JP3857750B2 - 系統連系電源システム及び電源システム - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、太陽電池及び電圧検出電流制御方式のインバータと単相３線式の配電線とを接続してなる系統連系電源システム及び電源システムに関し、特に連系が解除されたときにインバータを独立運転するようにした電源システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年において、太陽電池をインバータ装置を介して単相３線式の商用電力系統と連系し、太陽電池の発電電力を家電製品などの負荷に供給する系統連系電源システムが実用化されている（特開平５−３０８７８０号）。
【０００３】
例えば、約３０Ｖの直流電圧を出力する太陽電池モジュールを６枚直列にして１８０Ｖとし、これを入力電圧とするインバータ装置によってＡＣ１００Ｖの単相交流電力に変換し、単相３線式の配電線のＲ相又はＴ相に連系接続する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来の系統連系電源システムでは、商用電力系統に異常又は停電が生じたときに、インバータ装置を商用電力系統から解列させるための連系保護装置が設けられている。連系保護装置は停電又は異常を速やかに検出し、規定された時間内に開閉器を開いてインバータ装置を商用電力系統から切り離し、同時にインバータ装置の運転を停止する。
【０００５】
したがって、異常又は停電が生じたときには、太陽電池の発電電力が利用されなくなり、太陽光の有効利用という点で問題があった。
本発明は、上述の問題に鑑みてなされたもので、商用電力系統とインバータとの連系が解除されたときに、インバータが独立して運転することを可能とし、太陽電池の発電電力を有効利用することのできる系統連系電源システム及び電源システムを提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明に係るシステムは、太陽電池の出力する直流電力を交流電力に変換する電圧検出電流制御方式の複数個のインバータが配電線に接続され、前記配電線と商用電力系統とが連系保護装置を介して接続されることによって前記インバータと前記商用電力系統との連系が行われるように構成された系統連系電源システムであって、前記連係保護装置は、系統異常検出回路と開閉器とを含み、前記系統異常検出回路により前記商用電力系統の異常が検出されたときに前記開閉器により前記連系を解除するように構成され、前記開閉器によって前記連系が解除されたときに、前記配電線に前記商用電力系統と同種の電圧及び周波数の信号を生成して供給する基準信号供給部と、前記インバータに対して、それぞれの出力する出力電圧又は出力電流を制御するための指令信号を与える統括制御部と、が設けられてなる。
【０００７】
請求項２の発明に係るシステムは、前記開閉器によって前記連系が解除されたときに前記配電線に前記商用電力系統と同種の電圧及び周波数の信号を生成して供給する基準信号供給部と、二次電池と、少なくとも前記連系が解除されたときに前記二次電池を充電するよう、前記配電線に接続された充電器と、前記連系が解除されたときに、前記各インバータに対して、それぞれの出力する出力電流を制御するための指令信号を与える統括制御部と、が設けられてなる。
【０００８】
請求項３の発明に係るシステムでは、前記統括制御部は、前記充電器に入力される入力電流及び入力電圧を検出し、前記入力電圧が所定値を越えないように制御するための前記指令信号を出力するように構成される。
【０００９】
請求項４の発明に係るシステムでは、前記統括制御部は、前記前記二次電池への充電電流を検出し、前記充電電流が適正値を越えないように制御するための前記指令信号を出力するように構成される。
【００１０】
請求項５の発明に係るシステムでは、前記二次電池を入力電源とする第２のインバータが設けられてなる。
【００１１】
基準信号供給部は、商用電力系統と同種の電圧及び周波数の信号を、配電線を介してインバータに供給する。例えば、インバータが単相３線式のＲ相又はＴ相に出力するものである場合には、単相５０／６０Ｈｚの１００Ｖを供給する。インバータは、基準信号供給部から供給された基準信号を検出し、それと同じ周波数の電流を出力する。
【００１２】
統括制御部は、充電器が二次電池を過充電することなく充電するように、インバータの出力電流又は出力電圧を制御する。例えば、充電によって二次電池の端子電圧が上昇した場合には、インバータの出力電流を減少させるように指令信号を与える。また、充電器への入力電圧が許容値を越えないように、インバータの出力電流を制御するための指令信号を与える。
【００１３】
第２のインバータは、二次電池を電源として動作し、例えば商用交流電力を出力する。二次電池として、例えば燃料電池、蓄電池などが用いられる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
図１は本発明に係る系統連系電源システム１の回路を示すブロック図、図２はＡＣモジュール５の概観図、図３はＡＣモジュール５の回路を示すブロック図、図４はＡＣモジュール５の接続状態を説明するためのブロック図、図５はＡＣモジュール５の接続状態を説明するための図、図６はＡＣモジュール５の配置状態を示す図である。
【００１５】
図１において、系統連系電源システム１は、商用電力系統の一形態である単相３線式の配電線３、連系保護装置４、ＡＣモジュール５ａ，５ｂ，５ｃ…、独立運転制御装置６、及びパーソナルコンピュータ７から構成されている。ＡＣモジュール５ａ，５ｂ，５ｃ…の全部又は一部をＡＣモジュール５と記載することがある。
【００１６】
配電線３は、２つの電圧線Ｒ，Ｔ及び１つの中性線Ｎで構成されるＲ相とＴ相とからなる。Ｒ相及びＴ相はいずれも単相ＡＣ１００Ｖであり、電圧線Ｒ，Ｔの間は単相ＡＣ２００Ｖである。
【００１７】
連系保護装置４は、開閉器１１、系統異常検出回路１２、及び連系制御回路１３などからなる。
開閉器１１は、系統異常検出回路１２からの信号に応じて閉じ又は開き、ＡＣモジュール５と配電線３とを接続して連系状態とし、又は切り離して解列状態とする。
【００１８】
系統異常検出回路１２は、ＯＶＲ／ＵＶＲ、ＯＦＲ／ＵＦＲを備え、商用電力系統の電圧及び周波数の異常の有無を監視し、それらの異常が検出された場合には開閉器１１を開くための信号を出力する。系統異常検出回路１２は、また、受動方式及び能動方式の単独運転防止機能を備え、商用電力系統の停電などによってＡＣモジュール５が単独運転状態となったときにそれを検出し、開閉器１１を開く信号を出力する。
【００１９】
連系制御回路１３は、連系保護装置４の全体の制御を行う。連系制御回路１３は、ＲＳ−２３２Ｃのインタフェースによる通信機能を備える。連系制御回路１３は、系統異常検出回路１２が異常を検出して開閉器１１を開いたときには、総てのＡＣモジュール５に対してゲートブロック指令信号を出力し、それらの運転を停止させる。開閉器１１の状態を示す開閉状態信号ＳＫを受信し、独立運転制御装置６に対して出力する。連系制御回路１３は、各ＡＣモジュール５からそれぞれの発電状態及び運転状態の情報を受信する。
【００２０】
連系制御回路１３はパーソナルコンピュータ７との間で通信を行う。パーソナルコンピュータ７では、連系保護装置４からの情報を受信することによって、各ＡＣモジュール５の発電状態又は故障有無の検知などのモニタリングが行われる。
【００２１】
ＡＣモジュール５は、図２に示すように、１枚の太陽電池モジュールＰＶＭと１つのインバータユニットＶＴＵとを一体化して構成される。１枚の太陽電池モジュールＰＶＭは約３０Ｖの直流電圧を出力する。インバータユニットＶＴＵは、太陽電池モジュールＰＶＭの出力をＤＣ／ＤＣコンバータ（コンバータ回路２１）で１８０Ｖ程度の直流に変換した後、電圧形電流制御方式のインバータ（インバータ回路２３）によって５０／６０Ｈｚの交流電力に変換する。
【００２２】
このように構成される多数のＡＣモジュール５を、配電線３ａのＲ相又はＴ相に互いに同じ個数ずつ接続し、商用電力系統との連系を図る。各ＡＣモジュール５は、例えば図６に示されるように配置され、屋外に設置される。このような連系システムでは次の利点を有する。
（１）太陽電池モジュールＰＶＭの１枚１枚が各々の条件に応じた発電を行うため、各太陽電池モジュールＰＶＭに対する方位、影、温度などの環境条件の差異による影響を最小限に抑えることができ、各太陽電池モジュールＰＶＭに対してＭＰＰＴ制御（最適動作点追尾制御）を行うことができてシステム全体の効率が向上する。
（２）Ｒ相又はＴ相について複数の太陽電池モジュールＰＶＭを並列接続することによりシステムの構築が可能であるので、設置スペース全面の有効利用が図れるとともに、設計施工が容易である。
（３）１個のＡＣモジュール５の出力が１００Ｗ程度と小さいので、ＡＣモジュール５の個数を増減することによって、１００Ｗ程度の小規模のシステムから数ＫＷ程度の中規模のシステムまで容易に対応可能である。配電線３のＲ相とＴ相との間で相平衡を保つためには基本的に偶数個のＡＣモジュール５が必要であるが、奇数個の場合であっても不平衡は最大で１００Ｗであり実用上ほとんど無視できる範囲となる。
（４）直流回路がないので逆流防止ダイオードなどが不要であり、それによる直流損失がない。また、配線の工事は交流回路のみであり、通常の屋内配線工事によって行える。
（５）インバータユニットＶＴＵの使用個数が増大し、例えば３ＫＷのインバータ装置の場合と比較して使用個数が１０倍以上になるので、量産効果によるコストダウンが図られる。
（６）ＡＣモジュール５には自己保護機能のみを内蔵し、制御が複雑で高度な連系保護機能及び独立運転制御機能を内蔵しないので、ＡＣモジュール５の回路構成が簡単となり、部品点数の減少による低コスト化と高信頼性化を図ることができる。
（７）ＡＣモジュール５の主要回路を厚膜ＩＣなどによってＩＣ化し、小型化を図ることができる。
（８）インバータユニットＶＴＵの出力電圧が１００Ｖとなり、配電線３の電圧線間に接続する場合（出力電圧が２００Ｖ）と比較して２分の１であるため、インバータユニットＶＴＵの総合変換効率が高い。
【００２３】
図３において、インバータユニットＶＴＵは、コンバータ回路２１、ＭＰＰＴ回路２２、インバータ回路２３、ゲート制御回路２４、演算増幅器２５、乗算器２６、演算増幅器２７，２８、バンドパスフィルタ２９、インタフェース３０、変流器３１、及び変圧器３２などからなる。
【００２４】
コンバータ回路２１は、高周波スイッチングによって太陽電池モジュールＰＶＭから出力される３０Ｖ程度の直流電圧を１８０Ｖ程度の直流電圧に変換する。その際に、ＭＰＰＴ回路２２によって、太陽電池モジュールＰＶＭから最大電力を取り出すための公知の最適動作点追尾制御が行われる。
【００２５】
インバータ回路２３は、ブリッジ接続された複数のスイッチング素子から構成されている。ゲート制御回路２４は、マイクロプロセッサを有しており、パルス幅変調されたスイッチング制御信号をインバータ回路２３に与える。
【００２６】
インバータ回路２３に入力される電圧Ｖ１１は、演算増幅器２５に入力され、電圧指令値Ｖｒｅｆとの差である入力誤差信号Ｓａが生成される。入力誤差信号Ｓａは、乗算器２６の一方の入力信号となる。乗算器２６の他方の入力信号として信号Ｓ１２が入力される。信号Ｓ１２は、バンドパスフィルタ２９によって抽出された連系点電圧Ｖ３の基本周波数成分Ｓ１１と、信号ＳＣによって与えられる電圧制御信号Ｓ１３とが演算増幅器２８で加算されたものである。入力誤差信号Ｓａと信号Ｓ１２との乗算によって制御の目標値を示す電流指令値信号Ｓｉが生成される。電流指令値信号Ｓｉと、変流器３１によって検出された実際の出力電流値と、信号ＳＣによって与えられる電流制御信号Ｓ１４とが演算増幅器２７に入力され、電流誤差信号ＳΔｉが生成される。この電流誤差信号ＳΔｉはゲート制御回路２４に入力される。
【００２７】
ゲート制御回路２４では、電流誤差信号ＳΔｉと２０ｋＨｚ程度の基準三角波信号との比較により、パルス幅を調整したスイッチング信号が生成されてインバータ回路２３へ出力される。
【００２８】
インタフェース３０は、ＲＳ−２３２Ｃのインタフェースを介して外部の機器とデジタルによるシリアル通信を行い、上述した電圧制御信号Ｓ１３及び電流制御信号Ｓ１４を外部から入力する他、インバータユニットＶＴＵの動作状態に関する情報を外部に出力する。
【００２９】
このようなフィードバック制御により、適当に設定された電流値で且つ系統電圧と同一の電流位相の力率１の交流電力が、インバータ回路２３から配電線３のＲ相又はＴ相の負荷へ出力される。
【００３０】
上述の説明で理解できるように、連系中では商用電力系統の電圧が連系点電圧Ｖ３となるが、連系が解除されると商用電力系統の電圧が無くなり、連系点電圧Ｖ３が零となる。その場合には、商用電力系統に代えて後述する基準信号供給部６１が商用電力系統と同じ交流電圧を基準信号として供給することにより、インバータユニットＶＴＵの運転が可能である。また、連系点電圧Ｖ３が零であっても、連系点電圧Ｖ３に代わる電圧制御信号Ｓ１３によって制御が行える。電圧制御信号Ｓ１３は、適当な周波数の電圧波形を有する必要があるので、制御を高速で行わなければならない。そのため、適当な周波数の電圧波形を生成する発振器を設けておき、その振幅などを信号ＳＣによって制御してもよい。また、電流制御信号Ｓ１４によって出力電流の大きさを制御することができる。
【００３１】
次に、配電線３ａ（配電線３）とＡＣモジュール５との配線接続方法について説明する。
図４において、各インバータユニットＶＴＵには、インバータ回路２３の出力をＲ相又はＴ相に接続するための、５個の接続極Ｒ，Ｎ，Ｔ，ＰＯ，Ｅを有し、且つ互いに並列的に接続された２個の固定側コネクタ４１ａ，４１ｂが取り付けられている。
【００３２】
インバータ回路２３の出力と接続極Ｒ，Ｔとの間には、ジャンパー線回路４２が設けられており、ジャンパー線４２ａの接続を変更することによって、インバータ回路２３の出力をＲ相又は前記Ｔ相のいずれかに選択的に接続することができる。
【００３３】
図５も参照して、各インバータユニットＶＴＵの相互間は、ケーブル側コネクタ５１ａ，５１ｂが両端に設けられた接続ケーブル５０によって、順次互いに接続されている。すなわち、各ケーブル側コネクタ５１ａ，５１ｂは、固定側コネクタ４１ａ，４１ｂと連結可能な５個の接続極Ｒ，Ｎ，Ｔ，ＰＯ，Ｅを有しており、各ケーブル側コネクタ５１ａ，５１ｂが隣合うインバータユニットＶＴＵに設けられた各固定側コネクタ４１ｂ，４１ａに差し込まれて接続され、これによって全部のインバータユニットＶＴＵつまりＡＣモジュール５が互いに順次接続されている。
【００３４】
第１番のインバータユニットＶＴＵ１の固定側コネクタ４１ａには、一端にケーブル側コネクタ５１ａが設けられた連系接続ケーブル５５が接続されている。連系接続ケーブル５５は、その内の３本の電線Ｒ，Ｎ，Ｔが配電線３に接続され、２本の電線ＰＯ，Ｅが連系保護装置４及び独立運転制御装置６のインタフェース回路に接続されている。
【００３５】
これによって、各ＡＣモジュール５の出力は配電線３のＲ相又はＴ相に接続され、各ＡＣモジュール５のインタフェース３０の信号ＳＣは電線又は極ＰＯ，Ｅを介して連系保護装置４及び独立運転制御装置６に接続される。
【００３６】
図６（Ａ）に示すように、多数（本例では２４個）のＡＣモジュール５がマトリクス状に配列されており、それぞれのＡＣモジュール５は、図に鎖線で示すように隣合うＡＣモジュール５どうしが接続ケーブル５０によって順次接続されている。各ＡＣモジュール５は、それぞれのジャンパー線４２ａの選択的な接続によって、Ｒ相に接続されるＡＣモジュール５とＴ相に接続されるＡＣモジュール５とが千鳥状に配列されている。
【００３７】
図６（Ａ）に示すように千鳥状に配列した場合には、太陽光が建物などの陰になったときであっても、Ｒ相用とＴ相用とがほぼ平均して影になるので、Ｒ相とＴ相との間に大きな不平衡が生じない。
【００３８】
このように、Ｒ相用又はＴ相用に係わらず共通の接続ケーブル５０によって隣合うＡＣモジュール５どうしを順次接続する共通コネクタ方式を採用することによって、ＡＣモジュール５を配電線３ａに接続するための配線工事が極めて容易であり、工事を短時間に行うことができ、誤配線の恐れもない。しかも、各ＡＣモジュール５のジャンパー線４２ａの接続を変更することによって、Ｒ相用又はＴ相用のいずれかに容易に変更することができるので、ＡＣモジュール５の実際の位置を変更することなくそれらの配列を任意に設定することができる。
【００３９】
図６（Ｂ）では、上方のＡＣモジュール５をＲ相用とし、下方のＡＣモジュール５をＴ相用としてある。このように配列した場合には、Ｒ相用及びＴ相用がそれぞれかたまっているので管理が容易であるが、Ｒ相用又はＴ相用のいずれかに片寄って影になる可能性が高く、その場合にはＲ相とＴ相との間に不平衡が生じる。
【００４０】
また、いずれかのＡＣモジュール５が故障した場合、負荷が不平衡である場合、ＡＣモジュール５の個数を増減した場合などにおいて、いずれかのＡＣモジュール５のジャンパー線４２ａの接続を変更して全体的な平衡をとることができる。
【００４１】
さらに、図６から理解できるように、全部のＡＣモジュール５の接続が、接続ケーブル５０の内の３本の電線によって最短の距離を順次接続することで行われるので、必要な電線の長さが短くなり、それだけ低コスト化、高信頼性化、メンテナンスの容易化を図ることができる。実際、例えば図６（Ａ）の配列を実現するために、Ｒ相用又はＴ相用の各ＡＣモジュール５をそれぞれ別個に接続した場合には、Ｒ相用とＴ相用の各２本計４本の電線が全面にわたって張りめぐらされることとなるので、必要な電線が長くなり、誤配線の可能性が高くメンテナンスも容易ではなくなる。
【００４２】
独立運転制御装置６は、連系保護装置４の開閉器１１が開いて連系が解除されたときに、商用電力系統からは独立した状態でＡＣモジュール５を運転させ、その出力を非常用電源として利用するためのものである。独立運転制御装置６は、基準信号供給部６１、充電器６２、非常用インバータ６３、統括制御部６４、バッテリー６５、出力切り換えスイッチ６６、及びコンセント６７からなる。
【００４３】
基準信号供給部６１は、連系が解除されたときに、ＡＣモジュール５に対して連系点電圧Ｖ３の基本周波数成分Ｓ１１を与えるために、配電線３ａに商用電力系統と同じ電圧及び周波数の信号を供給する。したがって、基準信号供給部６１は、連系点電圧Ｖ３と同じ波形のみを出力すればよく、電力を供給する必要はないが、配電線３ａ及びその他の浮遊容量を充電する程度の電力、例えば数十〜数百ｍＷ程度の電力を出力可能であることが好ましい。
【００４４】
充電器６２は、ＡＣモジュール５の出力を整流して直流に変換し、バッテリー６５を充電する。充電器６２の入力電流、入力電圧、出力電流、出力電圧の各値は、図示しない検出機器によって検出され、統括制御部６４に入力されている。充電器６２は、連系が解除されているときにのみ動作するよう、内部に配電線３ａとの間の開閉を行う電磁開閉器が設けられている。このような電磁開閉器を設けることなく、電子的に動作を制御するものであってもよい。充電器６２の出力電流は、その入力電流つまりＡＣモジュール５の出力電流によって決まるので、充電器６２によってバッテリー６５を過充電することのないように、バッテリー６５の状態に対応してＡＣモジュール５の出力電流が統括制御部６４によって制御されている。また、充電器６２に加わる電圧が入力許容電圧の範囲を越えないように、ＡＣモジュール５の出力電流及び出力電圧が統括制御部６４によって制御されている。
【００４５】
非常用インバータ６３は、バッテリー６５に蓄えられた直流電力を単相ＡＣ１００Ｖの商用電力に変換し、出力切り換えスイッチ６６の接続に応じてコンセント６７又は配電線３ｂに供給する。非常用インバータ６３は、サージ対応タイプのものであり、瞬時的に定格電流値の１０倍程度のサージ電流を出力することが可能である。したがって、電動機などのように起動電流の大きい誘導負荷をも運転することが可能であり、冷蔵庫、洗濯機、エアコンなどをコンセント６６又は配電線３ｂに接続することができる。
【００４６】
統括制御部６４は、開閉器１１が開いて商用電力系統とＡＣモジュール５との連系が解除されたときに、ＡＣモジュール５が独立状態で動作するように独立運転制御装置６の全体を制御する。統括制御部６４は、バッテリー６５の充電電流が適切となるように、各ＡＣモジュール５の出力電流を制御するための電流制御信号Ｓ１４の基となる指令信号ＳＣを出力する。指令信号ＳＣは、ＲＳ−２３２Ｃのインタフェースを介し、各ＡＣモジュール５に対して例えば１秒毎に出力される。各ＡＣモジュール５は、指令信号ＳＣに基づいて電流制御信号Ｓ１４を生成する。
【００４７】
このように、ＡＣモジュール５の出力電流を制御するための指令信号ＳＣは、秒のオーダーの緩慢な速度で出力すればよいので、シリアル通信によって十分に制御を行うことが可能である。
【００４８】
上述の説明で理解できるように、独立運転制御装置６は、商用電力系統の停電などによって連系が解除されたときに、ＡＣモジュール５の発電電力を非常用電源として利用するためのものである。太陽光による発電のみでは電源装置として不安定であるため、それによってバッテリー６５を充電し、バッテリー６５に蓄えられた電力を商用電力に変換して負荷に供給している。これによって、太陽電池モジュールＰＶＭによる発電電力が安定的に負荷に供給され、太陽光の有効利用が図られる。また、配電線３又は３ａに接続された電気製品例えば家庭用のコンピュータを、連系の解除と同時に配電線３ｂに接続を切り換えることによって、系統連系電源システム１をコンピュータに対する無停電電源システムとして動作させることができる。しかも、このような複雑な制御は独立運転制御装置６によって行われるので、各ＡＣモジュール５の回路構成を複雑にすることなく実現することができる。
【００４９】
なお、図示は省略したが、統括制御部６４には、連系が解除されたとき独立運転制御装置６による独立運転制御を自動的に起動するか手動で起動するかを切り換えるモード切り換えスイッチ、手動モードに設定した場合に起動を行うための手動起動スイッチ、その他のスイッチ、及び各種の表示ランプなどが設けられている。
【００５０】
次に、独立運転制御装置６の動作をフローチャートを参照して説明する。
図７は独立運転制御装置６の動作の概略を示すフローチャート、図８は独立運転の処理の流れを示すフローチャートである。
【００５１】
図７において、独立運転が起動され、開閉器１１が開状態となっており、線路電圧が零である場合に（＃１１〜１３でイエス）、基準信号供給部６１を動作させて基準信号を配電線３ａに供給し（＃１４）、ＡＣモジュール５の運転を開始させ（＃１５）、独立運転制御の処理を行う（＃１６）。
【００５２】
ここで、独立運転が起動されていることは、モード切り換えスイッチが自動モードになっていること、又は手動モードである場合に手動起動スイッチがオンしていることによって検出される。開閉器１１が開状態となっていることは、開閉器１１からの開閉状態信号ＳＫにより検出される。線路電圧が零であることは、例えば連系点電圧Ｖ３が零であることによって検出される。
【００５３】
図８において、独立運転制御では、まず、停止指令の有無を判断する（＃２１）。手動起動スイッチをオフとした場合又は停止スイッチが押された場合などには（＃２１でイエス）、充電器６２、ＡＣモジュール５、及び非常用インバータ６３の出力を停止し、基準信号供給部６１の動作を停止するなどの停止処理を行う（＃３１）。
【００５４】
ＡＣモジュール５の出力電流指令Ｉ1 を更新するか否かを判断する（＃２２）。バッテリー６５の充電又は放電の状態、例えばバッテリー６５の端子電圧は、適当な周期（例えば数分毎）で監視されており、その状態に応じて出力電流指令Ｉ1 の更新が指令される。
【００５５】
更新を行う場合には（＃２２でイエス）、出力電流指令Ｉ1 の値を更新し（＃２３）、補正係数ａを１．０に設定する（＃２４）。電流指令ポートに対して電流指令Ｉｐ（＝ａ×Ｉ1 ）を出力する（＃２５）。電流指令Ｉｐに基づいて信号ＳＣが生成され、ＡＣモジュール５に対して出力される。ＡＣモジュール５において、信号ＳＣに基づいて電流制御信号Ｓ１４が生成される。
【００５６】
ＡＣモジュール５の出力電流Ｉ0 を計測し（＃２６）、出力電流Ｉ0 と出力電流指令Ｉ1 とを比較する（＃２７）。出力電流Ｉ0 の方が小さい場合には（＃２７でノー）、ステップ＃２１以降の処理を繰り返す。出力電流Ｉ0 の方が大きい場合には（＃２７でイエス）、補正係数ａを低減するため、補正係数ａに１よりも小さい係数ｄを乗じた値を新しい補正係数ａとする（＃２８）。係数ｄは固定値が用いられるか、又は予め設定された換算テーブルから読み出された適当な値が用いられる。そのような換算テーブルは、例えばバッテリー６５の種々の電圧値に対する係数ｄを格納したものである。補正係数ａが最低値よりも小さくならない範囲で上述の処理が繰り返される（＃２９）。
【００５７】
補正係数ａが最低値よりも小さくなると（＃２９でイエス）、出力電流Ｉ0 の調整が不可能であると判断して異常処理を行う（＃３０）。異常処理では、充電器６２、ＡＣモジュール５、及び非常用インバータ６３の出力を停止し、基準信号供給部６１の動作を停止し、異常表示ランプを点灯する。
【００５８】
このように、バッテリー６５の充電が進むにしたがって充電電流が減少するように、バッテリー６５の端子電圧などに応じてＡＣモジュール５の出力電流が調整されている。
【００５９】
上述の実施形態によると、一部の太陽電池モジュールＰＶＭが故障した場合でも、故障に係るＡＣモジュール５の運転を停止させ、ジャンパー線回路４２によってＲ相とＴ相との平衡を取ることにより、故障していない太陽電池モジュールＰＶＭによる運転を継続することができる。各太陽電池モジュールＰＶＭは互いに独立して動作するので、各太陽電池モジュールＰＶＭの発電状況が互いに異なっている場合であっても各太陽電池モジュールＰＶＭから最大電力を引き出すことができ、全体として高い変換効率を得ることができる。
【００６０】
また、商用電力系統とＡＣモジュール５との連系が解除されたときに、ＡＣモジュール５が独立して運転することが可能となり、太陽電池モジュールＰＶＭの発電電力を有効利用することができる。その場合に、ＡＣモジュール５の出力によってバッテリー６５を充電し、バッテリー６５により非常用インバータ６３を駆動して商用電力を供給するので、供給される電力が安定し、ＡＣモジュール５及び独立運転制御装置６を家庭用の電気機器の非常用電源として利用することができる。
【００６１】
上述の実施形態においては、連系保護装置４、ＡＣモジュール５、及び独立運転制御装置６の間をＲＳ−２３２Ｃのインタフェースによって接続し、双方向に信号ＳＣの授受を行うようにしたが、ＲＳ−２３２Ｃ以外のインタフェースによってもよく、アナログ信号を用いることとしてもよい。ジャンパー線回路４２として、切り換えスイッチを設けてもよい。商用電力系統とＡＣモジュール５との連系が行われている通常時に、商用電力系統からわずかな電力を得てバッテリー６５をトリクル充電するようにしてもよい。
【００６２】
上述の実施形態において、太陽電池モジュールＰＶＭの出力電圧、インバータユニットＶＴＵの構成、ＡＣモジュール５の全体の個数、連系保護装置４の構成、独立運転制御装置６の構成、これらの間の通信方法、系統連系電源システム１の全体の構成、動作内容、動作順序などは、本発明の主旨に沿って適宜変更することができる。
【００６３】
なお、本発明の電源システムは、上述したＡＣモジュールを使用したシステムに限らず、複数個の太陽電池モジュールから出力される電力を１つのインバータを介して商用電力系統に連系する従来の系統連系システムにも適用することができる。
【００６４】
【発明の効果】
請求項１乃至請求項６の発明によると、商用電力系統とインバータ装置との連系が解除されたときに、インバータ装置が独立して運転することが可能となり、太陽電池の発電電力を有効利用することができる。
【００６５】
請求項２乃至請求項６の発明によると、供給される電力が安定し、非常用電源として利用することができる。
請求項５の発明によると、第２のインバータによって商用電力を供給することが可能となるので、負荷として家庭用の電気機器を接続することもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る系統連系電源システムの回路を示すブロック図である。
【図２】ＡＣモジュールの概観図である。
【図３】ＡＣモジュールの回路を示すブロック図である。
【図４】ＡＣモジュールの接続状態を説明するためのブロック図である。
【図５】ＡＣモジュールの接続状態を説明するための図である
【図６】ＡＣモジュールの配置状態を示す図である。
【図７】独立運転制御装置の動作の概略を示すフローチャートである。
【図８】独立運転の処理の流れを示すフローチャートである。
【符号の説明】
１ 系統連系電源システム
３，３ａ 配電線
５ ＡＣモジュール（電源システム）
６ 独立運転制御装置（電源システム）
１１ 開閉器
６１ 基準信号供給部
６２ 充電器
６３ 非常用インバータ（第２のインバータ）
６４ 統括制御部
６５ バッテリー（二次電池）
ＳＣ１ 指令信号
ＰＶＭ 太陽電池モジュール（太陽電池）
ＶＴＵ インバータユニット（インバータ）
【発明の属する技術分野】
本発明は、太陽電池及び電圧検出電流制御方式のインバータと単相３線式の配電線とを接続してなる系統連系電源システム及び電源システムに関し、特に連系が解除されたときにインバータを独立運転するようにした電源システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年において、太陽電池をインバータ装置を介して単相３線式の商用電力系統と連系し、太陽電池の発電電力を家電製品などの負荷に供給する系統連系電源システムが実用化されている（特開平５−３０８７８０号）。
【０００３】
例えば、約３０Ｖの直流電圧を出力する太陽電池モジュールを６枚直列にして１８０Ｖとし、これを入力電圧とするインバータ装置によってＡＣ１００Ｖの単相交流電力に変換し、単相３線式の配電線のＲ相又はＴ相に連系接続する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来の系統連系電源システムでは、商用電力系統に異常又は停電が生じたときに、インバータ装置を商用電力系統から解列させるための連系保護装置が設けられている。連系保護装置は停電又は異常を速やかに検出し、規定された時間内に開閉器を開いてインバータ装置を商用電力系統から切り離し、同時にインバータ装置の運転を停止する。
【０００５】
したがって、異常又は停電が生じたときには、太陽電池の発電電力が利用されなくなり、太陽光の有効利用という点で問題があった。
本発明は、上述の問題に鑑みてなされたもので、商用電力系統とインバータとの連系が解除されたときに、インバータが独立して運転することを可能とし、太陽電池の発電電力を有効利用することのできる系統連系電源システム及び電源システムを提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明に係るシステムは、太陽電池の出力する直流電力を交流電力に変換する電圧検出電流制御方式の複数個のインバータが配電線に接続され、前記配電線と商用電力系統とが連系保護装置を介して接続されることによって前記インバータと前記商用電力系統との連系が行われるように構成された系統連系電源システムであって、前記連係保護装置は、系統異常検出回路と開閉器とを含み、前記系統異常検出回路により前記商用電力系統の異常が検出されたときに前記開閉器により前記連系を解除するように構成され、前記開閉器によって前記連系が解除されたときに、前記配電線に前記商用電力系統と同種の電圧及び周波数の信号を生成して供給する基準信号供給部と、前記インバータに対して、それぞれの出力する出力電圧又は出力電流を制御するための指令信号を与える統括制御部と、が設けられてなる。
【０００７】
請求項２の発明に係るシステムは、前記開閉器によって前記連系が解除されたときに前記配電線に前記商用電力系統と同種の電圧及び周波数の信号を生成して供給する基準信号供給部と、二次電池と、少なくとも前記連系が解除されたときに前記二次電池を充電するよう、前記配電線に接続された充電器と、前記連系が解除されたときに、前記各インバータに対して、それぞれの出力する出力電流を制御するための指令信号を与える統括制御部と、が設けられてなる。
【０００８】
請求項３の発明に係るシステムでは、前記統括制御部は、前記充電器に入力される入力電流及び入力電圧を検出し、前記入力電圧が所定値を越えないように制御するための前記指令信号を出力するように構成される。
【０００９】
請求項４の発明に係るシステムでは、前記統括制御部は、前記前記二次電池への充電電流を検出し、前記充電電流が適正値を越えないように制御するための前記指令信号を出力するように構成される。
【００１０】
請求項５の発明に係るシステムでは、前記二次電池を入力電源とする第２のインバータが設けられてなる。
【００１１】
基準信号供給部は、商用電力系統と同種の電圧及び周波数の信号を、配電線を介してインバータに供給する。例えば、インバータが単相３線式のＲ相又はＴ相に出力するものである場合には、単相５０／６０Ｈｚの１００Ｖを供給する。インバータは、基準信号供給部から供給された基準信号を検出し、それと同じ周波数の電流を出力する。
【００１２】
統括制御部は、充電器が二次電池を過充電することなく充電するように、インバータの出力電流又は出力電圧を制御する。例えば、充電によって二次電池の端子電圧が上昇した場合には、インバータの出力電流を減少させるように指令信号を与える。また、充電器への入力電圧が許容値を越えないように、インバータの出力電流を制御するための指令信号を与える。
【００１３】
第２のインバータは、二次電池を電源として動作し、例えば商用交流電力を出力する。二次電池として、例えば燃料電池、蓄電池などが用いられる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
図１は本発明に係る系統連系電源システム１の回路を示すブロック図、図２はＡＣモジュール５の概観図、図３はＡＣモジュール５の回路を示すブロック図、図４はＡＣモジュール５の接続状態を説明するためのブロック図、図５はＡＣモジュール５の接続状態を説明するための図、図６はＡＣモジュール５の配置状態を示す図である。
【００１５】
図１において、系統連系電源システム１は、商用電力系統の一形態である単相３線式の配電線３、連系保護装置４、ＡＣモジュール５ａ，５ｂ，５ｃ…、独立運転制御装置６、及びパーソナルコンピュータ７から構成されている。ＡＣモジュール５ａ，５ｂ，５ｃ…の全部又は一部をＡＣモジュール５と記載することがある。
【００１６】
配電線３は、２つの電圧線Ｒ，Ｔ及び１つの中性線Ｎで構成されるＲ相とＴ相とからなる。Ｒ相及びＴ相はいずれも単相ＡＣ１００Ｖであり、電圧線Ｒ，Ｔの間は単相ＡＣ２００Ｖである。
【００１７】
連系保護装置４は、開閉器１１、系統異常検出回路１２、及び連系制御回路１３などからなる。
開閉器１１は、系統異常検出回路１２からの信号に応じて閉じ又は開き、ＡＣモジュール５と配電線３とを接続して連系状態とし、又は切り離して解列状態とする。
【００１８】
系統異常検出回路１２は、ＯＶＲ／ＵＶＲ、ＯＦＲ／ＵＦＲを備え、商用電力系統の電圧及び周波数の異常の有無を監視し、それらの異常が検出された場合には開閉器１１を開くための信号を出力する。系統異常検出回路１２は、また、受動方式及び能動方式の単独運転防止機能を備え、商用電力系統の停電などによってＡＣモジュール５が単独運転状態となったときにそれを検出し、開閉器１１を開く信号を出力する。
【００１９】
連系制御回路１３は、連系保護装置４の全体の制御を行う。連系制御回路１３は、ＲＳ−２３２Ｃのインタフェースによる通信機能を備える。連系制御回路１３は、系統異常検出回路１２が異常を検出して開閉器１１を開いたときには、総てのＡＣモジュール５に対してゲートブロック指令信号を出力し、それらの運転を停止させる。開閉器１１の状態を示す開閉状態信号ＳＫを受信し、独立運転制御装置６に対して出力する。連系制御回路１３は、各ＡＣモジュール５からそれぞれの発電状態及び運転状態の情報を受信する。
【００２０】
連系制御回路１３はパーソナルコンピュータ７との間で通信を行う。パーソナルコンピュータ７では、連系保護装置４からの情報を受信することによって、各ＡＣモジュール５の発電状態又は故障有無の検知などのモニタリングが行われる。
【００２１】
ＡＣモジュール５は、図２に示すように、１枚の太陽電池モジュールＰＶＭと１つのインバータユニットＶＴＵとを一体化して構成される。１枚の太陽電池モジュールＰＶＭは約３０Ｖの直流電圧を出力する。インバータユニットＶＴＵは、太陽電池モジュールＰＶＭの出力をＤＣ／ＤＣコンバータ（コンバータ回路２１）で１８０Ｖ程度の直流に変換した後、電圧形電流制御方式のインバータ（インバータ回路２３）によって５０／６０Ｈｚの交流電力に変換する。
【００２２】
このように構成される多数のＡＣモジュール５を、配電線３ａのＲ相又はＴ相に互いに同じ個数ずつ接続し、商用電力系統との連系を図る。各ＡＣモジュール５は、例えば図６に示されるように配置され、屋外に設置される。このような連系システムでは次の利点を有する。
（１）太陽電池モジュールＰＶＭの１枚１枚が各々の条件に応じた発電を行うため、各太陽電池モジュールＰＶＭに対する方位、影、温度などの環境条件の差異による影響を最小限に抑えることができ、各太陽電池モジュールＰＶＭに対してＭＰＰＴ制御（最適動作点追尾制御）を行うことができてシステム全体の効率が向上する。
（２）Ｒ相又はＴ相について複数の太陽電池モジュールＰＶＭを並列接続することによりシステムの構築が可能であるので、設置スペース全面の有効利用が図れるとともに、設計施工が容易である。
（３）１個のＡＣモジュール５の出力が１００Ｗ程度と小さいので、ＡＣモジュール５の個数を増減することによって、１００Ｗ程度の小規模のシステムから数ＫＷ程度の中規模のシステムまで容易に対応可能である。配電線３のＲ相とＴ相との間で相平衡を保つためには基本的に偶数個のＡＣモジュール５が必要であるが、奇数個の場合であっても不平衡は最大で１００Ｗであり実用上ほとんど無視できる範囲となる。
（４）直流回路がないので逆流防止ダイオードなどが不要であり、それによる直流損失がない。また、配線の工事は交流回路のみであり、通常の屋内配線工事によって行える。
（５）インバータユニットＶＴＵの使用個数が増大し、例えば３ＫＷのインバータ装置の場合と比較して使用個数が１０倍以上になるので、量産効果によるコストダウンが図られる。
（６）ＡＣモジュール５には自己保護機能のみを内蔵し、制御が複雑で高度な連系保護機能及び独立運転制御機能を内蔵しないので、ＡＣモジュール５の回路構成が簡単となり、部品点数の減少による低コスト化と高信頼性化を図ることができる。
（７）ＡＣモジュール５の主要回路を厚膜ＩＣなどによってＩＣ化し、小型化を図ることができる。
（８）インバータユニットＶＴＵの出力電圧が１００Ｖとなり、配電線３の電圧線間に接続する場合（出力電圧が２００Ｖ）と比較して２分の１であるため、インバータユニットＶＴＵの総合変換効率が高い。
【００２３】
図３において、インバータユニットＶＴＵは、コンバータ回路２１、ＭＰＰＴ回路２２、インバータ回路２３、ゲート制御回路２４、演算増幅器２５、乗算器２６、演算増幅器２７，２８、バンドパスフィルタ２９、インタフェース３０、変流器３１、及び変圧器３２などからなる。
【００２４】
コンバータ回路２１は、高周波スイッチングによって太陽電池モジュールＰＶＭから出力される３０Ｖ程度の直流電圧を１８０Ｖ程度の直流電圧に変換する。その際に、ＭＰＰＴ回路２２によって、太陽電池モジュールＰＶＭから最大電力を取り出すための公知の最適動作点追尾制御が行われる。
【００２５】
インバータ回路２３は、ブリッジ接続された複数のスイッチング素子から構成されている。ゲート制御回路２４は、マイクロプロセッサを有しており、パルス幅変調されたスイッチング制御信号をインバータ回路２３に与える。
【００２６】
インバータ回路２３に入力される電圧Ｖ１１は、演算増幅器２５に入力され、電圧指令値Ｖｒｅｆとの差である入力誤差信号Ｓａが生成される。入力誤差信号Ｓａは、乗算器２６の一方の入力信号となる。乗算器２６の他方の入力信号として信号Ｓ１２が入力される。信号Ｓ１２は、バンドパスフィルタ２９によって抽出された連系点電圧Ｖ３の基本周波数成分Ｓ１１と、信号ＳＣによって与えられる電圧制御信号Ｓ１３とが演算増幅器２８で加算されたものである。入力誤差信号Ｓａと信号Ｓ１２との乗算によって制御の目標値を示す電流指令値信号Ｓｉが生成される。電流指令値信号Ｓｉと、変流器３１によって検出された実際の出力電流値と、信号ＳＣによって与えられる電流制御信号Ｓ１４とが演算増幅器２７に入力され、電流誤差信号ＳΔｉが生成される。この電流誤差信号ＳΔｉはゲート制御回路２４に入力される。
【００２７】
ゲート制御回路２４では、電流誤差信号ＳΔｉと２０ｋＨｚ程度の基準三角波信号との比較により、パルス幅を調整したスイッチング信号が生成されてインバータ回路２３へ出力される。
【００２８】
インタフェース３０は、ＲＳ−２３２Ｃのインタフェースを介して外部の機器とデジタルによるシリアル通信を行い、上述した電圧制御信号Ｓ１３及び電流制御信号Ｓ１４を外部から入力する他、インバータユニットＶＴＵの動作状態に関する情報を外部に出力する。
【００２９】
このようなフィードバック制御により、適当に設定された電流値で且つ系統電圧と同一の電流位相の力率１の交流電力が、インバータ回路２３から配電線３のＲ相又はＴ相の負荷へ出力される。
【００３０】
上述の説明で理解できるように、連系中では商用電力系統の電圧が連系点電圧Ｖ３となるが、連系が解除されると商用電力系統の電圧が無くなり、連系点電圧Ｖ３が零となる。その場合には、商用電力系統に代えて後述する基準信号供給部６１が商用電力系統と同じ交流電圧を基準信号として供給することにより、インバータユニットＶＴＵの運転が可能である。また、連系点電圧Ｖ３が零であっても、連系点電圧Ｖ３に代わる電圧制御信号Ｓ１３によって制御が行える。電圧制御信号Ｓ１３は、適当な周波数の電圧波形を有する必要があるので、制御を高速で行わなければならない。そのため、適当な周波数の電圧波形を生成する発振器を設けておき、その振幅などを信号ＳＣによって制御してもよい。また、電流制御信号Ｓ１４によって出力電流の大きさを制御することができる。
【００３１】
次に、配電線３ａ（配電線３）とＡＣモジュール５との配線接続方法について説明する。
図４において、各インバータユニットＶＴＵには、インバータ回路２３の出力をＲ相又はＴ相に接続するための、５個の接続極Ｒ，Ｎ，Ｔ，ＰＯ，Ｅを有し、且つ互いに並列的に接続された２個の固定側コネクタ４１ａ，４１ｂが取り付けられている。
【００３２】
インバータ回路２３の出力と接続極Ｒ，Ｔとの間には、ジャンパー線回路４２が設けられており、ジャンパー線４２ａの接続を変更することによって、インバータ回路２３の出力をＲ相又は前記Ｔ相のいずれかに選択的に接続することができる。
【００３３】
図５も参照して、各インバータユニットＶＴＵの相互間は、ケーブル側コネクタ５１ａ，５１ｂが両端に設けられた接続ケーブル５０によって、順次互いに接続されている。すなわち、各ケーブル側コネクタ５１ａ，５１ｂは、固定側コネクタ４１ａ，４１ｂと連結可能な５個の接続極Ｒ，Ｎ，Ｔ，ＰＯ，Ｅを有しており、各ケーブル側コネクタ５１ａ，５１ｂが隣合うインバータユニットＶＴＵに設けられた各固定側コネクタ４１ｂ，４１ａに差し込まれて接続され、これによって全部のインバータユニットＶＴＵつまりＡＣモジュール５が互いに順次接続されている。
【００３４】
第１番のインバータユニットＶＴＵ１の固定側コネクタ４１ａには、一端にケーブル側コネクタ５１ａが設けられた連系接続ケーブル５５が接続されている。連系接続ケーブル５５は、その内の３本の電線Ｒ，Ｎ，Ｔが配電線３に接続され、２本の電線ＰＯ，Ｅが連系保護装置４及び独立運転制御装置６のインタフェース回路に接続されている。
【００３５】
これによって、各ＡＣモジュール５の出力は配電線３のＲ相又はＴ相に接続され、各ＡＣモジュール５のインタフェース３０の信号ＳＣは電線又は極ＰＯ，Ｅを介して連系保護装置４及び独立運転制御装置６に接続される。
【００３６】
図６（Ａ）に示すように、多数（本例では２４個）のＡＣモジュール５がマトリクス状に配列されており、それぞれのＡＣモジュール５は、図に鎖線で示すように隣合うＡＣモジュール５どうしが接続ケーブル５０によって順次接続されている。各ＡＣモジュール５は、それぞれのジャンパー線４２ａの選択的な接続によって、Ｒ相に接続されるＡＣモジュール５とＴ相に接続されるＡＣモジュール５とが千鳥状に配列されている。
【００３７】
図６（Ａ）に示すように千鳥状に配列した場合には、太陽光が建物などの陰になったときであっても、Ｒ相用とＴ相用とがほぼ平均して影になるので、Ｒ相とＴ相との間に大きな不平衡が生じない。
【００３８】
このように、Ｒ相用又はＴ相用に係わらず共通の接続ケーブル５０によって隣合うＡＣモジュール５どうしを順次接続する共通コネクタ方式を採用することによって、ＡＣモジュール５を配電線３ａに接続するための配線工事が極めて容易であり、工事を短時間に行うことができ、誤配線の恐れもない。しかも、各ＡＣモジュール５のジャンパー線４２ａの接続を変更することによって、Ｒ相用又はＴ相用のいずれかに容易に変更することができるので、ＡＣモジュール５の実際の位置を変更することなくそれらの配列を任意に設定することができる。
【００３９】
図６（Ｂ）では、上方のＡＣモジュール５をＲ相用とし、下方のＡＣモジュール５をＴ相用としてある。このように配列した場合には、Ｒ相用及びＴ相用がそれぞれかたまっているので管理が容易であるが、Ｒ相用又はＴ相用のいずれかに片寄って影になる可能性が高く、その場合にはＲ相とＴ相との間に不平衡が生じる。
【００４０】
また、いずれかのＡＣモジュール５が故障した場合、負荷が不平衡である場合、ＡＣモジュール５の個数を増減した場合などにおいて、いずれかのＡＣモジュール５のジャンパー線４２ａの接続を変更して全体的な平衡をとることができる。
【００４１】
さらに、図６から理解できるように、全部のＡＣモジュール５の接続が、接続ケーブル５０の内の３本の電線によって最短の距離を順次接続することで行われるので、必要な電線の長さが短くなり、それだけ低コスト化、高信頼性化、メンテナンスの容易化を図ることができる。実際、例えば図６（Ａ）の配列を実現するために、Ｒ相用又はＴ相用の各ＡＣモジュール５をそれぞれ別個に接続した場合には、Ｒ相用とＴ相用の各２本計４本の電線が全面にわたって張りめぐらされることとなるので、必要な電線が長くなり、誤配線の可能性が高くメンテナンスも容易ではなくなる。
【００４２】
独立運転制御装置６は、連系保護装置４の開閉器１１が開いて連系が解除されたときに、商用電力系統からは独立した状態でＡＣモジュール５を運転させ、その出力を非常用電源として利用するためのものである。独立運転制御装置６は、基準信号供給部６１、充電器６２、非常用インバータ６３、統括制御部６４、バッテリー６５、出力切り換えスイッチ６６、及びコンセント６７からなる。
【００４３】
基準信号供給部６１は、連系が解除されたときに、ＡＣモジュール５に対して連系点電圧Ｖ３の基本周波数成分Ｓ１１を与えるために、配電線３ａに商用電力系統と同じ電圧及び周波数の信号を供給する。したがって、基準信号供給部６１は、連系点電圧Ｖ３と同じ波形のみを出力すればよく、電力を供給する必要はないが、配電線３ａ及びその他の浮遊容量を充電する程度の電力、例えば数十〜数百ｍＷ程度の電力を出力可能であることが好ましい。
【００４４】
充電器６２は、ＡＣモジュール５の出力を整流して直流に変換し、バッテリー６５を充電する。充電器６２の入力電流、入力電圧、出力電流、出力電圧の各値は、図示しない検出機器によって検出され、統括制御部６４に入力されている。充電器６２は、連系が解除されているときにのみ動作するよう、内部に配電線３ａとの間の開閉を行う電磁開閉器が設けられている。このような電磁開閉器を設けることなく、電子的に動作を制御するものであってもよい。充電器６２の出力電流は、その入力電流つまりＡＣモジュール５の出力電流によって決まるので、充電器６２によってバッテリー６５を過充電することのないように、バッテリー６５の状態に対応してＡＣモジュール５の出力電流が統括制御部６４によって制御されている。また、充電器６２に加わる電圧が入力許容電圧の範囲を越えないように、ＡＣモジュール５の出力電流及び出力電圧が統括制御部６４によって制御されている。
【００４５】
非常用インバータ６３は、バッテリー６５に蓄えられた直流電力を単相ＡＣ１００Ｖの商用電力に変換し、出力切り換えスイッチ６６の接続に応じてコンセント６７又は配電線３ｂに供給する。非常用インバータ６３は、サージ対応タイプのものであり、瞬時的に定格電流値の１０倍程度のサージ電流を出力することが可能である。したがって、電動機などのように起動電流の大きい誘導負荷をも運転することが可能であり、冷蔵庫、洗濯機、エアコンなどをコンセント６６又は配電線３ｂに接続することができる。
【００４６】
統括制御部６４は、開閉器１１が開いて商用電力系統とＡＣモジュール５との連系が解除されたときに、ＡＣモジュール５が独立状態で動作するように独立運転制御装置６の全体を制御する。統括制御部６４は、バッテリー６５の充電電流が適切となるように、各ＡＣモジュール５の出力電流を制御するための電流制御信号Ｓ１４の基となる指令信号ＳＣを出力する。指令信号ＳＣは、ＲＳ−２３２Ｃのインタフェースを介し、各ＡＣモジュール５に対して例えば１秒毎に出力される。各ＡＣモジュール５は、指令信号ＳＣに基づいて電流制御信号Ｓ１４を生成する。
【００４７】
このように、ＡＣモジュール５の出力電流を制御するための指令信号ＳＣは、秒のオーダーの緩慢な速度で出力すればよいので、シリアル通信によって十分に制御を行うことが可能である。
【００４８】
上述の説明で理解できるように、独立運転制御装置６は、商用電力系統の停電などによって連系が解除されたときに、ＡＣモジュール５の発電電力を非常用電源として利用するためのものである。太陽光による発電のみでは電源装置として不安定であるため、それによってバッテリー６５を充電し、バッテリー６５に蓄えられた電力を商用電力に変換して負荷に供給している。これによって、太陽電池モジュールＰＶＭによる発電電力が安定的に負荷に供給され、太陽光の有効利用が図られる。また、配電線３又は３ａに接続された電気製品例えば家庭用のコンピュータを、連系の解除と同時に配電線３ｂに接続を切り換えることによって、系統連系電源システム１をコンピュータに対する無停電電源システムとして動作させることができる。しかも、このような複雑な制御は独立運転制御装置６によって行われるので、各ＡＣモジュール５の回路構成を複雑にすることなく実現することができる。
【００４９】
なお、図示は省略したが、統括制御部６４には、連系が解除されたとき独立運転制御装置６による独立運転制御を自動的に起動するか手動で起動するかを切り換えるモード切り換えスイッチ、手動モードに設定した場合に起動を行うための手動起動スイッチ、その他のスイッチ、及び各種の表示ランプなどが設けられている。
【００５０】
次に、独立運転制御装置６の動作をフローチャートを参照して説明する。
図７は独立運転制御装置６の動作の概略を示すフローチャート、図８は独立運転の処理の流れを示すフローチャートである。
【００５１】
図７において、独立運転が起動され、開閉器１１が開状態となっており、線路電圧が零である場合に（＃１１〜１３でイエス）、基準信号供給部６１を動作させて基準信号を配電線３ａに供給し（＃１４）、ＡＣモジュール５の運転を開始させ（＃１５）、独立運転制御の処理を行う（＃１６）。
【００５２】
ここで、独立運転が起動されていることは、モード切り換えスイッチが自動モードになっていること、又は手動モードである場合に手動起動スイッチがオンしていることによって検出される。開閉器１１が開状態となっていることは、開閉器１１からの開閉状態信号ＳＫにより検出される。線路電圧が零であることは、例えば連系点電圧Ｖ３が零であることによって検出される。
【００５３】
図８において、独立運転制御では、まず、停止指令の有無を判断する（＃２１）。手動起動スイッチをオフとした場合又は停止スイッチが押された場合などには（＃２１でイエス）、充電器６２、ＡＣモジュール５、及び非常用インバータ６３の出力を停止し、基準信号供給部６１の動作を停止するなどの停止処理を行う（＃３１）。
【００５４】
ＡＣモジュール５の出力電流指令Ｉ1 を更新するか否かを判断する（＃２２）。バッテリー６５の充電又は放電の状態、例えばバッテリー６５の端子電圧は、適当な周期（例えば数分毎）で監視されており、その状態に応じて出力電流指令Ｉ1 の更新が指令される。
【００５５】
更新を行う場合には（＃２２でイエス）、出力電流指令Ｉ1 の値を更新し（＃２３）、補正係数ａを１．０に設定する（＃２４）。電流指令ポートに対して電流指令Ｉｐ（＝ａ×Ｉ1 ）を出力する（＃２５）。電流指令Ｉｐに基づいて信号ＳＣが生成され、ＡＣモジュール５に対して出力される。ＡＣモジュール５において、信号ＳＣに基づいて電流制御信号Ｓ１４が生成される。
【００５６】
ＡＣモジュール５の出力電流Ｉ0 を計測し（＃２６）、出力電流Ｉ0 と出力電流指令Ｉ1 とを比較する（＃２７）。出力電流Ｉ0 の方が小さい場合には（＃２７でノー）、ステップ＃２１以降の処理を繰り返す。出力電流Ｉ0 の方が大きい場合には（＃２７でイエス）、補正係数ａを低減するため、補正係数ａに１よりも小さい係数ｄを乗じた値を新しい補正係数ａとする（＃２８）。係数ｄは固定値が用いられるか、又は予め設定された換算テーブルから読み出された適当な値が用いられる。そのような換算テーブルは、例えばバッテリー６５の種々の電圧値に対する係数ｄを格納したものである。補正係数ａが最低値よりも小さくならない範囲で上述の処理が繰り返される（＃２９）。
【００５７】
補正係数ａが最低値よりも小さくなると（＃２９でイエス）、出力電流Ｉ0 の調整が不可能であると判断して異常処理を行う（＃３０）。異常処理では、充電器６２、ＡＣモジュール５、及び非常用インバータ６３の出力を停止し、基準信号供給部６１の動作を停止し、異常表示ランプを点灯する。
【００５８】
このように、バッテリー６５の充電が進むにしたがって充電電流が減少するように、バッテリー６５の端子電圧などに応じてＡＣモジュール５の出力電流が調整されている。
【００５９】
上述の実施形態によると、一部の太陽電池モジュールＰＶＭが故障した場合でも、故障に係るＡＣモジュール５の運転を停止させ、ジャンパー線回路４２によってＲ相とＴ相との平衡を取ることにより、故障していない太陽電池モジュールＰＶＭによる運転を継続することができる。各太陽電池モジュールＰＶＭは互いに独立して動作するので、各太陽電池モジュールＰＶＭの発電状況が互いに異なっている場合であっても各太陽電池モジュールＰＶＭから最大電力を引き出すことができ、全体として高い変換効率を得ることができる。
【００６０】
また、商用電力系統とＡＣモジュール５との連系が解除されたときに、ＡＣモジュール５が独立して運転することが可能となり、太陽電池モジュールＰＶＭの発電電力を有効利用することができる。その場合に、ＡＣモジュール５の出力によってバッテリー６５を充電し、バッテリー６５により非常用インバータ６３を駆動して商用電力を供給するので、供給される電力が安定し、ＡＣモジュール５及び独立運転制御装置６を家庭用の電気機器の非常用電源として利用することができる。
【００６１】
上述の実施形態においては、連系保護装置４、ＡＣモジュール５、及び独立運転制御装置６の間をＲＳ−２３２Ｃのインタフェースによって接続し、双方向に信号ＳＣの授受を行うようにしたが、ＲＳ−２３２Ｃ以外のインタフェースによってもよく、アナログ信号を用いることとしてもよい。ジャンパー線回路４２として、切り換えスイッチを設けてもよい。商用電力系統とＡＣモジュール５との連系が行われている通常時に、商用電力系統からわずかな電力を得てバッテリー６５をトリクル充電するようにしてもよい。
【００６２】
上述の実施形態において、太陽電池モジュールＰＶＭの出力電圧、インバータユニットＶＴＵの構成、ＡＣモジュール５の全体の個数、連系保護装置４の構成、独立運転制御装置６の構成、これらの間の通信方法、系統連系電源システム１の全体の構成、動作内容、動作順序などは、本発明の主旨に沿って適宜変更することができる。
【００６３】
なお、本発明の電源システムは、上述したＡＣモジュールを使用したシステムに限らず、複数個の太陽電池モジュールから出力される電力を１つのインバータを介して商用電力系統に連系する従来の系統連系システムにも適用することができる。
【００６４】
【発明の効果】
請求項１乃至請求項６の発明によると、商用電力系統とインバータ装置との連系が解除されたときに、インバータ装置が独立して運転することが可能となり、太陽電池の発電電力を有効利用することができる。
【００６５】
請求項２乃至請求項６の発明によると、供給される電力が安定し、非常用電源として利用することができる。
請求項５の発明によると、第２のインバータによって商用電力を供給することが可能となるので、負荷として家庭用の電気機器を接続することもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る系統連系電源システムの回路を示すブロック図である。
【図２】ＡＣモジュールの概観図である。
【図３】ＡＣモジュールの回路を示すブロック図である。
【図４】ＡＣモジュールの接続状態を説明するためのブロック図である。
【図５】ＡＣモジュールの接続状態を説明するための図である
【図６】ＡＣモジュールの配置状態を示す図である。
【図７】独立運転制御装置の動作の概略を示すフローチャートである。
【図８】独立運転の処理の流れを示すフローチャートである。
【符号の説明】
１ 系統連系電源システム
３，３ａ 配電線
５ ＡＣモジュール（電源システム）
６ 独立運転制御装置（電源システム）
１１ 開閉器
６１ 基準信号供給部
６２ 充電器
６３ 非常用インバータ（第２のインバータ）
６４ 統括制御部
６５ バッテリー（二次電池）
ＳＣ１ 指令信号
ＰＶＭ 太陽電池モジュール（太陽電池）
ＶＴＵ インバータユニット（インバータ）
Claims (6)
- 太陽電池の出力する直流電力を交流電力に変換する電圧検出電流制御方式の複数個のインバータが配電線に接続され、前記配電線と商用電力系統とが連系保護装置を介して接続されることによって前記インバータと前記商用電力系統との連系が行われるように構成された系統連系電源システムであって、
前記連係保護装置は、系統異常検出回路と開閉器とを含み、前記系統異常検出回路により前記商用電力系統の異常が検出されたときに前記開閉器により前記連系を解除するように構成され、
前記開閉器によって前記連系が解除されたときに、前記配電線に前記商用電力系統と同種の電圧及び周波数の信号を生成して供給する基準信号供給部と、
前記インバータに対して、それぞれの出力する出力電圧又は出力電流を制御するための指令信号を与える統括制御部と、
が設けられてなることを特徴とする系統連系電源システム。 - 太陽電池の出力する直流電力を交流電力に変換する電圧検出電流制御方式の複数個のインバータが配電線に接続され、前記配電線と商用電力系統とが連系保護装置を介して接続されることによって前記インバータと前記商用電力系統との連系が行われるように構成された系統連系電源システムであって、
前記連係保護装置は、系統異常検出回路と開閉器とを含み、前記系統異常検出回路により前記商用電力系統の異常が検出されたときに前記開閉器により前記連系を解除するように構成され、
前記開閉器によって前記連系が解除されたときに、前記配電線に前記商用電力系統と同種の電圧及び周波数の信号を生成して供給する基準信号供給部と、
二次電池と、
少なくとも前記連系が解除されたときに前記二次電池を充電するよう、前記配電線に接続された充電器と、
前記連系が解除されたときに、前記インバータに対して、それぞれの出力する出力電流を制御するための指令信号を与える統括制御部と、
が設けられてなることを特徴とする系統連系電源システム。 - 前記統括制御部は、前記充電器に入力される入力電流及び入力電圧を検出し、前記入力電圧が所定値を越えないように制御するための前記指令信号を出力するように構成されてなる、
請求項２記載の系統連系電源システム。 - 前記統括制御部は、前記二次電池への充電電流を検出し、前記充電電流が適正値を越えないように制御するための前記指令信号を出力するように構成されてなる、
請求項２記載の系統連系電源システム。 - 前記二次電池を入力電源とする第２のインバータが設けられてなる、
請求項２乃至４のいずれかに記載の系統連系電源システム。 - 前記太陽電池と前記インバータとは一体化されてＡＣモジュールが構成され、該ＡＣモジュールが複数個前記配電線に接続されていることを特徴とする請求項１乃至５記載の系統連系電源システム。
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