JP5114906B2

JP5114906B2 - 系統連系インバータ装置

Info

Publication number: JP5114906B2
Application number: JP2006258539A
Authority: JP
Inventors: 眞一郎住吉
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2006-09-25
Filing date: 2006-09-25
Publication date: 2013-01-09
Anticipated expiration: 2026-09-25
Also published as: JP2008079480A

Description

本発明は、太陽電池または燃料電池などの直流電力を商用周波数の交流電力に変換して系統に電力を注入する系統連系インバータ装置に関するものである。

従来、この種の系統連系インバータ装置としては、例えば高周波トランスの１次側に共振コンデンサとスイッチング素子を配置し、スイッチング素子の電圧波形を共振させてゼロ電圧スイッチング動作を行うと共に、１次インバータが商用２倍周期で正弦波変調を行い、さらに高周波トランスの２次側ではダイオードとコンデンサで高周波成分を整流し、高周波トランスの２次側に配置した２次インバータで極性切換を行うことにより、概ね力率１の正弦波電流を生成している高効率な系統連系インバータ装置があった（例えば、特許文献１参照）。

図９は、従来使用している系統連系インバータ装置の構成を示す接続図であり、図１０は動作を説明する波形図である。第１インバータ２が直流電源１の電力を高周波電力に変換する。これは、第１インバータ２のスイッチング素子８がオンオフを繰り返すことにより実現されるものである。通常、スイッチング素子８がターンオフする際、コレクタ−エミッタ間に流れる電流が遮断されるため、高周波トランス３に蓄積された励磁エネルギーを共振コンデンサ７との間で充放電することで、スイッチング素子８のコレクタ−エミッタ電圧は図４に示すように共振波形となる。つぎに、コレクタ−エミッタ電圧がゼロとなりスイッチング素子８に逆並列で接続されたダイオードに電流が流れている期間にスイッチング素子８をターンオンすることで、ゼロ電圧スイッチングを実現している。
特開２０００−３２７５１号公報

しかしながら前記従来の構成では、出力電力は入力電圧とスイッチング素子のオン時間の積分値に概ね比例するように制御される一方、スイッチング素子のオフ時間は共振によるゼロ電圧スイッチングを維持するためにほとんど変化しないことから、出力電力及び入力電圧の大きさによって動作周波数は適宜変化する。通常、動作周波数が上昇するとスイッチング損失が増加するので、効率が低下する。ここで所定に出力電力を得る条件において、入力電圧が高い時はオン時間を減少させることから動作周波数は増加する。特に燃料電池や太陽電池は内部インピーダンスを有しているため低出力時に出力電圧が上昇し、広い動作範囲での高効率化に限界がある。

本発明は、上記従来の課題を解決するもので、直流電源の出力電圧にかかわらず、第１インバータの入力電圧を一定とすることで、内部に共振回路を有する第１インバータの動作周波数変化が小さくなり、低損失化を実現することで高効率な系統連系インバータ装置を提供することを目的とする。

前記目的を達成するために、本発明の系統連系インバータ装置は、商用系統に連系することが可能な電圧まで昇圧動作を行う第１インバータと直流電源との間に、降圧コンバータを配置して、第１インバータを一定入力電圧で動作させるようにした系統連系インバータ装置とするものである。

本発明の系統連系インバータ装置は、出力インピーダンスを有する直流電源と、高周波トランスと第１インバータと共振手段と整流手段からなる昇圧変換ブロックとの間に、降圧コンバータを接続して、目標出力電力、直流電源の電圧にかかわらず第１インバータに入力される電圧を一定値に制御し、昇圧変換ブロックの動作周波数を一定にすることで、直流電源の電圧によらず高効率化が可能となる系統連系インバータ装置とすることができる。

第１の発明は、出力インピーダンスを有する直流電源と、高周波トランスと、前記高周波トランスの１次側に接続した第１インバータと、前記直流電源と前記第１インバータ間に設けられ前記直流電源の電圧を降圧して出力する降圧コンバータと、前記高周波トランスの２次側に設けられコイルとコンデンサとを有する共振手段と、整流手段と、前記整流手段の出力電圧をパルス幅変調により系統への出力電流を生成する第２インバータとを有し、前記降圧コンバータは、前記第１インバータが最大効率で動作可能な所定の入力電圧まで前記直流電源の電圧を降圧する系統連系インバータ装置である。この構成により、高効率の昇圧動作が可能な系統連系インバータ装置を実現することができる。

第２の発明は、特に、第１の発明において、第１インバータは４個のスイッチング素子をフルブリッジ構成としたことにより、スイッチングにおける高周波トランスによる磁束が自動でリセットされる。

第３の発明は、特に、第１または第２の発明において、第１インバータの各スイッチング素子に電圧共振コンデンサを並列接続することで、昇圧動作時の各スイッチング素子への印加電圧を緩やかに変化させることで、高効率な系統連系インバータ装置を実現することができる。

第４の発明は、第１〜３のいずれか１つの発明において、降圧コンバータ出力電圧を分割する２個以上の分圧コンデンサと、１次側に中間端子を有する高周波トランスとがリアクトルで接続され、第１インバータは周波数一定で動作し、出力可変のためにスイッチング素子を２個直列に接続した各アームの駆動位相をずらして動作することで、出力電力に関わらず広い動作範囲で高効率な系統連系インバータ装置を実現することができる。

第５の発明は、第１〜４のいずれか１つの発明において、降圧コンバータと第１インバータの動作周波数を一致させることで、発生ノイズの周波数成分を制限でき、小形で且つ低コストの系統連系インバータ装置を実現することができる。

第６の発明は、第１〜５のいずれか１つの発明において、第１インバータ、第２インバータを構成するスイッチング素子の駆動及びマイコンをふくむ制御用電源を、降圧コンバータの出力電圧から生成することで、駆動及び制御用電源の入力電圧範囲を狭くすることができ、さらに低耐圧のスイッチング素子を使用することが可能な低入力電圧設計もできるため、より簡素で且つ安価な系統連系インバータ装置を実現することができる。

第７の発明は、第１〜６のいずれか１つの発明において、起動時に制御回路は、降圧コンバータ、第１インバータの順番で動作させることとし、停止時は第１インバータ、降圧コンバータの順番で動作を停止することで、第１インバータ及びコンバータの特に起動及び停止時といった過渡期間において、安定動作が可能な系統連系インバータ装置を実現することができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、本実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は、本発明の第１の実施の形態における系統連系インバータ装置の回路図を示すものである。

図１において、直流電源１１の出力には電圧を所定の電圧に変換する降圧コンバータ１２が接続されて、第１インバータへの入力電圧となり、さらに直列接続されたスイッチング素子Ｑ１とＱ２、Ｑ３とＱ４とが第１インバータ１４を構成している（フルブリッジ構成）。第１インバータ１４の出力は高周波トランス１３の１次側に接続され、高周波トランス１３の２次側にはコイル（例えば限流リアクトル）とコンデンサからなる共振手段１５と、整流手段１６と、第２インバータ１７とが接続され、系統１８に連系している。

以上のように構成された系統連系インバータ装置について、図２を参照して以下にその動作、作用を説明する。

第１インバータ１４は、高周波スイッチングによって得られた高周波電力を高周波トランス１３を介して昇圧動作と共に電力伝達するが、２次側には共振手段１５が配置されていることから、図２（ａ）示すように共振周波数で最大電力を得ることになる。制御のし易さにおいて、通常は動作周波数を上昇させる方向で、出力電力を可変をしており、さらに出力電力一定とした場合でも、入力電圧の増加に伴って動作周波数を上昇させて制御する。ここで、動作周波数が上昇するとスイッチング損失が増加するため、図２（ｂ）に示すように入力電圧の上昇に伴って、第１インバータ１４の効率が低下することから入力電圧は系統連系する上で必要となる直流電圧までの昇圧が可能で、さらに電流増加による損失が支配的にならない電圧にすることが最適である。例えば家庭内負荷の大きさに応じて出力を可変することが求められ、さらに大きな出力インピーダンス有する燃料電池の場合、出力電流が減少する低出力電力では電圧が上昇するため、降圧コンバータ１２は燃料電池の直流電圧を第１インバータ１４が最大効率で動作可能な入力電圧まで降圧し、また、定格電力では降圧コンバータ１２は降圧比を抑えて動作する。

以上のように、本実施の形態において直流電源と第１インバータ間に降圧コンバータを配置して、第１インバータへの入力電圧を直流電源の電圧にかかわらず一定電圧に変換することで入力電圧の変動に対して、常時、装置の高効率化を実現することができる。

（実施の形態２）
図３は、本発明の第２の実施の形態における系統連系インバータ装置の回路図を示すものである。

図３において、図１の回路構成と異なるのは、第１インバータをフルブリッジ構成する４個のスイッチング素子のコレクタ−エミッタ間に電圧共振コンデンサ１９ａ〜１９ｄを並列接続した点である。上記以外の構成要素は第１の実施の形態と同等であり、説明を省略する。

以上のように構成された系統連系インバータ装置について以下にその動作、作用を図４を示して説明する。

第１インバータ１４を構成するＱ１とＱ４、Ｑ２とＱ３とがそれぞれ１８０度の異なる位相で高周波スイッチングして、高周波トランス１３の１次電圧は直流電源１１の電圧に関わらず、降圧コンバータ１２の出力電圧Ｖｂｃを正負の振幅とする高周波電圧となる。ここで、導通していたスイッチング素子（例えばＱ１、Ｑ４）がターンオフする際にそれぞれのスイッチング素子に並列に接続された電圧共振コンデンサ１９ａ、１９ｄは充電され、非道通であったスイッチング素子（ここではＱ２、Ｑ３）に並列の電圧共振コンデンサ１９ｂ、１９ｃは放電されて、スイッチング素子に並列接続された逆導通ダイオードが導通したところで、電流は直流電源に回生される。逆導通ダイオードが導通しているタイミングでＱ２、Ｑ３をターンオンすることで、ゼロ電圧スイッチングが行われる。

以上のように、本実施の形態において第１インバータの各スイッチング素子に電圧共振コンデンサを並列接続することで、高周波スイッチングによる昇圧動作時の各スイッチング素子への印加電圧を緩やかに変化させることで、高周波スイッチング動作に伴う損失を低減し装置の小形化、高効率化を実現することができる。

（実施の形態３）
図５は、本発明の第３の実施の形態における系統連系インバータ装置の回路図を示すものである。

図５において、図３の回路構成と異なるのは、直流電源は２個の分圧コンデンサ２０で電圧が分割され、中間の電圧端子は高周波トランス１３の１次側にある中間端子との間に転流リアクトル２１を介して接続した点である。上記以外の構成要素は第２の実施の形態と同等であり、説明を省略する。

以上のように構成された系統連系インバータ装置について以下にその動作、作用を説明する。

最大電力を取り出す際、Ｑ１、Ｑ４とＱ２、Ｑ３とは１８０度位相をずらして交互に導通する。この時、高周波トランス１３の１次側の中間端子には、スイッチング動作に関わらず常時、降圧コンバータ電圧の１／２が印加されている。一方、分圧コンデンサ２０で得られる中間電圧も降圧コンバータ電圧の１／２であるため、結果的に転流リアクトル２１の両端に印加される電圧はゼロとなり、転流リアクトル２１に電流は流れない。一方、インバータ１４を構成するＱ１とＱ４、またはＱ２とＱ３に、位相差を与えてスイッチング動作することにより、出力電力を低下させている。この時、高周波トランス１３の１次側の中間端子以外が共に降圧コンバータ１２の出力電圧またはゼロ電圧となることで、高周波トランスの１次側はゼロ電圧となり、転流リアクトル２１の両端には（Ｖｂｃ−１／２Ｖｂｃ）または（０−１／２Ｖｂｃ）が印加されて転流リアクトル２１に電流が流れるため、電圧共振コンデンサ１９ａ〜１９ｄから十分な電荷を引き抜いて、ゼロ電圧スイッチングを維持している。またスイッチングに伴う発生ノイズの周波数成分を拡散させないために、降圧コンバータ１２と第１インバータ１４の動作周波数は一定としている。

以上のように、本実施の形態において降圧コンバータ出力電圧を分割する２個以上の分圧コンデンサと、１次側に中間端子を有する高周波トランスとがリアクトルで接続され、降圧コンバータと第１インバータとが周波数一定で動作し、出力可変は第１インバータを構成するスイッチング素子を２個直列に接続した各アームの駆動位相をずらして動作させることで、出力電力に関わらず広い動作範囲で高効率運転が可能になるとともに、ノイズ対策も容易な装置を実現することができる。

（実施の形態４）
図６は、本発明の第４の実施の形態における系統連系インバータ装置の回路図を示すものである。

図６において、図５の回路構成と異なるのは、降圧コンバータ１２に接続された制御用電源２２の出力が、スイッチング素子駆動回路２３と制御回路２４へ供給されている点である。上記以外の構成要素は第３の実施の形態と同等であり、説明を省略する。

出力電流の増加に伴い出力電圧が大きく低下する内部インピーダンスの大きい直流電源１１の電圧を、第１インバータ１４に対して一定入力電圧となるように制御している降圧コンバータ１２の出力電圧を制御用電源２２の入力電圧としていることから、入力範囲が限定されることを前提に合理的な回路設計を実現している。例えば数百秒以上に及ぶ系統保護時の復帰待ち時間において、制御用電源２２は降圧コンバータ１２が動作中であるため、スイッチング素子駆動回路２３と制御回路２４とで第１インバータ１４と第２インバータ１７だけを停止させることが可能である。加えてこの時、直流電源１１は出力を取り出さないため大幅に電圧が上昇するが、降圧コンバータ１２が出力電圧を一定に維持するため、制御用電源２２への印加電圧は一定となっている。

以上のように、本実施の形態において、第１インバータ、第２インバータを構成するスイッチング素子の駆動及びマイコンをふくむ制御用電源を、降圧コンバータの出力電圧から生成することで、駆動及び制御用電源の入力電圧範囲を狭くすることができ、さらに低耐圧のスイッチング素子を使用することが可能な低入力電圧設計もできるため、より簡素で且つ安価な系統連系インバータ装置を実現することができる。

（実施の形態５）
図７は、本発明の第５の実施の形態における系統連系インバータ装置の各部動作を示す波形図である。図７において、構成要素は第４の実施の形態と同等であり、説明を省略する。

降圧コンバータ１２が目標電圧まで到達する前に第１インバータ１４が起動した場合、第１インバータ１４も目標電圧に向かってパルス幅を拡大させていくため、各変換器の制御時定数にもよるが、少なくとも一定時間の間、第１インバータ１４の出力が不安定となってしまうことから、降圧コンバータ１２が起動信号を受けて、出力が目標電圧に到達した後に、第１インバータ１４を起動させる。降圧コンバータ１２と同様に第１インバータ１４も制御時定数を有することから、一定時間かかった後に、第１インバータ出力電圧は第２インバータ１７が系統連系して動作することが可能な電圧に到達する。また、装置の停止時は、先に第１インバータ１４を停止させた後で、降圧コンバータ１２を停止させる動作シーケンスにより、スイッチング素子駆動回路２３と制御回路２４が確実に第１インバータ１４を停止させることを担保している。

以上のように、本実施の形態において、起動時に制御回路は、降圧コンバータ、第１インバータの順番で動作させることとし、停止時は第１インバータ、降圧コンバータの順番で動作を停止することで、第１インバータ及びコンバータの特に起動及び停止時といった過渡期間において、信頼性が高くかつ安定動作が可能な系統連系インバータ装置を実現することができる。

（実施の形態６）
図８は、本発明の第６の実施の形態における系統連系インバータ装置の各部動作を示す波形図である。図８において、構成要素は第４の実施の形態と同等であり、説明を省略する。

スイッチング素子のオン時間が、出力電圧に概ね比例する降圧コンバータ１２において、スイッチング素子のオン時間に上限が設定されている降圧コンバータ１２の制御回路は、入力される直流電源１１の出力電圧が低下するような条件によって、オン時間が上限に到達した場合、降圧コンバータ１２のスイッチング素子は常時オンとなり、入力電圧を変化させずに出力電圧として直流電源１１の電圧を第１インバータ１４に印加して、昇圧変換動作と第２インバータ１７による系統連系運転動作を維持する。

以上のように、本実施の形態において、直流電源の電圧が、予め設定した第１インバータの入力電圧以下となった時にも電力変換動作を維持することが可能な系統連系インバータ装置を実現することができる。

なお、上記各実施の形態１〜６において、第１インバータのスイッチング素子を４個のフルブリッジ構成としているが、スイッチング素子は複数（つまり２個以上）あれば各実施の形態は同様に実施できるものである。

本発明にかかる系統連系インバータ装置は、出力インピーダンスの大きい太陽電池や燃料電池及び風力発電等の用途に適用できる。

本発明の実施の形態１による系統連系インバータ装置の回路図本発明の実施の形態１による系統連系インバータ装置の特性図本発明の実施の形態２による系統連系インバータ装置の回路図本発明の実施の形態２による系統連系インバータ装置の各部動作を示す波形図本発明の実施の形態３による系統連系インバータ装置の回路図本発明の実施の形態４による系統連系インバータ装置の回路図本発明の実施の形態５による系統連系インバータ装置の動作タイミング図本発明の実施の形態６による系統連系インバータ装置の動作特性図従来の系統連系インバータ装置の回路図従来の系統連系インバータ装置の各部動作を示す波形図

符号の説明

１１直流電源
１２降圧コンバータ
１３高周波トランス
１４第１インバータ
１５共振手段
１６整流手段
１７第２インバータ
１８系統
１９ａ〜１９ｄ電圧共振コンデンサ
２０分圧コンデンサ
２１転流リアクトル
２２制御用電源
２３スイッチング素子駆動回路
２４制御回路

Claims

出力インピーダンスを有する直流電源と、高周波トランスと、前記高周波トランスの１次側に接続した第１インバータと、前記直流電源と前記第１インバータ間に設けられ前記直流電源の電圧を降圧して出力する降圧コンバータと、前記高周波トランスの２次側に設けられコイルとコンデンサとを有する共振手段と、整流手段と、前記整流手段の出力電圧をパルス幅変調により系統への出力電流を生成する第２インバータとを有し、
前記降圧コンバータは、前記第１インバータが最大効率で動作可能な所定の入力電圧まで前記直流電源の電圧を降圧する系統連系インバータ装置。
第１インバータは４個のスイッチング素子をフルブリッジ構成とした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。
第１インバータの各スイッチング素子に電圧共振コンデンサを並列接続した請求項１または２に記載の系統連系インバータ装置。
降圧コンバータ出力電圧を分割する複数の分圧コンデンサと、１次側に中間端子を有する高周波トランスとがリアクトルで接続され、第１インバータは周波数一定で動作し、出力可変のためにスイッチング素子を複数直列に接続した各アームの駆動位相をずらして動作する請求項１〜３いずれか１項に記載の系統連系インバータ装置。
降圧コンバータと第１インバータの動作周波数を一致させる請求項１〜４のいずれか１項に記載の系統連系インバータ装置。
第１インバータと第２インバータを駆動する制御用電源を有し、前記制御用電源は降圧コンバータの出力電圧から生成する請求項１〜５のいずれか１項に記載の系統連系インバータ装置。
制御回路を有し、起動時には降圧コンバータを起動した後に第１インバータを起動し、停止時には第１インバータを停止した後に、降圧コンバータを停止することを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の系統連系インバータ装置。