JP3591297B2

JP3591297B2 - 太陽光発電システム

Info

Publication number: JP3591297B2
Application number: JP10434798A
Authority: JP
Inventors: 勝広奥沢; 邦彦富士; 学藤本; 紀一徳永
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1998-04-15
Filing date: 1998-04-15
Publication date: 2004-11-17
Anticipated expiration: 2018-04-15
Also published as: JPH11298028A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、太陽電池の発電電力を商用の交流電力に変換し、連系点の負荷や商用電源へ電力を出力する太陽光発電システムにかかり、特に冬期の積雪時には、商用電源の電力を直流電力に変換し、太陽電池パネルに電力を供給してパネルを暖め、パネルの積雪を防止する太陽光発電システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
図８は従来の太陽光発電システムを示す構成図である。図８の７１は太陽電池、７２はインバータ、７３は配電系統７８に流れこむ直流成分の電流を阻止する絶縁トランス、７４は計測用の電流検出器（以下ＣＴという）、７６は連系点の交流電圧を監視する計測用の変圧器（以下ＰＴという）、７７は連系点に接続された負荷装置、７８は商用電源であるところの配電系統である。７９は、配電系統７８が停電したときに、インバータ７２から配電系統７８に電流が流れ込まないようにする開閉器である。ダイオード７０１は、配電系統７８とインバータ
７２を接続した時のインバータ７２の直流側のコンデンサ３の充電電圧が、太陽電池電圧よりも大きい場合に太陽電池７１に逆電圧が加わることを防止する逆流防止用のダイオードである。７５はインバータの制御部であり、系統連系運転制御部８０，制御処理部８１，搬送波発生部７０６およびＰＷＭ系７０３で構成する。太陽電池７１で発電した直流電力は、パルス幅変調制御（以下ＰＷＭ制御という）したインバータ７２によってパルス状の波形となるが、フィルタ７０で高周波成分がカットされて商用周波の交流電力になる。変換された交流電力は、絶縁トランス７３と開閉器７９を介して配電系統７８に出力される。
【０００３】
太陽光発電システムは、以下の制御を行う。制御処理部８１は自動起動停止および保護を行う機能を有しており、運転に先立って、配電系統７８の電圧をＰＴ７６で、太陽電池７１の電圧をアイソレーションアンプ８８で検出し、異常がなければ運転を開始する。一方、太陽電池７１の発電電力が低下した場合や配電系統
７８が停電した場合は、インバータ７２をゲートクローズし、開閉器７９を開路して運転を停止する。系統連系運転制御部８０は、電圧をＰＴ７６で検出して配電系統電圧と位相同期制御を行うとともに、電流をＣＴ７４で検出して配電系統電圧に対してインバータの出力電流を力率１に制御する。さらに、系統連系運転制御部８０は、天候やパネルの温度によって大きく変化する太陽電池７１の発電電力を、常に最大電力で運転する最大電力追従制御を行う。ＰＷＭ系７０３は、系統連系運転制御部８０の変調波と搬送波発生部７０６の搬送波を比較してＰＷＭ信号を作成する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来の太陽光発電システムは、インバータの交流出力を配電系統に接続して、負荷に電力を供給するとともに、余剰電力を配電系統に出力することを目的としたシステムである。一方、太陽光発電システムは、普及に伴い雪国にも設置されるようになった。太陽電池は、冬季の積雪時には除雪されるまでは発電ができなくなり、太陽光エネルギーの活用が図れないとともにパネルに過大な荷重が加わるなどの問題があり、配電系統の電力を直流電力に変換して太陽電池パネルに電力を供給し、パネルを暖めてパネルの積雪を防止することが望まれる。
【０００５】
本発明の目的は、通常は太陽電池の発電電力を配電系統に出力する系統連系運転を行い、積雪時には配電系統の電力を太陽電池パネルに供給して、パネルを暖めて積雪を防止する融雪運転を行う太陽光発電システムを提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
融雪運転では太陽電池の発電運転とは逆に、配電系統から太陽電池に電力を供給するために逆流防止ダイオードを短絡し、しかも運転時にはインバータなどの構成素子や太陽電池の責務を軽減する必要がある。そのため、従来からの発電運転を行うための出力構成要素の他に主回路には、逆流防止ダイオードを短絡する開閉器、系統との接続時の過電流を抑制する限流手段を設け、制御系には太陽電池発電モードと融雪モードを切り換える運転モード切換部および融雪運転の起動および制御を行う融雪運転制御部を設ける。まず、運転モード切換部は、外部からの信号で融雪運転が選択されると、系統連系運転を停止させ、融雪運転制御部に融雪運転信号を出力し、変調波と搬送波を系統連系運転用から融雪運転用に切り換える。次に、融雪運転制御部は、逆流防止ダイオードを短絡する。さらに、融雪運転制御部は限流手段を介して配電系統にインバータを接続し、配電系統からの突入電流を抑制する。融雪運転制御部は、変調波と搬送波を出力し、インバータをチョッパ動作させる。融雪運転制御部は変調波を徐々に上げることで、直流電圧を昇圧した運転電圧の状態で融雪運転を行う。
【０００７】
【発明の実施の形態】
第１の実施例を図１および図２により説明する。本実施例では、限流手段の一例として抵抗７０９を用いた。
【０００８】
図１は、図８の主回路部分にインバータと配電系統を接続する際に発生する過電流を抑制するための限流抵抗７０９とそれを短絡する開閉器７０８および太陽電池パネルに電力を供給するために逆流防止ダイオードを短絡する開閉器７０２を設けた。また、制御部７５には系統連系運転と融雪運転を選択する運転モード切り換え部７０７，融雪運転専用の搬送波を発生する搬送波発生部７１２，融雪運転の起動と制御を行う融雪運転制御部７１０，系統連系運転と融雪運転の変調波を切り換える変調波切り換え部７１１および搬送波を切り換える搬送波切り換え部７０６を設けた。なお、インバータの直流側のコンデンサ３はインバータ
７２内に含め記載は省略した。その他の符号については、図８と同一であるため説明を省略する。
【０００９】
たとえば、太陽電池の発電電力が積雪の影響で急激に低下して、系統連系運転が自動停止した場合、外部の運転切り換え信号により運転モード切り換え部７０７へ融雪運転の指示が与えられると、制御部７５は直ちに以下の初期化を行い融雪運転モードに切り換える。図２に示すように、まず、融雪運転に先立って、制御処理部８１は系統連系運転制御部８０の制御を停止し、融雪運転起動部７０５に信号を出力する。融雪運転起動部７０５は開閉器７０２を閉路して逆流防止ダイオード７０１を短絡し、７０８を開路する。また、搬送波発生部７１２は融雪運転用の搬送波を発生し、搬送波切り換え部７０６および変調波切り換え部７１１は、融雪運転制御部７１０が作成する後述の搬送波および変調波をＰＷＭ系７０３に与えるように切り換える。運転モード切り換え部７０７は、以上の初期設定が完了すると制御処理部８１へ信号を送り、制御処理部８１は、ＰＴ７６から配電系統７８の電圧を検出し、異常がないことを確認して開閉器７９を閉路する。このとき、太陽電池はほとんど発電していないので解放電圧はゼロに近い。したがって、開閉器７９を閉路すると配電系統からフィルタのコンデンサやインバータの直流側のコンデンサに充電電流が流れるが、限流抵抗７０９によって抑制され、充電が完了するとインバータの直流電圧はダイオード整流による所定値Ａに落ち着く。制御処理部８１は、ｔ１時間経過後またはアイソレーションアンプ８８で直流電圧を検出し、所定値Ａに落ち着いたことを確認した後、融雪運転起動部７０５に運転開始信号を送り、ゲートをオープンしてＰＷＭ信号を出力する。運転開始信号を受信した融雪運転起動部７０５は、開閉器７０８を閉路して限流抵抗７０９を短絡し、融雪運転変調波発生部７０４に信号発生許可を与える。
【００１０】
図３は、昇圧および定常運転動作の具体的な実施例の説明図である。本図の（ａ）の回路図中の７２は、６組のスイッチング素子とフライホイールダイオードを並列接続したアームを持つインバータモジュールであり、図１の開閉器７９，絶縁トランス７３，ＣＴ７４およびフィルタ７０のコンデンサなどの記載は省略している。本図の（ｂ）は、変調波と搬送波およびＰＷＭ信号の関係を示す。搬送波を鋸波，変調波を直流波形とし、両者を比較してＰＷＭ信号を発生する方式である。太陽電池のＰ側の各相のスイッチング素子は常時ｏｆｆ状態とし、Ｎ側の各相の素子に同一のＰＷＭ信号を印加し、ｏｎ／ｏｆｆ動作を行う。融雪運転変調波発生部７０４は、運転開始時より変調波を、図２のインバータ電圧Ｖｄｃ＊とするべく０レベルからｔ２時間を経過して徐々に上昇させ、インバータの電圧が、運転電圧Ｖｄｃ＊に達した時点で定常運転を行う。なお、本実施例ではＮ側を動作させたがＰ側を動作させても同等であるのは勿論である。
【００１１】
以上本方式によれば、インバータと配電系統を接続する時に発生する、フィルタのコンデンサやインバータの直流側のコンデンサに流れる充電電流は、インバータの交流側の限流抵抗で抑制し、その後、インバータの直流電圧をチョッパ動作により、融雪運転時の運転電圧まで徐々に上昇させることができるので、運転動作切り換えの際に太陽電池や主回路の素子に不必要な責務を与えることがないので、融雪運転が可能な太陽光発電システムを提供することができる。
【００１２】
なお、系統連系運転中に外部から運転切り換え信号（融雪運転信号）が入力された場合には、一時、ＰＷＭ信号をゲートクローズする。このとき、融雪運転開始時は、インバータの直流側の電圧は太陽電池の解放電圧であり、インバータと配電系統はすでに接続されており、コンデンサは充電された状態であるので過電流が発生する心配がなく、変調波切り換え部７１１および搬送波切り換え部７０６は、融雪運転制御部７１０側に切り換えてＰＷＭ信号を作成し、インバータをコンバータ動作にして、融雪運転の定常運転を行う。また、制御処理部８１は、起動中や運転中に太陽電池電圧や配電系統電圧に異常が生じた場合には、直ちに融雪運転制御部７１０に信号を送って運転を停止するとともに、インバータ７２をゲートクローズし、開閉器７９を開路して配電系統７８と分離する。さらに、配電系統７８は三相電源を例に説明したが、単相でも良いことはもちろんである。運転切り換え信号は、太陽電池の発電電力が低下した場合に、開閉器操作による手動信号や、積雪計を用いてある積雪に達した場合、およびパネルの表面温度や気温を測定してある温度以下になった場合などに入力される信号である。さらに、太陽電池が発電できない冬季の夜間は、融雪運転を行うようにタイマの信号を入力することも可能である。
【００１３】
図４は、図３の昇圧および定常運転を行う他のＲ相のＰＷＭ信号動作波形の一例であり、図４と図３の符号は同一である。また、他のＳ相やＴ相においても同様の方法でＰＷＭ信号を作成している。本方式は系統連系運転同様、搬送波を三角波，変調波を交流波形とし、両者を比較してパルス信号を発生する周知のＰＷＭ方式である。したがって、この実施例の場合、系統連系運転制御部８０は搬送波の発生だけを動作させて、搬送波切り換え部７０６は系統連系運転制御部８０側の搬送波をＰＷＭ系７０３に与えるようにする。このとき、変調率をｋ，直流電圧をＶｄｃ，交流線間電圧をＶａｃとすると
【００１４】
【数１】
Ｖａｃ＝Ｖｄｃ・ｋ／√２（ｋ＝ａ／ｂ）
となる。そこで、数１から直流電圧Ｖｄｃを求めると
【００１５】
【数２】
Ｖｄｃ＝Ｖａｃ・√２／ｋ（０≦ｋ≦１）
となる。線間電圧Ｖａｃはほとんど変化がなく、ｋの範囲は１〜０のため変調率ｋを調整することで、直流電圧は所定値（ｋ＝１）から昇圧させることができる。
【００１６】
以上本方式によれば、ＰＷＭ信号は系統連系運転で行っている発生方式をそのまま利用するだけでよく、系統連系運転および融雪運転は共通の制御系で行うことができるのでソフトウエアの軽減が図れる。
【００１７】
図５に融雪運転変調波発生部７０４の制御ブロックの例を示す。周知のＰＩ制御ブロックで、比例ゲイン１１，積分ゲイン１２およびリミッタ１３で構成する。制御は、検出した直流電圧と電圧指令値の偏差ΔＶをとってゲイン倍し、電圧指令値に補正値ΔＶ＊を加算して直流電圧を調整する。電圧値は、変換部１４で係数ｆを乗算して変調率ｋに変換される。昇圧のやり方は、電圧指令値を所定値から運転電圧Ｖｄｃ＊まで徐々に上昇させることで実現できる。ＰＩ制御の電圧指令値を運転電圧Ｖｄｃ＊までシフトした後は、指令値を固定して定電圧制御の融雪運転を行う。
【００１８】
以上本方式によれば、ＰＩ制御系を利用することで特別な制御系を用いずに、太陽電池パネルに加える直流電圧の昇圧や一定電圧制御による定常運転が実現できる。
【００１９】
図６は、定常運転を行う他の実施例である。太陽電池パネルに温度センサを取り付け、測定値を一時保存するためのバッファ部２１，バッファ部２１の値と測定値を比較して温度のピーク値を取り出すピーク値検出部２２，図５と同一ブロックのＰＩ補償部２４で構成する。太陽電池パネルの温度は制御周期毎に測定し、バッファ部２１に一時保存する。ピーク値検出部２２は、ある一定周期毎に電圧指令値Ｖｄｃ＊を所定の電圧範囲だけ変化させて、太陽電池のパネルの温度を測定する。さらに、ピーク値検出部２２は、バッファ部２１の前回値と現在の測定値からパネル温度の増減を調べ、最もパネル温度が高い動作電圧点を探し出す。なお、パネルの温度が所定値以上あるいはパネルの温度変化がプラス方向でかつ所定値以上になった場合には、自動的に系統連系運転モードに切り換える。
【００２０】
以上のように、直に太陽電池パネルの温度を測定してパネル温度の最大点で運転するので、高精度および高効率の融雪運転が行える。また、パネルの温度変化によって自動的に系統連系運転に切り換えるため、太陽電池の発電電力を有効に利用することができる。
【００２１】
図７は、配電系統とインバータを接続する場合に発生する過電流を抑制するもう一つの実施例である。本図では、図１の限流抵抗７０９および開閉器７０８を省略し、限流抵抗７１３を逆流防止ダイオード７０１に並列に接続し、限流抵抗７１３と太陽電池７１を接続する開閉器７１４を設けたものであり、その他の符号は図１と同じである。まず、開閉器７０２は、配電系統とインバータを接続する前は開路し、開閉器７１４は閉路しておく。次に、開閉器７９を閉路するとフィルタのコンデンサおよびインバータの直流側のコンデンサに充電電流が流れるが、太陽電池７１は限流抵抗７１３により保護される。開閉器７０２は、制御処理部８１がｔ１時間経過後あるいは直流電圧が所定値に落ちついたことを確認してから短絡する。その後の処理は、図１の実施例と同様である。なお、開閉器
７１４は系統連系運転時に、抵抗器７１３の損失を防ぐためのもので、系統連系運転時には常に開路状態にし、開閉器７０２は常に開路状態にしておく。
【００２２】
以上のように、開閉器７９を閉路する時に配電系統から過電流が流れ込むが、直流側に限流抵抗７１３を挿入することで、太陽電池を保護することができ太陽電池に負担を与えない。
【００２３】
【発明の効果】
従来の太陽光発電システムにおいて、逆流防止ダイオードを短絡することによって融雪運転が可能になる。本発明によれば、無電圧の太陽電池パネルに配電系統の電圧を直流電圧に変換して電力を供給する際、インバータと配電系統接続時に、限流抵抗を介することによって主回路に流れる過電流を抑制することができ、太陽電池や素子に与える責務を軽減することができる。また、融雪運転起動時において直流電圧を所定の電圧から運転電圧まで徐々に上昇させることによって、ＰＷＭ信号発生時の過電流を抑制することができる。さらに、融雪運転は直流電圧を測定して定電圧制御を行い、かつ、太陽電池パネルの温度を直に測定して温度の最大点で制御を行うことによって、高精度および高効率の運転が行える。最後に、太陽電池パネルの温度がある値以上または温度変化分がプラス方向であり、なおかつ、変化分がある値以上であれば自動的に系統連系運転を開始するため、太陽電池の発電電力を有効に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の融雪運転の第１の実施例を表す制御ブロック図。
【図２】本発明の融雪運転時の起動から定常状態に至るタイムシーケンス図。
【図３】コンバータ方式のＰＷＭ信号波形。
【図４】本発明の融雪運転変調波発生部のＰＩ制御系ブロック図。
【図５】本発明の融雪運転の第２の実施例を表す制御ブロック図。
【図６】チョッパ方式のＰＷＭ信号波形。
【図７】本発明の融雪運転制御ブロック図。
【図８】従来の太陽光発電システムの全体構成図。
【符号の説明】
３…コンデンサ、１１…比例ゲイン、１２…積分ゲイン、１３…リミッタ、２１…バッファ部、２２…ピーク値検出部、２４…ＰＩ補償部、７０…フィルタ、７１…太陽電池、７２…インバータおよびインバータモジュール、７３…絶縁トランス、７４…電流検出器、７５…制御部、７６…計測用検圧器、７７…負荷装置、７８…配電系統、７９…開閉器、８０…系統連系運転制御部、８１…制御処理部、８８…アイソレーションアンプ、７０１…逆流防止ダイオード、７０２…逆流防止ダイオード短絡用開閉器、７０３…ＰＷＭ系、７０４…融雪運転変調波発生部、７０５…融雪運転起動部、７０６…搬送波切り換え部、７０７…運転モード切り換え部、７０８…限流抵抗短絡用開閉器、７０９，７１３…限流抵抗器、７１０…融雪運転制御部、７１１…変調波切り換え部、７１２…搬送波発生部、７１４…開閉器。

Claims

太陽電池の直流電力を所定の交流電力に変換する電力変換装置を持ち、第１の開閉手段で配電系統と電力変換装置を接続する発電システムにおいて、電力変換装置の交流側に抵抗器と抵抗器に並列に第２の開閉手段を挿入し、電力変換装置の直流側と太陽電池の間にダイオードとダイオードに並列に第３の開閉手段を設け、系統連系運転制御系と融雪運転制御系を備え、系統連系運転と融雪運転を選別して系統連系運転制御と融雪運転制御を切り換える運転モード切り換え部と融雪運転の搬送波を生成する搬送波発生部と系統連系運転と融雪運転の搬送波と変調波を切り換える切り換え部を持った太陽光発電システム。
請求項１記載の太陽光発電システムにおいて、電力変換装置の直流側にコンデンサを有し、直流側のダイオードの第３の開閉手段を閉路し、交流側の抵抗器の第２の開閉手段を開路し、配電系統と電力変換装置を第１の開閉器で接続した後、前記コンデンサの充電電圧に達するまでの時間が経過したか、あるいは直流側の電圧が前記コンデンサの充電電圧の値になったならば、第２の開閉手段を閉路し、搬送波と変調波の比較によってＰＷＭ信号を発生させ、変調波を調整して変調率を変化させることによって直流電圧を操作する
ＰＷＭ制御において、前記コンデンサの充電電圧から運転電圧へ直流電圧を昇圧することを特徴とした太陽光発電システム。
請求項１において、太陽電池パネルの温度を測定する温度センサを設け、運転モード切り換え部は、前記温度センサの測定値を用いて系統連系運転制御と融雪運転制御を切り換えることを特徴とした太陽光発電システム。
太陽電池の直流電力を所定の交流電力に変換する電力変換装置を持ち、第１の開閉手段で配電系統と電力変換装置を接続する発電システムにおいて、インバータの直流側と太陽電池の間にダイオードとダイオードに並列に第３の開閉手段を設け、さらに、抵抗器と直列に第４の開閉手段を接続した回路をダイオードに並列に設け、系統連系運転制御系と融雪運転制御系を備え、系統連系運転と融雪運転を選別して系統連系運転制御と融雪運転制御を切り換える運転モード切り換え部と融雪運転の搬送波を生成する搬送波発生部と系統連系運転と融雪運転の搬送波と変調波を切り換える切り換え部を持った太陽光発電システム。
請求項４において、インバータの直流側にコンデンサを有し、融雪運転時は、直流側のダイオードの第３の開閉手段を開路し、抵抗器と直列にした第４の開閉手段は閉路し、配電系統と電力変換装置とを第１の開閉手段で接続した後、前記コンデンサの充電電圧に達するまでの時間が経過したか、あるいは直流側の電圧が前記コンデンサの充電電圧の値になったならば、ダイオードの第３の開閉手段を閉路し、系統連系運転時は、直流側のダイオードの第３の開閉手段は常に開路し、抵抗器と直列にした第４の開閉手段は常に開路することを特徴とした太陽光発電システム。