JP5431826B2 - Ｄｃ／ｄｃコンバータおよび電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、ＤＣ／ＤＣコンバータおよびそれを用いた電力変換装置に関するものである。

近年、地球環境保護の観点から環境への影響の少ない太陽電池、燃料電池等による分散型電源システムの開発が盛んに進められている。

このような分散型電源システムでは、太陽電池等によって発電した直流電力を、ＤＣ／ＤＣコンバータおよびインバータを備えた電力変換装置であるパワーコンディショナによって、商用周波数の交流電力に変換し、商用電力系統と連系して負荷に供給するとともに、余剰電力を商用電力系統に逆潮流することが行われている（例えば、特許文献１参照）。

三相の商用電力系統と連系するには、三相インバータを備える電力変換装置によって、三相の交流電力に変換すればよいが、安価な単相インバータを複数台用いて三相インバータを構成する場合、三相不平衡という不具合が生じる場合があるという課題がある。

特開２００１−１６１０３２号公報

本発明は、上述の課題に鑑みてなされたものであって、安価な単相インバータを複数台用いて三相の商用電力系統と連系するのに好適なＤＣ／ＤＣコンバータおよびそれを用いた電力変換装置を提供することを目的とする。

本発明によるＤＣ／ＤＣコンバータは、直流電力を変換出力する絶縁型のＤＣ／ＤＣコンバータであって、当該ＤＣ／ＤＣコンバータは、前記直流電力を、複数台の単相インバータに分配出力するトランスを具備したことを特徴とするものである。

本発明によると、トランスにより複数台の単相インバータに直流電力を分配出力できるので、例えば三相電源にΔ結線あるいはＶ結線される３台または２台の単相インバータに、直流電力を分配できるようになり、結果として、高価な三相インバータを用いることなく、安価な単相インバータを用いて三相電源に連系する電力変換装置を構成することができる。

本発明の好ましい実施形態は、前記直流電力を交流電力に変換するインバータ回路と、該インバータ回路の交流電力の電圧を変圧するとともに、それぞれ絶縁された複数の出力に分配する前記トランスと、該トランスからの複数の出力それぞれを整流する複数の整流回路と、各整流回路の出力をそれぞれ平滑する複数の平滑回路とを備えている。

この実施形態によると、直流電力を交流電力に変換するインバータ回路の交流電力を、トランスによって、絶縁された複数出力に分配し、整流、平滑して複数台の単相インバータに供給することができる。

本発明の好ましい他の実施形態は、前記複数が、２または３であり、２台の前記単相インバータが、商用三相電源にＶ結線され、または、３台の前記単相インバータが商用三相電源にΔ結線あるいはＹ結線されるものである。

この実施形態によると、当該ＤＣ／ＤＣコンバータによって、商用三相電源にΔ結線あるいは三相四線式の前記商用電源にＹ結線される３台の単相インバータ、または、商用三相電源にＶ結線される２台の単相インバータに、直流電力を分配できるようになり、結果として、高価な三相インバータを用いることなく、安価な単相インバータを用いて三相電源に連系する電力変換装置を構成することができる。

本発明の好ましい更に他の実施形態は、前記トランスは、単一の一次巻線と、複数の二次巻線とを備えるものである。

この実施形態によると、単一の一次巻線と、複数の二次巻線とを備えるトランスによって、絶縁された複数出力に分配することができる。

本発明の好ましい実施形態では、前記トランスの前記二次巻線には、該トランスの出力を等分するための変流器が接続されている。

この実施形態よると、変流器によって、複数の二次巻線に流れる電流を等分することができる。

本発明の電力変換装置は、本発明に係るＤＣ／ＤＣコンバータと、商用三相電源に接続される複数台の単相インバータとを備え、前記商用三相電源に連系するものである。

本発明の電力変換装置によると、高価な三相インバータを用いることなく、太陽電池や燃料電池等の直流電力源からの直流電力を、安価な単相インバータを用いて商用の三相電源に連系することができる。

本発明によれば、三相電源に接続される複数台の単相インバータに、直流電力を分配できるので、高価な三相インバータを用いることなく、安価な単相インバータを用いて商用の三相電源に系統連系する電力変換装置を構成することができる。

本発明の一つの実施の形態に係るパワーコンディショナを備える太陽光発電システムの概略構成図である。 図１のＤＣ／ＤＣコンバータの回路構成図である。 図１のＤＣ／ＤＣコンバータの他の回路構成図である。 図１のＤＣ／ＤＣコンバータの更に他の回路構成図である。 図１の単相インバータの回路構成図である。 本発明の他の実施の形態に係る太陽光発電システムの概略構成図である。 図１のＤＣ／ＤＣコンバータの他の回路構成図である。 本発明の他の実施の形態に係るパワーコンディショナを備える太陽光発電システムの概略構成図である。 本発明の更に他の実施の形態に係るパワーコンディショナを備える太陽光発電システムの概略構成図である。 図９のＤＣ／ＤＣコンバータの回路構成図である。

以下、図面によって本発明の実施の形態について詳細に説明する。

（実施形態１）
図１は、本発明の一つの実施形態に係るＤＣ／ＤＣコンバータおよびそれを用いた電力変換装置として、パワーコンディショナを備える太陽光発電システムの概略構成図である。

この実施形態の太陽光発電システムは、直流電力源としての太陽電池１と、この太陽電池１からの直流電力を、交流電力に変換して商用電源系統である三相電源２に連系する電力変換装置としてのパワーコンディショナ３とを備えている。

この実施形態のパワーコンディショナ３は、三相インバータを用いることなく、商用の三相電源２と連系できるようにするために、太陽電池１からの直流電力を変圧して分配する絶縁型のＤＣ／ＤＣコンバータ４と、このＤＣ／ＤＣコンバータ４からの直流電力を、単相の交流電力にそれぞれ変換して商用の三相電源２に連系する３台の単相インバータ５−１〜５−３とを備えている。

３台の単相インバータ５−１〜５−３の内、単相インバータ５−１は、商用の三相電源２のＵ相，Ｖ相間に接続され、単相インバータ５−２は、商用の三相電源２のＶ相，Ｗ相間に接続され、単相インバータ５−３は、商用の三相電源２のＷ相，Ｕ相間に接続される。すなわち、これらの単相インバータ５−１〜５−３は、商用の三相電源２にΔ結線されている。

図２にＤＣ／ＤＣコンバータ４の回路構成を示す。

ＤＣ／ＤＣコンバータ４は、太陽電池１に並列に接続される平滑コンデンサ６と、直流電力を交流電力に変換する高周波インバータ回路７と、この高周波インバータ回路７からの交流電力を変圧するとともに、３台の単相インバータ５−１〜５−３に対応するように均等に分配する高周波トランス８と、この高周波トランス８からの交流出力をそれぞれ全波整流する整流回路９−１〜９−３と、各整流回路９−１〜９−３の出力をそれぞれ平滑化して各単相インバータ５−１〜５−３に与える平滑回路１０−１〜１０−３と、平滑回路１０−３の出力に基づいて、高周波インバータ回路７のスイッチング制御を行う変換制御回路１１とを備えている。

高周波インバータ回路７は、フルブリッジ構成された４個のＩＧＢＴなどのスイッチング素子１２ａ〜１２ｄと、各スイッチング素子１２ａ〜１２ｄに逆並列に接続されたダイオード１３ａ〜１３ｄとを備えている。この高周波インバータ回路７は、変換制御回路１１によってスイッチング制御されて直流電力を高周波の交流電力に変換する。

高周波トランス８は、単一の一次巻線Ｎ１と、３つの二次巻線Ｎ２−１〜Ｎ２−３とを備えており、高周波インバータ回路７からの交流電力を変圧して、各整流回路９−１〜９−３に供給する。

このように高周波トランス８では、商用の三相電源２にΔ結線されている３台の単相インバータ５−１〜５−３に、絶縁された出力を均等に配分するために、３つの二次巻線Ｎ２−１〜Ｎ２−３を備えている。

高周波トランス８の３つの二次側巻線Ｎ２−１〜Ｎ２−３に、均等な電流が流れるように、例えば、図３に示すように、二次巻線Ｎ２−１〜Ｎ２−３の後段に、カレントトランス（変流器）ＣＴ１〜ＣＴ３の一次巻線を直列にそれぞれ接続するとともに、カレントトランスＣＴ１〜ＣＴ３の二次巻線を直列に接続してもよいし、あるいは、図４に示すように、カレントトランスＣＴ１’〜ＣＴ３’を構成してもよいし、更に、均等な電流が流れるように、二次巻線Ｎ２−１〜Ｎ２−３のターン数を異ならせてもよい。

高周波トランス８の後段の各整流回路９−１〜９−３は、図２に示すように、ダイオードブリッジで構成されており、高周波トランス８の二次巻線Ｎ２−１〜Ｎ２−３からの高周波電流は、整流回路９−１〜９−３で整流され、更に、リアクトル１４とコンデンサ１５からなる平滑回路１０−１〜１０−３で平滑化されて、図１の各単相インバータ５−１〜５−３にそれぞれ供給される。

変換制御回路１１は、従来と同様にＭＰＰＴ（最大電力点追従）制御を行うとともに、単相インバータ５−３への出力電圧である平滑回路１０−３の出力電圧に基づいて、高周波インバータ回路７のスイッチング素子１２ａ〜１２ｄをスイッチング制御して、出力電圧を定電圧制御し、これによって、他の平滑回路１０−１，１０−２の出力電圧も略同電圧となる。

このように絶縁型のＤＣ／ＤＣコンバータ４によって、太陽電池１からの直流電力を、絶縁された３つの出力に均等に分配して各単相インバータ５−１〜５−３に給電することが可能となる。

図５に、図１の単相インバータ５−１〜５−３の回路構成を示す。各単相インバータ５−１〜５−３の構成は、共通であるので、図５では、代表的に単相インバータ５として説明する。

単相インバータ５は、ＤＣ／ＤＣコンバータ４のいずれかの平滑回路１０−１〜１０−３に接続されるインバータ回路１６と、このインバータ回路１６によって変換された交流電力の高調波を除去するフィルタ回路１７と、インバータ回路１６の出力に基づいて、該インバータ回路１６のスイッチングを制御するインバータ制御回路１８とを備えている。

インバータ回路１６は、ＩＧＢＴなどのスイッチング素子１９ａ〜１９ｄとダイオード２０ａ〜２０ｄとからなるフルブリッジ回路であって、インバータ制御回路１８によって制御され、ＤＣ／ＤＣコンバータ４からの直流電力を、交流電力に変換する。フィルタ回路１７は、リアクトル２１とコンデンサ２２とによって構成される。

以上のようにＤＣ／ＤＣコンバータ４によって、太陽電池１からの直流電力を、商用の三相電源２にΔ結線された３台の単相インバータ５−１〜５−３に均等に分配するので、三相インバータを用いることなく、商用の三相電源２に三相平衡電流を流すことができ、商用電力系統と連系することが可能となる。これによって、三相インバータを用いる場合に比べて、コストを低減することが可能となる。

上述の実施形態では、図１に示すように、三相三線式の商用電源２に連系させたけれども、本発明の他の実施形態として、図６に示すように、三相四線式の商用電源２’に連系させてもよい。

上述の各実施形態では、ＤＣ／ＤＣコンバータ４の高周波トランス８は、単一の一次巻線Ｎ１と、３つの二次巻線Ｎ２−１〜Ｎ２−３とを備える構成であったけれども、本発明の他の実施形態として、図７に示すように、単一の一次巻線Ｎ１および二次巻線Ｎ２からなる標準的な高周波トランス８−１の後段に、単一の一次巻線Ｎ１’と３つの二次巻線Ｎ２’−１〜Ｎ２’−３とから高周波トランス８−２を接続するようにしてもよい。この場合には、従来のＤＣ／ＤＣコンバータ４の高周波トランス８−１をそのまま利用できることになる。

また、上述の実施の形態のパワーコンディショナ３では、図１に示すように、１台のＤＣ／ＤＣコンバータ４からの直流電力を、３台の単相インバータ５−１〜５−３に分配したけれども、他の実施形態として、複数台のＤＣ／ＤＣコンバータ、例えば、図８に示すように、太陽電池モジュールがグループ化（ストリング化）された３つの太陽電池１−１〜１−３からの直流電力が与えられる３台のＤＣ／ＤＣコンバータ４−１〜４−３を、３台の単相インバータ５−１〜５−３に並列に接続し、各ＤＣ／ＤＣコンバータ４−１〜４−３の３つの出力を、それぞれ３台の単相インバータ５−１〜５−３に与えるようにしてもよい。この３台のＤＣ／ＤＣコンバータ４−１〜４−３は、上述のＤＣ／ＤＣコンバータ４と同じ構成である。

この図８では、日照状態などによって各太陽電池１−１〜１−３の発電出力にばらつきがあっても、各単相インバータ５−１〜５−３には、均等に出力が分配されるので、三相電源２に三相平衡電流を流すことが可能となる。

（実施形態２）
図９は、本発明の他の実施形態の図１に対応する太陽光発電システムの概略構成図である。

この実施形態の太陽光発電システムは、直流電力源としての太陽電池１と、この太陽電池１からの直流電力を、交流電力に変換して商用の三相電源２に連系する電力変換装置としてのパワーコンディショナ３−２とを備えている。

この実施形態のパワーコンディショナ３−２は、三相インバータを用いることなく、商用の三相電源２と連系できるようにするために、太陽電池１からの直流電力を変圧して分配する絶縁型のＤＣ／ＤＣコンバータ４−４と、このＤＣ／ＤＣコンバータ４−４からの直流電力を、単相の交流電力にそれぞれ変換して商用の三相電源２に連系する２台の単相インバータ５−１，５−２とを備えている。一方の単相インバータ５−１は、商用の三相電源２のＵ相，Ｖ相間に接続され、他方の単相インバータ５−２は、商用の三相電源２のＶ相，Ｗ相間に接続される。すなわち、これらの単相インバータ５−１，５−２は、商用の三相電源２にＶ結線されている。

図１０に、図９の実施形態のＤＣ／ＤＣコンバータ４−４の回路構成を示す。

ＤＣ／ＤＣコンバータ４−４は、太陽電池１に並列に接続される平滑コンデンサ６と、直流電力を交流電力に変換する高周波インバータ回路７と、この高周波インバータ回路７からの交流電力を変圧するとともに、２台の単相インバータ５−１，５−２に対応するように均等に分配する高周波トランス８−３と、この高周波トランス８−３からの交流出力をそれぞれ全波整流する整流回路９−１，９−２と、各整流回路９−１，９−２の出力をそれぞれ平滑化して各単相インバータ５−１，５−２に与える平滑回路１０−１，１０−２と、平滑回路１０−２の出力に基づいて、高周波インバータ回路７のスイッチング制御を行う変換制御回路１１と、を備えている。

この実施形態では、高周波トランス８−３は、単一の一次巻線Ｎ１と、２つの二次巻線Ｎ２−１，Ｎ２−２とを備えており、高周波インバータ回路７からの交流電力を変圧して、各整流回路９−１，９−２に供給する。

単相インバータ５−１，５−２およびその他の構成は、上述の実施の形態１と同様である。

この実施形態によれば、ＤＣ／ＤＣコンバータ４−４によって、太陽電池１からの直流電力を、商用の三相電源２にＶ結線された２台の単相インバータ５−１，５−２に均等に分配するので、三相インバータを用いることなく、商用電力系統と連系することが可能となる。

上述の各実施形態では、ＤＣ／ＤＣコンバータの整流回路は、全波整流回路であったけれども、本発明の他の実施形態として、倍電圧整流回路とし、高周波トランスの２次巻線電圧を、その２倍の電圧に昇圧するようにしてもよい。

本発明は、電力変換装置として有用である。

１，１−１〜１−３ 太陽電池
２ 三相電源
３，３−１，３−２ パワーコンディショナ
４，４−１〜４−４ ＤＣ／ＤＣコンバータ
５−１〜５−３ 単相インバータ
８，８−１〜８−３ 高周波トランス

Claims (3)

1. 直流電力を交流電力に変換するインバータ回路と、
   単一の一次巻線および複数の二次巻線を有し、前記インバータ回路の交流電力の電圧を変圧するとともに、それぞれ絶縁された複数出力に均等に分配する高周波トランスと、
   該トランスからの分配された複数出力それぞれを整流する複数の整流回路と、
   各整流回路それぞれの出力を平滑する複数の平滑回路と、を備えた絶縁型のＤＣ／ＤＣコンバータであって、
   前記トランスにより、前記交流電力が商用三相電源に接続される複数台の単相インバータに均等に分配出力されるとともに、
   前記トランスの複数の二次巻線のそれぞれに、該トランスの出力等分用変流器が接続されている、絶縁型のＤＣ／ＤＣコンバータ。
2. 前記複数が、２または３であり、２台の前記単相インバータが、商用三相電源にＶ結線され、または、３台の前記単相インバータが商用三相電源にΔ結線あるいはＹ結線される請求項１に記載のＤＣ／ＤＣコンバータ。
3. 請求項１または２に記載のＤＣ／ＤＣコンバータと、
   商用三相電源に接続される複数台の単相インバータと、
   を備え、
   前記商用三相電源に連系する、ことを特徴とする電力変換装置。

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