(57)【要約】【課題】特にＤＣ／ＤＣコンバータの効率を向上させ、全体として効率の良好な系統連系インバータ装置を提供する。【解決手段】直流電力をデューティ比可変のスイッチングにより昇圧するＤＣ／ＤＣコンバータと、昇圧した直流電力を系統電源の周波数の交流電力に逆変換して出力するインバータとを備え、ＤＣ／ＤＣコンバータは、入力電圧の範囲内の最小値Ｖ１で所要の最低出力電圧が出力され、デューティ比が最大値のままで定格入力電圧Ｖ２で定格出力電圧が出力され、定格入力電圧以上の入力電圧（Ｖ２−Ｖ３）でデューティ比が可変となり、定格出力電圧が出力される定格入力電圧Ｖ２付近で効率ηが最大となる。【選択図】      図４
2005006383.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電力をデューティ比可変のスイッチングにより昇圧するＤＣ／ＤＣコンバータと、昇圧した直流電力を系統電源の周波数の交流電力に逆変換して出力するインバータとを備え、
前記ＤＣ／ＤＣコンバータは、入力電圧の範囲内の最小値で所要の最低出力電圧が出力され、デューティ比が最大値のままで定格入力電圧で定格出力電圧が出力され、定格入力電圧以上の入力電圧でデューティ比が可変となり定格出力電圧が出力されることを特徴とする系統連系インバータ装置。
【請求項２】
前記所要の最低出力電圧が前記インバータを無歪みで動作させる理論的な最低直流電圧であることを特徴とする請求項１記載の系統連系インバータ装置。
【請求項３】
前記ＤＣ／ＤＣコンバータの定格入力電圧以下の入力電圧範囲内において、前記入力電圧と出力電圧との関係が、デューティ比が最大値となるように直線的に設定されていることを特徴とする請求項１記載の系統連系インバータ装置。
【請求項４】
直流電力をデューティ比可変のスイッチングにより昇圧するＤＣ／ＤＣコンバータと、昇圧した直流電力を系統電源の周波数の交流電力に逆変換して出力するインバータとを備え、
前記ＤＣ／ＤＣコンバータが、定格入力電圧に対してデューティ比が最大値で定格出力電圧が出力され、定格入力電圧以下の入力電圧に対してデューティ比が最大値で動作し可変の出力電圧が出力され、定格入力電圧以上の入力電圧に対してデューティ比が可変で動作し一定の定格出力電圧が出力され、
前記定格入力電圧付近で前記ＤＣ／ＤＣコンバータの効率が最大となることを特徴とする系統連系インバータ装置の制御方法。
【請求項５】
前記可変の出力電圧の最小値が前記インバータを無歪みで動作させる理論的な最低直流電圧であることを特徴とする請求項４記載の系統連系インバータ装置の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、系統連系インバータ装置に係り、特に、ＤＣ／ＤＣコンバータにより直流電力を最大の効率で昇圧し、この直流電力をインバータにより交流電力に逆変換して、系統電源に接続された負荷に供給する系統連系インバータ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、太陽電池や燃料電池などから供給される比較的低電圧の直流電力をＤＣ／ＤＣコンバータで所望の高電圧（直流リンク電圧）の直流電力に変換した後に、その直流電力をインバータで所望の電圧の交流電力に逆変換することにより、商用系統電源に接続された負荷に交流電力を供給する系統連系インバータ装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。なお、発電電源としてガスタービン装置等の交流発電機を用いる場合には、発電した交流電力をコンバータ部により整流して形成した直流電力を、系統連系インバータ装置により交流電力に逆変換して系統電源側に送出している。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００２−１９９７３９号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
太陽電池や燃料電池などから供給される直流電力を昇圧するＤＣ／ＤＣコンバータは、例えば数十Ｖ程度以下の比較的低い直流電圧が入力される。これを、インバータで例えば交流２００Ｖ（実効値）の出力を得るためには、最低３２０Ｖの出力直流電圧に昇圧し、次段のインバータに入力直流電圧として供給する。このＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧は、インバータの入力直流電圧であることから直流リンク電圧と呼ばれ、この直流リンク電圧に基づいてインバータのスイッチング動作により交流電圧波形が形成される。
【０００５】
一般的にＤＣ／ＤＣコンバータは、出力電圧が常に一定の所定値になるように制御する。系統連系インバータ装置の場合は、交流出力電圧が系統電源の電圧と同期したものとなる。系統電源の電圧が例えば定格２００Ｖに対して、多少変動するため、直流リンク電圧はこの変動に対応可能なものでなければならない。一方で、ＤＣ／ＤＣコンバータの入力電圧は、太陽電池や燃料電池等の直流電源のその時の出力によって決まってくる。このため、インバータ出力電圧の変動および入力側の直流電源の出力電圧の変動を考慮して、ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧である直流リンク電圧は一般に高めに設定される傾向にある。例えば、インバータ出力が交流２００Ｖの場合に、入力直流電圧数十Ｖ以下に対して、出力直流電圧（直流リンク電圧）は３５０−３７０Ｖに設定されている。
【０００６】
しかしながら、直流リンク電圧を高めに設定すると、インバータの効率はスイッチング損失が最も影響することから、インバータの効率は低下する。従って、直流リンク電圧を高めに設定することは、インバータの効率という点を考慮すると好ましいことではない。しかしながら、直流リンク電圧を一定の理論値レベル以下に低下させると、電流波形のピークの箇所で波形が歪んでしまい、ＴＨＤ（Ｔｏｔａｌ  Ｈａｒｍｏｎｉｃ  Ｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎ，高調波の総合歪み波率）が大幅に増大して許容値を超えてしまうという問題がある。また、ＤＣ／ＤＣコンバータもできるだけ効率を向上することが望まれている。
【０００７】
本発明は上述した事情に鑑みて為されたもので、特にＤＣ／ＤＣコンバータの効率を向上させ、全体として効率の良好な系統連系インバータ装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明の系統連系インバータ装置は、直流電力をデューティ比可変のスイッチングにより昇圧するＤＣ／ＤＣコンバータと、昇圧した直流電力を系統電源の周波数の交流電力に逆変換して出力するインバータとを備え、前記ＤＣ／ＤＣコンバータは、入力電圧の範囲内の最小値で所要の最低出力電圧が出力され、デューティ比が最大値のままで定格入力電圧で定格出力電圧が出力され、定格入力電圧以上の入力電圧でデューティ比が可変となり定格出力電圧が出力されることを特徴とするものである。
【０００９】
この発明によれば、定格入力電圧以下の入力電圧範囲内でデューティ比が最大値となることから、定格入力電圧付近でＤＣ／ＤＣコンバータの最大効率が得られる。即ち、ＤＣ／ＤＣコンバータの効率は、主に直流入力電圧のスイッチング時の電流値によって影響を受ける。一定の入力電圧において電流値は、デューティ比が１００％近くの最大値で最低となることから、このデューティ比最大値で動作させる領域を定格入力電圧以下の入力電圧領域に設定することにより、常時使用する定格入力電圧付近でＤＣ／ＤＣコンバータの最高の効率を得ることができる。
【００１０】
また、前記出力電圧の最低値が前記インバータを無歪みで動作させる理論的な最低電圧であることが好ましい。系統インバータ装置を構成するＤＣ／ＤＣコンバータおよびインバータは、電圧が高くなると銅損、鉄損およびスイッチング損失が増大し、効率が低下する。しかしながら直流リンク電圧を低下させ過ぎると、出力交流電圧のピーク値付近で波形歪みが生じ、ＴＨＤ（Ｔｏｔａｌ  Ｈａｒｍｏｎｉｃ  Ｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎ，高調波の総合歪み波率）が大幅に増大して許容値を超えてしまうという問題がある。係る波形歪みの問題と損失の問題を考慮して、直流リンク電圧は、インバータを無歪みで動作させる理論的な最低電圧以上とすることが好ましい。
【００１１】
また、前記ＤＣ／ＤＣコンバータの入力電圧範囲内において、前記入力電圧と出力電圧との関係が、デューティ比が１００％近くの最大値となるように直線的に設定されている部分を含む。これにより、スイッチング時の電流値による損失が最も少ない領域を、入力電圧の範囲内に移動させることができる。
【００１２】
また、本発明の系統連系インバータ装置の制御方法は、前記ＤＣ／ＤＣコンバータが、定格入力電圧に対してデューティ比が最大値で定格出力電圧が出力され、定格入力電圧以下の入力電圧に対してデューティ比が最大値で動作し可変の出力電圧が出力され、定格入力電圧以上の入力電圧に対してデューティ比が可変で動作し一定の定格出力電圧が出力され、前記定格入力電圧付近で前記ＤＣ／ＤＣコンバータの効率が最大となることを特徴とするものである。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について添付図面を参照して説明する。図１乃至図４は本発明に係る系統連系インバータ装置の一実施形態を示す図であり、図１はインバータ装置の概略構成を示す。
【００１４】
図１において、直流電源１１は、太陽電池や燃料電池等の直流電源、またはガスタービン装置等の交流発電機出力を整流して形成された直流電源である。直流電源１１から供給される直流電力は、系統連系インバータ装置１２で所望の周波数・電圧の交流電力に変換・調整され、商用の系統電源１３に接続された例えばモータなどの負荷に交流電力を供給する。
【００１５】
系統連系インバータ装置１２は、直流電源１１から受け取る低電圧の直流電圧を昇圧して出力するＤＣ／ＤＣコンバータ２１と、このＤＣ／ＤＣコンバータ２１により昇圧調整された直流電力をＰＷＭ信号（駆動信号）に応じて任意の周波数の交流に逆変換して出力するインバータ（パワーモジュール）２２とから主として構成されている。また、系統連系インバータ装置には、インバータ２２により出力された交流電圧から高調波成分を除去するＬＣフィルタ回路（出力フィルタ回路）２３と、操作部から入力された指令等に従って系統電源との接続をオン・オフする系統連係用のスイッチ２４等を備えている。
【００１６】
また、この系統連系インバータ装置は、運転を制御するコントローラ（制御部）２５を備え、ＤＣ／ＤＣコンバータ２１，インバータ２２，スイッチ２４等を制御している。コントローラ２５は、メモリ内に格納された制御プログラムに従って装置各部を統括制御する、いわゆる制御用ＣＰＵにより構成されている。そして、コントローラ２５内に各種の演算処理部を備えている。ここで、コントローラ２５は、Ｅ２ＰＲＯＭ等の書換え可能なメモリを備え、演算に必要なパラメータを記憶する。また、インバータ装置の出力電流、系統電圧を計測し、記憶装置に記憶する。そして、電流や電圧等の計測値及び必要なパラメータを読み出して演算装置で演算を行い、演算結果を指令値としてコンバータ２１およびインバータ２２等のそれぞれの制御部に受け渡す。
【００１７】
図２は、ＤＣ／ＤＣコンバータの構成例を示す。ＤＣ／ＤＣコンバータ２１は、例えば数十Ｖ以下の直流低電圧ＶＤＣ−ＩＮを３２０−３４０Ｖの出力直流電圧ＶＤＣ−ＯＵＴに昇圧する。ここで、出力直流電圧ＶＤＣ−ＯＵＴはインバータ２２の入力直流電圧である直流リンク電圧を構成している。なお、直流３２０Ｖは、交流２２０Ｖを出力するようにインバータを無歪みで動作させる理論的な最低直流電圧である（特願２００３−４９７６６参照）。
【００１８】
このＤＣ／ＤＣコンバータ２１は、入力直流電圧ＶＤＣ−ＩＮが供給される一方の端子Ｎに接続された一対のスイッチング素子３１ａ，３１ｂの両端と、入力直流電圧ＶＤＣ−ＩＮが供給される他方の端子Ｐに一次側が接続された昇圧トランス３２を備えている。昇圧トランス３２の一次側の他方の端子はスイッチング素子３１ａ，３１ｂに接続されている。スイッチング素子３１ａ，３１ｂは、それぞれの信号端子Ｓ及びＳバーに信号が入力されることで、オン・オフ動作する。
【００１９】
従って、上アームのスイッチング素子３１ａがオンとなり、下アームのスイッチング素子３１ｂがオフである場合には、昇圧トランス３２の一次側に直流電圧ＶＤＣ−ＩＮが供給され、電流がスイッチング素子３１ａを介して流れる。逆に、上アームのスイッチング素子３１ａがオフであり、下アームのスイッチング素子３１ｂがオンである場合には、昇圧トランス３２の一次側に直流電圧ＶＤＣ−ＩＮが供給され、電流がスイッチング素子３１ｂを介して流れる。
【００２０】
昇圧トランス３２においては、一次側に電圧が印加され電流が断続的に流れると、二次側にトランスの昇圧比に従った電圧が誘導される。この二次側に誘導された電圧を整流・フィルタ回路３３により整流することで、交流成分を含まない昇圧された出力直流電圧ＶＤＣ−ＯＵＴが出力端に取り出される。この時、スイッチング素子３１ａ，３１ｂのオン・オフ比、即ち、デューティ比を調整することで、入力電圧値とトランスの昇圧比により決まる最大出力電圧より小さい範囲で任意の大きさの出力直流電圧ＶＤＣ−ＯＵＴを取り出すことが出来る。このため、電圧検出器３５により出力直流電圧ＶＤＣ−ＯＵＴを検出し、制御部３６で設定値と比較してスイッチング素子３１ａ，３１ｂのオン・オフ制御信号にフィードバックすることで、可変の入力直流電圧に対して出力直流電圧ＶＤＣ−ＯＵＴを一定値に制御することができる。
【００２１】
図３（ａ）は、上アームと下アームのスイッチング素子３１ａ，３１ｂのそれぞれの信号端子Ｓ，Ｓバーに入力される信号波形を示す。スイッチング素子３１ａ，３１ｂは、この信号に従ってオン・オフによるスイッチング動作を行う。すなわち、１周期Ｔにおいて、一定時間ＴＯＮの間だけ上アームのスイッチング素子３１ａがオンし、次の周期Ｔにおいては同じ時間だけ下アームのスイッチング素子３１ｂがオンする。このように、スイッチング素子３１ａとスイッチング素子３１ｂとは、相反的に動作する。ここで、ＴＯＮ／Ｔがデューティ比であり、この比によって昇圧比が決まってくる。
【００２２】
デューティ比が１００％近くの最大値となると、昇圧トランス３２の有する最大の昇圧比が得られる。なお、デューティ比の最大値はデッドタイムの関係から、実質上９８％程度である。入力直流電圧ＶＤＣ−ＩＮが大きく、最大の昇圧比では出力直流電圧ＶＤＣ−ＯＵＴが設定値（定格出力電圧）を超える場合は、上述したようにデューティ比が自動的に調整され、所定の定格出力電圧が得られるように動作する。
【００２３】
ここで、ＤＣ／ＤＣコンバータのエネルギー効率を検討すると、デューティ比が１００％近くの最大値となると、最も効率が高くなり、デューティ比が下がると効率が低下することを本発明者等が見いだした。この原因は、以下のように考えられる。
【００２４】
ＤＣ／ＤＣコンバータの損失は、一次側損失と二次側損失とに分けられる。ここで、ＤＣ／ＤＣコンバータの二次側は整流用フィルタにより出力電流は平滑されている。出力電力一定で出力電圧が一定と考えると、二次側の損失は略一定と考えられる。よって、ＤＣ／ＤＣコンバータの総合損失は一次側の損失に依存すると考えられる。このことから一次側損失について考慮すると、ＤＣ／ＤＣコンバータの一次側損失ＰＬＯＳＳとデューティ比と入力電圧との関係は、次式で表される。
ＰＬＯＳＳ＝（ＰＯＵＴ２／（ＶＩＮ２・ｄ））×Ｒ
但し、
ｄ：デューティ比
ＰＯＵＴ：出力電力
ＶＩＮ：入力電圧
Ｒ：ＤＣ／ＤＣコンバータの一次側の等価抵抗
従って、ＤＣ／ＤＣコンバータの総合損失は、上述のようにＤＣ／ＤＣコンバータの一次側損失に依存すると考えられ、ＤＣ／ＤＣコンバータの一次側損失ＰＬＯＳＳは上式よりデューティ比ｄに反比例するので、計算上からもデューティ比ｄを最大値（９８％程度）とすることで、ＤＣ／ＤＣコンバータの総合損失を最小とすることができる。
【００２５】
図３（ｂ）（ｃ）は、上アームおよび下アームのスイッチング素子３１ａ，３１ｂに流れる電流を示す。ＤＣ／ＤＣコンバータは、昇圧トランス３２を備え、また二次側にフィルタ回路３３を備え二次側には大きなインダクタンスを有するが、一次側にはトランスの一次側のみのインダクタンスを有し、スイッチング素子のオン・オフ動作により、一次側電流Ｉが図３（ｂ）（ｃ）に示すようになる。図３（ｂ）は、デューティ比が９０％程度の場合を示し、図３（ｃ）は、デューティ比が比較的小さく、５０％以下の場合を示している。これらの図から分かるように、出力一定の前提においてデューティ比が小さくなるに従い、電流（ピーク）値が大きくなる。
【００２６】
ところで、ＤＣ／ＤＣコンバータにおける損失は、電流値の二乗で効いてくるので、デューティ比が低く、電流値が大きくなるほど、損失が大きくなる。このため、デューティ比が１００％近くの最大値となるところが、電流（ピーク）値が最も低くなり、最大の効率が得られる。また、昇圧トランス３２の設計では、一次側と二次側の巻線比が高くなると損失が大きくなるので、この観点からもデューティ比が１００％近くの最大値となるところで動作させることが好ましい。即ち、直流リンク電圧をなるべく低く設定し、デューティ比が１００％近くの最大値となるところで、動作させることで、最大の効率が得られる。
【００２７】
図４（ａ）は、本発明の実施形態のＤＣ／ＤＣコンバータの動作点を示す。このＤＣ／ＤＣコンバータは、入力電圧範囲の最小入力電圧Ｖ１でデューティ比が１００％近くの最大値となり、所定の出力電圧（３２０Ｖ）が得られるように動作点が設定されている。この出力電圧（３２０Ｖ）は、交流出力電圧２２０Ｖに対して、インバータを無歪みで動作させる理論的な最低直流電圧である。
【００２８】
即ち、インバータの定格出力が交流２００Ｖの場合、系統電圧の変動を±１０％とすると、定格入力電圧範囲内において、交流２２０Ｖを出力できなければならない。直流リンク電圧を一定の理論値レベル以下に低下させると、電流波形のピークの箇所で波形が歪んでしまい、ＴＨＤ（Ｔｏｔａｌ  Ｈａｒｍｏｎｉｃ  Ｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎ，高調波の総合歪み波率）が大幅に増大して許容値を超えてしまうという問題がある。従って、インバータを無歪みで動作させる理論的な直流リンク電圧の最低電圧は、交流２２０Ｖ出力に対してＤＣ３２０Ｖとなる。
【００２９】
直流電源の出力変動範囲で決まってくる入力電圧範囲の最小入力電圧Ｖ１以上では、定格入力電圧Ｖ２まで、デューティ比一定（最大値）で出力電圧ＶＤＣ−ＯＵＴが入力電圧ＶＤＣ−ＩＮに比例して得られる。そして、定格入力電圧Ｖ２において定格出力電圧（この例では３４０Ｖ）が出力される。入力電圧ＶＤＣ−ＩＮが定格入力電圧Ｖ２を超えると、デューティ比を可変制御することで、出力電圧ＶＤＣ−ＯＵＴが一定の定格出力電圧（この例では３４０Ｖ）になる。
【００３０】
この制御は、デューティ比が最大値であって、定格入力電圧Ｖ２において定格出力電圧（この例では３４０Ｖ）が得られるようにトランスの巻線比を設定し、且つデューティ比をフィードバック制御することで実現できる。即ち、定格入力電圧でデューティ比が最大値で定格出力電圧が得られ、定格入力電圧以下の入力電圧ではデューティ比のフィードバック制御でデューティ比が最大値に固定される。そして、定格入力電圧以上の入力電圧ではデューティ比のフィードバック制御で出力電圧が一定の定格出力電圧に固定される。
【００３１】
これにより、入力電圧範囲内の定格入力電圧Ｖ２付近で、最大の効率η（約９７％程度）が得られる。インバータにおいても、無歪みで動作できる理論的な直流リンク電圧以上の電圧であり、且つ従来の直流電圧より相対的に低い電圧である。このため、同様に良好な効率が得られ、インバータおよびＤＣ／ＤＣコンバータを含め、系統連係インバータ装置として、最高の効率が得られる。
【００３２】
図４（ｂ）は、比較例としての従来例を示す。従来例では、入力電圧範囲内の最小入力電圧Ｖ１以上においてデューティ比のフィードバック制御を行い、出力電圧が一定となるように制御している。このため、入力電圧範囲内の最小入力電圧Ｖ１付近において、最大の効率η（約９７％程度）が得られていた。しかしながら、ＤＣ／ＤＣコンバータは通常では定格入力電圧近辺で動作するため、効率の低いところで動作していたことになる。
【００３３】
即ち、この発明の実施形態においては、ＤＣ／ＤＣコンバータの入力電圧範囲内の定格入力電圧付近でデューティ比が１００％近くの最大値とすることができ、この領域においてＤＣ／ＤＣコンバータの損失を最小にすることができる。これにより、ＤＣ／ＤＣコンバータが通常の動作点で、最大の効率で運転することが可能となる。
【００３４】
なお、上記実施形態では、定格入力電圧範囲が数十Ｖ以下であり、定格出力電圧（直流リンク電圧）が３４０Ｖ付近の例について述べたが、他の電圧範囲においても、本発明の趣旨を同様に適用できることは勿論である。例えば、４００Ｖ系や、１００Ｖ系のインバータ装置にも同様に適用が可能である。
【００３５】
なお、上記実施形態は本発明の実施例の一態様を述べたもので、本発明の趣旨を逸脱することなく種々の変形実施例が可能なことも勿論である。
【００３６】
【発明の効果】
本発明によれば、インバータおよびＤＣ／ＤＣコンバータを含め、系統連係インバータ装置として、その通常の動作点で良好な効率が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る系統連系インバータ装置の一実施形態を示す図であり、その概略全体構成を示す回路構成図である。
【図２】ＤＣ／ＤＣコンバータの回路構成図である。
【図３】（ａ）は上アームおよび下アームのオン・オフ動作を示し、（ｂ）（ｃ）はその時の電流波形を示す図である。
【図４】（ａ）は本発明のＤＣ／ＤＣコンバータの動作点の設定例と効率との関係を示すグラフであり、（ｂ）は従来例の相当するグラフである。
【符号の説明】
１１    直流電源
１２    系統連系インバータ装置
１３    系統電源
２１    ＤＣ／ＤＣコンバータ
２２    インバータ
２３    ＬＣフィルタ回路
２４    系統連系スイッチ
２５    コントローラ
３１ａ，３１ｂ    スイッチング素子
３２    昇圧トランス
３３    整流・フィルタ回路
３５    電圧検出器
３６    制御部
【図１】
2005006383.tif 000003
【図２】
2005006383.tif 000004
【図３】
2005006383.tif 000005
【図４】
2005006383.tif 000006