JP2004260942A

JP2004260942A - 系統連系インバータ装置

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Publication number: JP2004260942A
Application number: JP2003049766A
Authority: JP
Inventors: Masa Tai; 政戴; Yosuke Harada; 陽介原田; Motoyasu Sato; 元保佐藤
Original assignee: Ebara Densan Ltd
Current assignee: Ebara Densan Ltd
Priority date: 2003-02-26
Filing date: 2003-02-26
Publication date: 2004-09-16

Abstract

【課題】インバータ部に最適な直流リンク電圧を入力させることにより、効率よくかつＴＨＤを大きくすることなく、受け取った直流電力を所望の周波数・電圧の交流電力に逆変換することのできる系統連系インバータ装置を提供する。
【解決手段】直流電力を所望の周波数の交流電力に逆変換して出力するインバータ部２２と、インバータ部２２の出力に接続された出力フィルタ回路２３と、制御部２４とを備え、制御部２４は、電源系統の交流電圧、出力交流電流およびフィルタ回路の回路定数に基づいて、インバータ部２２に入力する直流リンク電圧を最適値に調整する演算装置３０を備えた。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、系統連系インバータ装置に係り、特に、直流電力を最大の効率で交流電力に逆変換して電源系統に送出することのできる系統連系インバータ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、太陽電池や燃料電池などから提供される比較的低電圧の直流電力をＤＣ／ＤＣコンバータ部で所望の高電圧（直流リンク電圧）の直流電力に変換した後に、その直流電力をインバータ部で所望の電圧の交流電力に逆変換することにより、商用の電源系統に、蓄えた直流電力を交流電力として供給可能にする系統連系インバータ装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。なお、発電電源としてガスタービン装置等の交流発電機を用いる場合には、発電した交流電力を整流して形成した直流電力を、昇圧して所望の高電圧の直流電力に変換した後に、系統連系インバータ装置により交流電力に逆変換して電源系統に送出している。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００２−１９９７３９号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
このような従来の系統連系インバータ装置にあっては、受け取った電力を、損失少なく安定かつ適正な電圧の交流電力にインバータ部において変換し供給するためには、そのインバータ部を効率よく駆動させる必要がある。
【０００５】
このインバータ部の効率は、スイッチング損失が最も影響することから、インバータ部に入力する直流リンク電圧を、後述の支障をきたさない範囲で小さくすることが効率の向上には効果的である。なお、インバータ装置の効率は、次式（２）により求めることができる。
【数２】

【０００６】
しかしながら、このインバータ部の出力電流は正弦波であることから、コンバータ部からの入力電圧が最適な直流リンク電圧よりも少し低下しただけでも電流波形のピークの箇所で波形が歪んでしまい、ＴＨＤ（ＴｏｔａｌＨａｒｍｏｎｉｃＤｉｓｔｏｒｔｉｏｎ：高調波の総合歪波率）が大幅に増大して許容値を超えてしまうという問題がある。
【０００７】
本発明は、上述した事情に鑑みて為されたもので、インバータ部に最適な直流リンク電圧を入力させることにより、効率よくかつＴＨＤを大きくすることなく、受け取った直流電力を所望の周波数・電圧の交流電力に逆変換することのできる系統連系インバータ装置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】
上記課題を解決するため、本発明の系統連系インバータ装置は、直流電力を所望の周波数の交流電力に逆変換して出力するインバータ部と、前記インバータ部の出力に接続された出力フィルタ回路と、制御部とを備え、前記制御部は、電源系統の交流電圧、出力交流電流および前記フィルタ回路の回路定数に基づいて、前記インバータ部に入力する直流リンク電圧を最適値に調整する演算装置を備えたことを特徴とするものである。
【０００９】
この発明によれば、電源系統の交流電圧、出力交流電流および前記フィルタ回路の回路定数に基づいて、インバータ部に入力する最適な直流リンク電圧を取得することができる。したがって、インバータ部の後段のフィルタ特性を考慮しつつ、インバータ部の出力変動に基づいてそのインバータ部に入力する直流リンク電圧を最適値に直接制御することができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について添付図面を参照して説明する。図１〜図５は本発明に係る系統連系インバータ装置の一実施形態を示す図である。
【００１１】
図１において、電力供給システム１０は、太陽電池や燃料電池などの電源１１から供給される直流電力、或いはガスタービン発電機の交流出力を整流して直流とした直流電源１１から供給される直流電力を系統連系インバータ装置１２で所望の電圧の交流電力に変換・調整することにより、商用の交流電力により動作するモータなどの負荷（電源系統）１３に動作用電力を供給している。
【００１２】
系統連系インバータ装置１２は、電源１１から受け取る低電圧の直流電力をその直流電圧を昇圧して出力するコンバータ部（ＤＣ／ＤＣコンバータ）２１と、このコンバータ部２１により昇圧調整された直流電力をＰＷＭ信号（駆動信号）に応じて任意の周波数の交流に逆変換して出力するインバータ部（パワーモジュール）２２と、このインバータ部２２により変換調整された交流電力から高調波成分を除去して出力し電源系統１３に受け渡すＬＣフィルタ回路（出力フィルタ回路）２３と、不図示の操作部から入力された指令に従ってコンバータ部２１を制御するとともにインバータ部２２の運転を制御するコントローラ（制御部）２４とを備えている。電源１１は、上述したように太陽電池や燃料電池等の直流電源、またはガスタービン装置等の交流発電機出力を整流して形成された直流電源である。
【００１３】
コントローラ２４は、メモリ内に格納された制御プログラムに従って装置各部を統括制御することにより、系統連系インバータ装置として機能させる、いわゆる制御用ＣＰＵにより構成されている。そして、コントローラ２４内に演算装置３０を備え、最適直流リンク電圧を演算により算出し、この電圧をインバータ部２２に供給するように、コンバータ部（ＤＣ／ＤＣコンバータ）２１を制御する機能を備えている。このように、コンバータ部２１において最適値に昇圧させた直流リンク電圧により、インバータ部２２において直流電力を交流電力に逆変換して、所望の周波数および電圧に調整した交流電力を商用電源系統１３に供給する。
【００１４】
ここで、コントローラ２４は、Ｅ^２ＰＲＯＭ等の書換え可能なメモリを備え、演算に必要なパラメータを記憶する。また、インバータ装置の出力電流、系統電圧を計測し、記憶装置に記憶する。そして、電流や電圧等の計測値及び必要なパラメータを読み出して演算装置３０で演算を行い、演算結果の最適値の直流リンク電圧を指令値としてコンバータ２１の制御部に受け渡す。
【００１５】
そして、この演算装置３０は、インバータ部２２からの出力波形（電流・電圧波形）に歪みを生じさせることなく、そのインバータ部２２の運転効率を上げるために、インバータ部２２の出力電流やＬＣフィルタ回路２３の定数を含めて、インバータ部２２に入力する最適な直流リンク電圧を算出し、電源１１からの直流電力の電圧をその直流リンク電圧に昇圧させるようにコンバータ部２１を制御する。
【００１６】
具体的には、系統連系インバータ装置１２は、インバータ部２２からの出力電流Ｉｉｎｖ（Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗ）をＬＣフィルタ回路２３の前段でＵ相、Ｖ相、Ｗ相の各相毎に測定する電流検知器２５と、インバータ部２２から出力されて電源系統１３に受け渡す供給電圧Ｖｓｙｓ（Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗ）をＬＣフィルタ回路２３の後段でＵ相、Ｖ相、Ｗ相の各相毎に測定する電圧検知器２６とを備えている。
【００１７】
演算装置３０は、電源系統１３の交流電圧Ｖｓｙｓと、ＬＣフィルタ回路２３の回路定数（抵抗ＲやインピーダンスＬ）と、電流検知器２５の測定結果Ｉｉｎｖとをパラメータにして、後に詳細に説明する計算式（３）を用いて、インバータ部２２に入力する最適な直流リンク電圧Ｖ_{ＤＣ＿Ｌｉｎｋ}を算出する。
【００１８】
そして、コントローラ２４は、太陽電池等の一次電源１１の低電圧の供給電力をその直流リンク電圧Ｖ_{ＤＣ＿Ｌｉｎｋ}に昇圧させるように運転制御信号Ｖ_ＣＭＤを生成してコンバータ部２１に入力するとともに、その昇圧後の直流電力を所望の周波数に変換するように運転制御信号（ＰＷＭ（ＰｕｌｓｅＷｉｄｔｈＭｏｄｕｌａｔｉｏｎ）信号）を生成してインバータ部２２に入力することにより、電源系統に同期した交流電力を電源系統１３に供給（送出）する。
【００１９】
ここで、このような系統連系インバータ装置１２においては、図２に示すように、直流リンク電圧を下げる場合には一般に効率が向上するが、直流リンク電圧が実際の運転系統における最適な直流リンク電圧よりも低下した場合に電流波形のピークの箇所で波形が歪んでＴＨＤ（歪み波率）が大幅に増大して効率が低下してしまう。
【００２０】
即ち、図２に示すように、直流リンク電圧が最適値から高めにずれるほどインバータ部の効率は低下する。例えば、単相ＡＣ２００Ｖ（実測ＡＣ２００．３Ｖ）の外部装置に電力供給するのに最適な直流リンク電圧がＤＣ２９１Ｖである場合には、このＤＣ２９１Ｖを下回るとＴＨＤが途端に増大する。一方で、ＤＣ２９１Ｖに余裕を加えて直流リンク電圧を設定するほど徐々に効率が低下することが判る。
【００２１】
従来では、最適な直流リンク電圧の場合にはＴＨＤは１．３％程度に抑えることができるのにも拘わらず、規格ではＴＨＤを５％以下に抑えればよいことから、安定運転を図るために、例えば、単相ＡＣ２００Ｖに系統連系する場合でも余裕を見て、直流リンク電圧をＤＣ３５０〜３６０Ｖに設定しインバータ部に入力している。すなわち、従来の系統連系インバータ装置には、電力の供給効率を向上させる余地がある。
【００２２】
このことから、コントローラ２４は、実際の運転系統における最適な直流リンク電圧Ｖ_{ＤＣ＿Ｌｉｎｋ}を正確に計算して、コンバータ部２１の出力電圧がその直流リンク電圧Ｖ_{ＤＣ＿Ｌｉｎｋ}に対して＋１〜２Ｖ高くなるように運転制御信号Ｖ_ＣＭＤを生成・入力して運転を制御する。
【００２３】
図３および図４に示すように、インバータ部２２に実際に入力する直流リンク電圧Ｖ_ＤＣが最適な直流リンク電圧Ｖ_{ＤＣ＿Ｌｉｎｋ}である場合には、（３）式に示すようになる。
【数３】

【００２４】
すなわち、インバータ部２２の各出力相の電圧Ｖｉｎｖは、電源系統１３への各出力相毎の供給電圧Ｖｓｙｓ（Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗ）と、ＬＣフィルタ回路２３の抵抗成分ＲおよびインピーダンスＬと、出力電流Ｉｉｎｖと、電力スイッチング素子（ＩＧＢＴ（ＩｎｓｕｌａｔｅｄＧａｔｅＢｉｐｏｌａｒＴｒａｎｓｉｓｔｏｒ）等）のＣＥ間の飽和電圧降下値Ｖｓａｔを考慮して、インバータ部２２に入力する最適な直流リンク電圧Ｖ_{ＤＣ＿Ｌｉｎｋ}を算出することができる。
【００２５】
なお、実際の演算においては、図４に示すように、ＬＣフィルタ回路２３のリアクタンス成分Ｘ_Ｌ（＝２πｆＬ）と電流Ｉｉｎｖの積による発生電圧は系統電圧と比べて微小で無視することができることから、次式（４）を採用することができる。
【数４】

【００２６】
また、この計算式（４）は単相または三相用の系統連系のいずれのインバータ装置にも適用することができることから、単相用と三相用として次のように使い分ける。
【００２７】
単相インバータ部における最適な直流リンク電圧Ｖ_{ＤＣ＿Ｌｉｎｋ}は、単相の電源系統電圧Ｖｕｗを用いて、次式（５）のように示すことができる。
【数５】

【００２８】
例えば、単相ＡＣ２００Ｖ系統の連系インバータ装置の例で各パラメータを実測すると、Ｖｕｗ＝２００．３Ｖ、Ｉｉｎｖ＝１１．０８Ａ、Ｌ＝０．１Ω、Ｖｓａｔ＝２．５Ｖとなる。その時の最適直流リンク電圧Ｖ_{ＤＣ＿Ｌｉｎｋ}は次式（６）に示すように算出されて、そのインバータ部には２９１．４Ｖの直流リンク電圧に昇圧した直流電力を入力することで、ＴＨＤを増大させない範囲で最大効率になる。
【数６】

【００２９】
また、三相インバータ部における最適な直流リンク電圧Ｖ_{ＤＣ＿Ｌｉｎｋ}は、三相の電源系統における系統線間電圧Ｖｕｖを用いて、次式（７）のように示すことができる。
【数７】

【００３０】
例えば、三相ＡＣ２００Ｖ系統の連系インバータ装置で各パラメータを実測すると、Ｖｕｗ＝２００．８Ｖ、Ｉｉｎｖ＝２８．８Ａ、Ｒ＝０．０７６Ω、Ｖｓａｔ＝２．８Ｖとなる。その時の最適直流リンク電圧Ｖ_{ＤＣ＿Ｌｉｎｋ}は次式（８）に示すように算出されて、そのインバータ部の各相には３３９．７Ｖの直流リンク電圧に昇圧した直流電力を入力することで、ＴＨＤを増大させない範囲で最大効率になる。
【数８】

【００３１】
次に、図５を参照して、直流リンク電圧の制御について説明する。コントローラ２４は、フィードフォワード制御と、フィードバック制御とを併用して、ＤＣ／ＤＣコンバータ２１の直流出力電圧Ｖ_ＤＣを、ＴＨＤを増大させない範囲での最大効率が得られる直流リンク電圧より１〜２Ｖ高めになるように制御する。ここで、１〜２Ｖ高めとするのは、図２に示すように、上記最大効率点よりも少し電圧が低下するとＴＨＤが著しく増大することを回避するためである。
【００３２】
即ち、このコントローラ２４は、インバータ部２２に入力するために常時算出して変更する目標の最適直流リンク電圧Ｖ_{ＤＣ＿Ｌｉｎｋ}に基づいて電源１１からの直流電力を昇圧するように運転制御信号Ｖ_ＣＭＤを生成してコンバータ部２１に入力するフィードフォワード制御を行う。これに加えて、そのコンバータ部２１が昇圧・出力する直流電圧の実測結果Ｖ_ＤＣと最適直流リンク電圧Ｖ_{ＤＣ＿Ｌｉｎｋ}との誤差εに基づいてＰＩＤコントローラ３４が修正信号Ｖεを生成することにより、コンバータ部２１の出力が目標値である最適直流リンク電圧となるフィードバック制御を行う。すなわち、ＰＩＤコントローラ３４は、インバータ部２２に入力する直流リンク電圧を最適値Ｖ_{ＤＣ＿Ｌｉｎｋ}に自動調整するフィードバックコントローラを構成している。
【００３３】
これにより、コントローラ２４は、常時算出する目標の最適直流リンク電圧Ｖ_{ＤＣ＿Ｌｉｎｋ}によるフィードフォワード制御に加えて、常時実測するコンバータ部２１の出力電圧Ｖ_ＤＣに応じてそのコンバータ部２１に入力する運転制御信号Ｖ_ＣＭＤを修正するフィードバック制御を同時に行うハイブリッド制御を実行しているので、コンバータ部２１の出力電圧Ｖ_ＤＣを常に最適な直流リンク電圧Ｖ_{ＤＣ＿Ｌｉｎｋ}＋１〜２Ｖに追従させることができる。これにより、系統電圧やインバータ部２２の出力電流の変動にダイナミックに反応して、ＴＨＤ（歪み波率）が劣化しない範囲の最適点に直流リンク電圧を維持しつつ、インバータ部２２を効率よく動作させることができる。
【００３４】
なお、上述の実施形態では、コンバータ部２１はＤＣ／ＤＣコンバータを用いる場合について説明したが、昇降圧チョッパ回路を用いる場合にも適用することができることは勿論である。
【００３５】
尚、上記実施形態は本発明の実施例の一態様を述べたもので、本発明の趣旨を逸脱することなく種々の変形実施例が可能なことは勿論である。
【００３６】
【発明の効果】
本発明によれば、電源系統の交流電圧、出力交流電流およびフィルタ回路の回路定数に基づいて、インバータ部に入力する最適な直流リンク電圧を取得することができるので、インバータ装置の出力変動に基づいてそのインバータ部に入力する直流リンク電圧を常に最適値に制御することができる。したがって、常に最適な直流リンク電圧をインバータ部に入力することができ、効率よく調整した交流電力を安定して電源系統に送出することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る系統連系インバータ装置の一実施形態を示す図であり、その概略全体構成を示す回路構成図である。
【図２】直流リンク電圧とインバータ効率の関係を示すグラフである。
【図３】インバータ部および出力フィルタ回路の要部の等価回路図である。
【図４】インバータ部の出力電圧Ｖｉｎｖと系統電圧Ｖｓｙｓとの関係を説明する概念図である。
【図５】コンバータ部の制御系を示すブロック図である。
【符号の説明】
１０電力供給動作システム
１１電源
１２系統連系インバータ装置
１３負荷（電源系統）
２１コンバータ部
２２インバータ部
２３ＬＣフィルタ回路
２４コントローラ
２５電流検知器
２６電圧検知器
３０演算装置
３４ＰＩＤコントローラ

Claims

直流電力を所望の周波数の交流電力に逆変換して出力するインバータ部と、前記インバータ部の出力に接続された出力フィルタ回路と、制御部とを備え、
前記制御部は、電源系統の交流電圧、出力交流電流および前記フィルタ回路の回路定数に基づいて、前記インバータ部に入力する直流リンク電圧を最適値に調整する演算装置を備えたことを特徴とする系統連系インバータ装置。
前記演算装置は、前記出力交流電流（相電流）Ｉｉｎｖ、電源系統の交流電圧（相電圧）Ｖｓｙｓ、前記出力フィルタ回路の抵抗Ｒ、インピーダンスＬ、周波数ｆ、および電力スイッチング素子の電圧降下分Ｖｓａｔを用いて、

上記演算式により、直流リンク電圧Ｖ_{ＤＣ＿Ｌｉｎｋ}の最適値を演算す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。
さらに、前記インバータ部に入力する直流リンク電圧を最適値に自動的に調整するＤＣ／ＤＣコンバータ部または昇降圧チョッパ回路部を備え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。