JP5658368B2 - 無変圧器単相ｐｖインバータの改良回路装置 - Google Patents

無変圧器単相ｐｖインバータの改良回路装置 Download PDF

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Description

本発明は、変圧器を持たない単相の公益施設網（utility network）へのＤＣエネルギーの供給に関する。また、本発明は、ＰＶアレイのエネルギー変換に関する。
直流電流エネルギーを変換して絶縁変圧器を持たない公益施設網に供給するのにＨブリッジがよく用いられることは周知の通りである。
Ｈブリッジを制御するためのゲート制御パターンにはさまざまなものがあるが、ＰＶアプリケーションについては対グランドのＰＶアレイ浮遊容量のせいで有効な解決策には限りがある。通常、正の半周期においてＰＷＭ信号で一方の対角（diagonal）をゲート制御する一方で他方の対角を規制し、負の半周期においてＰＷＭ信号で他方の対角をゲート制御する一方で先の対角を規制する方法がとられる。これら二つの対角は公益施設網の半周期ごとに役割を変える。
そのようなゲート制御システムは、ＡＣ電流が途切れていないときにＨブリッジの出力に二つの電圧レベルのみ、すなわち正または負の電圧を供給することができることも周知の通りである。
このタイプの回路装置および制御方法には、Ｈブリッジの出力のＬ，ＣまたはＬ，Ｃ，Ｌフィルタがマルチレベルシステムと比較して大きいというデメリットがある。
さらに、ＰＷＭ周期ごとに不要なエネルギーが出力フィルタ回路とＨブリッジのＤＣフィルタのキャパシタとの間で行き来するという欠点があることを言わざるを得ない。
そのようなゲート制御システムは、ＡＣ電流が途切れていないときにＨブリッジの出力に二つの電圧レベルのみ、すなわち正または負の電圧を供給することができることも周知の通りである。
このタイプの回路装置および制御方法には、Ｈブリッジの出力のＬ，ＣまたはＬ，Ｃ，Ｌフィルタがマルチレベルシステムと比較して大きいというデメリットがある。
さらに、ＰＷＭ周期ごとに不要なエネルギーが出力フィルタ回路とＨブリッジのＤＣフィルタのキャパシタとの間で行き来するという欠点があることを言わざるを得ない。
従来技術：
これら不利な条件を克服するための試みがある。
次の特許は従来技術を表す：ＷＯ２００７／０４８４２０Ａ１およびいわゆるＨ５およびＨＥＲＩＣの解決法は特許によって保護されており、これらはIntersolar Exhibitonおよびセミナーで紹介され、分析された。
我々の発明において、我々は簡単なスイッチ装置を提供することを試みた。当該装置は、既知のデメリットをなくし、また少ない部品点数で効率よく経済的解決法を提供するものである。
この新アイデアは、従来のＨブリッジ単相インバータに第５の半導体スイッチング素子を追加するものである。これにより、半導体Ｈブリッジの両対角がオフ状態のときに、３タイプのインバータ出力電圧が可能となり、ＰＷＭ変調中に出力フィルタはエネルギーの一部を公益施設網に供給し、一部を蓄積することができる。また、この解決法は、全高調波歪み（ＴＨＤ）が同じである小型化されたフィルタを用いれば足りる。
我々の発明に係る新たな回路装置は、ＰＶアレイの経年劣化およびＥＭＣ問題をなくしてＰＶアレイからいわゆる穏やかなＤＣバスを提供することができる。この新たな回路装置により、ＡＣ側のフィルタが削減され、上記の不要なエネルギーの行き来がなくなり、エネルギー変換効率が高まる。
我々はまた、ゼロ電圧スイッチング（ＺＶＳ）モードで用いられる半導体スイッチング素子の一部がスイッチングロスを大幅に低減することがわかった。
我々は、我々の発明に係る新たな回路が例えばＨＥＲＩＣおよびＨ５トポロジーと比較して電流方向不感型の潮流用フリーホイール回路を達成したことは大きな利点の一つであると認識している。そのため、この解決法は、低電圧公益施設網を供給するインバータは電力系統管理をサポートする無効電力も提供できなければならないという２０１０年７月に施行された欧州連合の要求をもたらしている。
上記のように、絶縁変圧器を持たない単相公益施設網へのＤＣ電圧変換が我々の発明の主題である。これは、小売網を供給するソーラーパネルに有利に利用される。この解決策はスイッチング素子をほとんど持たず、高効率であり、「穏やかな」ＤＣバスを有し、さらに、必要な無効電力も同時に確実にもたらして優れたパフォーマンスを発揮することができるからである。
ＰＶエネルギーを変換して公益施設網に供給する回路装置を示す図 およそネットワーク２周期分の半導体スイッチ（Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３，Ｖ４，Ｖ５）のゲート制御を示す図 ＰＷＭ変調１周期における半導体スイッチＶ２，Ｖ３，Ｖ５のゲート制御を示す図 ＰＷＭ変調１周期における半導体スイッチＶ１，Ｖ４，Ｖ５のゲート制御を示す図
以下では、発明に係る図面に基づいて回路レイアウトおよびその動作方法を説明する。
図１に示したように、当該インバータ装置はＰＶアレイを備えている。
インバータの出力は絶縁変圧器を持たない公益施設網に接続されている。
我々の回路装置は、エネルギー蓄積キャパシタＣの＋端子、トランジスタＶ１，Ｖ３のコレクタ、およびダイオードＤ５のカソードに＋端子が接続されたＰＶアレイＰを備えている。
ＰＶアレイＰの−端子は、エネルギー蓄積キャパシタＣの−端子、トランジスタＶ２，Ｖ４のエミッタ、およびダイオードＤ６のアノードに接続されている。
トランジスタＶ１のエミッタ、トランジスタＶ２のコレクタ、ダイオードＤ１のアノード、およびダイオードＤ２のカソードは、リアクトルＬ２の端子１に接続されている。
ダイオードＤ１，Ｄ３のカソードおよびダイオードＤ５のアノードは、トランジスタＶ５のコレクタに接続されている。
トランジスタＶ３のエミッタ、ダイオードＤ３のアノード、ダイオードＤ４のカソード、およびトランジスタＶ４のコレクタは、リアクトルＬ１の端子１に接続されている。
トランジスタＶ５のエミッタおよびダイオードＤ２，Ｄ４のアノードは、ダイオードＤ６のカソードに接続されている。リアクトルＬ１の端子２は、電力系統Ｕの端子１に接続されている。
リアクトルＬ２の端子２は、電力系統Ｕの端子２および接地端子Ｆに接続されている。
図１に示した回路図の動作は次の通りである。
ＰＶアレイＰはエネルギー蓄積キャパシタＣを絶えず充電する。グランドに対して正の半周期においてトランジスタＶ２およびＶ３のゲート制御は図２に示したように変調される。図２および３に示したように、トランジスタＶ２およびＶ３がオフ状態にあるとき、トランジスタＶ５のゲートはオン状態なる。変調出力電圧はリアクトルＬ１およびＬ２によってフィルタリングされて高調波含有率の低い正弦波電流となり、エネルギー蓄積キャパシタＣから公益施設網Ｕへとエネルギーが流れる。
グランドに対して負の半周期においてトランジスタＶ１およびＶ４のゲート制御は図２に示したように変調される。図２および４に示したように、トランジスタＶ１およびＶ４がオフ状態にあるとき、トランジスタＶ５のゲートはオン状態なる。変調出力電圧はリアクトルＬ１およびＬ２によってフィルタリングされて高調波含有率の低い正弦波電流となり、エネルギー蓄積キャパシタＣから公益施設網Ｕへとエネルギーが流れる。
図２に示したように、一定周波数でＰＷＭ変調が行われ、注入電流および電力が変調度によって制御される。
図３に示したように、トランジスタＶ２およびＶ３のオンおよびオフ位置は互いにわずかにずれており、これにより、トランジスタＶ３およびＶ５のスイッチングロスを低減することができる。
また、トランジスタＶ１およびＶ４のオンおよびオフ位置も互いにわずかにずれており、これにより、トランジスタＶ１およびＶ５のスイッチングロスを低減することができる。
ずれをどの程度の時間にするかは、どのようなスイッチング特性の半導体デバイスを適用するかに依る。
電流が途切れてゼロ電流レベルを横切るとき、トランジスタＶ５はオフ状態にされる。
必要な無効電力はすべてのスイッチングデバイスのスイッチングパターンの角度のずれによって生成され、公益施設網Ｕの電圧に連動する。
ずれ角度の符号および値ならびにインバータの出力電圧によって無効電力の振幅および符号（進みまたは遅れ）が決まる。
＋ 正
− 負
Ｉ． ハーフブリッジ
ＩＩ． ハーフブリッジ
Ｐ ソーラーアレイ
Ｃ エネルギー蓄積キャパシタ
Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３，Ｖ４，Ｖ５ トランジスタ
Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４，Ｄ５，Ｄ６ ダイオード
Ｌ１，Ｌ２ リアクトル
Ｕ 公益施設網
Ｆ グランド

Claims (6)

  1. ＡＣ出力が二つのリアクトル（Ｌ１，Ｌ２）を介して電力系統（Ｕ）に接続され、エネルギー蓄積キャパシタ（Ｃ）がＰＶアレイ（Ｐ）の両端子に接続され、二つのハーフブリッジ（Ｉ，ＩＩ）がエネルギー蓄積キャパシタ（Ｃ）の＋および−端子に接続されてＨブリッジが形成されている無変圧器単相ＰＶインバータの改良回路装置において、一のハーフブリッジ（Ｉ）のＡＣノードがダイオード（Ｄ１）のアノードおよびダイオード（Ｄ２）のカソードに接続され、他のハーフブリッジ（ＩＩ）のＡＣノードがダイオード（Ｄ３）のアノードおよびダイオード（Ｄ４）のカソードに接続され、これら４つのダイオード（Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４）がダイオードブリッジを形成し、当該ダイオードブリッジの正ノードがトランジスタ（Ｖ５）のコレクタおよびダイオード（Ｄ５）のアノードに接続され、ダイオード（Ｄ５）のカソードがエネルギー蓄積キャパシタ（Ｃ）の正端子に接続され、ダイオードブリッジ（Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４）の負ノードがトランジスタ（Ｖ５）のエミッタおよびダイオード（Ｄ６）のカソードに接続され、ダイオード（Ｄ６）のアノードがエネルギー蓄積キャパシタ（Ｃ）の負端子に接続されている、ことを特徴とする装置。
  2. インバータの出力は絶縁変圧器を持たない公益施設網に接続されている、ことを特徴とする請求項１に記載のインバータ装置。
  3. リアクトル（Ｌ１）の端子２は、電力系統（Ｕ）の端子１に接続されている、ことを特徴とする請求項１に記載のインバータ装置。
  4. リアクトル（Ｌ２）の端子２は、電力系統（Ｕ）の端子２および接地端子Ｆに接続されている、ことを特徴とする請求項３に記載のインバータ装置。
  5. ＰＶアレイ（Ｐ）がエネルギー蓄積キャパシタ（Ｃ）に接続され、または／かつ、リアクトル（Ｌ１，Ｌ２）の端子２が公益施設網（Ｕ）の端子１および２に接続されている、ことを特徴とする請求項１に記載のインバータ装置。
  6. 変調出力電圧は二つのリアクトル（Ｌ１，Ｌ２）によってフィルタリングされて高調波含有率の低い正弦波電流となり、エネルギー蓄積キャパシタ（Ｃ）から公益施設網へとエネルギーが流れる、ことを特徴とする請求項１に記載のインバータ装置。
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