JP6253420B2

JP6253420B2 - パワーコンディショナ

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Publication number: JP6253420B2
Application number: JP2014010631A
Authority: JP
Inventors: 西尾　直樹; 直樹西尾
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2014-01-23
Filing date: 2014-01-23
Publication date: 2017-12-27
Anticipated expiration: 2034-01-23
Also published as: JP2015139324A

Description

本発明は、外部直流電源を用いた発電システムで用いるパワーコンディショナに関する。

従来、太陽電池、燃料電池等の外部直流電源を用いた発電システムとして、太陽光発電システムがある。太陽光発電システムでは、例えば、住宅の屋根など建物の屋上に太陽電池モジュールを数十枚直並列に並べて設置し、出力される発電電力（直流電力）をパワーコンディショナで交流電力へ変換している。太陽光発電システムは、交流電力を住宅内の電気機器に供給するとともに、余剰電力が発生した場合には、系統電源に逆潮流（電力会社に売電）することができる。

太陽光発電システムを設置する場合、屋根上に敷設した太陽電池モジュールの出力線とパワーコンディショナの直流入力端子部との配線工事、また、系統電源とパワーコンディショナの交流出力端子部との配線工事が必要である。ここで、配線工事においてパワーコンディショナ側で配線を誤ると、パワーコンディショナに破損・故障等の不具合を生じさせることがある。例えば、直流入力端子部に交流である系統電源側の配線を接続した場合、また、直流入力端子部と太陽電池モジュール側の配線の極性を逆に接続した場合、パワーコンディショナ内の素子に規格値を超えた過電流が印加され、破損等に至ることがある。

このような問題に対して、下記特許文献１では、正極と負極の直流母線の負極側に、ダイオードと、半導体スイッチ駆動回路にて駆動される半導体スイッチとを直列に挿入し、逆電圧が印加される状態において、半導体スイッチオフ回路によって半導体スイッチ駆動回路をオフ制御する技術が開示されている。

国際公開第２００７／１１０９１３号

しかしながら、上記従来の技術によれば、太陽光発電システムの設置工事の際の誤接続に対して、パワーコンディショナ内の素子の破損・故障の発生を防止するため、逆電圧を阻止するダイオードの他、半導体スイッチ、半導体スイッチを駆動するための半導体スイッチ駆動回路、異常時に半導体スイッチ駆動回路をオフ制御するための半導体スイッチオフ回路を必要とする。そのため、付加する保護回路が複雑化し、パワーコンディショナのコストアップを招来する、という問題があった。また、直流入力の回路中に開閉手段が挿入されているため、直流入力に流れた電流は開閉手段を通過することで電力ロスが発生し、パワーコンディショナの電力変換ロスを発生させる、という問題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、外部直流電源を用いた発電システムの設置工事で誤接続が発生した場合に、内部の半導体素子の破損・故障を防止可能なパワーコンディショナを得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、外部直流電源の正極側出力端子および負極側出力端子と繋ぐケーブルがそれぞれ対応する端子に着脱可能に接続される入力端子部と、前記入力端子部から入力される前記外部直流電源の出力直流電力を別の電圧値の直流電力へ変換するコンバータと、前記コンバータの出力直流電力を交流電力へ変換するインバータと、前記入力端子部と前記コンバータとの間に直列に挿入された電流ヒューズと、を備え、前記コンバータは、リアクトルの一端とスイッチ素子の一端とを接続し、前記リアクトルと前記スイッチ素子との接続点に第１のダイオードのアノード端子を接続し、前記リアクトルの他の一端と前記スイッチ素子の他の一端との間に直流の電力を入力し、前記第１のダイオードのカソード端子と前記スイッチ素子の他の一端との間から電力を出力する昇圧形の回路構成とし、前記リアクトルと前記スイッチ素子との前記接続点に第２のダイオードのカソード端子を接続し、前記第２のダイオードと前記スイッチ素子とを並列接続し、前記スイッチ素子はワイドギャップ半導体素子であり、前記第２のダイオードはシリコン製の半導体素子である、ことを特徴とする。

本発明によれば、外部直流電源を用いた発電システムの設置工事で誤接続が発生した場合に、内部の半導体素子の破損・故障を防止できる、という効果を奏する。

図１は、実施の形態１にかかるパワーコンディショナが用いられる太陽光発電システムの要部構成を示すブロック図である。図２は、実施の形態１のパワーコンディショナの要部構成を示すブロック図である。図３は、実施の形態２のパワーコンディショナの要部構成を示すブロック図である。

以下に、本発明にかかるパワーコンディショナの実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、本実施の形態にかかるパワーコンディショナが用いられる太陽光発電システムの要部構成を示すブロック図である。図２は、本実施の形態にかかるパワーコンディショナの要部構成を示すブロック図である。

まず、図１に沿って太陽光発電システムについて簡単に説明する。図１において、太陽光発電システムは、太陽電池モジュール１と、接続箱２と、パワーコンディショナ３と、分電盤４と、を備え、負荷５および交流電力系統６は、それぞれ分電盤４を介してパワーコンディショナ３に接続される構成である。

太陽電池モジュール１は、多数の太陽電池を直並列に接続し、所定の発電出力が得られるようにしたものである。住宅の例で言えば、太陽電池モジュール１は、所定数が住宅の屋根上に配置される。接続箱２、パワーコンディショナ３、および分電盤４は、それぞれ住宅の壁、宅内などの所定位置に配置される。

太陽光発電システムでは、接続箱２が、多数の太陽電池モジュール１にて並列に発電された多数の直流電力を１つの所定値の発電電力に集電し、パワーコンディショナ３へ出力する。パワーコンディショナ３は、入力された直流電力を交流電力へ変換する。パワーコンディショナ３は、交流電力を出力し、分電盤４を介して負荷５および交流電力系統６へ供給する。

負荷５は、照明器具、冷蔵庫、洗濯機、掃除機等の宅内電気機器、モータ等の宅外電気機器である。太陽光発電システムでは、負荷５で消費しきれず、余剰電力が発生した場合は、その余剰電力が交流電力系統６に逆潮流される。

つづいて、太陽光発電システムの住宅への設置工事について説明する。まず、屋根の上に必要数の太陽電池モジュール１を設置し、それぞれの出力ケーブルの先端を住宅の軒下あるいは住宅内に設置した接続箱２の入力部に接続する。接続箱２は、複数の入力を１出力にまとめて出力する集電機能を有している。接続箱２の出力部は、正極側出力端と負極側出力端とで構成されるので、正極側と負極側との対ケーブルの一端を接続箱２の出力部に接続する。そして、その対ケーブルの他端を、パワーコンディショナ３が配置される住宅内に引き込み、パワーコンディショナ３の入力部に接続する。

この接続工事では、パワーコンディショナ３の入力部は、正極側端子（＋）と負極側端子（−）とで構成されているので、引き込んだ対ケーブルの他端を、極性を間違えないように、パワーコンディショナ３の入力部に接続する必要がある。

また、パワーコンディショナ３の出力端は、住宅内に設置されている分電盤４に接続される。分電盤４では、交流電力系統６がケーブル接続され、また、パワーコンディショナ３の出力端を交流電力系統６に連系させるためのブレーカをケーブルにて接続する。これらのケーブルには交流が流れる。

接続工事では、パワーコンディショナ３の入力部に、接続箱２側の対ケーブルを接続せず、間違って分電盤４から交流電力系統６に繋がるケーブルを接続しないようにしなければならない。

本実施の形態では、太陽光発電システムの設置工事において、パワーコンディショナ３の入力端子部に交流電力が印加される誤接続が発生した場合、パワーコンディショナ３では、電流ヒューズを溶断させ、半導体素子の破壊、故障の発生を防止し、かつ誤接続状態を報知して確実に修復させ得る保護機能を簡単かつ安価な構成により実現した。図２を参照して具体的に説明する。なお、パワーコンディショナ３の一般的な構成と動作については、よく知られているので、その説明を割愛し、ここでは、本実施の形態に関わる部分である「設置工事において誤接続が発生した場合に半導体素子の破壊・故障の発生を防止し誤接続状態を報知して確実に修復させ得る保護機能」を中心に説明する。

図２において、パワーコンディショナ３は、入力端子部１０と、コンバータ１１と、インバータ１２と、出力フィルタ１３と、連系開閉器１４と、交流開閉器１５と、出力端子部１６と、制御手段としての制御回路１７と、報知手段１８と、を備えている。

入力端子部１０には、太陽電池モジュール１の直流出力電力が図示省略した接続箱２を介して入力される。コンバータ１１は、入力端子部１０に印加される直流電力を別の電圧値の直流電力へ変換するＤＣ（Direct Current）／ＤＣ変換機能を有している。インバータ１２は、ＦＥＴ（Field Effect Transistor）、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）等の半導体スイッチング素子およびダイオード１２ｂ，１２ｃ，１２ｄ，１２ｅにて構成され、それらのスイッチング動作により、コンバータ１１から入力される直流電力を交流電力へ変換する。出力フィルタ１３は、リアクトルとコンデンサとの組み合わせで構成され、インバータ１２が出力するパルス状の交流波形を正弦波状の交流波形に整形する。

パワーコンディショナ３の電力変換部は、コンバータ１１、インバータ１２および出力フィルタ１３の全体により形成され、出力フィルタ１３から出力されるその変換出力は、連系開閉器１４および交流開閉器１５を介して出力端子部１６に出力される。出力端子部１６には、図示例では交流電力系統６が接続される。

図２では、制御回路１７の制御系の図示を省略したが、制御回路１７は、プログラム制御により、コンバータ１１のスイッチ素子１１ａのオン・オフ制御によるＤＣ／ＤＣ変換動作と、インバータ１２でのＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御によるスイッチング動作指令の生成によるＤＣ／ＡＣ（Alternating Current）変換動作と、連系開閉器１４および交流開閉器１５の開閉制御とを行う。なお、交流開閉器１５は、例えば、交流電力系統６が停電した場合に、交流電力系統６との接続を開路してインバータ１２を交流電力系統６から開放し、自立運転へ移行できるようにするため設けられている。

また、パワーコンディショナ３の操作部（図示せず）には、パワーコンディショナ３を起動、停止させるための運転・停止スイッチ、連系運転モード・自立運転モードの切換スイッチが設けられ、制御回路１７は、それらの操作内容に従ってパワーコンディショナ３の運転を制御する。

また、図示してないが、出力端子部１６からの出力電圧と出力電流を測定するセンサ回路が設けられ、制御回路１７は、センサ回路からの測定値により、交流出力電力値を演算するとともに、交流出力電力値を積算して交流出力電力量を求め、メモリに記憶する。

報知手段１８は、表示器とブザーの両方で構成される。制御回路１７は、表示器に、パワーコンディショナ３の運転状態、演算した交流出力電力値、メモリに記憶させた交流出力電力量等の運転データを表示する。また、制御回路１７は、正常な運転ができない場合、非常停止してブザーを鳴動させ、報知できるようになっている。

以上の一般的な構成において、「太陽光発電システムの設置工事において誤接続が発生した場合に半導体素子の破壊・故障の発生を防止し誤接続状態を報知して確実に修復させ得る保護機能」を実現する構成として、図２に示すように、入力端子部１０の正極側端子（＋）とコンバータ１１の対応する入力端との間に電流ヒューズ２４を介して接続している。

コンバータ１１では、第１のダイオード１１ｃを、リアクトル１１ｂとスイッチ素子１１ａの接続点がアノードとなるように接続している。第１のダイオード１１ｃは、ＳｉＣショットキーバリアダイオード等のワイドギャップ半導体素子としている。

コンバータ１１では、第２のダイオード１１ｄを、リアクトル１１ｂとスイッチ素子１１ａの接続点がカソードとなるように、スイッチ素子１１ａに並列接続している。第２のダイオード１１ｄは、シリコン製の半導体素子としている。

また、コンバータ１１では、入力端子部１０の正極側端子（＋）と負極側端子（−）との間に印加される電圧を計測する第１の電圧センサ２２と、コンバータ１１からインバータ１２に入力される直流電力の電圧（母線電圧）を計測する第２の電圧センサ２３と、を備える。加えて、制御回路１７に、第１の電圧センサ２２および第２の電圧センサ２３の計測値に基づき、コンバータ１１およびインバータ１２の起動・非起動を行う機能と、報知手段１８にその内容を報知させる機能とを追加してある。

以下、「太陽光発電システムの設置工事において誤接続が発生した場合に半導体素子の破壊・故障の発生を防止し誤接続状態を報知して確実に修復させ得る保護機能」について説明する。

まず、パワーコンディショナ３の入力端子部１０に、接続箱２側の対ケーブルを接続せず、間違って分電盤４から交流電力系統６に繋がるケーブルが接続されてしまった場合について説明する。この段階では、パワーコンディショナ３の動作電源はオフ状態である。

パワーコンディショナ３の電源オフ時では、コンバータ１１のスイッチ素子１１ａはオフしている。入力端子部１０の正極側端子（＋）が正となる極性で交流電力系統６の電力が供給された場合には、パワーコンディショナ３では、交流電力系統６から入力端子部１０の正極側端子（＋）、電流ヒューズ２４、コンバータ１１のリアクトル１１ｂ、コンバータ１１の第１のダイオード１１ｃ、インバータ１２の母線コンデンサ１２ａを経由して入力端子部１０の負極側端子（−）に至る経路で過大な電流が流れる。電流ヒューズ２４の過電流溶断特性を、第１のダイオード１１ｃの順方向過電流許容特性未満とすることで、第１のダイオード１１ｃが故障に至る前に電流ヒューズ２４を溶断させ、コンバータ１１を交流電力系統６から切り離すことで製品を保護することができる。

一方、入力端子部１０の正極側端子（＋）が負となる極性で交流電力系統６の電力が供給された場合には、パワーコンディショナ３では、交流電力系統６から入力端子部１０の負極側端子（−）、コンバータ１１の第２のダイオード１１ｄ、コンバータ１１のリアクトル１１ｂ、電流ヒューズ２４を経由して入力端子部１０の正極側端子（＋）に至る経路で過大な電流が流れる。電流ヒューズ２４の過電流溶断特性を、第２のダイオード１１ｄの順方向過電流許容特性未満とすることで、第２のダイオード１１ｄが故障に至る前に電流ヒューズ２４を溶断させ、コンバータ１１を交流電力系統６から切り離すことで製品を保護することができる。

ここで、一般的に、ＳｉＣＭＯＳ−ＦＥＴ等の半導体素子の寄生ダイオードは、シリコン製のダイオードの順方向電圧降下に対して大きな電圧降下特性となる。そのため、前記の過大な電流は、主に第２のダイオード１１ｄを流れ、ＳｉＣＭＯＳ−ＦＥＴ等のワイドギャップ半導体素子で構成されるスイッチ素子１１ａにはほとんど流れない。従って、スイッチ素子１１ａの故障についても回避できる。なお、スイッチ素子１１ａについては、ワイドギャップ半導体素子に限定するものではなく、第２のダイオード１１ｄとの特性の関係でシリコン製の半導体素子で構成してもよい。

以上の様に、誤接続に気付かずにパワーコンディショナ３の入力端子部１０に交流電力系統６の電圧が印加された場合でも、電流ヒューズ２４が溶断することで、コンバータ１１の構成素子が故障することはない。また、入力端子部１０に印加された交流電圧は、第１の電圧センサ２２で検知計測され、その情報が制御回路１７に入力される。同時に、母線コンデンサ１２ａの充電電圧が、第２の電圧センサ２３で検知計測され、その情報が制御回路１７に入力される。

制御回路１７は、第１の電圧センサ２２の検知電圧が交流信号となるので、検知計測された電圧情報に基づき交流接続という誤接続を認識することができる。これによって、制御回路１７は、コンバータ１１およびインバータ１２を起動しないようにすることができる。従って、半導体素子の破壊・故障を防止することができる。

また、制御回路１７は、並行して交流接続という誤接続による異常を報知手段１８の表示器にエラーメッセージとして表示出力し、報知手段１８のブザーを鳴動させて警報を発し、作業者に報知する。この場合、表示器のエラーメッセージ、ブザーの鳴動内容によって、どのような誤接続が発生したか、今の例では、交流接続という誤接続が発生したことが判るようになっているので、作業者は、迅速かつ確実に誤接続の解消を図ることができる。

次に、パワーコンディショナ３の入力端子部１０に、接続箱２側の対ケーブルが接続されたが、極性が逆に接続されてしまった場合について説明する。この段階では、パワーコンディショナ３の動作電源はオフ状態である。

パワーコンディショナ３の電源オフ時では、コンバータ１１のスイッチ素子１１ａはオフしている。この場合、接続箱２から入力端子部１０の負極側端子（−）、コンバータ１１の第２のダイオード１１ｄ、コンバータ１１のリアクトル１１ｂ、電流ヒューズ２４を経由して入力端子部１０の正極側端子（＋）に至る経路で電流が流れる。この経路での電圧降下はほとんど無いため、太陽電池モジュール１からは短絡電流が流れるが、この電流は太陽電池モジュール１に入射する太陽光の強さに比例した一定の電流となるため、電流ヒューズ２４、第２のダイオード１１ｄの順方向の電流許容特性を超えないように、電流ヒューズ２４、第２のダイオード１１ｄを選定することで製品を保護することができる。

入力端子部１０に印加された逆極性の直流電圧は、第１の電圧センサ２２で検知計測され、その情報が制御回路１７に入力される。制御回路１７は、逆極性接続という誤接続を認識できるので、コンバータ１１およびインバータ１２を起動しない。

また、制御回路１７は、並行して逆極性接続という誤接続による異常を報知手段１８の表示器にエラーメッセージとして表示出力し、報知手段１８のブザーを鳴動させて警報を発し、作業者に報知する。この場合、表示器のエラーメッセージ、ブザーの鳴動内容によって、どのような誤接続が発生したか、今の例では、逆極性接続という誤接続が発生したことが判るようになっているので、作業者は、迅速かつ確実に誤接続の解消を図ることができる。

次に、設置工事が正しく行われた場合について説明する。パワーコンディショナ３の入力端子部１０に、接続箱２側の対ケーブルが極性正しく接続された場合、コンバータ１１のスイッチ素子１１ａはオフ状態である。

パワーコンディショナ３の動作電源がオンになると、第１の電圧センサ２２が入力端子部１０に印加された直流電圧の大きさおよび極性を検知計測し、計測結果を制御回路１７に与える。同時に、第２の電圧センサ２３がインバータ１２の入力電圧である母線コンデンサ１２ａの充電電圧を検知計測し、計測結果を制御回路１７に与える。

制御回路１７は、第１の電圧センサ２２で検知計測された電圧が直流かつ正極性であるから、次に、第１の電圧センサ２２で検知計測された電圧値と第２の電圧センサ２３で検知計測された電圧値とを比較する。

ここで、第１の電圧センサ２２で検知計測されたコンバータ入力電圧と第２の電圧センサ２３で検知計測されたインバータ入力電圧との電位差は、リアクトル１１ｂおよび第１のダイオード１１ｃの経路における電圧降下分に相当する。

また、母線コンデンサ１２ａに一旦高い電圧が充電された後、入力端子部１０の電圧が低下した場合には、第１の電圧センサ２２で検知計測されたコンバータ入力電圧と第２の電圧センサ２３で検知計測されたインバータ入力電圧との電位差において、電圧センサ２２で検知計測された電圧の方が電圧センサ２３で検知計測された電圧より低い値となる。

制御回路１７は、第１の電圧センサ２２からの電圧値が、第２の電圧センサ２３からの電圧値に対して、リアクトル１１ｂおよび第１のダイオード１１ｃの経路における電圧降下分以下の場合には、入力端子部１０の接続が正しく、電流ヒューズ２４が溶断しておらず、正常に運転できる状況であると判断する。その後、制御回路１７は、コンバータ１１、インバータ１２に対してスイッチング動作の指令を出す。これによって、パワーコンディショナ３では、電力変換動作が実行される。

パワーコンディショナ３では、電力変換動作時において、従来と異なり、電力が通過する経路にロスを発生させる開閉手段等が無いため、損失発生を無くすことができる。これによって、保護機能付加によるパワーコンディショナ３の電力変換効率の低下を防止することができる。

以上説明したように、本実施の形態によれば、パワーコンディショナ３では、太陽光発電システムの設置工事において誤接続があった場合に、コンバータ１１およびインバータ１２を不動作とし、電流ヒューズ２４を開放させることとした。これにより、簡単かつ安価な構成により、高価なパワー半導体等について、過電流に伴う半導体素子の破損・故障の発生を防止することができる。また、パワーコンディショナ３は、誤接続状態をどのような誤接続が発生したかを識別できるように報知することで、作業者は迅速かつ確実に修復することができる。作業者は電流ヒューズ２４の交換により容易に復旧できる。また、直流入力の回路中に開閉手段が挿入されていないことから、パワーコンディショナ３の電力変換効率の低下を防止し、高い電力変換効率を実現できる。

スイッチ素子１１ａあるいは第１のダイオード１１ｃにＳｉＣ等のワイドギャップ半導体素子を使用する場合には、チップサイズを小さく抑えつつ、高効率を実現できるが、チップサイズを小さくすることで過電流に対する耐量が小さくなる。逆に、チップサイズを大きくすると、過電流に対する耐量は大きくなるものの、非常に高価な素子となってしまうという課題がある。

本実施の形態では、安価なシリコン製のダイオード（第２のダイオード１１ｄ）を追加することで、ＳｉＣ等のワイドギャップ半導体素子を使用して高効率を実現しつつ、誤接続で発生する過大な電流から半導体素子を保護できるという効果がある。

実施の形態２．
図３は、本実施の形態にかかるパワーコンディショナの要部構成を示すブロック図である。なお、パワーコンディショナ３が用いられる太陽光発電システムの要部構成は実施の形態１（図１参照）と同様のため、説明を省略する。

本実施の形態では、実施の形態１と同様、太陽光発電システムの設置工事において、パワーコンディショナ３の入力端子部１０に交流電力が印加される誤接続が発生した場合、パワーコンディショナ３では、電流ヒューズ２４を溶断させ、半導体素子の破壊・故障の発生を防止し、かつ誤接続状態を報知して確実に修復させ得る保護機能を、簡単かつ安価な構成により実現した。図３を参照して具体的に説明する。なお、パワーコンディショナ３の一般的な構成と動作については、よく知られているので、その説明を割愛する。また、実施の形態１ですでに説明した共通部分については説明を一部省略し、ここでは、本実施の形態に関わる部分を中心に説明する。

一般的な構成において、「太陽光発電システムの設置工事において誤接続が発生した場合に半導体素子の破壊・故障の発生を防止し誤接続状態を報知して確実に修復させ得る保護機能」を実現する構成として、本実施の形態では、図３に示すように、入力端子部１０の正極側端子（＋）とコンバータ１１の対応する入力端との間に電流ヒューズ２４を介して接続している。

コンバータ１１では、リアクトル１１ｂと第１のダイオード１１ｃの直列回路と並列に、第１のダイオード１１ｃのカソード端子にカソードを接続するようにした第３のダイオード１１ｅを接続している。第３のダイオード１１ｅは、シリコン製の半導体素子としている。

パワーコンディショナ３の電源オフ時では、コンバータ１１のスイッチ素子１１ａはオフしている。入力端子部１０の正極側端子（＋）が正となる極性で交流電力系統６の電力が供給された場合には、パワーコンディショナ３では、交流電力系統６から入力端子部１０の正極側端子（＋）、電流ヒューズ２４、コンバータ１１の第３のダイオード１１ｅ、インバータ１２の母線コンデンサ１２ａを経由して入力端子部１０の負極側端子（−）に至る経路で過大な電流が流れる。電流ヒューズ２４の過電流溶断特性を、第３のダイオード１１ｅの順方向過電流許容特性未満とすることで、第３のダイオード１１ｅが故障に至る前に電流ヒューズ２４を溶断させ、コンバータ１１を交流電力系統６から切り離すことで製品を保護することができる。

また、第３のダイオード１１ｅをシリコン製とすることで、過大な電流が流れた時の順方向電圧降下を小さく抑えることができるので、リアクトル１１ｂおよび第１のダイオード１１ｃを通る経路は、第３のダイオード１１ｅを通過する経路に対して、順方向電圧降下を高くすることができ、第１のダイオード１１ｃに流れる電流を低く抑えることができる。これにより、第１のダイオード１１ｃとしてＳｉＣ等のワイドギャップ半導体素子で構成した場合でも、第１のダイオード１１ｃの故障を回避できる。

また、制御回路１７は、並行して交流接続という誤接続による異常を報知手段１８の表示器にエラーメッセージとして表示出力し、報知手段１８のブザーを鳴動させて警報を発し、作業者に報知する。この場合、表示器のエラーメッセージやブザーの鳴動内容によって、どのような誤接続が発生したか、今の例では、交流接続という誤接続が発生したことが判るようになっているので、作業者は、迅速かつ確実に誤接続の解消を図ることができる。

制御回路１７は、第１の電圧センサ２２で検知計測された電圧が直流かつ正極性であるから、次に、第１の電圧センサ２２が検知計測された電圧値と第２の電圧センサ２３で検知計測された電圧値とを比較する。

ここで、第１の電圧センサ２２で検知計測されたコンバータ入力電圧と第２の電圧センサ２３で検知計測されたインバータ入力電圧との電位差は、第３のダイオード１１ｅの経路における電圧降下分に相当する。

制御回路１７は、第１の電圧センサ２２からの電圧値が、第２の電圧センサ２３からの電圧値に対して、略ゼロまたは低い場合には、入力端子部１０の接続が正しく、電流ヒューズ２４が溶断しておらず、正常に運転できる状況であると判断する。その後、制御回路１７は、コンバータ１１、インバータ１２に対してスイッチング動作の指令を出す。これによって、パワーコンディショナ３では、電力変換動作が実行される。

以上説明したように、本実施の形態によれば、パワーコンディショナ３では、太陽光発電システムの設置工事において誤接続があった場合に、コンバータ１１およびインバータ１２を不動作とし、電流ヒューズ２４を開放させることとした。これにより、簡単かつ安価な構成により、高価なパワー半導体等について、過電流に伴う半導体素子の破損・故障の発生を防止できる。作業者は電流ヒューズ２４の交換により容易に復旧できる。また、直流入力の回路中に開閉手段が挿入されていないことから、パワーコンディショナ３の電力変換効率の低下を防止し、高い電力変換効率を実現できる。

本実施の形態では、安価なシリコン製のダイオード（第２のダイオード１１ｄ、第３のダイオード１１ｅ）を追加することで、ＳｉＣ等のワイドギャップ半導体素子を使用して高効率を実現しつつ、誤接続で発生する過大な電流から半導体素子を保護できるという効果がある。

なお、実施の形態１，２では、外部直流電源を用いた発電システムとして、太陽電池を用いた発電システムを示したが、実施の形態１，２にかかる誤接続に対する保護機能を備えたパワーコンディショナは、燃料電池を用いた発電システムで用いるパワーコンディショナにも同様に適用することができることは言うまでもない。

以上のように、本発明にかかるパワーコンディショナは、外部直流電源を用いた発電システムの設置工事において誤接続が発生しても、簡単かつ安価な構成により、半導体素子の破壊を防止し、かつ誤接続状態を報知して確実に修復させ得る保護機能を備えたパワーコンディショナとして有用である。

１太陽電池モジュール（外部直流電源）、２接続箱、３パワーコンディショナ、４分電盤、５負荷、６交流電力系統、１０入力端子部、１１コンバータ、１１ａスイッチ素子、１１ｂリアクトル、１１ｃ第１のダイオード、１１ｄ第２のダイオード、１１ｅ第３のダイオード、１２インバータ、１３出力フィルタ、１４連系開閉器、１５交流開閉器、１６出力端子部、１７制御回路、１８報知手段、２２第１の電圧センサ、２３第２の電圧センサ、２４電流ヒューズ。

Claims

外部直流電源の正極側出力端子および負極側出力端子と繋ぐケーブルがそれぞれ対応する端子に着脱可能に接続される入力端子部と、
前記入力端子部から入力される前記外部直流電源の出力直流電力を別の電圧値の直流電力へ変換するコンバータと、
前記コンバータの出力直流電力を交流電力へ変換するインバータと、
前記入力端子部と前記コンバータとの間に直列に挿入された電流ヒューズと、
を備え、
前記コンバータは、
リアクトルの一端とスイッチ素子の一端とを接続し、前記リアクトルと前記スイッチ素子との接続点に第１のダイオードのアノード端子を接続し、前記リアクトルの他の一端と前記スイッチ素子の他の一端との間に直流の電力を入力し、前記第１のダイオードのカソード端子と前記スイッチ素子の他の一端との間から電力を出力する昇圧形の回路構成とし、前記リアクトルと前記スイッチ素子との前記接続点に第２のダイオードのカソード端子を接続し、前記第２のダイオードと前記スイッチ素子とを並列接続し、
前記スイッチ素子はワイドギャップ半導体素子であり、
前記第２のダイオードはシリコン製の半導体素子である、
ことを特徴とするパワーコンディショナ。
外部直流電源の正極側出力端子および負極側出力端子と繋ぐケーブルがそれぞれ対応する端子に着脱可能に接続される入力端子部と、
前記入力端子部から入力される前記外部直流電源の出力直流電力を別の電圧値の直流電力へ変換するコンバータと、
前記コンバータの出力直流電力を交流電力へ変換するインバータと、
前記入力端子部と前記コンバータとの間に直列に挿入された電流ヒューズと、
を備え、
前記コンバータは、
リアクトルの一端とスイッチ素子の一端とを接続し、前記リアクトルと前記スイッチ素子との接続点に第１のダイオードのアノード端子を接続し、前記リアクトルの他の一端と前記スイッチ素子の他の一端との間に直流の電力を入力し、前記第１のダイオードのカソード端子と前記スイッチ素子の他の一端との間から電力を出力する昇圧形の回路構成とし、前記リアクトルと前記スイッチ素子との前記接続点に第２のダイオードのカソード端子を接続し、前記第２のダイオードと前記スイッチ素子とを並列接続し、
前記スイッチ素子はワイドギャップ半導体素子であり、
前記第１のダイオードはワイドギャップ半導体素子であり、
前記第２のダイオードはシリコン製の半導体素子である、
ことを特徴とするパワーコンディショナ。
外部直流電源の正極側出力端子および負極側出力端子と繋ぐケーブルがそれぞれ対応する端子に着脱可能に接続される入力端子部と、
前記入力端子部から入力される前記外部直流電源の出力直流電力を別の電圧値の直流電力へ変換するコンバータと、
前記コンバータの出力直流電力を交流電力へ変換するインバータと、
前記入力端子部と前記コンバータとの間に直列に挿入された電流ヒューズと、
を備え、
前記コンバータは、
リアクトルの一端とスイッチ素子の一端とを接続し、前記リアクトルと前記スイッチ素子との接続点に第１のダイオードのアノード端子を接続し、前記リアクトルの他の一端と前記スイッチ素子の他の一端との間に直流の電力を入力し、前記第１のダイオードのカソード端子と前記スイッチ素子の他の一端との間から電力を出力する昇圧形の回路構成とし、前記リアクトルと前記スイッチ素子との前記接続点に第２のダイオードのカソード端子を接続し、前記第２のダイオードと前記スイッチ素子とを並列接続し、
前記リアクトルの他の一端にアノード端子を接続し、前記第１のダイオードのカソード端子にカソード端子を接続する第３のダイオードを接続しており、
前記スイッチ素子はワイドギャップ半導体素子であり、
前記第１のダイオードはワイドギャップ半導体素子であり、
前記第２のダイオードおよび前記第３のダイオードはシリコン製の半導体素子である、
ことを特徴とするパワーコンディショナ。
外部直流電源の正極側出力端子および負極側出力端子と繋ぐケーブルがそれぞれ対応する端子に着脱可能に接続される入力端子部と、
前記入力端子部から入力される前記外部直流電源の出力直流電力を別の電圧値の直流電力へ変換するコンバータと、
前記コンバータの出力直流電力を交流電力へ変換するインバータと、
前記入力端子部と前記コンバータとの間に直列に挿入された電流ヒューズと、
を備え、
前記コンバータは、
リアクトルの一端とスイッチ素子の一端とを接続し、前記リアクトルと前記スイッチ素子との接続点に第１のダイオードのアノード端子を接続し、前記リアクトルの他の一端と前記スイッチ素子の他の一端との間に直流の電力を入力し、前記第１のダイオードのカソード端子と前記スイッチ素子の他の一端との間から電力を出力する昇圧形の回路構成とし、前記リアクトルと前記スイッチ素子との前記接続点に第２のダイオードのカソード端子を接続し、前記第２のダイオードと前記スイッチ素子とを並列接続し、
前記リアクトルの他の一端にアノード端子を接続し、前記第１のダイオードのカソード端子にカソード端子を接続する第３のダイオードを接続しており、
前記スイッチ素子はシリコン製の半導体素子であり、
前記第１のダイオードはワイドギャップ半導体素子であり、
前記第２のダイオードおよび前記第３のダイオードはシリコン製の半導体素子である、
ことを特徴とするパワーコンディショナ。
前記電流ヒューズの過電流溶断特性を、前記第１のダイオードおよび前記第２のダイオードの順方向過電流許容特性未満とする、
ことを特徴とする請求項１または２に記載のパワーコンディショナ。
前記電流ヒューズの過電流溶断特性を、前記第２のダイオードおよび前記第３のダイオードの順方向過電流許容特性未満とする、
ことを特徴とする請求項３または４に記載のパワーコンディショナ。
前記入力端子部の電圧を測定する第１の電圧センサと、
前記コンバータの出力部の電圧を測定する第２の電圧センサと、
前記入力端子部への外部結線接続が終了し当該パワーコンディショナの電源が投入されると、前記コンバータおよび前記インバータを動作停止状態に制御し、前記第１の電圧センサで計測された電圧が直流電圧であって極性が前記入力端子部の正極および負極の極性と一致し、かつ、前記第１の電圧センサで計測された電圧値から前記第２の電圧センサで計測された電圧値を減算した電圧差が、前記リアクトルと前記第１のダイオードの順方向電圧降下の合計値以下の場合に、前記コンバータおよび前記インバータを動作停止状態からそれぞれの変換動作へ移行させる制御を行う制御手段と、
を備えることを特徴とする請求項１，２または５に記載のパワーコンディショナ。
前記入力端子部の電圧を測定する第１の電圧センサと、
前記コンバータの出力部の電圧を測定する第２の電圧センサと、
前記入力端子部への外部結線接続が終了し当該パワーコンディショナの電源が投入されると、前記コンバータおよび前記インバータを動作停止状態に制御し、前記第１の電圧センサで計測された電圧が直流電圧であって極性が前記入力端子部の正極および負極の極性と一致し、かつ、前記第１の電圧センサで計測された電圧値から前記第２の電圧センサで計測された電圧値を減算した電圧差が、前記第３のダイオードの順方向電圧降下の合計値以下の場合に、前記コンバータおよび前記インバータを動作停止状態からそれぞれの変換動作へ移行させる制御を行う制御手段と、
を備えることを特徴とする請求項３，４または６に記載のパワーコンディショナ。
前記制御手段は、
前記第１の電圧センサで計測された電圧が直流電圧であるが極性が前記入力端子部の正極および負極の極性と一致しない場合、または、前記第１の電圧センサで計測された電圧が交流電圧である場合、当該パワーコンディショナの運転を保留し、当該パワーコンディショナの運転状態を報知する報知手段に異常を知らせる情報を出力させる、
ことを特徴とする請求項７または８に記載のパワーコンディショナ。
前記制御手段は、
前記報知手段に出力させる異常を知らせる情報を、前記第１の電圧センサで計測された直流電圧の極性が前記入力端子部の正極および負極の極性と一致しない場合と、前記第１の電圧センサで計測された電圧が交流電圧である場合とを区別可能に生成する、
ことを特徴とする請求項９に記載のパワーコンディショナ。