JP6941185B2 - 電力変換システム - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、電力変換システムに関する。

直流回路と交流回路と蓄電部との間の電力潮流を制御する電力変換システムがある（例えば、特許文献１、２参照）。電力変換システムは、例えば、電気鉄道用の電力システムや太陽光発電システムなどに用いられている。

例えば、電気鉄道用の電力システムにおいては、交流電力系統の交流電力を直流電力に変換し、直流電力を直流き電系統に供給する。そして、車両の回生時に回生電力を蓄電部に蓄電し、車両の力行時に蓄電部に蓄積された直流電力を直流き電系統に供給する。これにより、回生電力の有効活用を図り、交流電力系統への逆潮流を防止して電圧変動などを抑制することができる。

例えば、太陽光発電システムにおいては、太陽電池で発電された直流電力を交流電力に変換し、交流電力を交流電力系統や交流負荷に供給する。そして、余剰の直流電力を蓄電部に蓄積し、交流負荷における需要の増加時などに蓄電部に蓄積された直流電力を交流電力に変換して交流負荷などに供給する。これにより、発電電力量の最大化を図りつつ、発電電力と需要電力とのアンバランスを抑制することができる。

従来の電力変換システムは、直流回路と交流回路との間の電力潮流を制御する電力変換器と、直流回路と蓄電部との間の電力潮流を制御する電力変換器または交流回路と蓄電部との間の電力潮流を制御する電力変換器と、の複数の電力変換器を備える。例えば、特許文献１、２に係る電力変換システムでは、直流回路と交流回路との間の電力潮流を制御する電力変換器と、直流回路と蓄電部との間の電力潮流を制御する電力変換器と、の複数の電力変換器を備え、交流回路と蓄電部との間の電力潮流を制御するには、複数の電力変換器を介する必要がある。このように、直流回路と交流回路と蓄電部の間の電力潮流を三方向に制御するためには、複数の電力変換器を備える必要があり、装置の大型化、コスト増加を招く。このため、電力変換システムでは、より簡易な構成とし、装置の大型化、コスト増加を抑制することが望まれる。

特許第５３９８４３３号 特許第３９３４５１８号

本発明の実施形態は、簡易な構成の電力変換システムを提供する。

本発明の実施形態によれば、主回路と、制御回路と、を備えた電力変換システムが提供される。前記主回路は、電力変換器と、蓄電部と、を有する。前記電力変換器は、直流回路に接続される一対の直流端子と、交流回路に接続される複数の交流端子と、フルブリッジ接続された複数のスイッチング素子と、前記複数のスイッチング素子のそれぞれに逆並列に接続された複数の整流素子と、を有する。前記蓄電部は、複数のリアクトルを介して前記複数の交流端子のそれぞれに接続されるとともに、前記一対の直流端子の一方に接続される。前記制御回路は、前記複数のスイッチング素子のオン・オフにより、前記直流回路と前記交流回路と前記蓄電部との間の三方向の電力潮流を制御する。

本発明の実施形態によれば、簡易な構成の電力変換システムが提供される。

第１の実施形態に係る電力変換システムを模式的に表すブロック図である。 第１の実施形態に係る制御回路の一例を模式的に表すブロック図である。 図３（ａ）〜図３（ｄ）は、第１の実施形態に係る電力変換システムのシミュレーション結果の一例を模式的に表すグラフ図である。 図４（ａ）〜図４（ｅ）は、第１の実施形態に係る電力変換システムのシミュレーション結果の一例を模式的に表すグラフ図である。 第１の実施形態に係る電力変換システムの変形例を模式的に表すブロック図である。 第１の実施形態に係る電力変換システムの変形例を模式的に表すブロック図である。 第１の実施形態に係る電力変換システムの変形例を模式的に表すブロック図である。 第１の実施形態に係る電力変換システムの変形例を模式的に表すブロック図である。 第２の実施形態に係る電力変換システムを模式的に表すブロック図である。 第３の実施形態に係る電力変換システムを模式的に表すブロック図である。

以下に、各実施の形態について図面を参照しつつ説明する。
なお、本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。

（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態に係る電力変換システムを模式的に表すブロック図である。
図１に表したように、電力変換システム１０は、主回路１２と、制御回路１４と、を備える。主回路１２は、電力変換器２０と、蓄電部２２と、を有する。

電力変換器２０は、一対の直流端子２０ａ、２０ｂと、複数の交流端子２０ｒ、２０ｓ、２０ｔと、を有する。電力変換器２０は、直流端子２０ａ、２０ｂを介して直流回路２に接続される。また、電力変換器２０は、交流端子２０ｒ、２０ｓ、２０ｔを介して交流回路４に接続される。この例において、電力変換器２０は、変圧器２４を介して交流回路４に接続される。変圧器２４は、電力変換器２０と交流回路４との間に設けられる。ここでは、簡単化のため、その変圧比を１とする。変圧器２４は、必要に応じて設けられるが、変圧器２４を交流リアクトルに置き換えてもよい。

直流回路２は、例えば、電気鉄道などに用いられる直流き電系統などの直流の電力系統や、太陽電池システムなどの直流の発電要素などである。直流端子２０ａは、直流回路２の高電位側に接続される。直流端子２０ｂは、直流回路２の低電位側に接続される。直流端子２０ａは、換言すれば、高電位直流端子であり、直流端子２０ｂは、換言すれば、低電位直流端子である。

交流回路４は、例えば、交流電力系統である。交流回路４は、例えば、誘導電動機などの交流負荷でもよい。この例において、交流回路４の交流電力は、三相交流電力である。従って、電力変換器２０は、３つの交流端子２０ｒ、２０ｓ、２０ｔを有する。交流回路４の交流電力は、単相交流電力でもよい。この場合、電力変換器２０に設けられる交流端子は、２つでよい。

蓄電部２２は、正極２２ａと、負極２２ｂと、を有する。蓄電部２２の正極２２ａは、リアクトル２６ｒ、２６ｓ、２６ｔを介して各交流端子２０ｒ、２０ｓ、２０ｔに接続される。蓄電部２２の負極２２ｂは、電力変換器２０の低電位側の直流端子２０ｂに接続される。蓄電部２２には、例えば、二次電池やコンデンサなどが用いられる。

電力変換器２０は、フルブリッジ接続された複数のスイッチング素子３０ｕ、３０ｖ、３０ｗ、３０ｘ、３０ｙ、３０ｚと、各スイッチング素子３０ｕ、３０ｖ、３０ｗ、３０ｘ、３０ｙ、３０ｚのそれぞれに逆並列に接続された複数の整流素子３２ｕ、３２ｖ、３２ｗ、３２ｘ、３２ｙ、３２ｚと、を有する。

この例において、電力変換器２０は、三相ブリッジ接続された６つのスイッチング素子３０ｕ、３０ｖ、３０ｗ、３０ｘ、３０ｙ、３０ｚと、６つの整流素子３２ｕ、３２ｖ、３２ｗ、３２ｘ、３２ｙ、３２ｚと、を有する。この例において、電力変換器２０は、いわゆる三相インバータである。

各スイッチング素子３０ｕ、３０ｖ、３０ｗ、３０ｘ、３０ｙ、３０ｚのそれぞれは、一対の主端子と、制御端子と、を有する。各スイッチング素子３０ｕ、３０ｖ、３０ｗ、３０ｘ、３０ｙ、３０ｚは、制御端子に入力される信号（電圧）により、各主端子間に流れる電流を制御する。すなわち、各主端子間に電流が流れるオン状態と、各主端子間に実質的に電流が流れないオフ状態と、を切り替える。制御端子は、いわゆるゲート端子である。

各スイッチング素子３０ｕ、３０ｖ、３０ｗ、３０ｘ、３０ｙ、３０ｚには、例えば、自己消弧型のスイッチング素子が用いられる。各スイッチング素子３０ｕ、３０ｖ、３０ｗ、３０ｘ、３０ｙ、３０ｚは、例えば、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）である。各スイッチング素子３０ｕ、３０ｖ、３０ｗ、３０ｘ、３０ｙ、３０ｚは、他の自己消弧型のスイッチング素子でもよい。

各整流素子３２ｕ、３２ｖ、３２ｗ、３２ｘ、３２ｙ、３２ｚには、例えば、ダイオードが用いられる。各整流素子３２ｕ、３２ｖ、３２ｗ、３２ｘ、３２ｙ、３２ｚは、いわゆる還流ダイオードである。

電力変換器２０は、例えば、三相平衡交流電圧を発生させ、交流回路４と電力を授受する。また、電力変換器２０は、各交流端子２０ｒ、２０ｓ、２０ｔのそれぞれに大きさが実質的に等しい直流電圧を発生させ、蓄電部２２と直流電力を授受する。この直流電力は、三相交流系統（交流回路４）から見ると、零相電力である。また、電力変換器２０が発生させる直流電圧は、零相成分であり、変圧器２４が介在する場合には、交流回路４に影響しない。

このように構成された主回路１２では、各スイッチング素子３０ｕ、３０ｖ、３０ｗ、３０ｘ、３０ｙ、３０ｚのオン・オフによって、正相電力と直流電力とを独立して制御することにより、直流回路２と交流回路４との間の電力潮流、及び直流回路２と蓄電部２２との間の電力潮流を独立して双方向に制御することができる。従って、各電力潮流の配分を適宜調整することにより、１組の電力変換器２０によって、直流回路２と交流回路４と蓄電部２２との間の電力潮流を三方向に制御することができる。

主回路１２は、電圧検出器４０と、電流検出器４１と、電圧検出器４２ｒ、４２ｓ、４２ｔと、電流検出器４３ｒ、４３ｓ、４３ｔと、電圧検出器４４と、電流検出器４５と、をさらに有する。

電圧検出器４０は、直流回路２の直流電圧Ｖｄを検出し、検出結果を制御回路１４に入力する。換言すれば、電圧検出器４０は、各直流端子２０ａ、２０ｂ間の直流電圧を検出する。

電流検出器４１は、直流回路２の直流電流Ｉｄを検出し、検出結果を制御回路１４に入力する。換言すれば、電流検出器４１は、各直流端子２０ａ、２０ｂ間に流れる直流電流を検出する。

電圧検出器４２ｒ、４２ｓ、４２ｔは、交流回路４の交流電圧Ｖａを検出し、検出結果を制御回路１４に入力する。より詳しくは、交流回路４の各相の相電圧を検出する。換言すれば、電圧検出器４２ｒ、４２ｓ、４２ｔは、各交流端子２０ｒ、２０ｓ、２０ｔの電圧を間接的に検出する。

電流検出器４３ｒ、４３ｓ、４３ｔは、交流回路４の交流電流Ｉａを検出し、検出結果を制御回路１４に入力する。より詳しくは、交流回路４の各相の相電流を検出する。換言すれば、電流検出器４３ｒ、４３ｓ、４３ｔは、各交流端子２０ｒ、２０ｓ、２０ｔに流れる電流を間接的に検出する。

この例では、電圧検出器４２ｒ、４２ｓ、４２ｔ、及び電流検出器４３ｒ、４３ｓ、４３ｔが、変圧器２４の交流回路４側に設けられている。電流検出器４３ｒ、４３ｓ、４３ｔは、変圧器２４の電力変換器２０側に設けてもよい。

電圧検出器４４は、蓄電部２２の直流電圧Ｖｂを検出し、検出結果を制御回路１４に入力する。電流検出器４５は、蓄電部２２に流れる直流電流Ｉｂを検出し、検出結果を制御回路１４に入力する。

制御回路１４は、図示を省略した信号線を介して各スイッチング素子３０ｕ、３０ｖ、３０ｗ、３０ｘ、３０ｙ、３０ｚのそれぞれの制御端子に接続されている。制御回路１４は、各電圧検出器４０、４２ｒ、４２ｓ、４２ｔ、４４、及び各電流検出器４１、４３ｒ、４３ｓ、４３ｔ、４５の各検出結果を基に、各スイッチング素子３０ｕ、３０ｖ、３０ｗ、３０ｘ、３０ｙ、３０ｚのオン・オフを制御する。これにより、制御回路１４は、上述のように、直流回路２と交流回路４と蓄電部２２との間の三方向の電力潮流を任意に制御する。

図２は、第１の実施形態に係る制御回路の一例を模式的に表すブロック図である。
図２に表したように、制御回路１４は、蓄電部電力検出回路５０、電力制御回路（ＡＰＲ）５１、加算器５２、交流正相電力検出回路５３、電力制御回路（ＡＰＲ）５４、ｄｑ逆変換回路（ｄｑ^−１）５５、加算器５６、５７、及び、三相ＰＷＭ制御器５８を有する。

蓄電部電力検出回路５０には、電圧検出器４４で検出された蓄電部２２の直流電圧Ｖｂの検出値と、電流検出器４５で検出された蓄電部２２の直流電流Ｉｂの検出値と、が入力される。蓄電部電力検出回路５０は、入力された各検出値を基に、蓄電部２２の直流電力Ｐｂを算出し、算出結果を電力制御回路５１に入力する。

なお、各リアクトル２６ｒ、２６ｓ、２６ｔに流れる電流Ｉｒの瞬時値の三相和は、直流電流Ｉｂと実質的に等しい。従って、直流電力Ｐｂは、直流電圧Ｖｂと各リアクトル２６ｒ、２６ｓ、２６ｔの電流Ｉｒの瞬時値の三相和とから算出してもよい。また、電力変換器２０の交流出力電流Ｉｃの瞬時値の三相和は、直流電流Ｉｂと実質的に等しい。従って、直流電力Ｐｂは、直流電圧Ｖｂと電力変換器２０の交流出力電流Ｉｃの瞬時値の三相和とから算出してもよい。さらには、直流電力Ｐｂは、直流電圧Ｖｄと直流電流Ｉｄとから直流回路電力を演算し、直流回路電力から交流正相有効電力検出値を減算することによって算出してもよい。

電力制御回路５１には、蓄電部２２の直流電力Ｐｂの算出結果が入力されるとともに、蓄電部直流電力目標値Ｐｂｒｅｆが入力される。電力制御回路５１は、入力された直流電力Ｐｂ及び蓄電部直流電力目標値Ｐｂｒｅｆを基に、直流電力Ｐｂを蓄電部直流電力目標値Ｐｂｒｅｆに近付けるための電力変換器２０の交流端子電圧の直流分補正値を算出し、算出結果を加算器５２に入力する。

加算器５２には、電力変換器２０の交流端子電圧の直流分補正値が入力されるとともに、直流電圧Ｖｂの検出値が入力される。加算器５２は、直流電圧Ｖｂの検出値に補正値を加算することにより、直流電圧制御信号を生成し、生成した直流電圧制御信号を加算器５７に入力する。

交流正相電力検出回路５３には、各電圧検出器４２ｒ、４２ｓ、４２ｔで検出された各相の交流電圧Ｖａの検出値と、各電流検出器４３ｒ、４３ｓ、４３ｔで検出された各相の交流電流Ｉａの検出値と、が入力される。交流正相電力検出回路５３は、入力された各相の交流電圧Ｖａの検出値及び各相の交流電流Ｉａの検出値を基に、交流回路４の正相電力の有効電力Ｐａ及び無効電力Ｑａを算出し、算出結果を電力制御回路５４に入力する。

交流電流Ｉａは、変圧器の交流巻線電流でもよいし、直流巻線電流でもよい。また、交流回路４の正相電力の有効電力Ｐａ及び無効電力Ｑａは、例えば、各相の交流電圧Ｖａと電力変換器２０の交流出力電流Ｉｃとを基に算出してもよい。交流出力電流Ｉｃには、直流電流が重畳するが、直流電流は、交流正相電力検出回路５３によって除去可能である。

電力制御回路５４には、算出された有効電力Ｐａ及び無効電力Ｑａが入力されるとともに、交流回路４の交流正相電力の有効電力目標値Ｐａｒｅｆ及び無効電力目標値Ｑａｒｅｆが入力される。

電力制御回路５４は、入力された有効電力Ｐａ及び有効電力目標値Ｐａｒｅｆを基に、有効電力Ｐａを有効電力目標値Ｐａｒｅｆに近付けるためのｑ軸電圧成分補正値を算出し、算出した補正値をｄｑ逆変換回路５５に入力する。

同様に、電力制御回路５４は、入力された無効電力Ｑａ及び無効電力目標値Ｑａｒｅｆを基に、無効電力Ｑａを無効電力目標値Ｑａｒｅｆに近付けるためのｄ軸電圧成分補正値を算出し、算出した補正値をｄｑ逆変換回路５５に入力する。

ｄｑ逆変換回路５５には、各補正値が入力されるとともに、交流電圧Ｖａの各相の位相の情報が入力される。ｄｑ逆変換回路５５は、入力された各補正値と位相情報とを基に、有効電力及び無効電力を目標値に近付けるための電力変換器２０の交流端子電圧の交流分補正値を算出し、算出した補正値を加算器５６に入力する。

加算器５６には、電力変換器２０の交流端子電圧の交流分補正値が入力されるとともに、各電圧検出器４２ｒ、４２ｓ、４２ｔで検出された各相の交流電圧Ｖａの検出値が入力される。加算器５６は、各相の交流電圧Ｖａの検出値のそれぞれに、対応する各相の補正値を加算することにより、三相交流電圧制御信号を生成し、生成した三相交流電圧制御信号を加算器５７に入力する。

加算器５７は、三相交流電圧制御信号に直流電圧制御信号を加算し、加算後の各相の電圧制御信号を三相ＰＷＭ制御器５８に入力する。

三相ＰＷＭ制御器５８は、入力された電圧制御信号から電力変換器２０の各スイッチング素子３０ｕ、３０ｖ、３０ｗ、３０ｘ、３０ｙ、３０ｚのそれぞれの制御信号を生成し、生成した各制御信号を各スイッチング素子３０ｕ、３０ｖ、３０ｗ、３０ｘ、３０ｙ、３０ｚの制御端子に入力する。これにより、制御回路１４は、各スイッチング素子３０ｕ、３０ｖ、３０ｗ、３０ｘ、３０ｙ、３０ｚのオン・オフを制御する。

このように、制御回路１４は、蓄電部２２の直流電力Ｐｂと交流回路４の正相電力とが、各々の目標値に独立して追従するように電力変換器２０の交流端子電圧を制御する。ここで、電力変換器２０の交流側直流電力は交流回路４に対して零相分であり、交流回路４に実質的に影響せず、蓄電部２２との間の電力潮流となる。一方、電力変換器２０の交流側正相電力は零相回路としての蓄電部２２に実質的に影響せず、交流回路４との間の電力潮流となる。従って、１組の電力変換器２０によって、交流回路４との間の電力潮流と、蓄電部２２との間の電力潮流と、を独立して制御することが可能である。蓄電部２２の直流電力Ｐｂと交流回路４の正相電力との和は、直流回路２の直流電力と実質的に等しくなる。従って、蓄電部２２の直流電力Ｐｂと交流回路４の正相電力との配分を適宜調整することにより、直流回路２と交流回路４と蓄電部２２との間の電力潮流を三方向に任意に制御することができる。制御回路１４の構成は、上記に限ることなく、主回路１２の構成などに応じて適宜選択すればよい。

図３（ａ）〜図３（ｄ）及び図４（ａ）〜図４（ｅ）は、第１の実施形態に係る電力変換システムのシミュレーション結果の一例を模式的に表すグラフ図である。
図３（ａ）の縦軸は、交流回路４の各相の交流電圧Ｖａである。
図３（ｂ）の縦軸は、交流回路４の各相の交流電流Ｉａである。
図３（ｃ）の縦軸は、各リアクトル２６ｒ、２６ｓ、２６ｔの電流Ｉｒである。
図３（ｄ）の縦軸は、電力変換器２０の交流出力電流Ｉｃである。
図４（ａ）の縦軸は、蓄電部２２の直流電流Ｉｂ及び直流回路２の直流電流Ｉｄである。
図４（ｂ）の縦軸は、蓄電部２２の直流電圧Ｖｂ及び直流回路２の直流電圧Ｖｄである。
図４（ｃ）の縦軸は、交流正相電力である。
図４（ｄ）の縦軸は、蓄電部２２の直流電力である。
図４（ｅ）の縦軸は、直流回路２の直流電力である。
図３（ａ）〜図３（ｄ）及び図４（ａ）〜図４（ｅ）のそれぞれの横軸は、時間である。
また、シミュレーションにおいて、電流及び電圧の極性は、図１に従う。

シミュレーションでは、１．２秒〜１．３秒の期間において、蓄電部２２から２５０ｋＷ放電し、交流回路４側に２５０ｋＷ出力している。この間、直流回路２の電力は、実質的に零である。
また、１．４秒〜１．５秒の期間において、直流回路２から５００ｋＷ入力し、蓄電部２２に２５０ｋＷ充電、交流回路４に２５０ｋＷ出力している。
また、１．６秒〜１．７秒の期間において、交流回路４から２５０ｋＷ入力し、蓄電部２２に２５０ｋＷ充電している。この間、直流回路２の電力は、実質的に零である。
そして、１．８秒〜１．９秒の期間において、交流回路４から２５０ｋＷ入力し、蓄電部２２から２５０ｋＷ放電し、直流回路２に５００ｋＷ出力している。

図３（ａ）〜図３（ｄ）及び図４（ａ）〜図４（ｅ）に表したように、シミュレーションでは、交流正相電力と蓄電部２２の直流電力とが、各々の目標値に独立して追従しており、直流回路２と交流回路４と蓄電部２２との間の電力潮流が三方向に制御できていることが分かる。

このように、本実施形態に係る電力変換システム１０では、１組の電力変換器２０によって、直流回路２と交流回路４と蓄電部２２との間の電力潮流を三方向に制御することができる。従って、電力変換システム１０では、例えば、２組の変換器を用いる場合に比べて、変換器１組を省略でき、構成を簡易にすることができる。電力変換システム１０では、例えば、２組の変換器を用いる場合に比べて、装置を小型化することができる。電力変換システム１０では、例えば、製造コストを抑えることができる。

図５は、第１の実施形態に係る電力変換システムの変形例を模式的に表すブロック図である。
図５に表したように、電力変換システム１０ａでは、電力変換器２０が、２つの交流端子２０ｃ、２０ｄと、４つのスイッチング素子３０ａ〜３０ｄと、４つの整流素子３２ａ〜３２ｄと、を有する。なお、図５では、主回路１２のみを便宜的に図示している。また、上記実施形態と機能・構成上実質的に同じものには、同符号を付し、詳細な説明を省略する。

各スイッチング素子３０ａ〜３０ｄは、フルブリッジ接続されている。各整流素子３２ａ〜３２ｄは、各スイッチング素子３０ａ〜３０ｄに逆並列に接続されている。そして、電力変換器２０では、直列に接続されたスイッチング素子３０ａ、３０ｃの接続点が一方の交流端子２０ｃとなり、直列に接続されたスイッチング素子３０ｂ、３０ｄの接続点が他方の交流端子２０ｄとなる。すなわち、この例において、電力変換器２０は、いわゆる単相インバータである。この例において、交流回路４の交流電力は、単相交流電力である。このように、交流回路４、電力変換器２０の交流電力は、単相交流電力でもよい。

図６は、第１の実施形態に係る電力変換システムの変形例を模式的に表すブロック図である。
図６に表したように、電力変換システム１０ｂでは、主回路１２が、複数の電力変換器２０と複数の蓄電部２２とを有する。各蓄電部２２のそれぞれは、各リアクトル２６ｒ、２６ｓ、２６ｔを介して各電力変換器２０のそれぞれの各交流端子２０ｒ、２０ｓ、２０ｔに接続される。そして、電力変換システム１０ｂでは、変圧器２４が、各電力変換器２０を交流回路４に対して並列多重接続する。

このように、複数の電力変換器２０と複数の蓄電部２２とを設け、各電力変換器２０を交流回路４に並列多重接続してもよい。これにより、例えば、各スイッチング素子の定格電圧又は定格電流を抑えつつ、電力変換システム１０ｂの出力を大きくすることができる。また、等価的なスイッチンク゛周波数を向上することで、交流回路４に流出する高調波を低減することができる。

この例では、変圧器２４を三相三巻線変圧器とすることにより、各電力変換器２０を交流回路４に並列多重接続している。これに限ることなく、例えば、三相三巻線変圧器を２組の三相二巻線変圧器とすることにより、各電力変換器２０を交流回路４に並列多重接続してもよい。変圧器２４の構成は、各電力変換器２０を交流回路４に対して並列多重接続可能な任意の構成でよい。

図７は、第１の実施形態に係る電力変換システムの変形例を模式的に表すブロック図である。
図７に表したように、電力変換システム１０ｃでは、変圧器２４が、各電力変換器２０を交流回路４に対して直列多重接続する。このように、複数の電力変換器２０と複数の蓄電部２２とを設ける場合、各電力変換器２０は、交流回路４に対して直列多重接続してもよい。この際、変圧器２４の構成は、各電力変換器２０を交流回路４に対して直列多重接続可能な任意の構成でよい。

電力変換システム１０ｂ及び電力変換システム１０ｃでは、２組の電力変換器２０を交流回路４に多重接続している。交流回路４に多重接続する電力変換器２０の数は、２つに限ることなく、３つ以上でもよい。

電力変換システム１０ｂ及び電力変換システム１０ｃでは、各電力変換器２０を１つの直流回路２に接続している。換言すれば、各電力変換器２０のそれぞれの直流端子２０ａ、２０ｂを並列に接続している。これに限ることなく、例えば、複数の電力変換器２０のそれぞれに複数の直流回路２を接続してもよい。電力変換システム１０ｂ及び電力変換システム１０ｃにおいては、複数の直流回路２と交流回路４と複数の蓄電部２２との間の電力潮流を任意に制御できるようにしてもよい。

図８は、第１の実施形態に係る電力変換システムの変形例を模式的に表すブロック図である。
図８に表したように、電力変換システム１０ｄでは、蓄電部２２の負極２２ｂが、リアクトル２６ｒ、２６ｓ、２６ｔを介して各交流端子２０ｒ、２０ｓ、２０ｔに接続される。そして、蓄電部２２の正極２２ａが、電力変換器２０の高電位側の直流端子２０ａに接続される。

このように、蓄電部２２は、電力変換器２０の高電位側の直流端子２０ａと各交流端子２０ｒ、２０ｓ、２０ｔとの間に接続してもよいし、電力変換器２０の低電位側の直流端子２０ｂと各交流端子２０ｒ、２０ｓ、２０ｔとの間に接続してもよい。

（第２の実施形態）
図９は、第２の実施形態に係る電力変換システムを模式的に表すブロック図である。
図９に表したように、電力変換システム１００では、変圧器２４が、交流回路４の各相に対応した３つの一次巻線２４ｒ、２４ｓ、２４ｔと、各一次巻線２４ｒ、２４ｓ、２４ｔのそれぞれと磁気的に結合した３つの二次巻線２４ｕ、２４ｖ、２４ｗと、を有する。この例において、変圧器２４は、いわゆる三相変圧器である。なお、図９では、制御回路１４などの図示を便宜的に省略している。

電力変換器２０は、交流回路４の各相に対応した３つの交流端子２０ｒ、２０ｓ、２０ｔを有する。変圧器２４は、電力変換器２０と交流回路４との間に設けられる。各一次巻線２４ｒ、２４ｓ、２４ｔのそれぞれの一端は、交流端子２０ｒ、２０ｓ、２０ｔのそれぞれに接続されている。各一次巻線２４ｒ、２４ｓ、２４ｔのそれぞれの他端は、蓄電部２２の正極２２ａに接続されている。すなわち、この例の変圧器２４では、各一次巻線２４ｒ、２４ｓ、２４ｔが、Ｙ結線され、各交流端子２０ｒ、２０ｓ、２０ｔのそれぞれに接続されるとともに、各一次巻線２４ｒ、２４ｓ、２４ｔの中性点が、蓄電部２２の正極２２ａに接続されている。

各二次巻線２４ｕ、２４ｖ、２４ｗは、Δ結線され、交流回路４に接続されている。Δ結線された各二次巻線２４ｕ、２４ｖ、２４ｗのそれぞれの接続点が、交流回路４の各相に接続されている。

このように、本実施形態に係る電力変換システム１００では、変圧器２４のＹ結線した各一次巻線２４ｒ、２４ｓ、２４ｔをリアクトルとして用いている。これにより、電力変換システム１００では、各リアクトル２６ｒ、２６ｓ、２６ｔを省略することができ、上記第１の実施形態の電力変換システム１０に比べて、構成をより簡易にすることができる。例えば、装置をより小型にでき、製造コストをより抑制することができる。

複数の電力変換器２０及び複数の蓄電部２２の並列多重化又は直列多重化は、電力変換システム１００の構成においても可能である。

（第３の実施形態）
図１０は、第３の実施形態に係る電力変換システムを模式的に表すブロック図である。
図１０に表したように、電力変換システム１１０では、主回路１２が、コア２８をさらに有する。なお、図１０では、制御回路１４などの図示を便宜的に省略している。

コア２８は、各リアクトル２６ｒ、２６ｓ、２６ｔに共通に用いられる。各リアクトル２６ｒ、２６ｓ、２６ｔのそれぞれは、コア２８に巻き回される。コア２８には、例えば、鉄などの磁性材料が用いられる。コア２８は、いわゆる鉄心である。この例において、各リアクトル２６ｒ、２６ｓ、２６ｔは、換言すれば、鉄心付きの三相リアクトルである。

このように、本実施形態に係る電力変換システム１１０では、３つのリアクトル２６ｒ、２６ｓ、２６ｔのコアを共通化して三相構成とする。これにより、各リアクトル２６ｒ、２６ｓ、２６ｔにおける正相インピーダンスを零相インピーダンスよりも大きくすることができる。各リアクトル２６ｒ、２６ｓ、２６ｔの正相インピーダンスは、例えば、零相インピーダンスの１０倍（５倍以上２０倍以下）程度であることが好ましい。

電力変換器２０は、三相交流電圧を出力するため、各リアクトル２６ｒ、２６ｓ、２６ｔには三相交流電流（無効電力成分）が流れる。一方、蓄電部２２の電流は、零相成分である。例えば、三相構成化した各リアクトル２６ｒ、２６ｓ、２６ｔの零相インピーダンスを第１の実施形態の電力変換システム１０と同じ値とし、正相インピーダンスを零相インピーダンスの１０倍とすれば、蓄電部２２の直流電流を第１の実施形態の場合と実質的に同じ値に維持しつつ、各リアクトル２６ｒ、２６ｓ、２６ｔの交流電流を第１の実施形態の場合と比較して１０分の１に減少させることができる。これにより、電力変換器２０の無効電力出力を抑制し、装置容量を低減させることができる。

複数の電力変換器２０及び複数の蓄電部２２の並列多重化又は直列多重化は、電力変換システム１１０の構成においても可能である。また、電力変換システム１１０の構成において、交流回路４の交流電力は、単相交流電力でもよい。電力変換器２０は、単相インバータでもよい。

実施形態によれば、簡易な構成の電力変換システムが提供される。

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、本発明の実施形態は、これらの具体例に限定されるものではない。例えば、電力変換システムに含まれる、主回路、制御回路、電力変換器、蓄電部、直流端子、交流端子、スイッチング素子、整流素子、リアクトル、正極、負極、変圧器、一次巻線、二次巻線、及びコアなどの各要素の具体的な構成に関しては、当業者が公知の範囲から適宜選択することにより本発明を同様に実施し、同様の効果を得ることができる限り、本発明の範囲に包含される。
また、各具体例のいずれか２つ以上の要素を技術的に可能な範囲で組み合わせたものも、本発明の要旨を包含する限り本発明の範囲に含まれる。

その他、本発明の実施の形態として上述した電力変換システムを基にして、当業者が適宜設計変更して実施し得る全ての電力変換システムも、本発明の要旨を包含する限り、本発明の範囲に属する。

その他、本発明の思想の範疇において、当業者であれば、各種の変更例及び修正例に想到し得るものであり、それら変更例及び修正例についても本発明の範囲に属するものと了解される。

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。これら新規な実施形態は、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ともに、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。

Claims (8)

1. 直流回路に接続される一対の直流端子と、交流回路に接続される複数の交流端子と、フルブリッジ接続された複数のスイッチング素子と、前記複数のスイッチング素子のそれぞれに逆並列に接続された複数の整流素子と、を有する電力変換器と、
   複数のリアクトルを介して前記複数の交流端子のそれぞれに接続されるとともに、前記一対の直流端子の一方に接続される蓄電部と、
   を有する主回路と、
   前記複数のスイッチング素子のオン・オフにより、前記直流回路と前記交流回路と前記蓄電部との間の三方向の電力潮流を制御する制御回路と、
   を備え、
   前記制御回路は、前記蓄電部の直流電力と前記交流回路の正相電力とが、各々の目標値に独立して追従するように前記電力変換器の交流端子電圧を制御することにより、前記直流回路と前記交流回路と前記蓄電部との間の三方向の電力潮流を制御する電力変換システム。
2. 前記主回路部は、
   前記交流回路の交流電圧を検出する交流回路用電圧検出器と、
   前記交流回路の交流電流を検出する交流回路用電流検出器と、
   前記蓄電部の直流電圧を検出する蓄電部用電圧検出器と、
   前記蓄電部に流れる直流電流を検出する蓄電部用電流検出器と、
   を有し、
   前記制御回路は、前記蓄電部用電圧検出器で検出された前記直流電圧の検出値と、前記蓄電部用電流検出器で検出された前記直流電流の検出値と、を基に、前記蓄電部の直流電力を算出するとともに、前記交流回路用電圧検出器で検出された前記交流電圧の検出値と、前記交流回路用電流検出器で検出された前記交流電流の検出値と、を基に、前記交流回路の正相電力の有効電力及び無効電力を算出することにより、前記蓄電部の直流電力と前記交流回路の正相電力とが、各々の目標値に独立して追従するように前記電力変換器の交流端子電圧を制御する請求項１記載の電力変換システム。
3. 前記主回路は、
   複数の前記電力変換器と、
   前記複数のリアクトルを介して前記複数の電力変換器のそれぞれの前記複数の交流端子に接続された複数の前記蓄電部と、
   前記複数の電力変換器を前記交流回路に対して並列多重接続する変圧器と、
   を有する請求項１記載の電力変換システム。
4. 前記主回路は、
   複数の前記電力変換器と、
   リアクトルを介して前記複数の電力変換器のそれぞれの前記複数の交流端子に接続された複数の前記蓄電部と、
   前記複数の電力変換器を前記交流回路に対して直列多重接続する変圧器と、
   を有する請求項１記載の電力変換システム。
5. 前記交流回路の交流電力は、三相交流電力であり、
   前記電力変換器は、各相に対応した３つの前記交流端子を有し、
   前記主回路は、前記電力変換器と前記交流回路との間に設けられた変圧器を有し、
   前記変圧器は、
   各相に対応して設けられ、前記３つの交流端子のそれぞれに接続された３つの一次巻線と、
   前記３つの一次巻線のそれぞれと磁気的に結合し、前記交流回路に接続された３つの二次巻線と、
   を有し、
   前記３つの一次巻線は、Ｙ結線され、
   前記蓄電部は、Ｙ結線された前記３つの一次巻線の中性点に接続され、前記３つの一次巻線を前記複数のリアクトルとして用いる請求項１記載の電力変換システム。
6. 前記主回路は、前記複数のリアクトルのそれぞれが巻き回されたコアをさらに有する請求項１記載の電力変換システム。
7. 前記蓄電部は、前記複数のリアクトルを介して前記複数の交流端子のそれぞれに接続される正極と、前記一対の直流端子のうちの低電位側の前記直流端子に接続される負極と、を有する請求項１記載の電力変換システム。
8. 前記蓄電部は、前記複数のリアクトルを介して前記複数の交流端子のそれぞれに接続される負極と、前記一対の直流端子のうちの高電位側の前記直流端子に接続される正極と、を有する請求項１記載の電力変換システム。

Images