JP5656794B2 - 系統連系パワーコンディショナ及びこれを用いた太陽光発電システム - Google Patents

Description

この発明は、太陽電池で発電した電力を商用系統に連系させる系統連系パワーコンディショナ及びこれを用いた太陽光発電システムに関するものである。

系統連系パワーコンディショナは、太陽電池で発電された直流電力を、インバータを用いて電力会社による単相３線式または三相３線式などの商用系統の周波数及び電圧に応じた交流電力に変換し、その商用系統に電力を出力する。パワーコンディショナの出力を系統と電気的に入り切りするために、通常、機械的開閉器として電磁接触器がパワーコンディショナのインバータ出力に設けられている。

従来技術を示すものとして、例えば特許文献１には、系統連系パワーコンディショナが記載されている。この系統連系パワーコンディショナは、太陽電池で発電した直流電力をインバータで交流電力に変換し、電力系統に出力する。入力部と出力部には配線用遮断器が設けられている。インバータの出力は絶縁変圧器を介し、フィルタ用のコンデンサにより高調波を抑制し、連系用リアクタにより電力系統に接続される。
電力系統と電気的に入り切りを行うための機械的開閉器として電磁接触器が設けられており、制御回路からの指令により開閉を行う。この電磁接触器は接続する電力系統を操作電源として操作用コイルが励磁される。なお、この系統連系パワーコンディショナは、内部に絶縁変圧器を有しているが、昨今、特に住宅用の小容量のパワーコンディショナでは、絶縁変圧器を用いないことが一般的である。

特開平１０−６６３４９号公報（第３頁、図１）

しかしながら、上記の技術では、パワーコンディショナの出力を系統と電気的に入り切りするための電磁接触器の操作用コイルの励磁用電源を、パワーコンディショナを接続する系統からの交流で供給しているため、落雷などにより系統に瞬時電圧低下の事故が発生した場合は、電磁接触器のコイルの励磁を維持することができず、電磁接触器の接点が開放し、パワーコンディショナと系統が切り離される、いわゆる解列状態に陥る可能性がある。
将来、太陽光発電などの分散型電源が大量に普及して、太陽光発電から負荷に供給する電力の占める割合が高くなってくると、瞬時電圧低下で太陽光発電から負荷に供給している電力が一斉に途切れてしまう場合に、負荷への電力供給は商用系統から全て供給することとなるため、商用系統にとっては一斉に供給電力が増えることで周波数の変動や系統電圧の低下を引き起こし、最悪の場合、電圧低下保護機能が作動し、商用系統と太陽光発電で電力を供給している電力網全体の全停電を引き起こすという問題が生じる。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたものであり、商用系統の瞬時電圧低下の事故が発生した場合でも、太陽光発電システムが商用系統と解列することなく電力を供給し続けることができる系統連系パワーコンディショナ及びこれを用いた太陽光発電システムを得ることを目的とする。

この発明に係わる系統連系パワーコンディショナにおいては、太陽電池とともに太陽光発電システムを構成し、太陽電池が発電する直流電力を交流電力に変換し、この変換した交流電力を商用系統に出力する系統連系パワーコンディショナであって、直流電源で励磁される操作用コイルによって開閉されて、商用系統への交流電力の出力を制御する電磁接触器、この電磁接触器を開閉するための指令信号を送る制御回路、及び太陽電池が発電する直流電力により充電され、制御回路からの指令信号に基づき動作するリレーを介して操作用コイルの励磁用電源を供給する蓄電池を備えたものである。

この発明によれば、太陽電池とともに太陽光発電システムを構成し、太陽電池が発電する直流電力を交流電力に変換し、この変換した交流電力を商用系統に出力する系統連系パワーコンディショナであって、直流電源で励磁される操作用コイルによって開閉されて、商用系統への交流電力の出力を制御する電磁接触器、この電磁接触器を開閉するための指令信号を送る制御回路、及び太陽電池が発電する直流電力により充電され、制御回路からの指令信号に基づき動作するリレーを介して操作用コイルの励磁用電源を供給する蓄電池を備えたので、商用系統の瞬時電圧低下時にも、系統連系パワーコンディショナを解列せず、商用系統に電力を供給し続けることができる。

この発明の実施の形態１による系統連系パワーコンディショナの構成を示すブロック図である。 この発明の実施の形態２による系統連系パワーコンディショナの構成を示すブロック図である。 この発明の実施の形態２による系統連系パワーコンディショナの別の構成を示すブロック図である。 この発明の実施の形態３による系統連系パワーコンディショナの構成を示すブロック図である。

以下に図を参照して、この発明にかかる系統連系パワーコンディショナの好適な実施の形態を詳細に説明する。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１による系統連系パワーコンディショナの構成を示す図である。
図１において、系統連系パワーコンディショナ（以下、単に、パワーコンディショナとも記す）１は、直流電力を発電する太陽電池２と、５０Ｈｚ或いは６０Ｈｚの商用系統電源３との間に配置され、太陽電池２とともに太陽光発電システムを形成する。商用系統電源３は、単相３線式または三相３線式の商用配電系統で用いられる系統電源である。
なお、図１は商用系統電源が単相の場合を示しているが、三相３線式の商用系統電源に連系させる場合は三相インバータを用いる。

パワーコンディショナ１は、次のように構成されている。
昇圧回路４は、太陽電池２の電圧を昇圧する。この昇圧回路４は無い場合もある。
インバータ回路５は、太陽電池２が発電し、昇圧回路４により昇圧された直流電力を、商用系統の周波数及び電圧に応じた交流電力に変換する。フィルタ６は、インバータ回路５の出力側に配置され、インバータ回路５の出力電流波形を滑らかにする。
電磁接触器８は、フィルタ６の出力を商用系統と電気的に入り切りするための機械的開閉器であり、制御回路１１からのＯＮＯＦＦ指令信号に基づき、操作用コイル９により開閉を行う。
無停電電源装置（ＵＰＳ）１０は、パワーコンディショナ１の出力が接続される商用系統電源３が入力され、リレー１２を介して操作用コイル９に励磁用電源を供給する。入力電源が断になった場合も、一定時間、停電することなく電力を供給し続ける。
制御回路１１は、商用系統電源３の位相に同期した電流をインバータ回路５から出力させるとともに、電磁接触器８の操作用コイル９にＯＮまたはＯＦＦの指令信号を送るようになっている。
電流センサ７ａは、太陽電池２の電流Ｉｓを検出し、電流センサ７ｂは、インバータ５の出力電流の瞬時値“Ｉｉｏ”を検出し、それぞれ検出された電流値は制御回路１１に入力される。

次に、動作について説明する。
太陽電池２の出力は、昇圧回路４により昇圧される。例えば太陽電池２の出力電圧がＤＣ２００Ｖしか無い時に、系統電圧ＡＣ２００Ｖに連系するためには、インバータ回路５の入力電圧としては最低でもＡＣ２００Ｖの波高値（√２×２００＝２８２Ｖ）が必要であるので、ＤＣ２００Ｖを昇圧回路４で昇圧する。
昇圧回路４の出力の直流電力は、インバータ回路５に入力されて、商用系統の周波数及び電圧に応じた交流電力に変換され、次いで、フィルタ６により、インバータ回路５の出力電流波形を滑らかにする。
フィルタ６の出力は、電磁接触器８を介して商用系統に出力される。この電磁接触器８は制御回路１１により開閉を制御されるようになっている。

制御回路１１は、太陽電池２から出力する電圧Ｖｓ、電流センサ（例えばカレントトランス）７ａで検出される太陽電池電流Ｉｓより太陽電池２の出力電力を演算し、商用系統電源３の電圧Ｖｏを検出し、商用系統電源３の位相に同期した電流をインバータ回路５から出力させる。
具体的には、系統電圧の位相を図示しない計装用トランスで検出し、検出したアナログ信号電圧を制御回路１１で分析し、制御回路１１は、系統電圧位相に同期した電流をインバータ回路５から出力させる。
このとき、電流センサ７ｂで検出されるインバータ出力電流の瞬時値“Ｉｉｏ”と制御回路１１からの指令値である目標出力電流“Ｉｉｏ＊”とが等しくなるようにフィードバック制御が行われる。

インバータ回路５の出力は、フィルタ６を経由し、電磁接触器８を介して商用系統と電気的に接続され、太陽電池２で発電した電力が商用系統へ出力され、負荷へ電力が供給される。
電磁接触器８の操作用コイル９には、リレー１２を介して操作用コイル９に励磁用電源が供給される。操作用コイル９の励磁用電源は、パワーコンディショナ１の出力が接続される商用系統電源３から無停電電源装置（ＵＰＳ）１０を介して供給され、制御回路１１からのＯＮ指令信号により、リレー１２が閉じることで、電磁接触器８の操作用コイル９が無停電電源装置１０より供給されるＡＣ電力で励磁される。
これにより、電磁接触器８の接点を閉じた状態を保持し、パワーコンディショナ１から商用系統に電力を供給し続けることができる。

商用系統と解列する場合は、制御回路１１からＯＦＦ指令信号をリレー１２に供給することで、リレー１２の接点が開状態となり、電磁接触器８の操作用コイル９への励磁用電源が無くなることで、電磁接触器８の接点が開状態となり、パワーコンディショナ１と商用系統電源３が切り離され、解列する。

以上説明したように、本実施の形態１によるパワーコンディショナ１は、太陽電池２が発電する直流電力をインバータ５にて交流電力に変換し、商用系統電源３に電力を出力するように構成され、パワーコンディショナ１と商用系統電源３を接続する電磁接触器８の操作用コイル９の励磁電源を、パワーコンディショナ１が接続される商用系統から無停電電源装置（ＵＰＳ）１０を介して供給することを特徴とするものである。

したがって、本実施の形態１によれば、落雷などで商用系統電源３に瞬時電圧低下が発生した場合にも電磁接触器８の接点を保持することができ、パワーコンディショナ１から電力を出力し続けることができ、商用系統電源３の回復時にも直ちに電力を負荷に供給することが可能なため、従来、瞬時電圧低下時にパワーコンディショナ１が商用系統と解列し、商用系統の負荷が急増した場合に発生する周波数変動や系統電圧の低下、さらには電力網全体の全停電を引き起こすことを防止することが可能となる。

実施の形態２．
図２は、この発明の実施の形態２による系統連系パワーコンディショナの構成を示すブロック図である。
図２において、１〜９、１１、１２は図１におけるものと同一のものである。図２には、無停電電源装置（ＵＰＳ）１０に代えて、パワーコンディショナ１に、太陽電池２とリレー１２の間に、充電回路１３と蓄電池１４を配置して、充電回路１３により蓄電池１４に直流電力を充電しておき、太陽電池２側から操作用コイル９にＤＣ電源を供給できるようにする。

この発明の実施の形態２は、パワーコンディショナ１の出力と商用系統電源３を電気的に接続する電磁接触器８を直流励磁式の電磁接触器とし、励磁用のＤＣ電力を太陽電池２側から供給する。
また、日射量が少ない時や夜間にも、電磁接触器８の開閉動作を可能とするために、常に操作用コイル９にＤＣ電源を供給できるよう太陽電池２側から充電回路１３により蓄電池１４に直流電力を充電しておく。制御回路１１からの指令により、電磁接触器８の操作用コイル９に蓄電池１４から直流電源を供給する。

実施の形態２によれば、落雷などで商用系統電源３に瞬時電圧低下が発生した場合にも、電磁接触器８の操作用コイル９に蓄電池１４の直流電源により励磁することで、電磁接触器８の接点を保持することができ、パワーコンディショナ１から電力を出力し続けることができる。
また、系統電圧回復時にも直ちに電力を負荷に供給することが可能なため、従来、瞬時電圧低下時にパワーコンディショナ１が商用系統と解列し、商用系統の負荷が急増した場合に発生する周波数変動や系統電圧の低下、さらには電力網全体の全停電を引き起こすことを防止することが可能となる。

図３は、この発明の実施の形態２による系統連系パワーコンディショナの別の構成を示すブロック図である。
図３において、１〜９、１１〜１４は図２におけるものと同一のものである。図３では、商用系統電源３と充電回路１３の間に、交流電流を直流電流に変換する整流回路１５を配置し、商用系統電源３側から整流回路１５と充電回路１３を介して蓄電池１４を充電するように構成されている。

なお、上述の図２に基づく実施の形態２の説明では、太陽電池２から蓄電池１４を充電しているが、図３のように商用系統の交流電力を用いて、整流回路１５と充電回路１３を介して蓄電池１４を充電する形態でも、図２の構成のものと同様の効果を奏することができる。

実施の形態３．
図４は、この発明の実施の形態３による系統連系パワーコンディショナの構成を示すブロック図である。
図４において、１〜９、１１、１２は図１におけるものと同一のものである。図４では、リレー１２を介して操作用コイル９に、商用系統電源３とは別電源系統の操作用コイル励磁用電源１６が接続されている。

実施の形態３は、パワーコンディショナ１の電磁接触器８の操作用コイル９の励磁用電源を、パワーコンディショナ１が接続される系統とは、別の電源系統である操作用コイル励磁用電源１６から供給するようにしたものである。

実施の形態３によれば、パワーコンディショナ１を接続する商用系統が瞬時電圧低下を発生しても、別の健全な電源系統より電磁接触器８のコイルを励磁することができるため、電磁接触器８の接点は閉じた状態を維持することができ、パワーコンディショナ１は、商用系統との解列動作を免れ、瞬時電圧低下時も商用系統に電力を供給し続けることができるとともに、系統電圧が正常に復帰した場合に継続して負荷に電力を供給することができるという効果を奏する。

なお、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。

１ 系統連系パワーコンディショナ
２ 太陽電池
３ 商用系統電源
４ 昇圧回路
５ インバータ回路
６ フィルタ
７ａ，７ｂ 電流センサ（カレントトランス）
８ 電磁接触器
９ 操作用コイル
１０ 無停電電源装置（ＵＰＳ）
１１ 制御回路
１２ リレー
１３ 充電回路
１４ 蓄電池
１５ 整流回路
１６ 操作用コイル励磁用電源

Claims (2)

1. 太陽電池とともに太陽光発電システムを構成し、上記太陽電池が発電する直流電力を交流電力に変換し、この変換した交流電力を商用系統に出力する系統連系パワーコンディショナであって、
   直流電源で励磁される操作用コイルによって開閉されて、上記商用系統への上記交流電力の出力を制御する電磁接触器、
   この電磁接触器を開閉するための指令信号を送る制御回路、
   及び上記太陽電池が発電する直流電力により充電され、上記制御回路からの上記指令信号に基づき動作するリレーを介して上記操作用コイルの励磁用電源を供給する蓄電池を備えたことを特徴とする系統連系パワーコンディショナ。
2. 請求項１記載の系統連系パワーコンディショナを備えたことを特徴とする太陽光発電システム。

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