JP5468394B2

JP5468394B2 - 系統連系インバータ

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Publication number: JP5468394B2
Application number: JP2010004897A
Authority: JP
Inventors: 裕史児山; 純一津田; 宏餅川
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2010-01-13
Filing date: 2010-01-13
Publication date: 2014-04-09
Anticipated expiration: 2030-01-13
Also published as: JP2011147238A

Description

本発明は、直流電源の出力を交流に変換して電気事業者の電力系統と連系させる系統連系インバータに関する。

近年、太陽光発電システムや燃料電池などといった直流電源の出力を交流に変換して電力系統に連系させる系統連系インバータでは、高周波スイッチング化が進んでおり、それに伴い、高調波漏れ電流や電磁ノイズ（ＥＭＩ：Electro-Magnetic Interference）が問題になっている。漏れ電流やＥＭＩはインバータの制御や他の機器に影響を与えたり、漏電遮断器を誤動作させたりする恐れがある。日本国内では、漏れ電流の許容量は電気用品安全法で規定されており、ＥＭＩはＶＣＣＩ（Voluntary Control Council for Information Technology Equipment：情報処理装置等電波障害自主規制協議会）などによって規制されているが、特にＥＭＩに関しては、近年、規制強化の動きが加速しつつある。

太陽光発電システムにおいては、太陽電池パネルと大地に接続された太陽電池パネルのフレームとの間に浮遊容量が存在し、高周波のコモンモードノイズの経路となりうる。一般に、太陽電池パネルの表面にはガラス板から成る絶縁層が形成されており、このガラス板は大きな平面を有するため、雨で濡れると太陽電池パネルとフレーム間の浮遊容量が増大し、高周波コモンモード電流も増大する。高周波電圧の変動は、インバータが半導体素子のスイッチングにより直流を交流に変換する際に発生する。このため、インバータにおいては、漏れ電流や高周波ノイズは避けて通れない問題である。

漏れ電流や高周波ノイズを抑制する一般的な方法としては、系統連系インバータと電力系統との間を、絶縁トランスを用いて絶縁する方法の他に、コモンモード電流を抑制するコモンモードチョークコイルを用いる方法（例えば、非特許文献１参照）、フィルタでコモンモード電流を入力側または大地にバイパスさせる方法（特許文献１および非特許文献１参照）、インバータの制御方式を２レベルパルス幅変調（ＰＷＭ：Pulse Wide Modulation）として上下アームに逆極性の電圧を出力する方法（特許文献２参照）、または、これらを組み合わせた方法などが知られている。

図１１は、従来の漏れ電流・高周波ノイズ対策が施された系統連系インバータの１つとしての太陽光発電系統連系インバータの構成を示すブロック図である。この太陽光発電系統連系インバータは、半導体スイッチング素子により構成されたインバータ１、出力フィルタ２、第１コモンモードチョークコイル３ａ、第２コモンモードチョークコイル３ｂ、第１コンデンサ対４１、第２コンデンサ対４２、太陽電池５および系統トランス７を備えている。なお、図１１においては、太陽電池５と大地との間に存在する浮遊容量６をコンデンサ６ａおよびコンデンサ６ｂとして示している。

太陽電池５は、直流電圧を発生する。この太陽電池５で発生された直流電圧は、第１コモンモードチョークコイル３ａを経由してインバータ１に供給される。第１コモンモードチョークコイル３ａは、インバータ１から太陽電池５に流れるコモンモード電流を抑制する。

第１コンデンサ対４１は、コンデンサ４１ａおよびコンデンサ４１ｂから構成されており、これらの各々は太陽電池５と大地との間に接続されている。第１コンデンサ対４１は、第１コモンモードチョークコイル３ａの正極側の入力端子（ａ点）と負極側の入力端子（ｂ点）との間に配置されている。ａ点には直流ライン正電圧が、ｂ点には直流ライン負電圧がそれぞれ現れる。これらコンデンサ４１ａとコンデンサ４１ｂとの接続点に直流ライン中性点ｃが形成されている。また、第１コモンモードチョークコイル３ａと第１コンデンサ対４１はＬＣフィルタを構成しており、入力端子側のコモンモードノイズを大地にバイパスする。

インバータ１は、２レベルＰＷＭ制御方式で駆動され、太陽電池５から第１コモンモードチョークコイル３ａを経由して供給される直流電圧を、例えば図１２に示すような、＋１から−１まで変化する振幅を有し、パルス幅が正弦波状に変化するＰＷＭ電圧波形に変換し、出力フィルタ２に送る。

出力フィルタ２は、入力端がインバータ１の正極側の出力端子に接続された第１リアクトル２１ａ、入力端がインバータ１の負極側の出力端子に接続された第２リアクトル２１ｂおよび第１リアクトル２１ａの出力端と第２リアクトル２１ｂの出力端との間に接続された相間コンデンサ２２から構成されている。出力フィルタ２は、インバータ１から出力されるＰＷＭ電圧波形を、図１２の破線で示すような正弦波交流に変換し、第２コモンモードチョークコイル３ｂを経由して系統トランス７に送る。

第２コモンモードチョークコイル３ｂは、出力フィルタ２から系統トランス７に流れるコモンモード電流を抑制する。第２コンデンサ対４２は、コンデンサ４２ａおよびコンデンサ４２ｂから構成されており、これらの各々は、第２コモンモードチョークコイル３ｂと大地との間に接続されている。第２コンデンサ対４２は、第２コモンモードチョークコイル３ｂの正極側の出力端子（ｄ点）と負極側の出力端子（ｅ点）との間に配置されている。ｄ点とｅ点との間には正弦波交流（交流出力）が現れる。これらコンデンサ４２ａとコンデンサ４２ｂとの接続点に交流出力中性点ｆが形成されている。第２コモンモードチョークコイル３ｂと第２コンデンサ対４２はＬＣフィルタを構成しており、系統側のノイズを大地にバイパスする。

系統トランス７は、出力フィルタ２から第２コモンモードチョークコイル３ｂを経由して供給される正弦波交流を変圧し、電力系統に接続するための電力系統端ｈから出力する。この系統トランス７の中性点は、中性点接地線ｉにより大地に接続されている。

上記のように構成された太陽光発電系統連系インバータにおいては、インバータ１で発生された高周波漏れ電流（コモンモード電流）と高周波ノイズは、第１コモンモードチョークコイル３ａによって太陽電池５側に流れるのが抑制されるとともに、第２コモンモードチョークコイル３ｂによって系統トランス７側に流れるのが抑制され、第１コンデンサ対４１および第２コンデンサ対４２によって大地にバイパスされる。

上述した太陽光発電系統連系インバータにおいては、インバータ１を２レベルＰＷＭ制御方式で駆動するため、その出力端子間には常に逆極性の電圧が発生し、コモンモードノイズの発生を抑制できる。仮に、３レベルＰＷＭ制御方式で駆動すると、ゼロ電圧を出力する時にコモンモード電圧が発生し、大量の高周波コモンモード電流が系統トランス７の中性点接地線ｉ→大地→太陽電池５の浮遊容量６といった経路で流れる。また、半導体スイッチング素子と筐体間の浮遊容量を通るコモンモード電流経路も存在する。高周波ノイズ対策が施されていない、つまり第１コモンモードチョークコイル３ａ、第２コモンモードチョークコイル３ｂ、第１コンデンサ対４１および第２コンデンサ対４２が存在しなければ、インバータ１から発生される高周波ノイズは抑制されず、基準値をオーバーしてしまう恐れがある。

特開２００２−２１８６５６号公報特許第３８０５９５３号公報

電気学会・半導体電力変換システム調査専門委員会編、「パワーエレクトロニクス回路」、オーム社、平成１２年１１月３０日、２０６頁

上述した従来の太陽光発電系統連系インバータでは、漏れ電流がバイパスされる大地周辺への影響を考慮する必要がある他、図１２に示すように、２レベルＰＷＭ制御方式で駆動されるインバータ１の出力は振幅が大きいので、出力フィルタ２を構成する第１リアクトル２１ａおよび第２リアクトル２１ｂが大きくなる。また、２レベルＰＷＭ制御方式によるコモンモード電圧の抑制は三相インバータでは用いることができない。絶縁トランス７を用いて太陽光発電系統連系インバータと電力系統との間を絶縁する方法では、漏れ電流を根本的に無くすことができるが、絶縁トランス７によってシステムの効率が低下し、絶縁トランス７の分だけコストも高くなる。

一方、インバータ１を、３レベルＰＷＭ制御方式で駆動すると、図１３に示すように、ＰＷＭ制御の１周期における周波数は２レベルＰＷＭ制御方式の場合の２倍になり、電圧の振幅は半分になる。したがって、電流のリプルは４分の１になり、出力フィルタ２の第１リアクトル２１ａおよび第２リアクトル２１ｂを小型化することができる。しかしながら、インバータ１を３レベルＰＷＭ制御方式で駆動すると、インバータ１がゼロ電圧を出力する時にコモンモード電圧が発生し、漏れ電流やノイズの原因になるという問題がある。また、三相インバータの場合は、２レベルＰＷＭ制御を用いることはできないので、コモンモード電圧の発生は避けられない。

本発明の課題は、漏れ電流と高周波ノイズを抑制できる安価で小型の系統連系インバータを提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明は、直流電圧を発生する直流電源と、直流電源の出力をパルス幅変調するインバータと、インバータの入力側に配置され、中性点を形成するように直列に接続されたコンデンサから成る第１コンデンサ対と、インバータの出力側に配置され、中性点を形成するように直列に接続されたコンデンサから成る第２コンデンサ対と、第１コンデンサ対の中性点と第２コンデンサ対の中性点とを中性点接続線で接続することにより形成された高周波コモンモード電流のバイパス路と、バイパス路を形成する中性点接続線と大地との間に設けられた接地コンデンサと、第１コンデンサ対と第２コンデンサ対との間の少なくとも１カ所に設けられてインバータで発生されたコモンモード電流を抑制する第１コモンモードチョークコイルと、インバータから出力されるパルス幅変調された電圧を正弦波状に変換する出力フィルタを備え、前記バイパス路は、前記インバータのスイッチング周波数において、前記第２コンデンサ対を介して接続された系統トランスから大地を介して前記直流電源の浮遊容量に漏れ電流が流れる漏れ電流路よりも小さいインピーダンスを有し、前記第１コモンモードチョークコイルは、前記漏れ電流路および前記バイパス路よりも大きなインピーダンスを有することを特徴とする。

本発明によれば、インバータの出力側の中性点と入力側の中性点を中性点接続線で接続してバイパス路を形成し、このバイパス路に流れるコモンモード電流の高周波成分を接地コンデンサによって大地へ導くので、漏れ電流およびノイズが系統連系インバータ外へ流出するのを抑制することができる。また、バイパス路は、インバータのスイッチング周波数において、第２コンデンサ対を介して接続された系統トランスから大地を介して直流電源の浮遊容量に漏れ電流が流れる漏れ電流路よりも小さいインピーダンスを有し、第１コモンモードチョークコイルは、漏れ電流路および前記バイパス路よりも大きなインピーダンスを有するので、コモンモードノイズによる漏れ電流の殆どは、バイパス路を流れることになり、その大きさはコモンモードチョークコイルによって抑制される。この結果、系統連係インバータの外へ流れ出る漏れ電流は抑制される。

本発明の実施例１に係る系統連系インバータの構成を示すブロック図である。本発明の実施例１に係る系統連系インバータの変形した三相の系統連系インバータの構成を示すブロック図である。本発明の実施例２に係る系統連系インバータの構成を示すブロック図である。本発明の実施例２に係る系統連系インバータの変形例の構成を示すブロック図である。本発明の実施例３に係る系統連系インバータの構成を示すブロック図である。本発明の実施例４に係る系統連系インバータの構成を示すブロック図である。本発明の実施例５に係る系統連系インバータの構成を部分的に示すブロック図である。本発明の実施例５に係る系統連系インバータの動作を示すタイミングチャートである。本発明の実施例５に係る系統連系インバータの制御回路の構成を示すブロック図である。本発明の実施例５に係る系統連系インバータの昇圧回路およびインバータで発生する中性点電位の変動を抑制する動作を示すタイミングチャートである。従来の漏れ電流対策が施された系統連系インバータの１つとしての太陽光発電系統連系インバータの構成を示すブロック図である。インバータが２レベルＰＷＭ制御方式で駆動された場合に出力されるＰＷＭ波を示す図である。インバータが３レベルＰＷＭ制御方式で駆動された場合に出力されるＰＷＭ波を示す図である。

以下、本発明の実施の形態の系統連系インバータを、図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は、本発明の実施例１に係る系統連系インバータの構成を示すブロック図である。実施例１に係る系統連系インバータは、単相の系統連系インバータである。なお、以下においては、背景技術の欄で図１１を参照しながら説明した従来の系統連系インバータの構成要素と同一または相当する構成要素には、図１１で使用した符号と同一の符号を付して説明する。

この系統連系インバータは、インバータ１、出力フィルタ２、コモンモードチョークコイル３１、３２、３３および３４、第１コンデンサ対４１、第２コンデンサ対４２、太陽電池５、系統トランス７、昇圧回路８、直流ラインコンデンサ９、ノーマルモードリアクトル１０、接地コンデンサ１１、抵抗１２および抵抗１３を備えている。本発明の第１コモンモードチョークコイルは、コモンモードチョークコイル３１とコモンモードチョークコイル３２から構成され、第２コモンモードチョークコイルは、コモンモードチョークコイル３３とコモンモードチョークコイル３４から構成されている。なお、図１においては、太陽電池５と大地との間に存在する浮遊容量６をコンデンサ６ａおよびコンデンサ６ｂとして示している。

太陽電池５は、本発明の直流電源に対応し、直流電圧を発生し、コモンモードチョークコイル３３、第１コンデンサ対４１、コモンモードチョークコイル３２、昇圧回路８および直流ラインコンデンサ９を経由してインバータ１に電力を供給する。なお、本発明の直流電源としては、太陽電池に限らず、燃料電池、その他の直流電圧を発生する装置を使用することができる。

コモンモードチョークコイル３３は、太陽電池５の出力側であって、かつ、第１コンデンサ対４１の前段に設けられており、太陽電池５の浮遊容量６を流れるコモンモード電流を抑制する。

コモンモードチョークコイル３２は、第１コンデンサ対４１の出力側であって、かつ、昇圧回路８の前段に設けられており、インバータ１に含まれるスイッチング素子のスイッチングに起因して発生するコモンモード電圧が原因で、系統トランス７の中性線ｉや太陽電池５の浮遊容量６を流れるコモンモード電流を抑制する。

昇圧回路８は、リアクトル８１、スイッチング素子８２およびダイオード８３から構成されている。リアクトル８１の一端はコモンモードチョークコイル３２の正極側の出力端子に接続され、他端はダイオード８３のアノードに接続されている。ダイオード８３のカソードは、インバータ１の正極側の入力端子に接続されている。また、スイッチング素子８２は、例えば電界効果トランジスタ（ＦＥＴ：Field Effect Transistor）などから構成されており、そのドレインがリアクトル８１とダイオード８３の接続点に接続され、ソースは、コモンモードチョークコイル３２の負極側の出力端子とインバータ１の負極側の入力端子に接続されている。昇圧回路８は、太陽電池５の出力電圧を昇圧し、直流ラインコンデンサ９を経由してインバータ１に送る。なお、電圧を昇圧する必要が無い場合は、この昇圧回路８は除去することができる。

インバータ１は、ＦＥＴまたはＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）などといった半導体素子によるブリッジ回路から構成されている。インバータ１は、３レベルＰＷＭ制御方式で駆動され、太陽電池５から昇圧回路８を介して供給される直流電圧を、例えば図１３に示すような、＋１から０まで、または、０から−１まで変化する振幅を有し、パルス幅が正弦波状に変化するパルス波形を有するＰＷＭ電圧波形に変換し、コモンモードチョークコイル３１を経由して出力フィルタ２に送る。

コモンモードチョークコイル３１は、インバータ１の出力側であって、かつ、第２コンデンサ対４２より前段に設けられ、インバータ１のスイッチングに起因して発生するコモンモード電圧が原因で、系統トランス７の中性線ｉや太陽電池５の浮遊容量６を流れるコモンモード電流を抑制する。

出力フィルタ２は、入力端がコモンモードチョークコイル３１の正極側の出力端子に接続された第１リアクトル２１ａ、入力端がコモンモードチョークコイル３１の負極側の出力端子に接続された第２リアクトル２１ｂおよび第１リアクトル２１ａの出力端と第２リアクトル２１ｂの出力端との間に接続された相間コンデンサ２２から構成されている。出力フィルタ２は、インバータ１からコモンモードチョークコイル３１を介して送られてくるＰＷＭ波を、図１３の破線で示すような正弦波電圧波形に変換して出力する。

ノーマルモードリアクトル１０は、出力フィルタ２の正極側の出力端子、より詳しくは出力フィルタ２を構成する相間コンデンサ２２と第１リアクトル２１ａの接続点と第２コンデンサ対４２との間に配置されており、相間コンデンサ２２および第２コンデンサ対４２と共にＬＣフィルタを構成している。

コモンモードチョークコイル３４は、系統トランス７の入力側であって、かつ、第２コンデンサ対４２の後段に設けられており、系統トランス７へ流れるコモンモード電流を抑制する。

第１コンデンサ対４１は、コンデンサ４１ａとコンデンサ４１ｂとが直列に接続されて構成されており、コモンモードチョークコイル３３とコモンモードチョークコイル３２の間であって、コモンモードチョークコイル３３の正極側の出力端子（ａ点）と負極側の出力端子（ｂ点）との間に配置されている。ａ点には直流ライン正電圧が、ｂ点には直流ライン負電圧がそれぞれ現れる。これらコンデンサ４１ａとコンデンサ４１ｂとの接続点に直流ライン中性点ｃが形成されており、この直流ライン中性点ｃは、中性点接続線ｇによって、抵抗１３を経由して第２コンデンサ対４２の交流出力中性点ｆに接続されている。

第２コンデンサ対４２は、コンデンサ４２ａとコンデンサ４２ｂとが直列に接続されて構成されており、コモンモードチョークコイル３４の正極側の入力端子（ｄ点）と負極側の入力端子（e点）との間に配置されている。ｄ点とｅ点との間には正弦波交流（交流出力電圧）が現れる。これらコンデンサ４２ａとコンデンサ４２ｂとの接続点には交流出力中性点ｆが形成されており、交流出力中性点ｆは、上述したように、中性点接続線ｇによって、抵抗１３を経由して直流ライン中性点ｃに接続されている。

中性点接続線ｇの途中のｊ点は、接地コンデンサ１１と抵抗１２からなる直列回路を介して接地されている。また、中性点接続線ｇのｊ点と交流出力中性点ｆとの間には、抵抗１３が挿入されている。この中性点接続線ｇは、コモンモード電流（漏れ電流）のバイパス路となる。

コンデンサ１４は、コモンモードチョークコイル３４の出力端子間に設けられ、コモンモードチョークコイル３４のノーマルモードリアクタンス成分と共にノーマルモードのＬＣフィルタを構成している。

系統トランス７は、コモンモードチョークコイル３４を介して系統連系インバータから出力される正弦波交流を変圧し、電力系統に接続するための電力系統端ｈから出力する。系統トランス７の中性点は、中性点接地線ｉにより大地に接続されている。

上記のように構成された系統連系インバータにおいては、系統トランス７の中性点接地線ｉ→大地→太陽電池５の浮遊容量６といった経路で漏れ電流が流れる「漏れ電流路」が形成される。また、インバータ１の出力→第２コンデンサ対４２→中性点接続線ｇ→第１コンデンサ対４１→インバータ１の入力といった線路で漏れ電流が流れる「バイパス路」も形成される。漏れ電流のバイパス路は、漏れ電流の主たる周波数（インバータ１のスイッチング周波数に等しい）において、漏れ電流路よりも十分に小さいインピーダンスを有し、コモンモードチョークコイル３１とコモンモードチョークコイル３２を合わせて、漏れ電流路およびバイパス路よりも大きなインピーダンスを有する。

したがって、漏れ電流の殆どはインピーダンスの低いバイパス路を流れることになり、その大きさはコモンモードチョークコイル３１およびコモンモードチョークコイル３２によって抑制される。その結果、系統連系インバータの外へ流れ出る漏れ電流は抑制される。漏れ電流が抑制されるということは、漏れ電流の周波数帯のコモンモードノイズは抑制されることを意味する。

また、上記のように構成された系統連系インバータにおいては、コモンモードチョークコイル３３とコモンモードチョークコイル３４がそれぞれ電源側と系統側の高周波のコモンモードノイズを抑制し、インバータ１の入出力ラインの中性点は、第１コンデンサ対４１および第２コンデンサ対４２、中性点接続線ｇ、接地コンデンサ１１および抵抗１２を通して、安定電位である大地に接続されている。これにより、系統連系インバータ外への高周波ノイズの流出は抑制される。抵抗１２は、中性点接続線ｇの接地路を通る共振を抑制する。抵抗１３は、その値が大地を通る漏れ電流路のインピーダンスよりも小さくなるように設定され、中性点接続線ｇを通る共振を抑制する。コモンモードチョークコイル３３およびコモンモードチョークコイル３４に印加される電圧は小さいので、これらの部品サイズは小さく済む。なお、系統側または電源側のノイズが問題にならない場合は、問題にならない側のコモンモードチョークコイル３３またはコモンモードチョークコイル３４を省略することができる。

相間コンデンサ２２、ノーマルモードリアクトル１０および第２コンデンサ対４２により構成されるLＣフィルタは、相間コンデンサ２２および第２コンデンサ対４２の容量が比較的大きいため、小さなノーマルモードリアクトル１０の追加であってもノーマルモードの高調波ノイズを効果的に抑制できる。なお、ノーマルモードの高調波が問題にならない場合は、ノーマルモードリアクトル１０を省略することもできる。

コンデンサ１４は、コモンモードチョークコイル３４のノーマルモードリアクタンス成分と共にＬＣフィルタを構成している。このように、コンデンサ１４を追加するだけでＬＣフィルタを構成することができ、このＬＣフィルタは、ノーマルモードの高周波ノイズを抑制する。なお、ノーマルモードの高調波が問題にならない場合は、コンデンサ１４を省略することもできる。

以上説明したように、本発明の実施例１に係る系統連系インバータによれば、コモンモードチョークコイル３１、３２、３３および３４を配置し、インバータ１の出力側の交流出力中性点ｆと入力側の直流ライン中性点ｃを接続し、接地コンデンサ１１によって高周波成分を接地へ導くように構成したので、漏れ電流およびノイズが系統連系インバータ外へ流出するのを抑制することができる。

なお、上述した実施例１に係る系統連系インピーダンスは、本発明を単相の系統連系インバータに適用した例であるが、本発明は、三相の系統連系インバータに適用することもできる。図２は、三相の系統連系インバータの構成を示すブロック図である。この系統連系インバータは、上述した実施例１に係る系統連系インバータが以下のように変更されて構成されている。すなわち、コモンモードチョークコイル３１および３４は、三相用のコモンモードチョークコイルに置き換えられ、出力フィルタ２の第１リアクトル２１ａおよび２１ｂは、各相に挿入されたリアクトル２１ｕ、２１ｖおよび２１ｗに置き換えられ、相間コンデンサ２２は、各相間を結ぶ３つの相間コンデンサ２２ａ、２２ｂおよび２２ｃに置き換えられ、ノーマルモードリアクトル１０は、各相に挿入されたノーマルモードリアクトル１０ｕ、１０ｖおよび１０ｗに置き換えられ、コンデンサ１４は、各相間を結ぶ３つのコンデンサ１４ａ、１４ｂおよび１４ｃに置き換えられ、第２コンデンサ対４２は、３つのコンデンサ４２ｕ、４２ｖおよび４２ｗに置き換えられて各相の中性点を形成するように構成されている。

また、本発明の実施例１に係る系統連系インバータは、次のように変形することができる。すなわち、漏れ電流のバイパス路を、抵抗１２および抵抗１３を除去して接地コンデンサ１１のみから構成することができる。接地コンデンサ１１は、高周波ノイズを接地に導く役割を有するが、中性点接続線ｇと接地コンデンサ１１を通る共振が発生しないか問題にならない場合は、共振抑制用の抵抗１２は除去することができる。この構成においても系統連系インバータの外へ流れ出る高周波ノイズと漏れ電流を抑制することができる。

同様に、中性点接続線ｇに挿入された抵抗１３は、バイパス路を通る共振の抑制用であるが、共振が発生しないか問題にならない場合は除去することができる。また、抵抗１３は、中性点接続線ｇのｊ点と交流出力中性点ｆとの間に設けたが、中性点接続線ｇのｊ点と直流ライン中性点ｃとの間に設けることもできる。

さらに、高周波ノイズが問題にならない場合は、バイパス路の接地コンデンサ１１と抵抗１２の両方を除去し、バイパス路を接地しないように構成することもできる。この構成の場合も、上述した実施例１に係る系統連系インバータと同様の効果が得られる。

図３は、本発明の実施例２に係る系統連系インバータの構成を示すブロック図である。この系統連系インバータは、実施例１に係る系統連系インバータの第１コンデンサ対４１を１個のコンデンサ４１ｃで置き換え、第２コンデンサ対４２を１個のコンデンサ４２ｃで置き換えるとともに、コンデンサ４１ｃとコモンモードチョークコイル３３の負極側の出力端子（コモンモードチョークコイル３２の負極側の入力端子）との接続点（ｂ点）から中性点接続線ｇ上のｊ点に至る経路にコンデンサ４３ａを挿入し、出力フィルタ２の負極側の出力端子とコモンモードチョークコイル３４の負極側の入力端子との接続点（ｅ点）から抵抗１３に至る経路にコンデンサ４３ｂを挿入して構成されている。

上述した実施例１に係る系統連系インバータでは、インバータ１の入力側に形成された直流ライン中性点ｃと出力側に形成された交流出力中性点ｆとを抵抗１３を介して接続することにより漏れ電流のバイパス路が形成されているのに対し、実施例２に係る系統連系インバータでは、ｂ点とｅ点とを抵抗１３を介して接続する中性点接続線ｇの途中にコンデンサ４３ａおよびコンデンサ４３ｂを挿入してバイパス路が形成され、中性点接続線ｇ上のｊ点は、接地コンデンサ１１と抵抗１２とを順次に介して接地されている。

本発明の実施例２に係る系統連系インバータによれば、実施例１に係る系統連系インバータと同様に、漏れ電流の殆どはインピーダンスの低いバイパス路を流れ、その大きさはコモンモードチョークコイル３２およびコモンモードチョークコイル３１によって抑制され、その結果、系統連系インバータの外へ流れ出る漏れ電流は抑制される。また、高周波ノイズは、コモンモードチョークコイル３３およびコモンモードチョークコイル３４とバイパス路の接地コンデンサ１１の作用によって外部への流出が抑制される。

なお、上述した実施例２に係る系統連系インバータでは、ｅ点とｂ点とを抵抗１３を介して接続する中性点接続線ｇの途中にコンデンサ４３ａとコンデンサ４３ｂを介在させてバイパス路を形成したが、出力フィルタ２の出力側のｄ点（ノーマルモードリアクトル１０とコモンモードチョークコイル３４の正極側の入力端子との接続点）またはｅ点とインバータ１の正極側の入力端子に接続されるａ点との間にコンデンサ４３ａとコンデンサ４３ｂを介在させてバイパス路を形成するように構成することもできる。

また、実施例１に係る系統連系インバータと同様に、インバータ１の入力側に第１コンデンサ対４１による直流ライン中性点ｃを形成し、この直流ライン中性点ｃとバイパス路の接地コンデンサ１１が接続されたｊ点を接続し、ｊ点と出力フィルタ２の出力側のｄ点またはｅ点とをコンデンサ４３ｂを介在させて接続することによりバイパス路を形成し、第２コンデンサ対４２の代わりに１個のコンデンサ４２ｃを用いるように構成することもできる。

同様に、インバータ１の出力側に交流出力中性点ｆを形成し、インバータ１の入力側は第１コンデンサ対４１の代わりに１個のコンデンサ４１ｃを用い、交流出力中性点ｆとバイパス路の接地コンデンサ１１が接続されたｊ点を接続し、ｊ点とインバータ１の入力側のａ点またはｂ点とを、コンデンサ４３ａを介在させて接続することによりバイパス路を形成するように構成することもできる。なお、接地コンデンサ１１を通る共振が発生しないか問題にならない場合は抵抗１２は除去することができ、また、バイパス路を通る共振が発生しないか問題にならない場合は抵抗１３を除去することができる。

また、第１コンデンサ対４１および第２コンデンサ対４２をそれぞれ１個のコンデンサ４１ｃおよびコンデンサ４２ｃとして、バイパス路を接地しない場合は、図４に示すようにｂ点とｅ点を１個のコンデンサ４３のみで接続するように変形できる。この構成の場合も、第１コンデンサ対４１と第２コンデンサ対４２を用いる場合と同様の効果が得られる。なお、バイパス路を通る共振が発生しないか問題にならない場合は抵抗１３を除去することができる。

さらに、この実施例２に係る系統連系インバータも、三相の系統連系インバータに変形できる。この場合、コモンモードチョークコイル３１および３４は、三相用のコモンモードチョークコイルに置き換えられ、出力フィルタ２の第１リアクトル２１ａおよび２１ｂは、各相に挿入されたリアクトル２１ｕ、２１ｖおよび２１ｗに置き換えられ、相間コンデンサ２２は、各相間を結ぶ３つの相間コンデンサ２２ａ、２２ｂおよび２２ｃに置き換えられ、ノーマルモードリアクトル１０は、各相に挿入されたノーマルモードリアクトル１０ｕ、１０ｖおよび１０ｗに置き換えられ、コンデンサ１４は、各相間を結ぶ３つのコンデンサ１４ａ、１４ｂおよび１４ｃに置き換えられ、コンデンサ４２ｃは、３つのコンデンサ４２ｕ、４２ｖおよび４２ｗで各相間を接続し、そのうちの一相にバイパス路の片端が接続される。

図５は、本発明の実施例３に係る系統連系インバータの構成を示すブロック図である。この系統連系インバータは、実施例１に係る系統連系インバータの出力フィルタ２から第１リアクトル２１ａおよび第２リアクトル２１ｂが除去され、相間コンデンサ２２のみが残されて構成されている。

実施例１に係る系統連系インバータでは、出力フィルタ２は、第１リアクトル２１ａ、第２リアクトル２１ｂおよび相間コンデンサ２２から構成されているが、コモンモードチョークコイル３１に含まれるノーマルモードインダクタンス成分は、出力フィルタ２の第１リアクトル２１ａおよび第２リアクトル２１ｂと同様の働きをするため、実施例３に係る系統連系インバータでは、出力フィルタ２の第１リアクトル２１ａおよび第２リアクトル２１ｂを、コモンモードチョークコイル３１のノーマルモードインダクタンス成分で代用させている。

この実施例３に係る系統連系インバータによれば、上述した実施例１に係る系統連系インバータと同様に、系統連系インバータの外へ流れ出る漏れ電流と高周波ノイズは抑制される。また、出力フィルタ２を構成するための第１リアクトル２１ａおよび第２リアクトル２１ｂが不要になるので、安価かつコンパクトな系統連系インバータを提供できる。

なお、出力フィルタ２の相間コンデンサ２２とノーマルモードリアクトル１０を除去し、相間コンデンサ２２の役割を、第２コンデンサ対４２を構成するコンデンサ４２ａおよびコンデンサ４２ｂで代用させるように構成することもできる。また、この実施例３に係る系統連系インバータも、実施例１または実施例２に係る系統連系インバータと同様に、三相の系統連系インバータに変形することができる。

図６は、本発明の実施例４に係る系統連系インバータの構成を示すブロック図である。この系統連系インバータは、実施例１に係る系統連系インバータの出力フィルタ２から第１リアクトル２１ａおよび第２リアクトル２１ｂを除去するとともに、昇圧回路８からリアクトル８１を除去して構成されている。

実施例１に係る系統連系インバータでは、昇圧回路８はリアクトル８１、スイッチング素子８２およびダイオード８３から構成されているが、コモンモードチョークコイル３２に含まれるノーマルモードインダクタンス成分は、昇圧回路８のリアクトル８１と同様の働きをするため、実施例４に係る系統連系インバータでは、昇圧回路８のリアクトル８１を、コモンモードチョークコイル３２のノーマルモードインダクタンス成分で代用させている。また、実施例３と同様、出力フィルタ２の第１リアクトル２１ａおよび第２リアクトル２１ｂをコモンモードチョークコイル３１のノーマルモードインダクタンス成分で代用させている。

この実施例４に係る系統連系インバータによれば、上述した実施例１に係る系統連系インバータと同様に、系統連系インバータの外へ流れ出る漏れ電流と高周波ノイズは抑制される。また、昇圧回路８を構成するためのリアクトル８１が不要になるので、実施例１に係る系統連系インバータよりも安価かつコンパクトな系統連系インバータを提供できる。また、この実施例４に係る系統連系インバータも、実施例１〜実施例３に係る系統連系インバータと同様に、三相の系統連系インバータに変形することができる。

図７は、本発明の実施例５に係る系統連系インバータの構成を部分的に示すブロック図であり、上述した実施例１〜実施例４に係る系統連系インバータの太陽電池５、浮遊容量６、コモンモードチョークコイル３２、昇圧回路８、直流ラインコンデンサ９およびインバータ１のみを抜き出して示している。

昇圧回路８およびインバータ１は、ＦＥＴなどのスイッチング素子を備え、このスイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦにより電力の変換を行うが、その際に、コモンモード電圧の変動を発生させる。昇圧回路８においては、図８（ａ）のタイミングチャートに示すように、太陽電池５の電圧がＥであるとすると、スイッチング素子８２のゲート制御信号Ｇｃによるスイッチング動作に伴い、スイッチング素子８２の出力端（ｋｌ端）に出現する中性点電位は、０と−Ｅ／２のレベルで変化する。

一方、単相のインバータ１は、スイッチング素子によるＨブリッジ構成を有し、３レベルＰＷＭで制御される。ゲート制御信号Ｇｘは、ゲート制御信号Ｇｕを反転した信号であり、ゲート制御信号Ｇｙは、ゲート制御信号Ｇｖを反転した出力である。図８（ｂ）のタイミングチャートに示すように、昇圧回路８が動作していない時、インバータ１の出力端ｍｎの中性点電位は、ゲート制御信号Ｇｕ、Ｇｖ、ＧｘおよびＧｙによるスイッチング素子のスイッチングに伴い、−Ｅ／２、０およびＥ／２のレベルで変化する。

このように、昇圧回路８とインバータ１のスイッチングにより中性点電位が変動するため、大地に流れる漏れ電流や高周波ノイズの原因となっている。

この実施例５に係る系統連系インバータは、上述したような、昇圧回路８とインバータ１の中性点電圧の変動を抑制するものである。上述した実施例１〜実施例４に係る系統連系インバータでは、昇圧回路８とインバータ１のゲート制御信号Ｇｃ、Ｇｕ、Ｇｖ、ＧｘおよびＧｙを生成する制御回路の説明は省略したが、図９は、実施例５に係る系統連系インバータの制御回路の構成を示している。制御回路は、昇圧回路８とインバータ１のゲート制御信号Ｇｃ、Ｇｕ、Ｇｖ、ＧｘおよびＧｙを、所定の周波数を有する搬送波に基づき生成している。昇圧回路８のゲート制御信号Ｇｃは、搬送波と、昇圧回路８への入力電圧をＡ／Ｄ変換して得られた電圧値とを比較することにより生成され、電圧値が搬送波のレベルより小さい時にスイッチング素子８２をＯＮさせる。これにより、電圧値が小さいほど昇圧回路８の昇圧率は高くなる。

一方、インバータ１のゲート制御信号Ｇｕ、Ｇｖ、ＧｘおよびＧｙは、搬送波と正弦波との比較により生成され、搬送波のレベルより正弦波のレベルが大きいときに正論理が出力される。このゲート制御信号Ｇｕ、Ｇｖ、ＧｘおよびＧｙにより、インバータ１内の４個のスイッチング素子（図７参照）が制御されることにより、インバータ１は、３レベルＰＷＭで制御されることになる。

この場合、昇圧回路８とインバータ１で発生される中性点電位の変動は、図１０に示すように、変動の振幅は異なるが、周波数は同じになる。ゲート制御信号Ｇｃ、Ｇｕ、Ｇｖ、ＧｘおよびＧｙが図１０に示すパターンで生成された時、搬送波をディレイさせるディレイブロックによる位相遅れが０度であれば、図１０（ａ）に示すように、中性点電位の変動の山と谷の位相が一致し、その差は一部相殺される。インバータ１の中性点電位のパルス幅は正弦波周期で変化するため、常に相殺されることにはならないが、この実施例５に係る系統連系インバータのように、昇圧回路８とインバータ１で同一周波数の搬送波を用いて、変動する中性点電位の山と谷の位相を一致させれば、全体として中性点電位の差の変動を抑制でき、漏れ電流や高周波ノイズを抑制できる。

中性点電位の山と谷の位相が一致しない場合、例えばディレイブロックによる位相遅れが１８０度である場合、図１０（ｂ）に示すように中性点電位の差の変動幅は大きくなる。また、昇圧回路８やインバータ１のゲート制御信号を生成する制御回路が図９のブロック図に示す構成と異なり、生成されるゲート制御信号の位相が図９のブロック図に示す制御回路で生成されるゲート制御信号と異なる場合であっても、インバータ１または昇圧回路８の搬送波の位相を調節して中性点電位の山と谷の位相を一致させれば、全体として中性点電位の差の変動を抑制することができ。

この実施例５では、昇圧回路８とインバータ１の部分の制御について説明したが、その他の部分は実施例１〜実施例４に係る系統連系インバータのうち、昇圧回路８を備えるいずれの構成においても適用できる。

本発明は、太陽電池システムや燃料電池システムを電力系統に接続する系統連系インバータとして利用可能である。

１インバータ
２出力フィルタ
５太陽電池
６浮遊容量
７系統トランス
８昇圧回路
９直流ラインコンデンサ
１０リアクトル
１１接地コンデンサ
１２抵抗
１３抵抗
２１ａ、２１ｂリアクトル
２２コンデンサ
３１、３２、３３、３４コモンモードチョークコイル
４１第１コンデンサ対
４１ａ、４１ｂコンデンサ
４２第２コンデンサ対
４２ａ、４２ｂコンデンサ
４３コンデンサ
８１リアクトル
８２スイッチング素子
８３ダイオード
ｇ中性点接続線

Claims

直流電圧を発生する直流電源と、
前記直流電源の出力をパルス幅変調するインバータと、
前記インバータの入力側に配置され、中性点を形成するように直列に接続されたコンデンサから成る第１コンデンサ対と、
前記インバータの出力側に配置され、中性点を形成するように直列に接続されたコンデンサから成る第２コンデンサ対と、
前記第１コンデンサ対の中性点と前記第２コンデンサ対の中性点とを中性点接続線で接続することにより形成された高周波コモンモード電流のバイパス路と、
前記バイパス路を形成する中性点接続線と大地との間に設けられた接地コンデンサと、
前記第１コンデンサ対と前記第２コンデンサ対との間の少なくとも１カ所に設けられて前記インバータで発生されたコモンモード電流を抑制する第１コモンモードチョークコイルと、
前記インバータから出力されるパルス幅変調された電圧波形を正弦波状に変換する出力フィルタと、
を備え、
前記バイパス路は、前記インバータのスイッチング周波数において、前記第２コンデンサ対を介して接続された系統トランスから大地を介して前記直流電源の浮遊容量に漏れ電流が流れる漏れ電流路よりも小さいインピーダンスを有し、前記第１コモンモードチョークコイルは、前記漏れ電流路および前記バイパス路よりも大きなインピーダンスを有する
ことを特徴とする系統連系インバータ。
前記第１コンデンサ対の直流電源側または前記第２コンデンサ対の系統側の少なくとも一方に配置されてコモンモードノイズの伝播を抑制する第２コモンモードチョークコイル
を備えることを特徴とする請求項１記載の系統連系インバータ。
前記接地コンデンサと大地との間に設けられて共振を抑制する第１抵抗を備えることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の系統連系インバータ。
前記バイパス路を形成する中性点接続線の途中に設けられて共振を制御する第２抵抗を備えることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載の系統連系インバータ。
前記出力フィルタと前記第２コンデンサ対との間に配置され、前記出力フィルタを構成するコンデンサまたは前記第２コンデンサ対とともにノーマルモードの高調波ノイズを抑制するＬＣフィルタを構成するリアクトルを備えることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項記載の系統連系インバータ。
前記第２コンデンサ対の系統側に設けられた第２コモンモードチョークコイルの系統側に配置され、前記第２コモンモードチョークコイルのインダクタンス成分とともにノーマルモードの高調波ノイズを抑制するＬＣフィルタを構成するコンデンサを備えることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１項記載の系統連系インバータ。
前記第１コンデンサ対の代わりに相間に接続されたコンデンサの一端と前記第２コンデンサ対の代わりに相間に接続されたコンデンサの一端との間、または、前記第１コンデンサ対の代わりに相間に接続されたコンデンサの一端と前記第２コンデンサ対の中性点との間、または、前記第１コンデンサ対の中性点と前記第２コンデンサ対の代わりに相間に接続されたコンデンサの一端との間に設けられたコンデンサと、
を備えることを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか１項記載の系統連系インバータ。
直流電圧を発生する直流電源と、
直流電源の出力電圧を昇圧する昇圧回路と、
前記昇圧回路の出力を３レベルパルス幅変調するインバータと、
前記昇圧回路および前記インバータに含まれるスイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦを制御するゲート制御信号であって、所定周波数の搬送波と該搬送波の位相を調節した波形とに基づき、前記昇圧回路に含まれるスイッチングに伴って発生する中性点電位の変動と、前記インバータに含まれるスイッチング素子のスイッチングに伴って発生する中性点電位の変動の周波数と位相を一致させたゲート制御信号を生成する制御回路と、
を備えることを特徴とする系統連系インバータ。