JP4811786B2

JP4811786B2 - 分散電源装置の電力変換装置

Info

Publication number: JP4811786B2
Application number: JP2005347588A
Authority: JP
Inventors: 正志佐土原
Original assignee: Yaskawa Electric Corp
Current assignee: Yaskawa Electric Corp
Priority date: 2005-12-01
Filing date: 2005-12-01
Publication date: 2011-11-09
Anticipated expiration: 2025-12-01
Also published as: JP2007159190A

Description

本発明は、系統連系電力変換装置に関し、特に、燃料電池や太陽電池、風力発電の整流出力など、分散電源装置から得られた直流電源をスイッチングにより交流電圧へ変換し、商用電源網や家庭用電源として、出力する分散電源装置の電力変換装置に関する。

燃料電池や太陽電池、風力発電の整流出力など、分散電源装置から得られた直流電源をスイッチングにより商用電源電圧と等しいか高い交流電圧へ変換し、商用電源網や家庭用電源源として、出力する分散電源装置の電力変換装置が開発されている（例えば、特許文献１参照）。
図２は、従来技術を示す分散電源装置の電力変換装置の構成図である。
図２において、１、２は単相三線式商用電源（電力変換装置側から見れば負荷に相当する）もしくは家庭用負荷装置、３、４は分散電源装置からの直流電圧を入力する直流電圧入力端子、５は平滑コンデンサ、６は直列接続された２個の半導体スイッチ２組からなるブリッジ回路、７は高周波絶縁トランス、９Ａは全波整流回路、１１は電流平滑用インダクタ、１２は高圧側インバータ回路であり、例えばＩＧＢＴ素子４個からなる単相出力用インバータ用半導体ブリッジ、１４は高周波ノイズ除去とリップル電流除去を兼ねた高周波フィルタ回路、１５は出力電流検出回路、１６はブリッジ回路６と高周波絶縁トランス７からなるチョッパ回路である。
以下、図２を用いて従来技術の分散電源装置の電力変換装置の動作を説明する。
分散電源装置の電力変換装置は、出力電流検出回路１５で検出した電流検出信号をフィードバックし、出力電流波形を正弦波にするようチョッパ回路１６、及び単相出力用インバータ用半導体ブリッジ１２を制御するが、本発明はフィルタ、インダクタ等の主回路素子を小形化する技術に関するものであり、電流波形制御そのものに関するものではないため、スイッチング素子の制御についての説明は割愛する。
従来技術において、電流平滑用インダクタ１１は電流を平滑化するためのものである。出力電流はリップルのない正弦波電流である必要があるため、電流平滑用インダクタ１１の全体の波形制御はチョッパ回路１６のスイッチングを制御することによって得られ、電流平滑用インダクタ１１では電源周波数に等しい電流波形が得られる。しかし、電流平滑用インダクタ１１は直流母線に配置されており、この電流は一方向（つまり全波整流された商用電源電圧相似の電流波形）であるため、単相出力用インバータ用半導体ブリッジ１２のスイッチにより、正、負を切り替えることにより、出力電流として交流の電流を得ることができる。ただ、電流平滑用インダクタ１１のみでは高周波のノイズやキャリア成分を十分おとすことが難しいため、高周波フィルタ回路１４が具備されている。
このように、従来の分散電源装置の電力変換装置は、直流電源を高周波スイッチングにより昇圧し、二次側直流母線に配置されたインダクタにより平滑して全波整流形商用周波数電流波形を発生させ、それをインバータ回路で交互に反転して出力することにより、商用電源周波数の交流出力電流を得るものである。
特開２００２−１１６８３０号公報（第１図）

しかしながら、従来の分散電源装置の電力変換装置は、商用出力電流波形を高圧側直流母線で平滑化する必要があるため、電流平滑用インダクタが大きくなり、小形化、低コスト化（インダクタは非常に高価）のネックとなっていた。また、電流平滑用インダクタが大きいため、負荷の急激な変動に追従して、出力電流を正弦波にすることが困難であり、制御性能向上が困難であった。一方、これらの不具合改善のために、電流平滑用インダクタのインダクタ値を減少させると、直流母線の電流を連続させることが困難となり、単相出力用インバータ用半導体ブリッジのスイッチングに高圧スイッチング成分が発生し、高周波フィルタ回路のノイズフィルタが高価、大型化すると言う欠点があった。
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、直流母線の電流平滑用インダクタを小形化することができるとともに、出力側ｄV／ｄｔの大幅低下により、高周波フィルタ回路のノイズフィルタも小形化することを可能とする分散電源装置の電力変換装置を提供することを目的とする。

本課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、直列接続された２個の半導体スイッチを直流入力電源に２組並列に接続したブリッジ回路と前記ブリッジ回路の前記半導体スイッチのそれぞれの直列接続点を一次側のそれぞれに接続した高周波絶縁トランスを有し前記直流入力電源を高周波スイッチングにより昇圧するチョッパ回路と、前記チョッパ回路の出力を商用電源電圧と等しいか高くなるように制御する高圧側インバータ回路と、を具備し、商用電源、もしくは家庭用負荷装置に電力を供給する分散電源装置の電力変換装置において、前記高圧側インバータ回路は、それぞれ直列接続された２個の半導体スイッチからなる第１の高圧側ブリッジ回路と第２の高圧側ブリッジ回路から成るものであり、２個のダイオードを直列接続した回路を２組並列に接続して構成した全波整流回路を２個備えて、一方の前記全波整流回路を第1の全波整流回路（９B）、他方を第２の全波整流回路（１０）とし、前記第1の全波整流回路（９B）内において２組備える２個のダイオードの直列接続点は前記高周波絶縁トランス（７）の二次側巻線の両端にそれぞれ接続され、前記第２の全波整流回路（１０）内において２組備える２個のダイオードの直列接続点は前記高周波絶縁トランス（７）の前記二次側巻線の両端にそれぞれ接続され、前記第１の全波整流回路の出力に前記第１の高圧側ブリッジ回路の正側、及び負側が接続され、前記第２の全波整流回路の出力に前記第２の高圧側ブリッジ回路の正側、及び負側が接続されており、前記第１、第２の高圧側ブリッジ回路のそれぞれの直列接続点間にコンデンサを具備し、前記コンデンサの両端を前記高圧側インバータ回路の出力端とすることを特徴としている。
また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の分散電源装置の電力変換装置において、前記高圧側インバータ回路の前記出力端は、高周波フィルタ回路を介して、中性点が接地され連系する単相三線式電力系統である前記商用電源、もしくは前記家庭用負荷装置に接続されることを特徴としている。

請求項１に記載の発明によると、直流母線の電流平滑用インダクタは非常に小形化、もしくは高周波絶縁トランスの漏れインダクタンスで代用することが可能であり、出力側ｄV／ｄｔの大幅低下により出力ノイズも非常に少なくなるため、高周波フィルタ回路のノイズフィルタも小形化、低コスト化が可能となる。
また、請求項２に記載の発明によると、直流母線の電流平滑用インダクタは非常に小形化、もしくは高周波絶縁トランスの漏れインダクタンスで代用することが可能であり、出力側ｄV／ｄｔの大幅低下により出力ノイズも非常に少なくなるため、高周波フィルタ回路のノイズフィルタも小形化、低コスト化が可能な単相三線式の分散電源装置の電力変換装置を得ることができる。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。

図１は、本発明の実施例を示す分散電源装置の電力変換装置の構成図である。図１において、８はインダクタ、もしくは高周波絶縁トランス７の漏れインダクタンス、９Ｂと１０は高周波絶縁トランス７の二次側を整流するダイオードブリッジからなる全波整流回路、１２Ａ、１２Ｂは高圧側インバータ回路１２を構成する高圧側ブリッジ回路、１３は高圧側インバータ回路１２の出力端に接続したコンデンサである。尚、図２と同じ説明符号のものは図２と同じ構成要素を示すものとし、その説明は省略する。
本実施例が従来技術である図２と異なる点は以下のとおりである。
すなわち、本実施例において、高圧側インバータ回路１２は、それぞれ直列接続された２個の半導体スイッチからなる高圧側ブリッジ回路１２Ａと高圧側ブリッジ回路１２Ｂから成るものであり、高周波絶縁トランス７の二次側出力を整流する全波整流回路９Ｂと全波整流回路１０を備え、全波整流回路９Ｂの出力に高圧側ブリッジ回路１２Ａの正側、及び負側が接続され、全波整流回路１０の出力に高圧側ブリッジ回路１２Ｂの正側、及び負側が接続されており、高圧側ブリッジ回路１２Ａ、１２Ｂのそれぞれの直列接続点間に電流積分用のコンデンサ１３を具備し、コンデンサ１３の両端を高圧側インバータ回路１２の出力端としている点であり、全波整流回路９Ｂ、１０、高圧側インバータ回路１２により、逆流防止形インバータブリッジ回路を構成し、その出力をコンデンサ１３で積分するチョッパ電流積分回路を構成するようにしている点である。

以下、図１を用いて本発明の分散電源装置の電力変換装置の動作について説明する。
今、高圧側インバータ回路１２のインバータスイッチの片方の正側がＯＮ、もう一方の負側がＯＮとすると、高周波絶縁トランス７の二次側がインダクタ８を経由して、コンデンサ１３で短絡された等価回路となる。この状態で、チョッパ回路１６のコンバータ側スイッチング回路を高速スイッチングにより電流チョッパを発生させる場合、その電流値は、直流電圧、スイッチング時間、インダクタ８のインダクタンス、コンデンサ１３の電圧によって決定されるある電流値に制限される。この制限されたチョッパ電流はそれが発生している間、コンデンサ１３へ電荷を蓄積する。このチョッパ回路１６の高速スイッチング動作を高速に繰り返すことにより、コンデンサ１３で積分された両端電圧は目的の電圧に達し、高圧側インバータ回路１２のスイッチの組み合わせを反対にすることによりそれ以上電圧を上げないようにすることができる。

このように、高圧側インバータ回路１２のインバータスイッチの制御により、コンデンサ１３の出力電圧を等価的に交流入力電圧と相似形に制御することができる。この電圧は、上述したように、チョッパ回路１６の高周波コンバータ電流によるリップル電圧があるが、コンデンサ１３の積分効果により、リップル電圧が小さく、かつｄV／ｄｔの非常に小さな波形とすることができ、高周波フィルタ回路１４を小形化することができる。また、高圧側インバータ回路１２のインバータスイッチの切り替えは、チョッパ回路１６のチョッパ電流のゼロ部分ですることにより、スイッチングロスをゼロとすることができ、高効率を実現できる。また、平滑用に大きなインダクタを使用しないため、高速応答で、負荷変動に強い制御が可能となる。

本発明により、低コスト、小形のパワーコンディショナが実現できるため、例えば、分散電源装置の電力変換装置としてのみでなく、キャリア成分の少ない、大出力、高効率のオーディオ装置としても利用可能である。

本発明の実施例を示す分散電源装置の電力変換装置の構成図従来技術を示す分散電源装置の電力変換装置の構成図

符号の説明

１、２商用電源、もしくは家庭用負荷装置
３、４分散電源装置から直流電圧入力端子
５平滑コンデンサ
６直列接続された２個の半導体スイッチ２組からなるブリッジ回路
７高周波絶縁トランス
８インダクタ、もしくは高周波絶縁トランス７の漏れインダクタンス
９Ａ、９Ｂ、１０全波整流回路
１１電流平滑用インダクタ
１２高圧側インバータ回路
１２Ａ、１２Ｂ高圧側ブリッジ回路
１３コンデンサ
１４高周波フィルタ回路
１５出力電流検出回路
１６チョッパ回路

Claims

直列接続された２個の半導体スイッチを直流入力電源に２組並列に接続したブリッジ回路（６）と前記ブリッジ回路（６）の前記半導体スイッチのそれぞれの直列接続点を一次側のそれぞれに接続した高周波絶縁トランス（７）を有し前記直流入力電源を高周波スイッチングにより昇圧するチョッパ回路（１６）と、
前記チョッパ回路（１６）の出力を商用電源電圧と等しいか高くなるように制御する高圧側インバータ回路（１２）と、
を具備し、商用電源、もしくは家庭用負荷装置（１、２）に電力を供給する分散電源装置の電力変換装置において、
前記高圧側インバータ回路（１２）は、それぞれ直列接続された２個の半導体スイッチからなる第１の高圧側ブリッジ回路（１２Ａ）と第２の高圧側ブリッジ回路（１２Ｂ）から成るものであり、
２個のダイオードを直列接続した回路を２組並列に接続して構成した全波整流回路を２個備えて、一方の前記全波整流回路を第1の全波整流回路（９B）、他方を第２の全波整流回路（１０）とし、前記第1の全波整流回路（９B）内において２組備える２個のダイオードの直列接続点は前記高周波絶縁トランス（７）の二次側巻線の両端にそれぞれ接続され、前記第２の全波整流回路（１０）内において２組備える２個のダイオードの直列接続点は前記高周波絶縁トランス（７）の前記二次側巻線の両端にそれぞれ接続され、
前記第１の全波整流回路（９Ｂ）の出力に前記第１の高圧側ブリッジ回路（１２Ａ）の正側、及び負側が接続され、
前記第２の全波整流回路（１０）の出力に前記第２の高圧側ブリッジ回路（１２Ｂ）の正側、及び負側が接続されており、
前記第１、第２の高圧側ブリッジ回路（１２Ａ、１２Ｂ）のそれぞれの直列接続点間にコンデンサ（１３）を具備し、
前記コンデンサ（１３）の両端を前記高圧側インバータ回路（１２）の出力端とすることを特徴とする分散電源装置の電力変換装置。
前記高圧側インバータ回路（１２）の前記出力端は、
高周波フィルタ回路（１４）を介して、
中性点が接地され連系する単相三線式電力系統である前記商用電源、もしくは前記家庭用負荷装置（１、２）に接続されることを特徴とする請求項１に記載の分散電源装置の電力変換装置。