JP2022111074A - 電力変換システム及びその制御方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】直流電源又は直流負荷の電圧及び／又は電流を調節し、使用素子の数と体積を更に減らし、コストと電力消耗を低減する、電力変換システム及びその制御方法を提供する。【解決手段】電力変換システムは、ｎ個のチョッパ及びｎ個の直流素子を備える。各チョッパは、スイッチングブリッジレグ、第１端がスイッチングブリッジレグの中性点に接続されるインダクタンス及びスイッチングブリッジレグに並列接続される第１キャパシタを備える。ｎ個の直流素子は、ｎ個のチョッパに逐一対応する直流電源又は直流負荷であり、ｎ個の直流素子の第１端が互いに連結され、第２端が対応するチョッパのインダクタンスの第２端に夫々接続され、各チョッパのスイッチングブリッジレグは並列接続される。ｎは２以上の自然数である。本発明によれば、高効率、低コストで電池などの直流素子の電圧及び電流を調節し、電池の使用寿命及び安全性を高めることができる。【選択図】図１

Description

本発明は、電力変換の分野に属し、特に電力変換システム及びその制御方法に関する。
大電力のエネルギー貯蔵に用いられる電池やスーパーキャパシタは、一般に数千～数万単位の低電圧セルで構成され、複数の組を直列接続又は並列接続してから始めてシステムの需要に対応できる高電圧・大電流が得られる。ところが、直列電圧のバラつきや並列電池の循環電流によってはシステムの安定性及び実用性が制限され、投資収益及びシステムの安全性に大きな影響を与える。近年、エネルギー貯蔵施設で発火事故が多発し、電気エネルギー貯蔵システムにとってシステムの保護性と安全性への要求が益々高まり、安全性を高める観点から、多くのエネルギー貯蔵システムでは電池充放電時の充電率（ｓｔａｔｅ ｏｆ ｃｈａｒｇｅ，ＳＯＣ）を例えば２０％～８０％の範囲に制限し、電池パックの電圧差と循環電流を考慮して１０％～２０％の余裕を予め確保せざるを得なくなり、結果として投資コストが向上してしまう。
上述の技術課題を解決するため、現在、主に１）双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ（以下、「チョッパ」とも称する）を利用して各組の電池パックを入力とし、電源や負荷の直流母線を出力とすることにより、両側の電気エネルギーに対して電圧、電流を両方向へ変換し、および２）直列電圧補償によって直流電圧と電流を調節し、直流電源システムに電圧補償用の２ポートＤＣ／ＤＣコンバータを導入する試みが行われている。そのうち、上記１）の方法では双方向ＤＣ／ＤＣコンバータが電圧及び電流の調節能力、入力及び出力電圧の変換能力を備え、加えてより迅速に電流を遮断することができるが、高電圧大電流の直流へ変換する際の素子コストと電力損失が増えるという問題を抱える。一方、上記２）の方法では電圧補償用のＤＣ／ＤＣコンバータに入力ポート及び出力ポートを備え、出力端が電源システムの電源回路に直列接続されて電圧を重ね合わせて補償し、入力端に補償用の電気エネルギーが提供され、電源電圧に対して電圧調節の幅が小さいとき、低電力の電圧補償用ＤＣ／ＤＣコンバータを利用して総出力電圧や電流を調節するができ、補償用コンバータの電力容量が大幅に低下するため、最大電力で入出力するチョッパに比べて小型化とコスト削減が可能となり、かつ電力変換時の消耗を減らすことができ、このような方法を部分的電力変換とも称する。上述の補償用ＤＣ／ＤＣコンバータには絶縁型のコンバータが採用されており、高周波トランス及び直流から高周波交流、さらに直流へ変換する一連の動作を含むため、使用素子数が多くなり、小型化が難しく、コストも向上する。
したがって、上述の技術課題を解決しうる電力変換システム及びその制御方法が特に期待されている。
本発明は、かかる従来の問題点に鑑みてなされ、特定構造を有する低電力非絶縁型のチョッパを利用した電力変換システムを提供することを目的とする。本発明の電力変換システムによれば、直流電源又は直流負荷の電圧及び／又は電流を調節することができ、使用素子の数と体積を更に減らし、コストと電力消耗を低減することができる。
上記の目的を達成すべく、本発明の１つの側面ではｎ個のチョッパ、及びｎ個の直流素子を備える電力変換システムを提供し、前記ｎ個のチョッパ各々は、スイッチングブリッジレグ、第１端が前記スイッチングブリッジレグの中性点に接続されるインダクタンス、及び前記スイッチングブリッジレグに並列接続される第１キャパシタを備え、前記ｎ個の直流素子は、前記ｎ個のチョッパ各々に対応する直流電源又は直流負荷であり、前記ｎ個の直流素子の第１端が互いに連結され、第２端が対応するチョッパの前記インダクタンスの第２端にそれぞれ接続され、前記チョッパ各々のスイッチングブリッジレグは並列接続され、ｎは２以上の自然数である。
本発明のもう１つの側面において、前記ｎ個の直流素子のうち少なくとも１つの直流素子が直流電源であり、かつ少なくとも１つの直流素子が直流負荷である。
本発明のもう１つの側面において、前記スイッチングブリッジレグは、直列接続される第１スイッチと第２スイッチを備え、前記第１スイッチと前記第２スイッチの共通接続点は、前記スイッチングブリッジレグの中性点である。
本発明のもう１つの側面において、前記スイッチングブリッジレグは、直列接続される第３スイッチ、第４スイッチ、第５スイッチおよび第６スイッチを備え、前記チョッパ各々は１つのフライングキャパシタを更に備え、前記フライングキャパシタは、前記第３スイッチと前記第４スイッチの共通接続点と、前記第５スイッチと前記第６スイッチの共通接続点との間に電気的に結合され、前記第４スイッチと前記第５スイッチの共通接続点は、前記スイッチングブリッジレグの中性点である。
本発明のもう１つの側面において、前記直流電源は、電池、整流電源及びスーパーキャパシタのうち少なくとも１種である。
本発明のもう１つの側面において、前記直流電源は、ＤＣ／ＤＣコンバータを更に備え、かつ前記インダクタンスと、前記電池、前記整流電源又は前記スーパーキャパシタとの間に電気的に結合される。
本発明のもう１つの側面において、前記直流負荷は、電池、スーパーキャパシタ、抵抗、ＤＣ／ＤＣコンバータ及びＤＣ／ＡＣコンバータの直流端のうち少なくとも１つの直流端である。
本発明のもう１つの側面において、前記チョッパ各々は、第２キャパシタを更に備え、前記第２キャパシタは、前記スイッチングブリッジレグの第１端及び／又は第２端と前記インダクタンスの第２端との間に電気的に結合される。
本発明のもう１つの側面において、前記第１キャパシタの電圧は、前記直流素子の電圧より低い。
本発明のもう１つの側面において、前記電力変換システムは、補償電源を更に備え、前記補償電源と前記スイッチングブリッジレグは並列接続される。
本発明のもう１つの側面において、前記ｎ個の直流素子のうち１つの直流素子は、インバータの直流端である。
本発明のもう１つの側面において、前記電力変換システムは、前記スイッチングブリッジレグを制御する制御手段を更に備える。
本発明のもう１つの側面において、前記インバータの直流端電圧値は、残り（ｎ－１）個の直流素子の電圧の加重平均に等しい。
本発明のもう１つの側面において、前記加重平均において、前記残り（ｎ－１）個の直流素子それぞれの電圧算術重みは、該直流素子を流れる電流と前記残り（ｎ－１）個の直流素子を流れる総電流との比である。
本発明のもう１つの側面において、残り（ｎ－１）個の直流素子は電池パックであり、前記制御手段は、前記残り（ｎ－１）個の直流素子を流れる電流を制御する。
本発明のもう１つの側面において、前記第１キャパシタの電圧は、対応する前記電池パックの定格電圧の５０％より低い。
本発明のもう１つの側面において、残り（ｎ－１）個の直流素子は、太陽電池ストリングである。
本発明のもう１つの側面において、前記インバータの直流端電圧が前記残り（ｎ－１）個の前記太陽電池ストリングの最大電力点（ｍａｘｉｍｕｍ ｐｏｗｅｒ ｐｏｉｎｔ，ＭＰＰ）電圧（以下、「ＭＰＰ電圧」とも称する）の平均値近傍にあるとき、前記制御手段は、各太陽電池ストリングのＭＰＰ電圧を目標値として各インダクタンスの第２端電圧を制御する。
本発明は、さらに、電力変換システムに適用される制御方法を提供し、該制御方法は、各々が、スイッチングブリッジレグ、第１端が前記スイッチングブリッジレグの中性点に接続されるインダクタンス、及び前記スイッチングブリッジレグに並列接続される第１キャパシタを備えたｎ個のチョッパを提供するステップ、ｎ個の直流素子を提供するステップ、及びスイッチングブリッジレグを制御することにより、前記直流素子を流れる電流又は前記直流素子の電圧を調節するステップを含み、前記ｎ個の直流素子は、前記ｎ個のチョッパ各々に対応する直流電源又は直流負荷であり、前記ｎ個の直流素子の第１端が互いに連結され、第２端が対応するチョッパの前記インダクタンスの第２端にそれぞれ接続され、前記各チョッパのスイッチングブリッジレグは並列接続され、ｎは２以上の自然数である。
本発明のもう１つの側面において、前記ｎ個の直流素子のうち１つの直流素子は、インバータの直流端である。
本発明のもう１つの側面において、前記インバータの直流端電圧を制御して残り（ｎ－１）個の直流素子の電圧の加重平均となるようにする。
本発明のもう１つの側面において、前記加重平均において、前記残り（ｎ－１）個の直流素子それぞれの電圧算術重みは、該直流素子を流れる電流と前記残り（ｎ－１）個の直流素子を流れる総電流との比である。
本発明のもう１つの側面において、残り（ｎ－１）個の直流素子は、電池パックである。
本発明のもう１つの側面において、前記第１キャパシタの電圧を制御して一定値になるようにする。
本発明のもう１つの側面において、前記一定値は、前記電池パック及び前記インバータの直流端の電圧より低い値である。
本発明のもう１つの側面において、前記一定値は、前記電池パックの定格電圧の５０％より低い値である。
本発明のもう１つの側面において、残り（ｎ－１）個の直流素子は、太陽電池ストリングである。
本発明のもう１つの側面において、前記インバータの直流端電圧を制御して前記残り（ｎ－１）個の前記太陽電池ストリングのＭＰＰ電圧の平均値に近づけ、かつ各太陽電池ストリングのＭＰＰ電圧を目標値として各インダクタンスの第２端電圧を制御する。
本発明の電力変換システムでは、ｎ個のチョッパを低電力非絶縁型のコンバータとすることにより、大電力変流器に代わって電池パック又はスーパーキャパシタに配備される直流素子の電流を調節し、並びに循環電流を抑制することができる。そのため、本発明は電池パックを２組以上並列接続したエネルギー貯蔵システムに適用可能であり、低コストで循環電流の抑制、電流の調節及び充電率の最適化と維持管理を実現でき、安全性を確保して電池の使用寿命を１５％程度高めることができる。
本発明の第１実施形態に係る電力変換システムの回路模式図である。 本発明の第２実施形態に係る（数種類の直流電源又は直流負荷を備える）電力変換システムの回路模式図である。 本発明の第３実施形態に係る（フィルタキャパシタが異なる位置に配置される）電力変換システムの回路模式図である。 本発明の第４実施形態に係る（チョッパのインダクタンスが直流電源又は負荷の負極に接続され、電源又は負荷の正極が互いに並列接続される）電力変換システムの回路模式図である。 本発明の第５実施形態に係る（局部直流母線が１つの補償電源に接続される）電力変換システムの回路模式図である。 本発明の第６実施形態に係る電力変換システムの回路模式図である。 本発明の第７実施形態に係る電力変換システムの回路模式図である。 本発明の第８実施形態に係る電力変換システムの回路模式図である。 本発明の好適な一実施形態に係る電力変換システムの制御方法を示す流れ図である。 本発明の第９実施形態に係る電力変換システムの回路模式図である。
以下、本発明の目的、技術案および優勢をより深く理解できるよう、図面と実施形態を参照しながら本発明をより詳しく説明する。以下の実施形態は本発明を例示したに過ぎず、本発明はこれらの実施形態に制限されない点に留意されたい。各実施形態において、同じ素子については同じ符号を付与して重複説明を省略し、これらの符号は各実施形態及び／又は構成の関係を制限するものでない。
本発明の好適な一実施形態では、図１に示された通り、ｎ個のチョッパＣＨ１～ＣＨｎ、及びｎ個の直流素子Ｂ１～Ｂｎを備える電力変換システムを提供し、そのうちｎは２以上の自然数である。各チョッパは、スイッチングブリッジレグ、第１端が前記スイッチングブリッジレグの中性点に接続されるインダクタンスＬ１、及び前記スイッチングブリッジレグに並列接続される第１キャパシタＣＢ１を備え、そのうち各チョッパのスイッチングブリッジレグは並列接続される。さらに、各チョッパは、直列接続される第１スイッチＱ１と第２スイッチＱ２を備えるスイッチングブリッジレグ、第１端が前記スイッチングブリッジレグの中性点に、すなわち第１スイッチＱ１と第２スイッチＱ２の共通接続点に接続されるインダクタンスＬ１、及び前記スイッチングブリッジレグに並列接続される第１キャパシタＣＢ１を備える。ｎ個の直流素子Ｂ１～Ｂｎは、前記ｎ個のチョッパＣＨ１～ＣＨｎ各々と対応する直流電源又は直流負荷であり、前記ｎ個の直流素子Ｂ１～Ｂｎの第１端は互いに連結され、第２端は対応するチョッパのインダクタンスＬ１の第２端にそれぞれ接続され、前記ｎ個の直流素子Ｂ１～Ｂｎのうち少なくとも１つの直流素子が直流電源であり、かつ少なくとも１つの直流素子が直流負荷である。本発明の一部の実施形態において、チョッパは一方向に単一化して動作するが、一部の実施形態に係るチョッパは双方向に分かれて動作する。本発明の別の実施形態では、一部のチョッパが一方向に単一化して動作し、一部のチョッパが双方向に分かれて動作する。さらに、各スイッチングブリッジレグは、局部直流母線ＢＵＳの両端ＬＢ＋、ＬＢ－の間に並列接続される。直流素子Ｂ１～Ｂｎは、第１キャパシタＣＢ１に、すなわち局部直流母線ＢＵＳに直接接続されることはない。
具体的には、前記直流電源は、電池、整流電源及びスーパーキャパシタのうち少なくとも１種である。前記直流電源は、ＤＣ／ＤＣコンバータを更に備えてもよく、該ＤＣ／ＤＣコンバータは、インダクタンスＬ１と電池との間に電気的に結合され、又はインダクタンスＬ１と整流電源との間に電気的に結合され、又はインダクタンスＬ１とスーパーキャパシタとの間に電気的に結合される。
さらに、該直流負荷は、電池、スーパーキャパシタ、抵抗、ＤＣ／ＤＣコンバータ又はＤＣ／ＡＣコンバータの直流端のうち少なくとも１種である。
図２～３に示すように、各チョッパは第２キャパシタを更に備え、該第２キャパシタＣｆ１は、スイッチングブリッジレグの第１端又は第２端とインダクタンスＬ１の第２端との間に電気的に結合される。さらに、スイッチングブリッジレグの第１端とインダクタンスＬ１の第２端との間に第２キャパシタＣｆ１が結合され、スイッチングブリッジレグの第２端とインダクタンスＬ１の第２端との間に第２キャパシタＣｆ２がそれぞれ電気的に結合される。
さらに、第１スイッチＱ１及び第２スイッチＱ２の定格作動電圧は、直流素子の電圧より低く、第１キャパシタＣＢ１の電圧は、直流素子の電圧より低い。
図４に示すように、チョッパのインダクタンスＬ１は直流素子の負極Ｂｎ－に接続され、直流素子の正極Ｂｎ＋は互いに並列接続される。このような接続形態に代わって、図１～図３に示すように、チョッパのインダクタンスＬ１を直流素子の正極Ｂｎ＋に接続し、直流素子の負極Ｂｎ－を互いに並列接続してもよい。
本発明のもう１つの実施形態によれば、図５に示すように、該電力変換システムは、補償電源を更に備え、該補償電源はスイッチングブリッジレグに並列接続される。具体的には、該補償電源は局部直流母線ＢＵＳに接続される。
本発明のもう１つの実施形態によれば、図６に示すように、該ｎ個の直流素子Ｂ１～Ｂｎのうち１つの直流素子はインバータ１０の直流端であり、残り（ｎ－１）個の直流素子は電池パックＢ１～Ｂｎ－１である。図６は、ｎ＝７の場合を示す。本発明の一部の実施形態では、インバータ１０が一方向に単一化して電力を伝送し、一部の実施形態では、インバータ１０が両方向に電力を伝送することができる。本発明の一部の実施形態において、インバータ１０は１つのパワーコンディショナー（ｐｏｗｅｒ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ、以下では「ＰＣＳ」とも称する）である。該電力変換システムは、更に第１スイッチＱ１及び第２スイッチＱ２を制御するための制御手段１１を備える。制御手段１１は、マルチ回路制御器１１２及びフィールド制御器１１１を備え、マルチ回路制御器１１２は、インバータ１０の直流端以外の残り（ｎ－１）個の直流素子にそれぞれ通信可能に接続され、かつ各チョッパの第１スイッチＱ１及び第２スイッチＱ２にそれぞれ電気的に接続される。マルチ回路制御器１１２は、フィールド制御器１１１を介してインバータ１０に接続される。さらに、インバータ１０の直流端電圧値は、残り（ｎ－１）個の直流素子の電圧の加重平均に等しい値である。該加重平均において、残り（ｎ－１）個の直流素子のうち各直流素子の電圧算術重みが、該直流素子を流れる電流と残り（ｎ－１）個の直流素子を流れる総電流の比であることは当分野の技術者にとって容易に理解できる。
本発明の一部の実施形態において、残り（ｎ－１）個の直流素子は電池パックであり、前記制御手段１１は、残り（ｎ－１）個の直流素子を流れる電流を制御する。
具体的には、図６に示すように、電池エネルギー貯蔵システムに複数の電池パックが並列接続され、これら電池パックの定格電圧が同じである。電池充放電時の充電率（ＳＯＣ）／劣化率（ｓｔａｔｅ ｏｆ ｈｅａｌｔｈ，ＳＯＨ）などの差に対しては、制御手段１１を利用して電池パックの充放電電流を調節することによって遂行される。具体的には、図６に示すように、ｎ＝７であり、そのうち６つのチョッパ（すなわち、第１～第６番目のチョッパ）が電池パックＢ１～Ｂ６にそれぞれ接続され、残り１つのチョッパ（すなわち、第７番目のチョッパはインバータ１０の直流ポートに接続される。局部直流母線ＢＵＳの電圧は、電池パックＢ１～Ｂ６及びインバータ１０の直流端電圧に比べて遥かに低い数値である。マルチ回路制御器１１２は、各電池パックのＳＯＣ及びＳＯＨに基づいて各電池の電流を制御し、上記第７番目のチョッパはインバータ１０の直流端電圧を制御し、インバータ１０の直流端電圧値は、各電池パックの電圧の加重平均に等しい値である。電池パックＢ１～Ｂ６の電圧とインバータ１０の直流端電圧は差が小さく、局部直流母線ＢＵＳの電圧が低いため、システムの効率が飛躍的に向上する。例えば、定格電圧１０００Ｖの電池パックである場合、ランダムに抽出した２組の電池パックの間に８％の電圧差、すなわち最大で８０Ｖの電圧差があるため、局部直流母線ＢＵＳの電圧を電池パックの定格電圧に比して遥かに低くなるように１００Ｖ～１２０Ｖの範囲にすることができる。
本発明の一部の実施形態において、局部直流母線ＢＵＳの電圧を、すなわち第１キャパシタＣＢ１の電圧を一定値になるようにし、該一定値は、電池パック及びインバータの直流端の電圧値に比べて低い数値である。本発明の一部の実施形態において、該一定値は、電池パックの定格電圧の５０％より低い数値である。
本発明のもう１つの実施形態によれば、図７に示すように、前記ｎ個の直流素子Ｂ１～Ｂｎのうち１つの直流素子は、インバータ１０の直流端であり、残り（ｎ－１）個の直流素子は、図７に示すような太陽電池ストリングＰＶ１、ＰＶ２及びＰＶ３である。さらに、インバータ１０の直流端電圧が該（ｎ－１）個の太陽電池ストリングのＭＰＰ電圧の平均値近傍に、例えば、ＭＰＰ電圧の平均値の８５％～１１５％の範囲内にあるとき、前記制御手段は、各太陽電池ストリングのＭＰＰ電圧を目標値として各インダクタンスＬ１の第２端電圧を制御する。
具体的には、インバータ１０は、分散型太陽光発電（ＰＶ）システムにおいてインバータ直流端の電圧をマルチ回路太陽電池ストリングのＭＰＰ電圧の平均値に近づけ、例えば太陽電池ストリングの開路電圧の８２％程度になるようにし、そして各チョッパを利用してインダクタンスＬ１の第２端電圧とインバータ１０の直流端電圧の差を調節することにより、各組の太陽電池ストリングの電圧がＭＰＰ動作点に達するようにする。
図７に示すように、ｎ＝４であり、そのうち３つのチョッパ（すなわち、第１～第３番目のチョッパ）は太陽電池ストリングＰＶ１、ＰＶ２及びＰＶ３にそれぞれ接続され、第４番目のチョッパはインバータ１０の直流端に接続される。スイッチングブリッジレグ両端の電圧は太陽電池ストリングＰＶ１、ＰＶ２及びＰＶ３、並びにインバータ１０直流端の電圧に比べて遥かに低く、インバータ１０は、各太陽電池ストリングの開路電圧に基づいて、インバータ直流端の電圧を、太陽電池ストリングの開路電圧値の０．８２に近づけるようにする。マルチ回路制御器１１２は、各チョッパのインダクタンスＬ１の第２端電圧とインバータ１０の直流端電圧との差を調節することにより、太陽電池ストリングの電圧がＭＰＰに追従できるようにする。太陽電池ストリングＰＶ１、ＰＶ２及びＰＶ３のＭＰＰ電圧とインバータ１０の直流端電圧との差が小さく、局部直流母線ＢＵＳの電圧が低いため、システムの效率が飛躍的に向上する。また、各チョッパによって各太陽電池ストリングＰＶ１、ＰＶ２及びＰＶ３に補償される総電力は、１つの補償電源によって、例えば絶縁された両方向又は一方向ＤＣ／ＤＣコンバータによって平衡化される。例えば、局部直流母線ＢＵＳの電圧を直流電源又は負荷作動電圧の５０％となるようにした場合、全電圧チョッパに比べて作動電圧が５０％低いスイッチング素子を利用することができ、同じ電流条件下でコンバータの損耗を低減することができる。
さらに、図８に示すように、一部の電池エネルギー貯蔵システムにおいて、電池パックの電圧範囲とインバータ１０の直流端の電圧範囲は多少なりとも一定の差があり、マルチ回路チョッパ及び外部からの補償電源を利用し、低電圧の局部直流母線ＢＵＳを経由して各組の電池の充放電電流を調節することができる。具体的には、ｎ＝４であり、そのうち３つのチョッパ（すなわち、第１～第３番目のチョッパ）は電池パックＢ１、Ｂ２及びＢ３にそれぞれ接続され、第４番目のチョッパはインバータ１０の直流端に接続される。インバータ１０の直流端電圧が電池パックＢ１、Ｂ２及びＢ３の電圧に比べてやや高い場合を想定すると、インバータ１０の直流端電圧と電池パックＢ１、Ｂ２及びＢ３の電圧との差が電池パックＢ１、Ｂ２及びＢ３の電圧に比べて遥かに低い数値であるため、局部直流母線ＢＵＳの電圧を該電圧差よりやや高く設定することができる。制御手段は、電池パックＢ１、Ｂ２及びＢ３の充放電電流が各自それぞれのＳＯＣ及びＳＯＨの管理要求に対応できるように、各チョッパのインダクタンスＬ１の電流を調節する。このとき、局部直流母線ＢＵＳの電圧が低いため、システムの效率が飛躍的に向上する。各チョッパによって電池パックＢ１、Ｂ２及びＢ３の充放電回路に補償される電力は、１つの補償電源によって、例えば絶縁された双方向ＤＣ／ＤＣコンバータによって平衡化される。例えば、インバータ１０の直流端電圧が１０００Ｖであり、電池パックＢ１、Ｂ２及びＢ３の電圧が７００Ｖ～９２０Ｖの範囲にある場合、局部直流母線ＢＵＳの電圧を３５０Ｖとすることにより最低電圧７００Ｖから最高電圧９２０Ｖまでの電池パックＢ１、Ｂ２及びＢ３の電圧上昇需要に対応することができる。
本発明のもう１つの側面では、電力変換システムに適用される制御方法を提供する。図１～図９に示すように、前記制御方法は、以下のステップＳ１～Ｓ３を含んでなる。
ステップＳ１：ｎ個のチョッパＣＨ１～ＣＨｎを提供し、各チョッパは、直列接続される第１スイッチＱ１と第２スイッチＱ２を備えるスイッチングブリッジレグ、第１端がスイッチングブリッジレグの中性点に接続されるインダクタンスＬ１、及びスイッチングブリッジレグに並列接続される第１キャパシタＣＢ１を備え、そのうち、各チョッパのスイッチングブリッジレグは並列接続される。
ステップＳ２：ｎ個の直流素子Ｂ１～Ｂｎを提供し、かかる直流素子は、前記ｎ個のチョッパ各々に対応する直流電源又は直流負荷であり、前記ｎ個の直流素子Ｂ１～Ｂｎの第１端が互いに連結され、第２端が対応するチョッパのインダクタンスＬ１の第２端にそれぞれ接続され、前記ｎ個の直流素子Ｂ１～Ｂｎのうち少なくとも１つの直流素子が直流電源であり、かつ少なくとも１つの直流素子が直流負荷であり、ｎは２以上の自然数である。
ステップＳ３：前記第１スイッチＱ１及び第２スイッチＱ２を制御することにより、前記直流素子を流れる電流又は前記直流素子の電圧を調節する。
本発明の一部の実施形態において、第１スイッチＱ１と第２スイッチＱ２が相補型スイッチとして動作するよう制御を行う。
上述の実施形態に係るチョッパは、何れもハーフブリッジ構造を有するチョッパであるが、高電圧の需要に対応できる観点から、チョッパは３レベル構造を有するチョッパを採用することもできる。例えば、図１に示す実施形態とは異なり、図１０に示す実施形態に係る各スイッチングブリッジレグは、直列接続される第３スイッチＱ３、第４スイッチＱ４、第５スイッチＱ５及び第６スイッチＱ６を備える。スイッチングブリッジレグの中性点、すなわち第４スイッチＱ４と第５スイッチＱ５の共通接続点はインダクタンスＬ１の第１端に接続される。各チョッパはフライングキャパシタＣ１を更に備え、フライングキャパシタＣ１は、第３スイッチＱ３と第４スイッチＱ４の共通接続点と、第５スイッチＱ５と第６スイッチＱ６の共通接続点との間に電気的に結合される。言うまでもないが、ハーフブリッジ構造を採用した実施形態に係る直流素子の種々の変形やスイッチングブリッジレグの制御方法は、３レベル構造を採用する実施形態にも適用可能である。
本発明では、ｎ個のチョッパを低電力非絶縁型のコンバータとすることにより、大電力変流器に代わって直流素子の電流を調節し、並びに循環電流を抑制することができる。そのため、本発明は電池パックを２組以上並列接続したエネルギー貯蔵システムに適用可能であり、低コストで循環電流の抑制、電流の調節及び充電率の最適化と維持管理を実現でき、安全性を確保して電池の使用寿命を１５％程度高めることができる。
上述の実施形態は本発明を例示したに過ぎず、本発明はこれらの実施形態に制限されない。なお、本発明の趣旨から逸脱しない前提で当業者が本発明に対して種々の変更や変化を施してもよく、これらの変更や変化も本発明の範囲内である点に留意されたい。

Claims (28)

  1. ｎ個のチョッパ、及びｎ個の直流素子を備える電力変換システムであって、
    前記ｎ個のチョッパ各々は、スイッチングブリッジレグ、第１端が前記スイッチングブリッジレグの中性点に接続されるインダクタンス、及び前記スイッチングブリッジレグに並列接続される第１キャパシタを備え、
    前記ｎ個の直流素子は、前記ｎ個のチョッパ各々に対応する直流電源又は直流負荷であり、前記ｎ個の直流素子の第１端が互いに連結され、第２端が対応するチョッパの前記インダクタンスの第２端にそれぞれ接続され、
    前記チョッパ各々のスイッチングブリッジレグは並列接続され、ｎは２以上の自然数であることを特徴とする、電力変換システム。
  2. 前記ｎ個の直流素子のうち少なくとも１つの直流素子は直流電源であり、かつ少なくとも１つの直流素子は直流負荷である、請求項１に記載の電力変換システム。
  3. 前記スイッチングブリッジレグは、直列接続される第１スイッチと第２スイッチを備え、前記第１スイッチと前記第２スイッチの共通接続点は、前記スイッチングブリッジレグの中性点である、請求項１に記載の電力変換システム。
  4. 前記スイッチングブリッジレグは、直列接続される第３スイッチ、第４スイッチ、第５スイッチおよび第６スイッチを備え、
    前記各チョッパは、１つのフライングキャパシタを更に備え、
    前記フライングキャパシタは、前記第３スイッチと前記第４スイッチの共通接続点と、前記第５スイッチと前記第６スイッチの共通接続点との間に電気的に結合され、前記第４スイッチと前記第５スイッチの共通接続点は、前記スイッチングブリッジレグの中性点である、請求項１に記載の電力変換システム。
  5. 前記直流電源は、電池、整流電源及びスーパーキャパシタのうち少なくとも１種である、請求項１に記載の電力変換システム。
  6. 前記直流電源は、ＤＣ／ＤＣコンバータを更に備え、かつ前記インダクタンスと前記電池、前記整流電源又は前記スーパーキャパシタとの間に電気的に結合される、請求項５に記載の電力変換システム。
  7. 前記直流負荷は、電池、スーパーキャパシタ、抵抗、ＤＣ／ＤＣコンバータ及びＤＣ／ＡＣコンバータの直流端のうち少なくとも1つの直流端である、請求項１、２、５又は６に記載の電力変換システム。
  8. 前記チョッパ各々は、第２キャパシタを更に備え、前記第２キャパシタは、前記スイッチングブリッジレグの第１端及び／又は第２端と前記インダクタンスの第２端との間に電気的に結合される、請求項１～６の何れか１項に記載の電力変換システム。
  9. 前記第１キャパシタの電圧は、前記直流素子の電圧より低い、請求項１～６の何れか１項に記載の電力変換システム。
  10. 補償電源を更に備え、前記補償電源と前記スイッチングブリッジレグは並列接続される、請求項１～６の何れか１項に記載の電力変換システム。
  11. 前記ｎ個の直流素子のうち１つの直流素子は、インバータの直流端である、請求項１に記載の電力変換システム。
  12. 前記スイッチングブリッジレグを制御する制御手段を更に備える、請求項１１に記載の電力変換システム。
  13. 前記インバータの直流端電圧値は、残り（ｎ－１）個の直流素子の電圧の加重平均に等しい、請求項１１に記載の電力変換システム。
  14. 前記加重平均において、前記残り（ｎ－１）個の直流素子それぞれの電圧算術重みは、該直流素子を流れる電流と前記残り（ｎ－１）個の直流素子を流れる総電流との比である、請求項１３に記載の電力変換システム。
  15. 残り（ｎ－１）個の直流素子は、電池パックであり、前記制御手段は、前記残り（ｎ－１）個の直流素子を流れる電流を制御する、請求項１２に記載の電力変換システム。
  16. 前記第１キャパシタの電圧は、対応する前記電池パックの定格電圧の５０％より低い、請求項１５に記載の電力変換システム。
  17. 残り（ｎ－１）個の直流素子は、太陽電池ストリングである、請求項１２に記載の電力変換システム。
  18. 前記インバータの直流端電圧が前記（ｎ－１）個の前記太陽電池ストリングの最大電力点（ＭＰＰ）電圧の平均値近傍にあるとき、前記制御手段は、各太陽電池ストリングのＭＰＰ電圧を目標値として各インダクタンスの第２端電圧を制御する、請求項１７に記載の電力変換システム。
  19. 電力変換システムに適用される制御方法であって、該制御方法は、
    各々が、スイッチングブリッジレグ、第１端が前記スイッチングブリッジレグの中性点に接続されるインダクタンス、及び前記スイッチングブリッジレグに並列接続される第１キャパシタを備えたｎ個のチョッパを提供するステップ、
    ｎ個の直流素子を提供するステップ、及び
    前記スイッチングブリッジレグを制御することにより、前記直流素子を流れる電流又は前記直流素子の電圧を調節するステップを含み、
    前記ｎ個の直流素子は、前記ｎ個のチョッパ各々に対応する直流電源又は直流負荷であり、前記ｎ個の直流素子の第１端が互いに連結され、第２端が対応するチョッパの前記インダクタンスの第２端にそれぞれ接続され、
    前記チョッパ各々のスイッチングブリッジレグは並列接続され、ｎは２以上の自然数であることを特徴とする、制御方法。
  20. 前記ｎ個の直流素子のうち１つの直流素子は、インバータの直流端である、請求項１９に記載の制御方法。
  21. 前記インバータの直流端電圧を制御して残り（ｎ－１）個の直流素子の電圧の加重平均となるようにする、請求項２０に記載の制御方法。
  22. 前記加重平均において、前記残り（ｎ－１）個の直流素子それぞれの電圧算術重みは、該直流素子を流れる電流と前記残り（ｎ－１）個の直流素子を流れる総電流との比である、請求項２１に記載の制御方法。
  23. 残り（ｎ－１）個の直流素子は、電池パックである、請求項２０に記載の制御方法。
  24. 前記第１キャパシタの電圧を制御して一定値になるようにする、請求項２３に記載の制御方法。
  25. 前記一定値は、前記電池パック及び前記インバータの直流端の電圧より低い値である、請求項２４に記載の制御方法。
  26. 前記一定値は、前記電池パックの定格電圧の５０％より低い値である、請求項２５に記載の制御方法。
  27. 残り（ｎ－１）個の直流素子は、太陽電池ストリングである、請求項２０に記載の制御方法。
  28. 前記インバータの直流端電圧を制御して前記残り（ｎ－１）個の前記太陽電池ストリングのＭＰＰ電圧の平均値に近づけ、かつ各太陽電池ストリングのＭＰＰ電圧を目標値として各インダクタンスの第２端電圧を制御する、請求項２７に記載の制御方法。
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