WO2020217721A1

WO2020217721A1 - 電源装置

Info

Publication number: WO2020217721A1
Application number: PCT/JP2020/009065
Authority: WO
Inventors: 明磊顧; 叶田　玲彦; 祐樹河口; 公久古川
Original assignee: 株式会社日立製作所
Priority date: 2019-04-23
Filing date: 2020-03-04
Publication date: 2020-10-29
Also published as: EP3961847A1; JP7307583B2; EP3961847A4; JP2020182257A

Abstract

多様な電力源からの電力フローをフレキシブルに制御可能である小型化の電源装置が開示される。この電源装置は、多巻線トランス（２０）と、これに接続される複数の電力変換器と、を備え、第１電力変換器は、整流器部（１，２，３）と、直流電力を交流電力に変換する変換器部（１１，１２，１３）とを備え、整流器部の交流側は互いに直列接続されかつ外部交流系統（１００）に接続され、整流器部の直流側は変換器部の直流側に接続され、平常時には、第１電力変換器および第２電力変換器（２２）を制御して、外部交流系統からの電力が蓄電装置（３２）に伝送され、かつ第１電力変換器および第３電力変換器（２３）を制御して、外部交流系統からの電力が受電機器（３３）に伝送され、停電時には、第２電力変換器および第３電力変換器を制御して、蓄電装置からの電力が受電機器に伝送される。

Description

電源装置

　本発明は、外部系統および蓄電装置に接続され、受電機器に電力を供給する電源装置に関する。

　再生可能エネルギー発電や電気自動車の普及、蓄電装置の利用拡大に伴い、高品質の電力制御が可能でかつ小型の電源装置が要求されている。

　これに対し、非特許文献１（Ｆｉｇ．１（ｃ））および特許文献１（Ｆｉｇ．１）に記載の従来技術が知られている。

　本従来技術では、モーターを駆動する電源装置において、トランスの複数の一次巻線の各々に、複数台の一次側電力変換器の内の一台の出力側が接続されるとともに、複数の一次側電力変換器の入力側が直列接続される。さらに、トランスの二次巻線には二次側電力変換器の入力側が接続される。

C. Gu, Z. Zheng, L. Xu, K. Wang and Y. Li, "Modeling and Control of a Multiport Power Electronic Transformer (PET) for Electric Traction Applications," IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 31, no. 2, pp. 915-927, February 2016.

米国特許出願公開第２００２／０１０１７４７号明細書

　上記従来技術では、一次側電力変換器および二次側電力変換器を備えることにより、トランスを小型化することができるとともに、トランスの一次側および二次側で電力を制御することができる。しかし、上記従来技術では、商用交流電源のような外部系統や、蓄電池のような蓄電装置など、多様な電力源からの電力フローをフレキシブルに制御することについては、なんら考慮されていない。

　そこで、本発明は、多様な電力源からの電力フローをフレキシブルに制御可能であるとともに小型化が可能な電源装置を提供する。

　上記課題を解決するために、本発明による電源装置は、多巻線トランスと、多巻線トランスに接続される複数の電力変換器と、を備えるものであって、多巻線トランスが有する複数の第１巻線には、複数の電力変換器の内、複数の第１電力変換器が接続され、第１電力変換器は、整流器部と、整流器部に接続され、直流電力を交流電力に変換する変換器部と、を備え、複数の整流器部の交流側は、互いに直列接続されるとともに、外部交流系統に接続され、整流器部の直流側は、変換器部の直流側に接続され、変換器部の交流側は、第１巻線に接続され、多巻線トランスの第２巻線には、複数の電力変換器の内、第２電力変換器が接続され、第２電力変換器の交流側が第２巻線に接続され、第２電力変換器の直流側には蓄電装置が接続され、多巻線トランスの第３巻線には、複数の電力変換器の内、第３電力変換器が接続され、第３電力変換器の交流側が第３巻線に接続され、第３電力変換器の直流側には受電機器が接続され、外部交流系統の平常時には、複数の第１電力変換器および第２電力変換器を制御することにより、複数の第１電力変換器と、複数の第１巻線と、第２巻線と、第２電力変換器とを介して、外部交流系統からの電力が蓄電装置に伝送され、外部交流系統の平常時には、複数の第１電力変換器および第３電力変換器を制御することにより、複数の第１電力変換器と、複数の第１巻線と、第３巻線と、第３電力変換器とを介して、外部交流系統からの電力が受電機器に伝送され、外部交流系統の停電時には、第２電力変換器および第３電力変換器を制御することにより、第２電力変換器と、第２巻線と、第３巻線と、第３電力変換器とを介して、蓄電装置からの電力が受電機器に伝送される。

　本発明によれば、電源装置を小型化できるとともに、外部交流系統と蓄電装置と受電機器との間で、電力フローをフレキシブルに制御できる。

　上記した以外の課題、構成および効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

実施例１である電源装置の回路構成図である。単位変換器の主回路部の構成例を示す回路図である。外部交流系統の平常時（第１モード）における、実施例１の電源装置における電力伝送の状態を示す図である。第１モードにおける、実施例１の電源装置における制御の流れを示すフローチャートである。第１モードにおける実施例１の電源装置における電流および電圧を示す動作波形図である。外部交流系統の停電時（第２モード）における、本実施例１の電源装置における電力伝送の状態を示す図である。第２モードにおける、実施例１の電源装置における制御の流れを示すフローチャートである。第２モードにおける、実施例１の電源装置における電流および電圧を示す動作波形図である。実施例２である電源装置の回路構成図である。第１モードにおける、実施例２の電源装置における電力伝送の状態を示す図である。第１モードにおける、実施例２の電源装置における制御の流れを示すフローチャートである。第１モードにおける、実施例２の電源装置における電流および電圧を示す動作波形図である。

　以下、本発明の実施形態について、下記の実施例１～２により、図面を用いながら説明する。各図において、参照番号が同一のものは同一の構成要件あるいは類似の機能を備えた構成要件を示している。

　図１は、本発明の実施例１である電源装置の回路構成図である。

　図１に示すように、本実施例１の電源装置は、複数の巻線（図１では６巻線）を備える多巻線トランス２０と、多巻線トランス２０の複数の巻線（ｎ_１１～ｎ_２３）に接続される複数の電力変換器を備えている。

　多巻線トランス２０においては、一個の磁性体コアに６個の独立した巻線（ｎ_１１～ｎ_２３）が巻装されている。

　巻線ｎ_１１には、単位変換器１と単位変換器１１とからなる電力変換器が接続される。単位変換器１の直流側と単位変換器１１の直流側が平滑コンデンサを介して接続される。また、単位変換器１１の交流側が巻線ｎ_１１に接続される。

　巻線ｎ_１２には、単位変換器２と単位変換器１２とからなる電力変換器が接続される。単位変換器２の直流側と単位変換器１２の直流側が平滑コンデンサを介して接続される。また、単位変換器１２の交流側が巻線ｎ_１２に接続される。

　巻線ｎ_１３には、単位変換器３と単位変換器１３とからなる電力変換器が接続される。単位変換器３の直流側と単位変換器１３の直流側が平滑コンデンサを介して接続される。また、単位変換器１３の交流側が巻線ｎ_１３に接続される。

　単位変換器１～３の各交流側は、互いに直列接続され、高調波抑制用のリアクトル１０を介して、外部交流系統１００（例えば、商用交流電源）に接続される。本実施例１においては、このように、複数の単位変換器（１～３）の各交流側が互いに直列接続されるので、トランスを介することなく、外部交流系統１００からの電力を受電できる。また、複数の単位変換器（１～３）で、外部交流系統１００の電圧を分担するので、各単位変換器の主回路を構成する半導体素子の耐圧を低減できる。これらにより、電源装置が小型化できる。

　単位変換器１，２および３は、外部交流系統１００からの交流電力を直流電力に変換する。単位変換器１１，１２，１３は、それぞれ単位変換器１，２および３が出力する直流電力を、所定周波数および所定電圧の交流電力に変換して、それぞれ巻線ｎ_１１，ｎ_１２，ｎ_１３に出力する。

　巻線ｎ_２１には、単位変換器２１からなる電力変換器の交流側が接続される。単位変換器２１の直流側は、平滑コンデンサを備え、平滑コンデンサを介して、発電装置３１に接続される。発電装置３１は、太陽光発電装置や風力発電装置などの分散電源装置である。

　巻線ｎ_２２には、単位変換器２２からなる電力変換器の交流側が接続される。単位変換器２２の直流側は、平滑コンデンサを備え、平滑コンデンサを介して、蓄電装置３２に接続される。蓄電装置３２は、蓄電器および充放電制御回路などを備える。蓄電器としては、蓄電池やキャパシタなどが適用される。

　巻線ｎ_２３には、単位変換器２３からなる電力変換器の交流側が接続される。単位変換器２３の直流側は、平滑コンデンサを備え、平滑コンデンサを介して、受電機器である負荷装置３３に接続される。

　単位変換器２１は、発電装置３１からの直流電力を交流電力に変換して、この交流電力を巻線ｎ_２１に出力する。

　単位変換器２２は、巻線ｎ_２２が出力する交流電力を直流電力に変換して、この直流電力を蓄電装置３２の受電電力として出力する。また、単位変換器２２は、蓄電装置３２からの直流電力を交流電力に変換して、この交流電力を蓄電装置３２から給電される電力として巻線ｎ_２２に出力する。すなわち、単位変換器２２は、双方向変換器として動作する。

　単位変換器２３は、巻線ｎ_２３が出力する交流電力を直流電力に変換して、この直流電力を負荷装置３３が受電する電力として出力する。

　本実施例１では、多巻線トランス２０の複数の巻線の各々に電力変換器が接続されるので、電力変換器を制御することにより、給電側（外部交流系統１００、発電装置３１、蓄電装置３２（放電時））と受電側（負荷装置３３、蓄電装置３２（充電時））の間の電力伝送を制御できる。後述するように、本実施例１では、単位変換器１１～１３，２１～２３の交流側の電圧Ｖ_１１～Ｖ_１３，Ｖ_２１～Ｖ_２３、すなわち巻線ｎ_１１～ｎ_２３の端子電圧の位相を制御することにより、給電側と受電側の間の電力伝送が制御される。これにより、本実施例１の電源装置は、給電側と受電側の間の電力フローをフレキシブルに制御できる。また、多巻線トランス２０の複数の巻線の各々に電力変換器が接続されるので、電力変換器におけるスイッチング周波数に応じて、多巻線トランス２０を高周波化（例えば、１ｋＨｚ以上）することができる。したがって、多巻線トランス２０が小型化できるので、電源装置を小型化できる。

　制御装置２００は、単位変換器の直流側電圧（Ｖ_１～Ｖ_６）の検出値、単位変換器の交流側の電圧すなわち巻線の端子間電圧（Ｖ_１１～Ｖ_２３）の検出値、単位変換器の交流側の電流すなわち巻線に流れる電流（ｉ_１１～ｉ_２３）の検出値に基づいて、単位変換器の交流側の電圧すなわち巻線の端子間電圧（Ｖ_１１～Ｖ_２３）の指令値（Ｖ_１１ ^＊～Ｖ_２３ ^＊）を作成する。これらの検出値は、図示されない電圧センサおよび電流センサによって検出される。なお、指令値（Ｖ_１１ ^＊～Ｖ_２３ ^＊）は、単位変換器（１１～２３）に与えられる。

　なお、図１では、制御装置２００への入力として、便宜上、これら検出値のすべてが記載されているが、制御装置２００は、制御装置２００において動作する制御手段に応じた検出値を入力する。また、制御装置２００は、電流・電圧の検出値に代えて、演算によって求められる推定値を用いてもよい。

　図２は、単位変換器１～３，１１～１３，２１～２３の主回路部の構成例を示す回路図である。

　図２に示す構成例では、一つの半導体スイッチング素子（例えば、Ｓ_１）および一つのダイオード（例えば、Ｄ_１）が逆並列に接続され、一つのアームが構成される。二つのアームが直列に接続されて、一つのレグ（ハーフブリッジ回路）が構成される。さらに、二つのレグが並列に接続されて、単位変換器の主回路部となる単相フルブリッジ回路が構成される。各レグにおける二つのアームの直列接続点が単位変換器の交流側に位置し、二つのレグの並列接続の両端が単位変換器の直流側に位置する。

　半導体スイッチング素子Ｓ_１～Ｓ_４として、図２の構成例では、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）が適用されているが、これに限らず、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）や接合型バイポーラトランジスタが適用されてもよい。

　複数の単位変換器の内、単位変換器１～３は、整流器として動作する。すなわち、単位変換器１～３において、ダイオードＤ_１～Ｄ_４は整流ダイオードとして動作する。なお、単位変換器１～３における半導体スイッチング素子Ｓ_１～Ｓ_４を動作することにより、高調波が低減されるとともに、力率が向上される。

　なお、単位変換器１～３として、図２における半導体スイッチング素子Ｓ_１～Ｓ_４が用いられない、単相のダイオード整流回路を適用してもよい。

　多巻線トランスを介して電力伝送を行う二つの単位変換器、すなわち給電側となる単位変換器１１～１３および２１並びに単位変換器２２（ただし蓄電装置３２の放電時）の内の一つの単位変換器と、受電側となる単位変換器２２（ただし蓄電装置３２の充電時）および単位変換器２３の内の一つの単位変換器とは、多巻線トランス２０とともに、いわゆるＤＡＢ（Dual Active Bridge）方式のＤＣ／ＤＣコンバータと同様の回路構成を備えている。このため、このような二つの単位変換器の交流側の電圧の位相差を制御することにより、二つの単位変換器間で伝送される電力を制御することができる。

　なお、単位変換器１１～２３の各々が備える駆動制御装置（図示せず）によって、制御装置２００が作成する電圧指令値Ｖ_１１ ^＊～Ｖ_２３ ^＊に応じて、各単位変換器における半導体スイッチング素子Ｓ_１～Ｓ_４がオン・オフ制御される。これにより、単位変換器１１～２３は、交流側の電圧Ｖ_１１～Ｖ_２３を、制御装置２００が作成する電圧指令値Ｖ_１１ ^＊～Ｖ_２３ ^＊になるように制御する。

　次に、本実施例１の電源装置の動作の概略について説明する。

　電源装置の動作は、外部交流系統１００の平常時と停電時では異なる。そこで、以下の説明において、平常時および停電時における動作を、それぞれ、第１モードおよび第２モードと記す。

　第１モードでは、外部交流系統１００側および発電装置３１側から給電される電力が、蓄電装置３２側（充電状態）および負荷装置３３側で受電される。この場合、単位変換器１１～１３の各々は、出力電圧（Ｖ_１１，Ｖ_１２，Ｖ_１３）を所定電圧（例えば、定格電圧）に制御し、単位変換器２１は、出力電圧Ｖ_２１を所定電圧（例えば、定格電圧）の付近に制御する。また、単位変換器２２は、交流側の電圧Ｖ_２２を所定電圧（例えば、定格電圧）の付近に制御するとともにＶ_２２の位相を制御して、蓄電装置３２に充電する電力を出力する。単位変換器２３は、交流側の電圧Ｖ_２３の位相を制御して、負荷装置３３側で用いられる電力を出力する。

　第２モードでは、発電装置３１側および蓄電装置３２側（放電状態）から給電される電力が、負荷装置３３側で受電される。この場合、単位変換器２２は、交流側の電圧Ｖ_２２を所定電圧（例えば、定格電圧）に制御し、単位変換器２１は、交流側の電圧Ｖ_２１を定格電圧の付近に制御する。また、単位変換器２３は、交流側の電圧Ｖ_２３の位相を制御して、負荷装置で用いられる電力を出力する。

　ここで、単位変換器１１～１３の各々は、交流側の電圧（Ｖ_１１，Ｖ_１２，Ｖ_１３）を所定電圧（例えば、定格電圧）の付近に制御する。

　これにより、単位変換器１１～１３の直流側の電圧Ｖ_１，Ｖ_２，Ｖ_３が、略一定値に制御される。このため、外部交流系統１００の停電時に、蓄電装置３２側からの電力の流入によるＶ_１，Ｖ_２，Ｖ_３の増大が抑制される。したがって、単位変換器１１～１３を構成する半導体スイッチング素子やダイオードに過電圧がかかることが防止されるので、電源装置の信頼性が向上する。また、半導体スイッチング素子やダイオードの耐圧を大きくする必要がないので、電源装置の電力損失や電源装置の大きさを低減できる。

　次に、第１モードおよび第２モードの各々について、本実施例１の電源装置の動作を具体的に説明する。

　図３は、第１モード、すなわち外部交流系統１００の平常時における、本実施例１の電源装置における電力伝送の状態を示す図である。

　図３に示すように、外部交流系統１００側から給電される電力Ｐ_１１，Ｐ_１２，Ｐ_１３が、それぞれ多巻線トランス２０の巻線ｎ_１１，ｎ_１２，ｎ_１３に入力される。また、発電装置３１側から給電される電力Ｐ_２１が、多巻線トランス２０の巻線ｎ_２１に入力される。電力Ｐ_１１～Ｐ_１３およびＰ_２１は、巻線ｎ_２２およびｎ_２３に伝送され、巻線ｎ_２２およびｎ_２３から出力される。巻線ｎ_２２およびｎ_２３からそれぞれ出力される電力Ｐ_２２およびＰ_２３は、それぞれ蓄電装置３２および負荷装置３３によって受電される。なお、電力Ｐ_２２によって、蓄電装置３２が充電される。

　なお、本実施例１においては、多巻線トランス２０の効率がほぼ１００％であり、多巻線トランス２０への総入力電力（Ｐ_１１＋Ｐ_１２＋Ｐ_１３＋Ｐ_２１）と、多巻線トランス２０からの総出力電力（Ｐ_２２＋Ｐ_２３）は実質等しい。

　図４は、第１モード、すなわち外部交流系統１００の平常時における、本実施例１の電源装置における制御の流れを示すフローチャートである。また、図５は、第１モードにおける本実施例１の電源装置における電流および電圧を示す動作波形図である。

　以下、図４に示す制御の流れについて、適宜、図５を参照しながら説明する。

　まず、ステップＳ１１において、制御装置２００（図１）は、発電装置３１側から給電され多巻線トランス２０の巻線ｎ_２１へ入力される電力Ｐ_２１、および多巻線トランス２０の巻線ｎ_２３から出力され負荷装置３３が受電する電力Ｐ_２３に応じて、外部交流系統１００側からそれぞれ多巻線トランス２０の巻線ｎ_１１，ｎ_１２，ｎ_１３へ入力される電力Ｐ_１１，Ｐ_１２，Ｐ_１３、並びに多巻線トランス２０から蓄電装置３２側へ出力される電力Ｐ_２２を、式（１）の条件（Ｐ_１１＋Ｐ_１２＋Ｐ_１３＋Ｐ_２１（多巻線トランス２０への入力）＝Ｐ_２２＋Ｐ_２３（多巻線トランス２０からの出力）から導出される）のもとで設定する。

　Ｐ_２２＝Ｐ_１１＋Ｐ_１２＋Ｐ_１３＋Ｐ_２１－Ｐ_２３　…（１）
　Ｐ_２２は、蓄電装置３２の状態（ＳＯＣなど）や充電速さなどに応じて変化するが、制御装置２００は、例えば、巻線ｎ_２２の両端電圧および巻線ｎ_２２の両端に流れる電流ｉ_２２の検出値に基づいて、Ｐ_２２を算出する。また、制御装置２００は、巻線ｎ_２３の両端電圧（Ｖ_２３）および巻線ｎ_２３に流れる電流ｉ_２３の検出値に基づいて、Ｐ_２３を算出する。また、制御装置２００は、巻線ｎ_２１の両端電圧（Ｖ_２１）および巻線ｎ_２１に流れる電流ｉ_２１の検出値に基づいて、Ｐ_２１を算出する。さらに、制御装置２００は、式（１）に基づいて、Ｐ_１１，Ｐ_１２，Ｐ_１３を設定する。なお、本実施例１では、単位変換器１１，１２，１３は電力容量が同じであり、Ｐ_１１＝Ｐ_１２＝Ｐ_１３である。

　次に、ステップＳ１２において、制御装置２００は、単位変換器１，２，３（整流器として動作）の直流出力電圧、すなわち単位変換器１１，１２，１３の直流側電圧Ｖ_１，Ｖ_２，Ｖ_３がバランスするように、すなわちＶ_１＝Ｖ_２＝Ｖ_３となるように（図５）、単位変換器１１，１２，１３を制御する。なお、本実施例１では、単位変換器１，２，３の回路構成は同じであり（図２）、単位変換器１，２，３の各入力電圧は、外部交流系統１００の系統電圧の１／３である。したがって、単位変換器１，２，３の各直流出力電圧は、単位変換器１，２，３の交流入力電圧の１／３の整流後の電圧となる。

　また、本実施例１では、Ｖ_４，Ｖ_５，Ｖ_６が所定値となり、かつＶ_４＝Ｖ_５＝Ｖ_６となるように、単位変換器２１，２２，２３が制御される。これにより、本実施例１の電源装置を用いて、直流給電系統を構築できる。この場合、Ｖ_４＝Ｖ_５＝Ｖ_６＝直流母線電圧となる。なお、外部交流系統の系統電圧や直流母線電圧に応じて、もしくは制御の簡単化のために、Ｖ_１＝Ｖ_２＝Ｖ_３＝Ｖ_４＝Ｖ_５＝Ｖ_６としてもよい。

　次に、ステップＳ１３において、制御装置２００は、単位変換器１１，１２，１３が、Ｖ_４，Ｖ_５，Ｖ_６に応じた一定電圧（定格電圧）で、かつ一定周波数の方形波交流電圧である電圧Ｖ_１１，Ｖ_１２，Ｖ_１３（図５）を出力するように、単位変換器１１，１２，１３を制御する。

　本実施例では、単位変換器１１，１２，１３は、Ｖ_１１，Ｖ_１２，Ｖ_１３として、通流率５０％で半導体スイッチング素子をオン・オフ制御して定電圧（定格電圧）・定周波数の方形波交流電圧を出力する。

　なお、Ｖ_１１，Ｖ_１２，Ｖ_１３は、相互に位相差はなく、後述するように位相の基準電圧として用いられる。

　次に、ステップＳ１４において、制御装置２００は、単位変換器２１が、所定電圧（定格電圧）付近であり、かつＶ_１１，Ｖ_１２，Ｖ_１３と同相である電圧Ｖ_２１を出力するように、単位変換器２１を制御する。なお、本実施例１では、Ｖ_２１は、Ｖ_１１，Ｖ_１２，Ｖ_１３と同様に、定電圧（定格電圧）・定周波数の方形波交流電圧であるとともに、Ｖ_１１，Ｖ_１２，Ｖ_１３と同相である（図５）。これにより、外部交流系統１００側および発電装置３１側から、蓄電装置３２側および負荷装置３３側へ電力（Ｐ_１１＋Ｐ_１２＋Ｐ_１３＋Ｐ_２１）を給電することができる。なお、Ｖ_１１，Ｖ_１２，Ｖ_１３は互いに同相であるから、いずれかを位相の基準とすればよい（以下のステップでも同様）。

　次に、ステップＳ１５において、制御装置２００は、単位変換器２２の交流側の電圧Ｖ_２２が、所定電圧（定格電圧）付近であり、かつＶ_１１，Ｖ_１２，Ｖ_１３に対し位相差（図５における「δ_２」）を有するように、単位変換器２２を制御する。なお、本実施例１では、Ｖ_２２は、Ｖ_１１，Ｖ_１２，Ｖ_１３と同様に、定電圧（定格電圧）・定周波数の方形波交流電圧であるとともに、Ｖ_１１，Ｖ_１２，Ｖ_１３に対して位相が遅れている（図５）。これにより、ステップＳ１１で設定されたＰ_２２が、外部交流系統１００側および発電装置３１側より蓄電装置３２側へ伝送される。

　次に、ステップＳ１６において、制御装置２００は、単位変換器２３の交流側の電圧Ｖ_２３が、所定電圧（定格電圧）付近であり、かつＶ_１１，Ｖ_１２，Ｖ_１３に対し位相差（図５における「δ_３」）を有するように、単位変換器２３を制御する。なお、本実施例１では、Ｖ_２３は、Ｖ_１１，Ｖ_１２，Ｖ_１３と同様に、定電圧（定格電圧）・定周波数の方形波交流電圧であるとともに、Ｖ_１１，Ｖ_１２，Ｖ_１３に対して位相が遅れている（図５）。これにより、ステップＳ１１で設定されたＰ_２３が、外部交流系統１００側および発電装置３１側より負荷装置３３側へ伝送される。

　ここで、Ｖ_２２の位相差（δ_２）、Ｖ_２３の位相差（δ_３）は、例えば、次のような手段で設定される（第２モードにおいても同様）。

　ステップＳ１５，Ｓ１６のように、給電側の方形波交流電圧（Ｖ_１１，Ｖ_１２，Ｖ_１３，Ｖ_２１）と受電側の方形波交流電圧（Ｖ_２２，Ｖ_２３）との間に位相差を設定することによる電力伝送は、いわゆるＤＡＢ（Dual Active Bridge）コンバータの動作原理である。公知のＤＡＢコンバータの回路動作を考慮すると、Ｐ_１１，Ｐ_１２，Ｐ_１３，Ｐ_２１，Ｐ_２２，Ｐ_２３は、Ｖ_１～Ｖ_６、Ｖ_２２の位相差（δ_２）、Ｖ_２３の位相差（δ_３）、多巻線トランス２０の回路定数（漏れインダクタンスなど）を用いて数式で表される。これらの数式および式（１）に基づいて、ステップＳ１１で設定された各電力値に応じて、位相差δ_２，δ_３が、制御装置２００において算出される。

　図６は、第２モード、すなわち外部交流系統１００の停電時における、本実施例１の電源装置における電力伝送の状態を示す図である。

　図６に示すように、外部交流系統１００側からは電力は給電されない。また、発電装置３１側から給電される電力Ｐ_２１が、多巻線トランス２０の巻線ｎ_２１に入力される。また、蓄電装置３２側から給電される電力Ｐ_２２（蓄電装置３２の放電電力）が、多巻線トランス２０の巻線ｎ_２２に入力される。電力Ｐ_２１およびＰ_２２は、巻線ｎ_２３に伝送され、巻線ｎ_２３から出力される。巻線ｎ_２３から出力される電力Ｐ_２３は、負荷装置３３によって受電される。

　なお、本実施例１においては、多巻線トランス２０の効率がほぼ１００％であり、多巻線トランス２０への総入力電力（Ｐ_２１＋Ｐ_２２）と、多巻線トランス２０からの総出力電力（Ｐ_２３）は実質等しい。

　図７は、第２モード、すなわち外部交流系統１００の停電時における、本実施例１の電源装置における制御の流れを示すフローチャートである。また、図８は、第２モードにおける本実施例１の電源装置における電流および電圧を示す動作波形図である。

　以下、図７に示す制御の流れについて、適宜、図８を参照しながら説明する。

　まず、ステップＳ２１において、制御装置２００（図１）は、発電装置３１側から給電され多巻線トランス２０の巻線ｎ_２１へ入力される電力Ｐ_２１、および多巻線トランス２０の巻線ｎ_２３から出力され負荷装置３３が受電する電力Ｐ_２３に応じて、蓄電装置３２側から多巻線トランス２０の巻線ｎ_２２へ入力される電力Ｐ_２２を、式（２）の条件（Ｐ_２１＋Ｐ_２２（多巻線トランス２０への入力）＝Ｐ_２３（多巻線トランス２０からの出力）から導出される）のもとで設定する。

　Ｐ_２２＝Ｐ_２３－Ｐ_２１　…（２）
　次に、ステップＳ２２において、制御装置２００は、Ｖ_４，Ｖ_５，Ｖ_６が所定値となり、かつＶ_４＝Ｖ_５＝Ｖ_６となるように（図８）、単位変換器２１，２２，２３を制御する。これにより、単位変換器２１，２２，２３に対して、第１モードにおけるステップＳ１２（図５）と同様の制御が継続して実行される。

　ここで、Ｖ_１，Ｖ_２，Ｖ_３は、蓄電装置３２の放電などにより、単位変換器１１，１２，１３側へ電力が流入すると、停電直後から上昇する（図８）。このため、第１モードにおいて、Ｖ_１＝Ｖ_２＝Ｖ_３＝Ｖ_４＝Ｖ_５＝Ｖ_６となるように制御されている場合には、停電時は、Ｖ_１＝Ｖ_２＝Ｖ_３＞Ｖ_４＝Ｖ_５＝Ｖ_６となる（図８）。

　次に、ステップＳ２３において、制御装置２００は、単位変換器２１が、一定電圧（定格電圧付近）で一定周波数の電圧Ｖ_２１を出力するように、単位変換器２１を制御する。本実施例１では、単位変換器２１は、Ｖ_２１として、通流率５０％で半導体スイッチング素子をオン・オフ制御して定電圧（定格電圧）・定周波数の方形波交流電圧（図８）を出力する。すなわち、単位変換器２１は、第１モードにおける動作を継続する。

　なお、停電時において、Ｖ_２１は、位相の基準電圧として用いられる。

　次に、ステップＳ２４において、制御装置２００は、単位変換器２２の交流側の電圧Ｖ_２２が、第１モードから継続して一定電圧（定格電圧付近）で一定周波数（Ｖ_２１と同じ周波数）の方形波交流電圧になるように、かつＶ_２１と同相になるように（図８）、単位変換器２２を制御する。これにより、発電装置３１側および蓄電装置３２側から電力（Ｐ_２１＋Ｐ_２２）を給電できる。

　次に、ステップＳ２５において、制御装置２００は、単位変換器２３の交流側の電圧Ｖ_２３が、所定電圧（定格電圧）付近であり、かつＶ_２１に対し位相差（図８における「δ_３」）を有するように、単位変換器２３を制御する。なお、本実施例１では、制御装置２００は、Ｖ_２３が、Ｖ_２１と同様に、定電圧（定格電圧）・定周波数の方形波交流電圧になるように、かつ、Ｖ_２１に対して位相が遅れるように（図８）、単位変換器２３を制御する。これにより、負荷装置３３側へ電力Ｐ_２３が伝送される。

　ここで、Ｖ_２３の位相差（δ_３）は、前述の第１モードと同様に、公知のＤＡＢコンバータの回路動作を考慮して設定できる。すなわち、Ｐ_２３は、Ｖ_４～Ｖ_６、Ｖ_２３の位相差（δ_３）、多巻線トランス２０の回路定数（漏れインダクタンスなど）を用いて数式で表される。これらの数式および式（２）に基づいて、位相差δ_３が、制御装置２００において算出される。

　次に、ステップＳ２６において、制御装置２００は、停電時に、単位変換器１１，１２，１３の交流側の電圧が定格電圧付近になるように、単位変換器１１，１２，１３を制御する。このとき、制御装置２００は、単位変換器１１，１２，１３の交流側の電圧Ｖ_１１，Ｖ_１２，Ｖ_１３が、定電圧・定周波数の方形波交流電圧になるように、かつＶ_１１，Ｖ_１２，Ｖ_１３の位相をＶ_２１に合わせるように、単位変換器１１，１２，１３を制御する。また、制御装置２００は、Ｖ_１１，Ｖ_１２，Ｖ_１３が、定格電圧付近で、Ｖ_１１＝Ｖ_１２＝Ｖ_１３となるように単位変換器１１，１２，１３を制御するとともに、単位変換器１１，１２，１３の直流側電圧Ｖ_１，Ｖ_２，Ｖ_３がバランスするように、すなわちＶ_１＝Ｖ_２＝Ｖ_３となるように単位変換器１１，１２，１３を制御する。

　これにより、単位変換器１１，１２，１３が動作して電力を出力するので、停電直後からのＶ_１，Ｖ_２，Ｖ_３の増大が抑制される。このため、単位変換器１１，１２，１３を構成する半導体スイッチング素子に過電圧がかかることが防止される。また、電圧バランス制御により、単位変換器１１，１２，１３において、局所的に過電圧がかかることが防止される。したがって、半導体スイッチング素子の耐圧の設定にあたって、停電時における電圧上昇を見込む必要がなくなり、半導体スイッチング素子の耐圧を低減することができる。

　以下、本発明の実施例２について、図９～１２を用いて説明する。なお、主に、実施例１と異なる点について説明する。

　図９は、本発明の実施例２である電源装置の回路構成図である。

　図９に示すように、本実施例２においては、単位変換器２１，２２，２３の直流側には、それぞれ電気自動車６１，６２，６３（ＥＶ）が接続される。すなわち、本実施例２の電源装置は、複数の電気自動車を充電する充電装置用の電源として機能する。なお、電気自動車６１，６２，６３の各々は、蓄電器を備える蓄電装置を搭載しており、この蓄電装置の蓄電器が、本実施例２の電源装置によって充電される。

　給電対象が電気自動車であるため、電源装置側でアースが取られる。なお、本実施例２では、図９に示すように、多巻線トランス２０の巻線ｎ_２１，ｎ_２２，ｎ_２３の両端の内の一方が接地される。

　他の回路構成は、各単位変換器の構成（図２）を含め、前述の実施例１と同様である。

　次に、本実施例２の電源装置の動作の概略について説明する。

　第１モードでは、外部交流系統１００側から給電される電力が、電気自動車６１，６２，６３側（充電状態）で受電される。この場合、Ｖ_１１，Ｖ_１２，Ｖ_１３を互いに同相とし、これらの電圧と、Ｖ_２１，Ｖ_２２，Ｖ_２３との各位相差を調整することにより、電気自動車ごとに充電電力を設定できる。したがって、電気自動車の蓄電池の容量や所望の充電スピードなどに応じて、充電電力を調整することができる。

　第２モードでは、電気自動車６１，６２，６３間で電力を伝送することができる。例えば、外部交流系統１００が停電した場合、充電の優先度が高い電気自動車や、充電を急ぐ電気自動車に対して、他の電気自動車に蓄電されている電力によって充電が可能である。さらに、実施例１と同様に、単位変換器１１～１３を動作させる。これにより、外部交流系統１００の停電時に、電気自動車６１～６２側からの電力の流入によるＶ_１，Ｖ_２，Ｖ_３の増大が抑制される。

　次に、第１モードおよび第２モードの各々について、本実施例２の電源装置の動作を具体的に説明する。

　図１０は、第１モード、すなわち外部交流系統１００の平常時における、本実施例２の電源装置における電力伝送の状態を示す図である。

　図１０に示すように、外部交流系統１００側から給電される電力Ｐ_１１，Ｐ_１２，Ｐ_１３が、それぞれ多巻線トランス２０の巻線ｎ_１１，ｎ_１２，ｎ_１３に入力される。電力Ｐ_１１～Ｐ_１３は、巻線ｎ_２１～ｎ_２３に伝送され、巻線ｎ_２２～ｎ_２３から出力される。巻線ｎ_２１，ｎ_２２，ｎ_２３からそれぞれ出力される電力Ｐ_２１，Ｐ_２２およびＰ_２３は、それぞれ電気自動車６１，６２および６３によって受電される。

　なお、本実施例２においては、多巻線トランス２０の効率がほぼ１００％であり、多巻線トランス２０への総入力電力（Ｐ_１１＋Ｐ_１２＋Ｐ_１３）と、多巻線トランス２０からの総出力電力（Ｐ_２１＋Ｐ_２２＋Ｐ_２３）は実質等しい。

　図１１は、第１モード、すなわち外部交流系統１００の平常時における、本実施例２の電源装置における制御の流れを示すフローチャートである。また、図１２は、第１モードにおける本実施例２の電源装置における電流および電圧を示す動作波形図である。

　以下、図１１に示す制御の流れについて、適宜、図１２を参照しながら説明する。

　まず、ステップＳ３１において、制御装置２００は、電気自動車６１，６２，６３への電力の配分Ｐ_２１，Ｐ_２２，Ｐ_２３を設定する。Ｐ_２１～Ｐ_２３は、電気自動車６１～６３に搭載される蓄電装置の状態（ＳＯＣなど）や所望の充電スピードなどに応じて変化するが、制御装置２００は、例えば、巻線ｎ_２１の両端電圧Ｖ_２１および巻線ｎ_２１に流れる電流ｉ_２１の検出値に基づいて、Ｐ_２１を算出する。また、制御装置２００は、巻線ｎ_２２の両端電圧Ｖ_２２および巻線ｎ_２２に流れる電流ｉ_２２の検出値に基づいてＰ_２２を算出し、巻線ｎ_２３の両端電圧Ｖ_２３および巻線ｎ_２３に流れる電流ｉ_２３の検出値に基づいてＰ_２３を算出する。

　次に、ステップＳ３２において、制御装置２００は、単位変換器１１，１２，１３の直流側電圧Ｖ_１，Ｖ_２，Ｖ_３がバランスするように、すなわちＶ_１＝Ｖ_２＝Ｖ_３となるように、単位変換器１１，１２，１３を制御する。また、制御装置２００は、単位変換器２１，２２，２３の直流側電圧Ｖ_４，Ｖ_５，Ｖ_６がバランスするように、すなわちＶ_４＝Ｖ_５＝Ｖ_６となるように、単位変換器２１，２２，２３を制御する。

　次に、ステップＳ３３において、制御装置２００は、単位変換器１１，１２，１３の交流側の電圧Ｖ_１１，Ｖ_１２，Ｖ_１３が、一定電圧（定格電圧）で一定周波数の方形波交流電圧（図１２）となるように、単位変換器１１，１２，１３を制御する。本実施例２では、単位変換器１１，１２，１３は、Ｖ_１１，Ｖ_１２，Ｖ_１３として、通流率５０％で半導体スイッチング素子をオン・オフ制御して定電圧（定格電圧）・定周波数の方形波交流電圧を出力する。なお、Ｖ_１１，Ｖ_１２，Ｖ_１３は、相互に位相差はなく、後述するように位相の基準電圧として用いられる。なお、Ｖ_１１，Ｖ_１２，Ｖ_１３のいずれかを位相の基準電圧とすればよい。

　次に、ステップＳ３４において、制御装置２００は、単位変換器２１の交流側の電圧Ｖ_２１が、所定電圧（定格電圧）付近であり、かつＶ_１１，Ｖ_１２，Ｖ_１３に対し位相差（図１２における「δ_１」）を有するように、単位変換器２１を制御する。なお、本実施例２では、制御装置２００は、Ｖ_２１が、定電圧（定格電圧）・定周波数の方形波交流電圧になるように、かつ、Ｖ_１１，Ｖ_１２，Ｖ_１３に対して位相が遅れるように（図１２）、単位変換器２１を制御する。これにより、電気自動車６１側へ電力Ｐ_２１が伝送される。

　次に、ステップＳ３５において、制御装置２００は、単位変換器２２の交流側の電圧Ｖ_２２が、所定電圧（定格電圧）付近であり、かつＶ_１１，Ｖ_１２，Ｖ_１３に対し位相差（図１２における「δ_２」）を有するように、単位変換器２２を制御する。なお、本実施例２では、制御装置２００は、Ｖ_２２が、定電圧（定格電圧）・定周波数の方形波交流電圧になるように、かつ、Ｖ_１１，Ｖ_１２，Ｖ_１３に対して位相が遅れるように（図１２）、単位変換器２２を制御する。これにより、電気自動車６２側へ電力Ｐ_２２が伝送される。

　次に、ステップＳ３６において、制御装置２００は、単位変換器２３の交流側の電圧Ｖ_２３が、所定電圧（定格電圧）付近であり、かつＶ_１１，Ｖ_１２，Ｖ_１３に対し位相差（図１２における「δ_３」）を有するように、単位変換器２３を制御する。なお、本実施例２では、制御装置２００は、Ｖ_２３が、定電圧（定格電圧）・定周波数の方形波交流電圧になるように、かつ、Ｖ_１１，Ｖ_１２，Ｖ_１３に対して位相が遅れるように（図１２）、単位変換器２３を制御する。これにより、電気自動車６３側へ電力Ｐ_２３が伝送される。

　なお、図１２においては、Ｐ_２１＞Ｐ_２２＞Ｐ_２３であり、δ_１＞δ_２＞δ_３となる。

　位相差δ_１，δ_２，δ_３は、前述の実施例１と同様に、公知のＤＡＢコンバータの動作を考慮して設定できる。たとえば、Ｐ_１１，Ｐ_１２，Ｐ_１３，Ｐ_２１，Ｐ_２２，Ｐ_２３を、Ｖ_１～Ｖ_６、Ｖ_２１の位相差（δ_１）、Ｖ_２２の位相差（δ_２）、Ｖ_２３の位相差（δ_３）、多巻線トランス２０の回路定数（漏れインダクタンスなど）を用いて数式で表し、これらの数式および「多巻線トランスへの入力電力（Ｐ_１１＋Ｐ_１２＋Ｐ_１３）＝多巻線トランスからの出力電力（Ｐ_２１＋Ｐ_２２＋Ｐ_２３）」という条件に基づいて、制御装置２００において算出される。

　なお、本実施例２の電源装置の第２モードの動作は、実施例１（図１）における発電装置３１、蓄電装置３２、負荷装置３３を、それぞれ電気自動車６１、電気自動車６２、電気自動車６３に置き換えれば、実施例１と同様の動作となる。この場合、外部交流系統１００の停電時に、電気自動車６１および電気自動車６２からの給電電力が、電気自動車６３によって受電され、電気自動車６３に搭載された蓄電池が充電される。

　なお、本発明は前述した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、前述した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置き換えをすることが可能である。

　例えば、多巻線トランスが備える巻線数は、６巻線に限らず、交流側が直列接続される単位変換器（整流器）の個数（２以上）や、発電装置や蓄電装置および負荷装置の個数に応じて、適宜設定される。なお、上述の実施例の電源装置と同様に、少なくとも蓄電装置および受電機器（負荷装置、蓄電装置（充電時））が少なくとも１台ずつ接続される場合、巻線数は少なくとも４巻線となる（単位変換器の直列数を２以上とする）。

　また、外部交流系統１００からの電力は、単相交流電力に限らず、三相交流電力でもよい。この場合、単位変換器１～３（整流器）として、三相フルブリッジ回路が適用される。

１，２，３　単位変換器、１０　リアクトル、２０　多巻線トランス、１１，１２，１３，２１，２２，２３　単位変換器、３１　発電装置、３２　蓄電装置、３３　負荷装置、６１，６２，６３　電気自動車、１００　外部交流系統、２００　制御装置

Claims

　多巻線トランスと、
　前記多巻線トランスに接続される複数の電力変換器と、
を備える電源装置において、
　前記多巻線トランスが有する複数の第１巻線には、前記複数の電力変換器の内、複数の第１電力変換器が接続され、
　前記第１電力変換器は、整流器部と、前記整流器部に接続され、直流電力を交流電力に変換する変換器部と、を備え、
　複数の前記整流器部の交流側は、互いに直列接続されるとともに、外部交流系統に接続され、
　前記整流器部の直流側は、前記変換器部の直流側に接続され、
　前記変換器部の交流側は、前記第１巻線に接続され、
　前多巻線トランスの第２巻線には、前記複数の電力変換器の内、第２電力変換器が接続され、
　前記第２電力変換器の交流側が前記第２巻線に接続され、
　前記第２電力変換器の直流側には蓄電装置が接続され、
　前多巻線トランスの第３巻線には、前記複数の電力変換器の内、第３電力変換器が接続され、
　前記第３電力変換器の交流側が前記第３巻線に接続され、
　前記第３電力変換器の直流側には受電機器が接続され、
　前記外部交流系統の平常時には、複数の前記第１電力変換器および前記第２電力変換器を制御することにより、複数の前記第１電力変換器と、前記複数の第１巻線と、前記第２巻線と、前記第２電力変換器とを介して、前記外部交流系統からの電力が前記蓄電装置に伝送され、
　前記外部交流系統の平常時には、複数の前記第１電力変換器および前記第３電力変換器を制御することにより、複数の前記第１電力変換器と、前記複数の第１巻線と、前記第３巻線と、前記第３電力変換器とを介して、前記外部交流系統からの電力が前記受電機器に伝送され、
　前記外部交流系統の停電時には、前記第２電力変換器および前記第３電力変換器を制御することにより、前記第２電力変換器と、前記第２巻線と、前記第３巻線と、前記第３電力変換器とを介して、前記蓄電装置からの電力が前記受電機器に伝送されることを特徴とする電源装置。
　請求項１に記載の電源装置において、
　前記外部交流系統の停電時には、前記第１電力変換器の前記変換器部を動作させることを特徴とする電源装置。
　請求項２に記載の電源装置において、
　複数の前記第１電力変換器における複数の前記変換器部は、直流側電圧がバランスするように制御されることを特徴とする電源装置。
　請求項２に記載の電源装置において、
　複数の前記第１電力変換器における複数の前記変換器部は、交流側の電圧がバランスするように制御されることを特徴とする電源装置。
　請求項１に記載の電源装置において、
　前記第１電力変換器の前記変換器部と前記第２電力変換器および前記第３電力変換器の各交流側の電圧は方形波交流電圧であり、
　前記外部交流系統の平常時には、前記第２電力変換器が、前記第１電力変換器の前記方形波交流電圧と前記第２電力変換器の前記方形波交流電圧との間に位相差を設定するように制御され、
　前記外部交流系統の平常時には、前記第３電力変換器が、前記第１電力変換器の前記方形波交流電圧と前記第３電力変換器の前記方形波交流電圧との間に位相差を設定するように制御され、
　前記外部交流系統の停電時には、前記第３電力変換器が、前記第２電力変換器の前記方形波交流電圧と前記第３電力変換器の前記方形波交流電圧との間に位相差を設定するように制御されることを特徴とする電源装置。
　請求項１に記載の電源装置において、
　前多巻線トランスの第４巻線には、前記複数の電力変換器の内、第４電力変換器が接続され、
　前記第４電力変換器の交流側が前記第４巻線に接続され、
　前記第４電力変換器の直流側には発電装置が接続され、
　前記外部交流系統の平常時には、前記第４電力変換器および前記第２電力変換器を制御することにより、前記第４電力変換器と、前記第４巻線と、前記第２巻線と、前記第２電力変換器とを介して、前記発電装置からの電力が前記蓄電装置に伝送され、
　前記外部交流系統の平常時には、前記第４電力変換器および前記第３電力変換器を制御することにより、前記第４電力変換器と、前記第４巻線と、前記第３巻線と、前記第３電力変換器とを介して、前記発電装置からの電力が前記受電機器に伝送され、
　前記外部交流系統の停電時には、前記第４電力変換器および前記第３電力変換器を制御することにより、前記第４電力変換器と、前記第４巻線と、前記第３巻線と、前記第３電力変換器とを介して、前記発電装置からの電力が前記受電機器に伝送されることを特徴とする電源装置。
　請求項１に記載の電源装置において、
　前記受電機器が、負荷装置であることを特徴とする電源装置。
　請求項１に記載の電源装置において、
　前記受電機器が、前記蓄電装置とは別の蓄電装置であることを特徴とする電源装置。
　請求項１に記載の電源装置において、
　前記蓄電装置は電気自動車に搭載されることを特徴とする電源装置。
　請求項８に記載の電源装置において、
　前記別の蓄電装置は電気自動車に搭載されることを特徴とする電源装置。