JP2016082710A - 太陽光発電利用システム - Google Patents

Abstract

【課題】太陽電池と電気二重層コンデンサの両方の電力の利用効率を高めることができる太陽光発電利用システムを提供する。
【解決手段】太陽光発電システム１０は、電力変換装置１２、太陽電池ＳＣ、電気二重層コンデンサＥＤＬＣ、電力変換装置１２に電力を供給するための昇圧ユニット１４、１６、太陽電池ＳＣで発電された電力の充電または放電を切り換える第１切換手段１８、電気二重層コンデンサＥＤＬＣと第２昇圧ユニット１６との接続をオン・オフする第２切換手段２０、負荷Ｍに流れる交流電流を検出する第１交流電流検出部２２、電力変換装置１２に供給される電流を検出する第２交流電流検出部２４、および各切換手段１８、２０の切り換えを制御する制御部２６を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、負荷に電力を直流で供給する太陽光発電利用システムに関するものである。

従来、空気調和機の負荷である圧縮機のモータを駆動させるために、交流電源（商用電力系統）から電力変換装置を介してモータに電力を供給している。また、太陽光発電ユニットを設置する企業や家庭が増加しており、再生可能エネルギーの利用が進んでいる。太陽光発電ユニットに搭載された太陽電池の発電エネルギーは直流なので、直流のまま太陽光発電ユニットの出力を電力変換装置の直流部(直流リンク)に供給することで、電力アシストが可能になる。

太陽光発電ユニットに搭載された太陽電池の発電電力を空気調和機へ直流でアシストする場合、従来の商用電力系統を経由しても交流アシスト（直流→交流→直流）に比較して、通過する電力変換装置が少なくて済み、より多くの太陽光発電ユニットの発電エネルギーを負荷へ供給することができる。

上記のように負荷に直流で電力アシストできる太陽光発電利用システムの一例を図５に示す。太陽光発電利用システム１００は、交流電源Ｓと負荷Ｍとの間に配置され、コンバータ２８、インバータ３０、およびコンバータ２８とインバータ３０の間の直流リンク３２を備えた電力変換装置１２、太陽光を受けて発電する太陽電池ＳＣ、太陽電池ＳＣの発電電力を昇圧して直流リンク３２に電力を供給する昇圧ユニット１４を備える。

負荷Ｍが空気調和機の圧縮機モータであれば、空調負荷変動に応じてモータの消費電力（負荷電力）は大きく変化し、空調負荷が小さい時は圧縮機のモータは停止状態（無負荷）となる。その際、太陽電池ＳＣで発電された電力を消費する負荷Ｍはゼロなので、太陽電池ＳＣの発電エネルギーを全く供給（活用）することができないという課題がある。この課題に対応するために図５の太陽光発電利用システム１００は、太陽電池ＳＣの発電電力を蓄電するための電気二重層コンデンサＥＤＬＣを付加している。

太陽電池ＳＣの発電電力に対して負荷Ｍが小さい時（負荷ゼロ時も）は、太陽電池ＳＣで発電された電力は電気二重層コンデンサＥＤＬＣに充電し、負荷Ｍが大きく電力アシストが可能なときに昇圧ユニット１４から直流リンク３２に太陽電池ＳＣと電気二重層コンデンサＥＤＬＣから出力される電力を供給している。

電気二重層コンデンサＥＤＬＣを付加した上記のような太陽光発電利用システム１００は、太陽電池ＳＣの発電電力を電気二重層コンデンサＥＤＬＣへ充電したり、負荷Ｍへ放電をおこなうために、切換手段１８、交流電流検出部２２および制御部１０２を備える。

交流電流検出部２２が負荷Ｍに流れる電流を検出し、制御部１０２がその電流値に基づいて消費電力に変換し、消費電力によって切換手段１８を切り換える。負荷Ｍの消費電力が昇圧ユニット１４の定格電力よりも高くなれば、切換手段１８を放電側にする。昇圧ユニット１４が起動し、直流リンク３２に電力が供給される。一方、負荷Ｍの消費電力が太陽光発電利用システム１００の出力よりも低くなると、電力アシストを停止する。

ここで太陽電池ＳＣの定格出力が１ｋＷ、昇圧ユニット１４の定格電力が１ｋＷであるとし、電気二重層コンデンサＥＤＬＣは昇圧ユニット１４を介して１ｋＷの出力が可能であるとすると、太陽電池ＳＣと電気二重層コンデンサＥＤＬＣを合わせて最大２ｋＷの電力をアシストできるのに、１ｋＷしか電力をアシストできないことになる。

一方昇圧ユニット１４の定格電力を２ｋＷにすると、最大２ｋＷの電力をアシストできるようになる。しかし、昇圧ユニット１４が２ｋＷの電力アシスト可能な状態では、負荷Ｍの消費電力が２ｋＷ以上にならなければ昇圧ユニット１４は起動することができない。また負荷Ｍの消費電力が２ｋＷ以上になって昇圧ユニット１４が起動したとしても、負荷Ｍの消費電力が２ｋＷよりも低くなれば、昇圧ユニット１４はトリップ（昇圧動作を中断）してしまう。これは、昇圧ユニット１４からアシストする電力が負荷Ｍの消費電力よりも高くなると直流リンク３２の電圧が上昇し、昇圧ユニット１４の過電圧保護機能が動作するためである。従って負荷Ｍの消費電力が２ｋＷ以上になる時間帯が短いと、図６（ａ）、（ｂ）に示すように、電力アシストできる領域Ｙ、Ｚが非常に狭くなってしまう。

さらに昇圧ユニット１４を２つにし、太陽電池ＳＣと電気二重層コンデンサＥＤＬＣのそれぞれに昇圧ユニット１４を接続することも考えられ、各昇圧ユニット１４の定格電力を１ｋＷにすれば、２ｋＷの電力アシストが可能になる。しかし、定格電力２ｋＷの昇圧ユニット１４を使用した場合と同様に、２ｋＷの電力アシストが可能な状態にならなければ、昇圧ユニット１４を起動できず、起動できても、負荷Ｍの消費電力が２ｋＷを下回ればトリップしてアシストは停止してしまう。

一方、下記の特許文献１に太陽光発電ユニットの電力を電気二重層コンデンサに充電し、ＤＣ／ＤＣコンバータを介して出力する装置が開示されている。しかし、ＤＣ／ＤＣコンバータの詳細仕様や最大出力のための制御仕様については開示されておらず、太陽光発電ユニットおよび電気二重層コンデンサからの電力アシストが制限される恐れがある。

特開２００２−２７２０１５号公報

本発明は、太陽電池と電気二重層コンデンサの両方の電力の利用効率を高めることができる太陽光発電利用システムを提供することを目的とする。

本発明の太陽光発電利用システムは、交流電源と負荷との間に配置され、コンバータ、インバータ、およびコンバータとインバータの間の直流リンクを備えた電力変換装置と、太陽光を受けて発電する太陽電池と、前記太陽電池で発電された電力を充電する電気二重層コンデンサと、前記太陽電池の電力を昇圧して前記直流リンクに電力を供給する第１昇圧ユニットと、前記電気二重層コンデンサの電力を昇圧して前記直流リンクに電力を供給する第２昇圧ユニットと、前記太陽電池から電気二重層コンデンサへの充電または太陽電池の電力の放電を切り換える第１切換手段と、前記電気二重層コンデンサと第２昇圧ユニットの接続をオン・オフする第２切換手段と、前記負荷に流れる電流を検出する第１交流電流検出部と、前記電力変換装置に入力する電流を検出する第２交流電流検出部と、前記検出された各電流の値によって第１切換手段の切り換えおよび第２切換手段のオン・オフを制御する制御部とを備える。

交流電源の電力は電力変換装置を介して負荷に供給される。太陽電池で発電された電力は、第１昇圧ユニットを介して電力変換装置の直流リンクに供給されるか、電気二重層コンデンサに充電される。電気二重層コンデンサに充電された電力は第２昇圧ユニットを介して電力変換装置の直流リンクに供給される。電力アシストのタイミングの制御は第１切換手段と第２切換手段で行う。制御部が第１および第２交流電流検出部で検出された値を使用して、各切換手段を制御する。

前記制御部は、第１切換手段を放電にした後に、第２切換手段をオンにする。

前記制御部は、前記負荷に流れる電流の値から負荷の電力を求め、前記負荷の電力が第１昇圧ユニットの定格電力よりも大きい場合に第１切換手段を放電にする。

前記制御部は、前記電力変換装置に入力する電流から電力変換装置に入力される電力を求め、前記電力変換装置に入力される電力が第２昇圧ユニットの定格電力よりも大きい場合に第２切換手段をオンにする。

前記第１昇圧ユニットおよび第２昇圧ユニットの出力を検出するための直流電流検出部を備えても良い。

本発明は、２つの切換手段の切り換えによって、順番に２つの昇圧ユニットを起動させる。負荷の消費電力が第１昇圧ユニットの出力電力を超えることで、太陽電池からの電力アシストが可能になる。電力変換装置への入力の電流を求めることで、太陽電池からの電力アシストの状態がわかり、電気二重層コンデンサからの電力アシストの要否がわかり、太陽電池からの電力アシストが不足すれば第２昇圧ユニットが起動する。電力アシストの機会が増え、効率的な電力アシストが可能である。

本願の太陽光発電利用システムの回路構成を示すブロック図である。 図１の回路における各昇圧ユニットの起動のためのフローチャートである。 図１の回路における電力の利用効率を示すグラフである。 本願の他の太陽光発電利用システムの回路構成を示すブロック図である。 従来の太陽光発電利用システムの回路構成を示すブロック図である。 図５の回路における電力の利用効率を示すグラフであり、（ａ）は昇圧ユニットと負荷の関係を示し、（ｂ）は負荷と太陽光発電ユニットの関係を示す。

本発明の太陽光発電システムについて図面を用いて説明する。

図１に示す太陽光発電システム１０は、交流電源Ｓと負荷Ｍとの間の電力変換装置１２、太陽光を受けて発電する太陽電池ＳＣ、太陽電池ＳＣで発電された電力を充電する電気二重層コンデンサＥＤＬＣ、電力変換装置１２に電力を供給するための第１および第２昇圧ユニット１４、１６、太陽電池ＳＣで発電された電力の充電または放電を切り換える第１切換手段１８、電気二重層コンデンサＥＤＬＣと第２昇圧ユニット１６との接続をオン・オフする第２切換手段２０、負荷Ｍに流れる交流電流を検出する第１交流電流検出部２２、電力変換装置１２に供給される電流を検出する第２交流電流検出部２４、および各切換手段１８、２０の切り換えを制御する制御部２６を備える。

交流電源Ｓは商用の電力系統を含む。交流電源Ｓから電力変換装置１２に電力が供給され、電力変換装置１２が駆動する。また本願を空気調和機に適用すれば、負荷Ｍは室外機の圧縮機内蔵三相交流モータになる。

電力変換装置１２は、コンバータ２８、インバータ３０、およびコンバータ２８とインバータ３０の間の直流リンク３２を備える。コンバータ２８はダイオードブリッジなどの回路であり、交流電源Ｓから入力された交流電力を直流電力に変換する。インバータ３０は、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）などのスイッチング用パワー素子（トランジスタ）を複数備え、それらをオン・オフすることで、直流電力を交流電力に変換するものである。直流リンク３２はコンバータ２８の出力を受ける回路であり、平滑コンデンサやスナバ回路などを設けることができる。

複数の太陽電池ＳＣを接続した複数の太陽電池アレイ、太陽電池アレイから直流電力を出力するためのＤＣ／ＤＣコンバータを備えることで、太陽光発電ユニットになる。各太陽電池アレイは直流電力を出力する過程（ＤＣ／ＤＣコンバータ）でＭＰＰＴ（Maximum Power Point Tracking）制御される。

電気二重層コンデンサＥＤＬＣは、電力変換装置１２に電力をアシストしないときに、太陽電池ＳＣで発電された電力が充電される。電力アシストするときは、電気二重層コンデンサＥＤＬＣに充電された電力を放電する。

各昇圧ユニット１４、１６は、入力電圧を所定電圧に昇圧し、電力変換装置１２に電力供給するための回路である。第１昇圧ユニット１４は太陽電池ＳＣの電力を昇圧し、第２昇圧ユニット１６は電気二重層コンデンサＥＤＬＣの電力を昇圧する。各昇圧ユニット１４、１６は電力変換装置１２の直流リンク３２に接続される。

第１昇圧ユニット１４と第２昇圧ユニット１６は同じものを使用しても良いし、異なる定格電力のものを使用しても良い。各昇圧ユニット１４、１６の定格電力は、太陽電池ＳＣと電気二重層コンデンサＥＤＬＣの出力電力や負荷Ｍの消費電力に応じて決定される。

各昇圧ユニット１４、１６に電力が供給されると、昇圧ユニット１４、１６内の制御用電源が供給されて昇圧ユニット１４、１６が起動（昇圧出力を開始）する。後述するように、各切換手段１８、２０を制御部２６が制御して、各昇圧ユニット１４、１６を起動させて、電力アシストする。

各昇圧ユニット１４、１６は過電圧検知機能を備えており、直流リンク３２の過電圧を検知するとトリップ(昇圧動作を中断)する。負荷Ｍの消費電力が、直流リンク３２へアシストする電力よりも低くなったときに、直流リンク３２が過電圧になり、検知する。各昇圧ユニット１４，１６は、トリップしたときに、自動復帰させるためのタイマーを備える。タイマーが起動すると、タイマーで設定された待機時間後に、各昇圧ユニット１４、１６が自動復帰されるようになっている。

第１切換手段１８は、太陽電池ＳＣで発電された電力の充電と放電を切り換える回路である。充電を選択すれば電気二重層コンデンサＥＤＬＣに接続され、放電を選択すれば第１昇圧ユニット１４に接続される。第１切換手段１８は、直流電路切換用のリレーを使用することができる。また、トランジスタなどのスイッチング素子によって、同等の回路を構成しても良い。

第２切換手段２０は、電気二重層コンデンサＥＤＬＣと第２昇圧ユニット１６との接続をオン・オフする回路である。第２切換手段２０がオンになると電気二重層コンデンサＥＤＬＣは第２昇圧ユニット１６に接続される。第２切換手段２０は、第１切換手段１８同様の直流電路切換用リレーなどをスイッチとして使用する。

第１交流電流検出部２２は、インバータ３０と負荷Ｍとの間において、電流を検出する。第１交流電流検出部２２は、交流カレント・トランス（ＡＣＣＴ）を使用することができる。検出された値は制御部２６に入力される。第１交流電流検出部２２の検出値を負荷Ｍの消費電力に変換（換算）し、その概算値を知ることができる。

第２交流電流検出部２４は、電力変換装置１２の入力における電流を検出する。第１交流電流検出部２２と同様に、第２交流電流検出部２４は、交流カレント・トランス（ＡＣＣＴ）を使用することができ、検出された値は制御部２６に入力される。第２交流電流検出部２４の検出値を交流電源Ｓの入力電力に変換（換算）し、その概算値を知ることができるが、この値から例えば第１昇圧ユニット１４のみのアシスト中に、さらに上乗せしてアシスト可能な電力値を知ることができ、第２昇圧ユニット１６の起動判断情報として制御部２６に入力される。

制御部２６は、各切換手段１８、２０の切り換えをおこなうための回路である。制御部２６による各切換手段１８、２０の切り換えは後述する。制御部２６は、入力された電流値を増幅し、直流に変換し、電流値に応じた電力値に変換し、電力値から各切換手段１８、２０を切り換える。このように動作するために、制御部２６は増幅回路やドライバなどを備える。切り換えを判断するために、ヒステリシスコンパレータで入力された値に応じた信号を生成しても良い。

回路の初期状態で負荷Ｍの消費電力が第１昇圧ユニット１４の定格電力よりも高くなれば、第１昇圧ユニット１４は起動することができ、太陽電池ＳＣで発電された電力でアシストすることができる。

また、第１昇圧ユニット１４から電力アシストしている状態であれば、電力変換装置１２への入力電力から、さらにアシスト可能な電力が求められる。このため電力変換装置１２への入力電力が第２昇圧ユニット１６の定格電力よりも高ければ、第２昇圧ユニット１６が起動することができ、太陽電池ＳＣで発電された電力と電気二重層コンデンサＥＤＬＣの放電電力を合わせて電力アシストすることができる。

制御部２６が各切換手段１８、２０を切り換える条件は、（Ａ）回路の初期状態は、第１切換手段１８を充電、第２切換手段２０をオフにする。（Ｂ）負荷Ｍの消費電力が第１昇圧ユニット１４の定格電力を超えると第１切換手段１８を放電にする。（Ｃ）上記（Ｂ）の後に電力変換装置１２への入力電力が第２昇圧ユニット１６の定格電力を超えると第２切換手段２０をオンにする。

第１切換手段１８を放電にすることで太陽電池ＳＣの電力がアシストされ、その後第２切換手段２０をオンにすることで電気二重層コンデンサＥＤＬＣの電力がアシストされる。上記のように第１切換手段１８を放電にするタイミングと第２切換手段２０をオンにするタイミングが異なることで、従来と異なり、負荷Ｍの消費電力が２ｋＷ以上にならなくても電力アシストすることができる。

次に、図２を用いて各切換手段１８、２０の切り換えについて説明する。各昇圧ユニット１４、１６の定格電力は１ｋＷとする。最初は太陽電池ＳＣと電気二重層コンデンサＥＤＬＣによって、各昇圧ユニット１４、１６からそれぞれ１ｋＷの電力アシストが可能な状態であるとする。

（１）交流電源Ｓから電力変換措置１２を介して負荷Ｍに電力供給され、負荷Ｍが駆動する（Ｓ１）。回路の初期状態では、第１切換手段１８は充電、第２切換手段２０はオフになっており、太陽電池ＳＣで発電された電力は電気二重層コンデンサＥＤＬＣに充電される状態である。

（２）負荷Ｍの消費電力が１ｋＷ以上になると（Ｓ２）、第１切換手段１８が放電になり、第１昇圧ユニット１４が起動する（Ｓ３）。太陽電池ＳＣの電力が第１昇圧ユニット１４を介して直流リンク３２に供給される。電気二重層コンデンサＥＤＬＣへの充電は停止される。

従来と異なり、２つの昇圧ユニット１４、１６が順番に起動するが、まず第１昇圧ユニット１４から電力アシストすることで、負荷Ｍの消費電力が２ｋＷにならなくても１ｋＷから電力アシストを行うことができる。

（３）第１昇圧ユニット１４が起動している状態で、電力変換装置１２に供給される電力が１ｋＷ以上になると（Ｓ４）、第２切換手段２０がオンになり、第２昇圧ユニット１６が起動する（Ｓ５）。これによって電気二重層コンデンサＥＤＬＣに充電された電力が第２昇圧ユニット１６を介して直流リンク３２に供給される。この状態は太陽電池ＳＣおよび電気二重層コンデンサＥＤＬＣから電力アシスト供給されている状態である。

以上のように本発明は、２つの昇圧ユニット１４、１６を備えるが、同時に起動（電力アシスト）しない制御仕様になっている。従って負荷Ｍの消費電力が第１昇圧ユニット１４の定格電力を超えれば起動することができ、従来に比べて太陽電池ＳＣで発電された電力の利用効率が高まる。また電力アシストがさらに可能であれば第２昇圧ユニット１６が起動するため、より多くの電力アシストが可能である。

本発明は、上記の回路構成に限定されない。たとえば、第１昇圧ユニット１４が停止すると、第１切換手段１８を充電にするようにする。第２昇圧ユニット１６が停止すると、第２切換手段２０をオフにする。そのために図４の太陽光発電利用システム４０のように、各昇圧ユニット１４、１６の出力を測定する直流電流検出部４２、４４を備え、制御部２６に入力し、電流値が０になると上記のように制御部２６から各切換手段１８、２０の切り換えをおこなう。各昇圧ユニット１４、１６への電力供給を完全に停止し、各昇圧ユニット１４，１６をリセットする。

その他、本発明は、その主旨を逸脱しない範囲で当業者の知識に基づき種々の改良、修正、変更を加えた態様で実施できるものである。

１０、４０：太陽光発電利用システム
１２：電力変換装置
１４、１６：昇圧ユニット
１８、２０：切換手段
２２、２４：交流電流検出部
２６：制御部
２８：コンバータ
３０：インバータ
３２：直流リンク
４２、４４：直流電流検出部
Ｓ：交流電源
Ｍ：負荷
ＳＣ：太陽電池
ＥＤＬＣ：電気二重層コンデンサ

Claims (5)

1. 交流電源と負荷との間に配置され、コンバータ、インバータ、およびコンバータとインバータの間の直流リンクを備えた電力変換装置と、
   太陽光を受けて発電する太陽電池と、
   前記太陽電池で発電された電力を充電する電気二重層コンデンサと、
   前記太陽電池の電力を昇圧して前記直流リンクに電力を供給する第１昇圧ユニットと、
   前記電気二重層コンデンサの電力を昇圧して前記直流リンクに電力を供給する第２昇圧ユニットと、
   前記太陽電池から電気二重層コンデンサへの充電または太陽電池の電力の放電を切り換える第１切換手段と、
   前記電気二重層コンデンサと第２昇圧ユニットの接続をオン・オフする第２切換手段と、前記負荷に流れる電流を検出する第１交流電流検出部と、
   前記電力変換装置に入力する電流を検出する第２交流電流検出部と、
   前記検出された各電流の値によって第１切換手段の切り換えおよび第２切換手段のオン・オフを制御する制御部と、
   を備えた太陽光発電利用システム。
2. 前記制御部は、第１切換手段を放電にした後に、第２切換手段をオンにする請求項１の太陽光発電利用システム。
3. 前記制御部は、
   前記負荷に流れる電流の値から負荷の電力を求め、
   前記負荷の電力が第１昇圧ユニットの定格電力よりも大きい場合に第１切換手段を放電にする
   請求項２の太陽光発電利用システム。
4. 前記制御部は、
   前記電力変換装置に入力する電流から電力変換装置に入力される電力を求め、
   前記電力変換装置に入力される電力が第２昇圧ユニットの定格電力よりも大きい場合に第２切換手段をオンにする
   請求項３の太陽光発電利用システム。
5. 前記第１昇圧ユニットおよび第２昇圧ユニットの出力を検出するための直流電流検出部を備えた請求項１から４のいずれかの太陽光発電利用システム。

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