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公開番号2021071750
公報種別公開特許公報(A)
公開日20210506
出願番号2019195859
出願日20191029
発明の名称接続箱
出願人株式会社カネカ
代理人個人,個人
主分類G05F 1/67 20060101AFI20210409BHJP(制御;調整)
要約【課題】絶縁機能および出力電力制限機能を有する接続箱を提供する。
【解決手段】接続箱10は、複数の太陽電池ユニット20からの直流電力を集電してパワーコンディショナ30に供給する電気部品11,12と、絶縁型のDC-DCコンバータ100とを備える。絶縁型のDC-DCコンバータ100は、DC-ACコンバータ110と、トランス120と、AC-DCコンバータ130と、制御回路140とを備える。制御回路140は、DC-DCコンバータ100の出力電流が第一の電流を超える場合、DC-DCコンバータ100の出力電流が第一の電流を超えた量に応じてDC-DCコンバータ100の出力電圧を減少させ、第一の電流より大きい第二の電流においてDC-DCコンバータ100の出力電力が最大となるように制御することにより、パワーコンディショナ30を第二の電流で動作させて、DC-DCコンバータの出力電流を第二の電流に制限する。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項1】
複数の太陽電池ユニットを、最大電力点追従機能を有するパワーコンディショナに接続する接続箱であって、
前記複数の太陽電池ユニットからの直流電力を集電して、前記パワーコンディショナに供給する電気部品と、
絶縁型のDC−DCコンバータと、
を備え、
前記絶縁型のDC−DCコンバータは、
集電された前記複数の太陽電池ユニットからの直流電力を交流電力に変換するDC−ACコンバータと、
前記DC−ACコンバータからの交流電力を絶縁するトランスと、
前記トランスからの交流電力を直流電力に変換するAC−DCコンバータと、
前記DC−ACコンバータおよび前記AC−DCコンバータのうちの少なくとも何れかを制御することにより、前記DC−DCコンバータを制御する制御回路と、
を備え、
前記制御回路は、
前記DC−DCコンバータの入力電圧に応じて前記DC−DCコンバータの出力電圧を決定するとともに、
前記DC−DCコンバータの出力電流が第一の電流を超える場合、前記DC−DCコンバータの出力電流が前記第一の電流を超えた量に応じて前記DC−DCコンバータの出力電圧を減少させ、前記第一の電流より大きい第二の電流において前記DC−DCコンバータの出力電力が最大となるように制御することにより、前記パワーコンディショナを前記第二の電流で動作させて、前記DC−DCコンバータの出力電流を前記第二の電流に制限する、
接続箱。
続きを表示(約 730 文字)【請求項2】
前記制御回路は、前記DC−DCコンバータの出力電流が前記第一の電流を超えた量に対して、前記DC−DCコンバータの出力電圧を一次関数的に減少させる、請求項1に記載の接続箱。
【請求項3】
前記制御回路は、前記DC−DCコンバータの出力電流が前記第一の電流を超えた量に対して、前記DC−DCコンバータの出力電圧をn次関数的に減少させる、ここで前記nは2以上の整数である、請求項1に記載の接続箱。
【請求項4】
前記制御回路は、前記DC−DCコンバータの出力電流が前記第一の電流を超えた量に対して、前記DC−DCコンバータの出力電圧を近似関数的に減少させ、
前記近似関数は、前記太陽電池ユニットからの直流電力の最大電力点近傍の電圧電流特性の近似関数である、
請求項1〜3のいずれか1項に記載の接続箱。
【請求項5】
前記第二の電流は、所定の電力を、前記第一の電流を出力しているときの前記DC−DCコンバータの出力電圧で除算した値である、請求項1〜4のいずれか1項に記載の接続箱。
【請求項6】
前記所定の電力は、前記DC−DCコンバータの定格出力電力である、請求項5に記載の接続箱。
【請求項7】
前記制御回路は、前記接続箱の温度が所定の値以上に上昇した場合に、前記所定の電力を、前記DC−DCコンバータの定格出力電力より小さい値に変更する、請求項6に記載の接続箱。
【請求項8】
前記所定の電力は、前記パワーコンディショナの出力電力を目標値に抑制させるための前記DC−DCコンバータの出力電力である、請求項5に記載の接続箱。

発明の詳細な説明【技術分野】
【0001】
本発明は、複数の太陽電池ユニットをパワーコンディショナに接続する接続箱に関する。
続きを表示(約 5,800 文字)【背景技術】
【0002】
複数の太陽電池ユニットを電力系統連系用パワーコンディショナに接続する接続箱が知られている(例えば、特許文献1および2参照)。このような接続箱は、複数の太陽電池ユニットによって発電された直流電力を集電して、パワーコンディショナに供給する。例えば、接続箱は、太陽電池ユニットごとに設けられた開閉器および逆流防止ダイオード(電気部品)を備える。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
特開2014−225614号公報
特開2014−107370号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
(問題点1)
このようなパワーコンディショナとしては、高い変換効率および低コストの観点から、トランスレス方式(非絶縁方式)のパワーコンディショナが多い。トランスレス方式のパワーコンディショナでは、電力系統側と太陽電池側との間が絶縁されていないため、電力系統側が中性点接地されている場合、太陽電池側の正極および負極と大地との間に電位差が生じる(図7)。
【0005】
一方、太陽電池ユニットにおける太陽電池パネルのフレームは通常接地されるため、太陽電池パネルの受光面および裏面のガラス基板も大地電位となる。そのため、パワーコンディショナが動作しているときに、太陽電池パネルにおける太陽電池セルとガラス基板との間に一定の電位が掛かる。そのため、電位の大きさまたは極性によっては、太陽電池セルに腐食、または発電性能低下等の悪影響が生じる恐れがある。
【0006】
また、電位の大きさまたは極性によっては、経年変化により、太陽電池パネルの絶縁抵抗が低下したり、太陽電池パネルの浮遊容量が増加したりする。すると、トランスレス方式のパワーコンディショナの場合、地絡電流が発生し、分電盤における漏電ブレーカが作動する恐れがある。
【0007】
この点に関し、本願発明者らは、接続箱に絶縁型のDC−DCコンバータを設けることにより、電力系統側と太陽電池側との間を絶縁し、DC−DCコンバータにおける太陽電池側の正極または負極を接地することを考案する。
【0008】
これにより、トランスレス方式のパワーコンディショナの場合であっても、太陽電池パネルにおける太陽電池セルとガラス基板との間に電位が掛からず、太陽電池セルに腐食、または発電性能低下等の悪影響が生じることを防止することができる。
【0009】
また、経年変化による、太陽電池アレイの絶縁抵抗の低下、および太陽電池アレイの浮遊容量の増加を防止することができ、また、もしこの現象が生じても、電力系統側と太陽電池側との間がDC−DCコンバータにより絶縁されるため、トランスレス方式のパワーコンディショナの場合であっても、地絡電流が発生せず、分電盤における漏電ブレーカの不必要な作動を防止できる。
【0010】
(問題点2)
ところで、一般住宅用に普及している太陽電池ユニットおよびパワーコンディショナの定格電力は4kW程度である。本願発明者らは、小型化および低コスト化の観点から、一般住宅用に普及している太陽電池ユニットおよびパワーコンディショナの定格電力に適用する絶縁型のDC−DCコンバータを備える接続箱を考案する。しかし、それ以上の定格電力の太陽電池ユニットおよびパワーコンディショナもあり、本願発明者らの考案の接続箱が、このような定格電力を超える太陽電池ユニットおよびパワーコンディショナに適用されることも予想される。
【0011】
DC−DCコンバータの定格出力電力よりも、太陽電池ユニットの発電電力およびパワーコンディショナの定格出力電力が大きい場合、パワーコンディショナは、最大電力点追従(Maximum Power Point Tracking:以下ではMPPTということもある。)機能により、DC−DCコンバータの定格出力電力を超える電力(電流)をDC−DCコンバータから取り出そうとする場合がある。
また、太陽電池ユニットの発電電力及びパワーコンディショナの定格電力がDC−DCコンバータの定格出力と同等以下の場合であっても、周囲温度の上昇等によりDC−DCコンバータの温度が上昇した場合には、さらなる温度上昇を防ぐため、DC−DCコンバータの出力を定格出力電力以下に抑制することが必要になる場合がある。
このような場合にDC−DCコンバータの運転を停止させると、太陽電池ユニットの発電電力のすべてが無駄になる。
【0012】
(問題点3)
また、太陽光発電システムでは、電力系統の需給調整または電力系統への逆潮流防止等のために、出力の抑制が必要な場合がある。この点に関し、出力抑制機能を備えるパワーコンディショナがある。このような出力抑制対応のパワーコンディショナでは、出力の抑制が必要な場合にはMPPT制御を解除し、動作点を太陽電池ユニットの最大電力点からずらし、出力電力を必要量だけ抑制する。
【0013】
しかし、このような出力抑制機能を備えないパワーコンディショナも存在する。このような出力抑制非対応のパワーコンディショナでは、出力電力を必要量だけ抑制することができず、動作を停止させる必要がある。この場合、太陽電池ユニットの発電電力の全てが無駄になってしまう。
【0014】
そこで、本発明は、上記の課題を解決するために、絶縁機能および出力電力制限機能を有する接続箱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】
【0015】
本発明に係る接続箱は、複数の太陽電池ユニットを、最大電力点追従機能を有するパワーコンディショナに接続する接続箱であって、前記複数の太陽電池ユニットからの直流電力を集電して、前記パワーコンディショナに供給する電気部品と、絶縁型のDC−DCコンバータと、を備える。前記絶縁型のDC−DCコンバータは、集電された前記複数の太陽電池ユニットからの直流電力を交流電力に変換するDC−ACコンバータと、前記DC−ACコンバータからの交流電力を絶縁するトランスと、前記トランスからの交流電力を直流電力に変換するAC−DCコンバータと、前記DC−ACコンバータおよび前記AC−DCコンバータのうちの少なくとも何れかを制御することにより、前記DC−DCコンバータを制御する制御回路と、を備える。前記制御回路は、前記DC−DCコンバータの入力電圧に応じて前記DC−DCコンバータの出力電圧を決定するとともに、前記DC−DCコンバータの出力電流が第一の電流を超える場合、前記DC−DCコンバータの出力電流が前記第一の電流を超えた量に応じて前記DC−DCコンバータの出力電圧を減少させ、前記第一の電流より大きい第二の電流において前記DC−DCコンバータの出力電力が最大となるように制御することにより、前記パワーコンディショナを前記第二の電流で動作させて、前記DC−DCコンバータの出力電流を前記第二の電流に制限する。
【発明の効果】
【0016】
本発明によれば、絶縁機能および出力電力制限機能を有する接続箱を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【0017】
本実施形態に係る接続箱を備える太陽光発電システムの一例を示す図である。
太陽電池ユニットのI−V特性の一例を示す図である。
太陽電池ユニットのP−V特性の一例を示す図である。
DC−DCコンバータのV−I特性の一例を示す図である。
DC−DCコンバータのV−I特性の一例を示す図である。
DC−DCコンバータのP−V特性の一例を示す図である。
従来の接続箱を備える太陽光発電システムの一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0018】
以下、添付の図面を参照して本発明の実施形態の一例について説明する。なお、各図面において同一または相当の部分に対しては同一の符号を附すこととする。また、便宜上、ハッチングや部材符号等を省略する場合もあるが、かかる場合、他の図面を参照するものとする。
【0019】
(太陽光発電システム)
図1は、本実施形態に係る接続箱を備える太陽光発電システムの一例を示す図である。図1に示す太陽光発電システム1は、複数の太陽電池ユニット20と、本実施形態に係る接続箱10と、パワーコンディショナ30とを備える。
【0020】
太陽電池ユニット20の各々は、例えば、アレイ状に配列された複数の太陽電池パネルを含む。太陽電池パネルの各々は、例えば、2次元状に配列された複数の太陽電池セルと、複数の太陽電池セルの受光面および裏面を保護するガラス基板と、封止材と、フレームとから構成される。また、太陽電池ユニット20の各々は、逆流防止ダイオードを含んでいてもよい。
【0021】
接続箱10は、複数の太陽電池ユニット20をパワーコンディショナ30に接続する。具体的には、接続箱10は、複数の太陽電池ユニット20によって発電された直流電力を集電して、パワーコンディショナ30に供給する。接続箱10は、太陽電池ユニット20ごとに設けられた開閉器11および逆流防止ダイオード12(電気部品)を備えていてもよい。接続箱の詳細は後述する。
【0022】
接続箱10は、更に、絶縁型のDC−DCコンバータ100と地絡検出回路200とを備えていてもよい。DC−DCコンバータ100の入力側の負極は、抵抗器210,220の直列回路を介して接地されている。
【0023】
パワーコンディショナ30は、複数の太陽電池ユニット20によって発電された直流電力を、商用電力系統に連系する。パワーコンディショナ30は、複数の太陽電池ユニット20からの直流電力を蓄電する蓄電器(図示省略)と、昇圧回路31と、DC−ACコンバータ32と、電力系統連系のための各種電気回路33とを備える。昇圧回路31は、複数の太陽電池ユニット20からの直流電力を昇圧する。DC−ACコンバータ32および電気回路33は、昇圧された直流電力を、商用電力と同様の交流電力に変換する。変換された交流電力は、分電盤40を介して商用電力系統に連系される。
【0024】
パワーコンディショナ30は、トランスレス方式(非絶縁方式)のパワーコンディショナである。パワーコンディショナ30は、電力系統側において中性点接地されている。
【0025】
パワーコンディショナ30は、最大電力点追従(Maximum Power Point Tracking:以下ではMPPTということもある。)機能を有する。図2は、太陽電池ユニットのI−V特性の一例を示す図であり、図3は、太陽電池ユニットのP−V特性の一例を示す図である。MPPT機能とは、出力電力を最大化できる最適動作点、すなわち太陽電池ユニットの最大電力点(例えば、図2および図3に示すPmax)に追従するように動作する機能である。
【0026】
ここで、図7は、従来の接続箱を備える太陽光発電システムの一例を示す図である。図7に示す従来の太陽光発電システム1Xは、図1に示す本実施形態の太陽光発電システム1と比較して、接続箱10に代えて接続箱10Xを備える構成で相違する。従来の接続箱10Xは、本実施形態の接続箱10と比較して、DC−DCコンバータ100、抵抗器210,220を備えておらず、その結果接続箱10Xの入力側と大地との間の電位差が、出力側と大地との間の電位差の影響を受ける点で相違する。この従来の太陽光発電システム1Xは、以下の問題点1を有する。
【0027】
(問題点1)
パワーコンディショナ30としては、高い変換効率および低コストの観点から、トランスレス方式(非絶縁方式)のパワーコンディショナが多い。トランスレス方式のパワーコンディショナ30では、電力系統側と太陽電池側との間が絶縁されていないため、電力系統側が中性点接地されている場合、太陽電池側の正極および負極と大地との間に電位差が生じる。
【0028】
例えば、図7に示すように、電力系統がAC200Vの単相三線式である場合、一例としてパワーコンディショナ30のDC−ACコンバータ32のDC側の正極および負極と大地との間の電位差はそれぞれ+165Vおよび−165Vであり、パワーコンディショナ30の太陽電池側の正極と負極との間の電位差が例えば234Vの場合、パワーコンディショナ30の太陽電池側の正極および負極と大地との間の電位差はそれぞれ+69Vおよび−165Vである。
【0029】
一方、太陽電池ユニット20における太陽電池パネルのフレームは通常接地されるため、太陽電池パネルの受光面および裏面のガラス基板も大地電位となる。そのため、パワーコンディショナ30が動作しているときに、太陽電池パネルにおける太陽電池セルとガラス基板との間には一定の電位(図7の例では、−165V)が掛かる。電位の大きさまたは極性(例えば、マイナス電位)によっては、太陽電池セルに腐食、または発電性能低下等の悪影響が生じる恐れがある。
【0030】
また、電位の大きさまたは極性(例えば、マイナス電位)によっては、経年変化により、太陽電池パネルの絶縁抵抗が低下したり、太陽電池パネルの浮遊容量が増加したりする。すると、パワーコンディショナ30、接続箱10X、太陽電池パネル20を経由して大地に還流する地絡電流が発生し、分電盤40における漏電ブレーカが作動する恐れがある。
(【0031】以降は省略されています)

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