JP2004104963A

JP2004104963A - 系統連系インバータ装置

Info

Publication number: JP2004104963A
Application number: JP2002266733A
Authority: JP
Inventors: Shinichiro Sumiyoshi; 住吉　眞一郎
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2002-09-12
Filing date: 2002-09-12
Publication date: 2004-04-02
Anticipated expiration: 2022-09-12
Also published as: JP4172235B2

Abstract

【課題】直流電源から正弦波電流を生成して系統連系する場合において、降圧と昇圧の複数電力変換手段に配置するリアクトルとその電流制御手段を１つとすること。
【解決手段】リアクトル１５の入力に降圧機能を有する第１電力変換手段１３を、出力に昇圧機能を有する第２電力変換手段１４を配置し、第２電力変換手段１４の出力が第３電力変換手段１６で交流電流に変換されて系統に電流注入される構成において、系統電圧と第１電力変換手段１３への入力電圧との大小に応じて、第１電力変換手段１３または第２電力変換手段１４の動作を切り換える系統連系インバータとしたもの。
【選択図】　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、太陽電池または燃料電池などの直流電力を商用周波数の交流電力に変換して系統に電力注入する系統連系インバータ装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来のこの種の系統連系インバータは、直流入力電圧を昇圧する第１電力変換手段と降圧とインバータ動作を行う第２電力変換手段を直列接続すると共に、接続部には数１０μＦ以下のコンデンサを配置して高インピーダンスを図る構成とし、出力電流波形の生成時は第１電力変換手段と第２電力変換手段の高周波動作を切り換えることで、出力電流波形の正弦波化に加えて、効率向上と小形化を実現したものである（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
図８は、従来使用している系統連系インバータ装置の構成を示す接続図である。ここで直流電源１は太陽電池や燃料電池といった出力が直流の分散型電源で構成されている。系統連系インバータは直流電源を入力として系統５に５０／６０Ｈｚの商用周波数で交流電力を供給している。系統連系インバータは入力電圧を系統電圧より高い電圧に昇圧する第１電力変換手段２、昇圧された電圧の高周波成分を除去する数１０μＦ以下の中間段コンデンサ３、出力電流を正弦波に波形成形する第２電力変換手段４からなり、系統５に接続されている。特に第１電力変換手段２は入力電圧を平滑するコンデンサ２ａ、昇圧エネルギー蓄積用の直流リアクトル２ｂ、スイッチング素子２ｃ、ダイオード２ｄで構成され、第２電力変換手段４はスイッチング素子を４石使用したフルブリッジインバータ４ａと、交流リアクトル４ｂ、フィルタコンデンサ４ｃからなっている。
【０００４】
以下に動作を説明する。中間段コンデンサ３電圧は系統５に電力を注入するために系統電圧より少なくとも数１０Ｖ程度は高くなければならないため、例えば入力電圧がＤＣ２００Ｖで系統電圧がＡＣ２００Ｖの場合、系統電圧のピークを中心に４〜５ｍｓ間は昇圧して出力電流を制御し、それ以外の系統電圧の絶対値が入力電圧よりも十分小さい期間では昇圧を行わない。これにより、第１電力変換手段２の高周波スイッチング動作は系統の１周期内で部分的にしか行われないため、スイッチング素子２ｃの損失が格段に低減され、さらに第２電力変換手段４の入出力電位差が低く抑えられるため、第２電力変換手段を構成するフルブリッジインバータ４ａのスイッチング損失も低減することができる。したがって、冷却用のヒートシンクの形状が小さくなると共に、中間段コンデンサ３の容量も小さくなることで、全体形状も小さくでき、効率向上と小形・軽量化とともに安価な機器の実現が可能となっている。
【０００５】
【特許文献１】
特開２０００−１５２６６１号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら上記従来の構成では、第１電力変換手段内の直流リアクトルと第２電力変換手段内の交流リアクトルがそれぞれ出力電流制御を分担するため、複数のリアクトルと電流検知手段が必要であることから、機器の効率向上、低価格化、小形・軽量化において限界を生じていた点に加えて、制御回路が複雑になることから信頼性の向上も困難である。加えて、２つの電力変換手段は直列に接続されているため、一方のリアクトル電流を制御している際、もう一方のリアクトルを通過する電流は近傍のフィルタコンデンサと共振する場合があり、騒音の発生源となるという課題を有していた。
【０００７】
本発明は、直流電源から正弦波電流を生成するに当たり、複数の電力変換手段に対してリアクトルを１つとして、さらに制御手段を１つにすることで、低損失かつ小形・軽量が実現できる系統連系インバータ装置を提供することを目的としたものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために本発明の系統連系インバータは、リアクトルの入力に降圧機能を有する第１電力変換手段を、出力に昇圧機能を有する第２電力変換手段を配置し、系統電圧に応じて第１または第２電力変換器の動作を切り換えることで、直流電圧を昇降圧すると共に商用２倍周波化し、極性切換機能を有する第３電力変換手段が、交流電流波形を生成して系統に注入する高効率かつ安価で軽量の系統連系インバータ装置を提供するものである。
【０００９】
【発明の実施の形態】
請求項１に記載した発明は、直流入力電圧を降圧する第１電力変換手段と、その出力に直列接続されて昇圧動作を行う第２電力変換手段を１つのリアクトルで電流制御することで、大型部品の削減による低価格化と小形・軽量化、さらに制御の簡素化も実現することができる系統連系インバータ装置としている。
【００１０】
請求項２に記載した発明は、第１電力変換手段と第２電力変換手段のいずれか一方のみが高周波動作による波形制御を行う構成において、系統電圧と直流入力電圧の大小によって高周波動作を切り換えることで、高効率かつ低歪みの正弦波電流を実現する系統連系インバータ装置としている。
【００１１】
請求項３に記載した発明は、系統電圧と直流入力電圧との大小関係によって決定した第１電力変換手段と第２電力変換手段の動作切換タイミングを、系統電圧位相に対して補正可能とすることで、より高品質の正弦波電流を実現する系統連系インバータ装置としている。
【００１２】
請求項４に記載した発明は、直列に配置された第２電力変換手段と第３電力変換手段との間に数１０μＦ以下のコンデンサを配置することで、出力電流波形の歪みを悪化させることなく高周波ノイズレベルを低下することが可能な系統連系インバータ装置としている。
【００１３】
請求項５に記載した発明は、複数の直流入力電源に対して個別に電力変換を行う第１電力変換手段および第２電力変換手段を配置して、第２電力変換手段の出力側で電流を合成することで、複数の系統保護手段を必要とすることのない簡素な系統連系インバータ装置としている。
【００１４】
【実施例】
（実施例１）
以下、本発明の第１の実施例について図面を参照しながら説明する。図１は本実施例の構成を示すブロック図である。本実施例の系統連系インバータ装置は、太陽電池や燃料電池といった分散型電源である直流電源１１の電力を、系統１７に同期正弦波として電流を注入するものである。第１スイッチング素子１３ａと第１ダイオード１３ｂで構成された第１電力変換手段１３の出力と、第２スイッチング素子１４ａと第２ダイオード１４ｂで構成された第２電力変換手段１４の入力とは、リアクトル１５を介して直列接続されている。また第２電力変換手段１４の出力は、極性切換インバータ１６ａとフィルタコンデンサ１６ｂで構成された第３電力変換手段１６で、交流に変換されて系統連系している。
【００１５】
以上の様に構成された系統連系インバータ装置について、動作を説明する。ここで、第１電力変換手段１３は第１スイッチング素子１３ａの高周波チョッピング動作で、入力電圧を降圧し、かつオン時間を変調することで、リアクトル１５の電流波形の振幅を瞬時制御している。また第２電力変換手段１４は第２スイッチング素子１４ａの高周波チョッピング動作で、入力電圧を昇圧し、かつオン時間を変調することで、リアクトル１５の電流波形の振幅を瞬時制御する。例えば、系統電圧が交流２００Ｖの場合、０Ｖから約２８０Ｖまで変化するため、入力電圧がこの範囲にある限り、商用１周期内で降圧動作と昇圧動作が必要になる。また第１電力変換手段１３が降圧波動作を行う場合、第２電力変換手段１４内の第２スイッチング素子１４ａは常時オフし、第２電力変換手段１４が昇圧波動作を行う場合は、第１電力変換手段１４内の第１スイッチング素子１４ａは常時オン動作している。一方、第３電力変換手段１６を構成するフルブリッジ構成の極性切換インバータ１６ａは系統電圧の正負に同期して、商用周波でスイッチングを行い、第２電力変換手段１４の出力から得られる商用２倍周波の電流を系統１７に同期した正弦波交流に変換している。
【００１６】
以上のように本実施例によれば、降圧動作を行う第１電力変換手段と昇圧動作を行う第２電力変換手段を排他的に動作させ、しかも唯一配置されたリアクトルの電流を制御することによって、従来少なくとも複数必要であった大型部品であるリアクトルを削減するころができるため、制御回路の簡素化も含めて安価で、かつ小形・軽量・低損失の系統連系インバータ装置を実現することができる。
【００１７】
（実施例２）
以下、本発明の第２の実施例について図面を参照しながら説明する。図２は本実施例の構成を示すブロック図である。図２において図１の回路構成と異なるのは、直流入力電圧を検出する入力電圧検知手段１８と、系統電圧を検出する系統電圧検出手段１９を配置し、各検出値は制御回路２０内で比較された後、第１スイッチング素子１３ａと第２スイッチング素子１４ａにドライブ信号を送ることを図示した点である。上記以外の構成要素は第１の実施例と同等であり、説明を省略する。
【００１８】
以上の様に構成された系統連系インバータ装置について、図３の波形図を参照して動作を説明する。入力電圧検出手段１８と系統電圧検出手段１９で得られた情報は、制御回路２０内部で比較され、入力電圧が系統電圧より大きい時は、制御回路２０は第１電力変換手段１３に対して入力電圧を高周波チョッピングするドライブ信号を送ることで降圧動作を行い、かつオン時間を変調することで、リアクトル１５の電流波形の振幅を瞬時制御している。このとき第２電力変換手段１４内の第２スイッチング素子１４ａは常時オフし、リアクトル電流を通過する電流は、第２電力変換手段１４の出力電流となる。また、入力電圧が系統電圧より小さい時は、制御回路２０は第１スイッチング素子１３ａを常時オンさせ、リアクトル１５の入力電圧を直流電源１１の電圧と一致させると共に、第２電力変換手段１４に対して第２スイッチング素子１４ａを高周波スイッチング動作するドライブ信号を与えることで、直流電源１１の入力電圧を昇圧し、かつオン時間を変調することによって、リアクトル１５の電流波形の振幅を瞬時制御する。このようにして第２電力変換手段１４の出力に得られた電流は、第３電力変換手段１６を構成するフルブリッジ構成の極性切換インバータ１６ａによって系統１７に同期した正弦波交流に変換される。
【００１９】
以上のように本実施例によれば、直流電源の入力電圧と系統電圧を比較して商用周期内で降圧動作と昇圧動作を分担することによって、特に分散型電源のように入力電圧変化の大きい直流電源においても降圧動作と昇圧動作の切換タイミングを精度良く検知することが可能となるため、歪みの少ない正弦波交流を得ることのできる系統連系インバータ装置を実現することができる。
【００２０】
（実施例３）
以下、本発明の第３の実施例について図４を参照しながら説明する。図４は本実施例の構成を示すブロック図である。図４において図２の回路構成と異なるのは、入力電圧検知手段１８と系統電圧検出手段１９によって、制御回路２０内部で得られたタイミングを補正する位相補正手段２１を、第１スイッチング素子と第２スイッチング素子へのドライブ信号の入力段に配置した点である。上記以外の構成要素は第２の実施例と同等であり、説明を省略する。
【００２１】
以上のように構成された系統連系インバータ装置について図５の波形図を参照して動作を説明する。通常、入力電圧と系統電圧の絶対値との大小比較によって、第１電力変換手段１３の高周波動作と第２電力変換手段１４の高周波動作との切換位相を得る。しかしながら第１電力変換手段１３の入力電圧は、平滑コンデンサ１２によって定電圧化されているものの、系統に注入する電流が力率１で動作するため、特に系統に注入する電流が大きい場合、一定のリップルを生じる。そのような時、入力電圧と系統電圧の検出値から得られたタイミングで第１電力変換手段１３と第２電力変換手段１４の高周波動作を切り換えた場合、切換位相付近において系統１７に注入する電流に波形歪みを生じることがある。ここで、制御回路２０から第１スイッチング素子１３ａと第２スイッチング素子１４ａに出力されるドライブ信号に、位相補正手段２１が任意の進みまたは遅れ位相を与えることで、系統１７に注入される電流を高周波の少ない正弦波に波形成形する。
【００２２】
以上のように本実施例によれば、第１電力変換手段と第２電力変換手段の高周波動作切換位相を、入力電圧と系統電圧の大きさの比較から得られたタイミングに対して進みまたは遅れ補正することによって、系統に高調波成分の少ない高品質の波形を注入することが実現できる系統連系インバータ装置を提供することができる。
【００２３】
（実施例４）
以下、本発明の第４の実施例について図６を参照しながら説明する。図６は本実施例の構成を示すブロック図である。図６において図１の回路構成と異なるのは、第２電力変換手段１４と、第３電力変換手段１６の間に高周波フィルタコンデンサ２２を配置した点である。上記以外の構成要素は第１の実施例と同等であり、説明を省略する。
【００２４】
以上のように構成された系統連系インバータ装置について動作を説明する。第１電力変換手段１３および第２電力変換手段１４の高周波動作によって生成された電流は、商用２倍周波の低周波成分に第１スイッチング素子１３ａと第２スイッチング素子１４ａの動作周波数である高周波成分が重畳された波形である。第２電力変換手段１４の出力電流に含まれる高周波電流成分は、極性切換インバータ１６ａの入力に配置された高周波フィルタコンデンサ２２で除去され、極性切換インバータ１６ａを通過する電流は商用周波数の低周波成分だけとなり、高周波電流による極性切換インバータ１６ａでの損失分が削減され、さらに高周波配線も短くなるため、発生ノイズも低減する。
【００２５】
以上のように本実施例によれば、第２電力変換手段の出力段に高周波フィルタコンデンサを配置することで、高周波成分を除去した電流だけが極性切換インバータを通過するため、第３電力変換手段の低損失化が可能となり、高効率運転が実現できる系統連系インバータ装置を提供することができる。
【００２６】
（実施例５）
以下、本発明の第５の実施例について図７を参照しながら説明する。図７は本実施例の構成を示すブロック図である。図７において図１の回路構成と異なるのは、入力電源を第１直流電源１１ａと第２直流電源１１ｂの複数とし、それぞれに第１電力変換手段１３と第２電力変換手段１４とを配置した上で、複数の第２電力変換手段１３の出力を第３電力変換手段の入力段で合成接続した点と、第３電力変換手段と系統との間に系統保護装置２３を配置した点である。上記以外の構成要素は第１の実施例と同等であり、説明を省略する。
【００２７】
以上のように構成された系統連系インバータ装置について動作を説明する。入力電圧の異なる直流電源１１ａと１１ｂからは、それぞれ第１電力変換手段１３と第２電力変換手段１４と両者の間に接続されたリアクトル１５によって、系統１７に同期した商用２倍周波の電流が生成される。複数ある第２電力変換手段１４の出力から得られた同期変調電流は、極性切換インバータ１６ａの入力段で合成され、第３電力変換手段１６が正弦波電流を出力する。系統１７と第３電力変換手段１６の間には系統保護装置２３が配置されて、系統１７の周波数や電圧などの異常時に、系統１７から系統連系インバータを切り離す動作を行う。
【００２８】
以上のように本実施例によれば、異なる電圧を有する分散型電源が複数ある時でも、個々に第１電力変換手段と第２電力変換手段で変調された電流波形を生成して合成した後、極性切換インバータで系統に電流を注入することで、系統からインバータを切り離す系統保護装置が単一化できるため、安価な系統連系インバータ装置を実現することができる。
【００２９】
【発明の効果】
以上のように請求項１〜５項に記載の発明は、降圧動作を行う第１電力変換手段の出力に昇圧動作を行う第２電力変換手段を直列に配置してリアクトルの共用化を図り、商用周期内において２つの変換手段が波形制御を分担することで、従来複数必要であった電流制御用の大型リアクトルを削減できることから、制御回路の簡素化も含めて安価で、かつ小形・軽量・低損失の系統連系インバータ装置を提供することができるものである。
【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装置の構成を示すブロック図
【図２】本発明の第２の実施例である系統連系インバータ装置の構成を示すブロック図
【図３】本発明の第２の実施例である系統連系インバータ装置の各部動作を示す波形図
【図４】本発明の第３の実施例である系統連系インバータ装置の構成を示すブロック図
【図５】本発明の第３の実施例である系統連系インバータ装置の各部動作を示す波形図
【図６】本発明の第４の実施例である系統連系インバータ装置の構成を示すブロック図
【図７】本発明の第５の実施例である系統連系インバータ装置の構成を示すブロック図
【図８】従来の系統連系インバータ装置の構成を示すブロック図
【符号の説明】
１１　直流電源
１１ａ　第１直流電源（複数の直流入力電源）
１１ｂ　第２直流電源（複数の直流入力電源）
１２　平滑コンデンサ
１３　第１電力変換手段
１３ａ　第１スイッチング素子
１３ｂ　第１ダイオード
１４　第２電力変換手段
１４ａ　第２スイッチング素子
１４ｂ　第２ダイオード
１５　リアクトル
１６　第３電力変換手段
１６ａ　極性切換インバータ
１６ｂ　フィルタコンデンサ
１７　系統
１８　入力電圧検知手段
１９　系統電圧検知手段
２０　制御回路
２１　位相補正手段
２２　高周波フィルタコンデンサ
２３　系統保護装置

Claims

直流入力電圧を降圧する第１電力変換手段と、前記第１電力変換手段の出力に直列接続されて昇圧動作を行う第２電力変換手段と、前記第２電力変換手段の出力に直列接続されて商用切換動作を行う第３電力変換手段とで構成され、前記第１電力変換手段および前記第２電力変換手段とが有するリアクトルは１つとして、前記リアクトルの電流を制御する系統連系インバータ装置。
系統電圧を検知する系統電圧検知手段と直流入力電圧を検知する直流入力電圧検知手段を有し、第１電力変換手段と第２電力変換手段のいずれか一方のみが高周波動作を行う構成において、系統電圧と直流入力電圧の大小によって高周波動作を切り換える請求項１記載の系統連系インバータ装置。
第１電力変換手段と第２電力変換手段の動作切換タイミングは、系統電圧位相に対して補正可能とすることを特徴とする請求項２記載の系統連系インバータ。
直列に配置された第２電力変換手段と第３電力変換手段との間に数１０μＦ以下のコンデンサを配置した請求項１から３のいずれか１項に記載の系統連系インバータ装置。
複数の直流入力電源は、各直流入力電源に対して個別に電力変換を行う第１電力変換手段および第２電力変換手段に接続され、前記第２電力変換の出力は第３電力変換手段で電力合成される請求項１から４のいずれか１項に記載の系統連系インバータ装置。