JP5970294B2 - 系統連系インバータ装置 - Google Patents

Description

本発明は、交流電流に含まれる直流分を検出する直流分検出回路を簡素化かつ省電力化した系統連系インバータ装置に関する。

近年における発電環境の変化に伴い、太陽電池パネルを用いた太陽光発電装置、天然ガスや水素を燃料とする燃料電池発電装置が普及しつつある。これらの発電装置は、出力できる電流が直流であることから、この直流電流を系統連系インバータ装置で商用周波数の交流電流に変換して商用電源系統に連系させる。

系統連系インバータ装置でこれらの発電装置を商用電源系統に連系させる場合、系統連系インバータが出力する交流電流に含まれる直流分が問題となる。直流分を多く含む交流電流が商用電源系統に流れ込むと、商用電源系統のトランスに偏磁作用をもたらし、系統や需要家の負荷に悪影響を及ぼす。

このため、下記特許文献１に開示されているような直流分検出回路を用い、検出された直流分を系統連系インバータ装置にフィードバックして、系統連系インバータ装置から商用電源系統に流れ込む直流分ができるだけ少なくなるように、系統連系インバータ装置の動作を制御している。

特開２００４−１８０４９０号公報

しかし、従来の系統連系インバータ装置では、直流分検出回路を電圧値の異なる複数の電源を用いて動作させている。たとえば、図５に示す直流分検出回路では、＋１２Ｖ（または＋１５Ｖ）、−１２Ｖ（または−１５Ｖ）、＋５Ｖ、−５Ｖという４つの異なる電圧を出力するために４種類の電源を用いている。

図５の直流分検出回路１０では、電流検出器１２が＋１２Ｖ及び−１２Ｖまたは＋１５Ｖ及び−１５Ｖで動作し、ローパスフィルタ１４が＋５Ｖ及び−５Ｖまたは＋１２Ｖ及び−１２Ｖで動作する。また、加算器１６が＋５Ｖ及び−５Ｖまたは＋５Ｖで動作し、Ａ／Ｄコンバータ１８及びＣＰＵ１９が＋５Ｖで動作する。ローパスフィルタ１４と加算器１６は直流分抽出回路１５を構成するが、直流分抽出回路１５内でも異なる大きさの電圧が用いられている。

このため、電流検出器１２で検出される系統連系インバータ装置の出力は、（１）のグラフに示すように０Ｖを基準とする＋１２Ｖと−１２Ｖとの間の電圧の範囲で変化し、一定周波数以下（たとえば１０Ｈｚ以下）の周波数成分（直流分）のみを抽出するローパスフィルタ１４からの出力は、（２）のグラフに示すように０Ｖを基準とする＋５Ｖと−５Ｖとの間の電圧の範囲で変化し、電圧の基準値を２.５Ｖ加算する加算器１６からの出力は、（３）のグラフに示すように２．５Ｖを基準とする０Ｖと＋５Ｖとの間の電圧の範囲で変化する。

Ａ／Ｄコンバータ１８は２．５Ｖを基準に変化する直流分を一定のサンプリング周波数でデジタル値に変換し、ＣＰＵ１９でＡ／Ｄコンバータ１８でデジタル化された直流分を正確に求める。

また、図６の直流分検出回路２０では、電流検出器２２、直流分抽出回路となるローパスフィルタ２４及びＡ／Ｄコンバータ２８が＋１５Ｖ及び−１５Ｖで動作し、ＣＰＵ３０が＋５Ｖで動作する。したがって、図６の直流分検出回路２０でも、＋１５Ｖ、−１５Ｖ、＋５Ｖという３つの異なる電圧を出力するために３種類の電源を用いる必要がある。

従来は、直流分検出回路を構成する各部の電圧の相違を容認し、各部の必要とする電圧を供給する電源を用いることが一般的であった。しかし、本願発明では、系統連系インバータ装置の小型軽量化及び省電力化といった根強い要請を受けて、従来から存在する一般的な考え方を打破している。

したがって、本発明は、できるだけ少ない種類の電源を用いることによって、直流分を検出する直流分検出回路を簡素化かつ省電力化した系統連系インバータ装置の提供を目的とする。

上記目的を達成するための本発明に係る系統連系インバータ装置は、電流検出器、直流分抽出回路、Ａ／Ｄコンバータ及びＣＰＵを有する。

電流検出器は、商用電源系統に向けて出力する交流電流を検出するために単一電源で動作する。直流分抽出回路は、電流検出器によって検出された交流電流に含まれる直流分を抽出するために単一電源の電圧値と同一電圧の両電源で動作する。Ａ／Ｄコンバータは、直流分抽出回路によって抽出された直流分をデジタル化するために電流検出器の単一電源の電圧値と同一電圧の単一電源で動作する。ＣＰＵは、Ａ／Ｄコンバータによってデジタル化された直流分を用いて商用電源系統に向けて出力する交流電流に含まれる直流分を減少させるフィードバック信号を演算するために前記単一電源の電圧値と同一電圧の単一電源で動作する。単一電源の電圧値を＋Ｖボルトとすると両電源の電圧値は＋Ｖボルトおよび−Ｖボルトである。

上記のように構成された本発明に係る系統連系インバータによれば、同一電圧の単電源と両電源を用いて、交流電流に含まれる直流分を検出する直流分検出回路を動作させているので、直流分の検出精度を損なうことなく、直流分検出回路の簡素化かつ省電力化を図ることができる。

本実施形態に係る系統連系インバータ装置のブロック図である。 本実施形態に係る系統連系インバータ装置の直流分検出回路のブロック図である。 図２の直流分検出回路の各部の動作波形図である。 図２の直流分検出回路の具体的な回路図である。 従来の系統連系インバータ装置の直流分検出回路のブロック図である。 従来の系統連系インバータ装置の他の直流分検出回路のブロック図である。

次に、本実施形態に係る系統連系インバータ装置について説明する。図１は、本実施形態に係る系統連系インバータ装置のブロック図である。

系統連系インバータ装置は、太陽電池パネル１１０から出力される直流電圧を昇圧させるＤＣ／ＤＣコンバータ１２０と、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２０で昇圧された直流電圧を交流電圧に変換するＤＣ／ＡＣインバータ１３０とを備える。

太陽電池パネル１１０から出力される直流電圧は一般的には十数Ｖ程度と低い電圧である。したがって、太陽電池パネル１１０は複数直列に接続される。ＤＣ／ＤＣコンバータ１２０は、この電圧を系統の電圧に変換可能な電圧にまで昇圧し、太陽光エネルギーを効率よく使えるようにする。

ＤＣ／ＤＣコンバータ１２０から出力される電流は直流電流であるので、このままでは系統に連系することはできない。このため、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２０から出力される電流をＤＣ／ＡＣインバータ１３０で商用電源の周波数と同一周波数の交流電流に変換する。

図１に示す系統連系インバータ装置のように、ＤＣ／ＡＣインバータ１３０と商用電源系統１４０との間にトランスが介在していない場合には、ＤＣ／ＡＣインバータ１３０から商用電源系統１４０に出力される交流電流に直流分を含む場合がある。

商用電源系統１４０に出力される交流電流に直流分が含まれると、商用電源系統１４０が持つトランスに偏磁作用を生じさせ、トランスに過大な電流が流れるなどの悪影響を与える。

このため、省令を基にした系統連系規定では、商用電源系統１４０に流出する交流電流が含む直流分は、系統連系インバータ装置の定格交流出力電流の１％以下であることが定められている。

ＤＣ／ＡＣインバータ１３０から商用電源系統１４０に出力される交流電流に含まれる直流分を検出できるようにするため、本実施形態に係る系統連系インバータ装置では、直流分検出回路を設けている。

直流分検出回路は、ＤＣ／ＡＣインバータ１３０から解列リレー１５５を介して商用電源系統１４０に向けて出力される交流電流を検出する電流検出器１５０と、電流検出器１５０によって検出された交流電流に含まれる直流分を抽出する直流分検出回路１６０と、直流分抽出回路１６０によって抽出された直流分をデジタル化するＡ／Ｄコンバータ１７０と、Ａ／Ｄコンバータ１７０によってデジタル化された直流分を用いて商用電源系統１４０に向けて出力する交流電流に含まれる直流分を減少させるフィードバック信号を演算するＣＰＵ１８０とを有する。

電流検出器１５０は、ＤＣ／ＡＣインバータ１３０から商用電源系統１４０に流れ込む交流電流の波形を正確に検出する。交流電流の波形は、電流検出器１５０を通過する電流の大きさに比例した交流電圧の波形に置き換えられる。

直流分抽出回路１６０は、電流検出器１５０が出力する交流電圧の波形を加工して、その波形に含まれる非常に微小な直流分を抽出できるようにする。直流分が含まれていると、波形の基準が０Ｖを基準として＋方向又は−方向にシフトするので、直流分抽出回路１６０はそのシフト量を抽出できるようにする。

Ａ／Ｄコンバータ１７０は、直流分抽出回路１６０から出力された、シフト量を抽出できるように加工されたアナログデータをデジタル化してＣＰＵ１８０に出力する。

ＣＰＵ１８０は、Ａ／Ｄコンバータ１７０から出力される直流分のデジタルデータを平均化する平均化回路１８２と、Ａ／Ｄコンバータ１７０から出力される、電流検出器１５０によって検出された交流電流のデジタル値、及び、平均化回路１８２から出力される平均化データを用いて、ＤＣ／ＡＣインバータ１３０のスイッチングを制御するＰＷＭ制御部１８４とを有している。

平均化回路１８２は、Ａ／Ｄコンバータ１７０から出力されるデジタルデータを平均化して、直流分のみ、換言すれば上述のシフト量のみを平均化データとして求める。

ＰＷＭ制御部１８４は、電流検出器１５０によって検出された交流電流の大きさを目標とする出力電流の大きさと比較し、さらに、平均化回路１８２から出力される平均化データを用いて、ＤＣ／ＡＣインバータ１３０のスイッチングを制御するゲート信号を生成する。そのゲート信号を、目標とする出力電流に含まれる直流分を一定の値以下に低減させるためのフィードバック信号として出力する。具体的には、ＰＷＭ制御部１８４は、目標とする出力電流に含まれる直流分を一定の値以下とするために、直流分が重畳した極性と逆の極性の直流分を含むように、直流分補償のためのＰＷＭ制御を行う。

したがって、ＣＰＵ１８０は、フィードバック信号によって、ＤＣ／ＡＣインバータ１３０から商用電源系統１４０に向けて出力される交流電流に含まれる直流分を減少させる。

ＣＰＵ１８０は、平均値回路１８２から出力される平均化データを用いてＤＣ／ＤＣコンバータ１２０及びＤＣ／ＡＣインバータ１３０の動作を強制的に停止させる必要があるかないかを判断する検出保護回路１８７と、検出保護回路１８７によってＤＣ／ＤＣコンバータ１２０及びＤＣ／ＡＣインバータ１３０の動作を強制的に停止させる必要があると判断されたときに、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２０及びＤＣ／ＡＣインバータ１３０の動作を強制的に停止させる動作制御部１８９とを有している。なお、動作制御部１８９は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２０及びＤＣ／ＡＣインバータ１３０の動作を強制的に停止させる動作とともに、解列リレー１５５を図１のように開き、商用電源系統１４０とＤＣ／ＡＣインバータ１３０との接続を遮断する解列動作も行う。

したがって、ＣＰＵ１８０は、商用電源系統１４０に流出する交流電流に含まれる直流分があらかじめ定めた規定値を超えているときには、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２０及びＤＣ／ＡＣインバータ１３０の動作を強制的に停止させ、電力の供給を停止する。

図２は、本実施形態に係る系統連系インバータ装置の直流分検出回路のブロック図である。直流分検出回路１００は、電流検出器１５０、直流分抽出回路１６０、Ａ／Ｄコンバータ１７０、ＣＰＵ１８０を有する。電流検出器１５０、直流分抽出回路１６０、Ａ／Ｄコンバータ１７０、ＣＰＵ１８０の機能については上述した。

電流検出器１５０は＋Ｖボルトの単一電源で動作し、直流分抽出回路１６０は＋Ｖボルト及び−Ｖボルトの両電源で動作し、Ａ／Ｄコンバータ１７０は＋Ｖボルトの単一電源で動作し、ＣＰＵ１８０は＋Ｖボルトの単一電源で動作する。

本実施形態では、単一電源及び両電源の電圧値を＋５Ｖ、−５Ｖとしている。この電圧を選定しているのは、ＣＰＵ１８０が一般的に用いている動作電圧値が＋５Ｖだからである。

このように、本実施形態に係る系統連系インバータ装置の直流分検出回路では、＋５Ｖ、−５Ｖという２つの異なる電圧が出力できる２種類の電源を用意するだけで済む。従来のように３種類以上の電源を用意する場合には、トランスの巻線を多く設ける必要がありトランスが大きくなるので、直流分検出回路の小型軽量化、省電力化が妨げられる。しかし、本実施形態の場合には、トランスの巻線が少なくできるため、直流分検出回路の小型軽量化、省電力化に寄与できる。

直流分抽出回路１６０は、減算器１６２、ローパスフィルタ１６４、加算器１６６を備える。減算器１６２は、単一電源で動作する電流検出器１５０であっても精度よく直流分の測定ができるようにする。また、加算器１６６は、ローパスフィルタ１６４の出力を単一電源で動作するＡ／Ｄコンバータ１７０が扱える電圧の信号にする。減算器１６２、ローパスフィルタ１６４、加算器１６６は、＋５Ｖ、−５Ｖの両電源で動作する。なお、減算器１６２は、単一電源の電流検出器の出力を単純に増幅すると２．５ボルトも増幅するので、オペアンプの電源電圧範囲をすぐに逸脱してしまう。つまり、増幅度が大きくとれず精度も落ちる。このため、減算器１６２によって減算し、電圧中心を０ボルトとしている。

図３は、図２の直流分検出回路の各部の動作波形図である。図に示すように、電流検出器１５０は＋５Ｖの単一電源で動作するので、電流検出器１５０は、検出する交流電流の大きさ（波形）に応じて２.５Ｖを基準とする０Ｖと＋５Ｖとの間の電圧の波形を出力する（（１）参照）。

減算器１６２は、電流検出器１５０によって検出された交流電流を示す波形の電圧基準を２．５Ｖ下げて（減算して）０Ｖ基準とする。なお、電圧基準を２．５Ｖから０Ｖに変更するための電圧は、外部に設けた電圧源から供給しても良いし、電流検出器１５０にその電圧源を備える場合には、その電圧源から出力される電圧を用いても良い。

ローパスフィルタ１６４は、減算器１６２によって０Ｖ基準とされた波形の直流分を抽出する。ローパスフィルタ１６４は、直流分を抽出するために１０Ｈｚ以下のカットオフ周波数が設定される。したがって、１０Ｈｚを超える周波数成分は取り除かれ、１０Ｈｚ以内の変動成分を持つ直流分が抽出される。ローパスフィルタ１６４は、抽出した直流分を増幅するためのゲインを設定してある。商用電源系統１４０に流出する計測の対象となる直流分は、系統連系インバータ装置の定格交流出力電流の１％以下であるので、そのままでは小さすぎて、直流分の抽出が難しいからである。したがって４０倍程度のゲインを設定している。

加算器１６６は、ローパスフィルタ１６４によって抽出された直流分を示す波形の電圧基準を２．５Ｖ上げて（加算して）２．５Ｖ基準とする。すなわち、電圧基準を単一電源の電圧値＋５Ｖと０Ｖとの間の電圧とする。

加算器１６６で２．５Ｖ基準にされた直流分は、Ａ／Ｄコンバータ１７０によってデジタル値に変換され、直流分のみを取り出すために平均化回路１８２で平均化される。

以上のように、本実施形態に係る系統連系インバータ装置では、＋５Ｖ、−５Ｖという２つの異なる電圧が出力できる２種類の電源を用意するだけで、単一電源と両電源で、電流検出器１５０、直流分検出回路１６０、Ａ／Ｄコンバータ１７０を動作させることができる。また、直流分検出回路１６０は、減算器１６２と加算器１６６を設けているので、直流分の波形を、直流分が抽出しやすくかつ増幅しやすいようにシフトさせることができる。

したがって、計測精度を損なうことなく、直流分検出回路の簡素化、省電力化、低コスト化を実現することができる。

図４は、図２の直流分検出回路の具体的な回路図である。図４に示すように、直流分検出回路１６０を構成する、減算器１６２、ローパスフィルタ１６４及び加算器１６６は、オペアンプ、抵抗器及びコンデンサによって構成される。

図４に示すように、減算器１６２は、オペアンプ１６２−２と４つの抵抗器Ｒとで形成され、＋５Ｖ、−５Ｖの電圧値の両電源で動作する。減算器１６２は、電流検出器１５０から出力される交流電圧の大きさを２．５Ｖ引き下げる。

ローパスフィルタ１６４は、オペアンプ１６４−２、３つの抵抗器Ｒ、２つのコンデンサＣで形成され、減算器１６２から出力される交流電圧から直流分を抽出する。具体的には、１０Ｈｚ以下の周波数成分を直流分として抽出する。抽出した直流分は電圧値が非常に小さいので、直流分の測定が高精度でできるように、抽出した直流分を増幅する。ローパスフィルタ１６４も＋５Ｖ、−５Ｖの電圧値の両電源で動作する。

加算器１６６は、オペアンプ１６６−２、４つの抵抗器Ｒ、１つのコンデンサＣで形成され、減算器１６２及びローパスフィルタ１６４と同様に＋５Ｖ、−５Ｖの電圧値の両電源で動作する。加算器１６６は、ローパスフィルタ１６４が抽出した直流分の電圧の大きさを２．５Ｖ引き上げてＡ／Ｄコンバータ１７０がデジタルデータに変換しやすい電圧に調整する。

以上のように、本実施形態に係る系統連系インバータ装置では、できるだけ少ない種類の電源を用いて動作させるようにしているので、直流分の検出精度を損なうことなく、直流分検出回路の簡素化かつ省電力化を図ることができる。

１１０ 太陽電池パネル、
１２０ ＤＣ／ＤＣコンバータ、
１３０ ＤＣ／ＡＣインバータ、
１４０ 商用電源系統、
１５０ 電流検出器、
１６０ 直流分抽出回路、
１６２ 減算器、
１６４ ローパスフィルタ、
１６６ 加算器、
１６８ コンデンサ、
１７０ Ａ／Ｄコンバータ、
１８０ ＣＰＵ、
１８２ 平均化回路、
１８４ ＰＷＭ制御部、
１８６ ＰＷＭ制御部、
１８７ 検出保護回路、
１８９ 動作制御部。

Claims (10)

1. 商用電源系統に向けて出力する交流電流を検出するために単一電源で動作する電流検出器と、
   前記電流検出器によって検出された交流電流に含まれる直流分を抽出するために前記電流検出器の単一電源の電圧値と同一電圧の両電源で動作する直流分抽出回路と、
   前記直流分抽出回路によって抽出された直流分をデジタル化するために前記単一電源の電圧値と同一電圧の単一電源で動作するＡ／Ｄコンバータと、
   前記Ａ／Ｄコンバータによってデジタル化された直流分を用いて前記商用電源系統に向けて出力する交流電流に含まれる直流分を減少させるフィードバック信号を演算するために前記単一電源の電圧値と同一電圧の単一電源で動作するＣＰＵと、を有し、
   前記単一電源の電圧値を＋Ｖボルトとすると前記両電源の電圧値は＋Ｖボルトおよび−Ｖボルトであることを特徴とする系統連系インバータ装置。
2. 前記直流分抽出回路は、
   前記電流検出器によって検出された電流を示す波形の電圧基準を０Ｖ基準とする減算器と、
   前記減算器によって０Ｖ基準とされた波形の直流分を抽出するローパスフィルタと、
   前記ローパスフィルタによって抽出された直流分を示す波形の電圧基準を前記単一電源の電圧値と０Ｖとの間の電圧とする加算器と、
   を有し、
   前記減算器、前記ローパスフィルタ及び前記加算器は、前記単一電源の電圧値と同一電圧の両電源で動作することを特徴とする請求項１に記載の系統連系インバータ装置。
3. 前記ローパスフィルタは、
   前記直流分を抽出するための１０Ｈｚ以下のカットオフ周波数が設定され、
   抽出した直流分を増幅するためのゲインが設定されていることを特徴とする請求項２に記載の系統連系インバータ装置。
4. 前記減算器、前記ローパスフィルタ及び前記加算器は、オペアンプ、抵抗器及びコンデンサによって形成されていることを特徴とする請求項２または３に記載の系統連系インバータ装置。
5. 前記単一電源及び前記両電源の電圧値は、前記ＣＰＵの動作電圧値と同一であることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の系統連系インバータ装置。
6. 請求項１から５のいずれかに記載の系統連系インバータ装置は、
   太陽電池パネルから出力される直流電圧を昇圧させるＤＣ／ＤＣコンバータと、
   前記ＤＣ／ＤＣコンバータで昇圧された直流電流を交流電流に変換するＤＣ／ＡＣインバータと、をさらに備え、
   前記ＣＰＵは、前記フィードバック信号を前記ＤＣ／ＡＣインバータに出力し、前記ＤＣ／ＡＣインバータから前記商用電源系統に向けて出力する交流電流に含まれる直流分を減少させることを特徴とする系統連系インバータ装置。
7. 前記ＣＰＵは、
   前記Ａ／Ｄコンバータから出力される直流分のデジタルデータを平均化する平均化回路と、
   前記平均化回路から出力される平均化データを用いて前記ＤＣ／ＡＣインバータのスイッチングを制御するゲート信号をフィードバック信号として出力するＰＷＭ制御部と、
   を有することを特徴とする請求項６に記載の系統連系インバータ装置。
8. 前記ＣＰＵは、前記Ａ／Ｄコンバータによってデジタル化された直流分があらかじめ定めた規定値を超えているときには、前記ＤＣ／ＤＣコンバータ及び前記ＤＣ／ＡＣインバータの動作を強制的に停止させることを特徴とする請求項６または７に記載の系統連系インバータ装置。
9. 前記ＣＰＵは、
   前記平均値回路から出力される平均化データを用いて前記ＤＣ／ＤＣコンバータ及び前記ＤＣ／ＡＣインバータの動作を強制的に停止させる必要があるかないかを判断する検出保護回路と、
   前記検出保護回路によって前記ＤＣ／ＤＣコンバータ及び前記ＤＣ／ＡＣインバータの動作を強制的に停止させる必要があると判断されたときに、前記ＤＣ／ＤＣコンバータ及び前記ＤＣ／ＡＣインバータの動作を強制的に停止させる動作制御部と、
   を有することを特徴とする請求項８に記載の系統連系インバータ装置。
10. 前記ＣＰＵは、前記Ａ／Ｄコンバータによってデジタル化された直流分があらかじめ定めた規定値を超えているときには、前記ＤＣ／ＤＣコンバータと前記商用電源系統の接続を、解列リレーを動作させることによって遮断することを特徴とする請求項８または９に記載の系統連系インバータ装置。