JP6178824B2 - 系統連系インバータ装置の制御装置、制御方法、系統連系インバータ装置、及び系統連系インバータ装置の起動方法 - Google Patents

Description

本発明は、商用三相系統と連系するインバータを備えた系統連系インバータ装置の制御装置、制御方法、系統連系インバータ装置、及び系統連系インバータ装置の起動方法に関する。

太陽電池や燃料電池等の分散型電源は、直流電力を交流電力に変換するとともに商用系統周波数や商用系統電圧の位相等を合わせて商用系統と連系するために、電力変換装置（以下、「パワーコンディショナ」と記す。）を備えている。

パワーコンディショナは、分散型電源で生成された直流電圧を所定の直流電圧値に調整するＤＣ／ＤＣコンバータと、ＤＣ／ＤＣコンバータから出力される直流電力を交流電力に変換するインバータ及びインバータの出力から高周波成分を除去するＬＣフィルタとからなる系統連系インバータ装置と、商用系統電源と連系するための系統連系リレー等を備えている。

このような系統連系インバータ装置を用いて商用系統と連系する場合、ＬＣフィルタを構成するコンデンサの劣化及び系統連系リレー接点の劣化を回避するため、商用系統から当該コンデンサへの突入電流を抑制する必要がある。特に太陽電池パネルを用いる場合には、商用系統との連系及び解列が毎日一度は繰り返されるため、その必要性が高い。

特許文献１には、系統連系インバータの交流出力端が、少なくとも分路接続のフィルタコンデンサを含む出力フィルタおよび開閉器を介して系統に接続される系統連系インバータ装置であって、開閉器を開放した状態でフィルタコンデンサをインバータにより系統電圧よりほぼ９０°進んだ電流で充電し、フィルタコンデンサを系統電圧とほぼ同電圧値・同位相にした後、開閉器を投入して連系運転するように構成された系統連系インバータ装置が提案されている。

特許文献２には、インバータの出力側に備えられたコンデンサの突入電流防止回路として抵抗とスイッチの並列回路を備え、パワーコンディショナの制御部は、インバータを停止させ、かつ、コンデンサよりも電力系統側に備えられる系統連系用リレー接点を短絡させて、スイッチの接点を短絡状態と開放状態とに切り換える制御を行い、その切り換え前後のパワーコンディショナの出力電流の値に基づいてスイッチの故障診断を行う制御構成を備えたパワーコンディショナが提案されている。

特許文献３には、コンデンサに直列に配置された突入電流抑制抵抗及び突入電流抑制抵抗と並列に配置された突入電流抑制抵抗短絡用開閉器を備えたＬＣフィルタと、ＬＣフィルタでフィルタリングされた交流電力を交流系統電源へ出力する系統連系開閉器と、突入電流抑制抵抗短絡用開閉器の制御状態およびフィルタからの出力電流の変化に基づいて、突入電流抑制抵抗短絡用開閉器の故障を判定する制御装置とを備えた電力変換器が開示されている。

特許文献４には、直流電力が生じる直流電源又は直流電力にて駆動される直流負荷と、三相交流電力が流れる電力系統との間に設けられ、相互間で直流−交流変換又は交流−直流変換を行うスイッチング回路を備えた電力変換装置であって、直流電源又は前記直流負荷と前記スイッチング回路との接続を図る接続スイッチと、前記スイッチング回路と前記電力系統との接続を図る連系スイッチと、前記接続スイッチと前記スイッチング回路との間において前記直流電力を平滑化する直流側コンデンサと、前記スイッチング回路と前記連系スイッチとの間において所定周波数帯域の前記交流電力を通過させるためのフィルタ回路を構成するフィルタコンデンサとを備えるとともに、起動時に前記連系スイッチを介さずに入力される前記電力系統からの交流電力を整流して直流電力を生成し、生成した直流電力を充電抵抗を介して前記直流側コンデンサに供給して充電を行う初期充電回路を備え、前記起動時において先ず前記接続スイッチ及び前記連系スイッチをオフ状態として前記初期充電回路の整流動作による直流電力の生成と前記スイッチング回路の動作とを行って前記直流側コンデンサの充電、及び前記スイッチング回路を介しての前記フィルタコンデンサの充電を行い、次いで前記各コンデンサが所定充電電圧まで上昇すると前記スイッチング回路を一旦停止して前記直流側コンデンサを前記電力系統の整流電圧まで更に充電し、次いで前記スイッチング回路の停止時と同タイミングでの前記連系スイッチのオンによる前記スイッチング回路と前記電力系統との接続と、前記接続スイッチのオンによる前記直流電源又は前記直流負荷と前記スイッチング回路との接続と、前記スイッチング回路の動作の再開とを行って、前記直流電源又は前記直流負荷と前記電力系統との前記スイッチング回路を介した接続を図るべく制御する起動時制御手段を備えたことを特徴とする電力変換装置が開示されている。

特開１９９７−２８０４０号公報 特開２０１５−２７１４６号公報 特開２０１５−２３６５０号公報 特開２０１１−１９３６３３号公報

しかし、特許文献１に開示された系統連系インバータ装置では、コンデンサに流れる電流をインバータの定格電流の数％程度に制御する必要があり、そのための制御が非常に煩雑になるという問題や、その際に発生するコンデンサ電流の数％程度（インバータの定格電流の０．１〜０．０１％程度）の直流分でコンデンサが充電されるため、接点投入時に突入電流が流れるという問題もあった。そして、そのような直流分を放電させるために抵抗を設ける必要があり、部品点数の増加によりコストが上昇するという問題があった。

特許文献２，３に開示された構成によれば、突入電流防止回路に加えて、突入電流防止回路に備えた短絡用のスイッチの故障を検知する必要もあり、やはり部品点数の増加によるコスト上昇を招くという問題が解決されるような構成ではなかった。

特許文献４に開示された電力変換装置は、突入電流を防ぐために、先ず主回路の直流・交流側のコンデンサに充電し、所定電圧を超えると運転停止の処理を行なってから連系スイッチを投入して系統連系運転を行なうように構成されており、連系スイッチの投入時間のばらつきの発生が避けられず、想定している連系点とずれた場合には、交流側のフィルムコンデンサに印加された電圧が大きくなり、過電流が生じてインバータ装置の部品の破損を招く虞があった。

本発明の目的は、上述した問題点に鑑み、特段の突入電流防止回路を設けることなく、ＬＣフィルタを構成するコンデンサへの突入電流を抑制して系統連系可能な系統連系インバータ装置の制御装置、制御方法、系統連系インバータ装置、及び系統連系インバータ装置の起動方法を提供する点にある。

上述の目的を達成するため、本発明による系統連系インバータの制御装置の第一の特徴構成は、特許請求の範囲の書類の請求項１に記載した通り、商用三相系統と連系するインバータと前記インバータの出力電流の高調波成分を除去するＬＣフィルタを備えた系統連系インバータ装置の制御装置であって、商用三相系統と連系して前記インバータ装置に入力される直流バス電圧を一定に制御するための直流電圧制御部及び無効電力を注入する無効電力制御部を有する系統連系運転制御部と、商用三相系統と連系する前に前記インバータ装置の出力電圧の振幅、位相及び運転周波数を商用三相系統電圧の振幅、位相及び系統周波数と整合させるための起動運転制御部と、前記起動運転制御部により起動された前記インバータ装置の出力電圧の振幅、位相及び運転周波数が商用三相系統と整合状態に到ったと判断すると、前記系統連系運転制御部による系統連系制御に切り替える運転モード切替部と、前記系統連系運転制御部で生成されるＰＷＭ制御信号に基づいて前記インバータを制御するＰＷＭ制御部と、を備え、前記ＰＷＭ制御部は、前記運転モード切替部により前記起動運転制御部から前記系統連系運転制御部に制御が切り替えられる迄の間、三次高調波注入ＰＷＭ制御信号により前記系統連系インバータ装置をＰＷＭ制御するように構成されている点にある。

商用三相系統と連系する際に、先ず起動運転制御部によってインバータの出力電圧の振幅、位相及び運転周波数が商用三相系統電圧の振幅、位相及び系統周波数と整合された後に、系統連系運転制御部による系統連系制御に切り替える運転モード切替部を備えているので、保護抵抗等の別途の回路素子を設けなくても、ＬＣフィルタを構成するコンデンサに突入電流が流れ込むようなことが回避できるようになる。そして、三次高調波注入ＰＷＭ制御信号により前記系統連系インバータ装置をＰＷＭ制御することにより、直流バス電圧が多少低くても、商用三相系統電圧の振幅、位相及び系統周波数を整合させることができ、分散形電源の発電電力の利用幅が広がるようになる。

同第二の特徴構成は、同請求項２に記載した通り、上述の第一の特徴構成に加えて、前記運転モード切替部は、前記起動運転制御部による起動制御の開始から所定時間内に前記整合状態に到ったと判断できない場合に故障判定カウンタを更新して、前記系統連系インバータ装置の出力電圧の振幅、位相及び運転周波数を商用三相系統電圧の振幅、位相及び系統周波数と整合させる処理を繰返すように構成されている点にある。

交流電圧の検出回路の誤作動や商用系統電圧の歪などの要因により、所定時間経過しても所定の閾値以下にならないと判断される場合等、本来的に整合可能な状態である場合に、整合処理を繰り返すことによって適正に整合されて系統連系できる機会を確保できるようになる。そして故障判定カウンタの値に閾値を設けることにより故障判定の確度を高めることができるようになる。

同第三の特徴構成は、同請求項３に記載した通り、上述の第二の特徴構成に加えて、前記運転モード切替部は、前記故障判定カウンタのカウント数が所定判定回数を超えると、運転停止処理を行なうように構成されている点にある。

系統連系インバータのスイッチング素子の故障により、系統連系困難な場合には、いち早くその旨を報知し、重大事故等の発生を未然に防止できるようになる。

同第四の特徴構成は、同請求項４に記載した通り、上述の第一から第三の何れかの特徴構成に加えて、前記運転モード切替部は、商用三相系統の何れか２つの線間電圧と各線間電圧に対応する前記系統連系インバータ装置の出力電圧の差、及び商用三相系統の電圧最大値と前記系統連系インバータ装置の出力電圧最大値の差のそれぞれが所定の閾値以下となる収束条件を満たすと前記整合状態に到ったと判断するように構成されている点にある。

この様な収束条件を規定することにより、整合したか否かを客観的に判断できるようになる。

同第五の特徴構成は、同請求項５に記載した通り、上述の第一から第四の何れかの特徴構成に加えて、前記起動運転制御部は、系統連系用リレーの前後の線間電圧を測定し、測定値に基づいて前記系統連系インバータ装置の出力電圧の振幅、位相、運転周波数と商用系統電圧の振幅、位相、系統周波数を整合させ、前記運転モード切替部は、整合状態に到ったと判断すると、前記系統連系用リレーをオンして、前記系統連系運転制御部を起動するように構成されている点にある。

上述の構成によりＬＣフィルタのコンデンサへの突入電流を抑制して速やかに系統連系することができるようになる。

本発明による系統連系インバータの制御方法の第一の特徴構成は、同請求項６に記載した通り、商用三相系統と連系するインバータと前記インバータの出力電流の高調波成分を除去するＬＣフィルタを備えた系統連系インバータ装置の制御方法であって、商用三相系統と連系して前記インバータ装置に入力される直流バス電圧を一定に制御するための直流電圧制御ステップ及び無効電力を注入する無効電力制御ステップを実行する系統連系運転制御ステップと、商用三相系統と連系する前に前記インバータ装置の出力電圧の振幅、位相及び運転周波数を商用三相系統電圧の振幅、位相及び系統周波数と整合させるための起動運転制御ステップと、前記起動運転制御ステップにより起動された前記インバータ装置の出力電圧の振幅、位相及び運転周波数が商用三相系統と整合状態に到ったと判断すると、前記系統連系運転制御ステップによる系統連系制御に切り替える運転モード切替ステップと、前記系統連系運転制御ステップで生成されるＰＷＭ制御信号に基づいて前記インバータを制御するＰＷＭ制御ステップと、を備え、前記ＰＷＭ制御ステップは、前記運転モード切替ステップにより前記起動運転制御ステップから前記系統連系運転制御ステップに制御が切り替えられる迄の間、三次高調波注入ＰＷＭ制御信号により前記系統連系インバータ装置をＰＷＭ制御するように構成されている点にある。

同第二の特徴構成は、同請求項７に記載した通り、上述の第一の特徴構成に加えて、前記運転モード切替ステップは、前記起動運転制御ステップによる起動制御の開始から所定時間内に前記整合状態に到ったと判断できない場合に故障判定カウンタを更新して、前記系統連系インバータ装置の出力電圧の振幅、位相及び運転周波数を商用三相系統電圧の振幅、位相及び系統周波数と整合させる処理を繰返すように構成されている点にある。

同第三の特徴構成は、同請求項８に記載した通り、上述の第二の特徴構成に加えて、前記運転モード切替ステップは、前記故障判定カウンタのカウント数が所定判定回数を超えると、運転停止処理を行なうように構成されている点にある。

同第四の特徴構成は、同請求項９に記載した通り、上述の第一から第三の何れかの特徴構成に加えて、前記運転モード切替ステップは、商用三相系統の何れか２つの線間電圧と各線間電圧に対応する前記系統連系インバータ装置の出力電圧の差、及び商用三相系統の電圧最大値と前記系統連系インバータ装置の出力電圧最大値の差のそれぞれが所定の閾値以下となる収束条件を満たすと前記整合状態に到ったと判断するように構成されている点にある。

同第五の特徴構成は、同請求項１０に記載した通り、上述の第一から第四の何れかの特徴構成に加えて、前記起動運転制御ステップは、系統連系用リレーの前後の線間電圧を測定し、測定値に基づいて前記系統連系インバータ装置の出力電圧の振幅、位相、運転周波数と商用系統電圧の振幅、位相、系統周波数を整合させ、前記運転モード切替ステップは、整合状態に到ったと判断すると、前記系統連系用リレーをオンして、前記系統連系運転制御ステップを起動するように構成されている点にある。

本発明による系統連系インバータ装置の特徴構成は、同請求項１１に記載した通り、商用三相系統と連系するインバータと、前記インバータの出力電流の高調波成分を除去するＬＣフィルタと、上述した第一から第五の何れかの特徴構成を備えた系統連系インバータ装置の制御装置とを備えて構成されている点にある。

本発明による系統連系インバータ装置の起動方法の特徴構成は、同請求項１２に記載した通り、商用三相系統と連系するインバータと、前記インバータの出力電流の高調波成分を除去するＬＣフィルタとを備えた系統連系インバータ装置の起動方法であって、上述した第一から第五の何れかの特徴構成を備えた系統連系インバータ装置の制御方法により制御する点にある。

以上説明した通り、本発明によれば、特段の突入電流防止回路を設けることなく、ＬＣフィルタを構成するコンデンサへの突入電流を抑制して系統連系可能な系統連系インバータ装置の制御装置、制御方法、系統連系インバータ装置、及び系統連系インバータ装置の起動方法を提供することができるようになった。

本発明が適用された分散型電源の一例である太陽光発電システムの回路構成図 本発明による系統連系インバータ装置の制御ブロック図 （ａ）はＳＰＷＭ出力のイメージ図、（ｂ）は三次高調波注入ＰＷＭ出力のイメージ図 系統連系インバータ装置の起動運転制御フローチャート 起動運転時のシミュレーション結果の説明図 系統連系運転時のシミュレーション結果の説明図

以下、本発明による系統連系インバータ装置の制御装置、系統連系インバータの制御方法、系統連系インバータ装置、及び系統連系インバータ装置の起動方法を図面に基づいて説明する。

図１には、分散型電源の一例である太陽電池発電装置１００が示されている。太陽電池発電装置１００は、太陽電池パネルＳＰと太陽電池パネルＳＰが接続されたパワーコンディショナＰＣを備えて構成され、系統連系リレーＳ_Ｇｒｉｄを介して商用三相系統ｅ_Ｇｒｉｄに接続されている。尚、本発明はパワーコンディショナＰＣに接続される電源装置が太陽電池パネルＳＰである場合に限定されるものではなく、燃料電池等の他の発電装置や蓄電装置等が接続される場合であっても適用可能である。

パワーコンディショナＰＣは、太陽電池パネルＳＰで発電された直流電圧を所定の直流リンク電圧Ｖ_ｄｃに昇圧するＤＣ／ＤＣコンバータ１と、商用三相系統と連系するように所定の周波数及び電圧値の三相交流電圧に変換するインバータ３と、インバータ３の出力から高調波成分を除去するＬＣフィルタ４を備えている。

インバータ３とＬＣフィルタ４で系統連系インバータ装置３０が構成され、系統連系インバータ装置３０を制御する制御ブロックが系統連系インバータの制御装置４０となる。制御装置４０によってインバータ３に備えたスイッチＳ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４，Ｓ５，Ｓ６がＰＷＭ制御されて、商用三相系統の周波数、位相、振幅と整合する三相交流電力が出力され、さらにＬＣフィルタ４によってその出力から高調波成分が除去されて正弦波の三相交流電力が出力される。

図１中、符号Ｖ_ｄｃが直流リンク電圧、ｉ_ｕ，ｉ_ｖ，ｉ_ｗがインバータの出力電流、Ｌ_ｆとＣ_ｆがＬＣフィルタ、ｉ_ｕ・ｓｐ，ｉ_ｖ・ｓｐ，ｉ_ｗ・ｓｐが系統連系インバータ装置３０の出力電流、ｅ_{ｕｖ.ｓｄ}がｕｖ間の系統連系インバータ装置３０の出力電圧、ｅ_{ｖｗ.ｓｄ}がｖｗ間の系統連系インバータ装置３０の出力電圧、ｅ_ｕｖがｕｖ間の商用系統電圧、Ｓ_Ｇｒｉｄが系統連系用リレー、Ｚ_Ｌｏａｄは商用三相系統の交流負荷である。

図２には、マイクロコンピュータとメモリ及び周辺回路等を備えて構成された系統連系インバータ装置３０の制御装置４０の機能ブロックが示されている。制御装置４０は、系統連系運転制御部４０Ａと、起動運転制御部４０Ｂと、ＰＷＭ制御部４０Ｃと、運転モード切替部４０Ｄとを備え、当該制御装置４０では三相交流をそれと等価な二相交流へ変換するαβ変換により二相に変換した後に、必要な制御演算が行なわれ、その結果が逆変換されてインバータ３が制御されるように構成されている。

系統連系運転制御部４０Ａは商用三相系統と連系してインバータ３を制御するためのＰＷＭ制御信号を生成する制御ブロックであり、直流バス電圧Ｖｄｃを一定に制御する直流電圧制御部と、商用三相系統への逆潮流電圧の調整及び単独運転検知のために無効電力を注入する無効電力制御部と、各指令値Ｐ^＊ _ｕｗ、Ｑ^＊ _ｕｗを指令値ｉ^＊ _α，ｉ^＊ _βに変換するＰＱ／αβ変換部と、商用三相系統電圧及び電流をαβ相の電圧及び電流に変換するｕｖｗ／αβ変換部と、インバータ３に対する出力電流のデューティ比ｄ_{α．ｇｒｉｄ}，ｄ_{β．ｇｒｉｄ}を算出する三相インバータ出力電流制御部と、を備えて無効電力制御を実行するように構成されている。

尚、商用系統と連系するための立上げ時及び系統連系初期には指令値Ｑ^＊ _ｕｗは０に設定され、運転力率１で制御する。

起動運転制御部４０Ｂは商用三相系統と連系する前に系統連系インバータ装置３０の出力電圧の振幅、位相及び運転周波数を商用三相系統の振幅、位相及び系統周波数と整合させるためのＰＷＭ制御信号を生成する制御ブロックであり、系統連系インバータ装置３０の出力電圧Ｅｓｄ．ｍａｘが商用系統電圧の最大値Ｅｍａｘになるように振幅をＰ制御（比例制御）するブロックと、その出力である指令値に２／（Ｖｄｃ／Ｅｍａｘ）を乗じてαβ相のｓｉｎ成分となるデューティ比ｄ_α．ｓｄ、ｃｏｓ成分となるデューティ比ｄ_β．ｓｄを生成するブロックを備えている。ｋは、ｋ時のサンプリング時間を表す。

ＰＷＭ制御部４０Ｃは系統連系運転制御部４０Ａ及び起動運転制御部４０Ｂからのデューティ比の制御信号（ｄ_{α．ｇｒｉｄ}，ｄ_{β．ｇｒｉｄ，}ｄ_{α．ｓｄ，}ｄ_β．ｓｄ）に基づいてインバータ３をＰＷＭ制御する制御ブロックであり、αβ／ｕｖｗ変換部と、その出力に三次高調波を注入して指令値であるｄ^＊ _ｕ，ｄ^＊ _ｖ，ｄ^＊ _ｗを出力する三次高調波注入部と、当該指令値と基準三角波電圧に基づいてインバータ３の各スイッチＳ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４，Ｓ５，Ｓ６を制御するための三次高調波注入ＰＷＭ信号を出力するＳＰＷＭ出力制御部とを備えている。

運転モード切替部４０Ｄは、初期に起動運転制御部４０Ｂにより起動された系統連系インバータ装置３０の出力電圧の振幅、位相及び周波数が商用三相系統と整合状態に到ったと判断すると、系統連系運転制御部４０Ａによる系統連系制御に切り替える制御ブロックである。

運転モード切替部４０Ｄにより運転モードスイッチＳＷが０に切り替えられると系統連系運転制御部４０Ａによりインバータ３が制御され、運転モードスイッチＳＷが１に切り替えられると起動運転制御部４０Ｂによりインバータ３が制御される。

有効・無効電力指令値Ｐ^＊ _ｕｖｗ，Ｑ^＊ _ｕｖｗからαβ相の出力電流指令値ｉ^＊ _α，ｉ^＊ _βに変換する数式を〔数１〕で定める。ｕ-ｖ間の線間電圧ｅ_ｕｖおよびｖ-ｗ間の線間電圧ｅ_ｖｗからαβ相の交流電圧ｅ_α，ｅ_βおよび出力電流ｉ_α，ｉ_βに変換する数式を〔数２〕及び〔数３〕で定める。また，瞬時有効・無効電力の計算方法は〔数４〕で定める。

αβ相の出力デューティ比ｄ_α，ｄ_βからαβ／ｕｖｗ変換部で変換されるｕｖｗ相の出力デューティ比ｄ_ｕ，ｄ_ｖ，ｄ_ｗは数式〔数５〕で得られる。三次高調波注入を含めた出力デューティ比ｄ^＊ _ｕ，ｄ^＊ _ｖ，ｄ^＊ _ｗは数式〔数６〕で得られる。インバータの出力電圧ｅ_{ｕｖ.ｓｄ}，ｅ_{ｖｗ.ｓｄ}からαβ相の交流電圧ｅ_α.ｓｄ，ｅ_β.ｓｄ及び出力電圧の最大値Ｅ_{ｓｄ.ｍａｘ}を求める数式は〔数７〕で定める。

三次高調波注入部について説明する。先ず、ＳＰＭＷの出力デューティ比ｄ_ｕとキャリア周波数とを比較するイメージ図面を図３（ａ）に示す。また、三次高調波注入ＰＷＭとキャリア周波数とを比較するイメージ図面を図３（ｂ）に示す。

図３（ａ）に示すように、三次高調波注入を行なわない場合の出力デューティ比ｄ_ｕの波高値は１となる。図３（ｂ）に示すように、三次高調波注入を行う場合、出力デューティ比ｄ^＊ _ｕの波高値は、図３（ｂ）に示すように，０．８６９である。つまり、三次高調波注入を行う場合は，正弦波の６０度付近の波形がＳＰＭＷの出力デューティ比ｄ_ｕの波高値１に相当する。

商用三相系統連系インバータ装置において、三次高調波を適切に重畳することにより、線間電圧の三次高調波成分をキャンセルすることができ、出力電圧利用率（直流バス電圧と商用系統電圧の比）を約１５.０７％改善することができる。

通常のＳＰＷＭの場合、直流バス電圧Ｖ_ｄｃの一定制御を行なう際の直流バス電圧の最低電圧の指令値Ｖ^＊ _{ｄｃ.ｍｉｎ}は数式〔数８〕で定まるのに対して、三次高調波を注入する場合には、直流バス電圧の最低電圧の指令値Ｖ^＊ _{ｄｃ.ｍｉｎ}は、数式〔数９〕で定まる。

商用系統電圧の実効値Ｅ_{Ｇｒｉｄ.ｒｍｓ}が２００Ｖの場合、ＳＰＷＭの場合の直流バス電圧の最低電圧の指令値Ｖ^＊ _{ｄｃ.ｍｉｎ}は３４６Ｖとなり、三次高調波注入ＰＷＭの場合の直流バス電圧の最低電圧の指令値Ｖ^＊ _{ｄｃ.ｍｉｎ}は３０１Ｖとなる。

つまり、三次高調波注入ＰＷＭを用いることにより、直流バス電圧が約４５Ｖ低くても、商用三相系統電圧の振幅、位相及び系統周波数を整合させることができ、分散形電源の発電電力の利用幅が広がるようになる。例えば太陽光発電の場合、朝一の立上げ時により低い電圧でも動作することができるようになる。

以下、系統連系インバータ装置３０の制御装置により実行される系統連系のための起動シーケンスについて説明する。
図４に示すように、系統連系運転の開始時に運転モード切替部４０Ｄは系統連系リレーＳ_Ｇｒｉｄをオフした状態で、運転モードスイッチＳＷを１に設定して起動運転制御部４０Ｂを起動する（Ｓ１）。

起動運転制御部４０Ｂは、ソフトスタート処理により起動運転を開始し（Ｓ２）、三相‐二相変換してαβ相の系統電圧を用いて、系統連系インバータ装置３０の出力電圧と商用系統電圧の振幅、位相及び系統周波数が整合するようにフィードバック制御して、ＰＷＭ制御部４０Ｃにデューティ比ｄ_α．ｓｄ，ｄ_{β．ｇｒｉｄ}を出力する（Ｓ３）。

ここで、位相及び周波数の全ての情報は、αβ相の商用系統電圧ｅ_α，ｅ_βの中に含まれるので制御対象は交流電圧の瞬時値のみでよい。尚、商用系統電圧の波高値Ｅｍａｘは数式〔数１〕で変換され、系統連系インバータ装置３０の出力電圧の波高値Ｅｍａｘ・ｓｄは数式〔数６〕で変換される。

起動運転制御部４０Ｂによる起動運転制御の開始時から所定時間経過するまでに整合されると（Ｓ４（Ｎ），Ｓ５（Ｙ））、切替回路Ｓ_ｗを系統連系運転制御部４０Ａ側に切り替え、故障判定回数カウンタの値をリセットするとともに（Ｓ６）、系統連系リレーＳ_Ｇｒｉｄをオンする（Ｓ７）。

所定時間内に整合されなかった場合には（Ｓ４（Ｙ））、故障が発生したと判定されて、故障判定回数カウンタの値がインクリメントされ（Ｓ８）、故障判定回数カウンタの値が予め設定された値になると（Ｓ９（Ｙ））、系統連系リレーＳ_Ｇｒｉｄをオンすることなく停止し（Ｓ１０）、その状態を報知するための警告処理が実行される（Ｓ１１）。故障判定回数カウンタの値が予め設定された値になるまでは（Ｓ９（Ｎ））、再度整合処理を行なうための再起動処理が実行される（Ｓ１２）。

故障判定に要する所定時間は特に限定されるものではなく、適宜設定すればよい。本実施形態では約１０秒に設定されている。また、故障判定回数カウンタの閾値、つまり故障判定回数も適宜設定すればよく、本実施形態では３回に設定されている。尚、運転停止処理に到る基準を厳格にする場合には、故障判定回数カウンタの閾値を１に設定すればよい。この場合、故障判定部は、系統連系インバータ装置の出力電圧の振幅、位相及び周波数と商用系統電圧の振幅、位相及び周波数の各差分の何れかが所定時間経過しても所定の閾値以下にならない場合に直ちに故障と判定することになる。

整合状態に到ったか否かの判断基準は、以下の数式〔数１０〕による。つまり、系統連系運転への切替条件は、系統連系インバータ装置３０の出力電圧と商用系統電圧との振幅値の差がＫ・Ｅ_{Ｇｒｉｄ・ｒｍｓ}以下となるか否かである。Ｋの値は０〜１の範囲で設定される値であり、例えば商用系統電圧が２００Ｖの場合の許容変動幅２０２Ｖ±２０Ｖを考慮するとＫ＝０．１に設定することが好ましい。

尚、所定時間は、系統連系インバータ装置３０等の故障検知を行なうために必要な時間であれば十分であり、例えば数百ミリ秒に設定すればよい。万が一、インバータ３のスイッチング素子が破損すると商用系統電圧の振幅、位相及び系統周波数を整合できないので、或いは、インバータの出力電圧等を監視するセンサに問題が発生した場合に商用系統電圧の振幅、位相及び系統周波数を整合できないので、そのような場合には、速やかに運転停止して警告を行なうのである。

つまり、上述した系統連系インバータ装置の制御装置により、商用三相系統と連系するインバータと前記インバータの出力電流の高調波成分を除去するＬＣフィルタを備えた系統連系インバータ装置の制御方法、つまり、三相交流をαβ変換した二相交流に基づいて、商用三相系統と連系して前記系統連系インバータ装置を制御するためのＰＷＭ制御信号を生成する系統連系運転制御ステップと、三相交流をαβ変換した二相交流に基づいて、商用三相系統と連系する前に前記系統連系インバータ装置の出力電圧の振幅、位相及び運転周波数を商用三相系統の振幅、位相及び系統周波数と整合させるためのＰＷＭ制御信号を生成する起動運転制御ステップと、前記系統連系運転制御ステップ及び前記起動運転制御ステップからの二相交流のＰＷＭ制御信号を三相交流に逆変換して、前記系統連系インバータ装置をＰＷＭ制御するＰＷＭ制御ステップと、前記起動運転制御ステップにより起動された前記系統連系インバータ装置の出力電圧の振幅、位相及び運転周波数が商用三相系統と整合状態に到ったと判断すると、前記系統連系運転制御ステップによる系統連系制御に切り替える運転モード切替ステップと、が実行される。

ＰＷＭ制御ステップは、運転モード切替ステップにより起動運転制御ステップから系統連系運転制御ステップに制御が切り替えられる迄の間、三次高調波注入ＰＷＭ制御信号により系統連系インバータ装置をＰＷＭ制御するように構成されている。

運転モード切替ステップは、起動運転制御ステップによる起動制御の開始から所定時間内に前記整合状態に到ったと判断できない場合に故障判定カウンタを更新して、系統連系インバータ装置の出力電圧の振幅、位相及び運転周波数を商用三相系統電圧の振幅、位相及び系統周波数と整合させる処理を繰り返し、故障判定カウンタのカウント数が所定判定回数を超えると、運転停止処理を行なうように構成されている。

さらに、運転モード切替ステップは、商用三相系統の何れか２つの線間電圧と各線間電圧に対応する系統連系インバータ装置の出力電圧の差、及び商用三相系統の電圧最大値と系統連系インバータ装置の出力電圧最大値の差のそれぞれが所定の閾値以下となる収束条件を満たすと整合状態に到ったと判断するように構成されている。

本発明では、起動運転制御ステップは、系統連系用リレーの前後の線間電圧を測定し、測定値に基づいて前記系統連系インバータ装置の出力電圧の振幅、位相、運転周波数と商用系統電圧の振幅、位相、系統周波数を整合させ、運転モード切替ステップは、整合状態に到ったと判断すると、系統連系用リレーをオンして、系統連系運転制御ステップを起動するように構成されている。

図５には、本発明による系統連系インバータ装置の制御方法のシミュレーション結果が示されている。起動時には、商用系統電圧の振幅、位相及び系統周波数を整合させるために商用系統と連系するリレーＳ_Ｇｒｉｄオフし、スイッチＳＷの位置を０に設定して起動運転制御ステップを実行した。

その後、数式〔数１０〕を満たしたことを確認すると、商用系統と連系するリレーをオンし、スイッチＳＷの位置を1に切り替えて系統連系制御ステップに切り替えた。直流バス電圧は４２０Ｖから目標値（３８０Ｖ）までの間、ソフトスタートの動作を1秒間行なった。直流バス電圧が３８０Ｖ付近になると一定制御して、定格（９．９ｋＷ）まで出力することが確認できた。

図６には、商用系統と連系する瞬間のシミュレーション波形が示されている。系統と連系する瞬間において、各相の出力電流ｉ_ｕ.ｓｐ，ｉ_ｖ.Ｓｐ，ｉ_ｗ.Ｓｐの突入電流の最大値は約±２Ａ以下に収まることが確認できた。ここで、系統と連系する前後のＰＷＭ変調方式において、三次高調波注入ＰＷＭを用いても、問題なく、スムーズに系統連系運転を行うことが確認された。

上述の各実施形態は本発明による分散型電源の単独運転検出装置及び単独運転検出方法の一例に過ぎず、各構成ブロックの具体的な構成（ハードウェアやソフトウェア）や各種の数値等は本発明による作用効果が奏される範囲で適宜変更設計することも可能であることはいうまでもない。

１：ＤＣ／ＤＣコンバータ
３：インバータ
４：ＬＣフィルタ
３０：系統連系インバータ装置
４０：系統連系インバータ装置の制御装置
４０Ａ：系統連系運転制御部
４０Ｂ：起動運転制御部
４０Ｃ：ＰＷＭ制御部
４０Ｄ：運転モード切替部
１００：分散型電源（太陽電池発電装置）
ＰＣ：パワーコンディショナ
ＳＰ：太陽電池パネル
Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４，Ｓ５，Ｓ６：商用三相系統と連系するインバータのスイッチング素子

Claims (12)

1. 商用三相系統と連系するインバータと前記インバータの出力電流の高調波成分を除去するＬＣフィルタを備えた系統連系インバータ装置の制御装置であって、
   商用三相系統と連系して前記インバータ装置に入力される直流バス電圧を一定に制御するための直流電圧制御部及び無効電力を注入する無効電力制御部を有する系統連系運転制御部と、
   商用三相系統と連系する前に前記インバータ装置の出力電圧の振幅、位相及び運転周波数を商用三相系統電圧の振幅、位相及び系統周波数と整合させるための起動運転制御部と、
   前記起動運転制御部により起動された前記インバータ装置の出力電圧の振幅、位相及び運転周波数が商用三相系統と整合状態に到ったと判断すると、前記系統連系運転制御部による系統連系制御に切り替える運転モード切替部と、
   前記系統連系運転制御部で生成されるＰＷＭ制御信号に基づいて前記インバータを制御するＰＷＭ制御部と、
   を備え、
   前記ＰＷＭ制御部は、前記運転モード切替部により前記起動運転制御部から前記系統連系運転制御部に制御が切り替えられる迄の間、三次高調波注入ＰＷＭ制御信号により前記系統連系インバータ装置をＰＷＭ制御するように構成されている系統連系インバータ装置の制御装置。
2. 前記運転モード切替部は、前記起動運転制御部による起動制御の開始から所定時間内に前記整合状態に到ったと判断できない場合に故障判定カウンタを更新して、前記系統連系インバータ装置の出力電圧の振幅、位相及び運転周波数を商用三相系統電圧の振幅、位相及び系統周波数と整合させる処理を繰返すように構成されている請求項１記載の系統連系インバータ装置の制御装置。
3. 前記運転モード切替部は、前記故障判定カウンタのカウント数が所定判定回数を超えると、運転停止処理を行なうように構成されている請求項２記載の系統連系インバータ装置の制御装置。
4. 前記運転モード切替部は、商用三相系統の何れか２つの線間電圧と各線間電圧に対応する前記系統連系インバータ装置の出力電圧の差、及び商用三相系統の電圧最大値と前記系統連系インバータ装置の出力電圧最大値の差のそれぞれが所定の閾値以下となる収束条件を満たすと前記整合状態に到ったと判断するように構成されている請求項１から３の何れかに記載の系統連系インバータ装置の制御装置。
5. 前記起動運転制御部は、系統連系用リレーの前後の線間電圧を測定し、測定値に基づいて前記系統連系インバータ装置の出力電圧の振幅、位相、運転周波数と商用系統電圧の振幅、位相、系統周波数を整合させ、前記運転モード切替部は、整合状態に到ったと判断すると、前記系統連系用リレーをオンして、前記系統連系運転制御部を起動するように構成されている請求項１から４の何れかに記載の系統連系インバータ装置の制御装置。
6. 商用三相系統と連系するインバータと前記インバータの出力電流の高調波成分を除去するＬＣフィルタを備えた系統連系インバータ装置の制御方法であって、
   商用三相系統と連系して前記インバータ装置に入力される直流バス電圧を一定に制御するための直流電圧制御ステップ及び無効電力を注入する無効電力制御ステップを実行する系統連系運転制御ステップと、
   商用三相系統と連系する前に前記インバータ装置の出力電圧の振幅、位相及び運転周波数を商用三相系統電圧の振幅、位相及び系統周波数と整合させるための起動運転制御ステップと、
   前記起動運転制御ステップにより起動された前記インバータ装置の出力電圧の振幅、位相及び運転周波数が商用三相系統と整合状態に到ったと判断すると、前記系統連系運転制御ステップによる系統連系制御に切り替える運転モード切替ステップと、
   前記系統連系運転制御ステップで生成されるＰＷＭ制御信号に基づいて前記インバータを制御するＰＷＭ制御ステップと、
   を備え、
   前記ＰＷＭ制御ステップは、前記運転モード切替ステップにより前記起動運転制御ステップから前記系統連系運転制御ステップに制御が切り替えられる迄の間、三次高調波注入ＰＷＭ制御信号により前記系統連系インバータ装置をＰＷＭ制御するように構成されている系統連系インバータ装置の制御方法。
7. 前記運転モード切替ステップは、前記起動運転制御ステップによる起動制御の開始から所定時間内に前記整合状態に到ったと判断できない場合に故障判定カウンタを更新して、前記系統連系インバータ装置の出力電圧の振幅、位相及び運転周波数を商用三相系統電圧の振幅、位相及び系統周波数と整合させる処理を繰返すように構成されている請求項６記載の系統連系インバータ装置の制御方法。
8. 前記運転モード切替ステップは、前記故障判定カウンタのカウント数が所定判定回数を超えると、運転停止処理を行なうように構成されている請求項７記載の系統連系インバータ装置の制御方法。
9. 前記運転モード切替ステップは、商用三相系統の何れか２つの線間電圧と各線間電圧に対応する前記系統連系インバータ装置の出力電圧の差、及び商用三相系統の電圧最大値と前記系統連系インバータ装置の出力電圧最大値の差のそれぞれが所定の閾値以下となる収束条件を満たすと前記整合状態に到ったと判断するように構成されている請求項６から８の何れかに記載の系統連系インバータ装置の制御方法。
10. 前記起動運転制御ステップは、系統連系用リレーの前後の線間電圧を測定し、測定値に基づいて前記系統連系インバータ装置の出力電圧の振幅、位相、運転周波数と商用系統電圧の振幅、位相、系統周波数を整合させ、前記運転モード切替ステップは、整合状態に到ったと判断すると、前記系統連系用リレーをオンして、前記系統連系運転制御ステップを起動するように構成されている請求項６から９の何れかに記載の系統連系インバータ装置の制御方法。
11. 商用三相系統と連系するインバータと、前記インバータの出力電流の高調波成分を除去するＬＣフィルタと、請求項１から５の何れかに記載の系統連系インバータ装置の制御装置とを備えて構成されている系統連系インバータ装置。
12. 商用三相系統と連系するインバータと、前記インバータの出力電流の高調波成分を除去するＬＣフィルタとを備えた系統連系インバータ装置の起動方法であって、
    請求項６から１０の何れかに記載の系統連系インバータ装置の制御方法により制御する系統連系インバータ装置の起動方法。