JP6272128B2

JP6272128B2 - 系統連系インバータ装置、発電システムおよび電圧上昇抑制方法

Info

Publication number: JP6272128B2
Application number: JP2014092938A
Authority: JP
Inventors: 義彦小道; 清俊田中
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2014-04-28
Filing date: 2014-04-28
Publication date: 2018-01-31
Anticipated expiration: 2034-04-28
Also published as: JP2015211589A

Description

本発明は、系統連系インバータ装置、発電システムおよび電圧上昇抑制方法に関する。

太陽光発電システムでは、太陽電池モジュールの出力電力（直流）を系統連系インバータ装置で交流電力に変換して、その交流電力を住宅内の電気機器に供給する。太陽電池モジュールの出力や系統電力に異常があったとしても安定して系統連系インバータ装置を動作させるために、系統連系インバータ装置は、出力電圧等の各電圧値、電流値をセンサによって制御回路に取り込むことでフィードバック制御を行う。

系統連系インバータ装置は非特許文献１に記載された系統連系規程で定められた規約に従う必要があり、系統や系統連系インバータに異常があった際には速やかに系統から解列（系統連系インバータ装置の運転を停止し出力を停止すること）や出力電力を制限する必要がある。また、系統連系インバータは１０年〜２０年と設計寿命が非常に長い。このため、系統連系インバータ装置の出力電力の制御に誤差がある場合、わずかな精度誤差であっても長期的に見ると発電量に大きな差が表れる可能性がある。

日本電気協会電気技術規程系統連系編系統連系規程 JEAC ９７０１−２０１２ 106〜121ページ

従来の系統連系インバータ装置では、系統連系インバータの出力電圧を、電圧センサを用いて測定し、測定した出力電圧を制御回路に取り込む。電圧センサは、系統連系インバータ装置内の直流電力と交流電力に変換するインバータ部の後段に配置されるフィルタの出力電圧を測定する。一方、系統連系規程で規定される出力電圧は、系統への出力電圧であり交流出力端子における出力電圧である。したがって、電圧センサの測定値は、測定点（フィルタ出力）と交流出力端子間の配線のインピーダンスとそこを流れる電流による電圧降下の分、系統連系規程で規定される出力電圧と異なることになる。

系統連系インバータ装置には、系統連系規程で規定される交流端出力電圧、すなわち交流出力端子から出力される電圧が閾値を超過することによって働く電圧上昇抑制機能が搭載されている。この機能が動作すると系統連系インバータの出力電力が制限される。しかしながら、上述のように、従来の系統連系インバータ装置では、上記の電圧センサの測定値を用いて閾値判定が行われる。このため、測定値と交流端出力電圧には上記のように差異があり、実際には、交流端出力電圧が閾値に達していない場合であっても出力制限がかかり発電電力量が低下するという問題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、交流端出力電圧の制御精度を向上させ、発電電力量を向上させることができる系統連系インバータ装置、発電システムおよび電圧上昇抑制方法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、直流電力を交流電力に変換するインバータを備え、前記交流電力を交流電力系統に出力する系統連系インバータ装置であって、前記インバータの出力電圧を測定する電圧センサと、前記インバータの交流出力電流を測定する電流センサと、前記電圧センサによる前記出力電圧の測定点と前記系統連系インバータ装置の交流出力端との間の配線のインピーダンスを記憶する記憶部と、前記記憶部に記憶された前記インピーダンスと前記電流センサにより測定された前記交流出力電流とに基づいて電圧降下量を算出する電圧降下演算器と、前記電圧センサにより測定された前記出力電圧から前記電圧降下量を減算することにより前記出力電圧を補正する減算器と、を備え、前記減算器による補正後の前記出力電圧が閾値を超えた場合に、前記交流電力系統へ出力する前記交流電力を制限することを特徴とする。

本発明によれば、交流端出力電圧の制御精度を向上させ、発電電力量を向上させることができるという効果を奏する。

図１は、本発明にかかる太陽光発電システムの実施の形態１の構成例を示す図である。図２は、実施の形態１の電圧上昇抑制処理手順の一例を示すフローチャートである。図３は、実施の形態２の太陽光発電システムの構成例を示す図である。

以下に、本発明にかかる系統連系インバータ装置および電圧制御方法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、本発明にかかる太陽光発電システムの実施の形態１の構成例を示す図である。図１に示すように、本実施の形態の太陽光発電システムは、太陽電池モジュール１と系統連系インバータ装置２を備える。

本実施の形態では、本実施の形態の発電システムが太陽光発電システムである例について説明するが、本実施の形態の発電システムは逆潮流を行う発電システムであれば太陽光発電システム以外であってもよい。太陽光発電システム以外の場合には、太陽電池モジュール１の替わりに、例えば燃料電池等、発電方法に応じた発電モジュールが接続される。

太陽電池モジュール１は、多数の太陽電池を直並列に接続し、太陽光による発電出力が得られるように構成されたモジュールである。太陽電池モジュール１によって発電された直流電力の出力は、系統連系インバータ装置２に入力される。系統連系インバータ装置２は、入力された直流電力を交流電力に変換して、交流電力を系統（交流電力系統）３に出力する。

次に、本実施の形態に係る系統連系インバータ装置２の構成と動作について説明する。図１に示すように、本実施の形態の系統連系インバータ装置２は、入力端子８、コンバータ４、インバータ５、フィルタ回路６、連系リレー７、交流出力端子９、電圧センサ１０、電流センサ１３および制御回路１７を備える。本実施の形態の系統連系インバータ装置２は、制御装置１７により制御される。

コンバータ４は、太陽電池モジュール１から入力端子８に印加される直流電力を別の電圧値の直流電力へ変換するＤＣ（Direct Current）／ＤＣ変換機能を有している。インバータ５は、ＦＥＴ（Field Effect Transistor）、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）等の半導体スイッチング素子で構成され、それらのスイッチング動作により、コンバータ４から入力される直流電力を交流電力へ変換する。フィルタ回路６は、リアクトルおよびコンデンサで構成され、インバータ５が出力するパルス状の交流波形を正弦波状の交流波形に整形する。コンバータ４、インバータ５、フィルタ回路６により、系統連系インバータ２の電力変換部により形成される。なお、図１に例示した各部の回路構成は一例であり、図１の回路構成に限定されない。

制御回路１７は、プログラムを実行可能な制御手段と記憶手段を備える。記憶手段は、不揮発性メモリであってもよいし、不揮発性メモリと揮発性メモリの両方で構成されていてもよい。制御回路１７が実施する処理は、ソフトウェアにより実施されてもよいし、ハードウェアにより実施されてもよいし、ソフトウェアで実施される部分とハードウェアにより実施される部分の両方が混在してもよい。制御回路１７は、電圧降下演算器１４、減算器（補正部）１５、ゲートパルス演算器１１および記憶部１６を備える。記憶部１６は記憶手段の一部であり、不揮発にデータを保持することができる。電圧降下演算器１４、減算器（補正部）１５およびゲートパルス演算器１１は、個別にハードウェア回路で構成されてもよいし、ＣＰＵ（Central Processing Unit）等の汎用演算回路として実装されてもよい。ＣＰＵ等の汎用演算回路を用いる場合、電圧降下演算器１４、減算器１５およびゲートパルス演算器１１は、ＣＰＵ等によりソフトウェアのプログラムを実行されることにより実現される。

電圧センサ１０は、フィルタ回路６の出力電圧を測定する。電流センサ１３は、フィルタ回路６の出力の一つの配線に設置され、フィルタ回路６の出力電流を測定する。記憶部１６には、フィルタ回路６の出力端と交流出力端子９との間の配線のインピーダンスが格納されている。電圧降下演算器１４は、電流センサ１３により測定された電流値と記憶部１６に格納された配線のインピーダンスとに基づいて、フィルタ回路６の出力端と交流出力端子９との間の電圧降下を計算する。フィルタ回路６の出力端と交流出力端子９との間の配線のインピーダンスは、系統連系インバータ装置２に固有の値であり、配線設計における設計値や実測値等に基づいて求めることができる。

一般に、系統連系インバータ装置には、交流出力電圧（交流出力端子９の電圧）が閾値（以下、「整定値」と言う）を超えたときに出力電圧を制限するため出力する電力を制限する機能（以下「電圧上昇抑制機能」と言う）が搭載されている。交流出力電圧とフィルタ回路６の出力電圧はほぼ等しいことから、簡略化するため、一般にフィルタ回路６の出力電圧を、上記の交流出力電圧とみなして閾値判定が行われている。しかし、フィルタ回路６の出力電圧が整定値を超過したとしても、配線のインピーダンスによる電圧降下の影響によって交流出力電圧（交流出力端子９の電圧）は整定値未満となるケースも考えられる。この場合、本来出力を制限する必要がないにも関わらず、発電システムの出力に制限がかかる場合があり、結果として発電量の低下に繋がる。

本実施の形態では、上記の電圧上昇抑制機能における閾値判定誤差による発電量の低下を防ぐため、配線インピーダンスによる電圧降下を考慮して交流出力電圧を算出する。また、制御回路１７が汎用演算回路を備える場合、新しく回路を追加する必要がなく、既存の系統連系インバータの制御回路に実装するソフトウェアを変更するだけで、配線のインピーダンスによる電圧降下を考慮して交流出力電圧を算出することができる。

図２は、本実施の形態の電圧上昇抑制処理手順の一例を示すフローチャートである。図２を用いて、本実施の形態の電圧上昇抑制処理を説明する。まず、電圧センサ１０は、フィルタ回路６の出力電圧を測定する（ステップＳ１）。電圧センサ１０の測定値は、減算器１５に入力される。電流センサ１３は、フィルタ回路６の出力電流を測定する（ステップＳ２）。電流センサ１３の測定値は、電圧降下演算器１４に入力される。

電圧降下演算器１４は、記憶部１６に格納されているフィルタ回路６の出力端と交流出力端子９との間の配線のインピーダンス（配線インピーダンス）と電流センサ１３により測定された出力電流とを用いて電圧降下（電圧降下量）を計算する（ステップＳ３）。

減算器１５は、電圧センサ１０により測定された出力電圧から電圧降下を減算することにより出力電圧を補正する（ステップＳ４）。制御回路１７は、補正した出力電圧を整定値以下とするようインバータ５を制御する（ステップＳ５）。具体的にはゲートパルス演算器１１は、補正後の出力電圧を整定値以下とするゲートパルスを演算し、ゲートパルス発生器１２が、ゲートパルス演算器１１の演算結果に基づいてゲートパルスをインバータ５へ印加する。

上述の動作により、フィルタ回路６の出力端と交流出力端子９との間の配線のインピーダンスによる電圧降下が補正された値を交流出力電圧として用いることができ、交流出力電圧の算出精度が向上し、出力制限の判定精度が従来に比べて向上する。このため、結果として出力制限する必要がない場合に出力制限することがなくなり、発電電力量を従来に比べて向上させることができる。

なお、本実施の形態では、電圧センサ１０の測定点をフィルタ回路６の出力端としたが、電圧センサ１０の測定点は、インバータ５の出力側であればフィルタ回路６の出力端以外であってもよい。フィルタ回路６の出力端以外の場合にも、同様に、電圧センサ１０の測定点と交流出力端子９との間の配線のインピーダンスと電流センサ１３による測定値とを用いて同様に、電圧降下分を補正することができる。

実施の形態２．
図３は、本発明にかかる太陽光発電システムの実施の形態２の構成例を示す図である。図３に示すように、本実施の形態の太陽光発電システムは、太陽電池モジュール１と系統連系インバータ装置２ａを備える。系統連系インバータ装置２ａは、配線インピーダンス設定部１８を追加する以外は、実施の形態１の系統連系インバータ装置２と同様である。実施の形態１と同様の機能を有する構成要素は、実施の形態１と同一の符号を付して重複する説明を省略する。以下、実施の形態１と異なる点を説明する。

本実施の形態では、配線インピーダンス設定部１８を備え、配線インピーダンスを、外部から設定することを可能としたもので、機種などによって、制御回路１７ａの基板を変更する必要がない。配線インピーダンス設定部１８としては、入力を受け付けることが可能な手段であればどのような手段を用いてもよいが、例えば切換スイッチや複数個の押しボタンとセグメント表示器等の簡単な表示装置とにより構成することができる。配線インピーダンス設定部１８を用いて入力された配線インピーダンスは、記憶部１６に格納される。本実施の形態の電圧上昇抑制処理および上記以外の動作は、実施の形態１と同様である。

一般に、系統連系インバータ装置は、施工完了後に、過電圧を検出して運転を停止するＯＶ（Over Voltage Relay）や周波数の低下を検出して運転を停止するＵＦＲ（Under Frequency Relay）といった保護機能の閾値を設定する機能（整定値設定機能）を具備する。この、本実施の形態の系統連系インバータ装置２ａは、この整定値設定機能と同様にフィルタ回路６の出力端と交流出力端子９との間の配線インピーダンスを設定可能とする。これにより、機種などの違い等により配線インピーダンスが異なっていたとしても共通の基板やソフトウェアを使用することが可能となる。また、修理等のアフターサービスにおいて、基板を交換するような場合であっても、配線インピーダンス設定部１８を用いてフィルタ回路６の出力端と交流出力端子９との間の配線インピーダンスを設定することにより、機種が異なっても同じ基板を用いて修理することが可能となる。

以上のように、本実施の形態では、配線インピーダンス設定部１８を備え、フィルタ回路６の出力端と交流出力端子９との間の配線インピーダンスを設定可能とした。これにより、機種などの違い等により配線インピーダンスが異なっていたとしても共通の基板やソフトウェアを使用することが可能となる。

実施の形態３．
次に、本発明にかかる実施の形態３の太陽光発電システムについて説明する。本実施の形態の太陽光発電システムの構成は、実施の形態２と同様である。本実施の形態では、実施の形態２と同様に、フィルタ回路６の出力端と交流出力端子９との間の配線インピーダンスを設定可能とするとともに、さらに、フィルタ回路６の出力端と交流出力端子９との間の配線インピーダンスが個々の製品により異なる場合にも対応可能な設定方法について説明する。以下、実施の形態２と異なる点を説明する。

本実施の形態では、以下の手順により配線インピーダンスを測定する。たとえば、修理等のアフターサービス時に、まず、系統３に接続する配線を外し、交流出力端子９を短絡する。この状態で、配線インピーダンス設定部１８は、ゲートパルス演算器１１およびゲートパルス発生器１２によりインバータ５から一定の交流電流が出力されるよう指示する。ゲートパルス演算器１１およびゲートパルス発生器１２によりインバータ５は、指示に基づいてインバータ５から一定の交流電流が出力されるゲートパルスを生成してインバータ５に印加し、インバータ５は一定の交流電流を出力する。この状態にて電圧センサ１０が電圧を測定する。このときに、配線インピーダンス設定部１８は、電圧センサ１０により測定された電圧とインバータ５から出力している電流値とに基づいてフィルタ回路６の出力端と交流出力端子９との間の配線インピーダンスを算出する。そして、配線インピーダンス設定部１８は、算出した値を記憶部１６に格納する。なお、ここでは、以上の配線インピーダンスの算出処理を配線インピーダンス設定部１８が実施するようにしたが、配線インピーダンス設定部１８とは別に以上の配線インピーダンスの算出処理を行う配線インピーダンス算出部を制御回路１７ａに備えるようにしてもよい。この場合、配線インピーダンス部１８を備えなくてもよい。

以上のように、本実施の形態では、系統３に接続する配線を外し、交流出力端子９を短絡させた状態でインバータ５から一定の交流電流を出力することにより、フィルタ回路６の出力端と交流出力端子９との間の配線インピーダンスを測定するようにした。これにより、機種などの違いや製品ごとの差異等により配線インピーダンスが異なっていたとしても共通の基板やソフトウェアを使用することが可能となる。

以上のように、本発明にかかる系統連系インバータ装置、発電システムおよび電圧上昇抑制方法は、系統に連系する発電システムに有用であり、特に、太陽光発電システムに適している。

１太陽電池モジュール、２，２ａ系統連系インバータ装置、３系統、４コンバータ、５インバータ、６フィルタ回路、７連系リレー、８入力端子、９交流出力端子、１０電圧センサ、１１ゲートパルス演算器、１２ゲートパルス発生器、１３電流センサ、１４電圧降下演算器、１５減算器、１６記憶部、１７，１７ａ制御回路、１８配線インピーダンス設定部。

Claims

直流電力を交流電力に変換するインバータを備え、前記交流電力を交流電力系統に出力する系統連系インバータ装置であって、
前記インバータの出力電圧を測定する電圧センサと、
前記インバータの交流出力電流を測定する電流センサと、
前記電圧センサによる前記出力電圧の測定点と前記系統連系インバータ装置の交流出力端との間の配線のインピーダンスを記憶する記憶部と、
前記記憶部に記憶された前記インピーダンスと前記電流センサにより測定された前記交流出力電流とに基づいて電圧降下量を算出する電圧降下演算器と、
前記電圧センサにより測定された前記出力電圧から前記電圧降下量を減算することにより前記出力電圧を補正する減算器と、
を備え、
前記減算器による補正後の前記出力電圧が閾値を超えた場合に、前記交流電力系統へ出力する前記交流電力を制限することを特徴とする系統連系インバータ装置。
前記インバータからの出力波形を整形するフィルタ回路を備え、
前記電圧センサは、前記フィルタ回路の出力端の電圧を前記出力電圧として測定することを特徴とする請求項１に記載の系統連系インバータ装置。
前記インピーダンスの入力を受け付け、入力された前記インピーダンスを前記記憶部に格納する配線インピーダンス設定部、を備えることを特徴とする請求項１または２に記載の系統連系インバータ装置。
前記配線インピーダンス設定部は、前記系統連系インバータ装置の出力端子を短絡され前記インバータからあらかじめ定められた一定の交流電流が出力されているときに、前記電圧センサによる前記出力電圧の測定値と前記一定の交流電流の値とに基づいて前記インピーダンスを算出し、算出した前記インピーダンスを前記記憶部に格納することを特徴とする請求項３に記載の系統連系インバータ装置。
太陽光により生成された直流電力を出力する太陽電池モジュールと、
前記直流電力を交流電力に変換するインバータを有し、前記交流電力を交流電力系統に出力する系統連系インバータ装置と、
を備え、
前記系統連系インバータ装置は、
前記インバータの出力電圧を測定する電圧センサと、
前記インバータの交流出力電流を測定する電流センサと、
前記電圧センサによる前記出力電圧の測定点と前記系統連系インバータ装置の交流出力端との間の配線のインピーダンスを記憶する記憶部と、
前記記憶部に記憶された前記インピーダンスと前記電流センサにより測定された前記交流出力電流とに基づいて電圧降下量を算出する電圧降下演算器と、
前記電圧センサにより測定された前記出力電圧から前記電圧降下量を減算することにより前記出力電圧を補正する減算器と、
を備え、
前記系統連系インバータ装置は、前記減算器による補正後の前記出力電圧が閾値を超えた場合に、前記交流電力系統へ出力する前記交流電力を制限することを特徴とする発電システム。
直流電力を交流電力に変換するインバータを備え、前記交流電力を交流電力系統に出力する系統連系インバータ装置において前記交流電力へ出力する前記交流電力の電圧の上昇を抑制する電圧上昇抑制方法であって、
前記インバータの出力電圧を測定する第１のステップと、
前記インバータの交流出力電流を測定する第２のステップと、
前記第１のステップにおける前記出力電圧の測定点と前記系統連系インバータ装置の交流出力端との間の配線のインピーダンスを記憶する第３のステップと、
前記第３のステップで記憶された前記インピーダンスと前記第２のステップで測定された前記交流出力電流とに基づいて電圧降下量を算出する第４のステップと、
前記第１のステップで測定された前記出力電圧から前記電圧降下量を減算することにより前記出力電圧を補正する第５のステップと、
前記第５のステップで補正された後の前記出力電圧が閾値を超えた場合に、前記交流電力系統へ出力する前記交流電力を制限する第６のステップと、
を含むことを特徴とする電圧上昇抑制方法。