JP5101881B2 - 系統連系インバータ装置 - Google Patents

Description

本発明は、インバータ装置に関するものであり、特に、太陽電池、燃料電池等の直流電力を交流電力系統に連系するための系統連系インバータ装置に関するものである。

交流電力系統に連系する系統連系インバータ装置では、入力された直流電力の電圧を安定化するための平滑部が存在するが、従来から、この平滑部には大電力用の電解コンデンサを用いて構成することが行われていた。

一方、太陽電池出力を直流電力とする系統連系インバータ装置のうち、例えば入力電圧が７００ＶＤＣにも達するような高電圧仕様の系統連系インバータ装置では、平滑用の電解コンデンサの耐圧は、ディレーティングなどを考慮して、８５０ＷＶ（ワーキング・ボルテージ）程度の高耐圧品が必要となる。

しかしながら、この様な高耐圧の電解コンデンサは、コスト・形状ともに一般的ではなく、家電製品への採用は困難であった。この様な背景から、高電圧仕様の系統連系インバータ装置には、例えば４５０ＷＶもしくは５００ＷＶ程度の安価で入手性の良い汎用電解コンデンサを２個直列接続することによって高耐圧を確保することが行われていた。

なお、系統連系インバータ装置において、この種の電解コンデンサに関する不具合対策を直接的に開示した文献はあまり存在していない。その理由は、装置の異常時における安全対策として、直接的にコンバータ回路あるいはインバータ回路の回路動作を停止させることが一般的に行われていたためと考えられる。

他方、上記のような装置保護のための安全対策ではなく、装置を扱う人間に対する安全対策を開示した文献として、下記特許文献１などが存在する。

この特許文献１では、系統連系インバータ装置の内部で発生した過電圧や過電流によって装置が破壊されるのを防止するための検知機能を動作させた場合に、装置の最終段に接続された出力コンデンサに充電された電荷が放電されないまま停止状態になっていて修理業者が感電してしまうおそれがあるということを課題として取り上げるとともに、その対策として、装置内部で過電圧や過電流が発生したときに速やかに昇圧コンバータおよびインバータの発振動作を停止させ、かつ、装置の最終出力段に接続された出力コンデンサの電荷を速やかに放電させるようにした系統連系インバータ装置を開示している。

特開２００１−１８６６６４号公報

上述のように、高耐圧の汎用的な電解コンデンサは、４５０ＷＶもしくは５００ＷＶが一般的であるため、例えば系統連系インバータ装置の７００ＶＤＣの入力ライン間には、例えば４５０ＷＶの電解コンデンサを２個直列に挿入するようにして、所望の耐圧を確保する必要があった。

一方、これらの直列接続された２個の電解コンデンサのうち、いずれか一方の電解コンデンサが短絡故障するなどの予期せぬ事態が発生した場合、他方の電解コンデンサには耐圧を超える電圧が印加されることになり、必然的に爆発の危険性があった。また、爆発を起こした電解コンデンサは、ガスの噴出や液漏れを引き起こすので、他の回路に悪影響を与えたり、他の回路部品を劣化させたりするといった問題点があるとともに、引火性のある悪環境下では装置の火災にも繋がるといった懸念も生じていた。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、電解コンデンサの異常を検出し、安全に停止させることが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。

上述した課題を解決し、目的を達成するため、本発明にかかる系統連系インバータ装置は、直流電源から供給される直流電力を交流電力に変換するインバータを具備し、該インバータの出力を交流電力系統と連系させる系統連系インバータ装置において、前記直流電源と前記インバータとを接続する一対の直流母線間に挿入される直列接続された一対のコンデンサと、前記一対の直流母線を構成する正極側母線または負極側母線のいずれかに挿入される開閉手段と、前記一対のコンデンサの各端子電圧をそれぞれモニタする電圧モニタ手段と、前記電圧モニタ手段が検出したモニタ電圧に基づいて前記開閉手段の開閉を制御する制御手段と、を備えたことを特徴とする。

本発明にかかる系統連系インバータ装置によれば、直流電源とインバータとを接続する一対の直流母線間に直列接続された一対のコンデンサが挿入され、この一対のコンデンサの各端子電圧をモニタしたモニタ電圧に基づいて、正極側母線または負極側母線のいずれかに挿入された開閉手段の開閉を制御するようにしているので、コンデンサの短絡故障が生じた場合であっても、正常なコンデンサに高電圧が印加される状況を未然に防止することができ、装置を安全に停止することができるという効果が得られる。

以下に、本発明にかかる系統連系インバータ装置の好適な実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、以下の実施の形態により本発明が限定されるものではない。また、以下に示す回路構成は、その一例を示すものであり、本発明の技術的意義を逸脱しない範囲内で種々の変形が可能である。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１にかかる系統連系インバータ装置の回路構成を示す図である。同図において、系統連系インバータ装置１は、入力端ＩＮ１，ＩＮ２に直流電力源である太陽電池１１が接続され、交流出力端である出力端ＯＵＴ１，ＯＵＴ２を通じて、図示を省略した交流電力系統に連系する電力システムとして構成されている。なお、直流電力源である太陽電池１１は、電池の直列・並列の組み合わせを任意に構成することが可能であるため、出力電圧は、数十ＶＤＣから数百ＶＤＣの幅広い設定が可能である。

つぎに、図１に示した実施の形態１にかかる連系インバータ装置の回路構成について説明する。図１において、系統連系インバータ装置１は、インバータ２１、例えばＩＧＢＴであるスイッチング素子１３、このスイッチング素子１３を制御するスイッチング素子制御部１４、リレー１２、例えば電解コンデンサであるコンデンサ１５ａ，１５ｂ、コンデンサ１５ａ，１５ｂの各電圧をモニタする電圧モニタ手段１６ａ，１６ｂおよびリレー１２やスイッチング素子制御部１４を制御する制御手段としてのＣＰＵ２２などの各構成部を備えている。

インバータ２１は、自身の入力端が正極側の直流母線である母線５および負極側の直流母線である母線６に接続されるとともに、出力端は交流電力系統と連系するために出力端ＯＵＴ１，ＯＵＴ２に接続されている。また、コンデンサ１５ａとコンデンサ１５ｂとは直列に接続されて母線５と母線６との間に挿入され、リレー１２は母線６に挿入され、スイッチング素子１３の第１端子（例えばＩＧＢＴのコレクタ）および第２端子（例えばＩＧＢＴのエミッタ）はリレー１２を挟むように母線６にそれぞれ接続されている。さらに、スイッチング素子制御部１４の一端はスイッチング素子１３のオン／オフを制御するためにスイッチング素子１３の制御端（ＩＧＢＴのベース）に接続され、ＣＰＵ２２は電圧モニタ手段１６ａ，１６ｂのモニタ電圧に基づいてスイッチング素子制御部１４およびリレー１２を制御するために、電圧モニタ手段１６ａ，１６ｂ、スイッチング素子制御部１４およびリレー１２の各構成部と接続されている。

つぎに、図１に示す系統連系インバータ装置の動作について説明する。電圧モニタ手段１６ａ，１６ｂは、直列に接続されたコンデンサ１５ａ，１５ｂの各電圧をそれぞれモニタし、検出したモニタ電圧をＣＰＵ２２に出力する。ここで、例えば、コンデンサ１５ａが短絡故障した場合、電圧モニタ手段１６ｂのモニタ電圧（コンデンサ１５ｂの電圧）が所定の閾値（例えば４００ＶＤＣ）以上になり、閾値を超えた電圧がＣＰＵ２２で検出される。このとき、ＣＰＵ２２は、母線６に挿入されたリレー１２をオフに制御する。この制御により、太陽電池１１からの直流電力の供給が遮断され、装置の動作が安全に停止する。

このように、図１に示す系統連系インバータ装置は、高電圧部に耐圧の低い電解コンデンサを直列接続で使用する場合の、コンデンサ保護回路を成すものであり、直列に接続されたそれぞれのコンデンサの電圧をモニタし、いずれか一方のコンデンサが短絡故障した場合に他方のコンデンサ電圧が閾値以上になることを検出して、入力ラインに挿入されたリレーをオフ制御するように動作することを特徴としている。

なお、図１では、上述のように、リレー１２の構成に加えてスイッチング素子１３を母線６に接続しているが、その主たる目的は、リレー１２の接点保護にある。すなわち、本発明では、スイッチング素子１３が存在していなくても、装置を安全に停止させるという目的は達成できるが、リレー１２の接点保護という観点に鑑みれば、スイッチング素子１３に対して、以下に説明するような制御を行うことが効果的である。

図１において、例えば、コンデンサ１５ａが短絡故障した場合、コンデンサ１５ｂのモニタ電圧が所定の閾値以上になり、ＣＰＵ２２で検出される。このとき、ＣＰＵ２２は、スイッチング素子１３のオン状態を維持させた状態で、まずリレー１２をオフ制御し、その後、スイッチング素子１３をオフ制御することが好ましい。一方、例えば、短絡故障したコンデンサ１５ａを交換して系統連系インバータ装置１を復旧させる場合には、ＣＰＵ２２は、まずスイッチング素子１３をオン制御してコンデンサ１５ａ，１５ｂへの充電を完了させ、その後、リレー１２をオン制御することが好ましい。これらの制御を行うことにより、リレー１２の直流電流アークによる接点劣化等を防ぐことができる。また、これらの制御を行うことで、太陽電池１１の出力電圧が低い状態のときに太陽電池１１とコンデンサ１５ａ，１５ｂとが接続され、コンデンサ１５ａ，１５ｂへの突入電流を抑制することができる。なお、太陽電池１１の出力電圧をモニタするようにすれば、例えば太陽電池１１の出力電圧が低い状態のときにスイッチング素子１３を自動的にオンすることができ、コンデンサへの突入電流を抑制することが可能となる。

ここで、上記の処理では、短絡故障したコンデンサとは異なるコンデンサの端子電圧あるいは当該コンデンサが接続されている接続端の電圧が所定の閾値（第１の閾値）を超過しているか否かを判定するようにしているが、短絡故障したコンデンサの端子電圧あるいは当該コンデンサが接続されている接続端の電圧が、第１の閾値とは異なる所定の閾値（第２の閾値）未満であるか否かを判定するようにしてもよい。また、これらの第１の閾値および第２の閾値の両者を用いて制御することも可能である。なお、この場合のフローを図２に示す。

図２において、電圧モニタ手段１６ａはコンデンサ１５ａの端子電圧（Ｖｃ１）をモニタし、電圧モニタ手段１６ｂはコンデンサ１５ｂの端子電圧（Ｖｃ２）をモニタする（ステップＳ１０１）。ＣＰＵ２２は、コンデンサ１５ａ，１５ｂの各モニタ電圧（Ｖｃ１，Ｖｃ２）が所定第１の閾値（Ｖｔｈ１）を超過しているか否かを判定する（ステップＳ１０２）。いま、これらのモニタ電圧（Ｖｃ１，Ｖｃ２）のいずれかが所定第１の閾値（Ｖｔｈ１）を超過していると判定された場合（ステップＳ１０２，Ｙｅｓ）には、リレー１２およびスイッチング素子１３に対する上述の制御が行われる（ステップＳ１０４）。一方、各モニタ電圧（Ｖｃ１，Ｖｃ２）のいずれも所定第１の閾値（Ｖｔｈ１）を超過していないと判定された場合（ステップＳ１０２，Ｎｏ）には、引き続き、各モニタ電圧（Ｖｃ１，Ｖｃ２）が所定第２の閾値（Ｖｔｈ２）未満か否かが判定される（ステップＳ１０３）。そして、各モニタ電圧（Ｖｃ１，Ｖｃ２）のいずれかが所定第２の閾値（Ｖｔｈ２）未満であると判定された場合（ステップＳ１０３，Ｙｅｓ）には、ステップＳ１０４の処理が実行され、各モニタ電圧（Ｖｃ１，Ｖｃ２）のいずれも所定第２の閾値（Ｖｔｈ２）未満ではない判定された場合（ステップＳ１０３，Ｎｏ）には、ステップＳ１０１に移行して、各コンデンサの端子電圧のモニタが継続される。

なお、上記フローにおいて、ステップＳ１０２とステップＳ１０３の処理は、その順序を入れ替えてもよい。また、ステップＳ１０２とステップＳ１０３の処理はいずれか一方の処理を省略することも可能である。

以上説明したように、この実施の形態の系統連系インバータ装置によれば、太陽電池とインバータとを接続する一対の直流母線間に直列接続された一対のコンデンサが挿入され、この一対のコンデンサの各端子電圧をモニタしたモニタ電圧に基づいて、正極側母線または負極側母線のいずれかに挿入された開閉手段の開閉が制御されるので、コンデンサの短絡故障が生じた場合であっても、正常なコンデンサに高電圧が印加される状況を未然に防止することができ、装置を安全に停止することができる。

なお、図１の構成では、装置をオンする際に、高電圧（例えば７００ＶＤＣ）の太陽電池から略零電圧のコンデンサに向かって大きな突入電流が流れようとするが、例えば、スイッチング素子１３のエミッタ側あるいはコレクタ側に所望の抵抗素子を挿入するようにすれば、大きな突入電流が流れるのを抑制することができる。なお、スイッチング素子に抵抗素子を挿入したとしても、スイッチング素子がオンした後に、並列に接続されているリレーがオンとなって、スイッチング素子回路がバイパスされるので、抵抗素子の挿入によって損失が増加することはない。

また、図１に示した回路構成では、リレー１２およびスイッチング素子１３の第１および第２端子を、負極側の直流母線である母線６に挿入または接続しているが、正極側の直流母線である母線５に挿入または接続するようにしてもよい。

実施の形態２．
図３は、本発明の実施の形態２にかかる系統連系インバータ装置の回路構成を示す図である。図３に示す系統連系インバータ装置は、図１に示す実施の形態１の構成において、太陽電池１１から供給された入力電圧を変更（昇圧および／または降圧）するコンバータ２５をインバータ２１の入力段に備えるように構成している。なお、その他の構成については、図１に示した実施の形態１の構成と同一または同等であり、それらの構成部には同一符号を付して示し、その説明を省略する。

図３において、コンバータ２５は、コイル１７ａ，１７ｂ、例えばＩＧＢＴであるスイッチング素子１８ａ，１８ｂ、ダイオード１９ａ，１９ｂおよびコンデンサ２０ａ，２０ｂを備えて構成される。また、コンバータ２５において、スイッチング素子１８ａとスイッチング素子１８ｂとは直列に接続されて母線５と母線６との間に挿入されるとともに、コンデンサ２０ａとコンデンサ２０ｂとは直列に接続され、スイッチング素子１８ａ，１８ｂの接続点よりもインバータ２１側の母線５と母線６との間に挿入される。ダイオード１９ａは、スイッチング素子１８ａおよびコンデンサ２０ａの母線５側の接続点間に電流（直流電流）の流れる方向が自身の順方向となるように挿入され、ダイオード１９ｂは、スイッチング素子１８ｂおよびコンデンサ２０ｂの母線６側の接続点間に電流（直流電流）の流れる方向が自身の順方向となるように挿入される。コイル１７ａは、スイッチング素子１８ａおよびコンデンサ１５ａの母線５側の接続点間に挿入され、コイル１７ｂは、スイッチング素子１８ｂおよびコンデンサ１５ｂの母線６側の接続点間に挿入される。なお、コンデンサ１５ａ，１５ｂ、スイッチング素子１８ａ，１８ｂおよびコンデンサ２０ａ，２０ｂの各素子同士が接続される接続点は共通の母線７に接続されている。

ここで、図３において、コンデンサ１５ａ，１５ｂと並列に設けられたスイッチング素子１８ａ，１８ｂのいずれかの素子が短絡故障した場合、短絡故障したスイッチング素子によって、当該スイッチング素子に並列に接続されているコンデンサ１５ａまたはコンデンサ１５ｂが短絡されるため、上記実施の形態１と同様な状況が生起する。この場合でも、実施の形態１と同様な制御を行うことで、系統連系インバータ装置の動作を安全に停止することができる。

また、コンバータ２５において、スイッチング素子１８ａ，１８ｂと並列に設けられているコンデンサ２０ａ，２０ｂのいずれかの素子が短絡故障した場合、短絡故障したコンデンサによって、当該コンデンサに並列に接続されているコンデンサ１５ａまたはコンデンサ１５ｂが短絡されるため、上記と同様な状況が生起する。この場合でも、実施の形態１と同様な制御を行うことで、系統連系インバータ装置の動作を安全に停止することができる。

なお、図３に示したコンバータ２５は、コンデンサ１５ａ，１５ｂに保持された電圧を昇圧する場合の回路構成を示しているが、この構成に限定されるものではなく、コンデンサ１５ａ，１５ｂに保持された電圧を降圧する回路あるいは昇降圧する回路が接続されている場合であっても、同様に適用することができることは言うまでもない。

以上説明したように、この実施の形態の系統連系インバータ装置によれば、太陽電池から供給された入力電圧を昇圧および／または降圧するコンバータを備えていたとしても、実施の形態１と同様に、モニタしたコンデンサの端子電圧に基づいて開閉手段の開閉を制御することができ、実施の形態１と同様な効果が得られる。

実施の形態３．
図４は、本発明の実施の形態３にかかる系統連系インバータ装置の回路構成を示す図である。図４に示す系統連系インバータ装置は、図１に示す実施の形態１の構成において、母線５と母線６との間に挿入されるコンデンサが３個以上（図４の例では３個）となるように構成している。なお、その他の構成については、図１に示した実施の形態１の構成と同一または同等であり、主要な構成部を除いて図示を省略するとともに、その説明を省略する。

図３において、コンデンサ１５ａ，１５ｂ，１５ｃはそれぞれが直列に接続され、母線５と母線６との間に挿入されている。このように構成したことで、いずれか１個のコンデンサが短絡故障した場合でも、残りの２個のコンデンサで耐圧を確保することが可能となる。なお、３個以上接続すれば、残りの２個以上のコンデンサで耐圧を確保することができる。

例えば、太陽電池１１の出力電圧が７００ＶＤＣの様な高電圧仕様の場合、直列接続されたコンデンサ１５ａ，１５ｂ，１５ｃによる全耐圧は、ディレーティングなどを考慮して、８５０ＷＶ程度の高耐圧品が必要となる。一方、安価で入手性の良い、例えば４５０ＷＶ程度の汎用電解コンデンサを３個直列に接続するようにすれば、１個のコンデンサが短絡故障した場合であっても、残りの２個の合計耐圧で９００ＷＶの耐圧を確保することが可能であり、装置を停止するという選択以外に、装置の動作を継続させることもできる。なお、このように構成した場合には、故障したコンデンサの修復は、ユーザあるいは修理者の都合のよいときに行うことができるので、装置の稼働率や信頼性を向上させることができる。

以上説明したように、この実施の形態の系統連系インバータ装置によれば、直流電源とインバータとを接続する一対の直流母線間に３個以上直列接続されたコンデンサ群が挿入され、このコンデンサ群の各端子電圧をモニタしたモニタ電圧に基づいて、正極側母線または負極側母線のいずれかに挿入された開閉手段の開閉を制御するようにしているので、コンデンサの短絡故障が生じた場合であっても、正常なコンデンサに高電圧が印加される状況を未然に防止することができ、装置を安全に停止することができるという効果が得られる。

以上のように、本発明にかかる系統連系インバータ装置は、太陽電池、燃料電池等の直流電力を交流電力系統に連系するための系統連系インバータ装置として有用であり、特に、入力電圧が比較的高い高電圧仕様の系統連系インバータ装置に好適である。

本発明の実施の形態１にかかる系統連系インバータ装置の回路構成を示す図である。 図１に示した系統連系インバータ装置を第１、第２の２つの閾値で制御する場合のフローを示すフローチャートである。 本発明の実施の形態２にかかる系統連系インバータ装置の回路構成を示す図である。 本発明の実施の形態３にかかる系統連系インバータ装置の回路構成を示す図である。

符号の説明

１ 系統連系インバータ装置
５，６，７ 母線
１１ 太陽電池
１２ リレー
１３，１８ａ，１８ｂ スイッチング素子（ＩＧＢＴ）
１４ スイッチング素子制御部
１５ａ，１５ｂ，１５ｃ，２０ａ，２０ｂ コンデンサ
１６ａ，１６ｂ 電圧モニタ手段
１７ａ，１７ｂ コイル
１９ａ，１９ｂ ダイオード
２１ インバータ
２２ ＣＰＵ
２５ コンバータ

Claims (4)

1. 直流電源から供給される直流電力を交流電力に変換するインバータを具備し、該インバータの出力を交流電力系統と連系させる系統連系インバータ装置において、
   前記直流電源と前記インバータとを接続する一対の直流母線間に挿入される直列接続された一対のコンデンサと、
   前記一対の直流母線を構成する正極側母線または負極側母線のいずれかに挿入される開閉手段と、
   前記一対のコンデンサの各端子電圧をそれぞれモニタする電圧モニタ手段と、
   前記電圧モニタ手段が検出したモニタ電圧に基づいて前記開閉手段の開閉を制御する制御手段と、
   第１端子、第２端子および制御端子を具備し、前記開閉手段を挟むように該開閉手段と前記直流母線との接続端に該第１端子および該第２端子を接続してなるＩＧＢＴと、
   前記ＩＧＢＴの制御端子に接続され、該ＩＧＢＴの導通を制御するＩＧＢＴ制御回路と、
   を備え、
   前記制御手段は、前記モニタ電圧に基づいて前記ＩＧＢＴ制御回路を制御し、
   装置を停止状態にする際は、前記ＩＧＢＴのオン状態を維持した状態で前記開閉手段をオフ制御し、その後に前記ＩＧＢＴをオフ制御し、
   装置を稼働状態にする際は、前記ＩＧＢＴをオン制御し、その後に前記開閉手段をオン制御する
   ことを特徴とする系統連系インバータ装置。
2. 直流電源から供給される直流電力を交流電力に変換するインバータを具備し、該インバータの出力を交流電力系統と連系させる系統連系インバータ装置において、
   前記直流電源と前記インバータとを接続する一対の直流母線間に挿入される３個以上直列接続されたコンデンサ群と、
   前記一対の直流母線を構成する正極側母線または負極側母線のいずれかに挿入される開閉手段と、
   前記コンデンサ群の各端子電圧をそれぞれモニタする電圧モニタ手段と、
   前記電圧モニタ手段が検出したモニタ電圧に基づいて前記開閉手段の開閉を制御する制御手段と、
   第１端子、第２端子および制御端子を具備し、前記開閉手段を挟むように該開閉手段と前記直流母線との接続端に該第１端子および該第２端子を接続してなるＩＧＢＴと、
   前記ＩＧＢＴの制御端子に接続され、該ＩＧＢＴの導通を制御するＩＧＢＴ制御回路と、
   を備え、
   前記制御手段は、前記モニタ電圧に基づいて前記ＩＧＢＴ制御回路を制御し、
   装置を停止状態にする際は、前記ＩＧＢＴのオン状態を維持した状態で前記開閉手段をオフ制御し、その後に前記ＩＧＢＴをオフ制御し、
   装置を稼働状態にする際は、前記ＩＧＢＴをオン制御した後に、前記開閉手段をオン制御する
   ことを特徴とする系統連系インバータ装置。
3. 前記インバータの入力側に接続され、前記一対のコンデンサまたは前記コンデンサ群のコンデンサに保持された電圧を昇圧および／または降圧するコンバータをさらに備えたことを特徴とする請求項１または２に記載の系統連系インバータ装置。
4. 前記ＩＧＢＴの第１端子または第２端子のいずれかに直列接続される抵抗素子をさらに備えたことを特徴とする請求項１または２に記載の系統連系インバータ装置。

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