JP2009142052A - Power converter - 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、第1のコンデンサの直流電圧V1を直流源とした第1の単相インバータと、他の第2、第3の単相インバータとの交流側を直列に接続して、各単相インバータの発生電圧の総和にて出力電圧を得る。複数の単相インバータの各直流電圧で最大の電圧である第1のコンデンサの電圧は、太陽電池から降圧コンバータおよび昇圧チョッパを介して所望電圧に生成する。
このように構成されるパワーコンディショナでは、第1のコンデンサの直流電圧V1よりも高い電圧を出力することができ、また各インバータを耐電圧の低い素子で構成でき、損失の低減された効率の良い装置構成が達成できる(例えば、特許文献1参照)。
In the conventional power conditioner, the AC side of the first single-phase inverter using the DC voltage V1 of the first capacitor as the DC source and the other second and third single-phase inverters are connected in series, The output voltage is obtained as the sum of the voltages generated by each single-phase inverter. The voltage of the first capacitor, which is the maximum voltage among the DC voltages of the plurality of single-phase inverters, is generated from the solar cell to a desired voltage via the step-down converter and the step-up chopper.
In the power conditioner configured as described above, a voltage higher than the DC voltage V1 of the first capacitor can be output, and each inverter can be configured with an element having a low withstand voltage. A good device configuration can be achieved (see, for example, Patent Document 1).
複数の単相インバータの発生電圧の総和にて出力電圧を得るパワーコンディショナは、太陽電池の出力電圧から生成する第1のコンデンサの電圧は、交流出力のピーク電圧よりも低いもので良く、入力電圧となる太陽電池の電圧が変動しても、良好な効率で信頼性良く出力可能な装置構成である。しかしながら、複数の単相インバータ、降圧コンバータおよび昇圧チョッパを制御する制御部を動作させるための制御電源回路は、多数の電源電圧を精度良く出力することが求められる。従来のパワーコンディショナでは、制御電源回路の入力電圧は太陽電池から供給されており、太陽電池の電圧が大きく変動すると、特に低い電圧領域において制御電源回路からの出力を安定して得るのは困難で、これにより、パワーコンディショナの入力電圧範囲も狭められるものであった。また、太陽電池の電圧の低い領域と高い領域の双方で、制御電源回路の効率が悪く、パワーコンディショナ全体の効率が低下するという問題点があった。また、上記制御電源回路の入力電圧が、系統電源から供給される場合もあるが、系統電源の電力を消費するため変換効率を低下させることと同値であった。 In the power conditioner that obtains the output voltage by the sum of the voltages generated by a plurality of single-phase inverters, the voltage of the first capacitor generated from the output voltage of the solar cell may be lower than the peak voltage of the AC output. Even if the voltage of the solar cell, which is a voltage, fluctuates, the device configuration can output with good efficiency and reliability. However, a control power supply circuit for operating a control unit that controls a plurality of single-phase inverters, a step-down converter, and a step-up chopper is required to output a large number of power supply voltages with high accuracy. In the conventional power conditioner, the input voltage of the control power circuit is supplied from the solar battery, and when the voltage of the solar battery fluctuates greatly, it is difficult to stably obtain the output from the control power circuit, particularly in a low voltage region. As a result, the input voltage range of the inverter is also narrowed. In addition, there is a problem that the efficiency of the control power supply circuit is poor in both the low voltage region and the high voltage region of the solar cell, and the efficiency of the entire power conditioner is reduced. In some cases, the input voltage of the control power supply circuit is supplied from the system power supply. However, the power consumption of the system power supply is consumed, which is equivalent to reducing the conversion efficiency.
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、太陽電池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、制御電源回路の効率および信頼性を向上させ、電力変換装置の変換効率向上と入力電圧範囲の拡大とを図ることを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and in a power converter that converts electric power from a DC power source such as a solar cell into AC and outputs it to a system or a load. The purpose is to improve the efficiency and reliability of the power supply circuit, to improve the conversion efficiency of the power converter and to expand the input voltage range.
この発明による電力変換装置は、第1の直流電源と、該第1の直流電源の電圧を昇圧もしくは降圧する昇降圧回路と、インバータ部と、該インバータ部および上記昇降圧回路を制御する制御部と、該制御部を動作させるための制御電源回路とを備える。上記インバータ部は、上記昇降圧回路の出力にて生成される第2の直流電源の直流電力を交流電力に変換する第1の単相インバータ、および上記第2の直流電源の電圧以下である直流電源の直流電力を交流電力に変換する1あるいは複数の第2の単相インバータの交流側を直列接続し、上記第1、第2の単相インバータの各発生電圧の総和により電圧を出力する。上記制御電源回路は、切換手段を備えて上記第1の直流電源と上記第2の直流電源との双方に接続され、装置の起動時には上記第1の直流電源から電圧供給され、その後上記第1の直流電源あるいは第2の直流電源のいずれか一方から電圧供給されるものである。 A power converter according to the present invention includes a first DC power source, a step-up / step-down circuit that boosts or steps down the voltage of the first DC power source, an inverter unit, and a control unit that controls the inverter unit and the step-up / down circuit. And a control power supply circuit for operating the control unit. The inverter unit includes a first single-phase inverter that converts the DC power of the second DC power source generated at the output of the step-up / step-down circuit into AC power, and a DC that is equal to or lower than the voltage of the second DC power source. The AC side of one or a plurality of second single-phase inverters that convert DC power of the power source into AC power is connected in series, and a voltage is output by the sum of the generated voltages of the first and second single-phase inverters. The control power supply circuit includes switching means and is connected to both the first DC power supply and the second DC power supply, and is supplied with voltage from the first DC power supply when the apparatus is started up, and then the first DC power supply. The voltage is supplied from either the direct current power source or the second direct current power source.
この発明による電力変換装置は、第1、第2の単相インバータの各発生電圧の総和により電圧を出力するため、第1の単相インバータの直流電源である第2の直流電源の電圧範囲を低減できる。また制御電源回路は、切換手段を備えて上記第1の直流電源と上記第2の直流電源との双方に接続されるため、制御回路電源回路の入力電圧を切り換えて制御電源回路の効率および信頼性を向上させることが可能になる。これにより、電力変換装置の変換効率向上および入力電圧範囲の拡大が図れる。 Since the power converter according to the present invention outputs a voltage by the sum of the voltages generated by the first and second single-phase inverters, the voltage range of the second DC power source, which is the DC power source of the first single-phase inverter, is set. Can be reduced. Further, since the control power supply circuit is provided with switching means and is connected to both the first DC power supply and the second DC power supply, the input voltage of the control circuit power supply circuit is switched to improve the efficiency and reliability of the control power supply circuit. It becomes possible to improve the property. Thereby, the conversion efficiency improvement of a power converter device and expansion of an input voltage range can be aimed at.
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に示すように、複数(この場合3個)の単相インバータ6〜8の交流側を直列に接続してインバータ部Bを構成する。各単相インバータ6〜8は、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28(以下、スイッチ素子28と称す)で構成され、第2の直流電源となる第1のコンデンサ3を入力とする第1の単相インバータ6の交流側両端子に第2の単相インバータ7、8が接続される。なお、2つの第2の単相インバータ7、8の一方を、便宜上以後第3の単相インバータ8と称す。また、第1の単相インバータ6の交流側両端子間を短絡させる短絡用スイッチ9としてダイオードを逆並列に接続した2個のIGBT等の自己消弧型半導体スイッチング素子が互いに逆極性に直列接続され、この短絡用スイッチ9は第1の単相インバータ6に並列に接続される。
Embodiment 1 FIG.
Hereinafter, a power conversion apparatus (hereinafter referred to as a power conditioner) according to Embodiment 1 of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a schematic configuration diagram illustrating a power conditioner according to Embodiment 1 of the present invention. As shown in FIG. 1, the inverter unit B is configured by connecting the AC sides of a plurality (in this case, three) of single-
また、第1の直流電源としての太陽光パネル1(以下、太陽電池1と称す)の後段に、入力コンデンサ2を介して昇降圧回路Aが接続される。昇降圧回路Aは、降圧部としての降圧コンバータ17と昇圧部としての昇圧チョッパ11とが直列接続されて構成され、第1の単相インバータ6の入力となる第1のコンデンサ3は、太陽電池1から降圧コンバータ17と昇圧チョッパ11とを介して充電される。降圧コンバータ17は、降圧用スイッチ素子23とリアクトル27と、両素子23、27の接続点にカソードが接続された降圧用ダイオード24とで構成される。昇圧チョッパ11は、降圧コンバータ17に兼用して用いられるリアクトル27と整流用素子としての昇圧用ダイオード25と、両素子27、25の接続点に接続された昇圧用スイッチ素子26とで構成される。
In addition, a step-up / step-down circuit A is connected via an
また、降圧コンバータ17と昇圧チョッパ11とを直列接続した回路をバイパスする第1のバイパス回路12が接続される。この第1のバイパス回路12は、バイパスリレー21と、バイパスリレー21に並列接続されバイパスリレー21を遮断するための遮断回路を構成するバイパススイッチ素子19、20とで構成される。バイパススイッチ素子19、20は、ダイオードが逆並列接続された2つの半導体スイッチで互いに逆極性に直列接続される。
さらに、降圧コンバータ17をバイパスする第2のバイパス回路18が接続される。この第2のバイパス回路18は、降圧用スイッチ素子23をバイパスするように接続されたバイパスリレー22で構成される。
Further, a
Further, a
第1の単相インバータ6の入力となる第1のコンデンサ3の電圧V1は、他の第2、第3の単相インバータ7、8の入力となる直流電源としての第2、第3のコンデンサ4、5の電圧V2、V3よりも大きく、V2、V3は、例えば所定の電圧になるようにDC/DCコンバータ10にて制御される。ここでは、第2、第3のコンデンサ4、5の電圧が等しいものとする。
これらの単相インバータ6〜8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、インバータ部Bは、これらの発生電圧を組み合わせた総和としての電圧を出力する。この出力電圧はリアクトル13、14およびコンデンサ15から成る平滑フィルタにより平滑され、交流電圧Voutを系統(負荷)16に供給する。なお、系統16は柱状トランスにて中点を接地しているものとする。
The voltage V1 of the
These single-
第2の単相インバータ7の出力と第3の単相インバータ8の出力とは等しく、各単相インバータ7、8は、目標の出力電圧と第1の単相インバータ6の出力電圧との差分を補うようにPWM制御により出力される。
また、第1の単相インバータ6の出力電圧が0である期間では、第1の単相インバータ6の交流側両端子間を短絡させる短絡用スイッチ9をオンして導通状態にすると共に、第1の単相インバータ6内の全ての半導体スイッチをオフ状態にする。これにより、太陽電池1から生成した第1のコンデンサ3の中間点電位をアース電位に固定でき、太陽電池1の電位変動が抑制できる。
The output of the second single-
Further, during the period in which the output voltage of the first single-
また、このようなパワーコンディショナは、太陽電池1の電圧から昇降圧回路Aを介して第1のコンデンサ3の電圧V1を生成し、インバータ部Bから交流出力を得るため、昇降圧回路Aおよびインバータ部Bを制御するための制御部31と、この制御部31に電源を供給するための制御電源回路30とを備える。制御部31は、パワーコンディショナの制御に必要な各部の電圧、電流を検出する検出回路としてのセンサ回路31aと、センサ回路31aからの情報に基づいて昇降圧回路A、インバータ部B内の各素子を制御する制御回路31bとを備える。また、制御電源回路30の入力側は、太陽電池1の正極と第1のコンデンサ3の正極との双方に切換部32を備えて接続される。そして、制御電源回路30は、パワーコンディショナの起動時には太陽電池1から電圧供給され、その後、切換部32にて切り換えられて第1のコンデンサ3から電圧供給されて動作し、制御部31に各電源電圧を生成して出力する。なお、33はグランド電位の入力線である。
Further, such a power conditioner generates the voltage V1 of the
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、インバータ部Bの出力電圧は、最大でV1+V2+V3まで出力できる。このためV1+V2+V3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。この場合、第1のコンデンサ3の電圧V1を、例えばDC200V〜DC250Vに制御する。
太陽電池1の定格電圧をDC250Vとすると、定格電圧時には昇降圧する必要なく第1のコンデンサ3の電圧V1を生成できる。第2、第3のコンデンサ4、5の電圧V2、V3はV1よりも低く、このため、各単相インバータ6〜8は耐電圧の低い素子で構成でき、損失の低減された効率の良いインバータ部Bとなる。
By the way, the maximum output voltage required for the AC output of 200 V is about 282 V, and the output voltage of the inverter B can output up to V1 + V2 + V3. For this reason, if V1 + V2 + V3 is about 282V or more, the power conditioner can output an alternating current of 200V. In this case, the voltage V1 of the
If the rated voltage of the solar cell 1 is DC250V, the voltage V1 of the
第1のコンデンサ3への昇降圧回路Aを介した充電動作について以下に説明する。
パワーコンディショナのシステム起動時などの無負荷運転の際、太陽電池1の電圧が定格電圧(DC250V)より高く、例えばDC400V程度になる場合がある。このように太陽電池1の電圧が運転中に定格電圧を上回った場合は、降圧コンバータ17にて降圧して第1のコンデンサ3の電圧V1を生成する。また、太陽電池1が定格電圧を下回り、さらに所定の電圧、例えばDC200V以下になると、昇圧チョッパ11にて昇圧して第1のコンデンサ3の電圧V1を生成する。
The charging operation to the
During no-load operation such as when the system of the power conditioner is started, the voltage of the solar cell 1 may be higher than the rated voltage (DC250V), for example, about DC400V. In this way, when the voltage of the solar cell 1 exceeds the rated voltage during operation, the voltage is stepped down by the step-
まず、太陽電池1が発生する電圧が定格電圧を含む所定の範囲(例えばDC200V〜定格電圧DC250V)である場合、第1のバイパス回路12のバイパススイッチ素子19、20をオンし、入力コンデンサ2から第1のコンデンサ3への突入電流を流した後に、バイパスリレー21を導通させる。これにより、バイパスリレー21の信頼性を損なうことなく、電流は、第1のバイパス回路12のバイパスリレー21を経由した定格電流経路に流れる。
次に、太陽電池1の電圧が上記所定の範囲を外れ、降圧コンバータ17や昇圧チョッパ11を動作させる必要が発生した場合、第1のバイパス回路12を遮断する。この時、まず、バイパススイッチ素子19、20をオンさせて、バイパススイッチ素子19、20への電流経路を生成し、次いでバイパスリレー21を遮断することにより、バイパスリレー21を流れていた電流はバイパススイッチ素子19、20に流れ、バイパスリレー21はアークを発生することなく遮断できる。そして、バイパススイッチ素子19、20をオフすることにより、バイパスリレー21の信頼性を損なうことなく第1のバイパス回路12を遮断でき、電流は降圧コンバータ17や昇圧チョッパ11へ流れる。
First, when the voltage generated by the solar cell 1 is within a predetermined range including the rated voltage (for example, DC 200 V to rated voltage DC 250 V), the
Next, when the voltage of the solar cell 1 is out of the predetermined range and the step-
太陽電池1の電圧が所定の電圧(例えばDC200V)以下になり、昇圧が必要になった場合、上述したように第1のバイパス回路12を遮断すると共に、降圧コンバータ17をバイパスする。この時、降圧用スイッチ素子23をオンし、入力コンデンサ2から第1のコンデンサ3への突入電流を流した後に、第2のバイパス回路18のバイパスリレー22を導通させる。これにより、バイパスリレー22の信頼性を損なうことなく電流は降圧コンバータ17をバイパスする経路に流れる。そして、昇圧用スイッチ素子26をオンオフして所定の電圧に昇圧する。このように、降圧用スイッチ素子23での損失発生を防止すると共に、昇圧チョッパ11による昇圧動作を実現することができる。
なお、入力コンデンサ2の電圧より第1のコンデンサ3の電圧の方が高い場合は、入力コンデンサ2から第1のコンデンサ3への突入電流は流れない。
When the voltage of the solar cell 1 becomes equal to or lower than a predetermined voltage (for example, DC 200V) and boosting is required, the
When the voltage of the
太陽電池1の電圧が定格電圧を超えて降圧が必要になった場合、上述したように第1のバイパス回路12を遮断すると共に、降圧コンバータ17により降圧動作させる。この時、一旦降圧用スイッチ素子23をオンさせ、第2のバイパス回路18のバイパスリレー22を遮断する。この後、降圧用スイッチ素子23をオンオフして所定の電圧に降圧する。こうすることで、バイパスリレー22ではアークを発生することなく遮断でき、電流は降圧用スイッチ素子23を介する経路を流れ、降圧コンバータ17の降圧動作を開始できる。
さらに、降圧コンバータ17や、昇圧チョッパ11の動作中に太陽電池1の電圧が所定の範囲(DC200V〜定格電圧DC250V)に復帰した場合、降圧動作、昇圧動作を停止し、第1のバイパス回路12内のバイパスリレー21を上述した順序で導通させることで、電流を定格電流経路に流す運転へ戻すことができる。
When the voltage of the solar cell 1 exceeds the rated voltage and the voltage needs to be stepped down, the
Further, when the voltage of the solar cell 1 returns to a predetermined range (DC 200 V to rated voltage DC 250 V) during the operation of the step-
次に、制御電源回路30の構成および動作について詳細に説明する。
図2は、制御電源回路30の一例による概略回路図である。図に示すように、制御電源回路30は、フライバックトランス38と一次側スイッチング素子34とを備えたフライバック方式の多出力電源である。また、電源制御IC35、フィードバック回路36、起動回路37およびバイアス巻線41を備える。図3は、多出力のフライバックトランス38の断面構造図である。また、図4は、制御電源回路30の各部の動作波形を示す図で、制御電源回路30の入力電圧がDC50Vの低い場合を図4(a)に、DC400Vの高い場合を図4(b)に示した。
入力電圧が印加されると、起動回路37が動作し、電源制御IC35に電源が供給される。これにより電源制御IC35が起動、発振を始め、1次側スイッチング素子ゲート信号(以下、単にゲート信号と称す)を1次側スイッチング素子34へ供給し1次側スイッチング素子34はスイッチングを開始する。
Next, the configuration and operation of the control
FIG. 2 is a schematic circuit diagram according to an example of the control
When the input voltage is applied, the
時刻t1において、電源制御IC35からのゲート信号により1次側スイッチング素子34がオンすると、フライバックトランス38の1次側励磁インダクタンスL1に、1次側スイッチング素子ドレイン電流となる電流I1が傾斜状の積分波形で流れる。この電流の増加分I1は、I1〔A〕=(入力電圧・オン時間)/(1次側励磁インダクタンスL1)となる。この際、1次側励磁インダクタンスL1にはエネルギW〔J〕=1/2・(L1・I12)のエネルギが蓄えられる。この時、2次側の磁気結合された2次側励磁インダクタンスL2には、フライバックトランス38の2次側に接続された2次側整流ダイオード39が逆バイアスされるため、一切電流は流れない。
次に、1次側スイッチング素子34がオフすると(図4(a)では時刻t2)、1次側励磁インダクタンスL1に蓄えられたエネルギWは逆起電力VLとなって放出しようとするが、この時点で磁気結合された2次側励磁インダクタンスL2にも逆起電力が発生し、2次側整流ダイオード39は順バイアスとなり導通する。したがって、2次側電流I2が流れ、2次側整流ダイオード39を介して2次側整流コンデンサ40を充電し、すなわち2次側励磁インダクタンスL2のエネルギ放電は完了する。
At time t1, when the primary
Next, when the primary
このように、1次側スイッチング素子34のオンオフスイッチングを繰り返すことによりフライバックトランス38が以上のように動作し、フライバックトランス38の2次側に、各単相インバータ6〜8、昇圧用スイッチ素子26、降圧用スイッチ素子23、バイパス回路12、18のリレー、センサ回路31aの各センサ、制御回路31b等の電源となる各々電圧が出力される。また比例してバイアス巻線41の電圧も出力されて電源制御IC35へ電源として供給され、これにより電源制御IC35の発振が継続する。
さらに、2次側出力の制御回路用電源(ここでは+5V)となる出力は、絶縁機能のあるフィードバック回路36を介して電源制御IC35へフィードバックされる。フィードバック回路36では、2次側出力電圧である制御回路用電源の電圧が、設定された目標電圧(+5V)となるように、1次側スイッチング素子34へのゲート信号を調整する。即ち、制御回路用電源の電圧が目標電圧より高ければゲート信号のオン時間を短くし、低ければオン時間を長くすることで、フライバックトランス38への投入エネルギを調節し、所定の目標電圧とする。このように、所謂PWM制御(パルス幅変調制御)をすることで各2次側出力の電圧を安定化させる機能を有して制御電源回路30は動作する。
As described above, the
Further, the output serving as the power supply for the control circuit of the secondary side output (+5 V in this case) is fed back to the power
次に制御電源回路30の各出力について説明する。
制御電源回路30の出力は、以下に示す種々の要因により変動する。例えば、量産による個々のバラツキ、周囲温度が上昇、下降した時、例えば0℃から80℃変化した時の出力温度特性、制御電源回路30の出力の負荷が変動した時、また、各出力の負荷に偏りがある時の出力負荷変動特性、広範囲入力電圧に対する出力変動特性等である。制御電源回路30の各出力は、上記各変動条件、あるいはこれらが組み合わせられた時に対しても、各出力の電源電圧毎に要求される精度を満たす必要がある。
まず制御回路用電源は、パワーコンディショナの昇降圧回路Aおよびインバータ部Bの各スイッチ素子等を制御する制御回路31bに電源供給を行っている。制御回路31bで使用しているICの電源電圧の仕様が例えば5Vであった場合、このICの推奨電源電圧範囲は、4.75Vから5.25V、もしくは4.5Vから5.5V程度が一般的であり、この範囲外の電圧となるとICが誤動作したり、最悪時は破損したりする。複数ある出力のうち、制御回路用電源は、電源電圧の変動が許される電圧幅が最も少なく高安定化が要求される。上述した各変動条件やその組み合わせに対しても、制御回路用電源は、制御回路31bで使用しているICの推奨電源電圧範囲を保証する必要がある。このため、複数ある出力のうち制御回路用電源の電圧をフィードバック回路36に入力して、制御回路用電源の高安定化を図っている。
Next, each output of the control
The output of the control
First, the power supply for the control circuit supplies power to the
次に、センサ用電源について説明する。制御回路31bがパワーコンディショナを緻密に制御するために、センサ回路31aがパワーコンディショナ各部の電圧、電流を検出しているが、このセンサ回路31aには、制御電源回路30の出力のセンサ用電源から電源供給される。センサ回路31aの電圧、電流検出値の精度が悪ければ、制御回路31bはパワーコンディショナの最適制御ができないため、センサ回路31aの検出には高精度が要求され、センサ用電源の電圧にも高い精度が要求される。そのため、上述した各変動条件やその組み合わせに対しても、センサ用電源の電圧精度が保証されるように、センサ用電源は、出力段に電圧安定化回路を備え、高安定、高精度化としている。
Next, the sensor power supply will be described. In order for the
次にリレー用電源について説明する。これは、第1、第2のバイパス回路12、18内のバイパスリレー21、22と、パワーコンディショナの出力段に備えられる系統連系用リレー(図示省略)の駆動用の電源である。ここではリレーコイル電圧はDC24Vのものを用いる。これらリレーコイルの最大許容電圧は、一般的に定格電圧の110%であり、DC24Vの場合DC26.4V以下とする必要がある。よってリレー用電源電圧は、上述した各変動条件やその組み合わせに対しても、26.4V以下を保証する必要がある。なお、この電圧は使用するリレーコイル電圧によって異なる。
Next, the relay power supply will be described. This is a power supply for driving the bypass relays 21 and 22 in the first and
次に第1の単相インバータ・昇圧用スイッチ素子用電源、第2、第3の単相インバータ用電源、降圧用スイッチ素子用電源について説明する。これらは、パワーコンディショナの複数の単相インバータ6〜8のスイッチ素子28、昇圧用スイッチ素子26、降圧用スイッチ素子23のゲート電源であり、制御回路31b内のゲート駆動回路に電源供給を行っている。
なお、一般的なスイッチ素子では、各スイッチ素子のゲート耐電圧の最大定格電圧は20Vもしくは30V耐圧であり、これを基準にゲート電源の電圧は決定される。また、スイッチ素子のゲートへのストレスを低減することで高信頼性を得るため、最大定格電圧の80%以下でスイッチ素子を使用することがメーカから推奨されている。ここでは、ゲート耐電圧が20Vのスイッチ素子を使用して、ゲート電源の電圧を15Vに設定している。このため、各スイッチ素子のゲート電源用出力は、上述した制御回路用電源や、センサ用電源ほど高安定化、高精度化の要求は高いものではなく、許容される電圧変動幅は、例えば15±1V程度である。
Next, the first single-phase inverter / step-up switch element power supply, the second and third single-phase inverter power supplies, and the step-down switch element power supply will be described. These are gate power supplies for the
In general switch elements, the maximum rated voltage of the gate withstand voltage of each switch element is 20V or 30V withstand voltage, and the voltage of the gate power supply is determined based on this. In addition, in order to obtain high reliability by reducing stress on the gate of the switch element, it is recommended by the manufacturer to use the switch element at 80% or less of the maximum rated voltage. Here, the voltage of the gate power supply is set to 15V by using a switch element having a gate withstand voltage of 20V. For this reason, the output for gate power supply of each switch element is not required to be as highly stable and accurate as the above-described control circuit power supply or sensor power supply, and the allowable voltage fluctuation range is, for example, 15 It is about ± 1V.
この実施の形態によるパワーコンディショナのインバータ部Bは、複数の単相インバータ6〜8を備えており、第1の単相インバータ6のスイッチ素子、昇圧用スイッチ素子26と、第2の単相インバータ7のスイッチ素子と、第3の単相インバータ8のスイッチ素子と、降圧用スイッチ素子23と、の各スイッチ素子のゲート電源のグランド電位基準が各々異なる。このため、一般的な1つの単相インバータで構成されたパワーコンディショナより多くのゲート電源が必要となる。
フライバックトランス38は、図3の断面構造図に示すように、1次側巻線、各2次側巻線ともに、ボビン45へ多層巻きで巻かれている。なお、46は巻線、47は絶縁テープ、48はトランスコアを示す。複数の単相インバータ6〜8を有するパワーコンディショナの制御電源回路30は、多くのゲート電源を出力する必要があり、さらに多層巻きとなる。そのため、1次側巻線N1に対し外周に離れた2次側巻線(例えばN8)ほど1次側巻線との結合が悪くなることや、多層巻きになるほど巻線の巻かれ方の状態は、一様でなく個々のバラツキは大きい、即ち、各ゲート電源を含めたフライバックトランス38の2次側出力の電圧のバラツキが大きくなる傾向がある。
The inverter section B of the power conditioner according to this embodiment includes a plurality of single-
As shown in the cross-sectional structure diagram of FIG. 3, the
なお、2次側出力のゲート電源の電圧レベルを下げて、上記種々の要因により変動しても必ずメーカ推奨である最大定格電圧の80%以下にすることも考えられるが、各スイッチ素子のスイッチング速度が低下し、スイッチング損失が増加しパワーコンディショナの効率が低下する。また、ゲート電源にもセンサ用電源と同様に電圧安定化回路を全出力に備える構成や、フライバックトランス38を複数備えて、1次側スイッチング素子34、電源制御IC35、フィードバック回路36、起動回路37等も同数個備えて複数の制御電源回路を並列に構成することも可能ではあるが、高コストとなるとともに小型化が困難であり、また制御電源回路30の効率が低下するものである。
It should be noted that the voltage level of the secondary output gate power supply can be lowered to make it 80% or less of the maximum rated voltage recommended by the manufacturer even if it fluctuates due to the above various factors. The speed decreases, the switching loss increases, and the efficiency of the power conditioner decreases. In addition, the gate power supply is provided with a voltage stabilizing circuit for all outputs as in the case of the sensor power supply. Although it is possible to configure a plurality of control power supply circuits in parallel with the same number of 37, etc., the cost is high and it is difficult to reduce the size, and the efficiency of the control
次に、制御電源回路30の効率について説明する。
図5は、入力電圧に対する制御電源回路30の効率を示したグラフである。
制御電源回路30は、図4を用いて説明したように、時刻t1において、電源制御IC35からのゲート信号により1次側スイッチング素子34がオンすると、フライバックトランス38の1次側励磁インダクタンスL1に、1次側スイッチング素子ドレイン電流となる電流I1が傾斜状の積分波形で流れる。この電流の増加分I1は、I1〔A〕=(入力電圧・オン時間)/(1次側励磁インダクタンスL1)となる。この際、1次側励磁インダクタンスL1にはエネルギW〔J〕=1/2・(L1・I12)のエネルギが蓄えられる。
Next, the efficiency of the control
FIG. 5 is a graph showing the efficiency of the control
As described with reference to FIG. 4, when the primary
これら式から分かる通り、入力電圧が低い時は、フライバックトランス38の1次側に必要な所定のエネルギWは、1次側スイッチング素子34のオン時間を長くすることで得られる。図4(a)に示すように、入力電圧が低い時(例えば50V)、1次側スイッチング素子34のオン時間が長い。このため、1次側スイッチング素子34のオン抵抗による損失時間が長くなって損失量が増加し、制御電源回路30の効率は、図5の矢印51で示すように低下する。 逆に、入力電圧が高い時(例えば400V)は、図4(b)に示すように、1次側スイッチング素子34のオン時間は短くなり、1次側スイッチング素子34のオン抵抗による損失時間は短くなることで損失量は低下する。しかし、入力電圧が高い時は、1次側スイッチング素子34は入力の高電圧をスイッチングするので、1次側スイッチング損失が増加し、制御電源回路30の効率は、図5の矢印52で示すように低下する。
この場合、制御電源回路30が最も効率良く動作するのは、入力電圧がDC250Vの時で、パワーコンディショナの入力電圧となる太陽電池出力電圧の最小電圧から最大電圧の中心電圧付近である。
As can be seen from these equations, when the input voltage is low, the predetermined energy W required for the primary side of the
In this case, the control
この実施の形態では、上述したように、制御電源回路30の入力側は、太陽電池1と第1のコンデンサ3との双方に切換部32を備えて接続され、起動時には太陽電池1から電圧供給され、その後、第1のコンデンサ3から電圧供給されて動作する。パワーコンディショナが起動して昇降圧回路Aが動作すると、第1のコンデンサ3の電圧V1は、制御電源回路30が最も効率良く動作する入力電圧(DC250V)を含む所定の電圧範囲(DC200V〜DC250V)に制御される。
パワーコンディショナの起動時に、例えば太陽電池1の出力電圧が50Vであると、制御電源回路30の入力電圧も50Vで効率は低いものであるが、起動後に制御電源回路30の入力電圧はDC200V〜DC250Vとなるため、図5の矢印50に示すように効率が向上する。太陽電池1の定格電圧と制御電源回路30が最も効率良く動作する入力電圧とを同じDC250Vにすると、定格運転時には制御電源回路30の効率は最良となる。
In this embodiment, as described above, the input side of the control
When the inverter is activated, for example, if the output voltage of the solar cell 1 is 50V, the input voltage of the control
このように、パワーコンディショナの起動後の制御電源回路30の入力電圧範囲は、制御電源回路30が最も効率良く動作する入力電圧(DC250V)を含む所定の電圧範囲(DC200V〜DC250V)であり、制御電源回路30は良好な効率となる。また、複数の単相インバータ6〜8を備えるパワーコンディショナでは、上述したように制御電源回路30の2次側出力である多数の電源電圧のバラツキが大きくなる傾向があるが、パワーコンディショナが起動した後は、制御電源回路30の入力電圧が所定の電圧範囲に制御されて大きく変動することがないため、多数の電源電圧を精度良く出力できる。制御電源回路30は、広範囲入力電圧対応の仕様であっても、所定の電圧範囲に入力電圧を制御することにより、多数の電源電圧を精度良く安定して出力し、各半導体スイッチ素子へのゲート過電圧等によるストレスを低減し、信頼性を向上させる。
Thus, the input voltage range of the control
また近年、日射量の少ない日、もしくは日射量の少ない日の出、日没の時間帯までパワーコンディショナを動作させて1日あたりの発電量を向上させるために、パワーコンディショナの入力電圧範囲を低い領域にも拡げ、DC50V〜DC400V程度にすることが要求されている。従来のパワーコンディショナでは、制御電源回路が太陽電池1から電圧供給されていたため、制御電源回路の入力電圧範囲とパワーコンディショナの入力電圧範囲とが等しいものであり、制御電源回路の効率および精度が悪い電圧範囲でパワーコンディショナを動作させることができなかった。この実施の形態では、制御電源回路の入力電圧範囲とパワーコンディショナの入力電圧範囲とを別とし、制御電源回路は、効率および精度が良い状態で動作する入力電圧を得るようにした。このため、パワーコンディショナの入力電圧範囲を拡大でき、1日当りの発電時間を長くすることで発電量を増大でき、またパワーコンディショナ全体の効率および信頼性も向上する。 Also, in recent years, the input voltage range of the power conditioner has been lowered in order to improve the power generation amount per day by operating the power conditioner until the day when the amount of solar radiation is low, or at the time of sunrise or sunset when the amount of solar radiation is low. It is required to expand to an area and make it about DC50V to DC400V. In the conventional power conditioner, since the control power supply circuit is supplied with voltage from the solar cell 1, the input voltage range of the control power supply circuit and the input voltage range of the power conditioner are equal, and the efficiency and accuracy of the control power supply circuit However, the inverter could not be operated in a bad voltage range. In this embodiment, the input voltage range of the control power supply circuit is separated from the input voltage range of the power conditioner, and the control power supply circuit obtains an input voltage that operates in a state with good efficiency and accuracy. For this reason, the input voltage range of the power conditioner can be expanded, the amount of power generation can be increased by increasing the power generation time per day, and the efficiency and reliability of the entire power conditioner are also improved.
なお、上記実施の形態では、第1のコンデンサ3の電圧V1は、所定の電圧範囲(DC200V〜DC250V)に制御されるものとしたが、制御電源回路30が最も効率良く動作する入力電圧(DC250V)に保つように電圧V1を制御すると、制御電源回路30の効率および出力の精度がさらに向上する。
In the above embodiment, the voltage V1 of the
また、第1のコンデンサ3の電圧V1は、制御電源回路30が最も効率良く動作する入力電圧(DC250V)を含む所定の電圧範囲(DC200V〜DC250V)に制御するものとしたが、制御電源回路30の効率が所定値以上、例えば87.5%以上となる入力電圧(例えばDC200V〜DC300V)の範囲内に電圧V1を制御しても良い。なお、複数の単相インバータ6〜8を組み合わせて用いるパワーコンディショナでは、第1の単相コンバータ6の直流電圧である電圧V1を低くできるため、効率が所定値以上となる入力電圧(DC200V〜DC300V)の範囲内で電圧の高い領域を用いなくても良い。
The voltage V1 of the
実施の形態2.
上記実施の形態1によるパワーコンディショナにおいて、制御電源回路30の入力を切り換える切換部32の構成を具体的に示した例を、図6に基づいて以下に示す。
図6に示すように、切換部32は、第1のダイオード55、第2のダイオード56から成る論理和(OR)回路と、第1のダイオード55、第2のダイオード56へそれぞれ直列接続された第1のスイッチ57、第2のスイッチ58とで構成される。論理和回路は、第1のダイオード55と第2のダイオード56のカソード同士を接続して構成し、第1のダイオード55のアノードは太陽電池1の正極に接続され、第2のダイオード56のアノードは第1のコンデンサ3の正極に接続される。
なお、この第1、第2のスイッチ57、58と第1、第2のダイオード55、56の接続順序は逆となっても良い。
In the power conditioner according to the first embodiment, an example in which the configuration of the switching
As shown in FIG. 6, the switching
The connection order of the first and
次に切換部32の動作と該動作に関連するパワーコンディショナ全体の動作を説明する。
パワーコンディショナが起動する時には切換部32の第1のスイッチ57をオンし、太陽電池1の直流電圧(例えばDC50V)から第1のダイオード55を経由し制御電源回路30へ入力電圧を供給し起動する。これにより制御部31が動作可能になり昇降圧回路Aおよびインバータ部Bが制御される。そして、太陽電池1の出力電圧から昇降圧回路Aを介して第1の単相インバータ6の入力である第1のコンデンサ3の直流電圧を生成した後、複数の単相インバータ6〜8を動作させ、交流電力を生成する。この時、切換部32の第2のスイッチ58をオンし、第1のスイッチ57をオフする。
なお、パワーコンディショナの起動時に、太陽電池1の電圧が例えばDC400V程度と高くなる場合があるが、切換部32の動作は同様であり、パワーコンディショナが起動する時には切換部32の第1のスイッチ57をオンし、その後、第2のスイッチ58をオンし、第1のスイッチ57をオフする。
Next, the operation of the switching
When the inverter is activated, the
Note that, when the power conditioner is activated, the voltage of the solar cell 1 may be as high as about 400 V DC, for example. However, the operation of the switching
これにより制御電源回路30は、起動時に太陽電池1の直流電圧から第1のダイオード55を経由して電圧供給されていたのが切り換えられて、第1のコンデンサ3の直流電圧(例えばDC250V)から第2のダイオード56を経由する電流経路により入力電圧が供給される。
第1のコンデンサ3の電圧V1は、制御電源回路30が最も効率良く動作する入力電圧(DC250V)を含む所定の電圧範囲(DC200V〜DC250V)に制御されるため、パワーコンディショナの起動後の制御電源回路30の入力電圧範囲も上記所定の電圧範囲(DC200V〜DC250V)であり、制御電源回路30は良好な効率で、しかも多数の電源電圧を精度良く出力できる。
なお、パワーコンディショナの停止時には、切換部32の第1のスイッチ57をオンし、第2のスイッチ58をオフして、起動時と同様に太陽電池1の直流電圧から制御電源回路30に電圧供給する。
As a result, the control
Since the voltage V1 of the
When the inverter is stopped, the
この実施の形態では、上記実施の形態1で示した切換部32を、第1のダイオード55、第2のダイオード56から成る論理和(OR)回路と、第1、第2のスイッチ57、58とで構成したため、容易な回路構成で切換部32が得られると共に、上記実施の形態1での効果を容易で確実に得られる。
In this embodiment, the switching
なお、切換部32内の第1、第2のスイッチ57、58は、機械式スイッチあるいはMOSFET、IGBT等の半導体スイッチ素子によるスイッチでも良いが、機械式スイッチを用いると別途ゲート電源を必要とせず、また導通損失もなく高効率である。
The first and
実施の形態3.
次に、この発明の実施の形態3によるパワーコンディショナについて、図7に基づいて説明する。図7に示すように、上記実施の形態1、2によるパワーコンディショナとは制御電源回路30の入力を切り換える切換部32aの構成が異なる。
図7に示すように、切換部32aは、第1のダイオード55と第2のダイオード56とのカソード同士を接続した論理和(OR)回路から成り、第1のダイオード55のアノードは太陽電池1の正極に接続され、第2のダイオード56のアノードは第1のコンデンサ3の正極に接続される。なお、切換部32a以外の構成は上記実施の形態1、2と同様である。
Next, a power conditioner according to
As shown in FIG. 7, the switching
次に切換部32aの動作と該動作に関連するパワーコンディショナ全体の動作を説明する。
パワーコンディショナが起動する時には、太陽電池1の直流電圧(例えばDC50V)から切換部32aの第1のダイオード55を経由し制御電源回路30へ入力電圧を供給し起動する。これにより制御部31が動作可能になり昇降圧回路Aおよびインバータ部Bが制御される。
そして、太陽電池1の出力電圧から昇降圧回路Aを介して第1の単相インバータ6の入力である第1のコンデンサ3の直流電圧を生成した後、複数の単相インバータ6〜8を動作させ、交流電力を生成する。この時、第1のコンデンサ3の電圧V1は、制御電源回路30が最も効率良く動作する入力電圧(DC250V)を含む所定の電圧範囲(DC200V〜DC250V)に制御される。上記実施の形態1で説明したように、太陽電池1の電圧が上記所定の電圧範囲以下、即ち200V以下の時、昇降圧回路Aは昇圧動作を行い、太陽電池1の電圧が上記所定の電圧範囲を超え、即ち250Vを超えると、昇降圧回路Aは降圧動作を行って電圧V1を生成する。
Next, the operation of the
When the power conditioner is activated, it is activated by supplying an input voltage from the direct current voltage (for example, DC 50V) of the solar cell 1 to the control
And after producing | generating the DC voltage of the 1st capacitor |
切換部32aは、パワーコンディショナが起動した後、以下に示すように、太陽電池1の電圧と第1のコンデンサ3の電圧V1とに応じて、制御電源回路30への電圧供給経路を切り換える。
太陽電池1の電圧が第1のコンデンサ3の電圧V1より低い時、即ち昇降圧回路Aが昇圧動作を行う時は、第1のコンデンサ3の直流電圧(例えばDC250V)から切換部32aの第2のダイオード56を経由する電流経路により制御電源回路30の入力電圧が供給される。太陽電池1の電圧が第1のコンデンサ3の電圧V1より高い時、即ち昇降圧回路Aが降圧動作を行う時は、太陽電池1の電圧(例えばDC400V)から切換部32aの第1のダイオード55を経由する電流経路により制御電源回路30の入力電圧が供給される。太陽電池1の電圧がDC200V〜DC250Vで第1のコンデンサ3の電圧V1と等しいとき、即ち昇降圧回路Aが昇降圧動作をせず第1のバイパス回路12を電流経路とするとき、切換部32aの第1、第2のダイオード55、56のいずれか(どちらでも良い)を経由する電流経路により制御電源回路30の入力電圧が供給される。
After the power conditioner is activated, the
When the voltage of the solar cell 1 is lower than the voltage V1 of the
これにより制御電源回路30は、起動時に太陽電池1の直流電圧から第1のダイオード55を経由して電圧供給され、その後は、太陽電池1の電圧と第1のコンデンサ3の電圧V1とのいずれか高い方の電圧が入力電圧に供給される。第1のコンデンサ3の電圧V1は、制御電源回路30が最も効率良く動作する入力電圧(DC250V)を含む所定の電圧範囲(DC200V〜DC250V)に制御されるため、起動後の制御電源回路30の入力電圧範囲はDC200V〜太陽電池1の最大電圧(例えば400V)となる。
As a result, the control
複数の単相インバータ6〜8を備えるパワーコンディショナでは、上述したように制御電源回路30の2次側出力である多数の電源電圧のバラツキが大きくなる傾向があり、特に入力電圧が低い電圧領域(例えばDC50V〜DC100V)では多数の電源電圧を精度良く出力することが困難であった。この実施の形態では、パワーコンディショナが起動した後は、制御電源回路30の入力電圧が所定の電圧(DC200V〜太陽電池1の最大電圧)に制御されて低い電圧が入力されることがないため、多数の電源電圧を精度良く出力できる。制御電源回路30は、広範囲入力電圧対応の仕様であっても、入力電圧を制御することにより、多数の電源電圧を精度良く安定して出力し、各半導体スイッチ素子へのゲート過電圧等によるストレスを低減し、信頼性を向上させる。
In a power conditioner including a plurality of single-
また、上述したように、制御電源回路30が最も効率良く動作するのは、入力電圧が、太陽電池電圧の最小電圧から最大電圧の中心電圧付近で、第1のコンデンサ3の電圧V1は、制御電源回路30が最も効率良く動作する入力電圧(DC250V)を含む所定の電圧範囲(DC200V〜DC250V)に制御される。このため、起動後の制御電源回路30の入力電圧範囲は、太陽電池1の電圧範囲の内、効率の悪い領域である低い電圧領域の部分が削減されたものとなり、制御電源回路30は効率よく動作する時間が長くなり効率が向上する。
As described above, the control
また近年、日射量の少ない日、もしくは日射量の少ない日の出、日没の時間帯までパワーコンディショナを動作させて1日あたりの発電量を向上させるために、パワーコンディショナの入力電圧範囲を低い領域にも拡げ、DC50V〜DC400V程度にすることが要求されている。従来のパワーコンディショナでは、制御電源回路が太陽電池1から電圧供給されていたため、制御電源回路の入力電圧範囲とパワーコンディショナの入力電圧範囲とが等しいものであり、制御電源回路の効率および精度が悪い電圧範囲、特に低い電圧範囲(例えばDC50V〜DC100V)でパワーコンディショナを動作させることができなかった。この実施の形態では、制御電源回路の入力電圧範囲とパワーコンディショナの入力電圧範囲とを別とし、制御電源回路は、効率および精度が向上した状態で動作する入力電圧を得るようにした。このため、パワーコンディショナの入力電圧範囲を拡大でき、1日当りの発電時間を長くすることで発電量を増大でき、またパワーコンディショナ全体の効率および信頼性も向上する。 Also, in recent years, the input voltage range of the power conditioner has been lowered in order to improve the power generation amount per day by operating the power conditioner until the day when the amount of solar radiation is low, or at the time of sunrise or sunset when the amount of solar radiation is low. It is required to expand to an area and make it about DC50V to DC400V. In the conventional power conditioner, since the control power supply circuit is supplied with voltage from the solar cell 1, the input voltage range of the control power supply circuit and the input voltage range of the power conditioner are equal, and the efficiency and accuracy of the control power supply circuit However, the power conditioner could not be operated in a bad voltage range, particularly in a low voltage range (for example, DC50V to DC100V). In this embodiment, the input voltage range of the control power supply circuit is separated from the input voltage range of the power conditioner, and the control power supply circuit obtains an input voltage that operates with improved efficiency and accuracy. For this reason, the input voltage range of the power conditioner can be expanded, the amount of power generation can be increased by increasing the power generation time per day, and the efficiency and reliability of the entire power conditioner are also improved.
なお、上記実施の形態では、第1のコンデンサ3の電圧V1は、所定の電圧範囲(DC200V〜DC250V)に制御されるものとしたが、制御電源回路30が最も効率良く動作する入力電圧(DC250V)と同電圧に電圧V1を制御すると、制御電源回路30制御電源回路30は最も効率よく動作する時間が長くなり効率がさらに向上する。
In the above embodiment, the voltage V1 of the
また、第1のコンデンサ3の電圧V1は、制御電源回路30が最も効率良く動作する入力電圧(DC250V)を含む所定の電圧範囲(DC200V〜DC250V)に制御するものとしたが、制御電源回路30の効率が所定値以上、例えば87.5%以上となる入力電圧(例えばDC200V〜DC300V)の範囲内に電圧V1を制御しても良い。なお、複数の単相インバータ6〜8を組み合わせて用いるパワーコンディショナでは、第1の単相コンバータ6の直流電圧である電圧V1を低くできるため、効率が所定値以上となる入力電圧(DC200V〜DC300V)の範囲内で電圧の高い領域を用いなくても良い。
The voltage V1 of the
またこの実施の形態では、切換部32aを、第1のダイオード55、第2のダイオード56から成る論理和(OR)回路で構成したため、容易な回路構成で切換部32aが得られると共に切り換えのための制御も不要で、上記効果を容易で確実に得られる。
Further, in this embodiment, since the
実施の形態4.
次に、この発明の実施の形態4によるパワーコンディショナについて、図8に基づいて説明する。この実施の形態では、図8に示すように、上記実施の形態2によるパワーコンディショナと、インバータ部Bの構成が異なるもので、インバータ部Bは1つの単相インバータ回路60で構成され、インバータ部Bは系統(負荷)16にAC100Vの交流電力を出力する。即ち、太陽電池1の後段に、入力コンデンサ2を介して昇降圧回路Aが接続され、太陽電池1から昇降圧回路Aを介して充電される第1のコンデンサ3は、単相インバータ回路60の直流入力となる。インバータ部B以外の構成は、上記実施の形態2と同様である。
上記実施の形態1〜3では、系統(負荷)16がAC200Vであることを想定して記述してきたが、この実施の形態4のように、系統(負荷)16がAC100Vの時は、1つの単相インバータ回路60でも高い電圧をスイッチングする必要がなく、高い効率が得られる。
Next, a power conditioner according to
In the first to third embodiments, the description has been made assuming that the grid (load) 16 is 200 VAC. However, as in the fourth embodiment, when the grid (load) 16 is 100 VAC, there is one. The single-
次に切換部32の動作と該動作に関連するパワーコンディショナ全体の動作を説明する。
パワーコンディショナが起動する時には切換部32の第1のスイッチ57をオンし、太陽電池1の直流電圧から第1のダイオード55を経由し制御電源回路30へ入力電圧を供給し起動する。これにより制御部31が動作可能になり昇降圧回路Aおよびインバータ部Bが制御される。そして、太陽電池1の出力電圧から昇降圧回路Aを介して単相インバータ回路60の入力である第1のコンデンサ3の直流電圧を生成した後、単相インバータ回路60をPWM制御により動作させ、交流電力を生成する。
この時、第1のコンデンサ3の電圧V1は、系統電圧のピーク電圧よりも高い所定の電圧、例えば180Vに制御される。即ち、太陽電池1の電圧が上記所定の電圧(180V)以下の時、昇降圧回路Aは昇圧動作を行い、太陽電池1の電圧が上記所定の電圧(180V)を超えると、昇降圧回路Aは降圧動作を行って電圧V1を生成する。
Next, the operation of the switching
When the power conditioner is activated, the
At this time, the voltage V1 of the
切換部32は、パワーコンディショナが起動した後、制御電源回路30の入力電圧に応じて変化する効率特性に基づいて、制御電源回路30の効率が良くなる側の入力電圧を選択するように、予め切換条件が設定される。そして、太陽電池1の電圧と第1のコンデンサ3の電圧V1とに応じて、制御電源回路30への電圧供給経路を切り換える。
太陽電池1の電圧が第1のコンデンサ3の電圧V1より低い時、即ち昇降圧回路Aが昇圧動作を行う時は、切換部32の第2のスイッチ58をオンし、第1のスイッチ57をオフする。これにより、第1のコンデンサ3の直流電圧(例えばDC180V)から切換部32の第2のダイオード56を経由する電流経路により制御電源回路30の入力電圧が供給される。
太陽電池1の電圧が第1のコンデンサ3の電圧V1より高い時、即ち昇降圧回路Aが降圧動作を行う時、太陽電池1の電圧が例えばDC300V以下の時は、切換部32の第1のスイッチ57をオンし、第2のスイッチ58をオフすることで、制御電源回路30の入力電圧を太陽電池1の電圧から供給する。そして、太陽電池1の電圧が例えばDC300Vを超える時は、切換部32の第2のスイッチ58をオンし、第1のスイッチ57をオフすることで、制御電源回路30の入力電圧を第1のコンデンサ3の直流電圧から供給する。
The switching
When the voltage of the solar cell 1 is lower than the voltage V1 of the
When the voltage of the solar cell 1 is higher than the voltage V1 of the
このように制御電源回路30は、起動時に太陽電池1の直流電圧から電圧供給され、その後は、太陽電池1の電圧と第1のコンデンサ3の電圧V1とに応じて、切換部32により選択されたいずれかの電圧が入力電圧に供給される。これにより、パワーコンディショナが起動した後は、制御電源回路30の入力電圧が所定の電圧(例えばDC180V〜DC300V)に制御され、制御電源回路30は効率の良い状態で動作すると共に、低い電圧が入力されることがないため、多数の電源電圧を精度良く出力できる。制御電源回路30は、広範囲入力電圧対応の仕様であっても、入力電圧を制御することにより、多数の電源電圧を精度良く安定して出力し、各半導体スイッチ素子へのゲート過電圧等によるストレスを低減し、信頼性を向上させる。
In this way, the control
また上記実施の形態においても、制御電源回路の入力電圧範囲とパワーコンディショナの入力電圧範囲とを別とし、制御電源回路は、効率および精度が向上した状態で動作する入力電圧を得るようにした。このため、パワーコンディショナの入力電圧範囲を拡大でき、1日当りの発電時間を長くすることで発電量を増大でき、またパワーコンディショナ全体の効率および信頼性も向上する。 Also in the above embodiment, the input voltage range of the control power supply circuit and the input voltage range of the power conditioner are separated, and the control power supply circuit obtains an input voltage that operates with improved efficiency and accuracy. . For this reason, the input voltage range of the power conditioner can be expanded, the amount of power generation can be increased by increasing the power generation time per day, and the efficiency and reliability of the entire power conditioner are also improved.
なお、制御電源回路30の入力を切り換える切換部に、上記実施の形態3で示した切換部32aを用いても良く、その場合、パワーコンディショナが起動した後は、制御電源回路30の入力電圧は所定の電圧(例えばDC180V〜太陽電池1の最大電圧)に制御される。即ち、上記実施の形態3と同様に、低い電圧が入力されることがなく、多数の電源電圧を精度良く出力できると共に、制御電源回路30は効率よく動作する時間が長くなり効率が向上する。そして、パワーコンディショナの入力電圧範囲も拡大できる。
Note that the
また、上記実施の形態1〜4では、第1の直流電源を太陽電池1としたが、電圧変動が大きいその他の分散電源にも適用できる。 Moreover, in the said Embodiment 1-4, although the 1st DC power supply was made into the solar cell 1, it is applicable also to the other distributed power supply with a large voltage fluctuation.
1 第1の直流電源としての太陽電池、
3 第2の直流電源としての第1のコンデンサ、
4 直流電源としての第2のコンデンサ、5 直流電源としての第3のコンデンサ、
6 第1の単相インバータ、7 第2の単相インバータ、
8 第3の単相インバータ(第2の単相インータ)、11 昇圧チョッパ、
12 第1のバイパス回路、17 降圧コンバータ、18 第2のバイパス回路、
23 降圧用スイッチ素子、24 降圧用ダイオード、25 昇圧用ダイオード、
26 昇圧用スイッチ素子、27 リアクトル、30 制御電源回路、31 制御部、
31a 検出回路としてのセンサ回路、31b 制御回路、32,32a 切換部、
34 一次側スイッチング素子、38 フライバックトランス、
55 第1のダイオード、56 第2のダイオード、57 第1のスイッチ、
58 第2のスイッチ、60 単相インバータ部、A 昇降圧回路、B インバータ部。
1 solar cell as a first DC power source,
3 A first capacitor as a second DC power source,
4 Second capacitor as DC power supply, 5 Third capacitor as DC power supply,
6 first single-phase inverter, 7 second single-phase inverter,
8 third single-phase inverter (second single-phase inverter), 11 step-up chopper,
12 first bypass circuit, 17 step-down converter, 18 second bypass circuit,
23 Step-down switch element, 24 Step-down diode, 25 Step-up diode,
26 boosting switch element, 27 reactor, 30 control power supply circuit, 31 control unit,
31a Sensor circuit as detection circuit, 31b control circuit, 32, 32a switching unit,
34 primary side switching element, 38 flyback transformer,
55 first diode, 56 second diode, 57 first switch,
58 2nd switch, 60 single phase inverter part, A step-up / down circuit, B inverter part.
Claims (13)
該第1の直流電源の電圧を昇圧もしくは降圧する昇降圧回路と、
該昇降圧回路の出力にて生成される第2の直流電源の直流電力を交流電力に変換する第1の単相インバータ、および上記第2の直流電源の電圧以下である直流電源の直流電力を交流電力に変換する1あるいは複数の第2の単相インバータの交流側を直列接続し、上記第1、第2の単相インバータの各発生電圧の総和により電圧を出力するインバータ部と、
上記インバータ部および上記昇降圧回路を制御する制御部と、
上記制御部を動作させるための制御電源回路とを備え、
上記制御電源回路は、切換手段を備えて上記第1の直流電源と上記第2の直流電源との双方に接続され、装置の起動時には上記第1の直流電源から電圧供給され、その後上記第1の直流電源あるいは第2の直流電源のいずれか一方から電圧供給されることを特徴とする電力変換装置。 A first DC power supply;
A step-up / step-down circuit for stepping up or stepping down the voltage of the first DC power supply;
The first single-phase inverter that converts the DC power of the second DC power source generated at the output of the step-up / step-down circuit into AC power, and the DC power of the DC power source that is equal to or lower than the voltage of the second DC power source. An inverter unit for connecting the AC side of one or a plurality of second single-phase inverters to be converted into AC power in series, and outputting a voltage by the sum of the generated voltages of the first and second single-phase inverters;
A control unit for controlling the inverter unit and the step-up / down circuit;
A control power supply circuit for operating the control unit,
The control power supply circuit includes switching means and is connected to both the first DC power supply and the second DC power supply, and is supplied with voltage from the first DC power supply when the apparatus is started up, and then the first DC power supply. A power conversion apparatus, wherein a voltage is supplied from either one of the DC power supply or the second DC power supply.
該第1の直流電源の電圧を昇圧もしくは降圧する昇降圧回路と、
該昇降圧回路の出力にて生成される第2の直流電源の直流電力を交流電力に変換して出力するインバータ部と、
上記インバータ部および上記昇降圧回路を制御する制御部と、
上記制御部を動作させるための制御電源回路とを備え
上記制御電源回路は、切換手段を備えて上記第1の直流電源と上記第2の直流電源との双方に接続され、装置の起動時には上記第1の直流電源から電圧供給され、その後上記第1の直流電源あるいは第2の直流電源のいずれか一方から電圧供給されることを特徴とする電力変換装置。 A first DC power supply;
A step-up / step-down circuit for stepping up or stepping down the voltage of the first DC power supply;
An inverter unit that converts the DC power of the second DC power source generated by the output of the step-up / down circuit to AC power and outputs the AC power;
A control unit for controlling the inverter unit and the step-up / down circuit;
A control power supply circuit for operating the control unit, and the control power supply circuit includes a switching unit and is connected to both the first DC power supply and the second DC power supply. A power conversion apparatus, wherein a voltage is supplied from a first DC power supply, and then a voltage is supplied from either the first DC power supply or the second DC power supply.
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