JPWO2017094179A1 - 電力変換システム - Google Patents

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Abstract

この電力変換システムは、負荷（５２）に接続される出力端子（ＴＯ１）と、第１の端子が交流電源（５１）から供給される交流電力を受け、第２の端子が出力端子（ＴＯ１）に接続され、交流電源（５１）からの交流電圧が正常である第１の場合はオンされ、交流電源（５１）からの交流電圧（Ｖｉ１）が異常になった第２の場合はオフされるスイッチ（１ａ）と、第１の場合は交流電源（５１）からの交流電力を直流電力に変換して蓄電池（５４）に蓄え、第２の場合は蓄電池（５４）の直流電力を交流電力に変換して出力端子（ＴＯ１）に出力する電力変換器（３）と、出力端子（ＴＯ１）に現れる交流電圧（Ｖｏ１）に同期して動作し、燃料電池（５３）から供給される直流電力を交流電力に変換して出力端子（ＴＯ１）に出力する電源転流式のインバータ（２）とを備える。

Description

この発明は電力変換システムに関し、特に、交流電源から供給される交流電力と直流電源から供給される直流電力とを受け、交流電力を負荷に供給する電力変換システムに関する。
特開２０１３−１５０３６９号公報（特許文献１）には、ＡＣ／ＤＣ変換器、第１のＤＣ／ＤＣ変換器、第２のＤＣ／ＤＣ変換器、およびＤＣ／ＡＣ変換器を備えた電力変換システムが開示されている。ＡＣ／ＤＣ変換器は、交流電源から供給される交流電圧を第１の直流電圧に変換して直流リンク部に供給する。第１のＤＣ／ＤＣ変換器は、直流電源から供給される第２の直流電圧を第１の直流電圧に変換して直流リンク部に供給する。第２のＤＣ／ＤＣ変換器は、充電モード時には直流リンク部の直流電力を電力貯蔵装置に蓄え、放電モード時には電力貯蔵装置の直流電力を直流リンク部に供給する。ＤＣ／ＡＣ変換器は、直流リンク部の第１の直流電圧を交流電圧に変換して負荷に供給する。
特開２０１３−１５０３６９号公報
しかし、特許文献１の電力変換システムでは、４つの電力変換器を備えていたので、装置寸法が大きくなり、装置価格が高くなり、電力損失が大きくなるという問題があった。
それゆえに、この発明の主たる目的は、小型で低価格で低損失の電力変換システムを提供することである。
この発明に係る電力変換システムは、交流電源から供給される交流電力と直流電源から供給される直流電力とを受け、交流電力を負荷に供給する電力変換システムであって、負荷に接続される出力端子と、第１の端子が交流電源から供給される交流電力を受け、第２の端子が出力端子に接続され、交流電源からの交流電圧が正常である第１の場合はオンされ、交流電源からの交流電圧が異常になった第２の場合はオフされるスイッチと、第１の場合は交流電源からスイッチを介して供給される交流電力を直流電力に変換して電力貯蔵装置に蓄え、第２の場合は電力貯蔵装置の直流電力を交流電力に変換して出力端子に出力する電力変換器と、出力端子に現れる交流電圧に同期して動作し、直流電源から供給される直流電力を交流電力に変換して出力端子に出力する電源転流式のインバータとを備えたものである。
この発明に係る電力変換システムは、スイッチと、電力変換器と、電源転流式のインバータとを備えるので、４つの自励式の電力変換器を備えていた従来に比べ、小型で低価格で低損失の電力変換システムを実現することができる。
この発明の一実施の形態による電力変換システムの構成を示す回路ブロック図である。 図１に示したインバータの構成を示す回路ブロック図である。 図２に示した制御回路の構成を示すブロック図である。 図３に示した交流電圧と制御信号の関係を示す図である。 図４に示した制御信号の波形を示す図である。 図１に示した電力変換器の構成を示す回路図である。 図１に示した制御回路の構成を示すブロック図である。 図１に示した電力変換システムの停電発生時における動作を示すタイムチャートである。 実施の形態の変更例を示す回路ブロック図である。 実施の形態の他の変更例を示す回路ブロック図である。 実施の形態のさらに他の変更例を示す回路ブロック図である。 実施の形態のさらに他の変更例を示す回路ブロック図である。
図１は、この発明の一実施の形態による電力変換システムの全体構成を示す回路ブロック図である。図１において、この電力変換システムは、入力端子ＴＩ１〜ＴＩ３、出力端子ＴＯ１〜ＴＯ３、スイッチ１ａ〜１ｃ、インバータ２、電力変換器３、異常検出器４、電流検出器５ａ〜５ｃ，６ａ〜６ｃ、および制御回路７を備える。
入力端子ＴＩ１〜ＴＩ３は、商用交流電源５１から供給される三相交流電圧Ｖｉ１〜Ｖｉ３をそれぞれ受ける。出力端子ＴＯ１〜ＴＯ３は、負荷５２に三相交流電流を供給するために、負荷５２に接続される。
スイッチ１ａ〜１ｃの第１の端子はそれぞれ入力端子ＴＩ１〜ＴＩ３に接続され、それらの第２の端子はそれぞれ出力端子ＴＯ１〜ＴＯ３に接続される。スイッチ１ａ〜１ｃの各々は、自己消弧能力を持たないスイッチであり、たとえば１対のサイリスタを含む。一対のサイリスタのうちの一方のサイリスタのアノードおよびカソードはそれぞれ第１および第２の端子に接続され、他方のサイリスタのアノードおよびカソードはそれぞれ第２および第１の端子に接続される。スイッチ１ａ〜１ｃの各々が機械スイッチで構成されていてもよい。
スイッチ１ａ〜１ｃは、制御回路７によって制御され、商用交流電源５１から供給される三相交流電圧Ｖｉ１〜Ｖｉ３が正常である通常時はオン状態にされ、商用交流電源５１から供給される三相交流電圧Ｖｉ１〜Ｖｉ３が異常になった場合（たとえば停電時）はオフ状態にされる。
インバータ２は、出力端子ＴＯ１〜ＴＯ３に現れる三相交流電圧Ｖｏ１〜Ｖｏ３に同期して動作し、燃料電池５３（直流電源）から供給される直流電力を三相交流電力に変換して交流ノードＮ１〜Ｎ３に出力する。交流ノードＮ１はスイッチ１ａの第２の端子と出力端子ＴＯ１との間のノードであり、交流ノードＮ２はスイッチ１ｂの第２の端子と出力端子ＴＯ２との間のノードであり、交流ノードＮ３はスイッチ１ｃの第２の端子と出力端子ＴＯ３との間のノードである。インバータ２は、電源転流式であり、交流ノードＮ１〜Ｎ３に三相交流電圧Ｖｏ１〜Ｖｏ３が現れているときに運転可能となる。
燃料電池５３は、水素と酸素を化学反応させて直流電力を生成する発電装置である。燃料電池５３の代わりに、太陽光のエネルギーを直流電力に変換する太陽電池を設けてもよい。
電力変換器３は、制御回路７によって制御される。電力変換器３は、商用交流電源５１から供給される三相交流電圧Ｖｉ１〜Ｖｉ３が正常である通常時は、交流電源５１およびインバータ２の少なくともいずれか一方から供給される三相交流電力を直流電力に変換して蓄電池５４（電力貯蔵装置）に蓄える。
電力変換器３は、商用交流電源５１から供給される三相交流電圧Ｖｉ１〜Ｖｉ３が異常になった場合は、スイッチ１ａ〜１ｃに流れる電流と同極性の第１〜第３の直流電流を交流ノードＮ１〜Ｎ３に出力してスイッチ１ａ〜１ｃを迅速に消弧させる。
すなわち、商用交流電源５１から供給される三相交流電圧Ｖｉ１〜Ｖｉ３が異常になった場合は、制御回路７からスイッチ１ａ〜１ｃにオフ指令信号が与えられる。スイッチ１ａ〜１ｃは自己消弧能力を持たないので、オフ指令信号を与えただけではスイッチ１ａ〜１ｃを消弧させることはできず、スイッチ１ａ〜１ｃに流れる電流を０にする必要がある。スイッチ１ａ〜１ｃに流れる電流と同極性の第１〜第３の直流電流が電力変換器３から交流ノードＮ１〜Ｎ３に出力されると、負荷電流ＩＬ１〜ＩＬ３の少なくとも一部が電力変換器３から供給されることとなる。これにより、商用交流電源５１からスイッチ１ａ〜１ｃを介して負荷５２に流れる電流Ｉｓ１〜Ｉｓ３が減少し、スイッチ１ａ〜１ｃが迅速に消弧する。
さらに、電力変換器３は、スイッチ１ａ〜１ｃを消弧させた後に、三相交流電流Ｉｏ１〜Ｉｏ３を負荷５２に出力して交流ノードＮ１〜Ｎ３を定格の三相交流電圧に維持する。これにより、インバータ２の運転が継続され、負荷５２の運転が継続される。
異常検出器４は、商用交流電源５１から供給される三相交流電圧Ｖｉ１〜Ｖｉ３が正常であるか否かを検出し、三相交流電圧Ｖｉ１〜Ｖｉ３が正常である場合は異常検出信号φ４を非活性化レベルの「Ｌ」レベルにし、三相交流電圧Ｖｉ１〜Ｖｉ３が異常になった場合は異常検出信号φ４を活性化レベルの「Ｈ」レベルにする。たとえば商用交流電源５１からの三相交流電力の供給が停止された停電時には、三相交流電圧Ｖｉ１〜Ｖｉ３の実効値が低下し、異常検出信号φ４が活性化レベルの「Ｈ」レベルにされる。
電流検出器５ａ〜５ｃは、入力端子ＴＩ１〜ＴＩ３とスイッチ１ａ〜１ｃの間に設けられ、それぞれスイッチ１ａ〜１ｃに流れる電流Ｉｓ１〜Ｉｓ３の瞬時値を検出し、検出値を示す信号φ５ａ〜φ５ｃを出力する。電流検出器５ａ〜５ｃでは、入力端子ＴＩ１〜ＴＩ３から出力端子ＴＯ１〜ＴＯ３に向かって流れる電流の極性（すなわち、スイッチ１ａ〜１ｃの第１の端子から第２の端子に向かって流れる電流の極性）が正極性とされる。
電流検出器６ａ〜６ｃは、電力変換器３と交流ノードＮ１〜Ｎ３との間にそれぞれ設けられ、それぞれ電力変換器３の出力電流Ｉｏ１〜Ｉｏ３の瞬時値を検出し、検出値を示す信号φ６ａ〜φ６ｃを出力する。電流検出器６ａ〜６ｃでは、電力変換器３から交流ノードＮ１〜Ｎ３に向かって流れる電流の極性が正極性とされる。
制御回路７は、異常検出器４の出力信号φ４、電流検出器５ａ〜５ｃの出力信号φ５ａ〜φ５ｃ、電流検出器６ａ〜６ｃの出力信号φ６ａ〜６ｃ、出力端子ＴＯ１〜ＴＯ３の電圧Ｖｏ１〜Ｖｏ３の瞬時値、バッテリ電圧ＶＢ（蓄電池５４の端子間電圧）などに基づいて、スイッチ１ａ〜１ｃおよび電力変換器３を制御する。
制御回路７は、異常検出信号φ４が非活性化レベルの「Ｌ」レベルである場合は、スイッチ１ａ〜１ｃにオン指令信号を与えてオン状態にする。この場合は、商用交流電源５１からスイッチ１ａ〜１ｃを介して負荷５２に三相交流電力が供給されるとともに、燃料電池５３によって生成された直流電力が三相交流電力に変換されて負荷５２に供給され、負荷５２が運転される。さらに、商用交流電源５１およびインバータ２のうちの少なくともいずれか一方から供給される三相交流電力が電力変換器３によって直流電力に変換されて蓄電池５４に蓄えられる。
制御回路７は、異常検出信号φ４が活性化レベルの「Ｈ」レベルにされた場合は、スイッチ１ａ〜１ｃにオフ指令信号を与えるとともに、電力変換器３から交流ノードＮ１〜Ｎ３にそれぞれ第１〜第３の直流電流を出力させてスイッチ１ａ〜１ｃを迅速に消弧させる。このとき、電力変換器３の出力電流Ｉｏ１〜Ｉｏ３の極性はそれぞれスイッチ１ａ〜１ｃに流れている電流Ｉｓ１〜Ｉｓ３の極性と同じである。
制御回路７は、スイッチ１ａ〜１ｃを消弧させた後に、電力変換器３から負荷５２に三相交流電力を供給させて負荷５２の運転を継続させる。このとき、電力変換器３から交流ノードＮ１〜Ｎ３に三相交流電圧が供給され、これによりインバータ２の電源転流が可能となり、インバータ２から負荷５２に三相交流電流が供給される。蓄電池５４の端子間電圧ＶＢが低下して放電終止電圧に到達すると、電力変換器３の運転が停止される。これによりインバータ２の電源転流が不可能となり、インバータ２の運転が停止され、負荷５２の運転が停止される。
図２は、インバータ２の構成を示す回路ブロック図である。図２において、インバータ２は、サイリスタＳ１〜Ｓ６、電流検出器１０ａ〜１０ｃ、リアクトル１１ａ〜１１ｃ、および制御回路１２を含む。
サイリスタＳ１〜Ｓ３のアノードはともに燃料電池５３の正極に接続され、サイリスタＳ１〜Ｓ３のカソードはそれぞれサイリスタＳ４〜Ｓ６のアノードに接続され、サイリスタＳ４〜Ｓ６のカソードはともに燃料電池５３の負極に接続される。サイリスタＳ１〜Ｓ６のゲートは、それぞれ制御回路１２からの制御信号Ｇ１〜Ｇ６を受ける。
サイリスタＳ１〜Ｓ３のカソードはそれぞれリアクトル１１ａ〜１１ｃの一方端子に接続され、リアクトル１１ａ〜１１ｃの他方端子はそれぞれ交流ノードＮ１〜Ｎ３に接続される。電流検出器１０ａ〜１０ｃは、それぞれリアクトル１１ａ〜１１ｃに流れる電流Ｉｏ１１〜Ｉｏ１３、すなわちインバータ２の出力電流Ｉｏ１１〜Ｉｏ１３を検出し、検出値を示す信号φ１０ａ〜φ１０ｃをそれぞれ出力する。
制御回路１２は、交流ノードＮ１〜Ｎ３に現れる三相交流電圧Ｖｏ１〜Ｖｏ３に同期して動作し、電流検出器１０ａ〜１０ｃの検出値がそれぞれ電流指令値ＩＣ１〜ＩＣ３に一致するように制御信号Ｇ１〜Ｇ６を生成する。
図３は、制御回路１２の要部を示す回路ブロック図である。図３において、制御回路１２は、電流指令部１３、インバータ制御部１４、制御信号生成部１５、および制御電源１６を含む。電流指令部１３は、電流指令値ＩＣ１〜ＩＣ３を出力する。
インバータ制御部１４は、電流検出器１０ａ〜１０ｃの検出値Ｉｏ１１〜Ｉｏ１３がそれぞれ電流指令値ＩＣ１〜ＩＣ３に一致するように、電流指令値ＩＣ１１〜ＩＣ１３と電流検出器１０ａ〜１０ｃの検出値Ｉｏ１１〜Ｉｏ１３との偏差ＩＣ１−Ｉｏ１１，ＩＣ２−Ｉｏ１２，ＩＣ３−Ｉｏ１３に応じた値の電圧指令値ＶＣ１〜ＶＣ３を出力する。
制御信号生成部１５は、電圧指令値ＶＣ１〜ＶＣ３に応じた値の位相制御角α１〜α３を設定し、設定した位相制御角α１〜α３と交流電圧Ｖｏ１〜Ｖｏ３の位相とに基づいて制御信号Ｇ１〜Ｇ６を生成する。制御電源１６は、サイリスタＳ１〜Ｓ３のカソードの電圧を整流して電源電圧ＶＤＣを生成する。電流指令部１３、インバータ制御部１４、および制御信号生成部１５を含む制御回路１２は、制御電源１６からの電源電圧ＶＤＣによって駆動される。
図４は、交流ノードＮ１〜Ｎ３の交流電圧Ｖｏ１〜Ｖｏ３と制御信号Ｇ１〜Ｇ６との関係を示す図である。図４において、三相交流電圧Ｖｏ１〜Ｖｏ３の各々は正弦波状に変化し、三相交流電圧Ｖｏ１〜Ｖｏ３の位相は１２０度ずつずれている。交流電圧Ｖｏ１，Ｖｏ２，Ｖｏ３と交流電圧Ｖｏ３，Ｖｏ１，Ｖｏ２との正電圧側の交点をそれぞれＰ１，Ｐ２，Ｐ３とし、交流電圧Ｖｏ１，Ｖｏ２，Ｖｏ３と交流電圧Ｖｏ３，Ｖｏ１，Ｖｏ２との負電圧側の交点をそれぞれＰ４，Ｐ５，Ｐ６とする。
制御信号Ｇ１は、交点Ｐ１よりも位相制御角α１だけ遅延して活性化レベルの「Ｈ」レベルに立ち上げられ、１２０度だけ「Ｈ」レベルに維持された後に非活性化レベルの「Ｌ」レベルに立ち下げられる。制御信号Ｇ２は、交点Ｐ２よりも位相制御角α２だけ遅延して活性化レベルの「Ｈ」レベルに立ち上げられ、１２０度だけ「Ｈ」レベルに維持された後に非活性化レベルの「Ｌ」レベルに立ち下げられる。制御信号Ｇ３は、交点Ｐ３よりも位相制御角α３だけ遅延して活性化レベルの「Ｈ」レベルに立ち上げられ、１２０度だけ「Ｈ」レベルに維持された後に非活性化レベルの「Ｌ」レベルに立ち下げられる。
制御信号Ｇ４は、交点Ｐ４よりも位相制御角α１だけ遅延して活性化レベルの「Ｈ」レベルに立ち上げられ、１２０度だけ「Ｈ」レベルに維持された後に非活性化レベルの「Ｌ」レベルに立ち下げられる。制御信号Ｇ５は、交点Ｐ５よりも位相制御角α２だけ遅延して活性化レベルの「Ｈ」レベルに立ち上げられ、１２０度だけ「Ｈ」レベルに維持された後に非活性化レベルの「Ｌ」レベルに立ち下げられる。制御信号Ｇ６は、交点Ｐ６よりも位相制御角α３だけ遅延して活性化レベルの「Ｈ」レベルに立ち上げられ、１２０度だけ「Ｈ」レベルに維持された後に非活性化レベルの「Ｌ」レベルに立ち下げられる。
図５（ａ）は、制御信号Ｇ１の波形を示す図である。図５（ａ）において、制御信号Ｇ１は、交点Ｐ１よりも位相制御角α１だけ遅延して「Ｈ」レベルに立ち上げられ、１２０度だけ「Ｈ」レベルに維持された後に「Ｌ」レベルに立ち下げられる。換言すると、制御回路１２は、サイリスタＳ１のゲートを「Ｈ」レベルにしてサイリスタＳ１を点弧させた後、サイリスタＳ１のゲートを１２０度だけ「Ｈ」レベルに維持する。制御回路１２は、電流検出器１０ａの検出値が電流指令値ＩＣ１１に一致するように、サイリスタＳ１を点弧させる位相制御角α１を調整する。なお、交流電圧Ｖｏの一周期をＴ[ｓ]とすると、１２０度はＴ／３[ｓ]（予め定められた時間）である。
図５（ｂ）は、制御信号Ｇ１の他の波形を示す図である。図５（ｂ）において、制御信号Ｇ１は、交点Ｐ１よりも位相制御角α１だけ遅延して短時間だけ「Ｈ」レベルに立ち上げられ、その後は十分に短い角度間隔（時間間隔）で連続的に「Ｈ」レベルに立ち上げられ、１２０度経過した後に「Ｌ」レベルにされる。換言すると、制御回路１２は、サイリスタＳ１のゲートにパルス信号を与えてサイリスタを点弧させた後、１２０度（予め定められた時間）にわたって十分に短い角度間隔でパルス信号をサイリスタＳ１のゲートに与え続ける。他の制御信号Ｇ２〜Ｇ６の各々の波形は、制御信号Ｇ１の波形と同様である。
一般的には、サイリスタのゲートに１個のパルス信号を与えてサイリスタを点弧させる。この場合は、商用交流電源５１からの交流電圧の値が瞬間的に低下したとき（すなわち瞬停時）にサイリスタが消弧してしまう恐れがある。これに対して、本実施の形態では、サイリスタＳのゲートを１２０度に亘って「Ｈ」レベルにするか、サイリスタＳのゲートに１２０度に亘ってパルス信号を与え続けるので、瞬停時にサイリスタＳが消弧したとしても交流電圧が復帰したときに再度、点弧させることができる。したがって、瞬停が発生した場合でも、インバータ２は安定に動作する。
このような制御信号Ｇ１〜Ｇ６によってサイリスタＳ１〜Ｓ６は、以下のように点弧および消弧される。サイリスタＳ１は、交点Ｐ１よりも位相制御角α１だけ遅延して点弧され、交点Ｐ２よりも位相制御角α２だけ遅延して消弧される。サイリスタＳ２は、交点Ｐ２よりも位相制御角α２だけ遅延して点弧され、交点Ｐ３よりも位相制御角α３だけ遅延して消弧される。サイリスタＳ３は、交点Ｐ３よりも位相制御角α３だけ遅延して点弧され、交点Ｐ１よりも位相制御角α１だけ遅延して消弧される。
すなわち、サイリスタＳ１が点弧されるとサイリスタＳ３が消弧し、サイリスタＳ２が点弧されるとサイリスタＳ１が消弧し、サイリスタＳ３が点弧されるとサイリスタＳ２が消弧し、サイリスタＳ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ１，…が順次オンされる。
サイリスタＳ４は、交点Ｐ４よりも位相制御角α１だけ遅延して点弧され、交点Ｐ５よりも位相制御角α２だけ遅延して消弧される。サイリスタＳ５は、交点Ｐ５よりも位相制御角α２だけ遅延して点弧され、交点Ｐ６よりも位相制御角α３だけ遅延して消弧される。サイリスタＳ６は、交点Ｐ６よりも位相制御角α３だけ遅延して点弧され、交点Ｐ４よりも位相制御角α１だけ遅延して消弧される。
すなわち、サイリスタＳ４が点弧されるとサイリスタＳ６が消弧し、サイリスタＳ５が点弧されるとサイリスタＳ４が消弧し、サイリスタＳ６が点弧されるとサイリスタＳ５が消弧し、サイリスタＳ４，Ｓ５，Ｓ６，Ｓ４，…が順次オンされる。サイリスタＳ４，Ｓ５，Ｓ６は、それぞれサイリスタＳ１，Ｓ２，Ｓ３よりも１８０度だけ遅延してオンされる。サイリスタＳ１（第１のサイリスタ）とサイリスタＳ４（第２のサイリスタ）は交互にオンされ、サイリスタＳ２とサイリスタＳ５は交互にオンされ、サイリスタＳ３とサイリスタＳ６は交互にオンされる。
位相制御角α１は、電流検出器１０ａの検出値が電流指令値ＩＣ１に一致するように調整される。位相制御角α２は、電流検出器１０ｂの検出値が電流指令値ＩＣ２に一致するように調整される。位相制御角α３は、電流検出器１０ｃの検出値が電流指令値ＩＣ３に一致するように調整される。
このような制御は、交流ノードＮ１〜Ｎ３に三相交流電圧Ｖｏ１〜Ｖｏ３が現れているときだけ可能となる。したがって、電源転流式のインバータ２は、交流ノードＮ１〜Ｎ３に三相交流電圧Ｖｏ１〜Ｖｏ３が現れているときだけ運転され、三相交流電流を出力する。
なお、電源転流式のインバータ２の代わりに、サイリスタＳ１〜Ｓ６を強制的に消弧させる強制消弧回路を備えた強制転流式のインバータを設けた場合は、強制消弧回路の分だけ装置価格が高くなり、装置寸法が大きくなり、電力損失が大きくなるという問題が生じる。
電源転流式のインバータ２の代わりに、自己消弧能力を有するＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）のような半導体素子を用いた自励式のインバータを設けた場合は、半導体素子で大きな損失（導通損失、スイッチング損失）が発生するという問題が生じる。これに対して本実施の形態では、電源転流式のインバータ２が設けられ、サイリスタＳ１〜Ｓ６で導通損失は発生するがスイッチング損失は発生しないので、自励式のインバータと比べ、電力損失を低減化することができる。
図６は、電力変換器３の構成を示す回路図である。図６において、電力変換器３は、トランジスタＱ１〜Ｑ６、ダイオードＤ１〜Ｄ６、リアクトル１７ａ〜１７ｃ、およびコンデンサ１８ａ〜１８ｃを含む。トランジスタＱ１〜Ｑ６の各々は、たとえばＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）である。トランジスタＱ１〜Ｑ３のコレクタはともに蓄電池５４の正極に接続され、トランジスタＱ１〜Ｑ３のエミッタはそれぞれトランジスタＱ４〜Ｑ６のコレクタに接続され、トランジスタＱ４〜Ｑ６のエミッタはともに蓄電池５４の負極に接続される。トランジスタＱ１〜Ｑ６のゲートはそれぞれ制御回路７からの制御信号ＣＮＴ１〜ＣＮＴ６を受ける。ダイオードＤ１〜Ｄ６は、それぞれトランジスタＱ１〜Ｑ６に逆並列に接続される。
リアクトル１７ａ〜１７ｃの一方端子はそれぞれトランジスタＱ１〜Ｑ３のエミッタに接続され、それらの他方端子はそれぞれ交流ノードＮ１〜Ｎ３に接続される。コンデンサ１８ａ〜１８ｃの一方電極はそれぞれリアクトル１７ａ〜１７ｃの他方端子に接続される。コンデンサ１８ａ〜１８ｃの他方電極は、それぞれコンデンサ１８ｂ，１８ｃ，１８ａの一方電極に接続される。
リアクトル１７ａ〜１７ｃおよびコンデンサ１８ａ〜１８ｃは、低域通過フィルタを構成し、商用周波数の交流電力を通過させ、トランジスタＱ１〜Ｑ６で発生するスイッチング周波数の信号が負荷５２に通過することを禁止する。換言すると、リアクトル１７ａ〜１７ｃおよびコンデンサ１８ａ〜１８ｃは、トランジスタＱ１〜Ｑ６によって生成された方形波状の三相交流電圧を正弦波状の三相交流電圧に変換して交流ノードＮ１〜Ｎ３に出力する。
トランジスタＱ１〜Ｑ６を所定のタイミングでオン／オフさせることにより、交流ノードＮ１〜Ｎ３に所望の位相の三相交流電圧を出力することが可能となっている。異常検出信号φ４が非活性化レベルの「Ｌ」レベルである場合において、バッテリ電圧ＶＢが目標バッテリ電圧ＶＢＴよりも低いときは、電力変換器３から交流ノードＮ１〜Ｎ３に出力される三相交流電圧の位相を、商用交流電源５１からスイッチ１ａ〜１ｃを介して交流ノードＮ１〜Ｎ３に供給される三相交流電圧の位相よりも遅らせる。これにより、商用交流電源５１からスイッチ１ａ〜１ｃおよび電力変換器３を介して蓄電池５４に電流が流れ、蓄電池５４が充電される。
バッテリ電圧ＶＢが目標バッテリ電圧ＶＢＴに到達した場合は、電力変換器３から交流ノードＮ１〜Ｎ３に出力される三相交流電圧の位相を、商用交流電源５１からスイッチ１ａ〜１ｃを介して交流ノードＮ１〜Ｎ３に供給される三相交流電圧の位相に一致させる。この場合は、蓄電池５４の充放電は停止され、電力変換器３はスタンバイ状態にされる。
異常検出信号φ４が活性化レベルの「Ｈ」レベルにされた場合は、スイッチ１ａ〜１ｃに流れる電流と同極性の第１〜第３の直流電流が電力変換器３から出力され、スイッチ１ａ〜１ｃが迅速に消弧される。その後、蓄電池５４の直流電力が電力変換器３によって三相交流電力に変換されて負荷５２に供給され、交流ノードＮ１〜Ｎ３が所定の三相交流電圧に維持される。これにより、インバータ２の運転が可能となり、電力変換器３およびインバータ２から負荷５２に三相交流電力が供給され、負荷５２の運転が継続される。
図７は、制御回路７の要部を示すブロック図である。図７において、制御回路７は、スイッチ制御部２０、符号判定部２１、電流指令部２２、電圧指令部２３、変換器制御部２４、および制御信号生成部２５を含む。
スイッチ制御部２０は、異常検出信号φ４が非活性化レベルの「Ｌ」レベルである場合は、スイッチ１ａ〜１ｃにオン指令信号を与えてスイッチ１ａ〜１ｃをオン状態にし、異常検出信号φ４が活性化レベルの「Ｈ」レベルにされた場合は、スイッチ１ａ〜１ｃにオフ指令信号を与えてスイッチ１ａ〜１ｃをオフ状態にする。なお、上述の通り、自己消弧能力を持たないスイッチ１ａ〜１ｃをオフ状態にするためには、スイッチ１ａ〜１ｃにオフ指令信号を与え、かつスイッチ１ａ〜１ｃに流れる電流を０にする必要がある。
符号判定部２１は、電流検出器５ａ〜５ｃの出力信号φ５ａ〜φ４ｃに基づいて、スイッチ１ａ〜１ｃに流れている電流Ｉｓ１〜Ｉｓ３の各々の極性を判定し、判定結果を示す信号Ｄ１〜Ｄ３を出力する。電流Ｉｓ１〜Ｉｓ３が正極性である場合は信号Ｄ１〜Ｄ３は「Ｈ」レベルにされ、電流Ｉｓ１〜Ｉｓ３が負極性である場合は信号Ｄ１〜Ｄ３は「Ｌ」レベルにされる。
スイッチ１ａ〜１ｃに正常に三相交流電流が流れている場合、信号Ｄ１〜Ｄ３のうちのいずれか２つの信号が「Ｈ」レベルになり、残りの１つの信号が「Ｌ」レベルになる場合と、信号Ｄ１〜Ｄ３のうちのいずれか２つの信号が「Ｈ」レベルになり、残りの１つの信号が「Ｌ」レベルになる場合とがある。符号判定部２１は、スイッチ１ａ〜１ｃに流れる電流Ｉｓ１〜Ｉｓ３が十分に小さくなって符号の判定が不可能になった場合には、信号Ｄ１〜Ｄ３をともに「Ｌ」レベルにする。
電流指令部２２は、異常検出信号φ４が活性化レベルの「Ｈ」レベルにされた場合に活性化され、スイッチ１ａ〜１ｃに流れる電流Ｉｓ１〜Ｉｓ３と同極性の直流電流Ｉｏ１〜Ｉｏ３が電力変換器３から出力されるように電流指令値ＩＣ１１〜ＩＣ１３を生成する。これにより、負荷電流ＩＬ１〜ＩＬ３の少なくとも一部が電力変換器３から供給されることとなり、スイッチ１ａ〜１ｃに流れる電流Ｉｓ１〜Ｉｓ３が減少してスイッチ１ａ〜１ｃが迅速に消弧される。
電圧指令部２３は、商用交流電源５１から供給される三相交流電圧Ｖｉ１〜Ｖｉ３と同じ周波数で正弦波状に変化する三相の電圧指令値ＶＣＡ１１〜ＶＣＡ１３を出力する。電流指令値ＩＣ１１〜ＩＣ１３および電圧指令値ＶＣＡ１１〜ＶＣＡ１３は、変換器制御部２４に与えられる。
変換器制御部２４は、異常検出信号φ４、電流指令値ＩＣ１１〜ＩＣ１３、電圧指令値ＶＣＡ１１〜ＶＣＡ１３、電流検出器６ａ〜６ｃの出力信号φ６ａ〜φ６ｃ、出力電圧Ｖｏ１〜Ｖｏ３、バッテリ電圧（蓄電池５４の端子間電圧）ＶＢ、および目標バッテリ電圧ＶＢＴに基づいて動作する。
変換器制御部２４は、異常検出信号φ４が非活性化レベルの「Ｌ」レベルである場合は、目標バッテリ電圧ＶＢＴとバッテリ電圧ＶＢとの偏差ＶＢＴ−ＶＢに応じたレベルの電圧指令値ＶＣ１１〜ＶＣ１３を出力する。これにより、バッテリ電圧ＶＢが目標バッテリ電圧ＶＢＴに一致するように、電力変換器３の出力電流Ｉｏ１〜Ｉｏ３が制御される。
さらに、変換器制御部２４は、異常検出信号φ４が非活性化レベルの「Ｌ」レベルである場合は、電圧指令値ＶＣＡ１１〜ＶＣＡ１３と出力電圧Ｖｏ１〜Ｖｏ３との偏差ＶＣＡ１１−Ｖｏ１，ＶＣＡ１２−Ｖｏ２，ＶＣＡ１３−Ｖｏ３に応じたレベルの電圧指令値ＶＣ１１〜ＶＣ１３を出力する。これにより、出力電圧Ｖｏ１〜Ｖｏ３がそれぞれ電圧指令値ＶＣＡ１１〜ＶＣＡ１３に一致するように、電力変換器２ａ〜２ｃの出力電流Ｉｏ１〜Ｉｏ３が制御され、電力変換器３がスタンバイ状態にされる。
変換器制御部２４は、異常検出信号φ４が活性化レベルの「Ｈ」レベルにされた場合は、電流指令値ＩＣ１１〜ＩＣ１３と電流検出器６ａ〜６ｃの検出値Ｉｏ１〜Ｉｏ３との偏差ＩＣ１１−Ｉｏ１，ＩＣ１２−Ｉｏ２，ＩＣ１３−Ｉｏ３に応じたレベルの電圧指令値ＶＣ１１〜ＶＣ１３を出力する。これにより、電流検出器６ａ〜６ｃの検出値Ｉｏ１〜Ｉｏ３がそれぞれ電流指令値ＩＣ１１〜ＩＣ１３に一致するように電力変換器３の出力電流Ｉｏ１〜Ｉｏ３が制御され、スイッチ１ａ〜１ｃが迅速に消弧される。
変換器制御部２４は、スイッチ１ａ〜１ｃを消弧させた後に、電圧指令値ＶＣＡ１１〜ＶＣＡ１３と出力電圧Ｖｏ１〜Ｖｏ３との偏差ＶＣＡ１１−Ｖｏ１，ＶＣＡ１２−Ｖｏ２，ＶＣＡ１３−Ｖｏ３に応じたレベルの電圧指令値ＶＣ１１〜ＶＣ１３を出力する。これにより、出力電圧Ｖｏ１〜Ｖｏ３がそれぞれ電圧指令値ＶＣＡ１１〜ＶＣＡ１３に一致するように電力変換器３の出力電流Ｉｏ１〜Ｉｏ３が制御され、負荷５２の運転が継続される。
制御信号生成部２５は、電圧指令値ＶＣ１１〜ＶＣ１３に従ってそれぞれ制御信号ＣＮＴ１〜ＣＮＴ６を生成し、生成した制御信号ＣＮＴ１〜ＣＮＴ６を電力変換器３に与える。
次に、この電力変換システムの動作について説明する。商用交流電源５１から供給される三相交流電圧Ｖｉ１〜Ｖｉ３が正常である場合は、異常検出器４によって異常検出信号φ４が非活性化レベルの「Ｌ」レベルにされる。異常検出信号φ４が「Ｌ」レベルである場合は、スイッチ制御部２０からスイッチ１ａ〜１ｃにオン指令信号が与えられてスイッチ１ａ〜１ｃがオン状態にされ、商用交流電源５１からスイッチ１ａ〜１ｃを介して負荷５２に三相交流電流が供給される。
このとき、燃料電池５３によって生成される直流電力がインバータ２によって三相交流電力に変換され、インバータ２から負荷５２に三相交流電流が供給される。負荷５２は、商用交流電源５１およびインバータ２から供給される三相交流電流によって駆動される。さらに、電力変換器３は、商用交流電源５１から供給される三相交流電力を直流電力に変換して蓄電池５４に蓄える。バッテリ電圧（蓄電池５４の端子間電圧）ＶＢが目標バッテリ電圧ＶＢＴに到達すると、電力変換器３はスタンバイ状態にされる。
商用交流電源５１から供給される三相交流電圧Ｖｉ１〜Ｖｉ３が異常になった場合は、異常検出器４によって異常検出信号φ４が活性化レベルの「Ｈ」レベルにされる。異常検出信号φ４が「Ｈ」レベルにされると、スイッチ制御部２０からスイッチ１ａ〜１ｃにオフ指令信号が与えられるとともに、蓄電池５４の直流電力が電力変換器３によって直流電力に変換され、電力変換器３から直流電流Ｉｏ１〜Ｉｏ３が出力される。
このとき、直流電流Ｉｏ１〜Ｉｏ３の極性は、それぞれスイッチ１ａ〜１ｃに流れている電流Ｉｓ１〜Ｉｓ３の極性と同じにされる。負荷電流ＩＬ１〜ＩＬ３の少なくとも一部が直流電流Ｉｏ１〜Ｉｏ３によって置換されてスイッチ１ａ〜１ｃに流れる電流Ｉｓ１〜Ｉｓ３が減少し、スイッチ１ａ〜１ｃが迅速に消弧されてオフ状態にされる。
スイッチ１ａ〜１ｃがオフ状態にされると、電力変換器３から負荷５２に三相交流電流が供給され、交流ノードＮ１〜Ｎ３が所定の三相交流電圧Ｖｏ１〜Ｖｏ３に維持される。これにより、インバータ２の運転が継続され、インバータ２から負荷５２に三相交流電流が供給される。負荷５２は、電力変換器３およびインバータ２からの三相交流電流によって駆動される。
したがって、蓄電池５４に直流電力が蓄えられている期間は、負荷５２の運転が継続される。バッテリ電圧ＶＢが低下して放電終止電圧に到達すると、電力変換器３およびインバータ２の運転が停止され、負荷５２の運転が停止される。
図８（ａ）〜（ｃ）は、停電発生時における電力変換システムの動作を示すタイムチャートである。特に、図８（ａ）は商用交流電源５１から供給される交流電圧Ｖｉ１の波形を示し、図８（ｂ）は負荷５２に供給される三相交流電圧Ｖｏ１〜Ｖｏ３の波形を示し、図８（ｃ）は負荷５２に供給される三相交流電圧Ｖｏ１〜Ｖｏ３の実効値Ｖｏｅを示している。
図８（ａ）〜（ｃ）では、ある時刻（図中の１４ｍｓ）で停電が発生した場合が示されている。停電が発生すると、図８（ａ）に示すように、商用交流電源５１からの交流電圧Ｖｉ１の振幅が通常時の１０分の１程度以下に減少してしまう。上述の通り、本実施の形態の電力変換システムでは、停電が発生すると、スイッチ１ａ〜１ｃがオフされて商用交流電源５１と負荷５２が電気的に切り離され、電力変換器３およびインバータ２から負荷５２に三相交流電力が供給される。このため、図８（ｂ）（ｃ）に示すように、負荷５２に供給される交流電圧Ｖｏの振幅および実効値Ｖｏｅは瞬間的に通常時の５５％程度まで低下するが、交流電圧Ｖｏの半サイクル以下の数ｍｓで、交流電圧Ｖｏは波形歪のない正弦波状に回復する。
以上のように、この実施の形態では、スイッチ１ａ〜１ｃと、電源転流式のインバータ２と、電力変換器３とを設けたので、４つの自励式の電力変換器を備えていた従来に比べ、小型で低価格で低損失の電力変換システムを実現することができる。
図９は、本実施の形態の変更例を示す回路ブロック図であって、図１と対比される図である。図９を参照して、この変更例が実施の形態と異なる点は、蓄電池５４の代わりに電気二重層コンデンサ５５が設けられている点である。この変更例では、実施の形態と比べ、さらに、装置の小型化、低価格化、低損失化を図ることができる。
図１０は、本実施の形態の他の変更例を示す回路ブロック図であって、図１と対比される図である。図１０を参照して、この変更例が実施の形態と異なる点は、インバータ２Ａおよび燃料電池５３Ａが追加されている点である。インバータ２Ａおよび燃料電池５３Ａは、それぞれインバータ２および燃料電池５３と同じである。電源転流式のインバータ２Ａは、燃料電池５３Ａで生成された直流電力を三相交流電力に変換して交流ノードＮ１〜Ｎ３に出力する。
この変更例では、実施の形態と同じ効果が得られる他、１台の燃料電池が故障した場合でも、もう１台の燃料電池によって運転を継続することができる。さらに、複数組のインバータおよび燃料電池を複数の場所に分散配置することができ、装置のレイアウトの自由度が高くなる。なお、この変更例では、２組のインバータおよび燃料電池を設けたが、３組以上のインバータおよび燃料電池を設けてもよい。１組のインバータ２および燃料電池５３を複数組の副インバータおよび副燃料電池に分割して分散配置しても構わない。
図１１は、本実施の形態のさらに他の変更例を示す回路ブロック図であって、図１０と対比される図である。図１１を参照して、この変更例が図１０の変更例と異なる点は、燃料電池５３Ａが太陽電池５６で置換されている点である。太陽電池５６の出力が大きいとき（たとえば昼間）は燃料電池５３の出力を小さくし、太陽電池５６の出力が小さいとき（たとえば夜間）は燃料電池５３の出力を大きくする。この変更例では、実施の形態と同じ効果が得られる他、燃料電池５３の燃料消費量を小さく抑制することができる。なお、この変更例では、２種類の直流電源（燃料電池５３と太陽電池５６）と２つのインバータ２，２Ａを設けたが、３種類以上の直流電源と３つ以上のインバータを設けても構わない。１組のインバータ２および燃料電池５３を複数組の副インバータおよび副燃料電池に分割して分散配置し、１組のインバータ２Ａおよび太陽電池５６を複数組の副インバータおよび副太陽電池に分割して分散配置しても構わない。
図１２は、本実施の形態のさらに他の変更例を示す回路ブロック図であって、図２と対比される図である。図１２を参照して、この変更例が実施の形態と異なる点は、インバータ２がインバータ２Ｂで置換されている点である。インバータ２Ｂは、インバータ２のリアクトル１１ａ〜１１ｃを三相変圧器３０で置換したものである。サイリスタＳ１〜Ｓ３のカソードは、三相変圧器３０の１次巻線３１の３つの端子にそれぞれ接続される。三相変圧器３０の２次巻線３２の３つの端子はそれぞれ交流ノードＮ１〜Ｎ３に接続される。
１次巻線３１と２次巻線３２は、互いに電磁結合しているが、互いに絶縁されている。２次巻線３２の巻回数は、１次巻線３１の巻回数よりも大きい。三相変圧器３０は、サイリスタＳ１〜Ｓ６によって生成される三相交流電圧を昇圧して交流ノードＮ１〜Ｎ３に供給する。この変更例では、実施の形態と同じ効果が得られる他、燃料電池５３の出力電圧が低い場合でも、商用交流電源５１と連系して負荷５２に三相交流電力を供給することができる。
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明でなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
ＴＩ１〜ＴＩ３ 入力端子、ＴＯ１〜ＴＯ３ 出力端子、１ａ〜１ｃ スイッチ、２，２Ａ，２Ｂ インバータ、３ 電力変換器、４ 異常検出器、５ａ〜５ｃ，６ａ〜６ｃ，１０ａ〜１０ｃ 電流検出器、７，１２ 制御回路、Ｓ１〜Ｓ６ サイリスタ、１１ａ〜１１ｃ，１７ａ〜１７ｃ リアクトル、Ｎ１〜Ｎ３ 交流ノード、１３，２２ 電流指令部、１４ インバータ制御部、１５ 制御信号生成部、１６ 制御電源、Ｑ１〜Ｑ６ トランジスタ、Ｄ１〜Ｄ６ ダイオード、１８ａ〜１８ｃ コンデンサ、２０ スイッチ制御部、２１ 符号判定部、２３ 電圧指令部、２４ 変換器制御部、２５ 制御信号生成部、３０ 三相変圧器、５１ 商用交流電源、５２ 負荷、５３，５３Ａ 燃料電池、５４ 蓄電池、５５ 電気二重層コンデンサ、５６ 太陽電池。

Claims (13)

  1. 交流電源から供給される交流電力と直流電源から供給される直流電力とを受け、交流電力を負荷に供給する電力変換システムであって、
    前記負荷に接続される出力端子と、
    第１の端子が前記交流電源から供給される交流電力を受け、第２の端子が前記出力端子に接続され、前記交流電源からの交流電圧が正常である第１の場合はオンされ、前記交流電源からの交流電圧が異常になった第２の場合はオフされるスイッチと、
    前記第１の場合は前記交流電源から前記スイッチを介して供給される交流電力を直流電力に変換して電力貯蔵装置に蓄え、前記第２の場合は前記電力貯蔵装置の直流電力を交流電力に変換して前記出力端子に出力する電力変換器と、
    前記出力端子に現れる交流電圧に同期して動作し、前記直流電源から供給される直流電力を交流電力に変換して前記出力端子に出力する電源転流式のインバータとを備える、電力変換システム。
  2. 前記インバータは、
    アノードが前記直流電源の正極に接続され、カソードが前記出力端子に接続された第１のサイリスタと、
    アノードが前記第１のサイリスタのカソードに接続され、カソードが前記直流電源の負極に接続された第２のサイリスタと、
    前記出力端子に現れる交流電圧に同期して前記第１および第２のサイリスタを交互に点弧させる制御回路とを含む、請求項１に記載の電力変換システム。
  3. 前記制御回路は、
    前記第１のサイリスタのゲートを活性化レベルにして前記第１のサイリスタを点弧させた後、前記第１のサイリスタのゲートを予め定められた時間だけ活性化レベルに維持し、
    前記第２のサイリスタのゲートを活性化レベルにして前記第２のサイリスタを点弧させた後、前記第２のサイリスタのゲートを前記予め定められた時間だけ活性化レベルに維持する、請求項２に記載の電力変換システム。
  4. 前記制御回路は、
    前記第１のサイリスタのゲートにパルス信号を与えて前記第１のサイリスタを点弧させた後、予め定められた時間だけ複数のパルス信号を前記第１のサイリスタのゲートに与え続け、
    前記第２のサイリスタのゲートにパルス信号を与えて前記第２のサイリスタを点弧させた後、予め定められた時間だけ複数のパルス信号を前記第２のサイリスタのゲートに与え続ける、請求項２に記載の電力変換システム。
  5. 前記インバータは、さらに、前記第１のサイリスタのカソードと前記出力端子との間に接続されたリアクトルを含む、請求項２に記載の電力変換システム。
  6. 前記インバータは、さらに、前記第１のサイリスタのカソードと前記出力端子との間に設けられた変圧器を含む、請求項２に記載の電力変換システム。
  7. さらに、前記交流電源からの交流電圧が異常になったことを検出する異常検出器と、
    前記スイッチに流れる電流の瞬時値を検出する電流検出器と、
    前記異常検出器および前記電流検出器の検出結果に基づいて前記スイッチおよび前記電力変換器を制御する制御回路とを備え、
    前記スイッチは自己消弧能力を持たず、
    前記第１の場合は、前記スイッチがオン状態にされ、前記交流電源から前記スイッチを介して前記負荷に交流電流が供給され、
    前記第２の場合は、前記制御回路から前記スイッチにオフ指令信号が与えられるとともに、前記電力変換器から直流電流が出力されて前記スイッチが消弧され、さらに、前記電力変換器から前記負荷に交流電流が供給され、
    前記スイッチの第１の端子から第２の端子に向かって流れる電流の極性を正極性とし、前記電力変換器から前記出力端子に向かって流れる電流の極性を正極性とすると、前記直流電流の極性は前記スイッチに流れている電流の極性と同じである、請求項１に記載の電力変換システム。
  8. 前記直流電源は燃料電池である、請求項１に記載の電力変換システム。
  9. 前記直流電源は太陽電池である、請求項１に記載の電力変換システム。
  10. 前記直流電源は複数の副直流電源を含み、
    前記インバータは、それぞれ前記複数の副直流電源に対応して設けられた複数の副インバータを含み、
    各副インバータは、前記出力端子に接続され、対応する副直流電源で発生した直流電力を交流電力に変換して前記出力端子に出力する、請求項１に記載の電力変換システム。
  11. 前記複数の副直流電源は、燃料電池および太陽電池を含む、請求項１０に記載の電力変換システム。
  12. 前記電力貯蔵装置は蓄電池である、請求項１に記載の電力変換システム。
  13. 前記電力貯蔵装置は電気二重層コンデンサである、請求項１に記載の電力変換システム。
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