JP2008199808A

JP2008199808A - 系統連系インバータ装置

Info

Publication number: JP2008199808A
Application number: JP2007033170A
Authority: JP
Inventors: Shinichiro Sumiyoshi; 眞一郎住吉
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2007-02-14
Filing date: 2007-02-14
Publication date: 2008-08-28

Abstract

【課題】共振回路を有する第１インバータの動作条件を一つとし、入力電圧変化や出力電力などの動作範囲において第２インバータに一定の電圧を供給することが可能な高効率の系統連系インバータ装置を提供する。
【解決手段】一定の動作条件で昇圧動作を行う第１インバータ１２と、第１インバータ１２の出力を系統電圧の最大値以上の直流電圧まで降圧するコンバータ１７とを高周波トランス１１を介して直列に接続し、出力直流電圧が一定値となるようにコンバータ１７を動作させる系統連系インバータ装置とするものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池または太陽電池などの直流電力を商用周波数の交流電力に変換して系統に電力を注入する系統連系インバータ装置に関するものである。

従来、この種の系統連系インバータ装置としては、特許文献１に示されているようなものが知られている。図９は、従来使用している系統連系インバータ装置の構成を示すブロック図であり、例えば直流電圧を分割する２個以上の分圧コンデンサ７と、１次側に中間端子を有する高周波トランス１と、２個のスイッチング素子を直列接続したアームが２個からなるフルブリッジ構成の第１インバータ２と、各スイッチング素子のコレクタ−エミッタ間にそれぞれ接続した第１から第４の共振コンデンサ３ａ〜３ｄと、高周波トランス２次側の整流手段４と、出力電流を制御する第２インバータ５とを具備し、分圧コンデンサ７による中間電圧と、高周波トランス１の中間端子とを共振リアクトル８で接続することで、スイッチング素子が各アームの動作に関わらずゼロ電圧スイッチング動作を実現している高効率な系統連系インバータ装置である。

図１０と図１１は動作を説明する波形図である。Ｑ１とＱ４、Ｑ２とＱ３とがそれぞれ１８０度の位相を有して高周波スイッチングすることで、直流入力電源のマイナス側をゼロとしたとき、高周波トランスの１次側（ａ）点電圧はゼロと直流電圧Ｖｉｎとを振幅とする高周波電圧となる。ここで、導通していたスイッチング素子（例えばＱ１、Ｑ４）がターンオフする際にそれぞれのスイッチング素子に並列に接続された共振コンデンサ３ａ、３ｄは充電され、非道通であったスイッチング素子（ここではＱ２、Ｑ３）に並列の共振コンデンサ３ｂ、３ｃは放電されて逆導通ダイオードが導通したところで、電流は直流入力電源に回生される。逆導通ダイオードが導通するタイミングでＱ２、Ｑ３をターンオンすることで、ゼロ電圧スイッチングが行われる。ここでＱ１、Ｑ４が導通する場合とＱ２、Ｑ３が交互に導通する双方の期間において、高周波トランス１の１次側の中間端子には直流入力電圧の１／２の電圧が印加されていることから、分圧コンデンサ７で得られる中間電圧は直流入力電圧の１／２であるため、共振リアクトル８の両端に印加される電圧はゼロとなり、本動作において共振リアクトル８には電流は流れない。一方、出力電力や入力電圧の条件によってはインバータ１２を構成するＱ１（またはＱ２）とＱ４（またはＱ３）が１８０度以外の位相差を有してスイッチングする場合があるが、この時高周波トランス１３の１次側の中間端子以外が共に直流電源の入力電圧またはゼロ電圧となることで、共振リアクトル８の両端には（Ｖｉｎ−１／２Ｖｉｎ）または（０−１／２Ｖｉｎ）が印加されて共振リアクトル８に電流が流れるため、共振コンデンサ３から十分な電荷を引き抜いて、ゼロ電圧スイッチングを維持している。以上の動作により整流手段４から出力されて第２インバータ５に入力される直流電圧は、平均値が系統１６の最大電圧以上の一定値に維持されている。
特開２００６−３０４３８０号公報

しかしながら前記従来の構成では、入力電圧や出力電力に関わらず第１インバータのゼロ電圧スイッチングによる低損失化と整流手段の出力つまり第２インバータの入力を概ね一定電圧とを維持するには、第１インバータを構成する共振リアクトルと２個の分圧コンデンサとが必須であり、さらに動作条件によってはスイッチング素子の周波数可変や位相差を有してスイッチングする必要があるため、低損失化やコスト削減に向けた機器の簡素化は困難であるという課題があった。

本発明は、上記従来の課題を解決するもので、直流電源の出力電圧つまり第１インバータの入力電圧にかかわらず、内部に共振回路を有する第１インバータの動作条件を一つとし、共振コンデンサに対する共振リアクトルによる電流の充放電を不要としつつ、全動作条件において第２インバータに一定の電圧を供給することが可能な高効率の系統連系インバータ装置を提供することを目的とする。

前記目的を達成するために、本発明の系統連系インバータ装置は、一定の動作条件（パルス幅、周波数、位相）で昇圧動作を行う第１インバータと、入力条件によって変化する第１インバータの出力を系統電圧の最大値以上の直流電圧まで降圧するコンバータとを直列に接続して、出力される直流電圧が一定値となるようにコンバータを動作させる系統連系インバータ装置とするものである。

高周波トランスと、共振用コンデンサを接続した第１インバータと、高周波トランス２次側の整流手段から得られる電圧を異なる直流電圧に変換するコンバータとを直列に接続して、第１インバータの入力電圧や出力電力の変化に対して、コンバータを可変パルス幅でスイッチング動作させて直流出力電圧を一定とし、第１インバータを常時ゼロ電圧スイッチング動作とし低損失化を達成する系統連系インバータ装置とすることができる。

第１の発明は、高周波トランスと、前記高周波トランスの１次巻線とコレクターエミッタまたはドレインーソース間に共振用コンデンサを配置した各スイッチング素子のブリッジ出力とを接続した第１インバータと、２次巻線に接続した整流手段と、整流手段の出力電圧を異なる直流電圧に変換するコンバータと、前記コンバータの直流電圧を検知する直流電圧検知手段を有する制御回路と、前記コンバータの出力電圧を商用周波数の交流電力に変換して系統と連系する第２インバータとが直列に接続されるとともに、前記第１インバータを一定のパルス幅でスイッチング動作し、前記コンバータを可変パルス幅でスイッチング動作することで前記直流電圧を一定値に維持する系統連系インバータ装置とすることにより、第１インバータの入力電圧条件によらず、常時高効率な系統連系インバータ装置を実現することができる。

第２の発明は、特に、第１の発明において、整流手段の出力電圧が系統電圧によって決定されるコンバータの出力直流電圧上限値を超える条件の時だけ、コンバータが整流手段の出力を降圧して第２インバータに電圧を供給することで、コンバータのスイッチング動作による損失を最小とする系統連系インバータ装置を実現することができる。

第３の発明は、第１、２のいずれか１つの発明において、系統の最大電圧値に応じて、コンバータの出力目標電圧を可変することで、第２インバータのスイッチング損失の変化が発生しにくいことから、高効率な系統連系インバータ装置を実現することができる。

第４の発明は、高周波トランスの各２次巻線にそれぞれ接続された複数の整流手段で生成された複数の直流電圧を、多入力コンバータが可変デューティで直並列して複数の直流電圧の合計以下の電圧に変換する降圧動作により、第１インバータの広い入力電圧範囲で効率よくスイッチング動作を発生させて第２インバータに電圧を供給することが可能な高効率の系統連系インバータ装置を実現することができる。

第５の発明は、特に、第４の発明において、入力が並列接続された複数の電力変換手段を有する第１インバータと、前記電力変換手段と同数の高周波トランスとを有し、前記電力変換手段が前記高周波トランスの１次巻線に独立で電力を供給することで入力電圧や出力電力の変化に対して、必要な電力変換手段のみがスイッチング動作して高効率運転となる系統連系インバータ装置を実現することができる。

第６の発明は、第４、５のいずれか１つの発明において、多入力コンバータの出力直流電圧が系統電圧最大値以上に設定した上限値を上回った時は、第１インバータを構成する複数の電力変換手段の１台以上を動作停止することで、高周波トランス２次側の直列数を削減した高効率な系統連系インバータ装置を実現することができる。

第７の発明は、第４〜６のいずれか１つの発明において、多入力コンバータ出力の昇圧手段を、コンバータと第２インバータとの間に直列に接続することで、第１インバータの入力電圧が低い場合でも系統電圧最大値以上の電圧を生成して第２インバータに供給する系統連系インバータ装置を実現することができる。

第８の発明は、第４〜７のいずれか１つの発明において、系統の１周期内で多入力コンバータ出力電圧と系統電圧との差が小さくなるよう多入力コンバータの直並列動作を切り換えることで、スイッチング損失とノイズが低減される系統連系インバータ装置を実現することができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、本実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１において、直列接続されたスイッチング素子Ｑ１とＱ２、Ｑ３とＱ４とが第１インバータ１２を構成し、各スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４のコレクタとエミッタ間（またはドレインとソース間）にはゼロ電圧スイッチング用の共振コンデンサ１３ａ〜１３ｄが接続されている。第１インバータ１２の出力は高周波トランス１１の１次側に接続され、その２次側には整流手段１４と、コンバータ１７と、第２インバータ１５とが接続され、系統１８に連系している。

コンバータ１７は、本実施の形態においては、スイッチング素子Ｑ５とダイオードとコイルとで構成されており、スイッチング素子Ｑ５の導通比に比例した出力電圧Ｖ０が得られる構成である。なお、コンバータの構成としては本実施の形態の構成に限らず、入力電圧を降圧することができる構成のものであればよい。

以上のように構成された系統連系インバータ装置について、図２を参照して以下にその動作、作用を説明する。

期間１と期間２において、入力直流電圧から第１インバータ１２をスイッチングすることで生成した高周波電圧のパルス列は、高周波トランス１１の巻線比で２次側に昇圧して出力された後、整流手段１４で直流電圧に変換される。ここで第１インバータ１２は一定の周波数とパルス幅でスイッチングしているために昇圧比が一定となることから、整流手段１４の出力電圧は第１インバータ１２の入力直流電圧に比例して増加する。さらに制御回路１８はコンバータ１７の出力電圧を直流電圧検知手段１９で検知し、得られた値が目標電圧に維持されるように制御回路１８がコンバータ１７をスイッチングすることで、整流手段１４の出力電圧を降圧し、第２インバータ１５に対して適正な入力電圧を供給している。第２インバータ１５は系統電圧の最大値以上の入力直流電圧を、系統１６の交流電圧に同期してパルス幅制御（ＰＷＭ）することにより、力率１運転となる正弦波状の出力電流を生成している。期間３では整流手段１４の出力電圧がコンバータ１７の目標電圧以下であることから、コンバータ１７のドライブ信号を常時オンとして、整流手段１４の出力が直接、第２インバータ１５に供給されるようにしている。

以上のように、本実施の形態において整流手段と第２インバータとの間にコンバータを配置して、直流電源の電圧や出力電力にかかわらず第２インバータへの入力電圧を常時一定電圧に維持することにより、第１インバータの動作条件が固定されることから、常時、ゼロ電圧スイッチングによる装置の高効率と低ノイズを実現することができる。

（実施の形態２）
図３において、図１の回路構成と異なるのは、制御回路１８の中に系統電圧検知手段２０と、直流電圧目標設定手段２１と、ＰＷＭ発生手段２２とを記載した点である。上記以外の構成要素は第１の実施の形態と同等であり、説明を省略する。

以上のように構成された系統連系インバータ装置について図４を参照して以下にその動作、作用を説明する。

第２インバータ１５は、直流入力電圧Ｖｏをスイッチングして高周波の電圧パルス列を生成し、系統１６との電位差によって電流を出力するが、系統電圧は上限と下限でそれぞれ１５％程度変動することを想定する必要があり、コンバータ１７の出力目標電圧Ｖｏ＊＞｜系統電圧の最大値×１１５％｜となり、特に系統電圧が低い時に第２インバータのスイッチング損失が増加する。そこで、系統電圧検知手段２０が検知する系統電圧の最大値とコンバータ１７の出力電圧との差（または比）が、概ね一定となるように直流電圧目標設定手段２１が目標電圧を可変してコンバータ１７を動作させることにより、系統電圧の振幅変化に対して常時、第２インバータ１５のスイッチング損失を最小とする目標電圧を選択している。ここで、制御回路１８内のＰＷＭ発生手段２２は、コンバータ１７を構成するスイッチング素子Ｑ５に所定のパルス幅を与えるために、系統電圧検知手段２０で得られた直流電圧目標設定手段２１より与えられた目標電圧にもとづいてＰＷＭパルスを生成している。

以上のように、本実施の形態において系統の最大電圧値に応じて、コンバータの出力目標電圧を可変することで、第２インバータのスイッチング損失を最小にして、装置の小形化、高効率化を実現することができる。

（実施の形態３）
図５において、図１の回路構成と異なるのは、高周波トランス３１と整流手段３４とが複数で構成され、高周波トランス３１の１次側は第１インバータの出力と並列接続し、複数からなる整流手段３４の出力が多入力コンバータ３７と接続された点である。多入力コンバータ３７は、本実施の形態においては複数のスイッチとコイルで構成されているが、スイッチ動作により入力電圧の平均値に応じて出力電流が変化する構成のものであればよい。上記以外の構成要素は第１の実施の形態と同等であり、説明を省略する。

以上のように構成された系統連系インバータ装置について図５を参照して以下にその動作、作用を説明する。

第１インバータ１２の出力には複数からなる高周波トランス３１の１次巻線が並列に接続され、そのスイッチング動作によって発生した入力電圧を振幅とする高周波の電圧パルス列は、高周波トランス３１の昇圧比に応じて２次巻線に振幅の異なる高周波電圧を発生させた後、整流手段３４は複数の直流電圧を出力する。ここで直流電圧ＶＭ１とＶＭ２は、内部に複数のスイッチを有する多入力コンバータ３７に入力されて、（ＶＭ１またはＶＭ２）と（ＶＭ１＋ＶＭ２）の２つの電位の間の値が、概ね内部スイッチのデューティを乗じた出力電圧として得られる。具体的には直流電圧検知手段１９で得られた値が目標電圧と一致するように制御回路１８が多入力コンバータ３７のスイッチのデューティを決定する。特に燃料電池や太陽電池といった直流電源では内部インピーダンスが大きく、通常の動作範囲において入力電圧が約２倍の変化が発生しているが、１次インバータ１２はパルス幅や周波数といった動作条件を変更することなく、１３ａ〜１３ｄの共振コンデンサの充放電によるゼロ電圧スイッチングを確実に動作させて、損失の低減を図る。そして、入力電圧や出力電力の変化へは、全て多入力コンバータ３７が降圧動作で対応している。

以上のように、本実施の形態において高周波トランスの各２次巻線にそれぞれ接続された複数の整流手段で生成された複数の直流電圧を、多入力コンバータが可変デューティで直並列して複数の直流電圧の合計以下の電圧に変換する降圧動作、或いは高周波トランスの各２次巻線にそれぞれ接続された複数の整流手段で生成された複数の直流電圧を、多入力コンバータが可変デューティで直並列して複数の直流電圧の合計未満の電圧に変換する降圧動作により、第１インバータの広い入力電圧範囲で効率よくスイッチング動作を発生させて第２インバータに電圧を供給することが可能な高効率運転が可能になるとともに、ノイズ対策も容易な装置を実現することができる。

（実施の形態４）
図６において、図５の回路構成と異なるのは、第１インバータが複数の電力変換手段で構成されて、それぞれの電力変換手段の入力は並列接続され、出力は個々に高周波トランス３１が接続されている点である。上記以外の構成要素は第３の実施の形態と同等であり、説明を省略する。

以上のように構成された系統連系インバータ装置について以下にその動作、作用を説明する。

ｎ台（ｎ＝２、３・・）からなる複数の電力変換手段４２のスイッチング動作によって発生した同一の入力直流電圧を振幅とする高周波電圧のパルス列は、高周波トランス３１の昇圧比に応じて２次巻線に高周波電圧を発生させた後、整流手段３４に複数の直流電圧を出力する。複数の電力変換手段４２の内、いくつかについてはパルス幅や周波数を変化させることで、高周波トランス３１を介して整流手段３４に他と異なる出力電圧レベルを発生させて、特に電力変換手段４２への入力電圧が高くなる低出力電力時に、整流手段３４が直列した場合の最大電圧を抑制して多入力コンバータ３７出力電圧（＝第２インバータ１５入力電圧）の制御範囲を小さくする。また、極めて小さな出力電力の時は電力変換手段４２を１台以上停止することで、多入力コンバータ３７出力電圧に系統電圧の最大値以上の所定電圧が得られる最少の運転台数だけで電力変換手段４２を動作させる。

以上のように、本実施の形態において、複数の電力変換手段が高周波トランスに対して独立で電力を供給または一部を停止することで入力電圧や出力電力が変化した場合でも、電力変換手段の損失が最小となる高効率な系統連系インバータ装置を実現することができる。

（実施の形態５）
図７において、図６の回路構成と異なるのは、系統電圧波形検知手段５０の出力を制御回路内に配置して、多入力コンバータ３７と第２インバータ１５との間に昇圧コンバータ５８を接続した点である。上記以外の構成要素は第４の実施の形態と同等であり、説明を省略する。

以上のように構成された系統連系インバータ装置について図９を参照して以下にその動作、作用を説明する。

複数の電力変換手段からなる第１インバータへの入力電圧が極めて低い時や大きな出力電力を取り出す時など、多入力コンバータ３７が整流手段１４の出力を（ここではＶＭ１＋ＶＭ２＋ＶＭ３）全て直列にしても系統電圧の最大値に到達しない場合が生じる。ここで昇圧コンバータ５８が多入力コンバータ３７の出力を系統電圧の最大電圧以上に昇圧して生成したＶｏを第２インバータ１５に入力することで、第２インバータが正弦波状の出力電流波形を出力している。特に系統電圧波形検知手段５０で得られた波形に対して、第２インバータ入力目標電圧設定手段５１は系統１６の１周期内で第２インバータ入力電圧より大きく、さらに系統電圧の絶対値との差が小さくなるように、第２インバータ入力目標電圧を変化させてＰＷＭ発生手段２２が多入力コンバータ３７の直並列接続の切り換えと必要に応じた昇圧コンバータ５８による昇圧動作を行う。

以上のように、本実施の形態において、第１インバータの入力電圧が低い場合でも系統電圧最大値以上の電圧を生成して第２インバータ１５に供給することに加え、系統１６の１周期内で多入力コンバータ３７出力電圧と系統電圧との差が小さくなるよう多入力コンバータ３７の直並列動作を切り換えることで、スイッチング損失とノイズが低減される系統連系インバータ装置を実現することができる。

本発明にかかる系統連系インバータ装置は、常時高効率な系統連系インバータ装置を実現することができることから、特に出力電圧の小さい太陽電池や燃料電池及び風力発電等の用途にも利用可能である。

本発明の実施の形態１による系統連系インバータ装置のブロック図同系統連系インバータ装置の各部動作を示す波形図本発明の実施の形態２による系統連系インバータ装置のブロック図同系統連系インバータ装置の各部動作を示す波形図本発明の実施の形態３による系統連系インバータ装置のブロック図本発明の実施の形態４による系統連系インバータ装置のブロック図本発明の実施の形態５による系統連系インバータ装置のブロック図同系統連系インバータ装置の各部動作を示す波形図従来の系統連系インバータ装置のブロック図従来の系統連系インバータ装置の各部動作を示す波形図従来の系統連系インバータ装置の各部動作を示す波形図

符号の説明

１１高周波トランス
１２第１インバータ
１３ａ〜ｄ共振コンデンサ
１４整流手段
１５第２インバータ
１６系統
１７コンバータ
１８制御回路
１９直流電圧検知手段
２０系統電圧検知手段
２１直流電圧目標設定手段
２２ＰＷＭパルス発生手段
３７多入力コンバータ
４２電力変換手段
５０系統電圧波形検知手段
５１第２インバータ入力目標電圧設定手段
５８昇圧コンバータ

Claims

高周波トランスと、前記高周波トランスの１次巻線とコレクターエミッタまたはドレインーソース間に共振用コンデンサを配置した各スイッチング素子のブリッジ出力とを接続した第１インバータと、２次巻線に接続した整流手段と、整流手段の出力電圧を異なる直流電圧に変換するコンバータと、前記コンバータの直流電圧を検知する直流電圧検知手段を有する制御回路と、前記コンバータの出力電圧を商用周波数の交流電力に変換して系統と連系する第２インバータとが直列に接続されるとともに、前記第１インバータを一定のパルス幅でスイッチング動作し、前記コンバータを可変パルス幅でスイッチング動作することで前記直流電圧を一定値に維持する系統連系インバータ装置。
コンバータを降圧回路とし、前記コンバータの出力直流電圧が系統電圧最大値以上に設定した上限値を上回った時に前記コンバータが整流手段の出力を降圧して、第２インバータに電圧を供給する請求項１記載の系統連系インバータ装置。
系統の最大電圧値に応じて、コンバータの出力電圧上限値を可変する請求項１または２記載の系統連系インバータ装置。
第１インバータの出力と、複数からなる高周波トランスの各１次巻線とが並列に接続されると共に、前記高周波トランスの各２次巻線にそれぞれ接続された複数の整流手段で生成された複数の直流電圧を、コンバータが可変デューティで直並列して前記複数の直流電圧の合計以下の電圧に変換する降圧動作により第２インバータに電圧を供給する系統連系インバータ装置。
入力が並列接続された複数の電力変換手段を有する第１インバータと、前記電力変換手段と同数の高周波トランスとを有し、前記電力変換手段が前記高周波トランスの１次巻線に独立で電力を供給するようにした請求項４記載の系統連系インバータ装置。
コンバータの出力直流電圧が系統電圧最大値以上に設定した上限値を上回った時は、第１インバータを構成する複数の電力変換手段の１台以上を動作停止する請求項４または５記載の系統連系インバータ装置。
コンバータ出力を昇圧して第２インバータに電力を供給する昇圧手段を、コンバータと第２インバータとの間に直列に接続した請求項４〜６のいずれか１項に記載の系統連系インバータ装置。
系統電圧波形を検知する系統電圧波形検知手段を有し、系統の周期内でコンバータ電圧が常時系統電圧よりも大きくなるようにコンバータの直並列動作を切り換えて、第２インバータに入力する電圧を段階的に変更する請求項４〜７のいずれか１項に記載の系統連系インバータ装置。