JP3941346B2 - 太陽光発電システムにおけるパワーコンディショナ - Google Patents
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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おけるパワーコンディショナに関する。
【０００２】
【従来の技術】
太陽光発電による分散型電源と商用電源とを連系し、太陽光発電によって家庭内機器に電力を供給するとともに余分の電力を系統に逆潮流する一方で、太陽光発電だけでは電力が不足する場合は系統側から電力を供給する太陽光発電システムがある。このようなシステムにおいては、太陽光エネルギを電気エネルギに変換する太陽電池と、この太陽電池からの出力が太陽電池側に逆流しないようにするダイオードや開閉器からなる接続箱と、太陽電池からの直流電力を商用電源と同期がとれた交流電力に変換する電力変換装置（インバータ回路）と、商用電源の異常を検出する保護装置とを有しており、上記インバータ回路と保護装置などがパワーコンディショナと称されている。
【０００３】
図１０で示すように太陽電池Ｅと商用電力系統Ｐとの間に介在するパワーコンディショナ１0は、平滑用の電解コンデンサＣ１、パワーコンディショナ制御部２0、昇圧回路３およびインバータ回路４を備えて構成されている。このようなパワーコンディショナ１0を用いる太陽光発電システムにおいては、屋外に設置された太陽電池Ｅの出力を配線を介して屋内に引き込むには、屋内配線規定で定められている配線電圧以下に設定する必要がある一方、商用電力系統Ｐと連系するためにパワーコンディショナ１0内の直ー交電力変換などのため前記配線電圧以上に昇圧する昇圧回路３が必須の要素とされているため電力変換効率低下といった問題を有している。
【０００４】
ところで、上記屋内配線規定が、高圧の方へ緩和された場合、太陽電池Ｅの出力電圧を高くして高電圧入力のパワーコンディショナとすれば、昇圧回路３のスイッチング動作を停止させて昇圧回路３における電力変換効率のロスを無くすことが考えられる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、高電圧入力のパワーコンディショナでは、太陽電池Ｅの出力電圧を高くするので、太陽電池Ｅの開放電圧が高くなり、系統に異常が発生して太陽電池Ｅが系統から切り離されて無負荷状態になると、太陽電池Ｅの出力電圧が、パワーコンディショナ１0内の平滑用の電解コンデンサＣ１といった部品の耐圧以上に上昇して部品が破壊されてしまうという課題がある。
【０００６】
本発明は、上述の点に鑑みて為されたものであって、例えば系統に異常が起こってもそれが復旧されると再び安定して運転を再開できる電力変換効率を高めたパワーコンディショナを提供することを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明では、上述の目的を達成するために、次のように構成している。
【０００８】
すなわち、本発明の太陽光発電システムにおけるパワーコンディショナは、インバータ回路の動作を制御するパワーコンディショナ制御部によって、太陽電池からの入力電圧を、本パワーコンディショナの運転電圧範囲の上限値もしくは該上限値に近い値に設定された制限電圧以下に制限するとともに、前記パワーコンディショナ制御部は、太陽電池からの入力電圧が、本パワーコンディショナの運転電圧範囲の下限値もしくは該下限値に近い値に設定された所定の電圧以上であるときには、昇圧回路で昇圧することなくそのまま前記インバータ回路に前記入力電圧を与える一方、太陽電池からの入力電圧が前記所定の電圧未満であるときには、前記昇圧回路で前記入力電圧を昇圧して前記インバータ回路に与え、太陽電池からの入力電圧が前記制限電圧に達すると、前記昇圧回路のスイッチ素子を、昇圧動作時よりも低い周波数または小さいデューティでスイッチングして前記入力電圧を前記制限電圧以下に制限するものである。
【０００９】
制限電圧は、平滑用の電解コンデンサといった部品が破壊されない電圧あるいは改正される屋内配線規定の規格とすることができ、例えば、当該パワーコンディショナの運転電圧範囲の上限値としてもよい。
【００１０】
所定の電圧は、例えば照度低下などによって太陽電池からの入力電圧を昇圧しなければ、当該パワーコンディショナの運転が継続できなくなる電圧とすることができる。
【００１１】
本発明によると、パワーコンディショナ制御部によって太陽電池からの入力電圧を制限電圧以下に制限することで、高電圧入力を可能とし、前記入力電圧が、所定の電圧以上であるときには、昇圧回路で昇圧することなく、インバータ回路に与えるので、昇圧回路による電力変換効率のロスをなくすことができ、当該パワーコンディショナの効率を高めることができる一方、照度低下などによって太陽電池からの入力電圧が所定の電圧未満になると、昇圧回路で昇圧するので、当該パワーコンディショナの運転が停止するといったこともなく、運転可能な電圧範囲を広くできる。
また、本発明では、保護回路などを設けることなく、昇圧回路のスイッチング周波数を低くするまたはデューティを小さくすることで太陽電池からの入力電圧を制限電圧以下に制限することができ、系統に異常が発生してパワーコンディショナを停止させたときに、太陽電池からの入力電圧が開放電圧付近になって平滑用の電解コンデンサなどの部品を破壊するといったこともない。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
【００２５】
（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１に係る太陽光発電システムにおけるトランスレス型のパワーコンディショナの回路図である。
【００２６】
本実施の形態１のパワーコンディショナ１は、平滑用の電解コンデンサＣ１、昇圧回路３、パワーコンディショナ制御部２およびインバータ回路４を備えており、このパワーコンディショナ１においては、太陽電池Ｅから高電圧入力可能とされている。すなわち、従来では、定格入力電圧がＤＣ２００Ｖ前後であるのに対して、この実施の形態では、定格入力電圧を、ＤＣ３００Ｖ以上としている。
【００２７】
このパワーコンディショナ１では、平滑用の電解コンデンサＣ１で平滑化された太陽電池Ｅからの入力電圧は、スイッチ素子Ｓ１、インダクタＬ２、ダイオードＤおよび平滑用の電解コンデンサＣ２を有する昇圧回路３で昇圧されて、あるいは、昇圧回路３で昇圧されることなくスルーしてインバータ回路４に与えられる。
【００２８】
パワーコンディショナ制御部２は、太陽電池Ｅからの入力電圧が所定の電圧、例えば、３２０Ｖ以上であるときには、昇圧回路３を動作させることなく、スルーさせ、あるいは、照度低下等によって太陽電池Ｅからの入力電圧が３２０Ｖ未満であるときには、昇圧回路３のスイッチ素子Ｓ１をオンオフして前記入力電圧を昇圧し、また、インバータ回路４の各スイッチ素子Ｓ２〜Ｓ５をオンオフしてスイッチ素子Ｓ２、インダクタＬ３、系統電源Ｐ、インダクタＬ２およびスイッチ素子Ｓ５の第１経路と、スイッチ素子Ｓ４、インダクタＬ２、系統電源Ｐ、インダクタＬ３およびスイッチ素子Ｓ３の第２経路とを形成することで、系統電源Ｐ側に交流の負荷電流を出力制御する。
【００２９】
このようなパワーコンディショナ１を備えた太陽光発電システムでは、図２で示される太陽電池ＥのＩＶカーブ（電流ー電圧特性）において最大電力点電圧Ｖｐｍａｘが例えばＤＣ３５０Ｖ程度とした場合、開放電圧ＶｏｐがＤＣ５３０〜７００Ｖ程度の高電圧となるために、例えば平滑用の電解コンデンサＣ１などのパワーコンディショナ１の構成部品の耐圧を越えてしまうという問題が発生してしまう。なお、ここでＰＶカーブは電力ー電圧特性であって複数示されているが、１から４にかけて太陽電池Ｅに対する照度が低下していく場合を示している。ＰＶカーブ４は他のＰＶカーブの中で太陽電池Ｅに対する照度が最も低く開放電圧ＶｏｐがＤＣ４２０Ｖであるのに対して他のＰＶカーブ１〜３はいずれも同一の開放電圧Ｖｏｐになっている。これら各ＰＶカーブに対してＩＶカーブがあるが、図では１つのＩＶカーブだけが示されている。
【００３０】
そこで、パワーコンディショナ制御部２は、最高電圧を例えば部品の耐圧であるＤＣ４２０Ｖを上限値（制限電圧）とする運転電圧範囲においてその上限値ＤＣ４２０Ｖ以下に制限するようにインバータ回路４の動作を制御可能になっている。この制御としては、パワーコンディショナ制御部２は、太陽電池Ｅの入力電圧がその上限値のＤＣ４２０Ｖに達しているかどうかを検出し、上限値ＤＣ４２０Ｖに達している場合はインバータ回路４のスイッチ素子Ｓ２，Ｓ３を同時にオンにしてこのスイッチ素子Ｓ２，Ｓ３を介して負荷電流を流して最高電圧を上限値ＤＣ４２０Ｖ以下に制限して部品の保護が図れるようにしている。
【００３１】
なお、通常運転状態ではＰＶカーブにおける最大電力電圧付近に制御されているので、この保護機能動作は、本体装置側に異常があって正常運転ができない場合とか、系統異常があり正常運転ができない場合などに限定される。
【００３２】
したがって、本実施の形態１においては、系統側にＡＣ２００Ｖを出力するにあたってはインバータ回路４の動作を制御するパワーコンディショナ制御部２によって太陽電池Ｅの入力電圧を、例えばＤＣ３５０Ｖに高電圧化することで昇圧回路３を動作させる必要がなくなる一方、その入力電圧を運転電圧範囲の上限値ＤＣ４２０Ｖ以下に制限することから太陽電池Ｅの入力電圧の高電圧化が可能となるとともに、その入力電圧を昇圧回路３で昇圧することなく前記インバータ回路４に直接入力可能となって昇圧回路３による電力変換効率のロスをなくしてパワーコンディショナ１の電力変換効率の向上を図ることができる。
【００３３】
さらに、この実施の形態では、照度低下等によって太陽電池Ｅの入力電圧が低下しても運転状態を維持できるように、太陽電池Ｅからの入力電圧が、所定の電圧としての３２０Ｖ未満になると、昇圧回路３を動作させて太陽電池Ｅからの入力電圧を昇圧してインバータ回路４に与えるようにしている。
【００３４】
これによって、太陽電池Ｅからの入力電圧が高いときには、昇圧回路３のスイッチング動作を停止させて電力変換効率を高める一方、照度の低下等によって前記入力電圧が低下したときには、昇圧回路３を動作させて昇圧することによってパワーコンディショナ１が停止してしまうのを防止して運転可能な電圧範囲を広くすることができ、しかも、系統異常などにおいては、インバータ回路４を制御して最高電圧を例えば部品の耐圧であるＤＣ４２０Ｖ以下に制限するので、部品の保護を図ることができる。
【００３５】
なお、制限電圧および所定の電圧の値は、この実施の形態に限られないのは勿論である。
【００３６】
（実施の形態２）
図３を参照して本発明の実施の形態２について説明すると、実施の形態１においては、パワーコンディショナ制御部２によるソフトウエア的な動作による保護機能動作であったが、図３で示される実施の形態２の回路構成のようにハードウエア的な回路構成でも保護機能動作が可能である。
【００３７】
すなわち、本実施の形態２のパワーコンディショナ１においては、平滑用の電解コンデンサＣ１両端間に互いに直列に接続された抵抗Ｒ１，Ｒ２の接続部における電圧を比較器ＣＰの逆転端子−に入力し、その逆転端子−での電圧がその正転端子＋に接続された基準電源Ｅ１の電圧以上であれば、比較器ＣＰからゲート回路ＧＴを接続するとともに、比較器ＣＰの出力部をゲート回路ＧＴに接続し、ゲート回路ＧＴの両出力部それぞれをインバータ回路４内のスイッチ素子Ｓ２，Ｓ３に接続して構成されている。太陽電池Ｅの入力電圧が、制限電圧としての運転電圧範囲の上限値ＤＣ４２０Ｖに達すると、比較器ＣＰはゲート回路ＧＴを開き、これによって、パワーコンディショナ制御部２はスイッチ素子Ｓ２，Ｓ３をオンにして負荷電流Ｉをこれに流して太陽電池Ｅの入力電圧の最高値を上限値ＤＣ４２０Ｖ以下に制御する。これによって、本実施の形態２においても実施の形態１と同様の作用効果を得られることになる。
【００３８】
太陽電池Ｅからの入力電圧が、所定の電圧である３２０Ｖ以上では、昇圧回路３を動作させることなく、スルーさせ、入力電圧が、３２０Ｖ未満では、昇圧回路３を動作させて昇圧するのは、実施の形態１と同様である。
【００３９】
（実施の形態３）
図４を参照して本発明の実施の形態３について説明すると、上記保護機能動作はまた、図４で示されるように平滑用の電解コンデンサＣ１両端間に並列に抵抗Ｒ３とスイッチ素子Ｓ６とを直列に接続してなる保護回路を接続し、パワーコンディショナ制御部２が太陽電池Ｅの入力電圧が運転電圧範囲の上限値ＤＣ４２０Ｖに達したと検出するとスイッチ素子Ｓ６をオンに駆動し、これによって、負荷電流をこの保護回路に流して太陽電池Ｅの入力電圧の最高値を上限値ＤＣ４２０Ｖ以下に制御する。これによって、本実施の形態３においても実施の形態１と同様の作用効果を得られることになる。
【００４０】
太陽電池Ｅの入力電圧が、所定の電圧である３２０Ｖ以上では、昇圧回路３を動作させることなく、スルーさせ、入力電圧が、３２０Ｖ未満では、昇圧回路３を動作させて昇圧するのは、実施の形態１と同様である。
【００４１】
（実施の形態４）
図５を参照して本発明の実施の形態４について説明すると、上記保護機能動作はまた、図５で示されるように平滑用の電解コンデンサＣ１両端間に並列にスイッチ素子Ｓ１’と蓄電池Ｅ２とを直列に接続してなる保護回路を接続し、パワーコンディショナ制御部２が太陽電池Ｅの入力電圧が運転電圧範囲の上限値ＤＣ４２０Ｖに達したと検出するとスイッチ素子Ｓ１’をオンに駆動し、これによって、負荷電流をこの保護回路に流して太陽電池Ｅの入力電圧の最高値をＤＣ４２０Ｖ以下に制御する。これによって、本実施の形態４においても実施の形態１と同様の作用効果を得られることになる。
【００４２】
太陽電池Ｅの入力電圧が、所定の電圧である３２０Ｖ以上では、昇圧回路３を動作させることなく、スルーさせ、入力電圧が、３２０Ｖ未満では、昇圧回路３を動作させて昇圧するのは、実施の形態１と同様である。
【００４３】
（実施の形態５）
図６を参照して本発明の実施の形態５について説明すると、上記保護機能動作はまた、図６（ａ）で示されるように太陽電池Ｅを構成する各太陽電池セル個々に並列にツェナーダイオードＺＤ１を接続し、太陽電池セルが所定の電圧に達し全体の太陽電池Ｅの入力電圧が運転電圧範囲の上限値ＤＣ４２０Ｖに達すると各太陽電池セルそれぞれのツェナーダイオードＺＤ１が導通し、導通したツェナーダイオードＺＤ１に負荷電流が流れて太陽電池Ｅの入力電圧の最高値をＤＣ４２０Ｖ以下に制御する。あるいは、同じく図６（ｂ）で示されるように太陽電池Ｅを構成する各太陽電池モジュールに並列にツェナーダイオードＺＤ２を接続し、全体の太陽電池Ｅ出力がＤＣ４２０Ｖに達するとツェナーダイオードＺＤ２が導通し、導通したツェナーダイオードＺＤ２に負荷電流が流れて最高電圧をＤＣ４２０Ｖ以下に制御する。なお、この場合の太陽電池Ｅを構成する各太陽電池セル個々のＩＶカーブは、図７で示される。図７は太陽電池セルに個々にツェナーダイオードＺＤ１を並列接続した場合の各ツェナーダイオードＺＤ１のツェナー電圧がＤＣ０．６Ｖとしている。以上のように本実施の形態５においても実施の形態１と同様の作用効果を得られることになる。
【００４４】
太陽電池Ｅの入力電圧が、所定の電圧である３２０Ｖ以上では、昇圧回路３を動作させることなく、スルーさせ、入力電圧が、３２０Ｖ未満では、昇圧回路３を動作させて昇圧するのは、実施の形態１と同様である。
【００４５】
（実施の形態６）
図８を参照して本発明の実施の形態６について説明すると、上記保護機能動作はまた、図８で示されるように太陽電池Ｅと平滑用の電解コンデンサＣ１との間に降圧チョッパ型レギュレータ５を挿入接続し、パワーコンディショナ制御部２が平滑用の電解コンデンサＣ１出力が運転電圧範囲の上限値ＤＣ４２０Ｖに達すると、スイッチ素子Ｓ７をオンオフ制御して太陽電池Ｅの入力電圧の最高値をＤＣ４２０Ｖ以下に制御する。以上のように本実施の形態６においても実施の形態１と同様の作用効果を得られることになる。
【００４６】
太陽電池Ｅの入力電圧が、所定の電圧である３２０Ｖ以上では、昇圧回路３を動作させることなく、スルーさせ、入力電圧が、３２０Ｖ未満では、昇圧回路３を動作させて昇圧するのは、実施の形態１と同様である。
【００４７】
（実施の形態７）
図９は、本発明の実施の形態７にかかるパワーコンディショナを示す図である。
【００４８】
この実施の形態では、昇圧回路３によって上記保護機能動作をさせるものであり、パワーコンディショナ制御部２が平滑用の電解コンデンサＣ１出力が運転電圧範囲の上限値ＤＣ４２０Ｖに達すると、昇圧時のスイッチング周波数、例えば１８ｋＨｚよりも低いスイッチング周波数、例えば０.１Ｈｚとすることにより、制限回路として動作させるものである。
【００４９】
すなわち、昇圧回路３のスイッチ素子Ｓ１をオンさせると、昇圧回路３のインダクタＬ１により電流が制限されるが、ある時間（ある電流レベル）を越えると、制限がなくなり、多くの電流が流れ始めるため太陽電池Ｅの出力電圧が下がり、上述の図２の矢符Ｃで示されるようにＢ点に移動していく。太陽電池Ｅの出力電圧がある設定値（例えば、内部制御電源が動作可能な範囲以内であるＤＣ１００Ｖ）になると、スイッチ素子Ｓ１をオフする。すると、太陽電池Ｅから平滑用の電解コンデンサＣ２に電流が流れ、充電される。充電が終わると、太陽電池Ｅから電流が流れなくなるため、図２の矢符Ｃで示されるようにＡ点に移動していく。
【００５０】
したがって、太陽電池Ｅの入力電圧が、運転電圧範囲の上限値ＤＣ４２０Ｖに達すると、過電圧を保護するためにスイッチ素子Ｓ１をオンして上記の動作を低い周波数で行って制限するのである。
【００５１】
なお、太陽電池Ｅの入力電圧が、所定の電圧である３２０Ｖ以上では、昇圧回路３を動作させることなく、スルーさせ、入力電圧が、３２０Ｖ未満では、昇圧回路３を動作させて昇圧するのは、実施の形態１と同様である。
【００５２】
本発明の他の実施の形態として、昇圧回路３のスイッチング周波数を低くするのではなく、小さいデューティでスイッチングして過電圧を保護するようにしてもよい。
【００５３】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、太陽電池の入力電圧を高電圧化してもその入力電圧が制限電圧以下となるように制御可能としたから、内部の部品の耐圧オーバーで部品が破壊されるということがなく、また、高電圧入力によって昇圧回路での昇圧をできるだけ行わないようにすることができ、電力変換効率を従来よりも大幅に改善することができる一方、照度低下などによって太陽電池の入力電圧が所定の電圧未満になると、昇圧回路で昇圧するので、運転を継続することができ、運転可能な電圧範囲を広げることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態１に係るパワーコンディショナの回路図。
【図２】太陽電池のＩＶカーブとＰＶカーブとを示す図。
【図３】本発明の実施の形態２に係るパワーコンディショナの回路図。
【図４】本発明の実施の形態３に係るパワーコンディショナの回路図。
【図５】本発明の実施の形態４に係るパワーコンディショナの回路図。
【図６】本発明の実施の形態５に係るパワーコンディショナの回路図。
【図７】図６（ａ）の太陽電池セルのＩＶカーブを示す図。
【図８】本発明の実施の形態６に係るパワーコンディショナの回路図。
【図９】本発明の実施の形態７に係るパワーコンディショナの回路図。
【図１０】従来のパワーコンディショナの回路図。
【符号の説明】
１，１0 パワーコンディショナ
２，２0 パワーコンディショナ制御部
３ 昇圧回路
４ インバータ回路
Ｅ 太陽電池
【発明の属する技術分野】
本発明は、太陽光発電システムにおけるパワーコンディショナに関する。
【０００２】
【従来の技術】
太陽光発電による分散型電源と商用電源とを連系し、太陽光発電によって家庭内機器に電力を供給するとともに余分の電力を系統に逆潮流する一方で、太陽光発電だけでは電力が不足する場合は系統側から電力を供給する太陽光発電システムがある。このようなシステムにおいては、太陽光エネルギを電気エネルギに変換する太陽電池と、この太陽電池からの出力が太陽電池側に逆流しないようにするダイオードや開閉器からなる接続箱と、太陽電池からの直流電力を商用電源と同期がとれた交流電力に変換する電力変換装置（インバータ回路）と、商用電源の異常を検出する保護装置とを有しており、上記インバータ回路と保護装置などがパワーコンディショナと称されている。
【０００３】
図１０で示すように太陽電池Ｅと商用電力系統Ｐとの間に介在するパワーコンディショナ１0は、平滑用の電解コンデンサＣ１、パワーコンディショナ制御部２0、昇圧回路３およびインバータ回路４を備えて構成されている。このようなパワーコンディショナ１0を用いる太陽光発電システムにおいては、屋外に設置された太陽電池Ｅの出力を配線を介して屋内に引き込むには、屋内配線規定で定められている配線電圧以下に設定する必要がある一方、商用電力系統Ｐと連系するためにパワーコンディショナ１0内の直ー交電力変換などのため前記配線電圧以上に昇圧する昇圧回路３が必須の要素とされているため電力変換効率低下といった問題を有している。
【０００４】
ところで、上記屋内配線規定が、高圧の方へ緩和された場合、太陽電池Ｅの出力電圧を高くして高電圧入力のパワーコンディショナとすれば、昇圧回路３のスイッチング動作を停止させて昇圧回路３における電力変換効率のロスを無くすことが考えられる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、高電圧入力のパワーコンディショナでは、太陽電池Ｅの出力電圧を高くするので、太陽電池Ｅの開放電圧が高くなり、系統に異常が発生して太陽電池Ｅが系統から切り離されて無負荷状態になると、太陽電池Ｅの出力電圧が、パワーコンディショナ１0内の平滑用の電解コンデンサＣ１といった部品の耐圧以上に上昇して部品が破壊されてしまうという課題がある。
【０００６】
本発明は、上述の点に鑑みて為されたものであって、例えば系統に異常が起こってもそれが復旧されると再び安定して運転を再開できる電力変換効率を高めたパワーコンディショナを提供することを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明では、上述の目的を達成するために、次のように構成している。
【０００８】
すなわち、本発明の太陽光発電システムにおけるパワーコンディショナは、インバータ回路の動作を制御するパワーコンディショナ制御部によって、太陽電池からの入力電圧を、本パワーコンディショナの運転電圧範囲の上限値もしくは該上限値に近い値に設定された制限電圧以下に制限するとともに、前記パワーコンディショナ制御部は、太陽電池からの入力電圧が、本パワーコンディショナの運転電圧範囲の下限値もしくは該下限値に近い値に設定された所定の電圧以上であるときには、昇圧回路で昇圧することなくそのまま前記インバータ回路に前記入力電圧を与える一方、太陽電池からの入力電圧が前記所定の電圧未満であるときには、前記昇圧回路で前記入力電圧を昇圧して前記インバータ回路に与え、太陽電池からの入力電圧が前記制限電圧に達すると、前記昇圧回路のスイッチ素子を、昇圧動作時よりも低い周波数または小さいデューティでスイッチングして前記入力電圧を前記制限電圧以下に制限するものである。
【０００９】
制限電圧は、平滑用の電解コンデンサといった部品が破壊されない電圧あるいは改正される屋内配線規定の規格とすることができ、例えば、当該パワーコンディショナの運転電圧範囲の上限値としてもよい。
【００１０】
所定の電圧は、例えば照度低下などによって太陽電池からの入力電圧を昇圧しなければ、当該パワーコンディショナの運転が継続できなくなる電圧とすることができる。
【００１１】
本発明によると、パワーコンディショナ制御部によって太陽電池からの入力電圧を制限電圧以下に制限することで、高電圧入力を可能とし、前記入力電圧が、所定の電圧以上であるときには、昇圧回路で昇圧することなく、インバータ回路に与えるので、昇圧回路による電力変換効率のロスをなくすことができ、当該パワーコンディショナの効率を高めることができる一方、照度低下などによって太陽電池からの入力電圧が所定の電圧未満になると、昇圧回路で昇圧するので、当該パワーコンディショナの運転が停止するといったこともなく、運転可能な電圧範囲を広くできる。
また、本発明では、保護回路などを設けることなく、昇圧回路のスイッチング周波数を低くするまたはデューティを小さくすることで太陽電池からの入力電圧を制限電圧以下に制限することができ、系統に異常が発生してパワーコンディショナを停止させたときに、太陽電池からの入力電圧が開放電圧付近になって平滑用の電解コンデンサなどの部品を破壊するといったこともない。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
【００２５】
（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１に係る太陽光発電システムにおけるトランスレス型のパワーコンディショナの回路図である。
【００２６】
本実施の形態１のパワーコンディショナ１は、平滑用の電解コンデンサＣ１、昇圧回路３、パワーコンディショナ制御部２およびインバータ回路４を備えており、このパワーコンディショナ１においては、太陽電池Ｅから高電圧入力可能とされている。すなわち、従来では、定格入力電圧がＤＣ２００Ｖ前後であるのに対して、この実施の形態では、定格入力電圧を、ＤＣ３００Ｖ以上としている。
【００２７】
このパワーコンディショナ１では、平滑用の電解コンデンサＣ１で平滑化された太陽電池Ｅからの入力電圧は、スイッチ素子Ｓ１、インダクタＬ２、ダイオードＤおよび平滑用の電解コンデンサＣ２を有する昇圧回路３で昇圧されて、あるいは、昇圧回路３で昇圧されることなくスルーしてインバータ回路４に与えられる。
【００２８】
パワーコンディショナ制御部２は、太陽電池Ｅからの入力電圧が所定の電圧、例えば、３２０Ｖ以上であるときには、昇圧回路３を動作させることなく、スルーさせ、あるいは、照度低下等によって太陽電池Ｅからの入力電圧が３２０Ｖ未満であるときには、昇圧回路３のスイッチ素子Ｓ１をオンオフして前記入力電圧を昇圧し、また、インバータ回路４の各スイッチ素子Ｓ２〜Ｓ５をオンオフしてスイッチ素子Ｓ２、インダクタＬ３、系統電源Ｐ、インダクタＬ２およびスイッチ素子Ｓ５の第１経路と、スイッチ素子Ｓ４、インダクタＬ２、系統電源Ｐ、インダクタＬ３およびスイッチ素子Ｓ３の第２経路とを形成することで、系統電源Ｐ側に交流の負荷電流を出力制御する。
【００２９】
このようなパワーコンディショナ１を備えた太陽光発電システムでは、図２で示される太陽電池ＥのＩＶカーブ（電流ー電圧特性）において最大電力点電圧Ｖｐｍａｘが例えばＤＣ３５０Ｖ程度とした場合、開放電圧ＶｏｐがＤＣ５３０〜７００Ｖ程度の高電圧となるために、例えば平滑用の電解コンデンサＣ１などのパワーコンディショナ１の構成部品の耐圧を越えてしまうという問題が発生してしまう。なお、ここでＰＶカーブは電力ー電圧特性であって複数示されているが、１から４にかけて太陽電池Ｅに対する照度が低下していく場合を示している。ＰＶカーブ４は他のＰＶカーブの中で太陽電池Ｅに対する照度が最も低く開放電圧ＶｏｐがＤＣ４２０Ｖであるのに対して他のＰＶカーブ１〜３はいずれも同一の開放電圧Ｖｏｐになっている。これら各ＰＶカーブに対してＩＶカーブがあるが、図では１つのＩＶカーブだけが示されている。
【００３０】
そこで、パワーコンディショナ制御部２は、最高電圧を例えば部品の耐圧であるＤＣ４２０Ｖを上限値（制限電圧）とする運転電圧範囲においてその上限値ＤＣ４２０Ｖ以下に制限するようにインバータ回路４の動作を制御可能になっている。この制御としては、パワーコンディショナ制御部２は、太陽電池Ｅの入力電圧がその上限値のＤＣ４２０Ｖに達しているかどうかを検出し、上限値ＤＣ４２０Ｖに達している場合はインバータ回路４のスイッチ素子Ｓ２，Ｓ３を同時にオンにしてこのスイッチ素子Ｓ２，Ｓ３を介して負荷電流を流して最高電圧を上限値ＤＣ４２０Ｖ以下に制限して部品の保護が図れるようにしている。
【００３１】
なお、通常運転状態ではＰＶカーブにおける最大電力電圧付近に制御されているので、この保護機能動作は、本体装置側に異常があって正常運転ができない場合とか、系統異常があり正常運転ができない場合などに限定される。
【００３２】
したがって、本実施の形態１においては、系統側にＡＣ２００Ｖを出力するにあたってはインバータ回路４の動作を制御するパワーコンディショナ制御部２によって太陽電池Ｅの入力電圧を、例えばＤＣ３５０Ｖに高電圧化することで昇圧回路３を動作させる必要がなくなる一方、その入力電圧を運転電圧範囲の上限値ＤＣ４２０Ｖ以下に制限することから太陽電池Ｅの入力電圧の高電圧化が可能となるとともに、その入力電圧を昇圧回路３で昇圧することなく前記インバータ回路４に直接入力可能となって昇圧回路３による電力変換効率のロスをなくしてパワーコンディショナ１の電力変換効率の向上を図ることができる。
【００３３】
さらに、この実施の形態では、照度低下等によって太陽電池Ｅの入力電圧が低下しても運転状態を維持できるように、太陽電池Ｅからの入力電圧が、所定の電圧としての３２０Ｖ未満になると、昇圧回路３を動作させて太陽電池Ｅからの入力電圧を昇圧してインバータ回路４に与えるようにしている。
【００３４】
これによって、太陽電池Ｅからの入力電圧が高いときには、昇圧回路３のスイッチング動作を停止させて電力変換効率を高める一方、照度の低下等によって前記入力電圧が低下したときには、昇圧回路３を動作させて昇圧することによってパワーコンディショナ１が停止してしまうのを防止して運転可能な電圧範囲を広くすることができ、しかも、系統異常などにおいては、インバータ回路４を制御して最高電圧を例えば部品の耐圧であるＤＣ４２０Ｖ以下に制限するので、部品の保護を図ることができる。
【００３５】
なお、制限電圧および所定の電圧の値は、この実施の形態に限られないのは勿論である。
【００３６】
（実施の形態２）
図３を参照して本発明の実施の形態２について説明すると、実施の形態１においては、パワーコンディショナ制御部２によるソフトウエア的な動作による保護機能動作であったが、図３で示される実施の形態２の回路構成のようにハードウエア的な回路構成でも保護機能動作が可能である。
【００３７】
すなわち、本実施の形態２のパワーコンディショナ１においては、平滑用の電解コンデンサＣ１両端間に互いに直列に接続された抵抗Ｒ１，Ｒ２の接続部における電圧を比較器ＣＰの逆転端子−に入力し、その逆転端子−での電圧がその正転端子＋に接続された基準電源Ｅ１の電圧以上であれば、比較器ＣＰからゲート回路ＧＴを接続するとともに、比較器ＣＰの出力部をゲート回路ＧＴに接続し、ゲート回路ＧＴの両出力部それぞれをインバータ回路４内のスイッチ素子Ｓ２，Ｓ３に接続して構成されている。太陽電池Ｅの入力電圧が、制限電圧としての運転電圧範囲の上限値ＤＣ４２０Ｖに達すると、比較器ＣＰはゲート回路ＧＴを開き、これによって、パワーコンディショナ制御部２はスイッチ素子Ｓ２，Ｓ３をオンにして負荷電流Ｉをこれに流して太陽電池Ｅの入力電圧の最高値を上限値ＤＣ４２０Ｖ以下に制御する。これによって、本実施の形態２においても実施の形態１と同様の作用効果を得られることになる。
【００３８】
太陽電池Ｅからの入力電圧が、所定の電圧である３２０Ｖ以上では、昇圧回路３を動作させることなく、スルーさせ、入力電圧が、３２０Ｖ未満では、昇圧回路３を動作させて昇圧するのは、実施の形態１と同様である。
【００３９】
（実施の形態３）
図４を参照して本発明の実施の形態３について説明すると、上記保護機能動作はまた、図４で示されるように平滑用の電解コンデンサＣ１両端間に並列に抵抗Ｒ３とスイッチ素子Ｓ６とを直列に接続してなる保護回路を接続し、パワーコンディショナ制御部２が太陽電池Ｅの入力電圧が運転電圧範囲の上限値ＤＣ４２０Ｖに達したと検出するとスイッチ素子Ｓ６をオンに駆動し、これによって、負荷電流をこの保護回路に流して太陽電池Ｅの入力電圧の最高値を上限値ＤＣ４２０Ｖ以下に制御する。これによって、本実施の形態３においても実施の形態１と同様の作用効果を得られることになる。
【００４０】
太陽電池Ｅの入力電圧が、所定の電圧である３２０Ｖ以上では、昇圧回路３を動作させることなく、スルーさせ、入力電圧が、３２０Ｖ未満では、昇圧回路３を動作させて昇圧するのは、実施の形態１と同様である。
【００４１】
（実施の形態４）
図５を参照して本発明の実施の形態４について説明すると、上記保護機能動作はまた、図５で示されるように平滑用の電解コンデンサＣ１両端間に並列にスイッチ素子Ｓ１’と蓄電池Ｅ２とを直列に接続してなる保護回路を接続し、パワーコンディショナ制御部２が太陽電池Ｅの入力電圧が運転電圧範囲の上限値ＤＣ４２０Ｖに達したと検出するとスイッチ素子Ｓ１’をオンに駆動し、これによって、負荷電流をこの保護回路に流して太陽電池Ｅの入力電圧の最高値をＤＣ４２０Ｖ以下に制御する。これによって、本実施の形態４においても実施の形態１と同様の作用効果を得られることになる。
【００４２】
太陽電池Ｅの入力電圧が、所定の電圧である３２０Ｖ以上では、昇圧回路３を動作させることなく、スルーさせ、入力電圧が、３２０Ｖ未満では、昇圧回路３を動作させて昇圧するのは、実施の形態１と同様である。
【００４３】
（実施の形態５）
図６を参照して本発明の実施の形態５について説明すると、上記保護機能動作はまた、図６（ａ）で示されるように太陽電池Ｅを構成する各太陽電池セル個々に並列にツェナーダイオードＺＤ１を接続し、太陽電池セルが所定の電圧に達し全体の太陽電池Ｅの入力電圧が運転電圧範囲の上限値ＤＣ４２０Ｖに達すると各太陽電池セルそれぞれのツェナーダイオードＺＤ１が導通し、導通したツェナーダイオードＺＤ１に負荷電流が流れて太陽電池Ｅの入力電圧の最高値をＤＣ４２０Ｖ以下に制御する。あるいは、同じく図６（ｂ）で示されるように太陽電池Ｅを構成する各太陽電池モジュールに並列にツェナーダイオードＺＤ２を接続し、全体の太陽電池Ｅ出力がＤＣ４２０Ｖに達するとツェナーダイオードＺＤ２が導通し、導通したツェナーダイオードＺＤ２に負荷電流が流れて最高電圧をＤＣ４２０Ｖ以下に制御する。なお、この場合の太陽電池Ｅを構成する各太陽電池セル個々のＩＶカーブは、図７で示される。図７は太陽電池セルに個々にツェナーダイオードＺＤ１を並列接続した場合の各ツェナーダイオードＺＤ１のツェナー電圧がＤＣ０．６Ｖとしている。以上のように本実施の形態５においても実施の形態１と同様の作用効果を得られることになる。
【００４４】
太陽電池Ｅの入力電圧が、所定の電圧である３２０Ｖ以上では、昇圧回路３を動作させることなく、スルーさせ、入力電圧が、３２０Ｖ未満では、昇圧回路３を動作させて昇圧するのは、実施の形態１と同様である。
【００４５】
（実施の形態６）
図８を参照して本発明の実施の形態６について説明すると、上記保護機能動作はまた、図８で示されるように太陽電池Ｅと平滑用の電解コンデンサＣ１との間に降圧チョッパ型レギュレータ５を挿入接続し、パワーコンディショナ制御部２が平滑用の電解コンデンサＣ１出力が運転電圧範囲の上限値ＤＣ４２０Ｖに達すると、スイッチ素子Ｓ７をオンオフ制御して太陽電池Ｅの入力電圧の最高値をＤＣ４２０Ｖ以下に制御する。以上のように本実施の形態６においても実施の形態１と同様の作用効果を得られることになる。
【００４６】
太陽電池Ｅの入力電圧が、所定の電圧である３２０Ｖ以上では、昇圧回路３を動作させることなく、スルーさせ、入力電圧が、３２０Ｖ未満では、昇圧回路３を動作させて昇圧するのは、実施の形態１と同様である。
【００４７】
（実施の形態７）
図９は、本発明の実施の形態７にかかるパワーコンディショナを示す図である。
【００４８】
この実施の形態では、昇圧回路３によって上記保護機能動作をさせるものであり、パワーコンディショナ制御部２が平滑用の電解コンデンサＣ１出力が運転電圧範囲の上限値ＤＣ４２０Ｖに達すると、昇圧時のスイッチング周波数、例えば１８ｋＨｚよりも低いスイッチング周波数、例えば０.１Ｈｚとすることにより、制限回路として動作させるものである。
【００４９】
すなわち、昇圧回路３のスイッチ素子Ｓ１をオンさせると、昇圧回路３のインダクタＬ１により電流が制限されるが、ある時間（ある電流レベル）を越えると、制限がなくなり、多くの電流が流れ始めるため太陽電池Ｅの出力電圧が下がり、上述の図２の矢符Ｃで示されるようにＢ点に移動していく。太陽電池Ｅの出力電圧がある設定値（例えば、内部制御電源が動作可能な範囲以内であるＤＣ１００Ｖ）になると、スイッチ素子Ｓ１をオフする。すると、太陽電池Ｅから平滑用の電解コンデンサＣ２に電流が流れ、充電される。充電が終わると、太陽電池Ｅから電流が流れなくなるため、図２の矢符Ｃで示されるようにＡ点に移動していく。
【００５０】
したがって、太陽電池Ｅの入力電圧が、運転電圧範囲の上限値ＤＣ４２０Ｖに達すると、過電圧を保護するためにスイッチ素子Ｓ１をオンして上記の動作を低い周波数で行って制限するのである。
【００５１】
なお、太陽電池Ｅの入力電圧が、所定の電圧である３２０Ｖ以上では、昇圧回路３を動作させることなく、スルーさせ、入力電圧が、３２０Ｖ未満では、昇圧回路３を動作させて昇圧するのは、実施の形態１と同様である。
【００５２】
本発明の他の実施の形態として、昇圧回路３のスイッチング周波数を低くするのではなく、小さいデューティでスイッチングして過電圧を保護するようにしてもよい。
【００５３】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、太陽電池の入力電圧を高電圧化してもその入力電圧が制限電圧以下となるように制御可能としたから、内部の部品の耐圧オーバーで部品が破壊されるということがなく、また、高電圧入力によって昇圧回路での昇圧をできるだけ行わないようにすることができ、電力変換効率を従来よりも大幅に改善することができる一方、照度低下などによって太陽電池の入力電圧が所定の電圧未満になると、昇圧回路で昇圧するので、運転を継続することができ、運転可能な電圧範囲を広げることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態１に係るパワーコンディショナの回路図。
【図２】太陽電池のＩＶカーブとＰＶカーブとを示す図。
【図３】本発明の実施の形態２に係るパワーコンディショナの回路図。
【図４】本発明の実施の形態３に係るパワーコンディショナの回路図。
【図５】本発明の実施の形態４に係るパワーコンディショナの回路図。
【図６】本発明の実施の形態５に係るパワーコンディショナの回路図。
【図７】図６（ａ）の太陽電池セルのＩＶカーブを示す図。
【図８】本発明の実施の形態６に係るパワーコンディショナの回路図。
【図９】本発明の実施の形態７に係るパワーコンディショナの回路図。
【図１０】従来のパワーコンディショナの回路図。
【符号の説明】
１，１0 パワーコンディショナ
２，２0 パワーコンディショナ制御部
３ 昇圧回路
４ インバータ回路
Ｅ 太陽電池
Claims (1)
- インバータ回路の動作を制御するパワーコンディショナ制御部によって、太陽電池からの入力電圧を、本パワーコンディショナの運転電圧範囲の上限値もしくは該上限値に近い値に設定された制限電圧以下に制限するとともに、前記パワーコンディショナ制御部は、太陽電池からの入力電圧が、本パワーコンディショナの運転電圧範囲の下限値もしくは該下限値に近い値に設定された所定の電圧以上であるときには、昇圧回路で昇圧することなくそのまま前記インバータ回路に前記入力電圧を与える一方、太陽電池からの入力電圧が前記所定の電圧未満であるときには、前記昇圧回路で前記入力電圧を昇圧して前記インバータ回路に与え、太陽電池からの入力電圧が前記制限電圧に達すると、前記昇圧回路のスイッチ素子を、昇圧動作時よりも低い周波数または小さいデューティでスイッチングして前記入力電圧を前記制限電圧以下に制限することを特徴とする太陽光発電システムにおけるパワーコンディショナ。
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