JPWO2015015532A1

JPWO2015015532A1 - 電力変換装置

Info

Publication number: JPWO2015015532A1
Application number: JP2015529220A
Authority: JP
Inventors: 鈴木　淳一; 淳一鈴木; 森田　功; 功森田
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2013-07-31
Filing date: 2013-07-31
Publication date: 2017-03-02
Anticipated expiration: 2033-07-31
Also published as: CN205490215U; WO2015015532A1; JP6167337B2

Abstract

【目的】電力変換装置の容量オーバーを抑制する。【構成】電力変換装置において、夫々の太陽電池ストリング（Ａ〜Ｅ）の直流電力を昇圧する昇圧回路（２ａ〜２ｅ）と、この昇圧回路へ入力する直流電力の少なくとも電流値、電圧値、もしくは当該直流電力値の何れか１つを得る検出部（３、４）と、この検出部の検出値と予め定めた値とから異常を検知し当該昇圧回路の出力電力を減少させる第１の保護動作部と、全てもしくは有効に作動している昇圧回路の少なくとも総出力電力または総電流の何れか１つの値から異常を判断して前記全てもしくは有効に作動している昇圧回路夫々の出力電力を減少させる第２の保護動作部を備える。

Description

本発明は再生可能エネルギーに基づく直流電力を交流電力に変換する電力変換装置の保護動作に関するものである。

従来の電力変換装置には、複数の太陽電池ストリングからの入力を可能に構成し、夫々の入力毎、すなわち太陽電池ストリング毎の出力電流を検出し、夫々の太陽電池ストリング毎の出力電流を相互に比較し他の太陽電池ストリングの出力電流とかけ離れた状態に成っている場合に異常を判断するものがあった。（特許文献１）

特許第３４７４７１１号公報

特許文献１に記載のものでは、夫々の太陽電池ストリングの定格値がほぼ同じ場合に、相互に太陽電池ストリングの出力電流を比較することによって異常な状態（出力が定格値を大きく上回っていた場合や、出力が他と比べて異常に低い状態が継続されている場合など）を検知することができるが、全てもしくは大多数の太陽電池ストリングに不具合が生じているときなどでは異常状態の誤検知をする場合があった。

特に、日照量が多く夫々の太陽電池ストリングが定格以上の発電を行った場合に、その総発電量が、直流電力を交流電力に変換する変換部の設計容量を超えると保護動作が作動して電力変換装置が停止することがあった。

本発明の電力変換装置は、複数の太陽電池を電気的に接続して単一にまとめた太陽電池ストリングを複数個接続可能に構成され、これら太陽電池ストリングから得られる直流電力を交流電力へ変換するものにおいて、夫々の太陽電池ストリングに対応して当該太陽電池ストリングから得られる直流電力を昇圧する昇圧回路と、この昇圧回路へ入力する直流電力の少なくとも電流値、電圧値、もしくは当該直流電力値の何れか１つを得る検出部と、この検出部の検出値と予め定めた値とから異常を検知し当該昇圧回路の出力電力を減少させる第１の保護動作部と、全てもしくは有効に作動している昇圧回路の少なくとも総出力電力または総電流の何れか１つの値から異常を判断して前記全てもしくは有効に作動している昇圧回路夫々の出力電力を減少させる第２の保護動作部とを備えるものである。

本発明の電力変換装置は、昇圧回路夫々に対する第１の保護動作部と、全昇圧回路もしくは有効に作動している昇圧回路に対する第２の保護動作部とを備え、電力変換装置の異常停止を抑制するものである。

図１は本発明の一実施例を示す説明図である。図２は図１に示した一実施例の動作を示す説明図である。

本発明は、電力変換装置の昇圧回路夫々に対する第１の保護動作部と、全昇圧回路もしくは有効に作動している昇圧回路に対する第２の保護動作部とを備えて保護動作を行うものである。

図１は、本発明の一実施例を示す説明図であり、Ａ乃至Ｅは太陽電池ストリングであり、複数の太陽電池を電気的に直列／並列に接続して単一のモジュールとしたもの、またはこのモジュールを電気的に直列／並列に接続して単一のストリングとしたものである。以下、単にストリングＡ乃至Ｅとして実施例を説明する。図１において、１は電力変換装置であり、この電力変換装置１の出力は系統Ｇへ重畳される。

ストリングＡ乃至Ｅは夫々が対応する入力回路２ａ乃至２ｅの仕様（定格）に合致するように複数の太陽電池パネルを並列及び／又は直列に接続して構成したものである。入力回路の仕様（定格）としては最大直流電圧＝４５０Ｖ、最大直流電流＝１０Ａ、最大電力＝１．５ｋＷなどである。尚、接続するストリングの数はＡ乃至Ｅの５台に限るものではなく、またこの仕様に限るものでもない。

入力回路２ａ乃至２ｅは同じ回路を用いることができるので入力回路２ａを説明し入力回路２ｂ乃至２ｅの説明は省略する。入力回路２ａには太陽電池のストリングＡが正極及び負極の入力端子を介して接続され、入力回路２ａの（直流）入力電圧（ストリングＡの出力電圧に相当）を電圧検出器３で検出し、入力回路２ａの（直流）入力電流（ストリングＡの出力電流に相当）を電流検出器４で検出する。

電圧検出器３は印加される電圧を必要に応じて分圧し、Ａ／Ｄ（アナログ／デジタル）変換した後、デジタルの電圧値として制御部５へ供給する。尚、制御部５もしくは制御部５のマイクロプロセッサ等の制御素子がＡ／Ｄ変換部を有している場合は、この電圧検出器３は抵抗分圧による分圧部の構成でも良い。

電流検出器４は供給される電流を検出するものであり、シャント抵抗による電圧降下を検出するもの、ホール効果を利用する非接触型のものなどがあり検出した電流量に相当する電圧を出力するものである。この電圧は電圧検出器３の出力と同様に制御部５へ供給される。

入力回路２ａは直流電圧の昇圧部（昇圧回路）を備え、この昇圧部としては少なくともリアクタ６、スイッチング素子７、ダイオード８、コンデンサ９から構成され、コンデンサ９の端子電圧が目標電圧になるようにスイッチング素子７のオンデューティ比（例えばスイッチング周期は１〜３Ｋｚ）をフィードバック制御する一般的なＤＣ／ＤＣコンバータを用いることができる。ダイオード１０は入力回路を複数用いた際の逆流防止に用いられている。

ダイオード１０を介して出力された直流電力は他の入力回路２ｂ乃至２ｅの出力とまとめられて中間電圧を供給するコンデンサ１１へ供給される。この中間電圧は４個のスイッチング素子を単相ブリッジ状に接続してＤ／Ａ（デジタル／アナログ）変換を行うインバータ部１２へ供給される。

インバータ部１２は、系統Ｇの周波数と同等の周波数の変調波と搬送波との大小を比較して得られるスイッチング信号に基づいて夫々のスイッチング素子をＯＮ／ＯＦＦさせて系統Ｇと実質的に同一周波数の疑似正弦波の交流電力を出力する。この疑似正弦波はリアクタ１３、１４及びコンデンサ１５から成るフィルタ回路で高周波成分を減衰させた後系統Ｇへ重畳されるものである。尚、この疑似正弦波の波形成形はこの方式に限るものでなく、中性点クランプ方式など他の方式を用いることが可能である。

１６は表示部であり、汎用の７セグメント／８セグメントの表示器や液晶表示器など数字、記号、文字などを表示できるものであればよく、制御部５からの信号に基づき、数字、記号、文字を組み合わせて特定のコードを表示するものである。

制御部５は、昇圧部の目標電圧、系統Ｇへ重畳される交流電圧のピーク値（又は実効電圧や平均電圧でもよい）などを系統Ｇへ重畳する交流電力が最大（もしくは最大付近や目標電力値）になるように制御する。この際、電圧検出器３、電流検出器４の各検出値からストリングＡの発電電力を算出して前記制御に加味している。すなわちストリングＡ乃至ストリングＥの総発電電力がインバータ部から系統Ｇへ供給される電力を超えないように制御している。

例えば、ストリングＡの発電量は通常日照量が増せば増加するが特性上の最大発電量を超えることはない。この最大発電量は太陽電池毎の個体差によってすべてが同じ値になることはない。夫々の太陽電池の発電特性は発電量をＰ（Ｗ）とするとＰ＝Ｖ（Ｖ）×Ｉ（Ａ）で表されることが一般に知られている。従ってこの太陽電池を複数用いて成るモジュールやストリングもほぼこの特性で表される。

太陽電池の発電特性は電圧（Ｖ）の変化に対して発電量（Ｗ）が通常は単一のピーク値を持つ特性であり、このピーク時の発電量もＰ＝Ｖ×Ｉ＝Ｒ×Ｉ×Ｉで表せられ、太陽電池の出力電圧がピーク時の電圧Ｖから上下に外れると電流Ｉが減少し発電量Ｐも減少する。制御部５は発電量Ｐ（入力回路２ａの電圧検出器３の検出値と電流検出器４の検出値との積）が常に最大になるよう昇圧部の目標電圧を制御する。すなわち昇圧部の昇圧比を制御している。この昇圧比はスイッチング素子７のオンデューティ比で変わるのでストリングＡから見た入力回路２ａのインピーダンスＲが変化しストリングＡの出力を変化させることができる。

この目標電圧を発電量Ｐが最大になる値より小さくすることによって、ストリングＡの発電量を最大発電量より小さく制御することができる。
制御部５（第１保護動作部の動作）は、電圧検出器３の検出する電圧が入力回路２ａの仕様（入力電圧の上限電圧）を超えた場合、電流検出器４の検出する電流が入力回路２ａの仕様（入力電流の上限電流）を超えた場合、電圧検出器３の検出する電圧値と電流検出器４の検出する電流値との積が入力回路２ａの仕様（入力容量の上限）を超えた場合に昇圧部の目標電圧（スイッチング素子７のオンデューティ比）を所定値下げるものである。また、これらの条件がさらに継続する場合は、さらにこの目標電圧を下げるものである。

例えば電流検出器４の検出する電流値が所定値（仕様による値、この値に所定の値を掛けた値など）を超えた状態が所定時間（０．０５〜０．２０ｓｅｃ）を超えた場合に保護動作が開始される。尚、この保護動作の解除は、この所定値にデファレンシャルを加味した値を下回った際に行われる。

また、この保護動作は検出する電流値に基づいて複数のゾーン（保護動作を行わないゾーン、電流値を増加させない保護を行うゾーン、電流値を下げる保護を行うゾーン、電流値を大きく下げる保護を行うゾーンなど）を用いたゾーン制御を行うことも可能であり、特に限定されるものではない。尚、電圧値、電圧値と電流値との積（発電電力に相当）を用いる場合も同様に保護動作が行えるものである。

尚、電圧、電流の検出は入力回路２ａの出力側（ダイオード８の出力側）の電圧値、電流値に置き換えることができ、この場合も、電流値及び入力容量の判断に用いることができる。入力回路２ｂ乃至２ｅも同様に夫々対応するストリングの発電量が大きくなるように昇圧部の目標電圧を制御すると共に、ストリングの発電量が夫々の入力回路の仕様を超えた場合には対応するストリングの発電量を下げる保護制御を行うものである。

このような保護制御が行われた場合は、制御部５は表示部１６へ特定のコードを出力し表示を行うものである。

制御部５（第２保護動作部の動作）は、夫々の入力回路２ａ乃至２ｅの出力電力の合算値（但し、接続されているストリングの発電量が少なく昇圧動作を行っていないなど有効でない入力回路の出力電力は加算しない。もしくは出力電力を０として加算することができるものである。）が設定値（インバータ部１２の仕様に基づく許容容量の値、もしくはこの値に所定の値を掛けた値、特定の値など）を超えた際に保護動作を行う。

この保護動作は入力回路２ａ乃至２ｅ（有効な入力回路のみとしてもよい）へ実質的に同時に出力を低下させる動作を行うものであり、具体的な保護動作は第１保護動作部の動作を定数を変えて用いることができるので詳細な説明は省略する。第１保護動作部と第２保護動作部との動作の違いは第１保護動作部が夫々の入力回路を個別に対応するものであるのに対して第２保護動作部は入力回路すべてに同時に対応させるものである。

第２保護動作部の動作は夫々の入力回路２ａ乃至２ｅの入力電力に基づく他、インバータ部１２の入力側に電圧検出器、電流検出器を設けこれらの検出器による入力電力や入力電流の値を用いて行うことも可能である。また、系統Ｇへ供給（重畳または売電）される電力量を電力メーター１７で検出して置き換えることも可能であるがこの場合、入力回路やインバータ部１２などの変換ロス等を考慮して設定値を補正すればよい。また、系統の電圧を一定と仮定すれば、この電力量から電流値を算出して用いることも可能である。

図２は図１に示した一実施例の動作を示す説明図であり、ステップＳ１で夫々の入力回路２ａ乃至２ｅへ供給される電流Ｉ及び電圧Ｖを検出する。ステップＳ２ではステップＳ１で検出した電流Ｉ及び電圧Ｖから夫々の入力回路の入力電力（対応するストリングの発電電力）を算出する。ステップＳ３では夫々の入力回路の入力電力（発電量）の合計である発電量Σを算出する。

ステップＳ４では、ステップＳ１で検出した電流Ｉに異常な状態（設定値を超えている状態）の入力回路があるか否かを判断し、この条件を満たす場合（Ｙｅｓの場合）はステップＳ５へ進み第１保護動作を行う。

ステップＳ６では、ステップＳ３で算出した発電量Σが異常な状態（設定値を超えている状態）であるか否かを判断し、この条件を満たす場合（Ｙｅｓの場合）はステップＳ７へ進み第２保護動作を行うものである。

このように、本発明では第１保護動作と第２保護動作とを用いて電力変換装置の容量オーバーを抑制するものである。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、以上の説明は本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明はその趣旨を逸脱することなく、変更、改良され得ると共に本発明にはその等価物が含まれることは勿論である。

１電力変換装置
２ａ〜２ｅ入力回路
３電圧検出器
４電流検出器
５制御部
１６表示部
１７電力メーター

Claims

複数の太陽電池を電気的に接続して単一にまとめた太陽電池ストリングを複数個接続可能に構成され、これら太陽電池ストリングから得られる直流電力を交流電力へ変換する電力変換装置において、夫々の太陽電池ストリングに対応して当該太陽電池ストリングから得られる直流電力を昇圧する昇圧回路と、この昇圧回路へ入力する直流電力の少なくとも電流値、電圧値、もしくは当該直流電力値の何れか１つを得る検出部と、この検出部の検出値と予め定めた値とから異常を検知し当該昇圧回路の出力電力を減少させる第１の保護動作部と、全てもしくは有効に作動している昇圧回路の少なくとも総出力電力または総電流の何れか１つの値から異常を判断して前記全てもしくは有効に作動している昇圧回路夫々の出力電力を減少させる第２の保護動作部とを備えることを特徴とする電力変換装置。
複数の太陽電池を電気的に接続して単一にまとめた太陽電池ストリングを複数個接続可能に構成され、これら太陽電池ストリングから得られる直流電力を交流電力へ変換する電力変換装置において、夫々の太陽電池ストリングに対応して当該太陽電池ストリングから得られる直流電力を昇圧する昇圧回路と、この昇圧回路へ入力する直流電力の少なくとも電流値、電圧値、もしくは当該直流電力値の何れか１つを得る検出部と、この検出部の検出値と予め定めた値とから異常を検知し当該昇圧回路の出力電力を減少させる第１の保護動作部と、前記変換された交流電力の少なくとも総出力電力または総電流の何れか１つの値から異常を判断して前記全てもしくは有効に作動している昇圧回路夫々の出力電力を減少させる第２の保護動作部とを備えることを特徴とする電力変換装置。