特許 6597258 電力変換装置及び電源システム並びに電力変換装置の制御方法

(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】6597258

(24)【登録日】2019年10月11日

(45)【発行日】2019年10月30日

(54)【発明の名称】電力変換装置及び電源システム並びに電力変換装置の制御方法

(51)【国際特許分類】

   H02J 3/38 20060101AFI20191021BHJP

   H02M 3/155 20060101ALI20191021BHJP

   H02M 7/48 20070101ALI20191021BHJP

   H02J 3/32 20060101ALI20191021BHJP

   H02J 7/35 20060101ALI20191021BHJP

【ＦＩ】

   H02J3/38 150

   H02M3/155 H

   H02M7/48 E

   H02J3/38 110

   H02J3/32

   H02J7/35 K

【請求項の数】11

【全頁数】17

(21)【出願番号】特願2015-241238(P2015-241238)

(22)【出願日】2015年12月10日

(65)【公開番号】特開2017-108559(P2017-108559A)

(43)【公開日】2017年6月15日

【審査請求日】2018年5月21日

(73)【特許権者】

【識別番号】000002130

【氏名又は名称】住友電気工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000280

【氏名又は名称】特許業務法人サンクレスト国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】綾井 直樹

【審査官】 阿部 陽

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００２−３６９４０６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平１０−０３１５２５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０６−２６６４５６（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０２Ｊ ３／００−５／００

Ｈ０２Ｊ ７／００−７／１２；７／３４−７／３６

Ｈ０２Ｍ ７／４２−７／９８

Ｈ０２Ｍ ３／００−３／４４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

複数種類の直流電源と需要家内の交流電路との間に設けられ、直流／交流の電力変換を行う電力変換装置であって、
前記交流電路のピーク電圧より高い電圧を出力可能な太陽光発電の出力電路と接続され、かつ、蓄電池とも接続されるＤＣバスと、
前記ＤＣバスの２線間に接続された中間コンデンサと、
前記蓄電池と前記ＤＣバスとの間に設けられたＤＣ／ＤＣコンバータと、
前記ＤＣバスと前記交流電路との間に設けられたインバータと、
前記ＤＣ／ＤＣコンバータ及び前記インバータの動作制御を行う制御部と、を備え、
前記制御部は、前記インバータの動作制御によって、前記交流電路へ電力を出力するとともに前記太陽光発電の最大電力点追従制御を行わせる第１運用モード、及び、前記インバータの動作制御によって前記交流電路へ出力する電力を目標値に合わせるとともに、前記蓄電池を充電し又は放電させる前記ＤＣ／ＤＣコンバータの動作制御によって前記太陽光発電の最大電力点追従制御を行わせる第２運用モードを有し、前記交流電路への供給電力が制限されていないときは前記第１運用モードを実行し、前記供給電力が制限されているときは前記第２運用モードを実行する電力変換装置。

【請求項2】

前記交流電路に接続された負荷と商用電力系統との間に設けられ、電力を計測する計測部を備えている請求項１に記載の電力変換装置。

【請求項3】

前記制御部は、前記インバータの出力電力から前記計測部が計測した電力を差し引いた値を、前記ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電力目標値に設定し、前記インバータの出力電力から前記ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電力を差し引いた電力が最大となるよう、前記インバータを制御する請求項２に記載の電力変換装置。

【請求項4】

前記制御部は、前記計測部で計測した電力が０になるように前記インバータの出力電力目標値を設定し、前記インバータの出力電力から前記ＤＣ／ＤＣコンバータによる放電電力を差し引いた電力、又は、前記インバータの出力電力と前記ＤＣ／ＤＣコンバータの充電電力とを足し合わせた電力が最大になるよう、前記ＤＣ／ＤＣコンバータを制御する請求項２に記載の電力変換装置。

【請求項5】

前記太陽光発電の出力を前記ＤＣバスに接続する電路に、前記中間コンデンサから前記太陽光発電の出力電路に向かって流れようとする電流を阻止する逆流防止回路を備えた請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の電力変換装置。

【請求項6】

前記逆流防止回路は、ダイオード、又は、ダイオードを並列に有する半導体スイッチである請求項５に記載の電力変換装置。

【請求項7】

前記太陽光発電の出力電路と前記逆流防止回路との間の直流電路の２線間に数ミリファラッドの大容量のコンデンサを配置して、前記中間コンデンサは１００マイクロファラッド以下の小容量とし、
前記太陽光発電が行われていないとき、前記蓄電池と前記交流電路との間で、交流半サイクルの間に前記ＤＣ／ＤＣコンバータと、前記インバータとを交互に休止させて電力変換を行う請求項５又は請求項６に記載の電力変換装置。

【請求項8】

前記太陽光発電の出力電路と前記ＤＣバスとの間に、太陽光発電が行われているがその出力電圧が前記交流電路のピーク電圧より低いときにのみ昇圧動作を行い、それ以外は単に通電を行う太陽光発電用ＤＣ／ＤＣコンバータを設けた請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の電力変換装置。

【請求項9】

前記太陽光発電の出力電路と前記太陽光発電用ＤＣ／ＤＣコンバータとの間の直流電路の２線間に数ミリファラッドの大容量のコンデンサを配置して、前記中間コンデンサは１００マイクロファラッド以下の小容量とし、
前記太陽光発電が行われているがその出力電圧が前記交流電路のピーク電圧より低いとき、前記太陽光発電の出力電路と前記交流電路との間で、交流半サイクルの間に前記太陽光発電用ＤＣ／ＤＣコンバータと、前記インバータとを交互に休止させて電力変換を行い、
前記太陽光発電が行われていないとき、前記蓄電池と前記交流電路との間で、交流半サイクルの間に前記蓄電池用の前記ＤＣ／ＤＣコンバータと、前記インバータとを交互に休止させて電力変換を行う請求項８に記載の電力変換装置。

【請求項10】

請求項１〜請求項９のいずれか１項に記載の電力変換装置と、前記太陽光発電を行う太陽電池の集合体としての太陽光発電パネルと、前記蓄電池とを備えている電源システム。

【請求項11】

交流電路のピーク電圧より高い電圧を出力可能な太陽光発電の出力電路と接続され、かつ、蓄電池とも接続されるＤＣバスと、前記ＤＣバスの２線間に接続された中間コンデンサと、前記蓄電池と前記ＤＣバスとの間に設けられたＤＣ／ＤＣコンバータと、前記ＤＣバスと需要家内の交流電路との間に設けられたインバータと、前記ＤＣ／ＤＣコンバータ及び前記インバータの動作制御を行う制御部と、を備え、直流／交流の電力変換を行う電力変換装置について、前記制御部によって実行される電力変換装置の制御方法であって、
第１運用モードでは、前記インバータの動作制御によって、前記交流電路へ電力を出力するとともに前記太陽光発電の最大電力点追従制御を行わせ、
第２運用モードでは、前記インバータの動作制御によって前記交流電路へ出力する電力を目標値に合わせるとともに、前記蓄電池を充電し又は放電させる前記ＤＣ／ＤＣコンバータの動作制御によって前記太陽光発電の最大電力点追従制御を行わせ、かつ、
前記交流電路への供給電力が制限されていないときは前記第１運用モードを実行し、前記供給電力が制限されているときは前記第２運用モードを実行する、電力変換装置の制御方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、複数種類の直流電源を用いて、直流／交流の電力変換を行う電力変換装置及び、これを含む電源システムに関する。

【背景技術】

【0002】

例えば、太陽電池と蓄電池という２種類の直流電源を用いて、直流／交流の電力変換を行う、いわゆる複合型の電力変換装置は、太陽電池用のＤＣ／ＤＣコンバータ（チョッパ回路）と、蓄電池用のＤＣ／ＤＣコンバータとを搭載している（例えば、特許文献１，２参照。）。２つのＤＣ／ＤＣコンバータの出力は共通のＤＣバスに接続される。ＤＣバスにはインバータが接続されており、商用交流側との系統連系運転を行うことができる。

【0003】

このように２種類の直流電源に対してそれぞれ専属のＤＣ／ＤＣコンバータを搭載していることにより、太陽光発電の出力を最大に引き出す出力制御であるＭＰＰＴ（Maximum Power Point Tracking）制御と、蓄電池の充放電とを、互いに独立して実行することができる。このような電力変換装置では、ＤＣバスの電圧が常時一定となるように順変換電流または逆変換電流を制御することによって、運転を安定させることができる。

【0004】

上記のような複合型の電力変換装置では、例えば、需要家内の負荷で消費する電力を蓄電池から供給すれば、太陽光発電で得た電力は全て逆潮して売電することができる。また、太陽光発電で得た電力から負荷消費分を差し引いた分を蓄電池に充電することができる。この間、太陽光発電用のＤＣ／ＤＣコンバータは、そのときどきの日射や温度に応じて常に太陽光発電の出力が最大となるように、ＭＰＰＴ制御を行っている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２０１５−１４２４６０号公報

【特許文献2】特開２０１５−１９２５４９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

上記のような複合型の電力変換装置では、太陽光発電及び蓄電池のそれぞれの制御に対応したＤＣ／ＤＣコンバータが必要である。しかしながら、ＤＣ／ＤＣコンバータには電力損失があり、２個使用すれば当然に、合計の損失も増大する。
かかる従来の問題点に鑑み、本発明は、複合型の電力変換装置におけるＤＣ／ＤＣコンバータの損失を低減することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本開示は、以下の内容を含む。但し、本発明は特許請求の範囲によって定められるものである。
本開示は、複数種類の直流電源と需要家内の交流電路との間に設けられ、直流／交流の電力変換を行う電力変換装置であって、前記交流電路のピーク電圧より高い電圧を出力可能な太陽光発電の出力電路と接続され、かつ、蓄電池とも接続されるＤＣバスと、前記ＤＣバスの２線間に接続された中間コンデンサと、前記蓄電池と前記ＤＣバスとの間に設けられたＤＣ／ＤＣコンバータと、前記ＤＣバスと前記交流電路との間に設けられたインバータと、前記ＤＣ／ＤＣコンバータ及び前記インバータの動作制御を行う制御部と、を備え、前記制御部は、前記インバータの動作制御によって、前記交流電路へ電力を出力するとともに前記太陽光発電の出力制御を行わせる第１運用モード、及び、前記インバータの動作制御によって前記交流電路へ出力する電力を目標値に合わせるとともに、前記ＤＣ／ＤＣコンバータの動作制御によって前記太陽光発電の出力制御を行わせる第２運用モードを有する電力変換装置である。

【0008】

また、電源システムとしては、前記電力変換装置と、前記太陽光発電を行う太陽電池の集合体としての太陽光発電パネルと、前記蓄電池とを備えている。

【0009】

また、方法の観点からは、交流電路のピーク電圧より高い電圧を出力可能な太陽光発電の出力電路と接続され、かつ、蓄電池とも接続されるＤＣバスと、前記ＤＣバスの２線間に接続された中間コンデンサと、前記蓄電池と前記ＤＣバスとの間に設けられたＤＣ／ＤＣコンバータと、前記ＤＣバスと需要家内の交流電路との間に設けられたインバータと、前記ＤＣ／ＤＣコンバータ及び前記インバータの動作制御を行う制御部と、を備え、直流／交流の電力変換を行う電力変換装置について、前記制御部によって実行される電力変換装置の制御方法であって、第１運用モードでは、前記インバータの動作制御によって、前記交流電路へ電力を出力するとともに前記太陽光発電の出力制御を行わせ、第２運用モードでは、前記インバータの動作制御によって前記交流電路へ出力する電力を目標値に合わせるとともに、前記ＤＣ／ＤＣコンバータの動作制御によって前記太陽光発電の出力制御を行わせる、電力変換装置の制御方法である。

【発明の効果】

【0010】

本発明によれば、複合型の電力変換装置におけるＤＣ／ＤＣコンバータの損失を低減することができる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】第１実施形態に係る電力変換装置を含む電源システムの回路図の一例である。

【図2】逆流防止回路の２つの例を示す回路図である。

【図3】第２実施形態に係る電力変換装置を含む電源システムの回路図の一例である。

【図4】ＤＣ／ＤＣコンバータ及びインバータの動作の特徴を簡略に示す波形図である。

【図5】ＤＣ／ＤＣコンバータ及びインバータの動作の特徴を簡略に示す波形図である。

【図6】第３実施形態に係る電力変換装置を含む電源システムの回路図の一例である。

【図7】第４実施形態に係る電力変換装置を含む電源システムの回路図の一例である。

【発明を実施するための形態】

【0012】

［実施形態の要旨］
本発明の実施形態の要旨としては、少なくとも以下のものが含まれる。

【0013】

（１）これは、複数種類の直流電源と需要家内の交流電路との間に設けられ、直流／交流の電力変換を行う電力変換装置であって、前記交流電路のピーク電圧より高い電圧を出力可能な太陽光発電の出力電路と接続され、かつ、蓄電池とも接続されるＤＣバスと、前記ＤＣバスの２線間に接続された中間コンデンサと、前記蓄電池と前記ＤＣバスとの間に設けられたＤＣ／ＤＣコンバータと、前記ＤＣバスと前記交流電路との間に設けられたインバータと、前記ＤＣ／ＤＣコンバータ及び前記インバータの動作制御を行う制御部と、を備え、前記制御部は、前記インバータの動作制御によって、前記交流電路へ電力を出力するとともに前記太陽光発電の出力制御を行わせる第１運用モード、及び、前記インバータの動作制御によって前記交流電路へ出力する電力を目標値に合わせるとともに、前記ＤＣ／ＤＣコンバータの動作制御によって前記太陽光発電の出力制御を行わせる第２運用モードを有する電力変換装置である。

【0014】

このような電力変換装置の制御部は、例えば、交流電路への供給電力が特に制限されていない状態のときは、インバータでＭＰＰＴ（Maximum Power Point Tracking）制御を行わせることができる。一方、制御部は、交流電路への供給電力が制限されている場合は、供給電力を目標電力に合わせる制御をインバータに行わせるとともに、ＭＰＰＴ制御についてはＤＣ／ＤＣコンバータに行わせることができる。その結果、太陽光発電用ＤＣ／ＤＣコンバータは省略可能となるので、複合型の電力変換装置におけるＤＣ／ＤＣコンバータの損失を低減することができる。

【0015】

（２）また、（１）の電力変換装置において、前記交流電路に接続された負荷と商用電力系統との間に設けられ、電力を計測する計測部、を備えていてもよい。
この場合、計測した電力に基づいて制御部によりフィードバック制御を行うことにより、逆潮流の電力を所望の値に制御することができる。

【0016】

（３）また、（２）の電力変換装置において、前記制御部は、前記インバータの出力電力から前記計測部が計測した電力を差し引いた値を、前記ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電力目標値に設定し、前記インバータの出力電力から前記ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電力を差し引いた電力が最大となるよう、前記インバータを制御することができる。
インバータの出力電力から計測部が計測した電力を差し引いた値とは、負荷の消費電力である。負荷の消費電力を、ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電力目標値に設定すれば、負荷の消費電力は、蓄電池の放電によって全て賄われる。従って、太陽光発電の電力は全て売電可能となる。そこで、インバータの出力電力からＤＣ／ＤＣコンバータの出力電力を差し引いた電力すなわち、太陽光発電の電力が最大となるようＭＰＰＴ制御を行えば、太陽光発電によって発電し得る最大電力を売電に供することができる。

【0017】

（４）また、（２）の電力変換装置において、前記制御部は、前記計測部で計測した電力が０になるように前記インバータの出力電力目標値を設定し、前記インバータの出力電力から前記ＤＣ／ＤＣコンバータによる放電電力を差し引いた電力、又は、前記インバータの出力電力と前記ＤＣ／ＤＣコンバータの充電電力とを足し合わせた電力が最大になるよう、前記ＤＣ／ＤＣコンバータを制御することができる。
計測部で計測した電力が０になるようにインバータの出力電力目標値を設定すれば、インバータの出力電力は全て、需要家内の負荷の電力として消費される。すなわち、売電も買電も０であり、需要家内で電力の自給自足の状態となる。この状態において、蓄電池の放電時には、インバータの出力電力からＤＣ／ＤＣコンバータによる放電電力を差し引いた電力が、太陽光発電の電力である。また、蓄電池の充電時には、インバータの出力電力とＤＣ／ＤＣコンバータの充電電力とを足し合わせた電力が、太陽光発電の電力である。そこで、これらの太陽光発電の電力が最大となるようＭＰＰＴ制御を行えば、太陽光発電によって発電し得る最大電力を用いて自給自足の状態とすることができる。

【0018】

（５）また、（１）〜（４）のいずれかの電力変換装置において、前記太陽光発電の出力を前記ＤＣバスに接続する電路に、前記中間コンデンサから前記太陽光発電の出力電路に向かって流れようとする電流を阻止する逆流防止回路を備えることができる。
この場合、太陽光発電が行われていない場合に、逆流防止回路により、太陽電池に電流が流れることを防止できる。

【0019】

（６）また、（５）の電力変換装置において、前記逆流防止回路は例えば、ダイオード、又は、ダイオードを並列に有する半導体スイッチである。
逆流防止回路としてのダイオードは、制御不要で最も簡素である。並列のダイオードを有する半導体スイッチは、制御が必要ではあるが、オン抵抗がダイオードより小さい利点がある。

【0020】

（７）また、（５）又は（６）の電力変換装置において、前記太陽光発電の出力電路と前記逆流防止回路との間の直流電路の２線間に大容量のコンデンサを配置して、前記中間コンデンサは小容量とし、前記太陽光発電が行われていないとき、前記蓄電池と前記交流電路との間で、交流半サイクルの間に前記ＤＣ／ＤＣコンバータと、前記インバータとを交互に休止させて電力変換を行うようにしてもよい。
この場合、休止時間をとることにより損失を低減して、ＤＣ／ＤＣコンバータの変換効率を高めることができる。中間コンデンサは小容量であるので、このような電力変換に適する。なお、大容量のコンデンサとは、直流電路の２線間に、単相交流電力を出力するための無効電力を供給するものであり、小容量の中間コンデンサとは半導体スイッチのスイッチングによって発生するリプルを平滑化する程度のものである。

【0021】

（８）また、（１）〜（４）のいずれかの電力変換装置において、前記太陽光発電の出力電路と前記ＤＣバスとの間に、太陽光発電が行われているがその出力電圧が前記交流電路のピーク電圧より低いときにのみ昇圧動作を行い、それ以外は単に通電を行う太陽光発電用ＤＣ／ＤＣコンバータを設けてもよい。
この場合、もし、太陽光発電の出力電圧が交流電路のピーク電圧より低い場合に、当該ＤＣ／ＤＣコンバータを動作させて必要な昇圧を行うことができる。昇圧が不要となる場合は、ＤＣ／ＤＣコンバータのハイサイドのスイッチング素子を常時閉路の状態とすればよい。昇圧が必要となる機会が少ないとすると、スイッチングを行う時間が少ない分、電力の損失は抑えられる。また、かかるＤＣ／ＤＣコンバータには、常時スイッチングするものと同等な性能は不要であり、昇圧に寄与せず単に通電するだけの直流リアクトルは磁気飽和してもよい。また、ローサイドのスイッチング素子は低電流容量で足りる。従って、性能を落として小型で安価なＤＣ／ＤＣコンバータを、太陽光発電用として限定的に使用することができる。すなわち、太陽光発電用ＤＣ／ＤＣコンバータを設けたとしても、その損失を抑え、かつ、小型で安価な太陽光発電用ＤＣ／ＤＣコンバータとすることができる。

【0022】

（９）また、（８）の電力変換装置において、前記太陽光発電の出力電路と前記太陽光発電用ＤＣ／ＤＣコンバータとの間の直流電路の２線間に大容量のコンデンサを配置して、前記中間コンデンサは小容量とし、前記太陽光発電が行われているがその出力電圧が前記交流電路のピーク電圧より低いとき、前記太陽光発電の出力電路と前記交流電路との間で、交流半サイクルの間に前記太陽光発電用ＤＣ／ＤＣコンバータと、前記インバータとを交互に休止させて電力変換を行い、前記太陽光発電が行われていないとき、前記蓄電池と前記交流電路との間で、交流半サイクルの間に前記蓄電池用の前記ＤＣ／ＤＣコンバータと、前記インバータとを交互に休止させて電力変換を行うようにしてもよい。
この場合、休止時間をとることにより損失を低減して、太陽光発電用ＤＣ／ＤＣコンバータ又は蓄電池用のＤＣ／ＤＣコンバータの変換効率を高めることができる。中間コンデンサは小容量であるので、このような電力変換に適する。

【0023】

（１０）また、電源システムとしては、（１）〜（９）のいずれかの電力変換装置と、前記太陽光発電を行う太陽電池の集合体としての太陽光発電パネルと、前記蓄電池とを備えているものである。
このような電源システムは、太陽光発電パネルの出力に対して、ＤＣ／ＤＣコンバータを接続しなくても、交流電路への供給電力が特に制限されていない状態のときは、インバータでＭＰＰＴ制御を行わせることができる。交流電路への供給電力が制限されている場合は、供給電力を目標電力に合わせる制御をインバータに行わせ、ＭＰＰＴ制御についてはＤＣ／ＤＣコンバータに行わせることができる。こうして、太陽光発電パネルの出力を常に最大限に活用することができる。

【0024】

（１１）方法の観点からは、交流電路のピーク電圧より高い電圧を出力可能な太陽光発電の出力電路と接続され、かつ、蓄電池とも接続されるＤＣバスと、前記ＤＣバスの２線間に接続された中間コンデンサと、前記蓄電池と前記ＤＣバスとの間に設けられたＤＣ／ＤＣコンバータと、前記ＤＣバスと需要家内の交流電路との間に設けられたインバータと、前記ＤＣ／ＤＣコンバータ及び前記インバータの動作制御を行う制御部と、を備え、直流／交流の電力変換を行う電力変換装置について、前記制御部によって実行される電力変換装置の制御方法であって、第１運用モードでは、前記インバータの動作制御によって、前記交流電路へ電力を出力するとともに前記太陽光発電の出力制御を行わせ、第２運用モードでは、前記インバータの動作制御によって前記交流電路へ出力する電力を目標値に合わせるとともに、前記ＤＣ／ＤＣコンバータの動作制御によって前記太陽光発電の出力制御を行わせる、電力変換装置の制御方法である。

【0025】

このような電力変換装置の制御方法では、例えば、交流電路への供給電力が特に制限されていない状態のときは、インバータでＭＰＰＴ制御を行わせることができる。一方、交流電路への供給電力が制限されている場合は、供給電力を目標電力に合わせる制御をインバータに行わせるとともに、ＭＰＰＴ制御についてはＤＣ／ＤＣコンバータに行わせることができる。その結果、太陽光発電用ＤＣ／ＤＣコンバータは省略可能となるので、複合型の電力変換装置におけるＤＣ／ＤＣコンバータの損失を低減することができる。

【0026】

［実施形態の詳細］
以下、実施形態の詳細について図面を参照して説明する。

【0027】

＜第１実施形態＞

【0028】

《電力変換装置及びこれを含む電源システムの構成》
図１は、第１実施形態に係る電力変換装置１を含む電源システム１００の回路図の一例である。図において、電力変換装置１は、複数種類の直流電源と需要家内の交流電路との間に設けられ、直流／交流の電力変換を行う装置であり、一般に、パワーコンディショナと呼ばれる。この電力変換装置１は、例えば２種類の直流電源が接続されている。すなわち、ストリングを成す太陽電池２の集合体としての太陽光発電パネル３、及び、蓄電池４が、それぞれ、電力変換装置１に接続されている。蓄電池４としては例えば、リチウムイオン電池等の二次電池を使用することができる。

【0029】

また、電力変換装置１の交流側電路５の２線間には、需要家内の負荷６が接続され、さらに、商用電力系統７が接続されている。負荷６と商用電力系統７との間には、計測部８が設けられている。計測部８は、電流センサ８１と、電圧センサ８２とを備えている。
なお、計測部８は、物理的には電力変換装置１と離れて設けられるが、機能的には、電力変換装置１の一部でもある。

【0030】

電力変換装置１は、主回路要素として、太陽光発電パネル３から引き込まれた太陽光発電の出力電路１０（２線）と、逆流防止回路１１と、中間コンデンサ１２と、ＤＣバス１３（２線）と、インバータ１４と、交流リアクトル１５と、交流側コンデンサ１６と、直流側コンデンサ１７と、ＤＣ／ＤＣコンバータ１８とを備えている。

【0031】

太陽光発電の出力電路１０は、例えば４組の太陽電池２（ストリング）の出力を互いに並列に接続した電路である。太陽光発電の出力が充分に得られているときの出力電路１０の２線間の電圧は、商用電力系統７の交流電圧のピーク電圧（波高値）より高い。従って、昇圧のためのＤＣ／ＤＣコンバータは、基本的には不要となる。

【0032】

図２は、逆流防止回路１１の２つの例を示す回路図である。図２の（ａ）に示すように、ダイオード１１０を用いた逆流防止回路１１が最も簡素である。ダイオード１１０のアノードは、太陽光発電の出力電路１０側にあり、カソードはＤＣバス１３側にある。太陽光発電の出力が得られ、出力電路１０の電圧がＤＣバス１３より高いとき、ダイオード１１０は導通する。太陽光発電の出力が充分に得られなくなると、出力電路１０の電圧がＤＣバス１３より低くなり、ダイオード１１０は非導通となる。これにより、中間コンデンサ１２（図１）からの電流の逆流が阻止され、逆流により太陽電池２に電流が流れることを防止できる。

【0033】

図２の（ａ）の逆流防止回路１１は簡素であり制御も不要である利点がある。但し、ダイオード１１０の順方向導通抵抗が、制御端子を有する半導体スイッチよりも大きい。そこで、図２の（ｂ）は、逆流防止回路１１の他の例である。この場合、主回路上には半導体のスイッチ１１５が設けられている。スイッチ１１５は、例えばＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor）であり、ボディダイオード１１５ｄを有している。従って、（ａ）のダイオード１１０と同じ向きのボディダイオード１１５ｄに並列にスイッチ素子が接続された形となる。この場合、（ａ）よりも、導通抵抗（オン抵抗）を小さくすることができる。従って、逆流防止回路１１での電力損失を、より低減することができる。

【0034】

図２の（ｂ）における逆流防止回路１１は、スイッチ１１５の他、例えば、太陽光発電の出力電路１０の電圧を引き込んで分圧する抵抗１１１，１１２と、コンパレータ１１３と、ドライバ１１４とを備えている。コンパレータ１１３は、抵抗１１１，１１２で分圧された電圧Ｖ_ｉｎと、一定の基準電圧Ｖ_ｒｅｆとを互いに比較する。Ｖ_ｉｎ≧Ｖ_ｒｅｆであれば、ドライバ１１４はスイッチ１１５をオンにして逆流防止回路１１を閉路する。Ｖ_ｉｎ＜Ｖ_ｒｅｆであれば、ドライバ１１４はスイッチ１１５をオフにして逆流防止回路１１を開路する。すなわち、太陽光発電の発電電圧が一定値以上であれば逆流防止回路１１は閉路され、また、発電電圧が一定値未満であれば逆流防止回路１１が開路されることにより、中間コンデンサ１２（図１）からの電流の逆流を防止する。

【0035】

晴天のときは、通常、朝、一定の光量が得られるようになれば逆流防止回路１１が閉路され、日没が近づいて一定の光量が得られなくなれば開路される。しかし曇天時には、昼間でも頻繁に開閉が繰り返されることもあるので、寿命の長い半導体のスイッチが好ましい。特に、高耐圧と低抵抗とを兼ね備えるＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴが好適である。太陽光発電中は電流がスイッチ１１５を流れ続けるので、オン抵抗は低いほど好ましい。
なお、半導体のスイッチ１１５の代わりにリレーを用いることも可能ではある。オン抵抗が小さいという点ではリレーの方が優れているが、開閉の耐久性に関しては半導体が圧倒的に優れている。

【0036】

図１に戻り、中間コンデンサ１２は、大容量のコンデンサであり、例えば４並列の電解コンデンサによって合計数ｍＦのキャパシタンスを有する。
インバータ１４は、例えばＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）であるスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３，Ｑ４をフルブリッジ接続したものであり、各スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３，Ｑ４にはそれぞれ、ダイオードｄ１，ｄ２，ｄ３，ｄ４が逆並列に接続されている。

【0037】

交流リアクトル１５及び交流側コンデンサ１６は、インバータ１４が発生する高周波成分を除去するフィルタ回路を構成している。
ＤＣ／ＤＣコンバータ１８は、直流リアクトル２０、ＩＧＢＴであるスイッチング素子Ｑ５，Ｑ６、スイッチング素子Ｑ５，Ｑ６にそれぞれ逆並列に接続されたダイオードｄ５，ｄ６を備えるチョッパ回路である。なお、このＤＣ／ＤＣコンバータ１８は非絶縁型であるが、絶縁型のＤＣ／ＤＣコンバータを用いることも可能である。

【0038】

また、計測用の回路要素としては、ＤＣバス１３の２線間の電圧を検出する電圧センサ２１と、交流リアクトル１５に流れる電流を検出する電流センサ２２と、交流側コンデンサ１６の両端の電圧を検出する電圧センサ２３と、直流側コンデンサ１７の両端の電圧を検出する電圧センサ２４と、ＤＣ／ＤＣコンバータ１８に流れる電流を検出する電流センサ２５とを備えている。これらのセンサの計測出力信号は、制御部５０に送られる。制御部５０は、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６を制御する。

【0039】

制御部５０は例えばＣＰＵを含み、ソフトウェア（コンピュータプログラム）をコンピュータが実行することで、必要な制御機能を実現する。ソフトウェアは、制御部５０の記憶装置（図示せず。）に格納される。但し、コンピュータを含まないハードウェアのみの回路で制御部５０を構成することも可能ではある。

【0040】

上記のように構成された電力変換装置１の動作について、以下、運用の形態別に説明する。

【0041】

《シングル発電》
ここで言うシングル発電とは、太陽光発電のみ又は蓄電池４のみを稼働させることである。
この運用では、太陽電池２による太陽光発電が行われているときには、蓄電池４には放電も充電も行わせない。従って、太陽光発電中は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１８は停止している。インバータ１４は、太陽光発電のＭＰＰＴ制御を行う。

【0042】

一方、太陽光発電が行われていないとき（昼夜を問わず）には、逆流防止回路１１が開路の状態となる。従って、太陽電池２は電源システム１００から解列された状態である。
この状態で、蓄電池４には夜間料金の時間帯に充電を行う。このとき、インバータ１４は、交流から直流への整流を行うＤＣ／ＡＣコンバータとして動作させる。
ＤＣ／ＤＣコンバータ１８は、スイッチング素子Ｑ５がオフで、スイッチング素子Ｑ６がオン・オフを所定のデューティで繰り返し、降圧を行う。充電は一定電力で行われる。

【0043】

充電された蓄電池４は、昼間料金の時間帯で放電させる。放電時は、計測部８で計測した受電点電力情報を制御部５０に送り、制御部５０は、蓄電池４の放電が負荷６の消費電力と一致するようにフィードバック制御を行う。

【0044】

《ダブル発電》
この運用は、太陽電池２が発電しているときに蓄電池４も放電を行う点でシングル発電の制御と異なる。この場合、制御部５０は、蓄電池４の放電電力Ｐｂが、需要家内の負荷６の消費電力と一致するようにフィードバック制御を行う。具体的には、以下の式（１）に示すように、放電電力Ｐｂが、インバータ１４の出力電力Ｐａから計測部８で測定した電力Ｐｍを差し引いた値と一致するように制御する。
Ｐｂ＝Ｐａ−Ｐｍ ・・・（１）

【0045】

太陽光発電パネル３の出力電力Ｐｐは式（２）に示すように、インバータ１４の出力電力Ｐａから蓄電池４の放電電力Ｐｂを差し引いた値である。この値が最大になるように、いわゆる山登り法により、出力電力Ｐａの値を操作することによって、ＭＰＰＴ制御を行うことができる。蓄電池４の残量がないときにはＤＣ／ＤＣコンバータ１８を停止させ、放電電力Ｐｂは０になる。従って、太陽光発電の出力はインバータ１４のみで制御する状態となる。
Ｐｐ＝Ｐａ−Ｐｂ ・・・（２）
太陽電池２が発電していないときの蓄電池４の制御は、シングル発電の場合と同じである。

【0046】

以上のように、負荷６の消費電力を、ＤＣ／ＤＣコンバータ１８の出力電力目標値（Ｐｂ）に設定すれば、負荷６の消費電力は、蓄電池４の放電によって全て賄われる。従って、太陽光発電の出力電力Ｐｐは全て売電可能となる。そこで、インバータ１４の出力電力ＰａからＤＣ／ＤＣコンバータ１８の出力電力Ｐｂを差し引いた電力すなわち、太陽光発電の出力電力Ｐｐが最大となるようＭＰＰＴ制御を行えば、太陽光発電によって発電し得る最大電力を売電に供することができる。

【0047】

《自給自足》
この運用では、太陽電池２の発電と負荷６の消費電力との多寡によって、蓄電池４に対する制御が変わる。インバータ１４の出力電力Ｐａは、負荷６の消費電力と一致し、計測部８が計測する電力Ｐｍが０になるように制御する。すなわち、
Ｐｍ＝０ ・・・（３）
である。

【0048】

太陽光発電パネル３の出力電力Ｐｐは、蓄電池４の出力電力Ｐｂの符号が正のときは放電、負のときは充電とすると、式（２）をそのまま適用できる。ただし、インバータ出力電力Ｐａは、負荷６の消費電力と一致する値に固定され、ＭＰＰＴ制御はできない。そこで、ＭＰＰＴ制御は、蓄電池４の出力電力ＰｂをＤＣ／ＤＣコンバータ１８により操作することによって行う。蓄電池４の残量が０で太陽光発電が負荷６の消費電力に足りないときには充電もできないので、ＤＣ／ＤＣコンバータ１８を停止させる。この場合、シングル発電と同じく、太陽光発電の出力はインバータ１４のみで制御する状態となる。

【0049】

以上のように、計測部８で計測した電力が０になるようにインバータ１４の出力電力目標値（Ｐａ）を設定すれば、インバータ１４の出力電力Ｐａは全て、需要家内の負荷６の電力として消費される。すなわち、売電も買電も０であり、需要家内で電力の自給自足の状態となる。この状態において、蓄電池４の放電時には、インバータ１４の出力電力ＰａからＤＣ／ＤＣコンバータ１８による放電電力Ｐｂを差し引いた電力が、太陽光発電の出力電力Ｐｐである。また、蓄電池４の充電時には、インバータ１４の出力電力ＰａとＤＣ／ＤＣコンバータ１８の充電電力Ｐｂとを足し合わせた電力が、太陽光発電の出力電力Ｐｐである。そこで、これらの太陽光発電の出力電力Ｐｐが最大となるようＭＰＰＴ制御を行えば、太陽光発電によって発電し得る最大電力を用いて自給自足の状態とすることができる。

【0050】

＜第１実施形態のまとめ＞
上記の各運用の形態（シングル発電、ダブル発電、自給自足）において、制御部５０は、太陽光発電の出力制御（ＭＰＰＴ制御）の主体が何か、という観点から、第１運用モード、及び、第２運用モードを有していると言える。
すなわち、第１運用モードでは、太陽光発電の出力制御を行うのはインバータ１４であり、制御部５０は、インバータ１４の動作制御によって、交流電路５へ電力を出力するとともに太陽光発電の出力制御を行わせる。
第２運用モードでは、太陽光発電の出力制御を行うのはＤＣ／ＤＣコンバータ１８であり、制御部５０は、インバータ１４の動作制御によって交流電路５へ出力する電力を目標値に合わせるとともに、ＤＣ／ＤＣコンバータ１８の動作制御によって太陽光発電の出力制御を行わせる。

【0051】

このような電力変換装置１の制御部５０は、例えば、交流電路５への供給電力が特に制限されていない状態のときは、インバータ１４でＭＰＰＴ制御を行わせることができる。一方、制御部５０は、交流電路５への供給電力が制限されている場合は、供給電力を目標電力に合わせる制御をインバータ１４に行わせるとともに、ＭＰＰＴ制御についてはＤＣ／ＤＣコンバータ１８に行わせることができる。

【0052】

このような電力変換装置１は、太陽光発電用ＤＣ／ＤＣコンバータが省略可能となるため、その分、電力の損失が低減され、効率が改善される。また、部品数が減るので小型軽量化が可能となると共に故障率も低減できる。さらに、製品コストを大幅に低減できる。

【0053】

また、交流電路５に接続された負荷６と商用電力系統７との間に、電力を計測する計測部８を備えていることによって、計測した電力に基づいて制御部５０によりフィードバック制御を行うことができる。従って、交流電路５への供給電力が制限されている場合に、逆潮流の電力を所望の値に制御することができる。

【0054】

＜第２実施形態＞

【0055】

《電力変換装置及びこれを含む電源システムの構成》
図３は、第２実施形態に係る電力変換装置１を含む電源システム１００の回路図の一例である。第１実施形態（図１）との違いは、逆流防止回路１１の太陽電池側に数ミリファラッドの大容量の直流側コンデンサ２８を設け、中間コンデンサ２７としては、１００マイクロファラッド以下のフィルムコンデンサを設けた点であり、それ以外の回路構成は、第１実施形態と同様である。

【0056】

この場合、太陽電池２が発電していないときには、ＤＣ／ＤＣコンバータ１８及びインバータ１４に対してスイッチングを交互に休止する制御（最小スイッチング変換方式と言う。）を行うことができる。この制御により、スイッチングに伴う、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６並びに直流リアクトル２０及び交流リアクトル１５の損失が半減され、効率を改善することができる。

【0057】

《最小スイッチング変換方式の補足説明》
図４及び図５は、最小スイッチング変換方式における、ＤＣ／ＤＣコンバータ１８及びインバータ１４の動作の特徴を簡略に示す波形図である。両図は同じ内容を示しているが、図４は特に、直流入力から交流出力までの振幅の関係が見やすいように表示し、図５は特に、制御のタイミングが見やすいように表示している。図４の上段及び図５の左欄はそれぞれ、比較のために、最小スイッチング変換方式ではない伝統的なスイッチング制御を表す波形図である。また、図４の下段及び図５の右欄はそれぞれ、最小スイッチング変換方式の動作を示す波形図である。

【0058】

まず、図４の上段（又は図５の左欄）において、伝統的なスイッチング制御では、入力される直流電圧Ｖ_ＤＣに対するＤＣ／ＤＣコンバータのスイッチング素子Ｑ５，Ｑ６及び直流リアクトル２０の相互接続点での出力は、Ｖ_ＤＣよりも高い値の等間隔のパルス列状である。この出力は中間コンデンサによって平滑化され、ＤＣバスに、電圧Ｖ_Ｂとして現れる。これに対してインバータは、ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御されたスイッチングを半周期で極性反転しながら行う。この結果、最終的な平滑化を経て、正弦波の交流電圧Ｖ_ＡＣが得られる。

【0059】

次に、図４の下段の最小スイッチング変換方式では、交流波形の電圧目標値Ｖ_ＡＣの絶対値の瞬時値と、入力である直流電圧Ｖ_ＤＣとの比較結果に応じて、ＤＣ／ＤＣコンバータ１８とインバータ１４とが動作する。すなわち、電圧目標値Ｖ_ＡＣの絶対値においてＶ_ＡＣ＜Ｖ_ＤＣ（又はＶ_ＡＣ≦Ｖ_ＤＣ）のときは、ＤＣ／ＤＣコンバータ１８は停止し（図中の「ＳＴ」）、Ｖ_ＡＣ≧Ｖ_ＤＣ（又はＶ_ＡＣ＞Ｖ_ＤＣ）のときは、ＤＣ／ＤＣコンバータ１８が昇圧動作を行う（図中の「ＯＰ」）。ＤＣ／ＤＣコンバータ１８の出力は中間コンデンサ２７により平滑化され、ＤＣバス１３に、図示の電圧Ｖ_Ｂとして現れる。

【0060】

ここで、中間コンデンサ２７が小容量であることにより、交流波形の絶対値のピーク前後となる一部の波形が平滑化されずにそのまま残る。すなわち、平滑は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１８による高周波のスイッチングの痕跡を消す程度には作用するが、商用周波数の２倍程度の低周波を平滑化することはできないように中間コンデンサ２７が小容量になっている。

【0061】

これに対してインバータ１４は、電圧目標値Ｖ_ＡＣの絶対値と、直流電圧Ｖ_ＤＣとの比較結果に応じて、Ｖ_ＡＣ＜Ｖ_ＤＣ（又はＶ_ＡＣ≦Ｖ_ＤＣ）のときは、高周波スイッチングを行い（図中の「ＯＰ」）、Ｖ_ＡＣ≧Ｖ_ＤＣ（又はＶ_ＡＣ＞Ｖ_ＤＣ）のときは、高周波スイッチングを停止する（図中の「ＳＴ」）。高周波スイッチングを停止しているときのインバータ１４は、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ４がオン、Ｑ２，Ｑ３がオフの状態と、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ４がオフ、Ｑ２，Ｑ３がオンの状態のいずれかを選択することにより、必要な極性反転のみを行う。インバータ１４の出力は交流リアクトル１５及び交流側コンデンサ１６により平滑化され、所望の交流出力が得られる。

【0062】

ここで、図５の右欄に示すように、ＤＣ／ＤＣコンバータ１８とインバータ１４とは、交互に高周波スイッチングの動作をしており、ＤＣ／ＤＣコンバータ１８が昇圧の動作をしているときは、インバータ１４は高周波スイッチングを停止し、ＤＣバス１３の電圧に対して必要な極性反転のみを行っている。逆に、インバータ１４が高周波スイッチング動作するときは、ＤＣ／ＤＣコンバータ１８は停止して、コンデンサ１７の両端電圧が、直流リアクトル２０及びダイオードｄ６を介してＤＣバス１３に現れる。

【0063】

以上のようにして、ＤＣ／ＤＣコンバータ１８とインバータ１４とによる最小スイッチング変換方式の動作が行われる。

【0064】

＜第３実施形態＞

【0065】

《電力変換装置及びこれを含む電源システムの構成》
図６は、第３実施形態に係る電力変換装置１を含む電源システム１００の回路図の一例である。第１実施形態（図１）との違いは、図１の逆流防止回路１１に代えて、太陽電池２と中間コンデンサ１２との間に太陽光発電用のＤＣ／ＤＣコンバータ３０及び直流側コンデンサ３２を設けた点であり、それ以外の回路構成は、第１実施形態と同様である。

【0066】

ＤＣ／ＤＣコンバータ３０は、直流リアクトル３１、ＩＧＢＴのスイッチング素子Ｑ７及び逆並列に接続されたダイオードｄ７、並びに、ＭＯＳＦＥＴのスイッチング素子Ｑ８を備えている。

【0067】

例えば図１の電力変換装置１において、日射が弱く、太陽光発電パネル３の出力電圧が交流電路５のピーク電圧（波高値）よりも低くなるときには、太陽光発電の電力を交流に変換することができない。この場合には、図６に示すように太陽光発電用のＤＣ／ＤＣコンバータ３０を設ける必要がある。この回路構成は、見かけ上は、従来の電力変換装置のように見えるが、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０の仕様が異なる。

【0068】

すなわち、図６のＤＣ／ＤＣコンバータ３０は、日射が弱く太陽電池２の出力電圧が不足する場合にのみ昇圧の機能を果たせば良い点が、従来の電力変換装置とは異なる。ある程度以上の日射強度があって昇圧が必要ないときには、直流リアクトル３１は飽和してもよい。また、ローサイドのスイッチング素子Ｑ７の電流容量は小さくてもよい。従って、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０を必要とするものの、直流リアクトル３１とスイッチング素子Ｑ７の電流容量は最低限に抑えることができる。そのため、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０を小型化することができる。なお、太陽光発電の十分な出力が得られ、昇圧が不要な場合には、スイッチング素子Ｑ８は、オンに保持すればよい。すなわち、このときのスイッチング素子Ｑ８の役目は、図１における逆流防止回路１１と同じである。

【0069】

＜第４実施形態＞

【0070】

《電力変換装置及びこれを含む電源システムの構成》
図７は、第４実施形態に係る電力変換装置１を含む電源システム１００の回路図の一例である。第３実施形態（図６）との違いは、図６における大容量の中間コンデンサ１２を小容量の中間コンデンサ２７に置き換え、大容量の直流側コンデンサ２８を太陽電池２とＤＣ／ＤＣコンバータ３０との間に設けた点である。それ以外の回路構成は、第４実施形態と同様である。

【0071】

図７における中間コンデンサ２７は、例えば１００マイクロファラッド以下のフィルムコンデンサである。これにより、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０を動作させる場合に、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０とインバータ１４とのスイッチング動作を交互に休止させる最小スイッチング変換を行うことができる。これにより、スイッチング動作に伴う、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４，Ｑ７，Ｑ８並びに直流リアクトル３１及び交流リアクトル１５の損失が半減され、効率を改善することができる。
なお、太陽光発電を行わないときは、第２実施形態（図３）と同様に、蓄電池４用のＤＣ／ＤＣコンバータ１８とインバータ１４とで、最小スイッチング変換を行うことができる。

【0072】

＜補記＞
なお、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。本発明の範囲は特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。
但し、明細書及び図面に開示した通りの全ての構成要素を備える電力変換装置及び電源システムも、本発明に含まれるものであることは言うまでもない。

【符号の説明】

【0073】

１ 電力変換装置
２ 太陽電池
３ 太陽光発電パネル
４ 蓄電池
５ 交流電路
６ 負荷
７ 商用電力系統
８ 計測部
１０ 出力電路
１１ 逆流防止回路
１２ 中間コンデンサ
１３ ＤＣバス
１４ インバータ
１５ 交流リアクトル
１６ 交流側コンデンサ
１７ 直流側コンデンサ
１８ ＤＣ／ＤＣコンバータ
２０ 直流リアクトル
２１，２３，２４ 電圧センサ
２２，２５ 電流センサ
２７ 中間コンデンサ
２８ 直流側コンデンサ
３１ 直流リアクトル
３２ 直流側コンデンサ
５０ 制御部
８１ 電流センサ
８２ 電圧センサ
１００ 電源システム
１１０ ダイオード
１１１，１１２ 抵抗
１１３ コンパレータ
１１４ ドライバ
１１５ スイッチ
１１５ｄ ボディダイオード
ｄ１〜ｄ７ ダイオード
Ｑ１〜Ｑ８ スイッチング素子

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】