JP2007174792A - 系統連系インバータ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 連系用開閉器及びインバータ回路部が共に正常であることを確認した後に、商用系統との連系運転を安全に開始する。
【解決手段】 この系統連系インバータ装置は、直流電源１の直流電力を交流電力に変換するインバータ回路部２と、インバータ回路部２の出力電圧を検出する出力電圧検出器９と、インバータ回路部２と商用系統８との連系を確立する連系用開閉器７と、商用系統８の電圧を検出する系統電圧検出器１１と、インバータ回路部２及び連系用開閉器７を制御する制御回路部６とを備えている。制御回路部６は、出力電圧検出器９の検出値に基づいて連系用開閉器７の開路状態を確認した後にインバータ回路部２を始動させたのち、出力電圧検出器９の検出値と系統電圧検出器１１の検出値とが略同等になったときに連系用開閉器７を閉じる制御を行う。
【選択図】 図１

Description

本発明は、太陽電池や燃料電池などの直流電源から供給された直流電力を交流電力に変換し、商用系統との連系運転を行う系統連系インバータ装置に関する。

この種のインバータ装置として、特許文献１に記載された技術が知られている。このインバータ装置は、図５に示すように、太陽電池１０１の直流電力を交流電力に変換するインバータ回路部１０２と、インバータ回路部１０２と商用系統（商用交流電源）１０８との連系を確立する連系用開閉器１０７とを備えている。インバータ回路部１０２は、太陽電池１０１の出力電圧を昇圧する昇圧回路１０３と、昇圧回路１０３が出力した直流電圧を交流電圧に変換する正弦波生成回路１０４と、正弦波生成回路１０４の出力を平滑化するフィルタ回路１０５とで構成されている。

連系用開閉器１０７の前後には、インバータ回路部１０２の出力電圧を検出する出力電圧検出器１０６と、商用系統１０８の電圧を検出する系統電圧検出器１０９とが設けられている。そして、出力電圧検出器１０６の検出値と系統電圧検出器１０９の検出値とが略同じであるときに、連系用開閉器１０７に接点溶着などの異常が発生したと判断し、連系運転を中止するように構成されている。
特開２００４−１８７３６２号公報

ところで、連系運転中に連系用開閉器１０７が接点溶着に至る原因としては、商用系統１０８側の異常のほかに、インバータ回路部１０２側の異常を指摘できる。例えば、インバータ回路部１０２のスイッチング素子がノイズ等の外部要因でＯＮ・ＯＦＦ動作に一時的な乱れを生じた場合、大電流が商用系統１０８から連系用開閉器１０７を通ってインバータ回路部１０２に流れ込む。このようなとき、インバータ装置の制御回路部（図示略）は過電流保護回路を動作させて運転を停止するが、大電流によって連系用開閉器１０７が接点溶着を起こしている可能性がある。

また、この種のインバータ装置では、通常、連系用開閉器１０７にリレーを用い、インバータ回路部１０２のスイッチング素子にIＧＢＴ等の半導体を使用している。リレーの接点は半導体よりも電流耐量が大きいため、商用系統１０８から大電流が流れ込んだ場合、連系用開閉器１０７は接点溶着には至らずとも、インバータ回路部１０２のスイッチング素子が破壊される可能性もある。

ところが、従来の系統連系インバータ装置は、インバータ回路部１０２側の異常又は故障を検出する手段を備えていないため、異常停止後の運転再開時に、インバータ回路部１０２が故障した状態で連系用開閉器１０７が閉じることがあり、商用系統１０８から流入した電流によってインバータ回路部１０２が二次的な故障を起こす可能性があった。また、インバータ回路部１０２のフィルタ回路１０５には比較的大きな容量のコンデンサが設けられているため、連系用開閉器１０７が閉じると、充電電流が商用系統１０８から連系用開閉器１０７を通りコンデンサに流れ込み、このとき連系用開閉器１０７が接点にストレスを受け、溶着などの故障を起こすおそれもあった。

そこで、本発明の目的は、連系用開閉器及びインバータ回路部が共に正常であることを確認した後に、商用系統との連系運転を安全に開始することができる系統連系インバータ装置を提供することにある。

上記の課題を解決するために、本発明の系統連系インバータ装置は、直流電源から供給された直流電力を交流電力に変換するインバータ回路部と、インバータ回路部の出力電圧を検出する出力電圧検出器と、インバータ回路部と商用系統との連系を確立する連系用開閉器と、商用系統の電圧を検出する系統電圧検出器と、インバータ回路部及び連系用開閉器を制御する制御回路部とを備え、制御回路部が、出力電圧検出器の検出値に基づいて連系用開閉器の開路状態を確認した後にインバータ回路部を始動させ、出力電圧検出器の検出値と系統電圧検出器の検出値とが略同等になったときに連系用開閉器を閉じる制御を行うことを特徴とする。

上記系統連系インバータ装置において、好ましくは、以下の構成を採用できる。
（１）インバータ回路部と連系用開閉器との間に、インバータ回路部と商用系統との電圧差によって生じる電流を消費する電流制限抵抗と、電流制限抵抗を短絡させる抵抗短絡用開閉器とを設け、制御回路部が連系用開閉器を閉じた後に所定のタイミングで抵抗短絡用開閉器を閉じる制御を行うこと。

（２）インバータ回路部の出力電流を検出する電流検出器を備え、制御回路部が連系用開閉器を閉じた後に電流検出器の検出値に基づいてインバータ回路部のフィードバック制御を行うことを特徴とする。

本発明の系統連系インバータ装置によれば、連系用開閉器の開路状態を確認した後にインバータ回路部を始動するので、連系用開閉器の異常によるインバータ回路部の故障を未然に防止できる。また、インバータ回路部が商用系統の電圧と略同等の電圧を立ち上げた後に連系用開閉器を閉じるので、インバータ回路部の異常状態で連系用開閉器が閉じる可能性がなくなり、インバータ回路部の二次的な故障や連系用開閉器の接点損傷等を確実に防止できる。従って、商用系統との連系運転を従来と比較してより安全に開始できるという効果がある。

さらに、インバータ回路部と連系用開閉器との間に電流制限抵抗と抵抗短絡用開閉器とを設けたので、連系用開閉器が閉じたときに、電流制限抵抗がインバータ回路部と商用系統との電圧差によって生じる電流を消費し、連系用開閉器の接点及びインバータ回路部のスイッチング素子を損傷から保護できる。連系用開閉器が閉じた後には、所定のタイミングで抵抗短絡用開閉器が閉じるので、連系運転中における電流制限抵抗による電力の浪費を回避できる効果もある。

しかも、連系運転中は、インバータ回路部を出力電流の検出値に基づいてフィードバック制御するので、商用系統側の電流変化に応じてインバータ回路部を経済的かつ安全に運転できるとともに、この電流検出値を電圧検出値と併用することで、連系用開閉器の開路状態をより的確に判断できる利点もある。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図１に示すように、この実施形態の系統連系インバータ装置は、太陽電池や燃料電池等の直流電源１から供給された直流電力を交流電力に変換するインバータ回路部２と、インバータ回路部２と商用系統８との連系を確立する連系用開閉器７と、インバータ回路部２及び連系用開閉器７等を制御する制御回路部６とを備えている。

インバータ回路部２は、直流電源１の直流電力を昇圧回路３で３５０〜４００Ｖ程度の一定電圧に昇圧し、正弦波生成回路４においてIＧＢＴ等の半導体からなる四つのスイッチング素子Ａ，ａ，Ｂ，ｂによって櫛形状のパルス波形に変換し、その出力をフィルタ回路５のコイルＬとコンデンサＣで平滑化して、正弦波状の交流電力を出力するように構成されている。

フィルタ回路５には、インバータ回路部２の出力電圧を検出する出力電圧検出器９と、インバータ回路部２の出力電流を検出する電流検出器１０とが設けられている。連系用開閉器７の後段には、商用系統８の交流電圧を検出する系統電圧検出器１１が設けられている。そして、インバータ回路部２と連系用開閉器７との間に電流制限抵抗１２と抵抗短絡用開閉器１３とが設けられている。

電流制限抵抗１２は、連系用開閉器７を閉じた瞬間にインバータ回路部２と商用系統８との電圧差によって流れる電流を消費するとともに、連系用開閉器７のチャタリング等に伴って流れる瞬時電流を消費する。抵抗短絡用開閉器１３は、連系用開閉器７が閉じた後の所定のタイミング、つまり電流制限抵抗１２が電流を安定状態とするに必要な時間を経過した時点で閉じ、電流制限抵抗１２を短絡させ、連系運転中の抵抗１２による電力の浪費を防ぐようになっている。

制御回路部６は、連系運転開始時にマイクロプロセッサによりインバータ回路部２、連系用開閉器７、抵抗短絡用開閉器１３を図２に示す手順で制御する。まず、インバータ回路部２の出力電圧を確認し（Ｓ１）、出力電圧検出器９の検出値が閾値以下であるときに、連系用開閉器７が正常に開いていると判断する。連系用開閉器７の接点が溶着するなどして、出力電圧検出器９が商用系統８の電圧を検出した場合は、連系用開閉器７に異常ありと判断し、インバータ回路部２を停止状態に保持する（Ｓ９）。

このとき、出力電圧検出器９はフィルタ回路部５のコンデンサＣの影響で高インピーダンス状態にあり、誘導等を受けて多少の電圧を生じる。このため、閾値を例えば数１０Ｖ程度に設定して、連系用開閉器７の正常又は異常を判定するのが好ましい。

次に、インバータ回路部２の出力電流を確認し（Ｓ２）、出力電流検出器１０の検出値が０（Ａ）であるときに、連系用開閉器７が正常に開いていると判断する。連系用開閉器７の接点が溶着するなどして、出力電流検出部１０がフィルタ回路部５のコンデンサＣに流れる充電電流を検出した場合は、連系用開閉器７に異常ありと判断し、インバータ回路部２を停止状態に保持する（Ｓ９）。こうすれば、電圧及び電流の二つの検出値を用いて連系用開閉器７の正常又は異常をより的確に判定できる。

連系用開閉器７の開路状態を確認すると、制御回路部６はインバータ回路部２を起動する（Ｓ３）。そして、図３に例示するような電圧フィードバック回路１４を用い、系統電圧検出器１１の検出値に基づいて正弦波生成回路４のスイッチング素子Ａ，ａ，Ｂ，ｂをＯＮ・ＯＦＦ制御し、インバータ回路部２に商用系統８の電圧と略同等の電圧を出力させるための電圧フィードバック制御を行う（Ｓ４）。

続いて、出力電圧検出器９が検出した電圧実効値と系統電圧検出器１１が検出した電圧実効値とを比較し（Ｓ５）、両方の電圧実効値が略同等となった時点で、インバータ回路部２が正常に動作していると判断する。また、正弦波生成回路４のスイッチング素子Ａ，ａ，Ｂ，ｂが故障し、インバータ回路部２が所要電圧を立ち上げることができない場合は、インバータ回路部２に異常ありと判断し、これを停止状態に保持する（Ｓ９）。

インバータ回路部２の正常動作を確認すると、制御回路部６は連系用開閉器７を閉路状態とする（Ｓ６）。このとき、インバータ回路部２は商用系統８と略同等の電圧を出力しているが、フィードバック制御の遅れに伴う位相差によってわずかな電流が流れる。また、連系用開閉器７を閉じた瞬間のチャタリングによっても回路に電流が流れるが、インバータ回路部２と連系用開閉器７との間に電流制限抵抗１２が設けられているので、これらの瞬時電流を抵抗１２で消費して、スイッチング素子Ａ，ａ，Ｂ，ｂの損傷を未然に防止することができる。

また、連系用開閉器７のリレー接点は閉路となるタイミングを正確に制御することが困難なため、商用系統８の電圧位相によってはフィルタ回路部５のコンデンサＣに大きな充電電流が流入する可能性がある。しかし、この実施形態のインバータ装置では、連系用開閉器７を閉じる時点で、既にインバータ回路部２が商用系統８と略同等の電圧を立ち上げているので、コンデンサＣへの充電電流の流入を抑えて、連系用開閉器７の接点を損傷から確実に保護することができる。

連系用開閉器７を閉じた後、制御回路部６は瞬時電流が消費される所定の時間が経過した時点で抵抗短絡用開閉器１３を閉路状態とする（Ｓ７）。そして、図４に例示する電流フィードバック回路１５において、出力電流の指令値、位相指定値及び検出値に基づいて比例・積分回路１６により制御値を作成し、この制御値により電圧フィードバック回路１４を介してインバータ回路部２のスイッチング素子Ａ，ａ，Ｂ，ｂを制御し、商用系統８との連系運転を行う（Ｓ８）。

本発明の一実施形態を示す系統連系インバータ装置の回路図である。 制御回路部の処理を示すフローチャートである。 電圧フィードバック回路を示す回路図である。 電流フィードバック回路を示す回路図である。 従来の系統連系インバータ装置を示すブロック図である。

符号の説明

１ 直流電源
２ インバータ回路部
６ 制御回路部
７ 連系用開閉器
８ 商用系統
９ 出力電圧検出器
１０ 出力電流検出器
１１ 系統電圧検出器
１２ 電流制限抵抗
１３ 抵抗短絡用開閉器

Claims (3)

1. 直流電源から供給された直流電力を交流電力に変換するインバータ回路部と、インバータ回路部の出力電圧を検出する出力電圧検出器と、インバータ回路部と商用系統との連系を確立する連系用開閉器と、商用系統の電圧を検出する系統電圧検出器と、インバータ回路部及び連系用開閉器を制御する制御回路部とを備え、
   制御回路部が、出力電圧検出器の検出値に基づいて連系用開閉器の開路状態を確認した後にインバータ回路部を始動させ、出力電圧検出器の検出値と系統電圧検出器の検出値とが略同等になったときに連系用開閉器を閉じる制御を行うことを特徴とする系統連系インバータ装置。
2. インバータ回路部と連系用開閉器との間に、インバータ回路部と商用系統との電圧差によって生じる電流を消費する電流制限抵抗と、電流制限抵抗を短絡させる抵抗短絡用開閉器とを設け、制御回路部が連系用開閉器を閉じた後に所定のタイミングで抵抗短絡用開閉器を閉じる制御を行うことを特徴とする請求項１記載の系統連系インバータ装置。
3. インバータ回路部の出力電流を検出する電流検出器を備え、制御回路部が連系用開閉器を閉じた後に電流検出器の検出値に基づいてインバータ回路部のフィードバック制御を行うことを特徴とする請求項１又は２記載の系統連系インバータ装置。
   

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