(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
太陽電池を入力電源としその発電電力を３相交流電力へ変換する電力変換装置において、
前記太陽電池の直流電力を交流電力に変換する第１電力変換器と、
前記第１電力変換器の出力を１次側入力とし、２次側に絶縁出力をもつトランスと、
前記トランスからの絶縁された電力を単相交流電力に変換する３×ｎ組（ｎ≧１）の第２電力変換器とを備え、
前記第２電力変換器の単相交流出力端子をｎ組直列接続したものを１つのユニットとして３ユニットを構成し、
前記３ユニットは出力線端の何れかの端子を中性点として接続するスター接続とし、他の３個の端子は負荷または系統電源へ接続され、
前記３ユニット間の交流出力が電気角で１２０度ずれるように多重ＰＷＭパルス幅変調を行い、前記負荷へ電力を供給、または前記系統電源へ回生を行うことを特徴とする太陽光電力変換装置。
【請求項２】
太陽電池を入力電源としてその発電電力を単相交流電力へ変換する電力変換装置において、
前記太陽電池の直流電力を交流電力に変換する第１電力変換器と、
前記第１電力変換器の出力を１次側入力とし、２次側に絶縁出力をもつトランスと、
前記トランスからの絶縁された電力を単相交流電力に変換する複数の第２電力変換器とを備え、
前記複数の第２電力変換器の各単相交流出力端子を直列接続した出力線端を負荷または系統電源に接続し、
前記第２電力変換器の出力電圧は多重パルス幅変調を行い、前記負荷へ電力を供給、または前記系統電源へ回生を行うことを特徴とする太陽光電力変換装置。
【請求項３】
太陽電池の発電電力を３相交流電力へ変換する電力変換装置において、
前記太陽電池の直流電力を交流電力に変換する第１電力変換器、前記第１電力変換器の出力を絶縁するトランスおよび前記トランスからの電力を単相交流電力に変換する第２電力変換器をそれぞれ接続したものを１モジュールとして３×ｎ組（ｎ≧１）のモジュールを備え、
前記モジュールの単相交続出力端子をｎ組直列接続したものを１ユニットとして３ユニットを構成し、
前記３ユニットは出力線端の何れかの端子を中性点として接続するスター接続とし、他の３個の端子は負荷または系統電源へ接続され、
前記３ユニット間の交流出力の電気角が１２０度ずれるように多重パルス幅変調を行い、前記負荷へ電力を供給、または前記系統電源へ回生を行うことを特徴とする太陽光電力変換装置。
【請求項４】
太陽電池を入力電源としてその発電電力を単相交流電力へ変換する電力変換装置において、
前記太陽電池の直流電力を交流電力に変換する第１電力変換器、前記第１電力変換器の出力を絶縁するトランスおよび前記トランスからの電力を単相交流電力に変換する第２電力変換器をそれぞれ接続したものを１つのモジュールとして複数のモジュールを備え、
前記複数モジュールの各単相交流出力端子を直列接続した出力線端を負荷または系統電源に接続し、
前記モジュールの出力電圧は多重パルス幅変調を行い、前記負荷へ電力を供給、または前記系統電源へ回生を行うことを特徴とする太陽光電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は太陽電池を主電源とする太陽光発電システムなどの電力変換装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、太陽光発電装置には、電源として高電圧の太陽電池を必要としていた。図１０は従来の単相出力太陽光インバータの回路図である。図１０中符号１０１は系統電源、１０２はコンデンサ、１０３はリアクトル、１０４はインバータ、１０５は太陽電池である。
インバータ１０４は太陽電池１０５の直流電力を一般的に図１０のように半導体スイツチを用いて単相交流電力へ変換し系統電源１０１へ回生する。このインバータでは半導体スイッチの接続から系統電源１０１に出力できる電圧の最大値は太陽電池の電圧と等しくなる。系統電源１０１として単相２００Ｖをつなぐ場合には、インバータ１０４の入力電圧として最低でも交流２００Ｖの振幅である２８２Ｖ＝２００×√２）より高い直流電圧が必要となる。従って、２００Ｖの系統電源へ回生するには、おおよそ３００Ｖ程度以上の電圧をもつ太陽電池が必要である。またインバータ１０４は出力電圧として、高圧の直流電圧値を振幅にもつＰＷＭ波形を出力するため、正弦波電圧である系統電圧と接続するには系統連係用フィルタとしてコンデンサ１０２、リアクトル１０３が必要となる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、太陽電池で高電圧を作るためには、１つのセルが数Ｖの太陽電池を百数十個程度直列接続しなけれぱならない。また、このような高電圧の太陽電池を利用する場合には高圧に対する安全性を確保しなければならないため、できるだけ太陽電池の直列接続数を減らし電圧を低くする方がよい。しかし太陽電池の電圧を低くすると系統電源へ回生するのに必要な直流電圧を得ることができないといった問題があった。
さらに、高圧の直流電圧とほほ同じ振幅をもつＰＷＭ波形をフィルタを介して系統電源と連係するので、力率およびノイズ特性を良好なものにするためには、大形のフィルタを使わなければならないといった問題があった。
【０００４】
本発明の目的は、上記の問題点に鑑み、多重インバータ技術を使用して、安全かつ小型の系統連係用フィルタを使用可能とする、低電圧の太陽電池に対応できる電力変換装置を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、前記目的を達成するために、太陽電池を入力電源としその発電電力を３相交流電力へ変換する電力変換装置において、前記太陽電池の直流電力を交流電力に変換する第１電力変換器と、前記第１電力変換器の出力を１次側入力とし、２次側に絶縁出力をもつトランスと、前記トランスからの絶縁された電力を単相交流電力に変換する３×ｎ組（ｎ≧１）の第２電力変換器とを備え、
前記第２電力変換器の単相交流出力端子をｎ組直列接続したものを１つのユニットとして３ユニットを構成し、前記３ユニットは出力線端の何れかの端子を中性点として接続するスター接続とし、他の３個の端子は負荷または系統電源へ接続され、前記３ユニット間の交流出力が電気角で１２０度ずれるように多重ＰＷＭパルス幅変調を行い、前記負荷へ電力を供給、または前記系統電源へ回生を行う。
【０００６】
また、太陽電池を入力電源としてその発電電力を単相交流電力へ変換する電力変換装置において、前記太陽電池の直流電力を交流電力に変換する第１電力変換器と、前記第１電力変換器の出力を１次側入力とし、２次側に絶縁出力をもつトランスと、前記トランスからの絶縁された電力を単相交流電力に変換する複数の第２電力変換器とを備え、
前記複数の第２電力変換器の各単相交流出力端子を直列接続した出力線端を負荷または系統電源に接続し、前記第２電力変換器の出力電圧は多重パルス幅変調を行い、前記負荷へ電力を供給、または前記系統電源へ回生を行う。
本発明は、また、太陽電池の発電電力を３相交流電力へ変換する電力変換装置において、前記太陽電池の直流電力を交流電力に変換する第１電力変換器、前記第１電力変換器の出力を絶縁するトランスおよび前記トランスからの電力を単相交流電力に変換する第２電力変換器をそれぞれ接続したものを１モジュールとして３×ｎ組（ｎ≧１）のモジュールを備え、前記モジュールの単相交続出力端子をｎ組直列接続したものを１ユニットとして３ユニットを構成し、前記３ユニットは出力線端の何れかの端子を中性点として接続するスター接続とし、他の３個の端子は負荷または系統電源へ接続され、前記３ユニット間の交流出力が電気角で１２０度ずれるように多重パルス幅変調を行い、前記負荷へ電力を供給、または前記系統電源へ回生を行う。
【０００７】
また、太陽電池を入力電源としてその発電電力を単相交流電力へ変換する電力変換装置において、前記太陽電池の直流電力を交流電力に変換する第１電力変換器、前記第１電力変換器の出力を絶縁するトランスおよび前記トランスからの電力を単相交流電力に変換する第２電力変換器をそれぞれ接続したものを１つのモジュールとして複数のモジュールを備え、前記複数モジュールの各単相交流出力端子を直列接続した出力線端を負荷または系統電源に接続し、前記モジュールの出力電圧は多重パルス幅変調を行い、前記負荷へ電力を供給、または前記系統電源へ回生を行う。
前述の構成の電力変換装置を用いて、太陽電池の出力電力の電力変換を行うにあたり、太陽電池の電力を一旦交流電力に変換しトランスで絶縁した後に多重化するので、低電圧の太陽電池を利用することが可能となる。また複数のモジュールでそれぞれ単相パルス幅変調の波形制御を行うので、低歪み波形の出力電圧電流が得られ、系統連係用フィルタとして小形のものを使用できるようになる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施例について図面を参照して説明する。
図１は本発明の太陽光電力変換装置の第１実施例の回路図、図２は第１実施例の変形例の回路図である。また、図３は本発明の太陽光電力変換装置の第２実施例の回路図である。
各図において、符号１〜９、２０１〜２０９、３０１〜３０３はＡＣ→ＡＣ ＰＷＭインバ−タ、１２、２１６〜２１８、３０６は太陽電池、１１、２１３〜２１５、３０５はＤＣ→ＡＣ ＰＷＭインバ−タ、１０、２１０〜２１２、３０４は絶縁トランス、１３〜１５、２１９〜２２１、３０７はリアクトル、１６〜１８、２２２〜２２４、３０８はコンデンサ、１９、２２５は３相系統電源、３０９は単相系統電源である。
【００１０】
ＤＣ→ＡＣ ＰＷＭインバータとＡＣ→ＡＣ ＰＷＭインバータの構成は、一例として図４のようなものである。図４において、符号４００は太陽電池、４０１、４１１はコンデンサ、４０２〜４０５、４１２〜４１５は半導体スイツチ、４０６は絶縁トランス、４０７〜４１０は整流素子、４１６がＤＣ→ＡＣ ＰＷＭインバータ、４１７、４１８がＡＣ→ＡＣ ＰＷＭインバ−タである。
図１、図２のＡＣ→ＡＣ ＰＷＭインバータは３×ｎ個の組合せ、図３ではｍ個の組合せとなるが、図１、図２、図３ではｎ＝ｍ＝３での例を示す。
図１において、９個のＡＣ→ＡＣ ＰＷＭインバータの入力端子はトランスへそれぞれ接続される。また３個のＡＣ→ＡＣ ＰＷＭインバ−タを１つのユニットとして全体を３ユニットで構成（本例では１〜３、４〜６、７〜９）し、ユニット内のそれぞれの交流端子ｒｌ、ｒ２は直列に接続され、両端の何れかの端子は３つのユニット間でスター接続され、他の３個の端子は系統連係用フィルタを通して３相系統電源１９の３個の端子ｖ、ｖ、ｗに接続される。
【００１１】
各ユニットのｎ個のＡＣ→ＡＣ ＰＷＭインバータの単相交流端子に出力される交流出力の基本波電圧は同位相になるように制御され、３組のユニット間は基本波電圧位相の電気角が互いに１２０度位相の異なる交流出力を発生するように多重パルス幅変調で制御され、３相系統電源１９へ回生する。
図２においても、９個のＡＣ→ＡＣ ＰＷＭインバータの入力端子は３つのトランスへそれぞれ接続される。また３個のＡＣ→ＡＣ ＰＷＭインバータを１つのユニットとして全体を３ユニットで構成（本例では２０１〜２０３、２０４〜２０６、２０７〜２０９）し、ユニット内のそれぞれの交流端子ｒｌ、ｒ２は直列に接続され、両端の何れかの端子は３つのユニット間でスター接続され、他の３個の端子は系統連係用フィルタを通して３相系統電源の３個の端子ｕ、ｖ、ｗに接続される。
【００１２】
図２の３組のユニット間も、図１の実施例と同様に、基本波電圧位相の電気角がお互いに１２０度位相の異なる交流出力を発生するように多重パルス幅変調で制御され、３相系統電源へ回生する。
３相系統電源の３個の端子ｕ、ｖ、ｗ間にかかる相間電圧Ｖｕｖ、Ｖｖｗ、Ｖｗｕと各ユニットの出力電圧Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗとの関係を電圧ベクトル図として図５に示す。この図５から各ユニットが出力するのに必要な電圧は相間電圧の振幅の１／√３で良いことが分かる。また各ユニットがｎ個のＡＣ→ＡＣ ＰＷＭインバータで構成されている場合にはＡＣ→ＡＣ ＰＷＭインバータの出力電圧の最大値は３相系統電源の相間電圧の振幅の１／ｎ√３でよく（本例では１／３√３）ＡＣ→ＡＣ ＰＷＭインバータのスイツチング素子としては低圧の素子を使用することが可能となる。
【００１３】
図３において、３個のＡＣ→ＡＣ ＰＷＭインバータのそれぞれの交流端子ｒｌ、ｒ２は直列に接続され、両端の端子は単相系統電源に接続される。直流端子ｐ、ｎは太陽電池に接続される。３個のＡＣ→ＡＣ ＰＷＭインバータの単相交流端子に出力される交流出力の基本波電圧は同位相になるように多重パルス幅変調で制御され、単相系統電源へ回生する。
図１、図２、図３において、ＡＣ→ＡＣ ＰＷＭインバータの出力端子ｒｌ、ｒ２は入力端子ｐ、ｎと絶縁されているため各インバータモジュールの入力を一つの太陽電池から取ることが可能である。またトランスの巻数比を変えることで入力電圧、出力電圧の値を設計時に自由に決定することができる。ＤＣ→ＡＣＰＷＭインバータとトランスで、昇降圧コンバータの制御構成にすれば、ＡＣ→ＡＣ ＰＷＭインバータの入力電圧を自由に可変することもできる。更にトランスを通る交流電力の周波数を高周波化することによって、小形のトランスを使うことができる。ＡＣ→ＡＣ ＰＷＭインバータの容量は全体出力をＡＣ→ＡＣ ＰＷＭインバータの数で割った容量を受け持つだけでよいので、各ＡＣ→ＡＣ ＰＷＭインバータは小形なものとすることができる。また多重パルス幅変調によつて系流電源へ送られる電圧電流の波形が正弦波に近い低歪みとなるため、リアクトルとコンデンサで構成される系統連係用フィルタとして小形のものを使うことができる。
【００１４】
次に、本発明の一部構成をモジュール化した実施例について図面を参照して説明する。モジュール化は、直列接続する段数を簡単に変更することができ、また高周波トランスを採用しやすく、小型化に役立つ利点がある。
図６は本発明の太陽光電力変換装置の第３実施例の回路図である。また図７は本発明の太陽光電力変換装置の第４実施例の回路図、図８は第４実施例の変形例の回路図である。
各図において、符号６０１〜６０９、７０１〜７０３、８０１〜８０３はインバータモジュールで、これらモジュールは同一構成である。６１０、７０７、８０７〜８０９は太陽電池、６１１はＤＣ→ＡＣのＰＷＭインバータ、６１２は絶縁トランス、６１３はＡＣ→ＡＣのＰＷＭインバータ、６１４〜６１６、７０４、８０４はリアクトル、６１７〜６１９、７０５、８０５はコンデンサ、６２０は３相系統電源、７０６、８０６は単相系統電源である。
【００１５】
インバータモジュール６０１〜６０９、７０１〜７０３、８０１〜８０３は同一構成であるので、代表してインバータモジュール６０１について説明する。インバ−タモジュール６０１は、ＤＣ→ＡＣのＰＷＭインバータ６１１と、絶縁トランス６１２と、ＡＣ→ＡＣのＰＷＭインバータ６１３、直流端子ｐ、ｎと単相交流端子ｒ１、ｒ２とを有する。ＤＣ→ＡＣのＰＷＭインバータとＡＣ→ＡＣのＰＷＭインバータは、具体的には一例として図９のようなインバータ構成である。
図６のインバータモジュールは３×ｎ個（ｎ≧１）の組合せ、図７、図８ではｍ個（ｍ≧２）の組合せとなるが、図６、図７、図８ではｎ＝ｍ＝３での例を示す。
【００１６】
図６において、９個のインバータモジュールの直流端子ｐ、ｎは太陽電池６１０へそれぞれ並列に接続される。また３個のインバータモジュールを１ユニットとして全体を３ユニットで構成（本例では６０１〜６０３、６０４〜６０６、６０７〜６０９）し、ユニット内のそれぞれの交流端子ｒ１、ｒ２は直列に接続され．両端の何れかの端子は３つのユニット間でスター接続され、他の３個の端子は３相系統電源６２０の３個の端子ｕ、ｖ、ｗに接続される。
各ユニットのｎ個のインバータモジュールの単相交流端子に出力される交流出力の基本波電圧は同位相になるように制御され、３組のユニット間は基本波電圧位相の電気角が互いに１２０度位相の異なる交流出力を発生するように多重ＰＷＭパルス幅変調で制御され、３相系統電源６２０へ回生する。
【００１７】
３相系統電源６２０の３個の端子ｕ、ｖ、ｗ間にかかる相間電圧Ｖｕｖ、Ｖｖｗ、Ｖｗｕと各ユニットの出力電圧Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗとの関係を電圧ベクトル図として図５に示す。この図５から各ユニット（６０１〜６０３、６０４〜６０６、６０７〜６０９）が出力するのに必要な電圧は相間電圧の振幅の１／√３で良いことが分かる。また各ユニットがｎ個のインバータモジュールで構成されている場合にはインバータモジュールの出力電圧の最大値は３相系統電源６２０の相間電圧の振幅の１／ｎ√３でよく（本例では１／３√３）、インバータモジユールのスイッチング素子としては低圧の素子を使用することが可能となる。更に特開昭６３ー２８２７６号公報「３相インバータの制御装置」のように、ＡＣ→ＡＣ ＰＷＭインバータの正弦波電圧指令に３倍調波を加えれば、出力電圧をもう少しあげることもできる。
【００１８】
図７、図８において、３個のインバータモジュールのそれぞれの交流端子ｒｌ、ｒ２は直列に接続され、両端の端子は単相系統電源に接続される。図７では直流端子ｐ、ｎは太陽電池７０７へそれぞれ並列に接続される。図８では各インバータモジュールの直流端子ｐ、ｎはそれぞれ別の太陽電池８０７〜８０９へ繋がれる。３個のインバータモジュールの単相交流端子に出力される交流出力の基本波電圧は同位相になるように多重パルス幅変調で制御され、単相系統電源へ回生する。
図６、図７、図８において、インバータモジュールの出力端子ｒ１、ｒ２は入力端子ｐ、ｎと絶縁されているため各インバータモジュールの入力を一つの太陽電池から取ることが可能であり、また図８のように１つ以上のモジュールがそれぞれ別の太陽電池を入力源とすることもできる。また内部にトランスを持つためトランスの巻数比を変えることで入力電圧、出力電圧の値を設計時に自由に決定することができる。ＤＣ→ＡＣ ＰＷＭインバータ６１１とトランスで、昇降圧コンバータの制御構成にすれば、ＡＣ→ＡＣ ＰＷＭインバータの入力電圧を自由に可変することもできる。更にトランスを通る交流電力の周波数を高周波化することによって、小形のトランスを使うことができる。インバータモジュールの容量は全体出力をインバータモジュールの数で割った容量を受け持つだけでよいので、各インバータモジュールは小形なものとすることができる。
【００１９】
更に、図８において、太陽電池がそれぞれ絶縁されている場合、モジュール内での入出力の絶縁が必要でなくなるため、ＤＣ→ＡＣのＰＷＭインバータで多重パルス幅変調を行なえば、モジュール内の絶縁トランスとＡＣ→ＡＣのＰＷＭインバータを省略することもできる。図８は単相系統へ連係する場合の例であるが３相系統へ連係する場合も同様に、絶縁トランスとＡＣ→ＡＣのＰＷＭインバータの省略は可能である。
また多重パルス幅変調によって系統電源へ送られる電圧電流の波形が正弦波に近い低歪みなものとなるため、リアクトルとコンデンサで構成される系統連係用フィルタとして小形のものを使うことができる。
【００２０】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の電力変換装置を用いれば、太陽電池の電圧は低電圧のものでよく入出力が絶縁されているため安全性が向上する。さらに多重パルス幅変調によって出力電圧、出力電流が正弦波に近づくため、系統連係用フィルタとして小さなものを使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の太陽光電力変換装置の第１実施例の回路図
【図２】本発明の太陽光電力変換装置の第１実施例の変形例の回路図
【図３】本発明の太陽光電力変換装置の第２実施例の回路図
【図４】本発明のＰＷＭインバータの構成例の回路図
【図５】本電力変換装置の出力電圧と３相系統電源電圧との関係を示すべクトル図
【図６】本発明の太陽光電力変換装置の第３実施例の回路図
【図７】本発明の太陽光電力変換装置の第４実施例の回路図
【図８】本発明の太陽光電力変換装置の第４実施例の変形例の回路図
【図９】本発明のインバータモジュールの構成例の回路図
【図１０】従来のインバータを用いた太陽光電力変換装置の回路図
【符号の説明】
１〜９  ＡＣ→ＡＣ ＰＷＭインバ−タ
１０    トランス
１１    ＤＣ→ＡＣ ＰＷＭインバ−タ
１２    太陽電池
１３〜１５  リアクトル
１６〜１８  コンデンサ
１９    ３相系統電源
３０    本発明の電力変換装置のｕ相出力電圧ベクトル
３１    本努明の電力変換装置のｖ相出力電圧ベクトル
３２    本発明の電力変換装置のｗ相出力電圧ベクトル
３３    本発明の電力変換装置のｕｖ間電圧ベクトル
３４    本発明の電力変換装置のｕｗ間電圧ベクトル
３５    本発明の電力変換装置のｗｕ間電圧ベクトル
１０１    単相系統電源
１０２    コンデンサ
１０３    リアクトル
１０４    太陽光電力変換装置
１０５    太陽電池
２０１〜２０９  ＡＣ→ＡＣ ＰＷＭインバ−タ
２１０〜２１２  絶縁トランス
２１３〜２１５  ＤＣ→ＡＣ ＰＷＭインバ−タ
２１６〜２１８  太陽電池
２１９〜２２１  リアクトル
２２２〜２２４  コンデンサ
２２５    ３相系統電源
３０１〜３０３  ＤＣ→ＡＣ ＰＷＭインバ−タ
３０４    絶縁トランス
３０５    ＡＣ→ＡＣ ＰＷＭインバータ
３０６    太陽電池
３０７    リアクトル
３０８    コンデンサ
３０９    単相系統電源
４００    太陽電池
４０１、４１１  コンデンサ
４０２〜４０５、４１２〜４１５  半導体スイツチ
４０６    絶縁トランス
４０７〜４１０  整流器
４１６    ＤＣ→ＡＣ ＰＷＭインバータ
４１７〜４１８  ＡＣ→ＡＣ ＰＷＭインバータ
６０１〜６０９  インバ−タモジュール
６１０    太陽電池
６１１    ＤＣ→ＡＣインバ−タ
６１２    絶縁トランス
６１３    ＡＣ→ＡＣインバ−タ
６１４〜６１６  リアクトル
６１７〜６１９  コンデンサ
６２０    ３相系統電源
７０１〜７０３  インバ−タモジュール
７０４    リアクトル
７０５    コンデンサ
７０６    単相系統電源
７０７    太陽電池
８０１〜８０３  インバ−タモジュール
８０４    リアクトル
８０５    コンデンサ
８０６    単相系統電源
８０７〜８０９  太陽電池
９００    太陽電池
９０１、９１１  コンデンサ
９０２〜９０５、９１２〜９１５  半導体スイッチ
９０６    絶縁トランス
９０７〜９１０  整流器
９１６    ＤＣ→ＡＣインバータ
９１７    ＡＣ→ＡＣインバ−タ
９１８    インバ−タモジュール
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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