JP2006277385A

JP2006277385A - 太陽光発電装置

Info

Publication number: JP2006277385A
Application number: JP2005096107A
Authority: JP
Inventors: Akio Hasegawa; 聡夫長谷川
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2005-03-29
Filing date: 2005-03-29
Publication date: 2006-10-12

Abstract

【課題】そこで本発明の太陽光発電装置は、複数の昇圧ユニットを用いても使用部品の電流容量の増加を最小限に抑え、小型で、安全なシステムとする制御を行なわせること。
【解決手段】開放電圧が電力変換装置の入力電圧範囲内になるように複数の太陽電池モジュールを電気的に直列接続して構成される標準太陽電池モジュールストリングを有し、さらに複数の太陽電池モジュールを電気的に直列接続して構成され、前記標準太陽電池モジュールストリングの開放電圧より低い開放電圧を有する低電圧太陽電池モジュールストリングを複数個有する太陽光発電装置であって、前記複数の低電圧太陽電池モジュールストリングの出力をそれぞれ電圧調整手段を介して前記標準太陽電池モジュールストリングの出力と電気的に並列接続するとともに、前記電圧調整手段のそれぞれの起動タイミングを異なるようにしたことを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、商用電力系統と系統連携する電力変換装置と、太陽電池との間に取り付けられる昇圧ユニットが複数存在する太陽光発電装置において、太陽光発電装置の起動時に複数の前記昇圧ユニットが同時に立ち上がる事が無いように複数昇圧ユニット間でタイミングを取る制御方法に関する。

従来の太陽光発電装置について、図１に基づき説明する。

図１に示すように、一般に住宅の屋根等に設置される太陽光発電装置１００は、太陽電池モジュールを複数直列にした太陽電池モジュールストリング１（１ａ〜１ｃ）により発電された発電電力が接続箱２を経由して電力変換装置３に入力され、前記電力変換装置３は分電盤４を介して商用電力系統６あるいは家屋内の交流負荷に接続されており、前記発電電力を商用電力系統６に逆潮流して売電、あるいは家屋内の商用負荷へ電力供給を行っている。また、余剰電力は売電、商用電力系統からの電力供給は買電としてそれぞれ電力量メータ５にて計測され電力会社にて管理される。

近年、太陽光発電装置では普及が進み、それとともに寄せ棟屋根などへの設置等、様々かつ複雑な屋根形状への設置も増加するようになっている。ところが、寄せ棟屋根等の屋根上においては、合せ棟の屋根に較べて、一番効率よく太陽光を受光できる南面だけでは所望の容量の太陽電池モジュールを設置するだけの面積が確保できない場合も多く、東面や西面にも設置して発電面積を希望の容量分確保するようにしている。そのため、南面、東面、西面で太陽電池モジュールの設置数を同数にすることができず、図中の太陽電池モジュールストリング１ａ、太陽電池モジュールストリング１ｂ、太陽電池モジュールストリング１ｃのように太陽電池モジュールストリングの直列数が異なってしまう場合や、全てのストリングを同数にできても、時間帯によって発電電力が異なるといった状態が発生してしまい、これは当然の事ながら前記電力変換装置３へ出力する各ストリングでの電圧が異なる事を意味する。

さらには、太陽電池モジュールストリング１ａと、直列数の少ない太陽電池モジュールストリング１ｃの発電電力特性（特に最適動作点電圧）が異なることから各太陽電池モジュールストリングの最大発電電力を合計したものと実際の最大発電電力とはならない、すなわち、電力変換装置３による太陽電池の最大出力電力での動作制御を行っても、同数の太陽電池モジュールを用いた太陽光発電装置に較べて発電電力量は低下する。

そこで例えば、各太陽電池モジュールストリングの中で最大直列枚数からなる太陽電池モジュールストリング１ａの開放電圧を基準として、他の直列数の少ない太陽電池モジュールストリング１ｂや１ｃの電圧を合せわるように、出力電圧を昇圧する昇圧ユニット１０７を取り付け、各太陽電池モジュールストリングでの最適動作点電圧を同じ電圧にし、各太陽電池モジュールストリングでの最大発電電力を引き出すことにより、太陽光発電装置の発電可能電力を効率良く引き出すようにしている（例えば、特許文献１を参照）。

なお、昇圧ユニットが接続される太陽電池モジュールストリングは複数系統あってもよく、図中では太陽電池モジュールストリング１ｂに昇圧ユニット１０７ａ、太陽電池モジュールストリング１ｃには昇圧ユニット１０７ｂが接続された例を示している。
特開２００１−３１２３１９号公報

しかしながら、基準となる太陽電池モジュールストリングの枚数に足りない太陽電池モジュールストリングへ上述した昇圧ユニットを複数台設置した場合、日中の日射強度が強い時にメンテナンス等で接続箱の開閉器を落とし、再度開閉器を投入すると、昇圧ユニットより電力変換装置の入力部に突入電流が流れ込み、電力変換装置の入力ヒューズを溶断してしまうという問題が生じる。これは、発電時に昇圧ユニットの出力側が開放状態になると、高電圧状態で昇圧ユニット内のコンデンサ等に電力が蓄積され、再接続と同時にそれらのエネルギーが一気に電力変換装置側に放出されることに起因する。特に昇圧ユニットが複数台からなる場合には各昇圧ユニットが同時に突入電流を流すと、その合計が電力変換装置に流れ込むため、各ストリングが同じ枚数で構成され昇圧ユニットを必要としないシステムに較べ、大容量の入力ヒューズを必要とすることになり、入力ヒューズの容量を増やすためにサイズの大きいヒューズを用いなければならず機器が大型化する要因となる。

また、突入電流を通過させる接続箱内の開閉器もそれに見合う接点容量を持たせなくてはならず、同様の問題が生じる。

また、ヒューズや開閉器の容量を増やすということは、保護動作がより大きな事象でしか行なわれなくなるということであり、安全性の確保という観点からは好ましくない。

そこで本発明の太陽光発電装置は、複数の昇圧ユニットを用いても使用部品の電流容量の増加を最小限に抑え、小型で、安全なシステムとする制御を行なわせることにある。

上記課題を解決する為、本発明に係る太陽光発電装置は、開放電圧が電力変換装置の入力電圧範囲内になるように複数の太陽電池モジュールを電気的に直列接続して構成される標準太陽電池モジュールストリングを有し、さらに複数の太陽電池モジュールを電気的に直列接続して構成され、前記標準太陽電池モジュールストリングの開放電圧より低い開放電圧を有する低電圧太陽電池モジュールストリングを複数個有する太陽光発電装置であって、前記複数の低電圧太陽電池モジュールストリングの出力をそれぞれ電圧調整手段を介して前記標準太陽電池モジュールストリングの出力と電気的に並列接続するとともに、前記電圧調整手段のそれぞれの起動タイミングを異なるようにしたことを特徴とする。

本発明の太陽光発電装置によれば、各昇圧ユニット間で優先順位を確認する通信部と前記優先順位に基づき起動優先をつける処理を行なう事により日射が強く発電能力が充分にある状況で接続箱の開閉器をオンさせた時の電力変換装置への突入電流を軽減させることができる。

また、最大入力電流を少なくすることができるので、使用電子部品の最大定格を小さいもので適用可能とし、昇圧ユニットを必要としないシステムで使用される電力変換装置の入力ヒューズと同様な容量で構成する事ができる。

以下に、本発明に係る太陽光発電装置の実施形態について、模式的に図示した図面に基づき詳細に説明する。

図２に示すように、本発明の太陽光発電装置１０は、太陽電池モジュールストリング１と、接続箱２と、電力変換装置３と、昇圧ユニット７とから構成され、前記太陽電池モジュールストリングは基準電圧を満足する第１ストリング１ａと、前記基準枚数を確保できない第２ストリング１ｂとから成る。なお、第１ストリングおよび第２ストリングは複数系統であっても良く、本例では第２ストリング１ｂと第２ストリング１ｃを用いて説明する。

また、上述した電力変換装置３の出力側には、分電盤４、電力量メータ５を介して商用電力系統６に接続されている。

太陽電池モジュールストリング１は複数の太陽電池素子が接続された太陽電池モジュール、もしくは前記太陽電池モジュールが複数集まった太陽電池アレイであり、ここで発電された電力は各系統別に接続箱２、あるいは昇圧ユニット７（７ａ、７ｂ）を介して接続箱２に接続され、さらに電力変換装置３に入力されて直流電力を交流電力に電力変換される。

前述した太陽電池モジュールとしては、多結晶シリコン太陽電池、単結晶シリコン太陽電池、アモルファスシリコン等の薄膜太陽電池素子などが好適に使用され、複数枚の太陽電池素子を接続して太陽電池モジュールとしたものや、前記太陽電池モジュールをさらに直並列に並べてアレイとしたものが一般的である。

太陽電池アレイＳは複数の太陽電池モジュールストリング１ａ、１ｂ、１ｃから成り、それぞれの出力は複数の系統に分かれた状態で接続箱２に入力されており、基準枚数、すなわち電力変換装置３に直接接続できる定格範囲内の出力電圧（直列枚数）を有する太陽電池モジュールストリングの中で最も電圧が高い（直列枚数が多い）太陽電池モジュールストリング１ａは直接、接続箱２内の開閉器に接続されるが、それ以外の定格範囲内の太陽電池モジュールストリングおよび、基準電圧（枚数）に満たない太陽電池モジュールストリング１ｂおよび１ｃは、出力電圧を前記太陽電池モジュールストリング１ａの出力電圧まで昇圧する昇圧ユニット７（７ａ、７ｂ）を介してから接続箱２内の開閉器へ接続され、接続箱２内でそれらの系統が並列接続された後、電力変換装置３へ入力される。このようにすることで基準枚数の足りない太陽電池モジュールストリングの発電電力を昇圧ユニット７を介し、電圧を基準枚数からなる太陽電池モジュールストリングの電圧へ昇圧する事により、最大電力動作点を一致させ、太陽電池の発電電力を最大限引き出せるようにしている。

前記電力変換装置３では入力された直流電力を交流電力に直交変換し、交流に変換された電力は分電盤４を介して商用電力系統６に逆潮流あるいは家屋内の負荷へ電力供給が行なわれる。

太陽電池モジュールストリング１ｂには昇圧ユニット７ａ、太陽電池モジュールストリング１ｃには昇圧ユニット７ｂが接続されているが、この状態で、日中の日射強度が強い時にメンテナンス等で接続箱の開閉器を落とした後、再度開閉器を投入すると、前記昇圧ユニット７ａおよび７ｂより電力変換装置の入力部に突入電流が流れ込むことになる。

そこで図３に示すように、昇圧ユニット７に信号ケーブル等の有線通信手段や赤外線通や電波等の無線通信手段による通信部３２を組み込み、昇圧部３４の動作状態から出力側への突入電流の発生を監視するＣＰＵ部３１によってもたらされる突入電流の発生情報を他の昇圧ユニットの通信部に送信するようにする。このとき、並列に接続された昇圧ユニットにおいては開閉器の再投入による突入電流の発生はほぼ同時に発生するので、各昇圧ユニットから同時に発生情報が送出されることになり、各情報を受信することが出来ない可能性があるので、情報送信のタイミングに固有のタイムラグを生じさせるタイマー部３３を設けると好適である。

このようにすることにより、起動順番を調停させる通信データの送受信を行う事が可能となり、複数からなる昇圧ユニットの昇圧起動タイミングをずらす事により、各昇圧ユニットが昇圧動作を開始しても電力変換装置に電力を供給するまでに時間差が生じ、昇圧ユニット１台分の突入電流分の電流増加に留まるので、複数の昇圧ユニットが同時に起動した際に生じる合成突入電流により電力変換装置側の入力ヒューズが溶断させられるのを防止することができる。

次に、上述した昇圧ユニットの起動の順番を決定する方法について図２および図３を基に説明する。

図２のように太陽電池モジュールストリング１（１ａ〜１ｃ）は各々異なる枚数の太陽電池モジュールから構成されており、本例においては太陽電池モジュールストリング１ａは７枚、太陽電池モジュールストリング１ｂは５枚、太陽電池モジュールストリング１ｃは３枚が直列接続されたものである。一般に太陽電池モジュールストリングは設置される太陽電池モジュールの枚数や設置される方角、設置角度によって発電の出力電力には差が生じる。よって、朝に太陽の上昇とともに次第に発電の出力が上昇する通常の発電状態においては、直列枚数や日射角度等の条件の良いものから順に太陽電池モジュールストリングの出力が一定電力に到達する。よって、これを利用すれば、図３に示す太陽電池モジュールストリング１ｂに接続された各昇圧ユニット７（７ａ、７ｂ）内にあるＣＰＵ部３１が起動するのに必要な動作電力を確保するのに時間的なバラツキを生じさせることができる。

具体的には、太陽電池モジュールストリング１ｂは太陽電池モジュールストリング１ｃに較べ太陽電池モジュールの直列接続数が多いので、太陽電池モジュールストリング１ｃよりも早い時間にＣＰＵ部３１が起動するのに必要な動作電力を得る事ができる。ＣＰＵ部３１は起動するに十分な電力を供給されると、通信部３２を用いて起動の順番を取得申請する信号を送出し、他の起動済みの昇圧ユニットに認証された起動順番をＣＰＵ部内の記憶メモリーに記憶する。本例においては他に起動している昇圧ユニットはないので、起動順番は自己内で決定する。

次に、太陽電池モジュールストリング１ｃの発電出力が上昇し、昇圧ユニット７ｂ内のＣＰＵ部３１が起動すると、昇圧動作を開始するとともに前述した昇圧ユニット７ａの時と同様に昇圧開始を各昇圧ユニットに通信部３２を介して信号を送出する。この信号を受けた昇圧ユニット７ａは、昇圧開始メッセージに含まれる起動番号と記憶メモリーに記憶されている自身の起動番号とを比較し、同一であればその番号は使用できないとの情報を送出するため、それ以外の番号を認証番号として返信する。認証番号を受信した昇圧ユニット７ｂはその情報を基に自分の起動順番を再設定すると同時に、与えられた起動順番が最初に起動する昇圧ユニットから何番目であるかを基に、あらかじめ定められたタイムラグをタイマ部３３に設定する。

そして、接続箱２の開閉器が切られ、再投入される状況が発生すると、昇圧ユニット７ａにおいては、昇圧動作による送電再開を実行するとともに、昇圧動作開始を各昇圧ユニット（本例では昇圧ユニット７ｂのみ）に通信部３２を介して信号を送出する。一方、昇圧ユニット７ｂは、タイマ部３３に設定される時間が経過するまで昇圧動作による送電再開を保留し、前述した昇圧ユニット７ａからの動作開始の信号を受信した後、昇圧動作を開始するとともに昇圧開始を各昇圧ユニットに通信部３２を介して信号を送出する。以後、この手順を繰り返す事により、不特定多数の昇圧ユニットの昇圧動作の開始を一定間隔を空けて行って行くことができる。これにより、電力変換装置へ昇圧開始時における不特定多数の昇圧ユニットからの突入電流が同時に入力される事を防止する事が可能となり、入力ヒューズの溶断等を防ぐとともに、機器容量の増大も抑止できる。

なお、本実施形態では太陽光発電装置における昇圧ユニットにおいて有線通信を用いた形態を例にとり説明したが、これに限定されるものではなく、無線のデータ転送手段を使用してもよく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で適宜変更し実施が可能である。

本発明に係る太陽光発電装置の実施形態を模式的に説明する概略回路構成図である。本発明に係る太陽光発電装置の実施形態を模式的に説明する概略構成図である。本発明に係る昇圧ユニットの実施形態を模式的に説明する概略構成図である。

符号の説明

１：太陽電池モジュールストリング
２：接続箱
３：電力変換装置
４：分電盤
５：電力量メータ
６：商用電力系統
７：昇圧ユニット
１０：太陽光発電装置
２１：ＣＰＵ部
２２：通信部
２３：タイマ部
２４：昇圧部
１００：太陽光発電装置
１０７：昇圧ユニット
Ｓ：太陽電池アレイ

Claims

開放電圧が電力変換装置の入力電圧範囲内になるように複数の太陽電池モジュールを電気的に直列接続して構成される標準太陽電池モジュールストリングを有し、さらに複数の太陽電池モジュールを電気的に直列接続して構成され、前記標準太陽電池モジュールストリングの開放電圧より低い開放電圧を有する低電圧太陽電池モジュールストリングを複数個有する太陽光発電装置であって、前記複数の低電圧太陽電池モジュールストリングの出力をそれぞれ電圧調整手段を介して前記標準太陽電池モジュールストリングの出力と電気的に並列接続するとともに、前記電圧調整手段のそれぞれの起動タイミングを異なるようにしたことを特徴とする太陽光発電装置。