JP5732438B2 - パワーコンディショナ装置、および、それを用いた太陽光発電システム - Google Patents

Description

本発明は、直流電力を商用電源系統の周波数に対応した交流電力に変換するパワーコンディショナ装置に係り、特に、太陽光発電システム用パワーコンディショナ装置に関する。

近年、太陽光をエネルギー源として発電した電力を自家使用するのみならず、自家で使用しなかった余剰電力を商用電源系統へ供給する系統連係型発電装置としての太陽光発電装置が普及しつつある。

この太陽光発電システムでは、太陽電池が発電した直流電力を電源装置で商用電源系統の周波数に対応した交流電力に変換し、発電電力の自家使用及び余剰電力の商用電源系統への供給をおこなっている。この電源装置は一般に、パワーコンディショナ装置と呼ばれる。

パワーコンディショナ装置は、太陽電池からの配線と商用電源系統への配線を接続するための端子台を備えている。また、太陽電池からの不安定な出力電圧を昇圧するＤＣ−ＤＣコンバータ装置と、ＤＣ−ＤＣコンバータ装置の出力である直流電力を商用電源系統の周波数に対応した交流電力に変換する系統連係インバータ装置を備えている。

ＤＣ−ＤＣコンバータ装置と系統連係インバータ装置からは電気的雑音が発生するため、パワーコンディショナ装置はフィルタ回路を備えている。また、このフィルタ回路にはフィルムコンデンサが使用される。

このような太陽光発電システムにおいて、太陽電池および商用電源系統に接続する端子台のねじ締め付け不足や経年劣化により、接触抵抗が大きくなると端子台が異常発熱・発煙する恐れがある。また、フィルタ回路のフィルムコンデンサにおいても、雷などの外来サージのような過渡的な異常電圧によりダメージを受けると、可燃性の材料で構成されるフィルムコンデンサが異常発熱・発煙する恐れがある。

特開２０１１−１７６１５５号公報

しかしながら、特許文献１に記載の技術では、熱伝対やサーミスタ等の検知手段からの信号を異常判定手段で受け、その後定められた制御（回路保護動作、もしくは警報・通知）を行うというものであり、異常判定手段から定められた制御を行うまではプログラム制御によるものであるため、保護動作の確実性に問題がある。また、特許文献１に記載の技術では、温度センサーの数以上の検知位置を実現するために発熱部位に直接的な配置とはなっておらず、異常発生時の検出速度および確実性にも問題がある。

本発明の目的は、端子台のねじ締め付け不足および経年劣化による異常発熱や、雷サージなどによる、フィルタ回路のフィルムコンデンサの異常発熱が発生した場合に、確実および安全にシステムを停止させ、また、使用者に異常の発生を知らせることを可能とすることである。

上記課題は、直流発電装置からの配線と商用電源系統への配線を接続する端子台と、前記直流発電装置の直流出力電圧を第１の半導体スイッチング素子を用いて昇圧するＤＣ−ＤＣコンバータと、該ＤＣ−ＤＣコンバータの出力電力を第２の半導体スイッチング素子を用いて交流電力に変換する系統連係インバータと、前記直流発電装置からの直流電力が入力される電源と、前記ＤＣ−ＤＣコンバータおよび前記系統連係インバータを制御するゲートドライバと、該ゲートドライバにスイッチング信号を供給するマイコンと、を備え、前記電源から前記ゲートドライバへの電力は、前記端子台に設けられた第１の温度ヒューズを介して供給されるパワーコンディショナ装置により改善される。

本発明によれば、端子台が異常発熱し端子台温度ヒューズが切れると、ゲートドライバへの電源供給が絶たれ、ＤＣ−ＤＣコンバータおよび系統連係インバータの動作が確実に停止するため、発煙・発火前に安全にパワーコンディショナ装置の動作が停止する。また、端子台温度ヒューズが切れた場合であっても、遮断する電源は、半導体スイッチング素子用のゲートドライバの電源のみであるため、マイコンは温度ヒューズ遮断後も動作し続け、マイコンで端子台の異常を監視することが可能となり、問題発生時に適切なエラー表示などで使用者に異常を知らせることができる。

また、フィルムコンデンサの異常発熱時、温度ヒューズが切れることにより発煙・発火前にフィルムコンデンサが回路から遮断され、安全性が確保される。

本実施形態における太陽光発電システムの概要を示す図である。 パワーコンディショナ装置の外観例を示す図である。 パワーコンディショナ装置の内部構成例を示す図である。 パワーコンディショナ装置の回路構成例の概略を示す図である。 端子台の温度ヒューズ配置例を示す図である。 フィルムコンデンサの温度ヒューズ配置例を示す図である。

本発明の実施例について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。

まず、端子台の異常発熱対策に関する実施例１の太陽光発電システムの概要について、図１を用いて説明する。

図１に示すように、本実施例の太陽光発電システムは、直流発電装置である複数の太陽電池アレイ１００ａ、１００ｂ（以下、これらをまとめて「太陽電池アレイ１００」と称する。）と、これらからの配線をまとめる接続箱１０１と、接続箱１０１を介して供給される太陽電池アレイ１００からの直流電力を交流電力に変換する系統連係型のパワーコンディショナ装置１０２と、パワーコンディショナ装置１０２の出力側に設けられる分電盤１０９と、分電盤１０９を流れる電力を検出する電力センサユニット１１０とで構成されており、太陽電池アレイ１００で発電した電力を商用電源系統１１１に逆潮流させるものである。

また、パワーコンディショナ装置１０２には、太陽電池アレイ１００からの配線と分電板１０９への配線を接続する端子台１０３と、端子台１０３から供給される直流出力電力の電気的雑音を抑えるフィルタ回路１０４と、フィルタ回路１０４が出力する直流出力電圧を昇圧するＤＣ−ＤＣコンバータ１０５と、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０５からの直流出力電圧を商用電源系統１１１の周波数に対応した交流電力に変換する系統連係インバータ１０６と、系統連係インバータ１０６から出力される交流電力の電気的雑音を抑えるフィルタ回路１０７と、商用電源系統１１１との接続をＯＮ／ＯＦＦする系統連係リレー１０８を備えている。なお、フィルタ回路１０４およびフィルタ回路１０７の構成は同様であるので、以下の説明ではフィルタ回路１０４のみについて述べる。

次に、図２を用いて、パワーコンディショナ装置１０２の外観を説明する。図２は、後述するフロントパネル３０６を透過して表示したパワーコンディショナ装置１０２の斜視図である。ここに示すように、パワーコンディショナ装置１０２は動作状況およびエラーなどを表示する表示装置２００を前面に備えており、内部には前述した端子台１０３を備えている。

図３はパワーコンディショナ装置１０２の分解斜視図である。ここに示すように、パワーコンディショナ装置１０２の内部には、メイン基板３００、サブ基板３０１、ヒートシンク３０２、表示装置２００、端子台１０３が配置されている。また、パワーコンディショナ装置１０２は、外装上ケース３０３、外装下ケース３０４、背面ケース３０５、フロントパネル３０６で覆われている。なお、図３に示すもののうち本実施例を理解するうえで言及不要のものは、符号を省略している。

次に、図４を用いて、端子台１０３、メイン基板３００、サブ基板３０１の各々に配置される構成要素を詳細に説明する。

図４に示すように、端子台１０３には、端子１０３ａ〜１０３ｈが設けられている。これらのうち、端子１０３ａ、１０３ｂは接続箱１０１に接続され、端子１０３ｃ、１０３ｄは分電盤１０９に接続される。また、端子１０３ａと１０３ｅ、端子１０３ｂと１０３ｆ、端子１０３ｃと１０３ｇ、端子１０３ｄと１０３ｈは、それぞれ電気的に接続されている。さらに、端子１０３ａ〜１０３ｈの近傍には端子１０３ａ〜１０３ｈと電気的に分離した端子台温度ヒューズ４０２が設けられている。

また、メイン基板３００には、フィルタ回路１０４、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０５、系統連係インバータ１０６、フィルタ回路１０７、系統連係リレー１０８、ゲートドライバ４０３が実装されている。そして、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０５内には、スイッチング素子１０５ａ、コンデンサ１０５ｂが設けられており、ゲートドライバ４０３でスイッチング素子１０５ａのスイッチングを制御することで端子台１０３を介して入力される直流電力を昇圧し、コンデンサ１０５ｂから所望の電圧の直流電力を出力することができる。系統連係インバータ１０６内には、スイッチング素子１０６ａ〜１０６ｄが設けられており、ゲートドライバ４０３でスイッチング素子１０６ａ〜１０６ｄのスイッチングを制御することで系統連係インバータ１０６から商用電源系統１１１の周波数に対応した周波数の交流電力を出力することができる。ＤＣ−ＤＣコンバータ１０５、系統連係インバータ１０６は、ヒートシンク３０２に直接接触して固定され、スイッチング素子１０５ａ、１０６ａ〜１０６ｄを効率的に放熱する。なお、スイッチング素子１０５ａ、１０６ａ〜１０６ｄの制御方法は周知であるので、ここでは詳細な説明を省略する。

さらに、サブ基板３０１には、電子部品等動作用の電源４００、マイコン４０１が実装されている。マイコン４０１は、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０５のスイッチング素子１０５ａ、系統連係インバータ１０６のスイッチング素子１０６ａ〜１０６ｄのＯＮ／ＯＦＦ動作を制御するスイッチング信号をゲートドライバ４０３に送信するとともに、系統連係リレー１０８のＯＮ／ＯＦＦや表示装置２００の表示、図示しないスピーカを制御する。

以上で説明した図４の構成において、電源４００にはフィルタ回路１０４の前段からの電力（太陽電池アレイから供給される直流電力）またはＤＣ−ＤＣコンバータ１０５で昇圧された直流電力が供給される。また、電源４００の出力電力の一部はマイコン４０１に直接入力されるとともに、一部は端子台温度ヒューズ４０２を介してマイコン４０１とゲートドライバ４０３に入力される。すなわち、端子台１０３の異常発熱によって端子台温度ヒューズ４０２が遮断しても、マイコン４０１には駆動電力が供給されるため、マイコン４０１は正常な動作をすることができる。一方、端子台温度ヒューズ４０２を介して供給されていた電力は遮断されるため、ゲートドライバ４０３の動作が停止するとともに、マイコン４０１は端子台温度ヒューズ４０２が遮断したことを検出することができる。

次に、図５を用いて端子台温度ヒューズ４０２の具体的な配置を説明する。図５（ａ）は端子台１０３をパワーコンディショナ装置１０２の上方から（図２の矢印（ａ）方向から）見た図であり、図５（ｂ）は端子台１０３をパワーコンディショナ装置１０２の正面から（図２の矢印（ｂ）方向から）見た図である。また、図５（ｃ）は、図５（ａ）のＡ−Ａ位置での断面図である。図５から明らかなように、端子１０３ａ〜１０３ｈには、ねじが設けられており、接続箱１０１からの配線や分電盤１０９への配線はねじを締め付けることで端子台１０３に固定される。また、図５（ｃ）の断面図に示すように、端子台温度ヒューズ４０２を各端子に近接するように端子台１０３内部に設けている。このような位置に端子台温度ヒューズ４０２を設けることで、端子台１０３が異常発熱した場合に、端子台温度ヒューズ４０２を遮断させることができる。

なお、端子台温度ヒューズ４０２は、端子台１０３の異常発熱を受ける位置であればどこに実装されても良く、例えば、端子台１０３の裏側に端子台温度ヒューズ４０２を取り付けてもよい。

「発明が解決しようとする課題」欄で述べたように、従来のパワーコンディショナ装置では、端子台１０３が異常温度となった場合にシステムを確実に安全に停止もしくは該当部を遮断する手段を持っていない。

これに対し、本実施例では、ねじ締め付け不足や経年劣化が発生した場合に異常発熱する端子台１０３に端子台温度ヒューズ４０２を実装した。また、図４に示すように、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０５、系統連係インバータ１０６を駆動するゲートドライバ４０３には、端子台温度ヒューズ４０２を介して電力が供給されているため、端子台１０３が異常発熱し端子台温度ヒューズ４０２が切れると、ゲートドライバ４０３への電力供給が絶たれ、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０５、系統連係インバータ１０６の動作も安全に停止させることができる。また、端子台温度ヒューズ４０２の遮断後も、電源４００には太陽電池アレイ１００からの電力が供給されるため、マイコン４０１は正常に動作しており、表示装置２００に適切なエラー表示を表示させることや音で異常の発生を報知することができる。

以上で説明したように、本実施例によれば、端子台が異常発熱し端子台温度ヒューズが切れると、ゲートドライバへの電源供給が絶たれ、ＤＣ−ＤＣコンバータおよび系統連係インバータの動作が確実に停止するため、発煙・発火前に安全にパワーコンディショナ装置の動作が停止する。また、端子台温度ヒューズが切れた場合であっても、遮断する電源は、半導体スイッチング素子用のゲートドライバの電源のみであるため、マイコンは温度ヒューズ遮断後も動作し続け、マイコンで端子台の異常を監視することが可能となり、問題発生時に適切なエラー表示などで使用者に異常を知らせることができる。

なお、本実施例では、直流発電装置の一例として太陽電池アレイを紹介したが、本発明の適用対象はこれに限られず、例えば、直流発電装置として燃料電池を用いても良い。

次に、フィルムコンデンサの異常発熱対策に関する実施例２の太陽光発電システムの概要を説明する。なお、実施例１と共通する点は説明を省略することとする。

図１に示すように、フィルタ回路１０４の内部には、入力側の正負極間にコモンモードチョークコイル１０４ｃが設けられ、出力側の正負極間にはコモンモードチョークコイル１０４ｃと並列にフィルムコンデンサ１０４ａとフィルムコンデンサ温度ヒューズ１０４ｂの直列接続体が設けられている。また、フィルタ回路１０７の内部には、出力側の正負極間にコモンモードチョークコイル１０７ｃが設けられ、入力側の正負極間にはコモンモードチョークコイル１０７ｃと並列にフィルムコンデンサ１０７ａとフィルムコンデンサ温度ヒューズ１０７ｂの直列接続体が設けられている。

フィルムコンデンサ温度ヒューズ１０４ｂの実装は、図６（ａ）〜（ｃ）のような形態が考えられる。なお、フィルムコンデンサ温度ヒューズ１０７ｂも同様に実装されるので、その実装の説明は省略する。

図６（ａ）は、フィルムコンデンサ１０４ａの端子を上向きにするとともに、一方の端子とメイン基板３００の間をジャンパ線６００で接続し、他方の端子とメイン基板３００の間をフィルムコンデンサ温度ヒューズ１０４ｂで接続したものである。このようにフィルムコンデンサ温度ヒューズ１０４ｂを配置することで、外来サージなどを受けてフィルムコンデンサ１０４ａが異常発熱したときにフィルムコンデンサ温度ヒューズ１０４ｂが遮断され、メイン基板３００からフィルムコンデンサ１０４ａを遮断することができる。
なお、この構成を用いる場合、メイン基板３００の変更を必要としないという利点がある。

図６（ｂ）は図６（ａ）の構成に、フィルムコンデンサ１０４ａを覆うようにコンデンサケース６０１を追加したものである。このように、フィルムコンデンサ１０４ａとフィルムコンデンサ温度ヒューズ１０４ｂをコンデンサケース６０１の内部に密閉することで、フィルムコンデンサ温度ヒューズ１０４ｂはフィルムコンデンサ１０４ａの異常発熱をより素早く検知できるとともに、フィルムコンデンサ１０４ａが発煙した場合でも、煙が外部に漏れ出すことを防ぐことができる。

図６（ｃ）は、フィルムコンデンサ１０４ａとフィルムコンデンサ温度ヒューズ１０４ｂを内蔵した温度ヒューズ内蔵フィルムコンデンサ６０２であり、単品部品となるため、基板実装作業が簡略化され、また、作業のばらつきによる信頼性の低下を防げる利点がある。

実施例２のフィルタ回路１０４のフィルムコンデンサ１０４ａにはフィルムコンデンサ温度ヒューズ１０４ｂを直列に実装している。これによりフィルムコンデンサ１０４ａの異常発熱時、フィルムコンデンサ温度ヒューズ１０４ｂが切れることによりフィルムコンデンサ１０４ａが回路から遮断され、以後の発熱は発生しないこととなる。

このように、本実施例においては、異常発熱時に、大きな出力が発生する回路の根幹とも言うべきＤＣ−ＤＣコンバータ１０５および系統連係インバータ１０６が、これらを駆動するための信号を伝達する、ゲートドライバ４０３の電源が、発熱箇所に具備された温度ヒューズにより直接的に遮断されるため、異常発生時に確実に動作が停止し、なおかつ異常の発生を使用者に知らせることを可能とし、また、フィルムコンデンサ１０４ａの異常発熱時、フィルムコンデンサ温度ヒューズ１０４ｂが切れることによりフィルムコンデンサ１０４ａが回路から遮断されることで、安全性を確保することができる。

１００、１００ａ、１００ｂ 太陽電池アレイ
１０１ 接続箱
１０２ パワーコンディショナ装置
１０３ 端子台
１０４、１０７ フィルタ回路
１０４ａ、１０７ａ フィルムコンデンサ
１０４ｂ、１０７ｂ フィルムコンデンサ温度ヒューズ
１０４ｃ、１０７ｃ コモンモードチョークコイル
１０５ ＤＣ−ＤＣコンバータ
１０６ 系統連係インバータ
１０８ 系統連係リレー
１０９ 分電盤
１１０ 電力センサユニット
１１１ 商用電源系統
２００ 表示装置
３００ メイン基板
３０１ サブ基板
３０２ ヒートシンク
３０３ 外装上ケース
３０４ 外装下ケース
３０５ 背面ケース
３０６ フロントパネル
４００ 電源
４０１ マイコン
４０２ 端子台温度ヒューズ
４０３ ゲートドライバ
６００ ジャンパ線
６０１ コンデンサケース
６０２ 温度ヒューズ内蔵フィルムコンデンサ

Claims (5)

1. 直流発電装置からの配線と商用電源系統への配線を接続する端子台と、
   前記直流発電装置の直流出力電圧を第１の半導体スイッチング素子を用いて昇圧するＤＣ−ＤＣコンバータと、
   該ＤＣ−ＤＣコンバータの出力電力を第２の半導体スイッチング素子を用いて交流電力に変換する系統連係インバータと、
   前記直流発電装置からの直流電力が入力される電源と、
   前記ＤＣ−ＤＣコンバータおよび前記系統連係インバータを制御するゲートドライバと、
   該ゲートドライバにスイッチング信号を供給するマイコンと、を備え、
   前記電源から前記ゲートドライバへの電力は、前記端子台に設けられた第１の温度ヒューズを介して供給されることを特徴とするパワーコンディショナ装置。
2. 請求項１に記載のパワーコンディショナ装置において、
   前記ＤＣ−ＤＣコンバータの前段、または、前記系統連係インバータの後段に、フィルムコンデンサと第２の温度ヒューズの直列接続体を有したフィルタ回路を備えており、
   前記フィルムコンデンサが異常発熱したときに前記第２の温度ヒューズが遮断して前記フィルムコンデンサが前記ＤＣ−ＤＣコンバータまたは前記系統連係インバータから遮断されることを特徴とするパワーコンディショナ装置。
3. 請求項１または２に記載のパワーコンディショナ装置において、
   前記温度ヒューズが遮断したときには、前記マイコンは、表示装置にエラー表示をするか、音で異常の発生を報知することを特徴とするパワーコンディショナ装置。
4. 請求項１または２に記載のパワーコンディショナ装置において、
   さらに、商用電源系統との接続をＯＮ／ＯＦＦする系統連係リレーを備えており、
   前記温度ヒューズが遮断したときには、前記マイコンは、前記系統連係リレーをＯＦＦすることを特徴とするパワーコンディショナ装置。
5. 太陽電池アレイと、
   該太陽電池アレイを前記直流発電装置とする請求項１から請求項４何れか一項に記載のパワーコンディショナと、
   前記太陽電池アレイと前記パワーコンディショナとを接続する接続箱と、
   前記パワーコンディショナと商用電源系統とを接続する分電盤と、
   を具備することを特徴とする太陽光発電システム。