JP2007274841A

JP2007274841A - 太陽光発電システムおよび太陽光発電プラント

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Publication number: JP2007274841A
Application number: JP2006099153A
Authority: JP
Inventors: Haruo Matsumuro; 春生松室; Hirofumi Shinohara; 裕文篠原
Original assignee: Toshiba Corp; Toshiba System Technology Corp
Current assignee: Toshiba Corp; Toshiba System Technology Corp
Priority date: 2006-03-31
Filing date: 2006-03-31
Publication date: 2007-10-18
Anticipated expiration: 2026-03-31
Also published as: JP4664851B2

Abstract

【課題】発電電力の送電損失が低く、地絡や短絡等の事故電流を遮断し易い、低コストの太陽光発電システムおよび太陽光発電プラントを提供する。
【解決手段】複数の太陽電池を有する太陽電池アレイ２２ａと、この太陽電池アレイから出力される直流電力を交流電力に変換するインバータ２２ｃをそれぞれ備えた複数の太陽電池アレイユニット２２と、これら太陽電池アレイユニットの各インバータからそれぞれ出力される交流電圧を高圧に昇圧する昇圧トランス２３と、この昇圧トランスの出力側を高圧連系盤２４に接続する高圧交流ケーブル２５と、電力系統連系点に配設された高圧トランス２４ｇと、を具備している。
【選択図】図１

Description

本発明は複数の太陽電池を具備した太陽光発電システムおよびこのシステムを複数具備した比較的大規模な太陽光発電プラントに関する。

一般に、１００ｋＷ以上の発電容量を持つ太陽光発電プラントは、例えば直流数１０Ｗの出力を有する太陽電池モジュールの複数個を組み合せて太陽電池アレイを構成し、この太陽電池アレイの直流出力側を直流ケーブルによりインバータに接続し、インバータで直流電力を交流電力に変換して電力系統に接続している（例えば特許文献１参照）。

図６はこの種の従来の太陽光発電プラント１の構成例を示す。この太陽光発電プラント１は、複数の太陽光発電システム７，７を具備している。各太陽光発電システム７は、複数の太陽電池を具備した太陽電池モジュールを直列または並列に接続して太陽電池アレイ２を構成し、この太陽電池アレイ２を複数設けている。また、これら複数の太陽電池アレイ２，２，…の各直流電力出力側を１個の接続箱３に、それぞれ並列に接続して太陽電池アレイユニット４を構成している。さらに、この太陽電池アレイユニット４を複数個設け、これら複数の太陽電池アレイユニット４の各直流電力出力側に、直流集電ケーブル６を介して高圧連系盤５を接続することにより太陽光発電システム７を構成している。

そして、太陽光発電プラント１は、これら複数の太陽光発電システム７，７，…の各直流集電ケーブル６を高圧連系盤５の直流遮断器８と直流ブスバー９を介して１台のインバータ１０に接続している。

インバータ１０は直流電力を交流電力に変換し、その交流電力の電圧、および電流を計器用変圧器１１、計器用変流器１２を介してそれぞれ計測する一方、交流電力の電圧を変圧器１３により、例えば６，６００Ｖ、または必要に応じて６６，０００Ｖなどの特別高電圧に昇圧し、電力系統１４に接続する。

このような太陽光発電プラント１に対して、比較的小容量のシステムを対象として、太陽電池アレイユニット４の増設を容易に、かつその増設に伴なう発電容量の増加に対してもインバータ１０を交換することのないように、各太陽電池アレイ２毎にインバータを設け、太陽電池アレイユニット４と連系盤５との間を交流の電力線を介して結ぶ技術も開示されている（例えば特許文献２参照）。
特開２０００−１１２５４５号公報特開平０９−２０１０６１号公報

しかしながら、特許文献１で開示されている従来の太陽光発電プラント１では、各太陽電池アレイユニット４で発電した直流電力をインバータ１０に送電する直流集電ケーブル６の電圧が太陽電池アレイ２の耐電圧の制限などから、例えば３００Ｖ〜１，０００Ｖ程度以下の比較的低い電圧である。

そして、太陽光発電システム１の発電容量が、例えば１ＭＷ〜１０ＭＷなど比較的大規模な場合には、太陽電池アレイ２の１台当りの面積が大きく（例えば３０ｍ^２）なり、直流集電ケーブル６のこう長も長い距離（例えば６０ｍ）となる。このために、直流集電ケーブル６での電圧降下が比較的大きく、電力損失が増大し易いという課題がある。

また、直流集電ケーブル６が直流ケーブルであるので、地絡や短絡などの故障が発生すると、太陽電池アレイ２からの発電電力がある限り、直流電流を遮断器により遮断し難く、地絡や短絡の事故電流が流れ続け、直流集電ケーブル６が損傷する可能性がある。さらに、高圧連系盤５に設けたインバータ１０が発電容量に合わせて、その都度に設計する単品設計であるので、コストが嵩むという課題もある。

一方、特許文献２で開示されている従来の太陽光発電プラントでは、太陽電池アレイユニットと連系盤との間の電力損失は低減されるものの、各太陽電池アレイユニットからの交流電力を系統の周波数と同期させるための制御装置と、この制御装置と太陽電池アレイユニット側のインバータとを結ぶ信号線が必要であり、大型（例えば１ＭＷ〜１０ＭＷ級）の太陽光発電プラントには向かないという課題もあった。

本発明は、このような事情を考慮してなされたもので、その目的は、発電電力の送電損失が低く、地絡や短絡等の事故電流を遮断し易く、簡単な設備で電力系統に接続可能で低コストかつ大型の太陽光発電システムおよび太陽光発電プラントを提供することにある。

本願請求項１に係る発明は、複数の太陽電池を有する太陽電池アレイと、この太陽電池アレイから出力される直流電力を交流電力に変換するインバータをそれぞれ備えた複数の太陽電池アレイユニットと、これら太陽電池アレイユニットの前記各インバータからそれぞれ出力される交流電圧を高圧に昇圧する昇圧トランスと、この昇圧トランスの出力側を電力系統連系点に接続する高圧交流ケーブルと、この電力系統連系点に配設された高圧トランスとを具備していることを特徴とする太陽光発電システムである。

本発明によれば、各太陽電池アレイによりそれぞれ発電された各直流電力を、複数の太陽電池アレイ毎に集電させて比較的大きな直流電力に増大させる前に、各太陽電池アレイによりそれぞれ発電された比較的小容量の直流電力の段階でインバータにより交流電力に変換するので、このインバータとしては、汎用小容量で量産型の安価なインバータを使用することができる。このために、コストを低減することができる。

また、各小容量インバータによりそれぞれ変換された比較的低い各交流電圧を、複数のインバータ毎に集電し、各昇圧トランスにより所定の高圧に昇圧してから交流ケーブルにより高圧連系点まで送電するので、その送電による電力損失を低減することができる。

さらに、単相２線の交流ケーブルを３相ブスバーの予め決められた２線に接続するので、簡単な構成で一般の系統に接続可能となる。

以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて説明する。なお、複数の添付図面中、同一または相当部分には同一符号を付している。

図１は本発明の第１の実施形態に係る太陽光発電プラントの電気系統の全体構成を示す構成図、図２はその太陽光発電プラントの太陽電池アレイユニットの側面図である。

図１に示すように太陽光発電プラント２０は、複数（例えば３台）の太陽光発電システム２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃを具備している。各太陽光発電システム２１Ａ〜２１Ｃは、複数の太陽電池アレイユニット２２，２２，…、昇圧トランス２３、この昇圧トランス２３の出力側を電力系統連系点の一例である高圧連系盤２４の入力側に接続する高圧の交流ケーブル２５を具備している。

各太陽電池アレイユニット２２は、太陽電池アレイ２２ａ、接続箱２２ｂおよびインバータ２２ｃを具備している。太陽電池アレイ２２ａは図示しない複数の太陽電池モジュールを適宜直並列に電気的に接続することにより構成され、これら太陽電池モジュールで発電した直流電力を出力する出力端子を複数本の直流ハーネスにより接続箱２２ｂの入力端に電気的に接続している。

接続箱２２ｂはその入力側の複数本の直流ハーネスを、出力側で２本（ＰＮ）の直流ケーブルに集電してインバータ２２ｃの入力側に接続されている。

インバータ２２ｃは入力された直流電力を交流電力に変換するものであり、例えば量産型の３ｋＷ乃至５ｋＷ級の汎用小容量の電圧型電流制御用インバータであって、印加電圧に合わせて出力電流を制御し、電圧と同位相で電流を出力する。

各インバータ２２ｃは、その出力側を低圧単相３線ケーブル２２ｄを介して昇圧トランス２３の入力側に接続している。

昇圧トランス２３は、その入力側にて各インバータ２２ｃ毎に配設された複数の電磁遮断器（ＭＣＣＢ）等よりなる交流遮断器２３ａと、これら交流遮断器２３ａの各出力側に配設されて、例えば単相３線、１００Ｖまたは２００Ｖの入力交流電力を単相２線の６，６００Ｖに昇圧する昇圧トランス本体２３ｂと、を具備している。この昇圧トランス本体２３ｂの出力側には単相２線の定格が例えば２線、６，６００Ｖの交流ケーブル２５を接続している。

上記高圧連系盤２４は、その入力側にて、各太陽光発電システム２１Ａ〜２１Ｃ毎にそれぞれ配設された高圧カットアウトヒューズ２４ａ、これら高圧カットアウトヒューズ２４ａ，２４ａの出力側に接続された３相３線（ＲＳＴ）の３相ブスバー２４ｂ、この３相ブスバー２４ｂに接続された計器用変流器２４ｃ、計器用変圧器２４ｄ、交流遮断器２４ｅ、保護リレー２４ｆ、例えば単相３線の６，６００Ｖを単相３線の６，６００Ｖに昇圧する１ＭＷ〜１０ＭＷ用の高圧トランス２４ｇを具備している。高圧トランス２４ｇの二次側には電力系統２６が接続されている。

そして、高圧連系盤２４は、その３相ブスバー２４ｂの例えばＲ−Ｓ相に、第１の太陽光発電システム２１Ａの単相２線の交流ケーブル２５を接続し、同Ｓ−Ｔ相に、第２の太陽光発電システム２１Ｂの単相２線の交流ケーブル２５を接続し、同Ｔ−Ｒ相に、第３の太陽光発電システム２１Ｃの単相２線の交流ケーブル２５を接続している。そのため、太陽光発電システム２１Ａ〜２１Ｃは３の倍数台を設ける必要がある。

図２は上記各太陽光発電アレイユニット２２の外観側面図、図３はその背面図である。各太陽光発電アレイユニット２２は、例えば地盤２７上に立設される支持台２８と、この支持台２８の天板２８ａ上に配設される太陽電池アレイ２２ａとを備えている。図３に示すように天板２８ａは例えば縦（ｌ_０）５ｍ、横（Ｗ_０）６ｍであり、３０ｍ^２の面積を有する。

支持台２８は、その天板２８ａ上面を太陽の方向に向けて支持する複数の支柱２８ｂ，２８ｂ，…を有し、そのうちの例えば１本の支柱２８ｂに、インバータ２２ｃを内蔵するインバータケース２８ｃを取り付けている。

なお、図２，図３中、符号２９はインバータ２２ｃの直流入力端に接続される直流ハーネスが挿入される電線管、３０は配線プルボックス、３１は低圧単相３線ケーブル２２ｄを挿通させる電線管である。

図４は上記昇圧トランス２３の一部切欠正面図である。昇圧トランス２３は、例えば地盤２７上に立設された本体ケース３２内に、複数の交流遮断器２３ａと昇圧トランス本体２３ｂとを内蔵しており、単相２線の高圧交流ケーブル２５をケーブルピット３３内に収容している。ケーブルピット３３は地盤２７上を掘削して形成したＵ字溝等であり、そのＵ字開口を蓋３３ａにより閉じている。

したがって、この太陽光発電プラント２０によれば、その太陽光発電システム２１Ａ〜２１Ｃの複数の太陽電池アレイ２２ａ，…で発電された直流電力は、各インバータ２２ｃにより、例えば単相３線の１００Ｖ／２００Ｖの交流電力にそれぞれ変換される。

さらに、これら交流電力は、各太陽光発電システム２１Ａ〜２１Ｃ毎に設けた昇圧トランス２３により、例えば単相２線６，６００Ｖに昇圧されてから、高圧交流ケーブル２５を介して高圧連系盤２４に送電され、ここで、さらに高圧トランス２４ｇにより特別高圧等の高圧に昇圧されてから電力系統２６に連系され、この電力系統２６に交流電力が供給される。

したがって、この太陽光発電プラント２０によれば、各太陽電池アレイ２２ａによりそれぞれ発電された各直流電力を、複数の太陽電池アレイ２２ａ毎に集電させて比較的大きな直流電力に増大させる前に、各太陽電池アレイ２２ａによりそれぞれ発電された比較的小容量の直流電力の段階で、各インバータ２２ｃにより交流電力に変換するので、当該インバータ２２ｃとしては、汎用小容量量産型で一般住宅用分電盤にそのまま使用できる安価なインバータを使用することができる。このために、コストを低減することができる。

また、各小容量インバータ２２ｃによりそれぞれ変換された比較的低い各交流電圧を、複数のインバータ２２ｃ毎に例えば１台の昇圧トランス２３により所定の高圧に昇圧してから交流ケーブル２５により高圧連系盤２４まで送電するので、その送電による電力損失を低減することができる。

さらに、この太陽光発電プラント２０によれば、各太陽電池アレイ２２ａで発電した直流電力をインバータ２２ｃにより交流電力に変換してから交流遮断器２３ａを通して昇圧トランス２３に与えるので、地絡や短絡等の事故電流を直流の場合に比して交流遮断器２３ａにより遮断し易い。このために、かかる事故電流による機器の破損等を未然に防止することができる。

また、太陽電池アレイ２２ａ毎にインバータ２２ｃを設けているので、各太陽電池アレイ２２ａへの部分的な日影による発電出力の低下を各インバータ２２ｃ毎にとどめることができる。

さらに、各交流ケーブル２５が単相２線であるので、３線ケーブルに比してケーブルコストを低減することができる。

また、各太陽光電池システム２１Ａ〜２１Ｃの単相２線の６，６００Ｖに昇圧されたものを、高圧連系盤２４のＲ−Ｓ相、Ｓ−Ｔ相、Ｔ−Ｒ相に接続するので、高圧連系盤２４側には、高耐電圧仕様のインバータ等の機器を設けることなく一般の系統と同じ３相交流を得ることができるので、大幅なコストの低減を図ることができる。さらに、太陽光発電プラント２０を、その発電量が例えばＭＷ級以上の大規模システムに構成する場合には、高圧連系盤２４の中の交流遮断器２４ｅの出力側に高圧トランス２４ｇを、例えば６，６００Ｖを６６，０００Ｖに昇圧する高圧トランスとして設置することにより、容易に対応することができる。

また、インバータ２２ｃの単独運転を防止するために例えばスリップモード周波数シフト方式を使用し、多数台並列に置いても、原理的に周波数シフトの検出感度が殆ど低下することが無い。

なお、図４中破線で示すように上記昇圧トランス２３としては、その本体ケース３２内に、上記複数のインバータ２２ｃ，２２ｃ，…を収容して耐候性を向上させてもよい。さらに、この場合、本体ケース３２内に冷暖房可能のヒートポンプ式空気調和機３４を設けてもよい。これによれば、太陽光発電プラント２０を年間や日間の温度格差が大きい砂漠等に設ける場合でも、本体ケース３２内を空気調和機３４により所要の温度に制御することができるので、昇圧トランス本体２３ｂやインバータ２２ｃ，２２ｃ，…を保護し、その機能を確保することができる。

図５（ａ）は本発明の第２の実施形態に係る太陽光発電プラントに用いられる交流ケーブルと昇圧トランスの接続状態を、図５（ｂ）は用いられる昇圧トランスをそれぞれ示したものである。

上記第１の実施形態では、インバータ２２ｃからの単相３線１００Ｖ／２００Ｖの交流電力を、昇圧トランス２３により単相２線６，６００Ｖに昇圧して、交流ケーブル２５を介して高圧系統連系点まで送電する形態であるが、本第２の実施形態においては、インバータ２２ｃからの単相３線１００Ｖ／２００Ｖの交流電力を、昇圧トランス２３により単相２線６，６００Ｖに昇圧するまでは第１の実施形態と同一であるが、交流ケーブル２５を３相３線（ＲＳＴ）６，６００Ｖの交流ケーブルとし、各昇圧トランス２３からの出力（単相２線６，６００Ｖ）を交流ケーブル２５の３相３線の予め決められた相間に接続するようにしたものである。太陽電池アレイ２２ａなどの他の構成は第１の実施形態を同一である。

すなわち、本実施形態は、各昇圧トランス２３の出力側における６，６００Ｖ単相２線の３相分の交流ケーブル２５を、高圧連系盤２４の３相ブスバー２４ｂの代わりに６，６００Ｖ３相３線ケーブル３５に、例えば各昇圧トランス２３の近傍等、所要の接続部３６において、予め決められた相間（Ｒ−Ｓ，Ｓ−Ｔ，Ｔ−Ｒ）に接続し、この６，６００Ｖ３相３線ケーブル３５を、高圧連系盤２４の入力側に接続した点に特徴がある。６，６００Ｖ３相３線ケーブル３５は例えばケーブルピット３３内等に配線される。

このような構成とするとにより、高圧系統連系点における３相ブスバー２４ｂが必要なくなるため、より簡単な構成で一般の電力系統に接続可能となり、さらなるコスト低減が見込める。

図６（ａ）は本発明の第３の実施形態に係る太陽光発電プラント２０Ａの側面図、（ｂ）は同平面図である。図６（ａ），（ｂ）に示すように太陽光発電プラント２０Ａは、図１等で示す第１の実施形態に係る太陽光発電プラント２０の３相分の太陽光発電システム２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃを１組として４組（３×４）設け、これら各組の太陽光発電システム２１Ａ〜２１Ｃを図６（ｂ）中左右にそれぞれ２組宛配置し、これら左右の中間部に、各太陽光発電システム２１Ａ〜２１Ｃの昇圧トランス２３の４台分をそれぞれ具備した３台の集合昇圧トランス２３Ｘ，２３Ｘ，２３Ｘをそれぞれ配置し、各太陽光発電システム２１Ａ〜２１Ｃの交流ケーブル２５，２５，…を、各太陽光発電システム２１Ａ〜２１Ｃの左右間の間隔（図６（ｂ）中ほぼ中央）に集線してほぼ中央部を通すように配線したレイアウトに特徴がある。

なお、図６（ｂ）中、Ｗはこの太陽光発電プラント２０Ａの敷地の横方向の長さ、ｌは同縦方向の長さを表わしており、この太陽光発電プラント２０Ａの定格発電量が例えば１００ｋＷの場合、Ｗ：１４０（ｍ）、ｌ：６０（ｍ）である。

この太陽光発電プラント２０Ａによれば、図１等で示す第１の実施形態に係る太陽光発電プラント２０に比して、太陽光発電システム２１Ａ〜２１Ｃを４倍設けているので、その発電量をほぼ４倍に増大させることができる。

また、高圧連系盤２４の３相交流ブスバー２４ｂの同一相間（Ｒ−Ｓ，Ｓ−Ｔ，Ｔ−Ｒ）に接続される同じ組の各太陽光発電システム２１Ａ〜２１Ｃ同士を近接配置し、さらに、同じ組の各太陽光発電システム２１Ａ〜２１Ｃ同士のほぼ中央部に集合昇圧トランス２３Ｘをそれぞれ配設することにより、これらの間隔を短くしたので、これら集合昇圧トランス２３Ｘと各太陽光発電システム２１Ａ〜２１Ｃとを接続する単相３線ケーブル２２ｄの長さを短縮させることができる。このために、単相３線ケーブル２２ｄの電力損失を低減させることができる。

同様に、各太陽光発電システム２１Ａ〜２１Ｃの交流ケーブル２５をこれら太陽光発電システム２１Ａ〜２１Ｃ同士の中間部にて敷設するので、これら太陽光発電システム２１Ａ〜２１Ｃの両端に敷設する場合に比して各交流ケーブル２５の長さを短くすることができ、その分、電力損失とコストを共に低減することができる。

なお、上記各実施形態では、各太陽電池アレイ２２ａの直流電力を３ｋＷ乃至５ｋＷ級の一般住宅用等汎用小容量のインバータ２２ｃにより交流電力に変換する場合について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、汎用小容量のインバータ２２ｃを１０ｋＷ級のインバータに置換してもよい。これによっても、この１０ｋＷ級のインバータを太陽電池アレイ２２ａの近傍に設けることにより、太陽電池アレイ２２ａとインバータとを接続する直流ハーネスの長さを短くすることができる。さらに上記実施形態では、太陽光発電システム２１Ａ〜２１Ｃを３台と１２台設ける場合について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば９，１５，１８台以上でもよく、３の倍数であればよい。

また、これらインバータ２２ｃの単独運転を防止するために、例えばスリップモード周波数シフト方式を使用した場合でも原理的に単独運転検出感度の劣化が殆ど無い。

本発明の第１の実施形態に係る太陽光発電システムおよび太陽光発電プラントの電気系統の全体構成を示す全体構成図。図１で示す太陽電池アレイの外観側面図。図１で示す太陽電池アレイの外観背面図。図１で示す昇圧トランスの一部切欠正面図。（ａ）は本発明の第２の実施形態に係るインバータと交流ケーブルとの接続状態を示す平面図、（ｂ）は昇圧トランスの一部切欠正面図。（ａ）は本発明の第３の実施形態に係る太陽光発電プラントの全体構成を示す側面図、（ｂ）は同平面図。従来の太陽光発電プラントの電気系統構成図。

符号の説明

２０，２０Ａ太陽光発電プラント
２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃ太陽光発電システム
２２太陽電池アレイユニット
２２ａ太陽電池アレイ
２２ｂ接続箱
２２ｃインバータ
２２ｄ単相３線ケーブル
２３昇圧トランス
２３ａ交流遮断器
２３ｂ昇圧トランス本体
２４高圧連系盤
２４ａ高圧カットアウトヒューズ
２４ｂ３相ブスバー
２４ｃ計器用変流器
２４ｄ計器用変圧器
２４ｅ交流遮断器
２４ｆ保護リレー
２４ｇ高圧トランス
２５交流ケーブル
２６電力系統
２７地盤

Claims

複数の太陽電池を有する太陽電池アレイと、
この太陽電池アレイから出力される直流電力を交流電力に変換するインバータをそれぞれ備えた複数の太陽電池アレイユニットと、
これら太陽電池アレイユニットの前記各インバータからそれぞれ出力される交流電圧を高圧に昇圧する昇圧トランスと、
この昇圧トランスの出力側を電力系統連系点に接続する高圧交流ケーブルと、
この電力系統連系点に配設された高圧トランスと、
を具備していることを特徴とする太陽光発電システム。
前記インバータは、交流出力が単相３線の容量５ｋＷ以下であることを特徴とする請求項１記載の太陽光発電システム。
前記交流ケーブルは、高圧単相２線ケーブルであり、電力系統連系点に設けた３相ブスバーの予め決められた２線に配分し連系可能に接続されていることを特徴とする請求項１または２記載の太陽光発電システム。
前記交流ケーブルは、高圧３相３線ケーブルであり、少なくとも３台の前記昇圧トランスの高圧単相２線の交流出力を、前記交流ケーブルの予め決められた２線に配分し連系可能に接続されていることを特徴とする請求項１または２記載の太陽光発電システム。
前記昇圧トランスは、そのトランス本体を収容するケース内に、前記インバータと冷暖房可能の空気調和機を配設していることを特徴する請求項１〜４のいずれか１項に記載の項記載の太陽光発電システム。
前記昇圧トランスの入力側に、前記インバータ毎に交流遮断器を設けたことを特徴する請求項１〜５のいずれか１項に記載の太陽光発電システム。
前記請求項１〜３のいずれか１項に記載の太陽光発電システムを３の倍数設け、各太陽光発電システムの高圧単相２線ケーブルを電力系統連系点の３相ブスバーの予め決められた２線に配分しそれぞれ連系可能に接続していることを特徴とする太陽光発電プラント。