JP2004236418A

JP2004236418A - 電力変換装置

Info

Publication number: JP2004236418A
Application number: JP2003021238A
Authority: JP
Inventors: Kazuaki Azuma; 和明東
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2003-01-30
Filing date: 2003-01-30
Publication date: 2004-08-19

Abstract

【課題】直流電源の発電電力を有効に利用し、確実に単独運転の検出を行う電力変換装置を提供すること。
【解決手段】電力変換装置において、商用電力系統から流入する電流、及び／または該商用電力系統へ流出する電流を計測する電流計測手段を有し、該電流計測手段の電流値が略零にならないように出力制御を行う。また、前記電流計測手段の電流値が略零に近づいた場合にのみ周期的に出力を変動させるように出力制御を行う。また、前記電流計測手段の電流値が零に近づくほど出力変動が大きくなるように出力制御を行われるようにし、単独運転の検出を確実に行うことができるとともに太陽電池で発電した電力を有効に利用できるようにする。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は、太陽電池等の直流電源から得られる直流電力を交流電力に変換する電力変換装置に関し、特に単独運転検出技術に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、太陽電池の出力をインバータにて交流に変換し、商用電力系統と連系する系統連系システムが実用化されている。この系統連系システムにおいては、図６に示すように、太陽電池電源２で発電した直流電力は、電力変換装置２１にて例えば交流の２００Ｖに変換され、電力変換装置２１と商用電力系統１２とは連系接続されている。
【０００３】
従来の電力変換装置２１は、図７に示す通り太陽電池電源２で発電された電力を太陽電池電源２の電圧と異なる電圧に変換する直流電圧変換回路２３と、直流電圧変換回路２３にて変換された直流電力を交流電力に変換するインバータ回路２４とから構成されており、太陽電池電源２で発電された最大電力を交流出力に変換し、負荷１３と商用電力系統１２に接続して連系運転を行っている（最大出力追従制御）。
【０００４】
ここで、電力変換装置２１はリレー等の開閉器１６を有し、停電等で商用電力系統１２に異常がある場合には、安全かつ速やかに復旧作業が行えるように即座に電力変換を停止し開閉器１６を遮断し、商用電力系統１２と解列させる手段がとられている（単独運転検出機能）。
【０００５】
このような単独運転を検出するための手段としては、受動的方式と能動的方式があり、検出精度を高めるためにこれらを組み合わせることが求められている。一般的に受動的方式には、系統の電圧位相の急変を検出する電圧位相跳躍検出方式、系統の３次高調波の急増を検出する３次高調波電圧歪検出方式、系統の周波数の急変を検出する周波数変化率検出方式等があり、能動的方式には、出力に周波数バイアスを与える周波数シフト方式、出力の有効電力を変動させる有効電力変動方式、出力の無効電力を変動させる無効電力変動方式等がある。
【０００６】
また、インバータの出力電流をランダムに変動させ、単独運転を検出させる方法が提案されている（例えば、特許文献１を参照）。
【０００７】
【特許文献１】
特開平１１−１３６８６５号公報（第９頁、第１図）
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の方式では電力変換装置の出力電力と負荷の消費電力がバランスした状態であると、商用電力系統が停電などになった場合においても、電力変換装置の出力部の位相や周波数などの変動が小さく、検出変化量が少ないので、単独運転状態であることを検知できずに単独運転を継続してしまうといった問題がある。
【０００９】
また、インバータの出力電流をランダムに変動させ、単独運転を検出させるような方式においては、常に出力に変動要素をあたえるため、電力変換装置の出力電力は本来太陽電池が発電できる最大の発電電力よりも少なくなり、発電電力を有効に利用することができないという問題も生じる。
【００１０】
本発明は上述した従来の問題点に鑑みてなされたものであり、直流電源の発電電力を有効に利用し、確実に単独運転の検出を行う電力変換装置を提供することを目的とするものである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、太陽電池から得られる直流電力を交流電力に変換し、商用電力系統及び負荷系統に接続されて連系運転を行う電力変換装置であって、該電力変換装置は該商用電力系統から流入する電流、及び／または該商用電力系統へ流出する電流を計測する電流計測手段を有し、該電流計測手段の電流値が略零にならないように出力制御を行うことを特徴とする。
【００１２】
また本発明においては、前記電流計測手段の電流値が略零に近づいた場合にのみ周期的に出力を変動させるように出力制御を行うことを特徴とする。
【００１３】
また本発明においては、前記電流計測手段の電流値が零に近づくほど出力変動が大きくなるように出力制御を行うことを特徴とする。これらにより確実に単独運転の検出を行うことができるとともに太陽電池で発電した電力を有効に利用できる電力変換装置を提供することが可能とできる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、太陽電池モジュールを複数屋根上に配設する太陽光発電装置の場合を例にとり、本発明に係る実施形態を模式的に図示した図面に基づいて詳細に説明する。
【００１５】
図１に示すように、電力変換装置１は、太陽電池電源２の電圧を昇圧、異なる電圧に変換する直流電圧変換回路３と、前記直流電圧変換回路３にて変換された直流電力を交流電力に変換するインバータ回路４とから構成される。
【００１６】
直流電圧変換回路３はリアクトル５、半導体スイッチ素子６、ダイオード７、平滑コンデンサ８、及び半導体スイッチ素子６を制御する出力制御手段９でチョッパ回路を構成しており、これにより電圧変換が行われる。
【００１７】
インバータ回路４は複数の半導体スイッチ素子から成るブリッジ回路１０と、リアクトルとコンデンサから成るフィルタ回路１１とから成り、直流電圧変換回路３より出力される直流電力を正弦波の商用交流波形に変換する。前記インバータ回路４から出力された交流電力は商用電力系統１２及び負荷１３に接続されており、負荷１３への電力供給及び／または商用電力系統１２への売電が行われる。また、前記電力変換装置１は商用電力系統１２から供給、もしくは需給する交流出力電流を測定する電流計測手段である交流出力検出器１４を備え、単独運転状態を検出し商用電源系統１２と解列を行うための単独運転検出制御部１５へ情報を提供される。
【００１８】
次に本発明の電力変換装置の動作について説明する。太陽電池電源２から得られる直流電力は電力変換装置１に入力される。直流電圧変換回路３においては、出力制御手段９により半導体スイッチ素子６が高速にオン、オフ制御され、半導体スイッチ６のオン時はリアクトル５にエネルギーが蓄積され、半導体スイッチ６のオフ時には前記エネルギーがダイオード７を通り平滑コンデンサ８部に出力されることにより、太陽電池電源２から入力された直流電圧とは異なる直流電圧に昇圧変換することが可能となる。なお、半導体スイッチ素子６は変換電圧に応じてパルスのデューティーをコントロールするＰＷＭ方式により制御するのが望ましい。また、変換出力された直流電圧はインバータ回路４が効率よく作動する電圧値であることが望ましい。
【００１９】
インバータ回路４に入力された直流電力は、ブリッジ回路１０の高速スイッチング動作によるＰＷＭ（パルス幅変調）制御が行われ、ＬＰＦ（ローパスフィルタ）であるフィルタ回路１１を通すことにより、正弦波の交流出力が得られる。出力された交流電力はモーターや照明などの交流機器である負荷１に供給されるが、太陽電池電源２の発電電力量が負荷電力量を上回る場合は、余った電力を商用電力系統１２に逆潮流させて売電を行う。
【００２０】
また、商用電力系統１２と、負荷１３および電力変換装置１間の送電線には、正弦波の交流出力電流を検出する電流計測手段である交流出力検出器１４が取り付けられており、商用電力系統１２からの受電電流もしくは逆潮流による売電電流が測定できるようにして、電力変換装置１の単独運転検出制御部１５へ情報（データ）を提供する。単独運転検出制御部１５では電力変換装置１の単独運転状態を検出するための手段として能動的方式及び受動的方式各々１つ以上の制御（例えば電圧位相跳躍検出方式と周波数シフト方式）が行われているが、発電状態や負荷の状況によらず一定の感度を持った検出を行うものである。
【００２１】
図２に示すように、太陽電池の発電電力は日照状況や気温によって常に変動しており、発電電力を最大限に得るにはその時々の太陽電池の最大出力点へ動作点を変動させるように電力変換装置を制御している。例えば日射変動によって太陽電池の出力電力が上昇した場合には動作点をＰ２からＰ１へ移動させ、減少した場合にはＰ２からＰ３へ移動させているが、前述したように発電量と負荷の消費電力がバランスしてしまうと、商用電力系統が停電などになった場合においても、電力変換装置の出力部の位相や周波数などの変動が小さく、検出変化量が少ないので、系統の変化の検出が困難となるものである。
【００２２】
そこで本発明においては、前述の交流出力検出器で検出した商用電力系統を流れる電流値が略零に近づいている場合には電力変換装置の出力電力変動を停止、または減少させ検出した電流値が略零にならないように動作させるものである。
【００２３】
具体的には図３に示すように、商用電力系統の電流Ｉが零に近づくとき（斜線部の期間）には、前記電流Ｉが検出レベル以下にならないように太陽電池の最大出力点の追従を停止して、太陽電池の出力電力Ｐの出力がそれ以上に上昇しないよう一定電力で発電を行う制御とし、商用電力系統からの電力供給を維持させる。この制御は、マイクロコンピュータ及び半導体スイッチ素子６を駆動させるための駆動用素子等で構成された出力制御手段９によりなされる。このような制御により、電力変換装置の出力電力と負荷の消費電力とがバランス状態となることがなく、停電等の商用電力系統に異常があった場合には位相や周波数等の検出変化量が大きいために確実に単独運転状態の検出を行うことが可能となり、安全で信頼性の高い電力変換装置を提供することが可能となる。
【００２４】
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。電力変換装置の構成は前述の図１と同様であるが、動作においては以下のとおりである。電力変換装置１の単独運転検出制御部１５において単独運転状態の検出を行うとともに、交流出力検出器１４で検出した電流値が略零に近づいた場合にのみ周期的に出力を変動させるように出力制御を行う。
【００２５】
すなわち、図４に示すように、出力制御手段９の制御により、商用電力系統の電流が零に近づいた場合に最大出力点の追従を停止し、周期的に出力を増減させて、負荷の消費電力と出力電力がバランスしないように動作するので、検出レベルの設定値をより零に近づけても位相や周波数等の検出変化量を維持することが可能になる。
【００２６】
このような制御により、停電等の商用電源系統の異常の場合には周期的に出力が変動することとなり、たとえ負荷の消費電力と電力変換装置の出力電力がバランス状態に近くても出力変動による電圧や周波数等の変化率の検出が容易となり、単独運転状態を確実に検出することが可能となる。
【００２７】
また交流出力検出器で検出した電流が略零に近づいた場合のみ周期的に出力を変動させているため、負荷の消費電力と電力変換装置の出力電力がバランス状態にない場合には出力変動を行わず、出力変動に伴う損失を無くすことで太陽電池で発電される電力を有効に利用することが可能となり、安全で効率のよい電力変換装置を提供することができる。
【００２８】
また本発明においては、前述した単独運転検出制御部１５において単独運転状態の検出を行うとともに、交流出力検出器１４で検出した電流値が略零に近づいた場合にのみ周期的に出力を変動させるように出力制御を行うとともに、検出電流値が零に近づくほど出力変動の比率が大きくなるように制御を行うようにすることも可能である。
【００２９】
つまり、図５に示すように、出力制御手段９の制御により、商用電力系統の電流が零からある範囲にある場合には出力変動は小さく、零に近づく程出力の増減比を大きくさせて、負荷の消費電力と出力電力がバランスしないように動作を行う。
【００３０】
このような制御により、交流出力検出器で検出した電流が零に近づいた場合のみ周期的に出力を変動させているため、負荷の消費電力と電力変換装置の出力電力がバランス状態にない場合には出力変動を行わず、またバランス状態に近づくまで段階的に変動量が増加するため太陽電池で発電した電力を有効に利用することが可能となる。
【００３１】
なお、本実施例においては太陽電池の発電電力を負荷の消費電力以下の場合における制御方法について説明したものであり、太陽電池の発電電力が消費電力を上回る場合には商用電力系統の電流が略零にならない範囲において逆潮流（売電）を行なうように制御するのが好ましい。
【００３２】
【発明の効果】
上記説明のように本発明の電力変換装置の制御方法によれば、直流電力を交流電力に変換し、商用電力系統及び負荷系統に接続されて連系運転を行うとともに、前記商用電力系統から流入する電流及び／または該商用電力系統へ流出する電流を計測する電流計測手段と、該電流計測手段の電流値が略零にならないように出力制御を行う制御手段とを備えているので、電力変換装置の出力電力と負荷の消費電力とがバランス状態となることがなく、停電等で商用電力系統に異常があった場合に確実に単独運転状態の検出を行うことができる。
【００３３】
また、電流計測手段の電流値が略零に近づいた場合に周期的に出力を変動させるように出力制御を行うこととしたので、停電等で商用電源系統の異常の場合には、周期的に出力が変動することとなり、単独運転状態を確実に検出することが可能となり、また太陽電池で発電される電力を有効に利用することができる。
【００３４】
また、電流計測手段の電流値が零に近づくほど出力変動が大きくなるように出力制御を行うこととしたので、停電等の商用電源系統の異常の場合には周期的に出力が変動することとなり、単独運転状態を確実に検出することが可能となり、また太陽電池で発電した電力をより有効に利用することが可能とできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の電力変換装置の実施の形態を示す一例の概略構成図である。
【図２】本発明の電力変換装置の動作点の変動を示す概略説明図である。
【図３】本発明の電力変換装置の制御動作における出力電力と商用電力系統からの受給電流との相関を示す概略説明図である。
【図４】本発明の他の実施形態の電力変換装置の制御動作における出力電力と商用電力系統からの受給電流との相関を示す概略説明図である。
【図５】本発明の他の実施形態の電力変換装置の制御動作における出力電力と商用電力系統からの受給電流との相関を示す概略説明図である。
【図６】従来の系統連系システムの形態を示す概略構成図である。
【図７】従来の電力変換装置の形態を示す一例の概略構成図である。
【符号の説明】
１：電力変換装置
２：太陽電池電源
３：直流電圧変換回路
４：インバータ回路
５：リアクトル
６：半導体スイッチ素子
７：ダイオード
８：平滑コンデンサ
９：出力制御手段（制御手段）
１０：ブリッジ回路
１１：フィルタ回路
１２：商用電力系統
１３：負荷
１４：交流出力検出器（電流計測手段）
１５：単独運転検出制御部
１６：開閉器
２１：電力変換装置
２３：直流電圧変換回路
２４：インバータ回路
Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３：動作点
Ｐ：太陽電池出力電力
Ｉ：商用電力系統電流

Claims

直流電力を交流電力に変換し、商用電力系統及び負荷系統に接続されて連系運転を行うとともに、前記商用電力系統から流入する電流及び／または該商用電力系統へ流出する電流を計測する電流計測手段と、該電流計測手段の電流値が略零にならないように出力制御を行う制御手段とを備えていることを特徴とする電力変換装置。
前記制御手段は、前記電流計測手段の電流値が略零に近づいた場合に周期的に出力を変動させる出力制御を行うことを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
前記制御手段は、前記電流計測手段の電流値が略零に近づくほど出力の変動が大きくなるように出力制御を行うことを特徴とする請求項２に記載の電力変換装置。