(57)【要約】【課題】家庭内で多くの高調波発生負荷を使用したときでも、常時系統から無効電力供給する必要がなく、損失の増加や、系統電圧の歪みが発生しない系統連系インバータを提供する。【解決手段】インバータ１２と、系統電圧を検知する系統電圧検知手段１５と、系統から家庭内に供給される電流の高調波の変化を検知する高調波変化検知手段１６とを有し、インバータ１２は高調波変化検知手段１６で得られる高調波の変化量を重畳することで、負荷のスイッチオンオフ及びパワー変化に伴う瞬時における高調波の過剰及び不足を低減する。【選択図】　図１
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【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し、系統から家庭内に供給される電流の高調波の変化を検知する高調波変化検知手段とを有し、前記インバータは前記高調波変化検知手段で得られる高調波の変化量を重畳した電流を出力する系統連系インバータ装置。
【請求項２】
インバータは、インバータ主回路と、インバータ制御回路と、出力電流検知手段と、基準正弦波とを備え、前記インバータ主回路を制御する前記インバータ制御回路は、系統から家庭内に供給される電流を検知する系統電流波形検知手段の出力と、前記基準正弦波とで比較されて高調波変化量を得る請求項１に記載の系統連系インバータ装置。
【請求項３】
インバータ制御回路は、系統電流波形検知手段の出力でインバータ主回路を制御して出力電流波形を生成する請求項１または２に記載の系統連系インバータ装置。
【請求項４】
インバータの出力部にはリアクトルが配置され、前記リアクトル近傍にはマイクと、スピーカとが配置され、前記リアクトルの騒音を前記マイクで検知し、前記スピーカから逆位相の音を発生させる請求項１から３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５】
インバータ出力部にはコンデンサが配置され、前記コンデンサ近傍にはマイクと、スピーカとが配置され、コンデンサ騒音を前記マイクで検知して、前記スピーカから逆位相の音を発生させる請求項１から４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、あらかじめ設定された時刻の間のみ高調波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】
負荷は、起動および停止状態を外部に送信する送信手段を有し、インバータは、起動／停止信号を受信する受信手段と、前記インバータの高調波発生量を制御する高調波発生設定値と、インバータ制御回路と、インバータ主回路を備え、前記インバータ制御回路は負荷の起動および停止信号に応じて前記高調波発生設定値を変更する請求項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９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１０を参照して動作を説明する。一般的に家庭内負荷４が入力段にコンデンサインプット型の容量の大きい平滑回路を有する機器の場合は、負荷電流は系統３のピーク付近でしか電流が流れないため、系統３から流れ込む電流は多くの高調波を含む。
【０００４】
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、系統電圧検知手段５の出力とインバータの出力電流検知手段６の出力が一致するように制御されて、インバータ２の出力電流が系統３の電圧位相に一致して力率１となるように運転されている。したがって、インバータ２の出力電流は系統３から家庭内に流れ込む電流の有効電流を減少することはあるが、家庭内負荷４が必要とする無効電流には何ら影響を与えておらず、家庭内負荷４に流れる無効電流は常時、系統３が供給している。
【０００５】
【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、多くの高調波を原因とする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。また、高調波が多い場合配線のインピーダンスによって系統電圧が歪むという課題を有していた。
【０００６】
本発明は、家庭内負荷のオンオフやパワー変化に伴う高調波の変化量を検知してインバータが供給する高調波を変化させることによって、家庭内で多くの高調波発生負荷を使用したときでも、常時系統から無効電力供給する必要がなくなるため、電力供給者の電力設備増加や、屋内配線の強化、さらには損失の増加や、系統電圧の歪み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。
【０００７】
【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備え、インバータが系統電圧波形と周期および位相が一致した系統電流を生成すると共に、系統電流手段の出力には高調波が含まれないようにインバータの出力電流を制御することで、インバータの無効電流成分と負荷の無効電流成分が一致している系統連系インバータを提供するものである。
【０００８】
【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の高調波の変化を検知する高調波変化検知手段とを有し、インバータは高調波変化検知手段で得られる高調波の変化量を重畳することで、負荷のスイッチオンオフ及びパワー変化に伴う瞬時における高調波の過剰及び不足を低減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２に記載した発明は、上記に加え、系統から家庭内に供給される電流を検知する系統電流波形検知手段の出力と、インバータ内部の基準正弦波との比較によりインバータ出力に必要な高調波電流の変化量を容易に得る構成とし高調波の低減ができる系統連系インバータ装置としている。
【００１０】
請求項３に記載した発明は、上記に加え、インバータ制御回路が系統電流波形検知手段の出力でインバータ主回路を制御して出力電流波形を生成する構成とし、インバータ内部の出力電流検知手段が不要となり、低価格化を図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４に記載した発明は、上記に加え、インバータ出力部にリアクトルが配置され、リアクトル近傍にはマイクと、スピーカとが配置され、リアクトルの騒音をマイクで検知して、スピーカから逆位相の音を発生させることで、機器の静音化が図れる系統連系インバータ装置としている。
【００１２】
請求項５に記載した発明は、上記に加え、インバータ出力部にコンデンサが配置され、コンデンサ近傍にはマイクと、スピーカとが配置され、コンデンサ騒音をマイクで検知して、スピーカから逆位相の音を発生させることで、機器の静音化が図れる系統連系インバータ装置としている。
【００１３】
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、負荷側の高調波が小さい時はインバータを停止することでるインバータ、制御回路の損失を低減する系統連系インバータ装置としている。
【００１４】
請求項７に記載した発明は、負荷の起動および停止状態を送信する送信手段と、これを受信するインバータ内の受信手段と、インバータ高調波発生量を決定する高調波発生設定値とを備える構成とし、インバータ制御回路が負荷の起動および停止信号に応じて高調波発生設定値を変更して、系統から供給される高調波電流を高精度でゼロに維持するようにすることで、高調波の低減ができる系統連系インバータ装置としている。
【００１５】
【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。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。高調波変化検出手段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。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。高調波検出手段は１６は系統１３から家庭内へ供給される電流の変化を検知して出力をインバータ１２に与えている。
【００１６】
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が抵抗負荷とコンデンサインプット形の平滑回路を内部に有する負荷で構成されている場合、家庭内負荷１４の電流は系統電圧に対して同位相であるが、多くの高調波を含んだ波形となる。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歪みの少ない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、有効電力の差と高調波による無効電力のベクトル和の電流になる。ここで、インバータ１２が歪み波を出力し、系統１３から家庭内に流れ込む無効電流がゼロとなっている状態において、前述の高調波発生負荷がパワー変化またはオフされた場合、高調波が系統から流れ込むか流れ出すことになるが、この変化を高調波変化検出手段１６で検知して、インバータ１２が出力する高調波電流を増減することで、系統１３から家庭内に流れ込む電流が高調波を含まない電流に維持される。
【００１７】
以上のように本実施例によれば、高調波変化検知手段が系統から家庭内に流れる高調波電流の変化を検知して、インバータの出力電流中の高調波電流を制御することによって、負荷のスイッチオンオフ及びパワー変化に伴う高調波の過剰及び不足を、瞬時に補償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。
【００１８】
（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、インバータ１２の内部に基準正弦波１８と、インバータ制御回路１９と、インバータ主回路２１と出力電流検知手段２０を配置し、系統１３と家庭内負１４荷及びインバータ１２の間に系統電流波形検知手段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。
【００１９】
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は系統電流波形検知手段１７で検知され、インバータ２内部に情報を与える。この情報は基準正弦波１８と比較され、高調波電流成分が分離されてインバータ制御回路１９に伝達される。
【００２０】
また、インバータ主回路２１の出力電流波形制御は出力電流検知手段２０で行われている。ここで、家庭内負荷に高調波成分が存在した場合、インバータ制御回路は出力電流検知手段２０のフィードバック量に加えて前述の高調波成分を加算してインバータ１２の出力電流指令値を生成し、インバータ主回路２１を制御する。
【００２１】
以上のように本実施例によれば、インバータのフィードバックループの電流指令値に系統電流波形検知手段１７の出力とインバータ内部の基準正弦波との差で得られた高調波成分を加算して、インバータの出力電流指令値とすることで、系統からの高調波電流の供給をゼロにすることのできる系統連系インバータを実現することができる。
【００２２】
（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、系統電流検知手段１７の出力をインバータ制御回路１９に信号伝達する構成とし、インバータ１２内部の出力電流検知手段２０を省略した点である。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。
【００２３】
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は系統電流波形検知手段１７で検知され、インバータ１２内部に情報を与える。この情報は基準正弦波１８と比較され、高調波電流成分が分離されてインバータ制御回路１９に伝達される。
【００２４】
さらに、インバータ制御回路１９は、系統電流波形検知手段１７の出力を内部に直接取り込んで、インバータ主回路２１の出力電流波形制御を行う。ここで、家庭内負荷に高調波成分が存在した場合、インバータ１２の出力電流指令値は正弦波に高調波を加算した値となる。また、家庭内負荷１４が抵抗負荷のように高調波成分を有していない場合は、インバータ１２の出力電流の指令値は正弦波となる。
【００２５】
以上のように本実施例によれば、系統電流波形検知手段１７の出力を高調波成分の検出とインバータ主回路の出力電流波形検出に使用することで、従来必要であったインバータ内部の出力電流検知手段２０が不要となり、低価格化を図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。
【００２６】
（実施例４）
以下、本発明の第４の実施例について図５を参照しながら説明する。図５は本実施例の構成を示すブロック図である。図５において図１のブロック構成と異なるのは、インバータ１２の出力部にリアクトルを図示し、リアクトル近傍にマイクとスピーカ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。
【００２７】
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。家庭内負荷１４の動作よって、高調波成分が系統１３から供給されている場合、系統電流波形検知手段１７の出力を基に、インバータ１２の出力電流は図示しているとおり、高調波を含んだ波形を出力している。インバータ１２には限流用のリアクトル２２が配置されており、出力電流の基本波と高調波は全てリアクトル２２を通過している。リアクトル２２は磁歪のため振動が発生し、特に数百Ｈｚ〜数ｋＨｚの高調波が通過した場合、使用者にとって耳障りな音となる。そこで、リアクトル２２近傍に電気的に接続されたマイク２３とスピーカ２４配置し、マイク２３で検出した騒音波形と逆位相の音を生成して、これをスピーカ２４から発生することによって、リアクトル２２から発生する騒音を消音する。
【００２８】
以上のように本実施例によれば、インバータ内部のリアクトル近傍に配置したマイクとスピーカで、高調波を原因とするリアクトルからの発生音をマイクで検知して、スピーカから逆位相の音を発生させることで、機器の静音化が図れる系統連系インバータ装置を実現することができる。
【００２９】
（実施例５）
以下、本発明の第５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５のブロック構成と異なるのは、インバータ１２の出力部にコンデンサを図示し、コンデンサ近傍にマイクとスピーカを配置した点である。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。
【００３０】
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。家庭内負荷１４の動作よって、高調波成分が系統１３から供給されている場合、系統電流波形検知手段１７の出力を基に、インバータ１２の出力電流は図示しているとおり、高調波を含んだ波形を出力している。インバータ１２にはコンデンサ２５が配置されており、出力電流の基本波と高調波は図示していない限流用のリアクトルを通過した後、高調波成分の多くはコンデンサ２５で除去されている。したがってコンデンサ２５は高調波によって振動が発生し、特に数百Ｈｚ〜数ｋＨｚの高調波が通過した場合、使用者にとって耳障りな音となる。そこで、コンデンサ２５近傍に電気的に接続されたマイク２３とスピーカ２４配置し、マイク２３で検出した騒音波形と逆位相の音を生成して、これをスピーカ２４から発生することによって、コンデンサ２５から発生する騒音を消音する。
【００３１】
以上のように本実施例によれば、インバータ内部のコンデンサ近傍に配置したマイクとスピーカで、高調波を原因とするコンデンサからの発生音をマイクで検知して、スピーカから逆位相の音を発生させることで、機器の静音化が図れる系統連系インバータ装置を実現することができる。
【００３２】
（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７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１の実施例と同等であり、説明を省略する。
【００３３】
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高調波電力を供給して、系統１３は基本波だけの電流と電圧の供給となるため、歪み波による無効電力が発生せずに力率１での電力供給となる。
【００３４】
また、ｔ２からｔ１まではインバータ１２が高調波電流を含まずに運転するか、または停止する。この時わずかに発生する可能性がある歪み波による無効電力は系統が供給することになるが、使用電力が小さいため、電力供給者への影響はない。
【００３５】
以上のように本実施例によれば、設定された時間帯のみ家庭内負荷が使用する高調波をインバータから電流供給することで、より効率の高い運転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。
【００３６】
（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２６を設けて、インバータ１２内部にこれを受信する受信手段２７を配置して、家庭内負荷１４の動作状態に応じてインバータ１２の高調波発生量設定値２８を変更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。
【００３７】
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の高調波電流をインバータ１２が供給し、系統からは高調波電流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１４が停止した直後は通常インバータ１２の有効電力と高調波による無効電力は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２６によりインバータ１２内部の受信手段２７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が発生する高調波電流の発生量設定値が変更され、インバータ１２が高調波電流の供給を停止することで、高調波電流の逆潮流による系統電圧歪みを抑制する。
【００３８】
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高調波電流発生量を瞬時に変化させて、系統に流れる高調波電流を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。
【００３９】
【発明の効果】
以上のように請求項１〜７項に記載の発明は、系統電圧検知手段と系統電流検知手段を用いて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高調波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ず、さらに系統電圧を歪ま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６】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７】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８】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９】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１０】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　高調波変化検知手段
１７　系統電流波形検知手段
１８　基準正弦波
１９　インバータ制御回路
２０　出力電流検知手段
２１　インバータ主回路
２２　リアクトル
２３　マイク
２４　スピーカ
２５　コンデンサ
２６　送信手段
２７　受信手段
２８　高調波発生量設定値
【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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