KR20100103353A - 파워 컨디셔너 및 태양광 발전 시스템 - Google Patents

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KR20100103353A
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마사오 마부치
야스히로 츠보타
타카오 미조카미
히데아키 후지타
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오므론 가부시키가이샤
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Abstract

제 1의 회로가, 직류 전압으로부터, 전압 레벨이 직류 전원의 부극측 전위인 제 1 기준 전위에 대해 정측으로 변화하는 제 1 방형파 전압열을 생성한다. 제 2의 회로가, 전압 레벨이, 정측의 제 1 방형파 전압열보다 저전압에서 제 2 기준 전위에 대해 부측으로 변화하는 제 2 방형파 전압열을 생성함과 동시에, 제 1, 제 2 방형파 전압열을 가산하는 것으로 전압이 제 1 기준 전위에 대해 그 정부 양측으로 교대로 정현파적으로 변화하는 제 3 방형파 전압열을 형성한다. 제 3의 회로가, 제 3 방형파 전압열을 충방전시킴과 동시에, 그 충방전 출력을, 제 3 방형파 전압열과 정현파 전압의 차분을 보정하도록 PWM 제어하고, 제 3 방형파 전압열과 PWM 출력에서 제 1 기준 전위에 대해 정부 양측으로 연속하여 변화하는 정현파 전압을 생성하여, 부하측에 출력한다.

Description

파워 컨디셔너 및 태양광 발전 시스템{POWER CONDITIONER AND PHOTOVOLTAIC POWER GENERATION SYSTEM}
본 발명은, 박막 태양전지나 연료 전지 등의 직류 전원으로 발전된 직류 전력을 계통에 연계한 교류 전력으로 변환하는 파워 컨디셔너 및 그것을 이용한 태양광 발전 시스템에 관한 것이다.
근래, 지구 환경 보호의 관점에서, 무진장한 무공해 에너지로서 태양전지에 의한 발전 시스템의 개발이 활발하게 진행되고 있다. 이러한 태양광 발전 시스템에서는, 태양전지로부터의 직류 전력을, 파워 컨디셔너에 의해 계통에 연계한 상용 주파수의 교류 전력으로 변환함과 동시에, 변환 후의 교류 전력을, 상용 전력 계통에 접속되어 있는 가정 내 부하에 공급하는 한편으로, 교류 전력이 가정 내 부하의 소비 전력을 상회하는 경우에는 잉여 전력을 계통측으로 역조류하게 하는 것이 있다.
태양광 발전 시스템에 이용하는 파워 컨디셔너는, 일반적으로는, 태양전지로 발전한 직류 전력을 교류 전력으로 변환하는 인버터와, 계통 연계를 위한 보호 장치를 구비하고 있다. 그리고, 관련 파워 컨디셔너에는, 절연 트랜스에 의해 직류부와 교류부를 전기적으로 절연한 절연형과, 절연 트랜스를 이용하지 않는 비절연형이 있다. 이들 양자를 비교하면, 후자의 비절연형의 쪽이, 전자보다도, 전력 변환 효율이 뛰어나다는 점에서, 보다 많이 사용되고 있다. 후자는, 일본 공개특허문헌(일본 특개2002-10496호)에 그 예가 개시되어 있다.
도 20에, 비절연형의 파워 컨디셔너를 구비한 태양광 발전 시스템의 구성례를 나타낸다. 이 파워 컨디셔너(36)는, 상용 전원(2)과 연계되어 운전된다. 파워 컨디셔너(36)는, 태양전지 패널(1)로부터의 발전 출력을 평활화하는 평활 콘덴서(33)와, PWM 제어의 인버터(34)와, 리액터와 콘덴서로 된 필터(35)와, 도시하지 않은 제어 회로를 구비하고 있다.
이 파워 컨디셔너(36)에 있어서는, 평활 콘덴서(33)로 태양전지 패널(1)로부터의 발전 출력을 평활화한다. 인버터(34)는 다이오드를 역병렬로 접속한 4개의 MOSFET 등으로 된 스위치 소자(37~40)에 의해 구성되고 있다. 그리고, 파워 컨디셔너(36)에 있어서는, 인버터(34) 안의 스위치 소자(37~40)를 18㎑ 전후의 높은 주파수로 스위칭 제어하는(ON/OFF 시키다) 것에 의해, 평활 콘덴서(33)로 평활화한 태양전지 패널(1)의 발전 출력을 상용 전력 계통에 동기한 교류 전력으로 변환 출력한다. 파워 컨디셔너(36)는, 이렇게 변환한 교류 전력을, 필터(35)를 이용하여 도시하지 않은 부하에 공급하거나, 또는, 계통측에 역조류하거나 한다. 태양전지 패널(1)을 구성하는 태양전지로서는, 변환 효율이 우수한 결정계 태양전지가 주류이다.
그렇지만, 원료인 실리콘의 사용량을 대폭적으로 삭감할 수 있음과 동시에, 생산 공정도 단순하고 대면적화가 가능한 값이 싼 박막 태양전지도 사용되고 있다. 무정형 실리콘으로 된 박막 태양전지로는, 태양전지의 부극측이 대지 전위보다도 낮아지면, 경년 열화를 일으키는 것으로 알려져 있다.
이 박막 태양전지에 있어서 열화를 방지하기 위해, 박막 태양전지의 부극측을 그라운드 전위로 할 필요가 있다. 절연 트랜스에 의해 직류부와 교류부를 전기적에 절연한 절연형의 파워 컨디셔너에서는, 직류측인 태양전지의 부극측을 그라운드 전위로 하는 것이 가능하다.
그렇지만, 전력 변환 효율이 우수한 도 20에 도시하는 것과 같은 비절연형의 파워 컨디셔너(36)에서는, 직류측과 교류측과의 기준 전위의 레벨이 다르기 때문에, 파워 컨디셔너(36)의 입력측인 태양전지의 부극측을 그라운드 전위로 할 수 없다는 과제가 있다.
한편, 태양전지 이외의 연료 전지나 발전기 등의 직류 전원에 있어도, 누전 등의 때의 안전성을 높이기 위해, 직류 전원의 부극측을 접지하는 요구가 있지만, 종래의 비절연형의 파워 컨디셔너에서는, 직류 전원의 부극측을, 교류 출력의 접지 전위와 동전위로 유지하는 것은 곤란했었다.
따라서 본 발명의 주된 목적은, 직류 전원의 부극측을, 교류 전원의 접지 전위와 동전위로 유지할 수 있는 비절연형의 파워 컨디셔너 및 그것을 이용한 태양광 발전 시스템을 제공하는 것이다.
(1) 본 발명의 파워 컨디셔너는,
직류 전원과 상용 전원 사이에 배치되고, 상기 직류 전원으로부터의 직류 입력을, 상기 상용 전원에 계통 연계한 교류 출력으로 변환하여 출력하는 비절연형의 파워 컨디셔너이고,
상기 직류 입력의 부극측을, 상기 교류 출력의 접지 전위와 등가, 또는, 높은 전위로 유지하는 회로를 구비하고,
상기 회로는,
상기 직류 전원으로부터의 직류 전압을, 계통 주파수인 제 1 주파수로 초핑 하는 것으로, 전압 레벨이, 상기 직류 전원의 부극측 전위인 제 1 기준 전위에 대해 정측으로 변화하는 복수의 방형파 전압으로 이루어진 제 1 방형파 전압열을 생성하는 제 1의 회로와,
상기 제 1 방형파 전압열의 전위를 제 2 기준 전위로 하여, 상기 제 1의 회로의 출력을 상기 제 1 주파수보다 소정배 높은 제 2 주파수로 초핑하는 것으로, 전압 레벨이, 상기 정측의 제 1 방형파 전압열보다 저전압에서 상기 제 2 기준 전위에 대해 부측으로 변화하는 복수의 방형파 전압으로 된 제 2 방형파 전압열을 생성함과 동시에, 상기 제 1, 제 2 방형파 전압열을 가산하는 것으로 전압이 상기 제 1 기준 전위에 대해 그 정부 양측으로 교대로 정현파적으로 변화하는 제 3 방형파 전압열을 형성하는 제 2의 회로와,
상기 제 3 방형파 전압열을 상기 정현파 전압과의 차분의 정부에 따른 타이밍에서 정해지는 제 3 주파수로 초핑하여 충방전시킴과 동시에, 그 충방전 출력을, 상기 제 3 방형파 전압열과 상기 정현파 전압과의 차분을 보정하도록, 상기 제 3 주파수보다도 높은 PWM 주파수로 PWM 제어하고, 상기 제 3 방형파 전압열과 상기 PWM 출력에서 상기 제 1 기준 전위에 대해 정부 양측으로 연속하여 변화하는 정현파 전압을 생성하여, 부하측에 출력하는 제 3의 회로를 구비한다.
직류 전원이란, 태양전지, 연료 전지, 풍력 발전, 발전기 등의 직류 전력을 발생하는 전원을 말한다. 접지 전위와 등가란, 직류 입력의 부극측을 직접 접지할 뿐만 아니라, 직접 접지하지 않고, 회로적으로 접지 전위와 대략 같은 전위로 하는 것을 포함한다.
여기에서, 방형파는, 상승, 하강 파형이 완전한 방형파일 필요는 없고, 충방전에 의해 상승, 하강 파형에 다소의 무디어짐 등을 포함해도 좋다. 정부 양측으로 교대로 정현파적으로 변화하는 것은, 기준 전위에 대해, 정(한쪽)측의 방형파 전압과 부(다른 쪽)측의 방형파 전압이, 교대로 일정한 주기로 나타나는 것을 말하고, 방형파의 주기와 정현파의 주기가 일치하는 것이 바람직하다. 제 3 방형파 전압열과의 차분을 얻기 위한 정현파 전압은, 전력 변환의 목표로 된 정현파 전압, 즉, 정현파 전압의 목표치(지령치)인 것이 바람직하다.
본 발명의 파워 컨디셔너에 의하면, 직류 입력의 부극측을, 교류 출력의 접지 전위와 등가, 또는, 높은 전위로 유지하는 회로를 구비하고 있기 때문에, 비절연형의 파워 컨디셔너에 있어서, 직류 전원의 부극측을, 접지 전위와 등가인 전위로 유지할 수 있고, 이것에 의해, 직류 전원의 부극측을 교류측의 접지 전위와 대략 같게 할 수 있기 때문에, 누전 등의 때의 안전성을 높일 수 있다. 또한, 직류 전원이 박막 태양전지인 경우에는, 박막 태양전지의 부극측을 접지 전위와 등가 또는 높은 전위로 유지하여, 경년 열화를 방지할 수 있다.
또한, 제 1, 제 2의 회로에 의해, 제 1 기준 전위인 직류 전원의 부극측 전위에 대해, 정부 양측으로 교대로 정현파적으로 변화하는 제 3 방형파 전압열을 생성하고, 이 제 3 방형파 전압열로부터, 직류 전원의 부극측 전위에 대해, 정부 양측으로 연속하여 변화하는 정현파 전압을 생성하도록 하고 있기 때문에, 직류측의 부극측 전위와 교류측인 정현파 전압의 제로 전위를 공통으로 할 수 있고, 절연 트랜스를 이용하지 않는 비절연형의 상기 파워 컨디셔너에 있어서, 직류 전원의 부극측을, 접지 전위와 등가인 전위로 할 수 있다.
또한, 제 1~제 3의 회로에 있어서 초핑의 주파수, 즉, 스위치 소자의 스위칭 주파수는, 정현파의 정 또는 부의 반주기내에서 다수의 방형파 전압열을 생성하는 종래의 PWM 제어의 인버터의 스위칭 주파수보다도 훨씬 낮게 하는 것이 가능해지고, 스위칭 손실을 절감할 수 있음과 동시에, 스위치 소자로서 도통 손실이 적은 소자를 선택할 수 있다.
게다가, 제 3의 회로에서는, 정부 양측으로 교대로 변화하는 제 3 방형파 전압열과 정현파 전압과의 차분의 전압을 PWM 제어하기 때문에, 종래의 PWM 제어의 인버터에서 스위칭한 전압과 비교하고, 낮은 전압에서의 스위칭으로 되고, 스위칭 손실을 절감할 수 있다. 이것에 의해, 종래의 인버터와 비교하여, 전력 변환 효율을 향상시킬 수 있다.
(2) 본 발명의 파워 컨디셔너의 일 실시형태에서는,
직류측인 상기 직류 입력의 부극측이 접지되고 있다.
본 발명에서는, 제 1, 제 2의 회로에 의해, 제 1 기준 전위인 직류 전원의 부극측 전위에 대해, 정부 양측으로 교대로 정현파적으로 변화하는 제 3 방형파 전압열을 생성하고, 이 제 3 방형파 전압열로부터, 직류 전원의 부극측 전위에 대해, 정부 양측으로 연속하여 변화하는 정현파 전압을 생성하도록 하고 있기 때문에, 직류측의 부극측 전위와 교류측인 정현파 전압의 제로 전위를 공통으로 할 수 있다.
그 결과, 이 실시형태와 같이, 절연 트랜스를 이용하지 않는 비절연형의 해당 파워 컨디셔너에 있어서, 직류 전원의 부극측을 접지할 수 있다. 이것에 의해, 누전 등의 때의 안전성을 높일 수 있음과 동시에, 직류 전원이 박막 태양전지인 경우에는, 박막 태양전지의 부극측 전위가, 대지 전위보다도 낮아지고 경년 열화하는 것을 방지할 수 있다.
(3) 본 발명의 파워 컨디셔너의 일 실시형태에서는,
상기 상용 전원은, 접지된 배선을 구비하고 있고,
상기 제 1의 회로와 상기 제 2의 회로와 상기 제 3의 회로가, 상기 직류 입력과 상기 상용 전원 사이에 배치되고 있다.
접지된 배선을 구비하는 상용 전원으로서는, 중성점이 접지된 Y형 삼상 상용 전원 또는 Δ결선의 삼상 상용 전원, 단상 삼선의 상용 전원, 단상의 상용 전원에서 하나 배선이 접지된 상용 전원 등이 있다.
본 실시형태에서는, 접지된 배선을 구비하는 각종의 상용 전원에 연계시킨 운전이 가능해진다.
(4) 본 발명의 파워 컨디셔너의 일 실시형태에서는,
상기 상용 전원은, 중성점이 접지된 Y형 삼상 상용 전원이고,
해당 파워 컨디셔너는, 상기 직류 전원으로부터의 직류 입력을, 상기 삼상 상용 전원 각상에 계통 연계한 삼상 교류 전력으로 변환하고, 해당 삼상 교류 전력을 상기 교류 출력으로서 출력하고,
직류측인 상기 직류 전원의 부극측을 교류측인 상기 Y형 삼상 상용 전원의 중성점에 결선하는 것으로 접지한다.
본 실시형태에 의하면, 직류 전원의 부극측 전위에 대해, 정부 양측으로 교대로 정현파적으로 변화하는 제 3 방형파 전압열을 생성하고, 이 제 3 방형파 전압열로부터, 직류 전원의 부극측 전위에 대해, 정부 양측으로 연속하여 변화하는 정현파 전압을 생성하도록 하고 있기 때문에, 직류측인 직류 전원의 부극측 전위와 교류측인 정현파 전압의 제로 전위를 공통으로 할 수 있고, 절연 트랜스를 이용하지 않는 비절연형의 파워 컨디셔너에 있어서, 직류측인 직류 전원의 부극측을 접지할 수 있다.
이것에 의해, 누전 등의 때의 안전성을 높일 수 있다. 더욱, 직류 전원이 박막 태양전지인 경우에는, 박막 태양전지의 부극측 전위가, 대지 전위보다도 낮아지고 경년 열화를 방지 할 수 있다.
또한, 직류 전원의 부극측과, Y형 삼상 상용 전원의 중성점과의 양쪽을 함께 접지하면, 지락 전류가, 배선과 대지의 양쪽으로 나누어져서 흐르기 때문에, 지락 검출기능이 충분히 기능 하지 않게 된다. 본 실시형태에서는, 직류 전원의 부극측을 직접 접지하는 것은 아니고, Y형 삼상 상용 전원의 중성점에 결선하고, 그 중성점을 이용하여 간접적으로 접지하기 때문에, 지락 검출기능이 충분히 기능하여, 작업자 등이 직류 입력의 정극측에 접촉한 때에, 지락 전류를 검출하여 전로를 차단하는 보호 동작이 가능해지고, 작업자 등의 감전을 방지할 수 있다.
또한, 이 실시형태에서는, 누전을 검출하는 누전 검출 회로와, 그 누전 검출 회로에서 누전을 검출한 때에, 누전을 차단하는 차단 회로를 구비하도록 하여도 좋다. 그렇다면, 박막 태양전지의 부극측을 직접 접지하는 것은 아니고, 삼상 상용 전원의 중성점에 결선하고, 그 중성점을 이용하여 간접적에 접지하기 때문에, 누전 검출기능이 충분히 기능하여, 작업자 등이 박막 태양전지의 정극측에 접촉한 때에, 누전 전류를 검출하여 차단 회로에서 전로를 차단할 수 있고, 작업자 등의 감전을 방지할 수 있다.
(5) 본 발명의 파워 컨디셔너의 일 실시형태에서는,
직류측인 상기 직류 입력의 부극측이 직접 접지된다.
본 발명에서는, 직류 전원의 부극측 전위에 대해, 정부 양측으로 교대로 정현파적으로 변화하는 제 3 방형파 전압열을 생성하고, 이 제 3 방형파 전압열로부터, 직류 전원의 부극측 전위에 대해, 정부 양측으로 연속하여 변화하는 정현파 전압을 생성하도록 하고 있기 때문에, 직류측인 직류 전원의 부극측 전위와 교류측인 정현파 전압의 제로 전위를 공통으로 할 수 있다.
그 때문에, 이 실시형태와 같이, 절연 트랜스를 이용하지 않는 비절연형의 해당 파워 컨디셔너에 있어서, 직류측인 직류 전원의 부극측을 접지할 수 있다. 이것에 의해, 누전 등의 때의 안전성을 높일 수 있다. 또한, 직류 전원이 박막 태양전지인 경우에는, 박막 태양전지의 부극측 전위가, 대지 전위보다도 낮아지고 경년 열화를 방지 할 수 있다.
또한, 직류측인 직류 전원의 부극측과, 상용 전원의 하나의 배선이, 각각 접지되지만, 상기 부극측과 접지된 상기 배선과는 결선하지 않아도 좋기 때문에, 계통 전압의 왜곡 등에 기인하여 상기 배선에 3차 고조파 등의 고조파가 발생해도, 해당 파워 컨디셔너의 내부 회로에 고조파 전류가 흐르지 않고, 고조파 전류에 의한 내부 회로의 소실 등을 방지할 수 있다.
(6) 본 발명의 일 실시형태에서는,
상기 상용 전원은, 중성점이 접지된 Y형 삼상 상용 전원이고,
해당 파워 컨디셔너는, 상기 직류 전원으로부터의 직류 입력을, 상기 Y형 삼상 상용 전원 각상에 계통 연계한 삼상 교류 전력으로 변환하고, 해당 삼상 교류 전력을 상기 교류 출력으로서 출력하고,
상기 제 1의 회로와 상기 제 2의 회로와 상기 제 3의 회로가, 상기 직류 입력과 상기 Y형 삼상 상용 전원과의 사이에 배치되고,
직류측인 상기 직류 입력의 부극측이 접지 전위이다.
이 실시형태에 의하면, 직류 전원의 부극측 전위에 대해, 정부 양측으로 교대로 정현파적으로 변화하는 제 3 방형파 전압열을 생성하고, 이 제 3 방형파 전압열로부터, 직류 전원의 부극측 전위에 대해, 정부 양측으로 연속하여 변화하는 정현파 전압을 생성하도록 하고 있기 때문에, 직류측인 직류 전원의 부극측 전위와 교류측인 정현파 전압의 제로 전위를 공통으로 할 수 있고, 절연 트랜스를 이용하지 않는 비절연형의 해당 파워 컨디셔너에 있어서, 직류측인 직류 전원의 부극측을 접지할 수 있다.
이것에 의해, 누전 등의 때의 안전성을 높일 수 있음과 동시에, 직류 전원이 박막 태양전지인 경우에는, 박막 태양전지의 부극측 전위가, 대지 전위보다도 낮아져서 경년 열화를 방지 할 수 있다.
직류 전원의 부극측은, 직접 접지하지 않더라도, 부극측의 전위는, Y형 삼상 상용 전원의 각상이 밸런스한 중성점의 전위와 거의 동일하게 되기 때문에, 실질적으로 접지한 것과 마찬가지로 된다. 또한, 직류 전원의 부극측을 직접 접지하지 않아도 좋기 때문에, 지락 검출기능이 충분히 기능한다. 그 때문에, 작업자 등이 직류 입력의 정극측에 접촉한 때에, 지락 전류를 검출하여 전로를 차단한다는 보호 동작이 가능해지고, 작업자 등의 감전을 방지할 수 있다.
또한, 직류 전원의 부극측과 Y형 삼상 상용 전원의 중성점을 결선하지 않아도 좋기 때문에, 상기 중성점에 3차 고조파 등의 고조파가 발생해도, 해당 파워 컨디셔너의 내부 회로를 고조파 전류가 흐르지 않고, 고조파 전류에 의한 내부 회로의 소실 등을 방지할 수 있다.
(7) 본 발명의 파워 컨디셔너의 일 실시형태에서는,
상기 제 1의 회로는, 2개의 제 1, 제 2 스위치 소자를 직렬 접속하여 이루어지는 제 1 스위치 회로를 포함하고,
상기 제 1 스위치 회로는, 직류 전원의 정부 양극간에 접속된 제 1 콘덴서에 병렬 접속되고,
상기 제 1, 제 2 스위치 소자는, 상기 제 1 주파수로 교대로 ON/OFF 되고,
상기 제 2의 회로는, 제 2 콘덴서와 제 2 스위치 회로의 병렬 접속 회로를 포함하고,
상기 병렬 접속 회로의 병렬 접속 일측이, 상기 제 1, 제 2 스위치 소자의 직렬 접속부에 접속되고,
상기 제 2 스위치 회로는, 2개의 제 3, 제 4 스위치 소자를 직렬 접속하여 이루어지고,
상기 제 3, 제 4 스위치 소자는, 상기 제 2 주파수로 교대로 ON/OFF 되고,
상기 제 3의 회로는, 제 3 스위치 회로와 제 3 콘덴서의 병렬 접속 회로를 포함함과 동시에, 상기 병렬 접속 회로에 병렬로 접속된 제 4 스위치 회로를 포함하고,
상기 제 3 스위치 회로는, 2개의 제 5, 제 6 스위치 소자를 직렬 접속하여 이루어지고,
상기 제 5, 제 6 스위치 소자의 직렬 접속부가, 상기 제 3, 제 4 스위치 소자의 직렬 접속부에 접속되고,
상기 제 5, 제 6 스위치 소자는, 상기 제 3 주파수로 교대로 ON/OFF 되고,
상기 제 4 스위치 회로는, 2개의 제 7, 제 8 스위치 소자를 직렬 접속하여 이루어지고,
상기 제 7, 제 8 스위치 소자를 상기 제 3 주파수보다도 높은 PWM 주파수에서 PWM 제어한다.
본 실시형태에 의하면, 제 1의 회로에서는, 직류 전원의 부극측 전위인 제 1 기준 전위에 대해 정측으로 변화하는 제 1 방형파 전압열을 생성하고, 제 2의 회로에서는, 상기 제 1 방형파 전압열의 전위인 제 2 기준 전위에 대해 부측으로 변화하는 제 2 방형파 전압열을 생성함과 동시에, 제 1, 제 2 방형파 전압열을 가산하는 것으로, 상기 제 1 기준 전위에 대해 정현파적으로 교대로 정부 양측으로 변화하는 제 3 방형파 전압열을 생성하고, 제 3의 회로에서는, 상기 제 3 방형파 전압열로부터, 상기 제 1 기준 전위에 대해 정부로 연속하여 변화하는 정현파 전압을 생성하기 때문에, 직류측인 직류 전원의 부극측 전위와 교류측인 정현파 전압의 제로 전위를 공통으로 할 수 있고, 절연 트랜스를 이용하지 않는 비절연형의 해당 파워 컨디셔너에 있어서, 직류 전원의 부극측을 접지할 수 있다.
(8) 본 발명의 태양광 발전 시스템은,
본 발명의 파워 컨디셔너에 있어서 상기 (2)의 실시형태와,
상기 직류 전원으로서의 박막 태양전지를 구비한다.
본 발명의 일 실시형태인 발전 시스템에 의하면, 비절연형의 파워 컨디셔너에 있어서, 직류측인 박막 태양전지의 부극측을 접지할 수 있기 때문에, 박막 태양전지의 부극측 전위가, 대지 전위보다도 낮아지고 경년 열화를 방지 할 수 있다.
또한, 파워 컨디셔너의 전력 변환 효율을, 종래 예의 파워 컨디셔너와 비교하여 높일 수 있기 때문에, 발전 시스템의 효율을 높일 수 있다.
본 실시형태에 의하면, 비절연형의 파워 컨디셔너에 있어서, 직류 전원의 부극측을, 접지 전위와 등가인 전위로 유지할 수 있고, 이것에 의해, 직류 전원의 부극측을 교류측의 접지 전위와 대략 동일하게 할 수 있기 때문에, 누전 등의 때의 안전성을 높일 수 있다. 또한, 직류 전원이 박막 태양전지인 경우에는, 박막 태양전지의 부극측을 접지 전위와 등가 또는 높은 전위로 유지하고, 경년 열화를 방지할 수 있다.
또한, 본 실시형태에 의하면, 누전 등의 때의 안전성을 높일 수 있음과 동시에, 직류 전원이 박막 태양전지인 경우에는, 박막 태양전지의 부극측 전위가, 대지 전위보다도 낮아져서 경년 열화를 방지 할 수 있다.
본 발명의 그 밖의 목적은 앞으로 설명할 실시형태를 이해하면 명백해질 것이고, 첨부된 특허청구범위에 명시될 것이다. 그리고 본 명세서중에 언급하지 않은 다수의 이점은 본 발명을 실시하면, 당업자 쉽게 생각해 낼 수 있을 것이다.
도 1은, 본 발명의 실시형태에 관계된 태양광 발전 시스템의 구성도.
도 2는, 도 1의 파워 컨디셔너의 동작 설명도.
도 3은, 도 1의 제 1 초퍼 회로의 동작 원리를 설명하기 위한 도면.
도 4는, 도 1의 제 2 초퍼 회로의 동작 원리를 설명하기 위한 도면.
도 5는, 도 1의 제 3 초퍼 회로의 동작 원리를 설명하기 위한 도면.
도 6은, 도 5의 각 부분의 전압 파형을 나타내는 도면.
도 7은, 입력 전압이 800V인 경우의 각 부분의 전압을 나타내는 도면.
도 8은, 입력 전압이 520V인 경우의 각 부분의 전압을 나타내는 도면.
도 9는, 도 1의 각 부분의 파형을 나타내는 도면.
도 10은, 단상 3선의 경우의 구성도.
도 11은, 삼상 3선의 경우의 구성도.
도 12는, 삼상 4선의 경우의 구성도.
도 13은, 본 실시형태와 종래 방식의 특성을 나타내는 도면.
도 14는, 도 13의 종래 방식의 구성도.
도 15는, 작업자의 감전을 설명하기 위한 도면.
도 16은, 태양전지의 부극측과 상용 전원의 중성점을, 함께 접지한 때의 전류의 흐름을 설명하기 위한 도면.
도 17은, 본 발명의 다른 실시형태의 구성도.
도 18은, 본 발명의 또 다른 실시형태의 구성도.
도 19는, 본 발명의 다른 실시형태의 구성도.
도 20은, 종래예의 구성도.
도 1은, 본 발명의 일 실시형태에 관계된 태양광 발전 시스템의 구성도이고, 단상 2선의 경우의 구성을 나타내고 있다. 이 실시형태의 태양광 발전 시스템은, 태양전지 패널(1)과, 태양전지 패널(1)로부터의 직류 전력을 교류 전력으로 변환하고, 상용 전원(2)과 연계 운전하는 파워 컨디셔너(3)를 구비하고 있다.
태양전지 패널(1)은, 복수의 태양전지 모듈을 직렬 또는 병렬로 접속하여 필요한 발전 전력을 얻도록 구성되고 있다. 본 실시형태의 태양전지 패널(1)은, 무정형 실리콘제의 박막 태양전지로부터 구성되어 있다. 이 실시형태의 파워 컨디셔너(3)는, 절연 트랜스를 구비하지 않는 비절연형 트랜스리스의 파워 컨디셔너이다. 이 파워 컨디셔너(3)는, 평활 콘덴서인 제 1 콘덴서(4)와, 제 1~제 3 초퍼 회로(5~7)와, 노이즈 필터(8)과, 각 부분의 전압 등을 계측하고 각 초퍼 회로(5~7)를 제어하는 제어 회로(9)를 구비하고 있다. 제 1~제 3 초퍼 회로(5~7) 및 제어 회로(9)는, 태양전지 패널(1)에 대해 종속(cascade) 접속된 초퍼 컨버터를 구성한다. 태양전지 패널(1)의 부극측은 그라운드되어 있다. 도 1에 도시하는 (a)점은 그라운드이고, 이 그라운드의 전압은 제로이다. (b)점은, 태양전지 패널(1)의 정극측이다. 태양전지 패널(1)의 정부 양극간에, 제 1 콘덴서(4)가 병렬로 접속되고 있다.
제 1 초퍼 회로(5)는, 제 1 콘덴서(4)에 병렬로 접속되어 있다. 제 1 초퍼 회로(5)는, 직렬 접속한 2개의 제 1, 제 2 스위치 소자(10, 11)를 포함한다. 제 1, 제 2 스위치 소자(10, 11)에는 다이오드가 각각 역병렬로 접속되어 있다. 제 1 초퍼 회로(5)는, 이들 2개의 제 1, 제 2 스위치 소자(10, 11)에 의해 제 1 스위치 회로를 구성하고 있다.
제 1 초퍼 회로(5)에 있어서, 제 1, 제 2 스위치 소자(10, 11)는, 제어 회로(9)로부터의 게이트 신호에 의해, 계통 주파수, 예를 들면 50㎐ 와 동일한 제 1 주파수(f1)로 교대로 ON/OFF 제어된다. 이들 제 1, 제 2 스위치 소자(10, 11)는, 제 2, 제 3 초퍼 회로(6, 7)의 스위치 소자(12~17)와 마찬가지로, 예를 들면, N 채널 MOSFET로 구성되어 있다. 또한, 스위치 소자는, MOSFET에 한하지 않고, IGBT, 트랜지스터 등의 다른 스위치 소자라도 좋다.
제 2 초퍼 회로(6)는, 제 2 콘덴서(18)와, 다이오드를 역병렬로 접속한 2개의 제 3, 제 4 스위치 소자(12, 13)를 직렬 접속하여 이루어진 제 2 스위치 회로를 포함한다. 제 2 콘덴서(18)와 제 2 스위치 회로는 서로 병렬 접속되어 있다. 제 3, 제 4 스위치 소자(12, 13)는, 제어 회로(9)로부터의 게이트 신호에 의해, 제 1 주파수(f1)의 2배의 주파수인 제 2 주파수(f2), 예를 들면, 100㎐로 교대로 ON/OFF 제어된다.
이 제 2 초퍼 회로(6)의 제 2 콘덴서(18)와 제 2 스위치 회로의 병렬 접속 일단측은, 제 1 초퍼 회로(5)의 제 1, 제 2 스위치 소자(10, 11)의 직렬 접속부에 접속되어 있다. 그 접속점을 도 1에서 (c)로 나타낸다. 도 1 중, (c), (d)는 제 2 콘덴서(18)의 양 콘덴서 전극측에 해당한다.
제 3 초퍼 회로(7)는, 다이오드를 역병렬로 접속한 2개의 제 5, 제 6 스위치 소자(14, 15)를 직렬 접속하여 이루어진 제 3 스위치 회로와, 제 3 콘덴서(19)와, 다이오드를 역병렬로 접속한 2개의 제 7, 제 8 스위치 소자(16, 17)를 직렬 접속하여 이루어진 제 4 스위치 회로를 포함한다. 제 3 초퍼 회로(7)에 있어서, 이들 제 3 스위치 회로, 제 3 콘덴서(19) 및 제 4 스위치 회로는 서로 병렬 접속되어 있다. 이들 회로의 병렬 접속 일단측과 다른 단측을 각각 도 1 중 (f), (g)로 나타낸다. 제 3 콘덴서(19)의 양 콘덴서 전극측은 이 (f), (g)에 해당한다.
제 5, 제 6 스위치 소자(14, 15)는, 제어 회로(9)로부터의 게이트 신호에 의해, 제 1 주파수(f1)의 3배의 주파수인 제 3 주파수(f3), 예를 들면, 150㎐로 교대로 ON/OFF 제어된다. 제 7, 제 8 스위치 소자(16, 17)는, 제어 회로(9)로부터의 게이트 신호에 의해, 고주파수(f4), 예를 들면, 18㎑에서 PWM 제어된다.
제 3 초퍼 회로(7)의 제 5, 제 6 스위치 소자(14, 15)의 직렬 접속부는, 제 2 초퍼 회로(6)의 제 3, 제 4 스위치 소자(12, 13)의 직렬 접속부에 접속되어 있다. 그 접속점을 도 1 중, (e)로 나타낸다. 또한, 제 3 초퍼 회로(7)의 제 7, 제 8 스위치 소자(16, 17)의 직렬 접속부에, 리액터(20)와 제 4 콘덴서(21)로 이루어진 노이즈 필터(8)가 접속되어 있다. 그 접속점을 도 1 중, (h)로 나타낸다. 이 노이즈 필터(8)에는, 도시하지 않은 부하 및 상용 전원(2)이 접속된다.
제어 회로(9)는, 계통 전압(Vs) 및 계통 전류(Is)를, 도시하지 않은 차동 증폭 회로 등을 이용하여 계측하고, 종래와 마찬가지로 상용 전원(2)의 계통 주파수에 동기한 정현파 형상의 목표 전압의 지령치(V＊)를 산출함과 동시에, 제 1~제 3 콘덴서(4, 18, 19)의 양단의 전압(Vd1, Vd2, Vd3)을 도시하지 않은 차동 증폭 회로 등을 이용하여 계측하고, 각 초퍼 회로(5~7)를 제어하기 위한 게이트 신호를 생성한다.
상기 전압(Vd1)은, 그라운드인 (a)점 전압을 기준으로서 (b)점에 나타나는 태양전지 패널(1)의 직류 출력 전압이다. 전압(Vd2)은, 제 2 초퍼 회로(6)의 제 2 콘덴서(18)의 한쪽의 콘덴서 전극점 (d)를 기준으로 한 다른쪽의 콘덴서 전극점 (c)에서의 충전 전압이다. 전압(Vd3)은, 제 3 초퍼 회로(7)의 제 3 콘덴서(19)의 한쪽의 콘덴서 전극점 (f)를 기준으로 한 다른쪽의 콘덴서 전극점 (g)에서의 충전 전압이다.
도 2는, 이 실시형태의 각 초퍼 회로(5~7)의 동작의 개략을 설명하기 위한 도면이고, 도 2의 (A)는 도 1의 주요 부분의 구성도, 도 2의 (B)~(D)는, 도 2의 (A)중의 전압(V1, V2, V3)을 각각 나타내고, 도 2의 (B), (C)에는, 상술의 계통에 동기한 정현파 형상의 목표 전압의 지령치(V＊)의 파형을 가는 실선으로 나타내고 있다.
상기 전압(V1)은, 그라운드인 (a)점의 전위를 제 1 기준 전위으로 한 제 1 초퍼 회로(5)의 제 1, 제 2 스위치 소자(10, 11)의 직렬 접속부인 (c)점의 전압이다. 전압(V2)은, 상기 (c)점의 전위를 제 2 기준 전위으로 한 제 2 초퍼 회로(6)의 제 3, 제 4 스위치 소자(12, 13)의 직렬 접속부인 (e)점의 전압이다. 전압(V3)은, 제 3 초퍼 회로(7)의 제 5, 제 6의 스위치 소자(14, 15)의 직렬 접속부인 (e)점을 기준으로 한 제 7, 제 8의 스위치 소자(16, 17)의 직렬 접속부인 (h)점의 전압이다.
제 1 초퍼 회로(5)에서는, 상용 전원(2)의 계통 주파수와 동일한 50㎐의 경우, 계통 주파수와 동일한 50㎐의 제 1 주파수(f1)에서 1, 제 2 스위치 소자(10, 11)를 교대로 ON/OFF 제어한다. 이것에 의해, 제 1, 제 2 스위치 소자(10, 11)의 직렬 접속부인 (c)점의 전압(V1)은, 도 2의 (B)에 나타낸 바와 같이, 태양전지 패널(1)의 부극측 전압(전압 레벨 제로)을 제 1 기준으로 하여 정측으로 상승하는 복수의 방형파 전압으로 이루어진 제 1 방형파 전압열로 된다. 이 전압(V1)의 방형파의 전압 레벨은, 태양전지 패널(1)의 정극측의 직류 출력 전압(Vd1)으로 된다.
제 2 초퍼 회로(6)에서는, 제 1 주파수(f1)의 2배의 주파수인 100㎐의 제 2 주파수(f2)에서 제 3, 제 4 스위치 소자(12, 13)를 교대로 ON/OFF 제어한다. 이것에 의해, 제 3, 제 4 스위치 소자(12, 13)의 직렬 접속부인 (e)점의 전압(V2)은, 도 2의 (C)에 도시하는 바와 같이, 제 1, 제 2 스위치 소자(10, 11)의 직렬 접속부인 (c)점을 제 2 기준으로 하여, 부측으로 하강하는 복수의 방형파 전압으로 이루어진 제 2 방형파 전압열로 된다. 이 전압(V2)의 방형파의 전압 레벨은, 직류 출력 전압(Vd1)의 1/2로 되도록 제어된다.
이 제 2 초퍼 회로(6)의 제 3, 제 4 스위치 소자(12, 13)의 직렬 접속부인 (e)점의 전압(V2)은, 그라운드인 (a)점을 기준으로 한 경우, 즉, 제 1 기준 전위를 기준으로 한 경우는, 후술하는 도 4의 (D)에 나타낸 바와 같이, (a)-(c)점간의 전압(V1)과, (c)-(e)점간의 전압(V2)을 합계한 정부로 교대로 변화하는 정현파 형상에 대응한 계단 모양 파형의 전압(V1+V2)으로 된다. 이 계단 모양의 전압(V1+V2)은, 도 4의 (D)에 가는 실선으로 나타나는 상술의 정현파 형상의 목표 전압의 지령치(V＊)와 동기하여 정부로 교대로 변화한다.
제 3 초퍼 회로(7)에서는, 이 계단 모양 파형의 전압(V1+V2)과, 정현파 형상의 목표 전압의 지령치(V＊)의 차전압을 보상하도록 제 5, 제 6 스위치 소자(14, 15)를, 제 1 주파수(f1)의 3배의 주파수인 150㎐의 제 3 주파수(f3)로 교대로 ON/OFF 제어하고, 또한, 제 7, 제 8 스위치 소자(16, 17)를, 18㎑의 주파수(f4)로 PWM 제어한다.
이것에 의해, 도 2의 (A)의 제 3 초퍼 회로(7)의 제 7, 제 8의 스위치 소자(16, 17)의 직렬 접속부인 (h)점의 전압(V3)은, 제 5, 제 6의 스위치 소자(14, 15)의 직렬 접속부인 (e)점을 기준으로 하여 PWM의 평균치로 나타내면, 도 2의 (D)에 나타낸 바와 같이, 계단 모양 파형의 전압(V1+V2)과, 정현파 형상의 목표 전압의 지령치(V＊)의 차전압에 대응한 것으로 된다.
따라서, 제 3 초퍼 회로(6)의 제 7, 제 8 스위치 소자(16, 17)의 직렬 접속부인 (h)점의 전압(V3)은, 그라운드인 (a)점의 제 1 기준 전위를 기준으로 한 경우에는, 상용 전원(2)에 동기한 목표 전압의 지령치(V＊)에 대응한 정현파 형상의 전압으로 된다.
이하, 제 1~제 3 초퍼 회로(5~7)의 동작 원리를 더욱 상세히 설명한다. 도 3은, 제 1 초퍼 회로(5)의 동작 원리를 설명하기 위한 도면이고, 도 3의 (A)은, 태양전지 패널(1), 제 1 콘덴서(4) 및 제 1 초퍼 회로(5)를, 도 3의 (B)는 (a)-(c)간 전압(V1)을 각각 나타내고 있다. 특히, 도 3의 (B)에는, 정현파 형상의 목표 전압의 지령치(V＊)를 가는 실선으로 나타내고 있다.
태양전지 패널(1)의 정극측인 (b)점에는, 그라운드인 (a)점의 전위를 제 1 기준 전위로 하여 제 1 콘덴서(4)에서 평활화된 태양전지 패널(1)의 직류 출력 전압(Vd1)이 나타난다.
제 1 초퍼 회로(5)에 있어서, 직류 출력 전압(Vd1)은, 50㎐의 제 1 주파수(f1)로 교대로 ON/OFF 제어되는 제 1, 제 2 스위치 소자(10, 11)에 의해 초핑 된다. 제 1 스위치 소자(10)가 ON, 제 2 스위치 소자(11)가 OFF인 때는, (b)점 전압인 제 1 콘덴서(4)의 충전 전압(Vd1)이, 제 1 초퍼 회로(5)의 제 1, 제 2 스위치 소자(10, 11)의 직렬 접속부인 (c)점에 나타난다.
제 1 스위치 소자(10)가 OFF, 제 2 스위치 소자(11)가 ON인 때는, (a)점의 그라운드 전압이, 제 1 초퍼 회로(5)의 제 1, 제 2 스위치 소자(10, 11)의 직렬 접속부인 (c)점에 나타난다.
따라서, 위에서 설명한 바와 같이, 제 1, 제 2 스위치 소자(10, 11)의 직렬 접속부인 (c)점의 전압(V1)은, 도 3의 (B)에 나타낸 바와 같이, 그라운드 전위를 제 1 기준 전위로서 정측으로 상승하는 복수의 방형파 전압으로 이루어지는 제 1 방형파 전압열로 된다. 이 전압(V1)은, 태양전지 패널(1)의 부극측인 (a)점을 기준으로 한 제 1, 제 2 스위치 소자(10, 11)의 직렬 접속부인 (c)점의 전압이고, 방형파의 전압 레벨은, 태양전지 패널(1)의 직류 출력 전압(Vd1), 예를 들면, 800V로 된다.
이 제 1 초퍼 회로(5)로는, 계통의 전압과 위상이 일치한 방형파 전압열을 생성하기 때문에, 유효 전력을 출력할 수 있다.
도 4는, 제 2 초퍼 회로(6)의 동작 원리를 설명하기 위한 도면이고, 도 4의 (A)는 제 1 초퍼 회로(5) 및 제 2 초퍼 회로(6)를, 도 4의 (B)는 전압(V1)을, 도 4의 (C)는 전압(V2)을, 도 4의 (D)는 전압(V1+V2)을 각각 나타내고 있고, 도 4의 (B)~(D)는, 정현파 형상의 목표 전압의 지령치(V＊)를 가는 실선으로 합쳐 나타내고 있다.
제 2 초퍼 회로(6)에 있어서, 도 4의 (B)에 나타나는 (c)점의 전압(V1)은, 100㎐의 제 2 주파수(f2)로 교대로 ON/OFF 제어되는 제 3, 제 4 스위치 소자(12, 13)에 의해, 초핑된다. 제 3 스위치 소자(12)가 ON, 제 4 스위치 소자(13)가 OFF인 때는, 제 3, 제 4 스위치 소자(12, 13)의 직렬 접속부인 (e)점은, 제 1 초퍼 회로(5)의 제 1, 제 2 스위치 소자(10, 11)의 직렬 접속부인 (c)점과 동전위로 되고, 제 3 스위치 소자(12)가 OFF, 제 4 스위치 소자(13)이 ON인 때는, 제 3, 제 4 스위치 소자(12, 13)의 직렬 접속부인 (e)점의 전위는, (c)점의 전위보다도 마이너스로 된다. 따라서 제 3, 제 4 스위치 소자(12, 13)의 직렬 접속부인 (e)점의 전압(V2)은, 위에서 설명한 바와 같이, 제 1, 제 2 스위치 소자(10, 11)의 직렬 접속부인 (c)점의 전위를 제 2 기준 전위로 하여 도 4의 (C)에 나타낸 바와 같이, 부측으로 하강하는 복수의 방형파 전압으로 이루어지는 제 2 방형파 전압열로 된다.
또한, 제 1 초퍼 회로(5)의 제 1 스위치 소자(10)가 ON, 제 2 스위치 소자(11)가 OFF한 때에, 제 2 초퍼 회로(6)의 제 3 스위치 소자(12)가 OFF, 제 4 스위치 소자(13)이 ON하는 것에 의해, 제 2 콘덴서(18)가 충전된다. 또한, 제 1 초퍼 회로(5)의 제 1 스위치 소자(10)가 OFF, 제 2 스위치 소자(11)가 ON하고 있는 때에, 제 2 초퍼 회로(6)의 제 3 스위치 소자(12)가 OFF, 제 4 스위치 소자(13)이 ON하는 것에 의해, 제 2 콘덴서(18)의 충전 전하는 ON하고 있는 스위치 소자(11, 13)를 이용하여 방전된다. 이와 같이 제 2 콘덴서(18)는, 도 4의 (C)에 나타낸 바와 같이, 충전 기간(T1)에 걸치는 충전과, 방전 기간(T2)에 걸치는 방전을 교대로 반복하고, (c)점의 제 2 기준 전위를 기준으로 하여 부측으로 하강하는 방형파 전압이 생성된다. 이 방형파의 전압 레벨(Vd2)은, 태양전지 패널(1)의 직류 출력 전압(Vd1)의 1/2(Vd2＝-Vd1/2), 예를 들면, 400V이다.
상기 전압(V2)은, 제 1, 제 2 스위치 소자(10, 11)의 직렬 접속부인 (c)점을 기준로 한 제 3, 제 4 스위치 소자(12, 13)의 직렬 접속부인 (e)점의 전압이다. 따라서, 제 2 초퍼 회로(6)에서는, 그라운드인 태양전지 패널(1)의 부극측의 (a)점의 전위를 제 1 기준 전위로 하여 (e)점에는, 도 4의 (B)의 (a)-(c)점간 전압(V1)과, 도 4의 (C)의 (c)-(e)점간 전압(V2)를 합계하고, 도 4의 (D)에 나타내는 정현파 형상의 목표 전압의 지령치(V＊)의 변화에 대응하여 교대로 정부로 변화하는 계단 모양 파형의 전압(V1+V2)이 나타나게 된다. 이 제 2 초퍼 회로(6)에서는, 부측으로 하강하는 방형파 전압열을 생성하기 때문에, 짝수 다음의 고조파를 제거할 수 있고, 또한, 같은 전력으로 충전과 방전을 반복하기 때문에 원리적인 유효 전력은, 제로로 된다.
또한, 충방전은, 후술의 도 9의 (C)의 계통 전류(Is)가 제 2 콘덴서(18)를 흐르는 것으로 행해진다. 도 9의 (C)의 계통 전류(Is)가 정인 경우 도 4의 (C)의 T1의 기간 제 2 콘덴서(18)는 정현파 전류로 충전된다. 이 때문에, 실제의 동작에서는 T1 기간 서서히 V2는 감소한다. 마찬가지로, 도 9의 (C)의 계통 전류(Is)가 부인 경우 도 4의 (C)의 T2의 기간 제 2 콘덴서(18)는 정현파 전류로 방전된다. 이 때문에, 실제의 동작에서는 T2 기간 서서히 V2는 증가한다.
도 5는, 제 3 초퍼 회로(7)의 동작 원리를 설명하기 위한 도면이고, 도 6의 (A)는 상기 계단 모양 파형의 전압(V1+V2)을, 도 6의 (B)는, 제 5, 제 6의 스위치 소자(14, 15)의 직렬 접속부인 (e)점을 기준으로 하여, 제 7, 제 8 스위치 소자(16, 17)의 직렬 접속부인 (h)점의 전압(V3)을 PWM의 평균치로 나타낸 것이고, 도 6의 (A)에는, 정현파 형상의 목표 전압의 지령치(V＊)를 가는 실선으로 합쳐서 나타내고 있다.
제 5, 제 6 스위치 소자(14, 15)는, 도 6의 (A)에 나타내는 (e)점의 계단 모양 파형의 전압(V1+V2)과 정현파 형상의 목표 전압의 지령치(V＊)의 차전압의 정부에 따른 타이밍에서 ON/OFF 제어된다. 그 결과, 상기 전압(V1+V2)은, 그 ON/OFF 제어의 타이밍에서 제 3 콘덴서(19)로 충방전된다.
환언하면, 전압(V1+V2)＞정현파 형상의 목표 전압의 지령치(V＊)의 관계식이 성립하면, 차전압은 정이고, 제 5 스위치 소자(14)가 ON, 제 6 스위치 소자(15)가 OFF로 제어되는 결과, 전압(V1+V2)은 제 3 콘덴서(19)로 충전된다.
한편, 전압(V1+V2)＜정현파 형상의 목표 전압의 지령치(V＊)의 관계식이 성립하면, 차전압은 부이고 제 5 스위치 소자(14)가 OFF, 제 6 스위치 소자(15)가 ON으로 제어되는 결과, 제 3 콘덴서(19)에 충전된 전압은 방전된다.
상기 차전압의 대소 관계의 주기는, 제 3 주파수(f3)인 150㎐이고, 결과로서, 제 5, 제 6 스위치 소자(14, 15)는, 그 제 3 주파수(f3)로 교대로 ON/OFF 제어된다.
또한, 제 3 초퍼 회로(7)에서는, 전압(V1+V2)과 정현파 형상의 목표 전압의 지령치(V＊)의 차전압을 보정하는 듀티에서, 제 1 주파수(f1)보다도 수100배 높은 주파수인 18㎑의 제 4 주파수(f4)로 7, 제 8 스위치 소자(16, 17)를 PWM 제어한다. 이것에 의해, 제 7, 제 8 스위치 소자(16, 17)의 직렬 접속부인 (h)점에는, 도 6의 (B)에 나타낸 바와 같이, 계단 모양 파형의 전압(V1+V2)과 정현파 형상의 목표 전압의 지령치(V＊)의 차전압에 대응하는 전압(V3)이 나타난다. 이 전압(V3)은, PWM의 평균치를 나타내고 있고, 이 전압(V3)은, 제 5, 제 6의 스위치 소자(14, 15)의 직렬 접속부인 (e)점을 기준으로 한 제 7, 제 8의 스위치 소자(16, 17)의 직렬 접속부인 (h)점의 전압이다.
따라서, 제 3 초퍼 회로(7)에서는, 그라운드인 태양전지 패널(1)의 부극측의 (a)점을 기준으로 하여, 제 7, 제 8의 스위치 소자(16, 17)의 직렬 접속부인 (h)점에는, 도 6의 (A)에 나타내는 (a)-(e)점간 전압(V1+V2)과, 도 6의 (B)에 나타내는 (e)-(h)점간 전압(V3)을 합계한, 도 6의 (A)의 가는 실선으로 나타내는 전력 계통 주파수의 변화와 동상의 정현파 형상의 목표 전압의 지령치(V＊)가 나타나게 된다.
이 제 3 초퍼 회로(7)에서는, 계통 주파수의 3배의 주파수로 초핑함과 동시에, 정현파 전압과의 차분을 없애고 있기 때문에, 제 3차 이상의 고조파를 억제할 수 있다.
다음에, 도 1의 제어 회로(9)에 의한 각 초퍼 회로(5~7)의 초퍼 제어에 관하여, 더욱 상세히 설명한다. 제어 회로(9)는, 제 1 초퍼 회로(5)의 제 1, 제 2 스위치 소자(10, 11)에 대한 게이트 신호에 의해, 상술의 도 3의 (B)의 정측으로 상승하는 복수의 방형파 전압의 펄스폭을 제어한다. 즉, 제 1 초퍼 회로(5)의 출력 전압의 기본파 성분을, 계통 전원의 기본파 전압과 일치시키도록 제어하는 것이고, 방형파 전압의 펄스폭(δ)이, 예를 들면, 다음식에서 산출된 값이 되도록 제어한다.
δ＝sin-1{(√2πV)/(2Vd1)}
여기에서, V는, 계통 전원의 전압(Vs)의 실효가이다.
이 펄스폭(δ)을 Δδ1만큼 조정하면, 기본파 전압을 증감할 수 있고, 이 Δδ1을, 계측한 상술의 전압(Vd3)과 그 목표치(Vd3＊)의 오차에 계수를 승산하여 산출한다.
제어 회로(9)는, 제 2 초퍼 회로(6)의 제 3, 제 4 스위치 소자(12, 13)에 대한 게이트 신호에 의해, 상술의 도 4의 (C)에 나타나는 전압(Vd2)이, 제 1 초퍼 회로(5)의 전압(Vd1)의 1/2가 되도록 제어한다. 즉, 제 2 초퍼 회로(6)의 제 3, 제 4 스위치 소자(12, 13)가 게이트 신호에 의해 ON/OFF 제어되면, 위에서 설명한 바와 같이 제 2 콘덴서(18)가 충전과 방전을 반복하여, 도 4의 (C)에 나타내는 부측으로 하강하는 복수의 방형파 전압열을 생성하는 것이지만, 충전 기간(T1), 즉, 충전에 대응하는 방형파의 펄스폭은, 제 1 초퍼 회로(5)로부터 출력된 방형파의 펄스폭과 동일하고, 방전 기간(T2), 즉, 방전에 대응하는 방형파의 펄스폭은, 충전에 대응하는 방형파의 펄스폭을, Δδ2만큼 미조정한 것이다.
이 Δδ2는, 계측한 전압(Vd2)과 목표로 한 전압(Vd2＊)의 오차에 계수치를 승산하여 산출한다. 이 목표로 한 전압(Vd2＊)을, 계측한 전압(Vd1)의 1/2의 전압으로 하고 있다. 제어 회로(9)는, 태양전지 패널(1)의 발전 출력의 변동에 따라, 방형파 전압의 펄스폭을 위에서 설명한 바와 같이 제어한다.
도 7 및 도 8에, 태양전지 패널(1)로부터의 입력 전압(Vd1)이 변동한 경우의 정측 및 부측의 방형파 전압(V1, V2)의 시뮬레이션 파형을 나타낸다. 도 7은, 입력 전압(Vd1)이 800V인 경우를, 도 8은, 입력 전압(Vd1)이 520V인 경우를 각각 나타내고 있다.
도 7의 (A), 도 8의 (A)는 정현파 형상의 목표 전압의 지령치(V＊)를 나타낸다. 도 7의 (B), 도 8의 (B)는 제 1 초퍼 회로(5)에 의한 정측의 전압(V1)을 나타낸다. 도 7의 (C), 도 8의 (C)는 제 2 초퍼 회로(6)에 의한 부측의 전압(V2)을 나타낸다.
입력 전압(Vd1)이 낮아지면, 도 8의 (B)에 나타내는 정측의 방형파 및 도 8의 (C)에 나타내는 부측의 방형파의 어느 펄스폭도, 도 7과 비교하여 폭넓게 되도록 제어하는 것이 분명하다.
또한, 제어 회로(9)는, 상술의 도 6의 (A)에 나타내는 계단파 형상의 전압(V1+V2)과, 정현파 형상의 목표 전압의 지령치(V＊)의 차전압의 정부에 따른 타이밍에서, 제 3 초퍼 회로(7)의 제 5, 제 6 스위치 소자(14, 15)를 교대로 ON/OFF 제어하고, 또한, 상기 차전압을 보정하는 듀티에서, 제 7, 제 8 스위치 소자(16, 17)를 고주파수로 PWM 제어하고, 위에서 설명한 바와 같이 목표 전압의 지령치(V＊)의 정현파 전압을 생성한다.
도 9는, 도 1의 각 부분의 시뮬레이션 파형을 나타내는 것이고, 어느 쪽도 그라운드를 기준으로 하고 있다. 도 9의 (A)는 계통 전압(Vs), 도 9의 (B)는 제 3 초퍼 회로(7)의 출력 전압(V), 도 9의 (C)는 계통 전류(Is), 도 9의 (D)는 전압(V1) 및 V2(파선), 도 9의 (E)는 전압(V3), 도 9의 (F)는 전압(Vd2) 및 Vd3(파선)이다.
이 실시형태에서는, 제 2 초퍼 회로(6)에 의해, 태양전지 패널(1)의 부극측을 기준 전위로 하여, 마이너스측의 전압을 생성하고, 태양전지 패널(1)로부터의 직류와 변환 후의 교류의 기준 전위가 공통이기 때문에, 태양전지 패널(1)의 부극측을 그라운드 전위로 하는 것이 가능해지고, 변환 효율이 우수한 비절연형의 파워 컨디셔너에 있어서, 박막 태양전지의 부극측을 그라운드 전위로 할 수 있고, 무정형 실리콘으로 이루어지는 박막 태양전지의 열화를 방지하는 것이 가능해진다.
또한, 이 실시형태에서는, 위에서 설명한 바와 같이, 제 1 초퍼 회로(5)의 제 1, 제 2 스위치 소자(10, 11)는, 예를 들면, 800V의 전압을 50㎐의 제 1 주파수(f1)로 스위칭하고, 제 2 초퍼 회로(6)의 제 3, 제 4 스위치 소자(12, 13)는, 예를 들면, 400V의 전압을 100㎐의 제 2 주파수(f2)로 스위칭하고, 제 3 초퍼 회로(7)의 제 5, 제 6 스위치 소자(14, 15)는, 예를 들면, 260V의 전압을 150㎐의 제 3 주파수(f3)로 스위칭하고 있다. 즉, 이들 스위치 소자(10~15)는, 종래의 파워 컨디셔너의 PWM 제어의 인버터의 PWM 주파수와 비교하여, 훨씬 낮은 주파수로 스위칭 하고 있다.
또한, 제 3 초퍼 회로(7)의 제 7, 제 8 스위치 소자(16, 17)는, 계단파 형상의 전압(V1+V2)과, 정현파 형상의 목표 전압의 지령치(V＊)의 차전압인 260V 정도의 전압을 18㎑의 높은 주파수로 PWM 제어하고 있다. 즉, 제 7, 제 8 스위치 소자(16, 17)에서는, 종래의 파워 컨디셔너의 PWM 제어의 인버터와 비교하고, 낮은 전압을 스위칭하고 있다.
이와 같이, 제 1~제 3 초퍼 회로(5~7)의 제 1~6 스위치 소자(10~15)에서는, 종래의 PWM 제어와 비교하여, 훨씬 낮은 주파수로 스위칭하고 있기 때문에, 스위칭 손실을 절감할 수 있음과 동시에, 도통 손실이 낮은 스위치 소자나 값이 싼 스위치 소자를 선택할 수 있는 한편, 제 3 초퍼 회로(7)의 제 7, 제 8 스위치 소자(16, 17)에서는, 종래의 PWM 제어와 비교하여 낮은 전압을 스위칭하기 때문에, 스위칭 손실을 절감하는 것이 가능해진다. 이것에 의해, 파워 컨디셔너(3)의 전력 변환 효율을, 종래예의 비절연형의 파워 컨디셔너와 비교하여 향상시킬 수 있다.
상술의 실시형태에서는, 단상 2선의 경우에 적용하여 설명했지만, 본 발명의 다른 실시형태로서, 도 10에 나타낸 바와 같이 단상 3선, 도 11에 나타낸 바와 같이 Δ형 삼상 3선, 또는, 도 12에 나타낸 바와 같이 Y형 삼상 4선에 적용해도 좋다. 도 12에서는, 태양전지 패널(1)과, 중성점(2a)이 접지된 Y형 삼상의 상용 전원(2)의 각상과의 사이에, 상술의 제 1~제 3 초퍼 회로(5~7) 및 노이즈 필터(8)가 각각 마련되어 있다.
도 13은, 도 15에 나타내는 삼상 4선의 경우의 본 실시형태와, 도 14에 나타내는 종래 방식의 특성을 비교하여 나타내는 것으로, 횡축은 출력 전력(W)을, 종축은 효율(％)을 나타내고 있다. 도 13에 있어서, 실선은, 본 실시형태의 특성을 나타내고, 굵은 실선은 SJ(Super Junction) MOSFET를, 가는 실선은 IGBT를, 스위치 소자로서 각각 사용한 경우의 특성을 나타내고 있고, 파선은, 종래 방식의 특성을 나타내고 있다.
또한, 도 13은, 계통 선간 전압 400V, 입력 전압 570V인 경우를 나타내고 있다. 또한, 종래 방식의 장치는, 도 14에 나타낸 바와 같이, 리액터(28), 다이오드(29), 승압 회로(32), 평활 콘덴서(41) 및 PWM 제어의 인버터(42)를 구비하는 비절연형의 파워 컨디셔너이다. 승압 회로(32)는 IGBT(30)와 스위치(31)를 포함한다. 도 13에 나타낸 바와 같이, 본 실시형태에서는, 종래 방식과 비교하고, 효율이 향상하고 있는 것이 분명하다.
상술의 각 실시형태에서는, 직류측인 태양전지 패널(1)의 부극측인 (a)점을 접지하고 있기 때문에, 예를 들면, 도 15에 나타낸 바와 같이, 작업자(50) 등이, 직류의 정극측인 (b)점에 접촉하면, 감전된다.
비절연형의 파워 컨디셔너에는, 지락을 검출하여 전로를 차단하고 보호하는 지락 검출기능이 장비되어 있다. 그렇지만, 직류측인 태양전지 패널(1)의 부극측 (a)와, 교류측인 삼상 상용 전원(2)의 중성점(2a)을 함께 접지하면, 도 16에 나타낸 바와 같이, 지락 전류는, 실선의 화살표(A)로 나타내는 바와 같이 배선을 흐르는 한편, 파선의 화살표(B)로 나타내는 바와 같이 대지로도 나누어져서 흐르게 된다. 이 때문에, 배선을 흐르는 지락 전류를 검출한 지락 검출기능이 충분히 기능 하지 않고, 작업자를 감전으로부터 보호할 수 없게 된다.
따라서 이 경우에는, 예를 들면, 태양전지 패널(1)의 부극측의 접지 부분에 퓨즈를 설치하고, 작업자가 정극측을 부주의하게 만지지 못하도록, 절연부재로 덮어 보호할 필요가 있다.
도 17은, 본 발명의 다른 실시형태를 나타내는 것이고, 상술의 도 12에 대응하는 부분에는, 동일한 참조 부호를 붙인다. 이 실시형태에서는, 직류측인 태양전지 패널(1)의 부극측 (a)를 직접 접지하는 것은 아니고, 부극측을, 교류측인 Y 형의 삼상 상용 전원(2)의 중성점(2a)에 결선하는 것에 의해, 간접적으로 접지하는 것이다.
이 실시형태에 의하면, 태양전지 패널(1)의 부극측을 직접 접지하고 있지 않기 때문에, 작업자(50)가, 직류측의 정극측 (b)에 접촉하면, 지락 검출기능에 의해 작업자(50)를 보호할 수 있다. 즉, 작업자(50)가, 직류측의 정극측 (b)에 접촉하면, 파선의 화살표(C)로 나타내는 지락 전류를, 누전 검출 회로로서의 영상 변류기(ZCT51)로 검출하고, 상술의 제어 회로(9)는, ZCT51의 검출 출력에 근거하여, 차단 회로로서의 릴레이(52)를 열어서 전로를 차단함과 동시에, 전력 변환 동작을 정지시킨다. 또한, 태양전지 패널(1)의 부극측 (a)가, 교류측인 삼상 상용 전원(2)의 중성점(2a)을 이용하여 접지되기 때문에, 박막 태양전지의 열화를 방지하는 것이 가능해진다.
도 18은, 본 발명의 또 다른 실시형태를 나타내는 것으로, 도 12에 대응하는 부분에는, 동일한 참조 부호를 붙이다. 상술의 도 16에 나타낸 바와 같이, 직류측인 태양전지 패널(1)의 부극측과, 교류측인 삼상 상용 전원(2)의 중성점(2a)을 함께 접지하면, 계통측의 전압의 왜곡 등에 의해 중성점(2a)에 고조파가 발생한 경우에는, 고조파 전류가, 파선의 화살표(B)로 나타낸 바와 같이 대지를 흐름과 동시에, 실선의 화살표(A)로 나타낸 바와 같이, 파워 컨디셔너의 내부를 흐르게 되어, 내부 회로가 소실될 우려가 있다.
그래서, 본 실시형태에서는, 도 18에 나타낸 바와 같이, 직류측인 태양전지 패널(1)의 부극측 (a)와 교류측인 삼상 상용 전원(2)의 중성점(2a)을 각각 접지하는 한편, 양자를 결선하지 않도록 하고 있다. 이것에 의해, 고조파 전류는, 파선의 화살표(D)로 나타낸 바와 같이 대지를 흐르게 되어, 파워 컨디셔너의 내부 회로는 소실되지 않는다.
도 19는, 본 발명의 또 다른 실시형태를 나타내는 것으로, 상술의 도 12에 대응하는 부분에는, 동일한 참조 부호를 붙인다. 이 실시형태에서는, 직류측인 태양전지 패널(1)의 부극측 (a)를 접지하지 않도록 하고 있다. 접지하지 않아도, 태양전지 패널(1)의 부극측 (a)는, 상용 전원(2)의 삼상이 밸런스한 중성점(2a)의 전압과 거의 같아지기 때문에, 거의 그라운드 전위로 된다.
본 실시형태에 의하면, 직류측인 태양전지 패널(1)의 부극측 (a)를 접지하지 않기 때문에, 작업자(50)가, 직류측의 정극측 (b)에 접촉하면, 지락 전류를, 영상 변류기(ZCT51)로 검출하고, 제어 회로(9)는, ZCT51의 검출 출력에 근거하여, 릴레이(52)를 열어서 전로를 차단함과 동시에, 전력 변환 동작을 정지시킬 수 있다. 즉, 지락 검출기능에 의해 작업자를 보호할 수 있다. 또한, 태양전지 패널(1)의 부극측의 전위는, 삼상이 밸런스한 중성점(2a)의 전위인 그라운드와 거의 동일 전위로 되기 때문에, 태양전지 패널(1)을 구성하는 무정형 실리콘으로 이루어지는 박막 태양전지의 열화를 방지하는 것이 가능해진다. 또한, 태양전지 패널(1)의 부극측 (a)와 상용 전원(2)의 중성점(2a)을 결선하고 있지 않기 때문에, 고조파 전류가 파워 컨디셔너의 내부 회로를 흐르지 않고, 내부 회로가 소실되지도 않는다.
상술의 각 실시형태에서는, 직류 전원으로서 태양전지에 적용하여 설명했지만, 본 발명은, 태양전지 이외의 연료 전지나 그 밖의 직류 전원에도 적용할 수 있다.
이 발명을 상세히 그 가장 바람직한 구체적인 예에 관하여 설명했지만, 그 바람직한 실시형태에 관한 부품의 조합과 배열은, 하기에 청구하는 본 발명의 정신과 범위 내에서 여러 가지로 변경될 수 있을 것이다.

Claims (8)

  1. 직류 전원과 상용 전원 사이에 배치되고, 상기 직류 전원으로부터의 직류 입력을, 상기 상용 전원에 계통 연계한 교류 출력으로 변환하여 출력하는 비절연형의 파워 컨디셔너에 있어서,
    상기 직류 입력의 부극측을, 상기 교류 출력의 접지 전위와 등가, 또는, 높은 전위로 유지하는 회로를 구비하고,
    상기 회로는,
    상기 직류 전원으로부터의 직류 전압을 계통 주파수인 제 1 주파수로 초핑 하는 것으로, 전압 레벨이 상기 직류 전원의 부극측 전위인 제 1 기준 전위에 대해 정측으로 변화하는 복수의 방형파 전압으로 이루어지는 제 1 방형파 전압열을 생성하는 제 1의 회로와,
    상기 제 1 방형파 전압열의 전위를 제 2 기준 전위로 하여, 상기 제 1의 회로의 출력을 상기 제 1 주파수보다 소정배 높은 제 2 주파수로 초핑하는 것으로, 전압 레벨이, 상기 정측의 제 1 방형파 전압열보다 저전압에서 상기 제 2 기준 전위에 대해 부측으로 변화하는 복수의 방형파 전압으로 이루어지는 제 2 방형파 전압열을 생성함과 동시에, 상기 제 1, 제 2 방형파 전압열을 가산하는 것으로 전압이 상기 제 1 기준 전위에 대해 그 정부 양측으로 교대로 정현파적으로 변화하는 제 3 방형파 전압열을 형성하는 제 2의 회로와,
    상기 제 3 방형파 전압열을 상기 정현파 전압과의 차분의 정부에 따른 타이밍에서 정해지는 제 3 주파수로 초핑하여 충방전시킴과 동시에, 그 충방전 출력을, 상기 제 3 방형파 전압열과 상기 정현파 전압 차분을 보정하도록, 상기 제 3 주파수보다도 높은 PWM 주파수로 PWM 제어하고, 상기 제 3 방형파 전압열과 상기 PWM 출력에서 상기 제 1 기준 전위에 대해 정부 양측으로 연속하여 변화하는 정현파 전압을 생성하여, 부하측에 출력하는 제 3의 회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 파워 컨디셔너.
  2. 제 1항에 있어서,
    직류측인 상기 직류 입력의 부극측이 접지되어 있는 것을 특징으로 하는 파워 컨디셔너.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 상용 전원은, 접지된 배선을 구비하고 있고,
    상기 제 1의 회로와 상기 제 2의 회로와 상기 제 3의 회로가, 상기 직류 입력과 상기 상용 전원 사이에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 파워 컨디셔너.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 상용 전원은, 중성점이 접지된 Y형 삼상 상용 전원이고,
    상기 파워 컨디셔너는, 상기 직류 전원으로부터의 직류 입력을, 상기 삼상 상용 전원 각상에 계통 연계한 삼상 교류 전력으로 변환하고, 상기 삼상 교류 전력을 상기 교류 출력으로서 출력하고,
    직류측인 상기 직류 전원의 부극측을 교류측인 상기 Y형 삼상 상용 전원의 중성점에 결선하는 것으로 접지하는 것을 특징으로 하는 파워 컨디셔너.
  5. 제 3항에 있어서,
    직류측인 상기 직류 입력의 부극측이 직접 접지되어 있는 것을 특징으로 하는 파워 컨디셔너.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 상용 전원은, 중성점이 접지된 Y형 삼상 상용 전원이고,
    상기 파워 컨디셔너는, 상기 직류 전원으로부터의 직류 입력을, 상기 Y형 삼상 상용 전원 각상에 계통 연계한 삼상 교류 전력으로 변환하고, 상기 삼상 교류 전력을 상기 교류 출력으로서 출력하고, 상기 제 1의 회로와 상기 제 2의 회로와 상기 제 3의 회로가, 상기 직류 입력과 상기 Y형 삼상 상용 전원 사이에 배치되어 있고, 직류측인 상기 직류 입력의 부극측이 접지 전위인 것을 특징으로 하는 파워 컨디셔너.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 제 1의 회로는, 2개의 제 1, 제 2 스위치 소자를 직렬 접속하여 이루어지는 제 1 스위치 회로를 포함하고,
    상기 제 1 스위치 회로는, 직류 전원의 정부 양극간에 접속된 제 1 콘덴서에 병렬 접속되고,
    상기 제 1, 제 2 스위치 소자는, 상기 제 1 주파수로 교대로 ON/OFF 되고,
    상기 제 2의 회로는, 제 2 콘덴서와 제 2 스위치 회로 병렬 접속 회로를 포함하고,
    상기 병렬 접속 회로의 병렬 접속 일측이, 상기 제 1, 제 2 스위치 소자의 직렬 접속부에 접속되고,
    상기 제 2 스위치 회로는, 2개의 제 3, 제 4 스위치 소자를 직렬 접속하여 이루어지고,
    상기 제 3, 제 4 스위치 소자는, 상기 제 2 주파수로 교대로 ON/OFF 되고,
    상기 제 3의 회로는, 제 3 스위치 회로와 제 3 콘덴서의 병렬 접속 회로를 포함함과 동시에, 상기 병렬 접속 회로에 병렬로 접속된 제 4 스위치 회로를 포함하고,
    상기 제 3 스위치 회로는, 2개의 제 5, 제 6 스위치 소자를 직렬 접속하여 이루어지고,
    상기 제 5, 제 6 스위치 소자의 직렬 접속부가, 상기 제 3, 제 4 스위치 소자의 직렬 접속부에 접속되고,
    상기 제 5, 제 6 스위치 소자는, 상기 제 3 주파수로 교대로 ON/OFF 되고,
    상기 제 4 스위치 회로는, 2개의 제 7, 제 8 스위치 소자를 직렬 접속하여 이루어지고,
    상기 제 7, 제 8 스위치 소자를 상기 제 3 주파수보다도 높은 PWM 주파수로 PWM 제어하는 것을 특징으로 하는 파워 컨디셔너.
  8. 제 2항의 파워 컨디셔너와, 상기 직류 전원으로서의 박막 태양전지를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양광 발전 시스템.
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