JP5349688B2

JP5349688B2 - 系統連系形インバータ

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Publication number: JP5349688B2
Application number: JP2012512564A
Authority: JP
Inventors: 一平竹内; 弘一中林
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2010-04-26
Filing date: 2010-04-26
Publication date: 2013-11-20
Anticipated expiration: 2030-04-26
Also published as: WO2011135658A1; JPWO2011135658A1

Description

本発明は、太陽光発電システムで使用される系統連系形インバータに関する。

太陽光発電システムで使用される系統連系形インバータは、複数の太陽電池モジュールで構成される太陽電池が発電した直流電力を、コンバータにて一旦所望の直流電圧となる直流電力に変換し、それをインバータ回路にて交流電力へ変換し、商用電力系統に連系して供給するように構成される。

ところで、昇圧コンバータを用いる系統連系形インバータにおいて、昇圧コンバータを昇圧電圧が一定値となるように制御すると、太陽電池の発電電力が低い場合に太陽電池の出力電圧が不安定になることが起こる。また、昇圧コンバータの出力電圧が必要以上に高く設定されると変換効率を低下させることが起こる。

このような問題に対し、例えば特許文献１では、商用電力系統の電圧に基づき最低必要な昇圧コンバータの目標電圧を設定し、昇圧コンバータの目標電圧を、インバータ回路の出力電力の増加に従って上昇させる方法が提案されている。この方法によれば、昇圧コンバータの出力電圧を必要以上に高く設定する必要がなく、昇圧コンバータの効率低下を防止できる。

特許３７４４６７９号公報

しかし、上記従来の技術では、インバータ回路の出力電力が同じとなる場合であっても系統電圧が高ければ、その系統電圧に合わせて出力するインバータ回路の出力電圧は高くなり、それに伴ってインバータ回路の出力電流は小さくなる。また、系統電圧が低ければインバータ回路の出力電圧は低くなって、インバータ回路の出力電流は大きくなる。

したがって、昇圧コンバータの目標電圧値をインバータ回路の出力電力の増加に従って上昇させる方法では、昇圧コンバータの出力電圧が必要以上に高くなったり、低くなったりする場合が生じる。特に昇圧コンバータの出力電圧が必要以上に高くなると、昇圧コンバータの効率の低下を招くという問題がある。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、太陽光発電システムにおいて系統電圧が高い場合でもコンバータの変換効率を向上させ得る系統連系形インバータを得ることを目的とする。

上述した目的を達成するために、本発明は、太陽電池が発電する直流電力を所望の直流電圧となる直流電力へ変換する昇降圧コンバータと、前記昇降圧コンバータが出力する直流電力を交流電力へ変換し閉路している出力リレーを介して商用電力系統に出力するインバータ回路とを備える系統連系形インバータにおいて、前記太陽電池の出力電圧を検出する第１の電圧検出器と、前記商用電力系統の系統電圧を検出する第２の電圧検出器と、前記インバータ回路の出力電流を検出する電流検出器と、前記第２の電圧検出器が検出した系統電圧と前記電流検出器が検出したインバータ出力電流とに基づき、前記昇降圧コンバータの昇圧動作時の出力電圧目標値を設定する目標電圧設定器と、前記目標電圧設定器が設定した目標電圧と前記第１の電圧検出器が検出した太陽電池出力電圧とを比較し、前記昇降圧コンバータの運転状態を、昇圧動作モードとバイパス動作モードと降圧動作モードとのいずれかの運転状態に設定するコンバータ状態制御器と、前記昇降圧コンバータが前記コンバータ状態制御器にて設定された運転状態となるように前記昇降圧コンバータが備える２つのスイッチ素子のそれぞれに与えるゲートパルス信号を発生するゲートパルス発生器とを備えたことを特徴とする。

本発明にかかる系統連系形インバータは、系統電圧とインバータ出力電流とに基づき昇圧動作時の目標電圧を設定し、昇降圧コンバータの運転状態を、太陽電池出力電圧に応じて、昇圧動作モードとバイパス動作モードと降圧動作モードとに切り替えるので、系統電圧が高い場合でもコンバータの変換効率を向上させることができるという効果を奏する。

図１は、本発明の一実施の形態による系統連系形インバータを備える太陽光発電システムを示すシステム図である。図２は、図１に示す目標電圧設定器の動作を説明する図である。図３は、図１に示すコンバータ状態設定器およびゲートパルス発生器の動作を説明する図である。

以下に、本発明にかかる系統連系形インバータの実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

図１は、本発明の一実施の形態による系統連系形インバータを備える太陽光発電システムを示すシステム図である。図１において、太陽光発電システム１は、太陽電池２と、この実施の形態による系統連系形インバータ３とで構成される。

太陽電池２は、複数の太陽電池モジュールで構成され、日射量に応じて直流電力を発生する。系統連系形インバータ３には、太陽電池２の正極出力端および負極出力端がそれぞれ接続される正極入力端子４および負極入力端子５と、商用電力系統（配電系統）６の２線にそれぞれ接続される系統出力端子７，８とが設けられている。

この実施の形態による系統連系形インバータ３は、昇降圧コンバータを用いる昇降圧型系統連系形インバータにおいて、該昇降圧型系統連系形インバータが商用電力系統６に連系している場合における昇降圧コンバータを制御する構成を備えたものである。まず、昇降圧型系統連系形インバータの構成と接続関係等とを示す。

昇降圧型系統連系形インバータは、正極入力端子４および負極入力端子５から系統出力端子７，８側に向かって、平滑用コンデンサ９，昇降圧コンバータ１０，平滑用コンデンサ１１，インバータ回路１２および出力リレー１３がこの順に配置されている。

昇降圧コンバータ１０は、ダイオードが逆並列に接続されたスイッチ素子２１，２２とリアクトル２３とダイオード２４，２５とで構成される。スイッチ素子２１、リアクトル２３およびダイオード２４は降圧回路を構成している。リアクトル２３、スイッチ素子２２およびダイオード２５は昇圧回路を構成している。なお、スイッチ素子２１はＩＧＢＴを用いる場合が示され、スイッチ素子２２はＮＭＯＳトランジスタを用いる場合が示されているが、スイッチ素子のタイプは任意である。

スイッチ素子２１のコレクタ端子は昇降圧コンバータ１０の入力端子であり、正極入力端子４に接続されている。スイッチ素子２１のエミッタ端子はダイオード２４のカソード端子とリアクトル２３の一端とに接続されている。ダイオード２４のアノード端子は、負極入力端子５とインバータ回路１２の負極入力端との接続ラインに接続されている。

リアクトル２３の他端は、スイッチ素子２２のドレイン端子とダイオード２５のアノード端子とに接続され、スイッチ素子２２のソース端子は負極入力端子５とインバータ回路１２の負極入力端との接続ラインに接続されている。ダイオード２５のカソード端子は昇降圧コンバータ１０の出力端子であり、インバータ回路１２の正極入力端に接続されている。

スイッチ素子２１，２２の各ゲート端子には、それぞれ、ゲートパルス発生器１９が、コンバータ状態制御器１８から入力されるコンバータ状態に基づいて発生するゲートパルス信号が印加される。

平滑用コンデンサ９は、正極入力端子４と昇降圧コンバータ１０との間における、正極入力端子４とスイッチ素子２１のコレクタ端子との接続ラインと、負極入力端子５とインバータ回路１２の負極入力端との接続ラインとの間に接続され、太陽電池２から昇降圧コンバータ１０に入力される直流電圧を平滑する。

平滑用コンデンサ１１は、昇降圧コンバータ１０とインバータ回路１２との間における、ダイオード２５のカソード端子とインバータ回路１２の正極入力端との接続ラインと、負極入力端子５とインバータ回路１２の負極入力端との接続ラインとの間に接続され、昇降圧コンバータ１０の出力電圧を平滑してインバータ回路１２の変換対象である直流入力電圧を形成する。

インバータ回路１２は、系統連系時において、平滑用コンデンサ１１の充電電圧を交流電圧に変換する。インバータ回路１２の交流出力端は、出力リレー１３を介して系統出力端子７，８に接続される。
出力リレー１３は、系統連系時においては、２つのリレーが同時に閉路状態に制御されてインバータ回路１２の交流出力端を商用電力系統６の２線に接続している。

さて、このような昇降圧型系統連系形インバータが商用電力系統６に連系している場合における昇降圧コンバータ１０を制御する構成として、電圧検出器１４と、電流検出器１５と、電圧検出器１６と、目標電圧設定器１７と、コンバータ状態制御器１８と、ゲートパルス発生器２０とを備えている。以下、図２と図３も参照して説明する。図２は、目標電圧設定器１７の動作を説明する図である。図３は、コンバータ状態設定器１８およびゲートパルス発生器１９の動作を説明する図である。

電圧検出器１４は、正極入力端子４と平滑用コンデンサ９との間において、一方の検出端が正極入力端子４と平滑用コンデンサ９の正極端との接続ラインに接続され、他方の検出端が負極入力端子５と平滑用コンデンサ９の負極端との接続ラインに接続され、太陽電池２の出力電圧を検出する第１の電圧検出器である。電圧検出器１４にて検出された太陽電池２の出力電圧は、コンバータ状態制御器１８に入力される。

電流検出器１５は、インバータ回路１２と出力リレー１３との間において、検出端がインバータ回路１２の一方の交流出力端と出力リレー１３の対応する一方のリレーの入力端との接続ラインに接続され、インバータ回路１２の出力電流を検出する。電流検出器１５にて検出されたインバータ回路１２の出力電流は、目標電圧設定器１７に入力される。

電圧検出器１６は、出力リレー１３と商用電力系統６との間において、一方の検出端が出力リレー１３の一方のリレーの出力端と商用電力系統６の対応する一方の電線との接続ラインに接続され、他方の検出端が出力リレー１３の他方のリレーの出力端と商用電力系統６の対応する他方の電線との接続ラインに接続され、商用電力系統６の系統電圧を検出する第２の電圧検出器である。電圧検出器１６にて検出された系統電圧は、目標電圧設定器１７に入力される。

目標電圧設定器１７は、電圧検出器１６にて検出された系統電圧と、電流検出器１５にて検出されたインバータ回路１２の出力電流とに基づき、次のようにして昇降圧コンバータ１０の出力電圧目標値を設定し、設定した目標電圧をコンバータ状態制御器１８に出力する。

インバータ回路１２が正常に動作するために必要なインバータ回路１２の入力電圧（つまり平滑用コンデンサ１１の充電電圧）は、系統電圧に依存する。インバータ回路１２が系統電圧を出力するためには、インバータ回路１２の入力電圧は、「√２＊系統電圧[Ｖ]」以上の電圧である必要がある。

しかし、「√２＊系統電圧[Ｖ]」をインバータ回路１２の入力電圧の最低値とすると、インバータ回路１２の出力電流が増加する場合、インバータ回路１２の入力電圧の脈流が大きくなり、インバータ回路１２が正常に動作することができない。したがって、インバータ回路１２の出力電流増加に伴いインバータ回路１２の入力電圧を増加させる必要がある。

そこで、目標電圧設定器１７は、系統電圧の大きさに応じて決定されるパラメータαが設定されている第１の関係テーブルと、インバータ回路１２の出力電流の大きさに応じて決定されるパラメータβ（電圧換算値である）が設定されている第２の関係テーブルとを備えている。

目標電圧設定器１７は、電圧検出器１６にて検出された系統電圧に対するパラメータαを第１の関係テーブルから求め、電流検出器１５にて検出されたインバータ回路１２の出力電流に対するパラメータβを第２の関係テーブルから求め、昇圧動作時の出力電圧目標値Ｖｃｏを
Ｖｃｏ＝α＋β ……（１）
と設定する。一例として、パラメータαは、
α＝√２＊系統電圧 ……（２）
である。また、パラメータβは、
β＝０．７６５＊インバータ回路１２の出力電流＋３５ ……（３）
である。なお、式（３）における値「３５」は、余裕値である。

図２では、横軸が式（３）に示すパラメータβであり、縦軸が式（２）に示すパラメータαである。縦軸の途中に示される余裕値「３５」から右肩上がりに上昇する直線２７が目標電圧Ｖｃｏを設定する特性線であり、この特性線２７上の所定位置に、式（１）に示す目標電圧Ｖｃｏが設定される。なお、目標電圧Ｖｃｏを設定する特性線は、図２に示すように直線状である必要はなく、例えば階段状に変化する特性線でもよい。目標電圧Ｖｃｏを設定する特性線の形状は、主にパラメータβの定め方に依存しており、経験により実際の装置に好適な形状を選択設定することになる。

次に、コンバータ状態制御器１８は、目標電圧設定器１７にて設定された昇降圧コンバータ１０の出力電圧目標値と、電圧検出器１４にて検出された太陽電池２の出力電圧とを比較し、昇降圧コンバータ１０の運転状態を、昇圧回路の動作モードとバイパス動作モードと降圧回路の動作モードとのいずれかの運転状態に設定し、設定した昇降圧コンバータ１０の動作モード（運転状態）をゲートパルス発生器１９に出力する。図３は、設定した昇降圧コンバータ１０の運転状態の一例と、それに基づき動作したゲートパルス発生器１９の制御による昇降圧コンバータ１０の出力電圧の遷移とが示されている。ゲートパルス発生器１９の動作も併せて説明する。

図３において、横軸は電圧検出器１４にて検出された太陽電池２の出力電圧である。縦軸はゲートパルス発生器１９の制御による昇降圧コンバータ１０の出力電圧である。図３の横軸では、目標電圧設定器１７にて設定された昇降圧コンバータ１０の出力電圧目標値Ｖｃｏと、それよりも高い所定電圧（例えば４３０Ｖ）とが示されている。所定電圧「４３０」は、降圧回路の動作モードを設定する電圧であり、太陽電池２の発電能力およびインバータ回路１２の素子耐圧などを勘案して予め決めてある。

コンバータ状態制御器１８は、検出された太陽電池出力電圧が、出力電圧目標値Ｖｃｏよりも小さい場合は、昇降圧コンバータ１０の運転状態を昇圧回路動作モードに設定し、昇圧回路動作モードに設定した旨を出力電圧目標値Ｖｃｏと共にゲートパルス発生器１９に通知する。

これによって、ゲートパルス発生器１９は、スイッチ素子２１をオン状態にするゲートパルス信号を発生して降圧回路をバイパス状態に制御し、スイッチ素子２２を出力電圧目標値Ｖｃｏに対応して設定したスイッチング周波数およびデューティーでオン・オフさせるゲートパルス信号を発生する。その結果、昇降圧コンバータ１０は、太陽電池出力電圧を出力電圧目標値Ｖｃｏに昇圧する動作が行われるので、昇降圧コンバータ１０の出力電圧は、出力電圧目標値Ｖｃｏに落ち着くように制御されることになる。

また、コンバータ状態制御器１８は、検出された太陽電池出力電圧が、出力電圧目標値Ｖｃｏと降圧回路動作モードを設定する所定電圧（４３０Ｖ）との間の電圧である場合には、昇降圧コンバータ１０の運転状態をバイパス動作モードに設定し、バイパス動作モードに設定した旨をゲートパルス発生器１９に通知する。

これによって、ゲートパルス発生器１９は、スイッチ素子２１をオン状態にするゲートパルス信号と、スイッチ素子２２をオフ状態にするゲートパルス信号とを発生する。その結果、昇降圧コンバータ１０は、バイパス状態になり、昇降圧コンバータ１０の出力電圧は、太陽電池出力電圧と同じになる。昇降圧コンバータ１０では、スイッチング動作が行われないので、スイッチング損失はゼロになる。

また、コンバータ状態制御器１８は、検出された太陽電池出力電圧が、降圧回路動作モードを設定する所定電圧（４３０Ｖ）よりも大きい場合は、昇降圧コンバータ１０の運転状態を降圧回路動作モードに設定し、降圧回路動作モードに設定した旨を所定電圧（４３０Ｖ）と共にゲートパルス発生器１９に通知する。

これによって、ゲートパルス発生器１９は、スイッチ素子２１を所定電圧（４３０Ｖ）対応して設定したスイッチング周波数およびデューティーでオン・オフさせるゲートパルス信号を発生し、スイッチ素子２２をオフ状態にするゲートパルス信号を発生して昇圧回路をバイパス状態に制御する。その結果、昇降圧コンバータ１０は、出力電圧目標値Ｖｃｏを大きく超える太陽電池出力電圧を所定電圧（４３０Ｖ）に降圧する動作が行われるので、昇降圧コンバータ１０の出力電圧は、所定電圧（４３０Ｖ）に落ち着くように制御されることになる。所定電圧（４３０Ｖ）は、インバータ回路１２の素子耐圧を超えない電圧に定めてあるので、太陽電池出力電圧が出力電圧目標値を大きく超える場合でも、インバータ回路１２は、素子破壊を起こすことなく、変換動作を続行することができる。

このように、この実施の形態によれば、昇降圧コンバータを用いる系統連系形インバータにおいて、系統電圧とインバータ出力電流とに基づき昇圧動作時の目標電圧を設定し、また、降圧動作開始電圧（上記所定電圧（４３０Ｖ））を目標電圧よりも高い電圧に設定し、昇降圧コンバータの運転状態を、太陽電池出力電圧に応じて、昇圧動作モードとバイパス動作モードと降圧動作モードとに切り替えるようにしたので、系統電圧が高い場合でもコンバータの変換効率を向上させることができる。

なお、この実施の形態では、昇降圧コンバータを用いる系統連系形インバータへの適用例を示したが、昇圧コンバータを用いる系統連系形インバータにも同様に適用することができる。昇圧コンバータがバイパス動作モードである場合でも太陽電池出力電圧がインバータ回路１２の素子耐圧を超えない場合もある。したがって、昇圧コンバータを用いる系統連系形インバータにこの実施の形態を適用すれば、昇圧コンバータの出力電圧が必要以上に高くなったり、低くなったりすることはなく、同様に系統電圧が高い場合でもコンバータの変換効率を向上させることができる。

以上のように、本発明にかかる系統連系形インバータは、太陽光発電システムにおいて系統電圧が高い場合でもコンバータの変換効率を向上させ得る系統連系形インバータとして有用であり、特に、コンバータに昇降圧コンバータを用いる系統連系形インバータに適している。

１太陽光発電システム
２太陽電池
３系統連系形インバータ
６商用電力系統
１０昇降圧コンバータ
１２インバータ回路
１３出力リレー
１４電圧検出器（第１の電圧検出器）
１５電流検出器
１６電圧検出器（第２の電圧検出器）
１７目標電圧設定器
１８コンバータ状態制御器
１９ゲートパルス発生器

Claims

太陽電池が発電する直流電力を所望の直流電圧となる直流電力へ変換する昇降圧コンバータと、前記昇降圧コンバータが出力する直流電力を交流電力へ変換し閉路している出力リレーを介して商用電力系統に出力するインバータ回路とを備える系統連系形インバータにおいて、
前記太陽電池の出力電圧を検出する第１の電圧検出器と、
前記商用電力系統の系統電圧を検出する第２の電圧検出器と、
前記インバータ回路の出力電流を検出する電流検出器と、
前記第２の電圧検出器が検出した系統電圧と前記電流検出器が検出したインバータ出力電流とに基づき、前記昇降圧コンバータの昇圧動作時の出力電圧目標値を設定する目標電圧設定器と、
前記目標電圧設定器が設定した目標電圧と前記第１の電圧検出器が検出した太陽電池出力電圧とを比較し、前記昇降圧コンバータの運転状態を、昇圧動作モードとバイパス動作モードと降圧動作モードとのいずれかの運転状態に設定するコンバータ状態制御器と、
前記昇降圧コンバータが前記コンバータ状態制御器にて設定された運転状態となるように前記昇降圧コンバータが備える２つのスイッチ素子のそれぞれに与えるゲートパルス信号を発生するゲートパルス発生器と
を備えたことを特徴とする系統連系形インバータ。
前記コンバータ状態制御器が前記降圧動作モードを設定する電圧は前記目標電圧よりも高い所定電圧であり、前記バイパス動作モードは、前記太陽電池出力電圧が前記目標電圧と前記所定電圧との間にある場合に設定されることを特徴とする請求項１に記載の系統連系形インバータ。
太陽電池が発電する直流電力を所望の直流電圧となる直流電力へ変換する昇圧コンバータと、前記昇圧コンバータが出力する直流電力を交流電力へ変換し閉路している出力リレーを介して商用電力系統に出力するインバータ回路とを備える系統連系形インバータにおいて、
前記太陽電池の出力電圧を検出する第１の電圧検出器と、
前記商用電力系統の系統電圧を検出する第２の電圧検出器と、
前記インバータ回路の出力電流を検出する電流検出器と、
前記第２の電圧検出器が検出した系統電圧と前記電流検出器が検出したインバータ出力電流とに基づき、前記昇圧コンバータの出力電圧目標値を設定する目標電圧設定器と、
前記目標電圧設定器が設定した目標電圧と前記第１の電圧検出器が検出した太陽電池出力電圧とを比較し、前記昇圧コンバータの運転状態を、昇圧動作モードとバイパス動作モードとのいずれかの運転状態に設定するコンバータ状態制御器と、
前記昇圧コンバータが前記コンバータ状態制御器にて設定された運転状態となるように前記昇圧コンバータが備えるスイッチ素子に与えるゲートパルス信号を発生するゲートパルス発生器と
を備えたことを特徴とする系統連系形インバータ。