JP5843624B2 - 系統連系用電力変換システム - Google Patents

Description

この発明は、交流系統電源を含む複数の電源から電機負荷へ電力供給を行う系統連系用電力変換システムに関する。

従来の系統連系用電力変換システムには、交流系統電源、電機負荷、太陽電池、および蓄電池の相互間に電力変換器を介在し、電機負荷への電力供給や電源間の電力融通を行う構成のものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

すなわち、上記の特許文献１記載の従来技術では、交流直流双方向コンバータの交流側には交流系統電源と電機負荷とを共に接続する一方、交流直流双方向コンバータの直流側には太陽電池と並列に、第１の蓄電池および電気自動車に搭載された自動車用の第２の蓄電池を共に接続し、太陽電池から直接に第１と第２の蓄電池に電力を充電すること、また、太陽電池と第１、第２の蓄電池の電力を用いて交流系統電源への回生電力を供給したり、電機負荷への電力供給を行うようにしている。

特開平６−１７８４６１号公報

上記の特許文献１記載の従来技術では、次の課題がある。すなわち、（１）電機負荷を交流系統電源に並列に接続しているため、交流系統電源の電圧と異なる電圧仕様の電機負荷を接続することができない。（２）また、電力変換器が車外に設置されるため、電機負荷を接続して使用する場所が電力変換器が設置された付近に限られ、任意の場所で電機負荷を接続することができない。（３）さらに、各種電源から電機負荷への電力供給時、または電源間の電力融通について、使用する電源の優先順位が定められていないため、例えば交流系統電源の停電や太陽電池の発電電力不足などが起こるなどの非常時により、第１、第２の蓄電池のみで電機負荷へ電力を供給する必要が発生した場合に、これらの第１、第２の蓄電池の充電量が最適に保持されず、電機負荷への電力供給の信頼性が低下する恐れがある。

この発明の系統連系用電力変換システムは、第１〜第４の接続部が設けられた電力変換器を備え、上記電力変換器は、直流母線相互間を接続する直流リンク部と、交流系統電源と上記直流リンク部の間を接続するＡＣ／ＤＣコンバータと、電機負荷と上記直流リンク部の間を接続するＤＣ／ＡＣインバータとを備え、上記ＡＣ／ＤＣコンバータと上記ＤＣ／ＡＣインバータを共に４つの半導体スイッチ素子からなるフルブリッジ回路で構成とするとともに、上記ＡＣ／ＤＣコンバータと上記ＤＣ／ＡＣインバータの１アームを共通化し、この共通化した１アームを構成する２つの半導体スイッチ素子間の接続点を上記電機負荷のＮ母線側の端子に接続しており、上記ＤＣ／ＡＣインバータの上記共通化した１アームを構成する２つの半導体スイッチ素子の内、Ｎ母線側の半導体スイッチ素子をＯＮに固定するとともに、他方の１アームを構成する２つの半導体スイッチ素子をスイッチングして上記電機負荷へ直流電圧を供給するものである。
あるいは、上記電力変換器は、直流母線相互間を接続する直流リンク部と、交流系統電源と上記直流リンク部の間を接続するＡＣ／ＤＣコンバータと、電機負荷と上記直流リンク部の間を接続するＤＣ／ＡＣインバータとを備え、上記ＡＣ／ＤＣコンバータを４つの半導体スイッチ素子からなるフルブリッジ回路で、上記ＤＣ／ＡＣインバータを２つの半導体スイッチ素子からなるハーフブリッジ回路でそれぞれ構成し、また上記直流リンク部を２つのコンデンサを直列接続して構成するとともに、上記直流リンク部の両コンデンサの中性点を接地し、上記ハーフブリッジ回路を構成する２つの半導体スイッチ素子間の接続点を上記電機負荷のＰ母線側の端子に接続している。
そして、上記電力変換器の上記第１の接続部には上記交流系統電源が、上記第２の接続部には発電のみを行う発電用直流電源が、上記第３の接続部には充放電可能な充放電用直流電源が、上記第４の接続部には上記電機負荷がそれぞれ接続された状態において、上記交流系統電源と上記発電用直流電源を主電源として上記電機負荷へ電力を供給する場合に、上記発電用直流電源の発電電力を最大値に固定し、上記発電用直流電源の発電電力が上記電機負荷が必要な電力より少ない場合には、その不足電力を上記充放電用直流電源よりも上記交流系統電源を優先して上記電機負荷へ供給する一方、上記発電用直流電源の発電電力が上記電機負荷が必要な電力よりも多い場合には、その余剰電力により上記充放電用直流電源を充電する。

また、この発明の系統連系用電力変換システムは、第１〜第４の接続部が設けられた電力変換器を備え、上記電力変換器は、直流母線相互間を接続する直流リンク部と、交流系統電源と上記直流リンク部の間を接続するＡＣ／ＤＣコンバータと、電機負荷と上記直流リンク部の間を接続するＤＣ／ＡＣインバータとを備え、上記ＡＣ／ＤＣコンバータと上記ＤＣ／ＡＣインバータを共に４つの半導体スイッチ素子からなるフルブリッジ回路で構成とするとともに、上記ＡＣ／ＤＣコンバータと上記ＤＣ／ＡＣインバータの１アームを共通化し、この共通化した１アームを構成する２つの半導体スイッチ素子間の接続点を上記電機負荷のＮ母線側の端子に接続しており、上記ＤＣ／ＡＣインバータの上記共通化した１アームを構成する２つの半導体スイッチ素子の内、Ｎ母線側の半導体スイッチ素子をＯＮに固定するとともに、他方の１アームを構成する２つの半導体スイッチ素子をスイッチングして上記電機負荷へ直流電圧を供給するものである。
あるいは、上記電力変換器は、直流母線相互間を接続する直流リンク部と、交流系統電源と上記直流リンク部の間を接続するＡＣ／ＤＣコンバータと、電機負荷と上記直流リンク部の間を接続するＤＣ／ＡＣインバータとを備え、上記ＡＣ／ＤＣコンバータを４つの半導体スイッチ素子からなるフルブリッジ回路で、上記ＤＣ／ＡＣインバータを２つの半導体スイッチ素子からなるハーフブリッジ回路でそれぞれ構成し、また上記直流リンク部を２つのコンデンサを直列接続して構成するとともに、上記直流リンク部の両コンデンサの中性点を接地し、上記ハーフブリッジ回路を構成する２つの半導体スイッチ素子間の接続点を上記電機負荷のＰ母線側の端子に接続している。
そして、上記電力変換器の上記第１の接続部には上記交流系統電源が接続されず、上記第２の接続部には発電のみを行う発電用直流電源が、上記第３の接続部には充放電可能な充放電用直流電源が、上記第４の接続部には上記電機負荷がそれぞれ接続された状態において、上記発電用直流電源を主電源として上記電機負荷に電力を供給する場合に、上記発電用直流電源の発電電力を最大値に固定し、上記発電用直流電源の発電電力が上記電機負荷が必要とする電力量より多い場合には、その余剰電力により上記充放電用直流電源を充電し、上記充放電用直流電源が満充電に達したならば上記発電用直流電源の発電電力を上記電機負荷が必要とする電力まで減少させる。

また、この発明の系統連系用電力変換システムは、第１〜第４の接続部が設けられた電力変換器を備え、上記電力変換器は、直流母線相互間を接続する直流リンク部と、交流系統電源と上記直流リンク部の間を接続するＡＣ／ＤＣコンバータと、電機負荷と上記直流リンク部の間を接続するＤＣ／ＡＣインバータとを備え、上記ＡＣ／ＤＣコンバータと上記ＤＣ／ＡＣインバータを共に４つの半導体スイッチ素子からなるフルブリッジ回路で構成とするとともに、上記ＡＣ／ＤＣコンバータと上記ＤＣ／ＡＣインバータの１アームを共通化し、この共通化した１アームを構成する２つの半導体スイッチ素子間の接続点を上記電機負荷のＮ母線側の端子に接続しており、上記ＤＣ／ＡＣインバータの上記共通化した１アームを構成する２つの半導体スイッチ素子の内、Ｎ母線側の半導体スイッチ素子をＯＮに固定するとともに、他方の１アームを構成する２つの半導体スイッチ素子をスイッチングして上記電機負荷へ直流電圧を供給するものである。
あるいは、上記電力変換器は、直流母線相互間を接続する直流リンク部と、交流系統電源と上記直流リンク部の間を接続するＡＣ／ＤＣコンバータと、電機負荷と上記直流リンク部の間を接続するＤＣ／ＡＣインバータとを備え、上記ＡＣ／ＤＣコンバータを４つの半導体スイッチ素子からなるフルブリッジ回路で、上記ＤＣ／ＡＣインバータを２つの半導体スイッチ素子からなるハーフブリッジ回路でそれぞれ構成し、また上記直流リンク部を２つのコンデンサを直列接続して構成するとともに、上記直流リンク部の両コンデンサの中性点を接地し、上記ハーフブリッジ回路を構成する２つの半導体スイッチ素子間の接続点を上記電機負荷のＰ母線側の端子に接続している。
そして、上記電力変換器の上記第１の接続部には上記交流系統電源が、上記第２の接続部には発電のみを行う発電用直流電源が、上記第３の接続部には充放電可能な充放電用直流電源が、上記第４の接続部には上記電機負荷がそれぞれ接続された状態において、上記発電用直流電源を主電源として上記電機負荷と上記充放電用直流電源とを共に負荷と見なして電力供給を行う場合に、上記発電用直流電源の発電電力を最大値に、上記充放電用直流電源を所定の充電電力値にそれぞれ固定し、上記発電用直流電源の発電電力が上記電機負荷と上記充放電用直流電源への必要電力の総和より少ない場合には、その不足電力を上記交流系統電源から供給する一方、上記発電用直流電源の発電電力が上記電機負荷と上記充放電用直流電源への必要電力の総和よりも多い場合には、その余剰電力を上記交流系統電源に回生する。

また、この発明の系統連系用電力変換システムは、第１〜第４の接続部が設けられた電力変換器を備え、上記電力変換器は、直流母線相互間を接続する直流リンク部と、交流系統電源と上記直流リンク部の間を接続するＡＣ／ＤＣコンバータと、電機負荷と上記直流リンク部の間を接続するＤＣ／ＡＣインバータとを備え、上記ＡＣ／ＤＣコンバータと上記ＤＣ／ＡＣインバータを共に４つの半導体スイッチ素子からなるフルブリッジ回路で構成とするとともに、上記ＡＣ／ＤＣコンバータと上記ＤＣ／ＡＣインバータの１アームを共通化し、この共通化した１アームを構成する２つの半導体スイッチ素子間の接続点を上記電機負荷のＮ母線側の端子に接続しており、上記ＤＣ／ＡＣインバータの上記共通化した１アームを構成する２つの半導体スイッチ素子の内、Ｎ母線側の半導体スイッチ素子をＯＮに固定するとともに、他方の１アームを構成する２つの半導体スイッチ素子をスイッチングして上記電機負荷へ直流電圧を供給するものである。
あるいは、上記電力変換器は、直流母線相互間を接続する直流リンク部と、交流系統電源と上記直流リンク部の間を接続するＡＣ／ＤＣコンバータと、電機負荷と上記直流リンク部の間を接続するＤＣ／ＡＣインバータとを備え、上記ＡＣ／ＤＣコンバータを４つの半導体スイッチ素子からなるフルブリッジ回路で、上記ＤＣ／ＡＣインバータを２つの半導体スイッチ素子からなるハーフブリッジ回路でそれぞれ構成し、また上記直流リンク部を２つのコンデンサを直列接続して構成するとともに、上記直流リンク部の両コンデンサの中性点を接地し、上記ハーフブリッジ回路を構成する２つの半導体スイッチ素子間の接続点を上記電機負荷のＰ母線側の端子に接続している。
そして、上記電力変換器の上記第１の接続部には上記交流系統電源が、上記第２の接続部には発電のみを行う発電用直流電源が、上記第３の接続部には充放電可能な充放電用直流電源が、上記第４の接続部には上記電機負荷がそれぞれ接続された状態において、上記発電用直流電源を主電源として上記電機負荷と上記交流系統電源を共に負荷と見なして電力供給を行う場合に、上記充放電用直流電源の充電量が満充電でない場合において、上記発電用直流電源の発電電力を最大値に固定し、上記発電用直流電源の発電電力が上記電機負荷の必要電力と上記交流系統電源の回生電力の総和より少ない場合には、上記交流系統電源のみで電力不足分だけ電力回生量を減少させる一方、上記発電用直流電源の発電電力が上記電機負荷の必要電力と上記交流系統電源の回生電力の総和より多い場合には、上記電機負荷の必要電力と上記充放電用直流電源の必要充電量の総和と上記発電用直流電源の発電電力との差電力を上記交流系統電源へ回生する。

この発明の系統連系用電力変換システムは、電力変換器に４つの接続部を備えているため、交流系統電源と電機負荷との間に電力変換器を介した構成となり、交流系統電源と異なる電圧定格の電機負荷を接続しても継続的に使用することができる。また発電用直流電源の電力を最大に発電して最優先して電力供給を行うことで、経済的にも資源的にも効率的に電機機器へ電力を供給することができる。さらに、充放電用直流電源の電力使用の優先度を下げて蓄電の優先度を上げることで、充放電用直流電源の充電量をより増加させる運用方法となり、例えば交流系統電源の停電や太陽電池の発電電力不足などが起こるなどの非常時での電機機器への電力供給の信頼性をより向上させることができる。

この発明の実施の形態１における系統連系用電力変換システムの全体を示す構成図である。 同系統連系用電力変換システムが備える電力変換器の制御系を示す構成図である。 この発明の実施の形態１において、電力変換器に設けられる制御回路の一部の詳細を示す論理回路図である。 図３に示した論理回路の判定結果に基づく電力変換器の電力フローの説明図である。 図３に示した論理回路の判定結果に基づく電力変換器の電力フローの説明図である。 この発明の実施の形態１において、電力変換器に設けられる制御回路の一部の詳細を示す論理回路図である。 図６に示した論理回路の判定結果に基づく電力変換器の電力フローの説明図である。 図６に示した論理回路の判定結果に基づく電力変換器の電力フローの説明図である。 この発明の実施の形態１において、電力変換器に設けられる制御回路の一部の詳細を示す論理回路図である。 図９に示した論理回路の判定結果に基づく電力変換器の電力フローの説明図である。 図９に示した論理回路の判定結果に基づく電力変換器の電力フローの説明図である。 この発明の実施の形態１において、電力変換器に設けられる制御回路の一部の詳細を示す論理回路図である。 この発明の実施の形態１における系統連系用電力変換システムの変形例を示す構成図である。 この発明の実施の形態２における系統連系用電力変換システムにおいて、電力変換器に交流系統電源と電機負荷とが接続された部分を取り出して示す回路図である。 図１４に示す構成の電力変換器の半導体スイッチ素子の動作パターンの説明図である。 図１４に示す構成の電力変換器において、直流の電機負荷に電力供給する場合の電力フローの説明図である。 図１４の構成の電力変換器において、直流の電機負荷に電力供給する場合の電力フローの説明図である。 この発明の実施の形態３における系統連系用電力変換システムにおいて、電力変換器に交流系統電源と電機負荷とが接続された部分を取り出して示す回路図である。 この発明の実施の形態３における系統連系用電力変換システムの変形例を示す回路図である。 この発明の実施の形態４における系統連系用電力変換システムにおいて、電力変換器に交流系統電源と電機負荷とが接続された部分を取り出して示す回路図である。 この発明の実施の形態４において、電力変換器に設けられる制御回路の一部の詳細を示す論理回路図である。 この発明の実施の形態４における系統連系用電力変換システムの変形例を示す回路図である。

実施の形態１．
図１はこの実施の形態１における系統連系用電力変換システムの全体を示す構成図である。

この実施の形態１の系統連系用電力変換システムは、電力変換器５を有し、この電力変換器５は４つの接続部Ｇ１〜Ｇ４を備え、第１の接続部Ｇ１には交流系統電源１が、第２の接続部Ｇ２には発電用直流電源２が、第３の接続部Ｇ３には充放電用直流電源３が、第４の接続部Ｇ４には交流の電機負荷４がそれぞれ接続されている。

ここに、電力変換器５は、ＥＶ、ＰＨＥＶ、ＨＥＶなどの電動自動車に搭載される車載用のものであり、そのため、電機負荷４は車で移動できる範囲で自由に使用することができる。これは非常時などの可搬型電源として大いに利用価値が向上する。

また、交流系統電源１は一般の商用電源であり、ここでは国内の単相２線式、あるいは単相３線式を想定している。発電用直流電源２は、例えば風力発電、太陽光パネル、ＮＡＳ電池、燃料電池など発電のみを行う直流電源がこれに該当する。また、充放電用直流電源３は、電気自動車を駆動するための高圧バッテリ、または車内電装品を動作させるための低圧バッテリ、例えばリチウムイオンバッテリ、鉛バッテリ、ニッケル水素バッテリ、ＥＤＬＣ、電解コンデンサなど充放電可能な直流電源がこれに該当する。

電力変換器５は、直流母線相互間を接続する直流リンク部１０を備えるとともに、交流系統電源１と直流リンク部１０との間で電力変換を行うＡＣ／ＤＣコンバータ６、発電用直流電源２と直流リンク部１０との間で電力変換を行う第１のＤＣ／ＤＣコンバータ７、充放電用直流電源３と直流リンク部１０との間で電力変換を行う第２のＤＣ／ＤＣコンバータ９、および交流の電機負荷４と直流リンク部１０との間で電力変換を行うＤＣ／ＡＣインバータ８を有する。

上記のＡＣ／ＤＣコンバータ６は、交流電圧を直流電圧に又は直流電圧を交流電圧に変換するもので、電力伝送は交流系統電源１から直流リンク部１０、または直流リンク部１０から交流系統電源１の双方向に電力伝送するように構成されている。また、上記の第１のＤＣ／ＤＣコンバータ７は、発電用直流電源２から直流リンク部１０に向かってのみ電力伝送するように構成されている。また、上記の第２のＤＣ／ＤＣコンバータ９は、直流リンク部１０から充放電用直流電源３、または充放電用直流電源３から直流リンク部１０の双方向に電力伝送するように構成されている。さらに、上記のＤＣ／ＡＣインバータ８は、直流電圧を交流電圧に変換するもので、直流リンク部１０から交流の電機負荷４に電力伝送する。その場合、ＤＣ／ＡＣインバータ８のＡＣ出力電圧は、これに接続される電機負荷４の定格交流電圧に合わせて調整することができるようになっている。

このような構成をとることで、電機負荷４には、交流系統電源１、発電用直流電源２、充放電用直流電源の３つの電源が電力変換器５を介して接続されるため、電機負荷４の電圧定格に合わせて電力変換器５は任意の電圧を出力することができる。

図２は同系統連系用電力変換システムが備える電力変換器の制御系を示す構成図である。

この実施の形態１では、各電源１〜３の電圧、電流、位相などをセンシングし、各直流電源２、３や交流系統電源１への供給電力や回生電力を演算する。そのため、交流系統電源１の電圧、電流、位相の各センサ値をＡＣ／ＤＣコンバータ６の交流側でセンシングして制御回路１５に送る。また、発電用直流電源２の発電電圧、発電電流の各センサ値は第１のＤＣ／ＤＣコンバータ７の発電側でセンシングして制御回路１５に送る、さらに、充放電用直流電源３の電圧、電流の各センサ値は、第２のＤＣ／ＤＣコンバータ９の充放電用直流電源３側でセンシングして制御回路１５へ送る。さらにまた、電機負荷４へ供給する電圧、電流の各センサ値はＤＣ／ＡＣインバータ８の電機負荷４側でセンシングして制御回路１５へ送る。

制御回路１５は、ＡＣ／ＤＣコンバータ６のセンサ値から交流系統電源１の供給電力と回生電力を演算し、また第１のＤＣ／ＤＣコンバータ７のセンサ値から発電用直流電源２の発電電力を演算し、また第２のＤＣ／ＤＣコンバータ９のセンサ値から充放電用直流電源３の充放電電力を演算し、さらにＤＣ／ＡＣインバータ８のセンサ値から電機負荷４への供給電力を演算する。また、制御回路１５は、上記電力演算だけでなく、ＡＣ／ＤＣコンバータ６、第１のＤＣ／ＤＣコンバータ７、第２のＤＣ／ＤＣコンバータ９、ＤＣ／ＡＣインバータ８の定常運転時の制御や保護制御なども行う。さらに、交流系統電源１と発電用直流電源２と充放電用直流電源３の制御目標となる電力指令値を生成する。加えて、制御回路１５は、交流系統電源１と交流の電機負荷４とが共に電力変換器５に接続されて電機負荷４へ電力が供給される場合、電機負荷４への出力交流電圧と交流系統電源１の電圧位相を同期させる制御を行う。

次に、以下に説明する（Ａ）〜（Ｄ）のそれぞれの場合における電力変換器５の運転動作について説明する。
（Ａ）図１に示した接続状態において、交流系統電源１と発電用直流電源２を主電源として、主に電機負荷４へ電力を供給する場合の電力変換器５の運転動作について説明する。

この場合、発電用直流電源２の発電電力が最大値になるように第１のＤＣ／ＤＣコンバータ７を制御する。そして、図３に示すように、制御回路１５内に設けられた減算器１７と極性判定器１９とを用い、まず、減算器１７で電機負荷４が必要とする電力と発電用直流電源２の電力差を演算し、次に、極性判定器１９で２つの動作パターンを判定する。

そして、電機負荷４の必要とする電力が、発電用直流電源２の発電電力よりも多い場合には、極性判定器１９の出力が“１”となるので、その場合には、図４に示すように、ＡＣ／ＤＣコンバータ６を動作させ、第２のＤＣ／ＤＣコンバータ９を停止させることで、発電用直流電源２の発電電力の不足分を交流系統電源１から電機負荷４へ電力供給する。これとは反対に、電機負荷４が必要とする電力よりも発電用直流電源２の発電電力が多い場合には、極性判定器１９の出力が“０”となるので、その場合には、図５に示すように、ＡＣ／ＤＣコンバータ６を停止し、第２のＤＣ／ＤＣコンバータ９を動作させ、電機負荷４への電力供給を行いつつ、充放電用直流電源３への充電を同時に行う。なお、充放電用直流電源３への充電量が１００％（満充電）になれば、第２のＤＣ／ＤＣコンバータ９の動作を停止する。

このように、発電用直流電源２の発電電力を最大として運転することで、発電エネルギを余すことなく使用することができ、経済的にも資源的にも効率よく電機負荷４へ電力を供給することができる。また、この運転動作では、結果的に充放電用直流電源３の放電動作の優先順位が最下位に、蓄電動作の優先順位が最上位となるので、これにより、充放電用直流電源３の充電量をより増加させることができ、例えば交流系統電源の停電や太陽電池の発電電力不足などが起こるなどの非常時により、充放電用直流電源３のみから電機負荷４へ電力を供給する必要が生じた場合でも電力供給の信頼性をより一層向上させることができる。

（Ｂ）次に、例えば車両が交流系統電源１から離れた場所に移動されるなど、電力変換器５に交流系統電源１が接続されない状態で、発電用直流電源２を主電源として主に電機負荷４に電力を供給する場合の電力変換器５の運転動作について説明する。

この場合、発電用直流電源２の発電電力が最大値になるように第１のＤＣ／ＤＣコンバータ７を制御する。そして、図６に示すように、制御回路１５内に設けられた極性判定器１９、レベル判定器２０、および電力フロー判定器２１を用い、まず、極性判定器１９で発電用直流電源２の発電電力と電機負荷４の必要電力とを比較する。また、レベル判定器２０で充放電用直流電源３の充電量（ＳＯＣ：State Of Charge）を３段階に分けて判定する。そして、極性判定器１９の出力とレベル判定器２０の出力を共に電力フロー判定器２１に入力し、電力フロー判定器２１で２つの入力信号のレベルに応じて４つの判定値（ｉ）〜（ｉｖ）を出力する。

図６で判定値が（ｉ）の場合、すなわち、発電用直流電源２の発電電力が電機負荷４の必要電力よりも少なく、かつ充放電用直流電源３の充電量が０％以外の場合には、図７に示すように、発電用直流電源２の発電電力の不足分を充放電用直流電源３で補充するように第２のＤＣ／ＤＣコンバータ９を動作させる。

図６で判定値が（ｉｉ）の場合、すなわち、発電用直流電源２の発電電力が電機負荷４の必要電力よりも少なく、かつ充放電用直流電源３の充電量が０％の場合には、電機負荷４への電力供給を停止するため、ＤＣ／ＡＣインバータ８の運転を停止する。

図６で判定値が（ｉｉｉ）の場合、すなわち、発電用直流電源２の発電電力が電機負荷４の必要電力よりも多く、かつ充放電用直流電源３の充電量が１００％（満充電）の場合には、第２のＤＣ／ＤＣコンバータ９の動作を停止して、充放電用直流電源３への充放電動作が行われないようにする。そして、発電用直流電源２の発電電力を電機負荷４が必要とする電力まで減少するように第１のＤＣ／ＤＣコンバータ７を動作させる。

図６で判定値が（ｉｖ）の場合、すなわち、発電用直流電源２の発電電力が電機負荷４の必要電力よりも多く、かつ充放電用直流電源３の充電量が１００％未満の場合には、図８に示すように、発電用直流電源２の発電電力が最大値に固定されるように第１のＤＣ／ＤＣコンバータ７を駆動しつつ、余剰電力で充放電用直流電源３を充電するように第２のＤＣ／ＤＣコンバータ９を駆動する。

このように、電力変換器５に交流系統電源１が接続されない状態で、発電用直流電源２を主電源として主に電機負荷４に電力を供給する場合には、発電用直流電源２を最大限に発電させ、かつ電機負荷４へ優先的に電力を供給することで、発電エネルギを余すことなく使用することができ、経済的にも資源的にも効率よく電機負荷４へ電力を供給することができる。また、充放電用直流電源３を使用する優先度を極力下げ、充放電用直流電源３への充電を最優先することで、充放電用直流電源３の充電量をより増加させることができ、非常時など充放電用直流電源３のみから電機負荷４へ電力を供給する場合に、電機負荷４への電力供給の信頼性をより一層向上させることができる。さらに、充放電用直流電源３の充電量が“０”にならない限り、電機負荷４への電力供給は可能であるので、電機負荷４の使用についての信頼性を向上させることができる。

（Ｃ）次に、図１に示した接続状態において、発電用直流電源２を主電源とし、電機負荷４と充放電用直流電源３とを共に負荷と見なして電力供給を行う場合の電力変換器５の運転動作について説明する。なお、充放電用直流電源３の必要充電量は定格充電量であるとする。

この場合、電機負荷４と充放電用直流電源３に対して同時に電力を供給することになるので、まず、発電用直流電源２の発電電力が最大値になるように第１のＤＣ／ＤＣコンバータ７を駆動する。また、充放電用直流電源３が定格の充電電力値で充電されるように第２のＤＣ／ＤＣコンバータ９を駆動する。そして、図９に示すように、制御回路１５内に設けられた加算器１６、極性判定器１９、レベル判定器２０、および電力フロー判定器２１を用い、まず、加算器１６で電機負荷４と充放電用直流電源３の必要電力との総和を求め、次に、極性判定器１９で上記の総和と発電用直流電源２の発電電力とを比較する。また、レベル判定器２０で充放電用直流電源３の充電量（ＳＯＣ：State Of Charge）を３段階に分けて判定する。そして、極性判定器１９の出力とレベル判定器２０の出力とを共に電力フロー判定器２１に入力し、電力フロー判定器２１で２つの入力信号のレベルに応じて４つの判定値（ｉ）〜（ｉｖ）を出力する。

図９で判定値が（ｉ）の場合、すなわち、発電用直流電源２の発電電力が、充放電用直流電源３と電機負荷４への必要電力の総和よりも多く、かつ、充放電用直流電源３の充電量が１００％未満の場合には、図１０に示すように、発電用直流電源２の発電電力が最大値に固定されるように、また、充放電用直流電源３が必要充電量まで充電されるように第１、第２のＤＣ／ＤＣコンバータ７、９を共に駆動しつつ、余剰電力を交流系統電源１へと回生するようＡＣ／ＤＣコンバータ６を駆動する。

図９で判定値が（ｉｉ）の場合、すなわち、発電用直流電源２の発電電力が、充放電用直流電源３と電機負荷４への必要電力の総和よりも多く、かつ、充放電用直流電源３の充電量が１００％（満充電）に達した場合には、第２のＤＣ／ＤＣコンバータ９の動作を停止させ、充放電用直流電源３がこれ以上充電されないようにする。そして、発電用直流電源２の発電電力を電機負荷４が必要とする電力と等しくなるように第１のＤＣ／ＤＣコンバータ７を駆動する。

図９で判定値が（ｉｉｉ）の場合、すなわち、発電用直流電源２の発電電力が、充放電用直流電源３と電機負荷４への必要電力の総和よりも少なく、かつ充放電用直流電源３の充電量が１００％未満の場合には、図１１に示すように、発電用直流電源２の発電電力が最大値に固定されるように、また、充放電用直流電源３が必要充電量まで充電されるように第１、第２のＤＣ／ＤＣコンバータ７、９を共に駆動しつつ、電力不足分を交流系統電源１から供給させるようＡＣ／ＤＣコンバータ６を駆動する。

また、図９で判定値が（ｉｖ）の場合、すなわち、発電用直流電源２の発電電力が、充放電用直流電源３と電機負荷４への必要電力の総和よりも少なく、かつ充放電用直流電源３の充電量が１００％（満充電）に達した場合には、第２のＤＣ／ＤＣコンバータ９の動作を停止する。そして、充放電用直流電源３の充電量を“０”として加算器１６へ入力し、極性判定器１９で発電用直流電源２の発電電力と電機負荷４の必要電力とを比較する。そして、発電用直流電源２の発電電力が電機負荷４の必要電力より多くなる場合には、交流系統電源１へ余剰電力を回生させ、逆に発電用直流電源２の発電電力が電機負荷４の必要電力より少なくなる場合には、交流系統電源１から電力不足分を供給するようＡＣ／ＤＣコンバータ６を駆動する。

このように、発電用直流電源２を主電源とし、電機負荷４と充放電用直流電源３とを共に負荷と見なして電力供給を行う場合でも、発電用直流電源２を最大限に発電させ、充放電用直流電源３への充電電力を変化させずに、余剰電力と不足電力を交流系統電源１に負担させることで、発電用直流電源２の発電電力を余すことなく使用することができる。これにより、経済的にも資源的にも効率よく電機負荷４と充放電用直流電源３に電力を供給することが可能となる。また、充放電用直流電源３への充電電力を変化させないので、本動作の範囲内で充放電用直流電源３への充電量を限りなく増やすことができ、非常時など充放電用直流電源３のみから電機負荷４へ電力を供給する必要が生じた場合でも電力供給の信頼性をより一層向上させることができる。

（Ｄ）次に、図１に示した接続状態において、発電用直流電源２を主電源とし、電機負荷４と交流系統電源１とを共に負荷と見なして電力供給を行う場合の電力変換器５の運転動作について説明する。

この場合、電機負荷４に電力を供給しながら、同時に交流系統電源１に電力回生を行うことになるので、まず、発電用直流電源２の発電電力が最大値になるよう第１のＤＣ／ＤＣコンバータ７を駆動する。そして、図１２に示すように、制御回路１５内に設けられた加算器１６、極性判定器１９、レベル判定器２０、および電力フロー判定器２１を用い、まず、加算器１６で電機負荷４の必要電力と交流系統電源１の電力回生量の総和を求め、次に、極性判定器１９で上記の総和と発電用直流電源２の発電電力とを比較する。また、レベル判定器２０で充放電用直流電源３の充電量（ＳＯＣ：State Of Charge）を３段階に分けて判定する。そして、極性判定器１９の出力とレベル判定器２０の出力とを共に電力フロー判定器２１に入力し、電力フロー判定器２１で２つの入力信号のレベルに応じて３つの判定値（ｉ）〜（ｉｉｉ）を出力する。

図１２で判定値が（ｉ）の場合、すなわち、発電用直流電源２の発電電力が、電機負荷４の必要電力と交流系統電源１への電力回生量の総和よりも多く、かつ充放電用直流電源３の充電量が１００％未満の場合には、発電用直流電源２の発電電力が最大値に固定されるように第１のＤＣ／ＤＣコンバータ７を駆動しつつ、充放電用直流電源３の必要最大充電電力を算出して充放電用直流電源３を充電する。そして、電機負荷４の必要電力と充放電用直流電源３の必要充電電力の総和と、発電用直流電源２の発電電力との差電力を演算し、その差電力を交流系統電源１へ回生するためにＡＣ／ＤＣコンバータ６を用いて電力回生量を調整する。

図１２で判定値が（ｉｉ）の場合、すなわち、発電用直流電源２の発電電力が、電機負荷４の必要電力と交流系統電源１への電力回生量の総和よりも多く、かつ充放電用直流電源３の充電量が１００％（満充電）の場合には、発電用直流電源２の発電電力が最大値となるよう第１のＤＣ／ＤＣコンバータ７を駆動し、また第２のＤＣ／ＤＣコンバータ９の動作を停止する。そして、電機負荷４の必要電力と発電用直流電源２の発電電力との差電力を演算し、その差電力を交流系統電源１へ回生するためにＡＣ／ＤＣコンバータ６を用いて電力回生量を調整する。

図１２で判定値が（ｉｉｉ）の場合、すなわち、発電用直流電源２の発電電力が、電機負荷４の必要電力と交流系統電源１への回生電力の総和よりも少ない場合には、発電用直流電源２の発電電力が最大値となるように第１のＤＣ／ＤＣコンバータ７を駆動しつつ、充放電用直流電源３が充放電しないように第２のＤＣ／ＤＣコンバータ９の動作を停止させる。そして、発電用直流電源２の発電電力と電機負荷４の必要電力の差電力を演算し、その差電力の値に基づき、交流系統電源１への電力回生量が減少するようにＡＣ／ＤＣコンバータ６を用いて調整する。

このように、発電用直流電源２を主電源とし、電機負荷４と交流系統電源１とを共に負荷と見なして電力供給を行う場合でも、発電用直流電源２を最大限に発電させ、発電電力を余すことなく使用することで、経済的にも資源的にも効率よく電機負荷４へ電力を供給することができる。

また、発電用直流電源２の発電電力のみでは、電機負荷４と交流系統電源１への電力供給が足りない場合（上記の（ｉｉｉ）の場合）には、充放電用直流電源３の放電よりも交流系統電源１への電力回生が減少するように優先的に調整する。また、発電用直流電源２の発電電力が、電機負荷４と交流系統電源１への電力供給の和よりも多くて、その電力が余る場合（上記の（ｉ）の場合）には、交流系統電源１への電力回生よりも充放電用直流電源３への充電を優先することで、本動作の範囲内で充放電用直流電源３への充電量を限りなく増やすことができ、非常時など充放電用直流電源３のみから電機負荷４へ電力を供給する必要が生じた場合でも電力供給の信頼性をより一層向上させることができる。

なお、上述の説明では、電機負荷４が交流負荷である場合について説明したが、これに限らず、電機負荷が直流負荷の場合でも可能である。その場合には、図１３に示すように、直流リンク部１０と直流の電機負荷１１の間を、第３のＤＣ／ＤＣコンバータ１２で接続することで実現することができる。あるいは、ＤＣ／ＡＣインバータ８を用いて、直流電圧を出力させることで実現することも可能である。なお、その場合の電力変換器５の駆動方法は、この実施の形態１で説明した上記動作と同一であるので詳しい説明は省略する。

実施の形態２．
図１４はこの実施の形態２における系統連系用電力変換システムにおいて、電力変換器に交流系統電源と電機負荷とが接続された部分を取り出して示す回路図であり、図１に示した実施の形態１と対応もしくは相当する構成部分には同一の符号を付す。

この実施の形態２の系統連系用電力変換システムは、電力変換器５を構成するＡＣ／ＤＣコンバータ６の交流側に交流系統電源１が、直流側にはＤＣ／ＡＣインバータ８および電圧平滑用のリンクコンデンサ１４がそれぞれ接続され、またＤＣ／ＡＣインバータ８の交流側には電機負荷４が接続される。

さらに、ＡＣ／ＤＣコンバータ６の直流側においてリンクコンデンサ１４を介して接続された直流端子４１、４２には、図示していないが、第１のＤＣ／ＤＣコンバータ７を介して発電用直流電源２が、また第２のＤＣ／ＤＣコンバータ９を介して充放電用直流電源３がそれぞれ接続される。したがって、リンクコンデンサ１４と直流端子４１、４２とが実施の形態１（図１）の直流リンク部１０に対応している。

ここに、交流系統電源１は国内の単相２線式であり、この単相２線式は日本における１００Ｖ系に相当し、交流系統電源１と電力変換器５が接続された状態では、接続する電機負荷４のＮ母線（接地母線）側は交流系統電源１の接地端子と同電位であることが前提である。

上記のＡＣ／ＤＣコンバータ６は、４つの半導体スイッチ素子２４、２５、２６、２７を用いたフルブリッジ回路で構成されている。また、このＡＣ／ＤＣコンバータ６は、その交流側にフィルタコンデンサ２２とフィルタリアクトル２３とからからなる入力フィルタ部が設けられている。なお、フィルタコンデンサ２２はＲＣフィルタで構成してもよい。また、フィルタコンデンサ２２に並列にＲＣフィルタを追加してもよい。フィルタリアクトル２３は、交流系統電流の力率を１に制御するためのリアクトルとしても利用する。

一方、ＤＣ／ＡＣインバータ８は、４つの半導体スイッチ素子２６、２７、２８、２９を用いたフルブリッジ回路で構成されている。この場合、上下２つの半導体スイッチ素子２６、２７は、ＡＣ／ＤＣコンバータ６とＤＣ／ＡＣインバータ８とで共用する。また、このＤＣ／ＡＣインバータ８は、その交流側にフィルタリアクトル３０とフィルタコンデンサ３１とからなる出力フィルタ部を有している。

なお、ＡＣ／ＤＣコンバータ６とＤＣ／ＡＣインバータ８を構成する各半導体スイッチ素子２４〜２９は、図１４ではＩＧＢＴを示しているが、これに限らず、例えばＭＯＳＦＥＴ、ＧＴＯ、サイリスタで構成してもよい。

そして、上記ＡＣ／ＤＣコンバータ６とＤＣ／ＡＣインバータ８で共通化された１アームを構成する２つの半導体スイッチ素子２６、２７間の接続点が電機負荷４のＮ母線（接地母線）側の端子に接続されている。また、ＤＣ／ＡＣインバータ８の１アームを構成する２つの半導体スイッチ素子２８、２９間の接続点が電機負荷４のＰ母線（電源母線）側の端子に接続されている。

次に、ＡＣ／ＤＣコンバータ６とＤＣ／ＡＣインバータ８とを同時に駆動する場合の、ＡＣ／ＤＣコンバータ６の動作について、図１５を用いて説明する。

交流系統電源１が正の期間では、共通化された１アームを構成する２つの半導体スイッチ素子２６、２７の内、下側の半導体スイッチ素子２７をＯＮ、上側の半導体スイッチ素子２６をＯＦＦにし、他方の１アームを構成する両半導体スイッチ素子２４、２５をＰＷＭ制御することで、フィルタリアクトル２３の励磁期間を調整してリンクコンデンサ１４の電圧値を一定に保ち、かつ系統交流電流の力率を１に制御する。

一方、交流系統電源１が負の期間では、共通化された１アームを構成する２つの半導体スイッチ素子２６、２７の内、上側の半導体スイッチ素子２６をＯＮ、下側の半導体スイッチ素子２７をＯＦＦにし、他方の１アームを構成する両半導体スイッチ素子２４、２５をＰＷＭ制御することで、上記と同様にフィルタリアクトル２３の励磁期間を調整してリンクコンデンサ１４の電圧値を一定に保ち、かつ系統交流電流の力率を１に制御する。これにより、リンクコンデンサ１４から直流端子４１、４２に直流電力が供給される。なお、リンクコンデンサ１４から交流系統電源１へ電力を回生する場合も同様である。

次に、ＡＣ／ＤＣコンバータ６とＤＣ／ＡＣインバータ８を同時に駆動する場合の、ＤＣ／ＡＣインバータ８の動作について図１５を用いて説明する。

交流系統電源１が正の期間では、前述のように半導体スイッチ素子２７をＯＮ、半導体スイッチ素子２６をＯＦＦにし、他方の１アームを構成する両半導体スイッチ素子２８、２９をＰＷＭ制御することで、交流系統電源１と同期した任意の正の正弦波の電圧を出力する。
一方、交流系統電源１が負の期間では、上記の通り半導体スイッチ素子２６をＯＮ、半導体スイッチ素子２７をＯＦＦにし、他方の１アームを構成する両半導体スイッチ素子２８、２９をＰＷＭ制御することで、交流系統電源１と同期した任意の負の正弦波の電圧を出力する。これにより、フィルタリアクトル３０とフィルタコンデンサ３１とからなる出力フィルタを介して電機負荷４に交流電力が供給される。

なお、ＡＣ／ＤＣコンバータ６とＤＣ／ＡＣインバータ８を同時に駆動しない場合には、ＡＣ／ＤＣコンバータ６単体にて全ての半導体スイッチ素子２４〜２７を同時にＰＷＭ制御してもよい。また、ＤＣ／ＡＣインバータ８単体にて全ての半導体スイッチ素子２６〜２９を同時にＰＷＭ制御してもよい。

上記の説明は電機負荷４が交流負荷の場合であるが、直流の電機負荷１１の場合には、リンクコンデンサ１４を直流電源として利用する。すなわち、ＤＣ／ＡＣインバータ８により、リンクコンデンサ１４の直流電圧を降圧して、直流の電機負荷１１へ電力供給する。この直流電圧を電機負荷１１へ供給する場合の動作原理を次に説明する。なお、ここでは車が交流系統電源１に接続されず、ＡＣ／ＤＣコンバータ６とＤＣ／ＡＣインバータ８とが同時に駆動されないこと、また、半導体スイッチ素子２６〜２９がすべてＤＣ／ＡＣインバータ８で使用できることを前提とする。

ＤＣ／ＡＣインバータ８は、一方の１アームを構成する下側の半導体スイッチ素子２７がＯＮ、上側の半導体スイッチ素子２６がＯＦＦされる。これにより、電機負荷１１のＮ母線側はリンクコンデンサ１４のマイナス電位に固定される。他方の１アームを構成する両半導体スイッチ素子２８、２９はＰＷＭ制御を行い、出力フィルタのフィルタリアクトル３０へのリンクコンデンサ１４からの電圧印加期間を調整する。すなわち、リンクコンデンサ１４の直流電圧を降圧して、電機負荷１１へ直流電圧を供給する。

上記のように半導体スイッチ素子２８、２９のＯＮ／ＯＦＦに伴う電力フローを図１６、図１７に示す。半導体スイッチ素子２８がＯＮし、かつ半導体スイッチ素子２９がＯＦＦした場合には、図１６に示すように、リンクコンデンサ１４の直流電圧がフィルタリアクトル３０に印加され、電機負荷１１へ直流電力が供給される。一方、半導体スイッチ素子２９がＯＮし、かつ半導体スイッチ素子２８がＯＦＦした場合には、図１７に示すように、リンクコンデンサ１４の直流電力は電機負荷１１へは供給されず、半導体スイッチ素子２７、２９とフィルタリアクトル３０を経由して電流が環流する。

この実施の形態２では、フルブリッジ回路で構成されたＡＣ／ＤＣコンバータ６とＤＣ／ＡＣインバータ８について、上下の半導体スイッチ素子２６、２７で構成される１アームをＡＣ／ＤＣコンバータ６とＤＣ／ＡＣインバータ８とで共有することで、半導体スイッチ素子の個数削減による変換器サイズの低減が実現できる。また、交流系統電源１と電機負荷４、１１のＮ端子が共通に接地されているため、国内単相２線式の接地要件を満たす。さらに、交流の電機負荷４に交流電力を供給できるだけでなく、直流の電機負荷１１にも直流電圧を供給することができる。

実施の形態３．
図１８はこの実施の形態３における系統連系用電力変換システムにおいて、電力変換器に交流系統電源と電機負荷とが接続された部分を取り出して示す回路図であり、図１４に示した実施の形態２と対応もしくは相当する構成部分には同一の符号を付す。

上記の実施の形態２では、交流系統電源１を国内の単相２線式とした場合の、電力変換器５におけるＡＣ／ＤＣコンバータ６とＤＣ／ＡＣインバータ８の回路構成について説明したが、この実施の形態３では、交流系統電源１を国内の単相３線式とした場合のＡＣ／ＤＣコンバータ６と、ＤＣ／ＡＣインバータ８の回路構成について説明する。なお、この場合の電機負荷４は交流負荷であり、また交流系統電源１は国内の単相３線式であるので、交流系統電源の中性点が接地されていることを前提としている。

ＡＣ／ＤＣコンバータ６は、フィルタコンデンサ２２とフィルタリアクトル２３とからなる入力フィルタ部、および４つの半導体スイッチ素子２４、２５、２６、２７からなるフルブリッジ回路で構成されている。なお、実施の形態２と同様、フィルタコンデンサ２２はＲＣフィルタで構成してもよい。また、フィルタコンデンサ２２に並列にＲＣフィルタを追加してもよい。フィルタリアクトル２３は、交流系統電流の力率を１に制御するためのリアクトルとしても利用する。

一方、ＤＣ／ＡＣインバータ８は、上下２つの半導体スイッチ素子２８、２９によりハーフブリッジ回路が構成されるとともに、２つのコンデンサ１４ａ、１４ｂを直列接続してなるリンクコンデンサ１４、およびフィルタリアクトル３０とフィルタコンデンサ３１とからなる出力フィルタ部を備えている。

そして、上下２つの半導体スイッチ素子２８、２９間の接続点はフィルタリアクトル３０に接続され、交流の電機負荷４のＮ母線側は常に接地端子に接続される。また、リンクコンデンサ１４は２つのコンデンサ１４ａ、１４ｂを直列接続した構成であり、上下のコンデンサ１４ａ、１４ｂ間の中性点３２が接地端子に接続される。

ここで、ＡＣ／ＤＣコンバータ６は、実施の形態２と同様に、半導体スイッチ素子２４〜２７をＰＷＭ制御することで、リンクコンデンサ１４の電圧値を一定に、かつ系統交流電流の力率を１に制御する。これにより、リンクコンデンサ１４から直流端子４１、４２に直流電圧が供給される。リンクコンデンサ１４から交流系統電源１へ電力を回生する場合も同様である。

また、ＤＣ／ＡＣインバータ８については、半導体スイッチ素子２８がＯＮ、半導体スイッチ素子２９がＯＦＦとなると、リンクコンデンサ１４の中性点３２を基準としてプラスの電圧がフィルタリアクトル３０とフィルタコンデンサ３１に印加され、これとは逆に、半導体スイッチ素子２９がＯＮ、半導体スイッチ素子２８がＯＦＦとなると、リンクコンデンサ１４の中性点３２を基準としてマイナスの電圧がフィルタリアクトル３０とフィルタコンデンサ３１に印加される。そして、上記両半導体スイッチ素子２８、２９の繰り返し動作により、電機負荷４へは交流電圧が印加される。

上記の説明は電機負荷１１が交流負荷の場合であるが、直流の電機負荷１１に対して直流電力を供給する場合には、図１９に示す構成が採用される。
すなわち、電機負荷１１のＮ母線側の端子とリンクコンデンサ１４の中性点３２が共に接地されるとともに、電機負荷１１のＰ母線側の端子とハーフブリッジ回路を構成する２つの半導体スイッチ素子２８、２９間の接続点とが接続されている。さらに、リンクコンデンサ１４の中性点３２と上記２つの半導体スイッチ素子２８、２９間の接続点との間がチョッパ駆動用の半導体スイッチ素子３３（特許請求の範囲のスイッチに相当）を介して接続されている。なお、このチョッパ駆動用の半導体スイッチ素子３３について、図１９ではＩＧＢＴで示しているが、ＭＯＳＦＥＴ、サイリスタ、ＧＴＯなどで構成してもよい。
その他の構成は図１８に示した構成と同じであるので、詳しい説明は省略する。

次に、図１９の回路構成において、電機負荷１１へ直流電圧を供給する場合の運転動作について説明する。

電機負荷１１が直流負荷の場合には、リンクコンデンサ１４のＰ端子側のコンデンサ１４ａを直流電圧源として利用する。そして、半導体スイッチ素子２８、チョッパ駆動用の半導体スイッチ素子３３、およびフィルタリアクトル３０によって降圧チョッパの回路構成をとり、半導体スイッチ素子２８のＯＮデューティを調整することで、電機負荷１１へ供給する直流電圧を調整する。この場合、半導体スイッチ素子２９はＯＦＦに保たれる。また、チョッパ駆動用の半導体スイッチ素子３３はチョッパ回路の環流ダイオードとしての作用をする。

すなわち、半導体スイッチ素子２８がＯＮした場合にはチョッパ駆動用の半導体スイッチ素子３３はＯＦＦとなり、コンデンサ１４ａの直流電圧がフィルタリアクトル３０に印加されて電機負荷１１へ直流電力が供給される。一方、半導体スイッチ素子２８がＯＦＦした場合にはチョッパ駆動用の半導体スイッチ素子３３はＯＮとなり、コンデンサ１４ａの直流電圧はフィルタリアクトル３０に印加されず、チョッパ駆動用の半導体スイッチ素子３３とフィルタリアクトル３０を経由して電流が環流する。

この実施の形態３では、交流系統電源１が国内単相３線式の場合でも、交流系統電源１の接地端子と電機負荷４のＮ母線側の端子とを共通にして動作させることができる。また、チョッパ駆動用の半導体スイッチ素子３３を設けることで、電機負荷が直流の電機負荷１１の場合でも電力を供給することができる。

実施の形態４．
図２０はこの実施の形態４における系統連系用電力変換システムにおいて、電力変換器に交流系統電源と電機負荷とが接続された部分を取り出して示す回路図であり、図１８に示した実施の形態３と対応もしくは相当する構成部分には同一の符号を付す。

上記の実施の形態２では交流系統電源１が単相２線式の場合に、また実施の形態３では交流系統電源１が単相３線式の場合に、それぞれ対応した電力変換器の構成について説明したが、この実施の形態４における電力変換器は、交流系統電源１として単相２線式と単相３線式のどちらが接続されても対応できるようにしたものである。

すなわち、この実施の形態４の特徴は、ＡＣ／ＤＣコンバータ６の交流側には必要に応じて単相２線式あるいは単相３線式の交流系統電源１が接続される。また、２つのコンデンサ１４ａ、１４ｂを直列接続したリンクコンデンサ１４の中性点３２と接地端子との間には中性点切替スイッチ３４が設けられている。さらに、制御回路１５には、図２１に示すように、交流系統電源１の電圧実効値を演算して基準電圧と比較し、単相２線式と単相３線式の判定を行って上記中性点切替スイッチ３４を動作させるための交流系統電源判定器３５が設けられている。
その他の構成は図１８に示した実施の形態３の場合と同様であるから、ここでは詳しい説明は省略する。

次に、交流系統電源１が単相２線式の場合と単相３線式の場合に対応した中性点切替スイッチ３４の切替制御について説明する。

国内の単相２線式は１００Ｖ系、単相３線式は２００Ｖ系であるので、この実施の形態４では、基準電圧を１００［Ｖｒｍｓ］と２００［Ｖｒｍｓ］からマージン３０［Ｖｒｍｓ］をみた１３０［Ｖｒｍｓ］〜１７０［Ｖｒｍｓ］の間に定める。

そして、交流系統電源１の電圧実効値の演算結果が１３０［Ｖｒｍｓ］以下であれば、交流系統電源判定器３５の出力が“０”となるので、この場合は国内単相２線式と判定して、中性点切替スイッチ３４をＯＦＦとする。これに対して、交流系統電源１の電圧実効値の演算結果が１７０［Ｖｒｍｓ］以上であれば、交流系統電源判定器３５の出力が“１”となるので、この場合は国内単相３線式と判定して、中性点切替スイッチ３４をＯＮとする。なお、基準電圧は、１００［Ｖｒｍｓ］と２００［Ｖｒｍｓ］が判定できる電圧値であれば、１３０［Ｖｒｍｓ］〜１７０［Ｖｒｍｓ］の範囲に限らずそれ以外であってもよい。

上記交流系統電源判定器３５により国内単相２線式と判定された結果、中性点切替スイッチがＯＦＦとなった場合には、交流系統電源１のＮ母線側端子と電機負荷４のＮ母線側端子が共に接地される。この場合の回路構成は図１４に示した実施の形態２における単相２線式の回路構成と同一であり、実施の形態２で説明したのと同様な運転動作を行う。

また、交流系統電源判定器３５により国内単相３線式と判定された結果、中性点切替スイッチがＯＮとなった場合には、交流系統電源１の中性点と電機負荷４のＮ端子が共に接地される。この場合の回路構成は図１８に示した実施の形態３における単相３線式の回路構成と同一であり、実施の形態３で説明したのと同様な運転動作を行う。

なお、図２０に示した構成に限らず、例えば図２２に示すように、リンクコンデンサ１４の中性点３２とハーフブリッジ回路を構成する２つの半導体スイッチ２８、２９間の接続点との間をチョッパ駆動用の半導体スイッチ素子３３で接続した構成としてもよい。

そして、交流系統電源判定器３５により交流系統電源１が単相２線式であると判定された場合、中性点切替スイッチ３４がＯＦＦとなり、かつ、チョッパ駆動用の半導体スイッチ素子３３がＯＦＦに保たれる。したがって、この場合には図１４に示した構成に関して説明したのと同様な運転動作が行われる。

また、交流系統電源判定器３５により交流系統電源１が単相３線式であると判定された場合、中性点切替スイッチ３４がＯＮとなる。その際、交流の電機負荷４の場合、チョッパ駆動用の半導体スイッチ素子３３はＯＦＦに保たれる。したがって、この場合には図１８に示した構成に関して説明したのと同様な運転動作が行われる。

また、交流系統電源判定器３５により交流系統電源１が単相３線式であると判定された場合、同様に中性点切替スイッチ３４がＯＮとなる。その際、直流の電機負荷１１の場合、チョッパ駆動用の半導体スイッチ素子３３はＯＮ／ＯＦＦ駆動される。したがって、この場合には図１９に示した構成に関して説明したのと同様な運転動作が行われる。

このように、この実施の形態４では、交流系統電源１が国内の単相３線式でも単相２線式のいずれでも、交流系統電源１の接地端子と電機負荷４のＮ母線側端子を共通にして動作させることができる。また、国内の単相３線式が接続される場合、図２２に示したようにチョッパ駆動用の半導体スイッチ素子３３を設けた構成とすることにより電機負荷４に直流電力を供給することができる。

なお、この発明は、上記の実施の形態１〜４の各構成のみに限定されるものではなく、この発明の趣旨を逸脱しない範囲で各実施の形態１〜４について各種変形を加えたり、あるいは各実施の形態１〜４の構成を適宜に組み合わせることが可能である。

１ 交流系統電源、２ 発電用直流電源、３ 充放電用直流電源、
４ 交流の電機負荷、５ 電力変換器、６ ＡＣ／ＤＣコンバータ、
７ 第１のＤＣ／ＤＣコンバータ、８ ＤＣ／ＡＣインバータ、
９ 第２のＤＣ／ＤＣコンバータ、１０ 直流リンク部、１１ 直流の電機負荷、
１２ 第３のＤＣ／ＤＣコンバータ、１４ リンクコンデンサ、１５ 制御回路、
２４〜２９ 半導体スイッチ素子、３２ リンクコンデンサの中性点、
３３ チョッパ駆動用の半導体スイッチ素子（スイッチ）、３４ 中性点切替スイッチ。

Claims (15)

1. 第１〜第４の接続部が設けられた電力変換器を備え、
   上記電力変換器は、直流母線相互間を接続する直流リンク部と、交流系統電源と上記直流リンク部の間を接続するＡＣ／ＤＣコンバータと、電機負荷と上記直流リンク部の間を接続するＤＣ／ＡＣインバータとを備え、上記ＡＣ／ＤＣコンバータと上記ＤＣ／ＡＣインバータを共に４つの半導体スイッチ素子からなるフルブリッジ回路で構成とするとともに、上記ＡＣ／ＤＣコンバータと上記ＤＣ／ＡＣインバータの１アームを共通化し、この共通化した１アームを構成する２つの半導体スイッチ素子間の接続点を上記電機負荷のＮ母線側の端子に接続しており、上記ＤＣ／ＡＣインバータの上記共通化した１アームを構成する２つの半導体スイッチ素子の内、Ｎ母線側の半導体スイッチ素子をＯＮに固定するとともに、他方の１アームを構成する２つの半導体スイッチ素子をスイッチングして上記電機負荷へ直流電圧を供給するものであり、
   上記電力変換器の上記第１の接続部には上記交流系統電源が、上記第２の接続部には発電のみを行う発電用直流電源が、上記第３の接続部には充放電可能な充放電用直流電源が、上記第４の接続部には上記電機負荷がそれぞれ接続された状態において、上記交流系統電源と上記発電用直流電源を主電源として上記電機負荷へ電力を供給する場合に、上記発電用直流電源の発電電力を最大値に固定し、上記発電用直流電源の発電電力が上記電機負荷が必要な電力より少ない場合には、その不足電力を上記充放電用直流電源よりも上記交流系統電源を優先して上記電機負荷へ供給する一方、上記発電用直流電源の発電電力が上記電機負荷が必要な電力よりも多い場合には、その余剰電力により上記充放電用直流電源を充電する、ことを特徴とする系統連系用電力変換システム。
2. 第１〜第４の接続部が設けられた電力変換器を備え、
   上記電力変換器は、直流母線相互間を接続する直流リンク部と、交流系統電源と上記直流リンク部の間を接続するＡＣ／ＤＣコンバータと、電機負荷と上記直流リンク部の間を接続するＤＣ／ＡＣインバータとを備え、上記ＡＣ／ＤＣコンバータと上記ＤＣ／ＡＣインバータを共に４つの半導体スイッチ素子からなるフルブリッジ回路で構成とするとともに、上記ＡＣ／ＤＣコンバータと上記ＤＣ／ＡＣインバータの１アームを共通化し、この共通化した１アームを構成する２つの半導体スイッチ素子間の接続点を上記電機負荷のＮ母線側の端子に接続しており、上記ＤＣ／ＡＣインバータの上記共通化した１アームを構成する２つの半導体スイッチ素子の内、Ｎ母線側の半導体スイッチ素子をＯＮに固定するとともに、他方の１アームを構成する２つの半導体スイッチ素子をスイッチングして上記電機負荷へ直流電圧を供給するものであり、
   上記電力変換器の上記第１の接続部には上記交流系統電源が接続されず、上記第２の接続部には発電のみを行う発電用直流電源が、上記第３の接続部には充放電可能な充放電用直流電源が、上記第４の接続部には上記電機負荷がそれぞれ接続された状態において、上記発電用直流電源を主電源として上記電機負荷に電力を供給する場合に、上記発電用直流電源の発電電力を最大値に固定し、上記発電用直流電源の発電電力が上記電機負荷が必要とする電力量より多い場合には、その余剰電力により上記充放電用直流電源を充電し、上記充放電用直流電源が満充電に達したならば上記発電用直流電源の発電電力を上記電機負荷が必要とする電力まで減少させる、ことを特徴とする系統連系用電力変換システム。
3. 第１〜第４の接続部が設けられた電力変換器を備え、
   上記電力変換器は、直流母線相互間を接続する直流リンク部と、交流系統電源と上記直流リンク部の間を接続するＡＣ／ＤＣコンバータと、電機負荷と上記直流リンク部の間を接続するＤＣ／ＡＣインバータとを備え、上記ＡＣ／ＤＣコンバータと上記ＤＣ／ＡＣインバータを共に４つの半導体スイッチ素子からなるフルブリッジ回路で構成とするとともに、上記ＡＣ／ＤＣコンバータと上記ＤＣ／ＡＣインバータの１アームを共通化し、この共通化した１アームを構成する２つの半導体スイッチ素子間の接続点を上記電機負荷のＮ母線側の端子に接続しており、上記ＤＣ／ＡＣインバータの上記共通化した１アームを構成する２つの半導体スイッチ素子の内、Ｎ母線側の半導体スイッチ素子をＯＮに固定するとともに、他方の１アームを構成する２つの半導体スイッチ素子をスイッチングして上記電機負荷へ直流電圧を供給するものであり、
   上記電力変換器の上記第１の接続部には上記交流系統電源が、上記第２の接続部には発電のみを行う発電用直流電源が、上記第３の接続部には充放電可能な充放電用直流電源が、上記第４の接続部には上記電機負荷がそれぞれ接続された状態において、上記発電用直流電源を主電源として上記電機負荷と上記充放電用直流電源とを共に負荷と見なして電力供給を行う場合に、上記発電用直流電源の発電電力を最大値に、上記充放電用直流電源を所定の充電電力値にそれぞれ固定し、上記発電用直流電源の発電電力が上記電機負荷と上記充放電用直流電源への必要電力の総和より少ない場合には、その不足電力を上記交流系統電源から供給する一方、上記発電用直流電源の発電電力が上記電機負荷と上記充放電用直流電源への必要電力の総和よりも多い場合には、その余剰電力を上記交流系統電源に回生する、ことを特徴とする系統連系用電力変換システム。
4. 第１〜第４の接続部が設けられた電力変換器を備え、
   上記電力変換器は、直流母線相互間を接続する直流リンク部と、交流系統電源と上記直流リンク部の間を接続するＡＣ／ＤＣコンバータと、電機負荷と上記直流リンク部の間を接続するＤＣ／ＡＣインバータとを備え、上記ＡＣ／ＤＣコンバータと上記ＤＣ／ＡＣインバータを共に４つの半導体スイッチ素子からなるフルブリッジ回路で構成とするとともに、上記ＡＣ／ＤＣコンバータと上記ＤＣ／ＡＣインバータの１アームを共通化し、この共通化した１アームを構成する２つの半導体スイッチ素子間の接続点を上記電機負荷のＮ母線側の端子に接続しており、上記ＤＣ／ＡＣインバータの上記共通化した１アームを構成する２つの半導体スイッチ素子の内、Ｎ母線側の半導体スイッチ素子をＯＮに固定するとともに、他方の１アームを構成する２つの半導体スイッチ素子をスイッチングして上記電機負荷へ直流電圧を供給するものであり、
   上記電力変換器の上記第１の接続部には上記交流系統電源が、上記第２の接続部には発電のみを行う発電用直流電源が、上記第３の接続部には充放電可能な充放電用直流電源が、上記第４の接続部には上記電機負荷がそれぞれ接続された状態において、上記発電用直流電源を主電源として上記電機負荷と上記交流系統電源を共に負荷と見なして電力供給を行う場合に、上記充放電用直流電源の充電量が満充電でない場合において、上記発電用直流電源の発電電力を最大値に固定し、上記発電用直流電源の発電電力が上記電機負荷の必要電力と上記交流系統電源の回生電力の総和より少ない場合には、上記交流系統電源のみで電力不足分だけ電力回生量を減少させる一方、上記発電用直流電源の発電電力が上記電機負荷の必要電力と上記交流系統電源の回生電力の総和より多い場合には、上記電機負荷の必要電力と上記充放電用直流電源の必要充電量の総和と上記発電用直流電源の発電電力との差電力を上記交流系統電源へ回生する、ことを特徴とする系統連系用電力変換システム。
5. 第１〜第４の接続部が設けられた電力変換器を備え、
   上記電力変換器は、直流母線相互間を接続する直流リンク部と、交流系統電源と上記直流リンク部の間を接続するＡＣ／ＤＣコンバータと、電機負荷と上記直流リンク部の間を接続するＤＣ／ＡＣインバータとを備え、上記ＡＣ／ＤＣコンバータを４つの半導体スイッチ素子からなるフルブリッジ回路で、上記ＤＣ／ＡＣインバータを２つの半導体スイッチ素子からなるハーフブリッジ回路でそれぞれ構成し、また上記直流リンク部を２つのコンデンサを直列接続して構成するとともに、上記直流リンク部の両コンデンサの中性点を接地し、上記ハーフブリッジ回路を構成する２つの半導体スイッチ素子間の接続点を上記電機負荷のＰ母線側の端子に接続しており、
   上記電力変換器の上記第１の接続部には上記交流系統電源が、上記第２の接続部には発電のみを行う発電用直流電源が、上記第３の接続部には充放電可能な充放電用直流電源が、上記第４の接続部には上記電機負荷がそれぞれ接続された状態において、上記交流系統電源と上記発電用直流電源を主電源として上記電機負荷へ電力を供給する場合に、上記発電用直流電源の発電電力を最大値に固定し、上記発電用直流電源の発電電力が上記電機負荷が必要な電力より少ない場合には、その不足電力を上記充放電用直流電源よりも上記交流系統電源を優先して上記電機負荷へ供給する一方、上記発電用直流電源の発電電力が上記電機負荷が必要な電力よりも多い場合には、その余剰電力により上記充放電用直流電源を充電する、ことを特徴とする系統連系用電力変換システム。
6. 第１〜第４の接続部が設けられた電力変換器を備え、
   上記電力変換器は、直流母線相互間を接続する直流リンク部と、交流系統電源と上記直流リンク部の間を接続するＡＣ／ＤＣコンバータと、電機負荷と上記直流リンク部の間を接続するＤＣ／ＡＣインバータとを備え、上記ＡＣ／ＤＣコンバータを４つの半導体スイッチ素子からなるフルブリッジ回路で、上記ＤＣ／ＡＣインバータを２つの半導体スイッチ素子からなるハーフブリッジ回路でそれぞれ構成し、また上記直流リンク部を２つのコンデンサを直列接続して構成するとともに、上記直流リンク部の両コンデンサの中性点を接地し、上記ハーフブリッジ回路を構成する２つの半導体スイッチ素子間の接続点を上記電機負荷のＰ母線側の端子に接続しており、
   上記電力変換器の上記第１の接続部には上記交流系統電源が接続されず、上記第２の接続部には発電のみを行う発電用直流電源が、上記第３の接続部には充放電可能な充放電用直流電源が、上記第４の接続部には電機負荷がそれぞれ接続された状態において、上記発電用直流電源を主電源として上記電機負荷に電力を供給する場合に、上記発電用直流電源の発電電力を最大値に固定し、上記発電用直流電源の発電電力が上記電機負荷が必要とする電力量より多い場合には、その余剰電力により上記充放電用直流電源を充電し、上記充放電用直流電源が満充電に達したならば上記発電用直流電源の発電電力を上記電機負荷が必要とする電力まで減少させる、ことを特徴とする系統連系用電力変換システム。
7. 第１〜第４の接続部が設けられた電力変換器を備え、
   上記電力変換器は、直流母線相互間を接続する直流リンク部と、交流系統電源と上記直流リンク部の間を接続するＡＣ／ＤＣコンバータと、電機負荷と上記直流リンク部の間を接続するＤＣ／ＡＣインバータとを備え、上記ＡＣ／ＤＣコンバータを４つの半導体スイッチ素子からなるフルブリッジ回路で、上記ＤＣ／ＡＣインバータを２つの半導体スイッチ素子からなるハーフブリッジ回路でそれぞれ構成し、また上記直流リンク部を２つのコンデンサを直列接続して構成するとともに、上記直流リンク部の両コンデンサの中性点を接地し、上記ハーフブリッジ回路を構成する２つの半導体スイッチ素子間の接続点を上記電機負荷のＰ母線側の端子に接続しており、
   上記電力変換器の上記第１の接続部には上記交流系統電源が、上記第２の接続部には発電のみを行う発電用直流電源が、上記第３の接続部には充放電可能な充放電用直流電源が、上記第４の接続部には上記電機負荷がそれぞれ接続された状態において、上記発電用直流電源を主電源として上記電機負荷と上記充放電用直流電源とを共に負荷と見なして電力供給を行う場合に、上記発電用直流電源の発電電力を最大値に、上記充放電用直流電源を所定の充電電力値にそれぞれ固定し、上記発電用直流電源の発電電力が上記電機負荷と上記充放電用直流電源への必要電力の総和より少ない場合には、その不足電力を上記交流系統電源から供給する一方、上記発電用直流電源の発電電力が上記電機負荷と上記充放電用直流電源への必要電力の総和よりも多い場合には、その余剰電力を上記交流系統電源に回生する、ことを特徴とする系統連系用電力変換システム。
8. 第１〜第４の接続部が設けられた電力変換器を備え、
   上記電力変換器は、直流母線相互間を接続する直流リンク部と、交流系統電源と上記直流リンク部の間を接続するＡＣ／ＤＣコンバータと、電機負荷と上記直流リンク部の間を接続するＤＣ／ＡＣインバータとを備え、上記ＡＣ／ＤＣコンバータを４つの半導体スイッチ素子からなるフルブリッジ回路で、上記ＤＣ／ＡＣインバータを２つの半導体スイッチ素子からなるハーフブリッジ回路でそれぞれ構成し、また上記直流リンク部を２つのコンデンサを直列接続して構成するとともに、上記直流リンク部の両コンデンサの中性点を接地し、上記ハーフブリッジ回路を構成する２つの半導体スイッチ素子間の接続点を上記電機負荷のＰ母線側の端子に接続しており、
   上記電力変換器の上記第１の接続部には上記交流系統電源が、上記第２の接続部には発電のみを行う発電用直流電源が、上記第３の接続部には充放電可能な充放電用直流電源が、上記第４の接続部には上記電機負荷がそれぞれ接続された状態において、上記発電用直流電源を主電源として上記電機負荷と上記交流系統電源を共に負荷と見なして電力供給を行う場合に、上記充放電用直流電源の充電量が満充電でない場合において、上記発電用直流電源の発電電力を最大値に固定し、上記発電用直流電源の発電電力が上記電機負荷の必要電力と上記交流系統電源の回生電力の総和より少ない場合には、上記交流系統電源のみで電力不足分だけ電力回生量を減少させる一方、上記発電用直流電源の発電電力が上記電機負荷の必要電力と上記交流系統電源の回生電力の総和より多い場合には、上記電機負荷の必要電力と上記充放電用直流電源の必要充電量の総和と上記発電用直流電源の発電電力との差電力を上記交流系統電源へ回生する、ことを特徴とする系統連系用電力変換システム。
9. 上記直流リンク部を構成する上記２つのコンデンサの中性点と上記ハーフブリッジ回路を構成する２つの半導体スイッチ素子間の接続点との間をスイッチで接続し、このスイッチをハーフブリッジ回路を構成するＰ母線側の半導体スイッチ素子とＯＮ／ＯＦＦが逆になるように駆動するとともに、上記Ｐ母線側の半導体スイッチ素子のＯＮデューティを調整して、上記電機負荷に任意の直流電圧を供給することを特徴とする請求項５から請求項８のいずれか１項に記載の系統連系用電力変換システム。
10. 上記直流リンク部のコンデンサの上記中性点と接地部との間に中性点切替スイッチを設け、上記交流系統電源が単相２線式の場合には上記中性点切替スイッチをＯＦＦ、上記交流系統電源が単相３線式の場合には上記中性点切替スイッチをＯＮして動作させることを特徴とする請求項５、請求項７、および請求項８のいずれか１項に記載の系統連系用電力変換システム。
11. 上記直流リンク部のコンデンサの上記中性点と接地部との間に中性点切替スイッチを設け、上記交流系統電源が単相２線式の場合には上記中性点切替スイッチをＯＦＦ、上記交流系統電源が単相３線式の場合には上記中性点切替スイッチをＯＮして動作させ、かつ、上記中性点切替スイッチは、上記電機負荷が直流電機負荷の場合においてのみ、上記ハーフブリッジ回路を構成するＰ母線側の半導体スイッチ素子とＯＮ／ＯＦＦが逆になるように駆動するとともに、上記Ｐ母線側の半導体スイッチ素子のＯＮデューティを調整して、上記電機負荷に任意の直流電圧を供給することを特徴とする請求項５、請求項７、および請求項８のいずれか１項に記載の系統連系用電力変換システム。
12. 上記電力変換器は、車載用の電力変換器であることを特徴とする請求項１から請求項１１のいずれか１項に記載の系統連系用電力変換システム。
13. 上記交流系統電源は、単相２線式または単相３線式であることを特徴とする請求項１、請求項３、および請求項４のいずれか１項に記載の系統連系用電力変換システム。
14. 上記発電用直流電源は、太陽光発電、風力発電、燃料電池の少なくとも一つであることを特徴とする請求項１２に記載の系統連系用電力変換システム。
15. 上記充放電用直流電源は、リチウムイオンバッテリ、鉛バッテリ、ニッケル水素バッテリ、ＥＤＬＣ、電解コンデンサの少なくとも一つであることを特徴とする請求項１２から請求項１４のいずれか１項に記載の系統連系用電力変換システム。

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