JP6414546B2 - インバータ装置 - Google Patents

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Description

本発明は、太陽光発電等の直流電源からの直流電力を交流電力に変換するためのインバータ装置に関するものである。
従来から、太陽電池や、蓄電池等の直流電源からの入力電力を交流電力に変換するとともに、変換した交流電力を商用電力等の交流系統に重畳するための系統連系機能を備えたインバータ装置が用いられている。
このようなインバータ装置は、入力電力の電圧を昇圧するための昇圧回路と、昇圧回路の出力を交流電力に変換するインバータ回路と、を備えている。
上記インバータ装置においては、出力すべき交流電力の内、入力電力の電圧以上の部分のみ昇圧回路にスイッチング動作させ、入力電力の電圧以下の部分については、昇圧回路のスイッチング動作を停止させることで、インバータ回路において降圧する際の電位差を低く抑えるとともに、昇圧回路のスイッチングによる損失を低減し、より高い効率で電力を出力することができるインバータ装置が提案されている(例えば、特許文献1参照)。
特開2000−152651号公報
例えば、直流電源として太陽光発電パネルを用いる場合、複数の太陽光発電パネル(モジュール)を接続してなる太陽電池アレイをインバータ装置に対して複数個並列に接続する場合がある。
上記のように太陽電池アレイを複数個用いる場合、各太陽電池アレイでモジュールの数が異なることや、日照条件等が異なったりすることがあり、各太陽電池アレイで最適動作点が異なってしまい、各太陽電池アレイを最適動作点で動作させることができないという問題が生じる。
そこで、複数個の太陽電池アレイを接続する場合、各太陽電池アレイそれぞれが接続される昇圧回路を複数設け、各昇圧回路をインバータ回路に並列に接続するといった方法が採用されることがある。この方法によれば、各昇圧回路によって各太陽電池アレイの動作点を制御することができ、各太陽電池アレイが最適動作点で動作するように制御することができる。
しかし、昇圧回路を複数個備えた構成とした上で、上記特許文献1において提案されているように、昇圧回路、及びインバータ回路のスイッチング動作を交互に停止させる制御を行う場合、各昇圧回路のスイッチングを停止させたときにインバータ回路に与えられる電力は、各アレイの内、最も高い電圧で電力を出力しているアレイからのみ供給されることとなる。昇圧回路は、スイッチングを停止すると接続されているアレイが出力する電力をそのままインバータ回路に出力するからである。
よって、相対的に電圧の低いその他のモジュールからは、電力の供給が得られない状態となる。
このため、各太陽電池アレイから最大限の電力を得ることができず、発電の効率を低下させてしまうおそれがあった。
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、電源効率が低下するのを抑制することができるインバータ装置を提供することを目的とする。
本開示は、以下の発明を含む。
開示のインバータ装置は、第1電源、及び前記第1電源よりも低い電圧で電力を出力する第2電源のそれぞれから与えられる直流電力を交流電力に変換する回路構成を含むインバータ装置であって、前記第1電源から与えられる直流電力について昇圧を行う第1昇圧回路と、前記第2電源から与えられる直流電力について昇圧を行う第2昇圧回路と、互いに並列に接続された前記両昇圧回路に接続され、前記両昇圧回路から与えられる電力を交流電力に変換するインバータ回路と、前記インバータ回路が出力する交流電力を含む電力値に、各昇圧回路における直流電力を合計した電力値合計に対する各昇圧回路ごとの直流電力の電力値の割合を乗算し、その乗算して得た値に基づいて各昇圧回路それぞれの電流目標値を設定する制御部と、を備えている。
また、本開示のインバータ装置は、第1電源、及び前記第1電源よりも低い電圧で電力を出力する第2電源それぞれから与えられる直流電力を交流電力に変換する回路構成を含むインバータ装置であって、前記第1電源から与えられる直流電力について昇圧を行う第1昇圧回路と、前記第2電源から与えられる直流電力について昇圧を行う第2昇圧回路と、互いに並列に接続された前記両昇圧回路に接続され、前記両昇圧回路から与えられる電力を交流電力に変換するインバータ回路と、を備え、前記第2昇圧回路から出力される電力の最低電圧値が、前記第1電源から与えられる直流電力の電圧値である直流入力電圧値とほぼ一致している。
本発明のインバータ装置によれば、電源効率が低下するのを抑制することができる。
一実施形態に係るインバータ装置を備えたシステムの一例を示すブロック図である。 インバータ装置の回路図の一例である。 制御部12のブロック図である。 第1直流入力電圧検出値Vg.1(縦軸は[V])、及び第1昇圧回路電流検出値Iin.1(縦軸は[A])、及び第1直流入力電流検出値Ig.1(縦軸は[A])の経時変化をシミュレーションにより求めた結果の一例を示すグラフである。 平均化処理部が行う、第1直流入力電圧検出値Vg.1を平均化する際の態様を示す図である。 制御処理部による制御処理を説明するための制御ブロック図である。 両昇圧回路及びインバータ回路の制御処理を示すフローチャートである。 インバータ出力電圧指令値Vinv*(縦軸は[V])の一例を示す図である。 昇圧回路電圧目標値Vo*の求め方を示した模式図であり、(a)は、インバータ出力電圧指令値Vinv*と、第1直流入力電圧検出値Vg.1との比較を表した図、(b)は、昇圧回路電圧目標値Vo*の波形を示す図、(c)は、第2昇圧回路が出力する電力を、第2直流入力電圧検出値Vg.2を基準に昇圧した場合を示す図である。 直流入力電圧検出値Vg.1,Vg.2、及び昇圧回路電圧目標値Vo*の経時変化をシミュレーションにより求めた結果を、各指令値とともに示したグラフであり、上段のグラフは、インバータ出力電圧指令値Vinv*と系統電圧検出値Vaとの関係を示したグラフ、中段のグラフは、直流入力電圧値Vg.1,Vg.2と、昇圧回路電圧目標値Vo*との関係を示したグラフ、下段のグラフは、昇圧回路電流指令値Iin.1*,Iin.2*を示したグラフである(電圧の縦軸は[V]、電流の縦軸は[A]である。)。 (a)は、第1昇圧回路用搬送波と、第1昇圧回路電圧参照値Vbc1#の波形とを比較したグラフであり、(b)は、第1昇圧回路制御部が生成したスイッチング素子を駆動するための駆動波形である。 (a)は、インバータ回路用搬送波と、インバータ電圧参照値Vinv#の波形とを比較したグラフ、(b)は、インバータ回路制御部が生成したスイッチング素子Q1を駆動するための駆動波形、(c)は、インバータ回路制御部が生成したスイッチング素子Q3を駆動するための駆動波形である。 参照波、及び各スイッチング素子の駆動波形の一例を示した図である(電圧の縦軸は[V]、電流の縦軸は[A]である。)。 (a)は、第2昇圧回路用搬送波と、第2昇圧回路電圧参照値Vbc2#の波形(縦軸は[V])とを比較したグラフ、(b)は、第2昇圧回路制御部が生成したスイッチング素子を駆動するための駆動波形である。 (a)は、インバータ回路から出力された交流電圧、商用電力系統、及び交流リアクトルの両端電圧、それぞれの電圧波形を示したグラフであり、(b)は、交流リアクトルに流れる電流波形を示したグラフである。
《実施形態の要旨》
本発明の実施形態の要旨としては、少なくとも以下のものが含まれる。
(1)これは、第1電源、及び前記第1電源よりも低い電圧で電力を出力する第2電源のそれぞれから与えられる直流電力を交流電力に変換する回路構成を含むインバータ装置であって、前記第1電源から与えられる直流電力について昇圧を行う第1昇圧回路と、前記第2電源から与えられる直流電力について昇圧を行う第2昇圧回路と、互いに並列に接続された前記両昇圧回路に接続され、前記両昇圧回路から与えられる電力を交流電力に変換するインバータ回路と、前記インバータ回路が出力する交流電力を含む電力値に、各昇圧回路における直流電力を合計した電力値合計に対する各昇圧回路ごとの直流電力の電力値の割合を乗算し、その乗算して得た値に基づいて各昇圧回路それぞれの電流目標値を設定する制御部と、を備えている。
上記構成のインバータ装置によれば、第2昇圧回路から出力される電力の最低電圧値を、第1電源から与えられる直流電力の電圧値である直流入力電圧値とほぼ一致させることができる。このため、第2昇圧回路から出力される電力の電圧値が、第1昇圧回路が出力する電力の電圧値よりも大きく下回ることを防止できる。この結果、第2昇圧回路を通じた第2電源からの電力供給が得られなくなる期間が生じるのを防止することができ、電源効率の低下を抑制することができる。
なお、前記(1)のインバータ装置は、例えば、以下の(2)〜(8)に列記する具体的な態様を有し得る。
(2)前記(1)のインバータ装置において、前記第1昇圧回路及び前記第2昇圧回路の各々と前記インバータ回路との間に平滑コンデンサが設けられており、前記インバータ回路が出力する交流電力を含む電力値には、前記平滑コンデンサを通過する無効電力も含まれるという態様であってもよい。
この場合、無効電力も考慮して昇圧回路の電流目標値を定めることができる。
(3)また、前記(1)のインバータ装置において、前記第1昇圧回路及び前記第2昇圧回路の各々と前記インバータ回路との間に平滑コンデンサが設けられており、前記インバータ回路が出力する交流電力を含む電力値には、前記平滑コンデンサを通過する無効電力及び、当該インバータ装置における電力損失も含まれる、という態様であってもよい。
この場合、無効電力及び電力損失も考慮して昇圧回路の電流目標値を定めることができる。
(4)また、前記(1)のインバータ装置において、
前記「第1」、「第2」に対応する数字をi(=1,2)、
各昇圧回路の電流目標値をIin.i*、
前記インバータ回路の電流目標値をIinv*、
前記インバータ回路の電圧目標値をVinv*、
各電源からの直流入力電圧値をVg.i、
前記直流電力の入力電流指令値をIg.i*、として、
「〈 〉」の表現は、括弧内の値の平均値を示している、とするとき、
Iin.i*=
(Iinv*×Vinv*) × Ig.i*/Σ〈Ig.i*×Vg.i〉
であってもよい。
(5)また、前記(2)のインバータ装置において、
前記「第1」、「第2」に対応する数字をi(=1,2)、
各昇圧回路の電流目標値をIin.i*、
前記インバータ回路の電流目標値をIinv*、
前記インバータ回路の電圧目標値をVinv*、
前記平滑コンデンサの静電容量をCo、
各昇圧回路に共通の電圧目標値をVo*、
各電源からの直流入力電圧値をVg.i、
前記直流電力の入力電流指令値をIg.i*、として、
「〈 〉」の表現は、括弧内の値の平均値を示している、とするとき、
Iin.i*=
((Iinv*×Vinv*)+(Co × dVo*/dt)×Vo*)×Ig.i*/Σ〈Ig.i*×Vg.i〉
であってもよい。
(6)また、前記(2)のインバータ装置において、
前記「第1」、「第2」に対応する数字をi(=1,2)、
各昇圧回路の電流目標値をIin.i*、
前記インバータ回路の電流目標値をIinv*、
前記インバータ回路の電圧目標値をVinv*、
各昇圧回路に共通の電圧目標値をVo*、
各電源からの直流入力電圧値をVg.i、
前記直流電力の入力電流指令値をIg.i*、
前記平滑コンデンサに流れる電流をIco、として、
「〈 〉」の表現は、括弧内の値の平均値を示している、とするとき、
Iin.i*=
((Iinv*×Vinv*)+Ico×Vo*)×
Ig.i*/Σ〈Ig.i*×Vg.i〉
であってもよい。
(7)また、前記(3)のインバータ装置において、
前記「第1」、「第2」に対応する数字をi(=1,2)、
各昇圧回路の電流目標値をIin.i*、
前記インバータ回路の電流目標値をIinv*、
前記インバータ回路の電圧目標値をVinv*、
前記平滑コンデンサの静電容量をCo、
各昇圧回路に共通の電圧目標値をVo*、
各電源からの直流入力電圧値をVg.i、
前記直流電力の入力電流指令値をIg.i*、
当該インバータ装置の電力損失をPLOSS、として、
「〈 〉」の表現は、括弧内の値の平均値を示している、とするとき、
Iin.i*=
((Iinv*×Vinv*)+(Co×dVo*/dt)×Vo*+PLOSS)×Ig.i*/Σ〈Ig.i*×Vg.i〉
であってもよい。
(8)また、前記(3)のインバータ装置において、
前記「第1」、「第2」に対応する数字をi(=1,2)、
各昇圧回路の電流目標値をIin.i*、
前記インバータ回路の電流目標値をIinv*、
前記インバータ回路の電圧目標値をVinv*、
各昇圧回路に共通の電圧目標値をVo*、
各電源からの直流入力電圧値をVg.i、
前記直流電力の入力電流指令値をIg.i*、
前記平滑コンデンサに流れる電流をIco、
当該インバータ装置の電力損失をPLOSS、として、
「〈 〉」の表現は、括弧内の値の平均値を示している、とするとき、
Iin.i*=
((Iinv*×Vinv*)+Ico×Vo*+PLOSS)×
Ig.i*/Σ〈Ig.i*×Vg.i〉
であってもよい。
(9)また、前記(1)〜(8)のいずれかのインバータ装置において、前記インバータ回路は、変換した交流電力を当該インバータ回路の出力端に接続されたリアクトルを介して交流系統へ出力するものであり、前記制御部は、前記交流系統の電圧位相よりも数度進相した電圧位相とされた交流電力を前記インバータ回路に出力させる制御を行うことが好ましい。
この場合、変換した交流電力の電圧位相を交流系統の電圧位相よりも数度進相させるので、リアクトルの両端電圧の位相を、交流系統の電圧位相に対して90度進んだ位相とすることができる。リアクトルの電流位相は、その電圧位相に対して90度遅延するので、リアクトルを通して出力される交流電力の電流位相は、交流系統の電流位相に対して同期することとなる。
この結果、交流系統の電圧に対して電流位相が同位相の交流電力を出力することができるので、当該交流電力の力率が低下するのを抑制することができる。
(10)また、前記(1)〜(9)のいずれかのインバータ装置において、前記制御部は、自装置が出力する交流電力の電流位相が前記交流系統電圧と同位相となるように前記昇圧回路及び前記インバータ回路を制御するとともに、自装置が出力する交流電力の電流位相が前記交流系統電圧と同位相となるように前記インバータ回路を制御するための電流目標値に基づいて前記インバータ回路の電圧目標値を設定することが好ましい。
この場合、交流系統の電圧位相よりも数度進相した交流波形とされた電圧目標値を好適に得ることができ、出力する交流電力の力率が低下するのを抑制することができる。
(11)また、前記(1)〜(10)のいずれかのインバータ装置において、前記制御部は、前記インバータ回路の電圧目標値が、前記直流入力電圧値以下又は前記入力電圧値よりもわずかに低い電圧値となるときに、前記第1昇圧回路の昇圧動作を停止させるように制御するとともに、前記電圧目標値が、前記直流入力電圧値以上となるときに、前記インバータ回路の変換動作を停止させるように制御することが好ましい。
この場合、インバータ回路が出力する交流電力の内、直流入力電圧値よりも高い部分の電圧を出力する際には第1昇圧回路を動作させ、直流入力電圧値よりも低い部分の電圧を出力する際にはインバータ回路を動作させるように制御されるので、インバータ回路によって降圧する電力の電位差を低く抑えることができるとともに、昇圧回路のスイッチングによる損失を低減し、より高効率で交流電力を出力することができる。さらに、第1昇圧回路及びインバータ回路は、共に制御部が設定した電圧目標値に基づいて動作するため、交互に切り替わるように出力される第1昇圧回路の出力と、インバータ回路の出力との間で、ずれや歪が生じるのを抑制することができる。
なお、前記入力電圧値よりもわずかに低い電圧値とは、第1昇圧回路が出力する電流波形とインバータ回路が出力する電流波形とを滑らかに繋げ得るために設定される電圧値であって、両電流波形を滑らかに繋げるのに必要なだけ第1昇圧回路の出力とインバータ回路の出力とが重畳するように設定された電圧値をいう。
(12,13)また、前記(1)〜(11)のいずれかのインバータ装置において、前記制御部は、前記第1電源から与えられる直流電力の電圧値を複数回測定した結果から求めた平均値を前記直流入力電圧値としてもよい。
さらに、前記制御部は、前記第1電源及び前記第2電源から与えられる直流電力を複数回測定した結果から、前記第1電源の電流値、前記第2電源の電圧値、及び前記第2電源の電流値それぞれの平均値を求め、前記直流入力電圧値、及び前記各平均値に基づいて、前記第1電源及び前記第2電源それぞれについて最大電力点追従制御を行う機能をさらに有していてもよい。
この場合、各電源による直流電力が変動し不安定な場合にも、制御部は、直流電力の電圧及び電流を平均値として精度よく得ることができる。この結果、両電源を好適に制御することができ、電源効率が低下するのをより効果的に抑制することができる。
(14)また、前記(13)のインバータ装置において、インバータ装置の出力電流の変動によって、両電源から与えられる直流電力の電圧や電流に変動が生じる場合、その変動周期は、交流系統の1/2周期と一致する。
従って、前記インバータ回路が、変換した交流電力を交流系統へ出力する場合、前記直流入力電圧値、及び前記各平均値は、前記交流系統の1/2周期の整数倍期間に、前記直流電力の電圧値及び電流値のそれぞれを前記交流系統の1/2周期よりも短い時間間隔で複数回測定した結果から得られた値であることが好ましく、この場合、両電源からの直流電力の電圧及び電流が周期的に変動したとしても、測定回数を少なくしつつ、前記直流入力電圧値、及び前記各平均値を精度よく求めることができる。
(15)また、前記(13)のインバータ装置において、両電源から与えられる直流電力の電圧や電流に生じる変動は、上述のように、インバータ装置の出力電流の変動に起因している。よって、前記直流入力電圧値、及び前記各平均値は、前記インバータ回路が変換した交流電力の1/2周期の整数倍期間の間に、前記直流電力の電圧値及び電流値のそれぞれを前記交流電力の1/2周期よりも短い時間間隔で複数回測定した結果から得られた値であってもよい。この場合においても、測定回数を少なくしつつ、前記直流入力電圧値、及び前記各平均値を精度よく求めることができる。
(16)また、前記(1)〜(15)のいずれかのインバータ装置において、前記第2電源及び前記第2電源が接続される第2昇圧回路は、複数設けられていてもよく、この場合においても、複数の第2電源からの電力供給が得られなくなる期間が生じるのを防止することができ、電源効率低下を抑制することができる。
(17)また、本発明は、第1電源、及び前記第1電源よりも低い電圧で電力を出力する第2電源それぞれから与えられる直流電力を交流電力に変換する回路構成を含むインバータ装置であって、前記第1電源から与えられる直流電力について昇圧を行う第1昇圧回路と、前記第2電源から与えられる直流電力について昇圧を行う第2昇圧回路と、互いに並列に接続された前記両昇圧回路に接続され、前記両昇圧回路から与えられる電力を交流電力に変換するインバータ回路と、を備え、前記第2昇圧回路から出力される電力の最低電圧値が、前記第1電源から与えられる直流電力の電圧値である直流入力電圧値と前記第1昇圧回路における電圧降下の範囲内で一致している。
前記(17)の構成のインバータ装置によれば、第2昇圧回路から出力される電力の最低電圧値が、第1電源から与えられる直流入力電圧値とほぼ一致するように第2昇圧回路を制御するので、第2昇圧回路から出力される電力の電圧値が、第1昇圧回路が出力する電力の電圧値よりも大きく下回ることを防止できる。この結果、第2昇圧回路を通じた第2電源からの電力供給が得られなくなる期間が生じるのを防止することができ、電源効率の低下を抑制することができる。
(18)また、前記(17)のインバータ装置において、より具体的には、前記制御部は、前記第1昇圧回路の電圧目標値が前記第1昇圧回路の直流入力電圧値以下となる範囲で、前記第2昇圧回路から出力される電力の電圧値が、前記第1昇圧回路の直流入力電圧値と前記第1昇圧回路における電圧降下の範囲内で一致するように前記第2昇圧回路を制御するものであることが好ましく、このように制御することで、第2昇圧回路から出力される電力の最低電圧値を、入力電圧値とほぼ一致させることができる。
(19)また、(1)〜(18)のインバータ装置において、前記交流系統から直流電力を前記電源に出力することもできる。すなわち、インバータ回路の電流目標値(Iinv*)と電圧目標値(Vinv*)との間で互いに位相を180度ずらすと、同じ電流目標値(Iin*)の制御で交流系統から電源への逆方向の出力も可能である。
《実施形態の詳細》
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。
〔1 全体構成について〕
図1は、一実施形態に係るインバータ装置を備えたシステムの一例を示すブロック図である。図中、インバータ装置1の入力端には、直流電源としての第1太陽電池アレイ2及び第2太陽電池アレイ40が接続され、出力端には、交流の商用電力系統3が接続されている。
このシステムは、第1太陽電池アレイ2(以下、単に第1アレイ2ともいう)及び第2太陽電池アレイ40(以下、単に第2アレイ40ともいう)が発電する直流電力を交流電力に変換し、商用電力系統3に出力する連系運転を行う。
第1アレイ2及び第2アレイ40は、複数の太陽光発電パネル(モジュール)を直並列に接続して構成されている。本実施形態では、第2アレイ40は、当該第2アレイ40が出力する電力の電圧が、第1アレイ2が出力する電力の電圧よりも小さくなるような構成とされている。
インバータ装置1は、第1アレイ2が出力する直流電力が与えられる第1昇圧回路10と、第2アレイ40が出力する直流電力が与えられる第2昇圧回路41と、両昇圧回路10,41から与えられる電力を交流電力に変換して商用電力系統3に出力するインバータ回路11と、これらの回路10,11,41の動作を制御する制御部12とを備えている。
第1昇圧回路10と、第2昇圧回路41とは、インバータ回路11に対して並列に接続されている。
図2は、インバータ装置1の回路図の一例である。
第1アレイ2が接続されている第1昇圧回路10は、直流リアクトル15と、ダイオード16と、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)等からなるスイッチング素子Qb1とを備えており、昇圧チョッパ回路を構成している。
第1昇圧回路10の入力側には、第1電圧センサ17、第1電流センサ18、及び平滑化のためのコンデンサ26が設けられている。第1電圧センサ17は、第1アレイ2が出力し、第1昇圧回路10に入力される直流電力の第1直流入力電圧検出値Vg.1(直流入力電圧値)を検出し、制御部12に出力する。第1電流センサ18は、直流リアクトル15に流れる電流である第1昇圧回路電流検出値Iin.1を検出し、制御部12に出力する。
第2アレイ40が接続されている第2昇圧回路41は、直流リアクトル42と、ダイオード43と、IGBT等からなるスイッチング素子Qb2とを備えており、第1昇圧回路と同様、昇圧チョッパ回路を構成している。
また、第2昇圧回路41の入力側には、第2電圧センサ44、第2電流センサ45、及び平滑化のためのコンデンサ46が設けられている。第2電圧センサ44は、第2アレイ40が出力し、第2昇圧回路41に入力される直流電力の第2直流入力電圧検出値Vg.2を検出し、制御部12に出力する。と、第2電流センサ45は、直流リアクトル42に流れる電流である第2昇圧回路電流検出値Iin.2を検出し、制御部12に出力する。
制御部12は、直流入力電圧検出値Vg.1,Vg.2及び昇圧回路電流検出値Iin.1,Iin.2から入力電力Pin.1、Pin.2を演算し、第1アレイ2及び第2アレイ40に対するMPPT(Maximum Power Point Tracking:最大電力点追従)制御を行う機能を有している。
また、第1昇圧回路10のスイッチング素子Qb1は、後述するように、インバータ回路11との間でスイッチング動作を行う期間が交互に切り替わるように、制御部12によって制御される。よって、第1昇圧回路10は、スイッチング動作を行っている期間は、昇圧された電力をインバータ回路11に出力し、スイッチング動作を停止している期間は、第1アレイ2が出力して第1昇圧回路10に入力される直流電力について昇圧を行うことなくインバータ回路11に出力する。
さらに、第2昇圧回路41は、後述するように、所定期間において、第2アレイ40から与えられる直流電力の電圧値を、第1アレイ2から与えられる直流電力の電圧値である第1直流入力電圧検出値Vg.1とほぼ一致する値にまで昇圧して出力するように、制御部12によって制御される。
両昇圧回路10,41と、インバータ回路11との間には、平滑用のコンデンサ19が接続されている。
インバータ回路11は、FET(Field Effect Transistor)からなるスイッチング素子Q1〜Q4を備えている。これらスイッチング素子Q1〜Q4は、フルブリッジ回路を構成している。
各スイッチング素子Q1〜Q4は、制御部12に接続されており、制御部12により制御可能とされている。制御部12は、各スイッチング素子Q1〜Q4の動作をPWM制御する。これにより、インバータ回路11は、両昇圧回路10,41から与えられる電力を交流電力に変換する。
インバータ装置1は、インバータ回路11と、商用電力系統3との間にフィルタ回路21を備えている。
フィルタ回路21は、2つの交流リアクトル22と、コンデンサ23とを備えて構成されている。フィルタ回路21は、インバータ回路11から出力される交流電力に含まれる高周波成分を除去する機能を有している。フィルタ回路21により高周波成分が除去された交流電力は、商用電力系統3に与えられる。
また、フィルタ回路21には、インバータ回路11による出力の電流値であるインバータ電流検出値Iinv(交流リアクトル22に流れる電流)を検出するための第3電流センサ24が接続されている。さらに、フィルタ回路21と、商用電力系統3との間には、商用電力系統3側の電圧値(系統電圧検出値Va)を検出するための第3電圧センサ25が接続されている。
第3電流センサ24及び第3電圧センサ25は、検出したインバータ電流検出値Iinv及び系統電圧検出値Vaを制御部12に出力する。
制御部12は、これら系統電圧検出値Va及びインバータ電流検出値Iinvと、上述の直流入力電圧検出値Vg.1,Vg.2、昇圧回路電流検出値Iin.1,Iin.2に基づいて、両昇圧回路10,41及びインバータ回路11を制御する。
〔2 制御部について〕
図3は、制御部12のブロック図である。制御部12は、図3に示すように、制御処理部30と、第1昇圧回路制御部32と、インバータ回路制御部33と、平均化処理部34と、第2昇圧回路制御部35とを機能的に有している。
制御部12の各機能は、その一部又は全部がハードウェア回路によって構成されてもよいし、その一部又は全部が、ソフトウェア(コンピュータプログラム)をコンピュータによって実行させることで実現されていてもよい。制御部12の機能を実現するソフトウェア(コンピュータプログラム)は、コンピュータの記憶装置(図示省略)に格納される。
第1昇圧回路制御部32は、制御処理部30から与えられる指令値と検出値に基づいて、第1昇圧回路10のスイッチング素子Qb1を制御し、前記指令値に応じた電流の電力を第1昇圧回路10に出力させる。
第2昇圧回路制御部35は、制御処理部30から与えられる指令値と検出値に基づいて、第2昇圧回路41のスイッチング素子Qb2を制御し、前記指令値に応じた電流の電力を第2昇圧回路41に出力させる。
また、インバータ回路制御部33は、制御処理部30から与えられる指令値と検出値に基づいて、インバータ回路11のスイッチング素子Q1〜Q4を制御し、前記指令値に応じた電流の電力をインバータ回路11に出力させる。
制御処理部30には、直流入力電圧検出値Vg.1,Vg.2、昇圧回路電流検出値Iin.1,Iin.2、系統電圧検出値Va、及びインバータ電流検出値Iinvが与えられる。
制御処理部30は、直流入力電圧検出値Vg.1,Vg.2及び昇圧回路電流検出値Iin.1,Iin.2から、第1昇圧回路10の第1入力電力Pin.1及びその平均値〈Pin.1〉、並びに、第2昇圧回路41の第2入力電力Pin.2及びその平均値〈Pin.2〉を演算する。
制御処理部30は、第1入力電力平均値〈Pin.1〉に基づいて、第1昇圧回路10の第1直流入力電流指令値Ig.1*(後に説明する)を設定し、第1アレイ2についてMPPT制御を行うとともに、第1昇圧回路10及びインバータ回路11それぞれをフィードバック制御する機能を有している。
また、制御処理部30は、第2入力電力平均値〈Pin.2〉に基づいて、第2昇圧回路41の直流入力電流指令値Ig.2*(後に説明する)を設定し、第2アレイ40についてMPPT制御を行うとともに、第2昇圧回路41をフィードバック制御する機能も有している。
直流入力電圧検出値Vg.1,Vg.2及び昇圧回路電流検出値Iin.1,Iin.2は、平均化処理部34、及び制御処理部30に与えられる。
平均化処理部34は、両電圧センサ17,44及び両電流センサ18,45から与えられる直流入力電圧検出値Vg.1,Vg.2及び昇圧回路電流検出値Iin.1,Iin.2を、予め設定された所定の時間間隔ごとにサンプリングし、それぞれの平均値を求め、平均化された直流入力電圧検出値Vg.1,Vg.2及び昇圧回路電流検出値Iin.1,Iin.2を制御処理部30に与える機能を有している。
図4は、第1直流入力電圧検出値Vg.1、及び第1昇圧回路電流検出値Iin.1の経時変化をシミュレーションにより求めた結果の一例を示すグラフである。
第1昇圧回路電流検出値Iin.1は、後述するように、指令値に基づいて系統電圧と同期した波形として現れている。
また、第1直流入力電流検出値Ig.1は、コンデンサ26よりも入力側で検出される電流値である。
図4に示すように、第1直流入力電圧検出値Vg.1、及び第1直流入力電流検出値Ig.1(第1昇圧回路電流検出値Iin.1)は、系統電圧の1/2の周期で変動していることが判る。
図4に示すように、第1直流入力電圧検出値Vg.1、及び第1直流入力電流検出値Ig.1が周期的に変動する理由は、次の通りである。すなわち、インバータ装置1の第1昇圧回路電流検出値Iin.1は、昇圧回路10、及びインバータ回路11の動作に応じて、交流周期の1/2周期でほぼ0Aからピーク値まで大きく変動する。そのため、コンデンサ26で変動成分を完全に取り除くことができず、第1直流入力電流検出値Ig.1は、交流周期の1/2周期で変動する成分を含む脈流となる。一方、太陽光発電パネルは出力電流によって出力電圧が変化する。
よって、第1直流入力電圧検出値Vg.1に生じる周期的な変動は、インバータ装置1が出力する交流電力の1/2周期となっている。つまり、商用電力系統3の1/2周期となっている。
平均化処理部34は、上述の周期的変動による影響を抑制するために、第1直流入力電圧検出値Vg.1及び第1昇圧回路電流検出値Iin.1を平均化する。
図5は、平均化処理部34が行う、第1直流入力電圧検出値Vg.1を平均化する際の態様を示す図である。
平均化処理部34は、あるタイミングt1から、タイミングt2までの間の期間Lにおいて、予め設定された所定の時間間隔Δtごとに、与えられる第1直流入力電圧検出値Vg.1について複数回サンプリング(図中、黒点のタイミング)を行い、得られた複数の第1直流入力電圧検出値Vg.1の平均値を求める。
ここで、平均化処理部34は、期間Lを商用電力系統3の周期長さの1/2の長さに設定する。また、平均化処理部34は、時間間隔Δtを、商用電力系統3の1/2周期の長さよりも十分短い期間に設定する。
これにより、平均化処理部34は、商用電力系統3の1/2周期で周期的に変動する、第1直流入力電圧検出値Vg.1の平均値を、できるだけサンプリングの期間を短くしつつ、精度よく求めることができる。
なお、サンプリングの時間間隔Δtは、例えば、商用電力系統3の周期の1/100〜1/1000、或いは、20マイクロ秒〜200マイクロ秒等に設定することができる。
なお、平均化処理部34は、期間Lを予め記憶しておくこともできるし、第電圧センサ25から系統電圧検出値Vaを取得して商用電力系統3の周期に関する情報を取得することもできる。
また、ここでは、期間Lを商用電力系統3の周期長さの1/2の長さに設定したが、期間Lは、少なくとも、商用電力系統3の1/2周期に設定すれば、第1直流入力電圧検出値Vg.1の平均値を精度よく求めることができる。第1直流入力電圧検出値Vg.1は、上述のように、昇圧回路10、及びインバータ回路11の動作によって、商用電力系統3の周期長さの1/2の長さで周期的に変動するからである。
よって、期間Lをより長く設定する必要がある場合、商用電力系統3の1/2周期の3倍や4倍といったように、期間Lを商用電力系統3の1/2周期の整数倍に設定すればよい。これによって、周期単位で電圧変動を把握できる。
上述したように、第1昇圧回路電流検出値Iin.1も、第1直流入力電圧検出値Vg.1と同様、商用電力系統3の1/2周期で周期的に変動する。
よって、平均化処理部34は、図5に示した第1直流入力電圧検出値Vg.1と同様の方法によって、第1昇圧回路電流検出値Iin.1の平均値も求める。
さらに、第2アレイ40側である、第2直流入力電圧検出値Vg.2、及び第2昇圧回路電流検出値Iin.2も、第1直流入力電圧検出値Vg.1と同様の理由により、商用電力系統3の1/2周期で周期的に変動する。
よって、平均化処理部34は、図5に示した第1直流入力電圧検出値Vg.1と同様の方法によって、第2直流入力電圧検出値Vg.2、及び第2昇圧回路電流検出値Iin.2それぞれの平均値も求める。
制御処理部30は、直流入力電圧検出値Vg.1,Vg.2の平均値及び昇圧回路電流検出値Iin.1,Iin.2の平均値をそれぞれ、期間Lごとに逐次求める。
平均化処理部34は、求めた直流入力電圧検出値Vg.1,Vg.2の平均値及び昇圧回路電流検出値Iin.1,Iin.2の平均値を、制御処理部30に与える。
本実施形態では、上述のように、平均化処理部34が、直流入力電圧検出値Vg.1Vg.2の平均値及び昇圧回路電流検出値Iin1,Iin2の平均値を求め、制御処理部30は、これら値を用いて、両アレイ2,40に対するMPPT制御を行いつつ、両昇圧回路10,41及びインバータ回路11を制御するので、両アレイ2,40による直流電流が変動し不安定な場合にも、制御部12は、両アレイ2,40からの出力を直流入力電圧検出値Vg.1Vg.2の平均値、及び昇圧回路電流検出値Iin1,Iin2の平均値として精度よく得ることができる。この結果、MPPT制御を好適に行うことができ、電源効率が低下するのを効果的に抑制することができる。
また、上述したように、インバータ装置1の入力電流の変動によって、両アレイ2,40が出力する直流電力の電圧(直流入力電圧検出値Vg.1,Vg.2)や電流(昇圧回路電流検出値Iin.1,Iin.2)に変動が生じる場合、その変動周期は、インバータ回路11が出力する交流電力の1/2周期(商用電力系統3の1/2周期)と一致する。
この点、本実施形態では、商用電力系統3の周期長さの1/2の長さに設定された期間Lの間に、直流入力電圧検出値Vg.1,Vg.2及び昇圧回路電流検出値Iin.1,Iin.2のそれぞれについて、交流系統の1/2周期よりも十分に短い時間間隔Δtで複数回サンプリングし、その結果から直流入力電圧検出値Vg.1,Vg.2の平均値及び昇圧回路電流検出値Iin.1,Iin.2の平均値を求めたので、直流電流の電圧及び電流が周期的に変動したとしても、直流入力電圧検出値Vg.1,Vg.2及び昇圧回路電流検出値Iin.1,Iin.2を精度よく求めることができる。
なお、両アレイ2,40から与えられる直流入力電圧検出値Vg.1,Vg.2及び昇圧回路電流検出値Iin.1,Iin.2に生じる変動は、上述のように、インバータ回路11等のインピーダンスの変動に起因している。よって、直流入力電圧検出値Vg.1,Vg.2及び昇圧回路電流検出値Iin.1,Iin.2は、インバータ回路11が出力する交流電力の1/2周期よりも短い時間間隔Δtで複数回サンプリングした結果から得られた値であってもよい。
制御処理部30は、上述の入力電力平均値〈Pin.1〉,〈Pin.2〉に基づいて、直流入力電流指令値Ig.1*,Ig.2*を設定し、この設定した直流入力電流指令値Ig.1*,Ig.2*や、上記値に基づいて、両昇圧回路10,41及びインバータ回路11それぞれに対する指令値を求める。
制御処理部30は、求めた指令値を第1昇圧回路制御部32、第2昇圧回路制御部35、及びインバータ回路制御部33に与え、両昇圧回路10,41及びインバータ回路11それぞれをフィードバック制御する機能を有している。
図6は、制御処理部30による制御処理を説明するための制御ブロック図である。
制御処理部30は、インバータ回路11の制御を行うための機能部として、第1演算部51、第1加算器52、補償器53、及び第2加算器54を有している。
また、制御処理部30は、両昇圧回路10,41の制御を行うための機能部として、第2演算部61、第3加算器62、補償器63、第4加算器64、第5加算器72、補償器73、及び第6加算器74を有している。
図7は、両昇圧回路10,41及びインバータ回路11の制御処理を示すフローチャートである。図6に示す各機能部は、図7に示すフローチャートに示す処理を実行することで、両昇圧回路10,41及びインバータ回路11を制御する。
以下、図7に従って、両昇圧回路10,41及びインバータ回路11の制御処理を説明する。
まず、制御処理部30は、現状の入力電力平均値〈Pin.i〉を求め(ステップS9)、前回演算時の入力電力平均値〈Pin.i〉と比較して、直流入力電流指令値Ig.i*を設定する(ステップS1)。なお、入力電力平均値〈Pin.i〉は、下記式(1)に基づいて求められる。
入力電力平均値〈Pin.i〉=〈Iin.i×Vg.i〉・・・(1)
なお、式(1)中、「i」は、インバータ回路11に接続された各昇圧回路に対応する数字であり、本実施形態では、「1」又は「2」である。「i=1」は、第1昇圧回路10に対応し、「i=2」は、第2昇圧回路41に対応している。よって、〈Pin.1〉は、第1昇圧回路10における入力電力平均値を示しており、〈Pin.2〉は、第2昇圧回路41における入力電力平均値を示している。
本実施形態では、制御処理部30は、入力電力平均値〈Pin.1〉,〈Pin.2〉を求め、直流入力電流指令値Ig.1*,Ig.2*を設定する。
また、式(1)中、Iin.iは昇圧回路電流検出値、Vg.iは直流入力電圧検出値であり、これら昇圧回路電流検出値Iin.i、及び直流入力電圧検出値Vg.iは、平均化処理部34によって平均化された値である。
また、式(1)以外の以下に示す制御に関する各式においては、昇圧回路電流検出値Iin.i、及び直流入力電圧検出値Vg.iは、平均化されていない瞬時値が用いられる。
つまり、昇圧回路電流検出値Iin.iの平均値、及び直流入力電圧検出値Vg.iの平均値は、入力電力平均値〈Pin.i〉を求めるために用いられる。
また、「〈 〉」は、括弧内の値の平均値又は実効値を示している。以下同じである。
制御処理部30は、設定した直流入力電流指令値Ig.i*を、第1演算部51に与える。
第1演算部51には、直流入力電流指令値Ig.i*の他、直流入力電圧検出値Vg.i、系統電圧検出値Vaも与えられる。
第1演算部51は、与えられた直流入力電流指令値Ig.i*、直流入力電圧検出値Vg.i、及び系統電圧検出値Vaを用いて、下記式(2)に基づき、インバータ装置1としての出力電流指令値の実効値〈Ia*〉を演算する。
出力電流指令値の実効値〈Ia*〉=
Σ〈Ia.i*〉=Σ(〈Ig.i*×Vg.i〉/〈Va〉)・・・(2)
さらに、第1演算部51は、下記式(3)に基づいて、出力電流指令値Ia*を求める(ステップS2)。
ここで、第1演算部51は、出力電流指令値Ia*を系統電圧検出値Vaと同位相の正弦波として求める。
出力電流指令値Ia*=(√2)×〈Ia*〉×sinωt・・・(3)
次いで、第1演算部51は、下記式(4)に示すように、インバータ回路11を制御するための電流目標値であるインバータ電流指令値Iinv*を演算する(ステップS3)。
インバータ電流指令値Iinv*=Ia*+s CaVa ・・・(4)
ただし、式(4)中、Caは、コンデンサ23の静電容量、sはラプラス演算子である。
上記式(4)は、時間tでの微分を用いた表現とすれば、
Iinv*=Ia* + Ca×(d Va/dt) ・・・(4a)
となる。
式(4),(4a)中、右辺第2項は、フィルタ回路21のコンデンサ23に流れる電流を考慮して加算した値である。
なお、出力電流指令値Ia*は、上記式(3)に示すように、系統電圧検出値Vaと同位相の正弦波として求められる。つまり、制御処理部30は、インバータ装置1が出力する交流電力の電流位相が系統電圧(系統電圧検出値Va)と同位相となるようにインバータ回路11を制御する。
第1演算部51は、インバータ電流指令値Iinv*を求めると、このインバータ電流指令値Iinv*を第1加算器52に与える。
インバータ回路11は、このインバータ電流指令値Iinv*によって、フィードバック制御される。
第1加算器52には、インバータ電流指令値Iinv*の他、現状のインバータ電流検出値Iinvが与えられる。
第1加算器52は、インバータ電流指令値Iinv*と、現状のインバータ電流検出値Iinvとの差分を演算し、その演算結果を補償器53に与える。
補償器53は、上記差分が与えられると、比例係数等に基づいて、この差分を収束させインバータ電流検出値Iinvをインバータ電流指令値Iinv*とし得るインバータ電圧参照値Vinv#を求める。補償器53は、このインバータ電圧参照値Vinv#をインバータ回路制御部33に与えることで、インバータ回路11に、インバータ出力電圧指令値Vinv*に従った電力を出力させる。
インバータ回路11が出力した電力は、第2加算器54によって系統電圧検出値Vaで減算された上で交流リアクトル22に与えられ、新たなインバータ電流検出値Iinvとしてフィードバックされる。そして、第1加算器52によってインバータ電流指令値Iinv*とインバータ電流検出値Iinvとの間の差分が再度演算され、上記同様、この差分に基づいてインバータ回路11が制御される。
以上のようにして、インバータ回路11は、インバータ電流指令値Iinv*と、インバータ電流検出値Iinvとによって、フィードバック制御される(ステップS4)。
一方、第2演算部61には、直流入力電圧検出値Vg.i、系統電圧検出値Vaの他、第1演算部51が演算したインバータ電流指令値Iinv*が与えられる。
第2演算部61は、下記式(5)に基づいて、インバータ出力電圧指令値Vinv*を演算する(ステップS5)。
インバータ出力電圧指令値Vinv*=
Va+s LaIinv* ・・・(5)
ただし、式(5)中、Laは、交流リアクトルのインダクタンス、sはラプラス演算子である。
上記式(5)は、時間tでの微分を用いた表現とすれば、
Vinv*=Va + La× (d Iinv*/dt) ・・・(5a)
となる。
式(5),(5a)中、右辺第2項は、交流リアクトル22の両端に発生する電圧を考慮して加算した値である。
本実施形態では、インバータ装置1が出力する交流電力の電流位相が系統電圧検出値Vaと同位相となるようにインバータ回路11を制御するための電流目標値であるインバータ電流指令値Iinv*に基づいてインバータ出力電圧指令値Vinv*(電圧目標値)を設定する。
インバータ出力電圧指令値Vinv*を求めると、下記式(6)に示すように、第2演算部61は、直流入力電圧検出値Vgと、インバータ出力電圧指令値Vinv*の絶対値とを比較して、大きい方を昇圧回路電圧目標値(昇圧回路電圧指令値)Vo*に決定する(ステップS6)。
昇圧回路電圧目標値Vo*=Max(Vg,Vinv*の絶対値)
・・・(6)
なお、式(6)中、昇圧回路電圧目標値Vo*とは、両昇圧回路10,41が出力する電力の電圧指令値である。
また、Vgは、下記式(7)に示すように、各昇圧回路10,41の内、直流入力電圧検出値Vgが最も大きい値を採用する。
Vg=Max(Vg.i) ・・・(7)
さらに、第2演算部61は、下記式(8)に基づいて、昇圧回路電流指令値Iin*を演算する(ステップS7)。
昇圧回路電流指令値Iin.i*=
((Iinv*×Vinv*)+(s CoVo*)×Vo*)×
Ig.i*/Σ〈Ig.i*×Vg.i〉 ・・・(8)
ただし、式(8)中、Coは、コンデンサ19(平滑コンデンサ)の静電容量、sはラプラス演算子である。
上記式(8)は、時間tでの微分を用いた表現とすれば、
Iin.i*=
((Iinv*×Vinv*)+(Co × dVo*/dt)×Vo*)×Ig.i*/Σ〈Ig.i*×Vg.i〉 ・・・(8a)
となる。また、コンデンサ19に流れる電流を検出してこれをIcoとすれば、
Iin.i*=
((Iinv*×Vinv*)+Ico×Vo*)×
Ig.i*/Σ〈Ig.i*×Vg.i〉
・・・(8b)
となる。
式(8),(8a),(8b)中、インバータ電流指令値Iinv*と、インバータ出力電圧指令値Vinv*との積に加算されている項は、コンデンサ19を通過する無効電力を考慮した値である。すなわち、インバータ回路11の電力目標値に加えて、無効電力を考慮することにより、より正確にIin.i*の値を求めることができる。
さらに、予めインバータ装置1の電力損失PLOSSを測定しておけば、上記式(8a)は、以下のようにも表すことができる。
Iin.i*=
((Iinv*×Vinv*)+(Co×dVo*/dt)×Vo*+PLOSS)×Ig.i*/Σ〈Ig.i*×Vg.i〉
・・・(8c)
同様に、上記式(8b)は、以下のようにも表すことができる。
Iin.i*=
((Iinv*×Vinv*)+Ico×Vo*+PLOSS)×
Ig.i*/Σ〈Ig.i*×Vg.i〉
・・・(8d)
となる。
この場合、インバータ回路11の電力目標値に加えて、無効電力及び電力損失PLOSSを考慮することにより、より厳密にIin.i*の値を求めることができる。
なお、コンデンサ19の静電容量Co及び電力損失PLOSSが(Iinv*×Vinv*)に比べて十分小さい場合、下記式(9)が成立する。この式(9)によれば、演算処理を簡素化でき、演算時間を短縮できる。
昇圧回路電流指令値Iin.i*=(Iinv*×Vinv*)×
Ig.i*/Σ〈Ig.i*×Vg.i〉・・・(9)
式(9)における右辺の係数{Ig.i*/Σ〈Ig.i*×Vg.i〉}は、各昇圧回路10,41における直流電力を合計した電力値合計であるΣ〈Ig.i*×Vg.i〉に対する、各昇圧回路10,41ごとの直流電力の電力値(Ig.i*Vg.i)の割合であるところの、
{Ig.i* × Vg.i / Σ〈Ig.i*×Vg.i〉}
をさらに、直流入力電圧検出値Vg.iで割ることにより、Iin.i*を求めるための按分係数としたものである。すなわち、
{Ig.i* × Vg.i / Σ〈Ig.i*×Vg.i〉}/Vg.i=
Ig.i*/Σ〈Ig.i*×Vg.i〉 ・・・(10)
である。
なお、式(10)は、下記式(11)としてもよい。
〈Iin.i〉/Σ〈Iin.i×Vg.i〉 ・・・(11)
第2演算部61は、上記のようにして、昇圧回路電流指令値Iin.i*(昇圧回路電流指令値Iin.1*,Iin.2*)を求める。第2演算部61は、昇圧回路電流指令値Iin.1*を第3加算器62に与える。
第1昇圧回路10は、この昇圧回路電流指令値Iin.1*によって、フィードバック制御される。
第3加算器62には、昇圧回路電流指令値Iin.1*の他、現状の第1昇圧回路電流検出値Iin.1が与えられる。
第3加算器62は、昇圧回路電流指令値Iin.1*と、現状の第1昇圧回路電流検出値Iin.1との差分を演算し、その演算結果を補償器63に与える。
補償器63は、上記差分が与えられると、比例係数等に基づいて、この差分を収束させ第1昇圧回路電流検出値Iin.1を昇圧回路電流指令値Iin.1*とし得る第1昇圧回路電圧参照値Vbc1#を求める。補償器63は、この第1昇圧回路電圧参照値Vbc1#を第1昇圧回路制御部32に与えることで、第1昇圧回路10に、昇圧回路電圧目標値Vo*に従った電力を出力させる。
第1昇圧回路10が出力した電力は、第4加算器64によって直流入力電圧検出値Vg.1で減算された上で直流リアクトル15に与えられ、新たな第1昇圧回路電流検出値Iin.1としてフィードバックされる。そして、第3加算器62によって昇圧回路電流指令値Iin.1*と第1昇圧回路電流検出値Iin.1との間の差分が再度演算され、上記同様、この差分に基づいて第1昇圧回路10が制御される。
以上のようにして、第1昇圧回路10は、昇圧回路電流指令値Iin.1*と、第1昇圧回路電流検出値Iin.1とによって、フィードバック制御される(ステップS8)。
また、第2演算部61は、昇圧回路電流指令値Iin.2*を第5加算器72に与える。
第2昇圧回路41は、この昇圧回路電流指令値Iin.2*によって、フィードバック制御される。
第5加算器72には、昇圧回路電流指令値Iin.2*の他、現状の第2昇圧回路電流検出値Iin.2が与えられる。
第5加算器72は、昇圧回路電流指令値Iin.2*と、現状の第2昇圧回路電流検出値Iin.2との差分を演算し、その演算結果を補償器73に与える。
補償器73は、上記差分が与えられると、比例係数等に基づいて、この差分を収束させ第2昇圧回路電流検出値Iin.2を昇圧回路電流指令値Iin.2*とし得る第2昇圧回路電圧参照値Vbc2#を求める。補償器73は、この第2昇圧回路電圧参照値Vbc2#を第2昇圧回路制御部35に与えることで、第2昇圧回路41に、昇圧回路電圧目標値Vo*に従った電力を出力させる。
このようにして、第2昇圧回路41は、昇圧回路電流指令値Iin.2*と、第2昇圧回路電流検出値Iin.2とによって、第1昇圧回路10と同様、フィードバック制御される(ステップS8)。
上記ステップS8の後、制御処理部30は、上記式(1)に基づいて、現状の入力電力平均値〈Pin.i〉を求める(ステップS9)。
制御処理部30は、前回演算時の入力電力平均値〈Pin.i〉と比較して、入力電力平均値〈Pin.i〉が最大値となるように(最大電力点に追従するように)、直流入力電流指令値Ig.i*を設定する。
以上によって、制御処理部30は、第1アレイ2、及び第2アレイに対するMPPT制御を行いつつ、両昇圧回路10,41及びインバータ回路11を制御する。
図8は、インバータ出力電圧指令値Vinv*の一例を示す図である。図中、縦軸は電圧、横軸は時間を示している。破線は、商用電力系統3の電圧波形を示しており、実線は、インバータ出力電圧指令値Vinv*の波形を示している。
インバータ装置1は、図7のフローチャートに従った制御によって、図8に示すインバータ出力電圧指令値Vinv*を電圧目標値として電力を出力する。
よって、インバータ装置1は、図に示すインバータ出力電圧指令値Vinv*の波形に従った電圧の電力を出力する。
図に示すように、両波は、電圧値及び周波数は互いにほぼ同じであるが、インバータ出力電圧指令値Vinv*の位相の方が、商用電力系統3の電圧位相に対して数度進相している。
本実施形態の制御処理部30は、上述のように、昇圧回路10及びインバータ回路11のフィードバック制御を実行する中で、インバータ出力電圧指令値Vinv*の位相を、商用電力系統3の電圧位相に対して約3度進相させている。
インバータ出力電圧指令値Vinv*の位相を商用電力系統3の電圧位相に対して進相させる角度は、数度であればよく、後述するように、商用電力系統3の電圧波形との間で差分を求めたときに得られる電圧波形が、商用電力系統3の電圧波形に対して90度進んだ位相となる範囲で設定される。例えば、0度より大きくかつ10度より小さい値の範囲で設定される。
〔3 昇圧回路の電圧指令値について〕
本実施形態において、第2昇圧回路41に接続されている第2アレイ40は、上述したように、第1アレイ2が出力する電力の電圧よりも小さい電圧で電力を出力する構成とされている。
その一方、上記式(6),(7)、及び図7中のステップS6に示すように、両昇圧回路10,41が出力する電力の電圧指令値である昇圧回路電圧目標値Vo*は、以下のように設定される。
すなわち、第1アレイ2による第1直流入力電圧検出値Vg.1と、第2アレイ40による第2直流入力電圧検出値Vg.2とが比較され、より高い電圧である第1直流入力電圧検出値Vg.1が選択される(上記式(7))。
次いで、選択された第1直流入力電圧検出値Vg.1と、インバータ出力電圧指令値Vinv*の絶対値とを比較してより高い方の値を採用することで、昇圧回路電圧目標値Vo*を求めるように構成されている。
図9は、昇圧回路電圧目標値Vo*の求め方を示した模式図であり、図9(a)は、インバータ出力電圧指令値Vinv*と、第1直流入力電圧検出値Vg.1との比較を表した図である。図中、縦軸は電圧、横軸は時間を示している。
制御処理部30は、第1直流入力電圧検出値Vg.1と、インバータ出力電圧指令値Vinv*の絶対値とを比較してより高い方の値を採用するので、昇圧回路電圧目標値Vo*は、インバータ出力電圧指令値Vinv*の絶対値の内、第1直流入力電圧検出値Vg.1以上の部分については、インバータ出力電圧指令値Vinv*に倣い、第1直流入力電圧検出値Vg.1以下の部分については、第1直流入力電圧検出値Vg.1に倣うような波形となる。
図9(b)は、昇圧回路電圧目標値Vo*の波形を示す図である。昇圧回路電圧目標値Vo*は、図に示すように、第1直流入力電圧検出値Vg.1以上の部分については、インバータ出力電圧指令値Vinv*の絶対値に倣った波形とされ、インバータ出力電圧指令値Vinv*が第1直流入力電圧検出値Vg.1以下の部分については、第1直流入力電圧検出値Vg.1に倣う波形とされている。
従って、昇圧回路電圧目標値Vo*は、図に示すように、最低電圧値が第1直流入力電圧検出値Vg.1であるので、第2直流入力電圧検出値Vg.2よりもその電圧は常に大きくなり、第1直流入力電圧検出値Vg.1を下回ることを防止できる。
つまり、第2昇圧回路41は、昇圧回路電圧目標値Vo*に従った電圧の電力を出力するために常に昇圧を行う。
例えば、第2昇圧回路41が出力する電力を、第2直流入力電圧検出値Vg.2を基準に昇圧したとすると、第2昇圧回路41が出力する電力は、図9(c)中、範囲Kにおいて、第1直流入力電圧検出値Vg.1よりも電圧値が低くなり、第1アレイ2からのみ電力供給されたときに、第2アレイ40からの電力供給が得られなくなる。このため、両アレイ2,40全体としての電源効率を低下させるおそれが生じる。
この点、本実施形態では、図9(c)に示したように、インバータ出力電圧指令値Vinv*が、第1直流入力電圧検出値Vg.1以下となる範囲Kにおいて、第2昇圧回路41から出力される電力の電圧値が、第1直流入力電圧検出値Vg.1とほぼ一致するように第2昇圧回路41を制御するので、第2昇圧回路41から出力される電力の最低電圧値を、第1直流入力電圧検出値Vg.1とほぼ一致させることができる。
これにより、第2昇圧回路41から出力される電力の電圧値が、第1昇圧回路10が出力する電力の電圧値よりも大きく下回ることを防止できる。この結果、第2昇圧回路41を通じた第2アレイ40からの電力供給が得られなくなるような期間Kが生じるのを防止することができ、電源効率の低下を抑制することができる。
また、本実施形態では、各昇圧回路それぞれの電流目標値である昇圧回路電流指令値Iin.i*を求めるために、上記式(8)に示したように、インバータ回路11が出力する交流電力の電力値に、各昇圧回路10,41の電力を合計した電力値合計に対する各昇圧回路10,41ごとの電力値の割合を乗算して得たので、各昇圧回路10,41それぞれの電流目標値を好適に得ることができる。その結果、第2昇圧回路41から出力される電力の最低電圧値を、第1直流入力電圧検出値Vg.1とほぼ一致する。
第1昇圧回路10を昇圧回路電流指令値Iin.1に基づいて制御すると、インバータ出力電圧指令値Vinv*が第1直流入力電圧検出値Vg.1よりも低い期間では昇圧を停止し、インバータ出力電圧指令値Vinv*が、第1直流入力電圧検出値Vg.1よりも高い期間では昇圧が行われる。
なお、第2昇圧回路41から出力される電力の電圧値(第2直流入力電圧検出値Vg.2)と、第1直流入力電圧検出値Vg.1とが、ほぼ一致する状態とは、第1昇圧回路10と、第2昇圧回路41とから電力が供給されたときに、双方から電力供給が得られる程度に電圧が一致している状態をいう。
図10は、直流入力電圧検出値Vg.1,Vg.2、及び昇圧回路電圧目標値Vo*の経時変化をシミュレーションにより求めた結果を、各指令値とともに示したグラフである。
図10中、上段のグラフは、インバータ出力電圧指令値Vinv*と系統電圧検出値Vaとの関係を示したグラフ、中段のグラフは、直流入力電圧値Vg.1,Vg.2と、昇圧回路電圧目標値Vo*との関係を示したグラフ、下段のグラフは、昇圧回路電流指令値Iin.1*,Iin.2*を示したグラフである。
図に示すように、昇圧回路電圧目標値Vo*は、第1直流入力電圧検出値Vg.1以上の部分については、インバータ出力電圧指令値Vinv*の絶対値に倣った波形とされ、インバータ出力電圧指令値Vinv*が第1直流入力電圧検出値Vg.1以下の部分については、第1直流入力電圧検出値Vg.1に倣う波形となっていることが確認できる。
〔4 第1昇圧回路及びインバータ回路の制御について〕
第1昇圧回路制御部32(図3)は、第1昇圧回路10のスイッチング素子Qb1を制御する。また、インバータ回路制御部33は、インバータ回路11のスイッチング素子Q1〜Q4を制御する。
第1昇圧回路制御部32及びインバータ回路制御部33は、それぞれ第1昇圧回路用搬送波及びインバータ回路用搬送波を生成し、これら搬送波を制御処理部30から与えられる指令値である第1昇圧回路電圧参照値Vbc1#、及びインバータ電圧参照値Vinv#で変調し、各スイッチング素子を駆動するための駆動波形を生成する。
第1昇圧回路制御部32及びインバータ回路制御部33は、上記駆動波形に基づいて各スイッチング素子を制御することで、インバータ出力電圧指令値Vinv*の波形に近似した電圧波形の交流電力を第1昇圧回路10及びインバータ回路11に出力させる。
図11(a)は、第1昇圧回路用搬送波と、第1昇圧回路電圧参照値Vbc1#の波形とを比較したグラフである。図中、縦軸は電圧、横軸は時間を示している。なお、図11(a)では、理解容易とするために、第1昇圧回路用搬送波の波長を実際よりも長くして示している。
第1昇圧回路制御部32が生成する昇圧回路用搬送波は、極小値が「0」である三角波であり、振幅A1が制御処理部30から与えられる昇圧回路電圧目標値Vo*とされている。
また、昇圧回路用搬送波の周波数は、制御処理部30による制御命令によって、所定のディーティ比となるように、昇圧回路制御部32によって設定される。
なお、昇圧回路電圧目標値Vo*は、上述したように、インバータ出力電圧指令値Vinv*の絶対値が、概ね第1直流入力電圧検出値Vg.1以上となる期間W1では、インバータ出力電圧指令値Vinv*の絶対値に倣い、それ以外の期間では第1直流入力電圧検出値Vg.1に倣うように変化している。よって、第1昇圧回路用搬送波の振幅A1も昇圧回路電圧目標値Vo*に応じて変化している。
なお、本実施形態では、第1直流入力電圧検出値Vg.1が、250ボルトであり、商用電力系統3の電圧振幅が288ボルトであるとする。
第1昇圧回路電圧参照値Vbc1#の波形(以下、第1昇圧回路用参照波Vbc1#ともいう)は、制御処理部30が昇圧回路電流指令値Iin.1*に基づいて求める値であり、インバータ出力電圧指令値Vinv*の絶対値が第1直流入力電圧検出値Vg.1よりも大きな期間W1において、正の値となっている。第1昇圧回路用参照波Vbc1#は、期間W1では、昇圧回路電圧目標値Vo*が成す波形状と近似するような波形となっており、第1昇圧回路用搬送波に対して交差している。
第1昇圧回路制御部32は、第1昇圧回路用搬送波と第1昇圧回路用参照波Vbc1#とを比較し、直流リアクトル15の両端電圧の目標値である第1昇圧回路用参照波Vbc1#が第1昇圧回路用搬送波以上となる部分でオン、搬送波以下となる部分でオフとなるように、スイッチング素子Qb1を駆動するための駆動波形を生成する。
図11(b)は、第1昇圧回路制御部32が生成したスイッチング素子Qb1を駆動するための駆動波形である。図中、縦軸は電圧、横軸は時間である。横軸は、図11(a)の横軸と一致するように示している。
この駆動波形は、スイッチング素子Qb1のスイッチング動作を示しており、スイッチング素子Qb1に与えることで、当該駆動波形に従ったスイッチング動作を実行させることができる。駆動波形は、電圧が0ボルトでスイッチング素子のスイッチをオフ、電圧がプラス電圧でスイッチング素子のスイッチをオンとする制御命令を構成している。
第1昇圧回路制御部32は、インバータ出力電圧指令値Vinv*の電圧値の絶対値が第1直流入力電圧検出値Vg.1以上となる範囲W1でスイッチング動作が行われるように駆動波形を生成する。よって、第1直流入力電圧検出値Vg.1以下の範囲では、スイッチング動作を停止させるようにスイッチング素子Qb1を制御する。
また、各パルス幅は、三角波である第1昇圧回路用搬送波の切片によって定まる。よって、電圧が高い部分ほどパルス幅が大きくなっている。
以上のようにして、第1昇圧回路制御部32は、第1昇圧回路用搬送波を第1昇圧回路用参照波Vbc1#で変調し、スイッチングのためのパルス幅を表した駆動波形を生成する。第1昇圧回路制御部32は、生成した駆動波形に基づいて第1昇圧回路10のスイッチング素子Qb1をPWM制御する。
ダイオード16に並列にダイオードの順方向に導通するスイッチング素子Qbuを設置する場合、スイッチング素子Qbuは、スイッチング素子Qbの駆動波形と反転した駆動波形を用いる。ただし、スイッチング素子Qbとスイッチング素子Qbuが同時に導通することを防ぐため、スイッチング素子Qbuの駆動パルスがオフからオンに移行するときに1マイクロ秒程度のデッドタイムを設ける。
図12(a)は、インバータ回路用搬送波と、インバータ電圧参照値Vinv#の波形とを比較したグラフである。図中、縦軸は電圧、横軸は時間を示している。なお、図12(a)においても、理解容易とするために、インバータ回路用搬送波の波長を実際よりも長くして示している。
インバータ回路制御部33が生成するインバータ回路用搬送波は、振幅中央が0ボルトの三角波であり、その片側振幅が、昇圧回路電圧目標値Vo*(コンデンサ23の電圧目標値)に設定されている。よって、インバータ回路用搬送波の振幅A2は、第1直流入力電圧検出値Vg.1の2倍(500ボルト)の期間と、商用電力系統3の電圧の2倍(最大576ボルト)の期間とを有している。
また、周波数は、制御処理部30による制御命令等によって、所定のデューティ比となるように、インバータ回路制御部33によって設定される。
なお、昇圧回路電圧目標値Vo*は、上述したように、インバータ出力電圧指令値Vinv*の絶対値が、概ね第1直流入力電圧検出値Vg.1以上となる期間W1では、インバータ出力電圧指令値Vinv*の絶対値に倣い、それ以外の期間である期間W2では第1直流入力電圧検出値Vg.1に倣うように変化している。よって、インバータ回路用搬送波の振幅A2も昇圧回路電圧目標値Vo*に応じて変化している。
インバータ電圧参照値Vinv#の波形(以下、インバータ回路用参照波Vinv#ともいう)は、制御処理部30がインバータ電流指令値Iinv*に基づいて求める値であり、概ね商用電力系統3の電圧振幅(288ボルト)と同じに設定されている。よって、インバータ回路用参照波Vinv#は、電圧値が−Vg.1〜+Vg.1の範囲の部分で、インバータ回路用搬送波に対して交差している。
インバータ回路制御部33は、インバータ回路用搬送波とインバータ回路用参照波Vinv#とを比較し、インバータ回路用参照波Vinv#がインバータ回路用搬送波以上となる部分でオン、搬送波以下となる部分でオフとなるように、スイッチング素子Q1〜4を駆動するための駆動波形を生成する。
図12(b)は、インバータ回路制御部33が生成したスイッチング素子Q1を駆動するための駆動波形である。図中、縦軸は電圧、横軸は時間である。横軸は、図12(a)の横軸と一致するように示している。
インバータ回路制御部33は、インバータ回路用参照波Vinv#の電圧が−Vg.1〜+Vg.1の範囲W2でスイッチング動作が行われるように駆動波形を生成する。よって、それ以外の範囲では、スイッチング動作を停止させるようにスイッチング素子Q1を制御する。
図12(c)は、インバータ回路制御部33が生成したスイッチング素子Q3を駆動するための駆動波形である。図中、縦軸は電圧、横軸は時間である。
インバータ回路制御部33は、スイッチング素子Q3については、図中破線で示しているインバータ回路用参照波Vinv#の反転波と、搬送波とを比較して駆動波形を生成する。
この場合も、インバータ回路制御部33は、インバータ回路用参照波Vinv#(の反転波)の電圧が、−Vg.1〜+Vg.1の範囲W2でスイッチング動作が行われるように駆動波形を生成する。よって、それ以外の範囲では、スイッチング動作を停止させるようにスイッチング素子Q3を制御する。
なお、インバータ回路制御部33は、スイッチング素子Q2の駆動波形については、スイッチング素子Q1の駆動波形を反転させたものを生成し、スイッチング素子Q4の駆動波形については、スイッチング素子Q3の駆動波形を反転させたものを生成する。
以上のように、インバータ回路制御部33は、インバータ回路用搬送波をインバータ回路用参照波Vinv#で変調し、スイッチングのためのパルス幅を表した駆動波形を生成する。インバータ回路制御部33は、生成した駆動波形に基づいてインバータ回路11のスイッチング素子Q1〜Q4をPWM制御する。
本実施形態の第1昇圧回路制御部32は、直流リアクトル15に流れる電流が昇圧回路電流指令値Iin.1*に一致するように電力を出力させる。この結果、インバータ出力電圧指令値Vinv*の絶対値が、概ね第1直流入力電圧検出値Vg.1以上となる期間W1(図11)で第1昇圧回路10にスイッチング動作を行わせる。第1昇圧回路10は、期間W1で第1直流入力電圧検出値Vg.1以上の電圧をインバータ出力電圧指令値Vinv*の絶対値に近似するように電力を出力する。一方、インバータ出力電圧指令値Vinv*の絶対値が概ね第1直流入力電圧検出値Vg.1以下の期間では、昇圧回路制御部32は、昇圧回路10のスイッチング動作を停止させる。よって、第1直流入力電圧検出値Vg.1以下の範囲では、第1昇圧回路10は、第1アレイ2が出力する直流電力について昇圧を行うことなくインバータ回路11に出力する。
また、本実施形態のインバータ回路制御部33は、交流リアクトル22に流れる電流が、インバータ電流指令値Iinv*に一致するように電力を出力させる。この結果、インバータ出力電圧指令値Vinv*が概ね−Vg.1〜+Vg.1の範囲W2(図12)でインバータ回路11にスイッチング動作を行わせる。つまり、インバータ出力電圧指令値Vinv*の電圧の絶対値が第1直流入力電圧検出値Vg.1以下の期間でインバータ回路11にスイッチング動作を行わせる。
よって、インバータ回路11は、第1昇圧回路10がスイッチング動作を停止している間、スイッチング動作を行い、インバータ出力電圧指令値Vinv*に近似する交流電圧を出力する。
一方、インバータ出力電圧指令値Vinv*の電圧が概ね−Vg.1〜+Vg.1の期間W2以外の期間では、インバータ回路制御部33は、インバータ回路11のスイッチング動作を停止させる。この間、インバータ回路11には、第1昇圧回路10により昇圧された電力が与えられる。よって、スイッチング動作を停止しているインバータ回路11は、第1昇圧回路10から与えられる電力を降圧することなく出力する。
つまり、本実施形態のインバータ装置1は、第1昇圧回路10とインバータ回路11とを交互に切り替わるようにスイッチング動作させ、それぞれが出力する電力を重ね合わせることで、インバータ出力電圧指令値Vinv*に近似した電圧波形の交流電力を出力する。
以上のように、本実施形態では、インバータ装置1が出力する交流電力の内、第1直流入力電圧検出値Vg.1よりも高い部分の電圧を出力する際には第1昇圧回路10を動作させ、第1直流入力電圧検出値Vg.1よりも低い部分の電圧を出力する際にはインバータ回路11を動作させるように制御される。よって、インバータ回路11が、第1昇圧回路10によって昇圧された電力を降圧することがないので、電圧を降圧する際の電位差を低く抑えることができるため、昇圧回路のスイッチングによる損失を低減し、より高効率で交流電力を出力することができる。
さらに、第1昇圧回路10及びインバータ回路11は、共に制御部12が設定したインバータ電流指令値Iinv*に基づいてインバータ出力電圧指令値Vinv*を演算するため、交互に切り替わるように出力される昇圧回路の電力と、インバータ回路の電力との間で、ずれや歪が生じるのを抑制することができる。
なお、制御処理部30の第1昇圧回路制御部32は、第1直流入力電圧検出値Vg.1よりもわずかに低い電圧値まで第1昇圧回路10を動作させ、第1直流入力電圧検出値Vg.1よりもわずかに低い電圧値以下となるときに、スイッチング動作を停止させるように制御してもよい。
この場合、第1昇圧回路10が出力する電力と、インバータ回路11が出力する電力とが重畳する部分を積極的に設けることで、第1昇圧回路10と、インバータ回路11とが切り替わる部分における電流波形を滑らかに繋げることができる。
ここで、第1直流入力電圧検出値Vg.1よりもわずかに低い電圧値とは、第1昇圧回路10が出力する電流波形とインバータ回路11が出力する電流波形とを滑らかに繋げ得るために設定される電圧値であって、両電流波形を滑らかに繋げるのに必要なだけ第1昇圧回路10の出力と、インバータ回路11の出力とが重畳するように第1直流入力電圧検出値Vg.1よりも低く設定された電圧値をいう。
図13は、参照波、及び各スイッチング素子Qb1、Q1〜Q4の駆動波形の一例を示した図である。
図13において、最上段から順に、インバータ回路の参照波Vinv#及び搬送波、スイッチング素子Q1の駆動波形、第1昇圧回路の参照波Vbc1#及び搬送波、スイッチング素子Qbの駆動波形、及びインバータ装置1が出力する交流電力の電流波形の指令値及び実測値を示すグラフを表している。これら各グラフの横軸は、時間を示しており、互いに一致するように示している。
図に示すように、出力電流の実測値Iaは指令値Ia*と一致するように制御されていることが判る。
また、第1昇圧回路10のスイッチング素子Qb1のスイッチング動作の期間と、インバータ回路11のスイッチング素子Q1〜Q4のスイッチング動作の期間とは、互いに交互に切り替わるように制御されていることが判る。
〔5 第2昇圧回路の制御について〕
第2昇圧回路制御部35(図3)は、第2昇圧回路41のスイッチング素子Qb2を制御する。
第2昇圧回路制御部35は、第2昇圧回路用搬送波を生成し、この搬送波を制御処理部30から与えられる第2昇圧回路電圧参照値Vbc2#で変調し、スイッチング素子Qb2を駆動するための駆動波形を生成する。
第2昇圧回路制御部35、及びインバータ回路制御部33は、上記駆動波形に基づいて各スイッチング素子を制御することで、インバータ出力電圧指令値Vinv*の波形に近似した電圧波形の交流電力をインバータ回路11に出力させる。
図14(a)は、第2昇圧回路用搬送波と、第2昇圧回路電圧参照値Vbc2#の波形とを比較したグラフである。図中、縦軸は電圧、横軸は時間を示している。
第2昇圧回路制御部35が生成する第2昇圧回路用搬送波は三角波であり、その振幅が昇圧回路電圧目標値Vo*の電圧振幅の幅と同じ値(振幅A1)に設定されている。周波数は、制御処理部30による制御命令等によって、所定のデューティ比となるように、第2昇圧回路制御部35によって設定される。
なお、本実施形態では、第2直流入力電圧検出値Vg.2が、150ボルトであるとする。
昇圧回路電圧目標値Vo*は、上述したように、インバータ出力電圧指令値Vinv*の絶対値が、概ね第1直流入力電圧検出値Vg.1以上となる期間では、インバータ出力電圧指令値Vinv*の絶対値に倣い、それ以外の期間では第1直流入力電圧検出値Vg.1に倣うように変化している。よって、第2昇圧回路用搬送波の振幅も昇圧回路電圧目標値Vo*に応じて変化している。
第2昇圧回路電圧参照値Vbc2#の波形(以下、第2昇圧回路用参照波Vbc2#ともいう)は、制御処理部30が昇圧回路電流指令値Iin.2*に基づいて求める値であり、第1昇圧回路用参照波Vbc1#と異なり、全域に亘ってほぼ正の値となっている。よって、第2昇圧回路電圧参照値Vbc2#は、第2昇圧回路用搬送波のほぼ全域に亘って交差している。
第2昇圧回路制御部35は、第2昇圧回路用搬送波と第2昇圧回路電圧参照値Vbc2#とを比較し、第2昇圧回路電圧参照値Vbc2#が第2昇圧回路用搬送波以上となる部分でオン、第2昇圧回路用搬送波以下となる部分でオフとなるように、スイッチング素子Qb2を駆動するための駆動波形を生成する。
図14(b)は、第2昇圧回路制御部35が生成したスイッチング素子Qb2を駆動するための駆動波形である。図中、縦軸は電圧、横軸は時間である。横軸は、図14(a)の横軸と一致するように示している。
第2昇圧回路電圧参照値Vbc2#は、上述のように、全域に亘って第2昇圧回路用搬送波に交差している。よって、第2昇圧回路制御部35は、全域に亘ってスイッチング素子Qb2によるスイッチング動作が行われるように駆動波形を生成する。
以上のようにして、第2昇圧回路制御部35は、第2昇圧回路用搬送波を第2昇圧回路電圧参照値Vbc2#で変調し、スイッチングのためのパルス幅を表した駆動波形を生成する。第2昇圧回路制御部35は、生成した駆動波形に基づいて第2昇圧回路41のスイッチング素子Qb2をPWM制御する。
上記駆動波形に基づいた制御によって第2昇圧回路41は、第2昇圧回路電流指令値Iin2*に近似した電流波形を出力する。これによって、第2昇圧回路41から出力される電力の最低電圧値が、第1直流入力電圧検出値Vg.1とほぼ一致するので(図9(b)参照)、第2昇圧回路41から出力される電力の電圧値が、第1昇圧回路10が出力する電力の電圧値よりも大きく下回ることを防止できる。この結果、第2昇圧回路41を通じた第2アレイ40からの電力供給が得られなくなる期間が生じるのを防止することができ、電源効率の低下を抑制することができる。
第2昇圧回路41がインバータ回路11に与える電力の電圧は、第1昇圧回路10がインバータ回路11に与える電力(第1昇圧回路10が昇圧した電力、及び第1アレイ2が出力する直流電力)の電圧とほぼ一致する。よって、第2昇圧回路41がインバータ回路11に与える電力は、第1昇圧回路10がインバータ回路11に与える電力に重畳されて、インバータ回路11に与えられる。
インバータ回路11は、両昇圧回路10,41から与えられた電力によって、上述したように、インバータ出力電圧指令値Vinv*に近似した電圧波形の交流電力を出力する。
〔6 出力される交流電力の電流位相について〕
本実施形態の両昇圧回路10,41及びインバータ回路11は、制御部12による制御によって、インバータ出力電圧指令値Vinv*に近似した電圧波形の交流電力を、その後段に接続されたフィルタ回路21に出力する。インバータ装置1は、フィルタ回路21を介して商用電力系統3に交流電力を出力する。
ここで、インバータ出力電圧指令値Vinv*は、上述したように、制御処理部30によって商用電力系統3の電圧位相に対して数度進相した電圧位相として生成される。
従って、両昇圧回路10,41及びインバータ回路11が出力する交流電圧も、商用電力系統3の電圧位相に対して数度進相した電圧位相とされる。
すると、フィルタ回路21の交流リアクトル22(図2)の両端には、一方が両昇圧回路10,41及びインバータ回路11の交流電圧、他方が商用電力系統3と、互いに数度電圧位相がずれた電圧がかかることなる。
図15(a)は、インバータ回路11から出力された交流電圧、商用電力系統3、及び交流リアクトル22の両端電圧、それぞれの電圧波形を示したグラフである。図中、縦軸は電圧、横軸は時間を示している。
図に示すように、交流リアクトル22の両端が互いに数度電圧位相がずれた電圧がかかると、交流リアクトル22の両端電圧は、交流リアクトル22の両端にかかる互いに数度電圧位相がずれた電圧同士の差分となる。
よって、図に示すように、交流リアクトル22の両端電圧の位相は、商用電力系統3の電圧位相に対して90度進んだ位相となる。
図15(b)は、交流リアクトル22に流れる電流波形を示したグラフである。図中、縦軸は電流、横軸は時間を示している。横軸は、図15(a)の横軸と一致するように示している。
交流リアクトル22の電流位相は、その電圧位相に対して90度遅延する。よって、図に示すように、交流リアクトル22を通して出力される交流電力の電流位相は、商用電力系統3の電流位相に対して同期することとなる。
従って、インバータ回路11が出力する電圧位相は、商用電力系統3に対して数度進相しているが、電流位相は、商用電力系統3の電流位相に対して一致する。
よって、インバータ装置1が出力する交流電力の電流波形は、商用電力系統3の電圧位相と一致したものとなる。
この結果、商用電力系統3の電圧と同位相の交流電力を出力することができる。
〔7 その他〕
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態では、第1アレイ2及び第2アレイ40の二つの太陽電池アレイをインバータ回路11に対して並列に接続した場合を例示したが、例えば、より多数の太陽電池アレイ及び太陽電池アレイが接続される昇圧回路を接続してもよい。この場合、接続した多数の太陽電池アレイの内、出力電力の電圧値の最も高い太陽電池アレイを、上記実施形態の第1アレイ2とし、他のアレイを上記実施形態の第2アレイ40とすることができる。
この場合においても、電圧値の最も高い太陽電池アレイにおける最適動作点の電圧値を第1入力電圧設定値Vset1とし、他の太陽電池アレイから出力される電力の最低電圧値が第1入力電圧設定値Vset1とほぼ一致するように他の太陽電池アレイを制御する。
この場合も、多数の太陽電池アレイからの電力供給が得られなくなる期間が生じるのを防止でき、当該インバータ装置1の効率低下を抑制することができる。
また、上記実施形態ではインバータ回路、第1昇圧回路および第2昇圧回路の搬送波の振幅を昇圧回路電圧目標値Vo*としたが、コンデンサ19の両端電圧を検出するための電圧センサを設置して昇圧回路電圧検出値Voを得、これを用いて制御を行うこともできる。
この場合、搬送波の振幅として昇圧回路電圧検出値Voを用いることができる。これによって、系統電圧または直流電源の出力電圧が変動したときにも、より歪みの少ない交流電流を出力することができる。
〔8 付記〕
なお、上記実施形態における各シミュレーションについては、実機を用いた検証によっても同様の結果が得られることが確認されている。
なお、今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した意味ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味、及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
1 インバータ装置
2 第1太陽電池アレイ/第1アレイ(第1電源)
3 商用電力系統
10 第1昇圧回路
11 インバータ回路
12 制御部
15 直流リアクトル
16 ダイオード
17 電圧センサ
18 電流センサ
19 コンデンサ
21 フィルタ回路
22 交流リアクトル
23 コンデンサ
24 電流センサ
25 電圧センサ
26 コンデンサ
30 制御処理部
32 第1昇圧回路制御部
33 インバータ回路制御部
34 平均化処理部
35 第2昇圧回路制御部
40 第2太陽電池アレイ/第2アレイ(第2電源)
41 第2昇圧回路
42 直流リアクトル
43 ダイオード
44 電圧センサ
45 電流センサ
46 コンデンサ
51 第1演算部
52 第1加算器
53 補償器
54 第2加算器
61 第2演算部
62 第3加算器
63 補償器
64 第4加算器
72 第5加算器
73 補償器
74 第6加算器
Qb1,Qb2 スイッチング素子
Q1〜Q4 スイッチング素子

Claims (19)

  1. 第1電源、及び前記第1電源よりも低い電圧で電力を出力する第2電源のそれぞれから与えられる直流電力を交流電力に変換する回路構成を含むインバータ装置であって、
    前記第1電源から与えられる直流電力について昇圧を行う第1昇圧回路と、
    前記第2電源から与えられる直流電力について昇圧を行う第2昇圧回路と、
    互いに並列に接続された前記両昇圧回路に接続され、前記両昇圧回路から与えられる電力を交流電力に変換するインバータ回路と、
    前記インバータ回路が出力する交流電力を含む電力値に、各昇圧回路における直流電力を合計した電力値合計に対する各昇圧回路ごとの直流電力の電力値の割合を乗算し、その乗算して得た値に基づいて各昇圧回路それぞれの電流目標値を設定する制御部とを備え
    前記制御部は、交流半サイクル内で前記第1昇圧回路及び前記インバータ回路について、交互にスイッチング動作を休止させるとともに、前記第1昇圧回路及び前記第2昇圧回路に共通の昇圧回路電圧目標値を設定し、前記第1昇圧回路がスイッチング動作を休止しているときも、前記第2昇圧回路にスイッチング動作を行わせ、前記昇圧回路電圧目標値を出力させる、インバータ装置。
  2. 前記第1昇圧回路及び前記第2昇圧回路の各々と前記インバータ回路との間に平滑コンデンサが設けられており、
    前記インバータ回路が出力する交流電力を含む電力値には、前記平滑コンデンサを通過する無効電力も含まれる請求項1に記載のインバータ装置。
  3. 前記第1昇圧回路及び前記第2昇圧回路の各々と前記インバータ回路との間に平滑コンデンサが設けられており、
    前記インバータ回路が出力する交流電力を含む電力値には、前記平滑コンデンサを通過する無効電力及び、当該インバータ装置における電力損失も含まれる請求項1に記載のインバータ装置。
  4. 前記「第1」、「第2」に対応する数字をi(=1,2)、
    各昇圧回路の電流目標値をIin.i*、
    前記インバータ回路の電流目標値をIinv*、
    前記インバータ回路の電圧目標値をVinv*、
    各電源からの直流入力電圧値をVg.i、
    前記直流電力の入力電流指令値をIg.i*、として、
    「〈 〉」の表現は、括弧内の値の平均値を示している、とするとき、
    Iin.i*=
    (Iinv*×Vinv*) × Ig.i*/Σ〈Ig.i*×Vg.i〉
    である請求項1に記載のインバータ装置。
  5. 前記「第1」、「第2」に対応する数字をi(=1,2)、
    各昇圧回路の電流目標値をIin.i*、
    前記インバータ回路の電流目標値をIinv*、
    前記インバータ回路の電圧目標値をVinv*、
    前記平滑コンデンサの静電容量をCo、
    各昇圧回路に共通の電圧目標値をVo*、
    各電源からの直流入力電圧値をVg.i、
    前記直流電力の入力電流指令値をIg.i*、として、
    「〈 〉」の表現は、括弧内の値の平均値を示している、とするとき、
    Iin.i*=
    ((Iinv*×Vinv*)+(Co × dVo*/dt)×Vo*)×Ig.i*/Σ〈Ig.i*×Vg.i〉
    である請求項2に記載のインバータ装置。
  6. 前記「第1」、「第2」に対応する数字をi(=1,2)、
    各昇圧回路の電流目標値をIin.i*、
    前記インバータ回路の電流目標値をIinv*、
    前記インバータ回路の電圧目標値をVinv*、
    各昇圧回路に共通の電圧目標値をVo*、
    各電源からの直流入力電圧値をVg.i、
    前記直流電力の入力電流指令値をIg.i*、
    前記平滑コンデンサに流れる電流をIco、として、
    「〈 〉」の表現は、括弧内の値の平均値を示している、とするとき、
    Iin.i*=
    ((Iinv*×Vinv*)+Ico×Vo*)×
    Ig.i*/Σ〈Ig.i*×Vg.i〉
    である請求項2に記載のインバータ装置。
  7. 前記「第1」、「第2」に対応する数字をi(=1,2)、
    各昇圧回路の電流目標値をIin.i*、
    前記インバータ回路の電流目標値をIinv*、
    前記インバータ回路の電圧目標値をVinv*、
    前記平滑コンデンサの静電容量をCo、
    各昇圧回路に共通の電圧目標値をVo*、
    各電源からの直流入力電圧値をVg.i、
    前記直流電力の入力電流指令値をIg.i*、
    当該インバータ装置の電力損失をPLOSS、として、
    「〈 〉」の表現は、括弧内の値の平均値を示している、とするとき、
    Iin.i*=
    ((Iinv*×Vinv*)+(Co×dVo*/dt)×Vo*+PLOSS)×Ig.i*/Σ〈Ig.i*×Vg.i〉
    である請求項3に記載のインバータ装置。
  8. 前記「第1」、「第2」に対応する数字をi(=1,2)、
    各昇圧回路の電流目標値をIin.i*、
    前記インバータ回路の電流目標値をIinv*、
    前記インバータ回路の電圧目標値をVinv*、
    各昇圧回路に共通の電圧目標値をVo*、
    各電源からの直流入力電圧値をVg.i、
    前記直流電力の入力電流指令値をIg.i*、
    前記平滑コンデンサに流れる電流をIco、
    当該インバータ装置の電力損失をPLOSS、として、
    「〈 〉」の表現は、括弧内の値の平均値を示している、とするとき、
    Iin.i*=
    ((Iinv*×Vinv*)+Ico×Vo*+PLOSS)×
    Ig.i*/Σ〈Ig.i*×Vg.i〉
    である請求項3に記載のインバータ装置。
  9. 前記インバータ回路は、変換した交流電力を当該インバータ回路の出力端に接続されたリアクトルを介して交流系統へ出力するものであり、
    前記制御部は、前記交流系統の電圧位相よりも数度進相した電圧位相とされた交流電力を前記インバータ回路に出力させる制御を行う請求項1〜請求項8のいずれか1項に記載のインバータ装置。
  10. 前記制御部は、自装置が出力する交流電力の電流位相が前記交流系統電圧と同位相となるように前記昇圧回路及び前記インバータ回路を制御するとともに、自装置が出力する交流電力の電流位相が前記交流系統電圧と同位相となるように前記インバータ回路を制御するための電流目標値に基づいて前記インバータ回路の電圧目標値を設定する請求項9に記載のインバータ装置。
  11. 前記制御部は、前記インバータ回路の電圧目標値が、前記直流入力電圧値以下となるときに、前記第1昇圧回路の昇圧動作を停止させるように制御するとともに、
    前記電圧目標値が、前記直流入力電圧値以上となるときに、前記インバータ回路の変換動作を停止させるように制御する請求項〜請求項のいずれか1項に記載のインバータ装置。
  12. 前記制御部は、前記第1電源から与えられる直流電力の電圧値を複数回測定した結果から求めた平均値を前記直流入力電圧値とする請求項〜請求項のいずれか1項に記載のインバータ装置。
  13. 前記制御部は、前記第1電源及び前記第2電源から与えられる直流電力を複数回測定した結果から、前記第1電源の電流値、前記第2電源の電圧値、及び前記第2電源の電流値それぞれの平均値を求め、
    前記直流入力電圧値、及び前記各平均値に基づいて、前記第1電源及び前記第2電源それぞれについて最大電力点追従制御を行う機能をさらに有している請求項12に記載のインバータ装置。
  14. 前記インバータ回路は、変換した交流電力を交流系統へ出力するものであり、
    前記直流入力電圧値、及び前記各平均値は、前記交流系統の1/2周期の整数倍期間に、前記直流電力の電圧値及び電流値のそれぞれを前記交流系統の1/2周期よりも短い時間間隔で複数回測定した結果から得られた値である請求項13に記載のインバータ装置。
  15. 前記直流入力電圧値、及び前記各平均値は、前記インバータ回路が変換した交流電力の1/2周期の整数倍期間の間に、前記直流電力の電圧値及び電流値のそれぞれを前記交流電力の1/2周期よりも短い時間間隔で複数回測定した結果から得られた値である請求項13に記載のインバータ装置。
  16. 前記第2電源及び前記第2電源が接続される第2昇圧回路は、複数設けられている請求項1〜請求項15のいずれか1項に記載のインバータ装置。
  17. 第1電源、及び前記第1電源よりも低い電圧で電力を出力する第2電源それぞれから与えられる直流電力を交流電力に変換する回路構成を含むインバータ装置であって、
    前記第1電源から与えられる直流電力について昇圧を行う第1昇圧回路と、
    前記第2電源から与えられる直流電力について昇圧を行う第2昇圧回路と、
    互いに並列に接続された前記両昇圧回路に接続され、前記両昇圧回路から与えられる電力を交流電力に変換するインバータ回路と、
    前記第1昇圧回路、前記第2昇圧回路及び前記インバータ回路を制御する制御部と、を備え、
    前記制御部は、交流半サイクル内で前記第1昇圧回路及び前記インバータ回路について、交互にスイッチング動作を休止させるとともに、前記第1昇圧回路及び前記第2昇圧回路に共通の昇圧回路電圧目標値を設定し、前記第1昇圧回路がスイッチング動作を休止しているときも、前記第2昇圧回路にスイッチング動作を行わせ、前記昇圧回路電圧目標値を出力させる、インバータ装置。
  18. 前記第1昇圧回路の電圧目標値が前記第1昇圧回路の直流入力電圧値以下となる範囲で、前記第2昇圧回路から出力される電力の電圧値が、前記第1昇圧回路の直流入力電圧値と前記第1昇圧回路における電圧降下の範囲内で一致している請求項17に記載のインバータ装置。
  19. 前記第2昇圧回路から出力される電力の最低電圧値が、前記第1電源から与えられる直流電力の電圧値である直流入力電圧値と前記第1昇圧回路における電圧降下の範囲内で一致している請求項17に記載のインバータ装置。
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