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JP2005151662A - インバータ装置および分散電源システム - Google Patents

インバータ装置および分散電源システム Download PDF

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Abstract

【課題】 出力電圧範囲が異なる複数の直流電源に対応することができるインバータ装置を提供する。
【解決手段】 インバータ装置４は、出力電力範囲の異なる複数の太陽電池アレイ２Ａ〜２Ｄからそれぞれ直流電力を受けるコンバータ５Ａ〜５Ｄと、コンバータ５Ａ〜５Ｄからの直流出力を交流に変換して商用電力系統１０へ逆潮流するインバータ６とを含む。コンバータ５Ａ〜５Ｄは、太陽電池アレイ２Ａ〜２Ｄの出力電圧範囲に対応して異なる電圧入力範囲を有し、対応するコンバータ制御部から受けるＰＦＭ制御信号に基づいて、太陽電池アレイ２Ａ〜２Ｄからの出力電力が最大となるように太陽電池アレイ２Ａ〜２Ｄからの出力電圧をそれぞれ制御する。
【選択図】 図２

Description

この発明は、インバータ装置および分散電源システムに関し、特に、複数の直流電源からそれぞれ受ける直流電力を交流電力に変換して出力するインバータ装置、およびそのようなインバータ装置が商用電力系統と連系して動作する分散電源システムに関する。
従来より、商用電力系統と連系した分散電源システムが実用化されている。このような電源システムにおいては、太陽電池や蓄電池、発電機などの直流電源から出力される直流電力を交流電力に変換し、その変換された交流電力を家庭内の各電化製品に供給するとともに、家庭内で消費しきれなかった余剰電力を商用電力系統に逆潮流して電力会社に売電することも可能である。
このような分散電源システムとして、特開平１１−３１８０４２号公報では、直流電源を太陽電池とする住宅用太陽光発電システムが開示されている（特許文献１参照）。
図７は、特許文献１に開示された住宅用太陽光発電システムの構成を機能的に示す機能ブロック図である。
図７を参照して、この住宅用太陽光発電システムは、太陽電池アレイ１０１と、インバータ装置１１０と、家庭内負荷１１１と、柱上変圧器１１２と、配電線１１３と、遮断器１１４と、商用電力系統１１５とを備える。インバータ装置１１０は、インバータ回路１０２と、遮断器１０８と、マイクロコンピュータ１０９とを含む。マイクロコンピュータ１０９は、演算手段１０３と、出力可変手段１０４と、制御手段１０５と、表示手段１０６と、単独運転検出手段１０７とからなる。
太陽電池アレイ１０１は、複数枚の太陽電池モジュールが直列に接続された太陽電池ストリングからなる直流電源であり、直列接続される太陽電池モジュールの数に応じて出力電力が異なる。インバータ回路１０２は、太陽電池アレイ１０１から出力される直流電力を交流電力に変換する。遮断器１０８は、後述する単独運転検出手段１０７から受ける指令に応じて太陽電池アレイ１０１およびインバータ回路１０２を商用電力系統１１５から切離す。
家庭内負荷１１１は、家庭内の各電化製品を総括して表わしたものであり、太陽電池アレイ１０１およびインバータ装置１１０によって構成される分散電源から交流電力を受けて動作する。また、家庭内負荷１１１は、分散電源からの供給電力を消費電力が上回るときは、商用電力系統１１５からも交流電力の供給を受ける。
柱上変圧器１１２は、家庭内負荷１１１と商用電力系統１１５との間で電圧変換を行なう。遮断器１１４は、商用電力系統１１５に異常が発生したとき解列する。
マイクロコンピュータ１０９における演算手段１０３は、図示されないセンサによって検出された太陽電池アレイ１０１の出力電圧および出力電流に基づいて太陽電池アレイ１０１の発電電力を演算する。出力可変手段１０４は、制御手段１０５から受ける指令に基づいて太陽電池アレイ１０１の出力電圧を変化させる。
制御手段１０５は、演算手段１０３によって演算された対応電池アレイ１０１の発電電力値を受け、その発電電力が最大となる太陽電池アレイ１０１の出力電圧を所定時間ごとに探索し、その探索した出力電圧に基づいて出力可変手段１０４を制御する。表示手段１０６は、太陽電池アレイ１０１の発電量が異常であるときなどに分散電源に関する各種情報を表示する。
単独運転検出手段１０７は、交流電力の周波数変動や電圧変動などを監視し、商用電力系統１１５の停電などを原因としてインバータ装置１１０からの出力電力のみが家庭内負荷１１１に供給される単独運転時において、大きな周波数変動や電圧変動などを検知したときは、遮断器１０８を解列させてインバータ装置１１０からの出力を停止させる。
この住宅用太陽光発電システムにおいては、家庭内負荷１１１における消費電力がインバータ装置１１０からの出力電力を上回るときは、インバータ装置１１０からの出力電力が家庭内負荷１１１に供給されるとともに、商用電力系統１１５からも電力が供給され、不足電力が電力会社から買電される。
一方、家庭内負荷１１１における消費電力がインバータ装置１１０からの出力電力を下回るときは、家庭内負荷１１１によって消費しきれなかった余剰電力がインバータ装置１１０から商用電力系統１１５へ逆潮流され、その余剰電力が電力会社に売電される。
また、上述した単独運転時、または分散電源が商用電力系統１１５から完全に独立して動作する自立運転時は、インバータ装置１１０からの出力電力のみが家庭内負荷１１１に供給される。
図８は、図７に示したインバータ装置１１０における主要部の回路図である。ここで、図８では、図７に示した太陽電池アレイ１０１が３つの太陽電池ストリングで構成されている場合のインバータ装置１１０の回路図が示されている。
図８を参照して、インバータ装置１１０は、昇圧チョッパ２０６Ａ〜２０６Ｃと、キャパシタ２０７と、分圧抵抗２０８と、インバータ２０９と、電力検出部２１０Ａ〜２１０Ｃと、制御回路２１１とを含む。昇圧チョッパ２０６Ａは、リアクトル２０３Ａと、スイッチング素子２０４Ａと、ダイオード２０５Ａとからなり、昇圧チョッパ２０６Ｂは、リアクトル２０３Ｂと、スイッチング素子２０４Ｂと、ダイオード２０５Ｂとからなり、昇圧チョッパ２０６Ｃは、リアクトル２０３Ｃと、スイッチング素子２０４Ｃと、ダイオード２０５Ｃとからなる。
昇圧チョッパ２０６Ａ〜２０６Ｃは、それぞれ独立して構成される太陽電池アレイ１０１Ａ〜１０１Ｃから直流電力を受ける。スイッチング素子２０４Ａ〜２０４Ｃは、制御回路２１１からそれぞれ制御信号ＧＡ〜ＧＣを受け、制御信号ＧＡ〜ＧＣのデューティに応じてそれぞれオン／オフすることによってリアクトル２０３Ａ〜２０３Ｃに流れる電流をそれぞれ制御する。
リアクトル２０３Ａ〜２０３Ｃに蓄積されるエネルギーは、それぞれダイオード２０５Ａ〜２０５Ｃを介してキャパシタ２０７へ出力され、キャパシタ２０７は、リアクトル２０３Ａ〜２０３Ｃから受ける電力を充電する。
インバータ２０９は、キャパシタ２０７の両端に発生する直流電圧を受け、商用電力系統１１５に同期した交流電力に変換して商用電力系統１１５へ出力する。
電力検出部２１０Ａ〜２１０Ｃは、それぞれ太陽電池アレイ１０１Ａ〜１０１Ｃからの出力電圧および出力電流を検出し、その検出された出力電圧および出力電流を制御回路２１１へ出力する。分圧抵抗２０８は、キャパシタ２０７の端子間電圧すなわちインバータ２０９の入力電圧を検出するために設けられる。
制御回路２１１は、電力検出部２１０Ａ〜２１０Ｃによってそれぞれ検出された太陽電池アレイ１０１Ａ〜１０１Ｃの出力電圧および出力電流に基づいて太陽電池アレイ１０１Ａ〜１０１Ｃの出力電力すなわち昇圧チョッパ２０６Ａ〜２０６Ｃの入力電力をそれぞれ算出し、昇圧チョッパ２０６Ａ〜２０６Ｃの各々において入力電力が最大となるように、スイッチング素子２０４Ａ〜２０４Ｃへそれぞれ出力する制御信号ＧＡ〜ＧＣのデューティを制御する。
また、制御回路２１１は、分圧抵抗２０８を用いてインバータ２０９の入力電圧すなわちキャパシタ２０７の端子間電圧を検出し、この検出された電圧値が所定の保護電圧値以上になったときは、制御信号ＧＡ〜ＧＣのデューティ比を小さくしてキャパシタ２０７の端子間電圧を保護電圧値未満に制御する。
このように、このインバータ装置１１０においては、昇圧チョッパ２０６Ａ〜２０６Ｃは、保護電圧値を超えない範囲で太陽電池アレイ１０１Ａ〜１０１Ｃからの出力電力が最大となるように太陽電池アレイ１０１Ａ〜１０１Ｃの出力電圧を制御し、インバータ２０９は、昇圧チョッパ２０６Ａ〜２０６Ｃの出力電圧を一定の電圧に制御しつつ、昇圧チョッパ２０６Ａ〜２０６Ｃから出力される直流電力を交流電力に変換して商用電力系統１１５へ出力する。
特開平１１−３１８０４２号公報
上述したような住宅用太陽光発電システムにおいては、太陽電池アレイが設置される住宅の屋根は様々な形状を有するところ、できるだけ多くの太陽電池モジュールを屋根に設置して発電力を高めたいとの観点から、小面積の屋根面においても太陽電池アレイを配設することが望ましい。すなわち、寄棟式のような屋根面においては、東および西に面した屋根面は、南に面した屋根面に比べて面積が小さいのが一般的であるが、この東および西に面した屋根面にも太陽電池アレイを配設することが望ましい。
ここで、屋根面の面積の関係上、東および西に面した屋根面にそれぞれ配設される太陽電池アレイは、南に面した屋根面に配設される太陽電池アレイよりも直列接続される太陽電池モジュールの枚数が少なくなるので、東および西に面した屋根面にそれぞれ配設された太陽電池アレイの出力電圧の範囲は、南に面した屋根面に配設された太陽電池アレイの出力電圧の範囲よりも低くなる。
一方、各屋根面にそれぞれ配設された太陽電池アレイの各々を１つの直流電源としてみた場合、複数の直流電源から直流電力を受けるインバータ装置は、効率的な発電を行なううえで、出力電圧範囲が異なる複数の直流電源に対応可能であることが望ましい。
特許文献１に開示された住宅用太陽光発電システムにおけるインバータ装置は、複数の太陽電池アレイ（直流電源）の各々に対して最大電力追従を行なうことができ、各直流電源から最大電力を取得できるものとして有用であるが、異なる出力電圧範囲を有する複数の直流電源に対応可能なものではない。すなわち、所定の範囲に定められたインバータ装置１１０の入力電圧範囲に各直流電源の出力電圧範囲をおさめるために、太陽電池モジュールの接続枚数に制約が生じてしまう。
そこで、出力電圧範囲の低い直流電源については、その直流電源から直流電力を受ける昇圧チョッパの前段に昇圧回路を付加することが考えられる。
図９は、図８に示した回路においてインバータ装置１１０の前段に昇圧回路が付加されたときの回路図である。
図９を参照して、太陽電池アレイ１０１Ａは、太陽電池アレイ１０１Ｂ，１０１Ｃに比べて出力電圧範囲が低く、太陽電池アレイ１０１Ａとインバータ装置１１０における昇圧チョッパ２０６Ａとの間に昇圧回路２１２が設けられる。これによって、昇圧チョッパ２０６Ａの入力電圧を所定の範囲内におさめることができる。
しかしながら、図９に示したように、インバータ装置１１０の前段に昇圧回路を付加した場合、その分コストが増大し、さらに、直流電源からの出力が昇圧回路を介するために効率も低下するという問題が生じる。
さらに、太陽電池のみならず、蓄電池や燃料電池、発電機など出力電圧範囲が異なる各種直流電源を備えるハイブリッド型の分散電源システムにおいては、上記の問題はより明らかであり、近年、実用可能な直流電源が多様化していることに鑑み、より高効率かつ低コストなハイブリッド型の分散電源システムを構築するメリットは大きい。
そこで、この発明は、かかる課題を解決するためになされたものであり、その目的は、出力電圧範囲が異なる複数の直流電源に対応することができるインバータ装置を提供することである。
また、この発明の別の目的は、出力電圧範囲が異なる複数の直流電源に対応することができる系統連系インバータ装置を備える分散電源システムを提供することである。
この発明によれば、インバータ装置は、複数の直流電源と負荷との間に設けられ、複数の直流電源からそれぞれ受ける直流電力を交流電力に変換して負荷に供給するインバータ装置であって、対応する直流電源から出力される直流電力が最大となるように対応する直流電源の出力電圧を各々が制御する複数のコンバータと、複数のコンバータからの直流出力が結合されて得られる直流電力を交流電力に変換して負荷へ出力するインバータとを備え、複数のコンバータは、少なくとも１つの直流電源にそれぞれ対応し、各々が第１の電圧入力範囲を有する少なくとも１つの第１のコンバータと、少なくとも１つの第１のコンバータに対応する少なくとも１つの直流電源と異なる少なくとも１つの直流電源にそれぞれ対応し、各々が第１の電圧入力範囲と異なる第２の電圧入力範囲を有する少なくとも１つの第２のコンバータとを含む。
好ましくは、交流電力の電圧レベルは、商用交流電圧であり、インバータは、商用電力系統にさらに接続され、負荷および／または商用電力系統へ交流電力を出力する。
好ましくは、少なくとも１つの第１のコンバータの各々は、対応する直流電源から受ける直流電力が第１の所定の最大入力電力値を超えたとき、その直流電力が第１の所定の最大入力電力値を下回るように対応する直流電源の出力電圧を制御し、少なくとも１つの第２のコンバータの各々は、対応する直流電源から受ける直流電力が第１の所定の最大入力電力値と異なる第２の所定の最大入力電力値を超えたとき、その直流電力が第２の所定の最大入力電力値を下回るように対応する直流電源の出力電圧を制御する。
好ましくは、少なくとも１つの第１および第２のコンバータにそれぞれ対応する直流電源の各々は、太陽電池であり、少なくとも１つの第１のコンバータは、少なくとも１つの第２のコンバータと同じ数だけ設けられる。
好ましくは、少なくとも１つの第１および第２のコンバータの各々は、ユニット化され、かつ、当該インバータ装置においてユニットごとに着脱可能である。
また、この発明によれば、分散電源システムは、複数の直流電源と、負荷と、複数の直流電源と負荷および商用電力系統との間に設けられ、複数の直流電源からそれぞれ受ける直流電力を交流電力に変換して負荷および／または商用電力系統に供給する系統連系インバータ装置とを備え、系統連系インバータ装置は、対応する直流電源から出力される直流電力が最大となるように対応する直流電源の出力電圧を各々が制御する複数のコンバータと、複数のコンバータからの直流出力が結合されて得られる直流電力を交流電力に変換して負荷および／または商用電力系統へ出力するインバータとを含み、複数のコンバータは、少なくとも１つの直流電源にそれぞれ対応し、各々が第１の電圧入力範囲を有する少なくとも１つの第１のコンバータと、少なくとも１つの第１のコンバータに対応する少なくとも１つの直流電源と異なる少なくとも１つの直流電源にそれぞれ対応し、各々が第１の電圧入力範囲と異なる第２の電圧入力範囲を有する少なくとも１つの第２のコンバータとからなる。
好ましくは、系統連系インバータ装置は、商用電力系統の異常を検出するセンサと、センサによって商用電力系統の異常が検出されたとき、当該系統連系インバータ装置の動作を停止する制御回路とをさらに含む。
好ましくは、複数の直流電源は、異なる種類の発電装置を含む。
この発明によれば、異なる入力電圧範囲を有する複数のコンバータを含むインバータ装置を備えるので、入力電圧範囲に適合させるためにインバータ装置の前段に昇圧回路を設ける必要がない。したがって、コストが削減され、また、昇圧回路が設けられることによる効率の低下も発生しない。
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰返さない。
［実施の形態１］
図１は、この発明の実施の形態１による分散電源システムの構成を示す全体ブロック図である。
図１を参照して、実施の形態１による分散電源システムは、太陽電池アレイ２Ａ〜２Ｄと、ダイオード３Ａ〜３Ｄと、インバータ装置４と、家庭内負荷１５と、商用電力系統１０とを備える。インバータ装置４は、コンバータ５Ａ〜５Ｄと、インバータ６とを含む。
太陽電池アレイ２Ａ〜２Ｄは、寄棟式の屋根形状を有する住宅の屋根においてそれぞれ南に面した屋根面１Ａの西側に位置する部分、南に面した屋根面１Ａの東側に位置する部分、東に面した屋根面１Ｂ、および西に面した屋根面１Ｃに配設される。太陽電池アレイ２Ａ〜２Ｄの各々は、たとえば最大出力電圧が１０．５Ｖ程度の太陽電池モジュールが各屋根面の面積に応じて複数枚直列に接続されて構成される。
たとえば、日射量が多く、面積の大きい、南に面した屋根面１Ａに配設される太陽電池アレイ２Ａ，２Ｂの各々は、２２枚程度の太陽電池モジュールが直列接続され、南面に比べて日射量が少なく、面積の小さい、東および西に面した屋根面１Ｂ，１Ｃにそれぞれ配設される太陽電池アレイ２Ｃ，２Ｄの各々は、７枚程度の太陽電池モジュールが直列接続される。
したがって、太陽電池アレイ２Ａ，２Ｂと太陽電池アレイ２Ｃ，２Ｄとは、出力電圧および出力電力の範囲が異なる。具体的には、ある日照条件のもとで、太陽電池アレイ２Ａ，２Ｂの各々は、２３０Ｖ程度の直流電圧を出力し、太陽電池アレイ２Ｃ，２Ｄの各々は、７０Ｖ程度の直流電圧を出力する。なお、北に面した屋根面１Ｄにおいては、他の屋根面に比べて日射量が少ないことから、太陽電池アレイは配設されていない。
ダイオード３Ａ〜３Ｄは、インバータ装置４から太陽電池アレイ２Ａ〜２Ｄへの電力の逆流を防止し、太陽電池アレイ２Ａ〜２Ｄを逆流電流から保護する。
コンバータ５Ａ〜５Ｄは、それぞれ太陽電池アレイ２Ａ〜２Ｄから出力される直流電力を受け、太陽電池アレイ２Ａ〜２Ｄからの出力電力が最大となるように太陽電池アレイ２Ａ〜２Ｄの出力電圧を制御しつつ、その太陽電池アレイ２Ａ〜２Ｄの出力電圧を所定の電圧に昇圧して出力する。
ここで、コンバータ５Ａ〜５Ｄにそれぞれ接続される太陽電池アレイ２Ａ〜２Ｄの出力電圧は異なるところ、コンバータ５Ａ，５Ｂは、入力電圧範囲が８０Ｖ〜３２０Ｖに設計され、コンバータ５Ｃ，５Ｄは、入力電圧範囲が５０Ｖ〜１６０Ｖに設計されている。したがって、太陽電池アレイ２Ａ〜２Ｄの出力電圧すなわちコンバータ５Ａ〜５Ｄの入力電圧がそれぞれコンバータ５Ａ〜５Ｄの入力電圧範囲を外れることはなく、背景技術において説明したように、出力電圧の低い太陽電池アレイ２Ｃ，２Ｄとコンバータ５Ｃ，５Ｄとの間にそれぞれ昇圧回路を設ける必要はない。
インバータ６は、コンバータ５Ａ〜５Ｄから出力され結合された直流電力を受け、たとえば３３０Ｖ〜３５０Ｖ程度の直流電圧に入力電圧を制御するとともに、その受けた直流電力を商用電圧からなる商用交流電力に変換して家庭内負荷１５および／または商用電力系統１０へ出力する。
このように、この分散電源システムにおけるインバータ装置４は、異なる入力電力範囲を有する複数のコンバータを備えるので、前段に昇圧回路を設けたり、あるいは太陽電池アレイを構成する太陽電池モジュールの接続枚数に制約を設けたりすることなく、出力電圧範囲の異なる複数の直流電源から出力される直流電力を商用交流電力に変換することができる。
図２は、図１に示したインバータ装置４の構成を示す回路図である。
図２を参照して、インバータ装置４は、コンバータ５Ａ〜５Ｄと、インバータ６と、コンバータ５Ａ〜５Ｄに対応してそれぞれ設けられるコンバータ制御部１１Ａ〜１１Ｄと、インバータ制御部１３と、電圧センサ１４Ｅと、電流センサ１２Ｅとを含む。コンバータ５Ａ〜５Ｄには、入力側の電圧を検出する電圧センサ１４Ａ〜１４Ｄがそれぞれ設けられ、また、入力側の電流を検出する電流センサ１２Ａ〜１２Ｄがそれぞれ設けられる。
コンバータ５Ａ〜５Ｄの各々は、スイッチング素子、高周波トランス、整流ダイオード、および出力キャパシタからなるＤＣ−ＤＣコンバータである。コンバータ５Ａ〜５Ｄは、それぞれ対応するコンバータ制御部１１Ａ〜１１Ｄからスイッチング周波数１５ｋＨｚ〜７０ｋＨｚ程度のＰＦＭ（パルス周波数変調）制御信号を受け、このＰＦＭ制御信号に応じてスイッチング素子がオン／オフすることによって入力電圧を所定の出力電圧に昇圧する。
実際には、後述するように、コンバータ５Ａ〜５Ｄの出力電圧は、インバータ６によってたとえば３３０Ｖ〜３５０Ｖ程度の一定電圧に制御されるため、コンバータ５Ａ〜５Ｄは、それぞれ対応するコンバータ制御部１１Ａ〜１１Ｄから受けるＰＦＭ制御信号のデューティに応じて入力電圧すなわち対応する太陽電池アレイの出力電圧の動作点を変化させる。
コンバータ制御部１１Ａは、電圧センサ１４Ａ，１４Ｅからそれぞれコンバータ５Ａの入力電圧および出力電圧の検出値を受け、電流センサ１２Ａからコンバータ５Ａの入力電流の検出値を受ける。そして、コンバータ制御部１１Ａは、コンバータ５Ａの入力電圧が８０Ｖ〜３２０Ｖの範囲におさまるようにＰＦＭ制御信号のパルス幅を制御し、そのＰＦＭ制御信号をコンバータ５Ａへ出力する。コンバータ５Ａの入力電圧が上記の入力電圧範囲を逸脱したときは、コンバータ制御部１１Ａは、コンバータ５Ａの動作を停止させる。
コンバータ制御部１１Ｂは、電圧センサ１４Ｂ，１４Ｅからそれぞれコンバータ５Ｂの入力電圧および出力電圧の検出値を受け、電流センサ１２Ｂからコンバータ５Ｂの入力電流の検出値を受ける。そして、コンバータ制御部１１Ｂは、コンバータ５Ｂの入力電圧が８０Ｖ〜３２０Ｖの範囲におさまるようにＰＦＭ制御信号のパルス幅を制御し、そのＰＦＭ制御信号をコンバータ５Ｂへ出力する。コンバータ５Ｂの入力電圧が上記の入力電圧範囲を逸脱したときは、コンバータ制御部１１Ｂは、コンバータ５Ｂの動作を停止させる。
コンバータ制御部１１Ｃは、電圧センサ１４Ｃ，１４Ｅからそれぞれコンバータ５Ｃの入力電圧および出力電圧の検出値を受け、電流センサ１２Ｃからコンバータ５Ｃの入力電流の検出値を受ける。そして、コンバータ制御部１１Ｃは、コンバータ５Ｃの入力電圧が５０Ｖ〜１６０Ｖの範囲におさまるようにＰＦＭ制御信号のパルス幅を制御し、そのＰＦＭ制御信号をコンバータ５Ｃへ出力する。コンバータ５Ｃの入力電圧が上記の入力電圧範囲を逸脱したときは、コンバータ制御部１１Ｃは、コンバータ５Ｃの動作を停止させる。
コンバータ制御部１１Ｄは、電圧センサ１４Ｄ，１４Ｅからそれぞれコンバータ５Ｄの入力電圧および出力電圧の検出値を受け、電流センサ１２Ｄからコンバータ５Ｄの入力電流の検出値を受ける。そして、コンバータ制御部１１Ｄは、コンバータ５Ｄの入力電圧が５０Ｖ〜１６０Ｖの範囲におさまるようにＰＦＭ制御信号のパルス幅を制御し、そのＰＦＭ制御信号をコンバータ５Ｄへ出力する。コンバータ５Ｄの入力電圧が上記の入力電圧範囲を逸脱したときは、コンバータ制御部１１Ｄは、コンバータ５Ｄの動作を停止させる。
ここで、コンバータ制御部１１Ａ〜１１Ｄは、対応する入力電圧検出値および入力電流検出値に基づいて太陽電池アレイ２Ａ〜２Ｄの出力電力をそれぞれ演算し、太陽電池アレイ２Ａ〜２Ｄの出力電力が最大となるようにコンバータ５Ａ〜５Ｄをそれぞれ制御する。具体的には、コンバータ制御部１１Ａ〜１１Ｄは、太陽電池アレイ２Ａ〜２Ｄの出力電力が最大となるようにＰＦＭ制御信号のパルス幅をそれぞれ制御し、そのＰＦＭ制御信号をコンバータ５Ａ〜５Ｄへそれぞれ出力する。
また、コンバータ制御部１１Ａ〜１１Ｄは、電圧センサ１４Ｅから受ける出力電圧検出値が所定の保護電圧値を超えたときは、コンバータ５Ａ〜５Ｄの出力電圧がその所定の保護電圧値を下回るようにコンバータ５Ａ〜５Ｄをそれぞれ制御する。具体的には、コンバータ制御部１１Ａ〜１１Ｄは、コンバータ５Ａ〜５Ｄの入力電力が下がる方向にＰＦＭ制御信号のパルス幅をそれぞれ制御する。
さらに、各コンバータにおいては最大入力電力が定められており、コンバータ制御部１１Ａ〜１１Ｄは、それぞれ算出したコンバータ５Ａ〜５Ｄの入力電力が対応する最大入力電力値を超えたとき、コンバータ５Ａ〜５Ｄの入力電力が最大入力電力値を下回るようにコンバータ５Ａ〜５Ｄをそれぞれ制御する。具体的には、たとえば、コンバータ制御部１１Ａ，１１Ｂの最大入力電力値が１．６ｋＷと定められており、コンバータ制御部１１Ｃ，１１Ｄの最大入力電力値が８００Ｗと定められているとき、コンバータ制御部１１Ａ〜１１Ｄの各々は、算出した入力電力を上記の対応する最大入力電力値と比較し、入力電力が最大入力電力値を上回っているときは最大電力追従制御を停止し、入力電力すなわち太陽電池アレイ２Ａ〜２Ｄの出力電力が下がる方向にＰＦＭ制御信号のパルス幅をそれぞれ制御する。
図３は、図２に示したコンバータ５Ａ〜５Ｄの構成を詳細に示した回路図である。
図３を参照して、コンバータ５Ａ〜５Ｄの各々は、スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２と、ダイオードＤ１，Ｄ２と、キャパシタＣ１〜Ｃ４と、絶縁トランスＴＲとからなる。スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２は、たとえば、高耐圧でオン電圧が低く、高速スイッチングが可能なＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）で構成される。スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２は、対応するコンバータ制御部から出力されるＰＦＭ制御信号をベースに受ける。絶縁トランスＴＲは、一次巻線Ｌ１と、二次巻線Ｌ２とからなる。ダイオードＤ１，Ｄ２は、整流回路を構成する。
このコンバータ５Ａ〜５Ｄの各々は、スイッチング素子Ｓ１を主スイッチとし、スイッチング素子Ｓ２を補助スイッチとし、一次巻線Ｌ１の漏れインダクタンスおよびキャパシタＣ２によって発生する共振電流を利用した電流共振形ソフトスイッチングＰＦＭコンバータである。スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２のスイッチング周波数は、上述したように１５ｋＨｚ〜７０ｋＨｚであり、コンバータ５Ａ〜５Ｄの各々の出力電圧は、後述するインバータ６によって３３０Ｖ〜３５０Ｖ程度に制御されている。
再び図２を参照して、インバータ６は、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２，Ｓ３，Ｓ４と、低域通過フィルター７と、連系リレー８とからなる。スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２，Ｓ３，Ｓ４は、コンバータ５Ａ〜５Ｄの各々におけるスイッチング素子Ｓ１，Ｓ２と同様に、たとえばＩＧＢＴで構成される。
スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２は、スイッチング周波数１９ｋＨｚ程度のＰＷＭ（パルス幅変調）制御信号をインバータ制御部１３から受け、このＰＷＭ制御信号に応じてオン／オフすることによって直流の入力電力を商用周波数に同期した交流電力に変換する。
ここで、インバータ６の出力電圧は、一定の商用系統電圧に固定されるため、インバータ６は、インバータ制御部１３から受けるＰＷＭ制御信号のパルス幅に応じて出力電流を変化させることによって、入力電圧すなわちコンバータ５Ａ〜５Ｄの出力電圧を３３０Ｖ〜３５０Ｖ程度の一定電圧に制御する。
スイッチング素子Ｓ３，Ｓ４は、商用周波数に応じて互いに異なる論理レベルに切替わる切替信号をインバータ制御部１３から受け、この切替信号に応じてオン／オフすることによって交流電流を形成する。
低域通過フィルター７は、インバータ６における交流電流のノイズ成分を除去し、生成された交流電流の波形を正弦波に成形する。連系リレー８は、異常時にインバータ６を商用電力系統１０から切離す。
インバータ制御部１３は、インバータ６の入力電圧の検出値を電圧センサ１４Ｅから受け、インバータ６の出力電流の検出値を電流センサ１２Ｅから受ける。そして、インバータ制御部１３は、インバータ６の入力電圧が３３０Ｖ〜３５０Ｖ程度の電圧となるようにＰＷＭ制御信号のパルス幅を制御し、そのＰＷＭ制御信号をスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２へ出力する。また、インバータ制御部１３は、商用電力系統１０の商用周波数に応じて互いに異なる論理レベルに切替わる切替信号をスイッチング素子Ｓ３，Ｓ４へ出力する。
図４は、図２に示したインバータ６におけるスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２，Ｓ３，Ｓ４の動作波形図である。
図４を参照して、インバータ制御部１３は、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２，Ｓ３，Ｓ４によって構成される回路の出力電流を検出し、この出力電流に基づいてＰＷＭの電流指令Ｉｒｅｆを生成する。そして、インバータ制御部１３は、この電流指令Ｉｒｅｆを内部において生成されるキャリア信号Ｉｃｒと比較する。ここで、このキャリア信号Ｉｃｒは、図に示されるような鋸波である。
一方、インバータ制御部１３は、商用電力系統１０の電圧を検出し、系統電圧のゼロクロス点を検出する。そして、インバータ制御部１３は、その検出されたゼロクロス点を基に、商用周波数の半周期ごとにスイッチング素子Ｓ３，Ｓ４のオン／オフを交互に切換える切替信号を生成し、その生成された切替信号をスイッチング素子Ｓ３，Ｓ４へ出力する。
そして、インバータ制御部１３は、電流指令Ｉｒｅｆとキャリア信号Ｉｃｒとの比較結果に応じて決定されるパルス幅からなるＰＷＭ制御信号を生成し、スイッチング素子Ｓ４がオンされるとき、生成されたＰＷＭ制御信号をスイッチング素子Ｑ１へ出力し、スイッチング素子Ｓ３がオンされるとき、生成されたＰＷＭ制御信号をスイッチング素子Ｑ２へ出力する。
再び図２を参照して、インバータ制御部１３は、さらに、商用電力系統１０に対する保護協調制御を行なう。具体的には、インバータ制御部１３は、たとえば系統電圧や系統周波数などを監視し、これらの値のいずれかが所定のしきい値以上となったときは、定められた動作時間内にインバータ装置４の動作を停止する。
また、インバータ制御部１３は、保護協調制御として単独運転検出機能を有する。単独運転検出機能は、単独運転時において商用電力系統１０の停電などを原因とする大きな周波数変動や電圧変動などを検出したとき、インバータ装置４の動作を停止させる機能である。この検出方式としては、単独運転移行時に発電出力と負荷との不平衡による電圧位相の急変を検出する受動的検出方式としての電圧位相跳躍検出方式と、たとえば常時出力電流に微小な周波数バイアスを与えて周波数の変動を検出する能動的検出方式としての周波数シフト方式とが併用される。
また、その他の保護協調制御として、インバータ制御部１３は、インバータ装置４が商用電力系統１０へ電流を逆潮流することによって生じる系統受電点の電圧上昇を出力電流の減少によって抑制する電圧上昇抑制機能や、出力電流中に含まれる直流分が所定のしきい値を超えるとインバータ装置４を停止させる直流分流出阻止機能、出力電流自体が所定のしきい値を超えるとインバータ装置４を停止させる出力過電流検出機能などを有する。
このインバータ装置４においては、太陽電池アレイ２Ａ〜２Ｄからインバータ装置４へ直流電力が供給され始めると、コンバータ５Ａ〜５Ｄの各々が起動する。コンバータ制御部１１Ａ〜１１Ｄは、ＰＦＭ制御信号のパルス幅を大きくすることによってそれぞれコンバータ５Ａ〜５Ｄの出力電圧を増加させ、この出力電圧が３５０Ｖ程度になると、インバータ６が起動する。
インバータ６は、コンバータ５Ａ〜５Ｄから出力される直流電力を交流電力に変換して出力する。インバータ６から出力される交流電力は、漏電ブレーカー９を介して商用電力系統１０および図示されない家庭内負荷に供給される。また、インバータ６は、出力電流を増減することによって入力電圧すなわちコンバータ５Ａ〜５Ｄの出力電圧を３３０Ｖ〜３５０Ｖ程度に制御する。
ここで、コンバータ５Ａ〜５Ｄの各々は、インバータ６によってその出力電圧が一定に制御されるため、対応するコンバータ制御部によりＰＦＭ制御信号のパルス幅を変化させることによって入力電圧の動作点を変化させることができる。そこで、コンバータ５Ａ〜５Ｄの各々は、対応するコンバータ制御部から受けるＰＦＭ制御信号に基づいて、対応する太陽電池アレイからの出力電力が最大となるように入力電圧を変化させる。
なお、上述したように、寄棟式のような屋根面においては、東および西に面した屋根面は、南に面した屋根面に比べて一般的に面積が小さいので、図１，図２に示したように、インバータ装置４における入力電圧範囲の高いコンバータ（コンバータ５Ａ，５Ｂ）と入力電圧範囲の低いコンバータ（コンバータ５Ｃ，５Ｄ）との割合は、このような寄棟式の屋根面の構成に合わせて１：１とするのが望ましい。
また、インバータ装置４において、コンバータ５Ａ〜５Ｄをユニット化し、かつ、インバータ装置４に対して着脱可能な構造としてもよい。このようにコンバータ５Ａ〜５Ｄをユニット化することによって、屋根形状や日照条件に柔軟に対応可能な分散電源システムを構築することができる。
その一例として、図５は、この発明の実施の形態１による分散電源システムの他の構成を示す全体ブロック図である。
図５を参照して、この分散電源システムが設置される住宅は、図１に示された住宅と比べて南に面した屋根面の面積が小さい。そこで、この分散電源システムにおいては、図１に示した分散電源システムの構成において、南に面した屋根面には太陽電池アレイ２Ａのみが配設され、これに対応してインバータ装置４では、不要となるコンバータ５Ｂがユニットごと取り外される。このように、コンバータ５Ａ〜５Ｄをユニット化することによって、コストを抑えつつ、各住宅に適した分散電源システムが構築される。
なお、上記においては、コンバータ５Ａ〜５Ｄは、ＤＣ−ＤＣコンバータとしたが、コンバータ５Ａ〜５Ｄは、ＤＣ−ＤＣコンバータに限られるものではない。上記のＤＣ−ＤＣコンバータは、直流電源と商用電力系統とを絶縁できる絶縁トランスを有しており、安全性に優れるものであるが、トランスを有しないその他のコンバータであってもよい。
また、上記において示された電圧値や電力値、スイッチング周波数などは一例であって、その他の値であってもよい。
以上のように、この実施の形態１によれば、異なる入力電圧範囲を有する複数のコンバータを含むインバータ装置を備えるので、入力電圧範囲に適合させるためにインバータ装置の前段に昇圧回路を設ける必要がない。したがって、コストが削減され、また、昇圧回路が設けられることによる効率の低下も発生しない。
また、直流電源のサイズに合わせて各コンバータの最大入力電力を定義するようにしたので、過度の入力電流を防止でき、さらに、その最大入力電力や入力電圧範囲を考慮して部品を選定することができるので、変換効率を向上させることができる。
さらに、入力電圧範囲の高いコンバータと入力電圧範囲の低いコンバータとの割合を１：１とすることによって、特に、寄棟式の屋根面に直流電源としての太陽電池アレイが配設される分散電源システムを効率的に構築できる。
また、さらに、コンバータをユニット化することによって、入力電圧範囲の異なるコンバータをシステムに応じて適宜組合せることができ、設置状況や使用状況などに対応した分散電源システムを簡易に構築することができる。
［実施の形態２］
実施の形態２では、直流電源として太陽電池アレイと燃料電池とが用いられるハイブリッド型の分散電源システムが示される。
図６は、この発明の実施の形態２による分散電源システムの構成を示す全体ブロック図である。
図６を参照して、実施の形態２による分散電源システムは、図１に示した実施の形態１による分散電源システムの構成において、燃料電池１６をさらに備え、インバータ装置４に代えてインバータ装置４Ａを備える。インバータ装置４Ａは、図１に示したインバータ装置４の構成において、コンバータ５Ｅをさらに含む。
燃料電池１６は、直流電力を出力し、たとえば、出力電圧は３０Ｖ〜６０Ｖ、出力電力は１ｋＷ以下である。コンバータ５Ｅは、燃料電池１６から出力される直流電力を受け、燃料電池１６からの出力電力が最大となるように燃料電池１６の出力電圧を制御しつつ、その太陽電池１６の出力電圧をインバータ６によって制御される所定の電圧に昇圧して出力する。
ここで、コンバータ５Ｅは、上述した燃料電池１６の出力特性を考慮して、入力電圧範囲が２５Ｖ〜６５Ｖに設計され、最大入力電力値が１．５ｋＷに設計されている。したがって、太陽電池アレイ２Ａ〜２Ｄよりも出力電圧の低い燃料電池１６とコンバータ５Ｅとの間に昇圧回路を設ける必要はない。
そして、このコンバータ５Ｅも、コンバータ５Ａ〜５Ｄと同様に、ユニット化され、かつ、インバータ装置４Ａに対して着脱可能な構造としてもよい。このように、コンバータをユニット化することによって、直流電源に合わせて必要な入力電圧範囲および最大入力電力値を有するユニットを適宜選択して最適かつ簡易な分散電源システムを構築することができる。
なお、この実施の形態２による分散電源システムのその他の構成は、実施の形態１による分散電源システムと同じであるので、その説明は繰返さない。
以上のように、この実施の形態２によれば、低コスト、かつ、効率低下を生じないハイブリッド型の分散電源システムを簡易に構築することができる。
今回開示された実施の形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
この発明によるインバータ装置および分散電源システムは、太陽電池や燃料電池、発電機などからなる複数の直流電源を商用交流電力に変換して家庭内負荷へ出力したり、商用電力系統に逆潮流する住宅用発電システムに利用することができる。また、この発明によるインバータ装置および分散電源システムは、住宅用に限られず、工業用の発電システムに利用することもできる。
この発明の実施の形態１による分散電源システムの構成を示す全体ブロック図である。 図１に示すインバータ装置の構成を示す回路図である。 図２に示すコンバータの構成を詳細に示した回路図である。 図２に示すインバータにおけるスイッチング素子の動作波形図である。 この発明の実施の形態１による分散電源システムの他の構成を示す全体ブロック図である。 この発明の実施の形態２による分散電源システムの構成を示す全体ブロック図である。 特許文献１に開示された住宅用太陽光発電システムの構成を機能的に示す機能ブロック図である。 図７に示すインバータ装置における主要部の回路図である。 図８に示す回路においてインバータ装置の前段に昇圧回路が付加されたときの回路図である。
符号の説明
１Ａ〜１Ｄ 屋根面、２Ａ〜２Ｄ，１０１，１０１Ａ〜１０１Ｃ 太陽電池アレイ、３Ａ〜３Ｄ ダイオード、４，４Ａ，１１０ インバータ装置、５Ａ〜５Ｅ コンバータ、６，２０９ インバータ、７ 低域通過フィルター、８ 連系リレー、９ 漏電ブレーカー、１０，１１５ 商用電力系統、１１Ａ〜１１Ｄ コンバータ制御部、１２Ａ〜１２Ｅ 電流センサ、１３ インバータ制御部、１４Ａ〜１４Ｅ 電圧センサ、１５，１１１ 家庭内負荷、１６ 燃料電池、１０２ インバータ回路、１０３ 演算手段、１０４ 出力可変手段、１０５ 制御手段、１０６ 表示手段、１０７ 単独運転検出手段、１０８，１１４ 遮断器、１０９ マイクロコンピュータ、１１２ 柱上変圧器、１１３ 配電線、２０３Ａ〜２０３Ｃ リアクトル、２０４Ａ〜２０４Ｃ，Ｓ１〜Ｓ４，Ｑ１，Ｑ２ スイッチング素子、２０５Ａ〜２０５Ｃ，Ｄ１，Ｄ２ ダイオード、２０６Ａ〜２０６Ｃ 昇圧チョッパ、２０７，Ｃ１〜Ｃ４ キャパシタ、２０８ 分圧抵抗、２１０Ａ〜２１０Ｃ 電力検出部、２１１ 制御回路、２１２ 昇圧回路、ＴＲ 絶縁トランス、Ｌ１ 一次巻線、Ｌ２ 二次巻線。

Claims (8)

  1. 複数の直流電源と負荷との間に設けられ、前記複数の直流電源からそれぞれ受ける直流電力を交流電力に変換して前記負荷に供給するインバータ装置であって、
    対応する前記直流電源から出力される前記直流電力が最大となるように前記対応する直流電源の出力電圧を各々が制御する複数のコンバータと、
    前記複数のコンバータからの直流出力が結合されて得られる直流電力を交流電力に変換して前記負荷へ出力するインバータとを備え、
    前記複数のコンバータは、
    少なくとも１つの前記直流電源にそれぞれ対応し、各々が第１の電圧入力範囲を有する少なくとも１つの第１のコンバータと、
    前記少なくとも１つの第１のコンバータに対応する前記少なくとも１つの直流電源と異なる少なくとも１つの前記直流電源にそれぞれ対応し、各々が前記第１の電圧入力範囲と異なる第２の電圧入力範囲を有する少なくとも１つの第２のコンバータとを含む、インバータ装置。
  2. 前記交流電力の電圧レベルは、商用交流電圧であり、
    前記インバータは、商用電力系統にさらに接続され、前記負荷および／または前記商用電力系統へ前記交流電力を出力する、請求項１に記載のインバータ装置。
  3. 前記少なくとも１つの第１のコンバータの各々は、前記対応する直流電源から受ける直流電力が第１の所定の最大入力電力値を超えたとき、その直流電力が前記第１の所定の最大入力電力値を下回るように前記対応する直流電源の出力電圧を制御し、
    前記少なくとも１つの第２のコンバータの各々は、前記対応する直流電源から受ける直流電力が前記第１の所定の最大入力電力値と異なる第２の所定の最大入力電力値を超えたとき、その直流電力が前記第２の所定の最大入力電力値を下回るように前記対応する直流電源の出力電圧を制御する、請求項１または請求項２に記載のインバータ装置。
  4. 前記少なくとも１つの第１および第２のコンバータにそれぞれ対応する直流電源の各々は、太陽電池であり、
    前記少なくとも１つの第１のコンバータは、前記少なくとも１つの第２のコンバータと同じ数だけ設けられる、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のインバータ装置。
  5. 前記少なくとも１つの第１および第２のコンバータの各々は、ユニット化され、かつ、当該インバータ装置において前記ユニットごとに着脱可能である、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のインバータ装置。
  6. 複数の直流電源と、
    負荷と、
    前記複数の直流電源と前記負荷および商用電力系統との間に設けられ、前記複数の直流電源からそれぞれ受ける直流電力を交流電力に変換して前記負荷および／または前記商用電力系統に供給する系統連系インバータ装置とを備え、
    前記系統連系インバータ装置は、
    対応する前記直流電源から出力される前記直流電力が最大となるように前記対応する直流電源の出力電圧を各々が制御する複数のコンバータと、
    前記複数のコンバータからの直流出力が結合されて得られる直流電力を交流電力に変換して前記負荷および／または前記商用電力系統へ出力するインバータとを含み、
    前記複数のコンバータは、
    少なくとも１つの前記直流電源にそれぞれ対応し、各々が第１の電圧入力範囲を有する少なくとも１つの第１のコンバータと、
    前記少なくとも１つの第１のコンバータに対応する前記少なくとも１つの直流電源と異なる少なくとも１つの前記直流電源にそれぞれ対応し、各々が前記第１の電圧入力範囲と異なる第２の電圧入力範囲を有する少なくとも１つの第２のコンバータとからなる、分散電源システム。
  7. 前記系統連系インバータ装置は、
    前記商用電力系統の異常を検出するセンサと、
    前記センサによって前記商用電力系統の異常が検出されたとき、当該系統連系インバータ装置の動作を停止する制御回路とをさらに含む、請求項６に記載の分散電源システム。
  8. 前記複数の直流電源は、異なる種類の発電装置を含む、請求項６または請求項７に記載の分散電源システム。
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