JP2016152634A - Power conversion apparatus - Google Patents
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Abstract
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。 The present invention relates to a power conversion device connected between a DC power supply and a power system.
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。 Some power converters are called power conditioners that convert DC power output from solar cells, fuel cells, and the like into AC power, and supply the AC power to the outside of a power system or the like. Such a power converter is generally composed of a DC-DC converter that changes the voltage value of a DC voltage, and a DC-AC converter that has an inverter circuit or the like and converts a DC voltage to an AC voltage. Yes. These converter circuits are provided with switching elements such as IGBTs (insulated gate bipolar transistors). When the switching element is appropriately switched, the DC-DC converter boosts the DC voltage from the DC power source to a peak value of an AC waveform to be output from the DC-AC converter, and the DC-AC converter boosts the voltage. The obtained DC voltage is shaped into a predetermined AC waveform. As a result, grid interconnection is possible.
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。 By the way, in such a power converter, between a direct-current power supply and a DC-DC converter or between a DC-DC converter and a DC-AC converter, a smoothing capacitor having a large capacity of about several hundreds to several tens of thousands μF, etc. Capacitors are connected in parallel. These capacitors are a substantial power source for supplying power to each of the DC-DC converter and the DC-AC converter. However, it may be desirable for the charge stored in the capacitor to be discharged, such as when the operation is stopped.
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。 For example, it is a period after operation check and inspection in a factory, a period for performing maintenance work, and the like. Specifically, immediately after the power conversion device shifts from an operation state such as grid connection to a stop, the charge is still accumulated in the smoothing capacitor. For this reason, it is assumed that an operator accidentally touches the smoothing capacitor during a period after confirming the operation at the factory or during a maintenance period. Therefore, a technique has been proposed that can discharge the smoothing capacitor so that the voltage of the charge accumulated in the smoothing capacitor becomes a safe voltage at the start of these periods.
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。 For example, Patent Document 1 discloses a technology that uses an inrush current prevention resistor that suppresses an inrush current that flows into a capacitor at start-up and adversely affects components such as the capacitor as a resistor for discharging the capacitor.
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。
For example, in the technique disclosed in
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。 However, in the technique disclosed in Patent Document 1, it is necessary to add two special switches. For this reason, there is room for improvement in cost reduction and substrate area reduction.
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。
In addition, the technique disclosed in
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。 Then, this invention is made | formed in view of the above problems, and it aims at providing the technique which can suppress the size and components of a power converter device.
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オンする制御回路とをさらに備える。 The power conversion device according to the present invention is a power conversion device connected between a DC power supply and a power system, and is connected in parallel with the DC power supply, in parallel with the input capacitor, and the DC A DC-DC converter capable of boosting a DC voltage input from a power supply through the input capacitor, and connected in parallel with the DC-DC converter, and smoothing the DC voltage boosted by the DC-DC converter. A smoothing capacitor; and a DC-AC converter connected in parallel with the smoothing capacitor and converting a DC voltage smoothed by the smoothing capacitor into an AC voltage output to the power system. The DC-AC converter includes a plurality of upper and lower arms composed of a plurality of switching elements, and a plurality of free-wheeling diodes connected in parallel to the plurality of switching elements. The power converter is connected between the one end of the smoothing capacitor connected in parallel and the one end of the DC-AC converter connected in parallel, and suppresses an inrush current flowing from the power system to the smoothing capacitor. A switch connected in parallel with the first resistor between the first resistor possible, the one end of the smoothing capacitor connected in parallel, and the one end of the DC-AC converter connected in parallel; And a control circuit for turning off the switch and turning on at least one set of the upper arm and the lower arm when the electric power stored in the smoothing capacitor is discharged by the first resistor.
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。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the size and components of a power converter device can be suppressed.
＜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。
<Embodiment 1>
First, before describing the power conversion device according to Embodiment 1 of the present invention, a power conversion device related thereto (hereinafter referred to as “related device”) will be described.
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。
FIG. 7 is a circuit diagram showing a schematic configuration of a related apparatus. 7 includes a
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。
The first switch 63 is connected in parallel with the inrush
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。
According to such a configuration of the related device, it is possible to prevent power consumption by the inrush
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。
However, in the related apparatus shown in FIG. 7, it is necessary to add special parts such as the first and
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。
FIG. 1 is a circuit diagram showing a schematic configuration of the power conversion device according to the first embodiment. The
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。
1 includes a switch 3, an input capacitor 4, a DC-
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。
Hereinafter, each component of the
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。
The switch 3 selectively performs connection and disconnection between the solar cell 1 and the internal circuit of the
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。 The input capacitor 4 is connected in parallel with the solar cell 1 via the switch 3.
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。
In FIG. 1, the DC-
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。
The DC-
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。
The smoothing
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。
The DC-AC converter 9 is a single-phase full bridge circuit connected in parallel with the smoothing
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。
In the first embodiment, the plurality of sets of upper arms and lower arms are a switching
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。
The plurality of free-wheeling diodes 9a1 to 9d1 are connected in parallel to the plurality of switching
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。
In the DC-AC converter 9 configured as described above, the
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。
One end of the
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。
The system switch 12 a selectively performs connection and disconnection between one end of the
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。
The inrush
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。
The
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。
The
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。
Further, the
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。
The
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。
The control
＜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。
<Operation>
Next, the operation of the
＜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。
<Inrush current suppression>
When the switch 3 is turned on, the power of the solar cell 1 is charged into the input capacitor 4. Thereby, the input capacitor 4 becomes a substantial power source of the DC-
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。
When the system switches 12a and 12b are turned on, an inrush current flows from the
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。
FIG. 2 is a diagram showing the flow of the inrush current when the inrush current flowing from the
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。
The path through which the inrush current flows includes the inrush
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。
When the inrush current flows, the smoothing
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。
In a general circuit configuration, the inrush
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。
Therefore, in the first embodiment, when the
＜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。
<Normal operation>
After the
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。
When the voltage of the smoothing
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。
As a result, the input capacitor 4 is charged with the same voltage as the solar cell 1, and the smoothing
＜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。
<Capacitor discharge>
FIG. 3 is a diagram showing a flow of a discharge current when the electric power stored in the input capacitor 4 and the smoothing
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。
In the production line at the factory, after the assembly, adjustment, operation check, and inspection of the
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。
Thereafter, as shown in FIG. 3, the
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。
When receiving a discharge instruction from the
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。
As indicated by the solid line arrow in FIG. 3, the discharge current (charge) of the input capacitor 4 is added to the discharge current (charge) of the smoothing
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。
Since the maximum value of the discharge current is determined by the resistance value of the inrush
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。
According to the
＜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。
<
FIG. 4 is a circuit diagram showing a schematic configuration of the power conversion device according to the second embodiment of the present invention. Note that, in the
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。
In Embodiment 1, although it was the circuit structure which discharges | emits (outputs) the electric power of the solar cell 1 to the electric power grid |
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。
The
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。
The DC-
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。
The DC-
＜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。
<Operation>
Next, an operation for charging the
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。
When the smoothing
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。
The DC-
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。
The stepped-down DC voltage is supplied to the
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。
The discharge path of the input capacitor 4 of the first embodiment includes the
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。
According to the second embodiment as described above, the
＜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。
<Embodiment 3>
FIG. 5 is a circuit diagram showing a schematic configuration of the power conversion device according to Embodiment 3 of the present invention. In addition, in the
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。
In the first embodiment, it has been described that the power for operating the
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。
In contrast, the
＜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。
<Operation>
Next, the operation of the
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。
While discharging the charges of the input capacitor 4 and the smoothing
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。
The ideal voltage after discharging the input capacitor 4 and the smoothing
＜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。
<Embodiment 4>
FIG. 6 is a circuit diagram showing a schematic configuration of the power conversion device according to the fourth embodiment of the present invention. In the
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。
In the
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。
According to such a
＜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。
<Modification>
In the above description, the
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。 In the above description, one of the upper arm and the lower arm of the first group and the upper arm and the lower arm of the second group are turned on simultaneously. However, when the discharge current continues to flow through the specific switching element, the switching element generates heat.
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。
In view of this, when discharging the electric power stored in the smoothing
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。
Alternatively, when discharging the electric power stored in the smoothing
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。 In addition, the plurality of sets is two sets (first set and second set), but is not limited to this, and may be three or more sets.
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。 It should be noted that the present invention can be freely combined with each embodiment and each modification within the scope of the invention, and each embodiment and each modification can be appropriately modified and omitted.
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。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Solar cell, 2 Power converter device, 4 Input capacitor, 5,22 DC-DC converter, 6 Smoothing capacitor, 7 Inrush current prevention resistor, 8 Switch, 9 DC-AC converter, 9a-9d Switching element, 9a1-9d1 Reflux Diode, 14 Control circuit, 19 Power system, 21 Storage battery, 31 Discharge resistance.
Claims (6)
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オンする制御回路と
をさらに備える、電力変換装置。 A power conversion device connected between a DC power source and a power system,
An input capacitor connected in parallel with the DC power source;
A DC-DC converter connected in parallel with the input capacitor and capable of boosting a DC voltage input from the DC power supply through the input capacitor;
A smoothing capacitor connected in parallel with the DC-DC converter and smoothing a DC voltage boosted by the DC-DC converter;
A DC-AC converter connected in parallel with the smoothing capacitor and converting a DC voltage smoothed by the smoothing capacitor into an AC voltage output to the power system;
The DC-AC converter
A plurality of upper and lower arms composed of a plurality of switching elements, and a plurality of free-wheeling diodes connected in parallel to the plurality of switching elements,
The power converter is
A first resistor connected between the one end of the smoothing capacitor connected in parallel and the one end of the DC-AC converter connected in parallel, and capable of suppressing an inrush current flowing from the power system to the smoothing capacitor; ,
A switch connected in parallel with the first resistor between the one end of the smoothing capacitor connected in parallel and the one end of the DC-AC converter connected in parallel;
A power conversion further comprising a control circuit that turns off the switch and turns on at least one set of the upper arm and the lower arm when the power stored in the smoothing capacitor is discharged by the first resistor. apparatus.
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。 The power conversion device according to claim 1,
The DC power source includes a storage battery,
The DC-DC converter
A power conversion device capable of stepping down a DC voltage input from the smoothing capacitor and outputting the voltage to the storage battery.
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。 The power conversion device according to claim 1 or 2, wherein
A power converter that supplies the power to the control circuit when discharging the power stored in the smoothing capacitor.
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。 The power conversion device according to claim 3,
A power converter, further comprising: a second resistor connected in parallel with the smoothing capacitor between the smoothing capacitor and the control circuit.
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オンすべき組を順に切り替える、電力変換装置。 The power conversion device according to any one of claims 1 to 4, wherein:
The control circuit includes:
A power conversion device that sequentially switches a set to be turned on from the plurality of sets when discharging the electric power stored in the smoothing capacitor.
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オンする、電力変換装置。 The power conversion device according to any one of claims 1 to 4, wherein:
The control circuit includes:
A power converter that turns on all of the plurality of sets of the upper arm and the lower arm when discharging the electric power stored in the smoothing capacitor.
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