JP2014161216A - 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、部分負荷効率を向上し、太陽光発電システムにおけるシステム変換効率の向上が図れるパワーコンディショナを提供する。また、変圧器及びインバータを同一の筐体に入れて構成したパワーコンディショナにより小型化が図れるパワーコンディショナを提供する。
【解決手段】太陽電池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、太陽電池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、電力変換回路と商用電力系統の間に電力変換回路により生成された電力を昇圧するアモルファス変圧器を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は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ＣＯ２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流に変換され、この直流電流がパワーコンディショナによって家庭内で使えるように交流電力に変換される。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、該インバータの出力を変圧器を介して適当な電圧に変換し、負荷に給電が行われる。

このパワーコンディショナの効率についての公知例として特許文献１に記載のものがある。この特許文献１のパワーコンディショナでは、太陽電池から電力を効率よく取り出すための、ＭＰＰＴ（Ｍａｘｉｍｕｍ Ｐｏｗｅｒ ＰｏｉｎｔＴｒａｃｋｉｎｇ）制御について開示されている。

特開２００８−３００７４５

上記特許文献１に記載のパワーコンディショナは、自然条件での太陽光発電における出力に着目して高効率を図ろうとするものではなく、さらなる効率向上が望まれる。ここで、発電量は太陽電池モジュールに当たる日射の条件及びモジュールの温度により変動し、例えばＡＭ１．５、放射照度１０００Ｗ／ｍ 2、モジュール温度２５℃の条件で定格出力される。
しかしながら、自然条件の下では定格出力されることは稀であり、本発明者らは実験により年間の発電量の累積値を算出し、定格出力未満の出力帯における変換効率(部分負荷効率)を高める必要があることを発見した。特許文献１についてはこの点について考慮されているものではなく、この点からさらに高効率の太陽光発電システムを実現することが望ましい。

また、パワーコンディショナは変圧器やインバータなどが同一の筐体に入れられて構成されることがあるが、このパワーコンディショナは小型化が望ましい。しかしながら、上記特許文献１はこの小型化を考慮した構成について何ら開示するものではない。
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、部分負荷効率を向上し、太陽光発電システムにおけるシステム変換効率の向上が図れるパワーコンディショナを提供することを第１の目的とする。
また、変圧器及びインバータを同一の筐体に入れて構成したパワーコンディショナにおいて、より小型化が図れるパワーコンディショナを提供することを第２の目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の一実施形態では、太陽電池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、太陽電池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、電力変換回路と商用電力系統の間に電力変換回路により生成された電力を昇圧するアモルファス変圧器を備えたものである。
また上記態様において、さらに望ましい実施形態は以下の通りである。
（１）インバータの出力電流を検出する変流器と、変流器の検出値からオフセットを検出するオフセット検出手段と、オフセット検出手段により運転開始前におけるオフセットを検出して該オフセットが０となるように補正を行うオフセット補正手段とを備えたこと。（２）アモルファス変圧器は乾式の変圧器であること。
（３）オフセット補正手段は運転開始前に変流器の検出値からオフセットを検出し、オフセットが０になるように補正を行った後に運転開始すること。
（４）電力変換装置及びアモルファス変圧器は一つの筐体に収められ、電力変換装置とアモルファス変圧器との間には仕切りが設けられたこと。
（５）アモルファス変圧器の出力電圧は１ｋＶ以下であること。
（６）電力変換装置に対して送風を行う第１の送風手段と、アモルファス変圧器に対して送風を行う第２の送風手段とを備えたこと。
（７）第２の送風手段による冷却能力より第１の送風手段による冷却能力の方が大きいこと。

本発明の一実施形態によれば、効率の良いパワーコンディショナを提供することができる。また、本発明の他の実施形態によるとパワーコンディショナの発熱量を抑えたうえで小型化が図れる。

太陽光発電システムの構成全体を説明するための図。 本実施例のパワーコンディショナの回路図を説明するための図。 太陽光発電システムの部分負荷割合を説明するための図。 ケイ素鋼板の変圧器とアモルファス変圧器の特性を説明するための図。 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を説明するための図。 パワーコンディショナを側面から見た図。 パワーコンディショナを上面から見た図。

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は太陽光発電のシステム構成例である。太陽光発電モジュール１で発電し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、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変圧器を搭載したパワーコンディショナの構成全体を説明するための図面である。太陽光発電モジュール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。フィルタ部８を経由して波形を正弦波にし、変圧器９において系統電圧に昇圧される。

次に本実施例におけるパワーコンディショナに搭載する変圧器について説明する。この変圧器はそれ自体で損失を持つ物であり、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としての変換効率は低下することになり、高効率の妨げとなりうるものである。 図３に太陽光発電システムの出力帯別における年間の累積発電量例を示す。図３は発明者が行った実験によるものであり、この実験により９０〜１００％の定格出力帯では、年間僅かしか発電していないこと、そして３０％〜７０％での発電が最も多いことが判明した。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％とした場合の値を横軸にしている。また縦軸は発電量(ｋＷｈ)である。この実験では出力帯３０％〜７０％において発電力が１２０００ｋＷｈを超えた。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効率の向上を図ることが可能となるからである。この点について説明する。

図４に珪素鋼板の変圧器とアモルファス変圧器の特性の例を示す。１４は珪素鋼板変圧器の変換効率を示しているが、このように珪素鋼板変圧器の場合は、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、アモルファス変圧器効率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％程度において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。１５はケイ素鋼板変圧器の負荷率に対する損失を示しており、１６はアモルファス変圧器の負荷率に対する損失を示している。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。このように本実施例においては負荷率が４０％以下において損失が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、部分負荷効率が高いパワーコンディショナを提供することが出来る。

ここで、変圧器の直流偏磁について説明する。この直流偏磁は変圧器の巻線を通過し鉄心励磁電流となる交流電流に直流分が重畳することに起因して発生する。この励磁電流中の直流分はその重畳方向の励磁を強めて鉄心励磁における対称性を崩して変圧器２次出力電圧の波形を歪ませる原因ともなる。したがって、パワーコンディショナに変圧器を搭載する際には、直流偏磁現象を抑制することが必要となる。

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。しかしながらアモルファス変圧器の場合には、素材の厚み等のため、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。つまり、変圧器に耐量を持たせるためには、絶縁距離を確保することが必要となるが、アモルファス変圧器の場合にはそもそものサイズが珪素鋼板の変圧器と比べて大きいため、さらに絶縁距離を確保しようとすると、非常にサイズが大きいものとなり、実用的でなくなるからである。

そこで本実施例においては、アモルファス変圧器に耐量を持たせるのではなく、システム側において、直流偏磁を抑制する構成を備えることとしている。この構成について説明する。図２において、ＣＴは計器用変流器（Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ）でインバータ８の出力電流を検出し、ＰＴは計器用変圧器（Ｐｏｔｅｎｔｉａｌ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ）で系統電圧を検出している。ＣＴ、ＰＴにおいて検出された検出値は制御回路へ供給され、制御回路ではこれらの検出値に基づいてインバータ７の制御を行う。ＣＴ、ＰＴを使用する際に、突入電流などの過大で偏った一方向の電流によりトランスの鉄心部分が偏った一方向に磁化されたままとなってしまうと、上記したように鉄心が磁気飽和を起こしてしまい変圧器が理想的に働かなくなり電圧電流が正しく測定できなくなってしまう。

そこで本実施例のパワーコンディショナでは、このような直流偏磁を解消するため、運転開始する前にオフセット補正する機能を備える。つまり、装置停止時には電流がＣＴに流れていない事から、その際に検出している電流オフセット分を差し引きし、現状のオフセットを０Ａ（アンペア）に補正する機能である。その際に規定以上のオフセットが生じている場合には、センサ自体の故障等も考えられ、オフセット補正をして運転しても正常に動作出来ない可能性がある。そこでこのような場合には、オフセットエラーと判断し、運転自体をしないという保護機能を備えている。さらに、装置運転中においては検出した電流を積分演算する事で直流成分を検出し、直流成分の目標値０Ａ（アンペア）と差し引きした分の値を制御指令値とする事で、常に直流分が０に抑える補正制御手段を設ける。 以上説明したように本実施例においてはシステム側で直流成分を抑える構成を備えることとしたため、偏磁現象を抑えると共にアモルファス変圧器を搭載することができるようにした。したがって本実施例によれば、変圧器の偏磁現象を抑制しつつ、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提供することができる。また、直流偏磁の抑制をシステム側で行うため、絶縁距離を変圧器に持たせる必要がないので、装置の小型化を図ることができる。

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アモルファス変圧器を搭載する。実施例１において説明したようにアモルファス変圧器は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効率を上げることができるが、従来用いていた珪素鋼板の変圧器と比べると体格が大きく重量が重いという問題点がある。

そこで本実施例においては、パワーコンディショナの小型化を図るため、乾式のアモルファス変圧器を採用することとする。この乾式の変圧器とは空気中で鉄心及びまき線が使用される変圧器のことである。これに対して巻き線の全表面が樹脂又は樹脂を含んだ絶縁基材で覆われた変圧器をモールド変圧器というが、この絶縁基材の分だけ体格が大きくなる。本実施例においては、上記した乾式のアモルファス変圧器を採用することにより、パワーコンディショナの小型化を実現することができる。

しかしながら、乾式の変圧器を採用した場合、上記したようにモールド変圧器と比較して絶縁効果が弱いものとなる。そこで、本実施例においては、系統電圧、すなわち、アモルファス変圧器の出力電圧を１ｋＶ以下とするパワーコンディショナとする。このように低圧とすることにより、絶縁効果を低下することができるため、乾式の変圧器を採用することが可能となる。そして変圧器の絶縁距離を短くすることができるので、さらに変圧器のサイズを抑えることができ、結果してパワーコンディショナの小型化を図ることが可能となる。なお、この絶縁距離とは変圧器内部における導電部間の距離や、鉄心と導電部との距離のことをいう。図示していないが、変圧器内部では、鉄心と二次電線との間や、一次電線と二次電線との間などに絶縁距離を確保しなければならないため、この絶縁距離が大きくなればその分、変圧器も大型化することになる。

また、変圧器やインバータは熱を持つため、この冷却構造もパワーコンディショナにとって重要な要素となる。モールド変圧器の場合には絶縁効果が大きい半面、放熱効果が小さく大きな熱を持ちやすい。すると、インバータはモールド変圧器の熱に耐えられないため、モールド変圧器とは別の筐体にしなければならない場合があった。このように別の筐体にすると、熱の問題は解消したとしても装置の大型化や、大型化に伴うコスト高という新たな問題が生ずる。

これに対して乾式アモルファス変圧器は絶縁効果が小さい反面、空気に対して放熱効果が大きい。さらに、上記した通り、モールド変圧器と比較してサイズが小さい。このような特性を活かして本実施例においては、一つの筐体に乾式アモルファス変圧器とインバータの双方を搭載することとした。
図６に本実施例におけるパワーコンディショナを側面から見た図を示す。７はインバータであり、９はアモルファス変圧器である。また８はフィルタ部でありリアクトルで構成される。また１０は冷却ファンであり、図６においては示されていないが、インバータ７の冷却のためにもの上記した通り、本実施例においては乾式のアモルファス変圧器を採用したことにより、発熱量を抑え一つの筐体中にインバータとアモルファス変圧器のそれぞれを搭載することを可能としている。そしてこれによりパワーコンディショナの小型化が図れることになる。さらに、同一筐体内であっても、インバータとアモルファス変圧器は発熱量が異なるため、独立性を持たせることが好ましいことから、インバータとアモルファス変圧器との間には仕切りを設けてこれを実現することとしている。このように、インバータとアモルファス変圧器とのそれぞれに対して送風を行うファンの制御を独立にすることで冷却能力を向上させることができる。

図７はパワーコンディショナを上面から見た図を示している。このようにインバータとアモルファス変圧器は図６に示すように独立に配置すると共に、それぞれに対して冷却ファンが独立に冷却を行えるように図７に示す通りに配置する。図７において、１７は図示していないが制御盤を冷却するためのファンであり、制御盤と共にアモルファス変圧器の冷却を行う。また、１８はインバータ７を冷却するためのファンである。本実施例によれば、まずアモルファス変圧器を採用することにより、損失が小さいことから発熱を抑え、さらに乾式の変圧器であることにより、更なる発熱抑制効果を実現している。これによりインバータの発熱より抑えることができたため、図７に示す通り、乾式アモルファス変圧器に対する冷却ファンの方が冷却能力の小さいものを搭載している。なお、図７においては冷却ファンの設置数を変えることにより冷却能力を変えているが、冷却ファンの個数は変えずに一つ当たりの冷却ファンの冷却能力を変えても構わない。

このように発熱力を抑えたアモルファス変圧器に対しては冷却ファンのサイズを小さくすることができるので(あるいは個数を少なくできる)、コスト低減が図れるうえに、冷却ファンを駆動させるための電力も低減することが出来る。冷却ファン駆動用の電源を、太陽光発電等から供給している場合、発電量の低下を抑制する効果も併せ持つ。

加えて、冷却ファンは一般的に駆動時間が最も大きな寿命ファクターとなっているが、発熱が低減できることから駆動時間が低減でき、冷却ファンの長寿命化も図ることができる。冷却ファンが寿命等で停止した場合、パワーコンディショナも停止してしまうことから、冷却ファンの長寿命効果は発電システムとしての信頼性も高めることができる。

また、変圧器はインバータに対して熱に対する耐久が強い。そこで本実施例においては、インバータに対する冷却ファン１８はパワーコンディショナの運転開始と共に送風を開始させるのに対して、冷却ファン１７は変圧器が所定の温度以上になった場合に運転開始することとしている。インバータには発熱すると壊れる可能性のある素子があるので(例えばＩＧＢＴ等)、常時運転することとしているが、ＩＧＢＴの温度を測定し、所定の温度以上に上昇した場合に冷却ファン１８を運転するようにしても構わない。

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パワーコンディショナについて説明を行ったが、このパワーコンディショナは風力発電システムに用いられても良い。低出力における発電が多ければ太陽光発電システムと同様に効率の向上が期待できる。

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 変圧器部
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 変圧器に対する冷却ファン
１８ インバータに対する冷却ファン

Claims (8)

1. 太陽電池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、
   前記電力変換回路と商用電力系統の間に前記電力変換回路により生成された電力を昇圧
   するアモルファス変圧器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、インバータの出力電流を検出する変
   流器と、該変流器の検出値からオフセットを検出するオフセット検出手段と、該オフセッ
   ト検出手段により運転開始前におけるオフセットを検出して該オフセットが０となるよう
   に補正を行うオフセット補正手段とを備えたことを特徴とするパワーコンディショナ。
3. 請求項１に記載のパワーコンディショナにおいて、前記アモルファス変圧器は乾式の変
   圧器であることを特徴とするパワーコンディショナ。
4. 請求項２に記載のパワーコンディショナにおいて、前記オフセット補正手段は運転開始
   前に前記変流器の検出値からオフセットを検出し、該オフセットが０になるように補正を
   行った後に運転開始することを特徴とするパワーコンディショナ。
5. 請求項３に記載のパワーコンディショナにおいて、前記電力変換装置及び前記アモルフ
   ァス変圧器は一つの筐体に収められ、該電力変換装置とアモルファス変圧器との間には仕
   切りが設けられたことを特徴とするパワーコンディショナ。
6. 請求項３に記載のパワーコンディショナにおいて、前記アモルファス変圧器の出力電圧
   は１ｋＶ以下であることを特徴とするパワーコンディショナ。
7. 請求項１〜６のいずれかに記載のパワーコンディショナにおいて、前記電力変換装置に
   対して送風を行う第１の送風手段と、前記アモルファス変圧器に対して送風を行う第２の
   送風手段とを備えたことを特徴とするパワーコンディショナ。
8. 請求項７に記載のパワーコンディショナにおいて、前記第２の送風手段による冷却能力
   より前記第１の送風手段による冷却能力の方が大きいことを特徴とするパワーコンディシ
   ョナ。

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