JP5941376B2 - 発電制御装置及び電力供給システム - Google Patents

Description

本発明は、直流電源に接続される発電制御装置、及び該発電制御装置を備える電力供給システムに関する。

太陽電池モジュールを屋根に設置する際の設置形態は、屋根の形状、面積、向きなどによりさまざまである。例えば、東側にモジュールａ枚を直列接続して第１の太陽電池ストリングを構成し、南側にモジュールｂ枚を直列接続して第２の太陽電池ストリングを構成し、西側にモジュールｃ枚を直列接続して第３の太陽電池ストリングを構成するなどさまざまな組み合わせが考えられ、各太陽電池ストリングの出力は、太陽電池モジュールの枚数や太陽の方向により異なる。各太陽電池ストリングから入力される電圧を揃えるために、インバータの入力端に昇圧ユニット（ＤＣ／ＤＣコンバータ）を備えた太陽光発電システムが知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００１−３１２３１９号公報

パワーコンディショナに太陽電池ストリングなどの直流電源を複数接続した場合、直流電源の出力電圧をそれぞれ昇圧するために、直流電源の数と同数のＤＣ／ＤＣコンバータを用意する必要がある。ＤＣ／ＤＣコンバータではスイッチング制御を行うため、ＤＣ／ＤＣコンバータの数が増加すると、その分ノイズの発生源が増加することとなる。各コモンモードノイズフィルタのコンデンサの容量を同じ値にした場合、このコンデンサの周波数特性により、一定の周波数帯域のノイズが増加する。

そこで、ノイズの回り込みを防止するために、パワーコンディショナの各入力端子を絶縁トランスにより絶縁することも考えられる。しかし、絶縁トランスを追加すると、その分コストが増加するとともに、発電効率が低下するという問題がある。

かかる事情に鑑みてなされた本発明の目的は、安価で且つ発電効率を低下させること無く、ノイズの回り込みを低減することが可能な発電制御装置及び電力供給システムを提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明に係る発電制御装置は、
直流電力を入力する直流入力端子と、
前記直流入力端子に接続されるノイズフィルタと、
を複数組備え、
前記ノイズフィルタは、前記複数組の間で共通のフレームグラウンドから混入するノイズの周波数帯域が分散するように周波数特性の極値が異なることを特徴とする。

さらに、本発明に係る発電制御装置において、
前記ノイズフィルタは、コンデンサを用いたコモンモードノイズフィルタを有しており、
前記コンデンサの容量値は、前記複数組の間で異なる値であることを特徴とする。
また、前記コンデンサの容量値は、ＪＩＳ規格のＥ２４系列以上の間隔で隣り合う値であることを特徴とする。

さらに、本発明に係る発電制御装置において、
前記各直流入力端子に入力される直流電力の電源は、それぞれ太陽電池モジュールを直列接続した太陽電池ストリングであることを特徴とする。

さらに、本発明に係る発電制御装置において、
前記各太陽電池ストリングは、それぞれ直列数が異なることを特徴とする。

さらに、本発明に係る発電制御装置において、
前記ノイズフィルタの出力電圧を所定の電圧に変換するＤＣ／ＤＣコンバータを前記複数組それぞれに対して更に備えることを特徴とする。

また、上記課題を解決するため、本発明に係る電力供給システムは、
上記の発電制御装置と、
前記ＤＣ／ＤＣコンバータから出力される直流電力を交流電力に変換するインバータと、
を備えることを特徴とする。

本発明によれば、安価で且つ発電効率を低下させること無く、ノイズの回り込みを低減させることが可能となる。

本発明の一実施形態に係る電力供給システム（パワーコンディショナ）の構成例を示すブロック図である。 コンデンサの周波数特性を示す図である。 ノイズフィルタに接続されたフレームグランドからのノイズの混入を示す図である。 本発明の一実施形態に係る電力供給システムの直流入力端子におけるノイズの測定結果の一例を示す図である。 各ノイズフィルタの定数を一定としたときのパワーコンディショナの直流入力端子におけるノイズの測定結果の一例を示す図である。

以下、本発明の一実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係る電力供給システム（パワーコンディショナ）の構成例を示すブロック図である。図１に示すように、パワーコンディショナ１は、発電制御装置１０と、インバータ１３と、ＡＣフィルタ１４とを備える。図１では３つの直流電源に接続されるパワーコンディショナ１を示しているが、本発明のパワーコンディショナに接続される直流電源の数は３つに限定されるものではない。

発電制御装置１０は、正側の直流入力端子１０１（１０１−１，１０１−２，１０１−３）と、負側の直流入力端子１０２（１０２−１，１０２−２，１０２−３）と、複数のノイズフィルタ１１（１１−１，１１−２，１１−３）と、ノイズフィルタ１１と同数のＤＣ／ＤＣコンバータ１２（１２−１，１２−２，１２−３）とを備える。なお、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２を含まない構成を発電制御装置１０としてもよい。

直流入力端子１０１，１０２には、直流電源が接続される。直流電源は、例えば太陽光を直流電力に変換する複数の太陽電池モジュールを直列接続した太陽電池ストリングである。

ノイズフィルタ１１は、コモンモードノイズフィルタ及びノーマルモードノイズフィルタを有しており、外部のノイズ及び内部のノイズを除去するように設計される。図１では一般的なノイズフィルタの回路図を示しており、ノイズフィルタ１１は、コンデンサ１１１（１１１−１，１１１−２，１１１−３）と、ラインフィルタ１１２（１１２−１，１１２−２，１１２−３）と、コンデンサ１１３（１１３−１，１１３−２，１１３−３）と、コンデンサ１１４（１１４−１，１１４−２，１１４−３）と、コンデンサ１１５（１１５−１，１１５−２，１１５−３）と、を有する。なお、本実施形態ではノイズフィルタ１１を１段としているが、複数段にしてもよい。

コンデンサ１１１及びコンデンサ１１３は、アクロスザラインコンデンサであり、ノーマルモードノイズを除去する。

ラインフィルタ１１２は、コモンモードチョークコイルであり、コモンモードノイズを除去する。

コンデンサ１１４及びコンデンサ１１５は、ラインバイパスコンデンサであり、コモンモードノイズを除去する。コンデンサ１１４とコンデンサ１１５の接点は共通のフレームグラウンド（以下、ＦＧという）１１６に接続される。

ＤＣ／ＤＣコンバータ１２（１２−１，１２−２，１２−３）は、各ノイズフィルタ１１から入力される電圧を一定の電圧に揃えるために昇圧する。図１では一般的なＤＣ／ＤＣコンバータ１２の回路図を示しており、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２は、自己誘導により誘導起電力を発生させるインダクタ１２１（１２１−１，１２１−２，１２１−３）と、スイッチング制御を行うＦＥＴ１２２（１２２−１，１２２−２，１２２−３）と、電流の逆流を防止するダイオード１２３（１２３−１，１２３−２，１２３−３）と、電圧を平滑化するコンデンサ１２４（１２４−１，１２４−２，１２４−３）とを備える。

ＤＣ／ＤＣコンバータ１２は、制御部（図示せず）によりＦＥＴ１２２のゲート信号のデューティー比を制御することにより、出力電圧を制御する。

インバータ１３は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２により昇圧された電圧を直流から標準電圧の交流に変換する。標準電圧とは、例えば、商用電力系統における交流電圧である。商用電力系統における交流電圧は、日本では、実効値が１００Ｖで、周波数が５０Ｈｚ又は６０Ｈｚの電圧である。

ＡＣフィルタ１４は、インバータ１３から入力される交流電圧の高調波を除去し、交流出力端子１５１，１５２，１５３を介して商用電力系統に連系する。なお、単相３線式の配電の場合には交流出力端子数が３つとなるが、単相２線式の配電の場合には交流出力端子数は２つとなる。

次に、コンデンサの周波数特性について説明する。図２は、コンデンサの周波数特性を示す図である。理想的なコンデンサでは、周波数が高くなるほどインピーダンスは低くなるが、実際のコンデンサは内部のＬ／Ｒ成分により、特定の周波数帯域でインピーダンスが極小値となるような特性を有する。図２では、容量値がそれぞれ１０００ｐＦ、０．０１μＦ、０．１μＦのコンデンサの周波数特性を示している。コンデンサのこのような周波数特性を利用して、コンデンサのインピーダンスが極小値となる周波数帯域のノイズを低減することができる。

図３は、ノイズフィルタ１１に接続されたＦＧ１１６からのノイズの混入を示す図である。パワーコンディショナ１では、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２及びインバータ１３のスイッチング動作により、多くのノイズがＦＧ１１６にのっている。このノイズは、インピーダンスの一番低いパスを通って外部に流れようとする。本来、コンデンサ１１４，１１５は、ノイズをＦＧ１１６にバイパスさせてノイズを低減する役割を担う。しかしながら、ＦＧ１１６にノイズがのっている場合には、図３に示すように、逆にＦＧ１１６に接続されているコンデンサ１１４，１１５を介して、このコンデンサのインピーダンスが低くなる周波数帯域のノイズを拾ってしまい、該周波数ではかえってノイズ特性が悪化してしまう。

パワーコンディショナ１が非絶縁型の場合、負側の直流入力端子１０２−１，１０２−２，１０２−３は接続されているため、ＦＧ１１６を介して混入するノイズは、全ての直流入力端子１０１，１０２に回り込むことになる。なお、コンデンサ１１４，１１５がないと、本来除去すべき周波数帯域のコモンモードノイズを低減することができなくなるため、コンデンサ１１４，１１５を削除することはできない。

従来のパワーコンディショナではノイズフィルタの定数は同じ値となっている。その場合、上述の理由によりコンデンサのインピーダンスが極小値となる周波数帯域のノイズを拾ってしまう。特に、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２を複数備える場合には、その分ノイズ発生源が増加するため、電波障害試験におけるノイズの規格値を満たさなくなるおそれがある。

そのため、本発明では、ノイズフィルタ１１の周波数特性の極値がそれぞれ異なるように設計する。例えば、ノイズフィルタ１１間で、コンデンサ１１４，１１５の容量値を、ＪＩＳ規格上で異なる容量値とする。ただし、ノイズフィルタ１１間でコンデンサの容量値が大きく異なると、ノイズフィルタ１１の特性も大きく変わり、その結果もともと規格値以内に収まっていた周波数帯域のノイズが規格値を超える値にまで増加することも想定される。そこで、例えば設計の容量値に対してＪＩＳ規格のＥ２４系列以上の間隔で隣り合う値とするのが好適である。

本実施形態では、コンデンサ１１４−１及びコンデンサ１１５−１の容量値を１０００ｐＦとし、コンデンサ１１４−２及びコンデンサ１１５−２の容量値を２２０００ｐＦとし、コンデンサ１１４−３及びコンデンサ１１５−３の容量値を４７０００ｐＦとした。

図４は、本実施形態に係るパワーコンディショナの直流入力端子１０１又は１０２におけるノイズの測定結果の一例を示す図である。図５は、各ノイズフィルタ１１の定数を一定としたときのパワーコンディショナの直流入力端子１０１又は１０２におけるノイズの測定結果の一例を示す図である。図中の太線は電波障害試験におけるノイズの規格値を示している。なお、各直流入力端子１０１−１〜１０１−３，１０２−１〜１０２−３におけるノイズの測定結果もほぼ同様となるため、そのうちの１つの端子についての測定結果のみを図４，５に示している。

図５は、コンデンサ１１４及びコンデンサ１１５の容量値を２２０００ｐＦとした場合の、直流入力端子１０１又は１０２におけるノイズの測定結果を示している。直流入力端子におけるノイズは規格値以下であることが求められているが、図５に示す測定結果では、７〜８ＭＨｚ近辺でノイズがシャープに立ち上り、ピーク値が規格をオーバーしている。

図４は、コンデンサ１１４及びコンデンサ１１５の容量値をノイズフィルタ１１−１では１０００ｐＦ、ノイズフィルタ１１−２では２２００ｐＦ、ノイズフィルタ１１−３では４７００ｐＦとした場合の、直流入力端子１０１又は１０２におけるノイズの測定結果を示している。図４では、コンデンサのインピーダンスが極小値となる周波数帯域がノイズフィルタ１１ごとに異なるため、ＦＧ１１６から混入するノイズの周波数帯域が分散し、ピーク値でも規格内に収まっていることが分かる。

上述したように、本発明に係る発電制御装置１０は、直流電力を入力する直流入力端子１０１，１０２と、直流入力端子１０１，１０２に接続されるノイズフィルタ１１と、を複数組備え、ノイズフィルタ１１の周波数特性の極値が前記複数組の間で異なる値になるように定数をノイズフィルタごとに変えている。例えば、ノイズフィルタ１１がコンデンサ１１４，１１５を用いたコモンモードノイズフィルタを有している場合、コンデンサ１１４，１１５の容量値をノイズフィルタ１１ごとに異なる値とする。これにより、各ノイズフィルタ１１の周波数特性が異なるようになり、その結果、発生するノイズの周波数帯域も拡散して、ノイズのピーク値を抑制することが可能となる。

上述の実施形態は、代表的な例として説明したが、本発明の趣旨及び範囲内で、多くの変更及び置換ができることは当業者に明らかである。したがって、本発明は、上述の実施形態によって制限するものと解するべきではなく、特許請求の範囲から逸脱することなく、種々の変形や変更が可能である。

例えば、上述の実施形態では直流入力端子１０１，１０２に対して太陽電池からの直流電力を入力する例について説明したが、燃料電池などの太陽電池以外の直流電力を入力してもよい。

１ パワーコンディショナ（電力供給システム）
１０ 発電制御装置
１１ ノイズフィルタ
１２ ＤＣ／ＤＣコンバータ
１３ インバータ
１４ ＡＣフィルタ
１０１，１０２ 直流入力端子
１１１，１１３，１１４，１１５，１２４ コンデンサ
１１２ ラインフィルタ
１１６ フレームグラウンド
１２１ インダクタ
１２２ ＦＥＴ
１２３ ダイオード
１５１，１５２，１５３ 交流出力端子

Claims (7)

1. 直流電力を入力する直流入力端子と、
   前記直流入力端子に接続されるノイズフィルタと、
   を複数組備え、
   前記ノイズフィルタは、前記複数組の間で共通のフレームグラウンドから混入するノイズの周波数帯域が分散するように周波数特性の極値が異なることを特徴とする発電制御装置。
2. 前記ノイズフィルタは、コンデンサを用いたコモンモードノイズフィルタを有しており、
   前記コンデンサの容量値は、前記複数組の間で異なる値であることを特徴とする、請求項１に記載の発電制御装置。
3. 前記コンデンサの容量値は、ＪＩＳ規格のＥ２４系列以上の間隔で隣り合う値であることを特徴とする、請求項２に記載の発電制御装置。
4. 前記各直流入力端子に入力される直流電力の電源は、それぞれ太陽電池モジュールを直列接続した太陽電池ストリングであることを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載の発電制御装置。
5. 前記各太陽電池ストリングは、それぞれ直列数が異なることを特徴とする、請求項４に記載の発電制御装置。
6. 前記ノイズフィルタの出力電圧を所定の電圧に変換するＤＣ／ＤＣコンバータを前記複数組それぞれに対して更に備えることを特徴とする、請求項１から５のいずれか一項に記載の発電制御装置。
7. 請求項６に記載の発電制御装置と、
   前記ＤＣ／ＤＣコンバータから出力される直流電力を交流電力に変換するインバータと、
   を備えることを特徴とする電力供給システム。

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