JP2001022457A

JP2001022457A - 分散型電源装置

Info

Publication number: JP2001022457A
Application number: JP11192578A
Authority: JP
Inventors: Mitsuru Matsukawa; 満松川; Yukio Shimomura; 幸男下村; Norio Sakae; 紀雄栄
Original assignee: Nissin Electric Co Ltd
Current assignee: Nissin Electric Co Ltd
Priority date: 1999-07-07
Filing date: 1999-07-07
Publication date: 2001-01-26

Abstract

(57)【要約】【課題】トランスレス方式で直流側の入出力間を電気
的に絶縁した状態にし、系統電源が１相接地されている
場合の大地漏洩電流の通電を防止する。【解決手段】フレーム１′が大地に接地された直流電
源（太陽電池１）の正極端子１ｐに第１のスイッチング
半導体１６を介して一端が接続された直流リアクトル１
７と、このリアクトル１７の他端と直流電源の負極端子
１ｎとの間に設けられ，半導体１６に同期してスイッチ
ングする第２のスイッチング半導体１８と、逆変換装置
（インバータ６）の正，負入力端子６ｐ，６ｎ間に設け
られた電源用コンデンサ７と、第１の整流ダイオード１
９に直列に接続され，半導体１６，１８と逆相でスイッ
チングする第３のスイッチング半導体２０と、第２の整
流ダイオード２２に直列に接続され，半導体２０に同期
してスイッチングする第４のスイッチング半導体２１と
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、直流電源のフレー
ムが大地に接地された太陽光発電装置，電池電力貯蔵装
置等の分散型電源装置に関し、詳しくはその直流側の入
出力間の電気的絶縁に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、この種の分散型電源にあっては、
安全性等の面から、太陽電池，２次電池等の直流電源の
フレームが、大地に接地される。

【０００３】そして、インバータ等の逆変換装置を系統
電源に連系運転し、直流電源を系統電源に同期した交流
電力に変換して系統負荷等に給電する。

【０００４】一方、この種の分散型電源装置が連系され
る電力系統は、３相系統の場合、一般にＶ相が接地され
る。

【０００５】したがって、分散型電源装置の直流側と交
流側とは電気的に絶縁分離する必要があり、この絶縁分
離を、逆変換装置の交流出力側に系統周波数（商用周波
数）の絶縁トランスを設けて行うと、このトランスが極
めて大型，大重量で効率の悪い低周波トランスからなる
ため、装置の小型，軽量化を図ることができない。

【０００６】そこで、この種の分散型電源装置にあって
は、近年、トランスを省いて前記の不都合を解消するこ
とが考えられ、トランスレス方式の従来の太陽光発電装
置は図３に示すように構成される。

【０００７】この図３の太陽光発電装置の場合、太陽電
池１のモジュールはフレーム１′が大地に接地され、そ
の正極端子１ｐと負極端子１ｎとの間に発生した直流電
力はＤＣ／ＤＣコンバータ２に供給される。

【０００８】このコンバータ２は端子１ｐ，１ｎ間にエ
ネルギ蓄積用の直流リアクトル３，スイッチング半導体
４を直列に設けて形成され、スイッチング半導体４が２
０ＫHz程度で高周波スイッチングし、この高周波スイッ
チングに基づくチョッパ動作により直流リアクトル３が
エネルギの蓄積と放出をくり返す。

【０００９】そして、スイッチング半導体４がオフする
間に、直流リアクトル２の蓄積エネルギが整流ダイオー
ド５を介して逆変換装置としてのインバータ６の直流の
正，負入力端子６ｐ，６ｎ間の電源用コンデンサ７に注
入される。

【００１０】なお、正極端子１ｐと負極端子１ｎとの間
にノイズフィルタコンデンサ８が設けられ、スイッチン
グ半導体４に放電路ダイオード９が逆並列接続されてい
る。

【００１１】つぎに、インバータ６は図示省略した複数
のスイッチング半導体の３相ブリッジ回路からなり、連
系運転制御に基づく各スイッチング半導体のスイッチン
グにより電源用コンデンサ７の直流電力を３相電力系統
１０の系統電圧に同期した系統周波数の交流電力に変換
し、この交流電力を漏電しゃ断器１１を介して電力系統
１０の負荷に給電する。

【００１２】そして、このトランスレス方式の太陽光発
電装置は、直流側で地絡等の事故が発生すると、インバ
ータ６の内蔵センサの過電検出等に基づき、直ちにイン
バータ６の運転が停止し、インバータ６の各スイッチン
グ半導体がオフし、ノーマルモードの本来の電流に対し
ては直流側と交流側とが電気的に絶縁される。

【００１３】ところで、従来装置には低周波トランスよ
り小型，軽量の高周波絶縁トランスを用いて直流側の入
出力間を電気的に絶縁するようにした高周波リンク方式
のものもある。

【００１４】この高周波リンク方式の従来の太陽光発電
装置は図４に示すように構成され、太陽電池１の正極端
子１ｐと負極端子１ｎとの間に発生した直流電力は、複
数のスイッチング半導体１２の単相ブリッジ回路からな
る高周波側のＤＣ／ＤＣコンバータ１３に供給され、こ
のコンバータ１３で例えば２０ＫHzの高周波電力に変換
される。

【００１５】この高周波電力が高周波絶縁トランス１４
を介して整流器１５に供給され、この整流器１５により
直流電力に変換されて電源用コンデンサ７に給電され
る。

【００１６】そして、この電源用コンデンサ７の直流電
力が、インバータ６と同様の低周波側のＤＣ／ＤＣコン
バータ６′の直流の正，負入力端子６ｐ′，６ｎ′間に
供給され、インバータ６′により系統周波数の交流電力
に変換される。

【００１７】この高周波リンク方式の場合、高周波絶縁
トランス１４により直流側の入出力間の電気的な絶縁が
図られる。

【００１８】

【発明が解決しようとする課題】前記図３及び図４の従
来装置の場合、それらの図面に示すように、太陽電池１
のフレーム１′と正，負極端子１ｐ，１ｎとの間には通
常、数百〜数千μＦ／１０ＫＷ程度の対地静電容量Ｃ
ａ，Ｃｂが発生する。

【００１９】そして、図３のトランスレス方式の場合、
大地を通る図中の矢印線Ｉｇに示すコモンモードの電流
（地絡漏洩電流）が発生すると、この電流については直
流側の入出力間の電気的絶縁が図られていないため、地
絡漏洩電流が容量Ｃａ，Ｃｂを介して直流側の入出力間
を通流する。

【００２０】この場合、地絡漏洩電流が漏電しゃ断器１
１等の地絡保護回路を通り、これらの保護回路が動作し
てインバータ６の運転等が停止する問題点がある。

【００２１】また、地絡漏洩電流にはインバータ６のス
イッチング周波数成分等の高周波ノイズ成分が多く含ま
れ、このノイズ成分が大地を通ることにより、大地接地
等された他の機器に高周波ノイズの悪影響を与える問題
点もある。

【００２２】これらの問題は、温度，湿度等に依存する
対地静電容量Ｃａ，Ｃｂが大きくなる場合等に生じ易
く、とくに、太陽電池１が屋根等に設置されて直並列接
続された複数の太陽電池モジュールからなる場合や、こ
の種の太陽光発電装置が複数台並列運転される場合等に
は、対地静電容量Ｃａ，Ｃｂが大きくなって地絡漏洩電
流が極めて大きくなり易いことから、顕著に現れる。

【００２３】一方、図４の高周波リンク方式の場合、高
周波絶縁トランス１４を用いるため、直流側の入出力間
は完全に絶縁され、地絡漏洩電流が漏電しゃ断器１１等
の保護回路を流れず、地絡漏洩電流によるインバータ６
の運転の停止等は生じないが、高周波絶縁トランス１４
は高価であり、しかも、トランスレス方式の場合に比し
て電力の変換効率が悪く、高価になるとともに装置全体
の変換効率を向上できない問題点がある。

【００２４】そして、直流電源が２次電池により形成さ
れる電池電力貯蔵装置等にあっても、同様の問題点が生
じる。

【００２５】本発明は、太陽光発電装置や電池電力貯蔵
装置等のこの種の分散型電源装置において、トランスレ
ス方式でノーマルモード，コモンモードのいずれにあっ
ても、直流側の入出力間を電気的に絶縁することを課題
とする。

【００２６】

【課題を解決するための手段】前記の課題を解決するた
めに、本発明の分散型電源装置は、フレームが大地に接
地された直流電源と、この直流電源の正極端子に第１の
スイッチング半導体を介して一端が接続されたエネルギ
蓄積用の直流リアクトルと、この直流リアクトルの他端
と直流電源の負極端子との間に設けられ，第１のスイッ
チング半導体に同期して同相でスイッチングする第２の
スイッチング半導体と、系統に連系運転される逆変換装
置の直流の正，負入力端子間に設けられた電源用コンデ
ンサと、順方向の第１の整流ダイオードに直列に接続さ
れて直流リアクトルの他端と逆変換装置の直流の正入力
端子との間に設けられ，第１，第２のスイッチング半導
体と逆相でスイッチングする第３のスイッチング半導体
と、順方向の第２の整流ダイオードに直列に接続されて
逆変換装置の直流の負入力端子と直流リアクトルの一端
との間に設けられ，第３のスイッチング半導体に同期し
て同相でスイッチングする第４のスイッチング半導体と
を備える。

【００２７】したがって、第１，第２のスイッチング半
導体のスイッチングにより直流電源のエネルギが断続的
に直流リアクトルに蓄積され，第３，第４のスイッチン
グ半導体のスイッチングにより第１の整流ダイオード，
第３のスイッチング半導体の直列回路，電源用コンデン
サ及び第２の整流ダイオード，第４のスイッチング半導
体の直列回路により、直流リアクトルの蓄積エネルギが
断続的に放出されて電源用コンデンサが充電される。

【００２８】さらに、この電源用コンデンサの直流電力
が逆変換装置の連系運転によって系統周波数の交流電力
に変換される。

【００２９】そして、第１，第２のスイッチング半導体
と第３，第４のスイッチング半導体とが逆相でスイッチ
ングするため、第１，第２のスイッチング半導体がオン
して直流リアクトルにエネルギが蓄積されるときは、第
３，第４のスイッチング半導体がオフするとともに、第
１，第２の整流ダイオードが逆バイアス状態になり、直
流側の入出力間がノーマルモード，コモンモードのいず
れについても電気的に絶縁された状態になる。

【００３０】また、第３，第４のスイッチング半導体が
オンして電源用コンデンサが充電されるときは、第１，
第２のスイッチング半導体のオフによって直流側の入出
力間が両モードのいずれについても電気的に絶縁された
状態になる。

【００３１】そのため、低周波トランスや高周波絶縁ト
ランスを用いることなく、トランスレス方式で直流側の
入出力間の電気的絶縁が図られ、系統電源の１相が接地
されていても地絡漏洩電流が流れることがない。

【００３２】そして、直流電源を例えば太陽光発電装置
の１又は複数の太陽電池，電池電力貯蔵装置の１又は複
数の２次電池とした場合に好適である。

【００３３】

【発明の実施の形態】本発明の実施の１形態につき、図
１及び図２を参照して説明する。

【００３４】図１はこの種の分散型電源の１例である太
陽光発電装置に適用した場合を示し、同図において、図
３，図４と同一符号は同一もしくは相当するものを示
す。

【００３５】そして、この図１の太陽光発電装置は、低
周波トランスや図４の高周波絶縁トランス１４は設けら
れず、トランスレス方式であり、太陽電池１の正極端子
１ｐと負極端子１ｎとの間に、例えばＮＰＮ型のＩＧＢ
Ｔからなる第１のスイッチング半導体１６のコレクタ，
エミッタ，エネルギ蓄積用のリアクトル１７の一端，他
端，ＮＰＮ型のＩＧＢＴからなる第２のスイッチング半
導体１８のコレクタ，エミッタが直列に接続される。

【００３６】そして、両スイッチング半導体１６，１８
が例えば１０ＫHzで同期して同相でスイッチングし、同
時にオン，オフする。

【００３７】さらに、このオン，オフにより太陽電池１
の発生電力の電流がスイッチング半導体１６，直流リア
クトル１７，スイッチング半導体１８を断続的に流れ、
直流リアクトル１７にいわゆるチョッパ制御でその直流
エネルギが蓄積される。

【００３８】つぎに、直流リアクトル１７の他端とイン
バータ６の正入力端子６ｐとの間に、第１の整流ダイオ
ード１９のアノード，カソード，ＮＰＮ型のＩＧＢＴか
らなる第３のスイッチング半導体２０のコレクタ，エミ
ッタが直列に接続され、順方向の整流ダイオード１９に
直列に第３のスイッチング半導体２０が設けられる。

【００３９】また、インバータ６の負入力端子６ｎと直
流リアクトル１７の一端との間に、ＮＰＮ型のＩＧＢＴ
からなる第４のスイッチング半導体２１のコレクタ，エ
ミッタ及び第２の整流ダイオード２２のアノード，カソ
ードが直列に接続され、順方向の整流ダイオード２２に
直列に第４のスイッチング半導体２１が設けられる。

【００４０】そして、第３，第４のスイッチング半導体
２０，２１は同期して同相でスイッチングし、第１，第
２のスイッチング半導体１６，１８と逆にオン，オフす
る。

【００４１】このオン，オフに基づき、第１，第２のス
イッチング半導体１６，１８がオフして第３，第４のス
イッチング半導体２０，２１がオンするときに、直流リ
アクトル１７の蓄積エネルギの電流が、直流リアクトル
１７の他端から第１の整流ダイオード１９，第３のスイ
ッチング半導体２０，電源用コンデンサ７，第４のスイ
ッチング半導体２１，第２の整流ダイオード２２を介し
て直流リアクトル１７の一端に流れ、電源用コンデンサ
７が充電される。

【００４２】すなわち、第１，第２のスイッチング半導
体１６，１８が同期して図２の（ａ）に示すようにスイ
ッチングすると、第３，第４のスイッチング半導体２
０，２１は同図の（ｂ）に示すように同期して第１，第
２のスイッチング半導体１６，１８と逆相でスイッチン
グする。

【００４３】そして、各スイッチング半導体１６，１
８，２１，２２のスイッチングに基づく直流エネルギの
蓄積，放出のくり返しにより、直流リアクトル１７の電
流（図１のリアクトル電流ＩＬ）は図２の（ｃ）に示す
ように変化し、第１，第２のスイッチング半導体１６，
１８がオンする蓄積時に増加して第３，第４のスイッチ
ング半導体２０，２１がオンする放出時に減少する。

【００４４】さらに、第３，第４のスイッチング半導体
２０，２１がオンする直流リアクトル１７のエネルギ放
出時は、第１の整流ダイオード１９，第３のスイッチン
グ半導体２０を介して電源用コンデンサ７に、図２の
（ｄ）に示す電流（図１のダイオード電流ＩＤ）が流
れ、この電流によって電源用コンデンサ７が充電され
る。

【００４５】そして、第１，第２のスイッチング半導体
１６，１８がオンして直流リアクトル１７にエネルギが
蓄積されるときは、コンデンサ８の端子間，すなわち端
子１ｐ，１ｎ間に生じる図１の入力電圧Ｖｉｎと、電源
用コンデンサ７の端子間に生じる図１の出力電圧Ｖｏｕ
ｔとにより、第１，第２の整流ダイオード１９，２２が
逆バイアス状態になることから、両ダイオード１９，２
０により、ノーマルモードの電圧（本来の回路電圧）に
対して、直流側の入出力間が電気的に絶縁された状態に
なる。

【００４６】また、地絡漏洩電流に基づくコモンモード
の電圧については、地絡漏洩電流の向きによっては、対
地静電容量Ｃａ，Ｃｂを介して第１，第２の整流ダイオ
ード１９，２０が順バイアス状態になることがあるが、
両ダイオード１９，２０に直列に第３，第４のスイッチ
ング半導体２０，２１が設けられ、第１，第２のスイッ
チング半導体１６，１８がオンするときは、第３，第４
のスイッチング半導体２０，２１がオフし、このスイッ
チング半導体２０，２１のオフによって直流側の入出力
間が電気的に絶縁された状態になるため、地絡漏洩電流
が通流することもない。

【００４７】つぎに、第１，第２のスイッチング半導体
１６，１８がオフして直流リアクトル１７の蓄積エネル
ギが電源用コンデンサ７に放出されるときは、ノーマル
モード，コモンモードのいずれの電圧に対しても、第
１，第２のスイッチング半導体１６，１８のオフによっ
て直流側の入出力間が電気的に絶縁された状態になるた
め、この間にも地絡漏洩電流が通流することはない。

【００４８】したがって、いわゆるフライバックコンバ
ータ方式を採用したトランスレス方式の小型，軽量で効
率の高い構成により、直流側の入出力間，すなわち太陽
電池１の正，負極端子１ｐ，１ｎと、インバータ６の
正，負入力端子６ｐ，６ｎとの間を等価的な手法で電気
的に確実に絶縁しつつ、太陽電池１の発電電力で電源用
コンデンサ７を充電し、インバータ６の直流電源を確保
することができる。

【００４９】この場合、太陽電池１のフレーム１′と系
統電源１０の接地相とが大地を介して電気的に接続さ
れ、太陽電池１のフレーム１′と正，負極端子１ｐ，１
ｎとの間の対地静電容量Ｃａ，Ｃｂを介した大地漏洩電
流が通流しようとしても、第１，第２のスイッチング半
導体１６，１８と第３，第４のスイッチング半導体２
０，２１との相互に逆相のスイッチングと、第１，第２
の整流ダイオード１９，２２とにより、ノーマルモード
の電圧，電流だけでなく、コモンモードの電圧，電流に
対しても入出力間が電気的に絶縁され、大地漏洩電流の
通流が阻止される。

【００５０】そのため、大地漏洩電流の通流による従来
のような漏電しゃ断器１１等の地絡保護装置の動作が発
生せず、インバータ６の運転停止を招来することがな
い。

【００５１】また、大地漏洩電流が通流しないため、イ
ンバータ６のスイッチングノイズ等の高周波ノイズが大
地接地された他の機器に悪影響を与えることもない。

【００５２】そして、太陽電池１が例えば屋根に瓦の代
わりに敷設された複数の太陽電池モジュールを直並列接
続して形成されている場合等には、対地静電容量Ｃａ，
Ｃｂが大きく、大地漏洩電流も大きくなることから、本
発明を適用することにより、著しい効果を奏する。

【００５３】また、太陽光発電装置を系統電源に複数台
連系して運転する場合、従来は、個々の太陽光発電装置
の大地漏洩電流が大きくなくても、全体では大地漏洩電
流（総電流）が大きくなって系統との連系点の上位の漏
電しゃ断器等の保護装置が動作する問題があったが、図
１の本発明の太陽光発電装置を複数台連系して運転して
も、大地漏洩電流が流れないことから、連系点の上位の
漏電しゃ断器等の保護装置が動作せず、このような場合
にも本発明は著しい効果を奏する。

【００５４】そして、太陽電池１は１又は複数の太陽電
池モジュール等の太陽電池であってよく、スイッチング
半導体１６，１８，２０，２１はＦＥＴ等のＩＧＢＴ以
外の電力用のスイッチング半導体であってもよい。

【００５５】さらに、前記実施の形態にあっては、直流
電源が太陽電池１で形成された太陽光発電装置に適用し
たが、直流電源が２次電池からなる電池電力貯蔵装置等
にも同様に適用することができる。

【００５６】

【発明の効果】本発明は、以下に記載する効果を奏す
る。まず、請求項１において、第１，第２のスイッチン
グ半導体１６，１８と第３，第４のスイッチング半導体
２０，２１とが逆相でスイッチングするため、第１，第
２のスイッチング半導体１６，１８がオンして直流リア
クトル１７にエネルギが蓄積されるときは、第３，第４
のスイッチング半導体２０，２１がオフするとともに、
第１，第２の整流ダイオード１９，２２が逆バイアス状
態になり、直流側の入出力間をノーマルモード，コモン
モードのいずれについても電気的に絶縁された状態にす
ることができる。

【００５７】また、第３，第４のスイッチング半導体２
０，２１がオンして電源用コンデンサ７が充電されると
きは、第１，第２のスイッチング半導体１６，１８のオ
フによって直流側の入出力間を電気的に絶縁された状態
にすることができる。

【００５８】したがって、低周波トランスや高周波絶縁
トランスを用いることなく、トランスレス方式で直流側
の入出力間の電気的絶縁をが図ることができ、系統電源
の１相が接地されていても地絡漏洩電流が流れることが
なく、小型，軽量で変換効率よく直流電力を逆変換装置
（インバータ６）で交流電力に変換することができる。

【００５９】そして、請求項２においては、直流電源を
１又は複数の太陽電池又は２次電池により形成したた
め、トランスレス方式で地絡漏洩電流が発生しない新規
な太陽光発電装置，電池電力貯蔵装置を提供することが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の１形態の回路結線図である。

【図２】（ａ）〜（ｄ）は図１の動作説明用のタイミン
グチャートである。

【図３】トランスレス方式の従来装置の回路結線図であ
る。

【図４】高周波リンク方式の従来装置の回路結線図であ
る。

【符号の説明】

１太陽電池１′ フレーム１ｐ正極端子１ｎ負極端子６インバータ６ｐ直流正入力端子６ｎ直流負入力端子７電源用コンデンサ１０系統電源１６，１８，２０，２１第１，第２，第３，第４のス
イッチング半導体１７直流リアクトル１９，２２第１，第２の整流ダイオード

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者栄紀雄京都市右京区梅津高畝町47番地日新電機株式会社内Ｆターム(参考） 5G066 JA20 JB10 5H007 AA01 BB07 CA01 CB00 CC12 CC23 5H420 CC03 DD04 EA11 EA42 EB01 EB39

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】フレームが大地に接地された直流電源
と、前記直流電源の正極端子に第１のスイッチング半導体を
介して一端が接続されたエネルギ蓄積用の直流リアクト
ルと、前記直流リアクトルの他端と前記直流電源の負極端子と
の間に設けられ，前記第１のスイッチング半導体に同期
して同相でスイッチングする第２のスイッチング半導体
と、系統に連系運転される逆変換装置の直流の正，負入力端
子間に設けられた電源用コンデンサと、順方向の第１の整流ダイオードに直列に接続されて前記
直流リアクトルの他端と前記逆変換装置の直流の正入力
端子との間に設けられ，前記第１，第２のスイッチング
半導体と逆相でスイッチングする第３のスイッチング半
導体と、順方向の第２の整流ダイオードに直列に接続されて前記
逆変換装置の直流の負入力端子と前記直流リアクトルの
一端との間に設けられ，前記第３のスイッチング半導体
に同期して同相でスイッチングする第４のスイッチング
半導体とを備えたことを特徴とする分散型電源装置。
【請求項２】直流電源が１又は複数の太陽電池又は２
次電池からなることを特徴とする請求項１記載の分散型
電源装置。