JPH08126341A - 系統連系インバータ及びその漏洩電流検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 絶縁トランスを設けることなく漏洩電流に伴
う直流偏磁の問題を解消し、然も高い稼働率を実現出来
る系統連系インバータを提供する。 【構成】 インバータ８は、インバータ主回路２の出力
電流を検出する電流センサ９と、電流センサ９の検出信
号から直流成分を抽出するローパスフィルタ11とを具え
ると共に、該ローパスフィルタ11から得られる漏洩電流
の検出値に基づいて、漏洩電流を打ち消す方向に電流目
標値或いは電流偏差をシフトさせる電流制御回路６を具
えている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、太陽電池等の直流電源
を交流の商用電力系統に連系するためのインバータに関
し、特にインバータ出力に含まれる直流成分、即ち漏洩
電流を抑制するための制御回路を具えた系統連系インバ
ータ、及び漏洩電流検出装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、太陽電池に代表される直流の新エ
ネルギー源を各家庭や工場或いは地域に設置すると共
に、電力会社の商用電力系統へ連系し、新エネルギー源
の余剰電力は商用電力系統へ逆潮流する電力システムが
実用化されている。

【０００３】太陽電池を用いた従来の電力システムにお
いては、図１１或いは図１２に示す様に、太陽電池(１)
の直流出力がインバータ(27)にて交流に変換され、商用
電力系統(３)へ供給される。

【０００４】ところで、インバータの出力には、インバ
ータ制御回路の温度ドリフト等に起因して直流成分(漏
洩電流)が含まれることがあり、直流成分が大きくなる
と、系統の柱上変圧器が直流偏磁されて、変圧器のコア
の磁束が飽和することになる。この結果、過電流が流れ
て、変圧器が焼損する問題を生じる。そこで、図１１に
おいては、インバータ(27)の出力端に絶縁トランス(28)
を設けて、インバータ(27)の漏洩電流を遮断している。

【０００５】又、図１２においては、インバータ(27)の
出力端に電流センサ(30)を設けて、電流センサ(30)の検
出信号を漏洩電流検出回路(29)に供給し、インバータ(2
7)の出力電流に含まれる直流成分を検出して、該直流成
分が限界値を越えたとき、インバータ(27)に対して停止
指令を発する。尚、漏洩電流検出回路(29)は、電流セン
サ(30)の検出信号をローパスフィルタで処理して、漏洩
電流を検出するものである。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図１１
の方法では、商用周波数(６０／５０Ｈｚ)仕様の絶縁ト
ランス(28)のサイズが大きいため、装置全体が大形とな
る問題がある。一方、図１２の方法では、漏洩電流が発
生する度にインバータが停止するから、インバータの稼
働率が低くなる問題がある。又、従来の漏洩電流検出回
路では、ローパスフィルタによって出力電流中の直流成
分を抽出しているが、直流成分のレベルは交流成分に比
べて非常に小さいため、直流成分検出の精度が悪い問題
があった。

【０００７】本発明の目的は、商用周波数仕様の絶縁ト
ランスを設けることなく直流偏磁の問題を解消し、然も
高い稼働率を実現出来る系統連系インバータを提供する
ことである。又、本発明の他の目的は、従来よりも精度
の高い漏洩電流検出装置を提供することである。

【０００８】

【課題を解決する為の手段】本発明に係る系統連系イン
バータは、インバータ主回路の出力電流に含まれる直流
の漏洩電流を検出する漏洩電流検出装置と、漏洩電流の
検出値に基づいて、漏洩電流を打ち消す方向に電流目標
値或いは電流目標値に対する出力電流の偏差をシフトさ
せる漏洩電流制御回路とを具えている。

【０００９】具体的には、漏洩電流検出装置は、インバ
ータ主回路の出力電流を検出する電流センサと、電流セ
ンサの検出信号が供給されるローパスフィルタとから構
成される。

【００１０】又、漏洩電流検出装置の他の具体的構成
は、インバータ主回路の出力電流を検出する第１の電流
センサと、インバータ主回路の出力電流に含まれる交流
成分のみを検出する第２の電流センサと、第１の電流セ
ンサの出力から第２の電流センサの出力を減算して、イ
ンバータ主回路の出力電流に含まれる直流成分を検出す
る信号処理回路とを具えている。

【００１１】本発明に係る漏洩電流検出装置は、インバ
ータ主回路の出力電流を検出する第１の電流センサと、
インバータ主回路の出力電流に含まれる交流成分のみを
検出する第２の電流センサと、第１の電流センサの出力
から第２の電流センサの出力を減算して、インバータ主
回路の出力電流に含まれる直流成分を検出し、該直流成
分を漏洩電流として出力する信号処理回路とを具えてい
る。

【００１２】具体的構成においては、漏洩電流検出装置
は更に、漏洩電流の検出値に応じて、インバータ停止指
令を発する保護回路を具えている。他の具体的構成にお
いては、漏洩電流検出装置は更に、漏洩電流の検出値に
応じて、漏洩電流を打ち消す方向にインバータ制御回路
の電流目標値或いは電流目標値に対する出力電流の偏差
をシフトさせる漏洩電流制御回路を具えている。

【００１３】

【作用】上記本発明の系統連系インバータにおいては、
インバータ制御回路が、系統周波数で変動する出力電流
の目標値と出力電流の実測値との偏差を検出し、該偏差
に応じた駆動制御信号をインバータ主回路へ供給して、
偏差を零に近づけるためのフィードバック制御を実行す
る。この際、インバータ主回路の出力電流中に、直流成
分、即ち漏洩電流が検出されると、該検出値に基づい
て、漏洩電流を打ち消す方向に電流目標値或いは偏差を
シフトさせる。例えば、プラスの直流成分が検出された
ときは、電流目標値を該直流成分の大きさだけマイナス
方向にシフトさせる。この結果、インバータ主回路の出
力電流のレベルが低下して、直流成分が零に近づくので
ある。

【００１４】上記漏洩電流検出装置の具体的構成におい
ては、電流センサから得られる出力電流の検出信号がロ
ーパスフィルタを通過することによって、交流成分が除
去され、直流成分が抽出される。

【００１５】又、漏洩電流検出装置の他の具体的構成に
おいて、第１の電流センサからは、出力電流の直流成分
及び交流成分の検出信号が得られる。一方、第２の電流
センサからは、出力電流の交流成分の検出信号が得られ
る。従って、第１の電流センサの検出信号から第２の電
流センサの検出信号を減算することによって、交流成分
が相殺されて、直流成分のみの検出信号が得られること
になる。

【００１６】本発明の漏洩電流検出装置においては、上
記の漏洩電流検出装置の他の具体的構成と同様に、第１
の電流センサによる直流成分及び交流成分の検出信号か
ら、第２の電流センサによる交流成分の検出信号を減算
することによって、交流成分が相殺されて、直流成分の
みの検出信号が得られることになる。ここで、第１の電
流センサの検出信号から第２の電流センサの検出信号を
減算する処理には、従来のローパスフィルタによる処理
の如き、出力電流中の直流成分と交流成分のレベル差に
起因する誤差は生じない。

【００１７】保護回路を具えた漏洩電流検出装置の具体
的構成においては、限界値を越える漏洩電流が検出され
たとき、インバータ停止指令を受けてインバータは停止
する。又、漏洩電流制御回路を具えた漏洩電流検出装置
の具体的構成においては、漏洩電流の検出値に応じて、
漏洩電流を打ち消す方向にインバータ制御回路の電流目
標値或いは偏差がシフトされる結果、インバータ主回路
の出力電流に含まれる直流成分が零に近づく。

【００１８】

【発明の効果】本発明に係る系統連系インバータにおい
ては、漏洩電流を遮断するのではなく、漏洩電流の発生
を制御することによって直流偏磁の問題を解消している
から、絶縁トランスの装備は不要である。然も、漏洩電
流の発生が未然に防止されるから、インバータを停止さ
せる必要がなく、高い稼働率が実現される。又、本発明
に係る漏洩電流検出装置においては、２つの電流センサ
の検出信号を減算することによって、出力電流中の直流
成分が検出されるから、従来のローパスフィルタを用い
た検出方式の如く、交流成分のレベルに応じた大きなス
ケールの下での信号処理は行なわれない。従って、交流
成分と直流成分のレベル差に起因する誤差は発生せず、
従来よりも高い検出精度が得られる。

【００１９】

【実施例】先ず、本発明を図１に示す系統連系インバー
タ(８)に実施した例について詳述する。図１に示す如く
太陽電池(１)はインバータ主回路(２)を介して商用電力
系統(３)に連系されており、インバータ主回路(２)から
得られる交流の電力が負荷(４)へ供給されると共に、余
剰電力が商用電力系統(３)へ逆潮流される。

【００２０】インバータ主回路(２)は複数のスイッチン
グ素子を具えており、これらのスイッチング素子は、ド
ライブ回路(７)から供給されるＰＷＭパルスによって導
通制御が行なわれる。太陽電池(１)の出力端にはマイク
ロコンピュータ(５)が接続されており、該マイクロコン
ピュータ(５)は、太陽電池(１)からの入力電圧Ｖｉに基
づいて、太陽電池(１)の出力電流の制御目標値を表わす
電流振幅指令値Ｉ°を作成し、これを電流制御回路(６)
へ供給する。

【００２１】インバータ主回路(２)の出力端には、直流
用クリップオン電流計或いは直流用ＣＴ等から構成され
る電流センサ(９)が設けられ、その検出信号はローパス
フィルタ(11)を経て直流成分が抽出され、漏洩電流の検
出信号Ｉｄ′として第１Ａ／Ｄ変換器(12)へ供給され
る。これによってデジタル化された漏洩電流の検出信号
Ｉｄは電流制御回路(６)へ供給される。又、電流センサ
(９)の検出信号は第２Ａ／Ｄ変換器(13)を経て、デジタ
ルの電流検出信号Ｉａｃとして電流制御回路(６)へ供給
される。更に、インバータ主回路(２)の出力端には、電
圧変成器ＰＴ(10)が設けられ、その検出信号は第３Ａ／
Ｄ変換器(14)を経て、デジタルの電圧検出信号Ｖａｃと
して電流制御回路(６)へ供給される。

【００２２】電流制御回路(６)はデジタルシグナルプロ
セッサ(ＤＳＰ)から構成され、前記の電流振幅指令値Ｉ
°、電流検出信号Ｉａｃ、電圧検出信号Ｖａｃ、及び漏
洩電流検出信号Ｉｄに基づいて、インバータ主回路(２)
の出力電流を目標値に近づけるため制御信号Ｗを作成
し、ドライブ回路(７)へ供給するものである。

【００２３】図２は電流制御回路(６)の具体的構成を表
わしている。図示の如く、電圧検出信号Ｖａｃはバンド
パスフィルタ(19)にて処理され、系統の基本周波数で変
動する基準電圧信号Ｖａｃ′が作成される。そして、電
流振幅指令値Ｉ°と基準電圧信号Ｖａｃ′が乗算器(15)
にて互いに乗算されて、電流の目標値を表わす信号Ｉｒ
ｅｆが作成される。該電流目標値信号Ｉｒｅｆは更に減
算器(16)へ送られて、電流検出信号Ｉａｃとの偏差Ｉｅ
が算出される。

【００２４】電流偏差Ｉｅは、後述する漏洩電流に応じ
たシフト処理を受けて、シフト電流偏差Ｉｅ°が作成さ
れる。該シフト電流偏差Ｉｅ°は、下記数１で表わされ
る伝達関数のコントローラＣ２(21)へ供給されて、比例
制御が施される。但し、高周波領域に対してはノイズ等
の影響を考慮して、一次遅れ要素によってゲインを下げ
ている。これによって、コントローラＣ２(21)からは前
述の制御信号Ｗが得られる。

【００２５】

【数１】Ｃ２(ｓ)＝Ｋｐ／(１＋ｓＴ) ここで、Ｋｐは比例制御のゲイン(一定値)である。

【００２６】漏洩電流に応じたシフト処理は、漏洩電流
検出信号Ｉｄと、電流のオフセット指令値Ｉｄ°に基づ
いて行なわれる。尚、電流のオフセット指令値Ｉｄ°は
通常は零であるが、電流センサにオフセットが存在する
場合には、オフセット量に応じた値に設定され、これに
よってオフセット調整が施される。

【００２７】図２に示す如く、減算器(18)にてオフセッ
ト指令値Ｉｄ°(＝０)から漏洩電流検出信号Ｉｄが減算
され、その結果(Ｉｄ°−Ｉｄ)が下記数２で表わされる
伝達関数のコントローラＣ３(20)へ供給され、積分処理
が施される。

【００２８】

【数２】Ｃ３(ｓ)＝Ｋｉ／ｓ ここで、Ｋｉは積分制御のゲイン(一定値)である。

【００２９】コントローラＣ３(20)から得られる積分値
Ｉｏｒは加算器(17)にて前記電流偏差Ｉｅと加算され、
これによってシフト偏差Ｉｅ°が作成される。即ち、コ
ントローラＣ３(20)の伝達関数は、オフセット指令値Ｉ
ｄ°と漏洩電流検出信号Ｉｄが一致する様に、電流目標
値或いは電流偏差を修正するものである。ここで、伝達
関数Ｃ３は直流成分に対して高ゲインであるので、(Ｉ
ｄ°−Ｉｄ)は零に向かって制御される。

【００３０】図３は、上記電流制御回路(６)における漏
洩電流に応じたシフト処理の原理を表わしている。ここ
では、オフセット指令値Ｉｄ°を零としている。図３
(ａ)の如く電流検出信号Ｉａｃがプラスの直流成分を含
んでいる場合、前記ローパスフィルタ(11)による処理を
経ることよって、図３(ｂ)の如く直流成分(Ｉｄ°−Ｉ
ｄ)がマイナス値として抽出される。この直流成分(Ｉｄ
°−Ｉｄ)が前記コントローラＣ３(20)を経て積分値Ｉ
ｏｒとなる。

【００３１】一方、前記電流制御回路(６)の乗算器(15)
からは、図３(ｃ)の如く交流成分のみの電流目標値信号
Ｉｒｅｆが出力される。従来装置では、インバータ出力
はこの電流目標値信号Ｉｒｅｆに向かって制御される
が、本発明では、図３(ｄ)の如く電流目標値信号Ｉｒｅ
ｆに積分値Ｉｏｒを加算して、実施例の場合は電流目標
値をマイナス方向にシフトさせ、シフトされた電流目標
値を用いる。これによって、出力電流中の直流成分は零
に向かって制御されることになる。電流検出信号Ｉａｃ
がマイナスの直流成分を含んでいる場合も同様に、電流
目標値がプラス方向にシフトされて、出力電流中の直流
成分は零に向かって制御されることになる。尚、図２の
例では、シフト処理のための積分値Ｉｏｒを電流偏差Ｉ
ｅに加算しているが、これは、図３(ｄ)の如く電流目標
値信号Ｉｒｅｆに対して加算することと同等であるの
で、何れの回路構成も採用可能である。

【００３２】次に、本発明に係る漏洩電流検出装置の実
施例について詳述する。図４に示す如く、太陽電池(１)
はインバータ(８)を介して商用電力系統(３)に連系され
ている。インバータ(８)には保護回路(24)が接続されて
おり、インバータ(８)の出力電流に限界値を越える直流
成分(漏洩電流)が含まれる場合は、保護回路(24)から発
せられる停止指令によって、インバータ(８)の運転が停
止される。

【００３３】図１の実施例では、漏洩電流を検出するた
めに電流センサ(９)及びローパスフィルタ(11)が用いら
れていたが、本実施例では、検出精度を上げるために、
図４に示す如くインバータ(８)の出力端に、電流センサ
(９)及び変流器ＣＴ(22)を設けて、両者の検出信号を信
号処理回路(23)へ供給し、電流センサ(９)による交流成
分及び直流成分の検出値から、変流器ＣＴ(22)による交
流成分の検出値を減算し、直流成分のみを検出する。

【００３４】変流器ＣＴ(22)は、図５に示す如く電力線
(31)を包囲して配置されたコア(32)に生じる磁束の変化
をコイル(33)にて交流電圧として取り出すものである。
変流器ＣＴ(22)によって、電力線(31)を流れる電流の交
流成分のみが検出される。又、電流センサ(９)は例えば
図６に示す直流用クリップオン電流計であって、コア(3
4)の一部にホール素子(35)が介在しており、ホール素子
(35)の出力電圧が零になる様に、増幅器(37)がコイル(3
6)へ電流を流すものである。該電流を測定すれば、電力
線(31)に流れる電流が直流成分及び交流成分を含んだ値
として検出される。

【００３５】図７は信号処理回路(23)の具体的な結線図
を示している。図示の如く、電流センサ(９)の出力と変
流器ＣＴ(22)の出力の正負を逆に接続することによっ
て、電流センサ(９)によって検出された電流値ｉ1と、
変流器ＣＴ(22)によって検出された電流値ｉ2の差がと
られ、これによって両者の交流成分が相殺される。この
結果、直流成分のレベルに比例した直流電流が得られ、
該直流電流が抵抗Ｒにより電圧Ｖｏに変換されて、出力
される。

【００３６】図８は、電流値ｉ1及びｉ2から出力電圧Ｖ
ｏが得られる様子を表わしている。出力電流に直流成分
が含まれる場合、電流センサ(９)からの電流値ｉ1には
直流成分は現われないが、変流器ＣＴ(22)からの電流値
ｉ2には、直流成分及び交流成分の両方が現われる。そ
こで、電流値ｉ2から電流値ｉ1を減算すれば、直流成分
のレベルに応じた出力電圧Ｖｏが得られるのである。

【００３７】出力電圧Ｖｏは図４に示す如く保護回路(2
4)へ供給されて、漏洩電流の大きさが判断される。漏洩
電流が限界値を越えていれば、インバータ(８)へ停止指
令を発する。

【００３８】上記漏洩電流検出装置によれば、電流セン
サ(９)による直流成分及び交流成分の検出信号から、変
流器ＣＴ(22)による交流成分の検出信号を減算すること
によって、直流成分を検出する構成が採られているか
ら、交流成分のレベルに拘わらず、直流成分のレベルに
応じたフルスケールでの信号検出が可能となる。この結
果、直流成分の検出信号のレベルが高くなって、検出精
度が高められる。

【００３９】尚、上記漏洩電流検出装置においては、電
流センサ(９)の出力と変流器ＣＴ(22)の出力の交流成分
のレベルが等しくなる様、予めコイル巻数の調整が行な
われているが、調整のずれによって、出力電圧Ｖｏに多
少の交流成分が残存したとしても、必要に応じてローパ
スフィルタによる後処理を行なうことによって、直流成
分のみを検出することが出来る。この場合、ローパスフ
ィルタのフルスケールは、従来のローパスフィルタのみ
による直流成分検出の場合よりも、遥かに小さく設定出
来るから、検出精度は高く維持される。

【００４０】上記の漏洩電流検出装置において、電流セ
ンサ(９)は図６に示す構成例に限らず、例えば図９に示
す様に、シャント抵抗Ｒｓに電流を流して、その両端の
電圧ｖから電流値ｉを得るシャント抵抗回路(25)を用い
ることも可能である。図１０は、前記シャント抵抗回路
(25)を採用した場合の信号処理回路(26)の構成を表わし
ている。シャント抵抗回路(25)の出力は電圧信号である
ので、図示の如く、ＣＴの出力電流を電圧信号に変換し
て、該電圧信号とシャント抵抗回路の出力電圧ｖの間
で、交流成分の相殺を行なう。

【００４１】上記実施例の説明は、本発明を説明するた
めのものであって、特許請求の範囲に記載の発明を限定
し、或は範囲を減縮する様に解すべきではない。又、本
発明の各部構成は上記実施例に限らず、特許請求の範囲
に記載の技術的範囲内で種々の変形が可能であることは
勿論である。例えば、図４に示す漏洩電流検出装置を図
１の系統連系インバータに装備して、より精度の高い漏
洩電流検出値に基づいて、漏洩電流の発生を制御する構
成も採用出来る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る系統連系インバータの構成を示す
ブロック図である。

【図２】電流制御回路の具体的構成を示すブロック図で
ある。

【図３】電流目標値信号に対するシフト処理の原理を説
明する波形図である。

【図４】本発明に係る漏洩電流検出装置を実施した系統
連系インバータのブロック図である。

【図５】ＣＴの概略構成を示す斜視図である。

【図６】電流センサの概略構成を示す斜視図である。

【図７】信号処理回路の結線図である。

【図８】該信号処理回路の動作を表わす波形図である。

【図９】シャント抵抗回路を示す図である。

【図１０】該シャント抵抗回路に接続すべき信号処理回
路を示す図である。

【図１１】従来の系統連系インバータを示すブロック図
である。

【図１２】他の従来例を示すブロック図である。

【符号の説明】

(１) 太陽電池 (２) インバータ主回路 (３) 商用電力系統 (６) 電流制御回路 (７) ドライブ回路 (８) インバータ (９) 電流センサ (11) ローパスフィルタ

フロントページの続き (72)発明者 田中 邦穂 大阪府守口市京阪本通２丁目５番５号 三 洋電機株式会社内 (72)発明者 前川 正弘 大阪府守口市京阪本通２丁目５番５号 三 洋電機株式会社内

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 直流電源と商用電力系統の間に介在する
   インバータ主回路と、電流目標値に応じてインバータ主
   回路を駆動するための制御信号を作成するインバータ制
   御回路とを具えた系統連系インバータにおいて、 インバータ主回路の出力電流に含まれる直流の漏洩電流
   を検出する漏洩電流検出装置と、 漏洩電流の検出値に基づいて、漏洩電流を打ち消す方向
   に電流目標値或いは電流目標値に対する出力電流の偏差
   をシフトさせる漏洩電流制御回路とを具えていることを
   特徴とする系統連系インバータ。
2. 【請求項２】 漏洩電流検出装置は、インバータ主回路
   の出力電流を検出する電流センサと、電流センサの検出
   信号が供給されるローパスフィルタとから構成される請
   求項１に記載の系統連系インバータ。
3. 【請求項３】 漏洩電流検出装置は、インバータ主回路
   の出力電流を検出する第１の電流センサと、インバータ
   主回路の出力電流に含まれる交流成分のみを検出する第
   ２の電流センサと、両電流センサの出力に基づいてイン
   バータ主回路の出力電流に含まれる直流成分を検出する
   信号処理回路とから構成される請求項１に記載の系統連
   系インバータ。
4. 【請求項４】 直流電源と商用電力系統の間に介在する
   インバータ主回路と、電流目標値に応じてインバータ主
   回路を駆動するための制御信号を作成するインバータ制
   御回路とを具えた系統連系インバータにおいて、インバ
   ータ主回路の出力電流に含まれる直流の漏洩電流を検出
   する漏洩電流検出装置であって、 インバータ主回路の出力電流を検出する第１の電流セン
   サと、 インバータ主回路の出力電流に含まれる交流成分のみを
   検出する第２の電流センサと、 第１及び第２の電流センサの出力に基づいて、インバー
   タ主回路の出力電流に含まれる直流成分を検出し、該直
   流成分を漏洩電流として出力する信号処理回路とを具え
   ている漏洩電流検出装置。
5. 【請求項５】 漏洩電流の検出値に応じて、インバータ
   停止指令を発する保護回路を具えている請求項４に記載
   の漏洩電流検出装置。
6. 【請求項６】 漏洩電流の検出値に応じて、漏洩電流を
   打ち消す方向にインバータ制御回路の電流目標値或いは
   電流目標値に対する出力電流の偏差をシフトさせる漏洩
   電流制御回路を具えている請求項４に記載の漏洩電流検
   出装置。