JP4239426B2 - 太陽光発電用電力変換装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、太陽光発電用電力変換装置に係り、詳しくは、例えば、太陽電池を用いた分散型電源に使用する太陽光発電用電力変換装置に適用することができ、特に、装置の寿命を検知する技術に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来、系統電源と連系して運転される分散型電源システムについては、例えば、特開平7−170661号公報で報告されたものが挙げられる。以下に、具体的に図面を用いて説明する。
図6は従来の分散型電源システムの構成を示す概略図である。図6において、101は商用電源の電力系統であり、発電所の主電源102と、この発電所102からの電力を降圧して配電する変電所103と、配電線104に設けられた遮断器105と、供給された電力を降圧して各家庭に供給する柱上変圧器106とを備えている。
【0003】
107は各家庭に設置された分散型電源であり、この分散型電源107は、太陽電池108と、この太陽電池108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109とを備えている。110は系統連系保護装置であって、商用電源の電力系統101から分散型電源107を切り離す遮断器111と、分散型電源107の系統内の周波数変動や電圧変動、あるいは商用電源の電力系統101における遮断器105の開成を検知して、遮断器111を開成させる開成検知回路112とを備えている、なお、113は家庭内負荷である。
【0004】
この分散電源システムにおいては、太陽電池108から直流電力が出力されると、インバータ109によって所定周波数の交流電力に変換されてその交流電力が家庭内負荷113に供給される一方、この分散型電源からの交流電力で賄えない電力が、商用電源の電力系統101から供給される。
【0005】
系統連系保護装置110には、点検時期報知装置114が取付けられており、この点検時期報知装置114は、分散型電源107の保守点検時期を演算する点検時期演算手段119と、この点検時期演算手段119の出力に基づいて、次回の保守点検時期を報知する報知手段としての表示部115とが設けられている。
【0006】
そして、点検時期演算手段119は、マイクロコンピュータで構成されており、前回の保守点検の日時および保守点検が必要となる期間などのデータが記憶されるRAM等のメモリからなる記憶部116と、時間を計測するタイマ部117と、記憶部116のデータおよびタイマ部117の出力に基づいて、次の保守点検日を演算するCPUからなる演算部118とを有している。
【0007】
図7は図6に示す分散型電源システムにおける保守点検時期の表示処理を示すフローチャートである。
記憶部116には、保守点検が行われるたびに、点検者が図示しない入力部を操作して、保守点検を行った日時の入力データが記憶されている。まず、演算部118は、記憶部116から前回の保守点検が行われた日時を読込み(ステップn1)、次に、タイマ部117の出力から現在の日付を読取る(ステップn2)。そして、演算部118は、前回の保守点検の日時と現在の日時とから、次の点検時期の日時を演算する(ステップn3)。
【0008】
次に、現在の日付が、記憶部116のデータに基づいて得られた次の保守点検の日付になっていないか否かを判断し(ステップn4)、次の保守点検の日付になっていないときには、次回の点検時期の日時と現在の日時との差を求めて(ステップn5)、点検時期までの日数を演算する(ステップn5)。そして、この次の保守点検日までの日数を表示部115に表示する(ステップn6)。
【0009】
また、次の保守点検の日付になっていると判断したときには、保守点検日がきたことを表示部115に表示する(ステップn7)。これにより、ユーザは、保護装置110の表示部115の表示を見ることによって、次の保守点検日までの日数あるいは保守点検日がきたことを知ることができる。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記したような従来技術では、保守点検の実施時期を一定期間経過後としたり、インバータ109の動作条件を基に演算するため、実際にシステムの寿命時期であることを検出することが困難であった。特に、太陽電池を発電源とし、これに電力変換装置等を組み合わせて構成したシステムでは、装置の稼動状況がシステムの設置条件や天候などに左右されるため、システム毎に正確に寿命時期を検出することができなかった。従って、適切な時期に保守点検を実施することが困難であった。
【0011】
そこで、本発明は上記した課題を解決するためになされたもので、システムの設置条件や天候等の影響を受けることなく、装置の寿命時期を正確に、かつ容易に検出することができ、適切な時期に保守点検を容易に実施することができる太陽光発電用電力変換装置を得ることを目的とする。
【0012】
【課題を解決するための手段】
第1の発明は、商用電力系統に連系する太陽光発電用電力変換装置であって、太陽電池から出力される出力電圧が入力され、その入力電圧をインバータの入力に必要な電圧に変換して出力するコンバータと、コンバータからの出力電圧およびインバータへの入力電圧を平滑する平滑回路と、平滑回路の平滑された出力電圧を検出し、その出力電圧からリプル電圧を検出するリプル電圧検出手段と、平滑回路から出力される平滑された直流電力を交流電力に変換して出力するインバータと、インバータから出力される出力電流を検出する出力電流検出手段と、検出されたインバータの出力電流および商用電力系統の周波数に基づいて許容リプル電圧を演算する許容リプル電圧演算手段と、検出されたリプル電圧と許容リプル電圧の関係から装置の寿命を判断する装置寿命判断手段とを有するものである。
【0013】
第2の発明は、上記第1に記載の発明において、商用電力系統の周波数を検出する検出回路を備え、許容リプル電圧演算手段が前記検出回路が検出した前記商用電力系統の周波数に基づき許容リプル電圧を演算するものである。
【0014】
第3の発明は、上記第1乃至第2に記載の発明において、装置寿命であると判断された場合、その旨を報知する装置寿命報知手段を有するものである。
【0015】
第4の発明は、上記第1乃至第3に記載の発明において、装置寿命であると判断された場合、装置を停止させる装置停止手段を有するものである。
【0016】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明に係る実施の形態を、図面を参照して説明する。
実施の形態1.
図1は本発明に係る実施の形態1における太陽光発電用電力変換装置の要部構成図である。図示例は、複数の太陽電池の電力を入力して、系統と連系運転を行う系統連系インバータの構成を例示したものである。図1において、太陽電池アレイ8は、系統連系インバータ36に接続され、太陽電池アレイ8の出力電圧は、DC−DCコンバータ20に入力される。
【0017】
DC−DCコンバータ20は、太陽電池アレイ8から出力される入力電圧が入力され、その入力電圧をインバータ9の入力に必要な電圧に変換して出力する。平滑回路21は、DC−DCコンバータ20からの出力電圧およびインバータ9への入力電圧を平滑する。インバータ9は、平滑回路21から出力される平滑された直流電力を交流電力に変換して出力し、連系リレー23を経由して商用電力系統1に連系する。
【0018】
電圧検出手段30は、平滑回路21の平滑された出力電圧を検出する。具体的には、電圧検出手段30は、例えば、平滑回路21を構成するコンデンサ等の両端電圧から電圧を検出する。リプル電圧検出手段31は、検出された平滑回路21の出力電圧からリプル電圧を検出する。
【0019】
具体的には、リプル電圧検出手段31は、例えば、平滑回路21の検出信号から商用電力系統1の周波数に起因する高調波リプル成分を検出したり、DC−DCコンバータ20の動作に起因する電圧の変動を検出したりすることにより、リプル電圧を検出する。許容リプル電圧記憶手段33は、メモリ等で構成され、太陽光発電用電力変換装置(以下、装置と記す)の寿命を検出するための基準値となる許容リプル電圧の所定値が予め記憶されている。
【0020】
ここでは、例えば、インバータ9の定格出力電流を20(Vrms)とし、商用電力系統1の周波数を60(Hz)とし、単相とし、平滑回路21に定格静電容量3300(μF)の電解コンデンサを使用した。この条件の時、許容リプル電圧の所定値は、5.5(Vrms)となる。なお、許容リプル電圧Vは、(0.435×i)/(2×π×f×c×a)より求めることができる。但し、aは定数(商用電力系統1が単相の場合は2)であり、iはインバータ9の出力電流[Arms]であり、πは定数(3.14)であり、fは商用電力系統1の周波数[Hz]であり、cはコンデンサの静電容量の許容下限値[F]である。
【0021】
比較判断手段32は、リプル電圧検出手段31により検出されたリプル電圧と許容リプル電圧記憶手段33から読み出した許容リプル電圧とを比較し、検出されたリプル電圧が許容リプル電圧を超えると、装置が寿命であると判断し、検出されたリプル電圧が許容リプル電圧以下であると、装置は寿命でないと判断して、その結果を制御回路24へ出力する。
【0022】
寿命検出手段26は、電圧検出手段30と、リプル電圧検出手段31と、許容リプル電圧記憶手段33と、比較判断手段32とから構成される。ここで、リプル電圧検出手段31と比較判断手段32と許容リプル電圧記憶手段33は、ハードウェアで構成してもよいし、ソフトウェアで構成してもよい。ここでは、許容リプル電圧は、許容リプル電圧記憶手段33により予め記憶するように構成したが、ハードウェア(回路定数)で予め設定することも可能であるので、許容リプル電圧設定手段(図示しない)により予め設定するように構成してもよい。
【0023】
そして、制御回路24は、比較判断手段32から出力される寿命の出力結果が入力されると、インバータ9に運転停止信号を送るとともに、連系リレー23に開信号送り、更に、装置が寿命である旨を表示部15に表示させる。これにより、装置は停止されるとともに、ユーザに対して装置が寿命である旨が表示される。
【0024】
一方、制御回路24は、比較判断手段32から出力される寿命でない旨の出力結果が入力されると、インバータ9に運転信号を送るとともに、連系リレー23に閉信号送り、装置が通常状態である旨を表示部15に表示させる。これにより、装置は運転状態が維持されるとともに、ユーザに対して装置が通常状態である旨が表示される。
【0025】
機器の寿命を決める部品となるコンデンサの寿命は通常、温度の影響を受け易い。しかしながら、従来技術では、周囲温度を基にコンデンサの寿命を演算していた。このため、太陽光発電用電力変換装置では、コンデンサの周囲温度がシステムの設置条件や天候等による変動が大きいため、正確に演算することは困難であった。
【0026】
これに対し、本実施の形態では、コンデンサが劣化してきた際に起こる静電容量低下によりリプル電圧が増加する現象を利用し、コンデンサから構成される平滑回路21の出力電圧に現れるリプル電圧を検出することにより、コンデンサの劣化を直接的に検出することができる。
【0027】
このように、本実施の形態では、コンデンサ劣化を示すリプル電圧を検出し、これと装置寿命の基準となる許容リプル電圧を比較して、装置寿命を判断するようにしたため、システムの設置条件や天候等の影響を受けることなく、装置の寿命時期を正確に、かつ容易に検出することができる。このため、適切な時期に保守点検を容易に実施することができる。また、その装置が寿命により異常状態となる前に装置の寿命を検出して、装置を安全に停止することができる。また、ユーザは、表示部15を見て装置の寿命時期を知ることができる。
【0028】
なお、上記実施の形態1では、装置が寿命であると判断すると、制御回路24により、装置を停止させる動作と、表示部15に寿命である旨を表示させる動作との両方の動作を行うように構成したが、装置を停止させる動作と、表示部15に寿命である旨を表示させる動作のうち、両方ではなく、何れか一方の動作を行うように構成してもよい。
【0029】
上記実施の形態1においては、ユーザに装置が寿命である旨を知らせるために、装置が寿命である旨を報知する手段として、表示部15に表示するように構成したが、図2に示すように、ユーザに装置が寿命である旨を知らせるために、別の報知手段として、ブザー等で音を発生させたり、音声で発したりする音出力部15aで構成してもよい。
【0030】
実施の形態2.
図3は本発明に係る実施の形態2における太陽光発電用電力変換装置の要部構成図である。図示例も、実施の形態1と同様、複数の太陽電池の電力を入力して、系統と連系運転を行う系統連系インバータの構成を例示したものである。実施の形態1と異なる点は、寿命検出手段の構成にインバータの出力電流を検出する電流検出手段および該回路出力を基に許容リプル電圧値を演算する演算手段を設けた点と、表示部をリモートコントローラ等に取り付けた点である。以下、具体的に説明する。
【0031】
図3において、太陽電池アレイ8は、系統連系インバータ36に接続され、太陽電池アレイ8の出力電圧は、DC−DCコンバータ20に入力される。DC−DCコンバータ20は、太陽電池アレイ8から出力される入力電圧が入力され、その入力電圧をインバータ9の入力に必要な電圧に変換して出力する。平滑回路21は、DC−DCコンバータ20からの出力電圧およびインバータ9への入力電圧を平滑する。
【0032】
インバータ9は、平滑回路21から出力される平滑された直流電力を交流電力に変換して出力し、連系リレー23を経由して商用電力系統1に連系する。電圧検出手段30は、平滑回路21の平滑された出力電圧を検出する。具体的には、電圧検出手段30は、例えば、平滑回路21を構成するコンデンサ等の両端電圧から電圧を検出する。リプル電圧検出手段31は、検出された平滑回路21の出力電圧からリプル電圧を検出する。
【0033】
具体的には、リプル電圧検出手段31は、例えば、平滑回路21の検出信号から商用電力系統1の周波数に起因する高調波リプル成分を検出したり、DC−DCコンバータ20の動作に起因する電圧の変動を検出したりすることにより、リプル電圧を検出する。また、電流検出手段34は、インバータ9から出力される出力電流を検出し、演算手段35は、この検出されたインバータ9の出力電流を基に許容リプル電圧を演算する。
【0034】
演算手段35における演算例としては、例えば、V=I/(2×π×f×C×a)を用いる。ここで、Vは許容リプル電圧[V]、Iはインバータ9の出力電流[A]、fは商用電力系統1の周波数[Hz]、Cはコンデンサ静電容量の許容下限値[F]、aは定数(商用電力系統が単相の場合は2)である。
【0035】
なお、平滑回路21に定格静電容量3300[μF]の電解コンデンサを使用し、インバータ9の出力電流Iは10[Arms]、商用電力系統1の周波数fは60[Hz]、コンデンサ静電容量の許容下限値Cは1700[μF]、aは2(商用電力系統が単相の場合)とした場合の許容リプル電圧Vは3.4[Vrms]となる。商用電力系統1の周波数fは、検出回路(図示せず)による検出値を用いてもよいし、予め設定された所定値を用いてもよい。前者の検出周波数によれば、後者より精度を高めることができ好ましい。
【0036】
比較判断手段32は、リプル電圧検出手段31により検出されたリプル電圧と
演算手段35により演算された許容リプル電圧とを比較し、検出されたリプル電圧が許容リプル電圧を超えると、装置が寿命であると判断し、検出されたリプル電圧が許容リプル電圧以下であると、装置は寿命でないと判断して、その結果を制御回路24へ出力する。
【0037】
寿命検出手段26は、電圧検出手段30と、リプル電圧検出手段31と、電流検出手段34と、演算手段35と、比較判断手段32とから構成される。ここで、リプル電圧検出手段31、比較判断手段32、演算手段35は、ハードウェアで構成してもよいし、ソフトウェアで構成してもよい。
【0038】
そして、制御回路24は、比較判断手段32から出力される寿命の出力結果が入力されると、インバータ9に運転停止信号を送るとともに、連系リレー23に開信号送り、更に、装置が寿命である旨を遠隔にあるリモートコントローラ46の表示部15に表示させる。これにより、装置は停止されるとともに、遠隔のユーザに対して装置が寿命である旨が表示される。
【0039】
一方、制御回路24は、比較判断手段32から出力される寿命でない旨の出力結果が入力されると、インバータ9に運転信号を送るとともに、連系リレー23に閉信号送り、装置が通常状態である旨を遠隔にあるリモートコントローラ46の表示部15に表示させる。これにより、装置は運転状態が維持されるとともに、遠隔のユーザに対して装置が通常状態である旨が表示される。
【0040】
実施の形態1の場合では、太陽電池の発電量が小さい場合、インバータ9の出力電流が小さくなり、検出リプル電圧Vも小さくなる。このように、インバータ9の出力電流が常に小さかった場合、実施の形態1では、いつまでたっても検出リプル電圧が大きくならず、平滑回路21を構成するコンデンサが、容量が低下して寿命になっても、リプル電圧が許容リプル電圧に達しなくなり好ましくない。
【0041】
これに対し、本実施の形態では、インバータ9の出力電流を検出し、この検出されたインバータ9の出力電流を基に許容リプル電圧を演算により求めるようにしたため、インバータ9の出力電流が小さくても、これに応じた許容リプル電圧を設定することができる。このため、実施の形態1の場合よりも、寿命の検出精度を向上させるできる。即ち、平滑回路21の出力における商用電力系統1の周波数に起因する高調波リプル成分は、インバータ9の出力電流の大きさによって変化するが、本実施の形態においては、その影響を受け難くすることができる。また、表示部15を系統連系インバータ36から離して設置できるので、よりユーザの見易い位置に適宜設置することで、ユーザへの認知度を高めることができる。
【0042】
なお、上記実施の形態2では、許容リプル電圧を演算する際に、インバータ出力電流検出値を用いたが、インバータ9の制御方式が出力電流制御方式の場合、制御回路24にて演算されるインバータ出力電流指令値を用いても、同様の効果が得られる。
【0043】
上記実施の形態2においては、許容リプル電圧Vとインバータ9の出力電流Iは、図4に示すように、実効値を用いてもよいし、P−P(Peak to Peak)値などを用いても同様の効果が得られる。図4に示す波形例は、インバータ9の出力電流Iは10[Arms]、商用電力系統1の周波数fは60[Hz]、コンデンサ静電容量の許容下限値Cは1700[μF]、πは3.14(定数)、aは2(定数)の場合である。P−P値は、9.6[Vp-p](実効値では3.4[Vrms]相当)である。
【0044】
上記実施の形態2においては、ユーザに装置が寿命である旨を知らせるために、装置が寿命である旨を報知する報知手段として、表示部15に表示するように構成したが、図5に示すように、ユーザに装置が寿命である旨を知らせるために、別の報知手段として、ブザー等で音を発生させたり、音声で発したりする音出力部15aで構成してもよい。
【0045】
【発明の効果】
第1の発明によれば、太陽電池から出力される出力電圧が入力された入力電圧を、コンバータにより、インバータの入力に必要な電圧に変換し、平滑回路により、コンバータからの出力電圧およびインバータへの入力電圧を平滑し、その平滑回路の平滑された出力電圧を検出して、リプル電圧検出手段により、その出力電圧からリプル電圧を検出し、平滑回路から出力される平滑された直流電力を、インバータにより、交流電力に変換し、出力電流検出手段により、インバータから出力される出力電流を検出し、検出されたインバータの出力電流に基づいて、許容リプル電圧演算手段により、許容リプル電圧を演算し、検出されたリプル電圧と許容リプル電圧の関係から、装置寿命判断手段により、装置の寿命を判断するように太陽光発電用電力変換装置を構成することにより、インバータの出力電流を検出し、この検出されたインバータの出力電流を基に許容リプル電圧を演算により求めるようにしたため、インバータの出力電流が小さくても、これに応じた許容リプル電圧を設定することができる。このため、装置寿命の検出精度を向上させることができる。
【0046】
このように、劣化を示すリプル電圧を検出し、これと装置寿命の基準となる許容リプル電圧を比較して、装置寿命を判断するようにしたため、システムの設置条件や天候等の影響を受けることなく、装置の寿命時期を正確に、かつ容易に検出することができる。このため、適切な時期に保守点検を容易に実施することができる。また、その装置が寿命により異常状態となる前に装置の寿命を検出して、装置を安全に停止することができる。
【0047】
第2の発明によれば、検出回路を用いて検出した商用電力系統の周波数に基づき許容リプル電圧を演算するため、太陽光発電用電力変換装置に予め設定された商用電力系統の周波数に基づき演算するよりも、許容リプル電圧の精度を高めることができる。
【0048】
第3の発明によれば、上記第1乃至第2に記載の発明において、装置寿命であると判断された場合、装置寿命報知手段により、その旨を報知するように構成することにより、装置が寿命により異常停止する前に、ユーザに装置の寿命であることを知らせることができる。
【0049】
第4の発明によれば、上記第1乃至第3に記載の発明において、装置寿命であると判断された場合、装置停止手段により、装置を停止させるように構成することにより、装置が寿命により異常停止する前に、装置を停止してメンテナンスすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明に係る実施の形態1における太陽光発電用電力変換装置の要部構成図である。
【図2】 本発明に適用できる太陽光発電用電力変換装置の要部構成図である。
【図3】 本発明に係る実施の形態2における太陽光発電用電力変換装置の要部構成図である。
【図4】 本発明に適用できる平滑回路の出力電圧のリプル成分波形例を示す図である。
【図5】 本発明に適用できる太陽光発電用電力変換装置の要部構成図である。
【図6】 従来の分散型電源システムの構成を示す概略図である。
【図7】 図6に示す分散型電源システムにおける保守点検時期の表示処理を示すフローチャートである。
【符号の説明】
1 商用電力系統、8 太陽電池アレイ、9 インバータ、15 表示部、15a 音出力部、20 DC−DCコンバータ、21 平滑回路、23 連系リレー、24 制御回路、26 寿命演算手段、30 電圧検出手段、31 リプル電圧検出手段、32 比較判断手段、33 許容リプル電圧記憶手段、34 電流検出手段、35 演算手段、36 系統連系インバータ、46 リモートコントローラ。
Claims (4)
- 商用電力系統に連系し、
太陽電池から出力される出力電圧が入力され、その入力電圧をインバータの入力に必要な電圧に変換して出力するコンバータと、
コンバータからの出力電圧およびインバータへの入力電圧を平滑する平滑回路と、
平滑回路の平滑された出力電圧を検出し、その出力電圧からリプル電圧を検出するリプル電圧検出手段と、
平滑回路から出力される平滑された直流電力を交流電力に変換して出力するインバータと、
インバータから出力される出力電流を検出する出力電流検出手段と、
検出されたインバータの出力電流および前記商用電力系統の周波数に基づいて許容リプル電圧を演算する許容リプル電圧演算手段と、
検出されたリプル電圧と許容リプル電圧の関係から装置の寿命を判断する装置寿命判断手段とを有することを特徴とする太陽光発電用電力変換装置。 - 請求項1に記載の太陽光発電用電力変換装置において、商用電力系統の周波数を検出する検出回路を備え、許容リプル電圧演算手段は前記検出回路が検出した前記商用電力系統の周波数に基づき許容リプル電圧を演算することを特徴とする太陽光発電用電力変換装置。
- 請求項1乃至2に記載の太陽光発電用電力変換装置において、装置寿命であると判断された場合、その旨を報知する装置寿命報知手段を有することを特徴とする太陽光発電用電力変換装置。
- 請求項1乃至3に記載の太陽光発電用電力変換装置において、装置寿命であると判断された場合、装置を停止させる装置停止手段を有することを特徴とする太陽光発電用電力変換装置。
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