電力変換装置
【課題】回路を切替えることで、昇圧降圧用のリアクトルＬ１とスイッチ手段Ｔｒ１、Ｔｒ３を共通使用して、太陽電池１、燃料電池２、風力発電装置４の少なくともいずれか一つから成る発電手段の発電電力を商用電源系統１５に供給すると共に発電手段及び商用電源系統１５にて蓄電池２を充電する電力変換が行える電力変換装置を提供する。
【解決手段】発電手段からの電流が一次側から二次側に向けて流れるリアクトルＬ１と該リアクトルＬ１への通電を制御して電圧変換する断続スイッチ手段Ｔｒ１、Ｔｒ３を備えた電圧変換回路１０１、電圧変換回路１０１の出力に対して直流交流変換を行って商用電源系統１５に出力する直流交流変換回路１０、及び電圧変換回路１０１内のリアクトルＬ１を介して流れる電流を、蓄電池２側と商用電源系統１５側とに選択的に導く回路切替スイッチ手段ＳＷ１〜ＳＷ５を設けた。
【解決手段】発電手段からの電流が一次側から二次側に向けて流れるリアクトルＬ１と該リアクトルＬ１への通電を制御して電圧変換する断続スイッチ手段Ｔｒ１、Ｔｒ３を備えた電圧変換回路１０１、電圧変換回路１０１の出力に対して直流交流変換を行って商用電源系統１５に出力する直流交流変換回路１０、及び電圧変換回路１０１内のリアクトルＬ１を介して流れる電流を、蓄電池２側と商用電源系統１５側とに選択的に導く回路切替スイッチ手段ＳＷ１〜ＳＷ５を設けた。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発電手段の発電電力を少なくとも電圧変換及び直流交流変換を行って商用電源系統に供給すると共に発電手段及び商用電源系統にて蓄電池を充電する電力変換装置に関するもので、特に住宅用であって太陽電池と蓄電池による電力貯蔵機能を有する電力変換装置において有効である。
【背景技術】
【０００２】
従来、特許文献１に記載の太陽電池および蓄電池を併用した電力変換装置の構成が知られている。そして、この種の電力変換には次のような種類が有る。
【０００３】
１．太陽電池から商用電源系統への電力変換
２．太陽電池から蓄電池への電力変換
３．商用電源系統から蓄電池への電力変換
このような、少なくとも３種類の電力変換を行う場合、各部の電圧が異なること、及び交流直流の変換が必要となる。
【０００４】
ここで、特許文献１に記載の電力変換装置には、太陽電池用の昇圧チョッパ、蓄電池用昇圧チョッパ、及び直流交流変換回路（インバータ）を必要とし、特に２つの昇圧用のチョッパが必要になっている。
【０００５】
また、一般に各部の電圧は次のようになっている。
・太陽電池の電圧 ＤＣ５０Ｖ〜３８０Ｖ
・蓄電池の電圧 ＤＣ２００Ｖ〜３５０Ｖ
・系統電圧 ＡＣ２００Ｖ、またはＡＣ１００Ｖ
また、特許文献２は、太陽電池の電力を蓄電池に蓄電するための電力変換装置であるが、太陽電池の電圧が蓄電池の電圧より低い場合は昇圧し、反対に太陽電池の電圧が蓄電池の電圧より高い場合は降圧する構成になっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００２−１７１６７４号公報
【特許文献２】特開２０００−２８７３８２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記のような従来技術を使用した場合、複数の電圧範囲に対応して２つのチョッパが必要となり、２つのチョッパ夫々に昇圧用または降圧用のリアクトル（コイル）とリアクトルへの通電を制御するためのスイッチ手段を必要とする。これでは回路部品が多くなり、製造コストが高くなる。
【０００８】
つまり、従来技術では、太陽電池用の昇圧チョッパおよび蓄電池用昇圧チョッパを持つため、チョッパ用のリアクトルの２つ必要であり高コストになる。従って、より低コスト化し、小型化が可能な構成が望まれる。
【０００９】
本発明は、このような従来の技術に存在する問題点に着目して成されたものであり、その目的は、部品数を削減でき、よりコストを低減できる電力変換装置を提供することにある。
【００１０】
従来技術として列挙された特許文献の記載内容は、この明細書に記載された技術的要素の説明として、参照によって導入ないし援用することができる。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は上記目的を達成するために、下記の技術的手段を採用する。すなわち、請求項１に記載の発明では、発電手段の発電電力を少なくとも電圧変換及び直流交流変換を行って商用電源系統に供給すると共に発電手段及び商用電源系統にて蓄電池を充電する装置において、発電手段からの電流が一次側から二次側に向けて流れるリアクトルと該リアクトルへの通電を制御して電圧変換する断続スイッチ手段を備えた電圧変換回路、電圧変換回路の出力に対して直流交流変換を行って商用電源系統に出力する直流交流変換回路、及び電圧変換回路内のリアクトルを介して流れる電流を、蓄電池側と商用電源系統側とに選択的に導く回路切替スイッチ手段を設けたことを特徴とする。
【００１２】
この発明によれば、発電手段からの電流が流れるリアクトルと該リアクトルへの通電を制御して電圧変換する断続スイッチ手段を備えた電圧変換回路、及び電圧変換回路内のリアクトルを介して流れる電流を蓄電池側と商用電源系統側とに導く回路切替スイッチ手段を設けたから、電圧変換回路の部品であるリアクトルを共通使用して、少なくとも蓄電池と商用電源系統とに向けた電力変換が行える電力変換装置を提供することができる。また、少なくともリアクトルを共通使用しているから、回路構成の簡素化を達成することができる。
【００１３】
請求項２に記載の発明では、発電手段は太陽電池、燃料電池、風力発電装置の少なくともいずれか一つから成る事を特徴とする。
【００１４】
この発明によれば、発電手段は太陽電池、燃料電池、風力発電装置の少なくともいずれか一つから成るから、これらのいずれか一つからの電力を用いて商用電源系統に電力を供給したり蓄電池に充電したりすることができる。
【００１５】
請求項３に記載の発明では、発電手段の電流が流れるリアクトルへの通電を制御して電圧変換する断続スイッチ手段は、少なくともリアクトルの二次側に設けられたスイッチ素子から成り、リアクトルを介して供給された電圧変換回路の出力に対して、直流交流変換回路が直流交流変換を行い、電圧変換回路内のリアクトルとスイッチ素子の一つを介して流れる電流を蓄電池側と商用電源系統側とに切替えて導く回路切替スイッチ手段を備えることを特徴とする。
【００１６】
この発明によれば、断続スイッチ手段は少なくともリアクトルの二次側に設けられたスイッチ素子から成り、リアクトルとスイッチ素子の一つを介して流れる電流を蓄電池側と商用電源系統側とに導く回路切替スイッチ手段を備えるから、電圧変換回路の部品であるリアクトル及びスイッチ素子を共通使用して、少なくとも蓄電池と商用電源系統とに向けた電力変換が行える電力変換装置を提供することができ、少なくともリアクトルとスイッチ素子とを共通使用しているから、回路構成の簡素化を達成することができる。
【００１７】
請求項４に記載の発明では、回路切替スイッチ手段は、発電手段を太陽電池、燃料電池、風力発電装置のうちのいずれか一つに切替えるために、リアクトルの一次側に接続されていることを特徴とする。
【００１８】
この発明によれば、回路切替スイッチ手段は、太陽電池、燃料電池、風力発電装置のうちのいずれか一つに発電手段を切替えるためのリアクトルの一次側に接続されたスイッチ手段から成るから、発電手段を選択し、かつ、電圧変換回路の部品であるリアクトルを共通使用して、少なくとも蓄電池と商用電源系統とに向けた電力変換が行える電力変換装置を提供することができる。
【００１９】
請求項５に記載の発明では、リアクトルへの通電を制御して電圧変換する電圧変換回路の断続スイッチ手段は、少なくともリアクトルの一次側と二次側とに接続されていることを特徴とする。
【００２０】
この発明によれば、断続スイッチ手段は、リアクトルの一次側と二次側とに接続されているから、一次側の断続スイッチ手段をチョッピング作動させて降圧機能を発揮させ、二次側の断続スイッチ手段でリアクトルに高電圧を誘起させて昇圧することが出来るため、電圧変換回路の出力として、任意の電圧の出力を得ることができる。
【００２１】
請求項６に記載の発明では、蓄電池は、リアクトルの一次側と二次側とに回路切替スイッチ手段を介して接続されており、少なくともリアクトルの一次側に接続された回路切替スイッチ手段を介して、蓄電池の電力を商用電源系統または家電製品に供給し、リアクトルの二次側に接続された回路切替スイッチ手段を介して商用電源から蓄電池が充電されることを特徴とする。
【００２２】
この発明によれば、リアクトルの一次側と二次側とに回路切替スイッチ手段を介して接続されており、少なくともリアクトルの一次側に接続された回路切替スイッチ手段を介して、蓄電池の電力を商用電源系統または家電製品に供給し、リアクトルの二次側に接続された回路切替スイッチ手段を介して、商用電源系統の電力で蓄電池を充電することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の第１実施形態における電力変換装置の電気回路図である。
【図２】上記実施形態において、太陽電池から商用電源系統へ電力変換を行なう場合の電力変換装置の作動を示す電気回路図である。
【図３】上記実施形態において、太陽電池から蓄電池への電力変換を行なう場合の電力変換装置の作動を示す電気回路図である。
【図４】上記実施形態において、蓄電池から商用電源系統への電力変換を行なう場合の電力変換装置の作動を示す電気回路図である。
【図５】上記実施形態において、商用電源系統から蓄電池への電力伝送の場合の電力変換装置の作動を示す電気回路図である。
【図６】上記実施形態において、燃料電池から商用電源系統への電力変換を行う場合の電力変換装置の作動を示す電気回路図である。
【図７】上記実施形態において、燃料電池から蓄電池への電力変換を行う場合の電力変換装置の作動を示す電気回路図である。
【図８】上記実施形態において、風力発電装置から商用電源系統への電力変換を行う場合の電力変換装置の作動を示す電気回路図である。
【図９】上記実施形態において、風力発電装置から蓄電池への電力変換を行う場合の電力変換装置の作動を示す電気回路図である。
【図１０】上記実施形態において、単相交流を直流に変換、または逆変換する直流交流変換回路の電気回路図である。
【図１１】上記実施形態において、三相交流を直流に変換する交流直流変換回路の電気回路図である。
【図１２】本発明の第２実施形態における電力変換装置となる特に太陽光発電用電力変換装置の電気回路図である。
【図１３】第２実施形態において、太陽電池の電力を商用電源系統に売電するかまたは家庭の冷蔵庫等の家電製品で消費する場合の電力変換装置の電気回路図である。
【図１４】第２実施形態において、太陽電池の電力で蓄電池を充電する場合の太陽光発電用電力変換装置の電気回路図である。
【図１５】第２実施形態において、蓄電池の電力を商用電源系統に売電する場合の電力変換装置の電気回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下に、図面を参照しながら本発明を実施するための複数の形態を説明する。各形態において先行する形態で説明した事項に対応する部分には同一の参照符号を付して重複する説明を省略する場合がある。各形態において構成の一部のみを説明している場合は、構成の他の部分については先行して説明した他の形態を適用することができる。
【００２５】
各実施形態で具体的に組み合わせが可能であることを明示している部分同士の組み合わせばかりではなく、特に組合せに支障が生じなければ、明示していなくても実施形態同士を部分的に組み合せることも可能である。
【００２６】
（第１実施形態）
以下、具体的に、本発明の第１実施形態について図１乃至図１１を用いて詳細に説明する。図１は、本発明の第１実施形態における電力変換装置１００の電気回路図である。図１において、この第１実施形態では、発電手段として太陽電池１、燃料電池３、風力発電装置４を用いている。
【００２７】
これらの発電手段及び蓄電池２に接続されたフィルタ５〜８は、コンデンサや抵抗等で構成され、発電された電圧または充電用の電圧のリップル成分を減少させるものである。
【００２８】
また、直流交流変換装置（インバータ）１０に接続されたフィルタ１１は、直流交流変換装置１０内のＰＷＭ（パルス幅変調）回路によって交流化された波形のリップル成分を減少させるものである。９は風力発電装置４の三相交流出力を直流に変換する交流直流変換回路である。
【００２９】
断続スイッチ手段を成すトランジスタＴｒ１、Ｔｒ２、及びＴｒ３としては、ＩＧＢＴ、スーパージャンクションＭＯＳ（ＳＪ−ＭＯＳ）、ＳｉＣパワートランジスタ等のスイッチング時の損失の少ないスイッチ素子が使用できる。
【００３０】
Ｄ１、Ｄ４はダイオードである。また、断続スイッチ手段Ｔｒ２、Ｔｒ３と並列にフライホイールダイオードＤ２、Ｄ３を設けている。また、Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４、及びＣ５はコンデンサである。
【００３１】
リアクトルＬ１は、断続スイッチ手段を成すトランジスタＴｒ１、Ｔｒ２、及びＴｒ３によって通電され、通電電流が遮断されたときに高い誘起起電力を発生する。また、降圧時には後段のコンデンサＣ５に対する充電時定数を設定する役割を持つ。
【００３２】
つまり、リアクトルＬ１に通電されることにより、リアクトルＬ１に蓄積された電磁エネルギーをトランジスタＴｒ１、Ｔｒ２、及びＴｒ３からなるスイッチ手段で調整して、高い電圧から低い電圧までを得ることができ、昇圧または降圧が可能となっている。この種の電圧変換回路１０１を成す昇圧降圧回路自体は周知のものである。
【００３３】
電圧変換回路１０１の部品を切替えて選択することで、リアクトルＬ１と断続スイッチ手段を成すトランジスタＴｒ１、Ｔｒ２、及びＴｒ３を共通で使用して、各種の電力変換が行える電力変換装置を提供している。
【００３４】
このために、この第１実施形態においては、マグネットスイッチの接点ＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３、ＳＷ４、及びＳＷ５から成る回路切替スイッチ手段を設けることで、使用する断続スイッチ手段を成すトランジスタＴｒ１、Ｔｒ２、及びＴｒ３を選択している。これにより単一のリアクトルＬ１で電圧変換回路１０１を構成し、上述の各種の電力変換を可能としている。
【００３５】
直流交流変換回路１０は、直流を交流の所定電圧に変換するインバータとしての作用と、交流を所定電圧の直流に変換する整流兼電圧調整機能を有し、内部にＰＷＭ（パルス幅変調）回路を内蔵している周知のものである。
【００３６】
上述のように、ＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３、ＳＷ４、及びＳＷ５は、マグネットスイッチ（電磁開閉器）の接点であり、内部のコイルに通電されることにより電磁力で接点が駆動され回路の導通または遮断を行う。これらの接点を無接点化して無接点パワーリレーを使用することも可能である。なお、実際には更に短絡防止のためのサーキットブレーカ、売電用メータ、電力計及びＣＴ（変流器）等が設けられるが省略している。
【００３７】
以上のように、少なくとも太陽電池１と蓄電池２と商用電源系統１５とを有する。更に、この第１実施形態の場合は、燃料電池３と風力発電装置４とを有する。また、電圧変換回路１０１の出力を商用電源系統１５の交流に変換する直流交流変換回路１０を有する。この直流交流変換回路１０は、逆に交流電力を直流電力に変換し蓄電池２に充電する機能も備える。
【００３８】
更に、電圧変換回路１０１内のリアクトルＬ１への通電及びリアクトルＬ１からの高電圧誘起状態を、断続スイッチ手段を成すトランジスタＴｒ１、Ｔｒ２、及びＴｒ３のＯＮ、ＯＦＦで制御することで、任意の大きさの電圧変換を行なっている。また、回路切替スイッチ手段を成す接点ＳＷ１〜ＳＷ５を切替えることにより、単一のリアクトルＬ１で上記複数の発電手段及び蓄電池１、２、３、４の電力変換を可能としている。
【００３９】
正弦波交流の実効値は最大値の０．７０７倍に等しい。この図１において、商用電源系統１５の電圧をＡＣ２００Ｖ（交流２００ボルトの実効値）とすると、２００÷０．７０７＝２８３となり、ピーク間電圧（最大値）は約２８０Ｖになる。
【００４０】
このため、直流交流変換回路（インバータ）１０で、直流を交流に変換して商用電源系統１５にＡＣ２００Ｖ（交流２００ボルトの実効値）の電圧の電力を供給するためには、直流交流変換回路１０の入力段電圧Ｖａに２８０ボルト以上の高い電圧を印加する必要がある。
【００４１】
この直流交流変換回路１０の入力段の電圧を以下の説明においてＶａ電圧と称することにする。このＶａ電圧は、この実施形態では、ＤＣ３５０Ｖ（直流３５０ボルト）〜ＤＣ４００Ｖに設定している。
【００４２】
太陽電池１、風力発電装置４、燃料電池３といった発電手段から最大電力を得ようとすると、これらの発電手段の出力電圧は変化してしまう。例えば、発電手段が太陽電池１の場合は、この太陽電池１から最大電力を得ようとすると、太陽電池１の出力電圧はＤＣ５０Ｖ〜ＤＣ３８０Ｖの範囲で変化してしまう。発電手段が燃料電池３の場合は、この燃料電池３から最大電力を得ようとすると、燃料電池３の出力電圧は種類によりＤＣ２０Ｖ〜ＤＣ２００Ｖの範囲がある。
【００４３】
発電手段が風力発電装置４で、この風力発電装置４内の発電機が三相交流発電機の場合は、三相交流発電機の出力を図１のように交流直流変換回路９で変換する。この交流直流変換回路９の出力電圧はＤＣ５０Ｖ〜ＤＣ３８０Ｖの範囲内で変化してしまう。蓄電池２の電圧はＳＯＣ（残容量）の状態によりＤＣ２００Ｖ〜ＤＣ３５０Ｖの範囲内で変化するものを使用している。
【００４４】
また、商用電源系統１５の電圧は単相ＡＣ２００Ｖであるとして説明する。なお、商用電源系統の電圧は、ＡＣ１００Ｖでもよく、その他、三相交流を使用したり、単相三線式の配線を使用したりすることも可能であるであるが、ここでは、単相２線のＡＣ２００Ｖが住宅内に給電されているものとして説明する。
【００４５】
このような発電手段１、３、４の電圧の変動を考慮し、かつ、上述の制約されたＶａ電圧のもとで、回路切替スイッチ手段ＳＷ１〜ＳＷ５、電圧変換回路１０１、及び直流交流変換回路１０を制御して、電圧を調整しながら電力変換を行う必要がある。以下、これについて、各場合に分けて説明する。
（１）太陽電池から系統への電力変換の場合
図２は、図１において、太陽電池１から系統１５への電力変換の場合の太陽光発電用電力変換装置１００の作動を示す電気回路図である。
【００４６】
この太陽電池１から系統１５への電力変換の場合においては、回路切替スイッチ手段を構成するマグネットスイッチの常開接点ＳＷ１、ＳＷａ、及びＳＷｂを図２のようにＯＮにする。このマグネットスイッチ内の図示しないコイルの励磁（付勢）信号は図示しない切替制御手段を構成する電子制御装置（ＥＣＵ）から出力される。
【００４７】
また、パワートランジスタ（以下単にトランジスタ）から成る断続スイッチ手段Ｔｒ１を常時ＯＮにする。太陽電池１の電圧が、Ｖａ電圧より低い場合は昇圧する必要がある。従って、断続スイッチ手段Ｔｒ３とダイオードＤ２とリアクトルＬ１で電圧変換回路１０１の昇圧機能を発揮させる。
【００４８】
すなわち、トランジスタＴｒ１及びＴｒ３をＯＮしてリアクトルＬ１に電流を流し、次にトランジスタＴｒ３をＯＦＦしてリアクトルＬ１の誘起起電力をダイオードＤ２を介してコンデンサＣ５を充電する。これを高速で繰り返し、昇圧された電圧を直流交流変換回路１０に供給する。なお、このときにダイオードＤ２と並列のトランジスタＴｒ２をトランジスタＴｒ３のＯＦＦに連動してＯＮするようにするとダイオードＤ２での損失を少なくできる。
【００４９】
太陽電池１の電圧が上記Ｖａ電圧と同等もしくはそれ以上の電圧となるまで昇圧する。昇圧後、更に、直流交流変換回路１０で直流から交流に変換して商用電源の系統１５へ出力する。
【００５０】
太陽電池１の電圧が上記Ｖａ電圧と同等もしくはそれより高い場合は、直流交流変換回路１０（インバータ）内のＰＷＭ（パルス幅変調）回路で系統電圧のＡＣ２００Ｖになるよう電圧、周波数、及び位相を調整して系統１５に電力を供給する。
（２）太陽電池から蓄電池への電力変換の場合
図３は、図１において、太陽電池１から蓄電池２への電力変換の場合の電力変換装置１００の作動を示す電気回路図である。この太陽電池１から蓄電池２への電力変換の場合においては、マグネットスイッチの常開接点ＳＷ１とＳＷ３とをＯＮする。
【００５１】
太陽電池１の電圧が蓄電池２の電圧より高い場合は、トランジスタＴｒ１とダイオードＤ１及びＤ４と、リアクトルＬ１と、コンデンサＣ２とで電圧変換回路１０１の降圧機能を発揮させる。
【００５２】
すなわち、断続スイッチ手段となるトランジスタＴｒ１をチョッパとして使用し必要な電力のみを後段のＬＣフィルタを成すリアクトルＬ１とコンデンサＣ２に供給して平滑し、所定電圧まで降圧された電圧として蓄電池２に印加している。
【００５３】
太陽電池１の電圧が蓄電池２の電圧より低い場合は、断続スイッチ手段となるトランジスタＴｒ１を常時ＯＮにし、トランジスタＴｒ３と、ダイオードＤ１及びＤ４と、リアクトルＬ１とで昇圧機能を発揮させ、太陽電池１の電圧を昇圧する。
（３）蓄電池から商用電源系統への電力変換の場合
図４は、図１において、蓄電池２から商用電源系統１５への電力変換の場合の電力変換装置１００の作動を示す電気回路図である。この蓄電池２から系統１５への電力変換の場合においては、図示しない電子制御装置（ＥＣＵ）が、常開接点ＳＷ２、ＳＷａ、及びＳＷｂをＯＮする。
【００５４】
蓄電池２の電圧が上記Ｖａ電圧より低い場合は昇圧する必要がある。よって、トランジスタＴｒ３とダイオードＤ２とリアクトルＬ１とで電圧変換回路１０１の昇圧機能を発揮させ、蓄電池２の電圧を昇圧する。つまり、トランジスタＴｒ３をＯＦＦした後のリアクトルＬ１の高電圧を、ダイオードＤ２（またはＯＮさせたトランジスタＴｒ２）を介してコンデンサＣ５に印加する。
（４）商用電源系統から蓄電池への電力伝送の場合
図５は、図１において、商用電源系統１５から蓄電池２への電力伝送の場合の電力変換装置１００の作動を示す電気回路図である。この商用電源系統１５から蓄電池２への電力伝送の場合においては、電子制御装置（ＥＣＵ）が、常開接点ＳＷ２、ＳＷａ、及びＳＷｂをＯＮにする。
【００５５】
上記Ｖａ電圧が蓄電池２の電圧より高い場合は降圧する必要がある。この場合は、直流交流変換回路１０で交流から直流に変換した後で、トランジスタＴｒ２と、ダイオードＤ３と、リアクトルＬ１とで降圧機能を発揮させ、上記Ｖａ電圧を降圧し、降圧後の電圧で蓄電池２に充電する。
（５）燃料電池から商用電源系統への電力変換を行う場合
図６は、図１において、燃料電池３から商用電源系統１５への電力変換を行う場合の電力変換装置１００の作動を示す電気回路図である。この燃料電池３から商用電源系統１５へ電力変換する場合、常開接点ＳＷ４、ＳＷａ、ＳＷｂをＯＮにする。
【００５６】
燃料電池３の電圧が上記Ｖａ電圧より低いので昇圧する必要がある。トランジスタＴｒ３とダイオードＤ２とリアクトルＬ１とで電圧変換回路１０１の昇圧機能を発揮させ、燃料電池３の電圧を昇圧する。昇圧後、直流交流変換回路１０で直流から交流に変換して商用電源系統１５へ供給する。
（６）燃料電池から蓄電池への電力変換する場合
図７は、図１において、燃料電池３から蓄電池２への電力変換する場合の電力変換装置１００の作動を示す電気回路図である。この燃料電池３から蓄電池２への電力変換する場合は、常開接点ＳＷ３及びＳＷ４をＯＮにする。
【００５７】
燃料電池３の電圧が蓄電池２の電圧より低いので、トランジスタＴｒ３とダイオードＤ４とリアクトルＬ１とで電圧変換回路１０１の昇圧機能を発揮させ、燃料電池３の電圧を昇圧して蓄電池２に充電する。
（７）風力発電から系統への電力変換する場合
図８は、図１において、風力発電装置４から商用電源系統１５への電力変換する場合の電力変換装置１００の作動を示す電気回路図である。この風力発電装置４から商用電源系統１５への電力変換する場合は、常開接点ＳＷ５、ＳＷａ、及びＳＷｂをＯＮにする。
【００５８】
風力発電装置４の三相交流出力をフィルタ８を介して交流直流変換回路９で変換した後の直流電圧は、上記Ｖａ電圧より低いので昇圧する必要がある。よって、トランジスタＴｒ３とダイオードＤ２とリアクトルＬ１とで電圧変換回路１０１の昇圧機能を発揮させる。
【００５９】
風力発電装置４からの三相交流出力を交流直流変換回路９で交流から直流に変換した後、直流の出力電圧を昇圧し、更に直流交流変換回路１０で直流から交流に変換して商用電源系統１５へ出力する。
（８）風力発電から蓄電池への電力変換する場合
図９は、図１において、風力発電装置４から蓄電池２への電力変換する場合の電力変換装置１００の作動を示す電気回路図である。この風力発電装置４から蓄電池２への電力変換する場合は、常開接点ＳＷ３、ＳＷ５をＯＮにする。
【００６０】
風力発電装置４から交流直流変換回路９で交流直流変換した後の出力電圧が、蓄電池２の電圧より低いのでトランジスタＴｒ３とダイオードＤ４とリアクトルＬ１とで昇圧機能を発揮させる。こうして、風力発電装置４の交流出力から交流直流変換回路９で交流から直流に変換した後の電圧を昇圧し、蓄電池２に充電する。
【００６１】
次に、図１０は単相交流を直流に変換、または逆変換する直流交流変換回路１０の概略回路図である。この直流交流変換回路１０は４つのパワートランジスタでブリッジを形成している。パワートランジスタと並列のダイオードはフライホイールダイオードである。図１１は、三相交流を直流に変換する交流直流変換回路９の概略図である。この交流直流変換回路９は６つのダイオードで全波整流用のブリッジを形成している。
【００６２】
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について説明する。上述した実施形態と異なる特徴部分を説明する。この第２実施形態は、回路切替スイッチ手段を成すマグネットスイッチがコモン接点の左右または上下の常開接点及び常閉接点に接続片が切り替わる切替スイッチから成る場合を示している。
【００６３】
図１２は本発明の第２実施形態における電力変換装置１００を成す、特に太陽光発電用電力変換装置の電気回路図である。図１２において、太陽電池１はノイズカット用のフィルタを成すコイル５ａ、５ｂに接続されている。
【００６４】
太陽電池１の出力はコイル５ａ、５ｂを通過した後、トランジスタＴｒ１を介して回路切替スイッチ手段を成す切替スイッチＲｌｙ１と電圧調整用のリアクトルＬ１、トランジスタＴｒ２、及びＴｒ３を介して、インバータを成す直流交流変換回路１０に至る。
【００６５】
リアクトルＬ１とトランジスタＴｒ１、Ｔｒ２、Ｔｒ３及びダイオードＤ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４で電圧変換回路１０１を形成している。そして、直流交流変換回路１０によって交流化された電力を商用電源系統１５に供給している。
【００６６】
直流交流変換回路１０の前段にはノイズ除去用のコンデンサＣ５が接続されている。切替スイッチＲｌｙ１は２組のパワーリレーＲｌｙ１１及びＲｌｙ１２が、破線で示すように、連動するようになっている。
【００６７】
２組のパワーリレーＲｌｙ１１及びＲｌｙ１２の一方である図中上方のパワーリレーＲｌｙ１１は、商用電源系統１５側と太陽電池１側とを連結するか商用電源系統１５側と蓄電池２側とを連結するかの切替機能を有する。
【００６８】
また、２組のパワーリレーＲｌｙ１１及びＲｌｙ１２の他方である図中下方のパワーリレーＲｌｙ１２は、商用電源系統１５側と蓄電池２とを連結するか、電圧変換回路１０１を介する太陽電池１側と蓄電池２とを連結するかの切替機能を有する。
【００６９】
また、切離しスイッチＳＷｄが、電圧変換回路１０１のダイオードＤ４側と切替スイッチＲｌｙ１の他方のパワーリレーＲｌｙ１２との間に接続されている。この切離しスイッチＳＷｄは、太陽電池１の電力を商用電源系統１５に売電するときに、蓄電池２を切離すものである。
【００７０】
なお、切替スイッチＲｌｙ１は２組のパワーリレーＲｌｙ１１、Ｒｌｙ１２が連動するものを使用したが、２組のパワーリレーＲｌｙ１１、Ｒｌｙ１２が連動せずに独立して作動するものを使用すれば、切離しスイッチはＳＷｄは不要にできる。以下、この図１２の電気回路の作動を、場合ごとに分けて説明する。
【００７１】
図１３は図１２において、太陽電池１の電力を商用電源系統１５に売電するかまたは家庭の冷蔵庫等の家電製品１６で消費する場合の電力変換装置１００の電気回路図である。
【００７２】
この場合、切替スイッチＲｌｙ１の２組のパワーリレーＲｌｙ１１、Ｒｌｙ１２が連動して上側に切替わり、太陽電池１の出力は、電圧変換回路１０１の昇圧機能を発揮するリアクトルＬ１、トランジスタＴｒ３、ダイオードＤ２で昇圧され、更に、直流交流変換回路１０を介して商用電源系統１５の単相交流に変換される。また、切離しスイッチＳＷｄはＯＦＦしている。
【００７３】
図１４は、図１２において、太陽電池１の電力で蓄電池２を充電する場合の太陽光発電用電力変換装置１００の電気回路図である。この場合、切替スイッチＲｌｙ１の２組のパワーリレーＲｌｙ１１、Ｒｌｙ１２が連動して上側に切替わり、切離しスイッチＳＷｄはＯＮして閉成している。
【００７４】
よって、太陽電池１の出力は、電圧変換回路１０１の昇圧機能を発揮するリアクトルＬ１、トランジスタＴｒ３、ダイオードＤ４で昇圧されて、蓄電池２に充電される。
【００７５】
図１５は図１２において、蓄電池２の電力を商用電源系統１５に売電する場合の電力変換装置１００の電気回路図である。この場合、回路切替スイッチ手段を成す切替スイッチＲｌｙ１の２組のパワーリレーＲｌｙ１１、Ｒｌｙ１２が連動して下側に切替わり、切離しスイッチＳＷｄはＯＦＦしている。
【００７６】
よって、蓄電池２の出力は、電圧変換回路１０１のリアクトルＬ１、トランジスタＴｒ３、ダイオードＤ２によって昇圧され、更に、直流交流変換回路１０を介して商用電源系統１５の単相交流に変換され売電される。
【００７７】
（その他の実施形態）
本発明は上述した実施形態にのみ限定されるものではなく、次のように変形または拡張することができる。例えば、上述の第１実施形態では、蓄電池は定置式のものを示したが、電気自動車（ＥＶ）に搭載された蓄電池（バッテリ）であっても良い。
【００７８】
すなわち、車庫に置かれている電気自動車内の蓄電池を屋根上の太陽電池で充電したり、電気自動車（ＥＶ）のバッテリの余剰電力を商用電源系統に売電したりすることもできる。
【００７９】
また、商用電源系統から電気自動車（ＥＶ）のバッテリを充電できることは勿論である。また、燃料電池も同様に電気自動車に搭載された燃料電池であっても良い。更に、第１実施形態において、第２実施形態と同様に、商用電源系統１５の手前に家電製品を接続しても良い。
【符号の説明】
【００８０】
１ 太陽電池
２ 蓄電池
３ 燃料電池
４ 風力発電装置
５〜８、１１ フィルタ
５ａ、５ｂ ノイズカット用のフィルタを成すコイル
９ 交流直流変換回路
１０ 直流交流変換装置（インバータ）
１５ 商用電源系統
１００ 電力変換装置
１０１ 電圧変換回路を成す昇圧降圧回路
Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４、Ｃ５ コンデンサ
Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４ ダイオード
Ｌ１、Ｔｒ２、Ｔｒ３、Ｄ４ 昇圧降圧回路
Ｌ１ リアクトル
Ｒｌｙ１ 切替スイッチ
Ｒｌｙ１１及びＲｌｙ１２ 切替スイッチを成すパワーリレー
ＳＷ１〜ＳＷ５、ＳＷａ、ＳＷｂ、Ｒｌｙ１ 回路切替スイッチ手段
ＳＷｄ 切離しスイッチ
Ｔｒ１、Ｔｒ２、及びＴｒ３ 断続スイッチ手段を成すトランジスタ
Ｖａ 直流交流変換回路の入力段電圧
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発電手段の発電電力を少なくとも電圧変換及び直流交流変換を行って商用電源系統に供給すると共に発電手段及び商用電源系統にて蓄電池を充電する電力変換装置に関するもので、特に住宅用であって太陽電池と蓄電池による電力貯蔵機能を有する電力変換装置において有効である。
【背景技術】
【０００２】
従来、特許文献１に記載の太陽電池および蓄電池を併用した電力変換装置の構成が知られている。そして、この種の電力変換には次のような種類が有る。
【０００３】
１．太陽電池から商用電源系統への電力変換
２．太陽電池から蓄電池への電力変換
３．商用電源系統から蓄電池への電力変換
このような、少なくとも３種類の電力変換を行う場合、各部の電圧が異なること、及び交流直流の変換が必要となる。
【０００４】
ここで、特許文献１に記載の電力変換装置には、太陽電池用の昇圧チョッパ、蓄電池用昇圧チョッパ、及び直流交流変換回路（インバータ）を必要とし、特に２つの昇圧用のチョッパが必要になっている。
【０００５】
また、一般に各部の電圧は次のようになっている。
・太陽電池の電圧 ＤＣ５０Ｖ〜３８０Ｖ
・蓄電池の電圧 ＤＣ２００Ｖ〜３５０Ｖ
・系統電圧 ＡＣ２００Ｖ、またはＡＣ１００Ｖ
また、特許文献２は、太陽電池の電力を蓄電池に蓄電するための電力変換装置であるが、太陽電池の電圧が蓄電池の電圧より低い場合は昇圧し、反対に太陽電池の電圧が蓄電池の電圧より高い場合は降圧する構成になっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００２−１７１６７４号公報
【特許文献２】特開２０００−２８７３８２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記のような従来技術を使用した場合、複数の電圧範囲に対応して２つのチョッパが必要となり、２つのチョッパ夫々に昇圧用または降圧用のリアクトル（コイル）とリアクトルへの通電を制御するためのスイッチ手段を必要とする。これでは回路部品が多くなり、製造コストが高くなる。
【０００８】
つまり、従来技術では、太陽電池用の昇圧チョッパおよび蓄電池用昇圧チョッパを持つため、チョッパ用のリアクトルの２つ必要であり高コストになる。従って、より低コスト化し、小型化が可能な構成が望まれる。
【０００９】
本発明は、このような従来の技術に存在する問題点に着目して成されたものであり、その目的は、部品数を削減でき、よりコストを低減できる電力変換装置を提供することにある。
【００１０】
従来技術として列挙された特許文献の記載内容は、この明細書に記載された技術的要素の説明として、参照によって導入ないし援用することができる。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は上記目的を達成するために、下記の技術的手段を採用する。すなわち、請求項１に記載の発明では、発電手段の発電電力を少なくとも電圧変換及び直流交流変換を行って商用電源系統に供給すると共に発電手段及び商用電源系統にて蓄電池を充電する装置において、発電手段からの電流が一次側から二次側に向けて流れるリアクトルと該リアクトルへの通電を制御して電圧変換する断続スイッチ手段を備えた電圧変換回路、電圧変換回路の出力に対して直流交流変換を行って商用電源系統に出力する直流交流変換回路、及び電圧変換回路内のリアクトルを介して流れる電流を、蓄電池側と商用電源系統側とに選択的に導く回路切替スイッチ手段を設けたことを特徴とする。
【００１２】
この発明によれば、発電手段からの電流が流れるリアクトルと該リアクトルへの通電を制御して電圧変換する断続スイッチ手段を備えた電圧変換回路、及び電圧変換回路内のリアクトルを介して流れる電流を蓄電池側と商用電源系統側とに導く回路切替スイッチ手段を設けたから、電圧変換回路の部品であるリアクトルを共通使用して、少なくとも蓄電池と商用電源系統とに向けた電力変換が行える電力変換装置を提供することができる。また、少なくともリアクトルを共通使用しているから、回路構成の簡素化を達成することができる。
【００１３】
請求項２に記載の発明では、発電手段は太陽電池、燃料電池、風力発電装置の少なくともいずれか一つから成る事を特徴とする。
【００１４】
この発明によれば、発電手段は太陽電池、燃料電池、風力発電装置の少なくともいずれか一つから成るから、これらのいずれか一つからの電力を用いて商用電源系統に電力を供給したり蓄電池に充電したりすることができる。
【００１５】
請求項３に記載の発明では、発電手段の電流が流れるリアクトルへの通電を制御して電圧変換する断続スイッチ手段は、少なくともリアクトルの二次側に設けられたスイッチ素子から成り、リアクトルを介して供給された電圧変換回路の出力に対して、直流交流変換回路が直流交流変換を行い、電圧変換回路内のリアクトルとスイッチ素子の一つを介して流れる電流を蓄電池側と商用電源系統側とに切替えて導く回路切替スイッチ手段を備えることを特徴とする。
【００１６】
この発明によれば、断続スイッチ手段は少なくともリアクトルの二次側に設けられたスイッチ素子から成り、リアクトルとスイッチ素子の一つを介して流れる電流を蓄電池側と商用電源系統側とに導く回路切替スイッチ手段を備えるから、電圧変換回路の部品であるリアクトル及びスイッチ素子を共通使用して、少なくとも蓄電池と商用電源系統とに向けた電力変換が行える電力変換装置を提供することができ、少なくともリアクトルとスイッチ素子とを共通使用しているから、回路構成の簡素化を達成することができる。
【００１７】
請求項４に記載の発明では、回路切替スイッチ手段は、発電手段を太陽電池、燃料電池、風力発電装置のうちのいずれか一つに切替えるために、リアクトルの一次側に接続されていることを特徴とする。
【００１８】
この発明によれば、回路切替スイッチ手段は、太陽電池、燃料電池、風力発電装置のうちのいずれか一つに発電手段を切替えるためのリアクトルの一次側に接続されたスイッチ手段から成るから、発電手段を選択し、かつ、電圧変換回路の部品であるリアクトルを共通使用して、少なくとも蓄電池と商用電源系統とに向けた電力変換が行える電力変換装置を提供することができる。
【００１９】
請求項５に記載の発明では、リアクトルへの通電を制御して電圧変換する電圧変換回路の断続スイッチ手段は、少なくともリアクトルの一次側と二次側とに接続されていることを特徴とする。
【００２０】
この発明によれば、断続スイッチ手段は、リアクトルの一次側と二次側とに接続されているから、一次側の断続スイッチ手段をチョッピング作動させて降圧機能を発揮させ、二次側の断続スイッチ手段でリアクトルに高電圧を誘起させて昇圧することが出来るため、電圧変換回路の出力として、任意の電圧の出力を得ることができる。
【００２１】
請求項６に記載の発明では、蓄電池は、リアクトルの一次側と二次側とに回路切替スイッチ手段を介して接続されており、少なくともリアクトルの一次側に接続された回路切替スイッチ手段を介して、蓄電池の電力を商用電源系統または家電製品に供給し、リアクトルの二次側に接続された回路切替スイッチ手段を介して商用電源から蓄電池が充電されることを特徴とする。
【００２２】
この発明によれば、リアクトルの一次側と二次側とに回路切替スイッチ手段を介して接続されており、少なくともリアクトルの一次側に接続された回路切替スイッチ手段を介して、蓄電池の電力を商用電源系統または家電製品に供給し、リアクトルの二次側に接続された回路切替スイッチ手段を介して、商用電源系統の電力で蓄電池を充電することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の第１実施形態における電力変換装置の電気回路図である。
【図２】上記実施形態において、太陽電池から商用電源系統へ電力変換を行なう場合の電力変換装置の作動を示す電気回路図である。
【図３】上記実施形態において、太陽電池から蓄電池への電力変換を行なう場合の電力変換装置の作動を示す電気回路図である。
【図４】上記実施形態において、蓄電池から商用電源系統への電力変換を行なう場合の電力変換装置の作動を示す電気回路図である。
【図５】上記実施形態において、商用電源系統から蓄電池への電力伝送の場合の電力変換装置の作動を示す電気回路図である。
【図６】上記実施形態において、燃料電池から商用電源系統への電力変換を行う場合の電力変換装置の作動を示す電気回路図である。
【図７】上記実施形態において、燃料電池から蓄電池への電力変換を行う場合の電力変換装置の作動を示す電気回路図である。
【図８】上記実施形態において、風力発電装置から商用電源系統への電力変換を行う場合の電力変換装置の作動を示す電気回路図である。
【図９】上記実施形態において、風力発電装置から蓄電池への電力変換を行う場合の電力変換装置の作動を示す電気回路図である。
【図１０】上記実施形態において、単相交流を直流に変換、または逆変換する直流交流変換回路の電気回路図である。
【図１１】上記実施形態において、三相交流を直流に変換する交流直流変換回路の電気回路図である。
【図１２】本発明の第２実施形態における電力変換装置となる特に太陽光発電用電力変換装置の電気回路図である。
【図１３】第２実施形態において、太陽電池の電力を商用電源系統に売電するかまたは家庭の冷蔵庫等の家電製品で消費する場合の電力変換装置の電気回路図である。
【図１４】第２実施形態において、太陽電池の電力で蓄電池を充電する場合の太陽光発電用電力変換装置の電気回路図である。
【図１５】第２実施形態において、蓄電池の電力を商用電源系統に売電する場合の電力変換装置の電気回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下に、図面を参照しながら本発明を実施するための複数の形態を説明する。各形態において先行する形態で説明した事項に対応する部分には同一の参照符号を付して重複する説明を省略する場合がある。各形態において構成の一部のみを説明している場合は、構成の他の部分については先行して説明した他の形態を適用することができる。
【００２５】
各実施形態で具体的に組み合わせが可能であることを明示している部分同士の組み合わせばかりではなく、特に組合せに支障が生じなければ、明示していなくても実施形態同士を部分的に組み合せることも可能である。
【００２６】
（第１実施形態）
以下、具体的に、本発明の第１実施形態について図１乃至図１１を用いて詳細に説明する。図１は、本発明の第１実施形態における電力変換装置１００の電気回路図である。図１において、この第１実施形態では、発電手段として太陽電池１、燃料電池３、風力発電装置４を用いている。
【００２７】
これらの発電手段及び蓄電池２に接続されたフィルタ５〜８は、コンデンサや抵抗等で構成され、発電された電圧または充電用の電圧のリップル成分を減少させるものである。
【００２８】
また、直流交流変換装置（インバータ）１０に接続されたフィルタ１１は、直流交流変換装置１０内のＰＷＭ（パルス幅変調）回路によって交流化された波形のリップル成分を減少させるものである。９は風力発電装置４の三相交流出力を直流に変換する交流直流変換回路である。
【００２９】
断続スイッチ手段を成すトランジスタＴｒ１、Ｔｒ２、及びＴｒ３としては、ＩＧＢＴ、スーパージャンクションＭＯＳ（ＳＪ−ＭＯＳ）、ＳｉＣパワートランジスタ等のスイッチング時の損失の少ないスイッチ素子が使用できる。
【００３０】
Ｄ１、Ｄ４はダイオードである。また、断続スイッチ手段Ｔｒ２、Ｔｒ３と並列にフライホイールダイオードＤ２、Ｄ３を設けている。また、Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４、及びＣ５はコンデンサである。
【００３１】
リアクトルＬ１は、断続スイッチ手段を成すトランジスタＴｒ１、Ｔｒ２、及びＴｒ３によって通電され、通電電流が遮断されたときに高い誘起起電力を発生する。また、降圧時には後段のコンデンサＣ５に対する充電時定数を設定する役割を持つ。
【００３２】
つまり、リアクトルＬ１に通電されることにより、リアクトルＬ１に蓄積された電磁エネルギーをトランジスタＴｒ１、Ｔｒ２、及びＴｒ３からなるスイッチ手段で調整して、高い電圧から低い電圧までを得ることができ、昇圧または降圧が可能となっている。この種の電圧変換回路１０１を成す昇圧降圧回路自体は周知のものである。
【００３３】
電圧変換回路１０１の部品を切替えて選択することで、リアクトルＬ１と断続スイッチ手段を成すトランジスタＴｒ１、Ｔｒ２、及びＴｒ３を共通で使用して、各種の電力変換が行える電力変換装置を提供している。
【００３４】
このために、この第１実施形態においては、マグネットスイッチの接点ＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３、ＳＷ４、及びＳＷ５から成る回路切替スイッチ手段を設けることで、使用する断続スイッチ手段を成すトランジスタＴｒ１、Ｔｒ２、及びＴｒ３を選択している。これにより単一のリアクトルＬ１で電圧変換回路１０１を構成し、上述の各種の電力変換を可能としている。
【００３５】
直流交流変換回路１０は、直流を交流の所定電圧に変換するインバータとしての作用と、交流を所定電圧の直流に変換する整流兼電圧調整機能を有し、内部にＰＷＭ（パルス幅変調）回路を内蔵している周知のものである。
【００３６】
上述のように、ＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３、ＳＷ４、及びＳＷ５は、マグネットスイッチ（電磁開閉器）の接点であり、内部のコイルに通電されることにより電磁力で接点が駆動され回路の導通または遮断を行う。これらの接点を無接点化して無接点パワーリレーを使用することも可能である。なお、実際には更に短絡防止のためのサーキットブレーカ、売電用メータ、電力計及びＣＴ（変流器）等が設けられるが省略している。
【００３７】
以上のように、少なくとも太陽電池１と蓄電池２と商用電源系統１５とを有する。更に、この第１実施形態の場合は、燃料電池３と風力発電装置４とを有する。また、電圧変換回路１０１の出力を商用電源系統１５の交流に変換する直流交流変換回路１０を有する。この直流交流変換回路１０は、逆に交流電力を直流電力に変換し蓄電池２に充電する機能も備える。
【００３８】
更に、電圧変換回路１０１内のリアクトルＬ１への通電及びリアクトルＬ１からの高電圧誘起状態を、断続スイッチ手段を成すトランジスタＴｒ１、Ｔｒ２、及びＴｒ３のＯＮ、ＯＦＦで制御することで、任意の大きさの電圧変換を行なっている。また、回路切替スイッチ手段を成す接点ＳＷ１〜ＳＷ５を切替えることにより、単一のリアクトルＬ１で上記複数の発電手段及び蓄電池１、２、３、４の電力変換を可能としている。
【００３９】
正弦波交流の実効値は最大値の０．７０７倍に等しい。この図１において、商用電源系統１５の電圧をＡＣ２００Ｖ（交流２００ボルトの実効値）とすると、２００÷０．７０７＝２８３となり、ピーク間電圧（最大値）は約２８０Ｖになる。
【００４０】
このため、直流交流変換回路（インバータ）１０で、直流を交流に変換して商用電源系統１５にＡＣ２００Ｖ（交流２００ボルトの実効値）の電圧の電力を供給するためには、直流交流変換回路１０の入力段電圧Ｖａに２８０ボルト以上の高い電圧を印加する必要がある。
【００４１】
この直流交流変換回路１０の入力段の電圧を以下の説明においてＶａ電圧と称することにする。このＶａ電圧は、この実施形態では、ＤＣ３５０Ｖ（直流３５０ボルト）〜ＤＣ４００Ｖに設定している。
【００４２】
太陽電池１、風力発電装置４、燃料電池３といった発電手段から最大電力を得ようとすると、これらの発電手段の出力電圧は変化してしまう。例えば、発電手段が太陽電池１の場合は、この太陽電池１から最大電力を得ようとすると、太陽電池１の出力電圧はＤＣ５０Ｖ〜ＤＣ３８０Ｖの範囲で変化してしまう。発電手段が燃料電池３の場合は、この燃料電池３から最大電力を得ようとすると、燃料電池３の出力電圧は種類によりＤＣ２０Ｖ〜ＤＣ２００Ｖの範囲がある。
【００４３】
発電手段が風力発電装置４で、この風力発電装置４内の発電機が三相交流発電機の場合は、三相交流発電機の出力を図１のように交流直流変換回路９で変換する。この交流直流変換回路９の出力電圧はＤＣ５０Ｖ〜ＤＣ３８０Ｖの範囲内で変化してしまう。蓄電池２の電圧はＳＯＣ（残容量）の状態によりＤＣ２００Ｖ〜ＤＣ３５０Ｖの範囲内で変化するものを使用している。
【００４４】
また、商用電源系統１５の電圧は単相ＡＣ２００Ｖであるとして説明する。なお、商用電源系統の電圧は、ＡＣ１００Ｖでもよく、その他、三相交流を使用したり、単相三線式の配線を使用したりすることも可能であるであるが、ここでは、単相２線のＡＣ２００Ｖが住宅内に給電されているものとして説明する。
【００４５】
このような発電手段１、３、４の電圧の変動を考慮し、かつ、上述の制約されたＶａ電圧のもとで、回路切替スイッチ手段ＳＷ１〜ＳＷ５、電圧変換回路１０１、及び直流交流変換回路１０を制御して、電圧を調整しながら電力変換を行う必要がある。以下、これについて、各場合に分けて説明する。
（１）太陽電池から系統への電力変換の場合
図２は、図１において、太陽電池１から系統１５への電力変換の場合の太陽光発電用電力変換装置１００の作動を示す電気回路図である。
【００４６】
この太陽電池１から系統１５への電力変換の場合においては、回路切替スイッチ手段を構成するマグネットスイッチの常開接点ＳＷ１、ＳＷａ、及びＳＷｂを図２のようにＯＮにする。このマグネットスイッチ内の図示しないコイルの励磁（付勢）信号は図示しない切替制御手段を構成する電子制御装置（ＥＣＵ）から出力される。
【００４７】
また、パワートランジスタ（以下単にトランジスタ）から成る断続スイッチ手段Ｔｒ１を常時ＯＮにする。太陽電池１の電圧が、Ｖａ電圧より低い場合は昇圧する必要がある。従って、断続スイッチ手段Ｔｒ３とダイオードＤ２とリアクトルＬ１で電圧変換回路１０１の昇圧機能を発揮させる。
【００４８】
すなわち、トランジスタＴｒ１及びＴｒ３をＯＮしてリアクトルＬ１に電流を流し、次にトランジスタＴｒ３をＯＦＦしてリアクトルＬ１の誘起起電力をダイオードＤ２を介してコンデンサＣ５を充電する。これを高速で繰り返し、昇圧された電圧を直流交流変換回路１０に供給する。なお、このときにダイオードＤ２と並列のトランジスタＴｒ２をトランジスタＴｒ３のＯＦＦに連動してＯＮするようにするとダイオードＤ２での損失を少なくできる。
【００４９】
太陽電池１の電圧が上記Ｖａ電圧と同等もしくはそれ以上の電圧となるまで昇圧する。昇圧後、更に、直流交流変換回路１０で直流から交流に変換して商用電源の系統１５へ出力する。
【００５０】
太陽電池１の電圧が上記Ｖａ電圧と同等もしくはそれより高い場合は、直流交流変換回路１０（インバータ）内のＰＷＭ（パルス幅変調）回路で系統電圧のＡＣ２００Ｖになるよう電圧、周波数、及び位相を調整して系統１５に電力を供給する。
（２）太陽電池から蓄電池への電力変換の場合
図３は、図１において、太陽電池１から蓄電池２への電力変換の場合の電力変換装置１００の作動を示す電気回路図である。この太陽電池１から蓄電池２への電力変換の場合においては、マグネットスイッチの常開接点ＳＷ１とＳＷ３とをＯＮする。
【００５１】
太陽電池１の電圧が蓄電池２の電圧より高い場合は、トランジスタＴｒ１とダイオードＤ１及びＤ４と、リアクトルＬ１と、コンデンサＣ２とで電圧変換回路１０１の降圧機能を発揮させる。
【００５２】
すなわち、断続スイッチ手段となるトランジスタＴｒ１をチョッパとして使用し必要な電力のみを後段のＬＣフィルタを成すリアクトルＬ１とコンデンサＣ２に供給して平滑し、所定電圧まで降圧された電圧として蓄電池２に印加している。
【００５３】
太陽電池１の電圧が蓄電池２の電圧より低い場合は、断続スイッチ手段となるトランジスタＴｒ１を常時ＯＮにし、トランジスタＴｒ３と、ダイオードＤ１及びＤ４と、リアクトルＬ１とで昇圧機能を発揮させ、太陽電池１の電圧を昇圧する。
（３）蓄電池から商用電源系統への電力変換の場合
図４は、図１において、蓄電池２から商用電源系統１５への電力変換の場合の電力変換装置１００の作動を示す電気回路図である。この蓄電池２から系統１５への電力変換の場合においては、図示しない電子制御装置（ＥＣＵ）が、常開接点ＳＷ２、ＳＷａ、及びＳＷｂをＯＮする。
【００５４】
蓄電池２の電圧が上記Ｖａ電圧より低い場合は昇圧する必要がある。よって、トランジスタＴｒ３とダイオードＤ２とリアクトルＬ１とで電圧変換回路１０１の昇圧機能を発揮させ、蓄電池２の電圧を昇圧する。つまり、トランジスタＴｒ３をＯＦＦした後のリアクトルＬ１の高電圧を、ダイオードＤ２（またはＯＮさせたトランジスタＴｒ２）を介してコンデンサＣ５に印加する。
（４）商用電源系統から蓄電池への電力伝送の場合
図５は、図１において、商用電源系統１５から蓄電池２への電力伝送の場合の電力変換装置１００の作動を示す電気回路図である。この商用電源系統１５から蓄電池２への電力伝送の場合においては、電子制御装置（ＥＣＵ）が、常開接点ＳＷ２、ＳＷａ、及びＳＷｂをＯＮにする。
【００５５】
上記Ｖａ電圧が蓄電池２の電圧より高い場合は降圧する必要がある。この場合は、直流交流変換回路１０で交流から直流に変換した後で、トランジスタＴｒ２と、ダイオードＤ３と、リアクトルＬ１とで降圧機能を発揮させ、上記Ｖａ電圧を降圧し、降圧後の電圧で蓄電池２に充電する。
（５）燃料電池から商用電源系統への電力変換を行う場合
図６は、図１において、燃料電池３から商用電源系統１５への電力変換を行う場合の電力変換装置１００の作動を示す電気回路図である。この燃料電池３から商用電源系統１５へ電力変換する場合、常開接点ＳＷ４、ＳＷａ、ＳＷｂをＯＮにする。
【００５６】
燃料電池３の電圧が上記Ｖａ電圧より低いので昇圧する必要がある。トランジスタＴｒ３とダイオードＤ２とリアクトルＬ１とで電圧変換回路１０１の昇圧機能を発揮させ、燃料電池３の電圧を昇圧する。昇圧後、直流交流変換回路１０で直流から交流に変換して商用電源系統１５へ供給する。
（６）燃料電池から蓄電池への電力変換する場合
図７は、図１において、燃料電池３から蓄電池２への電力変換する場合の電力変換装置１００の作動を示す電気回路図である。この燃料電池３から蓄電池２への電力変換する場合は、常開接点ＳＷ３及びＳＷ４をＯＮにする。
【００５７】
燃料電池３の電圧が蓄電池２の電圧より低いので、トランジスタＴｒ３とダイオードＤ４とリアクトルＬ１とで電圧変換回路１０１の昇圧機能を発揮させ、燃料電池３の電圧を昇圧して蓄電池２に充電する。
（７）風力発電から系統への電力変換する場合
図８は、図１において、風力発電装置４から商用電源系統１５への電力変換する場合の電力変換装置１００の作動を示す電気回路図である。この風力発電装置４から商用電源系統１５への電力変換する場合は、常開接点ＳＷ５、ＳＷａ、及びＳＷｂをＯＮにする。
【００５８】
風力発電装置４の三相交流出力をフィルタ８を介して交流直流変換回路９で変換した後の直流電圧は、上記Ｖａ電圧より低いので昇圧する必要がある。よって、トランジスタＴｒ３とダイオードＤ２とリアクトルＬ１とで電圧変換回路１０１の昇圧機能を発揮させる。
【００５９】
風力発電装置４からの三相交流出力を交流直流変換回路９で交流から直流に変換した後、直流の出力電圧を昇圧し、更に直流交流変換回路１０で直流から交流に変換して商用電源系統１５へ出力する。
（８）風力発電から蓄電池への電力変換する場合
図９は、図１において、風力発電装置４から蓄電池２への電力変換する場合の電力変換装置１００の作動を示す電気回路図である。この風力発電装置４から蓄電池２への電力変換する場合は、常開接点ＳＷ３、ＳＷ５をＯＮにする。
【００６０】
風力発電装置４から交流直流変換回路９で交流直流変換した後の出力電圧が、蓄電池２の電圧より低いのでトランジスタＴｒ３とダイオードＤ４とリアクトルＬ１とで昇圧機能を発揮させる。こうして、風力発電装置４の交流出力から交流直流変換回路９で交流から直流に変換した後の電圧を昇圧し、蓄電池２に充電する。
【００６１】
次に、図１０は単相交流を直流に変換、または逆変換する直流交流変換回路１０の概略回路図である。この直流交流変換回路１０は４つのパワートランジスタでブリッジを形成している。パワートランジスタと並列のダイオードはフライホイールダイオードである。図１１は、三相交流を直流に変換する交流直流変換回路９の概略図である。この交流直流変換回路９は６つのダイオードで全波整流用のブリッジを形成している。
【００６２】
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について説明する。上述した実施形態と異なる特徴部分を説明する。この第２実施形態は、回路切替スイッチ手段を成すマグネットスイッチがコモン接点の左右または上下の常開接点及び常閉接点に接続片が切り替わる切替スイッチから成る場合を示している。
【００６３】
図１２は本発明の第２実施形態における電力変換装置１００を成す、特に太陽光発電用電力変換装置の電気回路図である。図１２において、太陽電池１はノイズカット用のフィルタを成すコイル５ａ、５ｂに接続されている。
【００６４】
太陽電池１の出力はコイル５ａ、５ｂを通過した後、トランジスタＴｒ１を介して回路切替スイッチ手段を成す切替スイッチＲｌｙ１と電圧調整用のリアクトルＬ１、トランジスタＴｒ２、及びＴｒ３を介して、インバータを成す直流交流変換回路１０に至る。
【００６５】
リアクトルＬ１とトランジスタＴｒ１、Ｔｒ２、Ｔｒ３及びダイオードＤ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４で電圧変換回路１０１を形成している。そして、直流交流変換回路１０によって交流化された電力を商用電源系統１５に供給している。
【００６６】
直流交流変換回路１０の前段にはノイズ除去用のコンデンサＣ５が接続されている。切替スイッチＲｌｙ１は２組のパワーリレーＲｌｙ１１及びＲｌｙ１２が、破線で示すように、連動するようになっている。
【００６７】
２組のパワーリレーＲｌｙ１１及びＲｌｙ１２の一方である図中上方のパワーリレーＲｌｙ１１は、商用電源系統１５側と太陽電池１側とを連結するか商用電源系統１５側と蓄電池２側とを連結するかの切替機能を有する。
【００６８】
また、２組のパワーリレーＲｌｙ１１及びＲｌｙ１２の他方である図中下方のパワーリレーＲｌｙ１２は、商用電源系統１５側と蓄電池２とを連結するか、電圧変換回路１０１を介する太陽電池１側と蓄電池２とを連結するかの切替機能を有する。
【００６９】
また、切離しスイッチＳＷｄが、電圧変換回路１０１のダイオードＤ４側と切替スイッチＲｌｙ１の他方のパワーリレーＲｌｙ１２との間に接続されている。この切離しスイッチＳＷｄは、太陽電池１の電力を商用電源系統１５に売電するときに、蓄電池２を切離すものである。
【００７０】
なお、切替スイッチＲｌｙ１は２組のパワーリレーＲｌｙ１１、Ｒｌｙ１２が連動するものを使用したが、２組のパワーリレーＲｌｙ１１、Ｒｌｙ１２が連動せずに独立して作動するものを使用すれば、切離しスイッチはＳＷｄは不要にできる。以下、この図１２の電気回路の作動を、場合ごとに分けて説明する。
【００７１】
図１３は図１２において、太陽電池１の電力を商用電源系統１５に売電するかまたは家庭の冷蔵庫等の家電製品１６で消費する場合の電力変換装置１００の電気回路図である。
【００７２】
この場合、切替スイッチＲｌｙ１の２組のパワーリレーＲｌｙ１１、Ｒｌｙ１２が連動して上側に切替わり、太陽電池１の出力は、電圧変換回路１０１の昇圧機能を発揮するリアクトルＬ１、トランジスタＴｒ３、ダイオードＤ２で昇圧され、更に、直流交流変換回路１０を介して商用電源系統１５の単相交流に変換される。また、切離しスイッチＳＷｄはＯＦＦしている。
【００７３】
図１４は、図１２において、太陽電池１の電力で蓄電池２を充電する場合の太陽光発電用電力変換装置１００の電気回路図である。この場合、切替スイッチＲｌｙ１の２組のパワーリレーＲｌｙ１１、Ｒｌｙ１２が連動して上側に切替わり、切離しスイッチＳＷｄはＯＮして閉成している。
【００７４】
よって、太陽電池１の出力は、電圧変換回路１０１の昇圧機能を発揮するリアクトルＬ１、トランジスタＴｒ３、ダイオードＤ４で昇圧されて、蓄電池２に充電される。
【００７５】
図１５は図１２において、蓄電池２の電力を商用電源系統１５に売電する場合の電力変換装置１００の電気回路図である。この場合、回路切替スイッチ手段を成す切替スイッチＲｌｙ１の２組のパワーリレーＲｌｙ１１、Ｒｌｙ１２が連動して下側に切替わり、切離しスイッチＳＷｄはＯＦＦしている。
【００７６】
よって、蓄電池２の出力は、電圧変換回路１０１のリアクトルＬ１、トランジスタＴｒ３、ダイオードＤ２によって昇圧され、更に、直流交流変換回路１０を介して商用電源系統１５の単相交流に変換され売電される。
【００７７】
（その他の実施形態）
本発明は上述した実施形態にのみ限定されるものではなく、次のように変形または拡張することができる。例えば、上述の第１実施形態では、蓄電池は定置式のものを示したが、電気自動車（ＥＶ）に搭載された蓄電池（バッテリ）であっても良い。
【００７８】
すなわち、車庫に置かれている電気自動車内の蓄電池を屋根上の太陽電池で充電したり、電気自動車（ＥＶ）のバッテリの余剰電力を商用電源系統に売電したりすることもできる。
【００７９】
また、商用電源系統から電気自動車（ＥＶ）のバッテリを充電できることは勿論である。また、燃料電池も同様に電気自動車に搭載された燃料電池であっても良い。更に、第１実施形態において、第２実施形態と同様に、商用電源系統１５の手前に家電製品を接続しても良い。
【符号の説明】
【００８０】
１ 太陽電池
２ 蓄電池
３ 燃料電池
４ 風力発電装置
５〜８、１１ フィルタ
５ａ、５ｂ ノイズカット用のフィルタを成すコイル
９ 交流直流変換回路
１０ 直流交流変換装置（インバータ）
１５ 商用電源系統
１００ 電力変換装置
１０１ 電圧変換回路を成す昇圧降圧回路
Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４、Ｃ５ コンデンサ
Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４ ダイオード
Ｌ１、Ｔｒ２、Ｔｒ３、Ｄ４ 昇圧降圧回路
Ｌ１ リアクトル
Ｒｌｙ１ 切替スイッチ
Ｒｌｙ１１及びＲｌｙ１２ 切替スイッチを成すパワーリレー
ＳＷ１〜ＳＷ５、ＳＷａ、ＳＷｂ、Ｒｌｙ１ 回路切替スイッチ手段
ＳＷｄ 切離しスイッチ
Ｔｒ１、Ｔｒ２、及びＴｒ３ 断続スイッチ手段を成すトランジスタ
Ｖａ 直流交流変換回路の入力段電圧
【特許請求の範囲】
【請求項１】
発電手段の発電電力を少なくとも電圧変換及び直流交流変換を行って商用電源系統に供給すると共に発電手段及び前記商用電源系統にて蓄電池を充電する装置において、
前記発電手段からの電流が一次側から二次側に向けて流れるリアクトルと該リアクトルへの通電を制御して電圧変換する断続スイッチ手段を備えた電圧変換回路、
前記電圧変換回路の出力に対して前記直流交流変換を行って前記商用電源系統に出力する直流交流変換回路、及び
前記電圧変換回路内の前記リアクトルを介して流れる電流を、前記蓄電池側と前記商用電源系統側とに選択的に導く回路切替スイッチ手段を設けたことを特徴とする電力変換装置。
【請求項２】
前記発電手段は太陽電池、燃料電池、風力発電装置の少なくともいずれか一つから成る事を特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
【請求項３】
前記発電手段の電流が流れる前記リアクトルへの通電を制御して電圧変換する断続スイッチ手段は、少なくとも前記リアクトルの前記二次側に設けられたスイッチ素子から成り、
前記リアクトルを介して供給された前記電圧変換回路の出力に対して、前記直流交流変換回路が前記直流交流変換を行い、
前記電圧変換回路内の前記リアクトルと前記スイッチ素子の一つを介して流れる電流を前記蓄電池側と前記商用電源系統側とに切替えて導く前記回路切替スイッチ手段を備えることを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
【請求項４】
前記回路切替スイッチ手段は、前記発電手段を前記太陽電池、前記燃料電池、前記風力発電装置のうちのいずれか一つに切替えるために、前記リアクトルの一次側に接続されていることを特徴とする請求項２ないし３のいずれか一項に記載の電力変換装置。
【請求項５】
前記リアクトルへの通電を制御して電圧変換する前記電圧変換回路の前記断続スイッチ手段は、少なくとも前記リアクトルの前記一次側と前記二次側とに接続されていることを特徴とする請求項１ないし４のうちいずれか一項に記載の電力変換装置。
【請求項６】
前記蓄電池は、前記リアクトルの前記一次側と前記二次側とに前記回路切替スイッチ手段を介して接続されており、少なくとも前記リアクトルの前記一次側に接続された前記回路切替スイッチ手段を介して、前記蓄電池の電力を前記商用電源系統または家電製品に供給し、前記リアクトルの二次側に接続された前記回路切替スイッチ手段を介して前記商用電源から前記蓄電池が充電されることを特徴とする請求項１ないし５のうちいずれか一項に記載の電力変換装置。
【請求項１】
発電手段の発電電力を少なくとも電圧変換及び直流交流変換を行って商用電源系統に供給すると共に発電手段及び前記商用電源系統にて蓄電池を充電する装置において、
前記発電手段からの電流が一次側から二次側に向けて流れるリアクトルと該リアクトルへの通電を制御して電圧変換する断続スイッチ手段を備えた電圧変換回路、
前記電圧変換回路の出力に対して前記直流交流変換を行って前記商用電源系統に出力する直流交流変換回路、及び
前記電圧変換回路内の前記リアクトルを介して流れる電流を、前記蓄電池側と前記商用電源系統側とに選択的に導く回路切替スイッチ手段を設けたことを特徴とする電力変換装置。
【請求項２】
前記発電手段は太陽電池、燃料電池、風力発電装置の少なくともいずれか一つから成る事を特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
【請求項３】
前記発電手段の電流が流れる前記リアクトルへの通電を制御して電圧変換する断続スイッチ手段は、少なくとも前記リアクトルの前記二次側に設けられたスイッチ素子から成り、
前記リアクトルを介して供給された前記電圧変換回路の出力に対して、前記直流交流変換回路が前記直流交流変換を行い、
前記電圧変換回路内の前記リアクトルと前記スイッチ素子の一つを介して流れる電流を前記蓄電池側と前記商用電源系統側とに切替えて導く前記回路切替スイッチ手段を備えることを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
【請求項４】
前記回路切替スイッチ手段は、前記発電手段を前記太陽電池、前記燃料電池、前記風力発電装置のうちのいずれか一つに切替えるために、前記リアクトルの一次側に接続されていることを特徴とする請求項２ないし３のいずれか一項に記載の電力変換装置。
【請求項５】
前記リアクトルへの通電を制御して電圧変換する前記電圧変換回路の前記断続スイッチ手段は、少なくとも前記リアクトルの前記一次側と前記二次側とに接続されていることを特徴とする請求項１ないし４のうちいずれか一項に記載の電力変換装置。
【請求項６】
前記蓄電池は、前記リアクトルの前記一次側と前記二次側とに前記回路切替スイッチ手段を介して接続されており、少なくとも前記リアクトルの前記一次側に接続された前記回路切替スイッチ手段を介して、前記蓄電池の電力を前記商用電源系統または家電製品に供給し、前記リアクトルの二次側に接続された前記回路切替スイッチ手段を介して前記商用電源から前記蓄電池が充電されることを特徴とする請求項１ないし５のうちいずれか一項に記載の電力変換装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【公開番号】特開２０１１−２５０６０５（Ｐ２０１１−２５０６０５Ａ）
【公開日】平成２３年１２月８日（２０１１．１２．８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１２１８８４（Ｐ２０１０−１２１８８４）
【出願日】平成２２年５月２７日（２０１０．５．２７）
【出願人】（０００００４６９５）株式会社日本自動車部品総合研究所 (1,981)
【出願人】（０００００４２６０）株式会社デンソー (27,639)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１２月８日（２０１１．１２．８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年５月２７日（２０１０．５．２７）
【出願人】（０００００４６９５）株式会社日本自動車部品総合研究所 (1,981)
【出願人】（０００００４２６０）株式会社デンソー (27,639)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]