特許 6223040 双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6223040

(24)【登録日】2017年10月13日

(45)【発行日】2017年11月1日

(54)【発明の名称】双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ装置

(51)【国際特許分類】

   H02M 3/28 20060101AFI20171023BHJP

【ＦＩ】

   H02M3/28 H

   H02M3/28 P

【請求項の数】4

【全頁数】13

(21)【出願番号】特願2013-155919(P2013-155919)

(22)【出願日】2013年7月26日

(65)【公開番号】特開2015-27196(P2015-27196A)

(43)【公開日】2015年2月5日

【審査請求日】2016年1月15日

(73)【特許権者】

【識別番号】000002037

【氏名又は名称】新電元工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100086807

【弁理士】

【氏名又は名称】柿本 恭成

(74)【代理人】

【識別番号】100076222

【弁理士】

【氏名又は名称】大橋 邦彦

(72)【発明者】

【氏名】中原 康希

(72)【発明者】

【氏名】根本 健一

(72)【発明者】

【氏名】木下 孝志

【審査官】 白井 孝治

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１３−０２７２０１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１１−０５０１９１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００６−２０４０４８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−０６５５１１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１３−１３８５６９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００４−０２３９８１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００５−１１７７８４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２０１３／００５７２００（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０２Ｍ ３／００〜 ３／４４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

１次側端子上の１次側ＤＣ電力と１次側ＡＣ電力とをスイッチング動作により相互に変換する１次側ブリッジ回路と、
前記１次側ＡＣ電力と２次側ＡＣ電力とを相互に変圧する絶縁用のトランスと、
前記２次側ＡＣ電力とＤＣリンク上の２次側ＤＣ電力とをスイッチング動作により相互に変換する２次側ブリッジ回路と、
前記１次側ＤＣ電力及び前記２次側ＤＣ電力を受電して所定の電源電力を出力する制御用電源と、
前記電源電力により起動して前記１次側ブリッジ回路及び前記２次側ブリッジ回路の前記スイッチング動作を制御し、前記１次側ブリッジ回路に対して前記２次側ブリッジ回路の位相をずらすことによって双方向の電力変換を行わせ、且つ、前記１次側ブリッジ回路と前記２次側ブリッジ回路との位相差により双方向の電力量を制御する制御部と、
を備える双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ装置であって、
前記制御部は、待機運転動作状態になると、前記２次側ＤＣ電力における２次側ＤＣ電圧を、前記１次側ＤＣ電力における１次側ＤＣ電圧Ｖ１と同一の電圧になるように制御することを特徴とする双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ装置。

【請求項2】

前記１次側ブリッジ回路と前記トランスとは、インダクタを介して接続されていることを特徴とする請求項１記載の双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ装置。

【請求項3】

前記１次側ブリッジ回路は、
複数の１次側パルス幅変調信号によりそれぞれオン／オフ動作する複数の１次側スイッチング素子を有し、
前記２次側ブリッジ回路は、
複数の２次側パルス幅変調信号によりそれぞれオン／オフ動作する複数の２次側スイッチング素子を有し、
前記制御部は、
前記複数の１次側パルス幅変調信号及び前記複数の２次側パルス幅変調信号を出力して、前記１次側ブリッジ回路及び前記２次側ブリッジ回路の前記スイッチング動作を制御することを特徴とする請求項１又は２記載の双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ装置。

【請求項4】

前記１次側ブリッジ回路は、
前記１次側ＤＣ電力を平滑する１次側コンデンサと、
前記１次側コンデンサの対向する２つの電極に対してブリッジ接続され、複数の１次側パルス幅変調信号によりそれぞれオン／オフ動作する複数の１次側スイッチング素子と、を有し、
前記２次側ブリッジ回路は、
前記トランスに対してブリッジ接続され、複数の２次側パルス幅変調信号によりそれぞれオン／オフ動作する複数の２次側スイッチング素子と、
前記複数の２次側スイッチング素子の出力側に接続され、前記２次側ＤＣ電力を平滑する２次側コンデンサと、を有し、
前記制御部は、
前記複数の１次側パルス幅変調信号及び前記複数の２次側パルス幅変調信号を出力して、前記１次側ブリッジ回路及び前記２次側ブリッジ回路の前記スイッチング動作を制御することを特徴とする請求項１又は２記載の双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、マルチ・パワーコンディショニング・システム（以下「マルチＰＣＳ」という。）等に設けられ、ＤＣ(直流)電力の変換を行う絶縁型の双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ装置に関するものである。

【背景技術】

【0002】

従来、例えば、下記の特許文献３に記載されているように、ＤＣ電力の変換を行うＤＣ／ＤＣコンバータ装置は、非絶縁型のものと絶縁型のものとに大別される。絶縁型のＤＣ／ＤＣコンバータ装置としては、複数のスイッチング素子によりそれぞれ構成される２つのブリッジ回路が、高周波絶縁用のトランスを介して接続されたＤＡＢ（Dual Active Bridge）方式の絶縁型双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ装置が知られている。このＤＡＢ方式の絶縁型双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ装置では、位相シフト方式のパルス幅変調（以下「ＰＷＭ」という。）制御により、ブリッジ回路を構成するスイッチング素子のソフトスイッチング（即ち、ゼロ電圧スイッチング、以下「ＺＶＳ」という。）を行うことにより、低損失化を実現している。

【0003】

図２は、従来の３相ＤＡＢ方式の絶縁型双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ装置を示す概略の構成図である。
この３相ＤＡＢ方式の絶縁型双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ装置は、例えば、下記の特許文献１、２に記載されたマルチＰＣＳ内に設けられ、蓄電池の充放電のための蓄電池コンバータとして使用されている。

【0004】

３相ＤＡＢ方式の絶縁型双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ装置は、１次側ＤＣ電圧Ｖ１を出力する蓄電池１の正電極及び負電極にそれぞれ接続された一対の１次側端子２−１，２−２を有している。１次側端子２−１，２−２には、ＤＣ電力をＡＣ(交流)電力に変換するＤＣ／ＡＣ変換用の１次側３相ブリッジ回路１０が接続されている。１次側３相ブリッジ回路１０は、一対の１次側端子２−１，２−２間に接続された平滑用コンデンサ１１と、このコンデンサ１１にブリッジ接続された６つのスイッチング素子１２−１〜１２−６と、を有している。６つのスイッチング素子１２−１〜１２−は、図示しない制御部から出力される６つのＰＷＭ信号Ｓ１〜Ｓ６によってそれぞれオン／オフ動作するＭＯＳ型電界効果トランジスタ（以下「ＭＯＳＦＥＴ」という。）や、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（Insulated Gate Bipolar Transistor、以下「ＩＧＢＴ」という。）等により、構成されている。

【0005】

一対のスイッチング素子１２−１，１２−２の接続点と、一対のスイッチング素子１２−３，１２−４の接続点と、一対のスイッチング素子１２−５，１２−６の接続点とには、３つのインダクタ１３−１〜１３−３を介して、３相の高周波絶縁用トランス１４の１次側が接続されている。３相のトランスの結線方式には、スター・スター結線（即ち、Ｙ−Ｙ結線）方式と、デルタ・デルタ結線（即ち、Δ−Δ結線）方式と、スター・デルタ結線（即ち、Ｙ−Δ結線）方式と、がある。図２の３相の高周波絶縁用トランス１４は、Ｙ−Δ結線方式のトランスであり、１次側と２次側に３０°の位相差があるとき、双方向の電力変換が０となる。

【0006】

３相の高周波絶縁用トランス１４の２次側には、ＡＣ／ＤＣ変換を行う２次側３相ブリッジ回路２０が接続されている。２次側３相ブリッジ回路２０は、ブリッジ接続された６つのスイッチング素子２１−１〜２１−６と、これらのスイッチング素子２１−１〜２１−６に対して並列に接続された平滑用コンデンサ２２と、を有している。６つのスイッチング素子１２−１〜１２−６は、図示しない制御部から出力される６つのＰＷＭ信号Ｓ７〜Ｓ１２によってそれぞれオン／オフ動作するＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴ等により構成されている。コンデンサ２２の両電極には、一対の２次側端子２３−１，２３−２が接続されている。この２次側端子２３−１，２３−２間には、２次側ＤＣ電圧であるＤＣリンク電圧Ｖ２が印加される。

【0007】

このように構成される絶縁型双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ装置において、蓄電池１の放電を行う場合、蓄電池１から出力された１次側ＤＣ電力は、１次側３相ブリッジ回路１０によりスイッチングされて１次側ＡＣ電力に変換される。変換された１次側ＡＣ電力は、インダクタ１３−１〜１３−３を介して、トランス１４により変圧される。変圧された２次側ＡＣ電力は、２次側３相ブリッジ回路２０により２次側ＤＣ電力に変換され、変換された２次側ＤＣ電力のＤＣリンク電圧Ｖ２が２次側端子２３−１，２３−２から出力される。

【0008】

２次側端子２３−１，２３−２における２次側ＤＣ電力のＤＣリンク電圧Ｖ２によって蓄電池１を充電する場合、その２次側ＤＣ電力が、２次側３相ブリッジ回路２０により２次側ＡＣ電力に変換される。変換された２次側ＡＣ電力は、トランス１４によって変圧され、インダクタ１３−１〜１３−３を介して、１次側３相ブリッジ回路１０により１次側ＤＣ電力に変換される。変換された１次側ＤＣ電力の１次側ＤＣ電圧Ｖ１は、１次側端子２−１，２−２から出力され、蓄電池１が充電される。

【0009】

このような絶縁型双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ装置では、図示しない制御部により、１次側３相ブリッジ回路１０に対し、２次側３相ブリッジ回路２０の位相をずらすことにより、双方向の電力変換を可能としている。又、１次側３相ブリッジ回路１０と２次側３相ブリッジ回路２０との位相差Φにより、双方向の電力量を制御している。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0010】

【特許文献1】特開２００２−３５４６７７号公報

【特許文献2】特開２０１１−１０９７８３号公報

【特許文献3】特開２０１３−２７２０１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0011】

しかしながら、図２のような従来の絶縁型双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ装置では、次のような課題があった。

【0012】

図３は、図２の絶縁型双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ装置におけるＺＶＳ動作領域を示す波形図である。

【0013】

図３において、ＺＶＳ動作条件は、トランス１４がＹ−Δ結線方式である。トランス１４の１次／２次巻線比（即ち、トランス比）は１：０．５８３、１次側／２次側の位相差Φは３０°、出力電圧が±１４％範囲で全領域ＺＶＳ動作する。２次側のＤＣリンク電圧Ｖ２／１次側ＤＣ電圧Ｖ１の電圧比ｎは、ｎ＝Ｖ１／０．５８３Ｖ２である。

【0014】

図３の横軸は位相差Φ、縦軸は電圧比ｎである。上側の１次側境界Δ−Ｙ曲線２４、及び下側の２次側境界Δ−Ｙ曲線２５において、１次側境界Δ−Ｙ曲線２４で囲まれた上側の領域２６は、１次側ＺＶＳが外れる領域であり、２次側境界Δ―Ｙ曲線２５で囲まれた下側の領域２７は、２次側ＺＶＳが外れる領域である。領域２６，２７以外の領域２８は、ＺＶＳ動作領域である。

【0015】

図２の絶縁型双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ装置では、トランス１４としてＹ−Δ結線方式を採用しており、ＺＶＳ動作領域２８を電圧比ｎと位相差Φの関係で表すと、図３のような領域２６，２７以外の範囲となる。絶縁型双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ装置を蓄電池１の充放電に採用した場合、１次側ＤＣ電圧Ｖ１及び２次側のＤＣリンク電圧Ｖ２の電圧変動により、１次側ＤＣ電圧Ｖ１及び２次側のＤＣリンク電圧Ｖ２の電圧比ｎがＺＶＳ動作領域２８を外れて領域２６，２７へ移行し、この領域２６，２７で動作すると、電力変換効率が低下するという問題が発生する。又、待機運転動作状態時においては、位相差Φが−３０°で動作しているが、ＺＶＳから外れる領域２６，２７で動作した場合、スイッチングロス（損失）の増加により、待機運転動作状態時の損失が大きくなってしまい、待機運転動作状態時の消費電力が大きくなるという問題が発生する。

【0016】

このような問題は、１次側及び２次側が単相ブリッジ回路の場合や、高周波絶縁用トランスがＹ−Ｙ結線方式の場合にも、ＺＶＳ外れの領域が存在するため、前記と同様の問題が発生すると考えられる。

【課題を解決するための手段】

【0017】

本発明の双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ装置は、１次側端子上の１次側ＤＣ電力と１次側ＡＣ電力とをスイッチング動作により相互に変換する１次側ブリッジ回路と、前記１次側ＡＣ電力と２次側ＡＣ電力とを相互に変圧する絶縁用のトランスと、前記２次側ＡＣ電力とＤＣリンク上の２次側ＤＣ電力とをスイッチング動作により相互に変換する２次側ブリッジ回路と、前記１次側ＤＣ電力及び前記２次側ＤＣ電力を受電して所定の電源電力を出力する制御用電源と、前記電源電力により起動して前記１次側ブリッジ回路及び前記２次側ブリッジ回路の前記スイッチング動作を制御し、前記１次側ブリッジ回路に対して前記２次側ブリッジ回路の位相をずらすことによって双方向の電力変換を行わせ、且つ、前記１次側ブリッジ回路と前記２次側ブリッジ回路との位相差により双方向の電力量を制御する制御部と、を備える双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ装置であって、前記制御部は、待機運転動作状態になると、前記２次側ＤＣ電力における２次側ＤＣ電圧を、前記１次側ＤＣ電力における１次側ＤＣ電圧と同一の電圧になるように制御することを特徴とする。

【発明の効果】

【0018】

本発明の双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ装置によれば、待機運転動作状態時の動作として、制御部により、２次側のＤＣリンク電圧を１次側ＤＣ電力における１次側ＤＣ電圧と同じになるように制御している。そのため、１次側ブリッジ回路、トランス及び２次側ブリッジ回路を有する双方向ＤＣ／ＤＣコンバータがＺＶＳ範囲で動作することが可能となる。この時、スイッチングロスを低減することができるため、待機運転動作状態時の双方向ＤＣ／ＤＣコンバータの消費電力も低減することができる。

【図面の簡単な説明】

【0019】

【図1】図１は図４中のＢＡＴユニット５０を示す概略の構成図である。

【図2】図２は従来の３相ＤＡＢ方式の絶縁型双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ装置を示す概略の構成図である。

【図3】図３は図２の絶縁型双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ装置におけるＺＶＳ動作領域を示す波形図である。

【図4】図４は本発明の実施例１における絶縁型双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ装置を蓄電池コンバータとして使用したマルチＰＣＳを示す概略の構成図である。

【発明を実施するための形態】

【0020】

本発明を実施するための形態は、以下の好ましい実施例の説明を添付図面と照らし合わせて読むと、明らかになるであろう。但し、図面はもっぱら解説のためのものであって、本発明の範囲を限定するものではない。

【実施例1】

【0021】

（実施例１のマルチＰＣＳ）
図４は、本発明の実施例１における絶縁型双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ装置を蓄電池コンバータとして使用したマルチＰＣＳを示す概略の構成図である。

【0022】

このマルチＰＣＳ３０は、例えば、出力電圧ＤＣ２００Ｖ〜５４０Ｖの太陽電池３１及び出力電圧ＤＣ２６４Ｖ〜４０３Ｖの蓄電池３２と、３相３線ＡＣ２０２Ｖの電力系統３３と、の連系を行うシステムである。マルチＰＣＳ３０は、太陽電池３１の出力電力に対してＤＣ／ＤＣ変換を行う太陽光発電コンバータユニット（以下「ＰＶユニット」という。）４０と、ＤＣ電源（例えば、蓄電池）３２の充放電を行わせる３相ＤＡＢ方式の絶縁型双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ装置としての蓄電池コンバータユニット（以下「ＢＡＴユニット」という。）５０と、電力系統３３に対して系統連系を行わせる系統連系インバータユニット（以下「ＩＮＶユニット」という。）６０と、ＰＶユニット４０、ＢＡＴユニット５０及びＩＮＶユニット６０を制御するコントローラ７０と、を有している。ＰＶユニット４０と、ＢＡＴユニット５０と、ＩＮＶユニット６０とは、例えば、ＤＣ３５０Ｖ〜４００ＣのＤＣバス４４を介して、相互に接続されている。更に、ＰＶユニット４０、ＢＡＴユニット５０、及びＩＮＶユニット６０は、ＣＡＮ（Controller Area Network）からなる制御バス７１を介して、コントローラ７０に接続されている。

【0023】

コントローラ７０は、例えば、図示しないシステムコントローラからの運転指令（例えば、蓄電池３２を充電する場合、電力系統３３とＰＶユニット４０から５ｋＷずつ電力を貰って蓄電池３２を充電する等の運転指令）を受け、その運転指令通りにＰＶユニット４０、ＢＡＴユニット５０、及びＩＮＶユニット６０が動作するように、制御バス７１を介して、それらのユニット４０，５０，６０に制御信号を送る。又、コントローラ７０は、制御バス７１を介して、各ユニット４０，５０，６０からのアラーム信号等の受信処理や、マルチＰＣＳ３０の動作状態を表す信号を、図示しないシステムコントローラへ送信する機能を有している。このコントローラ７０は、例えば、マイクロコントローラ（以下「マイコン」という。）により構成されている。

【0024】

ＰＶユニット４０は、太陽電池３１とＤＣバス４４側のＤＣリンク４１ａとの間に接続されたＤＣ／ＤＣコンバータ４１と、このＤＣ／ＤＣコンバータ４１の動作を制御する制御部４２と、この制御部４２に対して電源電力を供給する制御用電源４３と、を有している。

【0025】

ＤＣ／ＤＣコンバータ４１は、図示しない開閉器を介して入力される太陽電池３１の出力ＤＣ電力を所定のＤＣ電力に変換してＤＣバス４４側のＤＣリンク４１ａへ出力する絶縁型のコンバータであり、例えば、太陽電池３１の出力ＤＣ電力をＡＣ電力に変換する複数のスイッチング素子等からなる１次側３相ブリッジ回路と、この１次側３相ブリッジ回路から出力されるＡＣ電力を所定の電圧に変圧する高周波絶縁用トランスと、このトランスから出力されるＡＣ電力をＤＣ電力に変換してＤＣリンク４１ａへ出力する複数のスイッチング素子等からなる２次側３相ブリッジ回路と、を有している。制御部４２は、コントローラ７０から与えられる制御信号に基づき、ＰＷＭ信号を出力してＤＣ／ＤＣコンバータ４１内のスイッチング素子のオン／オフ動作を制御するものであり、例えば、マイコンにより構成されている。制御用電源４３は、制御部４２の電源電力を確保するために、太陽電池３１及びＤＣリンク４１ａから電源電力を確保している。

【0026】

ＢＡＴユニット５０は、蓄電池３２とＤＣバス４４側のＤＣリンク５１ａとの間に接続された双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ５１と、このＤＣ／ＤＣコンバータ５１の動作を制御する制御部５２と、この制御部５２に対して電源電力を供給する制御用電源５３と、を有している。

【0027】

双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ５１は、図示しない開閉器を介して入力される蓄電池３２の出力ＤＣ電力を所定のＤＣ電力に変換してＤＣバス４４側のＤＣリンク５１ａへ出力し、又は、ＤＣリンク５１ａから入力されるＤＣ電力を所定のＤＣ電力に変換し、図示しない開閉器を介して蓄電池３２へ出力する絶縁型のコンバータであり、複数のスイッチング素子等からなる１次側３相ブリッジ回路と、高周波絶縁用トランスと、複数のスイッチング素子等からなる２次側３相ブリッジ回路と、を有している。制御部５２は、コントローラ７０から与えられる制御信号に基づき、ＰＷＭ信号を出力して双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ５１内のスイッチング素子のオン／オフ動作を制御するものであり、例えば、マイコンにより構成されている。制御用電源５３は、制御部５２の電源電力を確保するために、蓄電池３２及びＤＣリンク５１ａから電源電力を確保している。

【0028】

ＩＮＶユニット６０は、ＤＣバス４４側のＤＣリンク６１ａと電力系統３３との間に接続されたＤＣ／ＡＣ変換用の系統連系インバータ６１と、この系統連系インバータ６１の動作を制御する制御部６２と、この制御部６２に対して電源電力を供給する制御用電源６３と、を有している。

【0029】

系統連系インバータ６１は、ＤＣバス４４側のＤＣリンク６１ａから入力されるＤＣ電力をＡＣ電力に変換し、図示しない開閉器を介して電力系統３３や負荷３４へ出力する定電圧及び定周波数（Constant Voltage Constant Frequency、以下「ＣＶＣＦ」という。）型のインバータであり、複数のスイッチング素子等からなる１次側３相ブリッジ回路と、高周波絶縁用トランス等と、を有している。制御部６２は、コントローラ７０から与えられる制御信号に基づき、ＰＷＭ信号を出力して系統連系インバータ６１内のスイッチング素子のオン／オフ動作を制御するものであり、例えば、マイコンにより構成されている。制御用電源６３は、制御部６２の電源電力を確保するために、電力系統３３及び直流リンク６１ａから制御用の電源電力を確保している。

【0030】

系統連系インバータ６１と電力系統３３との間に、図示しない開閉器を介して接続された負荷３４には、ＡＣの一般負荷と、電力系統３３における停電時の防災負荷等（例えば、３相３線のＡＣ２０２Ｖ）の自立負荷と、が含まれる。

【0031】

このような構成のマルチＰＣＳ３０では、蓄電池３２に対して、以下のような放電運転（１）と充電運転（２）とが行われる。

【0032】

（１） 放電運転
太陽電池３１の発電電力が負荷３４の消費電力を上回っている場合の電力の流れは、太陽電池３１→ＰＶユニット４０→ＤＣバス４４→ＩＮＶユニット６０→負荷３４、となる。ＰＶユニット４０は、最大電力追従制御を行い、ＩＮＶユニット６０は、その電力をＡＣ電力に変換して負荷３４へ供給する。又、余剰電力が発生した場合には、電力系統３３へ逆潮流する。この場合、ＢＡＴユニット５０内の双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ５１は、制御部５２の制御によってゲートブロックされ、蓄電池３２からの放電を行わない。

【0033】

太陽電池３１の発電電力より負荷３４の消費電力が上回っている場合の電力の流れは、（太陽電池３１側のＰＶユニット４０の出力ＤＣ電力＋蓄電池３２側のＢＡＴユニット５０の出力ＤＣ電力）→ＤＣバス４４→ＩＮＶユニット６０の出力ＡＣ電力→負荷３４の経路と、電力系統３３→負荷３４の経路と、の２つの経路によってＡＣ電力が負荷３４へ供給される。

【0034】

この場合、ＰＶユニット４０は最大電力追従制御を行い、ＩＮＶユニット６０は、その電力をＡＣ電力に変換して負荷３４へ供給する。又、不足分の電力は、蓄電池３２の放電電力により補われる。

【0035】

（２） 充電運転
充電運転時の電力の流れは、電力系統３３→負荷３４という経路と、電力系統３３→ＩＮＶユニット６０→ＤＣバス４４→ＢＡＴユニット５０→蓄電池３２という経路と、になる。ＩＮＶユニット６０内の系統連系インバータ６１の順変換動作により、ＢＡＴユニット５０内の双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ５１は、制御部５２の充電電流及び充電電力制御にて定電流及び定電力充電を行う。但し、太陽電池３１の発電電力が負荷３４の消費電力より大きい場合は、ＰＶユニット４０により最大電力追従制御を行いつつ、ＢＡＴユニット５０で充電動作を行う。又、コントローラ７０の制御により、ＢＡＴユニット５０は、電力系統３３及び太陽電池３１からの蓄電池３２への充電も可能である。

【0036】

（実施例１のＢＡＴユニット）
図１は、図４中のＢＡＴユニット５０を示す概略の構成図である。

【0037】

このＢＡＴユニット５０は、３相ＤＡＢ方式の絶縁型双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ５１と、この双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ５１の動作を制御する制御部５２と、この制御部５２に電源電力を供給する制御用電源５３と、を有している。

【0038】

双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ５１は、図示しない開閉器を介して、１次側ＤＣ電圧Ｖ１を含む１次側ＤＣ電力を出力する蓄電池３２の正電極及び負電極にそれぞれ接続された一対の１次側端子５４−１，５４−２を有している。一対の１次側端子５４−１，５４−２には、１次側３相ブリッジ回路８０が接続されている。１次側３相ブリッジ回路８０は、一対の１次側端子５４−１，５４−２上の１次側ＤＣ電力と１次側ＡＣ電力とをスイッチング動作により相互に変換する回路であり、一対の１次側端子５４−１，５４−２間に接続された平滑用コンデンサ８１と、このコンデンサ８１にブリッジ接続された６つのスイッチング素子８２−１〜８２−６と、を有している。各スイッチング素子８２−１〜８２−６は、制御部５２から出力される各ＰＷＭ信号Ｓ１〜Ｓ６によりオン／オフ動作するＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴ等により構成されている。

【0039】

一対のスイッチング素子８２−１，８２−２の接続点Ｎ１と、一対のスイッチング素子８２−３，８２−４の接続点Ｎ２と、一対のスイッチング素子８２−５，８２−６の接続点Ｎ３とには、３つのインダクタ８３−１〜８３−３を介して、３相の高周波絶縁用トランス８４の１次側が接続されている。３相の高周波絶縁用トランス８４は、１次側ＡＣ電力と２次側ＡＣ電力とを相互に変圧するものであり、例えば、Ｙ−Δ結線方式のトランスにより構成されている。この３相の高周波絶縁用トランス８４では、１次側と２次側に３０°の位相差Φが生じる。

【0040】

３相の高周波絶縁用トランス８４の２次側には、２次側３相ブリッジ回路９０が接続され、更に、この２次側３相ブリッジ回路９０に、一対の２次側端子５５−１，５５−２が接続されている。一対の２次側端子５５−１，５５−２は、２次側ＤＣ電圧であるＤＣリンク電圧Ｖ２が生じるＤＣリンク５１ａに接続されている。２次側３相ブリッジ回路９０は、トランス８４の２次側ＡＣ電力と、ＤＣリンク５１ａ上の２次側ＤＣ電力（即ち、一対の２次側端子５５−１，５５−２間に生じるＤＣリンク電圧Ｖ２を含む２次側ＤＣ電力）と、をスイッチング動作により相互に変換する回路であり、ブリッジ接続された６つのスイッチング素子９１−１〜９１−６と、これらのスイッチング素子９１−１〜９１−６に対して並列に接続された平滑用コンデンサ９２と、を有している。各スイッチング素子９１−１〜９１−６は、制御部５２から出力される各ＰＷＭ信号Ｓ７〜Ｓ１２によりオン／オフ動作するＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴ等により構成されている。

【0041】

制御部５２及び制御用電源５３の内、制御用電源５３は、一対の１次側端子５４−１，５４−２上の１次側ＤＣ電力、及び一対の２次側端子５５−１，５５−２上の２次側ＤＣ電力を受電して、所定の電源電力を制御部５２に与えるものであり、例えば、一定のＤＣ電圧を出力する安定化電源回路により構成されている。

【0042】

制御部５２は、制御用電源５３から供給される電源電力により起動して１次側３相ブリッジ回路８０及び２次側３相ブリッジ回路９０のスイッチング動作を制御し、１次側３相ブリッジ回路８０に対して２次側３相ブリッジ回路９０の位相をずらすことによって双方向の電力変換を行わせ、且つ、１次側３相ブリッジ回路８０と２次側３相ブリッジ回路９０との位相差Φにより双方向の電力量を制御するものである。制御部５２は、コントローラ７０の制御によって待機運転動作状態になる。待機運転動作状態は、負荷３４へ電力を供給しない状態であり、この時、図４中のＰＶユニット４０及びＩＮＶユニット６０は、ＢＡＴユニット５０によって変換されたＤＣリンク電圧Ｖ２から電力を供給され、制御部４２，６２の電源を確保している。制御部５２は、待機運転動作状態になると、２次側ＤＣ電力における２次側のＤＣリンク電圧Ｖ２を、１次側ＤＣ電力における１次側ＤＣ電圧Ｖ１と同一の電圧になるように制御する機能を有している。

【0043】

即ち、制御部５２は、１次側ＤＣ電力における１次側ＤＣ電圧Ｖ１及び１次側ＤＣ電流Ｉ１と、２次側ＤＣ電力における２次側のＤＣリンク電圧Ｖ２と、に基づき、待機運転動作状態になったことを判定すると、最適位相シフト量φを求めると共に、１次側ＤＣ電圧Ｖ１及び２次側のＤＣリンク電圧Ｖ２に基づき、このＤＣリンク電圧Ｖ２が１次側ＤＣ電圧Ｖ１と一致するような補正用位相シフト量Δφを求め、最適位相シフト量φを補正用位相シフト量Δφで補正した位相シフト量に基づき、１次側３相ブリッジ回路８０及び２次側３相ブリッジ回路９０のスイッチング動作を制御するための複数のＰＷＭ信号Ｓ１〜Ｓ１２を出力する機能を有している。

【0044】

このような制御部５２は、例えば、モード判定手段としてのモード判定部９３、演算手段としての演算部９４、比例積分（以下「ＰＩ」という。）制御手段としてのＰＩ制御部９５、及びＰＷＭ信号発生手段としてのＰＷＭ信号発生部９６を有している。

【0045】

モード判定部９３は、１次側ＤＣ電力における１次側ＤＣ電圧Ｖ１及び１次側ＤＣ電流Ｉ１と、２次側ＤＣ電力における２次側のＤＣリンク電圧Ｖ２と、に基づき、待機運転動作状態になったことを判定してこの判定結果を出力すると共に、固定のスイッチング周波数ｆを演算部９４へ出力するものである。演算部９４は、その判定結果及びスイッチング周波数ｆに基づき、演算により最適位相シフト量φを求めてＰＷＭ信号発生部９６へ出力するものである。ＰＩ制御部９５は、１次側ＤＣ電圧Ｖ１及び２次側のＤＣリンク電圧Ｖ２に基づき、このＤＣリンク電圧Ｖ２が１次側ＤＣ電圧Ｖ１と一致するような補正用位相シフト量ΔφをＰＩ演算によって求めてＰＷＭ信号生成部９６へ出力するものである。更に、ＰＷＭ信号生成部９６は、最適位相シフト量φを補正用位相シフト量Δφで補正した位相シフト量に基づき、６つの１次側ＰＷＭ信号Ｓ１〜Ｓ６及び６つの２次側ＰＷＭ信号Ｓ７〜Ｓ１２を生成して６つの１次側スイッチング素子８２−１〜８２−６及び６つの２次側スイッチング素子９１−１〜９１−６にそれぞれ与えるものである。

【0046】

このように構成されるＢＡＴユニット５０において、蓄電池３２の放電を行う場合、蓄電池３２から出力された１次側ＤＣ電力は、１次側３相ブリッジ回路８０内のスイッチング素子８２−１〜８２−６によりスイッチングされて１次側ＡＣ電力に変換される。変換された１次側ＡＣ電力は、インダクタ８３−１〜８３−３を介して、トランス８４により変圧される。変圧された２次側ＡＣ電力は、２次側３相ブリッジ回路９０により２次側ＤＣ電力に変換され、２次側端子５５−１，５５−２から図４中のＤＣリンク５１ａへ出力される。

【0047】

２次側端子５５−１，５５−２における２次側ＤＣ電力のＤＣリンク電圧Ｖ２によって蓄電池３２を充電する場合、その２次側ＤＣ電力が、２次側３相ブリッジ回路９０により２次側ＡＣ電力に変換される。変換された２次側ＡＣ電力は、トランス８４によって変圧され、インダクタ８３−１〜８３−３を介して、１次側３相ブリッジ回路８０により１次側ＤＣ電力に変換される。変換された１次側ＤＣ電力の１次側ＤＣ電圧Ｖ１は、１次側端子５４−１，５４−２から出力され、蓄電池３２が充電される。

【0048】

このような蓄電池３２の充放電動作時において、制御部５２は、１次側３相ブリッジ回路８０に対し、２次側３相ブリッジ回路９０の位相をずらすことにより、双方向の電力変換を可能とし、且つ、１次側３相ブリッジ回路８０と２次側３相ブリッジ回路９０との位相差Φにより、双方向の電力量を制御している。

【0049】

このような図１のＢＡＴユニット５０を有する図４のマルチＰＣＳ３０において、夜間停電となった場合、ＰＶユニット４０及びＩＮＶユニット６０は、ＤＣリンク４１ａ，６１ａから制御用電源を確保する必要があり、そのＤＣリンク電圧Ｖ２を確保するために、ＢＡＴユニット５０が動作する必要がある。

【0050】

従来のマルチＰＣＳでは、図２中の蓄電池１から負荷への電力供給時、及び蓄電池充電時において、例えば、ＤＣリンク電圧Ｖ２がＤＣ３５０Ｖ〜３７０Ｖの範囲で動作しており、蓄電池１の１次側ＤＣ電圧Ｖ１の低下により、ＤＣリンク電圧Ｖ２との電圧比が生じ、この結果、ＺＶＳ外れが発生して変換効率の悪化の要因となっていた。

【0051】

これを解決するために、本実施例１では、以下のような対策を講じている。
図４中の負荷３４に電力を供給しない場合においては、コントローラ７０の制御により、ＢＡＴユニット５０が待機運転動作状態となる。この時、ＰＶユニット４０及びＩＮＶユニット６０は、ＢＡＴユニット５０によって変換されたＤＣリンク電圧Ｖ２から電力を供給されて制御部４２，６２の電源を確保している。ただ、待機運転動作状態の時は、負荷３４への電力供給が必要でなく、制御部４２，６２の電源電力を確保すれば良い。電源電力が例えば２００Ｖ以上で制御部４２，６２が起動可能であれば、ＢＡＴコンバータ５０が変換するＤＣリンク電圧Ｖ２は、２００Ｖ以上確保することができれば良いことになる。例えば、蓄電池３２の１次側ＤＣ電圧Ｖ１がＤＣ２６４Ｖであれば、制御部５２により、待機運転動作状態時のＤＣリンク電圧Ｖ２の設定を、蓄電池３２の１次側ＤＣ電圧Ｖ１と同じ２６４Ｖになるように制御する。これにより、蓄電池３２の１次側ＤＣ電圧Ｖ１と２次側のＤＣリンク電圧Ｖ２との電圧比ｎが小さくなり、ＢＡＴユニット５０はＺＶＳ範囲で動作することが可能なため、待機運転動作状態時の損失を低減することができる。

【0052】

（実施例１の効果）
従来は、待機運転動作状態時におけるＤＣリンク電圧Ｖ２の設定に関して、図２中の蓄電池１の１次側ＤＣ電圧Ｖ１に関わらず、負荷への電力供給時と蓄電池１への充電時とにおいて、ＤＣリンク電圧Ｖ２を例えばＤＣ３５０Ｖ〜３７０Ｖの設定にしている。そのため、蓄電池１の１次側ＤＣ電圧Ｖ１によっては、蓄電池１の１次側ＤＣ電圧Ｖ１と２次側のＤＣリンク電圧Ｖ２との間に電圧比ｎが発生し、ＢＡＴユニットがＺＶＳ動作範囲から外れ、多くの損失が発生していた。

【0053】

そこで、本実施例１では、図１のＢＡＴユニット５０の待機運転動作状態時の動作として、制御部５２により、２次側のＤＣリンク電圧Ｖ２を蓄電池３２の１次側ＤＣ電圧Ｖ１と同じになるように制御している。そのため、ＢＡＴユニット５０内の双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ５１がＺＶＳ範囲で動作することが可能となる。この時、スイッチングロスを低減することができるため、待機運転動作状態時の双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ５１の消費電力も低減することができる。

【0054】

本実施例１の実験結果によれば、例えば、蓄電池３２の１次側ＤＣ電圧Ｖ１がＤＣ２６４Ｖの時の待機電力として、対策前２６４．１Ｖ×ｌ．１０２Ａ＝２９１Ｗ、対策後２６４．１７Ｖ×０．２５Ａ＝６６Ｗとなり、待機運転動作状態時の消費電力を低減することができた。

【0055】

（変形例）
本発明は、上記実施例１に限定されず、種々の利用形態や変形が可能である。この利用形態や変形例としては、例えば、次の（ａ）〜（ｃ）のようなものがある。

【0056】

（ａ） 図１のＢＡＴユニット５０において、１次側３相ブリッジ回路８０及び２次側３相ブリッジ回路９０は、図示以外の回路構成に変更しても良い。又、制御部５２は、マイコン以外の個別回路により構成しても良い。

【0057】

（ｂ） 図１のＢＡＴユニット５０において、高周波絶縁用トランス８４をＹ−Ｙ結線方式に変更した場合、或いは、３相ブリッジ回路８０，９０を単相ブリッジ回路に変更した場合にも、ＺＶＳ外れの領域が存在するため、本発明の適用が可能である。

【0058】

（ｃ） 図１のＢＡＴユニット５０は、図４のマルチＰＣＳ３０以外のものにも適用が可能である。例えば、図４中の太陽電池３１を燃料電池等の他の直流電源に変更しても良い。

【符号の説明】

【0059】

３０ マルチＰＣＳ
３１ 太陽電池
３２ 蓄電池
３３ 電力系統
３４ 負荷
４０ ＰＶユニット
４１ａ，５１ａ，６１ａ ＤＣリンク
４４ ＤＣバス
５０ ＢＡＴユニット
５１ 双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ
５２ 制御部
５３ 制御用電源
５４−１，５４−２ １次側端子
５５−１，５５−２ ２次側端子
６０ ＩＮＶユニット
７０ コントローラ
８０ １次側３相ブリッジ回路
８３−１〜８３−３ インダクタ
８４ 高周波絶縁用トランス
９０ ２次側３相ブリッジ回路
９３ モード判定部
９４ 演算部
９５ ＰＩ制御部
９６ ＰＷＭ信号発生部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】