JP5658922B2

JP5658922B2 - 系統連系電力変換装置及び系統連系電力変換の制御方法

Info

Publication number: JP5658922B2
Application number: JP2010146586A
Authority: JP
Inventors: 卓也須藤; 剛眞野
Original assignee: Origin Electric Co Ltd
Current assignee: Origin Electric Co Ltd
Priority date: 2010-06-28
Filing date: 2010-06-28
Publication date: 2015-01-28
Anticipated expiration: 2030-06-28
Also published as: JP2012010558A

Description

本発明は、入力される直流電力を交流電力に変換して連系する系統に電力を供給する系統連系電力変換装置及び系統連系電力変換の制御方法に関する。

燃料電池または太陽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従来の電力変換装置として、特許文献１に示されるようなものが用いられている。

特許文献１に記載される電力変換装置は、特許文献１の図１、図３及び図５に示されるように、第１インバータ１２、コンバータ１７又は３７、第２インバータ１５を必須とする構成となっている。これらの動作について図1に基づいて説明すると、第１インバータ１２は、一定の周波数とパルス幅でスイッチングしているために昇圧比が一定となることから、第１インバータ１２とコンバータ１７との間に接続される整流手段１４の出力電圧は、高周波トランス１１を介して第１インバータ１２の入力直流電圧に比例して増加する。さらに制御回路１８は、コンバータ１７の出力電圧を直流電圧検知手段１９で検知し、得られた値が目標電圧に維持されるように制御回路１８がコンバータ１７をスイッチングすることで、整流手段１４の出力電圧を降圧し、第２インバータ１５に対して適正な入力電圧を供給している。第２インバータ１５は、系統電圧の最大値以上の入力直流電圧を、系統１６の交流電圧に同期してパルス幅制御（ＰＷＭ）することにより正弦波状の出力電流を生成している。

特許文献１の図９に示される従来の構成では、入力電圧や出力電力に関わらず第１インバータのゼロ電圧スイッチングによる低損失化と、整流手段の出力つまり第２インバータの入力を概ね一定電圧とを維持するには、第１インバータを構成する共振リアクトルと２個の分圧コンデンサとが必須となっていた。さらに動作条件によってはスイッチング素子の周波数可変や位相差を有してスイッチングする必要があった。このため、低損失化やコスト削減に向けた機器の簡素化は困難であるという課題があった。

そこで、特許文献１で開示される装置では、上記の課題を解決するために、図１に示されるように、コレクターエミッタまたはドレインーソース間に共振用コンデンサを配置した各スイッチング素子のブリッジ出力を接続した第１インバータと、２次巻線に接続した整流手段と、整流手段の出力電圧を異なる直流電圧に変換するコンバータと、前記コンバータの直流電圧を検知する直流電圧検知手段を有する制御回路と、前記コンバータの出力電圧を商用周波数の交流電力に変換して系統と連系する第２インバータとが直列に接続される構成を採っている。このような構成を採ることにより、直流電源の出力電圧つまり第１インバータの入力電圧にかかわらず、内部に共振回路を有する第１インバータの動作条件を一つとし、共振コンデンサに対する共振リアクトルによる電流の充放電を不要としつつ、全動作条件において第２インバータに一定の電圧を供給することが可能な高効率の系統連系インバータ装置を実現している。

特開２００８−１９９８０８号公報

しかしながら特許文献１に記載される図１の構成では、第１インバータを必須としており、コンバータの入力電圧が第１インバータ内のトランスの巻数比に応じた入力電圧の比例値になってしまう。このため、コンデンサの中間電圧を定めるにはコンバータ部でコンデンサの中間電圧の定電圧制御をする必要があり、回路構成や制御方法が非常に複雑となるという課題があった。

そこで、本発明は、比較的簡単な回路構成でインバータ回路の効率を向上させて、装置の損失を低減することができる系統連系電力変換装置及び系統連系電力変換の制御方法を提供することを目的とする。

具体的に、本発明に係る系統連系電力変換装置は、半導体スイッチと整流手段とを有するコンバータ回路と、前記コンバータ回路に入力される電流が定電流になるように前記コンバータ回路の半導体スイッチを動作させるコンバータ制御回路と、少なくともチョークコイルと半導体スイッチとを有し、出力側が系統に連系されるインバータ回路と、前記インバータ回路の半導体スイッチを制御するインバータ制御回路と、前記コンバータ回路と前記インバータ回路との間に配置されるコンデンサと、前記コンデンサの電圧である中間電圧を検出するコンデンサ電圧検出手段と、前記インバータ回路の出力側の前記系統の電圧を検出する系統電圧検出手段と、前記インバータ回路の電流を検出するインバータ電流検出手段と、を備え、前記インバータ制御回路は、予め定めたデータと所定の間隔でカウントする基準クロックとを有し、前記系統電圧検出手段で検出された系統電圧値を読み込んで、前記基準クロックの１カウント毎に前記系統電圧の極性が切り替わる時点を判断して前記系統電圧の一周期あたりにおける前記基準クロックのカウント数を求め、前記系統電圧の一周期あたりにおける前記基準クロックのカウント数に応じて前記予め定めたデータの読出しを行うデータの読出し周期を求め、前記データの読出し周期毎に前記予め定めたデータを順次読み出して正規化された基準電流値を求め、前記系統電圧検出手段で検出される系統電圧値に少なくとも前記インバータ回路内の前記チョークコイルと前記半導体スイッチとに印加される電圧値を加算した値を前記コンデンサの中間電圧目標値とし、前記コンデンサ電圧検出手段で検出される中間電圧値と前記中間電圧目標値との差分を中間電圧誤差値として求め、前記正規化された基準電流値をインバータ基準電流値とし、前記インバータ電流検出手段で検出される電流に基づく電流値は前記インバータ電流検出手段で検出される電流に前記中間電圧誤差値を掛け合わせて求め、前記インバータ電流検出手段で検出される電流に基づく電流値が、前記インバータ基準電流値に近づくように、前記インバータ回路の前記半導体スイッチを動作させて、前記インバータ回路の電流を可変させる。

本発明に係る系統連系電力変換装置は、上記のような構成を採用し、コンバータとインバータとの間に位置するコンデンサの中間電圧を、系統電圧に合わせるようにインバータ回路によって制御することで、インバータ回路の効率を向上させて、装置の損失を低減することができる。

また、本発明に係る系統連系電力変換装置は、インバータ電流検出手段で検出した電流に基づく電流値と、インバータ基準電流値とが近づくように、インバータ回路の前記半導体スイッチを動作させることによって、コンバータとインバータとの間に位置するコンデンサの中間電圧を比較的容易に制御することができる。

さらに、本発明に係る系統連系電力変換装置は、上記のような構成を採ることで、系統電圧に合ったリンク電圧を設定できるため、スイッチング損失が低減でき、比較的簡単な回路構成や制御方法でインバータ回路の効率を向上させることができる。

本発明に係る系統連系電力変換の制御方法は、コンバータ回路に入力される電流が定電流になるように前記コンバータ回路の半導体スイッチを動作させ、前記コンバータ回路からコンデンサを介して入力される電力を出力側が系統に連系されるインバータ回路の少なくとも半導体スイッチとチョークコイルとを介して系統側に供給し、インバータ制御回路は、系統電圧検出手段で検出された系統電圧値を読み込んで、予め定めたデータと所定の間隔でカウントする基準クロックの１カウント毎に前記系統電圧の極性が切り替わる時点を判断して前記系統電圧の一周期あたりにおける前記基準クロックのカウント数を求め、前記系統電圧の一周期あたりにおける前記基準クロックのカウント数に応じて前記予め定めたデータの読出しを行うデータの読出し周期を求め、前記データの読出し周期毎に前記予め定めたデータを順次読み出して正規化された基準電流値を求め、前記系統電圧値に少なくとも前記インバータ回路内の前記チョークコイルと前記半導体スイッチとに印加される電圧値を加算した値を前記コンデンサの中間電圧目標値とし、前記コンデンサ電圧検出手段で検出される中間電圧値と前記中間電圧目標値との差分を中間電圧誤差値として求め、前記正規化された基準電流値をインバータ基準電流値とし、前記インバータ電流検出手段で検出される電流に基づく電流値は、前記インバータ電流検出手段で検出される電流に前記中間電圧誤差値を掛け合わせて求め、前記インバータ電流検出手段で検出される電流に基づく電流値が、前記インバータ基準電流値に近づくように、前記インバータ回路の前記半導体スイッチを動作させて、前記インバータ回路の電流を可変させる。上記のような方法を採用し、コンバータとインバータとの間に位置するコンデンサの中間電圧を系統電圧に合わせるようにインバータ回路によって制御することで、インバータ回路の効率を向上させて、損失を低減することができる。

本発明によれば、コンバータとインバータとの間に位置するコンデンサの中間電圧を系統電圧に合わせるようにインバータ回路によって制御することで、インバータ回路の効率を向上させて、損失を低減することができる。

本発明に係る系統連系電力変換装置を示した図である。本発明に係るインバータ制御回路での一部の処理の手順を説明するための図である。

本発明に係る系統連系電力変換装置は、コンバータとインバータとの間に位置するコンデンサの中間電圧を系統電圧に合わせて可変することで、比較的簡単な回路構成や制御方法でインバータ回路の効率を向上させることができる。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。本発明は、以下に示す実施形態に限定されるものではない。なお、本明細書及び図面において符号が同じ構成要素は、相互に同一のものを示すものとする。また、本明細書及び図面の電気回路において、接続点とは電気的に接続されて同電位にある部位を言い、物理的に接続された点を言うものではない。

図１に、本発明の第１の実施形態に係る系統連系電力変換装置の電気回路図を示す。本実施形態の系統連系電力変換装置は、半導体スイッチＳ１１及びＳ２２と整流手段Ｄ１及びＤ２とを有するコンバータ回路１と、コンバータ回路１に入力される電流が定電流になるようにコンバータ回路１の半導体スイッチＳ１１及びＳ２２を動作させるコンバータ制御回路５と、少なくともチョークコイルＬと半導体スイッチＳ３１、Ｓ３２、Ｓ３３、Ｓ３４とを有し、出力側が系統に連系されるインバータ回路３と、インバータ回路３の半導体スイッチＳ３１、Ｓ３２、Ｓ３３、Ｓ３４を制御するインバータ制御回路９と、コンバータ回路１とインバータ回路３との間に配置されるコンデンサ２と、コンデンサ２の電圧である中間電圧ｖｃを検出するコンデンサ電圧検出手段６と、インバータ回路３の電流を検出するインバータ電流検出手段７と、インバータ回路の出力側の系統電圧ｖａｃを検出する系統電圧検出手段８とを備える。

直流入力端子Ｔ１、Ｔ２を介して、直流入力源が外付けで本実施形態の系統連系電力変換装置に接続される。なお、直流入力源は発明に係る系統連系電力変換装置の必須構成要素ではない。直流入力源としては、燃料電池、太陽光発電用パネルなどが該当する。

コンバータ回路１は、図１では半導体スイッチＳ１１、Ｓ１２と整流手段Ｄ１、Ｄ２との他に、昇圧用のインダクタＬ１、絶縁用のトランスＴｒが接続される昇降圧形プッシュプルコンバータである。半導体スイッチＳ１１、Ｓ１２は、ＦＥＴ、ＩＧＢＴなどの半導体のスイッチング素子である。整流手段Ｄ１、Ｄ２は、一般的な整流素子として用いられるダイオートである。コンバータ回路１を絶縁する場合は、絶縁用のトランスＴｒを用いる。トランスＴｒの１次側の巻線Ｎ１、Ｎ２の一端は、それぞれ半導体スイッチＳ１１、Ｓ１２が接続され、他端には昇圧用のインダクタＬ１が接続される。トランスＴｒの２次側の巻線Ｎ３には、整流手段Ｄ１、Ｄ２が接続される。

なお、図１において、一端が直流入力端子Ｔ２に接続され、他端がダイオードを介して直流入力端子Ｔ１に接続されるインダクタンス成分は、昇圧用のインダクタＬ１の帰還巻線である。また、アノードが昇圧用のインダクタＬ１の帰還巻線に接続され、カソード側が直流入力端子Ｔ１に接続されるダイオードは、半導体スイッチＳ１１、Ｓ１２が同時にオフしているときに導通して、昇圧用のインダクタＬ１に溜まっているエネルギーを昇圧用のインダクタＬ１の帰還巻線から直流入力端子Ｔ１、Ｔ２側に回生させる役割をもつ。

図１では倍電圧回路を採用しており、コンデンサ２は、２つのコンデンサ２１と２２とが直列に接続される。コンデンサ２１には、整流手段Ｄ１を介して絶縁用のトランスＴｒの２次側の巻線Ｎ３が接続され、コンバータ回路１からの電力がコンデンサ２１に供給される経路が形成される。同様に、コンデンサ２２には、整流手段Ｄ２を介して絶縁用のトランスＴｒの２次側の巻線Ｎ３が接続され、コンバータ回路１からの電力がコンデンサ２２に供給される経路が形成される。なお、コンデンサ２は、コンバータ回路１などによって適切な回路構成が定まるものであり、図１の記載に限定されない。また、整流手段Ｄ１、Ｄ２の挿入配置は、上記のようにコンデンサ２１又はコンデンサ２２とトランスＴｒの２次側の巻線Ｎ３との経路を形成できればよく、図１の記載に限定されない。

インバータ回路３は、半導体スイッチＳ３１、Ｓ３２、Ｓ３３、Ｓ３４と、チョークコイルＬとフィルタ用コンデンサＣｆとを有するフィルタ回路３１とを備えている。インバータ回路３は、コンデンサ２から入力される直流電力を交流電力に変換して出力端子Ｔ３、Ｔ４へ供給する。半導体スイッチＳ３１、Ｓ３２、Ｓ３３、Ｓ３４は、ＦＥＴ、ＩＧＢＴなどの半導体スイッチング素子である。少なくともチョークコイルＬを有するフィルタ回路３１は、交流波形のノイズを低減する機能を有する一般的なフィルタ回路などを用いるものであり、回路構成については図１の記載に限定されない。

出力端子Ｔ３、Ｔ４には、一般的な負荷として電化製品の他、系統が接続される。なお、出力端子Ｔ３、Ｔ４に外付けで接続される負荷や系統は本発明に係る系統連系電力変換装置の必須構成要素ではない。

入力電流検出手段４は、コンバータ回路１の入力電流ｉ１を検出する。入力電流ｉ１の検出箇所は、入力電流ｉ１が流れる経路上であればよい。コンバータ制御回路５は、入力電流検出手段４によって検出される電流値ｉ１が基準電流値ｉｂ１に近づくようにコンバータ回路１の半導体スイッチＳ１１、Ｓ１２を制御してコンバータ回路１の出力を定電流に制御する。基準電流値ｉｂ１は、直流入力端子Ｔ１、Ｔ２を介して接続される直流入力源などによって決定される電流指令値などである。例えば、直流入力源である燃料電池などによって電流指令値を１０Ａとする信号がコンバータ制御回路５に送られる。また、基準電流値ｉｂ１は、出力端子Ｔ３、Ｔ４に外付けで接続される負荷によって自発的に決定されても良い。この場合は、直流入力源などから最大電流指令値がコンバータ制御回路５に送られる。ここで、定電流に制御するとは、ある時点での基準電流値ｉｂ１に対して、コンバータ回路１の入力電流値ｉ１が近づくように制御することである。基準電流値ｉｂ１はある時点毎に変動するものであってもよい。例えば、コンバータ制御回路５内に図示しないオペアンプなどを備え、入力電流検出手段４で検出された電流値ｉ１と、予め定めた基準電流値ｉｂ１とを入力し、その誤差分を求め、誤差分が小さくなるようにコンバータ回路１の半導体スイッチＳ１１、Ｓ１２のオン、オフ時間を制御する。なお、コンバータ回路１及びコンバータ制御回路５は、コンバータ回路１の出力を上記のような定電流に制御するものであればよく、図１の記載に限定されない。

コンデンサ電圧検出手段６は、コンデンサ２の両端電圧である中間電圧ｖｃを検出する。インバータ電流検出手段７は、インバータ回路３の電流ｉ２を検出する。インバータ電流検出手段７の電流検出箇所は、インバータ回路３に流れる電流の経路上であればよい。系統電圧検出手段８は、インバータ回路３の交流出力端子側の系統電圧ｖａｃを検出する。系統電圧の検出箇所は、例えば出力端子Ｔ３、Ｔ４間の電圧など、インバータ回路３の出力側の系統電圧ｖａｃが検出できれば特に限定されない。

インバータ制御回路９は、系統電圧検出手段８で検出される系統電圧値ｖａｃに少なくともインバータ回路３内のチョークコイルＬと半導体スイッチＳ３１、Ｓ３２、Ｓ３３、Ｓ３４とに印加される電圧値を加算した値を中間電圧の目標値ｖｂｃとし、中間電圧の目標値の最大値ｖｂｃｍは系統電圧の最大値のピーク値よりも大きい値で定める。系統電圧検出手段８で検出される系統電圧ｖａｃのピーク値に応じて、中間電圧の目標値ｖｂｃを中間電圧の目標値の最大値ｖｂｃｍよりも小さい値にして、コンデンサ電圧検出手段６で検出される中間電圧値ｖｃを中間電圧の目標値ｖｂｃに近づくように、インバータ回路３の半導体スイッチＳ３１、Ｓ３２、Ｓ３３、Ｓ３４を動作させて、インバータ回路３の電流を可変させて系統側に供給される電力を制御する。詳細については後述する。

以上のように構成された系統連系電力変換装置について、その動作及び作用を説明する。

昇圧形プッシュプルのコンバータ回路１の動作について説明する。コンバータ回路１の半導体スイッチＳ１１及びＳ１２を同時に導通させて、絶縁用のトランスＴｒを短絡状態にする。直流入力端子Ｔ１及びＴ２から入力される電圧は、昇圧用のインダクタＬ１に印加され、インダクタＬ１にエネルギーが蓄積される。

Ｓ１２をオフすると、トランスＴｒの１次側の巻線Ｎ１には、直流入力端子Ｔ１及びＴ２から入力される電圧に昇圧用のインダクタＬ１が発生する誘導起電力が重畳され、トランスＴｒの２次側の巻線Ｎ３には、トランスＴｒの１次側の巻線Ｎ１に印加される電圧がＮ１とＮ３との巻数に応じた電圧で伝達される。

次に、コンバータ回路１の半導体スイッチＳ１１及びＳ１２を同時に導通させて絶縁用のトランスＴｒを短絡状態にする。直流入力端子Ｔ１及びＴ２から入力される電圧は、昇圧用のインダクタＬ１に印加され、インダクタＬ１にエネルギーが蓄積される。

今度はＳ１１をオフすると、トランスＴｒの１次側の巻線Ｎ２に、直流入力端子Ｔ１及びＴ２から入力される電圧に昇圧用のインダクタＬ１が発生する誘導起電力が重畳される。この場合、トランスＴｒの２次側の巻線Ｎ３には、トランスＴｒの１次側の巻線Ｎ２に印加される電圧がＮ２とＮ３との巻数に応じた電圧で伝達され、Ｓ１２をオフしたときとは逆極性の電圧となる。この一連の動作を一周期として繰り返す。

コンバータ回路１内の絶縁用のトランスＴｒの２次側では、半導体スイッチＳ１１がオンで、半導体スイッチＳ１２がオフのときは、トランスＴｒの２次側の巻線Ｎ３に伝達されたエネルギーは、整流手段Ｄ２を介してコンデンサ２２を充電する。一方、半導体スイッチＳ１２がオンで、半導体スイッチＳ１１がオフのときは、トランスＴｒの２次側の巻線Ｎ３に伝達されたエネルギーは、整流手段Ｄ１を介してコンデンサ２１を充電する。

上記の動作では、入力電流検出手段４で検出されたコンバータ回路１の入力電流ｉ１の電流値が基準電流値ｉｂ１に近づくように、コンバータの制御回路５から半導体スイッチＳ１１、Ｓ１２に制御信号を送る。このように半導体スイッチＳ１１、Ｓ１２をオンオフさせることでコンバータ回路１の入力電流ｉ１が定電流になるように制御しながら、コンデンサ２に供給する電力をコンバータ回路１の出力側に送る。

次にインバータ回路３の動作について説明する。インバータ制御回路９によって、ブリッジ構成の半導体スイッチのうちのＳ３２とＳ３３とを導通させると、コンデンサ２１及び２２に蓄積された電力によって、コンデンサ２１から半導体スイッチＳ３２、フィルタ回路３１、出力端子Ｔ３、Ｔ４、フィルタ回路３１、半導体スイッチＳ３３、コンデンサ２２を通じて電流が流れる。出力端子Ｔ３、Ｔ４間には出力端子Ｔ３側の電圧がプラスの極性となり、その電圧と同様の位相の電流が供給される。

インバータ制御回路９によって、ブリッジ構成の半導体スイッチのうちのＳ３１とＳ３４とを導通させると、コンデンサ２１及び２２に蓄積された電力によって、コンデンサ２１から半導体スイッチＳ３１、フィルタ回路３１、出力端子Ｔ４、Ｔ３、フィルタ回路３１、半導体スイッチＳ３４、コンデンサ２２を通じて電流が流れる。出力端子Ｔ３、Ｔ４間には出力端子Ｔ４側の電圧がプラスの極性となり、その電圧と同様の位相の電流が供給される。

このように、ブリッジ構成の半導体スイッチＳ３２と３３との導通、半導体スイッチＳ３１と３４との導通を交互に行うことによって、出力端子Ｔ３、Ｔ４間には交流電力が供給される。

次に、インバータ制御回路９の動作について以下に説明する。インバータ制御回路９は、主な動作としては、コンデンサ２の中間電圧ｖｃが中間電圧の目標値ｖｂｃに近づくようにインバータ回路３の半導体スイッチＳ３１、Ｓ３２、Ｓ３３、Ｓ３４を動作させる。中間電圧の目標値ｖｂｃは、系統電圧検出手段８で検出される系統電圧値ｖａｃに少なくともインバータ回路３内のチョークコイルＬに印加される電圧値と半導体スイッチＳ３１〜Ｓ３４のうち導通する半導体スイッチＳ３１とＳ３４又は半導体スイッチＳ３２とＳ３３に印加される電圧値とを加算した値とする。インバータ回路の通常動作の開始時などは、中間電圧の目標値の最大値ｖｂｃｍは、系統電圧ｖａｃの最大値のピーク値よりも大きい値に定めてインバータ回路３を動作させる。例えば、系統電圧の実効値ｖａｃが２００Ｖ±１０％の範囲内である場合に、上記の系統電圧の最大値のピーク値は、系統電圧の実効値２２０Ｖのときのピーク値の約３１０Ｖとなる。この場合、中間電圧の目標値の最大値ｖｂｃｍは、系統電圧の最大値のピーク値である約３１０Ｖに少なくともチョークコイルＬに印加される電圧値と半導体スイッチＳ３１とＳ３４又は半導体スイッチＳ３２とＳ３３の導通時に印加される電圧値とを加算した値とする。その後、インバータ制御回路９は、系統電圧検出手段８で検出する系統電圧ｖａｃの交流電圧ピーク値に応じて、中間電圧の目標値ｖｂｃを中間電圧の目標値の最大値ｖｂｃｍよりも小さい値にする。例えば、系統電圧検出手段８で検出する系統電圧ｖａｃの一周期でのピーク値が２４０Ｖの場合は、２４０ＶにチョークコイルＬと導通する半導体スイッチＳ３１とＳ３４又は半導体スイッチＳ３２とＳ３３とに印加される電圧値を加算した値を、次の系統電圧ｖａｃの一周期における中間電圧の目標値ｖｂｃとする。この値は、上述したｖｂｃｍよりも小さい値となる。系統電圧検出手段８で検出する系統電圧ｖａｃの一周期ごとに、その周期での系統電圧ｖａｃのピーク値を用いて中間電圧の目標値ｖｂｃを求め、系統電圧ｖａｃの次の周期での中間電圧の目標値ｖｂｃとして設定する。

インバータ制御回路９は、コンデンサ電圧検出手段６で検出されるコンデンサ２の中間電圧ｖｃがｖｂｃｍよりも小さい値に設定した中間電圧の目標値ｖｂｃに近づくように、インバータ回路３の半導体スイッチＳ３１とＳ３４又は半導体スイッチＳ３２とＳ３３のオン、オフ時間を制御し、インバータ回路３の電流を可変させて系統側に供給される電力を制御する。つまり、コンデンサ２の中間電圧ｖｃを系統電圧ｖａｃの電圧状態に合わせるように、インバータ回路３によって制御させることになる。通常、インバータ回路３のチョークコイルＬに印加される電圧を高くすると、チョークコイルＬの電流の時間変化分は大きくなり、逆に、チョークコイルＬに印加される電圧を低くすると、チョークコイルＬの電流の時間変化分は小さくなる。誤差追従方式などの周波数変調方式において、インバータ回路３の電流値を基準電流値に追従させる場合は、チョークコイルＬに印加される電圧を低くしてチョークコイルＬの電流の時間変化分は小さくした方が、半導体スイッチＳ３１とＳ３４又は半導体スイッチＳ３２とＳ３３のオン、オフの動作回数を少なくすることができる。このことにより、半導体スイッチＳ３１とＳ３４又は半導体スイッチＳ３２とＳ３３の駆動損失が減り、又、必要以上の電圧がインバータ回路３で導通している半導体スイッチＳ３１とＳ３４又は半導体スイッチＳ３２とＳ３３などに印加されない。このため、インバータ回路での無駄な損失分を減らすることができ、インバータ回路の効率を向上させ、装置全体の損失を低減することができる。

具体的には、インバータ制御回路９は、コンデンサ電圧検出手段６で検出される中間電圧値ｖｃと中間電圧の目標値ｖｂｃとの差分の中間電圧誤差値Δｖｃを求め、インバータ電流検出手段７で検出される電流に基づく電流値ｉ２又は系統電圧検出手段８で検出される系統電圧ｖａｃの周期をその周期とするインバータ基準電流値ｉｂ２を、少なくとも中間電圧誤差値Δｖｃが含まれる係数で掛け合わせて求める。そして、インバータ電流検出手段７で検出した電流に基づく電流値ｉ２と、インバータ基準電流値ｉｂ２とが近づくように、インバータ回路３の半導体スイッチＳ３１、Ｓ３２、Ｓ３３、Ｓ３４を動作させて、インバータ回路３の電流ｉ２を可変させる。

例えば、インバータ制御回路９内に図示しないオペアンプなどを備え、コンデンサ電圧検出手段２で検出された中間電圧値ｖｃと、上述のようにして求めた中間電圧の目標値ｖｂｃとを入力し、その誤差分である中間電圧誤差値Δｖｃを求める。
インバータ電流検出手段７で検出される電流に基づく電流値ｉ２は、その周期をインバータ電流検出手段７で検出される電流の周期とし、その電流値をインバータ電流検出手段７で検出される電流に基づく値とする。インバータ基準電流値ｉｂ２は、その周期を系統電圧検出手段で検出される系統電圧の周期とし、その電流値は、インバータ制御回路９に内蔵される正弦波の正規化された基準電流値に、インバータ電流検出手段７で検出される電流に基づく電流値ｉ２の振幅に合わせる係数Ａと中間電圧誤差値Δｖｃを掛け合わせることによって求められる。上記のようにして求められたインバータ電流検出手段７で検出した電流に基づく電流値ｉ２と、インバータ基準電流値ｉｂ２とは、例えば、インバータ制御回路９内で図示しないオペアンプに入力され、その誤差分が小さくなるように、インバータ回路３の半導体スイッチＳ３１とＳ３４又は半導体スイッチＳ３２とＳ３３のオン、オフの時間を制御する。

上記において、インバータ電流検出手段で検出される電流に基づく電流値ｉ２は、その周期をインバータ電流検出手段７で検出される電流の周期とし、その電流値をインバータ電流検出手段７で検出される電流に中間電圧誤差値Δｖｃを含む係数を掛け合わせ、さらに、インバータ基準電流値ｉｂ２の振幅に合わせる係数を掛け合わせて求めたものにしてもよい。この場合は、インバータ基準電流値ｉｂ２は、その周期を系統電圧検出手段で検出される系統電圧の周期とし、その電流値をインバータ制御回路９に内蔵される正弦波の正規化された基準電流値とする。インバータ電流検出手段で検出した電流に基づく電流値ｉ２と、インバータ基準電流値ｉｂ２とが近づくように、インバータ回路３の半導体スイッチＳ３１〜Ｓ３４を動作させることによって、コンバータとインバータとの間に位置するコンデンサの中間電圧を比較的容易に制御することができる。

より具体的な制御方法としては、インバータ制御回路９は、予め定めたデータと所定の間隔でカウントする基準クロックとを有する。系統電圧検出手段８で検出された系統電圧値ｖａｃを読み込んで基準クロックの１カウント毎に系統電圧の極性が切り替わる時点を判断して、系統電圧の一周期あたりにおける基準クロックのカウント数Ｋｔを求める。次に、求めた系統電圧の一周期あたりにおける基準クロックのカウント数Ｋｔに応じて、予め定めたデータの読出しを行うデータの読出し周期Ｋｙを求め、データの読出し周期Ｋｙ毎に予め定めたデータを順次読み出して基準電流値ｉｓを得る。また、インバータ制御回路９は、コンデンサ電圧検出手段６で検出される中間電圧値ｖｃと中間電圧の目標値ｖｂｃとの差分の中間電圧誤差値Δｖｃを求める。そして、インバータ基準電流値ｉｂ２として、基準電流値ｉｓに、少なくとも中間電圧誤差値Δｖｃを含む係数を掛け合わせて求める。又は、インバータ電流検出手段で検出した電流に基づく電流値ｉ２として、少なくとも中間電圧誤差値Δｖｃを含む係数を掛け合わせて求める。以上のようにして求めた、インバータ基準電流値ｉｂ２と、インバータ電流検出手段で検出した電流に基づく電流値ｉ２とが近づくように、インバータ回路３の半導体スイッチＳ３１、Ｓ３２、Ｓ３３、Ｓ３４を動作させる。

図２は、インバータ制御回路９で行う一部の処理の手順を説明するための図である。ＳＴＥＰ１では、図１のインバータ出力電圧検出手段８で検出した系統電圧値ｖａｃを読み込み、系統電圧値ｖａｃの正・負の極性を判定する。例えば、系統電圧値ｖａｃが正の電圧のときはプラス、負の電圧のときはマイナス又はゼロとし、系統電圧ｖａｃの極性を判定した電圧極性判定波形を作成する。

ＳＴＥＰ２では、ＳＴＥＰ１で作成した電圧極性判定波形がプラスに切り替わる時点を検出して、系統電圧ｖａｃの一周期あたりのカウント数Ｋｔを求める。インバータ制御回路９では、例えば１００ＭＨｚ、１０ｎｓを１クロックとする基準クロックを内蔵する。ＳＴＥＰ２では、まず、基準クロックの１クロック毎のタイミングで、電圧極性判定波形からプラスに切り替わる時点を検出する。そして、このプラスに切り替わる時点から次のプラスに切り替わる時点までのカウント数Ｋｔを求める。例えば、求めた系統電圧の一周期あたりのカウント数Ｋｔが２０万回であるとすると、１クロックあたりの時間が１０ｎｓの場合は、系統電圧の一周期Ｔａｃは２０ｍｓに相当することになる。

ＳＴＥＰ３では、系統電圧の一周期あたりのカウント数Ｋｔを予め定めた正弦波データｄｓの一周期分のデータ数で割って、データの読出し周期Ｋｙを求める。予め定める正弦波データｄｓとしては、最大振幅値を１とする正規化された正弦波の一周期、半周期、又は４分の１の周期分を等間隔の時間で分割した値などとする。例えば、正弦波の一周期を１０２４回の等間隔の時間で分割した値とすると、上述のＳＴＥＰ２で求めた系統電圧の一周期あたりのカウント数Ｋｔである２０万回を正弦波の一周期の間隔である１０２４で割って、データの読出し周期Ｋｙ１９５３を得る。ＳＴＥＰ４では、ＳＴＥＰ３で求めたデータの読出し周期のカウント数Ｋｙ毎に、予め定める正弦波データｄｓを順番に読み出し、正規化された基準電流値ｉｓを得る。

上記の処理を行うことによって、実際に動作しているインバータ回路３の交流出力端子側の系統電圧ｖａｃの周波数が、予め定めた正弦波データの周波数と異なっていても、系統電圧ｖａｃに適した基準電流値を得ることができる。

次に、正規化された基準電流値ｉｓを用いてインバータ電流基準値ｉｂ２を求める。上記で得た正規化された基準電流値ｉｓは、系統電圧ｖａｃの一周期Ｔａｃをその周期とし、電流値は最大振幅が１の正弦波である。インバータ電流基準値ｉｂ２は、少なくともコンデンサ電圧検出手段で検出される中間電圧値と中間電圧の目標値ｖｂｃとの差分の中間電圧誤差値Δｖｃと、比較するインバータ電流検出手段７で検出した電流に基づく電流値ｉｂ２の電流値に合わせる係数Ｂとを掛け合わせて演算される。又は、インバータ電流基準値ｉｂ２は、正規化された基準電流値ｉｓもしくは基準電流値ｉｓに係数などを掛け合わせた値とし、インバータ電流検出手段７で検出した電流に基づく電流値ｉｂ２は、少なくとも中間電圧誤差値Δｖｃを掛け合わせた値としてもよい。制御回路９では、インバータ電流検出手段７で検出した電流に基づく電流値ｉ２がインバータ基準電流値ｉｂ２に近づくように、インバータ回路３の半導体スイッチＳ３１、Ｓ３２、Ｓ３３、Ｓ３４を動作させて、インバータ回路３の電流ｉ２を可変させる。具体的には、インバータ電流基準値ｉｂ２は、中間電圧ｖｃが中間電圧の目標値ｖｂｃに対して１Ｖ高い場合、すなわち中間電圧値と中間電圧の目標値ｖｂｃとの差分の中間電圧誤差値Δｖｃが＋１Ｖの場合に、インバータ電流基準値ｉｂ２を上昇させる。これにより、インバータ電流検出手段７で検出した電流に基づく電流値ｉ２を上昇させ、中間電圧ｖｃを１Ｖ下げるようにしている。このようにして、インバータ回路３は、中間電圧ｖｃが中間電圧の目標値ｖｂｃよりも上昇すると、出力側の系統に電力を供給して、中間電圧ｖｃが中間電圧の目標値ｖｂｃに近づくように動作する。上記のような構成を採ることで、系統電圧に合ったリンク電圧を設定できるため、スイッチング損失が低減でき、比較的簡単な回路構成や制御方法でインバータ回路の効率を向上させることができる。

なお、上記において、予め定めるデータは、正弦波や最大振幅値を１とする正規化された正弦波に限定されず、基準電流値ｉｓについても正規化された値に限定されるものではない。また、上記のインバータ電流検出手段７で検出した電流に基づく電流値ｉ２とは、インバータ電流検出手段７で検出した電流値の他、インバータ電流検出手段７で検出した電流値に係数を掛け合わせるなどの演算処理を行って求めた電流値も含む。また、インバータ電流検出手段７で検出される電流に基づく電流値ｉ２、インバータ基準電流値ｉｂ２は、コンデンサの中間電圧の制御を行うために、少なくともどちらか一方に中間電圧誤差値Δｖｃを反映させた係数を掛け合わせるなどの演算を行うものとする。それ以外の演算についても、必要に応じてインバータ電流検出手段で検出される電流に基づく電流値ｉ２とインバータ基準電流値ｉｂ２との電流値が合うようにするものは含まれるものとする。

本発明に係る系統連系電力変換装置及び系統連系電力変換の制御方法は、燃料電池または太陽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電力変換装置及び系統連系電力変換の制御方法に利用することができる。

１コンバータ回路
Ｓ１１、Ｓ１２半導体スイッチ
Ｄ１、Ｄ２整流手段
Ｔｒ絶縁用のトランス
Ｎ１、Ｎ２絶縁用のトランスの１次側の巻線
Ｎ３絶縁用のトランスの２次側の巻線
２コンデンサ
２１、２２コンデンサ
３インバータ回路
Ｓ３１、Ｓ３２、Ｓ３３、Ｓ３４半導体スイッチ
３１フィルタ回路
Ｌチョークコイル
Ｃｆフィルタ用コンデンサ
４入力電流検出手段
５コンバータ制御回路
６コンデンサ電圧検出手段
７インバータ電流検出手段
８系統電圧検出手段
９インバータ制御回路
Ｔ１、Ｔ２直流入力端子
Ｔ３、Ｔ４出力端子

Claims

半導体スイッチと整流手段とを有するコンバータ回路と、
前記コンバータ回路に入力される電流が定電流になるように前記コンバータ回路の半導体スイッチを動作させるコンバータ制御回路と、
少なくともチョークコイルと半導体スイッチとを有し、出力側が系統に連系されるインバータ回路と、
前記インバータ回路の半導体スイッチを制御するインバータ制御回路と、
前記コンバータ回路と前記インバータ回路との間に配置されるコンデンサと、
前記コンデンサの電圧である中間電圧を検出するコンデンサ電圧検出手段と、
前記インバータ回路の出力側の前記系統の電圧を検出する系統電圧検出手段と、
前記インバータ回路の電流を検出するインバータ電流検出手段と、を備え、
前記インバータ制御回路は、
予め定めたデータと所定の間隔でカウントする基準クロックとを有し、
前記系統電圧検出手段で検出された系統電圧値を読み込んで、前記基準クロックの１カウント毎に前記系統電圧の極性が切り替わる時点を判断して前記系統電圧の一周期あたりにおける前記基準クロックのカウント数を求め、
前記系統電圧の一周期あたりにおける前記基準クロックのカウント数に応じて前記予め定めたデータの読出しを行うデータの読出し周期を求め、
前記データの読出し周期毎に前記予め定めたデータを順次読み出して正規化された基準電流値を求め、
前記系統電圧検出手段で検出される系統電圧値に少なくとも前記インバータ回路内の前記チョークコイルと前記半導体スイッチとに印加される電圧値を加算した値を前記コンデンサの中間電圧目標値とし、前記コンデンサ電圧検出手段で検出される中間電圧値と前記中間電圧目標値との差分を中間電圧誤差値として求め、
前記正規化された基準電流値をインバータ基準電流値とし、前記インバータ電流検出手段で検出される電流に基づく電流値は前記インバータ電流検出手段で検出される電流に前記中間電圧誤差値を掛け合わせて求め、
前記インバータ電流検出手段で検出される電流に基づく電流値が、前記インバータ基準電流値に近づくように、前記インバータ回路の前記半導体スイッチを動作させて、前記インバータ回路の電流を可変させることを特徴とする系統連系電力変換装置。
半導体スイッチと整流手段とを有するコンバータ回路と、
前記コンバータ回路に入力される電流が定電流になるように前記コンバータ回路の半導体スイッチを動作させるコンバータ制御回路と、
少なくともチョークコイルと半導体スイッチとを有し、出力側が系統に連系されるインバータ回路と、
前記インバータ回路の半導体スイッチを制御するインバータ制御回路と、
前記コンバータ回路と前記インバータ回路との間に配置されるコンデンサと、
前記コンデンサの電圧である中間電圧を検出するコンデンサ電圧検出手段と、
前記インバータ回路の出力側の前記系統の電圧を検出する系統電圧検出手段と、
前記インバータ回路の電流を検出するインバータ電流検出手段と、を備え、
前記インバータ制御回路は、
予め定めたデータと所定の間隔でカウントする基準クロックとを有し、
前記系統電圧検出手段で検出された系統電圧値を読み込んで、前記基準クロックの１カウント毎に前記系統電圧の極性が切り替わる時点を判断して前記系統電圧の一周期あたりにおける前記基準クロックのカウント数を求め、
前記系統電圧の一周期あたりにおける前記基準クロックのカウント数に応じて前記予め定めたデータの読出しを行うデータの読出し周期を求め、
前記データの読出し周期毎に前記予め定めたデータを順次読み出して正規化された基準電流値を求め、
前記系統電圧検出手段で検出される系統電圧値に少なくとも前記インバータ回路内の前記チョークコイルと前記半導体スイッチとに印加される電圧値を加算した値を前記コンデンサの中間電圧目標値とし、前記コンデンサ電圧検出手段で検出される中間電圧値と前記中間電圧目標値との差分を中間電圧誤差値として求め、
前記正規化された基準電流値に前記中間電圧誤差値を掛け合わせてインバータ基準電流値求め、
前記インバータ電流検出手段で検出される電流に基づく電流値が、前記インバータ基準電流値に近づくように、前記インバータ回路の前記半導体スイッチを動作させて、前記インバータ回路の電流を可変させることを特徴とする系統連系電力変換装置。
コンバータ回路に入力される電流が定電流になるように前記コンバータ回路の半導体スイッチを動作させ、前記コンバータ回路からコンデンサを介して入力される電力を出力側が系統に連系されるインバータ回路の少なくとも半導体スイッチとチョークコイルとを介して系統側に供給し、
インバータ制御回路は、系統電圧検出手段で検出された系統電圧値を読み込んで、予め定めたデータと所定の間隔でカウントする基準クロックの１カウント毎に前記系統電圧の極性が切り替わる時点を判断して前記系統電圧の一周期あたりにおける前記基準クロックのカウント数を求め、
前記系統電圧の一周期あたりにおける前記基準クロックのカウント数に応じて前記予め定めたデータの読出しを行うデータの読出し周期を求め、
前記データの読出し周期毎に前記予め定めたデータを順次読み出して正規化された基準電流値を求め、
前記系統電圧値に少なくとも前記インバータ回路内の前記チョークコイルと前記半導体スイッチとに印加される電圧値を加算した値を前記コンデンサの中間電圧目標値とし、前記コンデンサ電圧検出手段で検出される中間電圧値と前記中間電圧目標値との差分を中間電圧誤差値として求め、
前記正規化された基準電流値をインバータ基準電流値とし、前記インバータ電流検出手段で検出される電流に基づく電流値は、前記インバータ電流検出手段で検出される電流に前記中間電圧誤差値を掛け合わせて求め、
前記インバータ電流検出手段で検出される電流に基づく電流値が、前記インバータ基準電流値に近づくように、前記インバータ回路の前記半導体スイッチを動作させて、前記インバータ回路の電流を可変させることを特徴とする系統連系電力変換の制御方法。
コンバータ回路に入力される電流が定電流になるように前記コンバータ回路の半導体スイッチを動作させ、前記コンバータ回路からコンデンサを介して入力される電力を出力側が系統に連系されるインバータ回路の少なくとも半導体スイッチとチョークコイルとを介して系統側に供給し、
インバータ制御回路は、系統電圧検出手段で検出された系統電圧値を読み込んで、予め定めたデータと所定の間隔でカウントする基準クロックの１カウント毎に前記系統電圧の極性が切り替わる時点を判断して前記系統電圧の一周期あたりにおける前記基準クロックのカウント数を求め、
前記系統電圧の一周期あたりにおける前記基準クロックのカウント数に応じて前記予め定めたデータの読出しを行うデータの読出し周期を求め、
前記データの読出し周期毎に前記予め定めたデータを順次読み出して正規化された基準電流値を求め、
前記系統電圧値に少なくとも前記インバータ回路内の前記チョークコイルと前記半導体スイッチとに印加される電圧値を加算した値を前記コンデンサの中間電圧目標値とし、前記コンデンサ電圧検出手段で検出される中間電圧値と前記中間電圧目標値との差分を中間電圧誤差値として求め、
前記正規化された基準電流値に前記中間電圧誤差値を掛け合わせてインバータ基準電流値求め、
インバータ電流検出手段で検出される電流に基づく電流値が、前記インバータ基準電流値に近づくように、前記インバータ回路の前記半導体スイッチを動作させて、前記インバータ回路の電流を可変させることを特徴とする系統連系電力変換の制御方法。