JP6075041B2

JP6075041B2 - 変換装置

Info

Publication number: JP6075041B2
Application number: JP2012265091A
Authority: JP
Inventors: 真二郎品田
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2012-12-04
Filing date: 2012-12-04
Publication date: 2017-02-08
Anticipated expiration: 2032-12-04
Also published as: JP2014110717A

Description

本発明は、例えば太陽光発電と、蓄電池とを電源として、これらを統合した直流電圧を供給するための変換装置に関する。

近年、太陽光発電が一般家庭に普及している。太陽光発電による発電電力は、その家庭内で使用できるほか、余剰電力は、電力会社に売電することができる。これにより、自然エネルギーを有効活用し、電力会社からの買電電力量を低減することができる。
しかし最近はさらに進んで、商用電源への依存度を低減すべく、自立発電を行うことが考えられている。ところが、太陽光発電は、日中であっても、時刻や天候により発電電力が大きく変動する不安定な電力源である。そこで、蓄電池（二次電池）を太陽光発電と併用することにより、自家製の、安定した直流電源を供給することが提案されている（例えば、特許文献１参照。）。

図１４は、宅内での自立発電に関する単線接続図の一例である（商用電源系統は省略している。）。図において、太陽光発電パネル１の出力（直流）は、ＤＣ／ＤＣコンバータＣ１を介してインバータ７により交流に変換され、負荷８に電力を供給することができる。ＤＣ／ＤＣコンバータＣ１の出力は、双方向性のＤＣ／ＤＣコンバータＣ２を介して、蓄電池６を充電することができる。また、蓄電池６は、その放電により、ＤＣ／ＤＣコンバータＣ２及びインバータ７を介して、負荷８に電力を供給することができる。

特開２０１２−９５４１８号公報（図１）

図１４において、ＤＣ／ＤＣコンバータＣ１，Ｃ２は、それぞれ内部に（図示略）、スイッチング素子を含むチョッパ回路及び、これを駆動するＣＰＵ等を有している。また、スイッチングされた出力電圧（リプルを含む。）を平滑化し、出力電流を安定させるために、大容量の電解コンデンサ（図示略）が、それぞれのＤＣ／ＤＣコンバータＣ１，Ｃ２に設けられている。

しかしながら、このような大容量のコンデンサが、それぞれのコンバータに必要であることは、回路の簡素化及びコスト低減の観点からは、好ましくない。
かかる課題に鑑み、本発明は、複数のＤＣ／ＤＣコンバータを含む変換装置において、平滑用のコンデンサの数と容量を低減することを目的とする。

明細書の開示は、以下の発明を含んでいる。但し、本発明は特許請求の範囲によって定められる。
これは、発電電力が環境によって変動する発電装置から出力する第１電源、及び、蓄電池を含む第２電源に接続され、一系統で直流電圧を出力する変換装置であって、前記第１電源と接続され、変圧制御を行う第１変換器と、前記第２電源と接続され、充電及び放電に対応した双方向変換を行う第２変換器と、前記第１変換器及び前記第２変換器の各出力を統合した電路に設けられた平滑用のコンデンサと、前記第１変換器及び前記第２変換器を制御し、前記第１変換器を動作させる位相と、前記第２変換器を動作させる位相とを、互いに、所定の位相分だけずらす制御部とを備えている。

上記のように構成された変換装置では、第１，第２変換器に共通の制御部により、２つの変換器が動作する位相をずらすことによって、充電・放電のいずれの場合においてもコンデンサに流れるリプル電流を低減することができた。従って、コンデンサの負担を軽減し、コンデンサの小容量化を実現することができる。また、このコンデンサは、第１，第２の変換器に対して共用されているので、最小限個数で足りる。

また、上記変換装置において、所定の位相分とは、１０度〜１８０度の範囲内であり得る。
この範囲内で位相のずれ量を設定することにより、コンデンサに流れるリプル電流を減らす効果が得られる。

本発明の変換装置によれば、平滑用のコンデンサの数を最小限個数とし、また、その容量を低減することができる。

本発明の一実施形態に係る変換装置を含む、宅内での自立発電に関する単線接続図の一例である。図１における変換装置の具体的な回路図の一例である。比較例として、２つのＤＣ／ＤＣコンバータが互いに同じ位相で動作する場合に、それによってコンデンサに流れるリプル電流を示す波形図である。実施例として、２つのＤＣ／ＤＣコンバータが互いに１８０度ずれた位相で動作する場合に、それによってコンデンサに流れるリプル電流を示す波形図である。比較例として、図３とは異なる条件で、２つのＤＣ／ＤＣコンバータが互いに同じ位相（タイミング）で動作する場合に、それによってコンデンサに流れるリプル電流を示す波形図である。実施例として、図４とは異なる条件で、２つのＤＣ／ＤＣコンバータが互いに１８０度ずれた位相で動作する場合に、それによってコンデンサに流れるリプル電流を示す波形図である。２つのＤＣ／ＤＣコンバータにおける駆動波形の位相のずれを示す図である。位相のずれを０度〜１８０度の間で変化させて、リプル電流がどのように変化するかを表すグラフである。ＤＣ／ＤＣコンバータのデューティをパラメータとして変化させながら、位相のずれとリプル電流との関係を調べたグラフである。２つのＤＣ／ＤＣコンバータでデューティが互いに異なる場合の、位相のずれとリプル電流との関係を調べたグラフである。変換装置の変形例を示す回路図である。（ａ）は、３つのＤＣ／ＤＣコンバータ間で位相を全くずらさない場合に、コンデンサに流れる合成リプル電流の波形図であり、（ｂ）は、３つのＤＣ／ＤＣコンバータ間で位相を相互に１２０度ずらした場合に、コンデンサに流れる合成リプル電流の波形図である。図２における蓄電池側のＤＣ／ＤＣコンバータに代えて使用することができる絶縁型で双方向性のＤＣ／ＤＣコンバータを示す回路図の一例である。従来の、宅内での自立発電に関する単線接続図の一例である。

図１は、本発明の一実施形態に係る変換装置１００を含む、宅内での自立発電に関する単線接続図の一例である（商用電源系統は省略している。）。
図において、変換装置１００は、その入力側においては２つの直流電源と接続されており、出力側においては一系統で直流電圧をＤＣバスＢに出力する。ＤＣバスＢには直流負荷を接続できるほか、直流電圧をインバータ７で交流電圧に変換して交流の負荷８に電力を供給することができる。

上記２つの直流電源のうち「第１電源」は、太陽光発電パネル５であり、「第２電源」は、蓄電池６である。太陽光発電パネル５は、その発電電力が環境（時刻、天候、季節等）によって変動する。蓄電池６としては、鉛蓄電池、リチウムイオン電池、溶融塩電池等の二次電池を使用することができる。
変換装置１００は、太陽光発電パネル５の出力電圧を昇圧し、かつ、ＭＰＰＴ（最大電力点追従）制御を行うためのＤＣ／ＤＣコンバータ１（第１変換器）、蓄電池６用の双方向性のＤＣ／ＤＣコンバータ２（第２変換器）、制御部３、及び、平滑用のコンデンサ（例えば電解コンデンサ）４を備えている。コンデンサ４は、２つのＤＣ／ＤＣコンバータ１，２の出力がＰ点で統合された後の電路に接続されている。

図２は、変換装置１００の具体的な回路図の一例である。ＤＣ／ＤＣコンバータ１は、インダクタ１１と、ダイオード１２と、半導体スイッチング素子（以下、単にスイッチング素子という。）１３とを有し、昇圧チョッパを構成している。なお、ダイオード１２に代えて、スイッチング素子を用いた同期整流を行うこともできる。制御部３は、スイッチング素子１３のオン・オフをＰＷＭ制御してＭＰＰＴ制御を行うことができる。ＤＣ／ＤＣコンバータ１の出力電圧はコンデンサ４によって平滑され、ＤＣバスＢの２線間に、直流電圧を提供する。

一方、ＤＣ／ＤＣコンバータ２は、インダクタ２１と、スイッチング素子２２，２３とを有し、昇降圧チョッパを構成している。例えば、ＤＣバスＢの２線間に印加される直流電圧をＤＣ／ＤＣコンバータ２で降圧して蓄電池６の充電を行うことができる。また、逆に、蓄電池６の直流電圧をＤＣ／ＤＣコンバータ２で昇圧して、ＤＣバスＢの２線間に直流電圧を供給することができる。すなわち、ＤＣ／ＤＣコンバータ２は、蓄電池６からＤＣバスＢの方向には昇圧、その逆の方向には降圧の機能を発揮することができる。

制御部３は、昇圧時にはスイッチング素子２２をオフとして、スイッチング素子２３をＰＷＭ制御することにより、昇圧された直流電圧を、スイッチング素子２２の内蔵（寄生）ダイオード２２ｄを介してＤＣバスＢの２線間に供給する。また、制御部３は、降圧時にはスイッチング素子２３をオフとして、スイッチング素子２２をＰＷＭ制御することにより、降圧された充電用の直流電圧を、蓄電池６に供給する。

次に、制御部３によるスイッチング素子１３，２２，２３の制御について詳細に説明する。以下、本発明の一実施形態に係る変換装置１００の制御部による制御を「実施例」として示し、本発明の一実施形態に係る変換装置１００の制御部による制御には属さない制御を、対比説明のための「比較例」として示す。

《ＤＣ／ＤＣコンバータ２が昇圧動作するとき：比較例》
図３は、比較例として、ＤＣ／ＤＣコンバータ２が昇圧動作するにあたって、ＤＣ／ＤＣコンバータ１と同じ位相（タイミング）で動作する場合に、それによってコンデンサ４に流れるリプル電流を示す波形図である。図において、（ａ）は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１のスイッチング素子１３に対する駆動波形を、（ｂ）は、ＤＣ／ＤＣコンバータ２のスイッチング素子２３に対する駆動波形を、それぞれ示している。なお、図中の「回路１」及び「回路２」は、それぞれ、ＤＣ／ＤＣコンバータ１及びＤＣ／ＤＣコンバータ２に関することを示している（以下同様。）。

図３の（ｃ）は、（ａ）に示す駆動波形によって、コンデンサ４に流れるリプル電流を表している。また、図３の（ｄ）は、（ｂ）に示す駆動波形によって、コンデンサ４に流れるリプル電流を表している。このように、スイッチング素子１３，２３がオフのときにリプル電流が流れ、（ｃ）、（ｄ）の位相は互いに同じである。従って、コンデンサ４には、（ｅ）に示す合成リプル電流が流れる。

《ＤＣ／ＤＣコンバータ２が昇圧動作するとき：実施例》
図４は、実施例として、ＤＣ／ＤＣコンバータ２が昇圧動作するにあたって、ＤＣ／ＤＣコンバータ１とは１８０度ずれた位相で動作する場合に、それによってコンデンサ４に流れるリプル電流を示す波形図である。図において、（ａ）は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１のスイッチング素子１３に対する駆動波形を、（ｂ）は、ＤＣ／ＤＣコンバータ２のスイッチング素子２３に対する駆動波形を、それぞれ示している。すなわち、（ａ）と（ｂ）とでは、位相が互いに１８０度ずれている。

図４の（ｃ）は、（ａ）に示す駆動波形によって、コンデンサ４に流れるリプル電流を表している。また、図４の（ｄ）は、（ｂ）に示す駆動波形によって、コンデンサ４に流れるリプル電流を表している。このように、スイッチング素子１３，２３がオフのときにリプル電流が流れ、（ｃ）、（ｄ）の位相は互いに１８０度ずれている。この場合、コンデンサ４には、（ｅ）に示す合成リプル電流が流れる。図３の（ｅ）と、図４の（ｅ）とは互いに、縦軸・横軸のスケールが同じである。図４の（ｅ）の波形の実効値は、図３の（ｅ）の波形の実効値に比べて、格段に小さくなる。

《ＤＣ／ＤＣコンバータ２が降圧動作するとき：比較例》
図５は、比較例として、ＤＣ／ＤＣコンバータ２が降圧動作するにあたって、ＤＣ／ＤＣコンバータ１と同じ位相で動作する場合に、それによってコンデンサ４に流れるリプル電流を示す波形図である。図において、（ａ）は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１のスイッチング素子１３に対する駆動波形を、（ｂ）は、ＤＣ／ＤＣコンバータ２のスイッチング素子２２に対する駆動波形を、それぞれ示している。

図５の（ｃ）は、（ａ）に示す駆動波形によって、コンデンサ４に流れるリプル電流を表している。また、図５の（ｄ）は、（ｂ）に示す駆動波形によって、コンデンサ４に流れるリプル電流を表している。このように、スイッチング素子１３，２２がオフのときにリプル電流が流れ、（ｃ）、（ｄ）の位相は互いに同じである。従って、コンデンサ４には、（ｅ）に示す合成リプル電流が流れる。

《ＤＣ／ＤＣコンバータ２が降圧動作するとき：実施例》
図６は、実施例として、ＤＣ／ＤＣコンバータ２が降圧動作するにあたって、ＤＣ／ＤＣコンバータ１とは１８０度ずれた位相で動作する場合に、それによってコンデンサ４に流れるリプル電流を示す波形図である。図において、（ａ）は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１のスイッチング素子１３に対する駆動波形を、（ｂ）は、ＤＣ／ＤＣコンバータ２のスイッチング素子２２に対する駆動波形を、それぞれ示している。すなわち、（ａ）と（ｂ）とでは、位相が互いに１８０度ずれている。

図６の（ｃ）は、（ａ）に示す駆動波形によって、コンデンサ４に流れるリプル電流を表している。また、図６の（ｄ）は、（ｂ）に示す駆動波形によって、コンデンサ４に流れるリプル電流を表している。このように、スイッチング素子１３，２２がオフのときにリプル電流が流れ、（ｃ）、（ｄ）の位相は互いに１８０度ずれている。この場合、コンデンサ４には、（ｅ）に示す合成リプル電流が流れる。図５の（ｅ）と、図６の（ｅ）とは互いに、縦軸・横軸のスケールが同じである。図６の（ｅ）の波形の実効値は、図５の（ｅ）の波形の実効値に比べて、格段に小さくなる。

以上のように、上記の変換装置１００では、制御部３により、２つのＤＣ／ＤＣコンバータ１，２が動作する位相をずらすことによって、コンデンサ４に流れるリプル電流を低減することができる。従って、コンデンサ４の負担を軽減し、コンデンサ４の小容量化を実現することができる。また、このコンデンサは、ＤＣ／ＤＣコンバータ１，２に対して共用されているので、リプル電流に耐え得る最小限個数で足りることになる。

《位相のずれ量とリプル電流との関連性》
ここで、位相のずれ量と、リプル電流の低減効果との関係について調べた。まず、図７は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１，２における駆動波形の位相のずれΔφを示す図である。
図８は、ＤＣ／ＤＣコンバータ２が降圧動作するときに、Δφを０度〜１８０度の間で変化させて、リプル電流がどのように変化するかを表すグラフである。縦軸は、Δφが０度である（すなわち位相をずらさない）場合のリプル電流を１００［％］としたときの、リプル電流の割合［％］を示している。

図８により明らかに、Δφを０から１２０度まで増大させると、概ね直線的にリプル電流が低下した。特に、９０度以上では２／３以下になる効果が見られ、１２０度で最小値（５５％）となった。また、１２０度〜１８０度の範囲では、概ね一定の値となり、優れた低減効果が確認された。

さらに、ＤＣ／ＤＣコンバータ２が降圧動作するとき、という条件は同じであるが、ＤＣ／ＤＣコンバータ１，２のデューティＤ（昇圧比＝１／（１／Ｄ）、降圧比＝Ｄ）をパラメータとして変化させながら、Δφとリプル電流との関係を調べた。
図９が、この結果を示すグラフである。図中の菱形のプロット点は、デューティＤ＝６６％、正方形のプロット点は、デューティＤ＝５０％、三角のプロット点は、デューティＤ＝３３％である。

図９より、２回路（ＤＣ／ＤＣコンバータ１，２）でデューティが同じである場合には、Δφが０から増大すると、概ね直線的にリプル電流が低下することがわかる。特に、９０度を超えるあたりから、少なくともほぼ６０％には低下する。また、Δφ＝１０度でも、一定の低減効果は見られた。これは、図８でも同様である。従って、１０度〜１８０度の範囲内で位相のずれ量を設定することにより、コンデンサに流れるリプル電流を減らす効果が得られる。

また、さらに、ＤＣ／ＤＣコンバータ２が降圧動作するとき、という条件は同じであるが、図９と異なって、２回路（ＤＣ／ＤＣコンバータ１，２）でデューティが互いに異なる場合についても調べた。
図１０が、この結果を示すグラフである。図中の菱形のプロット点は、昇圧比３．０倍（Ｄ＝２／３）、降圧比１／３（Ｄ＝１／３）、正方形のプロット点は、昇圧比１．５倍（Ｄ＝１／３）、降圧比２／３（Ｄ＝２／３）、三角のプロット点は、昇圧比１．５倍（Ｄ＝１／３）、降圧比１／２（Ｄ＝１／２）である。

図１０より、２回路（ＤＣ／ＤＣコンバータ１，２）でデューティが異なる場合には、Δφが０から増大すると、Δφが１２０度から１８０度の範囲で、低減効果が現れている。１８０度の場合には、３つの特性のいずれでもリプル電流の低減効果が確実に現れている。また、注目すべきは、正方形のプロット点の特性では、１２０度で顕著に低減されていることである。すなわち、１８０度が最も低減効果が高いとは一概には言えず、条件によって、低減効果が顕著に出る位相が存在すると解される。

図１１は、図２の変換装置１００の変形例としての、他の変換装置１００を示す回路図である。この場合、太陽光発電パネルが２系統あり、それぞれ、ＤＣ／ＤＣコンバータ１Ａ，１Ｂを介して、ＤＣバスＢに接続される。この場合、図２との比較で言えば、さらに「第３電源」が存在している。図１１の場合、３つのＤＣ／ＤＣコンバータ１Ａ，１Ｂ，２の間で位相を、例えば１２０度相互にずらすことができる。

図１２の（ａ）は、図１１の変換装置１００において、比較例として、３つのＤＣ／ＤＣコンバータ１Ａ，１Ｂ，２の間で位相を全くずらさない場合に、コンデンサ４に流れる合成リプル電流の波形図である。なお、デューティは０．５とした。この結果、リプル電流の実効値は２２．１Ａであった。
また、図１２の（ｂ）は、実施例として、３つのＤＣ／ＤＣコンバータ１Ａ，１Ｂ，２の間で位相を相互に１２０度ずらした場合に、コンデンサ４に流れる合成リプル電流の波形図である。なお、デューティは０．５とした。この結果、リプル電流の実効値は９．１８Ａとなり、（ａ）との比較において大幅に低減された。すなわち、１つの制御部３でＮ個の回路（ＤＣ／ＤＣコンバータ）を扱う場合は、３６０度／Ｎの範囲内で位相をずらすことにより、リプル電流の低減効果が得られる。

《第１変換器の他の例》
なお、上記実施形態においては、第１変換器として昇圧チョッパ機能を有するＤＣ／ＤＣコンバータ１等を用いたが、第１変換器として降圧チョッパ機能を有するＤＣ／ＤＣコンバータを用いた変換装置も同様に構成することができる。すなわち、第１変換器は変圧（昇圧又は降圧）を行うものである。

《第２変換器の他の例》
なお、図２に示したＤＣ／ＤＣコンバータ２（第２変換器）は、非絶縁型であるが、絶縁型で双方向性のＤＣ／ＤＣコンバータを使用することもできる。
図１３は、図２におけるＤＣ／ＤＣコンバータ２に代えて使用することができる絶縁型で双方向性のＤＣ／ＤＣコンバータ２Ａを示す回路図の一例である。図において、このＤＣ／ＤＣコンバータ２Ａは、整流回路２０１ｒ／スイッチング回路２０１ｓと、絶縁トランス２０２と、スイッチング回路２０３ｓ／整流回路２０３ｒとを備えている。蓄電池６（図１）を充電するときは、スイッチング回路２０３ｓでスイッチングした電圧が絶縁トランス２０２により降圧され、整流回路２０１ｒによって整流された直流電圧が蓄電池６に供給される。蓄電池６を放電させるときは、スイッチング回路２０１ｓでスイッチングした電圧が絶縁トランス２０２により昇圧され、整流回路２０３ｒによって整流された直流電圧が出力される。

《その他》
なお、図２又は図１１に示した変換装置１００の実施形態では、第１電源（第３電源がある場合も同様。）を太陽光発電パネル５としたが、その他、例えば家庭用の小規模な風力発電でも第１電源となり得る。すなわち、発電電力が環境によって変動する発電装置から出力し、蓄電池６との併用に適したものであれば、これを電源として、上記変換装置１００を適用することができる。

なお、今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。

１，１ＡＤＣ／ＤＣコンバータ（第１変換器）
２，２ＡＤＣ／ＤＣコンバータ（第２変換器）
３制御部
４コンデンサ
５太陽光発電パネル（第１電源）
６蓄電池（第２電源）
１００変換装置

Claims

発電電力が環境によって変動する発電装置から出力する第１電源、及び、蓄電池を含む第２電源に接続され、一系統で直流電圧を出力する変換装置であって、
前記第１電源と接続され、変圧制御を行う第１変換器と、
前記第２電源と接続され、充電及び放電に対応した双方向変換を行う第２変換器と、
前記第１変換器及び前記第２変換器の各出力を統合した電路に設けられた平滑用のコンデンサと、
前記第１変換器及び前記第２変換器をそれぞれのデューティで制御し、前記第１変換器を動作させる位相と、前記第２変換器を動作させる位相との、相互の位相のずれに対してデューティをパラメータとして変化する、前記コンデンサに流れるリプル電流の特性に基づいて、現在のデューティにおいてリプル電流を抑制する位相のずれを生じさせるよう制御する制御部と
を備えている変換装置。
前記位相のずれとは、１０度〜１８０度の範囲内である請求項１に記載の変換装置。