特許 6960132 パワーコンディショナ

(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】6960132

(24)【登録日】2021年10月13日

(45)【発行日】2021年11月5日

(54)【発明の名称】パワーコンディショナ

(51)【国際特許分類】

   H02M 7/49 20070101AFI20211025BHJP

【ＦＩ】

   H02M7/49

【請求項の数】6

【全頁数】13

(21)【出願番号】特願2018-535701(P2018-535701)

(86)(22)【出願日】2017年8月22日

(86)【国際出願番号】JP2017029966

(87)【国際公開番号】WO2018038109

(87)【国際公開日】20180301

【審査請求日】2020年8月10日

(31)【優先権主張番号】特願2016-163045(P2016-163045)

(32)【優先日】2016年8月23日

(33)【優先権主張国】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】504205521

【氏名又は名称】国立大学法人 長崎大学

(74)【代理人】

【識別番号】100174643

【弁理士】

【氏名又は名称】豊永 健

(72)【発明者】

【氏名】浜崎 真一

【審査官】 佐藤 匡

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１３−１２１２８２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１３−１９８３８９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１２／０２４９８４（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０２Ｍ７／４８，７／４９

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

入力端子から入力される直流電流を交流電流に変換して出力端子から出力するパワーコンディショナにおいて、
セル端子間に並列で逆向きに設けられたスイッチと前記スイッチの一方に直列に接続されたキャパシタと前記キャパシタに並列に設けられた蓄電デバイスと前記蓄電デバイスの充放電を制御する充電回路とを備えて前記入力端子の間に直列に設けられた複数のセルモジュールと、
前記セルモジュールに直列に設けられたバッファ用リアクトルと、
前記入力端子から入力される直流電流を交流電流に変換するように前記スイッチを制御する出力制御装置と、
前記キャパシタの電圧の変動を抑制するように前記蓄電デバイスの充放電を制御する充電回路制御装置と、
を有することを特徴とするパワーコンディショナ。

【請求項2】

前記充電回路制御装置は、前記キャパシタの両端の電圧を測定するキャパシタ電圧センサーを備えて前記キャパシタ電圧センサーが測定したキャパシタ電圧をフィードバックして前記蓄電デバイスの充放電を制御する、ことを特徴とする請求項１に記載のパワーコンディショナ。

【請求項3】

前記充電回路制御装置は、前記バッファ用リアクトルに流れる電流を測定するリアクトル電流センサーを備えて前記リアクトル電流センサーが測定したリアクトル電流の脈動成分をフィードフォワードして前記蓄電デバイスの充放電を制御する、ことを特徴とする請求項１に記載のパワーコンディショナ。

【請求項4】

前記充電回路は２つの充電用スイッチを備え、
前記充電回路制御装置は前記充電用スイッチのデューティー比を制御するものである、
ことを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載のパワーコンディショナ。

【請求項5】

前記充電回路制御装置は前記蓄電デバイスが充電および放電が切り替わらないように一定のバイアスを付加するものであることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載のパワーコンディショナ。

【請求項6】

複数の直流電源が出力する直流電流を交流電流に変換して出力端子から出力するパワーコンディショナにおいて、
セル端子間に並列で逆向きに設けられた２つのスイッチと前記スイッチの一方に直列に接続されたキャパシタと前記キャパシタに並列に設けられた蓄電デバイスと前記蓄電デバイスの充放電を制御する充電回路と１つの前記直流電源を前記キャパシタに並列に接続する接続端子に設けられた昇圧チョッパ回路とを備えて前記出力端子の間に並列に設けられた複数のセルモジュールと、
前記セルモジュールに直列に設けられたバッファ用リアクトルと、
前記直流電流を交流電流に変換するように前記スイッチを制御する出力制御装置と、
前記キャパシタの電圧の変動を抑制するように前記蓄電デバイスの充放電を制御する充電回路制御装置と、
を有することを特徴とするパワーコンディショナ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、入力端子から入力される直流電流を交流電流に変換して出力端子から出力するパワーコンディショナに関する。

【背景技術】

【0002】

近年、太陽光発電システムが広く普及しつつある。このような電源はパワーコンディショナ（ＰＣＳ：Ｐｏｗｅｒ Ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）により商用電力系統に連系される。

【0003】

太陽光発電を電力系統連系させるパワーコンディショナとして、多くの製品が市販されている。太陽光発電の直流を交流に変換するインバータは、シングルモジュールによるＰＷＭ方式が主流である。メガソーラー用途のインバータとしては、高電圧を出力し高調波を抑制するため、諧調制御型で変圧器を用いないＭＭＣ（Ｍｏｄｕｌａｒ Ｍｕｌｔｉｌｅｖｅｌ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）方式が提案されている。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0004】

【非特許文献1】本多 貴洋，浜崎真一，辻 峰男,「蓄電機能を持つMMC形式の新しいパワーコンディショナ回路方式」,平成27年電気学会産業応用部門大会,No.Y-36, pp.36 (2015.9)

【非特許文献2】Shin-ichi Hamasaki, Takahiro Honda, Mineo Tsuji, "Novel Circuitof Power Conditioning System with Energy Storage Applying Modular MultilevelConverter Structure", 37th International Telecommunications EnergyConference (INTELEC), No.PS08-37, pp.1064-1069 (2015.10)

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

太陽光発電は日射量により発電量が変動するため、系統連系の安定性に影響を及ぼす可能性がある。モジュラー・マルチレベル・コンバーター（ＭＭＣ：Ｍｏｄｕｌａｒ Ｍｕｌｔｉｌｅｖｅｌ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）は、回路のコンバータ部に用いるコンデンサの電圧を一定に保つ制御が必要である。一般的なＭＭＣ回路構成では、電圧に交流出力周波数の成分とその２倍周波数成分の脈動が発生し、交流出力電圧に影響を与える。このような脈動を減らすために、平滑用の容量が大きい電解コンデンサを必要とする。電解コンデンサは、寿命が短くコストが大きい。

【0006】

そこで、本発明は、入力端子から入力される直流電流を交流電流に変換して出力端子から出力するパワーコンディショナにおいて、交流出力電圧の脈動を増大させることなく平滑用のキャパシタの容量を低減できるようにすることを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

上記の目的を達成するため、本発明は、入力端子から入力される直流電流を交流電流に変換して出力端子から出力するパワーコンディショナにおいて、セル端子間に並列で逆向きに設けられたスイッチと前記スイッチの一方に直列に接続されたキャパシタと前記キャパシタに並列に設けられた蓄電デバイスと前記蓄電デバイスの充放電を制御する充電回路とを備えて前記入力端子の間に直列に設けられた複数のセルモジュールと、前記セルモジュールに直列に設けられたバッファ用リアクトルと、前記入力端子から入力される直流電流を交流電流に変換するように前記スイッチを制御する出力制御装置と、前記キャパシタの電圧の変動を抑制するように前記蓄電デバイスの充放電を制御する充電回路制御装置と、を有することを特徴とする。
また、本発明は、複数の直流電源が出力する直流電流を交流電流に変換して出力端子から出力するパワーコンディショナにおいて、セル端子間に並列で逆向きに設けられた２つのスイッチと前記スイッチの一方に直列に接続されたキャパシタと前記キャパシタに並列に設けられた蓄電デバイスと前記蓄電デバイスの充放電を制御する充電回路と１つの前記直流電源を前記キャパシタに並列に接続する接続端子に設けられた昇圧チョッパ回路とを備えて前記出力端子の間に並列に設けられた複数のセルモジュールと、前記セルモジュールに直列に設けられたバッファ用リアクトルと、前記直流電流を交流電流に変換するように前記スイッチを制御する出力制御装置と、前記キャパシタの電圧の変動を抑制するように前記蓄電デバイスの充放電を制御する充電回路制御装置と、を有することを特徴とする。

【発明の効果】

【0008】

本発明によれば、入力端子から入力される直流電流を交流電流に変換して出力端子から出力するパワーコンディショナにおいて、交流出力電圧の脈動を増大させることなく平滑用のキャパシタの容量を低減できるようにすることができる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】本発明に係るパワーコンディショナの２相交流の場合の一実施の形態の回路図である。

【図2】本発明に係るパワーコンディショナの一実施の形態に用いるセルモジュールの回路図である。

【図3】本発明に係るパワーコンディショナの一実施の形態のブロック図である。

【図4】本発明に係るパワーコンディショナの一実施の形態に用いる充電回路制御装置の制御ブロック図である。

【図5】本発明に係るパワーコンディショナの一実施の形態に用いる充電回路制御装置の他の例の制御ブロック図である。

【図6】本発明に係るパワーコンディショナの一実施の形態の各部の電圧および電流のシミュレーション結果を比較例とともに示すグラフである。

【図7】比較例のパワーコンディショナの充電回路制御装置の制御ブロック図である。

【図8】本発明に係るパワーコンディショナの３相交流の場合の一実施の形態の回路図である。

【図9】本発明に係るパワーコンディショナの２相交流の場合の別の実施の形態の回路図である。

【図10】本発明に係るパワーコンディショナの一実施の形態の変形例に用いるセルモジュールの回路図である。

【図11】本発明に係るパワーコンディショナの一実施の形態の他の変形例の回路図である。

【図12】本発明に係るパワーコンディショナの一実施の形態の他の変形例に用いるセルモジュールの回路図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

本発明に係るパワーコンディショナの一実施の形態を、図面を参照して説明する。なお、この実施の形態は単なる例示であり、本発明はこれに限定されない。同一または類似の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

【0011】

図１は、本発明に係るパワーコンディショナの２相交流の場合の一実施の形態における回路図である。図２は、本実施の形態のパワーコンディショナに用いるセルモジュールの回路図である。図３は、本実施の形態のパワーコンディショナのブロック図である。

【0012】

本実施の形態では、フルブリッジ・モジュラー・マルチレベル・コンバータ型パワーコンディショナ（フルブリッジＭＭＣ型ＰＣＳ）を例として、説明する。

【0013】

本実施の形態のパワーコンディショナ（ＰＣＳ）１３は、入力端子１０に入力された直流電源１２の直流電流を交流電流に変換して出力端子１４に出力する。直流電源１２は、たとえば太陽光発電装置である。出力端子１４には、負荷１６および商用電力系統１８が接続される。

【0014】

パワーコンディショナ１３は、４つのセルモジュール２１、２２、２３、２４を有する。４つのセルモジュール２１、２２、２３、２４は、上アームに属するセルモジュール２１、２２と下アームに属するセルモジュール２３、２４とに分類できる。また、４つのセルモジュールは、ｕ相に属するセルモジュール２１、２３と、ｖ相に属するセルモジュール２２，２４とに分類できる。

【0015】

ｕ相に属するセルモジュール２１、２３は、入力端子１０の間に直列に接続される。また、ｖ相に属するセルモジュール２２，２４は、入力端子１０の間に直列に接続される。直列に接続されたｕ相に属する２つのセルモジュール２１、２３と直列に接続されたｖ相に属する２つのセルモジュール２２，２４とは、並列に入力端子１０の間に接続される。それぞれのセルモジュール２１、２２、２３、２４は、図２に示す同一の回路構成であり、以下総称してセルモジュール２１と称する。

【0016】

セルモジュール２１は、４つのスイッチ３１とキャパシタ３２とバッテリー３３と充電用スイッチ３４−１、３４−２とを有している。バッテリー３３は、たとえば電気二重層コンデンサ（ＥＤＬＣ）などの充電可能な蓄電デバイスである。

【0017】

４つのスイッチ３１は、直列に接続された２つのスイッチがそれぞれ組になっており、２つの組は互いに並列に接続されている。組をなす２つのスイッチ３１の接続部分がセル端子を形成し、セルモジュール２１の外部にそれぞれ接続されている。したがって、セル端子間には、並列で逆向きに２つのスイッチが設けられていて、それぞれ一方のスイッチが他方の１つのスイッチと組をなしている。

【0018】

キャパシタ３２は、４つのスイッチ３１に並列に接続されている。キャパシタ３２とセルモジュール２１の外部との間には、それぞれ１つのスイッチが存在している。したがって、キャパシタ３２は、セル端子間に並列で逆向きに設けられた２つのスイッチの一方に直列に接続されている。

【0019】

キャパシタ３２の両端には、また、直列に接続された２つの充電用スイッチ３４が接続されている。一方の充電用スイッチ３４の両端には、バッテリー３３が接続されている。２つの充電用スイッチ３４は、バッテリー３３の充放電を制御する充電回路を構成している。この充電回路は、直流電源１２の出力が負荷１６に対して足りないときには放電し、過剰なときには充電する。この制御は、たとえば充電回路制御装置４３が行う。

【0020】

パワーコンディショナ１３は、出力制御装置４１および充電回路制御装置４３を有している。出力制御装置４１は、それぞれのセルモジュール２１のスイッチ３１を制御して直流電源１２の出力を商用電力系統１８に連携可能な交流電力に変換する。充電回路制御装置４３は、セルモジュール２１内のキャパシタ３２の電圧の変動を抑制するようにバッテリー３３の充放電を制御する。

【0021】

次に、充電回路制御装置４３における制御方式を説明する。制御方式として、第１の制御方式と第２の制御方式とがある。
［第１の制御方式］
図４は、本実施の形態のパワーコンディショナに用いる充電回路制御装置の制御ブロック図である。

【0022】

図４において、ｉおよびｊはセルモジュール２１を示すインデックスであり、ｉ＝１は上アーム、ｉ＝２は下アーム、ｊ＝１はｕ相、ｊ＝２はｖ相を示す。Ｐ_ｐｖは直流電源１２の発電電力、Ｐ_Ｌは負荷１６の消費電力、ｖ_Ｃ^＊はセルモジュール２１内のキャパシタ３２の電圧の目標値、ｖ_Ｃｉｊはキャパシタ３２の電圧の測定値である。

【0023】

ｉ_ｅｉｊは、セルモジュール２１内のバッテリー３３に流れる電流の測定値である。具体的には、ｉ_ｅｉｊは、バッテリー３３に直列に接続されたリアクトルＬ_１を流れる電流ｉ_ｅとして計測される。

【0024】

ｉ_{ｅＤＣｉｊ２}は、セルモジュール２１内のバッテリー３３に流れる電流ｉ_ｅｉｊの直流成分である。具体的には、ｉ_{ｅＤＣｉｊ２}は、バッテリー３３に直列に接続されたリアクトルＬ_１を流れる電流ｉ_ｅ値にローパスフィルタ（ＬＰＦ）をかけて直流成分のみを取り出したものである。

【0025】

Ｖ_ｅｉｊは、バッテリー３３の両端の電圧の測定値である。Ｄ_ｉｊは、充電用スイッチ３４−２を基準にＰＷＭ制御を行うときの充電用スイッチ３４−２のデューティー比である。

【0026】

図４に示すように、まず、電力授受バランス演算として直流電源１２の発電電力Ｐ_ｐｖと負荷１６の消費電力Ｐ_Ｌとの差を求める。この差の電力Ｐ_ｅを４つのセルモジュールで均等に担当するとすれば、４Ｖ_ｅｉｊで除して、バッテリー３３に流れる電流の第１の目標値ｉ_ｅｉｊ１^＊が求められる。

【0027】

次に、バッテリー３３に流れる電流の第１の目標値ｉ_ｅｉｊ１^＊とバッテリー３３に流れる電流の脈動成分の目標値ｉ_{ｅＡＣｉｊ２}^＊との和を求める。バッテリー３３に流れる電流の脈動成分の目標値ｉ_{ｅＡＣｉｊ２}^＊は、キャパシタ３２の電圧の目標値ｖ_Ｃ^＊とキャパシタ３２の電圧ｖ_Ｃijとの差をフィードバックしてＰＩ制御することによりバッテリー３３に流れる電流の第２の目標値ｉ_ｅｉｊ２^＊を求め、この目標値ｉ_ｅｉｊ２^＊からバッテリー３３に流れる電流の直流成分ｉ_{ｅＤＣｉｊ２}を減じたものである。

【0028】

バッテリー３３に流れる電流の第１の目標値ｉ_ｅｉｊ１^＊とバッテリー３３に流れる電流の脈動成分の目標値ｉ_{ｅＡＣｉｊ２}^＊との和は、バッテリー３３に流れる電流の真の目標値ｉ_ｅｉｊ^＊である。バッテリー３３に流れる電流の真の目標値ｉ_ｅｉｊ^＊とバッテリー３３に流れる電流の測定値ｉ_ｅｉｊとの差をフィードバックしてＰＩ制御することにより、バッテリー３３の電圧の目標値ｖ_ｅＬｉｊ^＊が求められる。

【0029】

バッテリー３３の電圧の目標値ｖ_ｅＬｉｊ^＊とバッテリー３３の電圧ｖ_ｅｉｊとの差をキャパシタ３２の電圧ｖ_Ｃｉｊで規格化し、さらに、その比を１から減ずることにより充電用スイッチ３４−２のデューティー比Ｄ_ｉｊが求められる。

【0030】

このようにして得られたデューティー比Ｄ_ｉｊに基づいて、充電回路の充電用スイッチ３４−２を基準に充電用スイッチ３４−１はその負論理としてＰＷＭ制御される。

【0031】

一方で出力制御装置４１は、４つのスイッチ３１を制御して３階調の矩形波である交流を発生させる。例えば図１におけるセルモジュール２１の出力電圧ｖ_１ｕは、直流である発電装置の出力電圧Ｅ_ｐｖに相当する電圧を重畳した交流である。ｕ相を構成するセルモジュール２１と２３、およびｖ相を構成するセルモジュール２２と２４は合成されて、それぞれ５階調の略正弦波の交流となり、ｕ相とｖ相を合成した出力電圧ｖ_ｏは７階調の略正弦波の交流となる。それぞれのセルモジュール２１、２２、２３、２４の直流成分は互いに相殺され、出力電圧ｖ_ｏは交流成分のみとなり、キャパシタＣ_ｆにより平滑化されて負荷１６および商用電力系統１８に供給される。
［第２の制御方式］
図５は、本実施の形態のパワーコンディショナに用いる充電回路制御装置の他の例の制御ブロック図である。

【0032】

図５において、ｉおよびｊはセルモジュール２１を示すインデックスであり、ｉ＝１は上アーム、ｉ＝２は下アーム、ｊ＝１はｕ相、ｊ＝２はｖ相を示す。Ｐ_ｐｖは直流電源１２の発電電力、Ｐ_Ｌは負荷１６の消費電力、ｉ_ｋはバッファリアクトルＬを流れる電流、ｖ_Ｃｉｊはキャパシタ３２の電圧の測定値である。

【0033】

ｉ_ｅｉｊは、セルモジュール２１内のバッテリー３３に流れる電流の測定値である。具体的には、ｉ_ｅｉｊは、バッテリー３３に直列に接続されたリアクトルＬ_１を流れる電流ｉ_ｅとして計測される。

【0034】

ｉ_{ｐｃＤＣｉｊ}は、セルモジュール２１内のバッテリー３３に流れる電流ｉ_ｅｉｊの直流成分である。具体的には、ｉ_{ｐｃＤＣｉｊ}は、キャパシタ３２に流れ込む電流の直流成分である。

【0035】

Ｖ_ｅｉｊは、バッテリー３３の両端の電圧の測定値である。Ｄ_ｉｊは、充電用スイッチ３４−２を基準にＰＷＭ制御を行うときの充電用スイッチ３４−２のデューティー比である。

【0036】

図５に示すように、まず、電力授受バランス演算として直流電源１２の発電電力Ｐ_ｐｖと負荷１６の消費電力Ｐ_Ｌとの差を求める。この差の電力Ｐ_ｅを４つのセルモジュールで均等に担当するとすれば、４Ｖ_ｅｉｊで除して、バッテリー３３に流れる電流の第１の目標値ｉ_ｅｉｊ１^＊が求められる。

【0037】

次に、バッテリー３３に流れる電流の第１の目標値ｉ_ｅｉｊ１^＊とバッテリー３３に流れる電流の第２の目標値ｉ_ｅｉｊ２^＊との和を求める。バッテリー３３に流れる電流の第２の目標値ｉ_ｅｉｊ２^＊は、以下のようにして求める。

【0038】

まず、バッファリアクトルＬを流れる電流ｉ_ｋから、それにセルモジュールの出力電圧の目標値Ｖ_ｉｊ^＊とキャパシタ３２の電圧測定値Ｖ_Ｃｉｊの比、すなわちブリッジ回路の変調比率を掛けて、キャパシタ３２に流れ込む電流ｉ_ｐｃｉｊを求める。このキャパシタ３２に流れ込む電流ｉ_ｐｃｉｊから直流成分ｉ_{ｐｃＤＣｉｊ}を減ずることにより、キャパシタ３２に流れ込む電流の脈動成分の目標値ｉ_{ｐｃＡＣｉｊ}^＊を求める。キャパシタ３２に流れ込む電流の直流成分ｉ_{ｐｃＤＣｉｊ}は、キャパシタ３２に流れ込む電流ｉ_ｐｃｉｊをＬＰＦに通すことにより得られる。

【0039】

キャパシタ３２に流れ込む電流の脈動成分の目標値ｉ_{ｐｃＡＣｉｊ}^＊に基づいて、それを打ち消す反転した交流を出力するために（−１）倍して、バッテリー３３側からキャパシタ３２に流れ込む電流の目標値ｉ_ｅｓｉｊ^＊が得られる。バッテリー３３側からキャパシタ３２に流れ込む電流の目標値ｉ_ｅｓｉｊ^＊から、それにキャパシタ３２の電圧測定値Ｖ_Ｃｉｊとバッテリー３３の電圧Ｖ_ｅｉｊとの比、すなわちチョッパ変換比率を掛けて、バッテリー３３に流れる電流の第２の目標値ｉ_ｅｉｊ２^＊を求める。

【0040】

バッテリー３３に流れる電流の第１の目標値ｉ_ｅｉｊ１^＊とバッテリー３３に流れる電流の脈動成分の目標値ｉ_ｅｉｊ２^＊との和は、バッテリー３３に流れる電流の真の目標値ｉ_ｅｉｊ^＊である。バッテリー３３に流れる電流の真の目標値ｉ_ｅｉｊ^＊とバッテリー３３に流れる電流の測定値ｉ_ｅｉｊとの差をフィードバックしてＰＩ制御することにより、バッテリー３３の電圧の目標値ｖ_ｅＬｉｊ^＊が求められる。

【0041】

バッテリー３３の電圧の目標値ｖ_ｅＬｉｊ^＊とバッテリー３３の電圧ｖ_ｅｉｊとの差をキャパシタ３２の電圧ｖ_Ｃｉｊで規格化し、さらに、その比を１から減ずることにより充電用スイッチ３４−２のデューティー比Ｄ_ｉｊが求められる。

【0042】

このようにして得られたデューティー比Ｄ_ｉｊに基づいて、充電回路の充電用スイッチ３４−２を基準に充電用スイッチ３４−１はその負論理として、ＰＷＭ制御される。

【0043】

図６は、本実施の形態のパワーコンディショナの各部の電圧および電流のシミュレーション結果を比較例とともに示すグラフである。図６において、上段の３つのグラフは比較例とする基準形のシミュレーション結果、中段の３つのグラフは本実施の形態の第１の方式における制御を行ったケースのシミュレーション結果、下段の３つのグラフは本実施の形態の第２の方式における制御を行ったケースのシミュレーション結果である。左側の列のグラフは、それぞれのケースにおけるセルモジュール２１内のキャパシタ３２の電圧である。中央の列のグラフは、それぞれのケースにおける発電装置の出力電流である。右側の列のグラフは、それぞれのケースにおけるセルモジュール２１内のバッテリー３３の出力電流である。

【0044】

図７は、比較例のパワーコンディショナの充電回路制御装置の制御ブロック図である。

【0045】

本実施の形態の制御方法を用いた２つのケースでは、バッテリー３３の出力電流が変動することにより、セルモジュール２１のキャパシタ３２の電圧の変動が大幅に抑制されていることがわかる。

【0046】

このように、本実施の形態では、入力端子から入力される直流電流を交流電流に変換して出力端子から出力するパワーコンディショナにおいて、交流出力電圧の脈動を増大させることなくそれぞれのセルモジュール内のキャパシタの容量を低減できる。その結果、セルモジュール２１内のキャパシタ３２の容量を小さくすることができる。このため、セルモジュール２１内のキャパシタ３２として、たとえば電解コンデンサなどの大容量であるが寿命が短いコンデンサではなく、寿命の長いフィルムコンデンサ、あるいは、セラミックコンデンサを用いることができる。

【0047】

図６の右側の列のグラフのセルモジュール２１内のバッテリー３３の出力電流は、中段の本実施の形態の第１の方式における制御を行った結果および下段の本実施の形態の第２の方式における制御を行った結果ともに、電流がプラス側とマイナス側にわたって脈動している。この場合にはバッテリーが微小な充放電を繰り返すことになる。それを避けるためには、上段の電力授受バランスをとるための制御量（バッテリー３３に流れる電流の第１の目標値ｉ_ｅｉｊ１^＊）に一定のバイアスを付加することによって、バッテリー３３が放電モードのときは電流値がプラス側だけで脈動するように、あるいはバッテリー３３が充電モードのときは電流値がマイナス側だけで脈動するようにすることができる。これにより、バッテリー３３の充放電のサイクル数を低減することができる。

【0048】

上述の実施の形態では、フルブリッジ型を例として説明したが、ハーフブリッジ型でも同様の構成により同様の効果を得ることができる。すなわち、２つのセルモジュール２１，２３のみ、もしくは他の２つのセルモジュール２２，２４のみのハーフブリッジ型でもよい。

【0049】

図８は、本発明に係るパワーコンディショナの３相交流の場合の一実施の形態の回路図である。

【0050】

パワーコンディショナ５０は、６つのセルモジュール２１，２２，２３，２４，２５，２６を有する。６つのセルモジュールは、上アームに属するセルモジュール２１、２２、２５と下アームに属するセルモジュール２３，２４，２６とに分類できる。また、６つのセルモジュールは、ｕ相に属するセルモジュール２１，２３と、ｖ相に属するセルモジュール２２，２４、ｗ相に属するセルモジュール２５，２６とに分類できる。それぞれのセルモジュール２１，２２，２３，２４，２５，２６は図２に示すセルモジュール２１と同一の回路構成である。

【0051】

このように、本実施の形態では、入力端子から入力される直流電流を交流電流に変換して出力端子から出力するパワーコンディショナにおいて、産業用途で使用される３相交流システムに適用することができる。

【0052】

図９は、本発明に係るパワーコンディショナの２相交流の場合の別の実施の形態の回路図である。

【0053】

パワーコンディショナ６０は、８つのセルモジュール２１−１，２１−２，２２−１，２２−２，２３−１，２３−２，２４−１，２４−２を有する。８つのセルモジュールは、上アームに属するセルモジュール２１−１，２１−２，２２−１，２２−２と下アームに属するセルモジュール２３−１，２３−２，２４−１，２４−２とに分類できる。また、８つのセルモジュールは、ｕ相に属するセルモジュール２１−１，２１−２，２３−１，２３−２と、ｖ相に属するセルモジュール２２−１，２２−２，２４−１，２４−２とに分類できる。それぞれのセルモジュールは図２に示すセルモジュール２１と同一の回路構成である。

【0054】

本実施の形態では、上アームに属しu相に属するセルモジュール、下アームに属しu相に属するセルモジュール、上アームに属しｖ相に属するセルモジュール、下アームに属しｖ相に属するセルモジュールがそれぞれ２個ずつあるため、その内の１個が故障してもパワーコンディショナ全体として、効率は低下するものの、連続稼働することが可能となる。本実施の形態では２相交流のフルブリッジ型を例として説明したが、ハーフブリッジ型や３相交流を生成するパワーコンディショナでも同様の構成により同じ効果を得ることができる。

【0055】

図１０は、本実施の形態の変形例におけるセルモジュールの回路図である。

【0056】

上述の実施の形態においては、セルモジュール２１〜２４に使用されるスイッチ３１は４つとして説明したが、図１０に示すように１つのセルモジュール２１〜２４に含まれるスイッチ３１は２つであっても同様の効果を得ることができる。

【0057】

図１１は、本実施の形態のパワーコンディショナの他の変形例の回路図である。図１２は、本実施の形態の他の変形例におけるセルモジュールの回路図である。

【0058】

この変形例において、直流電源９０は、それぞれのセルモジュール９１，９２，９３，９４の一部として構成されている。この変形例は、たとえば直流電源９０である太陽光発電装置を１枚ずつ制御するマイクロコンバータとして機能する。

【0059】

この変形例でも、それぞれのセルモジュール９１，９２，９３，９４には、６つの半導体スイッチが用いられている。これら６つのスイッチのうち、２つのスイッチ３１はＭＭＣ交流接続用、２つのスイッチ３４−１，３４−２は２象限チョッパである充電回路用、２つのスイッチ３５は太陽光発電装置の昇圧チョッパ用として、それぞれ用いられている。

【0060】

直流電源９０の出力は電流の正の向きのＤＣ成分のみである。蓄電装置３３は、この直流電源９０の出力電力と交流側へ出力する電力の電力バランスをとるためのＤＣ成分の制御と、蓄電装置ＭＭＣ交流側から流入するＡＣ成分に対しての脈動補償制御を行う。このように、上述の実施の形態と同様の制御を行うことにより、本変形例でも同様の動作を行わせることができる。

【0061】

この変形例においても、交流出力電圧の脈動を増大させることなくそれぞれのセルモジュール内のキャパシタの容量を低減できる。その結果、セルモジュール９１，９２，９３，９４内のキャパシタ３２の容量を小さくすることができる。このため、セルモジュール９１，９２，９３，９４内のキャパシタ３２として、たとえば電解コンデンサなどの大容量であるが寿命が短いコンデンサではなく、寿命の長いフィルムコンデンサ、あるいは、セラミックコンデンサを用いることができる。

【符号の説明】

【0062】

１０…入力端子、１２，９０…直流電源、１３，５０，６０…パワーコンディショナ、１４…出力端子、１６…負荷、１８…商用電力系統、２１，２２，２３，２４，２５，２６，９１，９２，９３，９４…セルモジュール、３１…スイッチ、３２…キャパシタ、３３…バッテリー、３４…充電用スイッチ、４１…出力制御装置、４３…充電回路制御装置

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】