(57)【要約】  【課題】  発電量が少ないときにも省エネ化が図れるようにした太陽光発電システムを提供すること。  【解決手段】  太陽電池１で発電された直流電力を逆変換部６で交流電力に変換し、系統連系保護継電器７を介して商用系統４に連系させるようにした太陽光発電システムにおいて、検出回路５と発電量監視部８により太陽電池１の発電量を検出し、制御部１１は、当該発電量が予め設定してある所定値以下になったらキャリア信号発生部１０を制御し、ＰＷＭ信号発生部９に供給されるキャリアの周波数を下げ、逆変換部６のスイッチング損失の低減が得られるようにしたもの。  【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光発電部とパルス幅変調方式の逆変換部を備え、前記光発電部で発電された直流電力を前記逆変換部により交流電力に変換して出力する方式の太陽光発電システムにおいて、
前記光発電部の発電電力を監視する発電量監視手段と、前記パルス幅変調のためのキャリア信号の周波数を変更するキャリア周波数変更手段を設け、
前記光発電部の発電電力量に応じて前記キャリア信号の周波数が変更されるように構成したことを特徴とする太陽光発電システム。
【請求項２】
請求項１に記載の太陽光発電システムにおいて、
前記キャリア周波数変更手段は、前記発電量監視手段により検出された発電量が予め設定してある判定時間継続して所定値よりも小さい場合、前記キャリア周波数を低い周波数に変更するものであることを特徴とする太陽光発電システム。
【請求項３】
請求項１に記載の太陽光発電システムにおいて、
前記キャリア周波数変更手段が通信手段を備え、当該キャリア周波数変更手段による前記キャリア周波数の変更が、外部からの指令によっても実行され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】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、太陽電池を用いた光発電システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年は、省エネ(省エネルギー)と環境保護の見地から、太陽光発電にも多くの関心が集まり、太陽光パネルやソーラーパネルなどと呼ばれる太陽電池の設置が進んでいるが、このとき太陽電池から得られる電力は直流であり、一方、電力の利用形態としては、商用電力と同じく交流であることが望ましい。
【０００３】
そこで、一般には直流−交流変換装置、いわゆる逆変換装置を備えたパワーコンディショナと呼ばれる機器を併設し、商用系統(商用電力系統)に連系して交流電力が供給できるように構成するのが通例であり、且つ、このときに使用される逆変換装置としては、ＰＷＭ(パルス幅変調)方式のインバータ装置の適用が一般的である。
【０００４】
ところで、上記インバータ装置などの逆変換装置では、スイッチング素子が一般的に用いられており、その処理過程において、スイッチング損失が発生することが知られている。
【０００５】
扱う電力などが大きい場合には、上記スイッチング損失は、さほど問題とされない。しかしながら、扱う電力などが小さくなると、上記スイッチング損失を無視出来なくなる場合がある。この点ついて、特許文献１に記載がある。
【特許文献１】特開２００５−８５０８８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記従来技術は、燃料電池を前提とする電力変換装置にて、接続される負荷が軽負荷である場合に、キャリア周波数を低下させることによって、スイッチング損失を低減し、電力変換効率を向上させることの開示があるものである。
【０００７】
しかしながら、上記従来技術は、燃料電池を前提としているので、燃料電池から供給される電力は、通常使用の場合は、比較的安定している。
【０００８】
即ち、そもそもの供給される電力の大小に着目し効率については何ら配慮を必要としないものである。
【０００９】
一方、太陽電池の場合は、天候の影響等を受けて、発生し、供給される電力の変動が大きいものであると言える。この点が上記従来技術とは異なる点である。
【００１０】
従って、太陽光発電システムの場合には、上記従来技術で問題としていない点である電力の発生に関する効率に主として着目し、太陽電池からの供給される電力などが小さな場合での、スイッチング損失の低減を検討する必要があると考えられる。
【００１１】
太陽光発電は、当然ながら発電量が日射光量に依存するが、ここで日射光量は天候により大きく左右され、従って太陽電池の発電量は発電可能時間帯でも定格発電量から最小発電量まで大きく変化する。一方、逆変換装置には電力変換に伴う損失、いわゆるスイッチング損失(スイッチングロス)が存在するが、その損失量は取り扱う電力の大きさにあまり依存せず、ほぼ一定と看做すことができる。
【００１２】
このため、太陽電池の発電量が少ない領域になると、それに接続されている逆変換装置のスイッチング損失が発電量に比較して相対的に大きくなり、無視できなくなくなる。換言すれば、スイッチング損失は、発電量が小さい領域でこそ抑えるようにすべきであり、たとえ小さな損失でも無視すべきではない。しかるに従来技術では、この点に配慮がされていないので、小電力時での省エネ化に問題が生じてしまうのである。
【００１３】
本発明の目的は、発電量が少ないときにも省エネ化が図れるようにした太陽光発電システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記目的は、光発電部とパルス幅変調方式の逆変換部を備え、前記光発電部で発電された直流電力を前記逆変換部により交流電力に変換して出力する方式の太陽光発電システムにおいて、前記光発電部の発電電力を監視する発電量監視手段と、前記パルス幅変調のためのキャリア信号の周波数を変更するキャリア周波数変更手段を設け、前記光発電部の発電電力量に応じて前記キャリア信号の周波数が変更されるようにして達成される。
【００１５】
このとき、前記キャリア周波数変更手段は、前記発電量監視手段により検出された発電量が予め設定してある判定時間継続して所定値よりも小さい場合、前記キャリア周波数を低い周波数に変更するものであるようにしても上記目的が達成され、同じく、このとき前記キャリア周波数変更手段が通信手段を備え、当該キャリア周波数変更手段による前記キャリア周波数の変更が、外部からの指令によっても実行されるようにしても上記目的が達成される。
【００１６】
上記手段によれば、逆変換部のスイッチング損失を低減させるような制御が得られることになるが、ここで、上記スイッチング損失を低減させるにおいては、逆変換部における内部処理に使用されるキャリア周波数を調整することによって低減させるものとなる。
【００１７】
但し、ＰＷＭのキャリア周波数は、逆変換部で直流から交流に変換する際の基準となる信号であるから、通常は、その変換にとって好適な周波数が選択され設計などされているので、当該キャリア周波数を変えることは、制御が複雑になる等の問題があり、一般には、あまり変更されないものである。
【００１８】
従って、上記手段では、キャリア周波数の調整は、光発電量が小さい領域において実施するものとする。具体的には、例えば、発電量が小さい領域となる薄曇りの状態においてはキャリア周波数を低くするものとするのであるが、この薄曇りの状態については、所定期間の発電量を監視し、所定値よりも小さい場合にキャリア周波数を低周波数に変更させるようにする。
【００１９】
なお、上記キャリア周波数の変更は、制御などが複雑になる場合があるが、状況に応じて、発電量が小さい領域以外においても上記においてキャリア周波数の調整の実施を否定するものではない。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、太陽電池の発電量が少ない領域では電力変換に伴う損失が更に抑えられることになり、従って、太陽光エネルギーの有効利用を、より一層促進することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、本発明による太陽光発電システムについて、図示の実施の形態により詳細に説明する。
【００２２】
図１は、本発明の一実施形態で、図示のように、この実施形態に係る太陽光発電システムは、光発電部となる太陽電池１と、ダイオードからなる逆流防止素子２、電力調整用のパワーコンディショナ３を備えている。そして、パワーコンディショナ３に、逆流防止素子２を介して太陽電池１を接続し、太陽電池１により発電された直流の電力をパワーコンディショナ３に入力し、ここで例えば５０Ｈｚ又は６０Ｈｚの所定の周波数の交流電力に変換し、商用系統４に交流電力が供給されるように構成されている。
【００２３】
このとき、例えば、太陽電池１が家庭用として設置されている場合は、商用系統４には当該家庭内にある電灯やその他の家電製品が負荷として接続されていることになる。そして、この場合れらの負荷に太陽電池１から供給されている電力に余剰が生じたとき、つまり太陽電池１の発電量が負荷の電力を上回ったとき、この上回った分の電力が商用系統４に供給され、商取引(売電)の対象とされる。
【００２４】
次に、パワーコンディショナ３の詳細について説明すると、まず、これは、基本的には太陽電池１から入力された直流電力を交流電力に変換する装置であり、このためＰＷＭ方式の逆変換部６と、この逆変換部６のスイッチング素子を制御するためのＰＷＭ信号を発生するＰＷＭ信号発生部９と、ＰＷＭ信号によるスイッチング素子のオンオフ周波数を決定する信号、すなわちキャリア信号を生成するキャリア信号発生部１０が設けてある。
【００２５】
そして、これらＰＷＭ信号発生部９とキャリア信号発生部１０が制御部１１により制御され、この結果、逆変換部６のスイッチング素子がＰＷＭ信号によりオンオフ制御され、商用系統４の交流電力に同期した変換動作が得られるようになっている。
【００２６】
しかもこの制御部１１は、上記した商用系統４の交流電力に同期した逆変換部６の制御のみならず、商用系統４の状況を監視し、商用系統４に異常が検知されたときはシステムを商用系統４から解列して保護するため、系統連系保護継電器７を遮断するなどの制御も実行するようになっている。ここで、この系統連系保護継電器７は、図示のように、逆変換部６の交流出力側と商用系統４の間に設けられている。
【００２７】
次に、この実施形態では、太陽電池１の発電量によりＰＷＭキャリアの周波数が切換えられるようになっており、このため、まず、パワーコンディショナ３には発電量検出回路５と発電量監視部８が設けられ、これにより太陽電池１の発電量を検出する発電量監視手段を構成している。そして、検出された発電量は制御部１１に送られるようになっている。
【００２８】
そして、これと共に、キャリア信号発生部１０と制御部１１がキャリア周波数変更手段を構成し、この結果、キャリア信号発生部１０は、高低２種の異なった周波数、例えば周波数が１２ＫＨｚ程度の高周波キャリア信号と、例えば周波数が２ＫＨｚ程度の低周波キャリア信号を、制御部１１の制御のもとで任意に選択して発生することができるようになっている。
【００２９】
そこで、次に、このときのキャリア信号の切換動作について、図２のフローチャートにより説明する。ここで、この図２のフローチャートによる処理は、処理ステップＳ１で処理を開始した後、一連の処理ステップを実行する毎に処理ステップＳ１から再び開始されるようになっている。
【００３０】
まず、太陽電池１の発電量を検出回路５で検出し、太陽電池１の発電量を取り込み(Ｓ１)、次いで、この発電量を予め設定してある所定値と比較し、いま取り込んだ発電量が所定値以下か否かを判定する(Ｓ２)。ここで、このときの所定値は、太陽電池１の発電量が少なくて、逆変換部６のスイッチング損失が相対的に無視できなくなるときの発電量、例えば定格値の約１０％の発電量と同じ値に設定する。
【００３１】
次に、このステップＳ２での判定結果が肯定Ｙと否定Ｎの何れも場合でも、その状態が一定時間連続しているか否かを判断する(Ｓ３、Ｓ５)。これは発電量が急変したとき直ちに制御が応答したのでは、かえって動作が不安定になってしまうので、これを回避するためである。
【００３２】
すなわち、太陽光発電の場合、例えば、晴天のときに雲が流れていて、雲の影が太陽電池にかかってしまったなどのことがあり、このとき発電量は大きく急変する。そこで、このような発電量の急変に際しても、その影響を受けないようにするため一定時間の連続状態を判断しているのである。
【００３３】
そして、まず、発電量が所定値よりも一定時間大きい場合はキャリア周波数を高い方に、つまりキャリア信号を高周波キャリア信号に変更し(Ｓ４)、ステップＳ１に戻る。反対に発電量が所定値よりも一定時間、小さい場合はキャリア周波数を低い方に、つまりキャリア信号を低周波キャリア信号に変更し(Ｓ６)、ステップＳ１に戻る。そして、何れの場合も、同じ状態が一定時間連続しなかったときはキャリア周波数の変更は行わず、ステップＳ３とステップＳ５からそのままステップＳ１に戻るのである。
【００３４】
従って、この実施形態によれば、太陽電池１の発電量が少ないときはＰＷＭキャリアの周波数が低くされるので、逆変換部６のスイッチング素子がオンオフする回数が減少し、その分、スイッチング損失が低減されることになり、この結果、省エネ化の促進を得ることができる。
【００３５】
ここで上記実施形態の場合、高周波キャリア信号の周波数は１２ＫＨｚで低周波キャリア信号は２ＫＨｚの周波数にしてある。従って低周波キャリア信号に変更したときのスイッチング素子のオンオフ回数は６分の１になり、この結果、単純にいって、スイッチング損失を６分の１に抑えることができる。
【００３６】
しかも、このときのスイッチング損失の低減は発電量が少ない動作領域で発電効率の向上に特に効いてくる。従って、この実施形態によれば、発電量が天候に左右されることの多い太陽光発電システムに適用したことにより省エネ化に一層寄与することができる。
【００３７】
ところで上記の実施形態では、高周波キャリア信号の周波数を１２ＫＨｚにし、低周波キャリア信号は２ＫＨｚの周波数にしているが、その理由について説明すると、以下の通りである。
【００３８】
ＰＷＭ逆変換装置におけるキャリアの周波数は、逆変換した交流電力の波形の見地からすれば高いにこしたことはない。但し、このときスイッチングに使用する半導体素子の種別による制限があるが、ここでＩＧＢＴ(絶縁ゲート・バイポーラ・トランジスタ)を用いた場合は、かなり高周波のスイッチングにも耐えるので、特に考慮を要しない。一方、スイッチング損失の見地からすれば、低いほうが望ましい。
【００３９】
ここで汎用のインバータ装置では、商用系統と連系されることが考慮され、波形率や力率の見地から一般的にはかなり高いキャリア周波数が望まれ、例えば１２ＫＨｚのキャリアが用いられている。そこで、上記実施形態でも、これを踏襲し、或る程度の発電量が得られているときはなるべく奇麗な正弦波の交流電力が供給されるようにしているのである。
【００４０】
一方、このキャリアの周波数は、スイッチング損失の見地からすれば低いにこしたことはないが、あまり低くしたのでは出力波形の正弦波からの外れが酷くなり、従って、波形の保持とトレードオフ関係になるところから、一応の目安として２ＫＨｚの周波数を低周波キャリア信号に選んでいるのである。
【００４１】
なお、波形の悪化が許せるなら、更なるスイッチング損失の軽減を狙って低周波キャリア信号の周波数を２ＫＨｚ以下にすることも可能であり、理論的には商用系統の周波数である６０Ｈｚ又は５０Ｈｚにすることも可能である。但し、この場合、交流出力は矩形波になってしまうが、低周波キャリア信号に変更されるのは、太陽電池１の発電量が、例えば定格値の１０％以下のときであるから、たとえ波形が悪化していても、商用系統４にはそれほど影響を与える虞はない。
【００４２】
従って、以上の実施形態によれば、太陽電池１の発電量が充分な間は商用系統４と良好な電力波形による連系を保つことができる上、発電量がかなり低下するまで商用系統４に電力供給が可能な太陽光発電システムを得ることができる。
【００４３】
次に、図３は、本発明の他の一実施形態で、図１の実施形態に対して、更に通信ポート１２を設け、通信手段１５を介することにより、キャリア周波数の変更が外部にあるパソコン１４からも行えるようしたもので、その他の構成と機能は、図１の実施形態と同じであり、従って、この図３の実施形態は、図１の実施形態に対して、更に外部からの情報によっても制御内容が変更できるようにしたものに相当する。
【００４４】
パソコン１４は、インターネットのＷＥＢ上にある天候情報１３にアクセスできるようにしてあり、これによりパソコン１４を操作して天気予報や気象通報などの天候情報１４を取り込み、これに基づいて今後の太陽電池１の日射量変化を知り、発電量の時間経過に伴う変化を予測し、通信手段１５と通信ポート１２を介して制御部１１に送信する。
【００４５】
そこで、制御部１１は、予測された時刻毎の発電量に応じてキャリア周波数を変更することになり、従って、この図３の実施形態によれば、発電量が少ない場合を想定して、予めキャリア周波数を低くすることができ、この結果、スイッチング損失が低減できるので、発電効率の改善を図ることができる。
【００４６】
ところで、この図３の実施形態におけるパソコン１４は、通信手段１５を介して、複数台のパワーコンディショナや他のパソコン、及びシーケンサにも総合的に接続されるようにすることがてぎ、この場合は、複数の太陽光発電設備を総合的に監視し制御するシステムに本発明を適用した場合の一実施形態となる。
【００４７】
また、上述した実施例における構成について、最大点追従制御手段、最大点追従制御部を設けるものであっても良い。
【００４８】
最大点追従制御手段、最大点追従制御部とは、太陽電池にて発生する電力が最大となるように制御する手段、制御部である。実際の構成としては、図１、または図３の制御部１１の中に上記最大点追従制御手段、最大点追従制御部を設けることがあげられる。
【００４９】
なお、具体的な制御方法については、太陽電池にて発生する電圧に着目して、発生する電力を最大とするもの、発生する電流に着目して、発生する電力を最大とするもの、若しくは、発生する電圧、電流に着目して、発生する電力を最大とするもの等があるが、特にこれらに限定されるものでなくとも良い。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本発明による太陽光発電システムの一実施形態を示すブロック構成図である。
【図２】本発明による太陽光発電システムの一実施形態の動作を説明するためのフローチャートである。
【図３】本発明による太陽光発電システムの他の一実施形態を示すブロック構成図である。
【符号の説明】
【００５１】
１：太陽電池
２：逆流防止素子
３：パワーコンディショナ
４：商用系統
５：検出回路
６：逆変換部
７：系統連系保護継電器
８：発電量監視部
９：ＰＷＭ信号発生部
１０：キャリア信号発生部
１１：制御部
１２：通信入力部
１３：天候情報
１４：パソコン
１５：通信手段
【図１】
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【図２】
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【図３】
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