JPH08126347A - インバータおよびそれを用いた太陽光発電システム - Google Patents

インバータおよびそれを用いた太陽光発電システム

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JPH08126347A
JPH08126347A JP6279752A JP27975294A JPH08126347A JP H08126347 A JPH08126347 A JP H08126347A JP 6279752 A JP6279752 A JP 6279752A JP 27975294 A JP27975294 A JP 27975294A JP H08126347 A JPH08126347 A JP H08126347A
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JP
Japan
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inverter
power
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coil
current
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JP6279752A
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Nobuyoshi Takehara
信善 竹原
Kimitoshi Fukae
公俊 深江
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Canon Inc
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    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50Photovoltaic [PV] energy
    • Y02E10/56Power conversion systems, e.g. maximum power point trackers
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y02E40/00Technologies for an efficient electrical power generation, transmission or distribution
    • Y02E40/40Arrangements for reducing harmonics

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  • Charge And Discharge Circuits For Batteries Or The Like (AREA)
  • Control Of Electrical Variables (AREA)
  • Power Conversion In General (AREA)
  • Inverter Devices (AREA)
  • Supply And Distribution Of Alternating Current (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【目的】 小電流出力時の高調波ノイズ(歪み)が少な
くし、かつ大電流出力時にも損失や低次高調波ひずみを
少なくする。 【構成】 直流入力電力VdcIdcを交流出力電力V
acIacに変換して負荷7に供給するインバータ2〜
5において、出力ローパスフィルタ5のリアクタンス値
を、電力変換装置の出力電流Iacに応じて変化させ
る。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、直流入力電力を交流電
力に変換して負荷に供給するインバータ、およびそのイ
ンバータを用い、太陽電池から供給される直流入力電力
を交流電力に変換して負荷としての商用電力系統に供給
する太陽光発電システムに関する。
【0002】
【従来の技術】地球環境問題やエネルギー問題に対する
関心が高まる中、クリーンかつ無尽蔵の太陽光をエネル
ギー源とする太陽光発電システムに対する期待感がふく
れ上がっている。太陽電池は、太陽光を直流電力に変換
するため、交流負荷を直接使うことができない。我々が
通常家庭で使用している電力は交流であり、電気機器の
種類の豊富さも交流機器のほうが遥かに多い。このよう
な交流機器を太陽電池で駆動するためには、直流電力を
交流に変換するインバータを用いる。特にインバータ出
力を商用電力系統に接続し、商用電力系統と連系して他
の負荷へ電力を供給するものを連系太陽光発電システム
といい、近未来における住宅等への分散型電源として普
及の期待が寄せられている。このような、太陽光発電シ
ステムに用いられる従来のインバータの一例を図6に示
す。太陽電池1から入力された電力は、コイル21とコ
ンデンサ22からなるDCリップル抑制入力フィルタ2
を通じて、スイッチング部3に送られる。スイッチング
部3は、図4に示されるように、MOSFET等の半導
体スイッチング素子31、32、33および34で構成
されており、図6の制御部4から送られるゲート信号に
より、スイッチング素子31と34、そして32と33
のペアが交互にオン/オフされて直流電力Vinの極性
を切り替えて、交流電力Voutに変換する。出力され
た交流電力は、波形歪みやノイズを減らすために、図6
のコイル51ならびにコンデンサ56によって構成され
た出力段ローパスフィルタ5に導かれる。最終的な出力
が負荷(商用電力系統)7に接続される。制御装置4
は、センサ41および42を介して入力直流電圧Vd
c、入力直流電流Idc、出力交流電圧Vacおよび出
力交流電流Iacを監視し、出力交流電流が正弦波にな
るようにゲート駆動パルスのオン/オフ比を制御しなが
ら、そのゲート駆動パルスを含むゲート駆動信号をスイ
ッチング回路3に与える。ゲート駆動パルスと出力交流
電流の1例を図5に示す。図5において、ゲート信号が
H状態の時にはスイッチ素子31と34がオンされ、0
の時にはスイッチ素子32と33がオンされる。パルス
の幅によって電流が制御される、いわゆるPWM制御に
よって出力電流が正弦波交流電流になっている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】図5において、インバ
ータの出力電流は拡大して示してある。図5に示される
ように出力電流はぎざぎざの波状ノイズの乗った波形で
ある。
【0004】このノイズ(歪み)を小さくするには、2
つの方法がある。1つは、スイッチング部3のスイッチ
速度を上げて波形生成の精度を高めることである。これ
は本質的な解決手段であるが、高電力かつ高速なスイッ
チ素子は非常に高価であり、かつスイッチ回数を増やす
ことにより損失が増えるという弱点を持つ。また、スイ
ッチ素子の速度にも限界がある。
【0005】他の方法としてフィルタを用いて電流波形
を正弦波に近づけて、かつスイッチ回数を減らしてロス
を押えながらノイズを減らす方法がある。
【0006】従来、両者の方法は併用されて用いられて
いる。ところで、フィルタはコイルとコンデンサによっ
て構成されているが、この設計は、通常、インバータの
定格電流で行なわれる。太陽電池の出力電流は入射光強
度に依存するので、それに応じて出力電流も変わってし
まう。こうなると、出力電流が低い時には、フィルタの
効果が減少し、ノイズ(歪み)が増えるという問題があ
った。一方、小電流時にあわせてフィルタを設計する
と、例えばコイルの巻き数を大幅に増やしてインダクタ
ンスを増加させなければならないので、大電流時にロス
が増えたり、低次の歪みが増えるという問題があった。
【0007】本発明は、上記問題点解決のためになされ
たもので、小電流出力時にノイズ(歪み)が少なく、か
つ大電流出力時にも損失や低次高調波歪みの少ないイン
バータを提供することを目的とする。また、このような
インバータを用いた太陽光発電システムを提供すること
をさらなる目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、本発明では、直流入力電力を交流出力電力に変換し
て負荷に供給するインバータにおいて、出力ローパスフ
ィルタのリアクタンス値を、電力変換装置の出力電流に
応じて変化させることを特徴としている。
【0009】
【作用】本発明のインバータでは、出力電流の増減に従
って、フィルタコイルのタップ切り替え等の方法によ
り、フィルタリアクタンスを増減させる。より、詳細に
は出力電流が増大した時にはフィルタコイルのインダク
タンスを下げ、逆に電流が減少した時にはフィルタコイ
ルのインダクタンスを下げる。これによって、出力電流
に見合ったフィルタ効果を得ることができ、電流の増減
にかかわらず、電流歪み(ノイズ)を押えることができ
る。
【0010】本発明のインバータを用い、直流入力電力
源として太陽電池を、負荷として商用電力系統を接続す
ることにより、小電流出力時にノイズ(歪み)が少な
く、かつ大電流出力時にも損失や低次高調波歪みの少な
い太陽光発電システムを構成することができる。
【0011】
【実施例】以下実施例をもとに、より詳細かつ具体的に
本発明を説明する。実施例1(タップ切り替え式) 図1は本発明の一実施例に係る太陽光発電システムの構
成を示す。図1において、直流電源1としてUSSC社
製のアモルファス太陽電池モジュール(商品名UPM8
80)を用いた。負荷7はトランス(変圧比1:10)
を介した商用系統(100V、60Hz)とした。スイ
ッチ部3は日立製MOSFET(型名2SK1915)
を4個使用して図4に示すフルブリッジ構成とし、入力
フィルタ2としては10000マイクロファラッドの電
解コンデンサ22および1mHのコイル21を使用し
た。
【0012】制御装置4としては、日立製MPU(型名
H8/532、A/Dコンバータ内蔵)を用いた1ボー
ドマイコンを用い、ゲート信号はフォトカプラを通じて
各MOSFETのゲートへ供給した。出力電流Iac検
出には、ホール素子を用いた電流センサを使用し、交流
電圧Vac検出は計測用トランスを用いて行なった。ま
た、直流電圧Vdc検出は抵抗分圧器を使用し、直流電
流Idc検出にはホール素子を用いた電流センサを用い
た。これらは、MPU内蔵のA/Dコンバータでデジタ
ル値に変換されて、MPUにて演算処理される。この演
算処理の結果に基づき、ゲート駆動パルスが生成され
る。
【0013】出力ローパスフィルタ5は、それぞれ30
mHのインダクタンスを持った3つのコイル51,5
2,53と、100マイクロファラッドのコンデンサ5
6によって構成される。3つのインダクタンスのうち5
2と53の2つには、それぞれ直列にスイッチ54と5
5を配した。スイッチ54と55は制御装置4から出さ
れる制御信号によって入り切りを制御される。これらの
スイッチ54と55には比較的大きな電流が流れるの
で、電磁接触機(マグネットコンタクタ)を用いた。
【0014】次に本実施例の動作について説明する。例
えば夜間のような本システムの非動作時には、スイッチ
54および55は共にオフである。朝になって、太陽電
池1の出力電圧が増えてくると制御装置4はゲートパル
スを生成して、太陽電池1から発生する直流電力を交流
電力に変換して電力系統7に流し込む。さらに日照が強
くなり、出力される電流が所定の値を超えた時にスイッ
チ55をオンしてコイル51とコイル52を並列接続
し、フィルタ5のインダクタンスを減少させる。本実施
例では、交流電流Iac=0.3Aでスイッチ55をオ
ンし、Iac=0.8Aでスイッチ54をオンした。そ
の結果、スイッチを用いずにコイル51とコンデンサ5
6だけを使用した場合に比べて、コイルに流れる電流が
減少したために、定格出力時(Iac=1.0Arm
s、Vac=10Vrms)において低次、特に5次の
高調波レベルを50%以下にできた。また、抵抗分が減
少したために、損失を10%減少させることができた。
当然のことながら、Iac=0.3A未満の小電流域で
は両者は全く同一構成となるので、小電流域の性能は両
者において同一である。従って、本実施例では小電流域
の性能を変えずに、大電流域の歪みと損失を改善でき
た。
【0015】このように、本発明によれば、大電流での
動作にも、低次高調波を減少させ、かつ、損失を減らす
ことができる。
【0016】実施例2 図2は、本発明の他の実施例に係る太陽光発電システム
の構成を示す。本実施例では、図2のごとく、フィルタ
コイル51にフェライトコア8を抜き差しできるものを
使用し、他の要素については実施例1と同様とした。コ
ア8は、透磁性の高い磁性材料で、フェライトの他にも
鉄、アモルファス磁性材料、センダスト合金等が使用で
きる。このコア8は、制御装置4のパルス信号によって
回転位置を制御されるステップモータ10によって、コ
イルへの挿入長を変化できる。同様の駆動手段10とし
て、超音波モータ等も使用できる。要は、挿入長さを精
密に制御するのに十分なだけの位置合わせ機能を有した
ものならば、どんなものでもよいのである。本実施例で
は、コア挿入によってインダクタンスを変化させる。す
なわち、コア挿入量が多ければインダクタンス大とな
り、コア挿入量が小さいとインダクタンス小となる。す
なわち、出力電流大なる時には、コアを抜いてインダク
タンスを下げ、出力電流小の時はコアを入れてインダク
タンスを上げる。本実施例では、インダクタンスを連続
的に変化できるので、実施例1のようなスイッチ切り替
えによる方式よりも、きめの細かな制御が可能である。
【0017】実施例3 図3は、本発明のさらに他の実施例に係る太陽光発電シ
ステムの構成を示す。本実施例では、図3のごとく、フ
ィルタコイル51には単巻可変出力電圧トランス(通称
スライダック)を利用した。スライダックは、透磁率の
高い磁性材料でできたトロイダルコア8に銅線を巻き、
それにつまみを付けた接触子11を設けて、出力電圧を
取り出すものである。これを使えば、つまみを回して、
接触子の位置を変化させることにより、ほぼ連続的にイ
ンダクタンスを変えることができる。また、コアが環状
になっているので、全体としての体積を小さくできる。
本実施例においては、つまみを実施例2と同様にステッ
プモータ10で動かすことで、インダクタンスの可変を
実現した。図3において、出力電流が小さい時には、接
触子の位置を右の方に動かし(回し)て、インダクタン
スを増やす。また、出力電流が大なる時には、接触子を
左の方に動かしてインダクタンスを減らす。本実施例で
も、インダクタンスを連続的に変化できるので、実施例
1のようなスイッチ切替による方式よりも、きめの細か
な制御が可能である。
【0018】
【発明の効果】以上述べてきたように、本発明の、直流
入力電力を交流出力電力に変換して、負荷に供給するイ
ンバータにおいて、出力ローパスフィルタのリアクタン
ス値を、電力変換装置の出力電流に応じて変化させるこ
とを特徴とするインバータは、下記のような効果を有す
る。
【0019】(1)出力電流が小さい時と大きい時で出
力フィルタのリアクタンス値を変更するので、それぞれ
の時に応じたフィルタ効果を得ることができ、高調波ノ
イズを押え込める。
【0020】(2)出力電流が小さい時と大きい時と
で、フィルタ部の抵抗値を変化させられるので、フィル
タ効果を変えるのみならず、インバータ損失を低減する
こともできる。
【0021】(3)出力電流に応じて迅速にリアクタン
ス値を変化でき、高調波レベルの抑制を安定して行なえ
る。
【0022】このような優れた特徴を持つ本発明のイン
バータは、産業上の利用価値が極めて高く、特に商用交
流電力系統と連系する太陽光発電システムにとって非常
に有用である。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の一実施例に係るインバータを用いた
太陽光発電システムのブロック構成図である。
【図2】 本発明の他の実施例に係るインバータを用い
た太陽光発電システムのブロック構成図である。
【図3】 本発明のさらに他の実施例に係るインバータ
を用いた太陽光発電システムのブロック構成図である。
【図4】 インバータのスイッチ部の一例を示す回路図
である。
【図5】 インバータの出力電流波形を表わす図であ
る。
【図6】 従来のインバータを用いた太陽光発電システ
ムのブロック構成図である。
【符号の説明】
1:太陽電池、2:入力フィルタ、3:スイッチ部、
4:制御装置、5:出力フィルタ、51,52,53:
コイル、54,55:開閉器、56:コンデンサ、7:
電力系統、8:磁性コア、10:駆動手段、11:接触
子。

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 直流入力電力を交流出力電力に変換しロ
    −パスフィルタを介して負荷に供給するインバータにお
    いて、前記ロ−パスフィルタのリアクタンス値を前記交
    流出力電力の電流値に応じて変化させるリアクタンス制
    御手段を具備することを特徴とするインバータ。
  2. 【請求項2】 前記リアクタンス制御手段が、前記ロ−
    パスフィルタを構成するインダクタのインダクタンス値
    を変化させることによって前記リアクタンス値を制御す
    る請求項1記載のインバータ。
  3. 【請求項3】 前記リアクタンス制御手段が、前記イン
    ダクタを構成するコイルのタップ切り替えまたは直並列
    の切り替え等の回路の接続変更によって前記インダクタ
    ンス値を変化させる請求項2記載のインバータ。
  4. 【請求項4】 前記インダクタが磁性物質のコアを有す
    るコイルで構成されており、前記リアクタンス制御手段
    は前記インダクタンス値の変化を前記コイルに対するコ
    アの挿入量で制御する請求項2記載のインバータ。
  5. 【請求項5】 前記インダクタがコイルと該コイルの表
    面を摺動する接触子を有する摺動形可変インダクタから
    なり、前記リアクタンス制御手段は該コイルの一端と該
    接触子との間のインダクタンス値を可変することにより
    前記インダクタンス値を制御する請求項2記載のインバ
    ータ。
  6. 【請求項6】 前記リアクタンス制御手段は、前記出力
    電流が増えると前記インダクタンスを減らし、出力電流
    が減るとインダクタンスを増やすように制御する請求項
    2記載のインバータ。
  7. 【請求項7】 前記直流入力電力が、太陽電池から供給
    されるものである請求項1〜6のいずれか1つに記載の
    インバータ。
  8. 【請求項8】 請求項1記載のインバータを使用し、か
    つ太陽電池を直流入力電力源、商用電力系統を負荷とし
    た太陽光発電システム。
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