JP3234358B2 - インバータの単独運転検出のための出力変調方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、電圧型電流制御方式の
インバータの単独運転検出のための出力変調方法に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】近年における地球環境保護意識の高まり
によって、環境汚染のないクリーンエネルギー、中でも
太陽電池を利用した太陽光発電が注目されている。太陽
光発電においては、その発電電力が太陽の日射量に応じ
て大きく変動するため、電力の安定供給及び余剰発電電
力の有効利用を図るために、インバータによる商用電力
系統との連系運転が行われる。

【０００３】インバータの連系運転が行われているとき
に、商用電力系統が停電すると、インバータが単独運転
状態となる可能性がある。単独運転状態が継続すると停
電の復旧作業の安全性が損なわれるので、単独運転状態
となったことをできるだけ早く検出し、迅速にインバー
タの運転を停止させ又は商用電力系統から切り離す必要
がある。

【０００４】そこで、インバータの単独運転状態を検出
する方法として、インバータの出力に１０Ｈｚ程度の低
い周波数で振幅変調されたゆらぎ成分を含ませておき、
このゆらぎ成分を検出することが行われている。

【０００５】従来において、インバータの出力にゆらぎ
成分を含ませるために、ゆらぎ成分の周波数で発振する
発振回路をハード的に構成しておき、その出力をインバ
ータの制御回路に加算することによって変調を行なって
いた（例えば特開平３―１７４６１０号公報）。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】従来においては、発振
回路及びその出力信号により変調を行うための加算回路
などがハード的に構成されているため、部品点数が増加
してコストの増大の原因となっているとともに、インバ
ータの種々の運転条件に適応するための調整が容易では
ないという問題があった。

【０００７】本発明は、上述の問題に鑑み、部品点数の
増加などによるコスト増大の問題を生じることなく、容
易にゆらぎ成分を含ませることのできる出力変調方法を
提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明に係る方
法は、上述の課題を解決するため、太陽電池からの入力
電圧と電圧指令値との差に応じて生成される電流指令値
に基づいて出力電流が制御される電圧型電流制御方式の
インバータにおいて、太陽電池の出力電圧が、該太陽電
池の最適動作点に対応して設定された最適動作目標値を
挟む上下の２つの値の範囲にある場合には電圧指令値と
して該２つの値を所定の周期で交互に設定し、そうでな
い場合には該太陽電池に対する最大電力追尾動作に基づ
き、前記周期で該電圧指令値を設定する出力変調方法で
ある。

【０００９】

【００１０】

【００１１】請求項２の発明に係る方法は、前記最大電
力追尾動作における電圧指令値の１回の変化幅を、前記
太陽電池の最適動作点に対応して設定された最適動作目
標値と入力電圧との差の大小に応じて変化させる出力変
調方法である。

【００１２】

【作用】出力変調のために、電圧指令値が、太陽電池の
最適動作点に対応して設定された最適動作目標値を挟む
上下の２つの値に所定の周期で交互に設定される。この
ように設定された電圧指令値と太陽電池からの入力電圧
との差に応じた入力誤差値が求められ、この入力誤差値
に基づいて電流指令値が生成され、インバータの出力電
流が制御される。これによってインバータの出力にゆら
ぎ成分がのせられる。

【００１３】また、電圧指令値の２つの設定値が、太陽
電池の最適動作目標値を挟む上下の値とされることによ
り、該太陽電池のほぼ最大電力を出力するように動作す
る。 更に、前記太陽電池からの入力電圧が、前記電圧指
令値の２つの設定値の範囲にない場合には該太陽電池に
対する前記最大電力追尾動作に基づいて該電圧指令値を
設定する。これによってインバータの起動時の立ちあが
り特性が良好になる。

【００１４】請求項２の発明においては、最大電力追尾
動作における電圧指令値の１回の変化幅が最適動作目標
値と入力電圧との差の大小に応じて変化することによ
り、より短時間で最適動作目標値に達する。

【００１５】

【実施例】図１は本発明に係るインバータ２０を用いた
太陽光発電システム１の回路を示すブロック図である。

【００１６】太陽光発電システム１は、太陽電池１０、
及び電圧型電流制御方式のインバータ２０から構成さ
れ、図示しない保護継電器などを介して商用電力系統５
と連系接続されている。配電線６には各種の負荷Ｚが接
続されている。

【００１７】インバータ２０は、複数のスイッチング素
子などからなるインバータ主回路２１、１チップのマイ
クロコンピュータ２４、アナログ回路からなるＰＷＭ制
御回路２５、変圧器ＰＴ１又は変流器ＣＴ１によって検
出された出力電圧Ｖｏ又は出力電流Ｉｏをディジタル値
に変換するＡＤ変換器２６，２７、変流器ＣＴ２などに
よって検出された入力電圧Ｖｉ又は入力電流Ｉｉをディ
ジタル値に変換するＡＤ変換器２８，２９などから構成
されている。

【００１８】マイクロコンピュータ２４は、太陽電池１
０の出力電圧すなわち入力電圧Ｖｉの範囲に応じて、太
陽電池１０を最適動作点（最適動作電圧）で動作させる
ための最大電力追尾制御処理、又は入力電圧Ｖｉを一定
とするための一定電圧制御処理（入力電圧一定制御処
理）を行うとともに、出力電圧Ｖｏに振幅変調されたゆ
らぎ成分をのせるための出力変調処理を行う。これらの
いずれの制御処理においても、ディジタル値のデータで
ある入力誤差値ＳＡを生成し、生成した入力誤差値ＳＡ
に対応する入力誤差信号ＳａをＰＷＭ制御回路２５へ出
力する。詳細は後述する。

【００１９】またマイクロコンピュータ２４は、出力電
圧Ｖｏに含まれたゆらぎ成分信号Ｓｅの検出のための処
理を行う。例えば、ゆらぎ成分信号Ｓｅの大きさを基準
レベルと比較し、基準レベルを越えたときに検出信号Ｓ
ｆを出力して遮断器ＣＢをオフとし、これによってイン
バータ２０を商用電力系統５から切り離し、商用電力系
統５の停電時にインバータ２０が単独運転状態となるこ
とを防止する。

【００２０】なお、マイクロコンピュータ２４には、今
回及び前回の電圧指令値を格納するためのレジスタＡ，
Ａｐ、今回及び前回の入力誤差値、入力電圧、電力値な
どを格納するためのレジスタ、その他、演算に必要な種
々のレジスタが設けられている。

【００２１】ＰＷＭ制御回路２５は、マイクロコンピュ
ータ２４から送られた入力誤差信号Ｓａなどに基づい
て、ＰＷＭ制御のためのパルスのパルス幅値Ｐｗｍ及び
周波数などを演算し、インバータ主回路２１のスイッチ
素子をオンオフするためのＰＷＭパルスＳｐｗｍを出力
する。

【００２２】図２はマイクロコンピュータ２４及びＰＷ
Ｍ制御回路２５のＰＷＭ制御に関する機能を示す図であ
る。図２を参照してＰＷＭ制御動作を説明する。太陽電
池１０の出力電圧すなわち入力電圧Ｖｉは、日射量に応
じて変動するが、この入力電圧Ｖｉと電圧指令値Ｖｒと
の差を示す入力誤差信号Ｓａが生成される。電圧指令値
Ｖｒは、入力電圧Ｖｉの目標となる電圧であり、上述の
ような制御処理動作に応じて種々の値が設定される。入
力誤差信号Ｓａの生成まではマイクロコンピュータ２４
によって実行される。

【００２３】入力誤差信号Ｓａと出力電圧（すなわち商
用交流電圧）Ｖｏの基本周波数成分に対応した信号Ｓｂ
との乗算によって、制御の目標値を示す電流指令値信号
Ｓｉが生成される。つまり、入力誤差信号Ｓａによって
出力電流Ｉｏの大きさ（振幅）が設定され、商用交流電
圧によって出力電流Ｉｏの位相が設定される。

【００２４】そして、エラーアンプ２２２において、電
流指令値信号Ｓｉに対して実際の出力電流Ｉｏの位相を
示す信号Ｓｃに応じた補正と適当な増幅とが行われ、Ｐ
ＷＭパルス生成部２２３において、エラーアンプ２２２
からの信号Ｓｊと２０ｋＨｚ程度のキャリア信号である
三角波信号Ｓｔとの比較演算によって、パルス幅が時間
的に変化するパルス列Ｓｐが生成される。そして、ドラ
イバ２２４によって、インバータ主回路２１のスイッチ
素子のゲートの組み合わせ数に応じたＰＷＭパルスＳｐ
ｗｍが出力される。

【００２５】このような制御形式のインバータ２０は、
位相の一致した電圧及び電流を出力する。すなわち力率
が１の交流電力のみを出力する能力を有している。した
がって、系統との並列運転中は負荷Ｚ（通常は力率が１
より小さい）が必要とする無効電力を商用電力系統５が
供給することになる。また、インバータ２０の出力電圧
Ｖｏに含まれるゆらぎ成分による振幅の変動は、商用電
力系統５が供給することとなる。しかし、商用電力系統
５が停電した場合には、それらの供給が行われなくな
り、出力電圧Ｖｏにゆらぎ成分が現れる。これを検出す
ることによって、インバータ２０の単独運転状態が検出
される。

【００２６】次に、マイクロコンピュータ２４の処理動
作、特に電圧指令値Ｖｒの生成処理について、フローチ
ャートを参照して説明する。図３は電圧指令値設定処理
を示すフローチャートである。このルーチンは、ソフト
ウエア割り込みなどによって５０ｍｓｅｃ毎に実行され
る。

【００２７】なお、以下の処理において、使用されてい
る太陽電池１０の種類に応じて、その最適動作点に対応
した電圧値が、最適動作目標値Ｖｐとして予め設定され
ている。

【００２８】まず、入力電圧Ｖｉを入力し（＃１１）、
入力電圧Ｖｉが最適動作目標値Ｖｐに近い範囲にあるか
否かを判定する（＃１２）。最適動作目標値Ｖｐに近い
値として、図１２に示すように、最適動作目標値Ｖｐを
挟む上下に上限値ＶＨと下限値Ｖｌとが予め設定されて
おり、その範囲内にあるか否かによって制御内容を異な
らせている。

【００２９】入力電圧Ｖｉが上限値ＶＨと下限値Ｖｌと
の間にない場合には（＃１２でノー）、ＭＰＰＴ制御処
理（最大電力追尾制御処理）を行い（＃１３）、その結
果得られた電圧指令値ＶＡをレジスタＡに書き込む（＃
１４）。つまり、例えばインバータ２０が起動したとき
には、太陽電池１０の出力電圧は開放電圧であり、入力
電圧Ｖｉは上限値ＶＨよりも高いので、ＭＰＰＴ制御処
理によってできるだけ迅速に且つ円滑に最適動作点に近
づくように制御される。

【００３０】入力電圧Ｖｉが上限値ＶＨと下限値Ｖｌと
の間にある場合には（＃１２でイエス）、一定電圧制御
処理を行う。一定電圧制御処理においては、図１２に示
すように、最適動作目標値Ｖｐを挟んだ上下にある極め
て近い互いに異なる２つの電圧指令値Ｖ１，Ｖ２を、交
互にレジスタＡに書き込むことによって、出力変調処理
を同時に行う。

【００３１】すなわち、前回においてレジスタＡに書き
込んだ値がＶ１であったときにはＶ２を書き込み（＃１
６）、Ｖ１でなかったときにはＶ１を書き込む（＃１
７）。つまり、最適動作目標値Ｖｐに近い範囲において
は、レジスタＡにはＶ１とＶ２とが５０ｍｓｅｃ毎に交
互に書き込まれ、これによって、図１３に示されるよう
に、インバータ２０の出力電圧Ｖｏが１００ｍｓｅｃの
周期で振幅変調され、その出力の中に１０Ｈｚのゆらぎ
成分がのせられる。ゆらぎ成分は、最適動作目標値Ｖｐ
を中心に変動するので、ゆらぎ成分をのせた場合でもほ
ぼ最大電力が得られることとなる。なお、図１３におい
て、出力波形のゆらぎ成分は拡大して示されている。

【００３２】図４乃至図６はＭＰＰＴ制御処理のフロー
チャートである。まず、出力電圧Ｖｏ及び出力電流Ｉｏ
が入力される（＃２１）。ここでは、ＡＤ変換器２６，
２７による定常的なサンプリングにより得られたデータ
に基づいて、電力を算出するためのデータ（出力電圧Ｖ
ｏ及び出力電流Ｉｏ）が入力される。

【００３３】ファジィ推論に用いられる要素番号（ＤＩ
ＶーＴＭＰ）が計算される（＃２２）。要素番号は、入
力電圧Ｖｉと最適動作目標値Ｖｐとの差の大きさに応じ
て割り当てられる。要素番号が「１１」と等しく又はそ
れよりも大きいときには、変化幅Ｓを「５０」に設定す
る（＃２５）。要素番号が「１１」未満のときには、要
素番号に対応する変化幅Ｓをファジィ推論によって求め
る（＃２４）。

【００３４】そして、交流電力を計算し（＃２６）、交
流電力の推移状態と入力電圧Ｖｉの推移状態とに応じて
（＃２７〜２９）、ステップ＃４１又はステップ＃５１
のいずれかに進む。

【００３５】つまり、今回（現在）の電力が前回の電力
よりも大きく且つ入力電圧Ｖｉが前回よりも増加してい
る場合、及び今回の電力が前回の電力よりも小さく且つ
入力電圧Ｖｉが前回よりも減少している場合には、電圧
指令値Ｖｒを増大させる処理を行うためのステップ＃３
１へ進み、そうでない場合には電圧指令値Ｖｒを減少さ
せる処理を行うためのステップ＃４１へ進む。

【００３６】ステップ＃３１では、〔今回の入力電圧Ｖ
ｉ＋変化幅Ｓ〕の値と上限値とを比較し、上限値を越え
ないときには、今回の入力電圧Ｖｉのデータを退避させ
るために前回の入力電圧Ｖｉを格納したレジスタに今回
の入力電圧Ｖｉを書き込み（＃３２）、〔今回の入力電
圧Ｖｉ＋変化幅Ｓ〕で得られる値ＶＡをレジスタＡに書
き込む（＃３３）。上限値を越えるときには、前回の入
力電圧Ｖｉに上限値を代入し（＃３４）、〔上限値−変
化幅Ｓ〕で得られる値ＶＡをレジスタＡに書き込む（＃
３５）。その後、次回の演算のために、今回の電力、入
力電圧Ｖｉなどの値を前回のレジスタに書き込むための
終処理を行う（＃３６）。

【００３７】また、ステップ＃４１では、〔今回の入力
電圧Ｖｉ−変化幅Ｓ〕の値と下限値とを比較し、下限値
より大きいときには、前回の入力電圧Ｖｉを格納するレ
ジスタに今回の入力電圧Ｖｉを書き込み（＃４２）、
〔今回の入力電圧Ｖｉ−変化幅Ｓ〕で得られる値ＶＡを
レジスタＡに書き込む（＃４３）。下限値より小さいと
きには、前回の入力電圧Ｖｉに下限値を代入し（＃４
４）、〔下限値＋変化幅Ｓ〕で得られる値ＶＡをレジス
タＡに書き込む（＃４５）。

【００３８】図３乃至図６のフローチャートにおいてレ
ジスタＡに格納された値は、後の入力誤差値設定処理に
おいて、電圧指令値Ｖｒとして読み出される。図７及び
図８は入力誤差値算出処理を示すフローチャートであ
る。このルーチンは、上述の電圧指令値設定処理のルー
チンの実行タイミングとは独立して、ソフトウエア割り
込みなどによって１０ｍｓｅｃ毎に実行される。

【００３９】まず、前回に求めた入力誤差値が今回の入
力誤差値を格納するレジスタに書き込まれているので、
それを前回の入力誤差値を格納するレジスタに書き込ん
でデータの退避を行う（＃５１）。入力電圧Ｖｉを入力
し（＃５２）、入力電圧ＶｉとレジスタＡの内容とを比
較し（＃５３）、その大小に応じて、ステップ＃５６又
はステップ＃６１のいずれかに進む。

【００４０】つまり、入力電圧ＶｉがレジスタＡの内容
よりも大きい場合には、目標入力誤差値を前回よりも増
大させるための処理を行うステップ＃５４に進み、そう
でない場合には減少させるための処理を行うステップ＃
６１に進む。

【００４１】ステップ＃５４では、入力電圧Ｖｉからレ
ジスタＡの内容を差し引いた値を定数Ｘで除し、得られ
た値を前回の入力誤差値に加算し、その結果得られた値
を目標入力誤差値とする。そして、得られた目標入力誤
差値が上限値を越えない場合には（＃５５でイエス）、
目標入力誤差値を今回の入力誤差値（新入力誤差値）Ｓ
Ａとし（＃５６）、上限値を越えている場合には、上限
値を今回の入力誤差値ＳＡとする（＃５７）。そして、
このルーチンを実行する割込みタイミングを判定するた
めのカウンタをクリアして次の割込みに備える（＃５
８）。

【００４２】なお、定数Ｘは、応答性を調整するための
任意の数であり、小さくすれば応答性は良くなるが安定
性が悪くなる。通常、定数Ｘは１〜２程度の値に設定さ
れる。

【００４３】ステップ＃６１では、レジスタＡの内容か
ら入力電圧Ｖｉを差し引いた値を定数Ｘで除し、得られ
た値を前回の入力誤差値から減算し、その結果得られた
値を目標入力誤差値とする。そして、得られた目標入力
誤差値が下限値より大きい場合には（＃６２でイエ
ス）、目標入力誤差値を今回の入力誤差値ＳＡとし（＃
６３）、下限値より小さい場合には、下限値を今回の入
力誤差値ＳＡとする（＃６４）。

【００４４】このようにして得られた入力誤差値ＳＡ
が、入力誤差信号ＳａとしてＰＷＭ制御回路２５に出力
され、これに出力電圧Ｖｏの基本周波数成分に対応した
信号Ｓｂが乗算されることによって、制御の目標値を示
す電流指令値信号Ｓｉが生成される。電流指令値信号Ｓ
ｉに対して実際の出力電流Ｉｏの位相を示す信号Ｓｃに
応じた補正が行われた後、ＰＷＭ制御のためのパルス列
Ｓｐが生成される。

【００４５】上述の実施例において、ファジィ推論のた
めに、例えば図９に示すファジィルールＦＲ、及び図１
０に示すメンバーシップファンクションＭＦが用いられ
る。例えば、メンバーシップファンクションＭＦにおい
て、最適動作目標値Ｖｐが２００Ｖであったときに、２
００Ｖを要素番号「０」に対応させ、３００Ｖを要素番
号「１１」に対応させる。入力電圧Ｖｉに応じて要素番
号（横軸の位置）が決定される。要素番号に応じてグラ
フから１つ又は複数の適合度（縦軸の値）が決定され
る。

【００４６】得られた適合度の加重平均又は適当な計算
式によって、離れている度合いが求められる。離れてい
る度合いから、適合度が求められ、適合度の加重平均又
は適当な計算式によって、変化の度合い（０〜１）が求
められる。変化の度合いに定数を乗じた値が変化幅Ｓと
される。

【００４７】また、図１１は電力及び入力電圧Ｖｉの増
減状態とそれに対応する電圧指令値Ｖｒの増減方向とを
示すテーブルであり、上述のステップ＃２７以下の処理
を整理して示したものである。

【００４８】上述の実施例によると、電圧指令値Ｖ１，
Ｖ２を交互にレジスタＡに書き込むことによって、イン
バータ２０の出力電圧Ｖｏにゆらぎ成分を容易にのせる
ことができ、部品点数の増大に起因するコストの増大を
防止することができる。しかも、ゆらぎ成分の振幅、周
波数などは、Ｖ１，Ｖ２の値及び設定周期をプログラム
により変更することによって容易に変更することができ
るので、インバータ２０の種々の運転条件に適応するた
めの調整が容易に行える。

【００４９】また、最適動作目標値Ｖｐに近い範囲にお
いては一定電圧制御処理を行い、それ以外の範囲におい
てはＭＰＰＴ制御処理を行うこととしたので、インバー
タ２０の起動時における立ち上がり時間の短縮、最適動
作目標値Ｖｐ付近における安定性の向上、入力電圧Ｖｉ
の急変に対する対応性の向上などを図ることができる。

【００５０】上述の実施例において、ＡＤ変換器２６〜
２９の全部又は一部をマイクロコンピュータ２４に内蔵
させることも可能である。電圧指令値Ｖ１，Ｖ２を交互
に設定する周期、又は各ルーチンを実行する周期は、上
述した以外の周期とすることができる。その他、インバ
ータ２０の各部の構成、処理動作、フローチャートの内
容又は順序などは、本発明の主旨に沿って種々変更する
ことができる。

【００５１】

【発明の効果】本発明によると、部品点数の増加などに
よるコスト増大の問題を生じることなく、容易にゆらぎ
成分を含ませるための出力変調を行うことができる。ま
た、ゆらぎ成分の振幅、周波数などをプログラムの変更
によって容易に変更することができるので、インバータ
の種々の運転条件に適応するための調整を容易に行うこ
とができる。

【００５２】また、ゆらぎ成分をのせる出力変調を行っ
た場合にも、ほぼ最大電力を得ることができ、さらにイ
ンバータの起動時における立ち上がり時間の短縮及び最
適動作目標値付近における安定性の向上を図ることがで
きる。

【００５３】請求項２の発明によると、インバータの起
動時において、より短時間で最適動作目標値に達するこ
とができる

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るインバータを用いた太陽光発電シ
ステムの回路を示すブロック図である。

【図２】マイクロコンピュータ及びＰＷＭ制御回路のＰ
ＷＭ制御に関する機能を示す図である。

【図３】電圧指令値設定処理を示すフローチャートであ
る。

【図４】ＭＰＰＴ制御処理のフローチャートである。

【図５】ＭＰＰＴ制御処理のフローチャートである。

【図６】ＭＰＰＴ制御処理のフローチャートである。

【図７】入力誤差値算出処理を示すフローチャートであ
る。

【図８】入力誤差値算出処理を示すフローチャートであ
る。

【図９】ファジィルールの一例を示す図である。

【図１０】メンバーシップファンクションの一例を示す
図である。

【図１１】電力及び入力電圧の増減状態とそれに対応す
る電圧指令値の増減方向とを示す図である。

【図１２】電圧指令値と最適動作目標値との関係の一例
を示す図である。

【図１３】電圧指令値と出力電圧の波形の一例を示す図
である。

【符号の説明】

１０ 太陽電池 ２０ インバータ Ｖｉ 入力電圧 Ｉｏ 出力電流 Ｖｒ 電圧指令値 Ｖ１，Ｖ２ 電圧指令値（２つの値） Ｖｐ 最適動作目標値

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 牧野 正寛 大阪府守口市京阪本通２丁目18番地 三 洋電機株式会社内 (72)発明者 平田 俊之 大阪府守口市京阪本通２丁目18番地 三 洋電機株式会社内 (72)発明者 田中 邦穂 大阪府守口市京阪本通２丁目18番地 三 洋電機株式会社内 (56)参考文献 特開 平５−103475（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−174610（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−242979（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−239124（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−83881（ＪＰ，Ａ) 実開 昭62−172293（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H02M 7/48 H01L 31/04

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】太陽電池からの入力電圧と電圧指令値との
   差に応じて生成される電流指令値に基づいて出力電流が
   制御される電圧型電流制御方式のインバータにおいて、太陽電池の出力電圧が、該太陽電池の最適動作点に対応
   して設定された最適動作目標値を挟む上下の２つの値の
   範囲にある場合には電圧指令値として該２つの値を所定
   の周期で交互に設定し、そうでない場合には該太陽電池
   に対する最大電力追尾動作に基づき、前記周期で該電圧
   指令値 を設定することを特徴とするインバータの単独運
   転検出のための出力変調方法。
2. 【請求項２】請求項１記載の出力変調方法において、前
   記最大電力追尾動作における電圧指令値の１回の変化幅
   を、前記太陽電池の最適動作点に対応して設定された最
   適動作目標値と入力電圧との差の大小に応じて変化させ
   ることを特徴とするインバータの単独運転検出のための
   出力変調方法。