JP2015015782A - 系統連系インバータ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】単相トランスを用いることなく連系運転時と同定格の電力容量を出力できる自立運転機能付き系統連系インバータ装置を提供する。【解決手段】分散型電源２を配電系統３に接続する系統連系インバータ装置１０であって、分散型電源２からの正母線４１と負母線４２との間に接続されたＵ相レグ４３及びＷ相レグ４４を有し、分散型電源２が発電する直流電力を交流電力に変換するインバータ回路４０と、直流電力の中性点と前記交流電力の中性点の間に接続された中性点接続リレーＲＹ３とを具備し、系統運転時には、中性点接続リレーＲＹ３がオフされ、交流電力がインバータ回路４０から配電系統３に単相２線式で出力され、自立運転時には、中性点接続リレーＲＹ３がオンされ、交流電力がインバータ回路４０から自立運転出力端子９ｒｎｔに単相３線式で出力される。【選択図】図１

Description

本発明は、分散型電源を商用系統電源に接続する系統連系インバータ装置に関する。

太陽光発電システムや、燃料電池発電システム等の小規模の分散型電源の普及が拡大している。通常、分散型電源は、系統連系インバータを介して配電系統に接続する形で使用され、系統連系インバータは、分散型電源から出力される直流電圧を正弦波交流電圧に電力変換し、配電系統と系統連系運転させるように構成されている。従って、事故や災害等により配電系統が停電した場合、分散型電源のエネルギーを利用できなくなってしまう。このため、系統連系インバータ装置に自立運転出力端子を付加し、配電系統が停電した場合においても自立運転出力端子に一般負荷を接続することで、分散型電源のエネルギーを利用できる回路方式(自立運転機能)とすることが一般的となっている。

図３には、従来の自立運転機能付き単相系統連系インバータ装置１の回路構成例が示されている。
図３を参照すると、従来の系統連系インバータ装置１は、分散型電源２が発電する直流電力をパワー素子であるスイッチ素子Ｑ１〜Ｑ４のオンオフによって交流電力に変換するインバータ回路４と、インバータ回路４の出力側に接続され、インバータ回路４の出力電流波形を滑らかにして配電系統３へ出力するフィルタ回路５と、電流指令値ｉＬ^＊を生成する電流指令生成器６と、電流指令値ｉＬ^＊に基づいてインバータ回路４を駆動する変換制御器７と、停電検出器８とを備えている。そして、単相３線式２００Vの配電系統３とは、Ｕ相電圧出力端子Ｕ、中性線Ｏ及びＷ相電圧出力端子Ｗを備えた系統連系接続端子９ｕｏｗを介して接続され、単相２線式の自立出力側とは、Ｒ相電圧出力端子Ｒ及びＮ相電圧出力端子Ｎを備えた自立運転出力端子９ｒｎを介して接続されている。

フィルタ回路５は、配電系統３との接続を解列する連系リレーＲＹ１ｕ、ＲＹ１ｗと、自立運転出力端子９ｒｎとの接続をオンオフする自立用リレーＲＹ２ｒ、ＲＹ２ｎとを備えている。連系運転時には、連系リレーＲＹ１ｕ、ＲＹ１ｗがオンで、自立用リレーＲＹ２ｒ、ＲＹ２ｎがオフに制御される。そして、電流指令生成器６は、分散型電源２の発電能力に従った電流指令値ｉＬ*を出力し、変換制御器７は、電流指令値ｉＬ*に基づく出力電流ｉＬのフィードバック制御を行う。

停電検出器８は、配電系統３の電圧、電流、及び位相を監視することで、停電を検出する。停電検出器８は、停電を検出すると、連系リレーＲＹ１ｕ、ＲＹ１ｗをオフにして配電系統３との接続を解列すると共に、自立用リレーＲＹ２ｒ、ＲＹ２ｎをオンにし、変換制御器７に自立運転を指示する。自立運転時には、変換制御器７は、一般負荷に電圧を供給するため、出力電圧が１００Ｖとなるよう、出力電圧Ｖｉｒｎのフィードバック制御を行う。このように、系統運転と自立運転とに1台の共通のインバータ回路４が用いられるため、出力可能な電流容量は共通となるが、自立運転時の出力電圧Ｖｉｒｎは、連系運転時の半分の１００Ｖに制御される。従って、自立運転時の出力電力容量は最大でも連系運転時の半分の容量に制限されてしまい、システムの発電能力を十分に発揮できない。

そこで、インバータ回路４の出力を、単相トランスを介して単相三線式の負荷と配電系統３とに接続する方式が提案されている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１には、単相トランスの２次側中性点に切換スイッチを設け、連系運転時には、切換スイッチをオフにして単相トランスを介して配電系統３との連系運転を行い、自立運転時には、切換スイッチをオンすると共に、配電系統３を解列させ、負荷にインバータ回路４単独で単相三線式の交流電力を供給する技術が開示されている。

特開平０９−９８５８１号公報

しかしながら、従来技術では、連系運転時の出力電圧と自立運転時の出力電圧とが共に２００Vとなって同容量の出力を得ることができるが、単相トランスを付加する必要があるため、装置体積、重量、コストが増加すると共に、自立運転時の変換効率が悪化するという問題点があった。

本発明の目的は、上記問題点に鑑みて従来技術の上記問題を解決し、単相トランスを用いることなく連系運転時と同定格の電力容量を出力できる自立運転機能付き系統連系インバータ装置を提供することにある。

本発明の系統連系インバータ装置は、分散型電源を配電系統に接続する系統連系インバータ装置であって、前記分散型電源からの直流母線に接続された第１のレグ及び第２のレグを有し、前記分散型電源が発電する直流電力を交流電力に変換するインバータ回路と、前記直流電力の中性点と前記交流電力の中性点の間に接続された中性点接続スイッチとを具備し、系統運転時には、前記中性点接続スイッチがオフされ、前記交流電力が前記インバータ回路から前記配電系統に単相２線式で出力され、自立運転時には、前記中性点接続スイッチがオンされ、前記交流電力が前記インバータ回路から自立運転出力端子に単相３線式で出力されることを特徴とする。
さらに、本発明の系統連系インバータ装置において、前記インバータ回路の出力を前記配電系統に接続する連系スイッチと、前記インバータ回路の出力を前記自立運転出力端子に接続する自立用スイッチとを具備し、系統運転時には、前記連系スイッチがオンされると共に、前記自立用スイッチがオフされ、自立運転時には、前記連系スイッチがオフされると共に、前記自立用スイッチがオンされるようにしても良い。
さらに、本発明の系統連系インバータ装置において、系統運転時には、前記インバータ回路の前記第１のレグ及び前記第２のレグからの出力が前記配電系統に接続され、自立運転時には、前記インバータ回路の前記第１のレグ及び前記第２のレグからの出力と、前記交流電力の中性点とが前記自立運転出力端子に接続されるようにしても良い。
さらに、本発明の系統連系インバータ装置において、前記インバータ回路は、系統運転時には、単相フルブリッジインバータとして駆動され、自立運転時には、独立して制御される２組の単相ハーフブリッジインバータとして駆動されるようにしても良い。

本発明によれば、自立運転時には、単相３線式２００Ｖを出力することができるため、単相トランスが不要となり、システムを大型化および大幅なコストアップすることなく、分散型電源の出力電力容量を最大限利用して、連系運転時と同定格の電力容量を出力できるという効果を奏する。

本発明に係る系統連系インバータ装置の実施の形態の回路構成を示す回路構成図である。 図１に示す連系リレー、自立用リレー及び中性点接続リレーのオンオフ動作を説明する説明図である。 従来の系統連系インバータ装置の回路構成を示す回路構成図である。

次に、本発明の実施の形態を、図面を参照して具体的に説明する。
本実施の形態の系統連系インバータ装置１０は、図１を参照すると、直流電力を発電する太陽電池等の分散型電源２と、単相３線式２００Ｖの配電系統３との間に接続される。系統連系インバータ装置１０は、分散型電源２が発電する直流電力をＭＯＳＦＥＴ等のパワー素子であるスイッチ素子Ｑ１〜Ｑ４のオンオフによって交流電力に変換するインバータ回路４０と、インバータ回路４０の出力側に接続され、インバータ回路４０の出力電流波形を滑らかにして配電系統３へ出力するフィルタ回路５０と、電流指令値ｉＬ^＊を生成する電流指令生成器６と、電流指令値ｉＬ^＊に基づいてインバータ回路４を制御する変換制御器７０と、停電検出器８０とを備えている。そして、単相３線式２００Vの配電系統３とは、Ｕ相電圧出力端子Ｕ、中性線Ｏ及びＷ相電圧出力端子Ｗを備えた系統連系接続端子９ｕｏｗを介して接続され、自立出力側とは、Ｒ相電圧出力端子Ｒ、Ｎ相電圧出力端子Ｎ及びＴ相電圧出力端子Ｔを備えた自立運転出力端子９ｒｎｔを介して接続されている。

単相３線式のインバータ回路４０は、コンデンサＣｄｃａ、Ｃｄｃｂと、スイッチ素子Ｑ１〜Ｑ４とを備えている。フィルタ回路５０は、リアクトルＬｕ、Ｌｗと、コンデンサＣ１、Ｃ２と、コンデンサＣｆａ、Ｃｆｂと、連系リレーＲＹ１ｕ、ＲＹ１ｗと、自立用リレーＲＹ２ｒ、ＲＹ２ｎ、ＲＹ２ｔと、中性点接続リレーＲＹ３とを備えている。

分散型電源２からの直流母線である正母線４１と負母線４２との間にコンデンサＣｄｃａとコンデンサＣｄｃｂとが直列に接続されている。さらに、正母線４１と負母線４２との間には、スイッチ素子Ｑ１とスイッチ素子Ｑ２とがＵ相レグ４３として接続されていると共に、スイッチ素子Ｑ３とスイッチ素子Ｑ４とがＷ相レグ４４として接続されている。そして、Ｕ相レグ４３の中点、すなわちスイッチ素子Ｑ１とスイッチ素子Ｑ２との接続点がＵ相出力となり、フィルタ回路５０のリアクトルＬｕと連系リレーＲＹ１ｕとを介して系統連系接続端子９ｕｏｗのＵ相電圧出力端子Ｕに接続されていると共に、フィルタ回路５０のリアクトルＬｕと自立用リレーＲＹ２ｒとを介して自立運転出力端子９ｒｎｔのＲ相電圧出力端子Ｒに接続されている。また、Ｗ相レグ４４の中点、すなわちスイッチ素子Ｑ３とスイッチ素子Ｑ４との接続点がＷ相出力となり、フィルタ回路５０のリアクトルＬｗと連系リレーＲＹ１ｗとを介して系統連系接続端子９ｕｏｗのＷ相電圧出力端子Ｗに接続されていると共に、フィルタ回路５０のリアクトルＬｗと自立用リレーＲＹ２ｔとを介して自立運転出力端子９ｒｎｔのＴ相電圧出力端子Ｔに接続されている。そして、Ｕ相電圧出力端子Ｕと中性線Ｏとの間には、コンデンサＣ１が、中性線ＯとＷ相電圧出力端子Ｗとの間には、コンデンサＣ２がそれぞれ接続されている。

さらに、リアクトルＬｕと連系リレーＲＹ１ｕ及び自立用リレーＲＹ２ｒとの接続点と、リアクトルＬｗと連系リレーＲＹ１ｗ及び自立用リレーＲＹ２ｔとの接続点との間には、コンデンサＣｆａとコンデンサＣｆｂとが直列に接続されており、直流電圧の中間電位点となるコンデンサＣｄｃａとコンデンサＣｄｃｂとの接続点と、交流電圧の中間電位点となるコンデンサＣｆａとコンデンサＣｆｂとの接続点とが中性点接続リレーＲＹ３を介して接続されている。そして、交流電圧の中間電位点となるコンデンサＣｆａとコンデンサＣｆｂとの接続点が自立用リレーＲＹ２ｎを介して自立運転出力端子９ｒｎｔのＮ相電圧出力端子Ｎに接続されている。

電流指令生成器６は、分散型電源２の出力電圧や出力電流Ｉに基づいたＭＰＰＴ制御（Maximum Power Point Tracking：最大電力点追従制御）等により、分散型電源２の発電能力に従った電流指令値ｉＬ^＊を生成し、変換制御器７０に出力する。

変換制御器７０は、連系運転時には、インバータ回路４０を単相フルブリッジインバータとして動作させ、電流指令値ｉＬ*に基づいてＵ相出力の出力電流ｉＬｕをフィードバック制御する。この場合、インバータ回路４０の電気方式は、単相２線式となり、単相３線式２００Ｖの配電系統３への接続は、連系リレーＲＹ１ｕ、ＲＹ１ｗと系統連系接続端子９ｕｏｗとを介して行われる。また、変換制御器７０は、自立運転時には、インバータ回路４０を２組の単相ハーフブリッジインバータとして動作させ、Ｒ相電圧出力端子ＲとＮ相電圧出力端子Ｎとの間の出力電圧Ｖｉｒｎと、Ｎ相電圧出力端子ＮとＴ相電圧出力端子Ｔとの間の出力電圧Ｖｉｎｔとがそれぞれ１００Ｖになるように、Ｕ相レグ４３とＷ相レグ４４とを各相独立にフィードバック制御する。この場合、インバータ回路４０の電気方式は、単相３線式となる。

停電検出器８０は、配電系統３の電圧、電流、及び位相を監視することで、配電系統３における停電等の異常を検出する。停電検出器８０は、異常が検出されない通常時において、連系リレーＲＹ１ｕ、ＲＹ１ｗをオンにして系統連系インバータ装置１０と配電系統３とを接続すると共に、中性点接続リレーＲＹ３と自立用リレーＲＹ２ｒ、ＲＹ２ｎ、ＲＹ２ｔとをオフにして自立運転出力端子９ｒｎｔを系統連系インバータ装置１０から切り離している。停電等の異常を検出すると、停電検出器８０は、連系リレーＲＹ１ｕ、ＲＹ１ｗをオフにして系統連系インバータ装置１０と配電系統３との接続を解列すると共に、中性点接続リレーＲＹ３と自立用リレーＲＹ２ｒ、ＲＹ２ｎ、ＲＹ２ｔとをオンにし、変換制御器７０に自立運転を指示する。

次に、本実施の形態の系統連系インバータ装置１０の動作について図２を参照して詳細に説明する。
系統連系インバータ装置１０は、停電検出器８０によっては、配電系統３の停電等の異常が検出されない状態で、配電系統３と接続された連系運転を行う。連系運転時、停電検出器８０は、図２に示すように、連系リレーＲＹ１ｕ、ＲＹ１ｗをオンにして系統連系インバータ装置１０と配電系統３とを接続すると共に、中性点接続リレーＲＹ３と自立用リレーＲＹ２ｒ、ＲＹ２ｎ、ＲＹ２ｔとをオフにして自立運転出力端子９ｒｎｔを系統連系インバータ装置１０から切り離す。これにより、直流電圧の中間電位点となるコンデンサＣｄｃａとコンデンサＣｄｃｂとの接続点と、交流電圧の中間電位点となるコンデンサＣｆａとコンデンサＣｆｂとの接続点とが切り離され、コンデンサＣｄｃａとコンデンサＣｄｃｂとが直列接続となると共に、コンデンサＣｆａとコンデンサＣｆｂとが直列接続となる。そして、変換制御器７０は、インバータ回路４０を単相フルブリッジインバータとして動作させ、電流指令値ｉＬ*に基づいてＵ相出力の出力電流ｉＬｕをフィードバック制御する。すなわち、変換制御器７０は、Ｕ相レグ４３のハイサイドスイッチであるスイッチ素子Ｑ１とＷ相レグ４４のローサイドスイッチであるスイッチ素子Ｑ４とを同時にオンオフすると共に、Ｕ相レグ４３のローサイドスイッチであるスイッチ素子Ｑ２とＷ相レグ４４のハイサイドスイッチであるスイッチ素子Ｑ３とを同時にオンオフする。そして、変換制御器７０は、インバータ回路４０の出力電圧、すなわち出力電流ｉＬｕに基づいて、スイッチ素子Ｑ１及びスイッチ素子Ｑ４と、スイッチ素子Ｑ２及びスイッチ素子Ｑ３とを交互にオンオフする。これにより、インバータ回路４０の電気方式は、単相２線式となり、単相３線式２００Ｖの配電系統３への接続は、オンになっている連系リレーＲＹ１ｕ、ＲＹ１ｗと系統連系接続端子９ｕｏｗとを介して行われる。

系統連系インバータ装置１０は、停電検出器８０によっては、配電系統３の停電等の異常が検出すると、配電系統３から解列して自立運転を行う。自立運転時、停電検出器８０は、図２に示すように、連系リレーＲＹ１ｕ、ＲＹ１ｗをオフにして系統連系インバータ装置１０を配電系統３から解列すると共に、中性点接続リレーＲＹ３と自立用リレーＲＹ２ｒ、ＲＹ２ｎ、ＲＹ２ｔとをオンにする。これにより、直流電圧の中間電位点となるコンデンサＣｄｃａとコンデンサＣｄｃｂとの接続点と、交流電圧の中間電位点となるコンデンサＣｆａとコンデンサＣｆｂとの接続点とが接続される。そして、変換制御器７０は、インバータ回路４０を２組の単相ハーフブリッジインバータとして動作させ、Ｒ相電圧出力端子ＲとＮ相電圧出力端子Ｎとの間の出力電圧Ｖｉｒｎと、Ｎ相電圧出力端子ＮとＴ相電圧出力端子Ｔとの間の出力電圧Ｖｉｎｔとがそれぞれ１００Ｖになるように、Ｕ相レグ４３とＷ相レグ４４とを各相独立にフィードバック制御する。すなわち、変換制御器７０は、インバータ回路４０におけるインバータ出力の一方の端子であるＲ相電圧出力端子Ｒと、インバータ回路４０におけるインバータ出力の中性点であるＮ相電圧出力端子Ｎとの間の出力電圧Ｖｉｒｎに基づいて、Ｕ相レグ４３のハイサイドスイッチであるスイッチ素子Ｑ１とローサイドスイッチであるスイッチ素子Ｑ２とを交互にオンオフすると共に、インバータ回路４０におけるインバータ出力の他方の端子であるＴ相電圧出力端子Ｔと、インバータ回路４０におけるインバータ出力の中性点であるＮ相電圧出力端子Ｎとの間の出力電圧Ｖｉｎｔに基づいて、Ｗ相レグ４４のハイサイドスイッチであるスイッチ素子Ｑ３とローサイドスイッチであるスイッチ素子Ｑ４とを交互にオンオフする。これにより、インバータ回路４０の電気方式は、単相３線式となり、単相３線式の各相がそれぞれ１００Ｖに制御される。従って、負荷のバランスが崩れても出力電圧が安定する。また、自立運転モード時に１００Ｖ＋１００Ｖを出力できるため、連系運転時と同定格の電力容量を出力できる。

以上説明したように、本実施の形態によれば、分散型電源２を配電系統３に接続する系統連系インバータ装置１０であって、分散型電源２からの正母線４１と負母線４２との間（直流母線）に接続されたＵ相レグ４３（第１のレグ）及びＷ相レグ４４（第２のレグ）を有し、分散型電源２が発電する直流電力を交流電力に変換するインバータ回路４０と、直流電力の中性点と前記交流電力の中性点の間に接続された中性点接続リレーＲＹ３（中性点接続スイッチ）とを具備し、系統運転時には、中性点接続リレーＲＹ３がオフされ、交流電力がインバータ回路４０から配電系統３に単相２線式で出力され、自立運転時には、中性点接続リレーＲＹ３がオンされ、交流電力がインバータ回路４０から自立運転出力端子９ｒｎｔに単相３線式で出力されるように構成されている。

さらに、本実施の形態によれば、インバータ回路４０の出力を配電系統３に接続する連系リレーＲＹ１ｕ、ＲＹ１ｗ（連系スイッチ）と、インバータ回路４０の出力を自立運転出力端子９ｒｎｔに接続する自立用リレーＲＹ２ｒ、ＲＹ２ｎ、ＲＹ２ｔ（自立用スイッチ）とを具備し、系統運転時には、連系リレーＲＹ１ｕ、ＲＹ１ｗがオンされると共に、自立用リレーＲＹ２ｒ、ＲＹ２ｎ、ＲＹ２ｔがオフされ、自立運転時には、連系リレーＲＹ１ｕ、ＲＹ１ｗがオフされると共に、自立用リレーＲＹ２ｒ、ＲＹ２ｎ、ＲＹ２ｔがオンされるように構成されている。

さらに、本実施の形態によれば、系統運転時には、インバータ回路４０のＵ相レグ４３及びＷ相レグ４４からの出力が配電系統３に接続され、自立運転時には、インバータ回路４０のＵ相レグ４３及びＷ相レグ４４からの出力と、交流電力の中性点とが自立運転出力端子９ｒｎｔに接続されるように構成されている。

さらに、本実施の形態によれば、インバータ回路４０は、系統運転時には、単相フルブリッジインバータとして駆動され、自立運転時には、独立して制御される２組の単相ハーフブリッジインバータとして駆動されるように構成されている。

この構成により、本実施の形態は、自立運転時には、単相３線式２００Ｖを出力することができるため、単相トランスが不要となり、システムを大型化および大幅なコストアップすることなく、分散型電源２の出力電力容量を最大限利用して、連系運転時と同定格の電力容量を出力できる。また、自立運転時には、２組の単相ハーフブリッジインバータを組みわせた単相３線式インバータが構成されるため、一般負荷に供給する出力端子電圧が１００Ｖとなるよう、出力電圧Ｖｉｒｎと出力電圧Ｖｉｎｔとを各相個別にフィードバック制御するとこができる。

以上、本発明を具体的な実施の形態で説明したが、上記実施の形態は一例であって、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で変更して実施できることは言うまでも無い。

１、１０ 系統連系インバータ装置
２ 分散型電源
３ 配電系統
４、４０ インバータ回路
５、５０ フィルタ回路
６ 電流指令生成器
７、７０ 変換制御器
８、８０ 停電検出器
９ｕｏｗ 系統連系接続端子
９ｒｎ、９ｒｎｔ 自立運転出力端子
４１ 正母線
４２ 負母線
４３ Ｕ相レグ
４４ Ｗ相レグ
Ｃ１〜Ｃ２ コンデンサ
Ｃｄｃａ、Ｃｄｃｂ コンデンサ
Ｃｆａ、Ｃｆｂ コンデンサ
Ｌｕ、Ｌｗ リアクトル
ＲＹ１ｕ、ＲＹ１ｗ 連系リレー
ＲＹ２ｒ、ＲＹ２ｎ、ＲＹ２ｔ 自立用リレー
ＲＹ３ 中性点接続リレー

Claims (4)

1. 分散型電源を配電系統に接続する系統連系インバータ装置であって、
   前記分散型電源からの直流母線に接続された第１のレグ及び第２のレグを有し、前記分散型電源が発電する直流電力を交流電力に変換するインバータ回路と、
   前記直流電力の中性点と前記交流電力の中性点の間に接続された中性点接続スイッチとを具備し、
   系統運転時には、前記中性点接続スイッチがオフされ、前記交流電力が前記インバータ回路から前記配電系統に単相２線式で出力され、
   自立運転時には、前記中性点接続スイッチがオンされ、前記交流電力が前記インバータ回路から自立運転出力端子に単相３線式で出力されることを特徴とする系統連系インバータ装置。
2. 前記インバータ回路の出力を前記配電系統に接続する連系スイッチと、
   前記インバータ回路の出力を前記自立運転出力端子に接続する自立用スイッチとを具備し、
   系統運転時には、前記連系スイッチがオンされると共に、前記自立用スイッチがオフされ、
   自立運転時には、前記連系スイッチがオフされると共に、前記自立用スイッチがオンされることを特徴とする請求項１記載の系統連系インバータ装置。
3. 系統運転時には、前記インバータ回路の前記第１のレグ及び前記第２のレグからの出力が前記配電系統に接続され、
   自立運転時には、前記インバータ回路の前記第１のレグ及び前記第２のレグからの出力と、前記交流電力の中性点とが前記自立運転出力端子に接続されることを特徴とする請求項１又は２記載の系統連系インバータ装置。
4. 前記インバータ回路は、系統運転時には、単相フルブリッジインバータとして駆動され、
   自立運転時には、独立して制御される２組の単相ハーフブリッジインバータとして駆動されることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の系統連系インバータ装置。

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