(57)【要約】【課題】家庭内の複数の使用機器の構成によって、多くの無効電力が必要になった場合でも、系統から無効電力供給する必要がなく損失の増加が発生しない系統連系インバータを提供する。【解決手段】系統電圧波形を検知する系統電圧検知手段１５と、系統とインバータ及び家庭内負荷との間に系統電流検知手段１６を設けて、両方の検知手段の出力のゼロ値を一致させるようにインバータ１２の出力電流を制御することで、系統から家庭内に供給する無効電力をゼロにするようにした。【選択図】　図１
2004032831.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電力を交流電力に変換するインバータと、系統電圧を検知する系統電圧検知手段と、系統とインバータ及び負荷との間に配置され系統から家庭内に供給される電流を検知する系統電流検知手段とを備え、前記インバータは、前記系統電圧検知手段の出力がゼロの時に系統から家庭内に供給される電流を検知する系統電流検知手段から得られる値がゼロとなるようにインバータの出力電流の振幅と位相を制御する系統連系インバータ装置。
【請求項２】
系統電圧検知手段と、系統電流検知手段から得られる力率変化を検知する力率変化検知手段とを有し、インバータは、系統に流れる無効電力の変化を補償する請求項１に記載の系統連系インバータ装置。
【請求項３】
系統から家庭内に流れる電流の位相を検知する系統電流位相検知手段と、系統電圧の位相を検知する系統電圧位相検知手段のそれぞれのゼロ位相の差の変化をもとにして力率変化を検知する請求項１または２に記載の系統連系インバータ装置。
【請求項４】
家庭内機器の負荷電流位相を検知する負荷電流位相検知手段と、系統電圧位相検知手段のそれぞれのゼロ位相の差の変化をもとに力率変化を検知する請求項１または２に記載の系統連系インバータ装置。
【請求項５】
負荷に配置された複数の負荷電流検知手段の出力を家庭内電流検出手段で合成し、得られたゼロ電流位相は系統電圧のゼロ位相と比較されることで、力率変化を検知する請求項１または２に記載の系統連系インバータ装置。
【請求項６】
インバータは、内部に時刻を計測する時刻計測手段を有し、設定された時刻の間のみ無効電流を供給する請求項１から５のいずれか一項に記載の系統連系インバータ装置。
【請求項７】
負荷の起動および停止状態を外部に送信する送信手段と、インバータは、起動／停止信号を受信する受信手段を有し、前記負荷の起動および停止信号に応じてインバータの発生する無効電流発生量を変化する請求項１から６のいずれか一項に記載の系統連系インバータ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、太陽電池または燃料電池などの直流電力を商用周波数の交流電力に変換して系統に電力注入する電力変換装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図１１は、従来使用している電力変換装置の構成を示す接続図である。ここで直流電源１は太陽電池や燃料電池といった出力が直流の分散型電源で構成されている。直流電源１はインバータ２を介して系統３と連系して、系統３から見た場合、インバータ２と家庭内負荷が並列に接続された構成となっている。系統電圧は系統電圧検知手段５でまたインバータ２の出力電流はインバータ出力電流検知手段６で検知され、それぞれの信号はインバータ２へ伝達されて出力電力を制御している。なお、インバータ２の出力電力が家庭内負荷４の消費電力を上回った場合、余剰電力は系統３に逆潮流される。
【０００３】
以下に図１２を参照して動作を説明する。家庭内負荷４が誘導性や容量性を有していた場合、負荷電流は系統３の電圧位相に対して、遅れまたは進み位相となる。この時系統３は負荷に対して有効電力と無効電力の両方を供給する。一方、直流電源１の電力はインバータ２で交流電力に変換される際に、系統３の電圧位相に一致して力率１運転されるため、有効電力しか供給しない。したがって家庭内負荷４に流れる無効電流は系統３が供給している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら上記従来の構成では、分散型電源の直流電力を交流電力に変換して系統に注入するインバータは常時力率１運転を行うため、仮に家庭内の複数の使用機器の構成によって、多くの無効電力が必要になった場合でも、これらは全て系統から供給されることになる。一般家庭の電気料金は有効電力の使用への対価であり、無効電力の供給が増加すれば電力供給者は消費電力以上の電力容量が必要であり、また家庭においても屋内配線の電流容量の増加を伴い、さらには電流の増加に伴って損失も増加するという課題を有していた。
【０００５】
本発明は、系統電圧と電流の位相を検知してこれを一致させる制御をインバータがおこなうことで、家庭内負荷に容量性や誘導性の機器が多く使用した場合でも、系統から無効電力供給する必要がなく、したがって電力供給者の電力設備増加や、屋内配線の強化及び損失の増加が発生しない系統連系インバータを提供することを目的としたものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために本発明の電力変換装置は、系統電圧波形を検知する系統電圧検知手段と、系統とインバータ及び家庭内負荷との間に系統電流検知手段を設けて、両方の検知手段の出力のゼロ値を一致させるようにインバータの出力電流を制御することで、系統から家庭内に供給する無効電力をゼロにするようにした系統連系インバータを提供するものである。
【０００７】
【発明の実施の形態】
請求項１に記載した発明は、インバータと、系統電圧を検知する系統電圧検知手段と、系統から家庭内に供給される電流を検知する系統電流検知手段とを有し、系統電圧検知手段の出力がゼロの時、系統電流検知手段から得られる値がゼロとなるようにインバータ出力電流の振幅と位相を制御することで、系統からの無効電力供給をゼロにすることができる系統連系インバータ装置としている。
【０００８】
請求項２に記載した発明は、上記に加え、系統電圧検知手段と、系統電流検知手段から得られる力率変化を検知する力率変化検知手段を有し、系統に流れる無効電力の変化を補償することで、家庭内負荷の消費電力変化に対して、常時、系統からの無効電力をゼロにすることができる系統連系インバータ装置としている。
【０００９】
請求項３に記載した発明は、上記に加え、系統電流位相検知手段と、系統電圧位相検知手段のそれぞれのゼロ位相の差の変化で力率変化を検知して常時、系統からの無効電力をゼロに制御することができる系統連系インバータ装置としている。
【００１０】
請求項４に記載した発明は、上記に加え、負荷電流位相検知手段と、系統電圧位相検知手段のそれぞれのゼロ位相の差の変化で力率変化を検知して常時、系統からの無効電力をゼロに制御することができる系統連系インバータ装置としている。
【００１１】
請求項５に記載した発明は、上記に加え、複数の負荷にそれぞれ配置された負荷電流検知手段の出力が家庭内電流検出手段で合成され、得られたゼロ電流位相と系統電圧のゼロ位相との比較で力率変化を検知して常時、系統からの無効電力をゼロに制御することができる系統連系インバータ装置としている。
【００１２】
請求項６に記載した発明は、上記に加え、時刻計測手段を有し、設定された時刻の間のみ無効電流を供給することで、負荷側の無効電力が小さい時はインバータを停止する系統連系インバータ装置としている。
【００１３】
請求項７に記載した発明は、上記に加え、負荷は起動および停止状態を外部に送信する送信手段と、インバータは起動／停止信号を受信する受信手段を有し、負荷の起動および停止信号に応じてインバータの発生する無効電流発生量を変化させて、系統から供給される無効電力を高精度でゼロに維持することができる系統連系インバータ装置としている。
【００１４】
【実施例】
（実施例１）
以下、本発明の第１の実施例について図面を参照しながら説明する。図１は本実施例の構成を示すブロック図である。本実施例の系統連系インバータ装置は、太陽電池や燃料電池といった分散型電源である直流電源１１の電力をインバータ１２で交流電力に変換し、系統１３と連系している。
【００１５】
また、家庭内負荷１４は系統１３と接続されると共に、インバータ１２と家庭内負荷１４は屋内で接続されている。系統電流検知手段１６は、系統１３とインバータ１２及び家庭内負荷１４との接続点より上流（以降、系統側を上流、家庭側を下流と称する）に配置されて、系統１３から家庭内へ供給される電流を検知している。
【００１６】
また、インバータ出力部には、系統電圧検知手段１５が配置され、系統１３の電圧波形を検知している。系統電圧検出手段１５と系統電流検出手段１６の出力はインバータ１２に入力され、インバータ１２は双方の出力波形を基に自身の制御を行う。
【００１７】
以上の様に構成された系統連系インバータ装置について、図２の波形図を参照して動作を説明する。家庭内負荷１４が容量性負荷であった場合、家庭内負荷１４の電流は系統電圧に対して進み位相となる。ここで、通常力率１運転を行っているインバータ１２は、系統電圧と同位相で正弦波電流を出力しており、系統１３から家庭内に流れ込む電流は、インバータ１２の出力電流と家庭内負荷１４の電流の差となるため、有効電力の差と無効電力のベクトル和の電流になる。ここで、系統電圧検知手段１５の出力がゼロの時、系統電流検知手段１６の出力がゼロとなるようにインバータ１２が無効電流を出力することで、系統１３から家庭内に流れ込む無効電流はゼロとなり、系統１３の電流と電圧の位相が一致する。
【００１８】
以上のように本実施例によれば、系統電流検知手段の出力がゼロの時、系統電流検知手段の出力がゼロとなるようにインバータの出力電流を制御することで、系統から家庭に流れ込む電流の無効電流成分をゼロにすることができる系統連系ンバータ装置を実現することができる。
【００１９】
（実施例２）
以下、本発明の第２の実施例について図面を参照しながら説明する。図３は本実施例の構成を示すブロック図である。図３において図１の回路構成と異なるのは、系統電圧検出手段１５と系統電流検出手段１６の出力から力率変化を得る力率変化検知手段１７を配置した点である。上記以外の構成要素は第１の実施例と同等であり、説明を省略する。
【００２０】
以上のように構成された系統連系インバータ装置について動作を説明する。系統１３から家庭に流れ込む電流が有効電力だけで、家庭内負荷１４の無効電流をインバータ１２が供給している状態において、家庭内負荷１４がオンオフしたり、電力可変した場合、無効電流は変化する。
【００２１】
仮に、無効電流が減少した場合、インバータ１２から出力される無効電流は過剰となり、系統１３に流れ込むことになる。そこで、系統電圧検知手段１５で得られた波形と系統電流検知手段１６で得られた波形から、力率の単位時間当たりの変化を力率変化検知手段１７で検知して、インバータ１２の発生する無効電流を増減させることで、系統１３から家庭に無効電流が流れ込まないように制御する。
【００２２】
以上のように本実施例によれば、系統電圧検知手段と系統電流検知手段の出力から得られる力率を基にその変化を検知して、常時系統からの無効電力をゼロにする系統連系インバータを実現することができる。
【００２３】
（実施例３）
以下、本発明の第３の実施例について図４を参照しながら説明する。図４は本実施例の構成を示すブロック図である。図４において図３の回路構成と異なるのは、系統電圧波形を検知する系統電圧検出手段に代わり、系統電圧のゼロ位相を検出する系統電圧位相検知手段２５を配置し、さらに系統電流波形を検知する系統電流検知手段に代わって、系統電流のゼロ位相を検知する系統電流位相検知手段２６を配置した点である。上記以外の構成要素は第２の実施例と同等であり、説明を省略する。
【００２４】
以上のように構成された系統連系インバータ装置について図５の波形図を参照して動作を説明する。家庭内負荷１４の電流が系統１３の電圧に対して進み位相で動作している場合、インバータ１２は系統１３の電圧に対して進み位相で動作することで、家庭内負荷１４に無効電力を供給している。系統電圧位相検知手段２５は系統１３の電圧ゼロ位相を検出しており、系統電流位相検出手段２６は系統１３から家庭内に供給される電流ゼロ位相を検出している。
【００２５】
なお、双方の出力信号は同じ波形となっている。ここで、家庭内負荷１４の電力が変化した直後は、インバータ１２の出力電流は変化していないため、系統１３から無効電流が供給されて、系統電流位相検知手段２６の出力は系統１３の電圧ゼロ位相から遅れて出力される。
【００２６】
次に、力率変化検知手段で力率の変化が発生したと判断して、瞬時にインバータ１２は系統電圧と系統電流の位相が一致するように、インバータ１２の出力電流を進める。
【００２７】
以上のように本実施例によれば、系統電圧のゼロ位相と系統電流のゼロ位相の変化を検知することで、家庭内負荷の動作状態が変化した場合でも系統から家庭内に流れ込む無効電力をゼロに維持することが可能な系統連系インバータ装置を提供することができる。
【００２８】
（実施例４）
以下、本発明の第４の実施例について図６を参照しながら説明する。図６は本実施例の構成を示すブロック図である。図６において図４の回路構成と異なるのは、家庭内負荷に流れる電流のゼロ位相を検知する負荷電流位相検知手段３６を設けた点である。上記以外の構成要素は第３の実施例と同等であり、説明を省略する。
【００２９】
以上のように構成された系統連系インバータ装置について図７の波形図を参照して動作を説明する。家庭内負荷１４の電流が系統１３の電圧に対して進み位相で動作している場合、インバータ１２が系統１３の電圧に対して進み位相で動作することで、家庭内負荷１４に全ての無効電力を供給している。系統電圧位相検知手段２５は系統１３の電圧ゼロ位相を検出して、負荷電流位相検出手段３６は家庭内負荷１４の電流ゼロ位相を検出している。双方の出力は一定の位相差を有している。ここで、家庭内負荷１４の電力が変化した場合、負荷電流位相検知手段２６の出力と系統電圧位相検知手段２５の出力との位相差が変化するため、系統１３から無効電力が供給されたと判断して、瞬時にインバータ１２は当初保持していた系統電圧と負荷電流の位相差を維持するように、インバータ１２の出力電流位相を制御する。
【００３０】
以上のように本実施例によれば、系統電圧のゼロ位相と負荷電流のゼロ位相の変化を検知することで、家庭内負荷の動作状態が変化した場合でも系統から家庭内に流れ込む無効電力を精度良くゼロに維持することが可能な系統連系インバータ装置を実現することができる。
【００３１】
（実施例５）
以下、本発明の第５の実施例について図面を参照しながら説明する。図８は本実施例の構成を示すブロック図である。図８において図６の回路構成と異なるのは複数の家庭内負荷１４の入力にそれぞれ負荷電流検知手段４６を配置して、得られた各電流波形を家庭内電流検知手段４８で合成し、電流ゼロ位相を系統電圧位相検出手段で得られたゼロ位相と比較するようにした点である。上記以外の構成要素は第４の実施例と同等であり、説明を省略する。
【００３２】
以上のように構成された系統連系インバータ装置について動作を説明する。家庭内にある複数の負荷は通常、それぞれ異なる力率で動作しており、系統１３から供給される有効電力と無効電力は全ての負荷電流の合成で決定される。そこで、合成電流を得るために、全ての家庭内負荷１４の電流波形を検知して和をとることで、インバータ１２が出力する無効電流が明らかになる。例えば複数の家庭内負荷１４の内１つの負荷がオフした場合、合成電流波形の振幅と位相は変化するので、家庭内電流検知手段４８で得られた電流ゼロ位相と系統電圧位相検知手段２５で得られるゼロ位相の間の変化を検知でき、インバータ１２が供給する無効電流を変化させて、系統１３から供給する無効電力をゼロに維持する。
【００３３】
以上のように本実施例によれば、複数存在する家庭内負荷に流れる電流波形の合成波形のゼロ位相を検知して系統電圧のゼロ位相と比較することで、１つの負荷の動作状態変化をインバータ出力電流で補償することで、常時系統から供給される無効電力をゼロに維持することができる系統連系インバータ装置を提供することができる。
【００３４】
（実施例６）
以下、本発明の第６の実施例について図面を参照しながら説明する。図９は本実施例の動作を示す概念図である。構成要素はインバータ内部に時刻を計測する時刻計測手段を設けた点以外において第５の実施例と同等であり、説明を省略する。
【００３５】
以上のように構成された系統連系インバータ装置について図９を参照して動作を説明する。通常、家庭内の電力機器の使用は、主に明け方から夜間までに集中しており、夜間から未明においては一部の低電力機器が動作しているのみである。そこで、インバータ１２は内部に有している時刻計測手段を用いて、時刻ｔ１からｔ２までは家庭内負荷が動作するために必要となる無効電力を供給して、系統１３は力率１で電力供給し、ｔ２からｔ１まではインバータ１２が力率１運転するか、または停止する。この時わずかに発生する可能性がある無効電力は系統が供給することになるが、無効電力に伴う電流増加はわずかであり、電力供給者への影響はない。
【００３６】
以上のように本実施例によれば、設定された時間帯のみインバータからの無効電力供給を行うことで、より効率の高い運転が可能な動作が可能な系統連系インバータ装置を提供することができる。
【００３７】
（実施例７）
以下、本発明の第７の実施例について図面を参照しながら説明する。図１０は本実施例の構成を示すブロック図である。図１０において図１の回路構成と異なるのは、家庭内負荷１４に起動／停止の送信手段５１を設けて、インバータ１２内部にこれを受信する受信手段５２を配置して、家庭内負荷の動作状態に応じてインバータ１２を制御するようにした点である。上記以外の構成要素は第１の実施例と同等であり、説明を省略する。
【００３８】
以上のように構成された系統連系インバータ装置について図を参照して動作を説明する。家庭内負荷１４の無効電力をインバータ１２が供給し、系統からは無効電力が供給されていない動作状態において、例えば家庭内負荷が停止した直後は通常インバータ１２の有効電力と無効電力共に系統側へ逆潮流されるが、ここで家庭内負荷１４の停止信号が、送信手段５１によりインバータ１２内部の受信手段５２で受信される。この信号により、家庭内負荷１４の停止と同時にインバータ１２は出力電流の制御を変更して、力率１運転で動作させることで、自身が発生していた無効電力が系統内に流れ込むことを防止する。
【００３９】
以上のように本実施例によれば、負荷の起動および停止信号に応じてインバータの発生する無効電流発生量を変化させて、系統から供給される無効電力を高精度で常時ゼロに維持することが可能な系統連系インバータ装置を提供することができる。
【００４０】
【発明の効果】
以上のように請求項１〜７項に記載の発明は、系統電流検知手段と系統電流検知手段でインバータの出力電流を制御することで、系統から家庭に流れ込む電流の無効電流成分をゼロにすることができるため、家庭内負荷による無効電力の増大に対して、電力供給者の電源容量や家庭内の電線容量、さらには損失も増加させることのない系統連系インバータ装置を提供することができるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例である系統連系インバータ装置の構成を示すブロック図
【図２】本発明の第１の実施例である系統連系インバータ装置の各部動作を示す波形図
【図３】本発明の第２の実施例である系統連系インバータ装置の構成を示すブロック図
【図４】本発明の第３の実施例である系統連系インバータ装置の構成を示すブロック図
【図５】本発明の第３の実施例である系統連系インバータ装置の各部動作を示す波形図
【図６】本発明の第４の実施例である系統連系インバータ装置の構成を示すブロック図
【図７】本発明の第４の実施例である系統連系インバータ装置の各部動作を示す波形図
【図８】本発明の第５の実施例である系統連系インバータ装置の構成を示すブロック図
【図９】本発明の第６の実施例である系統連系インバータ装置の動作を示す概念図
【図１０】本発明の第７の実施例である系統連系インバータ装置の構成を示すブロック図
【図１１】従来の系統連系インバータ装置の構成を示すブロック図
【図１２】従来の系統連系インバータ装置の各部動作を示す波形図
【符号の説明】
１１　直流電源
１２　インバータ
１３　系統
１４　家庭内負荷
１５　系統電圧検知手段
１６　系統電流検知手段
１７　力率変化検知手段
２６　系統電圧位相検知手段
２７　系統電流位相検知手段
３６　負荷電流位相検知手段
４６　負荷電流検知手段
４８　家庭内電流検知手段
５１　送信手段
５２　受信手段
【図１】
2004032831.tif 000003
【図２】
2004032831.tif 000004
【図３】
2004032831.tif 000005
【図４】
2004032831.tif 000006
【図５】
2004032831.tif 000007
【図６】
2004032831.tif 000008
【図７】
2004032831.tif 000009
【図８】
2004032831.tif 000010
【図９】
2004032831.tif 000011
【図１０】
2004032831.tif 000012
【図１１】
2004032831.tif 000013
【図１２】
2004032831.tif 000014