(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電力をスイッチング素子を用いて交流電力に変換して商用電力系統に逆潮流させるためのインバータの制御装置であって、
前記インバータの出力電流または出力電圧と所定の参照信号とを比較することにより前記スイッチング素子のスイッチ状態を該出力電流または出力電圧を増加させる増加モードと減少させる減少モードとの一方から他方へ反転するか否かを判別する反転判別手段と、
該判別手段から出力される反転要求信号を受けて前記スイッチング素子のスイッチ状態を反転するゲートパルス信号生成手段とを具備し、前記反転判別手段がアナログ比較器を用いて構成され、かつ前記ゲートパルス信号生成手段が所定の主制御プロセスを実行するディジタルＣＰＵにより構成されており、該ＣＰＵは前記反転要求信号を割り込み制御信号として入力され、該割り込み制御信号入力後の反転要求割り込み処理ルーチン内で前記スイッチング素子のスイッチ状態を反転するためのゲートパルス信号を生成することを特徴とする系統連系インバータの制御装置。
【請求項２】
前記ゲートパルス信号生成手段は、前記直流電力の電圧を前記商用電力系統に対し第１の極性で印加する第１の状態と第１の極性とは逆の極性で印加する第２の状態とに前記スイッチング素子のスイッチ状態を反転する請求項１記載の制御装置。
【請求項３】
時間計測手段をさらに備え、前記ディジタルＣＰＵは、該時間計測手段の出力に基づいて前記反転要求割り込み処理ルーチン内で前回の反転要求と今回の反転要求との時間差を求め、時間差が所定の時間よりも短いときは該所定の時間に達するまで前記スイッチング素子のスイッチ状態の反転を待機することを特徴とする請求項２記載の制御装置。
【請求項４】
前記ディジタルＣＰＵは、前記反転要求割り込み処理ルーチン内で前記スイッチング素子のスイッチ状態を前記第１および第２の状態の一方から他方へ反転する直前に前記スイッチング素子の全部をオフする期間を設けることを特徴とする請求項２または３記載の制御装置。
【請求項５】
前記直流電力が太陽電池から出力される電力であり、前記制御装置のディジタルＣＰＵが、前記所定の主制御プロセスとして、太陽電池から最大電力を取り出せるように太陽電池の動作電圧を制御する最大電力制御処理を実行することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の制御装置。
【請求項６】
前記割り込み処理ルーチンの処理時間が０．２ｍｓ以下であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載の制御装置。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１つに記載の制御装置を有するインバータと、該インバータに直流電力を供給する太陽電池と、該インバータの負荷としての商用電力系統とからなり、前記太陽電池の出力電力を前記商用電力系統に逆潮流させることを特徴とする太陽光発電システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、インバータの制御装置に関し、特に商用電力系統に連系した太陽光発電システムを構成するのに適したインバータの制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
太陽光発電システムは、無尽蔵かつクリーンな太陽エネルギーを電力に変換するものであり、大きな期待を集めている。特に最近は、日本国内でも法的整備が進み、太陽電池の発電する直流電力をインバータを使用して交流電力に変換して商用電力系統に流し込む系統連系システムが本格的に使用できるようになった。図１０に一般的な太陽光発電システムの一例を示す。太陽電池１の出力が系統連系インバータ２を介して商用電力系統３につながれている。系統連系インバータの内部には、コイルやコンデンサからなる入力フィルタ２１、ゲート制御信号によって開閉の制御される半導体スイッチからなる図２に示されるようなスイッチ部２２、コイルとコンデンサからなる出力フィルタ２３、およびインバータの動作を制御する制御装置２４がある。制御装置２４には、最大電力制御装置２４１および瞬時値電流制御装置２４２が含まれており、そのほかに保護装置等も含まれることがある。
【０００３】
最大電力制御装置２４１は、日射強度や温度の変化に応じて太陽電池の動作点を変えて太陽電池から最大電力を取り出そうとするもので、太陽電池電圧Ｖｐｖと太陽電池電流Ｉｐｖを入力し、太陽電池出力が最大となるようにインバータの出力電流指令値を演算する。より詳しくは、太陽電池出力電力が最大になる電圧を演算・算出し、太陽電池電圧が該電圧となるように電流指令値を制御する。演算装置としてデジタルマイクロプロセッサ（いわゆるマイコン）を使用するのが一般的である。このような最大電力制御装置の例としては特開昭６２−８５３１２号公報に開示されているごときものがある。
【０００４】
瞬時値電流制御装置２４２は、最大電力制御装置２４１からの電流指令値を入力して、インバータ出力電流が該電流指令値に概ね一致するようにスイッチ部２２をゲート制御信号によって制御する。このような瞬時値電流制御装置の例としては米国特許第４４２４５５７号に開示されているごときものがある。該瞬時値電流制御装置の動作例を図１０および図４をもとに説明する。瞬時値電流制御装置２４２は電流指令値を最大電力制御装置２４１から入力し、スイッチ部２２へゲート制御信号（オン／オフ）指令信号を送出する。この時のゲート信号、出力電流波形、ならびに電流指令値の関係を示したのが図４である。図４に示したように、瞬時値電流制御信号は、出力電流が電流指令値に概ね一致するようにゲート制御信号を送出する。すなわち、ゲート信号がＨの時に出力電流が増えて指令値を一定以上越えるとゲート信号をＬにして出力電流を減らし、該出力電流が指令値を一定以上下回るとゲート信号を再びＨにして出力電流を増やす。このような制御動作により、出力電流を指令値に概ね一致させる。太陽光発電システム用インバータでは、騒音と出力電流歪みを減らすために、ゲート信号の最高周波数は１０ＫＨｚから３０ＫＨｚ程度とかなり高い。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、これらの最大電力制御装置と瞬時値電流制御装置は普通別々に構成される。というのは、最大電力制御と瞬時値電流制御に要求される制御速度が全く異なっているからである。最大電力制御装置は、日射変動に追従すればよいだけなので、比較的遅い制御装置が使用できる。筆者らの研究によれば０．１秒程度の周期で動作できれば十分である。ところが、瞬時値電流制御系は、連続的に出力電流と電流指令値を比較し、その結果からゲートのオン／オフを決めなければならない。しかも、出力電流歪みや騒音を減少させるためには１０ＫＨｚ以上でスイッチ部をオン／オフしなければならず、たとえば１０ＫＨｚのスイッチ速度を実現するには制御周期を長くとも１００マイクロ秒未満に押さえる必要がある。両方の制御動作をひとつのデジタルマイクロプロセッサで行なえば、すべての制御論理をソフトウエアとして組めるので、システムの柔軟性が著しく高まる。しかし、これを普通に実施するとすれば、最大電力制御と瞬時値電流制御の双方を前記制御周期（例えば１００μＳ）内で行なうこととなり、極めて高速のマイクロプロセッサと極めて高速のアナログ−デジタル変換器が必要になる。これらは、非常に高価であり、インバータを安価に構成できなくなるという問題がある。そこで、普通は、先の公知例のようにハードウエア的に構成された瞬時値電流制御装置とソフトウエア的に構成された最大電力制御装置を組み合わせるのである。ハードウエアで瞬時値電流制御を行なうのは簡単であるが、ハードウエアとデジタルマイクロプロセッサという２つの制御装置を持つことになるので、コストや設置場所を必要として無駄である。また、新たなスイッチ素子の出現時には、電流制御部のハードの設計変更が必要になってしまう。
【０００６】
単一ＣＰＵによる制御を実現するため、本発明者は、先に瞬時値電流制御（波形生成制御）の隙間を使って最大電力制御を行なうことを案出し、特願平６−２８６１０８号（以下、先願という）として出願した。しかし、先願の方式は連系リアクトルの値と太陽電池の出力電圧に対する拘束条件が厳しく、場合によっては出力電流歪みが許容値（例えば歪み率５％）を超えてしまう恐れがある。
【０００７】
また、特開昭５７−２５１７１号公報には、タイマによる割り込みを使用したインバータ制御装置が記載されているが、この方式は、太陽電池のような日射に従って時々刻々と変化するような入力を持ったインバータには適用できるものではない。
【０００８】
このように、単一のＣＰＵを用いて瞬時値電流制御（波形生成制御）と最大電力制御を行なう連系インバータ向けの制御装置として適切なものは未だ実現していない。
【０００９】
本発明は上記の問題点に鑑みてなされたもので、単一のデジタルマイクロプロセッサを使用した安価で、しかも、どんなスイッチ素子や太陽電池に対してもハードウエアの設計変更なしに電流制御や最大電力制御の行なえるインバータを提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため本発明では、直流電力をスイッチング素子を用いて交流電力に変換するインバータの制御装置であって、出力電流／電圧と参照信号を入力してスイッチング素子のスイッチ状態を該出力電流または出力電圧を増加させる増加モードと減少させる減少モードとの一方から他方へ反転すべきかどうかを判別する反転判別回路と、該反転判別回路から出力される反転要求信号を受けてスイッチング素子のスイッチ状態を変更するゲートパルス信号生成手段を具備し、前記反転判別手段がアナログ比較器を用いて構成され、かつ前記ゲートパルス信号生成手段が所定の主制御プロセスを実行するＣＰＵにより構成されており、なおかつ反転要求信号を該ＣＰＵの割り込み制御信号として入力することを特徴とする。
【００１１】
【作用】
インバータのスイッチング動作について考察してみれば、機能的に何らかの処理が必要なのはスイッチを切り替える瞬間だけに過ぎないことが理解できる。本発明では、この点に着目し、反転すべき瞬間をハード的に識別して割り込み要求信号を発生させ、その瞬間だけＣＰＵにスイッチ切替動作を実行させる。このようにすれば、ＣＰＵは通常は保護処理、最大電力処理など応答時間に比較的余裕のある処理に専念でき、なおかつスイッチングゲートパルス生成に対しては、割り込み処理を用いて極めて短い応答時間で実行できる。こうすれば、ゲートパルス生成処理はＣＰＵのソフトウエアとして記述されるのでスイッチング素子の変更時にもハードの変更が不要である。さらに、互いの処理ルーチンの独立性が極めて高まり、デバッグが容易になる。
【００１２】
【実施例】
図１は本発明の一実施例に係るインバータを用いた太陽光発電システムの構成を示す。図１のインバータは、アナログ比較器とＣＰＵによる適切なメイン処理とを組み合わせたもので、スイッチング部２２の全スイッチをオフするオールオフ時間を設定したものである。図１においては、スイッチ部２２のゲート駆動回路（不図示）をディジタルＣＰＵ４からのディジタル出力信号で直接に駆動し、反転判別回路５からのスイッチ反転要求信号が該ＣＰＵの割り込み信号線に結合されている。
【００１３】
太陽電池１としては、光電変換層にアモルファスシリコンや結晶シリコンを用いたものがあるが、本発明を実施するにあたって制限はない。本実施例においては、太陽電池１としてＵＳＳＣ社製アモルファス太陽電池モジュール（商品名ＵＰＭ８８０）を５６枚（１４直列×４並列）使用して、２００Ｖ５．６Ａの出力を持つアレイを構成した。
【００１４】
太陽電池１の出力は大容量のコンデンサからなるＤＣフィルタ２１を通じてスイッチ部２２に入力される。本実施例では、ＤＣフィルタ２１のコンデンサとして４７００μＦのアルミ電解コンデンサを使用した。このコンデンサは、リップル電流と太陽電池１の開放電圧に耐えるようなものを選択する必要がある。
【００１５】
スイッチ部２２は、ＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴなどの自己消弧型スイッチング素子を４個使った、いわゆるフルブリッジ回路が好んで用いられる。この他にも、素子を２個しか使わないハーフブリッジ回路等も使用可能である。本実施例にあっては、日立製ＭＯＳＦＥＴ（２ＳＫ１４０５、６００Ｖ１５Ａ）を４個使用して、図２に示されるフルブリッジ回路を構成した。このスイッチ部２２の出力を出力リアクトル（１０Ａ、１０ｍＨ）を介して商用電力系統（１００Ｖ６０Ｈｚ）に接続した。
【００１６】
瞬時値電流制御方式（反転判別方式）は、共立出版社刊、平紗多賀男著「パワーエレクトロニクス」第１２０頁に記載のある「電流追従制御型」を採用した。これを実行するための具体的な回路例を図３に示す。図３の反転判別回路５において、参照信号入力端子Ｉｒｅｆには参照電流として系統電圧に所定の定数を乗じたものが加えられる。出力電流入力端子Iinvにはインバータ出力電流が加えられ、比較器ＣＯＭＰ１とＣＯＭＰ２で比較されて、互いに逆位相を持った反転要求信号が出力される。図４に反転判別回路５の動作の様子を示す。参照電流Ｉｒｅｆと出力電流Iinvとの差が、あらかじめ決められた電流幅Δに納まらない時に反転要求信号ＲまたはＳが論理レベルＨになるように出力が生じる。本実施例において、演算増幅器Ｕ１−１およびＵ１−２には汎用オペアンプＴＬ０７２を使用し、比較器には出力がＴＴＬレベルで、かつ動作速度の速いマキシム社製のＭＡＸ９０９を使用している。特にこれらの素子について厳しい制限はないが、ディジタルＣＰＵにつなぐためには出力Ｒ，Ｓにディジタルレベル（ＣＭＯＳ、ＴＴＬ）が出力されるようになっているものが便利である。電流幅Δについては、インバータの効率や歪みを考慮して適切な値にする必要がある。一般的に言って、Δを小さくするとスイッチング回数が増えて効率が下がり、一方、歪みは減る。Δを増やすとその逆になる。したがって、電流幅Δは、歪み等の条件を考慮して決める必要がある。
【００１７】
反転判別回路５の出力Ｒ，ＳはディジタルＣＰＵの割り込み入力端子に結合される。ＣＰＵは、複数の割り込み入力端子を持っているものが望ましく、そうでない場合には、インテル社製のＩＣ（型名８２５１）に代表されるような割り込み制御用回路を用いて複数の割り込み入力を接続できるようにすればよい。
【００１８】
本実施例では、三菱電機社製の学習用マイコンボード（商品名ＭＴＫ７７０２Ａ）を使用した。本ボードにはＣＰＵとしてＭ７７１０（三菱電機社製、クロック周波数２５ＭＨｚ）を搭載した。このＣＰＵはいわゆる１チップタイプであり、Ａ／Ｄコンバータ、Ｄ／Ａコンバータ、タイマ、パラレルＩＯ、ＲＡＭおよび３つの割り込み入力端子が装備されており、本発明の実施に好適なものとなっている。本実施例では割り込み０と割り込み１にそれぞれ出力Ｒ，Ｓを結合した。ゲートパルスはパラレルポート６番のビット０〜４を使用した。
【００１９】
パラレルポートの出力は、フォトカプラで絶縁された上で、スイッチング素子のゲート駆動回路に送られる。ゲート駆動回路には公知公用のものが使用でき、例えば総合電子出版社刊、高橋久著、「パワーデバイスの使い方と実用制御回路設計法」第９９頁に示されているものがある。多くの場合、各社のパワーデバイスのカタログには、推奨ゲート駆動回路が記載されているので、それらを使用することもできる。
【００２０】
このようにして、本発明にかかるインバータ制御装置が構成される。次に、ソフトウエアの構成について説明する。
【００２１】
本発明の制御装置においては、割り込み処理として記述されたスイッチ反転処理ルーチンと、最適動作点追尾制御等の他の処理を行なう主制御ルーチンの２つの独立した処理プログラムを記述する必要がある。本発明の場合、互いのプログラムは、互いの存在を意識する必要は全くないので、非常に容易にプログラムを記述でき、かつ保守性が高まる。
【００２２】
本実施例にあっては、主制御処理では、Ｍ７７１０ＣＰＵの第５パラレルポートに接続されたＬＥＤを０．５秒ごとに点滅させる処理を行なうことにした。この主制御処理を図５に示す。主制御ルーチンで記述される動作は、スイッチ反転動作よりも、遅い制御（応答）時間を持つものでなければならない。そうでないと、割り込み処理の時間が相対的に無視できない量になってしまい、動作に支障をきたす。
【００２３】
割り込み処理ルーチンの記述内容は、図６に示した通りであり、一定時間ＡＬＬＯＦＦ（すべてのスイッチ素子をオフにすること。本実施例では２μｓの時間ＡＬＬＯＦＦを実施）を行なってから、それぞれ電流増加モード（２２１と２２４をオン）、電流減少モード（２２２と２２３をオン）への状態反転を行なう。このＡＬＬＯＦＦにより、消弧遅れ等により太陽電池出力に対して直列に接続されたスイッチ素子（図２の２２１と２２２、２２３と２２４）が同時に導通して回路を短絡しスイッチ素子が破壊する等の事故を防止することができる。ここでＡＬＬＯＦＦ時間をソフト的に決めているところに、本実施例の特徴がある。スイッチ素子の種類が変更されると、ＡＬＬＯＦＦ時間を変えなくてはならないことがある。そういった場合でも、本実施の制御装置では、時間と費用のかかるハードウエアの変更を必要としない。また、ＣＰＵでインテリジェントにスイッチ動作を行なえるので、不測の事態に対して、多種多様な処理が可能であり、システムとしての安全性を高めることができる。
【００２４】
この制御装置は、リセット後、ＬＥＤ点滅動作を行ないながら、スイッチ反転割り込みがあった時だけ、スイッチ反転を行ない、出力電流波形を制御する。この装置にあっては、系統との位相同期は、反転判別回路への参照電流Ｉｒｅｆで自動的に取られてしまうので、制御処理プログラムは上記のように著しく簡単になる。
【００２５】
【他の実施例】
本実施例においては、スイッチング素子として三菱社製ＩＧＢＴ（ＣＭ５０ＤＹ−１２Ｈ）を使用し、それ以外のハードウエアの構成は前実施例と同一とした。次に割り込み処理ルーチンの記述を図７のように変更した。具体的には、タイマを使用して、前回の反転との時間を測定し、時間が短すぎる時には時間待ち処理を行なうようにした。本実施例では、最短スイッチ時間を０．１ｍｓにした。このように最短スイッチ時間の制限処理を行なうことで、スイッチング周波数は１０ＫＨｚ以下に制限できる。ＩＧＢＴは、ＭＯＳＦＥＴよりもスイッチ動作が遅いので、スイッチ周波数を制限することが必要になるが、本発明の制御装置では、それに伴ったハード的な改造は不要である。なお、時刻記憶用のメモリは割り込み０と割り込み１で共通とした。
【００２６】
【更に他の実施例】
本実施例においては、前実施例に加えて、主制御ルーチンを図８のように書き換え、この主制御ルーチンで最適動作点追尾（ＭＰＰＴ）制御動作を行なうようにした。これにともない、太陽電池電圧と電流をマイコンボードもＡ／Ｄ入力端子に取り込めるよう、図９のように回路を構成した。
【００２７】
太陽電池電圧を取り込むには、太陽電池の電圧を適当な分圧抵抗で降圧してから、絶縁アンプを用いて、Ａ／Ｄ入力端子に入力するのが一般的な方法である。また、太陽電池電流を取り込むには、ホール素子を用いたＤＣＣＴ（直流変流器）を用いて、絶縁を取った上で電流／電圧変換してＣＰＵのＡ／Ｄ入力端子に入力すればよい。この他にも電流検出用精密抵抗を使用する方法などがある。また、Ｄ／Ａコンバータ出力をアナログ乗算器２４３で系統電圧に乗じ、それを参照電流Ｉｒｅｆとして使用することでＣＰＵによってインバータ出力電流の大きさを制御できるようにした。
【００２８】
ＭＰＰＴ制御動作方法には、山登り法等の公知事例があり、本実施例では山登り法を採用することにした。図８の点線囲み部は、この山登り法のフローチャートを示す。簡単に説明すると、電流指令値を増加させて、その時のＰＶ電力を計算し、電力が落ちたら、電流指令値を減少させ、電力が上昇したら電流指令値をさらに増加させるというものである。この制御ループには、インバータが動作追従するために１００ｍｓの待ち時間が設けてある。割り込み処理ルーチンの処理時間は、スイッチング時間制限のためのウエイトがかかったとしても、高々０．２ｍｓ以下なので、両者の制御時間は５００倍の差がある。
【００２９】
このようにして、晴天のもとで一日にわたって、動作させてみると、本実施例のインバータは異常動作することもなく、最大電力点追尾動作を行なっており、出力電流歪み、最短スイッチング時間の点にも何等問題がなかった。単一のＣＰＵで、ＭＰＰＴ動作と出力波形生成動作を実施することができたのである。
【００３０】
比較例として、ソフトウエアのみで波形生成と主制御動作の処理をするプログラムの一例のフローを図９に示した。この場合、系統同期処理、位相判定処理などの、比較的複雑な処理が必要になっている。
【００３１】
【発明の効果】
以上述べてきたように本発明は、直流電力をスイッチング素子を用いて交流電力に変換して商用電力系統に逆潮流させるためのインバータの制御装置であって、出力電流／電圧と参照信号を入力してスイッチング素子のスイッチ状態を該出力電流／電圧を増加させる増加モードと減少させる減少モードとの一方から他方へ反転すべきかどうかを判別する反転判別手段と反転判別手段から出力される反転要求信号を受けてスイッチング素子のスイッチ状態を変更するゲートパルス信号生成手段を具備し、前記反転判別手段がアナログ比較器を用いて構成され、かつ前記ゲートパルス信号生成手段が所定の主制御プロセスを実行するディジタルＣＰＵにより構成されており、なおかつ反転要求信号を該ＣＰＵの割り込み制御信号として入力することを特徴とする系統連係インバータの制御装置であり、以下の効果を有する。
【００３２】
▲１▼ＡＬＬＯＦＦ時間、最短スイッチ時間といったスイッチ素子に固有のパラメータを容易に変更可能である。
【００３３】
▲２▼ゲートブロック機能の実現が容易である。
【００３４】
▲３▼最低または最高スイッチング周波数を容易に制限できる。
【００３５】
▲４▼太陽光発電において、ＭＰＰＴ制御装置と波形制御装置を、比較的低速で安価な、単一のＣＰＵで構成できる。これにより、インバータ制御装置の低コスト化が可能になる。
【００３６】
▲５▼割り込み処理を使用しているので、最大電力制御処理と波形生成制御（ゲートパルス発生）処理を全く独立したプログラムとして記述できる。このため各々の処理のデバッグも独立に容易に実行できるようになり、開発効率をあげることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の一実施例に係る太陽光発電システムの構成を示すブロック図である。
【図２】  図１におけるスイッチング部の一例を示す回路図である。
【図３】  図１における反転判別部の一例を示す回路図である。
【図４】  図１のインバータにおける出力電流、参照電流、割り込み要求信号の推移を表す説明図である。
【図５】  図１の制御装置の主制御プロセスの一例を示すフローチャートである。
【図６】  図１の制御装置の割り込みプロセスの一例を示すフローチャートである。
【図７】  割り込みプロセスの他の例を示すフローチャートである。
【図８】  ＭＰＰＴ動作を行うための種制御ルーチンを示すフローチャートである。
【図９】  本発明の他の実施例に係る太陽光発電システムの構成を示すブロック図である。
【図１０】  従来の太陽光発電システムの構成を説明するためのブロック図である。
【図１１】  従来の主制御プロセスを示すフローチャートである。
【符号の説明】
１：太陽電池、２：系統連系インバータ、２１：ＤＣ側フィルタ、２２：スイッチング部、２３：ＡＣ側フィルタ、２４：制御装置、２４１：最大電力制御部、２４２：瞬時値電流制御部、２４３：アナログ乗算器、３：商用電力系統、４：マイクロプロセッサ、５：反転判別回路、Ｉｐｖ：太陽電池電流、Ｖｐｖ：太陽電池電圧、Ｉｒｅｆ：参照信号、Ｉｉｎｖ：インバータ出力電流、Ｖａｃ：商用系統電圧。
【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】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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