JP4200244B2

JP4200244B2 - Grid-connected inverter device

Info

Publication number: JP4200244B2
Application number: JP31871998A
Authority: JP
Inventors: 眞一郎住吉; 隆昭奥出; 潔井▲崎▼; 正治大橋; 匡史貞平; 謙次伊藤; 武年佐藤; 武北泉; 英樹大森
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1998-11-10
Filing date: 1998-11-10
Publication date: 2008-12-24
Anticipated expiration: 2018-11-10
Also published as: JP2000152661A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、太陽電池、燃料電池などの直流電力を系統に連系し、交流電力に変換して供給する系統連系インバータ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
以下、従来の系統連系インバータ装置について図面を参照しながら説明する。図９は従来の系統連系インバータ装置の構成を示す回路図である。図９において、系統連系インバータ装置は、直流の入力電源１からの入力電圧Ｖ_inを系統２の交流の系統電圧Ｖ_ACより高い直流電圧に昇圧する昇圧コンバータ３、昇圧された直流電圧を平滑してリップルの少ない安定な直流電圧を出力する中間段コンデンサ４、中間段コンデンサ４の直流電圧、すなわち中間段電圧Ｖ_Mを正弦波の交流電圧に波形成形するインバータ５、およびインバータ５の出力から高周波ノイズを除去するフィルタ６から構成され、系統２に交流電力を供給している。昇圧コンバータ３は、入力電源１からの入力電圧Ｖ_inを平滑する平滑コンデンサ３ａ、エネルギー蓄積用の直流リアクトル３ｂ、昇圧用スイッチング素子３ｃ、および昇圧用ダイオード３ｄで構成され、また、インバータ５は、４個のスイッチング素子Ｑ1〜Ｑ4を使用したフルブリッジ構成となっている。
【０００３】
上記構成における動作について説明する。入力電源１からの入力電圧Ｖ_inは、大容量の電解コンデンサである平滑コンデンサ３ａで平滑されるので、昇圧コンバータ３の入力は低リップル化されている。たとえば、入力電源１として太陽電池を用いた場合、太陽電池の定格出力はＤＣ２００Ｖ程度であり、系統電圧Ｖ_ACがＡＣ２００Ｖであればそのピーク電圧は２８３Ｖに達するため、系統２に電力を出力するためには入力電圧Ｖ_inを昇圧する必要がある。仮に４ｋＷ程度の電力を出力しようとすると、通常、ＤＣ３５０Ｖ程度まで昇圧する必要がある。
【０００４】
そこで、昇圧用スイッチング素子３ｃをオンとして直流リアクトル３ｂにエネルギーを蓄積し、昇圧用スイッチング素子３ｃをオフとしたときに直流リアクトル３ｂに蓄積したエネルギーを昇圧用ダイオード３ｄを介して中間段コンデンサ４に中間段電圧Ｖ_Mとして蓄える。
【０００５】
以上の動作を高周波数で繰り返すことによりインバータ５の入力電圧、すなわち中間段電圧Ｖ_Mが一定に維持される。ただし、このとき系統電圧Ｖ_ACの１周期において昇圧用スイッチング素子３ｃの導通比は一定としている。また、昇圧コンバータ３の出力は、数千μＦの大容量の電解コンデンサである中間段コンデンサ４で平滑されるため、インバータ５の入力電圧、すなわち中間段電圧Ｖ_Mの変動は負荷の変化に対して安定である。
【０００６】
図１０はインバータ５の動作を示す波形図である。図において、（ａ）は系統電圧Ｖ_AC、（ｂ）はインバータ５におけるスイッチング素子Ｑ1 を駆動するゲート信号、（ｃ）はスイッチング素子Ｑ2 のゲート信号、（ｄ）はスイッチング素子Ｑ3 のゲート信号、（ｅ）はスイッチング素子Ｑ4 のゲート信号を示す。図１０に示したように、スイッチング素子Ｑ1〜Ｑ4のうち、スイッチング素子Ｑ1 とスイッチング素子Ｑ4 とを同時に、またはスイッチング素子Ｑ2 とスイッチング素子Ｑ3 とを同時にオンとするスイッチングを高周波数で行い、系統２への出力電流Ｉoを正弦波にするようにそれぞれのオン時間がＰＷＭ制御される。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
このような従来の系統連系インバータ装置では、入力電源１からの直流の入力電力を系統２に連系して力率１で運転するために、昇圧コンバータ３とインバータ５とを、いずれも系統電圧Ｖ_ACの全周期において高周波スイッチングを行っているため、スイッチング素子Ｑ1〜Ｑ4の損失が大きく、しかも昇圧コンバータ３の入力電圧Ｖ_inが系統電圧Ｖ_ACより低い期間でも系統電圧Ｖ_ACのピーク電圧（ＡＣ２００Ｖに対してピーク電圧は２８３Ｖ）よりも高いＤＣ３５０Ｖ程度まで昇圧したのちインバータ５によりＤＣ３５０Ｖからゼロまで絞るため、機器の総合効率を向上させるのが困難であった。
【０００８】
また、数千μＦもの大容量の平滑コンデンサ３ａと中間段コンデンサ４とを２箇所に備えるとともに、前記スイッチング損失が大きいことにより、インバータ５のスイッチング素子Ｑ1〜Ｑ4を冷却するヒートシンクの形状も大きくなり、機器全体の小型化、および安価な構成が困難であると言った問題を有している。
【０００９】
また、系統電圧Ｖ_ACの谷間ではインバータ５の入力電圧と出力電圧との差が大きくなることにより、小さい出力電流を正弦波で取り出す場合には電力を絞り切れないことにより、たとえば、太陽光発電では日照量が低下する早朝や夕暮れにおいては、出力することができなくなると言う問題も有している。
【００１０】
本発明は上記の課題を解決するもので、昇圧コンバータ３における無駄な動作を排除することにより、効率を向上させるとともにスイッチング損失を低減し、かつ小出力も低歪で供給できるとともに小型化および軽量化も実現できる系統連系インバータ装置を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係わる本発明は、直流リアクトルと昇圧用スイッチング素子と昇圧用ダイオードとを備えて直流の入力電源からの入力電圧を前記昇圧用スイッチング素子の高周波スイッチングにより昇圧して直流の中間段電圧を出力する昇圧コンバータと、前記中間段電圧における高周波成分を除去する中間段コンデンサと、フルブリッジに構成された４個のスイッチング素子のスイッチングにより前記中間段電圧から正弦波の交流電流を出力するインバータと、前記交流電流における高周波成分を除去し、出力電流として交流の系統に出力するフィルタとを備え、前記入力電源から入力した直流電力を交流電力に変換して前記系統に出力する系統連系インバータ装置において、前記中間段コンデンサは数百μＦ以下の容量を有するフィルムコンデンサとし、前記昇圧コンバータは、前記中間段電圧が系統電圧の絶対値に比べて低くなる期間のみスイッチングして昇圧し、昇圧した区間が部分的に凸形で前記系統電圧との電圧差を数十Ｖ程度以内に維持するようにした系統連系インバータ装置である。
【００１２】
これにより、電流出力時において中間段電圧が系統電圧よりも高くなる可能性がある期間における昇圧コンバータの無駄な昇圧動作を排除でき、効率を向上させるとともにインバータにおけるスイッチング損失を低減して、小型・軽量で安価、かつ小電流も低歪で出力できる系統連系インバータ装置を提供することができる。
【００１３】
請求項２に係わる本発明は、２個のスイッチング素子を直列接続したアームを２つ並列接続したフルブリッジ構成のインバータにおいて、一方のアームは低オン電圧、かつスイッチング速度の速いスイッチング素子による数十ｋＨｚ程度以下の高周波スイッチングにより系統電圧に対応する正弦波電流への波形変換を行い、他方のアームは高周波用に比べてスイッチング速度が遅く、かつ低オン電圧のスイッチング素子により系統電圧の極性に対応して出力電流の極性を切り換えるようにした請求項１に係わる系統連系インバータ装置である。
【００１４】
これにより、インバータにおけるスイッチング損失が低減されて発熱量が減少し、したがって、ヒートシンクを小型化でき、小型・軽量で効率を向上させた系統連系インバータ装置を提供することができる。
【００１５】
請求項３に係わる本発明は、昇圧コンバータにおいて、順方向の昇圧用ダイオードに逆方向に並列接続したスイッチング素子を電力回生用スイッチング素子として設け、直流リアクトルの一端が昇圧用スイッチング素子と前記電力回生用スイッチング素子との共通接続点に接続され、前記電力回生用スイッチング素子は中間段電圧が所定値を超えた期間のみ導通してインバータから電流を入力側に回生させるようにした請求項１ないし請求項２のいずれかに係わる系統連系インバータ装置である。
【００１６】
これにより、系統の変動に起因する過度的な中間段電圧が電力回生用スイッチング素子を介して入力側に回生され、インバータ５が停止することなく安定に動作を維持することができる。
【００１７】
請求項４に係わる本発明は、順方向の昇圧用ダイオードに逆方向に並列接続したスイッチング素子を電力回生用スイッチング素子として設け、直流リアクトルは昇圧用スイッチング素子と前記電力回生用スイッチング素子との共通接続点に接続し、昇圧用スイッチング素子と前記電力回生用スイッチング素子を交互に高周波スイッチングするようにした請求項１ないし請求項２のいずれかに係わる系統連系インバータ装置である。
【００１８】
これにより、低力率で運転した場合に電力の回生が自動的になされることで、品質の良い低力率の出力電流を安価な構成で実現可能な系統連系インバータ装置を提供することができる。
【００１９】
請求項５に係わる本発明は、昇圧コンバータにおいて、順方向の昇圧用ダイオードに逆方向に並列接続したスイッチング素子を電力回生用スイッチング素子として設け、直流リアクトルは昇圧用スイッチング素子と前記電力回生用スイッチング素子との共通接続点に接続し、前記昇圧用スイッチング素子と前記電力回生用スイッチング素子とを交互に高周波スイッチングするとともに、中間段電圧が系統電圧の絶対値に比べて高くなる期間においては前記昇圧用スイッチング素子と前記電力回生用スイッチング素子のいずれもオフとするようにした請求項１、請求項２、および請求項４のいずれかに係わる系統連系インバータ装置である。
【００２０】
これにより、中間段コンデンサと昇圧コンバータにおける直流リアクトルとによる中間段電圧の共振動作を防止し、昇圧動作をさせない期間における中間段電圧を低く維持することができ、この期間中におけるインバータの波形成形の負担を低減することができる。
【００２１】
請求項６に係わる本発明は、昇圧コンバータが昇圧動作を行う期間内に昇圧用スイッチング素子の高周波スイッチングに低周波変調をかけて中間段電圧に正弦波形の凸部を発生させ、インバータにおいては前記凸部の中間段電圧に対して出力電流の極性を切り換えるのみとし、前記凸部以外の中間段電圧に対して高周波スイッチングにより出力電流を波形成形するようにした請求項１ないし請求項５のいずれかに係わる系統連系インバータ装置である。
【００２２】
これにより、インバータにおける波形成形のための高周波スイッチングのうちの高電圧・大電流の部分が不要となり、スイッチング損失の大部分がなくなるので、ヒートシンクを小型化することができる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
請求項１に係わる本発明において、昇圧コンバータは入力電源からの入力電圧を昇圧して中間段電圧を出力する手段であり、リアクトルとスイッチング素子とによる一般的な構成でよいが、本発明においては、前記中間段電圧が系統の交流電圧よりも低くなる可能性がある期間のみ前記スイッチング素子のスイッチングにより昇圧し、その他の期間では昇圧しないようにしたものとする。したがって、昇圧しない期間では入力電源からの入力電圧を系統電圧として出力するように機能する。この昇圧した期間における中間段電圧は凸状になる。また、中間段コンデンサは昇圧時に発生した高周波成分は除去するが上記中間段電圧の形状を平滑せずに保つような小容量、たとえば数百μＦのものとする。
【００２４】
請求項２に係わる本発明において、フルブリッジにおけるアームは２個のスイッチング素子を直列接続した構成であり、２つのアームのうちの一方は、高周波スイッチングにより出力電流の波形を正弦波形に整形するように動作し、他方のアームは上記整形された出力電流の極性を系統の交流周波数で切り替える動作のみを行うものとする。なお、フルブリッジ構成における４個のスイッチング素子のうちの正電圧側、または負電圧側の２個のスイッチング素子により波形成形するように高周波スイッチングし、他の２個で極性の切り換えのみとする構成も有り得る。
【００２５】
請求項３に係わる本発明において、電力回生用スイッチング素子は、昇圧コンバータの昇圧用ダイオードに並列に逆方向接続される。系統の変動に起因する中間段電圧が所定のスレッシュ電圧を超えた場合にオンとして入力電源側に回生するように機能する。
【００２６】
請求項４に係わる本発明において、昇圧用スイッチング素子と電力回生用スイッチング素子とが交互にスイッチングし、電力回生用スイッチング素子は昇圧用スイッチング素子による昇圧動作を阻害せず、また、低力率で運転した場合にはオンとなっている時間中に自動的に入力電源側に回生するように機能する。
【００２７】
請求項５に係わる本発明において、昇圧動作を行わない期間においては昇圧用スイッチング素子と電力回生用スイッチング素子とをいずれもオフとし、中間段コンデンサと昇圧コンバータにおける直流リアクトルとによる中間段電圧の共振を防止するように機能する。
【００２８】
請求項６に係わる本発明において、昇圧コンバータは、昇圧動作の期間内におけるスイッチングに低周波変調をかけて、中間段電圧に正弦波状の凸部を発生させる。インバータは、この凸部の中間段電圧については波形成形を行わずに極性切り換えのみとし、他の中間段電圧に対して波形成形のためのスイッチングを行うように機能する。
【００２９】
以下、本発明の実施例について説明する。
【００３０】
【実施例】
（実施例１）
以下、本発明の系統連系インバータ装置の実施例１について図面を参照しながら説明する。本実施例は請求項１に係わる。
【００３１】
図１は本実施例の構成を示すブ回路図である。本実施例が従来例と異なる点は、中間段コンデンサ４の容量を数千μＦの大容量から数百μＦの小容量に替えたこと、および昇圧コンバータ３の動作にある。この場合、中間段コンデンサ４は、たとえばフィルムコンデンサとすることができる。
【００３２】
上記構成における動作について図面を参照しながら説明する。なお、本実施例では入力電源１を太陽電池として説明するが、これに限定されるものではない。
【００３３】
図２は本実施例における昇圧コンバータ３の動作を示す波形図である。図２において、（ａ）は入力電源１すなわち太陽電池の電圧である入力電圧Ｖ_inと系統電圧Ｖ_ACの絶対値、（ｂ）は昇圧用スイッチング素子３ｃにおけるトランジスタＱF のゲート信号、（ｃ）は中間段電圧Ｖ_Mを示す。本来、中間段コンデンサ４の中間段電圧Ｖ_Mは系統２に電力を注入するために系統電圧Ｖ_ACよりも少なくとも数十Ｖ程度は高くなければならないが、本実施例では、たとえば入力電源１からの入力電圧Ｖ_inがＤＣ２００Ｖで、系統電圧Ｖ_ACがＡＣ２００Ｖである場合、昇圧コンバータ３は、系統電圧ＶACのピーク電圧の時点を中心として４〜５ｍｓの期間は昇圧し、それ以外の系統電圧Ｖ_ACの絶対値が入力電圧Ｖ_inよりも十分小さい期間では昇圧を行わない。さらに、中間段コンデンサ４は容量が小さいことにより低周波的には平滑動作しないため、昇圧用スイッチング素子３ｃのオン時間を低周波変調して系統電圧Ｖ_ACとの電圧差を数十Ｖ程度以内に維持することができる。これにより、中間段コンデンサ４の中間段電圧Ｖ_Mは、図２（ｃ）に示したように、昇圧した区間が部分的に凸形となった波形になる。
【００３４】
以上のように本実施例によれば、昇圧コンバータ３のスイッチングが系統２の１周期内で部分的にしか行われないため、昇圧用スイッチング素子３ｃの損失が格段に低減され、さらにインバータ５の入出力電位差が低く抑えられるため、インバータ５におけるスイッチング素子Ｑ1〜Ｑ4のスイッチング損失も低減することができる。
【００３５】
また、スイッチング素子Ｑ1〜Ｑ4の損失低減によって冷却用のヒートシンクの形状を小さくできるとともに、中間段コンデンサ４の容量が従来例の１０分の１以下に小さくなることで、全体の形状も小さくできる。これにより効率向上と小型・軽量化とともに安価な機器の実現が可能となる。
【００３６】
さらに、インバータ５の入力電圧と系統電圧Ｖ_ACとの差を小さく維持できることにより、小さい出力電流を正弦波で取り出す場合には小電力まで絞ることが可能となるので、たとえば太陽光発電では日照が低下する早朝や夕暮れにおいても、出力を維持できる系統連系インバータ装置を実現することができる。
【００３７】
（実施例２）
以下、本発明の系統連系インバータ装置の実施例２について図面を参照しながら説明する。本実施例は請求項２に係わる。
【００３８】
本実施例の構成を回路図で示すと実施例１における図１と同じになり、説明を省略する。
【００３９】
上記構成における動作について図面を参照しながら説明する。図３は本実施例の動作を示す波形図である。図３において、（ａ）は系統電圧ＶAC、（ｂ）はインバータ５におけるスイッチング素子Ｑ1 のゲート信号、（ｃ）はスイッチング素子Ｑ2 のゲート信号、（ｃ）はスイッチング素子Ｑ3 のゲート信号、（ｄ）はスイッチング素子Ｑ4 のゲート信号を示す。
【００４０】
インバータ５のスイッチング素子Ｑ1〜Ｑ4はフルブリッジで構成され、インバータ５の入力に対して並列に接続された２組のアームのうち、Ｑ1とＱ2とで構成されるアームは、低オン電圧、かつスイッチング速度の速いスイッチング素子を用い、数十ｋＨｚ程度以下で高周波スイッチングを行い、出力電流Ｉoの絶対値が正弦波形になるように変調制御し、Ｑ3とＱ4とで構成されるアームは、高周波用に比べてスイッチング速度が遅く（１μｓ程度）、オン電圧がさらに低いスイッチング素子を用い、図３（ｄ）と図３（ｅ）とに示したように、系統電圧Ｖ_ACまたは出力電流Ｉoの極性指令に対して極性を交互に切り換える動作のみ行う。
【００４１】
したがって、直流から正弦波への波形変換はスイッチング素子Ｑ1 とスイッチング素子Ｑ2とにおける導通時間の変調のみで行われ、スイッチング素子Ｑ3とスイッチング素子Ｑ4とは出力電流Ｉoの極性を切り換え動作のみを行うので、スイッチング損失の大部分がスイッチング素子Ｑ1とスイッチング素子Ｑ2のみに発生し、インバータにおけるスイッチング損失が低減されることとなる。
【００４２】
以上のように本実施例によれば、インバータ５の４個のスイッチング素子によるブリッジ構成において、低オン電圧と高速性とを兼ね備えたスイッチング素子によるアームと、低オン電圧に特化した低速のスイッチング素子によるアームとを使用することによって、インバータ５の低損失化を実現できるため、効率向上と、ヒートシンクの小型化による全体の小型・軽量化とを達成できる系統連系インバータ装置を提供することができる。
【００４３】
（実施例３）
以下、本発明の系統連系インバータ装置の実施例３について図面を参照しながら説明する。本実施例は請求項３に係わる。
【００４４】
図４は本実施例の構成を示す回路図である。なお、図１と同じ構成要素には同一番号を付与して詳細な説明を省略する。本実施例が実施例１と異なる点は、昇圧コンバータ３において、昇圧用ダイオード３ｄに並列接続して電力回生用スイッチング素子３ｅを備え、双方向形の昇圧コンバータとしたことにある。
【００４５】
上記構成における動作について図面を参照しながら説明する。図５は本実施例の動作を示す波形図である。図５において、（ａ）は系統電圧Ｖ_AC、（ｂ）は出力電流Ｉo 、（ｃ）は中間段電圧Ｖ_M、（ｄ）はスレッシュ電圧、（ｅ）は電力回生用スイッチング素子３ｅであるトランジスタＱBのゲート信号、（ｆ）は昇圧用スイッチング素子３ｃにおけるトランジスタＱFのゲート信号、（ｇ）は直流リアクトル３ｂの電流を示す。なお、（ａ）および（ｂ）における実線は系統電圧Ｖ_ACの位相が急変する前の波形、波線は位相が急変後の波形を示す。
【００４６】
通常、系統連系インバータ装置の出力電流Ｉo は、正弦波であるとともに系統電圧Ｖ_ACに対して概ね力率１で出力されているが、たとえば系統２の位相が急に変化したり、系統２の周波数が急に上昇または低下した場合などの過渡現象に対しては、制御が変動に対して追従して安定するまでには、短いながらも時間を必要とする。この期間においては電力が系統２からインバータ５に流れ込む期間が発生し、この電力は中間段コンデンサ４に蓄えられるが、中間段コンデンサ４の容量を数百μＦと小さく設定しているため、中間段電圧Ｖ_Mが急激に上昇する。いま、過渡時間が長くてスイッチング素子Ｑ1〜Ｑ4の耐圧を超える恐れが生じたとすると、たとえば、図５（ｄ）に示したように、中間段電圧Ｖ_Mが所定のしきい値（スレッシュ電圧）を超えた場合、双方向形の昇圧コンバータ３は、電力回生用スイッチング素子３ｅをオンとして平滑コンデンサ３ａに電力を蓄積する。
【００４７】
以上のように本実施例によれば、電力回生用スイッチング素子３ｅを備えた双方向形の昇圧コンバータとしたことにより、系統２の過渡的な変化に対して過大な中間段電圧ＶM を平滑コンデンサ３ａに回生するので、インバータ５が停止することなく安定に動作を維持することができる系統連系インバータ装置を提供することができる。
【００４８】
（実施例４）
以下、本発明の系統連系インバータ装置の実施例４について図面を参照しながら説明する。本実施例は請求項４に係わる。なお、本実施例の構成を回路図で示すと図４と同じである。
【００４９】
本実施例が実施例３と異なる点は、昇圧コンバータ３において昇圧動作している期間中は昇圧用スイッチング素子３ｃと電力回生用スイッチング素子３ｅであるトランジスタＱBとを交互にスイッチングさせるとともに、昇圧動作しない期間中ではトランジスタＱB をオンとしておくことにより、低力率で運転した場合の電力回生を自動的に行わせるようにしたことにある。
【００５０】
上記構成における動作について図面を参照しながら説明する。図６は本実施例における昇圧コンバータ３の動作を示す波形図である。図６において、（ａ）は入力電圧Ｖ_inと系統電圧Ｖ_ACの絶対値、（ｂ）は昇圧用スイッチング素子におけるトランジスタＱFのゲート信号、（ｃ）は電力回生用スイッチング素子３ｅであるトランジスタＱBのゲート信号、（ｄ）は中間段電圧Ｖ_Mを示す。
【００５１】
図６において、双方向形の昇圧コンバータ３における昇圧用スイッチング素子３ｃと電力回生用スイッチング素子３ｅであるトランジスタＱBは、（ｂ）と（ｃ）に示したように、定常的に交互にスイッチングしており、インバータ５が概ね力率１運転を行っている間は系統電圧ＶACのピーク電圧付近でのみ行われる昇圧動作のとき、電流は昇圧用ダイオード３ｄのみに流れ、昇圧用ダイオード３ｄと並列に接続された電力回生用スイッチング素子３ｅがオンとなっていても電流は流れず、また、昇圧動作を行わない期間では昇圧用スイッチング素子３ｃはオフとなっており、電力回生用スイッチング素子３ｅはオンとなっている。ただし、系統連系インバータ装置が出力電圧を抑制するために、たとえば０．９程度の低力率で運転するときには回生電力が発生するが、昇圧用ダイオード３ｄと電力回生用スイッチング素子３ｅとが交互にスイッチングしているため、回生電力は自動的に平滑コンデンサ３ａに蓄積される。
【００５２】
以上のように本実施例によれば、系統電圧Ｖ_ACに対してインバータ５が低力率で運転する必要がある場合においても、とくに中間段コンデンサ４の電圧を検出して制御することなく電力の回生が自動的になされることで、品質の良い低力率の出力電流を安価な構成で実現可能な系統連系インバータ装置を提供することができる。
【００５３】
（実施例５）
以下、本発明の系統連系インバータ装置の実施例５について図画を参照しながら説明する。本実施例は請求項５に係わる。なお、本実施例の構成を回路図で示すと図４と同じである。
【００５４】
本実施例が実施例３と異なる点は、昇圧コンバータ３が昇圧動作をしていない期間中は昇圧用スイッチング素子３ｃと電力回生用スイッチング素子３ｅであるトランジスタＱBはいずれもオフとして、この期間中における中間段電圧Ｖ_Mの共振を防止したことにある。
【００５５】
上記構成における動作について図面を参照しながら説明する。図７は本実施例における昇圧コンバータ３の動作を示す波形図である。図７において、（ａ）は入力電圧Ｖ_inと系統電圧Ｖ_ACの絶対値、（ｂ）は昇圧用スイッチング素子３ｃにおけるトランジスタＱFのゲート信号、（ｃ）は電力回生用スイッチング素子３ｅであるトランジスタＱBのゲート信号、（ｄ）は中間段電圧Ｖ_Mを示す。
【００５６】
図７において、双方向形の昇圧コンバータ３における昇圧用スイッチング素子のトランジスタＱFと電力回生用スイッチング素子３ｅであるトランジスタＱBとは、昇圧動作を行っている期間中は、実施例４と同様に、交互にスイッチングするため実施例４と同様の動作を行う。また、昇圧動作を行わない期間中では、いずれもオフとする。これにより、双方向形の昇圧コンバータ３が、主に直流リアクトル３ｂと中間段コンデンサ４の定数とによって決まる周波数で共振することを防止している。
【００５７】
以上のように本実施例によれば、昇圧動作を行わない期間では昇圧用スイッチング素子３ｃと電力回生用スイッチング素子３ｅのいずれもオフとすることにより、この期間中における中間段電圧Ｖ_Mの共振を抑えることができ、系統電圧Ｖ_ACに対して一定の低い電圧を維持することができ、インバータ５の出力電流を正弦波に波形成形するための制御が不要となり、しかもインバータ５の低損失化も可能な系統連系インバータ装置を提供することができる。
【００５８】
（実施例６）
以下、本発明の系統連系インバータ装置の実施例６について図面を参照しながら説明する。本実施例は請求項６に係わる。なお、本実施例の構成を回路図で示すと図４と同じである。本実施例が実施例３と異なる点は、昇圧コンバータ３が昇圧動作している期間に、昇圧用スイッチング素子３ｃの高周波スイッチングを低周波変調して正弦波への波形変換動作を行わせ、この期間ではインバータ５は正弦波の波形を備えた中間段電圧ＶM の極性切り換え動作のみとし、昇圧コンバータ３が昇圧動作しない期間では、インバータ５は高周波スイッチングの変調により正弦波への波形変換と極性切り換えとを行うようにし、インバータ５における損失を低減するようにしたことにある。
【００５９】
上記構成における動作について図面を参照しながら説明する。図８は本実施例の動作を示す波形図である。図８において、（ａ）は系統電圧Ｖ_AC、（ｂ）はインバータ５におけるスイッチング素子Ｑ1のゲート信号、（ｃ）はスイッチング素子Ｑ2のゲート信号、（ｄ）はスイッチング素子Ｑ3のゲート信号、（ｅ）はスイッチング素子Ｑ4のゲート信号、（ｆ）は昇圧用スイッチング素子３ｃにおけるトランジスタＱFのゲート信号、（ｇ）は電力回生用スイッチング素子３ｅであるトランジスタＱBのゲート信号、（ｈ）は入力電源１である太陽電池からの入力電圧Ｖ_inと系統電圧Ｖ_ACの絶対値を示す。
【００６０】
図８において、インバータ５が概ね力率１の運転をする場合、系統電圧Ｖ_ACのピーク電圧付近では、昇圧コンバータ３は昇圧動作するとともに、（ｆ）と（ｇ）とに示したように、昇圧用スイッチング素子３ｃにおけるトランジスタＱFの導通時間を変調制御することにより中間段電圧Ｖ_Mが正弦波になるように波形成形を行うとともに、インバータ５のスイッチング素子Ｑ1とスイッチング素子Ｑ2とは、（ｂ）と（ｃ）に示したように、それぞれスイッチング素子Ｑ4とスイッチング素子Ｑ3に同期して低周波数の切り替え動作を行う。一方、概ね入力電圧Ｖ_inが系統電圧Ｖ_ACより高い期間では、実施例５と同様に、双方向形の昇圧コンバータ３がスイッチングを停止するとともに、（ｂ）と（ｃ）に示したように、インバータ５が波形成形を行うことにより出力電流全体が正弦波になる。
【００６１】
したがって、正弦波への波形成形のためのスイッチングの一部が昇圧コンバータ３における昇圧用スイッチング素子３ｃにより代行され、インバータ５における正弦波への波形成形のためのスイッチングの負担が軽減され、インバータ５の損失を低減することができる。なお、昇圧動作中に昇圧用スイッチング素子３ｃと電力回生用スイッチング素子３ｅとを交互に高周波スイッチングして電力の回生を可能にしていることは言うまでもない。
【００６２】
以上のように本実施例によれば、たとえば入力電圧Ｖ_inがＤＣ２００Ｖ程度でＡＣ２００Ｖの系統２に対して電力を注入するような場合、系統電圧Ｖ_ACのピーク電圧を中心に４〜５ｍｓ程度の期間は、双方向形の昇圧コンバータ３が波形成形を行うことにより、インバータ５はスイッチングを全く行う必要がなくなることでスイッチング損失が大きく低減され、効率向上とヒートシンクの小型化に伴う機器全体の小型・軽量化を達成できる系統連系インバータ装置を提供することができる。
【００６３】
【発明の効果】
請求項１に係わる本発明は、直流リアクトルと昇圧用スイッチング素子と昇圧用ダイオードとを備えて直流の入力電源からの入力電圧を前記昇圧用スイッチング素子の高周波スイッチングにより昇圧して直流の中間段電圧を出力する昇圧コンバータと、前記中間段電圧における高周波成分を除去する中間段コンデンサと、フルブリッジに構成された４個のスイッチング素子のスイッチングにより前記中間段電圧から正弦波の交流電流を出力するインバータと、前記交流電流における高周波成分を除去し、出力電流として交流の系統に出力するフィルタとを備え、前記入力電源から入力した直流電力を交流電力に変換して前記系統に出力する系統連系インバータ装置において、前記中間段コンデンサは数百μＦ以下の容量を有するフィルムコンデンサとし、前記昇圧コンバータは、前記中間段電圧が系統電圧の絶対値に比べて低くなる期間のみスイッチングして昇圧するようにした系統連系インバータ装置とすることにより、電流出力時において中間段電圧が系統電圧よりも高くなる可能性がある期間における昇圧コンバータの無駄な昇圧動作を排除でき、効率を向上させるとともにインバータにおけるスイッチング損失を低減して、小型・軽量で安価、かつ小電流も低歪で出力できる系統連系インバータ装置を提供することができる。
【００６４】
請求項２に係わる本発明は、２個のスイッチング素子を直列接続したアームを２つ並列接続したフルブリッジ構成のインバータにおいて、一方のアームは低オン電圧、かつスイッチング速度の速いスイッチング素子による数十ｋＨｚ程度以下の高周波スイッチングにより系統電圧に対応する正弦波電流への波形変換を行い、他方のアームは高周波用に比べてスイッチング速度が遅く、かつ低オン電圧のスイッチング素子により系統電圧の極性に対応して出力電流の極性を切り換えるようにした請求項１に係わる系統連系インバータ装置とすることにより、インバータにおけるスイッチング損失が低減されて発熱量が減少し、したがって、ヒートシンクを小型化でき、小型・軽量で効率を向上させた系統連系インバータ装置を提供することができる。
【００６５】
請求項３に係わる本発明は、昇圧コンバータにおいて、順方向の昇圧用ダイオードに逆方向に並列接続したスイッチング素子を電力回生用スイッチング素子として設け、直流リアクトルの一端が昇圧用スイッチング素子と前記電力回生用スイッチング素子との共通接続点に接続され、前記電力回生用スイッチング素子は中間段電圧が所定値を超えた期間のみ導通してインバータから電流を入力側に回生させるようにした請求項１ないし請求項２のいずれかに係わる系統連系インバータ装置とすることにより、系統の変動に起因する過度的な中間段電圧が電力回生用スイッチング素子を介して入力側に回生され、インバータ５が停止することなく安定に動作を維持することができる。
【００６６】
請求項４に係わる本発明は、順方向の昇圧用ダイオードに逆方向に並列接続したスイッチング素子を電力回生用スイッチング素子として設け、直流リアクトルは昇圧用スイッチング素子と前記電力回生用スイッチング素子との共通接続点に接続し、昇圧用スイッチング素子と前記電力回生用スイッチング素子を交互に高周波スイッチングするようにした請求項１ないし請求項２のいずれかに係わる系統連系インバータ装置とすることにより、低力率で運転した場合に電力の回生が自動的になされることで、品質の良い低力率の出力電流を安価な構成で実現可能な系統連系インバータ装置を提供することができる。
【００６７】
請求項５に係わる本発明は、昇圧コンバータにおいて、順方向の昇圧用ダイオードに逆方向に並列接続したスイッチング素子を電力回生用スイッチング素子として設け、直流リアクトルは昇圧用スイッチング素子と前記電力回生用スイッチング素子との共通接続点に接続し、前記昇圧用スイッチング素子と前記電力回生用スイッチング素子とを交互に高周波スイッチングするとともに、中間段電圧が系統電圧の絶対値に比べて高くなる期間においては前記昇圧用スイッチング素子と前記電力回生用スイッチング素子のいずれもオフとするようにした請求項１または請求項２または請求項４のいずれかに係わる系統連系インバータ装置とすることにより、中間段コンデンサと昇圧コンバータにおける直流リアクトルとによる中間段電圧の共振動作を防止し、昇圧動作をさせない期間における中間段電圧を低く維持することができ、この期間中におけるインバータの波形成形の負担を低減することができる。
【００６８】
請求項６に係わる本発明は、昇圧コンバータが昇圧動作を行う期間内に昇圧用スイッチング素子の高周波スイッチングに低周波変調をかけて中間段電圧に正弦波形の凸部を発生させ、インバータにおいては前記凸部の中間段電圧に対して出力電流の極性を切り換えるのみとし、前記凸部以外の中間段電圧に対して高周波スイッチングにより出力電流を波形成形するようにした請求項１から５のいずれか１項に記載した系統連系インバータ装置とすることにより、インバータにおける波形成形のための高周波スイッチングのうちの高電圧・大電流の部分が不要となり、スイッチング損失の大部分がなくなるので、ヒートシンクを小型化することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の系統連系インバータ装置の実施例１の構成を示す回路図
【図２】同実施例における昇圧コンバータの動作を示す波形図
【図３】本発明の系統連系インバータ装置の実施例２の動作を示す波形図
【図４】本発明の系統連系インバータ装置の実施例３の構成を示す回路図
【図５】同実施例の動作を示す波形図
【図６】本発明の系統連系インバータ装置の実施例４における昇圧コンバータの動作を示す波形図
【図７】本発明の系統連系インバータ装置の実施例５における昇圧コンバータの動作を示す波形図
【図８】本発明の系統連系インバータ装置の実施例６の動作を示す波形図
【図９】従来の系統連系インバータ装置の構成を示す回路図
【図１０】同従来例におけるインバータの動作を示す波形図
【符号の説明】
１入力電源
２系統
３昇圧コンバータ
３ａ平滑コンデンサ
３ｂ直流リアクトル
３ｃ昇圧用スイッチング素子
３ｄ昇圧用ダイオード
３ｅ電力回生用スイッチング素子
４中間段コンデンサ
５インバータ
６フィルタ
Ｑ1、Ｑ2、Ｑ3、Ｑ4 スイッチング素子
Ｖ_in 入力電圧
Ｖ_M 中間段電圧
Ｖ_AC 系統電圧
ｉo 出力電流
ＱF、ＱB トランジスタ[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a grid-connected inverter device that links DC power, such as a solar cell and a fuel cell, to a system and converts the power into AC power for supply.
[0002]
[Prior art]
Hereinafter, a conventional grid-connected inverter device will be described with reference to the drawings. FIG. 9 is a circuit diagram showing a configuration of a conventional grid-connected inverter device. In FIG. 9, the grid-connected inverter device includes an input voltage V from a DC input power supply 1. _in The AC system voltage V of system 2 _AC Boost converter 3 for boosting to a higher DC voltage, intermediate stage capacitor 4 for smoothing the boosted DC voltage and outputting a stable DC voltage with less ripple, DC voltage of intermediate stage capacitor 4, that is, intermediate stage voltage V _M Is composed of an inverter 5 that forms a waveform into a sinusoidal AC voltage, and a filter 6 that removes high-frequency noise from the output of the inverter 5, and supplies AC power to the system 2. Boost converter 3 receives input voltage V from input power supply 1. _in Is composed of a smoothing capacitor 3a for smoothing, a DC reactor 3b for energy storage, a step-up switching element 3c, and a step-up diode 3d, and the inverter 5 is a full bridge structure using four switching elements Q1 to Q4. It has become.
[0003]
The operation in the above configuration will be described. Input voltage V from input power supply 1 _in Is smoothed by the smoothing capacitor 3a, which is a large-capacitance electrolytic capacitor, the input of the boost converter 3 is reduced in ripple. For example, when a solar cell is used as the input power source 1, the rated output of the solar cell is about DC 200V and the system voltage V _AC If AC is 200V, the peak voltage reaches 283V, so the input voltage V _in Need to be boosted. If power of about 4 kW is to be output, it is usually necessary to boost the voltage to about 350 VDC.
[0004]
Therefore, the boosting switching element 3c is turned on to store energy in the DC reactor 3b, and the energy stored in the DC reactor 3b when the boosting switching element 3c is turned off is transferred to the intermediate stage capacitor 4 via the boosting diode 3d. Intermediate stage voltage V _M Store as.
[0005]
By repeating the above operation at a high frequency, the input voltage of the inverter 5, that is, the intermediate stage voltage V _M Is kept constant. However, at this time, the system voltage V _AC In one cycle, the conduction ratio of the boosting switching element 3c is constant. Further, since the output of the boost converter 3 is smoothed by the intermediate stage capacitor 4 which is a large capacity electrolytic capacitor of several thousand μF, the input voltage of the inverter 5, that is, the intermediate stage voltage V _M Fluctuations are stable against changes in load.
[0006]
FIG. 10 is a waveform diagram showing the operation of the inverter 5. In the figure, (a) is the system voltage V. _AC (B) is a gate signal for driving the switching element Q1 in the inverter 5, (c) is a gate signal for the switching element Q2, (d) is a gate signal for the switching element Q3, and (e) is a gate signal for the switching element Q4. Show. As shown in FIG. 10, among the switching elements Q1 to Q4, the switching element Q1 and the switching element Q4 are simultaneously switched on or the switching element Q2 and the switching element Q3 are simultaneously switched on at a high frequency. Each on-time is PWM controlled so that the output current Io to the output is a sine wave.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
In such a conventional grid-connected inverter device, in order to connect DC input power from the input power source 1 to the grid 2 and operate at a power factor of 1, both the boost converter 3 and the inverter 5 are connected to the grid. Voltage V _AC Since the high-frequency switching is performed in the entire period, the loss of the switching elements Q1 to Q4 is large and the input voltage V of the boost converter 3 is high. _in Is the system voltage V _AC System voltage V even at lower periods _AC It was difficult to improve the overall efficiency of the equipment because it was boosted from DC 350 V to zero by the inverter 5 after being boosted to about DC 350 V, which is higher than the peak voltage (AC 200 V, peak voltage is 283 V).
[0008]
In addition, the smoothing capacitor 3a having a large capacity of several thousand μF and the intermediate stage capacitor 4 are provided at two locations, and the large switching loss increases the shape of the heat sink for cooling the switching elements Q1 to Q4 of the inverter 5. In addition, there is a problem that it is difficult to reduce the size of the entire device and to make an inexpensive configuration.
[0009]
The system voltage V _AC In the valley, the difference between the input voltage and the output voltage of the inverter 5 becomes large, and when a small output current is extracted by a sine wave, the power cannot be reduced, so that, for example, solar power generation reduces the amount of sunlight. In the early morning and dusk, there is also a problem that output cannot be performed.
[0010]
The present invention solves the above-mentioned problems, and by eliminating unnecessary operations in the boost converter 3, the efficiency is improved, the switching loss is reduced, and a small output can be supplied with low distortion, and the size and weight are reduced. It aims at providing the grid connection inverter apparatus which can also be realized.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
The present invention according to claim 1 includes a DC reactor, a boosting switching element, and a boosting diode, and boosts an input voltage from a DC input power supply by high-frequency switching of the boosting switching element, thereby providing a DC intermediate stage voltage. A step-up converter that outputs high-frequency components in the intermediate-stage voltage, and an inverter that outputs a sine AC current from the intermediate-stage voltage by switching of four switching elements configured in a full bridge And a filter that removes high-frequency components in the alternating current and outputs the output current to an alternating current system, and converts the direct current power input from the input power source into alternating current power and outputs the alternating current power to the system. In the apparatus, the intermediate stage capacitor is a film capacitor having a capacity of several hundred μF or less. And capacitors, the boost converter, the intermediate stage voltage by switching only the period to be lower than the absolute value of the system voltage The voltage is boosted, and the boosted section is partially convex so that the voltage difference from the system voltage is maintained within several tens of volts. This is a grid-connected inverter device.
[0012]
This eliminates unnecessary boosting operation of the boost converter during the period when the intermediate stage voltage may be higher than the system voltage during current output, improving efficiency and reducing switching loss in the inverter. It is possible to provide a grid-connected inverter device that is lightweight, inexpensive, and that can output a small current with low distortion.
[0013]
The present invention according to claim 2 is an inverter having a full bridge configuration in which two arms each having two switching elements connected in series are connected in parallel, and one arm has several tens of switching elements having a low on-voltage and a high switching speed. Performs waveform conversion to sinusoidal current corresponding to system voltage by high frequency switching of about kHz or less, and the other arm has a slower switching speed than high frequency, and corresponds to the polarity of system voltage by a low on-voltage switching element. Thus, the grid-connected inverter device according to claim 1, wherein the polarity of the output current is switched.
[0014]
As a result, the switching loss in the inverter is reduced and the amount of heat generation is reduced. Therefore, the heat sink can be reduced in size, and a grid-connected inverter device that is smaller, lighter, and improved in efficiency can be provided.
[0015]
According to a third aspect of the present invention, in the boost converter, a switching element connected in parallel to the forward boost diode in the reverse direction is provided as a power regeneration switching element, and one end of a DC reactor has the boost switching element and the power regeneration switch. The power regenerative switching element is connected to a common connection point with the switching element for electric power and is turned on only during a period when the intermediate stage voltage exceeds a predetermined value to regenerate current from the inverter to the input side. It is a grid connection inverter apparatus concerning any one of claim | item 2.
[0016]
As a result, an excessive intermediate stage voltage due to system fluctuations is regenerated to the input side via the power regeneration switching element, and the operation can be stably maintained without the inverter 5 being stopped.
[0017]
According to a fourth aspect of the present invention, a switching element connected in parallel in the reverse direction to a forward boosting diode is provided as a power regeneration switching element, and a DC reactor is common to the boosting switching element and the power regeneration switching element. 3. A grid-connected inverter device according to claim 1, wherein the inverter is connected to a connection point, and the switching element for boosting and the switching element for power regeneration are alternately switched at high frequency.
[0018]
Thus, it is possible to provide a grid-connected inverter device capable of realizing a high-quality, low-power factor output current with an inexpensive configuration by automatically regenerating power when operated at a low power factor. it can.
[0019]
According to a fifth aspect of the present invention, in the boost converter, a switching element connected in parallel to the forward boost diode in the reverse direction is provided as a power regeneration switching element, and the DC reactor includes the boost switching element and the power regeneration switching element. The boosting switching element and the power regeneration switching element are alternately switched at a high frequency by connecting to a common connection point with the element, and the boosting is performed during a period when the intermediate stage voltage is higher than the absolute value of the system voltage. 5. The grid-connected inverter device according to claim 1, wherein both the switching element for power and the switching element for power regeneration are turned off.
[0020]
As a result, the resonance operation of the intermediate stage voltage by the intermediate stage capacitor and the DC reactor in the boost converter can be prevented, and the intermediate stage voltage can be kept low during the period when the boost operation is not performed. The burden can be reduced.
[0021]
According to a sixth aspect of the present invention, a sinusoidal convex portion is generated in an intermediate stage voltage by applying low-frequency modulation to high-frequency switching of a boosting switching element during a period in which the boosting converter performs a boosting operation. 6. The method according to claim 1, wherein only the polarity of the output current is switched with respect to the intermediate stage voltage of the convex part, and the output current is waveform-shaped by high-frequency switching for the intermediate stage voltage other than the convex part. This is a grid interconnection inverter device.
[0022]
As a result, the high voltage / high current portion of the high frequency switching for waveform shaping in the inverter is not required, and most of the switching loss is eliminated, so that the heat sink can be miniaturized.
[0023]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
In the present invention according to claim 1, the boost converter is a means for boosting the input voltage from the input power source and outputting the intermediate stage voltage, and may have a general configuration including a reactor and a switching element. It is assumed that the voltage is boosted by switching of the switching element only during a period when the intermediate stage voltage may be lower than the AC voltage of the system, and is not boosted during other periods. Therefore, it functions to output the input voltage from the input power supply as the system voltage during the period when the voltage is not boosted. The intermediate stage voltage during the boosted period becomes convex. The intermediate stage capacitor has a small capacity, for example, several hundred μF, which removes high frequency components generated at the time of boosting but keeps the shape of the intermediate stage voltage unsmoothed.
[0024]
In the present invention according to claim 2, the arm in the full bridge has a configuration in which two switching elements are connected in series, and one of the two arms shapes the waveform of the output current into a sine waveform by high-frequency switching. The other arm performs only the operation of switching the polarity of the shaped output current at the AC frequency of the system. A configuration in which high-frequency switching is performed so as to form a waveform by two switching elements on the positive voltage side or the negative voltage side among the four switching elements in the full bridge configuration, and only the polarity is switched by the other two elements. It is also possible.
[0025]
In the present invention according to claim 3, the power regeneration switching element is reversely connected in parallel with the boost diode of the boost converter. When the intermediate stage voltage resulting from system fluctuations exceeds a predetermined threshold voltage, it functions as being turned on and regenerating to the input power supply side.
[0026]
In the present invention according to claim 4, the switching element for boosting and the switching element for power regeneration are alternately switched, and the switching element for power regeneration does not impede the boosting operation by the switching element for boosting and has a low power factor. When driving, it functions to automatically regenerate to the input power source during the time when it is on.
[0027]
In the present invention according to claim 5, in the period when the boosting operation is not performed, both the boosting switching element and the power regeneration switching element are turned off, and the resonance of the intermediate stage voltage by the intermediate stage capacitor and the DC reactor in the boost converter. Function to prevent.
[0028]
According to the sixth aspect of the present invention, the boost converter performs low-frequency modulation for switching within the period of the boost operation to generate a sine wave-shaped convex portion in the intermediate stage voltage. The inverter functions so that only the polarity is switched without performing waveform shaping for the intermediate stage voltage of the convex portion, and switching for waveform shaping is performed for the other intermediate stage voltages.
[0029]
Examples of the present invention will be described below.
[0030]
【Example】
(Example 1)
Hereinafter, Example 1 of the grid interconnection inverter device of the present invention will be described with reference to the drawings. This embodiment relates to claim 1.
[0031]
FIG. 1 is a circuit diagram showing the configuration of this embodiment. This embodiment differs from the conventional example in that the capacity of the intermediate stage capacitor 4 is changed from a large capacity of several thousand μF to a small capacity of several hundred μF, and the operation of the boost converter 3. In this case, the intermediate stage capacitor 4 can be a film capacitor, for example.
[0032]
The operation in the above configuration will be described with reference to the drawings. In the present embodiment, the input power source 1 is described as a solar cell, but the present invention is not limited to this.
[0033]
FIG. 2 is a waveform diagram showing the operation of the boost converter 3 in this embodiment. In FIG. 2, (a) is the input voltage V which is the voltage of the input power source 1, that is, the solar cell. _in And system voltage V _AC (B) is the gate signal of the transistor QF in the step-up switching element 3c, and (c) is the intermediate stage voltage V _M Indicates. Originally, the intermediate stage voltage V of the intermediate stage capacitor 4 _M Is the grid voltage V to inject power into grid 2 _AC In this embodiment, for example, the input voltage V from the input power source 1 must be higher than that of the input power supply 1. _in Is DC200V, system voltage V _AC Is AC200V, the boost converter 3 boosts the voltage for a period of 4 to 5 ms around the peak voltage of the system voltage VAC, and the other system voltage V _AC Is the input voltage V _in Boosting is not performed in a sufficiently smaller period. Further, since the intermediate stage capacitor 4 has a small capacity and does not perform a smooth operation at a low frequency, the on-time of the step-up switching element 3c is modulated at a low frequency, and the system voltage V _AC Can be maintained within about several tens of volts. As a result, the intermediate stage voltage V of the intermediate stage capacitor 4 is _M As shown in FIG. 2C, the boosted section has a partially convex waveform.
[0034]
As described above, according to the present embodiment, the switching of the boost converter 3 is performed only partially within one cycle of the system 2, so that the loss of the boost switching element 3 c is remarkably reduced. Since the input / output potential difference is kept low, the switching loss of the switching elements Q1 to Q4 in the inverter 5 can also be reduced.
[0035]
Further, the shape of the heat sink for cooling can be reduced by reducing the loss of the switching elements Q1 to Q4, and the overall shape can also be reduced by reducing the capacity of the intermediate stage capacitor 4 to 1/10 or less of the conventional example. As a result, it is possible to realize an inexpensive device with improved efficiency and reduced size and weight.
[0036]
Furthermore, the input voltage of the inverter 5 and the system voltage V _AC Can be reduced to a small amount of power when extracting a small output current with a sine wave. For example, in solar power generation, the output can be maintained even in the early morning or dusk when sunshine decreases. A grid interconnection inverter device can be realized.
[0037]
(Example 2)
Hereinafter, Example 2 of the grid-connected inverter device of the present invention will be described with reference to the drawings. This embodiment relates to claim 2.
[0038]
When the configuration of the present embodiment is shown in a circuit diagram, it is the same as that of the first embodiment shown in FIG.
[0039]
The operation in the above configuration will be described with reference to the drawings. FIG. 3 is a waveform diagram showing the operation of this embodiment. 3, (a) is the system voltage VAC, (b) is the gate signal of the switching element Q1 in the inverter 5, (c) is the gate signal of the switching element Q2, (c) is the gate signal of the switching element Q3, (d ) Indicates the gate signal of the switching element Q4.
[0040]
The switching elements Q1 to Q4 of the inverter 5 are constituted by a full bridge, and the arm constituted by Q1 and Q2 among the two sets of arms connected in parallel to the input of the inverter 5 has a low on-voltage, and A switching element having a high switching speed is used, high-frequency switching is performed at about several tens of kHz or less, modulation control is performed so that the absolute value of the output current Io becomes a sine waveform, and an arm composed of Q3 and Q4 is used for high-frequency As shown in FIG. 3 (d) and FIG. 3 (e), the switching voltage is slower (about 1 μs) and the on-voltage is lower, and the system voltage V _AC Alternatively, only the operation of switching the polarity alternately in response to the polarity command of the output current Io is performed.
[0041]
Therefore, the waveform conversion from direct current to sine wave is performed only by modulation of the conduction time in the switching elements Q1 and Q2, and the switching elements Q3 and Q4 perform only the switching operation of the polarity of the output current Io. Most of the switching loss occurs only in the switching element Q1 and the switching element Q2, and the switching loss in the inverter is reduced.
[0042]
As described above, according to the present embodiment, in the bridge configuration of the inverter 5 with the four switching elements, the arm by the switching element having both the low on-voltage and the high speed and the low-speed switching specialized for the low on-voltage. By using an arm made of an element, it is possible to reduce the loss of the inverter 5, and therefore, to provide a grid-connected inverter device that can achieve efficiency improvement and overall reduction in size and weight by downsizing the heat sink. it can.
[0043]
(Example 3)
Hereinafter, Example 3 of the grid-connected inverter device of the present invention will be described with reference to the drawings. This embodiment relates to claim 3.
[0044]
FIG. 4 is a circuit diagram showing the configuration of this embodiment. Note that the same components as those in FIG. 1 are assigned the same reference numerals and detailed description thereof is omitted. The difference between the present embodiment and the first embodiment is that the boost converter 3 includes a power regeneration switching element 3e connected in parallel to the boost diode 3d to form a bidirectional boost converter.
[0045]
The operation in the above configuration will be described with reference to the drawings. FIG. 5 is a waveform diagram showing the operation of this embodiment. In FIG. 5, (a) is the system voltage V. _AC , (B) is the output current Io, (c) is the intermediate stage voltage V _M , (D) is the threshold voltage, (e) is the gate signal of the transistor QB which is the power regeneration switching element 3e, (f) is the gate signal of the transistor QF in the boosting switching element 3c, and (g) is the DC reactor 3b. Indicates current. The solid lines in (a) and (b) indicate the system voltage V _AC The waveform before the phase suddenly changes, and the wavy line shows the waveform after the phase suddenly changes.
[0046]
Normally, the output current Io of the grid-connected inverter device is a sine wave and the system voltage V _AC However, the control fluctuates for transient phenomena such as when the phase of system 2 suddenly changes or the frequency of system 2 suddenly increases or decreases. It takes a short time to follow and stabilize. During this period, a period in which power flows from the grid 2 to the inverter 5 occurs, and this power is stored in the intermediate stage capacitor 4. However, since the capacity of the intermediate stage capacitor 4 is set to be as small as several hundred μF, Voltage V _M Rises rapidly. If the transition time is long and the breakdown voltage of the switching elements Q1 to Q4 may be exceeded, for example, as shown in FIG. _M Exceeds a predetermined threshold value (threshold voltage), bidirectional boost converter 3 turns on power regeneration switching element 3e and accumulates power in smoothing capacitor 3a.
[0047]
As described above, according to the present embodiment, since the bidirectional boost converter including the power regeneration switching element 3e is used, an excessive intermediate stage voltage VM is applied to the smoothing capacitor with respect to the transient change of the system 2. Since the regeneration is performed in 3a, it is possible to provide a grid-connected inverter device that can stably operate without the inverter 5 being stopped.
[0048]
Example 4
Hereinafter, Example 4 of the grid-connected inverter device of the present invention will be described with reference to the drawings. This embodiment relates to claim 4. The configuration of the present embodiment is shown in a circuit diagram and is the same as FIG.
[0049]
The difference between the third embodiment and the third embodiment is that the boosting switching element 3c and the transistor QB as the power regeneration switching element 3e are alternately switched during the boosting operation in the boosting converter 3, and the boosting operation is performed. In this period, the transistor QB is kept on so that the power regeneration is automatically performed when it is operated at a low power factor.
[0050]
The operation in the above configuration will be described with reference to the drawings. FIG. 6 is a waveform diagram showing the operation of the boost converter 3 in this embodiment. In FIG. 6, (a) shows the input voltage V _in And system voltage V _AC (B) is the gate signal of the transistor QF in the step-up switching element, (c) is the gate signal of the transistor QB which is the power regeneration switching element 3e, and (d) is the intermediate stage voltage V _M Indicates.
[0051]
In FIG. 6, the boosting switching element 3c and the power regeneration switching element 3e in the bidirectional boost converter 3 are alternately and constantly switched as shown in (b) and (c). During the boosting operation that is performed only near the peak voltage of the system voltage VAC while the inverter 5 is generally operating at a power factor of 1, the current flows only in the boosting diode 3d and is in parallel with the boosting diode 3d. Even if the connected power regeneration switching element 3e is on, no current flows, and the boost switching element 3c is off and the power regeneration switching element 3e is on during the period when the boost operation is not performed. It has become. However, regenerative power is generated when the grid-connected inverter device operates at a low power factor of, for example, about 0.9 in order to suppress the output voltage, but the boosting diode 3d and the power regenerative switching element 3e alternate. Therefore, the regenerative power is automatically stored in the smoothing capacitor 3a.
[0052]
As described above, according to this embodiment, the system voltage V _AC On the other hand, even when the inverter 5 needs to be operated at a low power factor, the power is automatically regenerated without particularly detecting and controlling the voltage of the intermediate stage capacitor 4, so that the quality is low. A grid-connected inverter device capable of realizing a power factor output current with an inexpensive configuration can be provided.
[0053]
(Example 5)
Hereinafter, Example 5 of the grid interconnection inverter device of the present invention will be described with reference to drawings. This embodiment relates to claim 5. The configuration of the present embodiment is shown in a circuit diagram and is the same as FIG.
[0054]
This embodiment is different from the third embodiment in that during the period when the boost converter 3 is not performing the boost operation, both the boost switching element 3c and the transistor QB which is the power regeneration switching element 3e are turned off. Intermediate stage voltage V _M This is to prevent resonance.
[0055]
The operation in the above configuration will be described with reference to the drawings. FIG. 7 is a waveform diagram showing the operation of the boost converter 3 in this embodiment. In FIG. 7, (a) shows the input voltage V _in And system voltage V _AC (B) is the gate signal of the transistor QF in the step-up switching element 3c, (c) is the gate signal of the transistor QB which is the power regeneration switching element 3e, and (d) is the intermediate stage voltage V _M Indicates.
[0056]
In FIG. 7, the transistor QF as the boosting switching element and the transistor QB as the power regeneration switching element 3e in the bidirectional boost converter 3 are similar to those in the fourth embodiment during the boosting operation. In order to switch alternately, the same operation as in the fourth embodiment is performed. In addition, in the period when the boosting operation is not performed, both are turned off. This prevents the bidirectional boost converter 3 from resonating at a frequency determined mainly by the DC reactor 3 b and the constants of the intermediate stage capacitor 4.
[0057]
As described above, according to the present embodiment, the boosting switching element 3c and the power regeneration switching element 3e are both turned off during the period in which the boosting operation is not performed. _M The resonance of the system voltage V _AC A grid-connected inverter device that can maintain a constant low voltage with respect to the inverter, eliminates the need for control for shaping the output current of the inverter 5 into a sine wave, and can also reduce the loss of the inverter 5 is provided. can do.
[0058]
(Example 6)
Hereinafter, Example 6 of the grid interconnection inverter device of the present invention will be described with reference to the drawings. This embodiment relates to claim 6. The configuration of the present embodiment is shown in a circuit diagram and is the same as FIG. The present embodiment is different from the third embodiment in that during the step-up operation of the step-up converter 3, the high-frequency switching of the step-up switching element 3c is subjected to low-frequency modulation to perform a waveform conversion operation to a sine wave. In the period, the inverter 5 performs only the polarity switching operation of the intermediate stage voltage VM having a sine wave waveform. In the period in which the boost converter 3 does not perform the boost operation, the inverter 5 converts the waveform into a sine wave and switches the polarity by modulation of high frequency switching. The loss in the inverter 5 is reduced.
[0059]
The operation in the above configuration will be described with reference to the drawings. FIG. 8 is a waveform diagram showing the operation of this embodiment. In FIG. 8, (a) is the system voltage V. _AC , (B) is a gate signal of the switching element Q1 in the inverter 5, (c) is a gate signal of the switching element Q2, (d) is a gate signal of the switching element Q3, (e) is a gate signal of the switching element Q4, (f ) Is the gate signal of the transistor QF in the step-up switching element 3c, (g) is the gate signal of the transistor QB which is the power regeneration switching element 3e, and (h) is the input voltage V from the solar cell which is the input power supply 1. _in And system voltage V _AC Indicates the absolute value of.
[0060]
In FIG. 8, when the inverter 5 operates with a power factor of about 1, the system voltage V _AC In the vicinity of the peak voltage, the step-up converter 3 performs a step-up operation and, as shown in (f) and (g), by modulating the conduction time of the transistor QF in the step-up switching element 3c, the intermediate stage voltage V _M The waveform is shaped so that becomes a sine wave, and the switching elements Q1 and Q2 of the inverter 5 are synchronized with the switching elements Q4 and Q3, respectively, as shown in (b) and (c). Switch the low frequency. On the other hand, the input voltage V _in Is the system voltage V _AC In the higher period, as in the fifth embodiment, the bidirectional boost converter 3 stops switching and, as shown in (b) and (c), the inverter 5 performs waveform shaping to output current. The whole becomes a sine wave.
[0061]
Therefore, a part of switching for shaping the waveform into a sine wave is substituted by the step-up switching element 3c in the boost converter 3, and the burden of switching for shaping the waveform into a sine wave in the inverter 5 is reduced. Loss can be reduced. Needless to say, during the boosting operation, the boosting switching element 3c and the power regeneration switching element 3e are alternately switched at high frequency to enable power regeneration.
[0062]
As described above, according to this embodiment, for example, the input voltage V _in When power is injected into the system 2 of about 200 VDC and 200 VAC, the system voltage V _AC During a period of about 4 to 5 ms centering on the peak voltage of the inverter, the bidirectional boost converter 3 performs waveform shaping, so that the inverter 5 does not need to perform switching at all, greatly reducing switching loss and improving efficiency. In addition, it is possible to provide a grid-connected inverter device that can achieve a reduction in size and weight of the entire device due to downsizing of the heat sink.
[0063]
【The invention's effect】
The present invention according to claim 1 includes a DC reactor, a boosting switching element, and a boosting diode, and boosts an input voltage from a DC input power supply by high-frequency switching of the boosting switching element, thereby providing a DC intermediate stage voltage. A step-up converter that outputs high-frequency components in the intermediate-stage voltage, and an inverter that outputs a sine AC current from the intermediate-stage voltage by switching of four switching elements configured in a full bridge And a filter that removes high-frequency components in the alternating current and outputs the output current to an alternating current system, and converts the direct current power input from the input power source into alternating current power and outputs the alternating current power to the system. In the apparatus, the intermediate stage capacitor is a film capacitor having a capacity of several hundred μF or less. And the step-up converter is a grid-connected inverter device that switches and boosts only during a period when the intermediate-stage voltage is lower than the absolute value of the system voltage. Eliminates unnecessary boosting operation of the boost converter during periods when the voltage may be higher than the system voltage, improving efficiency and reducing switching loss in the inverter, making it smaller, lighter, cheaper, and with less distortion It is possible to provide a grid-connected inverter device that can output in the above manner.
[0064]
The present invention according to claim 2 is an inverter having a full bridge configuration in which two arms each having two switching elements connected in series are connected in parallel, and one arm has several tens of switching elements having a low on-voltage and a high switching speed. Performs waveform conversion to sinusoidal current corresponding to system voltage by high frequency switching of about kHz or less, and the other arm has a slower switching speed than high frequency, and corresponds to the polarity of system voltage by a low on-voltage switching element. By switching the polarity of the output current to the grid-connected inverter device according to claim 1, the switching loss in the inverter is reduced and the amount of heat generation is reduced, so that the heat sink can be reduced in size, It is possible to provide a grid-connected inverter device that is lightweight and improved in efficiency. That.
[0065]
According to a third aspect of the present invention, in the boost converter, a switching element connected in parallel to the forward boost diode in the reverse direction is provided as a power regeneration switching element, and one end of a DC reactor has the boost switching element and the power regeneration switch. The power regenerative switching element is connected to a common connection point with the switching element for electric power and is turned on only during a period when the intermediate stage voltage exceeds a predetermined value to regenerate current from the inverter to the input side. By using the grid-connected inverter device according to any one of items 2, excessive intermediate stage voltage caused by system fluctuation is regenerated to the input side via the power regeneration switching element, and the inverter 5 is stopped. Operation can be maintained stably.
[0066]
According to a fourth aspect of the present invention, a switching element connected in parallel in the reverse direction to a forward boosting diode is provided as a power regeneration switching element, and a DC reactor is common to the boosting switching element and the power regeneration switching element. By connecting to a connection point and alternately switching high-frequency switching between the step-up switching element and the power regeneration switching element, a grid-connected inverter device according to any one of claims 1 to 2, When power is regenerated automatically when operating at a rate, a grid-connected inverter device capable of realizing a high-quality, low-power factor output current with an inexpensive configuration can be provided.
[0067]
According to a fifth aspect of the present invention, in the boost converter, a switching element connected in parallel to the forward boost diode in the reverse direction is provided as a power regeneration switching element, and the DC reactor includes the boost switching element and the power regeneration switching element. The boosting switching element and the power regeneration switching element are alternately connected to a common connection point with the element, and the boosting switching element and the power regeneration switching element are alternately switched at high frequency, and the boosting is performed during a period when the intermediate stage voltage is higher than the absolute value of the system voltage. 5. The grid-connected inverter device according to claim 1, wherein both the switching element for power and the switching element for power regeneration are turned off, and the step-up capacitor and the booster are provided. Co-oscillation of intermediate stage voltage with DC reactor in converter Preventing, intermediate stage voltage in a period that does not step-up operation can be kept low, it is possible to reduce the burden of the waveform shaping inverter during this period.
[0068]
According to a sixth aspect of the present invention, a sinusoidal convex portion is generated in an intermediate stage voltage by applying low-frequency modulation to high-frequency switching of a boosting switching element during a period in which the boosting converter performs a boosting operation. 6. The method according to claim 1, wherein only the polarity of the output current is switched with respect to the intermediate stage voltage of the convex part, and the output current is waveform-shaped by high-frequency switching for the intermediate stage voltage other than the convex part. By using the grid-connected inverter device described in the section, the high-voltage / high-current portion of the high-frequency switching for waveform shaping in the inverter becomes unnecessary, and most of the switching loss is eliminated, so the heat sink is downsized. can do.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a circuit diagram showing a configuration of a system interconnection inverter device according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a waveform diagram showing the operation of the boost converter in the same embodiment.
FIG. 3 is a waveform diagram showing the operation of the system interconnection inverter device according to the second embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a circuit diagram showing a configuration of a third embodiment of the grid-connected inverter device of the present invention.
FIG. 5 is a waveform diagram showing the operation of the embodiment.
FIG. 6 is a waveform diagram showing the operation of the boost converter in the fourth embodiment of the grid-connected inverter device of the present invention.
FIG. 7 is a waveform diagram showing the operation of the boost converter in the fifth embodiment of the grid-connected inverter device of the invention.
FIG. 8 is a waveform diagram showing the operation of the sixth embodiment of the grid-connected inverter device of the present invention.
FIG. 9 is a circuit diagram showing a configuration of a conventional grid-connected inverter device.
FIG. 10 is a waveform diagram showing the operation of the inverter in the conventional example.
[Explanation of symbols]
1 Input power
2 lines
3 Boost converter
3a Smoothing capacitor
3b DC reactor
3c Boosting switching element
3d boost diode
3e Switching element for power regeneration
4 Intermediate stage capacitor
5 Inverter
6 Filter
Q1, Q2, Q3, Q4 switching element
V _in Input voltage
V _M Intermediate stage voltage
V _AC System voltage
io output current
QF, QB transistors

Claims

A step-up converter comprising a DC reactor, a step-up switching element, and a step-up diode, and stepping up an input voltage from a DC input power supply by high-frequency switching of the step-up switching element and outputting a DC intermediate stage voltage; An intermediate stage capacitor that removes high frequency components in the stage voltage, an inverter that outputs a sine wave alternating current from the intermediate stage voltage by switching of four switching elements configured in a full bridge, and a high frequency component in the alternating current And a filter that outputs to an AC system as an output current, and converts the DC power input from the input power source into AC power and outputs the AC power to the system. A film capacitor having a capacity of 100 μF or less; Motor, the intermediate stage voltage is boosted by switching only the period to be lower than the absolute value of the system voltage, the voltage difference between the system voltage boosted interval partially convex within about several tens V A grid-connected inverter device designed to be maintained .

In an inverter with a full bridge configuration in which two arms with two switching elements connected in series are connected in parallel, one arm is connected to the system voltage by high-frequency switching of about several tens of kHz or less by a switching element having a low on-voltage and a fast switching speed The other arm has a switching speed slower than that for high frequency and the polarity of the output current is switched according to the polarity of the system voltage by a switching element with a low on-voltage. The grid interconnection inverter apparatus according to claim 1.

In the boost converter, a switching element connected in parallel to the forward boost diode in the reverse direction is provided as a power regeneration switching element, and one end of the DC reactor is at a common connection point between the boost switching element and the power regeneration switching element. The grid-connected inverter device according to claim 1, wherein the power regeneration switching element is electrically connected only during a period in which the intermediate stage voltage exceeds a predetermined value to regenerate current from the inverter to the input side.

In the boost converter, a switching element connected in parallel to the forward boost diode in the reverse direction is provided as a power regeneration switching element, and the DC reactor is connected to a common connection point between the boost switching element and the power regeneration switching element. 3. The grid-connected inverter device according to claim 1, wherein the switching element for boosting and the switching element for power regeneration are alternately switched at high frequency.

In the boost converter, a switching element connected in parallel to the forward boost diode in the reverse direction is provided as a power regeneration switching element, and the DC reactor is connected to a common connection point between the boost switching element and the power regeneration switching element. The boosting switching element and the power regeneration switching element alternately perform high-frequency switching, and the boosting switching element and the power regeneration switching are performed during a period when the intermediate stage voltage is higher than the absolute value of the system voltage. 5. The grid interconnection inverter device according to claim 1, wherein any of the elements is turned off.

During the period in which the boost converter performs a boost operation, low-frequency modulation is applied to the high-frequency switching of the boost switching element to generate a sine-shaped convex portion in the intermediate stage voltage. The grid-connected inverter device according to any one of claims 1 to 5, wherein only the polarity of the output current is switched, and the output current is waveform-shaped by high-frequency switching with respect to an intermediate stage voltage other than the convex portion. .