JPH04294411A - 太陽光発電用電力変換装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、太陽電池から得られ
る直流電力を交流に変換し、交流の電力系統と連系して
負荷に電力を供給する太陽光発電用電力変換装置に関し
、特に電力系統側への逆潮流を確実に防止できる太陽光
発電用電力変換装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】図３は例えば特開平１−９８００８号公
報に示された従来の太陽光発電用電力変換装置を示すブ
ロック図である。図において、１は太陽光エネルギを受
けて直流電力（有効電力Ｐに相当する）を出力する太陽
電池からなる光発電アレイ、２は光発電アレイ１への電
力逆流を阻止する逆流防止ダイオード、３は光発電アレ
イ１からの直流電力を交流電力に変換するインバータを
含む電力変換回路、４は電力変換回路３の出力側に接続
されて電力変換回路３と共に電力供給系統を構成する交
流の電力系統、５は電力変換回路３と電力系統４とを接
続するためのコンタクタ、６は電力変換回路３と電力系
統４との間に挿入されて両端間に電圧位相差δを発生さ
せるための連系リアクタンスである。

【０００３】Ｖｄは光発電アレイ１からの直流出力電圧
、ＶＩは電力変換回路３からの交流出力電圧、Ｖｓは電
力供給系統の交流電圧、ＰＩは電力変換回路３からの供
給電力、ＰＧは電力系統４からの供給電力である。

【０００４】７は電力系統側の系統電流及び系統電圧Ｖ
ｓから電力変換回路３と電力系統４との間の無効電力Ｑ
を検出して無効電力検出値Ｑｓを出力する無効電力検出
器、８は連系リアクタンス６の前後の電圧位相差δを検
出して位相差検出値δｓを出力する位相差検出器、９は
無効電力Ｑの基準値Ｑｒｅｆ（通常、０）を出力する無
効電力基準設定器、１０は無効電力基準値Ｑｒｅｆと無
効電力検出値Ｑｓとの偏差を０にする（無効電力検出値
Ｑｓを無効電力基準値Ｑｒｅｆに一致させる）ための操
作量ｋを出力する無効電力制御回路、１１は操作量ｋに
基づいて交流出力電圧ＶＩを制御するための制御信号Ｖ
ｇを出力する電圧制御回路である。

【０００５】１２は光発電アレイ１からの直流出力電圧
Ｖｄを検出して直流電圧検出値Ｖｄｓを出力する直流電
圧検出器、１３は直流出力電圧Ｖｄの基準値Ｖｄｒｅｆ
（有効電力Ｐを最大にする電圧値）を出力する直流電圧
基準設定器、１４は直流電圧検出値Ｖｄｓと直流電圧基
準値Ｖｄｒｅｆとの偏差を０にする（直流電圧検出値Ｖ
ｄｓを直流電圧基準値Ｖｄｒｅｆに一致させる）ための
位相操作量δｒｅｆを出力する有効電力制御回路、１５
は位相操作量δｒｅｆと位相差検出値δｓとの偏差を０
にする（位相差検出値δｓを位相操作量δｒｅｆに一致
させる）ための制御信号δｇを出力する位相制御回路で
ある。

【０００６】１６は各制御電圧Ｖｇ及びδｇに基づいて
電力変換回路３内のインバータのスイッチング素子を制
御するゲート回路であり、制御信号Ｖｇに基づいて交流
出力電圧ＶＩをＰＷＭ制御すると共に、制御信号δｇに
基づいて電圧位相差δを制御している。又、ゲート回路
１６の出力信号は位相差検出器８にも入力されている。

【０００７】無効電力検出器７、無効電力制御回路１０
及び電圧制御回路１１は、無効電力制御ループを構成し
ており、位相差検出器８、直流電圧検出器１２、有効電
力制御回路１４及び位相制御回路１５は、有効電力制御
ループを構成している。１７は電力変換回路３の出力電
力ＰＩ及び電力系統４の電力ＰＧが供給される一般負荷
、ＰＬは一般負荷１７に供給される負荷電力である。電
力変換回路３及び電力系統４は、互いに並列接続されて
一般負荷１７に電力を供給している。

【０００８】次に、図４を参照しながら、図３に示した
従来の太陽光発電用電力変換装置の動作について説明す
る。一般負荷１７にこのとき、電力変換回路３内のイン
バータは、上述したように、無効電力制御ループにより
交流出力電圧ＶＩがＰＷＭ制御され、有効電力制御ルー
プにより電圧位相差δが制御される。そして、電圧位相
差δが制御されることにより、結果的に直流出力電圧Ｖ
ｄが制御される。

【０００９】ここで、交流出力電圧ＶＩ及び系統電圧Ｖ
ｓの電圧位相差は連系リアクタンス６の両端間の電圧位
相差δ（十分小さい）と等しく、連系リアクタンス６の
リアクタンス値をＸとすると、電力変換回路３から出力
される有効電力Ｐ及び無効電力Ｑは、それぞれ次式■及
び■で表わされる。

【００１０】

【数１】

【００１１】

【数２】

【００１２】■及び■式から明らかなように、有効電力
Ｐは位相差δを変化させることにより変化し、無効電力
Ｑは電力変換回路３の交流出力電圧ＶＩを変化させるこ
とにより変化し、厳密に言うと、両者は相関性を有して
いることが分かる。

【００１３】又、■式より、系統電圧Ｖｓが増大しても
無効電力Ｑが大きくなって電力変換回路３の利用率が悪
くなるので、通常、Ｑ＝０（即ち、Ｖｓ＝ＶＩ）となる
ように交流出力電圧ＶＩを変化させる。このとき、光発
電アレイ１の出力特性を考慮して、光発電アレイ１の直
流出力電圧Ｖｄが基準値（有効電力Ｐを最大にする値）
となるように、インバータの通流率（パルス幅）を変化
させて交流出力電圧ＶＩをＰＷＭ制御する。

【００１４】図４は光発電アレイ１の出力電力特性及び
出力電流特性を示す特性図であり、横軸は直流出力電圧
Ｖｄ、縦軸は出力電力（即ち有効電力Ｐ）及び直流出力
電流Ｉ（日射エネルギεに対応する）である。出力電力
Ｐ及び電流Ｉは、日射エネルギεＯ、εＲ及びεＵの違
いにより、又、直流出力電圧Ｖｄの違いにより、一点鎖
線、実線及び破線のように変化する。即ち、有効電力Ｐ
は、直流出力電圧ＶｄがＶｏｐのときに最大となり、Ｖ
ｏｐより高い電圧Ｖｘになるにつれて減少し、回路開放
電圧Ｖｏｃの無負荷状態では０となる。

【００１５】従って、光発電アレイ１から出力される有
効電力Ｐを最も有効に取り出すためには、直流出力電圧
Ｖｄを、常に有効電力Ｐが最大となる電圧Ｖｏｐの近傍
に制御する必要がある。この制御方式を直流出力電圧Ｖ
ｄの一定制御方式という。

【００１６】次に、無効電力制御ループ及び有効電力制
御ループの動作について説明する。まず、無効電力制御
ループについて制御する。無効電力検出器７から無効電
力検出値Ｑｓが得られ、無効電力基準設定器９より無効
電力基準値Ｑｒｅｆ（＝０）が与えられると、これらの
偏差（Ｑｒｅｆ−Ｑｓ）は無効電力制御回路１０に入力
される。

【００１７】これにより、無効電力制御回路１０は、フ
ィードバック信号としての無効電力検出値ＱｓがＱｒｅ
ｆ（＝０）となるように操作量ｋを出力し、電圧制御回
路１１は、操作量ｋに基づいて、交流出力電圧ＶＩをＰ
ＷＭ制御するための制御信号Ｖｇをゲート回路１６に出
力する。 このとき、ＰＷＭによる電圧制御は高調波制御であるた
め、通常、正弦波変調方式が採用される。又、直流出力
電圧Ｖｄと交流出力電圧ＶＩとの関係は、単位化されて
、次式■で表わされる。

【００１８】

【数３】

【００１９】ゲート回路１６は、■式に基づいて、交流
出力電圧ＶＩが系統電圧Ｖｓと等しくなるように、電力
変換回路３内のインバータをオンオフ制御する。

【００２０】次に、有効電力制御ループについて説明す
る。直流電圧検出器１２により直流電圧検出値Ｖｄｓが
得られ、直流電圧基準設定器１３により直流電圧基準値
Ｖｄｒｅｆが与えられると、これらの偏差（Ｖｄｒｅｆ
−Ｖｄｓ）は有効電力制御回路１４に入力される。通常
、直流電圧基準値Ｖｄｒｅｆは、図４に示した電圧Ｖｏ
ｐに設定されている。

【００２１】これにより、有効電力制御回路１４は、フ
ィードバック信号としての直流電圧検出値Ｖｄｓが直流
電圧基準値Ｖｄｒｅｆ（＝Ｖｏｐ）となるように、位相
操作量δｒｅｆを出力する。又、位相制御回路１５は、
位相操作量δｒｅｆと位相差検出値δｓとの偏差量（δ
ｒｅｆ−δｓ）に基づいて、フィードバック信号として
の位相差検出値δｓを位相操作量δｒｅｆと一致させる
ための制御信号δｇを出力する。

【００２２】ゲート回路１６は、制御信号δｇに基づい
て、δｓ＝δｒｅｆ、且つ、Ｖｄｓ＝Ｖｄｒｅｆを満足
するように、電力変換回路３内のインバータをオンオフ
制御する。例えば、直流出力電圧Ｖｄが直流電圧基準値
Ｖｄｒｅｆ（＝Ｖｏｐ）を越えたときに、直流出力電圧
Ｖｄを低下させたい場合には、交流出力電圧ＶＩの位相
を系統電圧Ｖｓの位相より進めて、電力変換回路３から
の電力ＰＩを一般負荷１７側に移動させて消費させれば
よい。

【００２３】こうして、電力変換回路３からの出力電力
ＰＩは一般負荷１７に供給され、負荷電力ＰＬに対して
不足する分は、電力系統４からの電力ＰＧにより供給さ
れる。即ち、負荷電力ＰＬは、電力変換回路３からの電
力ＰＩと電力系統４からの電力ＰＧとの和（ＰＩ＋ＰＧ
）であり、ＰＩ＝ＰＬのときはＰＧ＝０となり、出力電
力ＰＩが小さくなるにつれて、電力系統４からの供給電
力ＰＧ（一般負荷１７の受電電力）は大きくなる。

【００２４】しかし、電力変換回路３からの出力電力Ｐ
Ｉが一般負荷１７への負荷電力ＰＬを上回る（ＰＩ＞Ｐ
Ｌ）場合には、超過電力（ＰＩ−ＰＬ）が電力系統４に
流れ込み、ＰＧ＜０となって逆潮流が発生してしまう。 従って、従来より、逆潮流を防止するため、負荷電力Ｐ
Ｌの不足電力リレー等を設けてダミー負荷を投入したり
、電力変換回路３を停止させる等の対策がとられている
。

【００２５】

【発明が解決しようとする課題】従来の太陽光発電用電
力変換装置は以上のように、電力系統４への逆潮流を防
止するために、ダミー負荷を投入したり電力変換回路３
を停止させたりしているので、光発電アレイ１の出力電
力Ｐを有効に利用することができないうえ、信頼性が低
いという問題点があった。

【００２６】この発明は上記のような問題点を解決する
ためになされたもので、ダミー負荷の投入や電力変換回
路の停止を行うことなく、信頼性の高い系統連系を実現
すると共に、逆潮流の発生を確実に防止することができ
る太陽光発電用電力変換装置を得ることを目的とする。

【００２７】

【課題を解決するための手段】この発明に係る太陽光発
電用電力変換装置は、電力系統から一般負荷への供給電
力を計測する電力検出器と、供給電力が規定値以下であ
ることを示すときに電力変換回路の出力電力を減少させ
る補正手段とを設けたものである。

【００２８】

【作用】この発明においては、電力系統からの供給電力
が、逆潮流の危険を生じる規定値以下となったときに、
電力変換回路の出力電力を絞り込むことにより、電力系
統供給電力を増大させ、電力変換回路の出力電力が電力
系統側に逆潮流するのを防止する。

【００２９】

【実施例】以下、この発明の一実施例を図について説明
する。図１はこの発明の一実施例を示すブロック図であ
り、１〜１７は前述と同様のものである。１８は電力系
統４から一般負荷１７への供給電力ＰＧを計測して供給
電力ＰＧに対応した電圧ＶＡを出力する電力検出器、１
９は一般負荷１７への供給電力ＰＧの最小規定値ＰＧｍ
ｉｎに対応したバイアス電圧ＶＢを出力するバイアス設
定器、２０は電力検出値ＶＡとバイアス電圧ＶＢとの偏
差電圧（ＶＡ−ＶＢ）を反転増幅する反転増幅器、２１
は反転増幅器２０の出力電圧のうち正電圧のみを補正電
圧Ｖｃとして通過させるダイオードである。補正電圧Ｖ
ｃは直流電圧基準値Ｖｄｒｅｆに加えられている。

【００３０】バイアス設定器１９、反転増幅器２０及び
ダイオード２１は、電力系統供給電力ＶＧが規定値（バ
イアス電圧ＶＢ）以下であることを示すときに、電力変
換回路３の出力電力ＶＩを減少させるための補正手段を
構成している。

【００３１】図２は、電圧検出器１８から出力される電
力検出値ＶＡ、バイアス設定器１９から出力されるバイ
アス電圧ＶＢ、偏差電圧（ＶＡ−ＶＢ）、反転増幅器２
０からダイオード２１を介して出力される補正電圧Ｖｃ
の相互関係を示す波形図である。電力検出値ＶＡは供給
電力ＰＧと一次相関関係にあり、偏差電圧（ＶＡ−ＶＢ
）は、電力検出値ＶＡをバイアス電圧ＶＢだけ負方向に
シフトした波形となる。 又、補正電圧Ｖｃは、供給電力ＰＧが規定値ＰＧｍｉｎ
まで減少してときに０から増大し始め、ＰＧ＝０におい
て最大値ＧＶＢ（Ｇは反転増幅率）を有する波形となる
。

【００３２】次に、図２及び図４を参照しながら、図１
に示したこの発明の一実施例の動作について説明する。 まず、電力検出器１８は、電力系統４からの供給電力Ｐ
Ｇ（一般負荷１７への受電電力）を計測し、受電方向が
正の電力検出値ＶＡを出力する。又、バイアス設定器１
９は、電力系統４への逆潮流を招く可能性を生じる最小
規定値ＰＧｍｉｎに相当するバイアス電圧ＶＢを出力し
、これを−ＶＢとして電力検出値ＶＡに加える。反転増
幅器２０は、各電圧ＶＡ及び電圧ＶＢの偏差電圧（ＶＡ
−ＶＢ）を増幅率Ｇで反転増幅した後、ダイオード２１
を介して補正電圧Ｖｃとする。

【００３３】もし、電力変換回路３からの出力電力ＰＩ
が大きくなって電力系統供給電力ＰＧが減少し、ＰＧ≦
ＰＧｍｉｎになると、反転増幅器２０は、ダイオード２
１を介して、図２のように補正電圧Ｖｃを出力する。こ
の補正電圧Ｖｃは、直流電圧検出値Ｖｄｓと直流電圧基
準値Ｖｄｒｅｆとの加算点に＋方向で印加され、等価的
に直流電圧基準値Ｖｄｒｅｆを増大させる。

【００３４】直流電圧基準値Ｖｄｒｅｆを増大させるこ
とは、図４から明らかなように、光発電アレイ１から出
力される有効電力Ｐを小さくする方向に作用する。従っ
て、電力変換回路３からの出力電力ＰＩは小さくなり、
逆に、電力系統供給電力ＰＧは大きくなり、逆潮流は自
動的に防止される。

【００３５】このとき、図４から明らかなように、直流
電圧基準値ＶｄｒｅｆをＶｏｐより小さく設定しても出
力電力Ｐは減少するが、直流出力電圧Ｖｄが小さい場合
は、電力変換回路３内のインバータが確実に動作するこ
とができず、交流出力電力ＰＩが不安定になってしまう
。従って、上記のように、直流出力電圧Ｖｄを増大させ
て出力電力Ｐを減少させることが望ましい。

【００３６】尚、上記実施例では、補正電圧Ｖｃの対象
となるフィードバック信号として光発電アレイ１の直流
出力電圧Ｖｄを用い、電力変換回路３の出力電力ＰＩを
光発電アレイ１の出力特性及び直流電圧基準値Ｖｄｒｅ
ｆにより決定する場合について説明したが、電力変換回
路３の出力電力ＰＩを直接フィードバック信号とした場
合に適用しても同等の効果を奏する。この場合、直流電
圧検出器１２及び直流電圧基準設定器１３の代わりに、
電力変換回路３の出力側に電力検出器及び電力設定器が
設けられ、補正電圧Ｖｃは−符号で電力設定値に加えら
れることになる。又、光発電アレイ１の出力側にバッテ
リを設置した場合に適用しても同等の効果を奏すること
は言うまでもない。

【００３７】

【発明の効果】以上のようにこの発明によれば、電力系
統から一般負荷への供給電力を計測する電力検出器と、
供給電力が規定値以下であることを示すときに電力変換
回路の出力電力を減少させる補正手段とを設け、電力系
統からの供給電力が逆潮流の危険を生じるような規定値
以下となったときに、電力変換回路の出力電力を絞り込
んで電力系統供給電力を増大させ、電力変換回路の出力
電力が電力系統側に逆潮流するのを防止するようにした
ので、ダミー負荷の投入や電力変換回路の停止を行うこ
となく、信頼性の高い系統連系を実現すると共に逆潮流
の発生を確実に防止することができる太陽光発電用電力
変換装置が得られる効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施例を示すブロック図である。

【図２】図１の動作を説明するための波形図である。

【図３】従来の太陽光発電用電力変換装置を示すブロッ
ク図である。

【図４】一般的な光発電アレイの出力特性を示す特性図
である。

【符号の説明】

１　　　　光発電アレイ ３　　　　電力変換回路 ４　　　　電力系統 １７　　　　一般負荷 １８　　　　電力検出器 １９　　　　バイアス設定器 ２０　　　　反転増幅器 ２１　　　　ダイオード １９〜２１　　　　補正手段 Ｐ　　　　直流出力電力 ＰＩ　　　　交流出力電力 ＰＧ　　　　電力系統供給電力 ＶＢ　　　　バイアス電圧（規定値） Ｖｃ　　　　補正電圧

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　太陽電池を含む光発電アレイと、前記
   光発電アレイから出力される直流電力を交流電力に変換
   する電力変換回路と、前記電力変換回路に並列接続され
   て前記電力変換回路と共に一般負荷に電力供給を行う電
   力系統とを備えた太陽光発電用電力変換装置において、
   前記電力系統から前記一般負荷への供給電力を計測する
   電力検出器と、前記供給電力が規定値以下であることを
   示すときに前記電力変換回路の出力電力を減少させる補
   正手段とを設けたことを特徴とする太陽光発電用電力変
   換装置。