(57)【要約】【課題】複数台の単相インバータを直列に接続した電力変換装置において、デッドタイムの設定に起因して発生する出力電流の歪みを改善すること。【解決手段】インバータユニット６に具備される単相インバータのうち、最大電圧を出力するインバータ６−１の直流電源（第１の直流電源）を生成するコンバータと、第１の直流電源を用いてインバータ６−２，６−３の直流電源（第２の直流電源）を生成するＤＣ／ＤＣコンバータと、インバータユニット６内のスイッチング素子にデッドタイムが設定されたゲートパルスを印加して制御する制御回路８とが具備される。制御回路８は、目標電流値とインバータユニット６内のスイッチング素子を制御するＰＷＭ信号に基づいてデッドタイム補正信号を生成するとともに、デッドタイム補正信号とＰＷＭ信号の加算出力を用いてインバータ６−２，６−３を制御するゲートパルスを生成する。【選択図】        図２
2010011702.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電圧を交流電圧に変換して出力する複数の単相インバータを有し、交流側端子が直列に接続された当該複数の単相インバータの各発生電圧による総和電圧を出力するインバータユニットと、
外部直流電源による直流電圧を昇圧または降圧し、前記インバータユニットを構成する単相インバータのうちの最大電圧を出力する第１のインバータに対する直流電源として動作する第１の直流電源を生成するコンバータと、
前記第１の直流電源を直流入力とし、前記第１のインバータ以外の１または複数の単相インバータを構成する第２のインバータに対する各直流電源として動作する第２の直流電源を生成するＤＣ／ＤＣコンバータと、
前記インバータユニット内のスイッチング素子にデッドタイムが設定されたゲートパルスを印加して制御する制御回路と、
を備え、
前記制御回路は、前記インバータユニットが出力する出力電流に関係する電流情報と、前記インバータユニット内のスイッチング素子を制御するＰＷＭ信号とに基づいて生成されたデッドタイム補正信号を用いて前記デッドタイムを補正することを特徴とする電力変換装置。
【請求項２】
前記デッドタイム補正信号は、前記第２のインバータを制御するゲートパルスに設定されたデッドタイムに対する補正信号として出力されることを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
【請求項３】
前記インバータユニットが出力する出力電流の情報は、前記制御回路にて付与される目標電流値であることを特徴とする請求項１または２に記載の電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、直流電力を交流電力に変換して出力する電力変換装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来技術にかかる一般的な電力変換装置においては、その内部にインバータ回路を有しており、電力変換装置の出力を制御する際には、インバータ回路に具備される各スイッチング素子を制御することが行われる。この制御の際、インバータ回路の上下一対に直列接続されるスイッチング素子（上下アームのスイッチング素子）が同時にオンとならないように、デッドタイムと呼ばれる期間が設けられている。すなわち、このデッドタイムの期間内では、上アームのスイッチング素子と下アームのスイッチング素子とが同時にオンすることはなく、両者のスイッチング素子が同時オンすることによって引き起こされる貫通電流の発生が防止される。なお、上下アームのスイッチング素子を制御するスイッチング信号にデッドタイムを設けた場合には、出力電流の波形には歪み成分が含まれることも知られている。
【０００３】
また、近年、直流電力を交流電力に変換して出力する単相インバータを複数台直列に接続するように構成した電力変換装置が知られている（例えば、特許文献１）。
【０００４】
この特許文献１に示された電力変換装置では、太陽光電圧を昇圧チョッパ回路で昇圧した直流電圧（Ｖ３Ｂ）を直流電源とする最大単相インバータ（3B-INV）が中央に配置され、この最大直流電源（Ｖ３Ｂ）から電力供給される直流電源（Ｖ１Ｂ,Ｖ２Ｂ）を入力とする単相インバータ（1B-INV,2B-INV）が最大単相インバータ（3B-INV）の両側に配置され、各単相インバータ（1B-INV,2B-INV,3B-INV）の交流側は直列に接続され、最大直流電源（Ｖ３Ｂ）と直流電源（Ｖ１Ｂ,Ｖ２Ｂ）との間にＤＣ／ＤＣコンバータが配置され、各単相インバータ（1B-INV,2B-INV,3B-INV）の発生電圧の総和にて出力電圧を得るように構成されている。なお、直流電源（Ｖ１Ｂ,Ｖ２Ｂ）による電源電圧は、最大直流電源（Ｖ３Ｂ）から各単相インバータ（1B-INV,2B-INV,3B-INV）内の各スイッチング素子を介して供給される。
【０００５】
なお、並列接続された複数台のインバータにおけるデッドタイム補償を１台のデッドタイム補償回路で済むようにしたデッドタイム補償装置がある（例えば、特許文献２）。
【０００６】
【特許文献１】国際公開第０６／０９０６７５号パンフレット
【特許文献２】特開平５−０３０７５１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、デッドタイムを設定したことに起因して発生する出力電流の歪みを改善する技術については、種々のものが存在する。しかしながら、これらの技術は、上記特許文献１に示されるような単相インバータを複数台直列に接続して構成した電力変換装置を念頭においたものではない。実際、本願発明者らは、従来のデッドタイム補正技術を特許文献１の電力変換装置に適用した場合に、出力電流の歪みが改善されないことを確認している。
【０００８】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、単相インバータを複数台直列に接続するように構成した電力変換装置において、デッドタイムの設定に起因して発生する出力電流の歪みを改善することが可能な電力変換装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上述した課題を解決し、目的を達成するため、本発明にかかる電力変換装置は、直流電圧を交流電圧に変換して出力する複数の単相インバータを有し、交流側端子が直列に接続された当該複数の単相インバータの各発生電圧による総和電圧を出力するインバータユニットと、外部直流電源による直流電圧を昇圧または降圧し、前記インバータユニットを構成する単相インバータのうちの最大電圧を出力する第１のインバータに対する直流電源として動作する第１の直流電源を生成するコンバータと、前記第１の直流電源を直流入力とし、前記第１のインバータ以外の１または複数の単相インバータを構成する第２のインバータに対する各直流電源として動作する第２の直流電源を生成するＤＣ／ＤＣコンバータと、前記インバータユニット内のスイッチング素子にデッドタイムが設定されたゲートパルスを印加して制御する制御回路と、を備え、前記制御回路は、前記インバータユニットが出力する出力電流に関係する電流情報と、前記インバータユニット内のスイッチング素子を制御するＰＷＭ信号とに基づいて生成されたデッドタイム補正信号を用いて前記デッドタイムを補正することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明にかかる電力変換装置によれば、インバータユニットが出力する出力電流に関係する電流情報と、インバータユニット内のスイッチング素子を制御するＰＷＭ信号とに基づいて生成されたデッドタイム補正信号を用いてデッドタイムを補正するようにしているので、デッドタイムの設定に起因して発生する出力電流の歪みを改善することができるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下に添付図面を参照して、本発明に好適な電力変換装置にかかる実施の形態を詳細に説明する。なお、以下に示す実施の形態により本発明が限定されるものではない。
【００１２】
（電力変換装置の構成）
図１は、本発明の実施の形態にかかる電力変換装置の構成を示す図であり、より詳細には、実施の形態にかかる電力変換装置を商用系統と連系する発電システムに適用した場合の一例を示す図である。
【００１３】
図１において、電力変換装置２の直流入力端である入力端２０には、外部直流電源である太陽電池モジュール１１が接続され、交流出力端である出力端２２には、５０Ｈｚあるいは６０Ｈｚの周波数の交流電力を供給する商用系統（以下単に「系統」という）３が接続されている。このように構成された電力変換装置２では、太陽電池モジュール１１から供給された直流電力が交流電力に変換され、系統３との連系により、余剰電力は系統３側に回生され、不足電力は系統３側から供給される。
【００１４】
上述した機能を含み、後述する機能を具現するための構成として、本実施の形態にかかる電力変換装置２は、コンバータ４、インバータユニット６、出力フィルタ回路７、制御回路８、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２などを具備している。
【００１５】
コンバータ４は、太陽電池モジュール１１による直流電圧を昇圧または降圧して所定の直流電圧に変換する。なお、コンバータ４に入力される直流電圧が、コンバータ４が出力する直流電圧よりも常時小さいことが想定される場合には、昇圧のみの機能を有することでも充分である。
【００１６】
インバータユニット６は、複数台（図１では３台を例示）の単相インバータであるインバータ６−１〜６−３を備えている。
【００１７】
インバータ６−１の直流側端子（コンバータ４側の端子）では、第１の直流電源として機能する母線コンデンサ５−１がコンバータ４の出力端子とインバータ６−１の直流側端子とを結ぶ直流母線間に接続され、母線コンデンサ５−１には、コンバータ４を介し太陽電池モジュール１１からの直流電力が平滑化されて蓄積される。
【００１８】
インバータ６−２，６−３の各直流側端子（ＤＣ／ＤＣコンバータ１２側の端子）では、第２の直流電源として機能する母線コンデンサ５−２，５−３が、各単相インバータの直流側端子に繋がる直流母線間にそれぞれ接続されており、母線コンデンサ５−２，５−３には、母線コンデンサ５−１に蓄積された直流電力を直流入力として動作するＤＣ／ＤＣコンバータ１２からの直流電力が平滑化されてそれぞれ蓄積される。
【００１９】
インバータ６−１の交流側端子（系統３側の端子）では、交流側端子の一方にインバータ６−２が接続され、交流側端子の他方にインバータ６−３が接続されている。
【００２０】
インバータ６−２の交流側端子では、交流側端子の一方にインバータ６−１が接続され、交流側端子の他方に出力フィルタ回路７の入力側端子の一方が接続され、インバータ６−３の交流側端子では、交流側端子の一方にインバータ６−１が接続され、交流側端子の他方に出力フィルタ回路７の入力側端子の他方が接続されている。
【００２１】
制御回路８は、コンバータ４、インバータユニット６を構成する各インバータ６−１〜６−３、およびＤＣ／ＤＣコンバータ１２の制御および駆動に必要な信号を生成して出力する。
【００２２】
（電力変換装置の詳細構成）
図２は、本実施の形態にかかる電力変換装置の主要構成部であるインバータユニット６および制御回路８のより詳細な構成を示す図であり、図１に示した構成において、母線コンデンサ５−１〜５−３から出力フィルタ回路７までの回路構成および制御回路８の詳細構成を示した図である。
【００２３】
図２において、インバータユニット６を構成するインバータ６−１〜６−３は、ダイオードを逆並列に接続した複数個の、例えばＩＧＢＴである自己消弧型半導体スイッチング素子を備えている。
【００２４】
また、インバータユニット６には、インバータ６−１の交流側端子２４ａ，２４ｂ間を短絡させる短絡用スイッチとして、ダイオードを逆並列に接続した２個の、例えばＩＧＢＴである自己消弧型半導体スイッチング素子が互いに逆極性に直列接続されたスイッチ回路１３が、インバータ６−１に並列に接続されるように設けられている。
【００２５】
また、スイッチ回路１３において、スイッチ回路１３の一方側の端子であり、インバータ６−１の交流側端子２４ａに接続されている端子３０ａは、インバータ６−２の交流側端子２６ｂに接続されるとともに、スイッチ回路１３の他方側の端子であり、インバータ６−１の交流側端子２４ｂに接続されている端子３０ｂは、インバータ６−３の交流側端子２８ａに接続されている。
【００２６】
なお、インバータユニット６は、スイッチ回路１３の作用により、出力電圧として、非零または零の電圧を出力することができる。
【００２７】
また、制御回路８は、Ｔｄ（デッドタイム）補正値判定部９、第１のゲートパルス発生回路１０−１、第２のゲートパルス発生回路１０−２、および加算処理部１４を備えている。Ｔｄ補正値判定部９は、ＰＷＭ信号および目標電流値に基づき、デッドタイム補正値（デッドタイム補正信号）を生成する。加算処理部１４には、Ｔｄ補正値判定部９が生成したデッドタイム補正値とＰＷＭ信号とが入力される。第１のゲートパルス発生回路１０−１は、ＰＷＭ信号に基づき、インバータ６−１およびスイッチ回路１３を制御するためのゲートパルスを生成して出力する。第２のゲートパルス発生回路１０−２は、加算処理部１４の出力、すなわちデッドタイム補正値とＰＷＭ信号との加算出力に基づき、インバータ６−２およびインバータ６−３を制御するためのゲートパルスを生成して出力する。
【００２８】
ここで、母線コンデンサ５−１〜５−３の各電圧について言及しておく。インバータ６−１の直流入力源となる母線コンデンサ５−１の電圧は、他のインバータであるインバータ６−２，６−３の各直流入力源となる母線コンデンサ５−２，５−３の電圧よりも通常大きい。一方、母線コンデンサ５−２の電圧と、母線コンデンサ５−３の電圧とについては、何れが大きくてもよいし、両者の電圧が等しくてもよい。つまり、インバータユニット６が動作しているときの母線コンデンサ５−１〜５−３の各電圧（各インバータにおける母線電圧に等しい）をＶ１，Ｖ２，Ｖ３とすると、これらの電圧間には、Ｖ１＞Ｖ２およびＶ１＞Ｖ３の関係がある。
【００２９】
これらのインバータ６−１〜６−３は、出力として正、負および零の電圧を発生することができ、インバータユニット６は、これらの発生電圧を組み合わせた総和としての電圧を階調制御により出力する。この出力電圧は、例えばリアクトルおよびコンデンサを組み合わせた出力フィルタ回路７によって平滑され、所望の交流電圧が系統３に供給される。なお、これより詳細な動作については、上記した特許文献１の公報に適切に開示されているので、ここでのさらに詳細な説明は省略する。
【００３０】
（電力変換装置の要部動作）
つぎに、本実施の形態にかかる電力変換装置の要部動作について、図３の図面を参照して説明する。ここで、図３は、本実施の形態にかかる電力変換装置のデッドタイム補正の様子を示す波形図である。なお、同図（ａ）〜（ｊ）に示される各波形と、図２の構成図との対応関係は、以下のとおりである。
【００３１】
（ａ）インバータ６−１の出力電圧（交流側端子２４ａ，２４ｂ間の出力電圧に対応）
（ｂ）インバータ６−２，６−３の出力電圧（インバータ６−２，６−３が生成した電圧に対応）
（ｃ）インバータ６−２，６−３の出力電圧を平滑化した波形
（ｄ）インバータ６−１〜６−３の出力電圧を足し合わせた波形（出力フィルタ回路７への入力波形に対応）
（ｅ）目標電流値（Ｔｄ補正値判定部９への入力）
（ｆ）目標電流値の極性
（ｇ）インバータ６−２，６−３の出力電圧の極性
（ｈ）デッドタイム補正値（Ｔｄ補正値判定部９の出力に対応）
（ｉ）出力フィルタ回路通過後の出力電流（デッドタイム補正を行わない場合の出力フィルタ回路７の出力に対応）
（ｊ）出力フィルタ回路通過後の出力電流（デッドタイム補正を行った場合の出力フィルタ回路７の出力に対応）
【００３２】
図３（ａ），（ｂ）に示す波形は、図２の電力変換装置を動作させ、系統３に正弦波の電流を供給する際の典型的な出力電圧波形である。なお、図３（ａ）に示す波形から理解できるように、インバータ６−１に対しては、低周波のスイッチング制御が行われるため、インバータ６−１の出力電圧はデッドタイムの影響をほとんど受けない。一方、図３（ｂ）に示す波形から理解できるように、インバータ６−２，６−３に対しては、高周波のスイッチング制御が行われるため、デッドタイムの影響を受けることになる。なお、図３（ｂ）に示す波形を平滑化した波形で表すと、図３（ｃ）に示す波形となり、図３（ａ）と図３（ｂ）とが足し合わされた図３（ｄ）に示す波形が出力フィルタ回路７に入力される波形となる。
【００３３】
Ｔｄ補正値判定部９には、目標電流値（図３（ｅ））とインバータ６−２，６−３を制御する際に用いられたＰＷＭ信号が入力される。Ｔｄ補正値判定部９は、入力された目標電流値およびＰＷＭ信号の各極性を判定する（図３（ｆ）および図３（ｇ））。なお、インバータ６−２，６−３を制御するＰＷＭ信号の極性とインバータ６−２，６−３の出力電圧の極性とは同一または同等である。Ｔｄ補正値判定部９は、得られた極性判定データよりデッドタイム補正値に関する判定処理を行う。
【００３４】
ここで、目標電流値の極性とＰＷＭ信号の極性が同一の場合には正のデッドタイム補正値を出力し、目標電流値の極性とＰＷＭ信号の極性が異なる場合には負のデッドタイム補正値を出力する（図３（ｈ））。
【００３５】
デッドタイム補正値は、加算処理部１４に入力され、ＰＷＭ信号と加算されて第２のゲートパルス発生回路１０−２に入力される。なお、デッドタイム補正値は、第２のゲートパルス発生回路１０−２のみに入力され、第２のゲートパルス発生回路１０−１には入力されない。この理由は、インバータ６−１に対しては低周波のスイッチング制御が行われるため、インバータ６−１の出力電圧はデッドタイムの影響をほとんど受けないからである。
【００３６】
第１のゲートパルス発生回路１０−１からのゲートパルスによりインバータ６−１が制御され、第２のゲートパルス発生回路１０−２からのゲートパルスによりインバータ６−２，６−３が制御され、インバータユニット６は、交流電圧を発生する。インバータユニット６の出力は出力フィルタ回路７を通過して平滑化され、系統３に電力が供給される。
【００３７】
Ｔｄ補正値判定部９を設けていない場合、すなわちデッドタイム補正を行わない場合、図３（ｉ）に示すように、出力フィルタ回路７を通過した後の出力電流波形には歪みがある。一方、デッドタイム補正を行った場合、図３（ｊ）に示すように、出力フィルタ回路７を通過した後の出力電流波形の歪みは解消もしくは低減されており、電力変換装置２からは歪みが解消または低減された出力電流波形（正弦波）が得られる。
【００３８】
なお、本実施の形態にかかる制御回路８では、Ｔｄ補正値判定部９に目標電流値およびＰＷＭ信号を入力する構成について例示したが、この構成に限定されるものではない。例えば、目標電流値に代えて、系統３への出力電流（出力フィルタ回路７の出力電流）に関する情報を用いることも可能である。この場合、当該出力電流の電流値の情報を用いてもよいし、当該出力電流の位相情報を用いてもよい。なお、インバータユニット６から出力される電流を出力フィルタ回路７とは異なるフィルタ回路で平滑化することを考慮すれば、Ｔｄ補正値判定部９に入力される情報は、インバータユニット６から出力される電流に関係する情報であれば、どのような情報であっても構わない。
【００３９】
また、本実施の形態の制御回路８では、Ｔｄ補正値判定部９が生成したデッドタイム補正値は、インバータ６−２およびインバータ６−３を制御するためのゲートパルスを補正する補正信号としてのみ用いているが、インバータ６−１を制御するためのゲートパルスを補正する補正信号として用いることも無論可能である。
【００４０】
以上説明したように、本実施の形態にかかる電力変換装置によれば、インバータユニット６が出力する出力電流に関係する電流情報と、インバータユニット６内のスイッチング素子を制御するＰＷＭ信号とに基づいて生成されたデッドタイム補正信号を用いてデッドタイムを補正するようにしているので、デッドタイムの設定に起因して発生する出力電流の歪みを改善することができる。
【産業上の利用可能性】
【００４１】
以上のように、本発明にかかる電力変換装置は、デッドタイムの設定に起因して発生する出力電流の歪みの改善を可能とする発明として有用である。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明の実施の形態にかかる電力変換装置の構成を示す図である。
【図２】本実施の形態にかかる電力変換装置の主要構成部であるインバータユニットおよび制御回路より詳細な構成を示す図である。
【図３】本実施の形態にかかる電力変換装置のデッドタイム補正の様子を示す波形図である。
【符号の説明】
【００４３】
２  電力変換装置
３  系統
４  コンバータ
５  母線コンデンサ
６  インバータユニット
６−１〜６−３  インバータ
７  出力フィルタ回路
８  制御回路
９  Ｔｄ補正値判定部
１０−１  第１のゲートパルス発生回路
１０−２  第２のゲートパルス発生回路
１１  太陽電池モジュール
１２  ＤＣ／ＤＣコンバータ
１３  スイッチ回路
１４  加算処理部
２０  入力端
２２  出力端
２４ａ，２４ｂ，２６ａ，２６ｂ，２８ａ，２８ｂ  交流側端子
３０ａ，３０ｂ  端子
【図１】
2010011702.tif 000003
【図２】
2010011702.tif 000004
【図３】
2010011702.tif 000005