JP2017085727A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電流センサ１個の計測出力信号に基づいて、直流成分を抑制した電流制御が、簡単かつ正確に実現できるようにする。【解決手段】この電力変換装置は、インバータ２と、その交流側に設けられ、交流電流が流れる交流リアクトル３と、インバータ２と交流リアクトル３との間の電路に設けられ、交流リアクトル３に流れる電流を検出する電流センサ８と、電流センサ８の計測出力信号を増幅して出力する増幅回路１０と、電流センサ８の計測出力信号を増幅し、かつ、ローパスフィルタを通して直流成分を出力するアナログ処理回路１１と、アナログ処理回路１１の出力に基づいて、直流成分を抑制すべく補正した電流目標値設定を行うとともに、当該電流目標値及び増幅回路１０の出力に基づいてインバータ２の電流制御信号を決定し出力するディジタル制御部１２と、電流制御信号に基づいてインバータ２を駆動する駆動回路９と、を備えている。【選択図】図１

Description

本発明は、直流／交流の変換機能を有し、商用電力系統と系統連系可能な電力変換装置に関する。

例えば、太陽光発電パネルの発電電力が入力されるパワーコンディショナは、商用電力系統と系統連系を行い、需要家の負荷へ給電を行うほか、余剰電力は売電することができる。系統連系に関しては、ガイドラインに定められたルールを遵守する必要があり、その一つとして、例えば、パワーコンディショナから出力される交流電流に含まれる直流成分が、定格出力電流の１％未満であることが必要である。これは、直流成分により、商用電力系統の変圧器が偏磁することを防止するためである。

そこで、電流センサで検出した電流に基づいて直流成分を抽出し、これを打ち消すようにマイクロコンピュータで演算してインバータ制御を行うことが提案されている（例えば、特許文献１〜１３参照。）。

特許第４２５１７１６号公報 特開平８−１２６３４１号公報 特開２００６−３４０５４９号公報 特許第３４２３１９６号公報 国際公開第２０１２／０７３５８２号公報 特開２０１１−１９９９８０号公報 特開２０１４−４２４１９号公報 特許第３２４９７０９号公報 特許第４５０６０２０号公報 特許第３７９４３５０号公報 特許第３０２３６４７号公報 特許第５２２４６４７号公報 特許第５６４０５４１号公報

図６及び図７は、上記先行技術に示されている電流センサの設置場所のバリエーションを整理した回路図である。図６において、図示は省略するが、回路の左側には直流電源が接続され、右側には商用電力系統が接続される。インバータ１０１の交流出力側には交流リアクトル１０２及びコンデンサ１０３が接続されている。

まず、図６の（ａ）の例では、直流成分検出用の電流センサ１０４がコンデンサ１０３より商用電力系統側に設けられている。また、インバータ１０１と交流リアクトル１０２との間には、交流電流に基づくインバータ制御用の電流センサ１０５が設けられている。
図６の（ｂ）は、２つの電流センサ１０４，１０５を、交流リアクトル１０２とコンデンサ１０３との間に並んで設けた例である。
図６の（ｃ）は、電流センサ１０４をインバータ１０１の直流側に設け、電流センサ１０５をインバータ１０１と交流リアクトル１０２との間に設けた例である。

一方、図７の（ａ）の例では、コンデンサ１０３より商用電力系統側に電流センサ１０６が設けられている。電流センサ１０６の計測出力信号に基づいて、演算処理により、直流成分を抽出し、かつ、交流電流に基づくインバータ制御を行うことができる。
図７の（ｂ）の例では、同様の電流センサ１０６が、インバータ１０１と交流リアクトル１０２との間に設けられている。

上記の各例において、図６の（ａ），（ｂ），（ｃ）はいずれも、高価な電流センサが２個必要となり、コスト的に好ましくない。
一方、図７の（ａ）の例では、コンデンサ１０３に流れる電流も電流センサ１０６の計測出力信号に影響するため、電流センサ１０６の計測出力信号に対する演算処理が複雑になる。演算処理が複雑になるほど、マイクロコンピュータの演算負荷が大きくなるという不利益を生じる。その点では、交流リアクトル１０２に流れる電流のみを検出する図７の（ｂ）の例が好ましいが、この例でも、マイクロコンピュータにおける直流成分の検出精度が良くないという課題がある。

かかる課題に鑑み、本発明は、電流センサ１個の計測出力信号に基づいて、直流成分を抑制した電流制御が、簡単かつ正確に実現できる電力変換装置を提供することを目的とする。

本発明は、直流電源の直流電力に基づいて商用電力系統と系統連系する機能を有する電力変換装置であって、直流／交流の変換を行うＤＣ／ＡＣコンバータと、前記ＤＣ／ＡＣコンバータの交流側に設けられ、交流電流が流れる交流リアクトルと、前記ＤＣ／ＡＣコンバータと前記交流リアクトルとの間の電路に設けられ、前記交流リアクトルに流れる電流を検出する電流センサと、前記電流センサの計測出力信号を増幅して出力する増幅回路と、前記電流センサの計測出力信号を増幅し、かつ、ローパスフィルタを通して直流成分を出力するアナログ処理回路と、前記アナログ処理回路の出力に基づいて、前記直流成分を抑制すべく補正した電流目標値設定を行うとともに、当該電流目標値及び前記増幅回路の出力に基づいて前記ＤＣ／ＡＣコンバータの電流制御信号を決定し出力するディジタル制御部と、前記電流制御信号に基づいて前記ＤＣ／ＡＣコンバータを駆動する駆動回路と、を備えている。

本発明の電力変換装置によれば、電流センサ１個の計測出力信号に基づいて、直流成分を抑制した電流制御を、簡単かつ正確に実現することができる。

本発明の一実施形態に係る電力変換装置の回路構成図である。 図１における増幅回路及び増幅・フィルタ回路から出力される信号波形の一例を示す図である。 ディジタル制御部内の処理を中心としてみた制御ブロック線図である。 比較のために、通常のインバータ電流制御を制御ブロック線図で表した図である。 増幅・フィルタ回路における出力レンジの考え方について説明する図である。 先行技術に示されている電流センサの設置場所のバリエーションを整理した回路図である。 先行技術に示されている電流センサの設置場所のバリエーションを整理した回路図である。

［実施形態の要旨］
本発明の実施形態の要旨としては、少なくとも以下のものが含まれる。

（１）これは、直流電源の直流電力に基づいて商用電力系統と系統連系する機能を有する電力変換装置であって、直流／交流の変換を行うＤＣ／ＡＣコンバータと、前記ＤＣ／ＡＣコンバータの交流側に設けられ、交流電流が流れる交流リアクトルと、前記ＤＣ／ＡＣコンバータと前記交流リアクトルとの間の電路に設けられ、前記交流リアクトルに流れる電流を検出する電流センサと、前記電流センサの計測出力信号を増幅して出力する増幅回路と、前記電流センサの計測出力信号を増幅し、かつ、ローパスフィルタを通して直流成分を出力するアナログ処理回路と、前記アナログ処理回路の出力に基づいて、前記直流成分を抑制すべく補正した電流目標値設定を行うとともに、当該電流目標値及び前記増幅回路の出力に基づいて前記ＤＣ／ＡＣコンバータの電流制御信号を決定し出力するディジタル制御部と、前記電流制御信号に基づいて前記ＤＣ／ＡＣコンバータを駆動する駆動回路と、を備えている。

上記のように構成された電力変換装置では、交流リアクトルに流れる電流に含まれる直流成分が、アナログ処理回路によって増幅され、交流成分は除去された形で直流成分が抽出される。すなわち、電流センサの出力に含まれている直流成分をアナログ処理回路で顕在化し、高精度に直流成分を検出することができる。ディジタル制御部は、この直流成分を抑制する電流目標値設定を行って、電流制御信号を決定するので、直流成分は的確に抑制される。こうして、直流成分を抑制した電流制御が、簡単かつ正確に実現できる電力変換装置を提供することができる。

（２）また、（１）の電力変換装置において、前記ディジタル制御部は、前記アナログ処理回路の出力を少なくとも交流１サイクルで平均した値を前記直流成分とするようにしてもよい。
この場合、１サイクルの平均をとることで、適切な直流成分の値を得ることができる。

（３）また、（１）の電力変換装置において、前記ディジタル制御部は、前記ＤＣ／ＡＣコンバータの電流目標値から前記直流成分を差し引くことで前記電流目標値設定を行ってもよい。
この場合、いわば即効性のある補正を行って、直流成分を抑制することができる。

（４）また、（１）の電力変換装置において、前記ディジタル制御部は、前記直流成分が０になるようにフィードバック制御を行って前記電流制御信号を決定してもよい。
この場合、常に直流成分を０に収束させるように安定して抑制することができる。

（５）また、（１）〜（４）のいずれかの電力変換装置において、前記アナログ処理回路の増幅率は、当該アナログ処理回路の出力レンジが、前記交流電流の定常時の最大電流についての計測出力信号のとり得る値の領域の少なくとも２倍の領域となるように設定されていることが望ましい。
この場合、直流成分が充分に大きく増幅されることにより、ノイズと識別して直流成分を確実に検出することができる。

［実施形態の詳細］
以下、図面を参照して実施形態の詳細について説明する。

《回路構成》
図１は、本発明の一実施形態に係る電力変換装置の回路構成図である。図において、電力変換装置２０は、直流電源１と商用電力系統７との間にあって、直流／交流の電力変換を行い、商用電力系統７との系統連系運転を行うことができる。

電力変換装置２０は、主回路部分として、インバータ２、交流リアクトル３、コンデンサ４、及び、リレー６を備えている。インバータ２には直流電源１から直流電力が入力される。なお、直流電源１とインバータ２との間には必要に応じてＤＣ／ＤＣコンバータが設けられるが、ここでは図示を省略している。

インバータ２は、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３，Ｑ４をフルブリッジ接続したものである。スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３，Ｑ４にはそれぞれ、並列逆極性に、ダイオードｄ１，ｄ２，ｄ３，ｄ４が接続されている。ここでは例えば、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４は、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）である。なお、ＩＧＢＴに変えてＦＥＴ（Field Effect Transistor）を使用することもできる。

交流リアクトル３及びコンデンサ４は、インバータ２の発生する高周波ノイズが商用電力系統７に漏れ出ないよう遮断するフィルタ５を構成している。リレー（系統連系リレー）６は、電力変換装置２０を、商用電力系統７と接続又は、商用電力系統７から解列を行うためのスイッチである。

電流センサ８は、インバータ２と交流リアクトル３との間の電路に１個、設けられており、交流リアクトル３に流れる電流を検出する。そして、検出した電流と同期した電圧信号を、計測出力信号として後述の増幅回路１０及び増幅・フィルタ回路１１に提供する。

一方、電力変換装置２０は、制御回路部分として、駆動回路９、増幅回路１０、増幅・フィルタ回路１１、及び、ディジタル制御部１２を備えている。駆動回路９は、ディジタル制御部１２から出力されるＰＷＭ（Pulse Width Modulation）信号に基づいて、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４を駆動する。増幅回路１０及び増幅・フィルタ回路１１には、電流センサ８の計測出力信号が入力される。ディジタル制御部１２は、マイクロコンピュータを含み、ソフトウェア（コンピュータプログラム）をコンピュータが実行することで、必要な制御機能を実現する。ソフトウェアは、ディジタル制御部１２の記憶装置（図示せず。）に格納される。

増幅回路１０は、電流センサ８から提供される計測出力信号の信号増幅のみを行う。
増幅・フィルタ回路１１は、オペアンプ等のアナログ処理回路であり、電流センサ８から提供される計測出力信号を増幅する増幅回路と、ローパスフィルタとを有している。

《信号波形のイメージ》
図２は、増幅回路１０及び増幅・フィルタ回路１１から出力される信号波形の一例を示す図である。図２の（ａ）に示すように、増幅回路１０の出力する信号は、高周波のリプルを含んだ波形である。信号波形に直流成分が含まれている場合、例えば１サイクルの振幅の平均値は０にならず、直流成分だけドリフトする。しかし、リプルが多く含まれていると、仮に平均をとっても図示のような、僅かな直流成分しか抽出できないことが多い。

一方、ローパスフィルタの機能を有する増幅・フィルタ回路１１から出力される信号は、交流成分が除去された形で直流成分が抽出される。但し、商用交流の影響を完全には除去できず、交流と同期して緩やかに変化する直流成分となる。増幅によって、この振幅も強調されている。そこで、例えば１サイクルの平均値をとると、直流成分を求めることができる。このように、１サイクルの平均をとることで、適切な直流成分の値を得ることができる。なお、２以上の複数サイクルの平均値をとれば、さらに検出の精度は上がるが、実用上は１サイクルでも十分である。

《制御ブロック線図》
図３は、ディジタル制御部１２内の処理を中心としてみた制御ブロック線図である。ディジタル制御部１２の入力ポートＰ１及びＰ２にはそれぞれ、増幅回路１０及び増幅・フィルタ回路１１が接続されている。駆動回路９は、出力ポートＰ３に接続されている。

交流リアクトル３に流れる電流は電流センサ８で検出され、電流に対応した計測出力信号（電圧信号）に変換される。計測出力信号は増幅回路１０で所定の入力レベルにまで信号増幅されたあと、入力ポートＰ１から入力され、ディジタル信号に変換される（ブロックＢ１）。続いて、ディジタル信号は、その後のソフトウェア処理に適した信号になるようにスケール変換される（ブロックＢ２）。スケール変換された計測出力信号は、交流リアクトル電流目標値と比較され（ブロックＢ３）、計測出力信号が交流リアクトル電流目標値に近づくように、コントローラ（ブロックＢ１０）により、ＰＷＭ信号が駆動回路９へ与えられる。

上記ブロックＢ１，Ｂ２，Ｂ３，Ｂ１０に示す処理は、通常のインバータ電流制御である。すなわち、比較のために、通常のインバータ電流制御を制御ブロック線図で表すと、図４のようになる。

図３に戻り、本実施形態では、さらに、直流成分抑制用の以下の処理が行われる。
まず、１個の電流センサ８からの計測出力信号は、増幅・フィルタ回路１１にも入力され、信号増幅及びローパスフィルタのアナログ処理を行って得られたアナログ信号が入力ポートＰ２に入力される。入力されたアナログ信号は、ディジタル信号に変換される（ブロックＢ４）。続いて、ディジタル信号は、その後のソフトウェア処理に適した信号になるようにスケール変換される（ブロックＢ５）。スケール変換された信号は、図２の（ｂ）に示したように、交流周期で平均化処理される（ブロックＢ６）。

平均化処理により直流成分が抽出され、これを、直流成分目標値（すなわち０Ａ）から差し引く（ブロックＢ７）。これにより、実際の直流成分が、直流成分目標値に近づくよう、フィードバック制御が行われ、コントローラ（ブロックＢ８）により、信号が出力される。フィードバック制御により、常に直流成分を０に収束させるように安定して抑制することができる。コントローラ（ブロックＢ８）から出力される信号は、上下限のリミッタ処理（ブロックＢ９）を経て、交流リアクトル電流目標値の補正値となり、交流リアクトル電流目標値を補正する（ブロックＢ３）。これにより、いわば即効性のある補正を行って、直流成分を抑制することができる。

このようにして、交流リアクトル電流目標値が直流成分を考慮して補正される処理が行われ、コントローラ（ブロックＢ１０）及び駆動回路９を経てインバータ電流制御が行われる。こうして、直流成分は、その目標値（＝０Ａ）になるよう、フィードバック制御され、抑制される。

以上、総括すると、上記の電力変換装置２０では、交流リアクトル３に流れる電流に含まれる直流成分が、アナログ処理回路である増幅・フィルタ回路１１によって増幅され、交流成分は除去された形で直流成分が抽出される。すなわち、電流センサ８の出力に含まれている直流成分を増幅・フィルタ回路１１で顕在化し、高精度に直流成分を検出することができる。ディジタル制御部１２は、この直流成分を抑制する電流目標値設定を行って、電流制御信号を決定するので、直流成分は的確に抑制される。こうして、直流成分を抑制した電流制御が、簡単かつ正確に実現できる電力変換装置２０を提供することができる。

《出力レンジについて》
なお、図５は、増幅・フィルタ回路１１における出力レンジの考え方について説明する図である。仮に、交流リアクトル３に流れる電流から、そのまま交流周期の平均で直流成分を求めるとした場合、図５の左側の波形に示すように、定常時の運転上の最大電流（定格出力のときの電流）を１００％とし、かつ、交流リアクトル電流に重畳するリプルと、保護閾値の設定とを考慮して２００％をフルスケールとすることを想定する。

この場合、Ａ／Ｄ変換後のフルスケール（最小値〜最大値）は、１２ビットの場合、０〜４０９５となる。定格出力の１％の直流成分は、４０９５の１／４００となり、これで十分な精度を出すのは難しい。従って、直流成分がノイズに埋もれて検出できない場合や、誤検出をする場合がある。

そこで、増幅・フィルタ回路１１の増幅率は少なくとも２倍とする。２倍の場合、定格出力の１％の直流成分は、１／２００となり、これは、必要最低限の検出精度とも言える。実際は、さらに余裕を見て、数倍〜１０倍程度が好ましい。

すなわち、増幅・フィルタ回路１１の増幅率は、出力レンジが、交流電流の定常時の最大電流についての計測出力信号のとり得る値の領域の少なくとも２倍の領域となるように設定することが好ましい。
これにより、直流成分が充分に大きく増幅されることにより、ノイズと識別して直流成分を確実に検出することができる。

《逆方向変換について》
なお、上記実施形態の電力変換装置２０は、直流電源１の直流電力に基づいて商用電力系統７と系統連系する機能を有するものとしてのみ説明したが、図１に示す回路構成はそのまま逆方向変換を行うことができる。すなわち、直流電源１が蓄電池を含む場合、商用電力系統７の交流電力に基づいて、蓄電池を充電することができる。この場合のインバータ２は、例えば、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４を全てオフにすれば、ダイオードｄ１〜ｄ４のブリッジによって全波整流を行うことができる。また、同期整流を行うことも可能である。言い換えれば、インバータ２は、広義には、逆方向変換もできるＤＣ／ＡＣコンバータである。

《補記》
なお、今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。
但し、明細書及び図面に開示した通りの全ての構成要素を備える電力変換装置も、本発明に含まれるものであることは言うまでもない。

１ 直流電源
２ インバータ（ＤＣ／ＡＣコンバータ）
３ 交流リアクトル
４ コンデンサ
５ フィルタ
６ リレー
７ 商用電力系統
８ 電流センサ
９ 駆動回路
１０ 増幅回路
１１ 増幅・フィルタ回路（アナログ処理回路）
１２ ディジタル制御部
２０ 電力変換装置
１０１ インバータ
１０２ 交流リアクトル
１０３ コンデンサ
１０４，１０５，１０６ 電流センサ
ｄ１，ｄ２，ｄ３，ｄ４ ダイオード
Ｐ１，Ｐ２ 入力ポート
Ｐ３ 出力ポート
Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３，Ｑ４ スイッチング素子

Claims (5)

1. 直流電源の直流電力に基づいて商用電力系統と系統連系する機能を有する電力変換装置であって、
   直流／交流の変換を行うＤＣ／ＡＣコンバータと、
   前記ＤＣ／ＡＣコンバータの交流側に設けられ、交流電流が流れる交流リアクトルと、
   前記ＤＣ／ＡＣコンバータと前記交流リアクトルとの間の電路に設けられ、前記交流リアクトルに流れる電流を検出する電流センサと、
   前記電流センサの計測出力信号を増幅して出力する増幅回路と、
   前記電流センサの計測出力信号を増幅し、かつ、ローパスフィルタを通して直流成分を出力するアナログ処理回路と、
   前記アナログ処理回路の出力に基づいて、前記直流成分を抑制すべく補正した電流目標値設定を行うとともに、当該電流目標値及び前記増幅回路の出力に基づいて前記ＤＣ／ＡＣコンバータの電流制御信号を決定し出力するディジタル制御部と、
   前記電流制御信号に基づいて前記ＤＣ／ＡＣコンバータを駆動する駆動回路と、
   を備えている電力変換装置。
2. 前記ディジタル制御部は、前記アナログ処理回路の出力を少なくとも交流１サイクルで平均した値を前記直流成分とする、請求項１に記載の電力変換装置。
3. 前記ディジタル制御部は、前記ＤＣ／ＡＣコンバータの電流目標値から前記直流成分を差し引くことで前記電流目標値設定を行う、請求項１に記載の電力変換装置。
4. 前記ディジタル制御部は、前記直流成分が０になるようにフィードバック制御を行って前記電流制御信号を決定する、請求項１に記載の電力変換装置。
5. 前記アナログ処理回路の増幅率は、当該アナログ処理回路の出力レンジが、前記交流電流の定常時の最大電流についての計測出力信号のとり得る値の領域の少なくとも２倍の領域となるように設定されている、請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の電力変換装置。

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