JP2004364351A

JP2004364351A - 連系インバータ並列システムの制御方法

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Publication number: JP2004364351A
Application number: JP2003156361A
Authority: JP
Inventors: Isao Amano; 功天野; Jun Hirose; 順廣瀬
Original assignee: Fuji Electric Holdings Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2003-06-02
Filing date: 2003-06-02
Publication date: 2004-12-24

Abstract

【課題】電力系統と連系インバータとの間の絶縁用のトランスを除去して並列システム全体の小形化、低コスト化を図る。
【解決手段】電力系統に連系され、かつ、互いに並列接続された複数台の三相インバータ７０_１〜７０_ｎからなる連系インバータ並列システムの制御方法に関する。系統電圧の一周期を３ｎ個（ｎは自然数）の区間に分割し、各区間の間、すべてのインバータの一相分の上アームの素子をＯＮまたはＯＦＦに固定すると共に下アームの素子を上アームの素子とは逆論理に固定して当該一相を固定相とし、かつ、すべてのインバータの残り二相ではＰＷＭ変調によるスイッチングによって二相変調動作を行わせ、二相変調動作させる各相では、前記固定相を基準とした線間電圧を出力しつつ相電流に対して電流制御を行ない、系統との間にトランスを設置せずに各インバータ間の横流を抑制する。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電力系統に連系され、かつ、互いに並列に接続された複数台の三相インバータからなる連系インバータ並列システムの制御方法に関し、特に、各インバータ間に流れる横流を抑制するようにした制御方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
連系インバータは、電力系統の商用交流電源と種々の直流電源とを結ぶ電力変換器として使用されており、代表的な例としては、系統から電力供給を受けてバッテリーに充電するＵＰＳ（無停電電源装置）用ＰＷＭ整流器や、太陽電池の発電電力を系統に出力する太陽電池用インバータ等が知られている。
この種の装置では、電力変換器の装置容量を増大させるために、複数台のインバータを並列に接続して連系インバータ並列システムを構成することがしばしば行われている。
【０００３】
図７は、従来のこの種の連系インバータ並列システムを示している。
図７において、１０は電力系統の三相交流電源（各相電圧をＶ_Ｒ，Ｖ_Ｓ，Ｖ_Ｔとする）、２０は系統のインピーダンス（インダクタンス）、３０_１〜３０_ｎはトランス、４０_１〜４０_ｎ，６０_１〜６０_ｎはリアクトル、５０_１〜５０_ｎはコンデンサ、７０_１〜７０_ｎは連系インバータ、７１は各連系インバータを構成する半導体スイッチング素子、８０はバッテリーや太陽電池等の直流電源（全体の電圧をＥ_ｄとする）である。ここで、前記リアクトル４０_１〜４０_ｎ，６０_１〜６０_ｎ及びコンデンサ５０_１〜５０_ｎは交流電圧・電流を平滑するＬＣフィルタを構成している。
【０００４】
上記並列システムの特徴としては、各インバータ７０_１〜７０_ｎが三相インバータにより構成されている点、直流電源８０を共用している点、三相交流電源１０に対しトランス３０_１〜３０_ｎによってそれぞれ絶縁されている点、等を挙げることができる。
【０００５】
図８は、この並列システムにおける制御ブロック図である。
各インバータ７０_１〜７０_ｎは、系統電圧（対向電圧）Ｖ_Ｒ，Ｖ_Ｔとリアクトル印加電圧ΔＶ_Ｒ，ΔＶ_Ｔとの和の電圧を出力し、前記リアクトル印加電圧を変化させることで出力電流を制御している。
前記リアクトル印加電圧ΔＶ_Ｒ，ΔＶ_Ｔは、図８における電流調節器（比例調節器）１０５，１０６の出力として与えられ、これらと系統電圧指令Ｖ_Ｒ，Ｖ_Ｔとが加算器１０７，１０８によりそれぞれ加算されてＲ相，Ｔ相出力電圧指令が生成される。
【０００６】
電流調節器１０５，１０６は、加算器１０３，１０４から出力される電流指令値Ｉ_Ｒ ^＊，Ｉ_Ｔ ^＊と電流検出値Ｉ_Ｒ，Ｉ_Ｔとのそれぞれの偏差がゼロになるように調節動作する。なお、１０１，１０２は基準正弦波ｓｉｎωｔ_Ｒ，ｓｉｎωｔ_Ｔと電流振幅指令値｜Ｉ｜^＊とを乗算して電流指令値Ｉ_Ｒ ^＊，Ｉ_Ｔ ^＊を出力する乗算器である。
【０００７】
三相インバータでは、二相（図８ではＲ相、Ｔ相）について上記の制御方法により出力電圧指令を決め、残り一相（同じくＳ相）については、二相の出力電圧指令を元にして三相の和がゼロになるように加算器１０９により出力電圧指令を演算している。
これらの各相出力電圧指令はＰＷＭ回路１１０〜１１２に入力され、それぞれ搬送波と比較することにより各インバータ７０_１〜７０_ｎのスイッチング素子７１に対するゲート信号が生成される。なお、図７に示すように、例えばインバータ７０_１において、各相上アームのスイッチング素子７１をＵ，Ｖ，Ｗ、下アームのスイッチング素子７１をＸ，Ｙ，Ｚとし、下アームのスイッチング素子には、図７の反転回路１１３〜１１５により上アームとは逆論理のゲート信号を与えている。
【０００８】
このような従来の連系インバータ並列システムは、交流等価回路により示すと図９のようになり、各インバータ７０_１〜７０_ｎは三相交流電源９０_１〜９０_ｎによって等価的に表される。
ここで、各インバータ７０_１〜７０_ｎの直流部分は直流電源８０により共通であるため、等価的には、図９に示す如く三相交流電源９０_１〜９０_ｎの中性点が接続されていることになる。
【０００９】
なお、この種の連系インバータ並列システムは、例えば特許文献１に記載されている。
【００１０】
【特許文献１】
特開平６−３１１７５２号公報（図３）
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
図７に記載された連系インバータ並列システムでは、三相交流電源１０と各インバータ７０_１〜７０_ｎとの間にトランス３０_１〜３０_ｎが接続されているため、システム全体が大型化し、コストも高くなる。
これらのトランス３０_１〜３０_ｎを除去して、各インバータ７０_１〜７０_ｎの交流出力側を絶縁せずに三相交流電源１０と接続すると、各インバータ７０_１〜７０_ｎの電流制御していない一相（前記の例ではＳ相）の相互間で直流回路部を介して横流が流れる。この横流によってシステムの電流分担がアンバランスとなり、効率の低下や装置の故障を引き起こすといった問題がある。
【００１２】
そこで本発明は、インバータを系統に連系するためのトランスを除去した場合にも各インバータ間に横流が流れないようにしてシステム全体の小型化、低価格化を図った連系インバータ並列システムの制御方法を提供しようとするものである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決する本発明の制御方法は、複数台のインバータの交流出力側をトランスなしで系統に連系した時に横流が流れないようにするものであり、以下では、この制御方法を二相変調電流制御方法と呼ぶこととする。
【００１４】
この制御方法の概略は以下の通りである。
まず、系統電圧の一周期を３ｎ（ｎは自然数）個の区間に分割し、その一区間では、すべてのインバータの上アームスイッチング素子をＯＮまたはＯＦＦに固定すると共に下アームスイッチング素子を上アームスイッチング素子とは逆論理（ＯＦＦまたはＯＮ）に固定する（この一相を、ここでは固定相と呼ぶ）。また、残りの二相については、従来通りＰＷＭ制御によるＯＮ，ＯＦＦのスイッチング動作を行うことにより、いわゆる二相変調を行い、これらの二相については、固定相を基準とした線間電圧を出力しつつ、相電流に対して電流制御を行う。
上記の処理を、分割した各区間ごとに固定相を切り換えて実行する。
【００１５】
本発明の二相変調電流制御方法による横流抑制の原理を、等価回路を用いて説明する。
図３は本発明を適用した場合の連系インバータ並列システムの交流等価回路であり、この例では、分割されたある一区間において、各インバータのＴ相を固定相としてその下アームのスイッチング素子をＯＮに固定している。そして、各インバータのＲ相及びＳ相でＯＮ，ＯＦＦのスイッチング動作を行うことにより、Ｔ相を基準としたＲ相−Ｔ相間、Ｓ相−Ｔ相間の線間電圧を制御し、かつ、Ｒ相及びＳ相電流を制御している。
【００１６】
このように二相変調を行っている各インバータは、図３に示すようにＴ相を基準としてＶ結線した三相交流電源９１_１〜９１_ｎと等価になる。このとき、Ｒ相及びＳ相は電流制御しているため各インバータ間で横流は流れない。また、固定相であるＴ相の電流分担は、インバータに接続されたＬＣフィルタのインピーダンスによって決まる。よって、各フィルタのインピーダンスに大きな相違がない限り電流は等分に分担されるので、各インバータ間に過大な横流は流れることはないものである。
【００１７】
すなわち、請求項１に記載した発明は、電力系統に連系され、かつ、互いに並列に接続された複数台の三相インバータからなる連系インバータ並列システムの制御方法において、
系統電圧の一周期を３ｎ（ｎは自然数）個の区間に分割し、
分割された前記区間の間、すべてのインバータの一相分の上アームスイッチング素子をＯＮまたはＯＦＦに固定すると共に下アームスイッチング素子を上アームスイッチング素子とは逆論理に固定して当該一相を固定相とし、かつ、すべてのインバータの残り二相ではＰＷＭ変調によるスイッチングによって二相変調動作を行わせ、
二相変調動作させる各相では、前記固定相を基準とした線間電圧を出力しつつ相電流に対して電流制御を行うことにより、
各インバータ間に流れる横流を抑制するものである。
【００１８】
請求項２に記載した発明は、請求項１に記載した連系インバータ並列システムの制御方法において、
分割された区間ごとの各相出力電圧指令と固定相に対するＯＮ指令またはＯＦＦ指令とをインバータに与える手段と、インバータの各相出力電流を制御する電流制御手段とを備え、
二相変調動作させる各相に対しては、前記各相出力電圧指令を前記電流制御手段の出力に加算して最終的な各相出力電圧指令を生成し、
前記固定相に対しては、前記電流制御手段の出力に関わらず前記ＯＮ指令またはＯＦＦ指令を与えるものである。
【００１９】
なお、前記区間の分割に当たっては、請求項３または４に記載するように、系統電圧の一周期を６０°ごとの６区間、もしくは１２０°ごとの３区間に分割し、これらの分割された各区間ごとに固定相を切り替えると良い。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
まず、図１〜図５に従って本発明の第１実施形態につき述べる。この実施形態は、系統電圧（基本波）の一周期を６０°ごとの６区間に分割し、各区間ごとに固定相を切り替える例である。
【００２１】
図１は本実施形態が適用される連系インバータ並列システムの回路構成を示しており、図７と同一の構成要素には同一の参照符号を付してある。この実施形態では、図７におけるトランス３０_１〜３０_ｎが除去されており、各インバータ７０_１〜７０_ｎの交流出力側が、ＬＣフィルタを構成するリアクトル４０_１〜４０_ｎ，６０_１〜６０_ｎ及びコンデンサ５０_１〜５０_ｎを介して系統の三相交流電源１０にそれぞれ接続されている。
【００２２】
図２は、この並列システムの制御ブロック図である。
図８の制御ブロック図と異なる点は、系統のＲ，Ｓ，Ｔ相すべてについてそれぞれ調節器を含む同一構成の電流制御系を備え、かつ、各相の調節器の出力にフィードフォワード電圧指令テーブル２２０からの各相出力電圧指令Ｖ_ＵＸ，Ｖ_ＶＹ，Ｖ_ＷＺ（ＯＮ指令／ＯＦＦ指令を含む）を加算して最終的なＲ，Ｓ，Ｔ相の出力電圧指令を生成する点である。
【００２３】
なお、図２において、２０１〜２０３は電流振幅指令値｜Ｉ｜^＊と基準正弦波ｓｉｎωｔ_Ｒ，ｓｉｎωｔ_Ｓ，ｓｉｎωｔ_Ｔとをそれぞれ乗算して各相電流指令値Ｉ_Ｒ ^＊，Ｉ_Ｓ ^＊，Ｉ_Ｔ ^＊を出力する乗算器、２０４〜２０６は各相電流指令値Ｉ_Ｒ ^＊，Ｉ_Ｓ ^＊，Ｉ_Ｔ ^＊と電流検出値Ｉ_Ｒ，Ｉ_Ｓ，Ｉ_Ｔとの偏差をそれぞれ求める加算器、２０７〜２０９はこれらの偏差をゼロにするように調節動作する比例調節器等の調節器、２１０〜２１２は各相出力電圧指令Ｖ_ＵＸ，Ｖ_ＶＹ，Ｖ_ＷＺと調節器２０７〜２０９の出力であるリアクトル印加電圧ΔＶ_Ｒ，ΔＶ_Ｓ，ΔＶ_Ｔとをそれぞれ加算して最終的なＲ，Ｓ，Ｔ相出力電圧指令を出力する加算器、２１３〜２１５はこれらの出力電圧指令に基づいてゲート信号を発生するＰＷＭ回路、２１６〜２１８は各相上下アームのゲート信号の論理を反転させるための反転回路である。
ここで、乗算器２０１〜２０３、加算器２０４〜２０６、調節器２０７〜２０９は、請求項における電流制御手段を構成している。
【００２４】
また、フィードフォワード電圧指令テーブル２２０には、系統の線間電圧Ｖ_ＲＳ，Ｖ_ＳＴ，Ｖ_ＴＲと、直流電圧Ｅ_ｄ／２と、すべてのインバータ７０_１〜７０_ｎの固定相の上アームスイッチング素子また下アームスイッチング素子をＯＮまたはＯＦＦ状態で固定するための全ＯＮ／全ＯＦＦ指令とが入力されており、下記の表１のように、系統電圧一周期の分割された区間１〜区間６に応じて、Ｒ相出力電圧指令Ｖ_ＵＸ、Ｓ相出力電圧指令Ｖ_ＶＹ、Ｔ相出力電圧指令Ｖ_ＷＺを出力するようになっている。
【００２５】
【表１】

【００２６】
なお、表１において、ＯＮ指令、ＯＦＦ指令と記載されている相が固定相であり、上アームを基準としてＯＮ／ＯＦＦを表記している。例えば、表１の区間１におけるＯＦＦ指令は、図１における各インバータ７０_１〜７０_ｎのＳ相を固定相とし、その上アームスイッチング素子ＶがＯＦＦ、下アームスイッチング素子ＹがＯＮで固定されている状態を示す。
【００２７】
次に、図４は、各相系統電圧Ｖ_Ｒ，Ｖ_Ｓ，Ｖ_Ｔ、Ｒ相，Ｓ相，Ｔ相出力電圧指令、及び、各インバータ７０_１〜７０_ｎのスイッチング素子Ｕ，Ｖ，Ｗ，Ｘ，Ｙ，Ｚのパルスパターンを図示したものである。
ここで、図２のフィードフォワード電圧指令テーブル２２０から出力される各相出力電圧指令Ｖ_ＵＸ，Ｖ_ＶＹ，Ｖ_ＷＺは、各調節器２０７〜２０９からのリアクトル印加電圧ΔＶ_Ｒ，ΔＶ_Ｓ，ΔＶ_Ｔに比べてそれぞれ十分大きい値に設定されているため、上記各相出力電圧指令Ｖ_ＵＸ，Ｖ_ＶＹ，Ｖ_ＷＺが図４に示すＲ相，Ｓ相，Ｔ相出力電圧指令として図２のＰＷＭ回路２１３〜２１５にそれぞれ入力されると考えて良い。
【００２８】
図４の例においては、区間１ではＳ相が固定相、区間２ではＲ相が固定相、区間３ではＴ相が固定相、……というように、固定相が６０°ごとに順次切り替わっていく。なお、図４において、各相出力電圧指令の波形は何れも同一であり、理解を容易にするために、Ｒ相出力電圧指令の波形を太線で表してある。
【００２９】
次いで、各相出力電圧指令からスイッチング素子のパルスパターンを得るための動作を、図５を参照しつつ以下に詳述する。
図５は、Ｒ相出力電圧指令を例にとり、図２のＰＷＭ回路２１３において出力電圧指令と三角波キャリアとを比較することにより、図１のインバータ７０_１〜７０_ｎにおけるＲ相の上アームスイッチング素子Ｕ及び下アームスイッチング素子Ｘのパルスパターンを生成する様子を示している。
なお、本発明におけるＰＷＭ方式は、必ずしも三角波比較方式に限定されるものではない。
【００３０】
図５において、キャリアの振幅は±Ｅ_ｄ／２に設定されており、前記表１の区間２や区間５のようにＲ相を固定相としてＯＮ指令やＯＦＦ指令が与えられる時には、Ｒ相出力電圧指令がキャリアの振幅より正または負側に十分大きくなるように設定される。ここで、図５は、区間２においてＲ相にＯＮ指令が与えられ、Ｒ相出力電圧指令がキャリアの振幅Ｅ_ｄ／２を超えている期間を中心に示してある。
【００３１】
前述した如く、Ｒ相出力電圧指令（ＰＷＭ回路２１３の入力信号）は、フィードフォワード電圧指令テーブル２２０からの出力電圧指令Ｖ_ＵＸと調節器２０７からのリアクトル印加電圧ΔＶ_Ｒとの和として生成されるものであり、このＲ相出力電圧指令は、リアクトル印加電圧ΔＶ_Ｒによって若干増減する。
このため、出力電圧指令Ｖ_ＵＸは、ΔＶ_ＲによるＲ相出力電圧指令の若干の増減を見込んで、Ｒ相出力電圧指令がキャリアの振幅Ｅ_ｄ／２を十分超えるような値に余裕をもって設定される。
【００３２】
このように出力電圧指令Ｖ_ＵＸを設定することにより、Ｒ相を固定相とするときには、リアクトル印加電圧ΔＶ_Ｒを加算してもＲ相出力電圧指令が確実にキャリアの振幅±Ｅ_ｄ／２を超えるようになっており、ΔＶ_Ｒの値がＲ相のＯＮ状態またはＯＦＦ状態での固定に影響しないように考慮されている。
つまり、図２における調節器２０７等を含む電流制御手段の出力に関わらず、Ｒ相に対するＯＮ指令またはＯＦＦ指令を確実に生成するものである。
【００３３】
以上のように、本実施形態では、系統電圧の基本波一周期を６０°ごとの６区間に分割し、それらの各区間において、並列接続された連系インバータの一相を固定相とし、残りの二相をＰＷＭ制御によりスイッチングして上記固定相を基準とした線間電圧を制御しつつ当該二相の相電流を制御するものであって、この動作を、固定相を各区間ごとに順次切り替えて制御するものである。
これにより、図３に示したように各インバータを二相変調することができ、その際に電流制御される二相には各インバータ間で横流が流れず、また、固定相の電流分担については、インバータに接続されたＬＣフィルタのインピーダンスを等しくすれば等分に分担されるので、各インバータ間に横流が流れるのを抑制することができる。
【００３４】
次に、本発明の第２実施形態を説明する。この第２実施形態は、系統電圧の一周期を１２０°ごとの３区間に分割し、各区間ごとに固定相を切り替える例である。なお、連系インバータ並列システム及び制御ブロックの回路構成は図１，図２と同一であるため、説明を省略する。
【００３５】
図６は、この実施形態における各相系統電圧Ｖ_Ｒ，Ｖ_Ｓ，Ｖ_Ｔ、Ｒ相，Ｓ相，Ｔ相出力電圧指令、及び、各インバータ７０_１〜７０_ｎのスイッチング素子Ｕ，Ｖ，Ｗ，Ｘ，Ｙ，Ｚのパルスパターンを図示したものである。図６において、各相出力電圧指令の波形は何れも同一であり、理解を容易にするためにＲ相出力電圧指令の波形を太線で表してある。
また、表２は、フィードフォワード電圧指令テーブル２２０の内容を示している。
【００３６】
【表２】

【００３７】
この例では、固定相が、区間１：Ｓ相→区間２：Ｔ相→区間３：Ｒ相というように順に切り替わっていく。表２において、ＯＦＦ指令と書かれているところが固定相であり、本実施形態の固定相では、常に上アームスイッチング素子をＯＦＦ、下アームスイッチング素子をＯＮとする。
本実施形態においても、二相変調を行う相では固定相を基準とした線間電圧を出力するように各相出力電圧指令を与え、これに調節器からのリアクトル印加電圧ΔＶを加算してインバータ７０_１〜７０_ｎの各相出力電圧指令を得る。
また、固定相に対してフィードフォワード電圧指令テーブル２２０からＯＦＦ指令が与えられる場合には、第１実施形態と同様に上記ΔＶがインバータの出力電圧に影響せず、ＯＦＦ状態で固定されるものとする。
【００３８】
上記のように、本実施形態においても二相変調電流制御方法によって等価的に図３の回路を実現することができ、各インバータ間に横流が流れるのを抑制可能である。
【００３９】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、電力系統と連系インバータとの間に絶縁用のトランスを設置しなくても横流を抑制できるため、トランスの除去によって連系インバータ並列システムの小型化及び低コスト化を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態が適用される連系インバータ並列システムの回路図である。
【図２】本発明の実施形態が適用される制御ブロック図である。
【図３】本発明に係る二相変調電流制御方法を適用した場合の交流等価回路図である。
【図４】本発明の第１実施形態における各相系統電圧、各相出力電圧指令、及び各スイッチング素子のパルスパターンを示す図である。
【図５】本発明の第１実施形態においてＲ相のスイッチング素子に対するパルスパターンを生成する様子を示す図である。
【図６】本発明の第２実施形態における各相系統電圧、各相出力電圧指令、及び各スイッチング素子のパルスパターンを示す図である。
【図７】従来技術における連系インバータ並列システムの回路図である。
【図８】従来技術における制御ブロック図である。
【図９】従来技術の交流等価回路図である。
【符号の説明】
１０，９０_１〜９０_ｎ，９１_１〜９１_ｎ：三相交流電源
２０：系統のインピーダンス
４０_１〜４０_ｎ，６０_１〜６０_ｎ：リアクトル
５０_１〜５０_ｎ：コンデンサ
７０_１〜７０_ｎ：連系インバータ
７１：半導体スイッチング素子
８０：直流電源
２０１〜２０３：乗算器
２０４〜２０６，２１０〜２１２：加算器
２０７〜２０９：調節器
２１３〜２１５：ＰＷＭ回路
２１６〜２１８：反転回路
２２０：フィードフォワード電圧指令テーブル

Claims

電力系統に連系され、かつ、互いに並列に接続された複数台の三相インバータからなる連系インバータ並列システムの制御方法において、
系統電圧の一周期を３ｎ（ｎは自然数）個の区間に分割し、
分割された前記区間の間、すべてのインバータの一相分の上アームスイッチング素子をＯＮまたはＯＦＦに固定すると共に下アームスイッチング素子を上アームスイッチング素子とは逆論理に固定して当該一相を固定相とし、かつ、すべてのインバータの残り二相ではＰＷＭ変調によるスイッチングによって二相変調動作を行わせ、
二相変調動作させる各相では、前記固定相を基準とした線間電圧を出力しつつ相電流に対して電流制御を行うことにより、
各インバータ間に流れる横流を抑制することを特徴とする連系インバータ並列システムの制御方法。
請求項１に記載した連系インバータ並列システムの制御方法において、
分割された区間ごとの各相出力電圧指令と固定相に対するＯＮ指令またはＯＦＦ指令とをインバータに与える手段と、
インバータの各相出力電流を制御する電流制御手段とを備え、
二相変調動作させる各相に対しては、前記各相出力電圧指令を前記電流制御手段の出力に加算して最終的な各相出力電圧指令を生成し、
前記固定相に対しては、前記電流制御手段の出力に関わらず前記ＯＮ指令またはＯＦＦ指令を与えることを特徴とする連系インバータ並列システムの制御方法。
請求項１または２に記載した連系インバータ並列システムの制御方法において、
系統電圧の一周期を６０°ごとの６区間に分割し、
分割された各区間ごとに固定相を切り替えることを特徴とする連系インバータ並列システムの制御方法。
請求項１または２に記載した連系インバータ並列システムの制御方法において、
系統電圧の一周期を１２０°ごとの３区間に分割し、
分割された各区間ごとに固定相を切り替えることを特徴とする連系インバータ並列システムの制御方法。