JP2006238629A - Power conversion apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、直流電力を交流電力に変換する電力変換装置に関し、特に分散電源を系統に連系するパワーコンディショナ等に用いる電力変換装置に関するものである。 The present invention relates to a power conversion device that converts DC power into AC power, and more particularly to a power conversion device that is used in a power conditioner or the like that connects a distributed power source to a system.
従来のパワーコンディショナでは、例えばソーラパワーコンディショナに示されるように、太陽電池である分散電源からチョッパを用いて昇圧し、その後段にPWM制御のインバータを挿入して、出力の交流電圧を発生している。
このような従来のパワーコンディショナの基本的な動作を以下に示す。太陽電池から出力される直流電力は、パワーコンディショナの内部制御電源を駆動し内部回路が動作可能になる。チョッパ回路を用い、太陽電池の電圧を、系統へ連系するのに必要となる電圧まで昇圧する。インバータ部は4つのスイッチから構成され、系統電圧に同期した位相の出力電流となるようPWMスイッチングを行う。このように出力に短冊状の波形を出力し、出力する時間比率を変えることによって出力の平均電圧をコントロールし、出力された電圧は出力側に設けられた平滑フィルタによって平均化し、系統へは交流電力が出力される(例えば、非特許文献1参照)。
In a conventional power conditioner, for example, as shown in a solar power conditioner, the voltage is boosted using a chopper from a distributed power source that is a solar cell, and a PWM controlled inverter is inserted in the subsequent stage to generate an output AC voltage. is doing.
The basic operation of such a conventional power conditioner will be described below. The DC power output from the solar cell drives the internal control power supply of the power conditioner, and the internal circuit can operate. Using a chopper circuit, the voltage of the solar cell is boosted to a voltage required to connect to the grid. The inverter unit is composed of four switches, and performs PWM switching so that the output current has a phase synchronized with the system voltage. In this way, a strip-like waveform is output to the output, the output voltage is controlled by changing the output time ratio, the output voltage is averaged by the smoothing filter provided on the output side, and the system is AC Electric power is output (for example, refer nonpatent literature 1).
太陽光電圧を系統に連系させる従来のパワーコンディショナでは、インバータの出力電圧の最大値は、チョッパによる昇圧電圧の大きさによって決まる。このため、例えば200Vの交流電圧を出力する場合には、昇圧された直流電圧は282V以上が必要であり、通常は余裕を見てさらに高く設定されている。太陽光電圧の出力電圧は、通常200V程度、あるいはそれ以下であり、上述したように282V以上に昇圧する必要がある。昇圧率が高くなるとチョッパ部のスイッチング素子やダイオードの損失が大きくなり、パワーコンディショナ全体の効率が低下してしまうという問題点があった。 In the conventional power conditioner that links the solar voltage to the system, the maximum value of the output voltage of the inverter is determined by the magnitude of the boosted voltage by the chopper. For this reason, for example, when outputting an AC voltage of 200 V, the boosted DC voltage needs to be 282 V or higher, and is usually set higher with a margin. The output voltage of the solar voltage is usually about 200 V or less, and needs to be boosted to 282 V or more as described above. When the boosting rate is increased, the loss of the switching elements and diodes in the chopper portion is increased, and there is a problem that the efficiency of the entire power conditioner is lowered.
この発明は、上記のような問題点を解消するために成されたものであって、太陽光などの直流電源からの電力を交流に変換して系統や負荷に出力する電力変換装置において、各部の損失を低減して変換効率の向上を図ることを目的とする。 The present invention was made to solve the above-described problems, and in a power conversion device that converts electric power from a direct-current power source such as sunlight into alternating current and outputs the alternating current to a system or a load, each unit The purpose is to improve the conversion efficiency by reducing the loss.
この発明による第1の電力変換装置は、直流電源の直流電力を交流電力に変換する単相インバータの交流側を複数直列接続し、上記複数の単相インバータの中から選択された所定の組み合わせによる各発生電圧の総和により出力電圧を階調制御する。上記各単相インバータの入力となる複数の上記直流電源は、電圧が最大である第1の直流電源と、その他の1あるいは複数の第2の直流電源とから成り、第3の直流電源の電圧を昇圧し、その出力電圧を上記第1の直流電源とする昇圧回路と、該圧回路をバイパスさせるバイパス回路とを備える。そして、上記第3の直流電源の電圧が所定の電圧を超えるとき、上記昇圧回路内のスイッチのオンオフ動作を停止して昇圧動作を停止すると共に、上記バイパス回路により該昇圧回路をバイパスするものである。 According to a first power converter of the present invention, a plurality of AC sides of a single-phase inverter that converts DC power of a DC power source into AC power are connected in series, and a predetermined combination selected from the plurality of single-phase inverters is used. The gradation of the output voltage is controlled by the sum of the generated voltages. The plurality of DC power sources that are input to the single-phase inverters are composed of a first DC power source having the maximum voltage and other one or a plurality of second DC power sources. The voltage of the third DC power source Is boosted, and the output voltage is used as the first DC power supply, and the bypass circuit bypasses the voltage circuit. When the voltage of the third DC power source exceeds a predetermined voltage, the on / off operation of the switch in the booster circuit is stopped to stop the booster operation, and the booster circuit is bypassed by the bypass circuit. is there.
この発明による電力変換装置は、第3の直流電源の電圧を昇圧する昇圧回路の出力電圧より高い電圧を出力可能となり、昇圧回路の昇圧率を低減できて損失を低減できる。また、第3の直流電源の電圧が所定の電圧を超えるとき、該昇圧回路内のスイッチのオンオフ動作を停止して昇圧動作を停止すると共にバイパス回路により該昇圧回路をバイパスするため、昇圧に係る損失を大きく低減し、さらに昇圧停止の際にも昇圧回路を構成する部品の導通損失を無くすことができ、変換効率の高い電力変換装置が得られる。 The power conversion device according to the present invention can output a voltage higher than the output voltage of the booster circuit that boosts the voltage of the third DC power supply, and can reduce the boosting rate of the booster circuit and reduce the loss. Further, when the voltage of the third DC power supply exceeds a predetermined voltage, the on / off operation of the switch in the booster circuit is stopped to stop the booster operation, and the bypass circuit is bypassed by the bypass circuit. Loss is greatly reduced, and conduction loss of components constituting the booster circuit can be eliminated even when boosting is stopped, and a power conversion device with high conversion efficiency can be obtained.
実施の形態1.
以下、この発明の実施の形態1による電力変換装置(以下、パワーコンディショナと称す)を図について説明する。
図1は、この発明の実施の形態1によるパワーコンディショナを示す概略構成図である。図1(a)に示すように、複数(この場合3個)の単相インバータ3B-INV、2B-INV、1B-INVの交流側を直列に接続して単相多重変換器であるインバータユニット1を構成する。また、第3の直流電源としての太陽光による直流電源2の後段に、IGBT等のスイッチング素子(以下、スイッチと称す)3a、リアクトル3bおよびダイオード3cから成る昇圧回路としてのチョッパ回路3が設置されている。チョッパ回路3は直流電源2で得られた直流電圧VOを昇圧し、第1の直流電源となる平滑コンデンサ4に充電される電圧VCが得られる。また、昇圧停止時にチョッパ回路3をバイパスするため、例えばリレー7aから成るバイパス回路7が、チョッパ回路3に並列に接続される。
Hereinafter, a power conversion apparatus (hereinafter referred to as a power conditioner) according to
FIG. 1 is a schematic configuration diagram illustrating a power conditioner according to
各単相インバータ3B-INV、2B-INV、1B-INVは、図1(b)に示すように、ダイオードを逆並列に接続した複数個のIGBT等の自己消弧型半導体スイッチング素子で構成されて、直流電力を交流電力に変換して出力し、それぞれの入力の直流電源部分は双方向DC/DCコンバータ5にて接続される。
これらの単相インバータ3B-INV、2B-INV、1B-INVは出力として正負およびゼロの電圧を発生することができ、インバータユニット1は、これらの発生電圧を組み合わせた総和としての電圧VAを階調制御により出力する。この出力電圧VAはリアクトル6aおよびコンデンサ6bから成る平滑フィルタ6により平滑され、交流電圧Voutを系統あるいは負荷に供給する。
Each single-
These single-
また、3B-INVの入力となる直流電源(第1の直流電源)は平滑コンデンサ4に相当し、その電圧V3B(=VC)は、他の単相インバータ2B-INV、1B-INVの入力となる直流電源(第2の直流電源)の電圧V2B、V1Bよりも大きく、V1B、V2B、V3Bは所定の電圧比になるようにDC/DCコンバータ5にて制御される。このDC/DCコンバータ5は、各インバータの直流電源V1B、V2B、V3Bの電圧比を一定にしつつ、余剰もしくは不足のエネルギを互いに供給し合うものである。
なお、V1B、V2B、V3Bは各インバータ1B-INV、2B-INV、3B-INVの直流電源電圧を示すため、以後、各インバータの入力となる直流電源を便宜上、直流電源V1B、直流電源V2B、直流電源V3Bと記載する。
ここで、V1B、V2B、V3Bの関係を1:3:9とする。このとき図2(a)に示されるように3つのインバータ1B-INV、2B-INV、3B-INVの出力パターンをうまく組み合わせると、インバータユニット1の出力電圧VAは、0〜13の14階調の出力電圧が選択できる。これにより、図2(b)に示すように、ほぼ正弦波の出力電圧波形11となる出力電圧VAが得られ、平滑フィルタ6に入力される。さらに、図3に示されるように、各階調レベルにおいてPWM制御を併用すれば、より高精度に電圧波形をコントロールできる。なお、図2(a)で示した各インバータの出力パターンは、1が正電圧発生、−1が負電圧発生、0がゼロ電圧発生を表す。
In addition, the DC power source (first DC power source) serving as the input of 3B-INV corresponds to the
Since V 1B , V 2B , and V 3B indicate the DC power supply voltages of the
Here, the relationship between V 1B , V 2B , and V 3B is 1: 3: 9. At this time, as shown in FIG. 2A, if the output patterns of the three
V1B、V2B、V3Bの関係は1:3:9以外でもよく、1:2:4から1:3:9まで各種のパターンにより、出力電圧VAはそれぞれ連続的な階調レベルの変化が可能である。それぞれの場合について、各インバータ1B-INV、2B-INV、3B-INVの出力パターンとそれらを直列接続したインバータユニット1の出力電圧VAの階調レベルとの関係を図4のA〜Jの論理表に示す。また、これらの内、1:3:9の場合が、最もレベル数が多くなり高精度な出力電圧波形が期待できる。なお、各階調レベルにおいてPWM制御を併用すれば、より高精度に電圧波形をコントロールできる。各階調レベルにおいて電圧の出力方法にPWM制御を加えるには、V1B、V2B、V3Bの電圧関係によっては、複数の単相インバータの出力にPWM制御を加える必要がある。
The relationship between V 1B , V 2B , and V 3B may be other than 1: 3: 9, and the output voltage V A has a continuous gradation level according to various patterns from 1: 2: 4 to 1: 3: 9. Change is possible. In each case, the relationship between the output pattern of each
また、PWM制御を前提とした場合、直流電源V1Bの電圧が図4で示した電圧関係よりも大きいものであっても良く、図5(a)に示すように、PWM制御による電圧制御に加え、各階調レベル間はΔVだけオーバーラップするため、より連続的な波形出力が可能となる。図4のA〜Jの論理表に対応する条件Ax〜Jxを図5(b)に示す。例えば条件Jxでは、ΔV=V1B−V3B/9となる。 When PWM control is assumed, the voltage of the DC power supply V 1B may be larger than the voltage relationship shown in FIG. 4, and as shown in FIG. In addition, since each gradation level overlaps by ΔV, more continuous waveform output is possible. Conditions Ax to Jx corresponding to the logic tables A to J of FIG. 4 are shown in FIG. For example, under condition Jx, ΔV = V 1B −V 3B / 9.
ところで、200Vの交流出力に必要な最大出力電圧は約282Vであり、インバータユニット1の出力電圧VAは、最大でV1B+V2B+V3Bまで出力できる。このためV1B+V2B+V3Bが約282V以上であれば、パワーコンディショナは200Vの交流出力が可能になる。V1B+V2B+V3Bは、チョッパ回路3で昇圧された電圧であるV3Bより大きく、例えば、V1B、V2B、V3Bの関係が1:3:9の場合、V3Bの13/9倍となる。即ち、V3Bが約195V以上のときV1B+V2B+V3Bは282V以上となり、これが交流出力の条件となる。
このように、V1B、V2B、V3Bの関係が1:3:9の場合に所定の交流出力Voutを得るためには、V3Bが約195V以上となるようにチョッパ回路3を動作させる必要がある。
By the way, the maximum output voltage required for the AC output of 200 V is about 282 V, and the output voltage V A of the
As described above, in order to obtain a predetermined AC output Vout when the relationship between V 1B , V 2B , and V 3B is 1: 3: 9, the
このようなパワーコンディショナのチョッパ回路3の動作について以下に説明する。
チョッパ回路3では、入力となる直流電源2で得られた直流電圧(太陽光電圧)VOが所定の電圧Vm1(195V)までIGBTスイッチ3aをオンオフして該電圧Vm1に昇圧する。この間、バイパス回路7のリレー7aは開放されている。そして、所定の電圧Vm1を超えるとIGBTスイッチ3aを停止する。このとき、バイパス回路7のリレー7aを閉じてバイパス回路7側に電流を流し、チョッパ回路3のリアクトル3bおよびダイオード3cをバイパスする。
The operation of the
In the
チョッパ回路3における太陽光電圧VOに対する動作電圧およびそのときの効率推定値を図6に示す。
図に示すように、太陽光電圧VOが所定の電圧Vm1以下の範囲では、チョッパ回路3は出力電圧V3Bが一定電圧Vm1となるように昇圧するため、太陽光電圧VOの増加と共に昇圧率が低下し、チョッパ回路3の効率が良くなる。太陽光電圧VOが所定の電圧Vm1を超えると、昇圧動作を停止し、バイパス回路7のリレー7aを閉じてバイパス回路7側に電流を流すため、損失がほとんど無くなる。このため太陽光電圧VOが電圧Vm1を境に効率が急に増加する。
なお、昇圧動作を停止する所定の電圧Vm1は約195V以上であれば良いが、より低い電圧とした方がチョッパ回路3の損失をより低減できる。そして昇圧動作を停止後は、IGBTスイッチ3aの停止による大幅な損失低減だけでなく、チョッパ回路3内のリアクトル3bおよびダイオード3cをバイパスさせることで、リアクトル3bおよびダイオード3cの導通損失も無くすことができて、チョッパ回路3における損失はほぼ無くなる。
FIG. 6 shows the operating voltage with respect to the sunlight voltage V O in the
As shown, the range solar light voltage V O is less than or equal to the predetermined voltage V m1, because the
The predetermined voltage V m1 for stopping the boosting operation may be about 195 V or more, but the loss of the
この実施の形態では、太陽光電圧VOをチョッパ回路3で昇圧した直流電圧V3Bを直流源とした単相インバータ3B-INVと、他の単相インバータ2B-INV、1B-INVとの交流側を直列に接続して、各インバータの発生電圧の総和にて出力電圧を得るようにパワーコンディショナを構成した。また、単相インバータ2B-INV、1B-INVの入力となる直流電源V2B、V1Bは、直流電源V3BとDC/DCコンバータ5を介して接続されて、電圧制御されるため、チョッパ回路3は太陽光電圧VOから直流電源V3Bのみを生成すれば良く、効率の良い装置構成となる。このように構成されるパワーコンディショナでは、チョッパ回路3で昇圧した直流電圧V3Bよりも高い電圧を出力することができ、チョッパ回路3の昇圧率を低減できて損失を低減できる。
また、電圧V3Bの動作領域を、パワーコンディショナの出力電圧の最大値よりも低電圧領域とすると、チョッパ回路3の昇圧率を確実に低減できて損失を低減できる。
さらに、太陽光電圧VOが所定の電圧Vm1を超えるとき、昇圧動作を停止し、チョッパ回路3をバイパス回路7でバイパスさせるため、損失をほぼ無くすことができ、変換効率の高いパワーコンディショナが得られる。
In this embodiment, the AC of the single-
Further, when the operating region of the voltage V 3B is set to a voltage region lower than the maximum value of the output voltage of the power conditioner, the boosting rate of the
Further, when the solar voltage V O exceeds the predetermined voltage V m1 , the boosting operation is stopped and the
実施の形態2.
上記実施の形態1におけるバイパス回路7の詳細について、以下に示す。
バイパス回路7はリレー7aで構成され、チョッパ回路3内の直列接続されたリアクトル3bおよびダイオード3cのいずれか一方、あるいは双方をバイパスする。
図7(a)は、上記実施の形態1で示したように、リレー7aでリアクトル3bおよびダイオード3cをバイパスするもの、図7(b)は、リレー7aでダイオード3cのみをバイパスするもの、図7(c)は、リレー7aでリアクトル3bのみをバイパスするものを、それぞれ示す。
また、リレー7aには、並列に自己消弧型の半導体スイッチ7bが接続される。リレー7aは、一般にゼロ電流にて開放するか、もしくは低い電圧で開放するため、直流電流は遮断しにくいものであるが、このように半導体スイッチ7bを並列に備えることにより容易に遮断できる。その場合、リレー7aを開放するのと同時に半導体スイッチ7bをオンさせ、一旦電流を半導体スイッチ7bに移す。これによりリレー7aを流れる電流が遮断され、その後半導体スイッチ7bをオフする。
Details of the
The
FIG. 7A shows the
The
いずれの場合も、太陽光電圧VOが所定の電圧Vm1を超えると、IGBTスイッチ3aを停止して昇圧動作を停止し、バイパス回路7のリレー7aを閉じてバイパス回路7側に電流を流す。
図7(a)の場合では、チョッパ回路3内のリアクトル3bおよびダイオード3cをバイパスさせることで、リアクトル3bおよびダイオード3cの導通損失を無くすことができて、パワーコンディショナ全体の効率を増加する。
図7(b)の場合では、チョッパ回路3内のダイオード3cのみをバイパスさせることで、ダイオード3cの導通損失を無くすことができて、パワーコンディショナ全体の効率を増加する。この場合、リアクトル3bをバイパスしないため、リアクトル3bをフィルタとして利用できる。
In any case, when the solar voltage V O exceeds the predetermined voltage V m1 , the
In the case of FIG. 7A, by bypassing the
In the case of FIG. 7B, by bypassing only the
図7(a)、図7(b)では、ダイオード3cをバイパスさせるため、直流電源V3Bが太陽光電圧VOより高くなると電流の逆流やさらには直流電源2である太陽光パネルへの逆電圧が掛かり、パネルの損傷を招くおそれが有る。このため、リレー7aを流れる電流を検出し、該電流が一定値以下になるとリレー7aを開放し、リアクトル3bおよびダイオード3cを介した電流経路に切り換えるように構成する。このようにリレー7aを開放してダイオード3cの機能を有効にする事で、逆流防止とさらには太陽光パネルの逆電圧保護機能を備える。
なお、リレー7aを開放する際、検出の遅れなどにより既に逆電流が発生していたとしても、一旦電流を半導体スイッチ7bに移すことにより確実に遮断できる。
7 (a) and 7 (b), in order to bypass the
When the
図7(c)の場合では、チョッパ回路3内のリアクトル3bのみをバイパスさせることで、リアクトル3bの導通損失を無くすことができて、パワーコンディショナ全体の効率を増加する。また、ダイオード3cをバイパスしないため、ダイオード3cにより逆流防止および太陽光パネルの逆電圧保護ができ、信頼性が容易に向上できる。この場合、半導体スイッチ7bを設けなくてもリレー7aは遮断できるが、半導体スイッチ7bを設けることで、ダイオード3cの異常などの場合にも遮断できる。
In the case of FIG. 7C, by bypassing only the
2 第3の直流電源(太陽光)、3 昇圧回路としてのチョッパ回路、
3a スイッチ、4 第1の直流電源としての平滑コンデンサ、
5,5a,5b DC/DCコンバータ、7 バイパス回路、7a リレー、
1B-INV,2B-INV,2Ba-INV,3B-INV 単相インバータ。
2 third DC power supply (sunlight), 3 chopper circuit as booster circuit,
3a switch, 4 smoothing capacitor as the first DC power supply,
5, 5a, 5b DC / DC converter, 7 bypass circuit, 7a relay,
1B-INV, 2B-INV, 2Ba-INV, 3B-INV Single-phase inverter.
Claims (7)
上記各単相インバータの入力となる複数の上記直流電源は、電圧が最大である第1の直流電源と、その他の1あるいは複数の第2の直流電源とから成り、
第3の直流電源の電圧を昇圧し、その出力電圧を上記第1の直流電源とする昇圧回路と、該昇圧回路をバイパスさせるバイパス回路とを備え、
上記第3の直流電源の電圧が所定の電圧を超えるとき、上記昇圧回路内のスイッチのオンオフ動作を停止して昇圧動作を停止すると共に、上記バイパス回路により該昇圧回路をバイパスすることを特徴とする電力変換装置。 Connect the AC side of a single-phase inverter that converts DC power of the DC power supply to AC power in series, and gradation the output voltage by the sum of each generated voltage by a predetermined combination selected from the above-mentioned single-phase inverters In the power converter to control,
The plurality of DC power sources serving as inputs of the single-phase inverters are composed of a first DC power source having a maximum voltage and other one or a plurality of second DC power sources,
A voltage boosting circuit that boosts the voltage of a third DC power supply and uses the output voltage as the first DC power supply; and a bypass circuit that bypasses the voltage boosting circuit,
When the voltage of the third DC power source exceeds a predetermined voltage, the on / off operation of the switch in the booster circuit is stopped to stop the booster operation, and the booster circuit is bypassed by the bypass circuit. Power converter.
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