(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
太陽電池を使用した直流電源と、前記直流電源の出力を昇圧する直流リアクトルとスイッチング素子で構成した昇圧コンバータと、前記昇圧コンバータの出力を平滑する中間段コンデンサと、前記中間段コンデンサの出力を商用周波数の正弦波に変換する第１のインバータ及び第２のインバータと、前記第１のインバータの出力と第２のインバータの出力とを切り換えて前記第１のインバータの出力と第２のインバータの出力のどちらか一方のみを系統に接続する第１の切換手段とを有し、前記第１のインバータと前記第２のインバータは、順次パルス幅変調で駆動されるスイッチング素子と高周波のリップルを持つ正弦波状の電流が流れる交流リアクトルと前記交流リアクトルに流れる電流に含まれる高周波リップルを除去するように作用する出力コンデンサとを備え、前記第１のインバータの前記交流リアクトルのインダクタンスの値を前記直流電源の出力が比較的大きいときに使用できるインダクタンスの値とし、前記第２のインバータの前記交流リアクトルのインダクタンスの値を前記直流電源の出力が比較的小さいときに使用できるインダクタンスの値とし、前記直流電源の出力が比較的小さいときは前記中間段コンデンサの容量を小さくするように構成し、前記第１の切換手段は、前記直流電源の出力が比較的大きいときは前記第１のインバータを系統に接続し、前記直流電源の出力が比較的小さいときは前記第２のインバータを系統に接続する系統連系インバータ。
【請求項２】
中間段コンデンサを、昇圧コンバータの出力と第１のインバータとの間に接続した第１の中間段コンデンサと、前記昇圧コンバータの出力と第２のインバータとの間に接続した第２の中間段コンデンサとで構成し、前記昇圧コンバータの出力を前記第１の中間段コンデンサ及び前記第１のインバータから切り離す第２の切換手段を有し、前記第２の切換手段は、第１の切換手段が前記第２のインバータの出力を系統に接続したときに前記昇圧コンバータの出力を第１のインバータから切り離す請求項１に記載した系統連系インバータ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、太陽電池を使用した直流電力を商用周波数の交流に変換して電力系統に連系する系統連系インバータに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図３は、従来使用している系統連系インバータの構成を示す接続図である。この系統連系インバータは、太陽電池を使用している直流電源１と、直流リアクトル８と１個のスイッチング素子１０とダイオード９からなる昇圧コンバータ２と、昇圧コンバータ２の出力電圧を平滑する中間段コンデンサ３と、４個のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４と２個の交流リアクトル５と、出力コンデンサ６で構成したインバータ４を備えている。出力コンデンサ６の出力は、商用周波数の系統電源７に接続している。
【０００３】
以上の構成で、昇圧コンバータ２は直流電源１の出力を系統電源７の出力電圧の瞬時値よりも十分に高い電圧に昇圧している。すなわち、系統電源７が２００Ｖの交流のときは、この瞬時値の最大値２８０Ｖよりも十分に高い例えば３５０Ｖ程度に昇圧しているものである。中間段コンデンサ３は数千μＦのものを使用しており、前記直流電源１の出力電圧の変動があったとしても、安定した出力電圧をインバータ４に供給しているものである。インバータ４は、４個のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４を順次パルス幅変調で駆動して、前記中間段コンデンサ３から供給された電圧をゼロまたは−３５０Ｖから＋３５０Ｖの振幅を有するパルス列に生成し、このパルス列の平均値と系統電源７の瞬時電圧との差によって出力電流を生成するものである。このときこの出力電流の波形が系統電源７の周波数の正弦波になるように、さらに含有している高周波成分を交流リアクトル５と出力コンデンサ６で除去して、系統に供給しているものである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
前記従来の系統連系インバータは、太陽光の受光量が少ない朝や夕方は出力電流の波形が歪むという課題を有している。
【０００５】
すなわち、家庭用の太陽光発電システムでは通常最大５ｋＷ程度の電力を変換するものである。このため、系統電圧が２００Ｖの場合、出力電流は２５Ａ程度となって、変換効率を向上させるために最大定格に合わせたスイッチング素子やリアクトル、コンデンサを使用することが必要である。この結果、例えば交流リアクトルなどは電流リップルを小さくするために１ｍＨ程度のインダクタンスを必要としている。太陽光の受光量が少ない朝や夕方は、直流電源の出力が１００Ｗ以下の低電力となっているものである。この時にパルス幅を小さくしていくと、制御しようとする電流（０．５Ａ以下）に対してインダクタンスが相対的に大きいことから、電力が絞り切れない場合（リアクトルは定電流作用がある）がある。また、インバータを構成している４個のスイッチング素子は、上下のスイッチング素子の同時導通による短絡を回避するために数μｓ程度のデッドタイムを設定してある。このとき前記したパルス幅を小さくする制御を実行すると、波形制御に対してこのデッドタイムが無視できなくなり、出力電流波形が歪むという現象につながるものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、太陽電池を使用した直流電源と、前記直流電源の出力を昇圧する直流リアクトルとスイッチング素子で構成した昇圧コンバータと、前記昇圧コンバータの出力を平滑する中間段コンデンサと、前記中間段コンデンサの出力を商用周波数の正弦波に変換する第１のインバータ及び第２のインバータと、前記第１のインバータの出力と第２のインバータの出力とを切り換えて前記第１のインバータの出力と第２のインバータの出力のどちらか一方のみを系統に接続する第１の切換手段とを有し、前記第１のインバータと前記第２のインバータは、順次パルス幅変調で駆動されるスイッチング素子と高周波のリップルを持つ正弦波状の電流が流れる交流リアクトルと前記交流リアクトルに流れる電流に含まれる高周波リップルを除去するように作用する出力コンデンサとを備え、前記第１のインバータの前記交流リアクトルのインダクタンスの値を前記直流電源の出力が比較的大きいときに使用できるインダクタンスの値とし、前記第２のインバータの前記交流リアクトルのインダクタンスの値を前記直流電源の出力が比較的小さいときに使用できるインダクタンスの値とし、前記直流電源の出力が比較的小さいときは前記中間段コンデンサの容量を小さくするように構成し、前記第１の切換手段は、前記直流電源の出力が比較的大きいときは前記第１のインバータを系統に接続し、前記直流電源の出力が比較的小さいときは前記第２のインバータを系統に接続するものであり、太陽電池の直流電源の出力に応じて、直流電源の出力が比較的大きいときは、交流リアクトルに流れる電流の高周波成分の含有量を少なくして交流リアクトルで発生する損失が少なく効率よく商用周波数の正弦波の電流を系統電源に供給できる第１のインバータを系統に接続し、直流電源の出力が比較的小さいときは、スイッチング素子がオフとなっている間に電流が十分小さくなり出力電流を絞ることが可能となって出力電流の制御範囲を拡大することができる第２のインバータを系統に接続するようにして、長時間の使用であっても出力波形が歪むことのない系統連系インバータとすることができる。また、直流電源の出力が低いときには、中間段コンデンサの容量を小さくするようにして、直流電源の出力が低くても昇圧コンバータが系統電圧に対して十分高い電圧まで昇圧することができ、朝や夕暮れ時の太陽光の直流電源に対する受光量が減少するときでも、安定で且つ歪みの小さい出力電流をつくることができる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
請求項１に記載した発明は、太陽電池を使用した直流電源と、前記直流電源の出力を昇圧する直流リアクトルとスイッチング素子で構成した昇圧コンバータと、前記昇圧コンバータの出力を平滑する中間段コンデンサと、前記中間段コンデンサの出力を商用周波数の正弦波に変換する第１のインバータ及び第２のインバータと、前記第１のインバータの出力と第２のインバータの出力とを切り換えて前記第１のインバータの出力と第２のインバータの出力のどちらか一方のみを系統に接続する第１の切換手段とを有し、前記第１のインバータと前記第２のインバータは、順次パルス幅変調で駆動されるスイッチング素子と高周波のリップルを持つ正弦波状の電流が流れる交流リアクトルと前記交流リアクトルに流れる電流に含まれる高周波リップルを除去するように作用する出力コンデンサとを備え、前記第１のインバータの前記交流リアクトルのインダクタンスの値を前記直流電源の出力が比較的大きいときに使用できるインダクタンスの値とし、前記第２のインバータの前記交流リアクトルのインダクタンスの値を前記直流電源の出力が比較的小さいときに使用できるインダクタンスの値とし、前記直流電源の出力が比較的小さいときは前記中間段コンデンサの容量を小さくするように構成し、前記第１の切換手段は、前記直流電源の出力が比較的大きいときは前記第１のインバータを系統に接続し、前記直流電源の出力が比較的小さいときは前記第２のインバータを系統に接続するものであり、太陽電池の直流電源の出力に応じて、直流電源の出力が比較的大きいときは、交流リアクトルに流れる電流の高周波成分の含有量を少なくして交流リアクトルで発生する損失が少なく効率よく商用周波数の正弦波の電流を系統電源に供給できる第１のインバータを系統に接続し、直流電源の出力が比較的小さいときは、スイッチング素子がオフとなっている間に電流が十分小さくなり出力電流を絞ることが可能となって出力電流の制御範囲を拡大することができる第２のインバータを系統に接続するようにして、長時間の使用であっても出力波形が歪むことのない系統連系インバータとすることができる。また、直流電源の出力が低いときには、中間段コンデンサの容量を小さくするようにして、直流電源の出力が低くても昇圧コンバータが系統電圧に対して十分高い電圧まで昇圧することができ、朝や夕暮れ時の太陽光の直流電源に対する受光量が減少するときでも、安定で且つ歪みの小さい出力電流をつくることができる。
【０００８】
請求項２に記載した発明は、請求項２に記載した発明における中間段コンデンサを、昇圧コンバータの出力と第１のインバータとの間に接続した第１の中間段コンデンサと、前記昇圧コンバータの出力と第２のインバータとの間に接続した第２の中間段コンデンサとで構成し、前記昇圧コンバータの出力を前記第１の中間段コンデンサ及び前記第１のインバータから切り離す第２の切換手段を有し、前記第２の切換手段は、第１の切換手段が前記第２のインバータの出力を系統に接続したときに前記昇圧コンバータの出力を第１のインバータから切り離す系統連系インバータとしている。
【０００９】
【実施例】
（実施例１）
以下、本発明の第１の実施例について説明する。図１は本実施例の構成を示す回路図である。本実施例の系統連系インバータは、太陽電池によって構成した直流電源１を入力として使用し、直流電源１から供給された電力を商用周波数の交流に変換して、系統７に出力するものである。
【００１０】
直流電源１に接続している昇圧コンバータ２は、図３に示しているように直流リアクトル８とスイッチング素子１０とダイオード９を備えているものである。以上の構成で、昇圧コンバータ２は直流電源１から供給された電圧を高周波でチョッピングすることによって、直流リアクトル８に蓄積したエネルギーを中間段コンデンサ３に所定の電圧になるように充電する。この時、中間段コンデンサ３の電圧は系統７の瞬時電圧の最大値より高い電圧まて昇圧している。本実施例では、系統７の電圧がＡＣ２００Ｖであるため、この瞬時値の最大値２８０Ｖよりも十分に高い３５０Ｖ以上に昇圧されている。この中間段コンデンサ３の電圧は、第１のインバータ４によって系統７の周波数に適合した正弦波の波形に変換されている。すなわち、４個のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４を順次パルス幅変調によって駆動し、電圧パルス列として出力するものである。またこの電圧パルス列と、系統電圧７の電圧の瞬時値との差が第１の交流リアクトル５に印加され、第１の交流リアクトル５には高周波のリップルを持つ正弦波状の電流が流れる。第１の出力コンデンサ６は交流リアクトル５に流れる電流に含まれる高周波リップルを除去するように作用する。このため、第１の出力コンデンサ６の出力は系統７の周波数の正弦波となるものである。同様にして、第２のインバータ１２を構成する第２の出力コンデンサ１４から出力される電流の波形も、系統７の周波数の正弦波となるものである。
【００１１】
このとき本実施例では、前記第１のインバータ４は太陽電池で構成した直流電源１の出力が１００Ｗ以上の比較的大きいときに使用できるものとなっている。すなわち、出力電流の波形を成形する第１の交流リアクトル５が有しているインダクタンスの値を１ｍＨ程度以上としているものである。また、前記第２のインバータ１２を構成する第２の交流リアクトル４のインダクタンスは数１００μＨ以下程度の設定となっており、直流電源１の出力が１００Ｗ以下の比較的小さい時に使用できるものとなっている。
【００１２】
また、前記第１のインバータ４と第２のインバータ１２とは、第１の切換手段１１を介して系統電源７に接続されるものである。前記第１の切換手段１１は、直流電源１の出力に応じて、第１のインバータ４と第２のインバータ１２とを切り換えている。すなわち、前記しているように、直流電源１の出力が１００Ｗ以上の比較的大きいときには、第１のインバータ４の出力を系統電源７に接続しており、直流電源１の出力が１００Ｗ未満の比較的小さいときは、第２のインバータ１２の出力を系統電源７に接続している。
【００１３】
以下、本実施例の動作について説明する。本実施例の系統連系インバータは、太陽電池によって構成した直流電源１を入力源として動作しているものである。つまり、直流電源１の出力は、太陽光の受光量によって変動するものである。すなわち朝方や夕暮れ時は、太陽光の受光量が少ないため、直流電源１の出力は低くなるものである。また、日中は太陽光を十分受光することができるため、直流電源１の出力は高くなるものである。本実施例では、第１の切換手段１１は、直流電源１の出力が１００Ｗより大きいときは、系統電源７に第１のインバータ４の出力を接続しており、直流電源１の出力が１００Ｗより低いときは、第２のインバータ１２の出力を系統電源７に接続している。
【００１４】
インバータ４が有している第１の交流リアクトル５は、前記しているようにインダクタンスの設定が１ｍＨ程度以上の非常に大きいものとなっている。このとき、例えば系統電源７の電圧が２００Ｖの時は、第１の交流リアクトル５に流れる電流は１５Ａ〜２５Ａ程度に達するものである。この状態で交流リアクトル５のインダクタンスの設定を１ｍＨ程度以上としているため、交流リアクトル５は高周波成分の含有量が少なくなるものである。このため、交流リアクトル５で発生する損失は少なく、第１のインバータ４は効率よく商用周波数の正弦波の電流を系統電源７に供給できるものである。
【００１５】
また、直流電源１の出力が低くなると、第１の切換手段１１によって第２のインバータ１４が接続される。第２のインバータ１４を構成している第２の交流リアクトル１３は数１００μＨ程度のインダクタンスしか有していないものである。このため、第２の交流リアクトル１３は時定数が非常に小さくなって、充電時間あるいは放電時間が短くなるものである。このため第２のインバータ１２を構成している４個のスイッチング素子Ｑ５〜Ｑ８の高速のオンオフ制御にも十分対応できるものである。すなわち、スイッチング素子Ｑ５〜Ｑ８がオフとなっている間に電流が十分小さくなるものである。このため、第２のインバータ１２は、出力電流を絞ることが可能となって、出力電流の制御範囲を拡大することができる。
【００１６】
以上のように本実施例によれば、低入力電力に小さい出力電流を制御することのできる専用の第２のインバータ１２を配置することによって、太陽電池で構成した直流電源１の出力が低くなっても低ひずみの出力電流を供給できるものである。換言すれば、長時間の使用であっても出力電流が歪むことのない系統連系インバータを実現するものである。
【００１７】
（実施例２）
続いて本発明の第２の実施例について説明する。図２は本実施例の構成を示す回路図である。本実施例では、昇圧コンバータ２の出力段に数１０μＦ程度の第２の中間段コンデンサ２２を設けている。また、第２の切換手段２１を第１のインバータ４と前記第２の中間段コンデンサ２２との間に接続している。つまり第２の切換手段２１は、第１の中間段コンデンサ３と第１のインバータ４とを、回路から切り離すことができるものである。
【００１８】
以下本実施例の動作について説明する。本実施例の構成においても、直流電源１の出力が小さいときは、第１の切換手段１１によって第２のインバータ１２の出力を系統電源７に接続している。この時本実施例では、第２の切換手段２１を使用して第１の中間段コンデンサ３を回路から切り離すようにしている。第１の中間段コンデンサ３は数千μＦの大容量の電解コンデンサである。この大容量の第１の中間段コンデンサ３を回路から切り離すようにしているため、昇圧コンバータ２の入力電圧や入力電流が小さいときでも、第２の中間段コンデンサ２２の電圧を、系統電源７の電圧の最大値である２８０Ｖ以上の電圧に昇圧することが可能となるものである。また出力電流は１００Ｗ以下であるため、第２の中間段コンデンサが数１０μＦの小容量であってもリップルが大きくならず、安定で且つ歪みの小さな正弦波の出力電流が得られるものである。
【００１９】
以上のように本実施例によれば、太陽電池で構成した直流電源１の出力が低いときは、第１の中間段コンデンサ３に代えて第２の中間段コンデンサ２２を使用する構成として、朝や夕暮れ時の太陽光の直流電源１に対する受光量が減少するときでも、安定で且つ歪みの小さい出力電流をつくることが可能な系統連系インバータを実現するものである。
【００２０】
【発明の効果】
請求項１に記載した発明は、太陽電池の直流電源の出力に応じて、直流電源の出力が比較的大きいときは、交流リアクトルに流れる電流の高周波成分の含有量を少なくして交流リアクトルで発生する損失が少なく効率よく商用周波数の正弦波の電流を系統電源に供給できる第１のインバータを系統に接続し、直流電源の出力が比較的小さいときは、スイッチング素子がオフとなっている間に電流が十分小さくなり出力電流を絞ることが可能となって出力電流の制御範囲を拡大することができる第２のインバータを系統に接続するようにして、長時間の使用であっても出力波形が歪むことのない系統連系インバータとすることができる。また、直流電源の出力が低いときには、中間段コンデンサの容量を小さくするようにして、直流電源の出力が低くても昇圧コンバータが系統電圧に対して十分高い電圧まで昇圧することができ、朝や夕暮れ時の太陽光の直流電源に対する受光量が減少するときでも、安定で且つ歪みの小さい出力電流をつくることができる。
【００２１】
請求項２に記載した発明は、太陽電池の直流電源の出力に応じて、直流電源の出力が比較的大きいときは、交流リアクトルに流れる電流の高周波成分の含有量を少なくして交流リアクトルで発生する損失が少なく効率よく商用周波数の正弦波の電流を系統電源に供給できる第１のインバータを系統に接続し、直流電源の出力が比較的小さいときは、スイッチング素子がオフとなっている間に電流が十分小さくなり出力電流を絞ることが可能となって出力電流の制御範囲を拡大することができる第２のインバータを系統に接続するようにして、長時間の使用であっても出力波形が歪むことのない系統連系インバータとすることができる。また、直流電源の出力が低いときには、中間段コンデンサの容量を小さくするようにして、直流電源の出力が低くても昇圧コンバータが系統電圧に対して十分高い電圧まで昇圧することができ、朝や夕暮れ時の太陽光の直流電源に対する受光量が減少するときでも、安定で且つ歪みの小さい出力電流をつくることができる系統連系インバータを実現できる。
【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の構成を示す回路図
【図２】本発明の第２の実施例である系統連系インバータの構成を示す回路図
【図３】従来の系統連系インバータの構成を示す回路図
【符号の説明】
１  直流電源
２  昇圧コンバータ
３  第１の中間段コンデンサ
４  第１のインバータ
５  第１の交流リアクトル
６  第１の出力コンデンサ
７  系統電源
１１  第１の切換手段
１２  第２のインバータ
１３  第２の交流リアクトル
１４  第２の出力コンデンサ
２１  第２の切換手段
２２  第２の中間段コンデンサ
【図１】
0004479043.tif 000002
【図２】
0004479043.tif 000003
【図３】
0004479043.tif 000004