JP5062386B1 - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

広い入力電流域および出力電流域を持ち、広い範囲での入力電流の変動に対応して最大電力を出力し、かつ、小型化・低コスト化が可能な電力変換装置１００を提供する。直流電力として入力される入力電力を電力変換して出力する電力変換装置１００であって、入力電力の電流である入力電流を検出する入力電流検出部２ａと、入力電力を電力変換するものであり、入力電流範囲が互いに異なりかつ隣合う入力電流範囲とは重複する部分を有する複数の電力変換回路部３−１〜３−３と、複数の電力変換回路部３−１〜３−３のうち、入力電流検出部２ａにより検出された入力電流において最も大きい出力電力が得られる１つの電力変換回路部を選択し、選択した電力変換回路部に対して最も大きい出力電力が得られる制御条件で制御を行う、電力変換制御部１とを有する。
【選択図】図２

Description

本発明は、直流電力として入力される入力電力を、電力変換して出力する電力変換装置に関する。

近年、化石燃料の枯渇に対応するため、環境への配慮の必要性等から、再生可能な自然エネルギーの普及が望まれている。特に太陽電池は、環境への影響が少なく、今後の一層の発展が期待される。太陽電池により発電された電力は、蓄電池に蓄電されたり、電力会社に売電されることにより、有効に利用されている。太陽電池は日射量により出力が変動することから、天候等により出力が左右されるため、電力の供給量を制御することは困難である。太陽電池は、出力の変動幅の全域において、高い変換効率で出力が取り出されることが好ましい。

図１３は、一般的な太陽電池の特性の例を示すグラフである。図１３において、横軸は、太陽電池の出力電圧を示し、縦軸は太陽電池の出力電流を示す。図１３に示されているように、太陽電池の出力特性は、日射量により大きく変動する。出力電流幅が特に大きく変動することから、太陽電池に接続してその出力を取り出す電力変換装置は、広い入力電流域において高い変換効率を有することが好ましい。

電力変換回路において、広い入力電流域に対して高い変換効率を維持するためには、出力電流域が広い場合であっても高い変換効率が要求される。出力電圧を一定の値に維持する場合には、所定の範囲の出力電流において高い変換効率を有する電力変換回路を実現することは可能であるが、広い出力電流域において高い変換効率を維持する電力変換回路を実現することは困難である。従来の電力変換回路においては、出力電流が所定の範囲から外れると、電力変換回路の変換効率が低下することになる。つまり、出力電流として大電流が必要な場合には、出力電流が大電流である場合に高い変換効率を有する電力変換回路を用いればよいが、その電力変換回路により小電流を出力させる場合には、変換効率が低下する可能性がある。

単一の電力変換回路により、大電流の出力電流および小電流の出力電流のいずれにおいても高い変換効率を実現するために、出力電流の範囲に応じて電力変換における周波数、制御方式（ＰＷＭ・ＰＦＭ）等の制御条件を変更することが行われている。例えば、出力電流が大きい場合は周波数一定のＰＷＭ制御とし、出力電流が小さい場合にはＯＮ幅一定のＰＦＭ制御として回路を制御する。

また、特許文献１には、同じ構成の電力変換回路を複数持ち、出力電流に応じて、使用する回路数を増減する電源装置が開示されている。この電源装置は、複数の回路を組み合わせることで、出力電流に応じた電力変換回路を構成し、単一の電力変換回路を用いる場合よりも広い出力電流域において高い変換効率を維持することができる。

上述したように、単一の電力変換回路において、周波数、制御方式（ＰＷＭ・ＰＦＭ）等を変更することで、ある程度の範囲の出力電流域において高い変換効率を維持することは可能である。しかし、その出力電流域の範囲には限界があり、太陽電池の出力を効率よく取り出すには十分な範囲とは言えない。

特許文献１の電源装置は、組み合わせる回路の数を増やすことにより、高い変換効率を維持できる出力電流域の範囲を広げることができるが、その範囲にも限界があり、太陽電池の出力を効率よく取り出すには十分な範囲とは言えない。特許文献１の電源装置は、同じ構成の回路を組み合わせることから、必要とする回路の数が比較的多くなるため、電源装置が大型化、高コスト化するという問題がある。また、同じ構成の回路を組み合わせることにより、広い出力電流域において最適の電力変換回路を構成するには、回路の設計が複雑になり、回路設計にかかる時間が長くなるという問題がある。

特開２００９−２３２５８７号公報

本発明の目的は、広い入力電流域および出力電流域を持ち、広い範囲での入力電流の変動に対応して最大電力を出力し、かつ、小型化・低コスト化が可能な電力変換装置を提供することである。

本発明に係る一実施形態の電力変換装置は、直流電力として入力される入力電力を電力変換して出力する電力変換装置であって、前記入力電力の電流である入力電流を検出する入力電流検出部と、前記入力電力を電力変換するものであり、入力電流範囲が互いに異なりかつ隣合う入力電流範囲とは重複する部分を有する複数の電力変換回路部と、前記複数の電力変換回路部のうち、前記入力電流検出部により検出された入力電流において最も大きい出力電力が得られる１つの電力変換回路部を選択し、選択した電力変換回路部に対して最も大きい出力電力が得られる制御条件で制御を行う、電力変換制御部と、を有することを特徴とする。

一実施形態の電力変換装置によれば、広い入力電流域および出力電流域を持ち、広い範囲での入力電流の変動に対応して最大電力を出力し、かつ、小型化・低コスト化が可能である。

本実施形態に係る電力変換装置を用いた太陽光発電システムの構成を示すブロック図である。 本実施形態に係る電力変換装置の構成の一例を示すブロック図である。 本実施形態に係る電力変換装置の構成の一例の一部を回路図とした説明図である。 本実施形態に係る電力変換装置の各電力変換回路部の入力電流と出力電力との関係を示すグラフである。 電力変換回路部における出力電流と変換効率との関係の例を示すグラフである。 第１電力変換回路部に関する効率対出力電流データの一例を示す図である。 第２電力変換回路部に関する効率対出力電流データの一例を示す図である。 第３電力変換回路部に関する効率対出力電流データの一例を示す図である。 電力変換回路部の切換え処理の一例を示すフローチャートである。 １つの電力変換回路部を選択する選択処理の一例を示すフローチャートである。 第２の実施形態に係る電力変換装置における電力変換制御部の構成の一例を示すブロック図である。 図１１に示す電力変換制御部において電力変換回路部を選択する際の処理の一例を示すフローチャートである。 太陽電池の特性の例を示すグラフである。

図１は、本実施形態に係る電力変換装置を用いた太陽光発電システムの構成を示すブロック図である。図１に示すように、本実施形態に係る電力変換装置１００および太陽電池ＰＶを用いて、商用電力系統と連系して使用される太陽光発電システムを実現することができる。この太陽光発電システムは、太陽電池ＰＶと、太陽電池ＰＶに接続された電力変換装置１００と、電力変換装置１００により電力変換された出力をさらに変圧したり、直流−交流変換等することで商用電力系統に整合させるための連系用整合装置２００とを備え、連系用整合装置２００は商用電力系統に接続されている。

太陽電池ＰＶは日射量に応じて発電を行い、電力を出力する。

電力変換装置１００は、入力された電力を高い変換効率で変換して出力する。電力変換装置１００の詳細については、後述する。

連系用整合装置２００は、例えばＤＣ−ＡＣインバータ回路を備え、電力変換装置１００からの出力を商用電力系統に送電できるように、１００Ｖ程度または２００Ｖ程度の商用電力の交流電圧へと変換する。

太陽光が入射することで発電した太陽電池ＰＶから出力された電力が、電力変換装置１００に入力される。電力変換装置１００では、太陽電池ＰＶからの出力を入力とし、その入力電流値の範囲にかかわらず高い変換効率で電力変換して出力する。電力変換装置１００により変換された電力は連系用整合装置２００に入力され、商用電力系統で伝送されるように適宜変換され、商用電力系統へと送電される。このように、太陽電池ＰＶからの出力を有効に売電することができる。

本実施形態に係る電力変換装置１００を用いることにより、太陽電池ＰＶからの出力を高い変換効率で取り出すことができる太陽光発電システムを構成することができる。本実施形態に係る電力変換装置１００について、図面を参照して説明する。

図２は本実施形態に係る電力変換装置の構成の一例を示すブロック図である。図３は本実施形態に係る電力変換装置の構成の一例の一部を回路図とした説明図であって、電力変換装置１００に太陽電池ＰＶが接続されている。図２に示すように、電力変換装置１００は、電力変換制御部１と、入力電力Ｐｉｎの電流である入力電流Ｉｉｎを検出する入力電流検出部２ａと、入力電力Ｐｉｎの電圧である入力電圧Ｖｉｎを検出する入力電圧検出部２ｂと、電力変換を行う第１電力変換回路部３−１、第２電力変換回路部３−２および第３電力変換回路部３−３と、出力電力Ｐｏｕｔの電流である出力電流Ｉｏｕｔを検出する出力電流検出部４ａと、出力電力Ｐｏｕｔの電圧である出力電圧Ｖｏｕｔを検出する出力電圧検出部４ｂと、警報信号を出力する警報出力部５とを備えている。

第１〜３電力変換回路部３−１〜３−３は、それぞれ入力電力を変換して出力するように構成された回路であって、これらは互いに入力電流範囲が異なる。第１〜３電力変換回路部３−１〜３−３には、電力変換装置１００に入力された電力が入力されるが、その入力は電力変換制御部１により制御されている。

図３に示すように、第１〜３電力変換回路部３−１〜３−３は、スイッチング素子ＦＥＴ１、ＦＥＴ２、ＦＥＴ３と、転流ダイオードＤ１、Ｄ２、Ｄ３と、電力変換時にエネルギーを蓄積するためのインダクタであるコイル（リアクトル）Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３と、コンデンサＣ１、Ｃ２、Ｃ３とを備えている。

スイッチング素子ＦＥＴ１〜３は、いずれもＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor ：金属−酸化物−半導体電界効果型トランジスタ）とすればよい。転流ダイオードＤ１〜３は、通常のダイオードであってもツェナーダイオードであってもよい。第１〜３電力変換回路部３−１〜３−３は、降圧型のＤＣ／ＤＣコンバーターを構成している。

スイッチング素子ＦＥＴ１〜３のゲートは、それぞれ電力変換制御部１に接続されていて、電力変換制御部１から送信される駆動信号Ｓ１〜３により、ＯＮ、ＯＦＦが制御される。電力変換制御部１により、太陽電池ＰＶの出力を変換するために第１〜３電力変換回路部３−１〜３−３のいずれを用いるかを選択することができ、さらに電力変換制御部１により、第１〜３電力変換回路部３−１〜３−３のそれぞれが制御される。

第１〜３電力変換回路部３−１〜３−３において、各コイルＬ１〜３のインダクタンスは互いに異なる値を有しており、それぞれにおける入力電流に対する出力電力の値が互いに異なる。

図４を用いて、第１〜３電力変換回路部３−１〜３−３の入力電流Ｉｉｎと出力電力Ｐｏｕｔとの関係について説明する。図４は本実施形態に係る電力変換装置の各電力変換回路部の入力電流と出力電力との関係を示すグラフである。図４に示すように、第１〜３電力変換回路部３−１〜３−３は、それぞれ入力電流Ｉｉｎに対する出力電力Ｐｏｕｔの特性が異なる。各第１〜３電力変換回路部３−１〜３−３におけるピークの出力電力を得るときの入力電流の値も各電力変換回路部において互いに異なる。

第１〜３電力変換回路部３−１〜３−３の各入力電流範囲が互いに異なり、かつ隣合う入力電流範囲とは重複する部分を有している。つまり、図４に示しているように、第１電力変換回路部３−１および第２電力変換回路３−２の入力電流範囲は隣合っていて、これらの電流範囲は重複している（図４において破線で示した部分を参照）。同様に、第２電力変換回路部３−２および第３電力変換回路部３−３の入力電流範囲は隣合っていて、これらの電流範囲は重複している（図４において破線で示した部分を参照）。

第１〜３電力変換回路部３−１〜３−３のいずれか１つを用いて電力変換を行う場合に、最も大きな出力電力Ｐｏｕｔを得ることができる各電力変換回路部の入力電流Ｉｉｎの境界が、しきい値ｔｈ１およびｔｈ２であり、小電流側に位置するものを小電流側しきい値ｔｈ１とし、大電流側に位置するものを大電流側しきい値ｔｈ２とする。

第１〜３電力変換回路部３−１〜３−３は、入力電流Ｉｉｎおよび出力電流Ｉｏｕｔの値により変換効率が変化する。特に、コイルＬ１〜３のインダクタンスおよび直流抵抗により変換効率の高低が決まってくる。図５は、電力変換回路部における出力電流と変換効率との関係の例を示すグラフである。図５（Ａ）は出力電流Ｉｏｕｔが比較的大きい場合に好ましい電力変換回路部に関するグラフであり、図５（Ｂ）は出力電流Ｉｏｕｔが比較的小さい場合に好ましい電力変換回路部に関するグラフである。変換効率ηは入力電力Ｐｉｎに対する出力電力Ｐｏｕｔの比であり、変換効率ηが大きいほど高い効率の電力変換が可能な電力変換部であるといえる。

図５（Ａ）および図５（Ｂ）において用いた電力変換回路部は、いずれも、第１〜３電力変換回路部３−１〜３−３と同様の回路構成を有する電力変換回路部であるが、それぞれのコイルのインダクタンスは互いに異なる。

図５（Ａ）の電力変換回路部は、入力電圧１２０Ｖ、出力電圧１００Ｖ、出力電流が０．２Ａ〜１０Ａ程度の条件において動作し、入力電流が１０Ａ付近において最も高い変換効率ηを得ることができるように設計されている。この電力変換回路部には、大電流出力可能なコイルが選択される。一般的に大電流型のコイルはＬ値が０．１μＨ〜数μＨと比較的小さく、３００ＫＨｚ〜１ＭＨｚの高周波でＰＷＭスイッチング制御することにより、出力電流が１０Ａ付近で変換効率９０％を実現できる。しかし、出力電流が１Ａ以下では自己回路損失が大きいため５０％程度まで変換効率ηが落ちる。

図５（Ｂ）の電力変換回路部は、入力電圧１２０Ｖ、出力電圧１００Ｖ、出力電流０〜１Ａ程度の条件において動作し、入力電流が１Ａ付近において最も高い変換効率ηを得ることができるように設計されている。この電力変換回路部には、小電流出力可能なコイルが選択される。一般的に小電流型のコイルはＬ値が数十μＨ〜数百μＨで、３００ＫＨｚ以下の比較的遅い周波数でＰＷＭスイッチング制御することにより、０．０１Ａ〜１Ａ程度の電流域において変換効率９０％前後を実現できる。しかし、出力電流が１Ａを超えると出力が低下し、大電流を出力することができない。

第１〜３電力変換回路部３−１〜３−３は、それぞれ異なる入力電流域において高い変換効率の電力変換がなされ、それらの入力電流域により、電力変換装置１００に入力され得る入力電流をカバーできる。

なお、第１〜３電力変換回路部３−１〜３−３は、それぞれ入力電流の範囲が異なるコンバーターであればよく、図３に示した回路構成に限定されるわけではない。電力変換装置１００の使用目的に応じてそれぞれ設計されればよい。例えば、スイッチング素子としてＭＯＳＦＥＴの代わりにバイポーラトランジスタを用いてもよい。また、転流ダイオードの代わりに、ＭＯＳＦＥＴまたはバイポーラトランジスタといったスイッチング素子を用いて同期整流式としても、第１〜３電力変換回路部３−１〜３−３と同様の動作をする電力変換回路部を構成することができる。

また、第１〜３電力変換回路部３−１〜３−３とは異なる構成の電力変換回路部を用いてもよく、例えば昇圧型でもよい。また、電力変換回路部の数は複数であればよく、３個に限定されるわけではない。電力変換回路部の回路構成およびその数は、電力変換装置１００に接続される電力源の出力等に応じて決定される電力変換装置１００の入力電流の範囲等に応じて適宜調整すればよい。

入力電流検出部２ａは、入力電流Ｉｉｎの値を随時検出し、電力変換制御部１に送信する。入力電流検出部２ａは例えば電流検出用の抵抗等を用いて構成され、Ａ／Ｄ変換器を有し、アナログ信号の検出値をデジタル信号へと変換して電力変換制御部１に送信する。

入力電圧検出部２ｂは、入力電圧Ｖｉｎの値を随時検出し、電力変換制御部１に送信する。入力電圧検出部２ｂは例えば分圧抵抗等を用いて構成され、Ａ／Ｄ変換器を有し、アナログ信号の検出値をデジタル信号へと変換して電力変換制御部１に送信する。

出力電流検出部４ａは、出力電流Ｉｏｕｔの値を随時検出し、電力変換制御部１に送信する。出力電流検出部４ａは例えば電流検出用の抵抗等を用いて構成され、Ａ／Ｄ変換器を有し、アナログ信号の検出値をデジタル信号へと変換して電力変換制御部１に送信する。

出力電圧検出部４ｂは、出力電圧Ｖｏｕｔの値を随時検出し、電力変換制御部１に送信する。出力電圧検出部４ｂは例えば分圧抵抗等を用いて構成され、Ａ／Ｄ変換器を有し、アナログ信号の検出値をデジタル信号へと変換して電力変換制御部１に送信する。

図２において、電力変換制御部１は、効率対出力電流データ格納部１１と、出力電力取得部１２と、選択部１３とを備えている。電力変換制御部１は、例えばＣＰＵ、不揮発性メモリ等を用いて構成することが可能である。電力変換制御部１は、第１〜３電力変換回路部３−１〜３−３のうち、入力電流検出部２ａにより検出された入力電流Ｉｉｎにおいて最も大きい出力電力Ｐｏｕｔが得られる１つの電力変換回路部を選択し、選択した電力変換回路部が最も大きい出力電力Ｐｏｕｔを得ることができるような制御条件で電力変換回路部を制御する。

効率対出力電流データ格納部１１は、例えば不揮発性メモリであって、図６〜８に示すような効率対出力電流データＴＤ１〜３を格納している。効率対出力電流データＴＤ１〜３は、第１〜３電力変換回路部３−１〜３−３ごとに予め測定により求められたデータであって、第１〜３電力変換回路部３−１〜３−３のそれぞれにおける変換効率ηと出力電流Ｉｏｕｔとの関係を示すデータである。効率対出力電流データＴＤ１〜３は、図６〜８に示すように入力電流Ｉｉｎおよび出力電圧Ｖｏｕｔをパラメータとするテーブル形式とされる、変換効率ηと出力電流Ｉｏｕｔとの関係を示すグラフで表すことができる。図６〜図８は、それぞれ、第１〜３電力変換回路部に関する効率対出力電流データの一例を示す図である。

効率対出力電流データＴＤ１〜３は、各電力変換回路部における、入力電流Ｉｉｎごとおよび出力電圧Ｖｏｕｔごとのデータであり、例えば入力電流Ｉｉｎは１〜９Ａの範囲で２Ａ刻みに５点選択され、出力電圧は８０〜１２０Ｖであり１０Ｖ刻みに５点選択されている。図６〜８に示すように、効率対出力電流データＴＤ１〜３は、入力電流Ｉｉｎおよび出力電圧Ｖｏｕｔにより区分されたテーブル形式のデータである。

効率対出力電流データＴＤ１〜３における入力電流Ｉｉｎの範囲は、電力変換装置１００において実際に使用することが予定されている入力電流Ｉｉｎの範囲である。効率対出力電流データＴＤ１〜３における出力電圧Ｖｏｕｔの範囲は、電力変換装置１００において実際に使用することが予定されている出力電圧Ｖｏｕｔの範囲である。これらの範囲において、上記複数のグラフが多ければ多いほど、より高精度の電力変換ができるといえる。効率対出力電流データＴＤ１〜３を測定により求める際に、入力電流Ｉｉｎの刻みの度合いおよび出力電圧Ｖｏｕｔの刻みの度合いをより小さくすることで、効率対出力電流データＴＤ１〜３の量が増加し、より高精度の電力変換が可能となる。

出力電力取得部１２は、入力電流検出部２ａにより検出した入力電流Ｉｉｎの検出値および入力電圧Ｖｉｎを用いて、効率対出力電流データ格納部１１に格納された第１〜３電力変換回路部３−１〜３−３ごとの効率対出力電流データＴＤ１〜３から、第１〜３電力変換回路部３−１〜３−３のそれぞれが出力できる最大の出力電力（回路最大出力電力Ｐｈ）を取得する。なお、入力電圧Ｖｉｎが固定である場合は、検出せずにその値を用いればよいし、入力電圧Ｖｉｎが変動する場合は、入力電圧検出部２ｂにより入力電圧Ｖｉｎを検出し、その検出値を用いればよい。

選択部１３は、出力電力取得部１２により取得された各回路最大出力電力Ｐｈを互いに比較して、第１〜３電力変換回路部３−１〜３−３のうちから最も大きい出力電力が得られる１つの電力変換回路部を選択する。

警報出力部５は、電力変換制御部１からの信号を受けて電力変換装置１００の動作に異常が生じていることを操作者に知らせるために警報信号を出力する。警報出力部５としては、警報音を鳴らすことで異常を操作者に知らせるブザー、点灯または点滅により異常を操作者に知らせる警報灯（ランプ）、異常であることを表示画面に文字等を表示することにより操作者に知らせる表示装置等とすればよい。

次に、電力変換装置１００の動作について説明する。図１に示す太陽光発電システムにおいて、太陽電池ＰＶで発電された電力が電力変換装置１００に入力されている。電力変換装置１００において、電力変換制御部１は、所定の時間が経過する度ごとに、第１〜３電力変換回路部３−１〜３−３のうちから最も大きい出力電力が得られる１つの電力変換回路部を選択する処理（選択処理）を行う。所定の時間として、例えば１０〜１００ｍｓ、１００〜１０００ｍｓまたは１〜１０秒等とすることが可能である。

電力変換制御部１は、選択した電力変換回路部に対してＰＷＭ（Pulse Width Modulation）スイッチング制御を行った場合に、最も大きい出力電力が得られる制御条件を求め、その制御条件により、選択した１つの電力変換回路部を制御する。制御条件としては、スイッチング周波数、出力電圧Ｖｏｕｔの目標値、ＯＮ−ＯＦＦのデューティー比等がある。

選択した電力変換回路部が、現状において使用されている電力変換回路部である場合には、電力変換制御部１は、最も大きい出力電力Ｐｏｕｔが得られるように引き続きその電力変換回路部の制御を続ける。しかし、選択した電力変換回路部が現状において使用されている電力変換回路部と異なる場合には、電力変換制御部１により、選択した電力変換回路部に入力電力Ｐｉｎが入力されるように切換えられて、最も大きい出力電力Ｐｏｕｔが得られるように、選択された電力変換回路部が制御される。

図９および図１０を参照して、電力変換装置１００の動作について具体的に説明する。図９は、電力変換回路部の切換え処理の一例を示すフローチャートであり、図１０は、１つの電力変換回路部を選択する選択処理の一例を示すフローチャートである。

図９に示すように、電力変換制御部１により、例えば所定の時間（１〜１０秒程度）ごとに、電力変換回路部の切換えが必要か否かについて判断される（＃１１）。後述する電力変換回路部の選択処理の結果に基づいて、現状において使用している電力変換回路部とは異なる電力変換回路部を電力変換制御部１が選択した場合には、電力変換回路部の切換えが必要である（＃１１でＹｅｓ）。

電力変換回路部の切換えは、電力変換制御部１の駆動信号Ｓ１〜３により行われる。例えば、現状は第１電力変換回路部３−１が選択されているとすると、駆動信号Ｓ２および駆動信号Ｓ３がＯＦＦであり、駆動信号Ｓ１のみが発信されている。駆動信号Ｓ１は、第１電力変換回路部３−１がＰＷＭスイッチング制御を行うための信号であり、ＯＮとＯＦＦとを一定の周期で繰り返す信号である。駆動信号Ｓ２および駆動信号Ｓ３がＯＦＦであることから、第２電力変換回路部３−２および第３電力変換回路部３−３には入力電力Ｐｉｎは入力されない。第１電力変換回路部３−１にのみ入力電力Ｐｉｎが入力され、ＰＷＭスイッチング制御により降圧されて出力電力Ｐｏｕｔが出力される。

選択処理において、第２電力変換回路部３−２が選択されたとすると、電力変換制御部１は駆動信号Ｓ１をＯＦＦにし、駆動信号Ｓ２のみを発信する。駆動信号Ｓ１および駆動信号Ｓ３がＯＦＦであることから、第１電力変換回路部３−１および第３電力変換回路部３−３には入力電力Ｐｉｎは入力されない。第２電力変換回路部３−２にのみ入力電力Ｐｉｎが入力され、ＰＷＭスイッチング制御により降圧されて出力電力Ｐｏｕｔが出力される。このようにして、電力変換回路部の切換えが行われる。

電力変換制御部１により、第１電力変換回路部３−１に代えて第２電力変換回路部３−２において出力電圧Ｖｏｕｔの目標値が設定される（＃１２）。出力電圧Ｖｏｕｔの目標値とは、選択された電力変換回路部において最も大きい出力電力Ｐｏｕｔが得られる際の出力電圧Ｖｏｕｔのことである。出力電圧Ｖｏｕｔの目標値は、選択処理において求められている。出力電圧Ｖｏｕｔの目標値を設定するとは、出力電圧Ｖｏｕｔの目標値が得られるように、この電力変換回路部を制御することをいう。検出された値の入力電流Ｉｉｎが第２電力変換回路部３−２に流れた場合に、ＰＷＭスイッチング制御において、出力電圧Ｖｏｕｔの目標値を得ることができるようなスイッチング周波数およびデューティー比を、電力変換制御部１が算出する。電力変換制御部１は駆動信号Ｓ２を送信して、算出した制御条件（スイッチング周波数およびデューティー比）により第２電力変換回路部３−２を制御する。これにより、第２電力変換回路部３−２が、上記出力電圧Ｖｏｕｔの目標値周辺の出力電圧Ｖｏｕｔを出力することになり、最も大きい出力電力Ｐｏｕｔが得られる。

電力変換制御部１により、出力電圧検出部４ｂにより検出された出力電圧Ｖｏｕｔの検出値と、出力電圧Ｖｏｕｔの目標値とが比較される（＃１３）。なお、＃１１でＮｏの場合は、現状選択されている第１電力変換回路部３−１により電力変換を行っておけばよいので、＃１２を行わずに＃１３に進む。＃１３において比較した結果に基づいて電力変換制御部１により、出力電圧Ｖｏｕｔを出力電圧Ｖｏｕｔの目標値に合わせるようにフィードバック制御により、デューティー比が調整される（＃１４）。

デューティー比が調整された後、出力電圧Ｖｏｕｔの目標値の再設定が必要であるか、電力変換制御部１により判断される（＃１５）。具体的には、電力変換制御部１により、現在の入力電流Ｉｉｎの検出値と、第２電力変換回路部３−２を選択する際に用いた入力電流Ｉｉｎの検出値とが比較される。選択処理時の入力電流Ｉｉｎの検出値と、現在の入力電流Ｉｉｎの検出値とが異なり、その差が予め設定された所定値以上である場合には、出力電圧Ｖｏｕｔの目標値の再設定が必要であると判断される（＃１５のＹｅｓ）。出力電圧Ｖｏｕｔの目標値が、第２電力変換回路部３−２が選択された時の値に比べて大きく変化している可能性があると考えられるためである。

電力変換制御部１により、図７に示す第２電力変換回路部３−２の効率対出力電流データＴＤ２に基づいて出力電圧Ｖｏｕｔの目標値を再度取得し、再設定される（＃１６）。つまり、電力変換制御部１が、第２電力変換回路部３−２に入力電流Ｉｉｎが流れた場合に、ＰＷＭスイッチング制御により、再度取得した出力電圧Ｖｏｕｔの目標値を得ることができるようなスイッチング周波数およびデューティー比を算出し、この制御条件により第２電力変換回路部３−２を制御する。

出力電圧Ｖｏｕｔの目標値の再設定が不要である場合（＃１５のＮｏ）、および出力電圧Ｖｏｕｔの目標値の再設定（＃１６）後は、＃１１へと戻り、上記工程を繰り返す。

図９において、電力変換回路部は、フィードバックにより自動制御されている。

図１０を参照して、最も大きい出力電力Ｐｏｕｔが得られる１つの電力変換回路部を選択する選択処理について説明する。入力電流検出部２ａにより、入力電流Ｉｉｎが検出される（＃２１）。入力電流Ｉｉｎの検出値と、効率対出力電流データ格納部１１に格納されている第１〜３電力変換回路部３−１〜３−３の効率対出力電流データＴＤ１〜３とに基づいて、所定の時間（例えば１〜１０秒程度）ごとに、出力電力取得部１２により、第１〜３電力変換回路部３−１〜３−３のそれぞれに、入力電流Ｉｉｎが流れると仮定した場合の出力電力Ｐｏｕｔが、出力電圧Ｖｏｕｔごとに取得される（＃２２）。

出力電力取得部１２により、第１〜３電力変換回路部３−１〜３−３における出力電圧Ｖｏｕｔごとの出力電力Ｐｏｕｔから、出力電圧Ｖｏｕｔが取り得る範囲において、第１〜３電力変換回路部３−１〜３−３のそれぞれにおける回路最大出力電力Ｐｈが取得される（＃２３）。出力電圧Ｖｏｕｔの取り得る範囲とは、電力変換装置１００に接続される電力源の出力等に応じて決定される値であり、電力変換装置１００が用いられる出力電圧Ｖｏｕｔの範囲である。また、回路最大出力電力Ｐｈとは、各電力変換回路部において出力できる最も大きい出力電力をいう。

電力変換制御部１の選択部１３により、各電力変換回路部の回路最大出力電力Ｐｈが互いに比較され、最も大きな出力電力が得られる１つの電力変換回路部、すなわち最も大きな回路最大出力電力Ｐｈを有する電力変換回路部が選択される（＃２４）。電力変換制御部１は選択された電力変換回路部に応じて、切換えが必要か否かを判断する（図９の＃１１）。

上述した、図１０における選択処理について具体的に説明する。例えば、検出された入力電流Ｉｉｎが５Ａであると仮定する（＃２１）。

出力電力取得部１２により、効率対出力電流データ格納部１１から、図６〜８に示す第１〜３電力変換回路部３−１〜３−３のそれぞれに対応する効率対出力電流データＴＤ１〜３が取得される。そして、例えば、出力電圧Ｖｏｕｔの取り得る範囲が８０〜１２０Ｖであれば、各効率対出力電流データＴＤ１〜３において、５Ａの行の８０Ｖ、９０Ｖ、１００Ｖ、１１０Ｖ、１２０Ｖの５つのデータのそれぞれにおいて、出力電流Ｉｏｕｔが取り得る範囲における変換効率ηが最大になるデータが選択される。出力電流Ｉｏｕｔの取り得る範囲とは、電力変換装置１００に接続される電力源の出力等に応じて決定される値であり、電力変換装置１００において用いられる出力電流Ｉｏｕｔの範囲である。

出力電力取得部１２により、入力電流Ｉｉｎ（５Ａ）と各入力電圧Ｖｉｎとを乗じることにより入力電力Ｐｉｎが算出される（Ｉｉｎ×Ｖｉｎ＝Ｐｉｎ）。算出された入力電力Ｐｉｎに、選択された最大となる変換効率ηを乗じることで出力電圧Ｖｏｕｔごとの出力電力Ｐｏｕｔが算出される（Ｐｉｎ×η＝Ｐｏｕt ）。このようにして、出力電圧Ｖｏｕｔごとの出力電力Ｐｏｕｔが取得される（＃２２）。なお、入力電圧Ｖｉｎが固定である場合は、検出せずにその値を用いればよいし、入力電圧Ｖｉｎが変動する場合は、入力電圧検出部２ｂにより検出された値を用いればよい。

出力電力取得部１２により、出力電圧Ｖｏｕｔごとの出力電力Ｐｏｕｔが互いに比較され、電力変換回路部ごとの回路最大出力電力Ｐｈが取得される（＃２３）。第１〜３電力変換回路部３−１〜３−３のそれぞれにおいて出力電力が最大となるときの変換効率が、それぞれηMAX １、ηMAX ２、ηMAX ３であるとする。検出された入力電流Ｉｉｎと入力電圧Ｖｉｎとを乗じた値がＰｉｎなので、第１電力変換回路部３−１の回路最大出力電力ＰｈはηMAX １×Ｐｉｎであり、第２電力変換回路部３−２の回路最大出力電力ＰｈはηMAX ２×Ｐｉｎであり、第３電力変換回路部３−３の回路最大出力電力ＰｈはηMAX ３×Ｐｉｎである。

これら３つのうち、例えば第２電力変換回路部３−２の回路最大出力電力Ｐｈ（ηMAX ２×Ｐ）が最大であれば、選択部１３により第２電力変換回路部３−２が選択される（＃２４）。

第２電力変換回路部３−２の回路最大出力電力Ｐｈ（ηMAX ２×Ｐｉｎ）を得ることができる際の出力電圧Ｖｏｕｔが出力電圧Ｖｏｕｔの目標値となる。また、スイッチング周波数およびデューティー比については、入力電流Ｉｉｎが第２電力変換回路部３−２に流れた場合に、出力電圧Ｖｏｕｔの目標値を得ることができるような値とすればよい。

電力変換装置１００において、第１〜３電力変換回路部３−１〜３−３の制御は、ＰＷＭスイッチング制御を用いたが、電力変換を行うことができればよく、ＰＦＭ制御等の他の制御法を用いてもよい。また、入力電圧Ｖｉｎが固定値である場合は入力電圧検出部２ｂを設ける必要がないが、入力電圧検出部２ｂを設けて入力電圧Ｖｉｎを検出することにより、より正確な値を用いることができて精度の高い制御が可能である。

また、入力電圧Ｖｉｎの変化が大きい場合は、なんらかの異常が発生している可能性がある。電力変換制御部１により、入力電圧検出部２ｂで検出された入力電圧Ｖｉｎの所定時間当たりの変動幅を算出し、予め記憶されている所定の設定値と比較し、この設定値以上の場合は警報出力部５に信号を送信し、警報出力部５が警報信号を出力し、操作者に知らせることとすればよい。例えば、ランプが点灯したり、警報音が鳴ったり、表示画面に警告表示がなされることとすればよい。

また、電力変換制御部１により、出力電流検出部４ａで検出された出力電流Ｉｏｕｔと、出力電圧検出部４ｂで検出された出力電圧Ｖｏｕｔとを乗じることで出力電力Ｐｏｕｔを随時算出しておき、出力電力Ｐｏｕｔの値が予め設定された所定の値よりも小さくなった場合には、警報出力部５に信号が送信されることとしてもよい。

上述の説明では、電力変換回路部の切換えが必要か否かについて判断する場合、電力変換制御部１が、第１〜３電力変換回路部３−１〜３−３のすべての回路最大出力電力Ｐｈを取得した上で、いずれかの電力変換回路部を選択している。しかし、電力変換回路部の切換えは、通常、隣合う入力電流範囲を有する電力変換回路部の間でなされることから、現在選択されている電力変換回路部と、その電力変換回路部の入力電流範囲と隣合う入力電流範囲を有する電力変換回路部との回路最大出力電力Ｐｈを取得し、それらの中からいずれか１つの電力変換回路部を選択してもよい。これにより、選択処理の工程が減少し、時間も短縮される。

つまり、第１電力変換回路部３−１が現在選択されている場合は、第１電力変換回路部３−１および第２電力変換回路部３−２のそれぞれについて回路最大出力電力Ｐｈを求めて、それらを比較することで電力変換回路部を選択すればよい。また、第２電力変換回路部３−２が現在選択されている場合は、第１電力変換回路部３−１、第２電力変換回路部３−２および第３電力変換回路部３−３のそれぞれについて回路最大出力電力Ｐｈを求めて、それらを比較することで電力変換回路部を選択すればよい。また、第３電力変換回路部３−３が現在選択されている場合は、第２電力変換回路部３−２および第３電力変換回路部３−３のそれぞれについて回路最大出力電力Ｐｈを求めて、それらを比較することで電力変換回路部を選択すればよい。

以上、予め格納された効率対出力電流データＴＤ１〜３を用いて第１〜３電力変換回路部３−１〜３−３を選択し、その選択の結果に応じて電力変換回路部の切換えを判断する電力変換制御部１について説明した。これ以外に、図４に示す入力電流Ｉｉｎと出力電力Ｐｏｕｔの関係より、入力電流Ｉｉｎのしきい値ｔｈ１〜２を定義し、このしきい値ｔｈ１〜２により電力変換回路部を選択することもできる。以下、第２の実施形態の電力変換装置１００Ｂとして、このような選択を行う電力変換制御部６を用いた場合について説明する。電力変換制御部６は電力変換制御部１の代わりに、電力変換装置１００Ｂ内に設置されればよい。

図１１は第２の実施形態に係る電力変換装置１００Ｂにおける電力変換制御部６の構成の一例を示すブロック図である。電力変換制御部６は、出力電流Ｉｏｕｔのしきい値ｔｈ１〜２を格納する不揮発性メモリ等により構成されるしきい値格納部６１と、選択部６２とを備えている。選択部６２は、入力電流検出部２ａにより検出された入力電流Ｉｉｎと、しきい値格納部６１に格納されたしきい値ｔｈ１〜２とを比較することにより、最も大きい出力電力が得られる１つの電力変換回路部を選択する。

この電力変換装置１００Ｂにおいて、電力変換制御部６以外の部材は上述した各部材と同様である。電力変換制御部６についても、第１〜３電力変換回路部３−１〜３−３の選択方法が異なるだけで、それ以外の点は上述の電力変換制御部１と同様である。

電力変換制御部６のしきい値格納部６１には、第１〜３電力変換回路部３−１〜３−３を用いて電力変換を行う場合に、最も大きな出力電力Ｐｏｕｔを得るために、回路部を切換えることが好ましい入力電流Ｉｉｎの値であるしきい値ｔｈ１〜２が格納されている。図４に示すように、入力電流Ｉｉｎが小電流側しきい値ｔｈ１よりも小さい場合は第１電力変換回路部３−１を用いることが好ましいが、入力電流Ｉｉｎが小電流しきい値ｔｈ１以上であり大電流側しきい値ｔｈ２よりも小さい場合は、第２電力変換回路部３−２を用いることが好ましい。入力電流Ｉｉｎが大電流側しきい値ｔｈ２以上である場合は第３電力変換回路部３−３を用いることが好ましい。小電流側しきい値ｔｈ１および大電流側しきい値ｔｈ２については予め測定により求め、しきい値格納部６１に格納しておけばよい。

図１２を用いて電力変換制御部６における、最も大きい出力電力が得られる１つの電力変換回路部を選択する方法について説明する。図１２は図１１に示す電力変換制御部において電力変換回路部を選択する際の処理の一例を示すフローチャートである。

まず、入力電流検出部２ａにより、入力電流Ｉｉｎが検出される（＃３１）。選択部６３により、入力電流Ｉｉｎの検出値と、しきい値格納部６１に格納された大電流側しきい値ｔｈ２とが比較される（＃３２）。入力電流Ｉｉｎの検出値が大電流側しきい値ｔｈ２以上であれば（＃３２でＹｅｓ）、選択部６３により、第３電力変換回路部３−３を最も大きい出力電力が得られる１つの電力変換回路部として選択される（＃３３）。

入力電流Ｉｉｎの検出値が大電流側しきい値ｔｈ２よりも小さい場合は（＃３２でＮｏ）、入力電流検出部２ａにより、入力電流Ｉｉｎの検出値としきい値格納部に格納された小電流側しきい値ｔｈ１とが比較される（＃３４）。入力電流Ｉｉｎの検出値が小電流側しきい値ｔｈ１以上であれば（＃３４でＹｅｓ）、選択部６３により、第２電力変換回路部３−２が最も大きい出力電力が得られる１つの電力変換回路部として選択される（＃３５）。

入力電流Ｉｉｎの検出値が小電流側しきい値ｔｈ１よりも小さい場合は（＃３４でＮｏ）、選択部６３により、第１電力変換回路部３−１が最も大きい出力電力が得られる１つの電力変換回路部として選択される（＃３６）。

上記選択処理は、所定の時間（例えば１〜１０秒程度）が経過する度ごとに行うこととすればよい。

第１〜３電力変換回路部３−１〜３−３における、入力電流Ｉｉｎに対する最大となる出力電力Ｐｏｕｔを予め測定により求めておき、しきい値格納部６１に格納しておけばよい。電力変換制御部６は、選択された電力変換回路部と入力電流Ｉｉｎの検出値とにより、最大となる出力電力Ｐｏｕｔを求め、さらに出力電流Ｉｏｕｔの検出値より、出力電圧Ｖｏｕｔの目標値を求めることができる。電力変換制御部６は、入力電流Ｉｉｎの検出値と出力電圧Ｖｏｕｔの目標値とに基づいて、デューティー比、スイッチング周波数等を求めて、その制御条件により、選択された電力変換回路部を制御すればよい。

また、電力変換制御部６が第１〜３電力変換回路部３−１〜３−３のそれぞれについて上述の効率対出力電流データＴＤ１〜３を格納する格納部を有していることとしてもよい。選択された電力変換回路部の効率対出力電流データに基づいて、入力電流Ｉｉｎの検出値において最も大きな変換効率ηを有する出力電圧Ｖｏｕｔを取得し、その出力電圧Ｖｏｕｔを目標値として、デューティー比、スイッチング周波数等を求めて、その制御条件により、選択された電力変換回路部を制御してもよい。

上述の電力変換装置１００、１００Ｂの説明では、電力変換制御部１、６は、第１〜３電力変換回路部３−１〜３−３のいずれかを選択する選択処理を所定時間ごとに行うこととしたが、これ以外のタイミングでこの処理を実行することとしてもよい。例えば、電力変換制御部１、６は、前回に新しい１つの電力変換回路部を選択する選択処理を実行したときに入力電流検出部２ａにより検出された入力電流Ｉｉｎと、最新に検出された入力電流Ｉｉｎとの差異を算出し、この差異の値が所定の設定値を越えた場合に、第１〜３電力変換回路部３−１〜３−３のいずれかを選択する選択処理を実行することとしてもよい。

図１に示すように、太陽電池ＰＶに接続された電力変換装置１００、１００Ｂを、連系用整合装置２００を介して商用電力系統に接続して用いてもよいが、電力変換装置１００、１００Ｂをこれ以外の用途に用いてもよく、例えば、電力変換装置１００、１００Ｂの入力側を太陽電池ＰＶに接続し、出力側を蓄電池に接続して、太陽電池ＰＶにより発電された電力を蓄電池に蓄電してもよい。

本実施形態に係る電力変換装置１００、１００Ｂによれば、異なる入力電流−出力電力特性を有する電力変換回路部を持ち、それらを切換えることで広い入力電流域において高い変換効率を維持することができる。そのため、構成が複雑でなく、簡素化でき、回路設計も容易である。また、同一の回路を複数有して、それらを組み合わせることで広い入力電流域に対応する電力変換装置に比べて、回路を構成するための部品点数の増加量を抑えて、広い入力電流域に対して、最大出力を得ることができる。そのため、小型化・低コスト化が可能である。

上に述べた実施形態において、電力変換装置１００、１００Ｂの全体または各部の構造、形状、寸法、個数、材質、組成などは、本発明の趣旨に沿って適宜変更することができる。

上に述べた実施形態の電力変換装置１００、１００Ｂは、広い入力電流域および出力電流域を持ち、広い範囲の入力電流の変動に対応して全電流域で最大電力を出力することができる。また、小型化・低コスト化が可能である。例えば、太陽電池に接続することで、太陽電池により発電された電力をより有効に取り出すことができる。したがって、太陽光発電システムの構成部品として好適に使用することができる。

１、６ 電力変換制御部
２ａ 入力電流検出部
２ｂ 入力電圧検出部
３−１ 第１電力変換回路部
３−２ 第２電力変換回路部
３−３ 第３電力変換回路部
４ａ 出力電流検出部
４ｂ 出力電圧検出部
５ 警報出力部
１１ 効率対出力電流データ格納部
１２ 出力電力取得部
１３、６３ 選択部
６１ しきい値格納部
１００、１００Ｂ 電力変換装置
２００ 連系用整合装置
Ｌ１〜３ コイル
Ｃ１〜３ コンデンサ
ＦＥＴ１〜３ スイッチング素子
Ｄ１〜３ 転流ダイオード
ＰＶ 太陽電池
ＴＤ１〜３ 効率対出力電流データ
ｔｈ１ 小電流側しきい値
ｔｈ２ 大電流側しきい値

Claims (9)

1. 直流電力として入力される入力電力を電力変換して出力する電力変換装置であって、
   前記入力電力の電流である入力電流を検出する入力電流検出部と、
   前記入力電力を電力変換するものであり、入力電流範囲が互いに異なりかつ隣合う入力電流範囲とは重複する部分を有する複数の電力変換回路部と、
   前記複数の電力変換回路部のうち、前記入力電流検出部により検出された入力電流において最も大きい出力電力が得られる１つの電力変換回路部を選択し、選択した電力変換回路部に対して最も大きい出力電力が得られる制御条件で制御を行う、電力変換制御部と、
   を有することを特徴とする電力変換装置。
2. 前記複数の電力変換回路部は、それぞれ、スイッチング素子、電力変換時にエネルギーを蓄積するためのコイル、およびコンデンサを備え、
   前記複数の電力変換回路部のそれぞれが備える前記コイルのインダクタンスが互いに異なっている、
   請求項１記載の電力変換装置。
3. 前記電力変換制御部は、
   前記複数の電力変換回路部のそれぞれについて、入力電流および出力電圧のそれぞれをパラメータとする、入力電力に対する出力電力の比である変換効率ηと出力電流との関係を示す効率対出力電流データを、格納する、効率対出力電流データ格納部を備え、
   前記入力電流検出部により検出された入力電流と、前記効率対出力電流データ格納部に格納された前記効率対出力電流データとから、前記入力電流検出部により検出された入力電流に対して、最も大きい出力電力が得られる前記１つの電力変換回路部を選択する、
   請求項１または２記載の電力変換装置。
4. 前記電力変換制御部は、
   前記入力電流検出部により検出された入力電流および前記効率対出力電流データに基づいて、前記入力電流検出部により検出された入力電流における前記複数の電力変換回路部のそれぞれの出力電力を出力電圧ごとに取得し、各電力変換回路部において出力できる最も大きい出力電力である回路最大出力電力をそれぞれ取得する、出力電力取得部と、
   前記出力電力取得部により取得された各回路最大出力電力を互いに比較して、最も大きい出力電力が得られる前記１つの電力変換回路部を選択する選択部と、
   を有する請求項３記載の電力変換装置。
5. 前記電力変換制御部は、
   前記複数の電力変換回路部のそれぞれについて、入力電流に対し最も大きい出力電力が得られる電力変換回路部として選択するためのしきい値を格納する、しきい値格納部と、
   前記入力電流検出部により検出された入力電流と前記しきい値格納部に格納されたしきい値とを比較することにより、前記１つの電力変換回路部を選択する選択部と、
   を有する請求項１または２記載の電力変換装置。
6. 前記電力変換制御部は、
   前記複数の電力変換回路部のうち、現在選択されている電力変換回路部、および、この電力変換回路部の入力電流範囲と隣合う入力電流範囲を有する電力変換回路から、前記入力電流検出部により検出された入力電流において最も大きい出力電力が得られる１つの電力変換回路部を選択する、
   請求項１ないし５のいずれかに記載の電力変換装置。
7. 前記電力変換制御部は、
   前記１つの電力変換回路部を選択する処理を、所定の時間が経過する度ごとに実行する、
   請求項１ないし６のいずれかに記載の電力変換装置。
8. 前記電力変換制御部は、
   前回に新しい１つの電力変換回路部を選択する処理を実行したときに前記入力電流検出部により検出された入力電流と、最新に検出された入力電流と、の差異が設定値を越えた場合に、前記１つの電力変換回路部を選択する処理を実行する、
   請求項７記載の電力変換装置。
9. 前記入力電力の電圧である入力電圧を検出する入力電圧検出部と、
   前記入力電圧検出部で検出された入力電圧の変化が大きいときに警報信号を出力する警報出力部と、
   を有する請求項１ないし８のいずれかに記載の電力変換装置。

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