JP2017018000A - パワーコンディショナ、及びインバータの制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】インバータの出力交流電流のゼロクロス付近における乱れを防止し、高効率で、ノイズの発生を抑制する。【解決手段】パワーコンディショナ２は、出力交流電流の正負の極性が入れ替わるゼロクロスを含む所定期間では、各レグの上アーム及び下アームを交互にオンオフするようにＰＷＭ方式で作動させ、前記所定期間以外では、各レグの一方のアームのみをオンオフするようにＰＷＭ方式で作動させるインバータ１を備え、所定期間は、電力系統の電圧の高調波レベル又は周波数変化率により変化する。【選択図】図４

Description

本発明は、ブリッジ回路で構成され直流を交流に変換するインバータを備えるパワーコンディショナ、及び該インバータの制御方法に関する。

電力系統に連系し、直流電源からの入力を電力系統の電圧に同期する交流に変換するインバータは、一般的に上アーム及び下アームからなるレグを複数用いたブリッジ回路で構成される。各レグの一方のアームのみをオンオフするようにＰＷＭ方式で作動させた場合、出力交流電流の正負の極性が入れ替わるゼロクロスの付近において、アームの切り替えと交流電流のゼロクロスタイミングとがずれて電流波形に乱れが生じることがある。ゼロクロスタイミングのずれの要因としては、電力系統の電圧の高調波変動、電力系統の周波数変動、インバータが出力する無効電力の変動などが考えられる。

図９は、従来のインバータのゼロクロス付近における電流波形の乱れを示す図である。図９（ｂ）は図９（ａ）のゼロクロス付近における波形を拡大して示しており、実線は電流波形、破線は電圧波形である。図９（ｃ）は、第１のレグ及び第２のレグからなるブリッジ回路で構成されるインバータの各アームに対するＰＷＭ信号を示している。インバータの出力を正とするときに、第１のレグの上アーム及び第２のレグの下アーム（図中ではＵ相と表示）をオンとし、インバータの出力を負とするときに、第１のレグの下アーム及び第２のレグの上アーム（図中ではＷ相と表示）をオンとする。このようにして各アームをＰＷＭ方式で作動させる場合には、ゼロクロス付近でインバータの出力波形に乱れが生じるおそれがある。そこで、Ｕ相のアーム及びＷ相のアームを相補にＰＷＭ方式で作動させるインバータが知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開平９−１４０１５７号公報

特許文献１に開示されているように、Ｕ相のアーム及びＷ相のアームを相補にＰＷＭ方式で作動させると、ゼロクロスの付近においてアームの切り替えと交流電流のゼロクロスとのタイミングのずれを解消することができる。しかし、Ｕ相のアーム及びＷ相のアームで頻繁にスイッチングが行われることにより、効率の悪化やノイズが増加するといった問題が生じる。

かかる事情に鑑みてなされた本発明の目的は、ゼロクロス付近での電流の乱れがなく、高効率で、ノイズの発生を抑制することが可能パワーコンディショナ、及びインバータの制御方法を提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明に係るパワーコンディショナは、インバータを電力系統に接続させるパワーコンディショナであって、上アーム及び下アームからなるレグを複数用いたブリッジ回路で構成され、直流を交流に変換するインバータであって、出力交流電流の正負の極性が入れ替わるゼロクロスを含む所定期間では、各レグの上アーム及び下アームを交互にオンオフするようにＰＷＭ方式で作動させ、前記所定の期間以外では、各レグの一方のアームのみをオンオフするようにＰＷＭ方式で作動させるインバータを備え、前記所定期間は、前記電力系統の電圧の高調波レベル又は周波数変化率により変化することを特徴とする。

さらに、本発明に係るパワーコンディショナにおいて、前記所定期間は、前記インバータの出力交流電流値により変化することを特徴とする。

さらに、本発明に係るパワーコンディショナにおいて、前記所定期間は、当該パワーコンディショナの動作モードの変更時に増加することを特徴とする。

また、上記課題を解決するため、本発明に係るインバータの制御方法は、上アーム及び下アームからなるレグを複数用いたブリッジ回路で構成され、直流を交流に変換するインバータを制御する方法であって、出力交流電流の正負の極性が入れ替わるゼロクロスを含む所定期間では、各レグの上アーム及び下アームを交互にオンオフするようにＰＷＭ方式で作動させるステップと、前記所定期間以外では、各レグの一方のアームのみをオンオフするようにＰＷＭ方式で作動させるステップと、を含み、前記所定期間は、前記インバータに接続された電力系統の電圧の高調波レベル又は周波数変化率により変化することを特徴とする。

本発明によれば、インバータの出力交流電流のゼロクロス付近における乱れを防止し、高効率で、ノイズの発生を抑制することが可能となる。

本発明の一実施形態に係るインバータの構成例を示すブロック図である。 本発明の一実施形態に係るパワーコンディショナの構成例を示すブロック図である。 本発明の一実施形態に係るインバータの制御を示すフローチャートである。 本発明の一実施形態に係るインバータの出力波形及びスイッチング素子に入力されるＰＷＭ信号の一例を示す図である。 図４に示す期間ＡにおけるＰＷＭ信号を示す図である。 本発明の一実施形態に係るインバータの制御部の構成例を示すブロック図である。 本発明の一実施形態に係るインバータのＰＷＭユニットの動作を説明する図である。 本発明の一実施形態に係るインバータの信号レベルをオフ固定とする期間の変化を示す図である。 従来のインバータのゼロクロス付近における電流波形の乱れを示す図である

以下、本発明の一実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係るインバータの構成例を示すブロック図である。図１に示すように、インバータ１は、スイッチング素子Ｕ１，Ｕ２，Ｗ１，Ｗ２と、制御部１０と、を備える。

インバータ１は、上アーム（スイッチング素子Ｕ１又はＷ１）及び下アーム（スイッチング素子Ｕ２又はＷ２）からなるレグを複数用いたブリッジ回路で構成され、直流を交流に変換する。

スイッチング素子Ｕ１，Ｕ２がオンでスイッチング素子Ｗ１，Ｗ２がオフのとき、ポイントＰ２に対するポイントＰ１の電圧は正となる。逆に、スイッチング素子Ｗ１，Ｗ２がオンでスイッチング素子Ｕ１，Ｕ２がオフのとき、ポイントＰ２に対するポイントＰ１の電圧は負となる。スイッチング素子Ｕ１，Ｕ２，Ｗ１，Ｗ２にはそれぞれ帰還ダイオードが逆並列に接続されている。

インバータ１は、連系リアクトルＬ１，Ｌ２を介して電力系統に連系される。なお、図１では電力系統に２線式で接続する例について示しているが、３線式であっても同様に適用することができる。

電流センサ１１は、インバータ１の出力電流を検出し、制御部１０に出力する。電圧センサ１２は、インバータ１の出力電圧を検出し、制御部１０に出力する。

制御部１０は、スイッチング素子Ｕ１，Ｕ２，Ｗ１，Ｗ２に対してそれぞれＰＷＭ信号を出力し、インバータ１の出力電流を制御する。

図２は、インバータ１を有するパワーコンディショナの構成例を示すブロック図である。図２に示すように、パワーコンディショナ２は、ＤＣ／ＤＣコンバータ３と、中間リンクコンデンサ４と、インバータ１と、を備える。

ＤＣ／ＤＣコンバータ３は、直流入力電源５から入力される電圧を昇圧して一定の電圧に変換する。ＤＣ／ＤＣコンバータ３に接続される直流入力電源５は、例えば太陽電池モジュールを複数枚直列接続した太陽電池ストリングである。

中間リンクコンデンサ４は、ＤＣ／ＤＣコンバータ３により昇圧された直流電圧を平滑化し、インバータ１への入力電圧を安定させる。なお、ＤＣ／ＤＣコンバータ３内に、出力電圧を安定させるために、更に平滑化用のコンデンサを設けてもよい。

インバータ１は、中間リンクコンデンサ４により平滑化された直流電圧を交流に変換し、電力系統に連系する。

図３は、制御部１０によるインバータ１の制御を示すフローチャートである。制御部１０は、インバータ１の出力交流電流の正負の極性が入れ替わるゼロクロスを含む所定期間を決定する（ステップＳ１０１）。以下の説明において、このゼロクロスを含む所定期間を期間Ａと称する。期間Ａは、電力系統の位相から直接（例えば３０°〜１５０°）決定してもよいし、電力系統の電圧やインバータ１の出力電流が所定の値以下となる期間としてもよい。また、インバータ１の出力波形において期間Ａを除く期間を期間Ｂと称する。なお、期間Ａ，Ｂのいずれか一方を決定すれば他方も自動的に決まるため、期間Ａではなく期間Ｂを決定してもよい。

図４は、インバータ１の出力波形及びスイッチング素子に入力されるＰＷＭ信号の一例を示す図である。制御部１０は、所定期間Ａに該当する期間では（ステップＳ１０２−Ｙｅｓ）、各レグの上アーム及び下アームを交互に（相補的に）オンオフするようにＰＷＭ方式で作動させる（ステップＳ１０３）。つまり、スイッチング素子Ｗ１，Ｗ２をオフしてスイッチング素子Ｕ１，Ｕ２をオン→スイッチングＵ１，Ｕ２をオフしてスイッチング素子Ｗ１，Ｗ２をオン→スイッチング素子Ｗ１，Ｗ２をオフしてスイッチング素子Ｕ１，Ｕ２をオン・・・と作動させる。

一方、制御部１０は、期間Ａに該当しない（すなわち、期間Ｂに該当する）期間では（ステップＳ１０２−Ｎｏ）、各レグの一方のアームのみをオンオフするようにＰＷＭ方式で作動させる（ステップＳ１０４）。つまり、スイッチング素子Ｕ１，Ｕ２のみをオン→オフ→オン→オフと作動させるか（図４の例では出力交流波形を正とする場合）、スイッチング素子Ｗ１，Ｗ２のみをオン→オフ→オン→オフと作動させる（図４の例では出力交流波形を負とする場合）。この作動により、ゼロクロスを含まない期間Ｂでは、スイッチング素子Ｕ１及びＵ２、又はスイッチング素子Ｗ１，Ｗ２の出力レベルがオフに固定されることになる。

図５は、図４に示す期間ＡにおけるＰＷＭ信号を示す図である。スイッチング素子Ｕ１，Ｕ２がオンの時はスイッチング素子Ｗ１，Ｗ２がオフになり、スイッチング素子Ｗ１，Ｗ２がオンの時はスイッチング素子Ｕ１，Ｕ２がオフになる。スイッチング素子のオンとオフの過渡的な状態で両方のスイッチがオン状態にならないように、全スイッチング素子Ｕ１，Ｕ２，Ｗ１，Ｗ２がオフになるデッドタイムが挿入される。

図５ではインバータ１の出力波形が負から正に変わるときのＰＷＭ信号を示している。期間ｔ１及び期間ｔ２では、スイッチング素子Ｕ１，Ｕ２がオンの期間よりスイッチング素子Ｗ１，Ｗ２がオンの期間のほうが長いため、インバータ１の出力値は負となる。この場合、オン期間の差が大きいほど、インバータ１の負の出力値の絶対値は大きくなる。期間ｔ３及び期間ｔ４では、スイッチング素子Ｕ１，Ｕ２がオンの期間よりスイッチング素子Ｗ１，Ｗ２がオンの期間のほうが短くなるため、インバータ１の出力は正になる。この場合、オン期間の差が大きいほど、インバータ１の正の出力値は大きくなる。

期間Ａを長くすると、ゼロクロスを含むより長い期間において、各レグの上アーム及び下アームを交互にオンオフするようにＰＷＭ方式で作動させることとなり、電流波形をより安定させることができる。制御部１０は、期間Ａ及び期間Ｂの長さを、以下の様々な条件により変化させることができる。

第１の条件では、インバータ１が出力する交流電流値により、期間Ａ及び期間Ｂの長さを変化させる。例えば太陽電池ストリングからの電力がインバータ１に入力される場合は、日射量が少ないときは出力電流値が小さくなる。出力電流値が小さい場合には、きれいな正弦波を生成するための制御が難しくなるので、期間Ａを増加させ、期間Ｂを減少させる。

第２の条件では、電力系統の電圧の高調波レベルにより、期間Ａ及び期間Ｂの長さを変化させる。電力系統の電圧が高調波レベルを多く含むときれいな正弦波を生成するための制御が難しくなるので、期間Ａを増加させ、期間Ｂを減少させる。

第３の条件では、インバータ１が注入する無効電力、又は該無効電力と有効電力との比により、期間Ａ及び期間Ｂの長さを変化させる。単独運転（停電時にインバータ１が電力系統から解列されていない状態）を検出する目的や電力系統の電圧上昇抑制の目的でインバータ１が無効電力を注入することがあるが、その場合には電圧と電流の位相が揃わなくなる。そのため、無効電力の注入量が多い場合には、期間Ａを増加させ、期間Ｂを減少させる。

第４の条件では、電力系統の周波数変化率により、期間Ａ及び期間Ｂの長さを変化させる。電力系統の周波数変化率が大きい場合にはきれいな正弦波を生成するための制御が難しくなるので、期間Ａを増加させ、期間Ｂを減少させる。

第５の条件では、電力系統の異常（例えば、周波数や電圧が高くなりすぎたり低くなりすぎたりした場合）を検出した場合に、期間Ａを増加させ、期間Ｂを減少させる。

第６の条件では、パワーコンディショナ２の動作モードの変更時、例えば、運転を始める瞬間に期間Ａを増加させ、期間Ｂを減少させる。

第７の条件では、これらの条件の任意の組み合わせにより、期間Ａ及び期間Ｂを変化させる。

図６は、インバータ１の制御部１０の構成例を示すブロック図である。図６に示すように、制御部１０は、位相計測部１０１と、周波数計測部１０２と、高調波計測部１０３と、異常検出／運転制御部１０４と、電流制御部１０５と、スイッチ制御部１０６と、クロック生成部１０７と、ＰＷＭユニット１０８と、を備える。

位相計測部１０１は、電圧センサ１２から入力される電力系統の電圧の位相を取得し、電流制御部１０５及びスイッチ制御部１０６に出力する。

周波数計測部１０２は、電圧センサ１２から入力される電力系統の電圧の周波数を取得し、スイッチ制御部１０６に出力する。

高調波計測部１０３は、電圧センサ１２から入力される電力系統の電圧の高調波レベルを取得し、スイッチ制御部１０６に出力する。

異常検出／運転制御部１０４は、図示しない各種センサからの入力により電力系統の異常を監視するとともに、各種センサ入力やユーザインターフェースのスイッチ等の入力からパワーコンディショナ２の動作モードや出力電流を決定する。なお、インバータ１がパワーコンディショナ２に組み込まれる場合には、異常検出／運転制御部１０４は、パワーコンディショナ２の異常も監視する。

電流制御部１０５は、位相計測部１０１によって取得された電力系統の電圧の位相に合わせ、指定された有効電流・無効電流の正弦波を出力するよう制御し、電流センサ１１によって取得された電流の実測値を得て、指令値との差が無くなるようにフィードバック制御を行い、各スイッチング素子Ｕ１，Ｕ２，Ｗ１，Ｗ２に対するデューティ比を出力する。

スイッチ制御部１０６は、有効電流指令値と無効電流指令値、位相計測部１０１によって取得された電力系統の電圧の位相、周波数計測部１０２によって取得された電力系統の周波数の変化率、高調波計測部１０３によって取得された電力系統の高調波レベル、及び異常検出／運転制御部１０４によって取得された異常情報とパワーコンディショナ２の動作モードから、各スイッチング素子Ｕ１，Ｕ２，Ｗ１，Ｗ２の信号レベルをオフ固定にするか否かを決定する。そして、信号レベルをオフ固定にするか否かを示す信号レベル制御信号をＰＷＭユニット１０８に出力する。信号レベルをオフ固定にする期間が期間Ｂに該当し、それ以外の期間が期間Ａに該当する。

図４を参照すると、期間Ａではスイッチング素子Ｕ１，Ｕ２，Ｗ１，Ｗ２全てについて信号レベルをオフ固定にはしない。期間Ｂのうちインバータ１の出力を正とする期間では、スイッチング素子Ｗ１，Ｗ２について信号レベルをオフ固定とする。期間Ｂのうちインバータ１の出力を負とする期間では、スイッチング素子Ｕ１，Ｕ２について信号レベルをオフ固定とする。スイッチ制御部１０６は、期間Ａ，Ｂの長さを、上述した第１の条件から第７の条件により変化させる。

ＰＷＭユニット１０８は、クロック生成部１０７により生成されたクロックと、電流制御部１０５によって生成されたデューティ比と、スイッチ制御部１０６によって生成された信号レベル制御信号とに基づきＰＷＭ信号を生成し、スイッチング素子Ｕ１，Ｕ２，Ｗ１，Ｗ２に出力する。

図７は、ＰＷＭユニット１０８の動作を説明する図である。図７に示すように、ＰＷＭユニット１０８は、クロック生成部１０７により生成されたクロックに同期した基準波形を生成する。そして、生成した基準波形の値が電流制御部１０５によって生成されたデューティ比以上となる期間においてオンとなり、生成した基準波形の値が電流制御部１０５によって生成されたデューティ比未満となる期間においてオフとなる信号（仮ＰＷＭ信号）を生成する。さらに、ＰＷＭユニット１０８は、スイッチ制御部１０６から入力される信号レベル制御信号から信号レベルオフ固定期間（期間Ｂ）を決定し、仮ＰＷＭ信号を信号レベルオフ固定期間においてオフ固定にすることで、ＰＷＭ信号を生成する。ＰＷＭ信号は各スイッチング素子Ｕ１，Ｕ２，Ｗ１，Ｗ２ごとに生成する。

上述したように、インバータ１は、出力交流電流の正負の極性が入れ替わるゼロクロスを含む期間Ａでは、各レグの上アーム及び下アームを交互にオンオフするようにＰＷＭ方式で作動させ、期間Ａ以外の期間Ｂでは、各レグの一方のアームのみをオンオフするようにＰＷＭ方式で作動させる。そのため、本発明によれば、出力する交流電流の目標値と実際の出力値との誤差を小さくすることができ、ゼロクロス付近での電流の乱れがなくなる。また、全ての期間において各レグの上アーム及び下アームを交互にオンオフするようにＰＷＭ方式で作動させる場合と比較して、ノイズの発生を抑制することができる。

また、インバータ１は、上述した様々な条件に応じて、図８に示すように期間Ａ，Ｂを変化させることにより、ゼロクロス付近での電流の乱れを防止できる範囲内で適応的に期間Ａを短くすることができ、ノイズの発生を抑制することが可能となる。図８（ａ）は通常時のインバータ１の出力電圧を示しており、図８（ｂ）は例えば電力系統の電圧の高調波レベルが増加した時のインバータ１の出力電圧を示している。図８（ｂ）は図８（ａ）の通常時と比較して、期間Ｂ（すなわち、信号レベルをオフ固定とする期間）が減少し、期間Ａが増大している。なお、この図では、電力系統の電圧により期間Ａ，Ｂを決定している。

上述の実施形態は、代表的な例として説明したが、本発明の趣旨及び範囲内で、多くの変更および置換ができることは当業者に明らかである。したがって、本発明は、上述の実施形態によって制限するものと解するべきではなく、特許請求の範囲から逸脱することなく、種々の変形や変更が可能である。

１ インバータ
２ パワーコンディショナ
３ ＤＣ／ＤＣコンバータ
４ 中間リンクコンデンサ
５ 直流入力電源
１０ 制御部
１１ 電流センサ
１２ 電圧センサ
１０１ 位相計測部
１０２ 周波数計測部
１０３ 高調波計測部
１０４ 異常検出／運転制御部
１０５ 電流制御部
１０６ スイッチ制御部
１０７ クロック生成部
１０８ ＰＷＭユニット

Claims (4)

1. インバータを電力系統に接続させるパワーコンディショナであって、
   上アーム及び下アームからなるレグを複数用いたブリッジ回路で構成され、直流を交流に変換するインバータであって、出力交流電流の正負の極性が入れ替わるゼロクロスを含む所定期間では、各レグの上アーム及び下アームを交互にオンオフするようにＰＷＭ方式で作動させ、前記所定期間以外では、各レグの一方のアームのみをオンオフするようにＰＷＭ方式で作動させるインバータを備え、
   前記所定期間は、前記電力系統の電圧の高調波レベル又は周波数変化率により変化することを特徴とするパワーコンディショナ。
2. 前記所定期間は、前記インバータの出力交流電流値により変化することを特徴とする、請求項１に記載のパワーコンディショナ。
3. 前記所定期間は、当該パワーコンディショナの動作モードの変更時に増加することを特徴とする、請求項１又は２に記載のパワーコンディショナ。
4. 上アーム及び下アームからなるレグを複数用いたブリッジ回路で構成され、直流を交流に変換するインバータを制御する方法であって、
   出力交流電流の正負の極性が入れ替わるゼロクロスを含む所定期間では、各レグの上アーム及び下アームを交互にオンオフするようにＰＷＭ方式で作動させるステップと、
   前記所定期間以外では、各レグの一方のアームのみをオンオフするようにＰＷＭ方式で作動させるステップと、
   を含み、
   前記所定期間は、前記インバータに接続された電力系統の電圧の高調波レベル又は周波数変化率により変化することを特徴とするインバータの制御方法。
   

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