JP6618221B2 - 電力変換装置および太陽光発電システム - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、電力変換装置および太陽光発電システムに関する。

太陽光発電システムは、太陽電池モジュールと、直流を交流に変換するインバータ装置とを備えている。インバータ装置は、太陽電池モジュールによって発電された直流電力を交流電力に変換して商用電源として利用することを可能にする。生成された交流電力は、電力系統に連系されて、需要者に電力を供給する。

太陽電池セルは、夜間や雨天時等は、日射量が少なく、発電を行わないため、夜間や雨天時等に電力を利用しようとする場合には、蓄電設備等により電力を貯蔵する必要がある。投資額やメンテナンス費用を考慮すると、蓄電設備を導入することは困難な場合も多い。

太陽光発電システムによる常時電力供給を目指さないまでも、停電時にバックアップ用の電源供給を得たい要求は強い。しかし、非常時のために蓄電設備を構築するのは、より一層の費用対効果が出にくく実現性が乏しい。

太陽電池は、太陽光による発電のほかに、雷光によっても発電することが知られている。雷光によって発電された電力を有効に活用することにより、蓄電設備によらずに電力供給を確保することができる電力変換装置の登場が望まれている。

特開２０１４−９０５８８号公報

実施形態は、停電時に雷光によって発電した電力を有効に活用することができる電力変換装置および太陽光発電システムを提供する。

本発明の実施形態によれば、電力変換装置は、太陽電池モジュールから出力される直流電力を入力して、交流電力に変換し、電力系統に連系する主回路と、前記主回路の入力に接続され、前記太陽電池モジュールから出力された電力を蓄積するコンデンサと、主回路の動作が停止され、かつ、前記電力系統が停電したときに生成される停止信号を出力する制御回路と、前記太陽電池モジュールが雷光によって発電したことを検出して発電信号を生成し、前記停止信号および前記発電信号にもとづいて、前記太陽電池モジュールによってバックアップ可能であることを表す検出信号を出力する検出回路と、前記検出信号によって駆動されるスイッチを介して前記コンデンサから直流電力を入力して安定化された出力電圧を供給する電圧安定化回路と、を備える。

本発明の実施形態によれば、制御回路によって電力系統の停電を検出し、検出回路によって雷光発電を検出して、コンデンサに蓄積された発電された電力を用いて、電圧安定化回路を動作させることができる。したがって、停電時に雷光によって発電した電力が有効に活用される。

図１は、第１の実施形態に係る電力変換装置を例示するブロック図である。 図２（ａ）は、電力変換装置のレベル検出回路の出力信号の出力論理を例示する表である。図２（ｂ）は、電力変換装置の主回路から出力される停止信号の出力論理を例示する表である。図２（ｃ）は、外部から供給される日射量信号の出力論理を例示する表である。図２（ｄ）は、電力変換装置のタイマ回路から出力されるタイマ信号の出力論理を例示する表である。 図３は、電力変換装置の動作の状態を例示する表である。 図４は、第２の実施形態に係る電力変換装置を例示するブロック図である。

以下に、各実施の形態について図面を参照しつつ説明する。
なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。
なお、本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。

（第１の実施形態）
図１は、本実施形態に係る電力変換装置を例示するブロック図である。
図１に示すように、電力変換装置１０は、主回路１２と、入力コンデンサ１４と、制御回路１６と、雷光発電検出回路１８と、電圧安定化回路２２と、を備える。

電力変換装置１０は、入力端子を介して太陽電池モジュール１に接続されている。太陽電池モジュール１は、１つ以上の太陽電池セルを含む。太陽電池モジュール１では、太陽光発電システム１００の出力に応じて、必要な数の太陽電池セルが接続されている。太陽光発電システム１００に用いられる太陽電池モジュール１は、１つとは限らない。家庭用の数ｋＷ程度から１０ｋＷ程度の比較的小容量の太陽光発電システムでは、家屋の屋根の上に１つから複数個の太陽電池モジュールが設置される。太陽電池モジュール１は、ビルの屋上等の広い領域に用いられる場合や、数１００ｋＷを超える大出力容量の太陽光発電システム（メガソーラー）に用いられる場合がある。これらの場合では、１まとまりの複数の太陽電池モジュールをさらに複数個含む太陽電池アレイが用いられることもある。

図示しないが、複数の太陽電池モジュール１が用いられるシステムの場合では、太陽電池モジュール１の各ストリングは、接続箱を介して集電箱に接続される。集電箱は、複数の太陽電池モジュールの出力をまとめて電力変換装置１０に接続する。

電力変換装置１０は、出力端子を介して電力系統６に接続されている。この例のように、電力変換装置１０と電力系統６との間に、変圧器２および遮断器４が接続されてもよい。電力系統６は、たとえば三相交流の電力系統である。その場合には、電力変換装置１０は、三相交流の各相に対応する出力端子を介して電力系統６に接続される。より小規模な太陽光発電システムの場合には、電力変換装置１０は、単相の低圧の電灯線に連系されるようにしてもよい。

電力変換装置１０は、太陽電池モジュール１と電力系統６との間に接続され、通常動作においては、直流電力を交流電力に変換して電力系統６に供給する。

電力変換装置１０は、非常用電源端子１０ｐ，１０ｎを含む。非常用電源端子１０ｐ，１０ｎは、この例では、直流電圧を出力する。非常用電源端子１０ｐ，１０ｎには、たとえば、非常灯９が接続されている。非常灯９は、たとえば半導体発光素子（ＬＥＤ）を用いた低消費電力の照明器具である。電力変換装置１０は、落雷等により電力系統６が夜間停電した場合に、太陽電池モジュール１が雷光によって発電することを利用して、非常用電源端子１０ｐ，１０ｎから直流電力を出力し、非常灯９を点灯する。

電力変換装置１０は、メガソーラー等の大規模太陽光発電システムに用いられる場合には、上位監視装置８に接続される。上位監視装置８は、太陽電池モジュール１の近傍に置かれた日射計７や温度計（図示せず）から日射量データＤｓおよび温度データを取得する。上位監視装置８は、接続箱を介して各ストリングが出力する電流や電圧のデータを取得することもできる。上位監視装置８によって取得されたこれらのデータを用いて、太陽光発電システム１００は、故障等の検出が可能となり、最適な条件で運用される。

本実施形態の電力変換装置１０では、日射計７によって測定された日射量データを用いることによって、晴天か曇天、雨天等の判定が行われる。なお、上位監視装置８を有さない、より小規模な太陽光発電システムの場合では、日射計７等の出力は、直接電力変換装置１０に入力され、図示しないデータ処理回路等によって、電力変換装置１０は日射データ等の処理を行う。

以下では、本実施形態の電力変換装置１０の構成について詳細に説明する。
主回路１２は、入力端子を介して太陽電池モジュール１に接続され、出力端子を介して電力系統６に接続されている。主回路１２は、たとえばＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）等の自己消弧形半導体スイッチング素子を用いて、直流電圧を高周波スイッチングし、フィルタを用いて高調波成分を除いて所望の交流電圧および交流電流を出力する。

入力コンデンサ１４は、主回路１２の入力に並列に接続されている。入力コンデンサ１４は、太陽電池モジュール１と主回路１２との間に接続されている。入力コンデンサ１４は、太陽電池モジュール１から出力される電流の変動を吸収する。また、入力コンデンサ１４は、主回路１２に電力が供給されることによって生じるリップル電流による主回路１２の入力電圧の変動を吸収する。

入力コンデンサ１４は、太陽電池モジュール１が雷光により発電した場合に、発電された電力を蓄電して、電圧安定化回路（Automatic Voltage Regulator、以下、ＡＶＲという。）２２に供給する。

入力コンデンサ１４は、たとえば電解コンデンサ等を含み、主回路１２のスイッチングノイズを吸収するために、フィルムコンデンサ等を並列に接続されるようにしてもよい。入力コンデンサ１４の静電容量値は、たとえば、主回路１２の出力容量が５００ｋＷ程度の場合には、数ｍＦ〜１０ｍＦ（数１０００μＦ〜１００００μＦ）程度である。

入力コンデンサ１４の両端には、放電抵抗器２４が接続されている。放電抵抗器２４は、過電流や過電圧等によって主回路１２が遮断した場合等に、安全上の観点から、入力コンデンサ１４に蓄積された電荷を放電する。この例では、放電抵抗器２４の高電位側には、切替スイッチ２０の一方の端子が接続されている。

切替スイッチ２０の他方の端子は、ＡＶＲ２２の入力に接続されている。切替スイッチ２０は、雷光発電検出回路１８の出力によって、制御され、接続が切り替えられる。切替スイッチ２０は、入力コンデンサ１４の高電位側を、放電抵抗器２４またはＡＶＲ２２のいずれかを選択して接続する。より詳細には後述するが、夜間の落雷等による雷光発生時には、雷光発電検出回路１８は、切替スイッチ２０によって入力コンデンサ１４の高電位側とＡＶＲ２２とを接続する。昼間の太陽光による通常の発電時には、雷光発電検出回路１８は、切替スイッチ２０によって入力コンデンサ１４の高電位側と放電抵抗器２４とを接続する。また、夜間や曇天等の場合には、雷光発電検出回路１８は、切替スイッチ２０によって入力コンデンサ１４の高電位側と放電抵抗器２４とを接続する。

制御回路１６は、主回路１２に接続されている。制御回路１６は、主回路１２の入力電圧、出力電圧、出力電流等の検出されたデータを用いて、主回路１２を適切に制御する。

制御回路１６は、雷光発電検出回路１８に接続されている。制御回路１６は、主回路１２に入力される直流電圧が所定の最低動作電圧を下回ることで主回路１２の動作が停止し、かつ、電力系統６が停電していたときに、たとえばＬレベルの停止信号Ｓｈを出力する。その他の場合には、停止信号ＳｈはＨレベルとなる。停止信号Ｓｈは、雷光発電検出回路１８に供給される。

雷光発電検出回路１８は、電圧検出器３１と、電圧レベル検出回路３２と、ＯＲ回路３３，３５と、タイマ回路３４と、を含む。

電圧検出器３１は、入力コンデンサ１４に並列に接続されている。電圧検出器３１は、たとえば直列に接続された抵抗器からなる。電圧検出器３１は、複数の抵抗器によって入力コンデンサ１４の両端の電圧を分圧して、分圧された電圧を出力する。

電圧レベル検出回路３２は、電圧検出器３１の出力に接続されている。電圧レベル検出回路３２は、電圧検出器３１から出力される電圧が、所定の範囲にあるか否かに応じた信号を出力する。

この例では、電圧レベル検出回路３２は、電圧検出器３１の出力電圧が、主回路１２の最低動作電圧に相当する電圧よりも高い場合にハイレベル（Ｈレベル）の出力信号Ｓｖを出力する。電圧レベル検出回路３２は、電圧検出器３１の出力電圧が、ＡＶＲ２２の最低動作電圧に相当する電圧よりも低い場合にもＨレベルの出力信号Ｓｖを出力する。電圧レベル検出回路３２は、電圧検出器３１の出力電圧が、ＡＶＲ２２の最低動作電圧に相当する電圧よりも高く、かつ主回路１２の最低動作電圧に相当する電圧よりも低い場合には、ローレベル（Ｌレベル）の出力信号Ｓｖを出力する。

電圧レベル検出回路３２の出力は、ＯＲ回路３３の一方の入力に接続されている。ＯＲ回路３３の一方の入力には、入力コンデンサ１４の両端の電圧が上述の範囲にあるか否かを表す出力信号Ｓｖが入力される。

ＯＲ回路３５は、制御回路１６から出力される主回路１２の停止信号Ｓｈを入力する。また、ＯＲ回路３５は、上位監視装置８を介して、日射量信号Ｓｓを入力する。さらにＯＲ回路３５は、タイマ回路３４から出力されるタイマ信号Ｓｔを入力する。

停止信号Ｓｈは、この例では、主回路１２が停止し、かつ、電力系統６が停電しているときにＬレベルであり、主回路１２が動作し、または電力系統が停電していないときにＨレベルである。

上位監視装置８から供給される日射量信号Ｓｓは、日射計７によって取得された日射量データＤｓにもとづいて生成される。この例では、日射量信号Ｓｓは、日射量データＤｓが所定の値以上のときに、Ｈレベルであり、日射量データＤｓが所定の値よりも小さいときにＬレベルである。日射量信号Ｓｓは、昼間の晴天時等の日射量が大きいときにＨレベルとなり、夜間や曇天等の日射量が小さいときにＬレベルとなるように設定されている。日射量の所定の値は、任意に設定することができる。上述では、上位監視装置８が、日射量データＤｓにもとづいて日射量信号Ｓｓを生成するものとしたが、上位監視装置８から日射量データＤｓの供給を受けて、電力変換装置１０が、日射量信号Ｓｓを生成するようにしてもよい。

タイマ回路３４は、所定の時間帯のときにＨレベルのタイマ信号Ｓｔを出力し、その時間帯以外ではＬレベルのタイマ信号Ｓｔを出力する。この例では、Ｈレベルを昼間の時間帯に対応させ、Ｌレベルを夜間の時間帯に対応させている。所定の時間帯は、太陽光発電システム１００の設置場所やその場所の季節等に応じて自由に設定することができる。たとえば、タイマ回路３４は、設置場所のカレンダに応じて昼間の時間帯および夜間の時間帯が設定されたテーブルをあらかじめ含んでいてもよい。

ＯＲ回路３５は、停止信号Ｓｈ、日射量信号Ｓｓ、およびタイマ信号ＳｔがすべてＬレベルとなったときにＬレベルを出力する。ＯＲ回路３５の出力は、電圧レベル検出回路３２の出力とともにＯＲ回路３３に入力される。

ＯＲ回路３３は、電圧レベル検出回路３２の出力信号ＳｖおよびＯＲ回路３５の出力がすべてＬレベルとなったときに、Ｌレベルの検出信号Ｓｄｅｔを出力する。つまり、ＯＲ回路３３は、入力コンデンサ１４の両端電圧が所定の範囲内であり、主回路１２が停止し、電力系統６が停電し、夜間であり、日射量が少ないときに、Ｌレベルを出力する。この条件以外では、ＯＲ回路３３は、Ｈレベルの検出信号Ｓｄｅｔを出力する。

雷光発電検出回路１８がＨレベルの検出信号Ｓｄｅｔを出力するときには、切替スイッチ２０は、入力コンデンサ１４の高電位側を放電抵抗器２４に接続する。雷光発電検出回路１８がＬレベルの検出信号Ｓｄｅｔを出力するときには、切替スイッチ２０は、入力コンデンサ１４の高電位側をＡＶＲ２２の入力に接続する。

雷光発電検出回路１８のＯＲ回路３５に入力される信号は、上述の信号をすべて入力しなくてもよい。たとえば、ＯＲ回路３５の入力には、停止信号Ｓｈおよびタイマ信号Ｓｔであってもよい。あるいは、タイマ信号Ｓｔに代えて日射量信号Ｓｓを入力するようにしてもよい。

ＡＶＲ２２は、非安定な直流電圧を入力して、安定化された直流電圧を出力する。ＡＶＲ２２は、主回路１２に比べて、十分小さい出力容量の電力変換回路である。ＡＶＲ２２の出力は、非常用電源端子１０ｐ，１０ｎを介して、非常灯９に接続される。ＡＶＲ２２は、ドロッパ方式のレギュレータでもよいが、ＡＶＲ２２の効率は非常灯９の点灯時間に影響するので、ＡＶＲ２２はスイッチング方式のＤＣ−ＤＣコンバータであることが望ましい。ＡＶＲ２２は、直流電圧を出力する構成に限らず、安定化された交流電圧を出力するインバータ装置等であってもよい。

ＡＶＲ２２は、入力コンデンサ１４に蓄積された電荷を有効に利用するためには、より低い入力電圧で動作することが好ましい。主回路１２の入力電圧範囲は、たとえば５００ｋＷの出力容量の場合には、３００Ｖ〜６００Ｖ程度である。したがって、ＡＶＲ２２に入力される入力電圧は、１０Ｖ程度から３００Ｖとなる。このような広い入力電圧範囲を実現するために、複数の電源装置を用いるようにしてもよい。たとえば、第１の電源装置の入力電圧範囲を１５０Ｖ〜３００Ｖとし、第２の電源装置の入力電圧範囲を１０Ｖ〜１５０Ｖとし、それぞれ入力電圧範囲に応じて適切な回路方式を採用するようにしてもよい。あるいは、昇圧電源回路と降圧電源回路とを縦続接続した昇降圧電源回路等のトポロジを用いる等してもよい。

なお、ＡＶＲ２２が動作し得る最大の入力電圧については、主回路１２の最低動作電圧と一致させる必要はない。たとえば、主回路１２の最低動作電圧が３００Ｖの場合に、ＡＶＲ２２の最大動作電圧を２００Ｖに設定してもよいし、３５０Ｖに設定してもよい。

本実施形態の電力変換装置１０の動作について説明する。
図２（ａ）は、電力変換装置のレベル検出回路の出力信号の出力論理を例示する表である。図２（ｂ）は、電力変換装置の主回路から出力される停止信号の出力論理を例示する表である。図２（ｃ）は、外部から供給される日射量信号の出力論理を例示する表である。図２（ｄ）は、電力変換装置のタイマ回路から出力されるタイマ信号の出力論理を例示する表である。
図３は、電力変換装置の動作の状態を例示する表である。
この例では、主回路１２の最低動作電圧は３００Ｖであり、ＡＶＲ２２の最低動作電圧は１０Ｖであるものとして説明する。主回路１２およびＡＶＲ２２の最低動作電圧は、これらの値に限らず、適切に設定することができる。

図２（ａ）に示すように、入力コンデンサ１４の両端の電圧ＶＩＮが０Ｖ以上で、１０Ｖ以下の場合、または３００Ｖ以上の場合に、電圧レベル検出回路３２は、Ｈレベルの出力信号Ｓｖを出力する。入力コンデンサ１４の両端の電圧ＶＩＮが１０Ｖを超え、３００Ｖに満たない場合に、電圧レベル検出回路３２は、Ｌレベルの出力信号Ｓｖを出力する。電力変換装置１０の通常の動作においては、夜間や曇天等の太陽電池モジュール１の出力がない場合には、入力コンデンサ１４の両端電圧は、０Ｖ〜数Ｖとなるように、放電抵抗器２４によって放電されている。したがって、この場合には、出力信号Ｓｖは、Ｈレベルとなる。

図２（ｂ）に示すように、主回路１２が停止しており、かつ、電力系統６が停電している場合に、停止信号Ｓｈは、Ｌレベルとなる。主回路１２が停止している場合でも、電力系統６が停電していないときには、停止信号Ｓｈは、Ｈレベルである。主回路１２動作している場合には、電力系統６が停電しているか否かにかかわらず、停止信号ＳｈはＨレベルである。

図２（ｃ）に示すように、上位監視装置８は、日射量データＤｓがしきい値ＴＨ以上の場合には、Ｈレベルの日射量信号Ｓｓを出力する。上位監視装置８は、日射量データＤｓがしきい値ＴＨ未満の場合には、Ｌレベルの日射量信号Ｓｓを出力する。

図２（ｄ）に示すように、この例では、時刻が前日の１８：０１〜当日の５：５９までの時間帯では、タイマ回路３４は、Ｌレベルのタイマ信号Ｓｔを出力する。時刻が６：００〜１８：００の時間帯では、タイマ回路３４は、Ｈレベルのタイマ信号Ｓｔを出力する。つまり、タイマ回路３４は、夜間の時間帯ではＬレベルのタイマ信号Ｓｔを出力し、昼間の時間帯ではＨレベルのタイマ信号Ｓｔを出力する。夜間時間帯、昼間時間帯の境界となる時刻については、太陽光発電システム１００が設置される地域や国、その地域等の季節等に応じて適切に設定することができる。タイマ回路３４は、カレンダを含むテーブルを含んでもよい。カレンダ上に、これらの時刻が設定されており、日ごとに時刻を読み出して設定する等してもよい。

図３には、雷光による発電時、昼間通常時、夜間通常時および低日射量時のそれぞれについて、上述の各信号Ｓｖ，Ｓｈ，Ｓｓ，Ｓｔがどのような状態とされるかが示されている。そして、図３には、各信号Ｓｖ，Ｓｓ，Ｓｈ，Ｓｔによって、雷光発電検出回路１８の検出信号Ｓｄｅｔがどのように設定されるかが合わせて示されている。

まず、夜間の雷光発電時の動作について説明する。
雷光による発電が夜間に発生し、落雷等によって電力系統６が停電したときには、電力のバックアップが必要となる。夜間においては、放電抵抗器２４によって入力コンデンサ１４は放電しており、両端の電圧は１０Ｖよりも低い。そのため、電圧レベル検出回路３２の出力信号ＳｖはＨレベルである。その後、雷光によって太陽電池モジュール１が発電するために、入力コンデンサ１４の両端の電圧は上昇し、１０Ｖを超えたときに電圧レベル検出回路３２の出力信号Ｓｖは、Ｌに反転する。Ｌレベルの出力信号Ｓｖは、ＯＲ回路３３に供給される。

入力コンデンサ１４の両端の電圧ＶＩＮは低下しており、主回路１２の動作が停止している。さらに、落雷等によって電力系統６に停電が発生すると、制御回路１６は、Ｌレベルの停止信号Ｓｈを出力する。Ｌレベルの停止信号Ｓｈは、ＯＲ回路３５に供給される。

日射量信号Ｓｓは、夜間のため日射量データＤｓがしきい値ＴＨに満たないので、Ｌレベルである。Ｌレベルの日射量信号Ｓｓは、ＯＲ回路３５に供給される。

タイマ回路のタイマ信号Ｓｔは、夜間のためＬレベルである。Ｌレベルのタイマ信号Ｓｔは、ＯＲ回路３５に供給される。

ＯＲ回路３５の３つの入力（Ｓｈ，Ｓｓ，Ｓｔ）はすべてＬレベルとなるので、ＯＲ回路３５は、Ｌレベルの信号を出力し、この信号はＯＲ回路３３に供給される。

ＯＲ回路３３の２つの入力には、いずれもＬレベルの信号が入力されるので、ＯＲ回路３３の検出信号ＳｄｅｔはＬレベルである。したがって、切替スイッチ２０は、入力コンデンサ１４の高電位側と、ＡＶＲ２２の入力とを接続する。

ＡＶＲ２２は、動作が可能となる電圧が入力されたことによって直流電力を非常灯９に供給し、非常灯９が点灯する。

図示しないが、雷光発電時に、停電が発生していない場合には、制御回路１６が出力する停止信号Ｓｈは、Ｈレベルである。そのため、ＯＲ回路３５はＨレベルの信号を出力し、ＯＲ回路３３が出力する検出信号Ｓｄｅｔは、Ｈレベルになる。したがって、切替スイッチ２０は、入力コンデンサ１４の高電位側と、放電抵抗器２４とを接続するので、ＡＶＲ２２は動作しない。

また、夜間以外に雷が発生した場合には、タイマ信号ＳｔがＨレベルとなるため、雷光発電検出回路１８の検出信号ＳｄｅｔはＨレベルとなり、ＡＶＲ２２は動作しない。

次に、昼間の晴天時の動作について説明する。
昼間の晴天時においては、各信号Ｓｖ，Ｓｓ，Ｓｈ，ＳｔはすべてＨレベルであり、雷光発電検出回路１８の検出信号ＳｄｅｔはＨレベルとなる。したがって、切替スイッチ２０は、入力コンデンサ１４の高電位側と放電抵抗器２４とを接続する。ＡＶＲ２２には、直流電力の供給がされないため、ＡＶＲ２２は動作せず、非常灯９に電力を供給しない。

次に、雷光のない夜間の動作について説明する。
雷光のない夜間においては、太陽電池モジュール１からの出力はなく、入力コンデンサ１４は放電抵抗器２４によって放電している。電圧レベル検出回路３２は、Ｈレベルの出力信号Ｓｖを出力する。そのため、雷光発電検出回路１８は、Ｈレベルの検出信号Ｓｄｅｔを出力する。検出信号ＳｄｅｔがＨレベルであることによって、切替スイッチ２０は、入力コンデンサ１４の高電位側と放電抵抗器２４とを接続する。ＡＶＲ２２には、直流電力の供給がされないため、ＡＶＲ２２は動作せず、非常灯９に電力を供給しない。

最後に、昼間の曇天時または雨天時の状態について説明する。
昼間の曇天や雨天時においては、日射量信号ＳｓはＬレベルとなるが、他の信号は、すべてＨレベルである。そのため、雷光発電検出回路１８は、Ｈレベルの検出信号Ｓｄｅｔを出力する。Ｈレベルの検出信号Ｓｄｅｔによって、切替スイッチ２０は、入力コンデンサ１４の高電位側と放電抵抗器２４とを接続する。なお、太陽電池モジュール１の特性によっては、曇天時に出力を発生する場合があるが、タイマ信号ＳｔがＨレベルであるため、雷光発電検出回路１８の検出信号ＳｄｅｔはＨレベルとなる。したがって、ＡＶＲ２２は動作しない状態となる。

本実施形態の電力変換装置の作用および効果について説明する。
本実施形態の電力変換装置１０は、雷光発電検出回路１８を備えている。雷光発電検出回路１８は、入力コンデンサ１４の両端の電圧ＶＩＮを検出し、所定の電圧範囲内か否かを判定することができる。所定の範囲は、ＡＶＲ２２が動作することができる入力電圧と主回路１２が動作を停止する入力電圧とによって規定される。電力変換装置１０は、雷光発電検出回路１８によって、入力コンデンサ１４の両端の電圧ＶＩＮがこの範囲の場合に、雷光発電を利用可能と判定することができる。

雷光発電検出回路１８は、雷光発電を利用するための条件が設定されている。雷光発電を利用するための条件は、主回路１２が停止し、電力系統６が停電し、低日射量で、夜間であり、雷光発電検出回路１８によって検出される。

本実施形態の電力変換装置１０は、雷光発電を検出したときに、非常灯９等の非常用負荷を動作させるＡＶＲ２２を備えている。電力変換装置１０は、雷光発電検出回路１８の検出結果にもとづいて、入力コンデンサ１４にＡＶＲ２２を接続することができる。したがって、ＡＶＲ２２は、入力コンデンサ１４に蓄積された雷光発電の電力をバックアップ用に非常用負荷に供給することができる。

雷光発電検出回路１８は、上述以外の条件では、雷光発電の利用不可と判定することができるので、バックアップが不要なときには、ＡＶＲ２２を切り離して、動作を停止させることができる。したがって、ＡＶＲ２２の動作による電力損失を生じることを回避することができ、高効率な太陽光発電システム１００を実現することができる。

以下、具体例により、本実施形態の電力変換装置１０の効果について説明する。
本実施形態の電力変換装置１０では、入力コンデンサ１４に蓄積された雷光による発電電力をＡＶＲを用いて定電圧化して非常灯９等の予備的負荷を駆動する。このような予備的負荷の駆動時間は、入力コンデンサ１４の静電容量値ＣＩＮおよび雷光によって充電された入力コンデンサ１４の両端の電圧ＶＩＮによって具体的に計算することができる。

たとえば、入力コンデンサ１４の静電容量値ＣＩＮを５０００μＦとし、雷光発電により充電された電圧ＶＩＮを１００Ｖとして、充電されたすべての電荷を非常灯９に供給できるものとすると、入力コンデンサ１４に蓄えられるエネルギＥｃは、以下のようになる。なお、ＡＶＲ２２の電力変換損失を０としている。

Ｅｃ＝（１／２）×ＣＩＮ×ＶＩＮ^２
＝（１／２）×５０００×１０^−６[Ｆ]×（１００［Ｖ］）^２＝２５［Ｊ］

１００ｍＷの非常灯９（たとえば５Ｖ，２０ｍＡ）を点灯させた場合には、点灯可能時間は、２５［Ｊ］÷１００［ｍＷ］＝２５０［ｓ］となる。つまり、電力変換装置１０は、夜間停電時に非常灯９を４分程度点灯させることができる。

このように、本実施形態の電力変換装置１０では、夜間の雷光による発電を検出して、自動的にＡＶＲ２２による非常用負荷への給電に切り替えることができる。発電した電力を有効に活用することができる。

（第２の実施形態）
上述の実施形態の場合では、雷光により発電された電力を入力コンデンサ１４に蓄電して、入力コンデンサ１４の両端の電圧を検出することによって雷光発電か否かを検出した。雷光発電を検出する手段は、上述に限らず、他の手段を用いることができる。

図４は、本実施形態の電力変換装置を例示するブロック図である。
図４に示すように、本実施形態の電力変換装置２１０は、電流検出回路２１８を備えている。電流検出回路２１８は、電流センサ２３１と、電流レベル検出回路２３２と、を含む。他の構成要素については、第１の実施形態の場合と同じであるので、同一の符号を付して詳細な説明を省略する。

電流センサ２３１は、電力変換装置２１０の入力端子を介して太陽電池モジュール１に接続される入力母線２１１に接続されている。電流センサ２３１は、計器用変流器を含んでもよい。電流センサ２３１は、計器用変流器から出力される太陽電池モジュール１の出力電流を検出して、ホール素子等の磁気抵抗素子等を用いて非接触で電流を検出する。電流センサ２３１は、抵抗器による電圧降下を利用してもよい。

電流レベル検出回路２３２は、電流センサ２３１の出力信号が所定のしきい値よりも大きい場合にＬレベルを出力し、所定のしきい値以下の場合にＨレベルを出力する。電流レベル検出回路２３２は、所定のしきい値を超える電流が検出されたときには、Ｌレベルの出力を維持する。図示しないが、電流レベル検出回路２３２は、たとえば、コンパレータとコンパレータの出力に接続されたラッチ回路とを含んでもよい。この場合に、ラッチ回路は、タイマ回路３４の出力によって、昼間になったときにリセットされるようにしてもよい。

所定のしきい値は、太陽電池モジュール１の通常動作時の出力電流にもとづいて設定される。しきい値は、通常動作時の太陽電池モジュール１の出力電流よりも十分大きい値に設定される。たとえば、しきい値は、太陽電池モジュール１の入力母線２１１に流れる最大電流の５倍に設定される。このしきい値は、太陽光発電システム２００が設置される地域の雷光発電時の出力電流の値を事前に測定等し、その結果にもとづいて設定される。

本実施形態の電力変換装置２１０の動作について説明する。
本実施形態の電力変換装置２１０では、太陽電池モジュール１がピーク値の大きい出力電流を出力し、この出力電流がしきい値を超えたときに電流レベル検出回路２３２は、Ｌレベルの出力信号Ｓｖを出力する。ＯＲ回路３５には、第１の実施形態の場合と同様に、日射量信号Ｓｓ、停止信号Ｓｈ、およびタイマ信号Ｓｔが入力される。これらの信号は、夜間の日照量が少ないときには、すべてＬレベルであるので、ＯＲ回路３５は、Ｌレベルを出力する。

したがって、ＯＲ回路３３は、２つの入力のいずれもＬレベルとなり、検出信号ＳｄｅｔはＬレベルである。検出信号Ｓｄｅｔによって、切替スイッチ２０は、入力コンデンサ１４の高電位側とＡＶＲ２２の入力とを接続する。ＡＶＲ２２は、動作を開始し非常灯９に電力を供給する。

昼間の晴天時等については、電流レベル検出回路２３２は、Ｈレベルの出力信号Ｓｖを出力するので、ＡＶＲ２２に電力は供給されない。

本実施形態の電力変換装置２１０の作用および効果について説明する。
本実施形態の電力変換装置２１０は、第１の実施形態の場合と同様の効果に加え、以下の効果を奏する。

電力変換装置２１０は、電流センサ２３１および電流レベル検出回路２３２を用いて、太陽電池モジュール１の出力電流を検出することによって雷光による発電の有無を検出する。一般的な太陽電池モジュールの雷光による発電電力は、太陽光による発電電力よりも大きく、出力電流は、通常動作時の数倍から１０倍程度となる。したがって、雷光発電の出力のためのしきい値を設定することが容易であり、雷光による出力電流を検出することも容易である。本実施形態の電力変換装置２１０では、雷光発電の検出を簡素にすることができるので、低コストで高信頼な太陽光発電システム２００を実現することができる。

雷光発電の検出条件に、電流センサ２３１に電流検出に加えて、第１の実施形態の場合のような入力コンデンサ１４の両端電圧を検出することとしてもよい。

実施形態によれば、停電時に雷光によって発電した電力を有効に活用することができる電力変換装置が提供される。

以上、具体例を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明の実施形態は、これらの具体例に限定されるものではない。たとえば、電力変換装置に含まれる、主回路、制御回路、雷光発電検出回路、電圧安定化回路等の各要素の具体的な構成に関しては、当業者が公知の範囲から適宜選択することにより本発明を同様に実施し、同様の効果を得ることができる限り、本発明の範囲に包含される。
また、各具体例のいずれか２つ以上の要素を技術的に可能な範囲で組み合わせたものも、本発明の要旨を包含する限り本発明の範囲に含まれる。

その他、本発明の実施の形態として上述した電力変換装置および太陽光発電システムを基にして、当業者が適宜設計変更して実施し得る全ての電力変換装置および太陽光発電システムも、本発明の要旨を包含する限り、本発明の範囲に属する。

その他、本発明の思想の範疇において、当業者であれば、各種の変更例及び修正例に想到し得るものであり、それら変更例及び修正例についても本発明の範囲に属するものと了解される。

以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他のさまざまな形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、請求の範囲に記載された発明およびその等価物の範囲に含まれる。また、前述の各実施形態は、相互に組み合わせて実施することができる。

Claims (15)

1. 太陽電池モジュールから出力される直流電力を入力して、交流電力に変換し、電力系統に連系する主回路と、
   前記主回路の入力に接続され、前記太陽電池モジュールから出力された電力を蓄積するコンデンサと、
   主回路の動作が停止され、かつ、前記電力系統が停電したときに生成される停止信号を出力する制御回路と、
   前記太陽電池モジュールが雷光によって発電したことを検出して発電信号を生成し、前記停止信号および前記発電信号にもとづいて、前記太陽電池モジュールによってバックアップ可能であることを表す検出信号を出力する検出回路と、
   前記検出信号によって駆動されるスイッチを介して前記コンデンサから直流電力を入力して安定化された出力電圧を供給する電圧安定化回路と、
   を備えた電力変換装置。
2. 前記検出回路は、前記コンデンサの両端の電圧を検出する電圧検出器と、前記電圧検出器によって検出された電圧が前記主回路の動作のための下限値よりも低いときに、前記検出信号を生成する判定回路と、を含む請求項１記載の電力変換装置。
3. 前記検出回路は、前記太陽電池モジュールから出力された電流を検出する電流検出回路と、前記電流検出回路の出力値が所定のしきい値よりも大きいときに前記発電信号を生成する判定回路と、を含む請求項１記載の電力変換装置。
4. 前記検出回路は、所定の時間帯において生成される時間信号をさらに入力し、前記停止信号、前記発電信号および前記時間信号にもとづいて、前記コンデンサを前記スイッチを介して前記電圧安定化回路に接続する請求項１記載の電力変換装置。
5. 前記検出回路は、日射量を計測する日射計から出力された日射信号をさらに入力する請求項４記載の電力変換装置。
6. 前記電圧安定化回路は、直流電圧を出力する請求項１記載の電力変換装置。
7. 前記電圧安定化回路は、交流電圧を出力する請求項１記載の電力変換装置。
8. 前記太陽電池モジュールと、
   太陽電池モジュールから出力される直流電力を入力して、交流電力に変換し、電力系統に連系する主回路と、
   前記主回路の入力に接続され、前記太陽電池モジュールから出力された電力を蓄積するコンデンサと、
   主回路の動作が停止され、かつ、前記電力系統が停電したときに生成される停止信号を出力する制御回路と、
   前記太陽電池モジュールが雷光によって発電したことを検出して発電信号を生成し、前記停止信号および前記発電信号にもとづいて、前記太陽電池モジュールによってバックアップ可能であることを表す検出信号を出力する検出回路と、
   前記検出信号によって駆動されるスイッチを介して前記コンデンサから直流電力を入力して安定化された出力電圧を供給する電圧安定化回路と、
   を含む電力変換装置と、
   を備えた太陽光発電システム。
9. 前記検出回路は、前記コンデンサの両端の電圧を検出する電圧検出器と、前記電圧検出器によって検出された電圧が前記主回路の動作のための下限値よりも低いときに、前記検出信号を生成する判定回路と、を含む請求項８記載の太陽光発電システム。
10. 前記検出回路は、前記太陽電池モジュールから出力された電流を検出する電流検出回路と、前記電流検出回路の出力値が所定のしきい値よりも大きいときに前記発電信号を生成する判定回路と、を含む請求項８記載の太陽光発電システム。
11. 前記検出回路は、所定の時間帯において生成される時間信号をさらに入力し、前記停止信号、前記発電信号および前記時間信号にもとづいて、前記コンデンサを前記スイッチを介して前記電圧安定化回路に接続する請求項８記載の太陽光発電システム。
12. 前記検出回路は、日射量を計測する日射計から出力された日射信号をさらに入力する請求項１１記載の太陽光発電システム。
13. 前記日射信号を生成する監視装置をさらに備えた請求項１２記載の太陽光発電システム。
14. 前記電圧安定化回路は、直流電圧を出力する請求項８記載の太陽光発電システム。
15. 前記電圧安定化回路は、交流電圧を出力する請求項８記載の太陽光発電システム。

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