JP3609509B2

JP3609509B2 - 太陽光発電装置

Info

Publication number: JP3609509B2
Application number: JP30765695A
Authority: JP
Inventors: 正明甲野藤; 公彦古川; 邦穂田中; 正弘前川
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 1995-11-27
Filing date: 1995-11-27
Publication date: 2005-01-12
Anticipated expiration: 2015-11-27
Also published as: JPH09149659A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、需要家等に設けられてその商用電力系統にインバータ回路を介して連系される太陽電池を備えた太陽光発電装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、太陽電池からなる直流電源を用いた数ｋＷの比較的小容量の分散電源設備をインバータ回路を介して商用電力系統に連系し、負荷に電力を供給する太陽光発電装置が種々提案されている。
【０００３】
図２は、従来の太陽光発電装置の概略構成図である。
図において、２１は太陽光のエネルギーを直流電圧に直接変換する太陽電池、２２はその太陽電池２１から出力される直流電力を交流に変換するためのインバータ主回路であり、太陽電池２１からの直流出力は、インバータ主回路２２によって交流に変換された上、絶縁トランス２３を経て負荷２４および商用電力系統２５に供給される。
【０００４】
絶縁トランス２３と商用電力系統２５との間には、系統連系用開閉器２６が介挿されており、インバータ主回路２２の運転条件が整った状態で、開閉器２６が閉じられて連系運転が開始されることになる。
【０００５】
上記開閉器２６は、インバータ制御部２７によって制御されている。このインバータ制御部２７は、太陽電池２１の出力電圧及び商用電力系統２５の系統電圧などを監視しており、電圧に過不足が生じたときに太陽電池２１又は商用電力系統２５の異常状態と判断して開閉器２６を開放させている。その後、その異常原因が解消されると、インバータ制御部２７により所定時間経過後に開閉器２６を閉じた後、インバータ主回路２２を起動させている。
【０００６】
そして、最近では特開平６−１３３４６２号公報に記載のように、商用電力系統２５からの交流電力の消費を極力低減させて商用電力からの交流電力の節約を図るために、太陽電池からの直流電力を変換出力してインバータ制御部２７等の基準動作電圧を生成し、その基準動作電圧をインバータ主回路２２、インバータ制御部２７等に供給する制御電源回路２８を設けたものが提案されている。
【０００７】
そして、この制御電源回路２８は太陽電池２１の出力が一定値以上ある場合に、所定の基準電圧値を出力するように設計されている。
【０００８】
一方、太陽電池２１は一般に太陽電池温度や日射量が変化することによって、最大電力点及び開放電圧が変化し、特に太陽電池温度の影響が大きいことが知られている（図３参照）。ここで、太陽電池温度に影響を及ぼす気温や日射量は、時期や時間帯によって異なっており、同一日射量条件下では太陽電池温度が低いほど最大電力点及び開放電圧が高い。
【０００９】
そして、従来装置では発電電力の有効利用を図るために、太陽電池の出力電圧−発電電力特性が最も優れている冬場などの低温下での出力状態時において、インバータ主回路２２が起動できるように制御電源回路２８を動作させている。
【００１０】
このため、太陽電池２１が商用電力系統２５に連系可能な出力が発電されている場合に、インバータ主回路２２を起動できるように、太陽電池２１が所定出力以上発電している場合に制御電源回路２８を起動させている。そして、太陽電池２１の出力状態を検出するのに太陽電池２１の開放電圧に基づいて判断している。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、夏場などのように太陽電池温度が高く、且つ日射量が少ない朝方や夕方時においては、太陽電池２１の開放電圧が所定電圧値以上となっていても、制御電源回路２８を動作させるのに充分な出力が太陽電池２１から供給されておらず、制御電源回路２８の起動時に図４に示すように頻繁に起動、停止を繰り返すチャタリングが発生していた。このため、従来装置ではこの制御電源回路２８のチャタリングによりインバータ主回路２２やインバータ制御部２７が誤動作する虞れがあった。また、制御電源回路２８に動作表示ランプなどの表示部を有する場合には、長時間に亘り表示部が点滅を繰り返すこととなり、利用者に余計な不安を与える虞もあった。
【００１２】
そのため、季節などの時期に応じて制御電源回路２８の起動開始電圧を変更することも考えられるが、季節の変わり目毎に設定し直すか、或は装置内部にカレンダー機能を保持しておかなければならず、利用者にとって操作性が悪く、装置の複雑化を招いていた。
【００１３】
本発明は、斯かる点に鑑みてなされたものであって、利用者に不安や煩わしさを与えず、また装置の複雑化を招くことなく、更に使用時期や時間帯に関係なく常に制御電源回路のスムーズな起動を可能とした太陽光発電装置を提供する。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、太陽電池から発生する直流出力を所定電圧の交流出力に変換して出力するインバータ回路と、太陽電池の出力若しくは商用電力系統からの出力を所定の基準値に変換出力し、その出力を前記インバータ回路に供給する制御電源回路と、太陽電池の出力を検出し、その検出結果に応じて前記制御電源回路に商用電力系統からの出力を選択的に供給する出力供給手段とを備え、前記制御電源回路は、前記太陽電池から発生する直流出力が、第１の所定値以上のとき、前記インバータ回路を商用電力系統に連系させて負荷に電力を供給し、前記出力供給手段は、太陽電池から発生する直流出力が前記第１の所定値よりも低い第２の所定値以上、前記第１の所定値未満の場合には、該制御電源回路に太陽電池からの出力を供給し、太陽電池の出力が前記第２の所定値よりも低い第３の所定値以上、前記第２の所定値未満の場合には、前記制御電源回路に商用電力系統からの出力を供給し、太陽電池の出力が前記第３の所定値未満の場合には、該制御電源回路への電力供給を停止することを特徴とするものである。
【００１５】
この構成を用いることにより、制御電源回路を動作させるのに充分な出力が太陽電池からなされていない虞れのある期間は、商用電力系統からの出力に基づいて制御電源回路の起動を開始させ、太陽電池温度等に関係なく制御電源回路を動作させるのに充分な出力が太陽電池から発電されている期間には、太陽電池からの出力に基づいて制御電源回路を動作させることになる。
【００１６】
また、好ましくは、商用電力系統の交流出力を直流出力に変換し、その変換出力を前記制御電源回路に供給可能にする整流手段を備え、前記出力供給手段は、太陽電池の出力が前記第３の所定値以上、前記第２の所定値未満の場合には、前記整流手段を介して前記制御電源回路に商用電力系統からの出力を供給するものである。
【００１７】
この構成を用いることにより、インバータ動作中において、高調波成分の発生源となる整流手段がインバータ出力側に接続されることなく、負荷及び商用電力系統への供給電流成分中にこの高調波成分が重畳することが無い。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の太陽光発電装置の一実施の形態を示す図面に基づいて詳細に説明する。図１は本発明を適用させた太陽電池を用いた太陽光発電装置の概略構成図である。
【００１９】
同図において、太陽光発電装置は、太陽光のエネルギーを直流電力に変換する太陽電池１（本実施形態では、最適動作電圧２００Ｖ，最適動作電力３ｋＷ）と、太陽電池１の直流電力を交流電力に電力変換して所定交流電圧を供給するインバータ主回路２を中心に構成されており、商用電力系統３と連系して配電線に接続された各種家電製品などの負荷４に対して電力を供給している。
【００２０】
インバータ主回路２は、ブリッジ接続された複数のスイッチング素子から構成され、このインバータ主回路２には、後述の各種処理を行うインバータ制御部５からパルス幅変調されたスイッチング制御信号が与えられる。インバータ制御部５はマイクロコンピュータから構成されている。
【００２１】
インバータ主回路２と商用電力系統３との間には、インバータ主回路２の出力側から順に巻線比１：１の絶縁トランス６と、系統保護のための系統連系用開閉器（以下、開閉器と略記する）７が設けられており、開閉器７はインバータ制御部５からの制御信号に応じて、その接点を開閉して商用電力系統３に連系、或るいは解列する。ここで、開閉器７はインバータ制御部５からの連系指令信号の入力によりその接点が閉じられ、インバータ制御部５からの解列指令信号の入力によりその接点が開かれる構成となっている。
【００２２】
制御電源回路８は、太陽電池１の直流電圧、若しくは整流回路９を介して得られた商用電力系統３からの直流電圧を降圧してインバータ制御部５、インバータ主回路２などから構成されるインバータ回路部１０等の動作電圧を生成しており、入力が１１０Ｖ、２０Ｗ以上ある場合に直流５Ｖの動作電圧をインバータ回路部１０等に供給する構成となっている。
【００２３】
そして、制御電源回路８に太陽電池１若しくは商用電力系統３からの出力を選択的に供給可能とする出力供給手段１３として、スイッチ部１１、スイッチ切替部１２とが設けられており、スイッチ切替部１２は太陽電池１の出力電圧を検出し、その検出値に応じて制御電源回路８に商用電力系統３の交流電圧を直流電圧に変換した整流回路９の出力電圧を入力するか否かの接続状態を切り替えている。
本実施の形態では、太陽電池１の出力電圧が、１００Ｖ以上となった場合にスイッチ部１１を閉じ、入力電圧の高い（＝約１４０Ｖ）商用電力系統３側からの電力に基づいてインバータ回路部１０の動作電圧が供給開始され、太陽電池１の出力電圧が連系運転可能電圧（＝１６０Ｖ）より低い１４０Ｖ以上となった場合には、スイッチ部１１を開放させ、太陽電池１からの電力に基づいてインバータ回路部１０、第１電圧検出手段１４の動作電圧を供給している。ここで、太陽電池１の出力電圧が１４０Ｖ以上の場合には、太陽電池温度等に関係なく制御電源回路８を動作させるのに充分な出力が太陽電池１から発電されている。
【００２４】
また、太陽電池１の出力電圧が１００Ｖ以下となった場合には、スイッチ部１１を開放させ、長期待機モードであるとして商用電力系統３側からの電力供給を停止し、制御電源回路８の動作を停止させている。
【００２５】
これにより、太陽電池１の出力が制御電源回路８を起動させるのに充分でない虞れのある場合に、商用電力系統からの電力に基づいて起動させているので、夏場などの朝方や夕方時において、太陽電池温度が高く、且つ日射量が少ないため、制御電源回路８が起動時に頻繁に起動、停止を繰り返すことが無い。
【００２６】
更に、太陽電池１の出力が制御電源回路８を動作させるのに充分となっている場合に、太陽電池１からの電力に基づいて動作継続させた後、インバータ動作を開始させるので、インバータ動作中に高調波成分の発生源となる整流手段１０がインバータ出力側に接続されることなく、負荷４及び商用電力系統３への供給電流成分中にこの高調波成分が重畳することが無い。
【００２７】
次に、インバータ制御部５について説明する。インバータ制御部５は制御電源回路８からの動作電圧を基準電圧として、太陽電池１の出力電圧及び商用電力系統３との連系点電圧の大きさを判断している。そして、太陽電池１の出力電圧を検出するアイソレーションアンプからなる第１電圧検出手段１４による検出値と、商用電力系統３との連系点電圧を検出する変圧器（ＰＴ）からなる第２電圧検出手段１５による検出値が入力され、その検出値に基づいて、インバータ主回路２への起動信号または停止信号の送出と、開閉器７への連系指令信号または解列指令信号の送出を行っている。
【００２８】
具体的には、第１電圧検出手段１４により太陽電池１の出力電圧を検出し、インバータ主回路２のインバータ動作停止中に太陽電池１の出力電圧が商用電力系統３に連系可能となる所定値（本実施形態では１９０Ｖに設定）以上になった場合には、インバータ主回路２にスイッチング信号を送出すると共に、開閉器７に連系指令信号を送出する。一方、インバータ主回路２のインバータ動作中に太陽電池１の出力電圧が商用電力系統３との連系運転ができない所定値（本実施形態では１６０Ｖに設定）以下になった場合には、太陽電池１の出力低下によるインバータ主回路２の待機状態であると判断して、インバータ主回路２へのスイッチング信号の送出を停止し、インバータ動作を停止させる。
【００２９】
また、第２電圧検出手段１５により商用電力系統３との連系点電圧を検出し、連系点電圧が商用電力系統の運用規定における適正範囲外となった場合には、商用電力系統３の過電圧異常または不足電圧異常発生によるインバータ主回路２の待機状態であると判断して、インバータ主回路２へのスイッチング信号の送出を停止すると共に、開閉器７に解列指令信号を送出する。尚、本実施形態では商用電力系統の過電圧値を１１５Ｖ、不足電圧値を８０Ｖに設定している。
【００３０】
そして、商用電力系統３の異常状態検出時には、所定時間、インバータ主回路２を待機状態にすると共に、系統連系時の安全を考慮して商用電力系統３の系統電圧が、異常状態と判断した過電圧値１１５Ｖより低い１０６Ｖ以下で、且つ８１Ｖ以上となるまでインバータ主回路２の起動を行わせない構成となっている。尚、本実施形態では、太陽電池１の出力電圧及び商用電力系統３との連系点電圧に基づいて、インバータ主回路２の待機状態に移行させる場合について説明しているが、この他の異常検出によって待機状態へ移行させても良い。
【００３１】
以上のように、インバータ制御部５では、インバータ主回路２の運転条件が整っているかどうかを検出し、インバータ主回路２の待機状態であると判断された場合には、インバータ主回路２へのスイッチング信号の送出を停止すると共に、開閉器７に解列指令信号を送出し、一方、インバータ主回路２の連系可能状態であると判断された場合には、インバータ主回路２にスイッチング信号を送出すると共に、開閉器７に連系指令信号を送出している。
【００３２】
更に、インバータ制御部５では、第１電圧検出手段１４により検出される太陽電池１の出力電圧が、太陽電池１から最大電力が引き出される最適動作点の電圧値Ｖｒｅｆとなり、かつ商用電力系統３との連系点電圧の基本周波数成分と同期させた電流がインバータ主回路２から出力するように、パルス幅変調されたスイッチング制御信号をインバータ主回路２に与えている。従って、インバータ主回路２と商用電力系統３との連系運転時には、商用周波数で運転力率が１になり、且つ太陽電池１から最大電力を引き出すようにインバータ主回路２の出力電流が制御される。
【００３３】
具体的には、第１電圧検出手段１４により検出された太陽電池１の出力電圧と、予め設定された最適動作点電圧Ｖｒｅｆとの差は差動増幅器１６によって誤差信号として増幅され、その誤差信号を乗算器１７の一方の入力信号としている。
【００３４】
そして、第２電圧検出手段１５により検出された連系点電圧の基本周波数成分をバンドパスフィルタ１８によって抽出し、その抽出された連系点電圧の基本周波数成分が乗算器１７の他方の入力信号として入力されている。
【００３５】
乗算器１７では、差動増幅器１６からの誤差信号とバンドパスフィルタ１８からの基本周波数成分信号との乗算を行って、インバータ電流の電流指令値を生成している。従って、この電流指令値は商用電力系統３との連系運転時には、系統電圧波形に同期し、太陽電池１の出力電圧を最適動作点電圧Ｖｒｅｆに制御する値となる。
【００３６】
そして、乗算器１７からの電流指令値と、変流器（ＣＴ）からなるインバータ電流検出手段２０により検出されたインバータ主回路２のインバ−タ電流との差をエラーアンプ１９によって増幅し、電流誤差信号としてインバータ制御部５に入力されている。
【００３７】
インバータ制御部５では、エラーアンプ１９からの電流誤差信号と、２０ｋＨｚ程度の基準三角波信号とを比較して、エラーアンプ１９からの電流誤差信号が零になるようにインバータ主回路２のスイッチング素子にスイッチング信号を供給してインバータ主回路２をＰＷＭ（パルス幅変調）制御すると共に、インバータ主回路２のインバータ動作を起動または停止させている。
【００３８】
次に、上記の様に構成された太陽光発電装置におけるインバータ制御部５及び出力供給手段１３の動作内容について説明する。
夜間などのように太陽電池１の出力電圧が、連系運転中に継続運転可能な必要最低電圧値１６０Ｖより低くなったときには、インバータ主回路２の待機状態であると判断し、インバータ制御部５は開閉器７に解列指令信号を入力し、開閉器７の接点を開くと共に、インバータ主回路２のインバータ動作を停止させる。
【００３９】
その後、太陽電池１の出力電圧が１４０Ｖ以下となったときには、スイッチ切替部１２によってスイッチ部１１を閉じ、商用電力系統３側からの電力に基づいて制御電源回路８が動作可能な状態にする。そして、更に太陽電池１の出力電圧が低下し、１００Ｖ以下になった場合には、スイッチ部１１を開放させて長期待機モードであるとして商用電力系統３側からの電力供給を停止させ、制御電源回路８の動作を停止させる。
【００４０】
そして、スイッチ切替部１２では、太陽電池１の出力電圧が再び１００Ｖ以上となったことが検出された場合には、再度スイッチ部１１を閉じて商用電力系統３側からの電力に基づいて制御電源回路８が動作可能な状態にする。その後、太陽電池１の出力電圧が更に上昇して、１４０Ｖ以上となったことが検出された場合には、スイッチ部１１を開放させて太陽電池１からの電力に基づいて制御電源回路８の動作を継続させる。
【００４１】
一方、インバータ制御部５では、太陽電池１の出力電圧が連系運転可能な必要最低電圧値１９０Ｖ以上に達したかどうかを監視し、太陽電池１の出力電圧が１９０Ｖ以上に達し、且つ商用電力系統３の異常が検出されていない場合に、開閉器７に連系指令信号を入力し、開閉器７の接点を閉じると共に、インバータ主回路２のインバータ動作を開始させ、システムを連系運転状態に移行させる。
【００４２】
尚、上記実施形態では、太陽電池の出力電圧が１００〜１４０Ｖの範囲において、スイッチ部１１及びスイッチ切替部１２からなる出力供給手段１３により商用電力系統３からの電力を制御電源回路に供給する場合について説明したが、この構成に限らず、例えば、制御電源回路８に太陽電池１又は商用電力系統３を選択的に接続されるようなスイッチ部を有する構成としても構わず、その他の構成で実現させても構わない。
【００４３】
また、上記実施形態では、絶縁トランス６を介してインバータ主回路２を商用電力系統３に連系する構成について説明したが、この構成に限らず、例えば、絶縁トランスを無くし、トランスレス方式でインバータ主回路２を商用電力系統３に連系させる構成としても構わず、その他の構成で実現させても良い。
【００４４】
【発明の効果】
以上述べた通り本発明によれば、制御電源回路を動作させるのに充分な出力が太陽電池からなされていない虞れのある期間は、商用電力系統からの出力に基づいて制御電源回路の起動を開始させ、太陽電池温度等に関係なく制御電源回路を動作させるのに充分な出力が太陽電池から発電されている期間には、太陽電池からの出力に基づいて制御電源回路を動作させるので、太陽電池温度が高く、且つ日射量が少ない朝方や夕方時において、制御電源回路の起動時に頻繁に起動、停止を繰り返すことが無くなりなる。
【００４５】
従って、装置全体を複雑化させずに、インバータ回路の誤動作防止や利用者の煩わしさ等を無くすことができると共に、使用時期や時間帯に関係なく常に制御電源回路のスムーズな起動が可能となる。
【００４６】
更に、インバータ動作中において、高調波成分の発生源となる整流手段がインバータ出力側に接続されることなく、負荷及び商用電力系統への供給電流成分中にこの高調波成分が重畳することが無い。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態による太陽光発電装置の概略構成図である。
【図２】従来の太陽光発電装置の概略構成図である。
【図３】太陽電池温度を変化させた場合の、太陽電池の出力電圧−出力電流特性図である。
【図４】図２従来装置における朝方での太陽電池の出力電圧変化図である。
【符号の説明】
１太陽電池
２インバータ主回路
３商用電力系統
４負荷
５インバータ制御部
６絶縁トランス
７系統連系用開閉器
８制御電源回路
９整流回路
１０インバータ回路部
１１スイッチ部
１２スイッチ切替部
１３出力供給手段
１４第１電圧検出手段（アイソレーションアンプ）
１５第２電圧検出手段
２０インバータ電流検出手段

Claims

太陽電池から発生する直流出力を所定電圧の交流出力に変換して出力するインバータ回路と、
太陽電池の出力若しくは商用電力系統からの出力を所定の基準値に変換出力し、その出力を前記インバータ回路に供給する制御電源回路と、
太陽電池の出力を検出し、その検出結果に応じて前記制御電源回路に商用電力系統からの出力を選択的に供給する出力供給手段とを備え、
前記制御電源回路は、
前記太陽電池から発生する直流出力が、第１の所定値以上のとき、前記インバータ回路を商用電力系統に連系させて負荷に電力を供給し、
前記出力供給手段は、
太陽電池から発生する直流出力が前記第１の所定値よりも低い第２の所定値以上、前記第１の所定値未満の場合には、該制御電源回路に太陽電池からの出力を供給し、
太陽電池の出力が前記第２の所定値よりも低い第３の所定値以上、前記第２の所定値未満の場合には、前記制御電源回路に商用電力系統からの出力を供給し、
太陽電池の出力が前記第３の所定値未満の場合には、該制御電源回路への電力供給を停止することを特徴とする太陽光発電装置。
商用電力系統の交流出力を直流出力に変換し、その変換出力を前記制御電源回路に供給可能にする整流手段を備え、
前記出力供給手段は、太陽電池の出力が前記第３の所定値以上、前記第２の所定値未満の場合には、前記整流手段を介して前記制御電源回路に商用電力系統からの出力を供給することを特徴とする請求項１記載の太陽光発電装置。