(57)【要約】【課題】複数のユニットからなるユニットインバータにおいて、系統への悪影響を及ぼすことなく、変換する電力量に応じてユニットの運転台数を変更させることにより装置の部分負荷効率を向上させる【解決手段】複数台のインバータユニットを並列接続して、変換する電力量に応じて運転台数を選択するユニットインバータシステムにおいて、台数を減らす時に対象となるインバータの電流を減少させた後、インバータの半導体スイッチ素子のゲート信号をオフさせる。【選択図】図１
2011087398.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電源の電圧を交流電圧に変換する複数台のインバータと、前記各インバータの出力に接続された交流リアクトルとコンデンサとからなる交流フィルタと、変換する電力量に応じてユニットインバータの一部を選択的に起動・停止する手段と、を備えた電力系統に連系するユニットインバータシステムにおいて、停止させるユニットインバータの半導体スイッチ素子のゲート信号をオフさせる前にデッドタイムを増加させて出力電流を減少させる手段を備えたことを特徴とするユニットインバータシステム。
【請求項２】
前記デッドタイムを増加させて出力電流を減少させる手段は、停止信号を受けて、停止させるユニットインバータの出力電流を徐々に所定値まで減少させる機能を備えたことを特徴とする請求項１に記載のユニットインバータシステム。
【請求項３】
前記デッドタイムを増加させて出力電流を減少させる手段は、定常運転時、各ユニットインバータ出力電流の平均値と自号機ユニットインバータ出力電流実際値との偏差を零にする電流調節器の出力と、ユニットインバータの半導体素子の上下アーム間の短絡を防止するためのデッドタイム固定値と、の和で決まるデッドタイムの生成回路における、前記ユニットインバータ出力電流の平均値を停止信号に基づいて所定値以下に設定変更する手段を備えたことを特徴とする請求項１又は２に記載のユニットインバータシステム。
【請求項４】
前記デッドタイムを増加させて出力電流を減少させる手段は、定常運転時、各ユニットインバータ出力電流の平均値と自号機ユニットインバータ出力電流実際値との偏差を零にする電流調節器の出力と、ユニットインバータの半導体素子の上下アーム間の短絡を防止するためのデッドタイム固定値と、の和で決まるデッドタイムの生成回路における、前記ユニットインバータ出力電流平均値を停止信号に基づいて徐々に所定値以下に設定変更する手段を備えたことを特徴とする請求項１又は２に記載のユニットインバータシステム。
【請求項５】
前記デッドタイムを増加させて出力電流を減少させる手段は、定常運転時、各ユニットインバータ出力電流の平均値と自号機ユニットインバータ出力電流実際値との偏差を零にする電流調節器の出力と、ユニットインバータの半導体素子の上下アーム間の短絡を防止するためのデッドタイム固定値と、の和で決まるデッドタイムの生成回路における、前記電流調節器の出力を停止信号に基づいて前記電流調節器の出力の上限値に切替える手段を備えたことを特徴とする請求項１又は２に記載のユニットインバータシステム。
【請求項６】
前記デッドタイムを増加させて出力電流を減少させる手段は、定常運転時、各ユニットインバータ出力電流の平均値と自号機ユニットインバータ出力電流実際値との偏差を零にする電流調節器の出力と、ユニットインバータの半導体素子の上下アーム間の短絡を防止するためのデッドタイム固定値と、の和で決まるデッドタイムの生成回路における、前記電流調節器の出力を停止信号に基づいて前記電流調節器の出力の上限値に徐々に変化する回路に切替える手段を備えたことを特徴とする請求項１又は２に記載のユニットインバータシステム。
【請求項７】
前記各ユニットインバータ出力電流平均値と前記自号機ユニットインバータ出力電流実際値として、各々振幅値を用いることを特徴とする請求項３〜６のいずれかに記載のユニットインバータシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、太陽電池や風力発電などの電力が変動する分散電源を複数のユニットで構成し、発電電力に応じて運転するユニット台数を変更するユニットインバータの制御技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
図６に、従来の技術を用いた複数台のインバータユニットを並列接続して、変換器容量を増大させるユニットインバータシステムの構成を示す。システムの構成は、太陽電池などの直流電源１を入力として、出力に交流リアクトルＬ１とコンデンサＣ１０からなる交流フィルタ、バランス用リアクトルＢＬ１及びコンタクタＣＮ１を接続したＩＮＶ１と、出力に交流リアクトルＬ２とコンデンサＣ２０からなる交流フィルタ、バランス用リアクトルＢＬ２及びコンタクタＣＮ２を接続したＩＮＶ２とを、並列接続して、系統の交流電源ＡＣＰに接続した構成である。各インバータＩＮＶ１、ＩＮＶ２は出力電流を検出する電流検出器ＣＴ１、ＣＴ２、及びデッドタイム調整回路ＤＴＲ１、ＤＴＲ２を備え、共通の制御装置ＣＯＮＴからの指令により、各インバータの出力電流を制御する。
【０００３】
このようなユニットインバータを系統連系する場合、インバータ、交流リアクトル及びフィルタ用コンデンサを用いてインバータが出力する高調波電流を低減させてから系統に連系する。さらに、コンタクタのコストを低減するため、各ユニットにコンタクタを設ける場合、そのコンタクタの電流をバランスさせるためにバランス用リアクトルＢＬ１、ＢＬ２を使用する。
【０００４】
このようなユニットインバータは、特許文献１に示された図８に示す回路構成で図９に示す原理により各ユニットの電流平均を演算し、その電流と連系点での電圧を用いて制御を行う。制御装置ＣＯＮＴが出力するＰＷＭパルス信号を各ユニットにあるデッドタイム調整回路ＤＴＲ１、ＤＴＲ２を介してインバータにゲート信号を供給する。なお、平均電流は特許文献１に記載されているように、各電流検出器の出力を電圧に変換し、図９に示すような演算回路により求めることができる。
【０００５】
図７にデッドタイム調整回路ＤＴＲ１、ＤＴＲ２の構成を示す。デッドタイム調整回路は、振幅演算回路ＡＣ１で演算した各ユニットにおける自号機ユニット電流振幅値と、演算回路ＡＣ２で演算したユニット内平均電流の振幅値が一致するようにデッドタイムを調整するものである。各ユニットが出力する自号機ユニット電流と平均値電流の振幅値を振幅演算回路ＡＣ１、ＡＣ２で演算し、その偏差を加算器ＡＤ１で求め、調節器ＡＣＲに入力する。調節器ＡＣＲの出力は、下限値を０、上限値を固定値とする上下限リミッタＬＭＴに入力した後に、インバータの上下アームの短絡を防止するためのデッドタイム固定値と加算器ＡＤ２で加算される。この加算値をゲート信号および反転したゲート信号を入力するオンディレイ回路ＤＴ１、ＤＴ２の遅れ時間として使用する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００６−２９６１１０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ユニットインバータを太陽光や風力発電といった常に電力が変動する発電源に接続された分散電源に使用する場合、その変換する電力が装置容量よりも小さいことが多い。この場合、すべてのユニットを動作させず、変換する電力量に応じて運転台数を変更することにより発電源から交流出力するまでの効率を向上できることが知られている（特開昭６１−１３５３６５号公報など参照）。その場合、コンタクタは寿命の低下を防ぐためにオン状態を維持し、インバータのゲート信号のみをロック状態にする方法がとられている。
【０００８】
ここで、動作しているユニットの一部のゲート信号を停止する場合、その当該ユニットに接続されたバランス用リアクトルとフィルタ用コンデンサが共振回路を形成し、その共振電流が系統に悪影響を与えるという問題が生じる。仮に、コンタクタを使用せず、バランス用リアクトルを設けない場合でも、各ユニットの接続点からフィルタ用コンデンサまでの配線が長い場合は、そのインピーダンスがインダクタンスとして作用するためこの共振電流が発生する。
【０００９】
従って、本発明の目的は、複数のユニットからなるユニットインバータにおいて、系統への悪影響を及ぼすことなく、変換する電力量に応じてユニットの運転台数を変更させることにより装置の部分負荷効率を向上させるユニットインバータ制御システムを構築することにある。尚、部分負荷効率とは、低電力時の効率も考慮した効率で、太陽光発電インバータでは式（１）で求めることができる。
部分負荷効率＝0.03*η5%+0.06*η10% +0.13*η20%+0.1*η30% +0.48*η50% +0.2*η100%    ・・・・・式（１）
ηX%：変換器出力が定格のX%になる場合の効率
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上述の課題を解決するために、第1の発明においては、直流電源の電圧を交流電圧に変換する複数台のインバータと、前記各インバータの出力に接続された交流リアクトルとコンデンサとからなる交流フィルタと、変換する電力量に応じてユニットインバータの一部を選択的に起動・停止する手段とを備えた電力系統に連系するユニットインバータシステムにおいて、停止させるユニットインバータの半導体スイッチ素子のゲート信号をオフさせる前にデッドタイムを増加させて出力電流を減少させる手段を備える。
【００１１】
第２の発明においては、前記デッドタイムを増加させて出力電流を減少させる手段は、停止信号を受けて、停止させるユニットインバータの出力電流を徐々に所定値まで減少させる機能を備える。
【００１２】
第３の発明においては、前記デッドタイムを増加させて出力電流を減少させる手段は、定常運転時、各ユニットインバータ出力電流の平均値と自号機ユニットインバータ出力電流実際値との偏差を零にする電流調節器の出力と、ユニットインバータの半導体素子の上下アーム間の短絡を防止するためのデッドタイム固定値と、の和で決まるデッドタイムの生成回路における、前記ユニットインバータ出力電流の平均値を停止信号に基づいて所定値以下に設定変更する手段を備えする。
【００１３】
第４の発明においては、前記デッドタイムを増加させて出力電流を減少させる手段は、定常運転時、各ユニットインバータ出力電流の平均値と自号機ユニットインバータ出力電流実際値との偏差を零にする電流調節器の出力と、ユニットインバータの半導体素子の上下アーム間の短絡を防止するためのデッドタイム固定値と、の和で決まるデッドタイムの生成回路における、前記ユニットインバータ出力電流平均値を停止信号に基づいて徐々に所定値以下に設定変更する手段を備える。
【００１４】
第５の発明においては、前記デッドタイムを増加させて出力電流を減少させる手段は、定常運転時、各ユニットインバータ出力電流の平均値と自号機ユニットインバータ出力電流実際値との偏差を零にする電流調節器の出力と、ユニットインバータの半導体素子の上下アーム間の短絡を防止するためのデッドタイム固定値と、の和で決まるデッドタイムの生成回路における、前記電流調節器の出力を停止信号に基づいて前記電流調節器の出力の上限値に切替える手段を備える。
【００１５】
第６の発明においては、前記デッドタイムを増加させて出力電流を減少させる手段は、定常運転時、各ユニットインバータ出力電流の平均値と自号機ユニットインバータ出力電流実際値との偏差を零にする電流調節器の出力と、ユニットインバータの半導体素子の上下アーム間の短絡を防止するためのデッドタイム固定値と、の和で決まるデッドタイムの生成回路における、前記電流調節器の出力を停止信号に基づいて前記電流調節器の出力の上限値に徐々に変化する回路に切替える手段を備える。
【００１６】
第７の発明においては、前記各ユニットインバータ出力電流平均値と前記自号機ユニットインバータ出力電流実際値として、各々振幅値を用いる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明では、変換する電力が変動するユニットインバータにおいて、台数を減らす時、停止するインバータの出力電流を所定値以下に減少させてから、インバータ回路の半導体素子のゲート信号をオフさせるようにしている。この結果、急激な電力変動や共振電流などの系統への悪影響を抑制しながら、必要最低限のユニットを動作させることができ、部分負荷効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の第１の実施例を示す回路ブロック図である。
【図２】本発明の第２の実施例を示す回路ブロック図である。
【図３】本発明の第３の実施例を示す回路ブロック図である。
【図４】本発明の第４の実施例を示す回路ブロック図である。
【図５】本発明の第５の実施例を示す回路ブロック図である。
【図６】ユニットインバータシステム構成図を示す。
【図７】従来のデッドタイム制御回路ブロック図を示す。
【図８】従来のユニットインバータシステムの電流制御システム図である。
【図９】平均電流算出の原理図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
本発明の要点は、複数台のインバータユニットを並列接続して、変換する電力量に応じて運転台数を選択するユニットインバータシステムにおいて、台数を減らす時に対象となるインバータの電流を減少させた後、インバータの半導体スイッチ素子のゲート信号をオフさせている点である。
【実施例１】
【００２０】
図１に、本発明の第1の実施例を示す。本実施例は、定常運転時各ユニットインバータ出力電流の平均値及び自号機ユニットインバータ出力電流実際値として、電流振幅値を用いた場合の例である。デッドタイム調整回路は、振幅演算回路ＡＣ１で演算した各ユニットの自号機ユニット電流振幅値と、演算回路ＡＣ２で演算したユニット内平均電流の振幅値が一致するようにデッドタイムを調整する構成である。
【００２１】
各ユニットが出力する自号機ユニット電流と平均値電流の振幅値を振幅演算回路ＡＣ１、ＡＣ２で演算し、その偏差を加算器ＡＤ１で求め、調節器ＡＣＲに入力する。調節器ＡＣＲの出力は、下限値を０、上限値を固定値とする上下限リミッタＬＭＴに入力した後に、インバータの上下アームの短絡を防止するためのデッドタイム固定値と加算器ＡＤ２で加算される。この加算値をゲート信号および反転したゲート信号を入力するオンディレイ回路ＤＴ１、ＤＴ２の遅れ時間として使用する。
【００２２】
ユニット停止信号が入力されると、振幅演算回路ＡＣ２の出力に接続されたスイッチＳ３をオフさせる。その結果、電流調節器ＡＣＲの出力は飽和状態となり、リミッタＬＭＴの上限値に制限される。この上限値と上下アームの短絡を防止するためのデッドタイム固定値とを加算器ＡＤ２で加算し、この加算値をオンディレイ回路ＤＴ１、ＤＴ２の遅れ時間とすることにより、デッドタイムが増加し、結果として出力電流が減少する。ここで、リミッタＬＭＴの上限値は電流値を所定値以下に制限するための値に設定する。
【００２３】
出力電流が所定値以下に減少した後、ユニット信号入力時点からオンディレイ回路ＤＴ３の時間後に、インバータスイッチ素子の上下アーム信号をオフさせるスイッチＳ１、Ｓ２をオフさせる。このような動作により、ユニットをオフさせる場合、出力電流を減少させてからインバータスイッチ素子をオフさせることになり、急激な電力変動を抑制しながら、必要最低限のユニットを動作させることができ、部分負荷効率を向上させることができる。
【実施例２】
【００２４】
図２に、本発明の第２の実施例を示す。第１の実施例との違いは、平均電流の振幅演算回路ＡＣ２の出力に接続されたスイッチＳ３の出力に、抵抗Ｒ１、ダイオードＤ１、コンデンサＣ１などで構成した電圧ソフト低下回路ＳＤＣを接続している点である。
【００２５】
ユニット停止信号の入力でスイッチＳ３をオフすると、電圧ソフト低下回路ＳＤＣの電圧低下に応じて、電流調節器ＡＣＲの出力は徐々にリミッタＬＭＴの上限値に向かって上昇する。この結果、デッドタイムは第１の実施例に比べてよりゆっくりと増加し、インバータ出力電流を緩やかに減少させることができ、系統への電力変化率をより小さくできるので、電力変動や共振電流などの系統への悪影響をより効果的に抑制できる。尚、電圧ソフト低下回路ＳＤＣは、徐々に電圧を低下させる構成であれば良いので、この例の限りでない。
【実施例３】
【００２６】
図３に、本発明の第３の実施例を示す。デッドタイム調整回路は、振幅演算回路ＡＣ１で演算した各ユニットの自号機ユニット電流振幅値と、演算回路ＡＣ２で演算したユニット内平均電流の振幅値が一致するようにデッドタイムを調整するものである。
【００２７】
各ユニットが出力する自号機ユニット電流の振幅値と平均電流の振幅値を振幅演算回路ＡＣ１、ＡＣ２で演算し、その偏差を加算器ＡＤ１で求め、調節器ＡＣＲに入力する。調節器ＡＣＲの出力は、下限値を０、上限値を固定値とする上下限リミッタＬＭＴに入力した後に、インバータの上下アームの短絡を防止するためのデッドタイム固定値と加算器ＡＤ２で加算される。この加算値をゲート信号および反転したゲート信号を入力するオンディレイ回路ＤＴ１、ＤＴ２の遅れ時間として使用する。ユニット停止信号が入力されると、上下限リミッタＬＭＴの出力に接続されたスイッチＳ４をリミッタＬＭＴの上限値側に切替える。
【００２８】
その結果、この上限値と上下アームの短絡を防止するためのデッドタイム固定値とを加算器ＡＤ２で加算し、この加算値をオンディレイ回路ＤＴ１、ＤＴ２の遅れ時間とすることにより、デッドタイムが増加し、結果として出力電流が減少する。ここで、リミッタＬＭＴの上限値は電流値を所定値以下に制限するための値に設定する。出力電流が所定値以下に減少した後、ユニット信号入力時点からオンディレイ回路ＤＴ３の時間後に、インバータスイッチ素子の上下アーム信号をオフさせるスイッチＳ１、Ｓ２をオフさせる。
【００２９】
このような動作により、ユニットをオフさせる場合、出力電流を減少させてからインバータの半導体スイッチ素子をオフさせることになり、急激な電力変動を抑制しながら、必要最低限のユニットを動作させることができ、部分負荷効率を向上させることができる。
【実施例４】
【００３０】
図４に、本発明の第４の実施例を示す。第３の実施例との違いは、第３の実施例における上下限リミッタＬＭＴの出力に接続されたスイッチ４を、常時開接点（ＮＯ接点）と常時閉接点（ＮＣ接点）を備えたスイッチ５に交換し、リミッタＬＭＴの上限値電圧を常時開接点（ＮＯ接点）と抵抗Ｒ１、ダイオードＤ１、コンデンサＣ１などで構成した電圧ソフト上昇回路ＳＵＣを介して加算器ＡＤ２に接続している点である。
【００３１】
ユニット停止信号の停止信号でスイッチＳ５をオンさせると、電流調節器の出力は開放され、加算器ＡＤ２の入力は電圧ソフト上昇回路ＳＵＣの電圧上昇に応じて、徐々にリミッタＬＭＴの上限値に向かって上昇する。この結果、デッドタイムは第３の実施例に比べてよりゆっくりと増加し、インバータ出力電流を緩やかに減少させることができる。その結果、系統への電力変化率をより小さくできるので、電力変動や共振電流などの系統への悪影響をより効果的に抑制できる。尚、電圧ソフト上昇回路ＳＵＣは、徐々に電圧を上昇させる構成であれば良いので、この例の限りでない。
【実施例５】
【００３２】
図５に、本発明の第５の実施例を示す。第１〜第４の実施例との違いは、加算器ＡＤ１に入力される入力量の違いである。定常動作時、第１〜第４の実施例では、自号機ユニット電流の振幅値と平均電流の振幅値を入力していたが、本実施例では、自号機ユニット電流を整流回路RE1で整流した整流波形と平均電流を整流回路RE2で整流した整流波形を入力している。定常的な動作は第１〜第４の実施例と同じである。
【００３３】
ユニット停止信号が入力された時、振幅が徐々に小さくなる系統電圧に同期した正弦波発振器ＯＳＣの出力を整流回路RE3で整流した電圧側へスイッチＳ６を切替える。その結果、電流調節器ＡＣＲの出力は徐々に飽和状態となり、リミッタＬＭＴの上限値にクランプされ、第２の実施例と同じ動作となる。
【００３４】
また、発振器ＯＳＣ及び整流回路RE3がない状態で、ユニット停止信号が入力された時、スイッチＳ６を開放すれば、第１の実施例と同様の動作となる。
さらに、図５から正弦波発振器ＯＳＣ、整流回路ＲＥ３及びスイッチ６を除去し、整流回路RE2の出力を直接加算器ＡＤ１に入力する構成とすれば、実施例３と同様の動作となる。
【００３５】
さらに、図５から正弦波発振器ＯＳＣ、整流回路ＲＥ３及びスイッチＳ６を除去し、整流回路RE2の出力を直接加算器ＡＤ１に入力する構成で、加算器ＡＤ２の入力部に、図４と同様に、スイッチＳ５及び電圧ソフト上昇回路ＳＵＣを接続した構成とすれば、その動作は実施例４と同様になる。
尚、上記実施例には、スイッチとして接点を用いた例を示したが、半導体スイッチや論理演算素子でも実現可能である。また、定常運転時各ユニットインバータ出力電流の平均値及び自号機ユニットインバータ出力電流実際値として電流振幅値を用いた場合と整流波形を用いた場合の例を示したが、瞬時値を用いても同様に実現できる。
【産業上の利用可能性】
【００３６】
本発明は、台数制御により変換電力を増減させる無停電電源装置（ＵＰＳ）などへの適用が可能である。
【符号の説明】
【００３７】
１・・・直流電源          ＩＮＶ１、ＩＮＶ２・・・インバータ
Ｌ１、Ｌ２・・・交流リアクトル          ＢＬ１、ＢＬ２・・・バランスリアクトル
Ｃ１、Ｃ２、Ｃ１０、Ｃ２０・・・コンデンサ          Ｄ１、Ｄ２・・・ダイオード
ＣＮ１、ＣＮ２・・・コンタクタ          ＣＴ１、ＣＴ２・・・電流検出器
ＣＯＮＴ・・・制御装置          ＤＴＲ１、ＤＴＲ２・・・デッドタイム調整回路
ＶＤ・・・電圧検出器          ＡＣ１、ＡＣ２・・・振幅演算回路
ＡＤ１，ＡＤ２・・・加算器          ＬＭＴ・・・リミッタ
ＡＣＲ・・・電流調節器          ＮＯＴ・・・インバータ演算素子
ＤＴ１〜ＤＴ３・・・オンディレイ回路          Ａｍｐ・・・増幅器
Ｒ、Ｒ１、Ｒ２・・・抵抗          Ｓ１〜Ｓ６・・・スイッチ
ＳＤＣ・・・電圧ソフト低下回路          ＳＵＣ・・・電圧ソフト上昇回路
ＲＥ１〜ＲＥ３・・・整流回路          ＯＳＣ・・・正弦波発振器
【図１】
2011087398.tif 000003
【図２】
2011087398.tif 000004
【図３】
2011087398.tif 000005
【図４】
2011087398.tif 000006
【図５】
2011087398.tif 000007
【図６】
2011087398.tif 000008
【図７】
2011087398.tif 000009
【図８】
2011087398.tif 000010
【図９】
2011087398.tif 000011