JP2007014164A

JP2007014164A - System linkage inverter

Info

Publication number: JP2007014164A
Application number: JP2005194205A
Authority: JP
Inventors: Koji Konishi; 功次小西
Original assignee: Kawamura Electric Inc
Current assignee: Kawamura Electric Inc
Priority date: 2005-07-01
Filing date: 2005-07-01
Publication date: 2007-01-18

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a system linkage inverter that is reduced in changes caused by a temperature and an age, and can stably compensate a direct current by precisely detecting a DC component. <P>SOLUTION: The system linkage inverter has a DC determinator 4 that inserts a resistance element R1 into an inverter output in series, and outputs a signal to extract the DC component included in the output current to compare it with a reference value. When the extracted DC component is out of a previously set reference range, a control unit 2 outputs the signal that changes bias setting for converting a direct current to an alternate current. The DC determinator 4 comprises inverted amplification circuits 14a, 14b formed at two stages, and a pair of comparison circuits 16a, 16b connected in parallel with each other. The determinator is constituted such that an amount of the alternate current is reduced by the inverted amplification circuit 14a at the front stage and an amount of the direct current is amplified by the inverted amplification circuit 14b at the rear stage. When the direct current detected at each comparison circuit 16a, 16b is out of a prescribed range with a zero point as a center, the signal is output. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、直流電源を商用電力系統に連系する為の系統連系インバータに関し、特に変換した交流出力に含まれる直流電流成分を補償する直流補償回路を備えた系統連系インバータに関する。 The present invention relates to a grid interconnection inverter for linking a DC power source to a commercial power system, and more particularly to a grid interconnection inverter provided with a DC compensation circuit that compensates a DC current component included in a converted AC output.

太陽電池や燃料電池等の直流発電装置から出力される直流電力を商用電力系統に連系させる場合、系統連系インバータが使用され、商用電力系統に同期した交流電力に変換して接続される。
この従来の系統連系インバータは、商用電力系統に出力する電流の制御にあたって、自身の出力電流を電流センサで読み取り、その値から電流瞬時値を算出し、その値が目標値に等しくなるよう、所謂出力電流のフィードバック制御をしている。そして、電流センサで検出した出力電流情報をＡ／Ｄ変換して読み取る場合、まず電流センサの出力を抵抗で電圧に変換し、Ａ／Ｄ変換器の入力電圧範囲に合わせて作動増幅回路などでゲインやバイアスを調整し、電圧振幅や０レベルを調整している。 When DC power output from a DC power generation device such as a solar cell or a fuel cell is linked to a commercial power system, a grid-connected inverter is used and converted into AC power synchronized with the commercial power system and connected.
This conventional grid-connected inverter, when controlling the current output to the commercial power system, reads its own output current with a current sensor, calculates the instantaneous current value from that value, so that the value becomes equal to the target value, So-called output current feedback control is performed. When the output current information detected by the current sensor is A / D converted and read, first, the output of the current sensor is converted into a voltage by a resistor, and an operation amplifier circuit or the like is adapted to the input voltage range of the A / D converter. The gain and bias are adjusted, and the voltage amplitude and 0 level are adjusted.

上記バイアス調整は、検出値の０レベルが、Ａ／Ｄ変換回路の入力の中間値になるように差動増幅回路が使用されるが、このときバイアス電圧が温度ドリフト等で変動すると、Ａ／Ｄ変換器の読み取り値の０レベルが変動してしまい、その値を基にインバータで演算して出力した電流も０レベルが変動して交流出力に直流成分が重畳してしまう。このようにして直流成分が重畳すると、負荷に変圧器がある場合、直流励磁されてコアの磁束が飽和し、過電流が流れて焼損に至る虞がある。
そのため、ホール素子を使用して直流及び交流の電流を検出できるＤＣＣＴと交流成分しか検出できないＣＴを使用して出力電流を検出し、２つの電流の差から直流成分を検出したり、インバータの出力電流を検出すると共にローパスフィルタで交流分をカットして直流成分を検出して変換した交流電力に重畳される直流電流を補償する直流補償回路を備えたものがある（例えば、特許文献１参照）。 In the bias adjustment, the differential amplifier circuit is used so that the zero level of the detected value becomes an intermediate value of the input of the A / D converter circuit. At this time, if the bias voltage fluctuates due to temperature drift or the like, The zero level of the read value of the D converter fluctuates, and the current calculated by the inverter based on this value also fluctuates and the zero level fluctuates and a DC component is superimposed on the AC output. When the DC component is superposed in this way, when there is a transformer in the load, DC excitation is performed, the magnetic flux of the core is saturated, an overcurrent flows, and there is a risk of burning.
For this reason, DCCT that can detect DC and AC currents using Hall elements and CT that can only detect AC components are used to detect the output current, and the DC component can be detected from the difference between the two currents, or the inverter output Some have a DC compensation circuit that detects a current and cuts an AC component with a low-pass filter to detect a DC component and compensates the DC current superimposed on the converted AC power (see, for example, Patent Document 1). .

特開平８−１２６３４１号公報JP-A-8-126341

しかし、上記ホール素子を使用して直流成分を検出する形態は、直流成分は交流成分に比べて非常に小さいため、２つの電流の差演算をハードウエアで行う場合、比較回路のオフセット等が影響して正確な値が検出しづらくなる。ソフト的に処理する場合は、桁数が多く必要になり、処理が複雑になるし、ＤＣＣＴはオフセットが大きい上に温度等の環境変化や検出電流に伴う磁化などによりその値が変化するため、０レベルが狂い正確な直流成分の検出ができなかった。
また、上記特許文献１の直流補償回路の場合、直流電流検出精度は、ローパスフィルタの定数で決まるため、その調整が難しい上に各素子の温度ドリフト等による変動があるため正確な直流成分の検出ができなかった。 However, since the DC component is detected using the Hall element, the DC component is very small compared to the AC component, so when the difference between the two currents is calculated by hardware, the offset of the comparison circuit has an effect. This makes it difficult to detect an accurate value. When processing in software, a large number of digits are required, the processing becomes complicated, and DCCT has a large offset, and its value changes due to environmental changes such as temperature, magnetization due to detection current, etc. The zero level was out of order and accurate DC components could not be detected.
In the case of the DC compensation circuit disclosed in Patent Document 1, since the DC current detection accuracy is determined by the constants of the low-pass filter, it is difficult to adjust the DC current detection accuracy. I could not.

そこで、本発明はこのような問題点に鑑み、温度変化や経時変化が少なく直流成分の検出を精度良く行うことで安定した直流補償を実施可能な系統連系インバータを提供することを目的とする。 SUMMARY OF THE INVENTION In view of the above problems, the present invention has an object to provide a grid-connected inverter that can perform stable DC compensation by accurately detecting a DC component with little change in temperature and time. .

上記課題を解決する為に、請求項１に記載の発明は、直流電力を交流電力に変換するインバータと、前記インバータ出力を連系点の周波数、位相に一致するよう制御する制御部とを有する系統連系インバータであって、前記制御部は交流変換する際のゼロポイントを調整するためのバイアス部を有する一方、出力電流を検出するためにインバータ出力に直列に挿入した抵抗素子と、前記抵抗素子により検出した電流情報から直流成分を抽出して判定する直流判定部とを備え、
前記直流判定部は、抽出した直流成分が予め設定した範囲を外れたら前記バイアス出力部の出力を変更するための制御信号を出力し、前記制御部は前記制御信号を受けてバイアス部を制御してコンバータ出力に含まれる直流成分を補償することを特徴とする。
この構成により、電路に抵抗を介在させる簡易な構成で直流電流成分を検出できる。また、出力に重畳した直流分が一定の範囲内になるように補償制御するので、補償動作により直流成分が振動したりせず、出力を安定させることができる。 In order to solve the above problems, the invention described in claim 1 includes an inverter that converts DC power into AC power, and a control unit that controls the inverter output so as to match the frequency and phase of the interconnection point. A grid-connected inverter, wherein the control unit has a bias unit for adjusting a zero point at the time of AC conversion, a resistance element inserted in series with an inverter output to detect an output current, and the resistor A DC determination unit that extracts and determines a DC component from current information detected by the element;
The DC determination unit outputs a control signal for changing the output of the bias output unit when the extracted DC component is out of a preset range, and the control unit receives the control signal and controls the bias unit. Thus, the DC component included in the converter output is compensated.
With this configuration, the direct current component can be detected with a simple configuration in which a resistor is interposed in the electric circuit. In addition, since compensation control is performed so that the DC component superimposed on the output falls within a certain range, the DC component does not vibrate due to the compensation operation, and the output can be stabilized.

請求項２の発明は、請求項１に記載の発明において、直流判定部は、２段に形成した反転増幅回路と、並列接続した一対の比較回路とを有し、前段の反転増幅回路で交流分を削減し、後段の反転増幅回路で直流分を増幅すると共に、比較回路は、検出した直流電流がゼロ点を中心とした所定の範囲を外れたら、信号を出力することを特徴とする。
この構成により、直流判定部はオペアンプを組み合わせて作成でき、温度変化や経時変化の少ない部品で系統連系インバータの直流補償を実施できる。結果、長期に亘って直流成分の少ない安定した連系運転を実施できる。 According to a second aspect of the present invention, in the first aspect of the present invention, the direct current determination unit includes an inverting amplifier circuit formed in two stages and a pair of comparison circuits connected in parallel. And the comparator circuit outputs a signal when the detected DC current is out of a predetermined range centered on the zero point.
With this configuration, the direct current determination unit can be created by combining operational amplifiers, and direct current compensation of the grid interconnection inverter can be performed with parts having little temperature change and change with time. As a result, it is possible to carry out stable interconnection operation with little direct current component over a long period of time.

本発明によれば、抵抗素子やオペアンプ等の温度変化や経時変化の少ない部品で系統連系インバータの直流補償を実施でき、長期に亘って直流成分の少ない安定した連系運転を実現できる。
According to the present invention, DC compensation of a grid-connected inverter can be performed with components having little temperature change and time-dependent change, such as a resistance element and an operational amplifier, and a stable linked operation with little DC component can be realized over a long period of time.

以下、本発明を具体化した実施の形態を、図面に基づいて詳細に説明する。図１は本発明に係る系統連系インバータの回路図である。図において、１は直流を交流に変換するインバータを備えたインバータ主回路、２はインバータ主回路１を制御する制御部、３は出力電流を検出する電流検出部、４は出力電流に含まれる直流成分を抽出して基準値と比較判定する直流判定部、５は太陽電池等の直流電源、６は商用電力系統、７は負荷である。 DESCRIPTION OF EXEMPLARY EMBODIMENTS Hereinafter, embodiments of the invention will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 1 is a circuit diagram of a grid-connected inverter according to the present invention. In the figure, 1 is an inverter main circuit including an inverter that converts direct current into alternating current, 2 is a control unit that controls the inverter main circuit 1, 3 is a current detection unit that detects an output current, and 4 is a direct current included in the output current. A DC determination unit that extracts and extracts a component and compares it with a reference value, 5 is a DC power source such as a solar battery, 6 is a commercial power system, and 7 is a load.

インバータ主回路１は、直流電源５から供給される直流電力を必要な電圧まで昇圧し、それを４個のスイッチで構成するインバータ１ａで櫛形状波形にし、ＬＣフィルタ１ｂで正弦波状の交流電力を作成して商用電力系統に出力する。尚、１０は出力電流を検出する電流センサとしての変流器、Ｒ１は出力電流の直流成分を検出するために電路に直列に挿入した例えば０．１オーム程度の低抵抗の抵抗素子である。 The inverter main circuit 1 boosts the DC power supplied from the DC power source 5 to a necessary voltage, converts the DC power into a comb-shaped waveform with the inverter 1a composed of four switches, and generates the sinusoidal AC power with the LC filter 1b. Create and output to the commercial power system. In addition, 10 is a current transformer as a current sensor for detecting an output current, and R1 is a resistance element having a low resistance of, for example, about 0.1 ohm inserted in series in an electric circuit in order to detect a direct current component of the output current.

電流検出部３は、差動増幅回路で構成され、変流器１０で検出した出力電流情報を増幅して制御部２のＡ／Ｄ変換部１３に出力している。また、１１は電流検出部３のバイアス電源であり、この電圧信号もＡ／Ｄ変換部１３でＡ／Ｄ変換され直流補償の制御信号として使用される。このバイアス電源１１は、変流器１０で検出した出力電流情報から電流の０レベルがＡ／Ｄ変換部１３の入力範囲の中間値になるよう電圧設定され、振幅がＡ／Ｄ変換部１３の入力範囲におさまるよう振幅レベルが調整されている。そして、制御部２は電流検出部３の出力電流の振幅とバイアス電源１１の電圧値を読み取る。 The current detection unit 3 includes a differential amplifier circuit, amplifies the output current information detected by the current transformer 10 and outputs the amplified information to the A / D conversion unit 13 of the control unit 2. Reference numeral 11 denotes a bias power supply for the current detection unit 3, and this voltage signal is also A / D converted by the A / D conversion unit 13 and used as a control signal for DC compensation. The bias power source 11 is set to a voltage based on the output current information detected by the current transformer 10 so that the zero level of the current becomes an intermediate value in the input range of the A / D converter 13, and the amplitude is The amplitude level has been adjusted to fit within the input range. Then, the control unit 2 reads the amplitude of the output current of the current detection unit 3 and the voltage value of the bias power source 11.

直流判定部４は、２段の反転増幅回路１４ａ，１４ｂ、抵抗Ｒ２とコンデンサＣ２から成るフィルタ回路１５、並列に設けた２個の比較回路１６ａ，１６ｂを備えている。
抵抗素子Ｒ１で検出した電路電流は、１段目の反転増幅回路１４ａで交流分が削減され直流分はそのままとし、２段目の反転増幅回路１４ｂで直流分を大きく増幅するよう構成されている。
そして、次段のフィルタ回路１５で交流分を更に除去し、直流分を抽出している。そして、出力電流の直流分の大きさを比較回路１６ａ，１６ｂで判断させている。具体的に、上限値を上回ったら上限比較回路１６ａが上限信号を出力し、下限値を下回ったら下限比較回路１６ｂが下限信号を出力することで、直流電流がゼロ点を中心とする所定の範囲を外れたらそれを検出して制御部２に信号を出力する。 The DC determination unit 4 includes two stages of inverting amplifier circuits 14a and 14b, a filter circuit 15 including a resistor R2 and a capacitor C2, and two comparison circuits 16a and 16b provided in parallel.
The circuit current detected by the resistance element R1 is configured such that the AC component is reduced by the first-stage inverting amplifier circuit 14a and the DC component is left unchanged, and the DC component is greatly amplified by the second-stage inverting amplifier circuit 14b. .
Then, the AC component is further removed by the filter circuit 15 at the next stage, and the DC component is extracted. Then, the comparison circuits 16a and 16b determine the magnitude of the DC component of the output current. Specifically, the upper limit comparison circuit 16a outputs an upper limit signal when the upper limit value is exceeded, and the lower limit comparison circuit 16b outputs the lower limit signal when it falls below the lower limit value, whereby the direct current is in a predetermined range centered on the zero point. Is detected, a signal is output to the control unit 2.

尚、ここでの直流電流を判定する範囲の設定は、出力電流に含まれる直流成分をどの程度にするかにより決めるもので、例えば、「分散型電源系統連系技術指針（ＪＥＡＧ９７０１−２００１）」では、直流分は系統連系インバータ装置の定格交流電流の１％以下になるよう促していることから、装置の定格交流電流の±０．５％程度の直流電流が流れた時に生じる電流範囲が適当である。 Here, the setting of the range for determining the direct current is determined by how much the direct current component included in the output current is, for example, “Distributed power system interconnection technical guideline (JEAG 9701-2001)”. Then, since the direct current component is urged to be 1% or less of the rated AC current of the grid-connected inverter device, the current range generated when a DC current of about ± 0.5% of the rated AC current of the device flows is Is appropriate.

制御部２は、バイアスを設定するバイアス部１７、出力交流電流の目標値を設定する電流指令回路２１、出力位相生成部２２、ＰＩ演算部２３等を有し、図示しないマイクロコンピュータにより自身の出力電流を電流センサで読み取り、その値から電流瞬時値を算出し、その値が目標値に等しくなるよう、所謂出力電流のフィードバック制御をしている。具体的には、Ａ／Ｄ変換部１３で読み取った電流値から同じくＡ／Ｄ変換部１３で読み取ったバイアス値を減算し、それを出力電流の瞬時値とし、電流指令回路２１の電流指令と出力位相生成部２２の出力する系統電圧の位相に等しい出力電位から出力目標値を算出する。さらに、目標値と瞬時値の差をＰＩ演算部２３でＰＩ演算し、キャリア周波数でＰＷＭ変換し、インバータ１ａの制御信号として出力している。 The control unit 2 includes a bias unit 17 that sets a bias, a current command circuit 21 that sets a target value of an output AC current, an output phase generation unit 22, a PI calculation unit 23, and the like. The current is read by a current sensor, an instantaneous current value is calculated from the value, and so-called output current feedback control is performed so that the value becomes equal to the target value. Specifically, the bias value read by the A / D conversion unit 13 is subtracted from the current value read by the A / D conversion unit 13 to obtain an instantaneous value of the output current. An output target value is calculated from an output potential equal to the phase of the system voltage output by the output phase generation unit 22. Further, the PI calculation unit 23 calculates the difference between the target value and the instantaneous value, performs PWM conversion at the carrier frequency, and outputs it as a control signal for the inverter 1a.

次に、直流分の補償動作を具体的に説明する。バイアス部１７は、バイアス調整のためのパルス発振器１８、直流判定部４の信号を受けてバイアスを調整するための２つの積算器１９ａ，１９ｂ、リミッタ回路２０、直流判定部４の出力により制御させるスイッチ２５ａ，２５ｂを備えている。そして、直流判定部４の上限比較回路１６ａ及び下限比較回路１６ｂの信号の上限／下限は直流電流の流れる極性（方向）により決まり、上限信号を受けた時はその先にあるスイッチ２５ａを一定期間閉じ、パルス発振器１８の信号を積算器１９ａで積算し、その積算値をバイアス値に加算する。一方、下限信号を受けた時は、その先にあるスイッチ２５ｂを一定期間閉じ、パルス発振器の信号を積算器１９ｂで積算し、その積算値をバイアス値に減算する。この一定期間は、長ければバイアス値の調整量が大きく、短ければ小さいものになる。 Next, the compensation operation for the direct current component will be specifically described. The bias unit 17 is controlled by the outputs of the pulse generator 18 for bias adjustment, the two integrators 19 a and 19 b for adjusting the bias in response to the signal from the DC determination unit 4, the limiter circuit 20, and the output of the DC determination unit 4. Switches 25a and 25b are provided. Then, the upper limit / lower limit of the signals of the upper limit comparison circuit 16a and the lower limit comparison circuit 16b of the DC determination unit 4 are determined by the polarity (direction) in which the DC current flows. Then, the signal from the pulse oscillator 18 is integrated by the integrator 19a, and the integrated value is added to the bias value. On the other hand, when the lower limit signal is received, the switch 25b ahead is closed for a certain period, the pulse oscillator signal is integrated by the integrator 19b, and the integrated value is subtracted from the bias value. If this fixed period is long, the adjustment amount of the bias value is large, and if it is short, it is small.

そして、積算器１９ａ、１９ｂにより加算／減算され調整されたバイアス値が一定範囲を大きく逸脱しないようリミッタ２０が設けられている。これはノイズ等の外部要因で調整量が暴走的に大きくなった時の出力への悪影響を防ぐためのもので、制御に直接的に影響するものではない。
この調整されたバイアス値を用いて出力電流の瞬時値が作成され、目標値と瞬時値の差をＰＩ演算し、キャリア周波数でＰＷＭ変調し、インバータ制御信号として出力することで、出力電流の直流成分が補償される。尚、バイアス調整部の２コの積算器１９ａ，１９ｂの初期値は共に０とする。 A limiter 20 is provided so that the bias value adjusted by addition / subtraction by the integrators 19a and 19b does not greatly deviate from a certain range. This is to prevent an adverse effect on the output when the adjustment amount becomes runaway due to external factors such as noise, and does not directly affect the control.
Using this adjusted bias value, an instantaneous value of the output current is created, and the difference between the target value and the instantaneous value is PI-calculated, PWM modulated at the carrier frequency, and output as an inverter control signal. The component is compensated. The initial values of the two integrators 19a and 19b of the bias adjustment unit are both 0.

このように、電路に抵抗を介在させる簡易な構成で直流電流成分を検出できるし、直流判定部はオペアンプで作成できるので、温度変化や経時変化の少ない部品で而も安価に系統連系インバータの直流補償を実施でき、長期に亘って直流成分の少ない安定した連系運転を実施できる。また、出力に重畳した直流分が一定の範囲内になるように補償制御するので、補償動作により直流成分が振動したりせず、出力を安定させることができる。 In this way, the DC current component can be detected with a simple configuration in which resistance is interposed in the electric circuit, and the DC judgment unit can be created with an operational amplifier, so the components of the grid-connected inverter can be inexpensively made with parts with little temperature change and time-dependent change. DC compensation can be performed, and stable interconnection operation with little DC component can be performed over a long period of time. Further, since compensation control is performed so that the DC component superimposed on the output is within a certain range, the DC component does not vibrate due to the compensation operation, and the output can be stabilized.

本発明に係る系統連系インバータの一例を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows an example of the grid connection inverter which concerns on this invention.

符号の説明Explanation of symbols

１・・インバータ主回路、１ａ・・インバータ、２・・制御部、３・・電流検出部、４・・直流判定部、５・・直流電源、６・・商用電力系統、１０・・変流器、１４ａ，１４ｂ・・反転増幅回路、１６ａ，１６ｂ・・比較回路、１７・・バイアス部。 1 .... Inverter main circuit, 1a ... Inverter 2 .... Control part 3 .... Current detection part 4 .... DC judgment part 5 .... DC power supply 6 .... Commercial power system 10 .... Current transformation 14a, 14b... Inversion amplifier circuit, 16a, 16b... Comparison circuit, 17.

Claims

直流電力を交流電力に変換するインバータと、前記インバータ出力を連系点の周波数、位相に一致するよう制御する制御部とを有する系統連系インバータであって、
前記制御部は交流変換する際のゼロポイントを調整するためのバイアス部を有する一方、出力電流を検出するためにインバータ出力に直列に挿入した抵抗素子と、前記抵抗素子により検出した電流情報から直流成分を抽出して判定する直流判定部とを備え、
前記直流判定部は、抽出した直流成分が予め設定した範囲を外れたら前記バイアス出力部の出力を変更するための制御信号を出力し、前記制御部は前記制御信号を受けてバイアス部を制御してコンバータ出力に含まれる直流成分を補償することを特徴とする系統連系インバータ。 A grid-connected inverter having an inverter that converts DC power into AC power, and a control unit that controls the inverter output to match the frequency and phase of the grid point,
The control unit has a bias unit for adjusting a zero point when AC conversion is performed, and on the other hand, a resistance element inserted in series with an inverter output in order to detect an output current, and a direct current from current information detected by the resistance element A DC determination unit that extracts and determines components;
The DC determination unit outputs a control signal for changing the output of the bias output unit when the extracted DC component is out of a preset range, and the control unit receives the control signal and controls the bias unit. A grid-connected inverter that compensates for a DC component contained in the converter output.

直流判定部は、２段に形成した反転増幅回路と、並列接続した一対の比較回路とを有し、前段の反転増幅回路で交流分を削減し、後段の反転増幅回路で直流分を増幅すると共に、比較回路は、検出した直流電流がゼロ点を中心とした所定の範囲を外れたら、信号を出力する請求項１に記載の系統連系インバータ。 The DC determination unit has an inverting amplifier circuit formed in two stages and a pair of comparison circuits connected in parallel, reduces the AC component by the preceding inverting amplifier circuit, and amplifies the DC component by the subsequent inverting amplifier circuit. The comparison circuit according to claim 1, wherein the comparison circuit outputs a signal when the detected DC current is out of a predetermined range centered on the zero point.