(57)【要約】【課題】運転開始当初から直流成分の除去された出力波形となるようパワーコンディショナを制御する。【解決手段】解列器の入力側に電力変換部の出力電圧を検出するための出力電圧センサを設け、電力変換部を系統から解列させているときに電力変換部を電圧制御モードで制御して、このときの電力変換部の出力電圧波形の中心電圧と系統電圧波形の中心電圧との差電圧に関する補正データを記憶しておき、前記電力変換部を系統に並列させて前記電流制御モードの制御開始するときに、前記補正データに基づいて出力電圧波形の零点補正を行うように構成されていることを特徴とするパワーコンディショナ。【選択図】図１
2017011933.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電力を系統電力に連系する交流電力に変換する電力変換部と、該電力変換部を系統に対して並列させるか解列させるかを切り替える解列器と、該解列器の出力側で系統電圧を検出するための系統電圧検出手段と、前記電力変換部及び前記解列器の動作を制御する制御部とを備え、該制御部は、前記電力変換部の出力電圧を制御する電圧制御モードと、前記電力変換部の出力電流を制御する電流制御モードとのいずれかの制御モードで前記電力変換部を制御可能に構成されたパワーコンディショナにおいて、
前記解列器の入力側で前記電力変換部の出力電圧を検出するための出力電圧検出手段をさらに備え、
前記制御部は、前記解列器を解列動作させているときに前記電力変換部を前記電圧制御モードで制御して、このときの系統電圧波形に対する前記電力変換部の出力電圧波形の直流成分に関する補正データを記憶しておき、前記電力変換部を系統に並列させて前記電流制御モードで動作させるときに、前記補正データに基づいて前記電力変換部の出力電圧波形の零点補正を行うように構成されていることを特徴とするパワーコンディショナ。
【請求項２】
直流電力を系統電力に連系する交流電力に変換する電力変換部と、該電力変換部を系統に対して並列させるか解列させるかを切り替える解列器と、前記電力変換部に対して前記解列器と並列に接続された自立リレーと、該自立リレーを介して前記電力変換部に接続された自立負荷接続部と、前記電力変換部、前記解列器及び前記自立リレーの動作を制御する制御部とを備え、該制御部は、前記解列器を解列動作させるとともに前記自立リレーを閉成させて前記電力変換器を電圧制御により動作させることにより前記電力変換部から前記自立負荷接続部に電力を出力する自立運転機能を具備するパワーコンディショナにおいて、
前記自立リレーの入力側で前記電力変換部の出力電圧を検出するための出力電圧検出手段をさらに備え、
前記制御部は、前記解列器を解列動作させるとともに前記自立リレーを開成させているときに前記電力変換部を電圧制御により動作させて、このときの前記電力変換部の出力電圧波形の直流成分に関する補正データを記憶しておき、前記自立運転を開始するときに、前記補正データに基づいて出力電圧波形の零点補正を行うように構成されていることを特徴とするパワーコンディショナ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池発電システムや太陽光発電システムなどの発電システムに用いられるパワーコンディショナに関する。
【背景技術】
【０００２】
商用電力系統に接続される種々の発電システムにおいて、燃料電池や太陽電池などの発電設備（発電部）が発電する直流電力を、系統電力に連系する交流電力に変換するためのパワーコンディショナが用いられている。一般的に、パワーコンディショナは、発電設備が出力する直流の発電電力を昇圧回路によって昇圧した後、ＰＷＭ制御されたブリッジインバータにより昇圧された直流電圧をパルス状に出力し、これをＬＣフィルタからなる平滑回路に通すことにより系統電力に連系する正弦波波形として系統に出力するよう構成されている。
【０００３】
かかるパワーコンディショナにおいては、ブリッジインバータを構成するスイッチング素子の遅延時間のばらつきなどによって、実際の出力電圧が系統電圧に対してオフセットしてしまい、直流成分が流出してしまうという問題が従来より知見されている。かかる直流成分を除去するために、例えば下記の特許文献１〜３に開示された技術では、発電運転中にインバータの出力に含まれる直流成分を除去乃至抑制するよう構成されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第３２１８１６０号公報
【特許文献２】特開２００６−２８０１０７号公報
【特許文献３】特開２０００−１８４７３９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、上記従来の技術では、発電運転を開始した後に直流成分を検出して除去するものであり、パワーコンディショナを系統に対して並列した直後に出力される直流成分を除去することができない。
【０００６】
そこで、本発明は、パワーコンディショナにおいて、連系運転若しくは自立運転の運転開始直後に出力される直流成分を除去することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、本発明は、次の技術的手段を講じた。
【０００８】
すなわち、本発明は、直流電力を系統電力に連系する交流電力に変換する電力変換部と、該電力変換部を系統に対して並列させるか解列させるかを切り替える解列器と、該解列器の出力側で系統電圧を検出するための系統電圧検出手段と、前記電力変換部及び前記解列器の動作を制御する制御部とを備え、該制御部は、前記電力変換部の出力電圧を制御する電圧制御モードと、前記電力変換部の出力電流を制御する電流制御モードとのいずれかの制御モードで前記電力変換部を制御可能に構成されたパワーコンディショナにおいて、前記解列器の入力側で前記電力変換部の出力電圧を検出するための出力電圧検出手段をさらに備え、前記制御部は、前記解列器を解列動作させているときに前記電力変換部を前記電圧制御モードで制御して、このときの系統電圧波形に対する前記電力変換部の出力電圧波形の直流成分に関する補正データを記憶しておき、前記電力変換部を系統に並列させて前記電流制御モードで動作させるときに、前記補正データに基づいて前記電力変換部の出力電圧波形の零点補正を行うように構成されていることを特徴とするものである（請求項１）。
【０００９】
かかる本発明のパワーコンディショナによれば、解列器の入力側に、系統電圧検出手段とは別の出力電圧検出手段を設けることにより、解列中に電力変換部を電圧制御モードで動作させたときの実際の出力電圧を検出できる。さらに、連系運転中に出力の直流成分を検出するのではなく、解列中に予め系統電圧波形に対する出力電圧波形の直流成分に関する補正データを記憶しておき、かかる補正データに基づいて連系運転開始直後から零点補正された出力電圧波形で電力変換部からの電力出力を行うことができるので、連系運転開始直後から直流成分を除去できる。
【００１０】
また、本発明は、直流電力を系統電力に連系する交流電力に変換する電力変換部と、該電力変換部を系統に対して並列させるか解列させるかを切り替える解列器と、前記電力変換部に対して前記解列器と並列に接続された自立リレーと、該自立リレーを介して前記電力変換部に接続された自立負荷接続部と、前記電力変換部、前記解列器及び前記自立リレーの動作を制御する制御部とを備え、該制御部は、前記解列器を解列動作させるとともに前記自立リレーを閉成させて前記電力変換器を電圧制御により動作させることにより前記電力変換部から前記自立負荷接続部に電力を出力する自立運転機能を具備するパワーコンディショナにおいて、前記自立リレーの入力側で前記電力変換部の出力電圧を検出するための出力電圧検出手段をさらに備え、前記制御部は、前記解列器を解列動作させるとともに前記自立リレーを開成させているときに前記電力変換部を電圧制御により動作させて、このときの前記電力変換部の出力電圧波形の直流成分に関する補正データを記憶しておき、前記自立運転を開始するときに、前記補正データに基づいて出力電圧波形の零点補正を行うように構成されていることを特徴とするものである（請求項２）。
【００１１】
かかる本発明のパワーコンディショナによれば、自立リレーの入力側に出力電圧検出手段を設けることにより、解列中で且つ自立リレーの開成中に電力変換部を電圧制御により動作させたときの実際の出力電圧を検出できる。さらに、自立運転中に出力の直流成分を検出するのではなく、解列中で且つ自立リレーの開成中に予め出力電圧波形の直流成分に関する補正データを記憶しておき、かかる補正データに基づいて自立運転開始直後から零点補正された出力電圧波形で電力変換部からの電力出力を行うことができるので、自立運転開始直後から直流成分を除去できる。
【発明の効果】
【００１２】
以上説明したように、本発明の請求項１に係るパワーコンディショナによれば、解列器の入力側に、系統電圧検出手段とは別の出力電圧検出手段を設けることにより、解列中に電力変換部を電圧制御モードで動作させたときの実際の出力電圧を検出できる。さらに、連系運転中に出力の直流成分を検出するのではなく、解列中に予め系統電圧波形に対する出力電圧波形の直流成分に関する補正データを記憶しておき、かかる補正データに基づいて連系運転開始直後から零点補正された出力電圧波形で電力変換部からの電力出力を行うことができるので、連系運転開始直後から直流成分を除去できる。
【００１３】
また、本発明の請求項２に係るパワーコンディショナによれば、自立リレーの入力側に出力電圧検出手段を設けることにより、解列中で且つ自立リレーの開成中に電力変換部を電圧制御により動作させたときの実際の出力電圧を検出できる。さらに、自立運転中に出力の直流成分を検出するのではなく、解列中で且つ自立リレーの開成中に予め出力電圧波形の直流成分に関する補正データを記憶しておき、かかる補正データに基づいて自立運転開始直後から零点補正された出力電圧波形で電力変換部からの電力出力を行うことができるので、自立運転開始直後から直流成分を除去できる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の一実施形態に係るパワーコンディショナの概略回路図である。
【図２】同パワーコンディショナの出力電圧波形図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の好適な実施形態を図面に基づいて説明する。
【００１６】
図１は本発明の一実施形態に係るパワーコンディショナ１の概略構成を示している。本実施形態に係るパワーコンディショナ１は、直流電源部２が出力する直流電力を商用電力系統３に連系する交流電力に変換して商用電力系統３に向けて出力するものであって、直流電源部２から入力する直流電力を系統電圧の最大値（２００Ｖ電力系統の場合で２８０Ｖ）に応じた所定電圧（例えば３２０Ｖ）まで昇圧させるコンバータ４と、昇圧後の直流電力を系統電力に連系する交流電力に変換する連系インバータ５と、コンバータ４とインバータ５との間に設けられたＤＣリンクコンデンサからなるＤＣリンク部６と、インバータ５の出力部と商用電力系統３との間に設けられた解列器７（解列用保護リレー）と、インバータ５の出力部に対して解列器７と並列に接続された自立リレー８と、自立リレー８を介してインバータ５の出力部に接続された自立コンセント９（自立負荷接続部）と、コンバータ４・インバータ５・解列器７及び自立リレー８の動作を制御する制御部１０と、入力電圧平滑用コンデンサ１１とを備えており、上記コンバータ４及びインバータ５によって、直流電力を商用電力系統３に連系する交流電力に変換する電力変換部が構成されている。なお、電力系統３に向けて電力を出力するとは、例えば家庭内や構内の引き込み配線内で系統電力に対して発電電力を連系させるものであればよく、発電電力を電力会社の配電線に逆潮流させる必要は無い。
【００１７】
直流電源部２としては、燃料電池、太陽電池若しくは蓄電池など、適宜のものであってよい。
【００１８】
コンバータ４は、図１においては昇圧チョッパとして例示しているが、絶縁型コンバータであってもよいし、また、昇圧チョッパと絶縁型コンバータとにより２段階で昇圧する回路構成とすることもできる。
【００１９】
インバータ５は、フルブリッジ形の電圧形ブリッジインバータであり、複数のＩＧＢＴやＭＯＳ−ＦＥＴなどのスイッチング素子をＨブリッジ形に接続するとともに各スイッチング素子に帰還ダイオードを並列接続することにより構成されており、その出力側にはＬＣフィルタにより構成される平滑回路が設けられている。なお、図１においてはインバータ５として２レベルインバータを例示したが、３レベルインバータを用いることもできる。
【００２０】
制御部１０は、コンバータ４及びインバータ５における各電力変換動作並びに解列器７の開閉動作を制御するとともに、パワーコンディショナ１の筐体に取り付けられた液晶表示器などからなる表示部（図示せず）の表示制御や、パワーコンディショナ１における各種異常検出制御や、発電電力量や家庭内の消費電力量の積算などの種々の制御を行わせることができる。制御部１０は、典型的には、マイクロプロセッサを中央処理装置として備えるとともに、マイコンからの制御信号に基づいて上記各制御対象への駆動信号を生成出力する駆動回路を各制御対象毎に備えている。
【００２１】
また、本実施形態のインバータ５は、コンバータ４への入力電流を検出する入力電流センサ１２、コンバータ４の入力電圧を検出する入力電圧センサ１３、ＤＣリンク電圧センサ１４、インバータ５の出力電流を検出する出力電流センサ１５（出力電流検出手段）、インバータ５の出力電圧を検出する出力電圧センサ１６（出力電圧検出手段）、並びに、系統電圧を検出する系統電圧センサ１７（系統電圧検出手段）を備えており、これらセンサの検出信号は制御部１０に入力され、上記した各種制御に用いられる。また、出力電流センサ１５及び出力電圧センサ１６は、解列器７と自立リレー８への分岐点とインバータ５の出力部との間（解列器７及び自立リレー８の入力側）に設けられ、系統電圧センサ１７は解列器７の出力側（系統側）に設けられている。なお、交流信号を検出する出力電流センサ１５、出力電圧センサ１６及び系統電圧センサ１７の検出信号は、制御部１０により十分速い周期（例えば１ミリ秒など）でサンプリングされ、各検出信号の位相、周期並びに振幅を検出可能に構成されている。
【００２２】
制御部１０は、系統３への連系運転時は、自立リレー８を開成させるとともに解列器７を並列動作させた状態で、コンバータ４及びインバータ５を動作させることにより系統３に対して電力を出力する。特に、連系運転時は、インバータ５をいわゆる電流モード制御（電圧形インバータの電流制御）することによって出力電流を制御する。
【００２３】
かかる電圧形インバータの一般的な電流制御について説明すると、インバータ５のブリッジ回路部の出力電圧Vinv(t)、すなわち、ＤＣリンク部６の直流電圧をＰＷＭ制御によりパルス状に出力されてなるパルス波形電圧と等価な正弦波出力電圧Vinv(t)は、次式（１）で表すことができる。
【００２４】
Vinv(t) = Vuw(t) + (Zi+Zs)・Iout(t)  ・・・  式（１）
【００２５】
ここで、Vuwは系統電圧、Ｚiはインバータ５のＬＣフィルタ（平滑回路）の等価インピーダンス、Zsは系統インピーダンス、Ioutはインバータ５の出力電流である。VinvはVuwより少し大きく位相も進んでおり、これによりIoutが出力する。以下、Z=Zi+Zsとする。
【００２６】
このように、Vinvは、電圧成分であるVuwと、電流成分であるZ・Ioutとの和として表すことができる。Vuwは系統電圧により定まる定数項となる。したがって、Vinvによって、Ioutを制御できることが分かる。そして、電流制御モードでは、出力電流センサ１５が検出する出力電流値Ioutに基づいてフィードバック制御（ＰＩ制御乃至ＰＩＤ制御）することにより出力電流Ioutを目標出力電流波形Iout-target(t)に追従させる。より詳細には、出力電流Ioutが目標出力電流波形Iout-targetに追従するよう式（１）を参照して目標出力電圧波形Vinv-target(t)を定め、該目標出力電圧波形Vinv-targetに基づいてインバータ５駆動用のＰＷＭパルス信号を生成してインバータ５を構成する各スイッチング素子に出力することにより、インバータ５のブリッジ回路部の出力電圧Vinvを目標出力電圧波形Vinv-targetにしたがったものとする。
【００２７】
しかし、上記した一般的な電流制御では、インバータ５を構成する各スイッチング素子の応答遅延時間のばらつき等が考慮されておらず、目標出力電圧波形Vinv-targetに一致した出力電圧Vinvとはならず、その結果、図２に示すようにインバータ５の出力電圧Voutの振幅や中心電圧に系統電圧Vuwに対するずれが生じて直流成分が系統３に向けて出力されてしまう。
【００２８】
そこで、本実施形態では、以下に説明する出力電圧の補正制御を行うように制御部１０を制御構成している。
【００２９】
まず、制御部１０は、所定の連系運転開始条件が成立すると、解列器７を解列させたままコンバータ４を動作させるとともにインバータ５を電圧制御モードで動作させる。電圧制御モードは、制御部１０が生成する目標出力電圧波形Vinv-target(t)に基づいてインバータ５駆動用のＰＷＭパルス信号を生成してインバータ５を構成する各スイッチング素子に出力することにより、インバータ５のブリッジ回路部の出力電圧Vinv(t)を目標出力電圧波形Vinv-target(t)にしたがったものとする。さらに、出力電圧センサ１６が検出するインバータ５の出力電圧値Voutが、系統電圧センサ１７が検出する系統電圧Vuwと一致するよう、目標出力電圧波形Vinv-target(t)をフィードバック制御する。なお、このとき出力電流Ioutは０であるから、インピーダンスZは無視できる。
【００３０】
例えば、Vinv-target(t)の基準波形を A・sin(ωt)+Vo とし、これに振幅補正データα並びに直流成分補正データβを考慮して目標出力電圧波形をVinv-target(t)=(A+α)・sin(ωt)+(Vo+β)で表す場合、Vout=Vuwとなるようフィードバック制御により上記各補正データα，βを調整していく。かかる補正データα，βの調整制御は、ある程度安定するまで継続して行ってもよく、また、所定時間で終了してもよい。
【００３１】
補正データα，βの調整処理が終了すると、該補正データα，βを不揮発性メモリやＲＡＭなどの記憶手段に記憶した後、コンバータ４及びインバータ５の動作を一旦停止させて解列器７を並列動作させ、コンバータ４及びインバータ５の動作を再開させることで連系運転を開始する。連系運転時はインバータ５は上記した電流制御により動作するが、上記式（１）に代えて、次式（２）を用いて制御する。
【００３２】
Vinv-target(t) = {(A+α)・sin(ωt+γ)+(Vo+β)} + Z・Iout(t)  ・・・  式（２）
【００３３】
なお、γは、系統電圧センサ１７によって検出される系統電圧波形と位相を同期させるための位相補正パラメータである。
【００３４】
上記式（２）の第１項は、上記調整処理によって、出力電流０のときにインバータ５の出力電圧Voutの振幅並びに中心電圧を系統電圧Vuwに一致させるものとなっており、連系運転開始当初はIout≒０であるため、式（２）に基づいてVinv-targetの波形を求めることにより、連系運転開始当初からインバータ５の出力電圧波形Voutを系統電圧波形Vuwに一致させることができ、これにより連系運転開始初期におけるインバータ５の出力電圧波形の零点補正を行い、直流成分が出力されることを回避できる。
【００３５】
なお、上記式（２）に基づくインバータ５の電流制御は、連系運転を行っている間継続させることもできるし、また、他の連系運転中における直流電流出力抑制制御を行いつつ、連系運転制御中に上記式（２）の第１項を系統電圧検出値Vuwに置き換えることも可能である。
【００３６】
本実施形態ではさらに、上記補正データα，βを用いて、自立運転開始当初に直流成分が自立コンセント９に接続された自立負荷に出力されることを回避するよう構成されている。すなわち、本実施形態のパワーコンディショナ１は、図示しない自立運転スイッチを手動操作することによって自立コンセント９に電力を出力する自立運転機能が具備されている。自立運転スイッチを自立運転に切り替え設定すると制御部１０は自立運転制御を開始する。自立運転制御が開始されると、制御部１０は、上記連系運転制御の開始時と同様に、解列器７を解列し且つ自立リレー８を開成した状態でコンバータ４を動作させるとともにインバータ５を電圧制御モードで動作させ、上記補正データα，βを同様の方法で調整する。調整処理が終了すると、該補正データα，βを不揮発性メモリやＲＡＭなどの記憶手段に記憶した後、コンバータ４及びインバータ５の動作を一旦停止させて自立リレー８を閉成させ、コンバータ４及びインバータ５の動作を再開させることで自立運転出力を開始する。この自立運転中は、インバータ５は電圧制御モードで動作し、電圧制御における目標電圧Vinv-target(t)を次式（３）により求め、インバータ５の出力電圧VoutがVinv-targetに一致するようフィードバック制御する。
【００３７】
Vinv-target(t) = (A+α)・sin(ωt+γ)+(Vo+β)  ・・・式（３）
【００３８】
かかる自立運転制御においても、制御開始初期の出力電圧波形が既に零点補正された状態となるため、自立運転開始初期における波形歪みや直流成分を低減できる。
【００３９】
本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、適宜設計変更できる。例えば、上記実施形態ではVinv-targetの波形に対する補正により出力の直流成分を除去したが、直流成分の調整に寄与するどのような制御対象に対して補正を行ってもよく、例えば、ＰＷＭ制御におけるパルス幅に対する直接補正によって出力電圧の零点補正を行うようなことも可能である。
【符号の説明】
【００４０】
１  パワーコンディショナ
２  直流電源部
３  系統
５  インバータ（電力変換部）
７  解列器
８  自立リレー
９  自立負荷接続部
１０  制御部
１５  出力電流センサ
１６  出力電圧センサ
１７  系統電圧センサ
【図１】
2017011933.tif 000003
【図２】
2017011933.tif 000004