JP2010250728A

JP2010250728A - インバータ装置

Info

Publication number: JP2010250728A
Application number: JP2009101832A
Authority: JP
Inventors: Hiroaki Kako; 裕章加来; Hiroshi Nagasato; 洋永里; Shinobu Kake; 忍懸; Keiichi Sato; 圭一佐藤; Akihito Otani; 昭仁大谷
Original assignee: Panasonic Corp
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 2009-04-20
Filing date: 2009-04-20
Publication date: 2010-11-04

Abstract

【課題】変圧回路が出力する直流電圧のリップルを小さくし、高品質な交流電流波形を生成、および電力変換効率を高くすることができるインバータ装置を提供する。
【解決手段】変圧回路１０６が出力する直流電圧を計測する変圧電圧計測手段１０７と、変圧電圧計測手段１０７で計測する電圧を基に変圧回路１０６が出力する直流電圧が所定範囲となるように変圧回路１０６を制御するための制御信号を出力する変圧制御手段１１５と、変圧回路１０６に入力される電流を計測する入力電流計測手段１０４と、入力電流計測手段１０４で計測する電流の変化量に応じて変圧回路１０６が出力する直流電圧のリップルが小さくなるように変圧制御手段１１５の制御信号を補正する補正手段１１６とを備えた。
【選択図】図１

Description

本発明は、発電装置が発電した直流電力を交流電力に変換して負荷へ供給するインバータ装置に関するものである。

従来の、この種のインバータ装置としては、例えば、特許文献１に開示されたものがある。以下、特許文献１に開示された従来のインバータ装置について、図６を参照しながら説明する。

図６は、従来のインバータ装置のブロック図である。また、図７は、従来のインバータ装置における変圧回路が出力する直流電圧のリップルを説明するためのタイミングチャートである。

図６に示すように、従来のインバータ装置２０は、入力端に最適動作電圧が２００Ｖである太陽電池１０と接続し、出力端に積算電力計や分電盤などからなる配電装置４を介して単相３線式の電力系統２と連系、配電線３を通じて各種の電化製品などの負荷Ｚと接続する。

ここで、インバータ装置２０は、入力側にノイズフィルタ２１、太陽電池１０が出力する直流電圧Ｖ１を変圧するチョッパ方式の変圧回路４０、変圧回路４０をＰＷＭ信号でスイッチング制御する変圧制御手段６０、耐電圧５５０Ｖの中間段コンデンサＣ０、変圧回路４０の出力電圧Ｖ２を２００Ｖｒｍｓの交流電圧に変換する単相ブリッジ形のインバータ回路２２、インバータ回路２２をＰＷＭ信号でスイッチング制御するインバータ制御手段２３、高調波成分の少ない出力を得るための逆Ｌ形の出力フィルタ２４、継電器２５、出力側のノイズフィルタ２６、遮断器２７、出力電流を検出するための変流器２８、インバータ装置２０と電力系統２との連系点Ｐｘの電圧の位相及び波形を検出するための変圧器２９などから構成される。

以上のように構成された従来のインバータ装置２０は、変圧制御手段６０が出力するＰＷＭ信号のパルス幅を変化させることで、変圧回路４０が出力する直流電圧Ｖ２が所定電圧となるように制御する。具体的には、直流電圧Ｖ２が所望の電圧値となるように生成するリファレンス波と、ＰＷＭ信号の周波数と同じ周波数である高周波の三角波とを比較することでＰＷＭ信号のパルス幅が決定される。

特開平６−３３２５５４号公報

しかしながら、上記従来の構成では、変圧回路４０が出力する直流電圧Ｖ２は、インバータ回路２２が交流出力のため、図７に示すように電力系統の周波数の２倍のリップルが発生する。したがって、中間段コンデンサの容量が小さいとリップルが大きくなり、インバータ回路２２の入力が安定しないため、高品質な交流電流波形が生成できないという課題を有していた。また、発電装置が定電圧源の場合、変圧回路４０に入力される直流電流においてもリップルが発生し、配線等の抵抗損により電力変換効率が低下するという課題を有していた。

本発明は、上記従来の課題に鑑み、変圧回路が出力する直流電圧のリップルを小さくし、高品質な交流電流波形を生成、および電力変換効率を高くすることができるインバータ装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明のインバータ装置は、発電装置が発電した直流電力の電圧を異なる電圧に変換する変圧回路と、変圧回路が出力する直流電圧を交流電圧へ変換するインバータ回路と、変圧回路が出力する直流電圧を計測する変圧電圧計測手段と、変圧電圧計測手段で計測する電圧を基に変圧回路が出力する直流電圧が所定範囲となるように変圧回路を制御するための制御信号を出力する変圧制御手段と、変圧回路に入力される電流を計測する入力電流計測手段と、入力電流計測手段で計測する電流の変化量に応じて変圧回路が出力する直流電圧のリップルが小さくなるように変圧制御手段の制御信号を補正する補正手段とを備えたのである。

これにより、変圧回路が出力する直流電圧のリップルを小さくし、高品質な交流電流波形を生成、および電力変換効率を高くすることができる。

本発明によれば、変圧回路が出力する直流電圧のリップルを小さくし、高品質な交流電流波形を生成、および電力変換効率を高くすることができる。

本発明の実施の形態１におけるインバータ装置の構成を示すブロック図同実施の形態のインバータ装置における変圧回路に入力される入力電流の変化量と変圧制御手段のＰＷＭ信号のパルス幅の補正量の関係を示す特性図本発明の実施の形態２におけるインバータ装置の構成を示すブロック図本発明の実施の形態３におけるインバータ装置の構成を示すブロック図同実施の形態のインバータ装置における変圧回路に入力される入力電流の瞬時波形を示す特性図従来のインバータ装置の構成を示すブロック図従来のインバータ装置における変圧回路が出力する直流電圧のリップルを説明するためのタイミングチャート

第１の発明は、発電装置が発電した直流電力の電圧を異なる電圧に変換する変圧回路と、前記変圧回路が出力する直流電圧を交流電圧へ変換するインバータ回路と、前記変圧回路が出力する直流電圧を計測する変圧電圧計測手段と、前記変圧電圧計測手段で計測する電圧を基に前記変圧回路が出力する直流電圧が所定範囲となるように前記変圧回路を制御するための制御信号を出力する変圧制御手段と、前記変圧回路に入力される電流を計測する入力電流計測手段と、前記入力電流計測手段で計測する電流の変化量に応じて前記変圧回路が出力する直流電圧のリップルが小さくなるように前記変圧制御手段の制御信号を補正する補正手段とを備えたインバータ装置である。

第１の発明によれば、変圧回路が出力する直流電圧が所定範囲となるように変圧回路を制御するための制御信号を、変圧回路に入力される電流の変化量に応じて変圧回路が出力する直流電圧のリップルが小さくなるように補正するように構成したことにより、変圧回路が出力する直流電圧のリップルを小さくし、高品質な交流電流波形を生成、および電力変換効率を高くすることができる。

第２の発明は、特に、第１の発明のインバータ装置において、変圧制御手段の制御信号をＰＷＭ信号とするものであり、これにより、ＰＷＭ信号のパルス幅を適切に設定することにより簡単に変圧回路を制御することができる。

第３の発明は、特に、第１または２のいずれかの発明のインバータ装置において、インバータ回路が、平滑手段を介して変圧回路と接続されるようにしたものである。これにより、平滑手段の平滑により変圧回路が出力する直流電圧のリップルが小さくなるため、変圧制御手段の制御信号の補正周期を長くすることができ、制御処理の負荷を小さくすることできる。

第４の発明は、特に、第１から３のいずれかの発明のインバータ装置において、補正手段が、入力電流計測手段が計測する電流値における一定時間の平均値と現在の計測値の差に応じて変圧制御手段の制御信号を補正するようにしたものである。これにより、簡単、かつ汎用性に優れた補正方法で実現することができる。

第５の発明は、特に、第１から４のいずれかの発明のインバータ装置の補正手段における制御信号の補正量に、予め設定された上限もしくは下限を設けたものであり、これにより、起動や停止のような変圧回路に入力される電流の変化が激しい状況下において、補正手段が変圧制御手段の制御信号を過度に補正するのを防ぐことができる。

以下、本発明のインバータ装置の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。尚、この実施の形態によって本発明が限定されるのもではない。

（実施の形態１）
以下に、本発明の実施の形態１におけるインバータ装置について、図１と図２を用いて詳細に説明する。

図１は、本発明の実施の形態１におけるインバータ装置の構成を示すものである。また、図２は、同実施の形態のインバータ装置における変圧回路に入力される入力電流の変化量と変圧制御手段のＰＷＭ信号のパルス幅の補正量の関係を示すものである。

尚、図１には、インバータ装置１０２以外に、電力系統１００と、負荷１０１と、発電装置１０３を併せて図示している。ここで、電力系統１００は、Ｕ相、Ｏ相、Ｗ相から成る単相三線式の交流電源である。負荷１０１は、電力系統１００およびインバータ装置１０２から供給される交流電力を消費する機器である。また、発電装置１０３は、燃料電池、太陽電池、太陽熱発電または風力発電であり、直流電力を発電する。

そして、図１に示すように、インバータ装置１０２は、発電装置１０３、入力電流計測手段１０４、平滑コンデンサ１０５、変圧回路１０６、変圧電圧計測手段１０７、インバータ回路１０８、フィルタ１０９、出力電流計測手段１１０、継電器１１１、交流電圧計測手段１１２、変圧電圧用フィルタ１１３、インバータ制御手段１１４、変圧制御手段１１５、補正手段１１６とで構成される。

ここで、入力電流計測手段１０４は、変圧回路１０６に入力される電流Ｉｉｎを計測する。平滑コンデンサ１０５は、発電装置１０３が生成する直流電圧を平滑する。変圧回路１０６は、発電装置１０３の直流電圧を所定電圧に変圧するもので、スイッチ素子と、高周波トランスと、整流器とで構成される。変圧電圧計測手段１０７は、変圧回路１０７が出力する直流電圧Ｖｄｃを計測する。インバータ回路１０８は、直流を交流に変換するもので、フルブリッジ型、またはハーフブリッジ型で構成されたスイッチ素子で構成される。フィルタ１０９は、インバータ回路１０８のスイッチングによる高周波および高周波ノイズを除去する。出力電流計測手段１１０は、インバータ回路１０８の出力電流Ｉｏｕｔを計測する。継電器１１１は、インバータ制御手段１１４で制御され、接続／切断により電力系統１００との連系／解列する。

また、交流電圧計測手段１１２は、電力系統１００の交流電圧Ｖａｃを計測する。変圧電圧用フィルタ１１３は、変圧電圧計測手段１０７が計測する直流電圧Ｖｄｃをローパスフィルタなどによりフィルタ処理することで、直流電圧Ｖｄｃの平均値を抽出する。インバータ制御手段１１４は、ＰＷＭ信号（例えば、周期は５０ｕｓ）のパルス幅を変化させることによりインバータ回路１０８のスイッチ素子のオン時間を制御することで、インバータ回路１０８の出力電流を制御する。変圧制御手段１１５は、ＰＷＭ信号（例えば、周期は２０ｕｓ）のパルス幅を変化させることにより変圧回路１０６のスイッチ素子のオン時間を制御することで変圧回路１０６が出力する直流電圧を制御する。補正手段１１６は、入力電流計測手段１０４が計測する入力電流の変化量に応じて変圧制御手段１１５のＰＷＭ信号のパルス幅を補正する。

以上のように構成された本実施の形態のインバータ装置１０２の動作、作用について、図１と図２を用いて説明する。

発電装置１０３が生成する直流電圧Ｖｉｎは、平滑コンデンサ１０５で平滑、変圧回路１０６で直流電圧Ｖｄｃに変圧される。その後、変圧回路１０６で変圧された直流電圧Ｖｄｃは、インバータ回路１０８のスイッチ素子でスイッチングされ、電力系統１００に同期した高周波成分を含む正弦波状の交流電流に変換される。そして、この交流電流は、フィルタ１０９により高周波成分が除去、および平滑され、出力電流Ｉａｃとして出力される。そして、この出力電流Ｉａｃは、電力系統１００から供給される交流電流と合成され、配電線上の負荷１０１に入力される。

このとき、変圧回路１０６は、インバータ回路１０８が安定動作を行うため、インバータ回路１０８の出力交流電圧のピーク値、すなわち実効電圧値の大略１．４倍の値に対し、インバータ回路１０８のスイッチ素子による電圧降下、フィルタ１０９による電圧降下などを考慮し、さらに電力系統１００の交流電圧の最も高い値を想定した電圧まで変圧する（例えば、３５０Ｖ）。

変圧制御手段１１５による変圧回路１０６の制御は、変圧電圧検出手段１１０で計測、そして、変圧電圧用フィルタ１１３で平均化された直流電圧Ｖｄｃの平均値をもとにＰＷＭ信号のパルス幅を変化させ、変圧回路１０６のスイッチ素子のオン時間を制御することで、直流電圧Ｖｄｃを所定電圧範囲（例えば、３４０Ｖ〜３６０Ｖ）とする。

ここで、ＰＷＭ信号のパルス幅の決定は、所定時間（例えば、５００ｕｓ）ごとに、直流電圧Ｖｄｃの平均値が３４０Ｖより低いときは、パルス幅を所定幅（例えば、ＰＷＭ信号の周期の０．５％）大きく、直流電圧Ｖｄｃの平均値が３６０Ｖより高いときは、パルス幅を所定幅（例えば、ＰＷＭ信号の周期の０．５％）小さくする。

このように変圧制御手段１１５が決定したＰＷＭ信号のパルス幅を、所定時間（例えば、ＰＷＭ信号の周期と同時間）ごとに、補正手段１１６で補正する。

具体的には、入力電流計測手段１０４が計測する入力電流において、前回補正したときの計測値Ｉ１と現在の計測値Ｉ２の変化量（Ｉ２−Ｉ１）をもとに、図２に示すように入力電流が増加方向にあるときにはパルス幅を小さく、減少方向にあるときにはパルス幅を大きくするように補正する。ただし、入力電流の変化量が所定値以上のときは、下限値（例えば、ＰＷＭ信号の周期の−５％）、入力電流の変化量が所定値以下のときは上限値（例えば、ＰＷＭ信号の周期の＋５％）で補正する。

尚、本実施の形態として、変圧制御手段１１５の制御信号としてＰＷＭ信号を用いたが、三角波、のこぎり波などの搬送波と、リファレンス波とを比較するもので、リファレンス波の大きさを変化させることでスイッチ素子のオン時間を制御する制御信号でもかまわない。

また、本実施の形態として、入力電流の変化量として入力電流計測手段１０４が計測する入力電流の一定時間前の計測値Ｉ１と現在の計測値Ｉ２をもとに抽出したが、ハイパスフィルタ、バンドパスフィルタなどでフィルタ処理することで入力電流の変化量を抽出してもかまわない。

以上のように、本実施の形態のインバータ装置１０２は、発電装置１０３が発電した直流電力の電圧を異なる電圧に変換する変圧回路１０６と、変圧回路１０６が出力する直流電圧を交流電圧へ変換するインバータ回路１０８と、変圧回路１０６が出力する直流電圧を計測する変圧電圧計測手段１０７と、変圧電圧計測手段１０７で計測する電圧を基に変圧回路１０６が出力する直流電圧が所定範囲となるように変圧回路１０６を制御するための制御信号を出力する変圧制御手段１１５と、変圧回路１０６に入力される電流を計測する入力電流計測手段１０４と、入力電流計測手段１０４で計測する電流の変化量に応じて変圧回路１０６が出力する直流電圧のリップルが小さくなるように変圧制御手段１１５の制御信号を補正する補正手段１１６とを備えたものであり、変圧回路１０６が出力する直流電圧が所定範囲となるように変圧回路１０６を制御するための変圧制御手段１１５からの制御信号を、変圧回路１０６に入力される電流（入力電流計測手段１０４で計測する電流）の変化量に応じて変圧回路１０６が出力する直流電圧のリップルが小さくなるように補正手段１１６が補正するように構成したことにより、変圧回路１０６が出力する直流電圧のリップルを小さくし、高品質な交流電流波形を生成、および電力変換効率を高くすることができる。

また、本実施の形態では、変圧制御手段１１５の制御信号をＰＷＭ信号としているので、ＰＷＭ信号のパルス幅を適切に設定することにより、簡単に変圧回路１０６を制御することができる。

また、本実施の形態では、補正手段１１６における変圧制御手段１１５の制御信号の補正量に、予め設定された上限もしくは下限を設けたことにより、起動や停止のような変圧回路１０６に入力される電流の変化が激しい状況下において、補正手段１１６が、変圧制御手段１１５の制御信号を過度に補正するのを防ぐことができる。

（実施の形態２）
以下に、本発明の実施の形態２におけるインバータ装置について、図３を用いて詳細に説明する。尚、本実施の形態において、実施の形態１と同一構成については、同一符号を付して、その詳細な説明は省略する。

図３は、本発明の実施の形態２におけるインバータ装置の構成を示すものである。ここで、図３に示す本実施の形態のインバータ装置１０２は、図１に示す実施の形態１のインバータ装置１０２の構成に、電解コンデンサなどの中間段コンデンサであり、変圧回路１０６が出力する直流電圧を平滑する平滑手段１１７を加えたものであり、その他の構成は、実施の形態１におけるインバータ装置１０２と同様である。

以上のように構成された本実施の形態のインバータ装置１０２の動作、作用について、図２と図３を用いて説明する。

実施の形態１とは異なり、変圧回路１０６が出力する直流電圧は、平滑手段１１７により平滑され、直流電圧のリップルが小さくなる。そのため、リップルが小さくなった分、補正量の決定時間を遅くすることができる。

具体的には、補正手段１１６は、第１の所定時間（例えば、変圧制御手段１１５が出力するＰＷＭ信号の周期の３倍の時間）ごとに、前回に変圧回路１０６に入力される入力電流の変化量を抽出したときの入力電流計測手段１０４が計測する入力電流値Ｉ３と、現在の入力電流計測手段１０４が計測する入力電流値Ｉ４をもとに、変圧回路１０６に入力される入力電流の変化量（Ｉ３−Ｉ４）を抽出する。そして、図２に示すように、変圧回路１０６に入力される入力電流の変化量をもとに補正量を算出する。

補正は、上述により決定された補正量をもとに、第１の所定時間より短い第２の所定時間（例えば、ＰＷＭ信号の周期）で補正を行なう。ここで、ＰＷＭ信号のパルス幅の補正については、実施の形態１と同様であるため、説明を省略する。

以上のように、本実施の形態のインバータ装置１０２は、実施の形態１のインバータ装置１０２の構成において、インバータ回路１０８が、平滑手段１１７を介して変圧回路１０６と接続されるようにしたことにより、平滑手段１１７の平滑により変圧回路１０６が出力する直流電圧のリップルが小さくなるため、変圧制御手段１１５の制御信号の補正周期を長くすることができ、制御処理の負荷を小さくすることできる。

（実施の形態３）
以下に、本発明の実施の形態３におけるインバータ装置について、図４と図５を用いて詳細に説明する。尚、本実施の形態において、実施の形態１または実施の形態２と同一構成については、同一符号を付して、その詳細な説明は省略する。

図４は、本発明の実施の形態３におけるインバータ装置の構成を示すものである。また、図５は、同実施の形態のインバータ装置における変圧回路に入力される入力電流の瞬時波形を示すものである。

ここで、図４に示す本実施の形態のインバータ装置１０２は、図３に示す実施の形態２のインバータ装置１０２の構成に、入力電流計測手段１０４が計測する入力電流をＦＩＲフィルタやＩＩＲフィルタなどでフィルタ処理し、平均値を抽出する入力電流用フィルタ１１８を加えたものであり、その他の構成は、実施の形態２におけるインバータ装置１０２と同様である。

以上のように構成された本実施の形態のインバータ装置１０２の動作、作用について、図４と図５を用いて説明する。

変圧回路１０６に入力される入力電流の変化量の抽出方法として、実施の形態１では、入力電流計測手段１０４が計測する入力電流の一定時間前の計測値と現在の計測値より変化量を抽出したが、入力電流計測手段１０４が計測する入力電流の所定時間の平均値を抽出し、その平均値と現在の計測値とを比較する方法も考えられる。ここで、図５に示す破線は、入力電流用フィルタ１１８でフィルタ処理された平均値を示す。

具体的に説明すると、補正手段１１６は、図５に示すように、入力電流用フィルタ１１８で抽出された入力電流の平均値Ｉａｖｅと、入力電流計測手段１０４が計測する現在の入力電流の計測値Ｉ５の差（Ｉ５−Ｉａｖｅ）で変化量を抽出する。

そして、抽出された変化量をもとに、変圧制御手段１１５のＰＷＭ信号のパルス幅を補正する。ただし、次に変化量が抽出されるまで、同じ変化量をもとにパルス幅を補正する。ここで、ＰＷＭ信号のパルス幅の補正については、実施の形態１と同様であるため、説明を省略する。

以上のように、本実施の形態のインバータ装置１０２は、実施の形態１のインバータ装置１０２の構成において、入力電流計測手段１０４が計測する入力電流をフィルタ処理し、平均値を抽出する入力電流用フィルタ１１８を加え、補正手段１１６が、入力電流計測手段１０４が計測する電流値における一定時間の平均値と現在の計測値の差に応じて変圧制御手段１１５の制御信号を補正するようにしたことにより、簡単、かつ汎用性に優れた補正方法で実現することができる。

本発明によれば、変圧回路が出力する直流電圧のリップルを小さくし、高品質な交流電流波形を生成、および電力変換効率を高くすることができるため、燃料電池発電装置、太陽光発電装置、風力発電装置や太陽熱発電装置のような分散型電源装置などの技術分野において有用である。

１０２インバータ装置
１０３発電装置
１０４入力電流計測手段
１０６変圧回路
１０７変圧電圧計測手段
１０８インバータ回路
１１５変圧制御手段
１１６補正手段
１１７平滑手段
１１８入力電流用フィルタ

Claims

発電装置が発電した直流電力の電圧を異なる電圧に変換する変圧回路と、前記変圧回路が出力する直流電圧を交流電圧へ変換するインバータ回路と、前記変圧回路が出力する直流電圧を計測する変圧電圧計測手段と、前記変圧電圧計測手段で計測する電圧を基に前記変圧回路が出力する直流電圧が所定範囲となるように前記変圧回路を制御するための制御信号を出力する変圧制御手段と、前記変圧回路に入力される電流を計測する入力電流計測手段と、前記入力電流計測手段で計測する電流の変化量に応じて前記変圧回路が出力する直流電圧のリップルが小さくなるように前記変圧制御手段の制御信号を補正する補正手段とを備えたインバータ装置。
前記変圧制御手段の制御信号をＰＷＭ信号とする請求項１に記載のインバータ装置。
前記インバータ回路は、平滑手段を介して前記変圧回路と接続される請求項１または２に記載のインバータ装置。
前記補正手段は、前記入力電流計測手段が計測する電流値における一定時間の平均値と現在の計測値の差に応じて前記変圧制御手段の制御信号を補正する請求項１から３のいずれか１項に記載のインバータ装置。
前記補正手段における前記制御信号の補正量に、予め設定された上限もしくは下限を設けた請求項１から４のいずれか１項に記載のインバータ装置。