JP6523190B2 - 電力変換器 - Google Patents

Description

本発明は、交流電力から直流電力への変換、及び直流電力から交流電力への変換、のうち少なくとも一方を行う電力変換器に関する。

例えば、入力された交流電力を直流電力に変換して出力する電力変換器においては、出力される直流電流において周期的な脈動（リプル）が生じることが知られている。このような脈動は、電力変換器に入力される交流電力の電力値が、周期的に変動することに基づいて生じるものである。

電力変換器に入力される交流電力は周期的に変動する一方で、電力変換器から出力される直流電力は（理想的には）一定である。従って、両者の差分は時間の経過とともに変動し、これが出力側における直流電流の脈動として現れる。このような脈動を抑制するために、電力変換器のうち直流電力が出力される部分に脈動補償用のコンデンサを設けることが一般的に行われている（例えば下記特許文献１を参照）。

尚、上記のような直流電流の脈動は、入力された直流電力を交流電力に変換して出力する電力変換器、においても同様に生じる。この場合、脈動補償用のコンデンサは、電力変換器のうち直流電力が入力される部分に設けられることとなる。

特開２０１０−２２０３３３号公報

脈動補償用のコンデンサは、電力変換器から出力又は入力される直流電力の一部を一時的に蓄えたり、逆に蓄えられた電力を放電したりすることにより、直流電流の脈動を抑制するものである。大きな容量のコンデンサが用いられる程、直流電流の脈動は小さく抑えられる。従って、直流電流の脈動を十分に抑えるためには、比較的大型のコンデンサを電力変換器に搭載する必要がある。しかしながら、脈動補償用に大型のコンデンサを用いることは、体格の増加やコストの上昇を招いてしまうこととなるので好ましくない。

上記特許文献１に記載の電力変換器では、別途設けられた保護用コンデンサの蓄積電力で、脈動補償用コンデンサの充電を行うように構成されている。保護用コンデンサによって、脈動補償用コンデンサの脈動補償機能がアシストされることとなるので、脈動補償用コンデンサについては小型化することが可能になるものと考えられる。しかしながら、保護用コンデンサや、その充放電を制御するための機構など、多くの追加部品が必要となる構成であるから、電力変換器の全体についてみれば体格やコストが増加してしまう可能性がある。

本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、脈動補償用として大型のコンデンサを用いることなく、直流電流の脈動を抑制することのできる電力変換器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器は、交流電力から直流電力への変換、及び直流電力から交流電力への変換、のうち少なくとも一方を行う電力変換器（１０）であって、交流電源又は交流負荷が接続される部分である交流接続部（２０）と、直流電源又は直流負荷が接続される部分である直流接続部（５０）と、交流接続部と直流接続部との間において電力変換を行うスイッチング回路部（１３，３０，１４，４０）と、直流接続部を流れる直流電流の脈動を抑制するために、直流接続部に接続された脈動補償コンデンサ（６０）と、を備える。また、直流接続部と脈動補償コンデンサとの間において、直流接続部における直流電圧よりも、脈動補償コンデンサにおける直流電圧の方が高くなるように昇圧を行う昇圧部（７０）と、昇圧部の動作を制御することにより、脈動補償コンデンサにおける充放電を調整する制御部（１００）と、を更に備える。

このような電力変換器では、例えば昇圧チョッパからなる昇圧部により、脈動補償用コンデンサの電圧が、直流接続部における直流電圧よりも高い状態とされる。これにより、脈動補償用コンデンサに蓄えられる電力量をより大きなものとすることができる。その結果、脈動補償用コンデンサとして比較的小型のものを用いながらも、脈動をより効果的に抑制することが可能となる。

本発明によれば、脈動補償用として大型のコンデンサを用いることなく、直流電流の脈動を抑制することのできる電力変換器が提供される。

本発明の第１実施形態に係る電力変換器の全体構成を示す図である。 直流電流の脈動が生じる原因について説明するための図である。 制御部によって実行される処理の流れを示すフローチャートである。 目標電流値の波形を示す図である。 脈動補償用のコンデンサにかかる電圧の変化を示す図である。 昇圧部の駆動周波数の変化を示す図である。 本発明の第２実施形態に係る電力変換器のうち、制御部の構成を示す図である。 本発明の第３実施形態に係る電力変換器の全体構成を示す図である。

以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては可能な限り同一の符号を付して、重複する説明は省略する。

本発明の第１実施形態に係る電力変換器１０の構成について、図１を参照しながら説明する。電力変換器１０は、外部の交流電源から入力された交流電力を直流電力に変換し、これを直流負荷に向けて出力すること（交直変換）ができる。また、外部の直流電源から入力された直流電力を交流電力に変換し、これを交流負荷に向けて出力すること（直交変換）もできる。つまり、電力変換器１０は、直流電力と交流電力とを双方向に変換することのできる電力変換器として構成されている。

電力変換器１０は、交流接続部２０と、第１スイッチング回路３０と、第２スイッチング回路４０と、直流接続部５０と、コンデンサ６０と、昇圧回路７０と、制御部１００と、を備えている。

交流接続部２０は、交流電源または交流負荷が接続される部分である。電力変換器１０が交直変換を行うときには、交流接続部２０は、外部からの交流電力を受け入れる入力部として機能する。このとき、交流接続部２０には、例えば商用電源のような交流電源が接続される。

一方、電力変換器１０が直交変換を行うときには、交流接続部２０は、電力変換後の交流電力が外部に出力される出力部として機能する。このとき、交流接続部２０には、例えば電力消費機器のような交流負荷が接続される。

図１には、交流接続部２０に商用の交流電源ＡＳが接続されている状態が示されている。以下では、電力変換器１０が交直変換を行う場合の例について主に説明することとする。

第１スイッチング回路３０は、複数のスイッチング素子３１を備えたフルブリッジ回路として構成された部分である。それぞれのスイッチング素子３１は、いずれの方向における電流についてもそのＯＮ／ＯＦＦを切り換えることのできる双方向スイッチング素子である。それぞれのスイッチング素子３１の開閉動作、すなわち第１スイッチング回路３０のスイッチング動作は、後述の制御部１００によって制御される。これにより、交流接続部２０から入力された交流電力を、その周波数が高くなるように電力変換した後、トランス１４に供給することが可能となっている。つまり、第１スイッチング回路３０は所謂マトリックスコンバータとして機能する部分となっている。

トランス１４は、この第１スイッチング回路３０と、次に説明する第２スイッチング回路４０との間を繋いでいる。トランス１４は、第１スイッチング回路３０と第２スイッチング回路４０との間における絶縁を保ちながら、両者の間で交流電力の伝達を可能とするものである。

第２スイッチング回路４０は、複数のスイッチング素子４１を備えたフルブリッジ回路として構成された部分である。それぞれのスイッチング素子４１は、一方向における電流についてはそのＯＮ／ＯＦＦを切り替えることができる一方で、他方向における電流については常にＯＮとなる単方向スイッチング素子である。それぞれのスイッチング素子４１の開閉動作、すなわち第２スイッチング回路４０のスイッチング動作は、制御部１００によって制御される。これにより、第１スイッチング回路３０からトランス１４を介して入力された交流電力を、直流電力に変換することが可能となっている。第２スイッチング回路４０のスイッチング動作によって電力変換された後の直流電力は、直流接続部５０へと入力される。

直流接続部５０は、直流電源または直流負荷が接続される部分である。図１の例のように、電力変換器１０が交直変換を行うときには、直流接続部５０は、電力変換後の直流電力が外部に出力される出力部として機能する。このとき、直流接続部５０には直流負荷が接続される。直流負荷とは、例えば充電を行っている蓄電池である。図１には、直流接続部５０に（充電先としての）蓄電池ＤＳが接続されている状態が示されている。

一方、電力変換器１０が直交変換を行うときには、直流接続部５０は、外部からの直流電力を受け入れる入力部として機能する。このとき、直流接続部５０には直流電源が接続される。直流電源とは、例えば放電を行っている蓄電池である。

コンデンサ６０は、後述の昇圧回路７０を介して直流接続部５０に接続されたコンデンサである。コンデンサ６０は、直流接続部５０を流れる直流電流に、脈動（リプル）が生じてしまうことを抑制することを目的として設けられた脈動補償用のコンデンサである。直流接続部５０を流れる直流電流に脈動が生じる理由については後に説明する。

昇圧回路７０は、直流接続部５０とコンデンサ６０との間に設けられた回路であって、複数のスイッチング素子７１を備えた昇圧チョッパとして構成された部分である。それぞれのスイッチング素子７１は、一方向における電流についてはそのＯＮ／ＯＦＦを切り替えることができる一方で、他方向における電流については常にＯＮとなる単方向スイッチング素子である。それぞれのスイッチング素子７１の開閉動作は、制御部１００によって制御される。これにより、直流接続部５０における直流電圧よりも、コンデンサ６０における直流電圧の方が高くなるように昇圧が行われる。

また、それぞれのスイッチング素子７１の開閉動作によって、コンデンサ６０における充放電が調整される。つまり、コンデンサ６０から放電され直流接続部５０へと供給される電流、及び、直流接続部５０からコンデンサ６０へと供給され充電される電流、のいずれもが、昇圧回路７０の動作によって調整される。

制御部１００についての説明に先立ち、電力変換器１０のうち上記以外の部分の構成について説明する。交流接続部２０と第１スイッチング回路３０との間となる位置には、電圧計１１と、電流計１２と、リアクトル１３とが設けられている。電圧計１１は、交流接続部２０における電圧値を測定するための電圧センサである。交流接続部２０における電圧値とは、本実施形態においては交流電源ＡＳから入力される交流電力の電圧値である。電圧計１１によって測定された電圧値は制御部１００に入力される。

電流計１２は、交流接続部２０における電流値を測定するための電流センサである。交流接続部２０における電流値とは、本実施形態においては交流電源ＡＳから入力される交流電力の電流値である。電流計１２によって測定された電流値は制御部１００に入力される。

リアクトル１３は、所謂平滑リアクトルである。交流接続部２０と第１スイッチング回路３０との間を流れる電流は、リアクトル１３によってその急変が抑制される。

第２スイッチング回路４０と直流接続部５０との間となる位置には、コンデンサ１５と、電圧計１６と、電流計１７とが設けられている。コンデンサ１５は、所謂平滑コンデンサである。コンデンサ１５により、直流接続部５０における直流電流にノイズが生じることが防止される。

電圧計１６は、直流接続部５０における電圧値を測定するための電圧センサである。直流接続部５０における電圧値とは、本実施形態においては直流接続部５０から蓄電池ＤＳに向けて出力される直流電力の電圧値である。電圧計１６によって測定された電圧値は制御部１００に入力される。

電流計１７は、直流接続部５０における電流値を測定するための電流センサである。直流接続部５０における電流値とは、本実施形態においては直流接続部５０から蓄電池ＤＳに向けて出力される直流電力の電流値である。電流計１２によって測定された電流値は制御部１００に入力される。

直流接続部５０と昇圧回路７０との間となる位置には、電流計１８とリアクトル７２とが設けられている。電流計１８は、直流接続部５０と昇圧回路７０の間を流れる電流の値を測定するための電流センサである。当該電流は、コンデンサ６０において充放電される電流に該当する。電流計１８によって測定された電流値は制御部１００に入力される。

リアクトル７２は、所謂平滑リアクトルである。直流接続部５０と昇圧回路７０との間を流れる電流は、リアクトル７２によってその急変が抑制される。これにより、昇圧回路７０によるコンデンサ６０側の昇圧が実現される。

交流電源ＡＳから交流接続部２０に交流電力が入力されると、当該交流電力は、第１スイッチング回路３０によってその周波数が高められた後、トランス１４を介して第２スイッチング回路４０に入力される。第２スイッチング回路４０では、そのスイッチング動作によって交流電力が直流電力に変換される。当該直流電力が、直流接続部５０から蓄電池ＤＳに向けて出力される。

尚、電力変換器１０が直交変換を行うときには、上記と逆方向の処理が行われる。つまり、外部から直流接続部５０に直流電力が入力されると、当該直流電力は、第２スイッチング回路４０によって交流電力に変化された後、トランス１４を介して第１スイッチング回路３０に入力される。第１スイッチング回路３０では、そのスイッチング動作によって交流電力の周波数が変更される。これにより生成された交流電力が、交流接続部２０から外部へと出力される。

このように、電力変換器１０では、交流接続部２０と直流接続部５０との間の部分（リアクトル１３、第１スイッチング回路３０、トランス１４、及び第２スイッチング回路４０等）の全体が、電力変換を行うための「スイッチング回路部」に該当する。

制御部１００について説明する。制御部１００は、電力変換器１０の全体の動作を統括制御する部分である。制御部１００は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、インターフェイス等を備えたコンピュータシステムとして構成されている。制御部１００は、交流接続部２０又は直流接続部５０のいずれかから出力される電力の大きさが所望の値となるように、第１スイッチング回路３０及び第２スイッチング回路４０におけるそれぞれのスイッチング動作を制御する。また、制御部１００は、直流接続部５０を流れる直流電流の脈動が抑制されるよう、昇圧回路７０のスイッチング動作をも制御する。

制御部１００は、機能的な制御ブロックとして、制御信号生成部１０１と、加算器１０２と、波形生成部１０３と、オフセット決定部１０４と、加算器１０５と、を備えている。尚、これらのブロックはいずれも、昇圧回路７０の動作を制御してコンデンサ６０の充放電を適切に調整する機能を実現するためのものである。既に述べたように、制御部１００は、第１スイッチング回路３０や第２スイッチング回路４０の動作を制御するための機能をも有しているのであるが、図１においてはこれらの機能を示すブロックは省略されている。

制御信号生成部１０１は、コンデンサ６０で充放電される電流値、具体的には電流計１８で測定される電流値が目標電流値に一致するように、スイッチング素子７１にスイッチング動作を行わせる制御信号を生成する部分である。制御信号生成部１０１で生成された制御信号は、それぞれのスイッチング素子７１に直ちに送信される。尚、電流計１８で測定される電流値は、直流接続部５０からコンデンサ６０に向かって流れるときに正の値をとるものとする。

加算器１０２は、後述の加算器１０５から送信される目標電流値と、電流計１８で測定された実測電流値との偏差を算出し、当該偏差を制御信号生成部１０１に送信するものである。制御信号生成部１０１は、この偏差を０に近づけるような制御信号を生成してスイッチング素子７１に送信する。

波形生成部１０３は、上記目標電流値の波形を生成する部分である。後に説明するように、波形生成部１０３で生成されるのは単なる波形（目標電流値の変動量といってもよい）であって、各時刻における目標電流値の具体的な値まで特定するものではない。各時刻における目標電流値の値は、波形生成部１０３で生成された波形で示される値（変動量）から、オフセット決定部１０４で決定されたオフセット値を減じた値となる。当該演算は、加算器１０５において行われる。

すなわち、加算器１０５では、波形生成部１０３で生成された波形に示される値から、オフセット決定部１０４で決定されたオフセット値が減算される。その結果得られた値が、時間と共に変化する目標電流値として加算器１０２に入力される。

直流接続部５０を流れる直流電流に脈動が生じる理由について説明する。図２の線Ｌ１で示されるのは、交流接続部２０における交流電力の電力値、の変化を示すグラフである。以下、当該電力値のことを「入力電力値」とも称する。入力電力値は、正弦波状の交流電流値と、同じく正弦波状の交流電圧値との積であるから、その波形は線Ｌ１で示されるように周期的に変動するような波形となる。当該変動の周期は、交流電源ＡＳから入力される交流電力の周期、の２倍の周期となる。

図２の線Ｌ２で示されるのは、直流接続部５０における直流電流の電力値、の変化を示すグラフである。以下、「出力電力値」とも称する。出力電力値は、一定値である直流電流値と、同じく一定値である直流電圧値との積であるから、その波形は線Ｌ２で示されるように一定値（Ｐ_O）の波形となる。尚、実際の波形は脈動を含む波形となり得るのであるが、線Ｌ２においては脈動を含まない波形が示されている。つまり、直流接続部５０から理想的な直流電力が出力された場合における波形が示されている。

線Ｌ１で示される入力電力値の波形と、線Ｌ２で示される出力電力値の波形とは互いに一致しない。このため、電力変換器１０が交直変換を行っているときには、入力電力値の方が出力電力値よりも大きな状態と、入力電力値の方が出力電力値よりも小さな状態とが、交互に繰り返されることとなる。

入力電力値の方が出力電力値よりも大きな状態においては、電力変換器１０に入力されたエネルギーよりも、電力変換器１０から出力されるエネルギーの方が小さいこととなる。このため、両者の差であるエネルギー差が０となるように、実際における出力電力値は一時的に値Ｐ_Oよりも大きくなる。尚、上記の「エネルギー差」は、図２において領域ＡＲ２の面積で示される電力量に相当するものである。

逆に、入力電力値の方が出力電力値よりも小さな状態においては、電力変換器１０に入力されたエネルギーよりも、電力変換器１０から出力されるエネルギーの方が大きいこととなる。このため、両者の差であるエネルギー差が０となるように、実際における出力電力値は一時的に値Ｐ_Oよりも小さくなる。尚、上記の「エネルギー差」は、図２において領域ＡＲ１の面積で示される電力量に相当するものである。

以上のようであるから、実際における出力電力値は、値Ｐ_Oを跨いで繰り返し変動することとなる。当該変動が、直流接続部５０を流れる直流電流の脈動となる。尚、電力変換器１０が直交変換を行っているときにも、入力側と出力側とのエネルギー差は上記と同様に生じる。このため、やはり直流接続部５０を流れる直流電流には脈動が生じることとなる。

本実施形態に係る電力変換器１０では、昇圧回路７０の動作によってコンデンサ６０からの充放電が調整される。例えば、入力電力値の方が出力電力値よりも大きい期間においては、余剰の電力をコンデンサ６０に充電することとすれば、出力電力値が値Ｐ_Oを越える現象を抑制することができる。また、入力電力値の方が出力電力値よりも小さい期間においては、不足した電力をコンデンサ６０から放電することとすれば、出力電力値が値Ｐ_Oを下回る現象を抑制することができる。

上記のように昇圧回路７０を動作させるよう、制御部１００が行う処理の具体的な内容について、図３を参照しながら説明する。図３に示される一連の処理は、所定の周期が経過する毎に繰り返し実行されている。

最初のステップＳ０１では、現時点における出力電力値が算出される。具体的には、電圧計１６で測定された電圧値と、電流計１７で測定された電流値との積が出力電力値として算出される。尚、出力電力値は、脈動の影響によって変動している場合がある。従って、上記の積を一定の時間について平均した値が、出力電力値として算出されることとしてもよい。

ステップＳ０１に続くステップＳ０２では、入力電力波形が作成される。入力電力波形とは、外部から電力変換器１０に供給されていると推測される電流の波形である。本実施形態では、直流接続部５０において流れていると推測される電流の波形に等しい。上記推測は、ステップＳ０１で算出された出力電力値と、電圧計１１で測定された電圧値とに基づいて行われる。

具体的には、出力電力値を、電圧計１１で測定された電圧値で除することによって得られる電流値が、外部から電力変換器１０に供給されていると推測される電流の値となる。当該値の変化を示す波形が、上記の入力電力波形として作成される。入力電力波形は、電圧計１１で測定された電圧の波形と同様に、正弦波状の波形となる。

ステップＳ０２に続くステップＳ０３では、波形生成部１０３によって補償電流波形が作成される。補償電流波形とは、電流計１８で測定される電流値についての目標値（すなわち目標電流値）の変動を示す波形のことである。既に述べたように、波形生成部１０３で生成される補償電流波形は単なる波形であって、各時刻における目標電流値の具体的な値まで特定するものではない。

補償電流波形は、電圧計１１で測定される電圧値に、ステップＳ０２で作成された入力電力波形の各時刻における値を乗ずることによって作成される。両者は正弦波状の波形であるから、得られる補償電流波形は図４（Ａ）に示される波形となる。尚、当該波形はその最小値が０となるような波形として作成されるのであるが、個々の時刻における補償電流波形の値自体には特段の意味は無い。

図３のステップＳ０３に続くステップＳ０４では、オフセット決定部１０４によってオフセット値ＯＦが決定される。既に述べたように、このオフセット値ＯＦは、加算器１０５において、補償電流波形で示される値から減算される値である。

このような減算が行われると、図４（Ｂ）に示されるように、補償電流波形はマイナス側（下方側）にシフトする。すなわち、０を跨いで変動するような波形に変換される。当該波形が、加算器１０５から加算器１０２へと入力される目標電流値の変化を示す波形となる。

図４（Ｂ）において、目標電流値が０よりも大きくなっている期間は、入力電力値の方が出力電力値よりも大きくなっている期間に概ね等しい。このような期間において、コンデンサ６０に供給される電流（つまり、電流計１８によって測定される電流）が０よりも大きくなるので、余剰分の電力がコンデンサ６０に充電されることとなる。その結果、入力電流値が値Ｐ_O（図２を参照）を上回ってしまう現象が抑制されるので、直流接続部５０を流れる直流電流の脈動も抑制される。

また、図４（Ｂ）において、目標電流値が０よりも小さくなっている期間は、入力電力値の方が出力電力値よりも小さくなっている期間に概ね等しい。このような期間において、コンデンサ６０に供給される電流（電流計１８によって測定される電流）が０よりも小さくなるので、不足分の電力がコンデンサ６０から放電され、直流接続部５０へと供給されることとなる。その結果、入力電流値が値Ｐ_O（図２を参照）を下回ってしまう現象が抑制されるので、直流接続部５０を流れる直流電流の脈動も抑制される。このように、電力変換器１０では、コンデンサ６０で充放電される電力の変動が、入力電力値と出力電力値との差（差分電力）の変動と同期するように調整される。

図３に戻って説明を続ける。ステップＳ０４においては、目標電流値が０よりも大きくなっている期間と、目標電流値が０よりも小さくなっている期間とのバランスが、脈動を抑制するために適したバランスとなるようにオフセット値ＯＦが決定される。このようなオフセット値ＯＦは、電流計１７によって実測される脈動の大きさをフィードバックすることによって決定されてもよい。

ステップＳ０４に続くステップＳ０５では、目標電流値の算出が行われる。ここでは、ステップＳ０３で作成された補償電流波形からオフセット値ＯＦを減算することにより、目標電流値の算出が行われる。既に述べたように、当該算出は加算器１０５によって行われる。その後、目標電流値から、電流計１８で測定された実測電流値を差し引いた値である偏差が加算器１０２において算出され、当該偏差が制御信号生成部１０１へと送信される。

ステップＳ０５に続くステップＳ０６では、制御信号生成部１０１においてスイッチング信号が生成され、当該スイッチング信号がそれぞれのスイッチング素子７１へと出力される。これにより、電流計１８を流れる電流を目標電流値に一致させるよう、昇圧回路７０が動作する。

以上に説明したように、電力変換器１０では、コンデンサ６０で充放電される電力の変動が、交流接続部２０を流れる交流電力と、直流接続部５０を流れる直流電力との差、である差分電力の変動と同期するように、昇圧回路７０の動作が制御される。その結果、直流接続部５０における直流電流の脈動が効果的に抑制される。

また、昇圧回路７０が行う昇圧動作により、コンデンサ６０にかかる電圧が、直流接続部５０における直流電圧よりも高い状態とされている。これにより、コンデンサ６０に蓄えられる電力量が大きなものとなっている。従って、コンデンサ６０として大型のものを用いずとも、脈動をより効果的に抑制することが可能となっている。コンデンサ６０として、電解コンデンサではなくフィルムコンデンサやセラミックコンデンサ等のような長寿命の素子を用いることとができるので、電力変換器１０をメンテナンスフリーな装置とすることが可能となる。

本実施形態では、出力部である直流接続部５０の電圧値（電圧計１６の測定値）と、直流接続部５０の電流値（電流計１７の測定値）と、入力部である交流接続部２０の電圧値（電圧計１１の測定値）と、に基づいて目標電流値の算出が行われ、これにより昇圧回路７０の動作が制御される。目標電流値の算出は、上記とは異なる他の方法によって行われてもよい。

このような制御は、電力変換器１０が直交変換を行う場合においても上記と同様に行われる。直交変換の場合は、入力電力値の方が出力電力値よりも大きくなっている期間においてはコンデンサ６０への充電が行われ、入力電力値の方が出力電力値よりも小さくなっている期間においてはコンデンサ６０からの放電が行われるように、目標電流値が算出される。これにより、直流接続部５０における直流電流の脈動が抑制される。つまり、直交変換を行う場合であっても、電力変換器１０では、コンデンサ６０で充放電される電力の変動が、出力電力値と入力電力値との差（差分電力）の変動と同期するように調整される。

直交変換の場合には、出力部である交流接続部２０の電圧値（電圧計１１の測定値）と、交流接続部２０の電流値（電流計１２の測定値）と、入力部である直流接続部５０の電圧値（電圧計１６の測定値）と、に基づいて目標電流値の算出が行われ、これにより昇圧回路７０の動作が制御されることとなる。直交変換の場合における目標電流値の算出も、上記とは異なる他の方法によって行うことが可能である。

オフセット値ＯＦは、基本的には、直流接続部５０における電流の脈動が可能な限り０に近づくような値、に設定される。しかしながら、本実施形態では、脈動を０に近づけることのみならず、コンデンサ６０にかかる電圧（以下、「コンデンサ電圧」とも称する）を適正範囲に収めることをも考慮しながら、オフセット値ＯＦの値が設定される場合がある。

図５（Ａ）に示されるのは、コンデンサ電圧の時間変化の一例を示すグラフである。同図において符号ＶＨで示されるのは、コンデンサ電圧の上限値である。以下、「上限値ＶＨ」とも表記する。上限値ＶＨは、コンデンサ６０が耐え得る電圧の最大値である。

また、符号ＶＬで示されるのは、コンデンサ電圧の下限値である。以下、「下限値ＶＬ」とも表記する。下限値ＶＬは、昇圧回路７０が昇圧チョッパとしての動作を行い得るような電圧範囲のうち、最も小さな電圧値である。

コンデンサ電圧の変動範囲が下限値ＶＬに近づいた場合には、オフセット決定部１０４は、オフセット値ＯＦが小さめの値となるような調整を行う。図４（Ｂ）をみると明らかなように、オフセット値が小さめの値になれば、目標電流値が０よりも大きくなっている期間の方が、そうでない期間に比べて長くなる。つまり、コンデンサ６０に充電が行われる期間が長くなる。その結果、コンデンサ電圧は高くなり、その変動範囲は上限値ＶＨ側へと移動することとなる。

逆に、コンデンサ電圧の変動範囲が上限値ＶＨに近づいた場合には、オフセット決定部１０４は、オフセット値ＯＦが大きめの値となるような調整を行う。図４（Ｂ）をみると明らかなように、オフセット値が大きめの値になれば、目標電流値が０よりも小さくなっている期間の方が、そうでない期間に比べて長くなる。つまり、コンデンサ６０から放電が行われる期間が長くなる。その結果、コンデンサ電圧は低くなり、その変動範囲は下限値ＶＬ側へと移動することとなる。以上のようなオフセット値ＯＦの調整により、コンデンサ電圧が下限値ＶＬから上限値ＶＨまでの範囲内に収められる。

本実施形態では、出力部である直流接続部５０の電圧値（電圧計１６の測定値）と、直流接続部５０の電流値（電流計１７の測定値）と、に基づいて、コンデンサ電圧が変化するように昇圧回路７０の動作が制御される。具体的には、直流接続部５０の電圧値と、直流接続部５０の電流値と、の積である出力電力値が小さくなったときには、コンデンサ電圧が大きくなるように昇圧回路７０の動作が制御される。

図５（Ｂ）には、出力電力値が小さくなった場合におけるコンデンサ電圧の変化の例が示されている。同図に示されるように、出力電力値が小さくなったときには、コンデンサ電圧の変化の振幅は小さくなる傾向がある。

そこで、本実施形態では、オフセット値ＯＦを一時的に減少させることにより、コンデンサ電圧を上限値ＶＨに到達しない範囲で大きくする。つまり、図６（Ｂ）に示されるように、コンデンサ電圧のグラフを上方側にシフトさせるような調整を行う。

このように、可能な場合にはコンデンサ電圧が大きくなるような調整を行うことで、コンデンサ６０に蓄ええられる電力量を大きくすることができる。これにより、脈動の抑制が更に効率的に行われる。

このような調整は、電力変換器１０が直交変換を行う場合においても上記と同様に行われる。直交変換の場合は、出力部である交流接続部２０の電圧値（電圧計１１の測定値）と、交流接続部２０の電流値（電流計１２の測定値）と、に基づいて、コンデンサ電圧が変化するように昇圧回路７０の動作が制御されることとなる。具体的には、交流接続部２０の電圧値と、交流接続部２０の電流値と、の積である出力電力値が小さくなったときには、コンデンサ電圧が大きくなるように昇圧回路７０の動作が制御されることとなる。

本実施形態では、出力部である直流接続部５０の電圧値（電圧計１６の測定値）と、直流接続部５０の電流値（電流計１７の測定値）と、に基づいて、昇圧回路７０の駆動周波数を変化させる制御も行われる。

図６に示されるのは、昇圧回路７０の駆動周波数の変化の一例である。図６の例では、時刻ｔ０までの期間においては、昇圧回路７０の駆動周波数はＦ１となっている。尚、Ｆ０で示されているのは、第２スイッチング回路４０の駆動周波数である。このように、昇圧回路７０の駆動周波数（Ｆ１）は、第２スイッチング回路４０の駆動周波数（Ｆ０）とは異なる値として設定されている。これにより、第２スイッチング回路４０と昇圧回路７０との間で共振が生じてしまうことが防止される。

時刻ｔ０において出力電力値が小さくなると、これに伴って昇圧回路７０の駆動周波数がＦ１からＦ２へと変更される。Ｆ２はＦ１よりも小さな値である。駆動周波数を小さくすると、リアクトル７２における鉄損は大きくなるようにも思われるのであるが、出力電流が小さいのであれば、リアクトル７２での損失も小さい。出力電力値が小さいときには、昇圧回路７０のスイッチング動作に伴う損失の方が支配的となる。

そこで、本実施形態に係る電力変換器１０では、出力電力値が小さいときには昇圧回路７０の駆動周波数を小さくするように構成されている。これにより、スイッチング動作に伴う損失が抑制されるので、全体における動作効率を改善することができる。

電力変換器１０の構成は、図１に示されるようなものに限定されることなく、種々の構成を採用し得る。例えば、直交変換回路と交直変換回路とを組み合わせたものを、第１スイッチング回路３０と置き換えたような構成としてもよい。ただし、この場合には、直交変換回路と交直変換回路との間にコンデンサを挿入し、これにより脈動を抑制することもできる。このため、昇圧回路７０の制御による脈動の抑制は、図１に示されるような構成の電力変換器において特に効果を発揮する。

本実施形態に係る電力変換器１０は、交直変換及び直交変換の両方を行うことができる電力変換器として構成されている。このような態様に替えて、交直変換又は直交変換のうちいずれか一方のみを行うことのできる電力変換器として構成されていてもよい。

本発明の第２実施形態に係る電力変換器について、図７を参照しながら説明する。この電力変換器は、制御部１００Ａの構成において第１実施形態と異なっており、他については第１実施形態と同じである。従って、以下では第１実施形態と異なる点についてのみ説明する。

制御部１００Ａは、図１に示される波形生成部１０３を有しておらず、代わりに位相調整部１１１と、振幅決定部１１２と、乗算器１１３とを備えている。位相調整部１１１は、電圧計１１から入力される電圧値の変化に基づいて、補償電流波形の位相を決定する部分である。位相調整部１１１では、図４（Ａ）に示されるような補償電流波形を示す信号が生成される。当該信号の値が０となるタイミング（つまり、補償電流波形の位相）は、電圧計１１から入力される電圧値が０となるタイミングと一致するように調整される。位相調整部１１１では、このように補償電流波形の位相のみが決定される。位相調整部１１１で生成される信号の振幅は、電圧計１１から入力される電圧値によることなく、常に１となっている。

振幅決定部１１２は、補償電流波形の振幅を決定する部分である。振幅決定部１１２は、電流計１７から入力される電流値の平均値を、補償電流波形の振幅として決定する。

乗算器１１３では、位相調整部１１１で生成された信号（振幅が１の波形）に、振幅決定部１１２で決定された振幅を乗ずることにより、補償電流波形が生成される。この補償電流波形は、図１の波形生成部１０３で生成される補償電流波形と概ね同一の波形となる。補償電流波形は、乗算器１１３から加算器１０５に出力される。その後の処理については第１実施形態と同じである。このような態様であっても、昇圧回路７０の動作によって直流電流の脈動を抑制することができる。

本発明の第３実施形態について説明する。図８に示されるように、本実施形態に係る電力変換器１０Ｂでは、第１スイッチング回路３０を有しておらず、交流接続部２０が第２スイッチング回路４０に直接つながっている点においてのみ、第１実施形態と異なっている。その他の構成や処理の内容については、第１実施形態と同じである。このような態様であっても、第１実施形態と同じ効果を奏する。

以上、具体例を参照しつつ本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明はこれらの具体例に限定されるものではない。すなわち、これら具体例に、当業者が適宜設計変更を加えたものも、本発明の特徴を備えている限り、本発明の範囲に包含される。例えば、前述した各具体例が備える各要素およびその配置、材料、条件、形状、サイズなどは、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。また、前述した各実施の形態が備える各要素は、技術的に可能な限りにおいて組み合わせることができ、これらを組み合わせたものも本発明の特徴を含む限り本発明の範囲に包含される。

１０，１０Ｂ 電力変換器
１３：リアクトル
１４：トランス
２０：交流接続部
３０：第１スイッチング回路
４０：第２スイッチング回路
５０：直流接続部
６０：コンデンサ
７０：昇圧回路
１００，１００Ａ：制御部

Claims (10)

1. 交流電力から直流電力への変換、及び直流電力から交流電力への変換、のうち少なくとも一方を行う電力変換器（１０）であって、
   交流電源又は交流負荷が接続される部分である交流接続部（２０）と、
   直流電源又は直流負荷が接続される部分である直流接続部（５０）と、
   前記交流接続部と前記直流接続部との間において電力変換を行うスイッチング回路部（１３，３０，１４，４０）と、
   前記直流接続部を流れる直流電流の脈動を抑制するために、前記直流接続部に接続された脈動補償コンデンサ（６０）と、を備え、
   前記直流接続部と脈動補償コンデンサとの間において、前記直流接続部における直流電圧よりも、前記脈動補償コンデンサにおける直流電圧の方が高くなるように昇圧を行う昇圧部（７０）と、
   前記昇圧部の動作を制御することにより、前記脈動補償コンデンサにおける充放電を調整する制御部（１００）と、を更に備えた電力変換器。
2. 前記制御部は、
   前記脈動補償コンデンサで充放電される電力の変動が、
   前記交流接続部を流れる交流電力と、前記直流接続部を流れる直流電力との差、である差分電力の変動と同期するように、前記昇圧部の動作を制御する、請求項１に記載の電力変換器。
3. 前記交流接続部及び前記直流接続部のうちの一方であって、外部からの電力が入力される方を入力部とし、
   前記交流接続部及び前記直流接続部のうちの他方であって、電力変換後の電力が外部に出力される方を出力部としたときに、
   前記制御部は、
   前記出力部における電圧値と、前記出力部における電流値と、前記入力部における電圧値と、に基づいて前記昇圧部の動作を制御する、請求項２に記載の電力変換器。
4. 前記制御部は、
   前記出力部における電圧値と、前記出力部における電流値と、に基づいて、前記脈動補償コンデンサにおける電圧値が変化するように前記昇圧部の動作を制御する、請求項３に記載の電力変換器。
5. 前記制御部は、
   前記出力部における電圧値と、前記出力部における電流値と、の積である出力電力値が小さくなったときには、前記脈動補償コンデンサにおける電圧値が大きくなるように前記昇圧部の動作を制御する、請求項４に記載の電力変換器。
6. 前記制御部は、
   前記出力部における電圧値と、前記出力部における電流値と、に基づいて、前記昇圧部の駆動周波数を変化させる、請求項３に記載の電力変換器。
7. 前記制御部は、
   前記出力部における電圧値と、前記出力部における電流値と、の積である出力電力値が小さくなったときには、前記昇圧部の駆動周波数を小さくする、請求項６に記載の電力変換器。
8. 前記昇圧部の駆動周波数が、前記スイッチング回路部の駆動周波数とは異なっている、請求項１に記載の電力変換器。
9. 前記スイッチング回路部は、
   前記交流接続部側に設けられた回路であって、複数のスイッチング素子を有する第１ブリッジ回路（３０）と、
   前記直流接続部側に設けられた回路であって、複数のスイッチング素子を有する第２ブリッジ回路（４０）と、
   前記第１ブリッジ回路と前記第２ブリッジ回路とを繋ぐトランス（１４）と、
   前記交流接続部と前記第１ブリッジ回路との間に設けられた平滑リアクトル（１３）と、を有する、請求項１に記載の電力変換器。
10. 交流電力から直流電力への変換、及び直流電力から交流電力への変換、のいずれをも行い得るように構成されている、請求項１に記載の電力変換器。

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