電力変換装置
【課題】メインインバータ５と直流電圧が比較的低いサブインバータ７との交流側を直列接続してインバータ部１０を構成して分散電源１からの電力を電力系統１５に連系する電力変換装置を、系統電圧ＶＡの瞬低や復帰時にも信頼性良く継続運転する。
【解決手段】系統電圧ＶＡの正常時において、メインインバータ５は系統周期に合わせた半周期に１パルスの電圧を出力し、サブインバータ７はＰＷＭ制御することで、インバータ電流ｉを制御し、サブインバータ７のサブコンデンサ８の電圧Ｖｓを指令値に追従させる。瞬低が発生すると、インバータ部１０の制御モードを切り替えて、サブインバータ７のサブコンデンサ８をバイパスし、メインインバータ５の直流電圧Ｖｍを系統電圧ＶＡの正常時の最大電圧値Ｖｐより高くしてメインインバータ５をＰＷＭ制御することで、系統電圧ＶＡが瞬低時にも、また復帰時にもインバータ電流ｉを制御して運転を継続する。
【解決手段】系統電圧ＶＡの正常時において、メインインバータ５は系統周期に合わせた半周期に１パルスの電圧を出力し、サブインバータ７はＰＷＭ制御することで、インバータ電流ｉを制御し、サブインバータ７のサブコンデンサ８の電圧Ｖｓを指令値に追従させる。瞬低が発生すると、インバータ部１０の制御モードを切り替えて、サブインバータ７のサブコンデンサ８をバイパスし、メインインバータ５の直流電圧Ｖｍを系統電圧ＶＡの正常時の最大電圧値Ｖｐより高くしてメインインバータ５をＰＷＭ制御することで、系統電圧ＶＡが瞬低時にも、また復帰時にもインバータ電流ｉを制御して運転を継続する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、分散電源の直流電力を交流電力に変換して電力系統に連系する電力変換装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の電力変換装置として、３相のメインコンバータの各相の交流線に、メインコンバータの直流電圧より小さい直流電圧を有する単相のサブコンバータの交流側を直列接続して構成されるものがある。そして、メインコンバータを半周期に１パルスのゲートパルスにて駆動し、各コンバータの相電圧の和で電力変換装置の相電圧を発生する（例えば、特許文献１参照）。
また、従来の別例による電力変換装置は、系統電圧が所定の電圧レベル以下となったことを検知する系統電圧レベル低下検知手段と、該検知手段の検知持続時間を測定する検知持続時間測定手段とを具備し、系統電圧レベル低下検知手段がレベル低下を検知し、かつ検知持続時間測定手段による測定時間が所定時間以上であったとき、系統の瞬時電圧低下を検出することを特徴とし、検知持続時間測定手段は電圧ゼロクロスポイント付近で無効にする。また、インバータのゲート信号を遮断するゲートブロック手段を具備し、瞬時電圧低下が起こったときインバータのゲート信号を遮断することにより出力を停止して装置を過電流から保護し、復電したとき前記インバータにゲート信号を送出して運転を再開する（例えば、特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】国際公開ＷＯ２００７−１２９４５６号公報
【特許文献２】特開２００３−１５３４３３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記特許文献１記載の電力変換装置では、複数の電力変換器を組み合わせて電圧を出力することで小型化、高効率化を図るものである。しかしながら、接続された電力系統の瞬時電圧低下時には、過電流の発生、またサブコンバータの直流電圧の変動による過電圧が発生するため電力変換装置の保護が必要となる。
上記特許文献２には、電力系統の瞬時電圧低下時に電力変換装置の運転を停止して過電流から保護する技術が記載されている。しかしながら、分散直源を電力系統に連系する電力変換装置が停止すると、電力系統での電力の需給バランスが崩れるという問題点があった。また、一旦電力変換装置を停止して電力系統のラインから解列すると、再び電力変換装置を電力系統と接続させる運転を開始するのに時間を要するものであった。
【０００５】
この発明は、上記のような問題点を解消するために成されたものであって、主インバータと直流電圧が比較的低い副インバータとを直列接続して構成されるインバータ部を備えて分散直源を電力系統に連系する電力変換装置を、電力系統の瞬時電圧低下時にも、過電流、過電圧から保護して信頼性良く運転継続することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この発明による電力変換装置は、分散電源からの直流電力を交流電力に変換して電力系統に連系するものであって、上記分散電源から直流電力を取り出すＤＣ／ＤＣコンバータと、上記ＤＣ／ＤＣコンバータの出力側に接続された電力貯蔵部と、インバータ部と、上記ＤＣ／ＤＣコンバータおよび上記インバータ部を制御する制御装置とを備える。上記インバータ部は、直流側が上記電力貯蔵部に接続された主インバータ、および上記電力貯蔵部の電圧である上記主インバータの直流電圧より低電圧の直流コンデンサをそれぞれ有して、上記主インバータと交流側が直列接続された１あるいは複数の副インバータを備えて、上記主インバータおよび上記副インバータの交流側発生電圧の合計電圧を交流側に発生する。そして、上記制御装置は、系統電圧の低下を検出して２種の制御モードを切り換えて上記インバータ部を制御し、上記２種の制御モードは、上記インバータ部の相電流であるインバータ電流を指令値に追従させ、上記副インバータの上記直流コンデンサの電圧が設定された電圧となるように、上記主インバータおよび上記副インバータを制御する通常モードと、上記直流コンデンサをバイパスさせるように上記副インバータを制御すると共に、上記主インバータの直流電圧が上記系統電圧の最大電圧値以上となるように、上記主インバータの制御により上記インバータ電流を制御する電圧低下モードとである。
【発明の効果】
【０００７】
この発明による電力変換装置は、系統電圧の瞬時電圧低下時に、副インバータの直流コンデンサの電圧変動を抑制して過電圧を抑制すると共に、主インバータの動作により過電流を抑制して運転を継続できる。また、系統電圧が復帰時にも電圧、電流を信頼性良く安定して制御できる。このため、電力供給先である電力系統に及ぼす悪影響を低減でき、電力変換装置の信頼性が向上する。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】この発明の実施の形態１による電力変換装置の構成を示す図である。
【図２】この発明の実施の形態１によるインバータ部の一相分の回路構成を示す図である。
【図３】この発明の実施の形態１によるインバータ部の通常モードの動作を説明する各部の波形図である。
【図４】この発明の実施の形態１によるインバータ部の電圧低下モードの動作を説明する各部の波形図である。
【図５】この発明の実施の形態１による２種の制御モードでのメインインバータの出力電圧波形図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
実施の形態１．
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、より具体的には、分散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電力系統に連系し、電力系統１５への電力送電を行う電力変換装置の構成を示す図である。
電力変換装置の主回路は、太陽電池１に並列接続されたコンデンサ２と、太陽電池１を出力制御して電力を取り出す為のＤＣ／ＤＣコンバータ３と、ＤＣ／ＤＣコンバータ３の出力側に接続された電力貯蔵部としての２直列のメインコンデンサ４ａ、４ｂと、主インバータとしてのメインインバータ５およびサブインバータ部７から成るインバータ部１０と、インバータ部１０の後段に接続され、交流リアクトル１１、１３およびフィルタコンデンサ１２から成る平滑フィルタとを備え、開閉器１４を介して電力系統１５に連系される。また、フィルタコンデンサ１２は三相結線されて、その接続点と２つのメインコンデンサ４ａ、４ｂの接続点とが接続される。
【００１０】
インバータ部１０のメインインバータ５は、それぞれダイオードが逆並列接続されたＩＧＢＴ等から成る自己消弧型の半導体スイッチング素子６を複数個備えて構成される三相３レベルインバータであり、メインコンデンサ４ａ、４ｂの直流電力を交流電力に変換する。各相において、直流母線間に高圧側半導体スイッチング素子と低圧側半導体スイッチング素子とを直列接続し、その接続点と２つのメインコンデンサ４ａ、４ｂの接続点との間に、互いに逆極性に接続された２つの半導体スイッチング素子を接続する。
なお、ここで用いる半導体スイッチング素子はＩＧＢＴ以外にも、ＧＣＴ、ＧＴＯ、トランジスタ、ＭＯＳＦＥＴ等でもよい。なお、メインコンデンサ４ａ、４ｂはメインインバータ５の直流側に内蔵され、またメインインバータ５は、三相２レベルインバータでも良い。
【００１１】
インバータ部１０内のサブインバータ部７は、メインインバータ５の各相交流線にそれぞれ１以上（この場合２個）直列接続された副インバータとしてのサブインバータ７ａ、７ｂから成る。各サブインバータ７ａ、７ｂは、直流電圧を保持する直流コンデンサとしてのサブコンデンサ８ａ、８ｂと、それぞれ４個のＭＯＳＦＥＴ等から成る半導体スイッチング素子９とを備えた単相フルブリッジインバータである。
サブコンデンサ８ａ、８ｂの電圧をＶとした場合、半導体スイッチング素子のオン・オフの組合せによって｛−Ｖ、０、＋Ｖ｝の３レベルの電圧値を各サブインバータ７ａ、７ｂの交流端子間に印加することができる。
なお、ここでは、サブインバータ７ａ、７ｂは２段構成で直列に接続して出力電圧のレベル数を多くし、高調波の少ない電圧が出力できるような構成としているが、１段構成でも、また３以上の多段構成であっても良い。
【００１２】
各相のサブインバータ７ａ、７ｂの出力電圧は、メインインバータ５の各相出力電圧に重畳され、メインインバータ５の出力電圧と各サブインバータ７ａ、７ｂの出力電圧との電圧和を、平滑フィルタ１１〜１３を介して電力系統１５に出力する。また、開閉器１４は異常時に遮断動作を行う。
なお、各サブインバータ７ａ、７ｂのサブコンデンサ８ａ、８ｂの電圧（サブ直流電圧）Ｖｓは、メインインバータ５の直流電圧であるメインコンデンサ４ａ、４ｂの電圧（メイン直流電圧）Ｖｍに比べて小さく設定されている。
【００１３】
また、電力変換装置は、ＤＣ／ＤＣコンバータ３およびインバータ部１０を制御する制御装置２０を備える。さらに電力変換装置は、太陽電池１が出力する電圧Ｖｂ、電流ｉｂを検出する電圧センサ、電流センサと、メインインバータ５のメイン直流電圧Ｖｍを検出する電圧センサと、各サブインバータ７ａ、７ｂのサブ直流電圧Ｖｓを検出する電圧センサと、インバータ部１０の各相の電流であるインバータ電流ｉ（ｉｕ、ｉｖ、ｉｗ）を検出する電流センサと、電力系統１５の系統電圧ＶＡを検出する電圧センサとを備え、制御装置２０は、検出されたこれらの電圧、電流に基づいてＤＣ／ＤＣコンバータ３およびインバータ部１０を制御する。
【００１４】
制御装置２０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ３を制御して太陽電池１の出力制御を行う太陽電池出力制御部２１と、メイン直流電圧Ｖｍを制御するメイン直流電圧制御部２２と、インバータ電流ｉを制御するインバータ電流制御部２３と、第１のゲートパルス生成部２４と、第２のゲートパルス生成部２５と、系統電圧ＶＡの瞬時電圧低下（以下、瞬低と称す）を検出する瞬時電圧低下検出部２６と、メイン直流電圧Ｖｍの指令値（メイン直流電圧指令値Ｖｍ＊）を切り替える直流電圧指令切替部２７と、第１のゲートパルス生成部２４と第２のゲートパルス生成部２５とを切り替えて制御モードを切り替えるゲートパルス切替部２８と、メインインバータ５および各サブインバータ７ａ、７ｂ内の各半導体スイッチング素子６、９のゲートを駆動する信号２９ａを生成するゲートドライブ回路２９とを備える。
【００１５】
このように構成される電力変換装置の制御装置２０の動作を以下に説明する。
太陽電池出力制御部２１には、太陽電池１の出力電圧Ｖｂ、出力電流ｉｂおよびメイン直流電圧Ｖｍの各検出値が入力され、メイン直流電圧Ｖｍが設定された上限値以下の時は、太陽電池１が最大電力を出力するようにＤＣ／ＤＣコンバータ３への駆動信号を生成してＤＣ／ＤＣコンバータ３を制御する。
なお制御装置２０は、通常時の通常モードと、系統電圧ＶＡの瞬低時の電圧低下モードとの２種の制御モードを有してインバータ部１０を制御するもので、第１のゲートパルス生成部２４は通常モードでのインバータ部１０へのゲートパルス信号２８ａを生成し、第２のゲートパルス生成部２５は電圧低下モードでのインバータ部１０へのゲートパルス信号２８ａを生成する。また、各制御モードで異なるメイン直流電圧指令値Ｖｍ＊を保持し、電圧低下モードでのメイン直流電圧指令値Ｖｍ＊（＝Ｂ）は、通常モードでのメイン直流電圧指令値Ｖｍ＊（＝Ａ）より高く、通常時の系統電圧ＶＡの最大電圧値Ｖｐ以上に設定される。なお、この場合、通常モードでのメイン直流電圧指令値Ｖｍ＊（＝Ａ）は、系統電圧ＶＡの最大電圧値Ｖｐより低く設定する。
【００１６】
検出された系統電圧ＶＡは瞬時電圧低下検出部２６に入力され、瞬時電圧低下検出部２６は系統電圧ＶＡの瞬低時の電圧低下を検出し、瞬低検出によりゲートパルス切替部２８および直流電圧指令切替部２７にモード切替信号２６ａを出力する。
直流電圧指令切替部２７は、モード切替信号２６ａによりメイン直流電圧指令値Ｖｍ＊を切替選択してメイン直流電圧制御部２２に入力し、通常モードではＡが、瞬低時の電圧低下モードではＢが選択されてメイン直流電圧制御部２２に入力される。
【００１７】
検出されたメイン直流電圧Ｖｍはメイン直流電圧制御部２２にも入力され、メイン直流電圧制御部２２では、メイン直流電圧Ｖｍがメイン直流電圧指令値Ｖｍ＊（Ａ／Ｂ）に追従するように、インバータ部１０の各相の電流であるインバータ電流ｉの指令値ｉ＊を生成する。具体的には、まず、メイン直流電圧Ｖｍがメイン直流電圧指令値Ｖｍ＊（Ａ／Ｂ）に追従するようにインバータ電流指令値ｉ＊の振幅を決定し、次いで電力系統１５に対して力率が１になるようにインバータ電流指令値ｉ＊の位相を決定して指令値ｉ＊を生成する。インバータ電流制御部２３では、系統電圧ＶＡおよびインバータ電流ｉの各検出値とインバータ電流指令値ｉ＊が入力され、インバータ電流ｉがインバータ電流指令値ｉ＊に追従するように、インバータ部１０の出力電圧指令Ｖｏ＊を生成し、出力電圧指令Ｖｏ＊は、第１、第２のゲートパルス生成部２４、２５に入力される。
【００１８】
ゲートパルス切替部２８は、モード切替信号２６ａにより第１のゲートパルス生成部２４と第２のゲートパルス生成部２５とを切替選択し、通常モードでは第１のゲートパルス生成部２４が、瞬低時の電圧低下モードでは第２のゲートパルス生成部２５が選択されてゲートドライブ回路２９に接続される。
第１、第２のゲートパルス生成部２４、２５では、インバータ電流制御部２３からの出力電圧指令Ｖｏ＊と各サブインバータ７ａ、７ｂのサブ直流電圧Ｖｓの検出値とが入力され、これらの入力と設定されたサブ直流電圧指令値Ｖｓ＊とに基づいて、メインインバータ５および各サブインバータ７ａ、７ｂの出力電圧を決定し、各ゲートパルス信号を生成する。この時、メインインバータ５の出力電圧と各サブインバータ７ａ、７ｂの出力電圧との電圧和であるインバータ部１０の出力電圧Ｖｏが、出力電圧指令Ｖｏ＊に追従すると共に、各サブインバータ７ａ、７ｂのサブ直流電圧Ｖｓが設定されたサブ直流電圧指令値Ｖｓ＊に一致するようにメインインバータ５および各サブインバータ７ａ、７ｂへのゲートパルス信号を生成する。
【００１９】
通常モードの第１のゲートパルス生成部２４では、メインインバータ５が系統電圧周期に合わせた半周期に１パルスの電圧を出力するようにメインインバータ５へのゲートパルス信号を生成すると共に、各サブインバータ７ａ、７ｂをＰＷＭ制御するゲートパルス信号を生成する。電圧低下モードの第２のゲートパルス生成部２５では、各サブインバータ７ａ、７ｂがサブコンデンサ８ａ、８ｂをバイパスさせて出力電圧を０とするように各サブインバータ７ａ、７ｂへのゲートパルス信号を生成すると共に、メインインバータ５を出力電圧指令Ｖｏ＊によりＰＷＭ制御するゲートパルス信号を生成する。
そして、ゲートドライブ回路２９は、メインインバータ５および各サブインバータ７ａ、７ｂへのゲートパルス信号に基づいて、各半導体スイッチング素子６、９のゲートを駆動する信号２９ａを生成して各半導体スイッチング素子６、９を駆動する。
【００２０】
このように、ＤＣ／ＤＣコンバータ３は太陽電池１から取り出す電力を制御し、インバータ部１０は、太陽電池１の出力電力と電力系統１５へ送り出す電力とが一致するように、メインインバータ５の直流電圧（メイン直流電圧Ｖｍ）およびサブインバータ７ａ、７ｂの直流電圧（サブ直流電圧Ｖｓ）を一定に維持しながら電力系統１５に対して力率が１となるように電流制御を行う。
なお、メイン直流電圧Ｖｍは高圧側のＶｍｐと低圧側のＶｍｎ、サブ直流電圧Ｖｓはサブインバータ７ａ、７ｂの個数だけ検出値があるが、いずれもＶｍ＊、Ｖｓ＊に制御されるものであり、上記説明では便宜上、ＶｍとＶｓとで示している。
【００２１】
次に、通常モードおよび電圧低下モードにおけるインバータ部１０の動作について説明する。図２は、インバータ部１０の一相分の回路構成を示す図である。なお、便宜上、サブインバータ部７（サブインバータ７）は一段構成を図示して説明するが、二段以上の構成でも同様である。また、図３は通常モードでのインバータ部１０の各相の電圧波形であり、図４は電圧低下モードでのインバータ部１０の各相の電圧波形である。また、図５は、メインインバータ５の各相電圧波形の詳細図である。
図２の回路構成からも判るように、インバータ部１０が出力する相電圧Ｖｉｎｖ（Ｖｏの一相分）は、メインインバータ５の各相の出力電圧Ｖｉｎｖｍと各相のサブインバータ７の出力電圧Ｖｉｎｖｓとの電圧和となる。そしてこの相電圧Ｖｉｎｖが、系統電圧ＶＡとほぼ同等となるように制御される。
【００２２】
通常モードにおいて、図３に示すように、メインインバータ５は、系統電圧ＶＡの周期に合わせた半周期に１パルスの電圧を出力し、サブインバータ７はＰＷＭ制御により電圧を出力して、インバータ部１０の出力電圧Ｖｉｎｖは系統電圧ＶＡと同様の正弦波に近い波形に制御される。このとき、メインインバータ５のメイン直流電圧Ｖｍ（Ｖｍｐ、Ｖｍｎ）は、系統電圧ＶＡの最大電圧値Ｖｐより低いメイン直流電圧指令値Ｖｍ＊（＝Ａ）に制御され、メインインバータ５の出力電圧Ｖｉｎｖｍは、図５（ａ）に示すような電圧波形となる。図５（ａ）に示すように、メインインバータ５の直流電圧レベルは、系統電圧ＶＡの最大電圧値Ｖｐより小さいが、メインインバータ５の出力電圧Ｖｉｎｖｍに、サブインバータ７のＰＷＭ制御による出力電圧Ｖｉｎｖｓが加算されて系統電圧ＶＡと同レベルの電圧を信頼性良く出力することができる。また、サブインバータ７は、サブコンデンサ８の充電量と放電量とを半周期あるいは一周期で等しくして、サブ直流電圧Ｖｓが一定の指令値Ｖｓ＊に追従するように制御される。
【００２３】
系統電圧ＶＡの瞬低時の電圧低下モードでは、図４に示すように、メインインバータ５はＰＷＭ制御により系統電圧ＶＡとほぼ同等の電圧を出力し、サブインバータ７はサブコンデンサ８をバイパスさせて出力電圧を０とする。即ち、メインインバータ５の出力電圧Ｖｉｎｖｍがインバータ部１０の出力電圧Ｖｉｎｖとなる。このとき、メインインバータ５のメイン直流電圧Ｖｍ（Ｖｍｐ、Ｖｍｎ）は、通常時の系統電圧ＶＡの最大電圧値Ｖｐ以上に設定されたメイン直流電圧指令値Ｖｍ＊（＝Ｂ）に制御され、メインインバータ５の出力電圧は、図５（ｂ）に示すような電圧波形となる。またサブインバータ７では、出力電圧Ｖｉｎｖｓはゼロであり、サブコンデンサ８をバイパスして電流が流れサブコンデンサ８の充放電は無い状態となるため、瞬低時のサブ直流電圧Ｖｓの電圧変動を抑制することができる。
【００２４】
なお、上述したように、太陽電池１が最大電力を出力するようにＤＣ／ＤＣコンバータ３は動作し、インバータ部１０は、太陽電池１の出力電力と電力系統１５へ連系する電力とが一致するように動作する。このため電力系統１５の瞬低時に、太陽電池１の出力電力を電力系統１５に連系する電圧低下モードでは、インバータ電流ｉを通常モードよりも増加させることによりメイン直流電圧Ｖｍを一定に制御する。
ここで、瞬低時の系統電圧ＶＡの低下量が大きく、インバータ電流ｉを増加させても太陽電池１からの電力を電力系統１５に対して出力しきれない場合、メインインバータ５のメイン直流電圧Ｖｍがメイン直流電圧指令値Ｖｍ＊（＝Ｂ）に維持できずに増加する。
太陽電池出力制御部２１は、太陽電池１の出力電圧Ｖｂ、出力電流ｉｂおよびメイン直流電圧Ｖｍの各検出値が入力され、メイン直流電圧Ｖｍがメイン直流電圧指令値Ｖｍ＊（＝Ｂ）より所定電圧分高く設定された上限値を超えると、太陽電池１が出力電力を低下させるようにＤＣ／ＤＣコンバータ３への駆動信号を生成し、メイン直流電圧Ｖｍの増加を抑制する。
【００２５】
以上のようにこの実施の形態では、系統電圧ＶＡの正常時には、インバータ部１０は通常モードで運転され、メインインバータ５は半周期に１パルスの電圧を出力し、サブインバータ７はＰＷＭ制御により電圧を出力して、これらの出力和をインバータ部１０の出力とする。このため、比較的高い電圧を扱うメインインバータ５は、直流電圧レベルを低くできると共に高周波スイッチングが不要で、各半導体スイッチング素子６、９での損失の低い高効率なインバータ部１０が得られる。
また系統電圧ＶＡに瞬低が発生すると、過渡的な電圧変動によりサブコンデンサ８に過電圧が発生しインバータ電流ｉが過電流となるものであるが、制御モードを電圧低下モードに切り替える。これにより、サブコンデンサ８をバイパスしてサブ直流電圧Ｖｓの電圧変動を抑制し、メインインバータ５をＰＷＭ制御して過電流を抑制し所望の電流制御が継続でき、電力変換装置は電力系統１５に安定的に電力供給することが可能になる。
このように比較的高い電圧を扱うメインインバータ５をＰＷＭ制御するのは瞬低期間のみであるため、スイッチング損失の増大を抑制できる。また、インバータ部１０の制御によりサブコンデンサ８のサブ直流電圧Ｖｓが制御されるため、サブコンデンサ８は他の電源を外部に備えずに電圧を安定化でき、インバータ部１０の小型化が図れる。
【００２６】
また電圧低下モードにおいて、メイン直流電圧Ｖｍを、通常時の系統電圧ＶＡの最大電圧値Ｖｐ以上に増加させておくことで、系統電圧ＶＡが復帰した場合にインバータ部１０の出力電圧Ｖｏを無理なく系統電圧ＶＡに追従させることができる。
系統電圧ＶＡが瞬低から復帰すると、通常モードに戻してインバータ部１０を制御するものであるが、例えば、インバータ部１０が電圧低下モードで運転中に系統電圧ＶＡが急峻に復帰した場合、制御の切り替えが遅れることがある。その場合でも、メイン直流電圧Ｖｍが系統電圧ＶＡの最大電圧値Ｖｐ以上であるため、メインインバータ５のＰＷＭ制御によりインバータ部１０が瞬時に電圧を過不足なく出力することができ、インバータ電流ｉを歪ませることなく電力変換装置の運転を継続させることができる。
【００２７】
さらに、太陽電池１がその時点の最大電力を出力するようにＤＣ／ＤＣコンバータ３は制御されるが、メイン直流電圧Ｖｍが増加して上限値を超えると、太陽電池１の出力電力を抑制するように調整する。これにより、メイン直流電圧Ｖｍを直流電圧指令値Ｖｍ＊に制御でき、信頼性良く電力変換装置の運転を継続することができる。この場合、太陽電池１の出力電力を抑制するのは短時間であり、ＤＣ／ＤＣコンバータ３は可能な限りより高い電力を太陽電池１から取り出すように制御される。
【００２８】
なお、上記実施の形態では、通常モードにおいて、メインインバータ５は、系統電圧ＶＡの周期に合わせた半周期に１パルスの電圧を出力し、サブインバータ７はＰＷＭ制御するものとしたが、メインインバータ５を低周波で、サブインバータ７を高周波でスイッチング制御するものであればこれに限らない。
【００２９】
また、通常モードでのメイン直流電圧指令値Ｖｍ＊（＝Ａ）は、系統電圧ＶＡの最大電圧値Ｖｐより低く設定するのが望ましいが、最大電圧値Ｖｐと同程度以上であっても同様の制御が可能である。
【００３０】
また、上記実施の形態では分散電源に太陽電池１を用いたが、バッテリなど他の直流電源でも良く、その場合もＤＣ／ＤＣコンバータ３は分散電源からの直流電力を取り出すように制御される。
【００３１】
また、上記実施の形態１では、メインインバータ５は三相構成のものを示したが、単相インバータであっても良い。
【符号の説明】
【００３２】
１ 太陽電池、３ ＤＣ／ＤＣコンバータ、
４ａ，４ｂ 電力貯蔵部としてのメインコンデンサ、
５ 主インバータとしてのメインインバータ、
７，７ａ，７ｂ 副インバータとしてのサブインバータ、
８，８ａ，８ａ 直流コンデンサとしてのサブコンデンサ、１０ インバータ部、
１５ 電力系統、２０ 制御装置、２１ 太陽電池出力制御部、
２２ メイン直流電圧制御部、２３ インバータ電流制御部、
２４ 第１のゲートパルス生成部、２５ 第２のゲートパルス生成部、
２６ 瞬時電圧低下検出部、２６ａ モード切替信号、２７ 直流電圧指令切替部、
２８ ゲートパルス切替部、２８ａ ゲートパルス信号、ｉ インバータ電流、
ｉ＊ インバータ電流指令値、ＶＡ 系統電圧、Ｖｍ メイン直流電圧、
Ｖｍ＊ メイン直流電圧指令値、Ｖｓ サブ直流電圧、Ｖｓ＊ サブ直流電圧指令値。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、分散電源の直流電力を交流電力に変換して電力系統に連系する電力変換装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の電力変換装置として、３相のメインコンバータの各相の交流線に、メインコンバータの直流電圧より小さい直流電圧を有する単相のサブコンバータの交流側を直列接続して構成されるものがある。そして、メインコンバータを半周期に１パルスのゲートパルスにて駆動し、各コンバータの相電圧の和で電力変換装置の相電圧を発生する（例えば、特許文献１参照）。
また、従来の別例による電力変換装置は、系統電圧が所定の電圧レベル以下となったことを検知する系統電圧レベル低下検知手段と、該検知手段の検知持続時間を測定する検知持続時間測定手段とを具備し、系統電圧レベル低下検知手段がレベル低下を検知し、かつ検知持続時間測定手段による測定時間が所定時間以上であったとき、系統の瞬時電圧低下を検出することを特徴とし、検知持続時間測定手段は電圧ゼロクロスポイント付近で無効にする。また、インバータのゲート信号を遮断するゲートブロック手段を具備し、瞬時電圧低下が起こったときインバータのゲート信号を遮断することにより出力を停止して装置を過電流から保護し、復電したとき前記インバータにゲート信号を送出して運転を再開する（例えば、特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】国際公開ＷＯ２００７−１２９４５６号公報
【特許文献２】特開２００３−１５３４３３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記特許文献１記載の電力変換装置では、複数の電力変換器を組み合わせて電圧を出力することで小型化、高効率化を図るものである。しかしながら、接続された電力系統の瞬時電圧低下時には、過電流の発生、またサブコンバータの直流電圧の変動による過電圧が発生するため電力変換装置の保護が必要となる。
上記特許文献２には、電力系統の瞬時電圧低下時に電力変換装置の運転を停止して過電流から保護する技術が記載されている。しかしながら、分散直源を電力系統に連系する電力変換装置が停止すると、電力系統での電力の需給バランスが崩れるという問題点があった。また、一旦電力変換装置を停止して電力系統のラインから解列すると、再び電力変換装置を電力系統と接続させる運転を開始するのに時間を要するものであった。
【０００５】
この発明は、上記のような問題点を解消するために成されたものであって、主インバータと直流電圧が比較的低い副インバータとを直列接続して構成されるインバータ部を備えて分散直源を電力系統に連系する電力変換装置を、電力系統の瞬時電圧低下時にも、過電流、過電圧から保護して信頼性良く運転継続することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この発明による電力変換装置は、分散電源からの直流電力を交流電力に変換して電力系統に連系するものであって、上記分散電源から直流電力を取り出すＤＣ／ＤＣコンバータと、上記ＤＣ／ＤＣコンバータの出力側に接続された電力貯蔵部と、インバータ部と、上記ＤＣ／ＤＣコンバータおよび上記インバータ部を制御する制御装置とを備える。上記インバータ部は、直流側が上記電力貯蔵部に接続された主インバータ、および上記電力貯蔵部の電圧である上記主インバータの直流電圧より低電圧の直流コンデンサをそれぞれ有して、上記主インバータと交流側が直列接続された１あるいは複数の副インバータを備えて、上記主インバータおよび上記副インバータの交流側発生電圧の合計電圧を交流側に発生する。そして、上記制御装置は、系統電圧の低下を検出して２種の制御モードを切り換えて上記インバータ部を制御し、上記２種の制御モードは、上記インバータ部の相電流であるインバータ電流を指令値に追従させ、上記副インバータの上記直流コンデンサの電圧が設定された電圧となるように、上記主インバータおよび上記副インバータを制御する通常モードと、上記直流コンデンサをバイパスさせるように上記副インバータを制御すると共に、上記主インバータの直流電圧が上記系統電圧の最大電圧値以上となるように、上記主インバータの制御により上記インバータ電流を制御する電圧低下モードとである。
【発明の効果】
【０００７】
この発明による電力変換装置は、系統電圧の瞬時電圧低下時に、副インバータの直流コンデンサの電圧変動を抑制して過電圧を抑制すると共に、主インバータの動作により過電流を抑制して運転を継続できる。また、系統電圧が復帰時にも電圧、電流を信頼性良く安定して制御できる。このため、電力供給先である電力系統に及ぼす悪影響を低減でき、電力変換装置の信頼性が向上する。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】この発明の実施の形態１による電力変換装置の構成を示す図である。
【図２】この発明の実施の形態１によるインバータ部の一相分の回路構成を示す図である。
【図３】この発明の実施の形態１によるインバータ部の通常モードの動作を説明する各部の波形図である。
【図４】この発明の実施の形態１によるインバータ部の電圧低下モードの動作を説明する各部の波形図である。
【図５】この発明の実施の形態１による２種の制御モードでのメインインバータの出力電圧波形図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
実施の形態１．
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、より具体的には、分散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電力系統に連系し、電力系統１５への電力送電を行う電力変換装置の構成を示す図である。
電力変換装置の主回路は、太陽電池１に並列接続されたコンデンサ２と、太陽電池１を出力制御して電力を取り出す為のＤＣ／ＤＣコンバータ３と、ＤＣ／ＤＣコンバータ３の出力側に接続された電力貯蔵部としての２直列のメインコンデンサ４ａ、４ｂと、主インバータとしてのメインインバータ５およびサブインバータ部７から成るインバータ部１０と、インバータ部１０の後段に接続され、交流リアクトル１１、１３およびフィルタコンデンサ１２から成る平滑フィルタとを備え、開閉器１４を介して電力系統１５に連系される。また、フィルタコンデンサ１２は三相結線されて、その接続点と２つのメインコンデンサ４ａ、４ｂの接続点とが接続される。
【００１０】
インバータ部１０のメインインバータ５は、それぞれダイオードが逆並列接続されたＩＧＢＴ等から成る自己消弧型の半導体スイッチング素子６を複数個備えて構成される三相３レベルインバータであり、メインコンデンサ４ａ、４ｂの直流電力を交流電力に変換する。各相において、直流母線間に高圧側半導体スイッチング素子と低圧側半導体スイッチング素子とを直列接続し、その接続点と２つのメインコンデンサ４ａ、４ｂの接続点との間に、互いに逆極性に接続された２つの半導体スイッチング素子を接続する。
なお、ここで用いる半導体スイッチング素子はＩＧＢＴ以外にも、ＧＣＴ、ＧＴＯ、トランジスタ、ＭＯＳＦＥＴ等でもよい。なお、メインコンデンサ４ａ、４ｂはメインインバータ５の直流側に内蔵され、またメインインバータ５は、三相２レベルインバータでも良い。
【００１１】
インバータ部１０内のサブインバータ部７は、メインインバータ５の各相交流線にそれぞれ１以上（この場合２個）直列接続された副インバータとしてのサブインバータ７ａ、７ｂから成る。各サブインバータ７ａ、７ｂは、直流電圧を保持する直流コンデンサとしてのサブコンデンサ８ａ、８ｂと、それぞれ４個のＭＯＳＦＥＴ等から成る半導体スイッチング素子９とを備えた単相フルブリッジインバータである。
サブコンデンサ８ａ、８ｂの電圧をＶとした場合、半導体スイッチング素子のオン・オフの組合せによって｛−Ｖ、０、＋Ｖ｝の３レベルの電圧値を各サブインバータ７ａ、７ｂの交流端子間に印加することができる。
なお、ここでは、サブインバータ７ａ、７ｂは２段構成で直列に接続して出力電圧のレベル数を多くし、高調波の少ない電圧が出力できるような構成としているが、１段構成でも、また３以上の多段構成であっても良い。
【００１２】
各相のサブインバータ７ａ、７ｂの出力電圧は、メインインバータ５の各相出力電圧に重畳され、メインインバータ５の出力電圧と各サブインバータ７ａ、７ｂの出力電圧との電圧和を、平滑フィルタ１１〜１３を介して電力系統１５に出力する。また、開閉器１４は異常時に遮断動作を行う。
なお、各サブインバータ７ａ、７ｂのサブコンデンサ８ａ、８ｂの電圧（サブ直流電圧）Ｖｓは、メインインバータ５の直流電圧であるメインコンデンサ４ａ、４ｂの電圧（メイン直流電圧）Ｖｍに比べて小さく設定されている。
【００１３】
また、電力変換装置は、ＤＣ／ＤＣコンバータ３およびインバータ部１０を制御する制御装置２０を備える。さらに電力変換装置は、太陽電池１が出力する電圧Ｖｂ、電流ｉｂを検出する電圧センサ、電流センサと、メインインバータ５のメイン直流電圧Ｖｍを検出する電圧センサと、各サブインバータ７ａ、７ｂのサブ直流電圧Ｖｓを検出する電圧センサと、インバータ部１０の各相の電流であるインバータ電流ｉ（ｉｕ、ｉｖ、ｉｗ）を検出する電流センサと、電力系統１５の系統電圧ＶＡを検出する電圧センサとを備え、制御装置２０は、検出されたこれらの電圧、電流に基づいてＤＣ／ＤＣコンバータ３およびインバータ部１０を制御する。
【００１４】
制御装置２０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ３を制御して太陽電池１の出力制御を行う太陽電池出力制御部２１と、メイン直流電圧Ｖｍを制御するメイン直流電圧制御部２２と、インバータ電流ｉを制御するインバータ電流制御部２３と、第１のゲートパルス生成部２４と、第２のゲートパルス生成部２５と、系統電圧ＶＡの瞬時電圧低下（以下、瞬低と称す）を検出する瞬時電圧低下検出部２６と、メイン直流電圧Ｖｍの指令値（メイン直流電圧指令値Ｖｍ＊）を切り替える直流電圧指令切替部２７と、第１のゲートパルス生成部２４と第２のゲートパルス生成部２５とを切り替えて制御モードを切り替えるゲートパルス切替部２８と、メインインバータ５および各サブインバータ７ａ、７ｂ内の各半導体スイッチング素子６、９のゲートを駆動する信号２９ａを生成するゲートドライブ回路２９とを備える。
【００１５】
このように構成される電力変換装置の制御装置２０の動作を以下に説明する。
太陽電池出力制御部２１には、太陽電池１の出力電圧Ｖｂ、出力電流ｉｂおよびメイン直流電圧Ｖｍの各検出値が入力され、メイン直流電圧Ｖｍが設定された上限値以下の時は、太陽電池１が最大電力を出力するようにＤＣ／ＤＣコンバータ３への駆動信号を生成してＤＣ／ＤＣコンバータ３を制御する。
なお制御装置２０は、通常時の通常モードと、系統電圧ＶＡの瞬低時の電圧低下モードとの２種の制御モードを有してインバータ部１０を制御するもので、第１のゲートパルス生成部２４は通常モードでのインバータ部１０へのゲートパルス信号２８ａを生成し、第２のゲートパルス生成部２５は電圧低下モードでのインバータ部１０へのゲートパルス信号２８ａを生成する。また、各制御モードで異なるメイン直流電圧指令値Ｖｍ＊を保持し、電圧低下モードでのメイン直流電圧指令値Ｖｍ＊（＝Ｂ）は、通常モードでのメイン直流電圧指令値Ｖｍ＊（＝Ａ）より高く、通常時の系統電圧ＶＡの最大電圧値Ｖｐ以上に設定される。なお、この場合、通常モードでのメイン直流電圧指令値Ｖｍ＊（＝Ａ）は、系統電圧ＶＡの最大電圧値Ｖｐより低く設定する。
【００１６】
検出された系統電圧ＶＡは瞬時電圧低下検出部２６に入力され、瞬時電圧低下検出部２６は系統電圧ＶＡの瞬低時の電圧低下を検出し、瞬低検出によりゲートパルス切替部２８および直流電圧指令切替部２７にモード切替信号２６ａを出力する。
直流電圧指令切替部２７は、モード切替信号２６ａによりメイン直流電圧指令値Ｖｍ＊を切替選択してメイン直流電圧制御部２２に入力し、通常モードではＡが、瞬低時の電圧低下モードではＢが選択されてメイン直流電圧制御部２２に入力される。
【００１７】
検出されたメイン直流電圧Ｖｍはメイン直流電圧制御部２２にも入力され、メイン直流電圧制御部２２では、メイン直流電圧Ｖｍがメイン直流電圧指令値Ｖｍ＊（Ａ／Ｂ）に追従するように、インバータ部１０の各相の電流であるインバータ電流ｉの指令値ｉ＊を生成する。具体的には、まず、メイン直流電圧Ｖｍがメイン直流電圧指令値Ｖｍ＊（Ａ／Ｂ）に追従するようにインバータ電流指令値ｉ＊の振幅を決定し、次いで電力系統１５に対して力率が１になるようにインバータ電流指令値ｉ＊の位相を決定して指令値ｉ＊を生成する。インバータ電流制御部２３では、系統電圧ＶＡおよびインバータ電流ｉの各検出値とインバータ電流指令値ｉ＊が入力され、インバータ電流ｉがインバータ電流指令値ｉ＊に追従するように、インバータ部１０の出力電圧指令Ｖｏ＊を生成し、出力電圧指令Ｖｏ＊は、第１、第２のゲートパルス生成部２４、２５に入力される。
【００１８】
ゲートパルス切替部２８は、モード切替信号２６ａにより第１のゲートパルス生成部２４と第２のゲートパルス生成部２５とを切替選択し、通常モードでは第１のゲートパルス生成部２４が、瞬低時の電圧低下モードでは第２のゲートパルス生成部２５が選択されてゲートドライブ回路２９に接続される。
第１、第２のゲートパルス生成部２４、２５では、インバータ電流制御部２３からの出力電圧指令Ｖｏ＊と各サブインバータ７ａ、７ｂのサブ直流電圧Ｖｓの検出値とが入力され、これらの入力と設定されたサブ直流電圧指令値Ｖｓ＊とに基づいて、メインインバータ５および各サブインバータ７ａ、７ｂの出力電圧を決定し、各ゲートパルス信号を生成する。この時、メインインバータ５の出力電圧と各サブインバータ７ａ、７ｂの出力電圧との電圧和であるインバータ部１０の出力電圧Ｖｏが、出力電圧指令Ｖｏ＊に追従すると共に、各サブインバータ７ａ、７ｂのサブ直流電圧Ｖｓが設定されたサブ直流電圧指令値Ｖｓ＊に一致するようにメインインバータ５および各サブインバータ７ａ、７ｂへのゲートパルス信号を生成する。
【００１９】
通常モードの第１のゲートパルス生成部２４では、メインインバータ５が系統電圧周期に合わせた半周期に１パルスの電圧を出力するようにメインインバータ５へのゲートパルス信号を生成すると共に、各サブインバータ７ａ、７ｂをＰＷＭ制御するゲートパルス信号を生成する。電圧低下モードの第２のゲートパルス生成部２５では、各サブインバータ７ａ、７ｂがサブコンデンサ８ａ、８ｂをバイパスさせて出力電圧を０とするように各サブインバータ７ａ、７ｂへのゲートパルス信号を生成すると共に、メインインバータ５を出力電圧指令Ｖｏ＊によりＰＷＭ制御するゲートパルス信号を生成する。
そして、ゲートドライブ回路２９は、メインインバータ５および各サブインバータ７ａ、７ｂへのゲートパルス信号に基づいて、各半導体スイッチング素子６、９のゲートを駆動する信号２９ａを生成して各半導体スイッチング素子６、９を駆動する。
【００２０】
このように、ＤＣ／ＤＣコンバータ３は太陽電池１から取り出す電力を制御し、インバータ部１０は、太陽電池１の出力電力と電力系統１５へ送り出す電力とが一致するように、メインインバータ５の直流電圧（メイン直流電圧Ｖｍ）およびサブインバータ７ａ、７ｂの直流電圧（サブ直流電圧Ｖｓ）を一定に維持しながら電力系統１５に対して力率が１となるように電流制御を行う。
なお、メイン直流電圧Ｖｍは高圧側のＶｍｐと低圧側のＶｍｎ、サブ直流電圧Ｖｓはサブインバータ７ａ、７ｂの個数だけ検出値があるが、いずれもＶｍ＊、Ｖｓ＊に制御されるものであり、上記説明では便宜上、ＶｍとＶｓとで示している。
【００２１】
次に、通常モードおよび電圧低下モードにおけるインバータ部１０の動作について説明する。図２は、インバータ部１０の一相分の回路構成を示す図である。なお、便宜上、サブインバータ部７（サブインバータ７）は一段構成を図示して説明するが、二段以上の構成でも同様である。また、図３は通常モードでのインバータ部１０の各相の電圧波形であり、図４は電圧低下モードでのインバータ部１０の各相の電圧波形である。また、図５は、メインインバータ５の各相電圧波形の詳細図である。
図２の回路構成からも判るように、インバータ部１０が出力する相電圧Ｖｉｎｖ（Ｖｏの一相分）は、メインインバータ５の各相の出力電圧Ｖｉｎｖｍと各相のサブインバータ７の出力電圧Ｖｉｎｖｓとの電圧和となる。そしてこの相電圧Ｖｉｎｖが、系統電圧ＶＡとほぼ同等となるように制御される。
【００２２】
通常モードにおいて、図３に示すように、メインインバータ５は、系統電圧ＶＡの周期に合わせた半周期に１パルスの電圧を出力し、サブインバータ７はＰＷＭ制御により電圧を出力して、インバータ部１０の出力電圧Ｖｉｎｖは系統電圧ＶＡと同様の正弦波に近い波形に制御される。このとき、メインインバータ５のメイン直流電圧Ｖｍ（Ｖｍｐ、Ｖｍｎ）は、系統電圧ＶＡの最大電圧値Ｖｐより低いメイン直流電圧指令値Ｖｍ＊（＝Ａ）に制御され、メインインバータ５の出力電圧Ｖｉｎｖｍは、図５（ａ）に示すような電圧波形となる。図５（ａ）に示すように、メインインバータ５の直流電圧レベルは、系統電圧ＶＡの最大電圧値Ｖｐより小さいが、メインインバータ５の出力電圧Ｖｉｎｖｍに、サブインバータ７のＰＷＭ制御による出力電圧Ｖｉｎｖｓが加算されて系統電圧ＶＡと同レベルの電圧を信頼性良く出力することができる。また、サブインバータ７は、サブコンデンサ８の充電量と放電量とを半周期あるいは一周期で等しくして、サブ直流電圧Ｖｓが一定の指令値Ｖｓ＊に追従するように制御される。
【００２３】
系統電圧ＶＡの瞬低時の電圧低下モードでは、図４に示すように、メインインバータ５はＰＷＭ制御により系統電圧ＶＡとほぼ同等の電圧を出力し、サブインバータ７はサブコンデンサ８をバイパスさせて出力電圧を０とする。即ち、メインインバータ５の出力電圧Ｖｉｎｖｍがインバータ部１０の出力電圧Ｖｉｎｖとなる。このとき、メインインバータ５のメイン直流電圧Ｖｍ（Ｖｍｐ、Ｖｍｎ）は、通常時の系統電圧ＶＡの最大電圧値Ｖｐ以上に設定されたメイン直流電圧指令値Ｖｍ＊（＝Ｂ）に制御され、メインインバータ５の出力電圧は、図５（ｂ）に示すような電圧波形となる。またサブインバータ７では、出力電圧Ｖｉｎｖｓはゼロであり、サブコンデンサ８をバイパスして電流が流れサブコンデンサ８の充放電は無い状態となるため、瞬低時のサブ直流電圧Ｖｓの電圧変動を抑制することができる。
【００２４】
なお、上述したように、太陽電池１が最大電力を出力するようにＤＣ／ＤＣコンバータ３は動作し、インバータ部１０は、太陽電池１の出力電力と電力系統１５へ連系する電力とが一致するように動作する。このため電力系統１５の瞬低時に、太陽電池１の出力電力を電力系統１５に連系する電圧低下モードでは、インバータ電流ｉを通常モードよりも増加させることによりメイン直流電圧Ｖｍを一定に制御する。
ここで、瞬低時の系統電圧ＶＡの低下量が大きく、インバータ電流ｉを増加させても太陽電池１からの電力を電力系統１５に対して出力しきれない場合、メインインバータ５のメイン直流電圧Ｖｍがメイン直流電圧指令値Ｖｍ＊（＝Ｂ）に維持できずに増加する。
太陽電池出力制御部２１は、太陽電池１の出力電圧Ｖｂ、出力電流ｉｂおよびメイン直流電圧Ｖｍの各検出値が入力され、メイン直流電圧Ｖｍがメイン直流電圧指令値Ｖｍ＊（＝Ｂ）より所定電圧分高く設定された上限値を超えると、太陽電池１が出力電力を低下させるようにＤＣ／ＤＣコンバータ３への駆動信号を生成し、メイン直流電圧Ｖｍの増加を抑制する。
【００２５】
以上のようにこの実施の形態では、系統電圧ＶＡの正常時には、インバータ部１０は通常モードで運転され、メインインバータ５は半周期に１パルスの電圧を出力し、サブインバータ７はＰＷＭ制御により電圧を出力して、これらの出力和をインバータ部１０の出力とする。このため、比較的高い電圧を扱うメインインバータ５は、直流電圧レベルを低くできると共に高周波スイッチングが不要で、各半導体スイッチング素子６、９での損失の低い高効率なインバータ部１０が得られる。
また系統電圧ＶＡに瞬低が発生すると、過渡的な電圧変動によりサブコンデンサ８に過電圧が発生しインバータ電流ｉが過電流となるものであるが、制御モードを電圧低下モードに切り替える。これにより、サブコンデンサ８をバイパスしてサブ直流電圧Ｖｓの電圧変動を抑制し、メインインバータ５をＰＷＭ制御して過電流を抑制し所望の電流制御が継続でき、電力変換装置は電力系統１５に安定的に電力供給することが可能になる。
このように比較的高い電圧を扱うメインインバータ５をＰＷＭ制御するのは瞬低期間のみであるため、スイッチング損失の増大を抑制できる。また、インバータ部１０の制御によりサブコンデンサ８のサブ直流電圧Ｖｓが制御されるため、サブコンデンサ８は他の電源を外部に備えずに電圧を安定化でき、インバータ部１０の小型化が図れる。
【００２６】
また電圧低下モードにおいて、メイン直流電圧Ｖｍを、通常時の系統電圧ＶＡの最大電圧値Ｖｐ以上に増加させておくことで、系統電圧ＶＡが復帰した場合にインバータ部１０の出力電圧Ｖｏを無理なく系統電圧ＶＡに追従させることができる。
系統電圧ＶＡが瞬低から復帰すると、通常モードに戻してインバータ部１０を制御するものであるが、例えば、インバータ部１０が電圧低下モードで運転中に系統電圧ＶＡが急峻に復帰した場合、制御の切り替えが遅れることがある。その場合でも、メイン直流電圧Ｖｍが系統電圧ＶＡの最大電圧値Ｖｐ以上であるため、メインインバータ５のＰＷＭ制御によりインバータ部１０が瞬時に電圧を過不足なく出力することができ、インバータ電流ｉを歪ませることなく電力変換装置の運転を継続させることができる。
【００２７】
さらに、太陽電池１がその時点の最大電力を出力するようにＤＣ／ＤＣコンバータ３は制御されるが、メイン直流電圧Ｖｍが増加して上限値を超えると、太陽電池１の出力電力を抑制するように調整する。これにより、メイン直流電圧Ｖｍを直流電圧指令値Ｖｍ＊に制御でき、信頼性良く電力変換装置の運転を継続することができる。この場合、太陽電池１の出力電力を抑制するのは短時間であり、ＤＣ／ＤＣコンバータ３は可能な限りより高い電力を太陽電池１から取り出すように制御される。
【００２８】
なお、上記実施の形態では、通常モードにおいて、メインインバータ５は、系統電圧ＶＡの周期に合わせた半周期に１パルスの電圧を出力し、サブインバータ７はＰＷＭ制御するものとしたが、メインインバータ５を低周波で、サブインバータ７を高周波でスイッチング制御するものであればこれに限らない。
【００２９】
また、通常モードでのメイン直流電圧指令値Ｖｍ＊（＝Ａ）は、系統電圧ＶＡの最大電圧値Ｖｐより低く設定するのが望ましいが、最大電圧値Ｖｐと同程度以上であっても同様の制御が可能である。
【００３０】
また、上記実施の形態では分散電源に太陽電池１を用いたが、バッテリなど他の直流電源でも良く、その場合もＤＣ／ＤＣコンバータ３は分散電源からの直流電力を取り出すように制御される。
【００３１】
また、上記実施の形態１では、メインインバータ５は三相構成のものを示したが、単相インバータであっても良い。
【符号の説明】
【００３２】
１ 太陽電池、３ ＤＣ／ＤＣコンバータ、
４ａ，４ｂ 電力貯蔵部としてのメインコンデンサ、
５ 主インバータとしてのメインインバータ、
７，７ａ，７ｂ 副インバータとしてのサブインバータ、
８，８ａ，８ａ 直流コンデンサとしてのサブコンデンサ、１０ インバータ部、
１５ 電力系統、２０ 制御装置、２１ 太陽電池出力制御部、
２２ メイン直流電圧制御部、２３ インバータ電流制御部、
２４ 第１のゲートパルス生成部、２５ 第２のゲートパルス生成部、
２６ 瞬時電圧低下検出部、２６ａ モード切替信号、２７ 直流電圧指令切替部、
２８ ゲートパルス切替部、２８ａ ゲートパルス信号、ｉ インバータ電流、
ｉ＊ インバータ電流指令値、ＶＡ 系統電圧、Ｖｍ メイン直流電圧、
Ｖｍ＊ メイン直流電圧指令値、Ｖｓ サブ直流電圧、Ｖｓ＊ サブ直流電圧指令値。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
分散電源からの直流電力を交流電力に変換して電力系統に連系する電力変換装置において、
上記分散電源から直流電力を取り出すＤＣ／ＤＣコンバータと、
上記ＤＣ／ＤＣコンバータの出力側に接続された電力貯蔵部と、
直流側が上記電力貯蔵部に接続された主インバータ、および上記電力貯蔵部の電圧である上記主インバータの直流電圧より低電圧の直流コンデンサをそれぞれ有して、上記主インバータと交流側が直列接続された１あるいは複数の副インバータを備えて、上記主インバータおよび上記副インバータの交流側発生電圧の合計電圧を交流側に発生するインバータ部と、
上記ＤＣ／ＤＣコンバータおよび上記インバータ部を制御する制御装置とを備え、
上記制御装置は、系統電圧の低下を検出して２種の制御モードを切り換えて上記インバータ部を制御し、
上記２種の制御モードは、上記インバータ部の相電流であるインバータ電流を指令値に追従させ、上記副インバータの上記直流コンデンサの電圧が設定された電圧となるように、上記主インバータおよび上記副インバータを制御する通常モードと、上記直流コンデンサをバイパスさせるように上記副インバータを制御すると共に、上記主インバータの直流電圧が上記系統電圧の最大電圧値以上となるように、上記主インバータの制御により上記インバータ電流を制御する電圧低下モードとであることを特徴とする電力変換装置。
【請求項２】
上記制御装置は、上記主インバータの直流電圧が指令値に追従するように上記インバータ電流を制御し、上記直流電圧の指令値は、上記通常モードでは上記系統電圧の最大電圧値より低く、上記電圧低下モードでは上記最大電圧値以上に設定されることを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
【請求項３】
上記制御装置は、上記電圧低下モードにおいて、上記主インバータの直流電圧が上記直流電圧の指令値より所定電圧分高くなると、該直流電圧が低下するように上記ＤＣ／ＤＣコンバータを制御して上記分散電源からの出力電力を調整することを特徴とする請求項１または２に記載の電力変換装置。
【請求項４】
上記制御装置は、上記通常モードでは、上記系統電圧の半周期に１パルスの電圧を出力するように上記主インバータを制御し、上記電圧低下モードでは、上記主インバータをＰＷＭ制御す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。
【請求項５】
上記主インバータと上記電力系統との間に上記副インバータが接続されることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の電力変換装置。
【請求項６】
上記主インバータは三相構成であり、該主インバータの各相交流線に、単相構成の上記副インバータが接続されることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の電力変換装置。
【請求項７】
上記分散電源は太陽電池であり、上記制御装置は、上記太陽電池からより高い電力を取り出すように上記ＤＣ／ＤＣコンバータを制御することを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の電力変換装置。
【請求項１】
分散電源からの直流電力を交流電力に変換して電力系統に連系する電力変換装置において、
上記分散電源から直流電力を取り出すＤＣ／ＤＣコンバータと、
上記ＤＣ／ＤＣコンバータの出力側に接続された電力貯蔵部と、
直流側が上記電力貯蔵部に接続された主インバータ、および上記電力貯蔵部の電圧である上記主インバータの直流電圧より低電圧の直流コンデンサをそれぞれ有して、上記主インバータと交流側が直列接続された１あるいは複数の副インバータを備えて、上記主インバータおよび上記副インバータの交流側発生電圧の合計電圧を交流側に発生するインバータ部と、
上記ＤＣ／ＤＣコンバータおよび上記インバータ部を制御する制御装置とを備え、
上記制御装置は、系統電圧の低下を検出して２種の制御モードを切り換えて上記インバータ部を制御し、
上記２種の制御モードは、上記インバータ部の相電流であるインバータ電流を指令値に追従させ、上記副インバータの上記直流コンデンサの電圧が設定された電圧となるように、上記主インバータおよび上記副インバータを制御する通常モードと、上記直流コンデンサをバイパスさせるように上記副インバータを制御すると共に、上記主インバータの直流電圧が上記系統電圧の最大電圧値以上となるように、上記主インバータの制御により上記インバータ電流を制御する電圧低下モードとであることを特徴とする電力変換装置。
【請求項２】
上記制御装置は、上記主インバータの直流電圧が指令値に追従するように上記インバータ電流を制御し、上記直流電圧の指令値は、上記通常モードでは上記系統電圧の最大電圧値より低く、上記電圧低下モードでは上記最大電圧値以上に設定されることを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
【請求項３】
上記制御装置は、上記電圧低下モードにおいて、上記主インバータの直流電圧が上記直流電圧の指令値より所定電圧分高くなると、該直流電圧が低下するように上記ＤＣ／ＤＣコンバータを制御して上記分散電源からの出力電力を調整することを特徴とする請求項１または２に記載の電力変換装置。
【請求項４】
上記制御装置は、上記通常モードでは、上記系統電圧の半周期に１パルスの電圧を出力するように上記主インバータを制御し、上記電圧低下モードでは、上記主インバータをＰＷＭ制御す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。
【請求項５】
上記主インバータと上記電力系統との間に上記副インバータが接続されることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の電力変換装置。
【請求項６】
上記主インバータは三相構成であり、該主インバータの各相交流線に、単相構成の上記副インバータが接続されることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の電力変換装置。
【請求項７】
上記分散電源は太陽電池であり、上記制御装置は、上記太陽電池からより高い電力を取り出すように上記ＤＣ／ＤＣコンバータを制御することを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の電力変換装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１２−２３９３０９（Ｐ２０１２−２３９３０９Ａ）
【公開日】平成２４年１２月６日（２０１２．１２．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１０６７６６（Ｐ２０１１−１０６７６６）
【出願日】平成２３年５月１２日（２０１１．５．１２）
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１２月６日（２０１２．１２．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年５月１２日（２０１１．５．１２）
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
【Ｆターム（参考）】
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