WO2019065420A1

WO2019065420A1 - パワーコンディショナ及び太陽光発電システム

Info

Publication number: WO2019065420A1
Application number: PCT/JP2018/034670
Authority: WO
Inventors: 史聖川原; 裕太山本
Original assignee: 株式会社村田製作所
Priority date: 2017-09-26
Filing date: 2018-09-19
Publication date: 2019-04-04

Abstract

直流入力電圧を昇圧するＰＶコンバータ２と、ＰＶコンバータから出力される昇圧電圧を交流電圧に変換するインバータ３と、インバータと電力系統との間に介在される系統連系用リレー５と、ＰＶコンバータの昇圧動作とインバータの変換動作と系統連系用リレーの開閉動作を制御する制御部１５と、ＰＶコンバータの出力電圧を検出する電圧検出装置１３と、ＰＶコンバータの出力電流を検出する電流検出装置１２を備えたパワーコンディショナにおいて、制御部１５は、電圧検出装置の検出電圧値と電流検出装置と検出電流値に基づいて算出される電力値があらかじめ設定された基準電力を超えた後に、インバータの作動開始制御と、系統連系用リレーの閉成制御を行う。

Description

パワーコンディショナ及び太陽光発電システム

　本発明は、太陽光パネルの発電電力を家庭内負荷あるいは電力系統に供給するパワーコンディショナ及び太陽光発電システムに関するものである。

　一般家庭に設置される太陽光発電システムでは、太陽光パネルで発電される直流電力がパワーコンディショナ内のインバータで所定の交流電圧に変換されて家庭内の負荷機器に供給され、あるいは電力系統に供給される。

　このような太陽光発電システムでは、日の出の時に太陽光パネルで発電が開始されると、パワーコンディショナの動作が開始され、パワーコンディショナと家庭内負荷及び電力系統との間に介在されるリレーが閉成（導通状態）されて電力の供給が開始される。

　電力の供給開始時に、太陽光パネルの発電電力が十分ではない場合には、リレーが閉成された後に家庭内負荷が負荷電流を引くと太陽光パネルの出力電圧が下降してしまい、パワーコンディショナの動作が停止（システムダウン）して、リレーが開成される。従って、太陽光パネルが十分な起動電力を発電可能となるまでは、すなわちパワーコンディショナの消費電力を賄い、かつ負荷に電力を供給可能となるまでは、パワーコンディショナの起動と停止が繰り返される。この時、リレーの閉成と開成が繰り返されるため、リレーの接点の寿命を縮めてしまう。

　そこで、起動時の動作を安定化させるようにしたパワーコンディショナとして、特許文献１に開示のものが知られている。

特開２０１７－５４２７３号公報

　特許文献１に開示されたパワーコンディショナでは、インバータを内部負荷回路として動作させた状態で、太陽光パネルの出力電圧を検出することにより、太陽光パネルが十分な電力を発電しているか否かを判定する。そして、パワーコンディショナを起動し得る十分な電力が発電されていると判定した場合に、リレーを閉成して電力をパワーコンディショナから家庭内負荷あるいは電力系統に供給する。

　しかし、起動の可否を判定するためにインバータを動作させる必要があるため、インバータを動作させるための電力を発電できていないときには、パワーコンディショナの動作が停止してしまう。

　また、インバータ等の負荷回路の消費電力が小さい場合には、太陽光パネルで十分な電力が発電されていなくても起動可と判定されることがある。この場合には、家庭内負荷あるいは電力系統への電力供給を開始した時点で、電力供給不足によるシステムダウンが発生するという問題点がある。

　この発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、その目的は起動時の動作を安定化させ得るパワーコンディショナ及び太陽光発電システムを提供することにある。

　上記課題を解決するパワーコンディショナは、直流入力電圧を昇圧するＰＶ（photovoltaic）コンバータと、前記ＰＶコンバータから出力される昇圧電圧を交流電圧に変換するインバータと、前記インバータと電力系統との間に介在される系統連系用リレーと、前記ＰＶコンバータの昇圧動作と前記インバータの変換動作と前記系統連系用リレーの開閉動作とを制御する制御部と、前記ＰＶコンバータの出力電圧を検出する電圧検出装置と、前記ＰＶコンバータの出力電流を検出する電流検出装置とを備えたパワーコンディショナにおいて、前記制御部は、前記電圧検出装置の検出電圧値と前記電流検出装置の検出電流値とに基づいて算出される電力値があらかじめ設定された基準電力を超えた後に、前記インバータの作動開始制御と前記系統連系用リレーの閉成制御とを行うことを特徴とする。

　この構成により、直流入力電圧の入力に基づいて、ＰＶコンバータの出力電力が基準電力を超えたとき、インバータの作動が開始され、系統連系用リレーが閉成されて、電力系統への電力供給が開始される。

　また、上記のパワーコンディショナにおいて、前記ＰＶコンバータは、前記直流入力電圧が、コイル及びダイオードを介して前記電圧検出装置に入力され、前記制御部は、前記電圧検出装置の検出電圧値が基準電圧を超えたとき、前記ＰＶコンバータの昇圧動作を開始させることが好ましい。

　この構成により、ＰＶコンバータの昇圧動作に先立って、直流入力電圧が電圧検出装置により検出されるので、直流入力電圧の入力開始時に微細な直流入力電圧を検出して、基準電圧と比較することが可能である。

　また、上記のパワーコンディショナにおいて、前記制御部は、前記ＰＶコンバータの昇圧動作時に、前記電圧検出装置の検出電圧値と前記電流検出装置の検出電流値とに基づいて、前記ＰＶコンバータの出力電力の最大電力点を最大電力点追従制御により算出し、該最大電力点と前記基準電力とを比較することが好ましい。

　この構成により、最大電力点追従制御によりＰＶコンバータの出力電力の最大電力点が算出され、その最大電力点と基準電力とが比較される。
　上記課題を解決する太陽光発電システムは、太陽光パネルと、前記太陽光パネルから出力される直流電圧を昇圧するＰＶコンバータと、前記ＰＶコンバータから出力される昇圧電圧を交流電圧に変換するインバータと、前記インバータと電力系統との間に介在される系統連系用リレーと、前記ＰＶコンバータの昇圧動作と前記インバータの変換動作と前記系統連系用リレーの開閉動作とを制御する制御部と、前記ＰＶコンバータの出力電圧を検出する電圧検出装置と、前記ＰＶコンバータの出力電流を検出する電流検出装置とを備え、前記制御部は、前記電圧検出装置の検出電圧値と前記電流検出装置の検出電流値とに基づいて算出される電力値があらかじめ設定された基準電力を超えた後に、前記インバータの作動開始制御と前記系統連系用リレーの閉成制御とを行うことを特徴とする。

　この構成により、太陽光パネルからの直流入力電圧の入力に基づいて、ＰＶコンバータの出力電力が基準電力を超えたとき、インバータの作動が開始され、系統連系用リレーが閉成されて、電力系統への電力供給が開始される。

　また、上記の太陽光発電システムにおいて、前記太陽光パネルと前記ＰＶコンバータとの間には、前記太陽光パネルの出力電圧を検出する電圧検出装置と前記太陽光パネルの出力電流を検出する電流検出装置とを有しないことが好ましい。

　この構成により、太陽光パネルと前記ＰＶコンバータとの間には、電圧検出装置及び電流検出装置を必要としないので、太陽光発電システムの製造コストが低減される。

　本発明のパワーコンディショナ及び太陽光発電システムによれば、起動時の動作を安定化させることができる。

太陽光発電システムを示す回路図。パワーコンディショナの動作を示すフローチャート。ＭＰＰＴ制御による出力電力を示す説明図。

　以下、本発明を具体化した一実施形態を図面に従って説明する。
　図１に示す太陽光発電システムは、太陽光パネル１で発電された直流電圧がＰＶコンバータ２で昇圧されて、インバータ３に出力される。インバータ３は、ＰＶコンバータ２から出力される直流電圧を商用交流電圧に変換する。そして、インバータ３から出力される交流電圧がフィルタ回路４及び系統連系用リレー５を介して家庭内負荷６ａあるいは商用電力系統６ｂに供給される。

　ＰＶコンバータ２、インバータ３、フィルタ回路４及び系統連系用リレー５は、パワーコンディショナ７内に設けられる。また、パワーコンディショナ７には、自立運転用コンセント８が設けられ、商用電力系統６ｂの停電時には、電気機器を自立運転用コンセント８に接続することにより、太陽光パネル１の発電電力に基づいて、当該電気機器を運転可能となっている。

　ＰＶコンバータ２の構成を具体的に説明すると、太陽光パネル１のプラス側出力端子は、コイル９の一端に接続されている。コイル９の他端は、ＭＯＳＦＥＴ（metal-oxide-semiconductor field-effect transistor）で構成されるスイッチ１０のドレインとダイオード１１のアノードに接続される。

　スイッチ１０のソースは、太陽光パネル１のマイナス側出力端子に接続されている。ダイオード１１のカソードは、電流計１２の入力端子に接続され、電流計１２の出力端子と、太陽光パネル１のマイナス側出力端子との間には電圧計１３と平滑用キャパシタ１４が並列に接続されている。

　電流計１２は、ダイオード１１から出力される直流電流を検出し、その検出電流値Ａ１を制御部１５に出力する。平滑用キャパシタ１４は、ダイオードの直流出力電圧を平滑してインバータ３に出力する。電圧計１３は、平滑用キャパシタ１４で平滑された直流電圧を検出し、その検出電圧値Ｖ１を制御部１５に出力する。

　スイッチ１０のゲートには、制御部１５から制御信号Ｑ１が入力され、ＰＶコンバータ２の通常動作時には、ＰＷＭ（pulse width modulation）制御によりスイッチング制御される。そして、スイッチ１０のスイッチング動作に基づいて、コイル９との協働によりＰＶコンバータ２の出力電圧が昇圧される。

　制御部１５は、あらかじめ設定されたプログラムに基づいて動作し、ＰＶコンバータ２の起動時にはスイッチ１０をオフ状態として電圧計１３の検出電圧値Ｖ１をＰＶコンバータ２の出力電圧（中間電圧）として検出する機能を備える。また、制御部１５は、スイッチ１０をスイッチング制御することにより、太陽光パネル１の直流出力電圧を昇圧してインバータ３に供給する機能と、電流計１２の検出電流値Ａ１及び電圧計１３の検出電圧値Ｖ１に基づいてＰＶコンバータ２の出力電力を算出する機能とを備える。

　さらに、制御部１５はスイッチ１０のＰＷＭ制御により、ＰＶコンバータ２の昇圧比を調整しながら、ＰＶコンバータ２の出力電力が最大となるようなＭＰＰＴ（maximum power point tracking）制御すなわち最大電力点追従制御を行う機能を備える。

　インバータ３は、ＰＶコンバータ２のブラス側出力端子とマイナス側出力端子との間で、ＭＯＳＦＥＴで構成されるスイッチ１６ａ，１６ｂとスイッチ１６ｃ，１６ｄがそれぞれ直列に接続され、スイッチ１６ａ，１６ｂの接続点とスイッチ１６ｃ，１６ｄの接続点がフィルタ回路４に接続される。

　スイッチ１６ａ，１６ｂとスイッチ１６ｃ，１６ｄのゲートには、制御部１５から制御信号Ｑ２～Ｑ５がそれぞれ入力される。そして、制御信号Ｑ２～Ｑ５により、スイッチ１６ａ～１６ｄがスイッチング制御されるとともに、スイッチ１６ａ，１６ｄが同相でオンされ、スイッチ１６ｂ，１６ｃが同相でオンされる。このような動作により、ＰＶコンバータ２から出力される高圧直流電圧が商用交流電圧に変換されてフィルタ回路４に出力される。

　フィルタ回路４はコイル１７ａ，１７ｂで構成され、インバータ３から出力される商用交流電圧から高周波ノイズを除去する。そして、高周波ノイズが除去された商用交流電圧がフィルタ回路４から系統連系用リレー５を介して家庭内負荷６ａあるいは商用電力系統６ｂに供給される。

　系統連系用リレー５は、制御部１５から出力される制御信号ＲＬにより開閉制御され、インバータ３の作動が開始された後に閉成される。
　次に、上記のように構成されたパワーコンディショナ７の作用を図２及び図３に従って説明する。

　夜間には、太陽光パネル１は発電電力を出力していないので、ＰＶコンバータ２を含むパワーコンディショナ７は動作停止状態にあり、系統連系用リレー５は開成状態にある。
　日の出とともに太陽光パネル１で発電が開始されたとき、ＰＶコンバータ２は未だ停止状態である。太陽光パネルの発電電圧はコイル９、ダイオード１１及び電流計１２を介して平滑用キャパシタ１４に供給され、平滑用キャパシタ１４の充電電圧が中間電圧として電圧計１３で検出され、検出電圧値Ｖ１として制御部１５に出力される。

　制御部１５は、検出された中間電圧があらかじめ設定されている基準電圧以上となったか否かを判定している（ステップＳ１）。ここで、中間電圧が基準電圧以上となると、制御部１５はスイッチ１０に制御信号Ｑ１を出力する。すると、ＰＶコンバータ２では昇圧動作が開始され（ステップＳ２）、スイッチ１０のＰＷＭ制御により、昇圧比が徐々に引き上げられる（ステップＳ３）。

　次いで、電圧計１３の検出電圧値Ｖ１と、電流計１２の検出電流値Ａ１（中間電流）に基づいて、電圧計１３の検出電圧値Ｖ１と電流計１２の検出電流値Ａ１とで算出される中間電力を太陽光パネル１の出力電力として算出しながら、昇圧比を順次変更して最大電力点追従制御を行う（ステップＳ４）。

　すると、図３に示すように、太陽光パネル１の出力電圧に基づいて、多数のＰＶ曲線Ｃ１～Ｃ６等が算出され、制御部１５は最大電力点Ｐが例えば４０Ｗの基準電力を超えるか否かを判定する（ステップＳ５）。４０Ｗは、仮に太陽が突然雲に隠れて瞬間的に発電電力が低下してもシステムダウンが発生しないようにマージンを含めた値であり、ＰＶコンバータ２、インバータ３、制御部１５の消費電力の合計値より高く設定されている。

　ステップＳ５で、算出された中間電力が４０Ｗを超えない場合には、ステップＳ６に移行して中間電圧が所定値を超えているか否かを判定する。そして、中間電圧が所定値を超えていない場合には、中間電力が４０Ｗを超えるまで待機する状態となる（ステップＳ５，Ｓ６）。

　ステップＳ５で、算出された中間電力が４０Ｗを超えると、ステップＳ７に移行して、中間電圧が所定値を超えるまで待機し、中間電圧が所定値を超えると、制御部１５はインバータ３を作動させ、系統連系用リレーを閉成して、家庭内負荷６ａあるいは商用電力系統６ｂに商用交流電圧を供給する（ステップＳ８，Ｓ９）。

　ステップＳ６で、中間電圧が所定値を超えている場合は、未だ十分な発電電力が太陽光パネル１～供給されていないと判断して、ＰＶコンバータ２の動作を停止し、あらかじめ設定された所定時間を待機した後（ステップＳ１０）、ステップＳ１に復帰する。

　ステップＳ８，Ｓ９で商用交流電圧を供給している状態では、制御部１５は常時最大電力点追従制御を行っている。そして、日の入り時に太陽光パネル１の発電電力が低下し、最大電力点Ｐが４０Ｗに達しなくなると、制御部１５はＰＶコンバータ２及びインバータ３の動作を停止して、商用交流電力の供給を停止する。

　上記のように構成されたパワーコンディショナ７では、次に示す効果を得ることができる。
　（１）日の出時には、太陽光パネル１の出力電力が、電圧計１３の検出電圧値Ｖ１と電流計の検出電流値Ａ１に基づいて最大電力点追従制御により最大電力点Ｐが算出される。そして、最大電力点Ｐが４０Ｗを超えた後に、インバータ３を動作させて、家庭内負荷６ａあるいは商用電力系統６ｂに商用交流電力を供給する。従って、最大電力点Ｐが４０Ｗを超えて、システムダウンが発生するおそれのない電力を供給可能となったときに、系統連系用リレー５を閉成することができるので、系統連系用リレー５で閉成と開成が繰り返されることはない。この結果、系統連系用リレー５の接点の劣化を抑制することができる。

　（２）パワーコンディショナ７のＰＶコンバータ２で昇圧動作を開始して、太陽光パネル１の出力電力の最大電力点Ｐを算出するとき、インバータ３を作動させない。従って、最大電力点追従制御を行うとき、電流計１２及び電圧計１３で太陽光パネル１の出力電圧と出力電流を正確に検出することができる。

　（３）日の出時に太陽光パネル１が発電を開始したとき、昇圧動作を開始していないＰＶコンバータ２内の電圧計１３で、太陽光パネル１の微細な出力電圧を正確に検出することができる。

　（４）ＰＶコンバータ２内に設けられる電流計１２の検出電流値Ａ１と、電圧計１３の検出電圧値Ｖ１に基づいて太陽光パネル１の出力電力の最大電力点Ｐを算出することができる。従って、太陽光パネル１の出力端子に、別途電圧計と電流計を接続する必要はないので、太陽光発電システムの製造コストを低減することができる。

　なお、上記実施形態は以下のように変更してもよい。
　・基準電力は４０Ｗに限定されるものではなく、４０Ｗ以上の大きな値を設定することにより、起動時の安定性を向上させることができる。

　・実施形態の制御部１５は、例えば、実施形態で説明した種々の制御を実現するように構成されたコンピュータ可読命令を格納した１つ以上のメモリと、そのコンピュータ可読命令を実行するように構成された１つ以上のプロセッサとを備えてもよい。また、実施形態の制御部１５は、特定用途向けＩＣ（ＡＳＩＣ）等の集積回路であってもよい。

　１…太陽光パネル、２…ＰＶコンバータ、３…インバータ、５…系統連系用リレー、７…パワーコンディショナ、１２…電流検出装置（電流計）、１３…電圧検出装置（電圧計）、１５…制御部、Ｖ１…検出電圧値、Ａ１…検出電流値。

Claims

　直流入力電圧を昇圧するＰＶコンバータと、
　前記ＰＶコンバータから出力される昇圧電圧を交流電圧に変換するインバータと、
　前記インバータと電力系統との間に介在される系統連系用リレーと、
　前記ＰＶコンバータの昇圧動作と前記インバータの変換動作と前記系統連系用リレーの開閉動作とを制御する制御部と、
　前記ＰＶコンバータの出力電圧を検出する電圧検出装置と、
　前記ＰＶコンバータの出力電流を検出する電流検出装置と
を備えたパワーコンディショナにおいて、
　前記制御部は、
　前記電圧検出装置の検出電圧値と前記電流検出装置の検出電流値とに基づいて算出される電力値があらかじめ設定された基準電力を超えた後に、前記インバータの作動開始制御と前記系統連系用リレーの閉成制御とを行うことを特徴とするパワーコンディショナ。
　請求項１に記載のパワーコンディショナにおいて、
　前記ＰＶコンバータは、
　前記直流入力電圧が、コイル及びダイオードを介して前記電圧検出装置に入力され、
　前記制御部は、
　前記電圧検出装置の検出電圧値が基準電圧を超えたとき、前記ＰＶコンバータの昇圧動作を開始させることを特徴とするパワーコンディショナ。
　請求項２に記載のパワーコンディショナにおいて、
　前記制御部は、
　前記ＰＶコンバータの昇圧動作時に、前記電圧検出装置の検出電圧値と前記電流検出装置の検出電流値とに基づいて、前記ＰＶコンバータの出力電力の最大電力点を最大電力点追従制御により算出し、該最大電力点と前記基準電力とを比較することを特徴とするパワーコンディショナ。
　太陽光パネルと、
　前記太陽光パネルから出力される直流電圧を昇圧するＰＶコンバータと、
　前記ＰＶコンバータから出力される昇圧電圧を交流電圧に変換するインバータと、
　前記インバータと電力系統との間に介在される系統連系用リレーと、
　前記ＰＶコンバータの昇圧動作と前記インバータの変換動作と前記系統連系用リレーの開閉動作とを制御する制御部と、
　前記ＰＶコンバータの出力電圧を検出する電圧検出装置と、
　前記ＰＶコンバータの出力電流を検出する電流検出装置と
を備え、
　前記制御部は、
　前記電圧検出装置の検出電圧値と前記電流検出装置の検出電流値とに基づいて算出される電力値があらかじめ設定された基準電力を超えた後に、前記インバータの作動開始制御と前記系統連系用リレーの閉成制御とを行うことを特徴とする太陽光発電システム。
　請求項４に記載の太陽光発電システムにおいて、
　前記太陽光パネルと前記ＰＶコンバータとの間には、前記太陽光パネルの出力電圧を検出する電圧検出装置と前記太陽光パネルの出力電流を検出する電流検出装置とを有しないことを特徴とする太陽光発電システム。