JP2011223764A - 系統連系装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】直流入力電圧と商用電力系統電圧に基づいてしきい値を定める。そして、直流電圧変換回路4の運転が停止しているときに、直流電圧変換回路4の出力電圧が該しきい値よりも高ければ、系統連系用開閉器7が異常であると判定するようにする。直流電圧変換回路4の出力電圧に基づいて系統連系用開閉器7が異常であると判定すれば、専用の検出装置を付加する必要がない。また、系統連系用開閉器7が異常であるときは直流電圧変換回路4の出力電圧は商用電力系統電圧を全波整流して得られる値になるため、ノイズの影響を受けることもない。
【選択図】図1
Description
以下、図6および図7により、従来の系統連系装置を含む系統連系システムについて説明する。図6は、下記特許文献1に開示されている前記系統連系装置を含む系統連系システムの一例である太陽電池発電システムを示す構成図である。この発電システムは、日射量に応じて発電電力が変化する太陽電池1、この太陽電池1が発電した直流電力を交流電力に変換する系統連系装置2により構成され、商用電力系統3に連系される。系統連系システムは、系統連系装置2と商用電力系統3との間に接続された負荷(不図示)に対して、系統連系装置2および商用電力系統3との連系運転と系統連系装置2のみの単独運転とのいずれか一方に切り替えて交流電力を供給するものである。
昇圧回路4は、リアクトル41と、IGBTのようなスイッチング素子42と、ダイオード43と、コンデンサ44とで構成される。具体的には、リアクトル41の一端に太陽電池1の正極側を接続し、他端にはスイッチング素子42のコレクタとダイオード43のアノード側を接続する。また、スイッチング素子42のエミッタ側には太陽電池1の負極側を接続し、ダイオード43のカソード側にはコンデンサ44を介してスイッチング素子42のエミッタ側に接続する。昇圧回路4の出力電圧は電圧検出器(不図示)によって検出され、その検出信号が制御回路8に入力されており、制御回路8で演算処理を行って決定したデューティ比のパルス信号がスイッチング素子42のゲートに与えられ、昇圧回路4の出力電圧が所定の電圧に制御される。
フィルタ回路6は、リアクトル61、62とコンデンサ63によって構成される。具体的には、直列接続されたスイッチング素子51、52の接続点にリアクトル61の一端を接続し、直列接続されたスイッチング素子53、54の接続点にリアクトル62の一端を接続する。そして、これらリアクトル61、62の他端間にコンデンサ63を接続する。このように構成することでPWMキャリア周波数のリプル成分を除去して、インバータ回路5の出力電圧を正弦波状の波形に平滑し、商用電力系統3に出力するものである。
系統連系用開閉器7は、フィルタ回路6と商用電力系統3との間に接続されて、制御回路8が出力する制御信号によって、系統連系装置2と商用電力系統3との間を連系または解列するものである。
電圧検出器10は、商用電力系統3の電圧を検出する。検出された電圧は制御回路8に送られ、制御回路8は商用電力系統3の電圧および周波数が運用規定の適正範囲内かどうかを判断する。検出した電圧が適性範囲外であった場合は、制御回路8はインバータ回路5の停止、系統連系用開閉器7の解列、昇圧回路4の停止などを行い系統連系装置2の運転を停止する。
図7は、下記特許文献2に開示されている従来の系統連系装置を含む系統連系システムの第2の例を示す太陽電池発電システムの構成図である。
また、特許文献2に係る従来の系統連系装置2では、系統連系用開閉器7の異常を判断するために、フィルタ回路6の出力電圧を検出する電圧検出器13を必要としていた。そのため、系統連系装置2のコストやサイズの増加を招くという問題があった。
本発明は、従来の系統連系装置が有していた課題を解決しようとするものであり、小型・低コストで、かつ、系統連系用開閉器の異常を確実に検出することができる系統連系装置を実現することを目的とするものである。
また、第3の課題解決手段は、前記系統連系装置であって、前記しきい値が前記第1の直流電圧と前記商用電力系統の電圧の少なくとも一方に基づくものであることを特徴としている。
また、第4の課題解決手段は、前記系統連系装置であって、さらに前記第1の電力変換回路の出力に接続されたコンデンサと、前記第1および第2の電力変換回路が停止しているとき、前記コンデンサに蓄えられた電荷を放電させるコンデンサ放電手段とを備え、前記しきい値は、0V以上、かつ前記商用電力系統の交流電圧を整流して得られる電圧値以下であることを特徴としている。
また、第6の課題解決手段は、前記系統連系装置であって、前記制御回路は、前記開閉器異常判定手段が前記系統連系用開閉器に異常があると判定したとき、前記第1および第2の電力変換回路を停止させることを特徴としている。
図1は、本発明における系統連系システムの一例である太陽電池発電システムの概要を示す構成図である。図1において、従来技術を示した図6および図7では明示されていない電圧検出器11、電圧検出器12および遮断器20を明示している。
電圧検出器11は、太陽電池1と直流電圧変換回路(第1の電力変換回路)4との間に設置され、太陽電池1の発電電圧を検出する電圧検出器である。電圧検出器12は、直流電圧変換回路4とインバータ回路(第2の電力変換回路)5との間に設置され、直流電圧変換回路4の出力電圧を検出する電圧検出器である。遮断器20は、系統連系用開閉器7と商用電力系統3との間に設置され、系統連系装置2または商用電力系統3において過電流等の事故が発生したときに、商用電力系統3から強制的に系統連系装置2を切り離すための保護装置である。したがって、系統連系装置2が正常に動作しているとき、遮断器20は常に閉成している。
直流電圧変換回路4の出力電圧は電圧検出器12で検出され、制御回路8に入力される。制御回路8は、直流電圧変換回路4の出力電圧が所定値に到達すると、インバータ回路5を起動する。インバータ回路5は、直流電圧変換回路4が出力した直流電圧を交流電圧に変換して、次段のフィルタ回路6に出力する。フィルタ回路6は、インバータ回路5が出力した交流電圧を正弦波状の波形に平滑する。
制御回路8は、インバータ回路5の出力電圧が電圧検出器10で検出した商用電力系統3の電圧と同じになると、系統連系用開閉器7に閉成信号を送出する。系統連系用開閉器7が閉成すると、制御回路8は、系統連系装置2を商用電力系統3と連系して運転する。
一方、運転指令の入力がないとき、または太陽電池1の発電電圧が所定値よりも低いときは、制御回路8は系統連系装置2の運転を停止し、系統連系用開閉器7に解列信号を送出する。
開閉器異常判定手段8aが系統連系用開閉器7を異常であると判定すると、以降、制御回路8は、運転指令が入力されても、直流電圧変換回路4およびインバータ回路5を起動しない。また、制御回路8は、遮断器20に解列信号を送出して、系統連系装置2を商用電力系統3から解列する。
この太陽電池発電システムにおいて、制御回路8は、演算処理を行って決定したデューティ比でスイッチング素子42をオン/オフさせてコンデンサ44の電圧を所定の値に制御する。具体的には、昇圧チョッパ回路4は、100V〜300V程度の範囲内で変動する太陽電池1の発電電圧を700V程度まで昇圧する。制御回路8は、この昇圧された直流電圧を電圧検出器12で検出し、演算処理を行って決定したPWM制御量によりインバータ回路5を制御して交流電圧に変換する。
次に、制御回路8の開閉器異常判定手段8aが系統連系用開閉器7の異常を判定する動作を説明する。制御回路8は、系統連系装置2の運転を停止する場合、昇圧チョッパ回路4のスイッチング素子42とインバータ回路5のスイッチング素子51〜54のゲートを停止し、系統連系用開閉器7に解列信号を送出して系統連系用開放器7を開放する。系統連系用開閉器7が開放すると、系統連系装置2は商用電力系統3から解列される。その結果、コンデンサ44の電荷は抵抗45を通して放電する。コンデンサ44の電圧は太陽電池1が発電する電圧まで低下し、ダイオード(クランプ手段)43によって太陽電池1の発電電圧にクランプされる。
したがって、制御回路8の開閉器異常判定手段8aは、系統連系用開閉器7に解列信号が送出されているにもかかわらず電圧検出器12で検出した電圧が系統連系用開閉器7の異常を判定するしきい値以上であるとき、系統連系用開閉器7が異常状態であると判定することができる。
全波整流後の平均電圧=(系統電圧の実効値)×√2×2/π
であり、3相系統の場合は、
全波整流後の平均電圧=(系統電圧の実効値)×√2×3/π
である。
上記実施例では、太陽電池1の発電電圧および商用電力系統3の電圧について仕様上定められた値に基づいてしきい値を設定しているが、太陽電池1の発電電圧を検出する電圧検出器11と商用電力系統3の系統電圧を検出する電圧検出器10とが検出したそれぞれの電圧値に基づいてしきい値を設定することもできる。また、しきい値の下限を太陽電池1が発電する電圧の仕様値とし、上限を商用電力系統3の系統電圧を電圧検出器10が検出した電圧値として、これらに基づいてしきい値を定めることもできる。また、しきい値の下限を太陽電池1の発電電圧を検出する電圧検出器11が検出した電圧値とし、上限を商用電力系統3の系統電圧を検出する電圧検出器10とが検出した電圧値として、これらに基づいてしきい値を定めることができる。
この開閉器異常判定手段8aは、電圧検出器10が検出した商用電力系統3の交流電圧に対して絶対値演算をした後その平均値を演算してその結果を出力する平均値演算回路81、平均値演算回路81が出力した電圧値に対して所定の乗算係数K1を乗算してその結果を出力する乗算器82、電圧検出器11が検出した太陽電池1の発電電圧値に対して所定の乗算係数K2を乗算してその結果を出力する乗算器83、乗算器82の出力と乗算器83の出力を加算してその結果を系統連系用開閉器7の異常を判定するためのしきい値として出力する加算器84、電圧検出器12が検出した昇圧チョッパ回路4の出力電圧と加算器84が出力したしきい値との高低を判定し、昇圧チョッパ回路4の出力電圧が前記しきい値以上であるとき、系統連系用開閉器7の異常を示す信号を出力するコンパレータ85を備える。
本実施例の絶縁型DC/DCコンバータ回路4は、変圧器46と、IGBTのようなスイッチング素子42aと、ダイオード43aと、コンデンサ44と、抵抗45とで構成される。具体的には、変圧器46の一次巻線の一端が太陽電池1の正極側に接続され、他端がスイッチング素子42aのコレクタ端子に接続されている。スイッチング素子42aのエミッタ端子は太陽電池1の負極側に接続されている。また、変圧器46の二次巻線の一端がダイオード43aのアノード側に接続され、ダイオード43aのカソード側が次段のインバータ回路5の正側入力端子に接続され、変圧器46の二次巻線の他端がインバータ回路5の負側入力端子に接続されている。さらに、ダイオード43aのカソード側とインバータ回路5の負側入力端子に接続された変圧器46の二次巻線との間にコンデンサ44とが接続され、コンデンサ44と並列に抵抗45が接続されている。
なお、本実施例では、直流電圧変換回路4を一石式の絶縁型DC/DCコンバータ回路としたが、ハーフブリッジまたはフルブリッジ構成の絶縁型DC/DCコンバータ回路としても同様の効果を得ることができる。
本実施例の降圧型チョッパ回路4は、リアクトル41bと、スイッチング素子42bと、ダイオード43bと、コンデンサ44と、抵抗45とで構成される。具体的には、太陽電池1の正極側にIGBTのようなスイッチング素子42bのコレクタ端子が接続され、スイッチング素子42bのエミッタ端子にリアクトル41bとコンデンサ44の直列回路が接続される。コンデンサ44の他端は太陽電池1の負極側に接続される。さらに、スイッチング素子42bとリアクトル41bの接続点と太陽電池1の負極側との間にダイオード43bが接続され、コンデンサ44の両端に抵抗45が接続される。そして、コンデンサ44の両端が次段のインバータ回路5の入力端子に接続される。
降圧チョッパ回路4の出力電圧は電圧検出器12によって検出され、その検出信号が制御回路8に入力される。制御回路8は演算処理を行って決定したデューティ比でスイッチング素子42bをオン/オフさせ、コンデンサ44の電圧を所定の値に制御する。
第2の実施例および第3の実施例において、系統連系用開閉器7の異常を判定するためのしきい値は、商用電力系統3の仕様上の最低電圧または電圧検出器10が検出する電圧に基づいて定めることができる。
なお、上記実施例1乃至3において、コンデンサ44の電圧に全波整流に伴う脈動成分が含まれる場合には、この脈動成分を含めた電圧を考慮してしきい値の上限を定めるのが適切である。
また、上記実施例1乃至3では太陽電池発電システムを例にとり本発明の実施形態を説明しているが、本発明は太陽電池発電システムの系統連系装置に限定されるものではなく、燃料電池発電システムその他の系統連系システムに適用することができる。
2 系統連系装置
3 商用電力系統
4 直流電圧変換回路
5 インバータ回路
6 フィルタ回路
7 系統連系用開閉器
8 制御回路
8a 開閉器異常判定手段
10 電圧検出器
11 電圧検出器
12 電圧検出器
20 遮断器
44 コンデンサ
45 抵抗
Claims (7)
- 第1の直流電圧を第2の直流電圧に変換して出力する第1の電力変換回路と、
この第1の電力変換回路が出力した第2の直流電圧を交流電圧に変換して出力する第2の電力変換回路と、
この第2の電力変換回路の出力と商用電力系統を接続する系統連系用開閉器と、
これら電力変換回路の制御および前記系統連系用開閉器の開閉を制御する制御回路と
を備えた系統連系装置であって、
前記制御回路は、前記系統連系用開閉器を開放状態に制御しているとき、前記第2の直流電圧値が所定のしきい値以上であることを検出すると前記系統連系用開閉器に異常があると判定する開閉器異常判定手段を有することを特徴とする系統連系装置。 - 請求項1に記載の系統連系装置であって、
前記制御回路が前記第1および第2の電力変換回路を停止させているとき、前記第2の直流電圧を前記第1の直流電圧にクランプするクランプ手段を備え、
前記しきい値は、前記第1の直流電圧値以上、かつ前記商用電力系統の電圧を整流して得られる電圧値以下であることを特徴とする系統連系装置。 - 請求項1または請求項2のいずれかに記載の系統連系装置であって、
前記しきい値は、前記第1の直流電圧と前記商用電力系統の電圧の少なくとも一方に基づくものであることを特徴とする系統連系装置。 - 請求項1に記載の系統連系装置であって、
さらに前記第1の電力変換回路の出力に接続されたコンデンサと、
前記第1および第2の電力変換回路が停止しているとき、前記コンデンサに蓄えられた電荷を放電させるコンデンサ放電手段と
を備え、
前記しきい値は、0V以上、かつ前記商用電力系統の交流電圧を整流して得られる電圧値以下であることを特徴とする系統連系装置。 - 請求項4に記載の系統連系装置であって、
前記しきい値は、前記商用電力系統の電圧に基づくものであることを特徴とする系統連系装置。 - 請求項1乃至請求項5のいずれか1つに記載の系統連系装置であって、
前記制御回路は、前記開閉器異常判定手段が前記系統連系用開閉器に異常があると判定したとき、前記第1および第2の電力変換回路を停止させることを特徴とする系統連系装置。 - 請求項1乃至請求項6のいずれか1つに記載の系統連系装置であって、
前記系統連系用開閉器と前記商用電力系統の間に遮断器を備え、
前記制御回路は、前記開閉器異常判定手段が前記系統連系用開閉器に異常があると判定したとき、前記遮断器を開放することを特徴とする系統連系装置。
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