JP2009017646A - 電流形インバータによる直流電源の重畳構成 - Google Patents

Abstract

【課題】複数の直流電源を共通のインバータで重畳するに当たって簡易な構成とすることができる複数の直流電源の重畳構成を提供する。
【解決手段】複数の直流電源Ｇ₁，Ｇ₂，…，Ｇ_nを共通のインバータＡを介して系統連系する直流電源の重畳構成において、インバータＡを電流形で構成し、該インバータＡの入力側の接続経路Ｐａ，Ｐｂに対して、インダクタＬ_Dを直列接続すると共に該インダクタＬ_Dの入力側に前記各直流電源を並列接続し、前記各直流電源の出力側の接続経路Ｑａ，Ｑｂにそれぞれスイッチング素子Ｓ₁，Ｓ₂，…，Ｓ_nを直列接続し、インバータＡの下アームＡ４，Ａ３との接続経路Ｐｂと、インバータＡの上アームＡ１，Ａ２との接続経路Ｐａとが、ダイオードＤを介して、該ダイオードＤが前記各直流電源の出力側で且つインダクタＬ_Dの入力側に位置するように接続されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、複数の直流電源を共通のインバータを介して系統連系する直流電源の重畳構成に関する。

従来、インバータを使用して系統連系を行う複数の直流電源を重畳する構成として、下記特許文献１に記載のものが提案されている。

この直流電源の重畳構成は、特許文献１の図２に示すように、複数の直流電源を共通のインバータ５で重畳する構成である。即ち、インバータの入力側に複数の分散型電力発生源（直流電源）２Ａ，２Ａ，…を並列に接続し、該複数の直流電源２Ａ，２Ａ，…からの直流を該インバータ５で交流に変換するように構成されている。

しかし、かかる構成のインバータは、特許文献１の図１に示す如く、ダイオード及びスイッチング素子を並列に接続したアームを含む電圧形のものであるため、インバータの入力側に並列に接続された複数の直流電源２Ａ，２Ａ，…の出力電圧がいずれも同じになるように該出力電圧を揃える必要がある。例えば、互い異なる定格電圧を出力する複数の直流電源２Ａ，２Ａ，…の場合には、該直流電源２Ａ，２Ａ，…にそれぞれ直流側変換装置（ＤＣ／ＤＣコンバータ）３Ａ，３Ａ，…を設けて出力電圧を揃える必要がある。また、同じ定格電圧を出力する複数の直流電源２Ａ，２Ａ，…の場合であっても起動時等のように電圧が変動する場合があるため、通常、直流電源２Ａ，２Ａ，…にそれぞれコンバータ３Ａ，３Ａ，…が設けられる。このように出力電圧を揃えるために、複数の直流電源にそれぞれコンバータを設けると、それだけ複数の直流電源の重畳構成が複雑化する。
特開２００３−２５０２２２号公報

そこで、本発明は、複数の直流電源を共通のインバータで重畳するに当たって簡易な構成とすることができる複数の直流電源の重畳構成を提供することを課題とする。

本発明は、前記課題を解決するために、複数の直流電源を共通のインバータを介して系統連系する直流電源の重畳構成において、前記インバータをそのアームが逆阻止型のスイッチング素子より成る電流形で構成し、前記インバータの入力側の接続経路に対して、インダクタを直列接続すると共に該インダクタの入力側に前記複数の直流電源を並列接続し、前記インバータの入力側の接続経路との前記各直流電源の出力側の接続経路にそれぞれスイッチング素子を直列接続し、前記インバータの入力側の接続経路において前記インバータの下アームとの接続経路と、前記インバータの上アームとの接続経路との間を、前記インバータの下アームから上アームを順方向とするダイオードを介して、該ダイオードが前記各直流電源の出力側で且つ前記インダクタの入力側に位置するように接続したことを特徴とする複数の直流電源の重畳構成を提供する。

前記直流電源としては、それには限定されないが、例えば、太陽電池、燃料電池、入力側に動力源を設けると共に出力側に整流器を設けた発電機（例えば、エンジン駆動発電機や風力発電機）等を挙げることができる。

本発明に係る複数の直流電源の重畳構成によれば、前記インバータを電流形としたので、前記複数の直流電源の出力電圧を揃えるために該複数の直流電源に個別にコンバータを設けることが不要となり、これにより、該複数の直流電源を共通のインバータで重畳するに当たって簡易な構成とすることができる。

さらに、前記インバータが電流形のものであるため、該電流形インバータの入力側で電流還流のための閉回路が常時必要となるところ、該インバータの下アームとの接続経路と、該インバータの上アームとの接続経路との間を、該インバータの下アームから上アームを順方向とするダイオードを介して、該ダイオードが前記各直流電源の出力側で且つ前記インダクタの入力側に位置するように接続している。即ち、前記インバータの上アーム及び下アームを前記インダクタ及び前記ダイオードを介して循環する閉回路を形成することができる。このため、前記複数の直流電源の全てをそれぞれのスイッチング素子によって前記インバータから電気的に遮断することが可能となり、これにより、前記各直流電源による最適な系統連系運転を行うことができる。

本発明に係る複数の直流電源の重畳構成において、前記各直流電源の出力効率が最大となるように該各直流電源の出力側に設けられた前記スイッチング素子をオンオフ制御することが好ましい。こうすることで、前記直流電源として、例えば、エンジン駆動発電機、風力発電機、燃料電池や太陽電池等を使用する場合に、これら直流電源にとって最適な効率が得られるような制御を実現することができる。

この場合、前記インダクタに流れるインダクタ電流が所定値以下となるように前記インバータ又は前記各直流電源のスイッチング素子をオンオフ制御することが好ましい。こうすることで、前記インバータ又は前記各直流電源の電力供給効率を向上させることができる。

また、前記各直流電源の出力効率が最大となるように前記スイッチング素子をオンオフ制御する場合、前記各直流電源に接続される前記スイッチング素子のスイッチング周期当たりのオン時間比率が、前記インダクタに流れるインダクタ電流値に対する前記各直流電源の最適電流値の比率に対応していることが好ましい。この場合、前記各直流電源の運転効率を向上させることができる。また、前記オン時間比率を前記インダクタ電流値に対する前記各直流電源の最適電流値の比率とすることで、例えば、前記各直流電源から一定の平滑電流を出力する場合に必要となるフィルタの容量を小さくすることができる。

以上説明したように、本発明に係る複数の直流電源の重畳構成によると、複数の直流電源を１つのインバータで重畳するに当たって簡易な構成とすることができる。

以下、本発明の実施形態について添付図面を参照しつつ説明する。なお、以下の実施の形態は、本発明を具体化した一例であって、本発明の技術的範囲を限定する性格のものではない。

図１は、本発明の一実施形態に係る複数の直流電源の重畳構成を備えた分散電源装置の概略構成図である。図１に示す分散電源装置１０は、系統連系用電流形インバータＡと、インダクタＬ_Dと、ダイオードＤと、所定のｎ個（ｎは２以上の整数）のスイッチング素子Ｓ₁，Ｓ₂，…，Ｓ_nと、該分散電源装置１０の制御を司る制御装置１３（図１では図示省略、後述する図２参照）とを備えている。

この分散電源装置１０において、インバータＡの入力側には、直流電源Ｇ₁，Ｇ₂，…，Ｇ_nが接続されている。直流電源Ｇ₁，Ｇ₂，…，Ｇ_nとしては、エンジンや風車等の動力源２１を入力系に連結すると共に整流器２３を出力系に接続した発電機２２、或いは、燃料電池や太陽電池を使用することができる。

インバータＡは、そのアームが逆阻止形のスイッチング素子より成る電流形で構成されている。この電流形インバータＡは、単相構成のものであってもよいし、三相構成のものであってもよい。以下、単相構成の電流形インバータを例にとって説明する。

図２は、図１に示す分散電源装置１０における電流形インバータＡを単相構成のものとした一例を示す図である。この電流形インバータＡは、図２に示すように、アーム対Ｂ１，Ｂ２が二対並列に接続されている。アーム対Ｂ１，Ｂ２は、それぞれ、上アームＡ１，Ａ２及び下アームＡ４，Ａ３が直列に接続されている。上アームＡ１，Ａ２及び下アームＡ４，Ａ３は、いずれも、逆阻止形のスイッチング素子より成っている。逆阻止形のスイッチング素子は、電流を一方向にしか流さないようにしたスイッチング素子であり、例えば、ダイオードとＩＧＢＴなどのスイッチング素子を直列接続したものである。なお、三相構成の電流形インバータとしては、逆阻止形のスイッチング素子より成る上アーム及び下アームを直列に接続してなるアーム対をそれぞれ三対並列に接続したものを例示できる。

電流形インバータＡの出力側には、各アーム対Ｂ１，Ｂ２の上アームＡ１，Ａ２と下アームＡ４，Ａ３との間において、それぞれ、二つの接続経路Ｕ，Ｖを介して単相の商用電源３０が接続されている。この二つの接続経路Ｕ，Ｖには、それぞれ、該二つの接続経路Ｕ，Ｖに対して並列接続されたキャパシタＣ_Sが設けられている。

一方、電流形インバータＡの入力側で上アームＡ１，Ａ２及び下アームＡ４，Ａ３とそれぞれ接続する経路Ｐａ，Ｐｂの少なくとも一方（ここでは上アームＡ１，Ａ２と接続する経路Ｐａ）には、インダクタＬ_Dが直列に接続されている。インバータＡの入力側の接続経路Ｐａ，ＰｂのインダクタＬ_Dの入力側には、ｎ台の直流電源Ｇ₁，Ｇ₂，…，Ｇ_nが並列に接続されている。さらに、このインバータＡの入力側の接続経路Ｐａ，Ｐｂとｎ台の直流電源Ｇ₁，Ｇ₂，…，Ｇ_nの出力側の接続経路Ｑａ，Ｑｂの内、いずれか一方（ここでは一方の接続経路Ｑａ）にスイッチング素子Ｓ₁，Ｓ₂，…，Ｓ_nがそれぞれ直列に接続されている。

そして、インバータＡの下アームＡ４，Ａ３との接続経路Ｐｂと、インバータＡの上アームＡ１，Ａ２との接続経路ＰａとがダイオードＤを介して接続されている。このダイオードＤは、インバータＡの下アームＡ４，Ａ３から上アームＡ１，Ａ２を順方向としている。また、ダイオードＤは、ｎ台の直流電源Ｇ₁，Ｇ₂，…，Ｇ_nの出力側で且つインダクタＬ_Dの入力側に位置している。かかる構成により、インバータＡの上アームＡ１，Ａ２及び下アームＡ４，Ａ３に対して、インダクタＬ_D及びダイオードＤを介して循環する閉回路Ｒを形成することができる。

また、本実施の形態では、ｎ台の直流電源Ｇ₁，Ｇ₂，…，Ｇ_nの出力側の接続経路Ｑａ，Ｑｂには、フィルタＦ₁，Ｆ₂，…，Ｆ_nがそれぞれ接続されている。詳しくは、フィルタＦ₁，Ｆ₂，…，Ｆ_nは、それぞれ、インダクタＬ₁，Ｌ₂，…，Ｌ_n及びキャパシタＣ１，Ｃ２，…，Ｃｎからなっている。インダクタＬ₁，Ｌ₂，…，Ｌ_nは、それぞれ、直流電源Ｇ₁，Ｇ₂，…，Ｇ_nの出力側の接続経路（ここでは一方の接続経路Ｑａ）に直列に接続されており、キャパシタＣ１，Ｃ２，…，Ｃｎは、それぞれ、直流電源Ｇ₁，Ｇ₂，…，Ｇ_nの出力側の接続経路Ｑａ，Ｑｂ間に接続されている。

制御装置１３は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）１４と、記憶部１５とを備えている。記憶部１５は、ＲＯＭ（Read Only Memory）１５１及びＲＡＭ（Random Access Memory）１５２を含み、各種制御プログラムや必要な関数及びテーブルを記憶するようになっている。

制御装置１３は、ＣＰＵ１４によって、スイッチング制御プログラムを記憶部１５から読み出し、該読み出したスイッチング制御プログラムを実行することで、ｎ台の直流電源Ｇ₁，Ｇ₂，…，Ｇ_nに接続されたスイッチング素子Ｓ₁，Ｓ₂，…，Ｓ_n及び電流形インバータＡにおける各アームＡ１〜Ａ４のスイッチング素子のスイッチング制御を行うように構成されている。

本発明の実施に係る複数の直流電源の重畳構成を備えた分散電源装置１０によれば、インバータＡを電流形としたので、ｎ台の直流電源Ｇ₁，Ｇ₂，…，Ｇ_nの出力電圧を揃える必要がなく、従って、これらの直流電源Ｇ₁，Ｇ₂，…，Ｇ_nに個別にコンバータを設けなくてもよく、これにより、各直流電源Ｇ₁，Ｇ₂，…，Ｇ_nを共通のインバータＡで重畳するに当たって簡単な構成にすることができる。

さらに、本発明の実施に係る複数の直流電源の重畳構成においては、電流形インバータＡの上アームＡ１，Ａ２及び下アームＡ４，Ａ３をインダクタＬ_D及びダイオードＤを介して循環する閉回路Ｒを形成できるので、例えば、分散電源装置１０において最適な系統連系運転に支障がある場合には、ｎ台の直流電源Ｇ₁，Ｇ₂，…，Ｇ_nをそれぞれのスイッチング素子Ｓ₁，Ｓ₂，…，Ｓ_nによって該インバータＡに対して電気的に遮断することができ、これにより、最適な系統連系運転を行うことが可能となる。

本実施の形態においては、制御装置１３は、ｎ台の直流電源Ｇ₁，Ｇ₂，…，Ｇ_nの出力効率が最大となるようにスイッチング素子Ｓ₁，Ｓ₂，…，Ｓ_nをオンオフ制御する。換言すれば、制御装置１３は、それぞれの直流電源Ｇ₁，Ｇ₂，…，Ｇ_nにとって最も効率のよい出力電流が得られるようにそれぞれのスイッチング素子Ｓ₁，Ｓ₂，…，Ｓ_nをオンオフ制御する。こうすることで、前記直流電源として、例えば、入力側に動力源２１を設けると共に出力側に整流器２３を設けた発電機２２、或いは、燃料電池や太陽電池を使用する場合であっても、これら直流電源の最適な効率を得ることが可能となる。

また、本実施の形態においては、制御装置１３は、さらに、インダクタＬ_Dに流れるインダクタ電流を検出するインダクタ電流検出手段（図示せず）を備え、前記インダクタ電流検出手段の検出結果に基づき、インダクタＬ_Dに流れるインダクタ電流の電流値が所定値以下となるようにインバータＡのアームＡ１〜Ａ３のスイッチング素子又は各直流電源Ｇ₁，Ｇ₂，…，Ｇ_nのスイッチング素子Ｓ₁，Ｓ₂，…，Ｓ_nをオンオフ制御するように構成されている。

ここで、インダクタＬ_Dに流れるインダクタ電流値をｉ_L、ｎ台の直流電源Ｇ₁，Ｇ₂，…，Ｇ_nの最適電流値をそれぞれｉ₁，ｉ₂，…，ｉ_n、各直流電源Ｇ₁，Ｇ₂，…，Ｇ_nに接続されるスイッチング素子Ｓ₁，Ｓ₂，…，Ｓ_nの全てがオフしている場合にダイオードＤに流れる電流（閉回路Ｒに流れる電流）をｉ_Rとすると、インダクタ電流値ｉ_Lは、次の式（１）の関係となる。

即ち、インバータＡのアームＡ１〜Ａ４のスイッチング素子又は各直流電源Ｇ₁，Ｇ₂，…，Ｇ_nのスイッチング素子Ｓ₁，Ｓ₂，…，Ｓ_nのオンオフ制御により、好ましくは、閉回路Ｒに流れる電流ｉ_Rが可及的に小さくなるように、さらに好ましくは、電流ｉ_Rがゼロになるように、インダクタ電流値ｉ_Lを設定することで、インダクタ電流値ｉ_Lを各直流電源Ｇ₁，Ｇ₂，…，Ｇ_nの最適電流値ｉ₁，ｉ₂，…，ｉ_nの総和に可及的に近づける、或いは等しくすることができる。これにより、インバータＡ又は各直流電源Ｇ₁，Ｇ₂，…，Ｇ_nのスイッチング素子のスイッチング制御を行いつつ、無駄な電力損失を可及的になくすことができ、それだけインバータＡ及び各直流電源Ｇ₁，Ｇ₂，…，Ｇ_nの電力供給効率を向上させることができる。

また、本実施の形態においては、制御装置１３は、さらに、各直流電源Ｇ₁，Ｇ₂，…，Ｇ_nに接続されるスイッチング素子Ｓ₁，Ｓ₂，…，Ｓ_nのスイッチング周期当たりのオン時間比率（デューティー比）が、インダクタ電流値ｉ_Lに対する各直流電源Ｇ₁，Ｇ₂，…，Ｇ_nの最適電流値ｉ₁，ｉ₂，…，ｉ_nの比率に対応するように構成されている。

図３は、各直流電源Ｇ₁，Ｇ₂，…，Ｇ_nにおけるスイッチング素子Ｓ₁，Ｓ₂，…，Ｓ_nの１スイッチング周期当たりのオン時間比率を説明するための図であって、図３（ａ）は、時間的に変化するインダクタ電流の一例の電流値ｉ_Lにおける各直流電源Ｇ₁，Ｇ₂，…，Ｇ_nの最適電流値ｉ₁，ｉ₂，…，ｉ_n及び閉回路Ｒに流れる電流ｉ_Rを示す図であり、図３（ｂ）は、各直流電源Ｇ₁，Ｇ₂，…，Ｇ_nに接続されるスイッチング素子Ｓ₁，Ｓ₂，…，Ｓ_nの図３（ａ）に示すα時間に対応するスイッチング制御パターンの一例を示すタイミングチャートであり、図３（ｃ）は、各直流電源Ｇ₁，Ｇ₂，…，Ｇ_nに接続されるスイッチング素子Ｓ₁，Ｓ₂，…，Ｓ_nの図３（ａ）に示すβ時間に対応するスイッチング制御パターンの一例を示すタイミングチャートである。

ここで、スイッチング周期をＴ、各直流電源Ｇ₁，Ｇ₂，…，Ｇ_nに接続されるスイッチング素子Ｓ₁，Ｓ₂，…，Ｓ_nのオン時間をそれぞれｔ₁，ｔ₂，…，ｔ_nとした場合、各直流電源Ｇ₁，Ｇ₂，…，Ｇ_nに接続されるスイッチング素子Ｓ₁，Ｓ₂，…，Ｓ_nのスイッチング周期当たりのオン時間比率ｒ₁，ｒ₂，…，ｒ_nは、次の（式２）の関係となる。但し、（式２）において、ｊは１〜ｎである。

また、スイッチング周期Ｔの内で、各直流電源Ｇ₁，Ｇ₂，…，Ｇ_nに接続されるスイッチング素子Ｓ₁，Ｓ₂，…，Ｓ_nの全てがオフしている時間がないタイミングの場合（即ち、閉回路Ｒに電流ｉ_Rが流れないタイミングの場合：図３のα時間参照）、オン時間比率ｒ₁，ｒ₂，…，ｒ_nの総和は、次の（式３）の関係となる。

また、スイッチング周期Ｔの内で、各直流電源Ｇ₁，Ｇ₂，…，Ｇ_nにおけるスイッチング素子Ｓ₁，Ｓ₂，…，Ｓ_nの全てがオフしている時間があるタイミングの場合（即ち、閉回路Ｒに電流ｉ_Rが流れるタイミングの場合：図３のβ時間参照）、オン時間比率ｒ₁，ｒ₂，…，ｒ_nの総和は、次の（式４）の関係となる。

そして、このオフ時間をｔ_Rとし、スイッチング周期Ｔに対するオフ時間ｔ_Rの時間比率をｒ_Rとすると、オフ時間比率ｒ_R並びにオン時間比率ｒ₁，ｒ₂，…，ｒ_nとオフ時間比率ｒ_Rとの総和は、次の（式５）及び（式６）の関係となる。

このように、各直流電源Ｇ₁，Ｇ₂，…，Ｇ_nに接続されるスイッチング素子Ｓ₁，Ｓ₂，…，Ｓ_nのスイッチング周期Ｔ当たりのオン時間比率ｒ₁，ｒ₂，…，ｒ_nを、インダクタ電流値ｉ_Lに対する各直流電源Ｇ₁，Ｇ₂，…，Ｇ_nの最適電流値ｉ₁，ｉ₂，…，ｉ_nの比率とすることで、各直流電源Ｇ₁，Ｇ₂，…，Ｇ_nの運転効率を向上させることができる。また、オン時間比率ｒ₁，ｒ₂，…，ｒ_nをインダクタ電流値ｉ_Lに対する各直流電源Ｇ₁，Ｇ₂，…，Ｇ_nの最適電流値ｉ₁，ｉ₂，…，ｉ_nの比率とすることで、例えば、図３（ａ）に示すように、インダクタ電流値ｉ_Lの脈動に拘わらず、各直流電源Ｇ₁，Ｇ₂，…，Ｇ_nの最適電流値ｉ₁，ｉ₂，…，ｉ_nを得ることができる。これにより、各直流電源Ｇ₁，Ｇ₂，…，Ｇ_nから一定の平滑電流を出力する場合に必要となるフィルタＦ₁，Ｆ₂，…，Ｆ_nの容量を小さくすることができる。

なお、以上の説明では、前記インバータＡと前記直流電源Ｇ₁，Ｇ₂，…，Ｇ_nとを１組の制御装置１３で制御する構成としたが、複数の制御装置を用いて個別に制御する構成としても良い。

本発明の一実施形態に係る複数の直流電源の重畳構成を備えた分散電源装置の概略構成図である。 図１に示す分散電源装置における電流形インバータを単相構成のものとした場合の一例を示す図である。 各直流電源におけるスイッチング素子の１スイッチング周期当たりのオン時間比率を説明するための図であって、図（ａ）は、時間的に変化するインダクタ電流の一例の電流値における各直流電源の最適電流値及び閉回路に流れる電流を示す図であり、図（ｂ）は、各直流電源に接続されるスイッチング素子の図（ａ）に示すα時間に対応するスイッチング制御パターンの一例を示すタイミングチャートであり、図（ｃ）は、各直流電源に接続されるスイッチング素子Ｓ₁，Ｓ₂，…，Ｓ_nの図（ａ）に示すβ時間に対応するスイッチング制御パターンの一例を示すタイミングチャートである。

符号の説明

Ａ インバータ
Ａ１，Ａ２ 上アーム
Ａ３，Ａ４ 下アーム
Ｄ ダイオード
Ｇ₁，Ｇ₂，…，Ｇ_n 直流電源
Ｌ_D インダクタ
Ｐａ，Ｐｂ インバータの入力側の接続経路
Ｓ₁，Ｓ₂，…，Ｓ_n 直流電源に接続されるスイッチング素子
Ｑａ，Ｑｂ 直流電源の出力側の接続経路
ｉ_L インダクタ電流値
ｉ₁，ｉ₂，…，ｉ_n 直流電源の最適電流値
ｒ₁，ｒ₂，…，ｒ_n オン時間比率

Claims (4)

1. 複数の直流電源を共通のインバータを介して系統連系する直流電源の重畳構成において、
   前記インバータをそのアームが逆阻止型のスイッチング素子より成る電流形で構成し、
   前記インバータの入力側の接続経路に対して、インダクタを直列接続すると共に該インダクタの入力側に前記複数の直流電源を並列接続し、
   前記インバータの入力側の接続経路との前記各直流電源の出力側の接続経路にそれぞれスイッチング素子を直列接続し、
   前記インバータの入力側の接続経路において前記インバータの下アームとの接続経路と、前記インバータの上アームとの接続経路との間を、前記インバータの下アームから上アームを順方向とするダイオードを介して、該ダイオードが前記各直流電源の出力側で且つ前記インダクタの入力側に位置するように接続したことを特徴とする複数の直流電源の重畳構成。
2. 請求項１記載の複数の直流電源の重畳構成において、
   前記各直流電源の出力効率が最大となるように該各直流電源の出力側に設けられた前記スイッチング素子をオンオフ制御することを特徴とする複数の直流電源の重畳構成。
3. 請求項２記載の複数の直流電源の重畳構成において、
   前記インダクタに流れるインダクタ電流が所定値以下となるように前記インバータ又は前記各直流電源のスイッチング素子をオンオフ制御することを特徴とする複数の直流電源の重畳構成。
4. 請求項２又は３に記載の複数の直流電源の重畳構成において、
   前記各直流電源に接続される前記スイッチング素子のスイッチング周期当たりのオン時間比率が、前記インダクタに流れるインダクタ電流値に対する前記各直流電源の最適電流値の比率に対応していることを特徴とする複数の直流電源の重畳構成。

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