JP2005006383A

JP2005006383A - System interconnection inverter apparatus and its controlling method

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Publication number: JP2005006383A
Application number: JP2003165721A
Authority: JP
Inventors: Masa Tai; 政戴; Yosuke Harada; 陽介原田
Original assignee: Ebara Densan Ltd
Current assignee: Ebara Densan Ltd
Priority date: 2003-06-10
Filing date: 2003-06-10
Publication date: 2005-01-06

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a system interconnection inverter apparatus in which total efficiency is enhanced by especially enhancing the efficiency of a DC/DC converter. <P>SOLUTION: The system interconnection inverter apparatus is provided with a DC/DC converter for boosting a DC power through switching with variable duty ratio, and an inverter for inverting a boosted DC power to produce an AC power having the frequency of a system power supply. The DC/DC converter outputs a required minimum output voltage of minimum value V1 within the range of the input voltage and outputs a rated output voltage V2 while keeping a maximum duty ratio. The duty ratio becomes variable at an input voltage (V2-V3) not lower than a rated input voltage and the efficiency η is maximized in the vicinity of the rated input voltage V2 where the rated output voltage is outputted. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

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、ＤＣ／ＤＣコンバータにより直流電力を最大の効率で昇圧し、この直流電力をインバータにより交流電力に逆変換して、系統電源に接続された負荷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】
従来より、太陽電池や燃料電池などから供給される比較的低電圧の直流電力をＤＣ／ＤＣコンバータで所望の高電圧（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で所望の電圧の交流電力に逆変換することにより、商用系統電源に接続された負荷に交流電力を供給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コンバータ部により整流して形成した直流電力を、系統連系インバータ装置により交流電力に逆変換して系統電源側に送出している。
【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】
太陽電池や燃料電池などから供給される直流電力を昇圧するＤＣ／ＤＣコンバータは、例えば数十Ｖ程度以下の比較的低い直流電圧が入力される。これを、インバータで例えば交流２００Ｖ（実効値）の出力を得るためには、最低３２０Ｖの出力直流電圧に昇圧し、次段のインバータに入力直流電圧として供給する。このＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧は、インバータの入力直流電圧であることから直流リンク電圧と呼ばれ、この直流リンク電圧に基づいてインバータのスイッチング動作により交流電圧波形が形成される。
【０００５】
一般的にＤＣ／ＤＣコンバータは、出力電圧が常に一定の所定値になるように制御する。系統連系インバータ装置の場合は、交流出力電圧が系統電源の電圧と同期したものとなる。系統電源の電圧が例えば定格２００Ｖに対して、多少変動するため、直流リンク電圧はこの変動に対応可能なものでなければならない。一方で、ＤＣ／ＤＣコンバータの入力電圧は、太陽電池や燃料電池等の直流電源のその時の出力によって決まってくる。このため、インバータ出力電圧の変動および入力側の直流電源の出力電圧の変動を考慮して、ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧である直流リンク電圧は一般に高めに設定される傾向にある。例えば、インバータ出力が交流２００Ｖの場合に、入力直流電圧数十Ｖ以下に対して、出力直流電圧（直流リンク電圧）は３５０−３７０Ｖに設定されている。
【０００６】
しかしながら、直流リンク電圧を高めに設定すると、インバータの効率はスイッチング損失が最も影響することから、インバータの効率は低下する。従って、直流リンク電圧を高めに設定することは、インバータの効率という点を考慮すると好ましいことではない。しかしながら、直流リンク電圧を一定の理論値レベル以下に低下させると、電流波形のピークの箇所で波形が歪んでしまい、ＴＨＤ（ＴｏｔａｌＨａｒｍｏｎｉｃＤｉｓｔｏｒｔｉｏｎ，高調波の総合歪み波率）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。また、ＤＣ／ＤＣコンバータもできるだけ効率を向上することが望まれている。
【０００７】
本発明は上述した事情に鑑みて為されたもので、特にＤＣ／ＤＣコンバータの効率を向上させ、全体として効率の良好な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、直流電力をデューティ比可変のスイッチングにより昇圧するＤＣ／ＤＣコンバータと、昇圧した直流電力を系統電源の周波数の交流電力に逆変換して出力するインバータとを備え、前記ＤＣ／ＤＣコンバータは、入力電圧の範囲内の最小値で所要の最低出力電圧が出力され、デューティ比が最大値のままで定格入力電圧で定格出力電圧が出力され、定格入力電圧以上の入力電圧でデューティ比が可変となり定格出力電圧が出力されることを特徴とするものである。
【０００９】
この発明によれば、定格入力電圧以下の入力電圧範囲内でデューティ比が最大値となることから、定格入力電圧付近でＤＣ／ＤＣコンバータの最大効率が得られる。即ち、ＤＣ／ＤＣコンバータの効率は、主に直流入力電圧のスイッチング時の電流値によって影響を受ける。一定の入力電圧において電流値は、デューティ比が１００％近くの最大値で最低となることから、このデューティ比最大値で動作させる領域を定格入力電圧以下の入力電圧領域に設定することにより、常時使用する定格入力電圧付近でＤＣ／ＤＣコンバータの最高の効率を得ることができる。
【００１０】
また、前記出力電圧の最低値が前記インバータを無歪みで動作させる理論的な最低電圧であることが好ましい。系統インバータ装置を構成するＤＣ／ＤＣコンバータおよびインバータは、電圧が高くなると銅損、鉄損およびスイッチング損失が増大し、効率が低下する。しかしながら直流リンク電圧を低下させ過ぎると、出力交流電圧のピーク値付近で波形歪みが生じ、ＴＨＤ（ＴｏｔａｌＨａｒｍｏｎｉｃＤｉｓｔｏｒｔｉｏｎ，高調波の総合歪み波率）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。係る波形歪みの問題と損失の問題を考慮して、直流リンク電圧は、インバータを無歪みで動作させる理論的な最低電圧以上とすることが好ましい。
【００１１】
また、前記ＤＣ／ＤＣコンバータの入力電圧範囲内において、前記入力電圧と出力電圧との関係が、デューティ比が１００％近くの最大値となるように直線的に設定されている部分を含む。これにより、スイッチング時の電流値による損失が最も少ない領域を、入力電圧の範囲内に移動させることができる。
【００１２】
また、本発明の系統連系インバータ装置の制御方法は、前記ＤＣ／ＤＣコンバータが、定格入力電圧に対してデューティ比が最大値で定格出力電圧が出力され、定格入力電圧以下の入力電圧に対してデューティ比が最大値で動作し可変の出力電圧が出力され、定格入力電圧以上の入力電圧に対してデューティ比が可変で動作し一定の定格出力電圧が出力され、前記定格入力電圧付近で前記ＤＣ／ＤＣコンバータの効率が最大となることを特徴とするものである。
【００１３】
【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乃至図４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り、図１はインバータ装置の概略構成を示す。
【００１４】
図１において、直流電源１１は、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。直流電源１１から供給される直流電力は、系統連系インバータ装置１２で所望の周波数・電圧の交流電力に変換・調整され、商用の系統電源１３に接続された例えばモータなどの負荷に交流電力を供給する。
【００１５】
系統連系インバータ装置１２は、直流電源１１から受け取る低電圧の直流電圧を昇圧して出力するＤＣ／ＤＣコンバータ２１と、このＤＣ／ＤＣコンバータ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（パワーモジュール）２２とから主として構成されている。また、系統連系インバータ装置には、インバータ２２により出力された交流電圧から高調波成分を除去するＬＣフィルタ回路（出力フィルタ回路）２３と、操作部から入力された指令等に従って系統電源との接続をオン・オフする系統連係用のスイッチ２４等を備えている。
【００１６】
また、この系統連系インバータ装置は、運転を制御するコントローラ（制御部）２５を備え、ＤＣ／ＤＣコンバータ２１，インバータ２２，スイッチ２４等を制御している。コントローラ２５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、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２５内に各種の演算処理部を備えている。ここで、コントローラ２５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で演算を行い、演算結果を指令値としてコンバータ２１およびインバータ２２等のそれぞれの制御部に受け渡す。
【００１７】
図２は、ＤＣ／ＤＣコンバータの構成例を示す。ＤＣ／ＤＣコンバータ２１は、例えば数十Ｖ以下の直流低電圧Ｖ_{ＤＣ−ＩＮ}を３２０−３４０Ｖの出力直流電圧Ｖ_{ＤＣ−ＯＵＴ}に昇圧する。ここで、出力直流電圧Ｖ_{ＤＣ−ＯＵＴ}はインバータ２２の入力直流電圧である直流リンク電圧を構成している。なお、直流３２０Ｖは、交流２２０Ｖを出力するようにインバータを無歪みで動作させる理論的な最低直流電圧である（特願２００３−４９７６６参照）。
【００１８】
このＤＣ／ＤＣコンバータ２１は、入力直流電圧Ｖ_{ＤＣ−ＩＮ}が供給される一方の端子Ｎに接続された一対のスイッチング素子３１ａ，３１ｂの両端と、入力直流電圧Ｖ_{ＤＣ−ＩＮ}が供給される他方の端子Ｐに一次側が接続された昇圧トランス３２を備えている。昇圧トランス３２の一次側の他方の端子はスイッチング素子３１ａ，３１ｂに接続されている。スイッチング素子３１ａ，３１ｂは、それぞれの信号端子Ｓ及びＳバーに信号が入力されることで、オン・オフ動作する。
【００１９】
従って、上アームのスイッチング素子３１ａがオンとなり、下アームのスイッチング素子３１ｂがオフである場合には、昇圧トランス３２の一次側に直流電圧Ｖ_{ＤＣ−ＩＮ}が供給され、電流がスイッチング素子３１ａを介して流れる。逆に、上アームのスイッチング素子３１ａがオフであり、下アームのスイッチング素子３１ｂがオンである場合には、昇圧トランス３２の一次側に直流電圧Ｖ_{ＤＣ−ＩＮ}が供給され、電流がスイッチング素子３１ｂを介して流れる。
【００２０】
昇圧トランス３２においては、一次側に電圧が印加され電流が断続的に流れると、二次側にトランスの昇圧比に従った電圧が誘導される。この二次側に誘導された電圧を整流・フィルタ回路３３により整流することで、交流成分を含まない昇圧された出力直流電圧Ｖ_{ＤＣ−ＯＵＴ}が出力端に取り出される。この時、スイッチング素子３１ａ，３１ｂのオン・オフ比、即ち、デューティ比を調整することで、入力電圧値とトランスの昇圧比により決まる最大出力電圧より小さい範囲で任意の大きさの出力直流電圧Ｖ_{ＤＣ−ＯＵＴ}を取り出すことが出来る。このため、電圧検出器３５により出力直流電圧Ｖ_{ＤＣ−ＯＵＴ}を検出し、制御部３６で設定値と比較してスイッチング素子３１ａ，３１ｂのオン・オフ制御信号にフィードバックすることで、可変の入力直流電圧に対して出力直流電圧Ｖ_{ＤＣ−ＯＵＴ}を一定値に制御することができる。
【００２１】
図３（ａ）は、上アームと下アームのスイッチング素子３１ａ，３１ｂのそれぞれの信号端子Ｓ，Ｓバーに入力される信号波形を示す。スイッチング素子３１ａ，３１ｂは、この信号に従ってオン・オフによるスイッチング動作を行う。すなわち、１周期Ｔにおいて、一定時間Ｔ_ＯＮの間だけ上アームのスイッチング素子３１ａがオンし、次の周期Ｔにおいては同じ時間だけ下アームのスイッチング素子３１ｂがオンする。このように、スイッチング素子３１ａとスイッチング素子３１ｂとは、相反的に動作する。ここで、Ｔ_ＯＮ／Ｔがデューティ比であり、この比によって昇圧比が決まってくる。
【００２２】
デューティ比が１００％近くの最大値となると、昇圧トランス３２の有する最大の昇圧比が得られる。なお、デューティ比の最大値はデッドタイムの関係から、実質上９８％程度である。入力直流電圧Ｖ_{ＤＣ−ＩＮ}が大きく、最大の昇圧比では出力直流電圧Ｖ_{ＤＣ−ＯＵＴ}が設定値（定格出力電圧）を超える場合は、上述したようにデューティ比が自動的に調整され、所定の定格出力電圧が得られるように動作する。
【００２３】
ここで、ＤＣ／ＤＣコンバータのエネルギー効率を検討すると、デューティ比が１００％近くの最大値となると、最も効率が高くなり、デューティ比が下がると効率が低下することを本発明者等が見いだした。この原因は、以下のように考えられる。
【００２４】
ＤＣ／ＤＣコンバータの損失は、一次側損失と二次側損失とに分けられる。ここで、ＤＣ／ＤＣコンバータの二次側は整流用フィルタにより出力電流は平滑されている。出力電力一定で出力電圧が一定と考えると、二次側の損失は略一定と考えられる。よって、ＤＣ／ＤＣコンバータの総合損失は一次側の損失に依存すると考えられる。このことから一次側損失について考慮すると、ＤＣ／ＤＣコンバータの一次側損失Ｐ_ＬＯＳＳとデューティ比と入力電圧との関係は、次式で表される。
Ｐ_ＬＯＳＳ＝（Ｐ_ＯＵＴ ^２／（Ｖ_ＩＮ ^２・ｄ））×Ｒ
但し、
ｄ：デューティ比
Ｐ_ＯＵＴ：出力電力
Ｖ_ＩＮ：入力電圧
Ｒ：ＤＣ／ＤＣコンバータの一次側の等価抵抗
従って、ＤＣ／ＤＣコンバータの総合損失は、上述のようにＤＣ／ＤＣコンバータの一次側損失に依存すると考えられ、ＤＣ／ＤＣコンバータの一次側損失Ｐ_ＬＯＳＳは上式よりデューティ比ｄに反比例するので、計算上からもデューティ比ｄを最大値（９８％程度）とすることで、ＤＣ／ＤＣコンバータの総合損失を最小とすることができる。
【００２５】
図３（ｂ）（ｃ）は、上アームおよび下アームのスイッチング素子３１ａ，３１ｂに流れる電流を示す。ＤＣ／ＤＣコンバータは、昇圧トランス３２を備え、また二次側にフィルタ回路３３を備え二次側には大きなインダクタンスを有するが、一次側にはトランスの一次側のみのインダクタンスを有し、スイッチング素子のオン・オフ動作により、一次側電流Ｉが図３（ｂ）（ｃ）に示すようになる。図３（ｂ）は、デューティ比が９０％程度の場合を示し、図３（ｃ）は、デューティ比が比較的小さく、５０％以下の場合を示している。これらの図から分かるように、出力一定の前提においてデューティ比が小さくなるに従い、電流（ピーク）値が大きくなる。
【００２６】
ところで、ＤＣ／ＤＣコンバータにおける損失は、電流値の二乗で効いてくるので、デューティ比が低く、電流値が大きくなるほど、損失が大きくなる。このため、デューティ比が１００％近くの最大値となるところが、電流（ピーク）値が最も低くなり、最大の効率が得られる。また、昇圧トランス３２の設計では、一次側と二次側の巻線比が高くなると損失が大きくなるので、この観点からもデューティ比が１００％近くの最大値となるところで動作させることが好ましい。即ち、直流リンク電圧をなるべく低く設定し、デューティ比が１００％近くの最大値となるところで、動作させることで、最大の効率が得られる。
【００２７】
図４（ａ）は、本発明の実施形態のＤＣ／ＤＣコンバータの動作点を示す。このＤＣ／ＤＣコンバータは、入力電圧範囲の最小入力電圧Ｖ１でデューティ比が１００％近くの最大値となり、所定の出力電圧（３２０Ｖ）が得られるように動作点が設定されている。この出力電圧（３２０Ｖ）は、交流出力電圧２２０Ｖに対して、インバータを無歪みで動作させる理論的な最低直流電圧である。
【００２８】
即ち、インバータの定格出力が交流２００Ｖの場合、系統電圧の変動を±１０％とすると、定格入力電圧範囲内において、交流２２０Ｖを出力できなければならない。直流リンク電圧を一定の理論値レベル以下に低下させると、電流波形のピークの箇所で波形が歪んでしまい、ＴＨＤ（ＴｏｔａｌＨａｒｍｏｎｉｃＤｉｓｔｏｒｔｉｏｎ，高調波の総合歪み波率）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。従って、インバータを無歪みで動作させる理論的な直流リンク電圧の最低電圧は、交流２２０Ｖ出力に対してＤＣ３２０Ｖとなる。
【００２９】
直流電源の出力変動範囲で決まってくる入力電圧範囲の最小入力電圧Ｖ１以上では、定格入力電圧Ｖ２まで、デューティ比一定（最大値）で出力電圧Ｖ_{ＤＣ−ＯＵＴ}が入力電圧Ｖ_{ＤＣ−ＩＮ}に比例して得られる。そして、定格入力電圧Ｖ２において定格出力電圧（この例では３４０Ｖ）が出力される。入力電圧Ｖ_{ＤＣ−ＩＮ}が定格入力電圧Ｖ２を超えると、デューティ比を可変制御することで、出力電圧Ｖ_{ＤＣ−ＯＵＴ}が一定の定格出力電圧（この例では３４０Ｖ）になる。
【００３０】
この制御は、デューティ比が最大値であって、定格入力電圧Ｖ２において定格出力電圧（この例では３４０Ｖ）が得られるようにトランスの巻線比を設定し、且つデューティ比をフィードバック制御することで実現できる。即ち、定格入力電圧でデューティ比が最大値で定格出力電圧が得られ、定格入力電圧以下の入力電圧ではデューティ比のフィードバック制御でデューティ比が最大値に固定される。そして、定格入力電圧以上の入力電圧ではデューティ比のフィードバック制御で出力電圧が一定の定格出力電圧に固定される。
【００３１】
これにより、入力電圧範囲内の定格入力電圧Ｖ２付近で、最大の効率η（約９７％程度）が得られる。インバータにおいても、無歪みで動作できる理論的な直流リンク電圧以上の電圧であり、且つ従来の直流電圧より相対的に低い電圧である。このため、同様に良好な効率が得られ、インバータおよびＤＣ／ＤＣコンバータを含め、系統連係インバータ装置として、最高の効率が得られる。
【００３２】
図４（ｂ）は、比較例としての従来例を示す。従来例では、入力電圧範囲内の最小入力電圧Ｖ１以上においてデューティ比のフィードバック制御を行い、出力電圧が一定となるように制御している。このため、入力電圧範囲内の最小入力電圧Ｖ１付近において、最大の効率η（約９７％程度）が得られていた。しかしながら、ＤＣ／ＤＣコンバータは通常では定格入力電圧近辺で動作するため、効率の低いところで動作していたことになる。
【００３３】
即ち、この発明の実施形態においては、ＤＣ／ＤＣコンバータの入力電圧範囲内の定格入力電圧付近でデューティ比が１００％近くの最大値とすることができ、この領域においてＤＣ／ＤＣコンバータの損失を最小にすることができる。これにより、ＤＣ／ＤＣコンバータが通常の動作点で、最大の効率で運転することが可能となる。
【００３４】
なお、上記実施形態では、定格入力電圧範囲が数十Ｖ以下であり、定格出力電圧（直流リンク電圧）が３４０Ｖ付近の例について述べたが、他の電圧範囲においても、本発明の趣旨を同様に適用できることは勿論である。例えば、４００Ｖ系や、１００Ｖ系のインバータ装置にも同様に適用が可能である。
【００３５】
なお、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も勿論である。
【００３６】
【発明の効果】
本発明によれば、インバータおよびＤＣ／ＤＣコンバータを含め、系統連係インバータ装置として、その通常の動作点で良好な効率が得られる。
【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】ＤＣ／ＤＣコンバータの回路構成図である。
【図３】（ａ）は上アームおよび下アームのオン・オフ動作を示し、（ｂ）（ｃ）はその時の電流波形を示す図である。
【図４】（ａ）は本発明のＤＣ／ＤＣコンバータの動作点の設定例と効率との関係を示すグラフであり、（ｂ）は従来例の相当するグラフである。
【符号の説明】
１１直流電源
１２系統連系インバータ装置
１３系統電源
２１ＤＣ／ＤＣコンバータ
２２インバータ
２３ＬＣフィルタ回路
２４系統連系スイッチ
２５コントローラ
３１ａ，３１ｂスイッチング素子
３２昇圧トランス
３３整流・フィルタ回路
３５電圧検出器
３６制御部[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a grid-connected inverter device, and in particular, a DC / DC converter boosts DC power with maximum efficiency, reversely converts the DC power to AC power using an inverter, and loads connected to a system power supply The present invention relates to a grid-connected inverter device to be supplied.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, a DC / DC converter converts a relatively low voltage DC power supplied from a solar cell or a fuel cell into a desired high voltage (DC link voltage) DC power, and then the DC power is desired by an inverter. There is known a grid-connected inverter device that supplies AC power to a load connected to a commercial grid power supply by inversely converting the voltage to AC power having a voltage (see, for example, Patent Document 1). When an AC generator such as a gas turbine device is used as the power generation power source, the DC power formed by rectifying the generated AC power by the converter unit is converted back to AC power by the grid-connected inverter device. Sending to the power supply side.
[0003]
[Patent Document 1]
Japanese Patent Laid-Open No. 2002-199739
[Problems to be solved by the invention]
A DC / DC converter that boosts DC power supplied from a solar cell or a fuel cell receives a relatively low DC voltage of, for example, about several tens of volts or less. In order to obtain an output of, for example, AC 200 V (effective value) with an inverter, the voltage is boosted to a minimum output DC voltage of 320 V and supplied as an input DC voltage to the next-stage inverter. The output voltage of this DC / DC converter is called a DC link voltage because it is an input DC voltage of the inverter, and an AC voltage waveform is formed by the switching operation of the inverter based on this DC link voltage.
[0005]
In general, the DC / DC converter controls the output voltage so that it always becomes a predetermined value. In the case of a grid-connected inverter device, the AC output voltage is synchronized with the voltage of the grid power supply. Since the voltage of the system power supply varies somewhat with respect to, for example, a rating of 200 V, the DC link voltage must be able to cope with this variation. On the other hand, the input voltage of the DC / DC converter is determined by the current output of a DC power source such as a solar cell or a fuel cell. For this reason, in consideration of fluctuations in the inverter output voltage and fluctuations in the output voltage of the DC power supply on the input side, the DC link voltage that is the output voltage of the DC / DC converter generally tends to be set higher. For example, when the inverter output is 200 V AC, the output DC voltage (DC link voltage) is set to 350 to 370 V with respect to the input DC voltage of several tens V or less.
[0006]
However, when the DC link voltage is set high, the inverter efficiency is affected most by the switching loss, so that the inverter efficiency decreases. Therefore, setting the DC link voltage to a high value is not preferable in view of the efficiency of the inverter. However, if the DC link voltage is lowered below a certain theoretical value level, the waveform is distorted at the peak of the current waveform, and THD (Total Harmonic Distortion, total distortion wave rate of harmonics) is greatly increased. There is a problem that the allowable value is exceeded. Further, it is desired that the DC / DC converter also improve the efficiency as much as possible.
[0007]
The present invention has been made in view of the above-described circumstances, and it is an object of the present invention to improve the efficiency of a DC / DC converter, and to provide a grid-connected inverter device that has good overall efficiency.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problems, a grid-connected inverter device of the present invention includes a DC / DC converter that boosts DC power by switching with a variable duty ratio, and reverse-converts the boosted DC power into AC power having the frequency of the system power supply. The DC / DC converter outputs the required minimum output voltage at the minimum value within the input voltage range, and outputs the rated output voltage at the rated input voltage while maintaining the maximum duty ratio. The duty ratio is variable at an input voltage equal to or higher than the rated input voltage, and the rated output voltage is output.
[0009]
According to the present invention, since the duty ratio becomes the maximum value within the input voltage range below the rated input voltage, the maximum efficiency of the DC / DC converter can be obtained near the rated input voltage. That is, the efficiency of the DC / DC converter is influenced mainly by the current value at the time of switching of the DC input voltage. At a constant input voltage, the current value is the lowest at the maximum value with a duty ratio close to 100%. Therefore, by setting the area operated at this maximum duty ratio value to the input voltage area below the rated input voltage, The highest efficiency of the DC / DC converter can be obtained near the rated input voltage to be used.
[0010]
The minimum value of the output voltage is preferably a theoretical minimum voltage that causes the inverter to operate without distortion. In the DC / DC converter and the inverter constituting the system inverter device, the copper loss, the iron loss, and the switching loss increase and the efficiency decreases as the voltage increases. However, if the DC link voltage is lowered too much, waveform distortion will occur near the peak value of the output AC voltage, and THD (Total Harmonic Distortion) will greatly increase and exceed the allowable value. There's a problem. In consideration of the waveform distortion problem and the loss problem, the DC link voltage is preferably equal to or higher than the theoretical minimum voltage for operating the inverter without distortion.
[0011]
In addition, in the input voltage range of the DC / DC converter, the relationship between the input voltage and the output voltage includes a portion where the duty ratio is linearly set to a maximum value close to 100%. Thereby, the region where the loss due to the current value at the time of switching is the smallest can be moved within the range of the input voltage.
[0012]
Further, according to the control method of the grid-connected inverter device of the present invention, the DC / DC converter outputs a rated output voltage with a maximum duty ratio with respect to the rated input voltage, and with respect to an input voltage lower than the rated input voltage. The duty ratio operates at the maximum value and a variable output voltage is output.For input voltages that exceed the rated input voltage, the duty ratio is variable and a constant rated output voltage is output. The efficiency of the DC / DC converter is maximized.
[0013]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings. 1 to 4 are diagrams showing an embodiment of a grid-connected inverter device according to the present invention, and FIG. 1 shows a schematic configuration of the inverter device.
[0014]
In FIG. 1, a DC power source 11 is a DC power source formed by rectifying an AC generator output such as a DC power source such as a solar cell or a fuel cell or a gas turbine device. The DC power supplied from the DC power supply 11 is converted and adjusted to AC power having a desired frequency and voltage by the grid-connected inverter device 12, and AC power is supplied to a load such as a motor connected to the commercial system power supply 13. Supply.
[0015]
The grid-connected inverter device 12 boosts and outputs a low-voltage DC voltage received from the DC power supply 11, and the DC power boosted and adjusted by the DC / DC converter 21 with a PWM signal (drive signal). ) And an inverter (power module) 22 that performs reverse conversion to an alternating current of an arbitrary frequency and outputs the alternating current. In addition, the grid-connected inverter device is connected to an LC filter circuit (output filter circuit) 23 that removes harmonic components from the AC voltage output from the inverter 22 and to a system power supply according to a command or the like input from the operation unit. The system connection switch 24 and the like for turning on / off the power supply are provided.
[0016]
The grid-connected inverter device includes a controller (control unit) 25 that controls the operation, and controls the DC / DC converter 21, the inverter 22, the switch 24, and the like. The controller 25 is constituted by a so-called control CPU that performs overall control of each part of the apparatus according to a control program stored in the memory. The controller 25 includes various arithmetic processing units. Here, the controller 25 includes a rewritable memory such as E ² PROM, and stores parameters necessary for the calculation. Further, the output current and system voltage of the inverter device are measured and stored in the storage device. Then, the measured values such as current and voltage and necessary parameters are read out and calculated by the calculation device, and the calculation results are transferred as command values to the respective control units such as the converter 21 and the inverter 22.
[0017]
FIG. 2 shows a configuration example of a DC / DC converter. The DC / DC converter 21 boosts a DC low voltage V _DC-IN of, for example, several tens of volts or less to an output DC voltage V _DC-OUT of 320 to 340V. Here, the output DC voltage V _DC-OUT constitutes a DC link voltage that is an input DC voltage of the inverter 22. The direct current 320V is a theoretical minimum direct current voltage that causes the inverter to operate without distortion so as to output alternating current 220V (see Japanese Patent Application No. 2003-49766).
[0018]
The DC / DC converter 21, the other input DC voltage _{V DC-IN} pair of which is connected to one terminal N supplied switching element 31a, and both ends of the 31b, the input DC voltage _{V DC-IN} supplied Is provided with a step-up transformer 32 having a primary side connected to the terminal P. The other terminal on the primary side of the step-up transformer 32 is connected to the switching elements 31a and 31b. The switching elements 31a and 31b are turned on / off when signals are input to the signal terminals S and S bar.
[0019]
Therefore, when the switching element 31a of the upper arm is turned on and the switching element 31b of the lower arm is turned off, the DC voltage V _DC-IN is supplied to the primary side of the step-up transformer 32, and the current flows through the switching element 31a. Flowing. On the other hand, when the switching element 31a of the upper arm is off and the switching element 31b of the lower arm is on, the DC voltage V _DC-IN is supplied to the primary side of the step-up transformer 32 and the current is switched to the switching element 31b. Flows through.
[0020]
In the step-up transformer 32, when a voltage is applied to the primary side and current flows intermittently, a voltage according to the step-up ratio of the transformer is induced on the secondary side. The voltage induced to the secondary side is rectified by the rectification / filter circuit 33, and the boosted output DC voltage V _DC-OUT not including an AC component is taken out to the output terminal. At this time, by adjusting the on / off ratio of the switching elements 31a and 31b, that is, the duty ratio, the output DC voltage V of any magnitude within a range smaller than the maximum output voltage determined by the input voltage value and the step-up ratio of the transformer. _DC-OUT can be taken out. For this reason, the output DC voltage V _DC-OUT is detected by the voltage detector 35, and compared with the set value by the control unit 36, and fed back to the on / off control signals of the switching elements 31a and 31b. The output direct current voltage V _DC-OUT can be controlled to a constant value with respect to the voltage.
[0021]
FIG. 3A shows signal waveforms input to the signal terminals S and S bars of the switching elements 31a and 31b of the upper arm and the lower arm, respectively. The switching elements 31a and 31b perform on / off switching operations according to this signal. That is, in one period T, the switching element 31a of the upper arm by a predetermined period of time T _ON is turned on, in the next period T to turn on the switching element 31b of the lower arm for the same time. Thus, the switching element 31a and the switching element 31b operate reciprocally. Here, T _ON / T is the duty ratio, and the boost ratio is determined by this ratio.
[0022]
When the duty ratio reaches a maximum value close to 100%, the maximum step-up ratio of the step-up transformer 32 is obtained. The maximum value of the duty ratio is substantially about 98% due to the dead time. When the input DC voltage V _DC-IN is large and the output DC voltage V _DC-OUT exceeds the set value (rated output voltage) at the maximum step-up ratio, the duty ratio is automatically adjusted as described above. Operates to obtain the rated output voltage.
[0023]
Here, when examining the energy efficiency of the DC / DC converter, the present inventors found that when the duty ratio reaches a maximum value near 100%, the efficiency becomes the highest, and when the duty ratio decreases, the efficiency decreases. . The cause is considered as follows.
[0024]
The loss of the DC / DC converter is divided into a primary side loss and a secondary side loss. Here, on the secondary side of the DC / DC converter, the output current is smoothed by the rectifying filter. Assuming that the output voltage is constant while the output power is constant, the loss on the secondary side is considered to be substantially constant. Therefore, it is considered that the total loss of the DC / DC converter depends on the loss on the primary side. Therefore, considering the primary side loss, the relationship between the primary side loss P _LOSS , the duty ratio, and the input voltage of the DC / DC converter is expressed by the following equation.
P _LOSS = (P _OUT ² / (V _IN ² · d)) × R
However,
d: Duty ratio P _OUT : Output power V _IN : Input voltage R: Equivalent resistance on the primary side of the DC / DC converter Therefore, the total loss of the DC / DC converter becomes the primary side loss of the DC / DC converter as described above. Since the primary loss P _LOSS of the DC / DC converter is inversely proportional to the duty ratio d from the above equation, the DC / DC converter can be calculated by setting the duty ratio d to the maximum value (about 98%). The total loss of the converter can be minimized.
[0025]
3B and 3C show currents flowing through the switching elements 31a and 31b of the upper arm and the lower arm. The DC / DC converter includes a step-up transformer 32 and a filter circuit 33 on the secondary side and has a large inductance on the secondary side, but has an inductance only on the primary side of the transformer on the primary side, and a switching element By the on / off operation, the primary side current I becomes as shown in FIGS. FIG. 3B shows a case where the duty ratio is about 90%, and FIG. 3C shows a case where the duty ratio is relatively small and 50% or less. As can be seen from these figures, the current (peak) value increases as the duty ratio decreases under the assumption that the output is constant.
[0026]
By the way, since the loss in the DC / DC converter is effective by the square of the current value, the loss increases as the duty ratio decreases and the current value increases. For this reason, the current (peak) value is the lowest when the duty ratio becomes the maximum value near 100%, and the maximum efficiency is obtained. Further, in the design of the step-up transformer 32, the loss increases as the winding ratio between the primary side and the secondary side becomes higher. From this point of view, it is preferable to operate the duty ratio at a maximum value near 100%. That is, the maximum efficiency can be obtained by setting the DC link voltage as low as possible and operating the duty ratio at a maximum value close to 100%.
[0027]
FIG. 4A shows the operating point of the DC / DC converter according to the embodiment of the present invention. In this DC / DC converter, the operating point is set such that the minimum input voltage V1 in the input voltage range has a maximum duty ratio of nearly 100% and a predetermined output voltage (320V) is obtained. This output voltage (320V) is a theoretical minimum DC voltage that causes the inverter to operate without distortion with respect to the AC output voltage 220V.
[0028]
That is, when the rated output of the inverter is 200 V AC, assuming that the fluctuation of the system voltage is ± 10%, it is necessary to output 220 V AC within the rated input voltage range. When the DC link voltage is lowered below a certain theoretical value level, the waveform is distorted at the peak of the current waveform, and the THD (Total Harmonic Distortion, total distortion wave ratio of harmonics) is greatly increased and allowed. There is a problem of exceeding. Therefore, the theoretical minimum voltage of the DC link voltage that causes the inverter to operate without distortion is DC 320V with respect to the AC 220V output.
[0029]
Above the minimum input voltage V1 in the input voltage range determined by the output fluctuation range of the DC power supply, the output voltage V _DC-OUT is proportional to the input voltage V _DC-IN with a constant duty ratio (maximum value) up to the rated input voltage V2. Is obtained. A rated output voltage (340 V in this example) is output at the rated input voltage V2. When the input voltage V _DC-IN exceeds the rated input voltage V2, the output voltage V _DC-OUT becomes a constant rated output voltage (340 V in this example) by variably controlling the duty ratio.
[0030]
This control is performed by setting the transformer winding ratio so that the rated output voltage (340 V in this example) is obtained at the rated input voltage V2, and the duty ratio is feedback controlled. realizable. That is, the rated output voltage is obtained with the maximum duty ratio at the rated input voltage, and the duty ratio is fixed to the maximum value by the feedback control of the duty ratio when the input voltage is lower than the rated input voltage. When the input voltage is equal to or higher than the rated input voltage, the output voltage is fixed to a constant rated output voltage by duty ratio feedback control.
[0031]
As a result, the maximum efficiency η (about 97%) is obtained near the rated input voltage V2 within the input voltage range. The inverter also has a voltage higher than a theoretical DC link voltage that can operate without distortion, and is a voltage relatively lower than a conventional DC voltage. For this reason, good efficiency can be obtained similarly, and the highest efficiency can be obtained as a system linkage inverter device including an inverter and a DC / DC converter.
[0032]
FIG. 4B shows a conventional example as a comparative example. In the conventional example, the feedback control of the duty ratio is performed at the minimum input voltage V1 or more within the input voltage range, and the output voltage is controlled to be constant. For this reason, the maximum efficiency η (about 97%) is obtained in the vicinity of the minimum input voltage V1 within the input voltage range. However, since the DC / DC converter normally operates in the vicinity of the rated input voltage, the DC / DC converter was operated at a low efficiency.
[0033]
That is, according to the embodiment of the present invention, the duty ratio can be set to a maximum value near 100% near the rated input voltage within the input voltage range of the DC / DC converter, and the loss of the DC / DC converter is reduced in this region. Can be minimized. As a result, the DC / DC converter can be operated at the maximum operating efficiency at the normal operating point.
[0034]
In the above embodiment, the example in which the rated input voltage range is several tens of volts or less and the rated output voltage (DC link voltage) is around 340 V has been described, but the gist of the present invention is similarly applied to other voltage ranges. Of course, it is applicable to. For example, the present invention can be similarly applied to 400V and 100V inverter devices.
[0035]
In addition, the said embodiment described the one aspect | mode of the Example of this invention, Of course, a various deformation | transformation Example is possible, without deviating from the meaning of this invention.
[0036]
【The invention's effect】
According to the present invention, as a system-linked inverter device including an inverter and a DC / DC converter, good efficiency can be obtained at its normal operating point.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing an embodiment of a grid-connected inverter device according to the present invention, and is a circuit configuration diagram showing a schematic overall configuration thereof.
FIG. 2 is a circuit configuration diagram of a DC / DC converter.
3A is a diagram showing on / off operations of an upper arm and a lower arm, and FIGS. 3B and 3C are diagrams showing current waveforms at that time.
4A is a graph showing a relationship between an example of setting an operating point of a DC / DC converter of the present invention and efficiency, and FIG. 4B is a graph corresponding to a conventional example.
[Explanation of symbols]
11 DC power supply 12 System interconnection inverter device 13 System power supply 21 DC / DC converter 22 Inverter 23 LC filter circuit 24 System interconnection switch 25 Controller 31a, 31b Switching element 32 Step-up transformer 33 Rectification / filter circuit 35 Voltage detector 36 Control unit

Claims

直流電力をデューティ比可変のスイッチングにより昇圧するＤＣ／ＤＣコンバータと、昇圧した直流電力を系統電源の周波数の交流電力に逆変換して出力するインバータとを備え、
前記ＤＣ／ＤＣコンバータは、入力電圧の範囲内の最小値で所要の最低出力電圧が出力され、デューティ比が最大値のままで定格入力電圧で定格出力電圧が出力され、定格入力電圧以上の入力電圧でデューティ比が可変となり定格出力電圧が出力されることを特徴とする系統連系インバータ装置。A DC / DC converter that boosts DC power by variable duty ratio switching, and an inverter that converts the boosted DC power back into AC power at the frequency of the system power supply and outputs it,
The DC / DC converter outputs the required minimum output voltage at the minimum value within the range of the input voltage, outputs the rated output voltage at the rated input voltage with the maximum duty ratio, and inputs the rated input voltage or higher. A grid-connected inverter device characterized in that a duty ratio is variable with voltage and a rated output voltage is output.

前記所要の最低出力電圧が前記インバータを無歪みで動作させる理論的な最低直流電圧であ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。2. The grid-connected inverter device according to claim 1, wherein the required minimum output voltage is a theoretical minimum DC voltage that causes the inverter to operate without distortion.

前記ＤＣ／ＤＣコンバータの定格入力電圧以下の入力電圧範囲内において、前記入力電圧と出力電圧との関係が、デューティ比が最大値となるように直線的に設定されてい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。The relationship between the input voltage and the output voltage is set linearly so that the duty ratio becomes a maximum value within an input voltage range equal to or lower than a rated input voltage of the DC / DC converter. Item 4. The grid-connected inverter device according to item 1.

直流電力をデューティ比可変のスイッチングにより昇圧するＤＣ／ＤＣコンバータと、昇圧した直流電力を系統電源の周波数の交流電力に逆変換して出力するインバータとを備え、
前記ＤＣ／ＤＣコンバータが、定格入力電圧に対してデューティ比が最大値で定格出力電圧が出力され、定格入力電圧以下の入力電圧に対してデューティ比が最大値で動作し可変の出力電圧が出力され、定格入力電圧以上の入力電圧に対してデューティ比が可変で動作し一定の定格出力電圧が出力され、
前記定格入力電圧付近で前記ＤＣ／ＤＣコンバータの効率が最大となることを特徴とする系統連系インバータ装置の制御方法。A DC / DC converter that boosts DC power by variable duty ratio switching, and an inverter that converts the boosted DC power back into AC power at the frequency of the system power supply and outputs it,
The DC / DC converter outputs the rated output voltage with the maximum duty ratio with respect to the rated input voltage, operates with the maximum duty ratio with respect to the input voltage below the rated input voltage, and outputs the variable output voltage. The duty ratio is variable for an input voltage that is higher than the rated input voltage, and a constant rated output voltage is output.
A control method for a grid-connected inverter device, wherein the efficiency of the DC / DC converter is maximized in the vicinity of the rated input voltage.

前記可変の出力電圧の最小値が前記インバータを無歪みで動作させる理論的な最低直流電圧であることを特徴とする請求項４記載の系統連系インバータ装置の制御方法。5. The control method for a grid-connected inverter device according to claim 4, wherein the minimum value of the variable output voltage is a theoretical minimum DC voltage that causes the inverter to operate without distortion.