系統連系装置
【課題】
スイッチ素子のＯＮ抵抗を利用して、ブリッジ回路の入力側に接続されるコンデンサの電荷を放電する際に、スイッチ素子に係る負担を軽減することができる系統連系装置を提供する。
【解決手段】
インバータ回路１０から交流電力の出力が遮断され、かつ直流電源１から出力される直流電力が所定値以下の際に、ブリッジ回路５から出力される交流電力を、帰還回路を介してコンデンサ３ａ、３ｂに戻すことを特徴とする系統連係装置。
スイッチ素子のＯＮ抵抗を利用して、ブリッジ回路の入力側に接続されるコンデンサの電荷を放電する際に、スイッチ素子に係る負担を軽減することができる系統連系装置を提供する。
【解決手段】
インバータ回路１０から交流電力の出力が遮断され、かつ直流電源１から出力される直流電力が所定値以下の際に、ブリッジ回路５から出力される交流電力を、帰還回路を介してコンデンサ３ａ、３ｂに戻すことを特徴とする系統連係装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、太陽電池、燃料電池、或いは蓄電池等の直流電源から出力される直流電力を交流電力に変換して、この交流電力を商用電力系統へ重畳する系統連系装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、太陽電池、燃料電池、或いは蓄電池等の直流電力を交流電力に変換し、系統連系用リレーを介して商用電力系統へ連系する系統連系装置が提供されている。
【０００３】
系統連系装置は、直流電源の出力する直流電圧を昇圧する昇圧回路、昇圧回路の出力電力を交流電力に変換するインバータ回路、フィルタ回路と商用系統との間に接続された系統連系用リレー、マイクロコンピュータからなり昇圧回路やインバータ回路の各スイッチ素子及び系統連系用リレーに開閉信号を与える制御回路で構成される。
【０００４】
インバータ回路は、第１スイッチ素子と第２スイッチ素子とを直列に接続したアーム回路を２列並列に直流電源間に接続したブリッジ回路と、ブリッジ回路の入力側に接続されかつ直流電源間に接続されるコンデンサと、ブリッジ回路から出力される交流電力が通過するフィルタ回路と、を有している。
【０００５】
インバータ回路の有するコンデンサには、大容量（３０００〜５０００μＦ程度）の電解コンデンサ等が用いられることになるため、系統連系装置が連系動作を行った後に、インバータ回路から交流電力の出力が遮断されると、このコンデンサに多くの電荷が残ることになる。このコンデンサに残った電荷をすべて自然放電するには半日程度かかるため、系統連系装置のメンテナンスを安全に行うためには長時間待つ必要があった。
【０００６】
このため、従来より、系統連系装置が連系動作を行った後に、インバータ回路から交流電力の出力が遮断された後に、このコンデンサを放電するための技術が提案されている（特許文献１）。特許文献１に記載の系統連系装置は、ブリッジ回路を構成するスイッチ素子を解列時（系統連系用リレーをＯＦＦ後に）に全て閉じることにより、コンデンサの電荷をスイッチ素子のＯＮ抵抗により消費している（コンデンサを放電する）。
【特許文献１】特開平７−２０９５６
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１に記載の系統連系装置においては、インバータ回路を構成するスイッチ素子を全て閉じるため、コンデンサの両端がショートし、スイッチ素子に大きな直流電流が流れ続けることになり、スイッチ素子に負担がかかるという問題があった。
【０００８】
本発明は上述の問題に鑑みて成された発明であり、スイッチ素子のＯＮ抵抗を利用してブリッジ回路の入力側に接続されるコンデンサを放電する際に、スイッチ素子にかかる負担を軽減することができる系統連系装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するために、第１スイッチ素子と第２スイッチ素子とを直列に接続したアーム回路を少なくとも２列並列に直流電源間に接続したブリッジ回路の夫々のスイッチング素子を周期的に開閉して直前記流電源から出力された直流電力を交流電力に変換するインバータ回路において、前記インバータ回路は前記ブリッジ回路の入力側に接続されかつ前記直流電源間に接続されるコンデンサと、前記ブリッジ回路から出力される交流電力が通過するフィルタ回路と、当該フィルタ回路から前記交流電力の一部を前記コンデンサへ帰還可能に構成する帰還回路とを備え、前記インバータ回路から前記交流電力の出力が遮断されかつ前記直流電源から出力される直流電圧が所定値以下の際に前記ブリッジ回路から出力される交流電力を前記帰還回路を介して前記コンデンサに戻すことを特徴とする。
【００１０】
本発明によれば、インバータ回路から交流電力の出力が遮断されかつ直流電源から出力される直流電力が所定値以下の際にブリッジ回路から出力される交流電力を、帰還回路を介してコンデンサに戻している。これにより、コンデンサの電荷が帰還回路を介してコンデンサに戻る際に、ブリッジ回路、フィルタ回路を通して消費される。このため、スイッチ素子だけの閉ループの場合に比べて、フィルタ回路の分インピーダンスが増えるため、スイッチ素子に流れる電流が減り、スイッチ素子にかかる負担を軽減することができる。また、各アームのスイッチ素子の内一方を導通態に、他方を遮断状態に周期的に開閉することにより、スイッチ素子に流れる電流は交流電流になる。このため、大きな電流が流れ続けることがなくなり、スイッチ素子にかかる負担を軽減することができる。
【００１１】
また、上述の発明において、前記コンデンサの電圧を検出する第１電圧センサを備え、前記第１電圧センサにより検出される電圧が所定値よりも小さくなった場合、前記夫々のスイッチング素子をすべて遮断状態にすることを特徴とする。
【００１２】
また、上述の発明において、前記直流電源と前記コンデンサとの間に、前記直流電から供給される直流電力を昇圧する昇圧回路を設け、前記昇圧回路の入力電圧を検出する第２電圧センサを備え、前記直流電源から出力される直流電圧は第２電圧センサの検出する電圧であることを特徴とする。
【００１３】
また、上述の発明において、前記夫々のスイッチング素子を動作するに必要な電力を前記商用電力系統から供給することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、スイッチ素子のＯＮ抵抗を利用してブリッジ回路の入力側に接続されるコンデンサを放電する際に、スイッチ素子に係る負担を軽減することができる系統連系装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本実施形態に係る太陽光発電システム１００を示す構成図である。
【図２】本実施形態におけるスイッチ素子５１、５２のスイッチングパターン別の帰還回路１１を示す図である。
【図３】コンデンサの放電を行う際の系統連系装置２の動作フローを示す図である。
【図４】変形例１におけるコンデンサ３ａ、３ｂの放電を行う際の制御回路８の機能ブロック図を示す図である。
【図５】変形例２におけるスイッチ素子５１、５２のスイッチングパターン別の帰還回路１１を示す図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、図面に基づき本発明の実施形態を詳述する。図１は本実施形態に係る太陽光発電システム１００を示す構成図である。この図に示すように太陽光発電システム１００は、太陽電池１（直流電源）、系統連系装置２を備える。
【００１７】
系統連系装置２は、昇圧回路４、インバータ回路１０、系統連系用リレー７、制御回路８、電源回路９、電流センサＣＴｉ、ＣＴ１、ＣＴ２、及び電圧センサＶＳｉ、ＶＳ１、ＶＳ２、ＶＳｕｖ、ＶＳｗｖを備える。系統連系装置２は、系統連系用リレー７を介してインバータ回路１０の出力する交流電力を商用電力系統３０へ重畳する。
【００１８】
昇圧回路４は、太陽電池１から出力された直流電圧を昇圧する。そして、昇圧回路４は、この昇圧した直流電圧をインバータ回路１０へ出力する。昇圧回路４には、図１に示すように、リアクトル４１、ＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）のようなスイッチ素子４２、及びダイオード４３を有して構成される。昇圧回路４の入力側には、太陽電池１が接続され、太陽電池１の正極と直列にリアクトル４１とダイオード４３とが接続される。スイッチ素子４２は、リアクトル４１及びダイオード４３の接続点と太陽電池１の負極との間に接続され、その間を開閉する。
【００１９】
昇圧回路４は、制御回路８によって動作が制御される。具体的には、制御回路８がＯＮデューティ比を決定し、そのデューティ比を有するパルス信号をスイッチ素子４２のゲートに周期的に与える。すると、スイッチ素子４２は、周期的に開閉し、昇圧回路４は、デューティ比に応じた（例えば、比例した）所定の昇圧比を得る。
【００２０】
インバータ回路１０は、第１スイッチ素子５１と第２スイッチ素子５２とを直列に接続したアーム回路５３を少なくとも２列並列に直流電源間（昇圧回路の出力端子間）に接続したブリッジ回路５を有している。インバータ回路は、このブリッジ回路５の夫々のスイッチング素子５１、５２を周期的に開閉して太陽電池１から出力された直流電力を交流電力に変換する。
【００２１】
また、インバータ回路１０は、ブリッジ回路５の入力側に接続されかつ直流電源間に接続されるコンデンサ３ａ、３ｂと、ブリッジ回路５から出力される交流電力が通過するフィルタ回路６と、このフィルタ回路６から交流電力の一部をコンデンサ３ａ、３ｂへ帰還可能に構成する帰還回路とを有している。
【００２２】
コンデンサ３ａと３ｂには、容量の大きい（３０００〜５０００μＦ程度）電解コンデンサが用いられる。コンデンサ３ａと３ｂは、直列に接続され、直列に接続されたコンデンサ３ａ、３ｂは、ダイオード４３と太陽電池１の負極とに接続される。
【００２３】
ブリッジ回路５のスイッチ素子５１、５２には、ＩＧＢＴのようなスイッチ素子を用いると良い。ブリッジ回路５は、制御回路８によってその動作が制御される。そして、ブリッジ回路５は、制御回路８のＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御にしたがって各スイッチ素子５１、５２を周期的に開閉し、入力される直流電力を三相交流電力に変換する。三相交流電力は、第１スイッチ素子５３ｂと第２スイッチ素子５４ｂとの接続点から延びるＵ相出力線ｕ、コンデンサ３ａとコンデンサ３ｂとの接続点から延びるＶ相出力線ｖ、第１スイッチ素子５１ａと第２スイッチ素子５２ａとの接続点から延びるＷ相出力線ｗに供給される。
【００２４】
フィルタ回路６は、リアクトル６１、６２、及びコンデンサ６３ａ、６３ｂ、６３ｃからなる。また、フィルタ回路６は、第１スイッチ素子５１ａ及び第２スイッチ素子５２ａの接続点と、第１スイッチ素子５１ｂ及び第２スイッチ素子５２ｂの接続点と、コンデンサ３ａ及びコンデンサ３ｂの接続点とに接続される（ブリッジ回路５の出力側に設けられる）。具体的には、Ｕ相出力線ｕにリアクトル６１が介在し、Ｗ相出力線ｗにリアクトル６２が介在している。そして、各コンデンサ６３ａ、６３ｂ、６３ｃをデルタ結線した結線点に、夫々、Ｕ相出力線ｕ、Ｖ相出力線ｖ、Ｗ相出力線ｗが接続されている。フィルタ回路６は、ブリッジ回路５の各スイッチ素子５１、５２が開閉するときに生ずる三相交流電流のリプル成分（高調波成分）を除去する。
【００２５】
帰還回路は、ブリッジ回路５とフィルタ回路６によって構成され、スイッチ素子５１、５２のスイッチングパターンにより、コンデンサ３ａ、３ｂへ帰還する電流経路が変わる。図２にスイッチ素子５１、５２のスイッチングパターン別の帰還回路１１について示す。
【００２６】
図２（ａ）に示す帰還回路１１ａは、スイッチングパターンが、第１スイッチ素子５１ａが導通状態、第２スイッチ素子５２ａが遮断状態、第１イッチ素子５１ｂが遮断状態、第２スイッチ素子５２ｂが導通状態の場合の帰還回路である。この帰還回路１１ａでは、点線Ｌ１により示す経路で電流が流れ、フィルタ回路６から交流電力の一部がコンデンサ３ａ、３ｂへ帰還する。
【００２７】
図２（ｂ）に示す帰還回路１１ｂは、スイッチングパターンが、第１スイッチ素子５１ａが遮断状態、第２スイッチ素子５２ａが導通状態、第１イッチ素子５１ｂが導通状態、第２スイッチ素子５２ｂが遮断状態の場合の帰還回路である。この帰還回路１１ａでは、点線Ｌ２により示す経路で電流が流れ、フィルタ回路６から交流電力の一部がコンデンサ３ａ、３ｂへ帰還する。
【００２８】
図２（ｃ）に示す帰還回路１１ｃは、スイッチングパターンが、第１スイッチ素子５１ａが導通状態、第２スイッチ素子５２ａが遮断状態、第１イッチ素子５１ｂが導通状態、第２スイッチ素子５２ｂが遮断状態の場合の帰還回路である。この帰還回路１１ｃでは、点線Ｌ３により示す経路で電流が流れ、フィルタ回路６から交流電力の一部がコンデンサ３ａ、３ｂへ帰還する。
【００２９】
図２（ｄ）に示す帰還回路１１ｄは、スイッチングパターンが、第１スイッチ素子５１ａが遮断状態、第２スイッチ素子５２ａが導通状態、第１イッチ素子５１ｂが遮断状態、第２スイッチ素子５２ｂが導通状態の場合の帰還回路である。この帰還回路１１ｄでは、点線Ｌ４により示す経路で電流が流れ、フィルタ回路６から交流電力の一部がコンデンサ３ａ、３ｂへ帰還する。
【００３０】
系統連系用リレー７は、商用電力系統３０に接続される出力線ｕ、ｖ、ｗに介在し、出力線ｕ、ｖ、ｗの開閉を行う。また、系統連系用リレー７は、制御回路８からの制御信号によって閉状態と開状態が制御され、系統連系装置２（太陽電池１）と商用系統３０とを連系または解列するものである。
【００３１】
電源回路９は、商用電力系統３０に接続され、昇圧回路４、インバータ回路５、制御回路８、系統連系用リレー７、及び各種センサＣＴｉ、ＣＴ１、ＣＴ２、ＶＳｉ、ＶＳ１、ＶＳ２、ＶＳｕｖ、ＶＳｗｖを動作するに必要な電力を商用電力系統３０から供給する。
【００３２】
各電流センサＣＴｉ、ＣＴ１、ＣＴ２には、カレントトランスが用いられる。電流センサＣＴｉは、太陽電池１の正極とリアクトル４１との間に設けられ、昇圧回路４に入力する電流Ｉｉｎを検出する。電流センサＣＴ１は、コンデンサ６３ａ及びコンデンサ６３ｃの結線点とリアクトル６１との間に設けられ、ブリッジ回路５の出力するＵ相電流Ｉｕを検出する。電流センサＣＴ２は、コンデンサ６３ｂ及びコンデンサ６３ｃの結線点とリアクトル６２との間に設けられ、ブリッジ回路５の出力するＷ相電流Ｉｗを検出する。
【００３３】
次に、電圧センサＶＳｉ、ＶＳ１、ＶＳ２、ＶＳｕｖ、ＶＳｗｕについて述べる。電圧センサＶＳｉは、昇圧回路４の入力側に設けられ、昇圧回路４の入力電圧Ｖｉｎを検出する。電圧センサＶＳ１は、昇圧回路４の出力側に設けられ、昇圧回路４の出力電圧Ｖｃ（直列に接続されたコンデンサ３ａ及びコンデンサ３ｂの両端電圧）を検出する。電圧センサＶＳ２は、コンデンサ３ｂと並列に接続され、コンデンサ３ｂの両端電圧Ｖｃｂを検出する。電圧センサＶＳｕｖは、Ｕ相出力線ｕとＶ相出力線ｖに接続され、Ｕ相出力線ｕとＶ相出力線ｖの線間電圧Ｖｕｖを検出する。電圧センサＶＳｗｖは、Ｗ相出力線ｗとＶ相出力線ｖに接続され、Ｗ相出力線ｗとＶ相出力線ｖの線間電圧Ｖｗｖを検出する。
【００３４】
制御回路８は、上述の各種センサＣＴｉ、ＣＴ１、ＣＴ２、ＶＳｉ、ＶＳ１、ＶＳ２、ＶＳｕｖ、ＶＳｗｖを用いて、昇圧回路４、インバータ回路１０、及び系統連系用リレー７の動作を制御する。
【００３５】
（コンデンサ３ａ、３ｂの放電動作）
コンデンサ３ａ、３ｂの放電（電荷の消費）は、主に、（１）メンテナンスを行う作業員が作業を開始する前、（２）系統連系装置２が停止する場合、に行われる。（１）、（２）どちらの場合であっても、系統連系装置２の停止した（系統連系用リレー７を開状態、昇圧回路のスイッチ素子を遮断状態、ブリッジ回路５のスイッチ素子５１、５２すべてが遮断状態）後に図３に示す動作フローを制御回路８により実行することで、コンデンサ３ａ、３ｂの放電を行うことができる。
【００３６】
図３に、コンデンサ３ａ、３ｂの放電を行う際の系統連系装置２の動作フローを示す。以下に示すこの動作フローにおいては、制御回路８が主体となり系統連系装置２の制御を行う。このため、制御回路８を主に主語に用いるが、系統連系装置２の動作になるため、主語の制御回路８を系統連系装置２と読みかえることもできる。
【００３７】
図３における動作フローを開始すると、制御回路８は、昇圧回路４の入力電圧Ｖｉｎを検出（ステップＳ１１）し、入力電圧Ｖｉｎが所定値Ｖｉｔｈより小さい否かを判断する（ステップＳ１２）。制御回路８は、入力電圧Ｖｉｎが所定値Ｖｉｔｈより小さくない場合、ステップＳ１１へ戻り、入力電圧Ｖｉｎが所定値Ｖｉｔｈより小さい場合、ステップＳ１３へ移行し、各スイッチ素子５１、５２の駆動制御を開始する。
【００３８】
制御回路８は、ステップＳ１３に移行すると、相電流Ｉｕ、Ｉｗを電流センサＣＴ１、ＣＴ２を用いて検出する。相電流Ｉｕ、Ｉｗを検出すると、制御回路８は、検出された相電流Ｉｕ、Ｉｗを用いて相電流Ｉｕ、Ｉｗの実効値Ｉｕｅ、Ｉｗｅを算出する（ステップＳ１４）。また、ステップＳ１４において、制御回路８は、各相の実効値Ｉｕｅ、Ｉｗｅの平均値Ｉａｖｅを算出し、ステップＳ１５において、平均値Ｉａｖｅとブリッジ回路５の出力電流の目標値Ｉｔとの差が電流閾値Ｉｔｈよりも小さいか否かを判断する。尚、この目標値Ｉｔは、図３に示す動作フローを開始する際にはゼロに設定されている。
【００３９】
ステップＳ１５において、制御回路８は、平均値Ｉａｖｅとブリッジ回路５の出力電流の目標値Ｉｔの差が電流閾値Ｉｔｈよりも小さくないと判断した場合、ブリッジ回路５の出力電流の目標値Ｉｔを変更せずステップＳ１８へ移行する。ステップＳ１５において、制御回路８は、平均値Ｉａｖｅとブリッジ回路５の出力電流の目標値Ｉｔの差が電流閾値Ｉｔｈよりも小さいと判断した場合、目標値Ｉｔが目標値Ｉｔの最大値Ｉｔｍａｘよりも小さいか否かを判断する（ステップＳ１６）。
【００４０】
目標値Ｉｔの最大値Ｉｔｍａｘは、スイッチ素子５１、５２に流しても負担にならない程度の値に設定する。
【００４１】
ステップＳ１６において、制御回路８は、目標値Ｉｔが目標値Ｉｔの最大値Ｉｔｍａｘよりも小さくないと判断した場合は、ブリッジ回路５の出力電流の目標値Ｉｔを変更せずステップＳ１８へ移行する。また、ステップＳ１６において、制御回路８は、目標値Ｉｔが目標値Ｉｔの最大値Ｉｔｍａｘよりも小さいと判断した場合は、ステップＳ１７において、ブリッジ回路５の出力電流の目標値Ｉｔに所定の量Ｉαを加えた値を、新たなブリッジ回路５の出力電流の目標値ＩｔとしてステップＳ１８へ移行する。
【００４２】
ステップＳ１８では、制御回路８は、ブリッジ回路５の出力電流の目標値Ｉｔと相電流Ｉｕ、Ｉｗの実効値Ｉｕｅ、Ｉｗｅの平均値Ｉａｖｅとの差がゼロになるようにブリッジ回路５の線間電圧の実効値Ｖｕｖｅ、Ｖｖｗｅの平均値の目標値Ｖｔを決定し、ブリッジ回路５の線間電圧の実効値Ｖｕｖｅ、Ｖｖｗｅの平均値Ｖａｖｅと電圧の目標値Ｖｔとの差がゼロになるようにブリッジ回路５のスイッチング素子をＰＷＭの信号で制御する。これにより、交流電力がブリッジ回路５から出力され、帰還回路によりコンデンサ３ａ、３ｂへ戻り、コンデンサ３ａ、３ｂが放電される。ステップＳ１８の動作が完了すると制御回路８はステップＳ１９へ移行する。ステップＳ１９では、制御回路８は、電圧センサＶａ、Ｖｂを用いてコンデンサ３ａの電圧Ｖｃａ、及びコンデンサ３ｂの電圧Ｖｃｂを検出する。
【００４３】
尚、コンデンサ３ａの電圧Ｖｃａは、直列接続されるコンデンサ３ａ及びコンデンサ３ｂの両端電圧Ｖｃを電圧センサＶａにより検出し、Ｖｃａ＝Ｖｃ−Ｖｃｂにより検出することができる。
【００４４】
制御回路８は、電圧Ｖｃａ及び電圧Ｖｃｂを検出すると、電圧Ｖｃａ及び電圧Ｖｃｂが共に所定値Ｖｃｔｈよりも小さいか否かを判定する（ステップＳ２０）。ステップＳ２０にて、制御回路８は、電圧Ｖｃａ及び電圧Ｖｃｂが共に所定値Ｖｃｔｈよりも小さくないと判定した場合、コンデンサ３ａ、３ｂの放電が完了していないとしてステップＳ１３へ戻る。ステップＳ２０にて、制御回路８は、電圧Ｖｃａ及び電圧Ｖｃｂが共に所定値Ｖｃｔｈよりも小さいと判定した場合、コンデンサ３ａの放電が完了したとして、各スイッチ素子５１、５２を開いてコンデンサ３ａ、３ｂの放電を終了する。
【００４５】
本発明によれば、インバータ回路５から交流電力の出力が遮断され（系統連系用リレー７が開状態）かつ太陽電池１から出力される直流電力が所定値以下の際（電圧Ｖｉｎ＜電圧閾値Ｖｉｔｈ）にブリッジ回路の出力を、帰還回路を介してコンデンサ３ａ、３ｂに戻している。これにより、コンデンサの放電電荷が帰還回路を介してコンデンサに戻る際に、ブリッジ回路、フィルタ回路を通して消費される。このため、スイッチ素子５１、５２だけの閉ループの場合に比べてフィルタ回路６の分インピーダンスが増えるため、スイッチ素子５１〜５４に流れる電流が減り、スイッチ素子５１〜５４に係る負担を軽減することができる。また、各アームのスイッチ素子５１、５２の内一方を導通状態に、他方を遮断状態に周期的に開閉することにより、スイッチ素子５１、５２に流れる電流は交流電流になる。このため、大きな電流が流れ続けることがなくなり、スイッチ素子５１、５２に係る負担を軽減することができる。また、スイッチ素子５１〜５２を周期的に開閉するため、スイッチングロスによってもコンデンサ３ａ、３ｂの電荷を消費することができる。このため、速やかにコンデンサ３ａ、３ｂの電荷を消費することができる。
【００４６】
また、本発明によれば、コンデンサ３ａ、３ｂの電荷を消費し、コンデンサの電圧Ｖｃａ、Ｖｃｂが所定値Ｖｃｔｈよりも小さくなったことを検出してブリッジ回路５を停止する（ブリッジ回路５のスイッチ素子をすべて遮断する）。このため、コンデンサ３ａ、３ｂの放電後速やかにインバータ回路１０を停止でき、スイッチ回路５１、５２にかかる負担を軽減することができる。
【００４７】
また、本発明によれば、昇圧回路への入力電圧Ｖｉｎが所定値Ｖｉｔｈよりも小さいことを確認した上で、コンデンサ３ａ、３ｂの電荷の消費を開始する。このため、メンテナンスを行う作業員が作業を行う場合、太陽電池１と系統連系装置２との間にある開閉器を開いた時点から自動的にコンデンサ３ａ、３ｂの放電を開始することができる。これにより、系統連系装置２本体にコンデンサ３ａ、３ｂを放電するためのスイッチ等を特別に設ける必要も無くなり、スイッチの押し忘れという人為的なミスを無くすことができる。
【００４８】
また、本発明によれば、昇圧回路への入力電圧Ｖｉｎが所定値Ｖｉｔｈよりも小さくならなければコンデンサ３ａ、３ｂの電荷の消費を開始しない。このため、系統連系装置２が停止する場合でも、その後自立運転を行いたい場合（例えば、昼間に商用電力系統２が停電した場合など）に、コンデンサ３ａ、３ｂを放電することが無いので、コンデンサ３ａ、３ｂを充電することなく速やかに自立運転を開始することができる。また、コンデンサ３ａ、３ｂを放電しないので、放電しなかった分の電力を利用することができる。
【００４９】
また、本発明によれば、最初に目標値Ｉｔをゼロに設定し、目標値にＩαを加えていき、電流センサの検出する電流が徐々に大きくなるようスイッチ素子５１、５２の開閉を行う。これにより、フィルタ回路６へ流れる電流を徐々に大きくすることができるため、フィルタ回路６のコンデンサ６３ａ〜６３ｃに流れる突入電流を小さくすることができる。
【００５０】
また、本発明によれば、コンデンサ３ａ、３ｂの電荷を消費している間、昇圧回路４のスイッチ素子４２を開いた状態にしている。これにより、昇圧回路４のスイッチ素子４２がスイッチングを行わないので、スイッチングによる負担を軽減することができる。
【００５１】
また、本発明によれば、コンデンサ３ａ、３ｂを放電する際にインバータ回路５のスイッチ素子５１、５２を動作するに必要な電力を、電源回路９を介して商用電力系統３０から供給している。これにより、コンデンサ３ａ、３ｂの放電を最後まで安定して行うことができる。また、商用電力系統３０からではなく、コンデンサ３ａ、３ｂの両端からこの電力を賄うようにすると、コンデンサ３ａ、３ｂの電荷を速やかに消費することができる。
【００５２】
（変形例１）
本実施形態において、制御回路８は、ブリッジ回路５の出力する三相電流ｉｕ、ｉｗに基づいて制御を行ったが、三相電流ｉｕ、ｉｗに対して三相二相変換を行い、電流ベクトルＩｄ、Ｉｑを利用して制御するようにしても良い。
【００５３】
図４に、変形例１におけるコンデンサ３ａ、３ｂを行う制御回路８の機能ブロック図を示す。このブロック図において、制御回路８は、ｄｑ変換器１０１、減算器１０２、１０３、ＰＩ制御器１０４、逆ｄｑ変換器１０５、ＰＷＭ変調器１０６を有する。
【００５４】
ｄｑ変換器１０１は、電流センサＣＴ１、ＣＴ２が検出したｕ相電流Ｉｕ、ｗ相電流Ｉｗ、位相θを入力し、ｕ相電流Ｉｕ、ｗ相電流Ｉｗを三相二相変換し、ｄ−ｑ座標系上のｄ軸電流値Ｉｄ、及びｑ軸電流値Ｉｑを演算する。そして、ｄｑ変換器１０１は、演算した、電流値Ｉｄ、Ｉｑを減算器１０２、１０３へ出力する。
【００５５】
減算器１０２は、ｄ軸電流目標値Ｉｄｔとｄ軸電流Ｉｄとを入力し、ｄ軸電流Ｉｄからｄ軸電流目標値Ｉｄｔを減算した値（Ｉｄ−Ｉｄｔ）をＰＩ制御器１０４へ出力する。
【００５６】
減算器１０３は、ｑ軸電流目標値Ｉｑｔとｑ軸電流Ｉｑとを入力し、ｑ軸電流Ｉｑからｑ軸電流目標値Ｉｑｔを減算した値（Ｉｑ−Ｉｑｔ）をＰＩ制御器１０４へ出力する。
【００５７】
ＰＩ制御器１０４は、減算値（Ｉｄ−Ｉｄｔ）、（Ｉｑ−Ｉｑｔ）を入力し、この値がゼロになるようにｄ軸電圧目標値Ｖｄｔ、及びｑ軸電圧目標値Ｖｑｔを算出し、逆ｄｑ変換器へ出力する。
【００５８】
逆ｄｑ変換器１０５は、ｄ軸電圧目標値Ｖｄｔ、ｑ軸電圧目標値Ｖｑｔ、及び位相θを入力し、二相三相変換を行い、Ｕ相出力線ｕ及びＶ相出力線ｖの線間電圧の目標値Ｖｕｖｔと、Ｗ相出力線ｗ及びＶ相出力線ｖの線間電圧の目標値Ｖｗｖｔとを演算する。そして、逆ｄｑ変換器１０５は、演算した目標値Ｖｕｖｔ、ＶｗｖｔをＰＷＭ変調器１０６へ出力する。
【００５９】
ＰＷＭ変調器１０６は、この目標値Ｖｗｖｔ、Ｖｕｖｔを受けて、ＰＷＭ波形を出力し、スイッチ素子５１、５２を周期的に開閉する。
【００６０】
この際に、制御回路８は、ｄ軸電流目標値Ｉｄｔ及びｑ軸電流目標値Ｉｑｔをゼロ付近から徐々に大きくすることで、電流センサＣＴ１、ＣＴ２の検出する電流が徐々に大きくなるようにスイッチ素子５１〜５４の開閉を行うことができる。
【００６１】
（変形例２）
【００６２】
本実施形態において三相交流電力を出力するインバータ回路１０を用いていたが、単相の交流電力を出力するインバータ回路１０にも応用することができる。図５に、変形例２におけるスイッチ素子５１、５２のスイッチングパターン別の帰還回路１１を示す。図５に示すように、単相の交流電力を出力するインバータ回路５の場合、コンデンサ３ａ、３ｂの変わりに１つのコンデンサ３を用いる。また、フィルタ回路６は、３個のコンデンサ６３ａ〜６３ｃをデルタ結線したものを用いたが、ひとつのコンデンサ６３を用いる。
【００６３】
単相の交流電力を出力するＰＷＭ制御を適用した場合、スイッチ素子５１、５２のスイッチングパターン別の帰還回路１１は、図５（ａ）、図５（ｂ）に示すようになる。
【００６４】
図５（ａ）に示す帰還回路１１ｅは、スイッチングパターンが、第１スイッチ素子５１ａが導通状態、第２スイッチ素子５２ａが遮断状態、第１イッチ素子５１ｂが遮断状態、第２スイッチ素子５２ｂが導通状態の場合の帰還回路である。この帰還回路１１ｅでは、点線Ｌ５により示す経路で電流が流れ、フィルタ回路６から交流電力の一部がコンデンサ３へ帰還する。
図５（ｂ）に示す帰還回路１１ｆは、スイッチングパターンが、第１スイッチ素子５１ａが遮断状態、第２スイッチ素子５２ａが導通状態、第１イッチ素子５１ｂが導通状態、第２スイッチ素子５２ｂが遮断状態の場合の帰還回路である。この帰還回路１１ｅでは、点線Ｌ６により示す経路で電流が流れ、フィルタ回路６から交流電力の一部がコンデンサ３へ帰還する。
【００６５】
以上、本発明の一実施形態について説明したが、以上の説明は本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明はその趣旨を逸脱することなく、変更、改良され得ると共に本発明にはその等価物が含まれることは勿論である。
【００６６】
例えば、制御回路８は、ブリッジ回路５の出力する三相電流ｉｕ、ｉｗの実効値ｉｕｅ、ｉｗｅを用いてブリッジ回路５の動作を制御したが、相電流の振幅や平均値を用いるようにしても良い。
【００６７】
また、例えば、本実施形態において、太陽光発電システム１００の例を挙げたが、太陽電池１の代わりに、蓄電池や燃料電池などの直流電源を使用することができる。
【００６８】
また、例えば、電解コンデンサの両端にＬＥＤを接続し、コンデンサに電荷が蓄えられていることをユーザに表示しても良い。このようにすると、ユーザはこのＬＥＤを見て安全に作業できるか否かの判断を行うことができる。
【００６９】
また、例えば、系統連系用リレー７が溶着状態である場合にコンデンサ３ａ、３ｂの放電を禁止するようにしても良い。このようにすることで、コンデンサ３ａ、３ｂの放電時にスイッチ素子５１、５２を動作させた場合に、意図せず商用電力系統へ電力が供給されることを防止することができる。
【００７０】
また、例えば、本実施形態において、アームが２並列の三相ハーフブリッジ型のインバータ回路１０を用いたが、アームが３並列の三相フルブリッジ型のインバータ回路を用いることもできる。
【符号の説明】
【００７１】
１ 太陽電池
２ 系統連系装置
３ 電解コンデンサ
４ 昇圧回路
５ ブリッジ回路
６ フィルタ回路
７ 系統連系用リレー
８ 制御回路
９ 電源回路
１０ インバータ回路
１１ 帰還回路
３０ 商用電力系統
４５ 電圧センサ
９１ 負荷用リレー
９２ 交流負荷
ＣＴｉ 電流センサ
ＣＴ１ 電流センサ
ＣＴ２ 電流センサ
ＶＳｉ 電圧センサ
ＶＳ１ 電圧センサ
ＶＳ２ 電圧センサ
ＶＳｕｖ電圧センサ
ＶＳｗｖ電圧センサ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、太陽電池、燃料電池、或いは蓄電池等の直流電源から出力される直流電力を交流電力に変換して、この交流電力を商用電力系統へ重畳する系統連系装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、太陽電池、燃料電池、或いは蓄電池等の直流電力を交流電力に変換し、系統連系用リレーを介して商用電力系統へ連系する系統連系装置が提供されている。
【０００３】
系統連系装置は、直流電源の出力する直流電圧を昇圧する昇圧回路、昇圧回路の出力電力を交流電力に変換するインバータ回路、フィルタ回路と商用系統との間に接続された系統連系用リレー、マイクロコンピュータからなり昇圧回路やインバータ回路の各スイッチ素子及び系統連系用リレーに開閉信号を与える制御回路で構成される。
【０００４】
インバータ回路は、第１スイッチ素子と第２スイッチ素子とを直列に接続したアーム回路を２列並列に直流電源間に接続したブリッジ回路と、ブリッジ回路の入力側に接続されかつ直流電源間に接続されるコンデンサと、ブリッジ回路から出力される交流電力が通過するフィルタ回路と、を有している。
【０００５】
インバータ回路の有するコンデンサには、大容量（３０００〜５０００μＦ程度）の電解コンデンサ等が用いられることになるため、系統連系装置が連系動作を行った後に、インバータ回路から交流電力の出力が遮断されると、このコンデンサに多くの電荷が残ることになる。このコンデンサに残った電荷をすべて自然放電するには半日程度かかるため、系統連系装置のメンテナンスを安全に行うためには長時間待つ必要があった。
【０００６】
このため、従来より、系統連系装置が連系動作を行った後に、インバータ回路から交流電力の出力が遮断された後に、このコンデンサを放電するための技術が提案されている（特許文献１）。特許文献１に記載の系統連系装置は、ブリッジ回路を構成するスイッチ素子を解列時（系統連系用リレーをＯＦＦ後に）に全て閉じることにより、コンデンサの電荷をスイッチ素子のＯＮ抵抗により消費している（コンデンサを放電する）。
【特許文献１】特開平７−２０９５６
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１に記載の系統連系装置においては、インバータ回路を構成するスイッチ素子を全て閉じるため、コンデンサの両端がショートし、スイッチ素子に大きな直流電流が流れ続けることになり、スイッチ素子に負担がかかるという問題があった。
【０００８】
本発明は上述の問題に鑑みて成された発明であり、スイッチ素子のＯＮ抵抗を利用してブリッジ回路の入力側に接続されるコンデンサを放電する際に、スイッチ素子にかかる負担を軽減することができる系統連系装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するために、第１スイッチ素子と第２スイッチ素子とを直列に接続したアーム回路を少なくとも２列並列に直流電源間に接続したブリッジ回路の夫々のスイッチング素子を周期的に開閉して直前記流電源から出力された直流電力を交流電力に変換するインバータ回路において、前記インバータ回路は前記ブリッジ回路の入力側に接続されかつ前記直流電源間に接続されるコンデンサと、前記ブリッジ回路から出力される交流電力が通過するフィルタ回路と、当該フィルタ回路から前記交流電力の一部を前記コンデンサへ帰還可能に構成する帰還回路とを備え、前記インバータ回路から前記交流電力の出力が遮断されかつ前記直流電源から出力される直流電圧が所定値以下の際に前記ブリッジ回路から出力される交流電力を前記帰還回路を介して前記コンデンサに戻すことを特徴とする。
【００１０】
本発明によれば、インバータ回路から交流電力の出力が遮断されかつ直流電源から出力される直流電力が所定値以下の際にブリッジ回路から出力される交流電力を、帰還回路を介してコンデンサに戻している。これにより、コンデンサの電荷が帰還回路を介してコンデンサに戻る際に、ブリッジ回路、フィルタ回路を通して消費される。このため、スイッチ素子だけの閉ループの場合に比べて、フィルタ回路の分インピーダンスが増えるため、スイッチ素子に流れる電流が減り、スイッチ素子にかかる負担を軽減することができる。また、各アームのスイッチ素子の内一方を導通態に、他方を遮断状態に周期的に開閉することにより、スイッチ素子に流れる電流は交流電流になる。このため、大きな電流が流れ続けることがなくなり、スイッチ素子にかかる負担を軽減することができる。
【００１１】
また、上述の発明において、前記コンデンサの電圧を検出する第１電圧センサを備え、前記第１電圧センサにより検出される電圧が所定値よりも小さくなった場合、前記夫々のスイッチング素子をすべて遮断状態にすることを特徴とする。
【００１２】
また、上述の発明において、前記直流電源と前記コンデンサとの間に、前記直流電から供給される直流電力を昇圧する昇圧回路を設け、前記昇圧回路の入力電圧を検出する第２電圧センサを備え、前記直流電源から出力される直流電圧は第２電圧センサの検出する電圧であることを特徴とする。
【００１３】
また、上述の発明において、前記夫々のスイッチング素子を動作するに必要な電力を前記商用電力系統から供給することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、スイッチ素子のＯＮ抵抗を利用してブリッジ回路の入力側に接続されるコンデンサを放電する際に、スイッチ素子に係る負担を軽減することができる系統連系装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本実施形態に係る太陽光発電システム１００を示す構成図である。
【図２】本実施形態におけるスイッチ素子５１、５２のスイッチングパターン別の帰還回路１１を示す図である。
【図３】コンデンサの放電を行う際の系統連系装置２の動作フローを示す図である。
【図４】変形例１におけるコンデンサ３ａ、３ｂの放電を行う際の制御回路８の機能ブロック図を示す図である。
【図５】変形例２におけるスイッチ素子５１、５２のスイッチングパターン別の帰還回路１１を示す図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、図面に基づき本発明の実施形態を詳述する。図１は本実施形態に係る太陽光発電システム１００を示す構成図である。この図に示すように太陽光発電システム１００は、太陽電池１（直流電源）、系統連系装置２を備える。
【００１７】
系統連系装置２は、昇圧回路４、インバータ回路１０、系統連系用リレー７、制御回路８、電源回路９、電流センサＣＴｉ、ＣＴ１、ＣＴ２、及び電圧センサＶＳｉ、ＶＳ１、ＶＳ２、ＶＳｕｖ、ＶＳｗｖを備える。系統連系装置２は、系統連系用リレー７を介してインバータ回路１０の出力する交流電力を商用電力系統３０へ重畳する。
【００１８】
昇圧回路４は、太陽電池１から出力された直流電圧を昇圧する。そして、昇圧回路４は、この昇圧した直流電圧をインバータ回路１０へ出力する。昇圧回路４には、図１に示すように、リアクトル４１、ＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）のようなスイッチ素子４２、及びダイオード４３を有して構成される。昇圧回路４の入力側には、太陽電池１が接続され、太陽電池１の正極と直列にリアクトル４１とダイオード４３とが接続される。スイッチ素子４２は、リアクトル４１及びダイオード４３の接続点と太陽電池１の負極との間に接続され、その間を開閉する。
【００１９】
昇圧回路４は、制御回路８によって動作が制御される。具体的には、制御回路８がＯＮデューティ比を決定し、そのデューティ比を有するパルス信号をスイッチ素子４２のゲートに周期的に与える。すると、スイッチ素子４２は、周期的に開閉し、昇圧回路４は、デューティ比に応じた（例えば、比例した）所定の昇圧比を得る。
【００２０】
インバータ回路１０は、第１スイッチ素子５１と第２スイッチ素子５２とを直列に接続したアーム回路５３を少なくとも２列並列に直流電源間（昇圧回路の出力端子間）に接続したブリッジ回路５を有している。インバータ回路は、このブリッジ回路５の夫々のスイッチング素子５１、５２を周期的に開閉して太陽電池１から出力された直流電力を交流電力に変換する。
【００２１】
また、インバータ回路１０は、ブリッジ回路５の入力側に接続されかつ直流電源間に接続されるコンデンサ３ａ、３ｂと、ブリッジ回路５から出力される交流電力が通過するフィルタ回路６と、このフィルタ回路６から交流電力の一部をコンデンサ３ａ、３ｂへ帰還可能に構成する帰還回路とを有している。
【００２２】
コンデンサ３ａと３ｂには、容量の大きい（３０００〜５０００μＦ程度）電解コンデンサが用いられる。コンデンサ３ａと３ｂは、直列に接続され、直列に接続されたコンデンサ３ａ、３ｂは、ダイオード４３と太陽電池１の負極とに接続される。
【００２３】
ブリッジ回路５のスイッチ素子５１、５２には、ＩＧＢＴのようなスイッチ素子を用いると良い。ブリッジ回路５は、制御回路８によってその動作が制御される。そして、ブリッジ回路５は、制御回路８のＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御にしたがって各スイッチ素子５１、５２を周期的に開閉し、入力される直流電力を三相交流電力に変換する。三相交流電力は、第１スイッチ素子５３ｂと第２スイッチ素子５４ｂとの接続点から延びるＵ相出力線ｕ、コンデンサ３ａとコンデンサ３ｂとの接続点から延びるＶ相出力線ｖ、第１スイッチ素子５１ａと第２スイッチ素子５２ａとの接続点から延びるＷ相出力線ｗに供給される。
【００２４】
フィルタ回路６は、リアクトル６１、６２、及びコンデンサ６３ａ、６３ｂ、６３ｃからなる。また、フィルタ回路６は、第１スイッチ素子５１ａ及び第２スイッチ素子５２ａの接続点と、第１スイッチ素子５１ｂ及び第２スイッチ素子５２ｂの接続点と、コンデンサ３ａ及びコンデンサ３ｂの接続点とに接続される（ブリッジ回路５の出力側に設けられる）。具体的には、Ｕ相出力線ｕにリアクトル６１が介在し、Ｗ相出力線ｗにリアクトル６２が介在している。そして、各コンデンサ６３ａ、６３ｂ、６３ｃをデルタ結線した結線点に、夫々、Ｕ相出力線ｕ、Ｖ相出力線ｖ、Ｗ相出力線ｗが接続されている。フィルタ回路６は、ブリッジ回路５の各スイッチ素子５１、５２が開閉するときに生ずる三相交流電流のリプル成分（高調波成分）を除去する。
【００２５】
帰還回路は、ブリッジ回路５とフィルタ回路６によって構成され、スイッチ素子５１、５２のスイッチングパターンにより、コンデンサ３ａ、３ｂへ帰還する電流経路が変わる。図２にスイッチ素子５１、５２のスイッチングパターン別の帰還回路１１について示す。
【００２６】
図２（ａ）に示す帰還回路１１ａは、スイッチングパターンが、第１スイッチ素子５１ａが導通状態、第２スイッチ素子５２ａが遮断状態、第１イッチ素子５１ｂが遮断状態、第２スイッチ素子５２ｂが導通状態の場合の帰還回路である。この帰還回路１１ａでは、点線Ｌ１により示す経路で電流が流れ、フィルタ回路６から交流電力の一部がコンデンサ３ａ、３ｂへ帰還する。
【００２７】
図２（ｂ）に示す帰還回路１１ｂは、スイッチングパターンが、第１スイッチ素子５１ａが遮断状態、第２スイッチ素子５２ａが導通状態、第１イッチ素子５１ｂが導通状態、第２スイッチ素子５２ｂが遮断状態の場合の帰還回路である。この帰還回路１１ａでは、点線Ｌ２により示す経路で電流が流れ、フィルタ回路６から交流電力の一部がコンデンサ３ａ、３ｂへ帰還する。
【００２８】
図２（ｃ）に示す帰還回路１１ｃは、スイッチングパターンが、第１スイッチ素子５１ａが導通状態、第２スイッチ素子５２ａが遮断状態、第１イッチ素子５１ｂが導通状態、第２スイッチ素子５２ｂが遮断状態の場合の帰還回路である。この帰還回路１１ｃでは、点線Ｌ３により示す経路で電流が流れ、フィルタ回路６から交流電力の一部がコンデンサ３ａ、３ｂへ帰還する。
【００２９】
図２（ｄ）に示す帰還回路１１ｄは、スイッチングパターンが、第１スイッチ素子５１ａが遮断状態、第２スイッチ素子５２ａが導通状態、第１イッチ素子５１ｂが遮断状態、第２スイッチ素子５２ｂが導通状態の場合の帰還回路である。この帰還回路１１ｄでは、点線Ｌ４により示す経路で電流が流れ、フィルタ回路６から交流電力の一部がコンデンサ３ａ、３ｂへ帰還する。
【００３０】
系統連系用リレー７は、商用電力系統３０に接続される出力線ｕ、ｖ、ｗに介在し、出力線ｕ、ｖ、ｗの開閉を行う。また、系統連系用リレー７は、制御回路８からの制御信号によって閉状態と開状態が制御され、系統連系装置２（太陽電池１）と商用系統３０とを連系または解列するものである。
【００３１】
電源回路９は、商用電力系統３０に接続され、昇圧回路４、インバータ回路５、制御回路８、系統連系用リレー７、及び各種センサＣＴｉ、ＣＴ１、ＣＴ２、ＶＳｉ、ＶＳ１、ＶＳ２、ＶＳｕｖ、ＶＳｗｖを動作するに必要な電力を商用電力系統３０から供給する。
【００３２】
各電流センサＣＴｉ、ＣＴ１、ＣＴ２には、カレントトランスが用いられる。電流センサＣＴｉは、太陽電池１の正極とリアクトル４１との間に設けられ、昇圧回路４に入力する電流Ｉｉｎを検出する。電流センサＣＴ１は、コンデンサ６３ａ及びコンデンサ６３ｃの結線点とリアクトル６１との間に設けられ、ブリッジ回路５の出力するＵ相電流Ｉｕを検出する。電流センサＣＴ２は、コンデンサ６３ｂ及びコンデンサ６３ｃの結線点とリアクトル６２との間に設けられ、ブリッジ回路５の出力するＷ相電流Ｉｗを検出する。
【００３３】
次に、電圧センサＶＳｉ、ＶＳ１、ＶＳ２、ＶＳｕｖ、ＶＳｗｕについて述べる。電圧センサＶＳｉは、昇圧回路４の入力側に設けられ、昇圧回路４の入力電圧Ｖｉｎを検出する。電圧センサＶＳ１は、昇圧回路４の出力側に設けられ、昇圧回路４の出力電圧Ｖｃ（直列に接続されたコンデンサ３ａ及びコンデンサ３ｂの両端電圧）を検出する。電圧センサＶＳ２は、コンデンサ３ｂと並列に接続され、コンデンサ３ｂの両端電圧Ｖｃｂを検出する。電圧センサＶＳｕｖは、Ｕ相出力線ｕとＶ相出力線ｖに接続され、Ｕ相出力線ｕとＶ相出力線ｖの線間電圧Ｖｕｖを検出する。電圧センサＶＳｗｖは、Ｗ相出力線ｗとＶ相出力線ｖに接続され、Ｗ相出力線ｗとＶ相出力線ｖの線間電圧Ｖｗｖを検出する。
【００３４】
制御回路８は、上述の各種センサＣＴｉ、ＣＴ１、ＣＴ２、ＶＳｉ、ＶＳ１、ＶＳ２、ＶＳｕｖ、ＶＳｗｖを用いて、昇圧回路４、インバータ回路１０、及び系統連系用リレー７の動作を制御する。
【００３５】
（コンデンサ３ａ、３ｂの放電動作）
コンデンサ３ａ、３ｂの放電（電荷の消費）は、主に、（１）メンテナンスを行う作業員が作業を開始する前、（２）系統連系装置２が停止する場合、に行われる。（１）、（２）どちらの場合であっても、系統連系装置２の停止した（系統連系用リレー７を開状態、昇圧回路のスイッチ素子を遮断状態、ブリッジ回路５のスイッチ素子５１、５２すべてが遮断状態）後に図３に示す動作フローを制御回路８により実行することで、コンデンサ３ａ、３ｂの放電を行うことができる。
【００３６】
図３に、コンデンサ３ａ、３ｂの放電を行う際の系統連系装置２の動作フローを示す。以下に示すこの動作フローにおいては、制御回路８が主体となり系統連系装置２の制御を行う。このため、制御回路８を主に主語に用いるが、系統連系装置２の動作になるため、主語の制御回路８を系統連系装置２と読みかえることもできる。
【００３７】
図３における動作フローを開始すると、制御回路８は、昇圧回路４の入力電圧Ｖｉｎを検出（ステップＳ１１）し、入力電圧Ｖｉｎが所定値Ｖｉｔｈより小さい否かを判断する（ステップＳ１２）。制御回路８は、入力電圧Ｖｉｎが所定値Ｖｉｔｈより小さくない場合、ステップＳ１１へ戻り、入力電圧Ｖｉｎが所定値Ｖｉｔｈより小さい場合、ステップＳ１３へ移行し、各スイッチ素子５１、５２の駆動制御を開始する。
【００３８】
制御回路８は、ステップＳ１３に移行すると、相電流Ｉｕ、Ｉｗを電流センサＣＴ１、ＣＴ２を用いて検出する。相電流Ｉｕ、Ｉｗを検出すると、制御回路８は、検出された相電流Ｉｕ、Ｉｗを用いて相電流Ｉｕ、Ｉｗの実効値Ｉｕｅ、Ｉｗｅを算出する（ステップＳ１４）。また、ステップＳ１４において、制御回路８は、各相の実効値Ｉｕｅ、Ｉｗｅの平均値Ｉａｖｅを算出し、ステップＳ１５において、平均値Ｉａｖｅとブリッジ回路５の出力電流の目標値Ｉｔとの差が電流閾値Ｉｔｈよりも小さいか否かを判断する。尚、この目標値Ｉｔは、図３に示す動作フローを開始する際にはゼロに設定されている。
【００３９】
ステップＳ１５において、制御回路８は、平均値Ｉａｖｅとブリッジ回路５の出力電流の目標値Ｉｔの差が電流閾値Ｉｔｈよりも小さくないと判断した場合、ブリッジ回路５の出力電流の目標値Ｉｔを変更せずステップＳ１８へ移行する。ステップＳ１５において、制御回路８は、平均値Ｉａｖｅとブリッジ回路５の出力電流の目標値Ｉｔの差が電流閾値Ｉｔｈよりも小さいと判断した場合、目標値Ｉｔが目標値Ｉｔの最大値Ｉｔｍａｘよりも小さいか否かを判断する（ステップＳ１６）。
【００４０】
目標値Ｉｔの最大値Ｉｔｍａｘは、スイッチ素子５１、５２に流しても負担にならない程度の値に設定する。
【００４１】
ステップＳ１６において、制御回路８は、目標値Ｉｔが目標値Ｉｔの最大値Ｉｔｍａｘよりも小さくないと判断した場合は、ブリッジ回路５の出力電流の目標値Ｉｔを変更せずステップＳ１８へ移行する。また、ステップＳ１６において、制御回路８は、目標値Ｉｔが目標値Ｉｔの最大値Ｉｔｍａｘよりも小さいと判断した場合は、ステップＳ１７において、ブリッジ回路５の出力電流の目標値Ｉｔに所定の量Ｉαを加えた値を、新たなブリッジ回路５の出力電流の目標値ＩｔとしてステップＳ１８へ移行する。
【００４２】
ステップＳ１８では、制御回路８は、ブリッジ回路５の出力電流の目標値Ｉｔと相電流Ｉｕ、Ｉｗの実効値Ｉｕｅ、Ｉｗｅの平均値Ｉａｖｅとの差がゼロになるようにブリッジ回路５の線間電圧の実効値Ｖｕｖｅ、Ｖｖｗｅの平均値の目標値Ｖｔを決定し、ブリッジ回路５の線間電圧の実効値Ｖｕｖｅ、Ｖｖｗｅの平均値Ｖａｖｅと電圧の目標値Ｖｔとの差がゼロになるようにブリッジ回路５のスイッチング素子をＰＷＭの信号で制御する。これにより、交流電力がブリッジ回路５から出力され、帰還回路によりコンデンサ３ａ、３ｂへ戻り、コンデンサ３ａ、３ｂが放電される。ステップＳ１８の動作が完了すると制御回路８はステップＳ１９へ移行する。ステップＳ１９では、制御回路８は、電圧センサＶａ、Ｖｂを用いてコンデンサ３ａの電圧Ｖｃａ、及びコンデンサ３ｂの電圧Ｖｃｂを検出する。
【００４３】
尚、コンデンサ３ａの電圧Ｖｃａは、直列接続されるコンデンサ３ａ及びコンデンサ３ｂの両端電圧Ｖｃを電圧センサＶａにより検出し、Ｖｃａ＝Ｖｃ−Ｖｃｂにより検出することができる。
【００４４】
制御回路８は、電圧Ｖｃａ及び電圧Ｖｃｂを検出すると、電圧Ｖｃａ及び電圧Ｖｃｂが共に所定値Ｖｃｔｈよりも小さいか否かを判定する（ステップＳ２０）。ステップＳ２０にて、制御回路８は、電圧Ｖｃａ及び電圧Ｖｃｂが共に所定値Ｖｃｔｈよりも小さくないと判定した場合、コンデンサ３ａ、３ｂの放電が完了していないとしてステップＳ１３へ戻る。ステップＳ２０にて、制御回路８は、電圧Ｖｃａ及び電圧Ｖｃｂが共に所定値Ｖｃｔｈよりも小さいと判定した場合、コンデンサ３ａの放電が完了したとして、各スイッチ素子５１、５２を開いてコンデンサ３ａ、３ｂの放電を終了する。
【００４５】
本発明によれば、インバータ回路５から交流電力の出力が遮断され（系統連系用リレー７が開状態）かつ太陽電池１から出力される直流電力が所定値以下の際（電圧Ｖｉｎ＜電圧閾値Ｖｉｔｈ）にブリッジ回路の出力を、帰還回路を介してコンデンサ３ａ、３ｂに戻している。これにより、コンデンサの放電電荷が帰還回路を介してコンデンサに戻る際に、ブリッジ回路、フィルタ回路を通して消費される。このため、スイッチ素子５１、５２だけの閉ループの場合に比べてフィルタ回路６の分インピーダンスが増えるため、スイッチ素子５１〜５４に流れる電流が減り、スイッチ素子５１〜５４に係る負担を軽減することができる。また、各アームのスイッチ素子５１、５２の内一方を導通状態に、他方を遮断状態に周期的に開閉することにより、スイッチ素子５１、５２に流れる電流は交流電流になる。このため、大きな電流が流れ続けることがなくなり、スイッチ素子５１、５２に係る負担を軽減することができる。また、スイッチ素子５１〜５２を周期的に開閉するため、スイッチングロスによってもコンデンサ３ａ、３ｂの電荷を消費することができる。このため、速やかにコンデンサ３ａ、３ｂの電荷を消費することができる。
【００４６】
また、本発明によれば、コンデンサ３ａ、３ｂの電荷を消費し、コンデンサの電圧Ｖｃａ、Ｖｃｂが所定値Ｖｃｔｈよりも小さくなったことを検出してブリッジ回路５を停止する（ブリッジ回路５のスイッチ素子をすべて遮断する）。このため、コンデンサ３ａ、３ｂの放電後速やかにインバータ回路１０を停止でき、スイッチ回路５１、５２にかかる負担を軽減することができる。
【００４７】
また、本発明によれば、昇圧回路への入力電圧Ｖｉｎが所定値Ｖｉｔｈよりも小さいことを確認した上で、コンデンサ３ａ、３ｂの電荷の消費を開始する。このため、メンテナンスを行う作業員が作業を行う場合、太陽電池１と系統連系装置２との間にある開閉器を開いた時点から自動的にコンデンサ３ａ、３ｂの放電を開始することができる。これにより、系統連系装置２本体にコンデンサ３ａ、３ｂを放電するためのスイッチ等を特別に設ける必要も無くなり、スイッチの押し忘れという人為的なミスを無くすことができる。
【００４８】
また、本発明によれば、昇圧回路への入力電圧Ｖｉｎが所定値Ｖｉｔｈよりも小さくならなければコンデンサ３ａ、３ｂの電荷の消費を開始しない。このため、系統連系装置２が停止する場合でも、その後自立運転を行いたい場合（例えば、昼間に商用電力系統２が停電した場合など）に、コンデンサ３ａ、３ｂを放電することが無いので、コンデンサ３ａ、３ｂを充電することなく速やかに自立運転を開始することができる。また、コンデンサ３ａ、３ｂを放電しないので、放電しなかった分の電力を利用することができる。
【００４９】
また、本発明によれば、最初に目標値Ｉｔをゼロに設定し、目標値にＩαを加えていき、電流センサの検出する電流が徐々に大きくなるようスイッチ素子５１、５２の開閉を行う。これにより、フィルタ回路６へ流れる電流を徐々に大きくすることができるため、フィルタ回路６のコンデンサ６３ａ〜６３ｃに流れる突入電流を小さくすることができる。
【００５０】
また、本発明によれば、コンデンサ３ａ、３ｂの電荷を消費している間、昇圧回路４のスイッチ素子４２を開いた状態にしている。これにより、昇圧回路４のスイッチ素子４２がスイッチングを行わないので、スイッチングによる負担を軽減することができる。
【００５１】
また、本発明によれば、コンデンサ３ａ、３ｂを放電する際にインバータ回路５のスイッチ素子５１、５２を動作するに必要な電力を、電源回路９を介して商用電力系統３０から供給している。これにより、コンデンサ３ａ、３ｂの放電を最後まで安定して行うことができる。また、商用電力系統３０からではなく、コンデンサ３ａ、３ｂの両端からこの電力を賄うようにすると、コンデンサ３ａ、３ｂの電荷を速やかに消費することができる。
【００５２】
（変形例１）
本実施形態において、制御回路８は、ブリッジ回路５の出力する三相電流ｉｕ、ｉｗに基づいて制御を行ったが、三相電流ｉｕ、ｉｗに対して三相二相変換を行い、電流ベクトルＩｄ、Ｉｑを利用して制御するようにしても良い。
【００５３】
図４に、変形例１におけるコンデンサ３ａ、３ｂを行う制御回路８の機能ブロック図を示す。このブロック図において、制御回路８は、ｄｑ変換器１０１、減算器１０２、１０３、ＰＩ制御器１０４、逆ｄｑ変換器１０５、ＰＷＭ変調器１０６を有する。
【００５４】
ｄｑ変換器１０１は、電流センサＣＴ１、ＣＴ２が検出したｕ相電流Ｉｕ、ｗ相電流Ｉｗ、位相θを入力し、ｕ相電流Ｉｕ、ｗ相電流Ｉｗを三相二相変換し、ｄ−ｑ座標系上のｄ軸電流値Ｉｄ、及びｑ軸電流値Ｉｑを演算する。そして、ｄｑ変換器１０１は、演算した、電流値Ｉｄ、Ｉｑを減算器１０２、１０３へ出力する。
【００５５】
減算器１０２は、ｄ軸電流目標値Ｉｄｔとｄ軸電流Ｉｄとを入力し、ｄ軸電流Ｉｄからｄ軸電流目標値Ｉｄｔを減算した値（Ｉｄ−Ｉｄｔ）をＰＩ制御器１０４へ出力する。
【００５６】
減算器１０３は、ｑ軸電流目標値Ｉｑｔとｑ軸電流Ｉｑとを入力し、ｑ軸電流Ｉｑからｑ軸電流目標値Ｉｑｔを減算した値（Ｉｑ−Ｉｑｔ）をＰＩ制御器１０４へ出力する。
【００５７】
ＰＩ制御器１０４は、減算値（Ｉｄ−Ｉｄｔ）、（Ｉｑ−Ｉｑｔ）を入力し、この値がゼロになるようにｄ軸電圧目標値Ｖｄｔ、及びｑ軸電圧目標値Ｖｑｔを算出し、逆ｄｑ変換器へ出力する。
【００５８】
逆ｄｑ変換器１０５は、ｄ軸電圧目標値Ｖｄｔ、ｑ軸電圧目標値Ｖｑｔ、及び位相θを入力し、二相三相変換を行い、Ｕ相出力線ｕ及びＶ相出力線ｖの線間電圧の目標値Ｖｕｖｔと、Ｗ相出力線ｗ及びＶ相出力線ｖの線間電圧の目標値Ｖｗｖｔとを演算する。そして、逆ｄｑ変換器１０５は、演算した目標値Ｖｕｖｔ、ＶｗｖｔをＰＷＭ変調器１０６へ出力する。
【００５９】
ＰＷＭ変調器１０６は、この目標値Ｖｗｖｔ、Ｖｕｖｔを受けて、ＰＷＭ波形を出力し、スイッチ素子５１、５２を周期的に開閉する。
【００６０】
この際に、制御回路８は、ｄ軸電流目標値Ｉｄｔ及びｑ軸電流目標値Ｉｑｔをゼロ付近から徐々に大きくすることで、電流センサＣＴ１、ＣＴ２の検出する電流が徐々に大きくなるようにスイッチ素子５１〜５４の開閉を行うことができる。
【００６１】
（変形例２）
【００６２】
本実施形態において三相交流電力を出力するインバータ回路１０を用いていたが、単相の交流電力を出力するインバータ回路１０にも応用することができる。図５に、変形例２におけるスイッチ素子５１、５２のスイッチングパターン別の帰還回路１１を示す。図５に示すように、単相の交流電力を出力するインバータ回路５の場合、コンデンサ３ａ、３ｂの変わりに１つのコンデンサ３を用いる。また、フィルタ回路６は、３個のコンデンサ６３ａ〜６３ｃをデルタ結線したものを用いたが、ひとつのコンデンサ６３を用いる。
【００６３】
単相の交流電力を出力するＰＷＭ制御を適用した場合、スイッチ素子５１、５２のスイッチングパターン別の帰還回路１１は、図５（ａ）、図５（ｂ）に示すようになる。
【００６４】
図５（ａ）に示す帰還回路１１ｅは、スイッチングパターンが、第１スイッチ素子５１ａが導通状態、第２スイッチ素子５２ａが遮断状態、第１イッチ素子５１ｂが遮断状態、第２スイッチ素子５２ｂが導通状態の場合の帰還回路である。この帰還回路１１ｅでは、点線Ｌ５により示す経路で電流が流れ、フィルタ回路６から交流電力の一部がコンデンサ３へ帰還する。
図５（ｂ）に示す帰還回路１１ｆは、スイッチングパターンが、第１スイッチ素子５１ａが遮断状態、第２スイッチ素子５２ａが導通状態、第１イッチ素子５１ｂが導通状態、第２スイッチ素子５２ｂが遮断状態の場合の帰還回路である。この帰還回路１１ｅでは、点線Ｌ６により示す経路で電流が流れ、フィルタ回路６から交流電力の一部がコンデンサ３へ帰還する。
【００６５】
以上、本発明の一実施形態について説明したが、以上の説明は本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明はその趣旨を逸脱することなく、変更、改良され得ると共に本発明にはその等価物が含まれることは勿論である。
【００６６】
例えば、制御回路８は、ブリッジ回路５の出力する三相電流ｉｕ、ｉｗの実効値ｉｕｅ、ｉｗｅを用いてブリッジ回路５の動作を制御したが、相電流の振幅や平均値を用いるようにしても良い。
【００６７】
また、例えば、本実施形態において、太陽光発電システム１００の例を挙げたが、太陽電池１の代わりに、蓄電池や燃料電池などの直流電源を使用することができる。
【００６８】
また、例えば、電解コンデンサの両端にＬＥＤを接続し、コンデンサに電荷が蓄えられていることをユーザに表示しても良い。このようにすると、ユーザはこのＬＥＤを見て安全に作業できるか否かの判断を行うことができる。
【００６９】
また、例えば、系統連系用リレー７が溶着状態である場合にコンデンサ３ａ、３ｂの放電を禁止するようにしても良い。このようにすることで、コンデンサ３ａ、３ｂの放電時にスイッチ素子５１、５２を動作させた場合に、意図せず商用電力系統へ電力が供給されることを防止することができる。
【００７０】
また、例えば、本実施形態において、アームが２並列の三相ハーフブリッジ型のインバータ回路１０を用いたが、アームが３並列の三相フルブリッジ型のインバータ回路を用いることもできる。
【符号の説明】
【００７１】
１ 太陽電池
２ 系統連系装置
３ 電解コンデンサ
４ 昇圧回路
５ ブリッジ回路
６ フィルタ回路
７ 系統連系用リレー
８ 制御回路
９ 電源回路
１０ インバータ回路
１１ 帰還回路
３０ 商用電力系統
４５ 電圧センサ
９１ 負荷用リレー
９２ 交流負荷
ＣＴｉ 電流センサ
ＣＴ１ 電流センサ
ＣＴ２ 電流センサ
ＶＳｉ 電圧センサ
ＶＳ１ 電圧センサ
ＶＳ２ 電圧センサ
ＶＳｕｖ電圧センサ
ＶＳｗｖ電圧センサ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１スイッチ素子と第２スイッチ素子とを直列に接続したアーム回路を少なくとも２列並列に直流電源間に接続したブリッジ回路の夫々のスイッチング素子を周期的に開閉して前記直流電源から出力された直流電力を交流電力に変換するインバータ回路において、
前記インバータ回路は前記ブリッジ回路の入力側に接続されかつ前記直流電源間に接続されるコンデンサと、前記ブリッジ回路から出力される交流電力が通過するフィルタ回路と、当該フィルタ回路から前記交流電力の一部を前記コンデンサへ帰還可能に構成する帰還回路とを備え、
前記インバータ回路から前記交流電力の出力が遮断されかつ前記直流電源から出力される直流電圧が所定値以下の際に前記ブリッジ回路から出力される交流電力を前記帰還回路を介して前記コンデンサに戻すことを特徴とするインバータ回路。
【請求項２】
前記コンデンサの電圧を検出する第１電圧センサを備え、
前記第１電圧センサにより検出される電圧が所定値よりも小さくなった場合、前記夫々のスイッチング素子をすべて遮断状態にすることを特徴とする請求項１に記載の系統連系装置。
【請求項３】
前記直流電源と前記コンデンサとの間に、前記直流電源から供給される直流電力を昇圧する昇圧回路を設け、前記昇圧回路の入力電圧を検出する第２電圧センサを備え、
前記直流電源から出力される直流電圧は第２電圧センサの検出する電圧であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の系統連系装置。
【請求項４】
前記夫々のスイッチング素子を動作するに必要な電力を前記商用電力系統から供給することを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れかに記載の系統連系装置。
【請求項１】
第１スイッチ素子と第２スイッチ素子とを直列に接続したアーム回路を少なくとも２列並列に直流電源間に接続したブリッジ回路の夫々のスイッチング素子を周期的に開閉して前記直流電源から出力された直流電力を交流電力に変換するインバータ回路において、
前記インバータ回路は前記ブリッジ回路の入力側に接続されかつ前記直流電源間に接続されるコンデンサと、前記ブリッジ回路から出力される交流電力が通過するフィルタ回路と、当該フィルタ回路から前記交流電力の一部を前記コンデンサへ帰還可能に構成する帰還回路とを備え、
前記インバータ回路から前記交流電力の出力が遮断されかつ前記直流電源から出力される直流電圧が所定値以下の際に前記ブリッジ回路から出力される交流電力を前記帰還回路を介して前記コンデンサに戻すことを特徴とするインバータ回路。
【請求項２】
前記コンデンサの電圧を検出する第１電圧センサを備え、
前記第１電圧センサにより検出される電圧が所定値よりも小さくなった場合、前記夫々のスイッチング素子をすべて遮断状態にすることを特徴とする請求項１に記載の系統連系装置。
【請求項３】
前記直流電源と前記コンデンサとの間に、前記直流電源から供給される直流電力を昇圧する昇圧回路を設け、前記昇圧回路の入力電圧を検出する第２電圧センサを備え、
前記直流電源から出力される直流電圧は第２電圧センサの検出する電圧であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の系統連系装置。
【請求項４】
前記夫々のスイッチング素子を動作するに必要な電力を前記商用電力系統から供給することを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れかに記載の系統連系装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１２−２３５５８８（Ｐ２０１２−２３５５８８Ａ）
【公開日】平成２４年１１月２９日（２０１２．１１．２９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１０１５３２（Ｐ２０１１−１０１５３２）
【出願日】平成２３年４月２８日（２０１１．４．２８）
【出願人】（０００００１８８９）三洋電機株式会社 (18,308)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１１月２９日（２０１２．１１．２９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年４月２８日（２０１１．４．２８）
【出願人】（０００００１８８９）三洋電機株式会社 (18,308)
【Ｆターム（参考）】
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