JP2001268937A - 系統連系インバータ - Google Patents

系統連系インバータ

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JP2001268937A JP2000076190A JP2000076190A JP2001268937A JP 2001268937 A JP2001268937 A JP 2001268937A JP 2000076190 A JP2000076190 A JP 2000076190A JP 2000076190 A JP2000076190 A JP 2000076190A JP 2001268937 A JP2001268937 A JP 2001268937A
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Taketoshi Sato
武年 佐藤
Hideki Omori
英樹 大森
Setsuzo Konno
説三 紺ノ
Seiichi Taniguchi
誠一 谷口
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    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50Photovoltaic [PV] energy
    • Y02E10/56Power conversion systems, e.g. maximum power point trackers

Abstract

(57)【要約】 【課題】 従来の系統連系インバータは、太陽光の受光
量が少ない朝や夕方は出力電流の波形が歪むという課題
を有している。 【解決手段】 高出力用の第1のインバータ4と低出力
用の第2のインバータ12の出力とを、第1の切換手段
11によって、太陽電池の直流電源1の出力に応じて系
統電源7に接続するようにして、長時間の使用であって
も出力波形が歪むことのない系統連系インバータとして
いる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、太陽電池を使用し
た直流電力を商用周波数の交流に変換して電力系統に連
系する系統連系インバータに関するものである。
【0002】
【従来の技術】図3は、従来使用している系統連系イン
バータの構成を示す接続図である。この系統連系インバ
ータは、太陽電池を使用している直流電源1と、直流リ
アクトル8と1個のスイッチング素子10とダイオード
9からなる昇圧コンバータ2と、昇圧コンバータ2の出
力電圧を平滑する中間段コンデンサ3と、4個のスイッ
チング素子Q1〜Q4と2個の交流リアクトル5と、出
力コンデンサ6で構成したインバータ4を備えている。
出力コンデンサ6の出力は、商用周波数の系統電源7に
接続している。
【0003】以上の構成で、昇圧コンバータ2は直流電
源1の出力を系統電源7の出力電圧の瞬時値よりも十分
に高い電圧に昇圧している。すなわち、系統電源7が2
00Vの交流のときは、この瞬時値の最大値280Vよ
りも十分に高い例えば350V程度に昇圧しているもの
である。中間段コンデンサ3は数千μFのものを使用し
ており、前記直流電源1の出力電圧の変動があったとし
ても、安定した出力電圧をインバータ4に供給している
ものである。インバータ4は、4個のスイッチング素子
Q1〜Q4を順次パルス幅変調で駆動して、前記中間段
コンデンサ3から供給された電圧をゼロまたは−350
Vから+350Vの振幅を有するパルス列に生成し、こ
のパルス列の平均値と系統電源7の瞬時電圧との差によ
って出力電流を生成するものである。このときこの出力
電流の波形が系統電源7の周波数の正弦波になるよう
に、さらに含有している高周波成分を交流リアクトル5
と出力コンデンサ6で除去して、系統に供給しているも
のである。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】前記従来の系統連系イ
ンバータは、太陽光の受光量が少ない朝や夕方は出力電
流の波形が歪むという課題を有している。
【0005】すなわち、家庭用の太陽光発電システムで
は通常最大5kW程度の電力を変換するものである。こ
のため、系統電圧が200Vの場合、出力電流は25A
程度となって、変換効率を向上させるために最大定格に
合わせたスイッチング素子やリアクトル、コンデンサを
使用することが必要である。この結果、例えば交流リア
クトルなどは電流リップルを小さくするために1mH程
度のインダクタンスを必要としている。太陽光の受光量
が少ない朝や夕方は、直流電源の出力が100W以下の
低電力となっているものである。この時にパルス幅を小
さくしていくと、制御しようとする電流(0.5A以
下)に対してインダクタンスが相対的に大きいことか
ら、電力が絞り切れない場合(リアクトルは定電流作用
がある)がある。また、インバータを構成している4個
のスイッチング素子は、上下のスイッチング素子の同時
導通による短絡を回避するために数μs程度のデッドタ
イムを設定してある。このとき前記したパルス幅を小さ
くする制御を実行すると、波形制御に対してこのデッド
タイムが無視できなくなり、出力電流波形が歪むという
現象につながるものである。
【0006】
【課題を解決するための手段】本発明は、高出力用イン
バータと低出力用インバータを有し、太陽電池の直流電
源の出力に応じて、前記いずれかのインバータの出力を
系統電源に接続するようにして、長時間の使用であって
も出力波形が歪むことのない系統連系インバータとして
いる。
【0007】
【発明の実施の形態】請求項1に記載した発明は、高出
力用インバータと低出力用インバータの出力とを、第1
の切換手段によって、太陽電池の直流電源の出力に応じ
て系統に接続するようにして、長時間の使用であっても
出力波形が歪むことのない系統連系インバータとしてい
る。
【0008】請求項2に記載した発明は、直流電源の出
力が低いときには、中間段コンデンサの容量を小さくす
るようにして、直流電源の出力が低くても昇圧コンバー
タが系統電圧に対して十分高い電圧まで昇圧することが
でき、長時間の使用であっても出力波形が歪むことのな
い系統連系インバータとしている。
【0009】
【実施例】(実施例1)以下、本発明の第1の実施例に
ついて説明する。図1は本実施例の構成を示す回路図で
ある。本実施例の系統連系インバータは、太陽電池によ
って構成した直流電源1を入力として使用し、直流電源
1から供給された電力を商用周波数の交流に変換して、
系統7に出力するものである。
【0010】直流電源1に接続している昇圧コンバータ
2は、図3に示しているように直流リアクトル8とスイ
ッチング素子10とダイオード9を備えているものであ
る。以上の構成で、昇圧コンバータ2は直流電源1から
供給された電圧を高周波でチョッピングすることによっ
て、直流リアクトル8に蓄積したエネルギーを中間段コ
ンデンサ3に所定の電圧になるように充電する。この
時、中間段コンデンサ3の電圧は系統7の瞬時電圧の最
大値より高い電圧まて昇圧している。本実施例では、系
統7の電圧がAC200Vであるため、この瞬時値の最
大値280Vよりも十分に高い350V以上に昇圧され
ている。この中間段コンデンサ3の電圧は、第1のイン
バータ4によって系統7の周波数に適合した正弦波の波
形に変換されている。すなわち、4個のスイッチング素
子Q1〜Q4を順次パルス幅変調によって駆動し、電圧
パルス列として出力するものである。またこの電圧パル
ス列と、系統電圧7の電圧の瞬時値との差が第1の交流
リアクトル5に印加され、第1の交流リアクトル5には
高周波のリップルを持つ正弦波状の電流が流れる。第1
の出力コンデンサ6は交流リアクトル5に流れる電流に
含まれる高周波リップルを除去するように作用する。こ
のため、第1の出力コンデンサ6の出力は系統7の周波
数の正弦波となるものである。同様にして、第2のイン
バータ12を構成する第2の出力コンデンサ14から出
力される電流の波形も、系統7の周波数の正弦波となる
ものである。
【0011】このとき本実施例では、前記第1のインバ
ータ4は太陽電池で構成した直流電源1の出力が100
W以上の比較的大きいときに使用できるものとなってい
る。すなわち、出力電流の波形を成形する第1の交流リ
アクトル5が有しているインダクタンスの値を1mH程
度以上としているものである。また、前記第2のインバ
ータ12を構成する第2の交流リアクトル4のインダク
タンスは数100μH以下程度の設定となっており、直
流電源1の出力が100W以下の比較的小さい時に使用
できるものとなっている。
【0012】また、前記第1のインバータ4と第2のイ
ンバータ12とは、第1の切換手段11を介して系統電
源7に接続されるものである。前記第1の切換手段11
は、直流電源1の出力に応じて、第1のインバータ4と
第2のインバータ12とを切り換えている。すなわち、
前記しているように、直流電源1の出力が100W以上
の比較的大きいときには、第1のインバータ4の出力を
系統電源7に接続しており、直流電源1の出力が100
W未満の比較的小さいときは、第2のインバータ12の
出力を系統電源7に接続している。
【0013】以下、本実施例の動作について説明する。
本実施例の系統連系インバータは、太陽電池によって構
成した直流電源1を入力源として動作しているものであ
る。つまり、直流電源1の出力は、太陽光の受光量によ
って変動するものである。すなわち朝方や夕暮れ時は、
太陽光の受光量が少ないため、直流電源1の出力は低く
なるものである。また、日中は太陽光を十分受光するこ
とができるため、直流電源1の出力は高くなるものであ
る。本実施例では、第1の切換手段11は、直流電源1
の出力が100Wより大きいときは、系統電源7に第1
のインバータ4の出力を接続しており、直流電源1の出
力が100Wより低いときは、第2のインバータ12の
出力を系統電源7に接続している。
【0014】インバータ4が有している第1の交流リア
クトル5は、前記しているようにインダクタンスの設定
が1mH程度以上の非常に大きいものとなっている。こ
のとき、例えば系統電源7の電圧が200Vの時は、第
1の交流リアクトル5に流れる電流は15A〜25A程
度に達するものである。この状態で交流リアクトル5の
インダクタンスの設定を1mH程度以上としているた
め、交流リアクトル5は高周波成分の含有量が少なくな
るものである。このため、交流リアクトル5で発生する
損失は少なく、第1のインバータ4は効率よく商用周波
数の正弦波の電流を系統電源7に供給できるものであ
る。
【0015】また、直流電源1の出力が低くなると、第
1の切換手段11によって第2のインバータ14が接続
される。第2のインバータ14を構成している第2の交
流リアクトル13は数100μH程度のインダクタンス
しか有していないものである。このため、第2の交流リ
アクトル13は時定数が非常に小さくなって、充電時間
あるいは放電時間が短くなるものである。このため第2
のインバータ12を構成している4個のスイッチング素
子Q5〜Q8の高速のオンオフ制御にも十分対応できる
ものである。すなわち、スイッチング素子Q5〜Q8が
オフとなっている間に電流が十分小さくなるものであ
る。このため、第2のインバータ12は、出力電流を絞
ることが可能となって、出力電流の制御範囲を拡大する
ことができる。
【0016】以上のように本実施例によれば、低入力電
力に小さい出力電流を制御することのできる専用の第2
のインバータ12を配置することによって、太陽電池で
構成した直流電源1の出力が低くなっても低ひずみの出
力電流を供給できるものである。換言すれば、長時間の
使用であっても出力電流が歪むことのない系統連系イン
バータを実現するものである。
【0017】(実施例2)続いて本発明の第2の実施例
について説明する。図2は本実施例の構成を示す回路図
である。本実施例では、昇圧コンバータ2の出力段に数
10μF程度の第2の中間段コンデンサ22を設けてい
る。また、第2の切換手段21を第1のインバータ4と
前記第2の中間段コンデンサ22との間に接続してい
る。つまり第2の切換手段21は、第1の中間段コンデ
ンサ3と第1のインバータ4とを、回路から切り離すこ
とができるものである。
【0018】以下本実施例の動作について説明する。本
実施例の構成においても、直流電源1の出力が小さいと
きは、第1の切換手段11によって第2のインバータ1
2の出力を系統電源7に接続している。この時本実施例
では、第2の切換手段21を使用して第1の中間段コン
デンサ3を回路から切り離すようにしている。第1の中
間段コンデンサ3は数千μFの大容量の電解コンデンサ
である。この大容量の第1の中間段コンデンサ3を回路
から切り離すようにしているため、昇圧コンバータ2の
入力電圧や入力電流が小さいときでも、第2の中間段コ
ンデンサ22の電圧を、系統電源7の電圧の最大値であ
る280V以上の電圧に昇圧することが可能となるもの
である。また出力電流は100W以下であるため、第2
の中間段コンデンサが数10μFの小容量であってもリ
ップルが大きくならず、安定で且つ歪みの小さな正弦波
の出力電流が得られるものである。
【0019】以上のように本実施例によれば、太陽電池
で構成した直流電源1の出力が低いときは、第1の中間
段コンデンサ3に代えて第2の中間段コンデンサ22を
使用する構成として、朝や夕暮れ時の太陽光の直流電源
1に対する受光量が減少するときでも、安定で且つ歪み
の小さい出力電流をつくることが可能な系統連系インバ
ータを実現するものである。
【0020】
【発明の効果】請求項1に記載した発明は、太陽電池を
使用した直流電源と、前記直流電源の出力を昇圧する直
流リアクトルと2個のスイッチング素子で構成した昇圧
コンバータと、昇圧コンバータの出力を平滑する中間段
コンデンサと、前記中間段コンデンサの出力を商用周波
数の正弦波に変換する第1のインバータ及び第2のイン
バータと、前記第1のインバータの出力と第2のインバ
ータの出力とを切り換えて系統に接続する第1の切換手
段とを有し、前記第1の切換手段は直流電源の出力電力
に応じて系統に接続するインバータを前記第1のインバ
ータの出力または第2のインバータの出力とする構成と
して、長時間の使用であっても出力波形が歪むことのな
い系統連系インバータを実現するものである。
【0021】請求項2に記載した発明は、昇圧コンバー
タの出力と第2のインバータとの間に接続した第2の中
間段コンデンサと、前記昇圧コンバータの出力を第1の
中間段コンデンサ及び第1のインバータから切り離す第
2の切換手段を有し、前記第2の切換手段は、第1の切
換手段が第2のインバータの出力を系統に接続したとき
に前記昇圧コンバータの出力を第1のインバーアから切
り離す構成として、長時間の使用であっても出力波形が
歪むことのない系統連系インバータを実現するものであ
る。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施例である系統連系インバー
タの構成を示す回路図
【図2】本発明の第2の実施例である系統連系インバー
タの構成を示す回路図
【図3】従来の系統連系インバータの構成を示す回路図
【符号の説明】
1 直流電源 2 昇圧コンバータ 3 第1の中間段コンデンサ 4 第1のインバータ 5 第1の交流リアクトル 6 第1の出力コンデンサ 7 系統電源 11 第1の切換手段 12 第2のインバータ 13 第2の交流リアクトル 14 第2の出力コンデンサ 21 第2の切換手段 22 第2の中間段コンデンサ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 大森 英樹 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 (72)発明者 紺ノ 説三 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 (72)発明者 谷口 誠一 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 Fターム(参考) 5G066 HA30 HB03 HB06 5H007 BB07 CA01 CB05 CC05 CC09 CC12 DA04 DA06 DC03 GA09 5H420 BB03 BB12 CC03 DD03 EA10 EA45 EA48 EB39 FF05 FF22 LL10

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 太陽電池を使用した直流電源と、前記直
    流電源の出力を昇圧する直流リアクトルと2個のスイッ
    チング素子で構成した昇圧コンバータと、昇圧コンバー
    タの出力を平滑する中間段コンデンサと、前記中間段コ
    ンデンサの出力を商用周波数の正弦波に変換する第1の
    インバータ及び第2のインバータと、前記第1のインバ
    ータの出力と第2のインバータの出力とを切り換えて系
    統に接続する第1の切換手段とを有し、前記第1の切換
    手段は直流電源の出力に応じて系統に接続するインバー
    タを前記第1のインバータまたは第2のインバータとと
    する系統連系インバータ。
  2. 【請求項2】 昇圧コンバータの出力と第2のインバー
    タとの間に接続した第2の中間段コンデンサと、前記昇
    圧コンバータの出力を第1の中間段コンデンサ及び第1
    のインバータから切り離す第2の切換手段を有し、前記
    第2の切換手段は、第1の切換手段が第2のインバータ
    の出力を系統に接続したときに前記昇圧コンバータの出
    力を第1のインバーアから切り離す請求項1に記載した
    系統連系インバータ。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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