(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
三相電源のＵＶ端子間に第１単相インバータを接続し、ＶＷ端子間に第２単相インバータを接続したＶ結線接続型の電力変換装置であって、
第１単相インバータが前記三相電源に流し込む電流をＵ相電圧と同相に制御し、第２単相インバータが前記三相電源に流し込む電流をＷ相電圧と同相に制御することで、三相電源の相電流を力率１の三相平衡電流にしており、
直流電力源からの直流電力を交流電力に変換する高周波インバータ回路と、単一の一次巻線と２つの二次巻線をもって、変換された交流電力を変圧し、かつ前記第１、２の単相インバータに対応するように２つの出力に均等に分配する高周波トランスと、前記高周波トランスの２つの二次巻線から均等な電流が出力するように、その後段に接続された少なくとも１つのカレントトランスと、分配された交流電力をそれぞれ全波整流する２つの整流回路とを有するＤＣ／ＤＣコンバータを備え、
前記直流電力源からの直流電力を前記ＤＣ／ＤＣコンバータ内の高周波トランスにより絶縁された２つの出力に均等に分配し、かつ、前記カレントトランスにより各二次巻線から均等な電流が出力して、前記第１、２の単相インバータに給電し、商用の前記三相電源に連系する、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する電力変換装置に関し、更に詳しくは、三相の商用電力系統に連系するのに好適な電力変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、地球環境保護の観点から環境への影響の少ない太陽電池、燃料電池等による分散型電源システムの開発が盛んに進められている。このような分散型電源システムでは、太陽電池等によって発電した直流電力を、ＤＣ／ＤＣコンバータおよびインバータ等を備える電力変換装置としてのパワーコンディショナによって商用周波数の交流電力に変換し、商用電力系統と連系して負荷に供給するとともに、余剰電力を商用電力系統に逆潮流することが行われている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
三相の商用電力系統と連系するには、三相インバータを備える電力変換装置によって、三相の交流電力に変換すればよいが、安価な単相インバータを複数台用いて三相インバータを構成する場合、三相不平衡という不具合が生じる場合があるという課題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−１６１０３２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、上述の課題に鑑みてなされたものであって、安価な単相インバータを複数台用いて三相の商用電力系統と連系するのに好適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】
【０００６】
本発明では、上記目的を達成するために、次のように構成している。
【０００７】
本発明の電力変換装置は、三相電源のＵＶ端子間に第１単相インバータを接続し、ＶＷ端子間に第２単相インバータを接続したＶ結線接続型の電力変換装置であって、第１単相インバータが前記三相電源に流し込む電流をＵ相電圧と同相に制御し、第２単相インバータが前記三相電源に流し込む電流をＷ相電圧と同相に制御することで、三相電源の相電流を力率１の三相平衡電流にするものである。
【０００８】
系統に連系する従来の単相インバータの２台を、三相電源にＶ結線すると、線間電圧と電流とを同相に制御しようとする結果、Ｕ相電流は、Ｕ相電圧よりも３０度位相が進み、Ｗ相電流は、Ｗ相電圧よりも３０度位相が遅れる結果、三相電源に不平衡電流を流すことになるが、本発明によれば、ＵＶ端子間に接続された第１単相インバータは、三相電源に流し込む電流をＵ相電圧と同相に制御し、ＶＷ端子間に接続された第２単相インバータは、三相電源に流し込む電流をＷ相電圧と同相に制御することで、三相電源に力率１の三相平衡電流を流すことが可能となり、これによって、高価な三相インバータを用いることなく、三相電源に連系する電力変換装置を構成することができる。
【０００９】
本発明の一つの実施形態では、直流電力源からの直流電力の電圧を変換して、前記第１，第２単相インバータに分配するＤＣ／ＤＣコンバータを備え、商用の前記三相電源に連系するものである。
【００１０】
直流電力源としては、太陽電池や燃料電池などが好ましい。
【００１１】
ＤＣ／ＤＣコンバータは、三相電源にＶ結線される２台の単相インバータに対して、前記直流電力を、トランスを介して分配出力するのが好ましい。
【００１２】
この実施形態よると、三相電源にＶ結線された２台の単相インバータに、直流電力を分配して三相電源に連系することができる。
【００１３】
本発明の他の実施形態では、前記第１単相インバータが三相電源に流し込む電流と前記第２単相インバータが三相電源に流し込む電流との振幅を同じに制御するものである。
【００１４】
この実施形態によると、三相電源に、振幅が等しい三相平衡電流を流すことが可能となる。
【００１５】
本発明の好ましい実施形態では、前記第１単相インバータは、三相電源に流し込む電流を、Ｕ−Ｖ線間電圧に対して３０度位相遅れでＵ相電圧と同相となるよう制御し、前記第２単相インバータは、三相電源に流し込む電流を、Ｖ−Ｗ線間電圧に対して３０度位相進みでＷ相電圧と同相となるよう制御するものである。
【００１６】
この実施形態によると、ＵＶ端子間に接続された第１単相インバータは、Ｕ−Ｖ線間電圧に対して３０度位相が遅れるように制御することによってＵ相電圧と同相に制御し、ＶＷ端子間に接続された第２単相インバータは、Ｖ−Ｗ線間電圧に対して３０度位相が進むように制御することによってＷ相と同相に制御する。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、ＵＶ端子間に接続された第１単相インバータは、三相電源に流し込む電流をＵ相電圧と同相に制御し、ＶＷ端子間に接続された第２単相インバータは、三相電源に流し込む電流をＷ相電圧と同相に制御することで、三相電源に力率１の三相平衡電流を流すことが可能となり、これによって、高価な三相インバータを用いることなく、三相電源に連系する電力変換装置を構成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の一つの実施の形態に係るパワーコンディショナを備える太陽光発電システムの概略構成図である。
【図２】図１のＤＣ／ＤＣコンバータの回路構成図である。
【図３】図１のＤＣ／ＤＣコンバータの他の回路構成図である。
【図４】図１のＤＣ／ＤＣコンバータの更に他の回路構成図である。
【図５】図１の単相インバータの回路構成図である。
【図６】スター結線の三相電源と電力変換装置を示す図である。
【図７】三相電源と単相インバータ２７ａ，２７ｂとのＶ結線接続状態を示す図である。
【図８】従来の単相インバータによる三相不平衡電流を説明するための図である。
【図９】実施形態の単相インバータによる三相平衡電流を説明するための図である。
【図１０】本発明の他の実施の形態に係るパワーコンディショナを備える太陽光発電システムの概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、図面によって本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【００２０】
（実施形態１）
図１は、本発明の一つの実施形態に係る電力変換装置を備える太陽光発電システムの概略構成図である。
【００２１】
この実施形態の太陽光発電システムは、直流電力源としての太陽電池１と、この太陽電池１からの直流電力を、交流電力に変換して商用電源系統である三相電源２に連系する電力変換装置としてのパワーコンディショナ３とを備えている。
【００２２】
この実施形態のパワーコンディショナ３は、三相インバータを用いることなく、商用の三相電源２と連系できるようにするために、太陽電池１からの直流電力を変圧して分配する絶縁型のＤＣ／ＤＣコンバータ４と、このＤＣ／ＤＣコンバータ４からの直流電力を、単相の交流電力にそれぞれ変換して商用の三相電源２に連系する２台の第１，第２単相インバータ５−１，５−２とを備えている。
【００２３】
第１単相インバータ５−１は、商用の三相電源２のＵ相，Ｖ相間に接続され、第２の単相インバータ５−２は、商用の三相電源２のＶ相，Ｗ相間に接続される。すなわち、これらの単相インバータ５−１，５−２は、商用の三相電源２にＶ結線されている。
【００２４】
図２に、図１のＤＣ／ＤＣコンバータ４の回路構成を示す。
【００２５】
ＤＣ／ＤＣコンバータ４は、太陽電池１に並列に接続される平滑コンデンサ６と、直流電力を交流電力に変換する高周波インバータ回路７と、この高周波インバータ回路７からの交流電力を変圧するとともに、２台の単相インバータ５−１，５−２に対応するように均等に分配する高周波トランス８と、この高周波トランス８からの交流出力をそれぞれ全波整流する整流回路９−１，９−２と、各整流回路９−１，９−２の出力をそれぞれ平滑化して各単相インバータ５−１，５−２に与える平滑回路１０−１，１０−２と、平滑回路１０−２の出力に基づいて、高周波インバータ回路７のスイッチング制御を行う変換制御回路１１とを備えている。
【００２６】
高周波インバータ回路７は、フルブリッジ構成された４個のＩＧＢＴなどのスイッチング素子１２ａ〜１２ｄと、各スイッチング素子１２ａ〜１２ｄに逆並列に接続されたダイオード１３ａ〜１３ｄとを備えている。この高周波インバータ回路７は、変換制御回路１１によってスイッチング制御されて直流電力を高周波の交流電力に変換する。
【００２７】
高周波トランス８は、単一の一次巻線Ｎ１と、２つの二次巻線Ｎ２−１，Ｎ２−２とを備えており、高周波インバータ回路７からの交流電力を変圧して、各整流回路９−１，９−２に供給する。
【００２８】
このように高周波トランス８では、商用の三相電源２にＶ結線されている２台の第１，第２単相インバータ５−１，５−２に、絶縁された出力を均等に配分するために、２つの二次巻線Ｎ２−１，Ｎ２−２を備えている。
【００２９】
高周波トランス８の２つの二次側巻線Ｎ２−１，Ｎ２−２に、均等な電流が流れるように、例えば、図３に示すように、二次巻線Ｎ２−１，Ｎ２−２の後段に、カレントトランス（変流器）ＣＴ１，ＣＴ２の一次巻線を直列にそれぞれ接続するとともに、カレントトランスＣＴ１，ＣＴ２の二次巻線を直列に接続してもよいし、あるいは、図４に示すように、カレントトランスＣＴ１’を構成してもよいし、更に、均等な電流が流れるように、二次巻線Ｎ２−１，Ｎ２−２のターン数を異ならせてもよい。
【００３０】
高周波トランス８の後段の各整流回路９−１，９−２は、図２に示すように、ダイオードブリッジで構成されており、高周波トランス８の二次巻線Ｎ２−１，Ｎ２−２からの高周波電流は、整流回路９−１，９−２で整流され、更に、リアクトル１４とコンデンサ１５からなる平滑回路１０−１，１０−２で平滑化されて、図１の各単相インバータ５−１，５−２にそれぞれ供給される。
【００３１】
変換制御回路１１は、従来と同様にＭＰＰＴ（最大電力点追従）制御を行うとともに、単相インバータ５−２への出力電圧である平滑回路１０−２の出力電圧に基づいて、高周波インバータ回路７のスイッチング素子１２ａ〜１２ｄをスイッチング制御して、出力電圧を定電圧制御し、これによって、他の平滑回路１０−１，１０−２の出力電圧も略同電圧となる。
【００３２】
このように絶縁型のＤＣ／ＤＣコンバータ４によって、太陽電池１からの直流電力を、絶縁された２つの出力に均等に分配して各単相インバータ５−１，５−２に給電することが可能となる。
【００３３】
図５に、図１の単相インバータ５−１，５−２の回路構成を示す。各単相インバータ５−１，５−２の構成は、後述のインバータ制御回路１８による制御を除いて共通であるので、図５では、代表的に単相インバータ５として説明する。
【００３４】
単相インバータ５は、ＤＣ／ＤＣコンバータ４のいずれかの平滑回路１０−１，１０−２に接続されるインバータ回路１６と、このインバータ回路１６によって変換された交流電力の高調波を除去するフィルタ回路１７と、インバータ回路１６の出力に基づいて、該インバータ回路１６のスイッチングを制御するインバータ制御回路１８とを備えている。
【００３５】
インバータ回路１６は、ＩＧＢＴなどのスイッチング素子１９ａ〜１９ｄとダイオード２０ａ〜２０ｄとからなるフルブリッジ回路であって、インバータ制御回路１８によって後述のように制御され、ＤＣ／ＤＣコンバータ４からの直流電力を、交流電力に変換する。フィルタ回路１７は、リアクトル２１とコンデンサ２２とによって構成される。
【００３６】
系統に連系する従来の単相インバータでは、電圧に対して電流が同相になるように、すなわち、力率が１となるように制御するようになっており、かかる従来の単相インバータの２台を、三相電源にＶ結線して連系させると、系統へ不平衡電流が流れるという不具合がある。
【００３７】
以下、これについて説明する。
【００３８】
図６において、２５は商用電力系統側の端子Ｒ，Ｓ，Ｔを有する三相電源を示す。２６は三相電源２５に接続されて当該三相電源２５と系統連系する負荷側の電力変換装置を示す。
【００３９】
三相電源２５は、スター結線されており、ＥR，ＥS，ＥTは各相電圧、ＩR，ＩS，ＩTは各相電流である。なお、明細書では相電圧、相電流、線間電圧、線電流はそれら記号上部にベクトルを示すドット（・）を付していないが、図中ではそのドットを付してベクトルであることを示す。
【００４０】
電力変換装置２６は、三相電源２５の端子ＲＳ間に接続された第１単相インバータ２７ａと、端子ＳＴ間に接続された第２単相インバータ２７ｂと、これら両単相インバータ２７ａ，２７ｂに、太陽電池２８からの直流を供給するＤＣ／ＤＣコンバータ２９とを含む。このように第１、第２単相インバータ２７ａ，２７ｂは、三相電源１にＶ結線されている。
【００４１】
図７は、三相電源２５と単相インバータ２７ａ，２７ｂとのＶ結線接続を示す。三相電源２５において線間電圧ＶLaと線電流ＩLaは単相インバータ２７ａの電圧、電流を示し、線間電圧ＶLbと線電流ＩLbは単相インバータ２７ｂの電圧、電流を示す。この場合、商用電力系統に連系される単相インバータ規程により、線間電圧ＶLaと線電流ＩLaは同相、線間電圧ＶLbと線電流ＩLbは同相になるように制御される。
【００４２】
この状態は、図８（ａ）（ｂ）で示すように、三相電源２５の相電流ＩR，ＩTは線電流ＩLa．ＩLbと等しいので、相電流ＩS，ＩR，ＩTの位相間隔は１２０度の位相間隔にならないために、三相不平衡電流となり、かつ、相電圧ＥR，ＩRが同相でない。また、ＥT，ＩRが同相でなく、力率１でない。
【００４３】
すなわち、系統に連系する従来の単相インバータ２７ａ，２７ｂの二台を、三相電源２５にＶ結線すると、電流ＩRは、相電圧ＥRより位相が３０度進み、相電流ＩTは、相電圧ＥTよりも位相が３０度遅れる結果、三相電源２５に三相平衡電流を流すことができない。なお、相電流ＩSは、相電流ＩRと相電流ＩTとのベクル合成の結果、相電圧ＥSと同相となる。
【００４４】
このため、本実施形態では、図９（ａ）で示すように、単相インバータ２７ａが三相電源１の端子Ｒに流し込む線電流ＩL2、すなわち、相電流ＩRを相電圧ＥRと同相制御し、また、単相インバータ２７ｂが端子Ｔに流し込む線電流ＩL2、すなわち、相電流ＩTを相電圧ＥTと同相制御することで、三相電源１の相電流ＩR，ＩS，ＩTを力率１の三相平衡電流にするようにしている。この場合、単相インバータ２７ａが端子Ｒに流し込む電流ＩLaの振幅と単相インバータ２７ｂが端子Ｔに流し込む電流ＩLbの振幅を同じに制御する。
【００４５】
詳しくは、単相インバータ２７ａは、端子Ｒに流し込む線電流ＩL2を線間電圧ＶLaに対しては３０度位相遅れで相電圧ＥRとは同相となるよう制御する。同様に、単相インバータ２７ｂは、線電流ＩLbを線間電圧ＥLbに対しては３０度位相進みで相電圧ＥTと同相となるよう制御する。
【００４６】
その結果、図９（ａ）のベクトル図で示すように、三相電源において相電圧ＥRと相電流ＩRとが同相、相電圧ＥTと相電流ＩTとを同相の力率１とし、また、図９（ｂ）で示すように相電流ＩR，ＩS，ＩTを三相平衡電流にして三相電源２５に流すことができる。
【００４７】
次に、上述の図１の具体的な実施形態に適用して更に詳細に説明する。
【００４８】
図１に示される実施形態では、三相電源２のＵＶ端子間に接続された第１単相インバータ５−１では、図５に示されるインバータ制御回路１８は、三相電源２に流し込む電流を、Ｕ−Ｖ線間電圧に対して３０度位相遅れでＵ相電圧と同相となるよう制御し、ＶＷ端子間に接続された第２単相インバータ５−２では、図５に示されるインバータ制御回路１８は、三相電源２に流し込む電流を、Ｖ−Ｗ線間電圧に対して３０度位相進みでＷ相電圧と同相となるよう制御する。
【００４９】
すなわち、第１単相インバータ５−１のインバータ制御回路１８は、検出した系統の電圧の位相よりも３０度遅れた電流指令を生成し、三相電源２に流し込む電流が、Ｕ相電圧と同相となるようにインバータ回路１６を制御し、第２単相インバータ５−２のインバータ制御回路１８は、検出した系統の電圧の位相よりも３０度進んだ電流指令を生成し、三相電源２に流し込む電流が、Ｗ相電圧と同相になるように制御する。
【００５０】
これによって、上述の図９に示すように、三相電源２に力率１の三相平衡電流を流すことが可能となり、高価な三相インバータを用いることなく、２台の単相インバータ５−１，５−２を用いて三相電源２に連系するパワーコンディショナ３を構成することができ、コストを削減することができる。
【００５１】
上述の実施の形態のパワーコンディショナ３では、図１に示すように、１台のＤＣ／ＤＣコンバータ４からの直流電力を、２台の単相インバータ５−１，５−２に分配したけれども、他の実施形態として、複数台のＤＣ／ＤＣコンバータ、例えば、図１０に示すように、太陽電池モジュールがグループ化（ストリング化）された３つの太陽電池１−１〜１−３からの直流電力が与えられる３台のＤＣ／ＤＣコンバータ４−１〜４−３を、２台の単相インバータ５−１，５−２に並列に接続し、各ＤＣ／ＤＣコンバータ４−１〜４−３の３つの出力を、それぞれ２台の単相インバータ５−１，５−２に与えるようにしてもよい。この３台のＤＣ／ＤＣコンバータ４−１〜４−３は、上述のＤＣ／ＤＣコンバータ４と同じ構成である。
【００５２】
この図１０では、日照状態などによって各太陽電池１−１〜１−３の発電出力にばらつきがあっても、各単相インバータ５−１，５−２には、均等に出力が分配され、各単相インバータ５−１，５−２は、上述のように、三相電源２に流し込む電流が、Ｕ相電圧またはＷ相電圧と同相になるように制御するので、三相電源２に三相平衡電流を流すことが可能となる。
【００５３】
上述の実施形態では、ＤＣ／ＤＣコンバータの整流回路は、全波整流回路であったけれども、本発明の他の実施形態として、倍電圧整流回路とし、高周波トランスの２次巻線電圧を、その２倍の電圧に昇圧するようにしてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００５４】
本発明は、電力変換装置として有用である。
【符号の説明】
【００５５】
１，１−１〜１−３    太陽電池
２                    三相電源
３，３−１            パワーコンディショナ
４，４−１〜４−３   ＤＣ／ＤＣコンバータ
５−１，５−２        単相インバータ
８                    高周波トランス
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
0005507919.tif 000008
【図８】
0005507919.tif 000009
【図９】
0005507919.tif 000010
【図１０】
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