JP6681476B2 - 電力変換装置および電力変換装置の制御方法 - Google Patents

電力変換装置および電力変換装置の制御方法 Download PDF

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Description

本発明は、電力変換装置および電力変換装置の制御方法に関する。
高電圧または大容量の電力変換においては、複数の電力変換セル（以下、単にセルと略す）を直列または並列に接続した電力変換装置が用いられる。例えば、高電圧モータの駆動には、複数のインバータ（電力変換器の一種）の出力端子を直列に接続し、各インバータの出力電圧を合成して高電圧を出力する方式（多重インバータ方式等と呼ばれる）が利用されている。また、太陽光発電や風力発電といった自然エネルギー発電の導入が世界的に拡大している。自然エネルギーから得られる電力を変換して電力系統に出力するための電力変換装置として、ＰＣＳ（パワーコンディショニングシステム）が知られている。このＰＣＳにおいても、高電圧化や大容量化に対応する際には、上記のように複数のセルを用いる構成が有効と考えられる。
その一例として、下記特許文献１には、「本発明による太陽光電力変換装置（１０）は、光を受信して直流電源を生成する少なくとも一つの太陽光アレイ（１１、１２）と、生成された直流電源の大きさを変換するコンバータ（２０）と、コンバータの直流を受信して複数レベルを有する交流電力を出力し、複数のマルチレベルインバータを含むマルチレベルインバータ部（３０）と、マルチレベルインバータ部と系統を絶縁する交流フィルタ（４０）と、コンバータ及びマルチレベルインバータ部に制御信号を印加する制御部（６０）と、を含む。」と記載されている（要約書参照）。下記特許文献１には、２台のマルチレベルインバータの出力を直列に接続する構成が記載されている。直列接続によって合成された出力は、フィルタと変圧器を介して電力系統に接続される。なお、各々のマルチレベルインバータの入力部は、コンバータを介して個別の太陽光アレイに接続される。
特開２０１２−２５７４５１号公報
大容量の発電システムにおいて、ＰＣＳの出力は三相交流の電力系統に接続されることが多い。そこで、上記のように複数のセルを備えたＰＣＳを３台利用し、ＰＣＳの出力を三相結線することで、三相交流電力を出力することが考えられる。しかし、かかる構成では、一部の相のＰＣＳの発電能力が低下することがある。例えば、太陽光発電システムにおいては、一部の太陽電池のみに影がかかり、影がかかった太陽電池の発電量が減少する状況が考えられる。一般的に、三相交流の電力系統には平衡な電力を供給することが要請されるため、一部の相のＰＣＳの発電能力が低下すると、これに合せて、他相のＰＣＳの出力電力も減少せざるを得ず、発電システムを効率的に運転できなくなるという問題があった。
この発明は上述した事情に鑑みてなされたものであり、高効率で運転できる電力変換装置および電力変換装置の制御方法を提供することを目的とする。
上記課題を解決するため本発明の電力変換装置は、各々が入力された電力を第１，第２および第３の方形波パルスに変換して出力するとともに、第１の電源に対して入力端子が並列に接続された、３台の第１の電力変換セルと、各々が入力された電力を第４，第５および第６の方形波パルスに変換して出力するとともに、第２の電源に対して、入力端子が並列に接続された、３台の第２の電力変換セルと、前記第１ないし第６の方形波パルスのパルス幅をローテーションパターンに従って循環的に変更し、前記第１の電源の発電量が通常の発電量よりも低下すると、前記第１の電源の出力電力を減少させるように前記ローテーションパターンを変更し、前記第２の電源の発電量が通常の発電量よりも低下すると、前記第２の電源の出力電力を減少させるように前記ローテーションパターンを変更する制御装置と、を有し、前記第１の電力変換セルの一部が出力する電力と、前記第２の電力変換セルの一部が出力する電力とを合成して、第１相の電力を出力し、前記第１の電力変換セルの他の一部が出力する電力と、前記第２の電力変換セルの他の一部が出力する電力とを合成して、第２相の電力を出力し、残りの前記第１の電力変換セルが出力する電力と、残りの前記第２の電力変換セルが出力する電力とを合成して、第３相の電力を出力し、前記第１相、前記第２相および前記第３相の電力を、三相システムの相電力または線間電力として出力することを特徴とする。
本発明によれば、高効率で運転できる電力変換装置および電力変換装置の制御方法を実現できる。
本発明の第１実施形態による太陽光発電システムのブロック図である。 第１実施形態における相変換器の詳細ブロック図である。 第１実施形態におけるセルの回路図である。 第１実施形態におけるセルの出力電圧波形と、相変換器の出力電圧波形とを示す図である。 第１実施形態における各相変換器の出力電圧波形を示す図である。 第２実施形態におけるセルの出力電圧波形と、相変換器の出力電圧波形とを示す図である。 第３実施形態による太陽光発電システムのブロック図である。 第４実施形態による太陽光発電システムのブロック図である。 第５実施形態による太陽光発電システムのブロック図である。 双方向に電力変換可能なセルの回路図である。 第５実施形態の小充電モードにおけるセルの出力電圧波形と、相変換器の出力電圧波形とを示す図である。 第５実施形態の大充電モードにおけるセルの出力電圧波形と、相変換器の出力電圧波形とを示す図である。
［第１実施形態］
〈第１実施形態の構成〉
第１実施形態では、電力変換装置を応用して太陽光発電システムを構成する。
図１は、本発明の第１実施形態による太陽光発電システムＳ１のブロック図である。
太陽光発電システムＳ１は、電力変換装置１００と、電力変換装置１００を制御する制御装置４００と、電源として４台の太陽電池２０１，２０２，２０３，２０４と、を有している。
電力変換装置１００は、太陽電池２０１〜２０４から入力される電力を変換し、三相電力系統３００に三相交流電力を出力する。なお、電力変換装置１００と三相電力系統３００の間に、図示せぬフィルタや、変圧器等を接続してもよい。
太陽電池２０１は、一枚の太陽電池パネルであってもよく、複数の太陽電池パネルを直列および並列に接続したものであってもよい。太陽電池２０２〜２０４も同様である。
また、各太陽電池２０１〜２０４と電力変換装置１００との間に、図示せぬ逆流防止用ダイオードやヒューズ等の保護部品、および／または、チョッパ回路等のコンバータを直列に挿入してもよい。
電力変換装置１００は、三相交流における各相の出力電力を生成する相変換器１１０，１２０，１３０を備える。相変換器１１０，１２０，１３０は、それぞれＵ相出力電圧ＶUS，Ｖ相出力電圧ＶVS，Ｗ相出力電圧ＶWSを生成する。相変換器１１０，１２０，１３０は、それぞれ一対の出力端子を有している。これら出力端子のうち一方は、三相出力端子１７０として、三相電力系統３００に接続されている。一方、他方の出力端子は、相互に接続され、中性点Ｎを構成する。
相変換器１１０，１２０，１３０の各々は、出力端子が直列に接続された複数の電力変換セル（以下、セルという）を備えている。すなわち、相変換器１１０は４台のセル１１１，１１２，１１３，１１４を備え、これらセル１１１〜１１４の出力端子は直列に接続されている。これらセル１１１，１１２，１１３，１１４の出力電圧をＶU1，ＶU2，ＶU3，ＶU4とする。同様に、相変換器１２０は、直列接続された４台のセル１２１，１２２，１２３，１２４を有し、これらの出力電圧をＶV1，ＶV2，ＶV3，ＶV4とする。同様に、相変換器１３０は、直列接続された４台のセル１３１，１３２，１３３，１３４を有し、これらの出力電圧をＶW1，ＶW2，ＶW3，ＶW4とする。
Ｕ相出力電圧ＶUSは、出力電圧ＶU1，ＶU2，ＶU3，ＶU4を合成した電圧であり、Ｖ相出力電圧ＶVSは、出力電圧ＶV1，ＶV2，ＶV3，ＶV4を合成した電圧であり、Ｗ相出力電圧ＶWSは、出力電圧ＶW1，ＶW2，ＶW3，ＶW4を合成した電圧である。なお、図１では、各相変換器１１０，１２０，１３０が４台のセルを備える構成を示したが、セルの台数については任意に設定するとよい。
太陽電池２０１は、相変換器１１０が備えるセル１１１、相変換器１２０が備えるセル１２１、および相変換器１３０が備えるセル１３１の各入力端子に対して並列に接続される。同様に、太陽電池２０２はセル１１２，１２２，１３２の入力端子に対して並列に接続され、太陽電池２０３はセル１１３，１２３，１３３の入力端子に対して並列に接続され、太陽電池２０４はセル１１４，１２４，１３４の入力端子に対して並列に接続されている。
このように、太陽電池２０１〜２０４の各々は、全ての相変換器１１０，１２０，１３０内の何れかのセルと接続される。換言すれば、太陽電池２０１〜２０４の中には、特定の相変換器内のセルのみに接続されるものは存在しない。
電力変換装置１００は、以上に示した構成の他に、保護用部品（リレー、ヒューズ、アレスタ等）やフィルタ用部品（リアクトル、コンデンサ）等の要素を備えてもよい。
制御装置４００は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）等、一般的なコンピュータとしてのハードウエアを備えており、ＲＯＭには、ＣＰＵによって実行される制御プログラムや、各種データ等が格納されている。以下説明する制御装置４００の各種機能は、これら制御プログラム等によって実現される。
電力変換装置１００が出力する各相の出力電圧ＶUS，ＶVS，ＶWSを制御する際には、各相変換器１１０，１２０，１３０が備えるセル１１１〜１３４を協調制御することが好ましい。そこで、制御装置４００は、かかる協調制御を実行する。また、太陽光発電用のＰＳＣでは、三相電力系統３００に出力する電流を制御することが一般的である。そこで、制御装置４００は、電力変換装置１００の出力電流を検出し、これを所望の値に制御するようにフィードバック制御演算を行う。この演算の結果として、各相の出力電圧ＶUS，ＶVS，ＶWSの目標値が得られる。
図２は、相変換器１１０の詳細ブロック図である。
図示のように、相変換器１１０は、電流検出器４１０を有している。
電流検出器４１０は、相変換器１１０のＵ相出力電流を検出し、その結果を制御装置４００に供給する。制御装置４００は、このＵ相出力電流の検出結果に基づいて、上述したフィードバック制御演算を行う。また、制御装置４００は、セル１１１〜１１４の出力電圧ＶU1〜ＶU4、ひいては相変換器１１０のＵ相出力電圧ＶUSを制御するために、相変換器１１０が備えるセル１１１〜１１４に対して制御信号Ｓcを出力する。また、セル１１１〜１１４から制御装置４００に対して、各セルの電圧、電流、温度等の物理量と、異常有無等の状態とを表す検出信号Ｓdが出力される。
但し、図２では図面の煩雑化を防ぐため、制御装置４００とセル１１１の間で入出力される信号のみを示した。実際には、制御装置４００とセル１１２〜１１４の間でも同様に信号の入出力がなされる。また、図２において１本の矢印として表現した信号は、複数の情報を含んでいてもよい。
また、制御装置４００の全ての要素が、１枚の基板上に実装される必要はない。各セル１１１〜１１４の構成要素が実装される基板上に、制御装置４００の一部要素を実装してもよい。
以上、相変換器１１０について詳述したが、相変換器１２０，１３０（図１参照）も、電流検出器４１０と同様の電流検出器（図示せず）を有している。また、制御装置４００は、相変換器１１０と同様に相変換器１２０，１３０を制御する。
図３は、セル１１１の回路図の一例である。
セル１１１は、コンバータ１１とインバータ１２とを有している。コンバータ１１は、セル１１１に入力される直流電圧を変換して直流リンク電圧Ｖdc1を生成する。セル１１２〜１１４（図２参照）も同様にコンバータを備え、直流リンク電圧Ｖdc2〜Ｖdc4（図示せず）をそれぞれ生成する。
図３では、コンバータ１１の具体的な回路方式として、絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータの一種である共振型コンバータを適用した例を示す。共振型コンバータは、小型・高効率化に適した絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータであり、産業から民生まで幅広い分野で利用されている。共振型コンバータ自体は周知であるため、詳細については省略するが、コンバータ１１は、インバータ２０と、トランス２２と、整流回路２４とを備えている。
インバータ２０は、４個のスイッチング素子（図３の例ではＭＯＳＦＥＴ）を有し、そのオン・オフ動作によって、交流電圧を発生させる。発生した交流電圧は、トランス２２と整流回路２４とを介して直流リンク電圧Ｖdc1に変換される。制御装置４００は、直流リンク電圧Ｖdc1が所定値になるように、インバータ２０等を制御する。コンデンサ２１，２７は、コンバータ１１の入出力端子における電圧変動を抑制する。なお、直流リンク電圧を生成できるのであれば、コンバータの具体的な回路方式については、他の方式のものを採用してもよい。
インバータ１２は、直流リンク電圧Ｖdc1を変換してセル１１１の出力電圧ＶU1を生成する。セル１１２〜１１４（図２参照）も同様にインバータを備え、図示せぬ直流リンク電圧Ｖdc2〜Ｖdc4を変換して出力電圧ＶU2〜ＶU4をそれぞれ生成する。図３では、インバータ１２の具体的な回路方式として、Ｈブリッジ方式の単相インバータを採用した例を示した。
Ｈブリッジ方式の単相インバータも周知であるため、詳細については省略するが、インバータ１２は、４個のスイッチング素子（図３の例ではＭＯＳＦＥＴ）のオン・オフ動作によって、出力電圧ＶU1（の瞬時値）を、＋Ｖdc1、０、または−Ｖdc1のうち何れかに制御する。すなわち、インバータ１２は、直流リンク電圧Ｖdc1をそのまま出力するか、または、出力電圧を略ゼロにするか、または、直流リンク電圧Ｖdc1の極性を反転させて出力する。なお、インバータの具体的な回路方式については、他の方式のものを採用してもよい。
図３において、コンバータ１１は、直流リンク電圧Ｖdc1を検出するための電圧検出器２８を備える。電圧検出器２８によって検出された直流リンク電圧Ｖdc1の値は、制御装置４００に出力される。直流リンク電圧Ｖdc1の検出値は、図２において説明した検出信号Ｓdに含まれる。制御装置４００は、直流リンク電圧Ｖdc1の検出値に基づいて、該直流リンク電圧Ｖdc1が所定の目標値に近づくようにフィードバック制御する。
なお、コンバータ１１は、電圧検出器２８の他に、電流や温度の検出器を備えていてもよい。また、インバータ１２についても同様に、電圧、電流、温度の検出器を備えていてもよい。また、セル１１１は、以上に示した構成の他に、保護用部品（リレー、ヒューズ、アレスタ等）やフィルタ用部品（リアクトル、コンデンサ）等の要素を備えてもよい。また、相変換器１２０，１３０が備える各セルについても、同様の構成を適用できる。
以上、セル１１１の構成について説明したが、他のセル１１２〜１３４も、セル１１１と同様に構成されている。本実施形態によれば、各セルの入出力間が電気的に絶縁されているため、上述したように、太陽電池を複数の相変換器に対して並列に接続することが可能になる。また、図１において、各太陽電池２０１〜２０４の負極側を接地するようにしてもよい。
〈第１実施形態の動作〉
次に、本実施形態の動作を説明する。
図４は、本実施形態におけるセル１１１〜１１４の出力電圧ＶU1〜ＶU4の波形と、相変換器１１０のＵ相出力電圧ＶUSの波形とを示す図である。
図４では、電力変換装置１００が出力する交流電圧の２周期分の波形を示した。該交流電圧の周期をＴACとする。図４のＵ相出力電圧ＶUSの波形と重ねて示した破線の正弦波は、Ｕ相出力電圧ＶUSに含まれる基本波成分である。この基本波成分が、Ｕ相出力電圧ＶUSの目標値と考えてもよい。
上述のように、セル１１１は、出力電圧ＶU1の瞬時値として、＋Ｖdc1、０、または−Ｖdc1の何れかの電圧を出力できる。そこで、制御装置４００は、セル１１１に対して、図４に示すように、振幅がＶdc1、パルス幅がＴ1であり、半周期ＴAC／２毎に正負の極性が入れ替わる出力電圧ＶU1を出力させる。
また、同様に、制御装置４００は、セル１１２（図２参照）に対して、振幅がＶdc2、パルス幅がＴ2であり、半周期ＴAC／２毎に正負の極性が入れ替わる出力電圧ＶU2を出力させる。また、同様に、制御装置４００は、セル１１３（図２参照）に対して、振幅がＶdc3、パルス幅がＴ3であり、半周期ＴAC／２毎に正負の極性が入れ替わる出力電圧ＶU3を出力させる。また、同様に、制御装置４００は、セル１１４（図２参照）に対して、振幅がＶdc4、パルス幅がＴ4であり、半周期ＴAC／２毎に正負の極性が入れ替わる出力電圧ＶU4を出力させる。
なお、図４に示したパルス幅Ｔ1〜Ｔ4および直流リンク電圧Ｖdc1〜Ｖdc4は一定値であってもよく、微調整できるようにしてもよい。Ｕ相出力電圧ＶUSは、出力電圧ＶU1〜ＶU4を合成した電圧であるため、図４に示すように、Ｕ相出力電圧ＶUSは正弦波に近似した波形を有する。ここで、各太陽電池２０１，２０２，２０３，２０４の発電量Ｐm1，Ｐm2，Ｐm3，Ｐm4は、「Ｐm1＞Ｐm2＞Ｐm3＞Ｐm4」の関係を有しているとする。そこで、パルス幅Ｔ1〜Ｔ4には、「Ｔ1＞Ｔ2＞Ｔ3＞Ｔ4」の関係を付与している。
ここで、各セル１１１〜１１４の直流リンク電圧Ｖdc1〜Ｖdc4はほぼ等しく、かつ、相変換器１１０の出力の力率はほぼ１であるとする。この場合、セル１１１〜１１４の出力電力をＰ111，Ｐ112，Ｐ113，Ｐ114とすると、これらの値は、「Ｐ111＞Ｐ112＞Ｐ113＞Ｐ114」の関係を有する。このように、互いに接続される太陽電池とセルの間で、電力の大小関係が一致する。なお、Ｖdc1〜Ｖdc4、及び、Ｔ1〜Ｔ4を制御することで、セル１１１〜１１４の出力電力を調節可能であり、太陽電池の発電量と対応するセルが出力する電力を一致させることができる。
図５は、各相変換器１１０，１２０，１３０の出力電圧ＶUS，ＶVS，ＶWSの波形を示す。Ｖ相出力電圧ＶVSおよびＷ相出力電圧ＶWSは、Ｕ相出力電圧ＶUSに対して各々１２０°および２４０°遅れているが、これらの波形の形状は同一であり、出力電圧ＶUS，ＶVS，ＶWSは、三相交流電圧になっていることが解る。
ここで、部分影等の原因によって、太陽電池２０１の発電量Ｐm1が低下した場合の動作を検討する。太陽電池２０１の発電量Ｐm1が低下すると、太陽電池２０１に接続されているセル１１１，１２１，１３１の出力電力が減少するため、各相の相変換器１１０，１２０，１３０の出力電力が減少する。しかし、相変換器１１０，１２０，１３０の出力電力の減少量は均等であるため、三相平衡状態が崩れることはない。また、太陽電池２０２〜２０４から取り出す電力を減少させる必要はなく、全ての太陽電池からそれぞれ取り出し得る最大の電力量を取り出したとしても、三相平衡状態を維持することができる。
〈第１実施形態の効果〉
以上のように、何れかの電源の出力電力が低下したとしても、他方の電源の出力電力を低下させることなく三相平衡状態を維持することができる。
特に、本実施形態において、第１の電源（２０１）および第２の電源（２０２）は、太陽電池であり、部分影等によって出力電力が低下しやすい傾向があるが、かかる場合にも、太陽光発電システムＳ１を高効率で運転できる。
［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態による太陽光発電システムについて説明する。
本実施形態のハードウエア構成は、第１実施形態のもの（図１〜図３参照）と同様である。但し、本実施形態においては、太陽電池２０１〜２０４の発電量Ｐm1〜Ｐm4は、ほぼ等しいこととする。
図６は、本実施形態におけるセル１１１〜１１４の出力電圧ＶU1〜ＶU4の波形と、相変換器１１０のＵ相出力電圧ＶUSの波形とを示す図である。
図６に示す出力電圧ＶU1は、半周期毎に、パルス幅をＴ1、Ｔ2、Ｔ3、Ｔ4の順にローテーションする。すなわちパルス幅を循環的に変更する。セル１１２〜１１４の出力電圧ＶU2，ＶU3，ＶU4は、出力電圧ＶU1に対して半周期、１周期および１．５周期進み位相になるが、出力電圧ＶU1と同様に、半周期毎に、パルス幅をＴ1、Ｔ2、Ｔ3、Ｔ4の順にローテーションする。これによって、交流出力の２周期間における各セルの出力電力の平均値は、全てのセルで等しくなる。
図３に示したコンデンサ２１，２７の静電容量が十分大きければ、太陽電池２０１〜２０４からセル１１１〜１１４に入力される電力も全て等しくなり、かつ、時間的にほぼ一定になる。
また、本実施形態においては、何らかの理由により、太陽電池２０１〜２０４の一部の発電量が低下した状況においても、ローテーションのパターンを工夫することによっても、セル１１１〜１１４の出力電力を調節可能であり、太陽電池の発電量と対応するセルが出力する電力を一致させることができる。例えば、セル１１１，１１２が通常通りの発電量を維持しており、何らかの理由によりセル１１３，１１４の発電量が低下した場合は、セル１１１，１１２の出力電圧ＶU1，ＶU2に対してパルス幅Ｔ1，Ｔ2を交互に適用し、セル１１３，１１４の出力電圧ＶU3，ＶU4に対してパルス幅Ｔ3，Ｔ4を交互に適用することが考えらえる。
以上のように、本実施形態によれば、第１実施形態と同様に、何れかの電源の出力電力が低下したとしても、他の電源の出力電力を低下させることなく三相平衡状態を維持することができ、太陽光発電システムを高効率で運転できる。
さらに、本実施形態によれば、各太陽電池の発電量が異なる状況においても、また、各太陽電池の発電量がほぼ等しい状況においても、セル１１１〜１１４の出力電圧（Ｖｕ１〜Ｖｕ４）波形パターンによって太陽電池の発電量と対応するセルが出力する電力を一致させることができる。
［第３実施形態］
図７は、本発明の第３実施形態による太陽光発電システムＳ３のブロック図である。なお、図７において、図１〜図５の各部に対応する部分には同一の符号を付し、その説明を省略する場合がある。
本実施形態においては、第１実施形態（図１参照）の電力変換装置１００に代えて、図７に示す電力変換装置１０３が適用される。また、本実施形態においては、２台の太陽電池２２１，２２２が第１および第２の電源として適用され、これら太陽電池２２１，２２２の発電量はほぼ等しい。
太陽電池２２１は、６個の第１の電力変換セル、すなわち相変換器１１０内のセル１１１，１１２、相変換器１２０内のセル１２１，１２２、および相変換器１３０内のセル１３１，１３２の各入力端子に対して並列に接続されている。
また、太陽電池２２２は、６個の第２の電力変換セル、すなわち相変換器１１０内のセル１１３，１１４、相変換器１２０内のセル１２３，１２４、および相変換器１３０内のセル１３３，１３４の各入力端子に対して並列に接続されている。
このように、１台の太陽電池に対して、一の相変換器に含まれる複数のセルを並列接続してもよい。セル１台の定格電力が太陽電池１台の発電量より小さい場合、本実施形態の構成は特に有用である。
以上のように、本実施形態によれば、第１，第２実施形態と同様に、何れかの電源の出力電力が低下したとしても、他の電源の出力電力を低下させることなく三相平衡状態を維持することができ、太陽光発電システムを高効率で運転できる。
さらに、本実施形態によれば、第１の電力変換セルのうち第１相に係るもの（１１１，１１２）の数と、第２の電力変換セルのうち第１相に係るもの（１１３，１１４）の数とは等しく、第１の電力変換セルのうち第２相に係るもの（１２１，１２２）の数と、第２の電力変換セルのうち第２相に係るもの（１２３，１２４）の数とは等しく、第１の電力変換セルのうち第３相に係るもの（１３１，１３２）の数と、第２の電力変換セルのうち第３相に係るもの（１３３，１３４）の数とは等しい。
これにより、本実施形態は、各電源（２２１，２２２）の発電量がほぼ等しい場合に特に有用である。
［第４実施形態］
図８は、本発明の第４実施形態による太陽光発電システムＳ４のブロック図である。なお、図８において、図１〜図７の各部に対応する部分には同一の符号を付し、その説明を省略する場合がある。
本実施形態においては、第１実施形態（図１参照）の電力変換装置１００に代えて、図８に示す電力変換装置１０４が適用される。また、本実施形態においては、２台の太陽電池２３１，２３２が第１および第２の電源として適用され、太陽電池２３２の発電量は、太陽電池２３１の発電量よりも大きい。
太陽電池２３１は、３個の第１の電力変換セル、すなわち相変換器１１０内のセル１１１、相変換器１２０内のセル１２１、および相変換器１３０内のセル１３１の各入力端子に対して並列に接続されている。
また、太陽電池２３２は、９個の第２の電力変換セル、すなわち相変換器１１０内のセル１１２，１１３，１１４、相変換器１２０内のセル１２２，１２３，１２４、および相変換器１３０内のセル１３２，１３３，１３４の各入力端子に対して並列に接続されている。
以上のように、本実施形態によれば、第１〜第３実施形態と同様に、何れかの電源の出力電力が低下したとしても、他の電源の出力電力を低下させることなく三相平衡状態を維持することができ、太陽光発電システムを高効率で運転できる。
さらに、本実施形態によれば、第１の電力変換セルのうち第１相に係るもの（１１１）の数は、第２の電力変換セルのうち第１相に係るもの（１１２，１１３，１１４）の数よりも少なく、第１の電力変換セルのうち第２相に係るもの（１２１）の数は、第２の電力変換セルのうち第２相に係るもの（１２２，１２３，１２４）の数よりも少なく、第１の電力変換セルのうち第３相に係るもの（１３１）の数は、第２の電力変換セルのうち第３相に係るもの（１３２，１３３，１３４）の数よりも少ない
これにより、本実施形態は、第１の電源（２３１）の発電量が第２の電源（２３２）の発電量よりも小さい場合に、特に有用である。
［第５実施形態］
〈第５実施形態の構成〉
図９は、本発明の第５実施形態による太陽光発電システムＳ５のブロック図である。なお、図９において、図１〜図８の各部に対応する部分には同一の符号を付し、その説明を省略する場合がある。
本実施形態においては、第１実施形態（図１参照）の電力変換装置１００に代えて、図９に示す電力変換装置１０５が適用される。また、本実施形態においては、第１の電源として蓄電池２１１が適用され、第２の電源として太陽電池２０２〜２０４が適用される。
電力変換装置１０５は、三相交流における各相の出力電力を生成する相変換器１４０，１５０，１６０を備えている。相変換器１４０，１５０，１６０は、それぞれＵ相出力電圧ＶUS，Ｖ相出力電圧ＶVS，Ｗ相出力電圧ＶWSを生成する。相変換器１４０，１５０，１６０の各々は、出力端子が直列に接続された複数のセルを有している。すなわち、相変換器１４０は直列接続された４台のセル１４１，１１２〜１１４を有し、各セルの出力端子は直列に接続される。これらセル１４１，１１２〜１１４の出力電圧をＶU1，ＶU2，ＶU3，ＶU4とする。
同様に、相変換器１５０は、直列接続された４台のセル１５１，１２２，１２３，１２４を有し、これらの出力電圧をＶV1，ＶV2，ＶV3，ＶV4とする。同様に、相変換器１６０は、直列接続された４台のセル１６１，１３２，１３３，１３４を有し、これらの出力電圧をＶW1，ＶW2，ＶW3，ＶW4とする。Ｕ相出力電圧ＶUSは、出力電圧ＶU1，ＶU2，ＶU3，ＶU4を合成した電圧であり、Ｖ相出力電圧ＶVSは、出力電圧ＶV1，ＶV2，ＶV3，ＶV4を合成した電圧であり、Ｗ相出力電圧ＶWSは、出力電圧ＶW1，ＶW2，ＶW3，ＶW4を合成した電圧である。
蓄電池２１１は、相変換器１４０が備えるセル１４１、相変換器１５０が備えるセル１５１、および相変換器１６０が備えるセル１６１の各入力端子に対して並列に接続される。ここで、セル１４１，１５１，１６１は、蓄電池２１１に対する充電方向および放電方向の双方向に電力変換を行うことが可能になっている。また、太陽電池２０２はセル１１２，１２２，１３２の入力端子に対して並列に接続され、太陽電池２０３はセル１１３，１２３，１３３の入力端子に対して並列に接続され、太陽電池２０４はセル１１４，１２４，１３４の入力端子に対して並列に接続されている。
図１０は、双方向に電力変換可能なセル１４１の回路図の一例である。
セル１４１は、双方向コンバータ１４と、インバータ１２とを有している。ここで、インバータ１２の構成は、第１実施形態のセル１１１のもの（図３参照）と同様である。また、双方向コンバータ１４は、コンバータ１１（図３参照）に含まれている整流回路２４を、ブリッジ回路２６に置換したものである。ここで、ブリッジ回路２６は、４個のスイッチング素子（図１０の例ではＭＯＳＦＥＴ）を用いたＨブリッジである。
蓄電池２１１（図９参照）を放電させる場合は、制御装置４００は、ブリッジ回路２６を整流回路として機能させる。これにより、双方向コンバータ１４は第１実施形態のコンバータ１１と同様に動作する。また、蓄電池２１１を充電する場合は、制御装置４００は、インバータ２０を整流回路として機能させ、ブリッジ回路２６をインバータとして機能させる。
〈第５実施形態の動作〉
（蓄電池２１１の放電モード）
次に、本実施形態の動作を説明する。
本実施形態において、制御装置４００は、セル１４１の動作モード（放電、小充電または大充電モード）を適宜設定することができ、動作モードに応じて、セル１４１，１１２〜１１４を制御する。
まず、蓄電池２１１を放電させる放電モードにおいては、制御装置４００は、セル１４１，１１２〜１１４の出力電圧ＶU1〜ＶU4が、第２実施形態のもの（図４参照）と同様になるように制御する。これにより、蓄電池２１１には電力が充電されることはなく、蓄電池２１１から出力された電力が変換されつつ三相電力系統３００に供給され続ける。
（蓄電池２１１の小充電モード）
蓄電池２１１を充電するようにセル１４１を動作させるモードには、充電量が比較的小さい小充電モードと、充電量が比較的大きい大充電モードとがある。
図１１は、小充電モードにおけるセル１４１，１１２〜１１４の出力電圧ＶU1〜ＶU4の波形と、相変換器１４０のＵ相出力電圧ＶUSの波形とを示す図である。
図１１では、電力変換装置１００が出力する交流電圧の１周期分（ＴAC）の波形を示した。図１１においては、Ｕ相出力電圧ＶUSの極性と、セル１４１の出力電圧ＶU1の極性とが同一になる期間と、異なる期間が存在する。両者の極性が異なる期間が充電期間になる。例えば、Ｕ相出力電圧ＶUSが正の極性を有し、出力電圧ＶU1が負の極性を有する期間は充電期間である。
力率がほぼ１の条件であれば、充電期間においてセル１４１は、電力を回生するように動作する。すなわち、図１０に示す双方向コンバータ１４が出力側（電力系統側）から入力側（蓄電池側）に電力を伝送することによって、蓄電池２１１を充電する。このような動作においても、第１実施形態（図４参照）に示したものと同様のＵ相出力電圧ＶUSの波形を得るため、図１１においては、出力電圧ＶU2〜ＶU4のパルス幅Ｔ2〜Ｔ4は、図４のものより長くしている。このように、制御装置４００は、太陽電池２０２〜２０４の発電量を利用して、相変換器１１０に交流電力を出力させつつ、蓄電池２１１を充電することができる。
（蓄電池２１１の大充電モード）
図１２は、大充電モードにおけるセル１４１，１１２〜１１４の出力電圧ＶU1〜ＶU4の波形と、相変換器１４０のＵ相出力電圧ＶUSの波形とを示す図である。
図１２の例においては、Ｕ相出力電圧ＶUSのステップ数は３段である。但し、図１１の例よりも、直流リンク電圧Ｖdc2〜Ｖdc4を高くすると、ステップ数が３段であったとしても、図１１の例と同等の振幅のＵ相出力電圧ＶUSが得られる。図１２の例においては、相変換器１４０が出力する電圧の極性と、セル１４１が出力する出力電圧ＶU1の極性とが一致する期間が存在しない。すなわち、大充電モードにおいては、蓄電池２１１が放電する期間が存在しないため、小充電モードと比較して、蓄電池２１１への充電量を大きくすることができる。
〈第５実施形態の効果〉
以上のように、本実施形態の太陽光発電システムＳ５によれば、第１の電源（２１１）は蓄電池であり、第２の電源（２０２）は太陽電池であり、第１の電力変換セル（１４１，１５１，１６１）は、蓄電池に対する充電方向および放電方向の双方向に電力変換が可能である。
これにより、発電量が時々刻々と変動する太陽光発電システムＳ５においても、蓄電池２１１を適宜充放電させることにより、安定した発電を継続することができる。
［変形例］
本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。上述した実施形態は本発明を理解しやすく説明するために例示したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。また、各実施形態の構成の一部について削除し、若しくは他の構成の追加・置換をすることが可能である。また、図中に示した制御線や情報線は説明上必要と考えられるものを示しており、製品上で必要な全ての制御線や情報線を示しているとは限らない。実際には殆ど全ての構成が相互に接続されていると考えてもよい。上記実施形態に対して可能な変形は、例えば以下のようなものである。
（１）上記各実施形態においては、「電源」の一例として太陽電池または蓄電池を適用した例を説明したが、「電源」はこれらに限定されるものではなく、風力発電装置、潮力発電装置、一次電池等、種々のものを適用することができる。また、「電源」は直流電源に限られるものではなく、交流電源であってもよい。
（２）上記各実施形態においては、相変換器１１０，１２０，１３０（または１４０，１５０，１６０）の出力電圧を相電圧として、相変換器を三相電力系統３００に接続したが、これら相変換器の出力電圧を線間電圧として、相変換器を三相電力系統３００に接続してもよい。また、上記各実施形態においては電力変換装置の出力を三相電力系統に接続したが、それ以外に三相交流電力によって動作する負荷（三相モータなど）に接続してもよい。
（３）上記第２実施形態において、出力電圧ＶU1〜ＶU4のローテーションのさせ方は、図４に示したものに限られず、種々の変形が可能である。
例えば、「Ｔ1＋Ｔ4」と、「Ｔ2＋Ｔ3」とが等しい場合、出力電圧ＶU1，ＶU2のパルス幅はＴ1，Ｔ4を交互に選択し、出力電圧ＶU3，ＶU4のパルス幅はＴ2，Ｔ3を交互に選択してもよい。
また、図４の例では、Ｕ相出力電圧ＶUSの半周期毎にパルス幅Ｔ1〜Ｔ4を切り替えたが、１／４周期毎に、パルス幅（図４に示すのパルス幅Ｔ1〜Ｔ4の各１／２の幅）を切り替えてもよい。
（４）上記各実施形態における制御装置４００のハードウエアは一般的なコンピュータによって制御装置４００の機能を実現するプログラム等を記憶媒体に格納し、または伝送路を介して頒布してもよい。
（５）上記各実施形態では、制御装置４００の機能はプログラムを用いたソフトウエア的な処理として実現する旨を説明したが、その一部または全部をＡＳＩＣ(Application Specific Integrated Circuit；特定用途向けＩＣ)、あるいはＦＰＧＡ(field-programmable gate array)等を用いたハードウエア的な処理に置き換えてもよい。
１００〜１０５ 電力変換装置
１１１，１２１，１３１ 電力変換セル（第１の電力変換セル）
１１２，１２２，１３２ 電力変換セル（第２の電力変換セル）
１４１，１５１，１６１ 電力変換セル（第１の電力変換セル）
２０１，２３１ 太陽電池（第１の電源）
２０２，２３２ 太陽電池（第２の電源）
２１１ 蓄電池（第１の電源）
Ｓ１〜Ｓ５ 太陽光発電システム

Claims (7)

  1. 各々が入力された電力を第１，第２および第３の方形波パルスに変換して出力するとともに、第１の電源に対して入力端子が並列に接続された、３台の第１の電力変換セルと、
    各々が入力された電力を第４，第５および第６の方形波パルスに変換して出力するとともに、第２の電源に対して、入力端子が並列に接続された、３台の第２の電力変換セルと、
    前記第１ないし第６の方形波パルスのパルス幅をローテーションパターンに従って循環的に変更し、前記第１の電源の発電量が通常の発電量よりも低下すると、前記第１の電源の出力電力を減少させるように前記ローテーションパターンを変更し、前記第２の電源の発電量が通常の発電量よりも低下すると、前記第２の電源の出力電力を減少させるように前記ローテーションパターンを変更する制御装置と、
    を有し、
    前記第１の電力変換セルの一部が出力する電力と、前記第２の電力変換セルの一部が出力する電力とを合成して、第１相の電力を出力し、
    前記第１の電力変換セルの他の一部が出力する電力と、前記第２の電力変換セルの他の一部が出力する電力とを合成して、第２相の電力を出力し、
    残りの前記第１の電力変換セルが出力する電力と、残りの前記第２の電力変換セルが出力する電力とを合成して、第３相の電力を出力し、
    前記第１相、前記第２相および前記第３相の電力を、三相システムの相電力または線間電力として出力する
    ことを特徴とする電力変換装置。
  2. 前記第１の電力変換セルのうち前記第１相に係るものの数と、前記第２の電力変換セルのうち前記第１相に係るものの数とは等しく、
    前記第１の電力変換セルのうち前記第２相に係るものの数と、前記第２の電力変換セルのうち前記第２相に係るものの数とは等しく、
    前記第１の電力変換セルのうち前記第３相に係るものの数と、前記第２の電力変換セルのうち前記第３相に係るものの数とは等しい
    ことを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
  3. 前記第１の電力変換セルのうち前記第１相に係るものの数は、前記第２の電力変換セルのうち前記第１相に係るものの数よりも少なく、
    前記第１の電力変換セルのうち前記第２相に係るものの数は、前記第２の電力変換セルのうち前記第２相に係るものの数よりも少なく、
    前記第１の電力変換セルのうち前記第３相に係るものの数は、前記第２の電力変換セルのうち前記第３相に係るものの数よりも少ない
    ことを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
  4. 前記第１の電源および前記第２の電源は、太陽電池である
    ことを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
  5. 前記第１の電源は蓄電池であり、前記第２の電源は太陽電池であり、
    前記第１の電力変換セルは、前記蓄電池に対する充電方向および放電方向の双方向に電力変換が可能である
    ことを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
  6. 第１の電源と、
    第２の電源と、
    各々が入力された電力を第１，第２および第３の方形波パルスに変換して出力するとともに、前記第１の電源に対して入力端子が並列に接続された、３台の第１の電力変換セルと、
    各々が入力された電力を第４，第５および第６の方形波パルスに変換して出力するとともに、前記第２の電源に対して、入力端子が並列に接続された、３台の第２の電力変換セルと、
    前記第１ないし第６の方形波パルスのパルス幅をローテーションパターンに従って循環的に変更し、前記第１の電源の発電量が通常の発電量よりも低下すると、前記第１の電源の出力電力を減少させるように前記ローテーションパターンを変更し、前記第２の電源の発電量が通常の発電量よりも低下すると、前記第２の電源の出力電力を減少させるように前記ローテーションパターンを変更する制御装置と、
    を有し、
    前記第１の電力変換セルの一部が出力する電力と、前記第２の電力変換セルの一部が出力する電力とを合成して、第１相の電力を出力し、
    前記第１の電力変換セルの他の一部が出力する電力と、前記第２の電力変換セルの他の一部が出力する電力とを合成して、第２相の電力を出力し、
    残りの前記第１の電力変換セルが出力する電力と、残りの前記第２の電力変換セルが出力する電力とを合成して、第３相の電力を出力し、
    前記第１相、前記第２相および前記第３相の電力を、三相システムの相電力または線間電力として出力する
    ことを特徴とする電力変換装置。
  7. 各々が入力された電力を第１，第２および第３の方形波パルスに変換して出力するとともに、第１の電源に対して入力端子が並列に接続された、３台の第１の電力変換セルと、
    各々が入力された電力を第４，第５および第６の方形波パルスに変換して出力するとともに、第２の電源に対して、入力端子が並列に接続された、３台の第２の電力変換セルと、
    を有する電力変換装置の制御方法であって、
    前記第１ないし第６の方形波パルスのパルス幅をローテーションパターンに従って循環的に変更し、
    前記第１の電源の発電量が通常の発電量よりも低下すると、前記第１の電源の出力電力を減少させるように前記ローテーションパターンを変更し、
    前記第２の電源の発電量が通常の発電量よりも低下すると、前記第２の電源の出力電力を減少させるように前記ローテーションパターンを変更し、
    前記第１の電力変換セルの一部が出力する電力と、前記第２の電力変換セルの一部が出力する電力とを合成して、第１相の電力を出力し、
    前記第１の電力変換セルの他の一部が出力する電力と、前記第２の電力変換セルの他の一部が出力する電力とを合成して、第２相の電力を出力し、
    残りの前記第１の電力変換セルが出力する電力と、残りの前記第２の電力変換セルが出力する電力とを合成して、第３相の電力を出力し、
    前記第１相、前記第２相および前記第３相の電力を、三相システムの相電力または線間電力として出力する
    ことを特徴とする電力変換装置の制御方法。
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