JP6007414B2

JP6007414B2 - 電力変換装置

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Publication number: JP6007414B2
Application number: JP2014527844A
Authority: JP
Inventors: 秀行狩野; 鈴木　淳一; 淳一鈴木; 鬼塚　圭吾; 圭吾鬼塚; 森田　功; 功森田
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2012-07-31
Filing date: 2012-07-31
Publication date: 2016-10-12
Anticipated expiration: 2032-07-31
Also published as: WO2014020671A1; JPWO2014020671A1

Description

本発明は、燃料電池、太陽電池、風力発電などの再生可能エネルギーを制御する電力変換装置において、この出力をリレーの接片を介して供給する際の制御に関するものである。

従来の電力変換装置は直流電源からの電力を制御した後、系統電源との連携、交流負荷への直接及び間接的な電力供給が行えるものであった。また、従来の電力変換装置には直流電力を安定化させた後負荷へ直接供給できるように成したものもある。これらいずれの電力変換装置による電力の供給は、リレーの接片を介して行われるものであり、異常時や停止時などに電力変換装置を系統電源や負荷から分離するものであった。

このような電力変換装置では系統電源との連携中や負荷へ電力を供給している間はリレーの接片を閉状態、すなわち閉じている状態に保つ必要がある。同時に停止中はリレーの接片は開状態、すなわち開いていなければならない。しかしながら、リレーの接片の溶着等により、電力変換装置の停止中にも関わらずリレーが閉じた状態になることがある。

この様な溶着を検出するために、特許文献１では、補助接片を設けて溶着を検出している。このため、リレーの励磁コイルへ供給する電力が大きくなっている問題がある。

特許文献２にはリレーの励磁コイルへ供給する電力を減らす方法として、リレーの励磁コイルへの電力供給を間欠に行うものが記載されていた。

特開２００８−３５６５５号公報特開２０１１−２１６２２９号公報

しかしながら特許文献２に記載のものでは、この励磁コイルへの電力供給を間欠へ変えるタイミングが実際のリレーの接片の開閉動作と連動しておらず、電力変換装置に用いた際に電力供給量の不足や振動・衝撃などの外的要因でリレーの接片が開くことがあり、またはこの切換るタイミングが遅れて充分な電力削減効果が得られないなどの課題が残るものであった。

本発明は、このような課題に対してリレーの接片の開閉状態を検知するための検知部の判断に基づいて励磁コイルへの電力供給の値を制御することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の電力変換装置は直流電源の出力もしくはこの直流
電源の出力を昇圧し交流電力に変換した後、当該交流電力をリレーの接片を介して負荷へ
供給可能に成した電力変換装置において、前記リレーの連動している３つの接片の開閉状
態を検知するための検知部を備え、前記検知部は前記リレーの励磁コイルへ電力を供給し
ていない際に前記３つの接片のうち特定の接片が閉状態であると判断した場合に前記リレ
ーの連動している接片の溶着状態の判断を行うと共に、前記検知部が前記リレーの励磁コ
イルへ連続した通電を行い前記検知部で前記リレーの前記特定の接片の閉状態を判断した
後、この閉状態が連続して検知できる間に前記リレーの励磁コイルへの平均供給電力を前
記リレーの接片が閉状態を維持できる電力以上の値まで下げる通電制御部を備えることを
特徴とする。

この様にすることで、リレーの接片の開閉状態を検知できるので励磁コイルの通電制御へ用いることが可能となり、励磁コイルへの電力供給量を減らすタイミングを実際のリレーの接片の開閉状態に連携させることが可能となる。これにより、リレー２１が閉じた後速やかに励磁コイルへの電力供給量を減らすことができ、電力の消費量を抑えることができる。

また、上述の発明において、前記検知部は前記リレーの励磁コイルへ電力を供給していない際に前記リレー接片の開閉状態の判断に用いられることを特徴とする。

また、上述の発明において、前記リレーの接片は前記交流電力を系統電源へ連系されることを特徴とする。

また、上述の発明において、前記リレーの接片は前記交流電力を直接交流負荷へ供給させることを特徴とする。

また、上述の発明において、前記リレーの接片は前記直流電源の出力を負荷へ供給させることを特徴とする。

また、上述の発明において、前記リレーの励磁コイルへ下げた電力を供給している間に検知部で前記リレーの接片の開状態が検知された際は前記リレーの励磁コイルへ供給する電力を増加させることを特徴とする。

本発明によれば、電力削減効果の得られる電力変換装置を提供することができる。

太陽光発電システムを示す図である。リレーの接続を示す図である。リレーの駆動制御のタイムチャートである。

以下、図面に基づき本発明の実施形態を詳述する。図１は太陽光発電システム１０を示す構成図である。

太陽光発電システム１０は、太陽電池１（直流電源）、電力変換装置２を備えて構成されている。

太陽電池１は、日射量に応じて発電量が変化する。また、太陽電池１は、複数の単セルの太陽電池を有し、複数の単セルの太陽電池を直列接続及び／又は並列接続することにより構成されている。例えば、定格電圧が１００Ｖ、２００Ｖ、３００Ｖ、出力２．４Ｋｗ、出力４．８Ｋｗなどである。

電力変換装置２は、昇圧回路２２、インバータ回路２３、リレー２１、及び制御回路２４を有している。電力変換装置２は、太陽電池１の出力を昇圧回路２２により昇圧し、インバータ回路２３により昇圧した直流電力を商用電力系統３（系統電源）に同期した交流電力に変換する。その後、電力変換装置２は、リレー２１の接片を介して変換した交流電力を商用電力系統３へ重畳して負荷４へ供給する（通常動作）。また、電力変換装置２は、通常動作を行う前（所謂、起動時に）に、リレー２１の溶着検出を行ってリレー接片と接点との間に溶着が無いことを確認してから通常動作を行う。

昇圧回路２２は、太陽電池１の出力する直流電力を入力し、この直流電力の電圧を昇圧してインバータ回路２３へ出力する。昇圧回路２２には、リアクタ、コンデンサ及びスイッチ素子を有する非絶縁型の昇圧チョッパ回路が用いられる。昇圧回路２２は、このスイッチ素子を所定のデューティ比により周期的に導通／遮断することにより所望の昇圧比を得ることができる。

インバータ回路２３は、複数のスイッチ素子からなるブリッジ回路と、ブリッジ回路の出力する交流電力の高周波成分を除去するフィルタ回路からなる。ブリッジ回路は、複数のスイッチ素子を周期的に導通／遮断することにより、昇圧回路から出力された直流電力から交流電力を生成してフィルタ回路へ出力する。インバータ回路２３は、このブリッジ回路とフィルタ回路により、昇圧回路２２の昇圧した直流電力を入力して商用電力系統３に同期した交流電力に変換する。

リレー２１は、インバータ回路２３と商用電力系統３との間に設けられる。図２は、リレー２１の接続を示す図である。リレー２１は、３つの接片３１ａ〜３１ｃと、励磁コイル３２とを有している。リレー２１の接片３１ａ〜３１ｃは連動して開閉するように構成されている。接片３１ａと接片３１ｂは、一方がインバータ回路２３に接続され、他方が商用電力系統３へ接続されて比較的大きな電流が流れる。接片３１ｃは、制御回路２４と直列に接続されてループ回路Ｌ１を構成している。また、励磁コイル３２、スイッチング素子３３及び制御回路２４が直列に接続されループ回路Ｌ２を構成している。

制御回路２４は、リレー２１、昇圧回路２２、及びインバータ回路２３の動作を制御する。制御回路２４は、太陽電池１の出力が最大になるように昇圧回路２２を動作させる。

制御回路２４は、インバータ回路２１のスイッチ素子を駆動するための信号を生成する。生成した信号はインバータ回路２１のスイッチ素子に与えられ、インバータ回路２１において直流電力から交流電力への変換がおこなわれる。

制御回路２４は、リレー２１の接片３１ａ〜３１ｃを開閉するための信号Ｓを生成し、リレー２１の励磁コイル３２への通電を制御する。これにより、リレー２１は、制御回路２４により接片３１ａ〜３１ｃを開閉する駆動制御がなされる。リレー２１の駆動制御については後述する。

（リレー２１の溶着検出）
制御回路２４は、リレー２１の接片３１ａ〜３１ｃ（主に接片３１ａ、３１ｂ）が接点と溶着しているか否かを検出する。この際に、制御回路２４は、リレーの接片３１ｃを含むループ回路Ｌ１を利用して溶着の検出を行う。リレー２１の接片３１ａ〜３１ｃは連動しているので、リレー２１の何れかの接片が接点と溶着した場合、他の接片も閉じたままになる。

制御回路２４は、この接片３１ｃの開閉状態を、ループ回路Ｌ１を利用して判断できるよ
うに構成されている（即ち、制御回路２４は、リレーの接片の開閉状態を検知するための
検知部として機能する）。そして、制御回路２４は、信号Ｓがリレー２１の接片３１ａ〜
３１ｃを開くＬｏｗ信号（励磁コイル３２へ通電がされていない）にも関わらず、接片３
１が閉状態であると判断した場合は、接片３１ａ〜３１ｃが接点と溶着していると判断す
る。このように、検出部はリレー２１の励磁コイル３２へ通電していない際にリレー２１
の接片３１ａ〜３１ｃの開閉状態の判断を行う。

（リレー２１の駆動制御）
次に接片３１ａ〜３１ｃが接点と溶着していない通常の状態で、制御回路２４が行うリレー２１の駆動制御について詳細に述べる。制御回路２４は、リレー２１の接片を閉じる際に、先ずスイッチング素子３３をオン状態にしてリレー２１の励磁コイル３２へ連続した通電を行い接片３１ａ〜３１ｃを閉じる。次に制御回路２４は、リレー２１の接片３１ｃの閉状態から接片３１ａ〜３１ｃが閉じていると判断した後、この状態が連続して検知できる間にわたりスイッチング素子３３を所定の周期でオン／オフしリレー２１の励磁コイル３２への通電を間欠に行いこの励磁コイル３２への平均供給電力を小さくする。この平均供給電力は閉状態となったリレー２１の接片３１ａ〜３１ｃがこの閉状態を維持できる電力以上の値である。このようにして、制御回路２４は、リレー２１の励磁コイル３２への供給電力を制御する通電制御部として機能する。
尚、励磁コイル３２へは電流が間欠通電されるが励磁コイル３２のインダクタンスにより接片３１ａ〜３１ｃがチャタリングを起こさない周期で間欠通電される。

図３に、リレーの駆動制御のタイムチャートを示す。図３（ａ）は、制御回路２４が出力する信号Ｓのタイムチャートである。図３（ｂ）は、励磁コイル３２に流れる電流のタイムチャートである。図３（ｃ）は、制御回路２４が監視する接片３１ｃの開閉状態を示す信号である。

制御回路２４は、電力変換装置が直流電力を交流電力へ変換を始めるＡ点で信号ＳをＨｉ状態に保ち励磁コイル３２の連続通電を開始する。

励磁コイル３２が通電されると、励磁コイル３２へ供給される電流が定格電流に達しＢ点で接片３１ａ〜３１ｃが閉じる。

接片３１ａ〜３１ｃが閉じると制御回路２４は、リレー２１が閉状態で有ることを検出する。この後、リレー２１がある程度の時間閉状態もしくは連続して閉状態であることが判断されると、制御回路２４は、Ｌｏｗ状態とＨｉ状態とを周期的に繰り返す信号Ｓを生成してスイッチング素子３３へ出力する（Ｃ点）。するとスイッチング素子３３が導通／遮断（オン／オフ）を繰り返し、励磁コイル３２に供給される電流は、この導通／遮断に合わせて増減するが励磁コイル３２のインダクタンスにより図３（ｂ）のようになる。制御回路２４は、この際の励磁コイル３２への平均供給電力を、リレー２１の接片３１ａ〜３１ｃが閉状態を維持できるように信号Ｓを生成する。この信号Ｓによりスイッチング素子３３が駆動すると、励磁コイル３２への通電電流は最大値より小さい値で増減するようになる。即ち、励磁コイル３２へは、励磁コイル３２へ連続通電した際より小さい電力が供給されることになる。

リレー２１の接片３１ａ〜３１ｃを開状態から閉状態にするときの電流値（第１電流値）よりも、リレー２１の接片３１ａ〜３１ｃを閉状態に保てない電流値（第２電流値）の方が小さいため、励磁コイル３２への通電電流は第２電流値以上に保たれていればリレー２１の接片３１ａ〜３１ｃを閉状態に保つことができる。

この際、励磁コイル３２の抵抗値は一般に小さいためスイッチング素子３３をオン／オフする周期が長いと励磁コイル３２の間欠通電で第２電流値以下となる期間が生じ接片３１ａ〜３１ｃはチャタリングを起こす。このため、本発明ではこの間欠通電をする周期と励磁コイル３２のインダクタンスと励磁コイルへの印加電圧の値とから接片３１ａ〜３１ｃがチャタリングを起こさない周期を設定している。すなわち、スイッチング素子３３がオフの期間でも励磁コイル３２に流れる電流が第２電流値を下回らない周期と印加電圧が用いられている。

従って、励磁コイル３２に供給される電力は接片３１ａ〜３１ｃを閉状態に保持できる値まで下げることができる。この値は電流の励磁コイル３２のインダクタンスやスイッチング素子３３をオン／オフする周期などに起因する脈動分を考慮して適に設定すればよい。

太陽電池１の出力が小さくなって太陽電池１と商用電力系統３とを切り離すときは信号ＳをＬｏｗ状態にする（Ｄ点）。これにより励磁コイル３２への通電が遮断されリレー２１の接片３１ａ〜３１ｃが接点から離れ（Ｅ点）、制御回路２４は、接片３１ａ〜３１ｃが開状態になったことを検出できる。このようにして、制御回路２４は、リレー２１の接片３１ａ〜３１ｃの開閉状態を制御する。

以上のように、本実施形態によれば、リレーの接片の開閉状態を検知できるので励磁コイルの通電制御へ用いることが可能となり、励磁コイルへの電力供給量を減らすタイミングを実際のリレーの接片の開閉状態に連携させることが可能となる。これにより、リレー２１が閉じた後速やかに励磁コイルへの電力供給量を減らすことができ、電力の消費量を抑えることができる。また、太陽電池１などの直流電源からリレー２１の通電電力を得ている場合ではリレー２１の消費電力が抑えられた分電力変換装置の変換効率の低下を抑制できるものである。

また、検知部はリレー２１の励磁コイル３２へ電力を供給していない際にリレー接片の開閉状態の判断（リレー接片と接点との溶着検出）に用いられると共に、リレー２１の開状態から閉状態に遷移する際にも共通して用いられるため夫々別々の検出部を設ける必要が無い。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、以上の説明は本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明はその趣旨を逸脱することなく、変更、改良され得ると共に本発明にはその等価物が含まれることは勿論である。

例えば、リレー２１の接片３１ａ〜３１ｂは交流電力を商用電力系統３へ連系させる接片であるが、直接交流負荷へ供給する接片であっても良い。また、リレー２１は太陽電池１の出力を直接直流負荷へ供給させるためのものであってよく、本発明で通電が制御されるリレーの用途は限定されるものではないが、励磁コイルに通電する電流が大きければ大きいほど電力の削減効果が大きくなるものである。

また、例えば、電力変換装置２に昇圧回路２１を設けていたが、昇圧回路２１を省いて、太陽電池１の出力から交流電力に変換するようにしても良い。

また、例えば、制御回路２４は、リレー２１の励磁コイル３２を少ない電力で励磁している間（ＣＤ間）にリレー２１の接片３１ａ〜３１ｃの開状態が検知された際はリレー２１の励磁コイル３２へ供給する電力を増加させて、再度リレーを２１閉状態に戻すようにしても良い。

この様にすることで、励磁コイル３２への電力供給量の不足や、振動・衝撃などの外的要因でリレーの接片が開いてしまった場合でもリレーの接片を閉状態に復帰することができる。

また、励磁コイル３２への通電量、すなわち供給電力はスイッチング素子３３を周期的にオン／オフさせそのオンのデューティを変えて減少させているがこのような方法に限定されるものではない。

例えば、励磁コイル３２を通電する回路を２回路設け、一方を通常の通電、他方を通電電力が少なくなるように構成し、これらを切り換えるように制御してもよく、またスイッチング素子３３を能動領域で作動させ励磁コイル３２への通電電流を制限して消費電力を減らす構成としてもよい。

１太陽電池（直流電源）
２電力変換装置
３商用電力系統（系統電源）
４負荷
１０太陽光発電システム
２１リレー
２２昇圧回路
２３インバータ回路
２４制御回路
３１接片
３２励磁コイル
３３スイッチング素子

Claims

直流電源の出力もしくはこの直流電源の出力を昇圧し交流電力に変換した後、当該交流
電力をリレーの接片を介して負荷へ供給可能に成した電力変換装置において、前記リレー
の連動している３つ接片の開閉状態を検知するための検知部を備え、前記検知部は前記リ
レーの励磁コイルへ電力を供給していない際に前記３つの接片のうち特定の接片が閉状態
であると判断した場合に前記リレーの連動している接片の溶着状態の判断を行うと共に、
前記検知部が前記リレーの励磁コイルへ連続した通電を行い前記検知部で前記リレーの前
記特定の接片の閉状態を判断した後、この閉状態が連続して検知できる間に前記リレーの
励磁コイルへの平均供給電力を前記リレーの接片が閉状態を維持できる電力以上の値まで
下げる通電制御部を備えることを特徴とする電力変換装置。
前記リレーの接片は前記交流電力を系統電源へ連系させることを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
前記リレーの接片は前記交流電力を直接交流負荷へ供給させることを特徴とする請求項
１又は請求項２に記載の電力変換装置。
前記リレーの接片は前記交流電力を負荷へ供給させることを特徴とする請求項１又は
請求項２に記載の電力変換装置。
前記リレーの励磁コイルへ下げた電力を供給している間に検知部で前記リレーの接片の
開状態が検知された際は前記リレーの励磁コイルへ供給する電力を増加させることを特徴
とする請求項２に記載の電力変換装置。