JP5743913B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、定電流源と見なせる直流電源から得られる直流電力を交流電力へ変換する電力変換装置に関するものである。

電力変換装置の入力直流電源として用いられる定電流源としては、例えば太陽電池が知られているので、この明細書では、太陽電池が生成する直流電源を入力電源とする電力変換装置を例に挙げて説明する。この種の電力変換装置は、太陽光発電システムにおいて用いられているが、電力変換装置への太陽電池の接続は、太陽電池が設置されている現地において行われるので、逆接続の発生が不可避である。

そのため、この種の電力変換装置では、太陽電池の正極端と接続する正極接続ポートからインバータスイッチング回路の正極入力端に至る経路途中に、過電流遮断型回路保護素子を介在させ、太陽電池の逆接続があると、その逆電流により過電流遮断型回路保護素子を溶断させて太陽電池を切り離し、電力変換装置内の回路保護を図るようにしている。この場合、過電流遮断型回路保護素子の溶断電流は、太陽電池の短絡電流よりも大きい値に選定される。

ここで、その従来から装備している過電流遮断型回路保護素子を利用して、太陽電池が正しく接続されて運転されている電力変換装置で発生する過電圧や過電流の異常時における保護回路を構成できれば、安価な構成で信頼性の向上を図ることができる。

ところが、電力変換装置のインバータスイッチング回路におけるアーム短絡や負荷短絡時に発生する短絡電流は太陽電池の短絡電流以下の電流であるから、溶断電流が太陽電池の短絡電流よりも大きい従来装備の過電流遮断型回路保護素子は溶断せず、保護が図れない。よって、別途保護回路を設ける必要がある。

電力変換装置の異常時に対する保護について、例えば特許文献１では、温度ヒューズを各電気部品の近傍に設け或いは接触させて設け、ヒューズ溶断を検出すると、太陽電池に接続されている直流遮断器により直流出力を遮断させて電力変換装置を保護する技術が提案されている。

また、特許文献２では、過電流遮断型回路保護素子を使用した電力供給回路網における過電流保護回路として、過電流検知回路にて過電流が検知されると、スイッチング素子を導通させ、直流電源からの大電流により過電流遮断型回路保護素子を溶断させる回路が提案されている。

特開平９−３２７１７８号公報（図１） 特開平１１−１９１９２１号公報（図１）

しかし、特許文献１に記載の保護回路は、過電圧異常時や負荷短絡発生時に直流電力を直流遮断器により遮断する方式であるので、太陽電池電圧が高電圧になればなるほど高耐電圧の直流遮断器が必要となり、コストアップを招来するという問題がある。

また、特許文献２に記載の保護回路は、溶断電流が太陽電池の短絡電流よりも大きい従来装備の過電流遮断型回路保護素子を溶断させ得る大電流を出力できる直流電源を別途用意する必要がある。加えて、過電流に対してのみ有効な保護回路であり、過電圧異常に対する保護機能を有しないので、別途、過電圧保護回路が必要であり、同様にコストアップを招来するという問題がある。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、過電圧や過電流の異常発生時に対し、直流遮断器を用いることなく、また新たな直流電源や保護回路を設けることなく、入力電源である定電流源の短絡電流では溶断しない従来装備の過電流遮断型回路保護素子を簡素な構成で確実に溶断させることができ電力変換装置を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、定電流源と見なせる直流電源を変換対象とし、前記直流電源の正極端からインバータスイッチング回路の正極入力端に至る経路途中に、前記直流電源の短絡電流では溶断しない過電流遮断型回路保護素子が配置される電力変換装置において、前記過電流遮断型回路保護素子は、正極ラインおよび負極ライン間にコンデンサが配置されている箇所の入力段に設けられるとともに、前記直流電源の正極端と負極端との間に接続される保護動作用スイッチング素子と、過電圧または過電流が発生した異常時に前記保護動作用スイッチング素子をオンさせる制御回路とを備えたことを特徴とする。

本発明によれば、当該電力変換装置の正常な運転時においては、コンデンサは充電され所定の電荷量を蓄積している。この状況下において、制御回路は、過電圧または過電流の発生が通知されると、保護動作用スイッチング素子を所定時間オンさせる。すると、コンデンサに蓄積されている電荷が、コンデンサ→過電流遮断型回路保護素子→保護動作用スイッチング素子→コンデンサと循環して放電される。この放電電流を、直流電源の短絡電流では溶断しない過電流遮断型回路保護素子を溶断させるに足る大電流とすることができるから、過電流遮断型回路保護素子を確実に溶断させることができる。

このように、本発明によれば、過電圧や過電流の異常発生時に対し、直流遮断器を用いることなく、また新たな直流電源や保護回路を設けることなく、入力電源である定電流源の短絡電流では溶断しない従来装備の過電流遮断型回路保護素子を簡素な構成で確実に溶断させることができるので、安価で信頼性の高い電力変換装置が得られるという効果を奏する。

図１は、本発明の実施の形態１による電力変換装置の要部構成を示すブロック図である。 図２は、本発明の実施の形態２による電力変換装置の要部構成を示すブロック図である。

以下に、本発明にかかる電力変換装置の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１による電力変換装置の要部構成を示すブロック図である。図１では、太陽光発電システムで用いられる電力変換装置が示されている。この種の電力変換装置は、パワーコンディショナや系統連系インバータ装置と称されている。

図１において、定電流源である太陽電池１の正極端および負極端は、ＤＣフィルタ２の正極および負極の各入力端に接続される。ＤＣフィルタ２の正極出力端は、過電流遮断型回路保護素子３を介してコンバータ４ａの正極入力端に接続され、ＤＣフィルタ２の負極出力端は、電流検出器５を介してコンバータ４ａの負極入力端に接続されている。コンバータ４ａは、昇圧チョッパ回路を備えている。なお、過電流遮断型回路保護素子３の溶断電流は、太陽電池１の短絡電流よりも大きいことは前述した。

電流検出器５は、カレントトランス（ＣＴ）を用いた構成でも、シャント抵抗器を用いた構成でもよい。この電流検出器５の挿入箇所として、図１では、ＤＣフィルタ２の負極出力端とコンバータ４ａの負極入力端との間の接続負極ラインを示してあるが、これに限定されるものではない。

スイッチング素子（例えばＩＧＢＴ）６は、本実施の形態１による保護動作用スイッチング素子であって、ＤＣフィルタ２の正極出力端と過電流遮断型回路保護素子３の一端との接続正極ラインと、ＤＣフィルタ２の負極出力端と電流検出器５の一端との接続負極ラインとの間に設けられている。なお、保護動作用スイッチング素子５は、ＤＣフィルタ２の正極および負極の入力端間に設けてもよい。

また、コンデンサ７ａ，７ｂの直列回路は、過電流遮断型回路保護素子３の他端とコンバータ４ａの正極入力端との接続正極ラインと、電流検出器５の他端とコンバータ４ａの負極入力端との接続負極ラインとの間に設けられている。コンデンサ７ａ，７ｂの直列回路は、太陽電池１の出力電圧（つまりコンバータ４ａの入力電圧）の平滑用コンデンサである。コンデンサ７ａ，７ｂは、それぞれ太陽電池１の出力電圧（つまりコンバータ４ａの入力電圧）を等分に分担させる構成である。

コンバータ４ａの正極出力端は、コンデンサ８ａ，８ｂの直列回路の一端と、インバータスイッチング回路９の正極入力端とにそれぞれ接続され、コンバータ４ａの負極出力端は、コンデンサ８ａ，８ｂの直列回路の他端と、インバータスイッチング回路９の負極入力端とにそれぞれ接続されている。コンデンサ８ａ，８ｂの直列回路は、コンバータ４ａの出力電圧を平滑しインバータスイッチング回路９における母線電圧を生成する。インバータスイッチング回路９の出力端（図１では三相出力端）は、ＡＣフィルタ１０を介して交流電源（配電系統）１１に接続される。コンデンサ８ａ，８ｂの各両端間には、それぞれ、電圧検出器１２ａ，１２ｂが取り付けられている。

制御電源１３は、コンデンサ７ａ，７ｂの直列回路の両端電圧またはコンデンサ８ａ，８ｂの直列回路の両端電圧（図１では、コンデンサ７ａ，７ｂの直列回路の両端電圧）に基づき、コンバータ４ａとインバータスイッチング回路９と制御回路１４ａとの各動作電源を生成する。

制御回路１４ａは、電流検出器５が過電流を検出せず、かつ、電圧検出器１２ａ，１２ｂが過電圧を検出していない正常運転時において、コンバータ４ａでの昇圧動作を行うスイッチング素子とインバータスイッチング回路９の各スイッチング素子とをオン・オフ制御し、配電系統との連系を制御する。また、制御回路１４ａは、電流検出器５が過電流を検出し、または、電圧検出器１２ａ，１２ｂが過電圧を検出した異常時において、保護動作用スイッチング素子６をオンさせる制御を行う。

以上の構成において、まず、一般的な動作について簡単に説明する。動作保護用スイッチング素子５はオフしている。太陽電池１にて発電された直流電圧は、ＤＣフィルタ２にてノイズ成分が除去され、コンデンサ７ａ，７ｂの直列回路にて平滑され、コンバータ４ａに入力する。変動する太陽電池１の出力電圧は、コンバータ４ａにて定電圧制御され、コンデンサ８ａ，８ｂの直列回路を充電する。インバータスイッチング回路９は、コンデンサ８ａ，８ｂの直列回路に充電された直流電力を交流電力へ変換し、ＡＣフィルタ１０を介して配電系統（交流電源１１）に同期した電力を供給する。

次に、本実施の形態１に関わる部分の動作について説明する。例えばコンバータ４ａの最大昇圧電圧が例えばＤＣ８００Ｖと高電圧の場合、コンバータ４ａの出力電圧を平滑するコンデンサ（インバータスイッチング回路９の入力平滑用のコンデンサ）は、図１に示すように、２等分割したコンデンサ８ａ，８ｂの直列回路で構成し、等分に分圧することで１個当たりの電圧ストレスを軽減して使用する。

平滑用のコンデンサは、大容量値を要するため、一般に電解コンデンサが用いられる。例えば、コンバータ４ａの最大昇圧電圧をＤＣ８００Ｖにした場合、コンデンサ８ａとコンデンサ８ｂとには、夫々にＤＣ４００Ｖの電圧が印加される。電解コンデンサの安全を考慮し、定格の８０％にディレーティングして使用すると、耐電圧がＤＣ５００Ｖ以上の電解コンデンサを使用しなければならない。ＤＣ５００Ｖ耐電圧品の２つを直列に構成すると、耐電圧の合計値はＤＣ１０００Ｖとなりディレーティングを満足する。

しかし、コンデンサ８ａ，８ｂの例えばコンデンサ８ｂが短絡故障を起こすと、コンバータ４ａで昇圧されたＤＣ８００Ｖの電圧は、全てコンデンサ８ａに印加され、過電圧異常となる。コンデンサ８ａでは、５００Ｖの耐電圧を大幅に上回る電圧ＤＣ８００Ｖが印加されているので、防爆弁が開き、電解液が飛散することが起こる。

なお、飛散した電解液は、火花放電を発生させるので、トラッキング現象が起こる恐れがある。トラッキング現象を起こしている部分の近辺に可燃物が配置されていると、発熱・発火し、引いては火災を引き起こす可能性がある。よって、安全を考慮すると何らかの保護手段が必要となる。

本実施の形態１では、上記のような場合に、制御回路１４ａは、異常検知手段である電圧検出器１２ａからの通知によってコンデンサ８ａが過電圧異常となったことを検知すると、保護動作用スイッチング素子６をオンさせ、それを所定時間保持する。保護動作用スイッチング素子６がオンすることにより、コンバータ入力平滑用のコンデンサ７ａ，７ｂに蓄えられた電荷が過電流遮断型回路保護素子３を介して保護動作用スイッチング素子６を通過し、コンデンサ７ａ，７ｂに戻る経路で大電流が流れる。太陽電池１の短絡電流では溶断しない過電流遮断型回路保護素子３は、保護動作用スイッチング素子６がオンしている期間内に流れるコンデンサ７ａ，７ｂの放電電流によって溶断し、太陽電池１が切り離される。

保護動作用スイッチング素子６がオンしている期間内に過電流遮断型回路保護素子３に流れる電流値は、コンデンサ７ａ，７ｂの静電容量Ｃ×保護動作用スイッチング素子６がオンする瞬間の電圧Ｖ÷保護動作用スイッチング素子６の導通時間にて求められる。

したがって、太陽電池１の短絡電流では溶断せず、保護動作用スイッチング素子６の導通時での電流では溶断する過電流遮断型回路保護素子３に対しては、太陽電池１の短絡電流では溶断しないという過電流遮断型回路保護素子３の溶断条件を満たし、過電流遮断型回路保護素子３が溶断可能な電流を流せるコンデンサ７ａ，７ｂの容量値と、少なくとも過電流遮断型回路保護素子３が溶断するまでの間は素子破壊を起こさないサージ電流耐量を有する保護動作用スイッチング素子６とを選定することになる。なお、保護動作用スイッチング素子６と直列に抵抗器を挿入してサージ電流のピーク値を制限するようにしてもよい。

このような素子選定による回路構成の結果、過電圧異常時に過電流遮断型回路保護素子３が確実に溶断し、電力変換装置が保護されるので、過電圧異常となった電解コンデンサ（コンデンサ８ａ）では電解液飛散を伴う故障を起こさない。従来の過電流保護回路では以上のような過電圧異常に対する保護機能を有していない。

以上の説明は、従来の過電流保護回路では実現できない過電圧異常時に対する保護動作であるが、インバータスイッチング回路９でのアーム短絡や交流電源１１側での負荷短絡による過電流が発生すると、制御回路１４ａは、異常検知手段である電流検出器５からの通知により過電流異常の発生を検知すると、同様に保護動作用スイッチング素子６をオンさせる。太陽電池１の短絡電流以上の電流では溶断しない過電流遮断型回路保護素子３に、上記と同様に太陽電池１の短絡電流以上の電流が流れるので、太陽電池１を切り離すことができる。

斯くして、本実施の形態１によれば、過電圧や過電流の異常発生時に対し、直流遮断器を用いることなく、また新たな直流電源や保護回路を設けることなく、太陽電池の短絡電流では溶断しない従来装備の過電流遮断型回路保護素子を、コンデンサの放電電流により溶断させるという簡素な構成で太陽電池を切り離し、電力変換装置を保護することができる。したがって、安価で信頼性の高い電力変換装置が得られる。

本実施の形態１と比べて、従来の太陽光発電システムで用いられているパワーコンディショナでは、太陽電池の出力電圧を受信する入力段に直流遮断器を挿入し、前記のような電解コンデンサ過電圧異常時には太陽電池入力を遮断することで、電解コンデンサの充電経路を絶ち、装置の保護を行っている。しかし、太陽電池の電圧が例えばＤＣ１０００Ｖと高電圧になると直流開閉器にはＤＣ１０００Ｖの耐電圧が要求され、コスト高になる。

この問題に対し本実施の形態１によれば、太陽電池電圧が高電圧のシステム構成時において、直流遮断器を使用する必要が無いので、低コストの保護機能を備えたパワーコンディショナが得られる。

実施の形態２．
図２は、本発明の実施の形態２による電力変換装置の要部構成を示すブロック図である。なお、図２では、図１（実施の形態１）に示した構成要素と同一または同等である構成要素には同一の符号が付されている。ここでは、本実施の形態２に関わる部分を中心に説明する。

図２に示すように、本実施の形態２による電力変換装置では、図１（実施の形態１）に示した構成において、コンデンサ７ａ，７ｂの各両端間には、電圧検出器１９ａ，１９ｂがそれぞれ取り付けられている。そして、コンバータ４ａに代えて、内部のチョッパ回路構成を示したコンバータ４ｂが設けられ、また、制御回路１４ａに代えて制御回路１４ｂが設けられている。併せて、保護動作用スイッチング素子６が省かれ、過電流遮断型回路保護素子３がコンバータ４ｂの正極出力端側に移設されている。また、電流検出器５が、コンバータ４ｂの負極端とコンデンサ８ａ，８ｂの直列回路の負極端との間に移設されている。その他の構成は、図１と同様である。

コンバータ４ｂ内のチョッパ回路は、一端がＤＣフィルタ２を介して太陽電池１の正極端に接続されるチョークコイル２０と、チョークコイル２０の他端と負極ラインとの間に設けられる昇圧動作用スイッチング素子（例えばＩＧＢＴ）２１と、チョークコイル２０の他端にアノードが接続される逆流阻止ダイオード２２とで構成される。

このチョッパ回路構成は、コンバータ４ａにおいても同様である。本実施の形態２においては、逆流阻止ダイオード２２に並列に、保護動作用スイッチング素子（例えばＩＧＢＴ）２３が接続されている。

コンバータ４ｂの出力端を構成する逆流阻止ダイオード２２のカソードは、過電流遮断型回路保護素子３の一端に接続され、過電流遮断型回路保護素子３の他端はインバータスイッチング回路９の正極入力端に接続されている。平滑用コンデンサであるコンデンサ８ａ，８ｂの直列回路は、過電流遮断型回路保護素子３の他端とインバータスイッチング回路９の正極入力端との接続正極ラインと、負極ラインとの間に設けられている。

制御回路１４ｂは、正常な運転時においては、保護動作用スイッチング素子２３をオフ状態に維持し、昇圧動作用スイッチング素子２１をオン・オフさせて逆流阻止ダイオード２２から出力させる。これは、制御回路１２ａと同様である。本実施の形態２による制御回路１２ｂは、さらに異常検出手段である電圧検出器１９ａ，１９ｂから過電圧の異常発生の通知を受け取ると、または、電流検出器５から過電流の異常発生の通知を受け取ると、昇圧動作用スイッチング素子２１と保護動作用スイッチング素子２３とを同時にオンさせて所定時間保持する機能が追加されている。

以上の構成において、コンバータ４ｂの入力電圧の平滑用コンデンサであるコンデンサ７ａ，７ｂの直列回路も、コンデンサ８ａ，８ｂの直列回路と同様に、１個当たりの電圧ストレスを軽減する目的で構成されている。正常な運転時おいて、コンデンサ７ａ，７ｂの直列回路も、コンデンサ８ａ，８ｂの直列回路と同様に、充電されている。

例えば、コンデンサ７ａ，７ｂの直列回路において、コンデンサ７ｂに短絡故障が発生すると、コンデンサ７ａに太陽電池１の出力電圧の全てが印加されるから、コンデンサ７ａが過電圧異常になる。

本実施の形態２では、上記のような場合に、制御回路１４ｂは、異常検知手段である電圧検出器１９ａからの通知によってコンデンサ７ａが過電圧異常となったことを検知すると、昇圧動作用スイッチング素子２１と保護動作用スイッチング素子２３とを同時にオンさせ、それを所定時間保持する。昇圧動作用スイッチング素子２１と保護動作用スイッチング素子５とが同時にオンすることにより、コンバータ出力平滑用（インバータスイッチング回路入力平滑用）のコンデンサ８ａ，８ｂに蓄えられた電荷が過電流遮断型回路保護素子３を介して保護動作用スイッチング素子２３および昇圧用スイッチング素子２２を通過し、コンデンサ８ａ，８ｂに戻る経路で大電流が流れる。太陽電池１の短絡電流では溶断しない過電流遮断型回路保護素子３は、昇圧用スイッチング素子２２および保護動作用スイッチング素子２３が同時にオンしている期間内に流れるコンデンサ８ａ，８ｂの放電電流によって溶断し、太陽電池１が切り離される。

したがって、本実施の形態２においても、実施の形態１と同様に、安価で信頼性の高い電力変換装置が得られる。

なお、実施の形態１，２では、商用の配電系統に連系する太陽光発電システムでの電力変換装置への適用例を示したが、本発明による電力変換装置は、商用の配電系統に連系せず、工場など閉じた領域において用いられる太陽光発電システムでの電力変換装置にも同様に適用できることは言うまでもない。

以上のように、本発明にかかる電力変換装置は、過電圧や過電流の異常発生時に対し、直流遮断器を用いることなく、また新たな直流電源や保護回路を設けることなく、入力電源である定電流源の短絡電流では溶断しない従来装備の過電流遮断型回路保護素子を簡素な構成で確実に溶断させることができるので、安価で信頼性の高い電力変換装置として有用であり、特に、太陽光発電システムで用いるパワーコンディショナに適している。

１ 太陽電池
２ ＤＣフィルタ
３ 過電流遮断型回路保護素子
４ａ，４ｂ コンバータ
５ 電流検出器
６ 保護動作用スイッチング素子
７ａ，７ｂ コンバータの入力平滑用のコンデンサ
８ａ，８ｂ インバータスイッチング回路の入力平滑用のコンデンサ
９ インバータスイッチング回路
１０ ＡＣフィルタ
１１ 交流電源
１２ａ，１２ｂ 電圧検出器
１３ 制御電源
１４ａ，１４ｂ 制御回路
１９ａ，１８ｂ 電圧検出器
２０ チョークコイル
２１ 昇圧動作用スイッチング素子
２２ 逆流阻止ダイオード
２３ 保護動作用スイッチング素子

Claims (1)

1. 定電流源と見なせる直流電源を変換対象とし、前記直流電源の正極端からインバータスイッチング回路の正極入力端に至る経路途中に、前記直流電源の短絡電流では溶断しない過電流遮断型回路保護素子が配置される電力変換装置において
   前記過電流遮断型回路保護素子は、正極ラインおよび負極ライン間にコンデンサが配置されている箇所の入力段に設けられるとともに、
   前記直流電源の正極端に接続されるラインと負極端に接続されるラインとの間に接続される保護動作用スイッチング素子と、
   過電圧または過電流が発生した異常時に前記保護動作用スイッチング素子をオンさせる制御回路と
   を備えたことを特徴とする電力変換装置。
   

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