JP3775221B2

JP3775221B2 - 太陽光発電システム

Info

Publication number: JP3775221B2
Application number: JP2000399507A
Authority: JP
Inventors: 晃吉武; 潔後藤; 信一郎岡本; 博昭小新
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 2000-12-27
Filing date: 2000-12-27
Publication date: 2006-05-17
Anticipated expiration: 2020-12-27
Also published as: JP2002199589A

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、詳しくは、インバータの出力を制御することができる太陽光発電システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から系統連系型の太陽光発電システムとして、図６に示すものがある。比較的小容量に分割された太陽電池１と直交変換装置であるインバータ２とが直列に接続されて太陽光発電ユニット１０を構成する。この太陽光発電ユニット１０は、交流電力線５を介して複数並列に系統連系保護装置３と接続されるとともに、通信線６とも同様に接続されている。また、系統連系保護装置３０は、商用電源４と接続され、商用電源４の周波数変動や電圧変動、あるいは停電等を検出してインバータ２と商用電源４を切り離す系統連系保護機能を有している。
【０００３】
太陽電池１毎に接続されたインバータ２は、太陽電池１の供給電力を最大限に利用するために最大出力点制御機能(以後、ＭＰＰＴ制御とする）を有しており、各太陽電池１の出力特性に合わせてＭＰＰＴ制御を行うため、太陽電池１の設置条件等により各太陽電池１の出力特性に相違が発生しても最大電力を出力できるようになっている。
【０００４】
ところで、上述した太陽光発電システムにおいては、太陽光発電ユニット１０の出力電力の合計（総合電力）が系統連系保護装置３０の定格出力を超えることのないようにシステムの設計を行う必要がある。つまり、全太陽光発電ユニットを構成する太陽電池の合計容量が系統連系保護装置３０の定格出力以下になるように設計しなければならない。このようなシステムでは、安全に動作を行うことが保証可能である。しかし、太陽光発電ユニット１０の定格出力の合計が系統連系保護装置３０の定格出力を超えているが、通常は系統連系保護装置３０の定格出力を超えないであろうと考えられる場合、その判断は難しくなる。図７に示す例の場合（但しワット数は定格を示す）、太陽電池１の設置条件が南北で異なっているため、太陽光発電ユニット１０の瞬時総合出力は通常、系統連系保護装置３０の定格出力を超えることがないと考えられるが、その保証をすることは難しく、安全を考えると太陽光発電ユニット１０の定格出力の合計を系統連系保護装置３０の定格出力以下に抑える必要があり、屋根スペース等を無駄にしてしまうことになる。また、図８に示すように（但しワット数は定格を示す）、太陽電池容量・設置条件等が異なると、さらにその判断は複雑になる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
このように、太陽光発電ユニット１０の定格出力の合計が系統連系保護装置３０の定格出力を超えている場合、通常における太陽光発電ユニット１０の出力電力の合計が系統連系保護装置３０の定格出力を超えないことを保証することは非常に労力を要する。また、安全性を考慮すると、太陽光発電ユニット１０の台数を減らす等、太陽光発電ユニット１０の定格出力の合計を減少させる必要があり、屋根スペース等を無駄にしてしまう。しかし、本来、太陽光発電システムは、各インバータ毎にＭＰＰＴ制御を行うため、屋根の形状や太陽電池の設置方位等にとらわれない汎用性の高いシステムを構築できることが利点であるにも関わらず、上述したように、システムの構成が制限されてしまうという問題点を有している。
【０００６】
本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、系統連系保護装置に並列接続される太陽光発電ユニットの台数に制限を加える必要がなく汎用性の高いシステムを提供するとともに、効率のよい発電を行うことができる太陽光発電システムを提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項１記載の太陽光発電システムは、太陽電池と、この太陽電池からの直流出力を交流出力に変換するインバータと、前記太陽電池および前記インバータを直列に接続してなる太陽光発電ユニットを複数並列に接続し前記インバータに制御信号を送信する系統連系保護装置と、この系統連系保護装置に並列接続された全ての太陽光発電ユニットの総合出力と前記系統連系保護装置の定格出力とを比較する比較器とを備え、前記系統連系保護装置に全ユニットの総合出力が前記定格出力よりも小さくなるまで出力抑制信号を送り前記インバータの出力を制御する出力制御手段を備えたことを特徴とするものである。
【０００８】
この太陽光発電システムによると、前記比較器において、前記系統連系保護装置に並列接続される全太陽光発電ユニットの総合出力と前記系統連系保護装置の定格出力とを比較し、前記総合出力が前記定格出力以上となる場合には、前記系統連系保護装置の出力制御手段により前記インバータに出力抑制信号を送信することによって、このインバータの出力を抑制し、全ユニットの総合出力が前記系統連系保護装置の定格出力以上に継続してなることを防止することができる。従って、前記系統連系保護装置に並列接続される太陽光発電ユニットの台数に制限を加える必要がなく、汎用性の高いシステムとなる。
【０００９】
請求項２記載の太陽光発電システムは、請求項１記載の太陽光発電システムにおいて、前記出力制御手段は、前記出力抑制信号を特定のインバータに１台ずつ送り、前記インバータの出力を１台ずつ制御することを特徴とするものであり、前記出力制御手段により前記太陽光発電ユニットの総合出力の細かい制御が可能となる。
【００１０】
請求項３記載の太陽光発電システムは、請求項１または請求項２記載の太陽光発電システムにおいて、前記出力制御手段は、前記系統連系保護装置から前記出力抑制信号を受けたインバータが徐々にその出力を低下させ、且つ前記出力抑制信号が解除された場合には徐々にその出力を増加させることを特徴とするものであり、前記出力制御手段によりインバータの総合出力をさらにきめ細かく制御することができるとともに、システム全体としての効率がよくなる。
【００１１】
請求項４記載の太陽光発電システムは、請求項１から請求項３のうちいずれかに記載の太陽光発電システムにおいて、前記出力制御手段は、特定のインバータに前記出力抑制信号を与えているにも関わらず全太陽光発電ユニットの総合出力が低下しない場合において、前記系統連系保護装置はそのインバータからの出力がなくなったと判断して制御対象を他のインバータに変更することを特徴とするものであり、制御対象とするインバータを切り替える時点が明確となるため、素早い制御が可能となる。
【００１２】
請求項５記載の太陽光発電システムは、請求項４記載の太陽光発電システムにおいて、前記出力制御手段は、各太陽光発電ユニットに太陽電池の直流出力の給電経路をインバータから補助電池へと切り替える切替部を設け、且つ前記系統連系保護装置に切替制御信号を送信する機能を付加し、前記出力抑制信号により出力しなくなったインバータを有するユニットにおいて、前記給電経路を補助電池へと切り替えることを特徴とするものであり、前記出力抑制信号により発電を停止させたインバータに接続されている太陽電池の出力を有効利用することができる。
【００１３】
請求項６記載の太陽光発電システムは、請求項１または請求項３記載の太陽光発電システムにおいて、前記出力制御手段は、全太陽光発電ユニットの総合出力が前記系統連系保護装置の定格出力を大幅に上回った場合において、前記系統連系保護装置は複数のインバータに出力抑制信号を与えることを特徴とするものであり、前記定格出力以上の発電電力が長時間出力されることがなく、より信頼性の高いシステムとなる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について説明する。図１は、本発明の第１実施形態に係る太陽光発電システムの構成図であり、図１の（ａ）は回路構成図、図１の（ｂ）は動作説明図である。
【００１５】
本発明の第１実施形態について、図１を参照して説明する。この太陽光発電システムは、比較的小容量に分割された太陽電池１と、この太陽電池１からの直流電力を交流電力に変換するインバータ２と、太陽電池１とインバータ２とで構成された太陽光発電ユニット１０と、インバータ２に制御信号を送信する系統連系保護装置３と、この系統連系保護装置３とインバータ２とを接続する交流電力線５と、同じく系統連系保護装置３とインバータ２とを接続し前記制御信号を伝送する通信線６とを備えている。そして、複数台の太陽光発電ユニット１０が系統連系保護装置３に並列接続されるとともに、系統連系保護装置３に商用電源４が接続されている。また、この太陽光発電システムは、系統連系保護装置３内に、電力線５を流れる電流を検出して系統連系保護装置３に並列接続された全太陽光発電ユニット１０の総合出力を検出する検出器３１と、この検出器３１で取得した全太陽光発電ユニット１０の総合出力と系統連系保護装置３の定格出力とを比較する比較器３２と、この比較器３２の結果より制御信号を生成するＣＰＵ３３と、このＣＰＵ３３が生成した制御信号をインバータ２へ送信する通信装置３４と、インバータ２と商用電源４の接続を解除する解列リレー３５とを備えている。
【００１６】
ここで、太陽光発電ユニット１０を区別するために、図１に示すように右の方から順番に１０ａ、１０ｂ、１０ｃとし、太陽光発電ユニット１０ａは太陽電池１ａとインバータ２ａで構成され、太陽光発電ユニット１０ｂは太陽電池１ｂとインバータ２ｂで構成され、太陽光発電ユニット１０ｃは太陽電池１ｃとインバータ２ｃで構成されている。
【００１７】
この実施形態において、太陽電池１は太陽電池パネルを複数直列に接続してなるものである。インバータ２は、これに接続される太陽電池１の最大電力を出力可能なように、各太陽光発電ユニットにおいて個別にＭＰＰＴ制御を行う。すなわち、インバータ２ａは太陽電池１ａに対してＭＰＰＴ制御を行うようになっている。系統連系保護装置３は、商用電源４の周波数変動や電圧変動、あるいは停電等を検出して、解列リレー３５によってインバータ２と商用電源４との接続を解除する系統連系保護機能を有している。なお、本実施形態では、比較器３２を系統連系保護装置３に内蔵したが、系統連系保護装置３に外付けしていても構わない。
【００１８】
本実施形態の太陽光発電システムの動作について説明する。通常、太陽電池１に接続されるインバータ２は、その接続される太陽電池１の出力を最大出力とするようにＭＰＰＴ制御を行う。インバータ２から出力される電力は、交流電力線５を介して系統連系保護装置３に送られ、系統連系保護装置３内の解列リレー３５を通じて商用電源４に逆潮流される。系統連系保護装置３は、接続される全太陽光発電ユニット１０の総合出力を検出器３１によって検出し、この総合出力と系統連系保護装置３の定格出力とを比較器３２において比較する。そして、全ユニット１０の総合出力が系統連系保護装置３の定格出力よりも小さい場合には、インバータ２はＭＰＰＴ制御により接続される太陽電池１の出力が最大となるように制御される。また、全ユニット１０の総合出力が系統連系保護装置３の定格出力より大きい場合には、この総合出力が系統連系保護装置３の定格出力よりも小さくなるまで、系統連系保護装置３のＣＰＵ３３は、通信装置３４より通信線６を介して出力抑制信号をインバータ２に与える。この出力抑制信号受け取ったインバータ２は、ＭＰＰＴ制御をやめ出力抑制信号が解除されるまで出力を低下させる。そして、再び比較器３２において比較し、全ユニット１０の総合出力が系統連系保護装置３の定格出力以下になったことをＣＰＵ３３が検知すると、このＣＰＵ３３が通信装置３４を通じて出力抑制信号を解除する抑制解除信号を当該インバータ２に送信するのである。抑制解除信号を受けた当該インバータ２は再度ＭＰＰＴ制御を行い、最大出力が取り出せるようになる。このように、全太陽光発電ユニット１０が発電する総合出力が系統連系保護装置３により制御されるため、図１の（ｂ）に示すように、全ユニット１０の総合出力が系統連系保護装置３の定格出力以上に継続してなることがなく、全ユニット１０の総合出力は定格出力付近で波打つような形になる。なお、全ユニット１０の総合出力が定格出力を超えないように制御したければ、比較器３２における判断基準を定格出力よりも少し下に設定しておけばよい。従って、系統連系保護装置３に太陽光発電ユニット１０の台数を制限なく並列接続することができ、様々な屋根形状および設置条件等に関わらず、所望する太陽光発電システムを構築することが可能となる。
【００１９】
次に、本発明の第２実施形態について、図２を参照して説明する。図２は、本発明の第２実施形態に係る太陽光発電システムの構成図であり、図２の（ａ）は回路構成図、図２の（ｂ）は動作説明図である。また、図２の系統連系保護装置３の内部構成は、図１と同様であるので省略する。以下の実施形態に係る図についても同様とする。この太陽光発電システムは、系統連系保護装置３からの制御信号である出力抑制信号を特定のインバータ２に１台ずつ送り、インバータ２の出力を１台ずつ制御する点において、第１実施形態と異なっている。
【００２０】
この太陽光発電システムの動作について説明する。系統連系保護装置３に並列接続されるインバータ２を識別可能にするために、インバータ２に認識番号を付加し、出力抑制信号および抑制解除信号の送信データにその認識番号を添付して送信する。出力抑制信号および抑制解除信号は、添付した認識番号が一致するインバータ２のみ有効となる。比較器３２において、全太陽光発電ユニット１０の総合出力が系統連系保護装置３の定格出力よりも大きくなった場合、例えば、図２に示すインバータ２ａ、１台の出力を制御して全ユニットの総合出力を小さくすることにする。系統連系保護装置３は、出力抑制信号の送信データにインバータ２ａの識別番号を添付して送信し、インバータ２ａの出力を小さくする。そして、比較器３２において比較し、全ユニット１０の総合出力が系統連系保護装置３の定格出力以下になったことを系統連系保護装置３が検知すると、抑制解除信号に再びインバータ２ａの識別番号を添付して送信し、これを受けたインバータ２ａは出力抑制をやめ、ＭＰＰＴ制御を行うのである。また、この認識番号の一致しないインバータ２ｂおよびインバータ２ｃは、太陽電池１ｂおよび太陽電池１ｃが最大出力するようにＭＰＰＴ制御を行う。このようにして、系統連系保護装置３は、特定のインバータ１台ずつを制御するため、図２の（ｂ）に示すように、全ユニット１０の総合出力は定格出力付近で小さく波打つような形になる。従って、太陽光発電ユニット１０の総合出力の細かい制御が可能となり、システム全体として効率を上げることができる。
【００２１】
また、この太陽光発電システムにおいて、系統連系保護装置３から出力抑制信号を受けたインバータ２ａは徐々にその出力を低下させ、且つ抑制解除信号を受け出力抑制信号が解除された場合には、受信後の一定時間はＭＰＰＴ制御を再開後も最大出力を出力せず、徐々にその出力を増加させるように制御を行ってもよい。従って、インバータ２ａが徐々に出力を低下させ系統連系保護装置３が逐次全ユニット１０の総合出力を監視し出力制御を行うことにより、抑制が必要な出力量をインバータ２ａに伝達する必要がなく、インバータ２と系統連系保護装置３との間で煩雑な通信を行う必要がなくなる。また、解除時に徐々に出力を増加させることにより、解除後の急激な出力の変化が発生しないため安定して制御を行うことが可能となる。さらに、全ユニット１０の総合出力は定格出力付近でより小さく波打つような形になり、きめ細かく制御することができるとともに、システム全体としての効率がより向上する。
【００２２】
なお、本実施形態では、１台のインバータにおいて徐々にその出力の低下と増加を行ったが、本発明では、これに限ったものではなく、複数のインバータにおいて行ってもよい。
【００２３】
本発明の第３実施形態について、図３を参照して説明する。図３は、本発明の第３実施形態に係る太陽光発電システムの構成図であり、図３の（ａ）は回路構成図、図３の（ｂ）は動作説明図である。この太陽光発電システムは、特定のインバータに出力抑制信号を与えているにも関わらず全太陽光発電ユニットの総合出力が低下しない場合において、系統連系保護装置３がそのインバータからの出力がなくなったと判断して制御対象を他のインバータに変更する点において、第１実施形態と異なっている。
【００２４】
この太陽光発電システムの動作について説明する。系統連系保護装置３は、全ユニットの総合出力が系統連系保護装置３の定格出力以上であることを検知し、例えばインバータ２ａに出力抑制信号を送信して、この総合出力を低下させるものとする。この信号を受けたインバータ２ａは出力を低下させていく。このとき、系統連系保護装置３は常に全ユニットの総合出力を検出器３１および比較器３２において監視しており、図３の（ｂ）に示すように、インバータ２ａに出力抑制信号を送信しているにも関わらず総合出力が減少しない（総合出力が一定である）ことを検出すると、この検出信号によりインバータ２ａからの出力が０Ｗであるためインバータ２ａの出力低下により総合出力を減少させることは不可能であると判断し、制御対象とするインバータ２をインバータ２ａからインバータ２ｂに変更する。そして、インバータ２ｂに対して出力抑制信号を送信し、インバータ２ｂの出力を低下させていくことによって、全ユニットの総合出力を系統連系保護装置３の定格出力以下に制御するのである。また、インバータ２ｂの出力抑制信号に対しても総合出力が定格出力以上で減少しない場合には、出力抑制制御対象をまだ出力抑制制御を行っていないインバータ２ｃへ移行させる。従って、制御対象とするインバータ２を切り替える時点が明確となるため、次の制御対象となるインバータへの切り替えを早急に行うことができる。
【００２５】
本発明の第４実施形態について、図４を参照して説明する。図４は、本発明の第４実施形態に係る太陽光発電システムの回路構成図である。この太陽光発電システムは、各太陽光発電ユニット１０に補助電池７と、太陽電池１の直流出力の給電経路をインバータ２から補助電池７へと切り替える切替部８と、この切替部８と系統連系保護装置３を接続する信号線９とを設け、且つ系統連系保護装置３内のＣＰＵ３３に切替部８を切り替えるための切替制御信号を生成する機能と、通信装置３４に前記切替制御信号を信号線９を介して切替部８に送信する機能を付加し、出力抑制信号により出力しなくなったインバータを有するユニットにおいて、前記給電経路を補助電池７へと切り替える点において、第３実施形態と異なっている。
【００２６】
ここで、太陽光発電ユニット１０ａには補助電池７ａおよび切替部８ａが設けられ、太陽光発電ユニット１０ｂには補助電池７ｂおよび切替部８ｂが設けられ、太陽光発電ユニット１０ｃには補助電池７ｃおよび切替部８ｃが設けられている。
【００２７】
この太陽光発電システムの動作について説明する。図３の（ｂ）に示すように、出力が０Ｗであると判断されたインバータ２ａに接続されている太陽電池１ａは、給電可能であるにも関わらず利用されていない状態になっている。系統連系保護装置３は、信号線９を介して切替制御信号を切替部８ａに送信し、インバータ２ａに接続されている太陽電池１ａの給電経路を補助電池７ａに切り替える。従って、出力抑制信号により出力電力が０Ｗとなったインバータ２に接続される太陽電池１の資源を有効利用することができる。
【００２８】
本発明の第５実施形態について、図５を参照して説明する。図５は、本発明の第５実施形態に係る太陽光発電システムの構成図であり、図５の（ａ）は回路構成図、図５の（ｂ）は動作説明図である。この太陽光発電システムは、全太陽光発電ユニット１０の総合出力が系統連系保護装置３の定格出力を大幅に上回った場合において、系統連系保護装置３が全インバータ２に同時に出力抑制信号を与える点において、第１実施形態と異なっている。
【００２９】
この太陽光発電システムの動作について説明する。系統連系保護装置３内の比較器３２において、全ユニット１０からの総合出力と系統連系保護装置３の定格出力とを比較し、ＣＰＵ３３において全ユニット１０の総合出力が定格出力を大幅に超えたことを検知すると、系統連系保護装置３は全インバータ２に有効な出力抑制信号を送信する。出力抑制信号を与えられた全インバータ２は、一斉にＭＰＰＴ制御から出力抑制制御に切り替え、出力を低下させる。その結果、図５の（ｂ）に示すように、全ユニット１０の総合出力はすぐに減少を開始し、短時間で全ユニット１０の総合出力を定格出力以下まで低下させることができる。従って、大幅な出力低下が必要であり、インバータ１台ずつの制御では時間がかかっていた場合でも、全インバータ２において同時に出力抑制制御を行うことによって、全ユニット１０の総合出力が系統連系保護装置３の定格出力以上に長時間継続してなることがなく、より安全な発電を行うことができる。
【００３０】
【発明の効果】
以上、説明したように本発明の太陽光発電システムによれば、比較器において全太陽光発電ユニットの総合出力と系統連系保護装置の定格出力とを比較し、全ユニットの総合出力が系統連系保護装置の定格出力よりも大きくなった場合において、系統連系保護装置は特定のインバータに対して出力を制御する制御信号を送信するので、系統連系保護装置に並列接続される太陽光発電ユニットの台数に制限を加える必要がなく汎用性の高いシステムを提供するとともに、効率のよい発電を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態に係る太陽光発電システムの構成図である。
【図２】本発明の第２実施形態に係る太陽光発電システムの構成図である。
【図３】本発明の第３実施形態に係る太陽光発電システムの構成図である。
【図４】本発明の第４実施形態に係る太陽光発電システムの構成図である。
【図５】本発明の第５実施形態に係る太陽光発電システムの構成図である。
【図６】従来の太陽光発電システムの構成図である。
【図７】太陽電池の合計容量が系統連系保護装置の定格出力以上である場合の施工状態図である。
【図８】太陽電池の合計容量が系統連系保護装置の定格出力以上であり、各太陽電池の定格容量および設置条件が大きく異なる場合の施工状態図である。
【符号の説明】
１太陽電池
２インバータ
３系統連系保護装置
７補助電池
８切替部
１０太陽光発電ユニット
３１検出器
３２比較器
３３ＣＰＵ
３４通信装置

Claims

太陽電池と、この太陽電池からの直流出力を交流出力に変換するインバータと、前記太陽電池および前記インバータを直列に接続してなる太陽光発電ユニットを複数並列に接続し前記インバータに制御信号を送信する系統連系保護装置と、この系統連系保護装置に並列接続された全ての太陽光発電ユニットの総合出力と前記系統連系保護装置の定格出力とを比較する比較器とを備え、前記系統連系保護装置に全ユニットの総合出力が前記定格出力よりも小さくなるまで出力抑制信号を送り前記インバータの出力を制御する出力制御手段を備えたことを特徴とする太陽光発電システム。
前記出力制御手段は、前記出力抑制信号を特定のインバータに１台ずつ送り、前記インバータの出力を１台ずつ制御することを特徴とする請求項１記載の太陽光発電システム。
前記出力制御手段は、前記系統連系保護装置から前記出力抑制信号を受けたインバータが徐々にその出力を低下させ、且つ前記出力抑制信号が解除された場合には徐々にその出力を増加させることを特徴とする請求項１または請求項２記載の太陽光発電システム。
前記出力制御手段は、特定のインバータに前記出力抑制信号を与えているにも関わらず全太陽光発電ユニットの総合出力が低下しない場合において、前記系統連系保護装置はそのインバータからの出力がなくなったと判断して制御対象を他のインバータに変更することを特徴とする請求項１から請求項３のうちいずれかに記載の太陽光発電システム。
前記出力制御手段は、各太陽光発電ユニットに太陽電池の直流出力の給電経路をインバータから補助電池へと切り替える切替部を設け、且つ前記系統連系保護装置に切替制御信号を送信する機能を付加し、前記出力抑制信号により出力しなくなったインバータを有するユニットにおいて、前記給電経路を補助電池へと切り替えることを特徴とする請求項４記載の太陽光発電システム。
前記出力制御手段は、全太陽光発電ユニットの総合出力が前記系統連系保護装置の定格出力を大幅に上回った場合において、前記系統連系保護装置は複数のインバータに出力抑制信号を与えることを特徴とする請求項１または請求項３記載の太陽光発電システム。