(57)【要約】【課題】  太陽光発電用パワーコンディショナでは太陽光電池の直流電圧に対し、変動範囲を幅広くする必要がある。そのため、直流部に昇圧チョッパ装置を用いるか、変圧器の変圧比を大きくすることで直流電圧の変動範囲を拡大していた。しかし、運転可能な直流電圧の範囲を幅広くした場合、インバータ出力電圧が低くなり損失が増加する可能性があった。【解決手段】直流電圧を監視し、直流電圧の値により変圧器の変圧比や結線を変更し、最適なインバータ出力電圧で運転することで損失を低減し、運転中の変換効率を向上させる。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電力を変換して交流電力を生成し電力系統に連系させるパワーコンディショナであって、
直流電力を交流電力に変換するインバータと、
該インバータの出力電力を変圧する変圧器と、
該変圧器の変圧比を切替える切替え回路と、
前記直流電力の直流電圧の値に応じて前記切替え回路を制御する制御回路とを有することを特徴とするパワーコンディショナ。
【請求項２】
請求項１に記載のパワーコンディショナであって、
前記変圧器はタップ付変圧器であって、前記切替え回路によって、前記変圧器のタップを切替えることを特徴とするパワーコンディショナ。
【請求項３】
直流電力を変換して交流電力を生成し電力系統に連系させるパワーコンディショナであって、
直流電力を交流電力に変換するインバータと、
該インバータの出力電力を変圧する変圧器と、
該変圧器の結線を切替える切替え回路と、
前記直流電力の直流電圧の値に応じて前記切替え回路を制御する制御回路とを有することを特徴とするパワーコンディショナ。
【請求項４】
請求項３に記載のパワーコンディショナであって、
前記切替え回路は前記変圧器の結線をΔ結線、Ｙ結線のいずれかに切替えることを特徴とするパワーコンディショナ。
【請求項５】
直流電力を変換して交流電力を生成し電力系統に連系させるパワーコンディショナであって、
直流電力を交流電力に変換するインバータと、
該インバータの出力電力を変圧する変圧器と、
該変圧器を介して電力系統に接続するか、変圧器を介さずに電力系統に接続するかを切替える切替え回路と、
前記直流電力の直流電圧の値に応じて前記切替え回路を制御する制御回路とを有することを特徴とするパワーコンディショナ。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項に記載のパワーコンディショナであって、
前記制御回路は、相対的に前記直流電圧が高い場合は前記変圧器の1次電圧を高くし、直流電圧が下がった場合は前記変圧器の1次電圧を低くするように前記切替え回路を制御することを特徴とするパワーコンディショナ。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１項に記載のパワーコンディショナであって、
さらに、フィルタ回路を有し、
該フィルタ回路によって前記インバータの出力の高調波成分をカットすることを特徴とするパワーコンディショナ。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか１項に記載のパワーコンディショナであって、
前記直流電力は蓄電池、もしくは、太陽光発電、風力発電を含む再生可能エネルギーに由来する電力であることを特徴とするパワーコンディショナ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、太陽電池や蓄電池などの直流電源装置から出力される電力を交流電力に変換して負荷や電力系統へ供給するパワーコンディショナに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、地球温暖化防止に向けたＣＯ２削減の国際的な取組みなど環境保全意識の高まりを背景に、太陽光発電や、風力発電等の自然エネルギーを利用した発電システムの普及が拡大しつつある。
例えば、太陽光発電システムにおいては、太陽の光エネルギーは太陽電池モジュールによって直流電力に変換され、この直流電力がパワーコンディショナによって交流電力に変換され、電力系統に接続され売電可能となる。
【０００３】
パワーコンディショナの構成としては、特許文献１および２に記載のものがある。特許文献１記載のパワーコンディショナ（電力変換装置）は、直流電力を変換する変換回路と、変換回路の出力を変圧する変圧回路と、変圧回路と電力系統とを開閉する開閉器とを有し、電力系統の系統電圧に応じて変圧回路の設定を切り替える構成が記載されている。
【０００４】
特許文献２ではインバータの出力電力を変圧器により昇圧し、出力可能な直流電圧の範囲を広げている。また、低損失を実現するため、変圧器にはアモルファス変圧器を使用している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００２−１１２４６１号公報
【特許文献２】特開２０１０−２７３４８９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
太陽光発電等の自然エネルギーを利用した発電用パワーコンディショナは、例えば、太陽光電池の直流電圧を使用し、交流出力を行う。図１に太陽光パネルの出力電圧、インバータ出力電圧と系統電圧の関係を示す。太陽光パネル出力電圧１は直流であるが、インバータ出力電圧２はインバータのスイッチング動作により交流となる。よって、インバータ出力電圧２の波高値は太陽光パネル出力電圧以下となり、系統電圧３とは一致しない。そこで昇圧変圧器でインバータ出力電圧２を系統電圧３と同じ大きさまで昇圧することで電力系統へ連系することができる。この場合、インバータ出力電圧２の波高値が直流電圧以下でなければ出力ができず、電力系統へ連系運転可能な直流電圧の範囲が制限されることになる。  
太陽光電池の直流電圧は日射や気温によって変動するため、太陽光発電システムを設計する際は、電力系統へ連系運転可能な直流電圧範囲をより大きくした方が容易となる。
運転可能な直流電圧の範囲を広げるためには直流部に昇圧チョッパ装置を用い、インバータへ入力される直流電圧を大きくするか、昇圧変圧器で昇圧し、交流電圧を高くする方法がある。
昇圧チョッパ装置を採用した場合、パーツ数増加により原価が上昇する。また使用機器が増えることにより、損失が増大し、効率の低下を招く。
【０００７】
一方、昇圧変圧器を使用する場合は、太陽光パネルで発電された直流電力をインバータで交流に変換し、昇圧変圧器で系統電圧に変換し、電力系統に接続される。
ここで、例えば系統電圧が三相200Ｖの場合を考える。直流電圧を使い、インバータのスイッチング動作で交流電圧を作り出す為、昇圧変圧器がない場合は、交流電圧の波高値以上の直流電圧が必要となり、直流電圧が200×√２＝280Ｖ以上でなければ電力系統に追従した電圧を出力できない。よって、電力系統と連系可能な直流電圧を低くするために昇圧変圧器を用いる必要がある。
【０００８】
一般的に太陽光パネルの出力電圧は、気温や日射の変化により、直流電圧が変動する。気温が低い冬季は直流電圧が上昇し、気温が高い夏季は直流電圧が低下する傾向がある。また、直流電圧の変動幅は太陽光パネルの直列数によって変化するが、一般的には最大電圧を600Ｖ程度とする。600Ｖを超過した場合、開閉器等の機器が有する耐電圧値を超過し、機器選定が困難となる。また、最大電圧を600Ｖ未満となるように太陽光パネルを構成した場合、直流電圧の最小値は250Ｖ程度となり、250Ｖ程度から600Ｖ程度まで変動するようになる。
【０００９】
したがって、効率的な発電をする場合、パワーコンディショナの運転範囲を直流電圧250Ｖ程度から600Ｖまでとする必要がある。
【００１０】
一方、昇圧変圧器の変圧比を大きくとれば、インバータから出力させる交流電力は大電流となり損失の増大や変圧器の大形化を招く。例えば、変圧比を1次：2次＝190：200とし、インバータ出力電圧を190Ｖとした場合は直流電圧190×√２＝270Ｖ以上から交流電力を出力できるが、変圧比を150：200とし、インバータ出力電圧を150Ｖとした場合は、直流電圧は150×√２＝220Ｖ以上となり、直流電圧範囲は、基準値600Vから220Vまでとなり大幅に広がる。しかし交流部の電流は190／150＝約1.3倍となり、巻線抵抗を同じとした場合は、損失は電流の２乗に比例するので1.3の２乗で約1.7倍となり損失の増大につながる。
上記、特許文献１、２は、このような、直流電圧の運転可能範囲を広く取った場合の、交流部損失の増大について考慮しておらず、直流電圧の値に応じた損失の低減を図る必要がある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明では、昇圧用の変圧器を使用し、直流電圧の値に応じて変圧器の変圧比や結線を変更することで、最適なインバータ出力電圧を選択し、損失の低減を図る。
【発明の効果】
【００１２】
本発明では運転可能な直流電圧範囲を拡大しつつ、変換効率を上げることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】パワーコンディショナの出力電圧の説明図
【図２】本発明の実施例1のパワーコンディショナの構成ブロック図
【図３】本発明の実施例1のパワーコンディショナの構成回路図
【図４】本発明の実施例1のパワーコンディショナの構成回路図の変形例
【図５】本発明の実施例２のパワーコンディショナの構成ブロック図
【図６】本発明の実施例２のパワーコンディショナの構成回路図
【図７】本発明の実施例２のパワーコンディショナの構成回路図の変形例
【図８】本発明の実施例３のパワーコンディショナの構成回路図
【図９】本発明の実施例３のパワーコンディショナの構成回路図の変形例
【図１０】本発明の実施例４のパワーコンディショナの構成回路図
【図１１】本発明の実施例４のパワーコンディショナの構成回路図の変形例
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、実施例を図面を用いて説明する。
【実施例１】
【００１５】
本発明の実施例1を図２、図３、図４を用いて説明する。図２は、実施例1のパワーコンディショナの構成ブロック図である。パワーコンディショナ５には複数の出力電圧を選択できるようにしたタップ付変圧器１３、切替え回路１２、インバータ８、フィルタ回路１１で構成されている。太陽光パネル１０と接続され、太陽光パネル１０で発電された直流電力をインバータ８で交流に変換し、フィルタ回路１１により高調波成分をカットし、切替え回路１２でタップ付変圧器１３と接続され系統電圧に変換し、電力系統４と接続される。タップ付変圧器１３の各タップは切替え回路１２でフィルタ１１と接続される。この実施例では、タップ付変圧器のタップを２段階とし、直流電圧により切替える構成をとる。すなわち、直流電圧を制御回路１４で監視し、切替え回路１２に指令を出すことで最適な変圧比を選択する。直流電圧が高い場合は一次電圧すなわちインバータ出力電圧を高くし、直流電圧が下がった場合はインバータ出力電圧を低くする。
図３に、図２のブロック図をより詳細にした実施例1のパワーコンディショナの構成回路図を示す。フィルタ回路１１は、フィルタリアクトル７とフィルタコンデンサ９で構成されている。また、切替え回路１２は、変圧器の１次側タップを切り替えるように構成されている。
例えば系統電圧が200Ｖで直流電圧が250Ｖの場合、変圧比を170：200とし、インバータ出力電圧を170Ｖにしなければ、交流電力が出力できない。すなわち、インバータ出力電圧が170Ｖでは波高値が170×√２＝240Ｖとなり、直流電圧が250Ｖでの交流出力が可能となる。
しかし直流電圧が増加し、400Ｖになった場合は、変圧比を280：200とし、インバータ出力電圧を280Ｖとすれば、交流出力が可能となる。すなわち、インバータ出力電圧が280Ｖでは波高値が280×√２＝400Ｖとなり、直流電圧が400Ｖで交流出力が可能となる。インバータ出力電圧を170Ｖから280Ｖへ変更した場合、インバータの出力端における電流は170／280＝60％程度に低減できるので、損失が低減される。
このように、直流電圧に合わせた最適なインバータ出力電圧を選択することで、幅広い直流運転電圧を確保しながら、冬季などの直流電圧が高くなった場合においても変換効率をあげることができる。
【００１６】
タップ比が170Ｖと280Ｖで選択可能な場合、170Ｖにおける電流値は280Ｖにおける電流値の280／170＝1.6倍となる。その場合の損失は、電流の２乗に効いてくるので、1.6×1.6＝約2.5倍となる。直流電圧が低い場合は170Ｖのタップ電圧とし、直流電圧が高くなった場合はタップ電圧を280Ｖとすることで損失の低減を図ることができる。
以上のように、実施例１では、直流電圧範囲が高くなった場合に高効率となるパワーコンディショナが実現可能である。
また図４のように、タップ付変圧器として、２次側にタップを設けたタップ付変圧器１５を設けて、タップ付昇圧変圧器１５の２次側に切替え回路１６を配置して、変圧器の出力側のタップを切り替えるようにしても同様の効果が得られる。
【実施例２】
【００１７】
本発明の実施例２を図５、図６、図７を用いて説明する。図５は、実施例２のパワーコンディショナの構成ブロック図である。図２の構成ブロック図のうち、タップ付変圧器１３、切替え回路１２を、変圧器１９、切替え回路１８に変更したものである。その他の構成は、既に説明した図２に示された同一の符号を付された構成と同一の機能を有するので、それらの説明は省略する。
この実施例では、直流電圧に応じて、変圧器を接続するか、変圧器をパスして、フィルタ回路と電力系統を接続するかを切替えるように構成する。図６に、図５のブロック図をより詳細にした実施例２のパワーコンディショナの構成回路図を示す。切替え回路１８は、フィルタ回路の出力を、変圧器入力端と出力端の何れかを選択切替え可能なように構成されていて、フィルタ回路の出力を、変圧器を介して電力系統に接続するか、変圧器を介さずに接続するかを切り替える。
直流電圧を制御回路２０で監視し、切替え回路１８に指令を出すことで、変圧器１９を介して接続するか、フィルタ回路を直接電力系統に接続するか選択できる構成とする。
これにより、直流電圧が高い場合はフィルタ回路と電力系統４を接続する。直流電圧が高いので変圧器１９がなくとも交流電圧が出力可能となり、変圧器１９の損失がなくなるため、変換効率が向上する。
直流電圧が下がった場合は切替え回路１８により変圧器１９を接続し、インバータ出力電圧を昇圧し電力系統４と連系可能なようにする。直流電圧の値により構成を切り替えることで、幅広い直流電圧に対応可能かつ効率的な運転が可能となる。
また図７のように、切替え回路を変圧器１９の２次側に設けて、電力系統への接続元として、フィルタ回路の出力と変圧器２次側出力端の何れかを選択切り替え可能なように構成し、フィルタ回路の出力を、変圧器を介して電力系統に接続するか、変圧器を介さずに電力系統に接続するかを切り替えるようにしても同様の効果が得られる。
【実施例３】
【００１８】
本発明の実施例３を図８，図９を用いて説明する。実施例３のパワーコンディショナの構成ブロック図は、実施例２の構成ブロック図である図５とほぼ同じであるが、切替え回路として変圧器の結線をΔ結線とＹ結線へ切換可能な構成とし、直流電圧により結線を切り替える構成となっている。
図８に実施例３のパワーコンディショナの構成回路図を示す。すでに説明した同一の符号を付された構成は同一の機能を有するので、それらの説明は省略する。切替え回路２３は、変圧器２４の結線をΔとＹに変更可能なように接点を構成する。直流電圧を制御回路２５で監視し、切替え回路２３の接点を変更することで、変圧器２４の1次側結線をΔとＹに変更可能とする。Δ結線からＹ結線へ変更することでインバータ側の電圧を√3倍にすることができ、タップを変更した場合と同じ効果となる。
【００１９】
例えばΔ結線でタップ電圧が170Ｖの場合、Ｙ結線へ変更することでタップ電圧が170×√3＝294Ｖへ変更となる。
【００２０】
直流電圧が低い場合はΔ結線とし、タップ電圧を170Ｖとしておくことで直流電圧170×√2＝240Ｖから出力可能となる。直流電圧が高くなり、240×√3＝415Ｖ以上となった場合はＹ結線へ変更し昇圧変圧器の電圧を上げても出力可能となる。その場合電流値が1/√3倍となり低くなり、損失が低下する。
【００２１】
このように、直流電圧の値により変圧器の結線を変更することで、幅広い直流電圧に対応可能かつ効率的な運転が可能となる。
また図９のように、切替え回路２６を変圧器２４の２次側に設けて、変圧器２４の２次側の結線をΔ結線とＹ結線に切り替え可能なように構成しても同様の効果が得られる。
【実施例４】
【００２２】
本発明の実施例４を図１０、図１１を用いて説明する。図１０は、実施例４のパワーコンディショナの構成回路図である。図３の構成回路図のうち、タップ付変圧器１３、切替え回路１２を、タップ付変圧器２９、切替え回路２８に変更したものである。その他の構成は、既に説明した図３に示された同一の符号を付された構成と同一の機能を有するので、それらの説明は省略する。
この実施例では、実施例１にて変圧器のタップを２段階としたが、タップを多数段とした構成である。その場合、切替え回路や制御回路の構成が複雑になるが、より効率的な運転が可能となる。
タップ付変圧器２９の１次側タップを複数設け、それぞれのタップを切替え回路２８でフィルタリアクトル７と接続される。直流電圧を制御回路３０で監視し、切替え回路２８に指令を出すことで最適な変圧器タップ比を選択する。直流電圧が高い場合はタップ電圧も高くし、直流電圧が下がった場合は低いタップ電圧を選択する。
【００２３】
直流電圧の変動に対し、適切なタップ比を選択することで、インバータに流れる電流を低く抑え続けることができ、より効率的な運転が可能となる。
また図１１のように、タップ付変圧器の２次側にタップを複数設けて、切替え回路３２をタップ付変圧器３１の２次側に接続することで、変圧器のタップ比を切り替え可能なように構成しても同様の効果が得られる。 
なお、本発明は上記した実施例に限定されるものでなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例では、フィルタ回路を構成要件として説明したが、フィルタ回路がない場合でも本発明の効果を奏することは明らかである。また、その配置も実施例に限定されるものでない。例えば、フィルタ回路を変圧器の後段に設けてもよい。また、変圧器に加えて、昇圧回路をさらに設けてもよい。その場合、変圧器、昇圧回路、フィルタ回路の位置は、順番を問わず配置可能である。
また、上記した実施例では、太陽光パネルを用いた発電用パワーコンディショナについて説明したが、これに限るものではなく、蓄電池や、風力発電などの再生可能エネルギーに由来する直流電力に対応したパワーコンディショナにも適用できる。
【符号の説明】
【００２４】
１    太陽光パネル出力電圧
２    インバータ出力電圧
３    系統電圧
４    電力系統
５    パワーコンディショナ
８    インバータ
１０  太陽光パネル
１１  フィルタ回路
１２，１６，１８，２２，２３，２６，２８，３２  切替え回路
１３，１５，２９，３１  タップ付変圧器
１４，１７，２０，２１，２５，２７，３０，３３  制御回路
１９，２４  変圧器
【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】
2014225985.tif 000010
【図９】
2014225985.tif 000011
【図１０】
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【図１１】
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