JP5513791B2 - 太陽電池用電力変換装置及びそれを備えた太陽光発電システム - Google Patents

太陽電池用電力変換装置及びそれを備えた太陽光発電システム Download PDF

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Description

本発明は、DC(direct current)電力をAC(alternating current)電力または電圧値の異なるDC電力に変換する電力変換装置及びそれを備える発電システムに関する。
DC電力をAC電力または電圧値の異なるDC電力に変換する電力変換装置では、DC電力入力側の正負極両方がアースに落ちない限り不安全な状態にならないため、通常、DC電力入力側を非接地にしている。特に、太陽光発電システムの一構成要素として用いられる太陽光発電システム用電力変換装置は、その大半がDC電力入力側を非接地にしているものである(例えば特許文献1参照)。
図6は、従来の太陽光発電システムの概略構成例を示すブロック図である。
図6に示す太陽光発電システムは、電力変換装置1Fと太陽電池モジュール2とを備える。電力変換装置1Fは、DC電力入力側を非接地にしているタイプの従来の太陽光発電システム用電力変換装置であり、正極入力端子T1と、負極入力端子T2と、DCブレーカ11と、DCフィルタ12と、単相フルブリッジインバータであるインバータ13と、ACフィルタ14と、出力端子T3と、制御部15と、接地端子T4とを有する。
太陽電池モジュール2の正極が電力変換装置1Fの正極入力端子T1に接続され、太陽電池モジュール2の負極が電力変換装置1Fの負極入力端子T2に接続される。また、商用系統3が電力変換装置1Fの出力端子T3に接続される。太陽電池モジュール2から出力されるDC電力が電力変換装置1F内のインバータ13で商用周波数のAC電力に変換されることにより、太陽光発電システムと商用系統3との連系が可能になる。
電力変換装置1FのDC電力入力側は非接地であるが、電気設備技術基準の規定を満たすために、電力変換装置1Fの筐体は接地線4を介して接地される。より具体的には、電力変換装置1Fの筐体と接地端子T4とは導通しており、その接地端子T4に接続される接地線4を用いてD種接地工事が施工され、電力変換装置1Fの筐体が接地される。接地端子T4は、接地線が接続可能な接地線接続部の一例である。
制御部15は、例えばインバータ13の入力電流及び入力電圧を検出し、最大電力追従方式でインバータ13を制御する。インバータ13は、制御部15から出力されるスイッチング素子駆動信号(例えばPWM(pulse width modulation)信号)に基づいて、スイッチング素子を高速でスイッチングさせるため、高周波ノイズの発生源になり、電源線や筐体全体を通して外部に高周波の電波を放射してラジオやテレビ等に電波障害を起こすおそれがある。高周波ノイズの規制は公的規格によってなされており、太陽光発電システムに関しては財団法人電気安全環境研究所によって雑音端子電圧が規定されている。
雑音端子電圧に関する規定を満たすため、電力変換装置1Fでは、インバータ13から正極入力端子T1及び負極入力端子T2に高周波ノイズが流出することを抑制するためのDCフィルタ12がインバータ13の前段に設けられ、インバータ13から出力端子T3に高周波ノイズが流出することを抑制するためのACフィルタ14がインバータ13の後段に設けられている。
また、電力変換装置1Fは、太陽光発電システムの異常時にDCブレーカ11が動作することで、太陽電池モジュール2を電気的に切り離すことができる。
上述した通り、太陽光発電システムの一構成要素として用いられる太陽光発電システム用電力変換装置は、その大半がDC電力入力側を非接地にしているものである。しかしながら、太陽光発電システム用電力変換装置に接続する太陽電池モジュールの特性によっては、太陽光発電システム用電力変換装置のDC電力入力側の正極及び負極のいずれか一方を接地することが望ましい場合がある。
図7は、従来の太陽光発電システムの他の概略構成例を示すブロック図である。なお、図7において図6と同一の部分には同一の符号を付す。
図7に示す太陽光発電システムは、電力変換装置1Gと太陽電池モジュール2とを備える。電力変換装置1Gは、DC電力入力側の負極が接地されるタイプの従来の太陽光発電システム用電力変換装置であり、正極入力端子T1と、負極入力端子T2と、DCブレーカ11と、DCフィルタ12と、インバータ13と、ACフィルタ14と、出力端子T3と、制御部15と、地絡保護ヒューズ16と、地絡検出回路17と、接地端子T4とを有する。
太陽電池モジュール2の正極が電力変換装置1Gの正極入力端子T1に接続され、太陽電池モジュール2の負極が電力変換装置1Gの負極入力端子T2に接続される。また、商用系統3が電力変換装置1Gの出力端子T3に接続される。太陽電池モジュール2から出力されるDC電力が電力変換装置1G内のインバータ13で商用周波数のAC電力に変換されることにより、太陽光発電システムと商用系統3との連系が可能になる。インバータ13は、制御部15から出力されるスイッチング素子駆動信号に基づいて、スイッチング素子を高速でスイッチングさせることにより、太陽電池モジュール2から出力されるDC電力を商用周波数のAC電力に変換している。
電力変換装置1GのDC電力入力側の負極は、地絡保護ヒューズ16及び地絡検出回路17を介して、接地端子T4に接続されている。また、電力変換装置1Gの筐体と接地端子T4とは導通している。接地端子T4に接続される接地線4を用いてD種接地工事が施工され、電力変換装置1GのDC電力入力側の負極が接地される。
万が一、電力変換装置1GのDC電力入力側の正極が地絡した場合は、地絡保護ヒューズ16に過電流が流れて溶断することで、或いは、地絡検出回路17が過電流を検出して、DCブレーカ11に遮断信号を送りDCブレーカ11を動作させ、正極入力端子T1及び負極入力端子T2とDCフィルタ12とを電気的に切り離すことで、地絡による不安全な状態を回避する。
特開2005−312287号公報(第1図、第2図)
DC電力入力側の正極及び負極のいずれか一方が接地される電力変換装置においては、インバータ内の高周波電流により発生した高周波ノイズが電力変換装置のDC電力入力側の正極及び負極のいずれか一方の接地線から高周波ノイズが外部に漏洩してしまう。その結果、雑音端子電圧に関する規定を満たさないおそれがある。
本発明は、上記の状況に鑑み、DC電力入力側の正極及び負極のいずれか一方が接地される電力変換装置であって、高周波ノイズが接地線を介して外部に漏洩することを抑制することができる電力変換装置及びそれを備える発電システムを提供することを目的とする。
上記目的を達成するために本発明に係る電力変換装置は、DC電力をAC電力または電圧値の異なるDC電力に変換する電力変換装置であって、接地線が接続可能な接地線接続部と、DC電力入力側の片側と前記接地線接続部との接続経路と、前記接続経路上に設けられる高周波阻止部とを備え、前記DC電力入力側の片側が接地される構成とする。
また、前記高周波阻止部が、抵抗素子及びインダクタンス素子の少なくとも一方を有してもよい。さらに、前記高周波阻止部が、前記抵抗素子及び前記インダクタンス素子を直列接続したものであってもよい。
また、DC電力をAC電力に変換するインバータと、前記インバータの前段に設けられ、前記DC電力入力側に流出する前記インバータの高周波ノイズを除去するDCフィルタとを備え、前記DC電力入力側の片側が、前記インバータと前記DCフィルタとの接続ノードにおいて前記接続経路に接続されるようにしてよい。
また、前記DC電力入力側の片側は、前記DC電力入力側の負極、前記DC電力入力側の正極のいずれであっても構わない。
また、上記目的を達成するために本発明に係る発電システムは、上記いずれかの構成の電力変換装置と、前記電力変換装置にDC電力を供給する直流電源と、前記電力変換装置の接地線接続部に接続される接地線とを備える構成とする。
また、本発明に係る発電システムの一例としては、前記直流電源が太陽電池モジュールである太陽光発電システムが挙げられる。
本発明によると、電力変換装置においてDC電力入力側の正極及び負極のいずれか一方が接地されるが、高周波阻止部を設けているので、高周波ノイズが接地線を介して外部に漏洩することを抑制することができる。
本発明の第1実施形態に係る太陽光発電システムの概略構成を示すブロック図である。 本発明の第2実施形態に係る太陽光発電システムの概略構成を示すブロック図である。 本発明の第3実施形態に係る太陽光発電システムの概略構成を示すブロック図である。 本発明の第4実施形態に係る太陽光発電システムの概略構成を示すブロック図である。 本発明に係る太陽光発電システムの概略構成例を示すブロック図である。 従来の太陽光発電システムの概略構成例を示すブロック図である。 従来の太陽光発電システムの他の概略構成例を示すブロック図である。
本発明の実施形態について図面を参照して以下に説明する。
<第1実施形態>
図1は、本発明の第1実施形態に係る太陽光発電システムの概略構成を示すブロック図である。なお、図1において図7と同一の部分には同一の符号を付す。
本発明の第1実施形態に係る太陽光発電システムは、電力変換装置1Aと太陽電池モジュール2とを備える。電力変換装置1Aは、接地工事の施工によりDC電力入力側の負極が接地されるタイプの太陽光発電システム用電力変換装置であり、正極入力端子T1と、負極入力端子T2と、DCブレーカ11と、DCフィルタ12と、インバータ13と、ACフィルタ14と、出力端子T3と、制御部15と、抵抗素子R1と、地絡保護ヒューズ16と、地絡検出回路17と、接地端子T4とを有する。
太陽電池モジュール2の正極が電力変換装置1Aの正極入力端子T1に接続され、太陽電池モジュール2の負極が電力変換装置1Aの負極入力端子T2に接続される。また、商用系統3が電力変換装置1Aの出力端子T3に接続される。太陽電池モジュール2から出力されるDC電力が電力変換装置1A内のインバータ13で商用周波数のAC電力に変換されることにより、本発明の第1実施形態に係る太陽光発電システムと商用系統3との連系が可能になる。
電力変換装置1Aでは、インバータ13から正極入力端子T1及び負極入力端子T2に高周波ノイズが流出することを抑制するためのDCフィルタ12がインバータ13の前段に設けられ、インバータ13から出力端子T3に高周波ノイズが流出することを抑制するためのACフィルタ14がインバータ13の後段に設けられている。
電力変換装置1AのDC電力入力側の負極は、DCフィルタ12とインバータ13との接続ノードにおいて抵抗素子R1の一端に接続され、抵抗素子R1、地絡保護ヒューズ16、及び地絡検出回路17を介して、接地端子T4に接続されている。また、電力変換装置1Aの筐体と接地端子T4とは導通している。接地端子T4に接続される接地線4を用いてD種接地工事が施工され、電力変換装置1AのDC電力入力側の負極が接地される。
万が一、電力変換装置1AのDC電力入力側の正極が地絡した場合は、地絡保護ヒューズ16に過電流が流れて溶断することで、或いは、地絡検出回路17が過電流を検出して、DCブレーカ11に遮断信号を送りDCブレーカ11を動作させ、正極入力端子T1及び負極入力端子T2とDCフィルタ12とを電気的に切り離すことで、地絡による不安全な状態を回避する。
電力変換装置1Aは、上述した通り接地工事の施工により電力変換装置1AのDC電力入力側の負極が接地されるので、例えば太陽電池モジュール2が負極を接地せずに長期間発電を続けると特性が劣化する場合などに、好適である。
しかし、接地工事の施工により電力変換装置1AのDC電力入力側の負極が接地される構成を採用したため、電力変換装置1Aのインバータ13内の高周波電流により発生した高周波ノイズが電力変換装置1AのDC電力入力側の負極からの接地線4に回り込み、中波帯を中心にして高周波ノイズが外部に漏洩することを抑制する方策を講じる必要がある。
そこで、電力変換装置1Aでは、高周波ノイズが接地線4に回り込んで外部に漏洩することを抑制するために、低抵抗(例えば約10Ω)の抵抗素子R1をDC電力入力側の負極と接地端子T4との接続経路上に設けている。この低抵抗とは、DC電力入力側の負極を接地して太陽電池モジュール2の特性が劣化しない上限値以下であるとともに、インバータ13から発生した高周波ノイズが接地端子T4から流出するのを阻止する下限値以上である。低抵抗(例えば約10Ω)の抵抗素子R1は、DC電力入力側の負極から接地端子T4への高周波ノイズの流出を阻止する高周波阻止部として機能する一方、低抵抗(例えば約10Ω)であるためDC電力入力側の負極接地の妨げにならない。
<第2実施形態>
図2は、本発明の第2実施形態に係る太陽光発電システムの概略構成を示すブロック図である。なお、図2において図1と同一の部分には同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。
本発明の第2実施形態に係る太陽光発電システムは、電力変換装置1Bと太陽電池モジュール2とを備える。電力変換装置1Bは、電力変換装置1Aから抵抗素子R1を取り除きその代わりにインダクタンス素子L1を設けた構成であり、電力変換装置1Aと同様、接地工事の施工によりDC電力入力側の負極が接地されるタイプの太陽光発電システム用電力変換装置である。接地端子T4に接続される接地線4を用いてD種接地工事が施工され、電力変換装置1BのDC電力入力側の負極が接地される。
電力変換装置1Bでは、高周波ノイズが接地線4に回り込んで外部に漏洩することを抑制するために、高周波成分のインピーダンスが高い(例えば100kHzで約100Ω)インダクタンス素子L1をDC電力入力側の負極と接地端子T4との接続経路上に設けている。インダクタンス素子L1のインピーダンス値は、DC電力入力側の負極を接地して太陽電池モジュール2の特性が劣化せず、且つ、インバータ13から発生した高周波ノイズが接地端子T4から流出するのをインダクタンス素子L1が阻止する範囲内に設定される。高周波成分のインピーダンスが高い(例えば100kHzで約100Ω)インダクタンス素子L1は、高周波成分のインピーダンスが高いためDC電力入力側の負極から接地端子T4への高周波ノイズの流出を阻止する高周波阻止部として機能する一方、DC帯域では抵抗値がDC抵抗成分のみで非常に小さいためDC電力入力側の負極接地の妨げにならない。
<第3実施形態>
図3は、本発明の第3実施形態に係る太陽光発電システムの概略構成を示すブロック図である。なお、図3において図1と同一の部分には同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。
本発明の第3実施形態に係る太陽光発電システムは、電力変換装置1Cと太陽電池モジュール2とを備える。電力変換装置1Cは、電力変換装置1Aにインダクタンス素子L1を新たに設けた構成であり、電力変換装置1Aと同様、接地工事の施工によりDC電力入力側の負極が接地されるタイプの太陽光発電システム用電力変換装置である。なお、電力変換装置1Cにおいて、インダクタンス素子L1は抵抗素子R1と地絡保護ヒューズ16との間に設けられ、インダクタンス素子L1と抵抗素子R1とが直列接続されている。接地端子T4に接続される接地線4を用いてD種接地工事が施工され、電力変換装置1CのDC電力入力側の負極が接地される。
電力変換装置1Cでは、高周波ノイズが接地線4に回り込んで外部に漏洩することを抑制するために、低抵抗(例えば約10Ω)の抵抗素子R1と高周波成分のインピーダンスが高い(例えば100kHzで約100Ω)インダクタンス素子L1との直列接続体をDC電力入力側の負極と接地端子T4との接続経路上に設けている。当該直列接続体のインピーダンス値は、DC電力入力側の負極を接地して太陽電池モジュール2の特性が劣化せず、且つ、インバータ13から発生した高周波ノイズが接地端子T4から流出するのを当該直列接続体が阻止する範囲内に設定される。低抵抗(例えば約10Ω)の抵抗素子R1と高周波成分のインピーダンスが高い(例えば100kHzで約100Ω)インダクタンス素子L1との直列接続体は、DC電力入力側の負極から接地端子T4への高周波ノイズの流出を阻止する高周波阻止部として機能する一方、DC電力入力側の負極接地の妨げにならない。
<第4実施形態>
図4は、本発明の第4実施形態に係る太陽光発電システムの概略構成を示すブロック図である。なお、図4において図3と同一の部分には同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。
太陽電池の中には、特性が劣化するのを正極接地により防止することができるものがある。本発明の第4実施形態は、かかるタイプの太陽電池を用いる場合に好適である。
本発明の第4実施形態に係る太陽光発電システムは、電力変換装置1Dと太陽電池モジュール2とを備える。電力変換装置1Dは、DCフィルタ12とインバータ13との接続ノードにおいて抵抗素子R1の一端を電力変換装置1DのDC電力入力側の負極ではなく正極に接続した点を除き、電力変換装置1Cと同様の構成である。接地端子T4に接続される接地線4を用いてD種接地工事が施工され、電力変換装置1DのDC電力入力側の正極が接地される。
万が一、電力変換装置1DのDC電力入力側の負極が地絡した場合は、地絡保護ヒューズ16に過電流が流れて溶断することで、或いは、地絡検出回路17が過電流を検出して、DCブレーカ11に遮断信号を送りDCブレーカ11を動作させ、正極入力端子T1及び負極入力端子T2とDCフィルタ12とを電気的に切り離すことで、地絡による不安全な状態を回避する。
しかし、接地工事の施工により電力変換装置1DのDC電力入力側の正極が接地される構成を採用したため、電力変換装置1Dのインバータ13で発生した高周波ノイズが電力変換装置1DのDC電力入力側の正極からの接地線4に回り込み、中波帯を中心にして高周波ノイズが外部に漏洩することを抑制する方策を講じる必要がある。
そこで、電力変換装置1Dでは、高周波ノイズが接地線4に回り込んで外部に漏洩することを抑制するために、低抵抗(例えば約10Ω)の抵抗素子R1と高周波成分のインピーダンスが高い(例えば100kHzで約100Ω)インダクタンス素子L1との直列接続体をDC電力入力側の正極と接地端子T4との接続経路上に設けている。当該直列接続体のインピーダンス値は、DC電力入力側の正極を接地して太陽電池モジュール2の特性が劣化せず、且つ、インバータ13から発生した高周波ノイズが接地端子T4から流出するのを当該直列接続体が阻止する範囲内に設定される。低抵抗(例えば約10Ω)の抵抗素子R1と高周波成分のインピーダンスが高い(例えば100kHzで約100Ω)インダクタンス素子L1との直列接続体は、DC電力入力側の正極から接地端子T4への高周波ノイズの流出を阻止する高周波阻止部として機能する一方、DC電力入力側の正極接地の妨げにならない。
<その他>
以上、本発明に係る実施形態について説明したが、本発明の範囲はこれに限定されるものではなく、発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加えて実行することができる。
例えば、接地端子T4は接地線接続部の一例であって、端子形状でない他の接地線接続部を用いても構わない。
また、例えば、本発明の第3実施形態に係る太陽光発電システムの一構成要素である電力変換装置1C或いは本発明の第4実施形態に係る太陽光発電システムの一構成要素である電力変換装置1Dにおいて、低抵抗(例えば約10Ω)の抵抗素子R1と高周波成分のインピーダンスが高い(例えば100kHzで約100Ω)インダクタンス素子L1との位置を取り替えてもよい。
また、例えば、本発明の第4実施形態に係る太陽光発電システムの一構成要素である電力変換装置1Dにおいて、低抵抗(例えば約10Ω)の抵抗素子R1と高周波成分のインピーダンスが高い(例えば100kHzで約100Ω)インダクタンス素子L1のいずれか一方を取り除いてもよい。
また、例えば、本発明の第1〜4実施形態に係る太陽光発電システムの一構成要素である電力変換装置1A〜1Dにおいて、DCフィルタ12とインバータ13との間に、昇圧を行うDC/DCコンバータを設け、DC電力入力側の片側が、当該DC/DCコンバータとDCフィルタ12との接続ノードにおいて接続経路(DC電力入力側の片側と接地端子T4との接続経路)に接続されるようにしてもよい。
また、本発明に係る電力変換装置は、DC電力を電圧値の異なるDC電力に変換する電力変換装置であってもよい。例えば、図1に示す電力変換装置1Aにおいて、インバータ13をDC/DCコンバータ18に、ACフィルタ14をDCフィルタ19に、商用系統3を直流負荷20にそれぞれ置換して、図5に示す電力変換装置1Eのような構成にするとよい。なお、図5において図1と同一の部分には同一の符号を付している。制御部15は、例えばDC/DCコンバータ18の入力電流及び入力電圧を検出し、最大電力追従方式でDC/DCコンバータ18を制御する。DC/DCコンバータ18は、太陽電池モジュール2から出力されるDC電力を直流負荷20に適した電圧値のDC電力に変換するチョッパ型のDC/DCコンバータであって、制御部15から出力されるスイッチング素子駆動信号(例えばPWM(pulse width modulation)信号)に基づいて、スイッチング素子を高速でスイッチングする。DCフィルタ19は、DC/DCコンバータ18から出力端子T3に高周波ノイズが流出することを抑制する。
また、本発明に係る電力変換装置は、太陽光発電システム以外の発電システム(例えば燃料電池発電システムなど)で用いることも可能である。
1A〜1G 電力変換装置
2 太陽電池モジュール
3 商用系統
11 DCブレーカ
12 DCフィルタ
13 インバータ
14 ACフィルタ
15 制御部
16 地絡保護ヒューズ
17 地絡検出回路
18 DC/DCコンバータ
19 DCフィルタ
20 直流負荷
L1 インダクタンス素子
R1 抵抗素子
T1 正極入力端子
T2 負極入力端子
T3 出力端子
T4 接地端子

Claims (6)

  1. DC電力をAC電力または電圧値の異なるDC電力に変換する太陽電池用電力変換装置であって、
    接地線が接続可能な接地線接続部と、
    DC電力入力側の片側と前記接地線接続部との接続経路と、
    前記接続経路上に設けられる抵抗素子を有する高周波阻止部とを備え、
    前記DC電力入力側の片側が接地されることを特徴とする太陽電池用電力変換装置。
  2. 前記高周波阻止部が、前記抵抗素子及びインダクタンス素子を直列接続したものである請求項に記載の太陽電池用電力変換装置。
  3. DC電力をAC電力に変換するインバータと、
    前記インバータの前段に設けられ、前記DC電力入力側に流出する前記インバータの高周波ノイズを除去するDCフィルタとを備え、
    前記DC電力入力側の片側が、前記インバータと前記DCフィルタとの接続ノードにおいて前記接続経路に接続される請求項1又は2に記載の太陽電池用電力変換装置。
  4. 前記DC電力入力側の片側が前記DC電力入力側の負極である請求項に記載の太陽電池用電力変換装置。
  5. 前記DC電力入力側の片側が前記DC電力入力側の正極である請求項に記載の太陽電池用電力変換装置。
  6. 請求項1〜のいずれか1項に記載の太陽電池用電力変換装置と、
    前記太陽電池用電力変換装置にDC電力を供給する太陽電池モジュールと、
    前記太陽電池用電力変換装置の接地線接続部に接続される接地線とを備えることを特徴とする太陽光発電システム。
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