(57)【要約】【課題】系統電圧変動時の出力過電流のレベルを低減し、同時にスイッチング素子に過大なストレスをかけることのない安全なインバータ制御装置を提供する。【解決手段】スイッチング素子１４のコレクタ電流検知手段２０と、この出力の時間変化を検知するコレクタ電流微分検知手段２１とで系統１８の変動を検知して、系統変動判定手段２２が第１インバータ１２のスイッチング動作を停止する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
高周波トランスと、前記高周波トランスで絶縁された１次側に直流電源と、直流電力を高周波電力に変換する第１スイッチング素子を含む第１インバータと、前記高周波トランスの２次側に整流手段と、系統に交流電流を注入する第２インバータとで構成された電力変換回路において、前記第１スイッチング素子のコレクタ電流微分信号が、系統電圧変動判定手段内のしきい値以上となったとき、第１スイッチング素子制御手段が第１インバータを停止するインバータ制御装置。
【請求項２】
系統電圧変動判定手段の出力を遅延して第２スイッチング素子制御手段に入力し、第１インバータ停止から遅れて第２インバータを停止する構成とする請求項１記載のインバータ制御装置。
【請求項３】
第１インバータ及び第２インバータの停止後、次回の系統ゼロ電圧で再出力を開始する請求項１又は２に記載のインバータ制御装置。
【請求項４】
コレクタ電流検知手段を電流トランスとする請求項１〜３のいずれか１項に記載のインバータ制御装置。
【請求項５】
コレクタ電流微分手段の出力をピークホールドして、系統電圧変動判定手段内でしきい値と比較する請求項１〜４のいずれか１項に記載のインバータ制御装置。
【請求項６】
コンデンサ電流微分手段の出力が系統電圧変動判定手段内部のしきい値以上となったとき、第１インバータを停止する請求項１〜５のいずれか１項に記載のインバータ制御装置。
【請求項７】
第２インバータ入力電圧の微分出力が、系統電圧変動判定手段内のしきい値以下で第１インバータを停止する請求項１〜６のいずれか１項に記載のインバータ制御装置。
【請求項８】
第２インバータ入力電圧の微分出力に一定の直流電圧を重畳して、系統電圧変動判定手段内部のしきい値と比較する請求項１〜７のいずれか１項に記載のインバータ制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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を注入するインバータの制御装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種の電力変換装置としては、例えば高周波トランスの１次側に共振コンデンサとスイッチング素子を配置し、スイッチング素子の電圧波形を共振させてゼロ電圧スイッチング動作を行うと共に、１次インバータが商用２倍周期で正弦波変調を行い、さらに高周波トランスの２次側ではダイオードとコンデンサで高周波成分を整流し、高周波トランスの２次側に配置した２次インバータで極性切換を行うことにより、概ね力率１の正弦波電流を生成している高効率な電力変換装置があった（例えば特許文献１参照）。
【０００３】
図１２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り、図１３は動作を説明する波形図である。直流電源１の出力電力は第１インバータ２で高周波電力に変換された後、高周波トランス３を介して２次側へ電力伝達される。高周波トランス３の２次側に発生した高周波電力は整流手段４で高周波の脈流に変換され、フィルタコンデンサ９で高周波電流成分のみが除去された後、第２インバータ５で系統６に同期した正弦波状の交流電流に変換されて、系統６に注入されるものである。ここで、第１インバータ２はスイッチング素子８と共振コンデンサ７で構成され、第２インバータ５はＱ１からＱ４の４個のスイッチング素子でフルブリッジ構成されている。出力電流検知手段１０より得られたインバータ出力電流が、過電流判定手段１１内部のしきい値以上となった場合、スイッチング素子制御手段１２がスイッチング素子８の動作を停止する。
【特許文献１】特開２０００−３２７５１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、前記従来の構成では、系統に注入されるインバータの出力過電流を検知し、過電流判定手段が系統変動と判定してインバータの停止を制御しているため、停止に至るまでの間において出力過電流は増加し、さらにインバータ内部の例えばスイッチング素子に過大なストレスがかかる場合があった。具体的には電圧位相急変のように特定の位相で系統電圧が急激に低下する場合において、高周波トランスの２次側のインピーダンスが低下することから、スイッチング素子のコレクタ電流が増加し、オフ時にコレクタ電圧が耐圧を超える可能性もあるため、即時にオン時間を短くするか、オフすることによりスイッチング素子を保護する必要があった。
【０００５】
本発明は、上記従来の課題を解決するもので、スイッチング素子のコレクタ電流検知手段の出力を微分処理することにより系統変動を検知して出力過電流のレベルを低減し、同時にスイッチング素子に過大なストレスをかけることのない安全なインバータ制御装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前記目的を達成するために、本発明のインバータ制御装置は、スイッチング素子のコレクタ電流検知手段と、この出力の時間変化を検知するコレクタ電流微分検知手段とで系統の変動を検知して、系統変動判定手段が第１インバータのスイッチング動作を停止するものである。
【発明の効果】
【０００７】
本発明のインバータ制御装置は、第１インバータのコレクタ電流微分値を検知することで、系統で発生した電圧位相急変や瞬時電圧低下といった変動に際し、系統との協調運転が維持できると共に、故障の少ない安全な電力変換装置を実現することができるものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
第１の発明は、高周波トランスと、高周波トランスで絶縁された１次側に直流電源と、直流電力を高周波電力に変換する第１スイッチング素子を含む第１インバータと、高周波トランスの２次側に整流手段と、系統に交流電流を注入する第２インバータとで構成された電力変換回路において、第１スイッチング素子のコレクタ電流微分信号が、系統電圧変動判定手段内のしきい値以上となったとき、第１スイッチング素子制御手段が第１インバータを停止することで、系統の変動に際して過渡的な過電流の発生レベルを低減し、さらにスイッチング素子への電圧ストレスを押さえることができる。
【０００９】
第２の発明は、特に、第１の発明の系統電圧変動判定手段の出力を遅延して、第１インバータ停止から一定時間後に第２インバータを停止することで、第１インバータ内部に蓄積されたエネルギーで第２インバータに過大なストレスを与えることのない安全な構成とすることができる。
【００１０】
第３の発明は、第１又は第２の発明において、第１インバータ及び第２インバータの停止後、次回の系統ゼロ電圧で再出力を開始することで、系統変動に際して追従性を向上することができる。
【００１１】
第４の発明は、第１〜３のいずれか１つの発明において、コレクタ電流検出手段を電流トランスとすることで、簡素で且つ安価な構成で系統変動を精度良く検知することができる。
【００１２】
第５の発明は、第１〜４のいずれか１つの発明において、コレクタ電流微分手段の出力をピークホールドして、系統電圧変動判定手段内でしきい値と比較することで、誤動作の少ない安定な検知を可能とすることができる。
【００１３】
第６の発明は、第１〜５のいずれか１つの発明において、交流電流だけが通過するコンデンサの電流を検知することで、系統電圧変動に対して安価で且つ簡素な制御装置とすることができる。
【００１４】
第７の発明は、第１〜６のいずれか１つの発明において、第２インバータ入力電圧の微分出力で系統電圧変動を検知するため、より誤作動の少ない安定な制御装置とすることができる。
【００１５】
第８の発明は、第１〜７のいずれか１つの発明において、第２インバータ入力電圧の微分出力に一定の直流電圧を重畳することで、系統電圧変動判定手段のしきい値をゼロ以上に設定できるため、単電源の安価な制御装置とすることができる。
【００１６】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、本実施の形態によって本発明が限定されるものではない。
【００１７】
（実施の形態１）
本実施の形態は請求項１に係わる。図１は、本発明の第１の実施の形態におけるインバータ制御装置の接続図を示すものである。
【００１８】
図１において、直流電源１１で発電した直流電力は、高周波トランス１３と第１スイッチング素子１４を含む第１インバータ１２で高周波電力に変換されて２次側へ電力伝達される。高周波トランス１３の２次側には整流手段１５が配置され、整流手段１５の出力には高周波成分を除去するフィルタコンデンサ１６と、商用周期でスイッチングする第２インバータ１７とが、接続されている。第１スイッチング素子１４のコレクタ電流検知手段２０の出力は、コレクタ電流微分手段２１で信号処理された後、系統電圧変動判定手段２２に伝達され、第１スイッチング素子制御手段１９で第１スイッチング素子１４を制御している。
【００１９】
以上のように構成されたインバータ制御装置について、図２を参照して以下にその動作、作用を説明する。
【００２０】
系統電圧変動として、例えば位相急変のように不特定の位相で電圧低下が発生した場合、インバータ出力電力が一定となるように出力電流が増加して過電流を発生するが、ここで高周波トランス１３の１次側から見た２次側のインピーダンスが低下するため、通常概ね一定となる第１インバータ１２の第１スイッチング素子１４のオン時間におけるコレクタ電流の傾きが上昇する。コレクタ電流微分値が第１スイッチング素子１４のオン期間中に系統電圧変動判定手段内部のしきい値を超えた時点で、第１スイッチング素子制御手段１９に停止信号を送り、第１インバータ１２を停止する。
【００２１】
以上のように、本実施例の形態においては系統変動によりインバータの出力過電流が発生した場合でも、過電流レベルを抑えて且つインバータ内部のスイッチング素子へのストレスが過大になることを防止することができる。
【００２２】
（実施の形態２）
本実施の形態は請求項２、３、４に係わる。図３は、本発明の第２の実施の形態におけるインバータ制御装置の接続図を示すものである。
【００２３】
図３において、図１の回路構成と異なるのは、系統電圧変動判定手段２２の出力が遅延手段２３を介して、第２スイッチング素子制御手段に信号伝達されるようにした点である。上記以外の構成要素は第１の実施の形態と同等であり、説明を省略する。
【００２４】
以上のように構成されたインバータ制御装置について図４を参照して以下にその動作、作用を説明する。
【００２５】
例えば位相急変や瞬時電圧低下といった系統電圧変動が発生すると急激に電圧が低下し、インバータ出力電流が増加して過電流を発生する。同時に高周波トランス１３の１次側から見たインピーダンスが低下するため、第１インバータ１２の第１スイッチング素子１４に流れるコレクタ電流が増加し、コレクタ電流微分手段２１で検知した信号が系統電圧変動判定手段２２内のしきい値以上となった時点で、第１スイッチング素子制御手段１９は第１インバータ１２を停止する。ここで、第２インバータ１７を同時に停止した場合、回路内に蓄積されているエネルギーが系統１８には出力されず、フィルタコンデンサ１６に充電されるため、第２インバータ１７の入力電圧が上昇し、第２スイッチング素子に過大なストレスを与える。そこで系統電圧変動判定手段２２が、スイッチング素子制御手段に第１インバータ停止信号を伝達すると共に、遅延手段２３で一定時間経過した後で、第２スイッチング素子制御手段２４で第２インバータを停止する。遅延時間中、第１インバータ１２は停止、第２インバータ１７は動作中となるため、この間に第１インバータ１２と高周波トランス１３に蓄積されたエネルギーはフィルタコンデンサ１６に充電されるが、第２インバータ１７が動作しているため、第２インバータ入力電圧は系統電圧のピーク値以下に抑えられる。また遅延時間経過後、第１インバータ１２及び第２インバータ１７は、系統ゼロ電圧に同期して再び出力電流を系統に注入する動作を開始することにより、起動時の出力電流はゼロから徐々に増加する。また第１スイッチング素子１４のコレクタを流れる電流変化を検知する必要性から、コレクタ電流検知手段２０は交流電流検知タイプの電流トランスとすることができ、同時に絶縁も可能となることから、簡素な構成のコレクタ電流微分手段２１としている。
【００２６】
以上のように、本実施の形態においては第１インバータの停止から一定時間遅延させて、第２インバータを停止することで、系統電圧位相急変や瞬時電圧低下のように電圧が急激に低下する場合において、第２インバータの入力が過電圧となり第２スイッチング素子に過大なストレスを与えることのない安全な装置とすることができると共に、停止期間を最小限にすることが可能な追従性の良い装置とすることができる。
【００２７】
（実施の形態３）
本実施の形態は請求項５に係わる。図５は、本発明の第３の実施の形態におけるインバータ制御装置の接続図を示すものである。
【００２８】
図５において、図３の回路構成と異なるのは、コレクタ電流微分手段２１の出力にピークホールド手段２５を配置して、その出力を系統電圧変動判定手段２２に入力する構成とした点である。上記以外の構成要素は第２の実施の形態と同等であり、説明を省略する。
【００２９】
以上のように構成されたインバータ制御装置について、以下にその動作、作用を説明する。
【００３０】
第１インバータ１２の第１スイッチング素子１４の動作周波数は、数１０ｋＨｚ以上であることから、コレクタ電流微分手段２１の出力も数１０ｋＨｚで変化する。位相急変のような系統電圧変動は短時間の間に発生するものであり、誤検知なく確実に系統電圧変動判定手段２２内のしきい値との比較を可能とするために、コレクタ電流微分手段２１の出力にピークホールド手段２５を設けて、微分信号を安定な信号とした上で系統電圧変動判定手段２２内部のしきい値と比較する。
【００３１】
以上のように、本実施の形態においてはコレクタ電流検知手段の出力をピークホールドした上で系統電圧変動を判定することにより、インバータ出力過電流を抑えることができ、且つ内部のスイッチング素子に過度のストレスを与えることがない制御装置を実現することができる。
【００３２】
（実施の形態４）
本実施の形態は請求項６に係わる。図６は、本発明の第４の実施の形態におけるインバータ制御装置の接続図を示すものである。
【００３３】
図６において図５の回路構成と異なるのは、コンデンサ電流検知手段２６を配置して、出力をコンデンサ電流微分手段２７に入力し、コンデンサ電流微分手段２７の出力を系統電圧変動判定手段２２に入力した点である。上記以外の構成要素は第３の実施の形態と同等であり、説明を省略する。
【００３４】
以上のように構成されたインバータ制御装置について、図７を参照して以下にその動作、作用を説明する。
【００３５】
コンデンサ電流検知手段２６は、第１インバータ１２の入力段に配置された平滑用のコンデンサ電流を検知する。平滑コンデンサには第１スイッチング素子１４の交流成分だけが流れることから、この電流を検知するコンデンサ電流検知手段２６は交流検知タイプのセンシング手段で構成される。コンデンサ電流検知手段２６の出力はコンデンサ電流微分手段２７で単位時間当たりの変化量として検出された後で、ピークホールドされて系統電圧変動判定手段２２内のしきい値と比較される。特に電圧が急激に低下する系統電圧変動時には、コレクタ電流微分検知手段２７が第１スイッチング素子１４のコレクタ電流が急激に増加することを検知することで、第１スイッチング素子制御手段１９が第１インバータ１２を停止する。さらに一定の遅延時間を有して、第２スイッチング素子制御手段２４が第２インバータ１７を停止する。
【００３６】
以上のように、本実施の形態においては交流電流だけが通過するコンデンサ電流を検知することで、系統電圧変動による過電流とインバータの保護に対して安価で且つ簡素な制御装置とすることができる。
【００３７】
（実施の形態５）
本実施の形態は請求項７に係わる。図８は、本発明の第５の実施の形態におけるインバータ制御装置の接続図を示すものである。
【００３８】
図８において図６の回路構成と異なるのは、コンデンサ電流検知手段２６、コンデンサ電流微分手段２７、ピークホールド手段２５に代わって、第２インバータ入力電圧検知手段２８と入力電圧微分手段２９を配置して、系統電圧変動判定手段２２に入力電圧微分手段２９の出力を接続する構成とした点である。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。
【００３９】
以上のように構成されたインバータ制御装置について、図９を参照して以下にその動作、作用を説明する。
【００４０】
通常、第２インバータ１７の入力電圧は商用電源の全波整流形をしており、したがってフィルタコンデンサ１６の電圧微分値は商用周期内でゼロ電圧を中心に一定の振幅で変化している。ここで、系統１８が位相急変または瞬時電圧低下などを発生して急激に電圧が低下した場合、入力電圧微分手段２９から出力されるコンデンサ電圧の微分値も低下し、系統電圧変動判定手段２２内部のしきい値と比較されて、第１スイッチング素子制御手段１９は第１インバータ１２を停止する。
【００４１】
以上のように、本実施の形態においては第２インバータ入力電圧を直接検知して、その単位時間当たりの変化量である微分出力で系統電圧変動を検知してインバータの停止を判断するため、より誤作動の少ない安定な装置とすることができる。
【００４２】
（実施の形態６）
本実施の形態は請求項８に係わる。図１０は、本発明の第５の実施の形態におけるインバータ制御装置の接続図を示すものである。
【００４３】
図１０において図８の回路構成と異なるのは、入力電圧微分手段２９の出力段に直流電圧重畳手段３０を配置して、直流電圧重畳手段３０の出力を系統電圧変動判定手段２２に入力するように接続した点である。上記以外の構成要素は第５の実施例と同等であり、説明を省略する。
【００４４】
以上のように構成されたインバータ制御装置について、図１１の波形図を参照して以下にその動作、作用を説明する。
【００４５】
入力電圧微分手段２９の出力に直流電圧重畳手段３０で一定の直流電圧を加算することで、系統電圧変動判定手段２２への入力を常時プラスとする。ここで特に進み位相急変や、瞬時電圧低下といった急激に電圧が低下する系統電圧変動が発生した場合、入力電圧微分手段２９の出力は多くの場合マイナス出力となるが、直流電圧重畳手段３０の出力はマイナスになることはなく、この出力は単電源で構成された系統電圧変動判定手段２２内部のしきい値と比較されて、しきい値以下となった場合に第１スイッチング素子制御手段１９で第１インバータ１２を停止する。
【００４６】
以上のように、本実施の形態においては第２インバータ入力電圧の微分出力に一定の直流電圧を重畳することで、系統電圧変動判定手段のしきい値をゼロ以上に設定できるため、単電源構成の安価な制御装置とすることができる。
【産業上の利用可能性】
【００４７】
以上のように、本発明にかかるインバータ制御装置はスイッチング素子の電流波形を検知することで、系統変動時に発生する出力過電流を低減し、同時にスイッチング素子への過大なストレスも回避することができるため、太陽電池や燃料電池及び風力発電等の用途にも適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】本発明の実施の形態１によるインバータ制御装置の接続図
【図２】本発明の実施の形態１によるインバータ制御装置の各部動作を示す波形図
【図３】本発明の実施の形態２によるインバータ制御装置の接続図
【図４】本発明の実施の形態２によるインバータ制御装置の各部動作を示す波形図
【図５】本発明の実施の形態３によるインバータ制御装置の接続図
【図６】本発明の実施の形態４によるインバータ制御装置の接続図
【図７】本発明の実施の形態４によるインバータ制御装置の各部動作を示す波形図
【図８】本発明の実施の形態５によるインバータ制御装置の接続図
【図９】本発明の実施の形態５によるインバータ制御装置の各部動作を示す波形図
【図１０】本発明の実施の形態６によるインバータ制御装置の接続図
【図１１】本発明の実施の形態６によるインバータ制御装置の各部動作を示す波形図
【図１２】従来のインバータ制御装置の接続図
【図１３】従来のインバータ制御装置の各部動作を示す波形図
【符号の説明】
【００４９】
１１  直流電源
１２  第１インバータ
１３  高周波トランス
１４  第１スイッチング素子
１５  整流手段
１６  フィルタコンデンサ
１７  第２インバータ
１８  系統
１９  第１スイッチング素子制御手段
２０  コレクタ電流検知手段
２１  コレクタ電流微分手段
２２  系統電圧変動判定手段
２３  遅延手段
２４  第２スイッチング素子制御手段
２５  ピークホールド手段
２６  コンデンサ電流検知手段
２７  コンデンサ電流微分手段
２８  第２インバータ入力電圧検知手段
２９  入力電圧微分手段
３０  直流電圧重畳手段
【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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【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】
2005304172.tif 000012
【図１１】
2005304172.tif 000013
【図１２】
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【図１３】
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