JP4389544B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、太陽電池または燃料電池などの直流電力を商用周波数の交流電力に変換して系統に電力を注入する電力変換装置に関するものである。

従来、この種の電力変換装置としては、例えば高周波トランスの１次側に共振コンデンサとスイッチング素子を配置し、スイッチング素子の電圧波形を共振させてゼロ電圧スイッチング動作を行うと共に、１次インバータが商用２倍周期で正弦波変調を行い、さらに高周波トランスの２次側ではダイオードとコンデンサで高周波成分を整流し、高周波トランスの２次側に配置した２次インバータで極性切換を行うことにより、概ね力率１の正弦波電流を生成している高効率な電力変換装置があった（例えば特許文献１参照。）。

図１４は、従来使用している電力変換装置の構成を示す接続図である。直流電源１の出力電力は第１インバータ２で高周波電力に変換された後、高周波トランス３を介して２次側へ電力伝達される。高周波トランス３の２次側に発生した高周波電力は整流手段４で高周波の脈流に変換され、フィルタコンデンサ９で高周波電流成分のみが除去された後、第２インバータ５で系統６に同期した正弦波状の交流電流に変換されて、系統６に注入されるものである。ここで、第１インバータ２はスイッチング素子８と共振コンデンサ７で構成され、第２インバータ５はＱ１からＱ４の４個のスイッチング素子でフルブリッジ構成されている。
特開２０００−３２７５１号公報

しかしながら、前記従来の構成では、整流手段が通流が系統への単方向のみであり、さらにフィルタコンデンサが高周波成分のフィルタ機能しか有していないため、必要な無効電力処理を行うことができなかった。

周知の通り、系統連系インバータは多少の系統揺動に対して、運転を停止することなく一時的に無効電力を内部で処理する必要があり、また出力電圧を上昇させることなく系統に電流を注入する上でも、進み無効電力を出力する必要があった。

本発明は、上記従来の課題を解決するもので、系統に対して通流を双方向とすることで、フィルタコンデンサの容量を増加させることなく１次側正弦波変調方式において無効電力処理を実現する電力変換装置を提供することを目的とする。

前記目的を達成するために、本発明の電力変換装置は、高周波トランスの２次側の整流手段と並列にスイッチング素子を設けたものである。このスイッチング素子の動作によって、高周波トランスの２次側で発生する商用周期単位の無効電力を１次側に回生させるものである。

本発明の電力変換装置は、高周波トランスの２次側における商用周期内の無効電力を１次側に回生させて、特に系統の揺動に対して連系運転を維持することができる。

第１の発明は、高周波トランスの２次側に配置した倍電圧整流手段と、商用周波切換の第２インバータとの間に、電力回生手段を直列に接続して高周波トランス２次側の無効電力を１次側に回生することで、系統の揺動に対して運転を維持することができる。

第２の発明は、特に、第１の発明の電力回生手段を、第１ダイオードと、第１ダイオードに並列に接続された第３スイッチング素子と、第２ダイオードと、第２ダイオードに並列に接続された第２スイッチング素子とで構成することで、電力回生動作中の無効電流波形を低歪みの正弦波とすることができる。

第３の発明は、第１、２のいずれか１つの発明において、電力回生手段を第２インバータの入力電圧が第１しきい値以上となった時に動作させることにより、第２インバータの入力コンデンサ及びスイッチング素子の耐電圧を超えることのない安全な装置とすることができる。

第４の発明は、第１〜３のいずれか１つの発明において、電力回生手段を第２インバータの入力電圧変化率が第２しきい値以上となった時に動作させることにより、急峻な系統揺動に対しても遅れることなく確実に無効電力を処理できる。

第５の発明は、第１〜４のいずれか１つの発明において、電力回生手段を出力電圧の位相と出力電流の位相が異なる時に動作させることにより、力行動作から回生動作への移行タイミングを含め商用１周期において、高品質の波形を成形することができる。

第６の発明は、第１〜５のいずれか１つの発明において、第１スイッチング素子を回生動作を中に停止することにより、電力変換装置を低損失化することができる。

第７の発明は、第１〜６のいずれか１つの発明において、平滑コンデンサの容量を第１共振コンデンサの容量に比べて大きくすることにより、回生時に停止中の１次インバータが共振して動作が不安定になることのない電力変換装置とすることができる。

第８の発明は、第１〜７のいずれか１つの発明において、第１スイッチング素子の動作周波数を、限流手段と第２共振コンデンサと第２インバータ入力フィルタコンデンサとの共振周波数に比べて大きくすることにより、１次側の共振動作による無効電力を小さくして、１次インバータの損失を小さくすることができる。

第９の発明は、第１〜８のいずれか１つの発明において、第２ダイオードが導通している間に第２スイッチング素子をオンすることにより、第２スイッチング素子の低損失化が実現できる。

第１０の発明は、第１〜９のいずれか１つの発明において、第２スイッチング素子のコレクタ−エミッタ電圧を検知して出力がゼロ以下になったことを検知して、第２スイッチング素子をオンすることにより、第２スイッチング素子の低損失化が実現できる。

第１１の発明は、第１〜１０のいずれか１つの発明において、電力回生手段内の第３スイッチング素子に並列に第３共振コンデンサを接続することにより、スイッチング時の電圧変化を緩やかして、第３スイッチング素子の低損失化を実現できる。

第１２の発明は、第１〜１１のいずれか１つの発明において、電力回生手段内の第１ダイオードが導通している間に第３スイッチング素子をオンすることにより、第３スイッチング素子の低損失化を実現できる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、本実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は、本発明の第１の実施の形態における電力変換装置の接続図を示すものである。

図１において、直流電源１１で発電した直流電力は、平滑コンデンサ１３と第１スイッチング素子１４と第１共振コンデンサ１５と高周波トランス１６で構成された第１インバータ１２で高周波電力に変換された後、高周波トランス１６の２次側へ電力伝達される。高周波トランス１６の２次側に発生した高周波電力は、限流手段１７と、第２共振コンデンサと第１ダイオードからなる倍電圧整流手段２０とで高周波整流され、第２インバータに入力される。また、倍電圧整流手段２０と第２インバータ２１との間には、並列接続された第２スイッチング素子２２と第２ダイオード２３で構成された電力回生手段２４が配置されている。

以上のように構成された電力変換装置について以下にその動作、作用を説明する。

まず、力率１運転時は第１インバータ１２が商用周期で正弦波変調を行い、高周波トランス１６の２次側に発生した高周波電力の内、第２ダイオード２３を通過した電流の中で、高周波成分は第２インバータ２１の入力フィルタコンデンサで除去され、商用周波成分が第２インバータ２１で極性切換されて、系統電圧に同期した低歪み電流を生成する。一方、回生時は第２スイッチング素子２２を高周波スイッチング動作させることで、オン時は限流手段１７に電流を流し、オフ時は限流手段１７に流れていた電流が第１ダイオード１８を介して環流される。このようにして、系統電圧と第２インバータ出力電流の位相がずれている間に発生した無効電力を高周波化して第１インバータ１２に回生する。

以上のように、本実施例の形態においては電力回生手段がスイッチング動作を行うことで、例えば系統電圧の位相が急激に変化したときのように無効電力の処理が必要な場合、第２スイッチング素子を高周波スイッチング動作させることで、系統電圧とインバータ出力電流の位相がずれている間に発生した無効電力を１次インバータに蓄積することができる。

（実施の形態２）
図２は、本発明の第２の実施の形態における電力変換装置の接続図を示すものである。

図２において、図１の回路構成と異なるのは、倍電圧整流手段２０を構成する第１ダイオード１８と並列に第３スイッチング素子２６を接続し、第２ダイオード２２と第２スイッチング素子２３と前記第１ダイオード１８と第３スイッチング素子２６とで、電力回生手段２４を構成した点である。上記以外の構成要素は第１の実施の形態と同等であり、説明を省略する。

以上のように構成された電力変換装置について以下にその動作、作用を説明する。

まず、力率１運転時は第１インバータ１２、整流手段２０、第２インバータ２１共に、第１の実施の形態と同様に動作するため、電力回生手段２４を構成する第２スイッチング素子２２、第３スイッチング素子２６共にオフしている。ここで、系統電圧の位相が変化して出力電流との位相差が発生した場合、電力回生手段２４は第２スイッチング素子２２と第３スイッチング素子２６が交互にオンオフを繰り返して、電力回生手段２４に入力される電流のゼロ近傍においても波形成形を行う。

以上のように、本実施の形態においては電力回生手段系統電圧の位相が変化して出力電流との位相差が発生した場合、電力回生手段２４は第２スイッチング素子２２と第３スイッチング素子２６が交互にオンオフを繰り返して、電力回生手段２４に入力される電流のゼロ近傍においても波形成形が可能となり、低歪みの無効電流波形とすることができる。

（実施の形態３）
図３は、本発明の第３の実施の形態における電力変換装置の接続図を示すものである。

図３において、図２の回路構成と異なるのは、第２インバータ２１の入力電圧を検出する入力電圧検知手段２７の検出値と、電力回生制御手段３０内部に設定された第１しきい値２８とが、比較手段２９で比較され、前記電力回生手段３０を駆動する構成とした点である。上記以外の構成要素は第２の実施の形態と同等であり、説明を省略する。

以上のように構成された電力変換装置について、図４を参照して以下にその動作、作用を説明する。

図４において、力率１運転時は第１インバータ１２、整流手段２０、第２インバータ２１共に、第２の実施の形態と同様に動作するため、電力回生手段２４を構成する第２スイッチング素子２２、第３スイッチング素子２６共にオフしている。ここで、系統電圧の位相が変化して出力電流との位相差が発生した場合、無効電力が回生されて第２インバータ内のフィルタコンデンサが充電され、第２インバータ入力電圧が上昇する。そこで、入力電圧検知手段２７が第１しきい値２８以上の電圧を検知して、電力回生手段２４に起動信号を送り、電力回生手段２４は第２スイッチング素子２２、第３スイッチング素子２６が交互にスイッチング動作する。

以上のように、本実施の形態においては系統電圧の位相が変化して出力電流との位相差が発生した場合、入力電圧検知手段２７が第１しきい値２８以上の電圧を検知して、電力回生手段２４に起動信号を送ることによって、第２インバータを構成するスイッチング素子及び前記入力コンデンサの耐電圧を超えることなく安全な回生動作を実現することができる。

（実施の形態４）
図５は、本発明の第４の実施の形態における電力変換装置の接続図を示すものである。

図５において図３の回路構成と異なるのは、第２インバータ２１の入力電圧変化率を検出する入力電圧変化率検出手段３１と、第２しきい値３２と、第２比較手段３３とを追加した点である。上記以外の構成要素は第３の実施の形態と同等であり、説明を省略する。

以上のように構成された電力変換装置について、以下にその動作、作用を説明する。

力率１運転時は第１インバータ１２、整流手段２０、第２インバータ２１共に、第２の実施の形態と同様に動作するため、電力回生手段２４を構成する第２スイッチング素子２２、第３スイッチング素子２６共にオフしている。ここで、第２インバータ２１の入力に配置されたフィルタコンデンサは元々、高周波成分を除去する程度の容量であり、交流出力電流の大きさにもよるが、数ｋＷ程度のインバータの場合、１０μＦ以下である場合が多いことから、系統電圧の位相急変時には瞬時にフィルタコンデンサの電圧が上昇する。そこで、入力電圧検知手段２７による電力回生動作の起動判定と同時に、入力電圧変化率検知手段３１による起動判定を行う。

以上のように、本実施の形態においては系統電圧の位相急変時に瞬時に電圧上昇が発生しても、入力電圧変化率検知手段によって電圧の時間変化を検出することで、高速な回生制御を実現することができる。

（実施の形態５）
図６は、本発明の第５の実施の形態における電力変換装置の接続図を示すものである。

図６において図２の回路構成と異なるのは、第２インバータ２１の出力電圧を検知する出力電圧検知手段３４と、目標出力電流を生成する目標電流生成手段３５とを追加した点ある。上記以外の構成要素は第２の実施例と同等であり、説明を省略する。

以上のように構成された電力変換装置について、図７の波形図を参照して以下にその動作、作用を説明する。

力率１運転時は第１インバータ１２、整流手段２０、第２インバータ２１共に、第２の実施の形態と同様に動作するため、電力回生手段２４を構成する第２スイッチング素子２２、第３スイッチング素子２６共にオフしている。電力変換装置が系統連系インバータの場合、一般的にインバータの出力電圧と系統電圧との間には図示しない線路インピーダンスが存在し、逆潮流時は（インバータ出力電圧＞系統電圧）となる。そこで、一般的に系統２５から見てインバータ出力電流を系統電圧に比較して進めることで、出力電圧の上昇を抑制している。このような動作を行う場合、インバータの出力電圧検出手段３４から得られる値に対して、目標電流生成手段３５の位相を進め、双方の位相が異なる時のみ回生制御手段３０に対して起動信号を送る。

以上のように、本実施の形態においては電力回生手段を出力電圧の位相と目標電流の位相が異なる時にのみ動作させることにより、力行動作から回生動作への移行タイミングを含め商用全周期において、高品質の波形を生成することができる。

（実施の形態６）
本実施の形態６において、回路の構成要素は第５の実施の形態と同様であり、説明を省略する。

以上のように構成された電力変換装置について、図８の波形図を参照して以下にその動作、作用を説明する。

逆潮流時にインバータ目標出力電流を系統電圧に比較して進み位相とすることで、出力電圧を抑制するに際し、系統電圧とインバータ目標電流との位相が異なる期間において、電力回生制御手段３０で、電力回生手段２４を構成する第２スイッチング素子と第３スイッチング素子を駆動するとともに、第１インバータ１２内の第１スイッチング素子１４を停止する。なお、平滑コンデンサの容量は第１共振コンデンサの容量に比べて大きいため、回生中に１次インバータの共振コンデンサと高周波トランス１次インダクタンス間で共振は発生しない。

以上のように、本実施の形態においては第１スイッチング素子を電力変換装置の回生動作中に停止して、第１インバータの損失を削減できることから、低損失化が可能となり、さらに停止中の１次インバータも共振することがないため、回生時の動作安定性を得ることができる。

（実施の形態７）
本実施の形態７において、回路の構成要素は第５の実施の形態と同様であり、説明を省略する。

以上のように構成された電力変換装置について、図９の波形図を参照して以下にその動作、作用を説明する。

第１スイッチング素子１４の導通期間中、第２ダイオード２３には電流が流れ、第１スイッチング素子１４の非導通期間中は高周波トランス１６の出力が第２共振コンデンサ１９を充電する。出力最大で動作させるには前記第１スイッチング素子１４の導通時間を、限流手段１７と第２共振コンデンサ１９と入力フィルタコンデンサとの共振動作で電流がゼロになるまでの期間とする必要がある。その時第１スイッチング素子１４のコレクタには共振電流が流れるが、ここで１次インバータ１２の動作周波数を高周波トランス２次側の前記共振周波数より小さくして、コレクタ電流がゼロに到達する前にターンオフする。コレクタ電流の時間積分値は２次側に伝達する電力に比例するため、１周期内での無効電力の占める割合が小さくなる。

以上のように、本実施の形態においては第１スイッチング素子の動作周波数を、限流手段と第２共振コンデンサと第２インバータの入力フィルタコンデンサとの共振周波数に比べて小さくすることにより、１次側の電流共振動作による無効電力を小さくして、単位出力当たりの１次インバータ損失を小さくすることができる。

（実施の形態８）
本実施の形態８において、回路の構成要素は第５の実施の形態と同様であり、説明を省略する。

以上のように構成された電力変換装置について、図１０の波形図を参照して以下にその動作、作用を説明する。

力行動作から回生動作に移行する際、第２ダイオード２３が流れている時は、第２スイッチング素子２２のコレクタ−エミッタ間電圧は概ねゼロである。その期間中に第２スイッチング素子２２の駆動信号をオンすることで、第２スイッチング素子２２はゼロ電圧でターンオンする。回生動作時は第２インバータ２１側から第２スイッチング素子２２に電流が流れてくるため、第２スイッチング素子２２に流れる電流が徐々に増加する。そこで所定の期間後に第２スイッチング素子２２をオフし、以降前記スイッチング動作を繰り返すことで、回生動作を維持する。

以上のように、本実施の形態においては第２スイッチング素子の駆動タイミングを第２ダイオードが導通している期間として、力行から回生への移行後の第２スイッチング素子のゼロ電圧ターンオフ動作を実現して、低損失化を達成することができる。

（実施の形態９）
本実施の形態９において、回路の構成要素は第５の実施の形態と同様であり、説明を省略する。

以上のように構成された電力変換装置について、図１１の波形図を参照して以下にその動作、作用を説明する。

力行動作から回生動作に移行した後、第２スイッチング素子２２がターンオフし、限流手段１７を流れていた電流は高周波トランス１６と第２共振コンデンサ１９と第１ダイオード１８の間を環流する。一定時間の後、前記電流の極性が変化して第２ダイオード２３が導通して第２スイッチング素子２２のコレクターエミッタ間電圧がゼロとなった時に、図示しない第２スイッチング素子のコレクターエミッタ電圧を検知する第１電圧検知手段がゼロ電圧を検知して、第２スイッチング素子２２の駆動信号をオンする。以降前記スイッチング動作を繰り返すことにより、第２スイッチング素子２２がゼロ電圧ターンオン動作を維持する。

以上のように、本実施の形態においては第２スイッチング素子の駆動タイミングを第２ダイオードが導通している期間として、回生動作中の第２スイッチング素子のゼロ電圧ターンオン動作を実現して、低損失化を達成することができる。

（実施の形態１０）
図１２は、本発明の第１０の実施の形態における電力変換装置の接続図を示すものである。

図１２において、図２の回路構成と異なるのは、第３スイッチング素子２６に並列に第３共振コンデンサ３６を接続する構成とした点である。上記以外の構成要素は第２の実施の形態と同等であり、説明を省略する。

以上のように構成された電力変換装置について、図１３を参照して以下にその動作、作用を説明する。

回生動作時は、第２スイッチング素子２２が導通して限流手段１７に電流が流れる。一定時間後、第２スイッチング素子はターンオフし、限流手段１７に流れていた電流は高周波トランス１６の２次巻線、第２共振コンデンサ１９を経由して第３共振コンデンサの電荷を放電し、第３スイッチング素子２６のコレクターエミッタ電圧は緩やかに減少する。そして第１ダイオード１８が導通した際に、第３スイッチング素子２６を駆動することで、第３スイッチング素子２６はゼロ電圧ターンオンされる。次に第３スイッチング素子２６をターンオフした時は、前記環流電流が第３共振コンデンサ３６を充電することから、第３スイッチング素子のコレクターエミッタ電圧は徐々に上昇し、ゼロ電圧でターンオフされる。同時に第２スイッチング素子２２もターンオン、ターンオフ共にゼロ電圧でスイッチング動作される。

以上のように、本実施の形態においては電力回生手段２４内の第１ダイオード１８及び第３スイッチング素子２６に並列に第３共振コンデンサ３６を接続することにより、電力回生手段２４を構成するスイッチング素子のゼロ電圧スイッチング動作を実現し、低損失化を図ることができる。

以上のように、本発明にかかる電力変換装置は高周波トランスの１次側で波形成形を行うと共に回生動作が可能となるので、無停電電源等の用途にも適用できる。

本発明の実施の形態１による電力変換装置の接続図 本発明の実施の形態２による電力変換装置の接続図 本発明の実施の形態３による電力変換装置の接続図 本発明の実施の形態３による電力変換装置の各部動作を示す波形図 本発明の実施の形態４による電力変換装置の接続図 本発明の実施の形態５による電力変換装置の接続図 本発明の実施の形態５による電力変換装置の各部動作を示す波形図 本発明の実施の形態６による電力変換装置の各部動作を示す波形図 本発明の実施の形態７による電力変換装置の各部動作を示す波形図 本発明の実施の形態８による電力変換装置の各部動作を示す波形図 本発明の実施の形態９による電力変換装置の各部動作を示す波形図 本発明の実施の形態１０による電力変換装置の接続図 本発明の実施の形態１０による電力変換装置の各部動作を示す波形図 従来の電力変換装置の接続図

符号の説明

１１ 直流電源
１２ 第１インバータ
１３ 平滑コンデンサ
１４ 第１スイッチング素子
１５ 第１共振コンデンサ
１６ 高周波トランス
１７ 限流手段
１８ 第１ダイオード
１９ 第２共振コンデンサ
２０ 倍電圧整流手段
２１ 第２インバータ
２２ 第２スイッチング素子
２３ 第２ダイオード
２４ 電力回生手段
２５ 系統
２６ 第３スイッチング素子
２７ 入力電圧検知手段
２８ 第１しきい値
２９ 比較手段
３０ 電力回生制御手段
３１ 入力電圧変化率検知手段
３２ 第２しきい値
３３ 第２比較手段
３４ 出力電圧検知手段
３５ 目標電流生成手段
３６ 第３共振コンデンサ

Claims (12)

1. 高周波トランスと、高周波トランスで絶縁された１次側に直流電源と並列に接続された平滑コンデンサと第１スイッチング素子と第１スイッチング素子のオフ時にコレクタ電圧を共振させる第１共振コンデンサとを配置した第１インバータと、高周波トランスの２次側に限流手段と、第１ダイオードと第２共振コンデンサからなる倍電圧整流手段と、スイッチング素子４個で構成されて系統に交流電流を注入する第２インバータと、第２スイッチング素子と第２ダイオードが並列に接続された電力回生手段とを配置し、倍電圧整流手段と第２インバータとの間に電力回生手段を直列に接続し、系統電圧と第２インバータ出力電流の位相がずれている間に発生した電力を高周波化して前記第１インバータに回生することを特徴とする電力変換装置。
2. 電力回生手段は第１ダイオードと、第１ダイオードに並列に接続された第３スイッチング素子と、第２ダイオードと、第２ダイオードに並列に接続された第２スイッチング素子とで構成した請求項１記載の電力変換装置。
3. 第２または第３スイッチング素子の導通時間を制御する電力回生制御手段は、第１しきい値と第２インバータの入力電圧検知手段とを有し、第２インバータの入力電圧が第１しきい値以上となった時に電力回生手段が動作する請求項１又は２のいずれかに記載の電力変換装置。
4. 第２インバータの入力電圧変化率が第２しきい値以上となった時に、電力回生手段が動作する請求項１〜３のいずれか１項に記載の電力変換装置。
5. 出力電圧検知手段と目標出力電流生成手段とを有し、出力電圧の位相と出力電流の位相が異なる時に電力回生手段が動作する請求項１〜４のいずれか１項に記載の電力変換装置。
6. 第２インバータから電力が回生する時は、第１スイッチング素子の動作を停止する請求項１〜５のいずれか１項に記載の電力変換装置。
7. 平滑コンデンサの容量を第１共振コンデンサの容量に比べて大きくした請求項１〜６のいずれか１項に記載の電力変換装置。
8. 第１スイッチング素子の動作周波数を、限流手段と第２共振コンデンサと第２インバータ入力フィルタコンデンサとの共振周波数に比べて小さくした請求項１〜７のいずれか１項に記載の電力変換装置。
9. 第２ダイオードが導通している間に第２スイッチング素子をオンする請求項１〜８のいずれか１項に記載の電力変換装置。
10. 第２スイッチング素子のコレクタ−エミッタ電圧を検知する第１電圧検知手段を有し、前記第１電圧検知手段の出力がゼロ以下になったことを検知して、第２スイッチング素子をオンする請求項１〜９のいずれか１項に記載の電力変換装置。
11. 第３スイッチング素子に並列に第３共振コンデンサを接続して、スイッチング時の電圧変化を緩やかにする請求項１〜１０のいずれか１項に記載の電力変換装置。
12. 第１ダイオードが導通している間に第３スイッチング素子をオンする請求項１〜１１のいずれか１項に記載の電力変換装置。

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