JP5586096B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、太陽電池、蓄電池等の直流電力を交流電力に変換して商用電力系統へ連系する電力変換装置に関する。

従来の電力変換装置としては、例えば、図５に示す太陽光発電装置１Ｃが知られている。太陽光発電装置１Ｃは、太陽電池１０の直流電力を交流電力に変換して商用電力系統１１に連系するもので、同図に示すように、主にＤＣ／ＤＣコンバータ部２Ｃと、インバータ部３Ｃと、制御部４Ｃと、目標値記憶部５Ｃとを備えている。

ＤＣ／ＤＣコンバータ部２Ｃはドライブ回路９を有し、ドライブ回路９は制御部４Ｃの制御下でスイッチング素子ＳＷの導通状態を切り替える。これにより、ＤＣ／ＤＣコンバータ部２Ｃは、太陽電池１０から供給された第１直流電圧Ｖ_DC1を昇圧して第２直流電圧Ｖ_DC2を出力する。インバータ部３Ｃは、ＤＣ／ＤＣコンバータ部２Ｃから出力された第２直流電圧Ｖ_DC2を商用電力系統１１の商用交流電圧に等しい連系点の電圧Ｖ_AC（以下、“連系点電圧”という）に変換する。

また、制御部４Ｃは、連系点電圧検知部６によって検知された連系点電圧Ｖ_ACの電圧値と第２直流電圧検知部７によって検知された第２直流電圧Ｖ_DC2の電圧値とを参照しながら、第２直流電圧Ｖ_DC2の電圧値が目標値記憶部５Ｃに予め格納された目標値となるようにスイッチング素子ＳＷをスイッチング制御する。

なお、このような太陽光発電装置１Ｃは、例えば特許文献１に開示されている。

特開２００３−３２８９７号公報

ところで、従来の太陽光発電装置１Ｃのインバータ部３Ｃは降圧動作を基本としているので、第２直流電圧Ｖ_DC2は連系点電圧Ｖ_ACの最大値よりも常に高くなければならない。その一方で、太陽光発電装置１Ｃは、第２直流電圧Ｖ_DC2を高くしてＤＣ／ＤＣコンバータ部２Ｃにおける昇圧の度合いおよびインバータ部３Ｃにおける降圧の度合いが大きくなればなるほど、ＤＣ／ＤＣコンバータ部２Ｃおよびインバータ部３Ｃにおける損失が大きくなり、効率が低下する。

そこで、特許文献１に記載の太陽光発電装置１Ｃでは、図６に示すように、連系点電圧Ｖ_ACの実効値に比例して第２直流電圧Ｖ_DC2の目標値を増加させている。これにより、第２直流電圧Ｖ_DC2と連系点電圧Ｖ_ACの大小関係を維持し、かつ第２直流電圧Ｖ_DC2が高くなり過ぎることにより生じる損失の低減を図っている。

しかしながら、太陽光発電装置１Ｃでは、連系点電圧Ｖ_ACの実効値に応じて第２直流電圧Ｖ_DC2の目標値が決まるので、図７に示すように、第２直流電圧Ｖ_DC2は、連系点電圧Ｖ_ACのピークにおいては適当な余裕度αが加味された必要最小限の電圧値となっているが、他の部分においては余裕を見すぎた電圧値となっており、ＤＣ／ＤＣコンバータ部２Ｃおよびインバータ部３Ｃにおける損失の低減が十分ではなかった。

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、従来のものよりもさらに効率が優れた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、本発明に係る電力変換装置は、直流電源から供給された第１直流電圧をスイッチング素子のスイッチング動作により昇圧して第２直流電圧とするＤＣ／ＤＣコンバータ部と、第２直流電圧を商用交流電圧に変換して商用電力系統に連系するインバータ部とを備えた電力変換装置であって、商用電力系統とインバータ部との連系点の瞬時電圧値を検知する連系点電圧検知部と、第２直流電圧の目標値が瞬時電圧値に対応付けられて格納された目標値記憶部と、連系点電圧検知部で検知された瞬時電圧値をサンプリングするとともに目標値記憶部を参照して該瞬時電圧値に対応する目標値を取得し、第２直流電圧の電圧値が目標値となるようにＤＣ／ＤＣコンバータ部のスイッチング素子を制御する制御部とを備えたことを特徴としている。

この構成では、サンプリングした連系点の瞬時電圧値に対応する目標値が新たな目標値に設定され、第２直流電圧の電圧値が該新たな目標値となるようにＤＣ／ＤＣコンバータ部が制御される。したがって、この構成によれば、連系点の電圧値の時間変化に合せて第２直流電圧を最適な電圧値に変化させることができるので、ＤＣ／ＤＣコンバータ部およびインバータ部における損失を低減し、効率を改善することができる。

上記電力変換装置は、第１直流電圧の電圧値を検知する第１直流電圧検知部をさらに備え、制御部は、第２直流電圧の目標値が第１直流電圧の電圧値以下である場合に、スイッチング素子の制御を停止することが好ましい。

この構成によれば、第１直流電圧の電圧値と第２直流電圧の目標値とを比較することによりＤＣ／ＤＣコンバータ部を動作させる必要があるか否かを判断し、必要がないと判断した場合にスイッチング素子の制御が停止されるので、スイッチング素子のスイッチング損失を低減し、効率をさらに改善することができる。

上記電力変換装置を太陽光発電装置として使用する場合は、直流電源を太陽電池とすればよい。

また、上記電力変換装置を蓄電装置として使用する場合は、直流電源を商用電力系統の電力で充電される蓄電池とし、ＤＣ／ＤＣコンバータ部を、蓄電池の放電時においては第１直流電圧を昇圧して第２直流電圧とする昇圧ＤＣ／ＤＣコンバータとして動作する一方、蓄電池の充電時においては第２直流電圧を降圧して第１直流電圧とする降圧ＤＣ／ＤＣコンバータとして動作する双方向ＤＣ／ＤＣコンバータとし、蓄電池の放電時に限って制御部がスイッチング素子の昇圧制御を行うようにすればよい。

本発明によれば、従来のものよりもさらに効率が優れた電力変換装置を提供することができる。

本発明に係る電力変換装置の第１実施形態である太陽光発電装置の回路図である。 第１実施形態に係る電力変換装置における連系点電圧の電圧値と第２直流電圧の目標値との対応関係を示すグラフである。 第１実施形態に係る電力変換装置における各種電圧の時間変化を示す波形図である。 本発明に係る電力変換装置の第２実施形態である蓄電装置の回路図である。 従来の電力変換装置である太陽光発電装置の回路図である。 従来の電力変換装置における連系点電圧の実効値と第２直流電圧の目標値との対応関係を示すグラフである。 従来の電力変換装置における各種電圧の時間変化を示す波形図である。

以下、添付図面を参照して、本発明に係る電力変換装置の好ましい実施形態について説明する。

［第１実施形態（太陽光発電装置）］
まず、本発明に係る電力変換装置の第１実施形態として、太陽光発電装置について説明する。図１に示すように、太陽光発電装置１Ａは、太陽電池１０Ａの直流電力を交流電力に変換して商用電力系統１１に連系するもので、ＤＣ／ＤＣコンバータ部２Ａと、インバータ部３Ａと、制御部４Ａと、目標値記憶部５とを備えている。また、太陽電池１０Ａから供給された第１直流電圧Ｖ_DC1の電圧値は第１直流電圧検知部８によって、ＤＣ／ＤＣコンバータ部２Ａから出力された第２直流電圧Ｖ_DC2の電圧値は第２直流電圧検知部７によって、連系点電圧Ｖ_ACの電圧値は連系点電圧検知部６によってそれぞれ検知される。

ＤＣ／ＤＣコンバータ部２Ａは、コイルＬ、ダイオードＤ、コンデンサＣ、スイッチング素子ＳＷおよびドライブ回路９を有し、ドライブ回路９は制御部４Ａの制御下でスイッチング素子ＳＷの導通状態を切り替える。これにより、ＤＣ／ＤＣコンバータ部２Ａは、太陽電池１０Ａから供給された第１直流電圧Ｖ_DC1を昇圧して第２直流電圧Ｖ_DC2を出力する。

インバータ部３Ａは、ＤＣ／ＤＣコンバータ部２Ａから出力された第２直流電圧Ｖ_DC2を連系点電圧Ｖ_AC（商用電力系統１１の商用交流電圧）に変換する。

目標値記憶部５には、第２直流電圧Ｖ_DC2の目標値が連系点電圧Ｖ_ACの電圧値に対応付けられて予め格納されている。図２に示すように、第２直流電圧Ｖ_DC2の目標値は連系点電圧Ｖ_ACの電圧値が増加するにつれて一次関数的に増加する。

制御部４Ａは、連系点電圧検知部６によって検知された連系点電圧Ｖ_ACの電圧値を取得するとともに、目標値記憶部５を参照して該電圧値に対応した目標値を取得する。取得した目標値は、新たな目標値に設定される。例えば、連系点電圧Ｖ_ACの電圧値が３１０［Ｖ］の場合は、３４７［Ｖ］（＝３１０×余裕度α；余裕度α＝１．１２の場合）が第２直流電圧Ｖ_DC2の新たな目標値として設定される。また、連系点電圧Ｖ_ACの電圧値が２００［Ｖ］の場合は、２２４［Ｖ］（＝２００×余裕度α；余裕度α＝１．１２の場合）が第２直流電圧Ｖ_DC2の新たな目標値として設定される。

続いて、制御部４Ａは、第２直流電圧検知部７によって検知された第２直流電圧Ｖ_DC2の電圧値を参照しながら、第２直流電圧Ｖ_DC2の電圧値が設定された目標値に等しくなるよう、ドライブ回路９を介してスイッチング素子ＳＷをスイッチング制御する。

また、制御部４Ａは、第１直流電圧検知部８によって検知された第１直流電圧Ｖ_DC1の電圧値と設定された目標値とを比較し、目標値が第１直流電圧Ｖ_DC1以下である場合、すなわち昇圧の必要がない場合は、スイッチング素子ＳＷのスイッチング制御を停止する。この場合、第２直流電圧Ｖ_DC2の電圧値は第１直流電圧Ｖ_DC1の電圧値にほぼ等しくなる。

ここで、本発明では、連系点電圧Ｖ_ACの正弦波状時間変化に追従して第２直流電圧Ｖ_DC2を変化させている。このため、制御部４Ａは、連系点電圧Ｖ_ACの一周期を１６等分した時間である１．２５［ｍｓ］（商用電力系統１１の周波数が５０［Ｈｚ］の場合）おきに連系点電圧Ｖ_ACの電圧値（瞬時電圧値）を取得し、新たな目標値を設定する。

なお、連系点電圧Ｖ_ACの電圧値の取得周期（サンプリング周期）は、半周期を少なくとも２等分した時間であればよい。すなわち、商用電力系統１１の周波数が５０［Ｈｚ］の場合、サンプリング周期は、５［ｍｓ］以下であればよい。但し、第２直流電圧Ｖ_DC2の電圧値は連系点電圧Ｖ_ACの最大電圧値より高いことが要求されるため、半周期の２等分した時間をサンプリング周期とした場合には、余裕度αの値を大きめに設定し、第２直流電圧Ｖ_DC2の目標値を高く設定する必要がある。そのため、効率改善の観点から、目標値電圧波形を商用電力系統１１の電圧波形と近似させるため、分割数は高いことが望ましい。

図３は、太陽光発電装置１Ａにおける各種電圧の時間変化を示す波形図である。同図に示すように、本実施形態に係る太陽光発電装置１Ａでは、連系点電圧Ｖ_ACが変化すると、その変化に合せて新たな目標値が設定され、第２直流電圧Ｖ_DC2の電圧値も目標値通りに変化していく。したがって、太陽光発電装置１Ａによれば、第２直流電圧Ｖ_DC2の電圧値を余裕度αが加味された必要最小限の電圧値とし続けることができ、ＤＣ／ＤＣコンバータ部２Ａおよびインバータ部３Ａにおける損失を低減し、効率を改善することができる。

また、同図に示すように、本実施形態に係る太陽光発電装置１Ａでは、目標値が第１直流電圧Ｖ_DC1の電圧値（例えば、２２０［Ｖ］）以下である場合にスイッチング素子ＳＷのスイッチング制御が停止させられるので、その間のスイッチング素子ＳＷのスイッチング損失をゼロにすることができる。

［第２実施形態（蓄電装置）］
続いて、本発明に係る電力変換装置の第２実施形態として、蓄電装置について説明する。蓄電装置１Ｂは、放電時においては蓄電池１０Ｂの直流電力を交流電力に変換して商用電力系統１１に連系し、充電時においては商用電力系統１１の交流電力を直流電力に変換して該直流電力で蓄電池１０Ｂを充電するもので、図４に示すように、ＤＣ／ＤＣコンバータ部２Ｂと、インバータ部３Ｂと、制御部４Ｂと、目標値記憶部５とを備えている。また、蓄電池１０Ｂの端子間電圧である第１直流電圧Ｖ_DC1の電圧値は第１直流電圧検知部８によって、ＤＣ／ＤＣコンバータ部２Ｂとインバータ部３Ｂの間の電圧である第２直流電圧Ｖ_DC2の電圧値は第２直流電圧検知部７によって、連系点電圧Ｖ_ACの電圧値は連系点電圧検知部６によってそれぞれ検知される。

ＤＣ／ＤＣコンバータ部２Ｂは、コイルＬ、コンデンサＣ₁、Ｃ₂、スイッチング素子ＳＷ₁、ＳＷ₂、ダイオードＤ₁、Ｄ₂およびドライブ回路９、９’を有する双方向ＤＣ／ＤＣコンバータである。ドライブ回路９、９’は、制御部４Ｂの制御下でそれぞれスイッチング素子ＳＷ₁、ＳＷ₂の導通状態を切り替える。

ＤＣ／ＤＣコンバータ部２Ｂは、蓄電池１０Ｂの放電時においては、スイッチング素子ＳＷ₂が非導通状態とされたままスイッチング素子ＳＷ₁がスイッチング制御されることでコンデンサＣ₁側から入力された第１直流電圧Ｖ_DC1を昇圧して第２直流電圧Ｖ_DC2を出力する昇圧ＤＣ／ＤＣコンバータとして動作し、蓄電池１０Ｂの充電時においては、スイッチング素子ＳＷ₁が非導通状態とされたままスイッチング素子ＳＷ₂がスイッチング制御されることでコンデンサＣ₂側から入力された第２直流電圧Ｖ_DC2を降圧して第１直流電圧Ｖ_DC1を出力する降圧ＤＣ／ＤＣコンバータとして動作する。

インバータ部３Ｂは、蓄電池１０Ｂの放電時においては、ＤＣ／ＤＣコンバータ部２Ｂから出力された第２直流電圧Ｖ_DC2を連系点電圧Ｖ_ACに変換するＤＣ／ＡＣインバータとして動作し、蓄電池１０Ｂの充電時においては、商用電力系統１１から供給された連系点電圧Ｖ_ACを第２直流電圧Ｖ_DC2に変換するＡＣ／ＤＣインバータとして動作する双方向インバータである。

目標値記憶部５には、第１実施形態と同様に、第２直流電圧Ｖ_DC2の目標値が連系点電圧Ｖ_ACの電圧値に対応付けられて予め格納されている（図２参照）。この目標値は、蓄電池１０Ｂの放電時にのみ参照される。

放電時において、制御部４Ｂは、連系点電圧検知部６によって検知された連系点電圧Ｖ_ACの電圧値を取得するとともに、目標値記憶部５を参照して該電圧値に対応した目標値を取得し、新たな目標値を設定する。そして、制御部４Ｂは、第２直流電圧検知部７によって検知された第２直流電圧Ｖ_DC2の電圧値を参照しながら、第２直流電圧Ｖ_DC2の電圧値が設定された目標値に等しくなるよう、ドライブ回路９を介してスイッチング素子ＳＷ₁をスイッチング制御する。

また、制御部４Ｂは、第１直流電圧検知部８によって検知された第１直流電圧Ｖ_DC1の電圧値と設定された目標値とを比較し、目標値が第１直流電圧Ｖ_DC1以下である場合、すなわち昇圧の必要がない場合は、スイッチング素子ＳＷ₁のスイッチング制御を停止する。この場合、第２直流電圧Ｖ_DC2の電圧値は第１直流電圧Ｖ_DC1の電圧値にほぼ等しくなる。

制御部４Ｂが所定時間（例えば１．２５［ｍｓ］）おきに連系点電圧Ｖ_ACの電圧値（瞬時電圧値）を取得し、新たな目標値を設定する点は、第１実施形態に係る太陽光発電装置１Ａと同様である。

本実施形態に係る蓄電装置１Ｂによれば、蓄電池１０Ｂの放電時に第１実施形態に係る太陽光発電装置１Ａと同様の作用効果を得ることができる。すなわち、第２直流電圧Ｖ_DC2の電圧値を余裕度αが加味された必要最小限の電圧値とし続けることができ、しかも昇圧の必要がない場合はスイッチング素子ＳＷ₁のスイッチング損失をゼロにすることができるので、ＤＣ／ＤＣコンバータ部２Ｂおよびインバータ部３Ｂにおける損失を低減し、効率を改善することができる。

以上、本発明に係る電力変換装置の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらの構成に限定されるものではない。

例えば、各実施形態では、第１直流電圧Ｖ_DC1の電圧値と目標値との大小関係に基づいてスイッチング素子ＳＷ（ＳＷ₁）のスイッチング制御を停止させたが、図３から明らかなように、第１直流電圧Ｖ_DC1がかなり低い場合は、スイッチング制御を停止させることができる時間が短くなり、このような制御を行うメリットを十分に享受することができない。したがって、このような場合は、第１直流電圧検知部８を省略し、上記大小関係の判断を行わないこととする方が、装置の簡素化の観点から好ましい。

また、各実施形態では、１．２５［ｍｓ］おきに制御部４Ａ（４Ｂ）が連系点電圧Ｖ_ACの電圧値を取得することとしたが、この時間は適宜変更することができる。ただし、この時間を長く設定し過ぎると、第２直流電圧Ｖ_DC2が連系点電圧Ｖ_ACに追従しなくなり本発明の作用効果が得られにくくなるので注意が必要である。

１Ａ 太陽光発電装置（電力変換装置）
１Ｂ 蓄電装置（電力変換装置）
２Ａ、２Ｂ ＤＣ／ＤＣコンバータ部
３Ａ、３Ｂ インバータ部
４Ａ、４Ｂ 制御部
５ 目標値記憶部
６ 連系点電圧検知部
７ 第２直流電圧検知部
８ 第１直流電圧検知部
９、９’ ドライブ回路

Claims (4)

1. 直流電源から供給された第１直流電圧をスイッチング素子のスイッチング動作により昇圧して第２直流電圧とするＤＣ／ＤＣコンバータ部と、前記第２直流電圧を商用交流電圧に変換して商用電力系統に連系するインバータ部とを備えた電力変換装置であって、
   前記商用電力系統と前記インバータ部との連系点の瞬時電圧値を検知する連系点電圧検知部と、
   前記第２直流電圧の目標値が前記瞬時電圧値に対応付けられて格納された目標値記憶部と、
   前記連系点電圧検知部で検知された前記瞬時電圧値をサンプリングするとともに前記目標値記憶部を参照して該瞬時電圧値に対応する目標値を取得し、前記第２直流電圧の電圧値が前記目標値となるように前記ＤＣ／ＤＣコンバータ部の前記スイッチング素子を制御する制御部と、
   を備えたことを特徴とする電力変換装置。
2. 前記第１直流電圧の電圧値を検知する第１直流電圧検知部をさらに備え、
   前記制御部は、前記第２直流電圧の目標値が前記第１直流電圧の電圧値以下である場合に、前記スイッチング素子の制御を停止することを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
3. 前記直流電源が、太陽電池であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電力変換装置。
4. 前記直流電源が、前記商用電力系統の電力で充電される蓄電池であり、
   前記ＤＣ／ＤＣコンバータ部が、前記蓄電池の放電時においては前記第１直流電圧を昇圧して前記第２直流電圧とする昇圧ＤＣ／ＤＣコンバータとして動作する一方、前記蓄電池の充電時においては前記第２直流電圧を降圧して前記第１直流電圧とする降圧ＤＣ／ＤＣコンバータとして動作する双方向ＤＣ／ＤＣコンバータであり、
   前記制御部は、前記蓄電池の放電時に前記スイッチング素子の制御を行うことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電力変換装置。

Images