JP2012120251A - パワーコンディショナ - Google Patents

Abstract

【課題】変圧器を搭載したパワーコンディショナにおいて、簡単な構成で直流偏磁を対策した高効率のパワーコンディショナを提供することを目的とする。さらには、異常発生時の加熱による変圧器の寿命に対する保守性を向上させたパワーコンディショナを提供する。
【解決手段】太陽光発電モジュールからの直流電力をインバータで変換して交流電力を発生させるパワーコンディショナにおいて、前記インバータで変換された交流電圧を昇圧して系統電圧へ変換するアモルファス変圧器と、このアモルファス変圧器の内部温度を検出する温度センサと、この温度センサによって検出された温度に基づいて前記インバータの動作を制御する制御部を備えたことを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、太陽電池からの直流電力を変換して交流電力を発生させる、パワーコンディショナに関する。

温暖化防止に向けたCO2削減の一環として、太陽光発電システムの普及が拡大しつつある。太陽光発電システムでは、太陽の光エネルギーが太陽電池モジュールにより直流電力に変換され、直流電力がパワーコンディショナにより交流電力に変換され、系統電源（商用電源）と接続されることで、家庭内での使用、電力会社への売電が可能となっている。

パワーコンディショナは、太陽電池モジュールから出力された直流電力を交流電力に変換するインバータ、波形改善用のリアクトル、およびインバータが出力した交流電圧を系統電圧へと変換する変圧器を備えている。パワーコンディショナは、太陽電池モジュールで発生した直流電力を損失の少ない状態で交流に変換する必要があり、効率よく変換することが求められる。

関連する従来の技術としては、特許文献１や特許文献2に記載のものがある。特許文献１は、太陽電池モジュールから電力を効率よく変換させるためのＭＰＰＴ（Maximum Power Point Tracking）制御について開示されている。しかし、特許文献１記載のパワーコンディショナは自然条件における出力に着目されているわけではなく、さらなる効率向上が見込まれる。

また、本願出願人により提案された発明（特願2009-124843号）では、自然条件における出力を考慮し、定格出力未満における変換効率を高めるためにアモルファス変圧器を使用している。インバータから出力される電力には高調波や直流成分が含まれる場合があり、その場合は変圧器もしくはインバータのどちらかもしくは両方に対策を施している。提案された発明では、インバータ出力電流を測定する変流器を運転前にオフセットすることで直流偏磁を対策している。

しかし、上記では運転が複雑化することからさらに簡素化することが望まれる。また、珪素鋼板からなる変圧器で直流偏磁を起こしたときの対策として、特許文献２に示されるように、鉄心で構成される磁気回路の一部に磁気的絶縁物のギャップを介在させて、このギャップにホール素子を取り付け、このホール素子から直接磁束密度を測定して、わずかな直流偏磁をも精度良く測定している。

特開2008-300745号公報 特開平05−175061号公報

しかしながら、アモルファス変圧器の鉄心を構成するアモルファス箔の積層部分に磁気的絶縁物のギャップを設けることは極めて困難で、仮に設けても磁気特性を悪化させ、太陽電池モジュールの変換効率を高めることは困難となる。実際に継続して直流偏磁を起こした場合、変圧器が異常加熱することになるが、従来は検出手段を備えておらず変圧器の劣化の恐れもある。

上記課題に鑑み、本発明は変圧器を搭載したパワーコンディショナにおいて、簡単な構成で直流偏磁を対策した高効率のパワーコンディショナを提供することを目的とする。さらには、異常発生時の加熱による変圧器の寿命に対する保守性を向上させたパワーコンディショナを提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明は太陽電池からの直流電力をインバータで変換して交流電力を発生させるパワーコンディショナにおいて、前記インバータで変換された交流電圧を昇圧して系統電圧へ変換するアモルファス変圧器と、このアモルファス変圧器の内部温度を検出する温度センサと、この温度センサによって検出された温度に基づいて前記インバータの動作を制御する制御部を備えたことを特徴とする。

また、上記に記載のパワーコンディショナにおいて、前記温度センサはアモルファス変圧器の鉄心温度を測定し、前記制御部は検出された鉄心温度に基づいて前記インバータの動作を制御することを特徴とする。

また、上記に記載のパワーコンディショナにおいて、前記制御部は前記温度センサが所定温度に達したときに前記インバータの動作を停止させ、温度が低下したとき動作を再開するように制御することを特徴とする。

また、上記に記載のパワーコンディショナにおいて、前記制御部は検出された変圧器の内部温度に基づいて変圧器の寿命を予測をすることを特徴とする。

また、上記に記載のパワーコンディショナにおいて、前記制御部は前記インバータの停止時間または停止回数を積算し、この積算値と予め設定した寿命データの比較から寿命を表示することを特徴とする。

また、上記に記載のパワーコンディショナにおいて、前記変圧器は負荷率４０％以下で動作制御されることを特徴とする。

本発明によれば、簡単な構成で直流偏磁対策を施すことができる。さらに、異常発生時の発熱による変圧器の寿命に対する保守性を向上させることができる。

太陽光発電システムの構成全体の説明図。 本発明実施例のパワーコンディショナの回路の説明図。 太陽光発電システムの部分負荷割合と発電量の説明図。 ケイ素鋼板変圧器とアモルファス変圧器の効率の説明図。 ケイ素鋼板変圧器とアモルファス変圧器の損失の説明図。 温度センサを取り付けたアモルファス変圧器の斜視図。 変圧器の寿命曲線の説明図。 本発明実施例のパワーコンディショナの動作フロー図。

以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。

本発明の実施例１について説明する。図１に太陽光発電の代表的なシステム構成例を示す。太陽光発電モジュール１で発電された直流の出力電力は、直流電力伝送部２を経由して一旦接続箱部３にて一本に纏められ、パワーコンディショナ４により交流電力に変換され、この交流電力は交流電力伝送部５を経由して商用系統６へ接続される。

図２は本実施例におけるパワーコンディショナ４の内部構成を説明するための説明図である。複数の太陽光発電モジュール１にて発電した直流電力は、インバータ部７にて交流電力に変換される。変換された交流電力はフィルタ部８を経由して波形を正弦波に整形され、変圧器９によって系統電圧に変圧され、商用電源系統６に供給される。ＣＴはインバータ７の出力電流を検出して制御部２１にフィードバックする計器用変流器、ＰＴは商用電源系統６の電圧を検出して制御部２１にフィードバックする計器用変圧器、１０はパワーコンディショナ４内を冷却するクーリングファン部、１１はパワーコンディショナ４内の温度を検出する温度計測部である。

制御部２１はＰＬＣ（プログラマブルロジックコントローラ）およびインバータ７の制御回路で構成され、インバータ７の駆動・停止の運転制御機能、太陽光発電のＰＭＭＴ（最大電力点追従）機能、および表示・モニタ機能を備えている。また、後述する変圧器９に設けた温度センサ１８からの温度情報が入力される。

次に本実施例におけるパワーコンディショナ４に搭載される変圧器９について説明する。この変圧器９はそれ自体で損失を持っており、この損失が大きくなればなるほどパワーコンディショナ４としての変換効率は低下し、高効率の妨げとなる。

図３に太陽光発電システムの各出力帯における年間の累積発電量例（実験）を示す。この実験によれば９０〜１００％の定格出力帯付近では、年間僅かしか発電していないこと、そして３０％〜７０％の出力帯での発電が最も多いことが分かる。なお、図３においては太陽光発電システムの出力を、定格出力＝１００％とした場合の定格に対する割合を横軸にし、発電量(ｋＷｈ)を縦軸にとっている。この実験では出力帯３０％〜７０％において発電力が１２０００ｋＷｈを超え、また定格出力に近い９０％〜１００％では発電量は２０００ｋＷｈであった。このように、太陽光発電においては定格出力未満の出力帯（部分負荷の領域）における発電量が大きいため、特にこの部分における負荷効率を向上することができれば、システム全体の発電量を増加することにつながり、結果として効率の良い太陽光発電システムを実現することができる。

そこで、本実施例においては、アモルファス変圧器を採用することとした。これにより従来のパワーコンディショナに採用されていた珪素鋼板の変圧器に対して、上記した部分負荷領域での効率の向上を図っている。

図４に珪素鋼板変圧器とアモルファス変圧器の特性の例を示す。横軸の負荷率は図３の出力帯と対応している。破線で示す１４は珪素鋼板変圧器の変換効率曲線を示しており、負荷率が小さな帯域での効率は定格出力時と比較してほぼ同一である。一方、実線で示すアモルファス変圧器の変換効率曲線１３の場合、負荷率が小さな帯域での変換効率が定格出力時に比較して高い値となっている。なお、負荷率とは定格出力（負荷率１００％）に対する現状出力の割合をいう。また縦軸は変圧器の変換効率を示している。この図４においては負荷率が４０％〜５０％前後において両変圧器の効率が９８％程度となり逆転していることが分かる。

図５にケイ素鋼板の変圧器とアモルファス変圧器の特性による損失の例を示す。横軸は負荷率を示している。破線で示す１５は、ケイ素鋼板変圧器の負荷率に対する損失曲線を示しており、実線で示す１６は、アモルファス変圧器の負荷率に対する損失曲線を示している。図５においては負荷率４０％〜５０％において両変圧器の損失が逆転していることが分かる。またこの際の損失は５００Ｗ程度であることが分かる。

本実施例においては負荷率が４０％以下において変圧動作したとき損失が５００Ｗ以下であるアモルファス変圧器を採用することとしている。よって、アモルファス変圧器は低負荷率(低出力)における損失を小さくすることができる。したがって上記した通り太陽光発電においては低出力の発電が多くなるので、この際の損失を小さくすることを可能とし、結果として効率の良い太陽光発電システムに資するパワーコンディショナを実現することができる。

このようにケイ素鋼板の変圧器とアモルファス変圧器のそれぞれの変圧器を採用した場合の効率の差異からパワーコンディショナとして変圧器を選択する場合、アモルファス変圧器を搭載することにより、部分負荷での効率の高いパワーコンディショナを提供することが出来る。

しかしながら、アモルファス変圧器を使用するには、直流偏磁や高調波に耐えうる変圧器としなければならない。アモルファス変圧器の場合、高調波に対しては珪素鋼鈑変圧器以上の耐性を有することがわかっているので、直流偏磁に対し対策を施せばよい。直流偏磁とはインバータの出力電流に直流分が重畳することで発生し、変圧器鉄心の励磁電流から直流分を発生させてバランスさせる現象である。このとき変圧器鉄心の損失は異常増大し、発熱が増加して機器寿命を損なわせる。さらに発熱状態で放置した場合は、パワーコンディショナ４全体の温度も上昇させるため、内蔵機器の寿命にも影響を与える。

珪素鋼板の変圧器の場合には、直流偏磁に対する耐量を上げる加工（鉄心にギャップを形成など）を行うことにより、変圧器側で直流偏磁に耐えられるようにすることが可能であるが、損失が増加するため好ましい結果とならない。アモルファス変圧器の場合には、アモルファス箔素材の厚み（薄さ）等のため、変圧器に直流偏磁の耐量を持たせるように加工することが難しい。

直流偏磁はインバータが制御に使用している計器用変流器CT（Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ）の異常や変圧器の突入電流による磁化により発生すると思われ、頻度は少ない。そこで本実施例においては直流偏磁を検出し、一時運転停止とすることでパワーコンディショナ４の安全を図りつつ、アモルファス変圧器を使用している。

直流偏磁が起きた場合、鉄心損失が増大して鉄心が異常に発熱するが、本実施例では、アモルファス変圧器の鉄心に温度センサを取り付け、鉄心温度の異常上昇で直流偏磁を検出するようにしている。温度センサとしては、鉄心温度を測定するもの、あるいは、鉄心温度を測定し高温時に動作する接点を備えているものである。図６において、１７はアモルファス箔を多数巻回して構成される巻鉄心、１７ａはこの巻鉄心１７に巻回された巻線、１８は巻鉄心１７の上方の外表面に固定された温度センサである。

前記温度センサ１８の温度情報は、図２に示すように制御部２１に入力され、制御部２１は温度情報に基づいてインバータ３の動作を制御する。具体的な制御動作を図８に示す。ステップ（Ｓ）１００の運転の開始後、直流偏磁の発生が連続して続くとアモルファス鉄心１７が発熱し、鉄心の表面が予め設定された異常温度に達すると、Ｓ２００で異常温度を温度センサ１８が検出し、Ｓ３００で制御部２１がインバータ７の運転を停止する。その後、Ｓ５００でクーリングファン部１０などにより冷却がなされた後、Ｓ１００に戻って運転が再開される。運転の再開時では直流偏磁の発生はなく、正常運転がなされる。

このように直流偏磁をアモルファス鉄心の表面温度を検出してインバータの運転を一時停止するという簡単な構成により、直流偏磁対策を行うことができるため、従来の珪素鋼鈑変圧器のように直流偏磁に耐える構成の必要がなく、効率の良い状態でアモルファス変圧器を使用できる。

本発明の実施例２について説明する。本実施例のパワーコンディショナにおいても実施例１と同様にアモルファス変圧器が搭載される。実施例１において説明したように、アモルファス変圧器を用いることによって太陽光発電用のパワーコンディショナに採用した場合に特に変換（変圧）効率を上げることができる。

変圧器を使用した場合に直流偏磁発生時の当初は継続運転可能であるが、直流偏磁が継続すると鉄心が次第に温度上昇して異常高温となるため、機器寿命が損なわれる可能性がある。本実施例においても、アモルファス変圧器の鉄心１７の温度をセンサ１８で計測し、異常高温時に制御部２１にインバータ７の運転を一時停止するように制御がなされる。

本実施例では、温度をセンサ１８からの異常温度の情報を制御部２１に入力すると、制御部２１によって異常温度発生回数を積算し、制御部２１に予め設定されている寿命データに相当する寿命回数と前記積算値が比較され、その差により残り寿命を表示するように構成されている。したがって、機器寿命に到達する前に、機器を交換することができ、保守性の向上が見込まれる。

具体的な制御動作を図８に示す。ステップ（Ｓ）１００の運転の開始後、直流偏磁の発生が続くとアモルファス鉄心１７が発熱する。鉄心の表面が予め設定された異常温度に達すると、この異常温度がＳ２００で判断されてＳ３００で制御部２１がインバータ７の運転を停止制御する。同時に制御部２１が前回の停止回数に今回の停止を積算し記憶する。Ｓ４００で制御部２１が積算値が規定値（寿命に近い回数）かを判断し、規定回数に達していればＳ６００で残り寿命期間を表示する。達していなければ、Ｓ５００でクーリングファン部１０などにより冷却がなされた後、Ｓ１００に戻って運転が再開される。運転の再開時では直流偏磁の発生はなく、正常運転がなされる。

図７に変圧器の温度と寿命の関係を示す。通常（正常）の運転であれば寿命曲線１９により機器寿命が決定される。しかし異常温度が頻発された場合、寿命曲線２０のように機器寿命がシフトして短縮される。そこで異常発生回数によるシフト量（規定値）を制御部２１に予め設定記憶しておき、異常発生の積算回数が規定値に近くなったとき、変圧器９の残り寿命期間を算出（予測）して制御部２１で表示する。この表示により、破壊前に変圧器を交換することが可能となり、保守性にすぐれたパワーコンディショナを提供できる。

パワーコンディショナ４内で変圧器以外に有寿命品と考えられるのは、フィルタ８を構成するコンデンサ、配線ケーブルなどがある。異常温度発生時間が短時間の場合は寿命に深刻な影響を与えないが、一定時間継続した場合はその影響は無視できなくなる。コンデンサ、配線ケーブルなども同様に異常温度が発生した分だけ、寿命曲線がシフトし、機器寿命が早まるので同様の対策が有効である。

以上の通り、本実施例においては太陽光発電システムに用いられる変圧器の寿命を予測することで、保守性の優れたパワーコンディショナを提供することができる。

１…太陽光発電モジュール部
２…直流電力伝送部
３…接続箱部
４…パワーコンディショナ部
５…交流電力伝送部
６…商用電力系統
７…インバータ部
８…フィルタ部
９…変圧器（アモルファス変圧器）
１０…クーリングファン部
１１…温度計測部
１２…出力帯別 １０ｋＷ太陽光発電システム年間累積発電量
１３…アモルファス変圧器変換効率
１４…ケイ素鋼板変圧器変換効率
１５…ケイ素鋼板変圧器損失
１６…アモルファス変圧器損失
１７…アモルファス変圧器鉄心
１８…温度センサ
１９…通常変圧器の寿命曲線
２０…異常発生時における変圧器の寿命曲線
２１…制御部。

Claims (6)

1. 太陽光発電モジュールからの直流電力をインバータで変換して交流電力を発生させるパワーコンディショナにおいて、
   前記インバータで変換された交流電圧を変圧して系統電圧へ変換するアモルファス変圧器と、このアモルファス変圧器の内部温度を検出する温度センサと、この温度センサによって検出された温度に基づいて前記インバータの動作を制御する制御部を備えたことを特徴とするパワーコンディショナ。
2. 請求項１に記載のパワーコンディショナにおいて、前記温度センサはアモルファス変圧器の鉄心温度を測定し、前記制御部は検出された鉄心温度に基づいて前記インバータの動作を制御することを特徴とするパワーコンディショナ。
3. 請求項１または２に記載のパワーコンディショナにおいて、前記制御部は前記温度センサが所定温度に達したときに前記インバータの動作を停止させ、温度が低下したとき動作を再開するように制御することを特徴とするパワーコンディショナ。
4. 請求項１〜３のいずれかに記載のパワーコンディショナにおいて、前記制御部は検出された変圧器の内部温度に基づいて変圧器の寿命を予測をすることを特徴とするパワーコンディショナ。
5. 請求項４に記載のパワーコンディショナにおいて、前記制御部は前記インバータの停止時間または停止回数を積算し、この積算値と予め設定した寿命データの比較から寿命を表示することを特徴とするパワーコンディショナ。
6. 請求項１〜５の何れかに記載のパワーコンディショナにおいて、前記変圧器は負荷率４０％以下で動作制御されることを特徴とするパワーコンディショナ。

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