JP5359242B2 - パワーコンディショナ - Google Patents

Description

本発明は、分散型電源等の電源と系統電源との間に配置され、電源からの直流電力を系統電源に同期させた交流電力に変換するパワーコンディショナに関する。

近年、例えば特許文献１に開示されているように、太陽光発電などによる電源と系統電源（商用電源）とをパワーコンディショナを介して逆潮流可能な構成で連系し、電源だけでは電力を賄えない場合に、不足電力を系統電源側から供給するようにした系統連系システムが開発されている。

この種の系統連系システムでは、系統電源側の不測の停電時や作業停止時等において、電源から系統電源側への逆潮流を防止する必要がある。

特許文献２には、電源からの直流電力を系統電源の交流電力に変換するインバータ回路と、電源と系統電源との間の連系接続を遮断する連系リレー回路（開閉器）とを備え、例えば系統電源の停電時に電源の単独運転を検知すると、連系リレー回路を駆動して電源と系統電源との間の連系接続を遮断させるとともに、インバータ回路を停止させることで、逆潮流を防止するパワーコンディショナが開示されている。

系統連系システムにおいて、パワーコンディショナに設けられたインバータ回路は、電源からの直流電力を系統電源に同期させた交流電力に変換するために必要不可欠な回路であり、インバータ回路に不具合が発生した場合には電源と系統電源との連系に支障を来すおそれがあるため、早急にインバータ回路の不具合を発見することが望ましい。

特許文献３には、電源と系統電源との間の連系接続を遮断した状態でインバータ回路の故障を判定する自己診断機能を備えたパワーコンディショナが開示されている。

特許文献３では、連系接続を遮断した状態で、インバータ回路が備える全スイッチング素子をオフした後、オフ状態の全スイッチング素子のうち、一つのスイッチング素子のみをオンに切り替えるオン切替動作を順次実行する毎に、電圧検出回路にてインバータ回路の出力電圧を検出し、インバータの出力電圧が低下した場合にインバータ回路内部にショート故障ありとの警告表示を表示部に表示する技術が開示されている。

特許文献３では、電源からの直流電力をいずれか一つのオン状態のスイッチング素子を介して出力し、電圧検出回路でその直流電圧を検出している。
特開２００２−１０４９６号公報 特開平１１−１２７５４２号公報 特開２００８−５４３９８号公報

ところで、一般的な電圧検出回路として、図５の（ａ）に示すような非絶縁型と、図５の（ｂ）に示すような絶縁型とが知られている。

非絶縁型の電圧検出回路は、図５の（ａ）に示すように、測定対象の測定電圧Ｖが電圧ラインＬ１，Ｌ２を介して絶縁されることなく差動増幅回路Ｄに入力され、差動増幅回路Ｄから出力される信号を電圧Ｖに対応する電圧信号としてラインＬ３を介して出力する。

一方、絶縁型の電圧検出回路は、電圧ラインＬ１，Ｌ２を介して入力された測定電圧Ｖが、絶縁トランスＰＴにて絶縁されて降圧された後、差動増幅回路Ｄに入力され、差動増幅回路Ｄから出力される信号を電圧Ｖに対応する電圧信号としてラインＬ３を介して出力する。

このように、絶縁型の電圧検出回路では、絶縁トランスＰＴに測定電圧Ｖが入力される。絶縁トランスＰＴは、直流成分に対してインピーダンスが低いため、絶縁トランスＰＴに直流電圧が入力されると、絶縁トランスＰＴ等が発熱することがある。したがって、直流電圧を測定する場合には、絶縁型の電圧検出回路を用いることは好ましくない。

そこで、特許文献３のようにインバータの故障検知を行う際のパラメータとして直流電圧を検出する場合には、図５の（ａ）に示すような非絶縁型の電圧検出回路が用いられる。

ところが、インバータの出力電圧を絶縁せずに電圧検出回路で電圧の測定を行う場合、例えばインバータの不具合等により過電流が発生すると、その過電流が電圧検出回路を介して外部に出力される可能性があり、流出した過電流が外部に悪影響を及ぼすおそれがある。したがって、インバータの異常を検知するために用いられる電圧検出回路は、絶縁型の電圧検出回路を用いることが好ましい場合もある。

本発明は、電源と系統電源との間の連系接続を遮断した状態でインバータ回路の故障を判定する自己診断機能を備えたパワーコンディショナにおいて、たとえインバータの不具合等により過電流が発生しても、その過電流が電圧検出回路を介して外部に出力されて外部に悪影響を与えるおそれを低減させることを目的とする。

本発明に係るパワーコンディショナは、電源と系統電源との間に配置されるパワーコンディショナであって、前記電源の直流電力を交流電力に変換して出力するインバータと、前記インバータのスイッチングを制御して、前記インバータに前記系統電源の交流電力に同期させた交流電力を出力させるインバータ制御部と、前記電源と前記系統電源との間の連系接続を遮断する連系リレーと、前記インバータからの交流電圧を検知する絶縁型電圧検出回路と、前記連系リレーを開放させることで前記電源と前記系統電源との間の連系接続を遮断させた状態で、前記絶縁型電圧検出回路を介して前記インバータから出力される交流電圧の電圧値を取得して、取得した電圧値が予め定められた閾値以下の場合に、前記インバータの故障であると判定する判定部と、を備えることを特徴とする。

本発明に係るパワーコンディショナによれば、インバータの故障判定の際に絶縁型の電圧検出回路を用いるため、たとえインバータの不具合等により過電流が発生して、その過電流が電圧検出回路に入力される場合でも、その過電流が電圧検出回路内部の絶縁回路により絶縁されるので、過電流が電圧検出回路を介して外部に出力され、悪影響を及ぼすおそれを低減することができる。

本発明に係るパワーコンディショナの一つの態様では、前記判定部は、前記パワーコンディショナの起動時に前記インバータの故障判定を行うことを特徴とする。

本発明に係るパワーコンディショナの一つの態様によれば、インバータの故障判定をパワーコンディショナの起動時に行うことで、パワーコンディショナの運転開始前に少なくともインバータの故障有無を判定することができる。

本発明に係るパワーコンディショナの一つの態様では、前記インバータの出力電力に対して能動信号を与えることで出力電力に変動を生じさせるとともに、前記系統電源の電力に前記能動信号成分に基づく変動が生じたことを検出した場合に、前記電源が単独運転状態であると判定する単独運転検出部を備え、前記判定部は、前記単独運転検出部により前記電源が単独運転状態であると判定された際に、前記インバータの故障判定を行う、ことを特徴とする。

本発明に係るパワーコンディショナの一つの態様によれば、単独運転検出部により電源が単独運転状態であると判定された際にインバータの故障判定が行われるので、単独運転状態と判定された原因が、少なくともインバータの故障であるか否かを把握することができる。

本発明によれば、インバータの故障判定の際に絶縁型の電圧検出回路を用いるため、たとえインバータの不具合等により過電流が発生して、その過電流が電圧検出回路に入力される場合でも、その過電流が電圧検出回路内部の絶縁回路により絶縁されているので、過電流が電圧検出回路を介して外部に出力され、悪影響を及ぼすおそれを低減することができる。

本発明を実施するための最良の形態（以下、「実施形態」と称す）について、以下図面を用いて説明する。

図１は、本実施形態に係る系統連系システムの全体構成を示す図である。図１において、系統連系システム１は、系統電源３からの電力と、太陽電池、燃料電池等や、連系インバータ等を含んだ電源システムである分散型電源等の直流電源である電源２からパワーコンディショナ４を介して出力される電力とを同期させて、家庭用電気機器等の負荷５に電力を印加する。

パワーコンディショナ４は、電源２から出力された直流電力を平滑化する第１電解コンデンサ１１と、第１電解コンデンサ１１にて平滑化された直流電力を昇圧する昇圧回路１２と、昇圧回路１２にて昇圧された直流電力を平滑化する第２電解コンデンサ１３と、第２電解コンデンサ１３にて平滑化された直流電力を系統電源３の交流電力に同期した交流電力に変換するインバータ１４と、インバータ１４において変換された交流電力のノイズを除去するためにフィルタ処理を施すフィルタ回路１５と、フィルタ回路１５及び負荷５との間を接続することで電源２と系統電源３との間を連系接続（電気的に接続）する連系リレー１６とを備える。

さらに、パワーコンディショナ４は、インバータ１４の出力電圧を検出する電圧検出回路３０と、昇圧回路１２、インバータ１４、連系リレー１６のスイッチング制御等、パワーコンディショナ全体を制御する制御部４０とを備える。詳細は後述するが、制御部４０は、電圧検出回路３０から出力されるインバータ１４の出力電圧に対応する電圧信号に基づいてインバータ１４の故障判定を行う。

昇圧回路１２は、スイッチング素子１２Ａと、インダクタンス１２Ｂと、ダイオード１２Ｃとで構成し、スイッチング素子１２Ａをオン状態にしてインダクタンス１２Ｂに蓄積された電気エネルギーを、スイッチング素子１２Ａをオフした際にダイオード１２Ｃを介して出力することで、直流電力を所定のレベルまで昇圧させる。

インバータ１４は、直列に接続された第１スイッチング素子２１Ａ及び第２スイッチング素子２１Ｂで構成される第１スイッチングアームと、直列に接続された第３スイッチング素子２２Ａ及び第４スイッチング素子２２Ｂで構成される第２スイッチングアームとを並列に接続することで構成する。インバータ１４は、それぞれ対角線上に位置する第１スイッチング素子２１Ａと第４スイッチング素子２２Ｂとの第１対角ペアと、第２スイッチング素子２１Ｂと第３スイッチング素子２２Ａとの第２対角ペアとをそれぞれ交互にスイッチングすることで、直流電力を交流電力に変換する。

以上、本実施形態に係る系統連系システムは、電源２からの直流電力をパワーコンディショナ４に設けられたインバータ１４において交流電力に変換し、系統電源３からの交流電力と同期させて、家庭用電気機器等の負荷５に電力を印加する。

図２は、制御部４０の機能ブロックを示す図である。図２において、制御部４０は、ＣＰＵ１１０、ＲＯＭ１１２、ＲＡＭ１１４、記憶装置１２０、インバータインタフェース１５２、連系リレーインタフェース１５４、電圧検出回路インタフェース１５６、及び通信バス１６０を備える。ＣＰＵ１１０、ＲＯＭ１１２、ＲＡＭ１１４、記憶装置１２０、インバータインタフェース１５２、連系リレーインタフェース１５４、及び電圧検出回路インタフェース１５６は、それぞれ通信バス１６０を介して接続されている。

ＣＰＵ１１０は、ＲＯＭ１１２に記憶されたＢＩＯＳプログラムなどの基本的な制御プログラムをＲＡＭ１１４に展開して、通信バス１６０を介して各部を制御する。記憶装置１２０は、単独運転の有無の判定を行うためのプログラム１３０等を記憶する。

本実施形態では、記憶装置１２０には、プログラム１３０として、インバータ制御部１３２、電圧取得部１３４、判定部１３６、連系スイッチ制御部１３８とが記憶されている。これらプログラムは、ＣＰＵ１１０によって読み出され、ＲＡＭ１１４に展開され、実行されることで各種処理を実行する。さらに、記憶装置１２０は、プログラム１３０を実行する際にＣＰＵ１１０によってアクセスされる閾値記憶部１４０を有する。

インバータ制御部１３２は、電源２からの直流電力を系統電源３に同期した交流電力に変換するように、インバータ１４が備える各スイッチング素子２１Ａ，２１Ｂ，２２Ａ，２２Ｂを第１ペア及び第２ペアそれぞれに定められた第１デューティ比Ｄ１及び第２デューティ比Ｄ２でペアごとに交互にオン／オフさせる。

なお、第１デューティ比Ｄ１及び第２デューティ比Ｄ２はそれぞれ、インバータ１４から出力すべき出力電圧に応じて定まるＰＷＭ指令（−１００％〜＋１００％）に基づいて、次式（１），（２）により定められる。
第１デューティ比Ｄ１＝ＰＷＭ指令÷２＋５０％ （１）
第２デューティ比Ｄ２＝５０％−ＰＷＭ指令÷２ （２）

ここで、系統電源３の電力の周期が５０ｈｚの場合には、ＰＷＭ指令を５０Ｈｚの周期の正弦波で変動させることで、インバータ１４から５０Ｈｚの交流電力が出力される。

本実施形態では、インバータ制御部１３２は、インバータ１４の異常を判定する際も、ＰＷＭ指令を例えば５０Ｈｚの周期の正弦波で変動させ、インバータ１４から交流電力を出力させるように制御している。

電圧取得部１３４は、電圧検出回路３０から出力されたインバータ１４の交流電圧に応じた電圧信号を電圧検出回路インタフェース１５６を介して取得して、交流電圧の実効値を算出する。

上記の通り、インバータ１４から出力される交流電圧は正弦波であるため、電圧取得部１３４は、電圧信号の最大振幅を√２で除算することでインバータ１４の交流電圧の実効値を算出する。

判定部１３６は、電圧取得部１３４が求めた電圧実効値が、閾値記憶部１４０に予め記憶された閾値以下か否かを判定し、電圧実効値が閾値以下の場合には、インバータ１４の故障であると判定する。

連系スイッチ制御部１３８は、判定部１３６の故障判定の結果を受けて、連系リレーインタフェース１５４を介して連系リレー１６を制御して、電源２と系統電源３との連系を遮断する。

図３は、本実施形態に係るパワーコンディショナが備える電圧検出回路３０の回路構成を示す図である。本実施形態では、上記の通り、インバータ１４に交流電力を出力させた状態で、電圧検出回路３０にインバータ１４の出力電圧を検出させ、その出力電圧に基づいてインバータ１４の故障判定を行う。したがって、絶縁トランスＰＴの発熱等が起こる可能性があるため、非絶縁型の電圧検出回路は用いず、絶縁型の電圧検出回路を用いる。

図３に示すように、電圧検出回路３０は、電圧ラインＬ１，Ｌ２を介して入力されたインバータ１４の交流電圧Ｖを、絶縁トランスＰＴにて絶縁して降圧した後、差動増幅回路Ｄに入力し、差動増幅回路Ｄから出力される信号を交流電圧Ｖに対応する電圧信号としてラインＬ３を介して制御部４０に出力する。

図４は、インバータ１４の故障判定を行う際の判定部１３６の処理手順を示すフローチャートである。判定部１３６は、例えば、パワーコンディショナ４の起動時に、図４に示す故障判定の処理を実行する。

図４において、まず、判定部１３６は、連系スイッチ制御部１３８を介して連系リレー１６を制御して、電源２と系統電源３との連系を遮断するとともに、インバータ１４に交流電力を出力させる（Ｓ１００）。次いで、電圧検出回路３０を介して電圧取得部１３４により算出されたインバータ１４の電圧実効値を取得する（Ｓ１０２）。さらに、判定部１３６は、閾値記憶部１３０から予め定められた閾値を取得して、取得した電圧実効値が、閾値以下か否かを判定する（Ｓ１０４）。判定の結果、電圧実効値が閾値より大きければ（ステップＳ１０４の判定結果が、否定「Ｎ」）、インバータ１４は正常に作動しているとして処理を終了する。

一方、電圧実効値が閾値以下であれば（ステップＳ１０４の判定結果が、肯定「Ｙ」）、インバータ１４の故障であると判定する（Ｓ１０６）。

なお、判定部１３６がインバータ１４の故障と判定した場合には、パワーコンディショナ４の運転を中止して、例えば、不図示の表示部にエラーメッセージを表示して、ユーザーにインバータが故障している旨を通知する。

以上、本実施形態では、インバータ１４に交流電力を出力させながら、絶縁型の電圧検出回路３０を介してインバータ１４の出力電圧を検知し、その出力電圧が予め定められた閾値以下であれば、インバータ１４の故障であると判定される。

本実施形態によれば、インバータ１４の出力電圧を検知する回路として、絶縁型の電圧検出回路を用いることができるため、たとえインバータの不具合等により過電流が発生して、その過電流が電圧検出回路に入力される場合でも、その過電流は電圧検出回路内部の絶縁回路（絶縁トランスＰＴ等）により絶縁されるため、過電流が電圧検出回路を介して外部に出力され、悪影響を及ぼすおそれを低減することができる。

なお、上記では、判定部１３６は、パワーコンディショナ４の起動時にインバータの故障判定を行う例について説明した。しかし、故障判定を行うタイミングはこれに限らない。例えば、パワーコンディショナ４が、電源の単独運転を検出する単独運転検出部を備える場合には、単独運転検出部が電源の単独運転を検出した際に、インバータの故障判定を行ってもよい。なお、単独運転検出部は、インバータの出力に高調波信号、無効電力、有効電力等の能動信号を注入することで変動要因を与えておき、連系運転時にはその変動要因が出力に現れず、つまり、注入された能動信号成分に基づく電力変動が現れず、単独運転時には能動信号成分に基づく電力変動が現れるようにして電源の単独運転を検出する周知のユニットである。

本発明は、インバータの故障判定の際に絶縁型の電圧検出回路を用いるため、たとえインバータの不具合等により過電流が発生して、その過電流が電圧検出回路に入力される場合でも、その過電流が電圧検出回路内部の絶縁回路により絶縁されるので、過電流が電圧検出回路を介して外部に出力され、悪影響を及ぼすおそれを低減することができる。よって、本発明は、電源と系統電源との間に配置され、電源からの直流電力を系統電源に同期させた交流電力に変換するパワーコンディショナ等に適用することができる。

本実施形態に係る系統連系システムの全体構成を示す図である。 本実施形態に係るパワーコンディショナが備える制御部の機能ブロックを示す図である。 本実施形態に係るパワーコンディショナが備えるインバータの出力電圧を検出する絶縁型の電圧検出回路の回路構成の一例を示す図である。 インバータの故障判定を行う際の判定部の処理手順を示すフローチャートである。 非絶縁型の電圧検出回路及び絶縁型の電圧検出回路の回路構成を示す図である。

符号の説明

１ 系統連系システム
２ 電源
３ 系統電源
４ パワーコンディショナ
５ 負荷
１２ 昇圧回路
１４ インバータ
１５ フィルタ回路
１６ 連系リレー
３０ 電圧検出回路
４０ 制御部
１１０ ＣＰＵ
１１２ ＲＯＭ
１１４ ＲＡＭ
１２０ 記憶装置
１３０ プログラム
１３０ 閾値記憶部
１３２ インバータ制御部
１３４ 電圧取得部
１３６ 判定部
１３８ 連系スイッチ制御部
１４０ 閾値記憶部
１５２ インバータインタフェース
１５４ 連系リレーインタフェース
１５６ 電圧検出回路インタフェース
１６０ 通信バス

Claims (4)

1. 電源と系統電源との間に配置されるパワーコンディショナであって、
   前記電源の直流電力を交流電力に変換して出力するインバータと、
   前記インバータのスイッチングを制御して、前記インバータに前記系統電源の交流電力に同期させた交流電力を出力させるインバータ制御部と、
   前記電源と前記系統電源との間の連系接続を遮断する連系リレーと、
   前記インバータと前記連系リレーとの間に配置され、かつ絶縁トランスおよび差動増幅回路を有し、前記インバータから出力された前記系統電源に同期した交流電圧を前記絶縁トランスにて絶縁して降圧した後、前記差動増幅回路に入力し、前記差動増幅回路から出力される信号を前記交流電圧の電圧値を示す電圧信号として出力することで前記交流電圧を検知する絶縁型電圧検出回路と、
   前記連系リレーを開放させることで前記電源と前記系統電源との間の連系接続を遮断させた状態で、前記絶縁型電圧検出回路から出力される前記電圧信号から、前記インバータから出力された前記系統電源に同期した前記交流電圧の前記電圧値を取得して、取得した前記電圧値が予め定められた閾値以下の場合に、前記インバータの故障であると判定する判定部と、
   を備えるパワーコンディショナ。
2. 前記判定部は、前記パワーコンディショナの起動時に前記インバータの故障判定を行う、
   請求項１に記載のパワーコンディショナ。
3. 前記インバータの出力電力に対して能動信号を与えることで出力電力に変動を生じさせるとともに、前記系統電源の電力に前記能動信号の成分に基づく変動が生じたことを検出した場合に、前記電源が単独運転状態であると判定する単独運転検出部を備え、
   前記判定部は、前記単独運転検出部により前記電源が単独運転状態であると判定された際に、前記インバータの故障判定を行う、
   請求項１または請求項２に記載のパワーコンディショナ。
4. 前記インバータは、直列に接続された第１スイッチング素子および第２スイッチング素子で構成された第１スイッチングアームと、直列に接続された第３スイッチング素子および第４スイッチング素子で構成され、前記第１スイッチングアームと並列に接続された第２スイッチングアームとを有し、
   前記インバータ制御部は、前記第１スイッチング素子と前記第４スイッチング素子との第１対角ペアとを第１デューティ比で、前記第２スイッチング素子と前記第３スイッチング素子との第２対角ペアとを第２デューティ比で、それぞれ交互にスイッチングすることで、前記直流電力を前記交流電力に変換し、
   前記第１デューティ比および前記第２デューティ比は、前記インバータから出力すべき出力電圧に応じて定まるＰＷＭ指令（−１００％〜＋１００％）に基づいて、
   第１デューティ比＝ＰＷＭ指令÷２＋５０％
   第２デューティ比＝５０％−ＰＷＭ指令÷２
   により定められる、
   請求項１から請求項３のいずれか１つに記載のパワーコンディショナ。