JP7087812B2 - 電力変換装置および電力変換システム - Google Patents

Description

本発明は、電力変換装置および電力変換システムに関し、特に、バッテリを充電し、または、バッテリから外部の回路に電力を供給する装置に関する。

ハイブリッド自動車や電気自動車等の電動車両が広く用いられている。近年では、電動車両に搭載されたバッテリから商用電源システム等の電力系統に電力を供給し、電力系統からバッテリに電力を供給するＶ２Ｇ（Vehicle to Grid）と呼ばれる技術につき研究が行われている。Ｖ２Ｇでは、バッテリから出力された電力を調整して電力系統に供給し、あるいは、電力系統から供給された電力を調整してバッテリに出力する電力変換装置が用いられる。また、電動車両に搭載されたバッテリから一般家庭、オフィス等で用いられる電気機器に電力を供給するＶ２Ｈ（Vehicle to Home）と呼ばれる技術についても研究が行われている。Ｖ２Ｈにおいても、バッテリと電気機器との間の電力経路に電力変換装置が用いられる。

一般に、電力変換装置は複数のスイッチング素子を有している。制御装置は、各スイッチング素子のオンオフ制御を行うことで電力変換装置を制御し、伝送電力の調整を電力変換装置に行わせる。

以下の特許文献１には、商用電源から供給される電力によって蓄電池（バッテリ）を充電する機能と、商用電源または蓄電池から、電気自動車に搭載された電池（車載バッテリ）に電力を供給する機能とを備えた装置が記載されている。各部に電力を供給するためのバスと商用電源との間には、ＡＣ／ＤＣコンバータ（電力変換装置）が設けられている。また、バスと蓄電池との間、およびバスと電気自動車との間には、ＤＣ／ＤＣコンバータ（電力変換装置）が設けられている。特許文献２には、絶縁型電力変換装置が記載されている。この絶縁型電力変換装置は、トランスで結合された２つのスイッチング回路を備えている。一方のスイッチング回路には交流電源が接続され、他方のスイッチング回路には直流電源が接続されている。２つのスイッチング回路のスイッチングにより、交流電源から直流電源に電力が供給され、あるいは、直流電源から交流電源に電力が供給される。交流電源が接続されるスイッチング素子には、双方向スイッチが用いられている。特許文献２には、スイッチング損失を低減するためのスイッチング動作が記載されている。

また、以下の非特許文献１には、本願発明に関連する技術として、複数のスイッチング回路の入力端子、および複数のスイッチング回路の出力端子を並列接続する技術等が記載されている。

特開２０１４－１２１２１６号公報 特開２０１６－２２６１６２号公報

"A 22 kW on-board charger for automotive applications based on a modular design"Fraunhofer IISB Germany, IEEE Conference on Energy Convension Oct. 2014

ハイブリッド自動車や電気自動車等の電動車両に用いられる電力変換装置では、ユーザが操作する部位を絶縁したり、入出力電圧が異なる複数のスイッチング回路を結合したりするため複数のトランスが用いられることが多い。また、バッテリの出力電圧を昇圧または降圧するために、誘導起電力を発生させるための巻線がトランスに加えて用いられ、部品の数が多くなり、回路構成が複雑となってしまうことがある。

本発明は、電力変換装置の構成を簡単にすることを目的とする。

本発明は、交流スイッチング回路と、前記交流スイッチング回路に両端が接続されたプライマリ巻線と、前記プライマリ巻線に磁気的に結合するセカンダリ巻線と、前記セカンダリ巻線の両端に接続された直流スイッチング回路と、前記セカンダリ巻線の中途点に接続されたバッテリと、を備え、前記交流スイッチング回路は、電力系統における複数の相電圧に対応して設けられ、それぞれが一対の接続端を有する複数の単相スイッチング回路を含み、前記プライマリ巻線は、各前記単相スイッチング回路に対応して設けられ、対応する前記単相スイッチング回路に接続された部分プライマリ巻線を含み、複数の前記相電圧のうちの１相の相電圧が、その１相の相電圧に対応する前記単相スイッチング回路の一方の接続端に印加され、各前記単相スイッチング回路の他方の接続端が、複数の前記相電圧に対する中性点または当該中性点に至る経路に接続され、前記交流スイッチング回路は、前記電力系統からの入力交流電力を調整して前記プライマリ巻線に出力し、または、前記プライマリ巻線からの電力を調整して出力交流電力を前記電力系統に出力し、前記直流スイッチング回路は、前記セカンダリ巻線から電力を取得して、前記直流スイッチング回路に接続された隣接回路に直流電力を出力し、または、前記隣接回路から直流電力を取得して、前記セカンダリ巻線に電力を出力する、ことを特徴とする。

望ましくは、前記直流スイッチング回路および前記セカンダリ巻線は、前記バッテリから出力される電圧を昇圧し、前記バッテリに前記セカンダリ巻線および前記直流スイッチング回路を介して接続される前記隣接回路に昇圧後の電圧を出力する昇圧動作をする。

望ましくは、前記直流スイッチング回路は、前記交流スイッチング回路から前記プライマリ巻線および前記セカンダリ巻線を介して供給される電力に対するスイッチングによって、前記セカンダリ巻線を介して前記バッテリに電力を供給し、もしくは前記隣接回路に直流電力を供給する動作、前記隣接回路から供給される直流電力、もしくは前記バッテリから前記セカンダリ巻線を介して供給される電力に対するスイッチングによって、前記セカンダリ巻線および前記プライマリ巻線を介して前記交流スイッチング回路に電力を供給する動作、または、前記隣接回路から供給される直流電力に対するスイッチングによって、前記セカンダリ巻線を介して前記バッテリに電力を供給し、もしくは前記バッテリから前記セカンダリ巻線を介して供給される電力に対するスイッチングによって、前記隣接回路に直流電力を供給する動作のいずれかの動作をする。

望ましくは、複数の前記セカンダリ巻線と、複数の前記セカンダリ巻線に対応して設けられた複数の前記直流スイッチング回路と、を備え、各前記セカンダリ巻線の両端に、各前記セカンダリ巻線に対応する前記直流スイッチング回路が接続され、複数の前記セカンダリ巻線および複数の前記直流スイッチング回路に対して共通の前記バッテリが、複数の前記セカンダリ巻線のそれぞれの中途点に接続されており、複数の前記直流スイッチング回路は、共通の前記隣接回路に接続され、前記隣接回路との間で電力を授受する。

望ましくは、複数の負荷装置に対応して設けられた複数の電力変換モジュールであって、当該複数の負荷装置のうち対応するものとの間で、それぞれが電力を授受する複数の電力変換モジュール、を備え、複数の前記電力変換モジュールのそれぞれは、前記電力変換装置を備え、複数の前記相電圧のそれぞれについて、複数の前記電力変換モジュールにおける前記単相スイッチング回路が直列接続されており、当該直列接続は、各前記単相スイッチング回路の一方の接続端を前端とし、他方の接続端を後端としたときに、初段の前記単相スイッチング回路の前端に、複数の前記相電圧のうちの１相の相電圧が印加され、前段の前記単相スイッチング回路の後端が、次段の前記単相スイッチング回路の前端に接続され、最終段の前記単相スイッチング回路の後端が、前記中性点に接続される接続態様であり、各前記負荷装置が前記隣接回路を備えており、各前記直流スイッチング回路に対応する前記隣接回路が、各前記直流スイッチング回路に接続されている。

本発明によれば、電力変換装置の構成が簡単になる。

電力変換装置の構成を示す図である。 電力変換装置の回路構成を示す図である。 双方向スイッチの例を示す図である。 電力変換装置を制御する制御装置の構成を示す図である。 直流側制御部の構成を示す図である。 直流側制御部の処理に用いられる信号等を示す図である。 交流側制御部の構成を示す図である。 交流側制御部の処理に用いられる信号等を示す図である。 交流接続点と中性接続点との間の電圧を示す図である。 電力変換装置の電力伝送状態を示す図である。 第１応用例に係る電力変換装置の回路構成を示す図である。 電力変換装置における各電圧の計算結果を示す図である。 第２応用例に係る電力変換システムの回路構成を示す図である。 電力変換システムについてのシミュレーション結果を示す図である。 電力変換システムについてのシミュレーション結果を示す図である。

図１には、本発明の実施形態に係る電力変換装置１００の構成が示されている。電力変換装置１００は、電力を供給する設備である電力系統１０に接続されている。電力系統１０には、例えば商用電源システムがある。電力変換装置１００はバッテリ１４を備えており、電力系統１０とバッテリ１４との間の電力伝送を行う。また、電力変換装置１００には、電気自動車２４が着脱自在となっている。電力系統１０、バッテリ１４および電気自動車２４のそれぞれは、電力変換装置１００の動作に応じて電力変換装置１００に電力を出力し、あるいは、電力変換装置１００から電力を取得する。なお、電力変換装置１００には、電気自動車の他、ハイブリッド自動車が接続されてもよい。また、電力変換装置１００には、電気自動車やハイブリッド自動車等の電動車両に搭載される車載バッテリが接続されてもよい。

電力変換装置１００は、交流スイッチング回路１２、トランス１６、直流スイッチング回路２２、およびバッテリ１４を備えている。交流スイッチング回路１２は、電力系統１０に接続されている。トランス１６は、磁気的に結合するプライマリ巻線１８とセカンダリ巻線２０を備えている。プライマリ巻線１８の両端は交流スイッチング回路１２に接続され、セカンダリ巻線２０の両端は直流スイッチング回路２２に接続されている。バッテリ１４は、セカンダリ巻線２０の中途点端子（タップ）に接続されている。

電力変換装置１００は、次の（１）～（５）に示される機能を有している。
（１）電力系統１０から取得した電力をバッテリ１４に供給し、バッテリ１４を充電する機能（２）バッテリ１４から取得した電力を電力系統１０に供給する機能（３）電力系統１０から取得した電力を電気自動車２４に供給し、電気自動車２４に搭載された車載バッテリを充電する機能（４）バッテリ１４から取得した電力を電気自動車２４に供給し、車載バッテリを充電する機能（５）車載バッテリから取得した電力を電力系統１０に供給する機能（Ｖ２Ｇに用いられる機能）

なお、電力変換装置１００は、上記の（３）および（４）を組み合わせて、電力系統１０から取得した電力と、バッテリ１４から取得した電力を電気自動車２４に供給し、車載バッテリを充電してもよい。また、電力変換装置１００は、車載バッテリから取得した電力をバッテリ１４に供給してもよい。

図２には、本発明の実施形態に係る電力変換装置１００の回路構成が示されている。電力系統１０は、Ｒ相線１０Ｒ、Ｓ相線１０ＳおよびＴ相線１０Ｔを備え、これら３相の電力伝送線に電力変換装置１００が接続されている。交流スイッチング回路１２は、３相の単相スイッチング回路としてＲ相スイッチング回路１２Ｒ、Ｓ相スイッチング回路１２ＳおよびＴ相スイッチング回路１２Ｔを備えている。

Ｒ相スイッチング回路１２Ｒは、並列接続された２つのハーフブリッジＲ１およびＲ２を備えている。ハーフブリッジＲ１は、直列接続された双方向スイッチＲＷ１およびＲＷ２を備え、ハーフブリッジＲ２は、直列接続された双方向スイッチＲＷ３およびＲＷ４を備えている。双方向スイッチＲＷ１およびＲＷ２の接続点ａ（交流接続点ａ）は、直列に接続されたＲ相インダクタ２６ＲおよびＲ相接続線２８Ｒを介して電力系統１０のＲ相線１０Ｒに接続されている。

Ｓ相スイッチング回路１２Ｓは、並列接続された２つのハーフブリッジＳ１およびＳ２を備えている。ハーフブリッジＳ１は、直列接続された双方向スイッチＳＷ１およびＳＷ２を備え、ハーフブリッジＳ２は、直列接続された双方向スイッチＳＷ３およびＳＷ４を備えている。双方向スイッチＳＷ１およびＳＷ２の接続点（交流接続点ａ）は、直列に接続されたＳ相インダクタ２６ＳおよびＳ相接続線を介して電力系統１０のＳ相線１０Ｓに接続されている。

Ｔ相スイッチング回路１２Ｔは、並列接続された２つのハーフブリッジＴ１およびＴ２を備えている。ハーフブリッジＴ１は、直列接続された双方向スイッチＴＷ１およびＴＷ２を備え、ハーフブリッジＴ２は、直列接続された双方向スイッチＴＷ３およびＴＷ４を備えている。双方向スイッチＴＷ１と双方向スイッチＴＷ２との接続点（交流接続点ａ）は、直列に接続されたＴ相インダクタ２６ＴおよびＴ相接続線２８Ｔを介して電力系統１０のＴ相線１０Ｔに接続されている。

Ｒ相スイッチング回路１２Ｒが備える双方向スイッチＲＷ３と双方向スイッチＲＷ４との接続点（中性接続点ｂ）、Ｓ相スイッチング回路１２Ｓが備える双方向スイッチＳＷ３と双方向スイッチＳＷ４との接続点（中性接続点ｂ）、および、Ｔ相スイッチング回路１２Ｔが備える双方向スイッチＴＷ３と双方向スイッチＴＷ４との接続点（中性接続点ｂ）は、中性点Ｎで共通に接続されている。

Ｒ相スイッチング回路１２Ｒ、Ｓ相スイッチング回路１２ＳおよびＴ相スイッチング回路１２Ｔのそれぞれが備える双方向スイッチは、例えば、図３に示されている２つのＭＯＳＦＥＴ１およびＭＯＳＦＥＴ２によって構成される。ＭＯＳＦＥＴ１のソース端子は、ＭＯＳＦＥＴ２のドレイン端子に接続されている。ＭＯＳＦＥＴ１およびＭＯＳＦＥＴ２のそれぞれのソース端子とドレイン端子との間には、ソース端子の側をアノード端子として、ダイオードＤが接続されている。２つのＭＯＳＦＥＴの代わりに、その他の半導体スイッチング素子が用いられてもよい。半導体スイッチング素子としてバイポーラトランジスタが用いられた場合、ＭＯＳＦＥＴのドレイン端子、ソース端子およびゲート端子が、それぞれ、コレクタ端子、エミッタ端子およびベース端子に対応する。

図２に戻って電力変換装置１００の回路構成について説明する。プライマリ巻線１８は、個別に導線が巻かれた３つの部分プライマリ巻線として、Ｒ相部分プライマリ巻線１８Ｒ、Ｓ相部分プライマリ巻線１８ＳおよびＴ相部分プライマリ巻線１８Ｔを備えている。Ｒ相スイッチング回路１２ＲにおけるハーフブリッジＲ１およびＲ２の両端は、Ｒ相部分プライマリ巻線１８Ｒの両端に接続されている。Ｓ相スイッチング回路１２ＳにおけるハーフブリッジＳ１およびＳ２の両端は、Ｓ相部分プライマリ巻線１８Ｓの両端に接続され、Ｔ相スイッチング回路１２ＴにおけるハーフブリッジＴ１およびＴ２の両端は、Ｔ相部分プライマリ巻線１８Ｔの両端に接続されている。

直流スイッチング回路２２は、並列接続された２つのハーフブリッジα１およびα２を備えている。ハーフブリッジα１は、直列接続されたスイッチング素子αＷ１およびαＷ２を備え、ハーフブリッジα２は、直列接続されたスイッチング素子αＷ３およびαＷ４を備えている。図２に示されている例では、各スイッチング素子にＭＯＳＦＥＴが用いられている。すなわち、スイッチング素子αＷ１としてのＭＯＳＦＥＴのソース端子にスイッチング素子αＷ２としてのＭＯＳＦＥＴのドレイン端子が接続されている。同様に、スイッチング素子αＷ３としてのＭＯＳＦＥＴのソース端子にスイッチング素子αＷ４としてのＭＯＳＦＥＴのドレイン端子が接続されている。

スイッチング素子αＷ１およびαＷ２の接続点と、スイッチング素子αＷ３およびαＷ４の接続点との間には、セカンダリ巻線２０が接続されている。ハーフブリッジα１およびα２の両端には、コンデンサ３０が接続されている。また、ハーフブリッジα１およびα２のそれぞれの上側の接続点は、正極端子３４に至る正極線３２に接続され、ハーフブリッジα１およびα２のそれぞれの下側の接続点は、負極端子３８に至る負極線３６に接続されている。セカンダリ巻線２０には、導線が巻かれた途中の接続点である中途点端子が設けられている。中途点端子は、セカンダリ巻線２０を形成する導線の中点に設けられた端子、すなわち、センタータップであってもよい。セカンダリ巻線２０の中途点端子にはバッテリ１４の正極が接続され、バッテリ１４の負極は負極線３６に接続されている。

図４には、電力変換装置１００を制御する制御装置６０の構成が示されている。制御装置６０は、総合制御部６２、直流側制御部６４および交流側制御部６６を備えている。また、図５には直流側制御部６４の構成が、図７には交流側制御部６６の構成がそれぞれ示されている。これらの制御部は、プログラムを実行することで各機能が実行されるプロセッサ等の演算デバイスによって構成されてもよい。また、これらの制御部の総てまたは全部は、ハードウエアとしてのディジタル回路によって個別に構成されてもよい。図４、図５および図７に併せて図２を参照しながら、制御装置６０の構成および動作について説明する。

直流側制御部６４は、直流スイッチング回路２２を制御し、交流側制御部６６は、交流スイッチング回路１２を制御する。総合制御部６２は、電力変換装置１００を全体的に制御するための信号を直流側制御部６４および交流側制御部６６に出力する。交流側制御部６６は、Ｒ相制御部６６Ｒ、Ｓ相制御部６６ＳおよびＴ相制御部６６Ｔを備えている。Ｒ相制御部６６Ｒ、Ｓ相制御部６６ＳおよびＴ相制御部６６Ｔは、それぞれ、Ｒ相スイッチング回路１２Ｒ、Ｓ相スイッチング回路１２ＳおよびＴ相スイッチング回路１２Ｔを制御する。

図５には、直流側制御部６４の構成が示されている。直流側制御部６４が図２の直流スイッチング回路２２を制御するに際しては、正極端子３４と負極端子３８との間の電圧の計測値である直流電圧計測値Ｖｅｍ、バッテリ１４に流れる電流の計測値であるバッテリ電流計測値Ｉｂｍが用いられる。電力変換装置１００には、これらを計測するためのセンサ（図示せず）が設けられている。各センサによる計測値は、直流側制御部６４に入力されている。

総合制御部６２から直流側制御部６４には、正極端子３４と負極端子３８との間の電圧に対する指令値である直流電圧指令値Ｖｅ^＊、バッテリ１４から出力される電力に対する指令値であるバッテリ出力指令値Ｐｂ^＊、およびキャリア信号Ｃｒが出力される。キャリア信号Ｃｒの時間波形は、例えば、正負対称の三角波形である。直流側制御部６４は、図５に示される各構成要素が実行する次のような演算によって、スイッチング素子αＷ１～αＷ４に対するゲート信号Ｇ１～Ｇ４を生成する。

減算器６８は、直流電圧指令値Ｖｅ^＊から直流電圧計測値Ｖｅｍを減算して第１誤差を求め、第１ＰＩ制御部７０に出力する。第１ＰＩ制御部７０は、比例積分制御による第１制御値を求め、加算器７２に出力する。加算器７２は、第１制御値にバッテリ出力指令値Ｐｂ^＊を加算して第２誤差を求め、第２ＰＩ制御部７４に出力する。第２ＰＩ制御部７４は、比例積分制御による第２制御値を求め、減算器７６に出力する。減算器７６は、第２制御値からバッテリ電流計測値Ｉｂｍを減算して第３誤差を求め、ゲート信号生成部７８に出力する。

ゲート信号生成部７８は、第３誤差に基づいて第１比較値Ｃ１を求める。そして、キャリア信号Ｃｒの値が比較値Ｃ１以上である期間にハイとなり、キャリア信号Ｃｒの値が比較値Ｃ１値未満である期間にローとなるゲート信号Ｇ１を生成する。ゲート信号生成部７８は、さらに、ゲート信号Ｇ１のハイおよびローを反転したゲート信号Ｇ２を生成する。

また、ゲート信号生成部７８は、第３誤差に基づいて第２比較値Ｃ２を求める。そして、キャリア信号Ｃｒの値が比較値Ｃ２以上である期間にハイとなり、キャリア信号Ｃｒの値が比較値Ｃ２未満である期間にローとなるゲート信号Ｇ３を生成する。ゲート信号生成部７８は、さらに、ゲート信号Ｇ３のハイおよびローを反転したゲート信号Ｇ４を生成する。

直流側制御部６４は、ゲート信号Ｇ１～Ｇ４によって、それぞれ、スイッチング素子αＷ１～αＷ４をオンオフ制御する。すなわち、ゲート信号Ｇｉ（ｉ＝１～４）がハイであるときに、そのゲート信号Ｇｉの制御対象のスイッチング素子αＷｉをオンにし、ゲート信号Ｇｉがローであるときにスイッチング素子αＷｉをオフにする。

図６（ａ）には、キャリア信号Ｃｒ、第１比較値Ｃ１、および第２比較値Ｃ２の例が示されている。また、図６（ｂ）には、上記の処理によって直流側制御部６４が生成するゲート信号Ｇ１～Ｇ４が示されている。さらに、図６（ｃ）には、セカンダリ巻線２０の端子間電圧Ｖ２が示されている。図６（ａ）～（ｃ）の横軸は時間を示し、縦軸は各信号値または電圧を示す。

スイッチング素子αＷ１およびαＷ３が共にオンまたはオフであり、スイッチング素子αＷ２およびαＷ４が共にオフまたはオンであるとき、セカンダリ巻線２０の端子間電圧Ｖ２は０となる。スイッチング素子αＷ１およびαＷ４が共にオンであり、スイッチング素子αＷ２およびαＷ３が共にオフであるとき、セカンダリ巻線２０の端子間電圧Ｖ２はＶｅとなる。ただし、Ｖｅは、正極端子３４と負極端子３８との間の電圧、すなわち、コンデンサ３０の端子間電圧である。スイッチング素子αＷ１およびαＷ４が共にオフであり、スイッチング素子αＷ２およびαＷ３が共にオンであるとき、セカンダリ巻線２０の端子間電圧Ｖ２は－Ｖｅとなる。

また、ゲート信号生成部７８は、ゲート信号Ｇ１～Ｇ４に加えて、キャリア信号Ｃｒに同期した同期信号Ｓｙｎを生成する。図６（ｄ）には同期信号Ｓｙｎが示されている。横軸は時間を示し縦軸は信号値を示す。同期信号Ｓｙｎは、キャリア信号Ｃｒが負値から正値となるゼロクロスタイミングで立ち上がり、正値から負値となるゼロクロスタイミングで立ち上がる矩形波信号である。

ゲート信号Ｇ２がハイからローに切り替わり、ゲート信号Ｇ１がローからハイに切り替わったときには、バッテリ１４の出力電圧が昇圧されて、コンデンサ３０に印加される。すなわち、図２のスイッチング素子αＷ２がオンからオフに切り替わることで、バッテリ１４からセカンダリ巻線２０を通ってスイッチング素子αＷ２を流れる電流が遮断され、セカンダリ巻線２０の中途点端子より上側の部分に誘導起電力が発生する。そして、バッテリ１４の出力電圧に誘導起電力が加えられた昇圧電圧が、スイッチング素子αＷ１またはそれに接続されたダイオードを介してコンデンサ３０に印加される。昇圧電圧が、コンデンサ３０の端子間電圧よりも大きいときは、ダイオードを介してコンデンサ３０が充電され、昇圧電圧がコンデンサ３０の端子間電圧よりも小さいときは、スイッチング素子αＷ１を介してコンデンサ３０が放電される。

同様に、ゲート信号Ｇ４がハイからローに切り替わり、ゲート信号Ｇ３がローからハイに切り替わったときにも、バッテリ１４の出力電圧が昇圧されて、コンデンサ３０に印加される。

正極端子３４および負極端子３８の端子間電圧Ｖｅと、バッテリ１４の出力電圧Ｖｂには次のような関係がある。

（数１）Ｖｅ＝Ｖｂ／（１－Ｄｕｔｙ）

ただし、Ｄｕｔｙは、オンオフの１周期に対する、スイッチング素子αＷ２およびαＷ４がオンになる時間長の比率を示すデューティ比である。

正極端子３４および負極端子３８には電気自動車が着脱自在となっており、正極端子３４および負極端子３８に電気自動車が接続されている場合には、バッテリ１４の出力電圧が昇圧された端子間電圧Ｖｅが電気自動車に印加される。

このように、直流スイッチング回路２２は、バッテリ１４から出力される電圧を昇圧し、直流スイッチング回路２２の正極端子３４および負極端子３８に接続された隣接回路に昇圧後の電圧を出力する。

図７には、Ｒ相スイッチング回路１２Ｒ、Ｓ相スイッチング回路１２ＳおよびＴ相スイッチング回路１２Ｔをそれぞれ制御するＲ相制御部６６Ｒ、Ｓ相制御部６６ＳおよびＴ相制御部６６Ｔの構成が示されている。これらの制御部が実行する処理は同様であるため、ここではＲ相制御部６６Ｒについて説明する。

Ｒ相制御部６６ＲがＲ相スイッチング回路１２Ｒを制御するに際しては、Ｒ相インダクタ２６ＲおよびＲ相接続線２８を流れる電流の計測値であるＲ相電流計測値ＩＲｍが用いられる。電力変換装置１００には、Ｒ相電流計測値ＩＲｍを計測するためのセンサ（図示せず）が設けられおり、このセンサによる計測値はＲ相制御部６６Ｒに入力されている。

総合制御部６２からＲ相制御部６６Ｒには、電力系統１０から電力変換装置１００に供給される電力に対する指令値である系統電力指令値Ｐｇ^＊、およびＲ相キャリア信号ＣｒＲが出力されている。Ｒ相キャリア信号ＣｒＲの時間波形は、例えば、正負対称の三角波形である。さらに、キャリア信号ＣｒＲの周期は、キャリア信号Ｃｒの周期と異なる。直流側制御部６４からＲ相制御部６６Ｒには同期信号Ｓｙｎが出力されている。Ｒ相制御部６６Ｒは、図７に示される各構成要素が実行する次のような演算によって、スイッチング素子ＲＷ１～ＲＷ４に対するゲート信号ｇｒ１～ｇｒ４を生成する。

電流演算部８０は、系統電力指令値Ｐｇ^＊を３で割ることで、１相当たりの単相電力指令値を求め、中性点電位を基準とした電力系統１０の相電圧で単相電力指令値を割ることで、単相電流値を求める。減算器８２は、単相電流値からＲ相電流計測値ＩＲｍを減算することで単相電流誤差を求め、単相ＰＩ制御部８４に出力する。単相ＰＩ制御部８４は、比例積分制御による単相制御値を求め、単相・制御量演算部８６に出力する。

単相・制御量演算部８６は、単相制御値に基づいて第３比較値Ｃ３を求める。第３比較値Ｃ３は、例えば、電力系統１０におけるＲ相電圧の正の半周期での値に比例した値である。単相・制御量演算部８６は、キャリア信号ＣｒＲが第３比較値Ｃ３以上である期間にハイとなり、キャリア信号ＣｒＲが第３比較値Ｃ３未満である期間にローとなる中間信号Ｍｓ１を生成し、単相ゲート信号生成部８８に出力する。

また、単相・制御量演算部８６は、単相制御値に基づいて第４比較値Ｃ４を求める。第４比較値Ｃ４は、例えば、電力系統１０におけるＲ相電圧の負の半周期での値に比例した値である。単相・制御量演算部８６は、キャリア信号ＣｒＲが第４比較値Ｃ４以上である期間にハイとなり、キャリア信号ＣｒＲが第４比較値Ｃ４未満である期間にローとなる中間信号Ｍｓ２を生成し、単相ゲート信号生成部８８に出力する。

単相ゲート信号生成部８８には、同期信号Ｓｙｎが入力されている。単相ゲート信号生成部８８は、中間信号Ｍｓ１がハイであるときに同期信号Ｓｙｎをそのままの値とし、中間信号Ｍｓ１がローであるときに同期信号Ｓｙｎのハイおよびローを反転させたゲート信号ｇｒ１を生成する。すなわち、単相ゲート信号生成部８８は、中間信号Ｍｓ１と同期信号Ｓｙｎとの否定排他的論理和（ＸＮＯＲ）をゲート信号ｇｒ１とする。単相ゲート信号生成部８８は、さらに、ゲート信号ｇｒ１のハイおよびローを反転したゲート信号ｇｒ２を生成する。

また、単相ゲート信号生成部８８は、中間信号Ｍｓ２がハイであるときに同期信号Ｓｙｎをそのままの値とし、中間信号Ｍｓ２がローであるときに同期信号Ｓｙｎのハイおよびローを反転させたゲート信号ｇｒ３を生成する。すなわち、単相ゲート信号生成部８８は、中間信号Ｍｓ２と同期信号Ｓｙｎとの否定排他的論理和（ＸＮＯＲ）をゲート信号ｇｒ３とする。単相ゲート信号生成部８８は、さらに、ゲート信号ｇｒ３のハイおよびローを反転したゲート信号ｇｒ４を生成する。

Ｒ相制御部６６Ｒは、ゲート信ｇｒ１～ｇｒ４によって、それぞれ、スイッチング素子ＲＷ１～ＲＷ４をオンオフ制御する。すなわち、ゲート信号ｇｒｉ（ｉ＝１～４）がハイであるときに、そのゲート信号ｇｒｉの制御対象のスイッチング素子ＲＷｉをオンにし、ゲート信号ｇｒｉがローであるときにスイッチング素子ＲＷｉをオフにする。

図８（ａ）には、キャリア信号ＣｒＲ、第３比較値Ｃ３、および第４比較値Ｃ４の例が示されている。また、図８（ｂ）には、同期信号Ｓｙｎ、および上記の処理によってＲ相制御部６６Ｒが生成する中間信号Ｍｓ１およびＭｓ２が示されている。さらに、図８（ｃ）には、上記の処理によってＲ相制御部６６Ｒが生成するゲート信号ｇｒ１～ｇｒ４が示されている。

図９には、Ｒ相スイッチング回路１２Ｒにおける双方向スイッチＳＷ１およびＳＷ２の接続点（交流接続点ａ）と、双方向スイッチＳＷ３およびＳＷ４の接続点（中性接続点ｂ）との間の電圧Ｖｒが示されている。電圧Ｖｒは、中性点Ｎの電圧を基準とした、Ｒ相インダクタ２６ＲとハーフブリッジＲ１との接続点の電圧であるともいえる。また、Ｒ相接続線２８ＲおよびＲ相インダクタ２６Ｒに流れる電流ＩＲが電圧Ｖｒに重ねて示されている。横軸は時間を示し、縦軸は電圧Ｖｒまたは電流ＩＲを示す。

Ｒ相インダクタ２６Ｒに流れる電流は、Ｒ相スイッチング回路１２Ｒによってスイッチングされている。Ｒ相インダクタ２６Ｒが電流の変化を抑制するという作用によって、電流ＩＲの時間波形および位相は、電力系統１０のＲ相線１０Ｒの相電圧の時間波形および位相に近付けられる。

Ｓ相スイッチング回路１２Ｓにおける交流接続点ａおよび中性接続点ｂとの間の電圧Ｖｓは、図９に示される電圧Ｖｒに対し位相が１２０°遅れた電圧となり、Ｔ相スイッチング回路における交流接続点ａおよび中性接続点ｂとの間の電圧Ｖｔは、図９に示される電圧Ｖｒに対し位相が２４０°遅れた電圧となる。また、Ｓ相接続線２８ＳおよびＳ相インダクタ２６Ｓに流れる電流ＩＳは、図９に示される電流ＩＲに対し位相が１２０°遅れた電流となり、Ｔ相接続線２８ＴおよびＴ相インダクタ２６Ｔに流れる電流ＩＴは、図９に示される電流ＩＲに対し位相が２４０°遅れた電流となる。

図７に示されるＳ相制御部６６ＳおよびＴ相制御部６６Ｔは、Ｒ相制御部６６Ｒと同様の構成を有している。

Ｓ相制御部６６ＳがＳ相スイッチング回路１２Ｓを制御するに際しては、Ｓ相接続線２８Ｓを流れる電流の計測値であるＳ相電流計測値ＩＳｍが用いられる。電力変換装置１００には、Ｓ相電流計測値ＩＳｍを計測するためのセンサ（図示せず）が設けられおり、このセンサによる計測値はＳ相制御部６６Ｓに入力されている。

総合制御部６２からＳ相制御部６６Ｓには、電力系統１０から電力変換装置１００に供給される電力に対する指令値である系統電力指令値Ｐｇ^＊、およびＳ相キャリア信号ＣｒＳが出力されている。直流側制御部６４からＳ相制御部６６Ｓには同期信号Ｓｙｎが出力されている。Ｓ相制御部６６Ｓは、Ｒ相制御部６６Ｒが実行する演算と同様の演算によって、スイッチング素子ＳＷ１～ＳＷ４に対するゲート信号ｇｓ１～ｇｓ４を生成する。

Ｔ相制御部６６ＴがＴ相スイッチング回路１２Ｔを制御するに際しては、Ｔ相接続線２８Ｔを流れる電流の計測値であるＴ相電流計測値ＩＴｍが用いられる。電力変換装置１００には、Ｔ相電流計測値ＩＴｍを計測するためのセンサ（図示せず）が設けられおり、このセンサによる計測値はＴ相制御部６６Ｔに入力されている。

総合制御部６２からＴ相制御部６６Ｔには、電力系統１０から電力変換装置１００に供給される電力に対する指令値である系統電力指令値Ｐｇ^＊、およびＴ相キャリア信号ＣｒＴが出力されている。直流側制御部６４からＴ相制御部６６Ｔには同期信号Ｓｙｎが出力されている。Ｔ相制御部６６Ｔは、Ｒ相制御部６６Ｒが実行する演算と同様の演算によって、スイッチング素子ＴＷ１～ＴＷ４に対するゲート信号ｇｔ１～ｇｔ４を生成する。

なお、Ｓ相キャリア信号ＣｒＳおよびＴ相キャリア信号ＣｒＴは、時間波形がＲ相キャリア信号ＣｒＲと同一の波形である。ただし、Ｒ相キャリア信号ＣｒＲ、Ｓ相キャリア信号ＣｒＳおよびＴ相キャリア信号ＣｒＴには相互に１２０°の位相差がある。

このような制御によって、交流スイッチング回路１２は、電力系統１０から電力変換装置１００に入力される電力（交流入力電力）、または、電力変換装置１００から電力系統１０に出力される電力（交流出力電力）を調整する。これによって、Ｒ相接続線２８Ｒ、Ｓ相接続線２８ＳおよびＴ相接続線２８Ｔのそれぞれに流れる電流の時間波形および位相が、電力系統１０の各相電圧の時間波形および位相に近付けられる。したがって、電力系統１０から電力変換装置１００に入力される電力、電力変換装置１００から電力系統１０に出力される電力の力率が向上する。

図１０には、電力変換装置１００の電力伝送状態が示されている。電力伝送状態（ｉ）および（ｉｉ）は、正極端子３４および負極端子３８に電気自動車が接続されていないときの状態である。電力伝送状態（ｉ）では系統電力指令値Ｐｇ^＊が正に設定され、バッテリ出力指令値Ｐｂ^＊が負に設定されている。これによって、電力系統１０からバッテリ１４に電力が伝送され、バッテリ１４が充電される。電力伝送状態（ｉｉ）は、系統電力指令値Ｐｇ^＊が負に設定され、バッテリ出力指令値Ｐｂ^＊が正に設定されている。これによって、バッテリ１４から電力系統１０に電力が伝送される。

電力伝送状態（ｉｉｉ）～（ｖ）は、正極端子３４および負極端子３８に電気自動車が接続されているときの状態である。これらの電力伝送状態では、直流電圧指令値Ｖｅ^＊は所定の正の値に設定されている。電力伝送状態（ｉｉｉ）では、系統電力指令値Ｐｇ^＊が正に設定され、バッテリ出力指令値Ｐｂ^＊が０に設定されている。これによって、電力系統１０から電気自動車に電力が伝送され、電気自動車の車載バッテリが充電される。電力伝送状態（ｉｖ）では、系統電力指令値Ｐｇ^＊が０に設定され、バッテリ出力指令値Ｐｂ^＊が正に設定されている。これによって、バッテリ１４から電気自動車に電力が伝送され、電気自動車の車載バッテリが充電される。電力伝送状態（ｖ）では、系統電力指令値Ｐｇ^＊およびバッテリ出力指令値Ｐｂ^＊が正に設定されている。これによって、電力系統１０およびバッテリ１４から電気自動車に電力が伝送され、電気自動車の車載バッテリが充電される。

本実施形態に係る電力変換装置１００は、各指令値の設定によって、次の第１電力伝送動作～第３電力動作のうちいずれかの動作をする。すなわち、電力変換装置１００は、各相の交流スイッチング回路（１２Ｒ、１２Ｓ，１２Ｔ）から各相のプライマリ巻線（１８Ｒ，１８Ｓ，１８Ｔ）およびセカンダリ巻線２０を介して供給される電力に対するスイッチングによってバッテリ１４または電気自動車（隣接回路）に電力を伝送する第１電力伝送動作、隣接回路またはバッテリ１４から、セカンダリ巻線２０および各相のプライマリ巻線を介して各相の交流スイッチング回路に電力を供給する第２電力伝送動作、または、隣接回路とバッテリ１４との間で電力を授受させる第３電力伝送動作のうちいずれかの動作をする。

また、電力変換装置１００では、セカンダリ巻線２０に直接接続されたバッテリ１４が設けられている。直流スイッチング回路２２およびセカンダリ巻線２０は、各相の交流スイッチング回路およびプライマリ巻線１８と共に、電力系統１０、バッテリ１４および電気自動車の相互間での電力伝送をするという機能に加えて、バッテリ１４の出力電圧を昇圧するという機能を併せ持っている。セカンダリ巻線２０は、交流スイッチング回路１２と直流スイッチング回路２２との間で電力伝送をするトランス１６を構成する他、バッテリ１４の出力電圧を昇圧するための昇圧リアクトルとして用いられる。したがって、電力変換装置１００では、バッテリ１４の出力電圧を昇圧するための回路構成が簡単になる。

図１１には、第１応用例に係る電力変換装置１０１が示されている。この電力変換装置１０１は、図２に示されている電力変換装置１００のセカンダリ巻線２０を２つのセカンダリ巻線２０Ａおよび２０Ｂに置き換え、セカンダリ巻線２０Ａに直流スイッチング回路２２を接続し、セカンダリ巻線２０Ｂに直流スイッチング回路４０を接続したものである。図２に示された構成要素と同一の構成要素については同一の符号を付してその説明を省略する。

プライマリ巻線１８、セカンダリ巻線２０Ａ、およびセカンダリ巻線２０Ｂはトランス５０を構成する。セカンダリ巻線２０Ａおよび２０Ｂのそれぞれは、プライマリ巻線１８が備えるＲ相部分プライマリ巻線１８Ｒ、Ｓ相部分プライマリ巻線１８Ｓ、およびＴ相部分プライマリ巻線１８Ｔのそれぞれに磁気的に結合している。

直流スイッチング回路４０は、直流スイッチング回路２２と同様の構成を有している。すなわち、直流スイッチング回路４０は、ハーフブリッジβ１およびβ２、ならびに、コンデンサ４４を備えている。ハーフブリッジβ１およびβ２、ならびに、コンデンサ４４は、それぞれ、直流スイッチング回路２２が備えるハーフブリッジα１およびα２、ならびに、コンデンサ３０に対応する。

ハーフブリッジβ１を構成するスイッチング素子βＷ１およびβＷ２は、それぞれ、ハーフブリッジα１を構成するスイッチング素子αＷ１およびαＷ２に対応する。ハーフブリッジβ２を構成するスイッチング素子βＷ３およびβＷ４は、それぞれ、ハーフブリッジα２を構成するスイッチング素子αＷ３およびαＷ４に対応する。

直流スイッチング回路４０における正極線４６および負極線４８は、それぞれ直流スイッチング回路２２における正極線３２および負極線３６に対応し、それぞれ、正極線３２および負極線３６に接続されている。これによって、直流スイッチング回路２２および４０は、正極端子３４および負極端子３８を共有する。

直流スイッチング回路２２および４０はバッテリ１４を共有する。バッテリ１４の正極は、セカンダリ巻線２０Ａおよび２０Ｂのそれぞれのタップに接続され、バッテリ１４の負極は、直流スイッチング回路４０の負極線４８に接続されている。

直流スイッチング回路２２および４０のスイッチングタイミングは同期している。すなわち、スイッチング素子αＷ１～αＷ４は、それぞれ、スイッチング素子βＷ１～βＷ４と同一のタイミングでオンからオフになり、またはオフからオンになる。

このように、本実施形態に係る電力変換装置１０１は、複数のセカンダリ巻線（セカンダリ巻線２０Ａおよび２０Ｂ）と、複数のセカンダリ巻線に対応して設けられ、共通のバッテリ１４が接続された複数の直流スイッチング回路（直流スイッチング回路２２および４０）とを備えている。複数の直流スイッチング回路は、共通の隣接回路としての電気自動車に接続され、電気自動車との間で電力を授受する。また、電力変換装置１０１では、各セカンダリ巻線（２０Ａ，２０Ｂ）の両端に、各セカンダリ巻線に対応する直流スイッチング回路（２２，４０）が接続されており、各セカンダリ巻線の中途点（中途接続点）に、共通のバッテリ１４が接続されている。

このような構成によれば、図２に示されている電力変換装置１００と同一の電力を、トランス５０から正極端子３４および負極端子３８に伝送し、あるいは、正極端子３４および負極端子３８からトランス５０に伝送する場合には、電力変換装置１００に比べて、各スイッチング素子に流れる電流が小さくなる。したがって、各スイッチング素子には、図２に示されている各スイッチング素子に比べて、許容電流が小さいものを用いてもよい。

図１２（ａ）には、電力変換装置１０１について、各電圧の計算結果が示されている。すなわち、Ｒ相スイッチング回路１２Ｒにおける交流接続点ａと中性接続点ｂとの間の電圧Ｖｒ、Ｓ相スイッチング回路１２Ｓにおける交流接続点ａと中性接続点ｂとの間の電圧Ｖｓ、およびＴ相スイッチング回路１２Ｔにおける交流接続点ａと中性接続点ｂとの間の電圧Ｖｔが示されている。横軸は時間を示し縦軸は電圧を示す。電圧Ｖｓは電圧Ｖｒに対し位相が１２０°遅れた電圧であり、電圧Ｖｔは、電圧Ｖｓに対し位相が１２０°遅れた電圧である。すなわち、電圧Ｖｒ、電圧Ｖｓおよび電圧Ｖｔの相互の位相差は、１２０°である。

図１２（ｂ）には、電力変換装置１０１について、Ｒ相インダクタ２６Ｒの右側の一端とＳ相インダクタ２６Ｓの右側の一端との間の相間電圧Ｖｒｓ、およびＲ相接続線２８Ｒから流入または流出し、Ｓ相接続線２８Ｓから流出または流入する電流ＩＲＳが示されている。横軸は時間を示し、縦軸は電圧または電流を示す。相間電圧Ｖｒｓは、Ｓ相スイッチング回路１２Ｓの交流接続点ａを基準としたＲ相スイッチング回路１２Ｒの交流接続点ａの電圧であるともいえる。相間電圧Ｖｒｓは、図１２（ａ）に示された電圧Ｖｒから電圧Ｖｓを減じた電圧である。電流ＩＲＳは、電力変換装置１０１によって、その時間波形および位相が電力系統１０の相間電圧（Ｒ相線とＳ相線との間のＲＳ相間電圧）の時間波形および位相に近付けられたものである。電流ＩＲＳの時間波形および位相がＲＳ相間電圧の電圧波形および位相に近付けられ、他の相間についても同様の処理が行われることで、電力系統１０から電力変換装置１０１に供給される電力の力率が向上する。

図１３には、第２応用例に係る電力変換システム１０２の構成が示されている。この電力換システムは、３台の電力変換装置１０１－１～１０１－３を備えている。各電力変換装置は、図１１に示された電力変換装置１０１と同様の構成を有している。電力変換装置１０１－１～１０１－３の交流スイッチング回路１２は、次のように直列接続されている。

電力変換装置１０１－１のＲ相スイッチング回路１２Ｒにおける交流接続点ａ（図２）は、インダクタ２６ＲおよびＲ相接続線２８Ｒを介して、電力系統１０のＲ相線１０Ｒに接続されている。電力変換装置１０１－１のＲ相スイッチング回路１２Ｒにおける中性接続点ｂ（図２）は、電力変換装置１０１－２のＲ相スイッチング回路１２Ｒにおける交流接続点ａに接続されている。電力変換装置１０１－２のＲ相スイッチング回路１２Ｒにおける中性接続点ｂは、電力変換装置１０１－３のＲ相スイッチング回路１２Ｒにおける交流接続点ａに接続されている。

電力変換装置１０１－１のＳ相スイッチング回路１２Ｓにおける交流接続点ａは、インダクタ２６ＳおよびＳ相接続線２８Ｓを介して、電力系統１０のＳ相線１０Ｓに接続されている。電力変換装置１０１－１のＳ相スイッチング回路１２Ｓにおける中性接続点ｂは、電力変換装置１０１－２のＳ相スイッチング回路１２Ｓにおける交流接続点ａに接続されている。電力変換装置１０１－２のＳ相スイッチング回路１２Ｓにおける中性接続点ｂは、電力変換装置１０１－３のＳ相スイッチング回路１２Ｓにおける交流接続点ａに接続されている。

電力変換装置１０１－１のＴ相スイッチング回路における交流接続点ａは、インダクタ２６ＴおよびＴ相接続線２８Ｔを介して、電力系統１０のＴ相線１０Ｔに接続されている。電力変換装置１０１－１のＴ相スイッチング回路１２Ｔにおける中性接続点ｂは、電力変換装置１０１－２のＴ相スイッチング回路１２Ｔにおける交流接続点ａに接続されている。電力変換装置１０１－２のＴ相スイッチング回路１２Ｔにおける中性接続点ｂは、電力変換装置１０１－３のＴ相スイッチング回路１２Ｔにおける交流接続点ａに接続されている。

電力変換装置１０１－１～１０１－３のそれぞれのＴ相スイッチング回路１２Ｔにおける中性接続点ｂは、中性点Ｎで共通に接続されている。

電力変換装置１０１－１～１０１－３のそれぞれにおける交流スイッチング回路１２のスイッチングタイミングは同期している。また、電力変換装置１０１－１～１０１－３のそれぞれにおける直流スイッチング回路２２および４０のスイッチングタイミングは同期している。電力変換装置１０１－ｊ（ｊ＝１～３）におけるＲ相部分プライマリ巻線１８Ｒの端子間電圧をＶｒｊ、Ｓ相部分プライマリ巻線１８Ｓの端子間電圧をＶｓｊ、そして、Ｔ相部分プライマリ巻線１８Ｔの端子間電圧をＶｔｊとした場合、Ｒ相およびＳ相の相間電圧Ｖｒｓ、Ｓ相およびＴ相の相間電圧Ｖｓｔ、ならびに、Ｔ相およびＲ相の相関電圧については、次の関係が成立する。

（数２）Ｖｒｓ＝Ｖｒ１＋Ｖｒ２＋Ｖｒ３＋Ｖｓ３＋Ｖｓ２＋Ｖｓ１

（数３）Ｖｓｔ＝Ｖｓ１＋Ｖｓ２＋Ｖｓ３＋Ｖｔ３＋Ｖｔ２＋Ｖｔ１

（数４）Ｖｔｒ＝Ｖｔ１＋Ｖｔ２＋Ｖｔ３＋Ｖｒ３＋Ｖｒ２＋Ｖｒ１

Ｒ相部分プライマリ巻線１８Ｒ、Ｓ相部分プライマリ巻線１８ＳおよびＴ相部分プライマリ巻線１８Ｔの巻き数が同一である場合、各相間電圧は、各部分プライマリ巻線の端子間電圧の６倍である。

本実施形態に係る電力変換システム１０２は、複数の負荷装置としての複数の電気自動車に対応して設けられた複数の電力変換装置１０１－１～１０１－３（複数の電力変換モジュール）を備えている。電力変換装置１０１－１～１０１－３のそれぞれは、自らに対応する電気自動車との間で電力を授受する。

電力変換システム１０２では、電力系統１０の３つの相電圧のそれぞれについて、電力変換装置１０１－１～１０１－３における単相スイッチング回路が直列接続されている。すなわち、Ｒ相についてはＲ相単相スイッチング回路１２Ｒが直列接続され、Ｓ相についてはＳ相単相スイッチング回路１２Ｓが直列接続され、Ｔ相についてはＴ相単相スイッチング回路１２Ｔが直列接続されている。この直列接続は、各単相スイッチング回路の交流接続点ａ（一方の接続端）を前端とし、中性接続点ｂ（他方の接続端）を後端としたときに、初段の電力変換装置１０１－１が備える単相スイッチング回路の前端に、複数の相電圧のうちの対応する１相の相電圧が印加され、前段の電力変換装置１０１－１が備える単相スイッチング回路の後端が、次段の電力変換装置１０１－２が備える単相スイッチング回路の前端に接続され、最終段の電力変換装置１０１－３が備える単相スイッチング回路の後端が、中性点Ｎに接続される接続態様である。すなわち、各単相スイッチング回路の後端は、中性点か、中性点Ｎに至る経路に接続されている。中性点Ｎに至る経路は、１つまたは複数の後段の単相スイッチング回路であり、最終段の単相スイッチング回路の後端は中性点Ｎに接続されている。

このような構成によれば、図２に示されている電力変換装置１００に比べて、電力変換装置１０１－１～１０１－３のそれぞれの交流スイッチング回路１２が備える双方向スイッチに印加される電圧は小さくなる。したがって、電力変換装置１００に比べて、各双方向スイッチに用いられるスイッチング素子の耐電圧を小さくしてもよい。

図１４（ａ）～（ｆ）には、電力変換装置１０１－１～１０１－３のそれぞれに電気自動車が接続された場合における電力変換システム１０２についてのシミュレーション結果が示されている。図１４に併せて図１３を参照しながらシミュレーション結果について説明する。図１４（ａ）には、電力系統１０から電力変換システム１０２に供給される電力Ｐｇ、および、電力変換装置１０１－１～１０１－３のバッテリ１４が出力する電力の合計値ΣＰｂが示されている。図１４（ｂ）には、電力変換装置１０１－１～１０１－３の各バッテリ１４が出力する電力Ｐｂ１～Ｐｂ３が示されている。図１４（ｃ）には、電力変換装置１０１－１～１０１－３のそれぞれから電気自動車に出力される電力Ｐｅ１～Ｐｅ３が示されている。図１４（ｄ）には、電力変換装置１０１－１～１０１－３のそれぞれの正極端子３４および負極端子３８の端子間電圧Ｖｅ１～Ｖｅ３が示されている。図１４（ｅ）には、電力変換装置１０１－１における相間電圧Ｖｒｓが、電力系統１０のＲ相線１０ＲおよびＳ相線１０ＳのＲＳ相間電圧ＶＲＳと共に示されている。図１４（ｆ）には、Ｒ相接続線２８Ｒに流れる電流ＩＲ、Ｓ相接続線２８Ｓに流れる電流ＩＳおよびＴ相接続線２８Ｔに流れる電流ＩＴが示されている。図１４（ａ）～（ｆ）の横軸は時間を示し、縦軸は電力、電圧または電流を示す。

時間τ１～時間τｅまでの間、電力変換装置１０１－１ではバッテリ１４から電気自動車に電力Ｐｂ１が供給されている。時間τ２以降の時間において、電力変換装置１０１－３ではバッテリ１４から電気自動車に電力Ｐｂ３が供給されている。ただし、時間τ２～時間τｅの間の時間τｆ以降は、それより前に比べて電気自動車に供給される電力Ｐｂ３が小さくなる。時間τ３～時間τｅまでの間、電力変換装置１０１－２ではバッテリ１４から電気自動車に電力Ｐｂ２が供給されている。

時間τ４より前では、電力変換装置１０１－１～１０１－３のそれぞれにおける交流スイッチング回路１２のスイッチングが停止している。そのため、電力変換装置１０１－１における相間電圧Ｖｒｓは０である。時間τ４以降は、電力変換装置１０１－１～１０１－３のそれぞれにおける交流スイッチング回路１２のスイッチングが開始され、相間電圧Ｖｒｓが現れると共に、Ｒ相接続線２８Ｒ、Ｓ相接続線２８ＳおよびＴ相接続線２８Ｔに、それぞれ、電流ＩＲ、電流ＩＳおよび電流ＩＴが流れる。これによって、時間τ４以降は、電力系統１０から各電気自動車に電力が供給される。すなわち、図１４（ｅ）に示されているように、時間τ４の前後において電力系統１０のＲ相線１０ＲおよびＳ相線１０Ｓから電力変換システムには正弦波が印加されている。一方、相間電圧Ｖｒｓは時間τ４より前では０であるものの、時間τ４以降では電力変換装置１０１－１～１０１－３のスイッチングに応じた時間波形となっている。

図１５（ａ）～（ｆ）には、電力変換装置１０１－１～１０１－３のそれぞれに電気自動車が接続されていない場合における電力変換システムについてのシミュレーション結果が示されている。図１５に併せて図１３を参照しながらシミュレーション結果について説明する。電力変換装置１０１－１～１０１－３のいずれにも電気自動車が接続されていないため、図１５（ｃ）に示されているように、電力変換システムと各電気自動車との間で授受される電力Ｐｅ１～Ｐｅ３は０である。また、図１５（ｄ）に示されているように、電力変換装置１０１－１～１０１－３における正極端子３４および負極端子３８の端子間電圧Ｖｅ１～Ｖｅ３は一定である。図１５（ｅ）に示されているように、電力系統１０のＲ相線およびＳ相線から電力変換システムには正弦波が印加され、電力変換装置１０１－１の相間電圧Ｖｒｓは、電力変換装置１０１－１～１０１－３のスイッチングに応じた時間波形となっている。

図１５（ｂ）に示されているように、時間τ５～時間τ６の間、電力変換装置１０１－１～１０１－３の各バッテリ１４が出力する電力Ｐｂ１～Ｐｂ３は同一の負の値である。また、図１５（ａ）に示されているように、時間τ５～時間τ６の間、電力系統１０から電力変換システム１０２に供給される電力Ｐｇは正であり、電力変換装置１０１－１～１０１－３のそれぞれのバッテリ１４が出力する電力の合計値ΣＰｂは負である。すなわち、時間τ５～時間τ６の間、電力系統１０から各バッテリ１４に同一の電力が供給され、各バッテリ１４は同一の電力で充電されている。図１５（ｆ）に示されているように、電流ＩＲ、電流ＩＳおよび電流ＩＴは、電力系統１０から各バッテリ１４に供給される電力に応じた値となる。

図１５（ｂ）に示されているように、時間τ７～時間τ８の間、電力変換装置１０１－１～１０１－３の各バッテリ１４が出力する電力Ｐｂ１～Ｐｂ３は同一の正の値である。また、図１５（ａ）に示されているように、時間τ７～時間τ８の間、電力系統１０から電力変換システム１０２に供給される電力Ｐｇは負であり、電力変換装置１０１－１～１０１－３のそれぞれのバッテリ１４が出力する電力の合計値ΣＰｂは正である。すなわち、時間τ７～時間τ８の間、各バッテリ１４から電力系統１０に同一の電力が供給され、各バッテリ１４は同一の電力で放電している。図１５（ｆ）に示されているように、電流ＩＲ、電流ＩＳおよび電流ＩＴは、各バッテリから電力系統１０に供給される電力に応じた値となる。

１０ 電力系統、１２ 交流スイッチング回路、１２Ｒ Ｒ相スイッチング回路、１２Ｓ Ｓ相スイッチング回路、１２Ｔ Ｔ相スイッチング回路、１４ バッテリ、１６，５０ トランス、１８ プライマリ巻線、１８Ｒ Ｒ相部分プライマリ巻線、１８Ｓ Ｓ相部分プライマリ巻線、１８Ｔ Ｔ相部分プライマリ巻線、２０，２０Ａ，２０Ｂ セカンダリ巻線、２２，４０ 直流スイッチング回路、２４ 電気自動車、２６Ｒ Ｒ相インダクタ、２６Ｓ Ｓ相インダクタ、２６Ｔ Ｔ相インダクタ、２８Ｒ Ｒ相接続線、２８Ｓ Ｓ相接続線、２８Ｔ Ｔ相接続線、３０，４４ コンデンサ、３２，４６ 正極線、３４ 正極端子、３６，４８ 負極線、３８ 負極端子、６０ 制御装置、６２ 総合制御部、６４ 直流側制御部、６６ 交流側制御部、６６Ｒ Ｒ相制御部、６６Ｓ Ｓ相制御部、６６Ｔ Ｔ相制御部、６８，７６，８２ 減算器、７０ 第１ＰＩ制御部、７２ 加算器、７４ 第２ＰＩ制御部、７８ ゲート信号生成部、８０ 電流演算部、８４ 単相ＰＩ制御部、８６ 単相・制御量演算部、８８ 単相ゲート信号生成部、１００ 電力変換装置。

Claims (5)

1. 交流スイッチング回路と、
   前記交流スイッチング回路に両端が接続されたプライマリ巻線と、
   前記プライマリ巻線に磁気的に結合するセカンダリ巻線と、
   前記セカンダリ巻線の両端に接続された直流スイッチング回路と、
   前記セカンダリ巻線の中途点に接続されたバッテリと、を備え、
   前記交流スイッチング回路は、
   電力系統における複数の相電圧に対応して設けられ、それぞれが一対の接続端を有する複数の単相スイッチング回路を含み、
   前記プライマリ巻線は、
   各前記単相スイッチング回路に対応して設けられ、対応する前記単相スイッチング回路に接続された部分プライマリ巻線を含み、
   複数の前記相電圧のうちの１相の相電圧が、その１相の相電圧に対応する前記単相スイッチング回路の一方の接続端に印加され、
   各前記単相スイッチング回路の他方の接続端が、複数の前記相電圧に対する中性点または当該中性点に至る経路に接続され、
   前記交流スイッチング回路は、
   前記電力系統からの入力交流電力を調整して前記プライマリ巻線に出力し、または、前記プライマリ巻線からの電力を調整して出力交流電力を前記電力系統に出力し、
   前記直流スイッチング回路は、
   前記セカンダリ巻線から電力を取得して、前記直流スイッチング回路に接続された隣接回路に直流電力を出力し、または、前記隣接回路から直流電力を取得して、前記セカンダリ巻線に電力を出力する、ことを特徴とする電力変換装置。
2. 請求項１に記載の電力変換装置において、
   前記直流スイッチング回路および前記セカンダリ巻線は、
   前記バッテリから出力される電圧を昇圧し、前記バッテリに前記セカンダリ巻線および前記直流スイッチング回路を介して接続される前記隣接回路に昇圧後の電圧を出力する昇圧動作をすることを特徴とする電力変換装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の電力変換装置において、
   前記直流スイッチング回路は、
   前記交流スイッチング回路から前記プライマリ巻線および前記セカンダリ巻線を介して供給される電力に対するスイッチングによって、前記セカンダリ巻線を介して前記バッテリに電力を供給し、もしくは前記隣接回路に直流電力を供給する動作、
   前記隣接回路から供給される直流電力、もしくは前記バッテリから前記セカンダリ巻線を介して供給される電力に対するスイッチングによって、前記セカンダリ巻線および前記プライマリ巻線を介して前記交流スイッチング回路に電力を供給する動作、または、
   前記隣接回路から供給される直流電力に対するスイッチングによって、前記セカンダリ巻線を介して前記バッテリに電力を供給し、もしくは前記バッテリから前記セカンダリ巻線を介して供給される電力に対するスイッチングによって、前記隣接回路に直流電力を供給する動作のいずれかの動作をすることを特徴とする電力変換装置。
4. 請求項１に記載の電力変換装置において、
   複数の前記セカンダリ巻線と、
   複数の前記セカンダリ巻線に対応して設けられた複数の前記直流スイッチング回路と、を備え、
   各前記セカンダリ巻線の両端に、各前記セカンダリ巻線に対応する前記直流スイッチング回路が接続され、
   複数の前記セカンダリ巻線および複数の前記直流スイッチング回路に対して共通の前記バッテリが、複数の前記セカンダリ巻線のそれぞれの中途点に接続されており、
   複数の前記直流スイッチング回路は、共通の前記隣接回路に接続され、前記隣接回路との間で電力を授受することを特徴とする電力変換装置。
5. 複数の負荷装置に対応して設けられた複数の電力変換モジュールであって、当該複数の負荷装置のうち対応するものとの間で、それぞれが電力を授受する複数の電力変換モジュール、を備え、
   複数の前記電力変換モジュールのそれぞれは、
   請求項１に記載の電力変換装置を備え、
   複数の前記相電圧のそれぞれについて、複数の前記電力変換モジュールにおける前記単相スイッチング回路が直列接続されており、
   当該直列接続は、各前記単相スイッチング回路の一方の接続端を前端とし、他方の接続端を後端としたときに、初段の前記単相スイッチング回路の前端に、複数の前記相電圧のうちの１相の相電圧が印加され、
   前段の前記単相スイッチング回路の後端が、
   次段の前記単相スイッチング回路の前端に接続され、
   最終段の前記単相スイッチング回路の後端が、前記中性点に接続される接続態様であり、
   各前記負荷装置が前記隣接回路を備えており、
   各前記直流スイッチング回路に対応する前記隣接回路が、各前記直流スイッチング回路に接続されていることを特徴とする電力変換システム。

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