JP5110960B2 - 系統連系インバータ装置 - Google Patents

Description

本発明は、系統連系インバータ装置に関し、特に、トランスを介さずに、直流電源、発電機等の電力供給源を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ものである。

系統連系単相三線式インバータでは、中性点を作るために正母線と負母線間に直列に接続している二つのコンデンサの中点から中性線を取り出して利用する回路方式がある。ＰＷＭインバータのスイッチングぱらつき及び出力電流検出オフセット誤差によって、出力電流に直流成分が生じる問題がある。具体的には、二つのコンデンサの中点の初期電圧をＶｎ０、二つのコンデンサの合計容量をＣ、Ｕ相の電流直流成分をＩｄｕ、Ｖ相の電流直流成分をＩｄｖとして、交流電圧成分を無視して、中性線コンデンサ電圧Ｖｎを求めると、

となる。この結果、前記直流成分によって前記直列に接続している二つのコンデンサに直流成分の電流が流れ、コンデンサの中点電位が正母線と負母線間電圧まで偏ることになり、コンデンサの耐圧を超えてしまう問題もある。

前記問題の対策として、前記直列に接続する二つのコンデンサにそれぞれ抵抗を前記コンデンサに並列接続し、それぞれのコンデンサの電圧をバランスさせる方法がある（特許文献１参照）。
特開２００７−９７３５５公報

しかし、抵抗でバランスさせる方法は抵抗に高圧を印加するため、損失が多い問題と、スイッチングのばらつき及び交流出力電流検出オフセットによる交流出力電流の直流成分の制御ができない問題がある。

本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、スイッチングのばらつき及び交流出力電流の直流成分を抑制した系統連系インバータ装置を提供する。

上記課題を解決するために、本発明に係る系統連系インバータ装置は、直流電源とこれに接続する正母線と負母線を有し、前記正母線と前記負母線間に第一及び第二のスイッチ素子、並びに第三及び第四のスイッチ素子を直列接続し、それぞれの中間点がリアクトルを介して、単相三線式電力系統のＵ相電圧出力端子並びに前記単相三線式電力系統のＶ相電圧出力端子に接続すると共に、前記正母線と負母線間に直列に接続された二つのコンデンサの中点から前記単相三線式電力系統の中性線に接続して交流電力に変換する系統連系インバータにおいて、前記二つのコンデンサの中点と前記母線との間の電圧と前記正母線と負母線間の電圧を検出する電圧検出手段と、前記二つのコンデンサの中点と前記母線との間の電圧が前記正母線と負母線間の電圧の１／２になるようにインバータの出力電流指令の直流成分を制御するインバータ出力電流制御手段とを有することを特徴とする。

また、本発明に係る系統連系インバータ装置は、直流電源とこれに接続する正母線と負母線を有し、前記正母線と単相二線式電力系統の相電圧出力間並びに前記負母線と前記単相二線式電力系統の相電圧出力端子間にリアクトルを介して、それぞれ第一及び第二のスイッチ素子を直列接続すると共に、前記正母線と負母線間に直列に接続された二つのコンデンサの中点から前記単相二線式電力系統の相電圧出力端子に接続して交流電力に変換する系統連系インバータにおいて、前記二つのコンデンサの中点と前記母線との間の電圧と前記正母線と負母線間の電圧を検出する電圧検出手段と、前記二つのコンデンサの中点と前記母線との間の電圧が前記正母線と負母線間の電圧の１／２になるようにインバータの出力電流指令の直流成分を制御するインバータ出力電流制御手段とを有することを特徴とする系統連系インバータ装置。

前記リアクトルと前記Ｕ相電圧出力端子間及び前記リアクトルと前記Ｖ相電圧出力端子間、又は前記リアクトルと前記相電圧出力端子間の交流電流値を検出する交流電流検出手段を備えてあることを特徴とする。

また、前記電圧検出手段で検出した前記二つのコンデンサの中点と前記母線との間の電圧と前記正母線と負母線間の電圧とを比較して、この比較値を直流入力電圧の１／２の値から減算し、この値を前記交流出力の直流成分とみなすように制御することを特徴とする。

さらに、前記交流出力のみなし直流成分と予め生成した正弦波電流波形とを加算し、この加算して得た加算値から前記交流電流検出手段で検出された交流電流値を減算して前記直流成分を除去することを特徴とする。

本発明によれば、二つのコンデンサの中点と正負母線との間の電圧が正母線と負母線間の電圧の１／２になるようにインバータの出力電流指令の直流成分を制御することにより、スイッチングのばらつき及び出力電流検出オフセット誤差によって生じた出力電流の直流成分を抑制することができる。また、二つのコンデンサに電圧バランス回路を接続する必要がないので、回路の簡素化及び低コスト化を図ることができる。

発明を実施するための最良の形態の回路図を図１に示す。先ず、図１図示の系統連系インバータの主回路について説明する。先ず、本実施例に係る系統連系インバータは、単相三線式の系統連系インバータであり、直流電源１とこれに接続する正母線２０１と負母線２０２を有する。この正母線２０１と負母線２０２との間に二つのコンデンサＣ１，Ｃ２とを直列に接続してある。また、正母線２０１と負母線２０２との間に第一のスイッチ素子Ｑ１と第二のスイッチ素子Ｑ２とを直列に接続して第一のアーム３を構成してあるとともに、これらと並列に、第三のスイッチ素子Ｑ３と第四のスイッチ素子Ｑ４とを直列に接続して第二のアーム４を構成してある。

第一のアーム３の中点から単相三線式電力系統のＵ相電圧出力端子１０１を接続し、第二のアーム４の中点から単相三線式電力系統のＶ相電圧出力端子１０２を接続してある。二つのコンデンサＣ１，Ｃ２の直列回路２の中点から単相三線式電力系統の中性線１０３を接続してある。

第一のアーム３の中点と、単相三線式電力系統のＵ相電圧出力端子１０１との間にリアクトルＬ１を接続してあるとともに、第二のアーム４の中点と、単相三線式電力系統のＶ相電圧出力端子１０２との間にリアクトルＬ２を接続してある。

続いて、本実施例に係る系統連系インバータの制御回路について説明する。先ず、二つのコンデンサＣ１，Ｃ２の直列回路２の中点と母線２０１，２０２との間の電圧と、正母線２０１と負母線２０２との間の電圧を検出する電圧検出手段、本実施例においては、直流出力電圧検出器８を備えてある。この電圧検出器８は、二つのコンデンサＣ１，Ｃ２の直列回路２の中点と母線２０１，２０２との間の電圧と、正母線２０１と負母線２０２との間の電圧とを比較する。

電圧検出器８より出力された比較値を、直流電源１の直流入力電圧Ｅｄの１／２の電圧から減算する減算器１１を備え、この減算器１１より出力された直流電圧信号はゲイン１４に入力される。ゲイン１４では、減算器１１より出力された直流電圧信号を本実施例に係る系統連系インバータ装置における交流電流のうちの直流成分とみなす。

本実施例に係る系統連系インバータの制御回路は加算器１５，１６を備えてある。一方の加算器１５はゲイン１４より出力される交流出力のみなし直流成分と、Ｕ相で出力すべき正弦波電力波形２１とを加算するように構成してある。他方の加算器１６はゲイン１４より出力される交流出力のみなし直流成分と、Ｖ相で出力すべき正弦波電力波形２２とを加算するように構成してある。

これに対して、交流電力側には、一方のリアクトルＬ１とＵ相電圧出力端子１０１との間にＵ相の交流電流を検出するＵ相電流検出器２７を備えてある。また、他方のリアクトルＬ２とＶ相電圧出力端子１０２との間にＶ相の交流電流を検出するＶ相電流検出器２８を備えてある。

本実施例に係る系統連系インバータの制御回路は減算器１７，１８を備えてある。一方の減算器１７で、交流出力のみなし直流補正成分が含まれるＵ相電流指令正弦波からＵ相電流検出器２７で検出されたＵ相電流を減算する。他方の減算器１８で、交流出力のみなし直流補正成分が含まれるＶ相電流指令正弦波からＶ相電流検出器２８で検出されたＶ相電流を減算する。

本実施例に係る系統連系インバータの制御回路は電流制御器１２，１３を備えてある。減算器１７，１８で出力された電流誤差信号は各電流制御器１２，１３で制御演算して誤差制御信号として出力する。具体的には本実施例では、比例制御（Ｐ制御）と積分制御（Ｉ制御）とを組み合わせたＰＩ制御により、誤差制御信号を出力する。

本実施例に係る系統連系インバータの制御回路はそれぞれＵ相及びＶ相のＰＷＭ変調器９，１０を備えてある。Ｕ相のＰＷＭ変調器９はＵ相の電流制御器１２から出力された誤差制御信号をＰＷＭ変調信号に変換して、第一のアーム３の各スイッチ素子Ｑ１，Ｑ２に出力する。一方、Ｖ相のＰＷＭ変調器１０はＶ相の電流制御器１３から出力された誤差制御信号をＰＷＭ変調信号に変換して、第二のアーム４の各スイッチ素子Ｑ３，Ｑ４に出力する。

以上のように構成してある系統連系インバータ装置は以下のように作用する。先ず、二つのコンデンサＣ１，Ｃ２の直列回路２の中点と母線２０１，２０２との間の電圧と、正母線２０１と負母線２０２との間の電圧を直流出力電圧検出器８で検出して、二つのコンデンサＣ１，Ｃ２の直列回路２のと母線２０１，２０２との間の電圧と、正母線２０１と負母線２０２との間の電圧とを比較する。

電圧検出器８より出力された比較値を、減算器１１で直流電源１の直流入力電圧Ｅｄの１／２の電圧から減算する。減算器１１より出力された直流電圧信号をゲイン１４に入力する。ゲイン１４では、減算器１１より出力された直流電圧信号を本実施例に係る系統連系インバータ装置における交流電流のうちの直流成分とみなす。ゲイン１４より出力される交流出力のみなし直流成分と、Ｕ相で出力すべき正弦波電力波形２１とを加算器１５で加算するとともに、ゲイン１４より出力される交流出力のみなし直流成分と、Ｖ相で出力すべき正弦波電力波形２２とを加算器１６で加算する。

これに対して、交流電力側では、一方のリアクトルＬ１とＵ相電圧出力端子１０１との間に備えたＵ相電流検出器２７によりＵ相の交流電流を検出する。また、他方のリアクトルＬ２とＶ相電圧出力端子１０２との間に備えたＶ相電流検出器２８によりＶ相の交流入力電流を検出する。

一方の減算器１７で、交流出力のみなし直流成分が含まれるＵ相正弦波電力波形からＵ相電流検出器２７で検出されたＵ相電流を減算する。他方の減算器１８で、交流出力のみなし直流成分が含まれるＶ相正弦波電力波形からＶ相電流検出器２８で検出されたＶ相電流を減算する。この減算処理により、交流出力の直流成分を除去することができる。減算器１７，１８で交流出力の直流成分を除去した信号は各電流制御器１２，１３でＰＩ制御演算して誤差制御信号として出力される。

Ｕ相の電流制御器１２から出力された誤差制御信号をＵ相のＰＷＭ変調器９でＰＷＭ変調信号に変換して、第一のアーム３の各スイッチ素子Ｑ１，Ｑ２に出力する。一方、Ｖ相の電流制御器１３から出力された誤差制御信号をＶ相のＰＷＭ変調器１０でＰＷＭ変調信号に変換して、第二のアーム４の各スイッチ素子Ｑ３，Ｑ４に出力する。

以上より、二つのコンデンサの中点と正負母線との間の電圧が正母線と負母線間の電圧の１／２になるようにインバータの出力電流指令の直流成分を制御することにより、スイッチングのばらつき及び出力電流検出オフセット誤差によって生じた出力電流の直流成分を抑制することができる。また、二つのコンデンサに電圧バランス回路を接続する必要がないので、回路の簡素化及び低コスト化を図ることができる。

続いて、第二の実施例について説明する。第二の実施例に係る系統連系インバータは、単相二線式の系統連系インバータであり、直流電源１とこれに接続する正母線２０１と負母線２０２を有する。この正母線２０１と負母線２０２との間に二つのコンデンサＣ１，Ｃ２とを直列に接続してある。また、正母線２０１と負母線２０２との間に第一のスイッチ素子Ｑ１と第二のスイッチ素子Ｑ２とを直列に接続してアーム３を構成してある。

アーム３の中点から単相二線式電力系統の交流電圧出力端子１０１を接続ししてある。二つのコンデンサＣ１，Ｃ２の直列回路２の中点から単相二線式電力系統の中性線１０３を接続してある。アーム３の中点と交流電圧出力端子１０１との間にリアクトルＬ１を接続してあるとともに、二つのコンデンサＣ１，Ｃ２の直列回路２の中点と交流電源７との間にリアクトルＬ２を接続してある。

続いて、本実施例に係る系統連系インバータの制御回路について説明する。先ず、二つのコンデンサＣ１，Ｃ２の直列回路２の中点と母線２０１，２０２との間の電圧と、正母線２０１と負母線２０２との間の電圧を検出する電圧検出手段、本実施例においては、直流出力電圧検出器８を備えてある。この電圧検出器８は、二つのコンデンサＣ１，Ｃ２の直列回路２の中点と母線２０１，２０２との間の電圧と、正母線２０１と負母線２０２との間の電圧とを比較する。

電圧検出器８より出力された比較値を、直流電源１の直流入力電圧Ｅｄの１／２の電圧から減算する減算器１１を備え、この減算器１１より出力された直流電圧信号はゲイン１４に入力される。ゲイン１４では、減算器１１より出力された直流電圧信号を本実施例に係る系統連系インバータ装置における交流電流のうちの直流成分とみなす。

本実施例に係る制御回路は加算器１５を備えてある。この加算器１５はゲイン１４より出力される交流出力のみなし直流成分と、交流部分で出力すべき正弦波電力波形２１とを加算するように構成してある。これに対して、交流電力側には、一方のリアクトルＬ１と交流電圧出力端子１０１との間に交流電流を検出する電流検出器２７を備えてある。

本実施例に係る制御回路は減算器１７を備えてある。減算器１７で、交流出力のみなし直流成分が含まれる正弦波電力波形から交流電流検出器２７で検出された交流電流を減算する。この減算処理により、交流出力の直流成分を除去することができる。

本実施例に係る制御回路は電流制御器１２を備えてある。減算器１７で交流出力の直流成分を除去した信号は電流制御器１２でＰＩ制御演算して誤差制御信号として出力する。本実施例に係る制御回路はＰＷＭ変調器９を備えてある。ＰＷＭ変調器９は電流制御器１２から出力された誤差制御信号をＰＷＭ変調信号に変換して、アーム３の各スイッチ素子Ｑ１，Ｑ２に出力する。

以上のように構成してある系統連系インバータ装置は以下のように作用する。先ず、二つのコンデンサＣ１，Ｃ２の直列回路２の中点と母線２０１，２０２との間の電圧と、正母線２０１と負母線２０２との間の電圧を直流出力電圧検出器８で検出して、二つのコンデンサＣ１，Ｃ２の直列回路２の中点の電圧と、正母線２０１と負母線２０２との間の電圧とを比較する。

電圧検出器８より出力された比較値を、減算器１１で直流電源１の直流入力電圧Ｅｄの１／２の電圧から減算する。減算器１１より出力された直流電圧信号をゲイン１４に入力する。ゲイン１４では、減算器１１より出力された直流電圧信号を本実施例に係る系統連系インバータ装置における交流電流のうちの直流成分とみなす。ゲイン１４より出力される交流出力のみなし直流成分と、交流部分で出力すべき正弦波電力波形２１とを加算器１５で加算する。これに対して、交流電力側では、一方のリアクトルＬ１と交流電圧出力端子１０１との間に備えた交流電流検出器２７により交流電流を検出する。

減算器１７で、交流出力のみなし直流成分が含まれる正弦波電力波形から電流検出器２７で検出された交流電流を減算する。この減算処理により、交流出力の直流成分を除去することができる。減算器１７で交流出力の直流成分を除去した信号は各電流制御器１２でＰＩ制御演算して誤差制御信号として出力される。電流制御器１２から出力された誤差制御信号をＰＷＭ変調器９でＰＷＭ変調信号に変換して、第一のアーム３の各スイッチ素子Ｑ１，Ｑ２に出力する。

以上より、二つのコンデンサの中点と正負母線との間の電圧が正母線と負母線間の電圧の１／２になるようにインバータの出力電流指令の直流成分を制御することにより、スイッチングのばらつき及び出力電流検出オフセット誤差によって生じた出力電流の直流成分を抑制することができる。また、二つのコンデンサに電圧バランス回路を接続する必要がないので、回路の簡素化及び低コスト化を図ることができる。

本発明によれば、二つのコンデンサの中点と正負母線との間の電圧が正母線と負母線間の電圧の１／２になるようにインバータの出力電流指令の直流成分を制御することにより、スイッチングのばらつき及び出力電流検出オフセット誤差によって生じた出力電流の直流成分を抑制することができる。また、二つのコンデンサに電圧バランス回路を接続する必要がないので、回路の簡素化及び低コスト化を図ることができ、産業上利用可能である。

本発明に係る系統連系インバータ装置における発明を実施するための最良の形態の回路図である。 図１とは別の系統連系インバータ装置における実施例の回路図である。

符号の説明

１ 直流電源
Ｃ１，Ｃ２ コンデンサ
２ コンデンサＣ１，Ｃ２との直列回路
Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３，Ｑ４ スイッチ素子
３，４ アーム
７ 交流電源
８ 直流出力電圧検出器
９，１０ ＰＷＭ変調器
１１ 減算器
１２，１３ 電流制御器
１４ ゲイン
１５，１６ 加算器
１７，１８ 減算器
２１，２２ 正弦波電力波形
２７，２８ 交流電流検出器
１０１、１０２ 交流電圧出力端子
１０３ 中性線
２０１ 正母線
２０２ 負母線
Ｌ１ リアクトル

Claims (2)

1. 直流電源とこれに接続する正母線と負母線を有し、前記正母線と前記負母線間に第一及び第二のスイッチ素子、並びに第三及び第四のスイッチ素子を直列接続し、それぞれの中間点がリアクトルを介して、単相三線式電力系統のＵ相電圧出力端子並びに前記単相三線式電力系統のＶ相電圧出力端子に接続すると共に、前記正母線と負母線間に直列に接続された二つのコンデンサの中点から前記単相三線式電力系統の中性線に接続して交流電力に変換する系統連系インバータにおいて、
   前記二つのコンデンサの中点と前記母線との間の電圧と前記正母線と負母線間の電圧を検出する電圧検出手段と、
   前記二つのコンデンサの中点と前記母線との間の電圧が前記正母線と負母線間の電圧の１／２になるようにインバータの出力電流指令の直流成分を制御するインバータ出力電流制御手段と、
   前記リアクトルと前記Ｕ相電圧出力端子間、及び前記リアクトルと前記Ｖ相電圧出力端子間の交流電流値を検出する交流電流検出手段と、を有し、
   前記電圧検出手段で検出した前記二つのコンデンサの中点と前記母線との間の電圧とを直流入力電圧の１／２の値から減算し、この値を前記交流出力の直流成分とみなすように制御し、
   さらに、前記交流出力のみなし直流成分と予め生成した正弦波電流波形とを加算し、この加算して得た加算値から前記交流電流検出手段で検出された交流電流値を減算して前記直流成分を除去することを特徴とする系統連系インバータ装置。
2. 直流電源とこれに接続する正母線と負母線を有し、前記正母線と単相二線式電力系統の相電圧出力間並びに前記負母線と前記単相二線式電力系統の相電圧出力端子間にリアクトルを介して、それぞれ第一及び第二のスイッチ素子を直列接続すると共に、前記正母線と負母線間に直列に接続された二つのコンデンサの中点から前記単相二線式電力系統の相電圧出力端子に接続して交流電力に変換する系統連系インバータにおいて、
   前記二つのコンデンサの中点と前記母線との間の電圧と前記正母線と負母線間の電圧を検出する電圧検出手段と、
   前記二つのコンデンサの中点と前記母線との間の電圧が前記正母線と負母線間の電圧の１／２になるようにインバータの出力電流指令の直流成分を制御するインバータ出力電流制御手段と、
   前記リアクトルと前記相電圧出力端子間の交流電流値を検出する交流電流検出手段と、を有し、
   前記電圧検出手段で検出した前記二つのコンデンサの中点と前記母線との間の電圧と直流入力電圧の１／２の値から減算し、この値を前記交流出力の直流成分とみなすように制御し、
   さらに、前記交流出力のみなし直流成分と予め生成した正弦波電流波形とを加算し、この加算して得た加算値から前記交流電流検出手段で検出された交流電流値を減算して前記直流成分を除去することを特徴とする系統連系インバータ装置。

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