WO2020255330A1

WO2020255330A1 - 電力変換システム

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Publication number: WO2020255330A1
Application number: PCT/JP2019/024494
Authority: WO
Inventors: 俊和 ▲高▼木
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2019-06-20
Filing date: 2019-06-20
Publication date: 2020-12-24
Anticipated expiration: 2021-12-20
Also published as: EP3989423A4; CN114008905A; CN114008905B; US20220173658A1; JP7002701B2; JPWO2020255330A1; EP3989423A1; US12341374B2; EP3989423B1

Abstract

ＤＣ／ＤＣコンバータ（１）は、入力電圧を要求される電圧に変換する電力変換部（３）と、電力変換部（３）を駆動する第１制御部（４）と、第１制御部（４）に電力を供給するとともにＤＣ／ＤＣコンバータ（１）の出力もしくはバッテリー（１００）を電力供給源とする電源装置（５）と、電源装置（５）への電力供給を制御するための電源供給機能（６）を備え、電源供給機能（６）はＤＣ／ＤＣコンバータ（１）が待機中に電力変換装置（２）の第２制御部（１０）により電力供給を制御される。

Description

電力変換システム

　本願は、電力変換システムに関するものである。

　従来より車載用充電機、ＡＣ／ＤＣコンバータ、ＤＣ／ＤＣコンバータ、及びインバータなど一つの筐体に備えられた電力変換装置において、それらの電動部品を駆動させるため、車両に搭載された鉛バッテリー（以下、低圧バッテリーと呼ぶ）から主に電力を取得し、電力供給源として内部電力を生成して各機能へ供給しているものがあった。

　特に電力部品の商品性向上の観点から電力変換効率の他に電力変換器自身を動かすための補助電源の効率を向上させ、更には待機電力を抑制することが求められている。例えばリチウムインバッテリーなどの車載高圧バッテリーから低圧バッテリーへ電力変換を行うＤＣ／ＤＣコンバータが軽負荷で駆動する場合、補助電源の効率（損失）は電力部品全体の損失割合でみたときに無視できない。また、バッテリーあがりなどを抑制するためにも補助電源系の待機電力は低くする必要がある。

　特許文献１においては、暗電流又は消費電力を低減することができる電流供給回路を提供することが開示されている。即ちこのような電流供給回路では、電源電圧に基づいて生成された基準電流と同じ大きさの電流を他の回路に供給する給電回路と、負荷の状態に基づいて前記電源電圧の変動を予測する電源変動予測手段と、前記電源電圧の変動が予測された場合に前記基準電流の大きさを変化させる基準電流可変手段を備えることにより、電源変動予測手段によって電源部の電源電圧が変動することが予測された場合にのみ、基準電流可変手段が基準電流を通常より大きくするものである。これにより、暗電流又は消費電力を低減することができる電流供給回路を提供することができるものである。

　又特許文献２においては、補機に待機電力を供給する補機電池を不要化できる補機電源装置が開示されている。即ち主電源からの電力を変換して補機に出力する電力変換器と、システムの運転乃至停止状態に応じて補機の通常動作乃至待機状態を判定し、補機が待機状態の場合に前記主電源からの電力が待機電圧に変換されるように前記電力変換器を制御し、補機が通常動作状態の場合に前記主電源からの電力が通常動作電圧に変換されるように前記電力変換器を制御する制御装置とを備えたものである。これにより補機用電池を用いることなく補機に電力を供給することができる。ここで、通常動作電圧が待機電圧より大きくするのが好適であることが開示されている。

　以上のように、通常動作状態のみならず、待機状態においても電力変換器により主電源からの電力を変換して補機に供給する構成であるため、補機電池が不要となる。そして、補機状態において供給する補機電圧を最適に制御することで消費電力が効果的に低減されることが開示されている。

特開２００８－１９５１１０号公報特開２０１５－１１９５５３号公報

　従来のパワーエレクトロニクス分野におけるインバータ、コンバータなど複数の構成部品が一体型となった電力変換装置、特にＤＣ／ＤＣコンバータにおいて、製品コスト及びサイズを小さくし、かつ損失を低減するために低圧バッテリーラインを供給元として補助電源回路構成を構成することが好ましいが、待機電力が問題となる。

　待機電力をカットするためには、特許文献１において、電源部と電流供給回路の間にはイグニッションスイッチが存在しており、回路自体の動作停止時の待機電力はこのイグニッションスイッチを開閉することで遮断する方法が一般的となり、待機電力を効果的に低くできないという問題があった。

　また特許文献２においては、補機の運転乃至待機状態に応じて電力変換器を制御して補機に供給する電源電圧の値を調整することで、待機電力を抑制している。しかしこのような手法を高圧バッテリーから低圧バッテリーに電力変換するＤＣ／ＤＣコンバータに適用しようとした場合、待機状態での高圧バッテリーからのエネルギー持ち出し量が無視できなくなる。特にＤＣ／ＤＣコンバータ出力ラインから直接電力変換部を駆動するための電力を供給しようとした場合、当該主回路は常に動作し続けなければならないこととなる。該当するコンバータの待機電力を低減するためには、待機中は主回路の電力変換動作を停止し、かつそれらを駆動する電源回路部の待機電力も抑制することが電力変換装置としてのトータルのエネルギー収支として最も良い。

　本願は、上記のような課題を解決するための技術を開示するものであり、ＤＣ／ＤＣコンバータが動作停止中に、電源供給機能により電力供給の供給乃至停止を制御することにより、ＤＣ／ＤＣコンバータの電源装置又は制御部における待機電力を抑制することを目的とするものである。

　本願に開示される電力変換システムは、バッテリーを充電するＤＣ／ＤＣコンバータと、インバータもしくはコンバータの少なくとも１つからなる電力変換装置を備え、
前記ＤＣ／ＤＣコンバータは、入力電圧を要求される電圧に変換する電力変換部と、前記電力変換部を駆動する第１制御部と、前記第１制御部に電力を供給するとともに前記ＤＣ／ＤＣコンバータの出力もしくは前記バッテリーを電力供給源とする電源装置と、前記電源装置への電力供給を制御するための電源供給機能を備え、
前記電源供給機能は前記ＤＣ／ＤＣコンバータが待機中に前記電力変換装置の第２制御部により電力供給を制御されるものである。

　又本願に開示される別の電力変換システムは、バッテリーを充電するＤＣ／ＤＣコンバータと、インバータもしくはコンバータの少なくとも１つからなる電力変換装置を備え、
前記ＤＣ／ＤＣコンバータは、入力電圧を要求される電圧に変換する電力変換部と、前記電力変換部を駆動する第１制御部と、前記第１制御部に電力を供給するとともに前記ＤＣ／ＤＣコンバータの出力もしくは前記バッテリーを電力供給源とする電源装置を備え、
更に前記電源装置には出力許可および出力停止を指示する電源装置出力ＯＮ／ＯＦＦ機能を設け、前記電源装置出力ＯＮ／ＯＦＦ機能は前記ＤＣ／ＤＣコンバータが待機中に前記電力変換装置の第２制御部により電力供給を制御されるものである。

　本願に開示される電力変換システムによれば、ＤＣ／ＤＣコンバータが動作停止中に、他の電力変換装置からの電力供給を制御し、電源供給機能により電力の供給を制御することによりバッテリーに接続されたＤＣ／ＤＣコンバータの電源装置又は制御部における待機電力を抑制することができる。

実施の形態１による電力変換システムの基本的な構成を示すブロック図である。実施の形態１による電力変換システムの構成を示すブロック図である。実施の形態２による電力変換システムの構成を示すブロック図である。実施の形態３による電力変換システムの構成を示すブロック図である。

実施の形態１．
　本実施の形態は、例えばパワーエレクトロニクス分野におけるインバータ、コンバータなど複数の構成部品が一体に形成された電力変換装置における制御電源回路の待機電力低減システムに関するものである。
　図１は本実施形態による電力変換システムの基本的な構成を示すブロック図である。電力変換システムは、低圧バッテリー１００を充電するＤＣ／ＤＣコンバータ１と、複数のインバータもしくはコンバータからなる他方の電力変換装置２を備えている。即ち電力変換装置２はインバータもしくはコンバータの少なくとも１つからなるものである。そしてＤＣ／ＤＣコンバータ１は、電力変換部３と、制御部（第１制御部）４と、電源装置５を備えている。電力変換部３は入力電圧を所望の電圧に変換する。制御部４は電力変換部３を駆動する。電源装置５は制御部４に電力を供給する。そして電源装置５はＤＣ／ＤＣコンバータ１自身の出力もしくは低圧バッテリー１００を電力供給源としており、その電力供給の供給乃至停止を制御するための電源供給機能６が設けられている。

低圧バッテリー１００を充電するＤＣ／ＤＣコンバータ１と、複数のインバータもしくはコンバータなどからなる他方の電力変換装置２は、一つの筐体に格納されており、外部からの指令又は操作に基づき各々の構成部品が制御される。
　そしてＤＣ／ＤＣコンバータ１が動作停止中に、他の電力変換装置２により電力供給を制御し、電力供給の供給乃至停止を制御することにより低圧バッテリー１００に接続されたＤＣ／ＤＣコンバータ１の電源装置５又は制御部４などの補機類における待機電力を抑制することが本実施の形態の目的である。

　図２は本実施形態による電力変換システムの構成を示すブロック図である。図２において、リチウムインバッテリーなどの高圧バッテリー２００から１２Ｖ系の鉛バッテリー１００（いわゆる低圧バッテリー）を充電するＤＣ／ＤＣコンバータ１と、複数のインバータもしくはコンバータからなる他方の電力変換装置２が設けられている。ＤＣ／ＤＣコンバータ１は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１を駆動するための制御部４と、制御部４に電力を供給するための電源装置５を備えている。そして電源装置５がＤＣ／ＤＣコンバータ１自身の出力もしくは低圧バッテリー１００をエネルギー供給元としており、電力供給の供給乃至停止を制御するためのスイッチ７が設けられている。

　ＤＣ／ＤＣコンバータ１と他の電力変換装置２は、一つの筐体に格納されており、車両に搭載された他の外部ＥＣＵ３００からの通信情報に基づき個々の構成部品が独立に制御される。ＤＣ／ＤＣコンバータ１は、リチウムインバッテリーなどの高圧バッテリー２００から低圧バッテリー１００を充電するための機能を有し、車両からの指示情報に基づき充電制御がなされる。また、ＤＣ／ＤＣコンバータ１は、高圧バッテリー２００から低圧バッテリー１００へ送られるエネルギーを電力変換するための電力変換部３と、電力変換部３をコントロールするための制御部４と、それらを駆動するための電源装置５から構成される。

　電力変換部３は、高圧バッテリー２００から低圧バッテリー１００へ電力変換する電力変換部であり、ＭＯＳＦＥＴ（ＭＥＴＡＬ－ＯＸＩＤＥ－ＳＥＭＩＣＯＮＤＵＣＴＯＲ　ＦＩＥＬＤ－ＥＦＦＥＣＴ　ＴＲＡＮＳＩＳＴＯＲ）、ＩＧＢＴ（ＩＮＳＵＬＡＴＥＤ　ＧＡＴＥ　ＢＩＰＯＬＡＲ　ＴＲＡＮＳＩＳＴＯＲ）などの半導体パワーデバイス、コイル、コンデンサ、トランスなどの主回路部品から構成される。
　例えば、絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータの場合には、ＭＯＳＦＥＴを４素子から成るＨブリッジ回路を駆動させ、トランス１次側から２次側に電力を伝送し、その後ダイオードにより整流し、コイルおよびコンデンサに電流が流れる。

　制御部４は、電力変換部３を駆動するものであり、電流センサ、電圧センサ、外部ＥＣＵ３００側からの指令情報などの各種情報にもとづき、電力変換部３において所望の出力が得られるよう主回路を駆動する。また制御部４は、定期的に電流センサ、電圧センサなどによる物理的観測値を取得し、ＣＡＮ（ＣＯＮＴＲＯＬＬＥＲ　ＡＲＥＡ　ＮＥＴＷＯＲＫ）通信等を使用して外部ＥＣＵ３００へ通知する。また制御部４が取得した電流センサ、電圧センサなどからのセンサ情報を利用して、電力変換装置内部の動作異常又は故障を検知した際、ＣＡＮ通信等を使用して外部ＥＣＵ３００へ通知する。

　電源装置５は、制御部４へ電力供給するための電源回路であり、ＤＣ／ＤＣコンバータ１の出力もしくは低圧バッテリー１００を電力供給源とする。
　スイッチ（電源供給機能）７は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１が待機中に他の電力変換装置２の制御部（第２制御部）１０により電力供給の供給乃至停止を制御される。また、電源装置５は低圧バッテリー１００のラインを供給元とし、スイッチ７は他の電力変換装置２の制御部１０により電力供給の供給乃至停止を制御される。

　他の電力変換装置２としては、車を走行させるためのモータ（図１～４の負荷４００に相当）駆動用のインバータがある。あるいは他の電力変換装置２としては、車両減速時の回生エネルギーとして高圧バッテリー２００にエネルギーを戻すための発電機を駆動するためのインバータであり、発電用モータ（図１～４の負荷４００に相当）に接続され、車両減速時の発電用モータに誘起される回生エネルギーを高圧バッテリー２００に送るため、発電モータからの交流電力を直流電力に変換するためのインバータがある。
　更には他の電力変換装置２としては、系統（図１～４のＡＣ電源４００に相当）から高圧バッテリー２００を充電させるための充電器があり、系統とは図１～４に示されたＡＣ電源４００であり、他方の電力変換装置２が充電器として高圧バッテリー２００を充電することが考えられる。あるいは他の電力変換装置２としては、高圧バッテリー２００により駆動されるエアーコンディショナーユニット（電動Ａ／Ｃコンプレッサー）用モータ（図１～４の負荷４００に相当）のインバータがある。

　いずれの用途においても電力変換装置２の基本構成としては、電力変換部９と、電力変換部９をコントロールするための制御部１０と、電力変換部９と制御部１０を駆動するための電源装置１１から構成されている。制御部１０は、スイッチ７を外部ＥＣＵ３００からの起動情報に基づき開閉制御させて、低圧バッテリー１００からＤＣ／ＤＣコンバータ１の電源装置５に電力を供給させる。

　また制御部１０は、インバータ、発電機、昇圧コンバータに加えて、電流センサ、電圧センサ、外部ＥＣＵ３００側からの指令情報などの各種情報にもとづき最適化されたモータ制御を実施するため、マイクロプロセッサ（以下、マイコンと呼ぶ）、あるいはＤＳＰ（ＤＩＧＩＴＡＬ　ＳＩＧＮＡＬ　ＰＲＯＣＥＳＳＯＲ）又は専用制御ＩＣ（ＩＮＴＥＧＲＡＴＥＤ　ＣＩＲＣＵＩＴ）などの高速演算装置を搭載している。

　従来は、いずれの電力変換装置１、２においても制御部はマイコンを有しており、更にはコンバータでは、電力変換制御に特化したコンバータ制御用ＩＣを適用していた。なお前記マイコンでは、外部ＥＣＵ３００との通信インターフェース、又は所望の電圧、電流および温度などを観測するセンサなど互いの電力変換装置で共通する機能がある。そこで電力変換装置のうち、どちらか一方のマイコンに機能を統合し、他方のマイコンを削除することでコストを下げることができる。従って、例えば電力変換装置２の制御部１０として高機能マイコンを適用し、制御部４をコンバータ制御用ＩＣとしてマイコンに統合することによりトータルコストとして安価な構成で両者機能を実現できる。
具合的には、上記のうち故障検知又は外部ＥＣＵ３００との通信を制御部１０で実施する。
　そして制御部４および電源供給機能６を他方の電力変換装置２における制御部１０における例えば演算処理装置（マイクロプロセッサ又は監視ＩＣなど）が、電力変換装置２内部および外部ＥＣＵ３００の情報に基づき制御する。

　電源装置１１は、制御部１０に電力を供給するためのものであり、ＤＣ／ＤＣコンバータ１の出力系統とは別のハーネス１０１を経由して電力が供給される。ＤＣ／ＤＣコンバータ１の制御部４および電源装置５を駆動するための電源系統と、他方の電力変換装置２を駆動するための電源系統とは異なる。即ちＤＣ／ＤＣコンバータ１の制御部４のエネルギー取得は出力ケーブル１０２を経由しているのに対し、他方の電力変換装置２のエネルギー供給は別のハーネス１０１を経由してエネルギーを取得している。これによりいずれかの電源系統が断線したとしても他方の電力変換装置に影響を与えないようにする。

　出力ケーブル１０２は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１から低圧バッテリー１００へ電力を供給するための導線である（図２の矢印はこの場合を示している）。ただし本実施形態では、この出力ケーブル１０２を利用して低圧バッテリー１００から制御部４を駆動するための電力も取得する。即ち起動時は低圧バッテリー１００から電力を取得し、通常時はＤＣ／ＤＣコンバータ１自身の出力を電力供給源とする。
　電源装置１１と低圧バッテリー１００の間にはスイッチ１３が設けられていて、スイッチ１３の開閉は、外部ＥＣＵ３００からの信号により起動回路１２を駆動させ、これにより電源装置１１にエネルギーを供給する。
　スイッチ１３としては、機械式リレー、半導体素子など様々なものを利用することができる。これに対してスイッチ７としては半導体素子を適用する。これによりメカニカルスイッチに比べて耐久性を向上させることができるので、製品の該当機能部の耐久性が向上し、また実装面積を小さくできる。

　このような構成とすることで、ＤＣ／ＤＣコンバータ１の動作停止時にスイッチ７をオフしておくことで待機電力を低減できる。
また上記のように従来監視専用ＩＣを用いていたが、監視経路を他の電力変換装置２の制御部１０で代用させることにより監視専用ＩＣなどの部品を省略できるので、部品点数を削減でき、製品の小型化が図れる。
　また、他の電源供給経路（ハーネス１０１）には、低圧バッテリー１００と補助電源間にリレー、ヒューズ、逆接防止ダイオードなどの損失発生要因がある。従って他の電源供給経路と共用させた場合は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１の動作を停止させる場合であっても電源供給経路による電力供給を停止できない。電源効率についてもＤＣ／ＤＣコンバータ１の方が個々の補助電源よりも良い。以上より図２に示すようにスイッチ７を配置することにより個々の補助電源構成を含めてエネルギーフローが最適な経路で形成できるので、電力構成部品トータルにおける損失を軽減できる。

　また、上記のように電源系統を分離することにより電力変換装置内にある一方の電力変換装置の機能が失陥した場合においても、他方の電力変換装置の機能に対して影響を及ぼすことがない。従って動作可能な電力変換装置側は継続運転可能となる。
　また、簡単な回路構成により構成部品の動作停止時における待機電力を低減できる。

　更に従来同一筐体内であっても、ＤＣ／ＤＣコンバータ１と電力変換装置２において別々にマイコンが設けられていたため、ＤＣ／ＤＣコンバータ１と電力変換装置２の間の通信遅延又は協調動作時のタイミングのずれが生じていた。しかし、ＤＣ／ＤＣコンバータ１および電力変換装置２の両者の電力変換装置に共通するマイコンを統合することで、遅延又はタイミングのずれを解消することができる。
　また、電力変換装置２によりＤＣ／ＤＣコンバータ１のスイッチ７を開閉することで、ＤＣ／ＤＣコンバータ１の内部故障又はフェール発生時に電力の供給を停止することができ、二次故障を抑制できる。更に電力変換装置２によりＤＣ／ＤＣコンバータ１のスイッチ７を開閉させる方が、外部起動信号に基づき電力出力機能を開閉させるよりも応答性がよくなり、ＤＣ／ＤＣコンバータ１の充電不要な場合に合わせて無駄な消費電力を抑えることができる。例えば、入力停止条件を満たす場合に、電力変換装置２から外部ＥＣＵ３００を介してスイッチ７を開放させるよりも、電力変換装置２から直接スイッチ７を開放させた方が応答時間を短縮できる。

実施の形態２．
　図３は実施の形態２による電力変換システムの構成を示すブロック図である。図３に示すように、電源装置５に出力許可および出力停止を指示する電源装置出力ＯＮ／ＯＦＦ機能８を設けたものである。そして電源装置出力ＯＮ／ＯＦＦ機能８をスイッチ７に代えて使用したものである。この電源装置出力ＯＮ／ＯＦＦ機能８は実施の形態１と同様制御部１０により制御される。
　このようにすることで部品点数を削減することができるので、より安価な構成で電力変換システムを構築することができると共に、実施の形態１と同等の効果を実現できる。

実施の形態３．
　図４は実施の形態３による電力変換システムの構成を示すブロック図である。図４に示すように、電源装置５に出力許可および出力停止を指示する電源装置出力ＯＮ／ＯＦＦ機能８を設けたものである。そして電源装置出力ＯＮ／ＯＦＦ機能８とスイッチ７を併用している。即ち他方の電力変換装置２によりスイッチ７と電源装置出力ＯＮ／ＯＦＦ機能８の両方を駆動し、ＤＣ／ＤＣコンバータ１を起動あるいは停止させる。
　スイッチ７が壊れた場合、あるいは電源装置出力ＯＮ／ＯＦＦ機能８が失陥した場合に待機電力が増えてバッテリーあがりを引き起こす恐れがあるが、電源装置出力ＯＮ／ＯＦＦ機能８とスイッチ７を併用して、スイッチ機能をいわば冗長系とすることにより、一方の部品が故障しても他方の開閉機能により電力供給ラインを開閉する機能を維持できる。

　その他上記した構成部品の数、寸法及び材料等について適宜変更することができる。
更に本願は、様々な例示的な実施の形態及び実施例が記載されているが、１つ、または複数の実施の形態に記載された様々な特徴、態様、及び機能は特定の実施の形態の適用に限られるのではなく、単独で、または様々な組み合わせで実施の形態に適用可能である。
従って、例示されていない無数の変形例が、本願に開示される技術の範囲内において想定される。例えば、少なくとも１つの構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合、さらには、少なくとも１つの構成要素を抽出し、他の実施の形態の構成要素と組み合わせる場合が含まれるものとする。

　１　ＤＣ／ＤＣコンバータ、２　電力変換装置、３　電力変換部、４　第１制御部、５　電源装置、６　電源供給機能、７　スイッチ、８　電源装置出力ＯＮ／ＯＦＦ機能、１０　第２制御部。

Claims

バッテリーを充電するＤＣ／ＤＣコンバータと、インバータもしくはコンバータの少なくとも１つからなる電力変換装置を備え、
前記ＤＣ／ＤＣコンバータは、入力電圧を要求される電圧に変換する電力変換部と、前記電力変換部を駆動する第１制御部と、前記第１制御部に電力を供給するとともに前記ＤＣ／ＤＣコンバータの出力もしくは前記バッテリーを電力供給源とする電源装置と、前記電源装置への電力供給を制御するための電源供給機能を備え、
前記電源供給機能は前記ＤＣ／ＤＣコンバータが待機中に前記電力変換装置の第２制御部により電力供給を制御される電力変換システム。
前記電源供給機能をスイッチで構成した請求項１記載の電力変換システム。
前記スイッチとして半導体素子を用いた請求項２記載の電力変換システム。
前記電源装置に出力許可および出力停止を指示する電源装置出力ＯＮ／ＯＦＦ機能を設けた請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の電力変換システム。
前記ＤＣ／ＤＣコンバータにおける前記第１制御部および前記電源装置を駆動するための電源系統と、前記電力変換装置を駆動するための電源系統は異なる請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の電力変換システム。
前記第１制御部および前記電源供給機能を、前記第２制御部が、前記電力変換装置内部および外部ＥＣＵの情報に基づき制御する請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の電力変換システム。
バッテリーを充電するＤＣ／ＤＣコンバータと、インバータもしくはコンバータの少なくとも１つからなる電力変換装置を備え、
前記ＤＣ／ＤＣコンバータは、入力電圧を要求される電圧に変換する電力変換部と、前記電力変換部を駆動する第１制御部と、前記第１制御部に電力を供給するとともに前記ＤＣ／ＤＣコンバータの出力もしくは前記バッテリーを電力供給源とする電源装置を備え、
更に前記電源装置には出力許可および出力停止を指示する電源装置出力ＯＮ／ＯＦＦ機能を設け、前記電源装置出力ＯＮ／ＯＦＦ機能は前記ＤＣ／ＤＣコンバータが待機中に前記電力変換装置の第２制御部により電力供給を制御される電力変換システム。