CN102484372B - 太阳能发电用功率调节器 - Google Patents
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Abstract
将薄膜型的太阳能电池(1)的电力通过升压斩波器电路(10)升压至规定的直流电压2E，并通过逆变器电路(20)转换为三相交流电力，经由输出直流电压电路(4)供给到交流电源系统(5)。太阳能电池(1)为非接地系统，负极N与大地之间具有杂散静电电容Cs。交流电源系统(5)为三相星形接线，中性点被接地。输出直流电压电路(4)具有三个蓄电池(4a)，各蓄电池(4a)针对各相插入在连接于逆变器电路(20)的交流输出侧的正弦波滤波器(30)与交流电源系统(5)之间，例如在将交流电源系统(5)的电压设为220V的情况下，如果将直流电压E设为180V，将蓄电池(4a)的电压设为190V左右，则相对于大地的太阳能电池的负极电位为正10V左右，不会成为负电位，因此能够防止太阳能电池的劣化的加速。
Description
技术领域
本发明涉及一种太阳能发电用功率调节器的改进。
背景技术
将太阳能电池与交流电源系统互连的太阳能发电用功率调节器具有将由太阳能电池产生的直流电力转换为交流电力的功能以及互连到交流电源系统的功能。向交流电源系统送出的交流电力在与交流电源系统连接的负荷中被消耗。例如，作为太阳能发电用功率调节器的系统互连逆变器将从直流电源(太阳能电池)输入的直流电力经过输入输出间未绝缘的转换器电路和逆变器电路转换为交流电力，并输出到被接地的交流电源系统(例如参照专利文献1)。
在该结构中，太阳能电池与交流电源系统以非绝缘方式连接。另外，交流电源系统的中性点被接地。因此，太阳能电池需要与大地(地线)绝缘，作为结果，在太阳能电池与大地之间产生杂散静电电容Cs。交流电源系统侧的中性点电压成为与逆变器电路的直流中性点电压几乎相同的电压。在此，如果将逆变器电路的直流侧所连接的直流电容器的电压设为2E伏，则杂散静电电容Cs的电压(从大地看到的负极N的电压)成为-E伏。也就是说，太阳能电池的负极N被负偏置。
另外，太阳能电池被分类为晶体型和薄膜型。有报告指出在太阳能电池的负极N被负偏置的状态下被使用的情况下，在薄膜型中太阳能电池的劣化加速(例如参照非专利文献1)。因此，在使用薄膜型太阳能电池的情况下，一般将负极N接地。但是，负极N的接地方式不能应用于非绝缘系统。
另外，有如下方式：为了抑制太阳能电池的劣化，在将太阳能电池的直流电力转换为交流电力的电力转换部中设置绝缘变压器，经由 该绝缘变压器将太阳能电池与交流电源系统互连，并且设置电压转换部来进行转换使得太阳能电池的正极和负极中的任一个的对地电压都大于0V(例如参照专利文献2)。
专利文献1：日本特开2001-275259号公报(段落号0027和图1)
专利文献2：日本特开2008-047819号公报(段落号0040、0041、图3和图4)
非专利文献1：Neelkanth等著“High-Voltage Bias Testing of Thin-Film PV Modules”，Poster 1923-1926，3rd World Conference on Photovoltaic Energy Conversion，May 11-18，2003，Osaka，Japan Poster 1926左栏第17行～第31行
发明内容
发明要解决的问题
在将薄膜型太阳能电池使用于非绝缘系统的情况下，担心太阳能电池自身的劣化。因此，在使用薄膜型太阳能电池的情况下，将太阳能发电用功率调节器设为绝缘系统。作为具体的绝缘方法，如上所述那样在交流电源系统的前级连接输出变压器(绝缘变压器)。太阳能电池与交流电源系统通过输出变压器被绝缘，因此能够使负极N接地。但是，在该输出变压器中产生电力损失。具体地，绕组导体中产生铜损，在铁心中产生铁损。太阳能发电用功率调节器的基本功能是将由太阳能电池产生的直流电力无浪费地转换为交流电力，而上述的损失成为阻碍该功能的主要原因。即，如果想要防止太阳能电池的劣化的加速，则必须将负极N接地，而为了与被接地的交流电源系统互连，需要在交流电源系统的前级设置输出变压器，电力损失增加。另外，还需要用于将由于损失而产生的热向外部排出的换气电力。并且，一般来说输出变压器的尺寸和重量都大，因此还产生价格、安装上的问题。
本发明是为了解决如上所述的问题而完成的，其目的在于得到一种能够防止太阳能电池的劣化的加速并且能够降低电力损失的太阳能 发电用功率调节器。
在本发明所涉及的太阳能发电用功率调节器中，将太阳能电池不经由绝缘单元而连接到被接地的交流电源系统，具有电力转换装置和偏置施加装置，电力转换装置将太阳能电池产生的规定电压的直流电力转换为交流电力，偏置施加装置被串联地插入在电力转换装置与交流电源系统之间，对太阳能电池提供偏置电压使得太阳能电池的负极侧不会成为负电位。
发明的效果
本发明是将太阳能电池不经由绝缘单元而连接到被接地的交流电源系统的太阳能发电用功率调节器，具有电力转换装置和偏置施加装置，电力转换装置将太阳能电池产生的规定电压的直流电力转换为交流电力，偏置施加装置被串联地插入在电力转换装置与交流电源系统之间，对太阳能电池提供偏置电压使得太阳能电池的负极侧不会成为负电位，因此能够防止太阳能电池的劣化的加速并且能够降低电力损失。
附图说明
图1是表示作为本发明的实施方式1的太阳能发电用功率调节器的结构的结构图。
图2是表示作为本发明的实施方式2的太阳能发电用功率调节器的结构的结构图。
图3是为了说明图2的输出直流电压电路的充放电动作而仅抽出1相的电路图。
图4是为了说明图2的输出直流电压电路的充放电动作而仅抽出1相的电路图。
图5是为了说明图2的输出直流电压电路的充放电动作而仅抽出1相的电路图。
图6是为了说明图2的输出直流电压电路的充放电动作而仅抽出1相的电路图。
图7是表示作为本发明的实施方式3的太阳能发电用功率调节器的结构的结构图。
图8是表示作为本发明的实施方式4的太阳能发电用功率调节器的结构的结构图。
图9是表示作为本发明的实施方式5的太阳能发电用功率调节器的结构的结构图。
图10是表示作为本发明的实施方式6的太阳能发电用功率调节器的结构的结构图。
图11是表示作为本发明的实施方式7的太阳能发电用功率调节器的结构的结构图。
具体实施方式
实施方式1.
图1是表示作为用于实施本发明的实施方式1的太阳能发电用功率调节器的结构的结构图。在图1中，由薄膜型的太阳能电池1产生的直流电力通过升压斩波器电路10被转换(升压)为作为规定电压的直流电压2E伏的直流电力。被升压的直流电力通过作为电力转换装置的逆变器电路20被转换为三相交流电力，并经由正弦波滤波器30以及作为偏置施加装置的输出直流电压电路4连接到交流电源系统5。太阳能电池1没有被接地，成为其负极N与大地之间通过杂散静电电容Cs的等效电容器3接地的形式。交流电源系统5是三相中的各相的电源星形接线的三相星形接线交流电源系统，其中性点被接地。
此外，升压斩波器电路10具有输入电容器11、升压电抗器12、IGBT元件13、二极管元件15，连接在太阳能电池1的正极P与负极N之间。逆变器电路20是具有接线成三相全波桥式电路的作为开关元件的IGBT元件21～26以及直流电容器28的三相两电平逆变器电路。正弦波滤波器30具有滤波电抗器31和滤波电容器32，滤波电抗器31被串联地连接在逆变器电路20与输出直流电压电路4之间，在滤波电抗器31的输出直流电压电路4侧连接有由各电容器单元三角形接线而成的滤波电 容器32。输出直流电压电路4具有三个蓄电池4a，在连接于逆变器电路20的交流输出侧的正弦波滤波器30的滤波电抗器31与交流电源系统5之间，针对各相以正极侧成为滤波电抗器31侧的方式插入有各蓄电池4a。
与现有的太阳能发电用功率调节器不同的是在逆变器电路20与交流电源系统5之间串联地插入有输出直流电压电路4。在此，设各相的蓄电池4a的电压为全部相同的值，因输出直流电压电路4的连接产生的影响不会出现在线电压中。
接着说明动作。升压斩波器电路10、逆变器电路20、正弦波滤波器30与现有的相同，因此在此省略详细的电路动作的说明。在此，将作为直流电力的规定电压的直流电容器28的电压设为2E伏。在将输出直流电压电路4即蓄电池4a的电压设为0伏的情况下，因连接产生的效果不出现，交流电源系统5侧的中性点电压成为与逆变器电路20的直流中性点电压几乎相同的电压即E伏。其结果，太阳能电池1与大地间的杂散静电电容Cs的等效电容器3的电压(从大地看到的负极N的电压)成为-E伏。例如，在将蓄电池4a的电压设定为上述规定电压2E伏的1/2的值即E伏的情况下，各相的相电压被偏置E伏，分别减少E伏。但是，如上所述在线电压中不出现影响。交流电源系统5侧的中性点电压也减少E伏，因此成为0伏，作为其结果，等效电容器3的电压也成为0伏。
如上所述，如果将蓄电池4a的电压设定为E伏，则等效电容器3的电压也成为0伏，但是留下一些余量而将蓄电池4a的电压设定为E+a伏。在将蓄电池4a的电压设定为E+a伏的情况下，各相的相电压分别减少E+a伏，交流电源系统侧的中性点电压也减少E+a伏而成为-a伏。其结果，杂散静电电容Cs的电压成为+a伏。这样，通过改变蓄电池4a的电压，能够任意地设定太阳能电池1与大地间的杂散静电电容Cs的电压。此外，在本实施方式中例如将交流电源系统5的电压设为220伏的情况下，将E设为180伏(直流)，将a设为10伏左右。
如上所述，即使在作为太阳能电池1使用薄膜型、并且应用于非绝缘系统的情况下，通过由蓄电池4a提供作为规定电压的电压2E伏的 1/2以上即E伏以上的偏置电压，无需使太阳能电池1的负极N负偏置，即太阳能电池1的负极N不会变为负电位，而能够设为0伏或正偏置。而且，能够抑制薄膜型太阳能电池的劣化的加速。另外，也不需要为了将太阳能电池与交流电源系统绝缘而在交流电源系统的前级设置输出变压器，因此能够消除输出变压器的电力损失，能够降低整体的电力损失。
实施方式2.
图2、图3表示实施方式2，图2是表示太阳能发电用功率调节器的结构的结构图，图3～图6是为了说明充放电动作而仅抽出1相(X相)的电路图。在实施方式1中，示出了将蓄电池4a串联地连接的情况，但是能够使用电容器代替蓄电池4a。在该电容器中，需要控制其直流电压的充放电电路。在图2中，输出直流电压电路6将图1中的各蓄电池4a置换为输出电容器61x～61z，并且设置有各相的输出电容器61x～61z的充电电路63x～63z以及放电电路64x～64z。在连接到逆变器电路20的交流输出侧的正弦波滤波器30的滤波电抗器31与交流电源系统5之间，针对各相以正极侧成为滤波电抗器31侧的方式插入有输出电容器61x～61z。
各充电电路63x～63z分别具有IGBT元件TN、二极管DN、限流电阻RN，分别连接在各输出电容器61x～61z的负端子与直流电容器28的负端子之间。另外，放电电路64x～64z分别具有IGBT元件TP和限流电阻RP，分别连接在直流电容器28的正端子与输出电容器61x～61z的负端子之间。关于其它结构，与图1所示的实施方式1相同，因此对相当的部分附加相同的符号并省略说明。
接着，说明输出电容器61x～61z的充放电动作。
图3～图6是为了说明充放电动作而仅抽出1相(X相)的电路图。着眼于X相来说明动作。作为逆变器电路的结构要素的IGBT元件21和IGBT元件22例如按照脉宽调制交替地导通和截止。另一方面，充电电路63x的IGBT元件TN和放电电路64x的IGBT元件TP分别按照充电指令和放电指令导通和截止。在对输出电容器61x进行充电 的[动作模式1]的情况下，如图3所示，使充电电路63x的IGBT元件TN导通。在逆变器电路20的IGBT元件21导通的期间，通过直流电容器28对输出电容器61x进行充电。通过充电电路63x的限流电阻RN抑制充电电流。
另一方面，在作为逆变器电路20的IGBT元件22导通的期间的[动作模式2]中，电流要如图4所示那样流动，但是由于被充电电路63x的二极管DN阻止而不能流动，输出电容器61x既不充电，也不放电。充电电路63x的二极管DN具有阻止在IGBT元件22导通的期间的输出电容器61x的放电的功能。在使输出电容器61x放电的[动作模式3、动作模式4]的情况下，如图5、图6所示，使放电电路64x的IGBT元件TP导通。当放电电路64x的IGBT元件TP导通时，在逆变器电路20的IGBT元件21和IGBT元件22中的任一个导通的期间也都形成输出电容器61x的放电电流路径。通过放电电路64x的限流电阻RP抑制放电电流。
在直流电容器28的电压为2E伏的情况下，将输出电容器61x的电压指令值设为E伏，对充电电路63x的IGBT元件TN和放电电路64x的IGBT元件TP进行导通和截止控制。于是，太阳能电池1与大地之间的杂散静电电容Cs的等效电容器3的电压成为0伏。另外，当将上述的电压指令值设定为E+a伏时，等效电容器3的电压成为a伏。也就是说，通过改变输出电容器61x的电压指令值，能够任意地设定太阳能电池1与大地之间的等效电容器3的电压。因而，即使在作为太阳能电池1使用薄膜型、并且应用于非绝缘系统的情况下，太阳能电池1的负极N也不会偏置为负电位，能够设为0伏或正偏置。即，通过提供作为规定电压的电压2E伏的1/2以上即电压E伏以上的偏置电压，能够抑制薄膜型的太阳能电池的劣化的加速。
此外，有时根据系统运用的情况而在太阳能发电用功率调节器的运行中改变直流电容器28的电压。此时，使输出电容器61x～61z的电压随着直流电容器28的电压而改变。在使直流电容器28的电压上升的情况下通过充电电路63x～63z对输出电容器61x～61z进行充电，在使直流电容器28的电压减少的情况下通过放电电路64x～64z使输出电容器 61x～61z放电，由此改变输出电容器61x～61z的电压。
实施方式3.
图7是表示作为实施方式3的太阳能发电用功率调节器的结构的结构图。在图7中，输出电容器71x～71z是其阻抗被设为交流电源系统5的阻抗的5％，并在正弦波滤波器30的滤波电抗器31与交流电源系统5之间针对各相以正极侧成为滤波电抗器31侧的方式被插入。关于其它结构，与图2所示的实施方式2相同，因此对相当的部分附加相同的符号并省略说明。在输出电容器71x～71z中流过输出电流，因此输出电容器71x～71z的端子电压发生变动。另外，在三相交流的情况下，其电压变动中存在位相差。理想的情况下，优选的是输出电容器71x～71z的端子电压变动为零伏。因而，在实际的太阳能发电用功率调节器中，优选使输出电容器71x～71z的阻抗尽可能地小，作为输出电容器71x～71z的具体的阻抗，5％以下为合适。因而，在本实施方式中，应用静电电容大的电解电容器，并且将其阻抗设为交流电源系统5的阻抗的5％。
当将三相的交流电源系统电压设为220V、将额定电流设为50A时，5％阻抗为如下。
当将交流电源系统频率设为60Hz时，输出电容器71x～71z的静电电容为如下。
1/(127mΩ×2×π×60Hz)＝21mF
实施方式4.
图8是表示作为实施方式4的太阳能发电用功率调节器的结构的结构图。在图8中，二极管81x～81z分别反并联地连接在输出电容器71x～71z，即，以各二极管81x～81z的阴极侧成为输出电容器71x～71z的正极侧的方式并联地连接。关于其它结构，与图7所示的实施方式3相同，因此对相当的部分附加相同的符号并省略说明。作为输出电容器71x～71z使用了电解电容器，但是电解电容器如果逆向充电则会被破坏，因此需要采取措施使得在任何条件下都不会逆充电。作为用于防止逆充电的具体的方法，与作为电解电容器的输出电容器71x～71z反并联地分别连接二极管81x～81z
实施方式5.
图9是表示作为实施方式5的太阳能发电用功率调节器的结构的结构图。在图9中，实际的太阳能发电用功率调节器在逆变器电路20与交流电源系统5之间具备互连开关101。关于其它结构，与图2所示的实施方式2相同，因此对相当的部分附加相同的符号并省略说明。互连开关101在将逆变器电路20连接到交流电源系统5的准备完毕的时刻闭合。即，在对输出电容器61x～61z进行初始充电而使输出电容器61x～61z的电压成为规定值以上的时刻使互连开关101闭合，经由逆变器电路20将太阳能电池1与交流电源系统5互连。
如果以输出电容器61x～61z为零伏或非常低的电压的状态使互连开关101闭合而从逆变器电路20开始流动交流电流，则输出电容器61x～61z有可能过渡性地被逆充电。因而，优选的是在将输出电容器61x～61z初始充电至规定的电压之后使互连开关101闭合而从逆变器电路20开始流动交流电流。在对输出电容器61x～61z进行初始充电时，以如下方式使IGBT元件21、23、25以及充电电路63x～63z导通。
U相的输出电容器61x：IGBT元件21和充电电路63x
V相的输出电容器61y：IGBT元件23和充电电路63y
W相的输出电容器61z：IGBT元件25和充电电路63z
关于初始充电电压，当将太阳能电池1即直流电容器28的电压设为2E伏时，将初始充电时的输出电容器61x～61z的目标电压设定为例如作为一半的E伏，在成为从太阳能电池输出的直流电力的电压的1/2以上时使互连开关101闭合。由此，防止输出电容器61x～61z过渡性地被逆充电。
实施方式6.
图10是表示作为实施方式6的太阳能发电用功率调节器的结构的结构图。在图10中，正弦波滤波器130具有滤波电容器132，将滤波电容器132星形接线，将其共同连接点侧连接到直流电容器28的负端子(太阳能电池1的负极N)。另外，各充电电路9x～9z连接在直流电容器28的正端子(太阳能电池1的正极P)与各输出电容器61x～61z的正端子之间。此外，各充电电路9x～9z是将IGBT元件T与限流电阻R串联地连接而成的。关于其它结构，与图9所示的实施方式5相同，因此对相当的部分附加相同的符号并省略说明。
在此，当为了对U相的输出电容器61x进行初始充电而将IGBT元件21和充电电路63x导通时，通过直流电容器28→IGBT元件21→滤波电抗器31→滤波电容器132→直流电容器28这一路径对滤波电容器132也进行充电。但是，其充电电流峰值有可能达到逆变器电路20的过电流水平，另外，电流、电压的振动也变得持续，因此作为电路动作是不优选的。作为该对策，关于正弦波滤波器130像这样使滤波电容器132成为星形接线的情况下，通过另行连接初始充电用的充电电路9x～9z，能够避免上述问题。在这种情况下，在对U相的输出电容器61x进行初始充电时，使充电电路9x与充电电路63x导通。U相的输出电容器61x的充电电流通过充电电路9x的限流电阻R以及充电电路63x的限流电阻RN被限流为安全的值。另外，通过充电电路9x的导通，滤波电容器132被充电，但是充电滤波电容器132的充电电流也通过充电电路9x的限流电阻R被限流为安全的值。
实施方式7.
图11是表示作为实施方式7的太阳能发电用功率调节器的结构的结构图。以上的各实施方式中的交流电源系统5是三相中的各相被星形接线且中性点被接地。作为上述内容以外，有时通过三角形接线使其中一相例如V相被接地。在该情况下也产生与上述相同的问题。本实施方式是在这种情况下应用本发明的实施方式。在图11中，由太阳能电池1产生的直流电力通过升压斩波器电路210被升压至规定的直流电压E伏。被升压的直流电力通过逆变器电路220转换为三相交流电力，经由正弦波滤波器230和输出直流电压电路4连接到交流电源系统50。太阳能电池1没有被接地，而成为其负极N与大地之间通过杂散静电电容Cs的等效电容器3被接地的形式。交流电源系统50 是三相中的各相的电源被三角形接线的三相三角形接线交流电源系统，其V相被接地。
此外，升压斩波器电路210具有输入电容器11、升压电抗器12、IGBT元件13、二极管元件15。逆变器电路220是具有作为被接线成单相全波桥式电路的开关元件的IGBT元件221～224以及直流电容器228的单相两电平逆变器电路，而两个直流电容器228被串联地连接，并被连接在二极管元件15的阴极侧与太阳能电池1的负极N之间。正弦波滤波器230具有滤波电抗器231和滤波电容器232。滤波电抗器231被串联地连接在逆变器电路220与输出直流电压电路4之间。滤波电容器232被连接在滤波电抗器231的输出直流电压电路4侧与太阳能电池1的负极N之间。输出直流电压电路4具有三个蓄电池4a，各蓄电池4a被插入在正弦波滤波器230的各滤波电抗器231与交流电源系统50之间、以及逆变器电路220的两个直流电容器228的连接点与交流电源系统50之间。
在直流电容器228的各电压分别为E伏的情况下，如果将蓄电池4a的电压设定为E伏，则具有太阳能电池1与大地之间的杂散静电电容Cs的等效电容器3的电压成为0伏。因而，起到与上述各实施方式相同的效果。
此外，以上的各实施方式中示出的升压斩波器电路、逆变器电路也可以是其它结构。
Claims (8)
1.一种太阳能发电用功率调节器，将太阳能电池不经由绝缘单元而连接到被接地的交流电源系统，其特征在于，
该太阳能发电用功率调节器具有电力转换装置和偏置施加装置，
所述电力转换装置将所述太阳能电池产生的直流电力转换为交流电力，
所述偏置施加装置被串联地插入在所述电力转换装置与所述交流电源系统之间，并通过提供所述直流电力的电压的1/2以上的偏置电压，使得所述太阳能电池的负极侧不会成为负电位。
2.根据权利要求1所述的太阳能发电用功率调节器，其特征在于，
所述太阳能电池是薄膜型太阳能电池。
3.根据权利要求1所述的太阳能发电用功率调节器，其特征在于，
所述偏置施加装置具有电容器和充电电路，
所述电容器被串联地插入在所述电力转换装置与所述交流电源系统之间，
所述充电电路将所述直流电力充电到所述电容器来提供所述偏置电压。
4.根据权利要求3所述的太阳能发电用功率调节器，其特征在于，
所述电容器的阻抗被设定为所述电力转换装置的额定阻抗的5％以下。
5.根据权利要求3或4所述的太阳能发电用功率调节器，其特征在于，
所述电容器是电解电容器，
设置有二极管，
所述二极管以其阴极侧连接到所述电解电容器的正极侧的方式与所述电解电容器并联连接。
6.根据权利要求1所述的太阳能发电用功率调节器，其特征在于，
设置有互连开关，
所述互连开关设置在所述偏置施加装置与所述交流电源系统之间，在所述偏置施加装置的输出电压成为所述直流电力的电压的1/2以上时闭合。
7.根据权利要求1所述的太阳能发电用功率调节器，其特征在于，
所述交流电源系统是三相中的各相电源被星形接线并且中性点被接地的三相星形接线交流电源系统。
8.根据权利要求1所述的太阳能发电用功率调节器，其特征在于，
所述交流电源系统是三相中的各相电源被三角形接线并且一相被接地的三相三角形接线交流电源系统。
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