JP3722901B2

JP3722901B2 - 太陽光発電システム

Info

Publication number: JP3722901B2
Application number: JP09169196A
Authority: JP
Inventors: 智美金子
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1996-01-26
Filing date: 1996-01-26
Publication date: 2005-11-30
Anticipated expiration: 2016-01-26
Also published as: JPH09215203A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、太陽電池アレイで発生した直流電力を交流電力に変換して使用する太陽光発電システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、太陽光エネルギーを太陽電池を使って直流電力に変換し、これを利用する太陽光発電システムの実用化が進められている。太陽光発電システムは、太陽電池アレイで発生した交流出力を電力配電系統に接続して使う系統連系型システムと、電力配電線系統に接続しないで使う独立型システムに分類される。そして、太陽光発電システムやその他の小規模の発電システム（電源）を電力配電系統に接続して系統連系した場合の運転形態は、分散型電源システムと呼ばれる。
【０００３】
図３に、従来の系統連系型の太陽光発電システムの構成例を示す。太陽光エネルギーを受けて太陽電池アレイ１から発生する直流電力は、逆流防止ダイオード２及び直流開閉器３を介してインバータ装置４に供給される。インバ−夕４では直流電力を交流電力に変換し、絶縁トランス５、系統連系保護装置６及び配電盤７を介して様々な電力負荷８へ供給される。
【０００４】
また、配電盤７から屋外開閉器９及び電力量計１０を介して電力配電系統１１へも接続されている。したがって、太陽電池アレイ１での発電電力が消費電力を上回る場合は電力配電系統１１へ電力を逆送電し、反対に夜間など太陽電池アレイ１での発電電力が得られない場合は、電力配電系統１１から電力の供給を受ける。このように、電力の融通を行うことができるので、電力利用の制約を無くすことができる。
【０００５】
ここで、系統連系運転を行うためには、系統連系する電力配電系統１１やそれに繋がる他の需要家に対して、安全上及び電力品質上の悪影響を起こさないようにする必要がある。そこで、系統連系運転を行う際に分散型電源システム側が満たすべき設備上の基準がガイドラインで定められている。
【０００６】
系統連系のための条件は、一般に分散型電源システム側の出力電圧、容量、電力配電系統１１との接続方式によって分類されており、その条件を満たすべき系統連系保護装置６の設置及び制御方式の使用等が義務付けられている。
【０００７】
実際に、系統連系を行うべき太陽光発電システムを設置する場合は、系統連系する容量に合わせ、系統連系保護機能を一つのユニットとした系統連系保護装置６を太陽光発電システムの一構成要素として独立して設置するか、または、系統連系保護機能をインバータ装置４に内蔵させたものを用いる場合とがある。いずれの場合も、その設置の際は電力会社と系統連系のための協議と契釣を行い、最終的な設備構成、保護リレーの整定値、連絡体制などを取り決めることになっている。図３では、独立して系統連系保護装置６を設置したものを示している。
【０００８】
次に、図４に太陽電池アレイ１の出力特性を示す。インバータ装置４は太陽電池アレイ１の出力特性に応じた運転制御を行う。太陽電池アレイ１の発電出力は、太陽電池アレイ１への日射強度にほぼ比例し、天気の良くない日は発電量は少なく、また夜間は発電しない。したがって、太陽電池アレイ１からの直流電カを交流電カに変換するインバータ装置４は、この太陽電池アレイ１の出カを最大限に効率よく変換する必要がある。
【０００９】
図４において、朝の日の出と共に日射強度が上昇し、太陽電池アレイ１の直流出力電圧Ｅが上昇する。そして、その直流出力電圧Ｅがインバータ装置４の制御電源の動作範囲内に入ると（ｔ１）、制御電源確立（起動）となり、インバータ装置４は自動的に起動待機状態に入る（ｔ１〜ｔ２）。その後、数分程度の一定電圧制御でインバータ装置４を運転し（ｔ２〜ｔ３）、直流出力電圧Ｅが増える傾向にあれぱ発電運転を開始する（ｔ３）。もし，雨天や曇天又は日没時など日射強度が下がって太陽電池アレイ１の出力が減少してくると、運転を停止し待機状態となる。
【００１０】
一方、直流出力電圧Ｅが増え発電運転の状態になると、最大出力電力点を追従する制御（ＭＰＰＴ制御）により、太陽電池アレイ１の発電電力Ｐを効率よく変換し電力負荷８や電力配電系統１１へ電力を供給する（ｔ３〜ｔ４）。ここで、発電運転中に直流出力電圧Ｅが多少低下しているのは、温度上昇による太陽電池アレイ１の出力低下である。
【００１１】
日射強度が下がり、太陽電池アレイ１の出力が減少してくると、ＭＰＰＴ制御動作範囲の最低運転電圧を切った時点ｔ４で一定電圧制御に移行して運転を継続し（ｔ４〜ｔ５）、出力が減少する傾向にあれば運転を停止する（ｔ６）。夜間など日射強度がとれない間は、インバータ装置４は動作せず、翌朝日射強度が上昇してきた時点で自動的に運転を再開する。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、このような太陽光発電システムを電力配電系統１１に接続し系統連系運転を行う場合には、前述したように、系統連系する電力配電系統１１側を保護するための系統連系保護機能を設置することが義務付けられており、電力配電系統１１に異常があった場合は随時その系統連系保護機能が正常に働くことが要求される。そのため、系統連系保護機能が正常に動作するかどうかの点検を行うことが必要となる。このような系統連系保護機能の点検は顧客自身で行わなければならず、顧客自身にかかる手間数を考えると点検作業は面倒であった。
【００１３】
本発明の目的は、系統連系保護機能の点検に伴う作業を軽減し、発電起動毎に自動的に系統連系保護機能の点検を行うことのできる太陽光発電システムを提供することである。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、太陽電池アレイで発生した直流電力をインバータ装置で交流電力に変換し、系統連系運転のときは電力配電系統にインバータ装置を接続して交流電力を供給し、自立運転のときはインバータ装置を電力配電系統から切り離し自立運転用の電力負荷に交流電流を供給し、電力配電系統の異常を系統連系保護装置が検出したときはインバータ装置を電力配電系統から切り離すようにした太陽光発電システムであり、電力配電系統からインバータ装置を切り離した状態で自立運転状態であることを判定する状態判定手段と、状態判定手段の判定が、前記電力配電系統から前記インバータ塞置を切り離した視態で、且つ、前記自立運転状態であることを判定したときは系統連系保護装置に電力配電系統の異常模擬信号を出力するための模擬信号発生手段と、異常模擬信号による系統連系保護装置の動作を確認するための動作確認手段とからなる自己診断手段を備えたものである。
【００１５】
請求項１の発明では、状態判定手段が電力配電系統からインバータ装置を切り離した状態で自立運転状態であることを判定すると、模擬信号発生手段は系統連系保護装置に電力配電系統の異常模擬信号を出力する。そして、動作確認手段にて異常模擬信号による系統連系保護装置の動作を確認する。
【００１６】
請求項２の発明は、請求項１の発明において、模擬信号発生手段は、状態判定手段の判定が、前記電力配電系統から前記インバータ装置を切り離した状態で、且つ、前記自立運転状態であることを判定成立した椀態で、自動又は手動で動作を開始するようにしたものである。
【００１７】
請求項２の発明では、模擬信号発生手段は自動又は手動で起動操作される。
【００１８】
請求項３の発明は、請求項２の発明において、自動又は手動の切換を行う切換手段を備えたものである。
【００１９】
請求項３の発明では、切換手段にて模擬信号発生手段を自動又は手動での起動操作に切換える。
【００２０】
請求項４の発明は、請求項１乃至請求項３の発明において、系統連系運転状態であるとき一定の時間間隔で、インバータ装置を電力配電系統から切り離すための指令を出力するタイマーを設けたものである。
【００２１】
請求項４の発明では、太陽光発電システムが系統連系運転状態であるときであっても、タイマーで定める時間間隔で運転を一時停止して再起動のときに自己診断手段を起動し、異常模擬信号を系統連系保護装置に出力する。
【００２２】
請求項５の発明は、請求項１乃至請求項４の発明において、前記動作確認手段は、前記電力配電系統から前記インバータ装置を切り離した状態で、且つ、前記自立運転状態において前記系統連系保護装置の動作を確認したときは、その確認状態を表示するための表示手段を備えたものである。
【００２３】
請求項５の発明では、異常模擬信号に対しての系統連系保護装置の動作状態を表示する。
【００２４】
請求項６の発明は、請求項１乃至請求項５の発明において、模擬信号発生手段からの異常模擬信号は、電力配電系統の定格電圧より高い系統過電圧、電力配電系統の定格電圧より低い系統不足電圧を交互にスープさせ、電力配電系統の定格周波数より高い系統過周波数、電力配電系統の定格周波数より低い系統不足周波数を交互にスイープさせた信号としたものである。
【００２５】
請求項６の発明では、模擬信号発生手段は、系統電圧が定格電圧に対し所定の範囲を超えてスイープさせた異常模擬信号を発生し、系統周波数が定格周波数に対し所定の範囲を超えてスイープさせたた異常模擬信号を発生する。
【００２６】
請求項７の発明は、請求項６の発明において、系統過電圧は定格電圧の１２０％の電圧であり、系統不足電圧は定格電圧の８０％の電圧としたものである。
【００２７】
請求項７の発明では、模擬信号発生手段は、系統電圧の変動が定格電圧の±２０％を逸脱した異常模擬信号を発生する。
【００２８】
請求項８の発明は、請求項６の発明において、系統過周波数は定格周波数の１０５％の周波数であり、系統不足周波数は定格周波数の９５％の周波数としたものである。
【００２９】
請求項８の発明では、模擬信号発生手段は、系統周波数の変動が定格周波数の±５％を逸脱した異常模擬信号を発生する。
【００３０】
請求項９の発明は、請求項１乃至請求項８の発明において、動作確信手段が系統連系保護装置の動作異常を検出したときは、再度、異常模擬信号を出力し、動作異常が２回連続したときは、系統連系保護装置の異常であることを表示するようにしたことを特徴とする太陽光発電システム。
【００３１】
請求項９の発明では、異常模擬信号に対して系統連系保護装置が正常に動作しないことが２回連続したときに、系統連系保護装置の異常を表示する。
【００３２】
請求項１０の発明は、請求項１乃至請求項９の発明において、系統連系保護装置及び自己診断手段の各機能をインバータ装置に持たせたものである。
【００３３】
請求項１０の発明では、異常模擬信号を直接インバータ装置から出力する。
【００３４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を説明する。図１は本発明の実施の形態を示す構成図である。本発明の実施の形態による太陽光発電システムは、自己診断手段１２を有したものであり、図３に示した従来例と同一要素には同一符号を付しその説明は省略する。
【００３５】
自己診断手段１２は、系統連系保護装置６が正常に動作するか否かを判定するためのものであり、インバータ装置４が電力配電系統１１から切り離された状態で異常模擬信号を系統連系保護装置６に出力し、系統連系保護装置が正常に動作するか否かを確認する。
【００３６】
自己診断手段１２の状態判定手段１３は、太陽光発電システムの運転制御を司る運転制御装置１４から、インバータ装置４が電力配電系統１１から切り離された状態であることを示す信号を入力すると共に、太陽電池アレイ１からの直流出力電圧を入力し、太陽光発電システムの状態を判定する。すなわち、状態判定手段が電力配電系統１１からインバータ装置４を切り離した状態で自立運転状態であることを判定すると、切換手段１５が自動側に選択されているときには、模擬信号発生手段１６は系統連系保護装置６に対し電力配電系統１１の異常模擬信号を出力する。
【００３７】
一方、切換手段１５が手動側を選択しているときは、状態判定手段１３の判定が成立している状態で手動点検スイッチ２０により手動操作行われたときに模擬信号発生手段１６は系統連系保護装置６に対し電力配電系統１１の異常模擬信号を出力する。この異常模擬信号は系統連系保護装置６に入力される。そして、異常模擬信号による系統連系保護装置６の動作状態は、動作確認手段１７に入力され、そこで系統連系保護装置６の動作状態が確認される。そして、その確認結果は表示手段１８に表示される。
【００３８】
また、自己診断手段１２にはタイマー１９が設けられ、このタイマー１９は太陽光発電システムが系統連系運転状態であるときに一定の時間間隔で、インバータ装置４を電力配電系統１１から切り離すための指令を出力する。これにより、太陽光発電システムが系統連系運転状態であるときであっても、タイマー１９で定める時間間隔で運転を一時停止して再起動のときに自己診断手段を起動し、異常模擬信号を系統連系保護装置６に出力する。
【００３９】
ここで、電力配電系統１１と連系するための保護とは、連系した電力配電系統１１に異常が生じた場合、インバータ装置４の動作が電力配電系統１１側へ影響を与えないようにインバータ装置４を電力配電系統１１から切り離すことである。電力配電系統１１側の異常に対する保護要素として、以下の項目があげられる。
（１）系統不足電圧（ＯＶ）
（２）系統過電圧（ＵＶ）
（３）系統周波数異常（ＯＦ／ＵＦ）
電力配電系統１１側で異常が発生した場合、これらの保護機能が正常に動作しインバータ装置４を電力配電系統１１から切り離すことになる。そこで、この保護機能が正常に動作することを、自己診断手段１２で定期的に動作点検する。
【００４０】
図２は、本発明の実施の形態における自己診断手段１２の機能を示すフローチャートである。まず、朝の日の出と共に日射強度が上昇すると、太陽電池アレイ１の発電が開始される。その発電電力Ｐがインバータ装置４の制御電源確立の許容範囲に入ると（Ｓ１）、インバータ装置４は電力配電系統１１を切り離した状態で強制的に自立運転状態での運転を開始する（Ｓ２）。
【００４１】
すなわち、強制的に電力配電系統１１側の異常が発生したと同様な異常模擬信号を摸擬信号発生手段１６から系統連系保護装置６へ出力して、系統連系保護機能の点検を行う。なお、日中であっても天候が回復した場合、またはその逆の場合も同様な動作を行う。
【００４２】
まず、模擬信号発生手段１６からは、電力配電系統１１の定格電圧に対する異常模擬信号を出力する。定格電圧→定格電圧＋２０％→定格電圧へとスイープさせた異常模擬電圧を出力する（Ｓ３）。そして、系統連系保護装置６に系統過電圧を模擬させ保護機能が動作するか確認する（Ｓ４）。正常な動作が確認されると、次に電圧信号を定格電圧→定格電圧ー２０％→定格電圧へとスイープさせ、系統不足電圧を模擬させ、保護機能が正常に動作するか確認する。正常な動作が確認されると、周波数信号を定格→＋５％→定格へとスイープさせ（Ｓ５）、系統過周波数を摸擬させ、保護機能が動作するか確認する（Ｓ６）。
【００４３】
次に、周波数信号を定格周波数→定格周波数＋５％→定格周波数とスイーブさせ（Ｓ７）、系統不足周波数を模擬して保護機能が正常に動作するか確認する（Ｓ８）。正常な動作が確認されると、周波数信号を定格周波数→定格周波数ー５％→定格周波数とスイーブさせ（Ｓ９）、系統不足周波数を模擬して保護機能が正常に動作するか確認する（Ｓ１０）。
【００４４】
そして、すべての保護機能の動作の確認が終了した時点で初めてインバ−夕装置４は電力配電系統１１へ連系され（Ｓ１１）、系統連系運転を開始する（Ｓ１２）。ここで、これらの動作に要する時間は通常１分以下である。また、保護機能の各部分で正常な運転が確認されなかった場合は、一旦、自立運転開始の状態まで戻り（Ｓ１３）、再度保護機能動作の確認を行い、２回目の点検でも保護動作が確認されなかった場合は「保護機能異常」と判定し（Ｓ１４）、表示手段１８に異常表示すると共にインバータ装置４を停止する（Ｓ１５）。
【００４５】
これにより、毎朝の太陽電池アレイ１の発電起動時に、自動的に保護機能の点検が行われる。したがって、確実に保護機能が動作することを確認した上で連系運転を開始することができるので、特に顧客先で定期的に保譲機能の点検作業を実施しなくても、常に正常な系統連系保護機能を備えた状態で太陽光発電システムから電力を供給することができる。
【００４６】
また、以上のことは、系統連系保護装置６がインバータ装置４に内蔵された場合、あるいは系統運系保護装置６及び自己診断手段１２がインバ−夕４に内蔵された場合にも適用される。
【００４７】
ところで、切換手段１５を手動側に切り替えておき、太陽光発電システムの起動時にインバータ装置４が点検する保護機能を手動で行えるようにしても良い。日射強度が上昇し、太陽電池アレイ１の発電電力でインバータ装置４の制御電源確立後に一旦待機状態となり、手動点検スイッチ２０を入れることで系統連系保護機能の点検を行い、保護動作の確認終了後に、太陽光発電システムの運転を開始する。この場合は、前述の自動の場合と同様に太陽光発電システムの起動毎に保護機能動作の確認ができると同時に、顧客自身で保護機能動作の確認ができ、自動点検時の点検状態を確認することができる。
【００４８】
上述した自動点検を発電起動時だけでなく、タイマー１９などで点検を実施したい時間を設定して、発電中の任意時間毎に自動点検を行えるようにしてもよい。この場合は、起動時のみの１回の点検ではなく、２回以上点検できるため、保護機能の動作確認の信頼性を高くできる。
【００４９】
さらに、保護動作の点検確認後、「保護機能異常」と判定した場合、その異常状態を表示できるようにするので、太陽光発電システムが起動しない原因が顧客側で確認できると同時にーサービスマンへの対応がスムーズにできる。
【００５０】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、インバータ装置の起動毎に自動的に保護機能を点検する自己診断手段を具備しているので、毎朝、太陽光発電システムの起動時にインバータ装置が自動的に保護機能の動作を点検することができる。したがって、定期的な顧客自身での保護機能の点検作業を行わずにすみ、常に正常な保護機能を持った状態で太陽光発電システムを電力配電系統と連携することができる。
【００５１】
すなわち、本発明では、毎朝の太陽光発電システムの起動時に自動的に保護機能の点検を行うことができるので、顧客側での特別な点検作業を行うことをせず、常に正常な保護機能の具備した状態で系統連系運転を行える。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態を示す構成図。
【図２】本発明の自己診断手段の機能を示すフローチャート。
【図３】従来の系統連系型の太陽光発電システムの構成例
【図４】太陽電池アレイの出力特性の説明図。
【符号の説明】
１太陽電池アレイ
２逆流防止ダイオード
３直流開閉器
４インバータ装置
５絶縁トランス
６系統連系保護装置
７配電盤
８電力負荷
９屋外開閉器
１０電力量計
１１電力配電系統
１２自己診断手段
１３状態判定手段
１４運転制御装置
１５切換手段
１６模擬信号発生手段
１７動作確認手段
１８表示手段
１９タイマー
２０手動点検スイッチ

Claims

太陽電池アレイで発生した直流電力をインバータ装置で交流電力に変換し、系統連系運転のときは電力配電系統に前記インバータ装置を接続して前記交流電力を供給し、自立運転のときは前記インバータ装置を前記電力配電系統から切り離し自立運転用の電力負荷に前記交流電流を供給し、前記電力配電系統の異常を系統連系保護装置が検出したときは前記インバータ装置を前記電力配電系統から切り離すようにした太陽光発電システムにおいて、前記電力配電系統から前記インバータ装置を切り離した状態で前記自立運転状態であることを判定する状態判定手段と、前記状態判定手段の判定が、前記電力配電系統から前記インバータ装置を切り離した状態で、且つ、前記自立運転状態であることを判定したときは前記系統連系保護装置に前記電力配電系統の異常模擬信号を出力するための模擬信号発生手段と、前記異常模擬信号による前記系統連系保護装置の動作を確認するための動作確認手段とからなる自己診断手段を備えたことを特徴とする太陽光発電システム。
前記模擬信号発生手段は、前記状態判定手段の判定が、前記電力配電系統から前記インバータ装置を切り離した状態で、且つ、前記自立運転状態であることを判定した状態で、自動又は手動で動作を開始するようにしたことを特徴とする請求項１に記載の太陽光発電システム。
前記自動又は手動の切換を行う切換手段を備えたことを特徴とする請求項２に記載の太陽光発電システム。
前記系統連系運転状態であるとき一定の時間間隔で、前記インバータ装置を前記電力配電系統から切り離すための指令を出力するタイマーを設けたことを特徴とする請求項１乃至請求項４に記載の太陽光発電システム。
前記動作確認手段は、前記電力配電系統から前記インバータ装置を切り離した状態で、且つ前記自立運転状態において前記系統連系保護装置の動作を確認したときは、その確認状態を表示するための表示手段を備えたことを特徴とする請求項１乃至請求項４に記載の太陽光発電システム。
前記模擬信号発生手段からの異常模擬信号は、前記電力配電系統の定格電圧より高い系統過電圧、前記電力配電系統の定格電圧より低い系統不足電圧を交互にスイープさせ、前記電力配電系統の定格周波数より高い系統過周波数、前記電力配電系統の定格周波数より低い系統不足周波数を交互にスイープさせた信号であることを特徴とする請求項１乃至請求項５に記載の太陽光発電システム。
前記系統過電圧は定格電圧の１２０％の電圧であり、前記系統不足電圧は定格電圧の８０％の電圧であることを特徴とする請求項６に記載の太陽光発電システム。
前記系統過周波数は定格周波数の１０５％の周波数であり、前記系統不足周波数は定格周波数の９５％の周波数であることを特徴とする請求項６に記載の太陽光発電システム。
前記動作確信手段が前記系統連係保護装置の動作異常を検出したときは、再度、前記異常模擬信号を出力し、前記動作異常が２回連続したときは、前記系統連系保護装置の異常であることを表示するようにしたことを特徴とする請求項１乃至請求項８に記載の太陽光発電システム。
前記系統連系保護装置の及び前記自己診断手段の各機能を前記インバータ装置に持たせたことを特徴とする請求項１乃至請求項９に記載の太陽光発電システム。