JP7367752B2 - 制御装置、及び太陽光発電システム - Google Patents

Description

本発明は、制御装置、及び太陽光発電システムに関する。

近年の太陽光発電システムでは、太陽電池モジュールの最適動作点を追従するいわゆるＭＰＰＴ（最大電力点追従）制御を行うことで太陽光発電システムの発電効率の向上が図られている。例えば、特許文献１には、太陽電池モジュール単位でＭＰＰＴ制御を実施するために、ＭＰＰＴ制御を行う制御装置を太陽電池モジュール毎に設置した構成が開示されている。このような制御装置は、太陽電池モジュールの出力が低下した場合や、火災等の緊急時などに太陽電池モジュールとインバータとの接続を遮断する開閉部を備えており、開閉部には半導体リレーが用いられている。

米国特許出願公開２０１８／０３５１４０１号公報

半導体リレーは、メカニカルリレーに比べてオン抵抗が高いため、半導体リレーを介して太陽電池モジュールとインバータとが導通されている状態では、太陽光発電システムの発電効率が低下してしまう。特に、特許文献１では、太陽電池モジュール毎に制御装置が設置されているので、制御装置を設置した数に比例して太陽光発電システムの発電損失が大きくなる。

本発明の課題は、太陽電池モジュールの発電効率の低下を抑制できる制御装置を提供することにある。また、本発明の別の課題は、太陽光発電システムにおいて、制御装置の設置コストの低減化を図りつつ、発電効率の低下を抑制することができる太陽光発電システムを提供することにある。

本発明の一態様に係る制御装置は、１以上の太陽電池モジュールとインバータとに接続され、太陽電池モジュールをＭＰＰＴ制御する太陽光発電システムの制御装置である。制御装置は、開閉部と、制御部と、を含む。開閉部は、半導体リレーと、半導体リレーに並列に接続されるメカニカルリレーと、を含み、太陽電池モジュールとインバータとの接続を開閉する。制御部は、インバータからの制御信号に応じて開閉部を開閉制御する。制御部は、太陽電池モジュールとインバータとを接続するときは、半導体リレーをＯＮ状態にした後でメカニカルリレーをＯＮ状態にし、メカニカルリレーをＯＮ状態にした後で半導体リレーをＯＦＦ状態にし、太陽電池モジュールとインバータとの接続を遮断するときは、半導体リレーをＯＮ状態にした後でメカニカルリレーをＯＦＦ状態にし、メカニカルリレーをＯＦＦ状態にした後で半導体リレーをＯＦＦ状態にする。

この制御装置では、太陽電池モジュールとインバータとが接続された状態のとき、すなわち、発電時において、太陽電池モジュールとインバータとがメカニカルリレーを介して接続される。すなわち、通電時の接続は、メカニカルリレーが用いられるので、発電時において、半導体リレーのオン抵抗の影響による発電効率の低下を抑制することができる。また、半導体リレーを連続通電で用いないため、ヒートシンク等の放熱部品を省略して制御装置の小型化を図ることができる。また、メカニカルリレーと半導体リレーとを組み合わせて使用することで、メカニカルリレーのみを用いた場合に比べて、制御部によって開閉部を高頻度で開閉制御することができる。

好ましくは、制御装置は、直列に接続された複数の太陽電池モジュールをＭＰＰＴ制御する。この場合は、制御装置の設置コストの低減化を図りつつ、半導体リレーのオン抵抗の影響による発電効率の低下を抑制することができる。

好ましくは、制御装置は、太陽電池モジュールからの電力によって駆動される。この場合は、例えば、既存の太陽光発電システムに制御装置を設置するときにおいて、インバータと制御装置とを接続して制御装置の電源を確保する必要がない。これにより、インバータと制御装置とを接続する追加配線を省略することができるので、制御装置の設置コストの低減を図ることができる。

好ましくは、制御装置は、電力線通信によってインバータからの制御信号を受信する。この場合は、例えば、既存の太陽光発電システムに制御装置を設置するときに、インバータと制御装置との通信を確保するための追加配線を省略することができるので、制御装置の設置コストの低減を図ることができる。

本発明の一態様に係る太陽光発電システムは、太陽電池モジュールグループと、インバータと、制御装置と、を備える。太陽電池モジュールグループは、複数の太陽電池モジュールをそれぞれ含み、互いに直列に接続される。インバータは、太陽電池モジュールグループに接続され、太陽電池モジュールで発電された直流電力を交流電力に変換する。制御装置は、太陽電池モジュールグループのそれぞれに設置され、太陽電池モジュールグループ毎に太陽電池モジュールをＭＰＰＴ制御する。制御装置は、開閉部と、制御部と、を含む。開閉部は、半導体リレーと、半導体リレーに並列に接続されるメカニカルリレーと、を含み、太陽電池モジュールグループとインバータとの接続を開閉する。制御部は、インバータからの制御信号に応じて開閉部を開閉制御する。制御部は、太陽電池モジュールとインバータとを接続するときに、半導体リレーをＯＮ状態にした後でメカニカルリレーをＯＮ状態にし、メカニカルリレーをＯＮ状態にした後で半導体リレーをＯＦＦ状態にし、太陽電池モジュールとインバータとの接続を遮断するときは、半導体リレーをＯＮ状態にした後でメカニカルリレーをＯＦＦ状態にし、メカニカルリレーをＯＦＦ状態にした後で半導体リレーをＯＦＦ状態にする。

この太陽光発電システムでは、太陽電池モジュールグループとインバータとが接続された状態のとき、すなわち、発電時において、太陽電池モジュールグループとインバータとがメカニカルリレーを介して接続される。すなわち、通電時の接続は、メカニカルリレーが用いられるので、発電時において、半導体リレーのオン抵抗の影響による発電効率の低下を抑制することができる。また、半導体リレーを連続通電で用いないため、ヒートシンク等の放熱部品を省略して制御装置の小型化を図ることができる。さらに、制御装置が太陽電池モジュールグループ毎に設置されているので、制御装置の設置コストの低減化を図りつつ、半導体リレーのオン抵抗の影響による発電効率の低下を抑制することができる。

本発明によれば、太陽電池モジュールの発電効率の低下を抑制できる制御装置を提供することができる。また、本発明によれば、太陽光発電システムにおいて、制御装置の設置コストの低減化を図りつつ、発電効率の低下を抑制することができる太陽光発電システムを提供することができる。

図１は、本発明の一態様に係る太陽光発電システムの構成を模式的に示すブロック図である。 図２は、制御装置の構成を模式的に示すブロック図である。 図３は、レギュレータの構成を模式的に示す回路図である。 図４は、開閉部の構成を説明するための図である。 図５は、半導体リレーとメカニカルリレーが動作するタイミングを示すタイミングチャートである。 図６は、太陽電池モジュール毎に制御装置を設置したときの模式図である。

図１は、本発明の一態様に係る太陽光発電システム１の構成を模式的に示すブロック図である。太陽光発電システム１は、ストリング２と、インバータ３と、複数の制御装置４ａ～４ｄと、を備える。

ストリング２は、互いに直列に接続された複数の太陽電池モジュールグループ５Ａ～５Ｄを含む。太陽電池モジュールグループ５Ａ～５Ｄのそれぞれは、複数の太陽電池モジュール５ａを含む。本実施形態における太陽電池モジュールグループ５Ａ～５Ｄのそれぞれは、直列に接続された４個の太陽電池モジュール５ａを含む。すなわち、ストリング２は、直列に接続された１６個の太陽電池モジュール５ａによって構成されている。なお、太陽光発電システム１は、ストリング２が並列に複数連結された太陽電池アレイを含んでもよい。

太陽電池モジュール５ａは、太陽光を受けて電力を発電し、発電した電力をインバータ３に出力する。太陽電池モジュール５ａの開放電圧は、例えば、５０Ｖである。

インバータ３は、電力線６を介してストリング２に接続される。インバータ３は、太陽電池モジュール５ａから出力される直流電力を交流電力に変換する。インバータ３は、電力系統７に接続されており、交流電力を商用電力系統や負荷装置に供給する。

詳細には、インバータ３は、ＤＣ／ＤＣコンバータ３ａと、ＤＣ／ＡＣインバータ３ｂと、制御部３ｃと、を含む。ＤＣ／ＤＣコンバータ３ａは、太陽電池モジュール５ａから出力される電力の電圧を所定の電圧に変換して、ＤＣ／ＡＣインバータ３ｂに入力する。ＤＣ／ＡＣインバータ３ｂは、ＤＣ／ＤＣコンバータ３ａを介して、太陽電池モジュール５ａから出力される直流電力を交流電力に変換する。制御部３ｃは、ＣＰＵやメモリ等を含み、ＤＣ／ＤＣコンバータ３ａ及びＤＣ／ＡＣインバータ３ｂを制御する。また、制御部３ｃは、電力線通信によって制御装置４ａ～４ｄを個別に制御する。

制御装置４ａ～４ｄは、太陽電池モジュール５ａをＭＰＰＴ（Maximum Power Point Tracking）制御する。本実施形態では、制御装置４ａ～４ｄは、太陽電池モジュールグループ５Ａ～５Ｄのそれぞれに設置されており、太陽電池モジュールグループ５Ａ～５Ｄ毎に太陽電池モジュール５ａをＭＰＰＴ制御する。具体的には、制御装置４ａは、太陽電池モジュールグループ５ＡをＭＰＰＴ制御する。制御装置４ｂは、太陽電池モジュールグループ５ＢをＭＰＰＴ制御する。制御装置４ｃは、太陽電池モジュールグループ５ＣをＭＰＰＴ制御する。制御装置４ｄは、太陽電池モジュールグループ５ＤをＭＰＰＴ制御する。制御装置４ａ～４ｄは、太陽電池モジュールグループ５Ａ～５Ｄの太陽電池モジュール５ａに外付けされている。

図２は、制御装置４ａの構成を模式的に示すブロック図である。制御装置４ａは、レギュレータ１１と、制御部１２と、メモリ１３と、ＭＰＰＴ回路１４と、センサ１５と、信号受信部１６と、開閉部１７と、バイパス回路１８と、を含む。

制御部１２は、例えば、プロセッサであり、信号受信部１６が受信したインバータ３の制御部３ｃからの制御信号やセンサ１５からの出力信号などに応じてメモリ１３に記憶されている種々のプログラムを実行する。メモリ１３は、例えば、フラッシュメモリやハードディスクドライブ等の記憶媒体で構成される。

制御部１２は、インバータ３からの制御信号に応じて、或いはセンサ１５からの出力信号に応じて、開閉部１７を開閉制御する。また、制御部１２は、太陽電池モジュール５ａをＭＰＰＴ制御する。本実施形態では、太陽電池モジュールグループ５Ａの太陽電池モジュール５ａをまとめてＭＰＰＴ制御する。詳細には、制御部１２は、センサ１５からの出力信号に基づき太陽電池モジュールグループ５Ａの最適動作点を追従して、太陽電池モジュールグループ５Ａが常に最大電力点で動作するようにＭＰＰＴ回路１４により太陽電池モジュールグループ５Ａの電圧、電流を制御する。ＭＰＰＴ回路１４は、例えば、昇圧回路、降圧回路、或いは昇降圧回路を含む。

センサ１５は、太陽電池モジュールグループ５Ａから出力される電圧値、電流値を測定して制御部１２に出力する。
信号受信部１６は、インバータ３の制御部３ｃからの制御信号を受信して、受信した制御信号を制御部１２に出力する。信号受信部１６は、無線通信によって外部機器から受信した信号を制御部１２に出力してもよい。

図３は、レギュレータ１１の構成を模式的に示す回路図である。 レギュレータ１１は、太陽電池モジュール５ａで発電された電力を電源として制御装置４ａを駆動させる駆動電源を生成し、制御装置４ａに安定した駆動電源を供給する。レギュレータ１１の構成は、周知の構成であり、入力端子２１ａ，２１ｂ、出力端子２２ａ，２２ｂ、ラインフィルタ２３、コンデンサ２４，２５、昇圧回路２６、スイッチング素子２７、制御回路２８、トランス２９、ダイオード３０、ＤＣ／ＤＣコンバータ３１、フィードバック回路３２等を含む。なお、制御装置４ａの駆動電源は、外部電源から供給されてもよい。

図４は、開閉部１７の構成を説明するためのブロック図である。開閉部１７は、太陽電池モジュール５ａとインバータ３との接続を開閉する。本実施形態では、開閉部１７は、太陽電池モジュールグループ５Ａとインバータ３との接続を開閉する。太陽電池モジュールグループ５Ａは、制御装置４ａを介してインバータ３に接続されている。開閉部１７は、太陽電池モジュールグループ５Ａから出力される電力が低下した場合や、火災等の緊急時などに太陽電池モジュールグループ５Ａとインバータ３との接続を遮断するために設けられる。

開閉部１７は、制御部１２によって開閉制御される。開閉部１７は、半導体リレー１７ａと、メカニカルリレー１７ｂと、を含む。半導体リレー１７ａは、例えば、ＭＯＳＦＥＴなどのスイッチングデバイスである。メカニカルリレー１７ｂは、半導体リレー１７ａに並列に接続される。制御装置４ａに電源が供給されていないとき、開閉部１７は開状態にあり、太陽電池モジュールグループ５Ａとインバータ３との接続が遮断された状態にある。したがって、制御装置４ａに電源が供給されていないとき、メカニカルリレー１７ｂの接点は、開いた状態（ＯＦＦ状態）にある。

バイパス回路１８は、制御装置４ａが太陽電池モジュールグループ５Ａとインバータ３との接続が遮断された状態のときに制御部３ｃからの制御信号を信号受信部１６が受信できるようにするための回路である。また、バイパス回路１８は、太陽電池モジュールグループ５Ａ～５Ｄのうち、例えば太陽電池モジュールグループ５Ａのみを電路から遮断したときに、太陽電池モジュールグループ５Ｂ～Ｄとインバータ３との通電状態を維持するための回路である。制御部１２の信号受信部１６は、太陽電池モジュールグループ５Ａとインバータ３との接続が遮断された状態のときに、バイパス回路１８を介して制御部３ｃからの制御信号を受信することができる。制御装置４ｂ～４ｄの構成は、制御装置４ａと同様の構成であるため説明を省略する。

次に、図５を参照して、制御部１２が開閉部１７を開閉制御するときの開閉部１７の動作について説明する。図５は、半導体リレー１７ａとメカニカルリレー１７ｂが動作するタイミングを示すタイミングチャートである。

半導体リレー１７ａとメカニカルリレー１７ｂがともにＯＦＦ状態にあるときは、太陽電池モジュールグループ５Ａとインバータ３との接続が遮断された遮断状態にある。遮断状態の具体例は、例えば、夜間、或いは雨等の天候の影響で、太陽電池モジュール５ａが太陽光を受けていないときや、火災等の緊急時である。このとき、太陽電池モジュールグループ５Ａで発電された電力は、インバータ３に出力されない。

図５に示すように、制御部１２は、インバータ３からの制御信号、或いはセンサ１５からの出力信号に応じて遮断状態にある太陽電池モジュールグループ５Ａとインバータ３とを接続するとき、最初に半導体リレー１７ａを接続（ＯＮ）する。このとき、メカニカルリレー１７ｂの接点はＯＦＦ状態にある。制御部１２は、半導体リレー１７ａを接続状態（ＯＮ状態）にした後で、メカニカルリレー１７ｂをＯＮ状態にする。そして、制御部１２は、半導体リレー１７ａとメカニカルリレー１７ｂの両方をＯＮ状態にした後で、半導体リレー１７ａのみをＯＦＦ状態にする。

一方、制御部１２は、インバータ３からの制御信号、或いはセンサ１５からの出力信号に応じて太陽電池モジュールグループ５Ａとインバータ３との接続を遮断するとき、最初にＯＦＦ状態の半導体リレー１７ａをＯＮ状態にする。制御部１２は、半導体リレー１７ａをＯＮ状態にした後で、メカニカルリレー１７ｂの接点を開いてメカニカルリレー１７ｂをＯＮ状態からＯＦＦ状態にする。そして、制御部１２は、メカニカルリレー１７ｂをＯＦＦ状態にした後で、半導体リレー１７ａをＯＦＦ状態にする。
このように制御部１２が開閉部１７を開閉制御することで、太陽電池モジュールグループ５Ａで発電された電力がインバータ３に出力されている状態のときは、太陽電池モジュールグループ５Ａとインバータ３とがメカニカルリレー１７ｂを介して接続される。すなわち、通電時の接続はメカニカルリレー１７ｂが用いられる。このため、発電時において、半導体リレー１７ａのオン抵抗の影響による発電効率の低下を抑制することができる。

さらに、本実施形態における太陽光発電システム１は、制御装置４ａ～４ｄが太陽電池モジュールグループ５Ａ～５Ｄ毎に設置されているので、制御装置４ａ～４ｄの設置コストの低減化を図りつつ、半導体リレー１７ａのオン抵抗の影響による発電効率の低下を抑制することができる。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。

前記実施形態では、太陽電池モジュールグループ５Ａ～５Ｄ毎に制御装置４ａ～４ｄを設置していたが、図６に示すように、制御装置４ａを太陽電池モジュール５ａのそれぞれに設置してもよい。この場合は、太陽電池モジュール５ａ単位でＭＰＰＴ制御され、太陽電池モジュール５ａ単位で開閉部１７が開閉制御される。この場合においても、発電時において、半導体リレー１７ａのオン抵抗の影響による発電効率の低下を抑制することができる。
前記実施形態では、太陽電池モジュールグループ５Ａ～５Ｄのそれぞれが、４個の太陽電池モジュール５ａを含んでいたが、太陽電池モジュール５ａの個数は前記実施形態に限定されるものではない。また、太陽電池モジュールグループ５Ａ～５Ｄのそれぞれが必ずしも同じ個数の太陽電池モジュール５ａを含む必要はない。例えば、太陽電池モジュールグループ５Ａが４個の太陽電池モジュール５ａを含み、太陽電池モジュールグループ５Ｂが５個の太陽電池モジュール５ａを含んでもよい。また、制御装置４ａ～４ｃの配置や設置個数は、前記実施形態に限定されるものではない。

本発明によれば、太陽電池モジュールの発電効率の低下を抑制できる制御装置を提供することができる。また、本発明によれば、太陽光発電システムにおいて、制御装置の設置コストの低減化を図りつつ、発電効率の低下を抑制することができる太陽光発電システムを提供することができる。

１ 太陽光発電システム
３ インバータ
４ａ～４ｄ 制御装置
５Ａ～５Ｄ 太陽電池モジュールグループ
５ａ 太陽電池モジュール
１２ 制御部
１７ 開閉部
１７ａ 半導体リレー
１７ｂ メカニカルリレー

Claims (4)

1. 複数の太陽電池モジュールをそれぞれ含み、互いに直列に接続された複数の太陽電池モジュールグループと、
   前記太陽電池モジュールグループに接続され、前記太陽電池モジュールで発電された直流電力を交流電力に変換するインバータと、
   前記太陽電池モジュールグループと前記インバータとの接続を開閉する開閉部と、前記インバータからの制御信号に応じて前記開閉部を開閉制御する制御部と、を含み、前記太陽電池モジュールグループのそれぞれに設置され、前記太陽電池モジュールグループ毎に前記太陽電池モジュールをＭＰＰＴ制御する制御装置と、
   を備え、
   前記制御装置の前記開閉部は、半導体リレーと、前記半導体リレーに並列に接続されるメカニカルリレーと、を含み、
   前記制御装置の制御部は、前記太陽電池モジュールと前記インバータとを接続するときは、前記半導体リレーをＯＮ状態にした後で前記メカニカルリレーをＯＮ状態にし、前記メカニカルリレーをＯＮ状態にした後で前記半導体リレーをＯＦＦ状態にし、前記太陽電池モジュールと前記インバータとの接続を遮断するときは、前記半導体リレーをＯＮ状態にした後で前記メカニカルリレーをＯＦＦ状態にし、前記メカニカルリレーをＯＦＦ状態にした後で前記半導体リレーをＯＦＦ状態にする、
   太陽光発電システム。
2. 前記制御装置は、前記太陽電池モジュールからの電力によって駆動される、
   請求項１に記載の太陽光発電システム。
3. 前記制御装置は、電力線通信によって前記インバータからの制御信号を受信する、
   請求項１又は２に記載の太陽光発電システム。
4. 前記制御装置は、前記インバータからの信号を受信する信号受信部と、前記太陽電池モジュールグループと前記インバータとの接続が遮断された状態において前記信号受信部が前記インバータからの制御信号を受信するためのバイパス回路と、を含む、
   請求項１から３のいずれか１項に記載の太陽光発電システム。

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