(57)【要約】【課題】  起動時における突入電流を防止することにより、起動時における電力の供給を速やかに行うことができるパワーコンディショナを提供することを目的とする。【解決手段】  太陽電池１０によって発電された直流電力を交流電力へ変換するインバータ１１を備え、インバータ１１によって交流変換された出力電力を負荷又は電力系統へ供給するパワーコンディショナ３０において、パワーコンディショナ３０内のインバータ１１と負荷２０とをつなぐ配線にリアクタ１５を設けることにより、インバータ１１の起動時に発生する突入電流を抑制する。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
発電装置により発電された直流電力を交流電力へ変換するインバータを備え、前記インバータによって交流変換された出力電力を負荷又は電力系統へ供給するパワーコンディショナであって、
前記インバータと前記負荷とをつなぐ配線にリアクタを備えることを特徴とするパワーコンディショナ。
【請求項２】
発電装置により発電された直流電力を交流電力へ変換するインバータを備え、前記インバータによって交流変換された出力電力を負荷又は電力系統へ供給するパワーコンディショナであって、
前記負荷に対して電力を供給する自立運転を行う場合に、前記インバータの起動時から所定の期間をかけて、前記インバータの出力電圧が所定の値に達するように前記インバータを制御する制御手段を具備することを特徴とするパワーコンディショナ。
【請求項３】
前記インバータの出力電圧を検出する電圧検出手段と、
前記インバータの目標電圧を設定する設定手段と
を備え、
前記制御手段は、前記電圧検出手段によって検出された電圧値と前記設定手段によって設定された目標電圧とに基づいて、前記インバータを制御することを特徴とする請求項２に記載のパワーコンディショナ。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれかの項に記載のパワーコンディショナを備えることを特徴とする発電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発電システムに用いられるパワーコンディショナに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
太陽光発電システムや風力発電システム等の発電システムでは、一般的に、系統連系運転方式と自立運転方式との２つの運転方式がある。自立運転方式とは、発電装置が発電した直流電力を交流電力に変換して負荷に供給する運転方式であり、パワーコンディショナに連結される負荷（例えば、テレビ、冷蔵庫等の家電機器等）に対して安定した電力供給を行う運転方式である。
一方、系統連系運転方式は、前記同様に発電装置により発電した直流電力を交流電力に変換し、電力会社等の電力系統に接続し、
負荷系統に供給する電力に余剰が生じた場合に、電力会社等の電力系統へ電力を供給する運転方式である。
そして、電力系統及び負荷系統に対して安定した電力供給を行うための装置として、パワーコンディショナがある。パワーコンディショナは、発電装置と系統との間に設置され、一般的に、直流電力を交流電力に変換するインバータ、インバータを制御する制御装置、及びパワーコンディショナ内に過電流が流れる等の異常が発生した場合に、インバータ等の各部の運転を停止させる保護装置等から構成される。
また、パワーコンディショナ内の制御装置は、発電装置により十分な発電が行われ、発電電力が予め決められている所定の値以上となった場合に、インバータを駆動させることにより、発電電力を負荷系統等へ供給する。
上述したようなパワーコンディショナとして、例えば、特開２００２−３５４６７７（特許文献１に示されるものがある。この特許文献１には、自立運転時において、太陽電池から最大電力を取り出すことが可能なパワーコンディショナの技術が開示されている。
【特許文献１】特開２００２−３５４６７７号公報（段落［００１３］〜［００２０］、及び図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところで、上述したようにインバータを起動し、自立運転を開始する場合、突入電流が流れ、これによって、上述した保護装置が作動し、インバータの起動が停止されてしまうことがある。インバータが停止してしまうと、発電装置により十分な発電が行われているにも拘わらず、発電電力を負荷へ供給することができなくなるという問題があった。
上記特許文献１の発明では、太陽電池から最大電力を効率よく取り出す技術については開示されているが、インバータの起動時における突入電流についての記載はなく、インバータの起動時に生ずる上述のような問題点については一切考慮されていない。
【０００４】
本発明は、上記問題を解決するために、起動時における突入電流を抑制することにより、インバータの起動を円滑に行い、発電電力を有効に負荷へ供給することができるパワーコンディショナ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】
【０００５】
上記課題を解決するために、本発明は以下の手段を採用する。
【０００６】
本発明のパワーコンディショナは、発電装置により発電された直流電力を交流電力へ変換するインバータを備え、前記インバータによって交流変換された出力電力を負荷又は電力系統へ供給するパワーコンディショナであって、前記インバータと前記負荷とをつなぐ配線にリアクタを備えることを特徴とする。
【０００７】
発明者らは、突入電流を抑制する手段として、インバータと負荷とをつなぐ配線にリアクタを設けた。
リアクタは、高周波の電流をできるだけ流さないという特性を有するとともに、抵抗成分を有している。したがって、突入電流の電流は、このリアクタにより抑制され、且つ、高周波成分が除去される。更に、リアクタは、汎用素子であるため安価であり、許容電力（許容電流）も大きい。従って、リアクタをインバータと負荷とをつなぐ配線に設けることにより、効果的に突入電流を抑制することができる。
このように、突入電流を抑制することにより、過電流がパワーコンディショナに流れるのを防ぎ、保護装置の作動を抑止する。この結果、安定したインバータの運転を行うことができる。
なお、インバータと負荷とをつなぐ配線とは、具体的には、インバータのＵ相側、及びＷ相側（図１参照）をいう。ここで、Ｕ相側又はＷ相側のいずれかにリアクタを設けても良いし、Ｕ相側及びＷ相側にそれぞれリアクタを設けても良い。
なお、発電装置としては、例えば、太陽電池、燃料電池等が挙げられる。
また、突入電流が流れるタイミングとしては、例えば、インバータの起動時が挙げられる。
【０００８】
また、本発明のパワーコンディショナは、発電装置により発電された直流電力を交流電力へ変換するインバータを備え、前記インバータによって交流変換された出力電力を負荷又は電力系統へ供給するパワーコンディショナであって、前記負荷に対して電力を供給する自立運転を行う場合に、前記インバータの起動時から所定の期間をかけて、前記インバータの出力電圧が所定の値に達するように前記インバータを制御する制御手段を具備することを特徴とする。
【０００９】
制御手段は、インバータの起動時に、所定期間でインバータの出力電圧が所定の電圧値に達するように、除々に電圧を上昇させる。このように、制御手段は、所定期間かけて除々にインバータの出力を上昇させるため、出力電流もその出力電圧に応じた値となる。従って、インバータの起動時における突入電流の発生を防止することができる。
なお、電圧の上昇のさせ方については、特に限定しないが、例えば、一定時間に対する出力の実効値の電圧変化量が一定量又は所定量ずつ大きくなるように電圧を上昇させたり、上昇と下降を繰り返しながら除々に電圧を上昇させたりする方法が挙げられる。
なお、所定の電圧値とは、負荷が要求する要求電圧であり、例えば、実効値１００Ｖである。
また、インバータの起動時とは、制御手段がインバータの制御を開始するときをいう。
具体的には、例えば、インバータの入力電圧が負荷系統へ供給するのに適した電力に達したときに、制御手段がインバータを起動するようにシーケンスされているパワーコンディショナであれば、制御手段がインバータに対して何らかの制御信号を発したときから、インバータがその制御信号を受けてインバータ内のスイッチング素子が実際に駆動したときまでのいずれかの時点をいうものとする。
【００１０】
また、前記インバータの出力電圧を検出する電圧検出手段と、前記インバータの目標電圧を設定する設定手段とを備え、前記制御手段は、前記電圧検出手段によって検出された電圧値と前記設定手段によって設定された目標電圧とに基づいて、前記インバータを制御する制御手段とを特徴とする。
【００１１】
電圧検出手段は、インバータの出力電圧を検出し、検出結果を出力信号として制御手段へ通知する。
設定手段は、所定の期間をかけてインバータの出力が所定の期間をかけて所定の値に達するような目標交流電圧を設定し、制御手段へ供給する。なお、所定の期間とは、例えば、保護装置が作動する電流の値に基づいて決定される。即ち、保護装置が作動する電流値が高いほど、所定の期間は短くてよい。また、所定の値とは、例えば、負荷が要求する要求電圧をいう。
制御手段は、電圧検出手段から通知された出力信号が設定手段によって設定された目標電圧に一致するようにインバータを制御する。
このように、設定手段が目標交流電圧を定め、制御手段が設定手段により設定された目標値に一致するようにインバータを制御することにより、電圧制御を精度良く行うことができる。
【００１２】
また、発電システムは、請求項１から請求項４のいずれかの項に記載のパワーコンディショナを備える。これにより、発電装置により発電された発電電力を高効率で系統へ供給することができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明のパワーコンディショナ装置は、以下の効果を奏する。
【００１４】
本発明によれば、インバータと負荷とをつなぐ配線にリアクタを備えるので、起動時における突入電流を抑制できる。この結果、発電電力の供給を速やかに開始することができ、発電電力を有効に使用することができる。また、リアクタを採用することにより、低コストで効果的に突入電流を抑制することができる。
【００１５】
また、本発明によれば、インバータの起動時に、所定期間でインバータの出力電圧が所定の電圧値に達するように除々に電圧を上昇させる制御手段を備えるので、起動時における突入電流を抑制できる。この結果、発電電力の供給を速やかに開始することができ、発電電力を有効に使用することができる。
【００１６】
また、本発明によれば、目標電圧を設定する設定手段と、設定手段により設定された目標値に一致するようにインバータを制御する制御手段とを備えているので、インバータの出力制御を精度良く行うことができ、突入電流の発生を確実に防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下に、本発明に係るパワーコンディショナの一実施形態について、図面を参照して説明する。
＜第１の実施形態＞
図１は、太陽光発電システムに本発明の第１の実施形態に係るパワーコンディショナを適用した場合の構成を示すブロック図である。なお、ここでは主に、自立運転時における構成について示している。
この図において、符号１０は太陽電池（発電装置）であり、太陽光の照射を受けて直流電力を発生する。符号１１は、インバータであり、太陽電池１０により発電された直流電力を交流電力に変換する。符号１４は、フィルタであり、インバータ１１の出力に含まれる高調波成分を除去する。フィルタ１４により高調波成分が除去された交流電力は、負荷系統に連結される負荷２０へ供給される。なお、負荷２０としては、例えば、空調機や、冷蔵庫、掃除機等の家電機器が挙げられる。
インバータ１１とフィルタ１４との間の電流経路には、電流検出器１２が設けられている。電流検出器１２は、インバータ１１の出力電流ｉＡＣを検出し、保護装置１３へ通知する。保護装置１３は、電流検出器１２から通知される出力電流ｉＡＣが所定の値以上であった場合に、インバータ１１の内部に設けられている回路保護用のスイッチ（図示略）をオフにするとともに、フィルタ１４と負荷系統との間の電圧線側に設けられているコンダクタ１６をオフにして、負荷側とパワーコンディショナ３０との接続を切断する。
これにより、過電流によるパワーコンディショナ３０内部の素子破壊を回避するとともに、過電流による影響が負荷２０へ伝達されるのを回避する。
【００１８】
また、フィルタ１４と負荷系統との間には、電圧検出器１７が設けられている。電圧検出器１７は、負荷系統へ供給される電圧ｖＡＣを検出し、検出結果を制御部１８へ出力する。制御部１８は、電圧検出器１７から通知される電圧ｖＡＣに基づいて、負荷系統へ供給する電力が所定電圧、所定周波数の交流電力となるように、インバータ１１を構成するスイッチング素子をＰＷＭ制御する。
また、フィルタ１４と負荷２０との間のＵ相側には、リアクタ１５が設けられている。リアクタ１５は、所定のインピーダンスを有するため、このリアクタ１５により、自立運転を開始する際に流れる突入電流を抑制することができる。
また、突入電流を抑制するのに適したリアクタ１５のインダクタンスは、保護装置１３が作動する作動電流値（例えば、４０Ａ）と、連結されている負荷２０の特性等に基づいて決めるのが好ましい。例えば、当該発電システムが家庭で使用される場合には、負荷２０は、空調機、冷蔵庫、掃除機、テレビ等の家電機器がほとんどである。従って、一般的に良く使用されるこれらの家電機器の特性と、保護装置が作動する電流値とに基づいてリアクタ１５のインダクタンスを決定するとよい。本実施形態では、リアクタ１５のインダクタンスは３ｍＨを使用する。
【００１９】
次に、上述した発電システムの自立運転動作について説明する。
まず、太陽電池１０が太陽光の照射をうけ発電を開始し、発電電力が負荷へ供給するのに十分な値に達した状態でインバータ１１を起動させると、発電電力を負荷へ供給する自立運転を開始する。このインバータ１１の起動に伴い、突入電流が流れる。この突入電流は、リアクタ１５によって抑制される。この結果、パワーコンディショナ３０に流れる電流は、保護装置１３が作動する電流値以下に抑えられ、インバータ１１を円滑に起動させることができる。
【００２０】
このように、本実施形態に係るパワーコンディショナ３０によれば、以下の効果を奏する。
突入電流を抑制する手段として、パワーコンディショナ３０内のインバータ１１と負荷２０とをつなぐ配線、例えば、インバータのＵ相側にリアクタ１５を設けたので、突入電流を抑制することができ、保護装置１３の作動を抑止することができる。これにより、インバータ１１の起動を円滑に行うことができ、発電システムを効率良く運転させることができる。
また、突入電流を抑制する手段として、リアクタ１５を採用することにより、次のような利点がある。
即ち、リアクタ１５は、高周波の電流をできるだけ流さないようにするとともに、抵抗成分を有している。このため、突入電流の電流を抑制するだけでなく、高周波成分をも除去する。更に、リアクタ１５は、汎用素子であるため安価であり、許容電力（許容電流）も大きい。従って、リアクタ１５を採用することにより、効果的に突入電流を抑制することができる。
なお、上述の実施形態においては、リアクタ１５をフィルタ１４と負荷２０とをつなぐＵ相側に設けているが、これに限らず、例えば、Ｗ相側にリアクタ１５を設けても良い。また、Ｕ相、Ｗ相の双方に設けるようにしても良い。また、インバータ１１とフィルタ１４との間の配線にリアクタ１５を設けるようにしても良い。
【００２１】
＜第２の実施形態＞
次に、本発明の第２の実施形態について、図２を参照して説明する。
図２は、太陽光発電システムに本発明の第２の実施形態に係るパワーコンディショナを適用した場合の構成を示すブロック図である。この図において、図１と同一の要素には、同一の符号を付している。本実施形態においては、第１の実施形態のようにリアクタ１５を設けて突入電流を抑制するのではなく、制御部２８がインバータ１１の起動時において出力電圧を除々に上昇させることにより、パワーコンディショナ３０内に流れる電流を抑制する。このため、本実施形態では、インバータ１１の起動時において、第１の実施形態とは異なる動作を行う制御部２８を設けている。
【００２２】
図２において、制御部２８は、インバータ１１の出力電圧の実効値がランプ波形になるように目標電圧の実効値を設定する目標値発生器２８１（設定手段）と、電圧検出器（電圧検出手段）１７によって検出された電圧値と目標値発生器２８１によって設定された目標電圧の実効値に基づいて、インバータ１１を構成する複数のスイッチング素子のスイッチングデューティを制御するＰＷＭパルス発生器（制御手段）２８２とを備えている。
【００２３】
以下、目標値発生器２８１の構成、動作について説明する。
図３は、目標値発生器２８１（図２参照）の処理を示したブロック線図である。
この図に示すように、まず、目標値発生器２８１内のメモリ（図示略）に予め保持されている一定値が比例器Ｋに入力され、Ｋ倍（所定倍）される。
次に、比例器４１の出力は関数変換器４２によりランプ波形に変換される。その後、１００Ｖのリミッタ器４３により１００Ｖに制限され、目標電圧の実効値ＶＡＣ＊が得られる。この結果、目標電圧の実効値ＶＡＣ＊の時間的変化は図４に示すような直線となる。即ち、目標電圧の実効値ＶＡＣ＊の時間的推移は、インバータ１１の起動時（ｔ＝ｔ０）から一定量毎に増加し、所定時間（ｔ＝ｔ１）かけて、負荷系統へ供給する所定の電圧（例えば、１００Ｖ）に達するような波形となる。
次に、目標値発生器２８１(図２参照)は、上述したブロック線図（図３参照）により得た目標電圧の実効値ＶＡＣ＊を図４に示す式（１）に代入することにより、目標交流電圧ｖＡＣ＊を算出し、この目標交流電圧ｖＡＣ＊をＰＷＭパルス発生器２８２へ供給する。
目標交流電圧ｖＡＣ＊を得たＰＷＭパルス発生器２８２は、電圧検出器１７から通知される交流電圧の値と、この目標交流電圧ｖＡＣ＊とに基づいてインバータ１１を構成する各スイッチング素子をＰＷＭ制御する。即ち、インバータ１１の出力電圧が目標交流電圧ｖＡＣ＊に一致するように、インバータ１１のスイッチング素子のオンオフデューティを制御する。これにより、インバータ１１の出力電圧の実効値は、図４に示すような直線（ランプ波形）を描きながら除々に上昇し、１００Ｖに達した時点で１００Ｖ一定を維持するよう変化する。
この結果、インバータ１１の出力電流は、出力電圧に応じて除々に上昇する。これにより、突入電流を抑制することができる。
なお、上述した目標電圧の実効値ＶＡＣ＊の時間的変化量は、保護装置１３が作動する電流値に応じて決定すると良い。
【００２４】
なお、制御部２８が上述したようにインバータ１１を制御し、出力電圧を除々に上昇させたとしても、負荷２０等の状態によっては突入電流が流れてしまうことが想定される。
この場合、保護装置１３が作動して、インバータ１１は一度停止してしまうこととなるが、その後の再起動において、次のような機能を上述した第２の実施形態に係るパワーコンディショナ３１の目標値発生器２８１に付加すると良い。
即ち、インバータ１１の起動に失敗してしまった場合には、目標値発生器２８１は、電圧の時間的変化量を前回よりも小さな値に設定した目標電圧の実効値ＶＡＣ＊を生成する。この結果、目標電圧の実効値ＶＡＣ＊の時間的変移は、図４に示す直線の傾きを緩やかにした波形となる。そして、この実効値ＶＡＣ＊から上述と同様の手法により目標交流電圧ｖＡＣ＊を生成し、ＰＷＭパルス発生器２８２へ供給する。
ＰＷＭパルス発生器２８２は、新たに得た目標交流電圧ｖＡＣ＊に基づいてインバータ１１を制御することにより、起動に失敗した前回よりも緩やかな勾配でインバータ１１の出力を上昇させる。この結果、出力電流を更に抑制することができる。
このように、傾きを緩やかにすることにより、再度の起動ミスを回避することができる。
【００２５】
なお、上述した本実施形態では、目標値発生器２８１が所定の算出処理を行うことにより、目標電圧の実効値ＶＡＣ＊並びに目標交流電圧値ｖＡＣ＊を設定していたが、以下のような構成としても良い。
即ち、目標値発生器２８１が、時間的変化量の異なる目標交流電圧ｖＡＣ＊を数パターン内部メモリ（図示略）に保持しておき、メモリから適切な目標交流電圧ｖＡＣ＊のパターンを読み出して、ＰＷＭパルス発生器２８２へ供給するようにしても良い。
また、上述した実施形態では、ランプ波形状に実効値を変化させる場合について述べたが、電圧の上昇のさせ方については特に限定しない。要は、急峻な電圧の上昇を避け、所定期間かけて、除々に電圧を上昇させることができれば良い。
また、発電システムは、インバータの手前にチョッパーなどの昇圧装置を有するものでも良い。この場合、インバータの起動時とは、例えば、昇圧装置の出力が負荷系統へ供給できる程度の電力へ達したときをいう。
いずれにしても、インバータの起動時とは、制御部２８がインバータ１１に対して何らかの制御信号を出力したとき、又は、インバータ１１が制御信号を受けて、内部のスイッチング素子が実際に駆動したとき、或いは、制御部２８が制御信号を送信したときから、スイッチング素子が実際に駆動し始めたときまでのいずれかの時点をいうものとする。
【００２６】
以上説明したように、本実施形態に係るパワーコンディショナ３１によれば、以下の効果を奏する。
インバータ１１の起動時において、所定期間かけて除々にインバータ１１の出力を上昇させる制御部２８を備えるため、出力電流もその出力電圧に応じた値とすることができる。これにより、インバータ１１の起動時から所定期間は、インバータ１１の出力電圧を抑制することにより、出力電流もその出力電圧に応じて抑制される。これにより、突入電流によるインバータ１１の作動停止を防ぐ。この結果、インバータ１１の起動を円滑に行うことができ、発電システムを効率良く運転させることができる。
また、目標電圧を定める目標値発生器２８１と、インバータ１１の出力電圧が目標値発生器２８１により設定された目標値に一致するようにインバータ１１をＰＷＭ制御するＰＷＭパルス発生器２８２とを備えることにより、電圧を精度良く制御することができ、突入電流の発生を確実に防止することができる。
【００２７】
以上、この発明の実施形態を図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計等も含まれる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の第１の実施形態に係るパワーコンディショナの構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の第２の実施形態に係るパワーコンディショナの構成を示すブロック図である。
【図３】本発明の第２の実施形態に係る目標値発生器の処理内容を示したブロック線図である。
【図４】本発明の第２の実施形態に係る目標値発生器が生成する目標電圧の実効値の時間的推移を示した図である。
【符号の説明】
【００２９】
１０  太陽電池
１１  インバータ
１２  電流検出器
１３  保護装置
１４  フィルタ
１５  リアクタ
１６  コンダクタ
１７  電圧検出器
１８、２８  制御部
２０  負荷
３０、３１  パワーコンディショナ
４１  比例器
４２  関数変換器
４３  １００Ｖのリミッタ器
１４１  リアクタ
１４２  コンデンサ
２８１  目標値発生器
２８２  ＰＷＭパルス発生器
【図１】
2005137149.tif 000003
【図２】
2005137149.tif 000004
【図３】
2005137149.tif 000005
【図４】
2005137149.tif 000006