JP2013059147A

JP2013059147A - 電力変換装置

Info

Publication number: JP2013059147A
Application number: JP2011194631A
Authority: JP
Inventors: Yasuyuki Tanaka; 康之田中
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2011-09-07
Filing date: 2011-09-07
Publication date: 2013-03-28

Abstract

【課題】直流電力を交流電力に変換する際に、交流電流に含まれる直流成分を検出する電流検出器に異常が発生した場合においても、直流成分の検出が不能となることを防止できる信頼性の高い電力変換装置を提供することを目的としている。
【解決手段】電力変換装置１は、直流電源２の直流電力を交流電力に変換するインバータ回路５と、インバータ回路５の出力電流を検出する第一の電流検出器６と、この出力電流によりインバータ回路５の電流を制御する電流制御回路７と、インバータ回路５の出力電流を検出する第二の電流検出器８と、この出力電流によりインバータ回路５の直流分を制御する直流分制御回路９と、第一の電流検出器６及び第二の電流検出器８からそれぞれ直流電流を抽出し、抽出された直流電流の一方又は両方が設定された判定値以上である場合に異常と判定する異常判定回路１０とから構成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば太陽電池で発電された直流電力を交流電力に変換し系統連系に接続する電力変換装置に関するものである。

太陽電池等の直流電源の直流電力をインバータにより交流変換し、変圧器を介して系統電源と連系させ、直流電源及び系統電源から負荷に電力供給するようにした系統連系システムがある。ところで、系統連系システムでは、変圧器のインバータ交流出力側に直流電流が流入する場合があり、インバータの出力電流に含まれる直流成分が許容値を超えると、商用電源に接続された機器、特に配電系統側の変圧器の偏励磁現象等の悪影響を及ぼすため、インバータの交流出力から直流電流が流出しないようにそのインバータに絶縁トランスを内蔵させると同時に直流成分を打ち消すようにインバータを制御することにより、直流成分の流出を未然に防止する対策を施している。

しかしながら、絶縁トランスを内蔵したインバータでは、その絶縁トランスを内蔵する分だけインバータが大型化し、コストアップの要因となるため、近年、絶縁トランスを内蔵しないインバータが開発されている。この種のインバータでは、重畳する直流電流を打ち消すように制御しているが、絶縁トランスを内蔵したインバータとは異なり、インバータ（直流系）と商用系統間に直流系と交流系との絶縁がとれず、直流成分の流出を完全に防止することができないため、変圧器に流入する直流電流を検出し、その検出値が許容値を超える場合にはインバータを停止させる必要がある。絶縁トランスを設置しない場合には、系統連系のガイドラインにより直流電流の流出をインバータの定格電流の１％以下にすることが義務づけられている。検出対象である直流電流のレベルが非常に小さい時、例えば、交流電流１００％に含まれる直流電流が１％である場合、半サイクル毎のような短時間での積分値又は平均値により直流電流を検出することは非常に困難であり、このような検出を実現するためには、高精度な検出が可能なシステムが必要である。

これに対して、従来の特許文献１のインバータ回路では、直流電力を交流電力に変換して交流出力線路に出力するインバータ主回路の動作を制御するインバータ制御回路とから構成され、交流出力線路に流れる直流分を零に抑制する制御機能を有しているインバータ回路において、インバータ制御回路は、交流出力線路に装備された電流センサを含む電流制御回路と、交流出力線路に介在するシャント抵抗を含む高精度検出回路とを具え、高精度検出回路は、シャント抵抗の両端電圧に基づいて直流分を検出すると共に、検出値を１或いは複数ビットのデジタル値に変換して電流制御回路へ供給し、電流制御回路は、デジタル値の供給を受けて、電流センサの零点を補正するようにしている。ここでは、電流センサによる直流分の検出精度がセンサ自体の零点の精度に依存していることに着目し、シャント抵抗による直流分検出と組み合わせることによって、インバータ主回路の出力電流に含まれる直流分を簡易な構成で精度良く検出して、直流分の制御を行っている。

また、特許文献２の系統連系システムでは、変圧器のインバータ出力側にインバータの出力電流Ｉｏｕｔを検出する検出器を設け、その検出器の出力を１〜数秒程度のインターバルで累積積分する累積積分回路、及び変圧器のインバータ交流出力側に直流電流Ｉａが流入しない状態での累積積分値を基準値として記憶した基準値メモリ回路７を設け、直流電流Ｉａが流入する状態での累積積分値と前記基準値との比較に基づいて前記直流電流Ｉａを算出する演算回路を具備している。これにより、インバータの出力から変圧器へ流入する直流電流を高精度に検出する必要がないようになっている。

特開平１１−５１９７７号公報特開平９−３７５６８号公報

しかしながら、従来の電力変換装置において、電力変換装置の出力側である交流電流に含まれる直流成分を検出するための電流検出器において異常が発生すると、直流の検出が不可能となり、交流電流に含まれる直流成分を検出することができなくなる。このため、電力変換装置から系統に連系するために変圧器に接続していた場合には、変圧器の磁束が飽和して、出力過電流が発生する。また、変圧器が磁束飽和されることにより、同じ変圧器に接続されている他の機器にも系統側から過電流が流れ、遮断器が作動して停電が発生する可能性があるという問題点があった。

本発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、交流電流に含まれる直流成分を検出する電流検出器に異常が発生した場合においても、直流成分の検出が不可能となることを防止できる信頼性の高い電力変換装置を提供することを目的としている。

上記課題を解決するために、本発明に係る電力変換装置は、直流電力を交流電力に変換するインバータ回路と、前記インバータ回路から出力された電流を検出する第一の電流検出器及び第二の電流検出器と、前記第一の電流検出器で検出された電流に基づき、前記インバータ回路の出力電流を制御する電流制御回路と、前記第二の電流検出器で検出された電流に基づき、前記インバータ回路の出力電流の直流分を制御する直流分制御回路と、前記第一の電流検出器及び前記第二の電流検出器で検出された電流からそれぞれ直流分を抽出し、前記直流分の一方又は両方が設定された判定値を超えた場合に異常と判定する異常判定回路と、を備え、前記異常判定回路により異常と判定された場合に前記インバータ回路の出力を遮断するものである。

また、本発明の請求項４に係る電力変換装置は、前記直流電力の電源が太陽電池である。

本発明によれば、インバータ回路の出力電流の制御に用いられる第一の電流検出器を直流分の検出にも利用することにより、直流分の制御に用いられる第二の電流検出器で異常が発生して、直流分の検出が行えなくなった場合においても、インバータ回路の出力を遮断し、系統から解列させることにより電力変換装置及び系統を安全に保護することができるといった顕著な効果を奏するものである。

実施の形態１に係る電力変換装置、直流電源及び電力系統の関係を示す概略構成図である。実施の形態１の電力変換装置における直流分の異常判定回路の構成図である。実施の形態１の電力変換装置における電流の１周期平均を示す図である。実施の形態１の電力変換装置における直流分の異常判定の動作を示す説明図である。実施の形態１に係る電力変換装置に接続される直流電源が太陽電池である場合を示す構成図である。実施の形態２に係る電力変換装置、直流電源及び電力系統の関係を示す概略構成図である。従来の電力変換装置における直流分の異常判定回路の構成図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態に係る電力変換装置について説明する。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る電力変換装置、直流電源及び電力系統の関係を示す概略構成図である。図２は、直流分の異常判定回路の構成図である。図３は、電流の１周期平均を示す図である。また、図４は、直流分の異常判定の動作を示す説明図である。

図１に示すように、直流電源２の直流電力は、本発明の電力変換装置１により、交流電力に変換された後、さらにその出力は昇降圧変圧器３にて電圧変換され、電力系統４に供給されている。

また、図１に示すように、実施の形態１に係る電力変換装置１は、直流電源２の直流電力を交流電力に変換するインバータ回路５と、インバータ回路５の出力電流を検出する第一の電流検出器６と、この出力電流によりインバータ回路５の電流を制御する電流制御回路７と、インバータ回路５の出力電流を検出する第二の電流検出器８と、この出力電流によりインバータ回路５の直流分を制御する直流分制御回路９と、第一の電流検出器６及び第二の電流検出器８からそれぞれ直流電流を抽出し、抽出された直流電流の一方又は両方が設定された判定値以上である場合に異常と判定する異常判定回路１０とからなる。なお、ここでは、インバータ回路５の出力電流の三相の内、Ｕ相の接続についてのみ図示しているが、同様に、Ｖ相、Ｗ相についても第一の電流検出器及び第二の電流検出器に相当する電流検出器が接続されているが、説明を省略する。

さらに、図２に示すように、異常判定回路１０は、Ｕ相の第二の電流検出器８で検出された電流Ｕｂの１周期から平均値ＡＶＧｂを求め、直流分Ｉｄｃを算出する直流分算出回路１１ｂと、この直流分Ｉｄｃの絶対値ＡＢＳｂを算出する絶対値算出回路１２ｂと、この絶対値ＡＢＳｂと予め設定された判定値Ｉｂとを比較する比較器１３ｂと、比較器１３ｂで絶対値ＡＢＳｂが判定値Ｉｂを超え、異常が発生した時刻ｔ１から計測を開始し、予め設定された時間Ｔｂで時刻ｔ２を求めるタイマ１４ｂと、同様に、Ｖ相及びＷ相の第二の電流検出器６で検出された電流Ｖｂ、Ｗｂについても時刻ｔ２を求め、電流Ｕｂの結果Ｕｂｓと三相の論理和を求める３入力論理和回路１５ｂと、また、Ｕ相の第一の電流検出器６で検出された電流Ｕａの１周期から平均値ＡＶＧａを求め、直流分Ｉｄｃを算出する直流分算出回路１１ａと、この直流分Ｉｄｃの絶対値ＡＢＳａを算出する絶対値算出回路１２ａと、この絶対値ＡＢＳａと予め設定された判定値Ｉａとを比較する比較器１３ａと、比較器１３ａで絶対値ＡＢＳａが判定値Ｉａを超え、異常が発生した時刻ｔ３から計測を開始し、予め設定された時間Ｔａで時刻ｔ４を求めるタイマ１４ａと、同様に、Ｖ相及びＷ相の第一の電流検出器６で検出された電流Ｖａ、Ｗａについても時刻ｔ４を求め、電流Ｕａの結果Ｕａｓと三相の論理和を求める３入力論理和回路１５ａと、を備え、さらに、３入力論理和回路１５ｂ及び３入力論理和回路１５ａの結果の論理和を求める２入力論理和回路１６とで構成されている。

なお、ここでは、電流検出器６，８としては、ＣＴ（ＣｕｒｒｅｎｔＴｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ）を利用するものについて説明する。

次に、図１から図４を参照して、実施の形態１に係る電力変換装置１の動作原理につい
て説明する。直流電源２から供給される直流電力は、インバータ回路５によって交流電力くに変換される。Ｕ，Ｖ，Ｗ、３相の内、Ｕ相について説明する。インバータ回路５から出力された交流電力の電流は、第一の電流検出器６で検出され、電流制御回路７によりインバータ回路５の出力が制御される。また、同時に、インバータ回路５から出力された交流電力の電流は、第二の電流検出器８で検出され、直流分制御回路９によりインバータ回路５の直流分が制御される。さらに、異常判定回路１０により、第一の電流検出器及び第二の電流検出器で検出された電流からそれぞれ直流分を抽出し、直流分の一方又は両方が設定された判定値を超えた場合に異常と判定し、インバータ回路５の出力を遮断するように設定されている。

直流分を検出する第二の電流検出器８に異常が発生し、交流電流に含まれる直流分を検出することが不可能となった場合には、電力変換装置から系統に連系するために接続されている昇降圧変圧器の磁束が飽和して、出力過電流が発生する。また、昇降圧変圧器の磁束飽和により、同じ変圧器に接続されている他の電気機器に系統側からも過電流が流れ、遮断器が動作して停電する可能性がある。これに対して、電力変換装置に異常判定回路１０を組み込むことにより、直流分を検出する第二の電流検出器８に異常が発生し、交流電流に含まれる直流分を検出することが不可能となった場合において、インバータ回路５の出力を遮断し、系統から解列させることにより保護することができる。

次に、図２の異常判定回路の動作の詳細について説明する。異常判定回路１０では、まず、Ｕ相の第二の電流検出器８で検出された電流Ｕｂは、直流分算出回路１１ｂにて電流の一周期の平均を取り直流分Ｉｄｃが算出される（図３）。さらに、絶対値算出回路１２ｂにて、直流分の絶対値｜Ｉｄｃ｜が算出された後、比較器１３ｂにより直流分の絶対値｜Ｉｄｃ｜が判定値Ｉｂと比較され、これを超えたと判定された場合に、タイマ１４ｂにて時刻ｔ１から所定の判定時間Ｔｂまで継続されたことを確認して、時刻ｔ２にて異常信号Ｕｂｓを出力する（図４）。Ｖ相、Ｗ相についても同様に、直流分の絶対値｜Ｉｄｃ｜を判定し、判定値Ｉｂを超えたと判定された場合に異常信号Ｖｂｓ,Ｗｂｓが出力される。ここで、３入力論理和回路１５ｂにより３相の論理和を取る。これにより、Ｕｂｓ，Ｖｂｓ，Ｗｂｓのいずれかで異常が検出された場合において、異常と判定される。

また、Ｕ相の第一の電流検出器６で検出された電流Ｕａについても、直流分算出回路１１ａにて電流の一周期の平均を取り直流分Ｉｄｃを算出する。さらに、絶対値算出回路１２ａにて、直流分の絶対値｜Ｉｄｃ｜を算出した後、比較器１３ａにより直流分の絶対値｜Ｉｄｃ｜が判定値Ｉａを超えたと判定された場合に、タイマ１４ａにて時刻ｔ３から所定の判定時間Ｔａまで継続されたことを確認し、時刻ｔ４にて異常信号Ｕｂａを出力する。Ｖ相、Ｗ相についても同様に、直流分の絶対値｜Ｉｄｃ｜を判定し、判定値Ｉａを超えたと判定された場合に異常信号Ｖａｓ,Ｗａｓが出力される。ここで、３入力論理和回路１５ａにより３相の論理和を取る。これにより、Ｕｂａ，Ｖｂａ，Ｗａｓのいずれかで異常が検出された場合において、論理和の結果がオン（ＯＮ）となる。

続いて、３入力論理和回路１５ｂ及び３入力論理和回路１５ａによりそれぞれ３相の論理和を取った結果を、さらに、２入力論理和回路１６にて論理和を取り、その論理和の結果がオン（ＯＮ）となり、異常と判定された場合には、遮断信号Ｓがインバータ回路５に送られ、出力が遮断される。

ここで、直流分の検出に用いられる第二の電流検出器８は、直流分検出の系統連系規定を満たすため、第一の電流検出器６よりも高精度な電流検出器が用いられる。このため、例えば、Ｕ相の第一の電流検出器６で検出された電流Ｕａに対する判定値Ｉａのレベル設定及び所定の判定時間Ｔａの調整を行う。

なお、図７に示す従来の電力変換装置では、直流分の検出を行う第二の電流検出器８でのみ異常の判定を行う異常判定回路３０で構成されているのに対して、本実施の形態では、本来、インバータ回路５の出力電流の制御に用いられる第一の電流検出器６を直流分の検出にも利用することにより、第二の電流検出器８で異常が発生して、直流分の検出が行えなくなった場合においても、インバータ回路５の出力を遮断し、系統から解列させることにより電力変換装置１及び系統４を安全に保護することができる。これにより、出力電流制御に用いる第一の電流検出器６を直流分の検出にも流用しているので、新たに電流検出器を追加する必要がなく、経済的にも優れた電力変換装置を得ることができる。また、直流分の影響による変圧器の磁束飽和および出力過電流の発生を防止することができ、系統連系に接続された機器を保護することもできる。

上記実施の形態では、直流電源２として、蓄電池を用いる場合について説明したが、図５に示すように、直流電源２として太陽電池２０を適用する場合であってもよく、その他、二次電池や燃料電池等であってもよく、同様の効果が得られる。

このように、本発明の実施の形態１における電力変換装置では、インバータ回路の出力電流の制御に用いられる第一の電流検出器を直流分の検出にも利用することにより、直流分の制御に用いられる第二の電流検出器で異常が発生して、直流分の検出が行えなくなった場合においても、インバータ回路の出力を遮断し、系統から解列させることにより電力変換装置及び系統を安全に保護することができるといった顕著な効果を奏するものである。

実施の形態２．
図６は、本発明の実施の形態２に係る電力変換装置、直流電源及び電力系統の関係を示す概略構成図である。

図６に示す実施の形態２に係る電力変換装置と図１に示す実施の形態１に係る電力変換装置との違いは、第二の電流検出器１８がシャント抵抗１７を利用した電流検出器である点である。他の構成要素は実施の形態１と同様であるので説明を省略する。

次に、図６を参照して、実施の形態２に係る電力変換装置の動作原理について説明する。インバータ回路５から出力された交流電力の電流は、第一の電流検出器６で検出され、電流制御回路７によりインバータ回路５の出力が制御される。また、同時に、インバータ回路５から出力された交流電力の電流は、シャント抵抗１７を用いた第二の電流検出器１８で検出され、直流分制御回路９によりインバータ回路５の直流分が制御される。さらに、異常判定回路１０により、第一の電流検出器６及び第二の電流検出器１８で検出された電流からそれぞれ直流分を抽出し、直流分の一方又は両方が設定された判定値を超えた場合に異常と判定し、インバータ回路５の出力を遮断するように設定されている。異常判定回路１０内部の動作については、実施の形態１と同様であるので、説明を省略する。

第二の電流検出器１８をシャント抵抗１７を用いたものに変更することにより、電流検出精度の向上を図ることができ、高精度な直流分の検出を行うことができる。

このように、本発明の実施の形態２に係る電力変換装置では、第二の電流検出器にシャント抵抗を用いたものを利用することにより、実施の形態１と同様の効果を有すると共に、電流検出精度の向上を図ることができ、高精度な直流分の検出を行うことが可能であるといった顕著な効果を奏するものである。

なお、上記の実施の形態２では、第二の電流検出器についてのみ、シャント抵抗を用いた電流検出器に変更する場合について述べたが、第一の電流検出器及び第二の電流検出器
の両方にシャント抵抗を用いたものに変更することも可能である。

また、図中、同一符号は、同一または、相当部分を示す。

１電力変換装置
５インバータ回路
６第一の電流検出器
７電流制御回路
８，１８第二の電流検出器
９直流分制御回路
１０異常判定回路
１１ａ，１１ｂ直流分算出回路
１３ａ，１３ｂ比較器
１４ａ，１４ｂタイマ
１５ａ，１５ｂ３入力論理和回路
１６２入力論理和回路
１７シャント抵抗
２０太陽電池

Claims

直流電力を交流電力に変換するインバータ回路と、
前記インバータ回路から出力された電流を検出する第一の電流検出器及び第二の電流検出器と、
前記第一の電流検出器で検出された電流に基づき、前記インバータ回路の出力電流を制御する電流制御回路と、
前記第二の電流検出器で検出された電流に基づき、前記インバータ回路の出力電流の直流分を制御する直流分制御回路と、
前記第一の電流検出器及び前記第二の電流検出器で検出された電流からそれぞれ直流分を抽出し、前記直流分の一方又は両方が設定された判定値を超えた場合に異常と判定する異常判定回路と、を備え、
前記異常判定回路により異常と判定された場合に前記インバータ回路の出力を遮断することを特徴とする電力変換装置。
前記異常判定回路は、前記第一の電流検出器及び前記第二電流検出器のそれぞれで検出された電流の一周期の平均値から直流分を抽出し、前記第一の電流検出器及び前記第二の電流検出器のいずれか一方の前記直流分が設定された判定値を超えて所定の時間継続された場合に異常と判定するものであることを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
前記第一の電流検出器及び前記第二の電流検出器の一方又は両方がシャント抵抗を用いたものであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電力変換装置。
前記直流電力の電源は、太陽電池であることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の電力変換装置。