JP6459130B2 - 電力変換装置及びそれを用いたパワーコンディショナ - Google Patents

Description

本発明は、一般に、電力変換装置及びそれを用いたパワーコンディショナ、より詳細にはスナバ回路を備えた電力変換装置及びそれを用いたパワーコンディショナに関する。

従来、半導体スイッチを用いたＤＣ／ＤＣコンバータが知られている（例えば特許文献１参照）。特許文献１のＤＣ／ＤＣコンバータの半導体スイッチには、等価的に並列接続された寄生キャパシタンスが存在する。また、ＤＣ／ＤＣコンバータの回路の配線には寄生インダクタンスが存在する。ＤＣ／ＤＣコンバータでは、半導体スイッチがスイッチング動作を行うと、共振ループが形成されて半導体スイッチにサージ電圧が生じる。サージ電圧は寄生インダクタンスが蓄積するエネルギーに応じて大きくなる。そこで引用文献１では、サージ電圧抑制のためのスナバ回路を備えている。スナバ回路は、抵抗とコンデンサとが直列に接続された回路で構成されている。スナバ回路の抵抗は、共振エネルギーを消費する。

半導体スイッチを用いたＤＣ／ＤＣコンバータでは、一般に、半導体スイッチを駆動させるための電力を供給する電源回路が必要である。

特開２０１４−０６８４２８号公報

ＤＣ／ＤＣコンバータの半導体スイッチのスイッチング動作が高速になるにつれて、スナバ回路が消費する共振エネルギーが増加する。そのため、高速でスイッチング動作を行うＤＣ／ＤＣコンバータでは、スナバ回路が消費する共振エネルギーが増加し、電力の利用効率が低下するという問題があった。

本発明は上記課題に鑑みてなされ、電力の利用効率の向上を図れ、かつ電源回路に必要な電力を確保することが可能な電力変換装置及びそれを用いたパワーコンディショナを提供することを目的とする。

本発明の電力変換装置は、１次側回路と、前記１次側回路と電気的に絶縁された２次側回路とを備え、前記１次側回路は、前記１次側回路と前記２次側回路との間で交流電力を伝達する第１絶縁トランスの１次巻線と、前記１次巻線に接続された第１電力変換回路と、前記第１電力変換回路を制御する制御部と、前記第１電力変換回路に接続されたスナバ回路とを有し、前記２次側回路は、前記第１絶縁トランスの２次巻線と、前記２次巻線に接続された第２電力変換回路とを有し、前記スナバ回路は、コンデンサを含み、前記制御部に電力を供給する電源回路と、前記コンデンサと前記電源回路とを接続する第１電路と、前記１次側回路に接続される分散型電源と前記電源回路とを接続する第２電路と、前記２次側回路に接続される電力系統から供給される電力を前記電源回路に伝達する第２絶縁トランスとをさらに備え、前記第１電路及び前記第２電路には各々、電流を前記電源回路に流す方向に制限する逆流防止用のダイオードが接続され、前記電源回路は、前記コンデンサ、前記分散型電源及び前記電力系統のうちの何れかから電力が供給されることを特徴とする。

本発明のパワーコンディショナは、上記した電力変換装置と、前記電力変換装置の出力する直流電力を交流電力に変換して電力系統へ出力するインバータとを備えたことを特徴とする。

本発明の電力変換装置によれば、電力の利用効率の向上を図れ、かつ電源回路に必要な電力を確保することが可能となる。

本発明のパワーコンディショナによれば、電力の利用効率の向上を図れ、かつ電源回路に必要な電力を確保することが可能となる。

実施形態１に係る電力変換装置の回路図及びパワーコンディショナのブロック図である。 実施形態２に係る電力変換装置の回路図である。 実施形態３に係る電力変換装置の回路図である。

（実施形態１）
以下、本実施形態の電力変換装置１と、それを用いたパワーコンディショナ１００について図１を参照して説明する。

パワーコンディショナ１００は、図１に示すように、電力変換装置１と、インバータ１０１とを備える。本実施形態のパワーコンディショナ１００はさらに、解列器１０２（例えばリレーなど）と、直流開閉器２０２とを備える。パワーコンディショナ１００は、商用系統電源などを含む電力系統２０４と、直流の分散型電源である太陽電池２０１とに電気的に接続されている。

電力変換装置１は、直流開閉器２０２を介して太陽電池２０１に電気的に接続される。電力変換装置１は、太陽電池２０１からの直流電圧を所定の直流電圧に変換してインバータ１０１に出力する。インバータ１０１は、電力変換装置１からの直流電圧を交流電圧に変換して負荷２０３及び電力系統２０４に出力する。電力系統２０４は、例えば、電力会社の発電所からパワーコンディショナ１００までを結ぶ配電系統である。負荷２０３は、交流電力で動作する機器である。解列器１０２は、インバータ１０１を電力系統２０４から電気的に切り離すために設けられている。パワーコンディショナ１００は、解列器１０２を開状態にして分散型電源を電力系統２０４から解列させる。またパワーコンディショナ１００は、解列器１０２を閉状態にして太陽電池２０１を電力系統２０４に連系させる。これにより太陽電池２０１から電力変換装置１とインバータ１０１とを介して電力系統２０４及び負荷２０３に電力が供給される。本実施形態では片方向のＤＣ−ＤＣコンバータとして用いられる電力変換装置１及びそれを用いたパワーコンディショナ１００について説明する。

インバータ１０１の一対の入力端には電力変換装置１が電気的に接続されている。インバータ１０１は、電力変換装置１から一対の入力端に入力される直流電力を交流電力に変換し、その交流電力を一対の出力端へ出力する。インバータ１０１の一対の出力端には解列器１０２が電気的に接続される。解列器１０２は、インバータ１０１の一対の出力端と、電力系統２０４との間に電気的に接続されている。本実施形態の解列器１０２は、制御部７からの解列信号が入力されるとインバータ１０１と電力系統２０４とを電気的に切り離し、系統連系している太陽電池２０１を解列させる。例えば太陽電池２０１が単独運転している場合、制御部７からの解列信号に応じて解列器１０２が開状態となる。

直流開閉器２０２は、パワーコンディショナ１００と太陽電池２０１との間に設けられ、パワーコンディショナ１００と太陽電池２０１とを電気的に接続する状態（以下「閉状態」と呼ぶ）と、電気的に切り離す状態（以下「開状態」と呼ぶ）とを切り替える。直流開閉器２０２は、制御部７からの信号に応じて開状態と閉状態とを切り替える。なお、直流開閉器２０２は、手動操作によって開状態と閉状態とを切り替えることができるように構成されていてもよい。

直流開閉器２０２は、通常、閉状態にされているが、例えば作業者がパワーコンディショナ１００のメンテナンスを行う前に開状態にされる。具体的に言うと、直流開閉器２０２は、制御部７からの開状態を指示する信号が入力された場合や作業者によって手動で操作された場合に開状態にされる。直流開閉器２０２が開状態にされることにより、パワーコンディショナ１００が太陽電池２０１から電気的に切り離される。また、作業者がパワーコンディショナ１００のメンテナンスを行う前に、解列器１０２と直流開閉器２０２との各々を開状態にすることにより、電力変換装置１に直流電力が供給されない状態にすることができる。

電力変換装置１は、１次側回路３と、１次側回路３と電気的に絶縁された２次側回路４と、電源回路８と、第１電路６０１と、第２電路６０２と、第１絶縁トランス２０と、第２絶縁トランス２３とを備えている。本実施形態の電力変換装置１はさらに、第２絶縁トランス２３の２次側に電気的に接続された第３電力変換回路３５と、一対の端子３３，３４と、一対の端子４３，４４間の電圧を計測する計測部と、一対の端子４３，４４とを備えている。

一対の端子３３，３４は、電力変換装置１に直流電力を入力するために設けられた入力端子であり、端子３３は端子３４よりも高電位側の入力端子である。一対の端子４３，４４は、電力変換装置１から直流電力を出力するために設けられた出力端子であり、端子４３は端子４４よりも高電位側の出力端子である。計測部は、一対の端子３３，３４に入力される直流電圧の電圧値を計測し、計測結果を制御部７に出力する。なお計測部は、電圧値の他にも例えば電流などを計測してもよい。

なお、電力変換装置１がパワーコンディショナ１００の一部として提供され、電力変換装置１に電気的に接続されている回路構成が変更されないような場合、電力変換装置１は一対の端子３３，３４及び一対の端子４３，４４を必ずしも有していなくてもよい。

１次側回路３は、第１絶縁トランス２０の１次巻線２１と、１次巻線２１に接続された第１電力変換回路３０と、第１電力変換回路３０を制御する制御部７と、第１電力変換回路３０に接続されたスナバ回路５とを有している。本実施形態の１次側回路３はさらにリアクトル５０１を有している。第１絶縁トランス２０は、１次側回路３と２次側回路４とを電気的に絶縁し、かつ１次側回路３と２次側回路４との間で交流電力を伝達する。第１電力変換回路３０の一対の入力端の各々には、対応する一対の端子３３，３４が電気的に接続されている。

２次側回路４は、第１絶縁トランス２０の２次巻線２２と、２次巻線２２に接続された第２電力変換回路４０とを有している。２次側回路４はさらに、第２電力変換回路４０に接続された平滑用のコンデンサ４２を有する。２次側回路４は、第１絶縁トランス２０の絶縁機能により、１次側回路３と電気的に絶縁される。

第２電力変換回路４０は、一対の入力端間に入力される交流電力を全波整流して一対の出力端間から出力する回路である。第２電力変換回路４０の一対の入力端間には、第１絶縁トランス２０の２次巻線２２が電気的に接続されている。第２電力変換回路４０の一対の出力端の各々には、対応する一対の端子４３，４４が電気的に接続されている。一対の端子４３，４４間には、平滑用のコンデンサ４２が電気的に接続されている。コンデンサ４２は第２電力変換回路４０が出力する脈流電力を平滑化する。つまり第２電力変換回路４０は、２次巻線２２から一対の入力端に入力される交流電力を直流電力に変換して一対の端子４３，４４に出力する。

上述したように、本実施形態の電力変換装置１は、一対の端子３３，３４に入力された直流電圧を所定の直流電圧に変換して一対の端子４３，４４から出力する片方向のＤＣ−ＤＣコンバータである。パワーコンディショナ１００は、インバータ１０１と太陽電池２０１との間に電気的に接続されて、太陽電池２０１から供給される直流電力をインバータ１０１で交流電力に変換して負荷２０３及び電力系統２０４に出力する。

第１電力変換回路３０は、４個の半導体スイッチ３０１，３０２，３０３，３０４と、半導体スイッチ３０１，３０２，３０３，３０４を駆動させる駆動回路を有している。４個の半導体スイッチ３０１，３０２，３０３，３０４の各々は、絶縁ゲートバイポーラトランジスタである。４個の半導体スイッチ３０１，３０２，３０３，３０４の各々は、フルブリッジ型のＤＣ−ＡＣインバータ回路を構成している。半導体スイッチ３０１と半導体スイッチ３０２とは電気的に直列に接続された状態で第１電力変換回路３０の一対の入力端間に電気的に接続されている。半導体スイッチ３０３と半導体スイッチ３０４とは電気的に直列に接続された状態で第１電力変換回路３０の一対の入力端間に電気的に接続されている。半導体スイッチ３０１，３０２，３０３，３０４の各々には、ダイオードが電気的に並列に接続されている。４個のダイオードの各々は、導通方向が低電位側（端子３４側）から高電位側（端子３３側）の方向となるように設けられている。

なお、半導体スイッチ３０１，３０２，３０３，３０４は、絶縁ゲートバイポーラトランジスタの他にも、例えばゲートターンオフサイリスタや、ゲート転流型ターンオフサイリスタや、光トリガサイリスタや、双方向サイリスタなどでもよい。また半導体スイッチ３０１，３０２，３０３，３０４は、ＭＯＳＦＥＴ（metal-oxide-semiconductor field-effect transistor）などでもよい。また半導体スイッチ３０１，３０２，３０３，３０４の各々には、導通方向が低電位側（端子３４側）から高電位側（端子３３側）の方向となるダイオードが設けられていればよく、例えば寄生ダイオードなどを利用してもよい。

また第１電力変換回路３０の一対の入力端間にはスナバ回路５が電気的に接続されている。端子３３と第１電力変換回路３０との間にはリアクトル５０１が電気的に接続されている。リアクトル５０１は、第１電力変換回路３０から端子３３に高調波の電流ノイズ及び電圧ノイズが流れ込むことを抑制する。

一対の端子３３，３４間には、直流開閉器２０２を介して太陽電池２０１が電気的に接続されている。また一対の端子３３，３４間には、太陽電池２０１から供給される直流電圧に加わったノイズを低減するコンデンサが太陽電池２０１と電気的に並列に接続されている。

第１電力変換回路３０の駆動回路は、電源回路８から供給される電圧（例えば１５Ｖ）で動作する。駆動回路は、制御部７からの制御信号（例えば５Ｖの電圧信号）に応じて半導体スイッチ３０１，３０２，３０３，３０４を開閉動作させる。具体的に言うと、制御部７は、半導体スイッチ３０１及び半導体スイッチ３０３と、半導体スイッチ３０２及び半導体スイッチ３０４とを周期的に交互にオンオフすることにより直流電圧を矩形の交流電圧に変換する。すなわち第１電力変換回路３０の電力変換動作は、制御部７によって制御される。なお、図１では説明をわかりやすくするために駆動回路の図示を省略し、制御部７が半導体スイッチ３０１，３０２，３０３，３０４の各々を制御するように図示している。

第１電力変換回路３０の一対の出力端は各々、第１絶縁トランス２０の１次巻線２１の両端の各々に電気的に接続される。一対の出力端における一方の出力端は、半導体スイッチ３０１及び半導体スイッチ３０２の接続点に電気的に接続されている。一対の出力端における他方の出力端は、半導体スイッチ３０３及び半導体スイッチ３０４の接続点に電気的に接続されている。

制御部７は、マイクロコンピュータで構成されていて、マイクロコンピュータが有するメモリからプログラムを読みこんで実行することにより所望の動作を実現させる。なお、制御部７はマイクロコンピュータを用いることに限定されず、演算用のＩＣ（Integrated Circuit）などを用いてもよい。

制御部７は、第１電力変換回路３０に制御信号を出力して第１電力変換回路３０を制御する。制御部７は、計測部からの計測結果の出力（つまり太陽電池２０１の発電状況）に基づいて、第１電力変換回路３０の動作を制御する。例えば天気が曇りになったり夕方に近づいたりして太陽電池２０１の発電量が低下し、一対の端子３３，３４間の電圧値が規定値以下になると、制御部７は第１電力変換回路３０を停止状態にする。制御部７が第１電力変換回路３０を制御する詳細な動作については後述する。なお、本実施形態の制御部７は、計測部の出力に基づいて第１電力変換回路３０を制御しているが、計測部の出力を用いることに限定されず、太陽電池２０１の発電状況に基づいて第１電力変換回路３０を制御できる適宜の構成でよい。

本実施形態の制御部７はさらに、直流開閉器２０２と、インバータ１０１と、解列器１０２とを制御する。例えば制御部７は、計測部の計測結果に基づいて直流開閉器２０２の開閉を制御する。制御部７は、計測部の計測結果に基づいてインバータ１０１の動作を制御し、インバータ１０１の出力電力に応じて解列器１０２の開閉を制御する。なお、制御部７は、少なくとも第１電力変換回路３０を制御するように構成されていればよく、直流開閉器２０２と、インバータ１０１と、解列器１０２とは各々、他の構成（例えば別の制御用回路）によって制御されてもよい。

スナバ回路５は、半導体スイッチ３０１，３０２，３０３，３０４のスイッチング動作によって発生するサージ電圧を抑制する回路である。スナバ回路５は、コンデンサ５１を有している。本実施形態のスナバ回路５はさらに、ダイオード５３と、放電用のインピーダンス素子５２とを有している。インピーダンス素子５２は、抵抗である。ダイオード５３のアノードは、リアクトル５０１と第１電力変換回路３０との間に電気的に接続されている。ダイオード５３のカソードには、インピーダンス素子５２の一端と、コンデンサ５１の一方の電極と、後述するダイオード６１のアノードが各々、電気的に接続されている。インピーダンス素子５２の他端はリアクトル５０１と端子３３との間に電気的に接続されている。コンデンサ５１の他方の電極は、端子３４に電気的に接続されている。

電源回路８の一方の入力端は、電路６００を介して１次側回路３のグランドに接地されている。電源回路８の他方の入力端には、第１電路６０１と、第２電路６０２と、第３電路６０３とが各々、電気的に接続されている。第１電路６０１は、コンデンサ５１の高電位側の電極と電源回路８の他方の入力端とを接続している。第１電路６０１には、電流を電源回路８に流す方向に制限する逆流防止用のダイオード６１が接続されている。第２電路６０２は、１次側回路３に接続される太陽電池２０１の高電位側と電源回路８とを接続している。本実施形態では、第２電路６０２は、端子３３と電源回路８の他方の入力端とを接続している。第２電路６０２には、電流を電源回路８に流す方向に制限する逆流防止用のダイオード６２が接続されている。第３電路６０３は、第３電力変換回路３５の高電位側の出力端と電源回路８の他方の入力端とを接続している。

電源回路８は、コンデンサ５１、太陽電池２０１及び電力系統２０４のうちの何れかから供給される電力で動作する。電源回路８は、一対の入力端間に印加される電圧が電源回路８の最低動作電圧を超えると動作を開始し、制御部７及び第１電力変換回路３０の駆動回路に電力の供給を開始する。

電源回路８は、制御部７に電力Ｐ１を供給する。また電源回路８は、１次側回路３の駆動回路に電力を供給する。電源回路８は例えば、５Ｖの直流電圧を制御部７に出力して制御部７を動作させ、１５Ｖの直流電圧を第１電力変換回路３０の駆動回路に出力している。電源回路８は、他にも例えばインバータ１０１や解列器１０２に電力を供給するように構成されていてもよい。

第３電力変換回路３５は、一対の入力端及び一対の出力端を有するダイオードブリッジ回路からなる。第３電力変換回路３５は、一対の入力端に入力される交流電圧を全波整流して一対の出力端から出力する。第３電力変換回路３５の一対の入力端の各々は、第２絶縁トランス２３の２次巻線２５に電気的に接続されている。

第２絶縁トランス２３は１次巻線２４と２次巻線２５とを有し、１次巻線２４と２次巻線２５とは電気に絶縁されている。１次巻線２４は、電力系統２０４に電気的に接続されている。２次巻線２５は第３電力変換回路３５に電気的に接続されている。第２絶縁トランス２３は、１次側回路３及び電源回路８と電力系統２０４とを電気的に絶縁している。第２絶縁トランス２３は、電力系統２０４から供給される電力を、第３電力変換回路３５を介して電源回路８に伝達する。なお、第２絶縁トランス２３の詳細な構成は、第１絶縁トランス２０と同様であるため説明を省略する。

第３電力変換回路３５の一対の出力端間には、平滑用のコンデンサ３６が電気的に接続されている。コンデンサ３６は第３電力変換回路３５が出力する脈流電圧を平滑化する。なお、電源回路８の一対の入力端間に、入力される電圧を平滑化するコンデンサが設けられている場合にはコンデンサ３６は省略されていてもよい。

次に、太陽電池２０１から電力が供給されていない状態から、電力が供給され始めた際に、電源回路８に電力が供給される経路について説明する。以下では、電路６００（つまり１次側回路３のグランド）に対する第１電路６０１の電位差を電圧Ｖ１、電路６００に対する第２電路６０２の電位差を電圧Ｖ２、電路６００に対する第３電路６０３の電位差を電圧Ｖ３と呼ぶ。

太陽電池２０１から電力が供給されていない状態の電力変換装置１は、電源回路８は第３電路６０３を介して第３電力変換回路３５から出力される電圧で動作する。第３電路６０３と電路６００との間に印加される電圧Ｖ３の電圧値は、例えば約２８２Ｖである。電源回路８は、太陽電池２０１が電力を十分に供給できない場合（例えば夜間や天候が曇りなど）、電力系統２０４から供給される電力で動作する。このとき、第３電力変換回路３５からスナバ回路５に電流が逆流することをダイオード６１が抑制している。同様に、第３電力変換回路３５から太陽電池２０１に電流が逆流することをダイオード６２が抑制している。

ところで、天候が曇りから晴天に移ったり、夜から朝になったりして、太陽電池２０１から電力変換装置１に電力が供給され始めると、電圧Ｖ２が大きくなる。電圧Ｖ２の電圧値は、例えば２００Ｖ〜６００Ｖである。電圧Ｖ２が電圧Ｖ３を超えると、ダイオード６２が導通状態となり、電圧Ｖ３の電圧値は電圧Ｖ２の電圧値とほぼ等しくなる。つまり、電源回路８の入力端間に電圧Ｖ２が印加され、電源回路８は太陽電池２０１から供給される電力で動作する。なお、電圧Ｖ２が電圧Ｖ３を超えた場合、第３電力変換回路３５の一対の出力端間には逆方向電圧が印加されるので、第３電力変換回路３５から電源回路８の一対の入力端に電圧が印加されなくなる。

太陽電池２０１が電力の供給を開始すると、制御部７は、半導体スイッチ３０１，３０２，３０３，３０４の各々のスイッチング動作を制御し、第１電力変換回路３０に電力変換動作を行わせる。半導体スイッチ３０１，３０２，３０３，３０４の各々がスイッチング動作を行うと、スイッチング動作によってスナバ回路５のコンデンサ５１に蓄えられる電荷が時間経過に伴い増える。そしてコンデンサ５１の両端電圧（つまり電圧Ｖ１）は、例えば約６５０Ｖまで時間経過に伴い大きくなる。電圧Ｖ１の電圧値が電圧Ｖ２の電圧値を超えると、ダイオード６１は導通状態となり、電源回路８の一対の入力端間には、電圧Ｖ１が印加される。電圧Ｖ１の電圧値が電圧Ｖ２の電圧値を超えた場合、ダイオード６２には、逆方向電圧が印加されるので、ダイオード６２は非導通状態となる。そのため、太陽電池２０１が出力する電圧Ｖ２が電源回路８の一対の入力端間に印加されなくなる。つまり、電源回路８は、コンデンサ５１の両端間に印加される電圧Ｖ１で動作する。

ところで、コンデンサ５１の両端電圧が約６５０Ｖになった後に電荷が第１電力変換回路３０からスナバ回路５に流入すると、インピーダンス素子５２で変換される熱エネルギーの量が増えてコンデンサ５１の両端電圧は約６５０Ｖに維持される。そのため、第１電力変換回路３０の動作状態が継続している間、電源回路８の一対の入力端間には約６５０Ｖの電圧Ｖ１が印加される。

次に、制御部７が第１電力変換回路３０を動作状態から停止状態させた場合と、さらに太陽電池２０１から供給される電力がほぼゼロになる場合とにおける電源回路８について説明する。制御部７が第１電力変換回路３０の電力変換動作を動作状態から停止状態にさせると、スナバ回路５のコンデンサ５１の両端電圧（つまり電圧Ｖ１）が時間経過に伴って徐々に小さくなる。そして電圧Ｖ１が、太陽電池２０１が出力する電圧Ｖ２を下回ると、ダイオード６１に逆方向電圧が印加されてダイオード６１が非導通状態になる。ダイオード６１が非導通状態になると、ダイオード６２に印加される電圧が順方向電圧になるのでダイオード６２は導通状態となり、電源回路８の一対の入力端間には、太陽電池２０１が出力する電圧Ｖ２が印加される。そして天候が曇りから晴天に移ったり、夜から朝になったりして、太陽電池２０１が出力する電圧Ｖ２が電圧Ｖ３を下回ると、ダイオード６２に逆方向電圧が印加されてダイオード６２が非導通状態になる。電源回路８の一対の入力端には、第３電力変換回路３５の出力端間の電圧Ｖ３が印加される。つまり電源回路８は第３電力変換回路３５から供給される電力で動作する。

なお、電圧Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３の各々の電圧値は一例であり、電源回路８に入力される電圧値の大小関係がＶ３＜Ｖ２＜Ｖ１を満たす適宜の電圧値となるように任意の値に定められていてよい。

以上説明したように、本実施形態の電力変換装置１は、１次側回路３と、１次側回路３と電気的に絶縁された２次側回路４と、電源回路８と、第１電路６０１と、第２電路６０２と、第２絶縁トランス２３とを備えている。１次側回路３は、１次側回路３と２次側回路４との間で交流電力を伝達する第１絶縁トランス２０の１次巻線２１と、１次巻線２１に接続された第１電力変換回路３０と、制御部７と、第１電力変換回路３０に接続されたスナバ回路５とを有している。制御部７は第１電力変換回路３０を制御する。２次側回路４は、第１絶縁トランス２０の２次巻線２２と、２次巻線２２に接続された第２電力変換回路４０とを有している。スナバ回路５は、コンデンサ５１を含んでいる。電源回路８は、制御部７に電力を供給する。第１電路６０１は、コンデンサ５１と電源回路８とを接続している。第２電路６０２は、１次側回路３に接続される太陽電池２０１（分散型電源）と電源回路８とを接続している。第２絶縁トランス２３は、２次側回路４に接続される電力系統２０４から供給される電力を電源回路８に伝達する。第１電路６０１及び第２電路６０２には各々、電流を電源回路８に流す方向に制限する逆流防止用のダイオード６１，６２が接続されている。電源回路８は、コンデンサ５１、太陽電池２０１（分散型電源）及び電力系統２０４のうちの何れかから電力が供給される。

上記構成によれば、スナバ回路５のコンデンサ５１の電荷が電源回路８に供給されるので、電力の利用効率の向上を図ることができる。また、スナバ回路５、太陽電池２０１（分散型電源）及び電力系統２０４のうちの何れかから電源回路８に電力が供給されるので、電源回路８に必要な電力を確保することが可能な電力変換装置１を実現できる。言い換えると、電力の利用効率の向上を図れ、かつ電源回路８に必要な電力を確保することが可能な電力変換装置１を提供することができる。また、電源回路８は、太陽電池２０１又はスナバ回路５から電力が供給される他にも、電力系統２０４から供給される電力でも動作するので、例えば夜間など太陽電池２０１（分散型電源）が電力を供給しない場合でも、電源回路８を動作させることができる。具体的に言うと、電源回路８から電力が供給される回路及び装置などを動作させる必要があるメンテナンスを夜間に行うことができる。

本実施形態の電力変換装置１では、第１電力変換回路３０の動作状態におけるコンデンサ５１の両端間の電圧Ｖ１が、電圧Ｖ２，Ｖ３よりも高い電圧値となるように定められているので、第１電力変換回路３０の動作中のスナバ回路５の電力を有効活用できる。より詳細には、コンデンサ５１が蓄えた電荷が電源回路８に供給され、電源回路８に供給されない電荷がインピーダンス素子５２で熱エネルギーとして消費される。例えばコンデンサ５１が蓄えた電荷が電源回路８に供給されない場合を例にすると、スナバ回路５に供給される電荷の多くはインピーダンス素子５２で熱エネルギーとして消費されることになる。そのため、インピーダンス素子５２で発生する熱量が大きくなり、放熱対策として大きなヒートシンクなどが必要となる。しかしながら本実施形態では、コンデンサ５１が蓄えた電荷の多くが電源回路８に供給されることで、インピーダンス素子５２での電荷の消費を抑えることができる。ゆえにインピーダンス素子５２での発熱を抑えることができる。言い換えると、本実施形態の電力変換装置１は電力の利用効率の向上を図ることができて、かつインピーダンス素子５２での発熱を抑えることができる。インピーダンス素子５２での発熱が抑えられるとインピーダンス素子５２に熱結合されるヒートシンクを小型化できるので、電力変換装置１を小型化できる。

本実施形態のパワーコンディショナ１００は、上記した電力変換装置１と、電力変換装置１の出力する直流電力を交流電力に変換して電力系統２０４へ出力するインバータ１０１とを備えている。

上記構成によれば、電力の利用効率の向上を図れ、かつ電源回路８に必要な電力を確保することが可能なパワーコンディショナ１００を提供することができる。

なお、本実施形態の電源回路８は、制御部７と第１電力変換回路３０とに電力を供給しているが、少なくとも制御部７に電力を供給すればよい。その場合、第１電力変換回路３０は、電源回路８とは異なる回路から電力が供給されてもよい。また、電源回路８は、電圧を出力することにより電力を供給する他にも、例えば電流を流すことにより電力を供給してもよい。

本実施形態の放電用のインピーダンス素子５２は抵抗で構成されているが、抵抗に限定されず、例えばコイルなどのインダクタンス成分と抵抗成分とを有する適宜の素子でもよい。また、インピーダンス素子５２は電荷を熱エネルギーに変換する他にも、例えば磁気エネルギーに変換するなどの適宜の素子（例えばコイルなど）でもよい。

本実施形態のスナバ回路５は、いわゆるＲＤＣスナバ回路で構成されているが、この構成に限定されず、スイッチング素子を用いたアクティブスナバ回路で構成されていてもよい。スナバ回路５は、コンデンサ５１を有し、第１電力変換回路３０からのサージ電圧を抑制できる適宜のスナバ回路の構成でもよい。スイッチング素子は、例えば絶縁ゲートバイポーラトランジスタ、ゲートターンオフサイリスタ、ゲート転流型ターンオフサイリスタ、光トリガサイリスタ、双方向サイリスタ、ＭＯＳＦＥＴなどでもよい。

本実施形態では、片方向のＤＣ−ＤＣコンバータを構成している電力変換装置１について説明したが、電力変換装置１は、１次側と２次側とが電気的に絶縁された双方向のＤＣ−ＤＣコンバータを構成している電力変換装置１についても適用可能である。具体的に言うと、本実施形態では第１電力変換回路３０と第１絶縁トランス２０と第２電力変換回路４０とで片方向のＤＣ−ＤＣコンバータを構成している。片方向のＤＣ−ＤＣコンバータの構成を双方向のＤＣ−ＤＣコンバータに変更しても、スナバ回路５のコンデンサ５１に蓄えられる電荷を電源回路８に供給することができる。言い換えると、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータを有する電力変換装置１及びそれを用いたパワーコンディショナ１００でも、電力の利用効率の向上を図れ、かつ電源回路８に必要な電力を確保することが可能である。双方向ＤＣ−ＤＣコンバータを有する電力変換装置１では、例えば２次電池からなる蓄電池を分散型電源として利用することができる。

図１では１台の電力変換装置１を備えたパワーコンディショナ１００を図示しているが、パワーコンディショナ１００は１台の電力変換装置１を備えることに限らず、複数台の電力変換装置１を備えていてもよい。例えばパワーコンディショナ１００が複数の電力変換装置１を有していて、電力変換装置１の各々の一対の端子４３，４４から出力される直流電圧の電圧レベルを異ならせてもよい。例えばパワーコンディショナ１００は、少なくとも１台の太陽電池２０１に接続された電力変換装置１から電圧レベルの異なる複数の直流電圧を、各々の出力端子から出力できるように構成されていてもよい。

（実施形態２）
実施形態１の電力変換装置１において、第２絶縁トランス２３の２次側において第２絶縁トランス２３と電源回路８との間に、電流を電源回路８に流す方向に制限する逆流防止用のダイオード６３をさらに備えた電力変換装置１１について図２を参照して説明する。なお、実施形態１と同様の構成については同一の符号を付して説明を省略する。

本実施形態の電力変換装置１１は、第３電路６０３に逆流防止用のダイオード６３を備えている。ダイオード６３のアノードは第３電力変換回路３５の高電位側の出力端に電気的に接続されている。ダイオード６３のカソードは電源回路８の高電位側の入力端に電気的に接続されている。ダイオード６３は、電流を第３電力変換回路３５から電源回路８に流す方向に制限している。ダイオード６３は、例えば太陽電池２０１（図１参照）が出力する電圧Ｖ２及びコンデンサ５１の両端間の電圧Ｖ１が、第３電力変換回路３５が出力する電圧Ｖ３よりも高い電圧である場合に、第３電力変換回路３５に電流が逆流することを抑制する。また、ダイオード６３の逆方向電圧の耐圧が電圧Ｖ１，Ｖ２に対して大きい場合、第３電力変換回路３５の有する整流回路の逆方向電圧の耐圧が電圧Ｖ１，Ｖ２に対して大きくなくてもよくなる。

以上説明したように、本実施形態の第２絶縁トランス２３の２次側において第２絶縁トランス２３と電源回路８との間には、電流を電源回路８に流す方向に制限する逆流防止用のダイオード６３が接続されている。

上記構成によれば、ダイオード６３は、太陽電池２０１（分散型電源）及びコンデンサ５１から第３電力変換回路３５に電流が逆流することを抑制する。また、逆方向電圧の耐圧が電圧Ｖ１，Ｖ２よりも大きいダイオード６３を用いることにより、第３電力変換回路３５の一対の入力端間に過電圧が印加されることを抑制することも可能である。

本実施形態の電力変換装置１１は、実施形態１のパワーコンディショナ１００における電力変換装置１に代えて用いることができる。

（実施形態３）
実施形態１の電力変換装置１において保護部９をさらに備えた電力変換装置１２について図３を参照して説明する。なお、実施形態１と同様の構成については同一の符号を付して説明を省略する。

本実施形態の電力変換装置１２は、電源回路８を過電圧から保護する保護部９をさらに備えている。電源回路８は、保護部９を介して第１電路６０１と、第２電路６０２との各々に電気的に接続されている。また電源回路８は、第３電路６０３と第３電力変換回路３５とを介して第２絶縁トランス２３に電気的に接続されている。つまり保護部９には、第１電路６０１と、第２電路６０２と、第３電路６０３とが各々、電気的に接続されている。ゆえに保護部９は、コンデンサ５１と太陽電池２０１と電力系統２０４との各々から電源回路８の一対の入力端間に過電圧が印加されることを抑制する。保護部９は、例えば第１電路６０１にノイズが加わって、電圧Ｖ１がさらに大きくなった場合に、電源回路８の一対の入力端間に過電圧が印加されることを抑制する。

保護部９は、インピーダンス素子５２よりもインピーダンスが小さいバリスタ（varistor）を有する。バリスタは、例えば電源回路８の高電圧側の入力端と第１電路６０１（又は第２電路６０２、又は第３電路６０３）との間に電気的に接続されている。例えばバリスタの一端が高電圧側の入力端に電気的に接続され、バリスタの他端が１次側回路３のグランドに電気的に接続されている。バリスタは、両端間電圧が所定値よりも小さい場合には抵抗値が高いが、両端間電圧が所定値を上回ると抵抗値が低くなる素子である。バリスタは、電源回路８の一対の入力端間の電圧が大きくなって所定値を超える場合に、電圧がさらに大きくなり続けることを抑制する。またバリスタは、両端間電圧が所定値よりも小さい場合には抵抗値が高いので、電源回路８の一対の入力端間の電圧が所定値よりも小さい通常状態では、電源回路８に供給される電荷をバリスタは消費しにくくなっている。つまり、通常状態では保護部９は電力を消費しにくくなっている。そのため、電力変換装置１が保護部９を有していても、電力の利用効率の向上を図ることができる。

また、保護部９は、インピーダンス素子５２よりもインピーダンスが小さくなるように構成されている。言い換えると、インピーダンス素子５２のインピーダンスは、保護部９のインピーダンスよりも大きくなるように構成されている。本実施形態では、インピーダンス素子５２を含む放電回路のインピーダンスよりも、スナバ回路５と電源回路８との間のインピーダンスが小さくなっている。そのため、コンデンサ５１の電荷の多くがインピーダンス素子５２よりも保護部９側（つまり電源回路８側）に流れる。ゆえに、インピーダンス素子５２で消費される電荷を少なくすることができ、電力効率を向上させることができる。

以上説明したように、本実施形態の電力変換装置１２は、電源回路８を過電圧から保護する保護部９をさらに備え、電源回路８は、保護部９を介して第１電路６０１と、第２電路６０２と、第２絶縁トランス２３との各々に電気的に接続されていることも好ましい。

上記構成によれば、保護部９は、第１電路６０１を介してコンデンサ５１から電源回路８の一対の入力端間に過電圧が印加されることを抑制する。保護部９は、第２電路６０２を介して太陽電池２０１（分散型電源）から過電圧が電源回路８の一対の入力端間に印加されることを抑制する。保護部９は、第２絶縁トランス２３を介して電力系統２０４から過電圧が電源回路８の一対の入力端間に印加されることを抑制する。

本実施形態では、保護部９がバリスタを有していて、通常状態では保護部９による電力消費を抑制しつつ、電源回路８の一対の入力端間に過電圧が入力されることを保護部９が抑制する。

本実施形態の電力変換装置１２において、スナバ回路５はさらに放電用のインピーダンス素子５２を含む。インピーダンス素子５２のインピーダンスは、スナバ回路５と電源回路８との間のインピーダンスよりも大きいことも好ましい。

上記構成によれば、インピーダンス素子５２のインピーダンスは、スナバ回路５と電源回路８との間のインピーダンスよりも大きいため、コンデンサ５１の電荷の多くがインピーダンス素子５２よりも電源回路８側に流れる。ゆえに、インピーダンス素子５２で消費される電荷を少なくすることができ、電力効率を向上させることができる。

本実施形態では、インピーダンス素子５２よりも保護部９のインピーダンスが小さいので、インピーダンス素子５２を含む放電回路のインピーダンスよりも、スナバ回路５と電源回路８との間のインピーダンスが小さくなっている。そのため、インピーダンス素子５２で消費される電荷を少なくして電力効率を向上させつつ、電源回路８の一対の入力端間に過電圧が印加されることを抑制することができる。

保護部９は、バリスタの他にも例えば、コイル、コンデンサ、抵抗、シールドなどの単一部品で構成されていてもよい。複数個の単一部品を組み合わせて保護部９を構成する場合に比べて、単一部品のみで保護部９を構成した方が安価に保護部９を構成できる場合がある。つまり、コストを抑えて保護部９を実現することができる。

ところで、保護部９は、単一部品で構成されるほかにも、例えばＬＣ回路などのフィルタ回路で構成されていてもよい。通常の電圧にノイズが加わった場合でもフィルタ回路によりノイズ成分を除去することで、電源回路８の一対の入力端間に過電圧が印加されることを抑制できる。

なお、保護部９は、電圧Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３のうち電圧値が最も大きい電圧Ｖ１の過電圧から電源回路８を保護する他にも、電圧Ｖ２，Ｖ３に加わったノイズによる瞬間的な電圧値の増加を抑制するように構成されていてもよい。例えば保護部９は、フィルタ回路によりノイズを除去してもよい。また保護部９は、電源回路８の一対の入力端に接続される電路を、導電部材からなるシールド部材などで覆うことにより、電源回路８の一対の入力端にノイズが入力されることを抑制してもよい。

本実施形態の電力変換装置１２は、実施形態１のパワーコンディショナ１００における電力変換装置１の代わりに用いることができる。他にも例えば、実施形態２の電力変換装置１１は、電力変換装置１２の保護部９をさらに備えていてもよい。

また、保護部９の有無に関わらず、スナバ回路５と電源回路８との間のインピーダンスよりもインピーダンス素子５２のインピーダンスが大きければ、インピーダンス素子５２を含む放電回路よりも電源回路８側に多くの電流が流れる。インピーダンス素子５２で熱エネルギーとして消費される電荷を少なくすることができるので、電力効率を向上させることができる。

１，１１，１２ 電力変換装置
１００ パワーコンディショナ
１０１ インバータ
２０ 第１絶縁トランス
２３ 第２絶縁トランス
２１，２４ １次巻線
２２，２５ ２次巻線
２０１ 太陽電池（分散型電源）
２０４ 電力系統
３ １次側回路
３０ 第１電力変換回路
４ ２次側回路
４０ 第２電力変換回路
５ スナバ回路
５１ コンデンサ
５２ インピーダンス素子
６０１ 第１電路
６０２ 第２電路
６１，６２，６３ ダイオード
７ 制御部
８ 電源回路
９ 保護部

Claims (5)

1. １次側回路と、
   前記１次側回路と電気的に絶縁された２次側回路と
   を備え、
   前記１次側回路は、前記１次側回路と前記２次側回路との間で交流電力を伝達する第１絶縁トランスの１次巻線と、前記１次巻線に接続された第１電力変換回路と、前記第１電力変換回路を制御する制御部と、前記第１電力変換回路に接続されたスナバ回路とを有し、
   前記２次側回路は、前記第１絶縁トランスの２次巻線と、前記２次巻線に接続された第２電力変換回路とを有し、
   前記スナバ回路は、コンデンサを含み、
   前記制御部に電力を供給する電源回路と、
   前記コンデンサと前記電源回路とを接続する第１電路と、
   前記１次側回路に接続される分散型電源と前記電源回路とを接続する第２電路と、
   前記２次側回路に接続される電力系統から供給される電力を前記電源回路に伝達する第２絶縁トランスと
   をさらに備え、
   前記第１電路及び前記第２電路には各々、電流を前記電源回路に流す方向に制限する逆流防止用のダイオードが接続され、
   前記電源回路は、前記コンデンサ、前記分散型電源及び前記電力系統のうちの何れかから電力が供給される
   ことを特徴とする電力変換装置。
2. 前記第２絶縁トランスの２次側において前記第２絶縁トランスと前記電源回路との間には、電流を前記電源回路に流す方向に制限する逆流防止用のダイオードが接続された
   ことを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
3. 前記電源回路を過電圧から保護する保護部をさらに備え、
   前記電源回路は、前記保護部を介して前記第１電路と、前記第２電路と、前記第２絶縁トランスとの各々に電気的に接続された
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の電力変換装置。
4. 前記スナバ回路はさらに放電用のインピーダンス素子を含み、
   前記インピーダンス素子のインピーダンスは、前記スナバ回路と前記電源回路との間のインピーダンスよりも大きい
   ことを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の電力変換装置。
5. 請求項１〜４の何れか１項に記載の電力変換装置と、
   前記電力変換装置の出力する直流電力を交流電力に変換して電力系統へ出力するインバータと
   を備えた
   ことを特徴とするパワーコンディショナ。

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