JP5919483B2 - 系統連系装置 - Google Patents

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Description

本発明は、太陽電池、燃料電池、或いは蓄電池等の直流電源から出力される直流電力を交流電力に変換して、この交流電力を商用系統へ重畳する系統連系装置に関する。
従来より、太陽電池、燃料電池、或いは蓄電池等の直流電源が出力する直流電力を交流電力に変換し、系統連系用リレーを介して商用電力系統へ連系する系統連系装置が提供されている。
系統連系装置は、インバータ回路、フィルタ回路、系統連系用リレー、及び制御回路等からなる。インバータ回路は、直流電源から出力される直流電力を交流電力へ変換し、該交流電力を出力線に出力する。フィルタ回路は、フィルタ用コンデンサを有し、インバータ回路の出力電流の一部を出力線からフィルタ用コンデンサに流し、出力電流の高調波成分を除去した電流を出力線に流す。系統連系用リレーは、フィルタ回路と商用電力系統との間に接続され、その開閉により直流電源と商用電力系統との解列/接続を行う。制御回路は、マイコンから成り、インバータ回路及び系統連系用リレーに信号を与え、インバータ回路及び系統連系用リレーの動作の制御を行う。
また、系統連系装置には、商用電力系統が停電した場合に、商用電力系統と切り離して負荷へ供給する自立運転を行うものがある(特許文献1)。このような系統連系装置は、出力線から分岐する2本の配線に、自立運転用のリレーを介して負荷を接続している。そして、自立運転する場合は、系統連系用リレーを開いて商用電力系統と系統連系装置とを切り離し、自立運転用リレーを閉じて2本の配線に単相の交流電力を供給する。これにより、この2本の配線に接続される負荷に電力が供給され、ユーザーはこの負荷を利用できるようになる。
特開2003−87978号公報
また、特許文献1に記載の系統連系装置は、この際に交流電力が出力される2本の配線の内1本を接地することにより、この2本の配線の対地間電圧を小さくしている。
しかしながら、従来の系統連系装置では、2本の配線の内1本を接地しているため、接地していない配線の対地間電圧は、インバータ回路から供給される交流電力の電圧と等しくなり、インバータ回路から供給される交流電力の振幅と等しくなる。
この自立運転を行う場合に交流電力が供給される2本の配線の対地間電圧が低いほど負荷を安全に利用できるようになる。
本発明は上述の問題に鑑みて成された発明であり、自立運転を行う場合に交流電力が供給される2本の配線の対地間電圧を低くすることができる系統連系装置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、直流電力を交流電力へ変換し、該交流電力を出力線に出力するインバータ回路と、前記出力線に介在し、商用電力系統と前記インバータ回路との接続/解列を行う系統連系用リレーと、前記出力線から分岐し、自立運転用リレーを介して負荷と接続され、前記商用電力系統から前記インバータ回路を切り離して前記負荷へ電力を供給する自立運転を行う場合に前記インバータ回路から単相の交流電力が供給される2本の配線と、を備え、前記自立運転を行うときは、前記系統連系用リレーを解列し、前記自立運転用リレーを接続して、前記2本の配線を、夫々抵抗を介して接地することを特徴とする。
本発明によれば、2本の配線を、夫々抵抗を介して接地するため、これらの抵抗により2本の配線は分圧されて接地することになる。これにより、2本の配線の対地間電圧は、これらの抵抗の分圧比の分、インバータ回路から出力される電圧よりも小さくすることができる。
また、上述の発明において、前記インバータ回路は、前記商用電力系統と前記インバータ回路とを連系する場合に、直流電力をU相、V相、W相を有する三相の交流電力へ変換してU相線、V相線、W相線からなる前記出力線に出力し、前記2本の配線は、前記3本の出力線の内2本の出力線から分岐することを特徴とする。
また、上述の発明において、前記自立運転用リレーは、前記抵抗が前記配線に接続される接続点よりもインバータ回路側の前記配線に介在することを特徴とする。
また、上述の発明において、前記配線と前記抵抗とを導通/遮断するスイッチ素子を備え、前記商用電力系統と前記インバータ回路とが連系運転を行う場合に、前記スイッチ素子を遮断し、前記自立運転を行う場合に前記スイッチ素子を導通することを特徴とする。
また、上述の発明において、前記2本の配線に接続される夫々の抵抗の抵抗値は同じ値であることを特徴とする。
本発明によれば、自立運転を行う場合に交流電力が供給される2本の配線の対地間電圧を低くすることができる系統連系装置を提供することができる。
第1の実施形態に係る太陽光発電システム100を示す構成図である。 第2の実施形態に係る自立運転用配線の接地を示す構成図である。 第3の実施形態に係る太陽光発電システム100を示す構成図である。 切替式の接片を有するリレーを用いた場合の接続を示す図である。
(第1の実施形態)
以下、図面に基づき本発明の第1の実施形態を詳述する。図1は第1の実施形態に係る太陽光発電システム100を示す構成図である。この図に示すように太陽光発電システム100は、太陽電池1(直流電源)、系統連系装置2を備える。
系統連系装置2は、昇圧回路4、インバータ回路5、フィルタ回路6、系統連系用リレー7、自立運転用リレー8、制御回路9、配線La、Lb、3本の出力線Lu、Lv、Lwを備える。系統連系装置2は、系統連系用リレー7を介してインバータ回路5の出力する三相の交流電力を商用電力系統3へ重畳する連系運転を行う。また、商用電力系統3が停電している場合は、インバータ回路5と商用電力系統3とを切り離して負荷10へ単相の交流電力を供給する自立運転を行う。
商用電力系統3は、図1に示すようにU相、V相、W相を有するV結線の商用電力系統であり、V相が接地されている。U相は、V相よりも120°進んだ位相を有し、W相はV相よりも120°遅れた位相を有する。
昇圧回路4は、太陽電池1から出力された直流電圧を昇圧する。そして、昇圧回路4は、この昇圧した直流電圧をインバータ回路5へ出力する。昇圧回路4は、図1に示すように、リアクトル41、IGBT(絶縁ゲートバイポーラトランジスタ)のようなスイッチ素子42、及びダイオード43を有して構成される。昇圧回路4の入力側には、太陽電池1が接続され、太陽電池1の正極と直列にリアクトル41とダイオード43とが接続される。スイッチ素子42は、リアクトル41及びダイオード43の接続点と太陽電池1の負極との間に接続され、その間を開閉する。
昇圧回路4は、制御回路9によって動作が制御される。具体的には、制御回路9がONデューティ比を決定し、そのデューティ比を有するパルス信号をスイッチ素子42のゲートに周期的に与える。すると、スイッチ素子42は、周期的に開閉し、昇圧回路4は、デューティ比に応じた所定の昇圧比を得る。
インバータ回路5は、2つのコンデンサ51、52、及び複数のスイッチ素子53〜56を有し、昇圧回路4を介して太陽電池1から出力される直流電力を三相の交流電力へ変換する。コンデンサ51と52は、直列に接続されて直列回路を成している。この直列回路は、ダイオード43と太陽電池1の負極とに接続される。また、スイッチ素子53とスイッチ素子54は直列接続され第1アーム回路を成しており、スイッチ素子55とスイッチ素子56は直列接続され第2アーム回路を成している。インバータ回路5は、コンデンサ51、52による直列回路、第1アーム回路、及び第2アーム回路を並列に接続し、三相のハーフブリッジとして動作する。また、直列回路の2つのコンデンサ51、52の接続点はV相線Lvに接続され、第1アーム回路の2つのスイッチング素子53、54の接続点はU相線Luに接続され、第2アーム回路の2つのスイッチング素子55、56の接続点は、W相線Lwに接続される。
インバータ回路5のスイッチ素子53〜56には、IGBTのようなスイッチ素子を用いると良い。インバータ回路5は、制御回路9によってその動作が制御される。インバータ回路5の動作については後述する。
フィルタ回路6は、リアクトル61、62、及び3つのフィルタ用コンデンサ63a、63b、63cを有する。また、フィルタ回路6は、スイッチ素子51及びスイッチ素子52の接続点と、スイッチ素子53及びスイッチ素子54の接続点と、コンデンサ3a及びコンデンサ3bの接続点とに接続される(インバータ回路5の出力側に設けられる)。具体的には、U相線Luにリアクトル61が介在し、W相線Lwにリアクトル62が介在している。各フィルタ用コンデンサ63a、63b、63cは3本の出力線Lu、Lv、Lwの夫々の間に結線される。また、各フィルタ用コンデンサ63a〜63cは等しい容量のコンデンサが用いられる。フィルタ回路6は、インバータ回路5の出力電流をフィルタ用コンデンサ63a、63b、63cに流れるコンデンサ電流と、出力線Lu、Lv、Lwに流れるフィルタ電流とに分ける。これにより、インバータ回路5の出力電流の高調波成分が除去されたフィルタ電流が、フィルタ回路6より商用電力系統3側の出力線Lu、Lv、Lwに流れ、商用電力系統30に供給される。
系統連系用リレー7は、商用電力系統3に接続される出力線Lu、Lv、Lwに介在(フィルタ回路6と商用電力系統3との間に介在)する接片により出力線Lu、Lv、Lwの開閉を行う。この系統連系用リレー7は、制御回路9からの制御信号によって閉状態と開状態が制御され、インバータ回路5と商用系統30とを接続(連系)または解列するものである。
自立運転用リレー8は、U相線Lu、及びW相線Lwから夫々分岐する配線La、Lbに介在する接片により配線La、Lbの開閉を行う。この自立運転用リレー8は、制御回路9からの制御信号によって閉状態と開状態が制御され、インバータ回路5と負荷10とを接続または解列するものである。また、配線La、Lbは、夫々抵抗11、12を介して接地されており、自立運転用リレーが、抵抗11、12が配線La、Lbに接続される接続点よりもインバータ回路5側の配線La、Lbに介在する。これにより、インバータ回路5と負荷10とを接続するとき(自立運転を行うとき)に配線La、Lbは、抵抗を介して接地される。抵抗11と抵抗12は、抵抗値が同じ値の抵抗を用いると良い。
制御回路9は、上述したように、昇圧回路4、インバータ回路5、系統連系用リレー7、及び自立運転用リレー8の動作を制御する。制御回路9は、インバータ回路5と商用電力系統3とを接続して連系運転を行う場合に、系統連系用リレー7を接続し、自立運転用リレーを解列する。また、制御回路9は自立運転を行う場合に、系統連系用リレー7を解列し、自立運転用リレーを接続する。
制御回路9は、太陽電池の出力電力が最大になるように昇圧回路4をMPPT動作させる。MPPT動作は、昇圧回路の入力電流Iinと、昇圧回路の入力電圧Vinにより電力Pnを演算し、電力Pnが最大になるよう昇圧回路の昇圧比を調整することにより行う。
制御回路9は、連系運転を行う場合と、自立運転を行う場合とでインバータ回路5の動作を変える。制御回路9は、連系運転を行う場合は、インバータ回路5を、PWM(Pulse Width Modulation)制御にしたがって各スイッチ素子53〜56を周期的に導通/遮断し、太陽電池から出力される直流電力を三相の交流電力に変換する。これにより、インバータ回路5は、変換した三相の交流電力を3本の出力線Lu、Lv、Lwに出力する。
連系運転を行う場合のPWM制御は、フィルタ回路6より後段のU相線Luを流れる電流(以下、U相線電流Iu)とフィルタ回路6より後段のW相線Luを流れる電流(以下、W相線電流Iw)とを検出し、線電流Iu、Iwが、夫々目標値Iut、Iwtになるような電流制御により行われる。具体的には、第1アーム回路のスイッチ素子53、54のスイッチングのタイミングは、線電流Iuに基づいて決定され、第2アーム回路のスイッチングのタイミングは、線電流Iwに基づいて決定される。即ち、制御回路9は、各アーム回路毎に指令値Iut、Iwtを作成し、各アーム回路のスイッチ素子のスイッチタイミングを制御する。
制御回路9は、自立運転を行う場合は、インバータ回路5を、PWM(Pulse Width Modulation)制御にしたがって各スイッチ素子53〜56を周期的に導通/遮断し、太陽電池から出力される直流電力を単相の交流電力に変換する。これにより、インバータ回路5は、変換した単相の交流電力をU相線LuとW相線Lwとに出力する。
自立運転を行う場合のPWM制御は、フィルタ回路6より後段のU相線LuとW相線Lwとに印加される電圧V(或いは、配線La、Lb間の電圧)を検出し、この電圧Vが、目標値Vtになるような電圧制御により行われる。具体的には、第1アーム回路のスイッチ素子53、54、及び第2アーム回路のスイッチ素子55、56のスイッチングのタイミングは、電圧Vに基づいて決定される。即ち、制御回路9は、両第1、第2アーム回路に共通の指令値Vtを作成し、両第1、第2アーム回路のスイッチ素子のスイッチタイミングを制御する。
系統連系装置2は、このようにして、自立運転を行う場合に、第1アーム回路の出力と第2アーム回路による出力とを用いて単相交流電力を出力するものであり、インバータ回路5を、第1アーム回路、及び第2アーム回路による単相フルブリッジとして動作させて単相の交流電力を生成することになる。
以上のように、第1の実施形態によれば2本の配線La、Lbを、夫々抵抗を介して接地するため、これらの抵抗11、12により2本の配線La、Lbは分圧されて接地することになる。これにより、2本の配線La、Lbの対地間電圧は、これらの抵抗の分圧比分だけインバータ回路5から出力される電圧よりも小さくすることができる。
また、第1の実施形態では、抵抗11と抵抗12の抵抗値を同じ値にしているため、各配線La、Lbと大地との間に係る電圧は、自立運転時にインバータ回路の出力する電圧の半分に抑えることができ、各配線La、Lbと大地との間にかかる電圧を、本方式を用いた中で一番小さくすることができる。
また、第1の実施形態において、抵抗11、12が配線La、Lbに接続される接続点よりも自立運転用リレー8はインバータ回路側の前記配線に介在するようにしている。これにより、連系運転中に抵抗11、12がインバータ回路5から切り離されることになり、抵抗11、12による電力消費が無くなり効率が良くなる。
また、第1の実施形態によれば、自立運転時には三相の交流電力ではなく、単相の交流電力を供給するため、単相の交流電力にて動作する負荷を容易に利用することができる。
また、連系運転時には、商用電力系統3のV相が接地されているため、出力線Lu、Lv、Lwの対地間電圧は安定する。しかし、配線La、Lbを接地しないで自立運転を行うと、出力線Lu、Lv、Lwの対地間電圧は、太陽電池の浮遊容量に大きく左右され不安定になる。V相線Lvを接地することで、自立運転時に出力線Lu、Lv、Lwの対地間電圧を安定にする方法も考えられるが、第1の実施形態のようにインバータ回路5にトランスレスのインバータ回路を用いると、連系時にV相線Lvに電流が流れなくなるため、V相線Lvを接地することができない。第1の実施形態のように、自立運転を行うときに、2本の配線を、夫々抵抗を介して接地すると、配線La、Lbに接続される出力線Lu、Lv、Lwの対地間電圧が安定する。このため、連系運転を行う場合でも自立運転を行う場合でも、出力線Lu、Lv、Lwの対地間電位が安定することになる。
(第2の実施形態)
第1の実施形態では、自立運転用リレー8が、抵抗11、12が配線La、Lbに接続される接続点よりもインバータ回路5側の配線La、Lbに介在する例を挙げた。第2の実施形態では、自立運転用リレーが、抵抗11、12が配線La、Lbに接続される接続点よりも商用電力系統3側の配線La、Lbに介在する例を挙げる。
図2は、第2の実施形態に係る自立運転用配線La、Lbの接地を示す構成図である。図に示すように、自立運転用リレー8は、抵抗11、12が配線La、Lbに接続される接続点よりも商用電力系統3側の配線La、Lbに介在する。また、抵抗11と配線Laとを導通/遮断するスイッチ回路13が設けられており、抵抗11と配線Lbとを導通/遮断するスイッチ回路14が設けられている。
スイッチ回路13、14は、自立運転用リレー8と同じタイミングで導通/遮断が行われる。即ち、連系運転を行う場合は、スイッチ回路13、14を遮断状態になり、自立運転を行う場合には接続状態になる。この様にすることにより、第1の実施例と同様に、連系運転時に、インバータ回路5と抵抗13、14が切り離されるため、抵抗11、12による電力消費が無くなり効率が良くなる。尚、スイッチ回路13、14の動作は制御回路9により制御される。
また、第2の実施例において、自立運転を開始する際に、スイッチ回路13、14を遮断状態から導通状態にした後、インバータ回路5により単相の交流電力の作成を開始し、その後に自立運転用リレー8を解列状態から接続状態にすると良い。
これにより、大地と配線La、Lbとが接地されている状態で、インバータ回路5を動作し、負荷への電力を供給することができるため、負荷への負担を減らすことができる。
また、第2の実施形態において、スイッチ回路13、14を設けて、連系運転中はインバータ回路5と抵抗11、12とを切り離すようにしたが、自立運転を行うときに、配線La、Lbを夫々抵抗11、12を介して接地できれば良いので、スイッチ回路13、14が無く、抵抗11、12を夫々配線La、Lbと接続しても良い。
(第3の実施形態)
第1の実施形態、及び第2の実施形態では、系統連系装置2にインバータ回路5に三相のインバータ回路を用いる例を示した。第3の実施形態では、インバータ回路5に単相インバータ回路5aを用いる系統連系装置2aの例を示す。
図3は、第3の実施形態における太陽光発電システム100を示す図である。単相のインバータ回路5aは、コンデンサ51、52の代わりにコンデンサ57が用いられ、コンデンサ57は、第1アーム回路、及び第2アーム回路と並列接続される。所謂、フルブリッジ型のインバータ回路を用いる。また、第1アーム回路、及び第2アーム回路には、2本の出力線L1とL2が夫々接続される。インバータ回路5aは直流電力を単相の交流電力に変換してこの2本の出力線L1、L2に出力する。インバータ回路5aの制御は制御回路9が行う。
このインバータ回路5aにより、系統連系装置2aは、連系運転を行う場合は、単相の交流電力を商用電力系統3aに供給し、自立運転を行う場合は、単相の交流電力を負荷10へ供給する。
フィルタ回路には、リアクトル61、リアクトル62、コンデンサ63から成るフィルタ回路6aを用いる。リアクトル61は出力線L1に介在し、リアクトル62は出力線L2に介在する。コンデンサ57は、リアクトル61、62が介在する出力線L1、L2の商用電力系統3側を接続する。これにより、インバータ回路5aから出力される交流電力の高調波成分を除去する。2本の出力線L1、L2は、このフィルタ回路6aと系統連系用リレー7とを介して単相の三線式の商用電力系統3bに接続される。
配線La、Lbは、フィルタ回路6aよりも商用電力系統側の出力線L1、L2から分岐する。配線La、Lbが分岐した先の接続は第1の実施形態、及び第2の実施形態と同様の構成を用いることができるため説明は省略する。
以上のように、本発明は、単相インバータ回路5aについても適用することができる。
以上、本発明の一実施形態について説明したが、以上の説明は本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明はその趣旨を逸脱することなく、変更、改良され得ると共に本発明にはその等価物が含まれることは勿論である。
例えば、本実施形態において、直流電源として太陽電池1を利用する例を挙げたが、例えば、燃料電池や蓄電池など、その他の直流電源を利用することもできる。
また、本実施形態では、系統連系用リレー7と自立運転用リレー8とに開閉式の接片を有するリレーを用いる例を説明したが、複数の出力経路の内1つを選択して切り替える切替式の接片を有するリレーを用いても良い。図4は切替式の接片を有する切替式リレー70を用いた場合の接続を示す図である。図4(a)は切替式の接片を有するリレーを三相交流電力を出力するインバータ回路5に適用したものであり、図4(b)は単相交流電力を出力するインバータ回路5aに適用したものである。図4に示すように切替式リレー70は、出力線の数、即ち、三相の場合に3つ、単相の場合に2つ有している。切替式リレー70は、各接片の入力側接点と各入力側接点に対応する2つの出力側接点の内1つとを選択して接続することにより出力経路を切り替える。
切替式リレー70の各入力側接点には夫々の出力線Lu、Lw、Lv、L1、L2が接続され、2つの出力側接点の内一方には夫々商用電力系統3に接続される出力線Lu、Lw、Lv、L1、L2が接続される。また、2つの出力側接点の内他方には負荷10に接続される配線La、Lbが接続され、切替式リレー70の接片の接続先を切り替えることによりインバータ回路5により変換された交流電力の供給先を切り替えることができる。
具体的に三相の場合は、出力線Lu、Lwに接続される出力側接点に配線La、Lbが接続され、出力線Lvに接続される出力側接点には何も接続されず開放状態になっている。自立運転時には、第1、第2アーム回路に接続される出力線Lu、Lwから配線La、Lbに交流電力が供給される。単相の場合は、出力線L1、L2に接続される出力側接点に配線La、Lbが接続される。
切替式リレー70は、連系運転を行う場合にインバータ回路5と商用電力系統3とを接続するように、自立運転を行う場合など連系運転を行わない場合にインバータ回路5と負荷10とを接続するように接片を切り替える。切替式リレー70は、出力線Lu、Lv、Lw、L1、L2及び配線La、Lbに介在することになり、系統連系用リレーと自立運転用リレーを兼ねることになる。
リレー71は、出力線の本数と同じ本数の開閉式の接片を有し、これらの接片は、出力線Lu、Lv、Lw、L1、L2に介在している。リレー71は、系統連系装置2と商用電力系統3及び負荷10とを切り離すためのものである。リレー71は、インバータ回路5が動作する際(連系運転時、及び自立運転時を含む)に出力線Lu、Lv、Lw、L1、L2を接続状態にし、インバータ回路5が停止する際に出力線Lu、Lv、Lw、L1、L2を開放状態にする。

1 太陽電池
2 系統連系装置
3 商用電力系統
4 昇圧回路
5 インバータ回路
6 フィルタ回路
7 系統連系用リレー
8 自立運転用リレー
9 制御回路
10 負荷

Claims (5)

  1. 直流電力を交流電力へ変換した後、当該交流電力を出力線を介して商用電力系統へ供給
    するインバータ回路と、
    前記出力線に介在し、前記商用電力系統と前記インバータ回路との接続/解列を行う系
    統連系用リレーと、
    前記出力線から分岐された2本の配線に介在し、前記インバータ回路と負荷との接続/
    解列を行う自立運転用リレーと、
    前記系統連系用リレーを解列して前記商用電力系統と前記インバータ回路とを切り離す
    と共に、前記自立運転用リレーを接続して前記2本の配線を介して供給される前記交流電
    力を負荷へ供給するときに、前記2本の配線を夫々前記商用系統の接地の電位と同電位に
    接地する抵抗とを備える
    ことを特徴とする系統連系装置。
  2. 前記インバータ回路は、前記商用電力系統と前記インバータ回路とを連系する場合に、
    直流電力をU相、V相、W相を有する三相の交流電力へ変換してU相線、V相線、W相線
    からなる前記出力線に出力し、
    前記2本の配線は、前記3本の出力線の内2本の出力線から分岐すると共に前3本の出
    力線のうち残りの1本の出力線を接地することを特徴とする請求項1に記載の系統連系装
    置。
  3. 前記自立運転用リレーは、前記抵抗が前記配線に接続される接続点よりもインバータ
    回路側の前記配線に介在することを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の系統連系装
    置。
  4. 前記2本の配線と前記抵抗とを導通/遮断するスイッチ素子を備え、
    前記商用電力系統と前記インバータ回路とが連系運転を行う場合に、前記スイッチ素子
    を遮断し、前記自立運転を行う場合に前記スイッチ素子を導通することを特徴とする請求
    項1又は請求項2に記載の系等連系装置。
  5. 前記2本の配線に接続される夫々の抵抗の抵抗値は同じ値であることを特徴とする請求
    項1乃至請求項4の何れかにに記載の系統連系装。
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