JP5362657B2 - 電力変換装置 - Google Patents
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また、上記特許文献2記載の電力変換装置では、系統電圧の大きな変動発生時には方形波変換器とPWM変換器との双方をPWM制御して運転するものであるが、方形波変換器とPWM変換器とは通常時から直流電源を共用してスイッチング損失の大きい構成であった。
以下、この発明の実施の形態1による電力変換装置を図に基づいて説明する。
図1は、この発明の実施の形態1による電力変換装置の構成図である。この電力変換装置は、直流電源としての太陽電池1からの直流電力を交流電力に変換して正弦波交流である電力系統7に接続する、即ち電力系統7との連系運転を行う。
図1に示すように、電力変換装置の主回路は、太陽電池1の電圧を昇圧するDC/DCコンバータ11と、DC/DCコンバータ11の出力を直流入力とする第1のインバータ3と、第1のインバータ3の交流出力線の一方に直列接続された第2のインバータ4と、図示しないリアクトルおよびコンデンサから成り、第2のインバータ4の後段に接続された平滑フィルタ6とを備える。
なお、第2のコンデンサ5の電圧V2は、第1のコンデンサ2の電圧V1に比べて小さく設定されている。
また、電力変換装置は、主回路を制御する制御装置としての制御回路10を備え、制御回路10は、DSP(Digital Signal Processor)やFPGA(Field Programmable Gate Array)等の演算素子(図示せず)を有して、DC/DCコンバータ11および第1、第2のインバータ3、4を制御するゲート駆動信号23、8、9を生成する。
通常時の制御モードにおける各部の電圧波形を図2に示す。図2(a)に示すように、系統電圧に制御される電力変換装置の出力電圧20は正弦波となり、第1のインバータ3の出力電圧21は低周波数のパルス電圧である。この場合、第1のインバータ3は、系統電圧(電力変換装置の出力電圧20)の絶対値が所定電圧VTH以上である期間にパルス電圧を出力し、即ち、系統電圧の半周期に1パルスの電圧を出力する。また、図2(b)は第2のインバータ4の出力電圧22を示し、図に示すように、第2のインバータ4は、電力変換装置の出力電圧20と第1のインバータ3の出力電圧21との差分電圧を高周波PWM制御により出力する。
第1のインバータ3と第2のインバータ4とは直列接続されて電力変換装置を構成するため、第1のインバータの出力電圧21と第2のインバータ4の出力電圧22との電圧和が、電力変換装置の出力電圧20となる。
なお、DC/DCコンバータ11は、太陽電池1が最大電力点動作するように制御され、太陽電池1の電圧を昇圧して出力する。そして、DC/DCコンバータ11の出力電圧を平滑する第1のコンデンサ2の電圧V1、即ち第1のインバータ3の母線電圧V1に応じて所定電圧VTHの値は決定される。
V2≧VTH ・・・式(1)
V2≧V1−VTH ・・・式(2)
第2のコンデンサの電圧V2を上記のように設定することで、電力変換装置は正弦波の出力電圧を信頼性良く出力できる。
図3は、第2の制御モードにおける電力変換装置の制御および動作を説明する図である。図3に示すように、第2の制御モードでは、DC/DCコンバータ11はV1モードで、第1のインバータ3はPWMモードで、第2のインバータ4はスルーモードで制御される。
このため、通常時に高周波PWM制御される第2のインバータ4の母線電圧V2を比較的低い電圧にでき、性能の良い低耐圧な素子を選択できると共に、高周波PWM制御によるスイッチング損失を格段と低減できる。また平滑フィルタ6内のリアクトルの小型化、低損失化も期待できる。また、第2のインバータ4は第2のコンデンサ5以外に外部の直流電源を有する必要がない。このように、小型で低コストで電力損失の低減化の促進した装置構成が実現できる。
系統電圧の異常時に、仮に通常モードを継続する場合について以下に説明する。上述したように、通常モードでは、第1のインバータ3は、第1のインバータ3の出力電力が電力変換装置全体の出力電力と同等になるように上記所定電圧VTHの値を決定して、半周期に1パルスの電圧を出力する。所定電圧VTHは系統電圧、即ち電力変換装置全体の出力電圧に応じて変動する。また、第2のコンデンサの電圧V2は上記式(1)、式(2)に示す電圧条件を満たす必要がある。このため、系統電圧の異常時に、通常モードを継続しようとすると、系統電圧が変動しても第2のコンデンサの電圧V2が上記式(1)、式(2)に示す電圧条件を満たすように、電圧V2を大きく設定する必要があり、高周波PWM制御する第2のインバータ4の電力損失を増大させる。また電圧V2の大きさが充分でないと、通常モードでの電力変換装置の運転が継続できない。
第2の制御モードでは、比較的高い電圧を母線電圧V1とする第1のインバータ3を高周波PWM制御するが、瞬低時などの異常時のみで短期間であるため、電力損失の増大は僅かである。またその間は、第2のインバータ4のスルーモードを継続させるため電力損失の増大を抑制すると共に、第2のインバータ4の直流電圧を保持して運転が継続でき、通常時の制御モードへの復帰も速やかに行える。
また第1のインバータ3の母線電圧V1が十分な値であれば、太陽電池1のような電流源では低出力電流となる方向へ動作点が移動するため、太陽電池1から第1のコンデンサ2への過充電を抑制できる。
上記実施の形態1による電力変換装置における第2のインバータ4のゲート駆動電源について説明する。なお、図1〜図4で示した回路構成および電圧波形は、この実施の形態2にも同様に適用できる。
図1で示したように、第2のインバータ4は、直列接続された高電位側半導体スイッチング素子16、18と低電位側半導体スイッチング素子17、19とを直列接続した2つのブリッジ回路を第2のコンデンサ5の正負端子間に接続して成り、各半導体スイッチ素子16〜19はゲート駆動回路16a〜19aを備える。
上記実施の形態1、2では、異常時の第2の制御モードを用いる場合を、電力系統7の電圧異常として説明したが、太陽電池1の電圧異常の場合も同様に制御することができる。この場合も、電力変換装置の回路構成については上記実施の形態1と同様である。
DC/DCコンバータ11は昇圧機能のみ備えるため、太陽電池1の電圧が上昇すると第1のインバータ3の母線電圧V1も上昇する。制御回路10は、電力変換装置の入力電圧となる太陽電池1の電圧が所定電圧以上に上昇すると入力電圧異常を検出して、第1、第2のインバータ3、4の制御モードを、通常時の制御モードから異常時の第2の制御モードに切り替える。なお、DC/DCコンバータ11は通常時の制御モードを継続させる。
所定電圧VTHは、系統電圧と第1のインバータ3の母線電圧V1とに応じて変動する。このため、太陽電池1の電圧が所定電圧以上に上昇する入力電圧異常時に、仮に通常モードを継続しようとすると、第2のコンデンサの電圧V2が上記式(1)、式(2)に示す電圧条件を満たすように、電圧V2を大きく設定する必要があり、高周波PWM制御する第2のインバータ4の電力損失を増大させる。また電圧V2の大きさが充分でないと、通常モードでの電力変換装置の運転が継続できない。
図6は、この発明の実施の形態4による電力変換装置の主回路の構成図である。
上記実施の形態1では、第1のインバータ3に単相インバータを用いたが、この実施の形態では、例えば中性点クランプ型の3レベルインバータ等のマルチレベルインバータから成る第1のインバータ3Aを用いる。
図に示すように、第1のインバータ(3レベルインバータ)3Aは、DC/DCコンバータ11の出力電圧を平滑する平滑コンデンサとしての2直列の第1のコンデンサ2a、2bと、それぞれダイオードが逆並列接続されたIGBT等から成る4個の半導体スイッチング素子27a〜27dおよび2つのダイオード29a、29bとから構成される。なお、28a〜28dは各半導体スイッチング素子27a〜27dのゲート駆動回路である。
この場合も、上記実施の形態1、3と同様の制御が適用でき、即ち、系統電圧異常あるいは太陽電池1の電圧異常の際に、通常時の制御を異常時の第2の制御モードに切り替えることで同様の効果が得られる。
図に示すように、主回路は、太陽電池1の電圧を昇圧するDC/DCコンバータ11と、DC/DCコンバータ11の出力を直流入力とする三相インバータである第1のインバータ3Bと、第1のインバータ3Bの各相交流出力線にそれぞれ直列接続された単相インバータ4A、4B、4Cから成る第2のインバータ4と、第2のインバータ4の後段に接続された平滑フィルタ6とを備える。第2のインバータ4内の各相の単相インバータ4A、4B、4Cは、上記実施の形態1の第2のインバータ4と同様であり、第1のインバータ3Bは、第1のコンデンサ2の正負端子間に2直列の半導体スイッチング素子30aと30b、30cと30d、30eと30fを接続して構成される。なお、31a〜31fは各半導体スイッチング素子31a〜31fのゲート駆動回路である。
この場合も、上記実施の形態1、3と同様の制御が適用でき、即ち、系統電圧異常あるいは太陽電池1の電圧異常の際に、通常時の制御を異常時の第2の制御モードに切り替えることで同様の効果が得られる。
2,2a,2b 平滑コンデンサとしての第1のコンデンサ、
3,3A,3B 第1のインバータ、4 第2のインバータ、
4A〜4C 単相インバータ、5 直流電圧源としての第2のコンデンサ、
7 電力系統、10 制御装置としての制御回路、11 DC/DCコンバータ、
16,18 高電位側半導体スイッチング素子、
17,19 低電位側半導体スイッチング素子、16a〜19a ゲート駆動回路、
20 電力変換装置の出力電圧(系統電圧)、
20a 電力変換装置の出力電圧(瞬低時の系統電圧)、
21,21a 第1のインバータ出力電圧、22,22a 第2のインバータ出力電圧、24 ゲート駆動電源、25 ブートストラップ回路。
Claims (9)
- 直流電源の電圧を昇圧するDC/DCコンバータと、該DC/DCコンバータの出力電圧を平滑する平滑コンデンサを有し、該平滑コンデンサからの直流電力を交流電力に変換する第1のインバータと、該第1のインバータの交流出力線に直列接続され、上記平滑コンデンサの電圧より低電圧の直流電圧源からの直流電力を交流電力に変換する第2のインバータと、上記DC/DCコンバータおよび上記第1、第2のインバータを出力制御する制御装置とを備え、上記第1、第2のインバータの各出力電圧和による出力を電力系統に連系する電力変換装置において、
上記制御装置は、通常時の第1の制御モードと、入出力電圧の異常時の第2の制御モードとの2種の制御モードを有し、
上記第1の制御モードでは、上記第1のインバータから低周波数でパルス電圧を出力させ、上記第2のインバータを高周波PWM制御して、各出力電圧和による出力電圧を上記系統電圧に制御すると共に、上記第1のインバータの出力発生期間を調整して上記第2のインバータが扱う電力量を1周期で概0に制御し、
上記第2の制御モードでは、上記第1のインバータを高周波PWM制御して出力電圧を上記系統電圧に制御し、上記第2のインバータは出力電圧0となるように制御することを特徴とする電力変換装置。 - 上記制御装置は、上記系統電圧が所定の電圧以下となる瞬時電圧低下の発生時に上記第1の制御モードから上記第2の制御モードに切り替えることを特徴とする請求項1に記載の電力変換装置。
- 上記制御装置は、上記直流電源の電圧が所定の電圧以上になると、上記第1の制御モードから上記第2の制御モードに切り替えることを特徴とする請求項1に記載の電力変換装置。
- 上記直流電源は、太陽電池であることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の電力変換装置。
- 上記直流電源は、太陽電池であり、
上記制御装置は、上記第1の制御モードでは、上記太陽電池が最大電力点で動作して電圧を出力するように上記DC/DCコンバータを制御し、上記第2の制御モードでは、上記DC/DCコンバータの出力電圧が所定の電圧になるように上記DC/DCコンバータを制御することを特徴とする請求項2に記載の電力変換装置。 - 上記第2の制御モードにおいて、上記DC/DCコンバータの出力電圧は、通常時の系統電圧のピーク電圧以上の電圧を上記所定の電圧として制御されることを特徴とする請求項2または5に記載の電力変換装置。
- 上記第2のインバータは、直列接続された高電位側半導体スイッチング素子および低電位側半導体スイッチング素子から成り、上記直流電圧源の正負端子間に接続された2つのブリッジ回路と、上記低電位側スイッチング素子を駆動するためのゲート駆動電源と、上記低電位側スイッチング素子がオン状態の時に上記ゲート駆動電源からの電力供給により上記高電位側スイッチング素子の駆動電圧を生成するブートストラップ回路とを備え、
上記制御回路は、上記第2の制御モードにおいて、上記第2のインバータ内の上記低電位側半導体スイッチング素子をオン状態にして上記第2のインバータの出力電圧を0にすることを特徴とする請求項1〜6のいずれか1項に記載の電力変換装置。 - 上記第2のインバータ回路は、複数の単相インバータの交流側を直列接続して構成することを特徴とする請求項1〜7のいずれか1項に記載の電力変換装置。
- 上記第1のインバータは三相インバータであり、該三相インバータの各相交流出力線に、上記第2のインバータ内の各単相インバータがそれぞれ接続されたことを特徴とする請求項1〜7のいずれか1項に記載の電力変換装置。
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