JP2014064415A

JP2014064415A - 電力変換装置

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Publication number: JP2014064415A
Application number: JP2012208838A
Authority: JP
Inventors: So Kuboyama; 宗久保山; Sadao Ishii; 佐田夫石井
Original assignee: Yaskawa Electric Corp
Current assignee: Yaskawa Electric Corp
Priority date: 2012-09-21
Filing date: 2012-09-21
Publication date: 2014-04-10
Anticipated expiration: 2032-09-21
Also published as: JP5472415B2; CN103683997A

Abstract

【課題】電力変換部と自立運転用端子との間に配置された開閉器の異常を検出できる電力変換装置を提供する。
【解決手段】実施形態にかかる電力変換装置は、第１開閉器と、第２開閉器と、電圧検出部と、制御部とを備える。第１開閉器は、連系運転用端子と電力変換部との間に接続される。第２開閉器は、自立運転用端子と電力変換部との間に接続される。制御部は、第１開閉器と第２開閉器とに対し開状態にする制御信号をそれぞれ出力し、かつ、電力変換部から所定の電圧を出力させた制御状態において、電圧検出部により検出される自立運転用端子の電圧に基づいて、第２開閉器の異常を判定する。
【選択図】図１

Description

開示の実施形態は、電力変換装置に関する。

近年、太陽光などから得られるエネルギーを系統連系させたり自立運転したりするシステムの開発がなされている。太陽電池などで発電された直流電力を一般家庭などで利用するためには、発電された直流電力を電力系統と略同一の電圧の交流電力へ変換する必要がある。そのため、上記システムにおいては、電力変換部を備えたパワーコンディショナーと呼ばれる電力変換装置が用いられる。

この種の電力変換装置として、電力系統と連系して連系運転用端子から負荷へ電力を供給する連系運転モードに加え、電力系統が停電時などの場合に、自立運転用端子から負荷へ電力供給を行う自立運転モードを有するものが知られている。

例えば、特許文献１に記載の電力変換装置は、電力変換部と連系運転用端子との間および電力変換部と自立運転用端子との間とにそれぞれ開閉器が設けられており、これらの開閉器を制御することによって、連系運転モードと自立運転モードとを選択的に実行する。

特開２０１１−１３５７６７号公報

しかしながら、従来の電力変換装置では、電力変換部と自立運転用端子との間に配置された開閉器に異常が発生した場合、連系運転モードにおいて自立運転用端子に接続された電気機器に対して悪影響を及ぼすおそれがある。

実施形態の一態様は、上記に鑑みてなされたものであって、電力変換部と自立運転用端子との間に配置された開閉器の異常を検出できる電力変換装置を提供することを目的とする。

実施形態の一態様に係る電力変換装置は、電力変換部と、第１開閉器と、第２開閉器と、電圧検出部と、制御部とを備える。前記電力変換部は、外部装置から供給される電力を所定の電力へ変換する。前記第１開閉器は、電力系統に接続される連系運転用端子と前記電力変換部との間に接続される。前記第２開閉器は、負荷に接続される自立運転用端子と前記電力変換部との間に接続される。前記電圧検出部は、前記自立運転用端子の電圧を検出する。前記制御部は、前記電力変換部、前記第１開閉器および前記第２開閉器を制御する。前記制御部は、前記第１開閉器と前記第２開閉器とに対し開状態にする制御信号をそれぞれ出力し、かつ、前記電力変換部から所定の電圧を出力させた制御状態において、前記電圧検出部により検出される前記自立運転用端子の電圧に基づいて、前記第２開閉器の異常を判定する異常判定処理を実行する。

実施形態の一態様によれば、電力変換部と自立運転用端子との間に配置された開閉器の異常を検出できる電力変換装置を提供することができる。

図１は、実施形態に係る電力変換装置の構成の一例を示す図である。図２は、各モードにおける第１開閉器および第２開閉器の状態並びに電力変換部の出力電圧の関係を示す図である。図３は、電力変換装置の制御部が行う処理の一例を示すフローチャートである。図４は、制御信号および電力変換部の出力の遷移例を示す図である。

以下、添付図面を参照して、本願の開示する電力変換装置の実施形態を詳細に説明する。なお、以下に示す実施形態によりこの発明が限定されるものではない。

図１は、本実施形態に係る電力変換装置の構成の一例を示す図である。図１に示す電力変換装置１は、太陽電池２によって発電された直流電力を交流電力へ変換し、変換した交流電力を電力系統３に接続された負荷（以下、系統側負荷と記載する）へ供給する。系統側負荷は、例えば、電気機器などである。かかる電力変換装置１は、連系運転処理に加え、自立運転処理も実行する。

図１に示すように、本実施形態に係る電力変換装置１は、連系運転用端子１１と、自立運転用端子１２と、電力変換部１３と、フィルタ１４と、第１開閉器１５と、第２開閉器１６と、自立側電圧検出部１７と、系統側電圧検出部１８と、制御部１９とを備える。

連系運転用端子１１は、後述する連系運転モードで電力変換部１３からの電力を出力する端子である。かかる連系運転用端子１１は、電力系統３のＲ相、Ｓ相および中性線Ｏに接続するための端子である。

また、自立運転用端子１２は、後述の自立運転モードで電力変換部１３からの電力を出力するための端子である。かかる自立運転用端子１２には、電気機器などの負荷（以下、自立側負荷と記載する）が接続される。なお、連系運転用端子１１および自立運転用端子１２は、コンセントなどの配線用差込接続器であるが、電力系統３や自立側負荷に接続できる構成であればよく、配線用差込接続器に限られない。

電力変換部１３は、制御部１９に基づいて、太陽電池２によって発電された直流電力を交流電力へ変換し、変換した交流電力を出力するインバータ回路である。かかる電力変換部１３は、例えば、太陽電池２から出力される直流電圧を昇圧した後、昇圧後の直流電圧を交流電圧へ変換することで、ｒ線およびｓ線間へ交流電力を出力する。なお、ｏ線は中性線である。

電力変換部１３へ電力を供給する外部装置が太陽電池でなく、発電機である場合、電力変換部１３は、例えば、コンバータ回路とインバータ回路を有する構成とすることができる。この場合、発電機から供給される交流電力はコンバータ回路により直流電力へ変換され、変換された直流電力はインバータ回路により交流電力へ変換される。

フィルタ１４は、電力系統３へ出力される交流電力の高周波ノイズを除去する。かかるフィルタ１４は、例えば、コンデンサとリアクトルからなるノーマルモードフィルタにより構成される。また、フィルタ１４は、ノーマルモードフィルタおよびコモンモードフィルタを含む構成にしてもよい。

第１開閉器１５は、連系運転用端子１１と電力変換部１３との間に接続される。第１開閉器１５が閉状態の場合、電力変換部１３からの電力が連系運転用端子１１を介して系統側負荷へ出力される。一方、第１開閉器１５が開状態の場合、電力変換部１３からの電力は、連系運転用端子１１から出力されない。

第２開閉器１６は、自立運転用端子１２と電力変換部１３との間に接続される。第２開閉器１６が閉状態の場合、電力変換部１３からの電力が自立運転用端子１２を介して自立側負荷へ出力される。一方、第２開閉器１６が開状態の場合、電力変換部１３からの電力は、自立運転用端子１２から出力されない。

自立側電圧検出部１７は、自立運転用端子１２の電圧を検出する。具体的には、自立側電圧検出部１７は、第２開閉器１６と自立運転用端子１２の間のｒ線およびｓ線の電圧をそれぞれ検出する。

系統側電圧検出部１８は、連系運転用端子１１の電圧を検出する。具体的には、系統側電圧検出部１８は、第１開閉器１５と連系運転用端子１１の間のｒ線およびｓ線の電圧をそれぞれ検出する。

制御部１９は、電力変換部１３、第１開閉器１５および第２開閉器１６を制御して、連系運転モード、自立運転モードおよび異常判定モードを実行する。図２は、各モードにおける第１開閉器１５および第２開閉器１６の状態並びに電力変換部１３の出力電圧の関係を示す図である。

連系運転モードは、電力系統３に接続された系統側負荷へ電力を供給する連系運転処理を実行する動作モードである。制御部１９は、図２に示すように、第１開閉器１５に対し閉状態にするＨｉｇｈレベルの制御信号Ｓ１を出力し、かつ、第２開閉器１６に対し開状態にするＬｏｗレベルの制御信号Ｓ２を出力し、電力変換部１３から電力系統３の電圧と略同一の電圧（以下、連系運転用電圧Ｖ１と記載する）を出力させる。これにより、連系運転用端子１１から系統側負荷へ交流電力が供給される。

また、制御部１９は、電力変換部１３に対して連系運転用電圧Ｖ１に応じた制御信号Ｓ３を出力することで、電力変換部１３から連系運転用電圧Ｖ１を出力させる。なお、連系運転用電圧Ｖ１は、５０Ｈｚまたは６０Ｈｚの２００Ｖの電圧であるが、かかる電圧に限られるものではない。

自立運転モードは、自立運転用端子１２に接続された自立側負荷へ電力を供給する自立運転処理を実行する動作モードである。制御部１９は、図２に示すように、第１開閉器１５に対し開状態にするＬｏｗレベルの制御信号Ｓ１を出力し、かつ、第２開閉器１６に対し閉状態にするＨｉｇｈレベルの制御信号Ｓ２を出力し、電力変換部１３から所定の電圧（以下、自立運転用電圧Ｖ２と記載する）を出力させることで、自立側負荷へ交流電力を供給する。

また、制御部１９は、電力変換部１３に対して自立運転用電圧Ｖ２に応じた制御信号Ｓ３を出力することで、電力変換部１３から自立運転用電圧Ｖ２を出力させる。なお、自立運転用電圧Ｖ２は、５０Ｈｚまたは６０Ｈｚの１００Ｖの電圧であるが、かかる電圧に限られるものではない。

異常判定モードは、第２開閉器１６の異常を検出する異常検出処理を実行する動作モードである。制御部１９は、図２に示すように、第１開閉器１５および第２開閉器１６に対して共に開状態にするＬｏｗレベルの制御信号Ｓ１、Ｓ２をそれぞれ出力し、かつ、電力変換部１３からテスト用電圧Ｖ３を出力させ、このときの自立側電圧検出部１７の検出結果に基づいて、第２開閉器１６の異常を検出する。

第２開閉器１６の異常として、第２開閉器１６における内部端子間の溶着がある。内部端子間の溶着が発生すると第２開閉器１６が閉状態に維持されることから、電力変換部１３の出力電圧が第２開閉器１６を介して自立運転用端子１２へ出力される。そのため、自立運転用端子１２に自立側負荷が接続されている場合、かかる自立側負荷に電力変換部１３の出力電圧が印加される。

連系運転モードでは、自立運転用電圧Ｖ２よりも高い連系運転用電圧Ｖ１が電力変換部１３から出力されるため、第２開閉器１６の内部端子間に溶着があって第２開閉器１６が開状態へ移行しない場合、連系運転用電圧Ｖ１が自立側負荷に対して印加される。例えば、自立側負荷の定格電圧が１２０Ｖである場合、２００Ｖの連系運転用電圧Ｖ１が自立側負荷へ印加されることになり、自立側負荷の故障要因となる。

このように、第２開閉器１６の内部端子間が溶着している場合、異常判定モードにおいても、第２開閉器１６が開状態へ移行しないため、電力変換部１３からテスト用電圧Ｖ３を出力させた場合、自立運転用端子１２にテスト用電圧Ｖ３が現れる。かかるテスト用電圧Ｖ３は、自立側電圧検出部１７によって検出される。制御部１９は、自立側電圧検出部１７による検出結果に基づき、第２開閉器１６に異常があると判定する。

一方、第２開閉器１６に異常がなく、異常判定モードにおいて第２開閉器１６が開状態へ移行する場合、自立運転用端子１２にテスト用電圧Ｖ３は現れないため、制御部１９は、自立側電圧検出部１７の検出結果に基づき、第２開閉器１６に異常がないと判定する。

異常判定モードにおいて、電力変換部１３から出力させるテスト用電圧Ｖ３は、自立側電圧検出部１７がｒ線とｓ線の電圧を検出することができる期間以上であればよく、例えば、電力変換部１３から１０ｍｓ程度から１秒程度だけ出力すればよい。このように、テスト用電圧Ｖ３の出力時間を比較的短い時間とすることで、異常判定モード時の自立運転用端子１２に接続された電気機器に対する影響を低減することができる。

ここで、制御部１９によって実行される処理の一例を説明する。図３は、電力変換装置１の制御部１９が行う処理の一例を示すフローチャートである。なお、自立運転モードへの移行や連系運転モードへの移行は、入力(ＯＮ)された運転スイッチを一旦切って（ＯＦＦ）、再び入力(ＯＮ)する動作が行われないと実行できないようになっている場合があるが、以下その部分の説明は省略している。

まず、電力変換装置１の制御部１９は、電力変換装置１の図示しない運転スイッチが入力(ＯＮ)されたか否かを判定する（ステップＳ１０）。かかるステップＳ１０の処理は、運転スイッチが入力されるまで繰り返し行われる。運転スイッチが入力されたと判定すると（ステップＳ１０；Ｙｅｓ）、制御部１９は、電力系統３が停電になったか否かを判定する（ステップＳ１１）。制御部１９は、系統側電圧検出部１８によって検出される連系運転用端子１１の電圧が所定値未満となった場合に、電力系統３が停電になったと判定する。

電力系統３が停電になっていると判定すると（ステップＳ１１；Ｙｅｓ）、制御部１９は、自立運転モードへ移行し、自立運転処理を開始する（ステップＳ１２）。かかる自立運転処理では、第１開閉器１５に対し開状態にする制御信号Ｓ１が出力され、第２開閉器１６に対し閉状態にする制御信号Ｓ２が出力され、電力変換部１３から自立運転用端子１２へ自立運転用電圧Ｖ２が出力される。

一方、電力系統３が停電になっていないと判定すると（ステップＳ１１；Ｎｏ）、制御部１９は、異常判定モードへ移行し、異常判定処理を開始する（ステップＳ１３）。かかる異常判定処理では、第１開閉器１５および第２開閉器１６に対し開状態にする制御信号Ｓ１、Ｓ２がそれぞれ出力され、電力変換部１３からテスト用電圧Ｖ３が出力される。

制御部１９は、電力変換部１３からテスト用電圧Ｖ３を出力させている状態で、自立側電圧検出部１７で検出される自立運転用端子１２の電圧値に基づいて、第２開閉器１６に異常があるか否かを判定する。具体的には、制御部１９は、自立運転用端子１２の電圧がゼロでない場合、内部端子間の溶着による第２開閉器１６の異常があると判定する。一方、自立運転用端子１２の電圧がゼロである場合、第２開閉器１６の異常がないと判定する。

異常判定処理において第２開閉器１６に異常があると判定された場合（ステップＳ１４：Ｙｅｓ）、制御部１９は、図示しない報知部から電力変換装置１に異常がある旨の報知を行い（ステップＳ１５）、電力変換装置１を停止状態にして処理を終了する。報知部は、例えば、ランプ、ディスプレイ、または、スピーカである。

制御部１９は、第２開閉器１６に異常があると判定した場合、内部のメモリに異常フラグとして「１」を設定し、かかる異常フラグが「１」である場合に、電力変換装置１に異常がある旨の報知を報知部から継続して行うこともできる。

一方、異常判定処理において、第２開閉器１６に異常がないと判定した場合（ステップＳ１４：Ｎｏ）、制御部１９は、系統運転モードへ移行し、連系運転処理を開始する（ステップＳ１６）。かかる連系運転処理では、第１開閉器１５に対し閉状態にする制御信号Ｓ１が出力され、第２開閉器１６に対し開状態にする制御信号Ｓ２が出力され、電力変換部１３から連系運転用電圧Ｖ１が出力される。

以上のように、本実施形態に係る電力変換装置１は、異常判定処理において、第１開閉器１５および第２開閉器１６に対し開状態にする制御信号Ｓ１，Ｓ２をそれぞれ出力し、かつ、電力変換部１３からテスト用電圧Ｖ３を出力させる制御を行う。かかる制御状態において、制御部１９は、自立側電圧検出部１７により検出される自立運転用端子１２の電圧に基づいて、第２開閉器１６の異常を判定する。

したがって、例えば、電力変換装置１の保守者等に対して第２開閉器１６の異常を報知部から報知することで、第２開閉器１６の交換や自立運転用端子１２への接続についての注意を喚起することができる。

また、制御部１９は、連系運転処理を実行する前に、異常判定処理を実行する。そして、この異常判定モードにおいて第２開閉器１６の異常を検出した場合、制御部１９は、連系運転処理を行わない。かかる処理により、自立運転用端子１２へ連系運転用電圧Ｖ１が出力されて自立側負荷を破損する、という問題を解消することができる。

また、制御部１９は、テスト用電圧Ｖ３を自立運転用電圧Ｖ２以下の電圧としていることから、第２開閉器１６に異常があった場合でも、自立側負荷を破損する等の問題が生じない。なお、テスト用電圧Ｖ３を自立運転用電圧Ｖ２よりも低い電圧とすることで、異常判定処理における電力消費を低減することも可能となる。

また、制御部１９は、自立運転処理を実行した後、連系運転処理を実行する前に、異常判定処理を実行することもできる。図４は、制御信号Ｓ１、Ｓ２および電力変換部１３の出力の遷移例を示す図である。

図４に示す例では、制御部１９は、連系運転モードを実行中に停電が発生すると（ｔ１）、自立運転モードへ移行し（ｔ１〜ｔ２）、その後、停電が復旧すると（ｔ２）、異常判定モード（ｔ２〜ｔ３）を実行した後に、連系運転モードへ移行する（ｔ３〜）。

このように、制御部１９は、自立運転処理を実行した後、連系運転処理を実行する前に、異常判定処理を実行することができる。第２開閉器１６における内部端子間の溶着は、自立運転処理によって第２開閉器１６に電流を流すことによって生じることから、自立運転処理を実行した後に、異常判定処理を実行することで効率的に第２開閉器１６の異常を検出することができる。

また、図４に示す例では、制御部１９は、異常判定モードにおいて、第１開閉器１５および第２開閉器１６に対し期間Ｔ１２において開状態にする制御信号Ｓ２を出力し、電力変換部１３からテスト用電圧Ｖ３を期間Ｔ１１において出力させる（ｔ２〜ｔ３）。

具体的には、制御部１９は、自立運転モードから異常判定モードへ移行する際に、電力変換部１３の出力を停止し、自立側電圧検出部１７で検出される自立運転用端子１２の電圧がゼロであるかを判定する。電力変換部１３の出力が停止している状態で、自立運転用端子１２の電圧がゼロでない場合、制御部１９は、何らかの要因で外部から自立運転用端子１２へ電圧が印加される異常があると判定する。この原因としては、例えば、誤配線などが考えられる。

自立側電圧検出部１７で検出される自立運転用端子１２の電圧がゼロである場合、制御部１９は、期間Ｔ１１だけ電力変換部１３からテスト用電圧Ｖ３を出力させ、自立側電圧検出部１７で検出される自立運転用端子１２の電圧がゼロであるかを判定する。自立運転用端子１２の電圧がゼロでない場合、内部端子間の溶着による第２開閉器１６の異常があると判定し、自立運転用端子１２の電圧がゼロである場合、第２開閉器１６の異常がないと判定する。その後、制御部１９は、電力変換部１３の出力を停止してから、連系運転モードへ移行する。

なお、制御部１９は、図４に示す異常判定処理に代えて、自立運転モードから異常判定モードへ移行する際に、電力変換部１３の出力を停止せずに電力変換部１３からの電圧出力を継続するようにしてもよい。この場合、制御部１９は、自立運転用端子１２へ外部から電圧が印加される異常は判定しない。また、制御部１９は、テスト用電圧Ｖ３を自立運転用電圧Ｖ２と同一の電圧とすることで、テスト用電圧Ｖ３を出力するまでの時間を省くことができ、異常判定処理を迅速に行うことができる。

また、電力変換部１３からの電圧出力を継続して動作モードの切り替えを行う場合、切換時のノイズを低減するために、制御部１９は、電力変換部１３から出力される交流電圧がゼロとなるタイミングで第１開閉器１５および第２開閉器１６の開閉を制御する。なお、交流電圧がゼロとなるタイミングは、自立側電圧検出部１７や系統側電圧検出部１８の検出結果に基づいて、制御部１９が判定する。

また、制御部１９は、動作モードの切り替えを行う場合に、その切り替え前後で電力変換部１３からの電圧出力を停止することもできる。この場合、交流電圧がゼロとなるタイミングの検出は行われない。

上述の実施形態では、自立運転処理や連系運転処理などに異常判定処理を関連付けた処理を説明したが、異常判定処理は自立運転処理および連系運転処理と関係なく実行することもできる。

例えば、制御部１９は、第１開閉器１５および第２開閉器１６に対し開状態にする制御信号Ｓ１，Ｓ２を出力し、電力変換部１３からの出力が停止している待機状態において、所定の条件に基づいて異常判定処理を実行してもよい。

例えば、制御部１９の内部メモリに異常判定処理のスケジュールを記憶しておく。そして、制御部１９は、スケジュールで規定されたタイミングで、電力変換装置１が待機状態である場合には、異常判定処理を実行する。なお、制御部１９は、自立側電圧検出部１７および系統側電圧検出部１８が検出する電圧がそれぞれゼロである場合に、待機状態から異常判定処理を実行することもできる。

また、制御部１９は、電力変換装置１に電源が投入されて初期処理を行う際に、異常判定処理を実行することもできる。また、制御部１９は、電力変換装置１の図示しないメンテナンスボタンが操作された場合に、異常判定処理を実行することもできる。

また、上述の実施形態では、第１開閉器１５および第２開閉器１６を、Ｈｉｇｈレベルの制御信号により閉状態となる開閉器として説明したが、Ｌｏｗレベルの制御信号により閉状態となる開閉器であってもよい。

また、上述の実施形態では、ｒ線およびｓ線間の電圧を検出することによって第２開閉器１６の異常を検出することとしたが、第２開閉器１６の異常検出方法はこれに限られない。例えば、制御部１９は、ｒ線およびｓ線の一方の電圧が電力変換部１３がｒ線およびｓ線の一方に出力する電圧と同じである場合に、第２開閉器１６の内部端子間が溶着していると判定することもできる。

さらなる効果や変形例は、当業者によって容易に導き出すことができる。このため、本発明のより広範な態様は、以上のように表しかつ記述した特定の詳細および代表的な実施形態に限定されるものではない。したがって、添付の特許請求の範囲およびその均等物によって定義される総括的な発明の概念の精神または範囲から逸脱することなく、様々な変更が可能である。

１電力変換装置
２太陽電池（外部装置）
３電力系統
１１連系運転用端子
１２自立運転用端子
１３電力変換部
１４フィルタ
１５第１開閉器
１６第２開閉器
１７自立側電圧検出部
１８系統側電圧検出部
１９制御部

Claims

外部装置から供給される電力を所定の電力へ変換する電力変換部と、
電力系統に接続される連系運転用端子と前記電力変換部との間に接続される第１開閉器と、
負荷に接続される自立運転用端子と前記電力変換部との間に接続される第２開閉器と、
前記自立運転用端子の電圧を検出する電圧検出部と、
前記電力変換部、前記第１開閉器および前記第２開閉器を制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、
前記第１開閉器と前記第２開閉器とに対し開状態にする制御信号をそれぞれ出力し、かつ、前記電力変換部から所定の電圧を出力させた制御状態において、前記電圧検出部により検出される前記自立運転用端子の電圧に基づいて、前記第２開閉器の異常を判定する異常判定処理を実行する
ことを特徴とする電力変換装置。
前記制御部は、
前記第１開閉器に対し閉状態にする制御信号を出力して前記電力系統に接続された負荷へ前記電力変換部で変換された電力を出力させる連系運転処理を実行する前に、前記異常判定処理を実行し、当該異常判定処理において前記第２開閉器の異常を検出した場合、前記連系運転処理へ移行しない
ことを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
前記制御部は、
前記第２開閉器に対し閉状態にする制御信号を出力して前記自立運転用端子へ前記電力変換部で変換された電力を出力させる自立運転処理を実行した後、前記連系運転処理へ移行する前に、前記異常判定処理を実行する
ことを特徴とする請求項２に記載の電力変換装置。
前記制御部は、
前記異常判定処理において前記電力変換部から出力する電圧を、前記自立運転処理において前記電力変換部から出力する電圧以下の電圧値とする
ことを特徴とする請求項３に記載の電力変換装置。