(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のスイッチング素子を有し、直流電源及び交流の電力系統に接続され、前記直流電源から供給された直流電力を前記複数のスイッチング素子のオン・オフによって直流電力から交流電力に変換し、前記交流電力を前記電力系統に供給する３レベルインバータと、
前記電力系統の交流電圧を検出する電圧検出器と、
前記電圧検出器の検出結果を基に、前記電力系統の瞬時電圧低下の検出を行い、前記瞬時電圧低下を検出していない状態では、ユニポーラ変調方式を用いて前記複数のスイッチング素子の動作を制御し、前記瞬時電圧低下を検出している状態では、ダイポーラ変調方式を用いて前記複数のスイッチング素子の動作を制御することにより、前記３レベルインバータによる前記直流電力から前記交流電力への変換を制御する制御部と、
を備え、
前記制御部は、前記ユニポーラ変調方式と前記ダイポーラ変調方式とのそれぞれにおいて、直流バイアス成分の異なる三角波状の２つのキャリア信号と、正弦波状の電圧基準と、を用い、前記２つのキャリア信号と前記電圧基準との比較によって前記複数のスイッチング素子の動作を制御し、前記２つのキャリア信号のそれぞれの振幅及び直流バイアス成分の少なくとも一方を所定時間かけて変化させることにより、前記ユニポーラ変調方式から前記ダイポーラ変調方式に又は前記ダイポーラ変調方式から前記ユニポーラ変調方式に徐々に変化させる系統連系インバータ装置。
【請求項２】
前記制御部は、前記電圧検出器によって検出された前記交流電圧の残電圧が第１閾値未満になった場合に、前記瞬時電圧低下の発生を検出し、前記瞬時電圧低下を検出した後、前記交流電圧の残電圧が第２閾値以上になった場合に、前記瞬時電圧低下からの復帰を検出し、
前記第２閾値は、前記第１閾値よりも大きい請求項１記載の系統連系インバータ装置。
【請求項３】
前記制御部は、前記瞬時電圧低下の検出のタイミングから所定時間の計時を開始し、前記所定時間の経過の前に前記瞬時電圧低下からの復帰が検出された場合には、前記ダイポーラ変調方式から前記ユニポーラ変調方式に切り替えて定常時の動作に戻り、前記所定時間が経過した場合には、前記複数のスイッチング素子の制御を停止する請求項１記載の系統連系インバータ装置。
【請求項４】
複数のスイッチング素子を有し、直流電源及び交流の電力系統に接続され、前記直流電源から供給された直流電力を前記複数のスイッチング素子のオン・オフによって直流電力から交流電力に変換し、前記交流電力を前記電力系統に供給する３レベルインバータと、
前記電力系統の交流電圧を検出する電圧検出器と、
を備えた系統連系インバータ装置の運転方法であって、
前記電圧検出器の検出結果を基に、前記電力系統の瞬時電圧低下の検出を行う工程と、
前記瞬時電圧低下を検出していない状態では、ユニポーラ変調方式を用いて前記複数のスイッチング素子の動作を制御し、前記瞬時電圧低下を検出している状態では、ダイポーラ変調方式を用いて前記複数のスイッチング素子の動作を制御することにより、前記３レベルインバータによる前記直流電力から前記交流電力への変換を制御する工程であって、前記ユニポーラ変調方式と前記ダイポーラ変調方式とのそれぞれにおいて、直流バイアス成分の異なる三角波状の２つのキャリア信号と、正弦波状の電圧基準と、を用い、前記２つのキャリア信号と前記電圧基準との比較によって前記複数のスイッチング素子の動作を制御し、前記２つのキャリア信号のそれぞれの振幅及び直流バイアス成分の少なくとも一方を所定時間かけて変化させることにより、前記ユニポーラ変調方式から前記ダイポーラ変調方式に又は前記ダイポーラ変調方式から前記ユニポーラ変調方式に徐々に変化させる工程と、
を有する系統連系インバータ装置の運転方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、系統連系インバータ装置及びその運転方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
直流電力を交流電力に変換し、変換後の交流電力を交流電力系統に供給する系統連系インバータ装置がある。系統連系インバータ装置では、３レベルインバータを用い、３レベルの電圧を出力することが行われている。３レベルインバータは、複数のスイッチング素子を有する。３レベルインバータの各スイッチング素子のオン・オフは、例えば、３レベルＰＷＭ変調方式によって制御される。これにより、３レベルの電圧が出力される。３レベルインバータでは、２レベルインバータに比べて、出力電圧波形をより正弦波に近付けることができる。例えば、高調波成分を抑制し、出力側のフィルタの小型化を図ることができる。【０００３】
３レベルＰＷＭ変調方式としては、例えば、正のパルス状電圧又は負のパルス状電圧を連続的に出力するユニポーラ変調方式や正負のパルス状電圧をゼロ電圧を介して交互に出力するダイポーラ変調方式などが知られている（例えば、非特許文献１）。ダイポーラ変調方式では、ユニポーラ変調方式に比べて、出力電圧の波形をより正弦波に近付けることができる。一方、ユニポーラ変調方式では、ダイポーラ変調方式に比べて、定常運転中の直流電圧の高い場合に、各スイッチング素子のオン・オフにともなうスイッチング損失を抑制することができる。【０００４】
近年では、系統連系インバータ装置において、瞬時電圧低下などの一時的な交流電力系統の不具合が発生した場合にも、異常停止せずに動作を継続させるＦＲＴ（Fault Ride Through）機能が求められている。【０００５】
ＦＲＴ機能を有する系統連系インバータ装置にユニポーラ変調方式を用いると、瞬時電圧低下が発生して変調率が低くなった場合に、低次の高調波が発生し易くなってしまう。換言すれば、ＦＲＴの運転期間中に、出力電圧波形が歪んでしまう。ダイポーラ変調方式を用いた場合には、ＦＲＴの運転期間中における高調波の発生を抑制できる反面、定常運転中のスイッチング損失が増大してしまう。【０００６】
このため、系統連系インバータ装置では、スイッチング損失を抑制しつつ、より安定した動作を得ることが望まれる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】福田昭治、鈴木邦生、「キャリア波を用いたマルチレベルＰＷＭ法の高調波特性評価」、電気学会論文誌Ｄ（産業応用部門誌）、１１９巻６号、平成１１年、ｐ．７６９−７７５
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明の実施形態は、スイッチング損失を抑制し、かつ安定した動作の系統連系インバータ装置及びその運転方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の実施形態によれば、３レベルインバータと、電圧検出器と、制御部と、を備えた系統連系インバータ装置が提供される。前記３レベルインバータは、複数のスイッチング素子を有し、直流電源及び交流の電力系統に接続され、前記直流電源から供給された直流電力を前記複数のスイッチング素子のオン・オフによって直流電力から交流電力に変換し、前記交流電力を前記電力系統に供給する。前記電圧検出器は、前記電力系統の交流電圧を検出する。前記制御部は、前記電圧検出器の検出結果を基に、前記電力系統の瞬時電圧低下の検出を行い、前記瞬時電圧低下を検出していない状態では、ユニポーラ変調方式を用いて前記複数のスイッチング素子の動作を制御し、前記瞬時電圧低下を検出している状態では、ダイポーラ変調方式を用いて前記複数のスイッチング素子の動作を制御することにより、前記３レベルインバータによる前記直流電力から前記交流電力への変換を制御する。前記制御部は、前記ユニポーラ変調方式と前記ダイポーラ変調方式とのそれぞれにおいて、直流バイアス成分の異なる三角波状の２つのキャリア信号と、正弦波状の電圧基準と、を用い、前記２つのキャリア信号と前記電圧基準との比較によって前記複数のスイッチング素子の動作を制御し、前記２つのキャリア信号のそれぞれの振幅及び直流バイアス成分の少なくとも一方を所定時間かけて変化させることにより、前記ユニポーラ変調方式から前記ダイポーラ変調方式に又は前記ダイポーラ変調方式から前記ユニポーラ変調方式に徐々に変化させる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の実施形態によれば、スイッチング損失を抑制し、かつ安定した動作の系統連系インバータ装置及びその運転方法が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】実施形態に係る系統連系インバータ装置を模式的に表すブロック図である。
【図２】図２（ａ）及び図２（ｂ）は、実施形態に係るＰＷＭ制御器の動作の一例を模式的に表すグラフ図である。
【図３】実施形態に係る系統連系インバータ装置の運転方法の一例を模式的に表すフローチャートである。
【図４】実施形態に係る３レベルインバータの一例を模式的に表すブロック図である。
【図５】実施形態に係る３レベルインバータの別の一例を模式的に表すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下に、各実施の形態について図面を参照しつつ説明する。
なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。
なお、本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。
【００１３】
図１は、実施形態に係る系統連系インバータ装置を模式的に表すブロック図である。
図１に表したように、系統連系インバータ装置１０は、主回路部１２と、制御部１４と、を備える。主回路部１２は、３レベルインバータ２０と、遮断器２１、２２と、フィルタコンデンサ２４、２５と、フィルタリアクトル２６と、電圧検出器３１〜３３と、電流検出器３６〜３８と、を有する。
【００１４】
３レベルインバータ２０は、遮断器２１を介して直流電源２に接続されている。また、３レベルインバータ２０は、遮断器２２を介して交流の電力系統４に接続されている。３レベルインバータ２０は、直流電源２から供給される直流電力を交流電力に変換し、変換後の交流電力を電力系統４に供給する。
【００１５】
直流電源２は、例えば、太陽光発電機である。この場合、系統連系インバータ装置１０は、パワーコンディショナーと呼ばれる場合もある。直流電源２は、太陽光発電機に限ることなく、直流電力を系統連系インバータ装置１０に供給可能な任意の発電機や電源でよい。
【００１６】
電力系統４の交流電力は、単相交流電力でもよいし、三相交流電力などでもよい。３レベルインバータ２０は、直流電力を単相交流電力に変換してもよいし、直流電力を三相交流電力に変換してもよい。
【００１７】
３レベルインバータ２０は、各スイッチング素子４０のオン・オフにより、直流電源２から供給された直流電力を交流電力に変換する。
【００１８】
３レベルインバータ２０は、例えば、直流電源２から供給された直流電圧ＶＤＣを基に、０Ｖ、１／２ＶＤＣ、ＶＤＣの３レベルの電圧を出力する。より詳しくは、−ＶＤＣ、−１／２ＶＤＣ、０Ｖ、１／２ＶＤＣ、ＶＤＣの電圧を出力する。これにより、３レベルインバータ２０は、直流電力を交流電力に変換する。３レベルインバータ２０の回路構成は、３レベルの電圧を出力可能な任意の回路構成でよい。
【００１９】
各スイッチング素子４０には、例えば、ＧＴＯ（Gate Turn-Off thyristor）やＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）などの自己消弧型の半導体素子が用いられる。各スイッチング素子４０は、一対の主端子と、制御端子と、を有する。制御端子は、例えば、ゲート端子である。各スイッチング素子４０は、制御端子の電圧に応じて、オン状態とオフ状態とを切り替える。各スイッチング素子４０の制御端子は、制御部１４に接続されている。制御部１４は、各スイッチング素子４０のオン・オフを切り替えることにより、３レベルインバータ２０における直流電力から交流電力への変換を制御する。
【００２０】
遮断器２１は、直流電源２と３レベルインバータ２０との間に設けられている。遮断器２１は、３レベルインバータ２０を直流電源２に接続した状態と、３レベルインバータ２０を直流電源２から切り離した状態と、を切り替える。遮断器２２は、電力系統４と３レベルインバータ２０との間に設けられている。遮断器２２は、３レベルインバータ２０を電力系統４に接続した状態と、３レベルインバータ２０を電力系統４から切り離した状態と、を切り替える。各遮断器２１、２２の各状態の切り替えは、例えば、制御部１４によって制御される。各遮断器２１、２２は、例えば、電流値や電圧値などに応じて自動的に各状態の切り替えを行ってもよい。各遮断器２１、２２は、必要に応じて設けられ、省略可能である。
【００２１】
フィルタコンデンサ２４は、直流電源２と３レベルインバータ２０との間に設けられる。この例において、フィルタコンデンサ２４は、遮断器２１と３レベルインバータ２０との間に設けられる。フィルタコンデンサ２４は、例えば、直流電源２からの直流電力に含まれるノイズを抑制する。換言すれば、フィルタコンデンサ２４は、直流電圧を平滑化する。
【００２２】
フィルタコンデンサ２５及びフィルタリアクトル２６は、電力系統４と３レベルインバータ２０との間に設けられる。この例において、フィルタコンデンサ２５及びフィルタリアクトル２６は、遮断器２２と３レベルインバータ２０との間に設けられる。
【００２３】
フィルタリアクトル２６の一端は、３レベルインバータ２０の交流出力端子に接続される。フィルタコンデンサ２５及びフィルタリアクトル２６は、３レベルインバータ２０から出力される出力電圧ＶＯＵＴ及び出力電流ＩＯＵＴの高調波成分を抑制し、出力電圧波形及び出力電流波形をより正弦波に近付ける。
【００２４】
この例では、便宜的に、１つのフィルタコンデンサ２５及び１つのフィルタリアクトル２６を図示している。例えば、電力系統４の交流電力が三相交流電力である場合には、フィルタコンデンサ２５及びフィルタリアクトル２６は、交流電力の各相に対応して設けられる。すなわち、三相交流電力の場合、フィルタコンデンサ２５及びフィルタリアクトル２６は、それぞれ３つずつ設けられる。
【００２５】
電圧検出器３１は、直流電源２と遮断器２１との間に設けられている。電圧検出器３１は、制御部１４に接続されている。電圧検出器３１は、直流電源２の直流電圧ＶＤＣを検出し、検出結果を制御部１４に入力する。
【００２６】
電圧検出器３２は、フィルタリアクトル２６と遮断器２２との間に設けられている。電圧検出器３２は、制御部１４に接続されている。電圧検出器３２は、３レベルインバータ２０の出力電圧ＶＯＵＴを検出し、検出結果を制御部１４に入力する。
【００２７】
電圧検出器３３は、遮断器２２と電力系統４との間に設けられている。電圧検出器３３は、制御部１４に接続されている。電圧検出器３３は、電力系統４の交流電圧ＶＡＣを検出し、検出結果を制御部１４に入力する。
【００２８】
また、３レベルインバータ２０の出力電圧ＶＯＵＴ及び電力系統４の交流電圧ＶＡＣが三相交流電圧である場合、電圧検出器３２及び電圧検出器３３は、三相交流電圧の各相の電圧値を検出し、検出結果を制御部１４に入力する。
【００２９】
電流検出器３６は、遮断器２１と３レベルインバータ２０との間に設けられている。電流検出器３６は、制御部１４に接続されている。電流検出器３６は、直流電源２の直流電流ＩＤＣを検出し、検出結果を制御部１４に入力する。
【００３０】
電流検出器３７は、３レベルインバータ２０とフィルタリアクトル２６との間に設けられている。電流検出器３７は、制御部１４に接続されている。電流検出器３７は、３レベルインバータ２０の出力電流ＩＯＵＴを検出し、検出結果を制御部１４に入力する。
【００３１】
電流検出器３８は、フィルタリアクトル２６と遮断器２２との間に設けられている。電流検出器３８は、制御部１４に接続されている。電流検出器３８は、電力系統４の交流電流ＩＡＣを検出し、検出結果を制御部１４に入力する。
【００３２】
３レベルインバータ２０の出力電流ＩＯＵＴ及び電力系統４の交流電流ＩＡＣが三相交流電流である場合、電流検出器３７及び電流検出器３８は、三相交流電流の各相の電流値を検出し、検出結果を制御部１４に入力する。
【００３３】
制御部１４は、制御基板６０と、ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御器６２と、ゲート基板６４と、瞬低検出部６６と、を有する。制御基板６０には、各電圧検出器３１〜３３及び各電流検出器３６〜３８のそれぞれの検出結果が入力される。また、制御基板６０には、３レベルインバータ２０の出力電流ＩＯＵＴの電流指令値が入力される。出力電流ＩＯＵＴの電流指令値は、換言すれば、電力系統４の交流電流ＩＡＣの電流指令値である。電流指令値は、例えば、ｄｑ変換後の実効値換算値である。電流指令値は、例えば、正弦波状の信号でもよい。電流指令値は、予め決めれた一定の値でもよいし、上位のコントローラからの入力などによって変化させてもよい。
【００３４】
制御基板６０は、入力された各電圧検出器３１〜３３の検出結果、各電流検出器３６〜３８の検出結果、及び電流指令値を基に、出力電流ＩＯＵＴを電流指令値に近付けるための電圧基準ＶＲ（図２参照）を生成する。そして、制御基板６０は、生成した電圧基準ＶＲをＰＷＭ制御器６２に入力する。電圧基準ＶＲは、例えば、正弦波状の信号である。３レベルインバータ２０の出力が三相交流電力である場合には、制御基板６０は、各相毎に電圧基準ＶＲを生成する。
【００３５】
ＰＷＭ制御器６２は、入力された電圧基準ＶＲを基に、３レベルインバータ２０の各スイッチング素子４０のオン・オフを切り替えるためのＰＷＭ信号を生成する。ＰＷＭ制御器６２は、電圧基準ＶＲとキャリア信号ＣＳ１、ＣＳ２（図２参照）とを比較することによって、ＰＷＭ信号を生成する。キャリア信号ＣＳ１、ＣＳ２は、例えば、三角波状の信号である。ＰＷＭ制御器６２は、例えば、各スイッチング素子４０に対応する複数のＰＷＭ信号を生成する。ＰＷＭ制御器６２は、生成した各ＰＷＭ信号をゲート基板６４に入力する。
【００３６】
ゲート基板６４は、ＰＷＭ制御器６２に接続されるとともに、各スイッチング素子４０の制御端子に接続されている。ゲート基板６４は、入力された各ＰＷＭ信号から各スイッチング素子４０毎の複数のゲート信号（駆動信号）を生成し、生成した各ゲート信号を各スイッチング素子４０のそれぞれの制御端子に入力する。これにより、制御部１４は、各スイッチング素子４０のオン・オフを制御する。
【００３７】
瞬低検出部６６には、電圧検出器３３による電力系統４の交流電圧ＶＡＣの検出結果が入力される。瞬低検出部６６は、入力された交流電圧ＶＡＣの検出結果を基に、電力系統４の瞬時電圧低下の検出を行い、検出結果をＰＷＭ制御器６２に入力する。瞬低検出部６６は、例えば、交流電圧ＶＡＣの残電圧が第１閾値未満になった場合に、電力系統４の瞬時電圧低下の発生を検出する。瞬低検出部６６は、例えば、瞬時電圧低下を検出した後、交流電圧ＶＡＣの残電圧が第２閾値以上になった場合に、電力系統４の瞬時電圧低下からの復帰を検出する。
【００３８】
残電圧とは、低下前の電圧に対する低下後の電圧の比率である。第１閾値は、例えば、８０％である。第２閾値は、例えば、９０％である。瞬低検出部６６は、例えば、交流電圧ＶＡＣの残電圧が８０％未満になった場合に、電力系統４の瞬時電圧低下の発生を検出し、９０％以上になった場合に、電力系統４の瞬時電圧低下からの復帰を検出する。このように、第２閾値は、第１閾値よりも大きくする。換言すれば、交流電圧ＶＡＣの残電圧の判定にヒステリシスを持たせる。これにより、瞬低検出部６６の出力が、瞬時電圧低下の検出状態と非検出状態とで交互に切り替わってしまうことを抑制することができる。なお、交流電圧ＶＡＣの残電圧の判定は、必ずしもヒステリシスを持たなくてもよい。第２閾値は、第１閾値と同じでもよい。第２閾値は、第１閾値以上であればよい。
【００３９】
図２（ａ）及び図２（ｂ）は、実施形態に係るＰＷＭ制御器の動作の一例を模式的に表すグラフ図である。
図２（ａ）は、ＰＷＭ制御器６２のユニポーラ変調方式の動作の一例を模式的に表す。図２（ｂ）は、ＰＷＭ制御器６２のダイポーラ変調方式の動作の一例を模式的に表す。ＰＷＭ制御器６２は、ユニポーラ変調方式とダイポーラ変調方式とを用い、各方式を切り替えてＰＷＭ信号の生成を行う。
【００４０】
図２（ａ）及び図２（ｂ）に表したように、ＰＷＭ制御器６２は、ユニポーラ変調方式及びダイポーラ変調方式のそれぞれにおいて、１つの電圧基準ＶＲと、２つのキャリア信号ＣＳ１、ＣＳ２と、を用いる。キャリア信号ＣＳ２の直流バイアス成分は、キャリア信号ＣＳ１の直流バイアス成分と異なる。この例において、ユニポーラ変調方式は、換言すれば、ダブルキャリアユニポーラＰＷＭ方式であり、ダイポーラ変調方式は、換言すれば、ダブルキャリアダイポーラＰＷＭ方式である。
【００４１】
ユニポーラ変調方式において、キャリア信号ＣＳ１、ＣＳ２のそれぞれの振幅は、０．５である。また、ユニポーラ変調方式において、キャリア信号ＣＳ１の直流バイアス成分は、０．５であり、キャリア信号ＣＳ２の直流バイアス成分は、−０．５である。
【００４２】
ダイポーラ変調方式において、キャリア信号ＣＳ１、ＣＳ２のそれぞれの振幅は、１．０である。また、ダイポーラ変調方式において、キャリア信号ＣＳ１の直流バイアス成分は、０．５であり、キャリア信号ＣＳ２の直流バイアス成分は、−０．５である。
【００４３】
なお、各方式におけるキャリア信号ＣＳ１、ＣＳ２の振幅及び直流バイアス成分は、上記に限ることなく、３レベルインバータ２０の動作を制御可能な範囲において、任意に設定可能である。各方式によるＰＷＭ信号の生成方法、及び３レベルインバータ２０の各スイッチング素子４０の制御方法については、例えば、上記の非特許文献１などに、より詳細に記載されている。
【００４４】
ＰＷＭ制御器６２は、瞬低検出部６６の検出結果に応じて、ユニポーラ変調方式とダイポーラ変調方式とを切り替える。ＰＷＭ制御器６２は、瞬低検出部６６が瞬時電圧低下を検出していない場合に、ユニポーラ変調方式を用いてＰＷＭ信号の生成を行う。そして、ＰＷＭ制御器６２は、瞬低検出部６６が瞬時電圧低下を検出した場合に、ダイポーラ変調方式を用いてＰＷＭ信号の生成を行う。
【００４５】
ＰＷＭ制御器６２は、瞬低検出部６６による瞬時電圧低下の検出に応じてユニポーラ変調方式からダイポーラ変調方式に切り替え、瞬時電圧低下からの復帰の検出に応じてダイポーラ変調方式からユニポーラ変調方式に切り替える。
【００４６】
ＰＷＭ制御器６２は、例えば、各キャリア信号ＣＳ１、ＣＳ２の振幅を変化させることによって、ユニポーラ変調方式とダイポーラ変調方式とを切り替える。ＰＷＭ制御器６２は、例えば、各キャリア信号ＣＳ１、ＣＳ２の振幅を０．５から１．０に変化させることにより、ユニポーラ変調方式からダイポーラ変調方式に切り替える。この際、ＰＷＭ制御器６２は、例えば、各キャリア信号ＣＳ１、ＣＳ２の振幅を所定時間かけて０．５から１．０に単調増加させることにより、ユニポーラ変調方式からダイポーラ変調方式に徐々に変化させる。これにより、変調方式の急変を抑制することができる。例えば、変調方式の急変にともなうノイズの発生などを抑制することができる。
【００４７】
同様に、ＰＷＭ制御器６２は、例えば、各キャリア信号ＣＳ１、ＣＳ２の振幅を所定時間かけて１．０から０．５に単調減少させることにより、ダイポーラ変調方式からユニポーラ変調方式に徐々に変化させる。
【００４８】
ユニポーラ変調方式とダイポーラ変調方式との切り替えは、各キャリア信号ＣＳ１、ＣＳ２の振幅に限ることなく、各キャリア信号ＣＳ１、ＣＳ２の直流バイアス成分を用いて行ってもよい。ＰＷＭ制御器６２は、例えば、各キャリア信号ＣＳ１、ＣＳ２の振幅及び直流バイアス成分の少なくとも一方を用いてユニポーラ変調方式とダイポーラ変調方式とを切り替える。ユニポーラ変調方式とダイポーラ変調方式との切り替えにおいては、例えば、電圧基準ＶＲの振幅をさらに変化させてもよい。
【００４９】
ユニポーラ変調方式とダイポーラ変調方式との切り替えにおいては、例えば、各キャリア信号ＣＳ１、ＣＳ２の周波数（キャリア周波数）を変化させてもよい。ダイポーラ変調方式における各キャリア信号ＣＳ１、ＣＳ２の周波数は、例えば、ユニポーラ変調方式における各キャリア信号ＣＳ１、ＣＳ２の周波数の半分に設定する。これにより、例えば、３レベルインバータ２０の各スイッチング素子４０のスイッチング周波数を各方式間で実質的に同じにすることができる。
【００５０】
ユニポーラ変調方式とダイポーラ変調方式との切り替えにおいて、各キャリア信号ＣＳ１、ＣＳ２の振幅及び直流バイアス成分の少なくとも一方は、上記のように、徐々に変化させてもよいし、ユニポーラ変調方式の値とダイポーラ変調方式の値とに選択的に切り替えてもよい。振幅及び直流バイアス成分の少なくとも一方を徐々に変化させる場合、振幅及び直流バイアス成分の少なくとも一方の値は、連続的に変化させてもよいし、段階的に変化させてもよい。
【００５１】
また、振幅及び直流バイアス成分の少なくとも一方を徐々に変化させる場合、各方式の変化に要する所定時間は、０．１秒未満であることが好ましい。所定時間は、例えば、０．０１秒以上０．１秒未満程度であることが好ましい。
【００５２】
図３は、実施形態に係る系統連系インバータ装置の運転方法の一例を模式的に表すフローチャートである。
図３に表したように、系統連系インバータ装置１０の制御部１４は、動作を開始すると、瞬低検出部６６に瞬時電圧低下の検出を行わせる（図３のステップＳ１）。瞬低検出部６６は、電圧検出器３３から入力された交流電圧ＶＡＣの検出結果を基に、電力系統４の瞬時電圧低下の検出を行い、検出結果をＰＷＭ制御器６２に入力する。
【００５３】
また、制御部１４は、動作を開始すると、制御基板６０に電圧基準ＶＲの生成を開始させる。制御基板６０は、各電圧検出器３１〜３３の検出結果、各電流検出器３６〜３８の検出結果、及び電流指令値などに基づいて電圧基準ＶＲを生成し、電圧基準ＶＲをＰＷＭ制御器６２に入力する。
【００５４】
ＰＷＭ制御器６２は、瞬時電圧低下が検出されていない場合、ユニポーラ変調方式を用いてＰＷＭ信号を生成し、ＰＷＭ信号をゲート基板６４に入力する（図３のステップＳ２）。
【００５５】
ゲート基板６４は、入力されたＰＷＭ信号を基に、３レベルインバータ２０の各スイッチング素子４０のゲート信号を生成し、各ゲート信号を各スイッチング素子４０の制御端子に入力することにより、各スイッチング素子４０のオン・オフを制御する。すなわち、３レベルインバータ２０による直流電力から交流電力への変換を制御する（図３のステップＳ３）。
【００５６】
制御部１４は、瞬低検出部６６によって瞬時電圧低下が検出されていない場合、上記のステップＳ１〜ステップＳ３の処理を繰り返し実行する。これにより、直流電源２の直流電力が交流電力に変換され、変換後の交流電力が電力系統４に供給される。
【００５７】
一方、ＰＷＭ制御器６２は、瞬低検出部６６によって瞬時電圧低下が検出された場合、変調方式をユニポーラ変調方式からダイポーラ変調方式に切り替える。この際、ＰＷＭ制御器６２は、ユニポーラ変調方式からダイポーラ変調方式に所定時間かけて徐々に変化させる。そして、ＰＷＭ制御器６２は、ダイポーラ変調方式を用いてＰＷＭ信号を生成し、ＰＷＭ信号をゲート基板６４に入力する（図３のステップＳ４）。
【００５８】
ゲート基板６４は、ステップＳ３と同様に、ＰＷＭ信号から各スイッチング素子４０のゲート信号を生成し、各スイッチング素子４０のオン・オフを制御する（図３のステップＳ５）。これにより、制御部１４は、瞬時電圧低下の発生時にも運転を継続するＦＲＴ機能を提供する。より詳しくは、ＬＶＲＴ（Low Voltage Ride Through）機能を提供する。
【００５９】
制御部１４は、瞬低検出部６６によって瞬時電圧低下の発生が検出された場合、瞬時電圧低下の検出のタイミングから計時を開始し、所定時間が経過したか否かを判定する（図３のステップＳ６）。所定時間は、例えば、１秒である。
【００６０】
所定時間が経過していない場合、制御部１４は、ステップＳ１に戻る。瞬時電圧低下が継続している場合には、ステップＳ４〜ステップＳ６の処理が繰り返され、瞬時電圧低下の発生時の運転継続の動作が実行される。一方、所定時間の経過の前に、瞬時電圧低下からの復帰が検出された場合には、ＰＷＭ制御器６２が、変調方式をダイポーラ変調方式からユニポーラ変調方式に切り替え、ステップＳ１〜ステップＳ３の定常時の動作に戻る。
【００６１】
制御部１４は、瞬時電圧低下の発生から所定時間が経過したと判定した場合、３レベルインバータ２０の各スイッチング素子４０の制御を停止する。換言すれば、制御部１４は、電圧低下の検出から所定時間経過した場合には、電力系統４の系統事故であると判断し、３レベルインバータ２０の動作をエラー停止させる。
【００６２】
このように、本実施形態に係る系統連系インバータ装置１０では、瞬時電圧低下の発生を検出していない状態では、ユニポーラ変調方式を用いて３レベルインバータ２０の各スイッチング素子４０の動作を制御し、瞬時電圧低下の発生を検出している状態では、ダイポーラ変調方式を用いて３レベルインバータ２０の各スイッチング素子４０の動作を制御する。換言すれば、系統連系インバータ装置１０は、変調率の高い状態においては、ユニポーラ変調方式を用い、変調率の低い状態においては、ダイポーラ変調方式を用いる。なお、変調率は、ＶＡＣ（実効値）／ＶＤＣで表される直流電圧と交流電圧との比率である。
【００６３】
ダイポーラ変調方式では、変調率が高い場合（例えば０．５以上）に、ユニポーラ変調方式に比べて各スイッチング素子４０のオン・オフにともなうスイッチング損失が増大してしまう。系統連系インバータ装置１０は、瞬時電圧低下の発生を検出していない変調率の高い状態において、ユニポーラ変調方式を用いる。これにより、系統連系インバータ装置１０では、定常運転時におけるスイッチング損失の増大を抑制することができる。
【００６４】
また、ユニポーラ変調方式では、変調率が低い場合（例えば０．５未満）に、ダイポーラ変調方式に比べて低次の高調波が発生し易くなってしまう。系統連系インバータ装置１０は、瞬時電圧低下の発生を検出している変調率の低い状態において、ダイポーラ変調方式を用いる。これにより、系統連系インバータ装置１０では、ＦＲＴの運転期間中における高調波の発生を抑制することができる。例えば、ＦＲＴの運転期間中においても、正弦波に近い波形を出力し、安定した動作を得ることができる。
【００６５】
このように、本実施形態に係る系統連系インバータ装置１０では、瞬時電圧低下の検出結果に応じて、ユニポーラ変調方式とダイポーラ変調方式とを切り替える。これにより、スイッチング損失を抑制し、かつ安定した動作を得ることができる。
【００６６】
例えば、太陽光発電のＦＲＴ機能では、残電圧が２０％以上で継続時間が１秒以内の瞬時電圧低下に対して、ゲートブロックせずに運転継続を行い、電圧の復帰後０．１秒以内に、電圧低下前の８０％以上の出力に復帰することが求められている。
【００６７】
これに対して、系統連系インバータ装置１０では、例えば、残電圧が８０％未満になった場合に瞬時電圧低下の発生を検出し、瞬時電圧低下の検出から０．１秒以内にユニポーラ変調方式からダイポーラ変調方式に切り替えて運転を継続し、残電圧が９０％以上になった場合に瞬時電圧低下からの復帰を検出し、復帰の検出から０．１秒以内にダイポーラ変調方式からユニポーラ変調方式に切り替えて、電圧低下前の８０％以上の交流電圧を出力する。これにより、系統連系インバータ装置１０において、太陽光発電のＦＲＴ機能を満たすことができる。
【００６８】
図４は、実施形態に係る３レベルインバータの一例を模式的に表すブロック図である。図４に表したように、３レベルインバータＩＮＶ１（２０）は、複数のスイッチング素子４０と、複数の整流素子４１、４２と、複数の電荷蓄積素子４３、４４と、を有する。この例において、３レベルインバータＩＮＶ１は、三相ブリッジ型である。この例において、電力系統４の交流電力及び３レベルインバータＩＮＶ１の変換する交流電力は、三相交流電力である。
【００６９】
３レベルインバータＩＮＶ１は、直流端子２０ｐ、２０ｎと、交流端子２０ｕ、２０ｖ、２０ｗと、６つのアームＡＵ、ＡＶ、ＡＷ、ＡＸ、ＡＹ、ＡＺと、を有する。３レベルインバータＩＮＶ１は、直流端子２０ｐ、２０ｎを介して直流電源２に接続される。そして、３レベルインバータＩＮＶ１は、交流端子２０ｕ、２０ｖ、２０ｗを介して電力系統４に接続される。
【００７０】
各アームＡＵ、ＡＶ、ＡＷ、ＡＸ、ＡＹ、ＡＺは、直流端子２０ｐ、２０ｎの間に設けられる。３レベルインバータＩＮＶ１では、アームＡＵとアームＡＸとの接続点、アームＡＶとアームＡＹとの接続点、及びアームＡＷとアームＡＺとの接続点のそれぞれが、交流端子２０ｕ、２０ｖ、２０ｗになる。
【００７１】
この例において、３レベルインバータＩＮＶ１は、１２個のスイッチング素子４０と、１２個の整流素子４１と、６個の整流素子４２と、２個の電荷蓄積素子４３、４４と、を有する。各スイッチング素子４０は、三相ブリッジ接続されている。各整流素子４１は、各スイッチング素子４０に逆並列に接続されている。電荷蓄積素子４３、４４は、直流端子２０ｐ、２０ｎの間に直列に接続されている。電荷蓄積素子４３、４４は、例えば、コンデンサである。これにより、電荷蓄積素子４３、４４の接続点が、中性点２０ｃになる。
【００７２】
各交流端子２０ｕ、２０ｖ、２０ｗに接続される各相のアームＡＵ、ＡＶ、ＡＷ、ＡＸ、ＡＹ、ＡＺのそれぞれの構成は、実質的に同じである。従って、ここでは例示として交流端子２０ｕ（Ｕ相）に接続される２つのアームＡＵ、ＡＸについて説明する。
【００７３】
正側のアームＡＵは、直列に接続された２つのスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２と、これらのスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２のそれぞれに逆並列に接続された整流素子ＤＦ１、ＤＦ２と、各スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２の直列接続点と中性点２０ｃとの間に接続された整流素子ＤＣ１と、を有する。
【００７４】
同様に、負側のアームＡＸは、直列に接続された２つのスイッチング素子Ｑ３、Ｑ４と、これらのスイッチング素子Ｑ３、Ｑ４のそれぞれに逆並列に接続された整流素子ＤＦ３、ＤＦ４と、各スイッチング素子Ｑ３、Ｑ４の直列接続点と中性点２０ｃとの間に接続された整流素子ＤＣ２と、を有する。
【００７５】
両アームＡＵ、ＡＸは、直流端子２０ｐ、２０ｎとの間に直列に接続され、両アームＡＵ、ＡＸの直列接続点がＵ相の交流端子２０ｕに接続される。スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２の直列接続点の電位は、整流素子ＤＣ１を介して中性点電位にクランプされる。同様に、スイッチング素子Ｑ３、Ｑ４の直列接続点の電位は、整流素子ＤＣ２を介して中性点電位にクランプされる。整流素子ＤＦ１〜ＤＦ４（各整流素子４１）は、いわゆる還流ダイオードである。整流素子ＤＣ１、ＤＣ２（各整流素子４２）は、いわゆるクランプダイオードである。
【００７６】
アームＡＶ、ＡＷの構成は、アームＡＵの構成と実質的に同じである。アームＡＹ、ＡＺの構成は、アームＡＸの構成と実質的に同じである。これにより、各スイッチング素子４０のスイッチングに応じて、交流端子２０ｕ、２０ｖ、２０ｗの電位が、直流端子２０ｐ、直流端子２０ｎ、及び中性点２０ｃの３レベルのいずれかの電位にクランプされる。３レベルインバータＩＮＶ１は、いわゆる中性点クランプ型の変換器である。３レベルインバータＩＮＶ１は、いわゆるＮＰＣ（ＮＰＣ：Neutral-Point-Clamped）インバータである。
【００７７】
このようなＮＰＣ型の３レベルインバータＩＮＶ１において、上述のように、瞬時電圧低下の検出結果に応じて、ユニポーラ変調方式とダイポーラ変調方式とを切り替えて制御を行う。これにより、スイッチング損失を抑制し、かつ安定した動作を得ることができる。
【００７８】
図５は、実施形態に係る３レベルインバータの別の一例を模式的に表すブロック図である。
図５に表したように、３レベルインバータＩＮＶ２（２０）は、複数のスイッチング素子４０と、複数の整流素子４１と、複数の電荷蓄積素子４３、４４と、を有する。３レベルインバータＩＮＶ２では、図４に関して説明した３レベルインバータＩＮＶ１に比べて、クランプダイオードとして機能する整流素子４２が省略されている。なお、図４に関して説明した３レベルインバータＩＮＶ１と機能・構成上実質的に同じものについては、同符号を付し、詳細な説明は省略する。
【００７９】
この例では、アームＡＵ、ＡＸのそれぞれに、１つのスイッチング素子Ｑ１、Ｑ４が設けられる。そして、交流端子２０ｕと中性点２０ｃとの間に、直列に接続された２つのスイッチング素子Ｑ２、Ｑ３が設けられる。
【００８０】
スイッチング素子Ｑ２において電流の流れる向きは、スイッチング素子Ｑ３において電流の流れる向きと反対である。スイッチング素子Ｑ２をオン状態にした時に、スイッチング素子Ｑ２に流れる電流の向きは、中性点２０ｃから交流端子２０ｕに向かう方向である。スイッチング素子Ｑ３をオン状態にした時に、スイッチング素子Ｑ３に流れる電流の向きは、交流端子２０ｕから中性点２０ｃに向かう方向である。すなわち、この例における３レベルインバータＩＮＶ２は、いわゆるＴ型ＮＰＣインバータである。
【００８１】
３レベルインバータＩＮＶ２においても、３レベルインバータＩＮＶ１と同様に、瞬時電圧低下の検出結果に応じて、ユニポーラ変調方式とダイポーラ変調方式とを切り替えることにより、スイッチング損失を抑制し、かつ安定した動作を得ることができる。
【００８２】
このように、３レベルインバータ２０は、３レベルの電圧を出力可能であり、かつユニポーラ変調方式を用いた制御とダイポーラ変調方式を用いた制御とに対応可能な任意の回路構成でよい。３レベルインバータ２０の回路構成は、上記の３レベルインバータＩＮＶ１、ＩＮＶ２に限ることなく、適宜変更可能である。
【００８３】
以上、具体例を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明の実施形態は、これらの具体例に限定されるものではない。例えば、系統連系インバータ装置に含まれる、３レベルインバータ、電圧検出器、及び制御部などの各要素の具体的な構成に関しては、当業者が公知の範囲から適宜選択することにより本発明を同様に実施し、同様の効果を得ることができる限り、本発明の範囲に包含される。
また、各具体例のいずれか２つ以上の要素を技術的に可能な範囲で組み合わせたものも、本発明の要旨を包含する限り本発明の範囲に含まれる。
【００８４】
その他、本発明の実施の形態として上述した系統連系インバータ装置及びその運転方法を基にして、当業者が適宜設計変更して実施し得る全ての系統連系インバータ装置及びその運転方法も、本発明の要旨を包含する限り、本発明の範囲に属する。
【００８５】
その他、本発明の思想の範疇において、当業者であれば、各種の変更例及び修正例に想到し得るものであり、それら変更例及び修正例についても本発明の範囲に属するものと了解される。
【００８６】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【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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