JP7118783B2 - 系統連系インバータ装置 - Google Patents

Description

本発明は、電力系統に対して連系可能に接続され、直流電力（ＤＣ電力）を交流電力（ＡＣ電力）に変換する系統連系インバータ装置に関するものである。

図４は、特許文献１、２等に記載された従来の単相系統連系インバータ装置１０を示す構成図である。
単相系統連系インバータ装置１０は、直流電源１から供給される直流入力電圧Ｖｉｎを単相交流の出力電圧Ｖｏに変換する装置であり、例えば、単相の商用電力系統である電力系統２に対し、遮断器３等を介して連系可能に接続されている。系統連系インバータ装置１０の出力側には、負荷装置４が分岐接続されている。

系統連系インバータ装置１０は、直流入力電圧Ｖｉｎを所定の直流電圧に変換するＤＣ／ＤＣコンバータ１１を有し、この出力側に、電荷蓄積用の入力コンデンサ１２が並列に接続されている。入力コンデンサ１２には、ＤＣ／ＡＣインバータ１３が接続されている。ＤＣ／ＡＣインバータ１３は、入力コンデンサ１２の電圧Ｖｄｃを、図示しない制御回路から供給されるスイッチング駆動信号によりオン／オフ動作して、交流のインバータ電圧Ｖｉｎｖ及びインバータ電流Ｉｉｎｖを出力する回路であり、４つのスイッチ素子（例えば、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ、これを以下「ＩＧＢＴ」という。）１３ａ１，１３ａ２，１３ｂ１，１３ｂ２がブリッジ接続されて構成されている。ＤＣ／ＡＣインバータ１３の出力側には、フィルタ回路１４が接続されている。フィルタ回路１４は、入力されるインバータ電圧Ｖｉｎｖ及びインバータ電流Ｉｉｎｖの高周波成分を除去して出力電圧Ｖｏ及び出力電流Ｉｏを出力する回路であり、インダクタ１４ａ及び出力コンデンサ１４ｂのＬＣ回路により構成されている。フィルタ回路１４の出力側には、図示しない制御回路によりオン／オフ制御される開閉器１５が接続されている。

この種の単相系統連系インバータ装置１０では、直流電源１から供給される直流入力電圧Ｖｉｎが、ＤＣ／ＤＣコンバータ１１により所定の直流電圧に変換され、入力コンデンサ１２に蓄積される。入力コンデンサ１２に蓄積された電圧Ｖｄｃは、ＤＣ／ＡＣインバータ１３により交流のインバータ電圧Ｖｉｎｖ及びインバータ電流Ｉｉｎｖに変換された後、フィルタ回路１４によって高周波成分が除去される。高周波成分が除去された交流の出力電圧Ｖｏ及び出力電流Ｉｏは、開閉器１５を介して負荷装置４及び電力系統２側へ出力される。電力系統２に停電等が発生すると、遮断器３がオフ状態になり、系統連系インバータ装置１０が電力系統２から切り離されて単独運転状態となり、その系統連系インバータ装置１０の出力電圧Ｖｏ及び出力電流Ｉｏが負荷装置４へ供給される。

図５は、従来の三相系統連系インバータ装置１０Ａを示す構成図である。この図５において、従来の図４に示す単相系統連系インバータ装置１０と共通の要素には、共通の符号が付されている。
図５の三相系統連系インバータ装置１０Ａは、三相の商用電力系統である電力系統２Ａと連系される装置である。電力系統２Ａと系統連系インバータ装置１０Ａとの間には、三相用の遮断器３Ａ及び負荷装置４Ａが接続されている。

三相用系統連系インバータ装置１０Ａは、図４と同様のＤＣ／ＤＣコンバータ１１及び入力コンデンサ１２と、図４とは構成の異なる三相用のＤＣ／ＡＣインバータ１３Ａ、フィルタ回路１４Ａ及び開閉器１５と、を有している。

ＤＣ／ＡＣインバータ１３Ａは、入力コンデンサ１２の電圧Ｖｄｃを、図示しない制御回路から供給されるスイッチング駆動信号によりオン／オフ動作して、三相交流のインバータ電圧Ｖｉｎｖ及びインバータ電流Ｉｉｎｖを出力する回路であり、６つのスイッチ素子（例えば、ＩＧＢＴ）１３ａ１～１３ａ３，１３ｂ１～１３ｂ３がブリッジ接続されて構成されている。フィルタ回路１４Ａは、入力されるインバータ電圧Ｖｉｎｖ及びインバータ電流Ｉｉｎｖの高周波成分を除去して三相の出力電圧Ｖｏ及び出力電流Ｉｏを出力する回路であり、３つのインダクタ１４ａ１～１４ａ３及び３つの出力コンデンサ１４ｂ１～１４ｂ３のＬＣ回路により構成されている。フィルタ回路１４Ａの出力側には、図示しない制御回路によりオン／オフ制御される三相用の開閉器１５Ａが接続されている。

このような三相系統連系インバータ装置１０Ａでも、単相系統連系インバータ装置１０と略同様の動作が行われる。

特開２００１－１８６６６４号公報 特許第６１７３９７８号公報（特開２０１６－１２９７１号公報）

一般社団法人日本電気協会「系統連系規程 ＪＥＡＣ９７０１－２０１６」２０１７年３月、追補版発行

図６（ａ）、（ｂ）は、従来の図５の三相系統連系インバータ装置１０Ａの課題を説明するための、単独運転となった時の高周波電圧出力例を示す波形図である。更に、図７（ａ）、（ｂ）は、従来の図５の三相系統連系インバータ装置１０Ａの課題を説明するための、単独運転となった時の高電圧出力例を示す波形図である。

図６（ａ）、（ｂ）では、三相系統連系インバータ装置１０Ａが進み力率出力条件で単独運転となった時の高周波電圧出力例が示されており、同図（ａ）は出力電圧Ｖｏの波形、及び同図（ｂ）は出力電流Ｉｏの波形であり、横軸が時刻である。図６（ａ）、（ｂ）の左側が電力系統停電前の波形、及び右側が電力系統停電後の波形である。
例えば、電力系統停電で三相系統連系インバータ装置１０Ａが単独運転状態となった時、略無負荷状態で出力電流Ｉｏが殆ど流れないが、高周波電圧が出力されている。そのため、負荷装置４Ａに悪影響を与えるので、対策を講じる必要がある。

図７（ａ）、（ｂ）では、軽負荷条件において電力系統停電で三相系統連系インバータ装置１０Ａが単独運転状態となった時の高電圧出力例が示されており、同図（ａ）は出力電圧Ｖｏの波形、及び同図（ｂ）は出力電流Ｉｏの波形であり、横軸が時刻である。図７（ａ）、（ｂ）の左側が電力系統停電前の波形、及び右側が電力系統停電後の波形である。
三相系統連系インバータ装置１０Ａが発振停止して単独運転となった後も、出力コンデンサ１４ｂ１～１４ｂ３の残電荷が放電されないために、高電圧出力状態が継続している。

従来の図５の三相系統連系インバータ装置１０Ａでは、以下のような課題がある。
ＤＣ／ＡＣインバータ１３Ａの出力電力と負荷装置４Ａの消費電力との不均衡（アンバランス）条件において、電力系統２Ａの停電時に、例えば、負荷装置４Ａの消費電力が少ない場合、系統連系インバータ装置１０Ａの単独運転を検出するまでに、ＤＣ／ＡＣインバータ１３Ａが出力を継続することがある。このような場合、図７（ａ）、（ｂ）の右側の出力電圧Ｖｏ及び出力電流Ｉｏの波形に示すように、ＤＣ／ＡＣインバータ１３Ａの出力電力が、フィルタ回路１４Ａ内の出力コンデンサ１４ｂ１～１４ｂ３に蓄積して出力端に高電圧を発生し、負荷装置４Ａを損傷する恐れがある。又、無効電力のアンバランス条件において、系統連系インバータ装置１０Ａが電力系統２Ａから切り離された単独運転状態になると、図６（ａ）の右側の出力電圧Ｖｏの波形に示すように、系統連系インバータ装置１０Ａから高周波の出力電圧Ｖｏを出力してしまう恐れがある。

非特許文献１に記載された系統連系規程により、系統連系インバータ装置１０Ａ内のＤＣ／ＡＣインバータ１３Ａから進み力率の出力が求められている。そのため、系統連系インバータ装置１０Ａが単独運転状態になると、図６（ａ）の右側の出力電圧Ｖｏの波形に示すように、高周波電圧出力となるリスクが高くなる。負荷装置４Ａ内のコンデンサに高周波電圧が印加されると、そのコンデンサに過大な高周波電流が流れて負荷装置４Ａを損傷することが考えられる。

特許文献１の技術では、安全動作のために、系統連系インバータ装置１０Ａ内の過電圧・過電流を検出し、系統連系インバータ装置１０Ａを停止させ、放電回路にて出力コンデンサ１４ｂ１～１４ｂ３の電荷を放電させるようにしている。しかし、専用の放電回路が必要になるため、系統連系インバータ装置１０Ａの部品点数が増えて装置コストが高くなる問題がある。

これと同様の問題が、従来の図４の単相系統連系インバータ装置１０にもある。

本発明の系統連系インバータ装置は、直流入力電圧が印加される入力コンデンサと、電力系統に連系可能に接続され、前記入力コンデンサに蓄積された直流電圧をスイッチングして交流電圧に変換し、前記電力系統側へ出力するインバータと、インダクタ及び出力コンデンサを有し、前記インバータから出力される前記交流電圧の高調波成分を除去して交流の出力電圧を出力するフィルタ回路と、前記インバータのスイッチング動作を制御する制御回路と、を備えている。

前記制御回路は、前記出力電圧の異常状態を検出して異常検出結果を出力する異常検出部と、前記インバータから出力されるインバータ電流を計測して電流計測値を出力する電流計測部と、通常運転時にはインバータ電流指令を入力し、前記異常検出部から前記異常検出結果が出力されると、前記インバータ電流指令をコンデンサ放電電流指令に切り替えて入力する切替部と、前記切替部に入力された前記インバータ電流指令又は前記コンデンサ放電電流指令のいずれか一方と、前記電流計測値と、の誤差を減少するような電流制御によって前記スイッチング動作を制御するスイッチング制御部と、を有し、前記異常検出結果に基づき、前記電力系統から切り離された単独運転状態を検出した時に、前記出力コンデンサの蓄積電荷を、前記スイッチング動作及び前記電流制御にて、前記インバータを経由して前記入力コンデンサへ放電させるように制御する、構成になっている。

本発明の系統連系インバータ装置によれば、異常検出部で検出された出力電圧の異常状態の異常検出結果に基づき、系統連系インバータ装置の単独運転状態を検出した時に、出力コンデンサの蓄積電荷を、インバータのスイッチング動作とスイッチング制御部の電流制御とにより、そのインバータを経由して入力コンデンサへ放電させるようにしている。そのため、負荷装置への安全保護が行える。更に、出力コンデンサの蓄積電荷を放電するための専用の放電回路を必要としないので、部品点数の削減により、装置コストの低減が可能になる。

本発明の実施例１における三相系統連系インバータ装置３０を示す構成図 図１中の異常検出部５０の構成例を示す機能ブロック図 本発明の実施例２における異常検出部５０Ａの構成例を示す機能ブロック図 従来の単相系統連系インバータ装置１０を示す構成図 従来の三相系統連系インバータ装置１０Ａを示す構成図 従来の三相系統連系インバータ装置１０Ａの課題を説明するための、単独運転となった時の高周波電圧出力例を示す波形図 従来の三相系統連系インバータ装置１０Ａの課題を説明するための、単独運転となった時の高電圧出力例を示す波形図

本発明を実施するための形態は、以下の好ましい実施例の説明を添付図面と照らし合わせて読むと、明らかになるであろう。但し、図面はもっぱら解説のためのものであって、本発明の範囲を限定するものではない。

（実施例１の構成）
図１は、本発明の実施例１における三相系統連系インバータ装置３０を示す構成図である。
三相系統連系インバータ装置３０は、直流電源２１から供給される直流入力電圧Ｖｉｎを三相ｕ，ｖ，ｗ交流の出力電圧Ｖｏに変換する装置であり、例えば、三相の商用電力系統である電力系統２２に対し、三相用遮断器２３等を介して連系可能に接続されている。系統連系インバータ装置３０の出力側には、三相用負荷装置２４が分岐接続されている。

系統連系インバータ装置３０は、図示しない制御部の制御によって直流入力電圧Ｖｉｎを所定の直流電圧に変換する昇圧チョッパ方式等の単相ＤＣ／ＤＣコンバータ３１を有し、この出力側に、電荷蓄積用の入力コンデンサ３２が並列に接続されている。入力コンデンサ３２には、三相ＤＣ／ＡＣインバータ３３が接続されている。三相ＤＣ／ＡＣインバータ３３は、入力コンデンサ３２の電圧Ｖｄｃを、制御回路４０から供給されるスイッチング駆動信号Ｓ４５によりオン／オフ動作して、三相ｕ，ｖ，ｗ交流のインバータ電圧Ｖｉｎｖ及びインバータ電流Ｉｉｎｖを出力する回路である。この三相ＤＣ／ＡＣインバータ３３は、スイッチング駆動信号Ｓ４５によりオン／オフ動作する６つのスイッチ素子（例えば、ＩＧＢＴ）３３ａ１～３３ａ３，３３ｂ１～３３ｂ３がブリッジ接続されて構成されている。各ＩＧＢＴ３３ａ１～３３ａ３，３３ｂ１～３３ｂ３には、それぞれボディダイオード３３ｃが逆並列に接続されている。

ＤＣ／ＡＣインバータ３３の出力側には、三相用フィルタ回路３４が接続されている。三相用フィルタ回路３４は、三相のインバータ電圧Ｖｉｎｖ及びインバータ電流Ｉｉｎｖの高周波成分を除去して、三相の出力周波数ｆｏを有する出力電圧Ｖｏ及び出力電流Ｉｏを出力する回路である。この三相用フィルタ回路３４は、３つのインダクタ３４ａ１～３４ａ３及び３つの出力コンデンサ３４ｂ１～３４ｂ３のＬＣ回路により構成され、この出力側に、制御回路４０によりオン／オフ制御されるリレー等の三相用開閉器３５が接続されている。

インダクタ３４ａ１，３４ａ３の出力側には、インバータ電流Ｉｉｎｖを計測して計測電流ｉｉｎｖを出力する計器用変流器（ＣＴ）やシャント抵抗等の電流計測器３６ａ，３６ｂが取り付けられている。更に、フィルタ回路３４の出力側には、出力電圧Ｖｏを計測して三相ｕ，ｖ，ｗの計測電圧ｖｏ（＝ｖｕ，ｖｖ，ｖｗ）を出力する計器用変圧器（ＶＴ）や抵抗分割回路等の電圧計測器３７が取り付けられている。電流計測器３６ａ，３６ｂ及び電圧計測器３７の出力側には、制御回路４０が接続されている。

制御回路４０は、計測電流ｉｉｎｖ及び計測電圧ｖｏに基づき、ＤＣ／ＡＣインバータ３３のスイッチング動作を制御するためのスイッチング駆動信号Ｓ４５を生成し、更に、開閉器３５をオン／オフするための制御信号等を生成する機能を有している。

制御回路４０は、計測電流ｉｉｎｖをデジタル信号の電流計測値Ｓ４１に変換する電流計測部４１と、インバータ電流指令ＣＣａとコンデンサ放電電流指令ＣＣｂとを切り替えて入力する切替部４２と、を有し、この電流計測部４１及び切替部４２の出力側に、スイッチング制御部が接続されている。そのスイッチング制御部は、切替部４２に入力されたインバータ電流指令ＣＣａ又はコンデンサ放電電流指令ＣＣｂのいずれか一方と、電流計測値Ｓ４１と、の誤差を減少するような電流制御によってＤＣ／ＡＣインバータ３３のスイッチング動作を制御する機能を有し、減算器４３、電流制御部４４、及びパルス幅変調制御部（以下「ＰＷＭ制御部」という。）４５により構成されている。
減算部４３は、電流計測部４１及び切替部４２の出力側に接続され、切替部４２で切り替えて入力されたインバータ電流指令ＣＣａ又はコンデンサ放電電流指令ＣＣｂから電流計測値Ｓ４１を減算して減算値Ｓ４３を出力するものであり、この出力側に、電流制御部４４が接続されている。

電流制御部４４は、減算値Ｓ４３に対して比例積分制御等のフィードバック制御を行って変調制御信号Ｓ４４を出力するものであり、この出力側に、ＰＷＭ制御部４５が接続されている。ＰＷＭ制御部４５は、三角波等の搬送波により変調制御信号Ｓ４４をパルス幅変調してスイッチング駆動信号Ｓ４５を生成し、このスイッチング駆動信号Ｓ４５によってＤＣ／ＡＣインバータ３３内のＩＧＢＴ３３ａ１～３３ａ３，３３ｂ１～３３ｂ３をオン／オフ動作させるものである。

電圧計測器３７の出力側には、異常検出部５０が接続されている。異常検出部５０は、計測電圧ｖｏに基づき、出力電圧Ｖｏの異常状態（例えば、過電圧や出力周波数ｆｏの異常状態）を検出して異常検出結果Ｓ５０を出力し、切替部４２の入力側を、インバータ電流指令ＣＣａ側からコンデンサ放電電流指令ＣＣｂ側へ切り替えさせるものである。その切替部４２を含む電流計測部４１、減算部４３、電流制御部４４及びＰＷＭ制御部４５は、異常検出結果Ｓ５０に基づき、電力系統２２から切り離された単独運転状態を検出した時に、出力コンデンサ３４ｂ１～３４ｂ３の蓄積電荷を、ＤＣ／ＡＣインバータ３３のスイッチング動作とスイッチング制御部の電流制御とにより、そのＤＣ／ＡＣインバータ３３を経由して入力コンデンサ３２へ放電させる機能を有している。

制御回路４０は、その他、図示しないが、系統連系インバータ装置３０の単独運転状態を検出して開閉器３５をオフ状態にするための単独運転制御部等も有している。このような制御回路４０は、中央処理装置（ＣＰＵ）を有するプロセッサや個別回路等により構成されている。

図２は、図１中の異常検出部５０の構成例を示す機能ブロック図である。
この異常検出部５０は、出力電圧Ｖｏの異常状態（例えば、過電圧の異常状態）を示す異常検出結果Ｓ５０を出力する機能を有し、ベクトル電圧検出部５１を備えている。ベクトル電圧検出部５１の出力側には、フィルタ５２、上限値超過検出部５３、及び所定時間継続検出部５４がカスケード接続（縦続接続）されている。異常検出部５０には、更に、スイッチング駆動信号Ｓ４５のデューティ比ＤＲを入力する上限値又は下限値超過検出部５５と、計測電圧ｖｏの瞬時値である計測電圧瞬時値の絶対値ｖｏｉを入力する上限値超過検出部５７と、が設けられている。上限値又は下限値超過検出部５５の出力側には、所定時間継続検出部５６が接続されている。上限値超過検出部５７の出力側にも、所定時間継続検出部５８が接続されている。３つの所定時間継続検出部５４，５６，５８の出力側には、オア部（以下「ＯＲ部」という。）５９が接続されている。

ベクトル電圧検出部５１は、電圧計測器３７で計測された出力電圧Ｖｏの計測電圧ｖｏに対するベクトル演算を行って交流電圧振幅ｖｄを瞬時に算出するものであり、三相／二相電圧変換部５１ａ及び交流電圧振幅算出部５１ｂを有している。三相／二相電圧変換部５１ａは、次式（１）のベクトル演算により、三相ｕ，ｖ，ｗの計測電圧ｖｏ（＝ｖｕ，ｖｖ，ｖｗ）を二相α，βの計測電圧ｖα，ｖβに変換して、交流電圧振幅算出部５１ｂへ出力するものである。

・・・（１）

交流電圧振幅算出部５１ｂは、次式（２）により、計測電圧ｖα，ｖβから交流電圧振幅ｖｄを瞬時に算出して、フィルタ５２へ出力するものである。
ｖｄ＝√（ｖα^２＋ｖβ^２） ・・・（２）

フィルタ５２は、交流電圧振幅ｖｄを平滑して上限値超過検出部５３へ出力するものである。上限値超過検出部５３は、平滑された交流電圧振幅Ｓ５２が上限値の閾値を超えたことを検出すると、この上限値超過検出結果Ｓ５３を所定時間継続検出部５４へ出力するものである。所定時間継続検出部５４は、上限値超過検出結果Ｓ５３が所定時間以上継続していることを検出すると、この所定時間継続検出結果Ｓ５４をＯＲ部５９へ出力するものである。

上限値又は下限値超過検出部５５は、スイッチング駆動信号Ｓ４５のデューティ比ＤＲが所定の上限値又は下限値を超えたことを検出すると、この上限値又は下限値超過検出結果Ｓ５５を所定時間継続検出部５６へ出力するものである。所定時間継続検出部５６は、上限値又は下限値超過検出結果Ｓ５５が所定時間以上継続していることを検出すると、この所定時間継続検出結果Ｓ５６をＯＲ部５９へ出力するものである。

上限値超過検出部５７は、計測電圧瞬時値の絶対値（＝｜計測電圧瞬時値｜）ｖｏｉが所定の上限値を超えたことを検出すると、この上限値超過検出結果Ｓ５７を所定時間継続検出部５８へ出力するものである。所定時間継続検出部５８は、上限値超過検出結果Ｓ５７が所定時間以上継続したことを検出すると、この所定時間継続検出結果Ｓ５８をＯＲ部５９へ出力するものである。

ＯＲ部５９は、３つの所定時間継続検出結果Ｓ５４，Ｓ５５，Ｓ５６の論理和を求め、そのいずれか１つを入力すると、出力電圧Ｖｏの異常状態を示す異常検出結果Ｓ５０を、図１中の切替部４２に与えるものである。

（実施例１の通常動作）
図１の系統連系インバータ装置３０は、通常動作の場合、遮断器２３及び開閉器３５がオン状態となり、電力系統２２と連系されている。切替部４２の入力側は、インバータ電流指令ＣＣａ側に接続され、その切替部４２に入力された目標となるインバータ電流指令ＣＣａが減算部４３へ入力されている。

直流電源１から供給された直流入力電圧Ｖｉｎは、ＤＣ／ＤＣコンバータ３１により所定の直流電圧に変換され、この直流電圧の電荷が入力コンデンサ３２に蓄積される。入力コンデンサ３２に蓄積された直流電圧Ｖｄｃは、ＤＣ／ＡＣインバータ３３内におけるＩＧＢＴ３３ａ１～３３ａ３，３３ｂ１～３３ｂ３のスイッチング動作により、三相のインバータ電圧Ｖｉｎｖ及びインバータ電流Ｉｉｎｖに変換される。変換された三相のインバータ電圧Ｖｉｎｖ及びインバータ電流Ｉｉｎｖは、フィルタ回路３４内のインダクタ３４ａ１～３４ａ３及び出力コンデンサ３４ｂ１～３４ｂ３によって高周波成分が除去され、三相の出力周波数ｆｏを有する出力電圧Ｖｏが生成される。高周波成分が除去された三相の出力周波数ｆｏを有する出力電圧Ｖｏは、開閉器３５を介して負荷装置２４側へ出力される。

インバータ電流Ｉｉｎｖは、電流計測器３６ａ，３６ｂによって計測され、この電流計測器３６ａ，３６ｂから出力された計測電流ｉｉｎｖが、電流計測部４１によってデジタル信号の電流計測値Ｓ４１に変換され、減算部４３へ送られる。減算部４３は、入力されたインバータ電流指令ＣＣａから電流計測値Ｓ４１を減算し、この減算値Ｓ４３を電流制御部４４へ送る。電流制御部４４は、入力された減算値Ｓ４３を減少させるために、比例積分制御等のフィートバック制御を行って変調制御信号Ｓ４４を生成し、ＰＷＭ制御部４５へ与える。ＰＷＭ制御部４５は、変調制御信号Ｓ４４を三角波等の搬送波によりパルス幅変調してスイッチング駆動信号Ｓ４５を生成し、このスイッチング駆動信号Ｓ４５によってＤＣ／ＡＣインバータ３３内のＩＧＢＴ３３ａ１～３３ａ３，３３ｂ１～３３ｂ３をオン／オフ動作させる。これにより、インダクタ３４ａ１～３４ａ３を流れるインバータ電流Ｉｉｎｖは、インバータ電流指令ＣＣａと一致する電流値に保持される。

例えば、直流電源２１の直流入力電圧Ｖｉｎが変動し、系統連系インバータ装置３０の出力電力が電力系統２２の供給電力よりも大きくなると、その系統連系インバータ装置３０の出力電力が負荷装置２４へ供給されると共に、電力系統２２へ供給（逆潮流）される。これに対し、系統連系インバータ装置３０の出力電力が電力系統２２の供給電力よりも小さくなると、その電力系統２２の供給電力が負荷装置２４へ供給される。又、負荷装置２４の消費電力が大きくなると、系統連系インバータ装置３０の出力電力及び電力系統２２の供給電力がその負荷装置２４へ供給される。
電力系統２２が停電等によって遮断器２３がオフ状態になると、その電力系統２２から負荷装置２４への電力供給が停止され、系統連系インバータ装置３０が、単独運転状態へ移行する。

（実施例１の単独運転時の動作）
例えば、図１において、電力系統２２の停電等によって遮断器２３がオフ状態になり、系統連系インバータ装置３０が単独運転状態へ移行する時に、出力電圧Ｖｏが過電圧の異常状態になった場合、その出力電圧Ｖｏが電圧計測器３７で計測され、その電圧計測器３７から出力される計測電圧ｖｏが、図２の異常検出部５０内のベクトル電圧検出部５１に入力される。

ベクトル電圧検出部５１において、入力された計測電圧ｖｏは、三相／二相電圧変換部５１ａによって式（１）のベクトル演算が行われ、三相ｕ，ｖ，ｗの計測電圧ｖｏ（＝ｖｕ，ｖｖ，ｖｗ）が二相α，βの計測電圧ｖα，ｖβに変換され、交流電圧振幅算出部５１ｂへ出力される。交流電圧振幅算出部５１ｂは、変換された二相α，βの計測電圧ｖα，ｖβに基づき、式（２）の演算行って交流電圧振幅ｖｄを瞬時に算出する。

算出された交流電圧振幅ｖｄは、フィルタ５２のデジタル処理等により、平滑された交流電圧振幅Ｓ５２が生成され、上限値超過検出部５３へ出力される。上限値超過検出部５３は、入力された交流電圧振幅Ｓ５２が、上限値の閾値を超えたか否かを監視し、上限値の閾値を超えたことを検出すると、上限値超過検出結果Ｓ５３を所定時間継続検出部５４へ出力する。所定時間継続検出部５４は、上限値超過検出結果Ｓ５３が所定時間以上継続しているか否かを監視し、所定時間以上継続したことを検出すると、所定時間継続検出結果Ｓ５４をＯＲ部５９へ出力する。ＯＲ部５９は、所定時間継続検出結果Ｓ５４を入力すると、出力電圧Ｖｏが過電圧の異常状態になっていることを示す異常検出結果Ｓ５０を出力する。この時、図１の制御回路４０内の図示しない単独運転検出部により、系統連系インバータ装置３０の単独運転状態が検出され、その後、開閉器３５がオフ状態になる。

ＯＲ部５９から出力された異常検出結果Ｓ５０に基づき、図１の切替部４２の入力側がコンデンサ放電電流指令ＣＣｂ側に切り替わり、コンデンサ放電電流指令ＣＣｂが切替部４２に入力されて減算部４３へ送られる。減算部４３は、コンデンサ放電電流指令ＣＣｂから電流計測値Ｓ４１を減算し、この減算値Ｓ４３を電流制御部４４へ送る。

電流制御部４４は、減算値Ｓ４３に対して比例積分制御等のフィートバック制御を行って変調制御信号Ｓ４４を生成し、ＰＷＭ制御部４５へ出力する。ＰＷＭ制御部４５は、三角波等の搬送波により変調制御信号Ｓ４４をパルス幅変調してスイッチング駆動信号Ｓ４５を生成する。このスイッチング駆動信号Ｓ４５により、ＤＣ／ＡＣインバータ３３内のＩＧＢＴ３３ａ１～３３ａ３，３３ｂ１～３３ｂ３が回生動作モードになる。

すると、出力コンデンサ３４ｂ１～３４ｂ３の蓄積電荷が、インダクタ３４ａ１～３４ａ３を通して、各ＩＧＢＴ３３ａ１～３３ａ３，３３ｂ１～３３ｂ３のスイッチング動作により、その蓄積電荷が電圧Ｖｄｃまで昇圧され、入力コンデンサ３２へ放電される。その結果、系統連系インバータ装置３０の出力端における高電圧の発生が抑制される。

更に、図２の異常検出部５０は、スイッチング駆動信号Ｓ４５のデューティ比ＤＲと、計測電圧瞬時値の絶対値（＝｜計測電圧瞬時値｜）ｖｏｉと、により過電圧状態を監視している。

例えば、異常検出部５０内の上限値又は下限値超過検出部５５は、ＤＣ／ＡＣインバータ３３のスイッチング動作を制御するためのスイッチング駆動信号Ｓ４５のデューティ比ＤＲが所定の上限値又は下限値を超えたか否かを監視し、所定の上限値又は下限値を超えたことを検出すると、上限値又は下限値超過検出結果Ｓ５５を所定時間継続検出部５６へ出力する。所定時間継続検出部５６は、上限値又は下限値超過検出結果Ｓ５５が所定時間以上継続したか否かを監視し、所定時間以上継続したことを検出すると、所定時間継続検出結果Ｓ５６をＯＲ部５９へ出力する。ＯＲ部５９は、所定時間継続検出結果Ｓ５６を入力すると、異常検出結果Ｓ５０を図１中の切替部４２に与える。

これにより、切替部４２の入力側がコンデンサ放電電流指令ＣＣｂ側に切り替わり、上記と同様に、減算部４３、電流制御部４４及びＰＷＭ制御部４５の動作により、ＩＧＢＴ３３ａ１～３３ａ３，３３ｂ１～３３ｂ３が回生動作モードになる。そして、出力コンデンサ３４ｂ１～３４ｂ３に蓄積された電荷が、インダクタ３４ａ１～３４ａ３を通して、各ＩＧＢＴ３３ａ１～３３ａ３，３３ｂ１～３３ｂ３のスイッチング動作により、電圧Ｖｄｃまで昇圧され、入力コンデンサ３２へ放電される。その結果、系統連系インバータ装置３０の出力端における高電圧の発生が抑制される。

又、図２の異常検出部５０内の上限値超過検出部５７は、電圧計測器３７で計測された計測電圧ｖｏの瞬時値の絶対値ｖｏｉが所定の上限値を超えたか否かを監視し、所定の上限値を超えたことを検出すると、上限値超過検出結果Ｓ５７を所定時間継続検出部５８へ出力する。所定時間継続検出部５８は、上限値超過検出結果Ｓ５７が所定時間以上継続したか否かを監視し、所定時間以上継続したことを検出すると、所定時間継続検出結果Ｓ５８をＯＲ部５９へ出力する。ＯＲ部５９は、所定時間継続検出結果Ｓ５８を入力すると、異常検出結果Ｓ５０を図１の切替部４２に与える。

これにより、上記と同様に、切替部４２の入力側がコンデンサ放電電流指令ＣＣｂ側に切り替わり、出力コンデンサ３４ｂ１～３４ｂ３に蓄積された電荷が、インダクタ３４ａ１～３４ａ３を通して、各ＩＧＢＴ３３ａ１～３３ａ３，３３ｂ１～３３ｂ３のスイッチング動作により、電圧Ｖｄｃまで昇圧され、入力コンデンサ３２へ放電される。その結果、系統連系インバータ装置３０の出力端における高電圧の発生が抑制される。

（実施例１の効果）
本実施例１の系統連系インバータ装置３０によれば、以下の（ａ）、（ｂ）のような効果がある。

（ａ） 上記課題で説明したように、従来の図５の系統連系インバータ装置１０Ａでは、ＤＣ／ＡＣインバータ１３Ａの出力電力と負荷装置４Ａの消費電力とのアンバランス条件において、電力系統２Ａの停電時に、例えば、負荷装置４Ａの消費電力が少ない場合、系統連系インバータ装置１０Ａの単独運転を検出するまでに、ＤＣ／ＡＣインバータ１３Ａが出力を継続することがある。このような場合、図７（ａ）の右側の出力電圧Ｖｏの波形に示すように、ＤＣ／ＡＣインバータ１３Ａの出力電力がフィルタ回路１４Ａ内の出力コンデンサ１４ｂ１～１４ｂ３に蓄積して出力端に高電圧を発生し、負荷装置４Ａを損傷する恐れがある。
これに対して、本実施例１の系統連系インバータ装置３０では、異常検出部５０により、出力電圧Ｖｏにおける過電圧の異常状態を高速（例えば、数ｍｓ）に検出し、この異常検出結果Ｓ５０に基づき、系統連系インバータ装置３０の単独運転状態を検出した時に、出力コンデンサ３４ｂ１～３４ｂ３の蓄積電荷を、インダクタ３４ａ１～３４ａ３を通して、回生動作モードのＤＣ／ＡＣインバータ３３のスイッチング動作とスイッチング制御部の電流制御とにより、そのＤＣ／ＡＣインバータ３３を経由して、入力コンデンサ３２へ放電させるようにしている。これにより、系統連系インバータ装置３０の高電圧発生を抑制し、負荷装置２４を安全に保護できる。

（ｂ） 従来のように、出力コンデンサ３４ｂ１～３４ｂ３の蓄積電荷を放電するための専用の放電回路を必要としないので、部品点数の削減により、装置コストの低減が可能になる。

（実施例２の構成）
図３は、本発明の実施例２における異常検出部５０Ａの構成例を示す機能ブロック図であり、実施例１の図２に示す異常検出部５０と共通の要素には共通の符号が付されている。

本実施例２の異常検出部５０Ａは、図示を省略した実施例１のベクトル電圧検出部５１、フィルタ５２、上限値超過検出部５３、所定時間継続検出部５４、上限値又は下限値超過検出部５５、所定時間継続検出部５６、上限値超過検出部５７及び所定時間継続検出部５８と、実施例１のＯＲ部５９と、を有する他に、以下の構成が追加されている。

本実施例２の異常検出部５０Ａでは、電圧計測器３７の出力側に接続された瞬時位相検出部６１を有し、この瞬時位相検出部６１の出力側に、遅延部６２及び減算部６３が接続されている。更に、減算部６３の出力側には、瞬時周波数演算処理部６４、ローパスフィルタ６５、及び所定時間継続検出部６６が縦続接続されている。所定時間継続検出部６６の出力側には、ＯＲ部５９が接続されている。

瞬時位相検出部６１は、三相ｕ，ｖ，ｗの計測電圧ｖｏのベクトル演算を行って交流電圧位相角θ（ｎ）を算出するものであり、三相／二相電圧変換部６１ａ及び交流電圧位相角算出部６１ｂにより構成されている。三相／二相電圧変換部６１ａは、式（１）のベクトル演算を行い、三相ｕ，ｖ，ｗの計測電圧ｖｏ（＝ｖｕ，ｖｖ，ｖｗ）を二相α，βの計測電圧ｖα，ｖβに変換するものであり、この出力側に、交流電圧位相角算出部６１ｂが接続されている。交流電圧位相角算出部６１ｂは、変換された計測電圧ｖα，ｖβから、次式（３）により、交流電圧位相角θ（ｎ）を算出するものであり、この出力側に、遅延部６２及び減算部６３が接続されている。
θ（ｎ）＝ｔａｎ^－１（ｖα／ｖβ）・・・（３）

遅延部６２は、交流電圧位相角θ（ｎ）を１サンプリング周期だけ遅延（ｚ^－１、但し、ｚはｚ変換演算子）させ、遅延後の交流電圧位相角θ（ｎ－１）を減算部６３へ出力するものである。減算部６３は、交流電圧位相角θ（ｎ）から遅延後の交流電圧位相角θ（ｎ－１）を減算して位相角変化量Δθ（ｎ）を求めるものであり、この出力側に、瞬時周波数演算処理部６４が接続されている。瞬時周波数演算処理部６４は、次式（４）に従い、サンプリング周期（１／ｆｓ）の位相角変化量Δθ（ｎ）により、瞬時周波数ｆｉを算出するものであり、この出力側に、ローパスフィルタ６５が接続されている。
ｆｉ＝Δθ（ｎ）×（ｆｓ／２π）・・・（４）
但し、ｆｓ；サンプリング周波数

ローパスフィルタ６５は、瞬時周波数ｆｉの高周波成分を除去するものであり、例えば、デジタル処理を行う場合、入力信号をｘ（ｎ）、出力信号をｙ（ｎ）にすると、次式（５）から、その出力信号ｙ（ｎ）を算出できる。
ｙ（ｎ）＝（１－ｋ）×ｙ（ｎ－１）＋ｋ×ｘ（ｎ）・・・（５）
但し、ｋ；フィルタ定数
なお、ローパスフィルタ６５の構成は、式（５）の演算式に限定されず、種々の構成を採用できる。このローパスフィルタ６５の出力側には、所定時間継続検出部６６が接続されている。

所定時間継続検出部６６は、高周波成分が除去された瞬時周波数ｆｉｌが所定の上下限値を超えてこの上下限超過状態が所定時間以上継続するか否かの監視を行い、所定時間以上継続したことを検出すると、出力電圧Ｖｏの異常状態（例えば、出力周波数ｆｏの異常状態）を示す検出結果Ｓ６６をＯＲ部５９へ出力するものである。ＯＲ部５９からは、出力周波数ｆｏの異常状態を示す検出結果Ｓ６６に対応する異常検出結果Ｓ５０が出力され、図１中の切替部４２へ与えられる構成になっている。

（実施例２の動作）
図３の異常検出部５０Ａにおいて、図１の三相ｕ，ｖ，ｗの出力電圧Ｖｏが電圧計測器３７で計測されると、この三相ｕ，ｖ，ｗの計測電圧ｖｏ（＝ｖｕ，ｖｖ，ｖｗ）が瞬時位相検出部６１内の三相／二相変換部６１ａに入力される。三相／二相変換部６１ａは、式（１）により、三相ｕ，ｖ，ｗの計測電圧ｖｏ（＝ｖｕ，ｖｖ，ｖｗ）のベクトル演算を行い、三相ｕ，ｖ，ｗの計測電圧ｖｏを二相の計測電圧ｖα，ｖβに変換し、この計測電圧ｖα，ｖβを交流電圧位相角算出部６１ｂへ出力する。交流電圧位相角算出部６１ｂは、変換された計測電圧ｖα，ｖβから、式（３）により、交流電圧位相角θ（ｎ）を算出し、この交流電圧位相角θ（ｎ）を遅延部６２及び減算部６３へ出力する。

遅延部６２は、交流電圧位相角θ（ｎ）を１サンプリング周期だけ遅延（ｚ^－１）させ、遅延後の交流電圧位相角θ（ｎ－１）を減算部６３へ出力する。減算部６３は、交流電圧位相角θ（ｎ）から遅延後の交流電圧位相角θ（ｎ－１）を減算して位相角変化量Δθ（ｎ）を求め、この位相角変化量Δθ（ｎ）を瞬時周波数演算処理部６４へ出力する。瞬時周波数演算処理部６４は、式（４）により、位相角変化量Δθ（ｎ）から瞬時周波数ｆｉを算出し、この瞬時周波数ｆｉをローパスフィルタ６５へ出力する。

ローパスフィルタ６５は、式（５）等から、瞬時周波数ｆｉの高周波成分を除去し、この除去した瞬時周波数ｆｉｌを所定時間継続検出部６６へ出力する。所定時間継続検出部６６は、高周波成分が除去された瞬時周波数ｆｉｌが所定の上下限値を超えてこの上下限超過状態が所定時間以上継続するか否かの監視を行い、所定時間以上継続したことを検出すると、出力周波数ｆｏの異常状態を示す検出結果Ｓ６６をＯＲ部５９へ出力する。すると、ＯＲ部５９から、出力周波数ｆｏの異常状態を示す検出結果Ｓ６６に対応する異常検出結果Ｓ５０が出力され、図１中の切替部４２に与えられる。

そして、実施例１と同様に、切替部４２の入力側がコンデンサ放電電流指令ＣＣｂ側に切り替わり、減算部４３、電流制御部４４及びＰＷＭ制御部４５の動作により、ＩＧＢＴ３３ａ１～３３ａ３，３３ｂ１～３３ｂ３が回生動作モードになる。すると、出力コンデンサ３４ｂ１～３４ｂ３に蓄積された電荷が、インダクタ３４ａ１～３４ａ３を通して、各ＩＧＢＴ３３ａ１～３３ａ３，３３ｂ１～３３ｂ３のスイッチング動作により、電圧Ｖｄｃまで昇圧され、入力コンデンサ３２へ放電される。これにより、系統連系インバータ装置３０の出力端における高電圧の発生が抑制される。

（実施例２の効果）
本実施例２の系統連系インバータ装置３０によれば、以下の（１）～（３）のような効果がある。

（１） 従来の系統連系インバータ装置１０Ａでは、無効電力のアンバランス条件において、系統連系インバータ装置１０Ａが電力系統２Ａから切り離された単独運転状態になると、図６（ａ）の右側の出力電圧Ｖｏの波形に示すように、ＤＣ／ＡＣインバータ１３Ａから高周波電圧を出力してしまう恐れがある。
これに対して、本実施例２の系統連系インバータ装置３０では、出力電圧Ｖｏの周波数異常状態を高速（例えば、数ｍｓ）に検出し、系統連系インバータ装置３０を停止させることにより、負荷装置２４を安全に保護できる。又、高周波出力と同時に、高電圧も同時に発生する可能性があるので、系統連系インバータ装置３０を停止させる前に、電圧異常検出と同じように、インバータ電流指令ＣＣａを回生動作のコンデンサ放電電流指令ＣＣｂに切り替えることにより、出力コンデンサ３４ｂ１～３４ｂ３の残留電荷を、ＤＣ／ＡＣインバータ３３を通して入力コンデンサ３２へ放電させることで、残留電荷の高電圧を抑制し、負荷装置２４を安全に保護できる。

（２） 従来の系統連系インバータ装置１０Ａでは、非特許文献１に記載された系統連系規程により、ＤＣ／ＡＣインバータ１３Ａから進み力率の出力が求められている。そのため、系統連系インバータ装置１０Ａが単独運転状態になると、図６（ａ）の右側の出力電圧Ｖｏの波形に示すように、高周波電圧出力となるリスクが高くなる。負荷装置４Ａ内のコンデンサに高周波電圧が印加されると、そのコンデンサに過大な高周波電流が流れて負荷装置４Ａを損傷することが考えられる。
これに対して、本実施例２の系統連系インバータ装置３０では、前記系統連系規程により、ＤＣ／ＡＣインバータ３３から進み力率の出力が求められている条件下において、系統連系インバータ装置３０が単独運転状態になっても、高速に周波数異常を検出して停止することができるため、高周波電圧出力となるリスクがない。そのため、例えば、負荷装置２４内のコンデンサに高周波電圧が印加されて過大な高周波電流が流れることがなく、負荷装置２４の損傷を防止できる。

（３） 実施例１の効果と同様に、出力コンデンサ３４ｂ１～３４ｂ３の蓄積電荷を放電するための専用の放電回路を必要としないので、部品点数の削減により、装置コストの低減が可能になる。

（実施例１、２の変形例）
本発明は、上記実施例１、２に限定されず、種々の利用形態や変形が可能である。この利用形態や変形例としては、例えば、次の（ｉ）～（ｉｉｉ）のようなものがある。

（ｉ） 制御回路４０は、図示以外の構成に変更しても良い。例えば、実施例２の異常検出部５０Ａは、実施例１の異常検出部５０が有する出力電圧Ｖｏの電圧異常検出機能に加えて、出力周波数ｆｏの異常検出機能を付加しているが、出力周波数ｆｏの異常検出機能のみを設けても良い。これにより、実施例２と略同様の効果が得られる。
（ｉｉ） 図１の三相系統連系インバータ装置３０における電力変換部は、図示以外の構成に変更しても良い。例えば、ＤＣ／ＡＣインバータ３３は、ＩＧＢＴ３３ａ１～３３ａ３，３３ｂ１～３３ｂ３以外のＭＯＳ型電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）、ＳｉＣトランジスタ、ＧａＮトランジスタ等の他のスイッチ素子で構成しても良い。
（ｉｉｉ） 図１は、三相系統連系インバータ装置３０であるが、本発明は、従来の図４のような単相系統連系インバータ装置１０にも適用できる。

２２ 電力系統
２４ 負荷装置
３０ 系統連系インバータ装置
３２ 入力コンデンサ
３３ ＤＣ／ＡＣインバータ
３４ フィルタ回路
３４ａ１～３４ａ３ インダクタ
３４ｂ１～３４ｂ３ 出力コンデンサ
４０ 制御回路
４２ 切替部
４３，６３ 減算部
４４ 電流制御部
４５ ＰＷＭ制御部
５０，５０Ａ 異常検出部
５１ ベクトル電圧検出部
５２ フィルタ
５３，５７ 上限値超過検出部
５４，５６，５８，６６ 所定時間継続検出部
５５ 上限値又は下限値超過検出部
５９ ＯＲ回路
６１ 瞬時位相検出部
６２ 遅延部
６４ 瞬時周波数演算処理部
６５ ローパスフィルタ

Claims (5)

1. 直流入力電圧が印加される入力コンデンサと、
   電力系統に連系可能に接続され、前記入力コンデンサに蓄積された直流電圧をスイッチングして交流電圧に変換し、前記電力系統側へ出力するインバータと、
   インダクタ及び出力コンデンサを有し、前記インバータから出力される前記交流電圧の高調波成分を除去して交流の出力電圧を出力するフィルタ回路と、
   前記インバータのスイッチング動作を制御する制御回路と、を備え、
   前記制御回路は、
   前記出力電圧の異常状態を検出して異常検出結果を出力する異常検出部と、
   前記インバータから出力されるインバータ電流を計測して電流計測値を出力する電流計測部と、
   通常運転時にはインバータ電流指令を入力し、前記異常検出部から前記異常検出結果が出力されると、前記インバータ電流指令をコンデンサ放電電流指令に切り替えて入力する切替部と、
   前記切替部に入力された前記インバータ電流指令又は前記コンデンサ放電電流指令のいずれか一方と、前記電流計測値と、の誤差を減少するような電流制御によって前記スイッチング動作を制御するスイッチング制御部と、を有し、
   前記異常検出結果に基づき、前記電力系統から切り離された単独運転状態を検出した時に、前記出力コンデンサの蓄積電荷を、前記スイッチング動作及び前記電流制御にて、前記インバータを経由して前記入力コンデンサへ放電させるように制御する、
   構成になっていることを特徴とする系統連系インバータ装置。
2. 前記出力電圧は、三相交流電圧であり、
   前記異常検出部は、
   前記三相交流電圧のベクトル演算を行って交流電圧振幅を瞬時に算出し、前記交流電圧振幅が閾値以上で所定時間以上継続した時に、前記三相交流電圧の前記異常状態を検出す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。
3. 前記異常検出部は、
   前記出力電圧の瞬時値が過電圧上限値を超えた状態が所定時間以上継続した時に、前記出力電圧の前記異常状態を検出す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。
4. 前記異常検出部は、
   前記スイッチング動作を制御するスイッチング駆動信号のデューティ比が所定の上限値又は下限値を超えた状態が所定時間以上継続した時に、前記出力電圧の前記異常状態を検出す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。
5. 前記出力電圧は、三相交流電圧であり、
   前記異常検出部は、
   前記三相交流電圧のベクトル演算を行って交流電圧位相角を算出し、サンプリング周期の前記交流電圧位相角の変化により瞬時周波数を算出し、前記瞬時周波数が所定の上下限値を超えて所定時間以上継続した時に、前記三相交流電圧の前記異常状態を検出す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。

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