(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電源から発生する直流入力電流をＰＷＭインバータにより交流出力電流に変換して電力系統に供給する系統連系インバータ装置において、
前記インバータの出力電流を検出する電流検出手段と、
前記出力電流に基づくフィードバック電流の大きさに応じてフィードバック制御系のゲイン係数を演算するゲイン係数演算手段と、
前記ゲイン係数に基づいて出力されるパルス信号によりＰＷＭインバータを駆動する駆動手段と、を備え、
前記ゲイン係数演算手段は、前記フィードバック電流が小さい場合にゲイン係数を大きく設定する、系統連系インバータ装置。
【請求項２】
直流電源から発生する直流入力電流をＰＷＭインバータにより交流出力電流に変換して電力系統に供給する系統連系インバータ装置において、
前記インバータの出力電流を検出する電流検出手段と、
前記出力電流に基づくフィードバック電流の大きさに応じてゲイン係数を演算するゲイン係数演算手段と、を備え、
前記ゲイン係数演算手段は、数１に基づきゲイン係数Ｋを
演算する、系統連系インバータ装置。
【数１】
Ｋ＝Ｆ（Ｉｍａｘ−Ｉｊ）＋Ｋ１
但し、Ｉｍａｘ：最大出力電流値
Ｉｊ：実出力電流値
Ｋ１：最大出力電流値に対応したゲイン係数
Ｆ：定数
【請求項３】
直流電源から発生する直流入力電流をＰＷＭインバータにより交流出力電流に変換して電力系統に供給する系統連系インバータ装置において、
前記インバータの出力電流を検出する電流検出手段と、
前記出力電流に基づくフィードバック電流の大きさに応じてゲイン係数を演算するゲイン係数演算手段と、を備え、
前記ゲイン係数演算手段は、ワンチップマイコンを含む、系統連系インバータ装置。
【請求項４】
前記直流電源は、太陽電池を含む、請求項１ないし３のいずれかに記載の系統連系インバータ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
この発明は系統連系インバータ装置に関し、特にたとえば太陽電池で発生する直流入力電流を交流出力電流に変換して既存の電力系統に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】
近年、太陽電池で代表される直流の新エネルギー源を一般家庭や工場あるいは特定の地域に設置するとともに、電力会社の商用電力系統に連系し、新エネルギー源の余剰電力を既存の電力系統へ逆潮流する電力システムが実現されている。この電力システムにおいては、太陽電池で発電した直流電流をインバータにより、系統電圧に位相の一致した交流電流に変換して電力品質の基準を満たす電力を商用系統に出力することが重要である。
【０００３】
インバータは、たとえばパワーＩＣのスイッチングにより交流電流出力を行うもので、一般的なスイッチング方法としてはＰＷＭ制御がある。このＰＷＭ制御は目標信号波形を与え、実出力電流のフィードバック信号が目標信号波形に近づくように制御する手法である。
太陽光発電においては、日射量により発電電力が増減するため、入力の変化に応じて交流電流出力量を変化させる場合、この目標信号波形を変化させる（振幅を増減する）フィードバック制御を行う。すなわち、目標信号波形（指令信号）がフィードバック信号より大きい場合は出力量をアップし、逆に指令信号がフィードバック信号より小さい場合は出力量をダウンする。この制御を常に行うことで、入力偏差を少なくし、目標波形にフィードバック信号である交流出力電流を近づけることが可能となる。また、こうすることで高調波を減らすこともできる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、デジタル処理方式の場合には（たとえば、特開平７−１９４１３４号公報で開示される高速のデジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）を用いた場合を参照）、時間遅れやＡＤ変換誤差が出力波形を歪ませる原因となる。そして、マイコンでインバータを制御する場合、特に顕著である。
【０００５】
それゆえに、この発明の主たる目的は、デジタル制御においても出力電流歪みを小さくできる、系統連系インバータ装置を提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
直流電源から発生する直流入力電流をＰＷＭインバータにより交流出力電流に変換して電力系統に供給する系統連系インバータ装置において、前記インバータの出力電流を検出する電流検出手段と、前記出力電流に基づくフィードバック電流の大きさに応じてフィードバック制御系のゲイン係数を演算するゲイン係数演算手段と、前記ゲイン係数に基づいて出力されるパルス信号によりＰＷＭインバータを駆動する駆動手段と、を備え、前記ゲイン係数演算手段は、前記フィードバック電流が小さい場合にゲイン係数を大きく設定する系統連系インバータ装置である。
【０００７】
【作用】
直流入力電流を交流出力電流に変換するＰＷＭインバータの出力電流値に応じて、フィードバック制御系のゲイン係数を調整し、この調整結果に基づいて出力されるＯＮ／ＯＦＦパルス信号により半導体スイッチング素子で構成されるＰＷＭインバータの駆動を行う。
【０００８】
【発明の効果】
この発明によれば、出力電流の歪み値を入力電力が少ない低出力時においても低減させることができるので、入力電力の大きさに関係なく出力電流歪みが改善される。
この発明の上述の目的，その他の目的，特徴および利点は、図面を参照して行う以下の実施例の詳細な説明から一層明らかとなろう。
【０００９】
【実施例】
図１に示すこの発明の一実施例の系統連系インバータ装置１０は、直流電源を構成する太陽電池１２、この太陽電池１２の出力電流を直流コンデンサ１４で平滑して入力し交流出力電流に変換するＰＷＭインバータ１６、このＰＷＭインバータ１６から出力される交流電力の波形歪みやノイズ等を減らす出力フィルタ回路１８、および出力フィルタ回路１８を介してＰＷＭインバータ１６に接続される最終的な出力の負荷（電力系統）２０を含む。
【００１０】
ＰＷＭインバータ１６は、４個の半導体スイッチング素子２２，２４，２６および２８をブリッジ接続して構成され、制御装置３０から送出されるデジタル制御信号により、半導体スイッチング素子２２，２４，２６および２８がＯＮ／ＯＦＦ制御されて太陽電池１２から出力される直流電力を系統電圧に位相の一致した交流電力に変換する。また、出力フィルタ回路１８は、リアクタ３２，３２および平滑コンデンサ３４で構成される。
【００１１】
制御装置３０は、たとえばワンチップマイコンにより構成されるもので、図２に示すように、ＰＷＭインバータ１６の入力側（直流側）および出力側（交流側）の検出信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換部３６，入出力部３８，必要なデータを記憶または変更するＲＯＭおよびＲＡＭを含むメモリ部４０，演算結果とメモリ部４０に記憶されているデータ等の比較を行う比較部４２および必要な演算処理を行うＣＰＵ４４等を内部に備える。
【００１２】
直流電源１２の出力は、直流電圧検出回路（パルストランスあるいはアイソレーションアンプ）４６および直流電流検出回路（変流器）４８により検出される。また、ＰＷＭインバータ１６の出力電流は交流電流検出回路（変流器）５０により検出され、電力系統の交流電圧は交流電圧検出回路（変圧器）５２により検出される。
【００１３】
各検出回路で検出された直流側と交流側の電圧と電流に関する検出信号はワンチップマイコン３０のＡ／Ｄ変換部３６でデジタル信号に変換されて入出力部３８に送られる。ＣＰＵ４４では入出力部３８から送出されたデジタル信号、メモリ部４０に蓄積されているデータに基づき必要な演算処理を行うとともに、演算結果を比較部４２で比較し、最終の処理結果を入出力部３８からＯＮ／ＯＦＦパルス信号としてＰＷＭインバータ１６へ出力する。そして、このＯＮ／ＯＦＦパルス信号によりＰＷＭインバータ１６を駆動して、電力系統２０へ供給される出力電流を正弦波状に制御する。すなわち、Ａ／Ｄ変換部３６にフィードバック信号を取り込み、次にマイコン３０の内部演算処理によりＰＷＭ制御用パルス幅を演算し、ＰＷＭインバータ１６を駆動するパルス信号のＯＮ／ＯＦＦを出力する。
【００１４】
図３および図４には、太陽電池１２の出力電力特性（Ｐ−Ｖ特性）と出力電流特性（Ｉ−Ｖ特性）が示されている。一般に、太陽電池１２から得られる発電電力は、上述したように日射量によって変化する。したがって、ワンチップマイコンで構成される制御装置３０では、その直流電圧をフィードバック制御により最大電力を得られる電圧に制御する。そして、直流電圧を制御することは、図４に示すＩ−Ｖ特性により明らかな如く、直流電流を制御するのと実質的に等価である。
【００１５】
このようにして得られた最大電力を電力系統に出力するにあたって、変化させるパラメータが出力電流の振幅値である。ところで、電力系統の系統電圧は、通常１０１±６Ｖ、あるいは、２０２±２０Ｖ内であり、その電圧に対して、出力電流振幅値を増減させることで、出力電力を制御する。
また、出力波形の歪みを補正するために出力電流値によるゲインコントロール方法が有効である。この場合、図１０に示すようにインバータの出力波形と偏差の関係は、ゲイン係数Ｋを固定として考えると、低出力時と高出力時とでは、制御目標波形と実出力波形との偏差ΔＺが異なるため、フィードバック制御系の応答性が変わってくる。一般的にゲイン係数Ｋは定格出力時に定めた値に固定する場合が多いことから、低出力時のゲイン係数Ｋを大きくする必要がある。
【００１６】
本発明におけるＰＷＭインバータ１６の実出力電流値Ｉｊ（Ａ）とゲイン係数Ｋ（ｄＢ）の関係は、図５に示す如く、実出力電流値Ｉｊが最大値Ｉｍａｘの時、ゲイン係数Ｋは最小のＫ１で、傾きがＦであるから、実出力電流値Ｉｊの時のゲイン係数Ｋは、数２で示す比例式によって求められる。
【００１７】
【数２】
Ｋ＝Ｆ（Ｉｍａｘ―Ｉｊ）＋Ｋ１
したがって、実出力電流値Ｉｊが小さい時に、ゲイン係数Ｋは大きくなり、逆に実出力電流値Ｉｊが大きい時に、ゲイン係数Ｋは小さくなる。その結果、低出力時には、高出力時よりもゲイン係数を上げることになる。
【００１８】
なお、ゲイン係数Ｋを変更する他の方法としては、（ａ）出力電流に応じたテーブル値、（ｂ）低出力時／高出力時に分割した値、さらに（ｃ）ファジー制御により決まる値なども可能である。
つぎに、この発明の一実施例であるワンチップマイコン３０を使用したフィードバック制御による系統連系インバータ装置１０の動作を、図６および図７のフローチャートを参照して説明する。
【００１９】
図６において、ステップＳ１で直流電圧検出回路４６および直流電流検出回路４８により直流電圧ＤＣＶ（ｍ）と直流電流ＤＣＩ（ｍ）を検出し、ワンチップマイコン３０のＡ／Ｄ変換部３６でデジタル信号に変換する。ステップＳ３ではマイコン３０の入出力部３８に入力されたデジタル信号に基づきＣＰＵ４４において今回の直流電力ＤＣＰ（ｍ）を演算し、ステップＳ５ではメモリ部４０に記憶されている前回の直流電力ＤＣＰ（ｍ−１）を読み出す。
【００２０】
ステップＳ７では今回の電力ＤＣＰ（ｍ）と前回の電力ＤＣＰ（ｍ−１）を比較部４２で比較し、その結果が“ＹＥＳ”であれば、ステップＳ９で電流指令振幅Ｉｋ（ｍ）としてメモリ部４０に記憶されている前回の出力電流指令振幅Ｉｋ（ｍ−１）に１を加算し、もし“ＮＯ”であれば、ステップＳ１１で前回の出力電流指令振幅Ｉｋ（ｍ−１）から１を減算する。ステップＳ１３では今回の電力ＤＣＰ（ｍ）を前回の電力ＤＣＰ（ｍ−１）に変わってメモリ部４０に記憶し、ステップＳ１５で電流指令振幅Ｉｋ（ｍ）を出力する。
【００２１】
図７において、ステップＳ１７では、図６のステップＳ１５からの電流指令振幅Ｉｋ（ｎ）の出力がＣＰＵ４４に入力され、ステップＳ１９では電力系統の電圧位相をＡ／Ｄ変換部３６でデジタル変換した電圧指令位相Ｉｐ（ｎ）をＣＰＵ４４に入力する。
ステップＳ２１では制御目標としての電流指令値Ｉｓ（ｎ）が出力され、さらに、ステップＳ２３において交流電流検出回路５０で検出された実際の出力電流をＡ／Ｄ変換部３６でデジタル変換してフィードバック電流値Ｉａ（ｎ）を得る。ステップＳ２５では、交流電流検出回路５０で検出された出力電流をＡ／Ｄ変換部３６によりデジタル変換して実出力電流値Ｉｊ（ｎ）を得る。
【００２２】
そして、ステップＳ２７では、ＣＰＵ４４における演算処理により実出力電流値Ｉｊ（ｎ）に応じて設定されるゲイン係数Ｋ＝Ｆ（Ｉｍａｘ−Ｉｊ（ｎ））＋Ｋ１を演算により求めるとともに、ステップＳ２９で制御目標である電流指令値Ｉｓ（ｎ）とフィードバック電流値Ｉａ（ｎ）との偏差による制御偏差（ｎ）＝Ｉｓ（ｎ）−Ｉａ（ｎ）を演算で求める。最後に、ステップＳ３１で今回の制御偏差（ｎ）から前回の制御偏差（ｎ−１）を減算し、その差分にステップＳ２９で求めたゲイン係数Ｋを乗算するとともに、前回のＰＷＭ幅（ｎ−１）を加算して今回のＰＷＭ幅（ｎ）を演算で求める。そして、ステップＳ３３でＰＷＭ幅（ｎ）を出力してそれに基づくパルス信号をＰＷＭインバータ１６に入力する。
【００２３】
図８および図９は、この発明による系統連系インバータ装置１０を使用した場合の出力（５００Ｗ、２ｋＷ、４ｋＷ）をパラメータとするゲインと力率の関係およびゲインと高調波（歪み）の関係を示すグラフである。
図８および図９の各グラフより明らかなように、低出力時（５００Ｗ）の場合、ゲインが低いと力率が悪く、高調波も多くなり歪みも多い。ゲインが１６と高くなると力率も良くなり、また高調波も少なくなり歪みも改善される。一方、高出力時（４ｋＷ）の場合、ゲインが高すぎると力率はそれ程悪くないが、発振症状が混入して高調波が多くなり歪みが増すことになる。ゲインが８では力率も良く、高調波も少なく歪みも改善されている。また、中間出力時（２ｋＷ）の場合、ゲインが低すぎると力率も悪く、高調波も多くなるので、ゲインは１６と高い方が望ましいことが理解される。
【００２４】
したがって、出力量に応じてゲインを設定することが有効となり、特に、低出力時にはゲインを高く設定することにより、力率は勿論のこと出力歪みも改善された。なお、フィードバック電流は指令信号に近づくように制御されるため、指令信号の大きさからもゲイン係数を算出することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一実施例による系統連系インバータ装置の概略構成を示すブロック図である。
【図２】図１に示す制御装置を構成するワンチップマイコンのブロック図である
【図３】太陽電池の出力電力特性を示すＰ−Ｖ特性図である。
【図４】太陽電池の出力電流特性を示すＩ−Ｖ特性図である。
【図５】実施例におけるゲイン係数Ｋと実出力電流値Ｉｊの関係を示すグラフである。
【図６】図１に示す実施例の動作を説明するフローチャートである。
【図７】図６の一部を構成するフローチャートである。
【図８】実施例における系統連系インバータ装置の出力をパラメータとするゲインと力率の関係を示すグラフである。
【図９】図８と同様に出力をパラメータとするゲインと高周波（歪み）の関係を示すグラフである。
【図１０】インバータの出力波形と偏差の関係を示すグラフであある。
【符号の説明】
１０  …系統連系インバータ装置
１２  …太陽電池
１６  …ＰＷＭインバータ
２０  …負荷（電力系統）
２２，２４，２６，２８  …半導体スイッチング素子
３０  …制御装置（ワンチップマイコン）
３６  …Ａ／Ｄ変換部
３８  …入出力部
４０  …メモリ部
４２  …比較部
４４  …ＣＰＵ
４６  …直流電圧検出回路
４８  …直流電流検出回路
５０  …交流電流検出回路
５２  …交流電圧検出回路
【図１】
0003789653.tif 000002
【図２】
0003789653.tif 000003
【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】
0003789653.tif 000008
【図８】
0003789653.tif 000009
【図９】
0003789653.tif 000010
【図１０】
0003789653.tif 000011