JP6896607B2

JP6896607B2 - 変換器、電力制御方法、及びプログラム

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Publication number: JP6896607B2
Application number: JP2017250981A
Authority: JP
Inventors: 雪菜山岡; 伸也直井; 大史福島
Original assignee: Toshiba Corp; Toshiba Energy Systems and Solutions Corp
Current assignee: Toshiba Corp; Toshiba Energy Systems and Solutions Corp
Priority date: 2017-12-27
Filing date: 2017-12-27
Publication date: 2021-06-30
Anticipated expiration: 2037-12-27
Also published as: JP2019118194A

Description

本発明の実施形態は、変換器、電力制御方法、及びプログラムに関する。

風力発電や太陽光発電など再生可能エネルギーを利用して発電された電力を、遠方の需要家の受電設備に供給するシステムとして高圧直流送電システムが知られている。高圧直流送電システムでは、長距離に亘って高圧の直流電力を送電することにより、交流送電に比して送電に伴う電力損失を抑制することができる。このような高圧直流送電システムでは、太陽光パネル等で発電した直流電力を、交流電力に変換する等して所望の電圧に昇圧して集電し、集電した電力を直流送電線路で送電する高圧の直流電力に変換して送電するが、電力変換を行う度に電力損失が発生する場合があった。

特開２０１５−６０６６号公報

本発明が解決しようとする課題は、電力変換に伴う電力損失を抑制することができる変換器、電力制御方法、及びプログラムを提供することである。

実施形態の変換器は、第１変換部と、絶縁型変圧器と、第２変換部と、制御部とを持つ。第１変換部は、スイッチング素子を含み、入力された第１直流電力を交流電力に変換する。絶縁型変圧器は、前記第１変換部から出力される交流電力を所定電圧に変圧する。第２変換部とスイッチング素子を含み、前記絶縁型変圧器から出力される交流電力を直流送電線路に供給する第２直流電力に変換する。制御部は、前記第１変換部に入力される交流電力の電圧値、及び前記第２変換部から出力される交流電力の電圧値に基づいて、前記第１変換部のスイッチング素子と前記第２変換部のスイッチング素子とを制御し、前記第１変換部から出力される交流電力の電圧と前記第２変換部から出力される交流電力の電圧との位相差を変化させることで、前記第２直流電力を調整する。

第１の実施形態のＤＣ／ＤＣ変換器２０が適用される直流送電システム１の構成例を示すブロック図。第１の実施形態のＤＣ／ＤＣ変換器２０の構成例を示すブロック図。第１の実施形態の制御装置２１が通常時に行う動作の説明に用いる図。第１の実施形態の制御装置２１が通常時に行う動作を示すフローチャート。第１の実施形態の制御装置２１が起動時に行う動作の説明に用いる図。第１の実施形態の制御装置２１が起動時に行う動作を示すフローチャート。第２の実施形態のＤＣ／ＤＣ変換器２０Ａが適用される直流送電システム１Ａの構成例を示すブロック図。実施形態の比較例を説明する図。

以下、実施形態の変換器、電力制御方法、及びプログラムを、図面を参照して説明する。以下の説明では、同一または類似の機能を有する構成に同一の符号を付す。そして、それらの構成の重複する説明は省略する場合がある。

（第１の実施形態）
まず、第１の実施形態について説明する。

図１は、第１の実施形態のＤＣ／ＤＣ変換器２０が適用される直流送電システム１の構成例を示すブロック図である。直流送電システム１は、太陽光エネルギーに基づいて直流電力を発電する太陽光パネル１０と、遠方の需要家の受電設備に供給する商用交流系統６０との間に設置される。直流送電システムは、太陽光パネル１０が発電した直流電力を、高圧の直流電力に変換して送電するシステムである。

直流送電システム１は、例えば、ＤＣ／ＤＣ変換器２０と、直流送電線路３０と、ＤＣ／ＡＣ変換器４０と、変圧器５０と、を備える。ここで、ＤＣ／ＤＣ変換器２０は、「変換器」の一例である。また、ＤＣ／ＤＣ変換器２０に入力される直流電力は、「第１直流電力」の一例である。また、ＤＣ／ＤＣ変換器２０により出力される直流電力は、「第２直流電力」の一例である。

なお、図に示すように、直流送電システム１では、複数のＤＣ／ＤＣ変換器２０（ＤＣ／ＤＣ変換器２０−１、２０−２、…）が、各々に対応する太陽光パネル１０（太陽光パネル１０−１、１０−２、…）と組（ペア）となって備えられていてもよい。例えば、直流送電システム１において、４０［ＭＷ］の直流電力が送電可能である場合、１［ＭＷ］の容量を備えるＤＣ／ＤＣ変換器２０が、４０台（４０個）程度、直流送電線路３０に対して並列に接続される。

ＤＣ／ＤＣ変換器２０は、自己消弧型のスイッチング素子を含む、自励型変換器である。ＤＣ／ＤＣ変換器２０は、太陽光パネル１０の後段に接続され、太陽光パネル１０が発電した直流電力を、所定電圧の直流電力に変換する。ここで、所定電圧とは、直流送電線路３０により送電される直流電力の電圧である。ＤＣ／ＤＣ変換器２０の後段には、直流送電線路３０が接続されている。

直流送電線路３０は、ＤＣ／ＤＣ変換器２０の出力である、所定電圧の直流電力を送電する送電線路である。直流送電線路３０におけるＤＣ／ＤＣ変換器２０と接続される側と異なる側には、ＤＣ／ＡＣ変換器４０が接続されている。

ＤＣ／ＡＣ変換器４０は、直流送電線路３０により供給される直流電力を交流電力に変換する。ＤＣ／ＡＣ変換器４０は、例えば、変換制御部４１と、スイッチ部４２と、コンデンサ４３とを備える。ＤＣ／ＡＣ変換器４０では、変換制御部４１が、コンデンサ４３の電圧を計測する電圧検出器４４の検出結果に基づいて、スイッチ部４２に含まれるスイッチング素子のスイッチングを制御することにより、直流送電線路３０により供給される直流電力を交流電力に変換する。ＤＣ／ＡＣ変換器４０の後段には、変圧器５０が接続されている。変圧器５０は、ＤＣ／ＡＣ変換器４０の出力である交流電力を所定の電圧の交流電力に変換し、変換した交流電力を商用交流系統６０に供給する。

図２は、第１の実施形態のＤＣ／ＤＣ変換器２０の構成例を示すブロック図である。図２に示すように、ＤＣ／ＤＣ変換器２０は、例えば、制御装置２１と、電圧検出器２２、２８と、コンデンサ２３、２７と、直交流変換部２４と、絶縁型変圧器２５と、交直流変換部２６と、直流スイッチ部２９と、を備える。ここで、制御装置２１は、「制御部」の一例である。直交流変換部２４は、「第１変換部」の一例である。交直流変換部２６は、「第２変換部」の一例である。

なお、端子Ｐ１は、太陽光パネル１０の正側端子と接続される接続端子である。端子Ｎ１は、太陽光パネル１０の負側端子と接続される接続端子である。また、端子Ｐ２は直流送電線路３０のうち正側線路と、端子Ｎ２は直流送電線路３０の負側線路と、それぞれ接続される接続端子である。

制御装置２１は、例えば、記憶部２１０と、ＣＰＵ２１１と、駆動部２１２と、を備える。記憶部２１０は、半導体メモリを含む。ＣＰＵ２１１は、ソフトウェアプログラムを実行することで、以下に説明する処理を実行する。駆動部２１２は、ＣＰＵ２１１の指示に従い、直交流変換部２４、交直流変換部２６、及び直流スイッチ部２９に与える制御信号を生成する。

電圧検出器２２は、コンデンサ２３の電圧を検出し、検出した結果を制御装置２１に出力する。電圧検出器２８は、コンデンサ２７の電圧を検出し、検出した結果を制御装置２１に出力する。

コンデンサ２３および２７は、それぞれフィルタコンデンサとして機能する。コンデンサ２３の一端が、太陽光パネル１０の正側端子に接続され、他端が、太陽光パネル１０の負側端子に接続される。コンデンサ２７の一端が、交直流変換部２６の正側端子に接続され、他端が、交直流変換部２６の負側端子に接続される。

直交流変換部２４は、スイッチング素子２４０〜２４３を含み、太陽光パネル１０が発電した直流電力を交流電力に変換する。直交流変換部２４は、コンデンサ２３と並列に接続される。スイッチング素子２４０および２４１は、直列に接続され、直列に接続されたスイッチング素子２４０および２４１が、端子Ｐ１と端子Ｎ１との間に接続され、中性点が一次巻線２５０の一端に接続される。また、スイッチング素子２４２および２４３は、直列に接続され、直列に接続されたスイッチング素子２４２および２４３が、端子Ｐ１と端子Ｎ１との間に接続され、中性点が一次巻線２５０の他端に接続される。スイッチング素子２４０〜２４３は、例えば、自励型変換器に適用可能な、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）、ＩＥＧＴ（Injection Enhanced Gate Transistor）、ＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）などの自己消弧型のスイッチング素子である。

絶縁型変圧器２５は、直交流変換部２４により出力される交流電力を所定電圧に変圧する。絶縁型変圧器２５は、互いに電気的に絶縁され磁気結合された一次巻線２５０と二次巻線２５１とを備える。一次巻線２５０には、直交流変換部２４によって生成された交流電力が供給される。二次巻線２５１は、２５０との磁気結合によって発生する交流電力を２６に供給する。これによって、絶縁型変圧器２５は、直交流変換部２４により出力される交流電力の電圧を、一次巻線２５０及び二次巻線２５１の巻数比で変換して、変換した後の交流電力を二次巻線２５１に供給する。

交直流変換部２６は、スイッチング素子２６０〜２６３を含み、絶縁型変圧器２５により供給される交流電力を直流電力に変換する。スイッチング素子２６０および２６１は、互いに直列に接続され、直列に接続されたスイッチング素子２６０および２６１が端子Ｐ２と端子Ｎ２との間に接続され、中性点が二次巻線２５１の一端に接続される。また、スイッチング素子２６２および２６３は、互いに直列に接続され、直列に接続されたスイッチング素子２６２および２６３が端子Ｐ２と端子Ｎ２との間に接続され、中性点が二次巻線２５１の他端に接続される。

直流スイッチ部２９は、制御装置２１の制御に基づいて、交直流変換部２６と、直流送電線路３０との間の電気的な接続を、接続状態、又は遮断状態とする。直流スイッチ部２９は、直流スイッチ２９０、２９１を備える。直流スイッチ２９０は直流送電線路３０の入力端の正側の接続を、直流スイッチ２９１は直流送電線路３０の入力端の負側の接続を、それぞれ接続状態、又は遮断状態とする。

制御装置２１は、ＤＣ／ＤＣ変換器２０の通常時と起動時でそれぞれ異なる動作を行う。「通常時」とは、コンデンサ２３、２７の各々がフィルタコンデンサとして機能する状態をいう。具体的には、コンデンサ２３、２７の各々の端子間電圧が所定の電圧値以上である状態をいう。これに対し、「起動時」とは、コンデンサ２３、２７の各々がフィルタコンデンサとして機能しない状態をいう。具体的にはコンデンサ２３、２７の各々の端子間電圧が所定の電圧値未満である状態をいう。なお、コンデンサ２３、２７の各々がフィルタコンデンサとして機能するために必要な端子間電圧は、同じ電圧値でもよいし、互い異なる電圧値であってもよい。

図３は、制御装置２１が通常時に行う動作についての説明に用いる図である。図３（ａ）は、太陽光パネル１０の出力特性における電圧と電流の関係を示す図である。図３（ａ）において、符号Ｉ１で示す特性は日射強度が低い場合、符号Ｉ２で示す特性は日射強度が高い場合の出力特性を、それぞれ示している。また、図３（ａ）の横軸は電圧、縦軸は電流を示す。

図３（ｂ）は、太陽光パネル１０の出力特性における電圧と電力の関係を示す図である。図３（ｂ）において、符号Ｐ１で示す特性は日射強度が低い場合、符号Ｐ２で示す特性は日射強度が高い場合の出力特性を、それぞれ示している。また、図３（ａ）の横軸は電圧、縦軸は電力を示す。

図３（ａ）に示すように、太陽光パネル１０により発電される電力における電圧と電流の関係は、日射強度によって変動する。例えば、符号Ｉ２で示す特性（日射強度が高い場合の特性）の方が、符号Ｉ１で示す特性（日射強度が低い場合の特性）と比較して、電圧値に対する電流値が大きい。また、発電電力の出力特性における電圧と電流との関係には、電圧値と電流値の積（つまり、電力）が最大となる最適動作点が存在する。図３（ａ）では、符号Ｉ１で示す特性における、最適動作点ＰＴ１（Ｖｐ１、Ｉｐ１）、符号Ｉ２で示す特性における最適動作点ＰＴ２（Ｖｐ２、Ｉｐ２）が、それぞれ存在する。

図３（ｂ）に示すように、符号Ｐ１で示す特性において、最適動作点（最大出力電力点）ＰＴ３（Ｖｐ１、Ｐｍａｘ１）から電圧が増加しても減少しても、太陽光パネル１０の出力は低下する。また、符号Ｐ２で示す特性において、最適動作点（最大出力電力点）ＰＴ４（Ｖｐ２、Ｐｍａｘ２）から電圧が増加しても減少しても、太陽光パネル１０の出力は低下する。

このように、太陽光パネルの発電電力が日射強度により変動することから、制御装置２１は、太陽光パネル１０の出力が日射強度に応じた最大値となるように、直交流変換部２４と交直流変換部２６とを制御する。具体的には、制御装置２１は、電圧検出器２２、２８により検出されるＤＣ／ＤＣ変換器２０の入出力電力それぞれの電圧値、及び日射強度に応じて定めたＤＣ／ＤＣ変換器２０の出力電力の目標値（目標電力）Ｐｒｅｆに基づいて、ＤＣ／ＤＣ変換器２０の出力電力と、目標電力Ｐｒｅｆとの差分が小さくなるように、直交流変換部２４と交直流変換部２６とを制御する。制御装置２１は、ＤＣ／ＤＣ変換器２０の出力電力を、目標電力Ｐｒｅｆに近づけることにより、太陽光パネルの発電電力が日射強度に応じた最大値となるように制御する。これにより、制御装置２１は、太陽光パネルの動作電圧、および動作電流を適正な値（範囲）とする。

制御装置２１は、直交流変換部２４のスイッチング素子２４０〜２４３を所定のスイッチング周波数でスイッチングする制御信号を出力し、例えば、直交流変換部２４の出力である交流電力の電圧がＤｕｔｙ比５０［％］の矩形波となるように制御する。また、制御装置２１は、交直流変換部２６のスイッチング素子２６０〜２６３を所定のスイッチング周波数でスイッチングする制御信号を出力し、例えば、交直流変換部２６の入力である交流電力の電圧がＤｕｔｙ比５０［％］の矩形波となるように制御する。この場合において、制御装置２１は、直交流変換部２４、及び交直流変換部２６の各々に行うスイッチング制御のスイッチング周波数は同じである。

制御装置２１は、直交流変換部２４の出力である交流電力の電圧と、交直流変換部２６の入力である交流電力の電圧との位相差を変化させることで、ＤＣ／ＤＣ変換器２０の出力電力と、目標電力Ｐｒｅｆとの差分が小さくなるように制御を行う。

ＤＣ／ＤＣ変換器２０の出力電力は以下の式（１）で表される。ここで、ＰはＤＣ／ＤＣ変換器２０の出力電力、Ｖ１はＤＣ／ＤＣ変換器２０の入力電力の電圧（電圧検出器２２の検出値）、Ｎは絶縁型変圧器２５の巻数比、Ｖ２はＤＣ／ＤＣ変換器２０の出力電力の電圧（電圧検出器２８の検出値）である。また、ｆｓｗはスイッチング素子２４０〜２４３、及びスイッチング素子２６０〜２６３に対するスイッチング周波数、Ｌは絶縁型変圧器２５における一次側にまとめて換算した漏洩インダクタンス（漏れインダクタンス）である。また、δは直交流変換部２４の出力である交流電力の電圧と、交直流変換部２６の入力である交流電力の電圧との位相差である。ここで、位相差δは、０≦δ≦π／２の任意の実数である。

式（１）に示すように、位相差δが０≦δ≦π／２の範囲において、位相差δが大きいほど出力電力Ｐは大きくなり、位相差δが小さいほど出力電力Ｐは小さくなり、位相差δが０（ゼロ）（δ＝０）の場合、ＤＣ／ＤＣ変換器２０の出力電力Ｐはゼロとなる。

例えば、制御装置２１は、出力電力Ｐが、目標電力Ｐｒｅｆよりも小さい場合、位相差δが大きくなるように制御する。具体的には、制御装置２１は、直交流変換部２４の出力である交流電力の電圧の位相を進ませる、又は交直流変換部２６の入力である交流電力の電圧の位相を遅らせる、或いは直交流変換部２４の出力を進ませると共に、交直流変換部２６の入力を遅らせることにより、位相差δが大きくなるように制御する。

また、制御装置２１は、出力電力Ｐが、目標電力Ｐｒｅｆよりも大きい場合、位相差δが小さくなるように制御する。具体的には、制御装置２１は、直交流変換部２４の出力である交流電力の電圧の位相を遅らせる、又は交直流変換部２６の入力である交流電力の電圧の位相を進ませる、或いは直交流変換部２４の出力を遅らせると共に、交直流変換部２６の入力を進ませることにより、位相差δが小さくなるように制御する。

このように、制御装置２１は、直交流変換部２４に行うスイッチング制御のスイッチングの信号の位相と、交直流変換部２６の各々に行うスイッチング制御のスイッチングの信号の位相との位相差δを調整することにより、ＤＣ／ＤＣ変換器２０の出力電力を、目標電力Ｐｒｅｆに近づけ、太陽光パネルの発電電力が日射強度に応じた最大値となるように制御する。

図４は、制御装置２１が通常時に行う動作の流れを示すフローチャートである。制御装置２１は、通常時において、まず、出力電圧Ｖ１、Ｖ２を、電圧検出器２２、２８の各々から取得し、取得した出力電圧Ｖ１、およびＶ２から式（１）に基づいてＤＣ／ＤＣ変換器２０の出力電力Ｐを推定する（ステップＳ１０）。次に、制御装置２１は、日射強度を取得する（ステップＳ１１）。制御装置２１は、例えば太陽光パネル１０の日射強度を検出する検出器（不図示）から日射強度を取得する。次に、制御装置２１は、目標電力Ｐｒｅｆを取得する（ステップＳ１２）。制御装置２１は、例えば、日射強度と出力電圧Ｖ１との関係から目標電力を取得する。次に、制御装置２１は、目標電力Ｐｒｅｆと出力電力Ｐとを比較し、出力電力Ｐが目標電力Ｐｒｅｆ未満であるか否かを判定する（ステップＳ１３）。制御装置２１は、出力電力Ｐが目標電力Ｐｒｅｆ未満である場合、位相差δが大きくなるように、スイッチング制御を行う（ステップＳ１４）。一方、制御装置２１は、出力電力Ｐが目標電力Ｐｒｅｆ未満でない場合、出力電力Ｐが目標電力Ｐｒｅｆより大きいか否かを判定する（ステップＳ１５）。制御装置２１は、出力電力Ｐが目標電力Ｐｒｅｆより大きい場合、位相差δが小さくなるように、スイッチング制御を行う（ステップＳ１５）。また、制御装置２１は、出力電力Ｐが目標電力Ｐｒｅｆ未満でなく、かつ、出力電力Ｐが目標電力Ｐｒｅｆより大きくない場合、つまり出力電力Ｐと目標電力Ｐｒｅｆとが等しい場合、位相差δを保持するように、スイッチング制御を行う。

次に、制御装置２１が、起動時に行う動作について説明する。すでに説明した通り、ここでの起動時とは、コンデンサ２３、２７の各々がフィルタコンデンサとして機能しない状態をいう。具体的には、コンデンサ２３、２７の各々の端子間電圧が所定の電圧値未満である状態をいう。

制御装置２１は、ＤＣ／ＤＣ変換器２０の起動時において、コンデンサ２３、２７の各々の端子間電圧が所定の電圧値以上となるまで充電する。この場合において、制御装置２１は、コンデンサ２３、２７の各々の端子間電圧が、コンデンサ２３、２７の素子の耐圧を超過しないように制御する。

ＤＣ／ＤＣ変換器２０の起動時において、まず、制御装置２１は、直流スイッチ２９０、２９１を遮断状態とし、ＤＣ／ＤＣ変換器２０を停止した状態とすることにより、コンデンサ２３を、太陽光パネル１０により供給される発電電力により充電する。ここで、ＤＣ／ＤＣ変換器２０が停止した状態とは、直交流変換部２４及び交直流変換部２６のスイッチング素子２４０〜２４３、及び２６０〜２６３をスイッチング制御せずに遮断状態とした状態をいう。

次に、制御装置２１は、ＤＣ／ＤＣ変換器２０を起動することにより、コンデンサ２７を、交直流変換部２６により供給される電力により充電する。ここで、ＤＣ／ＤＣ変換器２０が起動した状態とは、直交流変換部２４及び交直流変換部２６のスイッチング素子２４０〜２４３、及び２６０〜２６３がスイッチング制御された状態をいう。

この場合において、制御装置２１は、直交流変換部２４の出力である交流電力の電圧のＤｕｔｙ比が０（ゼロ）から徐々に大きくするようにスイッチング素子２４０〜２４３をスイッチング制御することにより、コンデンサ２７に過大な充電電流が流れることを防止する。

また、制御装置２１は、交直流変換部２６のスイッチング素子２６０〜２６３をスイッチング制御せずに接続状態とすることで、整流器として機能させる。こうすることで、直交流変換部２４の出力電力を、交直流変換部２６を介してコンデンサ２７に出力することで、コンデンサ２７を充電させる。

制御装置２１は、コンデンサ２３、２７がフィルタコンデンサとして機能可能となるまで充電が完了したら、ＤＣ／ＤＣ変換器２０を停止させる。その後、制御装置２１は、直流スイッチ２９０、２９１を接続状態とし、通常時に行う動作に移行する。

なお、ＤＣ／ＡＣ変換器４０のコンデンサ４３は、直流スイッチ２９０、２９１が遮断状態とされることで、商用交流系統６０により供給される電力により充電される。制御装置２１は、コンデンサ２３、２７が充電され、且つ、コンデンサ４３が充電された後に、直流スイッチ２９０、２９１を接続状態とし、通常時に行う動作に移行してよい。この場合、制御装置２１は、例えば、ＤＣ／ＡＣ変換器４０の変換制御部４１により通知される通知信号（不図示）を取得することで、コンデンサ４３が充電されたか否かを認識してよい。

図５は、制御装置２１が起動時に行う動作についての説明に用いる図である。図５の上側の特性は、起動時における直交流変換部２４の出力電力の電圧のＤｕｔｙ比と時間との関係を示す図である。図５の上側の特性において、横軸は時間、縦軸はＤｕｔｙ比を示す。図５の下側の特性は、図５の上側の特性で示される起動時における直交流変換部２４の出力電圧ｖ１、及び交直流変換部２６の出力電圧Ｖ２の各々と時間との関係を示す図である。図５の下側の特性において、横軸は時間、縦軸は電圧を示す。

図５に示すように、起動時において、制御装置２１が直交流変換部２４の出力電力における電圧のＤｕｔｙ比を徐々に大きくなるようにスイッチング制御を行うことにより、出力電圧Ｖ１の単位時間あたりの積分値が徐々に大きくなる。起動時において、交直流変換部２６は整流器として動作することから、出力電圧Ｖ１の単位時間あたりの積分値に比例する電圧実効値が、出力電圧Ｖ２として出力される。Ｄｕｔｙ比の単位時間あたりの変化量（変化率）は、図５に示すように、所定の比率で増加するようにしてもよいし、変化率が０（ゼロ）、つまり、Ｄｕｔｙ比を変化させずに充電してもよいし、所定の比率で減少するようにしてもよい。また、充電対象であるコンデンサ２７の端子間電圧（電圧検出器２８の検出値）、及びコンデンサ２７を流れる電流を検出する電流検出値（不図示）の検出値等に基づいて、Ｄｕｔｙ比をフィードバックして制御するようにしてもよい。

図６は、制御装置２１が起動時に行う動作の流れを示すフローチャートである。制御装置２１は、起動時において、まず、直流スイッチ部２９を遮断状態とする（ステップＳ２０）。次に、制御装置２１は、ＤＣ／ＤＣ変換器２０を停止状態とする（ステップＳ２１）。こうすることにより、制御装置２１は、コンデンサ２３を充電させる（ステップＳ２２）。次に、制御装置２１は、コンデンサ２３の充電が完了したか否かを判定する（ステップＳ２３）。制御装置２１は、コンデンサ２３の端子間電圧を、電圧検出器２２から取得することにより、コンデンサ２３の充電が完了したか否かを判定する。

制御装置２１は、コンデンサ２３の充電が完了した場合、ＤＣ／ＤＣ変換器２０を起動させる（ステップＳ２４）。この際、制御装置２１は、通常時とは異なり、直交流変換部２４の出力電力の電圧の矩形波のＤｕｔｙ比を徐々に大きくなるように、スイッチング制御を行う。また、制御装置２１は、交直流変換部２６が整流器として機能するようにスイッチング素子２６０〜２６３を接続状態とする。こうすることにより、制御装置２１は、コンデンサ２７を充電させる。次に、制御装置２１は、コンデンサ２７の充電が完了したか否かを判定する（ステップＳ２５）。制御装置２１は、コンデンサ２７の端子間電圧を、電圧検出器２８から取得することにより、コンデンサ２７の充電が完了したか否かを判定する。制御装置２１は、コンデンサ２７の充電が完了した場合、ＤＣ／ＤＣ変換器２０を停止させる（ステップＳ２６）。

以上、説明したように、第１の実施形態では、ＤＣ／ＤＣ変換器２０が、直流送電線路３０に直接、高圧の直流電力を供給することができ、従来の集電系統が不要となり、電力変換に伴う電力損失を抑制することができる。

図８は、実施形態の比較例のシステムを示す図である。図８（ａ）は、従来の直流送電システムの一例として、交流集電系統が接続された直流送電システム５００を示す。図８（ｂ）は、従来の直流送電システムの他の例として、直流集電系統が接続された直流送電システム６００を示す。

図８（ａ）に示すように、従来の直流送電システム５００では、太陽光パネル１０で発電した直流電力を交流電力に変換する変換器５１０と、変換器５１０の出力である交流電力の電圧を変換する変圧器５２０と、変圧器５２０の出力である交流電力を直流電力に変換する変換器５３０とを介して、直流送電線路３０に高圧の直流電力を供給する必要があった。

また、図８（ｂ）に示すように、従来の直流送電システム６００では、太陽光パネル１０で発電した直流電力を所定の電圧に変換する変換器６１０と、変換器６１０の出力である直流電力をさらに所定の電圧に変換（昇圧）する変換器６３０とを介して、直流送電線路３０に高圧の直流電力を供給する必要があった。すなわち、従来の直流送電システム５００（６００）では、二つの変換器（変換器５１０、５３０、又は変換器６１０、６３０）を介して、直流送電線路３０に供給するため、２つの変換器の各々における変換損失が生じていた。

これに対し、実施形態の直流送電システム１では、太陽光パネル１０が発電した電力を直流送電線路３０に供給するのに、一つのＤＣ／ＤＣ変換器２０が接続されていればよいため、変換に伴う損失を低減させることが可能である。

また、本実施形態の直流送電システム１では、制御装置２１が、直交流変換部２４に行うスイッチング制御のスイッチングの信号の位相と、交直流変換部２６の各々に行うスイッチング制御のスイッチングの信号の位相との位相差δを調整することにより、ＤＣ／ＤＣ変換器２０の出力電力を、目標電力Ｐｒｅｆに近づけ、太陽光パネル１０の発電電力が日射強度に応じた最大値となるように制御することにより、太陽光パネル１０の発電電力が最適となるように制御することができる。

（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態について説明する。本実施形態のＤＣ／ＤＣ変換器２０Ａの交直変換器２６Ａは、整流器である点において、上述した実施形態と相違する。

図７は、第２の実施形態のＤＣ／ＤＣ変換器２０Ａが適用される直流送電システム１Ａの構成例を示すブロック図である。図７に示すように、ＤＣ／ＤＣ変換器２０Ａの交直変換器２６Ａは、ダイオード２６４〜２６７を備える。交直変換器２６Ａは、絶縁型変圧器２５が出力した交流電力を全波整流する。例えば、交直変換器２６Ａでは、ダイオード２６４及びダイオード２６５は直列接続され、ダイオード２６６及びダイオード２６７は、それぞれ直列に接続されている。交直変換器２６Ａの後段には、直流スイッチ部２９を介して、直流送電線路３０が接続され、交直変換器２６Ａが整流した後の直流電力が直流送電線路３０に供給される。ここで、絶縁型変圧器２５の変圧比は、定格電圧を基準とするＰＵ（Per Unit）法により表記した場合において、一次巻線２５０（直交流変換部２４の側）の端子間電圧が、二次巻線２５１（交直流変換部２６の側）の端子間電圧よりも高い電圧値となるように設計される。

本実施態様では、制御装置２１Ａは、ＤＣ／ＤＣ変換器２０Ａの太陽光パネル１０側の電圧（つまり、電圧検出器２２により検出される電圧）（以下、入力電圧Ｖｉｎ）を調整する。入力電圧Ｖｉｎの目標値である目標電圧Ｖｒｅｆは、例えば、日射強度に応じて設定されてよい。制御装置２１は、直交流変換部２４の出力電力における電圧の矩形波のＤｕｔｙ比を変化させることで、ＤＣ／ＤＣ変換器２０の入力電力の電圧を、目標電圧Ｖｒｅｆに近づけ、太陽光パネル１０の発電電力が日射強度に応じた最大値となるように制御する。

以上説明したように、第２の実施形態のＤＣ／ＤＣ変換器２０Ａでは、交直変換器２６Ａが、ダイオード２６４〜２６７を備えるため、スイッチング素子を備える場合よりも交直変換器２６Ａの物理的な容積を小さくすることができ、小型化することが可能となる。また、スイッチング素子を備える場合よりも、直流電力を交流電力に変換する際の変換損失を低減させることも可能である。

以上説明した少なくとも一つの実施形態によれば、ＤＣ／ＤＣ変換器２０が、直流送電線路３０に直接、高圧の直流電力を供給することができ、従来の集電系統が不要となり、電力変換に伴う電力損失を抑制することができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１…直流送電システム、１０…太陽光パネル、２０…ＤＣ／ＤＣ変換器、２３、２７…コンデンサ、２２、２８…電圧検出器、２４…直交流変換部、２５…絶縁型変圧器、２６…交直流変換部、２９…直流スイッチ部、３０…直流送電線路、４０…ＤＣ／ＡＣ変換器、５０…変圧器、６０…商用交流系統。

Claims

再生可能エネルギーに由来する電力を発電する発電機と、直流送電線路とに接続される変換器であって、
スイッチング素子を含み、前記発電機から入力された第１直流電力を交流電力に変換する第１変換部と、
前記第１変換部により出力される交流電力を所定電圧に変圧する絶縁型変圧器と、
スイッチング素子を含み、前記絶縁型変圧器により出力される交流電力を、前記直流送電線路に供給する第２直流電力に変換する第２変換部と、
前記第１直流電力の電圧値、前記第２直流電力の電圧値、前記第１変換部のスイッチング素子と前記第２変換部のスイッチング素子をスイッチング制御する信号の周波数、及び前記第１変換部のスイッチング素子をスイッチング制御する信号と前記第２変換部のスイッチング素子をスイッチング制御する信号との位相差に基づいて前記第２直流電力の電力値を推定し、前記推定した前記第２直流電力の電力値と、前記第２直流電力の目標値との差分が小さくなるように、前記位相差を制御する制御部と、
を備える変換器。
前記発電機は太陽光パネルであり、
前記第２直流電力の目標値は、前記太陽光パネルにおける日射強度に応じた特性と前記第１直流電力の電圧値との関係から定められる値である、
請求項１に記載の変換器。
前記第２変換部と並列に接続されるフィルタコンデンサと、
前記フィルタコンデンサと前記直流送電線路との間の接続を遮断状態又は接続状態とする直流スイッチ部とを備え、
前記第２変換部は、ダイオードを含み、
前記制御部は、前記直流スイッチ部を遮断状態とした状態で、前記第１変換部に含まれるスイッチング素子をスイッチング制御する信号のＤｕｔｙ比を徐々に大きくしていくことで前記Ｄｕｔｙ比が５０％に到達するように制御することにより、前記第１変換部から交流電力を出力させ、前記第２変換部に含まれるダイオードが通電状態になることにより、前記フィルタコンデンサを充電させる
請求項１又は請求項２に記載の変換器。
再生可能エネルギーに由来する電力を発電する発電機と、直流送電線路とに接続される変換器であって、スイッチング素子を含み、前記発電機から入力された第１直流電力を交流電力に変換する第１変換部と、前記第１変換部により出力される交流電力を所定電圧に変圧する絶縁型変圧器と、スイッチング素子を含み、前記絶縁型変圧器により出力される交流電力を、前記直流送電線路に供給する第２直流電力に変換する第２変換部と、を備える変換器を制御するコンピュータが、
前記第１直流電力の電圧値、前記第２直流電力の電圧値、前記第１変換部のスイッチング素子と前記第２変換部のスイッチング素子をスイッチング制御する信号の周波数、及び前記第１変換部のスイッチング素子をスイッチング制御する信号と前記第２変換部のスイッチング素子をスイッチング制御する信号との位相差に基づいて前記第２直流電力の電力値を推定し、前記推定した前記第２直流電力の電力値と、前記第２直流電力の目標値との差分が小さくなるように、前記位相差を制御する、
電力制御方法。
再生可能エネルギーに由来する電力を発電する発電機と、直流送電線路とに接続される変換器であって、スイッチング素子を含み、前記発電機から入力された第１直流電力を交流電力に変換する第１変換部と、前記第１変換部により出力される交流電力を所定電圧に変圧する絶縁型変圧器と、スイッチング素子を含み、前記絶縁型変圧器により出力される交流電力を、前記直流送電線路に供給する第２直流電力に変換する第２変換部と、を備える変換器を制御するコンピュータに、
前記第１直流電力の電圧値、前記第２直流電力の電圧値、前記第１変換部のスイッチング素子と前記第２変換部のスイッチング素子をスイッチング制御する信号の周波数、及び前記第１変換部のスイッチング素子をスイッチング制御する信号と前記第２変換部のスイッチング素子をスイッチング制御する信号との位相差に基づいて前記第２直流電力の電力値を推定し、前記推定した前記第２直流電力の電力値と、前記第２直流電力の目標値との差分が小さくなるように、前記位相差を制御させる、
プログラム。