JP6148277B2

JP6148277B2 - 系統連系インバータシステムの制御装置

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Publication number: JP6148277B2
Application number: JP2015084263A
Authority: JP
Inventors: キスリ
Original assignee: LSIS Co Ltd
Current assignee: LS Electric Co Ltd
Priority date: 2014-04-16
Filing date: 2015-04-16
Publication date: 2017-06-14
Anticipated expiration: 2035-04-16
Also published as: US20150303827A1; KR20150119647A; CN105048837A; US9793823B2; JP2015208220A; EP2933915A2; EP2933915B1; CN105048837B; ES2706508T3; EP2933915A3; KR101797270B1

Description

本発明は、直流電力供給源からの直流電力を商用交流系統に供給するインバータシステムに関し、特に、商用交流系統から要求される電力に直ちに合わせることができるようにシーケンス制御構成（以下、単に制御構成という）が改善された系統連系インバータシステムの制御装置に関する。

直流（Direct Current）（以下、ＤＣという）電圧は、太陽光、風力、燃料電池などの様々なＤＣエネルギー供給源から生産され、インバータシステムにより系統電圧（グリッド電圧）に一致する交流（Alternate Current）（以下、ＡＣという）電圧に変換されて系統（グリッド）に供給される。

従来のインバータシステムは、ＤＣエネルギー供給源の出力端に接続されるＤＣ−ＤＣコンバータと、前記ＤＣ−ＤＣコンバータの出力端に接続されるインバータとを備え、制御装置からの指令値に基づいて出力電流を制御する。

また、系統負荷の変動に応じて最大電力を供給できるように、最大電力点追従（Maximum Power Point Tracking: MPPT）アルゴリズムを適用して入力電圧指令を制御する。

近年、系統の保護や発電量の制限の必要性が高まって関連規定が制定されることにより、ＤＣエネルギー供給源の発電電力を最大電力以下に制御する技術が非常に重要となっている。

従来のインバータシステムの制御装置は、ＤＣ−ＤＣコンバータの制御信号を出力すると生成されるＤＣリンク電圧を用いてインバータ制御信号を出力するので、多数の制御部が入力電圧から出力電流に至るまで信号の入出力に連携しており、事実上多数の制御部が１つにまとめられた制御構成構造を有する。

よって、電力を制御するためには、入力電圧指令を制御して連鎖的に多数の制御部が動作を行った後に最終的に出力電流を供給する過程を繰り返すことにより、要求電力を供給しなければならなかった。

韓国登録特許第１０−１０３２７２０号公報

このような従来の制御方式は、制御構成が複雑であるので処理時間が長く、応答速度が遅いので特定の電力に対応する出力電流を即時に供給できないという問題があった。

なお、系統連系インバータシステムについては、特許文献１をはじめとする様々な先行技術文献が開示されているが、本発明の技術的課題に関するものは開示されていない。

本発明の目的は、特定の電力に対する即時制御を実現するように改善された制御構成を有する系統連系インバータシステムの制御装置を提供することにある。

本発明の上記目的は、ＤＣエネルギー供給源の出力端に接続されるＤＣ−ＤＣコンバータと、前記ＤＣ−ＤＣコンバータの出力端に接続されるインバータとを備え、前記ＤＣエネルギー供給源から印加されるＤＣ電圧をＡＣの系統電圧に変換して系統に供給する系統連系インバータシステムの制御装置において、前記ＤＣ−ＤＣコンバータを制御するＤＣ−ＤＣコンバータ制御信号を出力する第１制御部と、前記インバータを制御するインバータ制御信号を出力する第２制御部とを含み、前記第１制御部と前記第２制御部とは、信号の入出力が互いに連携しておらず、独立した制御構成を有し、前記第２制御部は、入力電圧を入力電圧指令により制御して出力電流指令を出力する入力電圧制御部と、出力電流を前記入力電圧制御部から出力される出力電流指令により制御して前記インバータ制御信号を出力する出力電流制御部とを含む本発明による系統連系インバータシステムの制御装置を提供することにより達成することができる。

本発明の好ましい一態様によれば、前記第１制御部は、ＤＣリンク電圧をＤＣリンク電圧指令により制御して入力電流指令を出力するＤＣリンク電圧制御部と、入力電流を入力電流指令により制御して前記ＤＣ−ＤＣコンバータ制御信号を出力する入力電流制御部とを含む。

本発明の好ましい他の態様によれば、前記第１制御部は、ＤＣリンク電圧をＤＣリンク電圧指令により制御して前記ＤＣ−ＤＣコンバータ制御信号を出力するように構成される。

本発明の好ましいさらに他の態様によれば、前記第２制御部は、要求電力に応じて設定された出力電流指令により出力電流を制御して前記インバータ制御信号を出力するように構成される。

本発明においては、１つの流れにまとめられていたインバータシステムの制御装置の制御構成を２つの部分に分けることにより改善したので、出力電流に対する直接的な制御が可能であり、要求電力に対応する出力電流を即時供給することができるという利点がある。

本発明によるインバータシステムのブロック図である。従来のインバータシステムの制御装置の制御構成を示すブロック図である。本発明によるインバータシステムの制御装置の第１制御部の制御構成の一例を示すブロック図である。本発明によるインバータシステムの制御装置の第１制御部の制御構成の他の例を示すブロック図である。本発明によるインバータシステムの制御装置の第２制御部の制御構成の一例を示すブロック図である。

以下、添付図面を参照して本発明の技術的特徴を詳細に説明する。

図１は本発明によるインバータシステムのブロック図である。本発明によるインバータシステムは、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０、インバータ２０、フィルタ部３０及び制御装置４０を含む。

ＤＣ−ＤＣコンバータ１０は、様々な種類のＤＣエネルギー供給源により生産されるＤＣ電圧を安定化させて適宜昇圧又は変圧する手段であり、図１には一例としてブーストコンバータを示すが、本発明によるインバータシステムのＤＣ−ＤＣコンバータがこれに限定されるものではない。

ＤＣ−ＤＣコンバータ１０は、制御装置４０のＤＣ−ＤＣコンバータＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御信号ＤＣ−ＤＣＰＷＭが供給されてスイッチング素子Ｓ５が導通すると、入力電流Ｉｉｎの電気エネルギーがリアクタＬ１に蓄積され、スイッチング素子Ｓ５がターンオフされると、リアクタＬ１に蓄積された電気エネルギーがコンデンサＣ２に供給されて定電圧のＤＣリンク電圧Ｖｄｃを形成する。

インバータ２０は、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０の出力端に接続され、制御装置４０のインバータＰＷＭ制御信号ＩＮＶＰＷＭに基づくスイッチング素子Ｓ１〜Ｓ４のスイッチング動作により、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０から出力されるＤＣリンク電圧Ｖｄｃを系統電圧に一致するＡＣ電圧に変換する。

フィルタ部３０は、インバータ２０により変換されたＡＣ電圧（信号）に混入した高調波成分を除去するための回路であって、リアクタＬ２及びコンデンサＣ３を含む。

制御装置４０は、第１制御部４１及び第２制御部４２から構成され、コンデンサＣ１にかかる入力電圧Ｖｉｎを制御するための入力電圧指令Ｖｉｎｒｅｆ、リアクタＬ１に流れる入力電流Ｉｉｎを制御するための入力電流指令Ｉｉｎｒｅｆ、コンデンサＣ２に印加されるＤＣリンク電圧Ｖｄｃを制御するためのＤＣリンク電圧指令Ｖｄｃｒｅｆ、及びリアクタＬ２に流れる出力電流Ｉｉｎｖを制御するための出力電流指令Ｉｉｎｖｒｅｆを該当制御部に出力する。また、制御装置４０は、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０を駆動制御するためのＤＣ−ＤＣコンバータＰＷＭ制御信号ＤＣ−ＤＣＰＷＭ、及びインバータ２０を駆動制御するためのインバータＰＷＭ制御信号ＩＮＶＰＷＭを出力する。

制御装置４０は、前記各制御信号を生成する際に、一般的に、系統負荷の変動に応じて本発明によるインバータシステムが特定の電圧及び特定の電流で最大電力を生産できるように最大電力点追従（ＭＰＰＴ）アルゴリズムを用いる。また、制御装置４０は、最大電力点を求めるために、指令値を変化させ続けることにより、本発明によるインバータシステムの出力電力が最大電力点に追従するようにする。

第１制御部４１は、ＤＣ−ＤＣコンバータＰＷＭ制御信号ＤＣ−ＤＣＰＷＭを出力する制御構成を含み、第２制御部４２は、インバータＰＷＭ制御信号ＩＮＶＰＷＭを出力する制御構成を含む。

図２を参照すると、従来は、入力電圧制御部１、入力電流制御部２、ＤＣリンク電圧制御部３及び出力電流制御部４が互いに信号の入出力に連携している。

すなわち、入力電圧制御部１は、入力電圧Ｖｉｎを入力電圧指令Ｖｉｎｒｅｆにより制御して入力電流指令Ｉｉｎｒｅｆを出力する。

入力電流制御部２は、入力電流指令Ｉｉｎｒｅｆにより入力電流Ｉｉｎを制御してＤＣ−ＤＣコンバータＰＷＭ制御信号ＤＣ−ＤＣＰＷＭを出力することによりＤＣ−ＤＣコンバータ１０を駆動制御する。

ＤＣ−ＤＣコンバータ１０の駆動制御によりＤＣリンク電圧Ｖｄｃが生成されると、ＤＣリンク電圧制御部３は、ＤＣリンク電圧ＶｄｃをＤＣリンク電圧指令Ｖｄｃｒｅｆにより制御してインバータ２０の出力電流指令Ｉｉｎｖｒｅｆを出力する。

出力電流制御部４は、出力電流指令Ｉｉｎｖｒｅｆにより出力電流Ｉｉｎｖを制御してインバータＰＷＭ制御信号ＩＮＶＰＷＭを出力することによりインバータ２０を駆動制御する。

つまり、従来のインバータシステムの制御装置の制御構成は、入力電圧Ｖｉｎに追従するための入力電圧制御部１が入力電流指令Ｉｉｎｒｅｆを生成し、入力電流制御部２が動作して所望の入力電流Ｉｉｎを流すためのＤＣ−ＤＣコンバータＰＷＭ制御信号ＤＣ−ＤＣＰＷＭを生成することにより、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０が動作する制御シーケンス構成となっている。

そして、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０の動作状態に応じてＤＣリンク電圧Ｖｄｃが変化し、所望のＤＣリンク電圧Ｖｄｃを維持するためにＤＣリンク電圧制御部３が出力電流指令Ｉｉｎｖｒｅｆを出力し、出力電流制御部４が動作して所望の出力電流Ｉｉｎｖを流すためのインバータＰＷＭ制御信号ＩＮＶＰＷＭを生成することにより、インバータ２０が動作する。

このように、従来のインバータシステムの制御装置は、多数の制御部が１つの流れにまとめられており、各制御部間の相互依存性が大きく、出力電流Ｉｉｎｖの応答速度が遅い。

応答過程を具体的に説明すると次の通りである。出力電流Ｉｉｎｖを変化させるためには、出力電流制御部４における出力電流指令Ｉｉｎｖｒｅｆを変更しなければならず、このためには、ＤＣリンク電圧制御部３における出力を変更しなければならない。

しかし、ＤＣリンク電圧Ｖｄｃは一定に維持されなければならないので、ＤＣリンク電圧制御部３における入力を変更しなければならない。このためには、入力電流制御部２における出力を変更しなければならない。また、このためには、入力電流制御部２における入力を変更しなければならない。さらに、このためには、入力電圧制御部１における出力を変更しなければならない。さらに、このためには、入力電圧制御部１における入力を変更しなければならない。

つまり、出力電流Ｉｉｎｖを変化させるためには、制御シーケンス構成のうち最初の構成である入力電圧制御部１における入力を変更し、多数の制御部を連鎖的に反応させることにより、所望の制御結果が得られるようにする構成を有する。

同図には各制御部の制御としてＰＩ制御（Proportional Integral Control）を例に挙げているが、本発明は、ＰＩ制御に限定されるものではなく、比例制御（Proportional Control）やＰＩＤ制御（Proportional Integral and Differential Control）など様々な制御方式を適用することができる。

本発明は、前述したような従来の制御部間の連係構造により事実上１つの制御部のように動作していた多数の制御部を大きく２つの部分、すなわち第１制御部４１と第２制御部４２とに分けることにより、相互依存性をなくし、出力電流制御の速い応答速度が得られるようにする。

第１制御部４１と第２制御部４２とは、独立した制御構成を有し、第１制御部４１の出力であるＤＣ−ＤＣコンバータＰＷＭ制御信号ＤＣ−ＤＣＰＷＭはＤＣ−ＤＣコンバータ１０を駆動するが、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０の駆動結果は第２制御部４２の入力信号に影響を及ぼさない。第２制御部４２は、第１制御部４１とは無関係に、入力電圧指令Ｖｉｎｒｅｆ及び／又は出力電流指令Ｉｉｎｖｒｅｆを生成し、出力信号としてインバータＰＷＭ制御信号ＩＮＶＰＷＭを出力する。

これは、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０をインバータ制御から分離させることを意味し、インバータシステムの回路においてＤＣリンク電圧Ｖｄｃを一定に維持しながらも、出力電流Ｉｉｎｖの迅速な即時制御を可能にする。

図３は第１制御部４１の制御構成の一例を示すブロック図である。図３を参照すると、ＤＣリンク電圧Ｖｄｃを制御するためのＤＣリンク電圧制御部４０３の出力が入力電流指令Ｉｉｎｒｅｆに変換され、その指令を受けた入力電流制御部４０４がＤＣ−ＤＣコンバータ１０を制御する。つまり、第１制御部４１は、図１の回路においてＤＣリンク電圧Ｖｄｃを一定に維持し、入出力が第２制御部４２と連携しておらず、独立して動作する。

図４は第１制御部４１の制御構成の他の例を示すブロック図である。図４を参照すると、入力電流制御部４０４が備えられておらず、ＤＣリンク電圧制御部４０３がＤＣ−ＤＣコンバータ１０を制御する。

図５は第２制御部４２の制御構成の一例を示すブロック図である。図５を参照すると、入力電圧制御部４０１の出力を出力電流制御部４０２に直ちに接続させ、出力電流制御部４０２の出力がインバータ２０への制御出力となる制御構成となっている。つまり、本発明においては、シーケンス制御構成が図２の従来技術による４段階の制御構成から２段階の制御構成に変更されることにより、従来技術に比べて出力電流Ｉｉｎｖを出力する応答時間を大幅に短縮することができる。

また、最大電力点より低い電力が要求される状況で、出力電流Ｉｉｎｖを即時制御するためには、入力電圧制御部４０１と出力電流制御部４０２の連携を切り、出力電流制御部４０２のみを独立して駆動し、出力電流Ｉｉｎｖの制御により入力電圧Ｖｉｎが変更されるようにすることができる。

すなわち、Ｐ（電力）＝Ｖ（電圧）×Ｉ（電流）であるので、出力電流Ｉｉｎｖを制御すれば、要求電力を即時制御することができ、出力電流指令Ｉｉｎｖｒｅｆを要求電力に応じて設定して出力電流制御部４０２を駆動することにより、入力電圧制御部４０１の出力に関係なく所望の出力電流Ｉｉｎｖを直ちに得ることができる。

このように、本発明は、要求電力レベルに迅速に反応して応答速度を向上させることができるように、インバータシステムの制御装置の制御構成を第１制御部４１と第２制御部４２とに分けて構成したことを技術的特徴とし、そのための具体的な制御構成を提示する。

１０ＤＣ−ＤＣコンバータ
２０インバータ
３０フィルタ部
４０制御装置
４１第１制御部
４２第２制御部
４０１入力電圧制御部
４０２出力電流制御部
４０３ＤＣリンク電圧制御部
４０４入力電流制御部

Claims

ＤＣエネルギー供給源の出力端に接続されるＤＣ−ＤＣコンバータと、前記ＤＣ−ＤＣコンバータの出力端に接続されるインバータとを備え、前記ＤＣエネルギー供給源から印加されるＤＣ電圧をＡＣの系統電圧に変換して系統に供給する系統連系インバータシステムの制御装置において、
前記ＤＣ−ＤＣコンバータの入力電流及びＤＣリンク電圧の入力に基づいて、前記ＤＣ−ＤＣコンバータを制御するＤＣ−ＤＣコンバータ制御信号を出力する第１制御部と、
前記ＤＣ−ＤＣコンバータの入力電圧及び前記インバータの出力電流の入力に基づいて、前記インバータを制御するインバータ制御信号を出力する第２制御部とを含み、
前記第１制御部と前記第２制御部とは、信号の入出力が互いに連携しておらず、独立した制御構成を有し、
前記第２制御部は、
前記ＤＣ−ＤＣコンバータの入力電圧を入力電圧指令により制御して出力電流指令を出力する入力電圧制御部と、
前記ＤＣエネルギー供給源の最大電力点の電力が要求される場合、前記インバータの出力電流を前記入力電圧制御部から出力される出力電流指令により制御して前記インバータ制御信号を出力し、前記最大電力点より低い電力が要求される場合、前記インバータの出力電流を前記要求された電力に応じて設定された出力電流指令により制御する出力電流制御部とを含むことを特徴とする系統連系インバータシステムの制御装置。
前記第１制御部は、
前記ＤＣリンク電圧をＤＣリンク電圧指令により制御して入力電流指令を出力するＤＣリンク電圧制御部と、
入力電流を入力電流指令により制御して前記ＤＣ−ＤＣコンバータ制御信号を出力する入力電流制御部とを含む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システムの制御装置。
前記第１制御部は、
ＤＣリンク電圧をＤＣリンク電圧指令により制御して前記ＤＣ−ＤＣコンバータ制御信号を出力するように構成され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システムの制御装置。