JP6127824B2 - 太陽光発電用パワーコンディショナシステム - Google Patents

Description

本発明は、太陽電池を系統電源に連系させる太陽光発電用パワーコンディショナシステムに関するものである。

需要家における太陽光発電装置（自家用発電装置）を、分散電源装置として、電力事業者の系統電源に連系させる太陽光発電システムが知られている。この種の太陽光発電システムは、太陽電池からの直流電力を系統電源からの交流電力相当の交流電力に変換するために、インバータ回路などを備えたパワーコンディショナシステム（ＰＣＳ）を備えている。非特許文献１には、この種のパワーコンディショナシステムが開示されている。

この種のパワーコンディショナシステムは、直流電力線間（太陽電池側）に「中性点接地による地絡検出法」を用いた地絡検出回路を備えている。この地絡検出回路は、図４、５に示すように、直流電力線４間に直列に接続された検出抵抗Ｒｄを備え、検出抵抗Ｒｄの間の中性点を接地する。直流電力線４の地絡が発生すると（例えば、地絡抵抗Ｒｇとすると）、地絡抵抗Ｒｇを介して中性点接地線に地絡電流Ｉｇが流れる。この地絡電流Ｉｇを例えば電流計測器ＣＴを用いて計測し、地絡検出部３０Ｘによって、地絡電流Ｉｇが所定の閾値以上である場合に、直流地絡と判定する。

なお、地絡電流Ｉｇは、鳳テブナンの定理を用いて、下式のように求められる。
Ｉｇ＝Ｖｄ／（Ｒｄ＋２Ｒｇ）
ここで、Ｖｄは直流電力線間電圧である。

矢元 修、「１１．稚内メガソーラープロジェクト（４）」、研究年報 第４１巻、２０１０年１０月、北海道電力（株）総合研究所、「http://www.hepco.co.jp/corporate/souken/research/annual_repo/ar41/index.html」

ところで、太陽電池は、屋外、例えば建物の屋根上に設置されることがあり、太陽電池とパワーコンディショナシステムとを接続する複数の長い直流配線が金属部材（例えば、金属性の屋根部材）上に張り巡らされることがある。この場合、直流配線と金属部材との間に微地絡が発生し、継続的な微地絡に起因して電食（Electric Corrosion）が発生する虞がある。そこで、直流配線を金属部材上に張り巡らす可能性がある太陽光発電用パワーコンディショナシステムでは、一般的な地絡検出のみならず、微地絡検出をも行う必要がある。

しかしながら、上述した「中性点接地による地絡検出法」では、微地絡検出を行うことが困難である。微地絡の場合、地絡抵抗Ｒｇが比較的大きく、地絡電流Ｉｇは比較的に小さい。このような小さな直流電流を計測する直流計測系では、計測系オフセットによる誤差に起因して、地絡電流Ｉｇを計測することが困難である。

そこで、本発明は、直流電力線の微地絡を検出することが可能な太陽光発電用パワーコンディショナシステムを提供することを目的とする。

本発明の太陽光発電用パワーコンディショナシステムは、太陽電池を系統電源に連系させる太陽光発電用パワーコンディショナシステムであって、太陽電池から直流電力線を介して入力される直流電力を交流電力に変換し、この交流電力を、系統電源に連系された交流電力線へ出力するインバータと、直流電力線の地絡を検出する地絡検出部とを備え、地絡検出部は、系統電源の基本波に同期した基本波の非整数倍の周波数の電流信号を次数間高調波信号として生成するための次数間高調波制御信号を生成する制御信号発生部と、次数間高調波制御信号に応じて、次数間高調波信号を交流電力線に注入する信号注入部と、直列に接続されたキャパシタとインダクタとを有し、一端が交流電力線に接続され、他端が接地されているフィルタ部と、フィルタ部、直流電力線及び交流電力線のうちの何れかにおける次数間高調波信号の電流成分の計測結果から、直流電力線の地絡を判定する判定部とを有する。

この太陽光発電用パワーコンディショナシステムによれば、直流電力線の地絡が発生すると、交流電力線に注入する次数間高調波電流信号が交流電力線、フィルタ部、地絡箇所、直流電力線、及び、インバータのループに流れることとなるので、この次数間高調波電流信号の計測結果から直流電力線の地絡を検出することができる。このように、この太陽光発電用パワーコンディショナシステムによれば、交流電力線に注入する高調波電流信号の計測結果から直流電力線の地絡を検出する交流計測系であるので、計測系オフセットによる誤差に影響されることなく、直流電力線の微地絡を検出することができる。

また、系統電源の基本波の整数倍の周波数を有する高調波とは異なり、系統電源に存在しない基本波の非整数倍の周波数を有する次数間高調波信号を用いるので、パワーコンディショナシステムの動作中であっても地絡検出が可能であり、一般的な地絡検出と微地絡検出とを一つの回路で行うことができる。

上記したインバータは、信号注入部として機能し、駆動信号に重畳された次数間高調波制御信号に応じた電流信号を次数間高調波信号として交流電力線に注入してもよい。

上記した地絡検出部は、インバータが直流電力を変換して交流電力を出力する動作を行っているときに、直流電力線の地絡検出を行う定常検出モードと、インバータが動作を行っていないときに、交流電力線に注入する次数間高調波信号の大きさを定常検出モードよりも大きくして、直流電力線の地絡検出を行う精密検出モードとを切り換えてもよい。

一般的な地絡では、大きな地絡電流が発生することとなるので、直ちに停止する必要がある。よって、一般的な地絡では、定常検出モードによって、インバータ動作中に比較的短い間隔で断続的に直流電力線の地絡監視を行う必要がある。なお、この場合、比較的大きな地絡電流が発生するので、交流電力線に注入する次数間高調波信号の大きさは比較的小さくてよい。

一方、微地絡では地絡電流が小さいが、微地絡に起因する電食は、数年、数月のような単位で発生する。よって、微地絡では、精密検出モードによって、１日〜数日に１回の間隔で直流電力線の微地絡監視を行えばよい。そして、インバータ非動作中（例えば、夜中）に、交流電力線に注入する次数間高調波信号の大きさを定常検出モードよりも大きくすることにより、直流電力線の微地絡検出の精度を高めることができる。

上記した太陽光発電用パワーコンディショナシステムは、直流電力線の間に設けられたインダクタを更に備えてもよい。これによれば、インダクタによって、太陽電池の浮遊容量をキャンセルすることができる。

本発明によれば、直流電力線の微地絡を検出することができる。

本発明の実施形態に係る太陽光発電用パワーコンディショナシステムを示す図である。 図１に示す交流電力線近傍を詳細に示す図である。 本発明の変形例に係る太陽光発電用パワーコンディショナシステムであって、当該太陽光発電用パワーコンディショナシステムにおける交流電力線近傍を詳細に示す図である。 従来の太陽光発電用パワーコンディショナシステムを示す図である。 図４に示す交流電力線近傍を詳細に示す図である。

以下、図面を参照して本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、各図面において同一又は相当の部分に対しては同一の符号を附すこととする。

図１は、本発明の実施形態に係る太陽光発電用パワーコンディショナシステムを示す図である。図１に示す太陽光発電用パワーコンディショナシステム（以下、ＰＣＳという。）１００は、太陽電池１を、連系トランス２を介して系統電源３に連系させる。太陽電池１とＰＣＳ１００とは直流電力線４によって接続されており、ＰＣＳ１００と系統電源３とは、すなわちＰＣＳ１００と連系トランス２とは交流電力線５によって接続されている。ＰＣＳ１００は、インバータ１０と、制御部１２と、連系リアクトル１４と、フィルタ部１６と、インダクタ２０，２１と、地絡検出部３０とを備えている。

インバータ１０は、直流電力線４を介して太陽電池１から入力される直流電力を交流電力に変換し、この交流電力を交流電力線５へ出力する。インバータ１０は、直流電力線４の間に直列に接続された２個のスイッチング素子からなる直列回路を並列に３組備えた三相インバータであり、制御部１２からの制御信号（駆動信号）によるフィードバック制御によって、系統電源３の交流電力相当（例えば、６０Ｈｚ）の交流電力を生成する。

連系リアクトル１４は、系統電源３との連系のためのリアクトルであり、フィルタ部１６は、インバータのスイッチング周波数近傍のノイズ成分を除去するためのキャパシタ１７を含む。フィルタ部１６の詳細は後述する。

地絡検出部３０は、直流電力線４の地絡（図１に、地絡抵抗Ｒｇで示す。）を検出するものであり、次数間高調波制御信号発生部３１と、信号注入部と、フィルタ部と、判定部３２とを有している。なお、本実施形態では、インバータ１０が信号注入部として機能し、フィルタ部１６がフィルタ部として機能する。

次数間高調波制御信号発生部３１は、系統電源３の基本波電圧（例えば、６０Ｈｚ）に同期し、かつ、基本波電圧の非整数倍の周波数を有する電流信号を、次数間高調波信号として、交流電力線５に生成するための次数間高調波制御信号を生成する。具体的には、次数間高調波制御信号発生部３１は、系統電源３の基本波電圧に周波数同期した同期信号を生成し、この同期信号を所定の逓倍比で逓倍することによって、系統電源３の基本波電圧の非整数倍の周波数を有する次数間高調波制御信号を生成する。そして、次数間高調波制御信号発生部３１は、この次数間高調波制御信号を制御部１２からの制御信号（駆動信号）に重畳させて、インバータ１０におけるスイッチング素子へ出力する。

インバータ（信号注入部）１０は、制御部１２からの制御信号（駆動信号）に応じてスイッチング制御される際に、重畳された次数間高調波制御信号に応じて変調されることによって、系統電源３の基本波電圧の非整数倍の周波数を有する電流信号、すなわち次数間高調波信号を交流電力線５に注入する。

例えば、交流電力線５に注入する次数間高調波信号の次数は、系統電源３の基本波周波数（例えば、６０Ｈｚ）の１次未満であることが好ましく、更には０．５次以下であることが好ましい。また、例えば、交流電力線５に注入する次数間高調波信号、すなわち電流信号の大きさは、系統電源３の基本波定格電流成分の３％以下、好ましくは２％以下でよい。

フィルタ部１６は、直列に接続されたキャパシタ１７とインダクタ１８とを有し、フィルタ部１６のキャパシタ１７側が交流電力線５に接続され、フィルタ部１６のインダクタ１８側が接地されている。これにより、直流電力線４の地絡が発生すると、交流電力線５に注入された次数間高調波電流信号が交流電力線５、フィルタ部１６、地絡箇所（地絡抵抗Ｒｇ）、直流電力線４、及び、インバータ１０のループに流れることとなる。なお、このループに流れる電流は零相電流である。

判定部３２は、注入次数成分電流計測器ＣＴを介して計測した電流から、フーリエ解析を用いて次数間高調波電流信号を求め、この計測した次数間高調波電流信号から直流電力線４の地絡（又は微地絡）を判定する。具体的には、判定部３２は、検出した次数間高調波電流信号が所定の地絡閾値以上であれば、直流電力線４の地絡発生と判断し、検出した次数間高調波電流信号が所定の地絡閾値未満、かつ、所定の微地絡閾値以上であれば、直流電力線４の微地絡発生と判断する。

なお、交流電力線５は、実際には三相交流であるので、図１における交流電力線５近傍は図２に示す形態となる。

また、本実施形態では、直流電力線４の間にインダクタ２０，２１が直列に接続されており、インダクタ２０，２１の間の接続点は接地されている。

ここで、図４に示す従来のＰＣＳ１００Ｘを参照する。従来のＰＣＳ１００Ｘは、主に、ＰＣＳ１００において、地絡検出部３０に代えて、「中性点接地による地絡検出法」を用いる地絡検出部３０Ｘ及び検出抵抗Ｒｄを備える点で本実施形態と異なる。検出抵抗Ｒｄは、直流電力線４間に直列に接続されており、検出抵抗Ｒｄの間の中性点が接地される。なお、交流電力線５は、実際には三相交流であるので、図４における交流電力線５近傍は図５に示す形態となる。図５に示すように、一般に、インバータのスイッチング周波数近傍のノイズ成分を除去するために、三相交流電力線間にはキャパシタ１７が設けられる。

ＰＣＳ１００Ｘでは、直流電力線４の地絡が発生すると（例えば、地絡抵抗Ｒｇとすると）、地絡抵抗Ｒｇを介して中性点接地線に地絡電流Ｉｇが流れる。ＰＣＳ１００Ｘでは、この地絡電流Ｉｇを例えば電流計測器ＣＴを用いて計測し、地絡検出部３０Ｘによって、地絡電流Ｉｇが所定の閾値以上である場合に、直流地絡と判定する。

ところで、太陽電池は、屋外、例えば建物の屋根上に設置されることがあり、太陽電池とパワーコンディショナシステムとを接続する複数の長い直流配線が金属部材（例えば、金属性の屋根部材）上に張り巡らされることがある。この場合、直流配線と金属部材との間に微地絡が発生し、継続的な微地絡に起因して電食（Electric Corrosion）が発生する虞がある。そこで、直流配線を金属部材上に張り巡らす可能性がある太陽光発電用パワーコンディショナシステムでは、一般的な地絡検出のみならず、微地絡検出をも行う必要がある。

しかしながら、従来の「中性点接地による地絡検出法」では、微地絡検出を行うことが困難である。微地絡の場合、地絡抵抗Ｒｇは比較的大きく、地絡電流Ｉｇは比較的に小さい。このような小さな直流電流を計測する直流計測系では、計測系オフセットによる誤差に起因して、地絡電流Ｉｇを計測することが困難である。

しかしながら、本実施形態のＰＣＳ１００によれば、交流電力線５に注入する高調波電流信号の計測結果から直流電力線４の地絡を検出する交流計測系であるので、計測系オフセットによる誤差に影響されることなく、直流電力線４の微地絡を検出することができる。

また、系統電源３の基本波の整数倍の周波数を有する高調波とは異なり、系統電源３に存在しない基本波の非整数倍の周波数を有する次数間高調波信号を用いるので、ＰＣＳの動作中であっても地絡検出が可能であり、一般的な地絡検出と微地絡検出とを一つの回路で行うことができる。

ここで、交流電力線５に注入する次数間高調波信号の次数を高くすると、次数間高調波信号が対地容量成分にも流れてしまう可能性がある。しかしながら、本実施形態のＰＣＳ１００によれば、交流電力線５に注入する次数間高調波信号の次数が、系統電源３の基本波周波数の１次未満、好ましくは０．５次以下と低いので、地絡箇所（地絡抵抗Ｒｇ）に流れる次数間高調波電流信号を精度よく検出することができ、その結果、直流電力線４の地絡検出の精度を高めることができる。

また、本実施形態のＰＣＳ１００によれば、直流電力線４の間に設けられたインダクタ２０，２１によって、太陽電池１に寄生する対地浮遊容量成分Ｃをキャンセルすることができ、その結果、直流電力線４の地絡検出の精度を高めることができる。

ここで、系統電源３には、基本波の整数倍の高調波は存在するが、非整数倍の高調波は存在しない。これより、本実施形態のＰＣＳ１００によれば、交流電力線５に注入する次数間高調波電流信号の大きさを、系統電源３の基本波定格電流成分の３％以下、好ましくは２％以下と小さくしても、直流電力線４の地絡を精度よく検出することができる。

なお、本発明は上記した本実施形態に限定されることなく種々の変形が可能である。例えば、地絡検出と微地絡検出とを異なる条件下で個別に行ってもよい。この変形形態の一例を以下に示す。
（変形例）

変形例のＰＣＳ１００では、地絡検出部３０は、一般的な地絡検出を行う定常検出モードと、微地絡検出を高精度に行う精密検出モードとのモード切り換えを行うことにより、地絡検出と微地絡検出とを異なる条件下で個別に行う。

一般的な地絡では、大きな地絡電流が発生することとなるので、直ちに停止する必要がある。よって、定常検出モードでは、インバータ１０の定常動作中に、所定時間間隔で断続的に直流電力線４の地絡検出を行う。なお、一般的な地絡では、比較的大きな地絡電流が発生することとなるので、定常検出モードでは、交流電力線５に注入する次数間高調波電流信号の大きさは比較的小さくてよい。

一方、微地絡では地絡電流が小さいが、微地絡に起因する電食は、数年、数月のような単位で発生する。よって、精密検出モードでは、例えば１日〜数日に１回の間隔で直流電力線４の地絡検出を行う。そのため、精密検出モードでは、インバータ１０の非動作中（例えば、夜中、系統とは連系してない状態）に地絡検出を行うことが可能であり、交流電力線５に注入する次数間高調波電流信号の大きさを定常検出モードよりも大きくすることができる。例えば、インバータ非動作時には、系統電源３の交流電力相当（例えば、６０Ｈｚ）の交流電力を生成しないこととなるので、次数間高調波制御信号を調整し、系統電源３の基本波電圧の非整数倍の周波数を有する交流電圧であって、直流電力線４の電圧Ｖｄの約０．７５倍の電圧を、交流電力線５に生成する。このように、精密検出モードでは、交流電力線５に注入する次数間高調波電圧を大きくし、交流電力線５に注入する次数間高調波電流を大きくすることにより、直流電力線４の微地絡検出の精度を高めることができる。

また、本実施形態では、フィルタ部１６に流れる零相電流の次数間高調波成分を用いて地絡検出及び微地絡検出を行う形態を例示したが、図３に示すように、交流電力線５に流れる零相電流の次数間高調波成分を用いてもよい。

また、本実施形態では、交流電力線５側において、零相電流の次数間高調波成分を用いて地絡検出及び微地絡検出を行う形態を例示したが、図１に示すように、直流電力線４側において、注入次数成分電圧計測器ＶＴを用いて、対地電流における有効成分Ｉｐであって、注入した次数間高調波電圧成分と同位相の有効成分Ｉｐを、地絡抵抗Ｒｇによる地絡電流として用いてもよい。

また、本実施形態では、インバータ部１０が地絡検出部３０の信号注入部として機能したが、インバータ部１０とは別に、地絡検出部３０の信号注入部が設けられてもよい。

また、本実施形態では、地絡電流検出のためのフィルタ部１６におけるキャパシタ１７が、インバータのスイッチング周波数近傍のノイズ成分を除去するためのキャパシタとして機能したが、地絡電流検出のためのフィルタ部１６におけるキャパシタ１７とは別に、例えば図４に示すように、三相交流電力線５間に、スイッチング周波数近傍のノイズ成分を除去するためのキャパシタが設けられてもよい。

１…太陽電池、２…連系トランス、３…系統電源、４…直流電力線、５…交流電力線、１００…太陽光発電用パワーコンディショナシステム、１０…インバータ（信号注入部）、１２…制御部、１４…連系リアクトル、１６…フィルタ部、１７…キャパシタ、１８…インダクタ、２０，２１…インダクタ、３０，３０Ｘ…地絡検出部、３１…次数間高調波制御信号発生部（制御信号発生部）、３２…判定部、ＣＴ…注入次数成分電流計測器（電流計測器）、ＶＴ…注入次数成分電圧計測器、Ｒｄ…検出抵抗、Ｒｇ…地絡抵抗（地絡箇所）、Ｉｇ…地絡電流、Ｖｄ…直流電圧。

Claims (4)

1. 太陽電池を系統電源に連系させる太陽光発電用パワーコンディショナシステムであって、
   前記太陽電池から直流電力線を介して入力される直流電力を交流電力に変換し、前記交流電力を、前記系統電源に連系された交流電力線へ出力するインバータと、
   前記直流電力線の地絡を検出する地絡検出部と、
   を備え、
   前記地絡検出部は、
   前記系統電源の基本波に同期した前記基本波の非整数倍の周波数の電流信号を次数間高調波信号として生成するための次数間高調波制御信号を生成する制御信号発生部と、
   前記次数間高調波制御信号に応じて、前記次数間高調波信号を前記交流電力線に注入する信号注入部と、
   直列に接続されたキャパシタとインダクタとを有し、一端が前記交流電力線に接続され、他端が接地されているフィルタ部と、
   前記フィルタ部、前記直流電力線及び前記交流電力線のうちの何れかにおける前記次数間高調波信号の電流成分の計測結果から、前記直流電力線の地絡を判定する判定部と、
   を有する、太陽光発電用パワーコンディショナシステム。
2. 前記インバータは、前記信号注入部として機能し、駆動信号に重畳された前記次数間高調波制御信号に応じた電流信号を前記次数間高調波信号として前記交流電力線に注入する、
   請求項１に記載の太陽光発電用パワーコンディショナシステム。
3. 前記地絡検出部は、
   前記インバータが前記直流電力を変換して前記交流電力を出力する動作を行っているときに、前記直流電力線の地絡検出を行う定常検出モードと、
   前記インバータが前記動作を行っていないときに、前記交流電力線に注入する前記次数間高調波信号の大きさを前記定常検出モードよりも大きくして、前記直流電力線の地絡検出を行う精密検出モードと、
   を切り換える、
   請求項１又は２に記載の太陽光発電用パワーコンディショナシステム。
4. 前記直流電力線の間に設けられたインダクタを更に備える、
   請求項１〜３の何れか１項に記載の太陽光発電用パワーコンディショナシステム。

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