(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流リアクトルと昇圧用スイッチング素子と昇圧用ダイオードとを備えて直流の入力電源からの入力電圧を前記昇圧用スイッチング素子の高周波スイッチングにより昇圧して直流の中間段電圧を出力する昇圧コンバータと、前記中間段電圧における高周波成分を除去する中間段コンデンサと、フルブリッジに構成された４個のスイッチング素子のスイッチングにより前記中間段電圧から正弦波の交流電流を出力するインバータと、前記交流電流における高周波成分を除去し、出力電流として交流の系統に出力するフィルタとを備え、前記入力電源から入力した直流電力を交流電力に変換して前記系統に出力する系統連系インバータ装置において、前記中間段コンデンサは数百μＦ以下の容量を有するフィルムコンデンサとし、前記昇圧コンバータは、前記中間段電圧が系統電圧の絶対値に比べて低くなる期間のみスイッチングして昇圧し、昇圧した区間が部分的に凸形で前記系統電圧との電圧差を数十Ｖ程度以内に維持するようにした系統連系インバータ装置。
【請求項２】
２個のスイッチング素子を直列接続したアームを２つ並列接続したフルブリッジ構成のインバータにおいて、一方のアームは低オン電圧、かつスイッチング速度の速いスイッチング素子による数十ｋＨｚ程度以下の高周波スイッチングにより系統電圧に対応する正弦波電流への波形変換を行い、他方のアームは高周波用に比べてスイッチング速度が遅く、かつ低オン電圧のスイッチング素子により系統電圧の極性に対応して出力電流の極性を切り換えるようにした請求項１記載の系統連系インバータ装置。
【請求項３】
昇圧コンバータにおいて、順方向の昇圧用ダイオードに逆方向に並列接続したスイッチング素子を電力回生用スイッチング素子として設け、直流リアクトルの一端が昇圧用スイッチング素子と前記電力回生用スイッチング素子との共通接続点に接続され、前記電力回生用スイッチング素子は中間段電圧が所定値を超えた期間のみ導通してインバータから電流を入力側に回生させるようにした請求項１または２に記載の系統連系インバータ装置。
【請求項４】
昇圧コンバータにおいて、順方向の昇圧用ダイオードに逆方向に並列接続したスイッチング素子を電力回生用スイッチング素子として設け、直流リアクトルは昇圧用スイッチング素子と前記電力回生用スイッチング素子との共通接続点に接続し、昇圧用スイッチング素子と前記電力回生用スイッチング素子を交互に高周波スイッチングするようにした請求項１または２のいずれかに記載の系統連系インバータ装置。
【請求項５】
昇圧コンバータにおいて、順方向の昇圧用ダイオードに逆方向に並列接続したスイッチング素子を電力回生用スイッチング素子として設け、直流リアクトルは昇圧用スイッチング素子と前記電力回生用スイッチング素子との共通接続点に接続し、前記昇圧用スイッチング素子と前記電力回生用スイッチング素子とを交互に高周波スイッチングするとともに、中間段電圧が系統電圧の絶対値に比べて高くなる期間においては前記昇圧用スイッチング素子と前記電力回生用スイッチング素子のいずれもオフとするようにした請求項１または２または４のいずれかに記載の系統連系インバータ装置。
【請求項６】
昇圧コンバータが昇圧動作を行う期間内に昇圧用スイッチング素子の高周波スイッチングに低周波変調をかけて中間段電圧に正弦波形の凸部を発生させ、インバータにおいては前記凸部の中間段電圧に対して出力電流の極性を切り換えるのみとし、前記凸部以外の中間段電圧に対して高周波スイッチングにより出力電流を波形成形するようにした請求項１から５のいずれか１項に記載の系統連系インバータ装置。
【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、燃料電池などの直流電力を系統に連系し、交流電力に変換して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】
以下、従来の系統連系インバータ装置について図面を参照しながら説明する。図９は従来の系統連系インバータ装置の構成を示す回路図である。図９において、系統連系インバータ装置は、直流の入力電源１からの入力電圧Ｖinを系統２の交流の系統電圧ＶACより高い直流電圧に昇圧する昇圧コンバータ３、昇圧された直流電圧を平滑してリップルの少ない安定な直流電圧を出力する中間段コンデンサ４、中間段コンデンサ４の直流電圧、すなわち中間段電圧ＶMを正弦波の交流電圧に波形成形するインバータ５、およびインバータ５の出力から高周波ノイズを除去するフィルタ６から構成され、系統２に交流電力を供給している。昇圧コンバータ３は、入力電源１からの入力電圧Ｖinを平滑する平滑コンデンサ３ａ、エネルギー蓄積用の直流リアクトル３ｂ、昇圧用スイッチング素子３ｃ、および昇圧用ダイオード３ｄで構成され、また、インバータ５は、４個のスイッチング素子Ｑ1〜Ｑ4を使用したフルブリッジ構成となっている。
【０００３】
上記構成における動作について説明する。入力電源１からの入力電圧Ｖinは、大容量の電解コンデンサである平滑コンデンサ３ａで平滑されるので、昇圧コンバータ３の入力は低リップル化されている。たとえば、入力電源１として太陽電池を用いた場合、太陽電池の定格出力はＤＣ２００Ｖ程度であり、系統電圧ＶACがＡＣ２００Ｖであればそのピーク電圧は２８３Ｖに達するため、系統２に電力を出力するためには入力電圧Ｖinを昇圧する必要がある。仮に４ｋＷ程度の電力を出力しようとすると、通常、ＤＣ３５０Ｖ程度まで昇圧する必要がある。
【０００４】
そこで、昇圧用スイッチング素子３ｃをオンとして直流リアクトル３ｂにエネルギーを蓄積し、昇圧用スイッチング素子３ｃをオフとしたときに直流リアクトル３ｂに蓄積したエネルギーを昇圧用ダイオード３ｄを介して中間段コンデンサ４に中間段電圧ＶMとして蓄える。
【０００５】
以上の動作を高周波数で繰り返すことによりインバータ５の入力電圧、すなわち中間段電圧ＶMが一定に維持される。ただし、このとき系統電圧ＶACの１周期において昇圧用スイッチング素子３ｃの導通比は一定としている。また、昇圧コンバータ３の出力は、数千μＦの大容量の電解コンデンサである中間段コンデンサ４で平滑されるため、インバータ５の入力電圧、すなわち中間段電圧ＶMの変動は負荷の変化に対して安定である。
【０００６】
図１０はインバータ５の動作を示す波形図である。図において、（ａ）は系統電圧ＶAC、（ｂ）はインバータ５におけるスイッチング素子Ｑ1 を駆動するゲート信号、（ｃ）はスイッチング素子Ｑ2 のゲート信号、（ｄ）はスイッチング素子Ｑ3 のゲート信号、（ｅ）はスイッチング素子Ｑ4 のゲート信号を示す。図１０に示したように、スイッチング素子Ｑ1〜Ｑ4のうち、スイッチング素子Ｑ1 とスイッチング素子Ｑ4 とを同時に、またはスイッチング素子Ｑ2 とスイッチング素子Ｑ3 とを同時にオンとするスイッチングを高周波数で行い、系統２への出力電流Ｉoを正弦波にするようにそれぞれのオン時間がＰＷＭ制御される。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
このような従来の系統連系インバータ装置では、入力電源１からの直流の入力電力を系統２に連系して力率１で運転するために、昇圧コンバータ３とインバータ５とを、いずれも系統電圧ＶACの全周期において高周波スイッチングを行っているため、スイッチング素子Ｑ1〜Ｑ4の損失が大きく、しかも昇圧コンバータ３の入力電圧Ｖinが系統電圧ＶACより低い期間でも系統電圧ＶACのピーク電圧（ＡＣ２００Ｖに対してピーク電圧は２８３Ｖ）よりも高いＤＣ３５０Ｖ程度まで昇圧したのちインバータ５によりＤＣ３５０Ｖからゼロまで絞るため、機器の総合効率を向上させるのが困難であった。
【０００８】
また、数千μＦもの大容量の平滑コンデンサ３ａと中間段コンデンサ４とを２箇所に備えるとともに、前記スイッチング損失が大きいことにより、インバータ５のスイッチング素子Ｑ1〜Ｑ4を冷却するヒートシンクの形状も大きくなり、機器全体の小型化、および安価な構成が困難であると言った問題を有している。
【０００９】
また、系統電圧ＶACの谷間ではインバータ５の入力電圧と出力電圧との差が大きくなることにより、小さい出力電流を正弦波で取り出す場合には電力を絞り切れないことにより、たとえば、太陽光発電では日照量が低下する早朝や夕暮れにおいては、出力することができなくなると言う問題も有している。
【００１０】
本発明は上記の課題を解決するもので、昇圧コンバータ３における無駄な動作を排除することにより、効率を向上させるとともにスイッチング損失を低減し、かつ小出力も低歪で供給できるとともに小型化および軽量化も実現できる系統連系インバータ装置を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係わる本発明は、直流リアクトルと昇圧用スイッチング素子と昇圧用ダイオードとを備えて直流の入力電源からの入力電圧を前記昇圧用スイッチング素子の高周波スイッチングにより昇圧して直流の中間段電圧を出力する昇圧コンバータと、前記中間段電圧における高周波成分を除去する中間段コンデンサと、フルブリッジに構成された４個のスイッチング素子のスイッチングにより前記中間段電圧から正弦波の交流電流を出力するインバータと、前記交流電流における高周波成分を除去し、出力電流として交流の系統に出力するフィルタとを備え、前記入力電源から入力した直流電力を交流電力に変換して前記系統に出力する系統連系インバータ装置において、前記中間段コンデンサは数百μＦ以下の容量を有するフィルムコンデンサとし、前記昇圧コンバータは、前記中間段電圧が系統電圧の絶対値に比べて低くなる期間のみスイッチングして昇圧し、昇圧した区間が部分的に凸形で前記系統電圧との電圧差を数十Ｖ程度以内に維持するようにした系統連系インバータ装置である。
【００１２】
これにより、電流出力時において中間段電圧が系統電圧よりも高くなる可能性がある期間における昇圧コンバータの無駄な昇圧動作を排除でき、効率を向上させるとともにインバータにおけるスイッチング損失を低減して、小型・軽量で安価、かつ小電流も低歪で出力できる系統連系インバータ装置を提供することができる。
【００１３】
請求項２に係わる本発明は、２個のスイッチング素子を直列接続したアームを２つ並列接続したフルブリッジ構成のインバータにおいて、一方のアームは低オン電圧、かつスイッチング速度の速いスイッチング素子による数十ｋＨｚ程度以下の高周波スイッチングにより系統電圧に対応する正弦波電流への波形変換を行い、他方のアームは高周波用に比べてスイッチング速度が遅く、かつ低オン電圧のスイッチング素子により系統電圧の極性に対応して出力電流の極性を切り換えるようにした請求項１に係わる系統連系インバータ装置である。
【００１４】
これにより、インバータにおけるスイッチング損失が低減されて発熱量が減少し、したがって、ヒートシンクを小型化でき、小型・軽量で効率を向上させた系統連系インバータ装置を提供することができる。
【００１５】
請求項３に係わる本発明は、昇圧コンバータにおいて、順方向の昇圧用ダイオードに逆方向に並列接続したスイッチング素子を電力回生用スイッチング素子として設け、直流リアクトルの一端が昇圧用スイッチング素子と前記電力回生用スイッチング素子との共通接続点に接続され、前記電力回生用スイッチング素子は中間段電圧が所定値を超えた期間のみ導通してインバータから電流を入力側に回生させるようにした請求項１ないし請求項２のいずれかに係わる系統連系インバータ装置である。
【００１６】
これにより、系統の変動に起因する過度的な中間段電圧が電力回生用スイッチング素子を介して入力側に回生され、インバータ５が停止することなく安定に動作を維持することができる。
【００１７】
請求項４に係わる本発明は、順方向の昇圧用ダイオードに逆方向に並列接続したスイッチング素子を電力回生用スイッチング素子として設け、直流リアクトルは昇圧用スイッチング素子と前記電力回生用スイッチング素子との共通接続点に接続し、昇圧用スイッチング素子と前記電力回生用スイッチング素子を交互に高周波スイッチングするようにした請求項１ないし請求項２のいずれかに係わる系統連系インバータ装置である。
【００１８】
これにより、低力率で運転した場合に電力の回生が自動的になされることで、品質の良い低力率の出力電流を安価な構成で実現可能な系統連系インバータ装置を提供することができる。
【００１９】
請求項５に係わる本発明は、昇圧コンバータにおいて、順方向の昇圧用ダイオードに逆方向に並列接続したスイッチング素子を電力回生用スイッチング素子として設け、直流リアクトルは昇圧用スイッチング素子と前記電力回生用スイッチング素子との共通接続点に接続し、前記昇圧用スイッチング素子と前記電力回生用スイッチング素子とを交互に高周波スイッチングするとともに、中間段電圧が系統電圧の絶対値に比べて高くなる期間においては前記昇圧用スイッチング素子と前記電力回生用スイッチング素子のいずれもオフとするようにした請求項１、請求項２、および請求項４のいずれかに係わる系統連系インバータ装置である。
【００２０】
これにより、中間段コンデンサと昇圧コンバータにおける直流リアクトルとによる中間段電圧の共振動作を防止し、昇圧動作をさせない期間における中間段電圧を低く維持することができ、この期間中におけるインバータの波形成形の負担を低減することができる。
【００２１】
請求項６に係わる本発明は、昇圧コンバータが昇圧動作を行う期間内に昇圧用スイッチング素子の高周波スイッチングに低周波変調をかけて中間段電圧に正弦波形の凸部を発生させ、インバータにおいては前記凸部の中間段電圧に対して出力電流の極性を切り換えるのみとし、前記凸部以外の中間段電圧に対して高周波スイッチングにより出力電流を波形成形するようにした請求項１ないし請求項５のいずれかに係わる系統連系インバータ装置である。
【００２２】
これにより、インバータにおける波形成形のための高周波スイッチングのうちの高電圧・大電流の部分が不要となり、スイッチング損失の大部分がなくなるので、ヒートシンクを小型化することができる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
請求項１に係わる本発明において、昇圧コンバータは入力電源からの入力電圧を昇圧して中間段電圧を出力する手段であり、リアクトルとスイッチング素子とによる一般的な構成でよいが、本発明においては、前記中間段電圧が系統の交流電圧よりも低くなる可能性がある期間のみ前記スイッチング素子のスイッチングにより昇圧し、その他の期間では昇圧しないようにしたものとする。したがって、昇圧しない期間では入力電源からの入力電圧を系統電圧として出力するように機能する。この昇圧した期間における中間段電圧は凸状になる。また、中間段コンデンサは昇圧時に発生した高周波成分は除去するが上記中間段電圧の形状を平滑せずに保つような小容量、たとえば数百μＦのものとする。
【００２４】
請求項２に係わる本発明において、フルブリッジにおけるアームは２個のスイッチング素子を直列接続した構成であり、２つのアームのうちの一方は、高周波スイッチングにより出力電流の波形を正弦波形に整形するように動作し、他方のアームは上記整形された出力電流の極性を系統の交流周波数で切り替える動作のみを行うものとする。なお、フルブリッジ構成における４個のスイッチング素子のうちの正電圧側、または負電圧側の２個のスイッチング素子により波形成形するように高周波スイッチングし、他の２個で極性の切り換えのみとする構成も有り得る。
【００２５】
請求項３に係わる本発明において、電力回生用スイッチング素子は、昇圧コンバータの昇圧用ダイオードに並列に逆方向接続される。系統の変動に起因する中間段電圧が所定のスレッシュ電圧を超えた場合にオンとして入力電源側に回生するように機能する。
【００２６】
請求項４に係わる本発明において、昇圧用スイッチング素子と電力回生用スイッチング素子とが交互にスイッチングし、電力回生用スイッチング素子は昇圧用スイッチング素子による昇圧動作を阻害せず、また、低力率で運転した場合にはオンとなっている時間中に自動的に入力電源側に回生するように機能する。
【００２７】
請求項５に係わる本発明において、昇圧動作を行わない期間においては昇圧用スイッチング素子と電力回生用スイッチング素子とをいずれもオフとし、中間段コンデンサと昇圧コンバータにおける直流リアクトルとによる中間段電圧の共振を防止するように機能する。
【００２８】
請求項６に係わる本発明において、昇圧コンバータは、昇圧動作の期間内におけるスイッチングに低周波変調をかけて、中間段電圧に正弦波状の凸部を発生させる。インバータは、この凸部の中間段電圧については波形成形を行わずに極性切り換えのみとし、他の中間段電圧に対して波形成形のためのスイッチングを行うように機能する。
【００２９】
以下、本発明の実施例について説明する。
【００３０】
【実施例】
（実施例１）
以下、本発明の系統連系インバータ装置の実施例１について図面を参照しながら説明する。本実施例は請求項１に係わる。
【００３１】
図１は本実施例の構成を示すブ回路図である。本実施例が従来例と異なる点は、中間段コンデンサ４の容量を数千μＦの大容量から数百μＦの小容量に替えたこと、および昇圧コンバータ３の動作にある。この場合、中間段コンデンサ４は、たとえばフィルムコンデンサとすることができる。
【００３２】
上記構成における動作について図面を参照しながら説明する。なお、本実施例では入力電源１を太陽電池として説明するが、これに限定されるものではない。
【００３３】
図２は本実施例における昇圧コンバータ３の動作を示す波形図である。図２において、（ａ）は入力電源１すなわち太陽電池の電圧である入力電圧Ｖinと系統電圧ＶACの絶対値、（ｂ）は昇圧用スイッチング素子３ｃにおけるトランジスタＱF のゲート信号、（ｃ）は中間段電圧ＶMを示す。本来、中間段コンデンサ４の中間段電圧ＶMは系統２に電力を注入するために系統電圧ＶACよりも少なくとも数十Ｖ程度は高くなければならないが、本実施例では、たとえば入力電源１からの入力電圧ＶinがＤＣ２００Ｖで、系統電圧ＶACがＡＣ２００Ｖである場合、昇圧コンバータ３は、系統電圧ＶACのピーク電圧の時点を中心として４〜５ｍｓの期間は昇圧し、それ以外の系統電圧ＶACの絶対値が入力電圧Ｖinよりも十分小さい期間では昇圧を行わない。さらに、中間段コンデンサ４は容量が小さいことにより低周波的には平滑動作しないため、昇圧用スイッチング素子３ｃのオン時間を低周波変調して系統電圧ＶACとの電圧差を数十Ｖ程度以内に維持することができる。これにより、中間段コンデンサ４の中間段電圧ＶMは、図２（ｃ）に示したように、昇圧した区間が部分的に凸形となった波形になる。
【００３４】
以上のように本実施例によれば、昇圧コンバータ３のスイッチングが系統２の１周期内で部分的にしか行われないため、昇圧用スイッチング素子３ｃの損失が格段に低減され、さらにインバータ５の入出力電位差が低く抑えられるため、インバータ５におけるスイッチング素子Ｑ1〜Ｑ4のスイッチング損失も低減することができる。
【００３５】
また、スイッチング素子Ｑ1〜Ｑ4の損失低減によって冷却用のヒートシンクの形状を小さくできるとともに、中間段コンデンサ４の容量が従来例の１０分の１以下に小さくなることで、全体の形状も小さくできる。これにより効率向上と小型・軽量化とともに安価な機器の実現が可能となる。
【００３６】
さらに、インバータ５の入力電圧と系統電圧ＶACとの差を小さく維持できることにより、小さい出力電流を正弦波で取り出す場合には小電力まで絞ることが可能となるので、たとえば太陽光発電では日照が低下する早朝や夕暮れにおいても、出力を維持できる系統連系インバータ装置を実現することができる。
【００３７】
（実施例２）
以下、本発明の系統連系インバータ装置の実施例２について図面を参照しながら説明する。本実施例は請求項２に係わる。
【００３８】
本実施例の構成を回路図で示すと実施例１における図１と同じになり、説明を省略する。
【００３９】
上記構成における動作について図面を参照しながら説明する。図３は本実施例の動作を示す波形図である。図３において、（ａ）は系統電圧ＶAC、（ｂ）はインバータ５におけるスイッチング素子Ｑ1 のゲート信号、（ｃ）はスイッチング素子Ｑ2 のゲート信号、（ｃ）はスイッチング素子Ｑ3 のゲート信号、（ｄ）はスイッチング素子Ｑ4 のゲート信号を示す。
【００４０】
インバータ５のスイッチング素子Ｑ1〜Ｑ4はフルブリッジで構成され、インバータ５の入力に対して並列に接続された２組のアームのうち、Ｑ1とＱ2とで構成されるアームは、低オン電圧、かつスイッチング速度の速いスイッチング素子を用い、数十ｋＨｚ程度以下で高周波スイッチングを行い、出力電流Ｉoの絶対値が正弦波形になるように変調制御し、Ｑ3とＱ4とで構成されるアームは、高周波用に比べてスイッチング速度が遅く（１μｓ程度）、オン電圧がさらに低いスイッチング素子を用い、図３（ｄ）と図３（ｅ）とに示したように、系統電圧ＶACまたは出力電流Ｉoの極性指令に対して極性を交互に切り換える動作のみ行う。
【００４１】
したがって、直流から正弦波への波形変換はスイッチング素子Ｑ1 とスイッチング素子Ｑ2とにおける導通時間の変調のみで行われ、スイッチング素子Ｑ3とスイッチング素子Ｑ4とは出力電流Ｉoの極性を切り換え動作のみを行うので、スイッチング損失の大部分がスイッチング素子Ｑ1とスイッチング素子Ｑ2のみに発生し、インバータにおけるスイッチング損失が低減されることとなる。
【００４２】
以上のように本実施例によれば、インバータ５の４個のスイッチング素子によるブリッジ構成において、低オン電圧と高速性とを兼ね備えたスイッチング素子によるアームと、低オン電圧に特化した低速のスイッチング素子によるアームとを使用することによって、インバータ５の低損失化を実現できるため、効率向上と、ヒートシンクの小型化による全体の小型・軽量化とを達成できる系統連系インバータ装置を提供することができる。
【００４３】
（実施例３）
以下、本発明の系統連系インバータ装置の実施例３について図面を参照しながら説明する。本実施例は請求項３に係わる。
【００４４】
図４は本実施例の構成を示す回路図である。なお、図１と同じ構成要素には同一番号を付与して詳細な説明を省略する。本実施例が実施例１と異なる点は、昇圧コンバータ３において、昇圧用ダイオード３ｄに並列接続して電力回生用スイッチング素子３ｅを備え、双方向形の昇圧コンバータとしたことにある。
【００４５】
上記構成における動作について図面を参照しながら説明する。図５は本実施例の動作を示す波形図である。図５において、（ａ）は系統電圧ＶAC、（ｂ）は出力電流Ｉo 、（ｃ）は中間段電圧ＶM、（ｄ）はスレッシュ電圧、（ｅ）は電力回生用スイッチング素子３ｅであるトランジスタＱBのゲート信号、（ｆ）は昇圧用スイッチング素子３ｃにおけるトランジスタＱFのゲート信号、（ｇ）は直流リアクトル３ｂの電流を示す。なお、（ａ）および（ｂ）における実線は系統電圧ＶACの位相が急変する前の波形、波線は位相が急変後の波形を示す。
【００４６】
通常、系統連系インバータ装置の出力電流Ｉo は、正弦波であるとともに系統電圧ＶACに対して概ね力率１で出力されているが、たとえば系統２の位相が急に変化したり、系統２の周波数が急に上昇または低下した場合などの過渡現象に対しては、制御が変動に対して追従して安定するまでには、短いながらも時間を必要とする。この期間においては電力が系統２からインバータ５に流れ込む期間が発生し、この電力は中間段コンデンサ４に蓄えられるが、中間段コンデンサ４の容量を数百μＦと小さく設定しているため、中間段電圧ＶMが急激に上昇する。いま、過渡時間が長くてスイッチング素子Ｑ1〜Ｑ4の耐圧を超える恐れが生じたとすると、たとえば、図５（ｄ）に示したように、中間段電圧ＶMが所定のしきい値（スレッシュ電圧）を超えた場合、双方向形の昇圧コンバータ３は、電力回生用スイッチング素子３ｅをオンとして平滑コンデンサ３ａに電力を蓄積する。
【００４７】
以上のように本実施例によれば、電力回生用スイッチング素子３ｅを備えた双方向形の昇圧コンバータとしたことにより、系統２の過渡的な変化に対して過大な中間段電圧ＶM を平滑コンデンサ３ａに回生するので、インバータ５が停止することなく安定に動作を維持することができる系統連系インバータ装置を提供することができる。
【００４８】
（実施例４）
以下、本発明の系統連系インバータ装置の実施例４について図面を参照しながら説明する。本実施例は請求項４に係わる。なお、本実施例の構成を回路図で示すと図４と同じである。
【００４９】
本実施例が実施例３と異なる点は、昇圧コンバータ３において昇圧動作している期間中は昇圧用スイッチング素子３ｃと電力回生用スイッチング素子３ｅであるトランジスタＱBとを交互にスイッチングさせるとともに、昇圧動作しない期間中ではトランジスタＱB をオンとしておくことにより、低力率で運転した場合の電力回生を自動的に行わせるようにしたことにある。
【００５０】
上記構成における動作について図面を参照しながら説明する。図６は本実施例における昇圧コンバータ３の動作を示す波形図である。図６において、（ａ）は入力電圧Ｖinと系統電圧ＶACの絶対値、（ｂ）は昇圧用スイッチング素子におけるトランジスタＱFのゲート信号、（ｃ）は電力回生用スイッチング素子３ｅであるトランジスタＱBのゲート信号、（ｄ）は中間段電圧ＶMを示す。
【００５１】
図６において、双方向形の昇圧コンバータ３における昇圧用スイッチング素子３ｃと電力回生用スイッチング素子３ｅであるトランジスタＱBは、（ｂ）と（ｃ）に示したように、定常的に交互にスイッチングしており、インバータ５が概ね力率１運転を行っている間は系統電圧ＶACのピーク電圧付近でのみ行われる昇圧動作のとき、電流は昇圧用ダイオード３ｄのみに流れ、昇圧用ダイオード３ｄと並列に接続された電力回生用スイッチング素子３ｅがオンとなっていても電流は流れず、また、昇圧動作を行わない期間では昇圧用スイッチング素子３ｃはオフとなっており、電力回生用スイッチング素子３ｅはオンとなっている。ただし、系統連系インバータ装置が出力電圧を抑制するために、たとえば０．９程度の低力率で運転するときには回生電力が発生するが、昇圧用ダイオード３ｄと電力回生用スイッチング素子３ｅとが交互にスイッチングしているため、回生電力は自動的に平滑コンデンサ３ａに蓄積される。
【００５２】
以上のように本実施例によれば、系統電圧ＶACに対してインバータ５が低力率で運転する必要がある場合においても、とくに中間段コンデンサ４の電圧を検出して制御することなく電力の回生が自動的になされることで、品質の良い低力率の出力電流を安価な構成で実現可能な系統連系インバータ装置を提供することができる。
【００５３】
（実施例５）
以下、本発明の系統連系インバータ装置の実施例５について図画を参照しながら説明する。本実施例は請求項５に係わる。なお、本実施例の構成を回路図で示すと図４と同じである。
【００５４】
本実施例が実施例３と異なる点は、昇圧コンバータ３が昇圧動作をしていない期間中は昇圧用スイッチング素子３ｃと電力回生用スイッチング素子３ｅであるトランジスタＱBはいずれもオフとして、この期間中における中間段電圧ＶMの共振を防止したことにある。
【００５５】
上記構成における動作について図面を参照しながら説明する。図７は本実施例における昇圧コンバータ３の動作を示す波形図である。図７において、（ａ）は入力電圧Ｖinと系統電圧ＶACの絶対値、（ｂ）は昇圧用スイッチング素子３ｃにおけるトランジスタＱFのゲート信号、（ｃ）は電力回生用スイッチング素子３ｅであるトランジスタＱBのゲート信号、（ｄ）は中間段電圧ＶMを示す。
【００５６】
図７において、双方向形の昇圧コンバータ３における昇圧用スイッチング素子のトランジスタＱFと電力回生用スイッチング素子３ｅであるトランジスタＱBとは、昇圧動作を行っている期間中は、実施例４と同様に、交互にスイッチングするため実施例４と同様の動作を行う。また、昇圧動作を行わない期間中では、いずれもオフとする。これにより、双方向形の昇圧コンバータ３が、主に直流リアクトル３ｂと中間段コンデンサ４の定数とによって決まる周波数で共振することを防止している。
【００５７】
以上のように本実施例によれば、昇圧動作を行わない期間では昇圧用スイッチング素子３ｃと電力回生用スイッチング素子３ｅのいずれもオフとすることにより、この期間中における中間段電圧ＶMの共振を抑えることができ、系統電圧ＶACに対して一定の低い電圧を維持することができ、インバータ５の出力電流を正弦波に波形成形するための制御が不要となり、しかもインバータ５の低損失化も可能な系統連系インバータ装置を提供することができる。
【００５８】
（実施例６）
以下、本発明の系統連系インバータ装置の実施例６について図面を参照しながら説明する。本実施例は請求項６に係わる。なお、本実施例の構成を回路図で示すと図４と同じである。本実施例が実施例３と異なる点は、昇圧コンバータ３が昇圧動作している期間に、昇圧用スイッチング素子３ｃの高周波スイッチングを低周波変調して正弦波への波形変換動作を行わせ、この期間ではインバータ５は正弦波の波形を備えた中間段電圧ＶM の極性切り換え動作のみとし、昇圧コンバータ３が昇圧動作しない期間では、インバータ５は高周波スイッチングの変調により正弦波への波形変換と極性切り換えとを行うようにし、インバータ５における損失を低減するようにしたことにある。
【００５９】
上記構成における動作について図面を参照しながら説明する。図８は本実施例の動作を示す波形図である。図８において、（ａ）は系統電圧ＶAC、（ｂ）はインバータ５におけるスイッチング素子Ｑ1のゲート信号、（ｃ）はスイッチング素子Ｑ2のゲート信号、（ｄ）はスイッチング素子Ｑ3のゲート信号、（ｅ）はスイッチング素子Ｑ4のゲート信号、（ｆ）は昇圧用スイッチング素子３ｃにおけるトランジスタＱFのゲート信号、（ｇ）は電力回生用スイッチング素子３ｅであるトランジスタＱBのゲート信号、（ｈ）は入力電源１である太陽電池からの入力電圧Ｖinと系統電圧ＶACの絶対値を示す。
【００６０】
図８において、インバータ５が概ね力率１の運転をする場合、系統電圧ＶACのピーク電圧付近では、昇圧コンバータ３は昇圧動作するとともに、（ｆ）と（ｇ）とに示したように、昇圧用スイッチング素子３ｃにおけるトランジスタＱFの導通時間を変調制御することにより中間段電圧ＶMが正弦波になるように波形成形を行うとともに、インバータ５のスイッチング素子Ｑ1とスイッチング素子Ｑ2とは、（ｂ）と（ｃ）に示したように、それぞれスイッチング素子Ｑ4とスイッチング素子Ｑ3に同期して低周波数の切り替え動作を行う。一方、概ね入力電圧Ｖinが系統電圧ＶACより高い期間では、実施例５と同様に、双方向形の昇圧コンバータ３がスイッチングを停止するとともに、（ｂ）と（ｃ）に示したように、インバータ５が波形成形を行うことにより出力電流全体が正弦波になる。
【００６１】
したがって、正弦波への波形成形のためのスイッチングの一部が昇圧コンバータ３における昇圧用スイッチング素子３ｃにより代行され、インバータ５における正弦波への波形成形のためのスイッチングの負担が軽減され、インバータ５の損失を低減することができる。なお、昇圧動作中に昇圧用スイッチング素子３ｃと電力回生用スイッチング素子３ｅとを交互に高周波スイッチングして電力の回生を可能にしていることは言うまでもない。
【００６２】
以上のように本実施例によれば、たとえば入力電圧ＶinがＤＣ２００Ｖ程度でＡＣ２００Ｖの系統２に対して電力を注入するような場合、系統電圧ＶACのピーク電圧を中心に４〜５ｍｓ程度の期間は、双方向形の昇圧コンバータ３が波形成形を行うことにより、インバータ５はスイッチングを全く行う必要がなくなることでスイッチング損失が大きく低減され、効率向上とヒートシンクの小型化に伴う機器全体の小型・軽量化を達成できる系統連系インバータ装置を提供することができる。
【００６３】
【発明の効果】
請求項１に係わる本発明は、直流リアクトルと昇圧用スイッチング素子と昇圧用ダイオードとを備えて直流の入力電源からの入力電圧を前記昇圧用スイッチング素子の高周波スイッチングにより昇圧して直流の中間段電圧を出力する昇圧コンバータと、前記中間段電圧における高周波成分を除去する中間段コンデンサと、フルブリッジに構成された４個のスイッチング素子のスイッチングにより前記中間段電圧から正弦波の交流電流を出力するインバータと、前記交流電流における高周波成分を除去し、出力電流として交流の系統に出力するフィルタとを備え、前記入力電源から入力した直流電力を交流電力に変換して前記系統に出力する系統連系インバータ装置において、前記中間段コンデンサは数百μＦ以下の容量を有するフィルムコンデンサとし、前記昇圧コンバータは、前記中間段電圧が系統電圧の絶対値に比べて低くなる期間のみスイッチングして昇圧するようにした系統連系インバータ装置とすることにより、電流出力時において中間段電圧が系統電圧よりも高くなる可能性がある期間における昇圧コンバータの無駄な昇圧動作を排除でき、効率を向上させるとともにインバータにおけるスイッチング損失を低減して、小型・軽量で安価、かつ小電流も低歪で出力できる系統連系インバータ装置を提供することができる。
【００６４】
請求項２に係わる本発明は、２個のスイッチング素子を直列接続したアームを２つ並列接続したフルブリッジ構成のインバータにおいて、一方のアームは低オン電圧、かつスイッチング速度の速いスイッチング素子による数十ｋＨｚ程度以下の高周波スイッチングにより系統電圧に対応する正弦波電流への波形変換を行い、他方のアームは高周波用に比べてスイッチング速度が遅く、かつ低オン電圧のスイッチング素子により系統電圧の極性に対応して出力電流の極性を切り換えるようにした請求項１に係わる系統連系インバータ装置とすることにより、インバータにおけるスイッチング損失が低減されて発熱量が減少し、したがって、ヒートシンクを小型化でき、小型・軽量で効率を向上させた系統連系インバータ装置を提供することができる。
【００６５】
請求項３に係わる本発明は、昇圧コンバータにおいて、順方向の昇圧用ダイオードに逆方向に並列接続したスイッチング素子を電力回生用スイッチング素子として設け、直流リアクトルの一端が昇圧用スイッチング素子と前記電力回生用スイッチング素子との共通接続点に接続され、前記電力回生用スイッチング素子は中間段電圧が所定値を超えた期間のみ導通してインバータから電流を入力側に回生させるようにした請求項１ないし請求項２のいずれかに係わる系統連系インバータ装置とすることにより、系統の変動に起因する過度的な中間段電圧が電力回生用スイッチング素子を介して入力側に回生され、インバータ５が停止することなく安定に動作を維持することができる。
【００６６】
請求項４に係わる本発明は、順方向の昇圧用ダイオードに逆方向に並列接続したスイッチング素子を電力回生用スイッチング素子として設け、直流リアクトルは昇圧用スイッチング素子と前記電力回生用スイッチング素子との共通接続点に接続し、昇圧用スイッチング素子と前記電力回生用スイッチング素子を交互に高周波スイッチングするようにした請求項１ないし請求項２のいずれかに係わる系統連系インバータ装置とすることにより、低力率で運転した場合に電力の回生が自動的になされることで、品質の良い低力率の出力電流を安価な構成で実現可能な系統連系インバータ装置を提供することができる。
【００６７】
請求項５に係わる本発明は、昇圧コンバータにおいて、順方向の昇圧用ダイオードに逆方向に並列接続したスイッチング素子を電力回生用スイッチング素子として設け、直流リアクトルは昇圧用スイッチング素子と前記電力回生用スイッチング素子との共通接続点に接続し、前記昇圧用スイッチング素子と前記電力回生用スイッチング素子とを交互に高周波スイッチングするとともに、中間段電圧が系統電圧の絶対値に比べて高くなる期間においては前記昇圧用スイッチング素子と前記電力回生用スイッチング素子のいずれもオフとするようにした請求項１または請求項２または請求項４のいずれかに係わる系統連系インバータ装置とすることにより、中間段コンデンサと昇圧コンバータにおける直流リアクトルとによる中間段電圧の共振動作を防止し、昇圧動作をさせない期間における中間段電圧を低く維持することができ、この期間中におけるインバータの波形成形の負担を低減することができる。
【００６８】
請求項６に係わる本発明は、昇圧コンバータが昇圧動作を行う期間内に昇圧用スイッチング素子の高周波スイッチングに低周波変調をかけて中間段電圧に正弦波形の凸部を発生させ、インバータにおいては前記凸部の中間段電圧に対して出力電流の極性を切り換えるのみとし、前記凸部以外の中間段電圧に対して高周波スイッチングにより出力電流を波形成形するようにした請求項１から５のいずれか１項に記載した系統連系インバータ装置とすることにより、インバータにおける波形成形のための高周波スイッチングのうちの高電圧・大電流の部分が不要となり、スイッチング損失の大部分がなくなるので、ヒートシンクを小型化することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の系統連系インバータ装置の実施例１の構成を示す回路図
【図２】同実施例における昇圧コンバータの動作を示す波形図
【図３】本発明の系統連系インバータ装置の実施例２の動作を示す波形図
【図４】本発明の系統連系インバータ装置の実施例３の構成を示す回路図
【図５】同実施例の動作を示す波形図
【図６】本発明の系統連系インバータ装置の実施例４における昇圧コンバータの動作を示す波形図
【図７】本発明の系統連系インバータ装置の実施例５における昇圧コンバータの動作を示す波形図
【図８】本発明の系統連系インバータ装置の実施例６の動作を示す波形図
【図９】従来の系統連系インバータ装置の構成を示す回路図
【図１０】同従来例におけるインバータの動作を示す波形図
【符号の説明】
１  入力電源
２  系統
３  昇圧コンバータ
３ａ  平滑コンデンサ
３ｂ  直流リアクトル
３ｃ  昇圧用スイッチング素子
３ｄ  昇圧用ダイオード
３ｅ  電力回生用スイッチング素子
４  中間段コンデンサ
５  インバータ
６  フィルタ
Ｑ1、Ｑ2、Ｑ3、Ｑ4  スイッチング素子
Ｖin  入力電圧
ＶM  中間段電圧
ＶAC  系統電圧
ｉo  出力電流
ＱF、ＱB  トランジスタ
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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