JP2014150681A

JP2014150681A - 電力変換装置及び系統連系システム

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Publication number: JP2014150681A
Application number: JP2013018689A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Amimoto; 健志網本; Tatsuya Okuda; 達也奥田
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2013-02-01
Filing date: 2013-02-01
Publication date: 2014-08-21
Anticipated expiration: 2033-02-01
Also published as: JP5924281B2

Abstract

【課題】直流電源から出力される直流電圧が変動した場合にも昇圧回路のよる交流波形の一部波形の成形において高調波と追従性の低下を抑制することができる電力変換装置を提供する。
【解決手段】直流電源である太陽電池１に並列に接続され太陽電池１から出力される直流電圧Ｖｉを昇圧して交流波形の一部波形を成形する昇圧回路と、昇圧回路に並列に接続され昇圧回路から出力される電圧を降圧して交流波形の一部波形以外の残部波形を成形するインバータ回路と、直流電圧Ｖｉに基づいて制御ゲインＫを生成する制御ゲイン生成部２０６と昇圧回路が一部波形を成形する際の操作量を算出する操作量算出部２２０とを有し制御ゲインＫから操作量を算出し算出された操作量を用いて昇圧回路を制御する制御回路８ａとを備えた電力変換装置を提供する。
【選択図】図３

Description

本発明は、太陽電池や燃料電池等の直流電源から出力される直流電力を交流電力に変換する電力変換装置であって、電力系統に連系する電力変換装置及びこれを備えた系統連系システムに関するものである。

一般的な電力変換装置においては、直流電源から出力される直流電力を交流電力に変換することで電力系統に直流電源が出力する電力を供給する、いわゆるパワーコンディショナと呼ばれるものが広く知られている。この種の電力変換装置は、ＩＧＢＴ（ＩｎｓｕｌａｔｅｄＧａｔｅＢｉｐｏｌａｒＴｒａｎｓｉｓｔｏｒ）等のスイッチング素子を備える昇圧回路とインバータ回路とから構成される。そして、スイッチング素子の高周波スイッチングによって、昇圧回路が直流電源からの直流電圧を交流電力が出力可能な電圧まで昇圧し、インバータ回路が昇圧された直流電圧に基づいて所定の交流波形を成形することで交流電力の供給を可能とし、直流電源と電力系統との系統連系を行っている。

一方、電力変換装置の中には、昇圧回路が直流電圧を昇圧することによって交流波形の一部の波形（以下、「一部波形」と呼ぶ。）を成形し、インバータ回路が直流電圧を降圧することによって交流波形の一部波形以外の残りの波形（以下、「残部波形」と呼ぶ。）を成形し、電力変換装置全体として交流波形を出力し電力系統に連系するものが存在する（例えば、特許文献１参照）。

一般的な電力変換装置では昇圧回路によって交流波形を成形していないところ、上述のように昇圧回路においても交流波形の一部波形を成形する場合には、昇圧回路で交流波形を成形する技術の確立が問題となる。例えば、インバータ回路が交流波形の一部を成形している期間から昇圧回路が交流波形の一部を成形する期間へと切り替わる際に、この切り替えに合わせて高調波の歪みが発生することがある。このような課題に対して、昇圧回路が交流波形の一部を成形する従来の電力変換装置においては、昇圧回路を比例積分制御によって制御し、昇圧回路が交流波形の成形を開始するタイミングから所定の周期の間、比例積分制御の制御ゲインを変更することで、インバータ回路が交流波形の残部波形を成形する期間から昇圧回路が交流波形の一部波形を成形する期間への切り替え時に発生する高調波を抑制する電力変換装置が知られている（例えば、特許文献２参照）。

特開２０００−１５３６５１号公報特開２０１２−１６５４９９号公報

ところで、比例積分制御によって出力波形を制御する場合、制御ゲインの値が大きいとオーバーシュートが増加し出力波形の高調波が増加してしまうが、制御ゲインの値が小さいと指令値に対する出力波形の追従性が低下してしまうことから、適切な制御ゲインを設定することが重要となる。しかしながら、太陽電池の場合には日射量等の影響から、燃料電池の場合には充電量等の影響から、直流電源から出力される直流電圧は時々刻々と変化することになり、昇圧回路で交流波形の一部波形を成形する際には、この変化する直流電圧を昇圧することで交流波形を成形する必要がある。

そのため、従来の電力変換装置のように、予め定めたタイミングから一定の期間のみ制御ゲインを最適となるように変更したとしても、太陽電池からの直流電圧の変化によって最適な制御ゲインが変化してしまう。その結果、太陽電池の直流電圧が変動すると昇圧回路が交流波形の一部波形を成形する際の出力波形における高調波の増加や追従性の低下といった問題が発生していた。

本発明は、上述のような問題を解決するためになされたもので、直流電源から出力される直流電圧が変動した場合にも昇圧回路のよる交流波形の一部波形の成形において高調波と追従性の低下を抑制することができる電力変換装置を提供することを目的とする。

本発明にかかる電力変換装置は、直流電源に並列に接続され直流電源から出力される直流電圧を昇圧して交流波形の一部波形を成形する昇圧回路と、昇圧回路に並列に接続され昇圧回路から出力される電圧を降圧して交流波形の一部波形以外の残部波形を成形するインバータ回路と、直流電圧に基づいて制御ゲインを生成する制御ゲイン生成部と昇圧回路が一部波形を成形する際の操作量を算出する操作量算出部とを有し制御ゲインから操作量を算出し算出した操作量を用いて昇圧回路を制御する制御回路とを備えたものである。

本発明にかかる電力変換装置によれば、制御ゲイン生成部が直流電源の直流電圧に基づいて制御ゲインを生成し、その制御ゲインから算出した操作量を用いて昇圧回路の制御を行うため、直流電源から出力される直流電圧が変動した場合でも適切な制御ゲインで昇圧回路を制御することができる。よって、直流電圧が変動した場合にも昇圧回路による交流波形の成形において、出力波形の高調波と追従性の低下を抑制することができる。

本発明の実施の形態１にかかる電力変換装置を備えた系統連系システムと電力系統とを示す回路図である。本発明の実施の形態１にかかる電力変換装置の動作を示すタイミングチャートである。本発明の実施の形態１にかかる電力変換装置の制御回路の構成を示すブロック図である。本発明の実施の形態１にかかる電力変換装置の制御回路が用いるデータテーブルを示す図である。本発明の実施の形態１にかかる電力変換装置を備えた系統連系システムの変形例と電力系統とを示す回路図である。本発明の実施の形態２にかかる電力変換装置の制御回路の構成を示すブロック図である。本発明の実施の形態２にかかる電力変換装置の制御回路が用いるデータテーブルを示す図である。本発明の実施の形態２にかかる電力変換装置の制御回路の変形例の構成を示すブロック図である。本発明の実施の形態３にかかる電力変換装置の制御回路の構成を示すブロック図である。

実施の形態１．
まず、本発明の実施の形態１にかかる電力変換装置６０及びこれを備えた系統連系システム７０の構成を説明する。図１は、本発明の実施の形態１における電力変換装置６０を備えた系統連系システム７０と電力系統６を示す回路図である。なお、以下においては、直流電源である太陽電池１に実施の形態１にかかる電力変換装置６０を用いる場合について説明するが、これに限定されるものではなく、燃料電池等の他の分散型直流電源に用いることとしてもよい。

図１において、系統連系システム７０は、直流電力を発電する太陽電池１、及び直流電力を交流電力に変換する電力変換装置６０から構成され、電力系統６と接続することで、太陽電池１が発電する電力を電力系統６に供給する。電力変換装置６０は、昇圧回路２０、平滑コンデンサ３、インバータ回路４０、フィルタ回路５０、系統連系用スイッチ７、制御回路８、及び各電圧センサ９、１１、１４、１６並びに各電流センサ１０、１３、１５から構成され、太陽電池１が発電する直流電力を交流電力に変換することで、電力系統６に交流電力を出力する。

昇圧回路２０は、昇圧用リアクトル２ａ、及び昇圧用スイッチング素子２ｂ並びに昇圧用スイッチング素子２ｃから構成される。そして、昇圧回路２０は、太陽電池１と並列に接続されており、昇圧用スイッチング素子２ｂ及び２ｃが対となるように高周波スイッチングを行うことで太陽電池１が出力する直流電圧を昇圧することができる。そして、昇圧回路２０は、太陽電池１から出力された直流電圧を昇圧することで交流波形の一部波形を成形する。なお、図１において、昇圧用スイッチング素子２ｂ及び２ｃにはＭＯＳＦＥＴ（ＭｅｔａｌＯｘｉｄｅＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒＦｉｅｌｄＥｆｆｅｃｔＴｒａｎｓｉｓｔｏｒ）を用いているが、ＩＧＢＴ等の他のスイッチング素子を用いることとしてもよく、昇圧用スイッチング素子２ｂの代わりに単なるダイオードを用いることとしてもよい。

平滑コンデンサ３は、昇圧回路２０に並列に接続されている。そして、平滑コンデンサ３は、昇圧回路２０の出力電圧から昇圧用スイッチング素子２ｂ及び２ｃの高周波スイッチングによって発生する高周波成分を低減し、平滑する。ここで、電力変換装置６０は、昇圧回路２０によって交流波形の一部波形を成形するため、平滑コンデンサ３の容量が必要以上に大きいと、昇圧回路２０の出力から交流波形の周波数成分（５０Ｈｚ又は６０Ｈｚ）も低減されてしまい、昇圧回路２０によって交流波形の一部波形を成形することが困難となってしまう。そこで、平滑コンデンサ３の容量は、交流波形の周波数成分は低減せずに昇圧用スイッチング素子２ｂ及び２ｃの高周波スイッチングによって発生する高周波成分のみを低減するように設定する。

インバータ回路４０は、インバータ用スイッチング素子４ａ〜４ｄで構成される、いわゆる単相のフルブリッジ型インバータである。そして、インバータ回路４０は、平滑コンデンサ３に並列に接続され、インバータ用スイッチング素子４ａ〜４ｄが高周波のスイッチングを行うことで、平滑コンデンサ３に印加された平滑コンデンサ電圧を降圧して出力することができる。そして、インバータ回路４０は、平滑コンデンサ３に印加された平滑コンデンサ電圧を降圧することで、交流波形の残部波形を成形する。なお、図１においては、インバータ用スイッチング素子４ａ〜４ｄにはＭＯＳＦＥＴを用いているが、ＩＧＢＴ等の他のスイッチング素子を用いることしてもよい。なお、交流波形の残部波形とは、昇圧回路２０が成形する交流波形の一部波形以外の残りの波形をいうこととする。

フィルタ回路５０は、フィルタリアクトル５ａとフィルタコンデンサ５ｂから構成される、いわゆるＬＣフィルタである。フィルタ回路５０は、インバータ回路４０に並列に接続され、インバータ回路４０の出力からインバータ用スイッチング素子４ａ〜４ｄのスイッチングによって発生する高周波成分を低減する。また、平滑コンデンサ３と同様に、フィルタリアクトル５ａのインダクタンス値とフィルタコンデンサ５ｂの容量は、交流波形の周波数成分が低減されないように設定すればよい。

系統連系用スイッチ７は、フィルタ回路５０と電力系統６との間に接続され、太陽電池１と電力系統６との系統連系の入り切りを行う。系統連系は、太陽電池１の発電量等に応じて行う。例えば、太陽電池１が発電することができない夜間などの間では系統連系用スイッチ７をオフにすることで系統連系を行わず、昼間に太陽電池１が十分に発電している時には系統連系用スイッチ７をオンにすることで系統連系を行う。

制御回路８ａは、各電圧センサ及び各電流センサからの電圧及び電流情報に基づいて、各スイッチング素子２ｂ及び２ｃを有する昇圧回路２０並びに各スイッチング素子４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄを有するインバータ回路４０にそれぞれ制御信号Ｓ２、Ｓ３を出力し、昇圧回路２０及びインバータ回路４０を制御する。また、系統連系用スイッチ７に制御信号Ｓ４を出力することで、系統連系用スイッチ７を制御する。これにより、電力変換装置６０による系統連系が可能となる。なお、制御回路８ａの具体的な構成や制御方法の詳細については後述して説明する。

電圧センサとしては、太陽電池１の直流電圧を計測する直流電源電圧センサ９、平滑コンデンサ３に印加される電圧を計測する平滑コンデンサ用電圧センサ１１、電力変換装置６０の出力電圧Ｖｏとしてフィルタコンデンサ５ｂに印加される電圧を計測するフィルタコンデンサ用電圧センサ１４及び電力系統６の系統電圧を計測する系統電圧用電圧センサ１６が備えられている。ここで、それぞれの電圧は瞬時値を意味している。各電圧センサ１１、１４、及び１６は、特に断りがない限り、それぞれの電圧の瞬時値を計測するものである。

電流センサとしては、昇圧用リアクトル２ａに通流する電流を計測する昇圧リアクトル電流センサ１０、フィルタリアクトル５ａに通流する電流Ｉｆを計測するフィルタリアクトル電流センサ１３、及び電力系統６に出力される出力電流Ｉｏを計測する出力電流センサ１５が備えられている。なお、各電流センサ１０、１３、及び１５についても、特に断りがない限り、それぞれの電流の瞬時値を計測するものである。

次に、本発明の実施の形態１にかかる電力変換装置の動作について説明する。図２は本発明の実施の形態１にかかる電力変換装置６０の動作を示すタイミングチャートである。図２において、時刻ｔ１は昇圧回路２０が交流波形の一部の成形を開始する時刻を示しており、時刻ｔ２はインバータ回路４０が交流波形の一部の成形を開始する時刻を示している。また、図２は太陽電池１から入力される電圧である太陽電池電圧１００、系統電圧１０１、平滑コンデンサ３に印加される平滑コンデンサ電圧１０２、電力系統６に出力される出力電圧１０３についての波形を示している。なお、図２における一点鎖線は太陽電池電圧１００を示している。

図２において、時刻ｔ１までの間は、太陽電池１から入力される太陽電池電圧１００が十分に高いため、昇圧回路２０は動作せず、インバータ回路４０によって交流波形の一部を成形する。インバータ回路４０による交流波形の成形は、いわゆるＰＷＭ（ＰｕｌｓｅＷｉｄｔｈＭｏｄｕｌａｔｉｏｎ）制御によって各スイッチング素子のＯＮ時間を変化させ、平滑コンデンサ電圧１０２を降圧することで行う。ＰＷＭ制御は、フィルタリアクトル用電流センサ１３によってフィルタリアクトル電流Ｉｆを計測し、フィルタリアクトル電流Ｉｆが交流波形となるように行う。一方、時刻ｔ１までの間、昇圧回路２０は昇圧動作を行わず、すなわち昇圧用スイッチング素子２ｃはスイッチングを行わずにいる。そして、インバータ回路４０によって交流波形を成形可能な間は、上述の動作を継続する。これにより、インバータ回路４０によって成形された交流波形の出力電流１０３が電力系統６に出力されることなり、太陽電池１が発電した電力が電力系統６に供給される。

次に、時刻ｔ１から時刻ｔ２までの間は、インバータ回路４０はスイッチング動作を行わず、昇圧回路２０によって交流波形の一部を成形する。昇圧回路２０による交流波形の成形は、インバータ回路４０の場合と同様にＰＷＭ制御によって行う。例えば、昇圧リアクトル用電流センサ１０によって昇圧リアクトル電流Ｉｉを計測し、昇圧リアクトル電流Ｉｉが二乗の正弦波波形となるようにＰＷＭ制御を行う。一方、インバータ回路４０は、スイッチング動作を行わずにいる。ただし、系統電圧１０１の極性に基づいて極性変換を行う。すなわち、系統電圧１０１が正の時は、インバータ用スイッチング素子４ａ及び４ｄをオンとし、インバータ用スイッチング素子４ｂ及び４ｃをオフとする。また、系統電圧１０１が負の時は、インバータ用スイッチング素子４ａ及び４ｄをオフとし、インバータ用スイッチング素子４ｂ及び４ｃをオンとする。そして、昇圧回路２０が交流波形を成形可能なまでの間は、上述の動作を継続する。これにより、昇圧回路２０によって成形された交流波形の出力電流１０３が電力系統６に出力されることなり、太陽電池１が発電した電力が電力系統６に供給される。

時刻ｔ２以降においては、太陽電池電圧１００と系統電圧１０１との関係から、インバータ回路４０による交流波形の一部の成形と昇圧回路２０による交流波形の一部の成形を、随時切り替えて繰り返し行えばよい。これにより、昇圧回路２０は交流波形の一部波形を成形し、インバータ回路４０は残部波形を成形することが可能となり、電力変換装置６０は交流波形の電流を電力系統６に出力することができる。

なお、インバータ回路４０による交流波形の成形と昇圧回路２０による交流波形の成形との切り替えは、太陽電池電圧１００と系統電圧１０１とに基づいて行うことができる。理論的には、太陽電池電圧１００と系統電圧１０１の絶対値とが等しくなるタイミングで切り替えを行えばよいが、現実的には、太陽電池１から電力系統６までの間の素子の電圧降下やインバータ回路４０のアーム短絡防止のためのデッドタイムによる電圧降下を考慮する必要がある。

そのため、例えば系統電圧１０１の絶対値にデッドタイム等の電圧降下に相当する電圧を加算した電圧指令値と太陽電池電圧１００とを比較し、電圧指令値が太陽電池電圧１００よりも低い間はインバータ回路４０が交流波形の一部を成形し、電圧指令値が太陽電池電圧１００よりも高い間は昇圧回路２０が交流波形の一部を成形する。ただし、デッドタイム等の電圧降下が無視できる程小さい場合には、単に太陽電池電圧１００と系統電圧１０１とを比較し、系統電圧１０１が太陽電池電圧１００よりも低い間はインバータ回路４０が交流波形の一部を成形し、系統電圧１０１が太陽電池電圧１００よりも高い間は昇圧回路２０が交流波形の一部を成形することとしてもよい。

次に、本発明の実施の形態１にかかる電力変換装置６０の制御方法について説明する。図３は本発明の実施の形態１にかかる電力変換装置６０における制御回路８ａの構成を示すブロック図である。なお、以下においては、昇圧回路２０による交流波形の一部波形の成形に関する制御についてのみ説明する。

また、本実施の形態では、比例積分制御により昇圧回路２０による交流波形の一部波形の成形を制御することする。ただし、本発明はこれに限定されるものではなく、比例制御又は積分制御のいずれか一方のみにより制御することとしてもよいし、微分制御を加えることとしても構わない。すなわち、比例制御、積分制御、又は微分制御を適宜選択し組み合わせて制御すればよい。また、本稿でいう制御ゲインＫとは、比例ゲイン、積分ゲイン、及び微分ゲインを含めたものとする。以下においては、比例ゲインをＫｐ、積分ゲインをＫｉとし、比例ゲインＫｐと積分ゲインＫｉを含めた制御ゲインをＫとして説明する。

図３において、制御回路８ａは、指令値演算部２０１、制御量算出部２０２、操作量算出部２２０、制御ゲイン生成部２０６、直流電圧算出部２０７、及び制御信号生成部２２１から構成されている。

指令値演算部２０１は、昇圧回路２０が出力すべき出力指令値を演算する。ここで、電力変換装置６０が電力系統６と連系している場合には電流制御を行うこととなるため、出力電流の指令値を演算する。一方、電力変換装置６０が電力系統６と連系しておらず自律運転する場合には電圧制御を行うため、出力電圧を演算する。ここでは、電流制御を行う場合について説明する。電力変換装置において電流制御を行う場合には、一般的にリアクトルに流れる電流が所定の電流指令値となるように制御する。そのため、昇圧回路２０を制御する場合には、昇圧リアクトル電流Ｉｉ又はフィルタリアクトル電流Ｉｆを制御することとなる。ここでは、昇圧リアクトル電流Ｉｉをフィードバックし比例積分制御することとする。よって、指令値演算部２０１は、昇圧リアクトル電流Ｉｉの指令値である昇圧リアクトル電流指令値Ｉｉ^＊を演算する。

また、昇圧リアクトル電流指令値Ｉｉ^＊は、以下のようにして算出することができる。まず、電力変換装置６０が出力する出力電流Ｉｏに相当するフィルタリアクトル電流Ｉｆの指令値Ｉｆ^＊を電力系統６の系統電圧等から算出する。そして、太陽電池１から入力される電力と電力系統６へと出力される電力との関係から、昇圧リアクトル電流指令値Ｉｉ^＊は、太陽電池１からの入力電圧Ｖｉと電力系統６への出力電圧Ｖｏから、式（１）に示すように算出される。

制御量算出部２０２は、制御対象である値を算出し出力する。ここでは、昇圧リアクトル電流Ｉｉを制御するため、昇圧リアクトル電流センサ１０によって計測された出力電流値Ｉｉを制御量として算出し出力する。

直流電圧算出部２０７は、直流電源電圧センサ９が計測した信号より、太陽電池１からの入力電圧Ｖｉを算出する。ただし、入力電圧Ｖｉの算出は、平滑コンデンサ３に印加される電圧から算出することもできる。つまり、平滑コンデンサ用電圧センサ１１が計測した平滑コンデンサ電圧において、昇圧回路２０が昇圧していない期間での平滑コンデンサ電圧を入力電圧Ｖｉとして算出することができる。

制御ゲイン生成部２０６は直流電圧算出部２０７が算出した入力電圧Ｖｉに基づいて、制御ゲインＫを生成する。より具体的には、入力電圧Ｖｉが低下するにつれて、制御ゲインＫも小さくなるように生成する。例えば、図４に示すようなデータテーブルをあらかじめ作成し、このデータテーブルを参照して生成することができる。図４において、入力電圧Ｖｉの値が、所定の電圧Ｖ１場合には制御ゲインＫはＫ１となり、所定の電圧Ｖ２（＞Ｖ１）の場合には制御ゲインＫはＫ２（＞Ｋ１）となり、所定の電圧Ｖ３（＞Ｖ２）の場合には制御ゲインＫはＫ３（＞Ｋ２）となる。これにより、入力電圧Ｖｉが低下するにつれて制御ゲインＫの値を小さくすることができる。

データテーブルの作成方法としては、例えば入力電圧Ｖｉが２００Ｖであった場合に安定して動作する制御ゲインＫを算出する。そして、入力電圧Ｖｉが２００Ｖの時の制御ゲインＫを１とすれば、入力電圧が１８０Ｖの時の制御ゲインＫを０．８とし、入力電圧Ｖｉが１５０Ｖの時の制御ゲインＫを０．５とするように作成することができる。なお、比例ゲインＫｐと積分ゲインＫｉは必ずしも同一の倍率で変化させる必要もなく、少なくとも比例ゲインＫｐ又は積分ゲインＫｉのいずれか一方を、上述のように入力電圧Ｖｉの変化に応じて変更することとすればよい。

操作量算出部２２０は、減算器２０３、比例積分制御器２０４、及びデューティ算出部２０５から構成され、昇圧回路２０の操作量を算出する。減算器２０３は、指令値演算部２０１が算出した昇圧リアクトル電流指令値Ｉｉ^＊と制御量算出部２０２が算出した昇圧リアクトル電流Ｉｉとの差分を計算し出力する。比例積分制御器２０４は、減算器２０３が出力する差分と制御ゲイン生成部２０６が生成する制御ゲインＫを用いて、比例積分制御演算を行う。比例制御の項の算出を例にすると、減算器２０３が出力する差分に比例ゲインＫｐを乗算すればよい。そして、比例積分制御器２０４は比例積分制御演算の演算結果ＰＩ１を出力する。デューティ算出部２０５は、演算結果ＰＩ１から昇圧用スイッチング素子２ｂ並びに昇圧用スイッチング素子２ｃのオン時間とオフ時間の比を示すデューティ指令値Ｄ１^＊を算出し、昇圧回路２０の操作量として出力する。デューティ指令値Ｄ１^＊は、例えば、式（２）を用いて算出することができる。なお、式（２）において、Ｄ１は式（３）によって入力電圧Ｖｉと出力電圧Ｖｏから求まるデューティであり、ＰＩ１は比例積分制御演算の演算結果である。

制御信号生成部２２１は、操作量算出部２２０のデューティ算出部２０５が出力するデューティ指令値Ｄ１^＊から、昇圧用スイッチング素子２ｂ並びに昇圧用スイッチング素子２ｃへ出力する制御信号Ｓ２を生成し出力する。制御信号Ｓ２の生成は、昇圧用スイッチング素子２ｃのディーティがデューティ指令値Ｄ１^＊となるようなパルス信号を昇圧用スイッチング素子２ｃの制御信号として生成し、これを反転させたパルス信号を昇圧用スイッチング素子２ｂの制御信号として生成すればよい。

以上のような制御によって動作する中で、日射量等の影響から太陽電池１が出力する直流電圧が時々刻々と変化することになり、昇圧回路２０はこの変化する直流電圧を昇圧することで交流波形の一部波形を成形する必要がある。ここで、制御ゲインＫを一定のまま昇圧回路２０を制御すると、以下のような問題が発生する。比例積分制御において、昇圧リアクトル電流指令値Ｉｉ^＊と昇圧リアクトル電流Ｉｉとの差分から演算を行うため、比例積分制御の演算結果ＰＩ１は昇圧リアクトル電流指令値Ｉｉ^＊と昇圧リアクトル電流Ｉｉとの差分に比例する。また、昇圧リアクトル電流指令値Ｉｉ^＊は、式（１）に示すように入力電圧Ｖｉで除算した値である。一方、昇圧リアクトル電流Ｉｉは、太陽電池１から入力される電力と電力系統６へと出力される電力との関係から、実質的に式（４）に示す値とみなすことができる。すなわち、電力変換装置６０のフィルタリアクトル電流Ｉｆに出力電圧Ｖｏを乗算した値を、入力電圧Ｖｉで除算した値である。

そのため、式（１）及び式（４）から、昇圧リアクトル電流指令値Ｉｉ^＊と昇圧リアクトル電流Ｉｉとの差分は、式（５）に示すように、フィルタリアクトル電流Ｉｆとその指令値Ｉｆ^＊との差分に出力電圧Ｖｏを乗算した値に入力電圧Ｖｉで除算した値となる。よって、式（６）に示すように、比例積分制御の演算結果ＰＩ１は出力電圧Ｖｏを入力電圧Ｖｉで除算した値に比例することとなる。

このように比例積分制御の演算結果ＰＩ１に入力電圧Ｖｉの除算が含まれることとなると、制御ゲインＫを一定とした場合、太陽電池１からの入力電圧Ｖｉが変動すると比例積分制御の演算結果ＰＩ１の値も変動することとなる。そのため、入力電圧Ｖｉの値によっては、比例積分制御の演算結果ＰＩ１の値が大きくなりすぎオーバーシュートが増加し出力波形の高調波が増加する場合や、比例積分制御の演算結果ＰＩ１の値が小さすぎるため出力波形の追従性が低下する場合があり、昇圧回路２０による交流波形の一部波形の成形が困難となることがあった。通常、比例積分制御を行う場合には、演算結果ＰＩ１が適切な値となるようにあらかじめ制御ゲインＫを調整することとなるが、上述のように入力電圧Ｖｉの変動によっても演算結果ＰＩ１の値が変動するため、あらかじめ設定された一定の制御ゲインＫを用いる場合では入力電圧Ｖｉの変動に対応することができない。つまり、入力電圧Ｖｉの変動によって適切な制御ゲインＫの値が変動していることとなる。

本発明の実施の形態１では、制御ゲイン生成部２０６が太陽電池１からの入力電圧Ｖｉに基づいて制御ゲインＫを生成し、その制御ゲインＫを用いて昇圧回路２０の制御を行うため、入力電圧Ｖｉが変動した場合でも適切な制御ゲインＫで昇圧回路２０を制御することができる。よって、直流電圧が変動した場合にも昇圧回路２０による交流波形の成形において、出力波形の高調波と追従性の低下を抑制することができる。

より具体的には、入力電圧Ｖｉが低下するにつれて制御ゲインＫを小さくするため、入力電圧Ｖｉが変動した場合でも比例積分制御の演算結果ＰＩ１の変動が小さくなり、昇圧回路２０による交流波形の成形が安定する。

なお、本実施の形態では、制御ゲインＫをあらかじめ作成したデータテーブルを参照して生成することとしたが、本発明はこれに限定されず、制御ゲインＫを演算等から生成することとしてもよい。例えば、入力電圧Ｖｉが変動した場合でも制御ゲインＫを入力電圧ＶＩで除算した値が所定の値に定まるように、制御ゲインＫを入力電圧Ｖｉから算出し生成することとしてもよい。さらには、所定の基準電圧に対する入力電圧Ｖｉの変化率を算出し、制御ゲインＫを入力電圧Ｖｉの基準電圧に対応する基準となる制御ゲイン値から入力電圧Ｖｉと同一の変化率で変化させて生成することとしもよい。このような場合でも、入力電圧Ｖｉの変動に応じて制御ゲインＫが生成されるため、比例積分制御の演算結果ＰＩ１の変動が小さくなり、昇圧回路２０による交流波形の成形が安定する。

また、昇圧回路２０の比例積分制御を行う制御構成は上述した構成に限定されるものではなく、適宜変更することができる。本実施の形態では、昇圧リアクトル電流Ｉｉをフィードバックし、昇圧リアクトル電流Ｉｉとその指令値Ｉｉ^＊との差分から比例積分制御の演算を行うこととしたが、昇圧リアクトル電流Ｉｉとその指令値Ｉｉ^＊との差分は式（５）に示すようにフィルタリアクトル電流Ｉｆとその指令値Ｉｆ^＊との差分によって算出することができる。そのため、例えば、フィルタリアクトル電流Ｉｆをフィードバックし、フィルタリアクトル電流Ｉｆとその指令値Ｉｆ^＊との差分から比例積分制御の演算を行うこととしてもよい。かかる場合においても、比例積分制御の演算結果ＰＩ１には入力電圧Ｖｉの除算が含まれることとなるが、入力電圧Ｖｉに基づいて制御ゲインＫを生成しているため、入力電圧Ｖｉの変動に対しても昇圧回路２０による交流波形の一部の成形を適切に制御することができる。

以上のように、比例積分制御の演算において入力電圧Ｖｉが含まれる場合において、制御ゲインＫを入力電圧Ｖｉに基づいて生成することで、昇圧回路２０による交流波形の一部波形の成形を安定して制御することができる。

また、本実施の形態では、昇圧回路２０の出力について電流制御する場合について説明したが、電圧制御する場合においても入力電圧Ｖｉに基づいて制御ゲインＫを生成し制御することができる。このような電圧制御を行う場合においては、昇圧回路２０の操作量であるデューティＤ２を算出するに当たり、式（７）に示すように昇圧回路２０の入力電圧Ｖｉと出力電圧である平滑コンデンサ電圧Ｖｃとの比である昇圧比αを求める必要があり、昇圧比αを算出する際に式（８）に示すように入力電圧Ｖｉの除算が含まれる。

そのため、昇圧回路２０の出力電圧である平滑コンデンサ電圧Ｖｃをフィードバックし、式（９）に示すように昇圧比αを比例積分制御によって制御すると、比例積分制御の演算結果ＰＩ２に入力電圧Ｖｉの除算が含まれることになる。

このような場合でも、入力電圧Ｖｉに基づいて制御ゲインＫを生成するため、入力電圧Ｖｉが変動による比例積分制御の演算結果ＰＩ２の変動を抑制することができる。これにより、電力変換装置６０が電圧制御している場合であっても、昇圧回路２０による交流波形の成形において、出力波形の高調波と追従性の低下を抑制することができる。

また、本実施の形態にかかる電力変換装置６０は図１に示す回路構成としたが、これに限定されるものでなく、例えば図５に示すような回路構成の電力変換装置６１及びこれを備えた系統連系システム７１とすることとしても構わない。図５において、電力変換装置６１では太陽電池１正極側端子と平滑コンデンサ３の正極側端子との間にバイパス用スイッチング素子１７が設けられている点が、電力変換装置６０と相違する。これにより、バイパス用スイッチング素子１７がオンの場合には昇圧回路２０を迂回する経路が生成されることとなる。そこで、制御回路８ｂは、昇圧回路２０が交流波形の一部を成形しない期間ではバイパス用スイッチング素子１７をオンとなるように制御信号Ｓ１を出力する。その結果、昇圧回路２０での損失を低減することができる。

実施の形態２．
実施の形態１では、太陽電池（直流電源）から出力される入力電圧（直流電圧）のみに基づいて制御ゲインＫを生成することとしたが、これに限定されるものではなく、系統電圧と直流電圧との関係から制御ゲインＫを生成することとしてもよい。以下、実施の形態２として、系統電圧と直流電圧との関係から制御ゲインＫを生成する場合について説明する。なお、本発明の実施の形態２では、本発明の実施の形態１と相違する部分について説明し、同一または対応する部分についての説明は省略した。

本発明の実施の形態２にかかる電力変換装置は、実施の形態１にかかる電力変換装置６０と制御回路の構成についてのみ相違する。そのため、制御回路以外の構成については、説明を省略する。図６は実施の形態２にかかる電力変換装置の制御回路８ｃの構成を示すブロック図である。また、図７は実施の形態２にかかる電力変換装置の制御回路８ｃが用いるデータテーブルを示す図である。

図６において、図２と同じ符号を付けたものは、同一または対応する構成を示しており、その説明を省略する。本発明の実施の形態１とは、系統電圧算出部２０８と除算器２０９とを有する点で構成が相違している。系統電圧算出部２０８は、電力系統６の電圧である系統電圧の実効値Ｖａｃを算出し出力する。具体的には、系統電圧センサ１６が計測する系統電圧から実効値を演算することとすればよい。一方、除算器２０９は、太陽電池１からの入力電圧Ｖｉと系統電圧との関係を示す値として、直流電圧算出部２０７が出力する太陽電池１からの入力電圧Ｖｉを系統電圧算出部２０８が出力する系統電圧の実効値Ｖａｃで除算した除算値Ｒａ（＝Ｖｉ/Ｖａｃ）を算出する。そして、入力電圧Ｖｉと系統電圧との関係を示す値として除算値Ｒａを出力する。なお、系統電圧の実効値Ｖａｃの代わりに系統電圧の最大値等を用いることとしても良い。

制御ゲイン生成部２０６は、除算器２０９が出力する除算値Ｒａに基づいて制御ゲインＫを生成する。具体的には、除算値Ｒａの値が小さくなるにつれて制御ゲインＫの値が小さくなるように生成する。また、制御ゲインＫの生成は、例えば、図７に示すようなデータテーブルをあらかじめ作成しておき、これを参照することで行うことができる。

ここで、昇圧回路２０の比例積分制御の演算結果ＰＩ１は、式（６）に示すように出力電圧Ｖｏを入力電圧Ｖｉで除算した値に比例することとなる。一方、電力変換装置の出力である出力電圧Ｖｏは系統電圧Ｖａｃの値と等しくなるところ、系統電圧の実効値Ｖａｃの値は電力系統６の状態によって数Ｖ程度変化することとなるため、出力電圧Ｖｏの実効値も変動する。そのため、出力電圧Ｖｏが変動すると、比例積分制御の演算結果ＰＩ１も変動することとなり、制御ゲインＫを一定の値にしていると昇圧回路２０による交流波形の一部波形の成形において、高調波の増加や追従性の低下といった問題が発生することがあった。

しかしながら、本実施の形態においては、入力電圧Ｖｉと系統電圧の実効値Ｖａｃとの関係を示す除算値Ｒａに基づいて制御ゲインＫを生成しているため、系統電圧の実効値Ｖａｃの変動に応じて制御ゲインＫの値も変動するので、比例積分制御の演算結果ＰＩ１の変動を抑制することができる。よって、昇圧回路２０による交流波形の一部波形の成形をより安定して行うことが可能となる。

また、本実施の形態では、入力電圧Ｖｉを系統電圧の実効値Ｖａｃで除算した除算値Ｒａに基づいて制御ゲインＫを生成しているため、実施の形態１と同様に入力電圧Ｖｉが変動した場合にも、昇圧回路２０による交流波形の一部波形の成形をより安定して行うことが可能となる。

なお、本実施の形態では、入力電圧Ｖｉを系統電圧の実効値Ｖａｃで除算した除算値Ｒａに基づいて制御ゲインＫを生成することとしたが、これに限定されず、例えば入力電圧Ｖｉと系統電圧の実効値Ｖａｃとの差分に基づいて制御ゲインＫを生成することとしてもよい。かかる場合、入力電圧Ｖｉから系統電圧の実効値Ｖａｃを引いた差分の値が小さくなるにつれて制御ゲインＫを小さくすることとすればよい。

なお、本実施の形態では、入力電圧Ｖｉを系統電圧の実効値Ｖａｃで除算した除算値Ｒａに基づいて制御ゲインＫを生成することとしたが、これに限定されず、昇圧回路２０が交流波形の一部を成形している期間の平滑コンデンサ電圧Ｖｃは、出力電圧Ｖｏとほぼ等しいため、例えばＶａｃの代わりに平滑コンデンサ電圧Ｖｃの最大値Ｖｃｍを用いて制御ゲインＫを生成することとしてもよい。

かかる場合、制御回路８ｃの代わりに、図８に示すような制御回路８ｄを用いることとする。図８において、制御回路８ｄは平滑コンデンサ電圧算出部２１０を備える点で、制御回路８ｃと相違し、平滑コンデンサ電圧算出部２１０は平滑コンデンサ電圧Ｖｃの最大値Ｖｃｍを算出する。なお、最大値Ｖｃｍの算出は、平滑コンデンサ用電圧センサ１１が計測した電圧の最大値を算出することで求めることができる。そして、除算器２０９は、入力電圧Ｖｉを最大値Ｖｃｍで除算した除算値Ｒｂを算出し、制御ゲイン生成部２０６は除算値Ｒｂに基づいて制御ゲインＫを生成する。このような場合でも、実施の形態２と同様の効果を奏することができる。

実施の形態３．
実施の形態１では、太陽電池（直流電源）から出力される入力電圧（直流電圧）のみに基づいて制御ゲインＫを生成することとしたが、これに限定されるものではなく、制御ゲインＫに上限値及び下限値を設けることとしてもよい。以下、実施の形態３として、制御ゲインＫに上限値及び下限値を設ける場合について説明する。なお、本発明の実施の形態２では、本発明の実施の形態１と相違する部分である制御回路８ｅについてのみ説明し、同一または対応する部分についての説明は省略する。

図９は、本発明の実施の形態３にかかる電力変換装置の制御回路８ｅを示すブロック図である。図９において、図１と同じ符号を付けたものは、同一または対応する構成を示しており、その説明を省略する。本発明の実施の形態１とは、制御ゲインリミッタ２１１を有する点で相違する。

制御ゲインリミッタ２１１は予め定められた上限値及び下限値を記憶し、制御ゲイン生成部２０６から出力される制御ゲインＫの値を上限値及び下限値との間の値となるように制限する。具体的には、制御ゲイン生成部２０６から出力される制御ゲインＫの値と上限値及び下限値とを比較し、制御ゲインＫが上限値よりも大きい場合には上限値を制御ゲインＫとして出力し、制御ゲインＫが下限値よりも小さい場合には下限値を制御ゲインＫとして出力する。他の場合においては、制御ゲイン生成部２０６が出力した制御ゲインＫをそのまま出力する。

以上のように、制御ゲインＫを生成するに当たり制御ゲインリミッタ２１１により制御ゲインＫの値を予め定められた上限値と下限値の間の値に制限することができる。これにより、入力電圧Ｖｉに基づいて制御ゲインＫを生成しているため、制御ゲインＫの値が入力電圧Ｖｉの値によって変化することとなるが、その際必要以上に大きな値や小さな値となることがなくなり、制御ゲインＫを入力電圧Ｖｉに関係なくあらかじめ定められた範囲の値に制限することができる。よって、昇圧回路２０による交流波形の一部波形の成形をより安定して行うことができる。

なお、本発明は、発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせることや、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。

１太陽電池、２ａ昇圧用リアクトル、２ｂ、２ｃ昇圧用スイッチング素子、８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄ、８ｅ制御回路、２０昇圧回路、４０インバータ回路、５０フィルタ回路、６０、６１電力変換装置、７０、７１系統連系システム、Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４制御信号、Ｉｉ昇圧リアクトル電流、Ｉｆフィルタリアクトル電流、Ｖｉ入力電圧、Ｖｏ出力電圧、１００太陽電池電圧、１０１系統電圧、１０２平滑コンデンサ電圧、１０３出力電流、２０１指令値演算部、２０２制御量算出部、２０３減算器、２０４比例積分制御器、２０５デューティ算出部、２０６制御ゲイン生成部、２０７直流電圧算出部、２０８系統電圧算出部、２０９除算器、２１０平滑コンデンサ電圧算出部、２１１制御ゲインリミッタ、２２０操作量算出部、２２１制御信号生成部。

Claims

直流電源に並列に接続され、前記直流電源から出力される直流電圧を昇圧して交流波形の一部波形を成形する昇圧回路と、
前記昇圧回路に並列に接続され、前記昇圧回路から出力される電圧を降圧して前記交流波形の前記一部波形以外の残部波形を成形するインバータ回路と、
前記直流電圧に基づいて制御ゲインを生成する制御ゲイン生成部と前記昇圧回路が前記一部波形を成形する際の操作量を算出する操作量算出部とを有し、前記制御ゲインから前記操作量を算出し、算出した前記操作量を用いて前記昇圧回路を制御する制御回路と、
を備えたことを特徴とする電力変換装置。
前記制御回路は、
前記昇圧回路の制御量を算出する制御量算出部と前記昇圧回路の出力指令値を演算する指令値演算部とを有し、
前記操作量算出部が前記制御量と前記出力指令値との差分及び前記制御ゲインから前記操作量を算出する、
ことを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
前記制御ゲイン生成部は、
前記直流電圧が低下するにつれて前記制御ゲインが小さくなるように前記制御ゲインを生成する、
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の電力変換装置。
前記インバータ回路は電力系統に並列接続し、
前記制御ゲイン生成部は、
前記直流電圧と前記系統電圧との関係から前記制御ゲインを生成する、
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の電力変換装置。
前記制御ゲイン生成部は、
前記直流電圧を前記系統電圧の実効値で除算した値が小さくなるにつれ前記制御ゲインが小さくなるように前記制御ゲインを生成する、
ことを特徴とする請求項４に記載の電力変換装置。
前記制御ゲインは比例ゲインと積分ゲインとを含む、
ことを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載の電力変換装置。
前記制御回路は、
前記制御ゲインを、予め定められた上限値以下の値で、かつ、予め定められた下限値以上の値に制限する制御ゲインリミッタを有する、
ことを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１項に記載の電力変換装置。
直流電力を出力する直流電源である太陽電池と、
前記太陽電池から出力される直流電力を交流電力に変換し前記電力系統に出力する請求項１ないし７のいずれか１項に記載の電力変換装置と、
を備えたことを特徴とする系統連系システム。