JP3927303B2 - 系統連系型太陽光発電システム - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、太陽電池から出力される直流電力を交流電力に変換するインバータ回路からなる電力変換装置を配電系統に連系して、負荷に電力を供給するとともに配電系統に電力を逆潮流することのできる太陽光発電システムの改良に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来、クリーンで無尽蔵な太陽光エネルギーを電気エネルギーに変換して活用するシステムとして図4に示す太陽光発電システムが提案されていた。
【0003】
図4において、1は太陽電池であり、直流電力を出力する。2ないし5はブリッジ接続されたスイッチング素子であり、6ないし9はスイッチング素子2ないし5にそれぞれ逆極性で並列に接続されたダイオードであり、スイッチング素子2ないし5に逆方向の電圧が印加されるのを防止するために設けられている。スイッチング素子2ないし5およびダイオード6ないし9はインバータ回路10を構成しており、太陽電池1から出力される直流電力を入力として、後述するインバータ制御回路17によりパルス幅制御された交流電力を出力する。11はリアクトルであり、12はコンデンサであり、これらはフィルタ回路を構成して、インバータ回路10から出力される交流電力を正弦波状の交流電力に変換する。13は電流検出器であり、インバータ回路10の出力電流を検出して、後述するインバータ制御回路17に電流検出信号Ifを出力する。17はインバータ制御回路であり、電流検出信号Ifを入力して、スイッチング素子2と3およびスイッチング素子4と5をパルス幅制御する駆動信号P1 およびP2 をそれぞれ出力し、インバータ回路10の出力電流が正弦波状になるように制御している。またインバータ制御回路17は、この回路が動作している間、後述する電磁接触器16に電磁接触器動作信号S1 を出力する。14は一次巻線14aと二次巻線14bとを有する出力トランスであり、直流成分を遮断し、後述する配電系統21と絶縁するために設けられている。16は電磁接触器であり、この接点15は、二次巻線14bの一端と出力端子aおよび二次巻線14bの他の一端と出力端子bの間にそれぞれ接続されている。電磁接触器16は、電磁接触器動作信号S1 が存在している間、接点15を閉じる。18は出力トランス14の二次巻線14bの電圧を検出して出力電圧検出信号Vfを出力する出力電圧検出器であり、この信号Vfはインバータ制御回路17に入力されて、出力電圧検出回路18の検出電圧が基準値を超えると、インバータ制御回路17はスイッチング素子駆動信号P1 およびP2 の出力を停止する。また同時に、インバータ制御回路17から電磁接触器16に出力されている電磁接触器動作信号S1 は停止され、電磁接触器16は接点15を開の状態にする。これらのインバータ回路10ないし出力電圧検出器18は、電力変換装置19を構成し、電力変換装置19の出力端子aおよびbは、開閉器20を介して配電系統21に接続されている。22は負荷であり、配電系統21および電力変換装置19から電力が供給される。
【0004】
図4において、太陽電池1は直流電力を出力し、この直流電力はインバータ回路10により交流電力に変換される。インバータ制御回路17が動作中にこの回路17から電磁接触器動作信号S1 が電磁接触器16に入力されて、接点15は閉の状態になる。インバータ回路10から出力される交流電力は、フィルタ回路を構成するリアクトル11およびコンデンサ12により正弦波状の交流電力に変換されて、出力トランス14と電磁接触器16の接点15とを介して、出力端子aおよびbに出力される。開閉器20は通常、閉の状態にあり、配電系統21および電力変換装置19から、負荷22に電力が供給される。また、負荷22が接続されていないとき、または負荷22が小さいとき、電力変換装置19から出力される電力は、配電系統21に逆潮流される。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
上記の従来の太陽光発電システムにおいて、開閉器20が過負荷等の原因により開の状態になると、出力トランス14の二次巻線14bは負荷が急変することになる。このときインバータ回路10は電流源として動作しているために、出力トランス14には、この負荷の急変に対応すべく高電圧が発生する。出力電圧検出器18は、この高電圧を検出して出力電圧検出信号Vfをインバータ制御回路17に出力する。インバータ制御回路17は、この出力電圧検出信号Vfを入力して出力トランス14の二次巻線14bの電圧が基準値を超えたとき、スイッチング素子駆動信号P1 およびP2 の出力を停止してインバータ回路10の駆動を停止する。また同時に、インバータ制御回路17は電磁接触器動作信号S1 の出力を停止するので、電磁接触器16は接点15を開く。
【0006】
ここで、インバータ回路10が駆動を停止しても、フィルタ回路を構成するコンデンサ12と出力トランス14の一次巻線14aとの並列回路に共振電流が発生し、この結果、出力トランス14には高電圧が発生するために、出力トランス14の二次巻線14bには、高電圧が消滅することなく継続して発生する。この高電圧は電力変換装置19内の各素子を破損する。また、電磁接触器16の接点15は、機械的動作遅れのため直ちに開とならないので、電力変換装置19の出力端子aおよびb間に高電圧が発生し、負荷22にも損害を与えるという問題点があった。
【0007】
そこで共振電流により発生する高電圧の最高値を下げるために、コンデンサ12の容量を大きくすることが提案された。コンデンサ12の容量を大きくすることによって、共振周波数を小さくし、高電圧の最高値を下げることができるために、高電圧の発生を抑えることができる。しかし、コンデンサ12の容量を大きくすることは、コストアップを招くばかりでなく、コンデンサのインピーダンスが小さくなるので、系統電圧の高調波電流の流入が大きくなる。その結果、系統電圧の歪みが大きいときには、電力変換装置19の出力電流の歪み率が高くなりまた、この高調波電流が過大であるときは、コンデンサに大きな電流が流れることになり、極端な場合にはこれを焼損するという問題点があった。
【0008】
【課題を解決するための手段】
請求項1に記載の発明は、太陽電池と、太陽電池の出力を交流電力に変換するインバータ回路と、インバータ回路の交流出力を正弦波状の交流電力に変換するリアクトルおよびコンデンサからなるフィルタ回路と、正弦波状の交流電力を配電系統に供給する出力トランスと、インバータ回路を制御するインバータ制御回路と、出力トランスと配電系統とを分離する開閉手段を設けた開閉器とを備えた系統連系型太陽光発電システムにおいて、出力トランスと鉄心を共有する三次巻線と、三次巻線の出力を短絡するスイッチング素子と、出力トランスの出力電圧検出器と、出力電圧検出器の出力が基準値を超えたときにインバータ制御回路の動作を停止するとともにスイッチング素子を導通させて三次巻線を短絡させる保護回路とを備えた系統連系型太陽光発電システムである。
【0009】
請求項2に記載の発明は、太陽電池と、太陽電池の出力を交流電力に変換するインバータ回路と、インバータ回路の交流出力を正弦波状の交流電力に変換するリアクトルおよびコンデンサからなるフィルタ回路と、正弦波状の交流電力を配電系統に供給する出力トランスと、インバータ回路を制御するインバータ制御回路と、出力トランスと配電系統とを分離する開閉手段を設けた開閉器とを備えた系統連系型太陽光発電システムにおいて、出力トランスの巻線と並列に接続されたスイッチング素子と、出力トランスの出力電圧検出器と、出力電圧検出器の出力が基準値を超えたときにインバータ制御回路の動作を停止するとともにスイッチング素子を導通させて出力トランスの巻線を短絡させる保護回路とを備えた系統連系型太陽光発電システムである。
【0010】
【発明の実施の形態】
図1は本発明の実施の形態の例を示す図である。同図において、14cは出力トランス14に巻かれた三次巻線、23はヒューズ、24はスイッチング素子であり、例えばトライアックを利用できる。これらの三次巻線14c、ヒューズ23およびスイッチング素子24は、短絡回路を構成している。25は保護回路であり、出力電圧検出器18からの信号Vfを入力として、出力トランス14の二次巻線14bの電圧が予め設定された基準値を超えたときに、インバータ制御回路17に停止信号S2 を出力し、また同時に、スイッチング素子24に駆動信号P3 を出力する。ヒューズ23は溶断したときに、信号S3 を保護回路25に出力する。このヒュ−ズ23は、例えば富士電機製CR6L−50Sが使われる。その他は図4に示した従来装置と同機能のものに同符号を付して説明を省略する。
【0011】
図1の装置において、開閉器20が閉の状態のときの電力変換装置19の動作説明は、図4に示した従来装置の動作説明と同じであるため、説明を省略する。
【0012】
次に、開閉器20が過負荷等の原因により開の状態になると、出力トランス14の二次巻線14bは負荷が急変することになる。このときインバータ回路10は電流源として動作しているために、出力トランス14には、この負荷の急変に対応すべく高電圧が発生する。出力電圧検出器18は、この高電圧を検出して出力電圧検出信号Vfを保護回路25に出力する。保護回路25は、この信号Vfを入力して出力トランス14の二次巻線14bの電圧が基準値を超えたとき、インバータ制御回路17に停止信号S2 を出力する。インバータ制御回路17はこの信号S2 を入力して、スイッチング素子駆動信号P1 およびP2 の出力を停止して、インバータ回路10の駆動を停止する。また同時に、保護回路25はスイッチング素子24に駆動信号P3 を出力し、スイッチング素子24が導通すると、スイッチング素子24、ヒューズ23および出力トランス14の三次巻線14cの短絡回路が形成される。この結果、一次巻線14aのインピーダンスは、漏れインピーダンスのみで十分小さくなるために、一次巻線14aには電流は流れても電圧は発生しない。また、一次巻線14aのインピーダンスが十分小さくなるため、共振電流が発生しないので、出力トランス14に高電圧が発生することはない。さらにこの時、インバータ制御回路17は電磁接触器動作信号S1 の出力を停止するので、電磁接触器16はこの信号S1 の入力を停止して、機械的動作遅れ時間の後に接点15を開く。この結果、電力変換装置19は配電系統21と完全に切り離される。
【0013】
なお、スイッチング素子24を導通させる駆動信号P3 は、出力トランス14に高電圧が発生したときからこれが消滅するまでの間継続するように、保護回路25に時限要素を設けている。
【0014】
図1の装置において、開閉器20が閉の状態であるにもかかわらず、何らかの原因で電圧が上昇して、出力電圧検出器18が過電圧を検出すると、保護回路25はスイッチング素子24を導通させて、短絡回路が形成される。この結果、配電系統21からこの短絡回路に過大な電流が流れ込むが、このとき、ヒューズ23が溶断して、電力変換装置19を構成する素子が破損されることを防ぐ。さらに、ヒューズ23が溶断したときに、ヒューズ23は信号S3 を保護回路25に出力し、保護回路25はこの信号S3 を入力して、インバータ制御回路17に停止信号S2 を出力するとともに、図示していない警報器に信号を出力して警報の表示をする。また、この短絡回路は、配電系統21と電気的に絶縁状態にあるので、配電系統21と混触することがなく、安全性が高い。
【0015】
図2は本発明の別の実施の形態の例を示す接続図である。同図において、ヒューズ23とスイッチング素子24とを出力トランス14の一次巻線14aの端子間に接続している。その他は図1に示した装置と同機能のものに同符号を付して説明を省略する。
【0016】
図2の装置においては、図1の装置と異なり、出力トランス14の一次巻線を直接スイッチング素子24で短絡するものであるが、そのときの動作は図1と同様である。
【0017】
図2の装置においては、保護回路25の電源としてインバータ回路10が接続された線から直接電力を入力すると、スイッチング素子24が導通した時に、保護回路25を通して短絡回路が形成されて、保護回路25を破損する危険性がある。このため、保護回路25の電源として、インバータ回路10が接続された線とは変圧器で絶縁された状態で電力を入力する必要がある。
【0018】
図2の装置においては、ヒューズ23とスイッチング素子24とを出力トランス14の一次巻線14aの端子間に接続しているが、端子間に接続する代わりに、一次巻線14aから中間タップを引き出して接続しても、同様の効果が得られる。この中間タップを引き出して接続する場合は、一次巻線14aの端子間に接続する場合と比較して、スイッチング素子24にかかる電圧が少し小さいので、定格電圧の低いものを使用することができる。
【0019】
また、ヒューズ23とスイッチング素子24とを出力トランス14の一次巻線14a側に接続する代わりに、二次巻線14b側に接続しても同様の効果が得られる。
【0020】
図3は本発明のさらに別の実施の形態の例を示す接続図である。同図において、出力トランス14に四次巻線14dを巻き、この巻線にかかる電圧を保護回路25に出力している。その他は図1に示した装置と同機能のものに同符号を付して説明を省略する。
【0021】
図3の装置は、図1の装置の出力電圧検出器18を四次巻線14dに置き換えたものであり、その動作は図1の装置と変わるところはない。
【0022】
図3の装置においては、ヒューズ23とスイッチング素子24と出力トランス14の三次巻線14cとからなる短絡回路および四次巻線14dがインバータ回路10や配電系統21と完全に絶縁されているので、さらに安全性が向上する。また、図1に示した装置と比べて、出力トランス14の出力電圧を四次巻線14dにて検出するので、この四次巻線14dの出力電圧を他の制御回路が取扱う電圧と同様のレベル程度に定めることができる。このため出力電圧を直接検出する方式の図1の装置に比べて、装置の設計裕度が増し、簡単で安価な装置を得ることができる。
【0023】
図1ないし図3に示した実施例において、出力トランス14と電磁接触器16の接点15との間に、系統連系保護継電器を設けて、配電系統21の電圧上昇が例えば定格電圧の110〜125[%]以上を検出したときに、インバータ回路10を停止し、電磁接触器16の接点15を開とすることができる。この場合は、電力変換装置19の出力電圧が例えば定格電圧の130〜150[%]以上を検出したときに、保護回路25を動作させることにすると、単なる配電系統21の電圧上昇では、保護回路25を動作させなくすることができる。
【0024】
【発明の効果】
上記の通り、本発明の系統連系型太陽光発電システムは、電力変換装置と配電系統とを接続する開閉器が過負荷等の原因により開となり電力変換装置の出力端子に高電圧が発生した場合、電力変換装置内の出力トランスの巻線を短絡させるか又は別の三次巻線を設けて、この巻線を短絡させて、高電圧の発生を抑えるものである。この結果、従来装置のようにフィルタ回路を構成するコンデンサの容量を大きくする必要がないために、コンデンサの容量を大きくすることにより発生する問題点である、系統電圧の高調波電流の流入が大きくなり電力変換装置の出力電流の歪み率が高くなることや、高調波電流が過大であるときにコンデンサを焼損するという問題点を解決することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の実施の形態の例を示す接続図である。
【図2】本発明の別の実施の形態の例を示す接続図である。
【図3】本発明のさらに別の実施の形態の例を示す接続図である。
【図4】従来の装置の例を示す接続図である。
【符号の説明】
1 太陽電池
2、3、4、5、 スイッチング素子
6、7、8、9 ダイオード
10 インバータ回路
11 リアクトル
12 コンデンサ
13 電流検出器
14 出力トランス
14a 一次巻線
14b 二次巻線
14c 三次巻線
14d 四次巻線
15 電磁接触器16の接点
16 電磁接触器
17 インバータ制御回路
18 出力電圧検出器
19 電力変換装置
20 開閉器
21 配電系統
22 負荷
23 ヒューズ
24 スイッチング素子
25 保護回路
a、b 出力端子
If 電流検出信号
Vf 出力電圧検出信号
S1 電磁接触器動作信号
S2 インバータ停止信号
S3 ヒューズ溶断信号
P1 、P2 、P3 スイッチング素子駆動信号

Claims (2)

  1. 太陽電池と、前記太陽電池の出力を交流電力に変換するインバータ回路と、前記インバータ回路の交流出力を正弦波状の交流電力に変換するリアクトルおよびコンデンサからなるフィルタ回路と、前記正弦波状の交流電力を配電系統に供給する出力トランスと、前記インバータ回路を制御するインバータ制御回路と、前記出力トランスと前記配電系統とを分離する開閉手段を設けた開閉器とを備えた系統連系型太陽光発電システムにおいて、前記出力トランスと鉄心を共有する三次巻線と、前記三次巻線の出力を短絡するスイッチング素子と、前記出力トランスの出力電圧検出器と、前記出力電圧検出器の出力が基準値を超えたときに前記インバータ制御回路の動作を停止するとともに前記スイッチング素子を導通させて前記三次巻線を短絡させる保護回路とを備えた系統連系型太陽光発電システム。
  2. 太陽電池と、前記太陽電池の出力を交流電力に変換するインバータ回路と、前記インバータ回路の交流出力を正弦波状の交流電力に変換するリアクトルおよびコンデンサからなるフィルタ回路と、前記正弦波状の交流電力を配電系統に供給する出力トランスと、前記インバータ回路を制御するインバータ制御回路と、前記出力トランスと前記配電系統とを分離する開閉手段を設けた開閉器とを備えた系統連系型太陽光発電システムにおいて、前記出力トランスの巻線と並列に接続されたスイッチング素子と、前記出力トランスの出力電圧検出器と、前記出力電圧検出器の出力が基準値を超えたときに前記インバータ制御回路の動作を停止するとともに前記スイッチング素子を導通させて前記出力トランスの巻線を短絡させる保護回路とを備えた系統連系型太陽光発電システム。
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