JP5279911B2

JP5279911B2 - 系統連系インバータ装置

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Publication number: JP5279911B2
Application number: JP2011524587A
Authority: JP
Inventors: 直樹西尾
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2009-07-30
Filing date: 2009-07-30
Publication date: 2013-09-04
Anticipated expiration: 2029-07-30
Also published as: US20120075899A1; US8593844B2; JPWO2011013233A1; WO2011013233A1; EP2461474A1

Description

本発明は、直流電源から供給される直流電力を交流電力に変換して系統と連系する系統連系インバータ装置に関する。

この種の従来技術にかかる系統連系インバータ装置として、例えば下記特許文献１に示されたものがある。この特許文献１に示された系統連系インバータ装置では、リアクトルの入力側に降圧機能を有する第１電力変換手段を配置し、リアクトルの出力側に昇圧機能を有する第２電力変換手段を配置し、第２電力変換手段の出力側には直流を交流電流に変換して系統に出力する第３電力変換手段を配置し、系統電圧と第１電力変換手段への入力電圧との大小に応じて、第１電力変換手段または第２電力変換手段の動作を切換制御する構成を開示している。

特開２００４−１０４９６３号公報

しかしながら、上記特許文献１に示される系統連系インバータ装置は、降圧回路である第１電力変換手段と、昇圧回路である第２電力変換手段とが必須の構成要件であるため、回路規模が大型化し、損失も増大するという課題があった。

また、この系統連系インバータ装置では、入力電圧が系統電圧よりも高いときには降圧回路である第１電力変換手段を制御し、入力電圧が系統電圧よりも低いときには昇圧回路である第２電力変換手段を制御する必要があるため、直流を交流電流に変換する第３電力変換手段の制御とも相まって制御が複雑になるという課題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、昇圧回路や降圧回路を不要とし、制御の簡素化を可能とする系統連系インバータ装置を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかる系統連系インバータ装置は、直流電源から供給される直流電力を交流電力に変換して電力系統と連系する系統連系インバータ装置において、前記直流電源の両端に直列接続され、相互の接続点が前記電力系統の一端に接続される第１および第２のコンデンサと、一端が前記第１のコンデンサと前記第２のコンデンサとの接続点に接続されるリアクトルと、一端が前記直流電源の正極側に接続され、他端が前記リアクトルの他端に接続される第１のスイッチ部と、一端が前記直流電源の負極側に接続され、他端が前記リアクトルの他端に接続される第２のスイッチ部と、一端が前記リアクトルの他端に接続され、他端が前記電力系統の他端に接続される第３のスイッチ部と、一端が前記リアクトルの他端に接続され、他端が前記電力系統の他端に接続される第４のスイッチ部と、前記電力系統の両端に並列接続される第３のコンデンサと、を備えたことを特徴とする。

本発明によれば、昇圧回路や降圧回路が不要になるとと共に、制御の簡素化が可能となるので、小型・軽量・低損失の系統連系インバータ装置を提供することができるという効果が得られる。

図１は、本発明の実施の形態１にかかる系統連系インバータ装置の構成を示す図である。図２は、実施の形態１の系統連系インバータ装置における１周期のスイッチング動作を示すタイムチャートである。図３は、系統電圧の正の半周期における電流の流れを図１の回路図上に示した図である。図４は、系統電圧の負の半周期における電流の流れを図１の回路図上に示した図である。図５は、本発明の実施の形態２にかかる系統連系インバータ装置の構成を示す図である。図６は、本発明の実施の形態３にかかる系統連系インバータ装置の構成を示す図である。図７は、実施の形態３の系統連系インバータ装置における１周期のスイッチング動作を示すタイムチャートである。

以下に添付図面を参照し、本発明の実施の形態にかかる系統連系インバータ装置を詳細に説明する。なお、以下の内容により本発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１にかかる系統連系インバータ装置の構成を示す図である。図１に示す系統連系インバータ装置は、電流型インバータ装置と称される回路構成のものであり、例えば太陽電池モジュールや燃料電池などである直流電源１を直流入力とし、この直流電源１による直流電力を交流電力に変換して電力系統２と連系する装置として示されており、インバータ回路５および、インバータ回路５を制御する制御部６を備えて構成される。なお、インバータ回路５の具体的な構成は以下のとおりである。

図１において、直流電源１の正極端側から引き出された正側の直流母線４Ｐには、スイッチング素子Ｓ１、ダイオードＤ１、ダイオードＤ３、およびスイッチング素子Ｓ３が挿入され、直流電源１の負極端側から引き出された負側の直流母線４Ｎには、スイッチング素子Ｓ２、ダイオードＤ２、ダイオードＤ４、およびスイッチング素子Ｓ４が挿入されている。直流電源１の両端には、第１のコンデンサであるコンデンサＣ１と第２のコンデンサであるコンデンサＣ２とが直列接続され、コンデンサＣ１とコンデンサＣ２との接続点であるコンデンサＣ１，Ｃ２の中点には、リアクトルＬの一端が接続され、リアクトルＬの他端は、ダイオードＤ１，Ｄ３のカソード同士を突き合わせた接続点と、ダイオードＤ２，Ｄ４のアノード同士を突き合わせた接続点の双方に接続されている。また、スイッチング素子Ｓ１の一端（図１では、ドレイン）は、コンデンサＣ１の正極端（直流電源１の正極端）側に接続され、スイッチング素子Ｓ１の他端（図１では、ソース）は、ダイオードＤ１のアノードに接続され、スイッチング素子Ｓ２の一端（図１では、ソース）は、コンデンサＣ２の負極端（直流電源１の負極端）側に接続され、スイッチング素子Ｓ１の他端（図１では、ドレイン）は、ダイオードＤ２のカソードに接続されている。また、スイッチング素子Ｓ３の一端（図１では、ソース）は、ダイオードＤ３のアノードに接続され、スイッチング素子Ｓ４の一端（図１では、カソード）は、ダイオードＤ４のカソードに接続されると共に、これらスイッチング素子Ｓ３，Ｓ４の他端同士は接続され、その接続点とコンデンサＣ１，Ｃ２の中点との間には、電力系統２と、フィルタ手段であるコンデンサＣ３とが各並列に接続されている。

なお、ダイオードＤ１〜Ｄ４は、スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ４が逆バイアスされたときに電流を阻止するために挿入されている。また、スイッチング素子Ｓ１およびダイオードＤ１は、リアクトルＬに流れる電流を制御する第１のスイッチ部として機能し、スイッチング素子Ｓ２およびダイオードＤ２は、リアクトルＬに流れる電流を制御する第２のスイッチ部として機能し、スイッチング素子Ｓ３およびダイオードＤ３は、電力系統２に流れる電流を制御する第３のスイッチ部として機能し、スイッチング素子Ｓ４およびダイオードＤ４は、電力系統２に流れる電流を制御する第４のスイッチ部として機能し、これらの各スイッチ部は、制御部６によって制御される。

つぎに、実施の形態１にかかる系統連系インバータ装置の動作について図２〜図４を参照して説明する。図２は、実施の形態１の系統連系インバータ装置における１周期のスイッチング動作を示すタイムチャートであり、図３は、系統電圧の正の半周期における電流の流れを図１の回路図上に示した図であり、図４は、系統電圧の負の半周期における電流の流れを図１の回路図上に示した図である。図２において、系統電圧Ｖは、電力系統２の出力電圧であり、系統電流Ｉは、電力系統２に流出入する電流である。

なお、図２において、電力系統の一端が接続される第３のスイッチ部と第４のスイッチ部との接続端側の電位が正のときを系統電圧Ｖの正と定義し、電力系統の他端が接続されるコンデンサＣ１，Ｃ２の中点側の電位が正のときを系統電圧Ｖの負と定義する。ただし、本実施の形態では、電力系統の周波数は既知（例えば５０Ｈｚまたは６０Ｈｚの商用周波数）であり、系統電圧の極性情報は系統電圧を検知することなく得られるものとする。また、第４のスイッチ部から電力系統２に流入する方向を系統電流Ｉの正と定義し、電力系統２から第３のスイッチ部に流出する方向を系統電流Ｉの負と定義する。

図２に示すように、系統電圧の正の半周期においては、スイッチング素子Ｓ１，Ｓ３はＯＦＦに制御され、スイッチング素子Ｓ４はＯＮに制御され、スイッチング素子Ｓ２はＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御される。この制御により、系統電圧の正の半周期においては、図３の太実線Ｋ２で示すような正の電流が流れる。一方、系統電圧の負の半周期においては、スイッチング素子Ｓ２，Ｓ４はＯＦＦに制御され、スイッチング素子Ｓ３はＯＮに制御され、スイッチング素子Ｓ１はＰＷＭ制御される。この制御により、系統電圧の負の半周期においては、図４の太実線Ｋ４で示すような負の電流（図３とは逆向きの電流）が流れる。

また、系統電圧の正負の各半周期における動作の詳細は、つぎのとおりである。まず、系統電圧の正の半周期の動作を示す図３において、ＰＷＭ制御されるスイッチング素子Ｓ２がＯＮのときには、太破線Ｋ１で示すような電流が流れ、リアクトルＬに直流電源１（コンデンサＣ２）からの電気エネルギーが電流エネルギーとして蓄積される。なお、系統電圧Ｖが直流電源電圧Ｅよりも高いとき、電力系統２からリアクトルＬに向かって電流が流れようとするが、この電流はスイッチング素子Ｓ３（正の半周器では常時ＯＦＦ）およびダイオードＤ４によって遮断される。一方、スイッチング素子Ｓ２がＯＮからＯＦＦに切り替わると、リアクトルＬに蓄積された電流エネルギーは開放され、太実線Ｋ２で示すように電力系統２に向けて出力される。

系統電圧の負の半周期の動作についても同様である。図４において、ＰＷＭ制御されるスイッチング素子Ｓ１がＯＮのときには、太破線Ｋ３で示すような電流が流れ、リアクトルＬに直流電源１（コンデンサＣ１）からの電気エネルギーが電流エネルギーとして蓄積される。なお、系統電圧Ｖが直流電源電圧Ｅよりも高いとき、電力系統２からリアクトルＬに向かって電流が流れようとするが（図３とは逆向き）、この電流はスイッチング素子Ｓ４（負の半周器では常時ＯＦＦ）およびダイオードＤ３によって遮断される。一方、スイッチング素子Ｓ１がＯＮからＯＦＦに切り替わると、リアクトルＬに蓄積された電流エネルギーは開放され、太実線Ｋ４で示すように電力系統２に向けて出力される。

これら系統電圧の正負各半周期の動作において、系統電圧のピーク付近ではＯＮパルス幅を広くし、零クロス付近ではＯＮパルス幅を狭くするＰＷＭ制御によって、系統電流Ｉが正弦波状になるように整えられる。また、リアクトルＬとコンデンサＣ３の各作用により、系統電流Ｉが平滑化されて電力系統２に供給される。

ここで、上記の各動作において、スイッチング素子Ｓ１がＯＮからＯＦＦに切り替わるときにリアクトルＬに発生する起電力は、系統電圧のピーク電圧よりも大きくすることが可能である。したがって、実施の形態１の系統連系インバータ装置によれば、直流電源電圧Ｅが系統電圧Ｖよりも小さい場合であっても、昇圧回路を設けることなく、リアクトルＬに蓄積された電流エネルギーを電力系統２に供給することが可能となる。また、直流電源電圧Ｅが系統電圧Ｖよりも大きい場合であっても、降圧回路は不要である。このように、実施の形態１の系統連系インバータ装置は、昇圧回路および降圧回路を必要とする上記特許文献１の系統連系インバータ装置に比べて、より小型かつ軽量の回路構成を実現している。

また、特許文献１の系統連系インバータ装置では、リアクトルに蓄積された電流エネルギーを電力系統に供給する際には、１つのダイオードと２つのスイッチング素子を必ず通過する必要があったが、実施の形態１の系統連系インバータ装置では、１つのダイオードと１つのスイッチング素子を通過するのみである。したがって、実施の形態１の系統連系インバータ装置は、特許文献１の系統連系インバータ装置に比べて、より低損失な回路構成を実現している。

以上説明したように、実施の形態１の系統連系インバータ装置によれば、直流電源の両端に直列接続されるコンデンサＣ１，Ｃ２の相互の接続点にリアクトルＬの一端および電力系統の一端を接続し、電力系統２の両端にはコンデンサＣ３を並列接続すると共に、コンデンサＣ１からのエネルギーをリアクトルＬに蓄積するときに動作する第１のスイッチ部（Ｓ１，Ｄ１）、コンデンサＣ２からのエネルギーをリアクトルＬに蓄積するときに動作する第２のスイッチ部（Ｓ２，Ｄ２）、第１のスイッチ部（Ｓ１，Ｄ１）の動作によってリアクトルＬに蓄積されたエネルギーを電力系統２に供給するときに動作する第３のスイッチ部（Ｓ３，Ｄ３）および、第２のスイッチ部（Ｓ２，Ｄ２）の動作によってリアクトルＬに蓄積されたエネルギーを電力系統２に供給するときに動作する第４のスイッチ部（Ｓ４，Ｄ４）を設け、系統電圧の正の半周期では、スイッチング素子Ｓ１，Ｓ３をＯＦＦ、スイッチング素子Ｓ４をＯＮに制御すると共に、スイッチング素子Ｓ２をＰＷＭ制御し、系統電圧の負の半周期では、スイッチング素子Ｓ２，Ｓ４をＯＦＦ、スイッチング素子Ｓ３をＯＮに制御すると共に、スイッチング素子Ｓ１をＰＷＭ制御するようにしているので、昇圧回路や降圧回路が不要であり、制御を簡素化した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２．
図５は、本発明の実施の形態２にかかる系統連系インバータ装置の構成を示す図である。図１に示す実施の形態１の系統連系インバータ装置は、電力系統の周波数が既知であることを前提とし、系統電圧の極性情報を用いない構成であったが、実施の形態２の系統連系インバータ装置は、図示のように系統電圧の極性を検知する系統電圧検知部８を設け、この系統電圧検知部８の検出値を制御部６に入力する構成としている。

実施の形態２の系統連系インバータ装置によれば、系統電圧検知部８の検出値に基づいて系統電圧の極性を判別することができるので、たとえ電力系統の周波数が未知であっても、第１〜第４のスイッチ部に対し系統電圧の極性に応じたスイッチ制御を行うことができる。その結果、実施の形態１の系統連系インバータ装置よりもエネルギー効率のよい系統連系が可能となる。

実施の形態３．
図６は、本発明の実施の形態３にかかる系統連系インバータ装置の構成を示す図である。図５に示す実施の形態２の系統連系インバータ装置では、系統電圧の極性を検知する系統電圧検知部８を設ける構成を開示したが、実施の形態３の系統連系インバータ装置は、図示のように電力系統２に流出入する電流（系統電流）を検知する系統電流検知部９を更に設け、系統電圧検知部８および系統電流検知部９の各検出値を制御部６に入力する構成としている。

つぎに、実施の形態３にかかる系統連系インバータ装置の動作について図７を参照して説明する。図７は、実施の形態３の系統連系インバータ装置における１周期のスイッチング動作を示すタイムチャートである。なお、系統電流Ｉおよび系統電圧Ｖの極性の定義は、実施の形態１と同様である。

実施の形態３の系統連系インバータ装置では、図７に示すように、系統電圧Ｖおよび系統電流Ｉの符号に応じて第１〜第４のスイッチ部に対する制御を異ならせているが、具体的には、以下のとおりである。

（１）系統電圧Ｖの極性が正であり、且つ、系統電流Ｉの極性が負のとき
スイッチング素子Ｓ２，Ｓ４をＯＦＦ、スイッチング素子Ｓ１をＯＮに制御し、スイッチング素子Ｓ３をＰＷＭ制御する。
（２）系統電圧Ｖの極性が正であり、且つ、系統電流Ｉの極性が正のとき
スイッチング素子Ｓ１，Ｓ３をＯＦＦ、スイッチング素子Ｓ４をＯＮに制御し、スイッチング素子Ｓ２をＰＷＭ制御する。
（３）系統電圧Ｖの極性が負であり、且つ、系統電流Ｉの極性が正のとき
スイッチング素子Ｓ１，Ｓ３をＯＦＦ、スイッチング素子Ｓ２をＯＮに制御し、スイッチング素子Ｓ４をＰＷＭ制御する。
（４）系統電圧Ｖの極性が負であり、且つ、系統電流Ｉの極性が負のとき
スイッチング素子Ｓ２，Ｓ４をＯＦＦに制御し、スイッチング素子Ｓ３をＯＮに制御し、スイッチング素子Ｓ１をＰＷＭ制御する。

実施の形態３の系統連系インバータ装置によれば、系統電圧検知部８および系統電流検知部９の出力に基づいて系統電圧および系統電流の極性を判別することができるので、電力系統の周波数が未知であり、且つ、系統電圧と系統電流との間に位相差が生じた場合であっても、第１〜第４のスイッチ部に対し系統電圧および系統電流の極性に応じたスイッチ制御を行うことができる。その結果、実施の形態１，２の系統連系インバータ装置よりもエネルギー効率のよい系統連系が可能となる。

以上のように、本発明にかかる系統連系インバータ装置は、昇圧回路や降圧回路を不要とし、制御の簡素化を可能とする発明として有用である。

１直流電源
２電力系統
４Ｐ，４Ｎ直流母線
５インバータ回路
６制御部
８系統電圧検知部
９系統電流検知部
Ｃ１〜Ｃ３コンデンサ
Ｄ１〜Ｄ４ダイオード
Ｌリアクトル
Ｓ１〜Ｓ４スイッチング素子

Claims

直流電源から供給される直流電力を交流電力に変換して電力系統と連系する系統連系インバータ装置において、
前記直流電源の両端に直列接続され、相互の接続点が前記電力系統の一端に接続される第１および第２のコンデンサと、
一端が前記第１のコンデンサと前記第２のコンデンサとの接続点に接続されるリアクトルと、
一端が前記直流電源の正極側に接続され、他端が前記リアクトルの他端に接続される第１のスイッチ部と、
一端が前記直流電源の負極側に接続され、他端が前記リアクトルの他端に接続される第２のスイッチ部と、
一端が前記リアクトルの他端に接続され、他端が前記電力系統の他端に接続される第３のスイッチ部と、
一端が前記リアクトルの他端に接続され、他端が前記電力系統の他端に接続される第４のスイッチ部と、
前記電力系統の両端に並列接続される第３のコンデンサと、
を備えたことを特徴とする系統連系インバータ装置。
直流電源から供給される直流電力を交流電力に変換して電力系統と連系する系統連系インバータ装置において、
前記直流電源の両端に直列接続され、相互の接続点が前記電力系統の一端に接続される第１および第２のコンデンサと、
一端が前記第１のコンデンサと前記第２のコンデンサとの接続点に接続されるリアクトルと、
前記第１のコンデンサからのエネルギーを前記リアクトルに蓄積するときに動作する第１のスイッチ部と、
前記第２のコンデンサからのエネルギーを前記リアクトルに蓄積するときに動作する第２のスイッチ部と、
前記第１のスイッチ部の動作によって前記リアクトルに蓄積されたエネルギーを前記電力系統に供給するときに動作する第３のスイッチ部と、
前記第２のスイッチ部の動作によって前記リアクトルに蓄積されたエネルギーを前記電力系統に供給するときに動作する第４のスイッチ部と、
前記電力系統の両端に並列接続される第３のコンデンサと、
を備えたことを特徴とする系統連系インバータ装置。
前記第１のスイッチ部は、系統電圧の正の半周期ではＯＦＦに制御され、負の半周期ではＰＷＭ制御され、
前記第２のスイッチ部は、系統電圧の正の半周期ではＰＷＭ制御され、負の半周期ではＯＦＦに制御され、
前記第３のスイッチ部は、系統電圧の正の半周期ではＯＦＦに制御され、負の半周期ではＯＮに制御され、
前記第４のスイッチ部は、系統電圧の正の半周期ではＯＮに制御され、負の半周期ではＯＦＦに制御される
ことを特徴とする請求項１または２に記載の系統連系インバータ装置。
前記電力系統の出力電圧を前記系統電圧として検知する系統電圧検知部を備えたことを特徴とする請求項３に記載の系統連系インバータ装置。
前記電力系統の出力電圧を系統電圧として検知する系統電圧検知部と、
前記電力系統に流出入する電流を系統電流として検知する系統電流検知部と、
を備え、
前記系統電圧の極性が正であり、且つ、前記系統電流の極性が負のときには、前記第２および第４のスイッチ部はＯＦＦに制御され、前記第１のスイッチ部はＯＮに制御され、前記第３のスイッチ部はＰＷＭ制御され、
前記系統電圧の極性が正であり、且つ、前記系統電流の極性が正のときには、前記第１および第３のスイッチ部はＯＦＦに制御され、前記第４のスイッチ部はＯＮに制御され、前記第２のスイッチ部はＰＷＭ制御され、
前記系統電圧の極性が負であり、且つ、前記系統電流の極性が正のときには、前記第１および第３のスイッチ部はＯＦＦに制御され、前記第２のスイッチ部はＯＮに制御され、前記第４のスイッチ部はＰＷＭ制御され、
前記系統電圧の極性が負であり、且つ、前記系統電流の極性が負のときには、前記第２および第４のスイッチ部はＯＦＦに制御され、前記第３のスイッチ部はＯＮに制御され、前記第１のスイッチ部はＰＷＭ制御される
ことを特徴とする請求項１または２に記載の系統連系インバータ装置。