JP2015027146A - パワーコンディショナ - Google Patents

Abstract

【課題】インバータの出力側のコンデンサの突入電流防止回路に備えられたスイッチの故障を検出する機能を備えたパワーコンディショナを提供する。
【解決手段】発電部１０で発電された直流電力を電力系統１１に連系可能な交流電力に変換するインバータ２を備え、インバータ２の出力側のコンデンサ５の突入電流防止回路６としてスイッチ７と抵抗８の並列回路を備えるパワーコンディショナにおいて、制御部３が、インバータ２を停止させ、系統連系用リレー接点９を短絡させて、スイッチ７の接点を短絡状態と開放状態とに切り換える制御を行って、その切り換え前後におけるパワーコンディショナの出力電流の値を比較する。そして、電流値が一致すればスイッチ７が故障していると判定する。
【選択図】図１

Description

この発明はパワーコンディショナに関し、より詳細には、インバータの出力側に備えられるコンデンサの突入電流防止回路のスイッチの故障検出技術に関する。

太陽光発電装置や燃料電池発電装置などの直流電力を発電する発電装置においては、当該発電装置で発電された直流電力を電力系統に連系させるためにパワーコンディショナ（系統連系インバータ装置）が備えられている。

このようなパワーコンディショナは、図３に示すように、発電装置（発電部）１０で発電された直流電力の電圧を所定の電圧まで昇圧するコンバータ（ＤＣ／ＤＣコンバータ）１と、このコンバータ１で昇圧された直流電圧を電力系統１１に連系可能な交流電力の電圧（たとえば、ＡＣ１００／２００Ｖ）に変換するインバータ（ＤＣ／ＡＣインバータ）２と、パワーコンディショナの各部を制御する制御部３とを主要部として備えている。

ところで、このようなパワーコンディショナのインバータ２には、ＰＷＭ信号によってスイッチングされるスイッチング素子（図示せず）が備えられていることから、インバータ２の出力側（電力系統１１側）には、ＰＷＭ信号のキャリア除去用のフィルタとして、電源ラインに挿入されたコイル４と電源ライン間に挿入されたコンデンサ５とからなるフィルタ回路が備えられているが、このフィルタ回路のコンデンサ５に大電流が流れると、系統連系用リレー接点９が溶着するおそれがあるため、コンデンサ５には、スイッチ７と抵抗８の並列回路で構成される突入電流防止回路６が直列に接続されている（突入電流防止回路としてスイッチを備える点は、たとえば、特許文献１参照）。

そして、この突入電流防止回路６は、コンデンサ５の充電前は、制御部３がスイッチ７を開放状態（突入電流防止回路６を有効な状態）に制御することによって、抵抗８によりコンデンサ５に突入電流（大電流）が流れるのを抑制する（図３（ａ）参照）。これに対して、コンデンサ５の充電後は、制御部３がスイッチ７を短絡状態（突入電流防止回路６を無効な状態）に制御することによって（図３（ｂ）参照）、フィルタ回路を適切に機能させるように構成されている。

特開２０１１−６７０３３号公報

しかしながら、このような従来の構成では、突入電流防止回路６のスイッチ７が故障すると、以下のような問題が発生する。

すなわち、図３（ａ）に示すように、スイッチ７が開放状態で固着（オープン故障）すると、突入電流防止回路６が有効な状態を維持することになるため、フィルタ回路が適切に機能しなくなってパワーコンディショナの出力電流に高調波ノイズが発生し、この高調波ノイズが他の機器に悪影響を及ぼすおそれがある。

一方、図３（ｂ）に示すように、スイッチ７が短絡状態で固着（ショート故障）すると、突入電流防止回路６は無効な状態を維持することになるため、系統連系用リレー接点９の寿命が短くなってしまう。

このように、インバータ２の出力側に設けられたコンデンサ５の突入電流防止回路６に備えられたスイッチ７が故障するとパワーコンディショナの動作に問題が生じるところ、この種のパワーコンディショナにおいては、突入電流防止回路６のスイッチ７の故障を検出する機能を備えたものは提供されていなかった。

本発明は、このような従来の問題点に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、インバータの出力側のコンデンサの突入電流防止回路に備えられたスイッチの故障を検出する機能を備えたパワーコンディショナを提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明に係るパワーコンディショナは、発電部で発電された直流電力を電力系統に連系可能な交流電力に変換するインバータを備えたパワーコンディショナであって、上記インバータの出力側に備えられたコンデンサの突入電流防止回路として抵抗とスイッチの並列回路を備えるものにおいて、上記パワーコンディショナの制御部は、上記インバータを停止させ、かつ、上記コンデンサよりも上記電力系統側に備えられる系統連系用リレー接点を短絡させて、上記スイッチの接点を短絡状態と開放状態とに切り換える制御を行い、その切り換え前後のパワーコンディショナの出力電流の値に基づいて上記スイッチの故障診断を行う制御構成を備えたことを特徴とする。

そして、その好適な実施態様として、上記パワーコンディショナの出力電流を検出する電流検出手段が、上記コンデンサよりも上記電力系統側に備えられていることを特徴とする。

すなわち、本発明に係るパワーコンディショナは、その制御部が、パワーコンディショナのインバータの出力側のコンデンサの突入電流防止回路に備えられたスイッチの故障診断を行う機能を備えている。この故障診断にあたり、本発明に係るパワーコンディショナは、制御部が、パワーコンディショナのインバータを停止させた状態で、系統連系用リレー接点を短絡させて、突入電流防止回路のスイッチの接点を短絡状態と開放状態とに切り換える制御を行い、その切り換え前後におけるパワーコンディショナの出力電流値を比較することで、上記スイッチの故障の有無を診断する。

具体的には、この比較において両出力電流値が一致する場合には、スイッチは短絡状態または開放状態で固着しているとみなせるので、パワーコンディショナの制御部は、スイッチは故障していると判定する。また、この比較において両出力電流値が一致しない場合には、スイッチは正常に開閉しているとみなせるので、パワーコンディショナの制御部は、スイッチは正常と判定する。

本発明によれば、パワーコンディショナの制御部が、パワーコンディショナの出力電流の値に基づいて、インバータの出力側に備えられたコンデンサの突入電流防止回路のスイッチの故障の有無を診断するように構成されるので、特別な監視回路を設けることなく、簡単な回路構成で、突入電流防止回路のスイッチの故障を発見できるパワーコンディショナを提供することができる。

そして、これにより、スイッチのオープン故障に伴って発生する高調波ノイズによって他機器が悪影響を受けるのを未然に防止できるようになるとともに、スイッチのショート故障に伴って系統連系用リレー接点が早期に故障することを防止することができるようになる。

本発明に係るパワーコンディショナのインバータの出力側に備えられる突入電流防止回路の概略構成を示しており、図１（ａ）は、同突入電流防止回路のスイッチが開放状態である場合を、また、図１（ｂ）は、同突入電流防止回路のスイッチが短絡状態である場合をそれぞれ示している。 同パワーコンディショナのインバータの出力側に備えられる突入電流防止回路におけるスイッチの故障診断手順を示すフローチャートである。 従来のパワーコンディショナのインバータの出力側に備えられる突入電流防止回路の概略構成を示しており、図３（ａ）は、同突入電流防止回路のスイッチが開放状態である場合を、また、図３（ｂ）は、同突入電流防止回路のスイッチが短絡状態である場合をそれぞれ示している。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明に係るパワーコンディショナの概略構成を示している。図１に示すように、本発明に係るパワーコンディショナは、インバータ２の出力側に備えられるフィルタ回路（コイル４およびコンデンサ５）のコンデンサ５の突入電流防止回路６に備えられるスイッチ７の故障診断を制御部３が行うために電流センサ（電流検出手段）１２を備えている。その他の構成は、図３に示す従来のパワーコンディショナと同様であるので、構成が共通する部分には同一の符号を付して詳細な説明は省略する。

本発明に係るパワーコンディショナは、パワーコンディショナの出力電流を検出する電流センサ１２が、コンデンサ５に流れる電流を検出できる位置、具体的には、図１に示すように、インバータ２と系統連系用リレー接点９との間において、コンデンサ５よりも電力系統１１側に備えられている。

次に、このように構成されたパワーコンディショナにおけるスイッチ７の故障診断手順について、図２に基づいて説明する。なお、この故障診断手順は、制御部３の設定により適時に実施可能であるが、たとえば、系統連系用リレー接点３を短絡させる際、すなわち、発電部１０を電力系統１１に系統連系させる際に行わせるように構成することができる。

図２に示すように、本発明に係るパワーコンディショナでは、突入電流防止回路６のスイッチ７の故障診断にあたり、制御部３は、まず、インバータ２の動作を停止させる（図２ステップＳ１参照）。ここで、このインバータ２を停止させるのは、後述する電流センサ１２での電流検出にあたり、発電部１０で発電された電流が突入電流防止回路６に流れるのを防止するためである。

そして、インバータ２の動作が停止すると、次に、制御部３は、突入電流防止回路６のスイッチ７が開放状態となるようにスイッチ７を制御する（図２ステップＳ２参照）。すなわち、制御部３は、スイッチ７に対して接点の開放を指示する制御信号を出力する。なお、このときスイッチ７が正常であれば、この制御によってスイッチ７の接点は、図１（ａ）に示すように開放状態となる。

そして、スイッチ７を開放状態に制御すると、次に制御部３は、系統連系用リレー接点９を短絡させる制御を行う（図２ステップＳ２参照）。すなわち、制御部３は、系統連系用リレーに対してその接点９の短絡を指示する制御信号を出力する。これにより、系統連系用リレー接点９が短絡状態となって、電力系統１１からの電流が突入電流防止回路６に流れ、コンデンサ５の充電が開始される。

このとき、スイッチ７が正常（またはオープン故障）であれば、突入電流防止回路６のスイッチ７は開放状態となっているので、電力系統１１からの電流は抵抗８を通ってコンデンサ５に流れることになる（図１（ａ）の一点鎖線参照）。一方、スイッチ７がショート故障していれば、電力系統１１からの電流はスイッチ７を通ってコンデンサ５に流れることとなる（図１（ｂ）の一点鎖線参照）。

このようにして、スイッチ７を開放状態に制御して系統連系用リレー接点９を短絡させると、次に制御部３は、電流センサ１２で検出される電流値を読み込んで、その電流値を制御部３に備えられた記憶手段（図示せず）に記憶させる（図２ステップＳ３参照）。なお、この記憶手段としては、制御部３の制御中枢を構成するマイコンに備えられるＲＡＭなどのメモリが用いられる。そして、この電流値の読み込みは、電力系統１１側からの突入電流がなくなったとき、すなわち、電流センサ１２で検出される電流値が安定（一定）したときの電流値（実効値）Ａを読み込むように構成され、制御部３はこの電流値Ａを記憶手段に記憶する。

そして、この電流値Ａの記憶が完了すると、次に制御部３は、突入電流防止回路６のスイッチ７が短絡状態となるように制御する。すなわち、制御部３は、スイッチ７に対して接点の短絡を指示する制御信号を出力する。このときスイッチ７が正常（または、ショート故障）であれば、スイッチ７の接点は、図１（ｂ）に示すように短絡状態となるので、電力系統１１からの電流はスイッチ７を通ってコンデンサ５に流れる。一方、スイッチ７がオープン故障していれば、電力系統１１からの電流は抵抗８を通ってコンデンサ５に流れる（図１（ａ）の一点鎖線参照）。

そして、このようにスイッチ７を短絡状態に制御すると、次に制御部３は、このときの電流センサ１２の検出値を読み込んで、その電流値（実効値）Ｂを制御部３に備えられた上記記憶手段に記憶させる（図２ステップＳ４参照）。

このようにして、制御部３は、スイッチ７を開放状態に制御したときの電流値Ａと、スイッチ７を短絡状態に制御したときの電流値Ｂの双方を記憶手段に記憶すると、次に、この記憶した両電流値Ａ，Ｂを比較して、両電流値Ａ，Ｂが一致しているか否かを判断する（図２ステップＳ５参照）。

そして、この判断の結果、両電流値Ａ，Ｂが一致していなければ（図２ステップＳ５で「Ｎｏ」であれば）、制御部３は、スイッチ７は正常であると判定する（図２ステップＳ６参照）。すなわち、スイッチ７の開放状態と短絡状態の切り換えが正常に行われていると、両電流値Ａ，Ｂは一致しない（具体的には、Ａ＜Ｂとなる）ので、両電流値Ａ，Ｂが一致しないことを条件に制御部３はスイッチ７が正常であると判定する。

なお、本実施形態では、このようにスイッチ７が正常であると判定した場合、制御部３は、その正常との判定が初回の判定であれば、このときの電流値Ａを後述する故障判断用の比較値Ａ′として記憶手段に記憶させて、通常動作に復帰する（図２ステップＳ７、８参照）。

ここで、このように初回の正常判定のときの電流値Ａを故障判断用の比較値Ａ′とすることで、工場出荷時の検査や施工時の試運転などで得られた電流値Ａが後述する故障判断用の比較値Ａ′として用いられるようになり、精度の高い故障判定が行えるようになる。なお、この比較値Ａ′を記憶する記憶手段は、上記電流値Ａ，Ｂを記憶させる記憶手段と同じメモリであってもよいが、後述するように、この比較値Ａ′は２回目以降の故障診断においても使用するので、制御部３に備えられるＲＯＭなどの不揮発性のメモリに記憶するように構成しておくのが望ましい。

一方、図２ステップＳ５の判断の結果、両電流値Ａ，Ｂが一致した場合、すなわち、スイッチ７を開放状態と短絡状態とに切り換える制御を行っても電流値Ａ，Ｂの値が変動しなかった場合には、制御部３は、スイッチ７が故障していると判定する（図２ステップＳ９参照）。

そして、２回目以降の故障診断（故障判断用の比較値Ａ′が記憶されている場合）において、スイッチ７が故障していると判定すると、制御部３は、先に記憶手段に記憶しておいた故障判断用の比較値Ａ′とスイッチ７を短絡状態に制御したときの電流値Ｂの比較を行い、比較値Ａ′＜電流値Ｂであるか否かを判断する（図２ステップＳ１０参照）。

そして、この判断の結果、比較値Ａ′＜電流値Ｂであれば（図２ステップＳ１０で「Ｙｅｓ」であれば）、スイッチ７はショート故障していると判定する（図２ステップＳ１１参照）。また、比較値Ａ′＜電流値Ｂでなければ（図２ステップＳ１０で「Ｎｏ」であれば）、スイッチ７はオープン故障していると判定する（図２ステップＳ１２参照）。

このように、本発明に係るパワーコンディショナでは、インバータ２の出力側に備えられたコンデンサ５の突入電流防止回路６としてスイッチ７と抵抗８の並列回路を備えるものにおいて、パワーコンディショナの制御部３が、インバータ２を停止させ、かつ、系統連系用リレー接点９を短絡させて、スイッチ７の接点を短絡状態と開放状態とに切り換える制御を行って、その切り換え前後のパワーコンディショナの出力電流の値に基づいてスイッチ７の故障診断を行うので、スイッチ７に関して特別な監視回路を設けることなく、制御部３の制御によってスイッチ７の故障を発見することができる。

なお、このように構成されるパワーコンディショナにおいては、制御部３がスイッチ７の故障を発見した場合に、制御部３が、その結果を、パワーコンディショナに備えられる表示装置（図示せず）などの報知手段を通じて外部に報知するように構成しておくことで、スイッチ７の故障をユーザに知らせることができる。そして、このようにスイッチ７の故障を報知する構成を採用することにより、スイッチ７の故障を早期に発見して修理することができるので、スイッチ７のオープン故障による高調波ノイズの発生を最小限にとどめたり、スイッチ７のショート故障に伴う系統連系用リレー接点９の故障を未然に防止することができるようになる。

なお、上述した実施形態は本発明の好適な実施態様を示すものであって、本発明はこれに限定されることなく発明の範囲内で種々の設計変更が可能である。

たとえば、上述した実施形態では、発電部１０として、太陽光発電装置や燃料電池発電装置を例示したが、直流電力を発電する発電装置であれば、他の発電装置にも本発明は適用可能である。

１ コンバータ
２ インバータ
３ 制御部
４ コイル
５ コンデンサ
６ 突入電流防止回路
７ スイッチ
８ 抵抗
９ 系統連系用リレー接点
１０ 発電部
１１ 電力系統
１２ 電流センサ（電流検出手段）

Claims (2)

1. 発電部で発電された直流電力を電力系統に連系可能な交流電力に変換するインバータを備えたパワーコンディショナであって、前記インバータの出力側に備えられたコンデンサの突入電流防止回路として抵抗とスイッチの並列回路を備えるものにおいて、
   前記パワーコンディショナの制御部は、前記インバータを停止させ、かつ、前記コンデンサよりも前記電力系統側に備えられる系統連系用リレー接点を短絡させて、前記スイッチの接点を短絡状態と開放状態とに切り換える制御を行い、その切り換え前後のパワーコンディショナの出力電流の値に基づいて前記スイッチの故障診断を行う制御構成を備えたことを特徴とするパワーコンディショナ。
2. 前記パワーコンディショナの出力電流を検出する電流検出手段が、前記コンデンサよりも前記電力系統側に備えられていることを特徴とする請求項１に記載のパワーコンディショナ。

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