JP3655804B2 - 系統連系インバータ装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、系統連系インバータ装置に関し、特に、直流電源、発電機等の電力供給源をトランスを介さずに、連系する商用交流電力系統に接続するトランスレス方式の系統連系インバータ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、商用交流電力系統と連係した太陽光発電システムが実用化されている。このようなシステムにおいては、太陽電池によって発生する直流電力を系統連系インバータ装置によって商用周波数の交流電力に変換し、連系する商用交流電力系統に接続されている家庭内負荷に供給するように構成されている。また、このシステムにおいては、余剰電力を自動的に連系する電力系統側に逆潮流することも可能である。
【０００３】
このように、直流電力を商用交流電力に変換する系統連系インバータ装置としては、従来から、直流電源側と商用交流電源側とを高周波トランスによって絶縁して結合する高周波絶縁方式の系統連系インバータ装置が用いられている。図１２は、このような従来の高周波絶縁方式の系統連系インバータ装置の一例を示す回路図である。
【０００４】
図１２を参照して、直流電源１０１の直流出力は、高周波インバータ回路１０７に与えられる。高周波インバータ回路１０７は、直流の正負母線の間に接続された、各々が直列接続された２つのスイッチ素子からなる２つのアームで構成されている。そして、それぞれのアームのスイッチ素子の連結点が高周波トランス１０８の１次側に接続されている。
【０００５】
すなわち、高周波インバータ回路１０７に与えられた直流出力は、それぞれのスイッチ素子のオンオフ時間制御によってパルス幅変調（ＰＷＭ）されて高周波ＡＣパルスに変換され、高周波トランス１０８の１次側に与えられる。そして、高周波トランス１０８によって絶縁および昇圧された高周波ＡＣパルスはダイオードブリッジ１０９に与えられ、整流される。
【０００６】
ダイオードブリッジ１０９の出力は、フィルタ回路１１０によって波形の平滑化が施された後、低周波インバータ回路１１１に与えられる。低周波インバータ回路１１１は、正負の母線間に接続された各々が直列接続された２つのスイッチ素子からなる２つのアームで構成されている。そして、それぞれのアームのスイッチ素子の連結点がＡＣフィルタ１１２の入力に接続されている。
【０００７】
低周波インバータ回路１１１に与えられた直流波形は、それぞれのスイッチ素子のオンオフ時間制御によって、商用交流周波数の半周期ごとに波形が折返されて交流波形に変換される。この交流出力はさらに、ＡＣフィルタ１１２および連系リレー１０５を介して、商用交流電源系統１０６に接続される。
【０００８】
以上のように、高周波絶縁方式の系統連系インバータ装置においては、高周波トランス１０８の前段および後段における電圧波形は高周波ＡＣ電圧波形であるため、高周波トランス１０８の後段に、整流を行なう回路（ダイオードブリッジ１０９）、平滑化を行なう回路（フィルタ回路１１０）、さらには波形の折返しを行なう回路（低周波インバータ回路１１１）などを設ける必要があり、回路構成が複雑化し、製造コストの上昇を避けることができなかった。
【０００９】
このような高周波絶縁方式の系統連系インバータ装置の問題点に鑑み、トランスレス方式の系統連系インバータ装置が提案されている。
【００１０】
このようなトランスレス方式の系統連系インバータ装置は、たとえば岡土千尋他による１９９６年の太陽／風力エネルギ講演論文集の第２９頁〜第３２頁の「トランスレス・パワーコンディショナの商品開発」に開示されている。図１３は、上記文献に開示された従来のトランスレス方式の系統連系インバータ装置の一例を示す回路図である。
【００１１】
図１３を参照して、直流電源１０１の直流出力は、ノイズフィルタ１１４を介して昇圧回路１０２に与えられる。昇圧回路１０２は、直流の正負母線の正母線上に直列に挿入されたリアクトルＬａおよびダイオードＤａと、入力側の正負母線間に接続されたコンデンサＣａと、出力側の正負母線間に接続されたコンデンサＣｂと、リアクトルＬａおよびダイオードＤａの連結点と、直流の正負母線の負母線との間に接続されたスイッチ素子Ｓａとを備えた昇圧チョッパである。この昇圧チョッパは、直流電源１０１の直流電圧を一定電圧に昇圧する。
【００１２】
昇圧回路１０２によって昇圧された直流電圧は、インバータ回路１０３に与えられる。インバータ回路１０３は、正負母線の間に接続された、２つのスイッチ素子Ｓｂ，Ｓｃからなる第１のアームと、２つのスイッチ素子Ｓｄ，Ｓｅからなる第２のアームとから構成される。そして、それぞれのアームのスイッチ素子の連結点がフィルタ回路１０４の入力に接続される。
【００１３】
すなわち、インバータ回路１０３に与えられた直流電圧は、それぞれのスイッチ素子のオン時間幅の制御によってパルス幅変調されて、交流出力に変換される。インバータ回路１０３の交流出力は、フィルタ回路１０４、ノイズフィルタ１１５、および連系リレー１０５を介して、商用交流電源系統１０６に接続される。
【００１４】
以上のように、トランスレス方式の系統連系インバータ装置は、主として、昇圧回路部分（１０２）と、インバータ回路部分（１０３）とから成り立っており、構成が簡単である。したがって、前述の高周波絶縁方式の系統連系インバータ装置と比較して、トランスレス化により、部品点数の大幅な削減を図ることができ、装置の小型化、低コスト化が可能となる。また同時に、入出力間の電流経路上の素子数も減少するため、系統連系インバータ装置の動作の高効率化を図ることができる。
【００１５】
しかしながら、図１２に示した高周波絶縁方式の系列連系インバータ装置では、高周波インバータ回路１０７が１５０〜２００Ｖの直流電圧のスイッチングを行なうのに対し、図１３に示したトランスレス方式の系統連系インバータ装置では、直流電源の直流電圧を昇圧回路１０２で昇圧して得られる３００〜４００Ｖの直流電圧をインバータ回路１０３でスイッチングするため、高周波絶縁方式に比べて高周波ノイズレベルが上昇する恐れがある。
【００１６】
また近年、電力変換器に対しては、ＥＭＣ規格および省エネルギーの要請により、ノイズの抑制および変換効率の向上が求められている。しかしながら、上述のように高電圧状態でスイッチングを行なういわゆるハードスイッチング方式のトランスレス系統連系インバータ装置では、大きなスイッチングノイズおよびスイッチング損失が発生し、根本的なＥＭＣ対策は困難である。
【００１７】
トランスレス方式のこのような問題点に対する対策としては、Ｌ，Ｃおよびスイッチ素子等で構成される共振回路をトランスレス系統連系インバータ装置に付加し、共振を利用して主要回路のスイッチ素子に印加される電圧がゼロとなる期間を作り出し、その間にスイッチングを行なうことにより、スイッチングノイズやスイッチング損失を抑制するソフトスイッチング方式の系統連系インバータ装置が提案されており、たとえば特開平１０−１５５２８０号に開示されている。
【００１８】
図１４は、上記文献に開示されたソフトスイッチング方式のトランスレス系統連系インバータ装置の一例を示す回路図である。図１４に示したトランスレス系統連系インバータ装置は、図１３に示したトランスレス系統連系インバータ装置と次の点で異なっている。
【００１９】
すなわち、昇圧回路１０２と、インバータ回路１０３との間に、ゼロ電圧回路１１３が挿入されている。このゼロ電圧回路１１３は、昇圧回路１０２と、インバータ回路１０３とを連結する直流正負母線の正母線に挿入されたスイッチ素子ＳＷ１と、直流の正負母線間に直列に接続されたスイッチ素子ＳＷ２、リアクトル、およびコンデンサが並列に接続されたスイッチング素子ＳＷ３と、直流正負母線間に接続された、互いに並列接続されたダイオードおよびコンデンサとを備えている。
【００２０】
ゼロ電圧回路１１３は、インバータ回路１０３内のスイッチ素子のオン・オフのスイッチング時に一時的にインバータ回路１０３の入力電圧がゼロになるように、スイッチ素子ＳＷ１〜ＳＷ３のオン・オフを制御して、インバータ回路１０３のスイッチング動作ごとに共振回路を構成する。
【００２１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図１４に示したようなソフトスイッチング方式の系統連系インバータ装置では、スイッチ素子が多数追加されるため、回路構成が複雑化し、コストの増大を招来している。
【００２２】
また、図１４に示したスイッチ素子ＳＷ１のように直流正負母線のうち正母線に直列に挿入されたスイッチ素子は、オン抵抗損失による顕著な変換効率の劣化をもたらす。
【００２３】
さらに、図１４に示したゼロ電圧回路１１３は、インバータ回路１０３のスイッチングの都度、すなわちインバータ回路１０３内の各スイッチ素子のターンオン時、ターンオフ時の双方で共振動作を実行するので、各スイッチ素子を駆動するＰＷＭパルスの１つごとに、２回共振動作を実行する必要がある。共振回路の動作回数の増大は共振損失の増大に繋がるので望ましくない。
【００２４】
さらに、ソフトスイッチングの実現のために追加したゼロ電圧回路１１３内のスイッチ素子もゼロ電圧でスイッチングを行なわなければ、同様にノイズおよび効率の低下の問題を引き起こしてしまう。
【００２５】
それゆえに、この発明の目的は、比較的簡単な構成で、すべてのスイッチ素子のスイッチング動作をソフトスイッチング化した、トランスレス方式の系統連系インバータ装置を提供することである。
【００２６】
この発明の他の目的は、スイッチングノイズおよびスイッチング損失を抑制した、トランスレス方式の系統連系インバータ装置を提供することである。
【００２７】
この発明のさらに他の目的は、ソフトスイッチングのために最小限の共振動作を行なう、トランスレス方式の系統連系インバータ装置を提供することである。
【００２８】
【課題を解決するための手段】
この発明による系統連系インバータ装置は、直流電源と、昇圧手段と、インバータ手段と、連系手段と、ゼロ電圧スイッチング手段と、制御手段とを備える。直流電源は、直流電圧を供給する。昇圧手段は、直流電源によって供給される直流電圧をスイッチング動作によって昇圧する。インバータ手段は、昇圧手段によって昇圧された直流電圧をスイッチング動作によって交流電圧に変換する。連系手段は、インバータ手段から出力される交流電圧を、連系する電力系統に接続する。ゼロ電圧スイッチング手段は、昇圧手段とインバータ手段とを連結する直流正負母線間に接続される。制御手段は、昇圧手段およびインバータ手段のスイッチング動作時に、昇圧手段およびインバータ手段においてスイッチングを行なうすべての素子をゼロ電圧でスイッチングさせるように、ゼロ電圧スイッチング手段内に共振回路を形成して直流正負母線間の電圧をゼロにする。
【００２９】
この発明によれば、制御手段は、昇圧手段およびインバータ手段のスイッチング時の一瞬だけゼロ電圧スイッチング手段内の共振回路を動作させて、直流正負母線間をゼロ電圧にしてソフトスイッチングを実現しているので、スイッチングノイズおよびスイッチング損失の軽減を図ることができる。
【００３０】
好ましくは、この発明による系統連系インバータ装置において、ゼロ電圧スイッチング手段は、互いに直列接続された第１および第２のコンデンサを含み、第２のコンデンサは直流正負母線の負母線に接続され、昇圧手段によって昇圧された直流電圧を第１および第２のコンデンサによって平滑化するように、第１のコンデンサを直流正負母線の正母線に接続する第１のスイッチ素子と、第１および第２のコンデンサの連結点と、直流正負母線の正母線との間に直列接続された第２のスイッチ素子および第１のリアクトルと、直流正負母線間に接続された第３のコンデンサとをさらに含み、制御手段は、第２のコンデンサから、第３のコンデンサ、第１のリアクトル、および第２のスイッチ素子を通って第２のコンデンサに帰還するループによって共振回路を形成する。
【００３１】
この発明によれば、ゼロ電圧スイッチング手段の第１および第２のコンデンサは、系統連系インバータ装置の運転中においては、ほとんどの期間中は昇圧電圧を平滑化する平滑化コンデンサとして機能し、昇圧手段およびインバータ手段のスイッチング時の一瞬だけ、共振回路の構成要素を兼ねるため、部品点数の増加を招来することなく、ソフトスイッチングを実現することができる。
【００３２】
より好ましくは、この発明による系統連系インバータ装置において、昇圧手段は昇圧チョッパ回路であり、昇圧チョッパ回路は、直流正負母線の正母線に直に挿入された第２のリアクトルおよびダイオードと、第２のリアクトルおよびダイオードの連結点と、直流正負母線の負母線との間に接続された第３のスイッチ素子と、ダイオードに並列に接続された第４のコンデンサと、第３のスイッチ素子に並列に接続された第５のコンデンサとを含む。
【００３３】
この発明によれば、系統連系インバータ装置を構成する昇圧手段内のダイオードおよびスイッチ素子にはそれぞれコンデンサが並列に接続されているため、これらの素子のターンオフ時には、ゼロ電圧スイッチング回路の助けを必要とせず昇圧手段単独で常にゼロ電圧でターンオフ動作を行なう。したがって、昇圧手段のスイッチング動作周期ごとにターンオン時の１回だけ共振回路を動作させればよく、共振回路の動作回数の低減を図ることができる。
【００３４】
より好ましくは、この発明による系統連系インバータ装置において、制御手段は、共通のパルス幅変調（ＰＷＭ）キャリア信号に基づいて、昇圧手段およびインバータ手段を駆動するＰＷＭパルスを発生する手段を含み、昇圧手段およびインバータ手段においてスイッチングを行なうすべての素子は、ＰＷＭパルスによってオン・オフ制御される。
【００３５】
この発明によれば、昇圧手段およびインバータ手段のすべてのスイッチ素子を制御するＰＷＭパルスは、共通のＰＷＭキャリア信号に基づいて生成されるため、昇圧手段およびインバータ手段のすべてのスイッチ素子のゼロ電圧スイッチングを同じタイミングで、すなわち１回のゼロ電圧スイッチング手段の動作によって行なうことができ、共振回路の動作回数を軽減することができる。
【００３６】
より好ましくは、この発明による系統連系インバータ装置において、インバータ手段はフルブリッジインバータ回路であり、フルブリッジインバータ回路は、ゼロ電圧スイッチング手段側で、直流正負母線間に直列に接続された第４および第５のスイッチ素子を含む第１のアームと、連系手段側で、直流正負母線間に直列に接続された第６および第７のスイッチ素子を含む第２のアームとを含み、制御手段は、第２のアームの第６および第７のスイッチ素子を、連系する電力系統と同じ周波数で互いに逆位相でスイッチングし、かつ第１のアームの第４および第５のスイッチ素子を、連系する電力系統の周波数よりも高いＰＷＭキャリア信号周波数で互いに逆位相でスイッチングする。
【００３７】
この発明によれば、インバータ手段の第２のアームのスイッチ素子は、連系する商用周波数で動作し、インバータ手段の出力電流のゼロクロス点でのみスイッチングする。したがって、第２のアームのスイッチ素子は独立してソフトスイッチングを行なうことができる。
【００３８】
この発明の他の局面による系統連系インバータ装置は、直流電源と、昇圧手段と、インバータ手段と、連系手段と、ゼロ電圧スイッチング手段と、制御手段とを備える。直流電源は、直流電圧を供給する。昇圧手段は、直流電源によって供給される直流電圧をスイッチング動作によって昇圧する。インバータ手段は、昇圧手段によって昇圧された直流電圧をスイッチング動作によって交流電圧に変換する。連系手段は、インバータ手段から出力される交流電圧を、連系する電力系統に接続する。ゼロ電圧スイッチング手段は、昇圧手段とインバータ手段とを連結する直流正負母線間に接続される。制御手段は、昇圧手段およびインバータ手段のスイッチング動作時に、昇圧手段およびインバータ手段においてスイッチングを行なうすべての素子をゼロ電圧でスイッチングさせるように、ゼロ電圧スイッチング手段およびインバータ手段内に共振回路を形成して直流正負母線間の電圧をゼロにする。
【００３９】
この発明によれば、制御手段は、昇圧手段およびインバータ手段のスイッチング時の一瞬だけ、ゼロ電圧スイッチング手段およびインバータ手段内に共振回路を形成し、直流正負母線間をゼロ電圧にしているので、昇圧手段およびインバータ手段に加えて、ゼロ電圧スイッチング手段内のスイッチ素子もゼロ電圧でソフトスイッチング可能となる。したがって、スイッチングノイズおよびスイッチング損失の軽減を図ることができる。
【００４０】
好ましくは、この発明による系統連系インバータ装置において、ゼロ電圧スイッチング手段は、互いに直列接続された第１および第２のコンデンサを含み、第２のコンデンサは直流正負母線の負母線に接続され、昇圧手段によって昇圧された直流電圧を第１および第２のコンデンサによって平滑化するように、第１のコンデンサを直流正負母線の正母線に接続する第１のスイッチ素子と、第１および第２のコンデンサの連結点と、直流正負母線の正母線との間に直列接続された第２のスイッチ素子および第１のリアクトルとをさらに含み、インバータ手段はフルブリッジインバータ回路であり、フルブリッジインバータ回路は、ゼロ電圧スイッチング手段側で、直流正負母線間に直列に接続された第３および第４のスイッチ素子を含む第１のアームと、連系手段側で、直流正負母線間に直列に接続された第５および第６のスイッチ素子を含む第２のアームと、第３および第４のスイッチ素子にそれぞれ並列に接続された第３および第４のコンデンサとを含み、制御手段は、第３および第４のスイッチ素子を互いに逆位相でスイッチングし、第２のコンデンサから、第４のスイッチ素子、第３のコンデンサ、第１のリアクトル、および第２のスイッチ素子を通って第２のコンデンサに帰還するループ、または第２のコンデンサから、第４のコンデンサ、第３のスイッチ素子、第１のリアクトル、および第２のスイッチ素子を通って第２のコンデンサに帰還するループによって共振回路を形成する。
【００４１】
この発明によれば、ゼロ電圧スイッチング手段の第１および第２のコンデンサは、系統連系インバータ装置の運転中においては、ほとんどの期間中は昇圧電圧を平滑化する平滑化コンデンサとして機能し、昇圧手段およびインバータ手段のスイッチング時の一瞬だけ、共振回路の構成要素を兼ねるため、部品点数の増加を招来することなくソフトスイッチングを実現することができる。また、インバータ手段の第１のアームのスイッチ素子にはそれぞれコンデンサが並列に接続されているため、これらの素子のターンオフ時には、ゼロ電圧スイッチング手段の助けを必要とせずインバータ手段単独で常にゼロ電圧でターンオフ動作を実行する。したがって、インバータ手段のスイッチング動作周期ごとにターンオン時の１回だけ共振回路を動作させればよく、共振回路の動作回数の低減を図ることができる。
【００４２】
より好ましくは、この発明による系統連系インバータ装置において、昇圧手段は昇圧チョッパ回路であり、昇圧チョッパ回路は、直流正負母線の正母線に直列に挿入された第２のリアクトルおよびダイオードと、第２のリアクトルおよびダイオードの連結点と、直流正負母線の負母線との間に接続された第７のスイッチ素子と、ダイオードに並列に接続された第５のコンデンサと、第７のスイッチ素子に並列に接続された第６のコンデンサとを含む。
【００４３】
この発明によれば、系統連系インバータ装置を構成する昇圧手段内のダイオードおよびスイッチ素子にはそれぞれコンデンサが並列に接続されているため、これらの素子のターンオフ時には、ゼロ電圧スイッチング手段の助けを必要とせず昇圧手段単独で常にゼロ電圧でターンオフ動作を行なう。したがって、昇圧手段のスイッチング動作周期ごとにターンオン時の１回だけ共振回路を動作させればよく、共振回路の動作回数の低減を図ることができる。
【００４４】
より好ましくは、この発明による系統連系インバータ装置において、制御手段は、共通のＰＷＭキャリア信号に基づいて、昇圧手段およびインバータ手段を駆動するＰＷＭパルスを発生する手段を含み、昇圧手段およびインバータ手段においてスイッチングを行なうすべての素子は、ＰＷＭパルスによってオン・オフ制御される。
【００４５】
この発明によれば、昇圧手段およびインバータ手段のすべてのスイッチ素子を制御するＰＷＭパルスは、共通のＰＷＭキャリア信号に基づいて生成されるため、昇圧手段およびインバータ手段のすべてのスイッチ素子のゼロ電圧スイッチングを同じタイミングで、すなわち１回のゼロ電圧スイッチング手段の動作によって行なうことができ、共振回路の動作回数を軽減することができる。
【００４６】
より好ましくは、この発明による系統連系インバータ装置において、制御手段は、第２のアームの第５および第６のスイッチ素子を、連系する電力系統と同じ周波数で互いに逆位相でスイッチングし、かつ第１のアームの第３および第４のスイッチ素子を、連系する電力系統の周波数よりも高いＰＷＭキャリア信号周波数で互いに逆位相でスイッチングする。
【００４７】
この発明によれば、インバータ手段の第２のアームのスイッチ素子は、連系する商用周波数で動作し、インバータ手段の出力電流のゼロクロス点でのみスイッチングする。したがって、ＰＷＭキャリア信号周波数を商用周波数の整数倍にすれば、第２のアームのスイッチ素子には、第１のアームのスイッチ素子のようにスイッチ素子に並列接続したコンデンサは必要なく、独立してソフトスイッチングを行なうことができる。
【００４８】
この発明の他の局面に従う系統連系インバータ装置は、直流電源と、昇圧手段と、インバータ手段と、連系手段と、ゼロ電圧スイッチング手段と、制御手段とを備える。直流電源は直流電圧を供給する。昇圧手段は、直流電源によって供給される直流電圧をスイッチング動作によって昇圧する。インバータ手段は、昇圧手段によって昇圧された直流電圧をスイッチング動作によって交流電圧に変換する。連系手段は、インバータ手段から出力される交流電圧を、連系する単相３線式電力系統に接続する。ゼロ電圧スイッチング手段は、昇圧手段とインバータ手段とを連結する直流正負母線間に接続されかつ単相３線式電力系統の中性線に接続される。ゼロ電圧スイッチング手段は、互いに直列接続された第１および第２のコンデンサを含み、第２のコンデンサは直流正負母線の負母線に接続され、昇圧手段によって昇圧された直流電圧を第１および第２のコンデンサによって平滑化するように、第１のコンデンサを直流正負母線の正母線に接続する第１のスイッチ素子をさらに含み、中性線は、直流電源の正極側と、第１および第２のコンデンサの連結点とに接続される。制御手段は、昇圧手段およびインバータ手段のスイッチング動作時に、昇圧手段およびインバータ手段においてスイッチングを行なうすべての素子をゼロ電圧でスイッチングさせるように、ゼロ電圧スイッチング手段およびインバータ手段内に共振回路を形成して直流正負母線間の電圧をゼロにする。
【００４９】
この発明によれば、単相３線式電力系統と連系する系統連系インバータ装置においても同様にすべてのスイッチ素子のソフトスイッチングを実現することができる。
【００５０】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態を図面を参照して詳しく説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰返さない。
【００５１】
図１は、この発明の第１の実施形態による系統連系インバータ装置を示す回路図である。図１を参照して、直流電源である太陽電池１からの直流電力は、系統連系インバータ装置２により、商用周波数の交流電力に変換されて、連系する商用交流電力系統３に接続される。
【００５２】
系統連系インバータ装置２は、太陽電池１からの１５０〜２５０Ｖの直流出力電圧を３５０Ｖ程度にまで昇圧する昇圧回路４と、昇圧回路４で昇圧された直流電圧を交流電圧に変換するフルブリッジインバータ回路５と、昇圧回路４とフルブリッジインバータ回路５との間に挿入されたゼロ電圧スイッチング回路６と、フルブリッジインバータ回路５からの交流出力を平滑化するフィルタ回路７と、フィルタ回路７の交流出力端と商用交流電力系統３との接続を開閉する連系リレー８と、制御部９とを備えている。制御部９は、昇圧回路４、フルブリッジインバータ回路５およびゼロ電圧スイッチング回路６内のスイッチ素子のゲート制御を行なうために複数のＰＷＭ制御信号を発生する。
【００５３】
昇圧回路４は、直流の正負母線の正母線に直列に挿入されたリアクトルＬ２およびダイオードＤ１と、リアクトルＬ２およびダイオードＤ１の連結点と直流の正負母線の負母線との間に接続され、制御部９からのＰＷＭ信号によりオン・オフ制御されるスイッチ素子Ｓ７とにより構成される昇圧チョッパである。この昇圧チョッパは、太陽電池１の直流出力電圧を１以上の昇圧比で昇圧して、後段のフルブリッジインバータ回路５に与える。
【００５４】
フルブリッジインバータ回路５は、スイッチ素子Ｓ３，Ｓ４からなるアームＡ１と、スイッチ素子Ｓ５，Ｓ６からなるアームＡ２とから構成され、これらのスイッチ素子は、昇圧回路４の場合と同様に、制御部９からの対応するＰＷＭ制御信号によりオン・オフ制御される。この結果、フルブリッジインバータ回路５は、ＡＣパルスを生成して、後段のフィルタ回路７に出力する。なお、１つのアーム内で２つのスイッチ素子が同時にオンすると、太陽電池１の両端が当該アーム内で短絡されることになり、過電流でスイッチ素子が破壊される恐れがあるため、各アーム内の２つのスイッチ素子は必ず逆位相でスイッチング動作するように制御部９により制御されている。
【００５５】
ゼロ電圧スイッチング回路６は、互いに直列に接続された出力電圧平滑用のコンデンサＣ１，Ｃ２と、コンデンサＣ１，Ｃ２を直流正負母線間に接続するスイッチ素子Ｓ１と、直列接続されたコンデンサＣ１，Ｃ２の連結点と直流正負母線の正母線との間に直列に接続されたスイッチ素子Ｓ２およびリアクトルＬ１と、直流正負母線間に接続されたコンデンサＣ３とを備えている。スイッチ素子Ｓ１の主たる機能は、ゼロ電圧動作（以下、転流動作と称する）時に、平滑コンデンサＣ１を、昇圧回路４とフルブリッジインバータ回路５とを連結する直流正負母線の正母線から切離し、転流動作終了後に再度接続することである。一方、スイッチ素子Ｓ２の主たる機能は、上記転流動作の開始時および初期の期間にリアクトルＬ１に共振動作に必要な電流を供給することである。
【００５６】
なお、昇圧回路４は、図２に示すように構成することもできる。図２に示した昇圧回路４においては、スイッチ素子Ｓ７およびダイオードＤ１に、それぞれ、並列にコンデンサＣ６，Ｃ７が接続されている。このような構成を採用することにより、スイッチ素子Ｓ７およびダイオードＤ１のオン状態からオフ状態への転移時における単独のゼロ電圧スイッチングが可能となる。
【００５７】
次に、図３は、昇圧回路４およびフルブリッジインバータ回路５内のそれぞれのスイッチ素子のスイッチング動作を示すタイミング図である。また、図４は、図１に示した制御部９の詳細な構成を示すブロック図である。
【００５８】
以下に、図１〜図４を参照して、この発明の第１の実施形態による系統連系インバータ装置２の動作について説明する。
【００５９】
図４を参照して、インバータ出力電流検出回路１０は、フルブリッジインバータ回路５の出力電流を検出し、制御部９の電流指令信号生成部１１に与える。電流指令信号生成部１１は、与えられた電流値を基にＰＷＭの電流指令信号Ｉｒｅｆを生成し（図３（ａ））、このＩｒｅｆと、キャリア信号生成部１２から出力されるキャリア信号Ｉｃｒとが比較器１３において比較される。このキャリア信号Ｉｃｒは、図３（ａ）に示すような鋸波である。
【００６０】
一方、系統電圧検出回路１４は、商用電力系統３の電圧を検出し、制御部９の比較器１５の一方入力に与える。比較器１５の他方入力には０Ｖが印加され、比較器１５は入力された電圧値を０Ｖと比較し、これにより商用交流電力系統のゼロクロスが検出される。
【００６１】
インバータドライブ信号生成部１６は、比較器１５のゼロクロス検出出力を基に、商用交流電力系統ＡＣの半周期ごとに、アームＡ２のスイッチ素子Ｓ５，Ｓ６のオン・オフを交互に切換えるドライブ信号（図３（ｄ），（ｅ））を生成し、アームＡ２のスイッチ素子Ｓ５，Ｓ６に与える。インバータドライブ信号生成部１６は、比較器１３および１５の出力を基に、キャリア信号周波数で互いに逆位相でスイッチングするＰＷＭ信号（図３（ｂ），（ｃ））を生成し、アームＡ１のスイッチ素子Ｓ３，Ｓ４に与える。
【００６２】
このとき、図３（ａ）に示すように、キャリア信号Ｉｃｒの周波数を、電流指令信号Ｉｒｅｆの周波数の整数倍に設定しておけば、アームＡ２のスイッチング動作をアームＡ１のスイッチング動作に同期させることが可能である。たとえば、ＰＷＭキャリア信号Ｉｃｒを２０ｋＨｚ、電流指令信号Ｉｒｅｆを５０Ｈｚに設定してもよい。
【００６３】
昇圧回路出力電圧・電流検出回路１７は、昇圧回路４の出力電圧・電流を検出し、制御部９の昇圧比指令信号生成部１８に与える。昇圧比指令信号生成部１８は、与えられた電圧・電流値を基に昇圧比指令信号Ｉｃｈを生成し、図３（ｇ）に示すように、このＩｃｈと、キャリア信号Ｉｃｒとが比較器１９において比較される。インバータドライブ信号生成部１６は、比較器１９の出力を基に、アームＡ１のスイッチ素子のオン時刻と同期してキャリア信号周波数でスイッチングするＰＷＭ信号（図３（ｆ））を生成し、昇圧回路４内のスイッチ素子Ｓ７に与える。
【００６４】
また、ゼロ電圧スイッチング回路６は、図５に示すように構成することもできる。すなわち、図１および図２のゼロ電圧スイッチング回路６に設けられていたコンデンサＣ３を省略し、代わりにフルブリッジインバータ回路５を構成するアームＡ１のスイッチ素子Ｓ３，Ｓ４に、それぞれ、並列にコンデンサＣ４，Ｃ５を接続する。この図５の構成において、スイッチ素子Ｓ３がオンでスイッチ素子Ｓ４がオフのときにはコンデンサＣ５がリアクトルＬ１との共振に利用され、スイッチ素子Ｓ３がオフでスイッチ素子Ｓ４がオンのときにはコンデンサＣ４がリアクトルＬ１との共振に利用されることとなり、結果としてもたらされる共振動作は、図１および図２の系統連系インバータ装置の場合と同じである。
【００６５】
次に、図６は、図５に示した系統連系インバータ装置２のフルブリッジインバータ回路５を等価インバータ回路２１で置き換えた、系統連系インバータ装置のシステム図である。
【００６６】
この図６のシステム図を参照して、この発明の第１の実施の形態による系統連系インバータ装置のソフトスイッチング動作について説明する。
【００６７】
図６において、図５のフルブリッジインバータ回路５のすべてのスイッチ素子をＳ３′で代表し、フルブリッジインバータ回路５の共振コンデンサＣ４，Ｃ５をＣ３′で代表し、フルブリッジインバータ回路５を負荷電流ＩＬが流れていることを電流源２２で表わしている。また、等価インバータ回路２１におけるスイッチ素子Ｓ３′、ゼロ電圧スイッチング回路６におけるスイッチ素子Ｓ１，Ｓ２に、それぞれ逆並列接続されるダイオードは、Ｄｓ，Ｄｓ１，Ｄｓ２で表わしている。ゼロ電圧スイッチング回路６において、リアクトルＬ１の電流は、図６に示した矢印の方向を正方向とする。
【００６８】
まず、図６の等価インバータ回路２１と、図５に示した実際のフルブリッジインバータ回路５との、スイッチング状態の対応関係について説明する。たとえば、等価インバータ回路２１においてスイッチ素子Ｓ３′がオフのときは、実際のフルブリッジインバータ回路５ではスイッチ素子Ｓ３およびＳ６がオンでＳ４およびＳ５がオフの場合、またはスイッチ素子Ｓ３およびＳ６がオフでＳ４およびＳ５がオンの場合の２種類に対応する。また、等価インバータ回路２１においてスイッチ素子Ｓ３′がオンのときは、実際のフルブリッジインバータ回路５ではスイッチ素子Ｓ４およびＳ６がオンでＳ３およびＳ５がオフの場合、またはスイッチ素子Ｓ４およびＳ６がオフでＳ３およびＳ５がオンの場合の２種類に対応する。
【００６９】
図７は、転流動作時における図６の系統連系インバータ装置を構成するそれぞれのスイッチ素子Ｓ１，Ｓ３，Ｓ３′，Ｓ７における信号波形と、リアクトルＬ１における電流波形と、直流正負母線間電圧Ｖｌｉｎｋ（以下、直流リンク電圧と称する）波形とを示している。
【００７０】
転流動作は各素子の導通状態によって移り変わり、後述するように１１のモードから成り立っている。図８は、これら１１のモードのそれぞれにおける転流動作を、等価インバータ回路２１を用いて説明する図である。
【００７１】
各モードを示す図の表記方法について以下に説明する。たとえばモード５における動作を示す図を参照すると、Ｄｓ２＝ｏｎ〜Ｄｓ＝ｏｆｆ，Ｓ３′＝ｏｎという表記は、ダイオードＤｓ２のオンで当該モード期間が始まり、ダイオードＤｓのオフおよびスイッチ素子Ｓ３′のオンで当該モード期間が終わることを示している。
【００７２】
ここで、スイッチ素子Ｓ３′＝ｏｎとは、スイッチ素子Ｓ３′を通じて実際に電流が流れていることを示しているため、図７に示したスイッチ素子のターンオンおよびターンオフのタイミングと一致しているとは限らない。このことは、必ずしもスイッチ素子がターンオンした時点ですぐにそのスイッチ素子に電流が流れ始めるとは限らないことに起因している。これらの要因に鑑み、図７のタイミング図においては、実際のスイッチのオン・オフのタイミングを示し、図８においては、それぞれの素子に実際の電流が流れる経路（実線）と流れない経路（破線）とを区別して示すこととする。
【００７３】
以下に、１１のモードのそれぞれにおける系統連系インバータ装置の動作状態について、図７のタイミング図および図８の回路状態図を参照して説明する。
【００７４】
（１） モード１の動作状態
図８を参照して、モード１では、昇圧回路４のスイッチ素子Ｓ７がオフでゼロ電圧スイッチング回路６のスイッチ素子Ｓ１がオンしており、直流リンク電圧Ｖｌｉｎｋは平均的にはある一定値Ｅｄに保たれる。この結果、直列接続された平滑コンデンサＣ１およびＣ２はＥｄ／２ずつに分割されて充電されているものとする。また、負荷電流は、一定電流ＩＬであり、太陽電池１から昇圧回路４と等価インバータ回路２１とを通り循環しているものとする。
【００７５】
（２） モード２の動作状態
ゼロ電圧スイッチング回路６のスイッチ素子Ｓ２がオンしてモード２の段階に入ると、平滑コンデンサ電圧Ｅｄ／２がリアクトルＬ１にかかり、リアクトルＬ１電流を直線的に増加させる。図７を参照して、リアクトルＬ１電流が、負荷電流ＩＬよりも大きなある一定値Ｉｒ１（Ｉｒ１＜ＩＬ）に達すると、図示しない制御部９はゼロ電圧スイッチング回路６のスイッチ素子Ｓ１をオフする（モード２終了）。
【００７６】
（３） モード３の動作状態
スイッチ素子Ｓ１がオフしてモード３の段階に入ると、共振コンデンサＣ３′と共振リアクトルＬ１との作用により、図７に示すように、直流リンク電圧Ｖｌｉｎｋが減少し、ゼロ電圧まで低下する。ゼロ電圧に達するとスイッチ素子Ｓ３′の逆並列ダイオードＤｓが導通する（モード３終了）。
【００７７】
（４） モード４の動作状態
逆並列ダイオードＤｓが導通してモード４の段階に入ると、直流リンク電圧Ｖｌｉｎｋがゼロのため太陽電池１で発生する直流電圧は昇圧回路４のリアクトルＬ２に印加され、電流を増加させる。一方、リアクトルＬ１の電流は、等価インバータ２１の逆並列ダイオードＤｓの導通により短絡状態となるため、さらに減少してゼロに到達する（モード４終了）。この逆並列ダイオードＤｓが導通している期間中に、昇圧回路４のスイッチ素子Ｓ７と等価インバータ回路２１のスイッチ素子Ｓ３′をオンしておく（ゼロ電圧スイッチング）。昇圧回路４のリアクトルＬ２電流は、この後スイッチ素子Ｓ７をオフするまで直線的に増加し続ける。
【００７８】
（５） モード５の動作状態
リアクトルＬ１の電流はゼロになった後反転し、これによってゼロスイッチング回路６のスイッチ素子Ｓ２の逆並列ダイオードＤｓ２が導通してモード５の段階に入る。リアクトルＬ１の電流はモード４における減少を引き継いで、これまでとは逆方向に増加して負荷電流ＩＬと等しくなる（モード５終了）。逆並列ダイオードＤｓ２が導通している間に、スイッチ素子Ｓ２をオフしておく（ゼロ電流スイッチング）。
【００７９】
（６） モード６の動作状態
リアクトルＬ１電流が負荷電流ＩＬより大きくなると等価インバータ回路２１のスイッチ素子Ｓ３′を通じて流れるため、ダイオードＤｓはオフし、モード６の段階に入る。リアクトルＬ１の電流はさらに増加し、ある一定値Ｉｒ２（Ｉｒ２＞ＩＬ）に達すると、スイッチ素子Ｓ３′をオフする（モード６終了）。このとき、直流リンク電圧Ｖｌｉｎｋはゼロなので、スイッチ素子Ｓ３′のオフはゼロ電圧スイッチングとして行なわれる。
【００８０】
（７） モード７の動作状態
等価インバータ回路２１のスイッチ素子Ｓ３′をオフしてモード７の段階に入ると、リアクトルＬ１の電流が共振コンデンサＣ３′を充電することにより、直流リンク電圧Ｖｌｉｎｋの上昇が始まる。直流リンク電圧Ｖｌｉｎｋが平滑コンデンサＣ１およびＣ２の充電電圧の和の電圧にまで達すると、ゼロ電圧スイッチング回路６のスイッチ素子Ｓ１の逆並列ダイオードＤｓ１が導通する（モード７終了）。ダイオードＤｓ１の導通により、直流リンク電圧Ｖｌｉｎｋは平滑コンデンサＣ１およびＣ２の充電電圧の和に保たれる。
【００８１】
（８） モード８の動作状態
スイッチ素子Ｓ１の逆並列ダイオードＤｓ１が導通してモード８の段階に入ると、リアクトルＬ１の電流はさらに減少し、負荷電流ＩＬに等しくなると、逆並列ダイオードＤｓ１には電流は流れなくなる（モード８終了）。モード８において逆並列ダイオードＤｓ１が導通している期間中に、ゼロ電圧スイッチング回路６におけるスイッチ素子Ｓ１をゼロ電流スイッチングでオンしておく。
【００８２】
（９） モード９の動作状態
リアクトルＬ１の電流が負荷電流ＩＬよりも小さくなるとモード９の段階に入る。モード８において既にスイッチ素子Ｓ１がオンされているので、平滑コンデンサＣ１およびＣ２からなる直列回路は引続いて直流正負母線間に接続される。したがって、平滑コンデンサＣ１の放電により、リアクトルＬ１の電流はゼロまで減少する。Ｌ１電流がゼロになると、ゼロ電圧スイッチング回路６のスイッチ素子Ｓ２の逆並列ダイオードＤｓ２には電流が流れなくなる（モード９終了）。
【００８３】
（１０） モード１０の動作状態
リアクトルＬ１の電流が０になるとモード１０の段階に入る。ゼロ電圧スイッチング回路６のスイッチ素子Ｓ１は既に導通しているので、平滑コンデンサＣ１およびＣ２が負荷電流ＩＬを流し続けることになる。昇圧回路４のスイッチ素子Ｓ７のオフによりモード１０は終了する。スイッチ素子Ｓ７の導通期間は、平滑コンデンサ電圧の平均値が一定になるように制御されるので、それによってオフのタイミングが決定される。また、スイッチ素子Ｓ７のオフ動作は並列コンデンサＣ６の作用によりゼロ電圧スイッチングとして行なわれる。
【００８４】
（１１） モード１１の動作状態
モード１１の段階では昇圧回路４のスイッチ素子Ｓ７はオフしており、リアクトルＬ２を介して並列コンデンサＣ６が充電される。コンデンサＣ６の両端の電圧と直流リンク電圧Ｖｌｉｎｋとが等しくなると、昇圧回路４のダイオードＤ１が導通し（モード１１終了）、モード１へ戻る。
【００８５】
上述のモード１からモード１１が転流回路の一連の動作であり、昇圧回路４のスイッチ素子Ｓ７、ゼロ電圧スイッチング回路６のスイッチ素子Ｓ１，Ｓ２、および等価ダイオード回路２１のスイッチ素子Ｓ３′のオン・オフは制御部９からの制御信号によって制御され、これによりゼロ電圧またはゼロ電流のソフトスイッチングが達成されている。上述の一連の動作の途中で、モード４，５および６においては直流リンク電圧Ｖｌｉｎｋがゼロとなっているため、これらのモードの期間中に等価インバータ回路２１において必要なスイッチ素子のオン・オフと、昇圧回路４のスイッチのオンとを行なえば、システムのゼロ電圧スイッチングを達成することができる。
【００８６】
図３のタイミング図に戻って、図３（ｈ）は、図２に示した実際の系統連系インバータ２におけるＰＷＭ動作と直流リンク電圧Ｖｌｉｎｋ波形との対応を示している。ここで、電圧Ｅｄは、平滑コンデンサＣ１およびＣ２の充電電圧の和である。図２に関連して先に説明したように、昇圧回路４に含まれるスイッチ素子のターンオフは、ゼロ電圧スイッチング回路６に助けられることなく、単独でゼロ電圧スイッチングで行なうことができるので、そのターンオンだけをフルブリッジインバータ回路５のスイッチング動作と同時に行なう。
【００８７】
フルブリッジインバータ回路５のアームＡ２のスイッチ素子Ｓ６がオンの期間中はアームＡ１のスイッチ素子Ｓ３をオンする前に、またアームＡ２のスイッチ素子Ｓ５がオンの期間中はアームＡ１のスイッチ素子Ｓ３をオフ（すなわちＳ４をオン）する前に、ゼロ電圧スイッチング回路６を動作させるようにすれば、ＰＷＭキャリア信号Ｉｃｒの周期ごとに１回だけ共振回路を動作させることにより、系統連系インバータ装置２全体のソフトスイッチング動作を実現することができる。
【００８８】
ところで、図３のタイミング図は、フルブリッジインバータ回路５の出力電圧ＶＬと負荷電流ＩＬとの位相差がゼロ、すなわち力率が１の場合のＰＷＭスイッチングタイミングを示しているが、負荷電流ＩＬの位相が遅れている場合、すなわち力率が１以下の場合には、ＰＷＭパルスの生成方法は若干変化する。図９は、そのような場合におけるそれぞれのスイッチ素子のスイッチングタイミングを示すタイミング図である。図３のタイミング図と比較して、図９のタイミング図が異なる点は、図９に示したＸおよびＸ′の期間、すなわち出力電圧ＶＬおよび負荷電流ＩＬの正負が異なっている区間のＰＷＭキャリア信号Ｉｃｒ′波形のみである。このＸおよびＸ′の期間中にのみ、ＰＷＭキャリア信号Ｉｃｒ′の符号を反転させて、逆の鋸波とする。
【００８９】
図１０は、図９の期間Ｘにおけるフルブリッジインバータ回路５の動作状態を示す図である。図１０の（ａ）においては、負荷電流ＩＬは負の電流で図中矢印の方向に流れているため、スイッチ素子Ｓ４のターンオン直前に直流リンク電圧Ｖｌｉｎｋを０にしなければ、スイッチ素子Ｓ４のゼロ電圧スイッチングを実行することができない（図９の期間Ｘ）。
【００９０】
一方、図１０の（ｂ）では、負荷電流ＩＬは正の電流で、図中矢印の向きに並んでいるため、スイッチ素子Ｓ３のターンオン直前に直流リンク電圧Ｖｌｉｎｋを０にしなければ、スイッチ素子Ｓ３のゼロ電圧スイッチングを実行することができない（図９の期間Ｘ′）。
【００９１】
図１０（ａ）に示したようにＰＷＭパルスの生成を行なうことにより、出力電圧ＶＬと負荷電流ＩＬとの間で正負の符号が異なる場合にも、フルブリッジインバータ回路５の全スイッチ素子のゼロ電圧スイッチングを実現している。図９に示したＰＷＭ方式において出力電圧ＶＬと負荷電流ＩＬとの位相差をゼロにした場合が、図３に示したＰＷＭ方式に相当し、図３のＰＷＭと図９のＰＷＭとは、図４の制御部９においてＰＷＭキャリア信号Ｉｃｒの波形を変化させるだけでともに実現することが可能である。
【００９２】
上述の第１の実施の形態による系統連系インバータ２は、単相２線式の商用交流電力系統と連系するシステムであるが、この発明は単相３線式の電力系統と連系する場合についても適用することができる。図１１は、このような単相３線式の商用電力系統と連系する第２の実施形態の系統連系インバータ装置の構成を示す回路図である。
【００９３】
図２に示す実施の形態の単相２線式の系統連系インバータ装置２と比較して異なる点は、図１１の系統連系インバータ装置において、商用電力系統３の中性線２０が平滑コンデンサＣ１およびＣ２の接続点、ならびに太陽電池１の正極に接続されていることと、フィルタ回路７が中性線２０に対して正負対称の形に配置されていることと、インバータ回路５のアームＡ２のスイッチ素子Ｓ５，Ｓ６のそれぞれに並列にコンデンサＣ８，Ｃ９が追加されていることである。
【００９４】
このような図１１に示す構成により、太陽電池の正極電位と、平滑コンデンサの中点電位とは、電力系統の中性線電位すなわちアース電位に固定されることになる。この図１１の実施の形態による単相３線式系統連系インバータ装置のソフトスイッチング動作は、図８に示した第１の実施形態の単相２線式系統連系インバータ装置の動作モードと同じであり、昇圧回路４のスイッチ素子Ｓ７がオンするときのみ、すなわちＰＷＭキャリア信号Ｉｃｒの周期ごとに１回だけゼロ電圧スイッチング回路６を動作させれば、系統連系インバータ装置内のすべてのスイッチ素子のソフトスイッチング動作を実現することができる。
【００９５】
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。本発明の範囲は上記した説明ではなくて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および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【００９６】
【発明の効果】
以上のように、この発明によれば、昇圧手段およびインバータ手段のスイッチング時の一瞬だけ、ゼロ電圧スイッチング手段によって共振回路を形成して直流正負母線間電圧をゼロにすることにより、系統連系インバータ装置内のすべてのスイッチ素子をゼロ電圧でソフトスイッチングすることが可能となり、スイッチングノイズおよびスイッチング損失の軽減を図ることができる。
【００９７】
さらにこの発明によれば、昇圧電圧を平滑化するための平滑化コンデンサを共振回路の構成要素として兼用することにより、部品点数の増加を抑制することができる。
【００９８】
さらにこの発明によれば、昇圧手段内のスイッチ素子にそれぞれコンデンサが並列に接続されているため、これらの素子のターンオフ時は常に単独でゼロ電圧スイッチングとなり、したがって昇圧手段のスイッチング動作周期ごとにターンオン時の１回だけ共振回路を動作させればよく、共振回路の動作回数を低減することができる。
【００９９】
さらにこの発明によれば、昇圧手段およびインバータ手段のスイッチ素子を制御するＰＷＭパルスは共通のＰＷＭキャリア信号に基づいて生成されるため、すべてのスイッチ素子のゼロ電圧スイッチングのタイミングを揃えることができ、共振回路の動作回数を軽減することができる。
【０１００】
さらにこの発明によれば、インバータ手段の第２のアームのスイッチ素子は連系する商用周波数で動作し、インバータ手段の出力電圧のゼロクロス点でのみスイッチングするため、第２のアームのスイッチ素子に関しては独立してソフトスイッチングを行なうことができる。
【０１０１】
さらにこの発明によれば、単相３線式電力系統と連系する系統連系インバータ装置においても同様にすべてのスイッチ素子のソフトスイッチングが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明の第１の実施の形態による系統連系インバータ装置を示す回路図である。
【図２】 図１に示した実施の形態による系統連系インバータ装置の変形例を示す回路図である。
【図３】 この発明の第１の実施の形態による系統連系インバータ装置のスイッチング動作を示すタイミング図である。
【図４】 図１および図２に示した制御部の構成を示すブロック図である。
【図５】 図１に示した第１の実施の形態による系統連系インバータ装置のさらなる変形例を示す回路図である。
【図６】 図５に示した系統連系インバータ装置のインバータ回路を等価インバータ回路で置き換えた回路図である。
【図７】 図６に示した系統連系インバータ装置のソフトスイッチング動作を示すタイミング図である。
【図８】 図６に示した系統連系インバータ装置のモード１〜１１の動作状態を示す回路図である。
【図９】 力率が１以下の場合のこの発明の実施の形態による系統連系インバータ装置のソフトスイッチング動作を説明するタイミング図である。
【図１０】 力率が１以下の場合のこの発明の実施の形態による系統連系インバータ装置の動作状態を説明する回路図である。
【図１１】 この発明の第２の実施の形態による系統連系インバータ装置を示す回路図である。
【図１２】 従来の高周波絶縁方式による系統連系インバータ装置の回路図である。
【図１３】 従来のトランスレス方式の系統連系インバータ装置の回路図である。
【図１４】 従来のソフトスイッチング技術を採用したトランスレス方式の系統連系インバータ装置の回路図である。
【符号の説明】
１ 太陽電池、２ 系統連系インバータ装置、３ 商用交流電力系統、４ 昇圧回路、５ フルブリッジインバータ回路、６ ゼロ電圧スイッチング回路、７フィルタ回路、８ 連系リレー、９ 制御部、１０ インバータ出力電流検出回路、１１ 電流指令信号生成部、１２ キャリア信号生成部、１３，１５，１９ 比較器、１４ 系統電圧検出回路、１６ インバータドライブ信号生成部、１７ 昇圧回路出力電圧・電流検出回路、１８ 昇圧比指令信号生成部、２０ 中性線、２１ 等価インバータ回路。
【発明の属する技術分野】
この発明は、系統連系インバータ装置に関し、特に、直流電源、発電機等の電力供給源をトランスを介さずに、連系する商用交流電力系統に接続するトランスレス方式の系統連系インバータ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、商用交流電力系統と連係した太陽光発電システムが実用化されている。このようなシステムにおいては、太陽電池によって発生する直流電力を系統連系インバータ装置によって商用周波数の交流電力に変換し、連系する商用交流電力系統に接続されている家庭内負荷に供給するように構成されている。また、このシステムにおいては、余剰電力を自動的に連系する電力系統側に逆潮流することも可能である。
【０００３】
このように、直流電力を商用交流電力に変換する系統連系インバータ装置としては、従来から、直流電源側と商用交流電源側とを高周波トランスによって絶縁して結合する高周波絶縁方式の系統連系インバータ装置が用いられている。図１２は、このような従来の高周波絶縁方式の系統連系インバータ装置の一例を示す回路図である。
【０００４】
図１２を参照して、直流電源１０１の直流出力は、高周波インバータ回路１０７に与えられる。高周波インバータ回路１０７は、直流の正負母線の間に接続された、各々が直列接続された２つのスイッチ素子からなる２つのアームで構成されている。そして、それぞれのアームのスイッチ素子の連結点が高周波トランス１０８の１次側に接続されている。
【０００５】
すなわち、高周波インバータ回路１０７に与えられた直流出力は、それぞれのスイッチ素子のオンオフ時間制御によってパルス幅変調（ＰＷＭ）されて高周波ＡＣパルスに変換され、高周波トランス１０８の１次側に与えられる。そして、高周波トランス１０８によって絶縁および昇圧された高周波ＡＣパルスはダイオードブリッジ１０９に与えられ、整流される。
【０００６】
ダイオードブリッジ１０９の出力は、フィルタ回路１１０によって波形の平滑化が施された後、低周波インバータ回路１１１に与えられる。低周波インバータ回路１１１は、正負の母線間に接続された各々が直列接続された２つのスイッチ素子からなる２つのアームで構成されている。そして、それぞれのアームのスイッチ素子の連結点がＡＣフィルタ１１２の入力に接続されている。
【０００７】
低周波インバータ回路１１１に与えられた直流波形は、それぞれのスイッチ素子のオンオフ時間制御によって、商用交流周波数の半周期ごとに波形が折返されて交流波形に変換される。この交流出力はさらに、ＡＣフィルタ１１２および連系リレー１０５を介して、商用交流電源系統１０６に接続される。
【０００８】
以上のように、高周波絶縁方式の系統連系インバータ装置においては、高周波トランス１０８の前段および後段における電圧波形は高周波ＡＣ電圧波形であるため、高周波トランス１０８の後段に、整流を行なう回路（ダイオードブリッジ１０９）、平滑化を行なう回路（フィルタ回路１１０）、さらには波形の折返しを行なう回路（低周波インバータ回路１１１）などを設ける必要があり、回路構成が複雑化し、製造コストの上昇を避けることができなかった。
【０００９】
このような高周波絶縁方式の系統連系インバータ装置の問題点に鑑み、トランスレス方式の系統連系インバータ装置が提案されている。
【００１０】
このようなトランスレス方式の系統連系インバータ装置は、たとえば岡土千尋他による１９９６年の太陽／風力エネルギ講演論文集の第２９頁〜第３２頁の「トランスレス・パワーコンディショナの商品開発」に開示されている。図１３は、上記文献に開示された従来のトランスレス方式の系統連系インバータ装置の一例を示す回路図である。
【００１１】
図１３を参照して、直流電源１０１の直流出力は、ノイズフィルタ１１４を介して昇圧回路１０２に与えられる。昇圧回路１０２は、直流の正負母線の正母線上に直列に挿入されたリアクトルＬａおよびダイオードＤａと、入力側の正負母線間に接続されたコンデンサＣａと、出力側の正負母線間に接続されたコンデンサＣｂと、リアクトルＬａおよびダイオードＤａの連結点と、直流の正負母線の負母線との間に接続されたスイッチ素子Ｓａとを備えた昇圧チョッパである。この昇圧チョッパは、直流電源１０１の直流電圧を一定電圧に昇圧する。
【００１２】
昇圧回路１０２によって昇圧された直流電圧は、インバータ回路１０３に与えられる。インバータ回路１０３は、正負母線の間に接続された、２つのスイッチ素子Ｓｂ，Ｓｃからなる第１のアームと、２つのスイッチ素子Ｓｄ，Ｓｅからなる第２のアームとから構成される。そして、それぞれのアームのスイッチ素子の連結点がフィルタ回路１０４の入力に接続される。
【００１３】
すなわち、インバータ回路１０３に与えられた直流電圧は、それぞれのスイッチ素子のオン時間幅の制御によってパルス幅変調されて、交流出力に変換される。インバータ回路１０３の交流出力は、フィルタ回路１０４、ノイズフィルタ１１５、および連系リレー１０５を介して、商用交流電源系統１０６に接続される。
【００１４】
以上のように、トランスレス方式の系統連系インバータ装置は、主として、昇圧回路部分（１０２）と、インバータ回路部分（１０３）とから成り立っており、構成が簡単である。したがって、前述の高周波絶縁方式の系統連系インバータ装置と比較して、トランスレス化により、部品点数の大幅な削減を図ることができ、装置の小型化、低コスト化が可能となる。また同時に、入出力間の電流経路上の素子数も減少するため、系統連系インバータ装置の動作の高効率化を図ることができる。
【００１５】
しかしながら、図１２に示した高周波絶縁方式の系列連系インバータ装置では、高周波インバータ回路１０７が１５０〜２００Ｖの直流電圧のスイッチングを行なうのに対し、図１３に示したトランスレス方式の系統連系インバータ装置では、直流電源の直流電圧を昇圧回路１０２で昇圧して得られる３００〜４００Ｖの直流電圧をインバータ回路１０３でスイッチングするため、高周波絶縁方式に比べて高周波ノイズレベルが上昇する恐れがある。
【００１６】
また近年、電力変換器に対しては、ＥＭＣ規格および省エネルギーの要請により、ノイズの抑制および変換効率の向上が求められている。しかしながら、上述のように高電圧状態でスイッチングを行なういわゆるハードスイッチング方式のトランスレス系統連系インバータ装置では、大きなスイッチングノイズおよびスイッチング損失が発生し、根本的なＥＭＣ対策は困難である。
【００１７】
トランスレス方式のこのような問題点に対する対策としては、Ｌ，Ｃおよびスイッチ素子等で構成される共振回路をトランスレス系統連系インバータ装置に付加し、共振を利用して主要回路のスイッチ素子に印加される電圧がゼロとなる期間を作り出し、その間にスイッチングを行なうことにより、スイッチングノイズやスイッチング損失を抑制するソフトスイッチング方式の系統連系インバータ装置が提案されており、たとえば特開平１０−１５５２８０号に開示されている。
【００１８】
図１４は、上記文献に開示されたソフトスイッチング方式のトランスレス系統連系インバータ装置の一例を示す回路図である。図１４に示したトランスレス系統連系インバータ装置は、図１３に示したトランスレス系統連系インバータ装置と次の点で異なっている。
【００１９】
すなわち、昇圧回路１０２と、インバータ回路１０３との間に、ゼロ電圧回路１１３が挿入されている。このゼロ電圧回路１１３は、昇圧回路１０２と、インバータ回路１０３とを連結する直流正負母線の正母線に挿入されたスイッチ素子ＳＷ１と、直流の正負母線間に直列に接続されたスイッチ素子ＳＷ２、リアクトル、およびコンデンサが並列に接続されたスイッチング素子ＳＷ３と、直流正負母線間に接続された、互いに並列接続されたダイオードおよびコンデンサとを備えている。
【００２０】
ゼロ電圧回路１１３は、インバータ回路１０３内のスイッチ素子のオン・オフのスイッチング時に一時的にインバータ回路１０３の入力電圧がゼロになるように、スイッチ素子ＳＷ１〜ＳＷ３のオン・オフを制御して、インバータ回路１０３のスイッチング動作ごとに共振回路を構成する。
【００２１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図１４に示したようなソフトスイッチング方式の系統連系インバータ装置では、スイッチ素子が多数追加されるため、回路構成が複雑化し、コストの増大を招来している。
【００２２】
また、図１４に示したスイッチ素子ＳＷ１のように直流正負母線のうち正母線に直列に挿入されたスイッチ素子は、オン抵抗損失による顕著な変換効率の劣化をもたらす。
【００２３】
さらに、図１４に示したゼロ電圧回路１１３は、インバータ回路１０３のスイッチングの都度、すなわちインバータ回路１０３内の各スイッチ素子のターンオン時、ターンオフ時の双方で共振動作を実行するので、各スイッチ素子を駆動するＰＷＭパルスの１つごとに、２回共振動作を実行する必要がある。共振回路の動作回数の増大は共振損失の増大に繋がるので望ましくない。
【００２４】
さらに、ソフトスイッチングの実現のために追加したゼロ電圧回路１１３内のスイッチ素子もゼロ電圧でスイッチングを行なわなければ、同様にノイズおよび効率の低下の問題を引き起こしてしまう。
【００２５】
それゆえに、この発明の目的は、比較的簡単な構成で、すべてのスイッチ素子のスイッチング動作をソフトスイッチング化した、トランスレス方式の系統連系インバータ装置を提供することである。
【００２６】
この発明の他の目的は、スイッチングノイズおよびスイッチング損失を抑制した、トランスレス方式の系統連系インバータ装置を提供することである。
【００２７】
この発明のさらに他の目的は、ソフトスイッチングのために最小限の共振動作を行なう、トランスレス方式の系統連系インバータ装置を提供することである。
【００２８】
【課題を解決するための手段】
この発明による系統連系インバータ装置は、直流電源と、昇圧手段と、インバータ手段と、連系手段と、ゼロ電圧スイッチング手段と、制御手段とを備える。直流電源は、直流電圧を供給する。昇圧手段は、直流電源によって供給される直流電圧をスイッチング動作によって昇圧する。インバータ手段は、昇圧手段によって昇圧された直流電圧をスイッチング動作によって交流電圧に変換する。連系手段は、インバータ手段から出力される交流電圧を、連系する電力系統に接続する。ゼロ電圧スイッチング手段は、昇圧手段とインバータ手段とを連結する直流正負母線間に接続される。制御手段は、昇圧手段およびインバータ手段のスイッチング動作時に、昇圧手段およびインバータ手段においてスイッチングを行なうすべての素子をゼロ電圧でスイッチングさせるように、ゼロ電圧スイッチング手段内に共振回路を形成して直流正負母線間の電圧をゼロにする。
【００２９】
この発明によれば、制御手段は、昇圧手段およびインバータ手段のスイッチング時の一瞬だけゼロ電圧スイッチング手段内の共振回路を動作させて、直流正負母線間をゼロ電圧にしてソフトスイッチングを実現しているので、スイッチングノイズおよびスイッチング損失の軽減を図ることができる。
【００３０】
好ましくは、この発明による系統連系インバータ装置において、ゼロ電圧スイッチング手段は、互いに直列接続された第１および第２のコンデンサを含み、第２のコンデンサは直流正負母線の負母線に接続され、昇圧手段によって昇圧された直流電圧を第１および第２のコンデンサによって平滑化するように、第１のコンデンサを直流正負母線の正母線に接続する第１のスイッチ素子と、第１および第２のコンデンサの連結点と、直流正負母線の正母線との間に直列接続された第２のスイッチ素子および第１のリアクトルと、直流正負母線間に接続された第３のコンデンサとをさらに含み、制御手段は、第２のコンデンサから、第３のコンデンサ、第１のリアクトル、および第２のスイッチ素子を通って第２のコンデンサに帰還するループによって共振回路を形成する。
【００３１】
この発明によれば、ゼロ電圧スイッチング手段の第１および第２のコンデンサは、系統連系インバータ装置の運転中においては、ほとんどの期間中は昇圧電圧を平滑化する平滑化コンデンサとして機能し、昇圧手段およびインバータ手段のスイッチング時の一瞬だけ、共振回路の構成要素を兼ねるため、部品点数の増加を招来することなく、ソフトスイッチングを実現することができる。
【００３２】
より好ましくは、この発明による系統連系インバータ装置において、昇圧手段は昇圧チョッパ回路であり、昇圧チョッパ回路は、直流正負母線の正母線に直に挿入された第２のリアクトルおよびダイオードと、第２のリアクトルおよびダイオードの連結点と、直流正負母線の負母線との間に接続された第３のスイッチ素子と、ダイオードに並列に接続された第４のコンデンサと、第３のスイッチ素子に並列に接続された第５のコンデンサとを含む。
【００３３】
この発明によれば、系統連系インバータ装置を構成する昇圧手段内のダイオードおよびスイッチ素子にはそれぞれコンデンサが並列に接続されているため、これらの素子のターンオフ時には、ゼロ電圧スイッチング回路の助けを必要とせず昇圧手段単独で常にゼロ電圧でターンオフ動作を行なう。したがって、昇圧手段のスイッチング動作周期ごとにターンオン時の１回だけ共振回路を動作させればよく、共振回路の動作回数の低減を図ることができる。
【００３４】
より好ましくは、この発明による系統連系インバータ装置において、制御手段は、共通のパルス幅変調（ＰＷＭ）キャリア信号に基づいて、昇圧手段およびインバータ手段を駆動するＰＷＭパルスを発生する手段を含み、昇圧手段およびインバータ手段においてスイッチングを行なうすべての素子は、ＰＷＭパルスによってオン・オフ制御される。
【００３５】
この発明によれば、昇圧手段およびインバータ手段のすべてのスイッチ素子を制御するＰＷＭパルスは、共通のＰＷＭキャリア信号に基づいて生成されるため、昇圧手段およびインバータ手段のすべてのスイッチ素子のゼロ電圧スイッチングを同じタイミングで、すなわち１回のゼロ電圧スイッチング手段の動作によって行なうことができ、共振回路の動作回数を軽減することができる。
【００３６】
より好ましくは、この発明による系統連系インバータ装置において、インバータ手段はフルブリッジインバータ回路であり、フルブリッジインバータ回路は、ゼロ電圧スイッチング手段側で、直流正負母線間に直列に接続された第４および第５のスイッチ素子を含む第１のアームと、連系手段側で、直流正負母線間に直列に接続された第６および第７のスイッチ素子を含む第２のアームとを含み、制御手段は、第２のアームの第６および第７のスイッチ素子を、連系する電力系統と同じ周波数で互いに逆位相でスイッチングし、かつ第１のアームの第４および第５のスイッチ素子を、連系する電力系統の周波数よりも高いＰＷＭキャリア信号周波数で互いに逆位相でスイッチングする。
【００３７】
この発明によれば、インバータ手段の第２のアームのスイッチ素子は、連系する商用周波数で動作し、インバータ手段の出力電流のゼロクロス点でのみスイッチングする。したがって、第２のアームのスイッチ素子は独立してソフトスイッチングを行なうことができる。
【００３８】
この発明の他の局面による系統連系インバータ装置は、直流電源と、昇圧手段と、インバータ手段と、連系手段と、ゼロ電圧スイッチング手段と、制御手段とを備える。直流電源は、直流電圧を供給する。昇圧手段は、直流電源によって供給される直流電圧をスイッチング動作によって昇圧する。インバータ手段は、昇圧手段によって昇圧された直流電圧をスイッチング動作によって交流電圧に変換する。連系手段は、インバータ手段から出力される交流電圧を、連系する電力系統に接続する。ゼロ電圧スイッチング手段は、昇圧手段とインバータ手段とを連結する直流正負母線間に接続される。制御手段は、昇圧手段およびインバータ手段のスイッチング動作時に、昇圧手段およびインバータ手段においてスイッチングを行なうすべての素子をゼロ電圧でスイッチングさせるように、ゼロ電圧スイッチング手段およびインバータ手段内に共振回路を形成して直流正負母線間の電圧をゼロにする。
【００３９】
この発明によれば、制御手段は、昇圧手段およびインバータ手段のスイッチング時の一瞬だけ、ゼロ電圧スイッチング手段およびインバータ手段内に共振回路を形成し、直流正負母線間をゼロ電圧にしているので、昇圧手段およびインバータ手段に加えて、ゼロ電圧スイッチング手段内のスイッチ素子もゼロ電圧でソフトスイッチング可能となる。したがって、スイッチングノイズおよびスイッチング損失の軽減を図ることができる。
【００４０】
好ましくは、この発明による系統連系インバータ装置において、ゼロ電圧スイッチング手段は、互いに直列接続された第１および第２のコンデンサを含み、第２のコンデンサは直流正負母線の負母線に接続され、昇圧手段によって昇圧された直流電圧を第１および第２のコンデンサによって平滑化するように、第１のコンデンサを直流正負母線の正母線に接続する第１のスイッチ素子と、第１および第２のコンデンサの連結点と、直流正負母線の正母線との間に直列接続された第２のスイッチ素子および第１のリアクトルとをさらに含み、インバータ手段はフルブリッジインバータ回路であり、フルブリッジインバータ回路は、ゼロ電圧スイッチング手段側で、直流正負母線間に直列に接続された第３および第４のスイッチ素子を含む第１のアームと、連系手段側で、直流正負母線間に直列に接続された第５および第６のスイッチ素子を含む第２のアームと、第３および第４のスイッチ素子にそれぞれ並列に接続された第３および第４のコンデンサとを含み、制御手段は、第３および第４のスイッチ素子を互いに逆位相でスイッチングし、第２のコンデンサから、第４のスイッチ素子、第３のコンデンサ、第１のリアクトル、および第２のスイッチ素子を通って第２のコンデンサに帰還するループ、または第２のコンデンサから、第４のコンデンサ、第３のスイッチ素子、第１のリアクトル、および第２のスイッチ素子を通って第２のコンデンサに帰還するループによって共振回路を形成する。
【００４１】
この発明によれば、ゼロ電圧スイッチング手段の第１および第２のコンデンサは、系統連系インバータ装置の運転中においては、ほとんどの期間中は昇圧電圧を平滑化する平滑化コンデンサとして機能し、昇圧手段およびインバータ手段のスイッチング時の一瞬だけ、共振回路の構成要素を兼ねるため、部品点数の増加を招来することなくソフトスイッチングを実現することができる。また、インバータ手段の第１のアームのスイッチ素子にはそれぞれコンデンサが並列に接続されているため、これらの素子のターンオフ時には、ゼロ電圧スイッチング手段の助けを必要とせずインバータ手段単独で常にゼロ電圧でターンオフ動作を実行する。したがって、インバータ手段のスイッチング動作周期ごとにターンオン時の１回だけ共振回路を動作させればよく、共振回路の動作回数の低減を図ることができる。
【００４２】
より好ましくは、この発明による系統連系インバータ装置において、昇圧手段は昇圧チョッパ回路であり、昇圧チョッパ回路は、直流正負母線の正母線に直列に挿入された第２のリアクトルおよびダイオードと、第２のリアクトルおよびダイオードの連結点と、直流正負母線の負母線との間に接続された第７のスイッチ素子と、ダイオードに並列に接続された第５のコンデンサと、第７のスイッチ素子に並列に接続された第６のコンデンサとを含む。
【００４３】
この発明によれば、系統連系インバータ装置を構成する昇圧手段内のダイオードおよびスイッチ素子にはそれぞれコンデンサが並列に接続されているため、これらの素子のターンオフ時には、ゼロ電圧スイッチング手段の助けを必要とせず昇圧手段単独で常にゼロ電圧でターンオフ動作を行なう。したがって、昇圧手段のスイッチング動作周期ごとにターンオン時の１回だけ共振回路を動作させればよく、共振回路の動作回数の低減を図ることができる。
【００４４】
より好ましくは、この発明による系統連系インバータ装置において、制御手段は、共通のＰＷＭキャリア信号に基づいて、昇圧手段およびインバータ手段を駆動するＰＷＭパルスを発生する手段を含み、昇圧手段およびインバータ手段においてスイッチングを行なうすべての素子は、ＰＷＭパルスによってオン・オフ制御される。
【００４５】
この発明によれば、昇圧手段およびインバータ手段のすべてのスイッチ素子を制御するＰＷＭパルスは、共通のＰＷＭキャリア信号に基づいて生成されるため、昇圧手段およびインバータ手段のすべてのスイッチ素子のゼロ電圧スイッチングを同じタイミングで、すなわち１回のゼロ電圧スイッチング手段の動作によって行なうことができ、共振回路の動作回数を軽減することができる。
【００４６】
より好ましくは、この発明による系統連系インバータ装置において、制御手段は、第２のアームの第５および第６のスイッチ素子を、連系する電力系統と同じ周波数で互いに逆位相でスイッチングし、かつ第１のアームの第３および第４のスイッチ素子を、連系する電力系統の周波数よりも高いＰＷＭキャリア信号周波数で互いに逆位相でスイッチングする。
【００４７】
この発明によれば、インバータ手段の第２のアームのスイッチ素子は、連系する商用周波数で動作し、インバータ手段の出力電流のゼロクロス点でのみスイッチングする。したがって、ＰＷＭキャリア信号周波数を商用周波数の整数倍にすれば、第２のアームのスイッチ素子には、第１のアームのスイッチ素子のようにスイッチ素子に並列接続したコンデンサは必要なく、独立してソフトスイッチングを行なうことができる。
【００４８】
この発明の他の局面に従う系統連系インバータ装置は、直流電源と、昇圧手段と、インバータ手段と、連系手段と、ゼロ電圧スイッチング手段と、制御手段とを備える。直流電源は直流電圧を供給する。昇圧手段は、直流電源によって供給される直流電圧をスイッチング動作によって昇圧する。インバータ手段は、昇圧手段によって昇圧された直流電圧をスイッチング動作によって交流電圧に変換する。連系手段は、インバータ手段から出力される交流電圧を、連系する単相３線式電力系統に接続する。ゼロ電圧スイッチング手段は、昇圧手段とインバータ手段とを連結する直流正負母線間に接続されかつ単相３線式電力系統の中性線に接続される。ゼロ電圧スイッチング手段は、互いに直列接続された第１および第２のコンデンサを含み、第２のコンデンサは直流正負母線の負母線に接続され、昇圧手段によって昇圧された直流電圧を第１および第２のコンデンサによって平滑化するように、第１のコンデンサを直流正負母線の正母線に接続する第１のスイッチ素子をさらに含み、中性線は、直流電源の正極側と、第１および第２のコンデンサの連結点とに接続される。制御手段は、昇圧手段およびインバータ手段のスイッチング動作時に、昇圧手段およびインバータ手段においてスイッチングを行なうすべての素子をゼロ電圧でスイッチングさせるように、ゼロ電圧スイッチング手段およびインバータ手段内に共振回路を形成して直流正負母線間の電圧をゼロにする。
【００４９】
この発明によれば、単相３線式電力系統と連系する系統連系インバータ装置においても同様にすべてのスイッチ素子のソフトスイッチングを実現することができる。
【００５０】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態を図面を参照して詳しく説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰返さない。
【００５１】
図１は、この発明の第１の実施形態による系統連系インバータ装置を示す回路図である。図１を参照して、直流電源である太陽電池１からの直流電力は、系統連系インバータ装置２により、商用周波数の交流電力に変換されて、連系する商用交流電力系統３に接続される。
【００５２】
系統連系インバータ装置２は、太陽電池１からの１５０〜２５０Ｖの直流出力電圧を３５０Ｖ程度にまで昇圧する昇圧回路４と、昇圧回路４で昇圧された直流電圧を交流電圧に変換するフルブリッジインバータ回路５と、昇圧回路４とフルブリッジインバータ回路５との間に挿入されたゼロ電圧スイッチング回路６と、フルブリッジインバータ回路５からの交流出力を平滑化するフィルタ回路７と、フィルタ回路７の交流出力端と商用交流電力系統３との接続を開閉する連系リレー８と、制御部９とを備えている。制御部９は、昇圧回路４、フルブリッジインバータ回路５およびゼロ電圧スイッチング回路６内のスイッチ素子のゲート制御を行なうために複数のＰＷＭ制御信号を発生する。
【００５３】
昇圧回路４は、直流の正負母線の正母線に直列に挿入されたリアクトルＬ２およびダイオードＤ１と、リアクトルＬ２およびダイオードＤ１の連結点と直流の正負母線の負母線との間に接続され、制御部９からのＰＷＭ信号によりオン・オフ制御されるスイッチ素子Ｓ７とにより構成される昇圧チョッパである。この昇圧チョッパは、太陽電池１の直流出力電圧を１以上の昇圧比で昇圧して、後段のフルブリッジインバータ回路５に与える。
【００５４】
フルブリッジインバータ回路５は、スイッチ素子Ｓ３，Ｓ４からなるアームＡ１と、スイッチ素子Ｓ５，Ｓ６からなるアームＡ２とから構成され、これらのスイッチ素子は、昇圧回路４の場合と同様に、制御部９からの対応するＰＷＭ制御信号によりオン・オフ制御される。この結果、フルブリッジインバータ回路５は、ＡＣパルスを生成して、後段のフィルタ回路７に出力する。なお、１つのアーム内で２つのスイッチ素子が同時にオンすると、太陽電池１の両端が当該アーム内で短絡されることになり、過電流でスイッチ素子が破壊される恐れがあるため、各アーム内の２つのスイッチ素子は必ず逆位相でスイッチング動作するように制御部９により制御されている。
【００５５】
ゼロ電圧スイッチング回路６は、互いに直列に接続された出力電圧平滑用のコンデンサＣ１，Ｃ２と、コンデンサＣ１，Ｃ２を直流正負母線間に接続するスイッチ素子Ｓ１と、直列接続されたコンデンサＣ１，Ｃ２の連結点と直流正負母線の正母線との間に直列に接続されたスイッチ素子Ｓ２およびリアクトルＬ１と、直流正負母線間に接続されたコンデンサＣ３とを備えている。スイッチ素子Ｓ１の主たる機能は、ゼロ電圧動作（以下、転流動作と称する）時に、平滑コンデンサＣ１を、昇圧回路４とフルブリッジインバータ回路５とを連結する直流正負母線の正母線から切離し、転流動作終了後に再度接続することである。一方、スイッチ素子Ｓ２の主たる機能は、上記転流動作の開始時および初期の期間にリアクトルＬ１に共振動作に必要な電流を供給することである。
【００５６】
なお、昇圧回路４は、図２に示すように構成することもできる。図２に示した昇圧回路４においては、スイッチ素子Ｓ７およびダイオードＤ１に、それぞれ、並列にコンデンサＣ６，Ｃ７が接続されている。このような構成を採用することにより、スイッチ素子Ｓ７およびダイオードＤ１のオン状態からオフ状態への転移時における単独のゼロ電圧スイッチングが可能となる。
【００５７】
次に、図３は、昇圧回路４およびフルブリッジインバータ回路５内のそれぞれのスイッチ素子のスイッチング動作を示すタイミング図である。また、図４は、図１に示した制御部９の詳細な構成を示すブロック図である。
【００５８】
以下に、図１〜図４を参照して、この発明の第１の実施形態による系統連系インバータ装置２の動作について説明する。
【００５９】
図４を参照して、インバータ出力電流検出回路１０は、フルブリッジインバータ回路５の出力電流を検出し、制御部９の電流指令信号生成部１１に与える。電流指令信号生成部１１は、与えられた電流値を基にＰＷＭの電流指令信号Ｉｒｅｆを生成し（図３（ａ））、このＩｒｅｆと、キャリア信号生成部１２から出力されるキャリア信号Ｉｃｒとが比較器１３において比較される。このキャリア信号Ｉｃｒは、図３（ａ）に示すような鋸波である。
【００６０】
一方、系統電圧検出回路１４は、商用電力系統３の電圧を検出し、制御部９の比較器１５の一方入力に与える。比較器１５の他方入力には０Ｖが印加され、比較器１５は入力された電圧値を０Ｖと比較し、これにより商用交流電力系統のゼロクロスが検出される。
【００６１】
インバータドライブ信号生成部１６は、比較器１５のゼロクロス検出出力を基に、商用交流電力系統ＡＣの半周期ごとに、アームＡ２のスイッチ素子Ｓ５，Ｓ６のオン・オフを交互に切換えるドライブ信号（図３（ｄ），（ｅ））を生成し、アームＡ２のスイッチ素子Ｓ５，Ｓ６に与える。インバータドライブ信号生成部１６は、比較器１３および１５の出力を基に、キャリア信号周波数で互いに逆位相でスイッチングするＰＷＭ信号（図３（ｂ），（ｃ））を生成し、アームＡ１のスイッチ素子Ｓ３，Ｓ４に与える。
【００６２】
このとき、図３（ａ）に示すように、キャリア信号Ｉｃｒの周波数を、電流指令信号Ｉｒｅｆの周波数の整数倍に設定しておけば、アームＡ２のスイッチング動作をアームＡ１のスイッチング動作に同期させることが可能である。たとえば、ＰＷＭキャリア信号Ｉｃｒを２０ｋＨｚ、電流指令信号Ｉｒｅｆを５０Ｈｚに設定してもよい。
【００６３】
昇圧回路出力電圧・電流検出回路１７は、昇圧回路４の出力電圧・電流を検出し、制御部９の昇圧比指令信号生成部１８に与える。昇圧比指令信号生成部１８は、与えられた電圧・電流値を基に昇圧比指令信号Ｉｃｈを生成し、図３（ｇ）に示すように、このＩｃｈと、キャリア信号Ｉｃｒとが比較器１９において比較される。インバータドライブ信号生成部１６は、比較器１９の出力を基に、アームＡ１のスイッチ素子のオン時刻と同期してキャリア信号周波数でスイッチングするＰＷＭ信号（図３（ｆ））を生成し、昇圧回路４内のスイッチ素子Ｓ７に与える。
【００６４】
また、ゼロ電圧スイッチング回路６は、図５に示すように構成することもできる。すなわち、図１および図２のゼロ電圧スイッチング回路６に設けられていたコンデンサＣ３を省略し、代わりにフルブリッジインバータ回路５を構成するアームＡ１のスイッチ素子Ｓ３，Ｓ４に、それぞれ、並列にコンデンサＣ４，Ｃ５を接続する。この図５の構成において、スイッチ素子Ｓ３がオンでスイッチ素子Ｓ４がオフのときにはコンデンサＣ５がリアクトルＬ１との共振に利用され、スイッチ素子Ｓ３がオフでスイッチ素子Ｓ４がオンのときにはコンデンサＣ４がリアクトルＬ１との共振に利用されることとなり、結果としてもたらされる共振動作は、図１および図２の系統連系インバータ装置の場合と同じである。
【００６５】
次に、図６は、図５に示した系統連系インバータ装置２のフルブリッジインバータ回路５を等価インバータ回路２１で置き換えた、系統連系インバータ装置のシステム図である。
【００６６】
この図６のシステム図を参照して、この発明の第１の実施の形態による系統連系インバータ装置のソフトスイッチング動作について説明する。
【００６７】
図６において、図５のフルブリッジインバータ回路５のすべてのスイッチ素子をＳ３′で代表し、フルブリッジインバータ回路５の共振コンデンサＣ４，Ｃ５をＣ３′で代表し、フルブリッジインバータ回路５を負荷電流ＩＬが流れていることを電流源２２で表わしている。また、等価インバータ回路２１におけるスイッチ素子Ｓ３′、ゼロ電圧スイッチング回路６におけるスイッチ素子Ｓ１，Ｓ２に、それぞれ逆並列接続されるダイオードは、Ｄｓ，Ｄｓ１，Ｄｓ２で表わしている。ゼロ電圧スイッチング回路６において、リアクトルＬ１の電流は、図６に示した矢印の方向を正方向とする。
【００６８】
まず、図６の等価インバータ回路２１と、図５に示した実際のフルブリッジインバータ回路５との、スイッチング状態の対応関係について説明する。たとえば、等価インバータ回路２１においてスイッチ素子Ｓ３′がオフのときは、実際のフルブリッジインバータ回路５ではスイッチ素子Ｓ３およびＳ６がオンでＳ４およびＳ５がオフの場合、またはスイッチ素子Ｓ３およびＳ６がオフでＳ４およびＳ５がオンの場合の２種類に対応する。また、等価インバータ回路２１においてスイッチ素子Ｓ３′がオンのときは、実際のフルブリッジインバータ回路５ではスイッチ素子Ｓ４およびＳ６がオンでＳ３およびＳ５がオフの場合、またはスイッチ素子Ｓ４およびＳ６がオフでＳ３およびＳ５がオンの場合の２種類に対応する。
【００６９】
図７は、転流動作時における図６の系統連系インバータ装置を構成するそれぞれのスイッチ素子Ｓ１，Ｓ３，Ｓ３′，Ｓ７における信号波形と、リアクトルＬ１における電流波形と、直流正負母線間電圧Ｖｌｉｎｋ（以下、直流リンク電圧と称する）波形とを示している。
【００７０】
転流動作は各素子の導通状態によって移り変わり、後述するように１１のモードから成り立っている。図８は、これら１１のモードのそれぞれにおける転流動作を、等価インバータ回路２１を用いて説明する図である。
【００７１】
各モードを示す図の表記方法について以下に説明する。たとえばモード５における動作を示す図を参照すると、Ｄｓ２＝ｏｎ〜Ｄｓ＝ｏｆｆ，Ｓ３′＝ｏｎという表記は、ダイオードＤｓ２のオンで当該モード期間が始まり、ダイオードＤｓのオフおよびスイッチ素子Ｓ３′のオンで当該モード期間が終わることを示している。
【００７２】
ここで、スイッチ素子Ｓ３′＝ｏｎとは、スイッチ素子Ｓ３′を通じて実際に電流が流れていることを示しているため、図７に示したスイッチ素子のターンオンおよびターンオフのタイミングと一致しているとは限らない。このことは、必ずしもスイッチ素子がターンオンした時点ですぐにそのスイッチ素子に電流が流れ始めるとは限らないことに起因している。これらの要因に鑑み、図７のタイミング図においては、実際のスイッチのオン・オフのタイミングを示し、図８においては、それぞれの素子に実際の電流が流れる経路（実線）と流れない経路（破線）とを区別して示すこととする。
【００７３】
以下に、１１のモードのそれぞれにおける系統連系インバータ装置の動作状態について、図７のタイミング図および図８の回路状態図を参照して説明する。
【００７４】
（１） モード１の動作状態
図８を参照して、モード１では、昇圧回路４のスイッチ素子Ｓ７がオフでゼロ電圧スイッチング回路６のスイッチ素子Ｓ１がオンしており、直流リンク電圧Ｖｌｉｎｋは平均的にはある一定値Ｅｄに保たれる。この結果、直列接続された平滑コンデンサＣ１およびＣ２はＥｄ／２ずつに分割されて充電されているものとする。また、負荷電流は、一定電流ＩＬであり、太陽電池１から昇圧回路４と等価インバータ回路２１とを通り循環しているものとする。
【００７５】
（２） モード２の動作状態
ゼロ電圧スイッチング回路６のスイッチ素子Ｓ２がオンしてモード２の段階に入ると、平滑コンデンサ電圧Ｅｄ／２がリアクトルＬ１にかかり、リアクトルＬ１電流を直線的に増加させる。図７を参照して、リアクトルＬ１電流が、負荷電流ＩＬよりも大きなある一定値Ｉｒ１（Ｉｒ１＜ＩＬ）に達すると、図示しない制御部９はゼロ電圧スイッチング回路６のスイッチ素子Ｓ１をオフする（モード２終了）。
【００７６】
（３） モード３の動作状態
スイッチ素子Ｓ１がオフしてモード３の段階に入ると、共振コンデンサＣ３′と共振リアクトルＬ１との作用により、図７に示すように、直流リンク電圧Ｖｌｉｎｋが減少し、ゼロ電圧まで低下する。ゼロ電圧に達するとスイッチ素子Ｓ３′の逆並列ダイオードＤｓが導通する（モード３終了）。
【００７７】
（４） モード４の動作状態
逆並列ダイオードＤｓが導通してモード４の段階に入ると、直流リンク電圧Ｖｌｉｎｋがゼロのため太陽電池１で発生する直流電圧は昇圧回路４のリアクトルＬ２に印加され、電流を増加させる。一方、リアクトルＬ１の電流は、等価インバータ２１の逆並列ダイオードＤｓの導通により短絡状態となるため、さらに減少してゼロに到達する（モード４終了）。この逆並列ダイオードＤｓが導通している期間中に、昇圧回路４のスイッチ素子Ｓ７と等価インバータ回路２１のスイッチ素子Ｓ３′をオンしておく（ゼロ電圧スイッチング）。昇圧回路４のリアクトルＬ２電流は、この後スイッチ素子Ｓ７をオフするまで直線的に増加し続ける。
【００７８】
（５） モード５の動作状態
リアクトルＬ１の電流はゼロになった後反転し、これによってゼロスイッチング回路６のスイッチ素子Ｓ２の逆並列ダイオードＤｓ２が導通してモード５の段階に入る。リアクトルＬ１の電流はモード４における減少を引き継いで、これまでとは逆方向に増加して負荷電流ＩＬと等しくなる（モード５終了）。逆並列ダイオードＤｓ２が導通している間に、スイッチ素子Ｓ２をオフしておく（ゼロ電流スイッチング）。
【００７９】
（６） モード６の動作状態
リアクトルＬ１電流が負荷電流ＩＬより大きくなると等価インバータ回路２１のスイッチ素子Ｓ３′を通じて流れるため、ダイオードＤｓはオフし、モード６の段階に入る。リアクトルＬ１の電流はさらに増加し、ある一定値Ｉｒ２（Ｉｒ２＞ＩＬ）に達すると、スイッチ素子Ｓ３′をオフする（モード６終了）。このとき、直流リンク電圧Ｖｌｉｎｋはゼロなので、スイッチ素子Ｓ３′のオフはゼロ電圧スイッチングとして行なわれる。
【００８０】
（７） モード７の動作状態
等価インバータ回路２１のスイッチ素子Ｓ３′をオフしてモード７の段階に入ると、リアクトルＬ１の電流が共振コンデンサＣ３′を充電することにより、直流リンク電圧Ｖｌｉｎｋの上昇が始まる。直流リンク電圧Ｖｌｉｎｋが平滑コンデンサＣ１およびＣ２の充電電圧の和の電圧にまで達すると、ゼロ電圧スイッチング回路６のスイッチ素子Ｓ１の逆並列ダイオードＤｓ１が導通する（モード７終了）。ダイオードＤｓ１の導通により、直流リンク電圧Ｖｌｉｎｋは平滑コンデンサＣ１およびＣ２の充電電圧の和に保たれる。
【００８１】
（８） モード８の動作状態
スイッチ素子Ｓ１の逆並列ダイオードＤｓ１が導通してモード８の段階に入ると、リアクトルＬ１の電流はさらに減少し、負荷電流ＩＬに等しくなると、逆並列ダイオードＤｓ１には電流は流れなくなる（モード８終了）。モード８において逆並列ダイオードＤｓ１が導通している期間中に、ゼロ電圧スイッチング回路６におけるスイッチ素子Ｓ１をゼロ電流スイッチングでオンしておく。
【００８２】
（９） モード９の動作状態
リアクトルＬ１の電流が負荷電流ＩＬよりも小さくなるとモード９の段階に入る。モード８において既にスイッチ素子Ｓ１がオンされているので、平滑コンデンサＣ１およびＣ２からなる直列回路は引続いて直流正負母線間に接続される。したがって、平滑コンデンサＣ１の放電により、リアクトルＬ１の電流はゼロまで減少する。Ｌ１電流がゼロになると、ゼロ電圧スイッチング回路６のスイッチ素子Ｓ２の逆並列ダイオードＤｓ２には電流が流れなくなる（モード９終了）。
【００８３】
（１０） モード１０の動作状態
リアクトルＬ１の電流が０になるとモード１０の段階に入る。ゼロ電圧スイッチング回路６のスイッチ素子Ｓ１は既に導通しているので、平滑コンデンサＣ１およびＣ２が負荷電流ＩＬを流し続けることになる。昇圧回路４のスイッチ素子Ｓ７のオフによりモード１０は終了する。スイッチ素子Ｓ７の導通期間は、平滑コンデンサ電圧の平均値が一定になるように制御されるので、それによってオフのタイミングが決定される。また、スイッチ素子Ｓ７のオフ動作は並列コンデンサＣ６の作用によりゼロ電圧スイッチングとして行なわれる。
【００８４】
（１１） モード１１の動作状態
モード１１の段階では昇圧回路４のスイッチ素子Ｓ７はオフしており、リアクトルＬ２を介して並列コンデンサＣ６が充電される。コンデンサＣ６の両端の電圧と直流リンク電圧Ｖｌｉｎｋとが等しくなると、昇圧回路４のダイオードＤ１が導通し（モード１１終了）、モード１へ戻る。
【００８５】
上述のモード１からモード１１が転流回路の一連の動作であり、昇圧回路４のスイッチ素子Ｓ７、ゼロ電圧スイッチング回路６のスイッチ素子Ｓ１，Ｓ２、および等価ダイオード回路２１のスイッチ素子Ｓ３′のオン・オフは制御部９からの制御信号によって制御され、これによりゼロ電圧またはゼロ電流のソフトスイッチングが達成されている。上述の一連の動作の途中で、モード４，５および６においては直流リンク電圧Ｖｌｉｎｋがゼロとなっているため、これらのモードの期間中に等価インバータ回路２１において必要なスイッチ素子のオン・オフと、昇圧回路４のスイッチのオンとを行なえば、システムのゼロ電圧スイッチングを達成することができる。
【００８６】
図３のタイミング図に戻って、図３（ｈ）は、図２に示した実際の系統連系インバータ２におけるＰＷＭ動作と直流リンク電圧Ｖｌｉｎｋ波形との対応を示している。ここで、電圧Ｅｄは、平滑コンデンサＣ１およびＣ２の充電電圧の和である。図２に関連して先に説明したように、昇圧回路４に含まれるスイッチ素子のターンオフは、ゼロ電圧スイッチング回路６に助けられることなく、単独でゼロ電圧スイッチングで行なうことができるので、そのターンオンだけをフルブリッジインバータ回路５のスイッチング動作と同時に行なう。
【００８７】
フルブリッジインバータ回路５のアームＡ２のスイッチ素子Ｓ６がオンの期間中はアームＡ１のスイッチ素子Ｓ３をオンする前に、またアームＡ２のスイッチ素子Ｓ５がオンの期間中はアームＡ１のスイッチ素子Ｓ３をオフ（すなわちＳ４をオン）する前に、ゼロ電圧スイッチング回路６を動作させるようにすれば、ＰＷＭキャリア信号Ｉｃｒの周期ごとに１回だけ共振回路を動作させることにより、系統連系インバータ装置２全体のソフトスイッチング動作を実現することができる。
【００８８】
ところで、図３のタイミング図は、フルブリッジインバータ回路５の出力電圧ＶＬと負荷電流ＩＬとの位相差がゼロ、すなわち力率が１の場合のＰＷＭスイッチングタイミングを示しているが、負荷電流ＩＬの位相が遅れている場合、すなわち力率が１以下の場合には、ＰＷＭパルスの生成方法は若干変化する。図９は、そのような場合におけるそれぞれのスイッチ素子のスイッチングタイミングを示すタイミング図である。図３のタイミング図と比較して、図９のタイミング図が異なる点は、図９に示したＸおよびＸ′の期間、すなわち出力電圧ＶＬおよび負荷電流ＩＬの正負が異なっている区間のＰＷＭキャリア信号Ｉｃｒ′波形のみである。このＸおよびＸ′の期間中にのみ、ＰＷＭキャリア信号Ｉｃｒ′の符号を反転させて、逆の鋸波とする。
【００８９】
図１０は、図９の期間Ｘにおけるフルブリッジインバータ回路５の動作状態を示す図である。図１０の（ａ）においては、負荷電流ＩＬは負の電流で図中矢印の方向に流れているため、スイッチ素子Ｓ４のターンオン直前に直流リンク電圧Ｖｌｉｎｋを０にしなければ、スイッチ素子Ｓ４のゼロ電圧スイッチングを実行することができない（図９の期間Ｘ）。
【００９０】
一方、図１０の（ｂ）では、負荷電流ＩＬは正の電流で、図中矢印の向きに並んでいるため、スイッチ素子Ｓ３のターンオン直前に直流リンク電圧Ｖｌｉｎｋを０にしなければ、スイッチ素子Ｓ３のゼロ電圧スイッチングを実行することができない（図９の期間Ｘ′）。
【００９１】
図１０（ａ）に示したようにＰＷＭパルスの生成を行なうことにより、出力電圧ＶＬと負荷電流ＩＬとの間で正負の符号が異なる場合にも、フルブリッジインバータ回路５の全スイッチ素子のゼロ電圧スイッチングを実現している。図９に示したＰＷＭ方式において出力電圧ＶＬと負荷電流ＩＬとの位相差をゼロにした場合が、図３に示したＰＷＭ方式に相当し、図３のＰＷＭと図９のＰＷＭとは、図４の制御部９においてＰＷＭキャリア信号Ｉｃｒの波形を変化させるだけでともに実現することが可能である。
【００９２】
上述の第１の実施の形態による系統連系インバータ２は、単相２線式の商用交流電力系統と連系するシステムであるが、この発明は単相３線式の電力系統と連系する場合についても適用することができる。図１１は、このような単相３線式の商用電力系統と連系する第２の実施形態の系統連系インバータ装置の構成を示す回路図である。
【００９３】
図２に示す実施の形態の単相２線式の系統連系インバータ装置２と比較して異なる点は、図１１の系統連系インバータ装置において、商用電力系統３の中性線２０が平滑コンデンサＣ１およびＣ２の接続点、ならびに太陽電池１の正極に接続されていることと、フィルタ回路７が中性線２０に対して正負対称の形に配置されていることと、インバータ回路５のアームＡ２のスイッチ素子Ｓ５，Ｓ６のそれぞれに並列にコンデンサＣ８，Ｃ９が追加されていることである。
【００９４】
このような図１１に示す構成により、太陽電池の正極電位と、平滑コンデンサの中点電位とは、電力系統の中性線電位すなわちアース電位に固定されることになる。この図１１の実施の形態による単相３線式系統連系インバータ装置のソフトスイッチング動作は、図８に示した第１の実施形態の単相２線式系統連系インバータ装置の動作モードと同じであり、昇圧回路４のスイッチ素子Ｓ７がオンするときのみ、すなわちＰＷＭキャリア信号Ｉｃｒの周期ごとに１回だけゼロ電圧スイッチング回路６を動作させれば、系統連系インバータ装置内のすべてのスイッチ素子のソフトスイッチング動作を実現することができる。
【００９５】
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。本発明の範囲は上記した説明ではなくて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および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【００９６】
【発明の効果】
以上のように、この発明によれば、昇圧手段およびインバータ手段のスイッチング時の一瞬だけ、ゼロ電圧スイッチング手段によって共振回路を形成して直流正負母線間電圧をゼロにすることにより、系統連系インバータ装置内のすべてのスイッチ素子をゼロ電圧でソフトスイッチングすることが可能となり、スイッチングノイズおよびスイッチング損失の軽減を図ることができる。
【００９７】
さらにこの発明によれば、昇圧電圧を平滑化するための平滑化コンデンサを共振回路の構成要素として兼用することにより、部品点数の増加を抑制することができる。
【００９８】
さらにこの発明によれば、昇圧手段内のスイッチ素子にそれぞれコンデンサが並列に接続されているため、これらの素子のターンオフ時は常に単独でゼロ電圧スイッチングとなり、したがって昇圧手段のスイッチング動作周期ごとにターンオン時の１回だけ共振回路を動作させればよく、共振回路の動作回数を低減することができる。
【００９９】
さらにこの発明によれば、昇圧手段およびインバータ手段のスイッチ素子を制御するＰＷＭパルスは共通のＰＷＭキャリア信号に基づいて生成されるため、すべてのスイッチ素子のゼロ電圧スイッチングのタイミングを揃えることができ、共振回路の動作回数を軽減することができる。
【０１００】
さらにこの発明によれば、インバータ手段の第２のアームのスイッチ素子は連系する商用周波数で動作し、インバータ手段の出力電圧のゼロクロス点でのみスイッチングするため、第２のアームのスイッチ素子に関しては独立してソフトスイッチングを行なうことができる。
【０１０１】
さらにこの発明によれば、単相３線式電力系統と連系する系統連系インバータ装置においても同様にすべてのスイッチ素子のソフトスイッチングが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明の第１の実施の形態による系統連系インバータ装置を示す回路図である。
【図２】 図１に示した実施の形態による系統連系インバータ装置の変形例を示す回路図である。
【図３】 この発明の第１の実施の形態による系統連系インバータ装置のスイッチング動作を示すタイミング図である。
【図４】 図１および図２に示した制御部の構成を示すブロック図である。
【図５】 図１に示した第１の実施の形態による系統連系インバータ装置のさらなる変形例を示す回路図である。
【図６】 図５に示した系統連系インバータ装置のインバータ回路を等価インバータ回路で置き換えた回路図である。
【図７】 図６に示した系統連系インバータ装置のソフトスイッチング動作を示すタイミング図である。
【図８】 図６に示した系統連系インバータ装置のモード１〜１１の動作状態を示す回路図である。
【図９】 力率が１以下の場合のこの発明の実施の形態による系統連系インバータ装置のソフトスイッチング動作を説明するタイミング図である。
【図１０】 力率が１以下の場合のこの発明の実施の形態による系統連系インバータ装置の動作状態を説明する回路図である。
【図１１】 この発明の第２の実施の形態による系統連系インバータ装置を示す回路図である。
【図１２】 従来の高周波絶縁方式による系統連系インバータ装置の回路図である。
【図１３】 従来のトランスレス方式の系統連系インバータ装置の回路図である。
【図１４】 従来のソフトスイッチング技術を採用したトランスレス方式の系統連系インバータ装置の回路図である。
【符号の説明】
１ 太陽電池、２ 系統連系インバータ装置、３ 商用交流電力系統、４ 昇圧回路、５ フルブリッジインバータ回路、６ ゼロ電圧スイッチング回路、７フィルタ回路、８ 連系リレー、９ 制御部、１０ インバータ出力電流検出回路、１１ 電流指令信号生成部、１２ キャリア信号生成部、１３，１５，１９ 比較器、１４ 系統電圧検出回路、１６ インバータドライブ信号生成部、１７ 昇圧回路出力電圧・電流検出回路、１８ 昇圧比指令信号生成部、２０ 中性線、２１ 等価インバータ回路。
Claims (10)
- 系統連系インバータ装置であって、
直流電圧を供給する直流電源と、
前記直流電源によって供給される前記直流電圧をスイッチング動作によって昇圧する昇圧手段と、
前記昇圧手段によって昇圧された直流電圧をスイッチング動作によって交流電圧に変換するインバータ手段と、
前記インバータ手段から出力される交流電圧を、連系する電力系統に接続する連系手段と、
前記昇圧手段と前記インバータ手段とを連結する直流正負母線間に接続されたゼロ電圧スイッチング手段と、
前記昇圧手段および前記インバータ手段のスイッチング動作時に、前記昇圧手段および前記インバータ手段においてスイッチングを行なうすべての素子をゼロ電圧でスイッチングさせるように、前記ゼロ電圧スイッチング手段内に共振回路を形成して前記直流正負母線間の電圧をゼロにする制御手段とを備え、
前記ゼロ電圧スイッチング手段は、
互いに直列接続された第１および第２のコンデンサを含み、前記第２のコンデンサは前記直流正負母線の負母線に接続され、
前記昇圧手段によって昇圧された直流電圧を前記第１および第２のコンデンサによって平滑化するように、前記第１のコンデンサを前記直流正負母線の正母線に接続する第１のスイッチ素子と、
前記第１および第２のコンデンサの連結点と、前記直流正負母線の正母線との間に直列接続された第２のスイッチ素子および第１のリアクトルと、
前記直流正負母線間に接続された第３のコンデンサとをさらに含み、
前記制御手段は、前記第２のコンデンサから、前記第３のコンデンサ、前記第１のリアクトル、および前記第２のスイッチ素子を通って前記第２のコンデンサに帰還するループによって前記共振回路を形成する、系統連系インバータ装置。 - 前記昇圧手段は昇圧チョッパ回路であり、
前記昇圧チョッパ回路は、
前記直流正負母線の正母線に直列に挿入された第２のリアクトルおよびダイオードと、
前記第２のリアクトルおよび前記ダイオードの連結点と、前記直流正負母線の負母線との間に接続された第３のスイッチ素子と、
前記ダイオードに並列に接続された第４のコンデンサと、
前記第３のスイッチ素子に並列に接続された第５のコンデンサとを含む、請求項１に記載の系統連系インバータ装置。 - 前記制御手段は、
共通のパルス幅変調（ＰＷＭ）キャリア信号に基づいて、前記昇圧手段および前記インバータ手段を駆動するＰＷＭパルスを発生する手段を含み、
前記昇圧手段および前記インバータ手段においてスイッチングを行なうすべての素子は、前記ＰＷＭパルスによってオン・オフ制御される、請求項１または２に記載の系統連系インバータ装置。 - 前記インバータ手段はフルブリッジインバータ回路であり、
前記フルブリッジインバータ回路は、
前記ゼロ電圧スイッチング手段側で、前記直流正負母線間に直列に接続された第４および第５のスイッチ素子を含む第１のアームと、
前記連系手段側で、前記直流正負母線間に直列に接続された第６および第７のスイッチ素子を含む第２のアームとを含み、
前記制御手段は、前記第２のアームの前記第６および第７のスイッチ素子を、前記連系する電力系統と同じ周波数で互いに逆位相でスイッチングし、かつ前記第１のアームの前記第４および第５のスイッチ素子を、前記連系する電力系統の周波数よりも高い前記ＰＷＭキャリア信号周波数で互いに逆位相でスイッチングする、請求項３に記載の系統連系インバータ装置。 - 系統連系インバータ装置であって、
直流電圧を供給する直流電源と、
前記直流電源によって供給される前記直流電圧をスイッチング動作によって昇圧する昇圧手段と、
前記昇圧手段によって昇圧された直流電圧をスイッチング動作によって交流電圧に変換するインバータ手段と、
前記インバータ手段から出力される交流電圧を、連系する電力系統に接続する連系手段と、
前記昇圧手段と前記インバータ手段とを連結する直流正負母線間に接続されたゼロ電圧スイッチング手段と、
前記昇圧手段および前記インバータ手段のスイッチング動作時に、前記昇圧手段および前記インバータ手段においてスイッチングを行なうすべての素子をゼロ電圧でスイッチングさせるように、前記ゼロ電圧スイッチング手段および前記インバータ手段内に共振回路を形成して前記直流正負母線間の電圧をゼロにする制御手段とを備えた、系統連系インバータ装置。 - 前記ゼロ電圧スイッチング手段は、
互いに直列接続された第１および第２のコンデンサを含み、前記第２のコンデンサは前記直流正負母線の負母線に接続され、
前記昇圧手段によって昇圧された直流電圧を前記第１および第２のコンデンサによって平滑化するように、前記第１のコンデンサを前記直流正負母線の正母線に接続する第１のスイッチ素子と、
前記第１および第２のコンデンサの連結点と、前記直流正負母線の正母線との間に直列接続された第２のスイッチ素子および第１のリアクトルとをさらに含み、
前記インバータ手段はフルブリッジインバータ回路であり、
前記フルブリッジインバータ回路は、
前記ゼロ電圧スイッチング手段側で、前記直流正負母線間に直列に接続された第３および第４のスイッチ素子を含む第１のアームと、
前記連系手段側で、前記直流正負母線間に直列に接続された第５および第６のスイッチ素子を含む第２のアームと、
前記第３および第４のスイッチ素子にそれぞれ並列に接続された第３および第４のコンデンサとを含み、
前記制御手段は、前記第３および第４のスイッチ素子を互いに逆位相でスイッチングし、前記第２のコンデンサから、前記第４のスイッチ素子、前記第３のコンデンサ、前記第１のリアクトル、および前記第２のスイッチ素子を通って前記第２のコンデンサに帰還するループ、または前記第２のコンデンサから、前記第４のコンデンサ、前記第３のスイッチ素子、前記第１のリアクトル、および前記第２のスイッチ素子を通って前記第２のコンデンサに帰還するループによって前記共振回路を形成する、請求項５に記載の系統連結インバータ装置。 - 前記昇圧手段は昇圧チョッパ回路であり、
前記昇圧チョッパ回路は、
前記直流正負母線の正母線に直列に挿入された第２のリアクトルおよびダイオードと、
前記第２のリアクトルおよび前記ダイオードの連結点と、前記直流正負母線の負母線との間に接続された第７のスイッチ素子と、
前記ダイオードに並列に接続された第５のコンデンサと、
前記第７のスイッチ素子に並列に接続された第６のコンデンサとを含む、請求項５または６に記載に系統連結インバータ装置。 - 前記制御手段は、
共通のＰＷＭキャリア信号に基づいて、前記昇圧手段および前記インバータ手段を駆動するＰＷＭパルスを発生する手段を含み、
前記昇圧手段および前記インバータ手段においてスイッチングを行なうすべての素子は、前記ＰＷＭパルスによってオン・オフ制御される、請求項５から７のいずれかに記載の系統連系インバータ装置。 - 前記制御手段は、前記第２のアームの前記第５および第６のスイッチ素子を、前記連系する電力系統と同じ周波数で互いに逆位相でスイッチングし、かつ前記第１のアームの前記第３および第４のスイッチ素子を、前記連系する電力系統の周波数よりも高い前記ＰＷＭキャリア信号周波数で互いに逆位相でスイッチングする、請求項８に記載の系統連系インバータ装置。
- 系統連系インバータ装置であって、
直流電圧を供給する直流電源と、
前記直流電源によって供給される前記直流電圧をスイッチング動作によって昇圧する昇圧手段と、
前記昇圧手段によって昇圧された直流電圧をスイッチング動作によって交流電圧に変換するインバータ手段と、
前記インバータ手段から出力される交流電圧を、連系する単相３線式電力系統に接続する連系手段と、
前記昇圧手段と前記インバータ手段とを連結する直流正負母線間に接続されかつ前記単相３線式電力系統の中性線に接続されたゼロ電圧スイッチング手段とを備え、
前記ゼロ電圧スイッチング手段は、
互いに直列接続された第１および第２のコンデンサを含み、前記第２のコンデンサは前記直流正負母線の負母線に接続され、
前記昇圧手段によって昇圧された直流電圧を前記第１および第２のコンデンサによって平滑化するように、前記第１のコンデンサを前記直流正負母線の正母線に接続する第１のスイッチ素子をさらに含み、
前記中性線は、前記直流電源の正極側と、前記第１および第２のコンデンサの連結点とに接続され、
前記昇圧手段および前記インバータ手段のスイッチング動作時に、前記昇圧手段および前記インバータ手段においてスイッチングを行なうすべての素子をゼロ電圧でスイッチングさせるように、前記ゼロ電圧スイッチング手段および前記インバータ手段内に共振回路を形成して前記直流正負母線間の電圧をゼロにする制御手段をさらに備えた、系統連系インバータ装置。
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