JP3553462B2 - 太陽光発電システムとそれに用いる昇圧ユニット - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は太陽光発電システムに関し、特に、複数の太陽電池モジュール（パネル）が商用電力系統に系統連係される太陽光発電システムの改善に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図７において、従来の太陽光発電システムの一例が模式的なブロック図で示されている。この太陽光発電システムにおいては図面の簡略化のために２つの太陽電池ストリング１のみが示されているが、通常はさらに多くの太陽電池ストリング１が含まれることは言うまでもない。一般に、１つの標準的な太陽電池ストリングは、相互に直列接続された８枚または９枚の太陽電池モジュール（図示せず）を含んでいる。
【０００３】
太陽光発電システムにおいて、太陽電池ストリング１からの直流出力電力を交流電力に変換して商用電力系統４に系統連係させる場合、太陽電池ストリング１と商用電力系統４との間にパワーコンディショナ３を介在させる必要がある。そして、複数の太陽電池ストリング１を商用電力系統４に系統連係させる場合、それら複数の太陽電池ストリング１はパワーコンディショナ３に並列接続される。パワーコンディショナ３は、並列接続された複数の太陽電池ストリング１から発電された電流が逆流しないように、逆流防止ダイオード３１を含んでいる。逆流防止ダイオード３１を通過した直流電力はＤＣ／ＡＣ（直流／交流）インバータ３２によって交流電力に変換され、保護回路３３を介して商用電力系統４へ供給される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来では、日本における太陽光発電システムにおいては、それに含まれる複数の太陽電池ストリングを南に向いた屋根の主要部上に設置し、それらの太陽電池ストリングからの配線をパワーコンディショナに接続するのが一般的である。
【０００５】
しかし、住宅の屋根上に太陽電池ストリングを設置する場合、屋根の形状や面積によっては、太陽光量の最も多い屋根の南面だけに太陽電池モジュールを配置して太陽電池ストリングを構成することができない場合がある。屋根の南面に配置されなかった太陽電池モジュールは屋根の東面や西面にも配置されて太陽電池ストリングを構成したり、屋根の南面の主要部上に太陽電池モジュールを設置した後の周辺の残余の領域に配置された小型の太陽電池モジュールをも含めて太陽電池ストリングが構成される場合などがある。すなわち、いくつかの太陽電池ストリングに含まれる太陽電池モジュールの直列枚数が他の太陽電池ストリングに比べて異なる場合があり、その場合には太陽電池ストリング間で出力電圧が異なることになる。
【０００６】
たとえば、標準直列枚数の太陽電池モジュールを含む標準太陽電池ストリングとその標準直列枚数未満のモジュールを含む非標準太陽電池ストリングとがパワーコンディショナ３に並列に接続される場合、標準出力電圧を有する標準太陽電池からの電力のみがパワーコンディショナ３へ入力され、標準出力電圧より低い非標準出力電圧を有する非標準太陽電池ストリングからの電力はパワーコンディショナ３内へ送ることができない。このような非標準太陽電池ストリングからの電力も効率よくパワーコンディショナ３内へ送れるようにしなければ、非標準太陽電池ストリングの設置面積は無駄なスペースになるだけである。また、何らかの工夫をして非標準太陽電池ストリングからの電力をパワーコンディショナ３内へ送れるようにしたとしても、図８からわかるように、標準太陽電池ストリングからの最大電力と非標準太陽電池ストリングからの最大電力とが足し合された最大出力電力を得ることはできない。
【０００７】
図８（ａ）〜（ｄ）に示された各グラフにおいて、横軸は出力電圧Ｖを表わし、縦軸は出力電力Ｐを表わしている。図８（ａ）のグラフにおいて、曲線Ｓは標準太陽電池ストリングからの出力電力を表わし、曲線Ｎは非標準太陽電池ストリングからの出力電力を表わしている。すなわち、標準太陽電池ストリングは最大出力電力Ｐｓを有し、非標準太陽電池ストリングは最大出力電力Ｐｎを有している。これら２つの出力電力が足し合された出力電力が図８（ｂ）に示されている。図８に示された出力電力曲線（Ｓ＋Ｎ）における最大出力電力Ｐｓｎは、図８（ａ）に示された最大出力電力ＰｓとＰｎの和である（Ｐｓ＋Ｐｎ）よりかなり小さな値となる。これは、標準太陽電池ストリングの最大出力電力Ｐｓの電圧位置と非標準太陽電池ストリングからの最大出力電力Ｐｎの電圧位置とが異なっていることによるものであることが理解されよう。
【０００８】
このようなことから、複数の太陽電池ストリングからの出力電圧を合せることが考えられるが、その目的のために標準太陽電池ストリングとパワーコンディショナ３との間にインピーダンスを介在させる方法もあるが、この方法ではインピーダンスによって電力を損失するので実用的ではない。また、直流電圧を変える方法にはＭＧ（モータ発電機）方式もあるが、この方式では機械的振動や騒音が発生したり、モータ発電機自体がかさばるので好ましくない。
【０００９】
他方、特開平８−４６２３１に開示された太陽電池発電システムにおいては、各太陽電池モジュールまたは各太陽電池ストリングに最大電力追従機能を有する昇圧型ＤＣ−ＤＣコンバータが組込まれている。しかし、このような太陽電池発電システムでは複雑な回路構成となったり、出力電圧が異なる各太陽電池ストリングごとに最初の設計段階で太陽光発電システム全体としての電圧調整をしなければならないという問題がある。また、特開平８−４６２３１における昇圧回路には絶縁トランスが接続されていることから、システムの重量が増加するとともに電力変換効率の低下が生じる。さらに、昇圧回路がサージなどによって故障した場合には、作業者が屋根に登って太陽電池モジュールを交換しなければならないという不便さをも生じる。
【００１０】
上述のような先行技術における太陽光発電システムにおける課題に鑑み、本発明は、異なる出力電圧を有する複数の太陽電池ストリングを簡略に商用電力系統に系統連結させることができかつそれらの太陽電池ストリングの最大出力電力の効率的利用を可能ならしめることを目的としている。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、複数枚の太陽電池モジュールが直列接続された太陽電池ストリングの複数をパワーコンディショナを介して商用電力系統に系統連係させるための太陽光発電システムは、標準直列枚数のモジュールを含む標準太陽電池ストリングと、その標準直列枚数未満のモジュールを含む非標準太陽電池ストリングとがパワーコンディショナに並列に接続される場合に、標準太陽電池ストリングの最大出力電力の電圧位置と非標準太陽電池ストリングの最大出力電力の電圧位置とが異なっており、非標準太陽電池ストリングの非標準出力電圧を標準太陽電池の標準出力電圧まで高める昇圧ユニットがパワーコンディショナの前段に設けられ、その昇圧ユニットの昇圧電圧比率は標準太陽電池ストリングと非標準太陽電池ストリングとに含まれるモジュールの枚数の比によって決定されることを特徴としている。
【００１２】
昇圧電圧比率は、昇圧ユニットに設けられた接点切換スイッチによって手動的に選択可能にすることができる。
【００１３】
昇圧ユニットは非標準太陽電池ストリングとパワーコンディショナとの間に設けられ、標準太陽電池ストリングとパワーコンディショナとの間では昇圧ユニットが省略され得る。
【００１４】
昇圧ユニットは、非標準太陽電池ストリングとパワーユニットとの間で着脱可能であることが好ましい。
【００１５】
昇圧電圧比率は、ＰＷＭ制御によって決定されてもよい。
【００１６】
昇圧ユニットは、太陽電池モジュールの出力電力によって駆動させることができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
図１において、本発明の実施の形態による太陽光発電システムの一例が模式的なブロック図で示されている。この太陽光発電システムにおいて、図面の簡略化のために１つの標準太陽電池ストリング１ａと１つの非標準太陽電池ストリング１ｂのみが示されているが、さらに多くの太陽電池ストリングが含まれ得ることは言うまでもない。標準太陽電池ストリング１ａは、通常は８枚または９枚の太陽電池モジュール（図示せず）を含んでいる。なお、非標準太陽電池ストリング１ｂは、その標準直列枚数未満の太陽電池モジュールを含んでいる。
【００１８】
標準太陽電池ストリング１ａの出力電力はパワーコンディショナ３に含まれる逆流防止ダイオード３１に直接接続される。他方、非標準太陽電池ストリング１ｂの出力電力は、昇圧ユニット２を介して逆流防止ダイオード３１に接続されている。パワーコンディショナ３内において、複数の逆流防止ダイオード３１からの出力電力は１つにまとめられてＤＣ−ＡＣ変換器３２に接続される。ＤＣ−ＡＣ変換器からの交流出力電力は、保護回路３３を介して商用電力系統４に接続される。
【００１９】
図１に示されているような太陽光発電システムにおいては、非標準太陽電池ストリング１ｂからの出力電圧が昇圧ユニット２によって標準太陽電池ストリング１ａからの出力電圧に等しくされるので、図８から理解されるように標準太陽電池ストリングからの最大出力電力と非標準太陽電池ストリングからの非標準出力電力とを足し合せた最大出力電力が商用電力系統４へ接続され得る。
【００２０】
すなわち、図８（ｃ）において、曲線Ｓは標準太陽電池ストリング１ａからの出力電力を表わしている。他方、曲線Ｎｍは非標準太陽電池ストリング１ｂからの出力電力を昇圧ユニット２で昇圧した後の出力電力を表わしている。図８（ｃ）のグラフからわかるように、昇圧ユニット２によって昇圧された非標準太陽電池ストリングからの最大出力Ｐｎの電圧位置は、標準太陽電池ストリングからの最大出力電力Ｐｓの電圧位置と一致している。したがって、これらの出力電力ＳとＮｍとを並列接続によって加算すれば、図８（ｄ）のグラフに示されているように、出力電力曲線ＳとＮｍの最大値が足し合された最大出力電力（Ｐｓ＋Ｐｎ）を得ることができる。
【００２１】
このように、本発明による太陽光発電システムにおいては、昇圧ユニット２を単に非標準太陽電池ストリング１ｂとパワーコンディショナ３との間に設けるという簡略な方法で、標準太陽電池ストリング１ａからの最大出力電力Ｐｓと非標準太陽電池ストリング１ｂからの最大出力電力Ｐｎとが足し合された最大出力電力（Ｐｓ＋Ｐｎ）が商用電力系統に接続され得る。また、このような昇圧ユニット２は容易に着脱可能であり、非標準太陽電池ストリング１ｂを標準太陽電池ストリング１ａに変更する場合には取外すことができる。
【００２２】
図２は、図１中の昇圧ユニット２の具体的な一例を示す模式的なブロック図である。この昇圧ユニット２は、その入力部における入力端子２１から順に、入力ＥＭＩ（電波雑音干渉）フィルタ２２、遮断器２３、昇圧回路２４、出力ＥＭＩフィルタ２５、および出力端子２６を含んでいる。出力端子２６は、パワーコンディショナの入力端子に接続される。昇圧比は標準太陽電池ストリング１ａと非標準太陽電池ストリング１ｂとに含まれる直列接続太陽電池モジュールの枚数の比率によって決定することができ、昇圧ユニット２内の昇圧回路２４の回路構成が非常に簡単にされ得る。また、非標準太陽電池ストリング１ｂの出力電圧を標準太陽電池ストリング１ａの出力電圧に合せるために、図３に示されているように昇圧ユニット２が標準太陽電池ストリング１ａの出力電圧を基準電圧として電圧計で検出しながら調整するという煩雑な制御を必要としない。
【００２３】
図４は、昇圧ユニット２に含まれる昇圧回路２４の具体的な一例を示す回路図である。この昇圧回路においては、入力側から順に、リアクトル１０１、スイッチング素子１０４、ダイオード１０２、およびコンデンサ１０３を含んでいる。スイッチング素子１０４としては、ＢＪＴ（バイポーラ接合トランジスタ）、ＦＥＴ（電界効果トランジスタ）、ＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）、またはＧＴＯ（ゲートターンオフサイリスタ）などが用いられ得る。
【００２４】
図５は、昇圧電圧比を決定するための切換スイッチを模式的に示している。これによれば、昇圧電圧比率は、切換スイッチを手動的に切換えることによって決定することができる。すなわち、一般に太陽光発電システムにおける太陽電池モジュールとしては同じ機種で同じ特性のものが使用されるので、標準太陽電池ストリング１ａと非標準太陽電池ストリング１ｂとの間の電圧比、すなわち昇圧比は８：４〜８：７または９：４〜９：７といった簡単な固定された整数比で決めることができる。したがって昇圧電圧比率を設定する場合には、まず標準太陽電池ストリング１ａに含まれる太陽電池モジュール枚数ｎ_１（８または９）をスイッチ２７ａで設定する。次に、非標準太陽電池ストリング１ｂに含まれる太陽電池モジュール枚数ｎ_２（４〜７）をスイッチ２７ｂで設定する。この２つの切換スイッチ２７ａと２７ｂを手動的に操作することによって、昇圧ユニット２の出力電圧はそれに接続されている非標準太陽電池ストリング１ｂの出力電圧のｎ_１／ｎ_２倍となり、標準直列太陽電池ストリング１ａの出力電圧と等しくなる。
【００２５】
図６（ａ）は、ＰＷＭ（パルス幅変調）制御によって昇圧回路２４を駆動する場合に用いられる制御回路を示すブロック図である。切換スイッチ２７ａと２７ｂによって設定された昇圧電圧比率は、信号設定演算器１０６によって次式（１）の演算に従って信号設定値が求められる。
（信号設定値）＝（スイッチ２７ｂの設定値）／（スイッチ２７ａの設定値）…（１）図６（ｂ）のグラフに示されているように、信号設定演算器１０６で演算された結果の信号設定値Ｍと三角波発生器１０５で発振された０から１の振幅値をとる三角波Ｔとが比較され、信号設定値Ｍの方が三角波Ｔよりも小さい値のときの比較器１０７はゲートＯＮレベルを出力し、信号設定値Ｍの方が三角波Ｔより大きい値のときに比較器１０７はゲートＯＦＦレベルを出力する。その結果、図６（ｃ）のグラフに示されているようなパルス信号ＰＳを出力する。このパルス信号ＰＳの周期時間とパルスの幅の時間との比（デューティ比）は次式（２）で表わされる。
（デューティ比）＝１−（信号設定値） …（２）
このパルス信号ＰＳは昇圧回路２４のためのスイッチング素子ドライブ回路１０８に入力され、そのドライブ回路１０８はたとえば図４に示されたスイッチング素子１０４を駆動する。このようなＰＷＭ制御による昇圧方法を利用すれば、昇圧回路２４を簡単な構造で作製することができる。
【００２６】
ところで、昇圧ユニット２を駆動させるためには、そのための電源が必要となる。その場合に、乾電池や蓄電池のように常に出力し得るバッテリを使用すれば、スイッチを設けなければ昇圧ユニットが昼夜を問わず１日中動作し続けることになる。そして、バッテリが消耗したときには、それを取替えなければならないとい手間が生じる。さらに、商用電力系統４から昇圧ユニット２用の電力を得る場合には、そのための配線が別途に必要となる。しかし、昇圧ユニット２自身に接続されている太陽電池ストリングからのエネルギをその駆動エネルギとして利用することによって、昇圧ユニット２は太陽光電池ストリングが動作する昼間の間だけそれと同時に動作し、夜間においては自動的に停止されることになる。また、太陽電池は消耗することがないので、乾電池や蓄電池が消耗した場合のように取替える必要がなく、さらに外部電源からの配線を必要としないという利点も得られる。
【００２７】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、複数枚の太陽電池モジュールが直列接続された太陽電池ストリングの複数をパワーコンディショナを介して商用電力系統に系統連係させる太陽光発電システムが標準太陽電池ストリングの他に非標準太陽電池ストリングを含む場合であっても、そのような太陽光発電システムを簡略に商用電力系統に系統連係させることができかつ各太陽電池ストリングからの最大出力の和を最終的最大出力電力として利用することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態による太陽光発電システムの一例を示す模式的なブロック図である。
【図２】図１の太陽光発電システムに含まれる昇圧ユニットの具体的な一例を示す模式的なブロック図である。
【図３】標準太陽電池ストリングの出力電圧を検出してそれに適合する昇圧電力比を昇圧ユニットに生じさせる方法を説明するための模式的なブロック図である。
【図４】昇圧ユニットに含まれる昇圧回路の具体的な一例を示す回路図である。
【図５】昇圧ユニットにおける昇圧電圧比を手動的に決定するための接点切換スイッチを模式的に示す図である。
【図６】（ａ）は昇圧回路中のスイッチング素子を制御するための回路を示すブロック図であり、（ｂ）は三角波と設定信号との比較を示すグラフであり、（ｃ）はスイッチング素子を駆動するゲートパルス信号を示すグラフである。
【図７】従来の太陽光発電システムの一例を示す模式的なブロック図である。
【図８】異なる出力能力を有する２つの太陽電池ストリングからの出力電力の関係とそれらの出力電力を並列結合させた出力電力とを表わすグラフである。
【符号の説明】
１ 太陽電池ストリング、１ａ 標準太陽電池ストリング、１ｂ 非標準太陽電池ストリング、２ 昇圧ユニット、３ パワーコンディショナ、４ 商用電力系統、２１ 昇圧ユニット入力端子、２２ 入力ＥＭＩフィルタ、２３ 遮断器、２４ 昇圧回路、２５ 出力ＥＭＩフィルタ、２６ 昇圧ユニット出力端子、２７ａ 標準直列太陽電池モジュール数設定スイッチ、２７ｂ 非標準直列太陽電池モジュール数設定スイッチ、３１ 逆流防止ダイオード、３２ ＤＣ／ＡＣインバータ、３３ 保護回路、１０１ リアクトル、１０２ ダイオード、１０３ コンデンサ、１０４ スイッチング素子、１０５ 三角波発生器、１０６ 信号設定演算器、１０７ 比較器、１０８ ドライブ回路。

Claims (10)

1. 複数枚の太陽電池モジュールが直列接続された太陽電池ストリングの複数をパワーコンディショナを介して商用電力系統に系統連係させるための太陽光発電システムであって、
   標準直列枚数の前記モジュールを含む標準太陽電池ストリングと、その標準直列枚数未満の前記モジュールを含む非標準太陽電池ストリングとが前記パワーコンディショナに並列に接続される場合に、前記標準太陽電池ストリングの最大出力電力の電圧位置と前記非標準太陽電池ストリングの最大出力電力の電圧位置とが異なっており、前記非標準太陽電池ストリングの非標準出力電圧を前記標準太陽電池ストリングの標準出力電圧まで高める昇圧ユニットが前記パワーコンディショナの前段に設けられ、前記昇圧ユニットの昇圧電圧比率は前記標準太陽電池ストリングと前記非標準太陽電池ストリングとに含まれる前記モジュールの枚数の比によって決定されることを特徴とする太陽光発電システム。
2. 前記昇圧電圧比率は前記昇圧ユニットに設けられた接点切換スイッチによって手動的に選択可能であることを特徴とする請求項１に記載の太陽光発電システム。
3. 複数の前記非標準太陽電池ストリングを含み、それらの各々と前記パワーコンディショナとの間に前記昇圧ユニットが設けられることを特徴とする請求項１または２に記載の太陽光発電システム。
4. 前記昇圧ユニットは、前記非標準太陽電池ストリングと前記パワーユニットとの間で着脱可能であることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の太陽光発電システム。
5. 前記昇圧電圧比率はＰＷＭ制御によって決定されることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の太陽光発電システム。
6. 前記昇圧ユニットは前記太陽電池モジュールの出力電力によって駆動されることを特徴とする請求項１から５のいずれかの項に記載の太陽光発電システム。
7. 複数枚の太陽電池モジュールが直列接続された太陽電池ストリングの複数をパワーコンディショナを介して商用電力系統に系統連係させるための太陽光発電システムにおいて用いられる昇圧ユニットであって、
   標準直列枚数の前記モジュールを含む標準太陽電池ストリングと、その標準直列枚数未満の前記モジュールを含む非標準太陽電池ストリングとが前記パワーコンディショナに並列に接続される場合に、前記標準太陽電池ストリングの最大出力電力の電圧位置と前記非標準太陽電池ストリングの最大出力電力の電圧位置とが異なっており、前記非標準太陽電池ストリングの非標準出力電圧を前記標準太陽電池ストリングの標準出力電圧まで高めるように前記パワーコンディショナの前段に設けられ、前記昇圧ユニットの昇圧電圧比率は前記標準太陽電池ストリングと前記非標準太陽電池ストリングとに含まれる前記モジュールの枚数の比によって決定されることを特徴とする昇圧ユニット。
8. 前記非標準出力電圧を前記標準出力電圧まで高める昇圧電圧比率は接点切換スイッチによって手動的に選択可能であることを特徴とする請求項７に記載の昇圧ユニット。
9. 前記非標準出力電圧を前記標準出力電圧まで高める昇圧電圧比率はＰＷＭ制御によって決定されることを特徴とする請求項７または８に記載の昇圧ユニット。
10. 前記太陽電池モジュールからの出力電力によって駆動されることを特徴とする請求項７から９のいずれかの項に記載の昇圧ユニット。

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