JP2014220882A - 電力変換装置並びにそれを用いた蓄電システム - Google Patents

Abstract

【課題】
単相電力変換回路が多重接続される電力変換装置における単相電力変換回路の総数を低減すること。
【解決手段】
電力変換装置の電力変換部は、複数個の単相電力変換回路（Ｕ２１〜Ｕ２４，Ｖ２１〜２４）が直列多重接続される単相電力変換回路群（Ａ，Ｂ）を２個備え、これら２個の単相電力変換回路群は、互いにＶ結線されて、Ｖ結線回路部を構成し、このＶ結線回路部が三相交流電力を出力または入力する。
【選択図】図２

Description

本発明は、交流電力を直流電力に、または直流電力を交流電力に変換する電力変換装置、並びにそれを用いた蓄電システムに関する。

近年、二酸化炭素の排出量の低減や、化石燃料への依存度の低下を図るために、風力や太陽光などの自然から得られる再生可能エネルギーを利用した発電システムの導入が進められている。再生可能エネルギーを利用した発電システムの導入にあたっては、気象条件に左右される再生可能エネルギーの変動に伴う電力変動を抑制するため、電気エネルギーの蓄積及び放出が可能な蓄電システムが用いられる。この蓄電システムは、電力変換装置を動作させて、再生可能エネルギーによって発電される電力が余剰である場合には余剰電力を蓄電装置に貯蔵し、電力需要に応じて、貯蔵電力を電力系統に放電する。

上記のように蓄電システムは電力系統と連系するため、蓄電システムが備える電力変換装置に対しては、高電圧化や大容量化が要求される。

電力変換装置を高電圧化および大容量化する技術として、次のような従来技術が知られている。本従来技術による電力変換装置においては、三相交流電力系統の各相に、複数の単相インバータを直列多重接続した単相インバータ群が設けられ、３相分の単相インバータ群がＹ結線される（例えば、特許文献１参照）。これにより、三相交流電力を入出力する電力変換装置を、小容量の単相インバータを用いて、高電圧化および大容量化することができる。

特開２００７−３７２９０号公報

上記従来技術による電力変換装置においては、多数の単相インバータを必要とするため、電力変換装置が大型化したり、コストが増大したりする。また、各単相インバータには、複数の半導体スイッチング素子が用いられるため、電力変換装置に使用される半導体スイッチング素子の総数が大きくなる。このため、半導体スイッチング素子が発生する総電力損失が増加して、その結果、電力変換装置の変換効率が低下するという問題がある。

本発明は、上記の問題を考慮してなされたものであり、単相電力変換回路が多重接続される電力変換装置における単相電力変換回路の総数を低減することを課題とする。

上記課題を解決するために本発明による電力変換装置においては、複数の単相電力変換回路が直列多重接続される２個の単相電力変換回路群がＶ結線される。

上記本発明の一態様である電力変換装置は、三相交流電力を出力または入力する三相交流端子と、正負を一組とする複数組の直流端子と、三相交流端子および複数組の直流端子と電気的に接続され、直流電力を三相交流電力に、または三相交流電力を直流電力に変換する電力変換部とを備える。この電力変換部は、各々が直流側接続端子と交流側接続端子とを備える複数の単相電力変換回路を備え、これら複数個の単相電力変換回路の内、三相交流電力に応じた複数個の単相電力変換回路が、交流側接続端子によって直列多重接続される単相電力変換回路群を２個備える。これら２個の単相電力変換回路群は、互いにＶ結線されて、Ｖ結線回路部を構成する。このＶ結線回路部は、三相交流端子に電気的に接続され、三相交流端子を介して三相交流電力を出力または入力する。

複数個の単相電力変換回路が直列多重接続される単相電力変換回路群を交流電力の相数分備えることなく、２個の単相電力変換回路群によって電力変換が可能となる。これにより、電力変換装置に用いられる単相電力変換回路の総数を低減することができる。

上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

本発明の第１の実施形態である蓄電システムの概略構成を示す。 図１における電力変換部の概略構成を示す。 単相電力変換回路の回路構成を示す。 三相各相の相電圧目標値、線間電圧目標値並びに線間電圧出力値を示す。 線間電圧目標値とＰＷＭ制御用キャリアを示す。 Ｕ−Ｗ線間の線間電圧出力値と、Ｕ−Ｗ線間に接続される単相電力変換回路の出力電圧を示す。 Ｖ−Ｗ線間の線間電圧出力値と、Ｖ−Ｗ線間に接続される単相電力変換回路の出力電圧を示す。 本発明の第２の実施形態である蓄電システムの概略構成を示す。 図８における電力変換部の概略構成を示す。 三相各相の相電圧目標値、線間電圧目標値並びに線間電圧出力値を示す。 各相の相電圧目標値を示す。 Ｕ相の相電圧出力値と、Ｕ相に接続された単相電力変換回路の出力電圧を示す。 Ｖ相の相電圧出力値と、Ｖ相に接続された単相電力変換回路の出力電圧を示す。 Ｗ相に接続された単相電力変換回路の出力電圧を示す。

以下、図面を用いて、本発明の実施形態について具体的に説明する。
《第１の実施形態》
図１は、本発明の第１の実施形態である蓄電システムの概略構成を示す。

図１の蓄電システムは、直流電力を三相交流電力に変換したり、三相交流電力を直流電力に変換したりする機能を有する電力変換装置１と、直流電力を貯蔵する複数の蓄電装置１４からなる蓄電装置群７を備えている。三相交流電源系統８において三相交流電力が不足すると、蓄電装置群７に貯蔵される直流電力が、電力変換装置１により三相交流電力に変換され、変換後の三相交流電力が三相交流端子６を介して三相交流電源系統８に出力される。また、三相交流電源系統８において三相交流電力が余剰になると、電力変換装置１は、余剰な三相交流電力を、三相交流端子を介して入力し、入力した余剰電力を直流電力に変換し、変換後の直流電力を蓄電装置群７に貯蔵する。

電力変換装置１は、電力変換部２，中央制御装置３，連系リアクトル部４，正極側端子と負極側端子を一組とする複数組の直流端子１５からなる直流端子群５および三相交流端子６を備えている。そして、電力変換装置１は、三相交流端子６を介して三相交流電源系統８と接続され、かつ直流端子群５を介して蓄電装置群７と接続される。

電力変換部２は、半導体スイッチング素子を含む主回路部を備える。本主回路部は、後述するように、複数の単相電力変換回路が直列多重接続される単相電力変換回路群を２個備え、これら２個の単相電力変換回路群がＶ結線されるＶ結線回路部を備えている。さらに、電力変換部２は、直流端子群５を介して蓄電装置群７と電気的に接続されている。直流端子群５における複数組の直流端子１５には、それぞれ、蓄電装置群７における蓄電装置１４が接続される。また、電力変換部２における三相交流電力の入出力部Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相は、連系リアクトル部４と電気的に接続されている。本実施形態において、連系リアクトル部４は、Ｕ相およびＶ相にのみリアクトルを備えている。さらに、連系リアクトル部４は三相交流端子６を介して三相交流電源系統８と電気的に接続されている。

中央制御装置３には、あらかじめ制御プログラムが実装されており、その制御プログラムに基づいて電力変換装置１の電力変換部２に指令信号を送信する。図１には明記しないが、中央制御装置３に実装される制御プログラムは、三相交流電源系統８の電力供給状態を計測する電圧センサや電流センサの出力信号、並びに蓄電装置群７の作動状態を計測する電圧センサや電流センサや温度センサの出力信号に基づいて、蓄電装置７の作動状態を最適化しながら、三相交流電源系統８と電力を送受するための電力変換部２への指令信号を作成する。

蓄電装置群７は、図には明記しないが、電気的に直並列に接続された複数の蓄電装置、例えばリチウムイオン二次電池を備えている。複数の蓄電装置の電気的な接続の仕方は、電力変換装置１と蓄電装置群７によって構成される蓄電システムに要求される出力電圧や蓄電容量などに関する仕様に応じて、直列接続，並列接続，直並列接続のいずれかが用いられる。なお、本実施形態の蓄電システムは、再生可能エネルギーによる発電システムに対応して設けられており、この発電システムが高電圧かつ高容量の三相交流電源系統８と連系するため、複数の蓄電装置が電気的に直並列に接続された構成が用いられる。

図２は、図１の電力変換装置１を構成する電力変換部２の概略構成を示す。電力変換部２は、４個の単相電力変換回路Ｕ２１，Ｕ２２，Ｕ２３，Ｕ２４が直列多重接続される単相電力変換回路群Ａと、４個の単相電力変換回路Ｖ２１，Ｖ２２，Ｖ２３，Ｖ２４が直列多重接続される単相電力変換回路群Ｂを有する。各単相電力変換回路は後述するように交流側接続端子および直流側接続端子を備えており、この交流側接続端子によって４個の単相電力変換回路が直列多重接続される。なお、各単相電力変換回路の直流側接続端子には、蓄電装置１４が接続される。単相電力変換回路群Ａの一端と単相電力変換回路群Ｂの一端が電気的に接続される。すなわち、電力変換部２は、単相電力変換回路群Ａと単相電力変換回路群ＢとがＶ結線されるＶ結線回路部を備える。

図２に示したＶ結線回路部と外部回路との接続点２Ａ，２Ｂには、それぞれ単相電力変換回路群Ａの他端，単相電力変換回路群Ｂの他端が接続される。また、単相電力変換回路群Ａと単相電力変換回路群Ｂの相互接続点２Ｄは、Ｖ結線回路部と外部回路との接続点２Ｃに接続される。なお、本実施形態では、相互接続点２Ｄと接続点２Ｃは、回路あるいは回路部品を介することなく、互いに直接接続されるので、同電位となる。Ｖ結線回路部と外部回路との接続点２Ａ，２Ｂ，２Ｃは、それぞれ、図１に示した電力変換部２における三相交流電力の入出力部Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相に接続される。このようなＶ結線回路部では、Ｕ相とＷ相間の線間電圧、およびＶ相とＷ相間の線間電圧を制御することにより三相交流電力を入出力する。

図２に示したようなＶ結線回路部を用いることにより、Ｕ相とＷ相間の線間電圧、およびＶ相とＷ相間の線間電圧を単相電力変換回路群によって制御すれば、単相電力変換回路群を３相分用いることなく三相交流電力を入出力できる。従って、単相電力変換回路が多重接続される電力変換装置における単相電力変換回路の総数を低減できる。これにより、電力変換装置およびこれを用いる蓄電システムを小型化および低コスト化できる。また、電力変換装置に用いられる半導体スイッチング素子の総数が大幅に低減できるので、電力変換装置およびこれを用いる蓄電システムが発生する電力損失が低減される。このため、電力変換装置における電力変換効率が向上する。さらに、直列多重接続された複数の単相電力変換回路のそれぞれに蓄電装置が接続されるため、蓄電装置毎にその動作状態や劣化状態に応じた電力変換装置の運転が可能となるので、蓄電システムの寿命が向上する。

また、本実施形態においては、Ｖ結線回路部により制御される線間電圧の大きさは相電圧よりも大きくなるが、単相変換回路を直列多重接続することにより、電力変換部に用いられる半導体スイッチング素子やダイオードなどの半導体素子の耐圧を高くしなくてもよい。これにより、半導体素子の耐圧増大に伴う電力損失の増大による電力変換装置の変換効率低下という不都合を回避できる。

なお、図２に示した各単相電力変換回路について、定格の電圧および周波数は同じ大きさにしている。また、各単相電力変換回路に接続される蓄電装置については、電圧および容量性能を同じにしている。このため、単相電力変換回路群Ａと単相電力変換回路群Ｂにおける単相電力変換回路の直列多重数は同数としている。なお、直列多重数は、本実施形態における４個に限らず、入出力する三相交流の電圧の大きさに応じて適宜設定される。また、Ｖ結線回路部によって入出力される各相の電圧および周波数が同じであれば、単相電力変換回路群Ａと単相電力変換回路群Ｂとで、異なる定格電圧の単相電力変換回路を用いて、単相電力変換回路の直列多重数を異ならしめてもよい。また、単相電力変換回路群Ａと単相電力変換回路群Ｂとで、異なる種類の蓄電装置、例えばリチウムイオン二次電池とキャパシタを使い分けてもよい。

図３は、図２において直列多重接続される単相電力変換回路の回路構成を示す。図２における単相電力変換回路Ｕ２１，Ｕ２２，Ｕ２３，Ｕ２４，Ｖ２１，Ｖ２２，Ｖ２３，Ｖ２４は同じ回路構成であるため、図３には、代表して単相電力変換回路Ｕ２１を示す。

単相電力変換回路Ｕ２１は、スイッチング回路３０、スイッチング回路３０に電気的に接続される交流側接続端子３３、および直流端子１５（図１）を介して蓄電装置１４に接続される直流側接続端子３５を備えている。

スイッチング回路３０は、半導体スイッチング素子として、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）３１ａ，３１ｂ，３１ｃ，３１ｄが用いられる、単相フルブリッジ回路である。なお、半導体スイッチング素子としては、ＭＯＳＦＥＴに限らず、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）など、他の半導体スイッチング素子を用いても良い。

スイッチング回路３０は、上アームのＭＯＳＦＥＴ３１ａのソースと下アームのＭＯＳＦＥＴ３１ｂのドレインとが電気的に直列に接続されて構成された第１のアームと、上アームのＭＯＳＦＥＴ３１ｃのソースと下アームのＭＯＳＦＥＴ３１ｄのドレインとが電気的に直列に接続されて構成された第２のアームとを備える。上アームのＭＯＳＦＥＴ３１ａ，３１ｃのドレイン同士及び下アームのＭＯＳＦＥＴ３１ｂ，３１ｄのソース同士が電気的に接続される。これにより、第１のアームと第２のアームとが電気的に並列に接続される。なお、本実施形態においては、上下アームに設けられるＭＯＳＦＥＴは１並列であるが、単相電力変換回路Ｕ２１の電流容量に応じて、複数のＭＯＳＦＥＴを並列接続しても良い。

ＭＯＳＦＥＴ３１ａ，３１ｂ，３１ｃ，３１ｄのドレインとソースとの間には、それぞれ、ＭＯＳＦＥＴの構造上、ＭＯＳＦＥＴに逆並列に接続される寄生ダイオードが内蔵される。具体的には、ＭＯＳＦＥＴ３１ａのドレインとソースとの間にはダイオード３２ａが、ＭＯＳＦＥＴ３１ｂのドレインとソースとの間にはダイオード３２ｂが、ＭＯＳＦＥＴ３１ｃのドレインとソースとの間にはダイオード３２ｃが、ＭＯＳＦＥＴ３１ｄのドレインとソースとの間にダイオード３２ｄが、それぞれ内蔵される。このため、本実施形態では、個別の還流ダイオードを外付けせずに、内蔵されるダイオード３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３２ｄを還流ダイオードとして用いる。なお、半導体スイッチング素子として一般的なＩＧＢＴを用いる場合には、ＩＧＢＴのコレクタとエミッタとの間に個別の還流ダイオードを接続する。

上アームのＭＯＳＦＥＴ３１ａ，３１ｃのドレインは直流側接続端子３５の正極側に電気的に接続されている。また、下アームのＭＯＳＦＥＴ３１ｂ，３１ｄのソースは直流側接続端子３５の負極側に電気的に接続されている。

第１のアームの中点、すなわち上アームのＭＯＳＦＥＴ３１ａのソースと下アームのＭＯＳＦＥＴ３１ｂのドレインとの電気的な接続点、及び第２のアームの中点、すなわち上アームのＭＯＳＦＥＴ３１ｃのソースと下アームのＭＯＳＦＥＴ３１ｄのドレインとの電気的な接続点は、それぞれ、交流側接続端子３３と電気的に接続される。２つの交流側接続端子３３のうち、一方の交流側接続端子３３は電力変換装置１の連系リアクトル部４のＵ相リアクトルに電気的に接続されている。他方の交流側接続端子３３は、単相電力変換回路Ｕ２１に直列多重接続される単相電力変換回路Ｕ２２の交流側接続端子の一方に電気的に接続される。

また、単相電力変換回路Ｕ２１は、制御装置３４を備えている。制御装置３４は、中央制御装置３から信号伝送された指令信号に応じて、電力変換装置１および蓄電システムが三相交流電源系統８と連系するように、ＭＯＳＦＥＴ３１ａ，３１ｂ，３１ｃ，３１ｄのオン・オフ駆動を制御する。このため、制御装置３４は、中央制御装置３から信号伝送された指令信号を入力し、この入力された指令信号や、制御装置が備える記憶装置に予め記憶された記憶情報などに基づいて、ＭＯＳＦＥＴ３１ａ，３１ｂ，３１ｃ，３１ｄをオン・オフスイッチングさせるための駆動パターンを制御プログラムにしたがって演算する。そして、制御装置３４は、演算された駆動パターンに応じてゲート駆動信号を生成し、生成されたゲート駆動信号をＭＯＳＦＥＴ３１ａ，３１ｂ，３１ｃ，３１ｄのゲートに出力する。ゲートに与えられたゲート駆動信号によって、ＭＯＳＦＥＴ３１ａ，３１ｂ，３１ｃ，３１ｄのオン・オフ駆動が制御される。

次に、図４乃至図７を用いて電力変換装置１を構成する単相電力変換回路Ｕ２１，Ｕ２２，Ｕ２３，Ｕ２４，Ｖ２１，Ｖ２２，Ｖ２３，Ｖ２４の動作の一例について説明する。

図４は、電力変換装置１における三相各相の相電圧目標値、線間電圧目標値並びに線間電圧出力値を示す。ここで、線間電圧として、電力変換部２における、Ｕ相とＷ相の線間電圧およびＶ相とＷ相の線間電圧を示す。なお、図４においては、横軸は時間を示し、縦軸は図上方より、相電圧目標値、線間電圧目標値、線間電圧出力値を示す。

中央制御装置３は、三相交流電源系統８と連系するために、電力変換部２の相電圧目標値を演算する。相電圧目標値Ｕ，Ｖ，Ｗは、三相交流であるため、それぞれの振幅は同等、位相差は１２０°である。この相電圧目標値に基づき、中央制御装置３はＵ相とＷ相間の線間電圧目標値ＵＷと、Ｖ相とＷ相間の線間電圧目標値ＶＷを演算する。この線間電圧目標値ＵＷ，ＶＷは、図２における接続点２Ａと接続点２Ｄとの間（Ｕ−Ｗ線間）に接続される単相電力変換回路Ｕ２１，Ｕ２２，Ｕ２３，Ｕ２４のそれぞれの出力電圧と、接続点２Ｂと接続点２Ｄとの間（Ｖ−Ｗ線間）に接続される単相電力変換回路Ｖ２１，Ｖ２２，Ｖ２３，Ｖ２４のそれぞれの出力電圧を発生させるための駆動パターンを演算するために用いられる。

駆動パターンの演算方法の概要を、図５を用いて説明する。

図５は、線間電圧目標値とＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御用キャリアである三角波を示す。本実施形態では、前述のＵ−Ｗ相間およびＶ−Ｗ相間に４台の単相電力変換回路が接続されるため、それぞれの小型変換装置に対応したキャリア１〜４が用いられる。小型変換装置Ｕ２１および小型変換装置Ｖ２１に利用するキャリア１と線間電圧目標値ＵＷとＶＷを比較し、線間電圧目標値ＵＷおよびＶＷがキャリア１よりも大きい場合には、小型変換装置Ｕ２１とＶ２１が正の電圧を出力するように、駆動パターンを演算する。また、線間電圧目標値ＵＷおよびＶＷがキャリア１よりも小さい場合には電圧を出力せず、０とするように、駆動パターンを演算する。また、線間電圧目標値ＵＷおよびＶＷが負の場合は、線間電圧目標値の絶対値とキャリア１を比較し、線間電圧目標値ＵＷおよびＶＷの絶対値がキャリア１よりも大きい場合には、単相電力変換回路Ｕ２１とＶ２１が負の電圧を出力するように、駆動パターンを演算する。なお、Ｕ２１およびＶ２１以外の単相電力変換回路の動作も同様であるが、電圧のバイアスレベルを変更したキャリア２〜４と線間電圧目標値とを比較することにより、それぞれの単相電力変換回路が単相交流電圧を出力するための駆動パターンを演算する。

上述した駆動パターンに基づいて単相電力変換回路Ｕ２１，Ｕ２２，Ｕ２３，Ｕ２４，Ｖ２１，Ｖ２２，Ｖ２３，Ｖ２４が単相交流電圧を出力することにより、図４下段に示す線間電圧出力値が得られる。Ｕ−Ｖ線間電圧出力値ＵＶは、４台の単相電力変換回路Ｕ２１，Ｕ２２，Ｕ２３，Ｕ２４が直列多重接続され、かつ各単相電力変換回路が正および負の値並びに０の電圧を出力するため、正側及び負側のそれぞれについて、電圧０を含めて５つの電圧レベルを有する。このため、本実施形態においては、高電圧でしかも線間電圧目標値の正弦波に近い波形を有する線間電圧出力値を得ることができる。

図６は、第１の実施形態における、Ｕ−Ｗ線間の線間電圧出力値と、Ｕ−Ｗ線間に接続される単相電力変換回路Ｕ２１，Ｕ２２，Ｕ２３，Ｕ２４の出力電圧を示す。図６において、横軸は時間を示し、縦軸は図上方より線間電圧目標値ＵＷ，単相電力変換回路Ｕ２１の出力電圧、単相電力変換回路Ｕ２２の出力電圧、単相電力変換回路Ｕ２３の出力電圧、単相電力変換回路Ｕ２４の出力電圧を示す。上述の通り、中央制御装置３において、図４に示す線間電圧目標値ＵＷに基づいて単相電力変換回路Ｕ２１，Ｕ２２，Ｕ２３，Ｕ２４の駆動パターンが演算される。この駆動パターンに基づき、単相電力変換回路Ｕ２１，Ｕ２２，Ｕ２３，Ｕ２４が図６に示すような単相交流電圧を出力する。単相電力変換回路Ｕ２１，Ｕ２２，Ｕ２３，Ｕ２４は交流側接続端子が直列接続されているため、図６上段の様に、図４に示すＵ−Ｗ線間の線間電圧目標値ＵＷに近い階段状のＵ−Ｖ線間出力電圧値が得られる。

図７は、第１の実施形態における、Ｖ−Ｗ線間の線間電圧出力値と、Ｖ−Ｗ線間に接続される単相電力変換回路Ｖ２１，Ｖ２２，Ｖ２３，Ｖ２４の出力電圧を示す。図７において、横軸は時間を示し、縦軸は図上方より線間電圧目標値ＶＷ，単相電力変換回路Ｖ２１の出力電圧、単相電力変換回路Ｖ２２の出力電圧、単相電力変換回路Ｖ２３の出力電圧、単相電力変換回路Ｖ２４の出力電圧を示す。上述の通り、中央制御装置３において、図４に示す線間電圧目標値ＶＷに基づいて単相電力変換回路Ｖ２１，Ｖ２２，Ｖ２３，Ｖ２４の駆動パターンが演算される。この駆動パターンに基づき、単相電力変換回路Ｖ２１，Ｖ２２，Ｖ２３，Ｖ２４が図７に示すような単相交流電圧を出力する。単相電力変換回路Ｖ２１，Ｖ２２，Ｖ２３，Ｖ２４は交流側接続端子が直列接続されているため、Ｖ−Ｗ線間電圧は図７上段の様に、図４に示すＶ−Ｗ線間の線間電圧目標値ＶＷに近い階段状のＶ−Ｗ線間出力電圧値が得られる。
《第２の実施形態》
次に、図８乃至図１４を用いて、本発明の第２の実施形態について説明する。なお、主に、第２の実施形態の構成及び動作において、第１の実施形態とは異なる点について説明する。第１の実施形態と同じ構成及び動作については、説明を簡略にしたり省略したりする。

図８は、本発明の第２の実施形態である蓄電システムの概略構成を示す。本実施形態においては、後述するように電力変換部２の回路構成が第１の実施形態とは異なる。また、それに伴って、連系リアクトル部４は、三相交流のＵ相，Ｖ相，Ｗ相の各相にリアクトルを備える。その他の構成については、第１の実施形態と同様である。

図９は、図８の電力変換装置１を構成する電力変換部２の概略構成を示す。電力変換部２は、４個の単相電力変換回路Ｕ２１，Ｕ２２，Ｕ２３，Ｕ２４が直列多重接続される単相電力変換回路群Ａと、４個の単相電力変換回路Ｖ２１，Ｖ２２，Ｖ２３，Ｖ２４が直列多重接続される単相電力変換回路群Ｂを有する。各単相電力変換回路は交流側接続端子および直流側接続端子を備えており、この交流側接続端子によって４個の単相電力変換回路が直列多重接続される。なお、各単相電力変換回路の直流側接続端子には、蓄電装置１４が接続される。単相電力変換回路群Ａの一端と単相電力変換回路群Ｂの一端が電気的に接続される。すなわち、電力変換部２は、単相電力変換回路群Ａと単相電力変換回路群ＢとがＶ結線されるＶ結線回路部を備える。

図９に示した電力変換部２におけるＶ結線回路部と外部回路との接続点２Ａ，２Ｂには、それぞれ単相電力変換回路群Ａの他端，単相電力変換回路群Ｂの他端が接続される。また、単相電力変換回路群Ａと単相電力変換回路群Ｂの相互接続点２Ｄには、一台の単相電力変換回路Ｗ２１における一方の交流側接続端子が接続される。単相電力変換回路Ｗ２１の他方の交流側接続端子は、電力変換部２と外部回路との接続点２Ｃに接続される。Ｖ結線回路部と外部回路との接続点２Ａ，２Ｂ，２Ｃは、それぞれ、図８に示した電力変換部２における三相交流電力の入出力部Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相に接続される。

図９においては、単相電力変換回路群Ａと単相電力変換回路群ＢとがＶ結線されるＶ結線回路部と、単相電力変換回路Ｗ２１とが、Ｙ結線回路部を構成している。このような、Ｙ結線回路部では、Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相の相電圧を制御することにより三相交流電力を入出力する。ここで、電力変換部２の入出力電圧の大部分はＶ結線回路部が負担し、Ｖ結線回路部における単相電力変換回路群の負担分より小さな一部の電圧を単相電力変換回路Ｗ２１が負担する。

図９に示したようなＶ結線回路部および入出力電圧の一部を負担する１台の単相電力変換回路を用いて、Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相の相電圧を制御すれば、単相電力変換回路群を３相分用いることなく三相交流電力を入出力できる。従って、前述の第１の実施形態と同様に、電力変換装置およびこれを用いる蓄電システムを小型化および低コスト化できると共に、電力変換装置における電力変換効率が向上する。また、第１の実施形態と同様に、蓄電装置毎にその動作状態や劣化状態に応じた電力変換装置の運転が可能となるので、蓄電システムの寿命が向上する。

さらに、第２の実施形態によれば、１台の単相電力変換回路Ｗ２１が、Ｕ−Ｗ線間の出力電圧とＶ−Ｗ間の出力電圧の各一部を共通的に負担するため、第一の実施形態のように単相電力変換回路群だけで出力電圧を負担する場合に比べ、単相電力変換回路群における単相電力変換回路の直列多重数を低減することができる。

なお、第１の実施形態と同様に、図９に示した各単相電力変換回路についても、定格の電圧および周波数、並びに蓄電装置の電圧および容量性能を同じ大きさにしている。このため、単相電力変換回路群Ａと単相電力変換回路群Ｂにおける単相電力変換回路の直列多重数は同数としている。また、第１の実施形態と同様に、直列多重数は、入出力する三相交流の電圧の大きさに応じて適宜設定される。また、第１の実施形態と同様に、単相電力変換回路群Ａと単相電力変換回路群Ｂ並びに単相電力変換回路Ｗ２１とで、異なる定格電圧の単相電力変換回路を用いて、単相電力変換回路の直列多重数を異ならしめてもよいし、異なる種類の蓄電装置、例えばリチウムイオン二次電池とキャパシタを使い分けてもよい。

第２の実施形態における単相電力変換回路Ｕ２１，Ｕ２２，Ｕ２３，Ｕ２４，Ｖ２１、Ｖ２２，Ｖ２３，Ｖ２４，Ｗ２１の回路構成は、図３に示す第１の実施形態における単相電力変換回路と同じであるため、図示および説明を省略する。

次に、図１０乃至図１４を用いて電力変換装置１を構成する単相電力変換回路Ｕ９１，Ｕ９２，Ｕ９３，Ｕ９４，Ｖ９１，Ｖ９２，Ｖ９３，Ｖ９４，Ｗ９１の動作の一例について説明する。

図１０は、電力変換装置１における三相各相の相電圧目標値、線間電圧目標値並びに線間電圧出力値を示す。ここで、線間電圧として、電力変換部２における、Ｕ相とＷ相の線間電圧およびＶ相とＷ相の線間電圧を示す。なお、図４においては、横軸は時間を示し、縦軸は図上方より、相電圧目標値、線間電圧目標値、線間電圧出力値を示す。

中央制御装置３は、三相交流電源系統８と連系するために、電力変換部２の相電圧目標値を演算する。相電圧目標値Ｕ，Ｖ，Ｗは、三相交流であるため、それぞれの振幅は同等、位相差は１２０°である。この相電圧目標値に基づき、中央制御装置３はＵ相とＷ相間の線間電圧目標値ＵＷと、Ｖ相とＷ相間の線間電圧目標値ＶＷを演算する。この線間電圧目標値ＵＷ，ＶＷは、図９における接続点２Ａと接続点２Ｃとの間（Ｕ−Ｗ線間）に接続される単相電力変換回路Ｕ２１，Ｕ２２，Ｕ２３，Ｕ２４およびＷ２１のそれぞれの出力電圧と、接続点２Ｂと接続点２Ｃとの間（Ｖ−Ｗ線間）に接続される単相電力変換回路Ｖ２１，Ｖ２２，Ｖ２３，Ｖ２４およびＷ２１のそれぞれの出力電圧を発生させるための駆動パターンを演算するために用いられる。

以下、駆動パターンの演算方法の概要を説明する。

図１１は、中央制御装置３にて演算される各相の相電圧目標値を示す。但し、図５に示したようなＰＷＭ制御用キャリアについては記載を省略している。なお、本実施形態では、図５に示した４個のキャリア１〜４に、単相電力変換回路Ｗ２１をＰＷＭ制御するためのキャリアを加え、５個のキャリアが用いられる。

図１１において、横軸は時間を示し、縦軸は相電圧目標値を示す。図中、実線，点線および破線は、それぞれ、Ｕ相の相電圧目標値、Ｖ相の相電圧目標値およびＷ相の相電圧目標値を示す。Ｕ相電圧目標値およびＶ相電圧目標値は、図１０に示す線間電圧目標値ＵＷおよびＶＷの振幅の絶対値が所定値Ｖ_０以上となった場合に、振幅をその所定値に制限したものである。また、Ｗ相電圧目標値は、線間電圧目標値ＵＷおよびＶＷの振幅の絶対値が所定値Ｖ_０を超える場合における、振幅の絶対値と所定値Ｖ_０との差分を示す。図９に示す第２の実施形態における電力変換部９のＹ結線回路部では、単相電力変換回路Ｗ２１によってＵ−Ｗ線間電圧およびＶ−Ｗ線間電圧を同時に制御することができる。これにより図１１に示すように、出力電圧値の一部をＷ相電圧目標値とすることで、図１０に示す線間電圧目標値ＵＷおよびＶＷに応じて電力変換部２の線間電圧を出力することができる。

図１２は、第２の実施形態における、Ｕ相の相電圧出力値と、Ｕ相に接続された単相電力変換回路Ｕ２１，Ｕ２２，Ｕ２３，Ｕ２４の出力電圧を示す。図１２において、横軸は時間を示し、縦軸は図上方より、Ｕ相電圧目標値、単相電力変換回路Ｕ２１の出力電圧、単相電力変換回路Ｕ２２の出力電圧、単相電力変換回路Ｕ２３の出力電圧、単相電力変換回路Ｕ２４の出力電圧を示す。上述のように、中央制御装置３において、図１１に示すＵ相電圧目標値と、図示しないＰＷＭ制御用キャリアを比較することにより、単相電力変換回路Ｕ２１，Ｕ２２，Ｕ２３，Ｕ２４の駆動パターンが演算される。この駆動パターンに基づき、単相電力変換回路Ｕ２１，Ｕ２２，Ｕ２３，Ｕ２４が図１２に示すような単相交流電圧を出力する。単相電力変換回路Ｕ２１，Ｕ２２，Ｕ２３，Ｕ２４は直列多重接続されているため、図１２最上段の様に、図１１における相電圧目標値Ｕに近い波形を有する階段状のＵ相電圧出力値が得られる。なお、本実施形態では、Ｗ相に接続する単相電力変換回路Ｗ９１が電圧を出力するため、単相電力変換回路Ｕ２４は交流周期の全期間において電圧０を出力する。

図１３は、第２の実施形態における、Ｖ相の相電圧出力値と、Ｖ相に接続された単相電力変換回路Ｖ２１，Ｖ２２，Ｖ２３，Ｖ２４の出力電圧を示す。図１３において、横軸は時間を示し、縦軸は図上方より、Ｖ相電圧目標値、単相電力変換回路Ｖ２１の出力電圧、単相電力変換回路Ｖ２２の出力電圧、単相電力変換回路Ｖ２３の出力電圧、単相電力変換回路Ｖ２４の出力電圧を示す。上述のように、中央制御装置３において、図１１に示すＶ相電圧目標値と、図示しないＰＷＭ制御用キャリアを比較することにより、単相電力変換回路Ｖ２１，Ｖ２２，Ｖ２３，Ｖ２４の駆動パターンが演算される。この駆動パターンに基づき、単相電力変換回路Ｖ２１，Ｖ２２，Ｖ２３，Ｖ２４が図１３に示すような単相交流電圧を出力する。単相電力変換回路Ｖ２１，Ｖ２２，Ｖ２３，Ｖ２４は直列多重接続されているため、図１３最上段の様に、図１１における相電圧目標値Ｖに近い波形を有する階段状のＶ相電圧出力値が得られる。なお、本実施形態では、Ｗ相に接続する単相電力変換回路Ｗ９１が電圧を出力するため、単相電力変換回路Ｖ２４は交流周期の全期間において電圧０を出力する。

図１４は、第２の実施形態における、Ｗ相に接続された単相電力変換回路Ｗ２１の出力電圧を示す。図１４の横軸は時間、縦軸は単相電力変換回路Ｗ２１の出力電圧を示す。上述のように、中央制御装置３において、図１１に示すＷ相電圧目標値と図示しないＰＷＭ制御用キャリアを比較することにより、単相電力変換回路Ｗ２１の駆動パターンが演算される。この駆動パターンに基づき、単相電力変換回路Ｗ２１が図１４に示すような単相交流電圧を出力する。

本実施形態の電力変換部は、図９に示したように、単相電力変換回路群ＡおよびＢによるＶ結線回路部と一台の単相電力変換回路Ｗ２１とのＹ結線回路構成を備えるため、図１２に示すＵ相電圧出力値と、図１３に示すＶ相電圧出力値と、図１４に示すＷ相電圧出力値を合成することにより、図１０最下段に示す三相交流電圧を出力する。これにより、電力変換部を含む電力変換装置と蓄電装置群とを備える蓄電システムは、三相交流電源系統８と連系し、三相交流電源系統８と蓄電装置７の間で三相交流電力を入出力可能となる。

本発明の実施形態は、上記のものに限らず、本発明の技術的思想の範囲内において、様々な実施形態が可能である。例えば、単相電力変換回路の直流側接続端子にキャパシタを接続することにより、系統電圧の安定化を図るための静止型無効電力補償装置に本発明を適用できる。また、単相電力変換回路の直流側接続端子に太陽電池パネルを接続することにより、太陽光発電システムに本発明を適用できる。さらに、本発明による蓄電システムは、三相交流電源系統に限らず、発電機などの交流電源負荷と連系しても良い。

１ 電力変換装置
２ 電力変換部
３ 中央制御装置
４ 連系リアクトル部
５ 直流端子群
６ 三相交流端子
７ 蓄電装置群
８ 三相交流電源系統
１４ 蓄電装置
１５ 直流端子
３０ スイッチング回路
３１ａ，３１ｂ，３１ｃ，３１ｄ ＭＯＳＦＥＴ
３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３２ｄ ダイオード
３３ 交流側接続端子
３４ 制御装置
３５ 直流側接続端子
Ｕ２１，Ｕ２２，Ｕ２３，Ｕ２４ 単相電力変換回路
Ｖ２１，Ｖ２２，Ｖ２３，Ｖ２４ 単相電力変換回路
Ｗ２１ 単相電力変換回路
Ａ，Ｂ 単相電力変換回路群

Claims (10)

1. 三相交流電力を出力または入力する三相交流端子と、
   正負を一組とする複数組の直流端子と、
   前記三相交流端子および前記複数組の直流端子と電気的に接続され、直流電力を三相交流電力に、または三相交流電力を直流電力に変換する電力変換部と、
   を備える電力変換装置において、
   前記電力変換部は、各々が直流側接続端子と交流側接続端子とを備える複数の単相電力変換回路を備え、
   前記複数個の単相電力変換回路の内、前記三相交流電力に応じた複数個の前記単相電力変換回路が、前記交流側接続端子によって直列多重接続される単相電力変換回路群を２個備え、
   前記２個の単相電力変換回路群は、互いにＶ結線されて、Ｖ結線回路部を構成し、
   前記Ｖ結線回路部は、前記三相交流端子に電気的に接続され、前記三相交流端子を介して前記三相交流電力を出力または入力することを特徴とする電力変換装置。
2. 請求項１に記載の電力変換装置において、前記２個の単相電力変換回路群の相互接続点には、１個の前記単相電力変換回路の交流側端子が接続され、前記相互接続点は前記１個の前記単相電力変換回路を介して前記三相交流端子の一相分と電気的に接続されることを特徴とする電力変換装置。
3. 請求項２に記載の電力変換装置において、前記Ｖ結線回路部の両端および前記１個の前記単相電力変換回路は、それぞれリアクトルを介して三相交流端子に接続されることを特徴とする電力変換装置。
4. 請求項２に記載の電力変換装置において、前記複数の単相電力変換回路は、線間電圧の目標値に応じてＰＷＭ制御されることを特徴とする電力変換装置。
5. 請求項４に記載の電力変換装置において、前記相電圧の目標値を演算する中央制御装置を備えることを特徴とする電力変換装置。
6. 請求項１に記載の電力変換装置において、前記Ｖ結線回路部における前記２個の単相電力変換回路群の相互接続点が、直接、前記三相交流端子の一相分と電気的に接続されることを特徴とする電力変換装置。
7. 請求項６に記載の電力変換装置において、前記Ｖ結線回路部の両端は、リアクトルを介して、前記三相交流端子の二相分と電気的に接続されることを特徴とする電力変換装置。
8. 請求項６に記載の電力変換装置において、前記複数の単相電力変換回路は、線間電圧の目標値に応じてＰＷＭ制御されることを特徴とする電力変換装置。
9. 請求項８に記載の電力変換装置において、前記線間電圧の目標値を演算する中央制御装置を備えることを特徴とする電力変換装置。
10. 複数の蓄電装置と、
    前記複数の蓄電装置に貯蔵される直流電力を三相交流電力に、または前記三相交流電力を前記直流電力に変換する電力変換装置と、
    を備える蓄電システムにおいて、
    前記電力変換装置が請求項１または請求項２に記載の電力変換装置であり、
    前記単相電力変換回路群における複数の前記単相電力変換回路の各々に、前記複数の蓄電装置が接続されることを特徴とする蓄電システム。

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