JP2016152737A

JP2016152737A - パワーコンディショナ

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Publication number: JP2016152737A
Application number: JP2015030237A
Authority: JP
Inventors: 朗広小椋; Akihiro Ogura; 政治内倉; Seiji Uchikura
Original assignee: Noritz Corp
Current assignee: Noritz Corp
Priority date: 2015-02-19
Filing date: 2015-02-19
Publication date: 2016-08-22

Abstract

【課題】発電部が接続される電力入力部と、電力入力部に入力された直流電力を電力系統に連系する交流電力に変換する電力変換部と、電力変換部の電力変換動作を制御する制御部と、電力入力部に入力される直流電力の入力電流に応じた検出信号を制御部に出力する入力電流検出部とを備えるパワーコンディショナにおいて、発電部が電力入力部に逆接続されることで発電部から制御部に電力供給がなされないときであっても、発電部の逆接続を検出可能にする。【解決手段】発電部２以外の所定の電源４から電力供給を受けて制御部６を動作させることにより、発電部２が正しく接続されていないときでも、電力入力部３への発電部２の接続が正負逆接続であるか否かの判定動作を行えるようにする。【選択図】図１

Description

本発明は、太陽光発電システムなどの発電システムの発電部が出力する発電電力を電力系統に連系させるパワーコンディショナに関する。

従来、例えば下記の特許文献１には、複数の発電部（入力電源）を並列接続するマルチストリング構成において、設置時に発電部の配線を誤ってしまってもある程度の発電電力が得られ、誤接続に気付くことが困難であることに鑑み、複数の発電部がそれぞれ接続される複数のＤＣ／ＤＣコンバータを単独に切替可能に構成するとともに、いずれか一のＤＣ／ＤＣコンバータを単独で動作させたときの該ＤＣ／ＤＣコンバータに対応する直流電流検出部による測定電流値に基づいて接続状態を判定する技術が開示されている。

特開２０１４−１５５３５２号公報

上記従来技術においては、誤接続されても制御部に対しては電源供給がなされることを前提とするものである。しかし、例えば単体のパワーコンディショナの電力入力部に、発電部が正負逆接続された場合には、制御部の動作電力の供給も絶たれてしまい、制御部における判定制御を実行することができないため、正負逆接続されたことを判定することができない。

そこで、本発明は、電力入力部から制御部への電源供給を受けることなく、電力入力部への発電部の逆極性接続を判定可能なパワーコンディショナを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、次の技術的手段を講じた。

すなわち、本発明は、発電部が接続される電力入力部と、該電力入力部に入力された直流電力を電力系統に連系する交流電力に変換する電力変換部と、該電力変換部の電力変換動作を制御する制御部と、前記電力入力部に入力される直流電力の入力電流に応じた検出信号を前記制御部に出力する入力電流検出部とを備えるパワーコンディショナにおいて、前記制御部は、前記電力入力部への前記発電部の接続が正負逆接続であるか否かの判定動作を前記発電部以外の所定の電源から電力供給を受けて実行可能に構成され、前記判定動作は、前記入力電流検出部の検出信号に基づいて行われることを特徴とするものである（請求項１）。

かかる本発明のパワーコンディショナによれば、制御部が、電力入力部への発電部の接続が正負逆接続であるか否かの判定動作を発電部以外の所定の電源から電力供給を受けて実行可能に構成されているので、発電部が電力入力部に正負逆接続されていても制御部が上記判定動作を入力電流検出部の検出信号に基づいて実行することができる。

上記本発明のパワーコンディショナにおいて、前記制御部は、前記判定動作において、前記検出信号の示す値が所定の第１の範囲内であるとき前記電力入力部への前記発電部の接続が正常であると判定し、前記検出信号の示す値が前記第１の範囲とは異なる所定の第２の範囲内であるとき前記電力入力部への前記発電部の接続が正負逆接続であると判定し、前記検出信号の示す値が前記第１及び第２の範囲とは異なる所定の第３の範囲内であるとき前記入力電流検出部の回路異常であると判定するよう構成されているものとすることができる（請求項２）。これによれば、検出信号の示す値に応じて、（１）電力入力部への前記発電部の接続が正常であるか、（２）電力入力部への前記発電部の接続が正負逆接続であるか、（３）入力電流検出部の回路異常であるかを識別することができ、特に接続異常と回路異常とを検出信号の示す値に応じて識別可能であるため、異常発生時の原因究明を容易且つ迅速に行えるようになる。

さらに、前記検出信号は、入力電流の値に応じて電位が増減する電圧信号であり、その低電圧側から、前記第３の範囲、前記第２の範囲、前記第１の範囲が順に設定されているものとすることができる（請求項３）。これによれば、例えば入力電流が無いとき（０Ａのとき）には入力検出部の検出信号の電位の下限値（例えば０Ｖ）と上限値（例えば入力電流検出部の電源電圧である５Ｖなど）の中間値（例えば２．５Ｖ）の電位が検出信号として出力され、発電部の正常接続時には中間値以上の電位が検出信号として出力され、発電部の正負逆接続時には中間値未満の電位が検出信号として出力されるように入力電流検出部を構成しておくとともに、発電部の最大出力電流が流れても検出信号の電位が下限値や上限値付近（例えば０．２Ｖや４．８Ｖなど）にはならないように設定しておくことで、検出信号の電位が下限値付近に落ちたときは短絡や切断などの何らかの回路異常が生じたものと推定できるため、最も低電圧の第３の範囲（例えば０．２Ｖ未満）に検出信号の電位が落ちたときは入力電流検出部の回路異常であると判定させることで、かかる回路異常判定の正確性を向上できる。

また、前記入力電流検出部は、入力電流の値に応じて電位が増減する電圧信号を出力する電流センサを備え、該電流センサが出力する電圧信号はバッファを介して前記制御部に入力されているものとすることができる（請求項４）。これによれば、電力入力部への突入電流や、その他種々の要因による突発的な電流変動が生じた場合でも、かかる瞬間的な電流変動に基づいて制御部が上記判定動作における誤った判定を行ってしまうことを回避でき、接続異常であるか回路異常であるかをより正確に判定させることができる。

また、前記制御部からの指令に応じた所定の報知を行う報知部をさらに備え、前記制御部は、前記判定動作の判定結果に応じた指令を前記報知部に出力するものであってよい（請求項５）。これによれば、制御部の上記判定動作の結果を施工作業者やユーザーに報知することができ、報知内容に基づいて適切な対処を行わせることができる。

また、前記発電部以外の所定の電源は、前記電力系統であってよい（請求項６）。これによれば、電力系統から電力供給を受けて制御部を動作可能である。なお、電力系統の他、パワーコンディショナ内蔵の電池や、パワーコンディショナとは別の外部電池など、適宜の電源から電力供給を受けて制御部を動作させることもできる。

以上説明した本発明の請求項１に係るパワーコンディショナによれば、発電部が電力入力部に正負逆接続されていても制御部が上記判定動作を入力電流検出部の検出信号に基づいて実行することができる。

また、本発明の請求項２に係るパワーコンディショナによれば、検出信号の示す値に応じて、（１）電力入力部への前記発電部の接続が正常であるか、（２）電力入力部への前記発電部への接続が正負逆接続であるか、（３）入力電流検出部の回路異常であるかを識別することができ、特に接続異常と回路異常とを検出信号の示す値に応じて識別可能であるため、異常発生時の原因究明を容易且つ迅速に行えるようになる。

また、本発明の請求項３に係るパワーコンディショナによれば、検出信号の電位が下限値付近に落ちたときは短絡や切断などの何らかの回路異常が生じたものと推定できるため、最も低電圧の第３の範囲（例えば０．２Ｖ未満）に検出信号の電位が落ちたときは入力電流検出部の回路異常であると判定させることで、かかる回路異常判定の正確性を向上できる。

また、本発明の請求項４に係るパワーコンディショナによれば、電力入力部への突入電流や、その他種々の要因による突発的な電流変動が生じた場合でも、かかる瞬間的な電流変動に基づいて制御部が上記判定動作における誤った判定を行ってしまうことを回避でき、接続異常であるか回路異常であるかをより正確に判定させることができる。

また、本発明の請求項５に係るパワーコンディショナによれば、制御部の上記判定動作の結果を施工作業者やユーザーに報知することができ、報知内容に基づいて適切な対処を行わせることができる。

また、本発明の請求項６に係るパワーコンディショナによれば、電力系統から電力供給を受けて制御部を動作可能である。

本発明の一実施形態に係るパワーコンディショナの概略回路ブロック図である。同パワーコンディショナの制御部の判定動作における判定条件を示すグラフである。

以下、本発明の好適な実施形態を図面に基づいて説明する。

図１は本発明の一実施形態に係るパワーコンディショナ１を示しており、該パワーコンディショナ１は、太陽電池アレイなどの発電部２が接続される電力入力部３（入力電力端子）と、該電力入力部３に入力された直流電力を商用電力系統４（電力系統）に連系する交流電力に変換する電力変換部５と、該電力変換部５の電力変換動作を制御する制御部６と、電力入力部３に入力される直流電力の入力電流に応じた検出信号を制御部６のアナログ入力端子（入力電流ｉｎ）に出力する入力電流検出部７と、電力入力部３に入力される直流電力の入力電圧に応じた検出信号を制御部６のアナログ入力端子（入力電圧ｉｎ）に出力する入力電圧検出部８と、電力変換部５の出力側に設けられた解列器９と、電源部１０とを備えている。

発電部２は、従来公知の適宜の構成であってよく、一般的には、複数の太陽電池モジュールを直列乃至並列に接続してなり、建物の屋根などに設置される。

電力変換部５も従来公知の適宜の構成であってよく、図示実施例では、ＤＣリンクコンデンサにより構成されるＤＣリンク部１１と、発電部２から供給される直流電力を交流の系統電圧の最大値（例えば２００Ｖ交流電力の場合は２８０Ｖ）に対応する所定電圧（例えば３５０Ｖ）に昇圧するよう電力変換してＤＣリンク部１１に出力する昇圧チョッパ回路からなるＤＣ／ＤＣコンバータ１２と、ＤＣリンク部１１から供給される直流電力を系統電力に連系する交流電力に電力変換して系統４に出力するための電圧形ブリッジインバータ１３（ＤＣ／ＡＣインバータ）とから主構成されている。

なお、インバータ１３と系統４との間に出力電圧センサ及び出力電流センサを設けることができ、これらセンサの出力信号を制御部６に入力させて、パワーコンディショナ１の出力電力の計測や停電等の電力系統の異常の検出に用いることができる。

コンバータ１２を構成する昇圧チョッパ回路は、昇圧リアクトル１４と、該昇圧リアクトル１４への昇圧動作時の電流の逆流を防止する昇圧用整流器１５と、昇圧リアクトル１４の蓄積エネルギーを制御するＩＧＢＴなどのスイッチング素子１６とを備えており、整流器１５のカソード側がＤＣリンク部１１の正極側に接続されている。スイッチング素子１６には、負荷電流を転流させるためのＦＷＤ１７（フリーホイ−リングダイオード）が並列接続されており、該ＦＷＤ１７はカソード側が電力入力部３の正極側に向けて設けられている。制御部６は、ＭＰＰＴ制御に基づきスイッチング素子１６をオン／オフ制御することによりコンバータ１２の入出力電力制御を行うように構成されている。

インバータ１３は、フルブリッジ形の電圧形ブリッジインバータであり、４つのＩＧＢＴなどのスイッチング素子１８をＨブリッジ形に接続するとともに各スイッチング素子１８に帰還ダイオード１９を並列接続することにより構成されており、その出力側には連系リアクトル２０が設けられている。このインバータ１３は、制御部６によるいわゆる電流モード制御（電圧形インバータの電流制御）を行うことによって出力電流を制御するものであり、系統４への電力出力時はＤＣリンク部１１からの直流電力がＰＷＭ制御若しくはＰＡＭ制御によって交流電力に変換され系統４へ出力される。

入力電流検出部７及び入力電圧検出部８は、発電部２とコンバータ１２との間の直流電路に設けられており、図示実施例ではパワーコンディショナ１の筐体に内蔵されている。入力電圧検出部８はアンプによって構成され、電力入力部３の正極側端子と負極側端子との間の電位差に応じた検出信号が制御部６に入力される。入力電流検出部７は、電流値に比例したアナログ電圧信号を出力するホールＩＣなどからなる電流センサ７ａと、該電流センサ７ａの出力端子と制御部６のアナログ入力端子（入力電流ｉｎ）との間に設けられたバッファ７ｂとを備え、電流センサ７ａが出力する電圧信号はバッファ７ｂを介して制御部６に入力されている。電流センサ７ａ及びバッファ７ｂは、電源部１０が出力する５Ｖ電源によって動作する。また、電流センサ７ａは、入力電流が０Ａのときに２．５Ｖを検出信号として出力し、発電部２が電力入力部３に正しく接続されたとき２．５Ｖ以上を検出信号として出力するとともに発電部２が最大出力であるとき４．５Ｖ前後を検出信号として出力し、発電部２が電力入力部３に正負逆極性で接続されたとき２．５Ｖ以下を検出信号として出力するとともに逆接続された発電部２が最大出力であるとき０．５Ｖ前後を検出信号として出力するように構成されている。なお、バッファ７ｂの入力側にはプルダウン抵抗７ｃが設けられ、電流センサ７ａの出力が０Ｖであれば確実にバッファ７ｂの入力を０Ｖに降圧させるようにしている。また、バッファ７ｂの出力側にはデカップリングコンデンサ７ｄが設けられ、これにより電流センサ７ａが出力する検出信号の脈流を低減させている。

電源部１０は、ＤＣリンク部１１若しくは系統４から供給される電力を低電圧（例えば５Ｖ）の直流電力に変換するレギュレータからなり、制御部６、入力電流検出部７、入力電圧検出部８並びにその他の内蔵回路は、ＤＣリンク部１１若しくは系統４から電力供給を受けて動作する。ＤＣリンク部１１から電源部１０への電力供給線の中途部には逆流防止用ダイオード２１が設けられている。また、系統４から電源部１０への電力供給線の中途部にはダイオードブリッジ２２が設けられ、系統４から供給される交流電力を直流電力に変換して電源部１０に供給している。ＤＣリンク部１１と系統４のいずれから電力が供給されるかは、それらの電圧に依存する。通常のパワーコンディショナ１の運転時は、逆潮流を可能とするためにＤＣリンク電圧が系統電圧より僅かに高くなるよう電力変換制御されるため、ＤＣリンク部１１から電源部１０に電力供給されるが、夜間の発電がなされていないときや、発電部２が正しく接続されていない場合などにおいては、系統４から電源部１０に電力が供給されることとなる。

制御部６は、コンバータ１２及びインバータ１３における各電力変換動作並びに解列器９の解列動作を制御するとともに、パワーコンディショナ１の筐体に取り付けられた液晶表示器などからなる表示部２３（報知部）の表示制御や、各種異常検出制御を行う。これら各制御機能は制御プログラムとして実装することができるが、各制御機能に対応する専用回路によって構成されていてもよい。

特に、本実施形態では、発電部２が電力入力部３に正しい極性で接続されているか否かの判定と、入力電流検出部７の回路異常が発生したか否かの判定とを、入力電流検出部７の検出信号に基づいて常時若しくは起動時などの適宜のタイミングで判定するよう制御部６が構成されている。

発電部２が電力入力部３に正しく順方向に接続されている場合には、解列器９の解列かつコンバータ１２の停止時において、ＤＣリンク部１１の電圧は入力電圧とほぼ等しくなる。しかし、発電部２が正負逆極性で電力入力部３に接続された場合は、コンバータ１２のスイッチング素子１６のＦＷＤ１７（保護ダイオード）を介して電力入力部３の正極側端子と負極側端子とがショート状態となり、入力電圧およびＤＣリンク電圧がほぼ０Ｖ付近で逆電位となり、電流センサに流れる電流の方向も逆向きとなる。入力電圧及びＤＣリンク電圧がほぼ０Ｖとなるために、ＤＣリンク部１１から電力供給を受けて制御部６が起動することはできないが、本実施形態では、電源部１０が系統４から電力供給を受けて制御部６に電源供給可能に構成されているため、発電部２を逆接続したときでも制御部６に電力供給して起動させることができる。

発電部２が正しく接続されているときは、入力電流検出部７の検出信号の電位は、図２に示すように、その２．５Ｖ（基準電圧）以上４．８Ｖ（発電部の最大出力時電圧より若干高い電圧）未満（第１の範囲）となるため、起動した制御部６によって入力電流検出部７の検出信号をチェックし、上記第１の範囲内であれば発電部２の接続が正常であると判定して通常運転制御を行う。なお、この場合は表示部２３には発電部２の接続が正常であるか異常であるかの表示は行わず、発電電力の値などの通常運転時に表示すべき情報を表示部２３に表示させるよう制御部２が表示部２３に指令信号を出力する。

一方、発電部２の逆接続時には、入力電流検出部７の検出信号の基準電圧（２．５Ｖ）からの振幅方向が逆となり、検出信号の電位が２．５Ｖ未満０．２Ｖ（逆接続された発電部の最大出力時電圧より若干低い電圧）以上（第２の範囲）となるため、起動した制御部６によって入力電流検出部７の検出信号をチェックし、上記第２の範囲内であれば発電部２の接続が正負逆接続であると判定して、発電部２が逆接続されていることを示す所定のエラーコードなどの情報を表示部２３に表示させるよう制御部２から表示部２３に指令を出力する。

さらに、本実施形態では、入力電流検出部７が出力する検出信号の電圧が、電力入力部３への入力電流範囲に対応する入力電流検出部７の出力電圧範囲を超えた場合、即ち、検出信号が０．２Ｖ未満（第３の範囲）となったとき、若しくは、４．８Ｖ超（第４の範囲）となったときは、入力電流検出部７の故障等の回路異常であると判定して、入力電流検出部７の回路異常であることを示す所定のエラーコードなどの情報を表示部２３に表示させるよう制御部２から表示部２３に指令を出力するよう構成されている。

本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、適宜設計変更できる。例えば、発電部２以外の所定の電源は、系統４に限定されるものではなく、パワーコンディショナ１の外部の適宜の電池や、パワーコンディショナ１の内蔵電池などであってよい。また、上記実施形態では入力電流検出部７をホールＩＣからなる電流センサ７ａにより主構成したが、その他適宜の構成とすることができ、例えば電力入力部３に直列に負荷抵抗を設け、その両端電圧にバイアス電圧を印加させたものを検出信号として出力することもできる。また、報知部は、表示部２３の他、ブザーなどの音声発生装置によって構成することもできる。

１パワーコンディショナ
２発電部
３電力入力部
４電力系統（発電部以外の電源）
５電力変換部
６制御部
７入力電流検出部
７ａ電流センサ
７ｂバッファ
１０電源部
２３表示部（報知部）

Claims

発電部が接続される電力入力部と、該電力入力部に入力された直流電力を電力系統に連系する交流電力に変換する電力変換部と、該電力変換部の電力変換動作を制御する制御部と、前記電力入力部に入力される直流電力の入力電流に応じた検出信号を前記制御部に出力する入力電流検出部とを備えるパワーコンディショナにおいて、
前記制御部は、前記電力入力部への前記発電部の接続が正負逆接続であるか否かの判定動作を前記発電部以外の所定の電源から電力供給を受けて実行可能に構成され、前記判定動作は、前記入力電流検出部の検出信号に基づいて行われることを特徴とするパワーコンディショナ。
請求項１に記載のパワーコンディショナにおいて、前記制御部は、前記判定動作において、前記検出信号の示す値が所定の第１の範囲内であるとき前記電力入力部への前記発電部の接続が正常であると判定し、前記検出信号の示す値が前記第１の範囲とは異なる所定の第２の範囲内であるとき前記電力入力部への前記発電部の接続が正負逆接続であると判定し、前記検出信号の示す値が前記第１及び第２の範囲とは異なる所定の第３の範囲内であるとき前記入力電流検出部の回路異常であると判定するよう構成されていることを特徴とするパワーコンディショナ。
請求項２に記載のパワーコンディショナにおいて、前記検出信号は、入力電流の値に応じて電位が増減する電圧信号であり、その低電圧側から、前記第３の範囲、前記第２の範囲、前記第１の範囲が順に設定されていることを特徴とするパワーコンディショナ。
請求項２又は３に記載のパワーコンディショナにおいて、前記入力電流検出部は、入力電流の値に応じて電位が増減する電圧信号を出力する電流センサを備え、該電流センサが出力する電圧信号はバッファを介して前記制御部に入力されていることを特徴とするパワーコンディショナ。
請求項１〜４のいずれか１項に記載のパワーコンディショナにおいて、前記制御部からの指令に応じた所定の報知を行う報知部をさらに備え、前記制御部は、前記判定動作の判定結果に応じた指令を前記報知部に出力することを特徴とするパワーコンディショナ。
請求項１〜５のいずれか１項に記載のパワーコンディショナにおいて、前記発電部以外の所定の電源は、前記電力系統であることを特徴とするパワーコンディショナ。