JP6422247B2

JP6422247B2 - パワーコンディショナ

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Publication number: JP6422247B2
Application number: JP2014134005A
Authority: JP
Inventors: 大介田嶌; 西尾　直樹; 直樹西尾
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2014-06-30
Filing date: 2014-06-30
Publication date: 2018-11-14
Anticipated expiration: 2034-06-30
Also published as: JP2016013010A

Description

本発明は、太陽電池で発電した直流電力を交流電力に変換して商用電力系統へ逆潮流するパワーコンディショナに関する。

近年、自然エネルギーへの関心の高まりから太陽光発電システムが注目を集めており、太陽光発電システムにおいては、太陽電池で発電される直流電力を交流電力に変換し商用電力系統へ逆潮流するパワーコンディショナが重要な構成機器となっている。

例えば下記特許文献１に示される従来技術では、商用電力系統が停電した場合、インバータが自立運転することでインバータ出力が１つの自立運転出力端子を介して負荷に供給される。

特許第４５２４８４０号公報

しかしながら、上記特許文献１に示される従来技術は、１つの自立運転出力端子を備えているが、自立運転出力端子として使用されるコンセント類の出力容量は規格に規定されている。そのためパワーコンディショナに内蔵されるインバータの出力可能な電力値が自立運転出力端子の出力容量より大きい場合、自立運転出力端子に接続される負荷には自立運転出力端子の出力容量以上の電力を供給することができず、インバータ出力を有効に利用することができないという課題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、インバータを含む電力変換部の出力を有効に利用することができるパワーコンディショナを得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、太陽電池で発電された直流電力を交流電力に変換する電力変換部と、前記電力変換部の出力電圧の電圧値を検出する電圧検出器と、前記電力変換部からの出力を負荷へ供給する複数の自立運転出力端子と、前記複数の自立運転出力端子に流れる電流の電流値を検出する複数の端子電流検出器と、前記電力変換部の動作を制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記電圧検出器で検出された電圧値と、前記複数の端子電流検出器で検出された電流値とに基づいて、前記複数の自立運転出力端子の出力電力値を求め、前記複数の自立運転出力端子のうちのいずれかの出力電力値が、前記制御部に設定された前記各自立運転出力端の出力容量規定値を超えた場合、前記電力変換部の運転を停止させ、前記複数の自立運転出力端子の出力電力値を合算した値が、前記制御部に設定された前記電力変換部の出力容量を超えた場合、前記電力変換部の運転を停止させることを特徴とする。

この発明によれば、複数の自立運転出力端子に流れる電流値を用いて演算した出力電力値が出力容量規定値を超えない範囲で複数の自立運転出力端子を同時に使用することができるため、インバータを含む電力変換部の出力を有効に利用することができる、という効果を奏する。

図１は、本発明の実施の形態１に係るパワーコンディショナを含む太陽光発電システムを模式的に示す図である。図２は、本発明の実施の形態２に係るパワーコンディショナを含む太陽光発電システムを模式的に示す図である。図３は、本発明の実施の形態３に係るパワーコンディショナを含む太陽光発電システムを模式的に示す図である。図４は、本発明の実施の形態４に係るパワーコンディショナを含む太陽光発電システムを模式的に示す図である。

以下に、本発明に係るパワーコンディショナの実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係るパワーコンディショナ２を含む太陽光発電システムを模式的に示す図である。太陽光発電システムは、太陽電池１およびパワーコンディショナ２を備え、パワーコンディショナ２は、太陽電池１で発電された直流電力を交流電力に変換し商用電力系統３へ逆潮流する装置である。

パワーコンディショナ２は、コンバータ４、インバータ５およびフィルタ回路７を含んで構成された電力変換部１２と、制御部６と、自立運転出力切替リレー８と、連系運転出力切替リレー９と、複数の自立運転出力端子１０−１，１０−２，１０−ｎと、電圧検出器１１と、複数の端子電流検出器１４−１，１４−２，１４−ｎと、電流検出器１５とを備える。ｎは２以上の整数である。以下の説明では特に言及する場合を除き、複数の自立運転出力端子１０−１，１０−２，１０−ｎを「各自立運転出力端子１０」と称し、複数の端子電流検出器１４−１，１４−２，１４−ｎを「各端子電流検出器１４」と称する。

コンバータ４は、制御部６からの制御信号で図示しないスイッチング素子を動作させることにより、太陽電池１からの直流電力の電圧値をインバータ５に適した電圧値に変換する直流−直流変換機能を有する。インバータ５は、制御部６からの制御信号で図示しないスイッチング素子を動作させることにより、コンバータ４からの直流電力を交流電力に変換する直流−交流変換機能を有する。

フィルタ回路７は、交流電力の高調波を除去し、電圧検出器１１は、フィルタ回路７で高調波が除去されたインバータ出力の電圧Ｖｆｏの値を検出し、検出した電圧値を制御部６へ出力する。連系運転出力切替リレー９は、制御部６により制御され、インバータ出力と商用電力系統３との間を接続あるいは解列する。

自立運転出力切替リレー８は、一方の端子がフィルタ回路７と連系運転出力切替リレー９との間の配線から分岐した分岐配線１７に接続され、制御部６で制御されることでインバータ出力と各自立運転出力端子１０との間を接続あるいは解列する。

自立運転出力電流検出器である電流検出器１５は、フィルタ回路７と連系運転出力切替リレー９との間の配線から分岐した分岐配線１７に配置され、自立運転時のインバータ出力の電流Ｉｆｏである自立運転出力電流の全体値を検出し、検出した自立運転出力電流の全体値を制御部６へ出力する。なお、電流検出器１５の位置は図示例に限定されるものではなく符号Ａで示される位置、具体的には自立運転出力切替リレー８と各自立運転出力端子１０との配線１８において各自立運転出力端子１０へ分岐する手前の位置であってもよい。

各自立運転出力端子１０は、自立運転出力切替リレー８の他方の端子に接続された配線１８に接続され、自立運転出力切替リレー８、分岐配線１７、およびフィルタ回路７を介してインバータ５に接続されている。実施の形態１の各自立運転出力端子１０には一例で交流出力コンセントが用いられている。

自立運転出力切替リレー８と自立運転出力端子１０−１との間には端子電流検出器１４−１が配置される。端子電流検出器１４−１は、インバータ５から自立運転出力端子１０−１へ流れる自立運転出力電流Ｉ_１の値を検出し、検出した電流値を制御部６へ出力する。自立運転出力切替リレー８と自立運転出力端子１０−２との間には端子電流検出器１４−２が配置され、端子電流検出器１４−２は、インバータ５から自立運転出力端子１０−２へ流れる自立運転出力電流Ｉ_２の値を検出し、検出した電流値を制御部６へ出力する。自立運転出力切替リレー８と自立運転出力端子１０−ｎとの間には端子電流検出器１４−ｎが配置され、端子電流検出器１４−ｎは、インバータ５から自立運転出力端子１０−ｎへ流れる自立運転出力電流Ｉ_ｎの値を検出し、検出した電流値を制御部６へ出力する。

制御部６は、電圧検出器１１で検出された電圧値に基づいてコンバータ４およびインバータ５に制御信号を出力すると共に、自立運転出力切替リレー８および連系運転出力切替リレー９を制御する。

また制御部６は、電圧検出器１１で検出された電圧値と、端子電流検出器１４−１から１４−ｎで検出された自立運転出力電流Ｉ_１からＩ_ｎの電流値とに基づいて、各自立運転出力端子１０の出力電力値を演算する。具体的には、電圧検出器１１で検出された電圧値に、端子電流検出器１４−１で検出された自立運転出力電流Ｉ_１の電流値を乗じることで、自立運転出力端子１０−１の出力電力値を演算する。また電圧検出器１１で検出された電圧値に、端子電流検出器１４−ｎで検出された自立運転出力電流Ｉ_ｎの電流値を乗じることで、自立運転出力端子１０−ｎの出力電力値を演算する。そして、演算した出力電力値が、制御部６に予め設定された各自立運転出力端子１０の出力容量規定値を超えた場合、制御部６は電力変換部１２の運転を停止させる。

以下、パワーコンディショナ２の動作説明を説明する。太陽電池１で発電された直流電力の出力は図示しない接続箱で集電された後、パワーコンディショナ２に入力され、パワーコンディショナ２では直流電力が交流電力に変換され、交流電力はパワーコンディショナ２が設置された住宅内あるいは住宅外の電気機器である負荷に供給されると共に、商用電力系統３に連系され、負荷で消費しきれずに余剰分の電力が生じた場合には商用電力系統３へ逆潮流される。なお、このような連系運転において、連系運転出力切替リレー９はＯＮ（接続）状態に、自立運転出力切替リレー８はＯＦＦ（解列）状態に制御される。また、パワーコンディショナ２は、商用電力系統３の停電を検出した場合、自立運転することにより各自立運転出力端子１０に接続された負荷に交流電力が供給される。そして自立運転中に各自立運転出力端子１０の各出力電力値が出力容量規定値を超えた場合、インバータ５の運転が停止される。なお、このような自立運転においては、連系運転出力切替リレー９はＯＦＦ（解列）状態に、自立運転出力切替リレー８はＯＮ（接続）状態に制御される。

以上に説明したように実施の形態１のパワーコンディショナ２は、直流電力を交流電力に変換する電力変換部１２と、電力変換部１２の出力電圧の電圧値を検出する電圧検出器１１と、電力変換部１２からの出力を負荷へ供給する複数の自立運転出力端子１０と、各自立運転出力端子１０に流れる電流の電流値を検出する複数の端子電流検出器１４と、電力変換部１２の動作を制御する制御部６と、を備え、制御部６は、電圧検出器１１で検出された電圧値と、各端子電流検出器１４で検出された電流値とに基づいて、各自立運転出力端子１０の出力電力値を求め、各自立運転出力端子１０の出力電力値が各自立運転出力端子１０の出力容量規定値を超えた場合、電力変換部１２の運転を停止させる。交流１００Ｖ仕様の交流出力コンセントは１口当たりの出力容量が規格で規定されており、規格上の出力容量は１５ｋＶＡであるが、１つの自立運転出力端子を備えた従来技術では、自立運転出力端子に接続される負荷には交流出力コンセントの出力容量以上の電力を供給することができず、インバータを含む電力変換部の出力を有効に利用することができないという課題があった。これに対して実施の形態１に係るパワーコンディショナ２は、各自立運転出力端子１０に流れる電流値を用いて、各自立運転出力端子１０の出力電力値を演算し、各自立運転出力端子１０の出力電力値を合算した値がインバータ５の出力容量未満であれば、各自立運転出力端子１０の出力電力値が出力容量規定値を超えない範囲で、複数の自立運転出力端子１０−１から１０−ｎを同時に使用することができる。その結果、電力変換部１２の出力を有効に利用することができると共に、安全な自立運転を確保することができる。

実施の形態２．
図２は、本発明の実施の形態２に係るパワーコンディショナ２を含む太陽光発電システムを模式的に示す図である。実施の形態１との相違点は、複数の自立運転出力端子１０−１から１０−ｎの内、１つの自立運転出力端子１０−１を除く残りの自立運転出力端子１０−２から１０−ｎに流れる電流の値を検出する端子電流検出器１４−２から１４−ｎが用いられている点である。以下、実施の形態１と同一部分には同一符号を付してその説明を省略し、ここでは異なる部分についてのみ述べる。

制御部６は、電圧検出器１１で検出された電圧値に、端子電流検出器１４−２で検出された自立運転出力電流Ｉ_２の電流値を乗じることで、自立運転出力端子１０−２の出力電力値を演算する。また電圧検出器１１で検出された電圧値に、端子電流検出器１４−ｎで検出された自立運転出力電流Ｉ_ｎの電流値を乗じることで、自立運転出力端子１０−ｎの出力電力値を演算する。

また制御部６は、自立運転出力端子１０−１の出力電力値を以下の通り演算する。まず、各端子電流検出器１４で検出された自立運転出力電流Ｉ_２からＩ_ｎの電流値の総和を求め、電流検出器１５で検出されたインバータ出力の電流Ｉｆｏの値から電流値の総和を減じることにより、自立運転出力電流Ｉ_１の値を求める。次に、制御部６は、電圧検出器１１で検出された電圧値に、自立運転出力電流Ｉ_１の値を乗じることにより、自立運転出力端子１０−１の出力電力値を求める。そして、各自立運転出力端子１０の出力電力値が出力容量規定値を超えた場合、制御部６は電力変換部１２の運転を停止させる。

なお、各端子電流検出器１４の配置場所は、図示例に限定されるものではなく、複数の自立運転出力端子１０−１から１０−ｎの内、１つの自立運転出力端子を除く残りの自立運転出力端子に流れる電流の値を検出することができればよい。具体的には、自立運転出力端子１０−２と自立運転出力切替リレー８との間に配置される端子電流検出器１４−２を省き、その代わりに自立運転出力端子１０−１と自立運転出力切替リレー８との間に端子電流検出器１４−１を設け、複数の自立運転出力端子１０−１から１０−ｎの内、自立運転出力端子１０−２を除く残りの自立運転出力端子に流れる電流の値を検出する構成でもよい。

以上に説明したように、実施の形態２のパワーコンディショナ２は、電力変換部１２と、電圧検出器１１と、自立運転時の電力変換部１２から出力される自立運転出力電流の全体値を検出する自立運転出力電流検出器である電流検出器１５と、電力変換部１２からの出力を負荷へ供給する複数の自立運転出力端子１０と、各自立運転出力端子１０の内、１つの自立運転出力端子を除く残りの自立運転出力端子に流れる電流の電流値を検出する１または複数の端子電流検出器１４と、制御部６と、を備え、制御部６は、電圧検出器１１で検出された電圧値と、電流検出器１５で検出された自立運転出力電流の全体値と、端子電流検出器１４で検出された電流値とに基づいて、各自立運転出力端子１０の出力電力値が各自立運転出力端子１０の出力容量規定値を超えた場合、電力変換部１２の運転を停止させる。この構成により、実施の形態１の効果に加えて、全ての自立運転出力端子１０−１から１０−ｎの数に対応した端子電流検出器１４−１から１４−ｎを設けなくとも自立運転動作が可能となり、その結果、パワーコンディショナ２のコストを低減することが可能である。

実施の形態３．
図３は、本発明の実施の形態３に係るパワーコンディショナ２を含む太陽光発電システムを模式的に示す図である。実施の形態１との相違点は、電流検出器１５の代わりに、インバータ５とフィルタ回路７との間に配置される電流検出器１３が用いられている点である。以下、実施の形態１と同一部分には同一符号を付してその説明を省略し、ここでは異なる部分についてのみ述べる。

電流検出器１３は、インバータ５とフィルタ回路７の間に配置され、インバータ５から出力されるインバータ出力電流Ｉｆｏの値を検出し、検出した電流値を制御部６へ出力する。制御部６は、自立運転時に電流検出器１５で検出された自立運転出力電流の全体値の代わりに、電流検出器１３で検出される電流値を用いて各自立運転出力端子１０の出力電力値を求め、各自立運転出力端子１０の出力電力値が各自立運転出力端子１０の出力容量規定値を超えた場合、電力変換部１２の運転を停止させる。なお、実施の形態３では自立運転出力端子１０−１に流れる自立運転出力電流Ｉ_１の値を検出し、電力変換部１２の運転を停止させる構成例を説明したが、実施の形態２と同様に、複数の自立運転出力端子１０−１から１０−ｎの内、自立運転出力端子１０−１を除く残りの自立運転出力端子に流れる電流の値を検出し、電流検出器１３で検出されたインバータ出力の電流Ｉｆｏの値から電流値の総和を減じることにより、自立運転出力電流Ｉ_１の値を求める構成でもよい。

実施の形態３のパワーコンディショナ２によれば、電力変換部１２を制御するための電流検出器１３を、自立運転出力電流の全体値の検出にも利用することで、実施の形態１，２の電流検出器１５を設ける必要がない。その結果、パワーコンディショナ２の更なるコストの低減が可能である。

実施の形態４．
図４は、本発明の実施の形態４に係るパワーコンディショナ２を含む太陽光発電システムを模式的に示す図である。実施の形態１との相違点は、複数の自立運転出力端子１０−１から１０−ｎの内、一部が速結端子１６であり、残りの一部が交流出力コンセントである点である。交流出力コンセントはその規格上の出力容量は１５ｋＶＡであるため、それ以上の電力を要する機器を接続することができない。交流出力コンセントの代わりに速結端子１６を用いて負荷からの電線を速結端子１６に直接接続すれば、出力容量の制約は速結端子１６および電線の許容電流値で決まるため、交流出力コンセントよりも大きな電力を要する機器を接続することが可能となる。また、速結端子１６の出力容量の制限値を制御部６に設定しておくことで、電力変換部１２の出力をより一層有効に利用することができる。

なお、実施の形態４に係る構成は、実施の形態２または実施の形態３にも適用可能である。実施の形態２に適用することでパワーコンディショナ２のコスト低減を図りながら電力変換部１２の出力をより一層有効に利用することができる。また実施の形態３に適用することで電流検出器１５を設ける必要がなくなりパワーコンディショナ２の更なるコスト低減を図りながら電力変換部１２の出力をより一層有効に利用することができる。

実施の形態５．
実施の形態１から４に係るパワーコンディショナ２の制御部６は、各自立運転出力端子１０の出力電力値が各自立運転出力端子１０の出力容量規定値を超えた場合に電力変換部１２の運転を停止させる構成であるが、各自立運転出力端子１０の出力電力値を合算した値が、制御部６に設定されたインバータ出力容量、すなわち電力変換部１２の出力容量を超えた場合にも、電力変換部１２の運転を停止させる構成でもよい。これにより各自立運転出力端子１０の出力電力値が出力容量規定値を超えない範囲で、自立運転出力端子１０の数を増やすことができ、端子数が多いほど使用電力の小さい負荷を数多く使用することができる。個々の負荷へ供給される電力の値が１つの自立運転出力端子あたりの出力容量規定値を超えていなくとも、全ての自立運転出力端子１０−１から１０−ｎの出力電力値を合算した値が、制御部６に設定された電力変換部１２の出力容量を超えた場合にも、電力変換部１２の運転を停止させることができるため、安全に自立運転機能を使用できる。

なお、実施の形態５に係る構成は、実施の形態２、実施の形態３、または実施の形態４にも適用可能である。実施の形態２に適用することでパワーコンディショナ２のコスト低減を図りながら数多くの負荷を使用することができる。また実施の形態３に適用することで電流検出器１５を設ける必要がなくなりパワーコンディショナ２の更なるコスト低減を図りながら数多くの負荷を使用することができる。また実施の形態４に適用することで速結端子１６によって電力変換部１２の出力をより一層有効に利用することができると共に数多くの負荷を使用することができる。

以上のように、本発明は、自立運転機能を備えたパワーコンディショナに有用である。

１太陽電池、２パワーコンディショナ、３商用電力系統、４コンバータ、５インバータ、６制御部、７フィルタ回路、８自立運転出力切替リレー、９連系運転出力切替リレー、１０−１自立運転出力端子、１１電圧検出器、１２電力変換部、１３電流検出器、１４−１端子電流検出器、１５電流検出器、１６速結端子、１７分岐配線。

Claims

太陽電池で発電された直流電力を交流電力に変換する電力変換部と、
前記電力変換部の出力電圧の電圧値を検出する電圧検出器と、
前記電力変換部からの出力を負荷へ供給する複数の自立運転出力端子と、
前記複数の自立運転出力端子に流れる電流の電流値を検出する複数の端子電流検出器と、
前記電力変換部の動作を制御する制御部と、
を備え、
前記制御部は、
前記電圧検出器で検出された電圧値と、前記複数の端子電流検出器で検出された電流値とに基づいて、前記複数の自立運転出力端子の出力電力値を求め、
前記複数の自立運転出力端子のうちのいずれかの出力電力値が、前記制御部に設定された前記各自立運転出力端子の出力容量規定値を超えた場合、前記電力変換部の運転を停止させ、前記複数の自立運転出力端子の出力電力値を合算した値が、前記制御部に設定された前記電力変換部の出力容量を超えた場合、前記電力変換部の運転を停止させることを特徴とするパワーコンディショナ。
太陽電池で発電された直流電力を交流電力に変換するインバータと、前記インバータで変換された交流電力の高調波を除去するフィルタ回路とを有する電力変換部と、
前記電力変換部の出力電圧の電圧値を検出する電圧検出器と、
自立運転時に前記電力変換部から出力される自立運転出力電流の全体値を検出すると共に、商用電力系統との連系運転時に前記電力変換部から出力される電流を検出する電流検出器と、
前記電力変換部からの出力を負荷へ供給する複数の自立運転出力端子と、
前記複数の自立運転出力端子の内、１つの自立運転出力端子を除く残りの自立運転出力端子に流れる電流の電流値を検出する１または複数の端子電流検出器と、
前記電力変換部の動作を制御する制御部と、
を備え、
前記制御部は、前記電圧検出器で検出された電圧値と、前記電流検出器で検出された前記自立運転出力電流の全体値と、前記端子電流検出器で検出された前記電流値とに基づいて、前記複数の自立運転出力端子の出力電力値を求め、前記複数の自立運転出力端子のうちのいずれかの出力電力値が、前記制御部に設定された前記各自立運転出力端子の出力容量規定値を超えた場合、前記電力変換部の運転を停止させ、前記複数の自立運転出力端子の出力電力値を合算した値が、前記制御部に設定された前記電力変換部の出力容量を超えた場合、前記電力変換部の運転を停止させることを特徴とするパワーコンディショナ。
前記複数の自立運転出力端子の内、一部が速結端子であり、残りの一部が交流出力コンセントとし、前記制御部に設定する前記自立運転出力端子の前記出力容量規定値のうち、前記速結端子の出力規定値を前記交流出力コンセントの出力規定値より大きく設定することを特徴とする請求項１または２に記載のパワーコンディショナ。