JP2013162671A - パワーコンディショナ - Google Patents

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Abstract

【課題】
太陽光発電用パワーコンディショナは、太陽光電池モジュールの直流電圧に対し変動範囲を幅広くする必要がある。従来技術は、直流部に昇圧チョッパ装置を用いるか、又は昇圧変圧器の2次タップの電圧を低くすることで直流電圧の変動範囲を拡大してきたが、構成部品が増加し、機器の大形化や損失の増大を招いていた。
【解決手段】
本発明は、太陽電池モジュールからの直流電力を変換して交流電力を生成する電力変換装置を備え、前記太陽電池モジュールの電力を商用電力系統電源に連系させるパワーコンディショナにおいて、前記パワーコンディショナは、太陽電池モジュールに接続されるインバータと、該インバータにより直流電力を交流電力に変換し、高調波成分を除去するフィルタ回路を形成する単巻変圧器とフィルタコンデンサ及びフィルタリアクトルとより構成した。
【選択図】 図1

Description

本発明は、太陽電池モジュールが発電した直流電力を業務用又は家庭用に利用できるように交流電力に変換する機器であるパワーコンディショナに関する。
近年、地球温暖化防止に向けたCO削減の国際的な取組みなど環境保全意識の高まりを背景に、太陽光発電システムの普及が拡大しつつある。
この太陽光発電システムにおいて、太陽の光エネルギーは太陽電池モジュールによって直流電力に変換され、この直流電力がパワーコンディショナによって交流電力に変換され、電源系統に接続され売電可能となる。
具体的には、パワーコンディショナにおいては、太陽電池モジュールの出力を受けてこれを所定の交流に変換するインバータを備え、インバータの出力を変圧器により系統電圧に変換し、電源系統と接続される。
パワーコンディショナの構成としては、特許文献1(特開2010−273489号公報)がある。
特許文献1は、パワーコンディショナにおいて、インバータ、フィルタ、制御回路、変圧器からなり、太陽電池モジュールから出力される電圧は、日射強度により増減するため、パワーコンディショナは直流電圧が増減したとしても、所定以上の交流電力を出力しなければならない。太陽電池モジュールから出力される電圧が低下すると、インバータは一定以上の交流電圧を出力できなくなる。そこで、インバータの出力電力を変圧器により昇圧し、インバータ出力電圧を低減することで、出力可能な直流電圧の範囲を広げている。
また、特許文献1に記載されたパワーコンディショナは、低損失を実現するため、変圧器の鉄心を低損失のアモルファス鉄心を用いたアモルファス変圧器を用いた構成としている。
また、特許文献2(特開2007−68247号公報)には、インバータに入力される直流電圧の運転範囲を広げたものが記載され、交流交流直接変換装置は、単巻変圧器で電源電圧を昇圧し最大出力電圧を増加させている。単巻変圧器の漏れインダクタンスを入力フィルタリアクトルとして利用することで回路の簡略化を図っている。
特開2010−273489号公報 特開2007−68247号公報
太陽光発電用パワーコンディショナは、太陽光電池モジュールの直流電圧に対し、変動範囲を幅広くする必要がある。従来技術では、直流部に昇圧チョッパ装置を用いるか、変圧器の2次タップ電圧を低くすることで直流電圧の変動範囲を拡大してきた。昇圧変圧器を使用する場合は図6に示すような構成となる。パワーコンディショナ2には昇圧用変圧器3、フィルタリアクトル4、インバータ5、フィルタコンデンサ6が納められる。太陽光パネル7と接続され、太陽光パネルで発電された直流電力をインバータ5で三相交流に変換し、フィルタリアクトル4とフィルタコンデンサ6で構成されるフィルタ回路による高調波分をカットし、昇圧用変圧器3で系統電圧に変換し、電源系統1と接続される。
すなわち、図6の構成は、太陽光パネル7の直流電力に平滑コンデンサC1,C2を並列に接続し、パワートランジスタE1とE2を直列に、また、パワートランジスタE3とE4を直列に、パワートランジスタE5とE6を直列に接続し、それぞれ直列に接続したパワートランジスタを並列に太陽光パネル7に出力に接続する。そして、パワートランジスタE1とE2を接続した箇所より三相のうちの一相を取り出し、パワートランジスタE3とE4を接続した箇所より三相のうちの一相を取り出し、パワートランジスタE5とE6を接続した箇所より三相のうちの一相を取り出す。この平滑コンデンサとパワートランジスタで構成された部分がインバータ5で、直流電力を三相交流電力に変換するものである。
三相交流に変換された電力は、フィルタリアクトル4‘に直列に接続され、フィルタコンデンサ6が並列に接続され、さらに、フィルタリアクトル4を直列に接続する。これらのフィルタリアクトル4’、フィルタコンデンサ6及びフィルタリアクトル4で構成したフィルタ回路により三相交流電力に重畳されている高調波成分を除去している。さらに、フィルタ回路を通過した電力は昇圧用変圧器3を介して、電圧を昇圧して所定以上の交流電力を得る。そして、電源系統1に接続する。
昇圧用変圧器3の変圧比を大きくとれば、インバータから出力させる交流電力は高電流となり損失の増大や変圧器の大形化を招く。例えば変圧比を200:190とした場合は直流電圧330V以上から交流電力を出力できるが、変圧比を200:150とした場合は260V以上となり、大幅に直流電圧範囲が広がる。しかし交流部の電流は約1.3倍となり、巻線抵抗を同じとした場合は損失が1.7倍となり損失の増大につながる。
昇圧チョッパ装置を採用した場合、パーツ数増加により原価が上昇する。また使用機器が増加することにより、損失が増大し、効率の低下を招く。
特許文献2記載の交流交流直接変換装置のように、単巻変圧器の漏れインダクタンスをフィルタリアクトルとして利用する場合には、単巻変圧器はY-Y結線となる。この場合、変圧器の励磁電流により中性点が変動し、対地電位と中性点の電位がずれ、機器の停止や破壊につながる恐れがある。通常の場合、変圧器の一次もしくは二次巻線をΔ結線とすることで、3次高調波を巻線内で打ち消しあわせ、中性点電位と対地電位がずれないようにしている。
また特許文献2には変圧比を1:0.85になるようにする記載があるが、直流入力電圧を拡大するためには変圧比はより大きくとる必要がある。変圧比が1:0.85では、系統の電位が200Vの場合、インバータの交流出力は170Vとなり、直流入力電圧の下限は300V程度以上となる。
一般的に太陽光パネルを組み合わせると、気温や日射の変化により、直流電圧は250Vから600Vほど度まで変動する。より効率的な発電をする場合、パワーコンディショナの運転範囲を250Vから600Vまでとする必要がある。
本発明では、系統と連系する際に必要となるフィルタの一部であるリアクトルに単巻変圧器の機能を付与し、Δ結線としたフィルタコンデンサを使用する。
フィルタコンデンサは相間電位を減少できるため、Y結線を用いることが多い。
Y結線では相間電位がΔ結線の1/(√3)となる。
単巻変圧器を使用することで、直流電圧範囲の拡大を図りつつ、機器の大形化を避ける。単巻変圧器はY-Y結線となるので変圧器の励磁電流による3次高調波により中性点が変動する。通常では単巻変圧器に3次巻線を追加し、3次高調波を打ち消す必要がある。しかし3次巻線を追加することで変圧器が大形化し、機器の大形化を招く。
しかしフィルタコンデンサをΔ結線とすることで、3次高調波が循環でき、影響を無くすことが出来る。したがって単巻変圧器の3次巻線が不要となる。フィルタリアクトルと変圧器を一体化できるため、パーツ数が減少するため、機器の小型化、高効率化を図ることができる。
本発明では単巻変圧器を使用し、太陽光電池直流入力電圧の変動範囲拡大が行えつつ、機器の大形化を避けることができ、小型化、低損失化、低コスト化が可能となる。
本発明のパワーコンディショナを用いた回路構成図を示す。 パワーコンディショナの回路内の波形図を示す。 パワーコンディショナに用いる単巻変圧器の構成を示す。 別の実施例のパワーコンディショナの回路図を示す。 さらに別の実施例のパワーコンディショナの回路図を示す。 従来のパワーコンディショナの回路図を示す。
以下、本発明の実施の形態を図面を用いて説明する。
(実施例1)
本発明のパワーコンディショナの構成図を図1に示す。
図1において、1は電源系統、2はパワーコンディショナ、7は太陽光パネル、8は単巻変圧器、4’はフィルタリアクトル、5はインバータ、6はフィルタコンデンサである。
パワーコンディショナ2は、点線で囲んだ部分で構成され、太陽光パネル7に接続されるインバータ5と、インバータ5で直流から交流に変換された電力で高周波成分を除去するフィルタ回路を構成するフィルタリアクトル4及びフィルタコンデンサ6と、電力の電圧を昇圧する単巻変圧器8とより構成される。
また、パワーコンディショナ2は、系統電圧に変換され、電源系統1と接続される。
インバータ5は、直流電圧を交流電圧に変換するものである。その回路構成は、太陽光パネル7の直流出力は平滑コンデンサに並列に接続され、さらにスイッチング素子E1〜E6に接続され、三相交流に変換する構成を示している。
インバータ5は、三相の各相(U相、V相、W相の3相)のそれぞれについて、一対のスイッチング素子、具体的にはU相用上アーム素子E1とU相用下アーム素子E2、V相用上アーム素子E3とV相用下アーム素子E4、並びにW相用上アーム素子E5とW相用下アーム素子E6を備えている。
また、これらのスイッチング素子E1〜E6は、パワートランジスタであるIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)、MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)等を用いる。
各相用の上アーム素子E1,E3,E5のエミッタと下アーム素子E2,E4,E6のコレクタとが各相のフィルタリアクトルにそれぞれ接続される。
各相用の上アーム素子E1,E3、E5のコレクタは、太陽光パネル7の正端子側線に接続され、各相用の下アーム素子E2,E4,E6のエミッタは、太陽光パネル7の負端子側線に接続される。
スイッチング素子E1〜E6のそれぞれは、制御装置(不図示)から出力されるスイッチング制御信号によりオン/オフ動作を行い、三相交流に変換する。
インバータ5を通過した各相の電力信号は、高調波信号を除去し、昇圧を行う回路に接続する。
この高調波信号を除去し昇圧するフィルタ回路及び昇圧回路は、図1に示したようにフィルタリアクトル4、フィルタコンデンサ6、及び単巻変圧器8により構成する。
高調波信号を除去するフィルタ回路は、インバータ5でのキャリア周波数である高調波信号が重畳されているためこの高調波信号を除去し、電源周波数(50/60Hz)の電力信号を通過させるローパスフィルタ回路である。
また、このローパスフィルタ回路は、インダクタンス(L)とコンデンサ(C)とを組み合わせたパッシブフィルタを採用している。
ここで、図1に示したパワーコンディショナの回路構成において、インバータ後のA点の信号波形、フィルタコンデンサ後のB点の信号波形、単巻変圧器後のC点の信号波形を図2に示す。図2において、図2(a)はA点の信号波形で、図2(b)はB点の信号波形で、図2(c)はC点の信号波形である。
図2(a)は、インバータ5で直流電圧を交流電圧に変換したディジタル波形で、幅が異なるPWM信号波形である。このディジタル信号がフィルタリアクトル4‘及びフィルタコンデンサ6を通過した信号が図2(b)に示した波形である。図2(b)の波形信号は、ディジタル信号から電源周波数の交流のアナログ信号となっており、またキャリア周波数の信号が重畳された信号となる。
図2(b)の波形信号が単巻変圧器を通過すると、電圧は昇圧されて大きくなり、かつ高調波信号も単巻変圧器で構成されたフィルタ回路で除去される図2(c)に示した信号波形となる。
フィルタ回路及昇圧回路を通過した三相電力信号は、電源系統1に接続される。そして、電源系統1では使用したり売電したりすることができる。
単巻変圧器8は、漏れインダクタンスを5%以上とし、フィルタコンデンサ6とフィルタリアクトル4‘とでフィルタ回路を構成し、高調波成分を除去する。
また、単巻変圧器8は、変圧比を200:150〜130とすることにより入力される直流電圧は220〜260V程度まで対応可能となる。
フィルタコンデンサ6はΔ結線とする。
単巻変圧器8は、Y結線となるため励磁電流による3次高調波で中性点が変動し、不平衡電圧が生じ、上下アーム間の不平衡や三相交流電圧を生じ、運転停止や機器の故障につながる可能性がある。
そのため、一般的には単巻変圧器8に3次巻線を加え、Δ結線とすることが多い。
3次巻線を加えるため単巻変圧器は大形化し、鉄心や巻線が巨大化となるため損失も増大する。
本実施例では、フィルタコンデンサ6をΔ結線とするため、単巻変圧器に3次巻線がなくても3次高調波成分を打ち消し合う回路を構成した。
単巻変圧器の励磁電流より3次高調波が発生するが、フィルタコンデンサ6のΔ結線で打ち消し合い、3次高調波の影響をなくすことができる。
従来の図6に示した通常のパワーコンディショナ2は、100KWにおける損失は、昇圧用変圧器3で2000W程度、フィルタリアクトル4で1000W程度となり、パワーコンディショナ2として、約3%程度の損失となる。
さらに、直流の入力電圧範囲を拡大するため、変圧比を200:190から200:150に変更した場合、定格電流は304Aから385Aとなり、約1.3倍に増加する。
また、巻線の損失は電流の2乗に比例するので、損失は約1.7倍程度となる。
本発明の実施例1では、昇圧用変圧器3を削除し、フィルタリアクトル4を単巻変圧器8に変更している。
そして、単巻変圧器8の漏れインダクタンスを増大させ、5%以上のインピーダンスを実現している。漏れインダクタンスを増大させることでフィルタリアクトルとしての機能を付与することができる。
単巻変圧器8の漏れインダクタンスについて図3に示した構成図を用いて説明する。
図3(a)は、単巻変圧器の斜視図を示し、図3(b)は正面図で、一部鉄心及び導体部を切り欠いた部分を示し、図3(c)は断面図を示す。
図3の単巻変圧器において、9は鉄心、10は一次端子、11は二次端子、12は鉄心に設けたギャップ、13は導体(コイル)、14は変圧器鉄心を固定する固定金具、15は鉄心上側を固定する固定金具である。
一般に、単巻変圧器の漏れインダクタンスは、図3(b)に示したように鉄心にギャップを設けたり、巻線と鉄心の隙間を調整することで制御できる。
図3において、単巻変圧器8は、鉄心9の周囲に導体13を巻回し、タップ電圧を決定するように一次端子10及び二次端子11を取り出している。
漏れインダクタンスを増大させるため、鉄心9と導体13には、所定の空間を確保し、さらに鉄心9にはギャップ12を設けている。これらは、磁気を漏らす効果となり、インピーダンスを増大させ、単巻変圧器として以外にフィルタリアクトルとしての機能を付与することができる。また、単巻変圧器8の鉄心9や導体13は、フィルタリアクトル4と同等の大きさとなる。
従って、損失はフィルタリアクトルと同程度となり、2000W程度低減できる。機器質量においても、昇圧用変圧器3の約500Kg軽減でき、軽量化、小型化が可能となる。
また、実施例1では、単巻変圧器の変圧比を200:150とすると、系統が200Vで、インバータの出力電圧は150Vとなる。
その場合、運転可能な直流電圧は250V以上となり、パワーコンディショナの直流運転の電圧範囲は250V〜600Vとなる。
さらに、損失が低減するということは発熱が低減するということを意味し、発熱が低減するため冷却ファン(不図示)についても削減可能となる。
以上、説明したように本発明は、直流電圧範囲が広く、高効率で小型化を実現できるパワーコンディショナを提供可能となる。
(実施例2)
次に、本発明のパワーコンディショナの実施例2について、図4を用いて説明する。
図4は、太陽光パネル7の直流電圧をインバータ5を介して三相の交流電圧に変換し、変換した交流電圧を単巻変圧器8により昇圧し、単巻変圧器8に接続したフィルタコンデンサ6及びフィルタリアクトル4とによりフィルタ回路を構成し、このフィルタ回路により高調波を除去する構成である。
図4の構成で、図1の構成と異なる点は、単巻変圧器8をインバータ5の直後に設置した点で、単巻変圧器8には並列にフィルタコンデンサ6を接続し、さらに単巻変圧器8に直列にフィルタリアクトル4を接続している。フィルタコンデンサ4はΔ結線である。そして、三相のフィルタリアクトル4は、電源系統1に接続される。
単巻変圧器8は、漏れインダクタンスを5%以上とし、フィルタコンデンサ6とフィルタ回路を構成し、高調波分をカットする。単巻変圧器は200:150〜130とすることで、入力される直流電圧は220〜260ほど度まで対応可能となる。またフィルタコンデンサ6はΔ結線とする。単巻変圧器8はY結線となるため、励磁電流による3次高調波で中性点が変動し、不平衡電圧が生じ、上下アーム間の不平衡や三相交流電圧の不平衡を生じ、運転停止や機器破壊につながる可能性がある。そのため、一般的には単巻変圧器に3次巻線を加え、Δ結線とすることが多い。3次巻線を加える為、単巻変圧器は大形化し、鉄心や巻線が巨大となるため損失も増大する。実施例ではフィルタコンデンサをΔ結線とすることで、単巻変圧器に3次巻線がなくても、3次高調波成分を打ち消しあい回路を構成した。単巻変圧器の励磁電流より3次高調波が発生するが、フィルタコンデンサのΔ結線で打ち消しあい、3次高調波の影響をなくす。
図6に示すような通常のパワーコンディショナでは100kWにおける損失は
昇圧用変圧器3で2000W程度、フィルタリアクトル4で1000W程度となり、3%程度の損失となる。さらに直流の入力電圧範囲を拡大するため、変圧比を200:190から200:150へと変更した場合、定格電流は304Aから385Aとなり、約1.3倍となる。巻線の損失は電流の2乗に比例するので、損失は約1.7倍程度となる。
実施例2では昇圧用変圧器3を削除し、昇圧用変圧器3とフィルタリアクトル4を単巻変圧器8に変更している。その際、単巻変圧器8の漏れインダクタンスを増大させ、5%以上のインピーダンスを実現している。漏れインダクタンスを増大させることでフィルタリアクトルとしての機能を付与することができる。
実施例2では単巻変圧器の変圧比を200:150とする。系統が200Vでは、インバータの出力電圧は150Vとなる。その場合、運転可能な直流電圧は250V以上となり、パワーコンディショナの直流運転電圧範囲は250Vから600Vとなる。
さらに損失が低減するということは発熱が低減することを意味する。発熱が低減するため、冷却ファンについても削減可能となる。
このような構成においても図1と同様の作用効果、すなわち単巻変圧器8でキャリア周波数の信号が重畳したアナログ信号を昇圧して電圧を大きくして、単巻変圧器8、フィルタコンデンサ6、及びフィルタリアクトル4で構成したフィルタ回路で高調波を除去する効果を得る。
(実施例3)
次に、本発明のパワーコンディショナの実施例3について、図5を用いて説明する。
図5は、図4の回路構成において、フィルタリアクトル4を削除した回路構成を示している。すなわち、太陽光パネル7の直流電圧をインバータ5により三相の交流電圧に変換し、変換した交流電圧を単巻変圧器8で昇圧し電圧を大きくして、単巻変圧器8に並列に接続されたフィルタコンデンサ6とによりフィルタ回路を構成し、キャリア周波数の高調波成分を除去し、電源系統1に接続する構成である。
単巻変圧器8は、漏れインダクタンスを10%以上とし、フィルタコンデンサ6とフィルタ回路を構成し、高調波分をカットする。単巻変圧器は200:150〜130とすることで、入力される直流電圧は220〜260程度まで対応可能となる。またフィルタコンデンサ6はΔ結線とする。単巻変圧器8はY結線となるため、励磁電流による3次高調波で中性点が変動し、不平衡電圧が生じ、上下アーム間の不平衡や三相交流電圧の不平衡を生じ、運転停止や機器破壊につながる可能性がある。そのため、一般的には単巻変圧器に3次巻線を加え、Δ結線とすることが多い。3次巻線を加える為、単巻変圧器は大形化し、鉄心や巻線が巨大となるため損失も増大する。実施例ではフィルタコンデンサをΔ結線とすることで、単巻変圧器に3次巻線がなくても、3次高調波成分を打ち消しあい回路を構成した。単巻変圧器の励磁電流より3次高調波が発生するが、フィルタコンデンサのΔ結線で打ち消しあい、3次高調波の影響をなくす。
図6に示すような通常のパワーコンディショナでは100kWにおける損失は
昇圧用変圧器3で2000W程度、フィルタリアクトル4で1000W程度となり、3%程度の損失となる。さらに直流の入力電圧範囲を拡大するため、変圧比を200:190から200:150へと変更した場合、定格電流は304Aから385Aとなり、約1.3倍となる。巻線の損失は電流の2乗に比例するので、損失は約1.7倍程度となる。
実施例3では昇圧用変圧器3を削除し、フィルタリアクトル4を単巻変圧器8へ変更している。その際、単巻変圧器8の漏れインダクタンスを増大させ、10%以上のインピーダンスを実現している。漏れインダクタンスを増大させることでフィルタリアクトルとしての機能を付与することができる。
実施例3では単巻変圧器の変圧比を200:150とする。系統が200Vでは、インバータの出力電圧は150Vとなる。その場合、運転可能な直流電圧は250V以上となり、パワーコンディショナの直流運転電圧範囲は250Vから600Vとなる。
さらに損失が低減するということは発熱が低減することを意味する。発熱が低減するため、冷却ファンについても削減可能となる。
以上より、実施例3では、直流電圧範囲が広く、高効率、小型ができるパワーコンディショナを製作可能となる。
図5のパワーコンディショナ2は、インバータ5と単巻変圧器8及びフィルタコンデンサ6で構成されるため、部品数が少なく、小型化、軽量化を実現できる。
本発明は三相について説明しているが、二相においても同様に適応できる。
1‥電源系統 2‥パワーコンディショナ
3‥昇圧用変圧器 4‥フィルタリアクトル
5‥インバータ 6‥フィルタコンデンサ
7‥太陽電池モジュール 8‥単巻変圧器
9‥鉄心 10‥一次端子
11‥二次端子 12‥ギャップ
13‥導体

Claims (6)

  1. 太陽電池モジュールからの直流電力を変換して交流電力を生成する電力変換装置を備え、商用電力系統電源に連系させるパワーコンディショナにおいて、
    交流電圧を昇圧する単巻変圧器を設置したことを特徴とするパワーコンディショナ。
  2. 請求項1記載のパワーコンディショナにおいて、
    高調波成分を除去するフィルタ回路は、単巻変圧器とフィルタコンデンサで構成したことを特徴とするパワーコンディショナ。
  3. 請求項1記載のパワーコンディショナにおいて、
    前記フィルタコンデンサの結線をΔ結線としたことを特徴とするパワーコンディショナ。
  4. 請求項1記載のパワーコンディショナにおいて、
    前記単巻変圧器の変圧比を、200:150〜130とすることを特徴とするパワーコンディショナ。
  5. 太陽電池モジュールからの直流電力を変換して交流電力を生成する電力変換装置を備え、前記太陽電池モジュールの電力を商用電力系統電源に連系させるパワーコンディショナにおいて、
    前記パワーコンディショナは、
    太陽電池モジュールに接続されるインバータと、
    該インバータにより直流電力を交流電力に変換し、高調波成分を除去するフィルタ回路を形成する単巻変圧器とフィルタコンデンサとより構成したことを特徴とするパワーコンディショナ。
  6. 太陽電池モジュールからの直流電力を変換して交流電力を生成する電力変換装置を備え、前記太陽電池モジュールの電力を商用電力系統電源に連系させるパワーコンディショナにおいて、
    前記パワーコンディショナは、
    太陽電池モジュールに接続されるインバータと、
    該インバータにより直流電力を交流電力に変換し、高調波成分を除去するフィルタ回路を形成する単巻変圧器とフィルタコンデンサ及びフィルタリアクトルとより構成したことを特徴とするパワーコンディショナ。
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