JP2015144510A

JP2015144510A - 電力変換装置

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Publication number: JP2015144510A
Application number: JP2014016563A
Authority: JP
Inventors: 渉堀尾; Wataru Horio; 森田　功; Isao Morita; 功森田; 鈴木　淳一; Junichi Suzuki; 淳一鈴木
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2014-01-31
Filing date: 2014-01-31
Publication date: 2015-08-06

Abstract

【課題】商用電力系統の電圧や直流電源の出力電圧の大きさに変化があっても直流電源から出力される直流電流に含まれるリプル成分を抑制する。
【解決手段】スイッチ素子を有し、該スイッチ素子に周期的なオン／オフ信号Ｓｇが入力して直流電力を昇圧する第１昇圧回路１１と、第１昇圧回路１１の昇圧した直流電力を交流電力に変換し、該交流電力を商用電力系統６へ重畳するインバータ回路１２と、を備え、オン／オフ信号Ｓｇに、直流電力の直流電流Ｉｉに含まれる系統周波数に基づくリプル成分の周波数と商用電力系統６の電圧に基づく大きさ或いは第１昇圧回路１１へ入力される直流電圧Ｖｉに基づく大きさととを有してリプル成分を抑制するように補正を行うことを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、電力変換装置に関するものである。

従来より、直流電源（太陽電池、蓄電池など）の出力する直流電力を交流電力に変換し
、この交流電力を商用電力系統に重畳する電力変換装置が提供されている。電力変換装置
は、直流電源の出力電圧を昇圧回路により昇圧し、昇圧した直流電力をインバータ回路に
より商用電力系統に同期する交流電力に変換する。そして、電力変換装置は、インバータ
回路の後段に配置されるフィルタ回路により変換した交流電力の高周波成分を除去して商
用電力系統に重畳するものである。

このような電力変換装置は、直流電力から交流電力への電力変換の際に昇圧回路とイン
バータ回路との間に配置される中間コンデンサは、商用電力系統の電力波形に同期して充
電・放電を繰り返す。このため、中間コンデンサの電圧や、昇圧回路からインバータ回路
に流れる電流が商用電力系統の周波数の２倍（単相の場合）の周波数のリプル成分を含む
ものになり、その影響は直流電源から出力される直流電流にも現れることになる（この直
流電流も商用電力系統の周波数の２倍の周波数のリプル成分を含むものとなる）。

この様なリプル成分による電圧上昇や電流上昇は、昇圧回路のリアクタやスイッチ素子
の負担や損失になったり、直流電源から出力される直流電力が最大になるようにＭＰＰＴ
（ＭａｘｉｍａｍＰｏｗｅｒＰｏｉｎｔＴｒａｃｋｉｎｇ）制御するものにおいて
、電力を演算する際の電流及び電圧の検出に影響してＭＰＰＴ制御を不安定にすることが
あった。

この様なリプル成分を抑制するために、特許文献１に記載の電力変換装置は、中間コン
デンサの電圧を検出してローパスフィルタを通し、ローパスフィルタを通した電圧値が電
圧目標値になるように昇圧回路に入力される入力電流の電流目標値を生成する。そうする
と、電流目標値からリプル成分が除去されるので、この電流目標値になるように昇圧回路
のスイッチ素子のデューティ比を決定して制御することにより入力電流からリプル成分を
ある程度除去できていた。

国際公開第２０１１／０９０２１０号

一方、商用電力系統に接続される負荷や分散電源に応じて商用電力系統の電圧の大きさ
は変化する。また、直流電源の出力電圧もまた一定とは限らずその大きさが変化する直流
電源がある（上述のＭＰＰＴ制御によっても変化する）。このリプル成分は、これらの商
用電力系統の電圧や、直流電源の出力電圧に影響を受ける。

しかしながら、特許文献１に記載の電力変換装置は、昇圧回路への入力電流をフィード
バックするだけであり、商用電力系統の電圧や直流電源の出力電圧の変化により除去しき
れないリプル成分が残ってしまうという課題があった。

本発明は、このような課題に鑑みてなされた発明であり、商用電力系統の電圧や直流電
源の出力電圧の大きさに変化があっても直流電源から出力される直流電流に含まれるリプ
ル成分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。

本発明の電力変換装置は、スイッチ素子を有し、該スイッチ素子に周期的なオン／オフ
信号が入力して直流電力を昇圧する昇圧回路と、前記昇圧回路の昇圧した直流電力を交流
電力に変換し、該交流電力を系統へ重畳するインバータ回路と、を備え、前記オン／オフ
信号に、前記直流電力の直流電流に含まれる系統周波数に基づくリプル成分の周波数と前
記系統の電圧に基づく大きさとを有して前記リプル成分を抑制するように補正を行うこと
を特徴とする。

また、本発明の他の電力変換装置は、スイッチ素子を有し、該スイッチ素子に周期的な
オン／オフ信号が入力して直流電力を昇圧する昇圧回路と、前記昇圧回路の昇圧した直流
電力を交流電力に変換し、該交流電力を系統へ重畳するインバータ回路と、を備え、前記
オン／オフ信号に、前記直流電力の直流電流に含まれる系統周波数に基づくリプル成分の
周波数と前記昇圧回路へ入力される直流電圧に基づく大きさとを有して前記リプル成分を
抑制するように補正を行うことを特徴とする。

本発明の電力変換装置によれば、商用電力系統の電圧や直流電源の出力電圧の大きさに
変化があっても直流電源から出力される直流電流に含まれるリプル成分を抑制することが
できる。

電力変換装置の構成を示す図である。第１昇圧回路を制御するための第１制御回路の制御ブロックを示す図である。制御ブロック内の信号の波形図である。

本実施形態の電力変換装置は、昇圧回路のスイッチ素子のデューティ比を系統の周波数
に基づく周波数で変動させて昇圧回路への入力電流のリプルを抑制すると共に、この変動
の大きさを商用電力系統の電圧や直流電源の出力電圧に応じて変化さて、系統の電圧や直
流電源の出力電圧の大きさに変化があっても直流電源から出力される直流電流に含まれる
リプル成分を抑制する。

図１に示すように、電力変換装置１は、複数のラインＬ１〜Ｌ４に夫々接続される太陽
電池２（直流電源）の出力する直流電力をまとめて出力する集電装置３（集電回路）に接
続されている。電力変換装置１は集電装置３を介して太陽電池２から出力される直流電力
を商用電力系統６に同期する交流電力に変換し、商用電力系統６へ重畳する。

電力変換装置１は、第１昇圧回路１１、インバータ回路１２、フィルタ回路１３、及び
第１制御回路１４を備えている。

第１昇圧回路１１は、リアクトル、スイッチ素子、ダイオード、及び中間コンデンサか
らなる非絶縁型のチョッパ回路により構成されている。第１昇圧回路１１は、このスイッ
チ素子を所定のＯＮデューティ比（オンデューティ比）にて周期的にオン／オフすること
により、集電装置３を介して入力される太陽電池２の出力する直流電圧を昇圧する。ＯＮ
デューティ比は、第１昇圧回路は入力される直流電力が最大になるようにＭＰＰＴ制御に
て決定される。

インバータ回路１２は、複数のスイッチ素子をブリッジ接続したブリッジ回路からなる
。これらのスイッチ素子は、インバータ回路１２から所望の出力電力を出力するように、
ＰＷＭ制御によりオン／オフが制御される。これにより、インバータ回路１２は、第１昇
圧回路１１の出力する直流電力を商用電力系統６に同期した交流電力に変換する。

フィルタ回路１３はリアクトル及びコンデンサからなり、インバータ回路１２の出力す
る交流電力がこのフィルタ回路を通過することにより、交流電力から高周波成分が減衰し
正弦波状の交流電力が形成される。電力変換装置１はこのフィルタ回路１３から出力され
る正弦波状の交流電力を商用電力系統６に重畳する。

第１制御回路１４は、第１昇圧回路１１、インバータ回路１２の動作を制御するために
、適宜電圧センサや電流センサによりこれらの回路の電圧や電流を検出し、これらの回路
のスイッチ素子を動作するための信号を生成する。この際に、第１制御回路１４は、第１
昇圧回路に入力される直流電流のリプル成分を抑制するように第１昇圧回路１１を制御す
る。この制御については後述する。

集電装置３は、複数のラインＬ１〜Ｌ４の夫々に第２昇圧回路３１〜３４が介在してい
る。また、集電装置３には、第２昇圧回路３１の動作を行う第２制御回路３５が備えられ
ている。集電装置３は、電力変換装置１と別体で構成され、電力変換装置１の近くに配置
される。

第２昇圧回路３１〜３４は第１昇圧回路１１と同様に非絶縁型のチョッパ回路により構
成されている。これらの第２昇圧回路３１の内、最も入力電圧の高い第２昇圧回路の動作
を停止し、そのほかの第２昇圧回路は入力電力（入力電流と入力電圧により演算）が最大
になるようにＭＰＰＴ制御を行う。この際、第１昇圧回路１１のＭＰＰＴ制御により、最
も入力電圧の高い第２昇圧回路に接続される太陽電池２の出力も最大になるように制御で
きる。

次に、第１制御回路１４による第１昇圧回路１１の制御について述べる。図２に示すよ
うに、第１制御回路１４は、ＭＰＰＴ制御部Ｃ１、補正信号生成部Ｃ２、補正部Ｃ３、Ｐ
ＷＭ変調部Ｃ４と、を有しており、第１昇圧回路１１へ入力される直流電流Ｉｉ、直流電
圧Ｖｉ、及び商用電力系統６の系統電圧Ｖｏを検出して第１昇圧回路１１を制御するため
のオン／オフ信号Ｓｇを出力する。図３（ａ）に系統電圧Ｖｏの波形図を示す。

ＭＰＰＴ制御部Ｃ１では、第１昇圧回路１１のスイッチ素子に入力されるオン／オフ信
号ＳｇのＯＮデューティ比のベースとなるＯＮデューティ比Ｄを決定する。

具体的には、ＭＰＰＴ制御部Ｃ１は、制御周期毎に直流電流Ｉｉと直流電圧Ｖｉとから
第１昇圧回路に入力される直流電力Ｐを検出し、この直流電力Ｐの増減によりベースとな
るＯＮデューディ比を増やすか或いは減らすかを決定する。ＭＰＰＴ制御部Ｃ１には、前
回のベースとなるＯＮデューティ比の操作（ベースとなるＯＮデューティ比を増加したか
減少したか）が記憶されており、直流電力Ｐが増えた場合に前回と同様にベースとなるＯ
Ｎデューティ比を操作する（前回ベースとなるＯＮデューティ比を増やしていた場合増や
し、減らしていた場合減らす）。この操作により、ベースとなるＯＮデューディ比ＤがＭ
ＰＰＴ制御部Ｃ１により決定して出力される。

逆に直流電力Ｐが減った場合に前回と逆方向にベースとなるＯＮデューティ比を操作す
る（前回ベースとなるＯＮデューティ比を増やしていた場合減らし、減らしていた場合増
やす）。尚、ベースとなるＯＮデューティ比の増減の量は予め決めておくと良い。

補正信号生成部Ｃ２は、第１昇圧回路１１へ入力される直流電流Ｉｉ、直流電圧Ｖｉ、
及び系統電圧Ｖｏにより、ＯＮデューティ比を商用電力系統６の周波数に依存する周波数
（ここでは、２倍の周波数）で変動させるように補正信号Ｈを生成する。

補正信号Ｈは、商用電力系統６の周波数を有する正弦波状の基本波形の振幅を直流電流
Ｉｉ、直流電圧Ｖｉ、及び系統電圧Ｖｏの大きさにより補正して生成する。具体的には、
第１昇圧回路１１へ入力される直流電流Ｉｉが大きい場合よりも直流電流Ｉｉが小さい場
合に基本波形の振幅が小さくなるように補正する。

また、系統電圧Ｖｏが大きい場合よりも系統電圧Ｖｏが小さい場合に基本波形の振幅の
大きさが大きくなるように補正する。また、第１昇圧回路１１へ入力される直流電圧Ｖｉ
が大きい場合よりも直流電圧Ｖｉが小さい場合に基本波形の振幅の大きさが小さくなるよ
うに補正する。

尚、これらの補正は、順に行っても良いし、直流電流Ｉｉ、直流電圧Ｖｉ、及び系統電
圧Ｖｏのテーブルを用意して一度に補正するようにしても良い。

この様にして振幅の補正された基本波形が更に位相調整され振幅ｈを有する補正信号Ｈ
として補正信号生成部Ｃ２から出力される（図３（ｃ）に、補正信号Ｈの波形図を示す）
。尚、位相の調整量は実験やシミュレーションなどにより予め求めることができる。また
、直流電流Ｉｉに含まれるリプル成分が大きい時に昇圧比を小さくし、直流電流Ｉｉが小
さい時に昇圧比を大きくすると良いので、リプル成分と逆位相（１８０°）になるように
位相調整しても良い。また、制御遅れを考慮して直流電流Ｉｉと逆位相よりも少し位相が
進んだ位相に補正信号Ｈの位相を調整しても良い。図３（ｅ）に、第１昇圧回路１１へ入
力される直流電流Ｉｉの波形図を示す。

このリプル成分の位相は、電力変換装置に含まれるリアクトルやコンデンサに影響を受
けて変わる。補正波形Ｈのゼロクロスが商用電力系統６の電圧Ｖｏのゼロクロスに対して
５°〜３５°程度進むように調整すると良い。また、補正波形Ｈは、リプル成分と逆位相
の波形よりも０°〜２０°程度進んだ波形にすると良い。

補正部Ｃ３では、ベースとなるＯＮデューティ比Ｄに補正信号Ｈが加算され、これによ
りベースとなるＯＮデューティ比Ｄは、商用電力系統６の２倍の周波数により変動するＯ
Ｎデューティ比を示す信号Ｄａとなる。この変動の大きさは補正信号Ｈの振幅と等しい。
図３（ｂ）に、太陽電池２の出力電力が最大値で一定になった際のベースとなるＯＮデュ
ーティ比Ｄを示す。図３（ｄ）に、ＯＮデューティ比を示す信号Ｄａの波形図を示す。

ＰＷＭ変調部Ｃ４では、搬送波と信号Ｄａが入力され搬送波を信号Ｄａにより変調する
。これにより、商用電力系統６の２倍の周波数により変動するＯＮデューティ比を有する
スイッチ素子のオン／オフ信号Ｓｇ（パルス信号）が生成され、第１昇圧回路１１のスイ
ッチ素子へと供給される。

この様にして、直流電流Ｉｉに含まれる商用電力系統６周波数に基づくリプル成分の周
波数（系統の２倍の周波数）と商用電力系統６の電圧に基づく大きさとを有した補正や直
流電流Ｉｉに含まれる商用電力系統６周波数に基づくリプル成分の周波数（系統の２倍の
周波数）と第１昇圧回路１１へ入力される直流電圧Ｖｉに基づく大きさとを有した補正が
行われて、スイッチ素子へのオン／オフ信号Ｓｇが生成されることにより、第１昇圧回路
１１へ入力される直流電流Ｉｉに含まれるリプル成分を抑制することができる。

また、系統電圧Ｖｏが小さい場合は中間コンデンサから電力系統へ電流が流れやすくな
るため、第１昇圧回路１１へ入力される直流電力に含まれるリプル成分が多くなる。本実
施例では、系統電圧Ｖｏが大きい場合よりも系統電圧Ｖｏが小さい場合にＯＮデューティ
比の変動の大きさを大きくしているため、系統電圧Ｖｏの大きさに応じたリプル成分の抑
制ができる。

また、第１昇圧回路１１へ入力される直流電圧Ｖｉが小さい場合は、太陽電池２の出力
が小さいためリプル成分が小さくなる。本実施例では、直流電圧Ｖｉが大きい場合よりも
直流電圧Ｖｉが小さい場合にＯＮデューティ比の変動の大きさを小さくしているため、直
流電圧Ｖｉの大きさに応じたリプル成分の抑制ができる。

また、本実施例では、第１昇圧回路１１へ入力される直流電流Ｉｉのリプル成分を抑制
することにより、集電装置３に入力される入力電流に含まれるリプル成分を抑制につなが
るため、集電装置３に介在する第２昇圧回路３１〜３４のＭＰＰＴ動作を安定化するが可
能である。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、以上の説明は本発明の理解を容易にす
るためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明はその趣旨を逸脱すること
なく、変更、改良され得ると共に本発明にはその等価物が含まれることは勿論である。

例えば、本実施例において、太陽電池２の出力電圧（第１昇圧回路１１へ入力される直
流電圧Ｖｉ）が大きくなり第１昇圧回路１１による昇圧が不要になる場合、ＭＰＰＴ動作
を停止すると共にリプル成分を抑制する制御を停止しても良い。

また、例えば、本実施例において、第１昇圧回路１１への入力される直流電流Ｉｉが小
さい場合には、リプル成分も小さくなるためリプル成分を抑制する制御を停止しても良い
。

また、例えば、本実施例では、単相の交流電力に変換するインバータ回路１２を用いた
が、三相の交流電力に変換するインバータ回路を用いても良い。この際にリプル成分は系
統電圧の６倍の周波数を有することになる。

本実施形態の電力変換装置１は、太陽電池２を含む太陽電池システム等としても利用す
ることができる。

１電力変換装置
２太陽電池
３集電装置
６商用電力系統
１１第１昇圧回路
１２インバータ回路
１３フィルタ回路
１４第１制御回路
３１〜３４第２昇圧回路
３５第２制御回路
Ｃ１ＭＰＰＴ制御部
Ｃ２補正信号生成部
Ｃ３補正部
Ｃ４ＰＷＭ変調部
Ｌ１〜Ｌ４ライン
Ｉｉ直流電流
Ｖｉ直流電圧
Ｐ直流電力
Ｈ補正信号
Ｓｇオン／オフ信号

Claims

スイッチ素子を有し、該スイッチ素子に周期的なオン／オフ信号が入力して直流電力を
昇圧する昇圧回路と、
前記昇圧回路の昇圧した直流電力を交流電力に変換し、該交流電力を系統へ重畳するイ
ンバータ回路と、を備え、
前記オン／オフ信号に、前記直流電力の直流電流に含まれる系統周波数に基づくリプル
成分の周波数と前記系統の電圧に基づく大きさとを有して前記リプル成分を抑制するよう
に補正を行うことを特徴とする電力変換装置。
前記系統の電圧が大きい場合よりも前記系統の電圧が小さい場合に前記大きさを大きく
することを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
スイッチ素子を有し、該スイッチ素子に周期的なオン／オフ信号が入力して直流電力を
昇圧する昇圧回路と、
前記昇圧回路の昇圧した直流電力を交流電力に変換し、該交流電力を系統へ重畳するイ
ンバータ回路と、を備え、
前記オン／オフ信号に、前記直流電力の直流電流に含まれる系統周波数に基づくリプル
成分の周波数と前記昇圧回路へ入力される直流電圧に基づく大きさとを有して前記リプル
成分を抑制するように補正を行うことを特徴とする電力変換装置。
前記直流電圧が大きい場合よりも前記直流電圧が小さい場合に前記大きさを小さくする
ことを特徴とする請求項３に記載の電力変換装置。
複数のラインの直流電力をまとめて前記直流電圧を前記昇圧回路へ出力する集電回路、
を備え、
前記集電回路は、前記ラインに介在する第２昇圧回路を有し、
第２昇圧回路は、第２昇圧回路へ入力される直流電流及び直流電圧に基づいて第２昇圧
回路の入力電力が最大になるように動作することを特徴とする請求項１乃至請求項４の何
れかに記載の電力変換装置。