JPS62200413A - 電力変換装置の制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の目的〕 （産業上の利用分野） 本発明は、昇圧チョッパおよびインバータから成り、太
陽電池などの電圧変動の大きな直流電源の出力を交流に
変換して交流電力系統に供給する電力変換装置の制御装
置に関する。

（従来の技術） 太陽電池などの直流電源は、一般にチョッパまたはイン
バータ等の電力変換装置を介して独立負荷もしくは他の
交流電源に接続され、所定の電力を供給する給電システ
ムとして多数利用されてぎている。特に太陽電池による
この種の給電システムは、近年の太陽電池パネルの低価
格化を反映して現在活発に開発が行なわれている。

ところで、従来、異なる系統の交流電源を並列運転する
場合、無効電力の偏差に基づいて各交流電源間の電圧差
を制御し、有効電力の偏差に基づいて各交流電源間の位
相差を制ｗＪすることが知られている。太陽電池などの
直流電源を交流に変換する電力変換装置の電力系統と並
列運転する場合も同様であるが、電ノコ系統を電力変換
装置側から制御することはできないので、変換装置に自
励式電力変換装置（以下、電力変換装置という）を用い
てその有効電力および無効電力を制御する方式を採用し
ている。このような電力変換装置の出力電圧の制御方式
は、大きく二つに分類することができる。

一つは、電力変換装置に直流電圧を調整するチョッパを
用いないで、インバータのみで出力電圧の大きさと位相
を制御する方式である。この方式は、出力電圧の大きさ
を調節するために、インバータのパルス幅を調節するこ
とに特徴がある。このパルス幅の調節に附随して、一般
に出力電圧の高調波成分が変動し、その結果交流出力側
のＰｉ調波除去用フィルタを、パルス幅の制御範囲内で
高調波が最大値をとるところで設計しなければならず、
フィルタ容ωの増大を招いてしまうという欠点を持って
いる。特に直ｉ電源に電圧変動の大きいもの、例えば太
陽電池などを使用する場合には、その分パルス幅制＠範
囲が大ぎくなり、フィルタの容迅を大きく、かつ高価な
ものにさせる。また、太陽電池などの電圧変動の大きい
電源を使用すると、インバータの定格電圧を直流電源の
変動範囲の最低値で決めなければならないという欠点を
も持っている。つまり、太陽電池の運転範囲を広範囲に
選べば選ぶほど、インバータの定格出力電圧の値を下げ
なければならなくなる。例えば、三相ブリッジインバー
タでは、下記の式によりインバータの定格出力電圧ｖａ
ｃが制限されてしまう。

ｖ　ａｃ　＜　ｏ　−ｙａ　ｘ　（太Ｉｌ！電池の最低
運転電圧）−Ｅ、　　・・・・・・・・・（１） ここでＥｌは、インバータを構成するスイッチング素子
や配線の抵抗による電圧降下分である。具体的には、太
陽電池の運転範囲がＤ０３００Ｖ〜ＤＣ７００Ｖであれ
ば、インバータの定格出力電圧をＡＣ２００Ｖ近辺の低
電圧で使用しなければならなくなる。このことは、給電
システムが大型化すればするほど、インバータの扱う電
流が大ぎくなり、スイッチング素子内での損失が増して
インバータの変換効率上不利になる点が多い、というこ
とを意味している。ちなみに、給電システムが大型化し
ても太陽電池の運転範囲電圧は一般にあまり変らない。

上記欠点を防止するため、インバータの直流入力側に昇
圧チョッパを設け、その昇圧チョッパで出力電圧制御を
行ない、インバータは出力電圧の高調波成分が低減され
るようパルス幅を所定の値に固定する方式が考えられる
。この方式は、電力変換装置の出力電圧の大きさを昇圧
チョッパで、また出力電圧の位相をインバータで別々に
１ｔｌＪ御できるため、制御回路を簡単に構成すること
ができる。

この昇圧チョッパとインバータとで構成される電力変換
装置とその制御回路構成の一例を第４図を用いて説明す
る。第４図において主回路は、太陽電池１０の直流出力
を昇圧チョッパ（ＣＨＯＰ）１２およびインバータ（Ｉ
ＮＶ）１３からなる電力変換装置１１により所定周波数
・所定電圧の交流に変換し、それを整合用変圧器１４お
よび連系用開閉器１５を介して電力系統１６に供給する
。

電力系統１６には背後発電機１７が接続されている。

電力変換装置１１の出力電圧および出力電流が変圧器１
４の出力側でそれぞれ計器用変圧器４０および変流器４
１を介して検出され、電力系統１６の電圧が３１器用変
圧器４２を介して検出され、それぞれ以下に述べる制御
回路に導かれる。

制御回路は、電力変換装置１１の出力電圧の大きさを制
御するチョッパ制御系と、電力変換装置１１の出力電圧
の周波数および位相を制御するインバータ制御系とに大
別される。チョッパ制御系は以下のように構成されてい
る。まずミノｊ変換装置１１の無効電力Ｑが計器用変圧
器４０および変流器４１の出力；ト基づいて無効電力検
出器２２により検出され、無効電力基準Ｑ″ｉ０と比較
され、その偏差が誤差増幅器２３により増幅され、誤差
増幅器２６への一つの入力となる。誤差増幅器２６には
電圧設定器２４によって設定される電圧基準■＊と、計
器用変圧器４０おＪ：びダイオード２５を介して得られ
る変換装置出力電圧■との偏差が入力される。誤差増幅
器２６の出力はチョッパ制御回路２７の入力となる。チ
ョッパ制御回路２７は、誤差増幅器２６の出力レベルに
応じたパルス信号を昇圧チョッパ１２のスイッチング素
子に与え、その出力電圧を制御する。またインバータ制
御系では、電力変換装置１１の有効電力Ｐが計器用変圧
器４０および変流器４１の出力に基づいて有効電力検出
器３２により検出され、有効電力設定器３１によって設
定される有効電力基準Ｐ＊と比較され、その偏差が誤差
増幅器３３により増幅される。誤差増幅器３３の出力は
計器用変圧器４２によって取出される電力系統１６の電
圧に位相同期させるべく　Ｐ　Ｌ　Ｌ　（ｐｈａｓｅ　
１ｏｃｋｅｄ　１ｏｏｐ　）回路３４に入力され、ＰＬ
Ｌ回路３４の出力信号によりインバータ制御回路３５を
介してインバータ３のスイッチング素子が点弧制御され
る。

次に第４図の装置の動作について説明する。

チョッパ制御系においては、開閉器１５が開路されてい
る状態では誤差増幅２Ｓ２３は図示していないスイッチ
により短絡され、変換装置出力電圧■が電圧基準■１に
等しくなるように誤差増幅器２６を介して自動制御され
る。また、開閉′Ｐ１１５が閉路されている状態では、
誤差増幅器２３が動作することにより無効電力検出′Ｊ
！ｊ！２２によって検出された無効電力Ｑが無効電力基
準Ｑ＊に等しくなるように自動制御される。一方、イン
バータ制御系においては、開閉器１５が開の状態では、
誤差増幅器３３は図示していないスイッチにより短絡さ
れ、電力変換装置１゛１の出力電圧の位相はＰＬＬ回路
３４により系統電圧に同期するように自動制御される。

また、開閉器１５が閉の状態では、誤差増幅器３３が動
作することにより、有効電力検出器３２によって検出さ
れる有効電力Ｐが有効電力基準Ｐ＊に等しくなるように
電力変換装置１１の出力電圧の位相を自動ｍ１ｌｌ　ｍ
する。

ここで、昇圧チョッパ１２の電圧変換について説明して
おく。昇圧チョッパの入力電圧Ｅｄ１と入力電圧Ｅｄ２
の関係は、スイッチング素子の通流比（一般的にデユー
ティと呼ぶ）をＤとすれば、以下のように表わされるこ
とが知られている。

Ｅｄ２＝Ｅ、１／　（１−Ｄ）　　・・・・・・・・・
・・・・・・（２）（発明が解決しようとする問題点） 昇圧チョッパは一般に１．１〜２．５の昇圧比で使用さ
れることが多い。このことは、換言するならば、昇圧比
には上記の範囲に制限される理由が存在するということ
である。それは、最低昇圧比に関しては、スイッチング
素子がターンオフ時の遅れ時間を持っているためにスイ
ッチング素子の導通時間が非常に狭くなったときでもチ
ョッパの出力電圧は減少しないでスイッチング素子のタ
ーンオフの遅れ時間に相当する分だ警プ出力電圧が発生
してしまうことにより生ずる。また、最高昇圧比は、チ
ョッパ出力電圧がスイッチング素子の通流比に比例する
ため、昇圧比が高くなればスイッチング素子の導通時間
の変化に対する出力電圧の変化が大きくなり、出力電圧
制御の安定性を欠いてしまうという点から制限が与えら
れる。結局、上記のような昇圧チョッパに太陽電池など
のように電圧変動の大きな電源を接続した場合、チョッ
パ出力電圧の選定に困難を生じる。仮に太陽電池の運転
範囲がＤＣ３００Ｖ−ＤＣ８００ＶＴ−あ８とすれば、
昇圧チョッパの安定性の問題からチョッパ出力電圧を７
５０■程度に選べば、入力電圧が８００■近辺になった
ときに昇圧チョッパの制ｔ１０範囲を逸脱してしまう。

また、昇圧チョッパの最低昇圧比の関係からチョッパ出
力電圧を９００■に選定すれば、入力電圧が３００■近
辺に低下したときのチョッパ電圧制御系の安定度に問題
を生じ、安定度の改善のための補償回路などの追加によ
り制御系の複雑化を招いてしまう欠点を持っていた。

本発明は以上の事情を考慮してなされたもので、太ｉ電
池などの電圧変動の大さな直流電源の出力を、昇圧チョ
ッパとインバータから椛成される電力変換装置を介して
電力系統に供給する給゛１■システムにおいて、昇圧チ
ョッパの電圧制御範囲を逸脱することなしに、昇圧チョ
ッパを安定に動作させることの可能な電力変換装置の制
御装置を提供するを目的とするものである。

（発明の構成） （問題点を解決するための手段） 本発明の制御装置は、直流電源の出力電圧を検出し、そ
の検出電圧が所定値以上であるときに直流電源の出力電
圧をインバータに直接入力させるべく昇圧チョッパの昇
圧動作を停止させるようにしたことを特徴とするもので
ある。

（作　用） 本発明によれば、昇圧チョッパをその入力電圧に応じて
運転／停止制御することにより、昇圧チョッパの安定性
を欠くことなしに電力変換装置としての運転範囲を拡げ
ることができ、太陽電池などの電圧変動の大きな直流電
源をより有効に利用することが可能になる。

（実施例） 以下、本発明の一実施例を第１図および第２図を用いて
説明する。

第１図において第４図の従来装置と異なる点は、チョッ
パ制御回路２７Δは誤差増幅器２６の出力信号ａのみな
らず、直流電１１Ｑ１０の出力電圧すなわら昇圧チョッ
パ１２の入力電圧を検出する電圧検出器２８の出力信号
すによっても制御さ′れるようにしたことである。

本発明によるチョッパ制御回路２７Ａの具体的構成を第
２図に示り。第２図において、発撤回路（Ｏ２０）２７
１の出力信号は三角波発生器（ＰＡＴ）２７２に与えら
れ、その出力信号は発振回路２７１の出力信号に同期し
た三角波となる。この三角波発生器２７２の出力信号と
共に誤差増幅器２６の出力信号ａは比較器（ＧＯＭＰ）
２７３に与えられ、両者の大きさが比較される。この比
較器２７３は、２つの入ノコ信号の内、誤差増幅器２６
の出力信号ａの方が大きなときに“１″のパルス信号を
出力し、そうでないときに“０′′の信号を出力する。

一方、チョッパ制御回路２７Δのもう一つの入力信号で
ある直流電圧信号すは、レベル検出器（ＬＤ）２７５に
入力される。このレベル検出器２７５は、内部に所定の
基準信号Ｒを持っており、入力信号すがこの基準信号Ｒ
より大きければ′Ｏ″の信号を、小さければ′１″の信
号を発生ずるように構成されている。結局、比較器２７
３のパルス信号は、直流電圧信号すがレベル検出器２７
５の基準信号Ｒより低ければＡＮＤグー１〜２７６を介
して駆動回路（ＤＲ）２７４に伝えられ、直流電圧信＠
ｂがレベル検出器２７５の基準信号より高ければ駆動回
路２７４に伝わらない。駆動回路２７４は、その入力信
号が゛１”の時に昇圧チョッパ１２のスイッチング素子
に電流が供給され、スイッチング素子が導通する。

次に、以上述べた制御回路に対応する主回路動作を第１
図および第３図を参照して説明する。太陽電池電圧すな
わち昇圧チョッパ入力直流電圧が基準信号Ｒに対応する
基準電圧より高い場合のインバータの起動は以下のよう
に行なわれる。まず、電力変換装置１１のインバータ入
力側には電圧を平滑化するためのコンデンサを通常備え
ているので、インバータ運転と同時に図示していない補
助充電回路で直流電圧を所定の電圧値に徐々に立ち上げ
た後、太陽電池１０と昇圧チョッパ１２の間に存在する
図示していない聞ｒＪ１器を開とづるようなソフトスタ
ート方法により電力変換装置１１を起動する。この時、
制御回路にＪ３いては、図示していないスイッチにより
誤差増幅器２３．３３は短絡されている。また誤差増幅
′ＰＩ２６は正常に動作しており、電圧基準Ｖ＊と変換
装置出力電圧■の偏差が増幅されてチョッパ制御回路２
７Ａに入力されるが、昇圧チョッパ１２の入力電圧が高
いのでレベル検出器２７５は“０”を出力することにな
り、昇圧チョッパ１２のスイッチング素子はブロック状
態、つまり昇圧チョッパは停止状態にあり、結局、イン
バータ１３は太陽電池電圧で決まる出力電圧で運転され
ることになる。電力系統１６と連系運転する際には、電
力変換装置１１の出力電圧の大きさが連系インピーダン
スで決まる所定の範囲内であることをＭｉ認した上で開
閉器１５を開とし、その後誤差増幅器３３を動作さけ、
有効電力Ｐが有効電力基準Ｐ＊に等しくなるような自動
制御を行なわせる。ざらに、有効電力が系統に供給され
ることにより、太陽電池１０の電圧は降下し、所定の電
圧以下となってレベル検出器２７５が１″を出力し、昇
圧チョッパのスイッチング素子はデブロック、つまり昇
圧チョッパ１２の運転が開始され、無効電力Ｑが無効電
力基準Ｑ＊に等しくなるように自動制御が行なわれる。

具体的に太陽電池１０の運転範囲が仮にＤＣ３００■〜
ＤＣ８００Ｖであるとすれば、昇圧チョッパ１２の出力
電圧を７５０■程度に選ぶとして、入力電圧が８００■
となったときに昇圧チョッパ１２を停止させることによ
り、電力変換装置１１の出力電圧の大きさは、系統電圧
の大きさに比べて数パーセントの差が生じて無効電力の
発生原因となる。しかし、一般に電力変換装＠１１と電
力系統１６を連系ずれば、有効電力の供給によりチョッ
パ電圧制御系が作動し、無効電力の制御が可能となる。

さらに連系直後においても無効゛４力の発生は、電力変
換装置１１と電力系統１６との連系インピーダンスによ
り電力変換装置１１の８口以内に抑えることが十分可能
である。また、連系直後の無効電力の発生を抑えなけれ
ばならないシステムにおいては、インバータのパルス幅
を鋼面することによって電力変換装置１１の出力電圧の
大きさをａ＋Ｉｌ　（１１することも可能である。この
場合におけるインバータ１３の制御は、系統連系後、有
効電力が制御され、太陽電池１０の直流′電圧が所定値
以下となり、昇圧チョッパ１２が運転されるまでの短期
間であり、パルス幅の制御範囲も小さくてよいことにな
る。

上記実施例では昇圧チョッパ１２のスイッチング素子を
具体的には記さなかったが、トランジスタやサイリスタ
、ゲートターンオフサイリスタなど、スイッチング素子
全般に通じて同様の効果を得ることができるのはもちろ
んである。

〔発明の効果〕

以上述べたように、本発明によれば、昇圧チョッパの入
力電圧を監視し、入力電圧が所定値以上であるときは昇
圧チョッパを停止させるように構成したので、昇圧チョ
ッパの安定性を欠くことなしにその運転範囲を拡げるこ
とができ、太陽電池などの電圧変動の大きな直流電源を
より有効に利用することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示すブロック図、第２図は
第１図にお【ブるチョッパ制御回路の具体例を示す回路
構成図、第３図は第１図の＠胃の動作を説明するための
タイムチャート、第４図は従来の制御装置を示すブロッ
ク図である。 １ｏ・・・太１１電池、１１・・・電力変換装置、１２
・・・昇圧チョッパ、１３・・・インバータ、４・・・
変圧器、５・・・開閉器、６・・・電力系統、２１・・
・無効電が設定器、２２・・・無効電力検出器、２３．
２６．３３・・・誤差増幅器、２４・・・電圧設定器、
２７Ａ・・・チョッパ制御回路、２７１・・・発振回路
、２７２・・・三角波発生器、２７３・・・比較器、２
７４・・・駆動回路、１７５・・・レベル検出器、２８
・・・直流電圧検出器、３１・・・有効電力検出器、３
２・・・有効電力検出器、３４・・・ＰＬＬ回路、３５
・・・インバータ制御回路。 出願人代理人　　佐　　藤　　−雄 躬　ｌ　図 ２７Ａ 第２図 第３　図 第４　図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 昇圧チョッパおよびインバータから成り、電圧変動の大
   きな直流電源の出力を交流に変換して交流電力系統に供
   給する電力変換装置の制御装置において、 前記直流電源の出力電圧を検出する電圧検出器と、この
   電圧検出器によって検出された前記直流電源の出力電圧
   が所定値以上であるときに前記直流電源の出力電圧を前
   記インバータに直接入力させるべく前記昇圧チョッパの
   昇圧動作を停止させる手段とを設けたことを特徴とする
   電力変換装置の制御装置。