JP2011078290A

JP2011078290A - 電力変換装置および太陽光発電システム

Info

Publication number: JP2011078290A
Application number: JP2009230315A
Authority: JP
Inventors: Hidehiko Sugimoto; 英彦杉本
Original assignee: Tabuchi Electric Co Ltd
Current assignee: Tabuchi Electric Co Ltd
Priority date: 2009-10-02
Filing date: 2009-10-02
Publication date: 2011-04-14

Abstract

【課題】薄膜太陽電池の電極剥離を防止できる非絶縁型の電力変換装置およびそれを用いた太陽光発電システムを提供する。
【解決手段】太陽電池１の負極の電位を基準として、正側および負側の電圧を有する二直流電源を生成するＤＣ／ＤＣコンバータ４と、該ＤＣ／ＤＣコンバータ４からの直流電力を、前記二直流電源の基準電位を基準として交流電力に変換するインバータ５とを具備し、インバータ５のスイッチングによって二直流電源の基準電位が変動するのを抑制し、これによって、薄膜太陽電池１の負極の電位が変動するのを抑制して、薄膜太陽電池１の電極剥離を防止する。
【選択図】図１

Description

本発明は、直流電力を交流電力に変換する電力変換装置およびそれを用いた太陽光発電システムに関し、更に詳しくは、商用電力系統に連系するのに好適な電力変換装置および太陽光発電システムに関する。

近年、地球環境保護の観点から環境への影響の少ない太陽電池、燃料電池等による分散型電源システムの開発が盛んに進められている。このような分散型電源システムでは、太陽電池等によって発電した直流電力を、ＤＣ／ＤＣコンバータおよびインバータ等を備える電力変換装置としてのパワーコンディショナによって商用周波数の交流電力に変換し、商用電力系統と連系して負荷に供給するとともに、余剰電力を商用電力系統に逆潮流することが行われている（例えば、特許文献１参照）。

太陽光発電システムに用いるパワーコンディショナは、一般には、太陽電池で発電した直流電力を、後記するインバータの入力電圧である直流電圧に適した直流電圧に変換するＤＣ／ＤＣコンバータと、ＤＣ／ＤＣコンバータの直流電力を交流電力に変換するインバータと、系統連系のための保護装置とを備えている。

そして、かかるパワーコンディショナには、絶縁トランスによって直流部と交流部とを電気的に絶縁した絶縁型と、絶縁トランスを用いない非絶縁型とがある。

図８に、非絶縁型のパワーコンディショナを備えた太陽光発電システムの構成例を示す。

このパワーコンディショナ３６は、商用の交流電源３７と連系運転するようになっており、太陽電池３８からの直流電力を昇圧するＤＣ／ＤＣコンバータ３９と、このＤＣ／ＤＣコンバータ３９からの直流電力を交流電力に変換して商用の交流電源３７に連系するインバータ４０と、インバータ４０からの交流電力の高調波を除去するフィルタ回路４１とを備えている。

ＤＣ／ＤＣコンバータ３９は、インダクタ４２、ＩＧＢＴなどのスイッチング素子４３およびダイオード４４からなる昇圧チョッパ回路と、平滑コンデンサ４５とを備えている。

インバータ４０は、ダイオード５０〜５３それぞれが逆並列に接続された４つのＩＧＢＴ等のスイッチング素子４６〜４９によって構成されている。

このパワーコンディショナ３６では、ＤＣ／ＤＣコンバータ３９からの直流電力を、インバータ４０内のスイッチング素子４６〜４９のスイッチングにより、商用電力系統に同期した交流電力に変換して出力する。

パワーコンディショナ３６は、こうして変換した交流電力を、リアクトル５４，５５およびコンデンサ５６からなるフィルタ回路４１を介して図示しない負荷に供給したり、あるいは、系統側に逆潮流したりする。

特開２００１−１６１０３２号公報

太陽光発電システムにおいて使用される太陽電池は、変換効率に優れる結晶系太陽電池が主流となっていた。

そして、近年の太陽光発電システムでは、この結晶系太陽電池に代わって、原材料のシリコンの使用量の大幅な削減ができる一方で、太陽光受光面積の大面積化が可能であるうえ、生産工程も単純で製造コストが安価に済むという薄膜太陽電池が使用されてきている。

しかしながら、上記薄膜太陽電池の場合、上記結晶系太陽電池と比較して上記有利性がある一方で、次のような問題がある。

太陽電池では、通常、太陽電池モジュールのフレームが接地され、このフレームに近接したカバーガラスの電位は、フレームと同電位、すなわち、略０Ｖとなるが、太陽電池の正極が、カバーガラスの電位よりも低くなると、カバーガラス中のＮａイオンが、正極側に溶け出して正極の電極膜が剥離してしまう。

図８に示される非絶縁型のパワーコンディショナの場合、太陽電池３８の負極側を接地した状態で図示しているが、このような接地状態で、交流電源３７の中性点を接地してインバータ４０をスイッチング動作させて、システムを運転した場合には、太陽電池３８の負極側電位、したがって、正極側の電位も接地点電位に対して変動し、正極の電位がカバーガラスの電位よりも低くなって、電極膜が剥離してしまう場合がある。

このような電極電位の変動による電極膜の剥離を防止するには、直流部である太陽電池３８側と、交流部である交流電源３７側との間に絶縁トランスを介在させて、両者間を電気的に絶縁した絶縁型のパワーコンディショナを用いればよい。

しかしながら、絶縁型のパワーコンディショナは、絶縁トランスを必要とするために、非絶縁型のパワーコンディショナに比べて、製造コストが高くなるとともに、サイズの大型重量化を来たすという課題がある。

本発明は、上述のような課題に鑑みて為されたものであって、薄膜太陽電池の電極膜の剥離を防止できる非絶縁型の電力変換装置およびそれを用いた太陽光発電システムを提供することを目的とする。

本発明では、上記目的を達成するために、次のように構成している。

本発明の電力変換装置は、負側または正側の一方の電極が接地された薄膜太陽電池からの直流電力を交流電力に変換する非絶縁型の電力変換装置であって、薄膜太陽電池の直流電力をスイッチングして互いに直列接続された少なくとも２つの第１、第２コンデンサに充電すると共に、前記両第１、第２コンデンサを二直流電源としてその直列接続中点を、薄膜太陽電池の接地側の前記一方の電極、および、交流電源の接地点または接地相に接続するＤＣ／ＤＣコンバータと、
該ＤＣ／ＤＣコンバータの二直流電源を構成する前記両第１、第２コンデンサそれぞれから出力される直流電圧をそれぞれ交流電圧に変換して出力するインバータとを具備している。

本発明の電力変換装置によると、ＤＣ／ＤＣコンバータでは、薄膜太陽電池の接地側電極の電位を基準として、第１、第２コンデンサからなる二直流電源を生成し、インバータでは、二直流電源の接続中点の電位である交流電源の接地点または接地相を基準とした交流電力に変換するので、インバータのスイッチングによって、薄膜太陽電池の電極電位が変動するのを抑制することができ、これによって、薄膜太陽電池の正極の電位が、カバーガラスの電位よりも低くなって、Ｎａイオンが正極側に溶け出して電極膜が剥離するのを防止することができる。

本発明の電力変換装置の好ましい実施態様では、前記インバータが、前記ＤＣ／ＤＣコンバータからの直流電圧を、前記両コンデンサの直列接続中点の電位を基準電位とした交流電圧に変換するものである。

この実施態様によると、インバータのスイッチングによって両コンデンサの直列接続中点の電位が変動するのを抑制して、薄膜太陽電池の電極電位が変動するのを抑制することができる。

本発明の電力変換装置の一つの実施態様では、前記インバータが、３レベルインバータである。

この実施態様によると、インバータは、正電圧、ゼロ電圧、負電圧の３レベルの電圧を出力するので、２レベルの電圧を出力するインバータに比べて、電圧リップルが少なくなる。

本発明の電力変換装置の他の実施態様では、前記薄膜太陽電池からの直流電力を、商用電源に系統連系した交流電力に変換するものであって、前記商用電源が、一方が接地された単相２線式電源、中性点が接地された単相３線式電源、一つの相が接地された三相３線式電源、または、中性点が接地された三相４線式電源のいずれかである。

この実施態様によると、単相２線式、単相３線式、三相３線式、三相４線式の各種商用電源に連系することができる。

本発明の太陽光発電システムは、薄膜太陽電池と、本発明に係る電力変換装置とを具備している。

本発明の太陽光発電システムによると、薄膜太陽電池の電極電位が変動して電極膜の剥離が生じるのを防止することができる。

本発明によれば、薄膜太陽電池の接地側電極の電位を基準として、二直流電源を生成し、二直流電源の接続中点の電位である交流電源の接地点または接地相を基準とした交流電力に変換するので、インバータのスイッチングによって、薄膜太陽電池の電極電位が変動するのを抑制することができ、これによって、薄膜太陽電池の正極の電位が、カバーガラスの電位よりも低くなって、Ｎａイオンが正極側に溶け出して電極膜が剥離するのを防止することができる。

本発明の一つの実施の形態に係るパワーコンディショナを備える太陽光発電システムの概略構成図である。本発明の他の実施形態の図１に対応する概略構成図である。本発明の更に他の実施形態の図１に対応する概略構成図である。本発明の他の実施形態の図１に対応する概略構成図である。本発明の他の実施形態の図１に対応する概略構成図である。本発明の更に他の実施形態の図１に対応する概略構成図である。本発明の他の実施形態の図１に対応する概略構成図である。従来例の概略構成図である。

以下、図面によって本発明の実施の形態について詳細に説明する。

（実施形態１）
図１は、本発明の一つの実施形態に係る電力変換装置を備える太陽光発電システムの概略構成図である。

この実施形態の太陽光発電システムは、太陽電池１と、この太陽電池１からの直流電力を、交流電力に変換して商用電源系統である単相二線式の交流電源２に連系する電力変換装置としてのパワーコンディショナ３とを備えている。

この実施形態のパワーコンディショナ３は、太陽電池１の直流電力から二直流電源を生成する非絶縁型のＤＣ／ＤＣコンバータ４と、このＤＣ／ＤＣコンバータ４からの直流電力を、二直流電源の基準電位に対して単相の交流電力に変換して商用の交流電源２に連系するインバータ５と、インバータ５からの交流電力の高調波を除去するフィルタ回路６と、各部の電圧等を計測してＤＣ／ＤＣコンバータ４およびインバータ５のスイッチング制御等を行う制御回路２３とを備えている。

太陽電池１は、アモルファスシリコンなどからなる薄膜太陽電池であり、その負極側が接地されている。

ＤＣ／ＤＣコンバータ４は、第１インダクタ７ａ、ＩＧＢＴなどの第１スイッチング素子８ａ、第１ダイオード９ａおよび第１平滑コンデンサ１０ａからなるブーストコンバータと、第２インダクタ７ｂ、第２スイッチング素子８ｂ、第２ダイオード９ｂおよび第２平滑コンデンサ１０ｂからなるバックブーストコンバータとを備えている。

両平滑コンデンサ１０ａ，１０ｂの直列接続中点Ａは、太陽電池１の接地側である負極に接続され、この太陽電池１の負極の電位を基準として、ブーストコンバータによって正側の直流電源を、バックブーストコンバータによって負側の直流電源をそれぞれ生成する。

インバータ５は、３レベルインバータであり、直列接続されたＩＧＢＴなどの４つのスイッチング素子１１〜１４と、個々のスイッチング素子１１〜１４に逆並列に接続されたダイオード１５〜１８と、上下２つずつのスイッチング素子１１，１２；１３，１４それぞれの接続中点Ｂ１，Ｂ２と二直流電源である前記両平滑コンデンサ１０ａ，１０ｂの接続中点Ａとを接続する二つのダイオード１９，２０とを備えている。両平滑コンデンサ１０ａ，１０ｂの接続中点Ａは、商用の交流電源２の一方に接続されるとともに、接地される。スイッチング素子１２，１３の接続中点をＢ０とする。

二直流電源を構成する２つの平滑コンデンサ１０ａ，１０ｂそれぞれの両端間電圧をそれぞれ「Ｅ」とすると、インバータ５の４つのスイッチング素子１１〜１４のうち隣接する２つのスイッチング素子１１，１２；１２，１３；１３，１４の組み合わせにおいて該任意１つの組み合わせ内の両スイッチング素子のみを同時に共に導通状態、例えば、上２つのスイッチング素子１１，１２のみが同時に共に導通してスイッチング素子１２，１３の接続中点Ｂ０の電位が「Ｅ」に、真ん中２つのスイッチング素子１２，１３のみが同時に共に導通して同接続中点Ｂ０の電位が「０」に、下２つのスイッチング素子１３，１４のみが同時に共に導通して同接続中点Ｂ０の電位が「−Ｅ」になって、それぞれ出力される。すなわち、「＋Ｅ（正電圧）」、「０（ゼロ電圧）」、「−Ｅ（負電圧）」の３レベルの電圧を出力する。

このインバータ５によって変換されスイッチング素子１２，１３の接続中点Ｂ０に現れる交流電力は、リアクトル２１とコンデンサ２２とからなるフィルタ回路６により高調波を除去されて系統電源２に印加される。

以上のように上記実施形態では、ＤＣ／Ｃコンバータ４により太陽電池１の負極側電位を基準電位として正負の二直流電源を生成し、インバータ５により、上記生成した二直流電源の基準電位すなわち、両平滑コンデンサ１０ａ，１０の接続中点Ａに対して正負の交流電源を生成すると共に、当該両平滑コンデンサ１０ａ，１０の接続中点Ａを系統電源２の接地側に接続した構成としたので、太陽電池１の負極側が接地されていてもインバータ５のスイッチング素子１５〜１８のスイッチングによって、太陽電池１の負極側電位が変動するようなことがなくなる結果、薄膜太陽電池１の正極の電位が、カバーガラスの電位よりも低くなって、Ｎａイオンが正極側に溶け出して電極膜が剥離するのを防止することができる。

また、インバータ５は、３レベルインバータであるので、電圧が、上述のように３つのレベルで変化するので、２つのレベルで変化するインバータに比べて、電圧リップルが少なくなってインダクタンスを小さくすることができる。

（実施形態２）
図２は、本発明の他の実施形態に係る電力変換装置を備える太陽光発電システムの概略構成図であり、図１に対応する部分には、同一の参照符号を付す。

上述の実施形態では、単相２線式の交流電源２に適用したのに対して、この実施形態では、単相３線式の交流電源２に適用したものである。

この実施形態の太陽光発電システムは、直流電力源としての太陽電池１と、この太陽電池１からの直流電力を、交流電力に変換して商用電源系統である単相３線式の交流電源２に連系する電力変換装置としてのパワーコンディショナ３−１とを備えている。

太陽電池１は、薄膜太陽電池であって、その負極側が接地されており、単相３線式の交流電源２の中性点が接地されている。

この実施形態のパワーコンディショナ３−１は、太陽電池１の直流電力から二直流電源を生成する非絶縁型のＤＣ／ＤＣコンバータ４と、このＤＣ／ＤＣコンバータ４からの直流電力を、二直流電源の基準電位に対して単相の交流電力に変換して商用の交流電源２に連系するインバータ５−１と、インバータ５−１からの交流電力の高調波を除去するフィルタ回路６−１と、各部の電圧等を計測してＤＣ／ＤＣコンバータ４およびインバータ５−１のスイッチング制御等を行う制御回路２３−１とを備えている。

インバータ５−１は、３レベルインバータであり、各相それぞれは、直列接続されたＩＧＢＴなどの４つのスイッチング素子１１₁〜１４₁，１１₂〜１４₂と、個々のスイッチング素子１１₁〜１４₁，１１₂〜１４₂に逆並列に接続されたダイオード１５₁〜１８₁，１５₂〜１８₂と、上下２つずつのスイッチング素子１１₁，１２₁，１１₂，１２₂；１３₁，１４₁，１３₂，１４₂の接続点とＤＣ／ＤＣコンバータ４の両平滑コンデンサ１０ａ，１０ｂの中点とを接続する二つのダイオード１９₁，２０₁，１９₂，２０₂とを備えている。

インバータ５−１によって変換された交流電力の高調波を除去するフィルタ回路６−１は、各相に対応するリアクトル２１₁，２１₂とコンデンサ２２₁，２２₂とからなる。

そして二直流電源を構成する２つの平滑コンデンサ１０ａ，１０ｂの接続中点は、上述の実施の形態と同様に、太陽電池１の負極に接続されるとともに、フィルタ回路６−１のコンデンサ２２₁，２２₂の接続中点に接続されている。

その他の構成は、上述の実施形態１と同様である。

この実施形態においても、太陽電池１の負極側の電位を基準電位として、ＤＣ／Ｃコンバータ４では、正側と負側の電圧をもつ二直流電源を生成し、インバータ５−１では、生成した二直流電源の基準電位に対して交流電源を生成するので、インバータ５−１のスイッチング素子１１₁〜１４₁，１１₂〜１４₂のスイッチングによって太陽電池１の負極側の電位が変動することがなく、これによって、薄膜太陽電池１の正極の電位が、カバーガラスの電位よりも低くなって、Ｎａイオンが正極側に溶け出して電極膜が剥離するのを防止することができる。

また、インバータ５−１は、３レベルインバータであるので、２レベルのインバータに比べて、電圧リップルが少なくなってインダクタンスを小さくすることができる。

（実施形態３）
図３は、本発明の他の実施形態に係る電力変換装置を備える太陽光発電システムの概略構成図であり、図１に対応する部分には、同一の参照符号を付す。

上述の各実施形態では、単相の交流電源２に適用したのに対して、この実施形態では、三相３線Ｖ相接地式の交流電源２４に適用したものである。

この実施形態の太陽光発電システムは、直流電力源としての太陽電池１と、この太陽電池１からの直流電力を、交流電力に変換して商用電源系統である三相の交流電源２４に連系する電力変換装置としてのパワーコンディショナ３−２とを備えている。

この実施形態のパワーコンディショナ３−２は、太陽電池１の直流電力から二直流電源を生成する非絶縁型のＤＣ／ＤＣコンバータ４と、このＤＣ／ＤＣコンバータ４からの直流電力を、二直流電源の基準電位に対して三相の交流電力に変換して商用の三相交流電源２４に連系するインバータ５−２と、インバータ５−２からの交流電力の高調波を除去するフィルタ回路６−２と、各部の電圧等を計測してＤＣ／ＤＣコンバータ４およびインバータ５−２のスイッチング制御等を行う制御回路２３−２とを備えている。

インバータ５−２は、３レベルインバータであり、Ｕ相、Ｗ相のそれぞれは、直列接続されたＩＧＢＴなどの４つのスイッチング素子１１ｕ〜１４ｕ，１１ｗ〜１４ｗと、個々のスイッチング素子１１ｕ〜１４ｕ，１１ｗ〜１４ｗに逆並列に接続されたダイオード１５ｕ〜１８ｕ，１５ｗ〜１８ｗと、上下２つずつのスイッチング素子１１ｕ，１２ｕ，１１ｗ，１２ｗ；１３ｕ，１４ｕ，１３ｗ，１４ｗの接続点とＤＣ／ＤＣコンバータ４の両平滑コンデンサ１０ａ，１０ｂの中点とを接続する二つのダイオード１９ｕ，２０ｕ，１９ｗ，２０ｗとを備えている。また、ＤＣ／ＤＣコンバータ４の両平滑コンデンサ１０ａ，１０ｂの接続中点は、太陽電池１の負極に接続され、この接続中点に接続されたＶ相は、接地される。

インバータ５−２によって変換された交流電力の高調波を除去するフィルタ回路６−２は、Ｕ相、Ｗ相に対応するリアクトル２１ｕ，２１ｖとコンデンサ２２ｗ，２２ｗとからなる。

その他の構成は、上述の実施形態１と同様である。

この実施形態においても、太陽電池１の負極を基準電位として、ＤＣ／Ｃコンバータ４では、正側と負側の電圧をもつ二直流電源を生成し、インバータ５−２では、生成した二直流電源の基準電位に対して交流電源を生成するので、インバータ５−２のスイッチング素子１５ｕ〜１８ｕ，１５ｗ〜１８ｗのスイッチングによって太陽電池１の負極側の電位が変動することがなく、これによって、薄膜太陽電池１の電極膜が剥離を防止することができる。

また、インバータ５−２は、３レベルインバータであるので、２レベルのインバータに比べて、電圧リップルが少なくなってインダクタンスを小さくすることができる。

この実施形態では、Ｖ相接地の三相３線式の交流電源に適用したけれども、本発明の他の実施形態として、中性点が接地された三相４線式の交流電源に適用してもよい。

（実施形態４）
図４は、本発明の他の実施形態に係る電力変換装置を備える太陽光発電システムの概略構成図であり、図２に対応する部分には、同一の参照符号を付す。

この実施形態では、単相３線式の交流電源２に適用したものである。

この実施形態の太陽光発電システムは、直流電力源としての太陽電池１と、この太陽電池１からの直流電力を、交流電力に変換して商用電源系統である単相の交流電源２に連系する電力変換装置としてのパワーコンディショナ３−３とを備えている。

この実施形態のパワーコンディショナ３−３は、太陽電池１の直流電力から二直流電源を生成する非絶縁型のＤＣ／ＤＣコンバータ４と、このＤＣ／ＤＣコンバータ４からの直流電力を、二直流電源の基準電位に対して単相の交流電力に変換して商用の単相交流電源２に連系するインバータ５−３と、インバータ５−３からの交流電力の高調波を除去するフィルタ回路６−３と、各部の電圧等を計測してＤＣ／ＤＣコンバータ４およびインバータ５−３のスイッチング制御等を行う制御回路２３−３とを備えている。

上述の各実施形態のインバータは、３レベルインバータであったのに対して、この実施形態のインバータ５−３は、上述の図８の従来例と同様の２レベルインバータであり、フルブリッジ構成された４個のスイッチング素子２９〜３２と、各スイッチング素子２９〜３２に逆並列に接続されたダイオード２５〜２８とを備えている。

インバータ５−３によって変換された交流電力の高調波を除去するフィルタ回路６−３は、リアクトル２１とコンデンサ２２とからなる。

その他の構成は、上述の実施形態２と同様である。

この実施形態においても、太陽電池１の負極を基準電位として、ＤＣ／Ｃコンバータ４では、正側と負側の電圧をもつ二直流電源を生成し、インバータ５−３では、生成した二直流電源の基準電位に対して交流電源を生成するので、インバータ５−３のスイッチング素子２９〜３２のスイッチングによって太陽電池１の負極側の電位が変動することがなく、これによって、薄膜太陽電池１の電極膜の剥離を防止することができる。

（その他の実施形態）
上述の各実施形態では、太陽電池１の負極側を接地したけれども、本発明の他の実施形態として、例えば、図５に示すように、太陽電池１の正極側を接地してもよい。

薄膜太陽電池１の電圧が高い場合には、例えば、図６の負極接地の場合、あるいは、図７の正極接地の場合に示すように、一方のブースト回路を省略し、各平滑コンデンサ１０ａ，１０ｂの電圧が等しくなるように制御してもよい。

本発明は、薄膜太陽電池からの直流電力を変換する電力変換装置として有用である。

１太陽電池
２単相交流電源
３，３−１，３−２，３−３パワーコンディショナ
４ＤＣ／ＤＣコンバータ
５，５−１，５−２，５−３インバータ
２４三相交流電源

Claims

負側または正側の一方の電極が接地された薄膜太陽電池からの直流電力を交流電力に変換する非絶縁型の電力変換装置であって、
薄膜太陽電池の直流電力をスイッチングして互いに直列接続された少なくとも２つの第１、第２コンデンサに充電すると共に、前記両第１、第２コンデンサを二直流電源としてその直列接続中点を、薄膜太陽電池の接地側の前記一方の電極、および、交流電源の接地点または接地相に接続するＤＣ／ＤＣコンバータと、
該ＤＣ／ＤＣコンバータの二直流電源を構成する前記両第１、第２コンデンサそれぞれから出力される直流電圧をそれぞれ交流電圧に変換して出力するインバータと、
を具備したことを特徴とする電力変換装置。
前記インバータが、前記ＤＣ／ＤＣコンバータからの直流電圧を、前記両コンデンサの直列接続中点電位を基準電位とした交流電圧に変換する、ことを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
前記インバータが、３レベルインバータである請求項１または２に記載の電力変換装置。
前記薄膜太陽電池からの直流電力を、商用電源に系統連系した交流電力に変換するものであって、
前記商用電源が、一方が接地された単相２線式電源、中性点が接地された単相３線式電源、一つの相が接地された三相３線式電源、または、中性点が接地された三相４線式電源のいずれかである請求項１ないし３のいずれかに記載の電力変換装置。
薄膜太陽電池と、前記請求項１ないし４のいずれかに記載の電力変換装置と、を具備することを特徴とする太陽光発電システム。