JP6444204B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、直流電源と電力系統との間に接続される電力変換装置に関する。

電力変換装置には、太陽電池や燃料電池等から出力される直流電力を交流電力に変換し、当該交流電力を電力系統などの外部に供給するパワーコンディショナーと呼ばれるものがある。このような電力変換装置は、一般的に、直流電圧の電圧値を変更するＤＣ−ＤＣコンバータと、インバータ回路などを有して直流電圧を交流電圧に変換するＤＣ−ＡＣコンバータとから構成されている。これらコンバータの回路には、ＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）等のスイッチング素子が備えられている。当該スイッチング素子が適宜スイッチングされることによって、ＤＣ−ＤＣコンバータは直流電源からの直流電圧を、ＤＣ−ＡＣコンバータから出力しようとする交流波形の波高値以上に昇圧し、ＤＣ−ＡＣコンバータは昇圧された直流電圧を所定の交流波形に整形する。これにより、系統連系が実施可能となっている。

ところで、このような電力変換装置では、直流電源とＤＣ−ＤＣコンバータとの間やＤＣ−ＤＣコンバータとＤＣ−ＡＣコンバータとの間に、数百〜数万μＦ程度の大容量の平滑コンデンサなどのコンデンサが並列に接続されている。これらのコンデンサは、ＤＣ−ＤＣコンバータ及びＤＣ−ＡＣコンバータの各々に電力を供給する実質的な電力源になっている。ただし、動作が停止状態にある場合などには、コンデンサに蓄積されている電荷が放電されていることが望ましいことがある。

例えば、工場での動作確認及び検査後の期間や、保守作業などを行う期間である。具体的には、電力変換装置が系統連系等の動作状態から停止に移行した直後は、平滑コンデンサに電荷が蓄積されたままの状態である。このため、工場での動作確認後の期間や保守実施期間などの際に作業者が誤って平滑コンデンサに接触してしまうことが想定される。そこで、これら期間の開始時に、平滑コンデンサに蓄積された電荷の電圧が安全な電圧になるように、平滑コンデンサを放電可能な技術が提案されている。

例えば特許文献１には、起動時にコンデンサに流れてコンデンサ等の部品に悪影響を与える突入電流を抑制する突入電流防止抵抗を、コンデンサを放電する抵抗として利用する技術が開示されている。

また例えば特許文献２に開示の技術では、高電位側のスイッチング素子及び低電位側のスイッチング素子の双方をオン状態とする。そして、その時に流れる短絡電流が低減するように、電圧を可変させてスイッチング素子の損失を通常動作時より増大させる。これによりコンデンサの電荷を放電させることが可能となっている。

特許第３２８２３３７号公報 特許第５３９７４４２号公報

しかしながら特許文献１に開示の技術では、二つの特別なスイッチを追加する必要がある。このため、コストの抑制化及び基板面積縮小化において改善の余地がある。

また、特許文献２に開示の技術では、スイッチング素子の損失を通常動作よりも大きくすべく、導通制御端子（ＩＧＢＴのゲート端子など）に印加する電圧を可変できる回路が必要となる。また、電圧による制御のためのスイッチング素子も電圧制御型のものに限られてしまう。

そこで、本発明は、上記のような問題点を鑑みてなされたものであり、電力変換装置のサイズ及び部品を抑制可能な技術を提供することを目的とする。

本発明に係る電力変換装置は、直流電源と電力系統との間に接続される電力変換装置であって、前記直流電源と並列接続される入力コンデンサと、前記入力コンデンサと並列接続され、前記直流電源から前記入力コンデンサを介して入力される直流電圧を昇圧することが可能なＤＣ−ＤＣコンバータと、前記ＤＣ−ＤＣコンバータと並列接続され、前記ＤＣ−ＤＣコンバータで昇圧された直流電圧を平滑する平滑コンデンサと、前記平滑コンデンサと並列接続され、前記平滑コンデンサで平滑された直流電圧を、前記電力系統に出力される交流電圧に変換するＤＣ−ＡＣコンバータとを備える。前記ＤＣ−ＡＣコンバータは、複数のスイッチング素子からなる複数組の上アーム及び下アームと、前記複数のスイッチング素子にそれぞれ並列接続される複数の還流ダイオードとを含む。前記電力変換装置は、前記平滑コンデンサの前記並列接続された一端と、前記ＤＣ−ＡＣコンバータの前記並列接続された一端との間に接続され、前記電力系統から前記平滑コンデンサに流れる突入電流を抑制可能な第１抵抗と、前記平滑コンデンサの前記並列接続された前記一端と、前記ＤＣ−ＡＣコンバータの前記並列接続された前記一端との間にて、前記第１抵抗と並列接続されたスイッチと、前記平滑コンデンサに蓄えられた電力を前記第１抵抗により放電する場合に、前記スイッチをオフし、かつ、少なくとも１組の前記上アーム及び前記下アームを同時にオンして、アームを短絡させる制御回路とをさらに備える。

本発明によれば、電力変換装置のサイズ及び部品を抑制することができる。

実施の形態１に係る電力変換装置の概略構成を示す回路図である。 実施の形態１に係る電力変換装置における突入電流の電流経路を示す図である。 実施の形態１に係る電力変換装置における放電電流の電流経路を示す図である。 実施の形態２に係る電力変換装置の概略構成を示す回路図である。 実施の形態３に係る電力変換装置の概略構成を示す回路図である。 実施の形態４に係る電力変換装置の概略構成を示す回路図である。 関連装置の概略構成を示す回路図である。

＜実施の形態１＞
まず、本発明の実施の形態１に係る電力変換装置について説明する前に、それと関連する電力変換装置（以下、「関連装置」と記す）について説明する。

図７は関連装置の概略構成を示す回路図である。図７の関連装置は、平滑コンデンサ６１と、突入電流防止抵抗６２と、第１スイッチ６３と、第２スイッチ６４と、制御回路６５とを備えている。第１及び第２スイッチ６３，６４は、オン時に導通状態となり、オフ時に切断状態（非導通状態）となる。第１及び第２スイッチ６３，６４のオン及びオフは、制御回路６５によって制御される。

第１スイッチ６３は、突入電流防止抵抗６２と並列接続されており、第２スイッチ６４は、突入電流防止抵抗６２と直列接続されている。通常動作時には、第１スイッチ６３はオンされる。平滑コンデンサ６１の放電時には、第１スイッチ６３はオフされ、かつ、第２スイッチ６４はオンされる。

このような関連装置の構成によれば、通常動作時には、突入電流防止抵抗６２による電力の消費を防止することができるとともに、平滑コンデンサ６１の放電時には、突入電流防止抵抗６２を用いて放電を行うことができる。この結果、一つの突入電流防止抵抗６２によって、平滑コンデンサ６１の放電と、突入電流の抑制とを行うことができるので、コストの抑制化及び基板面積縮小化が可能となる。また、突入電流防止抵抗６２に適切な抵抗値の抵抗を用いることができるので、平滑コンデンサ６１の放電時間の短縮化が期待できる。

しかしながら、図７の関連装置では、上記の動作を行うための第１及び第２スイッチ６３，６４という特別な部品を追加する必要がある。このため、コストの抑制化及び基板面積縮小化において改善の余地がある。そこで、本実施の形態１に係る電力変換装置では、さらなるコストの抑制化及び基板面積縮小化が可能となっている。

図１は、本実施の形態１に係る電力変換装置の概略構成を示す回路図である。電力変換装置２が、太陽電池（直流電源）１と電力系統１９との間に接続されることによって、系統連系システムが構成されている。なお、本実施の形態１では、直流電源に太陽電池１を適用した構成について説明するが、直流電源はこれに限定されるものではなく、例えば燃料電池等が適用されてもよい。

図１の電力変換装置２は、開閉器３と、入力コンデンサ４と、ＤＣ−ＤＣコンバータ５と、平滑コンデンサ６と、突入電流防止抵抗（第１抵抗）７と、スイッチ８と、ＤＣ−ＡＣコンバータ９と、ＡＣリアクトル１０と、フィルタコンデンサ１１と、系統スイッチ（連系スイッチ）１２ａ，１２ｂと、操作端末１３と、制御回路１４と、制御回路用電源１５とを備えている。このように構成された電力変換装置２は、太陽電池１により発電された直流電圧を、所望の交流電圧に変換して電力系統１９に出力することが可能となっている。

以下、電力変換装置２の各構成要素について詳細に説明する。

開閉器３は、太陽電池１と電力変換装置２の内部回路との間の接続及び切断を選択的に行う。なお、開閉器３は、オン時に接続状態（導通状態）となり、オフ時に切断状態（非導通状態）となる。以下の説明では、特段の記載がない限り、開閉器３は接続状態であることを前提にして説明する。

入力コンデンサ４は、開閉器３を介して太陽電池１と並列接続される。

図１では、ＤＣ−ＤＣコンバータ５は、入力コンデンサ４と並列接続された昇圧チョッパ回路であり、ＤＣリアクトル５ａと、スイッチング素子５ｂと、還流ダイオード５ｂ１と、整流ダイオード５ｃとを含んでいる。還流ダイオード５ｂ１は、スイッチング素子５ｂに並列接続されている。

以上のように構成されたＤＣ−ＤＣコンバータ５は、太陽電池１から入力コンデンサ４を介して直流電圧が入力される。ＤＣ−ＤＣコンバータ５は、スイッチング素子５ｂが高速スイッチングされることで、当該入力された直流電圧を昇圧することが可能となっている。

平滑コンデンサ６は、ＤＣ−ＤＣコンバータ５と並列接続されている。この平滑コンデンサ６は、ＤＣ−ＤＣコンバータ５によって昇圧された直流電圧を平滑する。これにより、昇圧された直流電圧のうち、スイッチング素子５ｂが高速スイッチングされることによって発生するノイズなどの高周波成分が低減される。

ＤＣ−ＡＣコンバータ９は、平滑コンデンサ６と並列接続された単相フルブリッジ回路であり、複数のスイッチング素子９ａ〜９ｄからなる複数組の上アーム及び下アームと、複数の還流ダイオード９ａ１〜９ｄ１とを含んでいる。なお、スイッチング素子９ａ〜９ｄは、オン時に接続状態（導通状態）となり、オフ時に切断状態（非導通状態）となる。

本実施の形態１では、複数組の上アーム及び下アームは、第１組の上アームであるスイッチング素子９ａと、第１組の下アームであるスイッチング素子９ｂと、第２組の上アームであるスイッチング素子９ｃと、第２組の下アームであるスイッチング素子９ｄとを含んでいる。

複数の還流ダイオード９ａ１〜９ｄ１は、複数のスイッチング素子９ａ〜９ｄにそれぞれ並列接続されている。

以上のように構成されたＤＣ−ＡＣコンバータ９は、スイッチング素子９ａ〜９ｄが高速スイッチングされることで、平滑コンデンサ６で平滑された直流電圧を降圧することと、当該直流電圧を電力系統１９に出力される交流電圧に変換することとが可能となっている。

フィルタコンデンサ１１の一端は、ＡＣリアクトル１０を介してスイッチング素子９ａ，９ｂ同士の接続点と接続されており、フィルタコンデンサ１１の他端はスイッチング素子９ｃ，９ｄ同士の接続点と接続されている。ＡＣリアクトル１０及びフィルタコンデンサ１１は、ＤＣ−ＡＣコンバータ９で変換された交流電圧のうち、スイッチング素子９ａ〜９ｄが高速スイッチングされることによって発生するノイズなどの高周波成分を低減するＬＣフィルタを構成している。

系統スイッチ１２ａは、フィルタコンデンサ１１の一端と電力系統１９の一端との間の接続及び切断を選択的に行い、系統スイッチ１２ｂは、フィルタコンデンサ１１の他端と電力系統１９の他端との間の接続及び切断を選択的に行う。系統スイッチ１２ａ，１２ｂは、オン時に接続状態（導通状態）となり、オフ時に切断状態（非導通状態）となる。

突入電流防止抵抗７は、平滑コンデンサ６の並列接続された一端と、ＤＣ−ＡＣコンバータ９の並列接続された一端との間に接続されている。ここで、起動時などにおいて、系統スイッチ１２ａ，１２ｂがオンされ、電力系統１９と電力変換装置２の内部回路とが接続されると、電力系統１９から平滑コンデンサ６に、平滑コンデンサ６等の部品に悪影響を与える突入電流が流れる。詳細については後述するが、突入電流防止抵抗７は、このような突入電流を抑制（制限）することが可能となっている。

スイッチ８は、平滑コンデンサ６の並列接続された一端と、ＤＣ−ＡＣコンバータ９の並列接続された一端との間にて、突入電流防止抵抗７と並列接続されている。スイッチ８は、オン時に接続状態（導通状態）となり、オフ時に切断状態（非導通状態）となる。本実施の形態１では、コンデンサの放電時または突入電流抑制時には、スイッチ８はオフされ、平滑コンデンサ６が満充電となった後の通常動作時には、スイッチ８はオンされて突入電流防止抵抗７の両端を短絡する。

制御回路１４は、電力変換装置２の各構成要素を統括的に制御する。例えば、制御回路１４は、図示しない電圧センサーや電流センサーによって計測された電圧値や電流値が入力される。制御回路１４は、それら電圧値及び電流値に基づいて、ＤＣ−ＤＣコンバータ５のスイッチング素子５ｂ及びＤＣ−ＡＣコンバータ９のスイッチング素子９ａ〜９ｄに、制御信号Ｃ１及び制御信号Ｃ３をそれぞれ出力することにより、スイッチング素子５ｂ，９ａ〜９ｄのオン及びオフを制御する。この結果、電圧値や電流値は、制御回路１４にフィードバックされることになる。

また、制御回路１４は、スイッチ８に制御信号Ｃ２を出力することによりスイッチ８のオン及びオフを制御し、系統スイッチ１２ａ，１２ｂに制御信号Ｃ４を出力することにより系統スイッチ１２ａ，１２ｂのオン及びオフを制御する。操作端末１３は、作業者からの操作を受け付け、その操作に応じた指令を制御回路１４に送信する。制御回路１４は、操作端末１３から送信された指令も考慮して、上述の制御を行う。

なお、制御回路１４は、通常動作、突入電流の抑制、及び、コンデンサの放電のいずれか１つの動作モードに基づいて、スイッチング素子５ｂ，９ａ〜９ｄ、スイッチ８、及び、系統スイッチ１２ａ，１２ｂのオン及びオフを制御する。これについては後で詳細に説明する。

制御回路用電源１５は、制御回路１４を動作させるための電力を、制御回路１４に供給する電源である。ただし、制御回路１４を動作させるための電力は、これに限ったものではなく、例えば太陽電池１または電力系統１９などから生成したり、外部から供給されたりしてもよい。

＜動作＞
次に本実施の形態１に係る電力変換装置２の動作について説明する。

＜突入電流の抑制＞
開閉器３をオンすると、太陽電池１の電力は入力コンデンサ４に充電される。これにより、入力コンデンサ４は、ＤＣ−ＤＣコンバータ５の実質的な電源となる。

系統スイッチ１２ａ，１２ｂをオンすると、電力系統１９から、電荷が充電されていない平滑コンデンサ６に突入電流が流れる。この場合に、制御回路１４は、制御信号Ｃ２の送信によりスイッチ８をオフする。

図２は、電力系統１９から平滑コンデンサ６に流れる突入電流を突入電流防止抵抗７により抑制する場合の突入電流の流れを示す図である。図２の実線の矢印は、電力系統１９の一端側（上側）の電圧が正であり、他端側（下側）の電圧が負である場合の突入電流の流れを示している。この場合の突入電流は、電力系統１９から、系統スイッチ１２ａ、ＡＣリアクトル１０、還流ダイオード９ａ１、突入電流防止抵抗７、平滑コンデンサ６、還流ダイオード９ｄ１、系統スイッチ１２ｂ、及び、電力系統１９へ、この順で流れる。図２の破線の矢印は、電力系統１９の一端側（上側）の電圧が負であり、他端側（下側）の電圧が正である場合の突入電流の流れを示している。この場合の突入電流は、電力系統１９から、系統スイッチ１２ｂ、還流ダイオード９ｃ１、突入電流防止抵抗７、平滑コンデンサ６、還流ダイオード９ｂ１、系統スイッチ１２ａ、電力系統１９へ、この順で流れる。

上述の突入電流が流れる経路には、突入電流防止抵抗７が含まれるので、平滑コンデンサ６への突入電流が低減（制限）される。低減後の突入電流の最大値が、系統スイッチ１２ａ，１２ｂや図示されていないヒューズなどが許容できる電流値に制限されるように、設計時に突入電流防止抵抗７の抵抗値が適切に選定される。

突入電流が流れると、平滑コンデンサ６に電荷が充電されて、平滑コンデンサ６の電圧が上昇する。この電圧上昇により、平滑コンデンサ６の電圧が予め定められた電圧以上になると、電力系統１９から平滑コンデンサ６に突入電流が流れなくなる。この時点で制御回路１４は、スイッチ８をオンする。これにより、その後に通常動作時（系統連系時）に移行しても、突入電流防止抵抗７での電力消費を抑制することができる。

なお、一般的な回路構成では、突入電流防止抵抗７は交流電圧の配線上に配設される。これに対して、本実施の形態１のように、突入電流防止抵抗７及びスイッチ８が直流電圧の配線上に配設される回路構成では、高電圧によるアークによって接点の溶着が発生してしまう可能性がある。このような溶着を防ぐために、直流電圧用のスイッチをスイッチ８に適用することも考えられるが、直流電圧用のスイッチは交流電圧用のスイッチと比べて大型で高価である。

そこで、本実施の形態１では、スイッチ８をオンする時点は、充電電流がゼロになる時点、平滑コンデンサ６の電圧が電力系統１９の電圧のピーク値と等しくなる時点、平滑コンデンサ６が満充電となる、理論的な算出により予測される時点のいずれかに設定されている。そして、スイッチ８をオフする時点は、スイッチング素子の停止後の時点に設定されている。制御回路１４は、このような設定に基づいてスイッチ８のオン及びオフを制御する。このような本実施の形態１によれば、接点間の電圧を下げることができるので、交流電圧用のスイッチをスイッチ８に適用することが可能となっている。

＜通常動作＞
電力系統１９から平滑コンデンサ６に突入電流が流れなくなった時点でスイッチ８をオンした後、制御回路１４は、ＤＣ−ＤＣコンバータ５による昇圧動作を開始する。具体的には、制御回路１４はスイッチング素子５ｂをオンする。これによりＤＣリアクトル５ａにエネルギーが蓄積される。その後、制御回路１４はスイッチング素子５ｂをオフする。これにより、ＤＣリアクトル５ａに蓄積されたエネルギーが、整流ダイオード５ｃを通して昇圧分の電圧として放出される。制御回路１４は、制御信号Ｃ１の送信により、スイッチング素子５ｂのオン期間及びオフ期間を制御し、それによって昇圧分の電圧を調整する。この調整により、昇圧比は、太陽電池１からの直流電圧が電力系統１９の電圧ピーク値以上に昇圧される。

平滑コンデンサ６の電圧が、電力系統１９のピーク値以上の予め定められた直流電圧になると、制御回路１４は、制御信号Ｃ３の送信により、ＤＣ−ＡＣコンバータ９のスイッチング素子９ａ〜９ｄのスイッチングを行う。これにより、平滑コンデンサ６からＤＣ−ＡＣコンバータ９に入力される直流電圧が、所望の交流波形を有する交流電圧に変換される。変換後の交流電圧は、ＡＣリアクトル１０及びフィルタコンデンサ１１により構成されるＬＣフィルタを介して電力系統１９に出力される。

以上の結果、入力コンデンサ４には太陽電池１と同電圧が充電され、平滑コンデンサ６には電力系統１９の交流波形のピーク値以上に昇圧された直流電圧が充電される。

＜コンデンサの放電＞
図３は、入力コンデンサ４及び平滑コンデンサ６に蓄えられた電力を突入電流防止抵抗７により放電する場合の放電電流の流れを示す図である。次に、入力コンデンサ４及び平滑コンデンサ６に充電された電荷の放電について説明する。

工場での生産ラインにおいて、電力変換装置２の組み立て、調整、動作確認及び検査などが完了した後、操作端末１３から電力変換装置２に動作を停止するように指令を出す。制御回路１４は、その指令を受信すると、電力変換装置２を電力変換状態から停止状態に移行させる。具体的には、制御回路１４は、制御信号Ｃ１，Ｃ３の送信によりスイッチング素子５ｂ，９ａ〜９ｄのスイッチング動作を停止させる。

その後、図３に示すように、制御回路１４は、制御信号Ｃ４の送信により系統スイッチ１２ａ，１２ｂをオフし、制御信号Ｃ２の送信によりスイッチ８をオフする。次に開閉器３を切断（オフ）する。

制御回路１４は、放電の指示を操作端末１３から受けると、制御信号Ｃ３の送信により、少なくとも１組の上アーム及び下アームを同時にオンする。ここでは、制御回路１４は、第１組の上アーム（スイッチング素子９ａ）及び下アーム（スイッチング素子９ｂ）をオンして、第２組の上アーム（スイッチング素子９ｃ）及び下アーム（スイッチング素子９ｄ）をオフする。しかしこれに限定されるものではなく、制御回路１４は、第１組の上アーム及び下アームをオフして、第２組の上アーム及び下アームをオンしてもよいし、後述する変形例が適用されてもよい。

図３の実線の矢印に示されるように、入力コンデンサ４の放電電流（電荷）は、入力コンデンサ４から、ＤＣリアクトル５ａ、整流ダイオード５ｃを通って、平滑コンデンサ６の放電電流（電荷）に加えられる。平滑コンデンサ６の放電電流（電荷）は、平滑コンデンサ６を出て、入力コンデンサ４の放電電流（電荷）が加わった後、突入電流防止抵抗７、スイッチング素子９ａ、スイッチング素子９ｂ、及び、入力コンデンサ４または平滑コンデンサ６にこの順で流れる。これにより、入力コンデンサ４及び平滑コンデンサ６に蓄積された電荷が、突入電流防止抵抗７によって放電される。

この放電電流の最大値は、突入電流防止抵抗７の抵抗値と平滑コンデンサ６の充電電圧により決まるので、スイッチング素子９ａ，９ｂの最大定格電流以下となるように、設計時に突入電流防止抵抗７の抵抗値が適切に選定される。ここでは、上述した突入電流の観点から選定すべき突入電流防止抵抗７の抵抗値と、放電電流の観点から選定すべき突入電流防止抵抗７の抵抗値とのうち、大きい方の抵抗値が設計時に採用されているものとする。

以上のような本実施の形態１に係る電力変換装置２によれば、スイッチング素子９ａ〜９ｄを、放電電流の経路を形成するスイッチ（例えば図１の第２スイッチ６４）の代わりに用いることができる。したがって、電力変換装置２のコンデンサを放電するための特別な部品の追加を低減することができるので、基板面積の増大による電力変換装置２の大型化を抑制すること、または、部品増大によるコストアップを抑制することが期待できる。

＜実施の形態２＞
図４は、本発明の実施の形態２に係る電力変換装置の概略構成を示す回路図である。なお、本実施の形態２に係る電力変換装置２において、以上で説明した構成要素と同一または類似するものについては同じ参照符号を付し、異なる部分について主に説明する。

実施の形態１では、太陽電池１の電力を電力系統１９に放電（出力）する回路構成であったが、電力変換装置２は、これに限定されるものではない。本実施の形態２では、太陽電池１の代わりに蓄電池２１が用いられ、ＤＣ−ＤＣコンバータ５の代わりにＤＣ−ＤＣコンバータ２２が用いられている。

蓄電池２１は、電力変換装置２を介して電力系統１９に電力を放電する。また、蓄電池２１は、充電が必要な場合には、電力系統１９から電力変換装置２を介して電力を充電する。蓄電池２１には、例えばリチウムイオン電池などが適用される。

ＤＣ−ＤＣコンバータ２２は、実施の形態１のＤＣリアクトル５ａ、スイッチング素子５ｂ及び還流ダイオード５ｂ１と同様のＤＣリアクトル２２ａ、スイッチング素子２２ｂ及び還流ダイオード２２ｂ１を含んでいる。一方、ＤＣ−ＤＣコンバータ２２は、実施の形態１の整流ダイオード５ｃの代わりに、スイッチング素子２２ｃ及び還流ダイオード２２ｃ１を含んでいる。

このように構成されたＤＣ−ＤＣコンバータ２２は、実施の形態１のＤＣ−ＤＣコンバータ５と同様に、蓄電池２１から入力された直流電圧を昇圧することが可能となっている。また、ＤＣ−ＤＣコンバータ２２は、平滑コンデンサ６から入力される直流電圧を降圧して蓄電池２１に放電（出力）することも可能となっている。つまり、ＤＣ−ＤＣコンバータ２２は、昇降圧可能となっている。ＤＣ−ＤＣコンバータ２２により昇圧する場合には、制御回路１４は、制御信号Ｃ１の送信によりスイッチング素子２２ｂを高速スイッチングさせる。ＤＣ−ＤＣコンバータ２２により降圧する場合には、制御回路１４は、制御信号Ｃ１の送信によりスイッチング素子２２ｃを高速スイッチングさせる。

＜動作＞
次に、電力系統１９からの電力を蓄電池２１に充電する動作について説明する。平滑コンデンサ６が電力系統１９によって充電されるまでの動作は、図２と同様であるため、その説明は省略する。

平滑コンデンサ６が充電されるとＤＣ−ＡＣコンバータ９が昇圧動作を行う。この昇圧動作は、昇圧された電圧が、例えば放電開始時の電圧と同じになるまで行う。昇圧した電圧は平滑コンデンサ６で平滑される。

ＤＣ−ＤＣコンバータ２２は、平滑コンデンサ６から入力された直流電圧を降圧する。具体的には、スイッチング素子２２ｃが高速スイッチングされることにより、平滑コンデンサ６から出てスイッチング素子２２ｃを通った電圧は、ＤＣリアクトル２２ａ及び入力コンデンサ４にて平滑され、直流電圧となる。スイッチング素子２２ｃがオフである間、ＤＣリアクトル２２ａに蓄積されたエネルギーは、スイッチング素子２２ｂに並列接続されている還流ダイオード２２ｂ１で還流される。この結果として、ＤＣ−ＤＣコンバータ２２による降圧が実現されている。

降圧後の直流電圧は蓄電池２１に供給されて充電される。なお、図示しないが、蓄電池２１内にあるＢＭＵ（バッテリマネージメントユニット）から、蓄電池２１に充電すべき電圧や電流を示す指令が制御回路１４に送信され、制御回路１４は、その指令に基づいて制御信号Ｃ１を変更することにより、ＤＣ−ＤＣコンバータ２２が制御される。

なお、実施の形態１の入力コンデンサ４の放電経路には、整流ダイオード５ｃが含まれていたが、本実施の形態２の放電経路には、整流ダイオード５ｃの代わりに、スイッチング素子２２ｃに並列接続された還流ダイオード２２ｃ１が含まれる。この点を除けば、本実施の形態２に係るコンデンサの放電は、実施の形態１と同様である。

以上のような本実施の形態２によれば、蓄電池２１から電力系統１９への向き及び電力系統１９から蓄電池２１への向きに電力を供給することが可能な電力変換装置２を実現することができる。

＜実施の形態３＞
図５は、本発明の実施の形態３に係る電力変換装置の概略構成を示す回路図である。なお、本実施の形態３に係る電力変換装置２において、以上で説明した構成要素と同一または類似するものについては同じ参照符号を付し、異なる部分について主に説明する。

実施の形態１では、制御回路１４を動作させるための電力は、制御回路用電源１５、太陽電池１または電力系統１９などから生成したり、外部から供給されたりしてもよいと説明した。

これに対して、本実施の形態３に係る電力変換装置２では、制御回路用電源１５の代わりに制御用電源２６が備えられている。この制御用電源２６は、平滑コンデンサ６に蓄えられた電力を放電する場合に、平滑コンデンサ６の当該電力を、制御回路１４を動作させるための電力として制御回路１４に供給する。

＜動作＞
次に、本実施の形態３に係る電力変換装置２の動作について説明する。なお、入力コンデンサ４及び平滑コンデンサ６の放電以外の動作は、実施の形態１と同様であるため省略する。

入力コンデンサ４及び平滑コンデンサ６の電荷を放電中、それらの放電電流は、図３の経路を流れるだけでなく、制御回路１４を動作させるための制御用電源２６にも流れる。これにより、入力コンデンサ４及び平滑コンデンサ６に充電された電力を、制御回路１４において有効利用することができるとともに、当該電力を消費することができる。また、この結果として、コンデンサの放電時間の短縮化も期待できる。

なお、入力コンデンサ４及び平滑コンデンサ６の放電後の電圧はゼロが理想である。しかしながら、当該電圧がゼロになる前に制御用電源２６が制御回路１４に電力を供給できなくなると、制御回路１４は、第１組の上アーム及び下アーム、または、第２組の上アーム及び下アームを同時にオンすることができなくなり、入力コンデンサ４及び平滑コンデンサ６に電圧が残ってしまうことがあると考えられる。そこで、本実施の形態３に係る電力変換装置２は、その残電圧が十分に低くなるように設計されることが望ましい。

＜実施の形態４＞
図６は、本発明の実施の形態４に係る電力変換装置の概略構成を示す回路図である。なお、本実施の形態４に係る電力変換装置２において、以上で説明した構成要素と同一または類似するものについては同じ参照符号を付し、異なる部分について主に説明する。

本実施の形態４に係る電力変換装置２では、平滑コンデンサ６と制御回路１４との間にて、平滑コンデンサ６と並列接続された放電抵抗（第２抵抗）３１が追加されている。

このような本実施の形態４に係る電力変換装置２によれば、上述したように、制御回路１４が第１組の上アーム及び下アーム、または、第２組の上アーム及び下アームを同時にオンすることができなくなったとしても、入力コンデンサ４及び平滑コンデンサ６の残電圧を、放電抵抗３１にて放電することができる。したがって、作業者などが誤って平滑コンデンサ６に接触した際に生じる問題を抑制することができる。

＜変形例＞
以上の説明では、スイッチング素子５ｂ，９ａ〜９ｄ，２２ｂ，２２ｃは，ＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）であるものとして説明したが、これに限ったものではなく、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）であってもよい。

また、以上の説明では、第１組の上アーム及び下アームと、第２組の上アーム及び下アームとのいずれか一方を同時にオンした。しかし、放電電流が特定のスイッチング素子に流れ続けると、スイッチング素子が発熱する。

このことを鑑みて、制御回路１４は、平滑コンデンサ６に蓄えられた電力を放電する場合に、複数組（ここでは第１組及び第２組）の中からオンすべき組を順に切り替えてもよい。このような構成によれば、第１組及び第２組において交互に発熱させることができるので、発熱の集中により生じる不具合を抑制することができる。

あるいは、制御回路１４は、平滑コンデンサ６に蓄えられた電力を放電する場合に、複数組（ここでは第１組及び第２組）の上アーム及び下アームの全てをオンしてもよい。このような構成によれば、第１組及び第２組に発熱を分散させることができるので、発熱の集中により生じる不具合を抑制することができる。

また、複数組は、２組（第１組及び第２組）であったが、これに限ったものではなく３つ以上の組であってもよい。

なお、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態及び各変形例を自由に組み合わせたり、各実施の形態及び各変形例を適宜、変形、省略したりすることが可能である。

１ 太陽電池、２ 電力変換装置、４ 入力コンデンサ、５，２２ ＤＣ−ＤＣコンバータ、６ 平滑コンデンサ、７ 突入電流防止抵抗、８ スイッチ、９ ＤＣ−ＡＣコンバータ、９ａ〜９ｄ スイッチング素子、９ａ１〜９ｄ１ 還流ダイオード、１４ 制御回路、１９ 電力系統、２１ 蓄電池、３１ 放電抵抗。

Claims (6)

1. 直流電源と電力系統との間に接続される電力変換装置であって、
   前記直流電源と並列接続される入力コンデンサと、
   前記入力コンデンサと並列接続され、前記直流電源から前記入力コンデンサを介して入力される直流電圧を昇圧することが可能なＤＣ−ＤＣコンバータと、
   前記ＤＣ−ＤＣコンバータと並列接続され、前記ＤＣ−ＤＣコンバータで昇圧された直流電圧を平滑する平滑コンデンサと、
   前記平滑コンデンサと並列接続され、前記平滑コンデンサで平滑された直流電圧を、前記電力系統に出力される交流電圧に変換するＤＣ−ＡＣコンバータと
   を備え、
   前記ＤＣ−ＡＣコンバータは、
   複数のスイッチング素子からなる複数組の上アーム及び下アームと、前記複数のスイッチング素子にそれぞれ並列接続される複数の還流ダイオードとを含み、
   前記電力変換装置は、
   前記平滑コンデンサの前記並列接続された一端と、前記ＤＣ−ＡＣコンバータの前記並列接続された一端との間に接続され、前記電力系統から前記平滑コンデンサに流れる突入電流を抑制可能な第１抵抗と、
   前記平滑コンデンサの前記並列接続された前記一端と、前記ＤＣ−ＡＣコンバータの前記並列接続された前記一端との間にて、前記第１抵抗と並列接続されたスイッチと、
   前記平滑コンデンサに蓄えられた電力を前記第１抵抗により放電する場合に、前記スイッチをオフし、かつ、少なくとも１組の前記上アーム及び前記下アームを同時にオンして、アームを短絡させる制御回路と
   をさらに備える、電力変換装置。
2. 請求項１に記載の電力変換装置であって、
   前記直流電源は蓄電池を含み、
   前記ＤＣ−ＤＣコンバータは、
   前記平滑コンデンサから入力される直流電圧を降圧して前記蓄電池に出力することも可能な、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であって、
   前記平滑コンデンサに蓄えられた電力を放電する場合に、当該電力を前記制御回路に供給する、電力変換装置。
4. 請求項３に記載の電力変換装置であって、
   前記平滑コンデンサと前記制御回路との間にて、前記平滑コンデンサと並列接続された第２抵抗をさらに備える、電力変換装置。
5. 請求項１から請求項４のうちのいずれか１項に記載の電力変換装置であって、
   前記制御回路は、
   前記平滑コンデンサに蓄えられた電力を放電する場合に、前記複数組の中から同時にオンすべき組を順に切り替える、電力変換装置。
6. 請求項１から請求項４のうちのいずれか１項に記載の電力変換装置であって、
   前記制御回路は、
   前記平滑コンデンサに蓄えられた電力を放電する場合に、前記複数組の前記上アーム及び前記下アームの全てを同時にオンする、電力変換装置。

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