JP2011078306A - インバータの作動方法及びインバータ - Google Patents

Abstract

【課題】インバータの効率を改善する。
【解決手段】太陽発電機Ｇの直流電圧＋Ｕ＿ＺＬ、−Ｕ＿ＺＬを、電源Ｎに供給するために交流電圧Ｕ＿Ｎｅｔｚに変換するために、インバータは、昇圧回路Ｈ、中間回路Ｚ、及び降圧回路Ｔを備えている。昇圧回路Ｈは、直流電圧＋Ｕ＿ＺＬ、−Ｕ＿ＺＬが、電源電圧Ｕ＿Ｎｅｔｚのピーク・ピーク最大値より小さいときに直流電圧＋Ｕ＿ＺＬ、−Ｕ＿ＺＬを昇圧し、降圧回路Ｔは、中間回路電圧＋Ｕ＿ＺＨ、−Ｕ＿ＺＨを、電源Ｎにおいて実際に必要とされるより低い電圧Ｕ＿Ｎｅｔｚに降圧する。昇圧回路Ｈは、直流電圧＋Ｕ＿ＺＬ、−Ｕ＿ＺＬを、実際に電源Ｎにおいて必要とされる値に動的に昇圧し、一時的に、中間回路電圧＋Ｕ＿ＺＨ、−Ｕ＿ＺＨに対してほぼ正弦波形の電圧曲線を提供する。
【選択図】図１

Description

本発明は、インバータの作動方法及びこのために適したインバータに関するものである。このようなインバータは、例えば交流電圧を交流電源に供給するために、存在する直流電圧を交流電圧に変換することに使用される。特に太陽光発電の分野における適用においては、できるだけ高い変換効率が要求されている。

ドイツ特許公開第１０２００６０１０６９４号は、従来技術のソーラ・インバータを開示している。該インバータにおいては、２つの直流電源又は太陽発電機が直列に接続され、これらの接続点は、第１の電圧レベルである中間電圧を形成する。太陽発電機の外側の２つの接続点はそれぞれ正又は負の電圧レベルを形成する。発電電圧が最高電源電圧より低い場合、これらの両方のレベルから、それぞれ１つの昇圧器により、発電電圧は最高の正又は負の電源電圧を超えて昇圧される。即ち、回路は５つの異なる固定電圧レベルで作動する。次に、電源相には、降圧器を介して、それぞれ絶対値として次に高い電圧レベルから給電され、この場合、絶対値として次に低い電圧レベルを上回るようにフリーホイーリングが行われる。比較的高い回路費用のほかに、昇圧器又は降圧器が不必要なスイッチング損失を発生することが欠点であり、その理由は、特定の作動状態において、発電電圧がある値に昇圧され、その値から、降圧器により本来必要とされる電圧レベルが発生されなければならないからである。さらに、このインバータの作動のために２つの太陽発電機が必要とされ、２つの太陽発電機はできるだけ同じ出力を提供しなければならない。しかしながら、例えばモジュールを１つに統一したときにおいても、常にこれが保証されるとは限らない。

ドイツ特許第１０２００７０２６３９３号にはソーラ・インバータが記載され、このソーラ・インバータにおいては、昇圧器が発電電圧を確かに常により高いレベルにもたらすが、拡張作動モードにおいて、発電電圧が、蓄積チョークを希望どおりにもはや磁化可能ではないほど低いときにのみ、出力がこのレベルから呼び出される。この場合、昇圧器は固定電圧レベルで作動し、この電圧レベルから、再び、同様に降圧器が実際に必要とされる電圧レベルを発生しなければならない。

したがって、本発明の目的は、改善された効率を可能にするインバータの作動方法並びに該方法を実行するためのインバータを提供することである。

上記した目的は、太陽発電機の直流電圧を電源に供給するために交流電圧に変換するための昇圧回路、中間回路、及び降圧回路を備えたインバータの作動方法及びインバータにより達成される。昇圧回路は、直流電圧、電源電圧の現在値より小さいときに、直流電圧を昇圧する。降圧回路は、必要に応じて、中間回路電圧を電源内において実際に必要とされるより低い電圧に降圧する。この場合、昇圧回路は、直流電圧を、実際に電源内において必要とされる値に動的に昇圧し、これにより、一時的に、中間回路電圧に対してほぼ正弦波形の電圧曲線を提供する。したがって、以下において動的中間回路又は動的中間回路電圧に関して記載する場合、中間回路が固定電圧に保持される通常の中間回路とは異なり、中間回路電圧を実際に電源内において必要とされる電圧に少なくとも一時的に適合させることを意味している。

本発明に係るインバータは、動的中間回路を有し、動的中間回路に発電機から直流電圧が供給され、直流電圧は、必要とされる電源電圧が発電電圧を超えている場合に、動的中間回路の前段に接続された２つの対称の昇圧器により昇圧される。動的中間回路から電源にエネルギが供給され、該供給された電圧は、動的中間回路電圧が実際に必要とされる値を超えている場合、動的中間回路の後段に接続された２つの対称の降圧器により降圧される。

インバータは、直流電源として１つの太陽発電機のみを必要とするにすぎない。直流電圧は中間の電圧レベルに対して対称に存在する。太陽発電機から供給された直流電圧が実際に必要とされる電源電圧よりも低い場合、昇圧器は、直流電圧をしたがって動的中間回路電圧を、必要とされる電源電圧に正確に昇圧する。これにより、同時に降圧器が作動されなければならないことが回避される。降圧器は、発電電圧が実際に必要とされる電源電圧を超えているときにのみ、作動する。

さらに、回路は３つの電圧レベルで作動し、給電は、正及び負の電圧レベルで行われることが好ましく、戻り過程では、正及び負の電圧レベルの中間の電圧レベルとなる。中間の電圧レベルは接地されていてもよい。

上記の説明により、太陽発電機から電源の各相に給電可能である。例えば三相電源に給電するために、この回路が３回使用されてもよい。しかしながら、これらの相には全てただ１つの動的中間回路から給電されることが好ましい。このとき、それぞれの発電機に付属された両方の昇圧器に対して、これらの昇圧器が発電電圧を実際に必要とされる全ての相電圧の最高電圧に昇圧しなければならない。個々の相にはこのとき、別々の降圧器を介して給電され、降圧器は動的中間回路電圧をそれぞれに必要とされる相電圧に降圧しなければならない。
本発明のその他の利点並びに詳細は好ましい実施形態の図面による以下の説明から理解されるであろう。

電源の相に給電するためのソーラ・インバータ回路を示す回路図である。 電源の相の１周期分のインバータの種々の作動領域を示す波形図である。 複数の電圧源及び３つの電源相のためのソーラ・インバータ回路を示すブロック図である。

図１の回路は、太陽発電機Ｇを備えている。この太陽発電機は直流電圧を提供し、この直流電圧は、基本的に実際の照度の関数であるが、作動温度又はモジュール劣化等の他のパラメータの関数でもある。直列に接続され且つ発電機Ｇに並列に接続された２つのコンデンサＣ１及びＣ２により中間の電圧レベルが形成され、中間の電圧レベルはここでは０Ｖである。このレベルは接地レベルでもよいが、接地レベルでなくてもよい。Ｃ１及びＣ２の接続位置において接地されていない場合、発電機Ｇには電圧リップルが発生せず、これにより、作動点は、太陽発電機Ｇが最大効率を有するいわゆる最大パワー・ポイント（ＭＰＰ）に、より良好に保持可能であるか、ないしは動的中間回路の容量は同じＭＰＰ効率に対してより小さく選択可能である。

発電機Ｇの正の電圧レベル＋Ｕ＿ＺＬは、第１のダイオードＤ１を介して動的な中間回路Ｚと接続されている。さらに、電圧レベル＋Ｕ＿ＺＬは、インダクタンスＬ１及び半導体スイッチング素子Ｔ１を介して中間の電圧レベルとも接続されている。発電電圧が動的中間回路Ｚを少なくとも実際に電源Ｎの給電されるべき相内において必要とされる電圧に充電するのに十分であるかぎり、スイッチング素子Ｔ１は遮断され、発電電圧はダイオードＤ１を介して動的中間回路Ｚに供給される。

しかしながら、発電電圧が低すぎる場合、スイッチング素子Ｔ１において脈動が開始される。これにより、スイッチング素子Ｔ１の遮断時にインダクタンスＬ１において電圧を上昇させる電流が短時間流れる。この既知の原理により作動する、直流電圧をより高い直流電圧に変圧する回路は、昇圧器又はセットアップ変換器と称せられる。インダクタンスＬ１とスイッチング素子Ｔ１との動作により、昇圧された電圧が第２のダイオードＤ２によりピック・アップされ、動的中間回路Ｚに供給される。図１において＋Ｕ＿ＺＨとして表わされている電位は、このとき太陽発電機Ｇの出力電圧＋Ｕ＿ＺＬより高いので、ダイオードＤ１は遮断されて、発電機Ｇを動的中間回路Ｚから切り離す。

負の発電電圧−Ｕ＿ＺＬに対する、インダクタンスＬ２及び半導体スイッチング素子Ｔ５を備えた同様な構成及び機能の下部昇圧器も必要に応じて備えられる。下部昇圧器が作動しないとき、ダイオードＤ６は発電機Ｇを直接動的中間回路Ｚと接続し、一方、ダイオードＤ７は、下部昇圧器により昇圧された負の発電電圧を動的中間回路Ｚに導く。正及び負の発電電圧に対する両方の昇圧器は、中間の電圧レベルに対して対称に配置され、図１に示すように昇圧回路Ｈを形成している。この回路はのちに参照されるが、そのときは再度詳細には説明しない。

動的中間回路Ｚは、直列に接続された２つのコンデンサＣ３及びＣ４によりフィルタリングされ、コンデンサＣ３及びＣ４の共通の接続点は同様に中間の電圧レベルとなる。この共通の接続点は、昇圧回路Ｈの中間の電圧レベルと接続されていることが好ましい。ただし、この接続は必ずしも必要ではないので、図１においては、破線で接続を示されている。この位置を接地することも可能であるが、上記の理由から、図示の実施例においては、接地は省略されている。

動的中間回路Ｚには降圧回路Ｔが接続されており、該降圧回路Ｔは、正又は負の動的中間回路の電圧＋Ｕ＿ＺＨ又は−Ｕ＿ＺＨを、半導体スイッチング素子Ｔ２〜Ｔ６のオン・オフ制御（脈動）により、必要に応じて、電源Ｎ内において実際に必要とされるより低い電圧Ｕ＿Ｎｅｔｚに降圧するために、同様に既知の２つの降圧器を含む。この場合、電源Ｎの正の半波の間においては電圧が動的中間回路Ｚの正の電位＋Ｕ＿ＺＨから得られ、電源Ｎの負の半波の間においては電圧が動的中間回路Ｚの負の電位−Ｕ＿ＺＨから得られる。この場合、動的中間回路の中間の電圧レベルへ又は中間の電圧レベルから、それぞれ対応して接続された半導体スイッチング素子Ｔ３及びＴ４を介してフリーホイール動作が行われる。このために、スイッチング素子Ｔ３及びＴ４にフリーホイール・ダイオードＤ３及びＤ４が直列に接続されている。電源電圧の正の半波の間にスイッチング素子Ｔ３は導通し、スイッチング素子Ｔ４は遮断される。負の半波の間においては、スイッチング素子Ｔ３は遮断され、スイッチング素子Ｔ４は導通する。

正及び負の電源電圧に対する両方の降圧器は中間の電圧レベルに対して対称に配置され、図１に示すように降圧回路Ｔを形成している。
電源Ｎ内への本来の給電は最終的に電源チョークＬ３を介して行われる。

図２は、正及び負の発電電圧＋Ｕ＿ＺＬ及び−Ｕ＿ＺＬが、絶対値として、電源Ｎ内の最大の正及び負の電圧より小さい場合における、ソーラ・インバータ回路の種々の作動状態を示す。言い換えると、この場合、発電電圧は電源電圧のピーク・ピーク最大値より小さいことになる。

電源電圧Ｕ＿Ｎｅｔｚの正の半波の間のＡで表わされる領域内においては、必要とされる供給電圧は発電機により提供される電圧を下回っている。この場合、動的中間回路Ｚは、ダイオードＤ１を介して発電機Ｇにより充電され、即ち、正の中間回路電位＋Ｕ＿ＺＨは正の発電電圧＋Ｕ＿ＺＬに匹敵する。このときには降圧回路Ｔの上部の降圧器が作動し、昇圧回路Ｈは作動していない。

電源電圧Ｕ＿Ｎｅｔｚの正の半波の間の領域Ｂ内においては、必要とされる供給電圧は発電機Ｇにより提供される電圧を超えている。この場合、昇圧回路Ｈの上部昇圧器が作動して正の発電電圧＋Ｕ＿ＺＬを電圧＋Ｕ＿ＺＨに昇圧し、電圧＋Ｕ＿ＺＨはダイオードＤ２を介して動的中間回路に作用し、一方、ダイオードＤ１は発電機Ｇを動的中間回路Ｚから切り離す。この場合、昇圧器は、電圧＋Ｕ＿ＺＨが必要とされる供給電圧に正確に対応するように作動される。図２の領域Ｂ内においては、動的中間回路の電圧＋Ｕ＿ＺＨが正確に電源電圧Ｕ＿Ｎｅｔｚの正弦波形に追従する。これにより、降圧回路Ｔを作動させる必要がないので、昇圧回路Ｈ及び降圧回路Ｔの同時作動による不必要なスイッチング損失を回避することができる。

昇圧器及び降圧器を動作させるために、既知のように制御回路が使用され、該制御回路は、目標電圧及び実際電圧に基づき、種々の半導体スイッチング素子に対する適切なオン・オフ操作パターンを発生する。

電源電圧の負の半波に対しては、領域Ｃ及び領域Ｄに対して、負の発電電圧−Ｕ＿ＺＬを、絶対値として、実際に必要とされる供給電圧に昇圧させるために、同様にインバータ回路の作動が反復され、領域Ｃ内においては、降圧回路Ｔの下部降圧器のみが作動し、領域Ｄ内においては、昇圧回路Ｈの下部昇圧器のみが作動する。同様に、正弦波形電圧−Ｕ＿ＺＨの提供により、領域Ｄ内において降圧回路Ｔの同時作動が回避される。

図１に示された回路は、太陽発電機又はいわゆるストリング、即ち複数のソーラ・モジュールからなる一連の回路の直流電圧を、電源相に供給するために交流電圧に変換するのに適している。これは数ｋＷの出力を有する小型装置に対しても十分に使用可能である。しかしながら、より高い出力の太陽光発電装置に対しては、供給電源の３つの全ての相への給電が必要である。このために、ソーラ・モジュールにおける最大システム電圧は１０００Ｖ（無負荷）を超えてはならないので、きわめて多数のソーラ・モジュールを１つのストリング内に直列接続することは不可能となる。これにより、作動電圧は約７５０Ｖに制限されている。したがって、より高い出力の装置においては、複数のストリングが並列に作動される。この場合、各ストリングは他のストリングとは別々に、最大パワー・ポイントにおいて作動可能であり、即ち電流及び電圧が各ストリングに対して別々に選択可能であることが好ましい。
この要求は、図１に示された回路を用いて、簡単な拡張変更により達成可能である。

図３に示すように、各ストリングＧ（４つのストリングＧが示されているが、この数はこれより多くても又は少なくてもよい）に対して、図１に示した１つの昇圧回路Ｈが提供されている。これにより、各ストリングＧをそれぞれの最大パワー・ポイントにおいて作動させることが可能である。
全ての昇圧回路Ｈは１つの共通の動的中間回路Ｚに給電し、この動的中間回路Ｚの構成は図１のそれに対応する。昇圧回路は相互にいわゆる並列に接続されている。

動的中間回路Ｚに、電源Ｎの各相Ｕ、Ｖ、Ｗに対して、それぞれ１つの降圧回路Ｔが続き、降圧回路Ｔからそれぞれの電源相に給電される。通常のように三相交流電源に給電されるべきとき、３つのこのような降圧回路Ｔが必要となる。これらの降圧回路Ｔも同様に、相互に並列に接続されている。図１に示すのと同様に構成された、昇圧回路Ｈのみならず降圧回路Ｔもまた具備されているが、図３においては、それぞれの接続及びこれらの相互接続のみが示されている。

共通の動的中間回路に給電するための複数の昇圧回路Ｈのこのタイプの並列接続は、個々の昇圧回路Ｈの作動における変化を可能にする。はじめに、実際に最高の出力電圧を提供するストリングＧがいわゆるマスタ・ストリングである。このマスタ・ストリング、詳細にはそれに付属されている昇圧回路Ｈは、図１に関して説明されたように作動され、このマスタ・ストリングの電圧が実際に必要とされる３つの供給電圧の最高を下回ったときには常に昇圧回路Ｈが作動される。即ち、このとき、昇圧回路Ｈは、全ての電源相の実際に最高の電圧に調整されていなければならない。即ち、図２に示すようにストリング電圧が電源内のピーク電圧を下回っている場合、昇圧回路Ｈは本質的に開放され且つ場合により継続して使用されるが、この場合、さらに、それぞれの昇圧回路Ｈが実際に最高の電源電圧の正弦波形に追従するように適用され、これにより、この作動状態においては、少なくともこれらの相に対して降圧回路Ｔが作動される必要はない。また、その他の相に給電するために、場合により昇圧回路Ｈ及び降圧回路Ｔの同時作動が必要となることがあっても、これは必要最小限に低減される。

その他のストリングＧ及びそれらの昇圧回路Ｈに対して、これらが常に、マスタ・ストリングと同じ電圧を動的中間回路Ｚに提供しなければならない。そのために、それぞれの昇圧回路Ｈは継続して作動されなければならない。この場合、これらの昇圧回路Ｈは、一定の電圧レベル、即ちマスタ・ストリングの電圧レベルを発生するか、又はマスタ・ストリングの昇圧回路Ｈと同様に、実際に必要とされる最高供給電圧の正弦波形に追従する。

図１又は図３に示された回路の利点は、降圧回路の半導体スイッチング素子Ｔ２、Ｔ３、Ｔ４及びＴ６の制御により、給電が中間の電圧レベルを介して行われることである。例えば、負の電源電圧においては中間の電圧レベルから正の電流が供給され、電圧−Ｕ＿ＺＨを介してフリーホイールが行われる。これにより、供給された電流の位相角は変化可能であり、したがって電源に無効電力を供給可能である。これは電源ドライバの要求であり、電源ドライバは、供給された太陽エネルギ又は風力エネルギを常により大きく寄与させるために、無効電力におけるそれぞれの需要に対してフレキシブルに応答可能である。

Ｇ 太陽発電機（ストリング）
Ｈ 昇圧回路
Ｎ 交流電源
Ｔ 降圧回路
Ｚ 動的中間回路

Claims (9)

1. 太陽発電機（Ｇ）の直流電圧（＋Ｕ＿ＺＬ、−Ｕ＿ＺＬ）を、電源（Ｎ）に供給するために交流電圧（Ｕ＿Ｎｅｔｚ）に変換するための、昇圧回路（Ｈ）、中間回路（Ｚ）及び降圧回路（Ｔ）を備えたインバータの作動方法であって、前記昇圧回路（Ｈ）は、前記直流電圧（＋Ｕ＿ＺＬ、−Ｕ＿ＺＬ）が、電源電圧（Ｕ＿Ｎｅｔｚ）のピーク・ピーク最大値より小さいときに前記直流電圧（＋Ｕ＿ＺＬ、−Ｕ＿ＺＬ）を昇圧し、及び前記降圧回路（Ｔ）は、必要に応じて、中間回路電圧（＋Ｕ＿ＺＨ、−Ｕ＿ＺＨ）を、電源（Ｎ）内において実際に必要とされるより低い電圧（Ｕ＿Ｎｅｔｚ）に降圧する、インバータの作動方法において、
   前記昇圧回路（Ｈ）は、前記直流電圧（＋Ｕ＿ＺＬ、−Ｕ＿ＺＬ）を、実際に電源（Ｎ）内において必要とされる値に動的に昇圧し、且つ、一時的に、前記中間回路電圧（＋Ｕ＿ＺＨ、−Ｕ＿ＺＨ）に対してほぼ正弦波形の電圧曲線を提供する
   ことを特徴とするインバータの作動方法。
2. 請求項１記載の作動方法において、前記昇圧回路（Ｈ）は、太陽発電機（Ｇ）の正又は負の電圧レベル（＋Ｕ＿ＺＬ、−Ｕ＿ＺＬ）を、中間の電圧レベル（０Ｖ）に対して、絶対値として、実際に電源（Ｎ）内において必要とされる値（Ｕ＿Ｎｅｔｚ）に昇圧し、これにより、前記正又は負の電圧レベル（＋Ｕ＿ＺＬ、−Ｕ＿ＺＬ）が、中間の電圧レベル（０Ｖ）に対して、絶対値として、実際に電源（Ｎ）内において必要とされる電圧（Ｕ＿Ｎｅｔｚ）より小さいときに、前記動的中間回路電圧（＋Ｕ＿ＺＨ、−Ｕ＿ＺＨ）をこの値に昇圧することを特徴とする作動方法。
3. 請求項１又は２記載の作動方法において、前記動的中間回路（Ｚ）から３つの電源相（Ｕ、Ｖ、Ｗ）に給電され、前記動的中間回路（Ｚ）から、電源相の各相（Ｕ、Ｖ、Ｗ）に対して固有の降圧回路（Ｔ）に給電されることを特徴とする作動方法。
4. 請求項３記載の作動方法において、前記直流電圧（＋Ｕ＿ＺＬ、−Ｕ＿ＺＬ）が前記電源相（Ｕ、Ｖ、Ｗ）内において実際に必要とされる最高供給電圧より低い場合、前記昇圧回路（Ｈ）がこの最高供給電圧に動的に制御することを特徴とする作動方法。
5. 請求項１−４いずれかに記載の作動方法において、複数の太陽発電機（Ｇ）が、それぞれに付属された昇圧回路（Ｈ）を介して前記動的中間回路（Ｚ）に給電することを特徴とする作動方法。
6. 請求項５記載の作動方法において、
   実際に最高の直流電圧を提供する太陽発電機（Ｇ）がマスタ・ストリングであり、
   その他の太陽発電機（Ｇ）に付属された昇圧回路（Ｈ）は、前記マスタ・ストリング又はそれに付属された昇圧回路（Ｈ）から前記動的中間回路（Ｚ）に与えられた電圧に対応する電圧を提供する
   ことを特徴とする作動方法。
7. 太陽発電機（Ｇ）の直流電圧（＋Ｕ＿ＺＬ、−Ｕ＿ＺＬ）を、電源（Ｎ）に供給するために交流電圧（Ｕ＿Ｎｅｔｚ）に変換するための、昇圧回路（Ｈ）、中間回路（Ｚ）及び降圧回路（Ｔ）を備えたインバータであって、前記昇圧回路（Ｈ）は、前記直流電圧（＋Ｕ＿ＺＬ、−Ｕ＿ＺＬ）が、電源電圧（Ｕ＿Ｎｅｔｚ）のピーク・ピーク最大値より小さいときに前記直流電圧（＋Ｕ＿ＺＬ、−Ｕ＿ＺＬ）を昇圧し、及び前記降圧回路（Ｔ）は、必要に応じて、中間回路電圧（＋Ｕ＿ＺＨ、−Ｕ＿ＺＨ）を、電源（Ｎ）内において実際に必要とされるより低い電圧（Ｕ＿Ｎｅｔｚ）に降圧する、インバータにおいて、
   前記昇圧回路（Ｈ）は、前記直流電圧（＋Ｕ＿ＺＬ、−Ｕ＿ＺＬ）を、実際に電源（Ｎ）内において必要とされる値に動的に昇圧し、且つ、一時的に、前記中間回路電圧（＋Ｕ＿ＺＨ、−Ｕ＿ＺＨ）に対してほぼ正弦波形の電圧曲線を提供する
   ことを特徴とするインバータ。
8. 請求項７記載のインバータにおいて、それぞれ１つの昇圧回路（Ｈ）が付属されている複数の太陽発電機（Ｇ）が、前記動的中間回路（Ｚ）に給電することを特徴とするインバータ。
9. 請求項７又は８記載のインバータにおいて、前記動的中間回路（Ｚ）から、電源相（Ｕ、Ｖ、Ｗ）にそれぞれ付属された降圧回路（Ｔ）を介して、複数の電源相（Ｕ、Ｖ、Ｗ）に給電されることを特徴とするインバータ。

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