JP2015104286A - Inverter - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、インバータに関するものであり、より詳細には、本発明は、太陽光発電などによる電力を系統連系するパワーコンディショナに用いられるインバータに関するものである。 The present invention relates to an inverter, and more specifically, the present invention relates to an inverter used in a power conditioner that interconnects electric power generated by solar power generation or the like.
従来、太陽光発電および蓄電池などに用いるパワーコンディショナとして、商用電力系統に連系して運転することにより、AC100Vを出力するものがある。また、停電時などにおいても、独立電源として自立運転することにより、家電製品等の負荷に電力を供給可能なパワーコンディショナもある。さらに、停電時にAC100V/200Vを単相3線式で出力し、家庭内の単相3線式の配線に接続することで、100Vまたは200Vの負荷機器を動作可能なパワーコンディショナもある。 Conventionally, as a power conditioner used for photovoltaic power generation, a storage battery, and the like, there is one that outputs 100 VAC by operating in conjunction with a commercial power system. In addition, there is a power conditioner that can supply electric power to a load such as a home appliance by performing independent operation as an independent power source even during a power failure. Furthermore, there is also a power conditioner that can operate a 100V or 200V load device by outputting AC100V / 200V in a single-phase three-wire system during a power failure and connecting it to a single-phase three-wire wiring in the home.
このようなパワーコンディショナにおいて、単相3線出力のインバータを備え、自立運転時であっても、連系運転時と同様に太陽電池が発電し得る電力を有効利用する技術が提案されている(例えば特許文献1参照)。 In such a power conditioner, a technology has been proposed that includes an inverter with a single-phase three-wire output and that effectively uses the power that can be generated by the solar cell even during the independent operation, as in the case of the interconnected operation. (For example, refer to Patent Document 1).
上記特許文献1に記載のパワーコンディショナが備えるインバータは、それぞれが一対のスイッチング素子からなる3つのアーム(N相用アーム、U相用アーム、およびV相用アーム)を含んで構成されている。そして、各アームには、それぞれ、出力フィルタとしてACリアクトルが接続されている。これら3つのACリアクトルのうち2つは連系運転時に使用するものと共用することができるが、残り1つは自立運転時のみのため別途用意する必要がある。ACリアクトルは、高調波を抑制したり、ノイズを除去したりする役割を有する。リアクトルに必要なインダクタンスは、スイッチング素子の電流リプルによって決定される。 The inverter included in the power conditioner described in Patent Document 1 includes three arms (an N-phase arm, a U-phase arm, and a V-phase arm) each composed of a pair of switching elements. . Each arm is connected to an AC reactor as an output filter. Of these three AC reactors, two can be shared with those used during interconnected operation, but the remaining one needs to be prepared separately only for autonomous operation. The AC reactor has a role of suppressing harmonics and removing noise. The inductance required for the reactor is determined by the current ripple of the switching element.
このような構成において、リアクトルを高インダクタンスかつ低損失にすると、リアクトルのサイズが大型化し、さらに高価となる傾向にある。また、リアクトルは、他の構成部品と比べて、大型で重く、コストも高額になるのが一般的である。 In such a configuration, when the reactor has high inductance and low loss, the size of the reactor tends to increase and the cost tends to increase. Moreover, the reactor is generally large and heavy, and the cost is high compared to other components.
したがって、本発明の目的は、小型で安価なインバータを提供することにある。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a small and inexpensive inverter.
上記目的を達成する第1の観点に係るインバータの発明は、
第1の電圧生成用スイッチング素子による第1のアームと、
第2の電圧生成用スイッチング素子による第2のアームと、
前記第1の電圧および前記第2の電圧の中間電圧生成用スイッチング素子による第3のアームと、を備え、
前記第1のアームおよび前記第2のアームのスイッチング素子を駆動させて単相2線出力が可能であり、さらに前記第3のアームのスイッチング素子を駆動させて単相3線出力が可能であるインバータであって、
前記第3のアームの出力端に接続されるリアクトルのインダクタンスを、前記第1のアームの出力端および前記第2のアームの出力端にそれぞれ接続されるリアクトルのインダクタンスよりも小さくすることを特徴とする。
The invention of the inverter according to the first aspect to achieve the above object is as follows:
A first arm by a first voltage generating switching element;
A second arm by a second voltage generating switching element;
A third arm by a switching element for generating an intermediate voltage between the first voltage and the second voltage,
Single-phase two-wire output is possible by driving the switching elements of the first arm and the second arm, and single-phase three-wire output is possible by driving the switching element of the third arm. An inverter,
The inductance of the reactor connected to the output end of the third arm is made smaller than the inductance of the reactor connected to the output end of the first arm and the output end of the second arm, respectively. To do.
また、前記第3のアームのスイッチング素子のスイッチング周波数を、前記第1のアームおよび前記第2のアームそれぞれのスイッチング素子のスイッチング周波数よりも高くしてもよい。 The switching frequency of the switching element of the third arm may be higher than the switching frequency of the switching element of each of the first arm and the second arm.
また、前記第3のアームのスイッチング素子のスイッチング周波数を、前記第3のアームの出力端に接続されるリアクトルのインダクタンスと、前記第1のアームの出力端および前記第2のアームの出力端にそれぞれ接続されるリアクトルのインダクタンスとの比に基づいて決定してもよい。 The switching frequency of the switching element of the third arm is set to the inductance of the reactor connected to the output end of the third arm, the output end of the first arm, and the output end of the second arm. You may determine based on ratio with the inductance of each connected reactor.
また、本発明は、上述のようなインバータを備えるパワーコンディショナとしてもよい。 Moreover, this invention is good also as a power conditioner provided with the above inverters.
本発明によれば、小型で安価なインバータを提供することができる。 According to the present invention, a small and inexpensive inverter can be provided.
以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1は、本発明の一実施形態に係るインバータを含む構成を概略的に示す図である。 FIG. 1 is a diagram schematically showing a configuration including an inverter according to an embodiment of the present invention.
図1に示すように、本発明の実施形態に係るインバータ1は、スイッチング素子11および12による第1のアーム21と、スイッチング素子13および14による第2のアーム22と、スイッチング素子15および16による第3のアーム23とを備えている。さらに、インバータ1は、制御部30、コンデンサ40、およびリアクトル51〜53も備えている。以下の説明において、従来よく知られている要素および機能部については、適宜、説明を簡略化または省略する。
As shown in FIG. 1, the inverter 1 according to the embodiment of the present invention includes a
図1に示すように、本実施形態に係るインバータ1は、第1の電圧を生成する第1のアーム21と、第2の電圧を生成する第2のアーム22と、第1の電圧および第2の電圧の中間電圧を生成する第3のアーム23と、を備えている。第1のアーム21は、互いに直列接続された一対のスイッチング素子11,12を備えている。第2のアーム22は、互いに直列接続された一対のスイッチング素子13,14を備えている。第3のアーム23は、互いに直列接続された一対のスイッチング素子15,16を備えている。これらの各スイッチング素子11〜16は、制御部30からの制御信号により駆動される。このインバータ1は、中性相生成用のスイッチング素子15,16を備えた単相3線出力用のインバータとして機能する。
As shown in FIG. 1, the inverter 1 according to this embodiment includes a
第1のアーム21、第2のアーム22、および第3のアーム23の出力端には、それぞれ、リアクトル51、52、および53が接続される。これらのリアクトル51〜53は、後述するインダクタンスを有するACリアクトルを使用する。
図1に示すように、第1のアーム21、第2のアーム22、および第3のアーム23は、それぞれが並列に接続される。さらに、インバータ1は、充電池60の出力端子に並列接続されるコンデンサ40も備えている。図1に示すように、コンデンサ40および充電池60は、第1のアーム21、第2のアーム22、および第3のアーム23に並列接続される。図1においては、コンバータ1に充電池60を接続した構成を示しているが、この充電池60は、例えば太陽電池などの他の分散電源または電力機器などとすることもできる。
As shown in FIG. 1, the
制御部30は、スイッチング素子11,12を駆動するU相駆動回路、スイッチング素子13,14を駆動するW相駆動回路、およびスイッチング素子15,16を駆動するO相駆動回路を含んで構成される。これらの駆動回路は、後述するスイッチング周波数により各スイッチング素子を駆動する。この時、制御部30が各スイッチング素子11〜16に入力する制御信号は、例えばPWM(Pulse Width Modulation:パルス幅変調)信号とすることができる。以下、第1のアーム21をU相生成用アームとして、第2のアーム22をW相生成用アームとして、第3のアーム23をO相生成用アームとして説明する。したがって、インバータ1は、図1に示すように、出力端71からU相を、出力端72からW相を、出力端73からO相を出力する。
図1に示すように、出力端71と73との間には負荷81が接続され、出力端73と72との間には負荷82が接続される。また、これらの出力端71、72、および73は、系統と連系して運転するために、商用電力系統にも接続されるが、図1においては商用電力系統の図示は省略してある。
As shown in FIG. 1, a
本実施形態において、制御部30は、連系運転時には、第3のアーム23のスイッチング素子15,16を停止させ、第1および第2のアーム21および22のスイッチング素子11,12および13,14を駆動する。これにより、インバータ1は、単相2線式のインバータとして動作し、第1のアーム21および第2のアーム22から、商用電力系統に連系する負荷81,82に電力供給を行う。このように、インバータ1は、第1のアーム21および第2のアーム22のスイッチング素子11,12および13,14を駆動させて、単相2線出力が可能である。
In the present embodiment, the
また、制御部30は、自立運転時には、第1および第2のアーム21および22と、さらに第3のアーム23のスイッチング素子15,16とを駆動する。これにより、インバータ1は、単相3線式のインバータとして動作し、第3のアーム23と、第1および第2のアーム21および22との各間に接続される負荷81,82に電力供給を行う。このように、インバータ1は、第1のアーム21および第2のアーム22のスイッチング素子11,12および13,14、ならびに第3のアーム23のスイッチング素子15,16を駆動させて、単相3線出力が可能である。
In addition, the
本実施形態において、リアクトル51〜53は、制御部30から供給されるPWM信号により駆動されるスイッチング素子11〜16がスイッチングを行う際の波形のノイズを吸収するフィルタとして機能する。ここで、リアクトルは、一般的に、インダクタンスを大きくするにつれてノイズを吸収する能力も高くすることができる。しかしながら、リアクトルのインダクタンスを大きくすると、リアクトルのサイズも大きくなり、構成部品のコストも高額になる傾向にある。また、リアクトルのサイズが大きくなるということは、インバータ1においてリアクトルを設置するスペースもそれだけ必要になる。
In the present embodiment, the
上述のように、第3のアーム23は、通常の連系運転時には動作せずに、例えば停電のような非常時の自立運転時にのみ動作を行う。したがって、第3のアーム23に接続されたリアクトル53も、通常の連系運転時には動作せずに、非常時の自立運転時にのみ動作を行うことになり、使用頻度は比較的低い。そこで、本実施形態では、インバータ1は、第3のアーム23の出力端に接続されるリアクトル53のインダクタンスを、第1のアーム21の出力端および第2のアーム22の出力端にそれぞれ接続されるリアクトル51,52のインダクタンスよりも小さくする。例えば、図1において、リアクトル51およびリアクトル52のインダクタンスは500μHとする場合、リアクトル53のインダクタンスを500μHではなく250μHとする等の構成にすることができる。リアクトル53のインダクタンスを小さくすることで、リアクトル53を比較的小型で安価に構成することができる。
As described above, the
このように、本実施形態に係るインバータ1は、従来のインバータに比べ、自立運転時にのみ用いるリアクトルを小型化かつ低コスト化することができる。また、リアクトルを小型化することで、インバータ1においてリアクトル53を設置するスペースも小さくすることができるため、インバータ1そのものの大きさも小型化することができる。
Thus, the inverter 1 according to the present embodiment can reduce the size and cost of the reactor used only during the self-sustained operation, as compared with the conventional inverter. Moreover, since the space for installing the
ところで、上述したように、リアクトルは、インダクタンスを大きくするにつれてノイズを吸収する能力も高まる傾向にある。このため、リアクトル53のインダクタンスを小さくすると、第3のアーム23によるスイッチングのノイズを吸収する能力も多少低下してしまう。しかしながら、第3のアーム23のスイッチング素子15,16を駆動する自立運転時には、負荷81および82のバランスを取ることにより、第3のアーム23から中性線に流れる電流(すなわちリアクトル53に流れる電流)を僅少にすることができる。したがって、リアクトル53のインダクタンスを小さくすることにより、第3のアーム23によるスイッチングのノイズを吸収する能力がある程度低下したとしても、このようにしてインバータ1全体としての効率に対する影響を抑えることができる。
By the way, as described above, the reactor tends to increase the ability to absorb noise as the inductance is increased. For this reason, when the inductance of the
次に、上述のようにリアクトル53のインダクタンスを小さくしたとしても、第3のアーム23のスイッチング素子15,16が行うスイッチングによるノイズの影響が大きくならないようにする構成について説明する。
Next, a configuration will be described in which even if the inductance of the
各アーム21〜23を構成するスイッチング素子11〜16は、スイッチング周波数を高くすると、単位時間におけるスイッチングの回数が増大するため、スイッチング1回当たりのピークは小さくなる。すなわち、スイッチング素子のスイッチング周波数を高くすることにより、当該スイッチング素子によるアームからの出力のピークが小さくなるため、ノイズを小さくすることができる。例えば、スイッチング素子11,12および13,14のスイッチング周波数を20kHzとする場合、スイッチング素子15,16のスイッチング周波数を、20kHzではなく40kHzとする等の構成にすることができる。このように、第3のアーム23のスイッチング素子15,16のスイッチング周波数を比較的高く設定することで、上述のようにリアクトル53のインダクタンスを、リアクトル51および52のインダクタンスよりも小さくすることができる。
When the switching frequency of the switching elements 11 to 16 constituting each of the
ここで、第3のアーム23以外に、第1および第2のアーム21および22のスイッチング素子11,12および13,14も、スイッチング周波数を高くすることで、リアクトル51および52のインダクタンスも小さくすることができるようにも思われる。しかしながら、一般に、スイッチングにおいては、スイッチング1回ごとにスイッチングロスが発生する。このため、スイッチングの回数を増やすと、それだけロスが多く発生することになり、効率が悪くなってしまう。したがって、第1および第2のアーム21および22のスイッチング素子11,12および13,14のように、通常の連系運転時に用いるような使用頻度の高いスイッチング素子は、スイッチング周波数を高くしないようにするのが望ましい。
Here, in addition to the
このように、本実施形態では、第3のアーム23のスイッチング素子15,16のスイッチング周波数を、第1のアーム21および第2のアーム22それぞれのスイッチング素子11,12および13,14のスイッチング周波数よりも高くするのが好適である。
Thus, in this embodiment, the switching frequency of the switching
また、本実施形態において、第3のアーム23について、スイッチング素子15,16のスイッチング周波数を高くする度合いと、リアクトル53のインダクタンスを低減する度合いとの間の相関関係は、種々の条件に基づいて設定することができる。例えば、第3のアーム23について、リアクトル53のインダクタンスを1/2にする場合に、スイッチング素子15,16のスイッチング周波数を2倍にする、等とすることができる。このような相関関係は、他の構成要素および周辺回路等との関連も考慮した上で定めるのが好適である。一般的な傾向としては、スイッチング素子15,16のスイッチング周波数を高くするに従って、リアクトル53のインダクタンスを低くすることができると想定される。したがって、スイッチング素子15,16のスイッチング周波数は、リアクトル53のインダクタンスを、リアクトル51および52のインダクタンスと比べてどの程度小さくするか(例えばインダクタンスの比率)に従って、決定することができる。
In the present embodiment, for the
このように、本実施形態では、第3のアーム23のスイッチング素子15,16のスイッチング周波数を、リアクトル53のインダクタンスと、リアクトル51および52のインダクタンスとの比に基づいて決定してもよい。
Thus, in the present embodiment, the switching frequency of the switching
以上説明したように、本実施形態においては、自立運転時に3アーム構成のスイッチング素子を用いて単相3線出力を行うインバータにおいて、中性線に接続されるリアクトルのインダクタンスを、連系運転時に使用するU相およびW相のリアクトルのインダクタンスよりも小さくする。このような構成により、本実施形態によれば、3アームのインバータにおいて出力フィルタとして各アームに必要な3つのリアクトルのうち、使用頻度の少ない自立運転時のみに使用するリアクトルを小型化できる。高インダクタンスかつ低損失のリアクトルは大型化することが多く、一般にリアクトルは他の構成部品と比べてサイズが大きく、重量があり、さらにコストも高額になりがちである。本実施形態によれば、このようなリアクトルを使用する個数を低減して、インバータを小型化するとともに、コストを低減することができる。 As described above, in the present embodiment, in the inverter that performs single-phase three-wire output using a switching element having a three-arm configuration during the self-sustaining operation, the inductance of the reactor connected to the neutral wire is reduced during the interconnection operation. The inductance is made smaller than the inductance of the U-phase and W-phase reactors used. With such a configuration, according to the present embodiment, out of the three reactors necessary for each arm as an output filter in the three-arm inverter, the reactor used only during the self-sustained operation that is less frequently used can be downsized. High-inductance and low-loss reactors are often increased in size, and in general, reactors tend to be larger and heavier than other components, and more expensive. According to the present embodiment, it is possible to reduce the number of such reactors used, reduce the size of the inverter, and reduce the cost.
また、本実施形態においては、自立運転時のみに用いるアームのスイッチング周波数を他の2つのアームより高くすることによって、リアクトルを小型なものを用いてもよい。この場合、中性線の電圧を生成するアームのスイッチング周波数を、他の2相のものより高くする。これにより、本実施形態によれば、小型で安価な電力制御装置が実現可能となる。 Moreover, in this embodiment, you may use a small reactor by making the switching frequency of the arm used only at the time of self-sustained operation higher than other two arms. In this case, the switching frequency of the arm that generates the neutral line voltage is set higher than that of the other two phases. Thus, according to the present embodiment, a small and inexpensive power control device can be realized.
本発明を諸図面および実施例に基づき説明してきたが、当業者であれば本開示に基づき種々の変形および修正を行うことが容易であることに注意されたい。したがって、これらの変形および修正は本発明の範囲に含まれることに留意されたい。例えば、各機能部、各手段、各ステップなどに含まれる機能などは論理的に矛盾しないように再配置可能であり、複数の機能部およびステップなどを1つに組み合わせたり、或いは分割したりすることが可能である。また、上述した本発明の各実施形態は、それぞれ説明した各実施形態に忠実に実施することに限定されるものではなく、適宜、各特徴を組み合わせて実施することもできる。 Although the present invention has been described based on the drawings and examples, it should be noted that those skilled in the art can easily make various variations and modifications based on the present disclosure. Therefore, it should be noted that these variations and modifications are included in the scope of the present invention. For example, the functions included in each functional unit, each means, each step, etc. can be rearranged so that there is no logical contradiction, and a plurality of functional units, steps, etc. are combined or divided into one. It is possible. Further, each of the above-described embodiments of the present invention is not limited to being performed faithfully to each of the embodiments described above, and can be implemented by appropriately combining each feature.
また、本発明は、上述した本実施形態に係るインバータ1を備えるパワーコンディショナとして実現することもできる。また、上述した実施形態は、インバータの発明として説明したが、本発明は、インバータ1による電力制御方法とすることもできる。 Moreover, this invention can also be implement | achieved as a power conditioner provided with the inverter 1 which concerns on this embodiment mentioned above. Moreover, although embodiment mentioned above was demonstrated as invention of an inverter, this invention can also be set as the electric power control method by the inverter 1. FIG.
1 インバータ
11,12 第1の電圧生成用スイッチング素子
13,14 第2の電圧生成用スイッチング素子
15,16 中間電圧生成用スイッチング素子
21 第1のアーム
22 第2のアーム
23 第3のアーム
30 制御部
40 コンデンサ
51,52,53 リアクトル
60 充電池
71 U相出力端
72 W相出力端
73 O相出力端
81,82 負荷
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Inverter 11, 12 1st voltage
Claims (4)
第2の電圧生成用スイッチング素子による第2のアームと、
前記第1の電圧および前記第2の電圧の中間電圧生成用スイッチング素子による第3のアームと、を備え、
前記第1のアームおよび前記第2のアームのスイッチング素子を駆動させて単相2線出力が可能であり、さらに前記第3のアームのスイッチング素子を駆動させて単相3線出力が可能であるインバータであって、
前記第3のアームの出力端に接続されるリアクトルのインダクタンスを、前記第1のアームの出力端および前記第2のアームの出力端にそれぞれ接続されるリアクトルのインダクタンスよりも小さくすることを特徴とする、インバータ。 A first arm by a first voltage generating switching element;
A second arm by a second voltage generating switching element;
A third arm by a switching element for generating an intermediate voltage between the first voltage and the second voltage,
Single-phase two-wire output is possible by driving the switching elements of the first arm and the second arm, and single-phase three-wire output is possible by driving the switching element of the third arm. An inverter,
The inductance of the reactor connected to the output end of the third arm is made smaller than the inductance of the reactor connected to the output end of the first arm and the output end of the second arm, respectively. An inverter.
A power conditioner comprising the inverter according to claim 1.
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