(57)【要約】【課題】突入電流抑制抵抗短絡用開閉器のオープン故障を判定可能な電力変換器を得ること。【解決手段】直流電源１からの直流電力を交流電力に変換するインバータ１３と、ＡＣフィルタリアクトル１５、ＡＣフィルタコンデンサ１６、ＡＣフィルタコンデンサ１６と直列に配置された突入電流抑制抵抗１７、および突入電流抑制抵抗１７と並列に配置された突入電流抑制抵抗短絡用開閉器１８を備え、インバータ１３からの交流電力の電圧波形をフィルタリングするＡＣフィルタ１４と、ＡＣフィルタ１４でフィルタリングされた交流電力を交流系統電源へ出力する系統連系開閉器２０と、突入電流抑制抵抗短絡用開閉器１８の制御状態およびＡＣフィルタ１４からの出力電流の変化に基づいて、突入電流抑制抵抗短絡用開閉器１８の故障を判定する制御装置２２と、を備える。【選択図】図１
2015023650.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電源からの直流電力を交流電力に変換するインバータと、
リアクトル、コンデンサ、前記コンデンサと直列に配置された突入電流抑制抵抗、および前記突入電流抑制抵抗と並列に配置された突入電流抑制抵抗短絡用開閉器を備え、前記インバータからの交流電力の電圧波形をフィルタリングするフィルタと、
前記フィルタでフィルタリングされた交流電力を交流系統電源へ出力する系統連系開閉器と、
前記突入電流抑制抵抗短絡用開閉器の制御状態および前記フィルタからの出力電流の変化に基づいて、前記突入電流抑制抵抗短絡用開閉器の故障を判定する制御装置と、
を備えることを特徴とする電力変換器。
【請求項２】
前記制御装置は、前記突入電流抑制抵抗短絡用開閉器が故障していると判定した場合、前記インバータにおいてゲートブロックする制御を行い、前記系統連系開閉器において開極する制御を行う、
ことを特徴とする請求項１に記載の電力変換器。
【請求項３】
前記制御装置は、前記出力電流の位相の変化に基づいて前記突入電流抑制抵抗短絡用開閉器の故障を判定する、
ことを特徴とする請求項１または２に記載の電力変換器。
【請求項４】
前記制御装置は、前記出力電流の波高値の変化に基づいて前記突入電流抑制抵抗短絡用開閉器の故障を判定する、
ことを特徴とする請求項１，２または３に記載の電力変換器。
【請求項５】
前記直流電源を太陽電池とする、
ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の電力変換器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、直流電源を交流系統連系する電力変換器に関する。
【背景技術】
【０００２】
インバータの出力端にＬＣフィルタが接続され、ＬＣフィルタの出力端に系統連系開閉器を持つ系統連系用電力変換器において、系統連系する際の系統連系開閉器を投入すると系統側からＬＣフィルタ用コンデンサに電圧差に応じた突入電流が流れ、系統連系開閉器の接点部が溶着する、過電流検出器が動作するなどの恐れがある。そこで、系統連系用電力変換器では、突入電流抑制抵抗をＬＣフィルタ用コンデンサに直列に接続して系統連系開閉器投入時の突入電流を抑制することで、系統連系開閉器の接点溶着、過電流検出器の動作を防いでいる。一方、インバータが動作を開始してＬＣフィルタ用コンデンサが充電されると突入電流抑制抵抗は不要となるだけでなく損失が大きいため、系統連系用電力変換器の電力変換効率を下げてしまうため、突入電流抑制抵抗と並列に突入電流抑制抵抗短絡用開閉器を設けて、インバータが動作してから一定時間経過後、突入電流抑制抵抗短絡用開閉器を閉極することで突入電流抑制抵抗を短絡し、損失を低減している。このような技術が、下記特許文献１において開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第５０４９９６４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記従来の技術によれば、突入電流抑制抵抗短絡用開閉器がオープン故障した場合、インバータの出力端に接続されたＬＣフィルタとして機能した時の電流が突入電流抑制抵抗に継続して流れることになる。そのため、突入電流抑制抵抗は、ＬＣフィルタに流れる電流に耐える様に、必要以上に電力容量の大きな抵抗を選定する必要がある。又は、突入電流にだけ耐える電力容量の抵抗を選定した場合は、電力容量は大きくないため継続して電流が流れると発熱が大きくなり最悪のケースは故障に至る、という問題があった。
【０００５】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、突入電流抑制抵抗短絡用開閉器のオープン故障を判定可能な電力変換器を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、直流電源からの直流電力を交流電力に変換するインバータと、リアクトル、コンデンサ、前記コンデンサと直列に配置された突入電流抑制抵抗、および前記突入電流抑制抵抗と並列に配置された突入電流抑制抵抗短絡用開閉器を備え、前記インバータからの交流電力の電圧波形をフィルタリングするフィルタと、前記フィルタでフィルタリングされた交流電力を交流系統電源へ出力する系統連系開閉器と、前記突入電流抑制抵抗短絡用開閉器の制御状態および前記フィルタからの出力電流の変化に基づいて、前記突入電流抑制抵抗短絡用開閉器の故障を判定する制御装置と、を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、突入電流抑制抵抗短絡用開閉器のオープン故障を判定できる、という効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】図１は、本実施の形態の電力変換器の構成例を示す図である。
【図２】図２は、インバータが電圧出力する前の系統連系時またはそれ以前から突入電流抑制抵抗短絡用開閉器がオープン故障している場合の系統電源電圧波形および各部の電流波形、制御タイミングを示す図である。
【図３】図３は、インバータが電圧出力して電流制御している系統連系運転中に突入電流抑制抵抗短絡用開閉器がオープン故障した場合の系統電源電圧波形および各部の電流波形、制御タイミングを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下に、本発明にかかる電力変換器の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
【００１０】
実施の形態．
図１は、本実施の形態の電力変換器の構成例を示す図である。電力変換器２は、直流電源１および交流系統電源３と接続する。電力変換器２は、直流電源１からの直流電力を交流電力に変換して交流系統電源３へ出力するパワーコンディショナ（電力変換器）である。直流電源１は、例えば、太陽電池、燃料電池等の電源である。交流系統電源３は、例えば、単相交流電源または三相交流電源等の電源回路である。
【００１１】
電力変換器２は、ＤＣ−ＤＣコンバータ１１と、母線コンデンサ１２と、インバータ１３と、ＡＣフィルタ１４と、出力電流センサ１９と、系統連系開閉器２０と、高速ＦＦＴ（Fast  Fourier  Transform）演算器２１と、制御装置２２と、を備える。また、ＡＣフィルタ１４は、ＡＣフィルタリアクトル１５と、ＡＣフィルタコンデンサ１６と、突入電流抑制抵抗１７と、突入電流抑制抵抗短絡用開閉器１８と、を備える。
【００１２】
ＤＣ−ＤＣコンバータ１１およびインバータ１３では、それぞれまたは両方の構成により、直流電源１の出力電力を最大にするように最大電力追従制御（ＭＰＰＴ：Maximum  Power  Point  Tracking）を行うことが一般的に行われている。
【００１３】
母線コンデンサ１２の電圧がインバータ１３の電力変換効率で最適もしくは問題のない電圧の場合、電力変換器２では、直流電源１の出力電圧を、バイパス回路等でＤＣ−ＤＣコンバータ１１を通さず、母線コンデンサ１２にそのまま電圧印加することができる。
【００１４】
インバータ１３は、スイッチ素子で構成され、スイッチ素子のスイッチングによりパルス幅変調（ＰＷＭ：Pulse  Width  Modulation）されたパルス電圧波形を出力する。スイッチ素子は、例えば、ＩＧＢＴ、ＭＯＳＦＥＴ等の自己消弧型半導体素子である。
【００１５】
ＡＣフィルタ１４は、インバータ１３から出力されたパルス電圧波形を正弦波電圧波形にフィルタリングする。ＡＣフィルタ１４は、ＡＣフィルタリアクトル１５およびＡＣフィルタコンデンサ１６で基本構成されるいわゆるＬＣフィルタ回路であって、さらに、ＡＣフィルタコンデンサ１６に直列接続される突入電流抑制抵抗１７、および突入電流抑制抵抗１７に並列接続される突入電流抑制抵抗短絡用開閉器１８で構成される。
【００１６】
電力変換器２では、ＡＣフィルタ１４の突入電流抑制抵抗短絡用開閉器１８をオープンの状態で系統連系開閉器２０を投入し、系統連系開閉器２０には突入電流抑制抵抗１７で制限された投入電流を流す。これにより、電力変換器２では、系統連系開閉器２０での接点溶着を防ぐことができる。電力変換器２では、ある一定時間経過後、突入電流抑制抵抗短絡用開閉器１８を閉極することで突入電流抑制抵抗１７を短絡する。以降、電力変換器２では、インバータ１３からの出力をＡＣフィルタ１４でフィルタリングした交流電圧を、系統連系開閉器２０経由で出力し、電流制御をしながら系統連系運転を行う。
【００１７】
出力電流センサ１９は、ＡＣフィルタ１４から出力されるフィルタリング後の出力電力の出力電流を検出する。出力電流センサ１９は、検出した電流値を直接および高速ＦＦＴ演算器２１経由で制御装置２２へ出力する。
【００１８】
系統連系開閉器２０は、投入／閉極を切り替えて、ＡＣフィルタ１４から出力されるフィルタリング後の出力電力（交流電力）を交流系統電源３へ出力する。
【００１９】
高速ＦＦＴ演算器２１は、出力電流センサ１９で検出された電流値に対して、高速ＦＦＴの演算処理を行う。ここでは、出力電流センサ１９で検出された、ＡＣフィルタ１４から出力されるフィルタリング後の出力電力の出力電流から高調波成分を抽出することを目的とする。
【００２０】
制御装置２２は、系統連系開閉器２０から出力される交流電力の電圧を監視し、インバータ１３および系統連系開閉器２０の動作を制御して、交流系統電源３への交流電力の出力を制御する。また、制御装置２２は、ＡＣフィルタ１４の突入電流抑制抵抗短絡用開閉器１８の制御状態、および出力電流センサ１９から取得したＡＣフィルタ１４からの出力電力の電流値に基づいて、ＡＣフィルタ１４の突入電流抑制抵抗短絡用開閉器１８の故障の有無を判定する。
【００２１】
なお、突入電流抑制抵抗短絡用開閉器１８のＯＮ／ＯＦＦの制御については、制御装置２２が行ってもよいし、図示しない他の構成によって制御を行い、制御装置２２は、他の構成から突入電流抑制抵抗短絡用開閉器１８の制御状態の情報を取得するようにしてもよい。
【００２２】
つづいて、電力変換器２において、制御装置２２が突入電流抑制抵抗短絡用開閉器１８の故障の有無を判定する具体的な動作について説明する。まず、突入電流抑制抵抗短絡用開閉器１８がオープン故障すると、ＡＣフィルタコンデンサ１６には、突入電流抑制抵抗１７が直列に接続されるので、制限された電流が流れることになる。この結果、電力変換器２では、正常時にＡＣフィルタコンデンサ１６に流れる、進み電流、高調波成分電流は、交流系統電源３の方へ流れるので、出力電流センサ１９で検出することができる。
【００２３】
図２は、インバータが電圧出力する前の系統連系時またはそれ以前から突入電流抑制抵抗短絡用開閉器がオープン故障している場合の系統電源電圧波形および各部の電流波形、制御タイミングを示す図である。横軸は時間を示し、縦軸は、上から順に、交流系統電源３の系統電圧の値、突入電流抑制抵抗１７の電流の値、突入電流抑制抵抗短絡用開閉器１８の電流の値、出力電流センサ１９での電流の値、突入電流抑制抵抗短絡用開閉器１８のＯＮ／ＯＦＦタイミング、系統連系開閉器２０のＯＮ／ＯＦＦタイミング、インバータ電圧出力のＯＮ／ＯＦＦタイミング、を示す。
【００２４】
例えば、インバータ１３からの電圧出力がＯＦＦ、系統連系開閉器２０がＯＮの状態で、突入電流抑制抵抗短絡用開閉器１８が故障していない正常な状態の場合、突入電流抑制抵抗短絡用開閉器１８がＯＮすると、突入電流抑制抵抗短絡用開閉器１８および出力電流センサ１９では波高値の高い電流が検出される。一方、突入電流抑制抵抗短絡用開閉器１８が故障している場合、突入電流抑制抵抗短絡用開閉器１８がＯＮするタイミングで、出力電流センサ１９には、正常時に流れる電流よりも波高値が小さい電流が流れる。また、このときの電流位相は、正常時に流れる電流よりも進む方向である（図２では、図１の出力電流センサ１９の正の方向を理由に遅れた図となっている）。
【００２５】
制御装置２２では、突入電流抑制抵抗短絡用開閉器１８の制御状態（突入電流抑制抵抗短絡用開閉器１８がＯＮするタイミングかどうか）および出力電流センサ１９に流れる電流値に基づいて、具体的には、突入電流抑制抵抗短絡用開閉器１８がＯＮするタイミングで出力電流センサ１９に流れる電流が小さい場合および電流の位相が進んでいる場合、突入電流抑制抵抗短絡用開閉器１８がオープン故障していると判定することができる。
【００２６】
図３は、インバータが電圧出力して電流制御している系統連系運転中に突入電流抑制抵抗短絡用開閉器がオープン故障した場合の系統電源電圧波形および各部の電流波形、制御タイミングを示す図である。図３に示す各部の電圧値、電流値、ＯＮ／ＯＦＦタイミングは図２と同様である。
【００２７】
例えば、インバータ１３からの電圧出力がＯＮ、系統連系開閉器２０がＯＮの状態で、突入電流抑制抵抗短絡用開閉器１８が故障していない正常な状態の場合、突入電流抑制抵抗短絡用開閉器１８はＯＮを継続しているので、突入電流抑制抵抗短絡用開閉器１８および出力電流センサ１９では波高値の高い電流が検出される。また、突入電流抑制抵抗１７において電流は検出されない。一方、突入電流抑制抵抗短絡用開閉器１８がオープン故障した場合、出力電流センサ１９で検出される出力電流の電流位相は正常時に流れる電流よりも進む方向である。また、正常時にＡＣフィルタコンデンサ１６に流れる高調波成分電流はインバータ１３のスイッチ素子のスイッチングにより生成され、ＡＣフィルタリアクトル１５で平滑化された後の波形であるが、スイッチング周波数とその整数倍の成分が含まれる。正常時にＡＣフィルタコンデンサ１６に流れる高調波成分電流が、突入電流抑制抵抗短絡用開閉器１８がオープン故障時においても、そのまま、交流系統電源３側の出力の方（出力電流センサ１９）に流れて、出力電流に重畳される波形となる（図３では、電流波形の線の幅が大きくなる）。高調波成分電流は高速ＦＦＴ変換器２１で高調波成分が抽出され、制御装置２２に入力される。
【００２８】
なお、高速ＦＦＴ変換器２１は、例えば、専用ＩＣで構成できるが、アナログ−デジタル処理（Ａ／Ｄ）を通してソフトウェアによる処理をする演算装置（ＣＰＵ）であってもよい。また、高速ＦＦＴ変換器２１を使用せず、制御装置２２において、アナログのハイパスフィルタ回路、デジタル処理するハイパスフィルタで高調波成分電流を抽出してもよい。
【００２９】
制御装置２２では、突入電流抑制抵抗短絡用開閉器１８の制御状態および出力電流センサ１９に流れる電流値に基づいて、具体的には、本来であれば突入電流抑制抵抗短絡用開閉器１８がＯＮ状態のときに、出力電流センサ１９に流れる電流の位相が進んでいる場合および高調波成分電流を検出した場合、突入電流抑制抵抗短絡用開閉器１８がオープン故障していると判定することができる。
【００３０】
制御装置２２では、突入電流抑制抵抗短絡用開閉器１８がオープン故障していると判定した場合、インバータ１３をゲートブロックして（電圧出力前のときはゲートブロックしたまま）電圧出力を止めて、さらに、系統連系開閉器２０を開極させて電力変換器２と交流系統電源３を解列する制御を行う。
【００３１】
このように、制御装置２２が制御することにより、突入電流抑制抵抗短絡用開閉器１８がオープン故障した場合においても、突入電流抑制抵抗１７に電流が流れることがなく、突入電流抑制抵抗１７の故障を防ぐことができる。また、突入電流抑制抵抗短絡用開閉器１８がオープン故障することを前提に電力容量を設計した場合の突入電流抑制抵抗と比較して、突入電流抑制抵抗１７を小形、安価にすることができる。
【００３２】
以上説明したように、本実施の形態によれば、電力変換器２では、出力電流センサ１９において、通常より位相が進んだ電流または高調波成分の電流の増加分を検出し、突入電流抑制抵抗短絡用開閉器１８の制御状態および出力電流の変化に基づいて突入電流抑制抵抗短絡用開閉器１８のオープン故障を判定することとした。これにより、突入電流抑制抵抗短絡用開閉器１８のオープン故障を検出した場合に、インバータ１３のゲートブロックおよび系統連系開閉器２０で系統と解列する制御を行うことができ、突入電流抑制抵抗１７に電圧印加がされなくなることから、突入電流抑制抵抗１７の故障を防ぐことができる。
【００３３】
なお、本実施の形態では、出力電流センサ１９が検出する電流の変化として、電流の位相および電流の波高値としているが、制御装置２２では、いずれか一方のみに基づいて判定を行うようにしてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００３４】
以上のように、本発明にかかる電力変換器は、電力の変換に有用であり、特に、直流電力を交流電力に変換する場合に適している。
【符号の説明】
【００３５】
１  直流電源、２  電力変換器、３  交流系統電源、１１  ＤＣ−ＤＣコンバータ、１２  母線コンデンサ、１３  インバータ、１４  ＡＣフィルタ、１５  ＡＣフィルタリアクトル、１６  ＡＣフィルタコンデンサ、１７  突入電流抑制抵抗、１８  突入電流抑制抵抗短絡用開閉器、１９  出力電流センサ、２０  系統連系開閉器、２１  高速ＦＦＴ演算器、２２  制御装置。
【図１】
2015023650.tif 000003
【図２】
2015023650.tif 000004
【図３】
2015023650.tif 000005