(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電源から供給される直流電力を交流電力に変換するとともに、商用電力系統と連系して負荷へ前記交流電力を供給するインバータ装置であって、
前記直流電力を前記交流電力に変換する電力変換手段と、
容量性素子を有し、前記電力変換手段から出力された出力の高周波成分をカットする低周波フィルタと、
前記低周波フィルタを通過した電流を検出する電流検出手段と、
商用電力系統との連系点電圧を検出する電圧検出手段と、
前記電圧検出手段で検出される前記電圧に対する前記電流検出手段で検出される前記電流の力率が１となるように、前記電力変換手段を制御する制御手段と、
前記電流検出手段で検出される前記電流の大きさに対応する力率の値を予め記憶するとともに、前記電流検出手段で検出された前記電流の大きさに応じて前記電流の大きさと前記対応する力率の値を出力する記憶手段と、
前記電圧検出手段で検出された前記電圧の大きさと、前記記憶手段から供給される前記電流の大きさおよび前記対応する力率の値とに基づいて有効電力を算出し、電力量を表示する電力量表示手段とを備えるインバータ装置。
【請求項２】
直流電源から供給される直流電力を交流電力に変換するとともに、商用電力系統と連系して負荷へ前記交流電力を供給するインバータ装置であって、
前記直流電力を前記交流電力に変換する電力変換手段と、
容量性素子を有し、前記電力変換手段から出力された出力の高周波成分をカットする低周波フィルタと、
前記低周波フィルタを通過した電流を検出する電流検出手段と、
商用電力系統との連系点電圧を検出する電圧検出手段と、
前記電圧検出手段で検出される前記電圧に対する前記電流検出手段で検出される前記電流の力率が１となるように、前記電力変換手段を制御する制御手段と、
前記電流検出手段で検出される前記電流の大きさに対応する力率の値を予め記憶するとともに、前記電流検出手段で検出された前記電流の大きさに応じて前記電流の大きさと前記対応する力率の値を出力する記憶手段と、
前記電流検出手段で検出された前記電流の位相と前記電圧検出手段で検出された前記電圧の位相とに基づいて力率の値を算出する力率算出手段と、
前記力率算出手段で算出された前記力率の値と、前記記憶手段から出力された前記力率の値とを比較して、それらの値の差が所定値を超えるか否かを判定する異常検出手段と、
前記異常検出手段が前記差が前記所定値を超えると判定した場合には、前記電力変換手段の動作を停止させる動作停止手段とを備えるインバータ装置。
【請求項３】
前記電力変換手段と前記商用電力系統とを接続し、または、切離す開閉手段をさらに備え、
前記動作停止手段は、前記異常検出手段が前記差が前記所定値を超えると判定した場合には、前記電力変換手段と前記商用電力系統とを切離すよう前記開閉手段を制御する、請求項２に記載のインバータ装置。
【請求項４】
前記電圧検出手段で検出された前記電圧の大きさと、前記記憶手段から供給される前記電流の大きさおよび前記対応する力率の値とに基づいて有効電力を算出し、電力量を表示する電力量表示手段をさらに備える、請求項２または３に記載のインバータ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、直流電力を交流電力に変換するとともに、商用電力系統と連系して負荷へ交流電力を供給するインバータ装置（以下、「系統連系インバータ装置」とも言う。）に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
太陽電池や燃料電池など数ＫＷ程度の電力を発生させる直流電源に接続され、その出力を交流に変換し、商用電力系統と連系して家電製品などの負荷に交流電力を供給するいわゆる系統連系インバータ装置が従来より考案されている。
【０００３】
そして、この系統連系インバータ装置の出力としての有効電力および電力量は、系統連系インバータ装置の出力電流と出力電圧を測定することにより算出される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記系統連系インバータ装置における直流電力から交流電力への変換は、ゲート絶縁型バイポーラトランジスタ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ  Ｇａｔｅ  Ｂｉｐｏｌａｒ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ  −ＩＧＢＴ）を含むスイッチング回路によって行なわれるが、このスイッチング回路は基本波とともに高調波のノイズを発生させる。
【０００５】
図４は、負荷へ供給する系統電圧と、系統連系インバータ装置の高出力時と低出力時の出力電流の波形を示す図である。
【０００６】
図４（ｂ）に示されるように、系統連系インバータ装置が高出力のときは、出力電流において基本波成分が大きいため、スイッチング回路で発生された高調波ノイズの影響は相対的に小さく、図４（ａ）に示される系統電圧との位相差もほとんど生じない。
【０００７】
しかし、系統連系インバータ装置が低出力のときは、出力電流において基本波成分が小さいため、上記高調波ノイズの相対的な影響が大きくなる。これより、たとえば、図４（ａ），（ｃ）に示されるように、出力電流の位相が系統電圧の位相に比べて位相Ｆだけ遅れたりなどし、位相検出誤差が大きくなる。
【０００８】
このことから、従来の系統連系インバータ装置においては、特に、低出力時（接続されている太陽電池の出力が天気などの影響で低出力になるときなど）に力率の算出を精度よく行なうことができず、系統連系インバータ装置の出力電力量を正確に測定することができないという問題を生じていた。
【０００９】
このような問題を解消する方法としては、カットオフ周波数ｆｃの低いノイズフィルタを用いることも考えられるが、基本波成分を減少させてしまうという新たな問題を生じる。
【００１０】
また、力率を正確に算出するための回路を別途設けると製造コストが高くなる。
【００１１】
本発明は、以上のような問題を解消するためになされたもので、低コストで、かつ、低出力時においても出力電力量を正確に測定し、表示することができる系統連系インバータ装置を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係るインバータ装置は、直流電源から供給される直流電力を交流電力に変換するとともに、商用電力系統と連系して負荷へ前記交流電力を供給するインバータ装置であって、前記直流電力を前記交流電力に変換する電力変換手段と、容量性素子を有し、前記電力変換手段から出力された出力の高周波成分をカットする低周波フィルタと、前記低周波フィルタを通過した電流を検出する電流検出手段と、商用電力系統との連系点電圧を検出する電圧検出手段と、前記電圧検出手段で検出される前記電圧に対する前記電流検出手段で検出される前記電流の力率が１となるように、前記電力変換手段を制御する制御手段と、前記電流検出手段で検出される前記電流の大きさに対応する力率の値を予め記憶するとともに、前記電流検出手段で検出された前記電流の大きさに応じて前記電流の大きさと前記対応する力率の値を出力する記憶手段と、前記電圧検出手段で検出された前記電圧の大きさと、前記記憶手段から供給される前記電流の大きさおよび前記対応する力率の値とに基づいて有効電力を算出し、電力量を表示する電力量表示手段とを備えるものである。以上の手段により、常にインバータ装置の出力電力量を正確に計測することができる。
【００１３】
請求項２に係るインバータ装置は、直流電源から供給される直流電力を交流電力に変換するとともに、商用電力系統と連系して負荷へ前記交流電力を供給するインバータ装置であって、前記直流電力を前記交流電力に変換する電力変換手段と、容量性素子を有し、前記電力変換手段から出力された出力の高周波成分をカットする低周波フィルタと、前記低周波フィルタを通過した電流を検出する電流検出手段と、商用電力系統との連系点電圧を検出する電圧検出手段と、前記電圧検出手段で検出される前記電圧に対する前記電流検出手段で検出される前記電流の力率が１となるように、前記電力変換手段を制御する制御手段と、前記電流検出手段で検出される前記電流の大きさに対応する力率の値を予め記憶するとともに、前記電流検出手段で検出された前記電流の大きさに応じて前記電流の大きさと前記対応する力率の値を出力する記憶手段と、前記電流検出手段で検出された前記電流の位相と前記電圧検出手段で検出された前記電圧の位相とに基づいて力率の値を算出する力率算出手段と、前記力率算出手段で算出された前記力率の値と、前記記憶手段から出力された前記力率の値とを比較して、それらの値の差が所定値を超えるか否かを判定する異常検出手段と、前記異常検出手段が前記差が前記所定値を超えると判定した場合には、前記電力変換手段の動作を停止させる動作停止手段とを備えるものである。以上の手段により、さらに、インバータ装置の出力電力量を正確に計測することができる。
【００１４】
請求項３に係るインバータ装置は、請求項２に記載のインバータ装置であって、電力変換手段と商用電力系統とを接続し、または切離す開閉手段をさらに備え、動作停止手段は、異常検出手段が上記差が所定値を超えると判定した場合には、電力変換手段と商用電力系統とを切離すよう開閉手段を制御するものである。以上の手段により、さらに、負荷への電力供給における安全性が向上される。
【００１５】
請求項４に係るインバータ装置は、請求項２または３に記載のインバータ装置であって、電圧検出手段で検出された電圧の大きさと、記憶手段から供給される電流の大きさおよび対応する力率の値とに基づいて有効電力を算出し、電力量を表示する電力量表示手段をさらに備えるものである。以上の手段により、さらに、インバータ装置の出力電力量を正確に計測することができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して詳しく説明する。なお、図中同一符号は同一または相当部分を示す。
【００１７】
図１は、本発明の実施の形態に係る系統連系インバータ装置（以下、単に「インバータ装置」ともいう。）の全体構成を示す図である。
【００１８】
図１に示されるように、本実施の形態に係るインバータ装置３は、太陽電池１から供給される数ＫＷの直流電力を交流電力に変換するともに、商用電力系統５と連系して家電製品などの負荷７へ交流電力を供給するものであって、太陽電池１から出力された電圧を検出するアイソレーションアンプ９と、太陽電池１から出力された電流を検出する変流器１１と、複数のＩＧＢＴスイッチング素子を含み太陽電池１から出力された直流電力を交流電力に変換するスイッチング回路１５と、スイッチング回路１５から出力された電流および電圧の高周波成分をカットオフ周波数１〜３ＫＨｚとして取除く低周波フィルタ１７と、低周波フィルタ１７を通過した電流を検出する変流器１９と、スイッチング回路１５と商用電力系統５とを接続し、または、切離す開閉装置２１と、開閉装置２１を通過した電圧を検出する変圧器２３と、開閉装置２１を通過した電流・電圧に対するたとえば負荷７からのノイズなどを取除くためカットオフ周波数を数百ＫＨｚとしたノイズフィルタ２５と、スイッチング回路１５を制御する制御部８と、スイッチング回路１５の動作におけるオン・オフを切換えるゲート回路１３とを備える。
【００１９】
ここで、低周波フィルタ１７は、コイル１７１とコンデンサ１７２とを含む。また、制御部８は、電力指令部８０と乗算器８１と誤差増幅器８２とＰＷＭコンパレータ８３とを含む。
【００２０】
また、本実施の形態に係るインバータ装置は、さらに、変流器１９に接続され、インバータ装置３が負荷７へ５０Ｈｚの電力を供給する際に使用される以下に示す表１と、
【００２１】
【表１】
0003583885.tif 000002
【００２２】
負荷７へ６０Ｈｚの電力を供給する際に使用される以下に示す表２、
【００２３】
【表２】
0003583885.tif 000003
【００２４】
とを記憶するメモリ３１を備える。この表１および表２は、変流器１９で検出される電流の大きさと、それに１対１に対応する関係にあるインバータ装置３の出力における力率が表されたものである。
【００２５】
なお、上記２つの表における電流の大きさは、インバータ装置３の外部に精度のよい電力測定器を接続することによって測定された電流の大きさから変流器１９で測定される電流の大きさに換算した値であり、力率は、上記電力測定器による測定で得られた値である。
【００２６】
また、本実施の形態に係るインバータ装置は、変圧器２３およびメモリ３１に接続される出力電力量算出部２７と、出力電力量算出部２７に接続される電力量表示部２９と、変流器１９および変圧器２３に接続されるゼロクロス検出部３５と、ゼロクロス検出部３５に接続される位相差検出部３７および周波数検出部３９と、位相差検出部３７および周波数検出部３９とに接続される力率算出部４１と、メモリ３１に接続される位相正常枠設定部３３と、力率算出部４１および位相正常枠設定部３３とに接続される力率異常検出部４３と、力率異常検出部４３に接続され出力信号をゲート回路１３および開閉装置２１に供給する運転停止部４５とを備える。
【００２７】
次に、本実施の形態に係るインバータ装置の動作を説明する。
図２は、インバータ装置３が高出力であるときにおける、開閉装置２１を通過した電圧Ｖｘと、低周波フィルタ１７に入力する電流ＩＡ  と、コンデンサ１７２へ流込む電流ＩＢ  と、低周波フィルタ１７から出力する電流ＩＣ  との関係を示した図であり、図３は、インバータ装置３が低出力であるときの電圧Ｖｘ、電流ＩＡ  ，ＩＢ  ，ＩＣ  の関係を示す図である。
【００２８】
インバータ装置３は、出力での力率が１となるような制御が行なわれるため、同一ライン上で電流・電圧が検出される。ここで、図２（ａ），（ｄ）に示されるように、高出力時には電圧Ｖｘと電流ＩＣ  の位相差はほとんどなく力率は１に近い値となるが、図３（ａ），（ｄ）に示されるように、低出力時には商用電力系統５からコンデンサ１７２に流入する無効電流分が無視できなくなり、電流ＩＣ  の位相は電圧Ｖｘに対して遅れることとなる。このことから、低出力時には力率が悪くなる。
【００２９】
したがって、低出力時の力率の値は、高出力時に比して位相検出誤差による影響が大きいものとなる。
【００３０】
次に、制御部８の動作を説明する。
電力指令部８０は、アイソレーションアンプ９で検出された電圧値と変流器１１で検出された電流値とを所定のサンプリング周期（たとえば、５０μｓ）で入力し、その入力された値に基づいて太陽電池１の出力電力および電力変化量を算出する。そして、その電力変化量の増減に基づいて太陽電池１の動作電圧の制御目標値を決定し、その動作電圧の制御目標値に基づいてスイッチング回路１５から出力される電流ＩＡ  の制御目標値となる電流指令値ＩＢを算出し、乗算器８１に出力する。
【００３１】
乗算器８１は、電力指令部８０から供給された電流指令値ＩＢと変圧器２３で検出された電圧波形との乗算を行ない、電流指令値ＩＢに応じた振幅を有し、変圧器２３で検出された電圧波形に同期した商用周波数の正弦波形の信号を誤差増幅器８２へ出力する。
【００３２】
誤差増幅器８２は、乗算器８１からの出力と変流器１９で検出された電流との差を増幅し、その増幅した誤差信号をＰＷＭコンパレータ８３へ出力する。
【００３３】
ＰＷＭコンパレータ８３は、誤差増幅器８２から入力する誤差信号と予め設定された基準三角波とを比較して誤差増幅器８２から入力される誤差信号が０になるようにゲート回路１３を介してスイッチング回路１５にスイッチング制御信号を供給する。
【００３４】
ここで、スイッチング回路１５は、系統電圧とインバータ装置３の出力電流の位相につき力率が１となるように制御される。
【００３５】
また、メモリ３１は、変流器１９で検出された電流値を入力して、その値と、予め記憶された表１または表２に基づき、入力された電流値に対応して読出される力率とを出力電力量算出部２７へ出力する。
【００３６】
出力電力量算出部２７は、メモリ３１から供給された電流値および力率と、変圧器２３で検出された電圧値に基づいて１０秒ごとの平均有効電力を計算し、１時間当りの積算電力量を算出する。
【００３７】
電力量表示部２９は、出力電力量算出部２７で算出された積算電力量を表示する。
【００３８】
一方、メモリ３１からは、入力された電流値に対応して読出された力率が位相正常枠設定部３３に出力され、位相正常枠設定部３３は、入力された力率に対し誤差範囲（たとえば、位相角±１０°など）を設定する。
【００３９】
ゼロクロス検出部３５は、変流器１９で検出された電流および変圧器２３で検出された電圧を入力し、振幅が０となる時刻で極性が変化する矩形波を出力する。そして、この検出された電流および電圧の振幅が０となる時刻に基づいて周波数検出部３９は電圧の１周期を検出し、位相差検出部３７は検出された電流および電圧の振幅がそれぞれ０となる時刻の差を検出する。
【００４０】
力率算出部４１は、位相差検出部３７で検出された時間差を周波数検出部３９で検出された１周期の時間で除し、３６０°を乗ずることにより位相差角を求め、力率を算出する。
【００４１】
そして、力率異常検出部４３は、力率算出部４１で算出された力率の値が、位相正常枠設定部３３から供給された力率の値と一致するかまたはその誤差範囲に入っているか否かを判定し、力率算出部４１で算出された力率の値が上記誤差範囲を超えるものと判定した場合には、インバータ装置３の動作に異常が認められることを示す異常検出信号を運転停止部４５へ出力する。
【００４２】
運転停止部４５は、力率異常検出部４３から異常検出信号を受けてゲート回路１３を閉じ、スイッチング回路１５の動作を停止させ、さらに、開閉装置２１を開き、インバータ装置３を商用電力系統５と解列させる。
【００４３】
以上より、本実施の形態に係るインバータ装置によれば、低出力時においても正確な積算電力量を算出・表示することができ、また、インバータ装置に異常が生じた際に運転を停止させる保護機能の誤動作を防止することができる。
【００４４】
【発明の効果】
請求項１に係るインバータ装置によれば、出力する電力量を常に正確に算出・表示することができる。
【００４５】
請求項２に係るインバータ装置によれば、インバータ装置に異常が生じた際運転を停止させる保護機能の誤動作を防止することができる。
【００４６】
請求項３に係るインバータ装置によれば、請求項２に係るインバータ装置と同様な効果を奏するとともに、さらに、インバータ装置に異常が生じた際インバータ装置を商用電力系統と切離すため、電力の供給に関して、より安全性を確保することができる。
【００４７】
請求項４に係るインバータ装置によれば、請求項２または３に係るインバータ装置と同様な効果を奏するとともに、さらに、出力電力量を常に正確に算出し、表示することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係る系統連系インバータ装置の全体構成を示す図である。
【図２】図１に示される系統連系インバータ装置の高出力時の動作を説明するための図である。
【図３】図１に示される系統連系インバータ装置の低出力時の動作を説明するための図である。
【図４】本発明が解決しようとする課題を説明するための波形図である。
【符号の説明】
１５  スイッチング回路
１９  変流器
２１  開閉装置
２３  変圧器
２７  出力電力量算出部
２９  電力量表示部
３１  メモリ
３３  位相正常枠設定部
３５  ゼロクロス検出部
３７  位相差検出部
３９  周波数検出部
４１  力率算出部
４３  力率異常検出部
４５  運転停止部
【図１】
0003583885.tif 000004
【図２】
0003583885.tif 000005
【図３】
0003583885.tif 000006
【図４】
0003583885.tif 000007