JP2014081837A - 系統連系電源システム - Google Patents

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【課題】並列に接続されたコンバータの循環電流が、当該コンバータと直流電源との間に接続されたフィルタに流れ込むのを、単純な構成によって阻止する。
【解決手段】直流電力を出力する太陽電池110と、太陽電池110から出力される直流電力を入力して異なる電圧の直流電力に変換する複数のコンバータ120A、120Bと、太陽電池110と機器に侵入するまたは機器から流出するノイズを除去する、各電源ラインに接続される複数のEMCフィルタ130A、130Bと、を備え、電源ラインを介して複数のコンバータ120A、120Bを相互に循環する電流がEMCフィルタ130A、130Bを迂回して流れるように、それぞれのEMCフィルタ130A、130Bを、コンバータ側においてバイパスラインP1、P2によって並列に接続する。
【選択図】図1

Description

本発明は、並列に接続されたコンバータの循環電流が、当該コンバータと直流電源との間に接続されたEMCフィルタに流れ込むのを、単純な構成によって阻止する、系統連系電源システムに関する。
近年、太陽電池、燃料電池、二次電池などの直流電源から供給される直流電力を、交流電力に変換して系統に連系する系統連系電源システムが用いられている。
系統連系電源システムにおいて、複数の直流電源を設ける場合には、下記特許文献1に開示されているように、直流電源ごとにDC/DCコンバータを設け、全てのDC/DCコンバータの出力を並列に接続して、後段のDC/ACインバータに接続する。
直流電源ごとにDC/DCコンバータを設けるのは、直流電源が太陽電池である場合のように、取り出せる電力が自然環境や設置条件によって変動しても、自然環境や設置条件の変化に応じた最大の電力を取り出すための制御(MPPT制御)を直流電源ごとにするためである。なお、太陽電池の場合、取り付け面を均一な一平面で確保できて、太陽電池のストリング数(直列数)が統一できる場合には、MPPTは複数必要ではなく、配線は1本で済むので、コンバータを並列に接続する。
特開2012−137830号公報
ところが、直流電源ごとに設けたDC/DCコンバータを並列に接続すると、並列に接続したDC/DCコンバータ間に循環電流が流れ、その循環電流の影響で、各DC/DCコンバータと直流電源との間に設けたEMCフィルタのノイズ低減機能が低下する。
EMCフィルタは、機器への外来ノイズの侵入と機器からのノイズ流出を防止するために設ける。EMCフィルタは、ノイズによる機器の誤動作を防止したり、電源に雑音電圧や不要輻射が流出するのを防止したりする。
そのため、DC/DCコンバータ間を流れる循環電流がEMCフィルタのノイズ低減機能を低下させないようにしなければならない。
しかし、循環電流の影響を防止する専用回路を設けたのでは、系統連系電源システムの回路構成が複雑になったりコスト高になったりするという問題がある。たとえば、外部に別のEMCフィルタを追加するような場合である。
本発明は、上記の問題点を解消するために成されたものであり、並列に接続されたコンバータの循環電流が、当該コンバータと直流電源との間に接続されたEMCフィルタに流れ込むのを、単純な構成によって阻止する、系統連系電源システムの提供を目的とする。
上記目的を達成するための、本発明に係る系統連系電源システムは、直流電源、複数のコンバータ、複数のフィルタ及びバイパスラインを有する。
直流電源は直流電力を出力する。複数のコンバータは、直流電源から出力される直流電力を入力して入力とは異なる電圧の直流電力に変換する。複数のフィルタは、機器への外来ノイズの侵入と機器からのノイズ流出を防止する。電源を介して複数のコンバータを相互に循環する電流がフィルタを迂回して流れるように、それぞれのフィルタを、コンバータ側においてバイパスラインによって並列に接続する。
以上のように構成された本発明に係る系統連系電源システムによれば、それぞれのフィルタを、コンバータ側においてバイパスラインによって並列に接続するという、単純な構成を採用するだけで、複数のコンバータを相互に循環する電流がフィルタに流れ込むのを阻止でき、フィルタのノイズ低減機能を有効に発揮させることができる。
本実施形態に係る系統連系電源システムの構成図である。 コンバータの動作に関するタイミングチャートである。 コンバータ相互間に循環電流が流れるタイミングを示す図である。 バイパスラインを設けていない場合のEMCフィルタ→Q1→EMCフィルタの経路を流れる循環電流の説明に供する図である。 バイパスラインを設けた場合のコンバータ相互間の経路を流れる循環電流の説明に供する図である。 バイパスラインを設けていない場合のEMCフィルタ→Q2→EMCフィルタの経路を流れる循環電流の説明に供する図である。 バイパスラインを設けた場合のコンバータ相互間の経路を流れる循環電流の説明に供する図である。 バイパスラインを設けていない場合のEMCフィルタ→D1→EMCフィルタの経路を流れる循環電流の説明に供する図である。 バイパスラインを設けた場合のコンバータ相互間の経路を流れる循環電流の説明に供する図である。 バイパスラインを設けていない場合のEMCフィルタ→D2→EMCフィルタの経路を流れる循環電流の説明に供する図である。 バイパスラインを設けた場合のコンバータ相互間の経路を流れる循環電流の説明に供する図である。 EMCフィルタの動作原理の説明図である。 ノイズ低減効果を確認するための試験装置の構成図である。 バイパスラインを設けていない場合のEMCフィルタのノイズ低減効果の説明に供する図である。 バイパスラインを設けた場合のEMCフィルタのノイズ低減効果の説明に供する図である。
次に、本実施形態に係る系統連系電源システムを、図面を参照しながら詳細に説明する。
[系統連系電源システムの構成]
図1は、本実施形態に係る系統連系電源システムの構成図である。本実施形態に係る系統連系電源システム100は、太陽電池110、複数のコンバータ120A、120B、複数のEMCフィルタ130A、130B、インバータ140、解列用リレー150、EMCフィルタ160を有する。
太陽電池110は、太陽光のエネルギーを直流電力に変換して出力する。コンバータ120A及び120Bは、太陽電池110から出力される直流電力を入力して入力とは異なる電圧の直流電力に変換する。コンバータ120A及び120Bは、最大電力点追従制御(MPPT)を行うものであり、太陽電池110の最適動作電圧で電力変換する。EMCフィルタ130A及びEMCフィルタ130Bは、機器に侵入するまたは機器から流出するノイズを除去する。
インバータ140は、コンバータ120A及び120Bから出力される直流電力を交流電力に変換して商用電源系統170に出力する。解列用リレー150は、インバータ140と商用電源系統170との間に設けられ、インバータ140と商用電源系統170との接続を断続する。EMCフィルタ160は、機器に侵入するまたは機器から流出するノイズを除去する。
EMCフィルタ130Aとコンバータ120Aとの間にはコンデンサC1iが、EMCフィルタ130Bとコンバータ120Bとの間にはコンデンサC2iが接続される。EMCフィルタ130A及び130Bは、コンバータ120Aとコンバータ120Bが動作することにより流れる循環電流がEMCフィルタ130A及び130Bに流れ込まないように、コンバータ側でバイパスラインP1、P2によって並列に接続される。
コンバータ120Aは、スイッチング用のトランジスタQ1、ダイオードD1、コイルL1を有し、コンバータ120Bは、スイッチング用のトランジスタQ2、ダイオードD2、コイルL2を有する。
インバータ140と解列用リレー150との間に設けられている、Lo、Coで構成される回路は、商用電源系統に高周波成分が流れ込まないようにするために設ける低域フィルタである。
本発明に係る系統連系電源システムは、図1に示した構成以外に、コンバータを複数備え全てのコンバータがインバータに接続される構成のものであれば、様々な構成のものに対して適用可能である。
また、本実施形態では、直流電源として太陽電池を例示するが、直流電源は、太陽電池以外に、供給される燃料から直流電力を発電する燃料電池、外部から供給される電気エネルギーを蓄えて直流電力を出力する二次電池に対しても適用可能である。
[系統連系電源システムの動作]
次に、本実施形態に係る系統連系電源システムの動作を、図1から図12を参照しながら説明する。系統連系電源システムの動作は、図1に記載した構成の系統連系電源システム100に基づいて説明する。
図2は、コンバータの動作に関するタイミングチャートである。図2のタイミングチャートは、上から順に、コンバータ120AのトランジスタQ1のゲートに与えるQ1ゲート信号、コンバータ120BのトランジスタQ2のゲートに与えるQ2ゲート信号、トランジスタQ1のコレクタ−エミッタ間を流れるQ1コレクタ電流、トランジスタQ2のコレクタ−エミッタ間を流れるQ2コレクタ電流、ダイオードD1を流れるD1電流、ダイオードD2を流れるD2電流をそれぞれ示す。
図2のタイミングチャートは一例であるので詳しくは説明しない。トランジスタQ1、Q2、ダイオードD1、D2の動作バラツキや配置などによって、コンバータ相互間に循環電流が流れるタイミングが発生する。
図3は、コンバータ相互間に循環電流が流れるタイミングを示す図である。図1からパイパスラインP1、P2を除いた構成を有する、図4、6、8、10に示す系統連系システムにおいて、図2に示すようにトランジスタQ1とトランジスタQ2とをON、OFFさせると、図3に示す各信号がHIの時に、コンバータ相互間に循環電流が流れる。
図3に示すように、Q1ゲート信号がHIになって、トランジスタQ1がONしている時には、図4に示すように、EMCフィルタ130A→Q1→EMCフィルタ130Bの経路で循環電流が流れる。また、図3に示すように、Q2ゲート信号がHIになって、トランジスタQ2がONしている時には、図6に示すように、EMCフィルタ130B→Q2→EMCフィルタ130Aの経路で循環電流が流れる。さらに、図3に示すように、D1電流がダイオードD1に流れる時には、図8に示すように、EMCフィルタ130A→D1→EMCフィルタ130Bの経路で循環電流が流れる。そして、図3に示すように、D2電流がダイオードD2に流れる時には、図10に示すように、EMCフィルタ130B→D2→EMCフィルタ130Aの経路で循環電流が流れる。すなわち、循環電流は4つの経路で流れる。
なお、Q1ゲート信号のデューティー比、Q2ゲート信号のデューティー比は、コンバータ120A及び120Bが、入力した直流電圧をどの程度まで昇圧するか、または負荷率によっても異なる。したがって、Q1ゲート信号、Q2ゲート信号、D1電流、D2電流がHIになるタイミングは、Q1ゲート信号のデューティー比、Q2ゲート信号のデューティー比によって異なる。図2に示す、Q1ゲート信号、Q2ゲート信号、D1電流、D2電流のHI−LOWのタイミングは一例に過ぎない。
次に、本実施形態に係る系統連系電源システム100のバイパスラインP1、P2を設けていないときの循環電流の流れ方と、バイパスラインP1、P2を設けたときの循環電流の流れ方を図4から図11を参照して説明する。併せて、EMCフィルタ130Aの具体的な構成とその動作を図12に基づいて説明する。
図4は、バイパスラインP1、P2を設けていない場合のEMCフィルタ130A→Q1→EMCフィルタ130Bの経路を流れる循環電流の説明に供する図である。Q1ゲート信号がHIになって、トランジスタQ1がONしている時には、図4の点線で示すように、EMCフィルタ130A→L1→Q1→EMCフィルタ130Bの経路で循環電流が流れる。
ここで、循環電流がEMCフィルタ130A、130Bに与える悪影響の理解を容易にするために、EMCフィルタ130Aの構成、動作について説明する。図12は、EMCフィルタの動作原理の説明図である。EMCフィルタ130A内には、1つのコアに同じ方向に複数の巻線135A、135Bを巻き、同一方向に流れるコモンモード電流に対しては高いインピーダンスを、反対方向に流れるノーマルモード電流に対しては磁束が打ち消し合って低いインピーダンスを示すコモンモードチョークコイル140が設けられている。
コモンモードチョークコイル140に極端な往復電流のアンバランスが発生すると、コモンモードチョークコイル140が磁気飽和してしまい、EMCフィルタ130Aとしてのノイズ低減機能が低下する。コモンモードチョークコイル140のコアの材料は、コモンモード電流に対しては大きなインピーダンスを持つコア材が使用されるが、大きなインピーダンスを持つコア材は特性上磁気飽和しやすいからである。
したがって、図4のように循環電流が流れると、EMCフィルタ130AとEMCフィルタ130Bの両方とも、往復電流のアンバランスが発生して、磁気飽和を起こしてしまい、機器に侵入するまたは機器から流出するノイズを阻止することができなくなる。
図5は、バイパスラインP1、P2を設けた場合のコンバータ相互間の経路を流れる循環電流の説明に供する図である。Q1ゲート信号がHIになって、トランジスタQ1がONしている時には、図5の点線で示すように、C1i→L1→Q1→バイパスラインP2またはC2i→パイパスラインP1→L1→Q1の経路で循環電流が流れる。したがって、循環電流はEMCフィルタ130AとEMCフィルタ130Bには流れなくなり、磁気飽和を起こすことがなくなるので、フィルタ機能の低下を阻止することができる。
図6は、バイパスラインP1、P2を設けていない場合のEMCフィルタ130B→Q2→EMCフィルタ130Aの経路を流れる循環電流の説明に供する図である。Q2ゲート信号がHIになって、トランジスタQ2がONしている時には、図6の点線で示すように、太陽電池→EMCフィルタ130B→L2→Q2→EMCフィルタ130Aの経路で循環電流が流れる。
したがって、図6のように循環電流が流れると、EMCフィルタ130AとEMCフィルタ130Bの両方とも、磁気飽和を起こしてしまい、フィルタ機能が低下する。
図7は、バイパスラインP1、P2を設けた場合のコンバータ相互間の経路を流れる循環電流の説明に供する図である。Q2ゲート信号がHIになって、トランジスタQ2がONしている時には、図7の点線で示すように、C2i→L2→Q2→バイパスラインP2またはC1i→バイパスラインP1→L2→Q2の経路で循環電流が流れる。したがって、循環電流はEMCフィルタ130AとEMCフィルタ130Bには流れなくなり、磁気飽和を起こすことがなくなるので、フィルタ機能の低下を阻止することができる。
図8は、バイパスラインP1、P2を設けていない場合のEMCフィルタ130A→D1→EMCフィルタ130Bの経路を流れる循環電流の説明に供する図である。D1電流がダイオードD1に流れる時には、図8の点線で示すように、太陽電池→EMCフィルタ130A→L1→D1→EMCフィルタ130Bの経路で循環電流が流れる。
したがって、図8のように循環電流が流れると、EMCフィルタ130AとEMCフィルタ130Bの両方とも、磁気飽和を起こしてしまい、フィルタ機能が低下する。
図9は、バイパスラインP1、P2を設けた場合のコンバータ相互間の経路を流れる循環電流の説明に供する図である。D1電流がダイオードD1に流れると、図9の点線で示すように、C1i→L1→D1→バイパスラインP2またはC2i→パイパスラインP1→L1→D1の経路で循環電流が流れる。したがって、循環電流はEMCフィルタ130AとEMCフィルタ130Bには流れなくなり、フィルタ機能の低下を阻止することができる。
図10は、バイパスラインP1、P2を設けていない場合のEMCフィルタ130B→D2→EMCフィルタ130Aの経路を流れる循環電流の説明に供する図である。D2電流がダイオードD2に流れる時には、図10の点線で示すように、太陽電池→EMCフィルタ130B→L2→D2→EMCフィルタ130Aの経路で循環電流が流れる。
したがって、図10のように循環電流が流れると、EMCフィルタ130AとEMCフィルタ130Bの両方とも、磁気飽和を起こしてしまい、フィルタ機能が低下する。
図11は、バイパスラインP1、P2を設けた場合のコンバータ相互間の経路を流れる循環電流の説明に供する図である。D2電流がダイオードD2に流れると、図11の点線で示すように、C2i→L2→D2→バイパスラインP2またはC1i→バイパスラインP1→L2→D2の経路で循環電流が流れる。したがって、循環電流はEMCフィルタ130AとEMCフィルタ130Bには流れなくなり、フィルタ機能の低下を阻止することができる。
以上のように、コンバータ120A及び120Bが動作すると、上記の図5、図7、図9、図11に示すような経路が形成されるが、トランジスタQ1、Q2のどのステージにおいても、パイパスラインP1、P2が循環電流をEMCフィルタ130AとEMCフィルタ130Bからバイパスする。したがって、EMCフィルタ130AとEMCフィルタ130Bは磁気飽和を起こさずに正常に動作でき、フィルタ機能の低下を阻止することができる。
なお、循環電流を流すための電源となるものは、EMCフィルタ130AとEMCフィルタ130Bに並列に接続されているコンデンサC1i、コンデンサC2iまたは太陽電池である。
図13は、ノイズの低減効果を確認するための試験装置の構成図である。EMCフィルタ130A、130Bのノイズ除去効果は、ノイズ源150が出力したノイズが、太陽電池とEMCフィルタ130A、130Bとの間でどのように低減されたかをEMIレシーバ160を用いて周波数スペクトル分析し、結果を出力することで測定する。測定は、図13に示すように、太陽電池出力を一括とし、測定箇所は、スイッチを切り替えることで、P−対地、N―対地の2箇所で行った。また、測定は、点線で示すバイパスラインがある場合と無い場合について行った。
なお、ノイズ源150は、コンバータとインバータとで構成される変換器が発生している対地ノイズを表している。EMIレシーバ160は、直流入力が対地に対して安定しているかどうかを観測する。対地ノイズの測定は抵抗器Rが接続されているコンデンサCの電圧により行う。
この測定結果を図14、図15に示す。図14は、バイパスラインを設けていない場合のEMCフィルタのノイズ低減効果の説明図である。図15は、バイパスラインを設けた場合のEMCフィルタのノイズ低減効果の説明図である。
図14と図15の測定結果を比較してみると明らかなように、バイパスラインを設けていない場合(図中1)は、バイパスラインを設けた場合に比較して、2MHzまでの周波数帯では、格段に高いノイズを含み、EMCフィルタ130A及び130Bによるノイズ低減効果が得られていないことがわかる。しかし、本実施形態に係る系統連系電源システム100では、2MHzまでの周波数帯で十分なノイズ低減効果が得られていることがわかる。
以上のように、本実施形態に係る系統連系電源システムによれば、複数のコンバータが並列に接続される場合に発生するコンバータ間の循環電流を、バイパスラインによってEMCフィルタを通過させることなく循環させることができる。このため、EMCフィルタのノイズ低減機能は、循環電流によって損なうことがない。
100 系統連系電源システム、
110 太陽電池、
120A、120B コンバータ、
130A、130B EMCフィルタ、
140 インバータ、
150 解列用リレー、
L1、L2 コイル、
D1、D2 ダイオード、
Q1、Q2 トランジスタ
C1i、C2i コンデンサ、
P1、P2 バイパスライン。

Claims (8)

  1. 直流電力を出力する直流電源と、
    前記直流電源から出力される直流電力を入力し入力とは異なる電圧の直流電力に変換する複数のコンバータと、
    機器への外来ノイズの侵入と前記機器からのノイズの流出を防止する、各入力に接続される複数のフィルタと、を備え、
    前記直流電源を介して複数のコンバータを相互に循環する電流が前記フィルタを迂回して流れるように、前記それぞれのフィルタを、前記コンバータ側においてバイパスラインによって並列に接続することを特徴とする系統連系電源システム。
  2. 前記フィルタとコンバータとの間には前記フィルタと並列にコンデンサが接続され、
    前記バイパスラインは、前記フィルタと前記コンデンサとの間で、前記それぞれのフィルタを並列に接続することを特徴とする請求項1に記載の系統連系電源システム。
  3. 前記フィルタはEMC(電磁妨害)フィルタであり、前記EMCフィルタ内には、1つのコアに同じ方向に複数の巻線を巻き、コモンモード電流に対しては高いインピーダンスを、ノーマルモード電流に対しては低いインピーダンスを示すコモンモードチョークコイルが設けられていることを特徴とする請求項1または2に記載の系統連系電源システム。
  4. 前記EMCフィルタは、前記コンバータに対して個々に設けられていることを特徴とする請求項3に記載の系統連系電源システム。
  5. 前記複数のコンバータから出力される直流電力を交流電力に変換して商用電源系統に出力するインバータをさらに有することを特徴とする請求項1から4のいずれかに記載の系統連系電源システム。
  6. 前記EMCフィルタ内には、1つのコアに同じ方向に複数の巻線を巻き、同一方向に流れるコモンモード電流に対しては高いインピーダンスを、反対方向に流れるノーマルモード電流に対しては低いインピーダンスを示すコモンモードチョークコイルが設けられていることを特徴とする請求項1から5のいずれかに記載の系統連系電源システム。
  7. 前記直流電源は、太陽エネルギーを直流電力に変換する太陽電池、供給される燃料から直流電力を発電する燃料電池、外部から供給される電気エネルギーを蓄えて直流電力を出力する二次電池のいずれかであることを特徴とする請求項1から6のいずれかに記載の系統連系電源システム。
  8. 前記複数のコンバータの各々は、最大電力追従制御(MPPT)を行うことを特徴とする請求項1から6のいずれかに記載の系統連系電源システム。
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