御器３にて制御可能な最小値となるようにコンバータ部２１に制御指令を出力する。【選択図】図２

Description

本開示は、分散型電源から出力された直流電力を交流電力に変換する電力変換装置に関する。

従来、例えば太陽電池といった分散型電源が発電した直流電力を交流電力に変換する電力変換装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。電力変換装置は、分散型電源が発電した直流電力の電圧を上昇させるコンバータ部と、コンバータ部によって得られた直流電圧を平滑する平滑コンデンサと、平滑コンデンサによって平滑された直流電圧を交流電圧に変換するインバータ部とを有する。

分散型電源が太陽電池であって電力変換装置が停止している場合、太陽電池の出力電圧が開放電圧であるので、比較的高い電圧が電力変換装置に入力されることがある。そのため、電力変換装置を構成する部品は高電圧に対する耐力を有する必要があり、電力変換装置が高電圧に対する耐力を有する部品を有する場合、電力変換装置のコストは高くなる。

特許文献２は、太陽電池の出力電圧が高電圧となった場合、太陽電池と電力変換装置との間に位置していて太陽電池に並列に接続されている電流パス回路に太陽電池から出力される電流を流すことにより、太陽電池の出力電圧を下げる技術を開示している。

特開平１１−３１８０４２号公報 特開２０００−３３９０４４号公報

上述の通り、特許文献１の電力変換装置は、比較的高い電圧が電力変換装置に入力される場合に備えて高電圧に対する耐力を有する部品を必要とする。そのため、特許文献１の電力変換装置には、当該部品を有する場合にコストが高くなるという問題がある。特許文献２の電力変換装置は、太陽電池の出力電圧を下げるための電流パス回路を必要とする。そのため、特許文献２の電力変換装置にもコストが高くなるという問題がある。また、特許文献２の電力変換装置には、電流パス回路を配置するためのスペースを必要とするという問題もある。比較的安価に製造することができ、比較的規模が小さく、かつ入力される過電圧を抑制する電力変換装置が要求されている。

本開示は、上記に鑑みてなされたものであって、比較的安価に製造することができ、比較的規模が小さく、かつ入力される過電圧を抑制する電力変換装置を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本開示にかかる電力変換装置は、分散型電源から出力された直流電力を交流電力に変換する装置であって、分散型電源から電力変換装置に出力された直流電圧を上昇させるコンバータ部と、コンバータ部によって得られた直流電圧を平滑する平滑コンデンサと、平滑コンデンサによって平滑された直流電圧を交流電圧に変換するインバータ部と、コンバータ部を制御する制御器と、分散型電源の出力電圧値を検出する電圧検出器とを有する。コンバータ部及びインバータ部による電力変換動作が停止している場合、制御器は、電圧検出器によって検出された出力電圧値が制御器にて制御可能な最小値となるようにコンバータ部に制御指令を出力する。

本開示にかかる電力変換装置は、比較的安価に製造することができ、比較的規模が小さく、かつ入力される過電圧を抑制することができるという効果を奏する。

実施の形態１にかかる電力変換装置の構成を示す図 実施の形態１にかかる電力変換装置が有する電力変換部の構成を示す図 実施の形態１にかかる電力変換装置の電力変換部が有するコンバータ部の構成を示す図 太陽電池の出力電圧と実施の形態１にかかる電力変換装置のスイッチング素子の通流率との関係を示すグラフ 実施の形態１にかかる電力変換装置が有する制御器の動作の手順を示すフローチャート 実施の形態２にかかる電力変換装置の構成を示す図 実施の形態１にかかる電力変換装置が有する制御器及び電圧検出器の少なくとも一部がプロセッサによって実現される場合のプロセッサを示す図 実施の形態１にかかる電力変換装置が有する制御器及び電圧検出器の少なくとも一部が処理回路によって実現される場合の処理回路を示す図

以下に、実施の形態にかかる電力変換装置を図面に基づいて詳細に説明する。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１にかかる電力変換装置１の構成を示す図である。電力変換装置１は、太陽電池５１から出力された直流電力を交流電力に変換して交流電力を系統５２に出力する装置である。図１には、太陽電池５１及び系統５２も示されている。太陽電池５１は、分散型電源の一例である。

電力変換装置１は、太陽電池５１から電力変換装置１に出力された直流電力を交流電力に変換する電力変換部２を有する。電力変換部２によって得られた交流電力は、系統５２に出力される。電力変換装置１は、電力変換部２を制御する制御器３と、太陽電池５１の出力電圧値を検出する電圧検出器４と、電力変換部２と系統５２とが接続される状態と電力変換部２と系統５２とが接続されない状態とを切り替える開閉器５とを更に有する。

電圧検出器４は、電力変換装置１に入力される太陽電池５１の出力電圧値を検出し、検出した出力電圧値を示す情報を制御器３に出力する。制御器３は、電圧検出器４から出力された情報を受け取り、電力変換部２を制御するための制御指令を電力変換部２に出力する。制御器３は、系統５２から電力変換装置１に供給された電力によって動作する。そのため、制御器３は、夜間でも電力変換部２に制御指令を出力することができる。

図２は、実施の形態１にかかる電力変換装置１が有する電力変換部２の構成を示す図である。図２には、制御器３も示されている。電力変換部２は、太陽電池５１から電力変換装置１に出力された直流電圧を上昇させるコンバータ部２１と、コンバータ部２１によって得られた直流電圧を平滑する平滑コンデンサ２２と、平滑コンデンサ２２によって平滑された直流電圧を交流電圧に変換するインバータ部２３とを有する。

平滑コンデンサ２２は、コンバータ部２１の出力端とインバータ部２３の入力端とに接続されている。インバータ部２３の入力端はコンバータ部２１の出力端に接続されており、インバータ部２３の出力端は開閉器５の入力端に接続されている。図２には、開閉器５は示されていない。インバータ部２３は、図示されていないが複数の半導体スイッチング素子を有しており、複数の半導体スイッチング素子の各々についてオンの状態とオフの状態とが切り替わることにより、直流電圧を交流電圧に変換し、変換によって得られた交流電圧を出力する。

コンバータ部２１及びインバータ部２３は、制御器３から出力される制御指令をもとに動作する。言い換えると、制御器３は、コンバータ部２１及びインバータ部２３を制御する。更に言うと、コンバータ部２１及びインバータ部２３による電力変換動作が停止している場合、制御器３は、電圧検出器４によって検出された出力電圧値が制御器３にて制御可能な最小値となるようにコンバータ部２１に制御指令を出力する。電力変換動作は、コンバータ部２１及びインバータ部２３が直流電力を交流電力に変換する動作である。制御器３は、インバータ部２３が有する複数の半導体スイッチング素子の各々についてオンの状態とオフの状態とを切り替える制御を行う。

図３は、実施の形態１にかかる電力変換装置１の電力変換部２が有するコンバータ部２１の構成を示す図である。図３には、制御器３も示されている。上述の通り、コンバータ部２１は、太陽電池５１から電力変換装置１に出力された直流電圧を上昇させる。コンバータ部２１は、リアクトル２４と、スイッチング素子２５と、ダイオード２６とを有する昇圧回路である。実施の形態１では、スイッチング素子２５は、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）である。

リアクトル２４の一端は、コンバータ部２１の入力端である。リアクトル２４の他端は、スイッチング素子２５のコレクタとダイオード２６のアノード側の端部とに接続されている。スイッチング素子２５のコレクタは、リアクトル２４の他端とダイオード２６のアノード側の端部とに接続されている。スイッチング素子２５のエミッタは、コンバータ部２１の入力端及び出力端に接続されている。スイッチング素子２５のゲートは、制御器３に接続されている。ダイオード２６の一端は、リアクトル２４に接続されている。ダイオード２６の他端は、コンバータ部２１の出力端である。スイッチング素子２５は、ＩＧＢＴ以外の半導体部品であってもよい。スイッチング素子２５は、ＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）であってもよい。

太陽電池５１の出力電圧は、コンバータ部２１が有するスイッチング素子２５の通流率によって変化する。図４は、太陽電池５１の出力電圧と実施の形態１にかかる電力変換装置１のスイッチング素子２５の通流率との関係を示すグラフである。図４は、太陽電池５１の出力電力とスイッチング素子２５の通流率との関係も示している。スイッチング素子２５の通流率が０％である場合、スイッチング素子２５はオフの状態であり、太陽電池５１の出力電圧は開放電圧となる。スイッチング素子２５の通流率が０％から徐々に大きくなると、太陽電池５１の出力電力は徐々に大きくなり、太陽電池５１の出力電圧は低下していく。通流率が１００％になると、つまりスイッチング素子２５が短絡状態になると、太陽電池５１の出力電圧は０となる。

実施の形態１にかかる電力変換装置１が有する制御器３は、太陽電池５１が出力する直流電力を交流電力に変換する動作が開始されるまで、通流率を１００％にさせる制御指令をコンバータ部２１に出力し、スイッチング素子２５を短絡させる。つまり、コンバータ部２１及びインバータ部２３による電力変換動作が停止している場合、制御器３は、スイッチング素子２５を短絡させる制御指令をコンバータ部２１に出力する。これにより、太陽電池５１が出力する直流電力を交流電力に変換する動作が電力変換装置１によって開始されるまで、太陽電池５１の出力電圧は０Ｖとなり、電圧は電力変換装置１に印加されない。

太陽電池５１が出力する直流電力を交流電力に変換する動作が電力変換装置１によって開始されると、制御器３は、通流率を１００％から徐々に低下させる制御指令をコンバータ部２１に出力する。更に言うと、制御器３は、太陽電池５１の出力電圧を最大とする制御指令をコンバータ部２１に出力する。

図５は、実施の形態１にかかる電力変換装置１が有する制御器３の動作の手順を示すフローチャートである。夜間で日射がなく、太陽電池５１が発電することができない状況を想定する。制御器３は、コンバータ部２１が有するスイッチング素子２５の通流率を１００％にさせる制御指令をコンバータ部２１に出力する（Ｓ１）。

ステップＳ１の動作が行われた後、明け方になり日の出を迎え、日射量が徐々に増加し、太陽電池５１が発電を開始したことを想定する。電力変換装置１は、太陽電池５１が出力する直流電力を交流電力に変換する動作を開始する。制御器３は、通流率を１００％から徐々に低下させていく制御指令をコンバータ部２１に出力する（Ｓ２）。言い換えると、制御器３は、コンバータ部２１に出力する制御指令が示す通流率を１００％から徐々に低下させていく。

制御器３が通流率を変化させると、太陽電池５１の出力電力が変化する。制御器３は、太陽電池５１の出力電力が最大となるように通流率を変更し、太陽電池５１の出力電力が最大となる通流率を示す制御指令をコンバータ部２１に出力する（Ｓ３）。

夕方となり日射量が低下して日の入を迎え、太陽電池５１が発電することができなくなったことを想定する。制御器３は、通流率を１００％にさせる制御指令をコンバータ部２１に出力する（Ｓ４）。

上述の通り、実施の形態１にかかる電力変換装置１は、太陽電池５１が出力する直流電力を交流電力に変換する動作を開始するまで、コンバータ部２１が有するスイッチング素子２５の通流率を１００％にさせる制御指令をコンバータ部２１に出力し、スイッチング素子２５を短絡させる。つまり、電力変換装置１は、コンバータ部２１及びインバータ部２３による電力変換動作が停止している場合、スイッチング素子２５を短絡させる制御指令をコンバータ部２１に出力する。

これにより、電力変換装置１が、太陽電池５１が出力する直流電力を交流電力に変換する動作を開始するまで、太陽電池５１の出力電圧は０Ｖとなり、電圧は電力変換装置１に印加されない。すなわち、電力変換装置１は、入力される過電圧を抑制することができる。その結果、電力変換装置１は、高電圧に対する耐力を有する部品を必要としない。加えて、電力変換装置１は、太陽電池５１から電力変換装置１に供給される電流を電力変換部２に流さずに太陽電池５１に戻す電流パス回路を必要としない。したがって、電力変換装置１は、比較的安価に製造することができ、比較的規模が小さく、かつ入力される過電圧を抑制することができる。

実施の形態２．
図６は、実施の形態２にかかる電力変換装置１Ａの構成を示す図である。電力変換装置１Ａは、実施の形態１にかかる電力変換装置１と同様に、太陽電池５１から出力された直流電力を交流電力に変換して交流電力を系統５２に出力する装置である。電力変換装置１Ａは、電力変換装置１が有する電力変換部２、電圧検出器４及び開閉器５を有する。電力変換装置１Ａは、電力変換装置１が有する制御器３に替わって、電力変換部２を制御する制御器３Ａを有する。実施の形態２では、実施の形態１との相違点を主に説明する。

制御器３Ａは、電圧検出器４が検出した太陽電池５１の出力電圧を示す情報を電圧検出器４から受け取り、電力変換部２が有するコンバータ部２１とインバータ部２３とを動作させるための制御指令を決定し、決定した制御指令を電力変換部２に出力する。制御器３Ａは、系統５２から電力変換装置１Ａに供給された電力と、平滑コンデンサ２２に蓄えられた電力とのうちの一方又は双方によって動作する。

実施の形態１にかかる電力変換装置１では、系統５２において停電が発生した場合、制御器３の動作は停止する。そのため、制御指令はコンバータ部２１に出力されず、太陽電池５１の出力電圧が開放電圧となり、比較的高い電圧が太陽電池５１から電力変換装置１に出力される場合がある。この状態を避けるため、電力変換装置１Ａは、太陽電池５１の出力電力でも動作する。

次に、制御器３Ａの動作を説明する。系統５２が正常である場合、制御器３Ａは、実施の形態１の制御器３と同様に動作する。すなわち、コンバータ部２１及びインバータ部２３による電力変換動作が停止していて系統５２が正常である場合、制御器３Ａは、コンバータ部２１が有するスイッチング素子２５を短絡させる制御指令をコンバータ部２１に出力する。

次に、系統５２が停電している場合、制御器３Ａは太陽電池５１の出力にて動作する。実施の形態１の制御器３の動作によると、コンバータ部２１が有するスイッチング素子２５の通流率を１００％にさせる制御指令をコンバータ部２１に出力し、スイッチング素子２５を短絡させる。スイッチング素子２５を短絡させると、太陽電池５１の出力は０となり、制御器３への電力供給が停止し、コンバータ部２１の動作が停止する。このため、比較的高い電圧が太陽電池５１から電力変換装置１に出力されることとなる。

実施の形態２では、系統５２において停電が発生している場合、コンバータ部２１及びインバータ部２３による電力変換動作が停止しているとき、制御器３Ａは、コンバータ部２１が有するスイッチング素子２５の通流率を１００％より小さくさせる制御指令をコンバータ部２１に出力する。これにより、電力変換部２が有する平滑コンデンサ２２の充電が行われる。平滑コンデンサ２２の充電が完了すると、制御器３Ａは、平滑コンデンサ２２に蓄えられた電力をもとに動作を開始する。制御器３Ａが動作を開始した後、電力変換装置１Ａは、太陽電池５１から供給される電力を用いて、実施の形態１の図５のフローチャートを用いて説明したように動作する。

上述の通り、実施の形態２にかかる電力変換装置１Ａでは、系統５２において停電が発生している場合、コンバータ部２１及びインバータ部２３による電力変換動作が停止しているとき、制御器３Ａは、コンバータ部２１が有するスイッチング素子２５の通流率を１００％より小さくさせる制御指令をコンバータ部２１に出力する。これにより、電力変換部２が有する平滑コンデンサ２２の充電が行われ、制御器３Ａは、平滑コンデンサ２２に蓄えられた電力をもとに動作を開始することができる。その結果、系統５２において停電が発生している場合においても、電力変換装置１Ａは、実施の形態１にかかる電力変換装置１と同様に、入力される過電圧を抑制することができる。

図７は、実施の形態１にかかる電力変換装置１が有する制御器３及び電圧検出器４の少なくとも一部がプロセッサ７１によって実現される場合のプロセッサ７１を示す図である。つまり、制御器３及び電圧検出器４の少なくとも一部の機能は、メモリ７２に格納されるプログラムを実行するプロセッサ７１によって実現されてもよい。プロセッサ７１は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、処理装置、演算装置、マイクロプロセッサ、又はＤＳＰ（Digital Signal Processor）である。図７には、メモリ７２も示されている。

制御器３及び電圧検出器４の少なくともの一部の機能がプロセッサ７１によって実現される場合、当該少なくともの一部の機能は、プロセッサ７１と、ソフトウェア、ファームウェア、又は、ソフトウェアとファームウェアとの組み合わせとにより実現される。ソフトウェア又はファームウェアは、プログラムとして記述され、メモリ７２に格納される。プロセッサ７１は、メモリ７２に記憶されたプログラムを読み出して実行することにより、制御器３及び電圧検出器４の少なくとも一部の機能を実現する。

制御器３及び電圧検出器４の少なくとも一部の機能がプロセッサ７１によって実現される場合、電力変換装置１は、制御器３及び電圧検出器４によって実行されるステップの少なくとも一部が結果的に実行されることになるプログラムを格納するためのメモリ７２を有する。メモリ７２に格納されるプログラムは、制御器３及び電圧検出器４が実行する手順又は方法の少なくとも一部をコンピュータに実行させるものであるともいえる。

メモリ７２は、例えば、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、フラッシュメモリ、ＥＰＲＯＭ（Erasable Programmable Read Only Memory）、ＥＥＰＲＯＭ（登録商標）（Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory）等の不揮発性もしくは揮発性の半導体メモリ、磁気ディスク、フレキシブルディスク、光ディスク、コンパクトディスク、ミニディスク又はＤＶＤ（Digital Versatile Disk）等である。

図８は、実施の形態１にかかる電力変換装置１が有する制御器３及び電圧検出器４の少なくとも一部が処理回路８１によって実現される場合の処理回路８１を示す図である。つまり、制御器３及び電圧検出器４の少なくとも一部は、処理回路８１によって実現されてもよい。

処理回路８１は、専用のハードウェアである。処理回路８１は、例えば、単一回路、複合回路、プログラム化されたプロセッサ、並列プログラム化されたプロセッサ、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）、ＦＰＧＡ（Field-Programmable Gate Array）、又はこれらを組み合わせたものである。

制御器３及び電圧検出器４の一部は、残部と別個の専用のハードウェアによって実現されてもよい。

制御器３及び電圧検出器４の複数の機能について、当該複数の機能の一部がソフトウェア又はファームウェアで実現され、当該複数の機能の残部が専用のハードウェアで実現されてもよい。このように、制御器３及び電圧検出器４の複数の機能は、ハードウェア、ソフトウェア、ファームウェア、又はこれらの組み合わせによって実現することができる。

実施の形態２にかかる電力変換装置１Ａが有する制御器３Ａ及び電圧検出器４の少なくとも一部の機能は、メモリに格納されるプログラムを実行するプロセッサによって実現されてもよい。当該メモリはメモリ７２と同様のメモリであり、当該プロセッサはプロセッサ７１と同様のプロセッサである。電力変換装置１Ａが有する制御器３Ａ及び電圧検出器４の少なくとも一部は、処理回路によって実現されてもよい。当該処理回路は、処理回路８１と同様の処理回路である。

以上の実施の形態に示した構成は、一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、実施の形態同士を組み合わせることも可能であるし、要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略又は変更することも可能である。

１，１Ａ 電力変換装置、２ 電力変換部、３，３Ａ 制御器、４ 電圧検出器、５ 開閉器、２１ コンバータ部、２２ 平滑コンデンサ、２３ インバータ部、２４ リアクトル、２５ スイッチング素子、２６ ダイオード、５１ 太陽電池、５２ 系統、７１ プロセッサ、７２ メモリ、８１ 処理回路。

Claims (3)

1. 分散型電源から出力された直流電力を交流電力に変換する電力変換装置であって、
   前記分散型電源から前記電力変換装置に出力された直流電圧を上昇させるコンバータ部と、
   前記コンバータ部によって得られた直流電圧を平滑する平滑コンデンサと、
   前記平滑コンデンサによって平滑された直流電圧を交流電圧に変換するインバータ部と、
   前記コンバータ部を制御する制御器と、
   前記分散型電源の出力電圧値を検出する電圧検出器とを備え、
   前記コンバータ部及び前記インバータ部による電力変換動作が停止している場合、前記制御器は、前記電圧検出器によって検出された出力電圧値が前記制御器にて制御可能な最小値となるように前記コンバータ部に制御指令を出力する
   ことを特徴とする電力変換装置。
2. 前記制御器は、系統から供給された電力によって動作し、
   前記コンバータ部は、リアクトル、スイッチング素子及びダイオードを有する昇圧回路であって、
   前記コンバータ部及び前記インバータ部による電力変換動作が停止している場合、前記制御器は、前記スイッチング素子を短絡させる前記制御指令を前記コンバータ部に出力する
   ことを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
3. 前記制御器は、系統から供給された電力と前記平滑コンデンサに蓄えられた電力とのうちの一方又は双方によって動作し、
   前記コンバータ部は、リアクトル、スイッチング素子及びダイオードを有する昇圧回路であって、
   前記コンバータ部及び前記インバータ部による電力変換動作が停止していて前記系統が正常である場合、前記制御器は、前記コンバータ部が有する前記スイッチング素子を短絡させる前記制御指令を前記コンバータ部に出力し、
   前記系統において停電が発生している場合、前記制御器は、前記コンバータ部が有する前記スイッチング素子の通流率を１００％より小さくさせる前記制御指令を前記コンバータ部に出力する
   ことを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。

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