JP2001145266A - 系統連系インバータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】太陽電池の発電量が低出力となったとき、イン
バータ部からの出力電力の力率を低下させて、インバー
タの駆動を継続させる方法はあったが、変換効率を低下
させていた。 【解決手段】直流電源の出力電力を交流電力に変換し
て、交流の電力系統へ供給するものにおいて、複数のス
イッチング素子Ｑ２〜Ｑ５からなるインバータ部５と、
該インバータ部５を多重スイッチング方式によって制御
するインバータ制御手段３２と、前記直流電源またはイ
ンバータ部の出力電力が低下したとき、該出力電力の低
下に応じて前記インバータ部をデューティー制御を行う
低電力制御手段３３を備えることを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、太陽電池等の直流
電源から得られる直流の電力を交流の電力に変換して、
交流の電力系統へ出力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】従来は、例えば特開平１１−４１８１７
号公報に示される。この内容を以下に説明する。

【０００３】図７は、太陽電池１を直流電源として、太
陽電池１から得られる直流の電力をインバータ装置２に
よって交流の電力に変換した後、商用電力系統７へ逆潮
流する太陽光発電システムを表わしている。

【０００４】また、図８は、インバータ装置２に装備さ
れるトランスレス方式のインバータ回路部の構成を表わ
している。該回路において、プラス側入力端子Ｐ及びマ
イナス側入力端子Ｎは、図７に示す太陽電池１のプラス
出力端子及びマイナス出力端子に夫々接続されて、Ｐ相
及びＮ相の電圧が印加される。

【０００５】図８において、プラス側入力端子Ｐ及びマ
イナス側入力端子Ｎは、チョッパー部４、インバータ部
５及びフィルタ部８を介して、商用電力系統７に接続さ
れている。また、インバータ部７は、４つのスイッチン
グ素子Ｑ２〜Ｑ５をブリッジ接続して構成されている。

【０００６】太陽電池１から得られる直流の電圧（例え
ば２００Ｖ）は、先ずチョッパー部４によって所定電圧
（例えば４００Ｖ）に昇圧された後、インバータ部５の
スイッチング素子Ｑ２〜Ｑ５のスイッチング動作により
ＰＷＭ変調される。そして、フィルタ部８を経て正弦波
の交流波形に整形された後、商用電力系統７へ供給され
るのである。

【０００７】かかる構成において、太陽電池１からの発
電電力が低下してインバータ出力が低下した場合でも、
出力電流の振幅を低下させて運転を継続していた。この
ためインバータ部５の低出力時は、インバータ部５での
変換効率が低下していた。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】太陽電池１からの入力
電圧は約１００〜３００Ｖである。系統電圧は通常交流
電圧２００Ｖへ連係するために、系統電圧に対して電流
が逆潮流可能な電圧（直流電圧３６０〜４００Ｖ）程度
にチョッパー部４で昇圧し、インバータ部５で交流電流
に変換して系統へ逆潮流させる必要がある。

【０００９】インバータ部５の出力側の系統電圧は一定
であるので、インバータ部５は交流電力を交流電流とし
て出力し、電流値を変化させることで出力制御を行って
いた。

【００１０】また、通常インバータ部５は内部に損失を
持っている。従って、太陽電池１からの発電電力はこの
損失分を減算した分が出力電力となる。

【００１１】この損失は、系統連係インバータ本体を
駆動する電源の損失、チョッパー部４及びインバータ
部５のスイッチング素子のスイッチングにより発生する
損失、インバータの電流が増加することにより発生す
る損失である。

【００１２】この損失のうち、との損失は、ほぼ固
定値であるのに対し、の損失は出力電流の増加に応じ
て大きくなる変動値である。

【００１３】例えば、４．５ｋｗ出力のインバータであ
ったとすると、定格での変換効率が１００％なら出力電
力が４．５ｋｗとなるが、効率９５％の場合、入力電力
は４．７４ｋｗとなる。このようにインバータの損失
（固定損と変動損）を考慮したインバータの入力電力と
出力電力の関係を図９の実線で示す。

【００１４】ここで注目すべき点は、この実線と入力電
力の０ｋｗラインとの交点Ａである。これは前述の損失
分のうち固定損を表している。言い換えるとこのＡ点以
下の入力電力、太陽電池の発電量がＡ点以下ではインバ
ータが動作しないことを示している。

【００１５】実際の太陽光発電システムでは、低出力時
の時間が数十分に達することもあり、無視できない程度
に長かった。

【００１６】この低出力が原因で、インバータが停止さ
せないようにするために、従来の技術（特開平１１−４
１８１７号公報）のように、出力電力の力率を低下させ
て、有効電力を減少させる方法があるが、インバータの
変換効率という点から見ると、好ましい方法ではない。

【００１７】本発明は、かかる課題を解決するものであ
る。

【００１８】

【課題を解決する為の手段】本発明の系統連係インバー
タは、直流電源の出力電力を交流電力に変換して、交流
の電力系統へ供給するものにおいて、複数のスイッチン
グ素子からなるインバータ部と、該インバータ部を多重
スイッチング方式によって制御するインバータ制御手段
と、前記直流電源またはインバータ部の出力電力が低下
したとき、該出力電力の低下に応じて前記インバータ部
をデューティー制御を行う低電力制御手段を備える構成
である。

【００１９】また、前記低電力制御手段は、前記直流電
源またはインバータ部の出力電力が所定の閾値よりも小
さいか否かを判断し、出力電力が所定の閾値よりも小さ
いことが判断されたときは該出力電力の大きさに比例し
或いは該出力電力の大きさに応じて変化するデユーティ
比を設定する構成である。

【００２０】さらに、前記低電力制御手段は、系統周波
数の複数周期を１デューティ周期として、デューティ制
御するか、あるいは系統周波数の１周期または複数周期
を１デューティ期間として位相制御することを特徴とす
る構成である。

【００２１】

【発明の実施の形態】以下、本発明を太陽光発電システ
ムに実施した形態につき、図面に沿って具体的に説明す
る。尚、前述した従来例と同じ符号を付した構成は同じ
機能を有しているので説明を省略する。

【００２２】図１において、３はチョッパー部４及びイ
ンバータ部５の各スイッチング素子を駆動制御する制御
手段、９は太陽電池１の発電出力、即ちチョッパ部４の
入力電圧を検出する入力電圧検出手段、１０は商用電力
系統７の系統周波数のゼロ電圧のタイミングを検出する
ゼロタイミング検出手段である。

【００２３】前記制御手段３は、チョッパ部４のスイッ
チング素子Ｑ１をオン、オフし昇圧電圧を調整するチョ
ッパ制御手段３１、インバータ部５のスイッチング素子
Ｑ２〜Ｑ５をオンオフ制御するインバータ制御手段３
２、入力電圧検出手段９で検出した電圧が所定の閾値
（例えば１７０Ｖ）以下を検出すればインバータ部５の
各スイッチング素子Ｑ２〜Ｑ５をゼロタイミング検出手
段１０で検出したタイミングに同期させてデューティ制
御する低電力制御手段３３である。

【００２４】かかる構成の動作を図２に基づいて説明す
る。

【００２５】まずステップＳ１では、入力電圧検出手段
９で検出した電圧が１００Ｖ以上かどうか判断する。検
出した電圧が１００Ｖ以上でないなら１００Ｖを超える
までステップＳ１で待機する。ここのステップでは、太
陽電池１の発電量が少ない場合、例えば夜間などの場合
は、系統連係インバータが動作できないので、自動的に
停止させるよう動作させるためのものである。

【００２６】なお、前述の入力電圧検出手段９での判断
の基準として１００Ｖとしたが、一般には太陽電池１に
即した電圧が設定される。電圧ではなく発電電力を何ら
かの方法で検出して判断させることも可能である。

【００２７】ステップＳ１で１００Ｖ以上と判断したと
きステップＳ２に移行する。ステップＳ２では、まずチ
ョッパー部４のスイッチング素子Ｑ１にチョッパー制御
手段３１からオンオフ信号を供給し、駆動を開始する。

【００２８】ステップＳ３では、制御手段３は低電力制
御手段３３に最低出力、例えばデューティ比を１／１６
に設定し、低電力制御手段３３によるインバータ部５の
駆動を開始する。

【００２９】ここでデューティ比ｘ／１６とは、図３に
示すように、系統周波数の１６サイクルを１デューティ
期間とし、１６サイクルのうちｘサイクルのみをオン
し、残り（１６−ｘ）サイクルをオフするデューティ比
を意味する。

【００３０】即ち、系統周波数の１周期を基本周期と
し、１６周期を１デューティ期間としてデューティ制御
することである。系統周波数の２周期以上の複数周期を
基本周期としてデューティ制御してもよい。

【００３１】チョッパー部４及びインバータ部５を駆動
した後、ステップＳ４に移行する。ステップＳ４では、
入力電圧検出手段９での検出電圧が１７０Ｖ以上かどう
か判断する。かかるステップで１７０Ｖ以上であればス
テップＳ５に移行し、また１７０Ｖ以上でないならステ
ップＳ８に移行する。

【００３２】前述のステップＳ４の判断基準の１７０Ｖ
は、発電量が十分に得られるかどうかを判断するための
指標電圧である。従って、使用する太陽電池１により適
切な値が与えられるべき数値である。以下の制御により
常時１７０Ｖを超える電圧が得られる場合、インバータ
の運転はデューティ制御による間欠運転状態から通常運
転へと移行するよう構成されている。

【００３３】また、デューティ制御でインバータ部５を
駆動する区間においては、正弦波電流を出力するため
に、低電力制御手段３３がスイッチング素子Ｑ２〜Ｑ５
を通常運転する。デューティ制御でインバータ部５を駆
動しない区間ではスイッチング素子Ｑ２〜Ｑ５はオフの
状態を維持する。

【００３４】ステップＳ５では、検出電圧が１７０Ｖ以
上なので、低電圧制御手段３３が設定しているデューテ
ィ比を１増加させ、２／１６に設定する。ステップＳ６
では、ステップＳ５での増加後、１デューティ期間が経
過するまで待機する。ステップＳ７では、ステップＳ５
でのデューティ比の増加の結果、１６／１６設定となっ
たかどうか判断する。該ステップで１６／１６設定でな
いと判断すると、ステップＳ４へ戻る。

【００３５】前記ステップＳ７は、デューティ比が１６
／１６、即ち連続駆動設定となったかどうか判断するも
のであり、連続駆動設定となったときに低電力制御手段
３３により制御を終了し、後述するインバータ制御手段
３２による通常運転に切り替えるためのステップであ
る。

【００３６】ステップＳ４で１７０ｖ以上でないと判断
したとき、ステップＳ８に移行する。ステップＳ８で
は、現在デューティ比が１／１６設定となっているかど
うか判断する。

【００３７】該ステップで１／１６設定でなければ、ス
テップＳ９に移行する。ステップＳ９では、デューティ
比を１減少させる。なお、前記ステップＳ８で１／１６
設定であると判断したとき、その設定以下に設定できな
いので、ステップＳ９スキップさせる。

【００３８】ステップＳ１０では、入力電圧検出手段９
で１００Ｖ以下となっているかどうか判断する。１００
Ｖ以下でないならステップＳ６に移行させ、１デューテ
ィ期間が経過するまで待機した後、ステップＳ４へ戻
る。ステップＳ１０で１００Ｖ以下と判断したとき、系
統連係インバータは動作できなくなるので、ステップＳ
１１に移行し、チョッパー部４及びインバータ部５の駆
動を停止させる。その後、ステップＳ１に移行させ、入
力電圧検出手段９で１００Ｖ以上となったことを確認す
るまで、駆動停止状態で待機させる。

【００３９】かかるステップＳ４乃至Ｓ１０を繰り返し
実行することにより、低電力制御手段３３がインバータ
部５のデューティ制御を実行するのである。そして、ス
テップＳ５でデューティ比を増加させた結果、１６／１
６設定となったことをステップＳ７で判断したとき、デ
ューティ制御から通常運転制御に切り替えるために、ス
テップＳ１２に移行する。

【００４０】ステップＳ１２では、インバータ制御手段
３２が通常運転を継続する。

【００４１】ステップＳ１３では入力電圧検出手段９で
の検出電圧が１７０Ｖ以下となったかどうか判断する。
１７０Ｖ以下でないなら、繰り返しステップＳ１２を実
行し、インバータ制御手段３２が通常運転を継続する。

【００４２】またステップＳ１３で１７０Ｖ以下となっ
たと判断したとき、デューティ制御に切り替えるために
ステップＳ４へ戻り、デューティ比を１６／１６設定か
ら１減少させ、低電力制御手段３３によるデューティ制
御を開始させるのである。

【００４３】以上のステップを繰り返し実行することに
より、太陽電池１からの入力電力が低電力から高電力ま
で幅広い範囲で系統連係インバータを駆動させることが
できるのである。

【００４４】以上のことより、太陽電池１の発電量が低
電力のとき、本発明のデューティ制御を実行させること
により、従来のインバータ部の力率を低下させる方法に
比べ、インバータ部５の損失が低減でき、インバータ部
５の変換効率を向上させることができるものである。

【００４５】つまり、図４に示すように、従来の制御は
（ａ）に示すように損失と出力電力を加えたもの
が全電力であり、変換効率は（出力電力／全電力）とな
る。これに対して、本発明のデューティ制御では、デュ
ーティ制御のオン時は従来の制御と同様全電力は損失
と出力電力を加えたものであるが、オフ時は損失
のみである。変換効率はオン時とオフ時との平均電力か
ら求めることになるので、損失はデューティ比に応
じて減少する。したがって、変換効率は向上するのであ
る。

【００４６】なお、前述の実施例では、低電力制御手段
３３が、デューティ制御を図３に示すように、系統周波
数の１サイクルを基準に行っていたが、本発明はこれに
限定されず、例えば図５に示すように系統周波数の１サ
イクルを１デューティ期間として位相制御を実行しても
よい。さらに、図６に示すように、系統周波数を複数サ
イクル、例えば２サイクルを１デューティ期間として位
相制御してもよい。

【００４７】ただし、この場合、出力電流に直流成分が
含まれるため、これを検出して補正する手段、または原
理的に直流成分が含まれないように半サイクル毎に出力
電流を制御するなどの工夫が必要である。

【００４８】また、前述の実施例では入力電圧検出手段
９の検出電圧によりデューティ制御と通常運転とを切り
替えていたが、インバータ部５の出力電力を検出する出
力電力検出手段を入力電圧検出手段９と置き換えて設
け、該出力電力検出手段の検出値に基づいて前述と同様
にデューティ制御と通常運転とを切り替えるようにして
もよい。

【００４９】低電力制御手段３３による制御はデューテ
ィ制御であるため、インバータ部５からの出力電流の振
幅は低い一定値が望ましい。ただし、この制御中におい
ても電流振幅を換えることで適切な出力電力を得ること
は可能である。

【００５０】また、前述の実施例では、インバータ部５
のみをデューティ制御することを前提としているが、イ
ンバータ部５と併せてチョッパー部４もデューティ制御
を実施することは可能である。この場合、チョッパー部
４を停止することによりチョッパー部４の出力電圧が大
きく低下しないように設計する必要がある。

【００５１】

【発明の効果】本発明に係る系統連系インバータによれ
ば、低出力運転時における変換効率を向上させ、低出力
による長時間の運転が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の系統連係インバータの概略構成を示
す図である。

【図２】 本発明の系統連係インバータの動作フローチ
ャートを示す図である。

【図３】 デューティ制御の１例を示す概略図である。

【図４】 デューティ制御時の損失の関係を示す図であ
る。

【図５】 デューティ制御の他の例となる位相制御の概
略図である。

【図６】 デューティ制御の他の例となる位相制御の概
略図である。

【図７】 太陽光発電システムの構成を表わすブロック
図である。

【図８】 インバータ装置の構成を表わす回路図であ
る。

【図９】 インバータ部の入力電力と出力電力との関係
を示す図である。

【符号の説明】

１ 太陽電池 ２ インバータ装置 ３ 制御手段 ３１ チョッパー制御手段 ３２ インバータ制御手段 ３３ 低電力制御手段 ４ チョッパー部 ５ インバータ部 ７ 商用系統電力 ９ 入力電圧検出手段 １０ ゼロタイミング検出手段

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 萬里小路 正樹 大阪府守口市京阪本通２丁目５番５号 三 洋電機株式会社内 Ｆターム(参考） 5F051 KA03 5G003 AA06 BA01 CC07 DA04 DA15 GA01 GB06 GC05 5G066 HA30 HB06 5H007 BB07 CA01 CB05 CC12 DA03 DA04 DB01 DC03 DC05

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 直流電源の出力電力を交流電力に変換し
   て、交流の電力系統へ供給するものにおいて、複数のス
   イッチング素子からなるインバータ部と、該インバータ
   部を制御するインバータ制御手段と、前記直流電源また
   はインバータ部の出力電力が低下したとき、該出力電力
   の低下に応じて前記インバータ部をデューティー制御を
   行う低電力制御手段を備えることを特徴とする系統連系
   インバータ。
2. 【請求項２】 前記低電力制御手段は、前記直流電源ま
   たはインバータ部の出力電力が所定の閾値よりも小さい
   か否かを判断し、出力電力が所定の閾値よりも小さいこ
   とが判断されたときは該出力電力の大きさに比例し或い
   は該出力電力の大きさに応じて変化するデユーティ比を
   設定することを特徴とする請求項１に記載の系統連系イ
   ンバータ。
3. 【請求項３】 前記低電力制御手段は、系統周波数の複
   数周期を１デューティ周期として、デューティ制御する
   ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の系統連
   係インバータ。
4. 【請求項４】 前記低電力制御手段は、系統周波数の１
   周期または複数周期を１デューティ期間として位相制御
   することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の系
   統連係インバータ。