(57)【要約】【課題】短絡電流の検出値と、該短絡電流が生じている継続時間とに基づいて過熱状態か否かを判定して短絡電流を遮断することのできる電力変換装置を提供する。【解決手段】発電部２が出力する直流電力を変換する電力変換部４と、該電力変換部４の変換動作を制御する制御部７と、発電部２と電力変換部４との間の直流電路を遮断するための遮断器２１と、直流電路を流れる電流値を検出する電流センサ２０とを備え、遮断器２１は、制御部７からのシャントトリップ信号を受信すると自動遮断動作を行う外部トリップ機能付き遮断器であり、制御部７は、時間を計時するタイマーを備えるとともに、変換動作を停止しているときに電流センサ２０の検出電流値とタイマーが計時する時間とに基づいて遮断器２１にシャントトリップ信号を送出する。【選択図】図１
2015006074.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
発電部が出力する直流電力を変換する電力変換部と、該電力変換部の変換動作を制御する制御部と、前記発電部と前記電力変換部との間の直流電路を遮断するための遮断器とを備え、該遮断器は、前記制御部からのシャントトリップ信号を受信すると自動遮断動作を行う外部トリップ機能付き遮断器である電力変換装置において、
前記直流電路を流れる電流値を検出する電流センサをさらに備え、前記制御部は、時間を計時するタイマーを備えるとともに、前記変換動作を停止しているときに前記電流センサの検出電流値と前記タイマーが計時する時間とに基づく所定条件が成立すると前記遮断器に前記シャントトリップ信号を送出するように構成されていることを特徴とする電力変換装置。
【請求項２】
請求項１に記載の電力変換装置において、前記所定条件は、前記検出電流値が大きいほど短時間で成立するように設定されていることを特徴とする電力変換装置。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の電力変換装置において、前記制御部は、前記検出電流値が所定の閾値未満であるときは前記シャントトリップ信号を送出しないように構成されていることを特徴とする電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、太陽光発電システムなどにおけるパワーコンディショナや昇圧接続箱などの電力変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、下記の特許文献１には、複数の太陽電池ストリング（発電部）を系統連系インバータ（パワーコンディショナ）に接続するための昇圧ユニット（昇圧接続箱）が開示されており、特に、段落番号００５５には、昇圧回路を構成するスイッチング素子が短絡故障した場合に、スイッチング素子に取付けた温度センサの検出温度が設定温度以上になるとトリップ信号発生部が遮断器（入力ブレーカー）にトリップ信号を送出し、これにより太陽電池ストリングと系統連系インバータとの間の電路を開放して短絡電流を遮断し、発火等を事前に防止する技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００２−５１５７１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、短絡電流の発生原因は、スイッチング素子の故障とは限らず、昇圧回路の他の部位で堆積物等による回路短絡などが生じた場合にも短絡電流が生じ得る。その場合、上記従来の昇圧ユニットでは短絡電流が生じるにもかかわらずスイッチング素子の温度上昇はないために短絡電流の遮断動作が行われず、短絡部位の発熱によって最悪の場合発火してしまう危険性がある。
【０００５】
一方、昇圧回路の随所に多数の温度センサを設けることは設置スペース上の制約並びにコスト上の制約により現実的ではないし、また、短絡電流の検出によって即座に遮断動作を行うと、過熱の危険性が極めて小さいにもかかわらず遮断器の遮断動作が行われてしまい、再度発電を開始するためには遮断器を一々手作業で閉路復帰させる必要が生じてしまう。
【０００６】
そこで本発明は、短絡電流の検出値と、該短絡電流が生じている継続時間とに基づいて過熱状態か否かを判定して短絡電流を遮断することのできる電力変換装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、本発明は、次の技術的手段を講じた。
【０００８】
すなわち、本発明は、発電部が出力する直流電力を変換する電力変換部と、該電力変換部の変換動作を制御する制御部と、前記発電部と前記電力変換部との間の直流電路を遮断するための遮断器とを備え、該遮断器は、前記制御部からのシャントトリップ信号を受信すると自動遮断動作を行う外部トリップ機能付き遮断器である電力変換装置において、前記直流電路を流れる電流値を検出する電流センサをさらに備え、前記制御部は、時間を計時するタイマーを備えるとともに、前記変換動作を停止しているときに前記電流センサの検出電流値と前記タイマーが計時する時間とに基づく所定条件が成立すると前記遮断器に前記シャントトリップ信号を送出するように構成されていることを特徴とするものである（請求項１）。
【０００９】
かかる本発明の電力変換装置によれば、電力変換部を構成するスイッチング素子や配線などのいずれかの部位の故障などにより回路短絡などが生じて、変換動作の停止中であるにもかかわらず直流電路に短絡電流が生じても、電流センサの検出電流値と短絡電流の継続時間とに基づいて過熱状態となっている可能性が高いか否かを前記所定条件により判定して、過熱状態である可能性が高い場合には制御部が遮断器にシャントトリップ信号を送出することによって遮断器を自動遮断させることができ、これにより短絡電流を確実に遮断して発火等を未然に防止することができる。
【００１０】
なお、短絡電流の継続時間の起算点は、短絡電流の検出値が所定値以上であることを検出した時点であってもよく、また、回路短絡が生じた場合には変換動作停止中は発電電圧と短絡部位の電気抵抗値とに基づく所定の短絡電流が必然的に生じるから制御部が変換動作を停止した時点であってもよい。
【００１１】
上記本発明の電力変換装置において、前記所定条件は、前記検出電流値が大きいほど短時間で成立するように設定されていることが好ましい（請求項２）。これによれば、検出電流値が小さいときには比較的長時間遮断器が遮断動作しないようになり、さほど発熱していないにもかかわらず遮断器が遮断してしまうことを防止できる。一方、検出電流値が大きいときには比較的短時間で遮断器を遮断動作させることによって、過熱により発火してしまうことを確実に未然防止できる。
【００１２】
また、前記制御部は、前記検出電流値が所定の閾値未満であるときは前記シャントトリップ信号を送出しないように構成されているものとすることができる（請求項３）。より具体的には、前記所定条件の成立判定に、検出電流値が所定の閾値以上であることを含ませることもできるし、また、前記シャントトリップ信号を送出するための信号線にスイッチング素子を介設して検出電流値が所定の閾値未満であるときに前記シャントトリップ信号が遮断器に送出されないように前記スイッチング素子の開閉を制御部により制御することもでき、その他適宜の構成とすることができる。かかる構成によれば、生じている短絡電流が発火のおそれのない程度のものである場合や短絡電流が生じていない場合には、遮断器を遮断動作させないようにすることができる。
【００１３】
なお、本発明の電力変換装置は、太陽光発電システムその他の発電システム用の直流電力を電力系統に系統連系する交流電力に変換するパワーコンディショナとして好適に実施でき、また、太陽光パネルとパワーコンディショナとの間に設けられる昇圧接続箱としても実施可能である。また、遮断器が、外部信号によっては復帰動作を行えず、手動操作のみによって復帰動作を行える構成である場合に、特に好適に本発明を適用することができる。
【発明の効果】
【００１４】
以上説明したように、本発明の請求項１に係る電力変換装置によれば、電力変換部を構成するスイッチング素子や配線などのいずれかの部位の故障などにより回路短絡などが生じて、変換動作の停止中であるにもかかわらず直流電路に短絡電流が生じても、電流センサの検出電流値と短絡電流の継続時間とに基づいて過熱状態となっている可能性が高いか否かを前記所定条件により判定して、過熱状態である可能性が高い場合には制御部が遮断器にシャントトリップ信号を送出することによって遮断器を自動遮断させることができ、これにより短絡電流を確実に遮断して発火等を未然に防止することができる。
【００１５】
また、本発明の請求項２に係る電力変換装置によれば、検出電流値が小さいときには比較的長時間遮断器が遮断動作しないようになり、さほど発熱していないにもかかわらず遮断器が遮断してしまうことを防止できる。一方、検出電流値が大きいときには比較的短時間で遮断器を遮断動作させることによって、過熱により発火してしまうことを確実に未然防止できる。
【００１６】
また、本発明の請求項３に係る電力変換装置によれば、生じている短絡電流が発火のおそれのない程度のものである場合や短絡電流が生じていない場合には、遮断器を遮断動作させないようにすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の一実施形態に係るパワーコンディショナの回路ブロック図である。
【図２】直流電路の検出電流値と継続時間との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の好適な実施形態を図面に基づいて説明する。
【００１９】
図１は本発明の第１の実施形態に係るパワーコンディショナ１（電力変換装置）を具備する太陽光発電システムを示し、該発電システムは、太陽光発電部２と、該発電部２から供給される直流電力を商用系統電力に系統連系する交流電力に変換して商用電力系統に出力するパワーコンディショナ１とから主構成されている。
【００２０】
太陽光発電部２は、従来公知の適宜の構成であってよく、一般的には、建物の屋根などに設置された複数の太陽光発電パネルを備え、該パネルから発電出力される直流電力がパワーコンディショナ１のコンバータ４（電力変換部）の入力側に入力されるように構成されている。なお、太陽光発電パネルとしては、例えば１００〜１４０Ｖ程度の定格発電電力のものを採用できる。太陽光発電パネルの発電量が不足する場合、例えば早朝や夕方或いは悪天候時など太陽光発電パネルに直射日光が照射されない場合には、コンバータ４の入力電圧は日照量に応じて低下する。
【００２１】
発電部２とコンバータ４との間の直流電路には、発電部２からパワーコンディショナ１に供給される直流電力の電圧を測定する電圧センサ１９と、上記直流電路を流れる電流値を検出する電流センサ２０と、発電部２とパワーコンディショナ１との間の直流電路を遮断するための外部トリップ機能付き遮断器２１とが設けられている。なお、これら電圧センサ１９、電流センサ２０及び遮断器２１は、図示実施例ではパワーコンディショナ１の筐体に内蔵しているが、筐体の外部において直流電路に接続することもできる。
【００２２】
電圧センサ１９及び電流センサ２０の検出値は後述する制御部７に入力され、各種制御のパラメータとして利用される。遮断器２１は、上記直流電路に定格を超える異常な電流が流れると自律的に遮断動作を行うとともに、制御部７から送出されるシャントトリップ信号を受信すると自動遮断動作を行うように構成されている。また、本実施形態の遮断器２１は、外部からの信号によっては復帰動作を行うことができず、手動の機械スイッチを復帰操作することによって直流電路を閉じるように復帰動作可能に構成されている。
【００２３】
パワーコンディショナ１は、ＤＣリンクコンデンサにより構成されるＤＣリンク部３と、発電部２から供給される直流電力を交流の系統電圧の最大値（例えば２００Ｖ交流電力の場合は２８０Ｖ）に対応する所定電圧（例えば３５０Ｖ）に昇圧するよう電力変換してＤＣリンク部３に出力する昇圧チョッパ回路からなるＤＣ／ＤＣコンバータ４と、ＤＣリンク部３から供給される直流電力を系統電力に連系する交流電力に電力変換して系統側に出力するための電圧形ブリッジインバータ５（ＤＣ／ＡＣインバータ）と、インバータ５の出力側に設けられた解列用保護リレー６と、上記コンバータ４並びにインバータ５における各電力変換動作、及び、保護リレー６並びに遮断器２１の遮断動作を制御するための制御部７と、を備えている。なお、ＤＣリンク部３の両端電圧を検出するための電圧センサ（図示せず）を設けておくことが好ましい。
【００２４】
制御部７は、マイコンによって主構成され、各制御機能は制御プログラムとして実装されているが、各制御機能に対応する専用回路によって構成されていてもよい。
【００２５】
コンバータ４を構成する昇圧チョッパ回路は、昇圧リアクトル４１と、該昇圧リアクトル４１への昇圧動作時の電流の逆流を防止する昇圧用整流器４２と、昇圧リアクトル４１の蓄積エネルギーを制御するＩＧＢＴなどのスイッチング素子４３とを備えており、整流器４２のカソード側がＤＣリンクコンデンサ３の正極側に接続されている。制御部７はスイッチング素子４３をＰＷＭ制御することによってコンバータ４の入出力電力制御を行うように構成されている。
【００２６】
インバータ５は、フルブリッジ形の電圧形ブリッジインバータであり、４つのＩＧＢＴなどのスイッチング素子５１をＨブリッジ形に接続するとともに各スイッチング素子５１に帰還ダイオード５２を並列接続することにより構成されており、その出力側には連系リアクトル１５が設けられている。このインバータ５は、いわゆる電流モード制御（電圧形インバータの電流制御）を行うことによって出力電流を制御するものであり、系統への電力出力時はＤＣリンク部３からの直流電力をＰＷＭ制御若しくはＰＡＭ制御によって交流電力に変換して系統へ出力される。
【００２７】
また、本実施形態では、発電中は発電電力によってパワーコンディショナ１を動作させるとともに、発電できない夜間などは系統電力によってパワーコンディショナ１を動作させるように構成されている。具体的には、パワーコンディショナ１は、制御部７の電源として機能するレギュレータ１０と、該レギュレータ１０の電力入力端子にＤＣリンク部３から直流電力を供給するための電力引込配線１１を備え、該配線１１には逆流防止用ダイオード１２が設けられており、発電中はＤＣリンク部３からの電力を電源として制御部７を動作させるようになっている。また、系統電力をダイオードブリッジなどの整流手段１３を介して直流電力に整流した上でレギュレータ１０の電力入力端子に供給するための補助電源回路が設けられており、該補助電源回路は、上記整流手段１３と、系統電力の供給をオンオフするためのリレー１４とを備えている。このリレー１４の開閉動作も制御部７によって制御され、例えば、ＤＣリンク部３の電圧が制御部７の動作継続に必要な電圧未満になると保護リレー６を解列するとともにリレー１４を閉制御して、系統電力の供給を受けて制御部７の動作を継続できるようになっている。なお、上記ダイオード１２は、系統電力の供給を受けているときに系統電力が引込配線１１を介してＤＣリンク部３に供給されないようにするためのものである。
【００２８】
また、保護リレー６を解列動作させたときは、制御部７はコンバータ４及びインバータ５の各スイッチング素子４３，５１への制御信号の送出を停止することによって電力変換動作を停止するように構成されている。電力変換動作を停止すると、コンバータ４の入力電圧が、昇圧用整流器４２における若干の順電圧降下があるもののほぼそのままＤＣリンク部３に印加される。したがって、電力変換動作停止中であっても日射量が大きくなるにつれ太陽光発電部２の出力電圧が上昇する。そして、ＤＣリンク部３が所定電圧（例えば１１０Ｖ）を超えると、保護リレー６を並列制御するとともにリレー１４を開制御して、コンバータ４及びインバータ５の電力変換動作制御を開始するように制御部７が構成されている。
【００２９】
次に、遮断器２１のシャントトリップ制御について説明する。本実施形態の制御部７は、コンバータ４及びインバータ５の電力変換動作の停止中、上記直流電路の電流センサ２０の検出電流値を監視することにより、コンバータ４のスイッチング素子４３の短絡故障や、回路基板の配線間の回路短絡等による短絡電流の発生を監視するように制御構成されている。具体的には、制御部７は、時間を計時するための内蔵タイマーを備えているとともに、コンバータ４及びインバータ５の電力変換動作の停止中、電流センサ２０の検出電流値と内蔵タイマーが計時する時間とに基づく直流電路遮断条件が成立すると遮断器２１にシャントトリップ信号を送出することにより遮断器２１を自動遮断動作させるように制御構成されている。
【００３０】
図２は直流電路遮断条件の一例を説明するためのグラフであり、本実施例では、電流センサ２０の検出電流値Ｉに応じて遮断器２１を遮断させるまでの経過時間ｔが設定されているとともに電流値の下限閾値Ｉａが設定されており、検出電流値Ｉが下限閾値Ｉａ以上となった時点から現在の検出電流値Ｉに対応する経過時間ｔ（Ｉ）を経過すると、制御部７がシャントトリップ信号を遮断器２１に送出するように構成されている。ここで、経過時間ｔは検出電流値Ｉが大きくなるにしたがって短時間となるように設定されている。上記のように、検出電流値Ｉが下限閾値Ｉａを超えた時点からタイマーによる計時を開始することにより、検出電流値Ｉが下限閾値Ｉａ未満であるときはシャントトリップ信号が遮断器２１に送出されないようにすることができ、発火の可能性がない程度の短絡電流しか生じていないときはパワーコンディショナ１の通常運転を継続できるようにしている。
【００３１】
ジュールの法則より、短絡が生じているときの短絡部位の電気抵抗をＲ、短絡電流が生じている継続時間をｔ、短絡電流値をＩとすると、短絡電流によって短絡部位に発生するジュール熱の量Ｑは、Ｑ＝ＲＩ2ｔとなる。ここで、一定のジュール熱の発生により遮断器２１を遮断動作させるとすると熱量Ｑは定数と見ることができ、また、短絡部位の電気抵抗Ｒも急変する可能性は低いため定数とみると、上記数式は、ｔ（Ｉ）＝Ｑ／ＲＩ2と書き換えることができる。したがって、経過時間ｔは、電流値Ｉの二乗に反比例するように設定できる。なお、経過時間ｔを電流値Ｉに反比例するように設定してもよい。
【００３２】
本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、適宜設計変更できる。例えば、上記条件は発火の可能性の判定のためのものであるから厳密なものでなくてもよく、安全マージンを見込んで経過時間ｔを短めに設定しておくことができる。また、パワーコンディショナ１の筐体内の雰囲気温度は季節や直前の動作状況等によっても異なり、発熱量Ｑが一定であっても雰囲気温度によって短絡部位の絶対温度は異なるため、筐体内の雰囲気温度センサを別途設けておき、該温度センサの検出温度を用いて経過時間ｔを補正することも可能である。
【００３３】
また、短絡部位の電気抵抗値Ｒも故障状況等によって異なるため、電気抵抗値Ｒを定数とすると的確な条件判定ができない場合がある。一方、電圧センサ１９が検出する検出電圧値Ｖを用いて、上記数式はｔ（Ｉ）＝Ｑ／ＶＩと書き換えることができる。したがって、電圧センサ１９が検出する検出電圧値Ｖと電流センサ２０が検出する検出電流値Ｉにそれぞれ反比例するように経過時間ｔを設定することにより、短絡部位の電気抵抗値Ｒに関わらず一定の発熱量Ｑの発生時点で遮断器２１を遮断動作させることも可能である。
【００３４】
なお、制御部７は、上記数式によって検出電流値Ｉから経過時間ｔを演算によって求めるように構成されていてもよく、また、検出電流値Ｉと経過時間ｔとの関係を設定したテーブルに基づいて経過時間ｔを選択するように構成することもできる。
【００３５】
また、検出電流値Ｉが時間経過とともに変動する場合に対応して、一定の単位時間Δｔごとに現時点の検出電流値Ｉに対応する時間ｔ（Ｉ）に対する単位時間Δｔの割合を積算していき、積算された値が１００％以上になったときにシャントトリップ信号を遮断器２１に送出するように制御構成することもできる。
【００３６】
また、本発明は、太陽光発電システムの昇圧接続箱（電力変換装置）としても実施することが可能である。
【符号の説明】
【００３７】
１  電力変換装置
４  電力変換部
７  制御部
２０  電流センサ
２１  遮断器  
【図１】
2015006074.tif 000003
【図２】
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