JP6919765B2 - 電力変換装置および発電システム - Google Patents

Description

この発明は、電力変換装置に関し、特に、直流電源の負極側の絶縁抵抗値および正極側の絶縁抵抗値を検出する検出回路を備える電力変換装置および発電システムに関する。

従来、直流電源の地絡（絶縁抵抗値）を検出する検出部を備える地絡検出装置が知られている。このような地絡検出装置は、たとえば、特開２０１２−１１９３８２号公報に開示されている。

特開２０１２−１１９３８２号公報では、複数の太陽電池モジュールが直列接続されることにより構成されている太陽電池ストリングと、太陽電池ストリングが並列接続されることにより構成された太陽電池アレイとを備える太陽電池システムが開示されている。この太陽電池システムには、太陽電池アレイまたは太陽電池ストリング（以下、直流電源という）を、太陽電池システムから電気的に切り離すスイッチング部が設けられている。また、この太陽電池システムには、直流電源が太陽電池システムから電気的に切り離された状態で、直流電源の地絡を検出する検出部が設けられている。

特開２０１２−１１９３８２号公報では、検出部は、直流電源と接地点との間に設けられた検出抵抗と、検出抵抗の一方側（直流電源側）と他方側（接地点）とに接続され、検出抵抗の一方側と他方側との間の電圧降下を検出する電圧検出器とを含む。そして、電圧検出器は、直流電源の正極側と接地点との間を電気的に接続した状態で、検出抵抗の一方側と他方側との間の電圧降下を検出する。また、電圧検出器は、直流電源の負極側と接地点との間を電気的に接続した状態で、検出抵抗の一方側と他方側との間の電圧降下を検出する。そして、これらの電圧降下の結果に基づいて、絶縁抵抗値が算出される。また、絶縁抵抗値に基づいて、地絡の有無が検出される。

特開２０１２−１１９３８２号公報

しかしながら、特開２０１２−１１９３８２号公報の電圧検出器は、検出抵抗の他方側（接地点）に接続されているので、電圧検出器と接地点との間の絶縁距離が比較的小さい（電圧検出器の電位が接地電位に近い）と考えられる。このため、電圧検出器と、他の機器との間に比較的大きな絶縁距離を確保する必要がある。このため、電圧検出器（検出回路）の近傍に他の機器が配置できないことに起因して装置が大型化するという問題点がある。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、この発明の１つの目的は、絶縁抵抗値を検出するための検出回路の近傍に他の機器が配置できないことに起因して装置が大型化するのを抑制することが可能な電力変換装置および発電システムを提供することである。

上記目的を達成するために、この発明の第１の局面による電力変換装置は、直流電源から供給される直流電力を交流電力に変換する電力変換部と、直流電源と電力変換部との間に設けられ、直流電源の正極側の絶縁抵抗値および負極側の絶縁抵抗値を検出する検出回路と、検出回路と接地点との間に設けられ、検出回路と接地点との間の絶縁距離を確保するための絶縁距離確保素子と、検出回路に電力を供給する第１電源回路と、検出回路に配置され検出回路とは異なる機器に電力を供給する第２電源回路と、を備え、第１電源回路と第２電源回路とは、トランスにより構成されている。

この発明の第１の局面による電力変換装置では、上記のように、検出回路と接地点との間に設けられ、検出回路と接地点との間の絶縁距離を確保するための絶縁距離確保素子を備える。これにより、検出回路と接地点との間の絶縁距離が確保されるので、検出回路の電位が接地電位とは異なる電位になる。その結果、検出回路と他の機器との間に必要な絶縁距離が比較的小さくなるので、検出回路の近傍に他の機器を配置することができる。これにより、絶縁抵抗値を検出するための検出回路の近傍に他の機器が配置できないことに起因して装置が大型化するのを抑制することができる。

上記第１の局面による電力変換装置において、好ましくは、絶縁距離確保素子は、一対の端子と、一対の端子の間に設けられる抵抗体とを有するチップ抵抗を含む。このように構成すれば、チップ抵抗の一対の端子の間の空間（距離）により、容易に絶縁距離を確保することができる。

この場合、好ましくは、絶縁距離確保素子は、互いに直列に接続された複数のチップ抵抗を含む。このように構成すれば、１つのチップ抵抗によって十分な絶縁距離が確保できない場合でも、互いに直列に接続された複数のチップ抵抗によって十分な絶縁距離を確保することができる。

上記互いに直列に接続された複数のチップ抵抗を含む電力変換装置において、好ましくは、複数のチップ抵抗は、直線状に配置されている。このように構成すれば、互いに直列に接続された複数のチップ抵抗が直線状でない状態（屈曲状など）と異なり、互いに直列に接続された複数のチップ抵抗の一方端と他方端との間の距離が比較的大きくなるので、効率的に絶縁距離を確保することができる。

上記絶縁距離確保素子がチップ抵抗を含む電力変換装置において、好ましくは、検出回路と直流電源の正極側との間に設けられる第１抵抗と、検出回路と直流電源の負極側との間に設けられる第２抵抗とをさらに備え、絶縁距離確保素子、第１抵抗および第２抵抗は、同一のチップ抵抗により構成されている。このように構成すれば、第１抵抗、第２抵抗、および、絶縁距離確保素子が互いに異なる素子により構成されている場合と比べて、電力変換装置を構成する部品の種類を低減することができる。

この場合、好ましくは、第１抵抗および第２抵抗と、チップ抵抗により構成されている絶縁距離確保素子との間に設けられる検出用抵抗をさらに備え、検出用抵抗の抵抗値は、第１抵抗、第２抵抗およびチップ抵抗により構成されている絶縁距離確保素子の各々の抵抗値よりも小さく、検出回路は、検出用抵抗の両端の電圧を検出するように構成されている。このように構成すれば、絶縁抵抗値が比較的小さい場合でも、比較的小さい抵抗値を有する検出用抵抗の両端の電圧を検出回路により容易に検出することができる。

上記第１の局面による電力変換装置において、好ましくは、絶縁距離確保素子は、検出回路が接地点の電位に対して電気的に浮遊した状態になるように、検出回路と接地点との間の絶縁距離を確保するように構成されている。このように構成すれば、検出回路が接地点の電位に対して電気的に浮遊した状態になるので、絶縁距離を略ゼロにした状態で、検出回路の近傍に他の機器を配置することができる。

この発明の第２の局面による発電システムは、自然エネルギを利用した発電部と、発電部から供給される電力を変換する電力変換装置とを備え、電力変換装置は、発電部から供給される直流電力を交流電力に変換する電力変換部と、発電部と電力変換部との間に設けられ、発電部の正極側の絶縁抵抗値および負極側の絶縁抵抗値を検出する検出回路と、検出回路と接地点との間に設けられ、検出回路と接地点との間の絶縁距離を確保するための絶縁距離確保素子と、検出回路に電力を供給する第１電源回路と、検出回路に配置され検出回路とは異なる機器に電力を供給する第２電源回路と、を含み、第１電源回路と第２電源回路とは、トランスにより構成されている。

この発明の第２の局面による発電システムでは、上記のように、検出回路と接地点との間に設けられ、検出回路と接地点との間の絶縁距離を確保するための絶縁距離確保素子を含む。これにより、検出回路と接地点との間の絶縁距離が確保されるので、検出回路の電位が接地電位とは異なる電位になる。その結果、検出回路と他の機器との間に必要な絶縁距離が比較的小さくなるので、検出回路の近傍に他の機器が配置することができる。これにより、絶縁抵抗値を検出するための検出回路の近傍に他の機器が配置できないことに起因して装置が大型化するのを抑制することが可能な発電システムを提供することができる。

本発明によれば、上記のように、絶縁抵抗値を検出するための検出回路の近傍に他の機器が配置できないことに起因して装置が大型化するのを抑制することができる。

本実施形態による発電システムの構成を示す概略図（１）である。 本実施形態による発電システムの構成を示す概略図（２）である。 本実施形態による電力変換装置（絶縁抵抗検出部）の構成を示す回路図である。 本実施形態によるチップ抵抗の構成を示す概略図である。

以下、本発明を具体化した実施形態を図面に基づいて説明する。

［本実施形態］
図１〜図４を参照して、本実施形態による発電システム１００（電力変換装置２０）の構成について説明する。

図１および図２に示すように、発電システム１００は、自然エネルギを利用した太陽光パネル１０を備えている。なお、太陽光パネル１０は、特許請求の範囲の「発電部」および「直流電源」の一例である。

また、発電システム１００は、太陽光パネル１０から供給される電力を変換する電力変換装置２０（インバータ）を備えている。電力変換装置２０は、太陽光パネル１０から供給される直流電力を交流電力に変換する直流交流変換部２１（ＤＣ／ＡＣ）を含む。また、直流交流変換部２１に変換された交流電力は、トランス２００を介して系統２０１に供給される。なお、トランス２００が設けられない場合もある。また、直流交流変換部２１は、特許請求の範囲の「電力変換部」の一例である。

また、電力変換装置２０は、直流交流変換部２１の入力側（太陽光パネル１０側）に設けられる絶縁抵抗検出部３０を含む。絶縁抵抗検出部３０は、検出回路（電圧検出回路）３１、リレー３２、リレー３３、第１抵抗３４、第２抵抗３５、絶縁距離確保素子３６、および、検出用抵抗３７を含む。以下、具体的に説明する。

検出回路３１は、太陽光パネル１０と直流交流変換部２１との間に設けられている。そして、検出回路３１は、太陽光パネル１０の正極側の絶縁抵抗値および負極側の絶縁抵抗値を検出するように構成されている。具体的には、太陽光パネル１０の正極側（高圧の正極側Ｐ）と直流交流変換部２１とを接続する配線４１と、検出回路３１との間に、リレー３２が設けられている。また、太陽光パネル１０の負極側（高圧の負極側Ｎ）と直流交流変換部２１とを接続する配線４２と、検出回路３１との間に、リレー３３が設けられている。また、リレー３２（リレー３３）は、入力側と出力側とが絶縁されている。

また、図３に示すように、検出回路３１は、アイソレーションアンプ３１ａを含む。アイソレーションアンプ３１ａとは、入力部と出力部とが絶縁されたアンプである。また、アイソレーションアンプ３１ａに電力を供給する電源回路５１が設けられている。電源回路５１は、アイソレーションアンプ３１ａの入力側（後述する検出用抵抗３７に接続される側）に電力を供給するように構成されている。

また、図１および図２に示すように、電力変換装置２０（絶縁抵抗検出部３０）は、検出回路３１と、太陽光パネル１０の正極側（リレー３２）との間に設けられる第１抵抗３４を含む。また、電力変換装置２０（絶縁抵抗検出部３０）は、検出回路３１と太陽光パネル１０の負極側（リレー３３）との間に設けられる第２抵抗３５を含む。第１抵抗３４および第２抵抗３５は、互いに接続されている。また、リレー３２、第１抵抗３４、第２抵抗３５およびリレー３３は、この順で直列に接続されている。

また、電力変換装置２０（絶縁抵抗検出部３０）は、第１抵抗３４および第２抵抗３５と、後述する絶縁距離確保素子３６との間に設けられる検出用抵抗３７を含む。具体的には、検出用抵抗３７は、第１抵抗３４と第２抵抗３５との接続点と、後述する絶縁距離確保素子３６との間に設けられている。そして、検出回路３１は、検出用抵抗３７の両端の電圧を検出するように構成されている。

ここで、本実施形態では、電力変換装置２０（絶縁抵抗検出部３０）は、検出回路３１と接地点との間に設けられ、検出回路３１と接地点との間の絶縁距離を確保するための絶縁距離確保素子３６を含む。具体的には、図３に示すように、絶縁距離確保素子３６は、互いに直列に接続された複数のチップ抵抗６０を含む。図４に示すように、チップ抵抗６０は、一対の端子６１と、一対の端子６１の間に設けられる抵抗体６２とを有する。そして、一対の端子６１の間の距離Ｌが、絶縁距離に対応する。

また、本実施形態では、図３に示すように、複数（５個）のチップ抵抗６０は、直線状に配置されている。これにより、絶縁距離確保素子３６によって、一対の端子６１の間の距離Ｌ×５の長さ分、絶縁距離が確保されている。また、絶縁距離確保素子３６は、検出回路３１が電気的に浮遊した状態になるように、検出回路３１と接地点との間の絶縁距離を確保するように構成されている。たとえば、５個のチップ抵抗６０によって距離Ｌ×５の長さ分、絶縁距離を確保することにより、検出回路３１が接地点の電位に対して電気的に浮遊した状態になる。

また、本実施形態では、絶縁距離確保素子３６、第１抵抗３４および第２抵抗３５は、同一のチップ抵抗６０により構成されている。具体的には、第１抵抗３４は、絶縁距離確保素子３６と同様に、互いに直列に接続された（直線状に配置された）、複数（５個）のチップ抵抗６０により構成されている。また、第２抵抗３５は、絶縁距離確保素子３６と同様に、互いに直列に接続された（直線状に配置された）、複数（５個）のチップ抵抗６０により構成されている。これにより、第１抵抗３４によって、検出回路３１と、太陽光パネル１０の正極側との間の絶縁距離が確保されている。また、第２抵抗３５によって、検出回路３１と、太陽光パネル１０の負極側との間の絶縁距離が確保されている。

また、本実施形態では、検出用抵抗３７の抵抗値は、第１抵抗３４、第２抵抗３５、および、チップ抵抗６０により構成されている絶縁距離確保素子３６の各々の抵抗値よりも小さい。具体的には、検出用抵抗３７の抵抗値は、数百Ωであり、第１抵抗３４、第２抵抗３５、および、絶縁距離確保素子３６の各々の抵抗値は、数ＭΩである。なお、これらの抵抗値は一例であり、各々の抵抗値は、上記の抵抗値に限られるものではない。

また、図３に示すように、検出回路３１の近傍には、制御回路７０などの検出回路３１以外の他の機器が配置されている。そして、制御回路７０などの他の機器に電力を供給する電源回路５２が設けられている。ここで、絶縁距離確保素子３６が設けられていない場合、検出回路３１（電源回路５１）の電位が接地電位に近いので、電源回路５１と電源回路５２との間に所定の絶縁距離を確保する必要がある。一方、本実施形態では、絶縁距離確保素子３６を設けることによって、検出回路３１（電源回路５１）の電位がフローティング（電気的に浮遊した状態）になるので、電源回路５１と電源回路５２との間の絶縁距離を短縮することが可能になる。また、電源回路５１と電源回路５２とは、たとえばトランスにより構成されており、電源回路５１と電源回路５２との間の絶縁距離が短縮されることにより、トランスを小型化することが可能になる。

次に、図１および図２を参照して、絶縁抵抗検出部３０の動作について説明する。

図１に示すように、リレー３２をオフ状態にするとともに、リレー３３をオン状態にする。これにより、太陽光パネル１０の正極側から、接地点、絶縁距離確保素子３６、検出用抵抗３７、第２抵抗３５、および、リレー３３を介して、太陽光パネル１０の負極側に地絡電流Ｉｇが流れる。この地絡電流Ｉｇの電圧値を検出回路３１によって検出する。この電圧値に基づいて絶縁抵抗値Ｒｇが求まるとともに、絶縁抵抗値Ｒｇに基づいて、太陽光パネル１０の正極側の地絡が検出される。

また、図２に示すように、リレー３２をオン状態にするとともに、リレー３３をオフ状態にする。これにより、太陽光パネル１０の正極側から、リレー３２、第１抵抗３４、検出用抵抗３７、絶縁距離確保素子３６、および、接地点を介して、太陽光パネル１０の負極側に地絡電流Ｉｇが流れる。この地絡電流Ｉｇの電圧値を検出回路３１によって検出する。この電圧値に基づいて絶縁抵抗値Ｒｇが求まるとともに、絶縁抵抗値Ｒｇに基づいて、太陽光パネル１０の負極側の地絡が検出される。

[本実施形態の効果]
本実施形態では、以下のような効果を得ることができる。

本実施形態では、上記のように、検出回路３１と接地点との間に設けられ、検出回路３１と接地点との間の絶縁距離を確保するための絶縁距離確保素子３６を備える。これにより、検出回路３１と接地点との間の絶縁距離が確保されるので、検出回路３１の電位が接地電位とは異なる電位になる。その結果、検出回路３１と他の機器との間に必要な絶縁距離が比較的小さくなるので、検出回路３１の近傍に他の機器を配置することができる。これにより、絶縁抵抗値を検出するための検出回路３１の近傍に他の機器が配置できないことに起因して装置が大型化するのを抑制することができる。

また、本実施形態では、上記のように、絶縁距離確保素子３６は、一対の端子６１と、一対の端子６１の間に設けられる抵抗体とを有するチップ抵抗６０を含む。これにより、チップ抵抗６０の一対の端子６１の間の空間（距離Ｌ）により、容易に絶縁距離を確保することができる。

また、本実施形態では、上記のように、絶縁距離確保素子３６は、互いに直列に接続された複数のチップ抵抗６０を含む。これにより、１つのチップ抵抗６０によって十分な絶縁距離が確保できない場合でも、互いに直列に接続された複数のチップ抵抗６０によって十分な絶縁距離を確保することができる。

また、本実施形態では、上記のように、複数のチップ抵抗６０は、直線状に配置されている。これにより、互いに直列に接続された複数のチップ抵抗６０が直線状でない状態（屈曲状など）と異なり、互いに直列に接続された複数のチップ抵抗６０の一方端と他方端との間の距離が比較的大きくなるので、効率的に絶縁距離を確保することができる。

また、本実施形態では、上記のように、絶縁距離確保素子３６、第１抵抗３４および第２抵抗３５は、同一のチップ抵抗６０により構成されている。これにより、第１抵抗３４、第２抵抗３５、および、絶縁距離確保素子３６が互いに異なる素子により構成されている場合と比べて、電力変換装置２０を構成する部品の種類を低減することができる。

また、本実施形態では、上記のように、検出用抵抗３７の抵抗値は、第１抵抗３４、第２抵抗３５およびチップ抵抗６０により構成されている絶縁距離確保素子３６の各々の抵抗値よりも小さく、検出回路３１は、検出用抵抗３７の両端の電圧を検出するように構成されている。これにより、絶縁抵抗値が比較的小さい場合でも、比較的小さい抵抗値を有する検出用抵抗３７の両端の電圧を検出回路３１により容易に検出することができる。

また、本実施形態では、上記のように、絶縁距離確保素子３６は、検出回路３１が接地点の電位に対して電気的に浮遊した状態になるように、検出回路３１と接地点との間の絶縁距離を確保するように構成されている。これにより、検出回路３１が接地点の電位に対して電気的に浮遊した状態になるので、絶縁距離を略ゼロにした状態で、検出回路３１の近傍に他の機器を配置することができる。

[変形例]
なお、今回開示された実施形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更（変形例）が含まれる。

たとえば、上記実施形態では、チップ抵抗によって絶縁距離確保素子が構成されている例を示したが、本発明はこれに限られない。たとえば、ダイオードやツェナーダイオードなどのチップ抵抗以外の素子によって絶縁距離確保素子を構成してもよい。

また、上記実施形態では、絶縁距離確保素子が複数のチップ抵抗により構成されている例を示したが、本発明はこれに限られない。たとえば、１つのチップ抵抗によって絶縁距離を十分に確保できるのであれば、１つのチップ抵抗により絶縁距離確保素子を構成してもよい。

また、上記実施形態では、複数のチップ抵抗が直線状に配置されている例を示したが、本発明はこれに限られない。たとえば、絶縁距離を十分に確保できるのであれば、屈曲状など直線状以外の形状に複数のチップ抵抗を配置してもよい。

また、上記実施形態では、第１抵抗と、第２抵抗と、絶縁距離確保素子とが、同一のチップ抵抗により構成されている例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、第１抵抗と、第２抵抗と、絶縁距離確保素子とを互いに異なる素子（抵抗）により構成しても、検出回路と他の機器との間に必要な絶縁距離を比較的小さくすることは可能である。

また、上記実施形態では、検出回路が接地点の電位に対して電気的に浮遊した状態になるように、検出回路と接地点との間の絶縁距離が確保されている例を示したが、本発明はこれに限られない。たとえば、検出回路が接地点の電位に対して電気的に浮遊していなくても、絶縁距離確保素子により検出回路の電位を接地点の電位から離間させれば、検出回路と他の機器との間に必要な絶縁距離を短縮することは可能である。

また、上記実施形態では、本発明の「直流電源」として、太陽光パネルを用いる例を示したが、本発明はこれに限られない。たとえば、本発明の「直流電源」として、風力発電装置などの太陽光パネル以外の直流電源を用いてもよい。

１０ 太陽光パネル（直流電源、発電部）
２０ 電力変換装置
２１ 直流交流変換部（電力変換部）
３１ 検出回路
３４ 第１抵抗
３５ 第２抵抗
３６ 絶縁距離確保素子
３７ 検出用抵抗
６０ チップ抵抗
６１ 端子
６２ 抵抗体
１００ 発電システム

Claims (8)

1. 直流電源から供給される直流電力を交流電力に変換する電力変換部と、
   前記直流電源と前記電力変換部との間に設けられ、前記直流電源の正極側の絶縁抵抗値および負極側の絶縁抵抗値を検出する検出回路と、
   前記検出回路と接地点との間に設けられ、前記検出回路と前記接地点との間の絶縁距離を確保するための絶縁距離確保素子と、
   前記検出回路に電力を供給する第１電源回路と、
   前記検出回路とは異なる機器に電力を供給する第２電源回路と、を備え、
   前記第１電源回路と前記第２電源回路とは、トランスにより構成されている、電力変換装置。
2. 前記絶縁距離確保素子は、一対の端子と、前記一対の端子の間に設けられる抵抗体とを有するチップ抵抗を含む、請求項１に記載の電力変換装置。
3. 前記絶縁距離確保素子は、互いに直列に接続された複数の前記チップ抵抗を含む、請求項２に記載の電力変換装置。
4. 前記複数のチップ抵抗は、直線状に配置されている、請求項３に記載の電力変換装置。
5. 前記検出回路と前記直流電源の正極側との間に設けられる第１抵抗と、
   前記検出回路と前記直流電源の負極側との間に設けられる第２抵抗とをさらに備え、
   前記絶縁距離確保素子、前記第１抵抗および前記第２抵抗は、同一の前記チップ抵抗により構成されている、請求項２〜４のいずれか１項に記載の電力変換装置。
6. 前記第１抵抗および前記第２抵抗と、前記チップ抵抗により構成されている前記絶縁距離確保素子との間に設けられる検出用抵抗をさらに備え、
   前記検出用抵抗の抵抗値は、前記第１抵抗、前記第２抵抗および前記チップ抵抗により構成されている前記絶縁距離確保素子の各々の抵抗値よりも小さく、
   前記検出回路は、前記検出用抵抗の両端の電圧を検出するように構成されている、請求項５に記載の電力変換装置。
7. 前記絶縁距離確保素子は、前記検出回路が前記接地点の電位に対して電気的に浮遊した状態になるように、前記検出回路と前記接地点との間の絶縁距離を確保するように構成されている、請求項１〜６のいずれか１項に記載の電力変換装置。
8. 自然エネルギを利用した発電部と、前記発電部から供給される電力を変換する電力変換装置とを備え、
   前記電力変換装置は、
   前記発電部から供給される直流電力を交流電力に変換する電力変換部と、
   前記発電部と前記電力変換部との間に設けられ、前記発電部の正極側の絶縁抵抗値および負極側の絶縁抵抗値を検出する検出回路と、
   前記検出回路と接地点との間に設けられ、前記検出回路と前記接地点との間の絶縁距離を確保するための絶縁距離確保素子と、
   前記検出回路に電力を供給する第１電源回路と、
   前記検出回路とは異なる機器に電力を供給する第２電源回路と、を含み、
   前記第１電源回路と前記第２電源回路とは、トランスにより構成されている、発電システム。

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