(57)【要約】 【課題】漏れ電流および高周波ノイズを抑制する小型の系統連系インバータを提供する。【解決手段】インバータ１と、インバータ１の入力側において直列に接続されたコンデンサによる第１コンデンサ対４１と、インバータ１の出力側において直列に接続されたコンデンサによる第２コンデンサ対４２と、第１コンデンサ対４１の中性点ｃと第２コンデンサ対４２の中性点ｆとを接続する中性点接続線ｇと、第１コンデンサ対４１と第２コンデンサ対４２との間で、且つ、インバータ１の入力側もしくは出力側に配置されインバータ１で発生したコモンモード電流を抑制するコイル３と、インバータ１から出力されるパルス幅変調された電圧を正弦波状の交流に変換するローパスフィルタ構造を構成した出力フィルタ２と、を備え、コイル３は、各相の第１巻線３２ａおよび第２巻線３２ｂと、第１巻線３２ａと第２巻線３２ｂとが近接した状態で巻きつけられたコア３１と、を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電源の出力をパルス幅変調するインバータと、
前記インバータの入力側に配置され、中性点を形成するように直列に接続されたコンデンサによる第１コンデンサ対と、
前記インバータの出力側に配置され、中性点を形成するように接続されたコンデンサによる第２コンデンサ対と、
前記第１コンデンサ対の中性点と前記第２コンデンサ対の中性点とを接続する中性点接続線と、
前記第１コンデンサ対と前記第２コンデンサ対との間で、且つ、前記インバータの入力側もしくは出力側に配置され前記インバータで発生したコモンモード電流を抑制する少なくとも１つのコモンモードチョークコイルと、
前記インバータから出力されるパルス幅変調された電圧を正弦波状の交流に変換する出力フィルタと、を備え、
前記コモンモードチョークコイルは、各相の巻線と、前記各相の巻線が近接した状態で巻きつけられたコアと、を備えることを特徴とする系統連系インバータ。
【請求項２】
前記出力フィルタは、リアクトルとコンデンサとを含むローパスフィルタを有し、
前記リアクトルは他の相と磁気結合した各相の巻線と、前記巻線が巻きつけられたコアとを有し、
前記巻線の磁気結合はコモンモード電流に対して低いインピーダンスを有するとともにノーマルモード電流に対して高いインピーダンスを有するように結合し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。
【請求項３】
前記リアクトルの巻線は、各相の巻線をまとめて近接させた状態で前記コアに巻きつけてあることを特徴とする請求項２記載の系統連系インバータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、系統連系インバータに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、太陽光発電システムや燃料電池などといった直流電源の出力を交流に変換して電力系統に連系させる系統連系インバータでは、高周波スイッチング化が進んでおり、それに伴う高調波漏れ電流や電磁ノイズ（ＥＭＩ：Electro-Magnetic Interference）を抑制することが望まれている。
【０００３】
漏れ電流やＥＭＩはインバータの制御や他の機器に影響を与えたり、漏電遮断器を誤動作させたりする恐れがある。日本国内では、漏れ電流の許容量は電気用品安全法で規定されており、ＥＭＩはＶＣＣＩ（Voluntary Control Council for Information Technology Equipment：情報処理装置等電波障害自主規制協議会）などによって規制されているが、特にＥＭＩに関しては、近年、規制強化の動きが加速しつつある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１０−１１９１８８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
たとえば太陽光発電システムにおいては、太陽電池パネルと大地に接続された太陽電池パネルのフレームとの間に浮遊容量が存在し、この浮遊容量が高周波のコモンモードノイズの経路となり得る。一般に、太陽電池パネルの表面にはガラス板から成る絶縁層が形成されており、このガラス板は比較的大きな平面を有するため、雨で濡れると太陽電池パネルとフレーム間の浮遊容量が増大し、高周波コモンモード電流も増大する。
【０００６】
コモンモードの高周波電圧変動は、インバータが半導体素子のスイッチングにより直流を交流に変換する際に発生する。このため、インバータにおいては、漏れ電流や高周波ノイズは避けて通れない課題である。
【０００７】
例えば、直流電源からインバータに流れるコモンモード電流を抑制するコモンモードチョークコイルを用いる場合、効果的にコモンモード電流を抑制するにはコモンモードチョークコイルのコアを大きくする必要があるが、コアの体積はコモンモードチョークコイルの体積に大きく影響するため、系統連系インバータが大型化し、設置場所が制約されたりコストが上昇したりすることがあった。
【０００８】
本発明は、上記事情を鑑みてなされたものであって、漏れ電流および高周波ノイズを抑制する小型の系統連系インバータ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】
【０００９】
実施形態によれば、直流電源の出力をパルス幅変調するインバータと、前記インバータの入力側に配置され、中性点を形成するように直列に接続されたコンデンサによる第１コンデンサ対と、前記インバータの出力側に配置され、中性点を形成するように接続されたコンデンサによる第２コンデンサ対と、前記第１コンデンサ対の中性点と前記第２コンデンサ対の中性点とを接続する中性点接続線と、前記第１コンデンサ対と前記第２コンデンサ対との間で、且つ、前記インバータの入力側もしくは出力側に配置され前記インバータで発生したコモンモード電流を抑制する少なくとも１つのコモンモードチョークコイルと、前記インバータから出力されるパルス幅変調された電圧を正弦波状の単相または三相交流に変換するためにリアクトルとコンデンサによりローパスフィルタ構造を構成した出力フィルタと、を備え、前記コモンモードチョークコイルは、正極側の第１巻線と、負極側の第２巻線と、前記第１巻線と前記第２巻線とが近接した状態で巻きつけられたコアと、を備えることを特徴とする系統連系インバータが提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】図１は、実施形態の系統連系インバータの一構成例を説明するためのブロック図である。
【図２】図２は、図１に示す系統連系インバータのコモンモードチョークコイルの一構成例を説明するための図である。
【図３】図３は、実施形態の系統連系インバータの他の構成例を説明するためのブロック図である。
【図４】図４は、実施形態の系統連系インバータの他の構成例を説明するためのブロック図である。
【図５】図５は、図４に示す系統連系インバータのコモンモードチョークコイルの一構成例を説明するための図である。
【図６】図６は、インバータが３レベルＰＷＭ制御方式で駆動された場合に出力されるＰＷＭ電圧波形の一例を示す図である。
【図７】図７は、インバータが２レベルＰＷＭ制御方式で駆動された場合に出力されるＰＷＭ電圧波形の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、実施形態の系統連系インバータについて、図面を参照して説明する。
【００１２】
図１は、第１実施形態の系統連系インバータの一構成例を説明するためのブロック図である。本実施形態の系統連系インバータは、直流電源と系統トランス７との間に接続され、半導体スイッチング素子により構成されたインバータ１と、出力フィルタ２と、コモンモードチョークコイル３と、第１コンデンサ対４１と、第２コンデンサ対４２と、昇圧回路８と、コンデンサ９と、を備えている。
【００１３】
太陽電池５は、本実施形態において直流電源に対応し、直流電圧を発生する。太陽電池５で発生された直流電圧は、第１コンデンサ対４１、コモンモードチョークコイル３、および直流ラインコンデンサ９を経由してインバータ１に供給される。なお、本実施形態において直流電源としては、太陽電池に限らず、燃料電池、その他の直流電圧を発生する電池を使用することができる。
【００１４】
コモンモードチョークコイル３は、インバータ１の入力側に設けられ、インバータ１に流れるコモンモード電流を抑止する。
【００１５】
インバータ１は、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ：Field Effect Transistor）またはＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）などといった半導体スイッチング素子によるブリッジ回路から構成されている。インバータ１は、２レベルＰＷＭ制御方式あるいは３レベルＰＷＭ制御方式で駆動される。
【００１６】
３レベルＰＷＭ制御方式の場合、太陽電池５から供給される直流電圧Ｅを、例えば図６に示すような、＋Ｅから０まで、または、０から−Ｅまで変化する振幅を有し、パルス幅が順次に変化するパルス波形を有するＰＷＭ電圧に変換して出力フィルタ２に送る。
【００１７】
２レベルＰＷＭ制御方式の場合、太陽電池５から供給される直流電圧を、例えば図７に示すような、＋Ｅから−Ｅまで変化する振幅を有し、パルス幅が順次変化するパルス波形を有するＰＷＭ信号に変換して出力フィルタに送る。
【００１８】
出力フィルタ２は、入力端がインバータ１の一方の出力端子に接続されたリアクトル２１ａ、入力端がインバータ１の他方の出力端子に接続されたリアクトル２１ｂおよびリアクトル２１ａの出力端とリアクトル２１ｂの出力端との間に接続されたコンデンサ２２から構成されている。出力フィルタ２は、インバータ１から送られてくるＰＷＭ電圧を、図６および図７の破線で示すような正弦波交流電圧に変換して系統トランス７に送る。
【００１９】
第１コンデンサ対４１は、コンデンサ４１ａとコンデンサ４１ｂとが直列に接続されて構成されており、コモンモードチョークコイル３の入力端子間（太陽電池５の出力端子間）ａｂに配置されている。ａ点には直流ライン正電圧が、ｂ点には直流ライン負電圧がそれぞれ現れる。これらコンデンサ４１ａとコンデンサ４１ｂとの接続点に直流ライン中性点ｃが形成されており、直流ライン中性点ｃは、中性点接続線ｇによって、後述する第２コンデンサ対４２の交流出力中性点ｆに接続されている。
【００２０】
第２コンデンサ対４２は、コンデンサ４２ａとコンデンサ４２ｂとが直列に接続されて構成されており、系統トランス７の入力端子間（出力フィルタ２の出力端子間）ｄｅに配置されている。ｄ点とｅ点との間には正弦波交流（交流出力電圧）が現れる。これらコンデンサ４２ａとコンデンサ４２ｂとの接続点に交流出力中性点ｆが形成されており、交流出力中性点ｆは、上述したように、中性点接続線ｇによって、第１コンデンサ対４１の直流ライン中性点ｃに接続されている。
【００２１】
系統トランス７は、系統連系インバータから供給される正弦波交流を変圧し、電力系統端hに接続する。系統トランス７の中性点は、中性点接地線ｉにより大地に接続されている。
【００２２】
上記のように構成された系統連系インバータにおいては、系統トランス７の中性点接地線ｉ→大地→太陽電池５の浮遊容量６といった経路でコモンモード電流が流れる「漏れ電流路」が形成される。また、インバータ１の出力→第２コンデンサ対４２→中性点接続線ｇ→第１コンデンサ対４１→インバータ１の入力といった線路でコモンモード電流が流れる「バイパス路」が形成される。コモンモード電流のバイパス路は、コモンモード電流の周波数（インバータ１のスイッチング周波数に等しい）において、漏れ電流路よりも十分に小さいインピーダンスを有し、コモンモードチョークコイル３は、漏れ電流路およびバイパス路よりも大きなインピーダンスを有する。
【００２３】
したがって、コモンモード電流の殆どはバイパス路を流れることになり、その大きさはコモンモードチョークコイル３によって抑制される。その結果、系統連系インバータの外へ流れ出る漏れ電流は抑制される。
【００２４】
図２に、コモンモードチョークコイル３の一構成例を概略的に示す。コモンモードチョークコイル３はバイファイラ巻きのコモンモードチョークコイルである。本実施形態のコモンモードチョークコイル３は、各相の巻線と、前記各相の巻線が近接した状態で巻きつけられたコア３１と、を備える。図２に示す場合では、コモンモードチョークコイル３は、コア３１と、正極側の巻線（第１巻線）３２ａと、負極側の巻線（第２巻線）３２ｂとを備えている。正極側の巻線３２ａと負極側の巻線３２ｂとは、２本まとめて近接させた状態でコア３１に巻いている。近接した巻線３２ａと巻線３２ｂとの組同士は、互いに間隔をおいてコア３１に巻かれている方が、近接効果と巻線間容量を低減できて望ましい。
【００２５】
上記コモンモードチョークコイル３にコモンモード電流３４が流れた場合、コア３１内において磁束は矢印３３で示すように発生し強めあいインダクタンスを示すが、ノーマルモード電流３５が流れた場合、磁束は打ち消しあい発生せずインダクタンスは示さない。
【００２６】
上記コモンモードチョークコイル３にノーマルモード電流３５が流れた場合、それぞれの巻線３２ａ、３２ｂに発生する漏れ磁束３６ａ、３６ｂは、２本の巻線３２ａ、３２ｂが近接した状態で巻いてあるため、互いに打ち消しあう。よって漏れ磁束は２本の巻線３２ａ、３２ｂをそれぞれコア３１の異なる領域に巻いた場合よりも小さくなる。漏れ磁束が低減されるので、コア３１内の磁束も低減し、コア３１をより小型化して系統連系インバータの小型化を図ることができる。
【００２７】
このように、漏れ電流やノイズの流出をバイパス路により抑制する図６のような回路において、コモンモードチョークコイル３の巻線の巻き方を、各相の線をまとめて近接させて巻く事で、コモンモードチョークコイル３のコア３１を小型化し、系統連系インバータを小型化する事ができる。
【００２８】
特に、太陽光発電システムの系統連系インバータは、電源である太陽電池の電圧が変動するため、変動する電圧を一定に調節する昇圧回路を備えている物が殆どである。太陽電池の電圧が低い時には昇圧回路が動作して電圧を上げるが、その分系統連系インバータに流れ込む電流は大きくなる。すると、コモンモードチョークコイル３１に流れるノーマルモード電流も大きくなるため、発生する漏れ磁束も大きくなる。漏れ磁束によりコモンモードチョークコイル３のコア３１が磁気飽和しないよう、コアを大きく設計する必要がある。ここに本発明を適用すると、ノーマルモード電流による漏れ磁束を低減できるので、コアを小さくする事ができる。
【００２９】
図３は、上記実施形態の系統連系インバータの他の例を示すブロック図である。この系統連系インバータは、コモンモードチョークコイル３がインバータ１と出力フィルタ２との間に配置されている。
【００３０】
このような構成においても、ノーマルモード電流によりコモンモードチョークコイル３に発生する漏れ磁束はコア３１の大型化を招くため、コモンモードチョークコイル３の巻線を図２のように各相の線をまとめて近接させて巻く事で、漏れ磁束を低減し、コア３１を小型化し、回路を小型化することが出来る。
【００３１】
すなわち、コモンモードチョークコイル３が配置される場所は、第１コンデンサ対４１と第２コンデンサ対４２との間であればよい。また、インバータ１の入力側と出力側との両方に複数配置されていても良い。コモンモードチョークコイル３が複数ある場合は、一部のコモンモードチョークコイル３のみが図２のような巻線の巻き方となっていてもよく、全てのコモンモードチョークコイル３が図２の巻線の巻き方となっていてもよい。
【００３２】
また、上述の実施形態は、単相の系統連系インバータに適用した例であるが、三相の系統連系インバータに適用することもできる。三相の系統連系インバータに適用する場合、インバータ１より出力側が三相構成となる。従って、コモンモードチョークコイル３をインバータ１より入力側に配置する場合は、コモンモードチョークコイル３の巻線の巻き方は図２と同様となるが、コモンモードチョークコイル３をインバータ１より出力側に配置する場合は、三相分の巻線３本をまとめて近接させてコア３１に巻きつけることにより上述の実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００３３】
また、本実施形態では、系統連系インバータは昇圧回路８を備えているが、昇圧回路８は省略可能である。昇圧回路８を省略した場合でも上記実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００３４】
次に第２実施形態の系統連系インバータについて図面を参照して説明する。なお、以下の説明において上述の第１実施形態と同様の構成については同一の符号を付して説明を省略する。
【００３５】
図４は、第２実施形態の系統連系インバータの一構成例を説明するためのブロック図である。本実施形態の系統連系インバータは、第１実施形態の系統連系インバータの出力フィルタ２を構成するリアクトル２１ａ、２１ｂに代えて、磁気結合させたリアクトル２１ｃを用いて構成されている。リアクトル２１ｃの磁気結合は、コモンモード電流に対して低いインピーダンスを有するとともにノーマルモード電流に対して高いインピーダンスを有するように結合している。
【００３６】
リアクトル２１ｃは、ノーマルモード電流による磁束は合わさるためインダクタンスを示すが、コモンモード電流による磁束が打ち消しあいインダクタンスを示さない。よってリアクトルを２１ａ、２１ｂの時のように別個に構成する場合と比べ、コモンモード電流による磁束を低減でき、リアクトル２１ｃのコアを小型化できる。
【００３７】
したがって、本実施形態によれば、コモンモードチョークコイル３のコア３１を小型化するとともに、リアクトル２１ｃのコアを小型化できるため、系統連系インバータをより小型化する事ができる。
【００３８】
なお、本実施形態の系統連系インバータについても上述の第１実施形態と同様に、コモンモードチョークコイル３はインバータ１の出力側に位置していても良いし、インバータ１の入力側と出力側との両方に複数配置されていても良い。一部のコモンモードチョークコイル３のみを図２に示す巻線の巻き方としてもよく、全てを図２に示す巻き方としてもよい。また、本実施形態の系統連系インバータを三相の系統連系インバータに変形することができ、昇圧回路８は省略することが可能である。
【００３９】
図５は、本実施形態の系統連系インバータのリアクトル２１ｃの一構成例を概略的に示す図である。リアクトル２１ｃは、バイファイラ巻きのノーマルモードコイルである。本実施形態では、リアクトル２１ｃは、他の相と磁気結合した各相の巻線と、それらの巻線が巻きつけられたコアとを備える。図５に示す場合では、リアクトル２１ｃは、コア２１１と、コイル巻線２１２ａ、２１２ｂとを備えている。
【００４０】
リアクトル２１ｃは、上記のようにノーマルモード電流による磁束２１３は合わさるためインダクタンスを示すが、コモンモード電流による磁束が打ち消しあいインダクタンスを示さない。この場合、理想的にはリアクトル２１ｃに流れるコモンモード電流２１４による磁束は存在しないが、実際には漏れ磁束２１６ａ、２１６ｂが生じるため、その分リアクトル２１ｃのコア２１１は大きく設計する必要があった。
【００４１】
しかし図５のように、リアクトル２１ｃの各相の巻線２１２ａ、２１２ｂをまとめて近接させてコア２１１に巻く事で、コモンモード電流２１４により発生する漏れ磁束２１６ａ、２１６ｂは打ち消しあうため、コア２１１内の磁束は低減し、コア２１１を小型化できる。
【００４２】
正極側の巻線２１２ａと負極側の巻線２１２ｂとは近接した状態でコア２１１に巻かれ、その一端において巻線２１２ａはインバータ１に接続され巻線２１２ｂは系統トランス７に接続されるとともに、他端において巻線２１２ａは系統トランス７に接続され巻線２１２ｂはインバータ１に接続されている。
【００４３】
また、近接した巻線２１２ａと巻線２１２ｂとの組同士は、互いに間隔をおいてコア３１に巻かれている方が、近接効果と巻線間容量を低減できて望ましい。
【００４４】
このように各相の巻線２１２ａ、２１２ｂをまとめて近接させてコア２１１に巻く事で、コモンモード電流２１４により発生する漏れ磁束２１６ａ、２１６ｂは打ち消しあうため、コア２１１内の磁束は低減し、コア２１１を小型化できる。
【００４５】
従って、本実施形態によれば、コモンモードチョークコイル３のコア３１を小型化するとともに、リアクトル２１ｃのコアを小型化できるため、系統連系インバータをより小型化する事ができる。
【００４６】
なお、本実施形態の系統連系インバータも、上述の第１実施形態の系統連系インバータと同様に、コモンモードチョークコイル３はインバータの出力側に位置していても良く、インバータ１の入力側と出力側との両方に複数配置されていても良い。また、複数のコモンモードチョークコイル３を配置する場合には、それらのコモンモードチョークコイル３の一部が図２に示す巻線の巻き方であれば上述の実施形態と同様の効果を得ることができる。また、本実施形態の系統連系インバータも第１実施形態と同様に、三相の系統連系インバータに適用することができ、昇圧回路８を省略することができる。
【００４７】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００４８】
ｃ…直流ライン中性点、ｇ…中性点接続線、ｆ…交流出力中性点、１…インバータ、２…出力フィルタ、２１ｃ…リアクトル、２２…コンデンサ、２１１…コア、２１２ａ…巻線（正極側）、２１２ｂ…巻線（負極側）、３…コモンモードチョークコイル、３１…コア、３２ａ…巻線（正極側）、３２ｂ…巻線（負極側）、４１…コンデンサ対、４１ａ…コンデンサ、４１ｂ…コンデンサ、４２…コンデンサ対、４２ａ…コンデンサ、４２ｂ…コンデンサ、５…太陽電池（直流電源）、６…浮遊容量、７…系統トランス。
【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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