JP6364620B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は太陽電池などから出力される直流電力を交流電力へ変換する電力変換装置に関す
るものである。

直流電力を交流電力へ変換する変換回路には、例えば、４つのスイッチング素子を単相ブ
リッジ状に結線した単相インバータ回路が知られている。この単相インバータ回路の制御
は、夫々のスイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦ駆動信号を所定周期の搬送波を目標出力周波
数である変調波で変調させたスイッチング信号で得るＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ
Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）方式が知られている。

スイッチング素子をＯＮ／ＯＦＦ駆動することによりスイッチングロスが生じ搬送波の周
期（所定周期）を高くするとＯＮ／ＯＦＦ回数が増え変換ロスも増加する。一方、搬送波
の周期（所定周期）を低くすると単相インバータ回路で変換された疑似正弦波の歪が増え
、後段のフィルター設計で損失が大きくなる。また、電力変換装置の変換効率を考慮して
搬送波の周期を設定すると高調波音（通称モスキート音）がフィルター回路などから騒音
として生じる場合があった。

このような、搬送波による駆動音の対策を行ったものとして特許文献１、特許文献２に
記載されたような発明があり、それぞれ人（利用者）の有無を検知して駆動音を低下させ
るように動作するものが開示されていた。

特開２００５-２１０８５３号公報 特開２０１２-１６１０４号公報

電力変換装置（変換回路など）から出力されスイッチング素子をＯＮ／ＯＦＦさせる際
の搬送波に起因する高調波音（駆動音）の聞こえ方には個人差があり、不快に感じる人と
そうでない人とがいることは知られている。

人の有無に応じて搬送波の周波数を変えて騒音対策を行った際に、当該周波数による高
調波を騒音として感じない人に対しても騒音対策が行われ、この対策に伴って変換効率が
不必要に低下させられることがあった。

本発明は、状況に応じて利用者が変換効率の低下を踏まえて任意に所定周期を変更する
ことができる電力変換装置を提供するものである。

本発明の電力変換装置は、第１スイッチング素子を有し、直流電力を昇圧する昇圧回路
と、複数の第２スイッチング素子を有し、昇圧回路により昇圧された直流電力を系統と同
期する交流電力へ変換するインバータ回路と、を備え、交流電力を系統へ重畳する電力変
換装置において、第１スイッチング素子を第１所定周期の内でＯＮデューティ比を制御可
能に構成すると共に、第２スイッチング素子を第２所定周期の内でＯＮデューティ比を制
御可能に構成し、第１所定周期及び第２所定周期のうち第２所定周期のみを任意に変更可
能に構成されるコントローラを備え、コントローラは、第２所定周期の変更を行う操作機
構を備えるものである。

このように構成された電力変換装置は、利用者が騒音を考慮して状況に応じて任意にスイ
ッチング素子に用いる所定周期を変更することができるものである。

本発明の電力変換装置の一実施例を示す電気回路の説明図である。 図１に示した電力変換装置に用いられるリモートコントローラの一実施例を示す説明図である。 図２に示したリモートコントローラの操作による動作を示す説明図である。

本発明の電力変換装置はコントローラでスイッチング素子に用いる所定周期を利用者が
変更するものに適用できるものである。

図１は本発明の実施例を示す電力変換装置の電気回路の説明図であり、太陽電池ＰＶで
発電された直流電力を昇圧する昇圧回路１と、この昇圧された直流電力を例えば単相２０
０Ｖの交流電力に変換するインバータ回路２とからなっている。

昇圧回路１はダイオード３、スイッチング素子４、リアクタ５、コンデンサ６から成る
汎用チョッパ型の昇圧回路を構成し、その昇圧比には太陽電池ＰＶの発電量が最大に至る
ようなＭＰＰＴ（Ｍａｘｉｍｕｍ Ｐｏｗｅｒ Ｐｏｉｎｔ Ｔｒａｃｋｉｎｇ）方式が
用いられる。スイッチング素子４は昇圧後の電圧と目標電圧との差に応じて所定周期内の
ＯＮデューティ比を変えてフィードバック制御される。

この所定周期の周波数は昇圧回路１の変換効率とスイッチング素子４のＯＮ／ＯＦＦ動作
によるリアクタ５等からの騒音（駆動音）とを考慮して設定される。この周波数は１６ｋ
Ｈｚ〜１８ｋＨｚ程度が一般的であるが、利用者によっては高周波音（モスキート音など
と称す）として聞こえ不快感を与える場合がある。人間の耳は２０ｋＨｚ程度まで聞こえ
るとされているので、少なくとも２０ｋＨｚより高い周波数を所定周期として用いれば良
いがスイッチング素子４のＯＮ／ＯＦＦ回数の増加による変換効率の低下や、スイッチン
グ素子４の追従性の遅れから変換効率の低下を招く場合がある。また、人間の耳で聞こえ
る周波数の範囲には年齢による個人差もあり、高齢者では高い周波数が一般的に聞こえに
くいとされている。

本発明では、所定周期を複数の周波数（例えば、１６ｋＨｚ、１８ｋＨｚ、２０ｋＨｚ
、２１ｋＨｚ、２２ｋＨｚ・・・・）で変更可能としている。例えば、所定周期内でＯＮ
時間をフィードバック制御しているのでその１周期の０度位置から始まるＯＮ時間の上限
が１周期の時間を超えなければ（９０％程度以下であれば）制御アルゴリズムは共通して
用いることができる。すなわち、周波数の変更でＯＮ時間の開始位置（０度位置）が変わ
らなければ制御を継続できる。

ダイオード３やスイッチング素子４はヒートシンク部に熱伝導性を有して取り付けられて
いる。尚、１ｂ、１ｃ、１ｄ、１ｅは夫々昇圧回路１と同様に構成され逆流防止のダイオ
ードを介して並列接続され太陽電池の入力を５回路（５ストリング）とするものである。

インバータ回路２はスイッチング素子８ａ乃至スイッチング素子８ｄを単相ブリッジ状
に結線した変換回路９と、この変換回路９から出力される疑似正弦波に含まれる高周波を
減衰させるフィルター１０とから構成される。

変換回路９はＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）方式に基づき搬
送波と変調波との変調（演算による変調でもよい）から得られるＯＮ時間で制御されたス
イッチング信号でスイッチング素子８ａ乃至スイッチング素子８ｄをＯＮ／ＯＦＦ制御し
て疑似正弦波を得る。搬送波は所定周期（周波数）の三角波などが用いられ、変調波には
交流電力を重畳する系統と同期した正弦波が用いられる。従って、スイッチング素子８ａ
乃至スイッチング素子８ｄとスイッチング素子４とは所定周期内のＯＮ時間（ＯＮデュー
ティ比）が三角関数に基づいて制御される点で相違するが、ＯＮ／ＯＦＦ動作ではスイッ
チング素子４と同様に動作し、搬送波の周波数に基づき同様に駆動騒音が生じ、この周波
数を上げれば同様に変換効率が低下する。

１周期内でのＯＮ時間（スイッチング素子がＯＮとなる時間）はその周期の０度から始
まり終了が１周期の時間を超えなければ搬送波の周波数（所定周期）を変更しても制御は
継続される。

尚、系統へ重畳する交流電力の振幅は変調波の振幅を変えることによって制御すること
ができ、この振幅は出力電圧と目標電圧とからフィードバック制御される。

フィルター１０は、例えばリアクタとコンデンサとからローパスフィルターを構成し、疑
似正弦波を単相の交流電力へ成形する。

変換回路９はヒートシンク部に熱伝導性を有して取り付けられているものである。また、
この変換回路９は単相ブリッジ状の結線に限るものではなく、３相ブリッジ状の結線や中
性点クランプ方式の結線などを用いて疑似正弦波を生成できるものであれば良い。すなわ
ち、所定周期でＯＮ／ＯＦＦを繰り返すスイッチング素子を用いて構成された変換回路で
あれば同様の作用効果を奏するものである。

制御部１２は、上記したように昇圧回路１のスイッチング素子４及び変換回路９のスイ
ッチング素子８ａ乃至スイッチング素子８ｄのＯＮ信号等を演算するものでありリモート
コントローラ１４と有線、ワイヤレス方式、もしくはＷｉＦｉ方式で信号の送受が可能に
接続されている。

図２はリモートコントローラ１４の説明図であり、表示画面１５は通常は非表示状態で
あり、表示スイッチ１６を操作することによって表示を開始する。表示画面１５はタッチ
パネルを併用しており、このタッチパネルの操作又は表示スイッチ１６のいずれか遅い方
の操作から一定時間後に非表示状態に戻る。

タッチパネルの操作には、電力変換装置の運転の状態を表示する表示項目の変更（瞬間
発電量や累積発電量、売電電力量や売電金額など）の表示操作部１５ａ、運転状態（停止
／系統と連携する通常運転／系統と連携しない単独運転など）を切り換える運転操作部１
５ｂ、スイッチング素子の周波数を変える周波数操作部１５ｃ等が設けられている。

周波数操作部１５ｃは周波数を上げるＵＰ操作部と周波数を下げるＤＯＷＮ操作部とか
らなり、このＵＰ操作部とＤＯＷＮ操作部とを操作することにより表示部には「周波数Ｕ
Ｐ（効率ＤＯＷＮ）」、「周波数ＤＯＷＮ（効率ＵＰ）の表示が成され、連動して周波数
の値１５Ｆの表示が上下する。

利用者は、通常は最低の周波数（例えば１６ｋＨｚ）に設定するが、騒音（モスキート
音）が不快に感じるときは、周波数操作部１５ｃを操作して順に周波数を利用者が不快に
感じない周波数（騒音が聞こえなくなる周波数）まで上げる。尚、外出する際など騒音を
考慮しなくてよい時には、周波数を下げ運転効率の良い周波数に設定して運転効率を優先
する運転を行う。この周波数操作部１５ｃでは周波数（所定周期）を１６ｋＨｚ〜２２ｋ
Ｈｚまで０．５ｋＨｚ刻みで設定できる。従って、利用者の個々の聞こえ方の違いに合わ
せて利用者自らが自己に適した状態を設定することができるものである。

また、この周波数はスイッチング素子４とスイッチング素子８ａ乃至スイッチング素子８
ｄとの動作周波数に同じに用いられるが、スイッチング素子８ａ乃至スイッチング素子８
ｄの動作周波数にのみ適用しても良く、またスイッチング素子４の周波数はこの周波数操
作部１５ｃで設定された周波数から所定値ずらした値として回路の共振等を抑制するよう
にしても良い。また、周波数操作部１５ｃで変更する周波数はこれに限るものではなく、
単に「低／中／高」などの３段階また２段階としても良く、対応するする周波数は適に設
定することができる。

図３はリモートコントローラの操作による動作を示す説明図であり、表示画面１５が表
示されている状態で、ステップＳ１で現在設定されている周波数Ｆが表示画面１５に表示
される。ステップＳ２で周波数操作部１５ｃがＵＰ操作されたかＤＯＷＮ操作されたかを
判断し、ＵＰ操作された時はステップＳ３で周波数Ｆの値をＦ＋０．５ｋＨｚの値に置き
換え、ＤＯＷＮ操作された際はステップＳ４で周波数Ｆの値をＦ−０．５ｋＨｚの値に置
き換える。尚、これらいずれの操作でも周波数Ｆの値は１６ｋＨｚ〜２２ｋＨｚを超えな
いように制限される。

ステップＳ５では周波数Ｆの位相が０度毎に予め演算されたＯＮ時間のＯＮ信号の出力
を行う。この際、周波数Ｆに応じて設定されるＯＮ時間の上限を超えないように制限の制
御が行われる。尚、ＯＮ信号の出力とこの出力の終了制御にはフラグとタイマによる計時
を用いて行われる。

本発明は、高周波で動作するスイッチング素子を備える電力変換装置のノイズ対策に用い
るのに適している。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、以上の説明は本発明の理解を容易にす
るためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明はその趣旨を逸脱すること
なく、変更、改良され得ると共に本発明にはその等価物が含まれることは勿論である。

１ 昇圧回路
４ スイッチング素子
５ リアクタ
８ａ〜８ｄ スイッチング素子
９ 変換回路
１２ 制御部
１４ リモートコントローラ
１５ 表示画面
１５ａ 表示操作部
１５ｂ 運転操作部
１５ｃ 周波数操作部
１５Ｆ 周波数の値
１６ 表示スイッチ

Claims (4)

1. 第１スイッチング素子を有し、直流電力を昇圧する昇圧回路と、
   複数の第２スイッチング素子を有し、前記昇圧回路により昇圧された直流電力を系統と
   同期する交流電力へ変換するインバータ回路と、を備え、
   前記交流電力を前記系統へ重畳する電力変換装置において、
   前記第１スイッチング素子を第１所定周期の内でＯＮデューティ比を制御可能に構成す
   ると共に、前記第２スイッチング素子を第２所定周期の内でＯＮデューティ比を制御可能
   に構成し、
   前記第１所定周期及び前記第２所定周期のうち前記第２所定周期のみを任意に変更可能
   に構成されるコントローラを備え、
   前記コントローラは、前記第２所定周期の変更を行う操作機構を備えることを特徴とす
   る電力変換装置。
2. 前記操作機構は、前記第２所定周期を３以上の複数の周波数で変更可能に構成されるこ
   とを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
3. 前記第１所定周期と第２所定周期とをずらした値とすることを特徴とする請求項１又は
   請求項２に記載の電力変換装置。
4. 前記第２所定周期の変更を行った際にＯＮ時間の開始位置を変えないことを特徴とする
   請求項１乃至請求項３に記載の電力変換装置。
   

Images