JP5989396B2 - インバータ装置、電力変換装置、及び分散電源システム - Google Patents

Description

本発明は、過電流保護を行うインバータ装置に関する。

従来、直流電力を交流電力に変換するインバータが、太陽光発電システムを始めとする種々の分野に用いられている。また、過電流の発生に対して保護を行うためのインバータの制御技術が従来から種々提案されている（例えば、特許文献１、２を参照）。

過電流の発生に対する保護機能を有するインバータ装置を含む従来のＤＣ／ＡＣ変換システムを図２に示す。従来、３つ以上の複数の電圧レベルを有するパルス電圧波形を生成することにより、直流を交流に電力変換する所謂マルチレベルインバータが種々開発されている。上記マルチレベルインバータにおいて、３つの電圧レベルを有するものを３レベルインバータと称する。図２におけるインバータ装置１５は、この３レベルインバータである。

図２は、分散電源を直流電源とする商用電力系統と連系して交流電力を出力するＤＣ／ＡＣ変換システムを示す。３レベルインバータであるインバータ装置１５では、インバータ回路部１５１と、ＤＳＰ（Digital Signal Processor）１５２を備えている。インバータ回路部１５１は、３レベル変換部１５１Ａと、ＬＣフィルタ部１５１Ｂから成る。３レベル変換部１５１Ａの入力側には、直流電源Ｖｄｃが入力側に接続されたＤＣ／ＤＣコンバータ１０の出力側が接続される。また、ＬＣフィルタ部１５１Ｂの出力側には商用系統３０が接続される。ＤＣ／ＤＣコンバータ１０とインバータ装置１５から電力変換装置が構成される。

３レベル変換部１５１Ａは、平滑コンデンサＣ１及びＣ２と、ＭＯＳＦＥＴから構成されるスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２、Ｑ７及びＱ８と、ＩＧＢＴから構成されるスイッチング素子Ｑ３、Ｑ４、Ｑ５及びＱ６を有している。ＬＣフィルタ部１５１Ｂは、リアクトルＬ１及びＬ２と、出力コンデンサＣ３を有している。

ＤＣ／ＤＣコンバータ１０のプラス出力端子Ｔ１には、ハイサイド側の平滑コンデンサＣ１の一端が接続され、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０のマイナス出力端子Ｔ２には、ローサイド側の平滑コンデンサＣ２の一端が接続され、平滑コンデンサＣ１とＣ２は直列に接続される。

また、プラス出力端子Ｔ１には、スイッチング素子Ｑ１のドレインが接続され、マイナス出力端子Ｔ２には、スイッチング素子Ｑ７のソースが接続され、スイッチング素子Ｑ１のソースとスイッチング素子Ｑ７のドレインが接続される。なお、各スイッチング素子Ｑ１及びＱ７のドレイン・ソース間には逆並列ダイオードが接続される。なお、逆並列ダイオードは、寄生ダイオード（内蔵ダイオード）であってもよいし、外付けで接続されたダイオードであってもよく、以下同様である。

平滑コンデンサＣ１とＣ２の接続点と、スイッチング素子Ｑ１とＱ７の接続点の間には、スイッチング素子Ｑ５とＱ６が逆直列に接続される。各スイッチング素子Ｑ５及びＱ６のコレクタ・エミッタ間には逆並列ダイオードが接続されており、スイッチング素子Ｑ５及びＱ６と逆並列ダイオードから双方向スイッチが構成される。

また、プラス出力端子Ｔ１には、スイッチング素子Ｑ２のドレインが接続され、マイナス出力端子Ｔ２には、スイッチング素子Ｑ８のソースが接続され、スイッチング素子Ｑ２のソースとスイッチング素子Ｑ８のドレインが接続される。なお、各スイッチング素子Ｑ２及びＱ８のドレイン・ソース間には逆並列ダイオードが接続される。

平滑コンデンサＣ１とＣ２の接続点と、スイッチング素子Ｑ２とＱ８の接続点の間には、スイッチング素子Ｑ３とＱ４が逆直列に接続される。各スイッチング素子Ｑ３及びＱ４のコレクタ・エミッタ間には逆並列ダイオードが接続されており、スイッチング素子Ｑ３及びＱ４と逆並列ダイオードから双方向スイッチが構成される。

以上のように、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２、Ｑ７及びＱ８からブリッジ部１５１２が構成され、スイッチング素子Ｑ３〜Ｑ６から双方向部１５１１が構成される。

そして、スイッチング素子Ｑ１とＱ７の接続点がリアクトルＬ１の一端に接続され、スイッチング素子Ｑ２とＱ８の接続点がリアクトルＬ２の一端に接続される。リアクトルＬ１の他端に出力コンデンサＣ３の一端が接続され、リアクトルＬ２の他端に電流検出器２０を介して出力コンデンサＣ３の他端が接続される。

ＤＳＰ１５２は、ドライバ（不図示）を介して制御信号を各スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ８のゲートに送出することにより、各スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ８をオンオフ制御する。また、ＤＳＰ１５２には、電流検出器２０から検出信号が入力される。

ここで、平滑コンデンサＣ１とＣ２の直列接続された組の両端電圧をＶｉｎとすると、平滑コンデンサＣ１とＣ２は容量が同一であるので、平滑コンデンサＣ１とＣ２の接続点の電位は、Ｖｉｎ／２となる。

この場合、スイッチング素子Ｑ１及びＱ８をオンとすることにより、３レベル変換部１５１Ａの出力電圧ＶｏｕｔはＶｉｎとなる。また、スイッチング素子Ｑ６及びＱ８をオンとすることにより、３レベル変換部１５１Ａの出力電圧ＶｏｕｔはＶｉｎ／２となる。また、スイッチング素子Ｑ６及びＱ３をオンとすることにより、３レベル変換部１５１Ａの出力電圧Ｖｏｕｔはゼロとなる。

さらに、スイッチング素子Ｑ２及びＱ７をオンとすることにより、３レベル変換部１５１Ａの出力電圧Ｖｏｕｔは−Ｖｉｎとなる。また、スイッチング素子Ｑ４及びＱ７をオンとすることにより、３レベル変換部１５１Ａの出力電圧Ｖｏｕｔは−Ｖｉｎ／２となる。

このようなスイッチング素子のスイッチングパターンを切り替えることにより、例えば図３に示すように、３つのレベルを有した３レベル変換部１５１Ａの出力電圧Ｖｏｕｔを得ることができる。そして、出力電圧ＶｏｕｔをＬＣフィルタ部１５１Ｂによりフィルタリングすることにより、正弦波状の出力電流Ｉｏｕｔを商用系統３０へ出力することができる。

特開２００３−１５３４３３号公報 特開平９−７４６８５号公報

ＤＳＰ１５２は、インバータ回路部１５１の通常運転中、電流検出器２０からの検出信号を監視している。系統急変などの過渡時に過電流が発生すると、ＤＳＰ１５２は、これを電流検出器２０からの検出信号に基づき検出し、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ８の全てをオフとすべく各スイッチング素子のゲートに制御信号を出力する。これにより、インバータ回路部１５１の運転を停止させ、過電流に対する保護を行う。

例えば、図４に示すように、双方向部１５１１においてスイッチング素子Ｑ６及びＱ３をオンとし、ブリッジ部１５１２においてスイッチング素子Ｑ１及びＱ８をオンとして通常運転を行っている場合、プラス側の入力端子からスイッチング素子Ｑ１、リアクトルＬ１、系統、リアクトルＬ２、スイッチング素子Ｑ８、及びマイナス側の入力端子の順の経路で電流が流れる（図４の実線矢印）。

ここで、ＤＳＰ１５２が過電流の発生を検出すると、図５に示すように、ＤＳＰ１５２によりスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ８の全てがオフにされる。このとき、リアクトルＬ１及びＬ２の作用により、マイナス側の入力端子、スイッチング素子Ｑ７の逆並列ダイオード、リアクトルＬ１、系統、リアクトルＬ２、スイッチング素子Ｑ２の逆並列ダイオード、及びプラス側の入力端子の順の経路で電流が流れる（図５の実線矢印）。即ち、スイッチング素子Ｑ２及びＱ７の逆並列ダイオードへの転流が発生する。

その後、異常状態が解除されたことをＤＳＰ１５２が検出すると、ＤＳＰ１５２は、インバータ回路部１５１に通常運転への復帰をさせるべく、図６に示すように、スイッチング素子Ｑ６及びＱ３をオンとさせ、ブリッジ部１５１２においてスイッチング素子Ｑ１及びＱ８をオンとさせる。すると、図４と同様の経路で電流が流れるが（図６の実線矢印）、それと共に、上述したスイッチング素子Ｑ２及びＱ７の逆並列ダイオードへの転流により当該逆並列ダイオードにリカバリ電流が流れる。これにより、プラス側の入力端子、スイッチング素子Ｑ２の逆並列ダイオード、スイッチング素子Ｑ４の逆並列ダイオード、スイッチング素子Ｑ３、スイッチング素子Ｑ５の逆並列ダイオード、スイッチング素子Ｑ６、スイッチング素子Ｑ７の逆並列ダイオード、及びマイナス側の入力端子の順の経路で電流が流れる（図６の破線矢印）。

従って、リカバリ電流による短絡モードが発生することになり、スイッチング素子及び双方向スイッチの故障の原因となってしまう。

上記問題点に鑑み、本発明は、インバータ回路部が運転停止状態から復帰する際に、スイッチング素子及び双方向スイッチの故障を抑制することができるインバータ装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために本発明のインバータ装置は、
直列接続されるハイサイド側の第１スイッチング素子及びローサイド側の第２スイッチング素子と、第１スイッチング素子と第２スイッチング素子の接続点に一端が接続される第１双方向スイッチと、第１スイッチング素子と第２スイッチング素子の接続点に一端が接続される第１リアクトルと、直列接続されるハイサイド側の第３スイッチング素子及びローサイド側の第４スイッチング素子と、第３スイッチング素子と第４スイッチング素子の接続点に一端が接続されて他端が第１双方向スイッチの他端に接続される第２双方向スイッチと、第３スイッチング素子と第４スイッチング素子の接続点に一端が接続される第２リアクトルと、を有したインバータ回路部と、
前記インバータ回路部の通常運転中に過電流が検出されて運転停止へ移行させるときに、第１〜第４スイッチング素子をオフにさせると共に、第１双方向スイッチ及び第２双方向スイッチをオンにさせるスイッチング制御部と、
を備える構成とする。

このような構成によれば、インバータ回路部の通常運転中に過電流が発生した場合に、第１〜第４スイッチング素子がオフとされるので、過電流を抑制できる。且つ、第１双方向スイッチ及び第２双方向スイッチがオンとされるので、第１リアクトル及び第２リアクトルの作用により、第１双方向スイッチ及び第２双方向スイッチを介して第１リアクトル及び第２リアクトルを電流が還流する。これにより、第１〜第４スイッチング素子に接続された逆並列ダイオードに電流が転流することを抑制できる。従って、通常運転に復帰した場合でも、スイッチング素子にリカバリ電流が流れることを抑制し、短絡モードの発生を抑制できる。よって、スイッチング素子及び双方スイッチの故障を抑制できる。

また、上記構成において、第１〜第４スイッチング素子をオフにさせると共に、第１双方向スイッチ及び第２双方向スイッチをオンにさせる制御を行った後、過電流が継続している場合、前記スイッチング制御部は、第１〜第４スイッチング素子をオフにさせると共に、第１双方向スイッチ及び第２双方向スイッチをオフにさせる構成としてもよい。このような構成によれば、より確実に過電流を抑制できる。

また、本発明の電力変換装置は、上記いずれかの構成のインバータ装置と、当該インバータ装置の前段側に接続されるＤＣ／ＤＣコンバータと、を備える。

また、本発明の分散電源システムは、上記電力変換装置と、当該電力変換装置が有するＤＣ／ＤＣコンバータの前段側に接続される太陽電池、燃料電池、または蓄電池を備える。

本発明によると、インバータ回路部が運転停止状態から復帰する際に、スイッチング素子及び双方向スイッチの故障を抑制することができる。

本発明の一実施形態に係るインバータ回路部における運転停止時のスイッチング制御を示す図である。 ＤＣ／ＡＣ変換システムの従来例の構成を示す図である。 ３レベル変換部の出力電圧波形とインバータ回路部の出力電流波形の一例を示す図である。 従来のインバータ回路部における通常運転時のスイッチング制御を示す図である。 従来のインバータ回路部における運転停止時のスイッチング制御を示す図である。 従来のインバータ回路部における運転停止からの復帰時のスイッチング制御を示す図である。

以下に本発明の一実施形態について図面を参照して説明する。本発明の実施形態に係るＤＣ／ＡＣ変換システムの構成は、上述した図２の構成と同様であるので、ここでは詳述を省く。

ここで、上述した図４に示すように、双方向部１５１１においてスイッチング素子Ｑ６及びＱ３をオンとし、ブリッジ部１５１２においてスイッチング素子Ｑ１及びＱ８をオンとし、インバータ回路部１５１が通常運転を行っているとする。この場合、プラス側の入力端子からスイッチング素子Ｑ１、リアクトルＬ１、系統、リアクトルＬ２、スイッチング素子Ｑ８、及びマイナス側の入力端子の順の経路で電流が流れる（図４の実線矢印）。

そして、ＤＳＰ１５２が過電流の発生を電流検出器２０からの検出信号に基づき検出すると、ＤＳＰ１５２により、ブリッジ部１５１２におけるスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２、Ｑ７及びＱ８はオフに制御されるが、双方向部１５１１におけるスイッチング素子Ｑ６及びＱ３はオンに制御されてスイッチング素子Ｑ５及びＱ４はオフに制御される。

上記のようにブリッジ部１５１２におけるスイッチング素子をオフとすることにより、過電流を抑制することができる。且つ、リアクトルＬ１及びＬ２の作用により、系統、リアクトルＬ２、スイッチング素子Ｑ４の逆並列ダイオード、スイッチング素子Ｑ３、スイッチング素子Ｑ５の逆並列ダイオード、スイッチング素子Ｑ６、及びリアクトルＬ１の順の経路で電流が還流する（図１の実線矢印）。即ち、双方向部１５１１における双方向スイッチを介してリアクトルＬ１及びＬ２を電流が還流するので、ブリッジ部１５１２におけるスイッチング素子の逆並列ダイオードに電流が転流することを抑制できる。

この後、異常状態が解除されたことＤＳＰ１５２が検出すると、ＤＳＰ１５２は、インバータ回路部１５１に通常運転への復帰をさせるべく、図４に示すように、スイッチング素子Ｑ６及びＱ３をオンとさせ、ブリッジ部１５１２においてスイッチング素子Ｑ１及びＱ８をオンとさせる。このとき、ブリッジ部１５１２におけるスイッチング素子の逆並列ダイオードへの電流の転流が発生していないので、リカバリ電流が発生せず、図６の破線矢印に示すような短絡モードが発生することを抑制できる。従って、スイッチング素子の故障を抑制できる。

また、上記とは逆位相の組み合わせ動作においても制御方法は同一である。即ち、双方向部１５１１のスイッチング素子Ｑ４及びＱ５をオンとし、スイッチング素子Ｑ２及びＱ７がＰＷＭスイッチング動作している場合である。この場合、出力過電流が発生したことを検出すれば、ブリッジ部１５１２のスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２、Ｑ７及びＱ８はオフに制御し、双方向部１５１１におけるスイッチング素子Ｑ４及びＱ５をオンに制御して、スイッチング素子Ｑ３及びＱ６はオフに制御すれば、先述の内容と同様にブリッジ部１５１２のスイッチング素子の逆並列ダイオードに電流が流れないため、過電流状態が解除された後、当該スイッチング素子の逆並列ダイオードによるリカバリ電流は発生しない。

また、図１に示すような双方向部１５１１の一部のスイッチング素子をオンとする制御を開始してから、例えば一定時間経過しても過電流が継続していることをＤＳＰ１５２が検出すると、ＤＳＰ１５２によりブリッジ部１５１２に加えて双方向部１５１１における全てのスイッチング素子をオフにさせる。これにより、過電流をより確実に抑制できる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明の趣旨の範囲内であれば、実施形態は種々変形が可能である。

例えば、インバータ回路部における双方向スイッチとしては、２つのスイッチング素子が逆並列に接続されて１つの素子として構成されるものを用いてもよい。

また、上記実施形態では分散電源システムにおける系統連系を目的とした電圧形電流制御方式のインバータ装置としたが、独立して交流出力することが可能な電圧形電圧制御によっても同じで、インバータ制御方法に関わらず本発明の効果は同一である。また、直流電源Ｖｄｃは太陽電池以外に、蓄電池、燃料電池などの直流電源であってもよい。

１０ ＤＣ／ＤＣコンバータ
１５ インバータ装置
１５１ インバータ回路部
１５１Ａ ３レベル変換部
１５１Ｂ ＬＣフィルタ部
１５１１ 双方向部
１５１２ ブリッジ部
１５２ ＤＳＰ（Digital Signal Processor）
２０ 電流検出器
３０ 商用系統
Ｔ１ プラス出力端子
Ｔ２ マイナス出力端子
Ｃ１、Ｃ２ 平滑コンデンサ
Ｑ１〜Ｑ８ スイッチング素子
Ｌ１、Ｌ２ リアクトル
Ｃ３ 出力コンデンサ
Ｖｄｃ 直流電源

Claims (6)

1. 直列接続されるハイサイド側の第１スイッチング素子及びローサイド側の第２スイッチング素子と、第１スイッチング素子と第２スイッチング素子の接続点に一端が接続される第１双方向スイッチと、第１スイッチング素子と第２スイッチング素子の接続点に一端が接続される第１リアクトルと、直列接続されるハイサイド側の第３スイッチング素子及びローサイド側の第４スイッチング素子と、第３スイッチング素子と第４スイッチング素子の接続点に一端が接続されて他端が第１双方向スイッチの他端に接続される第２双方向スイッチと、第３スイッチング素子と第４スイッチング素子の接続点に一端が接続される第２リアクトルと、を有したインバータ回路部と、
   前記インバータ回路部の通常運転中に過電流が検出されて運転停止へ移行させるときに、第１〜第４スイッチング素子をオフにさせると共に、第１リアクトル、第２リアクトル、第１双方向スイッチ、及び第２方向スイッチを経由する電流の還流が生じるように第１双方向スイッチ及び第２双方向スイッチをオンにさせるスイッチング制御部と、
   を備えることを特徴とするインバータ装置。
2. 第１〜第４スイッチング素子をオフにさせると共に、第１双方向スイッチ及び第２双方向スイッチをオンにさせる制御を行った後、過電流が継続している場合、前記スイッチング制御部は、第１〜第４スイッチング素子をオフにさせると共に、第１双方向スイッチ及び第２双方向スイッチをオフにさ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。
3. 請求項１または請求項２に記載のインバータ装置と、当該インバータ装置の前段側に接続されるＤＣ／ＤＣコンバータと、を備えることを特徴とする電力変換装置。
4. 請求項３に記載の電力変換装置と、当該電力変換装置が有するＤＣ／ＤＣコンバータの前段側に接続される太陽電池と、を備えることを特徴とする分散電源システム。
5. 請求項３に記載の電力変換装置と、当該電力変換装置が有するＤＣ／ＤＣコンバータの前段側に接続される燃料電池と、を備えることを特徴とする分散電源システム。
6. 請求項３に記載の電力変換装置と、当該電力変換装置が有するＤＣ／ＤＣコンバータの前段側に接続される蓄電池と、を備えることを特徴とする分散電源システム。

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