JP2000014162A - 系統連系用インバータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 制御が容易でかつ系統電圧の電圧波形と一致
した出力電圧が得られるインバータ。 【解決手段】 マイコン１４は、電圧検出回路５２によ
って検出した電圧波形をメモリ５４に記憶し、ゼロクロ
ス検出回路２８から入力に同期させた所定のタイミング
で、メモリに記憶した電圧波形を基準信号Ｉref として
出力する。スイッチング信号生成部５８は、基準信号に
基づいて搬送波Ｃを変調したスイッチング信号ｓｓをＩ
ＧＢＴ駆動回路１６へ出力して、インバータ回路１８の
スイッチング素子２０を駆動する。このとき、インバー
タ回路の出力電流をフィードバックすることにより、電
流波形が、基準信号、すなわち、系統電圧波形と一致す
るように出力される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、太陽光発電システ
ム等の系統連系発電システムに係り、詳細には、発電し
た直流電力を商用電力に整合した交流電力に変換して出
力する系統連系用インバータに関する。

【０００２】

【従来の技術】太陽光発電装置には、インバータが設け
られており、このインバータによって直流電力を所定電
圧の交流電力に変換して出力する。一般に、このような
インバータとしては、ＰＭＷインバータが用いられてい
る。

【０００３】近年、発電装置では、発電した電力を商用
電力として供給するための系統連系が行われている。こ
のような場合、発電装置では、インバータによって系統
電圧に整合させた交流電圧を生成する。このとき、イン
バータは、系統電圧の電圧位相とインバータの出力電流
の位相とを合わせると共に、出力での力率が「１」とな
るように運転する。

【０００４】ところで、インバータには、出力電圧を疑
似正弦波とする基準信号が記憶されており、この基準信
号を系統電圧の位相に基づいて出力する。このとき、イ
ンバータでは、出力電流を検出して、基準信号の出力タ
イミングを調整している。

【０００５】すなわち、インバータでは、系統電圧と出
力電流をフィードバックして系統の電圧と出力電流の位
相が同相となるように基準信号を出力して、正弦波の出
力電圧を生成している。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、系統電
圧には、高調波が含まれていることが多く、正弦波の出
力電圧を出力しても、必ずしも系統の電圧と一致せず、
系統とインバータとの間で不必要に高調波電流が流れて
しまうことがある。また、このようなインバータでは、
系統電圧と出力電流の２系統のフィードバックを行なっ
ているので、出力電圧を系統電圧に整合させるための制
御が複雑となっている。

【０００７】本発明は、上記事実に鑑みてなされたもの
であり、制御が容易でかつ、系統電圧に合わせた出力電
圧を生成する系統連系用インバータを提案することを目
的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】請求項１に係る発明は、
直流電力をインバータ回路及びフィルタ回路を介して系
統電源に整合させた交流電力として系統出力する系統連
系用インバータであって、前記フィルタ回路から前記系
統電源へ出力される出力電圧又は前記系統電源の系統電
圧の少なくとも一方を検出する検出手段と、前記検出手
段の検出する電圧の変化に基づいて基準信号を出力する
基準信号発生手段と、前記インバータ回路の出力電流を
検出する電流検出手段と、前記電流検出手段によって検
出される電流波形が前記基準信号に対応する電流波形に
近づくように、前記基準信号発生手段によって発生され
た基準信号と前記電流検出手段によって検出された電流
値を用いて前記インバータ回路を制御するインバータ制
御手段と、を含むことを特徴とする。

【０００９】この発明によれば、系統電圧の変化に基づ
いて基準信号を生成し、この基準信号が電流波形となる
ようにインバータ回路を制御する。このとき、インバー
タ回路の出力電流が、基準信号に対応する電流値となる
ようにフィードバック制御を行なう。

【００１０】これにより、系統電圧の電圧波形に応じた
電流波形の電力を出力することができる。このとき、力
率が「１」となる電力を出力することにより、出力電圧
と系統電圧を略一致させることができる。したがって、
インバータ回路の出力電流に基づいたフィードバック制
御のみによって、系統電圧に整合させた出力電圧を生成
でき、系統電圧に高調波成分が含まれていても、この高
調波成分に応じた電力がインバータ回路へ流れ込むのを
防止できる。

【００１１】なお、系統電圧としては、フィルタ回路が
系統電源に接続されているときには、フィルタ回路の出
力電圧の波形と系統電圧の波形が同じになるので、フィ
ルタ回路の出力電圧の電圧の変化を用いてもよい。

【００１２】請求項２に係る発明は、前記基準信号発生
手段が前記検出手段の検出する前記系統電圧の少なくと
も一周期分の変化を記憶する記憶手段と、予め設定され
ている複数の電圧を所定のタイミングで前記記憶手段に
記憶した電圧に基づいて補正して前記基準信号を生成す
る補正手段と、を含むことを特徴とする。

【００１３】この発明によれば、少なくとも１周期分の
電圧の変化を記憶し、この電圧の変化に基づいて正弦波
信号を補正して基準信号として出力する。これにより、
電圧の波形に応じた電流の基準信号が得られ、この基準
信号に基づいてインバータ回路のスイッチング動作を制
御する。

【００１４】また、請求項３に係る発明は、前記基準信
号発生手段が、前記検出手段の検出結果に基づいた前記
系統電圧の少なくとも一周期分の電圧変化を記憶する記
憶手段を含み、前記記憶手段に記憶した電圧を基準信号
として出力することを特徴とする。

【００１５】この発明によれば、少なくとも１周期分の
電圧変化を記憶し、記憶した電圧変化を基準信号として
インバータ回路を制御する。

【００１６】これにより、基準信号に応じた波形の電
圧、すなわち、系統電圧に整合させた出力電圧が得ら
れ、系統電源の高調波成分がインバータ回路等へ流れ込
むことによる構成部品の発熱等の発生を確実に防止する
ことができる。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下に本発明の実施の形態を説明
する。

【００１８】図１には、本実施の形態に適用した太陽光
発電装置１０の概略構成を示している。太陽光発電装置
１０には、本発明の系統連系インバータを形成するマイ
クロコンピュータ（以下「マイコン１４」と言う）と共
に、インバータ回路１８が設けられている。インバータ
回路１８は、例えばＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar
Transistor ）をスイッチング素子２０として用い、こ
のスイッチング素子２０がブリッジ接続されて構成され
ている。インバータ回路１８は、ＩＧＢＴ駆動回路１６
を介してマイコン１４に接続されており、ＩＧＢＴ駆動
回路１６が、マイコン１４から出力されるスイッチング
信号に基づいてインバータ回路１８のスイッチング素子
２０をオン／オフ駆動する。

【００１９】インバータ回路１８には、多数の太陽電池
モジュールによって構成された太陽電池アレイ１２が接
続されており、この太陽電池アレイ１２によって発電さ
れた直流電力が、コンデンサ２２、昇圧回路２４及びコ
ンデンサ２６を介して入力される。

【００２０】また、マイコン１４には、商用電力（系統
電力）の位相及び電圧（系統電圧）を検出するゼロクロ
ス検出回路２８、Ｕ相電圧検出回路３０及びＶ相電圧検
出回路３２が接続されている。マイコン１４は、ゼロク
ロス検出回路２８及びＵ相電圧検出回路３０、Ｖ相電圧
検出回路３２によって系統側の電圧及び位相を検出し、
この検出結果に基づいてＩＧＢＴ駆動回路１６から出力
するスイッチング信号を制御する。

【００２１】インバータ回路１８には、チョークトラン
ス３４及びコンデンサ３６によって形成されたフィルタ
回路３８が接続されており、このフィルタ回路３８が解
列コンダクタ４０を介して、分電盤４２に接続される。

【００２２】太陽電池アレイ１２によって発電された直
流電力は、インバータ回路１８のブリッジ接続されたス
イッチング素子２０のオン／オフによってパルス幅変調
（ＰＷＭ）された後、フィルタ回路３８を通過すること
により交流電力として出力される。このとき、スイッチ
ング素子２０を系統電圧及び系統電圧の位相に基づいて
制御することにより、力率が「１」となり系統電圧に整
合させた出力電圧が得られ、この出力電力が分電盤４２
を介して系統電力として供給される。

【００２３】なお、マイコン１４には、太陽電池アレイ
１２の発電電流検出回路４４、発電電圧検出回路４６が
接続されており、発電電流検出回路４４で検出する発電
電流及び発電電圧検出回路４６で検出する発電電圧等に
基づいてＭＰＰＴ制御（最大電力追従制御）を行なう。
また、マイコン１４は、常に商用電源が停電しているか
否かを判定しており、商用電源が停電していると判定し
た時には、解列コンダクタ４０を操作して、インバータ
回路１８と系統電源を切り離して太陽光発電装置１０を
停止させている。

【００２４】また、マイコン１４には、ＥＥＰＲＯＭ
（図示省略）等が設けられており、このＥＥＰＲＯＭ
に、系統連系保護のための各種整定値が記憶されてお
り、マイコン１４は、この整定値に基づいて太陽光発電
装置１０の系統連系保護を行なっている。

【００２５】ところで、図２には、インバータ回路１８
に設けているスイッチング素子２０の動作を制御するマ
イコン１４を含む機能ブロック図を示している。

【００２６】マイコン１４には、Ａ／Ｄ変換器４８、５
０が設けられている。Ａ／Ｄ変換器４８には、Ｕ相電圧
検出回路３０、Ｖ相電圧検出回路３２（以下「電圧検出
回路５２」とする）によって検出される電圧、すなわ
ち、電圧波形が印加される。電圧検出回路５２は、フィ
ルタ回路３８の系統側の出力電圧を検出するようになっ
ており、この出力電圧の電圧波形は、系統電圧の電圧波
形と一致している。

【００２７】Ａ／Ｄ変換器４８には、メモリ５４が接続
されており、Ａ／Ｄ変換器４８によって所定のサンプリ
ングタイムでデジタル信号に変換された出力電圧の電圧
がメモリ５４に順に記憶される。このメモリ５４には、
少なくとも１周期分の系統電圧の変化が記憶されるよう
になっている。

【００２８】また、メモリ５４は、同期部５６が接続さ
れており、この同期部５６には、ゼロクロス検出回路２
８から出力されるゼロクロス信号が入力される。同期部
５６は、ゼロクロス検出回路２８から出力されたゼロク
ロス信号に同期させ、メモリ５４に記憶されている１周
期分の電圧を、インバータ回路１８から出力する出力電
流の電流波形と合わせるための基準信号Ｉref として順
にスイッチング信号生成部５８へ出力する。

【００２９】このスイッチング信号生成部５８には、搬
送波信号発生部６０が接続されており、同期部５６の基
準信号Ｉref に基づいて搬送波を変調する。この搬送波
信号発生部６０では、系統電源の周波数ｆ（５０Hzまた
は６０Hz）より極めて高い所定の周波数（例えば２０Ｋ
Hz）の三角波を発振して搬送波として出力する。なお、
搬送波信号発生部６０によって発生させる搬送波として
は、周波数が１５ＫHz〜２０ＫHzの範囲の周波数を用い
ることができ、搬送波としてはノコギリ波等の任意の波
形の信号を用いることができる。

【００３０】スイッチング信号発生部５８では、基準信
号Ｉref を用いて搬送波をパルス幅変調（ＰＷＭ：Puls
e Width Modulation）する。これにより、基準信号Ｉre
f の変化（波形）に応じてパルス幅が変化するスイッチ
ング信号がＩＧＢＴ駆動回路１６へ出力される。このス
イッチング信号に基づいて単相の疑似正弦波が生成され
る。

【００３１】なお、スイッチング信号生成部５８での搬
送波と基準信号Ｉref を用いてスイッチング信号を生成
するＰＷＭ及び、スイッチング信号を用いたインバータ
回路１８（スイッチング素子２０）の制御等について
は、従来公知の方法を用いており、本実施の形態では詳
細な説明を省略する。

【００３２】一方、図１及び図２に示されるように、マ
イコン１４には、インバータ回路１８から出力される出
力電流を検出する電流検出回路６２が接続されている。
図２に示されるように、電流検出回路６２は、電流Ａ／
Ｄ変換器５０に接続されており、電流検出回路６２によ
って検出した電流波形がＡ／Ｄ変換器５０を介してマイ
コン１４に読み込まれる。

【００３３】このＡ／Ｄ変換器５０の出力は、基準信号
Ｉref のフィードバック制御に用いられる。すなわち、
マイコン１４は、インバータ回路１８の出力電流の波形
が基準信号Ｉref の波形と一致するように、フィードバ
ック制御を行なっている。

【００３４】この場合、それぞれの波形のレベルは、電
流値と電圧値とが対応するように調整しており、このフ
ィードバックによって太陽光発電装置１０から出力され
る電流の変化が系統の電圧変化に一致する。

【００３５】以下に、本実施の形態の作用を説明する。

【００３６】太陽光発電装置１０は、太陽電池アレイ１
２内の個々の太陽電池モジュール内のセルに太陽光が照
射されることにより直流電力を発生する。この直流電力
は、昇圧回路２４を介してインバータ回路１８へ入力さ
れる。

【００３７】一方、マイコン１４は、太陽電池アレイ１
２によって発電した電力が所定の電力ないし所定の電圧
を越えると、系統電源の電圧及び位相と、太陽電池アレ
イ１２の発電電力に基づいてスイッチング信号を発生さ
せて、ＩＧＢＴ駆動回路１６へ出力する。ＩＧＢＴ駆動
回路１６は、マイコン１４から出力されたスイッチング
信号に基づいてインバータ回路１８の４個のスイッチン
グ素子２０をオン／オフ駆動する。

【００３８】スイッチング素子２０の駆動によってイン
バータ回路１８から出力される電力は、フィルタ回路３
８を通過することにより、電圧及び位相が系統電源と整
合された交流電力として系統電源へ出力される。

【００３９】ところで、商用電源である系統電圧の波形
は、通常、正弦波となっている。しかし、高調波成分が
含まれることにより、図３に示されるように、電圧波形
ｖは、波形が崩れていることがある。このため、出力電
圧の電圧波形が正弦波となるようにインバータ回路１８
を制御した場合、系統とインバータ間に高調波電流が流
れ、フィルタ回路２４の受動部品であるリアクトルやコ
ンデンサ等の責務が増す。本実施の形態に適用した太陽
光発電装置１０は、系統とインバータ間に流れる高調波
成分の流れ込み防止を図っている。

【００４０】以下に、マイコン１４でのスイッチング信
号の生成を説明する。

【００４１】マイコン１４は、電圧検出回路５２から出
力されるフィルタ回路３８から出力される出力電圧、す
なわち、系統電圧ｖをＡ／Ｄ変換器４８を介して読み込
むと、メモリ５４に記憶する。これにより、メモリ５４
には、出力電圧の変化が電圧波形ｖとして記憶される。
メモリ５４には、搬送波Ｃの周波数に合わせたサンプリ
ングタイムで少なくとも１周期分の電圧波形が記憶され
る。これらの読込みは、数周期に１回程度行い、マイコ
ン１４のメインルーチンで処理する。

【００４２】一方、マイコン１４に形成されている同期
部５６は、ゼロクロス検出回路２８によって検出したゼ
ロクロス信号を読み込むと、このゼロクロス信号に同期
した所定のタイミングで、メモリ５４に記憶している電
圧波形ｖを、インバータ回路１８の出力電流の基準信号
Ｉref として出力する。すなわち、予め求められている
フィルタ回路３８等を通過するときの位相のズレを考慮
し、フィルタ回路３８から出力された出力電圧の位相が
系統電圧の位相に一致するように、基準信号Ｉref をず
らして出力する。

【００４３】スイッチング信号発生部５８は、基準信号
Ｉref が入力されると、搬送波発生部６０で発振された
搬送波Ｃを、この基準信号Ｉref によって変調する。こ
れにより、基準信号Ｉref 、すなわち、電圧波形ｖに応
じたパルス幅のスイッチング信号ｓｓが、ゼロクロス信
号に同期されて出力される。

【００４４】ＩＧＢＴ駆動回路１６は、このスイッチン
グ信号ｓｓに応じてスイッチング素子２０を駆動する。
これにより、スイッチング素子２０がスイッチング信号
ｓｓに応じてオン／オフされ、基準信号Ｉref に応じた
パルス波を出力する。

【００４５】一方、マイコン１４は、インバータ回路１
８から出力される出力電流Ｉc を、電流検出回路６２に
よって検出して、Ａ／Ｄ変換器５０を介して読み込む
と、この出力電流Ｉc によって基準信号Ｉref のフィー
ドバック制御を行なう。すなわち、出力電流Ｉc が基準
信号Ｉref となるように、スイッチング信号発生部５８
への入力信号を調整する。このフィードバック制御によ
って、基準信号Ｉref に応じた出力電流Ｉc が出力され
る。

【００４６】インバータ回路１８から出力されたパルス
波は、フィルタ回路３８を通過することにより力率が
「１」の交流電力として出力される。このとき、出力電
圧の波形は、基準信号Ｉref に基づいてスイッチング信
号ｓｓを生成しているので、基準信号Ｉref に応じた波
形となっている。

【００４７】この基準信号Ｉref は、系統電圧の電圧波
形ｖに基づいて生成されているので、図３に示されるよ
うに、インバータ回路１８から出力される出力電流Ｉｃ
の波形は、系統電圧の電圧波形ｖに応じた波形となって
いる。したがって、系統電圧の電圧波形が、高調波によ
って崩れていても、フィルタ回路３８からこの系統電圧
の電圧波形と一致した電圧が出力される。

【００４８】このように、出力電流の電流波形を系統電
圧の電圧波形に合わせることにより、出力電圧の電圧波
形を系統電圧の電圧波形と一致させることができるの
で、系統電圧に高調波成分が含まれても、この高調波成
分が、インバータ回路１８等に流れ込んで、構成部品に
発熱等が生じるのを確実に防止することができる。

【００４９】また、マイコン１４では、スイッチング信
号ｓｓを生成するときに、インバータ回路１８からの出
力電流Ｉc のみをフィードバックすることにより、基準
信号Ｉref 、すなわち、インバータ回路１８の出力電流
の電流波形が系統電圧の電圧波形v となるようにしてい
る。

【００５０】このように、フィードバック制御を行なう
ためのループを出力電流の１系統のみとしているため、
複数のループを設けたときに比べてマイコン１４での処
理量が低くなる。このため、例えば、マイコン１４とし
ては、１６ビットのワンチップマイコンを用いることが
できる。すなわち、マイコン１４としては、汎用の比較
的処理能力の低い低価格のマイクロコンピュータを用い
ることができる。

【００５１】なお、本実施の形態では、系統電圧の電圧
の変化をそのまま基準信号Ｉref として用いたが、基準
信号Ｉref としては、従来通り正弦波を用い、この基準
信号を系統電圧の電圧の変化に基づいて補正するように
してもよい。

【００５２】すなわち、図４に示されるように、マイコ
ン１４内に、正弦波に基づいたデータ（正弦波データ）
を基準信号Ｉref として記憶しているメモリ６４を設け
たものであってもよい。この場合、同期部５６は、メモ
リ６４から正弦波データを基準信号Ｉref として読み込
むと共に、メモリ５４から系統電圧の電圧の変化を読込
み、正弦波データを系統電圧の変化で補正した基準信号
Ｉref を生成する。

【００５３】このような構成を用いても、インバータ回
路１８とフィルタ回路３８によって出力する電圧波形を
系統電圧の電圧波形に合わせて出力することができる。

【００５４】また、本実施の形態では、１周期分の電圧
波形（電圧の変化）をメモリ５４に記憶し、この電圧波
形ｖに基づいて基準信号Ｉref を生成したが、複数周期
から所定時間の間、系統電圧を計測して、平均波形等を
基準信号Ｉref としてもよい。

【００５５】また、メモリ５４に記憶する電圧波形ｖ
は、所定の周期ないし所定の時間間隔で更新するように
してもよい。

【００５６】このように、種々の方法を用いて系統電圧
の電圧波形に基づいて生成したスイッチング信号に基づ
いてインバータ回路１８のスイッチング素子を制御する
ことにより、電圧波形が系統電圧の電圧波形に一致した
出力電圧を出力することができる。

【００５７】なお、本実施の形態では、太陽光発電装置
１０を用いて説明したが、本発明は、太陽光発電装置１
０に限らず、発電電力を系統電源に整合させて出力する
種々の構成の発電装置の系統連系用インバータとして用
いることができる。

【００５８】

【発明の効果】以上説明した如く本発明によれば、系統
電圧の電圧波形に基づいて出力電力の電流波形を生成し
ているので、系統電圧に高調波が含まれていても、系統
とインバータ間に不要な高調波成分が相互に流れ込むの
を防止でき、高調波による部品の発熱等を防止すること
ができる。

【００５９】また、本発明によれば、出力電流のフィー
ドバック制御のみによって出力電圧を系統電圧に整合さ
せることができるので、出力電圧を系統電圧に整合させ
るための制御が極めて簡単になると言う優れた効果が得
られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本実施の形態に適用した太陽光発電装置の概略
構成図である。

【図２】インバータ回路の制御を示す機能ブロック図で
ある。

【図３】系統電圧の電圧波形と出力電流の電流波形の概
略を示す線図である。

【図４】インバータ回路の制御の他の一例を示す機能ブ
ロック図である。

【符号の説明】

１０ 太陽光発電装置 １２ 太陽電池アレイ １４ マイコン １８ インバータ回路 ２０ スイッチング素子 ３８ フィルタ回路 ５２ 電圧検出回路 ５４ メモリ( 記憶手段） ５６ 同期部 ５８ スイッチング信号生成部 ６０ 搬送波発生部 ６２ 出力電流検出回路

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 5G066 HA30 HB06 5H007 AA07 AA08 BB07 CA01 CB05 CC09 DA05 DA06 DB03 DB12 DC02 DC05 EA03

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 直流電力をインバータ回路及びフィルタ
   回路を介して系統電源に整合させた交流電力として系統
   出力する系統連系用インバータであって、 前記フィルタ回路から前記系統電源へ出力される出力電
   圧又は前記系統電源の系統電圧の少なくとも一方を検出
   する検出手段と、 前記検出手段の検出する電圧の変化に基づいて基準信号
   を出力する基準信号発生手段と、 前記インバータ回路の出力電流を検出する電流検出手段
   と、 前記電流検出手段によって検出される電流波形が前記基
   準信号に対応する電流波形に近づくように、前記基準信
   号発生手段によって発生された基準信号と前記電流検出
   手段によって検出された電流値を用いて前記インバータ
   回路を制御するインバータ制御手段と、 を含むことを特徴とする系統連系用インバータ。
2. 【請求項２】 前記基準信号発生手段が前記検出手段の
   検出する前記系統電圧の少なくとも一周期分の変化を記
   憶する記憶手段と、 予め設定されている複数の電圧を所定のタイミングで前
   記記憶手段に記憶した電圧に基づいて補正して前記基準
   信号を生成する補正手段と、 を含むことを特徴とする請求項１に記載の系統連系用イ
   ンバータ。
3. 【請求項３】 前記基準信号発生手段が、前記検出手段
   の検出結果に基づいた前記系統電圧の少なくとも一周期
   分の電圧変化を記憶する記憶手段を含み、前記記憶手段
   に記憶した電圧を基準信号として出力することを特徴と
   する請求項１に記載の系統連系用インバータ。