JPH05227757A - 系統連系用インバータ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 系統連系用インバータ装置において、演算回
路を使わずに既存技術で制御回路やインバータ部を構成
して、小容量の系統連系用に適するように経済化ならび
に制御回路構成の簡易化を図る。 【構成】 商用電源１に同期した三角波信号を三角波発
生部３１で発生し、インバータ出力電力に応じた直流信
号を出力電力検出部３３で検出する。これら三角波信号
と直流信号との交点を比較器３１８で検出し、その交点
で反転する矩形波信号を波形変換器３１７で発生させ
る。この矩形波信号で駆動回路３１３を介してインバー
タ部３０を駆動する。系統連系用インバータ３の出力電
力制御は、直流信号のレベルを変えて三角波信号との交
点をずらすことで、矩形波信号の位相を商用電源１に対
して変化させることにより行う。これにより、演算回路
を使わずに装置を構成して、経済化ならびに制御回路構
成の簡易化を図る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、直流発電システムに接
続され、商用電源と連系運転を行う系統連系用インバー
タ装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、エネルギーの有効利用ならびに地
球環境保全の観点から燃料電池や太陽電池等のクリーン
な直流発電システムが普及しつつある。これらの自立形
直流発電システムは出力にインバータを接続して交流電
力に変換し、商用電源と連系して負荷に電力を供給する
方法が一般的である。具体的な連系方法としては、イン
バータ側の周波数，電圧，位相を商用電源側と同期させ
るとともに、商用電源に対しインバータ側の電圧位相を
変えることにより負荷分担を行い、負荷に必要な電力を
供給する方法がとられている。

【０００３】従来、事業所などに導入されている燃料電
池を用いた発電システムでは、系統連系用インバータの
出力容量が比較的大きいため、入力となる燃料電池の出
力特性に合わせた高精度な負荷分担制御が行われてい
る。このように、直流発電装置の出力にインバータを介
して商用電源に接続する系統連系は、燃料電池を用いた
比較的出力容量の大きなクラスのシステムが実用段階に
入りつつあるが、太陽電池等を用いた一般家庭用の小容
量のものは現在のところ見かけない。

【０００４】系統連系システムの構成と、従来の系統連
系用インバータの構成を図４に示す。系統連系システム
の主要な構成要素として、１は商用電源、２は直流発電
装置、破線で示した３は連系用インバータ、４は連系用
リアクトル、５は負荷である。系統連系時における負荷
５への電力供給は、直流電力を出力する直流発電装置２
の出力に直列に連系用インバータ３を介して交流電力に
変換したのち、連系用リアクトル４を介して商用電源１
に接続して並列に電力を供給するとともに、連系用イン
バータ３の出力電力制御、すなわち負荷分担制御をして
行う。なお、連系用リアクトル４は連系用インバータ３
の負荷分担の制御性の向上ならびに、商用電源１の電圧
・周波数の急変からインバータを保護する目的で設けら
れるもので、一般に連系用インバータ３に含まれること
が多い。

【０００５】連系用インバータ３の構成要素として、３
０はインバータ部、３０１はインバータ駆動部、３０２
は比較器、３０３はインバータ部３０の電力変換周波数
を決定するキャリア信号発生器、３０４は振幅信号およ
び周波数信号の入力信号に応じて振幅および周波数が変
化する基準正弦波発生器、３０５は商用電源１の電圧検
出器、３０６はインバータ部３０の出力電圧検出器、３
０７は商用電源１とインバータ３０との出力電圧の誤差
を増幅する誤差増幅器、３０８は電流波形用基準正弦波
発生器、３０９は連系用インバータ３の出力電力設定
器、３１０は電流波形用基準正弦波発生器３０８と出力
電力設定器３０９からの出力電力目標信号とによりイン
バータ部３０の出力電流の波形演算を行うための電流波
形演算部、３１１はインバータ部３０の出力に接続され
た電流波形検出器、および３１２は電流波形演算部３１
０が出力した演算結果の目標電流波形とインバータ部３
０の出力電流波形との誤差を増幅する誤差増幅器であ
る。

【０００６】上記系統連系システムにおいて、連系用イ
ンバータ３の出力電圧は商用電源１の電圧に追従させる
必要があるため、商用電源１の電圧とインバータ部３０
の出力電圧を電圧検出器３０５および３０６により検出
して、誤差増幅器３０７により商用電源１の電圧とイン
バータ部３０の出力電圧が一致するような基準正弦波の
振幅信号を発生させ、基準正弦波発生器３０４に入力し
て基準正弦波の振幅を制御する。これにより、商用電源
１とインバータ部３０との電圧差による横流や無効電流
を防止する。

【０００７】一方、連系用インバータ３の出力電力制御
は、インバータ部３０の出力電流を検出してインバータ
出力の電圧位相を制御することにより行っている。電流
波形演算部３１０では、インバータの出力電力を設定す
る出力電力設定器３０９からの信号と電流波形用基準正
弦発生器３０８からの信号とにより、目標となる出力電
流の波形を演算する。演算結果の目標電流波形と電流波
形検出器３１１により検出したインバータ部３０の出力
電流波形とを誤差増幅器３１２に入力して、出力には目
標電流波形とインバータ出力電流波形が一致するように
変化する基準正弦波の位相（周波数）信号を発生させ
る。誤差増幅器３１２で発生した位相（周波数）信号を
基準正弦波発生器３０４に入力して基準正弦波の位相
（周波数）を制御する。これにより、基準正弦波の電圧
位相は、インバータの出力電流が目標電流よりも少ない
場合には商用電源１に対して進み方向に、目標電流より
も大きくなった場合には遅らせる方向に変化する。この
ようにして得た基準正弦波を、キャリア信号発生器３０
３からのキャリア信号とともに比較器３０２に入力して
レベル比較を行い、基準正弦波の振幅に比例したパルス
幅を持つＰＷＭ信号に変換する。ＰＷＭ信号は、インバ
ータ駆動部３０１により分配，増幅され、インバータ部
３０の主スイッチを駆動して、燃料電池等の直流発電装
置２からの直流電力をスイッチングしてＰＷＭ電圧を発
生させる。このＰＷＭ電圧は、交流フィルタを通過させ
ることにより、正弦波に変換される。

【０００８】以上のように、連系用インバータ３の出力
は、連系用リアクトル４を介して商用電源１に接続さ
れ、電流波形演算機能により所望の電流波形となるよ
う、基準正弦波の振幅や位相を制御して出力電力を制御
している。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の系統連系用インバータでは、小容量の系統連系用イ
ンバータに電流波形演算機能を設けることとなれば、制
御回路が複雑となり、経済的にも不利となる欠点があ
る。このように一般家庭を対象とした太陽電池発電シス
テム等を用いた小容量の系統連系用インバータに従来の
負荷分担制御をそのまま適用した場合、制御回路に占め
る負荷分担制御部の割合が増えることなどから、インバ
ータ制御回路の構成が複雑となるうえ、本体の大きさや
経済性について不利となる。したがって、小容量の系統
連系システムでは、経済性に主眼を置き、負荷分担制御
部等の回路構成の簡易化を図る必要があり、解決すべき
課題となっていた。

【００１０】本発明は、上記課題を解決するためになさ
れたものであり、その目的は、演算回路を使わずに既存
技術で制御回路やインバータ部を構成して、小容量の系
統連系用に適するように経済化ならびに制御回路構成の
簡易化を図った系統連系用インバータ装置を提供するこ
とにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、本発明の系統連系用インバータ装置においては、自
己の入力に直流発電装置の直流出力が直列に接続され、
該直流出力を変換した自己の交流出力に商用電源が並列
に接続され、該商用電源との間で負荷に電力を分担して
供給するための系統連系用インバータ装置において、前
記商用電源の周波数，位相を検出し該商用電源と同相の
第一の矩形波信号を発生するとともに該第一の矩形波信
号の位相に応じた三角波信号を発生する回路を有し、前
記自己の出力電力を検出して該自己の出力電力に応じた
直流信号に変換する回路を有し、前記三角波信号と前記
直流信号とを比較回路で比較し該三角波信号と該直流信
号との交点部分ごとに反転する第二の矩形波信号を発生
する回路を有し、該第二の矩形波信号に応じた駆動信号
を入力して前記負荷への出力電力の制御を行うことを特
徴としている。

【００１２】

【作用】本発明の系統連系用インバータ装置では、商用
電源から得た同期信号に応じた三角波信号を発生し、イ
ンバータの出力電力を検出して直流信号に変換し、これ
らの三角波信号と直流信号とを比較して交点を検出し、
その交点部分ごとに反転する矩形波信号でインバータを
駆動する。インバータの出力電力制御は、直流信号のレ
ベルを変えて三角波信号との交点をずらすことで、イン
バータの駆動信号の位相を商用電源に対して変化させる
ことにより行う。以上により本発明では、演算回路を使
わずに既存技術で制御回路やインバータを構成して、小
容量の系統連系用インバータ装置の経済化ならびに制御
回路構成の簡易化を図っている。

【００１３】

【実施例】以下、本発明の実施例を、図面を参照して詳
細に説明する。

【００１４】図１は本発明の一実施例の具体的な回路構
成図である。図において、１は商用電源、２は直流発電
装置、破線で示した３は連系用インバータ、４は連系用
リアクトル、５は負荷である。連系用インバータ３は、
積分器３２４，積分用コンデンサ３２５，抵抗３２６，
基準電圧発生部３２７により構成された三角波発生部３
１と、スイッチ３２８，パルス発生器３２９，比較器３
３０，商用電源電圧検出用変成器３３１により構成され
た同期信号発生部３２と、誤差増幅器３１９，出力電力
設定器３２０，掛け算回路を内蔵し入力に応じた直流信
号を出力する電力検出器３２１，インバータ出力電力検
出用変成器３２２，インバータ出力電流検出用変流器３
２３により構成された出力電力検出部３３と、三角波発
生部３１からの三角波信号と出力電力検出部３３からの
直流信号とのレベル比較を行う比較器３１８，波形変換
器３１７により構成された比較部３４と、誤差増幅器３
１４，商用電源電圧検出用変成器３１５，インバータ出
力電圧検出用変成器３１６により構成された出力電圧調
整部３５と、駆動回路３１３と、およびインバータ部３
０とで構成されている。なお、図１において、図４の従
来例と同一番号の構成要素は同じものである。

【００１５】図２は本実施例の各部の動作波形図であ
る。図において、ａは商用電源１の波形、ｂは商用電源
１を矩形波に変換した同期信号、ｃはパルス発生器３２
９の出力パルス信号、ｄは三角波発生部３１で出力する
三角波信号、ｅは出力電力の直流の誤差増幅信号，ｆは
比較器による三角波信号ｄと誤差増幅信号ｅの比較結
果、ｇは比較結果ｆの立ち上がり部分ごとに反転する矩
形波信号およびｈはインバータの出力電圧を示してい
る。以下、図１，図２を用いて本実施例の各部の機能お
よび動作を説明する。

【００１６】同期信号発生部３２では、商用電源ａの電
圧を変成器３３１を介して比較器３３０に入力し、商用
電源ａと同期した矩形波の同期信号ｂを得て、パルス発
生器３２９により矩形波の反転部分から反転周期に比べ
て短い時間幅を持つパルス信号ｃを作り、これにより積
分コンデンサ３２５を放電するためのスイッチ３２８を
導通させる。

【００１７】三角波発生部３１において、上記スイッチ
３２８が導通した時には、積分器３２４の反転入力
（−）の電位が０Ｖとなり、基準電圧発生部３２７によ
り与えられた非反転入力（＋）の電位よりも低くなるた
め、一瞬、積分器３２４の出力には正の電圧が発生す
る。次に、スイッチ３２８が開放されると、電源電圧が
抵抗３２６を介して積分コンデンサ３２５を充電すると
ともに、積分器３２４の反転入力の電位が一定の傾きで
上昇する。このため、積分器３２４の出力はスイッチ３
２８が導通している時の正の電圧から徐々に下降する。
このように、スイッチ３２８を一定周期で、しかも周期
に対して短い時間だけ導通させることを繰り返すこと
で、積分器３２４の出力には連続した右下がりの三角波
信号ｄが発生する。また三角波信号ｄは、商用同期信号
ｂにより駆動されているスイッチ３２８の開閉により発
生しているので、商用電源ａとも同期している。

【００１８】出力電力検出部３３において、電力検出器
３２１では、インバータ部３０の出力に接続した電圧検
出変成器３２２と電流検出変流器３２３から電圧信号と
電流信号を検出して、掛け算器等によりインバータの出
力電力に比例した直流信号に変換する。誤差増幅器３１
９では、電力検出器３２１からの出力電力に応じた直流
信号と、インバータの出力電力を決定する出力電力設定
器３２０の直流信号が入力され、直流信号の誤差を増幅
した電力制御用の誤差増幅信号ｅを出力する。

【００１９】次に、比較部３４では、三角波信号ｄと誤
差増幅信号ｅとを比較器３１８に入力して、さらに比較
器３１８による比較結果ｆをフリップフロップ等で構成
されている波形変換器３１７に入力することで、出力に
は反転周期が一定な矩形波ｇが得られる。矩形波ｇは、
商用同期信号ｂと同期した三角波信号ｄの傾斜部分と誤
差増幅信号ｅとの交点ごとに反転しているため、常に商
用同期信号ｂの周波数と一致して、かつ誤差増幅信号ｅ
のレベルに応じて商用電源ａに対して位相を制御するこ
とができる。

【００２０】また、出力電圧調整部３５では、インバー
タ出力電圧を商用電源電圧に一致させるため、商用電源
１側は変成器３１５を介して、連系用インバータ３側は
変成器３１６を介してそれぞれ電圧を検出して直流信号
に変換するとともに誤差増幅器３１４に入力して、商用
電源電圧とインバータ出力電圧の誤差を増幅した電圧制
御用の誤差増幅信号を得る。

【００２１】このようにして得た矩形波ｇと電圧制御用
の誤差増幅信号をインバータ出力の基準周波数信号なら
びに出力電圧制御信号として駆動回路３１３に入力して
インバータ部３０を運転させることで、図２のｈに示し
たように出力周波数と電圧を商用電源１に一致させたま
ま出力の電圧位相が制御可能となる（図２では、誤差増
幅信号ｅのレベルをある値まで上げた場合を示す）。こ
れにより、インバータの出力電圧制御は、例えば出力電
圧設定器３２０からの目標出力電力信号に対して、イン
バータ出力電圧が小さい場合には、誤差増幅信号ｅのレ
ベルが上昇して矩形波ｇの位相が商用電源ａに対して進
み方向に変化するため、インバータ出力電圧ｈの位相も
同じ量だけ進み方向に変化する。したがって、連系用リ
アクトル４を介して商用電源１に接続されたインバータ
の出力電圧の位相が商用電源１よりも進むため、インバ
ータの出力電力が増加するとともに電力検出器３２１の
電力信号レベルが上昇して、目標出力信号と一致するよ
うに制御動作を行っていることになる。すなわちこれ
は、商用電源１との負荷分担制御である。

【００２２】上記実施例に示した構成の連系用インバー
タにおける負荷分担特性の実験値を図３に示す。系統連
系システムの構成は図１と同等であり、連系用インバー
タは既存のものを本実施例の構成に改造して用いた。ま
た、負荷５の容量は１ｋＷとした。縦軸には商用電源と
連系用インバータとの負荷分担電力（有効電力）を、横
軸には商用電源と連系用インバータとの電圧位相差と誤
差増幅信号ｅのレベルを示している。図において、誤差
増幅信号ｅのレベルに応じてインバータの電圧位相がほ
ぼリニアに変化するとともに、負荷分担が行えることが
わかる。

【００２３】

【発明の効果】以上の説明で明らかなように、本発明の
系統連系用インバータ装置は、商用電源と同期した三角
波信号とインバータの出力電力制御信号を発生して、こ
れを比較検出して得た基準信号により、インバータ出力
の電圧位相を変化させて出力電力を制御する構成とした
ことにより、簡易な回路構成で系統連系用インバータを
実現することができ、今後普及すると推測される一般家
庭用の系統連系システムの経済化・簡易化を図ることが
できる。さらに、実施例で明らかにしたように、既存の
インバータにも本発明の回路構成を適用して系統連系シ
ステムを実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示す回路構成図

【図２】上記実施例の各部の動作波形図

【図３】上記実施例の実験値を示す図

【図４】従来例の回路構成を示すブロック図

【符号の説明】

１…商用電源、２…直流発電装置、３…連系用インバー
タ、４…連系用リアクトル、５…負荷、３０…インバー
タ部、３１…三角波発生部、３２…同期信号発生部、３
３…出力電力検出部、３４…比較部、３５…出力電圧調
整部、３１３…駆動回路、３１４…誤差増幅器、３１５
…商用電源電圧検出用変成器、３１６…インバータ出力
電圧検出用変成器、３１７…波形変換器、３１８…比較
器、３１９…誤差増幅器、３２０…出力電力設定器、３
２１…電力検出器、３２２…インバータ出力電圧検出用
変成器、３２３…インバータ出力電流検出用変流器、３
２４…積分器、３２５…積分用コンデンサ、３２６…抵
抗、３２７…基準電圧発生部、３２８…スイッチ、３２
９…パルス発生器、３３０…比較器、３３１…商用電源
電圧検出用変成器。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 自己の入力に直流発電装置の直流出力が
   直列に接続され、該直流出力を変換した自己の交流出力
   に商用電源が並列に接続され、該商用電源との間で負荷
   に電力を分担して供給するための系統連系用インバータ
   装置において、前記商用電源の周波数，位相を検出し該
   商用電源と同相の第一の矩形波信号を発生するとともに
   該第一の矩形波信号の位相に応じた三角波信号を発生す
   る回路を有し、前記自己の出力電力を検出して該自己の
   出力電力に応じた直流信号に変換する回路を有し、前記
   三角波信号と前記直流信号とを比較回路で比較し該三角
   波信号と該直流信号との交点部分ごとに反転する第二の
   矩形波信号を発生する回路を有し、該第二の矩形波信号
   に応じた駆動信号を入力して前記負荷への出力電力の制
   御を行うことを特徴とする系統連系用インバータ装置。