JP2017011985A - インバータを用いた系統連系システム及び三相電力の系統連系方法 - Google Patents

Abstract

【課題】突入電流の発生を防止することが可能な系統連系システムの提供。
【解決手段】系統連系システム３は、インバータジュール３２、スイッチモジュール３６及びコントローラ３８を有している。インバータモジュールは、直流電源を交流電源に変換する。スイッチモジュールは、インバータモジュールと三相交流電力網との間に接続され、第１スイッチ〜第６スイッチを有している。コントローラは、スイッチモジュールに電気的に接続され、スイッチモジュールを制御して交流電源を三相交流電力網２に併合させる。コントローラは、第１スイッチＳ１と第２スイッチＳ２からなる第１経路を導通した後、第３スイッチＳ３と第４スイッチＳ４とからなる第２経路における各スイッチが第１の所定条件を満たす場合、第２経路を導通し、その後、第５スイッチＳ５と第６スイッチＳ６とからなる第３経路における各スイッチが第２の所定条件を満たす場合、第３経路を導通する。
【選択図】図４

Description

本発明は、系統連系システム及び系統連系方法に関し、特に、インバータを用いた系統連系システム及び三相電力の系統連系方法に関する。

図１を参照しつつ、従来の太陽光（太陽光発電）インバータを用いた系統連系システム（以下、「系統連系システム」と称す）を説明する。
図１に示すように、系統連系システム１は、直流電圧源Ｖｉｎと交流電力網２との間に設けられ、直流電圧源Ｖｉｎを交流電源に変換して交流電力網２に併合（供給）することに用いられる。この系統連系システム１は、昇圧モジュール１０と、インバータモジュール１２と、フィルタ１４と、スイッチモジュール１６とを備えている。昇圧モジュール１０は直流電圧源Ｖｉｎに電気的に接続され、インバータモジュール１２は昇圧モジュール１０に電気的に接続される。また、フィルタ１４はインバータモジュール１２に電気的に接続され、スイッチモジュール１６はフィルタ１４と交流電力網２との間に接続される。

スイッチモジュール１６は、第１スイッチＳ１と、第２スイッチＳ２と、第３スイッチＳ３と、第４スイッチＳ４と、第５スイッチＳ５と、第６スイッチＳ６とを有している。第１スイッチＳ１及び第５スイッチＳ５と、第２スイッチＳ２及び第３スイッチＳ３と、第６スイッチＳ６及び第４スイッチＳ４とは、それぞれ、フィルタ１４と交流電力網２との間に直列に接続される。
スイッチモジュール１６は、３つの二極双投式の継電器から構成される。図１に示す系統連系システム１では、継電器１６０が第１スイッチＳ１及び第２スイッチＳ２によって、継電器１６２が第３スイッチＳ３及び第４スイッチＳ４によって、また、継電器１６４が第５スイッチＳ５及び第６スイッチＳ６によって、それぞれ構成されている。また、各継電器を構成する２つのスイッチは、同時に導通されるか、または、同時に遮断されるようになっている。

次に、図２を参照しつつ説明する。図２は、従来のスイッチモジュールにおける接続方法を示すフローチャートである。系統連系システム１及び交流電力網２が系統連系を実際に行う際に実行される接続方法（スイッチモジュール１６の第１スイッチＳ１〜第６スイッチＳ６の接続方法）は、以下に示すステップの順に行われる。
具体的に、スイッチモジュール１６における接続方法は、まず、第１スイッチＳ１及び第２スイッチＳ２を導通する（第１スイッチＳ１及び第２スイッチＳ２を閉路状態にする、ステップＳ１０１）。次に、第１スイッチＳ１及び第２スイッチＳ２を遮断する（第１スイッチＳ１及び第２スイッチＳ２を開放状態にする）とともに第３スイッチＳ３及び第４スイッチＳ４を導通する（ステップＳ１０３）。そして、第３スイッチＳ３及び第４スイッチＳ４を遮断するとともに第５スイッチＳ５及び第６スイッチＳ６を導通する（ステップＳ１０５）。その後、第５スイッチＳ５及び第６スイッチＳ６を遮断し（ステップＳ１０６）、第１スイッチＳ１〜第６スイッチＳ６が異常であるか否かを判定する（ステップＳ１０７）。ステップＳ１０７において、第１スイッチＳ１〜第６スイッチＳ６がいずれも異常でないと判定されると（誤動作しないと判定されると）、第１スイッチＳ１〜第６スイッチＳ６を同時に導通して系統連系を行う（ステップＳ１０９）。一方、ステップＳ１０７において、第１スイッチＳ１〜第６スイッチＳ６のうち、１つのスイッチが異常であると判定されると（誤動作していると判定されると）、系統連系を停止する（ステップＳ１１０）。

次に、図３を参照しつつ説明する。図３は、従来の系統連系システムが交流電力網と系統連系を行った場合の電流の状態を示す図である。ここで、高レベル信号は第１スイッチＳ１〜第６スイッチＳ６のうち、少なくとも１つのスイッチが操作されて導通状態にすることを示し、低レベル信号は第１スイッチＳ１〜第６スイッチＳ６のうち、少なくとも１つのスイッチが操作されて遮断状態にすることを示す。

図３に示すように、時間ｔ１において、第１スイッチＳ１及び第２スイッチＳ２を導通する。そして、時間ｔ２において、第１スイッチＳ１及び第２スイッチＳ２を遮断するとともに第３スイッチＳ３及び第４スイッチＳ４を導通する。次に、時間ｔ３において、第３スイッチＳ３及び第４スイッチＳ４を遮断するとともに第５スイッチＳ５及び第６スイッチＳ６を導通する。そして、時間ｔ４において、第５スイッチＳ５及び第６スイッチＳ６を遮断する。その後、時間ｔ５において、第１スイッチＳ１〜第６スイッチＳ６を同時に導通する。

上記系統連系システム１では、まず、第１スイッチＳ１〜第６スイッチＳ６の切替機能が正常であるか否かを判定（検出）し、第１スイッチＳ１〜第６スイッチＳ６の切替機能がいずれも正常である（誤動作がない）と判定すると、第１スイッチＳ１〜第６スイッチＳ６を同時に導通する。このため、従来の系統連系システム１によれば、操作（制御）が簡単であるといった利点がある。

しかしながら、第１スイッチＳ１〜第６スイッチＳ６を同時に導通するようにしているため、非常に大きな（過大な）突入電流（ｉｎｒｕｓｈ ｃｕｒｒｅｎｔ）が発生する。かかる場合、図３に示すように、第１スイッチＳ１〜第６スイッチＳ６の（使用）寿命が短くなるばかりか、第１スイッチＳ１〜第６スイッチＳ６のうち、少なくとも１つのスイッチ（例えば、図３に示す第１スイッチＳ１）が系統連系を行った際に破壊されてしまい、交流電力網２と系統連系を行うことができない、といった問題があった。

本発明は、インバータを用いた系統連系システムが交流電力網と系統連系を行う際に生じる、突入電流の発生を防止することが可能なインバータを用いた系統連系システム及び三相電力の系統連系方法を提供することを目的とする。

本発明は、インバータを用いた系統連系システムに係り、交流電源を三相交流の電力網に併合させることに用いられる。
本発明に係るインバータを用いた系統連系システムは、インバータモジュールと、スイッチモジュールと、コントローラとを備えている。インバータモジュールは、直流電源を交流電源に変換する。スイッチモジュールは、インバータモジュールと三相交流電力網との間に接続され、所定の条件を満たす場合、インバータモジュールにより変換された変換後の交流電源を三相交流電力網に併合させる。スイッチモジュールは、第１スイッチ〜第６スイッチを有する。第１スイッチは、第２スイッチに直列に接続されて第１経路を形成する。第３スイッチは、第４スイッチに直列に接続されて第２経路を形成する。第５スイッチは、第６スイッチに直列に接続されて第３経路を形成する。コントローラは、スイッチモジュールに電気的に接続され、当該スイッチモジュールを制御して交流電源を三相交流電力網に併合させる。コントローラは、第１経路を導通した後、第２経路における各スイッチが第１の所定条件を満たす場合、第２経路を導通する。その後、第３経路における各スイッチが第２の所定条件を満たす場合、第３経路を導通する。

さらに、本発明は、インバータモジュールが発生する交流電源を三相交流電力網に併合させることが可能な三相電力の系統連系方法を提供する。当該三相電力の系統連系方法は、インバータモジュールと三相交流電力網との間に設けられる第１経路を導通する第１経路導通ステップと、第１の所定条件を満たす場合、インバータモジュールと三相交流電力網との間に設けられる第２経路を導通する第２経路導通ステップと、第２の所定条件を満たす場合、インバータモジュールと三相交流電力網との間に設けられる第３経路を導通する第３経路導通ステップと、備えている。

本発明に係るインバータを用いた系統連系システム及び三相電力の系統連系方法によれば、（インバータを用いた）系統連系システムが交流電力網と系統連系を行う際に生じる突入電流を効果的に防止することができるとともに、スイッチモジュールの破損確率の低減化及び使用寿命の延長化を図ることが可能である。

従来の太陽光インバータを用いた系統連系システムを示すブロック図である。 従来のスイッチモジュールにおける接続方法を示すフローチャートである。 従来の太陽光インバータを用いた系統連系システムが交流電力網と系統連系を行った場合を示す図であって、電流の状態及び第１スイッチ〜第６スイッチの切替状態を時系列的に示した図である。 本発明に係る太陽光インバータを用いた系統連系システムを示すブロック図である。 本発明の他の例に係る太陽光インバータを用いた系統連系システムを示すブロック図である。 本発明の他の例に係る太陽光インバータを用いた系統連系システムのブロック図である。 本発明に係る太陽光インバータを用いた系統連系システムのブロック図である。 本発明に係るスイッチモジュールの接続方法を示すフローチャートである。 本発明に係る太陽光インバータを用いた系統連系システムが交流電力網と系統連系を行った場合を示す図であって、電流の状態及び第１スイッチ〜第６スイッチの切替状態を時系列的に示した図である。 本発明の他の例に係る太陽光インバータを用いた系統連系システムが交流電力網と系統連系を行った場合を示す図であって、電流の状態及び第１スイッチ〜第６スイッチの切替状態を時系列的に示した図である。

以下、図面を参照しつつ、本発明の実施形態を説明する。以下に示す好ましい実施形態によって、本発明の内容、他の目的、特徴及びメリットがさらに明瞭になるが、本発明はこれに限定されない。

本発明は、インバータを用いた系統連系システム及びそのスイッチモジュールの接合（接続）方法を提供するものである。本発明によれば、（インバータを用いた）系統連系システムが交流電力網と系統連系を行う際に生じる突入電流を効果的に防止することができるとともに、スイッチモジュールも破損確率の低減化及び使用寿命の延長化を図ることが可能である。
インバータを用いた系統連系システムは、直流電源を交流電源に変換するとともに、交流電源を三相交流電力網に併合させるために用いられる。直流電源は、太陽ボルタ又は電池により供給されてもよい。以下の実施形態において、インバータは、太陽ボルタにより供給される直流電源を交流電源に変換する太陽光インバータを例として説明する。

図４に示すように、太陽光インバータを用いた系統連系システム（以下、「系統連系システム」と称す）３は、直流源（例えば、直流電圧源Ｖｉｎ）と交流電力網２との間に設けられている。交流電力網２は、三相交流電力網であり、第１相端子（または「Ｒ相端子」と称す）と、第２相端子（または「Ｓ相端子」と称す）と、第３相端子（または「Ｔ相端子」と称す）とを有している。ここで、第１相端子の電圧をＶ_Ｒ、第２相端子の電圧をＶ_Ｓ、第３相端子の電圧をＶ_Ｔとする。

系統連系システム３は、電圧レベル調整モジュール３０と、インバータモジュール３２と、フィルタ３４と、スイッチモジュール３６とを備えている。

電圧レベル調整モジュール３０は、直流電圧源Ｖｉｎに電気的に接続される。図４に示すように、電圧レベル調整モジュール３０は、昇圧回路であり、インダクタＬ、切替素子Ｑ、ダイオードＤ及びコンデンサＣを有している。なお、切替素子Ｑは両極性トランジスターであってもよい。インダクタＬは、一端が直流電圧源Ｖｉｎの高圧端に接続され、他端がダイオードＤの陽極及び切替素子Ｑのコレクタに接続される。また、コンデンサＣの一端は、ダイオードＤの陰極、切替素子Ｑのエミッタ、及び直流電圧源Ｖｉｎの低圧端に接続される。切替素子Ｑは、コントローラ（図示せず）によって導通及び開閉の制御が行われ、直流電圧源Ｖｉｎの直流電圧を昇圧させる。なお、電圧レベル調整モジュール３０は、降圧回路であってもよく、また、切替素子Ｑは、小駆動電流及び低導通抵抗をともに備える絶縁ゲートバイポーラトランジスター（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ，ＩＧＢＴ）であってもよい。

インバータモジュール３２は、電圧レベル調整モジュール３０に電気的に接続される。このインバータモジュール３２は、直流電圧源Ｖｉｎを交流電源に変換することに用いられ、系統連系に成功すると、交流電力網２へ電気エネルギを転送するようになっている。フィルタ３４は、インバータモジュール３２に電気的に接続され、交流電圧源におけるノイズを取り除くことに用いられる。

スイッチモジュール３６は、フィルタ３４と交流電力網２との間に結合（接続）される。このスイッチモジュール３６は、第１スイッチＳ１、第２スイッチＳ２、第３スイッチＳ３、第４スイッチＳ４、第５スイッチＳ５及び第６スイッチＳ６を有している。スイッチモジュール３６の第１スイッチＳ１〜第６スイッチＳ６は、２つが組になってフィルタ３４と交流電力網２との間に直列に接続される。これらスイッチは、単一故障（ｓｉｎｇｌｅ ｆａｕｌｔ）における保護機能を有し、単一故障が生じた状態で、交流電力網２及び操作者に対する危害を避けるようになっている。図４に示すように、第１スイッチＳ１及び第２スイッチＳ２は、直列に接続され、第１経路を形成する。第３スイッチＳ３及び第４スイッチＳ４は、直列に接続され、第２経路を形成する。第５スイッチＳ５及び第６スイッチＳ６は、直列に接続され、第３経路を形成する。

一実施形態において、第１スイッチＳ１及び第３スイッチＳ３は、第１継電器３６０を構成するものであり、当該第１継電器３６０が導通状態になると、同時に導通されるようになっている。第２スイッチＳ２及び第６スイッチＳ６は、第２継電器３６２を構成するものであり、第２継電器３６２が導通状態となると、同時に導通されるようになっている。

次に、図８を同時に参照して、本発明のスイッチモジュールの接続方法を説明する。本発明に係る系統連系システム３が交流電力網２と系統連系を行う際に実行する、スイッチモジュール３６の接続方法（ステップ）の詳細は以下のとおりである。

まず、第１経路を導通する（ステップＳ３０１）。図５に示すように、コントローラ３８は、第１スイッチＳ１、第２スイッチＳ２、第３スイッチＳ３及び第６スイッチＳ６を閉状態にして第１経路を導通する。

すなわち、コントローラ３８は、まず、第１スイッチＳ１及び第３スイッチＳ３を閉状態にし、そして、第２スイッチＳ２及び第６スイッチＳ６を閉状態にする。換言すれば、コントローラ３８は、まず、第１継電器３６０を導通し、そして、第２継電器３６２を導通する。
図９に示すように、時間ｔ１１において、第１スイッチＳ１及び第３スイッチＳ３は閉状態となる。また、時間ｔ１２において、第２スイッチＳ２及び第６スイッチＳ６は閉状態となり、第１経路が導通されるようになっている。なお、図９において、第１スイッチＳ１〜第６スイッチＳ６は、高レベル信号によって閉状態にされる一方、低レベル信号によって開状態にされることを示している。

なお、本発明の他の実施形態において、コントローラ３８は、第１スイッチＳ１、第２スイッチＳ２、第３スイッチＳ３及び第６スイッチＳ６を同時に閉状態にすることも可能である。この場合、第１継電器３６０及び第２継電器３６２を同時に導通すればよい。これにより、図１０に示すように、時間ｔ１において、第１スイッチＳ１、第２スイッチＳ２、第３スイッチＳ３及び第６スイッチＳ６が閉状態となり、第１経路が導通されることとなる。なお、図１０において、第１スイッチＳ１〜第６スイッチＳ６は、高レベル信号によって閉状態にされる一方、低レベル信号によって閉除隊にされることを示している。

本発明では、図５に示すように、第３スイッチＳ３が既に閉じられている状態で、第４スイッチＳ４の両端の瞬時電圧（交流電力網２の第１相端子と第２相端子との電圧差に相当）を検出するようにしている。この場合、本発明では、第４スイッチＳ４の両端の瞬時電圧が同一（Ｖ_Ｒ−Ｖ_Ｓ＝０）といった第１の所定条件を満たすと、第４スイッチＳ４を閉状態にして第２経路を導通するようにしている。つまり、本発明では、第３スイッチＳ３の両端の電圧及び第４スイッチＳ４の両端の電圧がいずれも同一の電圧レベルになると、第２経路が導通されるようになっている（ステップＳ３０５）。なお、図９及び図１０に示す例では、第４スイッチＳ４は、時間ｔ２において閉状態となる。

また、本発明では、図５に示すように、第６スイッチＳ６が既に閉じられている状態で、第５スイッチＳ５の両端の瞬時電圧（交流電力網２の第１相端子、第２相端子及び第３相端子の電圧差に相当）を検出するようにしている。この場合、本発明では第５スイッチＳ５の両端の瞬時電圧が同一（Ｖ_Ｒ＋Ｖ_Ｓ−Ｖ_Ｔ＝０）といった第２の所定条件を満たすと、コントローラ３８は、第５スイッチＳ５を閉状態にして第３経路を導通するようにしている。つまり、本発明では、第５スイッチＳ５の両端の電圧及び第６スイッチＳ６の両端の電圧がいずれも同一電圧レベルになると、第３経路が導通されるようになっている（ステップＳ３０７）。なお、図９及び図１０に示す例では、第５スイッチＳ５は、時間ｔ３において閉状態となる。

なお、本発明のもう１つの実施形態において、スイッチモジュール３６は、６つの独立なスイッチであってもよい。この場合、コントローラ３８は、まず、第１スイッチＳ１、第２スイッチＳ２を閉状態にして第１経路を形成（導通）するとともに、交流電力網２の第１相端子と第２相端子との電圧差がＶＲ−ＶＳ＝０といった第１の所定条件を満たす場合、第３スイッチＳ３及び第４スイッチＳ４を同時に閉状態にして第２経路を導通すればよい。なお、本発明の精神（ポイント）は、経路を導通する順序及びタイミング（時刻）にあるため、スイッチを閉状態にする順序については限定されない点を付け加えておく。

以上、本発明に係る実施形態を示したが、本発明は、これに限定されるものではない。本発明の保護範囲は、特許請求の範囲を基準とするものであり、当業者は、本発明の精神及び範囲から逸脱しない限り、様々な変更や潤飾を行うことができる。

１、３ 系統連系システム
１０ 昇圧モジュール
１２、３２ インバータモジュール
１４、３４ フィルタ
１６、３６ スイッチモジュール
１６０、１６２、１６４ 継電器
２ 交流電力網
３０ 電圧レベル調整モジュール
３６０ 第１継電器
３６２ 第２継電器
３８ コントローラ
Ｃ コンデンサ
Ｄ ダイオード
Ｌ インダクタ
Ｑ 切替素子
Ｓ１ 第１スイッチ
Ｓ２ 第２スイッチ
Ｓ３ 第３スイッチ
Ｓ４ 第４スイッチ
Ｓ５ 第５スイッチ
Ｓ６ 第６スイッチ
Ｖｉｎ 直流電圧源
ＶＲ 第１相端子の電圧
ＶＳ 第２相端子の電圧
ＶＴ 第３相端子の電圧

Claims (13)

1. 交流電源を三相交流電力網に併合させるインバータを用いた系統連系システムであって、
   直流電源を前記交流電源に変換するインバータモジュールと、
   前記インバータモジュールと前記三相交流電力網との間に接続されるスイッチモジュールと、
   前記スイッチモジュールに電気的に接続され、前記スイッチモジュールを制御して前記交流電源を前記三相交流電力網に併合させるコントローラと、を備え、
   前記スイッチモジュールは、
   互いに直列に接続されて第１経路を形成する第１スイッチと、第２スイッチと、
   互いに直列に接続されて第２経路を形成する第３スイッチと、第４スイッチと、
   互いに直列に接続されて第３経路を形成する第５スイッチと、第６スイッチと、を有し、
   前記コントローラは、
   前記第１経路を導通した後、前記第２経路における各スイッチが第１の所定条件を満たす場合、前記第２経路を導通し、
   その後、前記第３経路における各スイッチが第２の所定条件を満たす場合、前記第３経路を導通する、
   ことを特徴とするインバータを用いた系統連系システム。
2. 前記第１の所定条件は、前記第２経路において前記インバータモジュール及び前記三相交流電力網に接続される端子の電圧がそれぞれ同一の電圧レベルとなった場合である、
   ことを特徴とする請求項１に記載のインバータを用いた系統連系システム。
3. 前記第２の所定条件は、前記第３経路において前記インバータモジュール及び前記三相交流電力網に接続される端子の電圧がそれぞれ同一の電圧レベルとなった場合である、
   ことを特徴とする請求項１に記載のインバータを用いた系統連系システム。
4. 前記第１スイッチ及び前記第３スイッチは、第１継電器を構成し、前記第１継電器が導通されると、同時に導通する、
   ことを特徴とする請求項１に記載のインバータを用いた系統連系システム。
5. 前記第２スイッチ及び前記第６スイッチは、第２継電器を構成し、前記第２継電器が導通されると、同時に導通する、
   ことを特徴とする請求項４に記載のインバータを用いた系統連系システム。
6. 前記第１継電器は、前記第２継電器よりも優先して導通される、
   ことを特徴とする請求項５に記載のインバータを用いた系統連系システム。
7. 前記第１継電器及び前記第２継電器は、同時に導通される、
   ことを特徴とする請求項５に記載のインバータを用いた系統連系システム。
8. 前記第１の所定条件は、前記第４スイッチの両端の電圧がそれぞれ同一の電圧レベルとなった場合である、
   ことを特徴とする請求項６または請求項７に記載のインバータを用いた系統連系システム。
9. 前記第２の所定条件は、前記第５スイッチの両端の電圧がそれぞれ同一の電圧レベルとなった場合である、
   ことを特徴とする請求項６または請求項７に記載のインバータを用いた系統連系システム。
10. 前記インバータモジュールに電気的に接続され、前記インバータモジュールに直流入力電圧を供給する電圧レベル調整装置と、
    前記インバータモジュール及び前記スイッチモジュールに電気的に接続され、前記交流電源をフィルタリングするフィルタと、をさらに備えた、
    ことを特徴とする請求項１に記載のインバータを用いた系統連系システム。
11. インバータモジュールが発生する交流電源を三相交流電力網に併合させる三相電力の系統連系方法であって、
    前記インバータモジュールと前記三相交流電力網との間に設けられる第１経路を導通する第１経路導通ステップと、
    第１の所定条件を満たす場合、前記インバータモジュールと前記三相交流電力網との間に設けられる第２経路を導通する第２経路導通ステップと、
    第２の所定条件を満たす場合、前記インバータモジュールと前記三相交流電力網との間に設けられる第３経路を導通する第３経路導通ステップと、を備えた、
    ことを特徴とする三相電力の系統連系方法。
12. 前記第１の所定条件は、前記第２経路において前記インバータモジュール及び前記三相交流電力網に接続される端子の電圧がそれぞれ同一の電圧レベルとなった場合である、
    ことを特徴とする請求項１１に記載の三相電力の系統連系方法。
13. 前記第２の所定条件は、前記第３経路において前記インバータモジュール及び前記三相交流電力網に接続される端子の電圧がそれぞれ同一の電圧レベルとなった場合である、
    ことを特徴とする請求項１１に記載の三相電力の系統連系方法。