JPH089555A - 太陽光発電用パワーコンディショナ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】個人住宅用に太陽光発電（太陽電池）を商用系
統に連系するための高性能、コンパクトかつ安価な太陽
光発電用パワーコンディショナを提供する。 【構成】 本装置（Ｘ）は、太陽電池（６）にモニタ用
太陽電池（５）を付設するとともに、少なくともインバ
ータ（１）、絶縁トランス（２）、系統連系保護装置
（３）及びこれらの制御装置（４）を一のケーシング内
に有し、前記制御装置（４）が、インバータ制御手段
（41）と、負荷バランス制御手段（42）と、モニタ電池
日射量判別手段（43）と、最大出力制御手段（44）と、
シーケンス制御手段（45）と、連系保護検出手段（46）
を回路構成している。そして、パワーコンディショナ及
び制御電源の起動・停止を前記モニタ用太陽電池（５）
から推定される日射量レベルでおこなうようにしたもの
である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、系統連系型太陽光発電
システムにおける太陽光発電用パワーコンディショナに
係り、詳しくは、個人住宅用に太陽光発電（太陽電池）
を商用系統に連系するための高性能、コンパクトかつ安
価な太陽光発電用パワーコンディショナに関する。

【０００２】

【従来の技術】太陽光発電システムは、太陽電池、直交
変換装置（インバータ）、系統連系保護装置等から構成
され、蓄電池を接続して運用する独立型と、商用系統に
連系して運用する系統連系型に分類される。図８にそれ
ぞれのシステムの構成例を示す。図中、（ａ）が独立
型、（ｂ）が系統連系型である。

【０００３】図８（ｂ）に示すような個人住宅への設置
を前提とした系統連系型太陽光発電システムに使用され
る太陽光発電用パワーコンディショナには、大別して、
太陽電池出力制御機能、連系インバータ機能及び系統連
系保護機能が必要とされる。

【０００４】太陽光発電などの分散型電源の導入を推進
するために、平成４年４月より電気事業者による余剰電
力の購入制度が開始された。さらに、平成５年３月には
分散型電源（自家用発電設備）の商用電力系統への連系
に係る系統連系技術要件ガイドライン（以下、ガイドラ
インと略記する。）の整備が完了した。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】一般に太陽光発電（方
式）には、「太陽エネルギ密度が低いため、必要な電力
を得るにはかなりのスペースを必要とする。」ことや、
「発電出力が日射量に左右され、夜間はまったく発電で
きない。」こと等の問題がある。

【０００６】このため普及形態としては、設置場所や導
入及び運用コスト面から電気事業（者）の配電系統に連
系した個人住宅用が有望視されており、上述したような
太陽光発電の普及のための環境整備が進展してきている
が、依然として太陽電池及び太陽光発電用パワーコンデ
ィショナの価格が高いことが本格的な普及への障害とな
っている。

【０００７】こうしたなかで、本発明者らは、電気事業
（者）の立場から太陽光発電用インバータ、系統連系保
護装置に必要とされる性能の確認及び装置の低コスト化
等を目標とした研究開発をすすめてきた。そして、太陽
光発電用インバータ（プロトタイプ）の試作及び実証試
験を経て、ガイドライン（低圧配電系統，系統への逆潮
流あり）に準拠し、高性能、コンパクトかつ安価な太陽
光発電用パワーコンディショナを開発するに到った。

【０００８】本発明はこのような事情に鑑みなされたも
のであって、上記課題を解消し、個人住宅用に新たに改
善した太陽光発電用パワーコンディショナを提供するこ
とを目的とするものである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に請求項１記載の発明は、太陽電池にモニタ用太陽電池
を付設するとともに、少なくともインバータ、絶縁トラ
ンス、系統連系保護装置及びこれらの制御装置を一のケ
ーシング内に有し、前記制御装置が、インバータ制御手
段と、負荷バランス制御手段と、最大出力制御手段と、
シーケンス制御手段と、モニタ電池日射量判別手段と、
連系保護検出手段を回路構成してなるものである。

【００１０】ここでは、パワーコンディショナの起動・
停止及びパワーコンディショナ停止時の制御電源の入・
切を別途設置したモニタ用太陽電池から推定される日射
量レベルでおこなうように構成し、各停止動作には時限
をもたせている。

【００１１】上記日射量レベルでの動作手段を具備する
理由は以下のとおりである。太陽電池の発電電力は日射
量レベルにより大きく変動する特徴がある。太陽電池に
接続したパワーコンディショナが商用系統へ悪影響を及
ぼすことなく安定した運転をするためには、太陽電池か
らある程度の発電出力（すなわち日射量）を必要とす
る。このため、パワーコンディショナには、装置自体が
安定した運転が可能な状態を判断し、その時のみ起動す
るような機能が必要となる。

【００１２】そこで、発電に使用する太陽電池の他に容
量の小さな同種の太陽電池（モニタ用太陽電池）を設置
し、パワーコンディショナ内で、常時発電できるような
状態で設置しているモニタ用太陽電池の発電電力を常時
監視することにより、発電に使用する太陽電池から十分
な発電出力が得られる状態（日射量が十分にある状態）
かどうかを判断させている。（上記モニタ電池日射量判
別手段）

【００１３】また、パワーコンディショナを運転させる
ためには、太陽電池又は連系運転している商用系統から
制御電源を供給することが必要であり、これについて
も、モニタ用太陽電池の発電電力を常時監視することに
より、制御電源が不要な時（夜間及び曇天時等の日射量
が少なくパワーコンディショナが停止している時）に
は、無駄な電力消費を抑制するために制御電源を停止さ
せている。

【００１４】請求項２記載の発明は、上記最大出力制御
手段における電力制御出力が、太陽電池固有の最適動作
電圧の設定に基づき、演算回路によりインバータ出力電
力指令値として決定されるものである。

【００１５】このような最大出力制御手段を具備する理
由は以下のとおりである。太陽電池は日射量が一定であ
っても、動作状態（電圧，電流の大きさ）によってその
電圧が大きく変動し、得られる電力も大きく変動すると
いうもう一つの特徴がある。

【００１６】最大出力制御方式では、例えば、動作電圧
を常に微小変化させることにより出力の増減を監視し、
システムの動作点（状態）が最大出力点（状態）になる
ように追跡していくことが必要となるが、日射量に応じ
て変化する最大出力動作点では、その電圧がほぼ一定と
なっている（図７参照）ことからもわかるように、太陽
電池には、最大電力を取り出すことのできる最適動作電
圧が存在する。

【００１７】そこで、太陽電池の出力電圧が、日射量が
変動しても常にこの最適動作電圧になるようにパワーコ
ンディショナ出力電力の制御（上記）をおこない、日射
量が変動してもその日射量の時に得ることが可能な最大
の発電電力を得るようにした。こうして、最大出力点を
逐次追跡するよりも簡単に制御することができ、しか
も、この制御方式（直流電圧一定制御方式）による発生
電力量の低下（減少）はわずかでしかない。

【００１８】一方、パワーコンディショナの回路設計上
の改善策は以下のとおりである。太陽電池の発電電力は
日射量によって大きく変動し、太陽電池の定格電力が得
られるのは、春，秋の快晴日の昼間だけという、年間を
通じてもわずかな時間にしかすぎず、太陽電池の平均的
な出力は最大出力電力（定格）の２／３程度である。

【００１９】そこで、太陽電池から発生する直流電力を
交流電力に変換する際の電力変換効率を、定格の２／３
程度の時に最大となるようにパワーコンディショナの回
路を設計することにより、パワーコンディショナの効率
が最大となる運転状態（最高効率点）での運転時間（延
べ時間）を延長し、年間を通じての電力変換効率の向上
を図った。

【００２０】

【作用】本発明の太陽光発電用パワーコンディショナを
介して系統連系型太陽光発電システムを構成することに
より、電力の余剰分は配電線へ送出し、不足分は配電線
から供給を受けるような配電線との連系ができる。

【００２１】ここでは、モニタ用太陽電池により日射量
を高感度で測定し、起動・停止を精度よく自動的におこ
なう。そして、その停止動作に時限をもたせることによ
り、連系運転中の日射量の急変時や低出力時にも系統電
力を利用し運転を継続することができる。

【００２２】また、配電線（系統）が停電した時にこれ
を検出して自動的に切り離し、発電装置から逆に電流が
流れ続けることによる安全工事や他の設備への悪影響を
防止できる。

【００２３】

【実施例】本発明の一実施例を添付図面を参照して以下
説明する。図１に個人住宅向け系統連系形太陽光発電シ
ステムの概略図を示す。図２に本発明の一実施例である
３ｋＶＡ太陽光発電用パワーコンディショナ（以下、本
装置という。）の主回路図を示す。

【００２４】ここで、１がインバータ、２が絶縁トラン
ス、３が系統連系保護装置、４が制御装置、５がモニタ
用太陽電池、６が太陽電池（パネル）及びＸが太陽光発
電用パワーコンディショナである。

【００２５】なお、図２中、制御装置（４）から延長さ
れた状態表示ランプ（Ａ，Ｂ及びＣ）は、本装置前面扉
の表面に設けられ、インバータ運転（Ａ）、連系運転
（Ｂ）及び故障（Ｃ）の３通りの運転状態を示すパイロ
ットランプであり、発電をおこなっている場合には、イ
ンバータ運転及び連系運転の２つのパイロットランプ
（Ａ，Ｂ）が点灯する。（図示省略）

【００２６】本装置は、少なくともインバータ（１）、
絶縁トランス（２）、系統連系保護装置（３）及びこれ
らの制御装置（４）を一のケーシング内に有し、素子数
を低減及び小型冷却フィンの使用等内部構造をコンパク
トに設計することによって小型化（自社従来機に比して
約20％縮小）を実現している。本装置の主な仕様を表１
に示す。

【００２７】

【表１】

【００２８】この内部構造の概略を述べると、起動・停
止時間や保護リレーの整定時間の調整用タイマーを設
け、本装置の据付け場所での整定時間の調整が容易にで
きるようにしている。図３に内部前面の配置概略図を示
す。

【００２９】直流入力開閉器は、太陽電池と本装置とを
切り離すために使用しており、直流過電流の検出又は本
装置の故障発生によりトリップする。交流出力開閉器
は、系統と本装置とを切り離すために使用しており、交
流過電流の検出又は本装置の故障発生によりトリップす
る。

【００３０】また、制御装置（４）は、制御回路を構成
する各種基板を本装置内部の左右両側に配置している。
これら両側の制御回路基板の内側には、インバータの変
換素子、絶縁トランス等を配置している。図４に内部左
側面、図５に内部右側面の各配置概略図を示す。

【００３１】ここで、前記制御装置（４）は、インバー
タ制御手段（41）と、負荷バランス制御手段（42）と、
最大出力制御手段（43）と、シーケンス制御手段（44）
と、モニタ電池日射量判別手段（45）と、連系保護検出
手段（46）を回路構成しており、これら各手段（回路）
について以下説明する。

【００３２】インバータ制御手段（回路） 電圧制御形インバータを採用し、これを制御するための
回路である。制御方法は、インバータの出力電圧のフィ
ードバック量により、基準電圧の波高値を変え、三角波
（周波数14.4kHz)と比較し、ＰＷＭ(Pulse Width Mojul
ation ; パルス幅変調) 信号を作成して定電圧にしてい
る。系統連系時の電力制御は、インバータの周波数を太
陽電池の発生電力量により変化させ、位相シフトにより
おこなう。系統とインバータの同期回路及びインバータ
の保護回路を内蔵している。

【００３３】負荷バランス制御手段（回路） 系統電流と最大出力制御信号を比較し、その結果をイン
バータ制御回路に伝送し、インバータの周波数を変化さ
せる回路である。周波数シフト方式のためのインバータ
自走周波数用の発振器を内蔵している。

【００３４】最大出力制御手段（回路） 図６に簡易型最大出力制御（直流電圧一定制御）等価回
路図を示す。太陽電池の電圧（Ｖ）と電流（Ｉ）の積に
より直流発生電力（P1）を求め、太陽電池の電圧が予め
設定した電圧（Ｅ）になるように出力電力（P2）を決定
し、出力電力の制御信号をインバータ制御回路に伝送す
る回路である。

【００３５】すなわち、入力電圧（Ｖ）及び入力電流
（Ｉ）を乗算し、その出力（P1）を太陽電池の最適動作
電圧（Ｅ）で除算した電流値（I2）と入力電圧値（Ｖ）
の積にて出力電力指令値（P2）を決定する。なお、太陽
電池の最適動作電圧の設定は、図７の太陽電池パネルの
出力特性を参考にする。

【００３６】シーケンス制御手段（回路） 本装置の起動・停止及び給電時のシーケンスと、故障時
の故障内容を表示するＬＥＤ及び外部信号インターフェ
ースを内蔵している。

【００３７】モニタ電池日射量判別手段（回路） モニタ用太陽電池の端子をパワーコンディショナ内で低
抵抗により短絡し、その電圧から現在の日射量を推定す
ることにより本装置の起動・停止等の信号を作成するた
めの検出回路であり、検出信号外部出力インターフェー
ス部を内蔵している。

【００３８】この手段を可能としている理由は以下のと
おりである。太陽電池の短絡電流は、温度が一定ならば
日射量に比例する特性（図示省略）を有している。この
ため、太陽電池の短絡電流（低抵抗で短絡した場合は抵
抗両端の電圧）から、日射量を推定し、パワーコンディ
ショナが運転した場合に太陽電池から取り出すことので
きる電力が、パワーコンディショナが安定して運転でき
るのに必要な電力に足るものであるかどうかを判断する
ことができる。

【００３９】連系保護検出手段（回路） 系統の異常（周波数異常，電圧異常，電圧位相跳躍）を
検出し本装置を系統から切り離す信号を出力する回路で
ある。

【００４０】周波数異常検出は、発振器とＩＣ回路（Ｃ
−ＭＯＳ）により周波数の上限、下限を設定し、系統周
波数がその範囲を逸脱したとき異常を検出する。

【００４１】電圧異常検出は、系統電圧を全波整流した
電圧の平均値と基準電圧を比較し、系統電圧が基準電圧
を超えた時に異常を検出する。

【００４２】電圧位相跳躍検出は、系統電圧を全波整流
した電圧の瞬時値と基準正弦波電圧を比較し、系統電圧
が基準電圧を超えた時に異常を検出する。

【００４３】上記構成を有した本装置が、安全面及び系
統運用面の保護機能に関し、先述のガイドラインに適合
していることを確認する性能試験をおこなった。試験方
法は、財団法人日本電気用品試験所が制定している「小
型太陽電池発電システム系統連系保護装置等の試験方
法」に準じたものとした。その試験結果は良好であり、
本装置がガイドラインに適合しているものであることが
確認された。

【００４４】

【発明の効果】本発明は以上の構成よりなるものであ
り、これによれば以下に示す格別の効果を奏する。 （１）各構成手段を一のケーシング内に一体的に組み込
むとともに、最高効率点を太陽電池の最大出力電力の２
／３付近（平均的出力点）とし、インバータの素子数の
低減等内部構造をコンパクトなものとしているので、装
置の小型・簡素化及び設置工事の軽減が図れる。

【００４５】（２）制御運転では上記太陽電池の平均的
出力点をパワーコンディショナの最高効率点とし、か
つ、夜間や雨天・曇天時の発電出力が期待できない場合
に、制御電源を停止し装置の消費電力を省力化している
ので、年間を通じて総合効率を高めることができる。

【００４６】（３）モニタ用太陽電池を設け、常時日射
量を測定し、パワーコンディショナ及び制御電源の起動
・停止を自動的にスムーズにおこなうようにしているの
で、朝夕の起動・停止時、日射量の急変時及び低出力時
にも不要な解並列をしない安定した連系運転が継続でき
る。

【００４７】（４）上記小型・簡素化にともなう部品点
数の低減や市販部品の使用等によりコスト低減が可能と
なり、個人住宅向けに安価な製品を提供できるので、普
及型としての利用が期待できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に関する系統連系型太陽光発電システム
の概略図である。

【図２】本発明の一実施例である３ｋＶＡ太陽光発電用
パワーコンディショナの主回路図である。

【図３】本装置の内部構造を説明する内部前面の配置概
略図である。

【図４】同じく内部左側面の配置概略図である。

【図５】同じく内部右側面の配置概略図である。

【図６】太陽電池の簡易型最大出力制御を説明する等価
回路図である。

【図７】既設設備の太陽電池パネルの出力特性（Ｉ−Ｖ
特性）を例示したグラフ（データプロット）である。

【図８】太陽光発電システムの構成例を示す概略図であ
り、（ａ）が独立型、（ｂ）が系統連系型である。

【符号の説明】

１ インバータ ２ 絶縁トランス ３ 系統連系保護装置 ４ 制御装置 ５ モニタ用太陽電池 ６ 太陽電池（パネル） 41 インバータ制御手段（回路） 42 負荷バランス制御手段（回路） 43 最大出力制御手段（回路） 44 シーケンス制御手段（回路） 45 モニタ電池日射量判別手段（回路） 46 連系保護検出手段（回路） Ｘ 太陽光発電用パワーコンディショナ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 山岡 博 広島県広島市中区小町４番33号 中国電力 株式会社内

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 系統連系型太陽光発電システムにおける
   太陽光発電用パワーコンディショナにおいて、太陽電池
   にモニタ用太陽電池を付設するとともに、少なくともイ
   ンバータ、絶縁トランス、系統連系保護装置及びこれら
   の制御装置を一のケーシング内に有し、前記制御装置
   が、インバータ制御手段と、負荷バランス制御手段と、
   モニタ電池日射量判別手段と、最大出力制御手段と、シ
   ーケンス制御手段と、連系保護検出手段を回路構成して
   なり、パワーコンディショナ及び制御電源の起動・停止
   を前記モニタ用太陽電池から推定される日射量レベルで
   おこなうようにしたことを特徴とする太陽光発電用パワ
   ーコンディショナ。
2. 【請求項２】 最大出力制御手段における電力制御出力
   が、太陽電池固有の最適動作電圧の設定に基づき、演算
   回路によりインバータ出力電力指令値として決定される
   ものである請求項１記載の太陽光発電用パワーコンディ
   ショナ。