WO2011135657A1

WO2011135657A1 - 系統連系形インバータ

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Publication number: WO2011135657A1
Application number: PCT/JP2010/057386
Authority: WO
Inventors: 一平竹内; 西尾　直樹; 中林　弘一
Original assignee: 三菱電機株式会社
Priority date: 2010-04-26
Filing date: 2010-04-26
Publication date: 2011-11-03
Also published as: JP5349687B2; EP2566031A1; JPWO2011135657A1

Abstract

　太陽電池の出力電力を直接検出し、コンバータのスイッチ素子のオン時間幅を規定するゲートパルス幅を変化させて安定した動作点を見つけ出し、動作点が安定したときの出力電力を用いて起動可否の判定を行う。起動判定開始までの待機時間が短くなり、日射量の影響を受けずに低日射でも短時間にしかも高い精度で起動判定を行うことができる。

Description

系統連系形インバータ

　本発明は、太陽光発電システムで使用される系統連系形インバータに関する。

　太陽光発電システムで使用される系統連系形インバータは、複数の太陽電池モジュールで構成される太陽電池が発電した直流電力を所望の直流電圧となる直流電力へ変換するコンバータと、コンバータの出力電力を交流電力へ変換するインバータ回路と、インバータ回路の出力端と商用電力系統との接続路を開閉する出力リレーとを備えている。

　太陽光発電システムでは、発電電力が系統連系に必要な電力を超えている場合に、出力リレーを閉路させて系統連系形インバータを起動し、逆に発電電力が連系に必要な電力でない場合は発電電力不足とし、出力リレーを開路させて系統連系形インバータを待機状態にする起動制御が行われる。

　この場合、系統連系形インバータの起動判定を精度よく行えないと、太陽電池が発電を開始しても発電電力不足として系統連系形インバータを待機状態にする頻度が高くなる。系統連系形インバータが起動と待機とを頻繁に繰り返すことになると、出力リレーの開閉回数が多くなり、出力リレーの接点寿命が短くなるという問題が起こる。

　このような問題に対し、例えば特許文献１では、系統連系形インバータの起動判定を精度よく行える方法が提案されている。以下に、特許文献１に示される従来の起動判定手順を示す。

　（１）太陽電池の出力電圧が所定値を超えると、インバータ回路を停止させた状態でコンバータに動作を開始させ、コンバータが動作を開始してからの所定時間内に、インバータ回路の入力電圧を形成するコンデンサの充電が完了するか否かを監視する。所定時間内にコンデンサの充電が完了した場合は、完了するまでの所要時間内におけるコンデンサの充電電圧変化と、その所要時間とからコンデンサに充電された電力を演算し、演算された充電電力から太陽電池の最大電力点を推定する。

　この最大電力点の推定は、太陽電池の最大電力点が太陽電池の無負荷時電圧の約８割りの電圧に存在することを利用して行われている。すなわち、太陽電池の特性は一定であるので、電力が演算されたときの太陽電池の出力電圧から最大電力点の電圧に対する割合を求めることで、演算された充電電力から太陽電池の最大電力点を推定している。

　なお、コンバータが動作を開始してからの所定時間内にコンデンサの充電が完了しない場合は発電電力不足と判定する。この場合は、所定時間待機後に再度、この（１）の手順を実行する。

　（２）推定された最大電力点から起動可否を判定する。すなわち、太陽電池の推定した最大電力点が所定値よりも大きい場合は起動ＯＫと判定し、インバータ回路を動作させ、リレーを閉路させて商用電力系統に電力を供給する。一方、太陽電池の推定した最大電力点が所定値よりも小さい場合は発電電力不足と判定し、所定時間待機した後、再び（１）の手順から実行する。

特開２００９－２４７１８４号公報（図２）

　しかし、上記従来の技術では、次のような問題がある。
　まず、朝夕の日射量が少ない場合には発電電流が少ないので、コンデンサへの充電電流が少なくなり、充電に時間がかかる。したがって、コンデンサの充電電圧変化と所要時間とからコンデンサに充電された電力を演算する方法では、日射量が少ない場合には電力演算に時間がかかり、起動可否の判定に時間がかかる。

　また、太陽電池の発電量は日射量に依存するので、系統連系形インバータは、前記したように起動と待機を必然的に繰り返す。前記した（１）の手順において、コンデンサに前回の起動状態時に蓄電された電荷が残っている場合、今回は、或る充電電圧からその充電電圧変化と所要時間とからコンデンサに充電された電力を演算することになる。充電は早めに完了するので、電力演算精度は低いものとなる。そのため、コンデンサの充電電圧変化により電力を演算する方法では、起動判定を開始しようとするときに、充電電圧が所定値よりも高い場合は、その充電電圧が所定値以下となるまで、起動判定を待機する必要があり、起動判定開始までの待機時間が長くなる。

　さらに、最大電力点は推定値であるので、起動可否の判定に用いる所定値（起動電力）は推定誤差を見込んでその最低値に余裕を持たせる必要がある。つまり、起動可否の判定に用いる所定値（起動電力）の最低値を、系統連系に必要な電力を正しく反映した値に定めることができないので、系統連系形インバータが起動と待機とを頻繁に繰り返す事態の発生は回避できるが、判定精度として不十分となっている。

　本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、太陽光発電システムにおいて、起動判定開始までの待機時間が短く、日射量の影響を受けずに短時間にしかも高い精度で起動可否の判定が行える系統連系形インバータを得ることを目的とする。

　上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、太陽電池が出力する直流電圧を所望の直流電圧へ降圧する降圧コンバータと、前記降圧コンバータの出力電圧を平滑するコンデンサと、入力直流電圧である前記コンデンサの充電電圧を交流電圧へ変換するインバータ回路と、前記インバータ回路の出力端と商用電力系統との接続路を開閉する出力リレーとを備えている系統連系形インバータにおいて、前記太陽電池の出力電圧と出力電流とを検出して出力電力を求める電力検出手段と、前記コンデンサの充電電圧を検出する充電電圧検出器と、前記インバータ回路を動作停止させて前記出力リレーを開路させている系統連系前に、前記電力検出手段にて検出された太陽電池出力電圧と前記充電電圧検出器の検出電圧とに基づき、前記降圧コンバータのスイッチ素子をオンさせる時間幅を、前記太陽電池に所定電力を出力させるように制御する連系前コンバータ制御手段と、前記連系前コンバータ制御手段が前記スイッチ素子をオンさせている期間において前記太陽電池の動作点の安定判別を行い、動作点が安定するまで、前記連系前コンバータ制御手段に前記スイッチ素子のオン時間幅を繰り返し制御させる安定動作点検索手段と、予め定めた判定電力と前記安定動作点検索手段が安定した動作点を検出したときにおける前記電力検出手段が求めた太陽電池出力電力とを比較し、太陽電池出力電力が少なくとも前記判定電力と等しいとき、前記商用電力系統との連系を開始させる指示を出力する連系可否判定手段とを備えたことを特徴とする。

　本発明にかかる系統連系形インバータは、太陽電池の出力電力を、コンデンサの充電電圧から演算するのではなく、直接検出し、コンバータのスイッチ素子のオン時間幅を規定するゲートパルス幅を変化させて太陽電池の安定した動作点を見つけ出し、動作点が安定したときの太陽電池出力電力を用いて起動可否の判定を行う。したがって、起動判定開始までの待機時間が短くなり、日射量の影響を受けずに低日射でも短時間にしかも高い精度で起動判定を行うことができるという効果を奏する。

図１は、本発明の実施の形態１による系統連系形インバータを備えた太陽光発電システムのシステム構成図である。図２は、図１に示す系統連系形インバータを起動する制御手順を説明するフローチャートである。図３は、太陽電池の動作点と発電電力との関係を説明する図である。図４は、本発明の実施の形態２による系統連系形インバータを備えた太陽光発電システムのシステム構成図である。図５は、図４に示す系統連系形インバータを起動する制御手順を説明するフローチャートである。図６は、本発明の実施の形態３による系統連系形インバータを備えた太陽光発電システムを示すシステム図である。

　以下に、本発明にかかる系統連系形インバータの実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
　図１は、本発明の実施の形態１による系統連系形インバータを備えた太陽光発電システムのシステム構成図である。図１において、太陽光発電システム１ａは、太陽電池２と、この実施の形態１による系統連系形インバータ３ａとで構成される。

　太陽電池２は、複数の太陽電池モジュールで構成され、日射量に応じて直流電力を発生する。系統連系形インバータ３ａには、太陽電池２の正極出力端および負極出力端がそれぞれ接続される正極入力端子４および負極入力端子５と、商用電力系統（配電系統）６の２線にそれぞれ接続される系統出力端子７，８とが設けられている。

　この実施の形態１による系統連系形インバータ３ａは、降圧コンバータを用いる系統連系形インバータにおいて、商用電力系統６に連系させるか否かの起動制御を行う構成を備えたものである。降圧コンバータを用いる系統連系形インバータは、正極入力端子４および負極入力端子５から系統出力端子７，８側に向かって、平滑用コンデンサ９，降圧コンバータ１０，平滑用コンデンサ１１，インバータ回路１２および出力リレー１３がこの順に配置されている。

　接続関係等を示す。降圧コンバータ１０は、ダイオードが逆並列に接続されたスイッチ素子２１と、ダイオード２２と、リアクトル２３とで構成される。なお、スイッチ素子２１には、図１ではＩＧＢＴを用いている。スイッチ素子２１のコレクタ端子は降圧コンバータ１０の入力端子であり、正極入力端子４に接続されている。スイッチ素子２１のエミッタ端子はダイオード２２のカソード端子とリアクトル２３の一端とに接続されている。ダイオード２２のアノード端子は、負極入力端子５とインバータ回路１２の負極入力端との接続ラインに接続されている。リアクトル２３の他端は、降圧コンバータ１０の出力端子であり、インバータ回路１２の正極入力端に接続されている。スイッチ素子２１のゲート端子には、系統に連系するまでの期間においてゲートパルス発生器２０ａが、ゲートパルス演算器１９ａから入力されるゲートパルス幅に基づいて発生するゲートパルス信号が印加される。

　平滑用コンデンサ９は、正極入力端子４と降圧コンバータ１０との間における、正極入力端子４とスイッチ素子２１のコレクタ端子との接続ラインと、負極入力端子５とインバータ回路１２の負極入力端との接続ラインとの間に接続され、太陽電池２から降圧コンバータ１０に入力される直流電圧を平滑する。

　平滑用コンデンサ１１は、降圧コンバータ１０とインバータ回路１２との間における、リアクトル２３の他端とインバータ回路１２の正極入力端との接続ラインと、負極入力端子５とインバータ回路１２の負極入力端との接続ラインとの間に接続され、降圧コンバータ１０の出力電圧を平滑してインバータ回路１２の直流入力電圧を形成する。

　インバータ回路１２は、起動電力判定部１８が連系開始指示を出力するまでは、変換動作を行わず停止（待機）状態にある。起動電力判定部１８が連系開始指示を出力すると、平滑用コンデンサ１１の充電電圧を交流電圧に変換する動作を開始する。インバータ回路１２の交流出力端は、出力リレー１３を介して系統出力端子７，８に接続されている。

　出力リレー１３は、起動電力判定部１８が連系開始指示を出力するまでは、開路状態に制御され、起動電力判定部１８が連系開始指示を出力すると、閉路状態に制御されてインバータ回路１２の交流出力端を商用電力系統６に接続する。

　さて、このような降圧型系統連系形インバータを商用電力系統６に連系させるか否かの起動制御を行う構成として、電流検出器１４と、電圧検出器１５，１６と、電力演算器１７と、起動電力判定部１８と、ゲートパルス演算器１９ａと、ゲートパルス発生器２０ａとを備えている。ここで、電流検出器１４、電圧検出器１５および電力演算器１７は、全体として、電力検出手段を構成している。ゲートパルス演算器１９ａおよびゲートパルス発生器２０ａは、全体として連系前コンバータ制御手段を構成している。また、起動電力判定部１８は、安定動作点検索手段と連系可否判定手段とを構成している。電圧検出器１６は、充電電圧検出器を構成している。

　電圧検出器１５は、正極入力端子４と降圧コンバータ１０との間において、一方の検出端が正極入力端子４とスイッチ素子２１のコレクタ端子との接続ラインに接続され、他方の検出端が負極入力端子５とインバータ回路１２の負極入力端との接続ラインに接続され、太陽電池２の出力電圧を検出する。電圧検出器１５にて検出された太陽電池２の出力電圧は、電力演算器１７に入力される。

　電流検出器１４の検出端は、例えば負極入力端子５と降圧コンバータ１０との間において負極入力端子５とインバータ回路１２の負極入力端との接続ラインに接続されている。電流検出器１４にて検出された太陽電池２の出力電流は、電力演算器１７に入力される。

　電力演算器１７は、電圧検出器１５が検出した太陽電池２の出力電圧と、電流検出器１４が検出した太陽電池２の出力電流とを乗算して太陽電池２の出力電力を求め、起動電力判定部１８に出力する。

　電圧検出器１６は、一方の検出端が平滑用コンデンサ１１の正極端とインバータ回路１２の正極入力端との接続ラインに接続され、他方の検出端が平滑用コンデンサ１１の負極端とインバータ回路１２の負極入力端との接続ラインに接続され、インバータ回路１２の直流入力電圧である平滑コンデンサ１１の充電電圧を検出する。電圧検出器１６にて検出された平滑コンデンサ１１の充電電圧（以降、単に「コンデンサ充電電圧」と記す）は、ゲートパルス演算器１９ａに入力される。

　ゲートパルス演算器１９ａは、系統への連系可否を決める起動判定の期間において、太陽電池２から所定の電力を出力させるために必要なスイッチ素子２１をオンさせる時間幅であるゲートパルス幅を、電圧検出器１５にて検出された太陽電池出力電圧と、電圧検出器１６にて検出されたコンデンサ充電電圧とに基づき演算し、それをゲートパルス発生器２０ａに出力する。ゲートパルス演算器１９ａは、起動電力判定部１８から動作点が安定した旨の通知が入力するまで、ゲートパルス幅の演算を繰り返し行う。ゲートパルス発生器２０ａは、指定されたゲートパルス幅に基づきスイッチ素子２１をオンさせるゲートパルス信号を発生する。

　ゲートパルス演算器１９ａは、具体的には次のようにしてゲートパルス幅を演算する。系統への連系可否を決める起動判定の期間では、インバータ回路１２を停止させた状態で太陽電池２の発電量の多寡を判定するのであるから、降圧コンバータ９の降圧動作が問題となるのではない。したがって、降圧コンバータ９のスイッチング周波数ｆは、一定でも可変でもよいが、説明の便宜からここでは一定値であるとする。

　スイッチ素子２１がオンしている期間にリアクトル２３に流れる負荷電流（充電電流）は、太陽電池２の発電量を反映している。リアクトル２３のインダクタンスＬは固定値であるから、平滑用コンデンサ１１の充電電力Ｐ［Ｗ］を所定値として指定すれば、太陽電池２から平滑用コンデンサ１１へ電力Ｐ［Ｗ］だけ充電させるために必要なスイッチ素子２１のゲートパルス幅Ｄは、電圧検出器１５が検出した太陽電池２の出力電圧Ｖｓと、電圧検出器１６が検出したコンデンサ充電電圧Ｖｓ２とによって決まる。

　すなわち、スイッチ素子２１をゲートパルス幅Ｄにてオン動作させたときにリアクトル２３に流れる負荷電流Ｉ_Ｌは、式（１）で表される。
　　　Ｉ_Ｌ＝（Ｖｓ－Ｖｃ２）＊Ｄ／Ｌ／ｆ　　・・・（１）
　また、式（１）に示す負荷電流Ｉ_Ｌがリアクトル２３に流れる場合、太陽電池２から平滑用コンデンサ１１への充電電力Ｐ［Ｗ］は、
　　　Ｐ＝Ｌ＊Ｉ_Ｌ ^２＊ｆ／２　　・・・（２）
となる。したがって、式（１）（２）から、太陽電池２から平滑用コンデンサ１１へ電力Ｐ［Ｗ］だけ充電させるために必要なスイッチ素子２１のゲートパルス幅Ｄは、
　　　Ｄ＝（√（２＊Ｐ＊Ｌ＊ｆ））／（Ｖｓ－Ｖｃ２）　　・・・（３）
と求められる。なお、太陽電池２から平滑用コンデンサ１１への充電電力Ｐ［Ｗ］は、太陽電池２の出力電力と同値である。

　ここで、式（３）における充電電力（つまりインバータ回路１２の入力電力）Ｐ［Ｗ］は、次にように定めている。系統連系形インバータ３ａは、太陽電池２の発電電力で動作しているので、式（３）における充電電力Ｐ［Ｗ］は、系統連系形インバータ３ａが安定して運転可能になるために必要な太陽電池出力電力の最低値に定めている。その最低値をＰｏｋ［Ｗ］とする。最低値Ｐｏｋ［Ｗ］としては、説明の便宜から、例えば４０Ｗとする。

　次に、起動電力判定部１８は、入力段に安定判別部が設けられ、出力段に起動判定部が設けられている。
　安定判別部は、ゲートパルス演算器１９ａが演算したゲートパルス幅でスイッチ素子２１がオンしている期間における太陽電池２の動作点の安定判別を、例えば、（１）太陽電池２の出力電力に基づき、または、（２）ゲートパルス幅を繰り返し制御する時間に基づき行う。安定判別部は、安定判別の結果をゲートパルス演算器１９ａに通知する。ゲートパルス演算器１９ａは、この安定判別の結果の内容に従ってゲートパルス幅演算を繰り返すか中止するかを決定する。

（１）太陽電池２の出力電力に基づく安定判別方法：
　太陽電池２の出力電力が４０Ｗ以上の場合は出力電力が４０Ｗとなる動作点にて安定するため、電力演算器１７から入力される太陽電池出力電力の変化幅が規定範囲内に収まっている否かによって行う。また、太陽電池２の出力電力が４０Ｗ未満の場合は出力電力が４０Ｗとなる動作点がないため、ゲートパルス幅は増加し続け太陽電池２は短絡状態となり太陽電池２の出力電力がゼロとなる。スイッチ素子２１を演算したゲートパルス幅にて駆動させているにもかかわらず、太陽電池２の発電電力がゼロとなった場合は動作点が安定したと判断する。

（２）ゲートパルス幅を繰り返し制御する時間に基づく安定判別方法：
　一定時間スイッチ素子２１を演算されたゲートパルス幅にて駆動すると、太陽電池２の出力電力が４０Ｗ以上の場合は４０Ｗに安定し、太陽電池２の出力電力が４０Ｗ未満の場合は太陽電池２の出力電力が０Ｗとなるので、安定判別をゲートパルス幅を繰り返し制御する時間によって行うことも可能である。設定時間は十分長い時間に設定することも可能であるが、太陽電池２の出力電力が４０Ｗ以上の場合に４０Ｗに安定するまでの時間以上に設定しておけばよく、太陽電池２の出力電力が４０Ｗ未満の場合においては設定された時間内に太陽電池２の出力電力が４０Ｗを越えることはないので、太陽電池２の出力電力が０Ｗとなるまでの時間に設定する必要はない。

　起動判定部は、安定判別部からの安定判別の結果が、太陽電池２の動作点が安定していることを示すとき、電力演算器１７から入力される太陽電池出力電力が判定電力（所定の起動可能電力）を超えるか否かを判定し、少なくとも太陽電池出力電力が判定電力と等しい場合に、系統連系形インバータ３ａの図示しない制御部に系統連系を開始させる指示を出力する。

　起動判定部は、判定電力として「Ｐｏｋ－α（＝４０－α）」が予め設定されている。なお、αは、式（３）を適用して求めたゲートパルス幅Ｄで降圧コンバータ１０のスイッチ素子２１を駆動しても、リアクトル２３のインダクタンス値や電圧検出器１５，１６の検出精度によっては、太陽電池２が最低電力４０Ｗを出力できない場合があることを見込んだ出力誤差分である。

　次に、図２と図３を参照して系統連系を行う制御動作について説明する。図２は、図１に示す系統連系形インバータを起動する制御手順を説明するフローチャートである。図３は、太陽電池の動作点と発電電力との関係を説明する図である。なお、図３（１）は、太陽電池の発電量が十分である場合を示し、図３（２）は、太陽電池の発電量が十分でない場合を示す。図３において、横軸は太陽電池出力電圧Ｖ、縦軸は太陽電池出力電力Ｐである。また、図２での説明では、処理手順を示す「ステップ」は単に「ＳＴ」と略記する。

　図２において、ゲートパルス演算器１９ａは、電圧検出器１５が検出した太陽電池２の出力電圧と電圧検出器１６が検出した平滑用コンデンサ１１の充電電圧とを読み取り（ＳＴ１）、それを式（３）に適用してゲートパルス幅Ｄを演算する（ＳＴ２）。

　ゲートパルス発生器２０ａは、ゲートパルス演算器１９ａからゲートパルス幅Ｄが入力されると、スイッチ素子２１を該ゲートパルス幅Ｄの期間内オンさせるゲートパルス信号を発生し、降圧コンバータ１０を駆動する（ＳＴ３）。

　これによって、リアクトル２３に所定の充電電流が流れ、平滑用コンデンサ１１が所定電力で充電される。太陽電池出力電力の変化が電力演算器１７にて検出され、起動電力判定部１８に入力される。起動電力判定部１８は、電力演算器１７から入力される太陽電池出力電力の変化幅が所定範囲内に収まっているか否か、または太陽電池の発電電力が０Ｗであるか否かにより、動作点の安定判別を行う（ＳＴ４）。

　ＳＴ４において、起動電力判定部１８は、太陽電池出力電力の変化幅が所定範囲内に収まっていない場合は、動作点は安定していないと判定し（ＳＴ４：Ｎｏ）、その旨をゲートパルス演算器１９ａに通知する。ＳＴ１～ＳＴ４の処理動作が再度実行される。つまりゲートパルス演算器１９ａは、起動電力判定部１８から動作点が安定していない旨の通知を受けて、次のゲートパルス幅Ｄを演算する。ＳＴ１～ＳＴ４の繰り返し過程では、式（３）における充電電力Ｐは、４０Ｗの一定値であるが、太陽電池出力電圧Ｖｓおよびコンデンサ充電電圧Ｖｃ２が変化するので、次のゲートパルス幅Ｄは変化する。したがって、太陽電池２の動作点は、図３に示すように変化する。

　起動電力判定部１８は、ＳＴ１～ＳＴ４の繰り返し過程でのＳＴ４において、太陽電池２の動作点が安定していると判定した場合は（ＳＴ４：Ｙｅｓ）、ゲートパルス演算器１９ａに動作点が安定している旨を通知し、電力演算器１７から入力される太陽電池出力電力と判定電力Ｐｏｋ－α（＝４０－α）とを比較し、大小関係を調べる（ＳＴ５）。ゲートパルス演算器１９ａは、起動電力判定部１８から動作点が安定した旨の通知を受けて演算動作を中止する。

　ＳＴ５において、太陽電池出力電力が判定電力Ｐｏｋ－αと等しい場合、或いは、超える場合は（ＳＴ５；Ｙｅｓ）、起動電力判定部１８は、起動ＯＫと判定し（ＳＴ７）、系統連系を開始させる指示を図示しない制御部に出力し（ＳＴ７）、本手順を終了する。

　図示しない制御部は、系統連系開始指示が入力されると、ゲートパルス発生器２０ａに系統連系時の動作への切り替えを指示し、インバータ回路１２に変換動作を開始させ、出力リレー１３に閉路させる。これによって、インバータ回路１２の出力端が系統出力端子７，８に接続され、商用電力系統６への電力供給が開始される。ゲートパルス発生器２０ａは、降圧コンバータ１０に降圧動作を行わせる場合は、スイッチ素子２１に降圧動作用のスイッチング周波数およびデューティーによるゲートパルス信号を印加する。また、ゲートパルス発生器２０ａは、降圧コンバータ１０にバイパス動作を行わせる場合は、スイッチ素子２１に常時オンさせるゲートパルス信号を印加する。

　一方、ＳＴ５において、太陽電池出力電力が判定電力Ｐｏｋ－αよりも小さい場合は（ＳＴ５：Ｎｏ）、起動電力判定部１８は、発電電力不足と判定し（ＳＴ８）、所定時間待機した後にゲートパルス演算器１９ａに演算動作開始指示を出力する（ＳＴ９）。すなわち、ＳＴ１以降の処理が再度実行される。

　次に、図３を参照して、太陽電池２の動作点の遷移について説明する。
　図３において、動作点ａ，ｄは、降圧コンバータ１０のスイッチ素子２１がオフしている停止状態での動作点である。このときに電圧検出器１５が検出した太陽電池２の出力電圧は太陽電池２の無負荷時電圧である。太陽電池２の出力電力はゼロである。電圧検出器１６の検出電圧は、平滑用コンデンサ１１に前回の充電電圧が残っていなければゼロである。

　まず、この状態において、ゲートパルス演算器１９ａがゲートパルス幅Ｄを演算し、降圧コンバータ１０のスイッチ素子２１がゲートパルス幅Ｄの期間内オンすることを開始する。負荷電流である平滑用コンデンサ１１への充電電流が流れ、太陽電池２の出力電圧が無負荷時電圧から低下することにより、太陽電池２の動作点が動作点ｂ，ｅへ遷移する。

　動作点ｂ，ｅにおける安定判別の結果、安定していないと判定されると、ゲートパルス演算器１９ａが再度ゲートパルス幅Ｄを演算し、降圧コンバータ１０のスイッチ素子２１が新ゲートパルス幅Ｄの期間内オンすることを開始する。そうすると、太陽電池２の動作点が次の動作点へ遷移し、安定判別が行われる。太陽電池２の動作点が安定した動作点（判定時の動作点ｃ、ｆ）に遷移するまで、以上の動作が繰り返される。動作点ｂ，ｅは、判定中の動作点の一例である。

　発電量が最低値Ｐｏｋ（４０Ｗ）以上である図３（１）において安定した動作点ｃでの太陽電池出力電力は、判定電力４０－αと等しいので、起動ＯＫと判定される。これに対し、発電量が最低値Ｐｏｋ（４０Ｗ）以下である図３（２）において安定と判断された動作点ｆでの太陽電池出力電力は０Ｗであり、判定電力４０－αに達していないので、発電電力不足と判定される。

　このように、実施の形態１によれば、太陽電池の出力電力を、コンデンサの充電電圧から演算するのではなく、直接検出し、降圧コンバータのスイッチ素子のオン時間幅を規定するゲートパルス幅を変化させて安定した太陽電池の動作点を見つけ出し、動作点が安定したときの出力電力を用いて起動可否の判定を行うので、起動判定開始までの待機時間が短くなり、日射量の影響を受けずに低日射でも短時間にしかも高い精度で起動判定を行うことができる。

実施の形態２．
　図４は、本発明の実施の形態２による系統連系形インバータを備えた太陽光発電システムのシステム構成図である。なお、図４では、図１（実施の形態１）に示した構成要素と同一ないしは同等である構成要素には同一の符号が付されている。ここでは、この実施の形態２に関わる部分を中心に説明する。

　図４において、この実施の形態２による系統連系形インバータ３ｂは、図１（実施の形態１）に示した構成において、降圧コンバータ１０に代えて昇圧コンバータ２５が設けられ、ゲートパルス演算器１９ａに代えてゲートパルス演算器１９ｂが設けられ、電圧検出器１６は削除されている。その他は、図１と同じ構成である。

　昇圧コンバータ２５は、リアクトル２３と、ダイオードが逆並列接続されたスイッチ素子２７と、逆流阻止用のダイオード２８とで構成される。なお、スイッチ素子２７には、図４ではＮＭＯＳトランジスタを用いているが、ＩＧＢＴでもよい。

　リアクトル２３の一端は、昇圧コンバータ２５の入力端子であり、正極入力端子４に接続されている。リアクトル２３の他端は、スイッチ素子２７のドレイン端子とダイオード２８のアノード端子とに接続されている。ダイオード２８のカソード端子は、昇圧コンバータ２５の出力端子であり、インバータ回路１２の正極入力端に接続されている。スイッチ素子２７のソース端子は、負極入力端子５とインバータ回路１２の負極入力端との接続ラインに接続されている。

　この昇圧コンバータ２５を用いる系統連系形インバータ３ｂでも、系統への連系可否を決める起動判定の期間では、実施の形態１と同様に、昇圧コンバータ２５のスイッチング周波数ｆは、一定でも可変でもよいが、説明の便宜からここでは一定値であるとする。昇圧コンバータ２５では、スイッチ素子２７がオンしている期間に、平滑用コンデンサ１１に所望の電力を充電させる充電電流がリアクトル２３に流れる。

　そこで、ゲートパルス演算器１９ｂは、系統への連系可否を決める起動判定の期間において、太陽電池２から所定の電力を出力させるために必要なスイッチ素子２７をオンさせる時間幅であるゲートパルス幅を、電圧検出器１５にて検出された太陽電池出力電圧に基づいて演算し、それをゲートパルス発生器２０ａに出力する。ゲートパルス演算器１９ｂは、起動電力判定部１８から動作点が安定した旨の通知が入力するまで、ゲートパルス幅の演算を繰り返し行う。ゲートパルス発生器２０ａは、指定されたゲートパルス幅に基づきスイッチ素子２７をオンさせるゲートパルス信号を発生する。

　ゲートパルス演算器１９ａは、具体的には次のようにしてゲートパルス幅を演算する。リアクトル２３のインダクタンスＬは固定値であるから、平滑用コンデンサ１１の充電電力Ｐ［Ｗ］を所定値として指定すれば、太陽電池２から平滑用コンデンサ１１へ電力Ｐ［Ｗ］だけ充電させるために必要なスイッチ素子２７のゲートパルス幅Ｄは、電圧検出器１５が検出した太陽電池２の出力電圧Ｖｓによって決まる。

　すなわち、スイッチ素子２７をゲートパルス幅Ｄにてオン動作させたときにリアクトル２３に流れる負荷電流Ｉ_Ｌは、式（４）で表される。
　　　Ｉ_Ｌ＝Ｖｓ＊Ｄ／Ｌ／ｆ　　・・・（４）
　また、式（４）に示す負荷電流Ｉ_Ｌがリアクトル２３に流れる場合、太陽電池２から平滑用コンデンサ１１への充電電力Ｐ［Ｗ］は、
　　　Ｐ＝Ｌ＊Ｉ_Ｌ ^２＊ｆ／２　　・・・（５）
となる。したがって、式（４）（５）から、太陽電池２から平滑用コンデンサ１１へ電力Ｐ［Ｗ］だけ充電させるために必要なスイッチ素子２７のゲートパルス幅Ｄは、
　　　Ｄ＝（√（２＊Ｐ＊Ｌ＊ｆ））／Ｖｓ　　・・・（６）
と求められる。なお、太陽電池２から平滑用コンデンサ１１への充電電力Ｐ［Ｗ］は、太陽電池２の出力電力と同値である。

　ここで、式（６）における充電電力（つまりインバータ回路１２の入力電力）Ｐ［Ｗ］は、実施の形態１と同様に、系統連系形インバータ３ｂが安定して運転可能になるために必要な太陽電池出力電力の最低値Ｐｏｋ［Ｗ］に定めている。起動電力判定部１８に有する判定電力は、Ｐｏｋ－αである。

　次に、図５は、図４に示す系統連系形インバータを起動する制御手順を説明するフローチャートである。図５では、図２におけるＳＴ１～ＳＴ３がＳＴ１１～ＳＴ１３となっている。その他は、図２と同様である。

　図５において、ゲートパルス演算器１９ｂは、電圧検出器１５が検出した太陽電池２の出力電圧を読み取り（ＳＴ１１）、それを式（６）に適用してゲートパルス幅Ｄを演算する（ＳＴ１２）。

　ゲートパルス発生器２０ａは、ゲートパルス演算器１９ｂからゲートパルス幅Ｄが入力されると、スイッチ素子２７を該ゲートパルス幅Ｄの期間内オンさせるゲートパルス信号を発生し、昇圧コンバータ２５を駆動する（ＳＴ１３）。

　これによって、リアクトル２３に式（４）で示される充電電流Ｉ_Ｌが流れ、式（５）で示される判定対象の充電電力Ｐが電力演算器１７にて検出され、起動電力判定部１８に入力される。起動電力判定部１８は、電力演算器１７から入力される太陽電池出力電力の変化幅が所定範囲内に収まっているか否か、または太陽電池の発電電力が０Ｗであるか否かにより、動作点の安定判別を行う（ＳＴ４）。以降、実施の形態１と同様の処理が行われる。

　系統連系開始の指示が出力されると（ＳＴ７）、ゲートパルス発生器２０ａは、昇圧コンバータ２５に昇圧動作とバイパス動作とを行わせるゲートパルス信号を発生する動作に切り替わる。昇圧動作時はスイッチ素子２７に昇圧動作用のスイッチング周波数およびデューティーによるゲートパルス信号が印加される。バイパス動作時は、スイッチ素子２７に常時オフさせるゲートパルス信号が印加される。

　この実施の形態２によれば、コンバータが昇圧コンバータである場合も、実施の形態１と同様の作用・効果が得られる。

実施の形態３．
　図６は、本発明の実施の形態３による系統連系形インバータを備えた太陽光発電システムを示すシステム図である。なお、図６では、図４（実施の形態２）に示した構成要素と同一ないしは同等である構成要素には同一の符号が付されている。ここでは、この実施の形態３に関わる部分を中心に説明する。

　図６において、この実施の形態３による系統連系形インバータ３ｃは、図４（実施の形態２）に示した構成において、昇圧コンバータ２５に代えて昇降圧コンバータ３０が設けられ、ゲートパルス発生器２０ａに代えてゲートパルス発生器２０ｂが設けられている。その他の構成は図４と同様である。

　昇降圧コンバータ３０は、ダイオードが逆並列に接続されたスイッチ素子２１，２７とリアクトル２３とダイオード２２，２８とで構成されている。スイッチ素子２１、リアクトル２３およびダイオード２２は降圧回路を構成し、リアクトル２３、スイッチ素子２７およびダイオード２８は昇圧回路を構成している。

　スイッチ素子２１のコレクタ端子は昇降圧コンバータ３０の入力端子であり、正極入力端子４に接続されている。スイッチ素子２１のエミッタ端子はダイオード２３のカソード端子とリアクトル２３の一端とに接続されている。ダイオード２３のアノード端子は、負極入力端子５とインバータ回路１２の負極入力端との接続ラインに接続されている。

　リアクトル２３の他端は、スイッチ素子２７のドレイン端子とダイオード２８のアノード端子とに接続され、スイッチ素子２７のソース端子は負極入力端子５とインバータ回路１２の負極入力端との接続ラインに接続されている。ダイオード２８のカソード端子は昇降圧コンバータ３０の出力端子であり、インバータ回路１２の正極入力端に接続されている。

　この実施の形態３では、系統連系前において系統への連系可否を決める起動判定を行うのであるから、昇降圧コンバータ３０の２つのスイッチ素子２１，２７は、ゲートパルス発生器２０ｂから同一のゲートパルス信号が印加され、ゲートパルス演算器１９ｂが式（６）を用いて演算したゲートパルス幅Ｄの期間内同時にオン動作するように制御される。

　これによって、降圧回路と昇圧回路で共用されるリアクトル２３に式（４）で示される充電電流Ｉ_Ｌが流れ、式（５）で示される判定対象の充電電力Ｐが電力演算器１７にて検出され、起動電力判定部１８にて起動可否の判定が行えることになる。

　この実施の形態３による系統連系形インバータ３ｃを起動する制御手順を説明するフローチャートは、図示を省略したが、図５において、ＳＴ１３での処理が「昇降圧コンバータ３０を２つのスイッチ素子２１，２７に同一のゲートパルス信号を印加して駆動」となる点が異なるだけである。

　図５において、系統連系開始の指示が出力されると（ＳＴ７）、ゲートパルス発生器２０ｂは、昇降圧コンバータ３０に必要とされる動作（降圧動作、昇圧動作、バイパス動作）に応じて、スイッチ素子２１とスイッチ素子２７とに別々にゲートパルス信号を印加する動作に切り替わる。

　すなわち、ゲートパルス発生器２０ｂは、昇降圧コンバータ３０に降圧動作を行わせる場合、スイッチ素子２１には降圧動作用のスイッチング周波数およびデューティーによるゲートパルス信号を印加し、スイッチ素子２７には常時オフさせるゲートパルス信号を印加する。また、昇降圧コンバータ３０に昇圧動作を行わせる場合、スイッチ素子２１には常時オンさせるゲートパルス信号を印加し、スイッチ素子２７には昇圧動作用のスイッチング周波数およびデューティーによるゲートパルス信号を印加する。また、昇降圧コンバータ３０にバイパス動作を行わせる場合、スイッチ素子２１には常時オンさせるゲートパルス信号を印加し、スイッチ素子２７には常時オフさせるゲートパルス信号を印加する。

　この実施の形態３によれば、コンバータが昇降圧コンバータである場合も、実施の形態１と同様の作用・効果が得られる。

　以上のように、本発明にかかる系統連系形インバータは、太陽光発電システムにおいて起動判定開始までの待機時間が短く、日射量の影響を受けずに短時間にしかも高い精度で起動可否の判定が行える系統連系形インバータとして有用である。

　１ａ，１ｂ，１ｃ　太陽光発電システム
　２　太陽電池
　３ａ，３ｂ，３ｃ　系統連系形インバータ
　６　商用電力系統
　９，１１　平滑用コンデンサ
　１０　降圧コンバータ
　１２　インバータ回路
　１３　出力リレー
　１４　電流検出器
　１５，１６　電圧検出器
　１７　電力演算器
　１８　起動電力判定部
　１９ａ，１９ｂ　ゲートパルス演算演算器
　２０ａ，２０ｂ　ゲートパルス発生器
　２１，２７　スイッチ素子
　２５　昇圧コンバータ
　３０　昇降圧コンバータ

Claims

　太陽電池が出力する直流電圧を所望の直流電圧へ降圧する降圧コンバータと、前記降圧コンバータの出力電圧を平滑するコンデンサと、入力直流電圧である前記コンデンサの充電電圧を交流電圧へ変換するインバータ回路と、前記インバータ回路の出力端と商用電力系統との接続路を開閉する出力リレーとを備えている系統連系形インバータにおいて、
　前記太陽電池の出力電圧と出力電流とを検出して出力電力を求める電力検出手段と、
　前記コンデンサの充電電圧を検出する充電電圧検出器と、
　前記インバータ回路を動作停止させて前記出力リレーを開路させている系統連系前に、前記電力検出手段にて検出された太陽電池出力電圧と前記充電電圧検出器の検出電圧とに基づき、前記降圧コンバータのスイッチ素子をオンさせる時間幅を、前記太陽電池に所定電力を出力させるように制御する連系前コンバータ制御手段と、
　前記連系前コンバータ制御手段が前記スイッチ素子をオンさせている期間において前記太陽電池の動作点の安定判別を行い、動作点が安定するまで、前記連系前コンバータ制御手段に前記スイッチ素子のオン時間幅を繰り返し制御させる安定動作点検索手段と、
　予め定めた判定電力と前記安定動作点検索手段が安定した動作点を検出したときにおける前記電力検出手段が求めた太陽電池出力電力とを比較し、太陽電池出力電力が少なくとも前記判定電力と等しいとき、前記商用電力系統との連系を開始させる指示を出力する連系可否判定手段と
　を備えたことを特徴とする系統連系形インバータ。
　前記安定動作点検索手段は、
　前記太陽電池の動作点の安定判別を前記電力検出手段が求めた太陽電池出力電力に基づいて行う
　ことを特徴とする請求項１に記載の系統連系形インバータ。
　前記安定動作点検索手段は、
　前記太陽電池の動作点の安定判別を前記連系前コンバータ制御手段に前記スイッチ素子のオン時間幅を繰り返し制御させる時間によって判断する
　ことを特徴とする請求項１に記載の系統連系形インバータ。
　太陽電池が出力する直流電圧を所望の直流電圧へ昇圧する昇圧コンバータと、前記昇圧コンバータの出力電圧を平滑するコンデンサと、入力直流電圧である前記コンデンサの充電電圧を交流電圧に変換するインバータ回路と、前記インバータ回路の出力端と商用電力系統との接続路を開閉する出力リレーとを備えている系統連系形インバータにおいて、
　前記太陽電池の出力電圧と出力電流とを検出して出力電力を求める電力検出手段と、
　前記インバータ回路を動作停止させて前記出力リレーを開路させている系統連系前に、前記電力検出手段にて検出された太陽電池出力電圧に基づき、前記昇圧コンバータのスイッチ素子をオンさせる時間幅を、前記太陽電池に所定電力を出力させるように制御する連系前コンバータ制御手段と、
　前記連系前コンバータ制御手段が前記スイッチ素子をオンさせている期間において前記太陽電池の動作点の安定判別を行い、動作点が安定するまで、前記連系前コンバータ制御手段に前記スイッチ素子のオン時間幅を繰り返し制御させる安定動作点検索手段と、
　予め定めた判定電力と前記安定動作点検索手段が安定した動作点を検出したときにおける前記電力検出手段が求めた太陽電池出力電力とを比較し、太陽電池出力電力が少なくとも前記判定電力と等しいとき、前記商用電力系統との連系を開始させる指示を出力する連系可否判定手段と
　を備えたことを特徴とする系統連系形インバータ。
　前記安定動作点検索手段は、
　前記太陽電池の動作点の安定判別を前記電力検出手段が求めた太陽電池出力電力に基づいて行う
　ことを特徴とする請求項４に記載の系統連系形インバータ。
　前記安定動作点検索手段は、
　前記太陽電池の動作点の安定判別を前記連系前コンバータ制御手段に前記スイッチ素子のオン時間幅を繰り返し制御させる時間によって判断する
　ことを特徴とする請求項４に記載の系統連系形インバータ。
　太陽電池が出力する直流電圧を所望の直流電圧へ昇降圧する昇降圧コンバータと、前記昇降圧コンバータの出力電圧を平滑するコンデンサと、入力直流電圧である前記コンデンサの充電電圧を交流電圧に変換するインバータ回路と、前記インバータ回路の出力端と商用電力系統との接続路を開閉する出力リレーとを備えている系統連系形インバータにおいて、
　前記太陽電池の出力電圧と出力電流とを検出して出力電力を求める電力検出手段と、
　前記インバータ回路を動作停止させて前記出力リレーを開路させている系統連系前に、前記電力検出手段にて検出された太陽電池出力電圧に基づき、前記昇降圧コンバータの２つのスイッチ素子を同時にオンさせる時間幅を、前記太陽電池に所定電力を出力させるように制御する連系前コンバータ制御手段と、
　前記連系前コンバータ制御手段が前記２つのスイッチ素子を同時にオンさせている期間において前記太陽電池の動作点の安定判別を行い、動作点が安定するまで、前記連系前コンバータ制御手段に前記２つのスイッチ素子を同時にオンさせる時間幅を繰り返し制御させる安定動作点検索手段と、
　予め定めた判定電力と前記安定動作点検索手段が安定した動作点を検出したときにおける前記電力検出手段が求めた太陽電池出力電力とを比較し、太陽電池出力電力が少なくとも前記判定電力と等しいとき、前記商用電力系統との連系を開始させる指示を出力する連系可否判定手段と
　を備えたことを特徴とする系統連系形インバータ。
　前記安定動作点検索手段は、
　前記太陽電池の動作点の安定判別を前記電力検出手段が求めた太陽電池出力電力に基づいてを行う
　ことを特徴とする請求項７に記載の系統連系形インバータ。
　前記安定動作点検索手段は、
　前記太陽電池の動作点の安定判別を前記連系前コンバータ制御手段に前記スイッチ素子のオン時間幅を繰り返し制御させる時間によって判断する
　ことを特徴とする請求項７に記載の系統連系形インバータ。