(57)【要約】【課題】系統電圧が急変しても、短時間で出力電力を復帰できる電力変換器を提供する。【解決手段】直流電力を交流電力に変換して出力する電力変換器であって、電力変換器は、直流電源からの入力電圧を昇圧するコンバータ部と、コンバータ部で昇圧した電気エネルギーを保持するキャパシタと、キャパシタに接続され、キャパシタに保持した電気エネルギーを交流電力に変換し、商用電力系統へと出力するインバータ部と、を有し、商用系統に瞬時的な電圧低下が発生したときに、インバータ部から商用電力系統への出力電力を抑制するとともに、電圧低下の解消時に出力電力を元の電力に戻す際に必要な電気エネルギーをキャパシタに保持し、商用電力系統が電圧低下から元の電圧に戻ったときに、コンバータが昇圧する電力と元の出力電力の差をキャパシタに保持した電気エネルギーを用いて補うことで電圧低下が発生する前の電力まで戻す電力変換器。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電源が出力する直流電力を交流電力に変換して商用電力系統に出力する電力変換器であって、
該電力変換器は、
前記直流電源からの入力電圧を昇圧するコンバータ部と、
該コンバータ部で昇圧した電気エネルギーを保持するキャパシタと、
該キャパシタに接続され、前記キャパシタに保持した電気エネルギーを交流電力に変換し、前記商用電力系統へと出力するインバータ部と、
を有し、
前記商用系統に瞬時的な電圧低下が発生したときに、
前記インバータ部から前記商用電力系統への出力電力を抑制するとともに、前記電圧低下の解消時に前記出力電力を元の電力に戻す際に必要な電気エネルギーを前記キャパシタに保持し、
前記商用電力系統が前記電圧低下から元の電圧に戻ったときに、
コンバータが昇圧する電力と元の出力電力の差を前記キャパシタに保持した電気エネルギーを用いて補うことで前記電圧低下が発生する前の電力まで戻すことを特徴とする電力変換器。
【請求項２】
請求項１に記載の電力変換器において、
元の電力に戻す際に必要な電気エネルギーを前記キャパシタに保持する方法はにあっては、
前記キャパシタの電圧を前記電圧低下が発生する直前の電圧より高い電圧とし、
前記電圧低下の解消時，コンバータが昇圧する電力と元の出力電力の差を前記キャパシタに保持した電気エネルギーを用いて補う方法にあっては、
前記キャパシタに印加される直流電圧を，前記電圧低下が発生する前の電圧まで戻すことを特徴とする電力変換器。
【請求項３】
請求項１に記載の電力変換器において、
前記電圧低下が発生する直前の前記キャパシタの電圧は，前記電圧低下の解消時にコンバータが昇圧する電力と元の出力電力の差を前記キャパシタに保持した電気エネルギーを用いて補うのに十分な電圧を維持することを特徴とする電力変換器。
【請求項４】
請求項１から請求項３何れか一項に記載の電力変換器において、さらに、
前記インバータ部から前記商用電力系統に流れる出力電流を検出する出力電流検出手段と、
前記インバータ部を制御することによって前記出力電流を出力電流目標値と略等しい値に制御する電流制御手段と、
を有し、
前記出力電流が出力電流上限値を超えないように出力電流目標値を可変することを特徴とする電力変換器。
【請求項５】
請求項２または請求項４に記載の電力変換器において、さらに、
前記電圧低下を検出する瞬低検出手段と、
前記電圧低下からの電圧復帰を検出する瞬低復帰検出手段と、
を有し、
前記電圧低下を検出した場合に前記直流電圧が電圧閾値を超えないように、前記コンバータ部の昇圧動作を抑制し、
前記電圧復帰を検出した場合にコンバータ抑制前まで動作していた制御条件を目標として、コンバータ部の昇圧動作を再開することを特徴とする電力変換器。
【請求項６】
請求項２または請求項４に記載の電力変換器において、
前記直流電圧が、第１の閾値を超えると前記コンバータ部の昇圧動作を休止し、前記直流電圧が第２の閾値を下回るとコンバータ休止前まで動作していた直流電源からの入力電圧または入力電流を目標として、コンバータ部の昇圧動作を再開することを特徴とする電力変換器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、太陽光や風力などの自然エネルギーや蓄電池から得られる直流電力を所望の交流電力に変換する電力変換器を備えたシステムに関する。特に交流電力を商用電力系統へと出力（連系）する際、商用電力系統が数マイクロ秒から2秒未満の瞬時的な電圧低下（瞬低）や瞬時的な停電（瞬停）を引き起こした場合においても連系を継続し、瞬低・瞬停の解消後高速に復帰するシステムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来は瞬低・瞬停したら電力変換器を停止し、復帰には十分な時間を掛けて発電効率が最大となる出力電力を得ればよかった。しかし、近年、太陽光発電や蓄電池、コジェネレーションシステムなど小型分散型発電システムが多数連系されており、瞬低・瞬停時にこれら発電システムが一度に停止すると、商用電力系統へ多大な影響を与えるおそれがある。そこで、瞬低・瞬停時においても可能な限り連系を継続し、また復帰時には高速に復帰することが求められるようになった（ＦＲＴ要件）。
【０００３】
一般に、商用電力系統を出力先とする電力変換器は、商用電力系統の電圧が下がると、その分だけ電流を多く流し、出力電力を維持しようとする。しかし、回路上の制約などにより、一度に流すことのできる電流には限りがある。このため、瞬低・瞬停時に連系を継続するには商用電力系統への出力電力を絞って運転する必要がある。
【０００４】
一方、直流電源側に着目すると、たとえば太陽光発電システムに用いる太陽電池の場合、所望の出力電力を得るための電圧・電流による動作点が日照条件により異なるため、電力変換器を制御して太陽電池の動作点が最大電力点となるように追従制御を行う必要がある（Ｍａｘｉｍｕｍ  Ｐｏｗｅｒ  Ｐｏｉｎｔ  Ｔｒａｃｋｉｎｇ：ＭＰＰＴ制御）。
【０００５】
そのようなシステムの場合、出力電力を絞るということは動作点を変更することと同義であり、復帰時に再度電力を絞った時の動作点から最大電力点２追従制御を行う必要が生じる。
【０００６】
太陽光発電システムの最大電力追従制御法として一般によく知られた方法として、山登り法がある。この山登り法は、電力変換器の入力電圧指令値を微小変更し、太陽電池の発電電力が増加するか減少するかを判定する。そして、この判定結果に基づいて次の電圧指令値の変更方向を決定して指令値の微小変更を繰返す方法である。
【０００７】
しかし、この山登り法は応答が遅いため、高速に電力変換器の出力電力を絞ったり復帰させたりすることが難しいという課題がある。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】ＪＥＡＣ９７０１「系統連系規程  ２０１２」、日本電気協会
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
前記のようなシステムにおいては、電力変換器の出力電力を絞ることにより入力側の動作点が変動し、復帰時にもとの電力を高速に得ることが難しい。
【００１０】
本発明が解決すべき課題は、瞬低・瞬停時に出力電力を絞った状態からの復帰においても、元の電力へと高速に復帰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】
【００１１】
上記課題は、直流電源が出力する直流電力を交流電力に変換して商用電力系統に出力する電力変換器であって、該電力変換器は、前記直流電源からの入力電圧を昇圧するコンバータ部と、該コンバータ部で昇圧した電気エネルギーを保持するキャパシタと、該キャパシタに接続され、前記キャパシタに保持した電気エネルギーを交流電力に変換し、前記商用電力系統へと出力するインバータ部と、を有し、前記商用系統に瞬時的な電圧低下が発生したときに、前記インバータ部から前記商用電力系統への出力電力を抑制するとともに、前記電圧低下の解消時に前記出力電力を元の電力に戻す際に必要な電気エネルギーを前記キャパシタに保持し、前記商用電力系統が前記電圧低下から元の電圧に戻ったときに、コンバータが昇圧する電力と元の出力電力の差を前記キャパシタに保持した電気エネルギーを用いて補うことで前記電圧低下が発生する前の電力まで戻す電力変換器によって解決される。
【発明の効果】
【００１２】
商用電力系統と連系する電力変換器において、商用電力系統の瞬低・瞬停時に出力電力を絞った状態からの復帰においても、元の電力へと高速に復帰させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】一実施例の太陽光発電システムの回路構成を示す図
【図２】一実施例の太陽光発電システムの動作のタイミングチャート
【図３】一実施例の太陽光発電システムの動作のタイミングチャート（コンバータ休止による抑制）
【図４】一実施例の太陽光発電システムの制御シーケンス（電圧低下時）
【図５】一実施例の太陽光発電システムの制御シーケンス（電圧復帰時）
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明の電力変換器、および、それを用いた太陽光発電システムの実施例を図１〜図５を用いて説明する。
【００１５】
まず、図１に電力変換器、および、それを用いた本実施例の太陽光発電システムの構成図を示す。この太陽光発電システムは、太陽電池１と、太陽電池１で発生した直流電力を交流電力に変換する電力変換器２から構成され、商用系統３に接続されている。電力変換器２は、太陽電池電力を所定の直流電力に変換するためのコンバータ部とインバータ部からなる。
【００１６】
電力変換器２のコンバータ部は、直流リアクトル１０、ダイオード１１、スイッチング素子Ｑｃｎｖから構成される昇圧コンバータである。太陽電池１の発電状況（電圧Ｖｐｖ、電流Ｉｐｖ）は、太陽電池電圧計測手段１２、太陽電池電流計測手段１３を用いて計測される。また、コンバータ部の出力側である直流電圧（直流コンデンサＣｐｎ５（キャパシタ）の電圧Ｖｐｎ）も、直流電圧計測手段１４によって取得し、制御手段１００に取り込む。制御手段１００は、これらの情報をもとに太陽電池の最大電力点追従制御（ＭＰＰＴ）を実施する。
【００１７】
一方、電力変換器２のインバータ部は、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４、各スイッチング素子のスイッチングによる高調波をフィルタするためのリアクトル２０、コンデンサ２１、リアクトル２０とコンデンサ２１の間に設置した電流計測手段２２、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２３、接続手段２３と商用系統３の間に配置された電圧計測手段２４からなる。制御手段１００は、電流計測手段２２、電圧計測手段２４の出力に基づいて、スイッチング素子を駆動するＰＷＭ信号（Ｕ＋、Ｕ−、Ｖ＋、Ｖ−）を出力する。なお、図示しないが、制御手段１００は、スイッチング素子（Ｑｃｎｖ、Ｑ１〜Ｑ４）を駆動するための駆動回路、計測手段から得た情報をもとにスイッチング素子を駆動するＰＷＭ信号を生成するマイクロコンピュータ、電源回路などからなる。
【００１８】
図２は、電力変換器２が、商用系統３の電圧変化に対しどのように電流や電圧等を制御しているかを時系列で示したものであり、図３は、コンバータ休止による出力抑制を実施した場合の制御を時系列に示したものである。また、図４は、商用系統３の電圧変化時、具体的には電圧低下時における制御シーケンス、図５は電圧低下状態からの復帰時における制御シーケンスを示す。
【００１９】
次に、商用系統３の電圧が低下したときの動作について、図２〜図４を用いて説明する。
【００２０】
まず、図４に示す、ＳＴＰ４１で系統電圧Ｖａｂを計測する。これは、電圧計測手段２４が取得した電圧（Ｖｕ、Ｖｖ）を、制御手段１００に取り込んで演算することによって実現される。系統電圧Ｖａｂは実効値として取得されることが望ましく、商用系統３の周波数（５０または６０Ｈｚ）に対して十分な数のサンプリングを実施し、制御手段１００内のマイクロコンピュータ内で実効値を求めている。なお、電圧計測手段２４に電圧実効値を得るための取得手段を設けても良い。また、コンバータ部は、発電中のＶｐｎが系統電圧のピーク値以上の電圧Ｖｏｐ(例えば３３０Ｖ)となるように動作される。
【００２１】
ＳＴＰ４２では、ＳＴＰ４１で求めた系統電圧をもとに、商用系統３の系統電圧低下を判定し、数マイクロ秒から2秒未満の瞬停、瞬低の発生を検出する。非特許文献１として示した系統連系規程では、定格電圧の２０％などといった条件が記載されており、これらの規定を満たす閾値を規定する。もし、ＳＴＰ４２で前記閾値を下回った場合、瞬時電圧低下を検出し、制御手段１００内の動作モードを切り替える。図２では、ｔ１のタイミングが動作モードの切り替えタイミングに相当し、ｔ１のタイミングまでは「通常の連系動作」を行っている。これは、コンバータ部から供給されたエネルギーの全てをインバータ部で直流／交流変換し、商用系統３へ出力する動作である。
【００２２】
一方、図２のｔ１からｔ２の期間は、系統電圧が急激に低下した状態である。もしこのとき、ｔ１より前の状態と同じ電力を出力しようとすると、系統電圧が低下しただけ、出力電流をより大きくする必要がある。場合によってはスイッチング素子の仕様上流すことのできる最大を超える電流を流してしまうおそれがある。
【００２３】
このため、ＳＴＰ４３では、系統電圧急変直前のＩｐｖなどコンバータ動作点を制御手段１００内に記憶し、復帰時などに備える。以降、この期間の動作を「電圧低下時の連系動作」と呼ぶ。
【００２４】
次に、ＳＴＰ４４で、発電状況にかかわらず出力電流Ｉａｂが上限値（出力電流上限値）Ｉｍａｘを超えているかどうか判定する。この出力電流上限値Ｉｍａｘは定格電流よりも大きいが、過電流レベルより低い値とすることが望ましい。これにより、系統電圧が急激に低下しても、可能な限り大きな電力を出力できる。
【００２５】
このとき、インバータ部の出力が制限されるため、ＭＰＰＴにより太陽電池の最大電力を取り込んでいたコンバータからのエネルギーは行き場を失い、直流コンデンサＣｐｎの電圧（Ｖｐｎ）が上昇する。この際、過剰な昇圧を防止するため、ＳＴＰ４５で、Ｖｐｎが第１の閾値Ｖｆｒｔを超えないようコンバータ部の出力を抑制させる。第１の閾値ＶｆｒｔはＶｏｐ以上かつ、系統電圧復帰時に高速復帰するために十分なエネルギーを蓄えられる電圧(例えば３８０Ｖ)とする。
【００２６】
図３に示すように、コンバータの出力を抑制させる手段として、ＶｐｎがＶｆｒｔを超えないようＶｐｎがＶｆｒｔ以上となった場合にコンバータの動作を休止し、Ｖｐｎが第２の閾値Ｖｒｅｓを下回ると、コンバータ休止前まで動作していたＩｐｖを目標として、コンバータの昇圧動作を再開するようにしても良い。なお、ＶｒｅｓはＶｆｒｔ以下Ｖｏｐ以上の電圧(例えば３７５Ｖ)とする。
【００２７】
上記実施例では出力電流Ｉａｂの上限値を、電圧低下時の連系動作時のみに規定したものであるが、通常の連系動作時にも設定し、極端な負荷急変などに常時対応できる構成としても良い。
【００２８】
次に、商用系統３の電圧が低下した状態から復帰するときの動作について図２と図３、図５を用いて説明する。
【００２９】
まず、図５のＳＴＰ５１で系統電圧Ｖａｂを計測したのち、ＳＴＰ５２で復帰判定を行う。
【００３０】
復帰判定の結果、系統電圧Ｖａｂが規定の値を超えたことがわかった場合、ＳＴＰ５３にてインバータ部の出力を急増させる。このとき、インバータ部は復帰後の出力増加時間を短縮させるため、コンデンサＣｐｎから、急激にエネルギーを引き出す。Ｖｐｎはこのときのため、通常時より高いＶｆｒｔになっており、ＶｆｒｔからＶｏｐまで電圧を急低下させている。
【００３１】
その間、ＳＴＰ５４で、系統電圧急変前のＩｐｖなどコンバータ動作点まで戻るよう、ＭＰＰＴを再開する。このとき、通常の山登り法とは異なる、速度応答性の良い（電流制御型など。ただし一般的には動作が不安定になりやすいので、動作範囲を限定させる）別のＭＰＰＴ手法により、復帰動作を早めても良い。図３に示すように、ＶｐｎがＶｒｅｓを下回ると、系統電圧急変前のIpvなどコンバータ動作点を目標として、コンバータの昇圧動作を再開するようにしても良い。
【００３２】
以上で説明したように、本実施例の電力変換器では、商用電力系統の瞬低・瞬停時に出力電力を絞った状態からの復帰においても、元の電力へと高速に復帰させることができる。なお、本実施例の電力変換器を、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しても良いし、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しても良い。
【符号の説明】
【００３３】
１  太陽電池、２  電力変換器、３  商用系統、５  直流コンデンサ、１０  直流リアクトル、１１  ダイオード、１２  太陽電池電圧計測手段、１３  太陽電池電流計測手段、１４  直流電圧計測手段、２０  リアクトル、２１  コンデンサ、２２  電流計測手段、２３  接続手段２４  電圧計測手段、１００  制御手段
【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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