JP2014534794A - 公共の電力送電網への供給に対する安全装置を備えた光発電装置 - Google Patents

Abstract

光発電装置が、インバータ（３）の直流電圧入力に接続される光発電装置（１）を含み、そのインバータ（３）の交流電圧出力は、送電網および少なくとも１つの電力消費機器（Ｖ）に接続される。遮断装置（５）が、光発電装置から送電網への電力の流れを阻止する。この方策は、光発電装置の側から送電網への電力の流れを阻止するので、送電網の電圧を、過大電圧にならないように容易に安定化することができる。【選択図】図１

Description

本発明は、その交流電圧出力を送電網および少なくとも１つの電力消費機器に接続することが可能なインバータの直流電圧入力に接続可能な光起電力発電機を含む光発電装置に関する。

このような光発電装置は、特に、住宅、倉庫、工場建屋などの屋根設置の光発電（ＰＶ：photovoltaic）装置としてあまりにもよく知られている。運転において、それぞれの電力の送電網への供給は、電圧昇圧の傾向があり、それぞれのエネルギーの取り出し、すなわちそれぞれの消費は、電圧降圧の傾向がある。特に、再生可能エネルギー発生の場合は、供給される電力は非常に不規則である。光発電装置の場合は、温度および太陽の位置に応じて、時に多くの、時には少ない電力が生成され、あるいは電力が全く生成されず、場合によってはそのような電力が送電網に放出される。従って、電力発生が予測し難いものになり、その結果、小型で平均的なサイズの何千もの光発電装置が相互に独立に給電すると、送電網の安定性に関して送電網の状態が非常に厳しくなる可能性がある。送電網の事業者は、何時、送電網のどの位置に電圧昇圧的な供給または電圧降圧的な消費が生じるかを知らないので、常に事後にのみ対応し得るだけである。従って、過大電圧による送電網の崩落の可能性が切迫している場合には、電力供給および電力消費の両方のパラメータを考慮しなければならない。

本発明の目的は送電網の安定性の調整を簡単化することにある。本発明によれば、この目的は、光発電装置から送電網への電力の流れを阻止する遮断装置によって実現される。この対策は、多数の電圧昇圧的な供給の計量不能性が除去されるという結果を伴う。ただ１つのパラメータだけ、すなわち、懸案の安定化対策の場合に考慮するべき電力消費のみが残る。場合によって必要になる電圧の降圧は、それ自体周知の手段によって、電力の無効化を介して実現できる。電力の無効化と、その高さ（無効電力量）の算定とは、別の電力供給の妨害的な影響を顧慮する必要なく簡単に行うことができる。この遮断装置は、オン−オフ可能であり、送電網事業者の側からの要求のみに基づいて作動する。しかし、それは、光発電装置を自己給電用としてのみ考慮するべき場合には恒久的に有効化することもできる。

遮断装置の実際の実施形態は、支配的な送電網電圧より高いインバータ出力電圧が存在する場合には、インバータ出力および送電網の間の電気的接続を遮断する制御可能なスイッチ要素を有することを想定している。電力の流れは、常に、高い電位から低い電位にのみ生じるので、送電網への電力供給が回避される。実際には、スイッチ要素は電力メータ装置の直後に配置される。

光発電（光起電力生成）された電力の内部消費に対する可能最大の発電量を達成するため、光発電された電力の送電網への供給の可能性が差し迫っている（切迫している）場合には、遮断装置が制御信号を発すると有利である。この制御信号は、最大電力点（ＭＰＰ）を、インバータの直流電流側における適切な不整合によって、低減された電力点であって、インバータのＡＣ側におけるその対応電圧値が支配的な送電網電圧の下にあるかあるいは支配的な送電網電圧に等しい電力点の方にシフトさせるような信号である。この対策は、生成された太陽エネルギーを同時に最適に利用しながら、送電網への好ましくない供給を回避する。電力供給の切迫性は、例えば、支配的な送電網電圧と、インバータの交流電流側における実際のＭＰＰ電圧とを比較することによって認識される。この場合、付随する電圧降下を伴う電力損失（無効電力分）は無視される。これを考慮しなければならない場合は、インバータにおける出力電圧に、対応する高さの訂正出力電圧をもたらす修正係数を適用しなければならない。訂正出力電圧は、電力消費が電力消費機器に存在することなしに、電力損失を考慮して、電力メータ装置における送電網電圧と等しい大きさになるように算定される。

遮断装置は、前記の電圧比較に対する代替方式として、またはそれに追加的に、送電網から電力消費機器（Ｖ）への最低電流を下回る場合にも作動させることが可能である。この場合、最低電流と比較されるべき電流は、有利な方式として、電力メータ装置において測定される。測定された電流が例えば０．５アンペアの最低値を下回ると、送電網への逆供給の可能性が差し迫っていると判断して遮断装置を作動させる。この場合も、光発電による電流が公共送電網に流れ込まないことが保証される限り、遮断装置を作動させると、光発電装置を、電力メータ装置の後（公共送電網から見て）の電力網の任意の位置において、公共送電網から切り離すことができる。この切り離し位置は、直流電流側、すなわちインバータおよび光発電装置の間とすることが可能であるし、また、インバータの後の交流電圧側に置くこともできる。しかし、光発電装置を電力消費機器用の残りの送電網に接続したままになるように、切り離し位置を選択することが有利である。

代わりの方式として、インバータの出力電流の低減を、インバータの電子構造部品（ＩＧＢＴ：絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）の作動様式に関与することによって生じさせることが可能である。インバータによって生成される電流は、それが電力消費機器によって取り出される電流より小さいことを前提として、できるだけ高いものであるべきである。従って、常に、公共の送電網からの小さい供給電流が残っている。予備なしで作動しなければならない場合、従って、電流が送電網から電力消費機器に流れるべきでない場合は、インバータの交流出力側における電流を、電力消費機器が消費する電流に等しく設定するべきである。

３相の交流電圧出力を備えたインバータを使用する場合の特に有利な実施形態は、インバータの３相の作動点を分離して制御することが可能であり、従って、３相の負荷に応じて、少なくとも１つの電力消費機器によって、光発電装置から提供される電力を、送電網への電力の流れが阻止される前に相選択的に分配することを想定している。少なくとも１つの電力消費機器として、例えば、３相電流の接続を有する１世帯用住宅を対象とすると、３相電流送電網の相Ｌ１、Ｌ２およびＬ３を均等に利用しないのが常態である。相Ｌ１には食器洗い機および電気レンジが使用されているのに、もう１つの相Ｌ２にはなにがしかの照明が繋がれているだけである場合には、第１相Ｌ１はもう１つの相Ｌ２より多くの電流を直流バスから引き出すことによって、この状況が顧慮されることになる。この方式は、光発電装置と送電網との間の遮断が、電力消費機器のすべての相に、そのそれぞれの負荷に対応して太陽エネルギーが十分に供給された場合に初めて行われるという利点を提供する。インバータの作動点をＭＰＰから離れる方向にシフトすることによって光発電される電力を低減する場合は、すべての相に十分に光発電により供給される低減された電力を発生させる必要がある限りにおいてのみ、作動点が不整合化される。

実際の変換装置は、このため、インバータが直流のバスを有することを想定している。必要に応じて電流を、その直流バスに供給するか、あるいはそれから取得するために、インバータの電子部品、特にそのＩＧＢＴがその直流バスへの相選択的なアクセスを有する。この場合、全３相Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３が電流を取得できるか、あるいは、１つの相Ｌ１は電流を供給し、他の２つの相Ｌ２、Ｌ３は電流を取得できる。

本発明の別の有利な一実施形態は、送電網からの電力を測定するメータ装置（電力メータ）を備えることを特徴的とする。この測定値から、測定された電力に対応する信号が生成される。この信号は、作動点を調整するためにインバータに提供されるが、この作動点は、インバータの交流電流側に対応して生成された電力が、少なくとも１つの電力消費機器によって消費される電力に比較して、あるいは、複数の電力消費機器の場合には、電力消費機器において消費される全電力の合計に比較して、小さくなるか、または特に等しくなるように調整された点である。結果として、電力消費機器が必要とする電力と、光発電装置が供給する電力との正確な整合が実現される。また、送電網への電力供給が低下することを回避するために、作動点を、電力消費機器が消費するよりも常に若干少ない電力を光発電によって発生させるように設定するべきである。従って、常に、送電網からの少ない電流取得が行われ、光発電装置は、送電網における電圧上昇をもたらすことはあり得ない。

好ましくは、メータ装置によって生成される信号は、メータ装置およびインバータ間の電気接続ライン上において変調され、インバータ内に収納されるか、または少なくともこれに付属する変調された信号用の受信ユニットによって、インバータの制御用として用いられる。

前記のように、インバータの作動点をＭＰＰから離れる方向にシフトすると、所与の気象条件の下で生じ得るものより少ない電力を光発電により生成するという不整合を生じる。それ自体として好ましくないこの効果には、電力消費機器の１つとして、エネルギー貯蔵器、特にバッテリを設けることによって対処することが可能である。この場合は、遮断装置を作動させる前に、不整合を生じさせて、最初にエネルギー貯蔵器に充填する。

本発明のさらなる実施形態および利点は、実施形態例に関する図面に基づく以下の説明から明らかになる。

本発明による遮断装置を備えた光発電装置を示す。 共通の直流バスに接続された３つの単相インバータを示す。 変換器による相間の電力の階層変化を示す。

図１においては、符号１によって、住宅の屋根上に配置された光発電装置が示されている。光発電装置１は、インバータ３の直流電流側に接続され、インバータ３の交流電圧出力は、遮断装置５を介して電力Ｐ用のメータ装置７に接続されている。遮断装置５は、（エネルギー供給体から見て）メータ装置７の直後に設けられ、その入力側は送電網に接続されている。インバータ３の交流電圧出力の後に、スイッチ装置８があり、それによって、インバータ３、ひいては、光発電装置１を、送電網から光発電装置への逆流を防止するために残りの電流供給システムから切り離すことができる。同じ効果が、遮断方向がインバータ３の方を向いている対応する分極ダイオードによって実現できる。

インバータ３の出力側は、スイッチ装置９を介して、別のインバータ１１の交流電圧側に接続されており、そのインバータ１１の直流電圧側には、バッテリ１３が接続される。さらに、インバータ３の出力側には少なくとも１つの電力消費機器Ｖが接続されているが、通常は複数の電力消費機器（図示せず）、例えば家庭用器具、空調設備、ＴＶなどが接続される。

遮断装置は、制御ユニット１５と、電流の流れがメータ装置７を超えて送電網の中に流入するのを阻止し得るスイッチユニット１７とを含む。このため、スイッチユニット１７の閉操作および開操作は、制御ユニット１５の信号ラインＳ１を介して実施可能になっている。

制御ユニット１５には、さらに、インバータ３の作動点を調整するためにインバータ３に繋がる信号ラインＳ２と、別のインバータ１１をインバータ３の交流電圧側に接続またはそれから切り離すためにスイッチ装置９に繋がる信号ラインＳ３とが接続される。第４の信号ラインＳ４が、制御ユニット１５に実際の電力取得量を連絡するために、メータ装置７から制御ユニット１５に繋がっている。最後に、スイッチ器具８に至るもう１つの信号ラインＳ５が、必要に応じて太陽光発電装置１を送電網への供給から切り離し得るように設けられる。

第１の電圧測定器１９は、カウンタ装置７に印加される送電網電圧Ｕ_Ｎｅｔｚを測定し、第２の電圧測定器２１は、光発電装置１が接続された場合に、遮断装置の後に、インバータの出力側で支配している電圧Ｕ_ＷＲを測定する。インバータの出力側は、スイッチ器具８が接続された場合の電力消費機器側でもある。

システムは次のように作動する。すなわち、光発電装置１がまだ電力を提供できない朝の状態であって、電力消費機器Ｖは、スイッチユニット１７が接続された場合に専ら送電網からメータ装置を介して給電を受ける朝の状態から出発する。この場合、スイッチ装置８は、送電網から光発電装置１への逆流が生じ得ないように、夜通し開かれていたものである。季節および雲の状態に応じて、光発電装置１は、朝の経過のうちに、スイッチ装置８を閉状態に移すことによって接続される。インバータに内蔵されているＭＰＰ（最大電力点：Ｍａｘｉｍｕｍ Ｐｏｗｅｒ Ｐｏｉｎｔ）調節器における電力点は、できるだけ多くの光起電力生成されたエネルギーを電力消費機器Ｖに提供するために、インバータの出力側にも印加されている支配的な送電網電圧Ｕ_Ｎｅｔｚにおける可能最大電力に調整される。残りの必要量は、引き続き、送電網からメータ装置７を介して取得される。この残りの必要量は、光発電装置１への太陽光の入射が急速に増大しかつ強力になるので、消費電力が等しいことを前提として次第に減少する。

この運転状態は、光起電力生成される電力が電力消費機器Ｖにおいて取得される電力の値に達するまでの間ずっと維持される。この電力の値に達したか否かは、両方の電圧測定器１９、２１によって検知可能であるか、あるいは、電力メータ装置７から信号ラインＳ４を介して制御ユニット１５に伝達される。ここで、本発明は、第１変形態様において、制御ユニット１５が信号ラインＳ１を介してスイッチユニット１７を開き、それによって、光発電装置１および電力消費機器Ｖを送電網から切り離すことによって開始される。この切り離しは、光発電装置１によって生成される電力が、電力消費機器が必要とする電力を超えているか、あるいはこの電力に等しいので可能になる。電力が余剰である場合は、制御ユニット１５によって、信号ラインＳ３を介して別のスイッチ装置９が閉じられ、実際の必要量を超える光発電により生成されたエネルギーをバッテリ１３の充電に回すことが考慮される。バッテリ１３が十分に充電されている場合は、制御ユニット１５によって、信号ラインＳ２を介して、ＭＰＰにおける不整合が生じるようにインバータ３が操作される。不整合の高さは、光発電により生成される電力が、電力消費機器Ｖが取得する電力に等しくなるように算定される。

別のインバータ１１を備えたバッテリ１３が装備されない場合は、第２変形態様において、場合によって設けられるスイッチユニット１７を省略することが可能であり、光発電された電力の送電網への流入を阻止するために、インバータ３における不整合が恒常的に想定される。従って、光発電されるエネルギーと消費されるエネルギーとの間の均衡化が、生成される太陽エネルギーがこれを可能にする限り恒久的に追求される。このため、制御ユニット１５において、第１の電圧測定器１９における測定電圧が、第２の電圧測定器２１における測定電圧と比較される。インバータ３のＭＰＰ調節器における作動点を、常に、第２の電圧測定器２１における電圧が第１の電圧測定器１９による測定電圧より常に幾分低くなるように、例えば１〜５ボルト低くなるように、不整合化する。これは、場合によっては、電力損失に基づく電圧降下を冒頭に述べたように考慮しながら行うことができる。光発電される電力が電力消費機器Ｖによって消費される電力より低いままである場合は、不整合は全く必要でない。光発電装置１は、常にそのＭＰＰに即して運転することが可能であり、その時点で必要なエネルギーに加増するための残りのエネルギーは、公共の送電網から取得される。

第１および第２の電圧測定器１９、２１による比較電圧測定の代わりに、制御ユニット１５が、信号ラインＳ４を介して電力メータ装置７から、送電網への電力逆流が差し迫っているか（切迫しているか）否かに関する切迫性の情報を得ることも可能である。この場合、制御ユニット１５は、光発電装置を送電網から切り離すための正しい時点を決定する。この場合、この正しい時点は、光発電により生成されるエネルギーが電力消費機器Ｖに安定的に給電するのに十分な量に達したが、送電網への供給が生じ得る程高くはない時点である。

図２においては、１つの共通の直流バス２３に接続された３つの単相のインバータ３が示されている。その出力側は、それぞれ、相Ｌ１、Ｌ２もしくはＬ３のいずれかに太陽エネルギーを供給している。３つのインバータ３と、直流バス２３とは、対応する１つの３相インバータの基本的な構成要素であり、これは共通のハウジング（図示せず）の中に格納される。３つの相Ｌ１、Ｌ２およびＬ３には、異なる大きさのまたは合計して異なる大きさの消費電力を有する１つ以上の電力消費機器を含む３つの電力消費機器Ｖ１、Ｖ２およびＶ３が対応して接続されている。すなわち、３つの相Ｌ１、Ｌ２およびＬ３に異なる負荷がかけられる状態を考慮することになる。

図２の装置は、さらに、送電網から光発電装置１へのエネルギーの逆供給を阻止するように、光発電装置１を送電網および電力消費機器側から切り離すための１つの３相のスイッチ装置８を有する。電力メータ装置７が、この場合も送電網事業者の供給ラインの直後に置かれている。メータ装置７と、電力消費機器Ｖ１、Ｖ２およびＶ３との間には、３つの相Ｌ１、Ｌ２およびＬ３をメータ装置７から選択的に切り離すことができる３つのスイッチ要素１７ａ、１７ｂおよび１７ｃを含むスイッチユニット１７が配置される。制御ユニット１５から、信号ラインＳ１がスイッチユニット１７に繋がっており、信号ラインＳ２がインバータ３に、信号ラインＳ４がメータ装置に、信号ラインＳ５が３相のスイッチ装置８に繋がっている。すべての信号ラインＳ１〜Ｓ５は破線で示されている。

３つの相Ｌ１、Ｌ２およびＬ３に異なる負荷がかけられるこの実施形態においては、それぞれのインバータ３は、図１に関して記述したのと同様に操作される。従って、各相Ｌ１、Ｌ２およびＬ３には、その実際の消費状況に対応して、光発電により生成されたエネルギーが供給される。これに対応して、光発電により生成されたエネルギーの送電網への供給は、常に割り当てられた相Ｌ１、Ｌ２およびＬ３において送電網への供給の可能性が差し迫っているスイッチユニット１７のスイッチ要素１７ａ、１７ｂおよび１７ｃのみを制御することによって、同様に相選択的に防止される。

図１を参照して記述した送電網への電力の流れを遮断する代わりに、光発電により生成されたエネルギーを異なる負荷がかけられた相Ｌ１、Ｌ２およびＬ３に最適に配分するために、図３に示す相Ｌ１、Ｌ２およびＬ３の間の電力の交換を実施することも可能である。この方式は、その出力側が、単に１つの相、図３の場合には相Ｌ１に接続されている単相のインバータ３の場合に特に有用である。

このため、２つの変換器２５ａ、２５ｂが設けられ、その内の変換器２５ａは相Ｌ１およびＬ２の間に、変換器２５ｂは相Ｌ１およびＬ３の間に配置される。変換器２５ａは、相Ｌ１の交流電圧を最初に直流電圧に変換し、次にその直流電圧から、相Ｌ２の位相位置および電圧高さを有する交流電圧に再度変換する。同様に、相Ｌ１の電圧と、相Ｌ１および相Ｌ３の間の位相補償電流とを最初に直流電圧もしくは直流電流に変換し、続いて変換器２５ｂによって、それを相Ｌ３の状況に適合させる。

最後に、光発電装置は、それぞれの形態およびサイズを有することが可能であり、従って、対応して小型のインバータが付属している単一の光発電モジュールから構成することも可能であることを注記しておかなければならない。

１ 光発電装置
３ インバータ
５ 遮断装置
７ 電力メータ装置
８ スイッチ装置
９ スイッチ装置
１１ インバータ
１３ バッテリ
１５ 制御ユニット
１７、１７ａ−ｃ スイッチユニット
１９ 第１の電圧測定器
２１ 第２の電圧測定器
２３ 直流バス
２５ａ、２５ｂ 変換器
Ｓ１−Ｓ５ 制御信号
Ｖ１−Ｖ３ 電力消費機器

Claims (10)

1. 交流電圧出力を公共の送電網および少なくとも１つの電力消費機器（Ｖ）に接続することが可能なインバータ（３）の直流電圧入力に接続可能な光発電装置（１）を含む光発電装置において、前記光発電装置から前記送電網への電力の流れを阻止する遮断装置（５）を備えることを特徴とする、光発電装置。
2. 支配的な送電網電圧（Ｕ_ＮＥＴＺ）より高いインバータ出力電圧（Ｕ_ＷＲ）が存在する場合には、前記遮断装置（５）が、前記インバータ出力および前記送電網の間の電気的接続を遮断する制御可能なスイッチユニット（１７）を有することを特徴とする、請求項１に記載の光発電装置。
3. 前記スイッチユニット（１７）が電力測定用のメータ装置（７）の直後に配置されることを特徴とする、請求項２に記載の光発電装置。
4. 光発電により生成された電力が前記送電網に供給される可能性が切迫している場合には、前記遮断装置（５）が制御信号（Ｓ２）を発し、前記制御信号（Ｓ２）は、最大電力点（ＭＰＰ）を、前記インバータの直流電流側における適切な不整合によって、低減された電力点であって、前記インバータのＡＣ側におけるその対応電圧値が前記支配的な送電網電圧の下にあるか、あるいは前記支配的な送電網電圧に等しい電力点の方にシフトさせるような信号であることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の光発電装置。
5. 前記電力供給の切迫性が、前記支配的な送電網電圧（Ｕ_ＮＥＴＺ）と、前記インバータ（３）の交流電流側における実際のＭＰＰ電圧とを比較することによって認識されることを特徴とする、請求項４に記載の光発電装置。
6. 前記インバータ（３）の３相（Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３）の作動点を分離して制御することが可能であり、従って、前記３相の負荷に応じて、少なくとも１つの前記電力消費機器（Ｖ）によって、前記光発電装置（１）から提供される電力を、前記送電網への電力の流れが遮断される前に相選択的に分配することを特徴とする、３相のインバータ出力を備えた請求項１〜５のいずれか一項に記載の光発電装置（図２）。
7. 前記送電網からの電力測定用のメータ装置（７）を備え、その場合、測定された電力に対応する信号（Ｓ４）が、作動点調整用として前記インバータ（３）に提供され、この作動点に対応する前記インバータの交流電流側における電力点は、少なくとも１つの前記電力消費機器（Ｖ）によって消費される電力に比較して、小さいかまたは特に等しいことを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一項に記載の光発電装置。
8. 前記インバータ（３）が直流のバス（２３）を有し、前記インバータの電子部品、特にそのＩＧＢＴが、必要に応じて電流を前記直流バスに供給するかあるいはそれから取得するために、その直流バスへの相選択的なアクセスを有することを特徴とする、請求項６または７に記載の光発電装置。
9. 前記送電網から前記電力消費機器（Ｖ）への最低電流を下回ると前記遮断装置（５）を作動させることを特徴とする、請求項１〜８のいずれか一項に記載の光発電装置。
10. 前記遮断装置を作動させることが、前記光発電装置を前記送電網から切り離すこと、あるいは、前記インバータの出力電流を低減することを含むことを特徴とする、請求項９に記載の光発電装置。

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