JP2015100250A - パワーコンディショナ - Google Patents

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Abstract

【課題】外部直流電源を用いた発電システムの設置工事において誤接続が発生しても、簡単かつ安価な構成により、内部素子の破壊や故障の発生を防止し、かつ誤接続状態を報知して確実に修復させ得る保護機能を備えたパワーコンディショナを得ること。
【解決手段】入力端子部10とコンバータ11の入力端との間を逆流防止素子19および電流制限素子20の直列回路と開閉手段21との並列回路を介して接続し、第1の電圧センサ22と第2の電圧センサ23とを設ける。制御手段17は、入力端子部への外部結線接続が終了し当該パワーコンディショナの電源が投入されたとき、開閉手段を閉路させずにコンバータおよびインバータ12を不動作状態に制御し、第1の電圧センサと第2の電圧センサの各測定値に基づき誤接続が無いと判断したとき、開閉手段を閉路させ、コンバータおよびインバータをそれぞれの変換動作へ移行させる制御を行う。
【選択図】 図2

Description

本発明は、太陽電池や燃料電池などの外部直流電源を用いた直流発電システムで用いるパワーコンディショナに関するものである。
太陽電池や燃料電池などの外部直流電源を用いた直流発電システムとして、例えば、太陽光発電システムは、例えば住宅の屋根など建物の屋上に太陽電池モジュールを数十枚直並列に並べて設置し、出力される発電電力(直流電力)をパワーコンディショナにて交流電力へ変換し、その交流電力を住宅内の電気機器に供給するとともに、余剰分が生じた場合には、系統電源に逆潮流(電力会社に売電)することが可能である。
したがって、太陽光発電システムを設置する際は、屋根上に敷設した太陽電池モジュールの出力線とパワーコンディショナの直流入力端子部との配線工事、また、系統電源とパワーコンディショナの交流出力端子部との配線工事が必要である。
ところで、この配線工事においてパワーコンディショナ側での配線を誤ると、パワーコンディショナに破損や故障などの不具合を生じさせることがある。すなわち、直流入力端子部に交流である系統電源側の配線を接続したり、あるいは直流入力端子と太陽電池モジュール側の配線とを極性を逆に接続したりすると、パワーコンディショナ内の素子に規格値を超えた逆電圧が印加され、破損等に至ってしまうことが起こる。
この対策として、例えば特許文献1では、正極と負極の直流母線の負極側に、ダイオードと、半導体スイッチ駆動回路にて駆動される半導体スイッチとを直列に挿入し、逆電圧が印加される状態になった場合は半導体スイッチオフ回路によって半導体スイッチ駆動回路をオフ制御する技術が開示されている。
国際公開第2007/110913号
しかし、特許文献1に示された従来の技術においては、逆電圧を阻止するダイオードの他に、半導体スイッチと、その半導体スイッチを駆動するための半導体スイッチ駆動回路と、異常時に半導体スイッチ駆動回路をオフ制御するための半導体スイッチオフ回路とを必要とする。つまり、太陽光発電システムの設置工事において誤接続が発生した場合に、パワーコンディショナ内の素子の破損や故障の発生を防止するために付加する保護回路が従来の技術では複雑化し、パワーコンディショナのコストアップを招来という問題があった。
本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、外部直流電源を用いた直流発電システムの設置工事において誤接続が発生しても、簡単かつ安価な構成により、内部素子の破損や故障の発生を防止し、かつ誤接続状態を報知して確実に修復させ得る保護機能を備えたパワーコンディショナを得ることを目的とする。
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、外部直流電源の正極側出力端子および負極側出力端子と繋ぐケーブルがそれぞれ対応する端子に着脱可能に接続される入力端子部と、前記入力端子部から入力される前記外部直流電源の出力直流電力を別の値の直流電力へ変換するコンバータと、前記コンバータの出力直流電力を交流電力へ変換するインバータとを備えたパワーコンディショナにおいて、前記入力端子部の正極側端子と前記コンバータの対応する入力端との間を接離する開閉手段であって初期状態が開路状態である開閉手段と、前記入力端子部の正極側端子と前記コンバータの対応する入力端との間に前記開閉手段と並列に設けられた逆流防止素子および電流制限素子の直列回路と、前記入力端子部の正極側端子と負極側端子との間に印加される電圧を計測する第1の電圧センサと、前記コンバータから前記インバータに入力される直流電力の電圧を計測する第2の電圧センサと、前記入力端子部への外部結線接続が終了し当該パワーコンディショナの電源が投入されたとき、前記開閉手段を閉路させずに前記コンバータおよびインバータを動作停止状態に制御し、前記第1の電圧センサが計測した電圧が直流電圧でかつその極性が正しく前記入力端子部の正極および負極の極性と一致し、同時に、前記第1の電圧センサの測定値と第2の電圧センサの測定値との電圧差が、ゼロに向かって減少する過程途中に定めた或る値以下である場合に前記開閉手段を閉路させ、前記コンバータおよびインバータを動作停止状態からそれぞれの変換動作へ移行させる制御を行う制御手段とを備えたことを特徴とする。
本発明によれば、外部直流電源を用いた直流発電システムの設置工事において誤接続があっても、開閉手段を閉路させずにコンバータおよびインバータを不動作とするので、簡単かつ安価な構成により破損や故障の発生を防止できる。そして、誤接続状態をどのような誤接続が発生したかを識別できるように報知するので、作業者は迅速かつ確実に修復することができるようになるという効果を奏する。
図1は、本発明にかかるパワーコンディショナが用いられる太陽光発電システムの要部構成を示すブロック図である。 図2は、本発明の一実施の形態として、図1に示すパワーコンディショナの要部構成を示すブロック図である。
以下に、本発明にかかるパワーコンディショナの実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
実施の形態
図1は、本発明にかかるパワーコンディショナが用いられる太陽光発電システムの要部構成を示すブロック図である。図2は、本発明の一実施の形態として、図1に示すパワーコンディショナの要部構成を示すブロック図である。
まず、図1に沿って太陽光発電システムについて簡単に説明する。図1において、太陽光発電システムは、太陽電池モジュール1と接続箱2とパワーコンディショナ3と分電盤4とを備え、負荷5と交流電力系統6は、それぞれ分電盤4を介してパワーコンディショナ3に接続される構成である。
太陽電池モジュール1は、多数の太陽電池を直並列に接続し所定の発電出力が得られるようにしたものである。住宅の例で言えば、太陽電池モジュール1は、所定数が住宅の屋根上に配置される。接続箱2とパワーコンディショナ3と分電盤4とは、それぞれ住宅の壁や宅内などの所定位置に配置される。
すなわち、多数の太陽電池モジュール1にて並列に発電された多数の直流電力は、接続箱2にて1つの所定値の発電電力に集電され、パワーコンディショナ3に入力される。パワーコンディショナ3は、入力された直流電力を交流電力へ変換する。パワーコンディショナ3の交流出力は、分電盤4を介して負荷5と交流電力系統6とに供給される。
負荷5は、照明器具や冷蔵庫、洗濯機、掃除機等の宅内電気機器やモータなどの宅外電気機器である。そして、負荷5で消費しきれず、余剰電力が発生した場合は、パワーコンディショナ3の交流出力端は、分電盤4を介して交流電力系統6にも接続(連系)され、その余剰電力が交流電力系統6に逆潮流される。
ここで、この太陽光発電システムの住宅への設置工事は、次のような手順で行われる。まず、屋根の上に必要数の太陽電池モジュール1を設置し、それぞれの出力ケーブルの先端を住宅の軒下あるいは住宅内に設置した接続箱2の入力部に接続する。接続箱2は、複数の入力を1出力にまとめて出力する集電機能を有している。接続箱2の出力部は、正極出力端と負極出力端とで構成されるので、正極側と負極側との対ケーブルの一端を接続箱2の出力部に接続する。そして、その対ケーブルの他端を、パワーコンディショナ3が配置される住宅内に引き込み、パワーコンディショナ3の入力部に接続する。
この接続工事では、パワーコンディショナ3の入力部は、正極入力端と負極入力端とで構成されるので、引き込んだ対ケーブルの他端を、極性を間違えないように、パワーコンディショナ3の入力部に接続する必要がある。
また、パワーコンディショナ3の出力端は、住宅内に設置されている分電盤4に接続される。分電盤4では、交流電力系統6がケーブル接続され、また、パワーコンディショナ3の出力端を交流電力系統6に連系させるためのブレーカをケーブルにて接続する。これらには交流が流れる。
したがってこの接続工事では、パワーコンディショナ3の入力部に、接続箱2側の対ケーブルを接続せず、間違って分電盤4から交流電力系統6に繋がるケーブルを接続しないようにしなければならない。
本実施の形態では、図2に示すように、上記のように太陽光発電システムの設置工事において、パワーコンディショナの入力部に、逆極性の直流電力や交流電力が印加される誤接続が発生しても、内部素子の破壊や故障の発生を防止し、かつ誤接続状態を報知して確実に修復させ得る保護機能を、簡単かつ安価な構成により実現した。図2を参照して具体的に説明する。なお、パワーコンディショナの一般的な構成と動作については、よく知られているので、その説明を割愛し、ここでは本実施の形態に関わる部分である「設置工事において誤接続が発生した場合に内部素子の破壊や故障の発生を防止し誤接続状態を報知して確実に修復させ得る保護機能」を中心に説明する。
図2において、パワーコンディショナ3は、一般に、入力端子部10と、コンバータ11と、インバータ12と、出力フィルタ13と、連系開閉器14と、交流開閉器15と、出力端子部16と、制御手段としての制御回路17と、報知手段18とを備えている。
入力端子部10には、太陽電池モジュール1の直流出力電力が図示省略した接続箱を介して入力される。コンバータ11は、入力端子部10に印加される直流電力を別の値の直流電力へ変換するDC/DC変換機能を有している。インバータ12は、FETやIGBTなどの半導体スイッチング素子にて構成され、それらのスイッチング動作により、コンバータ11から入力される直流電力を交流電力へ変換する。出力フィルタ13は、リアクトルとコンデンサとの組み合わせで構成され、インバータ12が出力する階段状の交流波形を正弦波状の交流波形に整形する。
パワーコンディショナ3の電力変換部は、コンバータ11とインバータ12と出力フィルタ13との全体により形成され、出力フィルタ13から出力されるその変換出力は、連系開閉器14および交流開閉器15を介して出力端子部16に出力される。出力端子部16には、図示例では交流電力系統6が接続される。
図2では、制御回路17の制御系の図示を省略したが、制御回路17は、プログラム制御により、コンバータ11でのスイッチング素子11aのオン・オフ制御によるDC/DC変換動作と、インバータ12でのPWM制御によるスイッチング動作指令の生成によるDC/AC変換動作と、連系開閉器14および交流開閉器15の開閉制御とを行う。なお交流開閉器15は、例えば交流電力系統6が停電した場合に、その交流電力系統6との接続を開路してインバータ12を交流電力系統6から開放し、自立運転へ移行できるようにするため設けられている。
また、パワーコンディショナ3の操作部(図示せず)には、パワーコンディショナ3を起動、停止させるための運転・停止スイッチや、連系運転モード・自立運転モードの切換スイッチが設けられ、制御回路17は、それらの操作内容に従ってパワーコンディショナ3の運転を制御する。
また、図示してないが、出力端子部16からの出力電圧と出力電流を測定するセンサ回路が設けられ、制御回路17は、そのセンサ回路からの測定値により、交流出力電力値を演算するとともに、それを積算して交流出力電力量を求め、メモリに記憶する。
そして、報知手段18は、表示器とブザーの両方で構成される。制御回路17は、その表示器に、パワーコンディショナ3の運転状態や、演算した交流出力電力値、メモリに記憶させた交流出力電力量などの運転データを表示する。また、制御回路17は、正常な運転ができない場合、非常停止してブザーを鳴動させ、報知できるようになっている。
以上の一般的な構成において「太陽光発電システムの設置工事において誤接続が発生した場合に内部素子の破壊や故障の発生を防止し誤接続状態を報知して確実に修復させ得る保護機能」を実現する構成として、入力端子部10の正極端(+)とコンバータ11の対応する入力端との間を、逆流防止素子(ダイオード)19と電流制限素子(抵抗器)20との直列回路を介して接続するとともに、開閉手段(リレー)21を介して接続する。開閉手段21の初期状態は、開路状態である。つまり、パワーコンディショナ3の電源オフ時では、開閉手段21は、開路状態である。
そして、入力端子部10の正極側端子(+)と負極側端子(−)との間に印加される電圧を計測する第1の電圧センサ22と、コンバータ11からインバータ12に入力される直流電力の電圧(母線電圧)を計測する第2の電圧センサ23とを設けてある。加えて、制御回路17に、第1の電圧センサ22および第2の電圧センサ23の計測値に基づき、開閉手段21を制御する機能と、コンバータ11およびインバータ12の起動・非起動を行う機能と、開閉手段21を開路状態に維持させる場合に報知手段18にその内容を報知させる機能とを追加してある。
以下、「太陽光発電システムの設置工事において誤接続が発生した場合に内部素子の破壊や故障の発生を防止し誤接続状態を報知して確実に修復させ得る保護機能」について説明する。
まず、パワーコンディショナ3の入力端子部10に、接続箱2側の対ケーブルを接続せず、間違って分電盤4から交流電力系統6に繋がるケーブルが接続されてしまった場合、この段階ではパワーコンディショナ3の動作電源はオフ状態である。また、開閉手段21は開路状態にある。よって、コンバータ11の入力端には、逆流防止素子19と電流制限素子20の直列回路を通して交流電圧が印加される。しかし、逆流防止素子19は、交流の正極側半サイクルを通すが、負極側半サイクルは通さない。
パワーコンディショナ3の電源オフ時では、コンバータ11のスイッチング素子11aはオフしているので、逆流防止素子19を流れる交流の正極側半サイクル分の電流によって、電流制限素子20、リアクトル11bおよび出力ダイオード11cを介して、オフ状態にあるインバータ12の入力段に設けられた母線コンデンサ12aが充電される。
したがって、誤接続に気付かずにパワーコンディショナ3の動作電源をオンしても、コンバータ11には逆極性の電圧は印加されない。また、入力端子部10に印加された交流電圧は、第1の電圧センサ22にて検知計測されその情報が制御回路17に入力される。同時に、母線コンデンサ12aの充電電圧が、第2の電圧センサ23にて検知計測されその情報が制御回路17に入力される。第2の電圧センサ23にて検知計測される母線コンデンサ12aの充電電圧は、直流電圧である。
制御回路17は、第1の電圧センサ22の検知電圧が交流信号となるので、検知計測された電圧情報に基づき交流接続という誤接続を認識することができる。これによって、制御回路17は、開閉手段21を開路状態に維持制御し、コンバータ11およびインバータ12を起動しないようにすることができる。よって、内部素子の破壊や故障を防止することができる。
また、制御回路17は、並行して交流接続という誤接続による異常を報知手段18の表示器にエラーメッセージとして表示出力し、報知手段18のブザーを鳴動させて警報を発し、作業者に報知する。この場合、表示器のエラーメッセージやブザーの鳴動内容によって、どのような誤接続が発生したか、今の例では、交流接続という誤接続が発生したことが判るようになっているので、作業者は、迅速かつ確実に誤接続の解消を図ることができる。
次に、パワーコンディショナ3の入力端子部10に、接続箱2側の対ケーブルが接続されたが、極性が逆に接続されてしまった場合、この段階ではパワーコンディショナ3の動作電源はオフ状態である。また、開閉手段21は開路状態にある。よって、コンバータ11の入力端には、逆流防止素子19と電流制限素子20の直列回路を通して逆極性の直流電圧が印加される。しかし、逆流防止素子19は、正極の直流電圧は通すが、負極の直流電圧は通さない。オフ状態にあるインバータ12の入力段に設けられた母線コンデンサ12aは充電されない。
したがって、誤接続に気付かずにパワーコンディショナ3の動作電源をオンしても、コンバータ11には逆極性の直流電圧は印加されない。また、入力端子部10に印加された逆極性の直流電圧は、第1の電圧センサ22にて検知計測され、その情報が制御回路17に入力される。同時に、母線コンデンサ12aの充電電圧が、第2の電圧センサ23にて検知計測されその情報が制御回路17に入力される。第2の電圧センサ23にて検知計測される母線コンデンサ12aの充電電圧は、ゼロの近い低い電圧である。
そうすると、制御回路17は、逆極性接続という誤接続を認識できるので、開閉手段21を開路状態に維持制御し、コンバータ11およびインバータ12を起動しない。これによって、内部素子の破壊や故障を防止することができる。
また、制御回路17は、並行して逆極性接続という誤接続による異常を報知手段18の表示器にエラーメッセージとして表示出力し、報知手段18のブザーを鳴動させて警報を発し、作業者に報知する。この場合、表示器のエラーメッセージやブザーの鳴動内容によって、どのような誤接続が発生したか、今の例では逆極性接続という誤接続が発生したことが判るようになっているので、作業者は、迅速かつ確実に誤接続の解消を図ることができる。
さて、設置工事が正しく行われ、パワーコンディショナ3の入力端子部10に、接続箱2側の対ケーブルが極性正しく接続された場合、この段階ではパワーコンディショナ3の動作電源はオフ状態である。また、開閉手段21は開路状態にある。よって、コンバータ11の入力端には、逆流防止素子19と電流制限素子20の直列回路を通して正極性の直流電圧が印加される。
コンバータ11では、スイッチング素子11aはオフ状態であるが、逆流防止素子19と電流制限素子20の直列回路を通して入力された直流電流は、リアクトル11b、出力ダイオード11cを介して、オフ状態にあるインバータ12の入力段に設けられた母線コンデンサ12aを充電する。電流制限素子20はこの場合の充電電流を制限し無用な突入電流の発生を防止するためのものである。
パワーコンディショナ3の動作電源がオンになると、第1の電圧センサ22が入力端子部10に印加された直流電圧の大きさと極性とを検知計測し制御回路17に与える。同時に、第2の電圧センサ23がインバータ12の入力電圧である母線コンデンサ12aの充電電圧を検知計測し制御回路17に与える。
制御回路17は、第1の電圧センサ22が検知計測した電圧は直流でかつ正極性であるから、第1の電圧センサ22が検知計測した電圧値と第2の電圧センサ23が検知計測した電圧値とを比較する。
ここで、第1の電圧センサ22が検知計測したコンバータ入力電圧と第2の電圧センサ23が検知計測したインバータ入力電圧との電位差は、逆流防止素子19、電流制限素子20、リアクトル11bおよび出力ダイオード11cの経路における電圧降下分に相当する。
そして、母線コンデンサ12aへの充電がある程度進んでくると、第1の電圧センサ22が検知計測した電圧値と第2の電圧センサ23が検知計測した電圧値との差がゼロに向かって小さくなる。すなわち、逆流防止素子19と電流制限素子20との直列回路の両端間の電位差が小さくなったことがわかる。
そこで、制御回路17は、第1の電圧センサ22からの電圧値と第2の電圧センサ23からの電圧値との差がゼロに向かって小さくなる途中に定めた或る値よりも小さくなったときに、開閉手段21を閉路させる。これによって、太陽電池モジュール1側からの入力電流は逆流防止素子19と電流制限素子20の直列回路を流れずに開閉手段21側にバイパスして流れることになる。その後、制御回路17は、コンバータ11やインバータ12に対してスイッチング動作の指令を出す。これによって、パワーコンディショナとしての電力変換動作が実行される。
すなわち、パワーコンディショナとしての電力変換動作時においては、開閉手段21が閉路して太陽電池モジュール1側からの入力電流は逆流防止素子19と電流制限素子20の直列回路を流れないので、逆流防止素子19と電流制限素子20の直列回路での損失発生を無くすことができる。これによって、保護機能付加によるパワーコンディショナの電力変換効率の低下が防止される。
また、逆流防止素子19と電流制限素子20の直列回路の両端の電位差が所定値よりも小さくなってから開閉手段21を閉路させるので、開閉手段21として用いるリレーの接点に経年的に生ずる劣化(接点の転移、溶着など)を防止することができる。
そして、開閉手段21としては、必要以上の接点定格のリレーを使わなくとも済むようになるので、保護回路部の小型化、抵抗コスト化が図れるという効果も得られる。
以上説明したように、本実施の形態によるパワーコンディショナによれば、太陽光発電システムの設置工事において誤接続があっても、開閉手段を閉路させずにコンバータおよびインバータを不動作とするので、簡単かつ安価な構成により破損や故障の発生を防止できる。そして、誤接続状態をどのような誤接続が発生したかを識別できるように報知するので、作業者は迅速かつ確実に修復することができるようになる。
なお、この明細書では、外部直流電源を用いた直流発電システムとして、太陽電池を用いた発電システムを示したが、本発明にかかる誤接続に対する保護機能を備えたパワーコンディショナは、燃料電池を用いた直流発電システムで用いるパワーコンディショナにも同様に適用することができることは言うまでもない。
以上のように、本発明にかかるパワーコンディショナは、外部直流電源を用いた直流発電システムの設置工事において誤接続が発生しても、簡単かつ安価な構成により、内部素子の破壊や故障の発生を防止し、かつ誤接続状態を報知して確実に修復させ得る保護機能を備えたパワーコンディショナとして有用である。
1 太陽電池モジュール(外部直流電源)、2 接続箱、3 パワーコンディショナ、4 分電盤、5 負荷、6 交流電力系統、10 入力端子部、11 コンバータ、12 インバータ、13 出力フィルタ、14 連系開閉器、15 交流開閉器、16 出力端子部、17 制御回路、18 報知手段、19 逆流防止素子、20 電流制限素子、21 開閉手段、22 第1の電圧センサ、23 第2の電圧センサ。

Claims (3)

  1. 外部直流電源の正極側出力端子および負極側出力端子と繋ぐケーブルがそれぞれ対応する端子に着脱可能に接続される入力端子部と、前記入力端子部から入力される前記外部直流電源の出力直流電力を別の値の直流電力へ変換するコンバータと、前記コンバータの出力直流電力を交流電力へ変換するインバータとを備えたパワーコンディショナにおいて、 前記入力端子部の正極側端子と前記コンバータの対応する入力端との間を接離する開閉手段であって初期状態が開路状態である開閉手段と、
    前記入力端子部の正極側端子と前記コンバータの対応する入力端との間に前記開閉手段と並列に設けられた逆流防止素子および電流制限素子の直列回路と、
    前記入力端子部の正極側端子と負極側端子との間に印加される電圧を計測する第1の電圧センサと、
    前記コンバータから前記インバータに入力される直流電力の電圧を計測する第2の電圧センサと、
    前記入力端子部への外部結線接続が終了し当該パワーコンディショナの電源が投入されたとき、前記開閉手段を閉路させずに前記コンバータおよびインバータを動作停止状態に制御し、前記第1の電圧センサが計測した電圧が直流電圧でかつその極性が正しく前記入力端子部の正極および負極の極性と一致し、同時に、前記第1の電圧センサの測定値と第2の電圧センサの測定値との電圧差が、ゼロに向かって減少する過程途中に定めた或る値以下である場合に前記開閉手段を閉路させ、前記コンバータおよびインバータを動作停止状態からそれぞれの変換動作へ移行させる制御を行う制御手段と
    を備えたことを特徴とするパワーコンディショナ。
  2. 前記制御手段は、
    前記第1の電圧センサが計測した電圧は直流電圧であるがその極性が前記入力端子部の正極および負極の極性と一致しない場合、または、前記第1の電圧センサが計測した電圧が交流電圧である場合は、前記開閉手段を閉路させず開路状態を維持させ、同時に、当該パワーコンディショナの運転状態を報知する報知手段に異常を知らせる情報を出力させる
    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。
  3. 前記制御手段は、
    前記報知手段に出力させる異常を知らせる情報を、前記第1の電圧センサが計測した直流電圧の極性が前記入力端子部の正極および負極の極性と一致しない場合と、前記第1の電圧センサが計測した電圧が交流電圧である場合とで区別可能に生成する
    ことを特徴とする請求項2に記載のパワーコンディショナ。
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