JP6889013B2 - 電力変換装置及び分散型電源システム - Google Patents

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Description

本発明は、電力変換装置及びその電力変換装置と太陽光発電手段等の分散型電源とを備えた分散型電源システムに関するものである。
近年、太陽光発電をはじめとする分散型電源が普及しており、これらの発電設備等が商用電源系統へ連系されるケースが増加している。このような分散型電源は、商用電源系統から電力が供給されている通常運転時には、系統に連系されている。そして、系統が停電しているような場合に、電力変換装置を系統から解列し、分散型電源から自立負荷や自立コンセントへの電源を供給する、いわゆる自立運転に切り替える技術が知られている。
特許文献１には、パワーコンディショナと柱上トランス（系統）との間、パワーコンディショナと重要負荷（自立負荷）との間及び柱上トランス（系統）と重要負荷（自立負荷）との間にそれぞれリレー（開閉器）を設け、自立運転を可能にした技術が開示されている。
また、非特許文献１には、自立運転時における解列は、系統への逆充電防止及び非同期投入防止の観点から、機械的開閉箇所２箇所とすることが記載されている。
一般社団法人日本電気協会、小型分散型発電システム用系統連系保護装置等の試験方法通則、JETGR0002-1-6.1(2015)、第３１頁 他
特開２０１７−２２８８４号公報
しかしながら、特許文献１のように、系統連系、パワーコンディショナ及び負荷間にそれぞれリレーを設けるとリレー数が多くなるという問題がある。具体的には、系統連系等に用いられるリレーには、各リレーに対する故障検出回路を付設する必要がある。したがって、リレーの数が増加すると、それに伴って故障検出回路の構成が複雑になるという問題がある。そこで、コスト的な観点及び安全性を確保する観点から、リレーの数はできるだけ少ないことが望まれる。
上記問題に鑑み、本発明は、自立運転が可能であり、かつ、開閉器の構成を最適化した電力変換装置を提供することを目的とする。
本発明の第１態様に係る電力変換装置は、直流電力を交流電力に変換し、対をなす第１線路及び第２線路に出力するインバータと、前記第１線路に接続された第１電圧端子、前記第２線路に接続された第２電圧端子及び中性端子が設けられた接続端子部と、前記第１線路に設けられた第１保護開閉器と、前記第２線路に設けられた第２保護開閉器と、前記第２線路と前記中性端子との間に直列に設けられた第１電圧切替開閉器及び第２電圧切替開閉器と、一方の端子が前記第１線路に接続され、他方の端子が前記第１電圧切替開閉器と第２電圧切替開閉器とを接続する線路に接続された負荷接続端子とを備えていることを特徴とする。
ここで、「負荷接続端子」には、自立運転専用の負荷または自立運転に対応した負荷（以下、総称して自立負荷という）が接続される端子、自立コンセントのように系統の連系とは切り離された負荷接続用の端子が含まれる。また、「端子」には、単独の電子部品で構成された端子、回路基板等に設けられまたは形成された端子、回路基板等の配線の接続部分が含まれる。
この構成によると、電力変換装置が系統に連系されている場合には、第１電圧切替開閉器または第２電圧切替開閉器の一方をオン制御し、他方をオフ制御することにより、系統から負荷接続端子に対して、互いに異なる電圧を供給することができる。例えば、電力変換装置が接続される系統が単相三線式（系統の供給電圧が１００Ｖ／２００Ｖ）の場合、１００Ｖまたは２００Ｖの電圧のいずれか一方を選択的に供給することができる。また、停電時等において、電力変換装置が系統から解列された場合には、第１電圧切替開閉器及び第２電圧切替開閉器のうち、インバータ側に設けられた開閉器をオン制御し、系統側に設けられた開閉器をオフ制御することにより、インバータから負荷接続端子に電力を供給するいわゆる自立運転が可能である。すなわち、系統連系時の互いに異なる電圧（例えば、１００Ｖ／２００Ｖ）への常時接続と、停電時等の自立運転とがコントローラによる開閉器の制御によって実現可能に構成されている。さらに、電圧切替開閉器は、系統から負荷接続端子に電力を供給する電路と、インバータから負荷接続端子に電力を供給する電路において兼用されている。同様に、第１保護開閉器及び第２保護開閉器は、上記互いに異なる電圧（１００Ｖ／２００Ｖ）への常時接続及び停電時等の自立運転を実現する複数の電路のうちの少なくとも２つの電路において兼用されている。これにより、使用する開閉器の数を減らすことができる。また、故障検出回路等の故障検出に係る構成や処理を簡素化することができる。
本発明の第２態様に係る電力変換装置は、直流電力を交流電力に変換するインバータと、第１電圧端子、第２電圧端子及び中性端子が設けられた接続端子部と、対をなす負荷接続端子と、第１から第４電路のそれぞれに設けられた開閉器と、前記各開閉器を制御するコントローラとを備え、前記開閉器は、前記第１電路、前記第２電路、前記第３電路及び前記第４電路のうちの少なくとも２つの電路で兼用される兼用開閉器を含むことを特徴とする。
ここで、第１電路は前記インバータの出力と前記接続端子部の第１及び第２電圧端子との間、第２電路は前記インバータの出力と前記負荷接続端子との間、第３電路は前記接続端子部の第１電圧端子及び第２電圧端子と前記負荷接続端子との間、第４電路は前記接続端子部の第１電圧端子及び中性端子と前記負荷接続端子との間を接続する電路である。
また、「電路」とは、電流の通路を指すものとし、例えば導体の線路によって実現される。また、複数の電路の一部が、共通の線路で実現されていてもよい。
例えば、電力変換装置は、前記第１電路と前記第２電路とで共有される第１共有線路を含み、前記第１共有線路には、前記第１電路と前記第２電路で兼用される系統保護開閉器が設けられている、としてもよい。また、前記保護開閉器は、前記第１電路と前記第４電路で共有される第２共有線路を含み、前記第２共有線路には、出力保護開閉器が設けられている、としてもよい。
第２態様の構成によると、第１から第４電路のそれぞれに開閉器を設けているので、電力変換装置が系統に連系されている場合または電力変換装置が停止している場合における系統から負荷接続端子への選択的な電圧供給（例えば、１００Ｖ／２００Ｖの切り替え）と、インバータからの出力電力に基づく自立運転とを切り替えることができる。さらに、複数の電路で兼用される兼用開閉器を備えているので、使用する開閉器の数を減らすことができる。これにより、故障検出回路等の故障検出に係る構成や処理を簡素化することができる。
本発明の第３態様に係る分散型電源システムは、分散型電源と、前記分散型電源から出力された電源電力を前記直流電力として受ける第１態様または第２態様に記載の電力変換装置と、前記負荷接続端子に接続された自立運転部とを備えていることを特徴とする。
本発明の第４態様に係る分散型電源システムは、単相３線式の系統に連系され、分散型電源と、前記分散型電源から出力された直流電力を交流電力に変換し、系統の第１電圧線及び第２電圧線に連系される対をなす第１線路及び第２線路に出力するインバータと、前記第１線路に設けられた第１保護開閉器と、前記第２線路に設けられた第２保護開閉器と、前記第２線路と系統の中性線との間に直列に設けられた第１電圧切替開閉器及び第２電圧切替開閉器と、一方の端子が前記第１線路に接続され、他方の端子が前記第１電圧切替開閉器と第２電圧切替開閉器とを接続する中間線路に接続された自立運転部とを備えていることを特徴とする。
これらの態様に係る分散型電源システムは、第１及び第２態様と同様に、電力変換装置が系統に連系されている場合または電力変換装置が停止している場合における系統から負荷接続端子への選択的な電圧供給（例えば、１００Ｖ／２００Ｖの切り替え）と、インバータからの出力電力に基づく自立運転とを切り替えることができるようになっているとともに、使用する開閉器の数を減らすことができる。これにより、故障検出回路等の故障検出に係る構成や処理を簡素化することができる。
本発明によると、第１及び第２保護開閉器に加えて、第２線路と接続端子部の中性端子との間に第１及び第２電圧切替開閉器が直列に設けられている。これにより、系統から負荷接続端子に互いに異なる電圧を供給することができ、かつ、自立運転に対応できるようになっている。さらに、開閉器が複数の電路で兼用されるので、必要な開閉器の数を少なくすることができる。
実施形態に係る分散型電源システムの全体構成を示した図である。 電力変換装置の動作（開閉器の動作）について説明するための図である。 電力変換装置の動作（開閉器の動作）について説明するための図である。 電力変換装置の動作（開閉器の動作）について説明するための図である。 電力変換装置の動作（開閉器の動作）について説明するための図である。 電力変換装置の動作（開閉器の動作）について説明するための図である。 実施形態に係る分散型電源システムの全体構成の他の例を示した図である。 実施形態に係る分散型電源システムの全体構成の他の例を示した図である。 実施形態に係る分散型電源システムの全体構成の他の例を示した図である。 実施形態に係る分散型電源システムの全体構成の他の例を示した図である。 実施形態に係る分散型電源システムの全体構成の他の例を示した図である。 比較例に係る分散型電源システムの全体構成を示した図である。
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。以下の好ましい実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎず、本発明、その適用範囲あるいはその用途を制限することを意図するものではない。
＜分散型電源システムの構成＞
図１は実施形態に係る分散型電源システムの構成例を示した図である。
分散型電源システム１は、複数の分散型電源２，２，…と、送電線３を介して複数の分散型電源２，２，…を商用電源系統４（以下、単に系統４という）に連系させる電力変換装置１０と、自立運転部としての自立負荷５とを備えている。図１では、複数の分散型電源２，２，…が、併設された複数の太陽光発電手段２１，２１，…と、蓄電池２２とを備えた例を示している。本実施形態では、系統４は単相３線式であるものとして説明する。
電力変換装置１０は、分散型電源２，２，…から供給された直流電力を交流電力に変換するインバータ１１と、送電線３が接続される接続端子部としての系統側端子部１２と、自立負荷が接続される負荷側端子部１３と、複数の開閉器ＲＣと、コントローラ１４とを備えている。図１では、複数の開閉器ＲＣは、第１出力保護開閉器としてのＵ相出力保護開閉器ＲＣＵ１、第１系統保護開閉器としてのＵ相系統保護開閉器ＲＣＵ２、第２出力保護開閉器としてのＷ相出力保護開閉器ＲＣＷ１、第２系統保護開閉器としてのＷ相系統保護開閉器ＲＣＷ２、第１電圧切替開閉器ＲＣＳ１及び第２電圧切替開閉器ＲＣＳ２とを含んでいる。
インバータ１１は、分散型電源２，２，…に接続された電力変換部１１ａと、電力変換部の後段に接続されたＵ相ハーフブリッジ回路ＵＨ及びＷ相ハーフブリッジ回路ＷＨとを備えている。
電力変換部１１ａは、インバータ１１の出力電圧に応じた直流電圧をＵ相ハーフブリッジ回路ＵＨ及びＷ相ハーフブリッジ回路ＷＨに供給する回路である。電力変換部１１ａは、例えば、コントローラ１４からの制御を受けて動作するＤＣ／ＤＣコンバータ（図示省略）を含んでいる。ただし、ＤＣ／ＤＣコンバータは、分散型電源２，２，…側に設けられていてもよい。
系統側端子部１２には、第１電圧端子としてのＵ端子、第２電圧端子としてのＷ端子及び中性端子としてのＯ端子が設けられている。なお、系統側端子部１２は、接続先の商用電源系統が単相３線式の場合、Ｕ端子、Ｗ端子及びＯ端子が設けられていればよく、その具体的な構成や形状、形態等は特に限定されない。例えば、具体的な図示は省略するが、系統側端子部１２が単独の電子部品（端子台、切替スイッチ、コネクタ等）で構成されていてもよいし、電力変換装置１０に搭載された回路基板（図示省略）上に形成された端子や配線、または、そのような回路基板に実装された電子部品（端子台やコネクタ等）であってもよい。
インバータ１１のＵ相ハーフブリッジ回路ＵＨの出力が接続されたＵ端子（以下、インバータ１１のＵ端子という）と、系統側端子部１２のＵ端子との間は、直列接続されたＵ相出力保護開閉器ＲＣＵ１及びＵ相系統保護開閉器ＲＣＵ２を介して、Ｕ相線路ＮＵ（第１線路に相当）により接続されている。
同様に、インバータ１１のＷ相ハーフブリッジ回路ＷＨの出力が接続されたＷ端子（以下、インバータ１１のＷ端子という）と、系統側端子部１２のＷ端子とは、直列接続されたＷ相出力保護開閉器ＲＣＷ１及びＷ相系統保護開閉器ＲＣＷ２を介してＷ相線路ＮＷ（第２線路に相当）により接続されている。
なお、Ｕ相出力保護開閉器ＲＣＵ１及びＷ相出力保護開閉器ＲＣＷ１は、インバータ１１の出力保護のための開閉器であり、Ｕ相系統保護開閉器ＲＣＵ２及びＷ相系統保護開閉器ＲＣＷ２は、系統保護のための開閉器である。Ｕ相出力保護開閉器ＲＣＵ１はインバータ１１側に、Ｕ相系統保護開閉器ＲＣＵ２は系統側に設けられ、Ｗ相出力保護開閉器ＲＣＷ１はインバータ１１側に、Ｗ相系統保護開閉器ＲＣＷ２は系統側に設けられている。
Ｗ相出力保護開閉器ＲＣＷ１とＷ相系統保護開閉器ＲＣＷ２との間を接続するＷ相中間線路ＮＷ１と、系統側端子部１２のＯ端子との間は、直列接続された第１電圧切替開閉器ＲＣＳ１及び第２電圧切替開閉器ＲＣＳ２を介して接続されている。第１電圧切替開閉器ＲＣＳ１はＷ相中間線路ＮＷ１側に、第２電圧切替開閉器ＲＣＳ２は系統側端子部１２のＯ端子側に接続されている。なお、本開示において、「接続する」とは、直接的な接続に加えて、能動素子や受動素子、電子部品等を介して接続される間接的な接続を含むものとする。また、Ｗ相中間線路ＮＷ１は、Ｗ相線路ＮＷの一部を構成している線路である。
負荷側端子部１３には、負荷接続端子としての第１負荷端子ＴＲ１及び第２負荷端子ＴＲ２が設けられている。第１負荷端子ＴＲ１は、Ｕ相出力保護開閉器ＲＣＵ１とＵ相系統保護開閉器ＲＣＵ２との間を接続するＵ相中間線路ＮＵ１に接続されている。第２負荷端子ＴＲ２は、第１電圧切替開閉器ＲＣＳ１と第２電圧切替開閉器ＲＣＳ２との間を接続するＯ相中間線路ＮＯ１に接続されている。なお、負荷側端子部１３には、対をなす負荷接続端子（本実施形態では、第１負荷端子ＴＲ１及び第２負荷端子ＴＲ２）が設けられていればよく、その具体的な形態や構成は特に限定されない。例えば、負荷側端子部１３が単独の電子部品（自立コンセントや自立負荷用の端子台等）で構成されていてもよいし、電力変換装置１０に搭載された回路基板（図示省略）上に形成された端子や配線、または、そのような回路基板に実装された電子部品（端子台やコネクタ等）であってもよい。
負荷側端子部１３には、自立負荷５が接続されている。自立負荷５は、例えば、停電時にも使用を継続したい家電製品（冷蔵庫や照明）等が例示される。この場合、自立負荷５は、系統４から電力が供給されている場合における通常時運転と、停電等によりインバータ１１が系統４から解列された場合における自立運転との両運転に対応可能に構成されている。ただし、自立負荷５は、自立運転時専用の負荷（通常運転時に使用しない負荷）であってもよい。
ここで、インバータ１１のＵ端子からＵ相出力保護開閉器ＲＣＵ１及びＵ相系統保護開閉器ＲＣＵ２を介して系統側端子部１２のＵ端子に至る電路と、インバータ１１のＷ端子からＷ相出力保護開閉器ＲＣＷ１及びＷ相系統保護開閉器ＲＣＷ２を介して系統側端子部１２のＷ端子に至る電路とをあわせて第１電路ＥＬ１と呼ぶものとする。同様に、系統側端子部１２のＵ端子及びＷ端子から負荷側端子部１３の第１及び第２負荷端子ＴＲ１，ＴＲ２に至る電路を第２電路ＥＬ２と呼ぶものとする（図４の太線参照）。また、系統側端子部１２のＵ端子及びＯ端子から負荷側端子部１３の第１及び第２負荷端子ＴＲ１，ＴＲ２に至る電路を第３電路ＥＬ３と呼ぶものとし（図５の太線参照）、インバータ１１のＵ端子及びＷ端子から負荷側端子部１３の第１及び第２負荷端子ＴＲ１，ＴＲ２に至る電路を第４電路ＥＬ４と呼ぶものとする（図６の太線参照）。
コントローラ１４は、例えば、マイクロコンピュータで構成され、インバータ１１を駆動制御する機能、及び、開閉制御信号ＳＲＣにより各開閉器ＲＣの開閉制御を行う機能を有する。
ここで、図１及び以下の説明では、コントローラ１４からＵ相出力保護開閉器ＲＣＵ１に出力される開閉制御信号を開閉制御信号ＳＣＵ１と記載する。同様に、ＳＣＵ２はＵ相系統保護開閉器ＲＣＵ２の開閉制御信号、ＳＣＷ１はＷ相出力保護開閉器ＲＣＷ１の開閉制御信号、ＳＣＷ２はＷ相系統保護開閉器ＲＣＷ２の開閉制御信号、ＳＣＳ１は第１電圧切替開閉器ＲＣＳ１の開閉制御信号、ＳＣＳ２は第２電圧切替開閉器ＲＣＳ２の開閉制御信号を示しているものとする。また、開閉制御信号ＳＣＵ１，ＳＣＵ２，ＳＣＷ１，ＳＣＷ２，ＳＣＳ１，ＳＣＳ２を総称する場合や他の開閉制御信号と区別しない場合は、開閉制御信号ＳＲＣと記載するものとする。同様に、開閉器ＲＣＵ１，ＲＣＵ２，ＲＣＷ１，ＲＣＷ２，ＲＣＳ１，ＲＣＳ２を総称する場合や他の開閉器と区別しない場合は、開閉器ＲＣと記載するものとする。
また、以下の説明において、「コントローラ１４が開閉器ＲＣを遮断させる」とは、コントローラ１４が、開閉制御信号ＳＲＣにより開閉器ＲＣを開かせるように制御した結果、その電路（線路）が遮断された状態になることを指すものとする。同様に、「コントローラ１４が開閉器ＲＣを導通させる」とは、コントローラ１４が、開閉制御信号ＳＲＣにより開閉器ＲＣを閉じさせるように制御した結果、その電路（線路）が導通された状態になることを指すものとする。
＜電力変換装置の動作（開閉器の動作）＞
以下において、分散型電源システム１の各運転状態における、コントローラ１４による各開閉器ＲＣの開閉動作について図２から図６を参照しつつ具体的に説明する。なお、以下の説明では、系統４が単相三線式（系統の供給電圧が１００Ｖ級／２００Ｖ級）であるものとして説明する。なお、本開示に係る電力変換装置１０の接続対象となる系統４の供給電圧は、１００Ｖ級／２００Ｖ級に限定されず、他の電圧であってもよい。その場合においても、以下の説明と同様に動作が可能である。
−（１）通常運転時（負荷：２００Ｖ対応）−
まず、系統４から２００Ｖ級の電力が供給され、かつ、インバータ１１が運転している通常運転時（例えば、分散型電源２，２，…から系統４への逆潮流が行われている場合）における電力変換装置１０の動作について、図２を参照しながら具体的に説明する。なお、自立負荷５は、２００Ｖ級の入力電圧に対応した負荷であるものとする。
コントローラ１４は、インバータ１１のＵ端子及びＷ端子からの出力電圧が２００Ｖとなるようにインバータ１１を駆動制御する。
次に、コントローラ１４は、図２に示すように、Ｕ相出力保護開閉器ＲＣＵ１、Ｕ相系統保護開閉器ＲＣＵ２、Ｗ相出力保護開閉器ＲＣＷ１及びＷ相系統保護開閉器ＲＣＷ２を導通させる。これにより、インバータ１１のＵ端子と系統側端子部１２のＵ端子との間及びインバータ１１のＷ端子と系統側端子部１２のＷ端子との間を接続する第１電路ＥＬ１が導通される（図２の太線参照）。これにより、分散型電源２，２，…から供給され、インバータ１１から出力される出力電圧が系統４の電圧を超えている場合、インバータ１１からの出力電力が第１電路ＥＬ１及び系統側端子部１２を介して系統４に逆潮流される。
さらに、コントローラ１４は、第１電圧切替開閉器ＲＣＳ１を導通させる一方で、第２電圧切替開閉器ＲＣＳ２を遮断させる。これにより、インバータ１１のＵ端子からの出力と、系統側端子部１２のＵ端子（系統）からの入力とが合流されて、第１負荷端子ＴＲ１に供給される。同様に、インバータ１１のＷ端子からの出力と、系統側端子部１２のＷ端子（系統）からの入力とが突き合わされて、第２負荷端子ＴＲ２に供給される。すなわち、系統側端子部１２のＵ端子及びＷ端子と第１負荷端子ＴＲ１及び第２負荷端子ＴＲ２との間を接続する第２電路ＥＬ２、及び、インバータ１１のＵ端子及びＷ端子と第１負荷端子ＴＲ１及び第２負荷端子ＴＲ２との間を接続する第４電路ＥＬ４が導通され、自立負荷５には２００Ｖの電圧が与えられる（図２の太線参照）。
−（２）通常運転時（負荷：１００Ｖ対応）−
次に、上記（１）の説明と同様の通常運転時において、負荷が１００Ｖ級の入力電圧に対応している場合における電力変換装置１０の動作について、図３を参照しながら具体的に説明する。
まず、コントローラ１４は、インバータ１１のＵ端子とＷ端子との間の出力電圧が２００Ｖとなるようにインバータ１１を駆動制御する。
次に、コントローラ１４は、上記（１）の説明と同様に、Ｕ相出力保護開閉器ＲＣＵ１、Ｕ相系統保護開閉器ＲＣＵ２、Ｗ相出力保護開閉器ＲＣＷ１及びＷ相系統保護開閉器ＲＣＷ２を導通させる。これにより、第１電路ＥＬ１が導通され（図３の太線参照）、分散型電源２，２，…の出力電圧と系統４の電圧の差分に応じた電力が、分散型電源２，２，…から系統４に逆潮流されるようになる。
さらに、コントローラ１４は、図３に示すように、第２電圧切替開閉器ＲＣＳ２を導通させる一方で、第１電圧切替開閉器ＲＣＳ１を遮断させる。これにより、系統側端子部１２のＵ端子と第１負荷端子ＴＲ１との間及び系統側端子部１２のＯ端子と第２負荷端子ＴＲ２との間を接続する第３電路ＥＬ３が導通され、自立負荷５には１００Ｖの電圧が与えられる（図３の太線参照）。
−（３）インバータの解列制御時（負荷：２００Ｖ対応）−
次に、インバータ１１を系統４から解列させる場合における電力変換装置１０の動作について、図４を参照しながら具体的に説明する。例えば、夜間や雨天等の要因により、太陽光発電手段２１，２１，…からの電力供給がなく、その他の電源等（例えば、蓄電池２２）からの電力供給もない場合において、コントローラ１４がインバータ１１の動作を停止させる場合等が該当する。なお、自立負荷５は、２００Ｖ級の入力電圧に対応した負荷であるものとする。
まず、コントローラ１４は、インバータ１１の駆動を停止させるとともに、図４に示すように、Ｕ相出力保護開閉器ＲＣＵ１、第２電圧切替開閉器ＲＣＳ２及びＷ相出力保護開閉器ＲＣＷ１を遮断させ、インバータ１１を系統４から解列させる。
次に、コントローラ１４は、Ｕ相系統保護開閉器ＲＣＵ２を導通させるとともに、Ｗ相系統保護開閉器ＲＣＷ２及び第１電圧切替開閉器ＲＣＳ１を導通させる。これにより、系統側端子部１２のＵ端子と第１負荷端子ＴＲ１との間及び系統側端子部１２のＷ端子と第２負荷端子ＴＲ２との間を接続する第２電路ＥＬ２が導通される（図４の太線参照）。
−（４）インバータの解列制御時（負荷：１００Ｖ対応）−
次に、上記（３）の説明と同様に、インバータ１１を系統４から解列させる場合において、負荷が１００Ｖ級の入力電圧に対応している場合における電力変換装置１０の動作について、図５を参照しながら具体的に説明する。
まず、コントローラ１４は、上記（３）の説明と同様に、インバータ１１の駆動を停止させる。さらに、コントローラ１４は、Ｕ相出力保護開閉器ＲＣＵ１，第１電圧切替開閉器ＲＣＳ１及びＷ相出力保護開閉器ＲＣＷ１を遮断させ、インバータ１１を系統４から解列させる。
次に、コントローラ１４は、図５に示すように、Ｕ相系統保護開閉器ＲＣＵ２及び第２電圧切替開閉器ＲＣＳ２を導通させる。これにより、系統側端子部１２のＵ端子と第１負荷端子ＴＲ１との間、及び、系統側端子部１２のＯ端子と第２負荷端子ＴＲ２との間を接続する第３電路ＥＬ３が導通される（図５の太線参照）。なお、Ｗ相系統保護開閉器ＲＣＷ２は、導通させても遮断させてもよい。図５では、コントローラ１４は、Ｗ相系統保護開閉器ＲＣＷ２を遮断させている。
−（５）自立運転時（負荷：１００Ｖ／２００Ｖ共通）−
次に、インバータ１１を自立運転させる場合における電力変換装置１０の動作について、図６を参照しながら具体的に説明する。例えば、停電等により系統４からの電力供給が遮断された場合等が該当する。
まず、図示しない電圧計により、系統４の電力供給が停止していることが検出されると、コントローラ１４は、Ｕ相系統保護開閉器ＲＣＵ２、第２電圧切替開閉器ＲＣＳ２及びＷ相系統保護開閉器ＲＣＷ２を遮断させて、系統４からインバータ１１を解列させる。
次に、コントローラ１４は、Ｕ相出力保護開閉器ＲＣＵ１を導通させるとともに、Ｗ相出力保護開閉器ＲＣＷ１及び第１電圧切替開閉器ＲＣＳ１を導通させる。これにより、インバータ１１のＵ端子と第１負荷端子ＴＲ１との間、及び、インバータ１１のＷ端子と第２負荷端子ＴＲ２との間を接続する第４電路ＥＬ４が導通される（図６の太線参照）。
なお、自立運転時において、負荷側端子部１３には、１００Ｖ級／２００Ｖ級のどちらの入力電圧に対応した負荷が接続されていてもよい。具体的には、コントローラ１４が、負荷側端子部１３に接続される自立負荷５に応じた電圧がインバータ１１から出力されるように、インバータ１１を駆動制御すればよい。
以上のように本実施形態によると、開閉器ＲＣのうちの少なくとも１つが、第１電路から第４電路ＥＬ１，ＥＬ２，ＥＬ３，ＥＬ４のうちの少なくとも２つの電路で兼用されるようにしている。具体的には、インバータ１１、系統側端子部１２及び負荷側端子部１３の相互間の接続において、第１電路から第４電路ＥＬ１，ＥＬ２，ＥＬ３，ＥＬ４の一部を共通の線路（以下、共有線路という）で接続し、その共有線路に開閉器ＲＣを配置している。例えば、Ｕ相出力保護開閉器ＲＣＵ１及びＷ相出力保護開閉器ＲＣＷ１は、第１電路ＥＬ１及び第４電路ＥＬ４で共有される共有線路に設けられ、２つの電路ＥＬ１，ＥＬ４で兼用されている。同様に、Ｕ相系統保護開閉器ＲＣＵ２は、第１電路ＥＬ１、第２電路ＥＬ２及び第３電路ＥＬ３で共有される共有線路に設けられ、Ｗ相系統保護開閉器ＲＣＷ２は、第１電路ＥＬ１及び第２電路ＥＬ２で共有される共有線路に設けられている。さらに、第１電圧切替開閉器ＲＣＳ１は、第２電路ＥＬ２及び第４電路ＥＬ４で共有される共有線路に設けられている。このように、開閉器ＲＣを複数の電路で兼用するようにすることにより、電力変換装置１０に必要な開閉器ＲＣの数を少なくすることができる。すなわち、開閉器ＲＣの構成を最適化した電力変換装置１０を提供することができる。
これに対し、特許文献１の技術は、系統から重要負荷（実施形態の自立負荷５に対応）に対して、系統から２００Vの電圧を供給できる構成となっていない。すなわち、本開示に係る構成のように、系統から重要負荷に対して互いに異なる電圧を供給することができる構成となっていない。
そこで、系統連系時の互いに異なる電圧への常時接続と、停電時等の自立運転とを実現するための電路に対して個別に開閉器ＲＣを設けるものとすると、図１２のような構成になる。ここで、インバータ６１と接続端子部６２との間には、非特許文献１に基づいて、開閉器ＲＣを直列に設けている。そうすると、図１２に示すとおり、１０個の開閉器が必要となる。一方で、本実施形態に係る構成では、必要な開閉器の数を半分程度に減らすことができる。これにより、部品のコストを削減することができると共に、故障検出回路の構成を簡素化することができる。なお、図１２において、６０Ａは、太陽光発電手段を示しており、６０Ｂは、蓄電池を示している。また、６５は自立負荷を示し、６６はコントローラを示している。
＜その他の実施形態＞
以上、本発明の実施形態について説明したが、種々の改変が可能である。
例えば、上記実施形態では、Ｕ相出力保護開閉器ＲＣＵ１、Ｕ相系統保護開閉器ＲＣＵ２、Ｗ相出力保護開閉器ＲＣＷ１、Ｗ相系統保護開閉器ＲＣＷ２及び第１電圧切替開閉器ＲＣＳ１が複数の電路で兼用される兼用開閉器である例について説明したが、これに限定されない。例えば、これらの開閉器ＲＣＵ１，ＲＣＵ２，ＲＣＷ１，ＲＣＷ２，ＲＣＳ１のうちの少なくとも１つの開閉器について上記の兼用開閉器とする一方で、それ以外の開閉器については、電路毎に設けるようにしてもよい。この場合においても、図１２に示したような各電路に対して個別に開閉器ＲＣを設ける構成と比較して、開閉器の数を削減することができる。ただし、図１のように兼用開閉器の数を増やすことにより、より高い効果を得ることができるようになる。なお、図１よりも兼用開閉器が兼用する電路の数を増やす等して、図１からさらに開閉器ＲＣの数を減らすようにしてもよい。
また、インバータ１１、系統側端子部１２及び負荷側端子部１３の相互間の接続は、図１の接続に限定されない。例えば、図７から図９に示すような接続形態であってもよい。
具体的に、図７では、第１負荷端子ＴＲ１は、Ｕ相中間線路ＮＵ１に代えて、Ｗ相中間線路ＮＷ１に接続されている。また、第１電圧切替開閉器ＲＣＳ１のインバータ１１側の端子は、Ｗ相中間線路ＮＷ１に代えて、Ｕ相中間線路ＮＵ１に接続されている。この場合においても、コントローラ１４が上記実施形態と同様にして、開閉器ＲＣの開閉制御をすることにより、実施形態と同様の効果が得られる。
図８では、Ｗ相出力保護開閉器ＲＣＷ１を省いて、Ｗ相保護開閉器ＲＣＷ３を追加している。Ｗ相保護開閉器ＲＣＷ３は、一端がＷ相系統保護開閉器ＲＣＷ２と系統側端子部１２のＷ端子との間を接続するＷ相中間線路ＮＷ２に接続され、他端がＯ相中間線路ＮＯ１と第２負荷端子ＴＲ２とを接続する線路ＮＲ１に接続されている。なお、Ｗ相中間線路ＮＷ２は、Ｗ相線路ＮＷの一部を構成している線路である。
図８の構成においても、コントローラ１４は、電力変換装置１０の動作状態や、系統４の給電状態に応じた電路が導通されるように、各開閉器ＲＣを制御すればよい。具体的には、「（３）インバータの解列制御時（負荷：２００Ｖ）」では、Ｕ相出力保護開閉器ＲＣＵ１、第１電圧切替開閉器ＲＣＳ１、第２電圧切替開閉器ＲＣＳ２及びＷ相系統保護開閉器ＲＣＷ２の遮断により、インバータ１１を系統４から解列させる。一方で、Ｕ相系統保護開閉器ＲＣＵ２及びＷ相保護開閉器ＲＣＷ３を導通させて、系統４と負荷側端子部１３との接続を確保する。また、「（４）インバータの解列制御時（負荷：１００Ｖ）」では、Ｕ相出力保護開閉器ＲＣＵ１、第１電圧切替開閉器ＲＣＳ１、Ｗ相系統保護開閉器ＲＣＷ２及びＷ相保護開閉器ＲＣＷ３の遮断により、インバータ１１を系統４から解列させる。一方で、Ｕ相系統保護開閉器ＲＣＵ２及び第２電圧切替開閉器ＲＣＳ２を導通させて、系統４と負荷側端子部１３との接続を確保する。なお、「（１）通常運転時（負荷：２００Ｖ）」、「（２）通常運転時（負荷：１００Ｖ）」及び「（５）自立運転時」では、各開閉器ＲＣが上記実施形態と同様に制御されればよいため、ここではその詳細な説明を省略する。このとき、Ｗ相保護開閉器ＲＣＷ３については、Ｗ相出力保護開閉器ＲＣＷ１と同様に動作させればよい。
図９では、図１から図８への変更に加えて、Ｕ相出力保護開閉器ＲＣＵ１を省いて、Ｕ相保護開閉器ＲＣＵ３，ＲＣＵ４を追加している。Ｕ相保護開閉器ＲＣＵ３は、一端がＵ相系統保護開閉器ＲＣＵ２とインバータ１１のＵ端子との間を接続するＵ相中間線路ＮＵ２に接続され、他端が第１負荷端子ＴＲ１に接続されている。Ｕ相保護開閉器ＲＣＵ４は、一端がＵ相系統保護開閉器ＲＣＵ２と系統側端子部１２のＵ端子との間を接続するＵ相中間線路ＮＵ３に接続され、他端がＵ相保護開閉器ＲＣＵ３と第１負荷端子ＴＲ１とを接続する線路ＮＲ２に接続されている。
図９の構成においても、コントローラ１４は、電力変換装置の動作状態や、系統の給電状態に応じた電路が導通されるように、各開閉器ＲＣを制御すればよい。具体的には、（３）インバータの解列制御時（負荷：２００Ｖ）」では、Ｕ相系統保護開閉器ＲＣＵ２、Ｕ相保護開閉器ＲＣＵ３、第１電圧切替開閉器ＲＣＳ１、第２電圧切替開閉器ＲＣＳ２及びＷ相系統保護開閉器ＲＣＷ２の遮断により、インバータ１１を系統４から解列させる。一方で、Ｕ相保護開閉器ＲＣＵ４及びＷ相保護開閉器ＲＣＷ３を導通させて、系統４と負荷側端子部１３との接続を確保する。また、「（４）インバータの解列制御時（負荷：１００Ｖ）」では、Ｕ相系統保護開閉器ＲＣＵ２、Ｕ相保護開閉器ＲＣＵ３、第１電圧切替開閉器ＲＣＳ１、Ｗ相系統保護開閉器ＲＣＷ２及びＷ相保護開閉器ＲＣＷ３の遮断により、インバータ１１を系統４から解列させる。一方で、Ｕ相保護開閉器ＲＣＵ４及び第２電圧切替開閉器ＲＣＳ２を導通させて、系統４と負荷側端子部１３との接続を確保する。また、「（５）自立運転時」では、Ｕ相系統保護開閉器ＲＣＵ２、Ｕ相保護開閉器ＲＣＵ４、第２電圧切替開閉器ＲＣＳ２，Ｗ相系統保護開閉器ＲＣＷ２及びＷ相保護開閉器ＲＣＷ３の遮断により、インバータ１１を系統４から解列させる。一方で、Ｕ相保護開閉器ＲＣＵ３及び第１電圧切替開閉器ＲＣＳ１を導通させて、インバータ１１と負荷側端子部１３との接続を確保する。なお、「（１）通常運転時（負荷：２００Ｖ）」及び「（２）通常運転時（負荷：１００Ｖ）」では、各開閉器ＲＣが上記実施形態または図８の説明と同様に制御されればよいため、ここではその詳細な説明を省略する。このとき、Ｒ相保護開閉器ＲＣＵ３，ＲＣＵ４については、Ｕ相出力保護開閉器ＲＣＵ１と同様に動作させればよい。
また、上記実施形態では、自立運転部は、自立負荷５であるものとしたがこれに限定されない。具体的には、自立運転部は、自立運転の際に電力変換装置１０から電源を受けることができるように構成されていればよく、その構造や形態は特に限定されない。例えば、自立運転部は、自立コンセントのように、自立運転時に所望の負荷を接続するための接続先となるようなものであってもよい。
また、上記実施形態において、分散型電源２は、太陽光発電手段２１，２１，…と、蓄電池２２とを備えているものとしたが、これに限定されない。例えば、太陽光発電手段２１または蓄電池２２のいずれか一方でもよいし、太陽光発電手段２１及び蓄電池２２以外の他の分散型電源（例えば、風力発電等）であってもよい。
また、図１０に示すように、インバータ１１の出力保護用の開閉器ＲＣＵ１，ＲＣＷ１と、系統保護用の開閉器ＲＣＵ２，ＲＣＷ２とが別々に構成されていてもかまわない。例えば、インバータ１１及び出力保護用の開閉器ＲＣＵ１，ＲＣＷ１が設けられたパワーコンディショナ１０Ａと、パワーコンディショナ１０Ａと系統４との間に設けられた分電盤６等とにより、電力変換装置１０が実現されている場合が該当する。このような場合、電力変換装置１０の接続端子部１２は分電盤６の系統４側に設けられる。
なお、図１０において、１２Ａは、パワーコンディショナ１０Ａの系統側端子部を示している。また、図１０では、第１及び第２電圧切替開閉器ＲＣＳ１，ＲＣＳ２が、パワーコンディショナ１０Ａと分電盤６のそれぞれに設けられている例を示している。ただし、図１０において、第１及び第２電圧切替開閉器ＲＣＳ１，ＲＣＳ２が、パワーコンディショナ１０Ａまたは分電盤６の一方にまとめて設けられていてもよい。
また、上記実施形態では、系統４は単相３線式であるものとしたが、本実施形態に係る電力変換装置１０は、単相２線式の系統４に接続させることも可能である。図１１には、上記実施形態に係る電力変換装置１０が、単相２線式の系統４に連系された例を示している。図１１に示すように、系統側端子部１２のＵ端子は、送電線３のＵ相線３Ｕに接続され、Ｗ端子は、送電線３のＷ相線３Ｗに接続されている。そして、コントローラ１４は、電力変換装置の動作状態や、系統の給電状態に応じた電路が導通されるように、上記実施形態と同様に、各開閉器ＲＣを制御すればよい。このように、本実施形態に係る電力変換装置１０は、単相３線式及び単相２線式の両方に接続できるという特徴がある。なお、系統側端子部１２のＯ端子には、何も接続されていなくてよいし、グランド等に接続されていてもよい。また、第２電圧切替開閉器ＲＣＳ２は省いてもよく、図１１では第２電圧切替開閉器ＲＣＳ２を省いた例を示している。
本発明によると、自立運転が可能であり、かつ、開閉器の構成を最適化した電力変換装置を提供することができるので、複数の分散型電源を商用電源系統に連系するような分散型電源システムとして極めて有用である。
１ 分散型電源システム
２ 分散型電源
５ 自立負荷（自立運転部）
１０ 電力変換装置
１１ インバータ
１２ 系統側端子部（接続端子部）
ＲＣＵ１ Ｕ相出力保護開閉器（第１出力保護開閉器）
ＲＣＵ２ Ｕ相系統保護開閉器（第１系統保護開閉器）
ＲＣＷ１ Ｗ相出力保護開閉器（第２出力保護開閉器）
ＲＣＷ２ Ｗ相系統保護開閉器（第２系統保護開閉器）
ＲＣＳ１ 第１電圧切替開閉器
ＲＣＳ２ 第２電圧切替開閉器
ＴＲ１ 第１負荷端子（負荷接続端子）
ＴＲ２ 第２負荷端子（負荷接続端子）

Claims (4)

  1. 直流電力を交流電力に変換するインバータと、
    第１電圧端子、第２電圧端子及び中性端子が設けられた接続端子部と、
    対をなす負荷接続端子と、
    前記インバータの出力と前記接続端子部の第１及び第２電圧端子との間を接続する第１電路、前記接続端子部の第１電圧端子及び第２電圧端子と前記負荷接続端子との間を接続する第２電路、前記接続端子部の第１電圧端子及び中性端子と前記負荷接続端子との間を接続する第３電路、前記インバータの出力と前記負荷接続端子との間を接続する第４電路のそれぞれに設けられた開閉器と、
    前記各開閉器を制御するコントローラとを備え、
    前記開閉器は、前記第１電路、前記第２電路、前記第３電路及び前記第４電路のうちの少なくとも２つの電路で兼用される兼用開閉器を含む
    ことを特徴とする電力変換装置。
  2. 請求項１記載の電力変換装置において、
    前記第１電路と前記第２電路で共有される第１共有線路を含み、
    前記第１共有線路には、前記兼用開閉器としての系統保護開閉器が設けられている
    ことを特徴とする電力変換装置。
  3. 請求項１または２に記載の電力変換装置において、
    前記第１電路と前記第４電路で共有される第２共有線路を含み、
    前記第２共有線路には、前記兼用開閉器としての出力保護開閉器が設けられている
    ことを特徴とする電力変換装置。
  4. 分散型電源と、
    前記分散型電源から出力された電源電力を前記直流電力として受ける請求項１から３のうちのいずれか１項に記載の電力変換装置と、
    前記負荷接続端子に接続された自立運転部とを備えている
    ことを特徴とする分散型電源システム。
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