(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
太陽電池と、太陽電池の出力を常に最大にする最大出力動作点追尾制御を行いながら太陽電池の直流出力を交流出力に変換する直交変換装置であるインバータと、系統連系保護機能を有する系統連系保護装置とからなる太陽光発電システムにおいて、前記インバータは、前記太陽電池の電圧値を検出する入力電圧検出手段と、前記交流出力の電圧値を検出する出力電圧検出手段と、前記交流出力の電流値を検出する出力電流検出手段と、前記出力電圧検出手段から求めた電圧値と前記出力電流検出手段から求めた電流値とを乗じた後、前記入力電圧検出手段から求めた電圧値で除した値から、前記インバータの入力電流値を求め、該インバータの入力電流値が、前記インバータの定格入力電流値より大きくなった場合には異常を検出しインバータを停止させる異常検出手段とを備え、前記異常検出手段は、前記インバータの変換効率を考慮して前記インバータの入力電流値を求め、前記インバータは、インバータの出力値に対する変換効率特性を記憶した不揮発性記憶装置を有し、前記異常検出手段は、前記インバータの出力値に併せて前記インバータの変換効率を可変とすることを特徴とする太陽光発電システム。
【請求項２】
前記インバータの入力電流値が、前記インバータの定格入力電流値近傍に近づくと、前記インバータの入力電流値が、前記インバータの定格入力電流値より大きくならないように出力を抑制する出力抑制手段を備えたことを特徴とする請求項１記載の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で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】
従来の太陽光発電システムを、図９を用いて説明する。図９は、太陽光発電システムの構成を示すブロック図である。この太陽光発電システムは、太陽電池１と、太陽電池１が出力する直流出力を交流出力へ変換するインバータ３及び系統連系保護装置４を有する太陽光パワーコンディショナ２と、太陽光パワーコンディショナ２と連系して負荷（図示せず）へ電力を供給する商用電源５とからなる。
【０００３】
インバータ３は、さらに、太陽電池１からの入力電流値を検出する入力電流検出回路９と、太陽電池１からの入力電圧値を検出する入力電圧検出回路１０と、前記交流出力の電圧値を検出する出力電圧検出回路１１と、前記交流出力の電流値を検出する出力電流検出回路１２と、ＣＰＵ８とからなる制御回路７と、電力変換用のパワー回路６とから構成される。
【０００４】
インバータ３は、日射量／温度等の変化に対して変動する太陽電池１の出力を常に最大とする、最大出力動作点追尾制御（以下ＭＰＰＴ制御と略す。ＭＰＰＴ：Maximum Power Point Tracking）を行っている。図１０を用いてＭＰＰＴ制御について詳説する。インバータ３の入力源である太陽電池１は、図１０に示すような太陽電池電圧−出力電力特性（ａ１〜ａ３）及び太陽電池電圧−太陽電池電流特性（ｂ１〜ｂ３）を持ち、日射量やパネル面温度等により刻々とその特性を変化させる。ＭＰＰＴ制御は、現在の太陽電池の状況に合わせて、その動作点が常に最大出力電力（ｃ１〜ｃ３）となるよう追従して制御するものである。
【０００５】
太陽電池特性は、単結晶や多結晶やアモルファス等の太陽電池の種類や、設置場所の制約による太陽電池モジュールの接続方法（直並列数）等により変化するため、同一定格電力の太陽電池であっても、高電圧−小電流タイプや低電圧−大電流タイプなど、定格出力電流値は多様な値をとり得る。一方、インバータの種類は限られているため、太陽電池の定格出力電流値がインバータ定格入力電流値より大きくても接続される場合がある。この場合、太陽電池が定格出力可能な日射量や温度等の条件で、インバータ３がＭＰＰＴ制御を行うと、太陽電池出力電流値がインバータ定格入力電流値より大きくなってしまう。また、太陽電池の誤結線時や、日射量や温度等の条件が良好で太陽電池出力電流値が定格出力電流値以上となった場合にも、太陽電池出力電流値がインバータ定格入力電流値より大きくなる可能性が生じる。太陽電池出力電流値がインバータ定格入力電流値より大きくなった場合、インバータ３は、過電流により部品破壊等が発生する。
【０００６】
上記の問題を解決するために、従来の太陽光発電システムでは、図９に示すように、インバータ入力過電流を防止するために、入力電流検出回路９を設置し、常時インバータ３への入力電流値を監視し、太陽電池出力電流値がインバータ定格入力電流値より大きくなった場合に、発電を停止する等の保護を行っている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の太陽光発電システムでは、入力過電流を防止するために、入力電流値を監視する入力電流センサたる入力電流検出回路９を設置しなければならず、インバータが高価になってしまうという問題点があった。
【０００８】
本発明は上記問題点に鑑みて為されたものであって、その目的とするところは、入力過電流を防止でき、且つコストを抑えたインバータを備えた、太陽光発電システムを提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１の発明は、太陽電池と、太陽電池の出力を常に最大にする最大出力動作点追尾制御を行いながら太陽電池の直流出力を交流出力に変換する直交変換装置であるインバータと、系統連系保護機能を有する系統連系保護装置とからなる太陽光発電システムにおいて、前記インバータは、前記太陽電池の電圧値を検出する入力電圧検出手段と、前記交流出力の電圧値を検出する出力電圧検出手段と、前記交流出力の電流値を検出する出力電流検出手段と、前記出力電圧検出手段から求めた電圧値と前記出力電流検出手段から求めた電流値とを乗じた後、前記入力電圧検出手段から求めた電圧値で除した値から、前記インバータの入力電流値を求め、該インバータの入力電流値が、前記インバータの定格入力電流値より大きくなった場合には異常を検出しインバータを停止させる異常検出手段とを備えたものとした。前記異常検出手段は、前記インバータの変換効率を考慮して前記インバータの入力電流値を求め、前記インバータは、インバータの出力値に対する変換効率特性を記憶した不揮発性記憶装置を有し、前記異常検出手段は、前記インバータの出力値に併せて前記インバータの変換効率を可変とするものとした。
【００１２】
請求項２の発明は、請求項１記載の発明において、前記インバータの入力電流値が、前記インバータの定格入力電流値近傍に近づくと、前記インバータの入力電流値が、前記インバータの定格入力電流値より大きくならないように出力を抑制する出力抑制手段を備えたものとした。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を参考形態、および実施形態１から実施形態２によって説明する。
【００１４】
（参考形態）
図１に、参考形態の太陽光発電システムの構成をブロック図で示す。この太陽光発電システムは、太陽電池１と、太陽電池１が出力する直流出力を交流出力へ変換するインバータ３及び系統連系保護装置４を有する太陽光パワーコンディショナ２と、太陽光パワーコンディショナ２と連系して負荷（図示せず）へ電力を供給する商用電源５とからなる。
【００１５】
インバータ３は、さらに、太陽電池電圧値を検出する入力電圧検出回路１０と、前記交流出力の電圧値を検出する出力電圧検出回路１１と、前記交流出力の電流値を検出する出力電流検出回路１２と、ＣＰＵ８とを備えた制御回路７と、電力変換用のパワー回路６とから構成される。
【００１６】
制御回路７は、出力電圧検出回路１１により検出された電圧信号を基に、系統電圧の零点信号及び周波数を逐次検出し、出力電流検出回路１２により検出される電流信号が所望の電流波形となるように、制御信号をパワー回路６の半導体スイッチング素子（図示せず）へと送り、該半導体スイッチング素子のオンオフのタイミングを制御する。また、入力電圧検出回路１０により検出された電圧信号を監視し、該電圧値が予め設定された所定の電圧値の範囲を外れると、インバータ３の停止を行う。
【００１７】
CPU８は、ＭＰＰＴ制御機能（図示せず）を有しており、日射量／温度等の変化に対して変動する太陽電池１の出力を常に最大とすることができる。
【００１８】
また、CPU８は、後述するように、異常を検出しインバータを停止させる異常検出手段（図示せず）も機能として備えている。
【００１９】
電力変換用のパワー回路６は、制御回路７からの駆動信号を用いて太陽電池１からの直流出力を交流出力へ逐次変換するもので、半導体スイッチング素子（図示せず）をブリッジ接続して構成される。
【００２０】
系統連系保護装置４は、出力電圧検出回路１１により検出された電圧信号を基に、商用電源５の周波数変動や電圧変動、或いは停電等を検出して、インバータ３と商用電源５とを解列する系統連系保護機能１３を有している。
【００２１】
次に、上記のように構成される太陽光発電システムにおいて、入力過電流防止の動作を説明する。
【００２２】
インバータ３が直交変換装置であり、入出力間で電力平衡が保たれているとすると、インバータ入力電圧値（太陽電池出力電圧値）Ｖin、インバータ入力電流値（太陽電池出力電流値）Ｉin、出力電圧実効値（系統電圧実効値）Ｖorms、出力電流実効値Ｉormsの間で以下の式（１）が成り立つ。
【００２３】
Ｖin×Ｉin＝Ｖorms×Ｉorms      ・・・（１）
式（１）を変形して以下の式（２）を得る。
【００２４】
Ｉin＝（Ｖorms×Ｉorms）／Ｖin      ・・・（２）
式（２）から分かるように、インバータ入力電流値Ｉinは、入力電圧検出回路１０から求まるインバータ入力電圧値Ｖinと、出力電圧検出回路１１の出力電圧値から求まる出力電圧実効値Ｖormsと、出力電流検出回路１２の出力電流値から求まる出力電流実効値Ｉormsとを用いて求めることができる。
【００２５】
ここで、前述したように入力電圧検出回路１０及び出力電圧検出回路１１及び出力電流検出回路１２は、インバータ入力電流値Iinを求める目的以外に既に設置されているものであり、インバータ入力電流値Iinを求めるために新たな回路を設置することなく、インバータ入力電流値Iinを求めることができる。
【００２６】
前記異常検出手段は、インバータ入力電圧値Ｖinと、出力電圧実効値Ｖormsと、出力電流実効値Ｉormsとを用いて、式（２）より、常にインバータ入力電流値Ｉinを算出し、インバータ入力電流値Ｉinとインバータ定格入力電流値とを比較し、インバータ入力電流値Ｉinがインバータ定格入力電流値より大きくなった場合には、入力過電流異常を検出し発電を停止させ、入力過電流を防止する。
【００２７】
上述した入力過電流異常検出のフローチャートを、図２のステップＳ１〜ステップＳ６に示す。則ち、まず、入力電圧検出回路１０によってインバータ入力電圧値Ｖinを検出する（ステップＳ１）。出力電圧検出回路１１によって検出した出力電圧値から出力電圧実効値Ｖormsを算出する（ステップＳ２）。出力電流検出回路１２によって検出した出力電流値から出力電流実効値Ｉormsを算出する（ステップＳ３）。インバータ入力電圧値Ｖinと、出力電圧実効値Ｖormsと、出力電流実効値Ｉormsとを用いて、式（２）よりインバータ入力電流値Ｉinを算出する（ステップＳ４）。インバータ入力電流値Ｉinがインバータ定格入力電流値より大きくなった場合には（ステップＳ５）、入力過電流異常を検出し、インバータを停止させる（ステップＳ６）。インバータ入力電流値Ｉinがインバータ定格入力電流値より小さい場合には（ステップＳ５）、再び、ステップ１へと戻り、インバータ入力電流値Ｉinの算出を行う。
【００２８】
尚、前記異常検出手段は、式（２）を、インバータ３の変換効率ηを考慮した、以下に記す式（３）に変形して、式（３）を用いてインバータ入力電流値Ｉinを求めても良い。
【００２９】
Ｉin＝（Ｖorms×Ｉorms／η）／Ｖin      ・・・（３）
この場合の、入力過電流異常検出のフローチャートを、図３のフローチャートに示す。則ち、上述した図２のフローチャートにおいて、インバータ入力電流値Ｉinを求めるステップＳ４の替わりに、式（３）に示したインバータ３の変換効率ηを考慮したステップＳ４’を用いる。
【００３０】
（実施形態１）
本実施形態の太陽光発電システムにおける基本構成は参考形態と共通するために共通する部分については同一の符号を付して説明を省略し、本実施形態の特徴となる部分についてのみ詳細に説明する。
【００３１】
則ち、インバータ３の変換効率ηは、実際には図４に示すように、出力電力に対して可変となる。そこで、本実施形態では、図５に示すように、制御回路７に外付けとなるように不揮発性記憶装置１４を設置し、インバータ３の出力電力−変換効率特性を予め記憶させておき、インバータ３の出力電力に応じて、インバータ３の変換効率ηを可変とした点に特徴がある。
【００３２】
具体的には、前記異常検出手段は、出力電圧実効値Ｖormsと、出力電流実効値Ｉormsとを算出後乗算を行い出力電力Ｐormsを算出し、該出力電力Ｐormsに応じて変換効率η’を不揮発性記憶装置１４から読み出し、式（３）の変換効率ηに代入してインバータ入力電流値Ｉinを求める。
【００３３】
上述した入力過電流異常検出のフローチャートを、図６のステップＳ１０〜ステップＳ１７に示す。則ち、まず、入力電圧検出回路１０によってインバータ入力電圧値Ｖinを検出する（ステップＳ１０）。出力電圧検出回路１１によって検出した出力電圧値から出力電圧実効値Ｖormsを算出する（ステップＳ１１）。出力電流検出回路１２によって検出した出力電流値から出力電流実効値Ｉormsを算出する（ステップＳ１２）。出力電圧実効値Ｖormsと出力電流実効値Ｉormsとを乗じて出力電力Ｐormsを算出する（ステップＳ１３）。出力電力Ｐormsに応じた変換効率η’を不揮発性記憶装置１４から読み出す（ステップＳ１４）。式（３）の変換効率ηに、読み出した変換効率η’を代入し、さらに出力電力Ｐormsと、インバータ入力電圧値Ｖinとを用いて、インバータ入力電流値Ｉinを算出する（ステップＳ１５）。インバータ入力電流値Ｉinがインバータ定格入力電流値より大きくなった場合には（ステップＳ１６）、入力過電流異常を検出し、インバータを停止させる（ステップＳ１７）。インバータ入力電流値Ｉinがインバータ定格入力電流値より小さい場合には（ステップＳ１６）、再び、ステップ１０へと戻り、インバータ入力電流値Ｉinの算出を行う。
【００３４】
尚、不揮発性記憶装置１４は、制御回路７に外付けではなく、ＣＰＵ８に内臓されていても良い。
【００３５】
（実施形態２）
本実施形態の太陽光発電システムにおける基本構成は参考形態と共通するために共通する部分については同一の符号を付して説明を省略し、本実施形態の特徴となる部分についてのみ詳細に説明する。
【００３６】
則ち、本実施形態は、インバータの入力電流値Ｉinが、インバータの定格入力電流値A近傍に近づくと、インバータの入力電流値Ｉinが、インバータの定格入力電流値Aより大きくならないように出力を抑制する出力抑制手段（図示せず）を、CPU８が機能として備えた点に特徴がある。
【００３７】
さらに、図７を用いて詳説する。前記出力抑制手段は、インバータ３の定格入力電流値A近傍で、定格入力電流値Ａより小さいしきい値電流Ｌを予め設定しておく。前記異常検出手段により、しきい値電流Ｌより大きいインバータ入力電流値Ｉinが求まると、前記出力抑制手段は、ＣＰＵ８のＭＰＰＴ制御機能に対して、出力抑制要求を送信する。前記ＭＰＰＴ制御機能は、出力抑制要求受信とともに出力電流値を減少させるように制御を行う。インバータ３の入出力間で平衡が保たれているとすると、出力電流値の減少に伴い入力電流値が減少する。
【００３８】
前記ＭＰＰＴ制御機能の出力抑制によりインバータ入力電流値Ｉinがしきい値電流Ｌより小さくなると、前記出力抑制手段は、出力抑制要求を解除する。
【００３９】
以上の動作を繰り返すことで、図７に示すように、インバータ入力電流値Ｉinが、定格入力電流値Ａ以下で動作することになる。
【００４０】
また、前記出力抑制手段が出力抑制要求を行っているにも関わらず、インバータ入力電流値Ｉinが定格入力電流値Ａより大きくとなった場合には、異常とみなし、インバータ３を停止する。
【００４１】
上述した出力抑制要求のフローチャートを、図８のステップＳ２０〜ステップＳ２８に示す。則ち、まず、入力電圧検出回路１０によってインバータ入力電圧値Ｖinを検出する（ステップＳ２０）。出力電圧検出回路１１によって検出した出力電圧値から出力電圧実効値Ｖormsを算出する（ステップＳ２１）。出力電流検出回路１２によって検出した出力電流値から出力電流実効値Ｉormsを算出する（ステップＳ２２）。インバータ入力電圧値Ｖinと、出力電圧実効値Ｖormsと、出力電流実効値Ｉormsとを用いて、式（２）よりインバータ入力電流値Ｉinを算出する（ステップＳ２３）。インバータ入力電流値Ｉinがしきい値電流Ｌより小さい時は（ステップＳ２４）、何もせず（ステップＳ２８）、再び、ステップ２０へと戻り、インバータ入力電流値Ｉinの算出を行う。ステップ２４において、インバータ入力電流値Ｉinがしきい値電流Ｌより大きくて、且つ定格入力電流値Ａより小さい場合は（ステップ２５）、ＭＰＰＴ制御機能に対して、出力抑制要求を送信する（ステップＳ２７）。ステップ２４、ステップ２５において、インバータ入力電流値Ｉinがしきい値電流Ｌより大きくて、且つ定格入力電流値Ａよりも大きい場合は、異常とみなしてインバータ３を停止する（ステップＳ２６）。
【００４２】
【発明の効果】
請求項１の発明は、太陽電池と、太陽電池の出力を常に最大にする最大出力動作点追尾制御を行いながら太陽電池の直流出力を交流出力に変換する直交変換装置であるインバータと、系統連系保護機能を有する系統連系保護装置とからなる太陽光発電システムにおいて、前記インバータは、前記太陽電池の電圧値を検出する入力電圧検出手段と、前記交流出力の電圧値を検出する出力電圧検出手段と、前記交流出力の電流値を検出する出力電流検出手段と、前記出力電圧検出手段から求めた電圧値と前記出力電流検出手段から求めた電流値とを乗じた後、前記入力電圧検出手段から求めた電圧値で除した値から、前記インバータの入力電流値を求め、該インバータの入力電流値が、前記インバータの定格入力電流値より大きくなった場合には異常を検出しインバータを停止させる異常検出手段とを備えたので、前記インバータに入力電流センサを設置することなく入力過電流を防止でき、安価なインバータを備えた太陽光発電システムを構築できるという効果がある。さらに、前記異常検出手段は、前記インバータの変換効率を考慮して前記インバータの入力電流値を求め、前記インバータは、インバータの出力値に対する変換効率特性を記憶した不揮発性記憶装置を有し、前記異常検出手段は、前記インバータの出力値に併せて前記インバータの変換効率を可変とするので、前記インバータの入力電流値の誤差が減少し、より精度の高い入力過電流検出を行うことができるという効果がある。
【００４５】
請求項２の発明は、請求項１記載の発明において、前記インバータの入力電流値が、前記インバータの定格入力電流値近傍に近づくと、前記インバータの入力電流値が、前記インバータの定格入力電流値より大きくならないように出力を抑制する出力抑制手段を備えたので、前記インバータの定格入力電流値近傍での発電継続が可能となり、効率的にシステムを運用できるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】  参考形態および実施形態１の太陽光発電システムの構成を示すブロック図である。
【図２】同上の入力過電流異常検出の手順を示したフローチャートである。
【図３】同上でインバータの変換効率を考慮した入力過電流異常検出の手順を示したフローチャートである。
【図４】  実施形態１の太陽光発電システムでインバータの変換効率を説明する説明図である。
【図５】  実施形態１の太陽光発電システムのＣＰＵと不揮発性記憶装置間の信号を示すブロック図である。
【図６】同上の入力過電流異常検出の手順を示したフローチャートである。
【図７】  実施形態２の太陽光発電システムのインバータ入力電流値を示す説明図である。
【図８】同上の出力抑制要求の手順を示したフローチャートである。
【図９】従来例の構成を示すブロック図である。
【図１０】同上でＭＰＰＴ制御を説明する説明図である。
【符号の説明】
１  太陽電池
２  太陽光パワーコンディショナ
３  インバータ
４  系統連系保護装置
５  商用電源
６  パワー回路
７  制御回路
８  ＣＰＵ
１０  入力電圧検出回路
１１  出力電圧検出回路
１２  出力電流検出回路
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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