JP4119392B2 - 接続箱及び発電装置 - Google Patents

Description

本発明は、太陽電池などの直流供給源からの電力を、昇圧チョッパでその電圧を昇圧し、この昇圧した電力をインバータで直流から交流に変換して供給するパワーコンディショナに、複数の直流供給源を接続するための接続箱及び発電装置に関する。

従来、太陽電池などの直流供給源からの直流電力は、パワーコンディショナによりその電圧を昇圧するとともに交流に変換して各種負荷に供給されている。一般的には、一枚の太陽電池パネルがパワーコンディショナに接続されている。そして、一枚の太陽電池パネルの出力では不足する場合には、発電特性の同じ複数の太陽電池パネルを、パワーコンディショナに並列に接続している。

ところで、太陽電池パネルは、日射量の関係で南側に向いていることが好ましいが、複数の太陽電池パネルを全て南側に向いて設置することは、設置スペースの関係で難しいことがあり、北側や西側などの向きに設置されることがある。また、各太陽電池パネルを、略同じ面積にすることができないことがある。そのため、各太陽電池パネルの内部インピーダンスの違いから発電特性が異なり、パワーコンディショナに並列接続すると、各太陽電池パネルから最適な出力を取り出すことができなくなる。

そこで、特許文献１の太陽光発電装置では、各太陽電池パネル毎に昇圧チョッパを具備する接続箱を設け、この接続箱を介して、複数の太陽電池パネルがパワーコンディショナに接続されている。そして、各太陽電池パネルで発電される直流電力を対応する昇圧チョッパで所定の電圧の直流電力に上昇させてから、合流させてパワーコンディショナに供給し、このパワーコンディショナで直流電力を交流電力に変換している。

しかしながら、特許文献１の太陽光発電装置では、パワーコンディショナが昇圧チョッパを具備していないため、１枚の太陽電池パネルをパワーコンディショナに接続する際にも、接続箱が必要となり、部品点数が増大するとともに、配線作業や設置作業などが増大する。
特開２００３−１３４６６７号公報

解決しようとする問題点は、太陽電池などの直流供給源からの電力を、パワーコンディショナの昇圧チョッパで昇圧し、この昇圧した電力をインバータで直流電力から交流電力に変換して供給する直流供給源システムにおいて、発電特性の異なる直流供給源を増設した際に夫々の直流供給源の内部インピーダンスの違いからシステムの運転効率が悪くなる点である。

本発明の接続箱（６）は、直流供給源（１）で発電された電力を、昇圧チョッパ回路（１３）で昇圧した後、インバータ回路（１４）で交流電力に変換して系統へ供給するパワーコンディショナ（７）に、複数の直流供給源（１，２，３）を同時接続可能にするためのものである。そして、この接続箱は、第１の直流供給源で発電され供給される電力を前記パワーコンディショナへ導く電気回路（３１）に設けられる合流部（３１ａ）と、第２の直流供給源で発電された直流電力の電圧を昇圧した後ダイオード（３９）を介して前記合流部に供給する電圧変換コンバータ（３８）と、この電圧変換コンバータを介して前記合流部へ流れる電流値を検出する電流検出器（３７）と、この電流検出器の検出する電流値が常に正の値となるように前記電圧変換コンバータの電圧の昇圧量を制御する制御手段（４４）とを備えている。
また、電圧変換コンバータの作動電力をパワーコンディショナから供給することがある。

さらに、電圧変換コンバータの作動電力を、合流部から電圧安定化回路（４８）を介して取り込むことがある。
そして、ダイオードをバイパスするバイパス回路（４１）および、このバイパス回路を有効にするスイッチ手段（４２）が設けられ、電圧変換コンバータを介して前記合流部へ流れる電流値が所定の値よりも大きくなった際に、前記スイッチ手段を作動させて前記バイパス回路を有効にすることがある。

本発明の発電装置は、複数の直流供給源で発電された電力を、昇圧チョッパ回路で昇圧した後、インバータ回路で交流電力に変換して系統へ供給する。そして、この発電装置は、第１の直流供給源で発電され供給される電力を前記昇圧チョッパ回路へ導く電気回路に設けられる合流部と、第２の直流供給源で発電された直流電力の電圧を昇圧した後ダイオードを介して前記合流部に供給する電圧変換コンバータと、この電圧変換コンバータを介して前記合流部へ流れる電流値を検出する電流検出器と、この電流検出器の検出する電流値が常に正の値となるように前記電圧変換コンバータの電圧の昇圧量を制御する制御手段とを備えている。

また、電圧変換コンバータの作動電力を昇圧チョッパ回路より後段の電気回路から供給することがある。
さらに、電圧変換コンバータの作動電力を、合流部から電圧安定化回路を介して取り込むことがある。
そして、ダイオードをバイパスするバイパス回路および、このバイパス回路を有効にするスイッチ手段が設けられ、電圧変換コンバータを介して前記合流部へ流れる電流値が所定の値よりも大きくなった際に、前記スイッチ手段を作動させて前記バイパス回路を有効にすることがある。

本発明によれば、第２の直流供給源で発電された直流電力の電圧を、電流検出器の検出値に基づいて電気が合流部へ流れるように電圧変換コンバータで電圧変更して調整し、ダイオードを介して、第１の直流供給源からパワーコンディショナへ直流電力が供給される電気回路に合流させている。したがって、第２の直流供給源の発電特性が、第１の直流供給源の発電特性と異なっていても、パワーコンディショナに接続して効率よく交流に変換することができる。しかも、パワーコンディショナは昇圧チョッパおよびインバータを具備している一般的なものであり、直流供給源が１個の場合や、各直流供給源の発電特性が略同じ場合には、接続箱を介さないで、直流供給源を接続することができる。

ところで、第２の直流供給源の発電量が小さい場合に、この小さい電力で電圧変換コンバータなどを駆動すると電力不足で電力変換コンバータの動作が不安定になることがある。また、ダイオードの敷居電圧により、第２の直流供給源からの電力が流れにくくなることがある。そこで、電圧変換コンバータの作動電力をパワーコンディショナから取り込み、電圧変換コンバータを安定して作動させるとともに、第２の直流供給源からの電力が電圧変換コンバータの制御などで消費されないようにして極力大きな電力でダイオードに入力されるようにしている。

また、電圧変換コンバータの作動電力を、前記合流部から安定化回路を介して取り込むことにより、第２の直流供給源からの発電電力が電圧変換コンバータの制御などで消費されないようにして極力大きな電力でダイオードに入力されるようにしている。

そして、ダイオードをバイパスするバイパス回路および、このバイパス回路をＯＮ−ＯＦＦするスイッチが設けられ、電圧変換コンバータから合流点に供給される電流が所定の値よりも大きくなると、スイッチのＯＮによる、逆流のおそれがなくダイオードをバイパスでき、ダイオードでの電力ロスの発生をなくすことができる。

太陽電池などの直流供給源からの発電電力を、パワーコンディショナの昇圧チョッパで昇圧した後、この昇圧した直流電力をインバータで直流から所定（系統）の周波数の交流電力に変換して系統へ供給する直流供給源システムにおいて、発電特性の異なる直流供給源を増設して、効率よく交流に変換して供給するという目的を、パワーコンディショナと第２の直流供給源とを接続箱を介して接続し、この接続箱の電圧変換コンバータで第２の直流供給源からの電圧を、電流検出器の検出値に基づいて制御し、ダイオードを介して、第１の直流供給源から供給される直流電力に合流させることで実現した。

次に、本発明における接続箱の第１実施例について、図１および図２を用いて説明する。図１は本発明における第１実施例の接続箱を用いた太陽光発電装置の回路図である。図２は１枚の太陽電池パネルによる太陽光発電装置の回路図である。

直流供給源である太陽電池パネル１，２，３が複数枚の場合には、図１に図示するように、接続箱６を介してパワーコンディショナ７に接続される。一方、太陽電池パネル１が１枚の場合には、図２に図示するように、図１に図示する接続箱６を使用せずに、パワーコンディショナ７に接続される。

まず始めに、一枚の太陽電池パネル１がパワーコンディショナ７に接続される場合を、図２を用いて説明する。
太陽電池パネル１は、逆流防止用のダイオード１１を介して、パワーコンディショナ７の入力部に接続される。パワーコンディショナ７は、入力された直流電力の電圧を昇圧チョッパ１３で昇圧するとともに、インバータ１４で所定の周波数（系統１６の周波数）と同じ周波数で系統１６の電圧より高い擬似正弦波の交流電力に変換して系統１６へ出力する。尚、この系統１６には負荷１７が接続されている。

また、パワーコンディショナ７には、昇圧チョッパ１３の昇圧動作やインバータ１４による擬似正弦波の成形動作などを制御するマイコンなどの制御装置２１が設けられている。さらに、パワーコンディショナ７は、インバータ１４または系統１６からの交流電力をＡＣ／ＤＣ（交流／直流）変換器２２で直流電力に変換しており、この変換された直流電力はリレーの常開接片２３を介して接続箱６用の作動電力として接続箱用出力部２４から外部出力可能に構成されている。この常開接片２３は、制御装置２１によりリレーを介してＯＮ−ＯＦＦ（開閉）が制御される。

そして、第１の太陽電池パネル１では、その発電量が不足していることがある。その際などには、第２、第３の太陽電池パネル２，３が増設される。太陽電池パネル２，３が、最初からあるメイン（第１）の太陽電池パネル１と略同じ発電特性の場合には、太陽電池パネル２，３を、パワーコンディショナ７の直流電気の入力部にメインの太陽電池パネル１とともに並列に接続してもさほど問題はない。しかしながら、増設される太陽電池パネル２，３の向きやパネル面積などが、メインの太陽電池パネル１と異なっていると、内部インピーダンスの違いから夫々の発電特性が異なる。この様な場合には、パワーコンディショナ７の直流電力の入力部にメインの太陽電池パネル１とともに発電特性の異なる太陽電池パネルを並列に接続すると、各太陽電池パネル１，２，３から最適な出力を取り出すことができなくなる。そこで、図１に図示するように、接続箱６を介して各太陽電池パネル１，２，３を接続している。

次に、複数の太陽電池パネル１，２，３が接続箱６を介してパワーコンディショナ７に接続される場合を、図１を用いて説明する。
接続箱６には、メインの太陽電池パネル１で発電される直流電力をパワーコンディショナ７の入力部に接続するメイン用回路３１が設けられ、このメイン用回路３１には、増設用回路３２からの電力を合流させる合流部３１ａが設けられている。

また、接続箱６には、第２の直流供給源である太陽電池パネル２，３で発電された直流電力をメイン用回路３１の合流部３１ａに接続する増設用回路３２が、増設用太陽電池パネル２，３の数に合わせて少なくとも１本（この実施例では２本）設けられている。なお、各増設用回路３２同士は並列に接続される。この各増設用回路３２には、増設用太陽電池パネル２，３で発電された電力が入力される入力部からメイン用回路３１の合流部３１ａまで順に、電流検出器３７、昇降圧コンバータ（ＤＣ／ＤＣコンバータ）３８および逆流防止用のダイオード３９が直列に設けられている。昇降圧コンバータ３８は増設用太陽電池パネル２，３からの電圧を上昇・降下させる。この電圧制御は、昇降圧コンバータ３８のチョッピングの周波数を制御したり、また、デューティ比を制御したりして行われるものであり特にその構成が限定されるものではない。電流検出器３７は昇降圧コンバータ３８、ダイオード３９を介して流れる電流を検出するものであり、ホール素子を用いた直流電流検出器やシャント抵抗を用いた直流電流検出器などを用いることができ、その構成は特に限定されるものでない。また、ダイオード３９に並列に、ダイオード３９をバイパスするバイパス回路４１が設けられ、このバイパス回路４１にＯＮ−ＯＦＦ制御されるリレーに応答するスイッチ手段である常開接片４２が設けられている。

さらに、接続箱６には、昇降圧コンバータ３８や常開接片４２を制御する制御装置４４が設けられている。この制御装置４４には、電流検出器３７が検出した電流値（電流値に相当する電圧）が入力される。制御装置４４の作動電力は、パワーコンディショナ７の接続箱用出力部２４から供給される。

この様にして、複数の太陽電池パネル１，２，３が接続箱６を介してパワーコンディショナ７に接続される。そして、接続箱６の制御装置４４は、電流検出器３７の検出する電流値に基づいてこの電流値が常に正の値となり、増設用回路３２（すなわち昇降圧コンバータ３８）、ダイオード３９を介して合流部３１ａに電流が流れるように、昇降圧コンバータ３８から出力される直流電力の電圧を制御している。すなわち、電流検出器３７の検出する電流値が下限設定値よりも低く、殆ど電流が流れていない場合には、昇降圧コンバータ３８で電圧を上昇させ、一方、電流検出器３７の検出値が上限設定値よりも高く、電流が流れすぎる場合には、昇降圧コンバータ３８で電圧を下降させている。この様にして、増設用太陽電池パネル２，３からの電気は、昇降圧コンバータ３８で電圧が上昇または下降されて、メインの太陽電池パネル１からの電圧と略同じ値または少し高い値となるように調整され、合流部３１ａで、メインの太陽電池パネル１からの電気と合流してパワーコンディショナ７に供給される。

また、ダイオード３９で電力ロスが発生するので、制御装置４４は、予め設定されているバイパス設定値よりも電流検出器３７の検出値が高くなると、リレーを介して常開接片４２を閉じて、ダイオード３９をバイパスするバイパス回路４１を有効にする。一方、バイパス設定値よりも電流検出器３７の検出値が低い場合には、常開接片４２は開いて、ダイオード３９により電気の逆流を防止している。なお、バイパス設定値は、前記下限設定値と上限設定値との間の値に設定される。

さらに、ダイオード３９は順方向に流れる際に敷居値が有るため、入力される電力が小さいと流れ難くなり、増設用太陽電池パネル２，３からの電力が有効活用されないおそれがある。そこで、昇降圧コンバータ３８の制御電源は、パワーコンディショナ７から供給し、できるだけ、ダイオード３９に入力される電力を大きくしている。すなわち、パワーコンディショナ７に電源が投入されると、パワーコンディショナ７の制御装置２１は、リレーを介して常開接片２３を閉じ、インバータ１４または系統１６からの電気をＡＣ／ＤＣ変換器２２で直流に変換し作動電力として、接続箱６の制御装置４４や昇降圧コンバータ３８の制御回路などに供給している。なお、パワーコンディショナ７の制御装置２１には、接続箱６の接続の有無が設定されており、接続箱６が接続されていない場合には、常開接片２３を開状態に維持している。一方、接続箱６が接続されている場合には、前述のように、パワーコンディショナ７に電源が投入されると、常開接片２３を閉じている。

次に、本発明における接続箱の第２実施例について説明する。図３は第２実施例の接続箱を用いた太陽光発電装置の回路図である。なお、この第２実施例の説明において、前記第１実施例の構成要素に対応する構成要素には同一符号を付して、その詳細な説明は省略する。

前述の第１実施例では、接続箱６の作動電力は、パワーコンディショナ７から供給されていたが、第２実施例では、メイン用回路３１の合流部３１ａに接続される制御電源用回路４６から供給される。この制御電源用回路４６には、リレーの常開接片４７および安定化回路４８が設けられ、この常開接片４７および安定化回路４８を介して、制御装置４４や昇降圧コンバータ３８の制御回路などに電力が供給される。そして、常開接片４７は、第１実施例の常開接片２３と同様にして、パワーコンディショナ７の制御装置２１でＯＮ−ＯＦＦ制御される。

以上、本発明の実施例を詳述したが、本発明は、前記実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内で、種々の変更を行うことが可能である。本発明の変更例を下記に例示する。
（１）実施例においては、電圧変換コンバータは、電圧を上昇または降下させる昇降圧コンバータであるが、上昇または降下の一方のみを行う昇圧コンバータや降圧コンバータであることも可能である。

（２）実施例においては、太陽電池パネル２，３は増設されているが、最初からメインの太陽電池パネル１とともに設置されることも可能である。
（３）直流供給源は、太陽電池パネル以外のものでも可能で、たとえば、燃料電池などの電池や、直流発電機などでも可能である。

（４）リレーの常開接片２３，４２，４７は、特許請求の範囲で限定されていない限り、必ずしも設ける必要はない。
（５）接続箱に接続される直流供給源は少なくとも２個あればよい。
（６）接続箱の増設用回路の本数は少なくとも１本あればよい。

（７）第２、第３の直流供給源の発電容量は適宜選択可能で、第１の直流供給源の発電容量よりも小さくても、また、大きくても可能である。
（８）電流検出器３７の配置や構造などは、増設用回路３２に流れる電流を検出することができるならば、適宜選択可能である。

第２の直流供給源の発電特性が、第１の直流供給源の発電特性と異なっていても、接続箱を介してパワーコンディショナに接続し、効率よく交流に変換して供給することができる。したがって、複数の直流供給源をパワーコンディショナに接続する接続箱に適用することが最適である。

図１は本発明における第１実施例の接続箱を用いた太陽光発電装置の回路図である。 図２は１枚の太陽電池パネルによる太陽光発電装置の回路図である。 図３は第２実施例の接続箱を用いた太陽光発電装置の回路図である。

符号の説明

１ メインの太陽電池パネル（第１の直流供給源）
２，３ 増設用太陽電池パネル（第２、第３の直流供給源）
６ 接続箱
７ パワーコンディショナ
１３ 昇圧チョッパ
１４ インバータ
３１ メイン用回路（メインの直流供給源からパワーコンディショナへの電気回路）
３１ａ 合流部
３７ 電流検出器
３８ 昇降圧コンバータ（電圧変換コンバータ）
３９ ダイオード
４１ バイパス回路
４２ 常開接片（スイッチ手段）
４４ 制御装置（制御手段）
４８ 安定化回路

Claims (8)

1. 直流供給源で発電された電力を、昇圧チョッパ回路で昇圧した後、インバータ回路で交流電力に変換して系統へ供給するパワーコンディショナに、複数の直流供給源を同時接続可能にするための接続箱であって、
   第１の直流供給源で発電され供給される電力を前記パワーコンディショナへ導く電気回路に設けられる合流部と、
   第２の直流供給源で発電された直流電力の電圧を昇圧した後ダイオードを介して前記合流部に供給する電圧変換コンバータと、
   この電圧変換コンバータを介して前記合流部へ流れる電流値を検出する電流検出器と、
   この電流検出器の検出する電流値が常に正の値となるように前記電圧変換コンバータの電圧の昇圧量を制御する制御手段とを備えていることを特徴とする接続箱。
2. 前記電圧変換コンバータの作動電力を前記パワーコンディショナから供給することを特徴とする請求項１記載の接続箱。
3. 前記電圧変換コンバータの作動電力を、前記合流部から電圧安定化回路を介して取り込むことを特徴とする請求項１記載の接続箱。
4. 前記ダイオードをバイパスするバイパス回路および、このバイパス回路を有効にするスイッチ手段が設けられ、
   前記電圧変換コンバータを介して前記合流部へ流れる電流値が所定の値よりも大きくなった際に、前記スイッチ手段を作動させて前記バイパス回路を有効にすることを特徴とする請求項１ないし３の何れか１項記載の接続箱。
5. 複数の直流供給源で発電された電力を、昇圧チョッパ回路で昇圧した後、インバータ回路で交流電力に変換して系統へ供給する発電装置であって、
   第１の直流供給源で発電され供給される電力を前記昇圧チョッパ回路へ導く電気回路に設けられる合流部と、
   第２の直流供給源で発電された直流電力の電圧を昇圧した後ダイオードを介して前記合流部に供給する電圧変換コンバータと、
   この電圧変換コンバータを介して前記合流部へ流れる電流値を検出する電流検出器と、
   この電流検出器の検出する電流値が常に正の値となるように前記電圧変換コンバータの電圧の昇圧量を制御する制御手段とを備えていることを特徴とする発電装置。
6. 前記電圧変換コンバータの作動電力を前記昇圧チョッパ回路より後段の電気回路から供給することを特徴とする請求項５記載の発電装置。
7. 前記電圧変換コンバータの作動電力を、前記合流部から電圧安定化回路を介して取り込むことを特徴とする請求項５記載の発電装置。
8. 前記ダイオードをバイパスするバイパス回路および、このバイパス回路を有効にするスイッチ手段が設けられ、
   前記電圧変換コンバータを介して前記合流部へ流れる電流値が所定の値よりも大きくなった際に、前記スイッチ手段を作動させて前記バイパス回路を有効にすることを特徴とする請求項５ないし７の何れか１項記載の発電装置。
   

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