JP2013240203A - インバータ装置および太陽光発電システム - Google Patents

Abstract

【課題】パワーコンディショナにおいて、太陽電池からの直流電力をさらに効率的に交流電力に変換する。
【解決手段】インバータ装置は、直列に接続された第１スイッチおよび第２スイッチを有し、直流電源に接続された第１スイッチ群と、第１スイッチと第２スイッチとの第１接続点に一端が接続されたコンデンサと、直列に接続された第３スイッチおよび第４スイッチを有し、コンデンサと並列に接続された第２スイッチ群と、第１スイッチ、第２スイッチ、第３スイッチ、および第４スイッチをオンオフ制御することで、直流電源からの直流電圧を交流電圧に変換して、第３スイッチと第４スイッチとの第２接続点から交流電圧を出力させるスイッチ制御部と、第２接続点に接続され、交流電圧のパルス波形を平滑化する平滑回路と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、インバータ装置および太陽光発電システムに関する。

パワーコンディショナは、インバータ回路を構成する複数のスイッチをオンオフすることで、太陽電池からの直流電力を交流電力に変換している。特許文献１および特許文献２には、インバータ回路のスイッチによるスイッチング損失を低減することで、直流電力から交流電力への変換の効率を向上させるパワーコンディショナが提案されている。
特許文献１ 特開２０１０−２２０３２０号公報
特許文献２ 特開２０１０−２２０３２１号公報

このようなパワーコンディショナにおいて、太陽電池からの直流電力をさらに効率的に交流電力に変換することが望まれている。

本発明に係るインバータ装置は、直列に接続された第１スイッチおよび第２スイッチを有し、直流電源に接続された第１スイッチ群と、第１スイッチと第２スイッチとの第１接続点に一端が接続されたコンデンサと、直列に接続された第３スイッチ、および第４スイッチを有し、コンデンサと並列に接続された第２スイッチ群と、第１スイッチ、第２スイッチ、第３スイッチ、および第４スイッチをオンオフ制御することで、直流電源からの直流電圧を交流電圧に変換して、第３スイッチと第４スイッチとの第２接続点から交流電圧を出力させるスイッチ制御部と、第２接続点に接続され、交流電圧のパルス波形を平滑化する平滑回路と、を備える。

上記インバータ装置において、スイッチ制御部は、第１スイッチおよび第２スイッチを交互にオンオフさせるとともに、前記第３スイッチおよび前記第４スイッチを交互にオンオフさせてもよい。スイッチ制御部は、第１スイッチおよび第２スイッチを交互にオンオフさせるとともに、第３スイッチおよび第４スイッチを交互にオンオフさせた後、第１スイッチをオフ、第２スイッチをオンした状態で、第３スイッチおよび第４スイッチを交互にオンオフさせてもよい。

上記インバータ装置において、スイッチ制御部は、第３スイッチをオンして第４スイッチをオフした状態で、第１スイッチおよび第２スイッチを交互にオンオフさせ、第１スイッチをオンして第２スイッチをオフした状態で、第３スイッチおよび第４スイッチを交互にオンオフさせてもよい。スイッチ制御部は、第１スイッチをオンして第２スイッチをオフした状態で、第３スイッチおよび第４スイッチを交互にオンオフさせた後、第３スイッチをオンして第４スイッチをオフした状態で、第１スイッチおよび第２スイッチを交互にオンオフさせてもよい。スイッチ制御部は、第３スイッチをオンして第４スイッチをオフした状態で、第１スイッチおよび第２スイッチを交互にオンオフさせた後、第１スイッチをオフして第２スイッチをオンした状態で、第３スイッチおよび第４スイッチを交互にオンオフさせてもよい。

上記インバータ装置は、平滑回路の出力側に接続された系統電源の電圧を測定する電圧測定部をさらに備え、スイッチ制御部は、系統電源の電圧に基づいて、第３スイッチをオンして第４スイッチをオフした状態で、第１スイッチおよび第２スイッチを交互にオンオフさせる動作から、第１スイッチをオンして第２スイッチをオフした状態で、第３スイッチおよび第４スイッチを交互にオンオフさせる動作に切り替えるタイミングを決定してもよい。

上記インバータ装置は、三相交流電源に接続され、スイッチ制御部は、交流電圧の位相を同期させるべき基準交流電圧の基準電位より、予め定められた電位だけ基準交流電圧を正側にシフトさせた交流電圧のパルス波形を平滑回路から出力させるべく、第１スイッチ、第２スイッチ、第３スイッチ、および第４スイッチをオンオフ制御してもよい。

上記インバータ装置において、スイッチ制御部は、第１スイッチをオフして、第２スイッチをオンした状態で、第３スイッチおよび第４スイッチを交互にオンオフさせた後、第３スイッチをオン、第４スイッチをオフした状態で、第１スイッチおよび第２スイッチを交互にオンオフしてもよい。

上記インバータ装置において、スイッチ制御部は、第３スイッチをオン、第４スイッチをオフした状態で、第１スイッチおよび第２スイッチを交互にオンオフさせた後、第１スイッチをオン、第２スイッチをオフ、第３スイッチをオフ、および第４スイッチをオンした状態を継続させてもよい。

上記インバータ装置において、スイッチ制御部は、第１スイッチをオン、第２スイッチをオフ、第３スイッチをオフ、および第４スイッチをオンした状態を２π／３より長い期間継続させる場合、第３スイッチをオン、第４スイッチをオフした状態で、第１スイッチおよび第２スイッチを交互にオンオフさせ、次いで、第３スイッチをオフ、第４スイッチをオンした状態で、第１スイッチおよび第２スイッチを交互にオンオフさせた後、第１スイッチをオン、第２スイッチをオフ、第３スイッチをオフ、および第４スイッチをオンした状態を継続させてもよい。

上記インバータ装置において、スイッチ制御部は、第１スイッチをオン、第２スイッチをオフ、第３スイッチをオフ、および第４スイッチをオンした状態を継続させた後、第３スイッチをオン、第４スイッチをオフした状態で、第１スイッチおよび第２スイッチを交互にオンオフさせてもよい。

上記インバータ装置において、スイッチ制御部は、第１スイッチをオン、第２スイッチをオフ、第３スイッチをオフ、および第４スイッチをオンした状態を２π／３より長い期間継続させる場合、第１スイッチをオン、第２スイッチをオフ、第３スイッチをオフ、および第４スイッチをオンした状態を継続させ、次いで、第３スイッチをオフ、第４スイッチをオンした状態で、第１スイッチおよび第２スイッチを交互にオンオフさせた後、第３スイッチをオン、第４スイッチをオフした状態で、第１スイッチおよび第２スイッチを交互にオンオフさせてもよい。

上記インバータ装置において、スイッチ制御部は、第３スイッチをオン、第４スイッチをオフした状態で、第１スイッチおよび第２スイッチを交互にオンオフさせた後、第１スイッチをオフ、第２スイッチをオンした状態で、第３スイッチおよび第４スイッチを交互にオンオフさせてもよい。

本発明に係る太陽光発電システムは、太陽電池と、太陽電池からの直流電圧を交流電圧に変換する上記のインバータ装置とを備える。

なお、上記の発明の概要は、本発明の必要な特徴の全てを列挙したものではない。また、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となりうる。

本実施形態に係るパワーコンディショナの回路構成を示す図である。 制御法１における第１電圧指令値の一例を示す図である。 制御法１における第２電圧指令値の一例を示す図である。 パワーコンディショナから出力させるべき基準交流電圧の波形の一例を示す図である。 制御法２における第１電圧指令値の一例を示す図である。 制御法２における第２電圧指令値の一例を示す図である。 制御法２における各スイッチのスイッチ条件の一例を示す図である。 パワーコンディショナを三相４線式の電源に適用した場合の回路構成を示す図である。 三相４線式の電源に適用した場合に各相のパワーコンディショナから出力される電圧波形の一例を示す図である。 制御法３における第１電圧指令値の一例を示す図である。 制御法３における第１電圧指令値の一例を示す図である。 制御法３における各スイッチのスイッチ条件の一例を示す図である。 制御法３における第１電圧指令値の一例を示す図である。 制御法３における第１電圧指令値の一例を示す図である。 制御法３における各スイッチのスイッチ条件の一例を示す図である。

以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。

図１は、本実施形態に係るパワーコンディショナ１００の回路構成を示す図である。パワーコンディショナ１００は、例えば、太陽光発電システムに用いられる。パワーコンディショナ１００は、インバータ装置の一例である。パワーコンディショナ１００は、直流電源７０と、系統電源８０とに接続される。直流電源７０は、例えば、太陽電池である。パワーコンディショナ１００は、直流電源７０からの直流電圧を交流電圧に変換し、系統電源８０と連系運転する。

パワーコンディショナ１００は、第１コンデンサ３０、第１スイッチ群１０、第２コンデンサ３２、第２スイッチ群２０、平滑回路４０、スイッチ制御部５０、第１電圧センサ３４、第２電圧センサ３５、および第３電圧センサ３６を備える。第１コンデンサ３０は、一方の入力端子６１および他方の入力端子６２を介して直流電源７０と並列に接続され、直流電源７０から出力される直流電圧を平滑化する。他方の入力端子６２は、基準電位であるグランドに接続されている。

第１スイッチ群１０は、直流電源７０および第１コンデンサ３０と並列に接続されている。第１スイッチ群１０は、直列に接続された第１スイッチ１２および第２スイッチ１４を有する。第１スイッチ１２および第２スイッチ１４は、例えば、ＭＯＳ型電界効果トランジスタ、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）などのスイッチ素子を含む。また、第１スイッチ１２および第２スイッチ１４は、ダイオードを含み、ダイオードは、スイッチ素子に対して逆並列に接続されている。第１スイッチ１２の一端は、一方の入力端子６１に接続され、第１スイッチの他端は、第２スイッチ１４の一端に接続されている。第２スイッチ１４の他端は、他方の入力端子６２に接続されている。つまり、第２スイッチ１４の他端は、グランドに接続されている。

第２コンデンサ３２は、第１スイッチ１２と第２スイッチ１４との第１接続点１６に一端が接続されている。第２スイッチ群２０は、第２コンデンサ３２と並列に接続されている。第２スイッチ群２０は、直列に接続された第３スイッチ２２および第４スイッチ２４を有する。第３スイッチ２２および第４スイッチ２４は、例えば、ＭＯＳ型電界効果トランジスタ、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）などのスイッチ素子を含む。また、第３スイッチ２２および第４スイッチ２４は、ダイオードを含み、ダイオードは、スイッチ素子に対して逆並列に接続されている。第３スイッチ２２の一端は、第２コンデンサ３２の一端に接続されている。第３スイッチ２２の他端は、第４スイッチ２４の一端に接続されている。第４スイッチ２４の他端は、第２コンデンサ３２の他端に接続されている。

スイッチ制御部５０は、第１スイッチ１２、第２スイッチ１４、第３スイッチ２２、および第４スイッチ２４をオンオフ制御することで、直流電源７０からの直流電圧を交流電圧に変換して、第３スイッチ２２と第４スイッチ２４との第２接続点２６から交流電圧を出力させる。平滑回路４０は、第２接続点２６に接続され、交流電圧のパルス波形を平滑化する。平滑回路４０は、コイル４２および第３コンデンサ４４を備える。コイル４２の一端は第２接続点２６に接続され、コイル４２の他端は、第３コンデンサ４４の一端に接続されている。第３コンデンサ４４の一端は、一方の出力端子６３に接続されている。第３コンデンサ４４の他端は、他方の出力端子６４に接続されている。第３コンデンサ４４の他端は、グランドにも接続されている。

第１電圧センサ３４は、パワーコンディショナ１００に入力される直流電源７０の電圧Ｅ１を測定している。第２電圧センサ３５は、第２コンデンサ３２の電圧Ｅ２を測定している。第３電圧センサ３６は、パワーコンディショナ１００から出力される交流電圧、つまり系統電源８０の電圧である系統電圧を測定している。スイッチ制御部５０は、第１電圧センサ３４、第２電圧センサ３５および第３電圧センサ３６から取得する電圧情報に基づいて、第１スイッチ１２、第２スイッチ１４、第３スイッチ２２、および第４スイッチ２４をＰＷＭ制御することで、直流電源７０からの直流電圧を、系統電源８０が出力する基準交流電圧の位相に同期した交流電圧に変換させる。

以下、スイッチ制御部５０による第１スイッチ１２、第２スイッチ１４、第３スイッチ２２、および第４スイッチ２４の具体的なオンオフ制御の手順について、制御法１、制御法２、および制御法３のそれぞれについて説明する。

＜制御法１＞
スイッチ制御部５０は、基準交流電圧の正側の半周期である期間Ｉにおいて、第１スイッチ１２および第２スイッチ１４を交互にオンオフさせるとともに、第３スイッチ２２および第４スイッチ２４を交互にオンオフさせる。スイッチ制御部５０は、基準交流電圧の正側の半周期において、第１スイッチ１２および第２スイッチ１４を交互にオンオフさせるとともに、第３スイッチ２２および第４スイッチ２４を交互にオンオフさせた後、基準交流電圧の負側の半周期である期間ＩＩにおいて、第１スイッチ１２をオフ、第２スイッチ１４をオンした状態で、第３スイッチ２２および第４スイッチ２４を交互にオンオフさせる。

スイッチ制御部５０は、基準交流電圧の位相に同期させた正側の半波整流波形を示す図２Ａに示すような第１電圧指令値２００に基づいて、第１スイッチ１２および第２スイッチ１４を交互にオンオフさせる。第１スイッチ１２がオン、第２スイッチ１４がオフの場合、第１接続点１６の電位は、一方の入力端子６１の電位、つまり直流電源７０の電圧Ｅ１を示す。一方、第１スイッチ１２がオフ、第２スイッチ１４がオンの場合、第１接続点１６の電位は、他の入力端子６２の電位、つまりグランドの電位を示す。

また、スイッチ制御部５０は、基準交流電圧の位相に同期させた図２Ｂに示すような負側の全波整流波形を示す第２電圧指令値２０２に基づいて、第３スイッチ２２および第４スイッチ２４を交互にオンオフさせる。第３スイッチ２２をオン、第４スイッチ２４をオフした場合、第２接続点２６の電位は、第２コンデンサ３２の一端側の電位、つまり第１接続点１６の電位を示す。一方、第３スイッチ２２をオフ、第４スイッチ２４をオンした場合、第２接続点２６の電位は、第１接続点１６の電位から第２コンデンサ３２の両端の電位差（第２コンデンサ３２の電圧Ｅ２）を減算した電位を示す。

ここで、第１電圧指令値２００が示す電圧の最大値は、基準交流電圧の最大値の２倍の大きさを示す。一方、第２電圧指令値２０２が示す電圧の最小値は、基準交流電圧の最小値と同一の値を示す。よって、第１スイッチ１２および第２スイッチ１４が第１電圧指令値２００に基づいてＰＷＭ制御され、第３スイッチ２２および第４スイッチ２４が第２電圧指令値２０２に基づいてＰＷＭ制御されることで、パワーコンディショナ１００は、基準交流電圧に同期した図２Ｃの符号２１０で示すような交流電圧を出力できる。

ここで、制御法１における第１電圧指令値２００は、以下のように表すことができる。

また、制御法１における第２電圧指令値２０２は、以下のように表すことができる。

ここで、v_1refは第１電圧指令値、v_２refは第２電圧指令値、Ｖｓは基準交流電圧を示す。

スイッチ制御部５０は、第３電圧センサ３６により測定される系統電源の電圧に基づいて、第３スイッチ２２をオンして第４スイッチ２４をオフした状態で、第１スイッチ１２および第２スイッチ１４を交互にオンオフさせる動作から、第１スイッチ１２をオンして第２スイッチ１４をオフした状態で、第３スイッチ２２および第４スイッチ２４を交互にオンオフさせる動作に切り替えるタイミングを決定する。より具体的には、スイッチ制御部５０は、第３電圧センサ３６が測定する電圧のゼロクロス点を検出することで、第１スイッチ１２および第２スイッチ１４を交互にオンオフさせる期間Ｉと、第１スイッチ１２をオフ、第２スイッチ１４をオンした状態を継続させる期間ＩＩとを切り替えるタイミングを制御する。また、スイッチ制御部５０は、第２電圧センサ３５が測定する第２コンデンサ３２の電圧Ｅ２のピーク電圧の大きさが、基準交流電圧Ｖｓの√２倍以上になるように、第１スイッチ１２および第２スイッチ１４を交互にオンオフさせる、または第３スイッチ２２および第４スイッチ２４を交互にオンオフさせてＰＷＭ制御を行う場合のパルス幅を制御する。

制御法１によれば、パワーコンディショナ１００を単相２線式、単相３線式、三相３線式、あるいは三相４線式の電源に適用できる。そして、制御法１によれば、基準交流電圧の負側の半周期において、第１スイッチ１２および第２スイッチ１４のオンオフ制御を行う必要がない。よって、基準交流電圧の負側の半周期において、第１スイッチ１２および第２スイッチ１４をオンオフすることに伴うスイッチング損失をなくすことができる。

＜制御法２＞
スイッチ制御部５０は、図３Ａに示す第１電圧指令値２００および図３Ｂに示す第２電圧指令値２０２に基づいて、期間Ｉ、期間ＩＩ、期間ＩＩＩ、および期間ＩＶのそれぞれにおいて、図４に示すようなオンオフ条件により、第１スイッチ１２、第２スイッチ１４、第３スイッチ２２、および第４スイッチ２４をオンオフ制御することで、直流電源７０からの直流電圧を、パワーコンディショナ１００から出力させるべき基準交流電圧、つまり系統電源８０が出力する交流電圧に同期した交流電圧に変換させる。

制御法２における第１電圧指令値２００は、以下のように表すことができる。スイッチ制御部５０は、第１電圧指令値２００に基づいて第１スイッチ１２および第２スイッチ１４を期間Ｉおよび期間ＩＩＩにおいてＰＷＭ制御する。

また、制御法２における第２電圧指令値２０２は、以下のように表すことができる。スイッチ制御部５０は、第２電圧指令値２０２に基づいて第３スイッチ２２および第４スイッチ２４を期間ＩＩおよび期間ＩＶにおいてＰＷＭ制御する。

ここで、v_1refは第１電圧指令値、v_２refは第２電圧指令値、Ｖｓは基準交流電圧、Ｖｉｎはパワーコンディショナ１００に入力される直流電源７０の電圧Ｅ１、σ_１は期間ＩＩの幅の半分の期間を示す。

スイッチ制御部５０は、期間Ｉにおいて、第３スイッチ２２をオンして第４スイッチ２４をオフした状態で、第１スイッチ１２および第２スイッチ１４を交互にオンオフさせる。第３スイッチ２２をオンして第４スイッチ２４をオフした状態で、第１スイッチ１２がオン、第２スイッチ１４がオフの場合、第２接続点２６の電位は、一方の入力端子６１の電位である直流電源７０の電圧Ｅ１となる。また、第３スイッチ２２をオンして第４スイッチ２４をオフした状態で、第１スイッチ１２がオフ、第２スイッチ１４がオンの場合、第２接続点２６の電位は、グランドの電位ＧＮＤとなる。よって、期間Ｉにおいて、直流電源７０の電圧Ｅ１と、グランドの電位ＧＮＤとを交互に繰り返すパルス波形の電圧が第２接続点２６から出力される。

また、スイッチ制御部５０は、期間Ｉに続く期間ＩＩにおいて、第１スイッチ１２をオンして第２スイッチ１４をオフした状態で、第３スイッチ２２および第４スイッチ２４を交互にオンオフさせる。第１スイッチ１２をオンして第２スイッチ１４をオフした状態で、第３スイッチ２２がオン、第４スイッチ２４がオフの場合、第２接続点２６の電位は、直流電源７０の電圧Ｅ１となる。また、第１スイッチ１２をオンして第２スイッチ１４をオフした状態で、第３スイッチ２２がオフ、第４スイッチ２４がオンの場合、第２接続点２６の電位は、直流電源７０の電圧Ｅ１と第２コンデンサ３２の電圧Ｅ２との差分Ｅ１−Ｅ２となる。よって、期間ＩＩにおいて、直流電源７０の電圧Ｅ１と差分Ｅ１−Ｅ２とを交互に繰り返すパルス波形の電圧が第２接続点２６から出力される。

スイッチ制御部５０は、期間ＩＩにおいて、第１スイッチ１２をオンして第２スイッチ１４をオフした状態で、第３スイッチ２２および第４スイッチ２４を交互にオンオフさせた後、期間ＩＩに続く期間ＩＩＩにおいて、期間Ｉと同様な条件で、第３スイッチ２２をオンして第４スイッチ２４をオフした状態で、第１スイッチ１２および第２スイッチ１４を交互にオンオフさせる。これにより、期間ＩＩＩにおいて、直流電源７０の電圧Ｅ１と、グランドの電位ＧＮＤとを交互に繰り返すパルス波形の電圧が第２接続点２６から出力される。

また、スイッチ制御部５０は、期間ＩＩＩにおいて、第３スイッチ２２をオンして第４スイッチ２４をオフした状態で、第１スイッチ１２および第２スイッチ１４を交互にオンオフさせた後、期間ＩＩＩに続く期間ＩＶにおいて、第１スイッチ１２をオフして第２スイッチをオンした状態で、第３スイッチ２２および第４スイッチ２４を交互にオンオフさせる。第１スイッチ１２をオフして第２スイッチをオンした状態で、第３スイッチ２２をオン、第４スイッチ２４をオフした場合、第２接続点２６の電位は、グランドの電位ＧＮＤとなる。また、第１スイッチ１２をオフして第２スイッチをオンした状態で、第３スイッチ２２をオフ、第４スイッチ２４をオンした場合、第２接続点２６の電位は、第２コンデンサ３２の他端の電位−Ｅ２となる。よって、期間ＩＶにおいて、電位ＧＮＤと電位−Ｅ２とを交互に繰り返すパルス波形の電圧が第２接続点２６から出力される。

以上のように、スイッチ制御部５０は、それぞれの期間におけるそれぞれのスイッチ条件に基づいて、それぞれのスイッチのオンオフの期間を制御することでＰＷＭ制御を実行し、直流電源７０からの直流電圧を基準交流電圧の位相に同期させた交流電圧に変換させる。

ここで、スイッチ制御部５０は、直流電源の電圧Ｅ１および第２コンデンサ３２の電圧Ｅ２に基づいて、第３スイッチ２２をオンして第４スイッチ２４をオフした状態で、第１スイッチ１２および第２スイッチ１４を交互にオンオフさせる動作から、第１スイッチ１２をオンして第２スイッチ１４をオフした状態で、第３スイッチ２２および第４スイッチ２４を交互にオンオフさせる動作に切り替えるタイミングを決定する。つまり、スイッチ制御部５０は、期間Ｉから期間ＩＩに切り替えるタイミングを、直流電源７０の電圧Ｅ１および第２コンデンサ３２の電圧Ｅ２に基づいて決定する。

より具体的には、スイッチ制御部５０は、基準交流電圧が負から正に切り替わるゼロクロスのタイミングから、基準交流電圧がＥ１−Ｅ２となるタイミングまでを期間Ｉと決定する。同様に、スイッチ制御部５０は、期間ＩＩから期間ＩＩＩに切り替えるタイミングを、直流電源の電圧Ｅ１および第２コンデンサ３２の電圧Ｅ２に基づいて決定する。より具体的には、スイッチ制御部５０は、期間ＩＩに切り替わった後、再び基準交流電圧がＥ１−Ｅ２となるタイミングまでを期間ＩＩと決定する。そして、スイッチ制御部５０は、再び基準交流電圧がＥ１−Ｅ２となるタイミングから、基準交流電圧が正から負に切り替わるゼロクロスのタイミングまでを期間ＩＩＩと決定する。さらに、スイッチ制御部５０は、基準交流電圧が正から負に切り替わるゼロクロスのタイミングから、基準交流電圧が負から正に切り替わるゼロクロスのタイミングまでを期間ＩＶと決定する。

ここで、直流電源７０が太陽電池の場合、パワーコンディショナ１００は、太陽電池から最大電力を出力させるべく、直流電源７０からの入力電圧を変動させている。よって、直流電源７０の電圧Ｅ１は変動する。そこで、例えば、スイッチ制御部５０は、第１電圧センサ３４から直流電源７０の電圧Ｅ１を示す電圧情報を取得する。さらに、スイッチ制御部５０は、予めパワーコンディショナ１００が備えるメモリなどに記憶されている第２コンデンサ３２の電圧Ｅ２を取得する。そして、スイッチ制御部５０は、電圧Ｅ１と電圧Ｅ２との差分Ｅ１−Ｅ２を算出する。次いで、スイッチ制御部５０は、予め定められた基準交流電圧の波形を示す電圧指令値を参照して、基準交流電圧が負から正に切り替わるゼロクロスのタイミングから、基準交流電圧がＥ１−Ｅ２となるタイミングまでの時間を算出し、その時間を期間Ｉに設定する。スイッチ制御部５０は、基準交流電圧がＥ１−Ｅ２となったタイミングから再び基準交流電圧がＥ１−Ｅ２となるタイミングまでの時間を算出し、その時間を期間ＩＩに設定する。

なお、第２コンデンサ３２の電圧が固定値である場合、スイッチ条件を切り替えるタイミングを示すそれぞれの期間は、直流電源７０の電圧Ｅ１をパラメータとして定められる。よって、それぞれの期間を電圧Ｅ１の大きさ毎に予め算出してメモリに登録しておいてもよい。この場合、スイッチ制御部５０は、メモリを参照して、第１電圧センサ３４により測定された直流電源７０の電圧Ｅ１の大きさに関連付けられたそれぞれの期間を、スイッチ条件を切り替えるタイミングを示すそれぞれの期間として決定する。

一方、直流電源７０からの入力電圧が変動すれば、第２コンデンサ３２の電圧は変動する。第２コンデンサ３２の電圧が変動することで、パワーコンディショナ１００からの出力が不安定になる可能性がある。そこで、パワーコンディショナ１００からの出力を安定化させるためには、第２コンデンサ３２の電圧を一定にすることが好ましい。そして、第２コンデンサ３２の電圧を一定にするためには、例えば第２接続点２６から出力される電力の平均値Ｐ_２が０になるように制御すればよい。ここで、第２接続点２６の出力電圧の基本周波数成分実効値Ｖ_２ｆは、次の式で表すことができる。

そして、平均値Ｐ_２＝Ｖ_２ｆＩ＝０となるσ_１を算出することで、第２接続点２６から出力される電力の平均値Ｐ_２を０に制御でき、パワーコンディショナ１００からの出力を安定化させることができる。なお、上記式から直接、Ｐ_２＝Ｖ_２ｆＩ＝０となるσ_１を算出せずに、例えば３次の近似式を用いてσ_１を算出してもよい。

制御法２によれば、パワーコンディショナ１００を単相２線式、単相３線式、三相３線式、あるいは三相４線式の電源に適用できる。そして、制御法２によれば、期間ＩＩにおいて、第３スイッチ２２および第４スイッチ２４を交互にオンオフさせる場合、直流電源７０の電圧Ｅ１と差分Ｅ１−Ｅ２とを交互に繰り返すパルス波形の電圧となる。よって、直流電源７０の電圧Ｅ１とグランドの電位ＧＮＤとを交互に繰り返すパルス波形の電圧よりも、第３スイッチ２２および第４スイッチ２４におけるスイッチング損失を低減できる。また、第２コンデンサ３２に入力されるリプル電流は、期間ＩＩおよび期間ＩＶのみである。よって、リプル電流が入力されることにより、第２コンデンサ３２が発熱することを抑制できるので、第２コンデンサ３２の劣化を抑制できる。

＜制御法３＞
制御法３は、パワーコンディショナ１００を三相３線式、あるいは三相４線式の三相交流電源に適用できる。図５に、三相４線式の電源に適用した場合のシステムの回路構成を示す。システムは、パワーコンディショナ１００ｕ、１００ｖおよび１００ｗを有し、パワーコンディショナ１００ｕ、１００ｖおよび１００ｗは、直流電源７０と、三相交流電源８０ｕ、８０ｖおよび８０ｗとに接続される。パワーコンディショナ１００ｕ、１００ｖおよび１００ｗは、それぞれ図１に示すパワーコンディショナ１００を用いることができる。

ここで、三相３線式、あるいは三相４線式の電源を用いる場合、３次高調波を利用することで、直流電源の電圧利用効率を向上させることができる。そこで、制御法３において、パワーコンディショナ１００ｕ、１００ｖおよび１００ｗから出力されるそれぞれの相出力電圧ｖｘｕ、ｖｘｖ、ｖｘｗが図６に示すような電圧波形となるように、スイッチ制御部５０が第１スイッチ１２、第２スイッチ１４、第３スイッチ２２、および第４スイッチ２４をオンオフ制御する。図６に示す電圧波形は、三相４線式における三相電源電圧から最大電圧の相電圧を差し引いた電圧波形に対してオフセット電圧ｖ_ｆを加算した電圧波形を示す。

スイッチ制御部５０は、図７Ａに示す第１電圧指令値２００および図７Ｂに示す第２電圧指令値２０２に基づいて、期間Ｉ、期間ＩＩ、期間ＩＩＩ、期間ＩＶ、期間Ｖ、期間ＶＩおよび期間ＶＩＩのそれぞれにおいて、図８に示すようなオンオフ条件により、第１スイッチ１２、第２スイッチ１４、第３スイッチ２２、および第４スイッチ２４をオンオフ制御することで、直流電源７０からの直流電圧を交流電圧に変換する。または、スイッチ制御部５０は、図９Ａに示す第１電圧指令値２００および図９Ｂに示す第２電圧指令値２０２に基づいて、期間Ｉ、期間ＩＩ、期間ＩＩＩ、期間ＩＶ、期間Ｖ、期間ＶＩ、および期間ＶＩＩのそれぞれにおいて、図１０に示すようなオンオフ条件により、第１スイッチ１２、第２スイッチ１４、第３スイッチ２２、および第４スイッチ２４をオンオフ制御することで、直流電源７０からの直流電圧を交流電圧に変換する。なお、図７Ａおよび図７Ｂはσ１がπ／３以下（期間ＩＶが２π／３以下）の場合の電圧指令値を示し、図９Ａおよび図９Ｂは、σ１がπ／３より大きい（期間ＩＶが２π／３より長い）場合の電圧指令値を示す。

制御法３において、σ１がπ／３以下（期間ＩＶが２π／３以下）の場合の第１電圧指令値２００は、期間Ｉ、期間ＩＩ、期間ＩＩＩ、期間ＩＶ、期間Ｖ、期間ＶＩおよび期間ＶＩＩのそれぞれにおいて、以下のように表すことができる。スイッチ制御部５０は、第１電圧指令値２００に基づいて第１スイッチ１２および第２スイッチ１４を期間ＩＩ、期間ＩＩＩ、期間Ｖ、および期間ＶＩにおいてＰＷＭ制御する。

また、制御法３において、σ１がπ／３以下（期間ＩＶが２π／３以下）の場合の第２電圧指令値２０２は、期間Ｉ、期間ＩＩ、期間ＩＩＩ、期間ＩＶ、期間Ｖ、期間ＶＩおよび期間ＶＩＩのそれぞれにおいて、以下のように表すことができる。スイッチ制御部５０は、第２電圧指令値２０２に基づいて第３スイッチ２２および第４スイッチ２４を期間Ｉおよび期間ＶＩＩにおいてＰＷＭ制御する。

ここで、v_1refは第１電圧指令値、v_２refは第２電圧指令値、Ｖｓは基準交流電圧、Ｖｉｎはパワーコンディショナ１００に入力される直流電源７０の電圧Ｅ１、σ_１は期間ＩＩの幅の半分の期間を示す。ｖ_ｆはオフセット電圧を示す。また、φは、ｕ相出力ｖｘｕ＝０となるθのことであり、次式で算出できる。

σ１がπ／３以下の場合、スイッチ制御部５０は、期間Ｉにおいて、第１スイッチ１２をオフして、第２スイッチ１４をオンした状態で、第３スイッチ２２および第４スイッチ２４を交互にオンオフさせる。スイッチ制御部５０は、第１スイッチ１２をオフして、第２スイッチ１４をオンした状態で、第３スイッチ２２および第４スイッチ２４を交互にオンオフさせた後、期間Ｉに続く期間ＩＩおよび期間ＩＩＩにおいて、第３スイッチ２２をオン、第４スイッチ２４をオフした状態で、第１スイッチ１２および第２スイッチ１４を交互にオンオフさせる。

スイッチ制御部５０は、第３スイッチ２２をオン、第４スイッチ２４をオフした状態で、第１スイッチ１２および第２スイッチ１４を交互にオンオフさせた後、期間ＩＩＩに続く期間ＩＶにおいて、第１スイッチ１２をオン、第２スイッチ１４をオフ、第３スイッチ２２をオフ、および第４スイッチ２４をオンした状態を継続する。スイッチ制御部５０は、第１スイッチ１２をオン、第２スイッチ１４をオフ、第３スイッチ２２をオフ、および第４スイッチ２４をオンした状態を継続した後、期間ＩＶに続く期間Ｖおよび期間ＶＩにおいて、第３スイッチ２２をオン、第４スイッチ２４をオフした状態で、第１スイッチ１２および第２スイッチ１４を交互にオンオフさせる。

スイッチ制御部５０は、第３スイッチ２２をオン、第４スイッチ２４をオフした状態で、第１スイッチ１２および第２スイッチ１４を交互にオンオフした後、期間ＶＩに続く期間ＶＩＩにおいて、第１スイッチ１２をオフ、第２スイッチ１４をオンした状態で、第３スイッチ２２および第４スイッチ２４を交互にオンオフする。

制御法３において、σ１がπ／３より大きい（期間ＩＶが２π／３より長い）場合の第１電圧指令値２００は、期間Ｉ、期間ＩＩ、期間ＩＩＩ、期間ＩＶ、期間Ｖ、期間ＶＩおよび期間ＶＩＩのそれぞれにおいて、以下のように表すことができる。スイッチ制御部５０は、第１電圧指令値２００に基づいて第１スイッチ１２および第２スイッチ１４を期間ＩＩ、期間ＩＩＩ、期間Ｖおよび期間ＶＩにおいてＰＷＭ制御する。

また、制御法３において、σ１がπ／３より大きい（期間ＩＶが２π／３より長い）場合の第２電圧指令値２０２は、期間Ｉ、期間ＩＩ、期間ＩＩＩ、期間ＩＶ、期間Ｖ、期間ＶＩおよび期間ＶＩＩのそれぞれにおいて、以下のように表すことができる。スイッチ制御部５０は、第２電圧指令値２０２に基づいて第３スイッチ２２および第４スイッチ２４を期間Ｉおよび期間ＶＩＩにおいてＰＷＭ制御する。

σ１がπ／３より大きい場合、スイッチ制御部５０は、期間Ｉにおいて、第１スイッチ１２をオフして、第２スイッチ１４をオンした状態で、第３スイッチ２２および第４スイッチ２４を交互にオンオフさせる。スイッチ制御部５０は、第１スイッチ１２をオフして、第２スイッチ１４をオンした状態で、第３スイッチ２２および第４スイッチ２４を交互にオンオフさせた後、期間Ｉに続く期間ＩＩにおいて、第３スイッチ２２をオン、第４スイッチ２４をオフした状態で、第１スイッチ１２および第２スイッチ１４を交互にオンオフさせる。

スイッチ制御部５０は、第３スイッチ２２をオン、第４スイッチ２４をオフした状態で、第１スイッチ１２および第２スイッチ１４を交互にオンオフさせた後、期間ＩＩに続く期間ＩＩＩにおいて、第３スイッチをオフ、第４スイッチ２４をオンした状態で、第１スイッチ１２および第２スイッチ１４を交互にオンオフさせる。スイッチ制御部５０は、第３スイッチ２２をオフ、第４スイッチ２４をオンした状態で、第１スイッチ１２および第２スイッチ１４を交互にオンオフさせた後、期間ＩＩＩに続く期間ＩＶにおいて、第１スイッチ１２をオン、第２スイッチ１４をオフ、第３スイッチ２２をオフ、および第４スイッチ２４をオンした状態を継続する。

スイッチ制御部５０は、第１スイッチ１２をオン、第２スイッチ１４をオフ、第３スイッチ２２をオフ、および第４スイッチ２４をオンした状態を継続した後、期間ＩＶに続く期間Ｖにおいて、第３スイッチ２２をオフ、第４スイッチ２４をオンした状態で、第１スイッチ１２および第２スイッチ１４を交互にオンオフさせる。スイッチ制御部５０は、第３スイッチ２２をオフ、第４スイッチ２４をオンした状態で、第１スイッチ１２および第２スイッチ１４を交互にオンオフした後、期間Ｖに続く期間ＶＩにおいて、第３スイッチ２２をオン、第４スイッチ２４をオフした状態で、第１スイッチ１２および第２スイッチ１４を交互にオンオフさせる。

スイッチ制御部５０は、第３スイッチ２２をオン、第４スイッチ２４をオフした状態で、第１スイッチ１２および第２スイッチ１４を交互にオンオフさせた後、期間ＶＩに続く期間ＶＩＩにおいて、第１スイッチ１２をオフ、第２スイッチ１４をオンした状態で、第３スイッチ２２および第４スイッチ２４を交互にオンオフさせる。

制御法３は、平滑回路４０から出力される交流電圧が、位相を同期させるべき基準交流電圧の基準電位より、予め定められた電位（オフセット電圧ｖ_ｆ）だけ基準交流電圧を正側にシフトさせた交流電圧である点で、制御法２とは異なる。制御法３の場合、電圧Ｅ１と電圧Ｅ２との合計が、系統電源８０の交流電圧である基準交流電圧のＶｐ−ｐ以上あればよい。したがって、制御法２に比べて、電圧Ｅ１および電圧Ｅ２を低くできる。よって、よりスイッチング損失を低減できる。

制御法２と同様に、パワーコンディショナ１００ｕ、１００ｖおよび１００ｗからの出力を安定化させるためには、それぞれの第２コンデンサ３２の電圧を一定にすることが好ましい。第２コンデンサ３２の電圧を一定にするためには、例えばそれぞれの第２接続点２６から出力される電力の平均値Ｐ_２が０になるように制御すればよい。制御法３において、それぞれの第２接続点２６の出力電圧の基本周波数成分実効値Ｖ_２ｆは、次の式で表すことができる。

平均値Ｐ_２＝Ｖ_２ｆＩ＝０となるσ_１を算出することで、第２接続点２６から出力される電力の平均値Ｐ_２を０に制御でき、パワーコンディショナ１００からの出力を安定化させることができる。なお、上記式をσ_１について展開すると次式のようになる。

以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。

特許請求の範囲、明細書、および図面中において示した装置、システム、プログラム、および方法における動作、手順、ステップ、および段階等の各処理の実行順序は、特段「より前に」、「先立って」等と明示しておらず、また、前の処理の出力を後の処理で用いるのでない限り、任意の順序で実現しうることに留意すべきである。特許請求の範囲、明細書、および図面中の動作フローに関して、便宜上「まず、」、「次に、」等を用いて説明したとしても、この順で実施することが必須であることを意味するものではない。

１０ 第１スイッチ群
１２ 第１スイッチ
１４ 第２スイッチ
１６ 第１接続点
２０ 第２スイッチ群
２２ 第３スイッチ
２４ 第４スイッチ
２６ 第２接続点
３０ 第１コンデンサ
３２ 第２コンデンサ
３４ 第１電圧センサ
３５ 第２電圧センサ
３６ 第３電圧センサ
４０ 平滑回路
５０ スイッチ制御部
７０ 直流電源
８０ 系統電源
１００ パワーコンディショナ

Claims (15)

1. 直列に接続された第１スイッチおよび第２スイッチを有し、直流電源に接続された第１スイッチ群と、
   前記第１スイッチと前記第２スイッチとの第１接続点に一端が接続されたコンデンサと、
   直列に接続された第３スイッチおよび第４スイッチを有し、前記コンデンサと並列に接続された第２スイッチ群と、
   前記第１スイッチ、前記第２スイッチ、前記第３スイッチ、および前記第４スイッチをオンオフ制御することで、前記直流電源からの直流電圧を交流電圧に変換して、前記第３スイッチと前記第４スイッチとの第２接続点から前記交流電圧を出力させるスイッチ制御部と、
   前記第２接続点に接続され、前記交流電圧のパルス波形を平滑化する平滑回路と、
   を備えるインバータ装置。
2. 前記スイッチ制御部は、
   前記第１スイッチおよび前記第２スイッチを交互にオンオフさせるとともに、前記第３スイッチおよび前記第４スイッチを交互にオンオフさせる請求項１に記載のインバータ装置。
3. 前記スイッチ制御部は、
   前記第１スイッチおよび前記第２スイッチを交互にオンオフさせるとともに、前記第３スイッチおよび前記第４スイッチを交互にオンオフさせた後、前記第１スイッチをオフ、前記第２スイッチをオンした状態で、前記第３スイッチおよび前記第４スイッチを交互にオンオフさせる請求項２に記載のインバータ装置。
4. 前記スイッチ制御部は、
   前記第３スイッチをオンして前記第４スイッチをオフした状態で、前記第１スイッチおよび前記第２スイッチを交互にオンオフさせ、前記第１スイッチをオンして前記第２スイッチをオフした状態で、前記第３スイッチおよび前記第４スイッチを交互にオンオフさせる請求項１に記載のインバータ装置。
5. 前記スイッチ制御部は、
   前記第１スイッチをオンして前記第２スイッチをオフした状態で、前記第３スイッチおよび前記第４スイッチを交互にオンオフさせた後、前記第３スイッチをオンして前記第４スイッチをオフした状態で、前記第１スイッチおよび前記第２スイッチを交互にオンオフさせる請求項４に記載のインバータ装置。
6. 前記スイッチ制御部は、
   前記第３スイッチをオンして前記第４スイッチをオフした状態で、前記第１スイッチおよび前記第２スイッチを交互にオンオフさせた後、前記第１スイッチをオフして前記第２スイッチをオンした状態で、前記第３スイッチおよび前記第４スイッチを交互にオンオフさせる請求項５に記載のインバータ装置。
7. 前記平滑回路の出力側に接続された系統電源の電圧を測定する電圧測定部をさらに備え、
   前記スイッチ制御部は、
   前記系統電源の前記電圧に基づいて、前記第３スイッチをオンして前記第４スイッチをオフした状態で、前記第１スイッチおよび前記第２スイッチを交互にオンオフさせる動作から、前記第１スイッチをオンして前記第２スイッチをオフした状態で、前記第３スイッチおよび前記第４スイッチを交互にオンオフさせる動作に切り替えるタイミングを決定する請求項４から請求項６のいずれか１つに記載のインバータ装置。
8. 前記インバータ装置は、三相交流電源に接続され、
   前記スイッチ制御部は、
   前記交流電圧の位相を同期させるべき基準交流電圧の基準電位より、予め定められた電位だけ前記基準交流電圧を正側にシフトさせた交流電圧を前記平滑回路から出力させるべく、前記第１スイッチ、前記第２スイッチ、前記第３スイッチ、および前記第４スイッチをオンオフ制御する請求項１に記載のインバータ装置。
9. 前記スイッチ制御部は、
   前記第１スイッチをオフして、前記第２スイッチをオンした状態で、前記第３スイッチおよび前記第４スイッチを交互にオンオフさせた後、前記第３スイッチをオン、前記第４スイッチをオフした状態で、前記第１スイッチおよび前記第２スイッチを交互にオンオフする請求項８に記載のインバータ装置。
10. 前記スイッチ制御部は、前記第３スイッチをオン、前記第４スイッチをオフした状態で、前記第１スイッチおよび前記第２スイッチを交互にオンオフさせた後、前記第１スイッチをオン、前記第２スイッチをオフ、前記第３スイッチをオフ、および前記第４スイッチをオンした状態を継続させる請求項９に記載のインバータ装置。
11. 前記スイッチ制御部は、前記第１スイッチをオン、前記第２スイッチをオフ、前記第３スイッチをオフ、および前記第４スイッチをオンした状態を２π／３より長い期間継続させる場合、前記第３スイッチをオン、前記第４スイッチをオフした状態で、前記第１スイッチおよび前記第２スイッチを交互にオンオフさせ、次いで、前記第３スイッチをオフ、前記第４スイッチをオンした状態で、前記第１スイッチおよび前記第２スイッチを交互にオンオフさせた後、前記第１スイッチをオン、前記第２スイッチをオフ、前記第３スイッチをオフ、および前記第４スイッチをオンした状態を継続させる請求項１０に記載のインバータ装置。
12. 前記スイッチ制御部は、前記第１スイッチをオン、前記第２スイッチをオフ、前記第３スイッチをオフ、および前記第４スイッチをオンした状態を継続させた後、前記第３スイッチをオン、前記第４スイッチをオフした状態で、前記第１スイッチおよび前記第２スイッチを交互にオンオフさせる請求項１０または請求項１１に記載のインバータ装置。
13. 前記スイッチ制御部は、前記第１スイッチをオン、前記第２スイッチをオフ、前記第３スイッチをオフ、および前記第４スイッチをオンした状態を２π／３より長い期間継続させる場合、前記第１スイッチをオン、前記第２スイッチをオフ、前記第３スイッチをオフ、および前記第４スイッチをオンした状態を継続させ、次いで、前記第３スイッチをオフ、前記第４スイッチをオンした状態で、前記第１スイッチおよび前記第２スイッチを交互にオンオフさせた後、前記第３スイッチをオン、前記第４スイッチをオフした状態で、前記第１スイッチおよび前記第２スイッチを交互にオンオフさせる請求項１２に記載のインバータ装置。
14. 前記スイッチ制御部は、前記第３スイッチをオン、前記第４スイッチをオフした状態で、前記第１スイッチおよび前記第２スイッチを交互にオンオフさせた後、前記第１スイッチをオフ、前記第２スイッチをオンした状態で、前記第３スイッチおよび前記第４スイッチを交互にオンオフさせる請求項１２または請求項１３に記載のインバータ装置。
15. 太陽電池と、
    前記太陽電池からの直流電圧を交流電圧に変換する請求項１から請求項１４のいずれか１つに記載のインバータ装置と
    を備える太陽光発電システム。

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