(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電源と、前記直流電源の出力を昇圧する昇圧コンバータと、前記昇圧コンバータで昇圧された電圧に含まれている高周波成分を除去する中間段コンデンサと、複数のスイッチング素子をブリッジ接続してなり前記中間段コンデンサを介して前記昇圧コンバータに接続したインバータと、前記インバータの出力から高周波成分を除去するリアクトルと出力コンデンサと、前記リアクトルと出力コンデンサにより高周波成分が除去された商用周波数の交流を系統に出力する系統リレーと、系統の停電の有無を検知する停電検知手段と、前記リアクトルに流れる電流を検出して信号を出力する電流検出手段と、前記リアクトルと出力コンデンサにより高周波成分が除去される前の前記インバータの出力電圧を積分して得られた一定のリップルをもつ電圧信号を出力する出力電圧検知手段と、正弦波波形を示す信号を発生する正弦波発生手段と、前記出力電圧検知手段または前記電流検出手段のどちらか一方の信号と前記正弦波発生手段の信号とから前記複数のスイッチング素子をヒステリシス制御で駆動するコンパレータとを備え、前記停電検知手段が停電を検知しておらず系統が正常状態の場合は、前記コンパレータが前記正弦波発生手段の信号と前記電流検出手段の信号とから前記複数のスイッチング素子をヒステリシス制御で駆動するが、前記停電検知手段が系統の停電を検知した後は、前記コンパレータが前記正弦波発生手段の信号と前記出力電圧検知手段の信号とから前記複数のスイッチング素子をヒステリシス制御で駆動する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、燃料電池等の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４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、直流電源１と、昇圧コンバータ２と、中間段コンデンサ３と、ハーフブリッジインバータ４及び５と、出力から高周波リップルを除去する限流コイル６と、出力コンデンサ７とを備えている。直流電源１には、太陽電池或いは燃料電池を使用している。
【０００３】
以上の構成で、直流電源１の出力を昇圧コンバータ２によって高周波の高電圧に変換し、ハーフブリッジインバータ４及び５が構成している４個のスイッチング素子によって商用周波数の正弦波交流に変換して、限流コイル６と出力コンデンサ７を介して系統１０に出力しているものである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
前記従来の構成の系統連系インバータは、系統の電源が停電したときに、商用周波数の正弦波の電圧を供給することが困難であるという課題を有している。
【０００５】
すなわち、従来の構成の系統連系インバータは、限流コイル６に流れる電流を電流検出手段１２によって検出し、この電流の波形を正弦波発生手段１３が発生する正弦波信号と比較して、この差を補正するように４個のスイッチング素子を駆動しているものである。停電時には、限流コイル６に流れる電流が停電時に接続されている負荷の種類によって大きく変動するために、前記正弦波信号との差を補正するという制御を実行することは困難となるものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、直流電源と、前記直流電源の出力を昇圧する昇圧コンバータと、前記昇圧コンバータで昇圧された電圧に含まれている高周波成分を除去する中間段コンデンサと、複数のスイッチング素子をブリッジ接続してなり前記中間段コンデンサを介して前記昇圧コンバータに接続したインバータと、前記インバータの出力から高周波成分を除去するリアクトルと出力コンデンサと、前記リアクトルと出力コンデンサにより高周波成分が除去された商用周波数の交流を系統に出力する系統リレーと、系統の停電の有無を検知する停電検知手段と、前記リアクトルに流れる電流を検出して信号を出力する電流検出手段と、前記リアクトルと出力コンデンサにより高周波成分が除去される前の前記インバータの出力電圧を積分して得られた一定のリップルをもつ電圧信号を出力する出力電圧検知手段と、正弦波波形を示す信号を発生する正弦波発生手段と、前記出力電圧検知手段または前記電流検出手段のどちらか一方の信号と前記正弦波発生手段の信号とから前記複数のスイッチング素子をヒステリシス制御で駆動するコンパレータとを備え、前記停電検知手段が停電を検知しておらず系統が正常状態の場合は、前記コンパレータが前記正弦波発生手段の信号と前記電流検出手段の信号とから前記複数のスイッチング素子をヒステリシス制御で駆動するが、前記停電検知手段が系統の停電を検知した後は、前記コンパレータが前記正弦波発生手段の信号と前記出力電圧検知手段の信号とから前記複数のスイッチング素子をヒステリシス制御で駆動することで、自立運転時にも正確な正弦波の電圧を供給できる系統連系インバータとしている。
【０００７】
【発明の実施の形態】
請求項１に記載した発明は、直流電源と、前記直流電源の出力を昇圧する昇圧コンバータと、前記昇圧コンバータで昇圧された電圧に含まれている高周波成分を除去する中間段コンデンサと、複数のスイッチング素子をブリッジ接続してなり前記中間段コンデンサを介して前記昇圧コンバータに接続したインバータと、前記インバータの出力から高周波成分を除去するリアクトルと出力コンデンサと、前記リアクトルと出力コンデンサにより高周波成分が除去された商用周波数の交流を系統に出力する系統リレーと、系統の停電の有無を検知する停電検知手段と、前記リアクトルに流れる電流を検出して信号を出力する電流検出手段と、前記リアクトルと出力コンデンサにより高周波成分が除去される前の前記インバータの出力電圧を積分して得られた一定のリップルをもつ電圧信号を出力する出力電圧検知手段と、正弦波波形を示す信号を発生する正弦波発生手段と、前記出力電圧検知手段または前記電流検出手段のどちらか一方の信号と前記正弦波発生手段の信号とから前記複数のスイッチング素子をヒステリシス制御で駆動するコンパレータとを備え、前記停電検知手段が停電を検知しておらず系統が正常状態の場合は、前記コンパレータが前記正弦波発生手段の信号と前記電流検出手段の信号とから前記複数のスイッチング素子をヒステリシス制御で駆動するが、前記停電検知手段が系統の停電を検知した後は、前記コンパレータが前記正弦波発生手段の信号と前記出力電圧検知手段の信号とから前記複数のスイッチング素子をヒステリシス制御で駆動することで、自立運転時にも正確な正弦波の電圧を供給できる系統連系インバータとしている。
【０００８】
【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、太陽電池や燃料電池によって構成している直流電源１を入力として使用し、この直流電源１から供給された電力を商用周波数の交流に変換して、自立リレー８または系統リレー９を介して系統１０に出力するものである。
【０００９】
直流電源１に接続している昇圧コンバータ２は、直流電源１から供給された電圧を系統１０の電圧より高い電圧に高周波で昇圧する。昇圧コンバータ２に接続している中間段コンデンサ３は、数１００μＦ程度以下の容量を有するものを使用しており、昇圧された電圧に含まれている高周波成分を除去するように作用する。２個のスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２によって構成しているハーフブリッジインバータ４は、前記中間段コンデンサ３から入力されている入力電圧が系統１０の電圧に比べて低い領域ではこの電圧を降圧するように作用する。また、２個のスイッチング素子Ｑ３、Ｑ４によって構成しているハーフブリッジインバータ５は、前記ハーフブリッジインバータ４が出力する出力電圧の極性を正負に切り換えるように作用している。限流コイル６は、一般にリアクトルと称されており、出力コンデンサ７と共に、前記ハーフブリッジインバータ４，５が出力している電圧から高周波リップルを除去するように作用しているものである。
【００１０】
前記４個のスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３、Ｑ４は、コンパレータ１４によって制御されている。コンパレータ１４は、正弦波発生手段１３が発生している正弦波信号に所定の大きさのヒステリシス幅を設けた基準値を有しており、この基準値と前記限流コイル６に流れる出力電流を検出している電流検出手段１２の信号と、前記４個のスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３、Ｑ４の出力電圧を検知する出力電圧検知手段の信号のどちらかとを比較して、４個のスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３、Ｑ４を制御している。
【００１１】
前記出力電圧検知手段は、４個のスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３、Ｑ４を形成する一方のアームＱ１、Ｑ２のエミッタとコレクタの接続点に接続している第２の分圧回路１７と、他方のアームＱ３、Ｑ４のエミッタとコレクタの接続点に接続している第１の分圧回路１６と、減算回路１８と、積分回路１９とによって構成している。第１の分圧回路１６は、抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２によって、第２の分圧回路１７は抵抗Ｒ３と抵抗Ｒ４によって構成している。減算回路１８は、オペアンプ１８ａと、マイナス側入力抵抗１８ｂと、プラス側入力抵抗１８ｃと、帰還抵抗１８ｄによって構成している。積分回路１９は、コンデンサ１９ａと抵抗１９ｂによって構成している。
【００１２】
以下、本実施例の系統連系インバータの動作について説明する。中間段コンデンサ３の電圧は、系統１０に電力を注入するために、系統１０の電圧より少なくとも数１０Ｖ程度は高くなければならない。このため、４個のスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３、Ｑ４を制御するコンパレータ１４は、図２に示しているような制御を実行している。図２と図３は、各瞬時での４個のスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３、Ｑ４を駆動する駆動波形を示しており、図２は通常時の特性を、図３は停電時の特性を示している。
【００１３】
系統が正常状態である場合、すなわち停電していない状態での動作を系統連系時の動作と称する。系統連系時には、系統リレー９はオン、自立リレー８はオフである。そこで、例えば入力電圧がＤＣ２００Ｖで系統１０の電圧がＡＣ２００Ｖであるとすると、ハーフブリッジインバータ４とハーフブリッジインバータ５を構成しているスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３、Ｑ４は系統電圧の絶対値が入力電圧よりも大きい期間（４〜５ｍｓ）は、商用周波数の極性切換動作を行っている。この極性切換動作によって、限流コイル６に流れる出力電流は正弦波となっているものである。すなわち、コンパレータ１４は出力電流が正弦波となるように、昇圧コンバータ２のスイッチング素子ＱＢ、ＱＦを制御している。また、入力電圧が系統電圧の絶対値以上である期間は昇圧コンバータ２の駆動を停止し、前記ハーフブリッジインバータ４を構成しているスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２を高周波スイッチング動作させて、限流コイル６に流れる電流の低周波成分が正弦波になるように制御している。なお、Ｑ４がオンの時で、Ｑ１がオンＱ２がオフの場合には、限流コイル６には中間段コンデンサ３の両端の電圧ＶＭから出力コンデンサ７の両端の電圧ＶＯを減じたＶＭ−ＶＯが印加される。このため、Ｑ４がオンの時は限流コイル６に流れる電流が増加する。また、Ｑ１がオフ、Ｑ２がオンの時は−ＶＯが印加されるので、限流コイル６に流れる電流は減少する。
【００１４】
電流検出手段１２は限流コイル６に流れる電流を検出してコンパレータ１４に伝達している。コンパレータ１４は、この電流信号を正弦波発生手段１３が出力している上限と下限を有する正弦波信号の指令値と比較しており、限流コイル６に流れている電流が前記指令値の上限を越えた時には、Ｑ１をオフＱ２をオンに、また下限を下回った時はＱ１をオンＱ２をオフに制御している。この制御は高速で行われるものであり、この結果スイッチング素子Ｑ１とＱ２とは高周波でオンオフを繰り返すものである。
【００１５】
系統に停電が発生したときは、停電検知手段１１が停電であることを検知する。このときは、コンパレータ１４は自立運転を実行するものである。すなわち、コンパレータ１４は停電検知手段１１からの信号で停電を検知すると、コンパレータ１４に入力する信号を前記電流検出手段１２の信号から、ハーフブリッジインバータ４とハーフブリッジインバータ５の出力電圧Ｖｉｏに切り換える。停電の時は、系統リレー９はオフ、自立リレー８はオンとなり、ハーフブリッジインバータ４とハーフブリッジインバータ５の出力は自立リレー８を介して出力される。このとき、ハーフブリッジインバータ４の出力は第１の分圧回路１６で、ハーフブリッジインバータ５の出力は第２の分圧回路１７でそれぞれ分圧されている。この分圧信号は、減算回路１８に伝達されている。オペアンプ１８ａは、前記減算回路１８から伝達される信号によってマイナス側端子を基準電位としたＶｉｏ信号を検出する。例えば、Ｑ４オンの極性においてＱ１がオンＱ２がオフした場合、Ｖｉｏ＝入力電圧、Ｑ１がオフＱ２がオンした時はＶｉｏ＝０といったパルス列となる。さらにこのＶｉｏ信号は抵抗１９ｂとコンデンサ１９ａからなる積分回路１９で一定のリップルをもつ電圧信号に変換される。前記電圧検出手段が検出したインバータの出力電圧Ｖｉｏを示す信号は、正弦波発生手段１３から出力される上限と下限を有する正弦波状の指令値とコンパレータ１４で比較される。コンパレータ１４は、インバータの出力電圧Ｖｉｏの積分値が前記指令値の上限を越えた時には、Ｑ１はオフ、Ｑ２をオンとするように制御する。また、下限を下回った時は、Ｑ１をオン、Ｑ２をオフとするように制御する。このため、ハーフブリッジインバータ４とハーフブリッジインバータ５の出力は、系統が正常状態である場合と同様に正弦波形の電圧を出力するものである。
【００１６】
以上のように本実施例によれば、限流コイル６に流れる電流を、上限と下限をもつ正弦波状の指令値と比較して、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３、Ｑ４のオンオフを決定するようにして、系統１０が停電した時には限流コイル６を流れる電流の代わりにインバータ出力電圧を積分値として検出し、これを系統連系時と同様に上限と下限をもつ正弦波状の指令値と比較してスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３、Ｑ４のオンオフを決定するようにして、制御回路の大部分を従来の制御回路と共用化でき、安価な構成で自立運転時にも正確な正弦波の電圧を供給できる系統連系インバータを実現するものである。
【００１７】
なお本実施例では、インバータは高周波スイッチングを行うハーフブリッジインバータの出力を商用周波数で切り換える動作としたが、４石が全て高周波スイッチングする構成でも同様であることは言うまでもない。
【００１８】
【発明の効果】
本発明によれば、自立運転時にも正確な正弦波の電圧を供給できる系統連系インバータを実現するものである。
【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】  同、系統連系時の各部の動作を示す波形図
【図３】  同、停電時の各部の動作を示す波形図
【図４】  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    入力電源
２    昇圧コンバータ
３    中間段コンデンサ
４    ハーフブリッジインバータ
５    ハーフブリッジインバータ
６    限流コイル
７    出力コンデンサ
８    自立リレー
９    系統リレー
１０  系統
１１  停電検知手段
１２  電流検出手段
１３  正弦波発生手段
１４  コンパレータ
１５  検知信号切換手段
１６  第１の分圧回路
１７  第２の分圧回路
１８  減算回路
１９  積分回路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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