図面 (/)

技術 パワーコンディショナ及びその接続方法

出願人 株式会社オリジン
発明者 大島正明
出願日 2014年9月27日 (4年10ヶ月経過) 出願番号 2014-197666
公開日 2016年5月9日 (3年3ヶ月経過) 公開番号 2016-073031
状態 特許登録済
技術分野 インバータ装置
主要キーワード スパイク性 直流接地 並行運転 サージ吸収器 ブロッキングコイル スパイク波形 スイッチング成分 直流電力線
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2016年5月9日)のものです。
また、この項目は機械的に抽出しているため、正しく解析できていない場合があります

図面 (18)

課題

トランスレス方式でありながら、無線通信への障害を防止できるパワーコンディショナ及びその接続方法を提供することを目的とする。

解決手段

本発明に係るパワーコンディショナは、太陽電池パネルフレーム大地接地する接地線システム共通グラウンド線とを接続し、インバータ出力端子とシステム共通グラウンド線とをバイパスコンデンサで接続している。この接続した経路は、大地より抵抗インピーダンス)が小さいので、太陽電池パネル側の直流回路群と対地電位変動と、対地静電容量で生じた高周波コモンモード電流は当該経路でインバータの交流側端子還流する。大地を流れる高周波のコモンモード電流が減少するため、放射ノイズを低減することができる。

概要

背景

地球環境問題や、化石燃料価格の高騰を背景として、太陽光風力などの再生可能エネルギーに関する関心が世界的に高まっている。太陽エネルギー電力に変換するデバイスとして太陽電池が普及し始めている。太陽電池の発生電力直流なので、商用交流電源連系して運転するためには、パワーコンディショナ(以下、本明細書において「パワコン」又は「PCS」とも参照する。)が必要となる。例えば、下記特許文献1にこのようなパワーコンディショナが開示されている。

また、下記特許文献2には、単相電圧型交直変換装置が開示されている。特に、複数台並列に接続して並行運転を行う場合において、それぞれの装置が自律して出力偏差を制御する自立並行運転が可能な単相電圧型交直変換装置が開示されている。
また、下記特許文献3には、三相電圧型交直変換装置が開示されている。特に、複数台を並列に接続して並行運転を行う場合において、それぞれの装置が自律して出力偏差を制御する自立並行運転が可能な三相電圧型交直変換装置が開示されている。
また、下記非特許文献1には、太陽光発電用パワーコンディショナにおいて放射ノイズが発生する点が記載されており、その対策として、PWMの制御に関する改良等の技術が開示されている。

概要

トランスレス方式でありながら、無線通信への障害を防止できるパワーコンディショナ及びその接続方法を提供することを目的とする。本発明に係るパワーコンディショナは、太陽電池パネルフレーム大地接地する接地線システム共通グラウンド線とを接続し、インバータ出力端子とシステム共通グラウンド線とをバイパスコンデンサで接続している。この接続した経路は、大地より抵抗インピーダンス)が小さいので、太陽電池パネル側の直流回路群と対地電位変動と、対地静電容量で生じた高周波コモンモード電流は当該経路でインバータの交流側端子還流する。大地を流れる高周波のコモンモード電流が減少するため、放射ノイズを低減することができる。

目的

本発明は、従来のトランスレス方式のような重量増大等を招かず、小型軽量の構成を維持したまま、無線通信への障害を防止することができるパワーコンディショナおよびその接続方法を提供する

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

この技術が所属する分野

ライセンス契約や譲渡などの可能性がある特許掲載中! 開放特許随時追加・更新中 詳しくはこちら

請求項1

直流電力入力端子に接続された直流電源から入力される直流電力電圧を所定の電圧に変換して出力する直流コンバータと、前記直流コンバータが出力する直流電力をスイッチング交流電力に変換してスイッチング出力端子から出力し、交流電力出力端子から前記交流電力を交流電力系統に供給するインバータと、前記直流電力入力端子との間に静電容量が存在する前記直流電力源大地接地線に接続するシステム共通グラウンド線と、前記インバータの前記交流電力出力端子と、前記システム共通グラウンド線と、を接続するバイパスコンデンサと、を備え、前記インバータは、前記直流コンバータが出力する直流電力をスイッチングで交流電力に変換し、前記スイッチング出力端子から出力するスイッチ群と、前記スイッチ群が変換した前記交流電力をフィルタリングし、前記交流電力出力端子から前記交流電力を前記交流電力系統に供給するフィルタと、を備えたことを特徴とするパワーコンディショナ

請求項2

前記交流電力系統は単相三線式電力系統であり、前記インバータは前記交流電力をこの単相三線式電力系統に供給しており、前記インバータの前記スイッチング出力端子は2個であり、前記交流電流出力端子も2個であり、この2個の交流電力出力端子は、それぞれ、前記単相三線式電力系統の中性線以外の2線に接続しており、前記バイパスコンデンサは、直列接続した2個のコンデンサからなり、前記インバータの前記スイッチング出力端子間にこの2個のコンデンサが直列接続され、この2個のコンデンサの接続点が、前記システム共通グラウンド線に接続されている、ことを特徴とする請求項1記載のパワーコンディショナ。

請求項3

前記直流コンバータ、前記インバータ、前記システム共通グラウンド線、及び、前記バイパスコンデンサを内蔵し、大地に接地されている筐体と、前記筐体と前記システム共通グラウンド線とを接続する接地コイルと、をさらに備えることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載のパワーコンディショナ。

請求項4

前記直流電力入力端子と前記直流コンバータとを接続する直流電力線、及び、前記インバータの前記スイッチング出力端子と前記交流電力出力端子とを接続する交流電力線と、前記システム共通グラウンド線とを接続するSPD(Surge Protective Device)をさらに備えることを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか1項に記載のパワーコンディショナ。

請求項5

直流電力入力端子から入力される直流電力の電圧を所定の電圧に変換して出力する直流コンバータと、前記直流コンバータが出力する直流電力をスイッチングで交流電力に変換してスイッチング出力端子から出力し、交流電力出力端子から前記交流電力を交流電力系統に供給するインバータと、を備えるパワーコンディショナに、前記直流電力を供給する直流電力源を接続する接続方法であって、前記直流電力源の直流電力出力端と、前記パワーコンディショナの前記直流電力入力端子とを接続し、前記直流電力源の前記直流電力出力端との間に静電容量が存在する前記直流電力源の大地接地線と、システム共通グラウンド線とを接続し、前記インバータの前記スイッチング出力端子と、前記システム共通グラウンド線とをバイパスコンデンサを介して接続することを特徴とする接続方法。

請求項6

前記交流電力系統は単相三線式電力系統であり、前記インバータは、前記交流電力を前記単相三線式電力系統に供給している場合、前記インバータの前記交流出力端子は2個であり、それぞれ、前記単相三線式電力系統の中性線以外の2線に接続しており、前記バイパスコンデンサを、直列接続した2個のコンデンサで形成し、前記インバータの前記スイッチング出力端子間に、この2個のコンデンサを直列接続し、この2個のコンデンサの接続点を、前記システム共通グラウンド線に接続する、ことを特徴とする請求項5記載の接続方法。

請求項7

前記パワーコンディショナが、大地に接地されている筐体に格納されており、前記筐体と前記システム共通グラウンド線とを接地コイルで接続することを特徴とする請求項5又は請求項6に記載の接続方法。

請求項8

前記直流電力入力端子と前記直流コンバータとを接続する直流電力線、及び、前記インバータの前記スイッチング出力端子と前記交流電力出力端子とを接続する交流電力線と、前記システム共通グラウンド線とをSPDで接続することを特徴とする請求項5から請求項7のいずれか1項に記載の接続方法。

技術分野

0001

本発明は、直流電源を、交流電力系統連系して運転するパワーコンディショナ及びその接続方法に関する。

背景技術

0002

地球環境問題や、化石燃料価格の高騰を背景として、太陽光風力などの再生可能エネルギーに関する関心が世界的に高まっている。太陽エネルギー電力に変換するデバイスとして太陽電池が普及し始めている。太陽電池の発生電力直流なので、商用交流電源と連系して運転するためには、パワーコンディショナ(以下、本明細書において「パワコン」又は「PCS」とも参照する。)が必要となる。例えば、下記特許文献1にこのようなパワーコンディショナが開示されている。

0003

また、下記特許文献2には、単相電圧型交直変換装置が開示されている。特に、複数台並列に接続して並行運転を行う場合において、それぞれの装置が自律して出力偏差を制御する自立並行運転が可能な単相電圧型交直変換装置が開示されている。
また、下記特許文献3には、三相電圧型交直変換装置が開示されている。特に、複数台を並列に接続して並行運転を行う場合において、それぞれの装置が自律して出力偏差を制御する自立並行運転が可能な三相電圧型交直変換装置が開示されている。
また、下記非特許文献1には、太陽光発電用パワーコンディショナにおいて放射ノイズが発生する点が記載されており、その対策として、PWMの制御に関する改良等の技術が開示されている。

0004

特許第3005804号公報
特開2009−219263号公報
特開2007−236083号公報

先行技術

0005

大島正明著、「パワーエレクトロニクス機器ノイズ対策技法、パワーコンディショナのノイズ問題とEMC設計」、電磁環境工学情報EMC、第26巻、2号、2013年、6月5日発行

発明が解決しようとする課題

0006

太陽光発電パワコン400は、直流コンバータ部411及びインバータ部412を備えている。図14には、そのような太陽光発電パワコン400の回路ブロック図が示されている。ここで、図14中、PCC(Point of Common Coupling)416は、連系点を意味する。
太陽光発電用パワコン400(以下、単にパワコン400と呼ぶ場合もある)においては、まず、直流コンバータ部411が太陽電池パネル200からの直流電圧を昇圧する(図14参照)。次に、インバータ部412が、その昇圧された直流出力交流に変換して、変換後の電力を交流電力系統500に出力する(図14参照)。なお、直流コンバータ部411が昇圧した直流電圧を直流リンク電圧と呼ぶ。

0007

パワコン400の種類として、大別すれば、トランス方式トランスレス方式が知られている。生産コスト・容量及び重量の面では、一般的にはトランスレス方式の方が有利であると考えられている。しかし、トランスレス方式のパワコン400は、コモンモード電位変動直接出力してしまうため、たとえ、インバータ部412の変換(変調周波数が低くても高周波ノイズを発生してしまう可能性がある。

0008

ここで、図15を用いてトランスレス方式のパワコン400の高周波ノイズの発生について説明する。図15には、パワコン400の主要な機能に着目して主要な回路構成のみを代表的に示した模式回路図が示されている。例えば、パワコン400には、直流コンバータ部411やインバータ部412を制御する制御装置等が含まれているが、そのような付帯的な回路は図示されていない。
図15においては、直流コンバータ部411及びインバータ部412におけるスイッチングを行うスイッチングトランジスタ(U、V、W、X、Y、Z)が示されている。これらのスイッチングトランジスタ(U、V、W、X、Y、Z)(図15参照)には、図示されていない制御装置から、スイッチングのための制御信号が供給される。

0009

また、インバータ部412のLspとCfとはノーマルモードのスイッチング成分が、交流電力系統500に流出することを防止するためのフィルタを構成する。ここで、Lspは、ブロッキングコイルであり、Cfがスイッチング周波数成分を吸収するキャパシタである。
また、インバータ部412のLpは、インバータ部412のスイッチングトランジスタ(U、V、X、Y)と協調して動作し、所望の周波数の交流電流を発生させる働きを有する。
また、直流コンバータ部411のLpとCinとは、直流コンバータ部411のスイッチングトランジスタ(W、Z)と協調して動作し、直流電圧の昇圧を行う。

0010

通常、商用低圧単相電源単相三線式であり、その中相中性線)は、電力会社側で、大地接地されている。具体的には、例えば柱上トランス等から接地されている。このため、パワコン400がトランスレス方式の場合には、太陽電池側直流回路直接接地することはできない。以下、この点を詳細に説明する。
直流回路側の対地電位
太陽電池と直流コンバータ部411とを含む直流回路側の対地電位は、インバータ部412のスイッチング状態によって決定される。なお、本文では、太陽電池から直流コンバータ部411に至る部分の回路を、総称して直流回路側と称している。
図15から理解されるように、これら直流回路側のN点(図15参照)の対地電位VNGとは、G点(中性線)から見た電位で表される電位である。したがって、このVNGはインバータ部412のスイッチング状態によって以下のように決定される。すなわち、
スイッチングトランジスタYがON状態の場合は:VNG=−VAC(t)
スイッチングトランジスタVがON状態の場合は:VNG=VPN−VAC(t)
と決定される。ここで、VAC(t)は中性線(G点)から見たa相電圧図15参照)であり、VPNは上述した直流リンク電圧である(図14参照)。このVPNの値は、約320V〜400V程度である。

0011

このように、直流回路側の対地電位は、スイッチングトランジスタVとスイッチングトランジスタYのON状態/OFF状態によって、直流リンク電圧VPNを振幅としてパルス状に変化することになる。
つまり、スイッチングトランジスタVとスイッチングトランジスタYが高周波でスイッチングすることによって、直流回路側の対地電位(例えばN点電位)も高周波で変動する。
なお、ここでは、スイッチングトランジスタVとスイッチングトランジスタYは、交流電力系統500と同様の周波数でON状態/OFF状態が切り替わるものとしている。
スイッチングトランジスタVとYとのスイッチング方法については複数の方法があり,ここでは出力電圧に同期したスイッチングを行う場合を例示することとするが,本願に述べる対処法は,このスイッチング方法に限定されるものではない。

0012

一方、太陽電池パネル200のフレームは、通常、金属製であり、感電防止等の安全のために大地に接地される。直流回路側とフレームとは電気的(直流的)には接続されておらず、直流回路側には、比較的大きな対地静電容量が存在する。太陽電池モジュールの対地静電容量は、セルの種類(単結晶シリコン多結晶シリコン薄膜シリコン皮脂離婚形化合物)によるだけでなく、その太陽電池モジュールの裏面保護材の種類(ポリエチレンテレフタレートアルミシートなど)によって決定される。例えば、太陽電池モジュール1枚当たり、0.2nF〜1.9nF程度である。

0013

なお、ここで、太陽電池パネル200は、このような太陽電池モジュールを複数集合させることによって構成されている。各太陽電池モジュールは、所定の面積モジュールである。すなわち、概ね、そのフレームと電極との間に、上記の通り0.2nF〜1.9nF程度の静電容量を有している。
上記のような直流回路側の対地電位変動と対地静電容量の存在とによって、図16に示すような直流回路側から接地点に向かって大地を流れる高周波のコモンモード電流CCが発生する可能性がある。また、交流電力系統500側にある接地点が太陽電池パネル200の設置箇所(接地点)から遠い場合、コモンモード電流CCの電流ループ面積も大きい。この状態においては、太陽電池パネル200がモノポールアンテナとして機能する。したがって、高周波のコモンモード電流CCによって放射ノイズ(電波ノイズ)が発生し、周囲の電子機器に妨害を与えてしまうおそれがある。

0014

以上述べたように、トランスレス方式のパワコン400においては、何ら対策を施さない場合は、無線通信への障害を発生させる恐れがある。したがって、これを防止するための何らかの対策が必要であるという課題がある。
この課題を解決するために、上述した特許文献1や、非特許文献1では、インバータ部412の交流出力側の各端子インダクタンスLpを設置し、さらに、交流出力側の端子と直流入力側のN点とをコンデンサで接続している。
例えば、図17は、特許文献1に記載されている回路図である。この回路図では、高周波スイッチングで発生する高周波電圧による上記障害を防止するために、リアクトル(42、43)(インダクタンスLpに相当)が設けられている。

0015

しかしながら、特許文献1や非特許文献1に示された手法では、インダクタンスLpを増設する必要があり、高い効果を得るためには大きな値のLpが必要であった。また、大電流を流すために、インダクタンスLpは巨大なものとなりがちであった。この結果、トランスレス方式を採用しても、パワーコンディショナ400のコスト増大や重量増加を招くという問題がある。
そこで、本発明は、従来のトランスレス方式のような重量増大等を招かず、小型軽量の構成を維持したまま、無線通信への障害を防止することができるパワーコンディショナおよびその接続方法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

0016

上記目的を達成するために、本発明に係るパワーコンディショナは、太陽電池パネルのフレームを大地に接地する接地線と、インバータの交流出力側(スイッチング出力端子)とをコンデンサで接続することを主要な特徴の一つとする。
具体的には、本発明のある態様に係るパワーコンディショナは、
直流電力入力端子に接続された直流電力源から入力される直流電力電圧を所定の電圧に変換して出力する直流コンバータと、
前記直流コンバータが出力する直流電力を、複数のスイッチのスイッチングで交流電力に変換してスイッチング出力端子から出力し、交流電力出力端子から前記交流電力を交流電力系統に供給するインバータと、
前記直流電力入力端子との間に静電容量が存在する前記直流電力源の接地線に接続するシステム共通グラウンド線と、
前記インバータの前記交流電力出力端子と、前記システム共通グラウンド線と、を接続するバイパスコンデンサと、
を備え、
前記インバータは、
前記直流コンバータが出力する直流電力をスイッチングで交流電力に変換し、スイッチング出力端子から出力する複数のスイッチと、
前記複数のスイッチが変換した前記交流電力をフィルタリングし、交流電力出力端子から前記交流電力を前記交流電力系統に供給するフィルタであって、少なくとも1個のインダクタンスを含むフィルタと、
を備える。

0017

ここで、前記交流電力系統は、単相三線式電力系統、又は、単相二線式電力系統のいずれかであってよい。また、前記交流電力系統は、交流電力系統であればどのような種類のものでも適用することができ、例えば三相3線式電力系統でも好適である。
また、本発明のある態様に係る接続方法は、
直流電力入力端子から入力される直流電力の電圧を所定の電圧に変換して出力する直流コンバータと、
前記直流コンバータが出力する直流電力を、複数のスイッチのスイッチングで交流電力に変換してスイッチング出力端子から出力し、交流電力出力端子から前記交流電力を交流電力系統に供給するインバータと、
を備えるパワーコンディショナに、前記直流電力を供給する直流電力源を接続する接続方法であって、
前記直流電力源の直流電力出力端と、前記パワーコンディショナの前記直流電力入力端子とを接続し、
前記直流電力源の直流電力出力端との間に静電容量が存在する前記直流電力源の大地接地線と、システム共通グラウンド線とを接続し、
前記インバータの前記スイッチング出力端子と、前記システム共通グラウンド線とをバイパスコンデンサを介して接続する。

0018

ここで、前記交流電力系統は、単相三線式電力系統、又は、単相二線式電力系統のいずれかであってよい。また、上述したように、前記交流電力系統は三層3線式電力系統やその他の交流電力系統を適用することも可能である。
本発明の上記態様に係るパワーコンディショナは、直流電源を、パワーコンディショナに接続するに際して、まず、太陽電池パネルのフレームと、システム共通グラウンド線とを接続している。このシステム共通グラウンド線は、本発明の上記態様において新たに設けた構成である。

0019

次に、インバータのスイッチング出力端子も、このシステム共通グラウンド線とをバイパスコンデンサを通じて接続している。このバイパスコンデンサを通過する経路は、大地よりも抵抗インピーダンス)が小さいので、直流回路側の対地電位変動と対地静電容量とによって生じた高周波のコモンモード電流は、当該経路を介してインバータの交流電力出力端子に還流する。
この結果、大地を流れる高周波のコモンモード電流が減少し、放射ノイズを軽減することができる。したがって、本発明の上記態様によれば、トランスレス方式を採用しつつ、無線通信への障害を防止することができるパワーコンディショナ及びその接続方法を提供することができる。

0020

前記交流電力系統は単相三線式電力系統であり、本発明に係るパワーコンディショナの前記インバータは、前記交流電力を単相三線式電力系統に供給しており、
前記インバータの前記スイッチング出力端子は2個であり、前記交流電流出力端子も2個であり、この2個の交流電力出力端子は、それぞれ、前記単相三線式電力系統の中性線以外の2線に接続しており、
前記バイパスコンデンサは、直列接続した2個のコンデンサからなり、前記インバータの前記スイッチング出力端子間にこの2個のコンデンサが直列接続され、この2個のコンデンサの接続点が、前記システム共通グラウンド線に接続されていてよい。

0021

前記交流電力系統は単相三線式電力系統であり、前記インバータは、前記交流電力を前記単相三線式電力系統に供給している場合、
前記インバータの前記交流出力端子は2個であり、それぞれ、前記単相三線式電力系統の中性線以外の2線に接続しており、
前記バイパスコンデンサを、直列接続した2個のコンデンサで形成し、前記インバータの前記スイッチング出力端子間に、この2個のコンデンサを直列接続し、この2個のコンデンサの中点(接続点)を、前記システム共通グラウンド線に接続してよい。

0022

バイパスコンデンサが1個の場合、インバータの交流出力端子に電力系統側から漏洩電流がバイパスコンデンサ及びシステム共通グラウンド線を経由して大地に流れる場合もある。そこで、インバータの出力間、すなわち、2個の交流出力端子の間を、バイパスコンデンサで接続することによって、連系点からの電力系統の交流電流がバイパスコンデンサを経由して再び連系点に戻すことが可能である。従って、本発明の上記態様は、パワーコンディショナからの商用周波数電流漏洩を防止することができる。

0023

本発明のある態様に係るパワーコンディショナは、前記直流コンバータ、前記インバータ、前記システム共通グラウンド線、及び、前記バイパスコンデンサを内蔵し、大地に接地されている筐体と、
前記筐体と前記システム共通グラウンド線とを接続する接地コイルと、
をさらに備えてよい。
また、本発明のある態様に係る接続方法は、前記パワーコンディショナが、大地に接地されている筐体に格納されており、前記筐体と前記システム共通グラウンド線とを接地コイルで接続してよい。
接地コイルは、交流を遮断し、直流を通過させる。このため、コモンモード電流の大地への流入を防止しつつ、システム共通グラウンド線の直流電位を安定させることができる。

0024

本発明のある態様に係るパワーコンディショナは、前記直流電力入力端子と前記直流コンバータとを接続する直流電力線、及び、前記インバータの前記スイッチング出力端子と前記交流電力出力端子とを接続する交流電力線と、前記システム共通グラウンド線とを接続するSPD(Surge Protective Device)をさらに備えてよい。
ここで、直流電力線とは、電気的には直流電力入力端子と接続されており同電位の箇所である。

0025

また、本発明のある態様に係る接続方法は、前記直流電力入力端子と前記直流コンバータとを接続する直流電力線、及び、前記インバータの前記スイッチング出力端子と前記交流電力出力端子とを接続する交流電力線と、前記システム共通グラウンド線とをSPDで接続してよい。
これによって、雷サージ侵入したときに、パワコンの内部回路に異常な電位差が発生することを防止することができ、内部回路を雷サージから保護することができる。

発明の効果

0026

本発明は、トランスレス方式でありながら、電磁波の不要輻射を減少させることができるので、無線障害等を防止できるパワーコンディショナ及び接続方法を提供することができるという効果を奏する。

図面の簡単な説明

0027

本発明の実施形態1に係るパワーコンディショナの内部回路を説明する図である。
図1のインバータ12の内部回路を説明する図である。
本発明の実施形態1に係るパワーコンディショナと直流電力源である太陽電池パネルとを接続する接続方法を説明する図である。
ダンピング抵抗23を用いた例を説明する図である。
抵抗を直列に挿入していない場合のシステム共通グラウンド線13の電流を示すグラフである。
抵抗10Ωを直列に挿入した場合のシステム共通グラウンド線13の電流を示すグラフである。
本発明の実施形態1に係る太陽電池発電システムと、従来の太陽電池発電システムとで、大地に流れるコモンモード電流を比較したグラフである。
本発明の実施形態2に係るパワーコンディショナの内部回路を説明する図である。
本発明の実施形態2に係るパワーコンディショナと直流電力源である太陽電池パネルとを接続する接続方法を説明する図である。
接地コイルを備えた実施形態1に係るパワーコンディショナの回路図である。
接地コイルを備えた実施形態2に係るパワーコンディショナの回路図である。
SPDを備えた実施形態1に係るパワーコンディショナを説明する図である。
SPDを備えた実施形態2に係るパワーコンディショナを説明する図である。
従来の一般的な太陽光発電システムの回路構成の一例を説明する説明図である。
一般的なパワーコンディショナの内部回路を説明する図である。
従来のトランスレス方式のパワーコンディショナにおけるコモンモード電流を説明する図である。
従来の電力変換装置の回路を説明する図である。

実施例

0028

以下、添付の図面を参照して、本発明の好ましい実施形態を説明する。以下、説明する実施形態は、本発明の実施例であり、本発明は、以下の実施形態に制限されるものではない。なお、本明細書及び図面において、符号が同じ構成要素は、相互に同一の構成を示すものとする。
実施形態1
基本構成
図1は、本実施形態1のパワーコンディショナ100の内部回路を示す説明図である。
この図1に示すように、このパワーコンディショナ100は、直流電力入力端子15に接続された直流電力源(ここでは、太陽電池パネル等)から入力される直流電力の電圧を変換して出力する直流コンバータ11を備えている。
さらに、パワーコンディショナ100は、複数のスイッチのスイッチングで直流コンバータ11が出力する直流電力を交流電力に変換してスイッチング出力端子17から出力し、交流電力出力端子16から交流電力を交流電力系統に供給するインバータ12と、を備えている。

0029

なお、スイッチは、各種スイッチング素子利用可能である。本実施形態1では、後述するようにスイッチングトランジスタを、スイッチとして用いている。
スイッチング出力端子17と、交流電力出力端子16とは所定のフィルタを介して接続されている。本実施形態1では、電力系統として交流電力系統を一例として説明するが、単相3線式電力系統、単相2線式電力系統、三相3線式電力系統、三相4線式電力系統など、他の種類の電力系統にも適用することができる。

0030

また、本実施形態1のパワーコンディショナ100は、直流電力源の大地接地線22(図3参照)に接続するシステム共通グラウンド線13を備えている。さらに、また、本実施形態のパワーコンディショナ100は、インバータ12のスイッチング出力端子17と上記システム共通グラウンド線13と接続するバイパスコンデンサ14を備えている。
本実施形態1で想定している直流電力源(太陽電池パネル等)は、種々の保安上の要求・規格から、そのフレームを大地に接地することが求められている。例えば、太陽電池パネル等では、上で述べたように、感電防止等の観点からそのフレームは大地接地することが規定されており、そのフレームは無視できない面積を有する事から、直流電力源の出力の端子と、大地との間には所定の静電容量が存在する。
したがって、その直流電力源と接続している直流電力端子15と、大地との間にも、同様に静電容量が存在する。

0031

なお、本実施形態(及び後述する全ての実施形態)の大地接地線22は、請求の範囲の接地線の好適な一例に相当する。また、法規上、太陽電池フレームは大地に接地しなければならないが、直流接地抵抗が低ければどのような接地方法でも良く、太陽電池設置場所で直接、大地接地する必要はない。例えば、パワコン100内にあるシステム共通グラウンド線13に設けられているLを通じて接地されているような場合でも構わない。そのような観点から、請求の範囲では単に「接地線」と称している。

0032

インバータ12の回路構成
図2は、インバータ12の内部回路を示す説明する図である。この図に示すように、インバータ12は、4個のスイッチングトランジスタ(U、V、X、Y)と、1個のインダクタンスLp、及びコンデンサCfを備えている。
ここで、図2の端子25は、直流コンバータ11が接続される端子であり、所定の電圧に変圧された直流電力が印加される端子である。4個のスイッチングトランジスタ(U、V、X、Y)は、図示しない制御回路からスイッチング用の制御信号が供給されており、所定のタイミングでスイッチングを行う。インダクタンスLpは、スイッチングトランジスタ(U、V、X、Y)のスイッチング動作と協調して交流電力を発生させる。

0033

このように、本実施形態1のインバータ12は、インダクタンスLpがスイッチング出力端子17−1、又はスイッチング出力端子17−2側の一方のみに配置されている。これに対して、上述した特許文献1や非特許文献1では、コモンモード電流による無線通信への障害を防止するために、2個のスイッチング出力端子17の双方にインダクタンスLpが配置されている。しかし、本実施形態1では、スイッチング出力端子17の一方とシステム共通グラウンド線13とをバイパスコンデンサ14で接続していることから、インダクタンスLpの配置を一方のみとしている。その結果、本実施形態1では、インダクタンスLpを一方のみとすることによって、パワーコンディショナ100のコスト増大の防止及び重量増加の防止を図っている。
なお、後述する実施形態2、実施形態4では、コンデンサ14−1と14−2との間と共通グラウンド線とを接続している。

0034

図3は、本実施形態に係るパワーコンディショナ100と、電力源である太陽電池パネル200とを接続する方法を説明する図である。当該接続方法は、パワーコンディショナ100の直流電力入力端子15に供給される直流電力の電圧を変換して出力する直流コンバータ11と、直流コンバータ11が出力する直流電力を交流電力に変換してスイッチング出力端子17から出力し、交流電力出力端子16から交流電力を交流電力系統500又は他の種類の交流電力系統に供給するインバータ12と、を備えるパワーコンディショナ100に、直流電力を供給する直流電力源(ここでは太陽電池パネル200であるので、以下、太陽電池パネル200と称する)を接続する接続方法であって、以下のような特徴を有する接続方法である。

0035

まず、太陽電池パネル200の出力端21a(+)及び21b(−)と、パワーコンディショナ100の直流電力入力端子15Pin及び15Ninとをそれぞれ接続する。
次に、太陽電池パネル200の大地接地線22と、システム共通グラウンド線13とを接続する。
次に、インバータ12のスイッチング出力端子17と、システム共通グラウンド線13とをバイパスコンデンサ14を介して接続する。

0036

本実施形態1に係る接続方法は、以上のような接続方法である。
また、インバータ12のスイッチング出力端子17とシステム共通グラウンド線13とをバイパスコンデンサ14で接続する際に、このバイパスコンデンサ14に直列に任意の値の抵抗を挿入することも好適である。すなわち、図4に示すように、ダンピング抵抗23を挿入することによって、高周波ノイズのさらなる低減を図ることができる。

0037

このようなダンピング抵抗23を挿入した場合と挿入していない場合の比較のグラフが図5図6とに示されている。図5は、抵抗を挿入していない場合のコモンモード電流波形を示すグラフである。図6は、ダンピング抵抗23として10Ωの抵抗を直列に挿入している場合のコモンモード電流波形を示すグラフであり、高周波スパイク波形高が図5に比べて低くなっていることが観察される。ここから理解されるように、バイパスコンデンサ14に流れる電流が緩和される。その結果、バイパスコンデンサ14ひいてはパワコン100全体の寿命延長する効果が得られると共に、故障しにくいという効果も得られる。

0038

本実施例では10Ωを採用したが、抵抗の値は、その他様々な値を採用することができる。そのシステム規模電流値、太陽電池パネルの静電容量、大地の抵抗(インピーダンス)の大きさ、バイパスコンデンサの値等、種々のパラメータによって、様々な値を採用することができる。一般的には、0.1〜数10Ω程度が好適であるが、それ以外の値でもかまわない。
なお、本実施形態1の図3では、交流電力系統を、交流電力系統500を例として説明したが、この交流電力系統500は、単相3線式電力系統、単相2線式電力系統、三相3線式電力系統、三相4線式電力系統など、他の種類の電力系統でも良い。また、電力系統には、電力会社が保有する系統だけでなく、自営線ビル工場屋内電力配線なども含まれる。なお、後述する実施形態3、実施形態4でも同様である。

0039

本実施形態1で特徴的な点は、太陽電池パネル200の大地接地線とシステム共通グラウンド線13とを接続していることである。「発明が解決しようとする課題」の欄で既に説明したように、太陽電池パネル200の直流電力出力端21と、太陽電池パネル200のフレームとの間には、静電容量が存在する。このフレームは大地と大地接地線22によって接続されているため、接地線22と直流電力入力端子15との間には静電容量が存在している。

0040

「発明が解決しようとする課題」の欄で既に説明したように、直流回路側の対地電位(例えば、図3中では、N点の大地に対する電位である)の変動と、太陽電池パネル200の直流電力出力端21と大地接地線22との間の静電容量によって、高周波のコモンモード電流が大地を流れることになる。
しかし、本実施形態1の場合、システム共通グラウンド線13が大地より抵抗(インピーダンス)が小さいため、高周波のコモンモード電流の大半はシステム共通グラウンド線13を経由して、バイパスコンデンサ14を介してインバータ12に還流することになる。
その結果、大地を流れる高周波ノイズ成分の減少を図ることができ、高周波の不要輻射の低減を図ることが可能である。

0041

図7は、「発明が解決しようとする課題」の欄で既に説明した従来の太陽電池発電システムと、本実施形態1の太陽電池発電システムの大地を流れるコンモード電流を比較した図である。ここで、図7(a)は、従来の太陽電池発電システムの場合の大地を流れるコモンモード電流の電流波形を表すグラフであり、図7(b)は、本実施形態1の太陽電池発電システムのコモンモード電流の電流波形を表すグラフである。
この図7(a)のグラフに示されているように、従来の太陽電池発電システムでは、10ms毎に17.5A程度コモンモード電流(スパイク性高周波電流)が大地を流れている。一方、本実施形態1の太陽電池発電システムでは10ms毎に0.9A程度のコモンモード電流が大地を流れている。このように、本実施形態のパワーコンディショナ100は、大地に流れるコモンモード電流を大幅に低減することが可能である。図7の例では、従来に比べて、約5%まで低減されていることが示されている。
このように、本実施形態1によれば、大地に流れるコモンモード電流が大幅に減少するため、電力系統の接地点がパワーコンディショナ100から遠い場所にあっても(この場合、コモンモード電流が大地を流れる距離が大となる)、放射ノイズを少なくすることができ、周囲の電子機器への影響を小さくすることが可能である。

0042

実施形態2
図8は、本実施形態2に係るパワーコンディショナ101の内部回路図である。このパワーコンディショナ101は、図1図3で示したパワーコンディショナ100と同様に、前記交流電力を前記交流電力系統500に供給するものである。
本実施形態2に係るパワーコンディショナ101は、図1のパワーコンディショナ100と、バイパスコンデンサの構成が異なるが、その他の構成は同様である。本実施形態2のパワーコンディショナ101のバイパスコンデンサ14は、直列接続した2個のコンデンサ(14−1、14−2)からなり、この2個のコンデンサ14−1,14−2の直列回路が、インバータ12の2個のスイッチング出力端子17−1、17−2の間に接続されている。そして、2個のコンデンサ14−1、14−2の中点(接続点)と、共通グラウンド線13とが接続されている(図8参照)。

0043

本実施形態2においては、パワーコンディショナ101と、直流電力源である太陽電池パネル200とを接続する接続方法について、図9を用いて説明する。
本実施形態2の接続方法においては、インバータ12のスイッチング出力端子(17−1、17−2)が2個であり、この2個のスイッチング出力端子17は、所定のフィルタ回路を介して、交流出力端子16にそのまま接続している。この交流出力端子16は、交流電力系統500の中性線G以外の2線にそれぞれ接続している。結果的に、2個のスイッチング出力端子17は、所定のフィルタ回路を介して交流電力系統500の中性線G以外の2線にそれぞれ接続している。

0044

そして、本実施形態2の接続方法においては、バイパスコンデンサ14が、直列接続した2個のコンデンサ(14−1、14−2)からなり、この直列回路が、インバータ12のスイッチング出力端子(17−1、17−2)の間に接続されている点が特徴的な事項である。さらに、直列接続された2個のコンデンサ14−1、14−2の間の中点(接続点)が、システム共通グラウンド線13に接続していることが、本実施形態2において特徴的な事項である。

0045

なお、図8において、2個のコンデンサ14−1、14−2の間の中点(接続点)と、システム共通グラウンド線13との間に、実施形態1と同様にダンピング抵抗を挿入してもよく、このように構成すれば上述した実施形態1と同様の作用効果を奏する。
なお、後述する実施形態3、実施形態4におけるパワーコンディショナ101と、太陽電池パネル200と、の接続方法も、上で述べた本実施形態2において特徴的な接続方法と同様である。

0046

実施形態1との比較
上述した実施形態1で説明したパワーコンディショナ100のように、バイパスコンデンサ14が単一のコンデンサであり、いずれか一方のスイッチング出力端子(17−1又は17−2のいずれか一方)と、システム共通グラウンド線13との間に接続する場合であっても、コモンモード電流をインバー12に還流することができ、放射ノイズを小さくし、周囲の電子機器への影響も小さくできる。
しかし、本実施形態2のように、バイパスコンデンサ14で、2個のスイッチング出力端子(17−1、17−2)の間を接続すれば、次のような効果を得ることができる。
すなわち、実施形態1の構造の場合は、交流電力系統500の商用交流電流がバイパスコンデンサ14及びシステム共通グラウンド線13を介して大地に流れ出てしまう漏れ電流が発生する場合がある。

0047

これに対して、本実施形態2においては、バイパスコンデンサ14が2個のスイッチング出力端子(17−1、17−2)の間に接続されているため、交流電力系統500の商用交流電流は、このバイパスコンデンサを経て、再び、交流電力系統500側へ還流する。
すなわち、本実施形態2においては、2個の直列のコンデンサ14−1と14−2とが完全に同一の容量であれば、漏れ電流は原理的には生じない。実際は完全に同一とはならないが、実施形態1に比べれば、漏れ電流を大幅に減少させることが可能である。

0048

実施形態3
実施形態1や実施形態2で説明したパワーコンディショナ(100、101)は、直流コンバータ11、インバータ12、システム共通グラウンド線13、及びバイパスコンデンサ14を内蔵し、接地されている筐体19と、筐体19とシステム共通グラウンド線13とを接続する接地コイル18と、をさらに備えることも好適であり、このような構成が本実施形態3である。ここで、筐体19とは、パワーコンディショナ(100、101)の筐体である。
すなわち、本実施形態3において特徴的な構成は、この接地コイル18であり、その他の構成は、これまで説明した実施形態1や実施形態2とほぼ同様である。
このような接地コイル18を設けた例を示す回路図が図10図11とに示されている。

0049

図10には、図1図3に示された実施形態1に係るパワーコンディショナ100に関して、接地コイル18を設けた例が示されている。また、図11には、図8図9に示された実施形態2に係るパワーコンディショナ101に、接地コイル18を設けた例が示されている。
なお、図10において、バイパスコンデンサ14とシステム共通グラウンド線13との間に、実施形態1と同様にダンピング抵抗を挿入してもよく、このように構成すれば上述した実施形態1と同様の作用効果を奏する。同様に、図11において、2個のコンデンサ14−1、14−2の間の中点(接続点)と、システム共通グラウンド線13との間に、実施形態1と同様にダンピング抵抗を挿入してもよく、このように構成すれば上述の実施形態1と同様の作用効果を奏する。

0050

本実施形態3の接続方法では、パワーコンディショナ(100、101)が大地接地されている筐体19内に格納されている(図10図11参照)。そして、筐体19とシステム共通グラウンド線13とが接地コイル18によって接続されていることが特徴的な事項である。
このように、本実施形態3においては、接地コイル18で筐体19とシステム共通グラウンド線13とを接続することを特徴とする。そして、よく知られているように、接地コイル18は直流を導通させるが、交流を遮断する。このため、インバータ12が出力する交流電流やコモンモード電流が大地に流れてしまうことを防止できるとともに、システム共通グラウンド線13の直流電位をゼロに固定することが可能である。

0051

実施形態4
図12及び図13は、本実施形態4のパワーコンディショナ(100、101)を説明する図である。
本実施形態4では、実施形態1や実施形態2で説明したパワーコンディショナ100、101に対して、下記のように、SPD20を加えた。
すなわち、本実施形態4のパワーコンディショナ(100、101)は、直流電力入力端子15と直流コンバータとを接続する直流電力線、及び、インバータ12のスイッチング出力端子17と交流電力出力端子16とを接続する交流電力線と、システム共通グラウンド線13と、を接続するSPD20をさらに備えている。

0052

具体的には、図12で示すパワーコンディショナ100は、図10の構成に加えて、下記の位置にSPD20を接続している(図12参照)。
・2個ある直流電力入力端子15の間
・2個ある直流電力入力端子15の一方と、システム共通グラウンド線13との間
・2個ある直流電力入力端子15の他方と、システム共通グラウンド線13との間
・2個ある交流電流出力端子16の間
・2個ある交流電力入力端子16の一方と、システム共通グラウンド線13との間
・2個ある交流電力入力端子16の他方と、システム共通グラウンド線13との間
このように、合計6カ所にそれぞれSPD20を接続している。なお、SPD20は、Surge Protective Deviceであり、サージ吸収器とも呼ぶ。

0053

なお、実際は、直流電力入力端子15等の「端子」にSPDを接続するよりも、直流電力入力端子15と直流コンバータとを接続する「直流電力線」に対してSPDを接続する方が、行いやすいため、実際には最初に述べたように「直流電力線」にSPD20を接続している。これは、他の「端子」についても同様であり、「交流電力線」や、また次に説明する図13でも同様である。

0054

また、具体的には、図13で示すパワーコンディショナ101は、図11の構成に加えて、下記の位置にSPD20を接続している(図13参照)。
・2個ある直流電力入力端子15の間
・2個ある直流電力入力端子15の一方と、システム共通グラウンド線13との間
・2個ある直流電力入力端子15の他方と、システム共通グラウンド線13との間
・2個ある交流電流出力端子16の間
・2個ある交流電力入力端子16の一方と、システム共通グラウンド線13との間
・2個ある交流電力入力端子16の他方と、システム共通グラウンド線13との間
このように、合計6カ所にそれぞれSPD20を接続している。

0055

本実施形態4に関する接続方法は、直流電力入力端子15と直流コンバータとを接続する直流電力線、及び、インバータ12のスイッチング出力端子17と交流電力出力端子16とを接続する交流電力線と、システム共通グラウンド線13と、をSPD20でそれぞれ接続するものである。
太陽電池パネル200や交流電力系統500に落雷があると、パワーコンディショナ(100、101)の内部回路には、大地に対して高電圧が発生する。落雷時にシステム共通グラウンド線13へ高電圧を逃がし、内部回路を保護することができる。SPD20は、例えば放電管式のSA(Surge Absorber)が好適である。なお、内部回路とは、直流コンバータ11から連系点PCCまでを意味する。

0056

11直流コンバータ
12インバータ
13システム共通グラウンド線
14、14−1、14−2バイパスコンデンサ
15直流電力入力端子
16交流電力出力端子
17、17−1、17−2スイッチング出力端子
18接地コイル
19筐体
20 SPD
21a出力端(+)
21b 出力端(−)
22大地接地線
23ダンピング抵抗
25端子
100、101、400パワーコンディショナ
200太陽電池パネル
411 直流コンバータ部
412 インバータ部
416連系点
500交流電力系統
U、V、W、X、Y、Zスイッチングトランジスタ
CC コモンモード電流

ページトップへ

この技術を出願した法人

この技術を発明した人物

ページトップへ

関連する挑戦したい社会課題

関連する公募課題

該当するデータがありません

ページトップへ

技術視点だけで見ていませんか?

この技術の活用可能性がある分野

分野別動向を把握したい方- 事業化視点で見る -

ページトップへ

おススメ サービス

おススメ astavisionコンテンツ

新着 最近 公開された関連が強い技術

この 技術と関連性が強い人物

関連性が強い人物一覧

この 技術と関連する社会課題

関連する挑戦したい社会課題一覧

この 技術と関連する公募課題

該当するデータがありません

astavision 新着記事

サイト情報について

本サービスは、国が公開している情報(公開特許公報、特許整理標準化データ等)を元に構成されています。出典元のデータには一部間違いやノイズがあり、情報の正確さについては保証致しかねます。また一時的に、各データの収録範囲や更新周期によって、一部の情報が正しく表示されないことがございます。当サイトの情報を元にした諸問題、不利益等について当方は何ら責任を負いかねることを予めご承知おきのほど宜しくお願い申し上げます。

主たる情報の出典

特許情報…特許整理標準化データ(XML編)、公開特許公報、特許公報、審決公報、Patent Map Guidance System データ