JP6419288B2 - インバータ - Google Patents

Description

本発明は、インバータに関するものであり、より詳細には、本発明は、太陽光発電などによる電力を系統連系するパワーコンディショナに用いられるインバータに関するものである。

従来、太陽光発電および蓄電池などに用いるパワーコンディショナとして、商用電力系統に連系して運転することにより、ＡＣ１００Ｖを出力するものがある。また、停電時などにおいても、独立電源として自立運転することにより、家電製品等の負荷に電力を供給可能なパワーコンディショナもある。さらに、停電時にＡＣ１００Ｖ／２００Ｖを単相３線式で出力し、家庭内の単相３線式の配線に接続することで、１００Ｖまたは２００Ｖの負荷機器を動作可能なパワーコンディショナもある。

このようなパワーコンディショナにおいて、単相３線出力のインバータを備え、自立運転時であっても、連系運転時と同様に太陽電池が発電し得る電力を有効利用する技術が提案されている（例えば特許文献１参照）。

特開２００３−１８８５９号公報

上記特許文献１に記載のパワーコンディショナが備えるインバータは、それぞれが一対のスイッチング素子からなる３つのアーム（Ｎ相用アーム、Ｕ相用アーム、およびＶ相用アーム）を含んで構成されている。そして、各アームには、それぞれ、出力フィルタとしてＡＣリアクトルが接続されている。これら３つのＡＣリアクトルのうち２つは連系運転時に使用するものと共用することができるが、残り１つは自立運転時のみのため別途用意する必要がある。ＡＣリアクトルは、高調波を抑制したり、ノイズを除去したりする役割を有する。リアクトルに必要なインダクタンスは、スイッチング素子の電流リプルによって決定される。

このような構成において、リアクトルを高インダクタンスかつ低損失にすると、リアクトルのサイズが大型化し、さらに高価となる傾向にある。また、リアクトルは、他の構成部品と比べて、大型で重く、コストも高額になるのが一般的である。

したがって、本発明の目的は、小型で安価なインバータを提供することにある。

上記目的を達成する第１の観点に係るインバータの発明は、
第１の電圧生成用スイッチング素子による第１のアームと、
第２の電圧生成用スイッチング素子による第２のアームと、
前記第１の電圧および前記第２の電圧の中間電圧生成用スイッチング素子による第３のアームと、を備え、
前記第１のアームおよび前記第２のアームのスイッチング素子を駆動させて単相２線出力が可能であり、さらに前記第３のアームのスイッチング素子を駆動させて単相３線出力が可能であるインバータであって、
前記第３のアームの出力端に接続されるリアクトルのインダクタンスを、前記第１のアームの出力端および前記第２のアームの出力端にそれぞれ接続されるリアクトルのインダクタンスよりも小さくすることを特徴とする。

また、前記第３のアームのスイッチング素子のスイッチング周波数を、前記第１のアームおよび前記第２のアームそれぞれのスイッチング素子のスイッチング周波数よりも高くしてもよい。

また、前記第３のアームのスイッチング素子のスイッチング周波数を、前記第３のアームの出力端に接続されるリアクトルのインダクタンスと、前記第１のアームの出力端および前記第２のアームの出力端にそれぞれ接続されるリアクトルのインダクタンスとの比に基づいて決定してもよい。

また、本発明は、上述のようなインバータを備えるパワーコンディショナとしてもよい。

本発明によれば、小型で安価なインバータを提供することができる。

本発明の実施形態に係るインバータを含む構成を概略的に示す図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係るインバータを含む構成を概略的に示す図である。

図１に示すように、本発明の実施形態に係るインバータ１は、スイッチング素子１１および１２による第１のアーム２１と、スイッチング素子１３および１４による第２のアーム２２と、スイッチング素子１５および１６による第３のアーム２３とを備えている。さらに、インバータ１は、制御部３０、コンデンサ４０、およびリアクトル５１〜５３も備えている。以下の説明において、従来よく知られている要素および機能部については、適宜、説明を簡略化または省略する。

図１に示すように、本実施形態に係るインバータ１は、第１の電圧を生成する第１のアーム２１と、第２の電圧を生成する第２のアーム２２と、第１の電圧および第２の電圧の中間電圧を生成する第３のアーム２３と、を備えている。第１のアーム２１は、互いに直列接続された一対のスイッチング素子１１，１２を備えている。第２のアーム２２は、互いに直列接続された一対のスイッチング素子１３，１４を備えている。第３のアーム２３は、互いに直列接続された一対のスイッチング素子１５，１６を備えている。これらの各スイッチング素子１１〜１６は、制御部３０からの制御信号により駆動される。このインバータ１は、中性相生成用のスイッチング素子１５，１６を備えた単相３線出力用のインバータとして機能する。

第１のアーム２１、第２のアーム２２、および第３のアーム２３の出力端には、それぞれ、リアクトル５１、５２、および５３が接続される。これらのリアクトル５１〜５３は、後述するインダクタンスを有するＡＣリアクトルを使用する。

図１に示すように、第１のアーム２１、第２のアーム２２、および第３のアーム２３は、それぞれが並列に接続される。さらに、インバータ１は、充電池６０の出力端子に並列
接続されるコンデンサ４０も備えている。図１に示すように、コンデンサ４０および充電池６０は、第１のアーム２１、第２のアーム２２、および第３のアーム２３に並列接続される。図１においては、コンバータ１に充電池６０を接続した構成を示しているが、この充電池６０は、例えば太陽電池などの他の分散電源または電力機器などとすることもできる。

制御部３０は、スイッチング素子１１，１２を駆動するＵ相駆動回路、スイッチング素子１３，１４を駆動するＷ相駆動回路、およびスイッチング素子１５，１６を駆動するＯ相駆動回路を含んで構成される。これらの駆動回路は、後述するスイッチング周波数により各スイッチング素子を駆動する。この時、制御部３０が各スイッチング素子１１〜１６に入力する制御信号は、例えばＰＷＭ（Pulse Width Modulation：パルス幅変調）信号とすることができる。以下、第１のアーム２１をＵ相生成用アームとして、第２のアーム２２をＷ相生成用アームとして、第３のアーム２３をＯ相生成用アームとして説明する。したがって、インバータ１は、図１に示すように、出力端７１からＵ相を、出力端７２からＷ相を、出力端７３からＯ相を出力する。

図１に示すように、出力端７１と７３との間には負荷８１が接続され、出力端７３と７２との間には負荷８２が接続される。また、これらの出力端７１、７２、および７３は、系統と連系して運転するために、商用電力系統にも接続されるが、図１においては商用電力系統の図示は省略してある。

本実施形態において、制御部３０は、連系運転時には、第３のアーム２３のスイッチング素子１５，１６を停止させ、第１および第２のアーム２１および２２のスイッチング素子１１，１２および１３，１４を駆動する。これにより、インバータ１は、単相２線式のインバータとして動作し、第１のアーム２１および第２のアーム２２から、商用電力系統に連系する負荷８１，８２に電力供給を行う。このように、インバータ１は、第１のアーム２１および第２のアーム２２のスイッチング素子１１，１２および１３，１４を駆動させて、単相２線出力が可能である。

また、制御部３０は、自立運転時には、第１および第２のアーム２１および２２と、さらに第３のアーム２３のスイッチング素子１５，１６とを駆動する。これにより、インバータ１は、単相３線式のインバータとして動作し、第３のアーム２３と、第１および第２のアーム２１および２２との各間に接続される負荷８１，８２に電力供給を行う。このように、インバータ１は、第１のアーム２１および第２のアーム２２のスイッチング素子１１，１２および１３，１４、ならびに第３のアーム２３のスイッチング素子１５，１６を駆動させて、単相３線出力が可能である。

本実施形態において、リアクトル５１〜５３は、制御部３０から供給されるＰＷＭ信号により駆動されるスイッチング素子１１〜１６がスイッチングを行う際の波形のノイズを吸収するフィルタとして機能する。ここで、リアクトルは、一般的に、インダクタンスを大きくするにつれてノイズを吸収する能力も高くすることができる。しかしながら、リアクトルのインダクタンスを大きくすると、リアクトルのサイズも大きくなり、構成部品のコストも高額になる傾向にある。また、リアクトルのサイズが大きくなるということは、インバータ１においてリアクトルを設置するスペースもそれだけ必要になる。

上述のように、第３のアーム２３は、通常の連系運転時には動作せずに、例えば停電のような非常時の自立運転時にのみ動作を行う。したがって、第３のアーム２３に接続されたリアクトル５３も、通常の連系運転時には動作せずに、非常時の自立運転時にのみ動作を行うことになり、使用頻度は比較的低い。そこで、本実施形態では、インバータ１は、第３のアーム２３の出力端に接続されるリアクトル５３のインダクタンスを、第１のアー
ム２１の出力端および第２のアーム２２の出力端にそれぞれ接続されるリアクトル５１，５２のインダクタンスよりも小さくする。例えば、図１において、リアクトル５１およびリアクトル５２のインダクタンスは５００μＨとする場合、リアクトル５３のインダクタンスを５００μＨではなく２５０μＨとする等の構成にすることができる。リアクトル５３のインダクタンスを小さくすることで、リアクトル５３を比較的小型で安価に構成することができる。

このように、本実施形態に係るインバータ１は、従来のインバータに比べ、自立運転時にのみ用いるリアクトルを小型化かつ低コスト化することができる。また、リアクトルを小型化することで、インバータ１においてリアクトル５３を設置するスペースも小さくすることができるため、インバータ１そのものの大きさも小型化することができる。

ところで、上述したように、リアクトルは、インダクタンスを大きくするにつれてノイズを吸収する能力も高まる傾向にある。このため、リアクトル５３のインダクタンスを小さくすると、第３のアーム２３によるスイッチングのノイズを吸収する能力も多少低下してしまう。しかしながら、第３のアーム２３のスイッチング素子１５，１６を駆動する自立運転時には、負荷８１および８２のバランスを取ることにより、第３のアーム２３から中性線に流れる電流（すなわちリアクトル５３に流れる電流）を僅少にすることができる。したがって、リアクトル５３のインダクタンスを小さくすることにより、第３のアーム２３によるスイッチングのノイズを吸収する能力がある程度低下したとしても、このようにしてインバータ１全体としての効率に対する影響を抑えることができる。

次に、上述のようにリアクトル５３のインダクタンスを小さくしたとしても、第３のアーム２３のスイッチング素子１５，１６が行うスイッチングによるノイズの影響が大きくならないようにする構成について説明する。

各アーム２１〜２３を構成するスイッチング素子１１〜１６は、スイッチング周波数を高くすると、単位時間におけるスイッチングの回数が増大するため、スイッチング１回当たりのピークは小さくなる。すなわち、スイッチング素子のスイッチング周波数を高くすることにより、当該スイッチング素子によるアームからの出力のピークが小さくなるため、ノイズを小さくすることができる。例えば、スイッチング素子１１，１２および１３，１４のスイッチング周波数を２０ｋＨｚとする場合、スイッチング素子１５，１６のスイッチング周波数を、２０ｋＨｚではなく４０ｋＨｚとする等の構成にすることができる。このように、第３のアーム２３のスイッチング素子１５，１６のスイッチング周波数を比較的高く設定することで、上述のようにリアクトル５３のインダクタンスを、リアクトル５１および５２のインダクタンスよりも小さくすることができる。

ここで、第３のアーム２３以外に、第１および第２のアーム２１および２２のスイッチング素子１１，１２および１３，１４も、スイッチング周波数を高くすることで、リアクトル５１および５２のインダクタンスも小さくすることができるようにも思われる。しかしながら、一般に、スイッチングにおいては、スイッチング１回ごとにスイッチングロスが発生する。このため、スイッチングの回数を増やすと、それだけロスが多く発生することになり、効率が悪くなってしまう。したがって、第１および第２のアーム２１および２２のスイッチング素子１１，１２および１３，１４のように、通常の連系運転時に用いるような使用頻度の高いスイッチング素子は、スイッチング周波数を高くしないようにするのが望ましい。

このように、本実施形態では、第３のアーム２３のスイッチング素子１５，１６のスイッチング周波数を、第１のアーム２１および第２のアーム２２それぞれのスイッチング素子１１，１２および１３，１４のスイッチング周波数よりも高くするのが好適である。

また、本実施形態において、第３のアーム２３について、スイッチング素子１５，１６のスイッチング周波数を高くする度合いと、リアクトル５３のインダクタンスを低減する度合いとの間の相関関係は、種々の条件に基づいて設定することができる。例えば、第３のアーム２３について、リアクトル５３のインダクタンスを１／２にする場合に、スイッチング素子１５，１６のスイッチング周波数を２倍にする、等とすることができる。このような相関関係は、他の構成要素および周辺回路等との関連も考慮した上で定めるのが好適である。一般的な傾向としては、スイッチング素子１５，１６のスイッチング周波数を高くするに従って、リアクトル５３のインダクタンスを低くすることができると想定される。したがって、スイッチング素子１５，１６のスイッチング周波数は、リアクトル５３のインダクタンスを、リアクトル５１および５２のインダクタンスと比べてどの程度小さくするか（例えばインダクタンスの比率）に従って、決定することができる。

このように、本実施形態では、第３のアーム２３のスイッチング素子１５，１６のスイッチング周波数を、リアクトル５３のインダクタンスと、リアクトル５１および５２のインダクタンスとの比に基づいて決定してもよい。

以上説明したように、本実施形態においては、自立運転時に３アーム構成のスイッチング素子を用いて単相３線出力を行うインバータにおいて、中性線に接続されるリアクトルのインダクタンスを、連系運転時に使用するＵ相およびＷ相のリアクトルのインダクタンスよりも小さくする。このような構成により、本実施形態によれば、３アームのインバータにおいて出力フィルタとして各アームに必要な３つのリアクトルのうち、使用頻度の少ない自立運転時のみに使用するリアクトルを小型化できる。高インダクタンスかつ低損失のリアクトルは大型化することが多く、一般にリアクトルは他の構成部品と比べてサイズが大きく、重量があり、さらにコストも高額になりがちである。本実施形態によれば、このようなリアクトルを使用する個数を低減して、インバータを小型化するとともに、コストを低減することができる。

また、本実施形態においては、自立運転時のみに用いるアームのスイッチング周波数を他の２つのアームより高くすることによって、リアクトルを小型なものを用いてもよい。この場合、中性線の電圧を生成するアームのスイッチング周波数を、他の２相のものより高くする。これにより、本実施形態によれば、小型で安価な電力制御装置が実現可能となる。

本発明を諸図面および実施例に基づき説明してきたが、当業者であれば本開示に基づき種々の変形および修正を行うことが容易であることに注意されたい。したがって、これらの変形および修正は本発明の範囲に含まれることに留意されたい。例えば、各機能部、各手段、各ステップなどに含まれる機能などは論理的に矛盾しないように再配置可能であり、複数の機能部およびステップなどを１つに組み合わせたり、或いは分割したりすることが可能である。また、上述した本発明の各実施形態は、それぞれ説明した各実施形態に忠実に実施することに限定されるものではなく、適宜、各特徴を組み合わせて実施することもできる。

また、本発明は、上述した本実施形態に係るインバータ１を備えるパワーコンディショナとして実現することもできる。また、上述した実施形態は、インバータの発明として説明したが、本発明は、インバータ１による電力制御方法とすることもできる。

１ インバータ
１１，１２ 第１の電圧生成用スイッチング素子
１３，１４ 第２の電圧生成用スイッチング素子
１５，１６ 中間電圧生成用スイッチング素子
２１ 第１のアーム
２２ 第２のアーム
２３ 第３のアーム
３０ 制御部
４０ コンデンサ
５１，５２，５３ リアクトル
６０ 充電池
７１ Ｕ相出力端
７２ Ｗ相出力端
７３ Ｏ相出力端
８１，８２ 負荷

Claims (4)

1. 第１の電圧生成用スイッチング素子による第１のアームと、
   第２の電圧生成用スイッチング素子による第２のアームと、
   前記第１の電圧および前記第２の電圧の中間電圧生成用スイッチング素子による第３のアームと、
   前記第１のアームの出力端に接続された第１のリアクトルと、
   前記第２のアームの出力端に接続された第２のリアクトルと、
   前記第３のアームの出力端に接続された第３のリアクトルと、
   前記第１の電圧生成用スイッチング素子、前記第２の電圧生成用スイッチング素子、および前記中間電圧生成用スイッチング素子のそれぞれを駆動する制御部と、を備え、
   前記制御部は、自立運転時に、前記第３のアームのスイッチング素子のスイッチング周波数を、前記第１のアームおよび前記第２のアームそれぞれのスイッチング素子のスイッチング周波数よりも高くし、
   前記第３のアームの出力端に接続されるリアクトルのインダクタンスは、前記第１のアームの出力端および前記第２のアームの出力端にそれぞれ接続されるリアクトルのインダクタンスよりも小さくすることを特徴とする、インバータ。
2. 前記制御部は、前記第３のアームのスイッチング素子のスイッチング周波数を、前記第３のアームの出力端に接続されるリアクトルのインダクタンスと、前記第１のアームの出力端および前記第２のアームの出力端にそれぞれ接続されるリアクトルのインダクタンスとの比に基づいて決定する、請求項１に記載のインバータ。
3. 前記制御部は、前記第１の電圧生成用スイッチング素子、前記第２の電圧生成用スイッチング素子、および前記中間電圧生成用スイッチング素子を駆動する駆動回路を含んで構成される、請求項１に記載のインバータ。
4. 請求項１〜３に記載のインバータを備えるパワーコンディショナ。