(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
太陽電池の直流電力を所定周波数の交流電力に変換するトランスレス方式のパワーコンディショナであって、漏れ電流に対する検出回路と、直流電力を交流電力に変換するインバータ回路と、前記インバータ回路の動作方式を前記漏れ電流の検出結果と電力変換効率とに応じて複数に切り換え制御する制御回路と、を具備したことを特徴とするパワーコンディショナ。
【請求項２】
太陽電池の直流電力を系統と同じ商用周波数の交流電力に変換して系統電源に供給するトランスレス方式のパワーコンディションナであって、太陽電池−接地間への漏れ電流を検出する検出回路と、直流電力を交流電力に変換するインバータ回路と、前記インバータ回路の動作を制御するものであって、前記漏れ電流の検出に応じて前記インバータ回路の動作方式を複数に切り換え制御する制御回路と、を具備したことを特徴とするパワーコンディショナ。
【請求項３】
請求項１または２のパワーコンディショナにおいて、前記インバータ回路が、複数のスイッチ素子によるフルブリッジ回路構成とされ、前記制御回路の制御入力に応答して各スイッチ素子がスイッチング動作されるものである、ことを特徴とするパワーコンディショナ。
【請求項４】
請求項２のパワーコンディショナにおいて、前記制御回路が、少なくとも、前記インバータ回路に対して、太陽電池−接地間電圧を直流電圧とする動作方式と、交流電圧とする動作方式に切り換え制御する、ことを特徴とするパワーコンディショナ。
【請求項５】
太陽電池と、前記太陽電池の直流電力を系統と同じ商用周波数の交流電力に変換して系統電源に供給するトランスレス方式のパワーコンディショナと、を含み、前記パワーコンディショナは、太陽電池−接地間への漏れ電流を検出する検出回路と、太陽電池の直流電力を交流電力に変換するインバータ回路と、前記インバータ回路の動作を制御するものであって、前記漏れ電流の検出に応じて前記インバータ回路の動作方式を複数に切り換え制御する制御回路と、を具備してい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】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、太陽電池の直流電力を系統と同じ交流電力に変換し、系統に連系して電力を送出するトランスレス方式のパワーコンディショナ（非絶縁型太陽光発電用電力変換装置）に関する。
【０００２】
【従来の技術】
太陽電池の直流電力を系統と同じ商用周波数の交流電力に変換して系統電源に供給するような太陽光発電システムに使用されるパワーコンディショナには、太陽電池の直流電力を昇圧し、インバータ回路で商用周波数の交流電力に変換する非絶縁型（トランスレス）のものがある。
【０００３】
このようなトランスレス方式のパワーコンディショナにおいて、複数のスイッチ素子をフルブリッジ回路構成としたインバータ回路を有する場合、各スイッチ素子に対する動作方式によっては、太陽電池−接地間に、交流電圧が印加される方式（以下、説明の都合でシングルスイッチング方式という）と、直流電圧が印加される方式（以下、説明の都合でダブルスイッチング方式という）とがある。
【０００４】
そして、従来のパワーコンディショナにおいては、そのインバータ回路の動作方式が上記いずれか一方の動作方式に固定されていた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上述のシステムにおける太陽電池−接地間には雨天時で特に大きくなる浮遊容量（対地容量）が存在するために、インバータ回路の動作方式がシングルスイッチング方式に固定されていると、ダブルスイッチング方式と比較して電力変換効率に優れインバータ回路での電力損失が少なくて済むが、前記浮遊容量を介して系統側から直流側に雨天時などに漏れ電流が大きく流れてしまい、例えば家庭内の漏電遮断器が誤動作する可能性があるなど、システム上の信頼性に影響する。
【０００６】
また、その動作方式がダブルスイッチング方式に固定されている場合は、漏れ電流が小さく誤動作のおそれが少ないものの電力変換効率に劣るためにインバータ回路での電力損失が大きい。
【０００７】
したがって、本発明は、インバータ回路の動作方式を切り換え可能とし、誤動作のおそれをなくし、かつ、電力変換効率にも優れたパワーコンディショナを提供することを課題としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明第１のパワーコンディショナは、太陽電池の直流電力を所定周波数の交流電力に変換するトランスレス方式のパワーコンディショナであって、漏れ電流に対する検出回路と、直流電力を交流電力に変換するインバータ回路と、前記インバータ回路の動作方式を前記漏れ電流の検出結果と電力変換効率とに応じて複数に切り換え制御する制御回路とを具備したものである。
【０００９】
本発明第２のパワーコンディショナは、太陽電池の直流電力を系統と同じ商用周波数の交流電力に変換して系統電源に供給するトランスレス方式のパワーコンディショナであって、太陽電池−接地間への漏れ電流を検出する検出回路と、直流電力を交流電力に変換するインバータ回路と、前記インバータ回路の動作を制御するものであって、前記漏れ電流の検出に応じて前記インバータ回路の動作方式を複数に切り換え制御する制御回路とを具備したものである。
【００１０】
本発明第１および第２のパワーコンディショナの場合、漏れ電流の検出に応じてインバータ回路の動作方式を複数に切り換え制御するようにしているから、漏れ電流の検出に従いインバータ回路の動作方式を切り換えられる。したがって、漏れ電流が小さい場合は電力変換効率に優れた例えばシングルスイッチング方式に動作方式を切り換え、また、漏れ電流が大きい場合は例えばダブルスイッチング方式などの漏れ電流が小さい動作方式に切り換えて漏電遮断器などの誤動作を防止でき、それを用いたシステム全体の信頼性を向上させることができる。
【００１１】
例えば、動作方式がシングルスイッチング方式に固定化されている場合の電力変換効率はほぼ９６％と高く、また、ダブルスイッチング方式に固定化されている場合の電力変換効率はほぼ９５％と低い。そして、本発明第１および第２のパワーコンディショナの場合、両動作方式の併用とすることができるから、電力変換効率はシングルスイッチング方式固定よりは低いが、ダブルスイッチング方式固定よりも高くなる。
【００１２】
特に、シングルスイッチング方式固定化の場合は、電力変換効率が高くても漏電遮断器が誤動作するおそれがあり、また、ダブルスイッチング方式固定化の場合は、誤動作のおそれが少なくても電力変換効率が低いのに対して、本発明第１および第２のパワーコンディショナの場合、誤動作のおそれがないうえに、電力変換効率においてもダブルスイッチング方式よりも高くなる点で極めて有利となる。
【００１３】
特に、本発明第２のパワーコンディショナの場合、太陽電池−接地間において雨天時に大きくなる浮遊容量により漏れ電流が大きく流れようとする場合、インバータ回路の動作方式を切り換えることで一層、その漏れ電流を小さくないし実質なくすよう抑制し、漏電遮断器等の誤動作の確実な防止と電力変換効率の向上とを図れて太陽光発電システムの信頼性の向上をより図れて好ましい。
【００１４】
上記の場合、好ましくは、前記インバータ回路が、複数のスイッチ素子によるフルブリッジ回路構成とされ、前記制御回路の制御入力に応答して各スイッチ素子がスイッチング動作される。
【００１５】
上記の場合、好ましくは、前記制御回路が、少なくとも、前記インバータ回路に対して、太陽電池−接地間電圧を直流電圧とする動作方式と、交流電圧とする動作方式に切り換え制御する。
【００１６】
本発明の太陽光発電システムは、太陽電池と、前記太陽電池の直流電力を系統と同じ商用周波数の交流電力に変換して系統電源に供給するトランスレスのパワーコンディショナとを含み、前記パワーコンディショナは、太陽電池−接地間への漏れ電流を検出する検出回路と、太陽電池の直流電力を交流電力に変換するインバータ回路と、前記インバータ回路の動作を制御するものであって、前記漏れ電流の検出に応じて前記インバータ回路の動作方式を複数に切り換え制御する制御回路とを具備しているものである。
【００１７】
本発明のシステムによると、パワーコンディショナが前記漏れ電流の検出に従い内部のインバータ回路の動作方式を切り換えられるから、その動作方式を漏れ電流が小さい場合は電力変換効率に優れた例えばシングルスイッチング方式とし、漏れ電流が大きい場合は例えばダブルスイッチング方式として漏電遮断器などの誤動作を防止できる結果、信頼性の高いシステムを提供することができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の詳細を図面に示す実施形態に基づいて説明する。
【００１９】
図１ないし図６は本発明の実施形態に係り、図１は、本発明の実施形態に係る太陽光発電システム全体の回路図、図２は、インバータ回路の詳細回路図、図３は、インバータ回路のシングルスイッチング方式の場合のタイミングチャート、図４は、インバータ回路のダブルスイッチング方式の場合のタイミングチャート、図５は、前記両方式の電力変換効率を示す図、図６は、制御回路の制御動作フロー図である。
【００２０】
図１を参照して、パワーコンディショナ１は、太陽電池２と、漏電遮断器３を介した系統電源４との間で一対の電力配線５，６を介して接続されている。
【００２１】
太陽電池２は、直流電源として機能し、本実施形態が適用されれば太陽電池はいかなるタイプのものでもよい。
【００２２】
漏電遮断器３は、いずれか一方の配線５または６からいずれか他方の配線５または６に向きが異なる電流が流れるときは遮断動作をしないが、これらの配線５，６に同じ向きに電流が流れ、その電流の大きさが所定値を越えるときは漏電であるとして遮断動作をするようになっている。
【００２３】
系統電源４は、１００／２００Ｖの単相３線式である。
【００２４】
パワーコンディショナ１は、太陽電池２からの直流電力を系統電源３と同期のとれた交流電力に変換するものであって、太陽電池２からの直流電力を入力する直流入力部（＋）（−）および交流電力を出力する交流出力部１２を有し、内部に零相変流器（ＣＴ）１１、系統連系用のインバータ回路１２、連系リレー１３および制御回路１４を備える。
【００２５】
零相変流器１１、インバータ回路１２および連系リレー１３は、太陽電池２と漏電遮断器３との間に直列に接続されている。
【００２６】
零相変流器１１は、漏れ電流の検出回路として、電力配線５，６から太陽電池−接地間の浮遊容量Ｃ０を介して接地へと流れる電流を漏れ電流Ｉ０として検出する。この漏れ電流Ｉ０としてはインバータ回路１２におけるスイッチング方式がシングルスイッチング方式の場合は、交流となり、ダブルスイッチング方式の場合は直流となる。ただし、ダブルスイッチング方式の場合の交流の漏れ電流は、シングルスイッチング方式の場合の交流のそれと比較して非常に小さい。
【００２７】
インバータ回路１２は、図２で示すように、入力部ＩＮ１，ＩＮ２および出力部ＯＵＴ１，ＯＵＴ２を有し、その入力部ＩＮ１，ＩＮ２と出力部ＯＵＴ１，ＯＵＴ２との間に、太陽電池２の直流電圧を一定の直流電圧に昇圧する昇圧回路部１２ａと、この昇圧回路部１２ａからの直流電力を、系統電源４と同期のとれた交流電力に変換するスイッチ回路部１２ｂと、フィルタ回路部１２ｃとを備えている。
【００２８】
インバータ回路１２において、昇圧回路部１２ａおよびスイッチ回路部１２ｂの各スイッチ素子Ｓ１〜Ｓ５は、制御回路１４からの制御入力によって制御される。各スイッチ素子Ｓ１〜Ｓ５は、実施形態ではトランジスタの形態とされている。このトランジスタとしてバイポーラトランジスタやＩＧＢＴがあり、また、トランジスタでなくてもＧＴＯサイリスタなどで構成してもよい。
【００２９】
昇圧回路部１２ａは、リアクトルＬ１、ダイオードＤ１、コンデンサＣ１，Ｃ２およびスイッチ素子Ｓ１を備え、太陽電池２の直流電圧を例えば３５０Ｖ程度の一定電圧に昇圧する。
【００３０】
スイッチ回路部１２ｂは、フルブリッジ回路構成とされた４つのスイッチ素子Ｓ２〜Ｓ５から構成され、パルス幅を変化させて出力を制御する高周波ＰＷＭ方式でスイッチング動作されて、昇圧回路部１２ａからの直流電圧を矩形波の交流電圧に変換する。なお、実施形態ではスイッチ回路部１２ｂのスイッチング動作は、周波数制御と出力電圧制御とを同時に行うＰＷＭ方式であったが、他の方式、例えば電流制御形や電圧制御形であっても構わず、要するに、それぞれの方式において、各スイッチ素子Ｓ２〜Ｓ５をシングルスイッチング方式やダブルスイッチング方式で駆動制御できる動作方式であればよい。
【００３１】
インバータ回路１２においてシングルスイッチング方式の動作タイミング波形を図３で、ダブルスイッチング方式の動作タイミング波形を図４で示す。
【００３２】
図３および図４において（ａ）は、インバータ回路１２の電力配線５側出力電圧波形、（ｂ）は、電力配線６側出力電圧波形、（ｃ）はスイッチ素子Ｓ２のＯＮ，ＯＦＦ波形、（ｄ）はスイッチ素子Ｓ３のＯＮ，ＯＦＦ波形、（ｅ）はスイッチ素子Ｓ３のＯＮ，ＯＦＦ波形、（ｆ）はスイッチ素子Ｓ５のＯＮ，ＯＦＦ波形、（ｇ）は太陽電池−接地間電圧波形を示す。
【００３３】
この動作は周知であるのでその詳しい説明を省略するが、図３のシングルスイッチング方式の場合は、Ａ区間でスイッチ素子Ｓ２がＯＦＦ、スイッチ素子Ｓ３がＯＮし、スイッチ素子Ｓ４，Ｓ５のＯＮ，ＯＦＦのＰＷＭ制御で出力部ＯＵＴ１に正の正弦波電圧を、出力部ＯＵＴ２に負の正弦波電圧を出力させ、Ｂ区間でその逆とする。
【００３４】
また、図４のダブルスイッチング方式の場合は、Ａ区間でスイッチ素子Ｓ２，Ｓ５の組み合わせで互いのＯＮ，ＯＦＦ周期を一致させ、またスイッチ素子Ｓ３，Ｓ４の組み合わせで互いのＯＮ，ＯＦＦ周期を一致させるが、前記両組み合わせのＯＮ，ＯＦＦ周期を逆とするＰＷＭ制御で出力部ＯＵＴ１に負の正弦波電圧を、出力部ＯＵＴ２に正の正弦波電圧を出力させ、Ｂ区間でその逆とする。
【００３５】
このようなＰＷＭ制御によると、シングルスイッチング方式の場合、図３（ｇ）で示すように、太陽電池−接地間電圧が、交流波形となり、ダブルスイッチング方式の場合は、図４（ｇ）で示すように、太陽電池−接地間電圧が、直流波形となる。
【００３６】
上記したシングルスイッチング方式とダブルスイッチング方式の場合、その電力変換効率は図５で示されるようになる。図５において、横軸は出力（ｋＷ）を、縦軸は電力変換効率（％）を示し、ａはシングルスイッチング方式、ｂはダブルスイッチング方式である。図５から明らかであるように、シングルスイッチング方式の電力変換効率はほぼ９６％であり、ダブルスイッチング方式と比較してほぼ１％、電力変換効率に優れている。
【００３７】
フィルタ回路部１２ｃは、２つのコイルＬ０とコンデンサＣ０とからなるものであり、スイッチ回路部１２ｂからの矩形波の交流電圧を正弦波の交流電圧に変換する。
【００３８】
制御回路１４は、マイクロコンピュータを内蔵しており、インバータ回路１２の各スイッチ素子Ｓ１〜Ｓ５に対してそれをＯＮ，ＯＦＦさせる制御入力を入力制御するものであって、図６の動作フローで示すように、零相変流器１１出力に基づいて漏れ電流Ｉ０の判定を行い、その判定結果に基づいてインバータ回路１２の動作方式を複数、本実施形態ではシングルスイッチング方式とダブルスイッチング方式に切り換え制御するようになっている。
【００３９】
つまり、制御回路１４は、系統連系運転中（Ｓ１）、零相変流器１１出力からの電力配線５，６中の電流検出（Ｓ２）の入力に対して、その検出電流が所定値Ｉ０を越えているか否かを判定し、所定値Ｉ０を越えていると判定すると、漏れ電流が大きいのでそれを抑制するためにインバータ回路１２の動作方式をダブルスイッチング方式に切り換え（Ｓ４）、また所定値Ｉ０未満であると判定すると漏れ電流が小さいのでインバータ回路１２の動作方式を電力変換効率に優れたシングルスイッチング方式に切り換える（Ｓ５）よう制御する。
【００４０】
なお、零相変流器１１出力は、シングルスイッチング方式の場合は交流波形であり、ダブルスイッチング方式の場合は直流波形であるが、漏れ電流の大きさは、シングルスイッチング方式の交流波形が大きく、ダブルスイッチング方式の交流波形は小さいので、制御回路１４内においてその交流波形を大小比較して上記Ｓ３における判定を行うことができる。
【００４１】
本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、種々な応用や変形が可能である。
【００４２】
（１）本実施形態の系統電源４は、本実施形態では単相３線式であるが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば単相２線式であってもよいし、３相３線式など他の線式であってもよい。なお、出力相数が、単相の場合のインバータ回路においては、４つのトランジスタのフルブリッジ回路構成となり、３相の場合のインバータ回路においては、６つのトランジスタのフルブリッジ回路構成となる。
【００４３】
（２）上述の実施形態では、インバータ回路１２の動作方式の切り換えは、シングルスイッチング方式とダブルスイッチング方式との２種類であったが、本発明はこれに限定されず、それ以上の複数種類において動作方式を切り換えられるものとしてもよい。
【００４４】
（３）上述の実施形態では漏れ電流の検出をインバータ回路１２の前段側に漏電遮断器を配置して行っているが、本発明は、これに限定されず、インバータ回路１２の後段側にそれを配置して漏れ電流を検出するようにしてもよい。
【００４５】
（４）上述の実施形態ではインバータ回路の制御をＰＷＭ制御としているが、本発明はこれに限定されず、他の制御方式でもよい。
【００４６】
（５）上述の実施形態では電力会社の配電線と連系するあるゆる形態の系統連系形の太陽光発電システムに適用されるが、系統とは独立形式の太陽光発電システムにも適用することができる。
【００４７】
（６）上述の実施形態ではインバータ回路は、直流電力を商用周波数の交流電力に変換するが、任意の周波の交流電力に変換する場合も含む。
【００４８】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、漏れ電流の検出に従いインバータ回路の動作方式を複数種類に切り換えられるから、その動作方式を漏れ電流が小さい場合は電力変換効率に優れた例えばシングルスイッチング方式とし、漏れ電流が大きい場合は例えばダブルスイッチング方式として漏電遮断器などの誤動作を防止でき、結果として、誤動作の防止を図れると同時に全体の電力変換効率をダブルスイッチング方式よりも高くすることができるものとなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る太陽光発電システム全体の回路図
【図２】インバータ回路の詳細回路図
【図３】インバータ回路のシングルスイッチング方式の場合のタイミングチャート
【図４】インバータ回路のダブルスイッチング方式の場合のタイミングチャート
【図５】前記両方式の電力変換効率を示す図
【図６】制御回路の制御動作フロー図
【符号の説明】
１  パワーコンディショナ
２  太陽電池
３  漏電遮断器
４  系統電源
１１  零相変流器
１２  インバータ回路
１２ａ  昇圧回路部
１２ｂ  スイッチ回路部
１４  制御回路
【図１】
0003805953.tif 000002
【図２】
0003805953.tif 000003
【図３】
0003805953.tif 000004
【図４】
0003805953.tif 000005
【図５】
0003805953.tif 000006
【図６】
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