JP7152567B2 - デュアルモード制御を有する電力変換装置 - Google Patents

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Description

本発明は、デュアルモード制御を有する電力変換装置に関し、特に負荷タイプに応じて、切換モードを選択する電力変換装置に関する。
現在の再生可能エネルギーのパワーグリッドシステムでは、太陽光エネルギーが主な電力源として多く用いられており、通常、予備電力（例えば、蓄電池。ただし、これに限らない）が搭載され、グリッド接続されて用いられている。太陽光エネルギーの電力が足りている場合、太陽光エネルギーの電力を用いて負荷に給電し、又は電力網に送電する。太陽光エネルギーの電力が不足している場合、太陽光エネルギーの電力と予備電力とを使用して負荷に給電する。太陽光エネルギーにより生成された電力は、電力変換を経て、適切な交流電力が生成され、負荷に給電される、又は電力網に送電することができるため、太陽電池にはインバータの回路構造が搭載される必要があり、それによりグリッド接続されて用いられる。
しかしながら、従来のインバータ構造では、使用時に、インバータは単一モードでのみ操作可能であり、電流源モードもしくは電圧源モードであり、電圧源モードでは出力される電圧は一種類のみであった。これにより、負荷は従来のインバータ構造の単一操作モードによって制限され、フレキシブルな使用ができなかった。
また、一部の国ではデュアルグリッドシステムが存在するため（例えば、日本。ただし、これに限らない）、従来のインバータ構造の使用は、一部の特殊な場合にのみ使用できるという制限をさらに受ける。
このため、いかにしてデュアルモード制御を有する電力変換装置を設計し、特殊な変換装置の回路構造を用い、負荷の負荷タイプに対応して電圧源モードと電流源モードとで同時に操作できるようにすることは、本願発明者にとって解決しようとする大きな課題である。
上記の課題を解決するために、本発明はデュアルモード制御を有する電力変換装置を提供し、従来技術の課題を克服する。
このため、本発明の電力変換装置は、第１のブリッジアームと、第２のブリッジアームとを含むブリッジアームグループであって、第１のブリッジアームが第１の上ブリッジスイッチと第１の下ブリッジスイッチとを含み、第１の上ブリッジスイッチと第１の下ブリッジスイッチとの間の端点が第１の負荷端とカップリング接続され、第２のブリッジアームが第１のブリッジアームと並列接続され、第２の上ブリッジスイッチと第２の下ブリッジスイッチとを含み、第２の上ブリッジスイッチと第２の下ブリッジスイッチとの間の端点が第２の負荷端とカップリング接続されるブリッジアームグループと、第２のブリッジアームと並列接続され、直列接続された第１のキャパシタと第２のキャパシタとを含み、第１のキャパシタと第２のキャパシタとの間の端点が中点端とカップリング接続されるキャパシタグループと、第１の負荷端と中点端とにカップリング接続された第１の負荷の負荷タイプに応じて、電圧源切換モード又は電流源切換モードで操作されるように第１のブリッジアームを選択的に制御し、第２の負荷端と中点端とにカップリング接続された第２の負荷の負荷タイプに応じて、電圧源切換モード又は電流源切換モードで操作されるように第２のブリッジアームを選択的に制御する制御手段と、を含む。
本発明の主な目的及び効果は、電力変換装置がデュアルハーフブリッジ式の変換装置の回路構造であるため、負荷の負荷タイプに対応して一方のブリッジアームを電圧源切換モードで、且つ他方のブリッジアームを電流源切換モードで選択的に操作することができる。これにより、負荷のタイプに関わらず、制御手段の制御により稼働できることで、電力変換装置の負荷の配置の柔軟性を高めるという効果を奏することができる。
本発明が予期する目的を達成するために採用する技術、手段及び効果をさらに理解するために、以下の本発明に関する詳細な説明及び図面を参照することで、本発明の目的、特徴及び特性について、より深く且つ具体的に理解することができる。しかしながら、添付された図面は参考及び説明用に提供されるにすぎず、本発明を制限するものではない。
図１は、本発明のデュアルモード制御を有する電力変換装置の回路ブロック図である。 図２Ａは、本発明のデュアルモード制御を有する電力変換装置の正の半サイクル回路の操作イメージ図である。 図２Ｂは、本発明のデュアルモード制御を有する電力変換装置の負の半サイクル回路の操作イメージ図である。 図２Ｃは、太陽光発電パネルの電力特性曲線である。 図３は、本発明のブリッジアームグループの別の実施例の回路構造図である。 図４Ａは、本発明の一方のハーフブリッジが電流源切換モードで操作され、他方のハーフブリッジが電圧源切換モードで操作されるフロー図である。 図４Ｂは、本発明の２つのハーフブリッジが電圧源切換モードで操作され、太陽光発電インバータの外部が負荷を供給するフロー図である。 図５Ａは、本発明のデュアルモード制御を有する電力変換装置の第１の変形例の回路ブロック図である。 図５Ｂは、本発明のデュアルモード制御を有する電力変換装置の第２の変形例の回路ブロック図である。
ここで、本発明の技術内容及び詳細な説明について、以下、図面と組み合わせて説明する。
図１は、本発明のデュアルモード制御を有する電力変換装置の回路ブロック図である。電力変換装置１００は電力網２００及び負荷グループ３００とカップリング接続され、且つ電力変換装置１００は電力網２００、負荷グループ３００の実際のニーズに対応して制御モードを調整できる。具体的には、電力変換装置１００は直流変換モジュール４００を含む。パワーグリッドの場合、電力網２００が供給する商用電源Ｖｍは負荷グループ３００に供給される。直流変換モジュール４００が供給するバス電圧Ｖｂｕｓは、電力変換装置１００によって商用電源Ｖｍと一致する交流に変換されて出力され、電力網２００に供給され、且つ交流電圧Ｖａｃに変換されて負荷グループ３００に供給され、継電器によってパワーグリッド、又は独立して操作される等接続方式の変更が行われる。負荷グループ３００は、電力を受ける負荷と電力を供給する負荷（例えば、太陽電池がインバータに搭載された回路構造である太陽光発電インバータ。ただし、これに限らない）とを含んでもよく、負荷グループ３００が電力供給可能な負荷を有する場合、負荷グループ３００が供給する交流電圧Ｖａｃは電力変換装置１００によってバス電圧Ｖｂｕｓに変換され、直流変換モジュール４００に供給される。
さらに、電力変換装置１００は、ブリッジアームグループ１０と、キャパシタグループ１２と、制御手段１４とを含み、ブリッジアームグループ１０はキャパシタグループ１２と並列接続され、ブリッジアームグループ１０は電力網２００及び負荷グループ３００とカップリング接続され、キャパシタグループ１２は直流変換モジュール４００とカップリング接続される。制御手段１４はブリッジアームグループ１０とカップリング接続され、負荷の１つが電力供給可能な負荷（給電側）である場合、ブリッジアームグループ１０の切り替えを制御することにより、電力変換装置１００が電力を給電側により変換した後、電力を受ける負荷（受電側）に供給するように制御する。ブリッジアームグループ１０はインバータを構成し、第１のブリッジアーム１０２と、第２のブリッジアーム１０４とを含み、第１のブリッジアーム１０２は第２のブリッジアーム１０４と並列接続される。第１のブリッジアーム１０２は、第１の上ブリッジスイッチＳ１と、第１の下ブリッジスイッチＳ２とを含み、第１の上ブリッジスイッチＳ１は第１の下ブリッジスイッチＳ２と直列接続され、第１の上ブリッジスイッチＳ１と第１の下ブリッジスイッチＳ２との間の端点は、第１の負荷端Ａとカップリング接続される。第２のブリッジアームは、第２の上ブリッジスイッチＳ３と、第２の下ブリッジスイッチＳ４とを含み、第２の上ブリッジスイッチＳ３は第２の下ブリッジスイッチＳ４と直列接続され、第２の上ブリッジスイッチＳ３と第２の下ブリッジスイッチＳ４との間の端点は、第２の負荷端Ｂとカップリング接続される。キャパシタグループ１２は、直列接続された第１のキャパシタＣ１と、第２のキャパシタＣ２とを含み、第１のキャパシタＣ１と第２のキャパシタＣ２との間の端点は中点端Ｃとカップリング接続される。ここで、負荷グループ３００は、電力を受ける負荷、又は電力を供給する負荷の少なくとも１つの負荷を含めばよい。負荷がカップリング接続される位置は、第１の負荷端Ａと中点端Ｃとの間（すなわち、第１の負荷３００-１）にカップリング接続されてもよく、第２の負荷端Ｂと中点端Ｃとの間（すなわち、第２の負荷３００-２）にカップリング接続されてもよく、又は第１の負荷端Ａと第２の負荷端Ｂとの間（すなわち、第３の負荷３００-３）にカップリング接続されてもよい。家庭用負荷のような一般的に電力を受ける負荷を接続して用いる場合、第３の負荷３００-３の電圧は第１の負荷３００-１（又は、第２の負荷３００-２）の電圧のほぼ２倍であり、ここでの電圧の倍数を交流電圧の二乗平均平方根（Ｒｏｏｔ Ｍｅａｎ Ｓｑｕａｒｅ，ＲＭＳ）を例に説明すると、例えば、第１の負荷３００-１の電圧が１１０ボルトに制御され、第２の負荷３００-２の電圧が同様に１１０ボルトに制御されると、第３の負荷３００-３は２２０ボルトの電圧が得られる。
制御手段１４は、第１の上ブリッジスイッチＳ１、第１の下ブリッジスイッチＳ２、第２の上ブリッジスイッチＳ３、及び第２の下ブリッジスイッチＳ４とカップリング接続され、制御信号Ｓｃ１～Ｓｃ４を供給して第１の上ブリッジスイッチＳ１、第１の下ブリッジスイッチＳ２、第２の上ブリッジスイッチＳ３、及び第２の下ブリッジスイッチＳ４をそれぞれ制御する。具体的に、制御手段１４は第１の負荷３００-１の負荷タイプに応じて制御信号Ｓｃ１～Ｓｃ２を供給し、電圧源切換モード、又は電流源切換モードで操作されるように第１の上ブリッジスイッチＳ１及び第１の下ブリッジスイッチＳ２を選択的に制御し、第２の負荷３００-２の負荷タイプに応じて制御信号Ｓｃ３～Ｓｃ４を供給し、電圧源切換モード、又は電流源切換モードで操作されるように第２の上ブリッジスイッチＳ３及び第２の下ブリッジスイッチＳ４を選択的に制御する。
制御手段１４が電圧源切換モードで操作されるように第１のブリッジアーム１０２を制御する場合、制御手段１４は制御信号Ｓｃ１～Ｓｃ２のデューティ比を調整することにより、第１のブリッジアーム１０２を制御することで、負荷３００-１の両端の電圧を安定させる。制御手段１４が電圧源切換モードで操作されるように第２のブリッジアーム１０４を制御する場合、制御手段１４は制御信号Ｓｃ３～Ｓｃ４のデューティ比を調整することにより、第２のブリッジアーム１０４を制御することで、負荷３００-２の両端の電圧を安定させる。制御手段１４が電流源切換モードで操作されるように第１のブリッジアーム１０２を制御する場合、制御手段１４は制御信号Ｓｃ１～Ｓｃ２のデューティ比を調整することにより、第１のブリッジアーム１０２を制御し、電流を検出、制御することにより、負荷３００-１が供給する電力を制御する。第２のブリッジアーム１０４が電流源切換モードで操作される場合も原理は同じであるため、説明を省略する。ここで、電力変換装置１００は主にデュアルハーフブリッジ式の変換装置であり、第１のブリッジアーム１０２は主に第１の負荷３００-１を制御し、第２のブリッジアーム１０４は主に第２の負荷３００-２を制御する。電力変換装置１００がデュアルハーフブリッジ式の変換装置であるため、一方のブリッジアームを電圧源切換モードで操作し、他方のブリッジアームを電流源切換モードで操作することができる。これにより、負荷のタイプに関わらず（例えば、第１の負荷３００-１が受電型の家庭用負荷であり、第２の負荷３００-２が給電型の太陽光発電インバータである。ただし、これに限らない）、制御手段１４の制御により作動できる。これにより、電力変換装置１００の負荷の配置の柔軟性を高めるという効果を奏することができる。
電力網２００は、シングル電源式又はデュアル電源式の電力網２００であってよく、電力網２００がシングル電源式の電力網２００である場合、電力網２００のライブが第１の負荷端Ａとカップリング接続され、アースが第２の負荷端Ｂとカップリング接続される。電力網２００がデュアル電源式の電力網２００である場合、電力網２００のＵ端が第１の負荷端Ａとカップリング接続され、Ｗ端が第２の負荷端Ｂとカップリング接続され、デュアル電源の中点端Ｏが中点端Ｃとカップリング接続される。直流変換モジュール４００は直流変換手段４０２と、バッテリ４０４とを含み、直流変換手段４０２はブリッジアームグループ１０及びキャパシタグループ１２と並列接続され、バッテリ４０４は直流変換手段４０２とカップリング接続される。直流変換手段４０２は、主にキャパシタグループ１２の両端のバス電圧Ｖｂｕｓを調節することで、バス電圧Ｖｂｕｓを所定の範囲に維持する。制御手段１４は、キャパシタグループ１２の両端のバス電圧Ｖｂｕｓを検出し、バス電圧Ｖｂｕｓが第１の閾値より高い場合、ブリッジアームグループ１０が変換して得られたエネルギーが過剰であることを表すため、制御手段１４はバス電圧Ｖｂｕｓを直流電圧Ｖｄに変換するように直流変換手段４０２を制御することで、余分なエネルギーをバッテリ４０４に対して充電を行う。バス電圧Ｖｂｕｓが第２の閾値より低い場合、キャパシタ１２に保存されたエネルギーが負荷３００-１～３００-３に対応できないことを表すため、制御手段１４は直流電圧Ｖｄをバス電圧Ｖｂｕｓに変換するように直流変換手段４０２を制御し、キャパシタグループ１２に対して充電を行う。
電力変換装置１００は、第１のフィルタ回路２２と、第２のフィルタ回路２４とをさらに含み、第１のフィルタ回路２２は第１の負荷端Ａと中点端Ｃとの間にカップリング接続され、第２のフィルタ回路２４は第２の負荷端Ｂと中点端Ｃとの間にカップリング接続される。第１のフィルタ回路２２と第２のフィルタ回路２４とは、フィルタインダクタＬとフィルタキャパシタＣｆとをそれぞれ含み、第１のフィルタ回路２２と第２のフィルタ回路２４とはステップ正弦波電圧を正弦波電圧にフィルタリングする。具体的に、ブリッジアームグループ１０によって変換後に供給された電圧がアナログ正弦波のステップ正弦波電圧であるため、第１のフィルタ回路２２と第２のフィルタ回路２４とを通過することで正弦波電圧にフィルタリングされ、品質の良い交流出力電力が供給される。
電力変換装置１００は、２組の電流感知手段３２-１、３２-２と、２組の電圧検出手段３４-１、３４-２とを含み、電流感知手段３２-１、３２-２は第１負荷端Ａ及び第２の負荷端Ｂとそれぞれカップリング接続され、第１の負荷端Ａと第２の負荷端Ｂとを流れる第１の負荷電流Ｉ１と第２の負荷電流Ｉ２とを検出する。電圧検出手段３４-１は、第１の負荷端Ａ及び中点端Ｃとカップリング接続され、第１の負荷端Ａと中点端Ｃとの両端の間の第１の負荷電圧Ｖ１を検出する。電圧検出手段３４-２は、第２の負荷端Ｂ及び中点端Ｃとカップリング接続され、第２の負荷端Ｂと中点端Ｃとの両端の間の第２の負荷電圧Ｖ２を検出する。第１の負荷端Ａと第２の負荷端Ｂとの間の第３の負荷電圧Ｖ３は、電圧検出手段３４-１、３４-２の検出によって取得される。制御手段１４は、電流感知手段３２-１、３２-２及び電圧検出手段３４-１、３４-２とカップリング接続され、電流感知手段３２-１、３２-２及び電圧検出手段３４-１、３４-２が供給する検出信号によって負荷電流Ｉ１、Ｉ２及び負荷電圧Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３を得る。
図２Ａは本発明のデュアルモード制御を有する電力変換装置の正の半サイクル回路の操作イメージ図であり、図２Ｂは本発明のデュアルモード制御を有する電力変換装置の負の半サイクル回路の操作イメージ図であり、図１と組み合わせて参照する。図２Ａと図２Ｂにおいて、第１の負荷３００-１と第２の負荷３００-２とが含まれ、第１の負荷３００-１は受電型の家庭用負荷であり、第２の負荷３００-２は給電型の太陽光発電インバータである。制御手段１４は、受電型の家庭用負荷（第１の負荷３００-１）に対応して、電圧源切換モードで操作されるように第１のブリッジアーム１０２を制御し、給電型の太陽光発電インバータ（第２の負荷３００-２）に対応して、電流源切換モードで操作されるように第２のブリッジアーム１０４を制御する。第１のブリッジアーム１０２が電圧源切換モードで操作される場合、制御手段１４は電圧検出手段３４-１が第１の負荷電圧Ｖ１を検出することにより、第１の負荷電圧Ｖ１に応じてフィードバック制御を行い、制御信号Ｓｃ１～Ｓｃ２のデューティ比を調整することにより、第１の負荷電圧Ｖ１を予め設定された交流電圧に安定させて出力する。第２のブリッジアーム１０４が電流源切換モードで操作される場合、制御手段１４は電流感知手段３２-２により第２の負荷電流Ｉ２を検出し、電圧検出手段３４-２の検出により第２の負荷電圧Ｖ２を得る。その後、制御手段１４は、第２の負荷電流Ｉ２と第２の負荷電圧Ｖ２との積により、第２の負荷電力を取得し、第２の負荷電力に応じて、制御信号Ｓｃ３～Ｓｃ４のデューティ比を調整し、制御信号Ｓｃ３～Ｓｃ４のデューティ比を調整することにより、太陽光発電インバータ（第２の負荷３００-２）に対して抽出した第２の負荷電力を調整する。
負荷が給電型の負荷であるか、受電型の負荷であるかの判断は、ユーザが通信インタフェースを介して制御手段１４で予め設定できるほか、本発明は別の判断方式をさらに提示する。給電型の負荷は電圧を出力し、受電型の負荷は電圧を出力しない。そのため、このような特徴によって、負荷３００-１、３００-２が給電型の負荷であるか、受電型の負荷であるかを判断できる。すなわち、第１の負荷３００-１（家庭用負荷）が電力変換装置１００とカップリング接続されている状況において、第１の負荷３００-１が受電型の負荷であり、電圧の出力がないため、制御手段１４は、第１のブリッジアーム１０２と第２のブリッジアーム１０４とを制御する前に電圧検出手段３４-１が第１の負荷電圧Ｖ１を検出していないことにより、第１の負荷３００-１が受電型の負荷であると判断し、第１のブリッジアーム１０２を電圧源切換モードで操作する。第２の負荷３００-２（太陽光発電インバータ）が電力変換装置１００とカップリング接続されている状況において、第２の負荷３００-２が給電型の負荷であり、電圧の出力があるため、制御手段１４は、電圧検出手段３４-２が第２の負荷電圧Ｖ２を検出することにより、第２の負荷３００-２が給電型の負荷であると判断し、第２のブリッジアーム１０４を電流源切換モードで操作する。
図２Ａに示すように、第１のブリッジアーム１０２の第１の上ブリッジスイッチＳ１と第１の下ブリッジスイッチＳ２とが交互に切り替わることにより、電力変換装置１００は第１の負荷３００-１に対して１つの交流電圧源を出力する。正の半サイクルの第１の上ブリッジスイッチＳ１が導通していることを模式図とした場合、第１のキャパシタＣ１が第１の負荷３００-１に給電することで、第１のキャパシタＣ１から第１の上ブリッジスイッチＳ１、第１の負荷端Ａ、第１の負荷３００-１を経て中点端Ｃに戻る第１の電流経路Ｉｐ１が生じる。一方、第２のブリッジアームの第２の上ブリッジスイッチＳ３と第２の下ブリッジスイッチＳ４とが交互に切り替わることにより、電流を制御し、負荷３００-２が供給する電力を制御する。第２の下ブリッジスイッチＳ４が導通していることを模式図とした場合、第２の負荷３００-２から第２の負荷端Ｂ、第２の下ブリッジスイッチＳ４、第２のキャパシタＣ２を経て中点端Ｃに戻る第２の電流経路Ｉｐ２が生じる。図２Ｂに示すように、負の半サイクルの第１の下ブリッジスイッチＳ２が導通していることを模式図とした場合、第２のキャパシタＣ２が第１の負荷３００-１に給電することで、第２のキャパシタＣ２から中点端Ｃ、第１の負荷３００-１、第１の負荷端Ａを経て第１の下ブリッジスイッチＳ２に戻る第３の電流経路Ｉｐ３が生じる。一方、第２の上ブリッジスイッチＳ３が導通していることを模式図とした場合、第２の負荷３００-２から中点端Ｃ、第１のキャパシタＣ１、第２の上ブリッジスイッチＳ３を経て第２の負荷端Ｂに戻る第４の電流経路Ｉｐ４が生じる。なお、図２Ａ、図２Ｂに示すように、第１のブリッジアーム１０２の切換及び第２のブリッジアーム１０４の切換時に、当該中点端Ｃを流れる電流の方向が反対であれば、中点端Ｃを流れる電流は打ち消され、制御上も同方向に制御できるが、電流は相対的に大きくなる。第２の負荷３００-２を給電型の負荷とすると、特定の交流電圧の出力があり、第１負荷３００-１の電圧は制御手段１４が第１のブリッジアーム１０２の切換を制御することで発生するため、好ましくは、制御手段１４は第２の負荷３００-２の電圧位相に応じて、第１の負荷３００-１に出力される電圧位相を決定し、当該中点端Ｃを流れる電流を打ち消して電流を減少させることができる。
図２Ｃは、太陽光発電パネルの電力特性曲線であり、図１～図２Ｂと組み合わせて参照する。太陽光発電パネルは、短絡電流（電力特性曲線の最も左側の点）、及び開放電圧（電力特性曲線の最も右側の点）において、出力される電力はいずれもゼロであり、ある点で出力される電力が最も高い（点Ｐ２）。点Ｐ２は最大電力点と呼ばれ、この点で操作されると、電力の出力が最も良い。このため、制御手段１４は、制御信号Ｓｃ３～Ｓｃ４のデューティ比を調整することにより、電力変換装置１００が第２の負荷３００-２に対して抽出した第２の負荷電力を最大電力に調整し、太陽光発電インバータの使用効率を向上させる。しかしながら、このような制御方式は、電力の不均衡という問題を引き起こす。
具体的に、第２の負荷３００-２に対して抽出した第２の負荷電力が最大電力に調整される場合、第２の負荷３００-２が供給可能な電力は、第１の負荷３００-１が受ける電力と異なる可能性がある。第２の負荷３００-２が供給可能な電力が大きい場合、キャパシタグループ１２の両端のバス電圧Ｖｂｕｓが高くなり過ぎ、第１の閾値より大きくなる。そのため、第２の負荷３００-２が供給可能な電力が大きく、バス電圧Ｖｂｕｓが高くなり過ぎ、第１の閾値より大きくなった場合、直流変換手段４０２はバス電圧Ｖｂｕｓを直流電圧Ｖｄに変換して、余分なエネルギーをバッテリ４０４に保存する。また、第２の負荷３００-２が供給可能な電力が小さい場合、キャパシタグループ１２の両端のバス電圧Ｖｂｕｓが低くなり過ぎ、第２の閾値より小さくなる。そのため、第２の負荷３００-２が供給可能な電力が小さく、バス電圧Ｖｂｕｓが低くなり過ぎ、第２の閾値より小さくなった場合、直流変換手段４０２は直流電圧Ｖｄをバス電圧Ｖｂｕｓに変換して、バッテリ４０４のエネルギーをバス電圧Ｖｂｕｓに補充する。これにより、直流変換モジュール４００は第２の負荷３００-２とともに第１の負荷３００-１に対して給電できる。
例えば、図２Ｃの太陽光発電パネルの電力特性曲線に示すように、第１の負荷３００-１のニーズを２ｋＷとし、最大電力点Ｐ２を１０ｋＷとする。第１の負荷３００-１のニーズが２ｋＷであるため、第２の負荷３００-２が２ｋＷを供給する電力点はＰ１となるが、最大電力を得るために、制御手段１４は制御信号Ｓｃ３～Ｓｃ４のデューティ比を調整して、第２の負荷３００-２に対して１０ｋＷの電力を抽出する。余分に８ｋＷの電力が抽出されるため、制御手段１４はバス電圧Ｖｂｕｓを直流電圧Ｖｄに変換するように直流変換手段４０２を制御し、余分なエネルギーをバッテリ４０４に保存する。なお、制御手段１４が第２の負荷３００-２の最大電力点がＰ２であるか否かを判断する方式は、制御信号Ｓｃ３～Ｓｃ４のデューティ比を調整することで、電流感知手段３２-２によって第２の負荷電流Ｉ２を検出し、電圧検出手段３４-２によって第２の負荷電圧Ｖ２を検出することにより、最大電力を取得することができる。具体的に、制御手段１４は制御信号Ｓｃ３～Ｓｃ４のデューティ比を調整して、電力点がＰ２からＰ３に徐々に下がっていくことが現れた場合、電力点Ｐ２が最大電力点であることを表す。
図３は本発明のブリッジアームグループの別の実施例の回路構造図であり、図１～図２Ｃと組み合わせて参照する。図１において、ブリッジアームグループ１０は、２つのスイッチが直列接続されて構成されている。一方、図３の実施例はデュアルバック式コンバータであり、本発明のデュアルハーフブリッジ制御方法を用いることができ、ブリッジアームグループ１０’は、第１の補助回路１０６と第２の補助回路１０８とを含む。第１の補助回路１０６は、第１の上ブリッジスイッチＳ１及び第２の下ブリッジスイッチＳ４とカップリング接続され、第１の補助インダクタＬ１によって第１の下ブリッジスイッチＳ２とカップリング接続される。第２の補助回路１０８は、第２の上ブリッジスイッチＳ３及び第１の下ブリッジスイッチＳ２とカップリング接続され、第２の補助インダクタＬ２によって第２の下ブリッジスイッチＳ４とカップリング接続される。
具体的に、第１の補助回路１０６は、第１の補助スイッチＳ５と、第１のダイオードＤ１と、第２のダイオードＤ２と、第３のダイオードＤ３とを含み、第２の補助回路１０８は、第２の補助スイッチＳ６と、第４のダイオードＤ４と、第５のダイオードＤ５と、第６のダイオードＤ６とを含む。第１の補助スイッチＳ５の一端は、第１の上ブリッジスイッチＳ１の他端とカップリング接続され、第１のダイオードＤ１の陰極端は、第１の上ブリッジスイッチＳ１の他端及び第１の補助インダクタＬ１の一端とカップリング接続され、第１のダイオードＤ１の陽極端は、第２の下ブリッジスイッチＳ４の他端とカップリング接続される。第２のダイオードＤ２の陰極端は、第１の上ブリッジスイッチＳ１の一端とカップリング接続され、第２のダイオードＤ２の陽極端は、第１の補助スイッチＳ５の他端とカップリング接続される。第３のダイオードＤ３の陰極端は、第１の補助スイッチＳ５の他端とカップリング接続され、第３のダイオードＤ３の陽極端は、第２の下ブリッジスイッチＳ４の一端及び第２の補助インダクタＬ２の他端とカップリング接続される。第２の補助スイッチＳ６の一端は、第２の上ブリッジスイッチＳ３の他端とカップリング接続され、第４のダイオードＤ４の陰極端は、第２の上ブリッジスイッチＳ３の他端及び第２の補助インダクタＬ２の一端とカップリング接続され、第４のダイオードＤ４の陽極端は、第１の下ブリッジスイッチＳ２の他端とカップリング接続される。第５のダイオードＤ５の陰極端は、第２の上ブリッジスイッチＳ３の一端とカップリング接続され、第５のダイオードＤ５の陽極端は、第２の補助スイッチＳ６の他端とカップリング接続される。第６のダイオードＤ６の陰極端は、第２の補助スイッチＳ６の他端とカップリング接続され、第６のダイオードＤ６の陽極端は、第１の下ブリッジスイッチＳ２の一端及び第１の補助インダクタＬ１の他端とカップリング接続される。
第１の補助インダクタＬ１と第２の補助インダクタＬ２とのインダクタンス値が小さく、いくつかの実施例では直接ショートも可能であるため、制御手段１４はブリッジアームグループ１０’に対して、ハーフブリッジに類似した操作を行ってもよく、第１の上ブリッジスイッチＳ１と第１の下ブリッジスイッチＳ２とが第１のブリッジアーム１０２を構成し、第２の上ブリッジスイッチＳ３と第２の下ブリッジスイッチＳ４とが第２のブリッジアーム１０４を構成する。第１の補助回路１０６と第２の補助回路１０８とは、第１のブリッジアーム１０２と第２のブリッジアーム１０４との間の連続した流路を提供し、電流のリプルを低減し、且つ漏れ電流及びコモンモードノイズを取り除く効果を達する。この回路構造に電力変換装置１００の操作を組み合わせると、キャパシタグループ１２の電力消費を節約し、電力変換装置１００全体の回路効率を高めるという効果をより実現することができる。
図４Ａは本発明の一方のハーフブリッジが電流源切換モードで操作され、他方のハーフブリッジが電圧源切換モードで操作されるフロー図であり、図４Ｂは本発明の２つのハーフブリッジが電圧源切換モードで操作され、太陽光発電インバータが外部から負荷に給電するフロー図であり、図１～図３と組み合わせて参照する。図４Ａにおいて、負荷３００-１を家庭用負荷とし、負荷３００-２を太陽光発電インバータとする。制御手段１４は、第１のブリッジアーム１０２を電圧源切換モードで操作し、第２のブリッジアーム１０４を電流源切換モードで操作する。この場合、制御手段１４は、バス電圧Ｖｂｕｓを検出する（Ｓ１００）。制御手段１４がバス電圧Ｖｂｕｓが第１の閾値より高いと知り得た場合（Ｓ１２０）、２種類の制御方式を実行できる。一方の制御方式は、制御手段１４が直流変換手段４０２の動作を制御し（Ｓ２０２）、バス電圧Ｖｂｕｓを直流電圧Ｖｄに変換することで、余分なエネルギーをバッテリ４０４に対して充電する。他方の制御方式は、制御手段１４は直流変換手段４０２の動作を制御せず（Ｓ２０４）、電流源切換モードで操作されるブリッジアーム（第２のブリッジアーム１０４）のデューティ比を調整することで、バス電圧Ｖｂｕｓを所定の範囲内で安定させる。制御手段１４がバス電圧Ｖｂｕｓが所定の範囲内にあると知り得た場合（Ｓ１４０）、負荷３００-２の太陽光発電インバータから取得した電力が負荷３００-１の家庭用負荷によって消費される電力とほぼ同じであることを示し、制御手段１４は第２のブリッジアーム１０４のデューティ比を維持する（Ｓ２０６）。この場合、直流変換手段４０２は動作しても動作しなくてもよく、その動作の主な原因は、所定の範囲内に安定的に保たれるようにバス電圧Ｖｂｕｓを維持するためである。例えば、制御手段１４はヒックアップモード（Ｈｉｃｃｕｐ ｍｏｄｅ）で操作されるように直流変換手段４０２を制御することで、バス電圧Ｖｂｕｓの安定性を維持しても良いが、これに限らない。制御手段１４がバス電圧Ｖｂｕｓが第２の閾値より低いと知り得た場合（Ｓ１６０）、制御手段１４は直流変換手段４０２の動作を制御し（Ｓ２０８）、直流電圧Ｖｄをバス電圧Ｖｂｕｓに変換し、バッテリ４０４と負荷３００-２の太陽光発電インバータとに共同で負荷３００-１に対して給電させる。
図４Ｂにおいて、太陽光発電インバータは、第１の負荷端Ａ及び第２の負荷端Ｂと接続され（図１では図示せず）、すなわち第３の負荷３００-３と並列接続され、外部から負荷３００-１、３００-２、３００-３に電力を供給する（すなわち、太陽光発電インバータは外部電力である）。この構造において、制御手段１４はバス電圧Ｖｂｕｓを検出する（Ｓ３００）。制御手段１４がバス電圧Ｖｂｕｓが第１の閾値より高いと知り得た場合（Ｓ３２０）、外部の太陽光発電インバータのエネルギーが高いことを表し、制御手段１４は直流変換手段４０２の動作を制御し（Ｓ４０２）、バス電圧Ｖｂｕｓを直流電圧Ｖｄに変換する。制御手段１４がバス電圧Ｖｂｕｓが所定の範囲内にあることを知り得た場合（Ｓ３４０）、外部の太陽光発電インバータが負荷３００-１、３００-２、３００-３に給電する。この場合、制御手段１４は直流変換手段４０２の動作を制御し（Ｓ４０６）、所定の範囲内に安定的に保たれるようにバス電圧Ｖｂｕｓを維持する。制御手段１４がバス電圧Ｖｂｕｓが第２の閾値より低いと知り得た場合（Ｓ３６０）、制御手段１４は直流変換手段４０２の動作を制御し（Ｓ４０８）、直流電圧Ｖｄをバス電圧Ｖｂｕｓに変換し、バッテリ４０４と太陽光発電インバータとに共同で負荷３００-１、３００-２、３００-３に対して給電させる。
図５Ａは本発明のデュアルモード制御を有する電力変換装置の第１の変形例の回路ブロック図であり、図５Ｂは本発明のデュアルモード制御を有する電力変換装置の第２の変形例の回路ブロック図であり、図１～図４Ｂと組み合わせて参照する。図５Ａに示すように、太陽電池５２はキャパシタグループ１２の両端にカップリング接続される直流コンバータ５４をさらに搭載し、太陽電池５２が提供したエネルギーをバス電圧Ｖｂｕｓに直接変換して、キャパシタグループ１２の作動時に消費する電力を補充することができる。電力変換装置１００、太陽電池５２及び直流コンバータ５４は、太陽光発電インバータを形成して、電力網２００と負荷グループ３００とに給電し、負荷グループ３００は受電型の家庭用負荷と別の太陽光発電インバータとの同時接続を許容することもでき、正常動作を保ちつつ、負荷端の太陽光発電インバータの電力を利用することもできる。図５Ｂに示すように、太陽電池５２と直流コンバータ５４とは、外部電源５６によって代替してもよく、外部電源５６はキャパシタグループ１２の電力の消費を継続して補充し、バス電圧Ｖｂｕｓを所定の範囲内に維持する。
ただし、以上に示した内容は、本発明の比較的好ましい具体的な実施例の詳細な説明及び図面に過ぎず、本発明の特徴はこれに限られず、本発明を制限するものでもない。本発明の全ての範囲は請求の範囲を基準とし、本発明の請求の範囲の精神及びその類似する変更に適合する実施例は、いずれも本発明の範囲に含まれる。当業者が本発明の分野において、容易に想到し得る変更又は修飾も本発明の請求の範囲に含まれる。
１００ 電力変換装置
１０、１０’ ブリッジアームグループ
１０２ 第１のブリッジアーム
Ｓ１ 第１の上ブリッジスイッチ
Ｓ２ 第１の下ブリッジスイッチ
１０４ 第２のブリッジアーム
Ｓ３ 第２の上ブリッジスイッチ
Ｓ４ 第２の下ブリッジスイッチ
１０６ 第１の補助回路
Ｓ５ 第１の補助スイッチ
Ｄ１ 第１のダイオード
Ｄ２ 第２のダイオード
Ｄ３ 第３のダイオード
１０８ 第２の補助回路
Ｓ６ 第２の補助スイッチ
Ｄ４ 第４のダイオード
Ｄ５ 第５のダイオード
Ｄ６ 第６のダイオード
Ｌ１ 第１の補助インダクタ
Ｌ２ 第２の補助インダクタ
１２ キャパシタグループ
Ｃ１ 第１のキャパシタ
Ｃ２ 第２のキャパシタ
１４ 制御手段
Ａ 第１の負荷端
Ｂ 第２の負荷端
Ｕ、Ｗ、Ｏ 端
Ｃ 中点端
２２ 第１のフィルタ回路
２４ 第２のフィルタ回路
Ｌ フィルタインダクタ
Ｃｆ フィルタキャパシタ
３２-１、３２-２ 電流感知手段
３４-１、３４-２ 電圧検出手段
４２ 第１の継電器モジュール
４４ 第２の継電器モジュール
５２ 太陽電池
５４ 直流コンバータ
５６ 外部電源
２００ 電力網
３００ 負荷グループ
３００-１、３００-２、３００-３ 負荷
４００ 直流変換モジュール
４０２ 直流変換手段
４０４ バッテリ
Ｖｍ 商用電源
Ｖｂｕｓ バス電圧
Ｖａｃ 交流電圧
Ｖｄ 直流電圧
Ｖ１ 第１の負荷電圧
Ｖ２ 第２の負荷電圧
Ｖ３ 第３の負荷電圧
Ｉ１ 第１の負荷電流
Ｉ２ 第２の負荷電流
Ｓｃ１～Ｓｃ４ 制御信号
Ｐ１～Ｐ３ 点

Claims (15)

  1. 第１のブリッジアームと、第２のブリッジアームとを含むブリッジアームグループであって、前記第１のブリッジアームが第１の上ブリッジスイッチと第１の下ブリッジスイッチとを含み、前記第１の上ブリッジスイッチと前記第１の下ブリッジスイッチとの間の端点が第１の負荷端とカップリング接続され、前記第２のブリッジアームが前記第１のブリッジアームと並列接続され、第２の上ブリッジスイッチと第２の下ブリッジスイッチとを含み、前記第２の上ブリッジスイッチと前記第２の下ブリッジスイッチとの間の端点が第２の負荷端とカップリング接続されるブリッジアームグループと、
    前記第２のブリッジアームと並列接続され、直列接続された第１のキャパシタと第２のキャパシタとを含み、前記第１のキャパシタと前記第２のキャパシタとの間の端点が中点端とカップリング接続されるキャパシタグループと、
    前記第１の負荷端と前記中点端とにカップリング接続された第１の負荷の負荷タイプが受電型の負荷であることに応じて、電圧源切換モードで操作されるように前記第１のブリッジアームを選択的に制御するか、又は前記第１の負荷の負荷タイプが給電型の負荷であることに応じて、電流源切換モードで操作されるように前記第１のブリッジアームを選択的に制御し、かつ、前記第２の負荷端と前記中点端とにカップリング接続された第２の負荷の負荷タイプが前記受電型の負荷であることに応じて、前記電圧源切換モードで操作されるように前記第２のブリッジアームを選択的に制御するか、又は前記第２の負荷の負荷タイプが前記給電型の負荷であることに応じて、前記電流源切換モードで操作されるように前記第２のブリッジアームを選択的に制御する、制御手段と、を含む、デュアルモード制御を有する電力変換装置であって、
    前記制御手段は、前記電圧源切換モードに応じて、前記ブリッジアームグループを制御することにより、前記第１の負荷又は前記第２の負荷の電圧を予め設定された交流電圧に安定させて出力し、前記制御手段は、前記電流源切換モードに応じて、前記ブリッジアームグループを制御することにより、前記電力変換装置が前記第１の負荷又は前記第２の負荷に対して抽出した電力を調整する、電力変換装置。
  2. 前記第１のブリッジアームが前記電圧源切換モードで操作される場合、前記制御手段は前記第１の負荷端と前記中点端との第１の負荷電圧に応じて、前記第１のブリッジアームの切換時の第１のデューティ比を調整し、前記第１のデューティ比を調整することにより、前記第１の負荷電圧を安定させ、前記第１のブリッジアームが前記電流源切換モードで操作される場合、前記制御手段は前記第１の負荷端を流れる第１の負荷電流と前記第１の負荷電圧との積に応じて、第１の負荷電力を取得し、前記第１の負荷電力に応じて、前記第１のデューティ比を調整する、請求項１に記載の電力変換装置。
  3. 前記制御手段は、電圧検出手段によって前記第１の負荷電圧が検出されなかった場合、前記第１の負荷が前記受電型の負荷であると判断し、前記第１のブリッジアームを前記電圧源切換モードで操作し、前記制御手段は、前記電圧検出手段によって前記第１の負荷電圧が検出された場合、前記第１の負荷が前記給電型の負荷であると判断し、前記第１のブリッジアームを前記電流源切換モードで操作する、請求項２に記載の電力変換装置。
  4. 前記第１のブリッジアームが前記電流源切換モードで操作される場合、前記制御手段は前記第１のデューティ比を調整することにより、前記第１の負荷電力を最大負荷電力に調整する、請求項２に記載の電力変換装置。
  5. 前記第２のブリッジアームが前記電圧源切換モードで操作される場合、前記制御手段は前記第２の負荷端と前記中点端との第２の負荷電圧に応じて、前記第２のブリッジアームの切換時の第２のデューティ比を調整し、前記第２のデューティ比を調整することにより、前記第２の負荷電圧を安定させ、前記第２のブリッジアームが前記電流源切換モードで操作される場合、前記制御手段は前記第２の負荷端を流れる第２の負荷電流と前記第２の負荷電圧との積に応じて、第２の負荷電力を取得し、前記第２の負荷電力に応じて、前記第２のデューティ比を調整する、請求項１に記載の電力変換装置。
  6. 前記制御手段は、電圧検出手段によって前記第２の負荷電圧が検出されなかった場合、前記第２の負荷が前記受電型の負荷であると判断し、前記第２のブリッジアームを前記電圧源切換モードで操作し、前記制御手段は、前記電圧検出手段によって前記第２の負荷電圧が検出された場合、前記第２の負荷が前記給電型の負荷であると判断し、前記第２のブリッジアームを前記電流源切換モードで操作する、請求項５に記載の電力変換装置。
  7. 前記第２のブリッジアームが前記電流源切換モードで操作される場合、前記制御手段は前記第２のデューティ比を調整して、前記第２の負荷電力を最大負荷電力に調整する、請求項５に記載の電力変換装置。
  8. 前記第１のブリッジアーム、前記第１の負荷端、及び前記中点端とカップリング接続される第１のフィルタ回路と、
    前記第２のブリッジアーム、前記第２の負荷端、及び前記中点端とカップリング接続される第２のフィルタ回路と、をさらに含む、請求項２に記載の電力変換装置。
  9. 前記ブリッジアームグループと並列接続される直流変換手段と、
    前記直流変換手段とカップリング接続されるバッテリと、をさらに含み、
    前記制御手段は前記キャパシタグループのバス電圧を検出し、前記バス電圧が第１の閾値より高い場合、前記制御手段は、前記バス電圧を直流電圧に変換するように前記直流変換手段を制御して前記バッテリを充電し、前記バス電圧が第２の閾値より低い場合、前記制御手段は、前記直流電圧を前記バス電圧に変換するように前記直流変換手段を制御して前記キャパシタグループを充電する、請求項１に記載の電力変換装置。
  10. 前記制御手段は、前記電圧源切換モードで操作されるように前記第１のブリッジアームを制御して、前記キャパシタグループに前記第１のブリッジアームの切換によって前記第１の負荷に対して給電を行わせ、前記電流源切換モードで操作されるように前記第２のブリッジアームを制御して、前記第２の負荷に前記第２のブリッジアームの切換によって前記キャパシタグループに対して充電を行わせる、請求項１に記載の電力変換装置。
  11. 前記制御手段は、前記第２の負荷の第１の電圧位相に応じて、前記第１の負荷に出力される第２の電圧位相を決定する、請求項１０に記載の電力変換装置。
  12. 一端が前記第１の負荷端、前記第２の負荷端、及び前記中点端とカップリング接続され、他端が電力網とカップリング接続される第１の継電器モジュールと、
    一端が前記第１の負荷端、前記第２の負荷端、及び前記中点端とカップリング接続され、他端が前記第１の負荷及び前記第２の負荷とカップリング接続される第２の継電器モジュールと、をさらに含む、請求項１に記載の電力変換装置。
  13. 前記第１の上ブリッジスイッチは、前記第１の下ブリッジスイッチと直列接続され、前記第２の上ブリッジスイッチは、前記第２の下ブリッジスイッチと直列接続される、請求項１に記載の電力変換装置。
  14. 前記ブリッジアームグループは、
    前記第１の上ブリッジスイッチ及び前記第２の下ブリッジスイッチとカップリング接続され、第１の補助インダクタによって前記第１の下ブリッジスイッチとカップリング接続される第１の補助回路と、
    前記第２の上ブリッジスイッチ及び前記第１の下ブリッジスイッチとカップリング接続され、第２の補助インダクタによって前記第２の下ブリッジスイッチとカップリング接続される第２の補助回路と、をさらに含む、請求項１に記載の電力変換装置。
  15. 前記第１の補助回路は、
    一端が前記第１の上ブリッジスイッチの他端とカップリング接続される第１の補助スイッチと、
    陰極端が前記第１の上ブリッジスイッチの他端、及び前記第１の補助インダクタの一端とカップリング接続され、陽極端が前記第２の下ブリッジスイッチの他端とカップリング接続される第１のダイオードと、
    陰極端が前記第１の上ブリッジスイッチの一端とカップリング接続され、陽極端が前記第１の補助スイッチの他端とカップリング接続される第２のダイオードと、
    陰極端が前記第１の補助スイッチの他端とカップリング接続され、陽極端が前記第２の下ブリッジスイッチの一端及び前記第２の補助インダクタの他端とカップリング接続される第３のダイオードと、を含み、
    前記第２の補助回路は、
    一端が前記第２の上ブリッジスイッチの他端とカップリング接続される第２の補助スイッチと、
    陰極端が前記第２の上ブリッジスイッチの他端、及び前記第２の補助インダクタの一端とカップリング接続され、陽極端が前記第１の下ブリッジスイッチの他端とカップリング接続される第４のダイオードと、
    陰極端が前記第２の上ブリッジスイッチの一端とカップリング接続され、陽極端が前記第２の補助スイッチの他端とカップリング接続される第５のダイオードと、
    陰極端が前記第２の補助スイッチの他端とカップリング接続され、陽極端が前記第１の下ブリッジスイッチの一端及び前記第１の補助インダクタの他端とカップリング接続される第６のダイオードと、を含む、請求項１４に記載の電力変換装置。
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