JP2011151910A - 系統連係装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明は、係る従来技術の問題を解決するために成されたものであり、簡単な構成で突入電流を抑制することができる系統連係装置を提供することを目的とする。
【解決手段】 直流電圧を昇圧する昇圧回路と、前記昇圧回路の出力を交流電圧に変換するインバータ回路と、前記インバータ回路の出力を平滑して出力波形を正弦波状にするコンデンサを備えたフィルタ回路と、前記フィルタ回路と系統の電源ラインを接続する系統連係用リレーと、前記昇圧回路や前記インバータ回路の各スイッチ素子の動作を制御する制御回路を備えた系統連係装置において、
前記制御回路の制御により前記リレーが解列された状態で前記インバータ回路を動作させ、前記フィルタ回路の出力電圧が前記系統の電源ラインの電圧と同位相、同電圧にした後に前記リレーを連系させることを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、太陽電池等の直流電源を商用電力系統へつなぐための系統連係装置に関するものである。

従来、太陽電池や燃料電池などから発電した直流電力を交流電力に変換し、交流電力として使用するか又は系統に供給する系統連係装置が提供されている。

このような系統連係装置の従来技術として、図３に示すように太陽電池１０と、この太陽電池１０で発電される直流電圧を昇圧する昇圧回路２、昇圧回路２の出力を交流電圧に変換するインバータ回路３を有し、このインバータ回路３の出力をフィルタ回路４と統連系用リレーを介して系統へ供給するものがあった。また３８は電流検出部であり、６４は昇圧回路２やインバータ回路３の動作を制御する制御回路である。（例えば、特許文献１）
ところで、太陽電池１０は夜間には発電しないため、系統開閉用リレー６は開となり系統との接続が遮断されている。

太陽電池１０は発電を開始し系統開閉用リレー６が開から閉になる際に、リアクトル３１およびコンデンサ３２で構成されるフィルタ回路４のコンデンサ３２が放電していると、系統開閉用リレー６が閉じた瞬間に、コンデンサ３２に系統から突入電流が流れる。この突入電流が、系統開閉用リレー６に流れ接点と接片間の溶着の原因になったり、電流検出部３８のコアに偏励磁が生じたりすることがあった。

このような問題を回避する為に突入電流に耐えられるような仕様の部品（電流センサや系統開閉用リレー）を用いたり、突入電流自体を抑制するために、系統開閉用リレー６をバイパスしてフィルタ回路４と系統の電源ライン７とを接続するバイパス回路５を設け、このバイパス回路５のバイパス開閉用リレー５７を閉じて、フィルタ回路４と系統の電源ライン７とを正特性サーミスタ５６を介して接続し、系統の電源ライン７からの突入電流を正特性サーミスタ５６で抑制するといった工夫をしている。
特開２００６−１７４６６１号公報

しかしながら、従来の方式では、突入電流に耐えられるような仕様のリレーが必要であり、またバイパス回路を別途必要とするという問題があった。

本発明は、係る従来技術の問題を解決するために成されたものであり、簡単な構成で突入電流を抑制することができる系統連係装置を提供することを目的とする。

上記も目標を達成するために本願発明の系統連係装置は、直流電力を単相の擬似正弦波からなる交流電力に変換するインバータ回路と、前記擬似正弦波を系統電源ラインに供給するフィルタ回路と、このフィルタ回路と前記系統電源ラインとの間に設けられる系統連係用リレーと、前記インバータ回路を構成する複数のスイッチ素子のＯＮ／ＯＦＦ動作を制御する制御部とを備えた系統連係装置において、制御部は、系統電源ライン上の交流電力の電圧位相を検出し、インバータ回路から出力される擬似正弦波の電圧位相が交流電力の電圧位相と一致し、かつ擬似正弦波に相当する電圧が所定の電圧以上となった際に系統連係用リレーの接片を開状態から閉じてフィルタ回路と系統電源ラインを接続するものであり、系統連係用リレーを閉じる際に、インバータ回路から出力される擬似正弦波の電圧位相と系統の電圧位相とを合わせ電圧が所定電圧以上となった後に系統連係用リレーを閉じることを特徴とする。

また請求項２の発明は、電圧位相の一致は、系統電源の電圧波形のゼロクロスに基づくことを特徴とする。

また請求項３の発明は、電圧位相の一致は、擬似正弦波の電圧位相が前記系統電源ライン上の交流電力の電圧位相から約１０度以内で判断されることを特徴とする。

また請求項４の発明は、電圧は交流電圧波形のピーク電圧であることを特徴とする。

また請求項５の発明は、記電圧は交流電圧波形の実効値電圧であることを特徴とする。

また請求項６の発明は、所定の電圧は前記系統電源ライン上の交流電力の電圧の８０％以上の値であることを特徴とする。

また請求項７の発明は、直流電力は太陽電池や燃料電池、風力発電などの発電設備で発電されることを特徴とする。

本発明によれば、制御回路の制御により系統連係用リレーが開いた状態から閉じる際に、インバータ回路から出力される擬似正弦波の電圧位相を系統電源ライン上の交流電圧の位相と電圧を合わせることによってコンデンサの端子電圧が系統電源ライン上の交流電力の電圧波形と同じもしくはほぼ同じとすることができコンデンサへの突入電流を抑制することができるものである。

以下、図面に基づき本発明の実施形態を詳述する。

図１は本発明に係る系統連係装置を含む系統連係システムを太陽電池に接続した際の一例である太陽光発電システムを示す構成図である。

この発電システムは、日射量に応じて発電力が変化する太陽電池１０と、この太陽電池１０で発電される直流電力を交流電力に変換し、系統の電源ライン３０へ供給する系統連係装置２０とにより構成されている。

系統連係装置２０は、太陽電池１０の直流電圧を昇圧する昇圧回路４０、昇圧回路４０の出力を単相の擬似正弦波に変換する単相のインバータ回路５０、及びこのインバータ回路５０の出力が通過するフィルタ回路６０と、フィルタ回路６０と系統の電源ライン（単相３線式２００Ｖ）３０との間に接続された系統連係用リレー７０と、フィルタ回路６０と系統連係用リレー７０との間に接続されその間に流れる電流を検出する電流検出部（図示せず）と、系統連係用リレー７０の系統の電源ライン３０側に設置された系統の電源ライン電圧検出部１１と、マイクロコンピュータからなり昇圧回路４０やインバータ回路５０を構成する各スイッチ素子にＯＮ／ＯＦＦ信号を与える制御回路８０とで構成される。

昇圧回路４０では、太陽電池１０の出力電圧を予め定めた所定の電圧まで昇圧しており、この昇圧された直流電圧を入力としてインバータ回路５０で所定の周波数の搬送波を電源ライン３０と同じ周波数の変調波で変調させるＰＷＭ（パルス幅変調）制御を行って擬似正弦波に変換した後、フィルタ回路６０でインバータ回路５０の出力に含まれる高周波成分を取り除くことにより正弦波状の交流電圧に変換して出力する。

昇圧回路４０は、リアクトル４１と、スイッチ素子４２（ＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ、ＦＥＴなどの半導体スイッチング素子）と、ダイオード４３と、コンデンサ４４とで構成される。具体的には、リアクトル４１の一端に太陽電池１０の正極側を接続し、他端にはスイッチ素子４２のコレクタ側とダイオード４３のアノード側を接続する。また、スイッチ素子４２のエミッタ側には太陽電池１０の負極側を接続し、ダイオード４３のカソード側はコンデンサ４４を介してスイッチ素子４２のエミッタ側に接続する。

昇圧回路４０はスイッチ素子４２のＯＮデューティを制御することによってその出力電圧を制御している。ＯＮデューティは電圧検出器（不図示）によって検出された電圧が所定の電圧になうように制御回路８０で制御される。フィードバック制御を行っている。

インバータ回路５０は、スイッチ素子５１〜５４をフルブリッジ接続して単相の擬似正弦波が生成されるように構成され、制御回路８０からのＯＮ／ＯＦＦ信号によってスイッチ素子５１〜５４が動作して、昇圧回路４０からの直流電力をＰＷＭ制御された擬似制限波状の交流電力に変換するものである。

フィルタ回路６０は、リアクトル６１，６２とコンデンサ６３によって構成される。具体的には、直列接続されたスイッチ素子５１，５２の接続点にリアクトル６１の一端を接続し、直列接続されたスイッチ素子５３，５４の接続点にリアクトル６２の一端を接続する。そして、これらリアクトル６１，６２の他端間にコンデンサ６３を接続する。このように構成することでインバータ回路５０から出力された交流電力の高周波成分を取り除いて、インバータ回路５０の出力電圧を正弦波状の波形にし、系統の電源ライン３０に出力するものである。

系統連係用リレー７０は、第一の系統連係用リレーの接片７１、第二の系統連係用リレーの接片７２によって構成される。第一の系統連係用リレーの接片７１、第二の系統連係用リレーの接片７２はそれぞれ制御回路８０からの制御信号によって連系／解列（開状態／閉状態）が制御され、フィルタ回路６０と系統の電源ライン３０との間に接続されている。この系統連係用リレー７０によって系統連係装置２０と系統の電源ライン３０は連系または解列し、電力供給が制御されている。

フィルタ回路６０は、リアクトル６１，６２とコンデンサ６３によって構成される。具体的には、直列接続されたスイッチ素子５１，５２の接続点にリアクトル６１の一端を接続し、直列接続されたスイッチ素子５３，５４の接続点にリアクトル６２の一端を接続する。そして、これらリアクトル６１，６２の他端間にコンデンサ６３を接続する。このように構成することでインバータ回路５０から出力された交流電力のリプル成分を平滑して、インバータ回路５０の出力電圧を正弦波状の波形に平滑し、系統の電源ライン３０に出力するものである。

商用系統電圧検出部１１では、系統の電源ライン３０の電圧やこの電圧の反転するゼロクロスを検出する。検出された電圧は制御回路８０に送られ、制御回路８０は系統の電源ライン３０の電圧が運用規定の適正範囲内かどうかを判断する。基本周波数は系統の電源ライン３０の周波数で６０Ｈｚや５０Ｈｚである。検出した出力電圧が適正範囲内であった場合は、制御回路８０によって系統連係装置２０は通常の運転を行う。また、検出した出力電圧が適正範囲外であった場合は、制御回路８０によってインバータ回路５０の停止（ゲート信号の遮断）、系統連係用リレー７０の解列、昇圧回路４０の停止などを行い系統連係装置２０は運転を停止する。

ここで、太陽電池１０は昼間に発電し、夜間は発電しないため、系統連係用リレー７０の作動は、昼間に連系状態、夜間に解列状態となっている。系統連係用リレー７０が解列された直後は、フィルタ回路６０のコンデンサ１２には電荷が充電された状態であるが、インバータ回路が動作を停止している夜間にコンデンサ６３に残った電荷はスイッチング素子のフライホイールダイオードを介して放電される。従って、系統連係用リレー７０が解列状態から連系状態になる際は、コンデンサ６３が放電しているため、系統連係用リレー７０が閉じた瞬間に、コンデンサ６３に突入電流が流れることがある。この突入電流が系統連係用リレー７０の接片７１、７２を流れ、接点の温度が高温となって系統連係用リレー７０の接点が溶着し接片７１、７２が常に閉じた状態となることがあった。

制御回路８０によって系統連係装置２０の系統連係用リレー７０が解列状態から連系状態となる際、すなわち太陽電池、燃料電池などが発電を開始する時や、蓄電池に蓄えられた電荷を基に交流電力を生成する際など、投入電流により上記のような問題を起こしにくくするために、次のようなステップで突入電流を抑制する。

図２は、交流電力の生成を開始する際に突入電流を抑制するための制御動作を示すフローチャートである。

開始すると、まずステップＳ１で系統連係用リレー７０の接片７１、７２の開閉状態を調べ、接片が７１、７２が閉じていることが検出された際は接片の溶着が考えられるのでスッテップＳ２へ進み異常対応を行う。例えば異常の表示を行い系統連係装置の運転を停止する。

ステップＳ１で接片７１、７２は開いていればステップＳ３へ進み、昇圧回路４０による直流電圧の昇圧を開始する。同時に商用系統電圧検出部１１による系統電圧のピーク電圧の検出を開始しそのピーク電圧の値を記憶部に記憶する。このピーク電圧は時間の経過毎に順次更新されていくものである。また、フィルタ回路６０のコンデンサ６３の両端電圧も検出し、同様にそのピーク電圧の値を記憶部に記憶し時間の経過毎に順次更新するものである。

ステップＳ４では商用系統電圧検出部１１により系統のゼロクロスを検出し、その都度信号を出力する。この出力は電圧が負側から正側へ変わるタイミングを０度とし、正側から負側へ変わるタイミングを１８０度しての信号である。

ステップＳ５では、ステップＳ４で得られる０度の信号に応答してインバータ回路５０から電圧位相０度の擬似制限波が出力開始されるＰＷＭのスイッチング信号を夫々のスイッチング素子への出力を開始する。このインバータ回路５０からは１周期分の擬似制限波の出力が開始されるが、途中１８０度のゼロクロス信号が得られればこの信号に同期させて擬似制限波の電圧位相を１８０度に補正しても良いものである。

この擬似制限波の電圧位相は制御回路８０の処理遅れを実質的にゼロとすれば系統の電源ライン３０上の電圧位相と実質的に一致する。

ステップＳ６ではステップＳ３で検出を開始しているコンデンサ６３の端子電圧のピーク値が系統電圧のピーク値以上となったか否かを判断し、この条件を満たしていないときはゼロクロス信号に応じた擬似制限波の出力を継続する。

ステップＳ６の条件が満たされたときは、ステップＳ７へ進みリレー接片７１、７２を閉じてインバータ回路５０の出力を系統へ出力可能とするものである。

ステップＳ８で通常の運転状態に移行しインバータ回路５０の出力の系統への供給を継続するものである。尚、ステップＳ７へ移行する際にはインバータ回路５０の出力の安定化を図るため所定の遅延時間を設けてもよい。

これによって、コンデンサ６３と系統の電源ライン３０との電位差が同じになってから系統連係リレー７０の接点が閉じられても、コンデンサ６３に流れる突入電流を抑制することができ、部品点数ならびにコストアップを抑えた系統連係装置を提供することができる。

ステップＳ４で系統のゼロクロス信号を擬似制限波のゼロクロスを同期させることによって実質的に夫々の電圧波形の位相の同期を取っているが、この同期は系統連係用リレー７０の接片７１、７２が投入電流で溶着しない設計上の範囲で同期がずれてよいものであり、例えば１０度程度の位相のずれは可能である。

ステップＳ６ではコンデンサ６３の端子電圧のピーク値が系統電圧のピーク値以上となったか否かを判断しているが、系統連係用リレー７０の接片７１、７２が投入電流で溶着しない設計上の範囲の電圧差であれば良く、例えば系統電圧のピーク値の８０％程度の値でも可能である。また、夫々の電圧のピーク値を比較したが実効値の比較であっても可能である。

本発明の系統連係装置を備えた実施例の回路図である。 突入電流を抑制するための制御動作を示すフローチャートである。 従来の系統連係装置の回路図である。

１０ 太陽電池
２０ 系統連係装置
３０ 系統の電源ライン
４０ 昇圧回路
５０ インバータ回路
６０ フィルタ回路
７０ 系統連係用リレー
８０ 制御回路

Claims (7)

1. 直流電力を単相の擬似正弦波からなる交流電力に変換するインバータ回路と、前記擬似正弦波を系統電源ラインに供給するフィルタ回路と、このフィルタ回路と前記系統電源ラインとの間に設けられる系統連係用リレーと、前記インバータ回路を構成する複数のスイッチ素子のＯＮ／ＯＦＦ動作を制御する制御部とを備えた系統連係装置において、
   前記制御部は、前記系統電源ライン上の交流電力の電圧位相を検出し、前記インバータ回路から出力される前記擬似正弦波の電圧位相が前記交流電力の電圧位相と一致し、かつ前記擬似正弦波に相当する電圧が所定の電圧以上となった際に前記系統連係用リレーの接片を開状態から閉じて前記フィルタ回路と系統電源ラインを接続することを特徴とする系統連係装置。
2. 前記電圧位相の一致は、前記系統電源の電圧波形のゼロクロスに基づくことを特徴とする請求項１に記載の系統連係装置。
3. 前記電圧位相の一致は、前記擬似正弦波の電圧位相が前記系統電源ライン上の交流電力の電圧位相から約１０度以内で判断されることを特徴とする請求項２に記載の系統連係装置。
4. 前記電圧は交流電圧波形のピーク電圧であることを特徴とする請求項３に記載の系統連係装置。
5. 前記電圧は交流電圧波形の実効値電圧であることを特徴とする請求項３に記載の系統連係装置。
6. 前記所定の電圧は前記系統電源ライン上の交流電力の電圧の８０％以上の値であることを特徴とする請求項１乃至請求項３に記載の系統連係装置。
7. 前記直流電力は太陽電池や燃料電池、風力発電などの発電設備で発電されることを特徴とする請求項１乃至請求項６に記載の系統連係装置。