JPH11285260A

JPH11285260A - インバータ装置の制御方法及び制御装置

Info

Publication number: JPH11285260A
Application number: JP10100407A
Authority: JP
Inventors: Motoyasu Sato; 元保佐藤; Shiyoukin Tei; 紹鈞鄭; Hiroshi Nanbu; 浩史南部; Yutaka Okazaki; 裕岡崎
Original assignee: Ebara Corp; Ebara Densan Ltd
Current assignee: Ebara Corp; Ebara Densan Ltd
Priority date: 1998-03-27
Filing date: 1998-03-27
Publication date: 1999-10-15
Anticipated expiration: 2018-03-27
Also published as: JP3406512B2

Abstract

(57)【要約】【課題】太陽光発電等の発電システムと商用電源との
連系のための装置を小型コンパクト化することができる
と共に、力率が１の交流出力電流を商用電源側に供給す
ることができるインバータ装置の制御方法及びその制御
装置を提供する。【解決手段】直流電源の直流出力を交流出力に変換
し、交流の商用電源に連系するインバータ装置の制御方
法において、商用電源４の相電圧を検出して該相電圧を
指令信号とし、インバータ装置２の出力電流を検出して
該出力電流をフィードバック信号とし、指令信号とフィ
ードバック信号とを比較して誤差信号を生成し、該誤差
信号をゼロとするような制御信号を形成し、該制御信号
に基づいてインバータ装置２を制御する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、インバータ装置の
制御方法及び制御装置に係り、特に太陽電池等の直流出
力を電流制御型のインバータ装置を介して交流出力に変
換し、交流の商用電源の系統に連系するインバータ装置
の制御方法及び制御装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、省エネルギー化の要請から、太陽
電池を用いた発電システムが普及しつつある。係る発電
システムにおいては、直流電力が太陽光発電から生成さ
れるが、その負荷となる電力の供給を受ける装置は、商
用交流電源にも接続された電灯、或いはモータ等である
場合が多い。このため、係る発電システムで生成された
直流電力は、商用電源と同じ周波数、位相及び電圧の交
流電力に変換される必要がある。

【０００３】また、このような太陽光発電システムは、
夜間は発電が不能であり、その負荷装置は商用交流電源
から電力の供給を受ける必要があり、昼間の日照時には
負荷装置の需要電力をオーバする場合もある。発電電力
が負荷装置の需要電力をオーバする場合には、そのオー
バした分の電力を自動的に商用交流電源側に供給できる
ことが好ましい。このような観点から、太陽光発電シス
テムは商用交流電源と連系したシステムとすることが必
要な場合が多い。

【０００４】このように、太陽光発電システムと商用交
流電源とを連系するためには、太陽電池の直流電力から
商用交流電源の周波数、位相、電圧に合わせた交流電力
に変換する必要がある。図６は、従来の電圧制御型イン
バータ装置を用いた太陽光発電の商用交流電源との連系
を示す。即ち、太陽電池１は、インバータ装置２に接続
され、連結点３を介して例えば３相２００Ｖの交流商用
電源系統４に接続されている。ここでスイッチング回路
５は、パワートランジスタ、ＩＧＢＴ等からなり、その
ベース（ゲート）に駆動信号が入力されることにより、
コンデンサ６に蓄えられた直流電圧をオン／オフして、
交流電圧波形を形成している。

【０００５】このスイッチングにより形成された交流電
圧及び交流電流は、多量の高調波成分を含むので、フィ
ルタ回路７が設けられ、高調波成分が除去される。電流
フィルタ７の出力側は絶縁トランス８に接続され、商用
電源側とインバータ装置側とを絶縁分離する。そして、
連系リアクトルＬ、マグネットスイッチ９、ブレーカ１
０等を介して商用交流電源系統４の連結点である出力端
子３に接続されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな電圧制御型インバータ装置においては、太陽電池の
直流出力を交流に変換する際に、インバータの出力電流
と商用電源電圧との力率を１に維持するために、商用電
源電圧を常に検出し、この商用電源電圧を基準として、
図７に示すように連系リアクトルＬによる電位降下分ｅ
_Lと系統電圧ｅ_Cのベクトル和である進相の出力電圧ｅ_I
を電力素子のスイッチングにより形成していた。日射量
の変動によりインバータ出力電流の変動、系統電圧の変
動で、インバータの出力力率も変動する。ここに進相角
θを制御することにより、力率１を維持する。このた
め、連系リアクトルＬを大きくすることにより進相角θ
が大きくなり制御が容易となる。ところが、インバータ
装置の出力電圧は、直流電源電圧の制限があるので、制
御幅が狭くなるという問題があり、又、大きな連系リア
クトルＬは、小型化、低コスト化に不利であるという問
題があった。

【０００７】本発明は上述の事情に鑑みて為されたもの
で、太陽光発電等の発電システムと商用電源との連系の
ための装置を小型コンパクト化することができると共
に、力率が１の交流出力電流を商用電源側に供給するこ
とができるインバータ装置の制御方法及びその制御装置
を提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載の発明
は、直流電源の直流出力を交流出力に変換し、交流の商
用電源に連系するインバータ装置の制御方法において、
前記商用電源の相電圧を検出して該相電圧を指令信号と
し、前記インバータ装置の出力電流を検出して該出力電
流をフィードバック信号とし、前記指令信号とフィード
バック信号とを比較して誤差信号を生成し、該誤差信号
をゼロとするような制御信号を形成し、該制御信号に基
づいて前記インバータ装置を制御することを特徴とする
ものである。

【０００９】上述した本発明によれば、インバータ装置
を電流制御型にして、商用電源相電圧波形を基準信号と
して、そのインバータ装置の出力電流をフィードバック
信号として、インバータ装置の出力電流が商用電源相電
圧波形と一致するようにインバータ装置の電力素子のス
イッチングを制御するようにしたものである。これによ
り商用電源相電圧波形と一致したインバータ装置の交流
電流出力波形を得ることができる。係る制御方法によれ
ば、相電圧波形と電流波形とがその周波数及び位相にお
いて一致するので、力率１のインバータ装置の交流出力
が商用電源側に供給される。

【００１０】そして、このインバータ装置の交流出力電
流は商用電源相電圧とほぼ一致した波形を有しているの
で、高調波成分が極めて少なく、商用電源側において要
求される高調波抑制の基準に完全に対応することができ
る。又、インバータ装置のフィルタ回路においては、電
力素子のパルス幅変調によるスイッチングの高調波成分
を除去できれば十分であり、このスイッチング周波数は
一般に１０ｋＨｚ程度以上と商用電源周波数と比較して
高いので、このフィルタは小型コンパクトなインダクタ
及びキャパシタを用いて構成できる。

【００１１】請求項２に記載の発明は、前記出力電流が
小さい時に、前記商用電源から絶縁トランスに供給され
る無効電流の影響による前記相電圧の指令信号と前記出
力電流のフィードバック信号との位相のずれを補正する
ために、前記相電圧の指令信号の位相を進ませることを
特徴とするものである。

【００１２】これにより、絶縁トランスに商用電源側か
ら流入する無効電流成分（励磁電流）による位相のずれ
を補正することができる。即ち、電流制御型のインバー
タ装置においては、インバータ装置の出力電流は、電源
相電圧と完全に位相が一致している。しかしながら、電
源系統側に供給される出力電流は、インバータ装置の出
力電流と絶縁トランスに流入する無効電流成分とのベク
トル和となる。このため、インバータ装置の出力電流が
小さいときには、相対的に無効電流成分が大きくなり、
このため商用電源側に供給される全体としての出力電流
の位相は、相電圧の位相と一致しなくなる。即ち、力率
が１でなくなる。従って、上述したように電源相電圧信
号の位相を進ませるように補正することで、商用電源側
における相電圧と電流の位相差をなくすことができる。

【００１３】請求項３に記載の発明は、前記相電圧の指
令信号の位相の補正は、一つの相の相電圧の指令信号に
他の相の相電圧に係数ｋを乗算した指令信号を加算し、
該係数ｋを前記出力電流のフィードバック信号の大きさ
により、前記出力電流が小さいほど大きくなるように変
化させることを特徴とするものである。これにより、イ
ンバータ装置の出力電流の大きさに応じた補正を適正に
行うことができる。

【００１４】請求項４に記載の発明は、直流電源の直流
出力を交流出力に変換し、交流の商用電源に連系するイ
ンバータ装置の制御装置において、前記商用電源の相電
圧の検出回路と、前記インバータ装置の出力電流の検出
回路と、両検出回路により検出された商用電源の相電圧
信号とインバータ装置の出力電流信号とを誤差演算する
演算回路と、該演算回路の出力に基づいて前記インバー
タ装置のスイッチングを制御するドライバ回路とを備
え、前記インバータ装置の出力電流を前記商用電源の相
電圧信号に追従するように制御することを特徴とするも
のである。

【００１５】これによれば、上記演算回路は、オペアン
プを用いた簡単なアナログ回路又はマイクロコンピュー
タ等により実現できるので、制御回路部分を小型且つコ
ンパクト化することができる。又、電流制御型のインバ
ータ装置とすることにより大きなリアクトルが必要なく
なり、又、制御系を簡素化できるので、装置全体の構成
を小型コンパクト化することができる。

【００１６】請求項５に記載の発明は、一つの相の相電
圧信号と、他の相の相電圧信号に位相補正量に対応した
係数ｋを乗じた信号を加算して前記商用電源の相電圧信
号とする位相補正回路を更に備えたことを特徴とするも
のである。これにより、インバータ装置の出力電流が小
さいときにも、力率が１となる出力電流を供給できる。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て、図面を参照しながら説明する。

【００１８】図１は、本発明の一実施の形態の電流制御
型インバータ装置の構成を示す図である。太陽電池１の
出力端は、電流制御型インバータ装置２に接続され、更
に連系点３において、商用電源系統４に接続される。そ
して電源の負荷となる設備には、太陽電池１からの電力
と、商用電源系統４からの電力とが供給され得る。

【００１９】インバータ装置２の主回路を構成するスイ
ッチング回路５は、パルス幅変調（ＰＷＭ）方式の制御
信号により、直流電圧をオン／オフすることで、商用電
源の電圧波形に追従したパルス幅変調された擬似正弦波
の交流電流を発生する。このインバータ装置２には、電
流検出回路１８ｕ，１８ｗがスイッチング回路５の出力
線に接続され、Ｕ相及びＷ相の出力電流を検出する。電
流フィルタ７は、スイッチング回路５の出力電流に含ま
れている高調波成分を除去するためのフィルタであり、
スイッチング回路５のキャリアスイッチング周波数であ
る例えば１０ｋＨｚ以上の周波数帯域を除去するように
なっている。従って、この電流フィルタ７は、インダク
タンス値及びキャパシタンス値も比較的小さい、小型コ
ンパクト化したインダクタンス素子及びキャパシタンス
素子を用いることができる。

【００２０】電流フィルタ７を通過したスイッチング回
路５の出力電流は、絶縁トランス８により、その商用電
源側とインバータ装置側とが絶縁分離される。更に、イ
ンバータ装置２の出力側には、連系マグネットスイッチ
９、ブレーカ１０とが設けられ、連系点となるインバー
タ装置２の出力端子３に商用電源系統４が接続されてい
る。注目すべきは、従来の電圧制御型インバータ装置に
必要であった連系リアクトルが除去されていることであ
る。これは、電流制御型インバータ装置においては、電
源相電圧を基準信号として、これに出力電流をフィード
バック信号として基準信号に追従させるので、連系リア
クトルが必要なくなるためである。これにより制御系が
簡素化され、又、装置の小型コンパクト化が可能とな
る。

【００２１】ブレーカ１０の出力線には、信号トランス
１１が接続され、この信号トランス１１は、商用電源の
相電圧波形の検出回路となっている。即ち、商用電源相
電圧がその出力側に誘導され、図示する場合には、ブレ
ーカ１０がオン状態である時には、Ｕ相及びＷ相の相電
圧が検出回路１１ｕ，１１ｗにより検出される。検出回
路１１ｕ，１１ｗでは、それぞれ相電圧信号に変換して
その相電圧信号Ｖｕ，Ｖｗがそれぞれ乗算器１２ｕ，１
２ｗに入力される。乗算器１２には最大電力追跡回路２
０の出力Ｓｄが入力され、これにより最大電力追跡回路
２０の出力に対応した係数Ｓｄが乗算された相電圧信号
Ｖｕ’，Ｖｗ’が誤差積分器１３ｕ，１３ｗの一方の端
子に基準信号として入力される。

【００２２】誤差積分器１３ｕ，１３ｗの他方の端子に
は、スイッチング回路５の出力電流の検出回路１８ｕ，
１８ｗにより検出された電流信号Ｉｕ，Ｉｗがフィード
バック信号として入力される。誤差積分器１３ｕ，１３
ｗは、比例積分（ＰＩ）制御回路であり、基準信号であ
る電源相電圧信号と、フィードバック信号であるスイッ
チング回路５の出力電流信号との差をゼロとするような
制御信号を出力する。誤差積分器１３ｕ，１３ｗの制御
信号出力は、２相／３相変換回路１４に入力され、これ
により、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相のそれぞれの制御信号が生成
される。Ｕ，Ｖ，Ｗの各相の制御信号は、ＰＷＭ変調回
路１５に入力され、ここでパルス幅変調を受ける。そし
てパルス幅変調された制御信号はドライバ回路１６を介
してスイッチング回路５の電力素子のスイッチングを行
う。

【００２３】従って、商用電源の相電圧信号は信号トラ
ンス１１により検出され、これが乗算器１２ｕ，１２ｗ
を経て誤差積分器１３ｕ，１３ｗに基準信号として入力
される。そして、スイッチング回路５の出力電流が検出
器１８ｕ，１８ｗにより検出され、フィードバック信号
として誤差積分器１３に入力される。そしてその誤差信
号がゼロとなるように、誤差積分器１３ｕ，１３ｗが制
御信号を生成し、これを２相／３相変換回路１４及びＰ
ＷＭ変調器１５を介してスイッチング回路５により直流
電圧のスイッチング動作を行う。従って、スイッチング
回路５の出力電流は、その波形が電源相電圧波形に追従
するように制御され、これにより、力率１の周波数及び
位相がぴったり一致した系統電源周波数の交流出力電流
が形成される。この出力電流波形を、図２に示す。出力
電流に含まれている僅かの高調波成分はフィルタ回路７
により除去され、連系点３からは商用電源４側にきれい
な基本波成分のみの交流電流が出力される。このように
電流波形は電源相電圧波形とその周波数及び位相が一致
しているので、商用電源系統には力率１の且つ高調波成
分をほとんど含まない極めて良質の交流電力が送出され
る。尚、モータ等の誘導負荷が系統に接続されている場
合には、この負荷に供給される無効電流は、系統電源側
から供給される。

【００２４】このインバータ装置２は、インバータ装置
がその最大出力点で動作するように運転される。図３
は、太陽電池の出力特性の一例を示す。即ち、負荷電流
が最大出力点（１０Ａ程度）迄は、出力電圧が略一定で
あり、最大出力点Ｍを越えると、急激に出力電圧が低下
する。また、この最大出力点Ｍの位置は、日照等の条件
によって変動する。

【００２５】このため、インバータ装置２においては、
まず直流電圧の検出回路１９ｖ及び直流電流の検出回路
１９ｉを備え、その出力結果により、最大電力追跡回路
２０において、直流出力を演算する。そして、この直流
出力が図３における最大出力点Ｍ以下であれば、インバ
ータ交流出力電流を増大するような制御信号Ｓｄを生成
する。そして、この制御信号出力Ｓｄを乗算器１２ｕ，
１２ｗに入力することにより、それぞれの電源相電圧信
号を係数倍する。従って、出力電流信号が追従すべき、
基準電源相電圧信号が太陽電池出力の最大点Ｍとの差分
に応じて、乗算回路１２ｕ，１２ｗにより変更されるこ
とになる。これにより、インバータ装置２は、常にイン
バータ装置の最大出力点Ｍで動作するように運転され
る。

【００２６】日照の関係等で太陽電池の発電能力が低下
した場合には、交流側の検出回路１８ｕ，１８ｗ及び直
流側の検出回路１９ｖ，１９ｉで、送電不能の状態が検
出されるので、最大電力追跡回路２０等の制御により開
閉器９を開くことにより、太陽電池１側から商用電源側
への送電が終了する。

【００２７】図４及び図５は、位相補正回路の概要を示
す。インバータ装置の出力電流が小さいときには、商用
電源系統４から絶縁トランス８に供給される無効電流の
影響で、インバータ装置の出力電流と商用電源相電圧と
の位相差をゼロに維持することができなくなる。絶縁ト
ランス８の無効電流によりインバータ装置の出力電流が
商用電源相電圧よりある程度の位相遅れが発生する。こ
のため、商用電源側の出力電流と、商用電源相電圧との
位相差をゼロに維持するためには、インバータ装置の指
令信号の位相補正が必要となる。

【００２８】図４は、商用電源相電圧信号Ｕ_S，Ｖ_S，Ｗ
_Sのベクトル表示を示す。これらは信号トランス１１か
ら出力される商用電源相電圧信号である。電源相電圧信
号Ｕ_Sの位相を進ませるために、電源相電圧信号Ｗ_Sの一
部分を加えればよいので、電源相電圧信号ベクトルＵ_S
にｋ・Ｗ_Sのベクトルを加算し、補正された電源相電圧
信号ベクトルＵ_Gを形成する。ここにｋは、１より小さ
な係数であり、インバータ装置の出力電流に対応して定
められる係数である。即ち、インバータ装置の出力電流
が小さくなると、ｋが大きくなり、出力電流が大きくな
るとｋが小さくなり、出力電流がある程度以上に大きく
なると、ｋがゼロになる。即ち、インバータ装置の出力
電流が大きいときには絶縁トランスに供給される無効電
流成分の比率が小さくなるので、このとき位相補正が不
要となる。逆に、インバータ装置の出力電流が小さいと
きには絶縁トランスに供給される無効電流成分の比率が
大きくなるので、このとき位相補正が必要である。同様
に電源相電圧信号Ｗ_Sにベクトルｋ・Ｖ_Sを加算すること
により、補正された相電圧信号ベクトルＷ_Gを形成す
る。Ｗ_Gは、ベクトル電源相電圧信号Ｗ_Sに対して、ベク
トルｋ・Ｖ_Sの分だけ位相が進むように補正される。

【００２９】図５は、係る位相補正を実現する回路例で
ある。信号トランス出力信号Ｕ_Sには、太陽電池の動作
点を最大電力に維持するための最大電力指令信号Ｓｄが
乗算器１２ｕで乗算処理され、その振幅が補正される。
そして、最大電力指令により補正された電源電圧信号Ｕ
_S’に位相補正信号であるｋ・Ｗ_Sを加算器２２で加算す
る。これにより形成される進み位相に補正された電源電
圧信号Ｕ_Gが形成され、誤差積分器１３ｕに入力され
る。補正信号ｋ・Ｗ_Sは、信号トランス出力である電源
電圧信号Ｗ_Sに係数ｋを乗算器２３により乗算処理する
ことにより求められる。ここで係数ｋは、図示しないが
出力電流と比較することにより、出力電流が小さいとき
には１より小さい範囲で大きくなり、出力電流が大きく
なるとゼロに近づき、出力電流が一定値以上になるとゼ
ロとなるように誤差増幅器等を用いて演算により形成さ
れる。

【００３０】誤差積分器１３ｕの基準信号入力は、進相
に位相補正された電源相電圧信号Ｕ_Gが入力され、フィ
ードバック信号として交流出力電流Ｉｕが入力されるの
で、誤差積分器１３ｕは両者の差分がゼロとなるような
制御指令Ｕを出力する。これにより交流出力電流Ｉｕ
は、進相に補正された電源相電圧信号Ｕ_Gに追従するの
で、その間で力率が１となり、絶縁トランス８の商用電
源側から供給される無効電流成分による位相のずれを補
正することができる。即ち、インバータ装置の出力電流
が電源トランス８の無効成分電流に対して小さいときに
も、絶縁トランス８の商用電源側において、その電源相
電圧と交流出力電流との位相を合わせることができ、力
率１に近づけることができる。尚、図５に示す位相補正
回路は、電源相電圧信号Ｕ_Sについてのものであるが、
Ｗ相についても同様な回路で対応が可能である。

【００３１】尚、上記実施の形態においては、太陽電池
の発生する直流電力を交流電力に変換する例について説
明したが、太陽電池と同様に直流電力を発生して交流に
変換して電源系統に連係させるシステムについても、同
様に適用できることは勿論である。

【００３２】

【発明の効果】以上に説明したように本発明によれば、
商用電源側に力率１の高調波成分を殆ど含まない出力電
流を供給できると共に、装置を小型コンパクト化でき
る。又、交流出力電流が小さいときでも、絶縁トランス
の励磁電流の流入に伴う位相のずれを補正して、出力端
で力率１を維持することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施の形態のインバータ装置の制御
装置の概要を示す説明図である。

【図２】図１のインバータ装置の出力電流の波形を示す
図である。

【図３】太陽光発電システムの出力特性の一例を示す図
である。

【図４】電源電圧信号ベクトルの説明図である。

【図５】位相補正回路の説明図である。

【図６】従来のインバータ装置の制御装置の概要を示す
説明図である。

【図７】図６の装置における出力電圧ベクトルの説明図
である。

【符号の説明】

１太陽電池２インバータ装置３連系点４商用電源系統５スイッチング回路６コンデンサ７フィルタ回路８絶縁トランス９，１０開閉器１１信号トランス１２ｕ，１２ｗ乗算回路１３ｕ，１３ｗ誤差増幅器１４２相／３相変換回路１５ＰＷＭ変調回路１６ドライバ回路１８ｕ，１８ｗ出力電流検出回路２０最大電力追跡回路２１位相補正回路

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者南部浩史東京都大田区羽田旭町11番１号株式会社荏原製作所内 (72)発明者岡崎裕東京都大田区羽田旭町11番１号株式会社荏原製作所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】直流電源の直流出力を交流出力に変換
し、交流の商用電源に連系するインバータ装置の制御方
法において、前記商用電源の相電圧を検出して該相電圧を指令信号と
し、前記インバータ装置の出力電流を検出して該出力電
流をフィードバック信号とし、前記指令信号とフィード
バック信号とを比較して誤差信号を生成し、該誤差信号
をゼロとするような制御信号を形成し、該制御信号に基
づいて前記インバータ装置を制御することを特徴とする
インバータ装置の制御方法。
【請求項２】前記出力電流が小さい時に、前記商用電
源から絶縁トランスに供給される無効電流の影響による
前記相電圧の指令信号と前記出力電流のフィードバック
信号との位相のずれを補正するために、前記相電圧の指
令信号の位相を進ませることを特徴とする請求項１に記
載のインバータ装置の制御方法。
【請求項３】前記相電圧の指令信号の位相の補正は、
一つの相の相電圧の指令信号に他の相の相電圧に係数ｋ
を乗算した指令信号を加算し、該係数ｋを前記出力電流
のフィードバック信号の大きさにより、前記出力電流が
小さいほど大きくなるように変化させることを特徴とす
る請求項２に記載のインバータ装置の制御方法。
【請求項４】直流電源の直流出力を交流出力に変換
し、交流の商用電源に連系するインバータ装置の制御装
置において、前記商用電源の相電圧の検出回路と、前記インバータ装
置の出力電流の検出回路と、両検出回路により検出され
た商用電源の相電圧信号とインバータ装置の出力電流信
号とを誤差演算する演算回路と、該演算回路の出力に基
づいて前記インバータ装置のスイッチングを制御するド
ライバ回路とを備え、前記インバータ装置の出力電流を
前記商用電源の相電圧信号に追従するように制御するこ
とを特徴とするインバータ装置の制御装置。
【請求項５】一つの相の相電圧信号と、他の相の相電
圧信号に位相補正量に対応した係数ｋを乗じた信号を加
算して前記商用電源の相電圧信号とする位相補正回路を
更に備えたことを特徴とする請求項４に記載のインバー
タ装置の制御装置。