JP2000010648A - 電力制御装置およびこれを用いた太陽光発電システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 逆流防止ダイオードにおける電力損失を防止
する。 【解決手段】 太陽電池１が発生する電力を、負荷３へ
供給する交流電力に変換する電力変換手段６、および、
太陽電池と電力変換手段との間に設けられ、太陽電池へ
の電流の逆流を防止するダイオード４を備えた電力制御
装置または太陽光発電システムにおいて、前記ダイオー
ドに並列に接続され、前記ダイオードをバイパスする経
路を断続するためのスイッチ手段５、および、太陽電池
の出力状態に応じ、前記ダイオードがなくても前記逆流
が発生しない条件下においてオンとなるようにスイッチ
手段をオンオフ制御する制御手段７を備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は太陽光発電システム
の電力制御装置およびこれを用いた太陽光発電システム
に関する。

【０００２】

【従来の技術】今日、地球環境に対する意識の高まりか
ら、クリーンなエネルギー源である太陽光発電システム
に大きな期待が寄せられている。最近では、一般住宅向
け系統連系太陽光発電システムが従来より安価になって
きており、今後ますますの普及が期待されている。

【０００３】太陽光発電システムは、太陽電池アレイ
と、負荷と、太陽電池アレイが出力する電力を負荷に供
給する電力制御装置とから構成される。負荷が商用系統
の場合には先述のように系統連系太陽光発電システムと
呼ばれる。

【０００４】電力制御装置には、負荷としての電源が接
続される場合や、電力制御装置内部にコンデンサを有す
る場合があるが、太陽電池アレイの出力電圧の低下にと
もなって電源やコンデンサから太陽電池アレイヘ逆流す
るのを防止するために、いわゆる逆流防止ダイオードを
太陽電池と直列に接続する。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、昼間な
どの太陽電池アレイの発電時には、逆流防止ダイオード
に順方向の電流が流れると、そこでの電圧降下により電
力損失が発生する。これが発電効率の低下の原因となっ
ている。

【０００６】本発明の目的は、この従来技術の問題点に
鑑み、電力制御装置およびこれを用いた太陽光発電シス
テムにおいて、逆流防止ダイオードにおける電力損失を
防止し、もって発電効率を向上させることにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
本発明では、太陽電池が発生する電力を、負荷へ供給す
る交流電力に変換する電力変換手段、および前記太陽電
池と電力変換手段との間に設けられ、前記太陽電池への
電流の逆流を防止するダイオードを備えた電力制御装置
または太陽光発電システムにおいて、前記ダイオードに
並列に接続され、前記ダイオードをバイパスする経路を
断続するためのスイッチ手段、および前記太陽電池の出
力状態に応じ、前記ダイオードがなくても前記逆流が発
生しない条件下においてオンとなるように前記スイッチ
手段をオンオフ制御する制御手段を具備することを特徴
とする。

【０００８】この構成において、ダイオードと並列に接
続されたスイッチ手段は低インピーダンスであり、制御
手段は、このスイッチ手段を、太陽電池の出力状態に応
じ、ダイオードがなくても逆流が発生しない条件下にお
いてオンする。すると、スイッチ手段とダイオードの合
成のインピーダンスはダイオードのみのインピーダンス
より十分低インピーダンスであるため、ダイオード両端
で発生していた電圧降下が小さくなる。また、逆流が発
生する条件となる前でスイッチ手段をオフにすることに
より、確実に太陽電池への逆流が防止される。

【０００９】

【発明の実施の形態】本発明の好ましい実施形態におい
ては、逆流が発生しない条件を電力変換手段の出力電流
や出力電力、電力変換手段への出力指令値、電力変換手
段への入力電力等から検出する。すなわち、電力変換手
段の出力電流を検出する電流検出手段を備え、制御手段
はこの検出値を所定の設定値と比較してスイッチ手段の
オンオフ制御を行う。または、電力変換手段の出力電力
を検出する電力検出手段を備え、制御手段はこの検出値
を所定の設定値と比較してスイッチ手段のオンオフ制御
を行う。あるいは、制御手段は、電力変換手段に対して
供給電力の指令値を出力するものであり、この指令値を
所定の設定値と比較してスイッチ手段のオンオフ制御を
行う。あるいは、太陽電池から電力変換手段へ入力され
る電力を検出する電力検出手段を備え、制御手段はこの
検出値を所定の設定値と比較してスイッチ手段のオンオ
フ制御を行う。

【００１０】また、前記設定値は第１の設定値およびこ
れより小さい第２の設定からなり、制御手段は前記検出
値または指令値と第１および第２の設定値との比較の結
果、前記検出値または指令値が第１設定値より大きい場
合にスイッチ手段をオンとし、前記検出値または指令値
が第２設定値より小さい場合にスイッチ手段をオフとす
る。つまり、オンになる場合とオフになる場合でヒシテ
リシス特性をもたせ、多少の変動でオンオフするのを防
止し、オンオフ回数を抑制している。

【００１１】スイッチ手段としてはリレーやＭＯＳＦＥ
Ｔを用いることができる。リレーの場合、リレーの接点
とリレーの駆動コイルは電気的絶縁がとれているため、
他に絶縁についての考慮は不要となる。ＭＯＳＦＥＴを
用いる場合、ＭＯＳＦＥＴは半導体スイッチであるた
め、オンオフに対する信頼性は高い。また、ＭＯＳＦＥ
Ｔには寄生ダイオードがあり、これを逆流防止用のダイ
オードとして用いることも可能である。また、電力制御
装置が停止する場合には、前記スイッチ手段のオンオフ
制御に優先してスイッチ手段をオフにすることにより、
ダイオードでの電圧降下はまったく問題無く、かつ、確
実に太陽電池への逆流が防止される。またダイオードと
してシリコン接合ダイオードを用いることにより、低コ
ストかつ低損失な構成が実現される。

【００１２】

【実施例】以下、図面を参照して本発明の実施例を説明
する。 （実施例１）図１は本発明の第１の実施例に係る太陽光
発電システムの構成を示すブロック図である。同図にお
いて、１は太陽電池アレイ、２は系統連系インバータ、
３は電力系統である。太陽電池アレイ１は、複数の太陽
電池モジュールを直並列接続して構成される。太陽電池
モジュールの光電変換部分の材料としては、アモルファ
スシリコン、微結晶シリコン、多結晶シリコン、単結晶
シリコン、化合物半導体などが使用できる。太陽電池モ
ジュールの形態として、屋根材一体型やアルミフレーム
付きタイプなどの種々の形態がある。本発明の実施にあ
たっては特に太陽電池の種類や形態、あるいは設置方法
について制限はない。

【００１３】系統連系インバータ２は、太陽電池アレイ
１が発生する電力を電力系統３へ供給する交流電力に変
換する電力変換手段６、太陽電池アレイ１と電力変換手
段６との間に設けられ、太陽電池アレイ１への電流の逆
流を防止するダイオード４、ダイオード４に並列に接続
され、ダイオード４をバイパスする経路を断続するため
のスイッチ手段５、および、太陽電池アレイ１の出力状
態に応じ、ダイオード４がなくても前記逆流が発生しな
い条件下においてオンとなるようにスイッチ手段５をオ
ンオフ制御する制御手段７を備える。系統連系インバー
タ２はさらに電力変換手段６の出力電力を検出する電力
検出手段８を備え、制御手段７はこの検出値を所定の設
定値と比較してスイッチ手段５のオンオフ制御を行う。
太陽電池アレイ１からの直流の電力が系統連系インバー
タ２へ入力されると、入力された直流電力は、ダイオー
ド４とスイッチ手段５を経て、自己消弧型スイッチング
デバイスを用いたフルブリッジ回路で構成される電力変
換手段６に入力されて交流に電力変換され、さらに電力
検出手段８を通過して電力系統３に供給される。

【００１４】制御手段７はマイコンを内蔵しており、各
部の電圧と電流を検出する機能、制御機能および保護機
能などを搭載している。また、スイッチ手段５をオンオ
フ制御する際のオンかオフかの判定はマイコン内蔵（ま
たは外付け）のメモリに記憶させた設定値に基づいて実
行する。

【００１５】逆流防止ダイオード２は、シリコン接合型
ダイオード、ショットキーバリアダイオード（ＳＢＤ）
など種々のものが使用可能であるが、順電流特性や逆耐
圧特性が使用条件に適しているかどうかを考慮する必要
がある。

【００１６】スイッチ手段５としては、逆流防止用のダ
イオード４よりも低インピーダンスなデバイスを用いる
が、具体的にはリレーなどの機械的接点や、ＭＯＳＦＥ
Ｔなどの半導体スイッチなどが使用できる。リレーを用
いれば接点での電圧降下は小さく、また、オンオフの駆
動に関する絶縁も考慮不要である。一方、ＭＯＳＦＥＴ
の場合は近年の半導体技術により低抵抗なものを選択で
き、また、機械的接点が無いのでオンオフによる寿命に
対する信頼性は非常に高い。さらに、ＭＯＳＦＥＴの寄
生ダイオードを逆流防止ダイオード４として利用すれ
ば、単品のダイオードは不要となり、部品点数も少なく
なる。

【００１７】電力検出手段８は、電力変換手段６が出力
する電流および電圧から電力値を得るが、その際、近年
のデジタル技術の進歩により、電流および電圧を高速に
ＡＤ変換してデジタル値とし、高速処理の可能なＣＰＵ
やＤＳＰなどを用いてデジタル演算を行い、電力値を得
ることができる。また、制御手段７が他の制御機能や保
護機能のために、電流や電圧を検出する手段や、演算手
段などを有している場合には、それらを共用することも
可能である。

【００１８】この構成において、制御手段７は、電力検
出手段８で検出された電力値Ｗｘに基づいてスイッチ手
段５のオンまたはオフを判定し、図２に示すようなオン
オフ制御を行う。すなわち、オフからオンに移行するた
めの第１設定値Ｗ１と、オフからオンに移行するための
第２設定値Ｗ２を有しており、これらによりオンオフ制
御を行い、かつこれらの設定値の関係はＷ１＞Ｗ２であ
るため、オンオフ動作はヒシテリシス特性を示す。

【００１９】たとえば、朝など日射が弱くて太陽電池ア
レイ１の出力電力が小さい間は出力電力Ｗｘは第１設定
値Ｗ１より小さく、スイッチ手段５はオフ状態にある。
この状態においては、太陽電池からの電力は全て逆流防
止用のダイオード４を介して電力変換手段６へ供給され
る。したがって、日射が非常に弱くなった場合でも逆流
防止ダイオード４により太陽電池アレイ１への逆流を防
ぐことができる。

【００２０】朝から昼に近づくなど、太陽電池アレイ１
への日射が強くなると、太陽電池アレイ１の出力電力は
増加し、電力変換手段６の出力電力Ｗｘも増加する。出
力電力Ｗｘが第１設定値Ｗ１より大きくなると、スイッ
チ手段５がオン状態となる。すると、スイッチ手段５は
逆流防止ダイオード４と比較して十分低抵抗であるた
め、逆流防止ダイオード４およびスイッチ手段５の両端
での電圧降下は低下する（図３参照）。したがって、こ
の電圧降下の低下分だけ逆流防止ダイオード４両端での
電力損失を低減することができる。また、電力損失が低
減する分だけ逆流防止ダイオード４両端での発熱が抑制
されるため、放熱するための手段を小さくすることもで
きる。

【００２１】夕方など、日射が弱くなると、太陽電池ア
レイ１の出力電力は減少し、電力変換手段６の出力電力
Ｗｘも減少する。出力電力Ｗｘが第１設定値Ｗ１よりも
小さい第２設定値Ｗ２を下回ると、スイッチ手段５がオ
フ状態となる。これにより、逆流防止ダイオード４およ
びスイッチ手段５の両端での電圧降下は増加するが（図
３参照）、確実に太陽電池アレイ１への逆流を防ぐこと
ができる。また、このときの電圧降下による損失電力量
は、全発電電力量と比較すると小さい。

【００２２】なお、第１設定値Ｗ１および第２設定値Ｗ
２は、出力電力Ｗｘの増減による頻繁なオンオフ動作が
発生しないことや、逆流防止ダイオード４およびスイッ
チ手段５での電力損失、スイッチ手段５のオン状態に保
つための駆動電力等を考慮して設定する。頻繁なオンオ
フ動作を抑制するには第１設定値Ｗ１と第２設定値Ｗ２
の差を大きくすればよいが、その差が大き過ぎると逆流
防止ダイオード４およびスイッチ手段５での電力損失の
低減の効果が小さくなるので、注意して選択する。

【００２３】また、制御手段７は、その保護機能などに
より運転停止と判断した場合には、上記スイッチ手段５
のオンオフ制御より優先して、電力変換手段６を停止さ
せると同時にスイッチ手段５をオフ状態にする。これに
より、電力検出および判定に要する時間分だけスイッチ
手段５をオフ状態にする時間を短縮することができ、太
陽電池アレイ１への逆流をより確実に防止することがで
きる。

【００２４】このように、電力変換手段６の出力電力を
検出し、これとヒシテリシス特性を有した設定値とを比
較した結果に基づいて逆流防止ダイオード４と並列接続
されたスイッチ手段５をオンオフ制御することにより、
太陽電池アレイ１ヘの逆流を防止しながら電力損失を低
減することができる。また、このオンオフ制御に優先し
て、異常停止時には即座にスイッチ手段５をオフするこ
とにより、より確実に太陽電池アレイ１ヘの逆流を防止
することができる。また、電力損失の低減分だけ発熱を
抑制し、放熱手段を小さくすることができる。

【００２５】（実施例２）本発明の第２の実施例に係る
太陽光発電システムの構成は、図１のものとほぼ同様で
あり、電力検出手段８の代わりに電力変換手段６の出力
電流を検出する電流検出手段を用いる点が異なる以外
は、図１を参照することができる。制御手段７は、電流
検出手段による検出値を、オフからオンに移行するため
の第１設定値Ｉ１およびオフからオンに移行するための
第２設定値Ｉ２と比較することにより、スイッチ手段５
のオンオフ制御を行う。実施例１の場合と同様に、これ
らの設定値の関係はＩ１＞Ｉ２であり、オンオフ動作は
ヒシテリシス特性を示す。系統電圧はほぼ一定であるた
め、電流検出値を用いる本実施例での動作は、電力検出
値を用いる実施例１の場合と同様となる。

【００２６】電流検出値を得るための演算は電力検出値
のそれと比較して非常に演算量が少ないため、電流検出
手段でのマイコンの負荷が軽くなる。したがって、その
分ほど低速のマイコンを選択できる場合がある。

【００２７】本実施例では負荷として電力系統を用いて
いるので電圧がほとんど変わらないが、電圧が変わるよ
うな負荷、例えば抵抗負荷の場合であっても、出力電流
によりオンオフ制御を行うことができる。その場合、第
１設定値Ｉ１および第２設定値Ｉ２の設定レベルは変わ
ってくるので、その装置に適した値を設定すべきであ
る。

【００２８】（実施例３）本発明の第３の実施例に係る
太陽光システムの構成は、図１のものとほぼ同様であ
り、電力検出手段８の代わりに太陽電池アレイ１と逆流
防止ダイオード４およびスイッチ手段５を並列接続した
ものとの間に別の電力検出手段を設けた点が異なる以外
は、図１を参照することができる。ここで設けた電力検
出手段は、太陽電池アレイ１から供給され、電力制御装
置２に入力される直流電力を検出するものである。その
際、電力検出手段は、太陽電池アレイ１からの直流電流
および直流電圧を検出し、ＡＤ変換してデジタル値と
し、マイコンにより乗算を行って電力値を算出する。制
御手段７は種々の制御機能および保護機能のために太陽
電池アレイ１からの直流電流および直流電圧を検出した
り、各種処理を行うためにマイコンを有しているため、
これらを電力手段と共用すると、構成を簡略化すること
ができる。

【００２９】制御手段７は、電力検出手段による検出値
を、オフからオンに移行するための第１設定値Ｐ１およ
びオフからオンに移行するための第２設定値Ｐ２と比較
することによりスイッチ手段５のオンオフ制御を行う。
実施例１および２の場合と同様に、これらの設定値の関
係はＰ１＞Ｐ２であり、オンオフ動作はヒシテリシス特
性を示す。動作も実施例１および２の場合と同様であ
る。

【００３０】直流の電力値を得るための演算は、交流値
の演算と比較して非常に演算量が少ないため、電力検出
手段でのマイコンの負荷が軽くなる。したがって、その
分ほど低速のマイコンを選択できる場合がある。

【００３１】電力制御装置２の動作可能な入力電圧は、
太陽電池アレイ１の開放電圧から最適動作点電圧まで対
応できるように広い範囲となっている。よって、オンオ
フ動作の繰返しや損失電力の抑制のため、入力電圧が変
わることを考慮して第１設定値Ｐ１および第２設定値Ｐ
２を設定する必要がある。例えば電力制御装置２の最低
入力電圧と、最も高いと考えられる最適動作電圧の範囲
を考慮して設定する。あるいは、入力電圧をいくつかの
区間に分けて、各区間毎に設定する。

【００３２】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、次
の効果を奏する。 （１）太陽電池への逆流を確実に防止しながら、電力損
失を低減することができる。 （２）さらに電力損失の低減により発熱が抑制され、放
熱手段を小さくし、または省略することが可能である。 （３）スイッチ手段のオンオフ制御にヒシテリシス特性
を設けることにより、オンオフ回数を抑制し、安定した
動作を可能にすることができる。特にスイッチ手段とし
てリレーを用いた場合には、機械的接点の寿命に対する
マージンを得る上でも大変有効である。 （４）スイッチ手段としてリレーを用いれば、オンオフ
の駆動のための絶縁について別に考慮する必要が無い。 （５）スイッチ手段としてＭＯＳＦＥＴを用いれば、オ
ンオフに対する信頼性が非常に高くなる。 （６）さらにＭＯＳＦＥＴの寄生ダイオードを逆流防止
ダイオードとして使用することにより、別途ダイオード
を用意する必要が無く、構成を簡略化することができ
る。 （７）電力制御装置が異常検出などにより運転停止する
場合に、前記オンオフ制御に優先してスイッチ手段をオ
フにすることにより、より確実に太陽電池への逆流を防
ぐことが可能である。 （８）逆流防止ダイオードとしてシリコン接合ダイオー
ドを用いることにより、安価で低損失な構成を得ること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の第１の実施例に係る電力制御装置を
用いた太陽光発電システムの構成を示すブロック図であ
る。

【図２】 本発明の電力制御装置におけるオンオフ制御
特性の一例を示す図である。

【図３】 本発明の電力制御装置における電圧降下の一
例を示す図である。

【符号の説明】

１：太陽電池（太陽電池アレイ）、２：電力制御装置
（系統連係インバータ）、３：電力系統、４：逆流防止
ダイオード、５：スイッチ手段、６：電力変換手段、
７：制御回路、８：電力検出手段。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 真鍋 直規 東京都大田区下丸子３丁目30番２号キヤノ ン株式会社内 Ｆターム(参考） 5F051 BA11 JA07 KA02 KA03 KA10 5G066 HA30 HB06 5H007 AA06 AA17 BB07 CA02 CC01 DB12 DC02 DC03 FA12 GA08 GA09 5H420 BB03 CC03 DD03 EA20 EB01 EB26 EB39 FF04 FF05 FF25 LL04 LL09

Claims (12)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 太陽電池が発生する電力を、負荷へ供給
   する交流電力に変換する電力変換手段、および、前記太
   陽電池と電力変換手段との間に設けられ、前記太陽電池
   への電流の逆流を防止するダイオードを備えた電力制御
   装置において、前記ダイオードに並列に接続され、前記
   ダイオードをバイパスする経路を断続するためのスイッ
   チ手段、および前記太陽電池の出力状態に応じ、前記ダ
   イオードがなくても前記逆流が発生しない条件下におい
   てオンとなるように前記スイッチ手段をオンオフ制御す
   る制御手段を具備することを特徴とする電力制御装置。
2. 【請求項２】 前記電力変換手段の出力電流を検出する
   電流検出手段を備え、前記制御手段はこの検出値を所定
   の設定値と比較して前記オンオフ制御を行うことを特徴
   とする請求項１に記載の電力制御装置。
3. 【請求項３】 前記電力変換手段の出力電力を検出する
   電力検出手段を備え、前記制御手段はこの検出値を所定
   の設定値と比較して前記オンオフ制御を行うことを特徴
   とする請求項１に記載の電力制御装置。
4. 【請求項４】 前記制御手段は、前記電力変換手段に対
   して供給電力の指令値を出力するものであり、この指令
   値を所定の設定値と比較して前記オンオフ制御を行うこ
   とを特徴とする請求項１に記載の電力制御装置。
5. 【請求項５】 前記太陽電池から前記電力変換手段へ入
   力される電力を検出する電力検出手段を備え、前記制御
   手段はこの検出値を所定の設定値と比較して前記オンオ
   フ制御を行うことを特徴とする請求項１に記載の電力制
   御装置。
6. 【請求項６】 前記設定値は第１の設定値およびこれよ
   り小さい第２の設定からなり、前記制御手段は前記比較
   の結果、前記検出値または指令値が前記第１設定値より
   大きい場合に前記スイッチ手段をオンとし、前記検出値
   または指令値が前記第２設定値より小さい場合に前記ス
   イッチ手段をオフとすることを特徴とする請求項２〜５
   のいずれか１項に記載の電力制御装置。
7. 【請求項７】 前記スイッチ手段がリレーであることを
   特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の電力制
   御装置。
8. 【請求項８】 前記スイッチ手段がＭＯＳＦＥＴである
   ことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の
   電力制御装置。
9. 【請求項９】 前記ダイオードが前記ＭＯＳＦＥＴの寄
   生ダイオードであることを特徴とする請求項８に記載の
   電力制御装置。
10. 【請求項１０】 前記電力制御装置が停止する場合には
    前記制御手段は前記オンオフ制御に優先して前記スイッ
    チ手段をオフにすることを特徴とする請求項１〜９のい
    ずれか１項に記載の電力制御装置。
11. 【請求項１１】 前記ダイオードがシリコン接合ダイオ
    ードであることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか
    １項に記載の電力制御装置。
12. 【請求項１２】 請求項１〜１１のいずれかの電力制御
    装置を具備することを特徴とする太陽光発電システム。