(57)【要約】【課題】半波負荷などによる自立出力電圧の不平衡を低減可能なパワーコンディショナを提供する。【解決手段】本発明に係るパワーコンディショナ１は、自立運転可能なパワーコンディショナであって、ＰＷＭ方式の駆動信号に基づき直流の入力電圧を交流の出力電圧に変換するインバータ２０と、搬送波と変調率とに基づき前記駆動信号を生成するインバータ制御部３０とを備え、前記インバータ制御部３０は、自立運転時に前記出力電圧が不平衡である場合、前記不平衡を低減する方向に前記変調率をシフトする補正値を決定し、補正後の前記変調率に基づき前記駆動信号を生成する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
自立運転可能なパワーコンディショナであって、
ＰＷＭ方式の駆動信号に基づき直流の入力電圧を交流の出力電圧に変換するインバータと、
搬送波と変調率とに基づき前記駆動信号を生成するインバータ制御部とを備え、
前記インバータ制御部は、自立運転時に前記出力電圧が不平衡である場合、前記不平衡を低減する方向に前記変調率をシフトする補正値を決定し、補正後の前記変調率に基づき前記駆動信号を生成する、パワーコンディショナ。
【請求項２】
前記インバータ制御部は、前記出力電圧の正負のピーク電圧に基づき、前記変調率の補正値を決定する、請求項１に記載のパワーコンディショナ。
【請求項３】
前記インバータ制御部は、前記出力電圧の正負の平均電圧に基づき、前記変調率の補正値を決定する、請求項１に記載のパワーコンディショナ。
【請求項４】
前記インバータ制御部は、前記変調率を少なくとも１周期単位でシフトさせる、請求項１乃至３のいずれか一項に記載のパワーコンディショナ。
【請求項５】
前記インバータ制御部は、前記変調率に対してデッドタイム補正を行う、請求項２乃至４のいずれか一項に記載のパワーコンディショナ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、パワーコンディショナに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年では、太陽光発電の普及にともない、太陽光発電用パワーコンディショナが広く普及しつつある。太陽光発電システムでは、一般的に、系統連系運転方式と自立運転方式との２つの運転方式がある。自立運転方式とは、商用系統から受電することなく、太陽電池が発電した直流電力を交流電力に変換して特定の負荷に供給する運転方式であり、パワーコンディショナに接続される特定の負荷に対して交流電力を供給する運転方式である。
【０００３】
このような自立運転方式を有するパワーコンディショナは、電気製品を接続するための交流コンセントまたは、コンセントを接続するための自立出力端子を搭載する。自立運転時は、交流コンセントに動作させたい電気機器を接続することで、電気製品が太陽電池からの供給電力のみで使用できる（例えば、特許文献１参照）。ここで、自立出力で使用される電気製品は様々であり、パワーコンディショナは自立出力端子に接続された全ての電気製品を動作できるほうが望ましい。しかし、電気製品はその電源回路の構成の差異により、各々が特徴のある入力電流の挙動を持っている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−１３７１４９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
近年の電気製品は、電源回路がソフトウェアによりデジタル制御された物も増えており、電気製品の入力電流波形は多様化している。図８は、各種電気製品の入力電流／電圧波形の一例を示す図である。図８（ａ）〜（ｃ）のように、液晶テレビ、掃除機、電気ストーブは、電流波形が上下対称（全波整流）であるが、図８（ｄ）のドライヤは、電流波形が上下非対称（半波整流）となる。これ以降、電流波形が上下対称となる負荷を全波負荷、上下非対称となる負荷を半波負荷と称する。従来より、半波負荷がパワーコンディショナの自立出力に接続された場合に、パワーコンディショナの出力電圧が不平衡となる場合があった。
【０００６】
図９は、半波負荷による電圧不平衡の発生を示す図である。図９（ａ）のように、負荷が全波負荷である場合、電流が上下両方向で用いられるため、パワーコンディショナの出力電圧も０Ｖを中心に正負のピーク電圧が対称な平衡状態となる。一方、図９（ｂ）のように、負荷が半波負荷である場合、電流が片方向でのみ用いられるため、パワーコンディショナの出力電圧も一方にシフトされ、正負のピーク電圧が異なる不平衡状態となる。
【０００７】
パワーコンディショナの自立出力電圧が不平衡となると、一部の電気製品は影響を受けて、機器破損に至る可能性があることが知られている。具体的には、トランスを備える電気製品（例えばラジカセやＡＣアダプタなど）が電圧不平衡状態の自立出力に接続されると、トランスの片方側に電流が集中してトランスが磁気飽和を起こし、トランスの異常発熱が生じる場合がある。図１０は、電圧不平衡がトランスに与える影響を示す図である。図１０（ａ）、（ｂ）のように、電圧平衡時には、整流後の波形が一定となるが、図１０（ｃ）、（ｄ）のように、電圧不平衡時には、整流後の波形に電圧差が発生し、トランスの片方側に電流が集中することになる。一般的なトランスの使い方においても、トランスに対して非対称な電圧、つまり正負が対称でない不平衡電圧を印加すると偏磁が発生することは知られており、トランスを搭載する電気製品では偏磁を防止することが求められる。
【０００８】
したがって、かかる点に鑑みてなされた本発明の目的は、半波負荷などによる出力電圧の不平衡を低減可能なパワーコンディショナを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上述した諸課題を解決すべく、本発明の一実施態様に係るパワーコンディショナは、自立運転可能なパワーコンディショナであって、ＰＷＭ方式の駆動信号に基づき直流の入力電圧を交流の出力電圧に変換するインバータと、搬送波と変調率とに基づき前記駆動信号を生成するインバータ制御部とを備え、前記インバータ制御部は、前記出力電圧が不平衡である場合、前記不平衡を低減する方向に前記変調率をシフトする補正値を決定し、補正後の前記変調率に基づき前記駆動信号を生成する。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、半波負荷などによる出力電圧の不平衡を低減可能なパワーコンディショナを提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の一実施形態に係るパワーコンディショナの構成を示す図である。
【図２】図１のインバータ制御部の構成を示す図である。
【図３】デッドタイム補正による変調率の変化を示す図である。
【図４】ＰＷＭ方式の駆動信号生成の概要を示す図である。
【図５】不平衡状態の電圧の正負のピーク電圧を示す図である。
【図６】電圧不平衡低減による変調率の変化を示す図である。
【図７】デッドタイム補正及び電圧不平衡低減による変調率の変化を示す図である。
【図８】各種電気製品の電圧／電流波形を示す図である。
【図９】半波負荷による電圧不平衡の発生を示す図である。
【図１０】電圧不平衡がトランスに与える影響を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以降、諸図面を参照しながら、本発明の実施態様を詳細に説明する。
【００１３】
本発明の一実施形態に係るパワーコンディショナ１は、自立運転可能なパワーコンディショナであって、図１に示すように、太陽電池１０に接続され負荷６０に給電するものであり、インバータ２０と、インバータ制御部３０と、電圧検出部５０とを備える。太陽電池１０は太陽光の受光に応じて直流電力をインバータ２０に供給し、インバータ２０は直流電力を交流電力に変換して交流電力を負荷６０に供給する。負荷６０は、例えば、液晶テレビ、掃除機、電気ストーブなどの全波負荷や、ドライヤなどの半波負荷を含む家庭用電気製品である。負荷６０は、パワーコンディショナ１の自立出力端子に接続されており、災害時などの自立運転時に太陽電池１からの電力供給を受けるものである。
【００１４】
インバータ２０は、電圧型制御インバータであって、図示の通りダイオード（Ｄ１〜Ｄ４）及びトランジスタ（Ｓ１〜Ｓ４）を含んで構成され、インバータ制御部３０からのＰＷＭ（Pulse Width Modulation）方式の駆動信号に基づき直流の入力電圧を交流の出力電圧に変換する。なお、インバータ２０は図１の構成に限定されず、他の公知の構成を用いることができるものである。インバータ制御部３０は、電圧検出部５０が検出したインバータ２０の出力電圧Ｖａｃ’に基づき、インバータ２０への駆動信号を生成する。以下、インバータ制御部３０について詳述する。
【００１５】
インバータ制御部３０は、図２に示すように、第１加算器３１と、第１ＰＩ制御部３２と、ＰＬＬ発振器３３と、乗算器３４と、デッドタイム補正部３５と、第２加算器３６と、リミッタ３７と、ＰＷＭ比較回路３８と、実効値計算部３９と、電圧不平衡抑制部４０とを備え、電圧不平衡抑制部４０として、ピーク検出部４１と、第３加算器４２と、第４加算器４３と、第２ＰＩ制御部４４とを備える。
【００１６】
第１加算器３１は、目標電圧実効値Ｖｒｍｓと、出力電圧Ｖａｃ’の実効値とを加算して第１ＰＩ制御部３２に出力する。ここで、目標電圧実効値Ｖｒｍｓとは、管理者等により予め定められた所定値（例えば１００Ｖ）である。また、交流電圧であるインバータ２０の出力電圧Ｖａｃ’の実効値は、実効値計算部３９により計算される。
【００１７】
第１ＰＩ制御部３２は、目標電圧実効値Ｖｒｍｓと、出力電圧Ｖａｃ’の実効値とに基づき、インバータ２０の駆動信号を生成する変調率の信号レベルを決定する。具体的には、第１ＰＩ制御部３２は、目標電圧実効値Ｖｒｍｓより出力電圧Ｖａｃ’の方が小さい時は、変調率を所定割合増加させ、目標電圧実効値Ｖｒｍｓより出力電圧Ｖａｃ’の方が大きい時は、変調率を所定割合減少させる。なお、変調率とは、所定の単位時間における交流電圧の波高値に対して、どれだけの交流電圧が得られるかという割合を示す。この変調率は、１（＋１）から−１の間の値を取るものであって、好適には後述の通り正弦波の波形により表わされる。また、目標値と実測値とに基づくＰＩ制御は公知技術であるため、本稿での詳述は行わない。
【００１８】
乗算器３４は、ＰＬＬ発振器３３が出力する基準信号（例えば５０Ｈｚの正弦波）に第１ＰＩ制御部３２が決定した信号レベルを乗算してインバータ２０の駆動信号を生成する変調率を生成する。乗算器３４は、生成した変調率をデッドタイム補正部３５に出力する。
【００１９】
デッドタイム補正部３５は、回路短絡防止を目的としてインバータ２０のペアとなるスイッチング素子を同時にオフにする期間（デッドタイム）により生じる出力電圧の歪を補正するものである。デッドタイム補正には種々の方法が存在するが、本実施形態に係るデッドタイム補正部３５は、出力電圧の歪を改善するため、変調率を所定値分だけ上下にシフトする。図３は、デッドタイム補正による変調率の変化を示す図である。図３（ａ）は補正前の変調率であり、図３（ｂ）はデッドタイム補正後の変調率である。図示の通り、デッドタイム補正では、変調率は正負両方向に所定値αだけシフトされる。なお、これ以降、変調率を１周期単位で補正する例により説明を行うが、本発明はこれに限定されず、より長い周期など、他の時間区間での補正にも対応するものである。また、図３に示すデッドタイム補正は一例に過ぎず、これに限定されない。デッドタイム補正部３５は、デッドタイム補正後の変調率を第２加算器３６に出力する。
【００２０】
第２加算器３６は、デッドタイム補正後の変調率と、電圧不平衡抑制部４０からの変調率の補正値とを加算して、リミッタ３７に出力する。なお、電圧不平衡抑制部４０の処理については後述するものとする。リミッタ３７は、デッドタイム補正及び電圧不平衡低減後の変調率が所定範囲に収まるようにフィルタ処理し、フィルタ処理後の変調率をＰＷＭ比較回路３８に出力する。
【００２１】
ＰＷＭ比較回路３８は、キャリア信号としての搬送波と、正弦波形の変調率とを比較し、変調率の値に応じたパルス幅を持つＰＷＭ方式の駆動信号を生成する。なお、本実施形態では、搬送波を三角波形で示しているが、例えば、鋸波形等であってもよい。図４は、ＰＷＭ方式の駆動信号生成の概要を示す図である。図４（ａ）は、搬送波と、正弦波形の変調率との比較を示し、図４（ｂ）は生成された駆動信号を示すものである。図示の通り、駆動信号は変調率と変調波との交点で正負が切り替わる信号となる。ＰＷＭ比較回路３８は、生成した駆動信号をインバータ２０に出力する。インバータ２０は、例えば駆動信号が正のタイミングでインバータ２０のトランジスタＳ２及びＳ３をＯＮ、トランジスタＳ１及びＳ４をＯＦＦとし、駆動信号が負のタイミングでインバータ２０のトランジスタＳ２及びＳ３をＯＦＦ、トランジスタＳ１及びＳ４をＯＮとすることにより、直流電圧を交流電圧に変換することができる。
【００２２】
次に、電圧不平衡抑制部４０について詳述する。ピーク検出部４１は、出力電圧Ｖａｃ’の周期毎にインバータ２０の出力波形の不平衡度合いを確かめる。具体的には、ピーク検出部４１は、周期毎の出力電圧Ｖａｃ’の正側ピーク電圧Ｖｐｐｋ及び負側ピーク電圧Ｖｍｐｋを取得する。図５は、正側ピーク電圧Ｖｐｐｋ及び負側ピーク電圧Ｖｍｐｋを示す図である。ピーク検出部４１は、取得した正側ピーク電圧Ｖｐｐｋ及び負側ピーク電圧Ｖｍｐｋを第３加算器４２に出力する。
【００２３】
第３加算器４２は、正側ピーク電圧Ｖｐｐｋ及び負側ピーク電圧Ｖｍｐｋからピーク電圧偏差（Ｖｐｐｋ＋Ｖｍｐｋ）を求め、ピーク電圧偏差を第４加算器４３に出力する。第４加算器４３は、ピーク電圧偏差及び目標偏差（０Ｖ）を加算して第２ＰＩ制御部４４に出力する。
【００２４】
第２ＰＩ制御部４４は、出力電圧が不平衡である場合、不平衡を低減する方向に変調率をシフトする補正値を決定する。不平衡を低減する方向とは、ピーク電圧偏差を目標偏差（０Ｖ）に近づける方向のことである。ここで、変調率の補正値とは、少なくとも１周期分の変調率をシフトするものであって、デッドタイム補正のように正負両方向に変調率をシフトさせるものではなく、正負のいずれか一方向に変調率全体をシフトさせるものである。図６は、電圧不平衡低減による変調率の変化を示す図である。図６（ａ）は補正前の変調率であり、図６（ｂ）は電圧不平衡低減後の変調率である。図６の場合、第２ＰＩ制御部４４は、変調率をシフトする補正値をβと決定し、補正後の変調率は正方向にβ分シフトされる。第２ＰＩ制御部４４は、変調率の補正値を第２加算器３６に出力する。
【００２５】
上述の通り、第２加算器３６は、デッドタイム補正後の変調率と、電圧不平衡抑制部４０からの変調率の補正値とを加算して、リミッタ３７に出力する。図７は、第２加算器３６によるデッドタイム補正及び電圧不平衡低減による変調率の変化を示す図である。例えば、図７（ａ）のようにデッドタイム補正部３５が変調率を０．０５シフトさせ、また、図７（ｂ）のように電圧不平衡抑制部４０からの変調率の補正値が０．０１であるとする。この場合、第２加算器３６は、図７（ｃ）のように、正の波形をプラス０．０６シフトさせ、負の波形をマイナス０．０４シフトさせた変調率をリミッタ３７に出力する。補正された変調率は、ＰＷＭ比較回路３８により、搬送波と比較される。そして、この結果に基づいて、電圧不平衡を低減するＰＷＭ方式の駆動信号が生成される。
【００２６】
このように、本実施形態によれば、インバータ制御部３０は、インバータ２０の出力電圧が不平衡である場合、不平衡を低減する方向に変調率をシフトする補正値を決定し、補正後の変調率に基づきインバータ２０の駆動信号を生成する。これにより、パワーコンディショナ１は、半波負荷などによる出力電圧の不平衡を低減することが可能となる。即ち、自立運転時に出力電圧を平衡状態とし、半波負荷を含む種々の電化製品を安全に動作させることが可能になる。特に、変調率をシフトさせる構成については、既存のデッドタイム補正の構成を流用することが可能である。これにより、既存のパワーコンディショナへの実装が容易になり、負荷の電力特性によらず、自立運転時に安全に各種電気製品に電力を供給可能なパワーコンディショナを実現することができる。
【００２７】
また、インバータ制御部３０は、出力電圧の正負のピーク電圧に基づき、変調率の補正値を決定する。これにより、交流電圧である出力電圧のピーク電圧を比較することによって不平衡の判定が可能となり、ピーク電圧偏差が目標偏差（０Ｖ）となるように駆動信号を生成することが可能となる。
【００２８】
また、インバータ制御部３０は、変調率を少なくとも１周期単位でシフトさせる。これにより、出力電圧の不平衡を周期毎に低減することが可能となる。また、不平衡を低減する方向が、周期ごとに正と負に振れるようであれば、負荷側の影響による電圧変動が考えられるので、２周期以上の単位でシフトさせるようにしてもよい。これにより、不平衡の低減を安定して行うことができる。
【００２９】
また、インバータ制御部３０は、変調率に対してデッドタイム補正を行う。これにより、出力電圧不平衡の低減に加え、デッドタイムによる出力電圧の歪解消も可能となり、より適切な出力電圧を得ることが可能となる。なお、上述の通り、出力電圧不平衡の低減は、既存のデッドタイム補正の構成を流用することが可能であるため、簡易な実装で、出力電圧不平衡の低減及びデッドタイム補正を両立することが可能となる。
【００３０】
本発明を諸図面や実施例に基づき説明してきたが、当業者であれば本開示に基づき種々の変形や修正を行うことが容易であることに注意されたい。従って、これらの変形や修正は本発明の範囲に含まれることに留意されたい。例えば、各機能部、各ステップなどに含まれる機能などは論理的に矛盾しないように再配置可能であり、複数の機能部やステップなどを１つに組み合わせたり、或いは分割したりすることが可能である。
【００３１】
例えば、上記実施形態では、出力電圧の不平衡の度合いは、正負のピーク電圧により判定する構成としたが、ピーク電圧によらず、平均電圧により出力電圧の不平衡を判定しても良い。例えば、ピーク検出部４１の代わりに、実効値計算部３９により正側の平均電圧と負側の平均電圧とを取得し、インバータ制御部３０は、出力電圧の正負の平均電圧に基づき、変調率の補正値を決定する。これにより、ピーク電圧のみならず、出力電圧の正負の平均電圧を比較することによって不平衡の判定が可能となり、平均電圧の偏差が目標偏差（０Ｖ）となるように駆動信号を生成することが可能となる。
【００３２】
また、上記実施形態においては、第２加算器３６において、デッドタイム補正後の変調率に電圧不平衡抑制部４０からの補正値を反映させる構成としたが、デッドタイム補正及び電圧不平衡低減の処理順序はこれに限定されない。即ち、本発明に係るパワーコンディショナ１は、デッドタイム補正及び電圧不平衡低減の順序によらず、出力波形の歪改善及び出力電圧平衡化の両方の効果が得られるものである。具体的には、上記実施形態において、デッドタイム補正は変調率に対する単純な加算または減算で行われる。このため、出力電圧のフィードバックとは関係なく、デッドタイム補正及び電圧不平衡低減の順序が限定されない設計自由度の高い構成である。
【００３３】
例えば、電圧不平衡低減をデッドタイム補正の前に行うことも可能である。デッドタイム補正の制御方式によっては、制御の順番を考慮する必要があり、デッドタイム補正において出力電圧をフィードバックしてデッドタイムを決定するフィードバック型の制御方式をとる場合には、電圧不平衡低減をデッドタイム補正より先に行う必要がある。このようなフィードバックを行うデッドタイム補正では、目標電圧と実際の出力電圧の誤差が０［Ｖ］となるようにデッドタイムの付与時間を調整する。そもそも出力電圧に電圧不平衡が生じている場合、デッドタイムの挿入が上下非対称となるため、制御が複雑になる。そこで、このようなフィードバックを行うデッドタイム補正方式では、電圧不平衡低減を先に行い、その後にデッドタイム補正を行うことでデッドタイム補正を簡略化することができる場合もあるため、電圧不平衡低減を先に行う方がよい。
【００３４】
一方、電圧不平衡低減をデッドタイム補正の後に行う場合、電圧不平衡の補正をより正確に行うことができるという利点がある。電圧不平衡低減では、変調率の波形を基準位置より上下にシフトするにあたって、シフト量（補正値）は出力電圧の上下のピーク電圧などの値から算出している。つまり、変調率は少しでも改善（補正）されたものである方が、シフトすべき補正値の確度が向上する。よって、デッドタイム補正により変調率の波形が補正された後の方が、より正確に電圧不平衡低減に関する補正を行うことが可能となる。なお、デッドタイム補正に加え、電圧不平衡低減の前段に、他の補正処理を行うことも可能である。
【００３５】
また、上記実施形態においては、説明の便宜上、デッドタイム補正部３５、第２加算器３６、電圧不平衡抑制部４０をそれぞれ個別の構成として記載しているが、かかる機能部を１つの回路により実装することも可能である。これにより、別々の構成とする場合に比べ、出力電圧等の測定値の情報を共有し易くなり（時間的変化の影響が少ないため）、個別測定の手間が軽減され、測定時間や回数を削減して高速処理が可能となる。なお、デッドタイム補正を行わず、電圧不平衡抑制部４０による変調率の補正のみ行う構成としても良いことに留意されたい。
【００３６】
なお、電圧不平衡低減及びデッドタイム補正による変調率の補正値については、計算上求められる補正値をそのまま適用せず、例えばその半分の値を補正値として用いても良い。例えば、負荷容量が変動する場合など、補正の度合いが短時間で変わる場合には、急な電圧制御を行わない方が好ましいためである。また、過去の補正値の値を時系列データとして保持しておき、負荷の変動具合や安定性の予測に用いてもよい。なお、予測ができない場合には、現在の補正値をそのまま用いても良いため、予測による補正の遅れというデメリットは発生しない。また、補正値と負荷容量とを対応づけて記憶し、負荷容量の変化を検出したら対応する補正値を適用するよう学習機能を持たせることにより、補正値の算出の時間を省略し、より迅速な補正を行うことが可能となる。
【符号の説明】
【００３７】
１  パワーコンディショナ
１０  太陽電池
２０  インバータ
Ｓ１〜Ｓ４  トランジスタ
Ｄ１〜Ｄ４  ダイオード
３０  インバータ制御部
３１  第１加算器
３２  第１ＰＩ制御部
３３  ＰＬＬ発振器
３４  乗算器
３５  デッドタイム補正部
３６  第２加算器
３７  リミッタ
３８  ＰＷＭ比較回路
３９  実効値計算部
４０  電圧不平衡抑制部
４１  ピーク検出部
４２  第３加算器
４３  第４加算器
４４  第２ＰＩ制御部
５０  電圧検出部
６０  負荷
【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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