(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電源を商用電力系統へ連系するためのインバータ主回路とインバータ制御回路とを備え、インバータ主回路と商用電力系統との間にはインバータ制御回路によって開閉される開閉手段が介在している系統連系インバータ装置において、前記商用電力系統は単相３線であって、インバータ主回路は、インバータ制御回路によってパルス幅変調を行って直流電力を商用電力に変換するように制御されるスイッチング素子と、スイッチング素子によりパルス幅変調された出力から商用周波数以外の成分を減衰するためのリアクトルとコンデンサとを含んで構成した出力フィルタと、を備え、前記開閉手段は開閉器を備え、前記開閉器を中性線以外の２線と前記出力フィルタとの間にそれぞれ介在させるとともに、前記商用電力系統の中性線と前記出力フィルタ中のコンデンサの中点との間を電流抑制手段を介して接続し、且つ前記それぞれの開閉器の投入タイミングに所定の時間差を設けたことを特徴とする系統連系インバータ装置。
【請求項２】
前記それぞれの開閉器の投入タイミングの時間差を維持しながら投入順序を定期的に入れ換えるようにしたことを特徴とする請求項１記載の系統連系インバータ装置。
【請求項３】
前記それぞれの開閉器の少なくともいずれか一方を半導体スイッチング素子にて構成するとともに、この一方の半導体スイッチング素子に与える制御信号を他方の開閉器に与える制御信号から生成するための、信号遅延回路とゼロクロストリガ回路とを設けてあ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、太陽電池などの直流電源を交流電源に変換し、商用電力系統に連系する系統連系インバータ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
太陽電池などの直流電源を交流電源に変換して商用電力系統に連系する系統連系インバータ装置は、特開平８−４７１７６号公報に記載されるような構成をなしており、その概略は、図８に示すように、太陽電池などの直流電源１、インバータ主回路２、インバータ制御回路３、開閉手段４とにより構成され、開閉手段４により商用電力系統５に接続される。インバータ主回路２は、インバータ制御回路３によって制御されるスイッチング素子２１の出力端に、リアクトル２２とコンデンサ２３とからなる出力フィルタ２４を接続して構成される。インバータ制御回路３は、出力フィルタ２４内に設けた電流検出器２５からの電流信号と出力端電圧の電圧信号とに基づいて電流制御を行うとともに開閉手段４の開閉制御を行い、商用電力系統５に電力を供給する。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述の系統連系インバータ装置にあっては、出力フィルタ内のコンデンサ２３が開閉手段４を介して商用電力系統５に直接接続されるために、インバータの起動時など、インバータの出力電圧が未確定の状態で開閉手段４が投入状態となると、コンデンサ２３の初期電荷がゼロで見かけ上のインピーダンスが低く、商用電力系統５からコンデンサ２３へ比較的大きな突入電流Ｉa が流れる場合がある。そして、この突入電流Ｉa により、前記開閉手段４の接点寿命が短くなり、また配線上のインピーダンスの影響により不要な電圧降下が生じ、前述のインバータ制御回路３への電圧信号が不正確になり、商用電力系統５への電力供給制御の誤動作が生じるという問題点があった。
【０００４】
本発明は上記の問題点を解決するためになされたもので、その目的とするところは、起動時に商用電力系統から系統連系インバータ装置に流入する突入電流を抑制することによって開閉手段の長寿命化を図るとともに、不要な電圧降下の抑制を図ることによって商用電力系統への電力供給制御の誤動作の生じない、優れた系統連系インバータ装置を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記の問題点を解決するため、請求項１記載の発明にあっては、直流電源を商用電力系統へ連系するためのインバータ主回路とインバータ制御回路とを備え、インバータ主回路と商用電力系統との間にはインバータ制御回路によって開閉される開閉手段が介在している系統連系インバータ装置において、商用電力系統は単相３線であって、インバータ主回路は、インバータ制御回路によってパルス幅変調を行って直流電力を商用電力に変換するように制御されるスイッチング素子と、スイッチング素子によりパルス幅変調された出力から商用周波数以外の成分を減衰するためのリアクトルとコンデンサとを含んで構成した出力フィルタと、を備え、開閉手段は開閉器を備え、開閉器を中性線以外の２線と出力フィルタとの間にそれぞれ介在させるとともに、商用電力系統の中性線と出力フィルタ中のコンデンサの中点との間を電流抑制手段を介して接続し、且つそれぞれの開閉器の投入タイミングに所定の時間差を設けたことを特徴とする。
【０００７】
請求項２記載の発明にあっては、前記それぞれの開閉器の投入タイミングの時間差を維持しながら投入順序を定期的に入れ換えるようにしたことを特徴とする。
【０００８】
請求項３の発明にあっては、前記それぞれの開閉器の少なくともいずれか一方を半導体スイッチング素子にて構成するとともに、この一方の半導体スイッチング素子に与える制御信号を他方の開閉器に与える制御信号から生成するための、信号遅延回路とゼロクロストリガ回路とを設けてあることを特徴とする。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る系統連系インバータ装置の、第１の実施の形態を図１および図２に基づいて、第２の実施の形態を図３に基づいて、第３の実施の形態を図４〜図７に基づいて、それぞれ詳細に説明する。
【００１０】
〔第１の実施の形態〕
図１は系統連系インバータ装置を示す回路構成図、図２は系統連系インバータ装置の動作を説明するタイミングチャートである。なお、図１において、従来の技術で説明した系統連系インバータ装置と同等の箇所には同じ符号を付してある。
【００１１】
図１に示すように、系統連系インバータ装置は、直流電源１と、インバータ主回路２と、インバータ制御回路３と、開閉手段４とにより構成され、開閉手段４により商用電力系統５に接続される。直流電源１は、太陽電池あるいは風力発電機などの出力する電力を蓄える蓄電池を含んで構成される。直流電源１からの直流電力は、インバータ主回路２に入力される。インバータ主回路２は、スイッチング素子２１と、リアクトル２２とコンデンサ２３とからなる出力フィルタ２４とを含んで構成される。スイッチング素子２１は、インバータ制御回路３から与えられるＰＷＭ（パルス幅変調）指令によって、直流電源１からの直流電力をスイッチングすることによって、商用交流電力へ変換する。
【００１２】
出力フィルタ２４は、スイッチングに伴って発生する高周波成分を除去し、６０Ｈｚあるいは５０Ｈｚの商用周波数成分のみを出力する。開閉手段４は開閉器ＲＹ1 ，ＲＹ2 から構成され、開閉器ＲＹ1 ，ＲＹ2 は商用電力系統５の中性線以外の線路との間に介在される。また、商用電力系統５の中性線は、電流抑制手段に相当する抵抗器６を介してコンデンサ２３の中性点に接続される。インバータ制御回路３は、出力フィルタ２４内に設けた電流検出器２５からの電流信号とコンデンサ２３の両端である出力端電圧の電圧信号とに基づいて、スイッチング素子２１に対してＰＷＭ（パルス幅変調）指令を与えて電流制御を行うとともに、開閉手段４の開閉制御をも行う。
【００１３】
ところで、インバータ制御回路３は、開閉手段４すなわち開閉器ＲＹ1 ，ＲＹ2 の開閉制御にあたって、図２（ａ）と図２（ｂ）とに示すように、投入時のタイミングに一定の時間間隔Ｔ1 が設定されている。すなわち、系統連系インバータ装置の起動時など、コンデンサ２３の電荷がゼロの状態から運転した場合、先ず開閉器ＲＹ1 がインバータ制御回路３からの制御信号によって投入状態となり、電流Ｉ1 が、商用電力系統５→開閉器ＲＹ1 →コンデンサ２３→抵抗器６の経路で流れる。この電流Ｉ1 は、図２（ｃ）に示すように、抵抗器６の無い場合に流れる電流のピーク値ＩＰ11に比べて、抵抗器６による制限効果によって実際に流れる電流はＩＰ12と低い値を示す。
【００１４】
その後、時間Ｔ1 後に、開閉器ＲＹ2 がインバータ制御回路３からの制御信号によって投入状態となり、電流Ｉ2 が、商用電力系統５→開閉器ＲＹ1 →コンデンサ２３→開閉器ＲＹ2 の経路で流れる。この電流Ｉ2 は、従来の系統連系インバータ装置にあっては、系統連系インバータ装置の起動時など中性線に対して各相の過渡的な電圧バランスが崩れることによって、最大２００ＶＡＣがコンデンサ２３中の片相のコンデンサに印加され、最大２００ＶＡＣに対応した電流ピーク値ＩＰ21が流れる恐れがあった。しかしながら、本構成の系統連系インバータ装置にあっては、開閉器ＲＹ1 の先行投入により相間電圧のバランスが崩れることがなく、片相のコンデンサへの印加電圧は１００ＶＡＣを超えない。従って、開閉器ＲＹ2 の投入時の電流Ｉ2 は、図２（ｄ）に示すように、２００ＶＡＣに対応する電流ピーク値ＩＰ21よりも低い、電流ピーク値ＩＰ22になる。しかも、開閉器ＲＹ1 ，ＲＹ2 の両者共に投入されている際には、系統電圧がバランスされていることもあり、抵抗器６に流れる電流は略ゼロとなる。
【００１５】
つまり、上述のような系統連系インバータ装置にあっては、系統連系インバータ装置と商用電力系統５との間の電力伝達時の電力損失がほとんど無く、開閉手段４すなわち開閉器ＲＹ1 ，ＲＹ2 の投入時における商用電力系統５から系統連系インバータ装置への突入電流の流入の抑制を実現できる。
【００１６】
〔第２の実施の形態〕
図３は系統連系インバータ装置の開閉器を駆動するための制御信号を説明するタイミングチャートである。この第２の実施の形態の系統連系インバータ装置が、第１の実施の形態の系統連系インバータ装置と異なり特徴となるのは、図３に示すように、開閉器ＲＹ1 ，ＲＹ2 の開閉制御にあたって、開閉器ＲＹ1 を投入してから時間Ｔ1 後に開閉器ＲＹ2 を投入する場合と、開閉器ＲＹ2 を投入してから時間Ｔ1 後に開閉器ＲＹ1 を投入する場合とを、系統連系インバータ装置の起動毎にあるいは定期的に、交互に繰り返すようにしたことである。
【００１７】
すなわち、第１の実施の形態の系統連系インバータ装置にあっては、各突入電流ピーク値ＩＰ12，ＩＰ22の内、最初に投入される開閉器ＲＹ1 に流れる突入電流ピーク値ＩＰ12は、抵抗器６の値によって任意に制限することができるものの、次に投入される開閉器ＲＹ2 に流れる突入電流ピーク値ＩＰ22は、系統電圧に依存するだけで電流ピーク値ＩＰ12のようには小さくすることはできず、ＩＰ22＞ＩＰ12の関係にあり、最初に投入される開閉器ＲＹ1 の接点よりも後から投入される開閉器ＲＹ2 の接点の方に負担がかかる。
【００１８】
しかしながら、上述のような第２の実施の形態の系統連系インバータ装置にあっては、開閉器ＲＹ1 ，ＲＹ2 の開閉制御にあたって、開閉器ＲＹ1 を投入してから時間Ｔ1 後に開閉器ＲＹ2 を投入する場合と、開閉器ＲＹ2 を投入してから時間Ｔ1 後に開閉器ＲＹ1 を投入する場合とを交互に繰り返すので、投入時にかかる突入電流の負担が開閉器ＲＹ1 ，ＲＹ2 の各々に分散することが可能になり、総合的にみて開閉手段４の寿命を延長できる。
【００１９】
〔第３の実施の形態〕
図４は系統連系インバータ装置の要部を示す回路構成図、図５は系統連系インバータ装置の動作を説明するタイミングチャート、図６は系統連系インバータ装置のゼロクロストリガ回路の一例を示す回路構成図、図７は系統連系インバータ装置のゼロクロストリガ回路の動作を説明するタイミングチャートである。なお、図４において、第１の実施の形態で説明した系統連系インバータ装置と同等の箇所には同じ符号を付し、その詳細な説明を省略する。
【００２０】
この図４に示す系統連系インバータ装置が、第１の実施の形態で説明した系統連系インバータ装置と異なり特徴となるのは、第１の実施の形態の系統連系インバータ装置における開閉器ＲＹ2 を、半導体スイッチング素子に相当する例えばトライアックＱにて置き換えるとともに、信号遅延回路７とゼロクロストリガ回路８と駆動回路９とを設けた構成である。
【００２１】
ゼロクロストリガ回路８は、例えば図６に示すように、緩衝増幅器８０と、抵抗８１，８２と、トランジスタ８３と、ダイオードブリッジ８４と、コンデンサ８５と、オペアンプ８６とを含んで構成される。また、駆動回路９は、抵抗９０と、フォトトライアックカプラ９１とを含んで構成される。そして、緩衝増幅器８０の出力部は抵抗８１の一端に接続し、抵抗８１の他端はフォトトライアックカプラ９１の発光ダイオードを介してトランジスタ８３のコレクタに接続する。トランジスタ８３のエミッタとベースとはダイオードブリッジ８４の出力部に接続する。
【００２２】
ダイオードブリッジ８４の入力部の一方は接地している。ダイオードブリッジ８４の入力部の他方は、微分回路を構成する抵抗８２とコンデンサ８５との接続点に接続しており、抵抗８２の他端は接地され、コンデンサ８５の他端はオペアンプ８６の出力部に接続している。オペアンプ８６の入力部の一方は商用電力系統５の中性線に接続しており、オペアンプ８６の入力部の他方はトライアックＱの挿入された相の商用電力系統５側に接続している。また、緩衝増幅器８０の入力部には、信号遅延回路７の出力部が接続している。
【００２３】
従って、オペアンプ８６には図７（ａ）に示すような商用電力系統５の商用電圧Ｖs が入力され、オペアンプ８６は、商用電圧Ｖs のゼロクロス時点に立ち上がり立ち下がりするところの、商用電圧Ｖs の半サイクルに同期する図７（ｂ）に示すような矩形波信号Ｖ0 を出力する。そして、ダイオードブリッジ８４には図７（ｃ）に示すような矩形波信号Ｖ0 の微分波形Ｖd が入力され、ダイオードブリッジ８４は、図７（ｄ）に示すような商用電圧Ｖs のゼロクロス時点毎に立ち上がるパルス信号Ｖp を出力し、トランジスタ８３はパルス信号Ｖp に同期してオンすることになる。
【００２４】
つまり、時刻ｔ1 にHighになる図７（ｅ）に示すような信号Ｓ1 が信号遅延回路７から緩衝増幅器８０に入力されると、時刻ｔ1 以降は、フォトトライアックカプラ９１のトライアックをオンするトリガ電流Ｉt が、商用電圧Ｖs のゼロクロス時点毎にフォトトライアックカプラ９１の発光ダイオードに流れることになり、トライアックＱは時刻ｔ1 以降の最初のゼロクロス時点ｔ2 から実質的にオン状態になる。
【００２５】
次に、図４に示す系統連系インバータ装置の動作を図５を用いて説明する。図５（ａ）に示すようにインバータ制御回路３からの制御信号に基づいて開閉器ＲＹ1 が時刻ｔ0 に投入されると、第１の実施の形態の系統連系インバータ装置にて説明したのと同様に、開閉器ＲＹ1 に図５（ｅ）に示すような電流Ｉ1 が、商用電力系統５→開閉器ＲＹ1 →コンデンサ２３→抵抗器６の経路で流れる。信号遅延回路７は、図５（ｂ）に示すように、時刻ｔ0 から遅延時間Ｔ2 遅れた時刻ｔ1 にHighになる信号Ｓ1 を、ゼロクロストリガ回路８の緩衝増幅器８０へ出力する。
【００２６】
従って、ゼロクロストリガ回路８は、図５（ｄ）に示すような商用電力系統５の商用電圧Ｖs における時刻ｔ1 以降の最初のゼロクロス時点ｔ2 から、図５（ｃ）に示すようにトライアックＱをオンすることになり、図５（ｆ）に示すように、電流Ｉ2 が、ゼロクロス時点ｔ2 から、商用電力系統５→開閉器ＲＹ1 →コンデンサ２３→トライアックＱの経路で流れる。
【００２７】
つまり、上述のような系統連系インバータ装置にあっては、開閉器ＲＹ1 が投入されることによる商用電力系統５からの電流Ｉ1 の突入電流ピーク値ＩＰ12に関しては、第１の実施の形態の系統連系インバータ装置と同様に抵抗器６によって充分に抑制することができ、且つ、トライアックＱがオンされることによる商用電力系統５からの電流Ｉ2 の突入電流ピーク値ＩＰ22に関しては、開閉器ＲＹ1 の投入タイミングにかかわらず、必ず商用電力系統５の商用電圧Ｖs のゼロクロスのタイミングでトライアックＱがオンされるため、電流Ｉ2 はゼロから略正弦波状に流れ出して、無対策時の電流Ｉ2 の突入電流ピーク値ＩＰ21に比べて低い値に抑えることができる。
【００２８】
なお、ゼロクロストリガ回路は、図６に示すものに限定されるものではなく、公知の各種のゼロクロストリガ回路を採用することができる。また、開閉器ＲＹ2 のみでなく開閉器ＲＹ1 をも、ゼロクロストリガ回路により駆動されるトライアックなどの半導体スイッチング素子にすることができる。
【００２９】
【発明の効果】
請求項１記載の発明によれば、開閉手段を構成する開閉器を中性線以外の２線と前記出力フィルタとの間にそれぞれ介在させるとともに、商用電力系統の中性線と出力フィルタ中のコンデンサの中点との間を電流抑制手段を介して接続し、且つそれぞれの開閉器の投入タイミングに所定の時間差を設けるようにしているので、商用電力系統から出力フィルタ中のコンデンサへ流入する突入電流を抑制でき、開閉手段の寿命を延長することができ、また配線上のインピーダンスの影響による不要な電圧降下によるインバータ制御回路の誤動作を解消できる、優れる系統連系インバータ装置を提供できるという効果を奏する。
【００３１】
請求項２記載の発明によれば、請求項１記載の発明の効果に加えて更に、それぞれの開閉器の投入タイミングの時間差を維持しながら投入順序を定期的に入れ換えるようにしているので、開閉手段の寿命を更に延長することができる、優れる系統連系インバータ装置を提供できるという効果を奏する。
【００３２】
請求項３記載の発明によれば、請求項１記載の発明の効果に加えて更に、それぞれの開閉器の少なくともいずれか一方を半導体スイッチング素子にて構成するとともに、この一方の半導体スイッチング素子に与える制御信号を他方の開閉器に与える制御信号から生成するための、信号遅延回路とゼロクロストリガ回路とを設けてあるので、商用電力系統から出力フィルタ中のコンデンサへ流入する突入電流を抑制でき、開閉手段の寿命を延長することができ、また配線上のインピーダンスの影響による不要な電圧降下によるインバータ制御回路の誤動作を解消できる、優れる系統連系インバータ装置を提供できるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る第１の実施の形態の系統連系インバータ装置を示す回路構成図である。
【図２】上記の系統連系インバータ装置の動作を説明するタイミングチャートである。
【図３】本発明に係る第２の実施の形態の系統連系インバータ装置の開閉手段を駆動するための制御信号を説明するタイミングチャートである。
【図４】本発明に係る第３の実施の形態の系統連系インバータ装置の要部を示す回路構成図である。
【図５】上記の系統連系インバータ装置の動作を説明するタイミングチャートである。
【図６】上記の系統連系インバータ装置のゼロクロストリガ回路の一例を示す回路構成図である。
【図７】上記の系統連系インバータ装置のゼロクロストリガ回路の動作を説明するタイミングチャートである。
【図８】従来の系統連系インバータ装置を示す回路構成図である。
【符号の説明】
１      直流電源
２      インバータ主回路
３      インバータ制御回路
４      開閉手段
５      商用電力系統
６      電流抑制手段
７      信号遅延回路
８      ゼロクロストリガ回路
２１    スイッチング素子
２２    リアクトル
２３    コンデンサ
２４    出力フィルタ
Ｑ      半導体スイッチング素子
ＲＹ1   開閉器
ＲＹ2   開閉器
【図１】
0003791157.tif 000002
【図２】
0003791157.tif 000003
【図３】
0003791157.tif 000004
【図４】
0003791157.tif 000005
【図５】
0003791157.tif 000006
【図６】
0003791157.tif 000007
【図７】
0003791157.tif 000008
【図８】
0003791157.tif 000009