JP2005157488A

JP2005157488A - 電力変換装置

Info

Publication number: JP2005157488A
Application number: JP2003391234A
Authority: JP
Inventors: Kazuaki Azuma; 和明東
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2003-11-20
Filing date: 2003-11-20
Publication date: 2005-06-16

Abstract

【課題】直流電源の発電電力を有効に利用し、効率よく安定した電源を供給できる電力変換装置を提供すること。
【解決手段】太陽電池モジュールの発電した直流電力の電圧を昇圧する昇圧回路と、この昇圧回路によって昇圧された直流電圧を交流電圧に変換するインバータ回路と、前記昇圧回路及び前記インバータ回路を制御する制御回路と、この制御回路へ電源を供給する電源回路とを具備するとともに、前記電源回路の電源入力部を前記太陽電池モジュールの発電した直流電力の電圧が所定の電圧より高い場合に前記昇圧回路の入力側に電気的に接続させ、前記太陽電池モジュールの発電した直流電力の電圧が所定の電圧より低い場合に昇圧回路の出力側に電気的に接続させる切替手段を有することを特徴とする電力変換装置。
【選択図】図１

Description

本発明は、太陽電池モジュール等の直流電源から得られる直流電力を交流電力に変換する電力変換装置に関するものである。

近年、太陽エネルギーを電気エネルギーへ光電変換できる太陽電池モジュールが発電し、出力する直流電力をインバータにて交流電力に変換し、太陽電池モジュールを商用電力系統と連系する系統連系システムが実用化されている。

図４は従来技術における系統連系システムの形態を示す概略構成図、図５は従来技術における電力変換装置の形態を示す一例の概略構成図である。

図４に示すように、従来技術における系統連系システムにおいては、太陽電池モジュールにより構成された電源２で太陽エネルギーを電気エネルギーに光電変換し、ここで発生し、出力した直流電力は、電力変換装置２１にて例えば交流電圧が２００Vの交流電力に変換される。また、太陽電池モジュールにより構成された電源２は電力変換装置２１を通して、商用電力系統１２とは連系接続されている。

従来の電力変換装置２１は、図５に示すように、太陽電池モジュールにより構成された電源２で発電された直流電力の直流電圧をより高い直流電圧に昇圧変換する昇圧回路２３と、この昇圧回路２３によって昇圧された直流電力を交流電力に変換するインバータ回路２４と、昇圧回路２３やインバータ回路２４をコントロールする制御回路２５と、この制御回路２５に電源を供給する電源回路２６とから構成されており、負荷１３と商用電力系統１２に電気的に接続して連系運転を行っている。

ここで、電源回路２６の入力部は昇圧回路２３の出力部に電気的に接続され、昇圧回路２３の出力部から出力された電圧を１つまたは複数の必要な低圧（例えば５Ｖや１２Ｖ）の電圧に降圧し、制御回路２５に電源を供給している。

また、電力変換装置２１においては、太陽電池モジュールにより構成された電源２で発電された電力を効率よく、安定して商用電力系統１２と連系運転させる必要があるが、太陽電池モジュールにより構成された電源２は日射の状況により発電する直流電力の出力電圧が変動する特性を持っている。すなわち、電源回路２６の動作としては、電力変換装置２１の停止時において、太陽電池モジュールにより構成された電源２の発電した直流電力の直流電圧が所定の電圧に達したときに電源回路２６は起動され、制御回路２５に電源供給を行い始める。この時点においては昇圧回路２３が動作しておらず、電源回路２６の入力電圧と太陽電池モジュールにより構成された電源２の出力電圧はほぼ同じである。

一方、電力変換装置２１が起動した後は昇圧回路２３が動作しているため、電源回路２６は太陽電池モジュールにより構成された電源２の出力電圧よりも高い電圧を入力とし動作を行うものである。

また、太陽電池モジュールにより構成された電源２の出力が所定の電圧よりも低い場合には商用電力系統から電源を得ることとし、太陽電池モジュールにより構成された電源２の出力が所定の電圧よりも高い場合には昇圧回路の出力部から電源を得るものもある（例えば、特許文献１を参照）。
特開平８−３０８２４７号公報（第４頁、第１図）

しかしながら、このような従来の方式では、前述の通り制御回路へ電源を供給する電源回路が昇圧回路の出力部に電気的に接続される構成となっており、そのためにも上記電源回路については、太陽電池モジュールにより構成された電源の発電する低い電圧（例えば５０Ｖ）から昇圧された高い電圧（例えば４００Ｖ）まで安定して動作する必要がある。

また、上記電源回路の回路方式としては例えばトランスを用いたフライバック方式等が一般的に挙げられるが、広い電圧範囲を入力とする場合については、トランスの大型化等により電力変換装置の大型化や重量増といった問題が生じ、家屋壁面等への取り付け強度を強くするために木ネジなどの本数を多くするなど施工工数の増加も生じてくる。

さらに、上記電源回路の出力側の安定性が悪くなったり、入力電圧が高い場合にスイッチング素子のオン期間が短くなり損失が増加したり、電源回路自身の効率が悪くなるといった問題があった。

すなわち、本来太陽電池等のように自然エネルギーから得られる電力を有効に利用できるようにするべき電力変換装置の効率を下げたり、前述のような大型化、重量増を引き起こすといった問題があるのである。

一方、上述した広範囲の入力電圧に対応するために、太陽電池モジュールにより構成された電源の出力が所定の電圧よりも低い場合には商用電力系統から電源を得ることとし、夜間等の電力変換装置が停止しているなどの時において、商用電力系統から電力を得ることになり、無駄な電力を消費する問題があった。

したがって、本発明は上記事情に鑑みて完成されたものであり、その目的は太陽電池等からなる直流電源の直流発電電力を有効に利用し、効率よくしかも安定的な交流出力を有する交流電力に変換できる電力変換装置を提供することにある。

本発明の電力変換装置は、太陽電池モジュールの発電した直流電力の電圧を昇圧し、さらにこの昇圧された直流電圧を交流電圧に変換し、太陽電池モジュールを負荷系統及び商用電力系統に電気的に接続して連系運転を行う電力変換装置であって、この電力変換装置は前記太陽電池モジュールの発電した直流電力の電圧を昇圧する昇圧回路と、この昇圧回路によって昇圧された直流電圧を交流電圧に変換するインバータ回路と、前記昇圧回路及び前記インバータ回路を制御する制御回路と、この制御回路へ電源を供給する電源回路とを具備するとともに、前記電源回路の電源入力部を前記太陽電池モジュールの発電した直流電力の電圧が所定の電圧より高い場合に前記昇圧回路の入力側に電気的に接続させ、前記太陽電池モジュールの発電した直流電力の電圧が所定の電圧より低い場合に昇圧回路の出力側に電気的に接続させる切替手段を有することを特徴とする。

また、本発明の他の電力変換装置は、太陽電池モジュールの発電した直流電力の電圧を昇圧し、さらにこの昇圧された直流電圧を交流電圧に変換し、太陽電池モジュールを負荷系統及び商用電力系統に電気的に接続して連系運転を行う電力変換装置であって、この電力変換装置は前記太陽電池モジュールの発電した直流電力の電圧を昇圧する昇圧回路と、この昇圧回路によって昇圧された直流電圧を交流電圧に変換するインバータ回路と、前記昇圧回路及び前記インバータ回路を制御する制御回路と、この制御回路へ電源を供給する電源回路とを具備するとともに、前記電源回路の電源入力部を前記昇圧回路の動作時に前記昇圧回路の入力側に電気的に接続させ、前記昇圧回路の停止時には昇圧回路の出力側に電気的に接続させる切替手段を有することを特徴とする。

本発明の電力変換装置によれば、太陽電池モジュールの発電した直流電力の電圧を昇圧し、さらにこの昇圧された直流電圧を交流電圧に変換し、太陽電池モジュールを負荷系統及び商用電力系統に電気的に接続して連系運転を行う電力変換装置であって、この電力変換装置は前記太陽電池モジュールの発電した直流電力の電圧を昇圧する昇圧回路と、この昇圧回路によって昇圧された直流電圧を交流電圧に変換するインバータ回路と、前記昇圧回路及び前記インバータ回路を制御する制御回路と、この制御回路へ電源を供給する電源回路とを具備するとともに、前記電源回路の電源入力部を前記太陽電池モジュールの発電した直流電力の電圧が所定の電圧より高い場合に前記昇圧回路の入力側に電気的に接続させ、前記太陽電池モジュールの発電した直流電力の電圧が所定の電圧より低い場合に昇圧回路の出力側に電気的に接続させる切替手段を有するようにしたことで、電源回路の小型化及び軽量化、また高効率化を図ることが可能となる電力変換装置を提供することができる。

また、太陽電池モジュールの発電した直流電力の電圧を昇圧し、さらにこの昇圧された直流電圧を交流電圧に変換し、太陽電池モジュールを負荷系統及び商用電力系統に電気的に接続して連系運転を行う電力変換装置であって、この電力変換装置は前記太陽電池モジュールの発電した直流電力の電圧を昇圧する昇圧回路と、この昇圧回路によって昇圧された直流電圧を交流電圧に変換するインバータ回路と、前記昇圧回路及び前記インバータ回路を制御する制御回路と、この制御回路へ電源を供給する電源回路とを具備するとともに、前記電源回路の電源入力部を前記昇圧回路の動作時に前記昇圧回路の入力側に電気的に接続させ、前記昇圧回路の停止時には昇圧回路の出力側に電気的に接続させる切替手段を有するようにしたで、電源回路の小型化及び低価格化、また高効率化を図ることが可能となる電力変換装置を提供することができる。

以下、太陽電池を直流電源とする太陽光発電装置の場合を例にとり、本発明に係る実施形態を模式的に図示した図面に基づいて詳細に説明する。

図１は本発明に係る電力変換装置の実施の形態を示す一例の回路ブロック図、図２は本発明に係る電力変換装置における制御回路へ電源を供給する電源回路の一例を示す回路ブロック図、図３は本発明に係る電力変換装置の電源回路の制御動作を説明するための回路ブロック図である。

図１に示すように、電力変換装置１は、太陽電池モジュールにより構成された電源２の出力直流電圧を昇圧する昇圧回路３と、この昇圧回路３にて電圧変換された直流電力をさらに交流電力に変換するインバータ回路４と、上記昇圧回路３及びインバータ回路４を制御する出力制御回路９と、この出力制御回路９へ電源を供給する電源回路１４とから構成される。

昇圧回路３はリアクトル５、半導体スイッチ素子６、ダイオード７、平滑コンデンサー８にてチョッパ回路を構成しており、これにより太陽電池モジュールにより構成された電源２の出力部から昇圧回路３の入力部に入力された直流電圧が所定のより高い電圧に電圧変換が行われる。

直流電力を交流電力に変換するインバータ回路４は、複数の半導体スイッチ素子から成るブリッジ回路１０と、リアクトルとコンデンサーから成るフィルタ回路１１とから成り、太陽電池モジュールにより構成された電源２から得られた直流電力が昇圧回路３により昇圧され、電圧昇圧回路３の出力部より出力された直流電力をさらに正弦波の商用交流波形に変換する。

このインバータ回路４の出力部から出力された交流電力は商用電力系統１２及び負荷１３に電気的に接続されており、負荷１３への電力を供給し、もしくは、商用電力系統１２への売電が行われる。また、負荷１３への電力を供給しながら、余った電力を商用電力系統１２への売電もできる。

出力制御回路９に電源を供給する電源回路１４は、図２に示すように、トランス１５及びスイッチング素子１６を有するフライバック電源であり、昇圧回路３の入力部とダイオード１７を通してこの電源回路１４の入力部Ａと順方向に電気的に接続されており、また、昇圧回路３の出力部と、太陽電池モジュールにより構成された電源２の出力電圧値によってオン・オフされるスイッチ素子１８を通して同じくこの入力部Ａと電気的に接続されている。

次に、本発明の電力変換装置１の動作について説明する。

太陽電池モジュールにより構成された電源２から得られた直流電力は電力変換装置１の入力側に入力される。昇圧回路３においては、出力制御回路９により半導体スイッチ素子６が高速にオン・オフ制御され、半導体スイッチ６のオン時はリアクトル５にエネルギーが蓄積され、半導体スイッチ６のオフ時には前記エネルギーがダイオード７を通り平滑コンデンサー８部に出力されることにより、太陽電池モジュールにより構成された電源２から入力された直流電圧とは異なる所定の直流電圧に昇圧することができる。

なお、昇圧回路６の入力電圧の変化に対応して出力電圧を調節できるようにするため、半導体スイッチ素子６は変換電圧に応じてパルスのデューティーをコントロールするＰＷＭ方式により制御するのが望ましい。また、変換出力された直流電圧はインバータ回路４が効率よく作動する電圧値であることが望ましい。

入力された直流電力を交流電力に変換するインバータ回路４の入力側に入力された直流電力は、ブリッジ回路１０の高速スイッチング動作によるＰＷＭ（パルス幅変調）制御が行われ、ＬＰＦ（ローパスフィルタ）であるフィルタ回路１１を通すことにより、正弦波の交流出力が得られる。

インバータ回路４の出力側に出力された交流電力はモーターや照明などの交流機器である負荷１３に供給されるが、太陽電池モジュールにより構成された電源２の発電電力量が負荷電力量を上回る場合は、余った電力を商用電力系統１２に逆潮流させて売電を行う。

ここで、電源回路１４の入力部には、ダイオード１７を通じて太陽電池モジュールにより構成された電源２からの直流電力が入力され、スイッチング素子１６が高速にオン・オフ制御されることでトランス１５の１次巻線に蓄えられたエネルギーを２次側の巻線に伝達し、出力制御回路９等へ、図２の出力部Ｂ１、Ｂ２に示すような必要数の電源を供給する。

また、本発明においては、昇圧回路３の出力部は、太陽電池モジュールにより構成された電源２の出力電圧が所定の電圧よりも高い場合にはオフし、所定の電圧よりも低い場合にはオンとなるスイッチ素子１８（このスイッチ素子とダイオード１７は電源回路の電源入力の切替手段を構成する）を通して電源回路１４の入力部と電気的に接続されている。

そのため、太陽光の日射が徐々に増加していく電力変換装置１の起動時等においては、図３（ａ）に示すようにスイッチ素子１８がオン状態であり、電源回路１４はダイオード１７及びスイッチ素子１８の何れかの電気経路を通ってきた電源のうち、電圧の高いものを電源として（例えば５０Ｖ〜１００Ｖ程度）入力し、作動する。

また、日射の大きい電力変換装置１の運転時には図３（ｂ）に示すようにスイッチ素子１８はオフ状態であり、電源回路１４はダイオード１７からの電源（例えば２００Ｖ）を入力として作動する。

また、日射が低下した場合には、図３（ｃ）に示すように、再びスイッチ素子１８はオン態となる。日射の急激な低下時において太陽電池モジュールにより構成された電源２の電圧は急速に低下してしまう場合があるが、平滑コンデンサー８に蓄えられた電荷が消費されるまでの間は昇圧回路３の出力電圧が太陽電池モジュールにより構成された電源２の出力電圧より高く、電源回路１４はスイッチ素子１８からの電源（例えば２５０Ｖ〜３００Ｖ）を入力として作動する。また、夕方等の日射が徐々に低下する場合のチョッパ回路３が停止した場合においても、前述の通り平滑コンデンサー８に蓄えられた電荷が消費されるまでの間は電源回路１４がスイッチ素子１８からの電源（例えば２５０Ｖ〜３００Ｖ）を入力として作動する。

このような制御を行うことにより、電源回路１４の入力部に入力される電圧範囲を限定することができるため、トランス等の部品の小型化が可能となり、電源回路の小型化及び低価格化が図れるものである。

また、スイッチング素子１８のオン期間の変化を小さくすることができるため、スイッチング損失の増大を招くこともなく、安定して制御電源を供給することが可能となり、電源回路の高効率化を図ることが可能となるものである。

次に、本発明の第２の実施形態について説明する。電力変換装置の構成は前述の図１と同様であるが、動作においては以下のとおりである。

太陽光の日射が徐々に増加していく電力変換装置１の起動時等においては、図３（ａ）に示すようにスイッチ素子１８がオン状態であり、電源回路１４はダイオード１７及びスイッチ素子１８の何れかの電気経路を通ってきた電源のうち、電圧の高いものを電源として（例えば５０Ｖ〜１００Ｖ程度）入力し、作動する。

ここで、電力変換装置１は、太陽電池モジュールにより構成された電源２の電圧等から起動することが可能かの自動判定を行い、起動可能と判断した場合においては昇圧回路３を動作させ、続いてインバータ回路４を動作させるシーケンスにて連系運転を開始する。この際、昇圧回路３が動作した時点にて図３（ｂ）に示すようにスイッチ素子１８はオフ状態とされ、電力変換装置１の連系運転時には電源回路１４はダイオード１７からの電源（例えば２００Ｖ）を入力として作動する。

また、日射が低下した場合には、電力変換回路１はインバータ４及び昇圧回路３の動作をオフとし、連系運転を停止する。ここで昇圧回路３の停止時には、スイッチ素子１８が回路図３（ｃ）に示すように再びオン態とされ、昇圧回路３の出力電圧が太陽電池モジュールにより構成された電源２の出力電圧より高い場合にはスイッチ素子１８からの電源（例えば２５０Ｖ〜３００Ｖ）を入力として作動する。

このとき、日射の急激な低下時において太陽電池モジュールにより構成された電源２の電圧は急速に低下してしまう場合があるが、平滑コンデンサー８に蓄えられた電荷が消費されるまでの間は昇圧回路３の出力電圧が太陽電池モジュールにより構成された電源２の出力電圧より高く、電源回路１４はスイッチ素子１８からの電源（例えば２５０Ｖ〜３００Ｖ）を入力として作動する。また、夕方等の日射が徐々に低下する場合のチョッパ回路３が停止した場合においても、前述の通り平滑コンデンサー８に蓄えられた電荷が消費されるまでの間は電源回路１４がスイッチ素子１８からの電源（例えば２５０Ｖ〜３００Ｖ）を入力として作動する。こうすることで、日射の急激な低下時などにおいて制御回路の急な停止を避けることができる。

上述のように、スイッチ素子１８は昇圧回路３の動作時にはオフとなり、昇圧回路の停止時にはオンとなる。このような制御を行うことにより、電源回路１４の入力部に入力される電圧範囲を限定することができるため、また、スイッチング素子１８のオン期間の変化を小さくすることができるため、本発明の第一の実施形態時と同様に電源回路の小型化及び軽量化、高効率化を図ることが可能となる。

なお、本発明は上述の形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できるいろんな種類の回路構成を用いた場合や、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更、改良等が可能である。

本発明に係る電力変換装置の実施の形態を示す一例の回路ブロック図である。本発明に係る電力変換装置における制御回路へ電源を供給する電源回路の一例を示す回路ブロック図である。本発明に係る電力変換装置の電源回路の制御動作を説明するための回路ブロック図である。従来技術における系統連系システムの形態を示す概略構成図である。従来技術における電力変換装置の形態を示す一例の概略構成図である。

符号の説明

１、２１：電力変換装置
２：太陽電池モジュールにより構成された電源
３：昇圧回路
４：インバータ回路
５：リアクトル
６：半導体スイッチ素子
７：ダイオード
８：平滑コンデンサー
９：出力制御回路
１０：ブリッジ回路
１１：フィルタ回路
１２：商用電力系統
１３：負荷
１４：電源回路
１５：トランス
１６：スイッチング素子
１７：ダイオード
１８：スイッチ素子
２３：昇圧回路
２４：インバータ回路
２５：制御回路
２６：電源回路
Ａ：入力部
Ｂ１、Ｂ２：出力部

Claims

太陽電池モジュールの発電した直流電力の電圧を昇圧し、さらにこの昇圧された直流電圧を交流電圧に変換し、太陽電池モジュールを負荷系統及び商用電力系統に電気的に接続して連系運転を行う電力変換装置であって、この電力変換装置は前記太陽電池モジュールの発電した直流電力の電圧を昇圧する昇圧回路と、この昇圧回路によって昇圧された直流電圧を交流電圧に変換するインバータ回路と、前記昇圧回路及び前記インバータ回路を制御する制御回路と、この制御回路へ電源を供給する電源回路とを具備するとともに、前記電源回路の電源入力部を前記太陽電池モジュールの発電した直流電力の電圧が所定の電圧より高い場合に前記昇圧回路の入力側に電気的に接続させ、前記太陽電池モジュールの発電した直流電力の電圧が所定の電圧より低い場合に昇圧回路の出力側に電気的に接続させる切替手段を有することを特徴とする電力変換装置。
太陽電池モジュールの発電した直流電力の電圧を昇圧し、さらにこの昇圧された直流電圧を交流電圧に変換し、太陽電池モジュールを負荷系統及び商用電力系統に電気的に接続して連系運転を行う電力変換装置であって、この電力変換装置は前記太陽電池モジュールの発電した直流電力の電圧を昇圧する昇圧回路と、この昇圧回路によって昇圧された直流電圧を交流電圧に変換するインバータ回路と、前記昇圧回路及び前記インバータ回路を制御する制御回路と、この制御回路へ電源を供給する電源回路とを具備するとともに、前記電源回路の電源入力部を前記昇圧回路の動作時に前記昇圧回路の入力側に電気的に接続させ、前記昇圧回路の停止時には昇圧回路の出力側に電気的に接続させる切替手段を有することを特徴とする電力変換装置。