JP4595218B2 - 系統連系インバータ - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、系統連系インバータに関し、さらに詳細には、昇圧動作と降圧動作の切り替えを簡易に行うことができる系統連系インバータに関する。
【0002】
【従来の技術】
従来より、太陽電池や燃料電池などの直流電源より供給される直流電力を系統に連系して交流電力に変換する回路として、系統連系インバータが知られている。系統連系インバータの例としては、特開2000−152651号公報に記載されている。
【0003】
図3は、同公報に記載された従来の系統連系インバータの回路図である。
【0004】
図3に示されるように、同公報に記載された従来の系統連系インバータは、入力電源1より供給される直流電圧を昇圧するとともに波形成形を行う昇圧コンバータ2と、昇圧コンバータからの出力を平滑する中間段コンデンサ3と、出力電流Ioを正弦波に波形成形するインバータ4と、出力電圧を平滑するフィルタ5と、昇圧コンバータ2及びインバータ4の動作を制御する制御回路6とを備えており、制御回路6は、入力電源1の電圧が系統電圧よりも低い状態においては、昇圧コンバータ2を高周波でスイッチングさせるとともにインバータ4を系統電圧の極性に応じて低周波でスイッチングさせ、入力電源1の電圧が系統電圧よりも高い状態においては、昇圧コンバータ2のスイッチングを停止させるとともにインバータ4を高周波でスイッチングさせている。
【0005】
これによって、入力電源1の電圧が系統電圧よりも低い状態においては、昇圧コンバータ2によって昇圧及び波形成形が行われるとともに、入力電源1の電圧が系統電圧よりも高い状態においては、インバータ4によって波形成形が行われることになる。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した従来の系統連系インバータにおいては、入力電源1の電圧が系統電圧よりも低い状態においては、昇圧コンバータ2によって昇圧及び波形成形が行われ、入力電源1の電圧が系統電圧よりも高い状態においては、インバータ4によって波形成形が行われているために、入力電源1の電圧が系統電圧よりも低い状態から高い状態に切り替わる際及び高い状態から低い状態に切り替わる際の制御が複雑であるという問題があった。
【0007】
したがって、本発明の目的は、昇圧動作と降圧動作の切り替えを簡易に行うことができる系統連系インバータを提供することである。
【0008】
【課題を解決するための手段】
本発明のかかる目的は、直流電源からの電力を系統に供給する系統連系インバータであって、
前記直流電源の直流電圧が前記系統の電圧の絶対値よりも高い場合には前記直流電圧を降圧し、
前記直流電圧が前記系統の電圧の絶対値よりも低い場合には前記直流電圧を昇圧し、
前記系統の電圧の絶対値と実質的に一致した脈流波形の電圧を出力する昇降圧コンバータと、
前記昇降圧コンバータの出力を正弦波に変換して、前記系統に供給するための交流に変換するインバータと、
前記昇降圧コンバータの動作を制御する制御回路とを備え、
前記制御回路が、
少なくとも前記昇降圧コンバータに流れる電流値に基づいて生成される制御信号波と第1の搬送波とを比較することによって前記昇降圧コンバータが昇圧動作するように制御し、
前記制御信号波と第2の搬送波とを比較することによって前記昇降圧コンバータが降圧動作するように制御し、
前記第1の搬送波が、前記第2の搬送波にその振幅と実質的に等しい直流成分が重畳された波形を有し、
前記制御回路が、
前記直流電圧が前記系統の電圧の絶対値よりも高い場合に前記昇降圧コンバータに流すべき電流の目標値を示す降圧指令値波及び前記直流電圧が前記系統の電圧の絶対値よりも低い場合に前記昇降圧コンバータに流すべき電流の目標値を示す昇圧指令値波に少なくとも基づいて前記制御信号波を生成し、
前記降圧指令値波が、正弦波の絶対値波形であり、
前記昇圧指令値波が、(前記系統の電圧の絶対値×前記降圧指令値波)/(前記直流電圧)で導出される波形である
ことを特徴とする系統連系インバータによって達成される。
【0009】
本発明によれば、制御信号波と第1の搬送波とを比較することによって昇降圧コンバータによる昇圧動作を制御し、制御信号波と第2の搬送波とを比較することによって昇降圧コンバータによる降圧動作を制御しているので、降圧動作と昇圧動作との切り替えを簡易に行うことができる。
【0014】
本発明の好ましい実施態様においては、前記第1及び第2の搬送波が、いずれも三角波である。
【0015】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照しながら、本発明の好ましい実施態様について詳細に説明する。本実施態様にかかる系統連系インバータは、直流電源より供給される直流電力を系統に連系して交流電力に変換する回路であり、特に限定されないが、直流電源としては太陽電池や燃料電池からの電源を用いることができる。
【0016】
図1は、本発明の好ましい実施態様にかかる系統連系インバータ10の回路図である。
【0017】
図1に示されるように、本実施態様にかかる系統連系インバータ10は、直流電源11の両端間に接続された入力コンデンサ12と、直流電源11の両端間に接続され直流電源11の電圧を昇圧又は降圧するとともに波形成形を行う昇降圧コンバータ13と、昇降圧コンバータ13の出力端間に接続された中間コンデンサ14と、昇降圧コンバータ13の出力端間に接続され出力電流Ioが正弦波となるよう極性切り替えを行うインバータ15と、昇降圧コンバータ13及びインバータ15の動作を制御する制御回路16とを備えており、インバータ15の出力は、系統電源17に接続されている。
【0018】
昇降圧コンバータ13は、直列に接続された第1のトランジスタQ1及び第2のトランジスタQ2からなる第1のアームと、直列に接続された第3のトランジスタQ3及び第4のトランジスタQ4からなる第2のアームと、第1及び第2のトランジスタQ1、Q2の節点と第3及び第4のトランジスタQ3、Q4の節点との間に接続されたエネルギー蓄積用のリアクトルL1と、それぞれ第1〜第4のトランジスタQ1〜Q4に並列に接続されたダイオードD1〜D4とを備える。図1に示されるように、第1及び第2のトランジスタQ1、Q2からなる第1のアームは、直流電源11の両端間に接続されている。また、第3及び第4のトランジスタQ3、Q4からなる第2のアームは、昇降圧コンバータ13の出力端となる。さらに、昇降圧コンバータ13には、リアクトルL1に流れるリアクトル電流ILを検出するリアクトル電流モニタM1が備えられており、その検出値は制御回路16に供給される。
【0019】
以下に詳述するが、昇降圧コンバータ13が昇圧動作を行う場合には、第1のトランジスタQ1がオン状態、第2のトランジスタQ2がオフ状態に保持されつつ、第3のトランジスタQ3と第4のトランジスタQ4が交互にオン状態となる。一方、昇降圧コンバータ13が降圧動作を行う場合には、第3のトランジスタQ3がオン状態、第4のトランジスタQ4がオフ状態に保持されつつ、第1のトランジスタQ1と第2のトランジスタQ2が交互にオン状態となる。
【0020】
中間コンデンサ14は、昇降圧コンバータ13に含まれるリアクトルL1とともにフィルタを構成する。その容量値としては、昇降圧コンバータ13が昇圧動作を行う際に発生するリップル電流を吸収するのに十分な値が求められ、具体的には、インダクタンスが1mH程度のリアクトルL1を用いた場合には、数十μF〜数百μF程度に設定すればよい。
【0021】
インバータ15は、いわゆるフルブリッジ回路であり、直列に接続された第5のトランジスタQ5及び第6のトランジスタQ6からなる第3のアームと、直列に接続された第7のトランジスタQ7及び第8のトランジスタQ8からなる第4のアームと、それぞれ第5〜第8のトランジスタQ5〜Q8に並列に接続されたダイオードD5〜D8とを備える。図1に示されるように、第5及び第6のトランジスタQ5、Q6からなる第3のアーム及び第7及び第8のトランジスタQ7、Q8からなる第4のアームは、いずれも昇降圧コンバータ13の出力端間に接続されており、第5及び第6のトランジスタQ5、Q6の節点と第7及び第8のトランジスタQ7、Q8の節点との間に系統電源17が接続される。
【0022】
尚、図1に示されるように、第5及び第6のトランジスタQ5、Q6の節点と系統電源17の一端との間には、ノイズ除去用のリアクトルL2が接続されているが、本実施態様においては、リアクトルL2の両端に掛かる電圧は極めて小さいため、非常に小さいリアクトル、例えば数百μH程度のインダクタンスを有するリアクトルを用いればよい。すなわち、リアクトルL2においてはEt積が非常に小さいため、コア形状が非常に小さいリアクトルを使用することができる。但し、かかるリアクトルL2は、系統連系インバータ10による変換動作や昇圧/降圧動作に必須なリアクトルではなく、単にノイズの除去を目的としたものであるため、場合によっては、これを省略しても構わない。
【0023】
さらに、系統電源17の他端には、出力電流Ioを検出する出力電流モニタM2が備えられており、その検出値は制御回路16に供給される。
【0024】
制御回路16は、インバータ制御信号c5〜c8を生成するインバータ制御信号生成回路21と、インバータ制御信号c5〜c8を受けてインバータ駆動信号C5〜C8を生成するインバータ駆動回路22と、第1の搬送波S1及び第2の搬送波S2を発生する搬送波発生回路23と、昇降圧コンバータ制御信号c1〜c4を生成する昇降圧コンバータ制御信号生成回路24と、昇降圧コンバータ制御信号c1〜c4を受けて昇降圧コンバータ駆動信号C1〜C4を生成する昇降圧コンバータ駆動回路25とを備える。
【0025】
インバータ制御信号生成回路21は、出力電圧Voの極性を検出し、これに基づいてインバータ制御信号c5〜c8を生成する。より具体的には、出力電圧Voの極性が正である場合には、インバータ制御信号c5及びc8をハイレベル、インバータ制御信号c6及びc7をローレベルとし、逆に、出力電圧Voの極性が負である場合には、インバータ制御信号c6及びc7をハイレベル、インバータ制御信号c5及びc8をローレベルとする。
【0026】
インバータ駆動回路22は、インバータ制御信号c5〜c8を増幅してインバータ駆動信号C5〜C8を生成し、これらを第5〜第8のトランジスタQ5〜Q8のゲートにそれぞれ供給することによりインバータ15を駆動する回路である。したがって、インバータ駆動回路22には、それぞれインバータ制御信号c5〜c8を受けインバータ駆動信号C5〜C8を出力する4つのバッファ回路が含まれている。
【0027】
搬送波発生回路23により生成される第1及び第2の搬送波S1、S2は、後述するように、いずれも昇降圧コンバータ13のスイッチング周期と同じ周期をもった三角波である。第1の搬送波S1は、第2の搬送波S2にその振幅と実質的に等しい直流成分が重畳された波形を有しており、これにより、第1の搬送波S1の下端電圧と、第2の搬送波S2のピーク電圧とは実質的に一致している。
【0028】
昇降圧コンバータ制御信号生成回路24は、入力電圧Vin、出力電圧Vo、リアクトル電流ILの検出値、出力電流Ioの検出値、第1の搬送波S1及び第2の搬送波S2を受け、これらに基づいて昇降圧コンバータ制御信号c1〜c4を生成する。より具体的な動作については後述する。
【0029】
昇降圧コンバータ駆動回路25は、昇降圧コンバータ制御信号c1〜c4を増幅して昇降圧コンバータ駆動信号C1〜C4を生成し、これらを第1〜第4のトランジスタQ1〜Q4のゲートにそれぞれ供給することにより昇降圧コンバータ13を駆動する回路である。したがって、昇降圧コンバータ駆動回路25には、それぞれ昇降圧コンバータ制御信号c1〜c4を受け昇降圧コンバータ駆動信号C1〜C4を出力する4つのバッファ回路が含まれている。
【0030】
次に、本実施態様にかかる系統連系インバータ10の動作について説明する。
【0031】
図2は、本実施態様にかかる系統連系インバータ10の動作波形図である。
【0032】
図2に示されるように、本実施態様にかかる系統連系インバータ10の動作は、直流電源11からの入力電圧Vinが系統電源17の電圧の絶対値よりも高い期間(時刻t0〜t1、時刻t2〜t4、時刻t5〜t6)と、直流電源11からの入力電圧Vinが系統電源17の電圧の絶対値よりも低い期間(時刻t1〜t2、時刻t4〜t5)とで異なる動作を行う。
【0033】
詳細に説明すると、まず、昇降圧コンバータ制御信号生成回路24は、入力電圧Vin、出力電圧Vo、リアクトル電流ILの検出値及び出力電流Ioの検出値に基づいて、入力電圧Vinが系統電源17の電圧の絶対値よりも高い期間においてリアクトルL1に流すべきリアクトル電流ILの目標値を示す降圧指令値波を内部生成するとともに、入力電圧Vinが系統電源17の電圧の絶対値よりも低い期間においてリアクトルL1に流すべきリアクトル電流ILの目標値を示す昇圧指令値波を内部生成する。これら降圧指令値波及び昇圧指令値波の波形は、図2(l)に示されている。これら降圧指令値波及び昇圧指令値波のうち、各時間帯においてより高い値を有している指令値波が電流指令値波となる。電流指令値波の波形は、図2(m)に示されている。図2(l)に示されるように、降圧指令値波は正弦波の絶対値波形であり、昇圧指令値波は、(系統電源17の電圧の絶対値×降圧指令値波)/(入力電圧Vin)で導出される波形である。
【0034】
図2(l)及び(m)に示されるように、入力電圧Vinが系統電源17の電圧の絶対値よりも高い期間においては、昇圧指令値波よりも降圧指令値波の方が高い値を示し、入力電圧Vinが系統電源17の電圧の絶対値よりも低い期間においては、降圧指令値波よりも昇圧指令値波の方が高い値を示すので、電流指令値波は、入力電圧Vinが系統電源17の電圧の絶対値よりも高い期間においては降圧指令値波と一致し、入力電圧Vinが系統電源17の電圧の絶対値よりも低い期間においては昇圧指令値波と一致することになる。尚、入力電圧Vinと系統電源17の電圧の絶対値との比較は図2(k)に示されているが、図2(k)に示される波形は、本実施態様にかかる系統連系インバータ10の動作を説明するためのものであり、このような比較が制御回路16において行われているのではない。
【0035】
次に、昇降圧コンバータ制御信号生成回路24は、電流指令値波とリアクトル電流ILの検出値とを比較し、これに基づいて、リアクトル電流ILの波形が電流指令値波と一致するように、制御信号波を生成する。
【0036】
さらに昇降圧コンバータ制御信号生成回路24は、制御信号波と第1及び第2の搬送波S1、S2とを比較し、これに基づいて、昇降圧コンバータ制御信号c1〜c4を生成する。具体的には、制御信号波が第1の搬送波S1よりも高い期間においては昇降圧コンバータ制御信号c4をハイレベルとし、逆に、制御信号波が第1の搬送波S1よりも低い期間においては昇降圧コンバータ制御信号c3をハイレベルとする。また、制御信号波が第2の搬送波S2よりも高い期間においては昇降圧コンバータ制御信号c1をハイレベルとし、逆に、制御信号波が第2の搬送波S2よりも低い期間においては昇降圧コンバータ制御信号c2をハイレベルとする。
【0037】
これにより、昇降圧コンバータ制御信号c1とc2は互いに逆相信号となり、昇降圧コンバータ制御信号c3とc4は互いに逆相信号となるので、第1乃至第4のトランジスタQ1〜Q4は、PWM駆動されることになる。但し、第1のトランジスタQ1と第2のトランジスタQ2が同時にオンしたり、第3のトランジスタQ3と第4のトランジスタQ4が同時にオンすることがないよう、昇降圧コンバータ制御信号c1とc2の間及び昇降圧コンバータ制御信号c3とc4の間にはデッドタイムが挿入される。
【0038】
また、上述のとおり、第1の搬送波S1は第2の搬送波S2にその振幅と実質的に等しい直流成分が重畳された波形であるから、第1の搬送波S1と第2の搬送波S2とは実質的に重なり部分を有しておらず、このため、第1及び第2のトランジスタQ1、Q2が高周波でスイッチングしている期間においては、第3及び第4のトランジスタQ3、Q4のスイッチング動作は停止し、第3及び第4のトランジスタQ3、Q4が高周波でスイッチングしている期間においては、第1及び第2のトランジスタQ1、Q2のスイッチング動作は停止することになる。
【0039】
ここで、入力電圧Vinと系統電源17の電圧の絶対値とが一致するタイミングにおいて、制御信号波が第1の搬送波S1の波形が存在する領域と第2の搬送波S2の波形が存在する領域との境界を越えるように設定されており、このため、図2(b)〜(e)に示されるように、入力電圧Vinが系統電源17の電圧の絶対値よりも高い期間においては、第1及び第2のトランジスタQ1、Q2がPWM駆動され、入力電圧Vinが系統電源17の電圧の絶対値よりも低い期間においては、第3及び第4のトランジスタQ3、Q4がPWM駆動されることになる。
【0040】
第1及び第2のトランジスタQ1、Q2がPWM駆動されると、入力電圧Vinは降圧され、第3及び第4のトランジスタQ3、Q4がPWM駆動されると、入力電圧Vinは昇圧される。これにより、昇降圧コンバータ13の出力端間の電圧波形は脈流波形となって系統電源17の電圧の絶対値と実質的に一致し、これがインバータ15によって正弦波に変換された後、系統電源17に供給される。
【0041】
以上のような動作においては、第1〜第4のトランジスタQ1〜Q4のオン/オフは、制御信号波と第1の搬送波S1及び第2の搬送波S2とを比較することにより決定されることから、昇降圧コンバータ13による降圧動作と昇圧動作との切り替えが自動的に行われることになる。また、リアクトルL1は、昇降圧コンバータ13が降圧動作を行っている場合及び昇圧動作を行っている場合のいずれにおいても、共通に平滑リアクトルとして機能しており、利用効率が大幅に高められていることが分かる。
【0042】
このように、本実施態様による系統連系インバータ10によれば、制御信号波と第1の搬送波S1及び第2の搬送波S2とを比較することにより、昇降圧コンバータ13による降圧動作と昇圧動作との切り替えが自動的に行われることから制御回路16による制御を簡易に行うことができる。
【0043】
また、本実施態様による系統連系インバータ10によれば、リアクトルL1は、昇降圧コンバータ13が降圧動作を行っている場合及び昇圧動作を行っている場合のいずれにおいても、共通に平滑リアクトルとして機能するため、リアクトルの利用効率が高い。このため、製品コストを削減することができるばかりでなく、回路を小型化でき、さらに、変換効率を高めることが可能となる。
【0044】
本発明は、以上の実施態様に限定されることなく、特許請求の範囲に記載された発明の範囲内で種々の変更が可能であり、それらも本発明の範囲内に包含されるものであることはいうまでもない。
【0045】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、昇圧動作と降圧動作の切り替えを簡易に行うことができる系統連系インバータを提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の好ましい実施態様にかかる系統連系インバータ10の回路図である。
【図2】本発明の好ましい実施態様にかかる系統連系インバータ10の動作波形図である。
【図3】従来の系統連系インバータの回路図である。
【符号の説明】
10 系統連系インバータ
11 直流電源
12 入力コンデンサ
13 昇降圧コンバータ
14 中間コンデンサ
15 インバータ
16 制御回路
17 系統電源
21 インバータ制御信号生成回路
22 インバータ駆動回路
23 搬送波発生回路
24 昇降圧コンバータ制御信号生成回路
25 昇降圧コンバータ駆動回路
Claims (2)
- 直流電源からの電力を系統に供給する系統連系インバータであって、
前記直流電源の直流電圧が前記系統の電圧の絶対値よりも高い場合には前記直流電圧を降圧し、
前記直流電圧が前記系統の電圧の絶対値よりも低い場合には前記直流電圧を昇圧し、
前記系統の電圧の絶対値と実質的に一致した脈流波形の電圧を出力する昇降圧コンバータと、
前記昇降圧コンバータの出力を正弦波に変換して、前記系統に供給するための交流に変換するインバータと、
前記昇降圧コンバータの動作を制御する制御回路とを備え、
前記制御回路が、
少なくとも前記昇降圧コンバータに流れる電流値に基づいて生成される制御信号波と第1の搬送波とを比較することによって前記昇降圧コンバータが昇圧動作するように制御し、
前記制御信号波と第2の搬送波とを比較することによって前記昇降圧コンバータが降圧動作するように制御し、
前記第1の搬送波が、前記第2の搬送波にその振幅と実質的に等しい直流成分が重畳された波形を有し、
前記制御回路が、
前記直流電圧が前記系統の電圧の絶対値よりも高い場合に前記昇降圧コンバータに流すべき電流の目標値を示す降圧指令値波及び前記直流電圧が前記系統の電圧の絶対値よりも低い場合に前記昇降圧コンバータに流すべき電流の目標値を示す昇圧指令値波に少なくとも基づいて前記制御信号波を生成し、
前記降圧指令値波が、正弦波の絶対値波形であり、
前記昇圧指令値波が、(前記系統の電圧の絶対値×前記降圧指令値波)/(前記直流電圧)で導出される波形である
ことを特徴とする系統連系インバータ。 - 前記第1及び第2の搬送波が、いずれも三角波であ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。
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