JP2023147589A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】太陽光発電部との連携を適切に行うことで、電力変換効率の低下を防止できる電力変換装置を提供する。【解決手段】電力変換装置７を、系統電力線２より供給される交流電力を直流電力に変換するＡＣ／ＤＣ変換回路５、及び太陽光パネル３が太陽光により発生させた直流電力の電圧を変換してＡＣ／ＤＣ変換回路５の直流出力端子に供給するＤＣ／ＤＣ変換回路６と、蓄電池４との間に配置し、直流電力の電圧を双方向に変換する。電力変換装置７の制御部９は、太陽光パネル３が発生させる電力に応じて直流出力端子のバス電圧を変化させるように電源部８を制御し、具体的には、太陽光パネル３が発生させる電力が閾値を下回るとバス電圧を通常よりも低下させる。【選択図】図１

Description

本発明は、太陽光により電力を発生させる太陽光発電部を備えるシステムに適用される電力変換装置に関する。

昨今、カーボンニュートラルが推進されている流れの中で、電源装置の高効率化への関心が高まっている。特に、自然エネルギーへの注目が高いが、中でも太陽光発電システムに関しては商用、家庭向けを問わず広く普及が進んでいる。家庭用の太陽光発電システムでは、系統電源に連系させることで、家庭内の電力使用状況に応じて買電や太陽光による発電電力の売電ができる。しかし、このシステムでは、系統電源に停電が発生した際に感電を防止するため、太陽光発電側に配置されているパワーコントローラ；パワコンの動作を停止させる必要があり、災害時に電気が使えないという問題がある。

そこで、災害時でも電力が供給できるように、蓄電池や電気自動車又はハイブリッド電気自動車に搭載されている大容量の電池を利用するＶ２Ｈ（Vehicle to Home）システムも提案され、発売されている。このシステムでは、図６に示すように、車両に搭載されている電池の充放電器に、停電時のみ使用する自立放電機能を持たせている。そして、停電の発生時には、分電盤内で系統電源から電化製品への電力供給を切り離し、自立放電ラインと接続することで家庭内にある電化製品に交流電力を供給する。

太陽光発電側のパワコンは、非常時においても、自立放電ラインの交流波形を検出することで、あたかも系統電源が正常であると認識し、正常時と同様に発電した電力を負荷に供給する。上記の動作を継続するため、車両側の充放電器は、系統電源と同様に歪のない正弦波を出力しなければならない。しかし、上記パワコンとの相性や電化製品の使用状況によっては、歪んだ交流波形を出力してしまう。すると、パワコンは動作を停止するため、電力を供給できなくなる。

このような問題を解決するため、特許文献１に開示されているように、非常時に太陽光発電側のパワコンと連携させるため、パワコンと充放電器とを一体化するという技術がある。すなわち、車両側に搭載されていた充放電器を、家庭側に配置されるシステムに取り込んだ構成である。

特開２０１９－１９３４４４号公報

しかしながら、特許文献１のシステム構成では、直流のバス電圧を太陽光発電側のパワコンに合わせる必要がある。一般に、太陽光発電により供給される電力の電圧は４００Ｖを超えることが多く、車両側に搭載される電池の電圧は、４００Ｖを下回ることが多い。そのため、上記の電池を充電する際の降圧量が大きくなり、降圧変換する際に発生する損失が大きくなることで、システムの電力変換効率が低下してしまう。

本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、太陽光発電部との連携を適切に行うことで、電力変換効率の低下を防止できる電力変換装置を提供することにある。

請求項１記載の電力変換装置によれば、絶縁コンバータ部は、系統電力線より供給される交流電力を直流電力に変換する交流直流変換器、及び太陽光発電部が太陽光により発生させた直流電力の電圧を変換して交流直流変換器の直流出力端子に供給する直流直流変換器と、電力を蓄電する蓄電部との間に配置され、直流電力の電圧を双方向に変換する。

そして、制御部は、太陽光発電部が発生させる電力に応じて直流出力端子の電圧を変化させるように絶縁コンバータ部を制御する。このように構成すれば、時間の経過に伴い太陽光発電部が発生させる電力が変化しても、絶縁コンバータ部により交流直流変換器の直流出力端子の電圧を変化させることで、蓄電部に充電したり、蓄電部より放電させる際の電力変換効率が最適となるように制御できる。

具体的には、例えば請求項２記載の電力変換装置のように、制御部は、太陽光発電部が発生させる電力が閾値を下回ると、直流出力端子の電圧を通常よりも低下させる。これにより、絶縁コンバータ部における変換前後の電位差を縮小して、電力変換効率の低下を極力防止できる。

請求項３記載の電力変換装置によれば、制御部は、太陽光発電部が発生させる電力が閾値を下回ると、絶縁コンバータ部のスイッチング周波数を通常よりも低下させる。これにより、絶縁コンバータ部において発生するスイッチング損失を低減できるので、効率を更に向上させることができる。

請求項４記載の電力変換装置によれば、絶縁コンバータ部を共振型コンバータとして、制御部は、低下させる直流出力端子の電圧に応じた絶縁コンバータ部のスイッチング周波数と、絶縁コンバータ部の共振周波数とを比較して、より高い方の周波数を選択してスイッチング動作させる。これにより、スイッチング周波数を過剰に低下させて、回路素子の寿命を低下させることを回避できる。

請求項５記載の電力変換装置によれば、絶縁コンバータ部を、系統電力線より供給される交流電力を直流電力に変換する交流直流変換器、及び太陽光発電部が太陽光により発生させた直流電力の電圧を変換する第１直流直流変換器と、電力を蓄電する蓄電部との間に配置し、直流電力の電圧を双方向に変換する。

また、第２直流直流変換器を、第１直流直流変換器と絶縁コンバータ部との間に配置し、第１直流直流変換器により変換された電圧を変換して、交流直流変換器の直流出力端子に供給する。そして、制御部は、太陽光発電部が発生させる電力に応じて、前記直流出力端子の電圧を変化させるように第２直流直流変換器を制御する。このように、制御部が、請求項１の絶縁コンバータ部に替えて第２直流直流変換器を制御することで、請求項１と同様の効果が得られる。
請求項６記載の電力変換装置によれば、絶縁コンバータ部をＤＡＢコンバータとする。

第１実施形態であり、電力変換システムの構成を示す図 電力変換装置の制御部による処理内容を示すフローチャート 時間の経過に伴い図２の処理に対応して変化する発電電力量、バス電圧及びスイッチング周波数の一例を示すタイムチャート トランスの両側にある共振回路を含んだ等価回路を示す図 第２実施形態であり、電力変換システムの構成を示す図 一般的なＶ２Ｈシステムの構成を示す図

（第１実施形態）
以下、第１実施形態について説明する。図１は、本実施形態の電力変換システムであるＶ２Ｈシステムの構成を示す。Ｖ２Ｈシステム１は、系統電力線２、太陽光発電部である太陽光パネル３、蓄電部である蓄電池４の間で電力を変換して伝送するものである。尚、蓄電池４については、電気自動車に搭載される走行駆動用モータに駆動用電源供給するバッテリでも、電気自動車に搭載されないバッテリでも良い。

Ｖ２Ｈシステム１は、系統電力線２に接続されるＡＣ／ＤＣ変換回路５、及び太陽光パネル３に接続されるＤＣ／ＤＣ変換回路６と、蓄電池４との間に配置される電力変換装置７を備えている。電力変換装置７は、電源部８及び制御部９からなる。電源部８は、共振型の絶縁コンバータであり、絶縁部であるトランス１１を備え、その両側には、スイッチング素子である例えばＮチャネルＭＯＳＦＥＴ＿Ｑ１～Ｑ４をＨブリッジ接続したフルブリッジ回路１２Ｖ、１２Ｐがそれぞれ接続されている。すなわち、電源部８はＤＡＢ（Double Active Bridge）コンバータでもある。尚、図中左側は車両側であるからＶ側と称し、図中右側は系統電力線２側であるからＰ側と称する場合がある。また、特にＶ側、Ｐ側を区別する必要がない場合には、符号に「Ｖ、Ｐ」を付すことを省略する。

フルブリッジ回路１２Ｖを構成するＦＥＴ＿Ｑ１及びＱ３の共通接続点は、コイル１３Ｖを介してトランス１１のＶ側コイルの一端に接続されている。また、ＦＥＴ＿Ｑ２及びＱ４の共通接続点は、コンデンサ１４Ｖを介して上記Ｖ側コイルの他端に接続されている。フルブリッジ回路１２Ｐを構成するＦＥＴ＿Ｑ１及びＱ３の共通接続点は、コンデンサ１４Ｐを介してトランス１１のＰ側コイルの一端に接続されている。また、ＦＥＴ＿Ｑ２及びＱ４の共通接続点は、コイル１３Ｐを介して上記Ｐ側コイルの他端に接続されている。

フルブリッジ回路１２には、平滑コンデンサ１５が並列に接続されている。平滑コンデンサ１５Ｖには、ＦＥＴ＿Ｑ５及びＱ６の直列回路が並列に接続されている。ＦＥＴ＿Ｑ５及びＱ６の共通接続点は、インダクタ１６を介して蓄電池４の正側端子に接続されている。ＦＥＴ＿Ｑ５及びＱ６並びにインダクタ１６は、昇降圧チョッパ２５を構成している。また、トランス１１並びにフルブリッジ回路１２Ｖ及び１２ＰをＤＡＢコンバータ２６とすると、電源部８は、昇降圧チョッパ２５とＤＡＢコンバータ２６とを組み合わせて構成されている。

ＤＣ／ＤＣ変換回路６の直流出力端子は、制御部９の電流計１７を介してＡＣ／ＤＣ変換回路５の直流出力端子、及び電圧計測部１８に接続されている。電流計１７の計測結果は、電流計測部１９により取得される。電圧計測部１８は、上記の直流出力端子の電圧を計測し、電流計測部１９は、ＤＣ／ＤＣ変換回路６より前記直流出力端子に流れる電流を計測する。

電圧計測部１８及び電流計測部１９の出力端子は、電力演算部２０の入力端子にそれぞれ接続されており、電力演算部２０は、ＤＣ／ＤＣ変換回路６より出力される電力を演算する。その検算結果は動作モード判断部２１に入力され、動作モード判断部２１は、入力される電力値によって電源部８の動作モードを判断する。その判断結果は、電源制御部２２に入力される。電源制御部２２は、入力される動作モードに応じて電源部８の各ＦＥＴＱ１～Ｑ６のスイッチング動作を制御する。尚、以下では、ＤＣ／ＤＣ変換回路６の直流出力端子の電圧を、「バス電圧」と称することがある。

次に、本実施形態の作用について説明する。図２に示すように、制御部９は、電力演算部２０において太陽光パネル３の発電電力を計測すると（Ｓ１）、その発電電力を閾値と比較する（Ｓ２）。尚、図中のＰＶはPhotovoltaic；太陽光パネルを意味する。閾値は、例えば１０Ｗ程度に設定する。

そして、発電電力が閾値を超えていれば（Ｙｅｓ）、時間帯は昼間であると判断されるため、電源部８を通常モードで動作させる（Ｓ３）。すなわち、バス電圧及び電源部８のスイッチング周波数を通常の値とする。例えば、電圧は３８０Ｖ、スイッチング周波数は２００ｋＨｚとする。

一方、発電電力が閾値を超えていなければ（Ｎｏ）、時間帯は夜間であると判断されるため、電源部８を高効率モードで動作させる（Ｓ４）。すなわち、バス電圧及び電源部８のスイッチング周波数を通常モードの値よりも低下させる。例えば、バス電圧は３４０Ｖ、スイッチング周波数は１８０ｋＨｚに低下させる。図３は、時間の経過に伴い、図２の処理に対応して変化する発電電力量、バス電圧及びスイッチング周波数の一例を示している。

次に、高効率モードにおいて低下させるスイッチング周波数の制約条件について説明する。図４は、トランス１１の両側にある共振回路を含んだ等価回路を示す。コイル１３ＶのインダクタンスをＬｒ１，トランス１１のＶ側コイルのインダクタンスをＬｍ１、コンデンサ１４Ｖの容量をＣ１とし、Ｐ側の対応する定数をそれぞれ、Ｌｒ２，Ｌｍ２，Ｃ２とする。

スイッチング周波数をｆとすると、蓄電池４を放電させる際のスイッチング周波数ｆは、通常は以下の範囲内になるように制御する。
１／｛２π×（Ｌｒ１＋Ｌｍ１）×Ｃ１｝＜ｆ＜１／（２π×Ｌｒ１×Ｃ１）
そして、低下させるバス電圧に基いて算出したスイッチング周波数をｆ’ｄとすると、周波数ｆ’ｄと周波数［１／｛２π×（Ｌｒ１＋Ｌｍ１）×Ｃ１｝］とを比較し、より高い値を選択する。

また、蓄電池４を充電する際のスイッチング周波数ｆは、通常は以下の範囲内になるように制御する。
１／｛２π×（Ｌｒ２＋Ｌｍ２）×Ｃ２｝＜ｆ＜１／（２π×Ｌｒ２×Ｃ２）
そして、低下させるバス電圧に基いて算出したスイッチング周波数をｆ’ｃとすると、周波数ｆ’ｃと周波数［１／｛２π×（Ｌｒ２＋Ｌｍ２）×Ｃ２｝］とを比較し、より高い値を選択する。

以上のように本実施形態によれば、電力変換装置７を、系統電力線２より供給される交流電力を直流電力に変換するＡＣ／ＤＣ変換回路５、及び太陽光パネル３が太陽光により発生させた直流電力の電圧を変換してＡＣ／ＤＣ変換回路５の直流出力端子に供給するＤＣ／ＤＣ変換回路６と、蓄電池４との間に配置し、直流電力の電圧を双方向に変換する。

そして、電力変換装置７の制御部９は、太陽光パネル３が発生させる電力に応じて直流出力端子のバス電圧を変化させるように電源部８を制御する。具体的には、制御部９は、太陽光パネル３が発生させる電力が閾値を下回ると、バス電圧を通常よりも低下させる。これにより、電源部８における変換前後の電位差を縮小して、電力変換効率の低下を極力防止でき、蓄電池４に充電したり、蓄電池４より放電させる際の電力変換効率が最適となるように制御できる。

また、制御部９は、太陽光パネル３が発生させる電力が閾値を下回ると、電源部８のスイッチング周波数を通常よりも低下させる。これにより、電源部８において発生するスイッチング損失を低減できるので、効率を更に向上させることができる。

また、電源部８を共振型のＤＡＢコンバータとして、制御部９は、低下させるバス電圧に応じた電源部８のスイッチング周波数ｆ’と、電源部８の共振周波数ｆとを比較して、より高い方の周波数を選択してスイッチング動作させる。これにより、スイッチング周波数を過剰に低下させて、回路素子の寿命を低下させることを回避できる。

（第２実施形態）
以下、第１実施形態と同一部分には同一符号を付して説明を省略し、異なる部分について説明する。図５に示す第２実施形態のＶ２Ｈシステム３１において、ＤＣ／ＤＣ変換回路３２は、第１実施形態の電力変換装置７に相当するが、図２に示す処理は行わず、常に通常モードで動作する構成である。そして、ＡＣ／ＤＣ変換回路５と、ＤＣ／ＤＣ変換回路６との間に、もう１つのＤＣ／ＤＣ変換回路３３を追加している。ＤＣ／ＤＣ変換回路３３は、単方向変換で降圧動作を行う構成である。

このように構成すれば、ＤＣ／ＤＣ変換回路３２の動作モードを第１実施形態のように切り替えない場合であっても、夜間と判断される場合に、ＤＣ／ＤＣ変換回路３３によってステップＳ４のようにバス電圧を低下させることで、変換効率が低下することを防止できる。

本発明は上記した、又は図面に記載した実施形態にのみ限定されるものではなく、以下のような変形又は拡張が可能である。
スイッチング素子は、ＮチャネルＭＯＳＦＥＴに限ることなく、電源側にＰチャネルＭＯＳＦＥＴを使用したり、ＩＧＢＴを用いても良い。
バス電圧やスイッチング周波数、動作モードを切り替える際の閾値については、個別の設計に応じて適宜設定すれば良い。

図面中、１はＶ２Ｈシステム、２は系統電力線、３は太陽光パネル、４は蓄電池、５はＡＣ／ＤＣ変換回路、６はＤＣ／ＤＣ変換回路、７は電力変換装置、８は電源部、９は制御部、１１はトランス、１２はフルブリッジ回路、２５は昇降圧チョッパ、２６はＤＡＢコンバータを示す。

Claims (6)

1. 系統電力線より供給される交流電力を直流電力に変換する交流直流変換器、及び太陽光発電部が太陽光により発生させた直流電力の電圧を変換して、前記交流直流変換器の直流出力端子に供給する直流直流変換器と、電力を蓄電する蓄電部との間に配置され、直流電力の電圧を双方向に変換する絶縁コンバータ部と、
   前記太陽光発電部が発生させる電力に応じて、前記直流出力端子の電圧を変化させるように前記絶縁コンバータ部を制御する制御部とを備える電力変換装置。
2. 前記制御部は、前記太陽光発電部が発生させる電力が閾値を下回ると、前記直流出力端子の電圧を通常よりも低下させる請求項１記載の電力変換装置。
3. 前記制御部は、前記太陽光発電部が発生させる電力が閾値を下回ると、前記絶縁コンバータ部のスイッチング周波数を通常よりも低下させる請求項２記載の電力変換装置。
4. 前記絶縁コンバータ部は共振型コンバータであり、
   前記制御部は、低下させる前記直流出力端子の電圧に応じた前記絶縁コンバータ部のスイッチング周波数と、前記絶縁コンバータ部の共振周波数とを比較して、より高い方の周波数を選択してスイッチング動作させる請求項３記載の電力変換装置。
5. 系統電力線より供給される交流電力を直流電力に変換する交流直流変換器、及び太陽光発電部が太陽光により発生させた直流電力の電圧を変換する第１直流直流変換器と、電力を蓄電する蓄電部との間に配置され、直流電力の電圧を双方向に変換する絶縁コンバータ部と、
   前記第１直流直流変換器と前記絶縁コンバータ部との間に配置され、前記第１直流直流変換器により変換された電圧を変換して、前記交流直流変換器の直流出力端子に供給する第２直流直流変換器と、
   前記太陽光発電部が発生させる電力に応じて、前記直流出力端子の電圧を変化させるように前記第２直流直流変換器を制御する制御部とを備える電力変換装置。
6. 前記絶縁コンバータ部は、ＤＡＢ（Double Active Bridge）コンバータである請求項１から５の何れか一項に記載の電力変換装置。
   

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