(57)【要約】【課題】出力電流の高調波成分の大きさを基準値以下に抑えつつ、高変換効率を達成することのできる系統連系装置および系統連系装置の制御方法を提供する。【解決手段】発電源１１からの発電電力を昇圧する昇圧回路２２と、この昇圧回路２２より昇圧された発電電力の周波数を商用電力周波数に変換するインバータ回路２３とを備えた系統連系装置において、前記インバータ回路２３からの出力電流を検出する電流検出手段を備え、前記電流検出手段により検出された出力電流の時系変化に基づいて当該出力電流に含まれる高調波成分の大きさを算出し、当該高調波成分の大きさに基づいて前記昇圧回路２２における昇圧電圧値を制御する。【選択図】      図２
2005012873.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
発電源からの発電電力を昇圧する昇圧回路と、当該昇圧回路より昇圧された発電電力の周波数を商用電力周波数に変換するインバータ回路とを備えた系統連系装置において、
前記インバータ回路からの出力電流を検出する電流検出手段を備え、
前記電流検出手段により検出された出力電流の時系変化に基づいて当該出力電流に含まれる高調波成分の大きさを算出し、当該高調波成分の大きさに基づいて前記昇圧回路における昇圧電圧値を制御する
ことを特徴とする系統連系装置。
【請求項２】
前記出力電流に含まれる高調波成分の大きさが、基準値以下となるように、前記昇圧回路における昇圧電圧値を制御する
ことを特徴とする請求項１に記載の系統連系装置。
【請求項３】
前記基準値は、
前記出力電流に対して高調波の次数ごとに、基本波長の振幅値の３％、かつ全高調波ひずみ率が基本波長の振幅値の５％の値である
ことを特徴とする請求項２に記載の系統連系装置。
【請求項４】
発電源からの発電電力を昇圧する昇圧回路と、当該昇圧回路より昇圧された発電電力の周波数を商用電力周波数に変換するインバータ回路とを備えた系統連系装置の制御方法において、
前記インバータ回路からの出力電流を検出する電流検出手段により出力電流を検出する第１のステップと、
前記電流検出手段により検出された出力電流の時系変化に基づいて当該出力電流に含まれる高調波成分の大きさを算出し、当該高調波成分の大きさに基づいて前記昇圧回路における昇圧電圧値を制御する第２ステップと
を備えることを特徴とする系統連系装置の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、発電機などで発電した発電電力を商用電力ラインに供給する系統連系装置および系統連系装置の制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、太陽エネルギーを利用した太陽光発電装置などの発電装置で発電した発電電力を自家使用するのみでなく、余剰電力を商用電力ラインに供給するのに系統連系装置が用いられている（例えば特許文献１参照）。
【０００３】
系統連系装置は、発電電圧を昇圧する昇圧回路と、発電電力周波数を変換するインバータ回路を備え、発電電力の電圧および周波数を変換して、商用電力に供給する構成となっている。
【０００４】
ところで、系統連系装置は、出力電流に含まれる高調波成分の大きさが基準値以下（例えば通商産業省（現、経済産業省）資源エネルギー庁公益事業部作成の高圧または特別高圧で受電する需要家の高調波抑制対策ガイドラインに沿った値である。）となるように設計される必要がある。一般に、出力電流に、どの程度の高調波成分が含まれるかは、上記昇圧回路における昇圧電圧値と密接な関係がある。
【０００５】
具体的には、昇圧電圧値が高い場合には、インバータ回路から出力された電流に対する波形整形が容易となるため、高調波成分を除去し易く、高調波成分の大きさが基準値以下の出力電流を得ることができる。しかしながら、昇圧電圧が高い場合には、一般的に上記インバータ回路における直流−交流変換効率が下がってしまう。すなわち、系統連系装置にあっては、昇圧電圧が高い場合には、出力電流に含まれる高調波成分の大きさが基準値以下に抑制されるものの、変換効率が低くなり、また、昇圧電圧が低い場合には、変換効率が高くなるものの、出力電流に含まれる高調波成分の大きさを基準値以下に抑制することは困難となる。
【０００６】
そこで、従来の技術にあっては、変換効率をある程度高めることができ、なおかつ、出力電流に含まれる高調波成分の大きさを基準値以下に抑制することのできる昇圧電圧値を予め実験的に求めている。そして、実際に系統連系装置の昇圧電圧として設定する際には、同一規格の下に製造された系統連系装置であっても個体差が存在するため、出力電流に含まれる高調波成分の大きさを確実に基準値以下に抑えるべく、実験的に求められた昇圧電圧値に対してマージン（例えば昇圧電圧の実験値の５〜１０％程度）を加えた値を、昇圧電圧として設定している。
【０００７】
【特許文献１】
特開２００１−２６８７９９号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このように昇圧電圧値にマージンを付加するということは、その分だけ変換効率が低くなるといった問題がある。
【０００９】
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、出力電流の高調波成分の大きさを基準値以下に抑えつつ、高変換効率を達成することのできる系統連系装置および系統連系装置の制御方法を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、発電源からの発電電力を昇圧する昇圧回路と、当該昇圧回路より昇圧された発電電力の周波数を商用電力周波数に変換するインバータ回路とを備えた系統連系装置において、前記インバータ回路からの出力電流を検出する電流検出手段を備え、前記電流検出手段により検出された出力電流の時系変化に基づいて当該出力電流に含まれる高調波成分の大きさを算出し、当該高調波成分の大きさに基づいて前記昇圧回路における昇圧電圧値を制御することを特徴とする系統連系装置を提供する。
【００１１】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の系統連系装置において、前記出力電流に含まれる高調波成分の大きさが、基準値以下となるように、前記昇圧回路における昇圧電圧値を制御することを特徴とする。
【００１２】
請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の系統連系装置において、前記基準値は、前記出力電流に対して高調波の次数ごとに、基本波長の振幅値の３％、かつ全高調波ひずみ率が基本波長の振幅値の５％の値であることを特徴とする。
【００１３】
請求項４に記載の発明は、発電源からの発電電力を昇圧する昇圧回路と、当該昇圧回路より昇圧された発電電力の周波数を商用電力周波数に変換するインバータ回路とを備えた系統連系装置の制御方法において、前記インバータ回路からの出力電流を検出する電流検出手段により検出する第１のステップと、前記電流検出手段により検出された出力電流の時系変化に基づいて当該出力電流に含まれる高調波成分の大きさを算出し、当該高調波成分の大きさに基づいて前記昇圧回路における昇圧電圧値を制御する第２ステップとを備えることを特徴とする系統連系装置の制御方法を提供する。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
【００１５】
図１は本実施形態の系統連系装置の概要構成図である。図１において、ソーラーパネル１１は太陽光を吸収して電気エネルギーに変換し直流電力を発生する太陽光発電装置である。商用電源供給ユニット（インバータボックス）１５は、単相２００Ｖの電力を出力しインバータブレーカ３０を介して分電盤１６に接続されている。この分電盤１６は、電力積算計１７を介して商用電源１８に接続され、空気調和システム等の一般負荷１０に商用電源の電力（以下、商用電力という。）を供給する。より詳細には、分電盤１６には、単相３線１００Ｖ／２００Ｖの商用電力（いわゆる電灯電力）並びに商用電源供給ユニット１５の単相２００Ｖの電力とが供給され、その電力を一般負荷１０に供給する。
【００１６】
電力積算計１７は、商用電力の使用量を積算する。インバータブレーカ３０は、商用電源供給ユニット１５内の後述するインバータ装置１５Ａ（図２参照）から一般負荷１０への過電流を遮断する。
【００１７】
図２は、商用電源供給ユニット１５の回路図である。
【００１８】
商用電源供給ユニット１５にはマイクロコンピュータを備えたコントローラ４０が設けられている。このコントローラ４０は、内蔵した図示しないスイッチング素子駆動回路を介してインバータ装置１５Ａに接続されている。インバータ装置１５Ａは、昇圧回路２２と、逆流防止ダイオード２２Ｄと、電解コンデンサ２１と、インバータ回路２３とフィルタ回路５０とを備えている。インバータ装置１５Ａは、ソーラーパネル１１によって発電された直流電圧を、昇圧回路２２を介して昇圧した後、逆流防止ダイオード２２Ｄを介して電解コンデンサ２１に蓄える。
【００１９】
昇圧回路２２は、昇圧用コンデンサ２２Ａ、昇圧用リアクタンス２２Ｂ、スイッチング素子２２Ｃで構成されている。昇圧用コンデンサ２２Ａはソーラーパネル１１で発生された直流電力を蓄える。スイッチング素子２２Ｃは、例えばＩＧＢＴである。昇圧回路２２は、スイッチング素子２２Ｃがオンになると、昇圧用リアクタンス２２Ｂに昇圧用コンデンサ２２Ａに蓄えられた直流電力（電気エネルギー）が供給され、昇圧用リアクタンス２２Ｂに電気エネルギーが蓄積される。スイッチング素子２２Ｃがオフになると，昇圧用リアクタンス２２Ｂに蓄積された電気エネルギーが逆流防止ダイオード２２Ｄを介して電解コンデンサ２１に放出され、この電解コンデンサ２１に昇圧された直流電圧が蓄えられる。
【００２０】
したがって、昇圧回路２２から出力される電圧値（以下、昇圧電圧値という。）は、コントローラ４０で制御されたスイッチング素子２２Ｃのオンオフタイミング（オンオフ比）を制御することによって制御される。具体的にはスイッチング素子２２Ｃのオフ時間がオン時間に比べて短くなるほど高い昇圧電圧値が得られる。
【００２１】
インバータ回路２３は、フルブリッジ接続したスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４を備えている。スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４は、例えばＩＧＢＴである。インバータ回路２３は、昇圧回路２２から出力された直流電力を、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４のオンオフ切り換えをコントローラ４０により制御して、商用電源１８と同じ周波数（例えば５０Ｈｚまたは６０Ｈｚ）の交流電力に変換する。具体的には、コントローラ４０が、スイッチング素子Ｑ１とスイッチング素子Ｑ３とをオンとするときはスイッチング素子Ｑ２とスイッチング素子Ｑ４とをオフとし、スイッチング素子Ｑ１とスイッチング素子Ｑ３とをオフとするときはスイッチング素子Ｑ２とスイッチング素子Ｑ４とをオンとし、このように交互にオン、オフを繰り返し、このオンオフタイミングを制御することにより昇圧回路２２から出力された直流電力を商用電源１８と同じ周波数の交流電力に変換する。このときのインバータ回路２３の出力電力波形は方形波の擬似正弦波である。この出力交流電力は、フィルタ回路５０で方形波から正弦波の交流電力に変換される。
【００２２】
フィルタ回路５０は、コンデンサ２４、平滑用リアクトル２５、２６を備えている。フィルタ回路５０とインバータブレーカ３０との間に設置された電流検出器４１は、フィルタ回路５０の出力電流を検出し、コントローラ４０に接続されている。具体的には、電流検出器４１は、一般負荷１０或いは商用電源１８に供給する際、フィルタ回路５０の出力電流を検出している。
【００２３】
コントローラ４０は、電流検出器４１で検出した出力電流をサンプリングし、周波数分析（ＦＦＴ：Ｆａｓｔ  Ｆｏｕｒｉｅｒ  Ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ）を行い、出力電流の高調波成分を抽出する。周波数分析の実行は、コントローラ４０に備えられたマイクロコンピュータ上で、周波数分析プログラムを実行し行う、もしくは、コントローラ４０に備えられたマイクロコンピュータに、周波数分析回路を組み込んで行われる。
【００２４】
コントローラ４０は、電流検出器４１で検出した出力電流の高調波成分の大きさが、基準値以下（例えば通商産業省（現、経済産業省）資源エネルギー庁公益事業部作成の高圧または特別高圧で受電する需要家の高調波抑制対策ガイドラインに沿った値である。）になるように、昇圧回路２２内のスイッチング素子２２Ｃのオンオフタイミングを制御し、昇圧回路２２の昇圧電圧値を制御する。
【００２５】
この昇圧電圧値が高い場合、インバータ回路２３から出力された電流に対する波形整形が容易となるため、高調波成分を除去し易く、高調波成分の大きさが基準値以下の出力電流を得ることができる。しかし、昇圧電圧値が高い場合、インバータ回路２３における直流−交流変換効率が下がってしまう。すなわち、昇圧電圧値が高い場合、出力電流に含まれる高調波成分の大きさが基準値以下に抑制されるものの、変換効率が低くなり、また、昇圧電圧値が低い場合、変換効率が高くなるものの、出力電流に含まれる高調波成分の大きさが基準値以上になってしまう。
【００２６】
本実施形態では、図３に示すフローチャートに従い、昇圧回路２２から出力される電圧値（昇圧電圧値）が制御される。
【００２７】
この昇圧電圧値の制御が開始すると、まず、電流検出器４１は、フィルタ回路５０の出力電流を検出する（ステップＳ１）。コントローラ４０はこの出力電流の高調波成分の大きさを算出し（ステップＳ２）、この出力電流の高調波成分の大きさが基準値以下か否かを判断する（ステップＳ３）。
【００２８】
この高調波成分の大きさが基準値以下の場合、この高調波成分の大きさが、その基準値に対しどのくらい離れているかによって、以下の異なる制御が実行される。具体的には、まず、基準値から一定値α（ステップＳ６の一定値βよりも大きい値とする。）以上、離れているか否かが判断され（ステップＳ４）、一定値α以上離れていれば、昇圧電圧値の下げ幅を、かなり大きめの第１の下げ幅に設定する（ステップＳ５）。第１の下げ幅に設定された場合、コントローラ４０はスイッチング素子２２Ｃのオンオフタイミングを制御することにより、昇圧回路２２から出力される電圧値（昇圧電圧値）を、現状の電圧値よりも第１の下げ幅分だけ下降した電圧値に制御する。
【００２９】
つぎに、ステップＳ１〜Ｓ４が繰り返され、それでもなお、基準値から一定値α以上離れていれば、昇圧電圧値の下げ幅を、再び、かなり大きめの第１の下げ幅に設定し（ステップＳ５）、コントローラ４０がスイッチング素子２２Ｃのオンオフタイミングを制御し、昇圧電圧値を、再び、現状の電圧値よりも第１の下げ幅分だけ下降した電圧値に制御する。
【００３０】
ステップＳ４で、基準値から一定値α以上離れていなければ、ステップＳ６に移行し、ここでは高調波成分の大きさが、基準値から一定値β（ステップＳ４の一定値αよりも小さい値とする。）以上離れているか否かを判断し、一定値β以上離れていれば、昇圧電圧値の下げ幅を、小さめの第２の下げ幅（ステップＳ５の第１の下げ幅より小さい値）に設定する（ステップＳ７）。第２の下げ幅に設定された場合、コントローラ４０はスイッチング素子２２Ｃのオンオフタイミングを制御することにより、昇圧回路２２から出力される電圧値（昇圧電圧値）を、現状の電圧値よりも第２の下げ幅分だけ下降した電圧値に制御する。
【００３１】
そして、ステップＳ６で、基準値から一定値β以上離れていなければ、昇圧回路２２から出力されている現状の電圧値（昇圧電圧値）を維持する。
【００３２】
一方、この高調波成分の大きさが基準値より大きい場合（ステップＳ３；ＮＯ）、この高調波成分の大きさが、基準値に対しどのくらい離れているかによって、以下の異なる制御が実行される。具体的には、まず、基準値から一定値γ（ステップＳ４の一定値αと同じ値としてもよい。）以上、離れているか否かが判断され（ステップＳ８）、一定値γ以上離れていれば昇圧電圧値の上げ幅を、かなり大きめの第３の上げ幅に設定する（ステップＳ９）。第３の上げ幅に設定された場合、コントローラ４０はスイッチング素子２２Ｃのオンオフタイミングを制御することにより、昇圧回路２２から出力される電圧値（昇圧電圧値）を現状の電圧値より第３の上げ幅分だけ上昇した電圧値に制御する。
【００３３】
ステップＳ８で、一定値γ以上離れていなければ、昇圧電圧値の上げ幅を、小さめの第４の上げ幅（第３の上げ幅より小さい値）に設定する（ステップＳ１０）。第４の上げ幅に設定された場合、コントローラ４０はスイッチング素子２２Ｃのオンオフタイミングを制御することにより、昇圧回路２２から出力される電圧値（昇圧電圧値）を、現状の電圧値より第４の上げ幅分だけ上昇した電圧値に制御する。
【００３４】
上記実施形態では、基準値からの離れ幅が一定値α（一定値γ）以上か否かを判断して、昇圧電圧値の変化幅を第１か第２の下げ幅（第３か第４の上げ幅）の２段階に設定しているが、一定値の判断ステップを複数段階設け、各判断ステップに対応させて昇圧電圧値の下げ幅、或いは上げ幅を複数段階に設定することもできる。
【００３５】
以上説明したように、本実施形態によれば、コントローラ４０でスイッチング素子２２Ｃのオンオフタイミング（オンオフ比）を制御して、昇圧回路２２の出力電圧値（昇圧電圧値）を変化させることにより、系統連系装置の出力電流における高調波成分の大きさを基準値以下にする、昇圧電圧値を得ることができるため、従来のように昇圧電圧値に個体差のマージンを持たせる必要がなくなり、そのマージン分、電力変換効率を向上させることができる。
【００３６】
以上の説明においては、発電源として直流電源を例として説明したが、これに限らず、発電源として交流電源が用いられる場合にも、本発明を適用することが可能である。この場合、発電源（発電機）の出力は交流電力が用いられるので、交流電力を直流電力に変換するコンバータ回路を接続し、コンバータ回路の出力直流電力を系統連系装置に入力することとなる。
【００３７】
上述した実施形態は、あくまでも本発明の一態様にすぎず、本発明の範囲内で任意に変形可能である。
【００３８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、出力電流の高調波成分の大きさを基準値以下に抑えつつ、高変換効率を達成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態にかかる、系統連系装置の構成図である。
【図２】インバータ装置の電気的構成を示す回路図である。
【図３】昇圧電圧値制御のフローチャートである。
【符号の説明】
１０  一般負荷
１１  ソーラーパネル
１５  インバータボックス
１５Ａ  インバータ装置
２２  昇圧回路
２３  インバータ回路
４０  コントローラ
４１  電流検出器
５０  フィルタ回路
【図１】
2005012873.tif 000003
【図２】
2005012873.tif 000004
【図３】
2005012873.tif 000005