(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
それぞれダイオードが逆並列に接続された複数個のスイッチング素子からなるブリッジ回路を備えるインバータ回路を用いることにより太陽電池から出力される直流電圧を交流電圧に電力変換する分散電源と、負荷に供給する電力を通す幹線と商用電源との間に接続された漏電ブレーカよりなる主幹ブレーカと、インバータ回路と幹線との間に挿入され分散電源と商用電源との系統連系と系統分離とを行なう解列開閉器と、分散電源における地絡を太陽電池−インバータ回路−解列開閉器−主幹ブレーカ−商用電源−太陽電池を通る経路の直流の地絡電流により検出する地絡検出手段と、地絡検出手段により分散電源の地絡が検出されると解列開閉器を解列させる機能を有し分散電源の商用電源への系統連系を開始する際にインバータ回路のスイッチング素子のオンオフ動作を開始した後に解列開閉器を閉成して系統連系させる制御部とを備えることを特徴とする太陽光発電システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、太陽電池を用いて発電する分散電源と商用電源との系統連系を行なうようにした太陽光発電システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、太陽電池からなる直流電源を用いインバータ回路により交流電力に電力変換する分散電源を商用電源に系統連系し、負荷に交流電力を供給するようにした太陽光発電システムが各種提案されている。
【０００３】
この種の太陽光発電システムは、たとえば図５に示すように、単相３線の商用電源３に漏電ブレーカよりなる主幹ブレーカ２０を介して接続した幹線と分散電源との間に解列開閉器１０を介在させてある。負荷４には幹線を通して電力が供給され、負荷４に対して商用電源３と分散電源とのどちらからも電力が供給可能になっている。分岐ブレーカなどは図では省略している。
分散電源は、多数の太陽電池セルを配列してパネル状とした太陽電池１を備え、太陽電池１から出力される直流電圧を昇圧チョッパ回路よりなる昇圧回路５により昇圧し、昇圧回路５の出力電圧をインバータ回路６により交流電圧に電力変換するように構成されている。インバータ回路６の出力はフィルタ回路７を通して解列開閉器１０に接続される。このフィルタ回路７によりインバータ回路６から出力されるパルス列が正弦波状に波形整形される。昇圧回路５およびインバータ回路６は、それぞれスイッチング素子５２，６１〜６４を備え、これらのスイッチング素子５２，６１〜６４は制御部８により制御される。ここに、スイッチング素子５２，６１〜６４にはＩＧＢＴを用いている。
【０００４】
ところで、制御部８は各種の異常が検出されたときに、スイッチング素子６１〜６４をオフにしてインバータ回路６の動作を停止させるとともに解列開閉器１０を解列させる機能を有している。つまり、異常時には分散電源の動作を停止させて商用電源３に影響を与えないようにする。このような異常の一つには地絡があり、商用電源３側の地絡は主幹ブレーカ２０で検出されるが、分散電源での地絡は主幹ブレーカ２０では検出することができないから、分散電源には、地絡検出用の電流センサ１１を設けてある。電流センサ１１の出力は判断回路９に与えられ、判断回路９は電流センサ１１の出力に基づいて地絡を検出すると、スイッチング素子６１，６３の動作を停止させかつ解列開閉器１０を解列させるように制御部８を制御する。つまり、電流センサ１１および判断回路９により地絡検出手段が構成される。電流センサ１１としてはトロイダル状のコアを備える変流器を用いている。
【０００５】
たとえば、太陽電池の負側で地絡が生じて図５に抵抗Ｒｇで示す経路が形成されると、太陽電池１−昇圧回路５−インバータ回路６−フィルタ回路７−解列開閉器１０−主幹ブレーカ２０−商用電源３−抵抗Ｒｇ−太陽電池１という経路を通して地絡電流Ｉｒが流れる。このように地絡電流Ｉｒが流れると電流センサ１１に流れる電流に不平衡が生じるから、電流センサ１１の出力に基づいて判断回路９が地絡と判断し、制御部８を通してスイッチング素子６１〜６４をオフにし解列開閉器１０を解列させるのである。この種の技術は、たとえば特開平９−２８５０１５号公報にも記載されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述した太陽光発電システムでは、夜間や雨天のように太陽電池１による発電がほとんど行なわれない期間には、解列開閉器１０を解列し、分散電源を商用電源３から系統分離している。一方、夜が明けたり雨が上がったりして太陽電池１から所定の出力電流が得られるようになると、解列開閉器１０を閉成して系統連系状態に移行する。
【０００７】
系統分離から系統連系に移行する際には、図６における時刻ｔａで昇圧回路５による昇圧動作を開始した後、時刻ｔｂにおいて制御部８が解列開閉器１０を閉成させる指示を与え、この指示に応答して時刻ｔｃにおいて解列開閉器１０を閉成（オン）させる。こうして解列開閉器１０がオンになると時刻ｔｄにおいて制御部８がインバータ回路６の動作開始を指示し、系統連系運転が開始されるようになっている。つまり、解列開閉器１０を閉成させて商用電源３と分散電源との系統連系を開始した後に、インバータ回路６の出力を商用電源３に徐々に同期させるように制御するのである。
【０００８】
このような動作において、インバータ回路６の動作の開始までに分散電源において地絡が生じていたとすると、解列開閉器１０が閉成された時点で解列開閉器１０を通る経路で地絡電流Ｉｒが流れる場合がある。ここに、インバータ回路６は、いわゆるフルブリッジ形のインバータ回路であって、４個のスイッチング素子６１〜６４からなるブリッジ回路を備え、また各スイッチング素子６１〜６４にはそれぞれダイオード６５〜６８が逆並列に接続される。たとえば、図示例でスイッチング素子５２，６１〜６４に用いているＩＧＢＴは、インバータ用として６個を１組とし、かつ各ＩＧＢＴにそれぞれダイオード６５〜６８を逆並列に接続した形でパッケージに収納した形で提供されているものを用いている。
【０００９】
しかして、インバータ回路６は商用電源３に対して力率を１にするように制御されるのであって、スイッチング素子６１〜６４がオンオフされている期間に分散電源で地絡が生じてもスイッチング素子６１〜６４が商用電源３に同期してオンオフしているから、主幹ブレーカ２０では分散電源での漏電が検出されることはない。しかしながら、インバータ回路６が停止している期間に解列開閉器１０が閉成すると、地絡電流Ｉｒの流れる経路として、図５に実線および破線で示すようなダイオード６７，６８を通る経路が生じ、この経路において地絡電流Ｉｒは半波整流されて図７のような脈流状になる。図７における横軸の１目盛は２０ｍ秒、縦軸の１目盛は５０ｍＡである。このような脈流状の電流が主幹ブレーカ２０に流れると、主幹ブレーカ２０に流れる電流が不平衡になり、主幹ブレーカ２０で漏電が検出されて主幹ブレーカ２０が遮断されることがある。要するに、分散電源において地絡が生じているにもかかわらず、商用電源３側に設けた主幹ブレーカ１０が遮断されて、商用電源３側には何の異常もない場合でも負荷４に電力が供給されなくなるという問題が生じる。たとえば、夜間に分散電源において地絡が生じているとすれば、夜が明けて系統連系運転を開始するために解列開閉器１０を閉成すると同時に、主幹ブレーカ２０が遮断されることになる。この時点で、分散電源側で直流地絡が検出されていなければ、主幹ブレーカ２０を再投入しても再び遮断されることになり、負荷４への電力供給ができなくなるという問題が生じる。
【００１０】
本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、分散電源で地絡が生じている状態で解列開閉器を閉成しても商用電源側の主幹ブレーカが遮断されることのない太陽光発電システムを提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、それぞれダイオードが逆並列に接続された複数個のスイッチング素子からなるブリッジ回路を備えるインバータ回路を用いることにより太陽電池から出力される直流電圧を交流電圧に電力変換する分散電源と、負荷に供給する電力を通す幹線と商用電源との間に接続された漏電ブレーカよりなる主幹ブレーカと、インバータ回路と幹線との間に挿入され分散電源と商用電源との系統連系と系統分離とを行なう解列開閉器と、分散電源における地絡を太陽電池−インバータ回路−解列開閉器−主幹ブレーカ−商用電源−太陽電池を通る経路の直流の地絡電流により検出する地絡検出手段と、地絡検出手段により分散電源の地絡が検出されると解列開閉器を解列させる機能を有し分散電源の商用電源への系統連系を開始する際にインバータ回路のスイッチング素子のオンオフ動作を開始した後に解列開閉器を閉成して系統連系させる制御部とを備えるものである。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態として説明する回路構成は、従来構成と同様であるが制御手順が異なっている。まず回路構成について具体的に説明する。図１に示すように、商用電源３は単相３線であって漏電ブレーカよりなる主幹ブレーカ２０を介して幹線に接続される。負荷４には幹線を通して電力が供給され、また、幹線には解列開閉器１０を介して分散電源が接続される。ここに、分岐ブレーカや連系ブレーカは本発明の主旨ではないから図示していないが、一般には幹線から負荷４への分岐点には分岐ブレーカを用い、また幹線と解列開閉器１０との間には連系ブレーカが挿入される。
【００１３】
分散電源は、太陽電池１を電源とし、昇圧回路５、インバータ回路６、フィルタ回路７を用いて正弦波状の交流電圧を出力するように構成されている。太陽電池１は太陽電池セルを多数配列してパネル状としたものであり、太陽電池１の出力電圧は日射量に応じて変化するが、ここでは出力電圧が０〜３００Ｖの範囲で変化する太陽電池１を想定している。分散電源は太陽電池１の出力電圧がたとえば１５０Ｖ以上になる範囲で動作させる。つまり、夜間や雨天など太陽電池１の出力が低下している期間には分散電源は停止させる。この制御は、図示していないが太陽電池１の出力電圧を監視することにより行なっている。
【００１４】
昇圧回路５は、商用電源３の交流電圧の実効値（２００Ｖ）の約１．４倍の出力電圧が得られるように昇圧するものであって、太陽電池１の出力端間に接続されたリアクトル５１とスイッチング素子５２との直列回路を備え、ダイオード５３と平滑コンデンサ５４との直列回路がスイッチング素子５２に並列接続された構成を備える。スイッチング素子５２にはＩＧＢＴを用いており、ダイオード５５が逆並列に接続されている。つまり、昇圧回路５は昇圧チョッパ回路として知られている周知の構成を有し、スイッチング素子５２を高周波でオンオフさせ、スイッチング素子５２のオン期間に太陽電池１からリアクトル５１にエネルギを蓄積し、スイッチング素子５２のオフ期間にリアクトル５１に誘起された両端電圧を太陽電池１の出力電圧に加算し、ダイオード５３を介して平滑コンデンサ５４を充電するように構成されている。したがって、スイッチング素子５２のオンオフのデューティ比を制御することによって平滑コンデンサ５４の出力電圧が調節可能になる。図示していないが昇圧回路５の出力電圧（平滑コンデンサ５４の両端電圧）は制御部８に入力されており、制御部８は昇圧回路５の出力電圧を一定に保つようにスイッチング素子５２のオンオフのデューティ比を制御する。
【００１５】
一方、インバータ回路６は４個のスイッチング素子６１〜６４によるブリッジ回路を構成したものであり、各一対のスイッチング素子６１〜６４からなる直列回路をブリッジ回路の各アームとし、昇圧回路５の平滑コンデンサ５４に各アームを並列に接続した構成を有する。また、各スイッチング素子６１〜６４にはそれぞれダイオード６５〜６８が逆並列に接続される。スイッチング素子６１〜６４は、一方のアームのハイサイド（正極側）のスイッチング素子６１，６２がオンのときに、他方のアームのローサイド（負極側）のスイッチング素子６３，６４がオンになるように制御部８により制御される。また、スイッチング素子６１〜６４のオン期間はＰＷＭ制御されており、図２  （ｂ）  （ｃ）に示すように時間経過に伴って各スイッチング素子６１〜６４のオン期間の幅を変化させることにより、時間積分を正弦波状に変化させている。つまり、制御部８では、図２  （ａ）に示すように、一定周波数の三角波状の基準電圧Ｖｓを発生させるとともに正弦波状に変化する指令電圧Ｖｅを発生させ、基準電圧Ｖｓと指令電圧Ｖｅとを比較することにより、スイッチング素子６１〜６４をオンにするパルス幅を決定する。
【００１６】
インバータ回路６から出力されるパルス電圧はリアクトルＬ１，Ｌ２とコンデンサＣ１，Ｃ２よりなるフィルタ回路７に入力され、滑らかな正弦波状の電圧波形が得られるようにしてある。ここに、フィルタ回路７の出力電圧波形を商用電源３の電圧位相に一致させるように、制御部８はスイッチング素子６１〜６４のオンオフのタイミングを調節する。つまり、インバータ回路６は商用電源３に対して力率が１に保たれるように制御される。
【００１７】
地絡の検出についても従来構成と同様であって、太陽電池１と昇圧回路５との間などの適宜位置に電流センサ１１を配置し、電流センサ１１の出力を判断回路９に入力することにより地絡が生じているか否かが判断される。つまり、電流センサ１１の出力に基づいて判断回路９が地絡の発生を検出すると、制御部８から解列開閉器１０に対して解列の指示が与えられ、解列開閉器１０が解列するとインバータ回路６の動作を停止させる。解列開閉器１０は電磁接触器よりなり幹線に接続される主接点のほかに補助接点を備えているから、補助接点の開閉状態を監視すれば解列開閉器１０が解列したか否かを判断することができる。
【００１８】
一方、夜間等で系統分離している状態から系統連系に移行する際には、図３に示すように、制御部８は時刻ｔａにおいて昇圧回路５による昇圧動作を開始させた後、時刻ｔｂにおいてインバータ回路６のスイッチング素子６１〜６４のオンオフ動作を開始させる。その後、時刻ｔｃにおいて解列開閉器１０を閉成させる指示を与えると、時刻ｔｄにおいて解列開閉器１０がオンになるのである。ここで、インバータ回路６は解列開閉器１０の閉成前から動作するから、解列開閉器１０に対して商用電源３側において商用電源３の状態を監視し、インバータ回路６の出力を商用電源３に同期させた状態で解列開閉器１０を閉成させることが必要である。
【００１９】
上述のように、系統分離状態から系統連系状態への移行の際に、インバータ回路６の動作を開始した後に解列開閉器１０を閉成させるから、解列開閉器１０の閉成前に分散電源において直流地絡が生じていたとしても、主幹ブレーカ１０に流れる地絡電流はほぼ直流であって、地絡電流を半波整流した電流は主幹ブレーカ１０に流れないから、分散電源で生じた地絡によって主幹ブレーカ１０が遮断されるという誤動作を回避することができる。つまり、図４に示すように、地絡電流はわずかに変動する程度のほぼ一定値になり、この電流は直流的であって主幹ブレーカ１０に内蔵した変流器の出力には現れないから、漏電ブレーカである主幹ブレーカ１０で、この地絡電流が検出されることはなく、分散電源で生じた地絡によって主幹ブレーカ１０が遮断されるのを防止することができるのである。図４における横軸の１目盛は２０ｍ秒、縦軸の１目盛は５０ｍＡである。また、図中のＧは接地電位を示す。
【００２０】
【発明の効果】
本発明は、それぞれダイオードが逆並列に接続された複数個のスイッチング素子からなるブリッジ回路を備えるインバータ回路を用いることにより太陽電池から出力される直流電圧を交流電圧に電力変換する分散電源と、負荷に供給する電力を通す幹線と商用電源との間に接続された漏電ブレーカよりなる主幹ブレーカと、インバータ回路と幹線との間に挿入され分散電源と商用電源との系統連系と系統分離とを行なう解列開閉器と、分散電源における地絡を太陽電池−インバータ回路−解列開閉器−主幹ブレーカ−商用電源−太陽電池を通る経路の直流の地絡電流により検出する地絡検出手段と、地絡検出手段により分散電源の地絡が検出されると解列開閉器を解列させる機能を有し分散電源の商用電源への系統連系を開始する際にインバータ回路のスイッチング素子のオンオフ動作を開始した後に解列開閉器を閉成して系統連系させる制御部とを備えるものであり、インバータ回路のスイッチング素子をオンオフ動作させた状態で解列開閉器を閉成するから、インバータ回路の停止している状態で商用電源に接続されることがなく、解列開閉器の閉成前に分散電源で直流地絡が生じていたとしても、地絡電流を半波整流した電流は主幹ブレーカに流れず、主幹ブレーカが誤動作するのを防止することができる。要するに分散電源において生じた地絡で主幹ブレーカが動作することがなく、商用電源が正常であるにもかかわらず主幹ブレーカが遮断されるという誤動作を防止することができるのである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態を示す回路図である。
【図２】同上の動作説明図である。
【図３】同上の動作説明図である。
【図４】同上の動作説明図である。
【図５】従来例の問題点を示す動作説明図である。
【図６】同上の動作説明図である。
【図７】同上の動作説明図である。
【符号の説明】
１  太陽電池
３  商用電源
６  インバータ回路
８  制御部
９  判断回路
１０  解列開閉器
１１  電流センサ
２０  主幹ブレーカ
【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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