JP2002078207A - 系統連系インバータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 比較的出力電圧が低い直流発電設備の出力電
力を効率よく交流電力に変換し、商用電力と系統連系す
る。 【解決手段】 系統連系インバータ１１は、逆変換回路
１４、整流回路１５および制御回路１６を含む。逆変換
回路１４は、商用電力１３と同期をとりつつ、直流発電
設備１２からの出力と整流回路１５からの出力とを合わ
せた直流電力を交流電力に変換する。整流回路１５へ
は、逆変換回路１４の出力を分割して与える。制御回路
１６は、整流回路１５を制御して、逆変換回路１４に入
力される電圧が常に一定となるようにする。逆変換回路
１４からの出力のうち、商用電力１３側に出力される電
力は、結局直流発電設備１２からの出力のみとなる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、太陽電池や燃料電
池などの直流発電設備を、商用交流電源と系統連系して
使用する際に用いる系統連系インバータに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来から、太陽電池や燃料電池などを用
いる自家発電設備が利用されている。ただし、一般の電
気機器は、商用交流電源での使用を前提として製造さ
れ、また負荷の変動に対応させるためには商用交流電源
の導入も必要となるので、直流発電設備からの電力は商
用交流電源と連系する交流電力に変換して利用されてい
る。太陽電池や燃料電池などの直流発電設備を、商用交
流電源の電力系統に系統連系させる際には、直流を交流
に変換する逆変換装置が一般的に利用されている。

【０００３】図４は、従来からの系統連系インバータ１
の概略的な電気的構成を示す。系統連系インバータ１
は、太陽電池や燃料電池など、比較的出力電圧が低い直
流発電設備２からの直流電力を、商用電力３の交流電圧
と同等な電圧まで上昇させ、かつ周波数や位相も併せて
系統連系を行わせる。系統連系インバータ１には、直流
電圧を変換し、直流発電設備２からの直流電圧が低い場
合には昇圧するＤＣ／ＤＣ変換器４と、ＤＣ／ＤＣ変換
器４からの直流出力を、交流出力に変換する逆変換装置
５とが含まれる。逆変換装置５は、スイッチング制御に
よって商用電力３からの交流電圧と周波数や位相が適合
している交流電力に変換し、系統連系を行わせる。

【０００４】図５は、図４に示すような系統連系インバ
ータ１を用いる電力供給システムの例を示す。電力需要
家６は、直流発電設備２を備え、さらに商用電力３から
の電力も受け入れて、構内配線７につながる負荷８に電
力を供給する。このような系統連系インバータ１を用い
ることによって、比較的低い出力電圧の直流発電設備２
でも商用電力３と系統連系して負荷８に電力を供給する
ことができる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】図４に示すような系統
連系インバータ１はＤＣ／ＤＣ変換器４を備えて直流電
圧を昇圧しているけれども、ＤＣ／ＤＣ変換器４は、回
路構成上、一般的に電力ロスが大きくなってしまう。た
とえば、ＤＣ／ＤＣ変換器４では、９０％の変換効率が
得られるのに対し、逆変換装置５では９７％の変換効率
が得られる。このとき系統連系インバータ１全体として
は、８７．３％の変換効率が得られる。

【０００６】本発明の目的は、電力ロスが大きいＤＣ／
ＤＣ変換器４を用いずに、変換ロスの低減を可能とする
直流発電設備用の系統連系インバータを提供することで
ある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は、直流発電設備
を商用交流電源に系統連系させる際に用いる系統連系イ
ンバータであって、直流発電設備の発電出力を含む直流
電力が入力され、商用交流電源に連系する交流電力に変
換して出力する変換回路と、変換回路の出力側から交流
電力が入力され、直流電力に整流して、直流発電設備の
発電出力と直列に、変換回路に入力させる整流回路とを
含むことを特徴とする系統連系インバータである。

【０００８】本発明に従えば、直流発電設備を商用交流
電源に系統連系させる際に用いる系統連系インバータ
は、変換回路と、整流回路とを含む。変換回路は、直流
発電設備の発電出力を含む直流電力が入力され、商用交
流電源に連系する交流電力に変換して出力する。整流回
路は、変換回路の出力側から交流電力が入力され、直流
電力に整流して、直流発電設備の発電出力と直列に変換
回路に入力させる。変換回路には、直流発電設備の発電
出力と整流回路の整流出力とが直列に入力されるので、
直流発電設備の発電出力よりも高い電圧の直流電力を入
力し、高い電圧の交流電力に変換して出力することがで
きる。ＤＣ／ＤＣ変換器などで昇圧しなくても直流発電
設備の出力電圧よりも高い電圧の商用電源からの交流電
力と系統連系させることができるので、変換に要する電
力損失を低減し、効率よく直流発電設備の発電出力を利
用することができる。

【０００９】また本発明で、前記整流回路は、入力され
る交流電力を整流して出力する直流電力の出力電圧が可
変であり、前記変換回路の入力電圧が一定となるよう
に、該整流回路の出力電圧を制御する制御回路をさらに
含むことを特徴とする。

【００１０】本発明に従えば、変換回路の入力電圧を一
定に制御する制御回路をさらに含む。整流回路は入力さ
れる交流電力を整流して出力する直流電力の出力電圧が
可変である。制御回路は、整流回路の出力電圧を制御
し、直流発電設備からの発電出力が変動しても、変換回
路の入力電圧を一定に制御することができる。変換回路
は、商用交流電源と同期をとって位相と周波数が合う状
態で交流電力を出力すればよいので、交流電力への系統
連系を精度よく達成することができる。

【００１１】

【発明の実施の形態】図１は、本発明の実施の一形態と
しての系統連系インバータ１１に関連する概略的な電気
的構成を示す。本実施形態の系統連系インバータ１１
も、太陽電池や燃料電池などの直流発電設備１２を商用
電力１３に系統連系させるために用いられる。本実施形
態の系統連系インバータ１１では、逆変換回路１４で直
流発電設備１２からの出力を含む入力を商用電力１３と
同期した交流電力に変換し、系統連系を可能にする。太
陽電池や燃料電池などの直流発電設備１２の出力電圧は
商用電力１３の交流電圧に比較して低いので、本実施形
態では整流回路１５の出力と直列に接続して逆変換回路
１４に入力する。整流回路１５は、逆変換回路１４の出
力側からの交流電力を整流して直流電力に変換する。整
流回路１５は、入力される交流電圧の振幅の範囲で整流
して出力する直流電圧を変化させることができる。整流
回路１５による出力の制御は、制御回路１６によって行
われる。制御回路１６は、直流発電設備１２の出力電圧
が変化しても逆変換回路１４の入力電圧が一定となるよ
うに、整流回路１５を制御する。

【００１２】図２は、図１の整流回路１５の例を示す。
図２（ａ），（ｂ），（ｃ）は、混合ブリッジ回路であ
り、トランス１７からの交流電力をトランス１７とサイ
リスタ１８とを混合して形成される単相ブリッジ回路で
整流する。図２（ｄ）は均一ブリッジ回路であり、単相
ブリッジ回路をすべてサイリスタ１８によって形成す
る。図１の制御回路１６は、サイリスタ１８の位相制御
で整流回路１５の出力電圧を変化させることができる。
整流回路１５としては、図２に示すような単相ブリッジ
回路ばかりではなく、単相半波回路、二相半波回路な
ど、一般的に交流を直流に整流する際に使用するような
回路を用いることができる。また、逆変換回路１４から
三相など多相の交流電力を出力させ、整流回路１５でも
多相の交流を直流に整流させることもできる。

【００１３】本実施形態の系統連系インバータ１１は、
直流から交流に変換する逆変換機能を有する逆変換回路
１４、交流電力を直流電力に変換する整流機能を有する
整流回路１５、整流回路１５を制御して逆変換回路１４
の入力電圧を一定に保つ制御機能を有する制御回路１
６、直流発電設備１２からの出力電力を入力する直流発
電設備入力部、および逆変換回路１４の出力を商用電力
１３と連系させる交流出力部で構成される。整流回路１
５は、逆変換回路１４からの出力の一部を交流入力と
し、直流電圧を出力する。この整流回路１５の出力は、
直流発電設備入力部から入力される直流発電設備１２の
出力と直列に接続される。制御回路１６では、直流発電
設備１２からの出力と整流回路１５からの出力との合計
となる電圧を計測し、計測値と設定値とに基づく電圧、
すなわち（設定電圧）−（直流発電設備電圧）である差
の電圧を整流回路１５から出力するように制御する。こ
の制御によって、逆変換回路１４への入力電圧を常に一
定とすることができる。

【００１４】逆変換回路１４では、直流電圧を交流電圧
に変換し、商用電力１３と同期をとりつつ、入力された
直流発電設備１２からの出力と、整流回路１５からの出
力とを合わせた電力を交流で出力する。逆変換回路１４
からの出力は、商用電力１３と整流回路１５とで分担さ
れることになる。このため、系統連系インバータ１１か
ら商用電力１３へ出力される電力は、結局直流発電設備
１２からの出力のみとなる。

【００１５】このようにして、図４に示すようなＤＣ／
ＤＣ変換器４を用いることなく、さらに逆変換回路１４
の制御を簡単なものにしつつ、系統連系インバータ１１
からは直流発電設備１２からの出力のみを出力可能なよ
うにすることが可能となる。

【００１６】なお、系統連系インバータ１１全体として
の電力ロスは、整流回路１５と逆変換回路１４とを通過
する電流によって変化する。電力ロスの最少化を図るた
め、逆変換回路１４の出力側にトランスを設置すること
も可能である。また、直流発電設備１２の出力電圧によ
っては、整流回路１５へ入力される電力を、トランスの
１次側から取ることによって、トランスにおける電力ロ
スを低減するとともに、トランスの容量を小さくするこ
とも可能となる。

【００１７】図３は、図１に示す系統連系インバータ１
１について、さらに詳細な電気的構成を示す。図１の制
御回路１６には、制御ユニット２０、直流電圧計測部２
１、交流電圧・電流計測部２２および保護回路２３が含
まれる。逆変換回路１４と商用電力１３との間には、ト
ランス２４とブレーカ２５とが設けられる。直流発電設
備１２からの出力は、直流発電設備入力部２６に入力さ
れ、商用電力１３への出力は、系統連系用出力部２７か
ら出力される。直流発電設備１２は、たとえば太陽電池
や燃料電池などであり、商用電力１３の電圧に比較して
低い電圧、たとえば５０Ｖで２０Ａの電流を取出すこと
ができる。

【００１８】逆変換回路１４では、直流発電設備１２か
らの５０Ｖの直流出力電力と、逆変換回路１４自身の出
力側からの交流電力を整流回路１５で整流した直流電力
とを重畳して入力し、商用電力１３と同期した交流電力
に変換する。整流回路１５では、商用電力１３の交流電
圧波形に基づいて、制御ユニット２０からの指令で直流
電圧出力制御が行われる。制御ユニット２０では、逆変
換回路１４の入力側での直流電圧を直流電圧計測部２１
で計測し、電圧値が設定値と等しくなるように整流回路
１５に対して電圧出力指令値をフィードバック制御す
る。整流回路１５の出力と、直流発電設備１２との出力
とは直列に接続され、整流回路１５に対する直流電圧出
力制御の結果、逆変換回路１４に入力する直流電圧は一
定となる。

【００１９】逆変換回路１４では、商用電力１３と同期
をとりつつ、交流の電力を出力する制御が行われる。こ
の逆変換回路１４での逆変換機能の制御も制御ユニット
２０で行う。逆変換回路１４の出力は、トランス１７を
介して商用電力１３の電圧値まで昇圧される。交流電圧
・電流計測部２２では、交流電圧の出力を検出し、逆変
換回路１４の出力を商用電力１３と同期させるととも
に、発電電力の計測も行う。

【００２０】仮に直流発電設備１２が１００％出力のと
き、５０Ｖ，２０Ａ，１０００Ｗ、５０％出力のとき、
５５Ｖ，９Ａ，４９５Ｗ、出力電圧の設定値を７５Ｖと
したときの効率を以下に示す。本実施形態の逆変換回路
１４は、図４に示す従来の系統連系インバータ１の逆変
換装置５と同様に、９７％の効率が期待される。整流回
路１５でも、９７％の効率が期待される。９７％の効率
の整流回路１５で、２５Ｖ，２０Ａ，５００Ｗの直流出
力を得るためには、逆変換回路１４の出力側から５１
５．５Ｗの交流電力を取出せばよい。整流回路１５から
５００Ｗの直流電力が出力されるので、直流発電設備１
２から５０Ｖ，２０Ａ，１０００Ｗの発電出力を１００
％で取出すときには、逆変換回路１４には１０００＋５
００＝１５００Ｗの電力が入力されることになる。逆変
換回路１４は９７％の効率で動作するので、出力側には
１４５５Ｗの交流電力が得られる。このうち５１５．５
Ｗの電力が整流回路１５に与えられるので、残りの９３
９．５Ｗの電力がトランス２４に与えられる。トランス
２４では、９８％の電力変換効率を有するので、トラン
ス２４から商用電力１３側には９２０．７Ｗの電力が出
力される。すなわち系統連系インバータ１１では、直流
発電設備入力部２６に１０００Ｗの直流電力が入力さ
れ、系統連系用出力部２７から９２０．７Ｗの交流電力
が出力されることになる。このため、全体的な効率は９
２．１％となり、電力損失は７９．３Ｗとなる。

【００２１】図４に示す従来の系統連系インバータ１で
は、ＤＣ／ＤＣ変換器４の効率が９０％であるので、全
体としての変換効率は８７．３％となり、直流発電設備
２から１０００Ｗの直流電力が入力されるときの損失は
１２７Ｗとなる。したがって、本発明の系統連系インバ
ータ１１では、総合的な変換効率が高くなり損失が減少
していることが解る。

【００２２】次に、直流発電設備１２から、５０％の出
力を取出す場合の系統連系インバータ１１の効率を計算
してみる。整流回路１５の動作については１００％の出
力のときと同様と考えることができる。整流回路１５か
らの２０Ｖ，９Ａ，１８０Ｗと、直流発電設備１２から
の５５Ｖ，９Ａ，４９５Ｗとの合計である６７５Ｗが逆
変換回路１４に入力され、９７％の効率で６５４．８Ｗ
の交流電力に変換される。この６５４．８Ｗの交流電力
のうち、１８５．６Ｗの交流電力は整流回路１５に与え
られるので、残りの４６９．２Ｗの交流電力がトランス
２４に与えられる。トランス２４の効率が９８％である
ので、系統連系用出力部２７からは、４５９．８Ｗの交
流電力が商用電力１３側に出力される。したがって直流
発電設備入力部２６に入力された４９５Ｗのうち、３
５．２Ｗの電力損失が生じ、全体的な効率は９２．９％
となる。このように、直流発電設備１２から５０％の出
力を取出す場合であっても、図４に示す従来の系統連系
インバータ１の効率である８７．３％よりも高い効率で
動作させることができる。

【００２３】さらに、本実施形態の系統連系インバータ
１１では、交流電圧・電流計測部２２により検出される
電圧および電流値を、系統連系用の保護回路２３に入力
し、系統連系時の保護も行うようにしている。たとえ
ば、系統連系インバータ１１の系統連系用出力部２７に
おける周波数が低下したり、系統連系用出力部２７に印
加される電圧が低下したりすれば、保護回路２３はブレ
ーカ２５を遮断して商用電力１３を保護する。

【００２４】また、系統連系保護機能には、能動的な単
独運転検出機能も備えられ、逆変換回路１４へ常時能動
信号を加えることもできる。なお、商用電力１３を用い
ない場合は、独自の電圧、周波数設定値に基づく制御を
行うことにより、単独で負荷に交流電力を供給すること
ができる。

【００２５】以上のように本実施形態の系統連系インバ
ータ１１を用いれば、図４に示すような従来の系統連系
インバータ１に用いられているＤＣ／ＤＣ変換器４のよ
うな効率の低い要素は不要となり、直流発電設備１２を
商用電力１３に系統連系させる系統連系インバータ１１
を高い変換効率で構築することができる。系統連系イン
バータ１１の各機能の容量を適切に設定すれば、さらに
電力変換ロスの低減を行うことが可能となる。また、逆
変換回路１４への入力電圧を常に一定となるように制御
することによって、逆変換回路１４を容易に制御するこ
とが可能となり、出力も安定したものとすることができ
る。

【００２６】なお、直流発電設備１２として、蓄電池を
用いることもできる。蓄電池にはメモリ効果と呼ばれる
問題があるけれども、本発明を適用すれば、広い電圧範
囲で、蓄電池を使用し、メモリ効果を生じさせないよう
にすることができる。

【００２７】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、直流電力
を商用交流電源に系統連系した交流電力に変換する変換
回路の入力側に、変換回路の出力側からの交流電力を整
流回路で整流して直流化して加えるので、直流発電設備
の出力電圧より高い交流電圧を効率よく発生させて系統
連系を行わせることができる。変換回路には、直流発電
設備からの出力電力と、変換回路の出力側からの交流電
力が整流回路を経て直流化された電力が与えられ、変換
回路の出力は商用交流電源と整流回路とで分担されるこ
ととなるため、系統連系インバータから商用交流電源へ
出力される電力は、結局は直流発電設備からの出力電力
のみとなり、比較的低い発電出力電圧で効率よく系統連
系を行わせることができる。

【００２８】また本発明によれば、直流発電設備からの
出力電圧が変動しても変換回路の入力電圧は一定に制御
されるので、変換回路は商用交流電源との系統連系を効
率よく行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の一形態としての系統連系インバ
ータ１１の基本的な電気的構成を示すブロック図であ
る。

【図２】図１の整流回路１５の例を示す簡略化した電気
回路図である。

【図３】図１の系統連係インバータ１１の電気的構成を
示すブロック図である。

【図４】従来からの系統連系インバータの基本的な電気
的構成を示すブロック図である。

【図５】図４に示すような系統連系インバータ１を用い
る電力供給システムの例を示す。

【符号の説明】

１１ 系統連系インバータ １２ 直流発電設備 １３ 商用電力 １４ 逆変換回路 １５ 整流回路 １６ 制御回路 １７ トランス １８ サイリスタ １９ ダイオード ２０ 制御ユニット ２１ 直流電圧計測部 ２２ 交流電圧・電流計測部 ２３ 保護回路 ２４ トランス ２５ ブレーカ ２６ 直流発電設備入力部 ２７ 系統連系用出力部

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 直流発電設備を商用交流電源に系統連系
   させる際に用いる系統連系インバータであって、 直流発電設備の発電出力を含む直流電力が入力され、商
   用交流電源に連系する交流電力に変換して出力する変換
   回路と、 変換回路の出力側から交流電力が入力され、直流電力に
   整流して、直流発電設備の発電出力と直列に、変換回路
   に入力させる整流回路とを含むことを特徴とする系統連
   系インバータ。
2. 【請求項２】 前記整流回路は、入力される交流電力を
   整流して出力する直流電力の出力電圧が可変であり、 前記変換回路の入力電圧が一定となるように、該整流回
   路の出力電圧を制御する制御回路をさらに含むことを特
   徴とする請求項１記載の系統連系インバータ。