JP2024020709A - 蓄電システムおよび電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】停電時に単相３線式の各線間の電圧のアンバランスを解消することが可能で、かつＤＣ／ＡＣインバータの簡素化を図ることが可能な蓄電システムを提供する。【解決手段】双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ２と、ＤＣ／ＡＣインバータ３と、ＤＣ／ＤＣコンバータ４と、制御部５とを備えるハイブリッド型蓄電システム１であって、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ２は、第１コンデンサＣ１を含む双方向昇降圧回路２Ａと、第２コンデンサＣ２を含む双方向反転昇降圧回路２Ｂとを備え、制御部５は、電力系統が停電状態の時に第１コンデンサＣ１の第１電圧および第２コンデンサＣ２の第２電圧が等しくなるように、双方向昇降圧回路２Ａによる第１コンデンサＣ１の充放電制御と、双方向反転昇降圧回路２Ｂによる第２コンデンサＣ２の充放電制御を実行することを特徴とする。【選択図】図１

Description

本発明は、蓄電システムおよび電力変換装置に関する。

従来から、太陽光発電用の電力変換装置として、例えば、特許文献１に記載のものが知られている。図４に示すように、特許文献１に記載の電力変換装置は、コンデンサＣ１３と、チョークコイルＬ１１、スイッチング素子Ｓ１１およびダイオードＤ１１で構成される昇圧チョッパと、直列接続された等しい静電容量のコンデンサＣ１１、Ｃ１２およびスイッチング素子Ｓ１２～Ｓ１５で構成されるＤＣ／ＡＣインバータ（２個のハーフブリッジインバータ）とを備える。

特許文献１に記載の電力変換装置では、太陽電池ＰＶから入力された電圧はコンデンサＣ１３で平滑された後、昇圧チョッパによって昇圧される。昇圧チョッパは、昇圧した電圧をコンデンサＣ１１、Ｃ１２の両端に出力し、コンデンサＣ１１、Ｃ１２で等分に分圧する。ＤＣ／ＡＣインバータは、コンデンサＣ１１、Ｃ１２の接続点を単相３線式の中性線に接続することで、単相３線出力が可能となる。

しかしながら、特許文献１に記載の電力変換装置を電力系統が停電状態の時（以下、停電時）であって自立出力を行う時に用いると、ＤＣ／ＡＣインバータの出力側のＲ－Ｎ間に接続される負荷とＮ－Ｓ間に接続される負荷の仕様（例えば、消費電力や突入電流のバラツキ等）の違いにより、Ｒ－Ｎ間とＮ－Ｓ間に電圧のアンバランス（アンバランス負荷）が生じる場合がある。この場合、コンデンサＣ１１、Ｃ１２の分圧電圧が等しい電圧にならず、ＤＣ／ＡＣインバータの出力電圧は、負荷が大きい側で低下し、負荷が小さい側で上昇するという問題が生じる。

上記の問題に対応した電力変換装置として、例えば、特許文献２に記載のものが知られている。図５に示すように、特許文献２に記載の電力変換装置（ＤＣ／ＡＣインバータ）は、直列接続された等しい静電容量のコンデンサＣ２１、Ｃ２２と、スイッチング素子Ｓ２７、Ｓ２８およびリアクトルＬ２１で構成される中性線電圧調整回路と、スイッチング素子Ｓ２１～Ｓ２６およびダイオードＤ２１で構成されるインバータ回路と、フィルタ回路と、制御部（ＣＰＵ）とを備える。

特許文献２に記載のＤＣ／ＡＣインバータでは、停電時かつ自立出力時に、下記のように自立出力電圧（第１直流電圧および第２直流電圧）のアンバランスに対応した動作を行う。第１直流電圧（第１直流電圧線ＤＣＬ１および中性線ＮＬの間の電圧）が第２直流電圧（中性線ＮＬおよび第２直流電圧線ＤＣＬ２の間の電圧）よりも大きい場合には、制御部は、スイッチング素子Ｓ２７のオンデューティ比を大きくするとともに、スイッチング素子Ｓ２８のオンデューティ比を小さくする。一方、第２直流電圧が第１直流電圧よりも大きい場合には、制御部は、スイッチング素子Ｓ２８のオンデューティ比を大きくするとともに、スイッチング素子Ｓ２７のオンデューティ比を小さくする。

上記の制御により、特許文献２に記載のＤＣ／ＡＣインバータでは、単相３線式の第１交流電圧線ＡＣＬ１と中性線ＮＬの間および第２交流電圧線ＡＣＬ２と中性線ＮＬの間に電圧のアンバランスが生じても、コンデンサＣ２１、Ｃ２２の分圧電圧を等しい電圧に制御することができる。なお、インバータ回路からスイッチング素子Ｓ２５、Ｓ２６およびダイオードＤ２１を削除してハーフブリッジ構成にしても、電圧のアンバランスに対応した動作が可能となる。

しかしながら、特許文献２に記載のＤＣ／ＡＣインバータでは、中性線電圧調整回路の存在や、中性線電圧調整回路の制御を行うために必要な検出部等の存在が、ＤＣ／ＡＣインバータの大型化および複雑化を招くという問題が生じる。

太陽光発電機能を有した蓄電システムであるハイブリッド型蓄電システムは、太陽電池に接続されるＤＣ／ＤＣコンバータと、蓄電池に接続される双方向ＤＣ／ＤＣコンバータと、ＤＣ／ＤＣコンバータおよび双方向ＤＣ／ＤＣコンバータに接続されるＤＣ／ＡＣインバータとを備える。ハイブリッド型蓄電システムにおいても、停電時に単相３線式の各線間の電圧のアンバランスに対応した動作が求められるが、ＤＣ／ＡＣインバータに中性線電圧調整回路を追加した場合、上記特許文献２に記載のＤＣ／ＡＣインバータと同様の問題が生じる。

特開平９－６５６５７号公報 特開２０２１－９３８６１号公報

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであって、その課題とするところは、停電時に単相３線式の各線間の電圧のアンバランスを解消することが可能で、かつＤＣ／ＡＣインバータの簡素化を図ることが可能な蓄電システムおよび電力変換装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明に係る蓄電システムは、
発電装置に接続されるＤＣ／ＤＣコンバータと、
蓄電池に接続される双方向ＤＣ／ＤＣコンバータと、
直流端が前記ＤＣ／ＤＣコンバータおよび前記双方向ＤＣ／ＤＣコンバータに接続され、交流端が単相３線式の第１電圧線、中性線および第２電圧線に接続されるＤＣ／ＡＣインバータと、
制御部と、
を備える蓄電システムであって、
前記双方向ＤＣ／ＤＣコンバータは、
第１コンデンサを含み、昇圧動作および降圧動作を行う双方向昇降圧回路と、
前記第１コンデンサに直列接続された第２コンデンサを含み、反転昇圧動作および反転降圧動作を行う双方向反転昇降圧回路と、を備え、
前記第１コンデンサの第１電圧および前記第２コンデンサの第２電圧が、前記ＤＣ／ＡＣインバータに印加され、かつ前記第１コンデンサおよび前記第２コンデンサの接続点が前記中性線に接続され、
前記制御部は、電力系統が停電状態の時に前記第１電圧および前記第２電圧が等しくなるように、前記双方向昇降圧回路による前記第１コンデンサの充放電制御と、前記双方向反転昇降圧回路による前記第２コンデンサの充放電制御とを実行することを特徴とする。

この構成では、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータが双方向昇降圧回路と双方向反転昇降圧回路とを備え、停電時に第１電圧と第２電圧とが等しくなるように、制御部が双方向昇降圧回路による第１コンデンサの充放電制御と双方向反転昇降圧回路による第２コンデンサの充放電制御とを実行するので、従来のＤＣ／ＡＣインバータが備える中性線電圧調整回路が不要になる。したがって、この構成によれば、停電時に単相３線式の各線間の電圧のアンバランスを解消することが可能で、かつＤＣ／ＡＣインバータの簡素化を図ることが可能となる。

前記蓄電システムにおいて、
前記制御部は、
前記第１電圧が前記第２電圧よりも大きい場合、前記双方向昇降圧回路を降圧動作させて前記第１コンデンサを放電させるとともに、前記双方向反転昇降圧回路を反転昇圧動作させて前記第２コンデンサを充電する第１充放電制御を実行する一方、
前記第１電圧が前記第２電圧よりも小さい場合、前記双方向昇降圧回路を昇圧動作させて前記第１コンデンサを充電するとともに、前記双方向反転昇降圧回路を反転降圧動作させて前記第２コンデンサを放電させる第２充放電制御を実行するよう構成できる。

前記蓄電システムは、
前記双方向ＤＣ／ＤＣコンバータは、前記蓄電池側の接続端間に接続され、前記双方向昇降圧回路と前記双方向反転昇降圧回路とで共有される第３コンデンサを含み、
前記制御部は、前記蓄電池の残存容量がゼロまたは前記蓄電池が満充電状態の場合で、かつ前記発電装置の発電電力が前記ＤＣ／ＤＣコンバータを介して前記ＤＣ／ＡＣインバータの前記直流端に印加されている場合、
前記第１充放電制御において、前記第１コンデンサを放電させて前記第３コンデンサを充電するとともに、前記第３コンデンサを放電させて前記第２コンデンサを充電し、
前記第２充放電制御において、前記第２コンデンサを放電させて前記第３コンデンサを充電するとともに、前記第３コンデンサを放電させて前記第１コンデンサを充電するよう構成できる。

上記課題を解決するために、本発明に係る電力変換装置は、
双方向ＤＣ／ＤＣコンバータと、
直流端が前記双方向ＤＣ／ＤＣコンバータに接続され、交流端が単相３線式の第１電圧線、中性線および第２電圧線に接続されるＤＣ／ＡＣインバータと、
制御部と、
を備える電力変換装置であって、
前記双方向ＤＣ／ＤＣコンバータは、
第１コンデンサを含み、昇圧動作および降圧動作を行う双方向昇降圧回路と、
前記第１コンデンサに直列接続された第２コンデンサを含み、反転昇圧動作および反転降圧動作を行う双方向反転昇降圧回路と、を備え、
前記第１コンデンサの第１電圧および前記第２コンデンサの第２電圧が、前記ＤＣ／ＡＣインバータに印加され、かつ前記第１コンデンサおよび前記第２コンデンサの接続点が前記中性線に接続され、
前記制御部は、電力系統が停電状態の時に前記第１電圧および前記第２電圧が等しくなるように、前記双方向昇降圧回路による前記第１コンデンサの充放電制御と、前記双方向反転昇降圧回路による前記第２コンデンサの充放電制御とを実行することを特徴とする。

本発明によれば、停電時に単相３線式の各線間の電圧のアンバランスを解消することが可能で、かつＤＣ／ＡＣインバータの簡素化を図ることが可能な蓄電システムおよび電力変換装置を提供することができる。

本発明に係る蓄電システムを示す図である。 本発明に係る蓄電システムにおいて、双方向チョッパが降圧動作を行い、双方向反転チョッパが反転昇圧動作を行っている時の電流の流れを示す図である。 本発明に係る蓄電システムにおいて、双方向チョッパが昇圧動作を行い、双方向反転チョッパが反転降圧動作を行っている時の電流の流れを示す図である。 従来の太陽光発電用の電力変換装置を示す図である。 中性線電圧調整回路を備える従来のＤＣ／ＡＣインバータを示す図である。

以下、添付図面を参照して、本発明に係る蓄電システムおよび電力変換装置の実施形態について説明する。

図１に、本発明の一実施形態に係るハイブリッド型蓄電システム１を示す。ハイブリッド型蓄電システム１は、太陽光発電機能を有した電力変換装置（蓄電システム）であって、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ２と、ＤＣ／ＡＣインバータ３と、ＤＣ／ＤＣコンバータ４と、制御部５と、直流端Ｔ１～Ｔ４と、自立出力端Ｕ、Ｏ、Ｗとを備える。

直流端Ｔ１、Ｔ２は、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ２と蓄電池ＢＴとを接続する端子である。直流端Ｔ３、Ｔ４は、ＤＣ／ＤＣコンバータ４と太陽電池ＰＶ（本発明の「発電装置」に相当）とを接続する端子である。自立出力端Ｕ、Ｏ、Ｗは、ＤＣ／ＡＣインバータ３と単相３線式の第１電圧線、中性線および第２電圧線とを接続する端子である。

自立出力端Ｕは第１電圧線に接続され、自立出力端Ｏは中性線に接続され、自立出力端Ｗは第２電圧線に接続される。自立出力端Ｕ－Ｏ間（第１電圧線と中性線との間）および自立出力端Ｏ－Ｗ間（中性線と第２電圧線との間）に、負荷（例えば、家電製品）が接続される。

ハイブリッド型蓄電システム１は、自立出力端Ｕ、Ｏ、Ｗとは別の経路で単相３線式の第１電圧線、中性線および第２電圧線に接続される系統接続端（不図示）と、ＤＣ／ＡＣインバータ３と自立出力端Ｕ、Ｏ、Ｗおよび系統接続端との間に設けられたリレー回路（不図示）とを備える。リレー回路は、例えば、電力系統が停電状態の時（停電時）にＤＣ／ＡＣインバータ３と系統接続端との電気的接続を切り離し、電力系統が通電状態の時（通電時）にＤＣ／ＡＣインバータ３と自立出力端Ｕ、Ｏ、Ｗとの電気的接続を切り離す。

双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ２は、本発明の「双方向昇降圧回路」に相当する双方向チョッパ２Ａと、本発明の「双方向反転昇降圧回路」に相当する双方向反転チョッパ２Ｂとを備える。双方向チョッパ２Ａは、制御部５の制御下で昇圧動作および降圧動作を行う。双方向反転チョッパ２Ｂは、制御部５の制御下で反転昇圧動作および反転降圧動作を行う。反転昇圧動作は、出力の極性が入力の極性に対して反転する昇圧動作であり、反転降圧動作は、出力の極性が入力の極性に対して反転する降圧動作である。

双方向チョッパ２Ａは、第１コンデンサＣ１と、スイッチング素子Ｑ１と、ダイオードＤ１と、スイッチング素子Ｑ２と、ダイオードＤ２と、チョークコイルＬ１と、第３コンデンサＣ３とで構成される。

第１コンデンサＣ１の一端は、ＤＣ／ＡＣインバータ３の直流端Ｔａに接続されるとともに、スイッチング素子Ｑ１およびチョークコイルＬ１を介して蓄電池ＢＴ側の直流端Ｔ１に接続される。第１コンデンサＣ１の他端（後述する第２コンデンサＣ２との接続点Ｘ１）は、ＤＣ／ＡＣインバータ３を介して自立出力端Ｏに接続されるとともに、蓄電池ＢＴ側の直流端Ｔ２に接続される。第３コンデンサＣ３は、直流端Ｔ１、Ｔ２間に接続される。スイッチング素子Ｑ２は、スイッチング素子Ｑ１を介して第１コンデンサＣ１に並列接続されるとともに、チョークコイルＬ１を介して第３コンデンサＣ３に並列接続される。ダイオードＤ１、Ｄ２は、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２の電流路に逆方向に並列接続される。

双方向反転チョッパ２Ｂは、第２コンデンサＣ２と、スイッチング素子Ｑ３と、ダイオードＤ３と、スイッチング素子Ｑ４と、ダイオードＤ４と、チョークコイルＬ２と、第３コンデンサＣ３とで構成される。

第２コンデンサＣ２の一端は、第１コンデンサＣ１の他端に接続される。第２コンデンサＣ２の他端は、ＤＣ／ＡＣインバータ３の直流端Ｔｂに接続されるとともに、スイッチング素子Ｑ３、Ｑ４を介して蓄電池ＢＴ側の直流端Ｔ１に接続される。チョークコイルＬ２は、スイッチング素子Ｑ４を介して第２コンデンサＣ２に並列接続されるとともに、スイッチング素子Ｑ３を介して第３コンデンサＣ３に並列接続される。ダイオードＤ３、Ｄ４は、スイッチング素子Ｑ３、Ｑ４の電流路に逆方向に並列接続される。

第１コンデンサＣ１および第２コンデンサＣ２は、上記のとおり、直列接続されて分圧回路を構成する。第１コンデンサＣ１および第２コンデンサＣ２には、等しい静電容量のコンデンサを用いることが好ましい。

スイッチング素子Ｑ１～Ｑ４には、例えば、ＭＯＳＦＥＴ（金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ）、ＳｉＣ（シリコンカーバイド）－ＭＯＳＦＥＴ、ＧａＮ（窒化ガリウム）－ＭＯＳＦＥＴ等の半導体スイッチを用いることができる。ダイオードＤ１～Ｄ４には、スイッチング素子Ｑ１～Ｑ４とは独立した外付けダイオードを用いてもよいし、スイッチング素子Ｑ１～Ｑ４の寄生ダイオードを用いてもよいし、その両方でもよい。

ＤＣ／ＡＣインバータ３は、第４コンデンサＣ４と、スイッチング素子Ｑ５～Ｑ８およびダイオードＤ５～Ｄ８を含むインバータ回路と、チョークコイルＬ３、Ｌ４、第５コンデンサＣ５および第６コンデンサＣ６を含むフィルタ回路と、直流端Ｔａ、Ｔｂと、交流端Ｔｕ、Ｔｏ、Ｔｗとを備える。

第４コンデンサＣ４は直流端Ｔａ、Ｔｂ間に接続される。スイッチング素子Ｑ５、Ｑ６の接続点Ｘ２は、チョークコイルＬ４を介して交流端Ｔｗに接続され、スイッチング素子Ｑ７、Ｑ８の接続点Ｘ３は、チョークコイルＬ３を介して交流端Ｔｕに接続される。第５コンデンサＣ５および第６コンデンサＣ６の接続点Ｘ４は、交流端Ｔｏに接続される。交流端Ｔｕ、Ｔｏ、Ｔｗは、リレー回路（不図示）を介して、自立出力端Ｕ、Ｏ、Ｗおよび系統接続端（不図示）に接続される。

ＤＣ／ＤＣコンバータ４は、第７コンデンサＣ７と、第８コンデンサＣ８と、チョークコイルＬ５と、スイッチング素子Ｑ９と、ダイオードＤ９、Ｄ１０とを備える。

第７コンデンサＣ７は直流端Ｔ３、Ｔ４間に接続され、第８コンデンサＣ８は直流端Ｔａ、Ｔｂ間に接続される。チョークコイルＬ５、スイッチング素子Ｑ９およびダイオードＤ９、Ｄ１０は、第７コンデンサＣ７と第８コンデンサＣ８との間で昇圧チョッパを構成する。ダイオードＤ９は、スイッチング素子Ｑ９の電流路に逆方向に並列接続される。

制御部５は、スイッチング素子Ｑ１～Ｑ９をオン／オフさせるためのスイッチング素子Ｑ１～Ｑ９の各駆動回路と、各駆動回路に制御信号を送るための制御回路とを含む。制御部５は、アナログ回路で構成されてもよいし、マイクロコントローラやＤＳＰ等のデジタル回路で構成されてもよいし、アナログ回路とデジタル回路とを組み合わせた回路で構成されてもよい。また、制御部５は、第１コンデンサＣ１の端子間の電圧（本発明の「第１電圧」に相当）および第２コンデンサＣ２の端子間の電圧（本発明の「第２電圧」に相当）を検出するセンサ部を含む。

制御部５は、停電時に第１コンデンサＣ１の電圧と第２コンデンサＣ２の電圧とが等しくなるように、双方向チョッパ２Ａによる第１コンデンサＣ１の充放電制御を実行するとともに、双方向反転チョッパ２Ｂによる第２コンデンサＣ２の充放電制御を実行する。通電時においては、制御部５は、第１コンデンサＣ１の電圧と第２コンデンサＣ２の電圧とを等しくする制御を実行しない。

停電時かつ蓄電池ＢＴ側から自立出力端Ｕ、Ｏ、Ｗ側への電力供給を行う時（自立出力時）に、第１コンデンサＣ１の電圧と第２コンデンサＣ２の電圧とが等しい場合、制御部５は、双方向チョッパ２Ａに昇圧動作または降圧動作を行わせるとともに、双方向反転チョッパ２Ｂに反転昇圧動作または反転降圧動作を行わせる。これにより、第１コンデンサＣ１の電圧と第２コンデンサＣ２の電圧とを安定化させる（第１コンデンサＣ１の電圧と第２コンデンサＣ２の電圧とが等しい状態を維持する）。

自立出力時に、単相３線式の第１電圧線と中性線の間および第２電圧線と中性線の間に電圧のアンバランス（アンバランス負荷）が生じた場合、第１コンデンサＣ１の電圧と第２コンデンサＣ２の電圧とが等しくなるように制御されないと、自立出力端Ｕ－Ｏ間の自立出力電圧と自立出力端Ｏ－Ｗ間の自立出力電圧もアンバランスになる。そこで、制御部５は、第１コンデンサＣ１の電圧と第２コンデンサＣ２の電圧とが等しくなるように、以下のような制御を実行する。

例えば、アンバランス負荷が生じ、第１コンデンサＣ１の電圧が目標電圧よりも上昇し、第２コンデンサＣ２の電圧が目標電圧よりも低下した場合、制御部５は、双方向チョッパ２Ａに降圧動作を行わせ、双方向反転チョッパ２Ｂに反転昇圧動作を行わせる（本発明の「第１充放電制御」に相当）。図２に、その時の電流の流れを示す。

図２および後述する図３では、蓄電池ＢＴは充放電可能な状態である（蓄電池ＢＴは満充電状態ではなく、残存容量がゼロではない）ものとし、かつ太陽電池ＰＶの発電電力がＤＣ／ＤＣコンバータ４により昇圧されて、第４コンデンサＣ４の両端に印加されているものとする。

図２（Ａ）の状態の双方向チョッパ２Ａでは、スイッチング素子Ｑ１がオン、スイッチング素子Ｑ２がオフしているので、第１コンデンサＣ１→スイッチング素子Ｑ１→チョークコイルＬ１→直流端Ｔ１（→蓄電池ＢＴ）の経路で電流が流れ、チョークコイルＬ１にエネルギーが蓄積される。図２（Ｂ）の状態の双方向チョッパ２Ａでは、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２がオフしているので、チョークコイルＬ１に蓄積されたエネルギーが放出され、チョークコイルＬ１→直流端Ｔ１（→蓄電池ＢＴ）→直流端Ｔ２→ダイオードＤ２の経路で電流が流れる。このような双方向チョッパ２Ａの降圧動作により、第１コンデンサＣ１が放電され、蓄電池ＢＴが充電されるので、第１コンデンサＣ１の電圧は低下する。

図２（Ａ）の状態の双方向反転チョッパ２Ｂでは、スイッチング素子Ｑ３がオン、スイッチング素子Ｑ４がオフしているので、直流端Ｔ１→スイッチング素子Ｑ３→チョークコイルＬ２→直流端Ｔ２の経路で電流が流れ、チョークコイルＬ２にエネルギーが蓄積される。図２（Ｂ）の状態の双方向反転チョッパ２Ｂでは、スイッチング素子Ｑ３、Ｑ４がオフしているので、チョークコイルＬ２に蓄積されたエネルギーが放出され、チョークコイルＬ２→第２コンデンサＣ２→ダイオードＤ４→チョークコイルＬ２の経路で電流が流れる。双方向反転チョッパ２Ｂでは、図２（Ａ）の期間は図２（Ｂ）の期間よりも長くなる。このような双方向反転チョッパ２Ｂの反転昇圧動作により、蓄電池ＢＴが放電されて、第２コンデンサＣ２が充電されるので、第２コンデンサＣ２の電圧は上昇する。

双方向チョッパ２Ａに降圧動作を行わせ、かつ双方向反転チョッパ２Ｂに反転昇圧動作を行わせる制御（第１充放電制御）により、第１コンデンサＣ１の電圧と第２コンデンサＣ２の電圧とが等しくなる。その結果、自立出力端Ｕ－Ｏ間の自立出力電圧と自立出力端Ｏ－Ｗ間の自立出力電圧とのアンバランスが解消される。なお、図２には示していないが、第１充放電制御には、スイッチング素子Ｑ１がオン、スイッチング素子Ｑ２～Ｑ４がオフになる状態と、スイッチング素子Ｑ３がオン、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２、Ｑ４がオフになる状態とが存在する。

一方、アンバランス負荷が生じ、第１コンデンサＣ１の電圧が目標電圧よりも低下し、第２コンデンサＣ２の電圧が目標電圧よりも上昇した場合、制御部５は、双方向チョッパ２Ａに昇圧動作を行わせ、双方向反転チョッパ２Ｂに反転降圧動作を行わせる（本発明の「第２充放電制御」に相当）。図３に、その時の電流の流れを示す。

図３（Ａ）の状態の双方向チョッパ２Ａでは、スイッチング素子Ｑ２がオン、スイッチング素子Ｑ１がオフしているので、蓄電池ＢＴが放電されて、直流端Ｔ１→チョークコイルＬ１→スイッチング素子Ｑ２→直流端Ｔ２の経路で電流が流れ、チョークコイルＬ１にエネルギーが蓄積される。図３（Ｂ）の状態の双方向チョッパ２Ａでは、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２がオフしているので、蓄電池ＢＴが放電されるとともにチョークコイルＬ１に蓄積されたエネルギーが放出されて、直流端Ｔ１→チョークコイルＬ１→ダイオードＤ１→第１コンデンサＣ１→直流端Ｔ２の経路で電流が流れる。このような双方向チョッパ２Ａの昇圧動作により、蓄電池ＢＴが放電されて、第１コンデンサＣ１が充電されるので、第１コンデンサＣ１の電圧は上昇する。

図３（Ａ）の状態の双方向反転チョッパ２Ｂでは、スイッチング素子Ｑ４がオン、スイッチング素子Ｑ３がオフしているので、第２コンデンサＣ２→スイッチング素子Ｑ４→チョークコイルＬ２→第２コンデンサＣ２の経路で電流が流れ、チョークコイルＬ２にエネルギーが蓄積される。図３（Ｂ）の状態の双方向反転チョッパ２Ｂでは、スイッチング素子Ｑ３、Ｑ４がオフしているので、チョークコイルＬ２に蓄積されたエネルギーが放出され、チョークコイルＬ２→ダイオードＤ３→直流端Ｔ１（→蓄電池ＢＴ）の経路で電流が流れる。双方向反転チョッパ２Ｂでは、図３（Ａ）の期間は図３（Ｂ）の期間よりも短くなる。このような双方向反転チョッパ２Ｂの反転降圧動作により、第２コンデンサＣ２が放電されて、蓄電池ＢＴが充電されるので、第２コンデンサＣ２の電圧は低下する。

双方向チョッパ２Ａに昇圧動作を行わせ、かつ双方向反転チョッパ２Ｂに反転降圧動作を行わせる制御（第２充放電制御）により、第１コンデンサＣ１の電圧と第２コンデンサＣ２の電圧とが等しくなる。その結果、自立出力端Ｕ－Ｏ間の自立出力電圧と自立出力端Ｏ－Ｗ間の自立出力電圧とのアンバランスが解消される。なお、図３には示していないが、第２充放電制御には、スイッチング素子Ｑ２がオン、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ３、Ｑ４がオフになる状態と、スイッチング素子Ｑ４がオン、スイッチング素子Ｑ１～Ｑ３がオフになる状態とが存在する。

図２の状態において蓄電池ＢＴの残存容量がゼロの場合、制御部５は、双方向チョッパ２Ａに降圧動作を行わせ、第１コンデンサＣ１を放電させて第３コンデンサＣ３を充電するとともに、双方向反転チョッパ２Ｂに反転昇圧動作を行わせ、第３コンデンサＣ３を放電させて第２コンデンサＣ２を充電する。このように、蓄電池ＢＴの充放電を行うことなく第３コンデンサＣ３の充放電を行うことで、第１コンデンサＣ１の電圧と第２コンデンサＣ２の電圧が等しくなる。

図３の状態において蓄電池ＢＴの残存容量がゼロの場合、制御部５は、双方向反転チョッパ２Ｂに反転降圧動作を行わせ、第２コンデンサＣ２を放電させて第３コンデンサＣ３を充電するとともに、双方向チョッパ２Ａに昇圧動作を行わせ、第３コンデンサＣ３を放電させて第１コンデンサＣ１を充電する。このように、蓄電池ＢＴの充放電を行うことなく第３コンデンサＣ３の充放電を行うことで、第１コンデンサＣ１の電圧と第２コンデンサＣ２の電圧が等しくなる。

なお、図２または図３の状態において蓄電池ＢＴの残存容量がゼロの場合で、かつ太陽電池ＰＶの発電電力に自立出力端Ｕ、Ｏ、Ｗ側へ供給しても使い切れない余剰電力がある場合、制御部５は、第３コンデンサＣ３を充電する際に余剰電力を蓄電池ＢＴに供給して、蓄電池ＢＴの充電を行う。

図２または図３の状態において蓄電池ＢＴが満充電状態の場合、第１充放電制御時および第２充放電制御時に、上記と同様に、蓄電池ＢＴの充放電を行う代わりに第３コンデンサＣ３の充放電を行うことで、第１コンデンサＣ１の電圧と第２コンデンサＣ２の電圧を等しくすることができる。

上記のとおり、ハイブリッド型蓄電システム１では、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ２が双方向チョッパ２Ａと双方向反転チョッパ２Ｂとを備え、停電時に第１コンデンサＣ１の電圧と第２コンデンサＣ２の電圧とが等しくなるように、制御部５が双方向チョッパ２Ａによる第１コンデンサＣ１の充放電制御と双方向反転チョッパ２Ｂによる第２コンデンサＣ２の充放電制御とを実行するので、従来のＤＣ／ＡＣインバータが備える中性線電圧調整回路が不要になる。したがって、ハイブリッド型蓄電システム１によれば、停電時に単相３線式の各線間の電圧のアンバランスを解消することが可能で、かつＤＣ／ＡＣインバータ３の簡素化を図ることが可能となる。

また、ハイブリッド型蓄電システム１では、停電時および通電時において、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ２が行う昇降圧動作の昇降圧比が双方向チョッパ２Ａと双方向反転チョッパ２Ｂとで分担されるので、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ２の電力変換効率を改善することができる。特に、低電圧の蓄電池ＢＴが接続される場合に、改善効果が大きくなる。

例えば、蓄電池ＢＴの電圧が１００［Ｖ］、第４コンデンサＣ４の端子間の電圧が４００［Ｖ］の場合、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ２を３００［Ｖ］の電圧差で動作させる必要がある。仮に、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ２が双方向チョッパ２Ａのみで構成されていた場合、双方向チョッパ２Ａが３００［Ｖ］の電圧差で昇降圧動作を行うため、電力変換効率が悪化する。

これに対して、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ２が双方向チョッパ２Ａと双方向反転チョッパ２Ｂとで構成されている本実施形態の場合、双方向チョッパ２Ａを１００［Ｖ］の電圧差（第１コンデンサＣ１の電圧が２００［Ｖ］）で動作させ、双方向反転チョッパ２Ｂも１００［Ｖ］の電圧差（第２コンデンサＣ２の電圧が２００［Ｖ］）で動作させればよい。このように、本実施形態では、３００［Ｖ］の電圧差から１００［Ｖ］の電圧差に低減できるので、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ２の電力変換効率が改善される。

以上、本発明に係る蓄電システムおよび電力変換装置の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。

本発明に係る蓄電システムは、発電装置に接続されるＤＣ／ＤＣコンバータと、蓄電池に接続される双方向ＤＣ／ＤＣコンバータと、直流端がＤＣ／ＤＣコンバータおよび双方向ＤＣ／ＤＣコンバータに接続され、交流端が単相３線式の第１電圧線、中性線および第２電圧線に接続されるＤＣ／ＡＣインバータと、制御部と、を備える蓄電システムであって、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータは、第１コンデンサを含み、昇圧動作および降圧動作を行う双方向昇降圧回路と、第１コンデンサに直列接続された第２コンデンサを含み、反転昇圧動作および反転降圧動作を行う双方向反転昇降圧回路と、を備え、第１コンデンサの第１電圧および第２コンデンサの第２電圧が、ＤＣ／ＡＣインバータに印加され、かつ第１コンデンサおよび第２コンデンサの接続点が中性線に接続され、制御部は、電力系統が停電状態の時に第１電圧および第２電圧が等しくなるように、双方向昇降圧回路による第１コンデンサの充放電制御と、双方向反転昇降圧回路による第２コンデンサの充放電制御とを実行するのであれば、適宜構成を変更できる。

例えば、本発明の双方向昇降圧回路は、双方向チョッパ２Ａに限定されるものではなく、本発明の双方向反転昇降圧回路は、双方向反転チョッパ２Ｂに限定されるものではない。

上記実施形態では、太陽電池ＰＶの出力電圧（発電電圧）をＤＣ／ＤＣコンバータ４に入力しているが、太陽電池ＰＶ以外の発電装置から出力される直流の出力電圧を、ＤＣ／ＤＣコンバータ４に入力してもよい。また、電動車に搭載された電池を充放電制御するＤＣ／ＤＣコンバータを備えた充放電スタンドを追加してもよい。

本発明に係る電力変換装置は、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータと、直流端が双方向ＤＣ／ＤＣコンバータに接続され、交流端が単相３線式の第１電圧線、中性線および第２電圧線に接続されるＤＣ／ＡＣインバータと、制御部と、を備える電力変換装置であって、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータは、第１コンデンサを含み、昇圧動作および降圧動作を行う双方向昇降圧回路と、第１コンデンサに直列接続された第２コンデンサを含み、反転昇圧動作および反転降圧動作を行う双方向反転昇降圧回路と、を備え、第１コンデンサの第１電圧および第２コンデンサの第２電圧が、ＤＣ／ＡＣインバータに印加され、かつ第１コンデンサおよび第２コンデンサの接続点が中性線に接続され、制御部は、電力系統が停電状態の時に第１電圧および第２電圧が等しくなるように、双方向昇降圧回路による第１コンデンサの充放電制御と、双方向反転昇降圧回路による第２コンデンサの充放電制御とを実行するのであれば、適宜構成を変更できる。

例えば、上記実施形態のハイブリッド型蓄電システム１から太陽光発電機能を発揮するための構成（ＤＣ／ＤＣコンバータ４および制御部５のＤＣ／ＤＣコンバータ４を制御する部分等）を取り除いた蓄電システムが、本発明に係る電力変換装置に相当する。

１ ハイブリッド型蓄電システム
２ 双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ
２Ａ 双方向チョッパ
２Ｂ 双方向反転チョッパ
３ ＤＣ／ＡＣインバータ
４ ＤＣ／ＤＣコンバータ
５ 制御部

Claims (4)

1. 発電装置に接続されるＤＣ／ＤＣコンバータと、
   蓄電池に接続される双方向ＤＣ／ＤＣコンバータと、
   直流端が前記ＤＣ／ＤＣコンバータおよび前記双方向ＤＣ／ＤＣコンバータに接続され、交流端が単相３線式の第１電圧線、中性線および第２電圧線に接続されるＤＣ／ＡＣインバータと、
   制御部と、
   を備える蓄電システムであって、
   前記双方向ＤＣ／ＤＣコンバータは、
   第１コンデンサを含み、昇圧動作および降圧動作を行う双方向昇降圧回路と、
   前記第１コンデンサに直列接続された第２コンデンサを含み、反転昇圧動作および反転降圧動作を行う双方向反転昇降圧回路と、を備え、
   前記第１コンデンサの第１電圧および前記第２コンデンサの第２電圧が、前記ＤＣ／ＡＣインバータに印加され、かつ前記第１コンデンサおよび前記第２コンデンサの接続点が前記中性線に接続され、
   前記制御部は、電力系統が停電状態の時に前記第１電圧および前記第２電圧が等しくなるように、前記双方向昇降圧回路による前記第１コンデンサの充放電制御と、前記双方向反転昇降圧回路による前記第２コンデンサの充放電制御とを実行する
   ことを特徴とする蓄電システム。
2. 前記制御部は、
   前記第１電圧が前記第２電圧よりも大きい場合、前記双方向昇降圧回路を降圧動作させて前記第１コンデンサを放電させるとともに、前記双方向反転昇降圧回路を反転昇圧動作させて前記第２コンデンサを充電する第１充放電制御を実行する一方、
   前記第１電圧が前記第２電圧よりも小さい場合、前記双方向昇降圧回路を昇圧動作させて前記第１コンデンサを充電するとともに、前記双方向反転昇降圧回路を反転降圧動作させて前記第２コンデンサを放電させる第２充放電制御を実行する
   ことを特徴とする請求項１に記載の蓄電システム。
3. 前記双方向ＤＣ／ＤＣコンバータは、前記蓄電池側の接続端間に接続され、前記双方向昇降圧回路と前記双方向反転昇降圧回路とで共有される第３コンデンサを含み、
   前記制御部は、前記蓄電池の残存容量がゼロまたは前記蓄電池が満充電状態の場合で、かつ前記発電装置の発電電力が前記ＤＣ／ＤＣコンバータを介して前記ＤＣ／ＡＣインバータの前記直流端に印加されている場合、
   前記第１充放電制御において、前記第１コンデンサを放電させて前記第３コンデンサを充電するとともに、前記第３コンデンサを放電させて前記第２コンデンサを充電し、
   前記第２充放電制御において、前記第２コンデンサを放電させて前記第３コンデンサを充電するとともに、前記第３コンデンサを放電させて前記第１コンデンサを充電する
   ことを特徴とする請求項２に記載の蓄電システム。
4. 双方向ＤＣ／ＤＣコンバータと、
   直流端が前記双方向ＤＣ／ＤＣコンバータに接続され、交流端が単相３線式の第１電圧線、中性線および第２電圧線に接続されるＤＣ／ＡＣインバータと、
   制御部と、
   を備える電力変換装置であって、
   前記双方向ＤＣ／ＤＣコンバータは、
   第１コンデンサを含み、昇圧動作および降圧動作を行う双方向昇降圧回路と、
   前記第１コンデンサに直列接続された第２コンデンサを含み、反転昇圧動作および反転降圧動作を行う双方向反転昇降圧回路と、を備え、
   前記第１コンデンサの第１電圧および前記第２コンデンサの第２電圧が、前記ＤＣ／ＡＣインバータに印加され、かつ前記第１コンデンサおよび前記第２コンデンサの接続点が前記中性線に接続され、
   前記制御部は、電力系統が停電状態の時に前記第１電圧および前記第２電圧が等しくなるように、前記双方向昇降圧回路による前記第１コンデンサの充放電制御と、前記双方向反転昇降圧回路による前記第２コンデンサの充放電制御とを実行する
   ことを特徴とする電力変換装置。

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