(57)【要約】【課題】、瞬時電圧低下時にパワーコンディショナが所定の事故時運転継続要件を満たすことができる昇圧接続箱および当該昇圧接続箱を用いた発電システムを提供する。【解決手段】太陽電池モジュールの出力電圧を昇圧回路７で目標電圧まで昇圧してパワーコンディショナ２に入力する昇圧接続箱１において、目標電圧と昇圧回路７の出力電圧とから比例制御および積分制御を行って、昇圧回路７に与える昇圧制御信号を生成する制御部８が、パワーコンディショナ２の出力停止を検出すると特定制御を行う。特定制御では、特定制御前の一定期間における積分制御の積分値を平均した値を用いて昇圧制御信号を生成し、所定期間の間、この昇圧制御信号を昇圧回路７に与える。これにより、電力系統３が瞬時電圧低下から復帰したときに、パワーコンディショナ２が瞬時電圧低下前の８０％以上の出力電力を維持できるようにする。【選択図】図１
2016101050.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
発電部の出力電圧を昇圧回路によって目標電圧まで昇圧し、昇圧した電圧をパワーコンディショナに入力する昇圧接続箱において、
前記目標電圧と前記昇圧回路の出力電圧とから、比例制御および積分制御を行って、前記昇圧回路に与える制御信号のデューティ比を増減する昇圧制御を行う制御部を備え、
前記制御部は、前記パワーコンディショナの出力停止を検出すると、前記昇圧制御を所定の特定制御に切り替える制御構成を備えてなり、
前記特定制御は、前記積分制御における積分値を、特定制御に切り替える前の一定期間における積分制御の積分値を平均した値に変更して制御信号を生成し、この制御信号を所定期間の間、前記昇圧回路に与える制御で構成されている
ことを特徴とする昇圧接続箱。
【請求項２】
前記制御部は、前記発電部の出力電圧の増加、前記発電部の出力電流の減少、または前記発電部の出力電力の減少に基づいて、前記パワーコンディショナの出力停止を検出する
ことを特徴とする請求項１に記載の昇圧接続箱。
【請求項３】
前記特定制御は、制御信号のデューティ比が、特定制御に切り替える前の期間であって、前記一定期間と同一の期間、または異なる期間である、第２の一定期間における制御信号のデューティ比の最大値以下となるように制限される
ことを特徴とする請求項１または２に記載の昇圧接続箱。
【請求項４】
請求項１から３のいずれかに記載の昇圧接続箱を介して、複数の発電部とパワーコンディショナとが接続されてい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】
この発明は昇圧接続箱および発電システムに関し、より詳細には、複数の発電部の出力電圧を揃えてパワーコンディショナに供給する昇圧機能を備えた昇圧接続箱と、この昇圧接続箱を用いた発電システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、太陽光発電システムをはじめとする分散型電源が急速に普及している。このような分散型電源は、系統事故時には電力系統から解列するようになっているが、瞬時電圧低下（たとえば、停電時間が１秒以下の瞬時停電）などの系統擾乱時に多数の分散型電源が一斉に解列されると、系統の電力品質の低下を招く（場合によっては大規模停電を引き起こす）おそれがあることから、系統擾乱時の一斉解列を防止するための事故時運転継続要件（Fault Ride Through：以下、「ＦＲＴ要件」と称する）が規定されており、分散型電源の電力変換装置（パワーコンディショナ）は、このＦＲＴ要件を満たすように設計されている（たとえば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１１−１０１４５５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、このような従来の構成には以下のような問題があり、その改善が望まれていた。
【０００５】
すなわち、住宅用の太陽光発電システムでは、太陽電池モジュールの設置場所（太陽電池モジュールを設置する屋根構造など）との関係から、複数の太陽電池モジュール（複数の太陽電池モジュールを直列または並列に接続した太陽電池アレイを含む）をパワーコンディショナに接続することがある。
【０００６】
図４は、複数の太陽電池モジュールを用いた太陽光発電システムの一例を示している。図４に示すように、複数の太陽電池モジュールａ，ａ，…をパワーコンディショナｃに接続する場合、太陽電池モジュールａ，ａ，…とパワーコンディショナｃとの間には、各太陽電池モジュールａ，ａ，…の出力を一つにまとめてパワーコンディショナｃに入力するための接続箱（図示例では、昇圧接続箱ｂ）が設けられる。
【０００７】
昇圧接続箱ｂは、各太陽電池モジュールａ，ａ，…の出力電圧を揃えてパワーコンディショナｃに供給する機能（昇圧機能）を備えた接続箱であって、この機能を果たすために、昇圧接続箱ｂには、少なくとも１以上の昇圧回路ｅが備えられている。各昇圧回路ｅには、図示しない制御部が備えられており、この制御部が昇圧回路の昇圧動作を制御し、各昇圧回路ｅの出力電圧が揃えられている。
【０００８】
このような昇圧接続箱ｂが接続された太陽光発電システムでは、系統ｄの瞬時電圧低下の発生により、パワーコンディショナｃがＦＲＴ要件を満たすように動作を行っても、昇圧接続箱ｂはそれとは関係なく動作することから、パワーコンディショナｃがＦＲＴ要件に従って出力を復帰させようとしたときに、所定の出力電力が得られないおそれがあった。
【０００９】
本発明は、このような従来の問題点に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、瞬時電圧低下時にパワーコンディショナが所定のＦＲＴ要件を満たすことができる昇圧接続箱および当該昇圧接続箱を用いた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】
【００１０】
上記目的を達成するため、本発明の請求項１に記載の昇圧接続箱は、発電部の出力電圧を昇圧回路によって目標電圧まで昇圧し、昇圧した電圧をパワーコンディショナに入力する昇圧接続箱において、上記目標電圧と上記昇圧回路の出力電圧とから、比例制御および積分制御を行って、上記昇圧回路に与える制御信号のデューティ比を増減する昇圧制御を行う制御部を備え、上記制御部は、上記パワーコンディショナの出力停止を検出すると、上記昇圧制御を所定の特定制御に切り替える制御構成を備えてなり、上記特定制御は、上記積分制御における積分値を、特定制御に切り替える前の一定期間における積分制御の積分値を平均した値に変更して制御信号を生成し、この制御信号を所定期間の間、上記昇圧回路に与える制御で構成されていることを特徴とする。
【００１１】
この請求項１に記載の昇圧接続箱では、制御部がパワーコンディショナの出力停止を検出すると、該制御部は昇圧回路に対する昇圧制御を所定の特定制御に切り替える。そして、この特定制御において、制御部は、昇圧回路の昇圧制御における積分制御の積分値として、パワーコンディショナの出力停止前の一定期間の積分値を平均した値を用いて制御信号を生成する。つまり、昇圧回路を瞬時電圧低下発生前の状態に強制的に戻し、パワーコンディショナの入力電力を瞬時電圧低下発生前の状態にまで速やかに増加させる。そのため、電力系統が瞬時電圧低下から復帰したとき、パワーコンディショナは瞬時電圧低下前の８０％以上の出力電力を維持することができ、ＦＲＴ要件を満たした動作を行うことができる。
【００１２】
本発明の請求項２に記載の昇圧接続箱は、請求項１に記載の昇圧接続箱において、上記制御部は、上記発電部の出力電圧の増加、上記発電部の出力電流の減少、または上記発電部の出力電力の減少に基づいて、上記パワーコンディショナの出力停止を検出することを特徴とする。
【００１３】
この請求項２に記載の昇圧接続箱では、昇圧接続箱の制御部が、パワーコンディショナの出力停止を、発電部の出力電圧の増加、発電部の出力電流の減少または発電部の出力電力の減少（これらの現象の組み合わせを含む）に基づいて検出するので、昇圧接続箱は、単独で（パワーコンディショナとの通信を行わずに）、パワーコンディショナの出力停止、ひいては、電力系統の瞬時電圧低下を検出することができる。
【００１４】
本発明の請求項３に記載の昇圧接続箱は、請求項１または２に記載の昇圧接続箱において、上記特定制御は、制御信号のデューティ比が、特定制御に切り替える前の期間であって、上記一定期間と同一の期間、または異なる期間である、第２の一定期間における制御信号のデューティ比の最大値以下となるように制限されることを特徴とする。
【００１５】
この請求項３に記載の昇圧接続箱では、特定制御時における制御信号のデューティ比が、瞬時電圧低下発生前の制御信号のデューティ比の最大値を超えないように制限されるので、昇圧接続箱において安定したＭＰＰＴ制御を行うことができる。
【００１６】
本発明の請求項４に記載の発電システムは、請求項１から３のいずれかに記載の昇圧接続箱を介して、複数の発電部とパワーコンディショナとが接続されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、電力系統の瞬時電圧低下時には、昇圧接続箱の制御部が、パワーコンディショナの出力停止を検出し、パワーコンディショナの出力復帰に備えた昇圧制御を行うので、瞬時電圧低下からの復帰時には、パワーコンディショナはＦＲＴ要件を満たした動作を行う（たとえば、瞬時電圧低下前の８０％以上の出力電力を維持する）ことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明に係る昇圧接続箱を用いた太陽光発電システムの一例を示す概略構成図である。
【図２】同昇圧接続箱の特定制御時における制御信号のデューティ比の最大値を決定する過程を示す模式図である。
【図３】太陽電池モジュールの電力−電圧特性と昇圧回路に対する制御信号のデューティ比との関係を示す説明図である。
【図４】従来の太陽光発電システムの一例を示す概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明に係る昇圧接続箱１を用いた太陽光発電システム（発電システム）の概略構成を示している。
【００２０】
図１に示す太陽光発電システムは、図示しない太陽電池モジュール（発電部）と、昇圧接続箱１と、パワーコンディショナ２と、電力系統３とを主要部として構成されている。ここで、太陽電池モジュールは、複数の太陽電池セルをパッケージ化してなるモジュールを意味するが、以下の説明における太陽電池モジュールには、複数の太陽電池モジュールを直列または並列に接続してなる太陽電池アレイも含むものとする。
【００２１】
昇圧接続箱１は、複数の太陽電池モジュールからの出力を一つにまとめるとともに、各太陽電池モジュールの出力電圧を揃える昇圧機能を備えた接続箱であって、図示例では、昇圧機能を備えていない１基の主回路４と、昇圧機能を備えている３基の副回路５とで構成されている。
【００２２】
主回路４は、複数の太陽電池モジュールのうちで出力電圧がもっと高い太陽電池モジュールを接続するための回路であって、この主回路４は、太陽電池モジュールの出力電圧をそのまま（昇圧することなく）出力するように構成されている。なお、主回路４において、太陽電池モジュールの正極（Ｐ極）と接続される電力線には逆流阻止用のダイオード６が備えられている。なお、このダイオード６は、図１に鎖線で囲って示したように、太陽電池モジュールの負極（Ｎ極）と接続された電力線に設けることも可能である。
【００２３】
副回路５は、主回路４に接続される太陽電池モジュール以外の太陽電池モジュールを接続するための回路であって、この副回路５には、昇圧回路７と、昇圧回路７の制御部８と、太陽電池モジュールからの入力電圧Ｖinを検出する入力電圧センサ９と、太陽電池モジュールからの入力電流Ｉinを検出する入力電流センサ１０と、昇圧回路７の出力電圧Ｖoutを検出する出力電圧センサ１１とが備えられている。また、この副回路５において、太陽電池モジュールの正極と接続される電力線には、主回路４と同様に、逆流阻止用のダイオード６が備えられている。
【００２４】
昇圧回路７は、制御部８から与えられる昇圧制御信号（制御信号）Ｓによって昇圧動作が制御されるＤＣ／ＤＣコンバータ回路で構成されている。制御部８は、昇圧回路７の昇圧動作を制御する制御装置であって、制御中枢としてマイコン（図示せず）を備えている。このマイコンは、上記昇圧制御信号ＳとしてＰＷＭ信号を出力するように構成されており、ＰＷＭ信号のデューティ比を増減することによって、昇圧回路７の昇圧制御を行うようになっている。
【００２５】
具体的には、制御部８は、昇圧回路７の出力電圧Ｖoutが、所定の目標電圧Ｖtとなるように、昇圧回路７をフィードバック制御する。このフィードバック制御は、比例制御と積分制御とからなり、積分制御では、過去の情報を積分するようになっている。そして、このフィードバック制御における目標電圧Ｖtは、主回路４の出力電圧とされており、これにより副回路５に接続された太陽電池モジュールの出力電圧が、主回路４に接続された太陽電池モジュールの出力電圧に揃えられるようになっている。そして、主回路４と副回路５の各電力線の出力側が昇圧接続箱１内で結線されて１つにまとめられ、１つの出力として昇圧接続箱１から出力されるように構成されている。
【００２６】
また、本実施形態では、後述する特定制御に関連して、制御部８は、通常制御時（電力系統３の正常時）において以下のデータを定期的に取得し、取得したデータを制御部８内のメモリに記憶するように構成されている。
【００２７】
Ａ．昇圧制御信号Ｓの区間最大値
制御部８は、通常制御時に、あらかじめ設定された一定期間Ｔ１（具体的には、１００ミリ秒〜１秒程度の間で設定される期間、たとえば１００ミリ秒）ごとに、その期間Ｔ１内における昇圧制御信号Ｓの最大値、つまりＰＷＭ信号のデューティ比の最大値を算出し、その算出した値を昇圧制御信号Ｓの区間最大値Ｓmaxとして記憶する（図２の区間最大値の欄を参照）。なお、この区間最大値Ｓmaxは、パワーコンディショナ２の出力が停止しているとき（図２において入力電圧Ｖinが急激に増加したとき）のものは区間最大値Ｓmaxとしては採用しない。そして、この区間最大値Ｓmaxの記憶にあたっては、制御部８のメモリに、少なくとも１以上の区間最大値Ｓmaxを記憶する領域が設定され、新たな区間最大値Ｓmaxが算出されると、それに伴って古いデータから順に削除されて新しいデータが上書きされるようになっている。ここで、上記一定期間Ｔ１は、短すぎると（たとえば、１００ミリ秒未満にすると）複合要素によるデューティ比の脈動を無視することになり好ましくなく、また、長すぎると（たとえば、１秒を超えると）日照変動に対応しなくなるおそれがある。
【００２８】
Ｂ．昇圧制御信号Ｓの積分区間平均値
制御部８は、通常制御時に、あらかじめ設定された一定期間Ｔ２（第２の一定期間）ごとに、その期間Ｔ２における積分制御の積分値の平均を算出し、その値を昇圧制御信号Ｓの積分区間平均値Ｓiaとして記憶する。なお、この積分区間平均値Ｓiaの算出にあたり使用する一定期間Ｔ２は、上記一定期間Ｔ１と異なっていてもよいが、本実施形態では上記一定期間Ｔ１と同じ期間（Ｔ２＝Ｔ１）に設定される。また、積分区間平均値Ｓiaの記憶にあたっても、制御部８のメモリには、少なくとも１以上の積分区間平均値Ｓiaを記憶する領域が設定され、新たな積分区間平均値Ｓiaが算出されると、それに伴って古いデータから順に削除されて新しいデータが上書きされるようになっている。
【００２９】
パワーコンディショナ２は、昇圧接続箱１から出力される直流電力を電力系統３に連系させるための電力変換装置であって、昇圧接続箱１から入力される直流電力の電圧を昇圧するＤＣ／ＤＣコンバータ２０と、ＤＣ／ＤＣコンバータ２０で昇圧された直流電力を電力系統３に連系可能な交流電力に変換するＤＣ／ＡＣインバータ２１と、パワーコンディショナ２の動作状況などを表示する表示部２２と、パワーコンディショナ２の各部の動作を制御するＰＣ制御部２３とを主要部として備えている。なお、図において、２４は逆流阻止用のダイオード、２５はＤＣ／ＤＣコンバータ２０とＤＣ／ＡＣインバータ２１とを接続するＤＣリンクコンデンサである。
【００３０】
パワーコンディショナ２の構成は周知であるので、ここではその詳細な説明は省略するが、本実施形態に示すＰＣ制御部２３は、電力系統３の擾乱時にパワーコンディショナ２が解列されるのを防止するために定められたＦＲＴ要件（社団法人日本電気協会が規定する「系統連系規定」に示すＦＲＴ要件）を満たすように構成されている。
【００３１】
次に、このように構成された太陽光発電システムにおいて、上記ＦＲＴ要件に従ってパワーコンディショナ２の出力が停止した場合における昇圧接続箱１の動作について説明する。
【００３２】
本実施形態に示す昇圧接続箱１では、パワーコンディショナ２の出力が停止すると、その停止を昇圧接続箱１の各制御部８が、以下の（１）〜（３）に示すいずれかの方法、または（１）〜（３）に示す方法の組み合わせによって検出・判定するようになっている。なお、以下の（１）〜（３）の説明に示す各センサの検出値は、いずれも１００ミリ秒ごとの区間平均値であり、比較するデータは１秒程度離れた（つまり、１秒程度前に検出された）区間の平均値を用いている。
【００３３】
（１）入力電圧Ｖinの急激な増加
制御部８は、入力電圧Ｖin（つまり、太陽電池モジュールの出力電圧）が所定のしきい値ＸＶinを超えて増加した場合、パワーコンディショナ２の出力が停止したと判定する。この判定におけるしきい値ＸＶinは、太陽電池モジュールの電圧−電流（Ｖ−Ｉ）特性に基づいて決定される。なお、しきい値ＸＶinは、あらかじめ制御部８に記憶させておく。
【００３４】
（２）入力電流Ｉinの急激な減少
制御部８は、入力電流Ｉin（つまり、太陽電池モジュールの出力電流）が所定のしきい値ＸＩinを超えて減少した場合、パワーコンディショナ２の出力が停止したと判定する。この判定におけるしきい値ＸＩinも、太陽電池モジュールの電圧−電流特性に基づいて決定され、その値は、あらかじめ制御部８に記憶させておかれる。
【００３５】
（３）入力電力Ｐinの急激な減少
制御部８は、入力電力Ｐin（つまり、太陽電池モジュールの出力電力）が所定のしきい値ＸＰinを超えて減少した場合、パワーコンディショナ２の出力が停止したと判定する。この判定におけるしきい値ＸＰinは、ＦＲＴ要件に基づいて決定される。たとえば、ＦＲＴ要件の最低割合が相電圧９５Ｖから５２Ｖへ低下の５４．７％である場合、６０％未満程度となるように設定される。このしきい値ＸＰinの値も、あらかじめ制御部８に記憶させておかれる。
【００３６】
そして、これら（１）〜（３）の方法によって各制御部８がそれぞれパワーコンディショナ２の出力停止を検出すると、次に、各制御部８は、積分制御の積分値として上記積分区間平均値Ｓiaを用いて昇圧制御信号Ｓを生成し、生成した昇圧制御信号Ｓを昇圧回路７に与える。つまり、制御部８は、昇圧制御信号Ｓのデューティ比を、パワーコンディショナ２の出力停止前の状態に強制的に変更する制御（特定制御）を行い、この特定制御の状態で昇圧回路７に昇圧動作を行わせて、入力電力を一気に増加させる。
【００３７】
また、この特定制御の実行中、各制御部８は、昇圧制御信号Ｓが上記区間最大値Ｓmaxを超えないように昇圧制御信号Ｓのデューティ比を制限する。すなわち、太陽電池モジュールの電力−電圧（Ｐ−Ｖ）特性は、図３に示すように、開放端から最大電力点（ＭＰＰ）までは昇圧制御信号Ｓのデューティ比の増加によって出力電力が増加するが、最大電力点を超えるとデューティ比が増加することで出力電力が低下してしまう。そして、太陽電池モジュールの出力電圧が０Ｖに近づきすぎると最大電力点に到達するまでに時間がかかるおそれがある。そのため、各制御部８は、昇圧制御信号Ｓのデューティ比を制限することによって、太陽電池モジュールの出力電圧が０Ｖに近づくのを抑制する。
【００３８】
そして、この特定制御は、制御部８がパワーコンディショナ２の出力停止と判定してからあらかじめ設定された所定期間Ｔ３（たとえば、１．５秒程度）だけ行われた後、各制御部８は、昇圧制御信号Ｓの制限を解除して、通常制御に移行する。ここで、上記所定期間Ｔ３は、ＦＲＴ要件に応じて設定される。
【００３９】
このように、本発明に係る太陽光発電システムでは、制御部８がパワーコンディショナの出力停止を検出すると、昇圧制御が上記特定制御に切り替えられ、昇圧回路７は瞬時電圧低下発生前の状態に強制的に戻され、パワーコンディショナ２の入力電力が瞬時電圧低下発生前の状態にまで速やかに増加する。そのため、電力系統が瞬時電圧低下から復帰したときには、パワーコンディショナ２は瞬時電圧低下前の８０％以上の出力電力を維持することができ、ＦＲＴ要件を満たした動作を行うことができるようになる。
【００４０】
なお、上述した実施形態は本発明の好適な実施態様を示すものであって、本発明はこれに限定されることなく発明の範囲内で種々の設計変更が可能である。
【００４１】
たとえば、上述した実施形態では、発電部として太陽電池モジュールを用いた場合を示したが、発電部は直流電力を発電する発電装置で構成されていればよく、たとえば、風力発電装置など、太陽電池モジュール以外の発電部で構成することも可能である。
【００４２】
また、上述した実施形態では、昇圧接続箱１は、主回路４ａとして昇圧機能を備えていない回路を用いた場合を示したが、主回路４ａにも昇圧機能を備えさせることも可能である。すなわち、主回路４ａに、昇圧回路７、制御部８、入力電圧センサ９、入力電流センサ１０および出力電圧センサ１１を備えさせることも可能である。なお、このように主回路４が昇圧機能を備える場合、主回路４の昇圧回路７の昇圧動作は停止させておくことになる。
【００４３】
また、上述した実施形態では、昇圧接続箱１が、１基の主回路４と３基の副回路５で構成される場合を示したが、昇圧接続箱１は、少なくとも１基以上の副回路５（昇圧機能のある回路）が備えられていればよく、副回路５の配設数は適宜変更可能である。
【符号の説明】
【００４４】
１                  昇圧接続箱
２                  パワーコンディショナ
３                  電力系統
４                  主回路
５                  副回路
６，２４            ダイオード
７                  昇圧回路
８                  制御部
９                  入力電圧センサ
１０                入力電流センサ
１１                出力電圧センサ
２０                ＤＣ／ＤＣコンバータ
２１                ＤＣ／ＡＣインバータ
２２                表示部
２３                ＰＣ制御部
【図１】
2016101050.tif 000003
【図２】
2016101050.tif 000004
【図３】
2016101050.tif 000005
【図４】
2016101050.tif 000006