JP6027178B2 - 無変圧器型太陽光インバータの漏れ電流監視装置 - Google Patents

Description

本発明は、漏れ電流監視装置に関し、特に、系統と連系する無変圧器型（transformer-less）太陽光インバータの漏れ電流のうち人体に有害な抵抗成分の漏れ電流を監視する漏れ電流監視装置に関する。

太陽光発電は、光電池（Photo Voltaic; PV）モジュールのアレイを用いて電力を生産するが、ＰＶモジュールのアレイから生産される電力はＤＣ（直流）電力であるので、生産された電力を家庭や会社などの需要家に供給するためには、一般的に使用されるＡＣ（交流）電力に変換する必要がある。

図４は系統連系型太陽光発電システム１０の構成の一例を示すブロック図である。

系統連系型太陽光発電システム１０は、ＰＶモジュール１１、インバータ１２及び電力系統（グリッド）１３を含んでもよい。ＰＶモジュール１１で太陽光を利用して生成された電力は、インバータ１２により交流に変換されて電力系統１３に送られる。

一方、太陽光を利用して電力を生成する際には、効率性と共に安定性も考慮しなければならない。

インバータ１２は、大きく変圧器により電気的に絶縁されるインバータと、変圧器を備えない無変圧器型インバータに分けられるが、近年、効率、コスト、体積、重量などの面で利点を有する無変圧器型インバータが関心を集めている。しかし、無変圧器型インバータにおいては、漏れ電流が発生しやすい。

図４にはＰＶモジュール１１のＰＶ＋端及びＰＶ−端の故障状態を示す。

漏れ電流が発生すると、電線と大地間には抵抗成分Ｒと容量成分Ｃが存在することになる。ここで、容量成分Ｃの漏れ電流は、ＰＶモジュール１１の特性上常に存在する値であって人体に有害な成分とはいえないが、抵抗成分Ｒの漏れ電流は、人だけでなく周囲の木などにも影響を及ぼす有害な成分である。

よって、無変圧器型インバータの場合は、抵抗成分漏れ電流に対応できるようにする必要性がある。

本発明は、このような必要性に基づいてなされたものであり、無変圧器型太陽光インバータにおいて検出された漏れ電流から抵抗成分漏れ電流を測定し、インバータの動作時に発生し得る系統事故（fault in grid）やユーザの人体傷害のリスクに対する安全性を向上させた無変圧器型太陽光インバータの漏れ電流監視装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明による無変圧器型太陽光インバータの漏れ電流監視装置は、検出された漏れ電流信号の高周波ノイズを除去するローパスフィルタと、前記ローパスフィルタの出力の平均値を算出する平均値算出部と、前記ローパスフィルタの出力から前記平均値を引いてＤＣ成分を除去するＤＣ成分除去部と、前記ＤＣ成分が除去された信号のピーク電流値及び位相を求めるＰＬＬ（Phase-Locked-Loop）部と、前記ＰＬＬ部により求められたピーク電流値及び位相に基づいて漏れ電流の抵抗成分値を算出する抵抗成分漏れ電流算出部とを含む。

前記抵抗成分漏れ電流算出部は、下記数式１により漏れ電流のＡＣ成分の実効値を求め、前記実効値に前記平均値算出部により算出された平均値の絶対値を加えて漏れ電流の抵抗成分値を算出する。

ここで、Δθはθ＿ｇｒｉｄ−θ＿ｚｃｔであり、θ＿ｇｒｉｄは系統電圧の位相であり、θ＿ｚｃｔは前記ＰＬＬ部により求められた位相であり、Ｉｐｅａｋは前記ＰＬＬ部により求められたピーク電流値である。

前記Δθは、必要に応じて遅延補償用位相を加えた値にしてもよい。

前記ローパスフィルタ、前記平均値算出部、前記ＤＣ成分除去部及び前記抵抗成分漏れ電流算出部の動作がマイクロプロセッサにより行われるように構成されてもよい。

本発明による無変圧器型太陽光インバータの漏れ電流監視装置は、漏れ電流を測定する零相変流器（Zero Current Transformer; ZCT）と、前記零相変流器の出力信号を増幅する増幅部と、前記増幅部のアナログ出力信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器とをさらに含んでもよい。

本発明によれば、太陽光インバータの動作時に発生する漏れ電流の抵抗成分のみを測定することができる。

従って、危険状態でインバータの動作を停止させるなどの措置を講じることにより、系統事故やインバータを操作するユーザの人体傷害のリスクに対する安全性を向上させることができる。特に、インバータでその機能を実行するように構成した場合、さらなる漏れ電流測定装置を必要としないので、より簡単に適用することができる。

本発明の一実施形態による漏れ電流監視装置が適用された系統連系型太陽光発電システムの構成の一例を示すブロック図である。 本発明の一実施形態による漏れ電流監視装置の増幅部の構成の一例を示す回路図である。 本発明の一実施形態による漏れ電流監視装置の構成の一例を示すブロック図である。 系統連系型太陽光発電システムの構成の一例を示すブロック図である。

以下、添付図面を参照して本発明の好ましい実施形態による無変圧器型太陽光インバータの漏れ電流監視装置について詳細に説明する。

図１は本発明の一実施形態による漏れ電流監視装置２３が適用された系統連系型太陽光発電システム２０の構成の一例を示すブロック図である。

系統連系型太陽光発電システム２０は、インバータ１２から電力系統（グリッド）１３に電力を供給する電力線に零相変流器２１を設け、インバータ１２に流れる漏れ電流を測定する。

零相変流器２１としては、電力線が内部を貫通するリング状コアに漏電電流が流れる信号線を巻き付けた貫通形零相変流器を用いてもよい。零相変流器２１の貫通穴に電源線Ｌと中性線Ｎの両方の巻線を貫通させて信号線の２つの線に流れる漏れ電流を測定する。ここで、信号線の２つの線は、同じ方向に巻回し、巻回数が多くなるほど漏れ電流が増幅される。

実際に流れる漏れ電流は、大地の容量成分Ｃと系統事故による抵抗成分Ｒに分けられる。零相変流器２１は、測定された漏れ電流を所定の範囲の電圧値を有する電圧信号として出力する。

増幅部２２は、零相変流器２１の出力を増幅するが、その増幅の目的は、零相変流器２１の出力電圧レベルを漏れ電流監視装置２３に入力可能な電圧レベルにすることにある。

増幅部２２は、必要に応じて多様に構成することができ、図２に増幅部２２の一例を示す。

零相変流器２１から出力された電圧信号は、第１演算増幅器ＯＰ１で−Ｒ２／Ｒ１の比率で増幅され、また第２演算増幅器ＯＰ２で−Ｒ４／Ｒ３の比率で増幅される。

このとき、第１演算増幅器ＯＰ１の帰還コンデンサＣ１と第２演算増幅器ＯＰ２の帰還コンデンサＣ２により、１／２πｓＲ２ｓＣ１と１／２πｓＲ４ｓＣ２の遮断周波数でフィルタリングが行われる。すなわち、増幅部２２は、増幅機能に加え、フィルタ機能を実行することができる。

漏れ電流監視装置２３は、増幅部２２により増幅された信号に基づいて漏れ電流の抵抗成分値を算出し、その構成要素の全部又は一部の機能がマイクロプロセッサにより行われるように構成されてもよい。

マイクロプロセッサを用いて漏れ電流監視装置２３を構成する実施形態の場合、増幅部２２により増幅されたアナログ信号をデジタル信号に変換しなければならないが、そのためのＡ／Ｄ変換器２３−１は、マイクロプロセッサの外部に備えられてもよく、マイクロプロセッサに内蔵されてもよい。

具体的な例として、マイクロプロセッサに内蔵されたＡ／Ｄ変換器を使用する場合、Ａ／Ｄ変換器２３−１の入力電圧レベルが３Ｖであり、零相変流器２１の出力電圧レベルが５Ｖであると仮定すると、増幅部２２は、２／３の増幅度を有するように構成することができる。この場合、図２のＲ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４の値は、例えば、それぞれ１５ＫΩ、１０ＫΩ、１００ＫΩ、１００ＫΩである。

図３を参照すると、漏れ電流監視装置２３は、ローパスフィルタ２３−２、平均値算出部２３−３、ＤＣ成分除去部２３−４、ＰＬＬ部２３−５、抵抗成分漏れ電流算出部２３−６を含み、増幅部２２により増幅されたアナログ信号を入力してデジタル信号に変換して出力するＡ／Ｄ変換器２３−１をさらに含んでもよい。

ローパスフィルタ２３−２は、入力された信号から所定の遮断周波数以上の高周波ノイズを除去する。

増幅部２２が図２に示す例のように構成された場合、零相変流器２１から出力された電圧信号は、２回にわたってフィルタリングされる。

平均値算出部２３−３は、ローパスフィルタ２３−２の出力の平均値（ＤＣ値）を算出する。例えば、周期的に平均値を算出するようにしてもよい。

ＤＣ成分除去部２３−４は、ローパスフィルタ２３−２の出力から平均値算出部２３−３により算出されたローパスフィルタ２３−２の出力の平均値を引いてＤＣ成分を除去することにより、ＡＣ成分のみ残るように処理する。ＤＣ成分除去部２３−４によりＤＣ成分を除去するのは、ＰＬＬ処理のためである。

ＰＬＬ部２３−５は、ＤＣ成分が除去されたＡＣ信号を同期座標（Synchronous Reference Frame）に変換して当該信号のピーク電流値及び位相を求める。

抵抗成分漏れ電流算出部２３−６は、ＰＬＬ部２３−５により求められたピーク電流値及び位相に基づいて漏れ電流の抵抗成分値を算出する。

まず、抵抗成分漏れ電流算出部２３−６は、下記数式１により漏れ電流のＡＣ成分の実効値を求める。

ここで、Δθはθ＿ｇｒｉｄ−θ＿ｚｃｔであり、θ＿ｇｒｉｄは系統電圧の位相であり、θ＿ｚｃｔはＰＬＬ部２３−５により求められた位相であり、ＩｐｅａｋはＰＬＬ部２３−５により求められたＡＣ成分のピーク電流値である。

ここで、「θ＿ｇｒｉｄ−θ＿ｚｃｔ」とは、漏れ電流の抵抗成分Ｒと容量成分Ｃとの位相差を意味する。

また、抵抗成分漏れ電流算出部２３−６は、実効値に平均値算出部２３−３により算出された平均値の絶対値を加えて漏れ電流の抵抗成分値を算出する。実効値に平均値算出部２３−３により算出された平均値の絶対値を加えるのは、ＤＣ成分も抵抗成分漏れ電流に含まれるが、ＰＬＬ部２３−５での処理のために除去されているからである。

さらに、抵抗成分漏れ電流算出部２３−６は、Δθを、θ＿ｇｒｉｄ−θ＿ｚｃｔに所定の遅延補償用位相を加えた値として求めるようにしてもよい。すなわち、遅延補償用位相をθ＿ｄｅｌａｙとすると、Δθは、「θ＿ｇｒｉｄ＋θ＿ｄｅｌａｙ−θ＿ｚｃｔ」にしてもよい。

遅延補償用位相は、マイクロプロセッサを用いてＰＬＬ部２３−５などを構成する場合、ソフトウェア的な計算などによる時間遅延が生じることがあるのでそれを補償するためのものである。

本発明による漏れ電流監視装置２３は、インバータ１２と一体に構成されてもよい。そうすることにより、さらなる漏れ電流測定装置が必要なくなるので、より簡単に系統連系型太陽光発電システム２０を実現することができる。

また、漏れ電流監視装置２３により算出された漏れ電流の抵抗成分値に基づいて様々な措置を講じることができる。例えば、漏れ電流の抵抗成分値が所定の値より大きい場合、インバータ１２の動作を停止させるようにしてもよい。

前述した実施形態は、本発明の理解を助けるためのものであり、本発明は、前述した実施形態に限定されるものではなく、当業者であれば本発明の技術的思想から逸脱しない範囲内で様々に変形して実施できることは言うまでもない。

１０、２０ 系統連系型太陽光発電システム
１１ ＰＶモジュール
１２ インバータ
１３ 電力系統
２１ 零相変流器（ＺＣＴ）
２２ 増幅部
２３ 漏れ電流監視装置
２３−１ Ａ／Ｄ変換器
２３−２ ローパスフィルタ
２３−３ 平均値算出部
２３−４ ＤＣ成分除去部
２３−５ ＰＬＬ部
２３−６ 抵抗成分漏れ電流算出部
Ｃ１、Ｃ２ コンデンサ
ＯＰ１ 第１演算増幅器
ＯＰ２ 第２演算増幅器
Ｒ１〜Ｒ４ 抵抗成分

Claims (4)

1. インバータと電力系統との間に設置される無変圧器型太陽光インバータの漏れ電流監視装置であって、
   検出された漏れ電流信号の高周波ノイズを除去するローパスフィルタと、
   前記ローパスフィルタの出力の平均値を算出する平均値算出部と、
   前記ローパスフィルタの出力から前記平均値を引いてＤＣ（直流）成分を除去するＤＣ成分除去部と、
   前記ＤＣ成分が除去された信号のピーク電流値及び位相を求めるＰＬＬ部と、
   前記ＰＬＬ部により求められたピーク電流値及び位相に基づいて漏れ電流の抵抗成分値を算出する抵抗成分漏れ電流算出部と、を含み、
   系統電圧の位相がθ＿ｇｒｉｄであるとき、前記ＰＬＬ部により求められた位相はθ＿ｚｃｔであり、前記ＰＬＬ部により求められたピーク電流値はＩｐｅａｋであり、前記抵抗成分漏れ電流算出部は、下記数式
   

   

   により、漏れ電流のＡＣ（交流）成分の実効値を求め、
   ここで、Δθはθ＿ｇｒｉｄ−θ＿ｚｃｔであり、
   前記漏れ電流の抵抗成分値は、前記実効値に前記平均値算出部により算出された平均値の絶対値を加えて算出されることを特徴とする無変圧器型太陽光インバータの漏れ電流監視装置。
2. 前記Δθは、遅延補償用位相を加えた値である、請求項１に記載の無変圧器型太陽光インバータの漏れ電流監視装置。
3. 前記ローパスフィルタ、前記平均値算出部、前記ＤＣ成分除去部及び前記抵抗成分漏れ電流算出部の動作がマイクロプロセッサにより行われるように構成される、請求項１に記載の無変圧器型太陽光インバータの漏れ電流監視装置。
4. 漏れ電流を測定する零相変流器と、
   前記零相変流器の出力信号を増幅する増幅部と、
   前記増幅部のアナログ出力信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器と、をさらに含む、請求項１に記載の無変圧器型太陽光インバータの漏れ電流監視装置。

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