JP2013162671A - パワーコンディショナ - Google Patents
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Abstract
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
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。
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。
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。
Y結線では相間電位がΔ結線の1/(√3)となる。
(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。
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、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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
(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。
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)
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。
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。
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)
- 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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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