(57)【要約】【課題】  低コスト回路構成においても、インバータ起動時の安定性を確保する。【解決手段】  第１のスイッチング素子と第２のスイッチング素子の直列体で構成される上下アームと、所定の正電圧と基準電圧を出力する電源回路と、第１のスイッチング素子を駆動する第１の駆動回路と、第２のスイッチング素子を駆動する第２の駆動回路と、第１の駆動回路に設けられたコンデンサと、商用系統との接続を開閉する接続手段と、商用系統の電圧を計測する電圧計測手段と、制御手段と、を備え、接続手段を閉じた後、第１、第２の駆動回路に制御信号を送信し、第２のスイッチング素子をスイッチングしている間に、第１のコンデンサに充電を行い、該第１のコンデンサの電位が所定量に達した後に、第１のスイッチング素子と第２のスイッチング素子を相補的にスイッチングする電力変換装置。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電力を交流電力に変換するとともに商用系統に連系する電力変換装置であって、
第１のスイッチング素子と第２のスイッチング素子の直列体で構成される第１の上下アームと、
所定の正電圧と基準電圧を出力する電源回路と、
前記正電圧が入力されるとともに前記基準電圧が入力されず、前記第１のスイッチング素子を駆動する第１の駆動回路と、
前記正電圧および前記基準電圧が入力され、前記第２のスイッチング素子を駆動する第２の駆動回路と、
前記第１の駆動回路に設けられた第１のコンデンサと、
前記商用系統との接続を開閉する接続手段と、
前記商用系統の電圧を計測する電圧計測手段と、
前記第１、第２の駆動回路および前記接続手段を制御する制御手段と、を備え、
前記接続手段を閉じた後、前記第１、第２の駆動回路に制御信号を送信し、前記電圧計測手段で計測した前記商用系統の電圧の位相に同期して前記第２のスイッチング素子をスイッチングしている間に、前記第１のコンデンサに充電を行い、該第１のコンデンサの電位が所定量に達した後に、前記商用系統の電圧の位相に同期して前記第１のスイッチング素子と前記第２のスイッチング素子を相補的にスイッチングすることを特徴とする電力変換装置。
【請求項２】
直流電力を交流電力に変換するとともに商用系統に連系する電力変換装置であって、
第１のスイッチング素子と第２のスイッチング素子の直列体で構成される第１の上下アームと、
第３のスイッチング素子と第４のスイッチング素子の直列体で構成される第２の上下アームと、
所定の正電圧と基準電圧を出力する電源回路と、
前記正電圧が入力されるとともに前記基準電圧が入力されず、前記第１のスイッチング素子を駆動する第１の駆動回路と、
前記正電圧および前記基準電圧が入力され、前記第２のスイッチング素子を駆動する第２の駆動回路と、
前記正電圧が入力されるとともに前記基準電圧が入力されず、前記第３のスイッチング素子を駆動する第３の駆動回路と、
前記正電圧および前記基準電圧が入力され、前記第４のスイッチング素子を駆動する第４の駆動回路と、
前記第１の駆動回路に設けられた第１のコンデンサと、
前記第３の駆動回路に設けられた第３のコンデンサと、
商用系統との接続を開閉する接続手段と、
前記第１〜第４の駆動回路および前記接続手段を制御する制御手段と、を備え、
前記接続手段を閉じた後、前記第１〜第４の駆動回路に制御信号を送信し、前記電圧計測手段で計測した前記商用系統の電圧の位相に同期して前記第２のスイッチング素子と前記第４のスイッチング素子を相補的にスイッチングしている間に、前記第１のコンデンサと前記第３のコンデンサに充電を行い、これらのコンデンサの電位が所定量に達した後に、前記商用系統の電圧の位相に同期して前記第１のスイッチング素子と前記第３のスイッチング素子を相補的にスイッチングすることを特徴とする電力変換装置。
【請求項３】
直流電力を交流電力に変換し、交流電力系統と連系して運転するインバータと、
それぞれに電力貯蔵手段を有し、前記インバータのスイッチング素子を駆動する駆動手段と、
前記駆動手段に電力を供給する制御電源装置と、
前記インバータの交流側と、前記電力系統との間に配置された接続手段と、
前記接続手段よりも前記電力系統側に配置された電圧検出手段と、
前記電力系統の電圧位相を計測し、前記接続手段と前記駆動手段を制御する計測・制御手段を有し、
前記計測・制御手段は、
前記電力系統の電圧位相に応じて、接続手段により前記インバータの交流側と前記電力系統を接続した後、
前記電圧位相に同期して、前記スイッチング素子を駆動する駆動手段に対し駆動信号を出力することで、前記駆動手段が有する電力貯蔵手段に電力を貯蔵することを特徴とした電力変換装置。
【請求項４】
請求項３に記載の電力変換装置において、
前記計測・制御手段より、駆動回路に対して出力される駆動信号は、前記インバータの各対応するスイッチング素子を、前記電力系統の電圧半周期の間、高速にオンオフすることを特徴とする電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、分散型電源の発電電力を、電力変換装置を用いて変換して所望の電力を得るシステムに関し、特に、太陽電池の発電電力を商用系統に逆潮流する太陽光発電システムにおける電力変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
太陽光発電システムで用いられる一般的な単相型系統連系インバータの構成を図５に示す。ここに示すように、このシステムは、太陽電池１、太陽電池で発電した直流電力を交流電力に変換する電力変換装置２、商用系統３から構成されている。
【０００３】
電力変換装置２は、太陽電池１の発電電力を所定の直流電力に変換するものであり、太陽電池１の出力端子に接続されたコンバータ部と、コンバータ部の出力側に設けられた直流コンデンサ５と、直流コンデンサ５の端子間に設けられたインバータ部からなる。
【０００４】
コンバータ部は、コンバータ回路４と、それを制御する計測・制御手段１０を有する。
【０００５】
一方、インバータ部は、スイッチング素子６Ａ〜９Ａ、各スイッチング素子を駆動する駆動回路６Ｂ〜９Ｂ、スイッチングによる高調波をフィルタするリアクトル１８、リアクトル１８の出力端子間に設けられたコンデンサ１３、リアクトル１８とコンデンサ１３の間に設置した電流計測手段１１、インバータ部の交流側と商用系統３を開閉する接続手段１５、接続手段１５と商用系統の間に配置された電圧計測手段１２、および、電流計測手段１１と電圧計測手段１２の検出値を計測するとともにスイッチング素子６Ａ〜９Ａを駆動するＰＷＭ信号を駆動回路６Ｂ〜９Ｂに出力する計測・制御手段１４からなる。なお、スイッチング素子６Ａと７Ａで第一の上下アームが構成され、スイッチング素子８Ａと９Ａで第二の上下アームが構成されている。
【０００６】
また、この電力変換装置は、計測・制御手段１０、１４、駆動回路６〜９、接続手段１５を動作させるための電源回路１６を有している。電源回路１６は、直流コンデンサ５の両端の電圧（Ｐ−Ｎ間電圧）を１次側入力とし、各回路に必要な電圧にそれぞれ変換し供給する。
【０００７】
特に、電源回路１６と駆動回路６Ｂ〜９Ｂの間には、駆動回路への安定的な電源供給と絶縁確保のための安定化電源１７が配置されていることが多い。このような構成であれば、太陽電池１による電力供給が続く限り、常に駆動回路６Ｂ〜９Ｂへ安定的な電力供給を行うことができる。
【０００８】
さて、インバータのスイッチング素子６Ａ、８Ａの駆動電圧ＶＧＥＱ１、ＶＧＥＱ３は、その基準電圧がグランド電位ではないことから、上記のような安定化電源１７により基準電位を安定させる必要がある。
【０００９】
しかし、安定化電源１７は一般的に高価であり、製品コストの増加につながる。このため、一般的にはこの安定化電源１７を取り除き、代わりに駆動回路６Ｂ、８Ｂの電源としてコンデンサＣｂａ、Ｃｂｃに電荷をチャージする方法を採用する。
【００１０】
このコンデンサＣｂａ、Ｃｂｃへ電荷をチャージするには、スイッチング素子７Ａ、９Ａをオンさせ、回路全体のグランド電位をＣｂａ、Ｃｂｃに見せる必要がある。
【００１１】
例えば、コンデンサＣｂａに電荷をチャージする場合、スイッチング素子７Ａを一定時間、オンを継続させることで、コンデンサＣｂａに対し電圧Ｖ１５ａとグランド（具体的にはコンデンサ５の負極）が確定し、電圧Ｖ１５ａの電圧（この場合は１５Ｖ）が印加される。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
系統連系インバータでは、商用系統３の保護のため、接続手段１５により、インバータと商用系統を切り離す機構が必要である。一般的にこの接続手段１５は電磁リレーなどで構成されることから、リレーをオンしてから一定時間経過しなければ接続状態が安定しない。このため、リレーのオンオフ時間を考慮し、次の動作シーケンス（インバータのスイッチング素子通電開始など）へ遷移する必要がある。
【００１３】
しかし、安定化電源１７が不要な構成の場合、先述したようにコンデンサＣｂａ、Ｃｂｃへのチャージが必要となるが、これらのコンデンサＣｂａ、Ｃｂｃへチャージした後に接続手段１５を制御し系統へ接続しようとすると、その間にＣｂａ、Ｃｂｃにチャージされた電荷が放電されてしまうことがある。
【００１４】
このため、コンデンサＣｂａ、Ｃｂｃに電荷がチャージされているという前提でインバータ制御を行おうとすると、スイッチング素子６Ａ、８Ａを正常にオンオフ動作させることができず、過電流を発生させるなど、正常に起動できなくなるおそれがあった。
【００１５】
本発明が解決すべき課題は、低コスト構成の電源回路において、コンデンサＣｂａ、Ｃｂｃに十分な電荷がチャージされていない状態から安定的にインバータを駆動させる方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
上記課題は、直流電力を交流電力に変換するとともに商用系統に連系する電力変換装置であって、第１のスイッチング素子と第２のスイッチング素子の直列体で構成される第１の上下アームと、所定の正電圧と基準電圧を出力する電源回路と、前記正電圧が入力されるとともに前記基準電圧が入力されず、前記第１のスイッチング素子を駆動する第１の駆動回路と、前記正電圧および前記基準電圧が入力され、前記第２のスイッチング素子を駆動する第２の駆動回路と、前記第１の駆動回路に設けられた第１のコンデンサと、前記商用系統との接続を開閉する接続手段と、前記商用系統の電圧を計測する電圧計測手段と、前記第１、第２の駆動回路および前記接続手段を制御する制御手段と、を備え、前記接続手段を閉じた後、前記第１、第２の駆動回路に制御信号を送信し、前記電圧計測手段で計測した前記商用系統の電圧の位相に同期して前記第２のスイッチング素子をスイッチングしている間に、前記第１のコンデンサに充電を行い、該第１のコンデンサの電位が所定量に達した後に、前記商用系統の電圧の位相に同期して前記第１のスイッチング素子と前記第２のスイッチング素子を相補的にスイッチングする電力変換装置によって改善される。
【発明の効果】
【００１７】
低コスト回路構成においても、インバータ起動時の安定性を確保することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】一実施例の電力変換装置のシステム構成を示す図。
【図２】一実施例の電力変換装置の計測・制御手段内の位相情報を得る機能の構成図。
【図３】一実施例の電力変換装置の各デバイス動作のタイミングチャート
【図４】一実施例の電力変換装置の制御シーケンス
【図５】従来の回路構成を示す図
【発明を実施するための形態】
【００１９】
商用系統に接続するインバータの起動時制御における制御によって、インバータ駆動回路を簡易に構成し、部品コストの低減を実現できるシステムに関する一実施例の電力変換装置を図１〜図４を用いて説明する。
【００２０】
図１に本実施例におけるシステム構成図を示す。ここでは先述の図５と同一箇所について説明を省略し、異なる部分のみ説明する。
【００２１】
図５と異なる部分は、電源回路１６が生成する電圧Ｖ１５ａ〜Ｖ１５ｄを、駆動回路６Ｂ〜９Ｂへ直接接続した点と、基準電位Ｅ１５ａ〜Ｅ１５ｄのうちＥ１５ａ、Ｅ１５ｃを駆動回路６Ｂ、８Ｂに接続しない点である。
【００２２】
一方、計測・制御手段１４の内部には、電流計測手段１１の電流検出値と電圧計測手段１２の系統電圧検出値を取得するＡ／Ｄ変換器、接続手段１５を制御するリレー出力のための出力ポート、駆動回路６Ｂ〜９Ｂへ駆動信号を出力するためのＰＷＭ出力部を有している。これらの入出力ポートより必要な情報の取得を行い、適切なＰＷＭ信号を出力する。
【００２３】
図２は、計測・制御手段１４が系統電圧の電圧位相を得るための機能について説明する図である。図２（ａ）は、商用系統３の各相（Ｕ相、Ｖ相）の電圧値を取得し、それをもとに電圧位相を得るＰＬＬのブロック図を示している。ここで、計測した電圧値と、出力される位相情報の関係を図２（ｂ）に示す。このように、計測した電圧値から得た位相を、横軸を時間として連続的に示すと、図２（ｃ）のようになる。計測・制御手段１４は、図２（ｃ）で得た位相情報をもとに、接続手段１５の制御信号や、駆動回路６Ｂ〜９Ｂを制御するためのＰＷＭ信号を出力する。これらの関係を図３に詳細に示す。
【００２４】
次に、図３は、図２（ｃ）で示した位相情報をもとに、接続手段１５、計測・制御手段１４からのＰＷＭ出力、駆動回路６Ｂ〜９Ｂによって駆動されるスイッチング素子６Ａ〜９Ａの電圧について、電力系統の状態とともに示したものである。
【００２５】
図４は、本実施例による制御シーケンスを示す。まず、ＳＴＰ０１では、電圧計測手段１２と計測・制御手段１４を用いて電圧位相計測を実施する。これは、図２（ａ）〜（ｃ）で示したように、系統電圧に同期した位相情報を取得し、維持するものである。このとき、停電など、系統の異常によって正確な位相が取得できない間は次のシーケンスに進めないようにする必要があり、ＳＴＰ０２で電圧位相の計測成否を判定している。
【００２６】
ＳＴＰ０２で電圧位相が正常に計測できたと判定した場合は、ＳＴＰ０３へ進み、接続手段１５をオンする。接続手段１５のオンオフタイミングは、図３にも示したとおり、位相情報を用いて系統電圧のゼロクロス点を狙ってオンオフを実施するのが一般的である。これは系統電圧の大きいところでオンオフすることによる、系統からのラッシュ電流を防止するためのものである。ここでは系統電圧のゼロクロス点で接続手段のオンを実施ずる。
【００２７】
次に、ＳＴＰ０４では、接続手段１５が正常にオンされたかどうかを判定する。正常にオンされた場合は、ＳＴＰ０５でインバータをオンし、計測・制御手段１４はスイッチング素子へのＰＷＭ出力を開始する。
【００２８】
このときのスイッチング素子６Ａ〜９Ａの通電パターンは、図３に示すようになる。すなわち、系統電圧が正相のときは６Ａ（Ｕ＋）と９Ａ（Ｖ−）に通電し、逆相のときは８Ａ（Ｖ＋）と７Ａ（Ｕ−）に通電する。このように、６Ａがオンのときは８Ａがオフとなるよう、相補的にスイッチングを行う（相補ＰＷＭ出力を行う）。
【００２９】
図３の区間Ａに示すように、スイッチングを開始した直後には、駆動回路６Ｂ、８Ｂへ電源供給する電力貯蔵手段であるコンデンサＣｂａとＣｂｃには電荷がチャージされておらず、VbaとVbcがスイッチング素子を駆動させるのに必要な電圧Vcgに達していないため、駆動回路６Ｂ、８Ｂを制御するＰＷＭ出力（Ｕ＋、Ｖ＋）を与えても、スイッチング素子６Ａ、８Ａはオンオフ動作させることができない。
【００３０】
しかし、この間、スイッチング素子７Ａ、９Ａはスイッチング動作を実施可能であり、結果、ＣｂａにはＶ１５ａ−グランド間、ＣｂｃにはＶ１５ｃ−グランド間の電位が確定するため、Ｃｂａ、Ｃｂｃへの電荷チャージが実施される。そして、区間Ｂになり、それぞれのコンデンサ端子間電圧が規定の電圧（図３中Ｖｃｇ）を超えると、十分な電源供給が可能で電荷がチャージされたことになり、駆動回路６Ｂ、８Ｂからもスイッチング素子６Ａ、８Ａを駆動できるようになる。
【００３１】
以上で説明したように、本実施例によれば、駆動回路６Ｂと８Ｂに基準電位Ｅ１５ａ、Ｅ１５ｃを供給しない簡易な構成を採用しても、所定期間経過後に駆動回路６Ｂと８Ｂが正常に駆動するため、インバータ起動時の安定性を高めることができる。
【００３２】
なお、本実施例において、スイッチング方式において相補ＰＷＭ方式にのみ限定されず、スイッチング素子７Ａ、９Ａを駆動することによりコンデンサ電圧Ｃｂａ、Ｃｂｃへチャージできる通電方法であれば、どの方法に置き換えても良い。
【００３３】
例えば、６Ａ（Ｕ＋）、８Ａ（Ｖ＋）のスイッチングを、ＰＷＭから常時ＯＮとする方法をとっても良い。この方式は、系統が正相のときはＱ１（Ｕ＋）を、逆相のときはＱ３（Ｖ＋）を常時ＯＮとするような方法であるが、このような方法においても本実施例の適用が限定されることはない。
【００３４】
また、スイッチング素子６Ａ〜９ＡをＩＧＢＴで示しているが、パワーＭＯＳＦＥＴ、ＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴなど他のスイッチング素子に置き換えても良い。また本実施例では分散型電源として太陽電池１を例に取り上げたが、電源として太陽電池にこだわるものではない。またコンバータ４とインバータ部が絶縁されていない非絶縁方式の電力変換装置を例に説明したが、絶縁型の電力変換装置であってもよい。
【００３５】
さらに、以上の実施例では、２つの上下アームを備えた電力変換装置を例に説明を行なったが、上下アームは１つであっても良い。
【００３６】
以上で説明した本実施例の電力変換装置は、家庭向けの商用系統と連系する太陽光発電システムに適用することが可能である。また、系統との連系を行わないＤＣ給電システム等の太陽光発電システム、離島や山小屋向け太陽電池システム、スマートグリッド向け太陽電池システム、メガソーラシステム等の大型太陽光発電システムに適用できる。
【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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