JP2023112723A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】適切に運用できる電力変換装置を提供する。【解決手段】各々が、入力された直流電圧を交流電圧に変換する複数の一次回路１４と、各々の一次巻線１６ａが各々の前記一次回路１４に接続され各々の二次巻線１６ｂが交流バス１８に接続された複数の一次トランス１６と、各々の一次巻線２０ａが前記交流バス１８に接続された複数の二次トランス２０と、各々の前記二次トランス２０の二次巻線２０ｂにおける電圧である二次巻線電圧Ｖｓ１～Ｖｓ３と、電気機器１３１，１３２，１３３が入出力する直流電圧と、を双方向に変換する複数の二次回路２２と、を電力変換装置１００に設けた。【選択図】図１

Description

本発明は、電力変換装置に関する。

本技術分野の背景技術として、下記特許文献１の要約には、「直流入力を得て高周波出力を与える第１のインバータ部と、第１のインバータ部の高周波出力を電圧変換するＬＬＣトランスと、ＬＬＣトランスの出力を直流変換する整流器部と、整流器部の直流出力を交流に変換する第２のインバータ部と、ＬＬＣトランスの二次回路に並列に接続された制御回路用電源トランスを介して、第２のインバータ部を構成する半導体素子のゲート電力を得る制御回路から成ることを特徴とする。」と記載されている。

特開２０１７－７００４７号公報

ところで、上述した技術において、電力変換器を一層適切に運用したいという要望がある。
この発明は上述した事情に鑑みてなされたものであり、適切に運用できる電力変換装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため本発明の電力変換装置は、各々が、入力された直流電圧を交流電圧に変換する複数の一次回路と、各々の一次巻線が各々の前記一次回路に接続され各々の二次巻線が交流バスに接続された複数の一次トランスと、各々の一次巻線が前記交流バスに接続された複数の二次トランスと、各々の前記二次トランスの二次巻線における電圧である二次巻線電圧と、電気機器が入出力する直流電圧と、を双方向に変換する複数の二次回路と、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、適切に運用できる電力変換装置を提供できる。

第１実施形態による電力変換装置のブロック図である。 電力変換装置の要部の回路図である。 図２における各部の波形図である。 電力変換装置を設置した駐車場の例を示す模式図である。

［第１実施形態］
図１は、第１実施形態による電力変換装置１００のブロック図である。
電力変換装置１００は、交流電源１２０と、電力機器群１３０と、の間に接続されている。ここで、交流電源１２０は、例えば数キロボルト程度の高圧の交流電力系統である。電力機器群１３０は、直流電力を入出力する複数の機器を備えている。図示の例において、電力機器群１３０は、電気自動車１３１（電気機器）と、太陽光発電装置１３２（電気機器）と、蓄電池システム１３３（電気機器）と、を含んでいる。電力変換装置１００は、交流電源１２０と電力機器群１３０との間で、交流／直流電力の双方向変換を行う。

電力変換装置１００は、リアクトル１０と、Ｍ台の電力変換器セル１２－１～１２－Ｍと、Ｍ台のコンデンサ１３－１～１３－Ｍと、Ｍ台の一次回路１４－１～１４－Ｍと、Ｍ台の一次トランス１６－１～１６－Ｍと、高周波バス１８（交流バス）と、Ｎ台の二次トランス２０－１～２０－Ｎと、Ｎ台の二次回路２２－１～２２－Ｎと、コントローラ３０と、クロック発生器３２と、を備えている。なお、上述した一次側回路数Ｍおよび二次側回路数Ｎは何れも複数であり、同数であってもよく、異なる数であってもよい。また、以下の説明において、同一または同様の機能、意義を有する複数の構成要素や信号等を、例えば「電力変換器セル１２－１～１２－Ｍ」のように、同一の符号に「－」と数値を付して、表記する場合がある。但し、これら複数の構成要素等を区別する必要がない場合には、例えば「電力変換器セル１２」のように、「－」と数値を省略して表記する場合がある。

リアクトル１０および電力変換器セル１２－１～１２－Ｍは、交流電源１２０に対して直列に接続されている。各々の電力変換器セル１２は印加された交流電圧を整流し、コンデンサ１３を介して直流電圧を出力する。各一次回路１４は、対応するコンデンサ１３に印加された直流電圧を高周波電圧に変換し、対応する一次トランス１６に印加する。これにより、各一次トランス１６は、一次回路１４に対して絶縁した状態で、高周波バス１８に対して高周波電流を供給する。ここで、高周波とは、１００Ｈｚ以上の周波数であるが、好ましくは、１ｋＨｚ以上、または１０ｋＨｚ以上の周波数が採用される。これにより、電力変換装置１００を小型化することができる。

各二次トランス２０は、高周波バス１８に接続されている。そして、各二次回路２２は、高周波電圧と直流電圧とを双方向に変換し、電力機器群１３０との間で直流電力を入出力する。高周波バス１８は、一対の導体（符号なし）を備えるが、そのうち一方は接地されている。このように、一方の導体を接地することにより、一次側（高圧側）と二次側（低圧側）との混触を防止することができる。クロック発生器３２は、一次回路１４－１～１４－Ｍに対して、クロック信号ＣＫＰ－１～ＣＫＰ－Ｍを各々供給し、二次回路２２－１～２２－Ｎに対して、クロック信号ＣＫＳ－１～ＣＫＳ－Ｎを各々供給する。コントローラ３０は、電力変換装置１００が電力機器群１３０に対して入出力すべき電力等に応じて、クロック信号ＣＫＰ－１～ＣＫＰ－Ｍ，ＣＫＳ－１～ＣＫＳ－Ｎの周波数および位相をクロック発生器３２に対して指令する。

図２は、電力変換装置１００の要部の回路図である。
図２においては、図１に示した一次側回路数Ｍおよび二次側回路数Ｎは共に「３」であることとする。各一次回路１４は、４個のスイッチング素子（符号なし）と、これらに逆並列接続された４個のダイオード（符号なし）と、を備えている。また、図示は省略するが、各一次回路１４は、供給されたクロック信号ＣＫＰ（図１参照）に基づいて各スイッチング素子をドライブするドライブ回路を備えている。

一次回路１４－１～１４－３には、コンデンサ１３－１～１３－３が並列接続されている。これらコンデンサ１３－１～１３－３を介して一次回路１４－１～１４－３に入力される直流電力をＰｐ１～Ｐｐ３と呼ぶ。また、一次回路１４－１～１４－３は一次トランス１６－１～１６－３の一次巻線１６ａに接続されている。一次トランス１６－１～１６－３の一次巻線１６ａに現れる電圧をＶｐ１～Ｖｐ３と呼ぶ。なお、図２において各一次トランス１６および各二次トランス２０に接続されているリアクトル（符号なし）は、一次トランス１６または二次トランス２０の内部インダクタンスであってもよく、外付けのリアクトルであってもよい。一次トランス１６の二次巻線１６ｂおよび二次トランス２０の一次巻線２０ａは、高周波バス１８に並列に接続されている。

二次トランス２０－１～２０－３の二次巻線２０ｂに現れる電圧を二次巻線電圧Ｖｓ１～Ｖｓ３と呼ぶ。これら二次トランス２０の二次巻線２０ｂは、二次回路２２－１～２２－３に接続されている。各二次回路２２は、４個のスイッチング素子（符号なし）と、これらに逆並列接続された４個のダイオード（符号なし）と、を備えている。また、図示は省略するが、二次回路２２は、供給されたクロック信号ＣＫＳ（図１参照）に基づいて各スイッチング素子をドライブするドライブ回路を備えている。

各二次回路２２－１～２２－３には、コンデンサ２４－１～２４－３が並列接続されており、これらコンデンサ２４－１～２４－３から電力機器群１３０に出力される直流電力をＰｓ１～Ｐｓ３と呼ぶ。ここでは、説明を簡略化するため、各コンデンサ１３の端子電圧および各コンデンサ２４の端子電圧は等しいこととし、各一次トランス１６および各二次トランス２０の巻線比も等しいこととする。

図３は、図２における各部の波形図である。
図３において、電圧Ｖｐ１～Ｖｐ３は、何れもデューティ比５０％を有する同一位相の方形波状の電圧であり、図示のように、時刻ｔ10，ｔ20が立上りタイミングになる。これにより、直流電力Ｐｐ１～Ｐｐ３（図２参照）は等しくなる。また、二次巻線電圧Ｖｓ１～Ｖｓ３もデューティ比５０％を有する方形波状の電圧である。但し、電圧Ｖｐ１～Ｖｐ３の位相に対して、二次巻線電圧Ｖｓ１の位相は遅れ、電圧Ｖｓ２は同相であり、電圧Ｖｓ３は進んでいる。この場合、図２に示す直流電力Ｐｓ１は正値になり、二次回路２２－１から電力機器群１３０に電力が供給される。

また、直流電力Ｐｓ２は負値になり、電力機器群１３０から二次回路２２－２に電力が供給される。この直流電力Ｐｓ２の絶対値は、直流電力Ｐｐ１～Ｐｐ３と同等になる。また、直流電力Ｐｓ３も負値になり、電力機器群１３０から二次回路２２－３に電力が供給される。但し、直流電力Ｐｓ３の絶対値は、直流電力Ｐｓ２の絶対値よりも大きな値になる。このように、図３に示す各電圧の位相関係においては、電力変換装置１００は二次回路２２－１を介して電力機器群１３０に電力を供給し、二次回路２２－２，２２－３を介して電力機器群１３０から電力供給を受けることになる。また、より位相が進んだポートから、より位相が遅れたポートに電力が供給される。

電圧Ｖｓ２の位相を図３に示す位相から徐々に遅らせてゆくと、直流電力Ｐｓ２の絶対値は徐々に小さくなり、やがて零値になる。そして、電圧Ｖｓ２の位相をさらに遅らせてゆくと、直流電力Ｐｓ２の極性が正値になる。すなわち、二次回路２２－２から電力機器群１３０に電力が供給されるようになる。また、電圧Ｖｓ２の位相を更に遅らせてゆくと、直流電力Ｐｓ２は大きくなってゆく。このように、クロック信号ＣＫＳ（図１参照）によって二次巻線電圧Ｖｓ１～Ｖｓ３の位相を調整することにより、各二次回路２２に入出力する電力を調整することが可能である。また、電力機器群１３０から二次回路２２から供給された電力を交流電源１２０に出力することも可能である。

なお、各コンデンサ１３の端子電圧および各コンデンサ２４の端子電圧は異なる電圧であってもよく、各一次トランス１６および各二次トランス２０の巻線比を異ならせてもよい。この場合、電圧Ｖｓ１～Ｖｓ３，Ｖｐ１～Ｖｐ３の位相が同一であったとしても、直流電力Ｐｐ１～Ｐｐ３，Ｐｓ１～Ｐｓ３は異なる値になる。しかし、この場合においても、二次巻線電圧Ｖｓ１～Ｖｓ３の位相を早めた場合は電力機器群１３０から電力変換装置１００に入力する方向に電力が変化し、二次巻線電圧Ｖｓ１～Ｖｓ３の位相を遅らせた場合は電力変換装置１００から電力機器群１３０に入力する方向に電力が変化する。これにより、電力機器群１３０に対して、各二次回路２２から所望の電力を入出力することができる。

図４は、電力変換装置１００を設置した駐車場の例を示す模式図である。
図４において、駐車場２００は、天井２１０と、床２２０と、を備えている。上述した電気自動車１３１は、受電コネクタ１３１ａを備えており、駐車場２００の床２２０に駐車している。電力変換装置１００は、天井２１０の形状に沿った略平板状の筐体１０６を備え、駐車場２００の天井２１０に装着されている。

電力変換装置１００にはケーブル１０２が装着され、ケーブル１０２は下方に垂下している。そして、ケーブル１０２の下端には給電コネクタ１０４が装着されている。ユーザが給電コネクタ１０４を受電コネクタ１３１ａに嵌合させ、所定の操作を行うと、電力変換装置１００から電気自動車１３１に電力が供給され、電気自動車１３１のバッテリー（図示略）が充電される。このように、駐車場２００の天井２１０に電力変換装置１００を装着することにより、既存の駐車場２００に電力変換装置１００を容易に設置することができる。

［比較例］
次に、上述の実施形態の効果を明確にするため、比較例について説明する。
比較例の構成について図示は省略するが、高周波バス１８が設けられておらず、一次側回路数Ｍと二次側回路数Ｎが同一である点を除いて、図１に示した上記実施形態のものと同様である。すなわち、比較例においては、一次回路１４－ｋ（１≦ｋ≦Ｍ）に入出力される直流電力Ｐｐｋと、二次回路２２－ｋから入出力される直流電力Ｐｓｋとが等しくなる。

比較例の構成によれば、複数の二次回路２２から複数の電気自動車１３１等に同時に直流電力を出力することができる。しかし、電力変換器セル１２が交流電源１２０に対して直列接続されているため、各二次回路２２が入出力する直流電力に大きな差をつけることが困難である。従って、ある二次回路２２が電力機器群１３０に対して電力を出力しながら他の二次回路２２が電力機器群１３０供給を受けることも困難である。このように、比較例においては、電力変換装置１００と電力機器群１３０との間における電力の需給状態に対する制約が大きくなるという問題がある。

［実施形態の効果］
以上のように上述の実施形態による電力変換装置１００は、各々が、入力された直流電圧を交流電圧に変換する複数の一次回路１４と、各々の一次巻線１６ａが各々の一次回路１４に接続され各々の二次巻線１６ｂが交流バス（１８）に接続された複数の一次トランス１６と、各々の一次巻線２０ａが交流バス（１８）に接続された複数の二次トランス２０と、各々の二次トランス２０の二次巻線２０ｂにおける電圧である二次巻線電圧Ｖｓ１～Ｖｓ３と、電気機器（１３１，１３２，１３３）が入出力する直流電圧と、を双方向に変換する複数の二次回路２２と、を備える。これにより、電気機器（１３１，１３２，１３３）が電力変換装置１００に対して独立して電力を入出力できるため、電力変換装置１００を適切に運用できる。

また、電力変換装置１００は、交流電源１２０に対して直列接続され、各々が入力された交流電圧を直流電圧に変換し対応する一次回路１４に印加する複数の電力変換器セル１２をさらに備えると一層好ましい。これにより、電力変換装置１００は、交流電源１２０から電力を受電し、または交流電源１２０に対して電力を供給できる。

また、複数の二次回路２２は、各々に供給されたクロック信号ＣＫＳに同期して、各々の二次巻線電圧Ｖｓ１～Ｖｓ３の位相を設定すると一層好ましい。これにより、クロック信号ＣＫＳに同期して、対応する電気機器（１３１，１３２，１３３）に応じた電力の入出力制御を実行できる。

また、電力変換装置１００は、電気機器（１３１，１３２，１３３）が入出力すべき電力に応じて、対応するクロック信号ＣＫＳの位相を設定するクロック発生器３２をさらに備えると一層好ましい。これにより、対応する電気機器（１３１，１３２，１３３）に応じた、より柔軟な電力の入出力制御を実行できる。

また、交流バス（１８）は一対の導体を備え、一対の導体のうち一方は接地されていると一層好ましい。これにより、一次側（高圧側）と二次側（低圧側）との混触を防止することができる。

また、電力変換装置１００は、駐車場２００の天井２１０に装着される筐体１０６をさらに備えると一層好ましい。これにより、既存の駐車場２００に電力変換装置１００を容易に設置することができる。

［変形例］
本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。上述した実施形態は本発明を理解しやすく説明するために例示したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、上記実施形態の構成に他の構成を追加してもよく、構成の一部について他の構成に置換をすることも可能である。また、図中に示した制御線や情報線は説明上必要と考えられるものを示しており、製品上で必要な全ての制御線や情報線を示しているとは限らない。実際には殆ど全ての構成が相互に接続されていると考えてもよい。上記実施形態に対して可能な変形は、例えば以下のようなものである。

（１）上記実施形態において、電力変換装置１００は交流電力系統等の交流電源１２０と、電力機器群１３０との間で電力を入出力した。しかし、近年、直流電力系統も普及しつつあるため、交流電源１２０に代えて、直流電力系統等の直流電源に電力変換装置１００を接続してもよい。この場合、リアクトル１０、電力変換器セル１２およびコンデンサ１３は不要になるため、直流電源に対して、電力変換器セル１２－１～１２－Ｍを直列接続するとよい。

１２ 電力変換器セル
１４ 一次回路
１６ 一次トランス
１６ａ 一次巻線
１６ｂ 二次巻線
１８ 高周波バス（交流バス）
２０ 二次トランス
２０ａ 一次巻線
２０ｂ 二次巻線
２２ 二次回路
３２ クロック発生器
１００ 電力変換装置
１０６ 筐体
１２０ 交流電源
１３１ 電気自動車（電気機器）
１３２ 太陽光発電装置（電気機器）
１３３ 蓄電池システム（電気機器）
２００ 駐車場
２１０ 天井
ＣＫＳ クロック信号
Ｖｓ１～Ｖｓ３ 二次巻線電圧

Claims (6)

1. 各々が、入力された直流電圧を交流電圧に変換する複数の一次回路と、
   各々の一次巻線が各々の前記一次回路に接続され各々の二次巻線が交流バスに接続された複数の一次トランスと、
   各々の一次巻線が前記交流バスに接続された複数の二次トランスと、
   各々の前記二次トランスの二次巻線における電圧である二次巻線電圧と、電気機器が入出力する直流電圧と、を双方向に変換する複数の二次回路と、を備える
   ことを特徴とする電力変換装置。
2. 交流電源に対して直列接続され、各々が入力された交流電圧を直流電圧に変換し対応する前記一次回路に印加する複数の電力変換器セルをさらに備える
   ことを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
3. 複数の前記二次回路は、各々に供給されたクロック信号に同期して、各々の前記二次巻線電圧の位相を設定する
   ことを特徴とする請求項２に記載の電力変換装置。
4. 前記電気機器が入出力すべき電力に応じて、対応する前記クロック信号の位相を設定するクロック発生器をさらに備える
   ことを特徴とする請求項３に記載の電力変換装置。
5. 前記交流バスは一対の導体を備え、一対の前記導体のうち一方は接地されている
   ことを特徴とする請求項４に記載の電力変換装置。
6. 駐車場の天井に装着される筐体をさらに備える
   ことを特徴とする請求項５に記載の電力変換装置。

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