LVYUAN製3kWハイブリッドインバーターを分解して主回路を読む

この動画はJLCPCBの提供でお送りします。こんにちは。今日は太陽光発電のパワーコンディショナーの分解動画です。こちらのパワコンです。太陽光のパワコンというと、産業向けではHuaweiが強くて、家庭用ではオムロンやニチコン、テスラなどが日本では有名どころです。

今回見るパワーコンディショナーは、自分たちで安く太陽光発電を構築しようとしている人たちに人気のあるものです。これは通常のパワーコンディショナーと違って、蓄電池も組み合わせられることから、ハイブリッドインバータと呼ばれています。今日はこのハイブリッドインバータをまずは分解してみて、中身がどうなっているのか確認していきます。また次回以降の動画では動作検証もする予定です。

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まずパワーコンディショナーの役割について簡単に解説します。基本的には太陽光パネルから出力される直流電力を交流の電力に変換する装置です。一般家庭の場合では、発電した電力を売電して収入を得たり、または分電盤の部分からコンセントを引き出して自家消費分の電力に割り当てたりします。

発電電力が自家消費分を上回っている部分については、基本的に売電した方が経済的です。売電については、昔は固定価格買取制度（FIT）が1kWhあたり40円ぐらいあったので、売電した方が良かったんですね。ただ最近は買取価格も15円ぐらいに下がってきていますし、電気料金も電力会社によっては1kWh当たり40円くらいします。そのため発電した電気は全て売電せずに蓄電池などにためておいて、自分たちで全部消費するみたいなのが賢い使い方になりつつあります。

今回見ていくハイブリッドインバータはどうかというと、基本的には売電をせずに、発電した電力は全て自家消費、または蓄電しようというコンセプトの製品です。売電については、他社製品については例外はあるのですが、今回のハイブリッドインバータのように自分でシステムを構築するというものは、基本的には売電はしないようです。ここ数年は電力価格の高騰やエネルギー情勢の不安定さから、自分で太陽光発電システムを作りたい人たちには、かなり受けの良い製品となっています。

こちらの点線で囲っている部分がハイブリッドインバータです。通常のパワコンは売電はしていたのですが、こちらの場合では売電はせずに、太陽光が出ている間は全て自家消費に回します。ただ昼間の発電量が自家消費分を上回ると、太陽光パネルの発電能力をフルに生かすことが出来ないという状況が発生します。また夜間と早朝は発電が出来ないので、結局は電力系統から買電をする必要が出てきます。

このような問題を解決するために、蓄電池を一緒に使うことがほとんどです。昼間にパネルで発電した電力は、蓄電池に貯めるか、あるいは自家消費の方に回すかです。夜間の太陽光が出ていない時間帯は、蓄電池からの放電で自家消費分を賄うということです。太陽が出ていない時間帯に蓄電池のエネルギーも全て使い切ってしまったら、従来通り電力系統から買電をします。

このように太陽光と蓄電池の両方を使うことから、ハイブリッドインバータと呼ばれています。LVYUANのハイブリッドインバータがこの通りの動作をするかは、今回動作検証はしていないので分かりません。次回以降の動画で見てみます。

またLVYUAN以外がハイブリッドインバータを出していないかというと、そんなことはなくて、最近では多くのパワコンメーカーが蓄電池とセットで使えるハイブリッドインバータを出しています。例えば、テスラのPowerwallは実質売電が出来るハイブリッドインバータです。

今回購入したハイブリッドインバータを見ていきます。これでLVYUAN（リョクエン）って読むみたいです。3,000Wの単相2線式ハイブリッドインバータです。横を見てみると、スペックが書いてあります。さすがにPSEは取っているみたいです。

このハイブリッドインバータの容量は3kWとなっています。自家消費する場合のピーク電力は賄えなさそうです。電力系統から買電となる頻度が多そうです。

出力電圧は100Vとなっており、200V出力はありません。IHクッキングヒーターやエコキュート、大きめのルームエアコンは200Vで動くので、厳しい仕様となっています。逆にそのような消費電力の大きなものを使わなければ問題ないです。

もともと出力電圧が低い仕様ですので、太陽光パネルの開放電圧も最大で108Vとなっています。一般的なパワコンでは、このあたりは500Vくらいまで許容しているものが多いです。またバッテリー電圧は24Vと低いです。回路全体に流れる電流が多くなりそうなので、全体的な効率は高くはなさそうです。

ここからは分解して中身を確認します。こんな感じで開きます。これは分解したものを撮影用に再度組み立てたものですので、本来の製品の状態からは少しだけ変わっています。このような絶縁用のプラスチックフィルムとかも、もともと入っていました。

中身を見てみると、配線が結構行ったり来たりしています。冷却ファンはここに2つ付いています。これをよく見てみると、本体の下から排気する方式です。熱は基本的に上にあがっていきますので、上にファンをつけてそこから排気した方が排熱効率は良さそうですが、なぜか下に付いています。この設計はどうなんでしょうかね。

このあたりはACの入力と出力の端子です。割とゴツめのフィルター類が付いています。内部にはかなり大電力のパワーエレクトロニクスの回路が入っていますので、そこから導線を伝って外部にノイズが出るのを防ぐためのものです。今回は実際に確認はしていませんが、PSEは取得しているので、伝導ノイズ、放射ノイズについては規制値以下になっているはずです。

もう少し回路全体を詳しく見ていきます。まずこのあたりが入力の回路です。フィルターを取り外すとこんな感じです。なかなかごつい入力のフィルターをしていますよね。AC入力のフィルターの下には、このようにリレーがあります。6個分使われています。ここのリレーのオン･オフで、電力系統につなぐとか、つながないとか、あとは自家消費するとか、そのあたりを決めています。あとはこの部分に電流トランスもあります。

こちら、基板が1枚挿さっているのですが、これは制御基板ですね。このあたりにパワー半導体があるのですが、これは単相インバータやその他の電力変換回路を作っているものです。結構ゴツめのヒートシンクが付いています。このあたりの回路はバッテリー入力の回路となっています。そしてこちらの一番小さなヒートシンク、これは太陽光パネルにつながっている回路です。

この太陽光パネル部分の回路は結構面白くて、＋極についてはプリント基板に入っていきますが、－極についてはパワー半導体を冷却しているヒートシンクの方に接続されています。ヒートシンク自体を端子として使ってしまおうっていう、なかなか面白い設計ですよね。これについてはヒートシンクからパワー半導体に電流を流すため、このパワー半導体だけ絶縁シートは貼られていません。

使われている受動部品について軽く見ていきます。このような大電力を扱う回路でまず最初に壊れるのが、多分パワー半導体か電解コンデンサ、そのどちらかです。使われている電解コンデンサメーカーが気になりましたので見ていきます。この2社の電解コンデンサが使われていました。AiSHiとJiangHaiです。どちらの電解コンデンサも非常にポピュラーなものです。AiSHiについては電気自動車とかでもよく使われていますよね。JiangHaiについては産業向けやそのようなところで非常によく使われる電解コンデンサメーカーです。JiangHaiなどは中国国内ではかなり強いポジションにいます。

次は回路図を見ていきます。これが実際に書き起こした主回路の部分です。ここには書いていないセンサや他のトランジスタ、電源などもありますが省略しています。各ノードがどれくらいの電圧で動いているのかが分かるように、コンデンサの定格電圧を書いています。

GRID & Filterと書いてある部分がACの入力です。そのすぐ近くにあるAC-OUT-L、AC-OUT-Nとあるのが、家の分電盤につなぐ方の出力です。そして回路の右側、こちらが太陽光パネルに接続される部分、そしてその下にあるのがバッテリーの接続端子です。ハイブリッドインバータなので、インバータに流れる電流や太陽光パネルに流れる電流を制御、あとはバッテリーに流れる電流を制御したりと、制御するものがたくさんある回路です。

どのような回路で構成されているのか見ます。この部分が単相インバータ、こちらが双方向コンバータ、こちらがフルブリッジのプッシュプルコンバータっぽい回路、太陽光パネル用の降圧コンバータです。太陽光パネルには逆流防止スイッチがついています。ここのPV-は先ほど見たヒートシンクに接続されている部分です。また電池の部分には150Aのヒューズもついていました。

これから実際のハイブリッドインバータの動作を説明したいのですが、この回路を使うと難しいので、さらに単純化した回路で説明します。先ほどの回路との対応ですが、ここが電力系統、こちらの線が家につながっている方、太陽光パネル、バッテリーです。このAC/DCと書いてあるのが単相インバータ、DC/DCの部分は双方向コンバータとフルブリッジのプッシュプルコンバータです。ここにあるDC/DCは降圧コンバータです。

これから話すことは、LVYUANのハイブリッドインバータが実際にする動作かは確認していませんが、ハイブリッドインバータとしての典型的な動作を説明していきます。まずは一番理解するのが簡単な太陽光発電部分とバッテリーの充放電を見ていきます。

まず太陽光パネルですが、基本的には電力を引き出す方向にしか動作しません。太陽光パネルからの電力は降圧コンバータを介してプッシュプルコンバータにも行きますが、こちらのプッシュプルコンバータは今は動作が止まっていると仮定しましょう。バッテリーだけを充電するモードを見ていきます。基本的にはこちらのインダクタに流れる電流を制御することで、バッテリーの充電電流を制御します。

またインダクタに流れる電流は、太陽光パネルのMPPT制御にも関わってきます。MPPT制御は太陽光パネルから出来るだけ多くの電力を引き出すようにする制御方法です。当然、今日分解したハイブリッドインバータもMPPT制御をしています。このインダクタに流れる電流は、太陽光パネルに流れる電流と比例しています。そのインダクタに流れる電流を増やしていくと、パネル電圧はこのように低下していきます。基本的にはこのパネルから最大の電力を取り出せるようなポイント、このポイントに常に追従していきます。そうなるようにインダクタに流れる電流を、ここにある降圧コンバータが制御します。

この回路をきちんと動作させるためには、太陽光パネルとバッテリーの両方の状態を見ている必要があります。一般的な充電動作としては、バッテリーのSOCが低い状態では、バッテリーにとって過電流にならないように、降圧コンバータを電流制御しつつMPPT制御もします。ただこの場合は、バッテリーが過電流にならない方が優先されるので、太陽光パネルから最大の電力を引き出せない場合もあります。バッテリーのSOCが高くなってくると、一定電流での充電モードを終えて、一定電圧でバッテリーを充電するようになります。

例えば、太陽が出ている昼間で家で電力を全く使っていない場合、つまりここより左側の回路が全く動いていない状態では、太陽光パネルの電力を使ってバッテリーを充電します。ちなみに自家消費がある場合は、この部分の回路が動作するので、また少し違った動作となります。

次はこの真ん中の回路を見ていきます。こちらのプッシュプルコンバータっぽい回路と、双方向コンバータの回路です。この回路の役割としては、左側にある単相インバータと協調して、家で使う分の電力を右側にある回路から引き出すこと、または単相インバータと協調して、グリッドから電力を引き出してバッテリーを充電すること、その2つです。この動作を見るには、太陽のあり･なしで考えると分かりやすいです。

まず太陽があって家で電力を使う場合です。この場合、太陽光パネルからの電力でバッテリーを充電しつつ、自家消費の電力も賄うことが出来ます。家で消費する電力が多ければ、パネルの電力、そしてバッテリーからの電力で、家での電力消費を賄うことが出来ます。さらに家で消費する電力が多くなれば、太陽光パネル、バッテリーの電力プラス電力系統から買電することも考えられます。

次は夜間の場合を考えてみます。夜間は太陽光発電はありませんので、こちらのバッテリーの電力をどうするかを考えることになります。バッテリーの残量が十分にある場合は、家で使う分の電力を賄いたくなりますよね。このバッテリーを放電するモードになります。バッテリーの残量がなくなったらどうするかと言いますと、また太陽が出てくるまでバッテリーはそのまま何もせず、家で使う分の電力だけ買電するのが一般的な動作かと思います。

さらに家で使う分の電力プラス買電して、このバッテリーを充電することも出来ます。深夜電力が割安な地域は、このモードを使っても良いかもしれません。ただ翌日の天気も良くて、さらに太陽光パネルだけの電力で家で使う電力とバッテリーも充電出来るのであれば、夜間に買電してバッテリーを充電するのはあまり経済的ではありません。この辺りについては、バッテリーをどう使いたいかで動作が変わります。多くの場合、最も経済的なのは、昼間に太陽光でバッテリーを充電しておいて、そして夜間に貯めた電力を家で使うことかなと思います。

次はこちら、単相インバータの動作について見ていきます。この部分の動作が結構重要です。というのも、通常のハイブリッドインバータは問題ないですが、今回分解したLVYUANの製品はJET認証を受けていません。そのため電力系統に接続することは出来ますが、電力会社との系統連携の契約をすることは出来ません。つまりどういうことかというと、電力の逆潮流を起こすことは出来ないんですね。つまり、家で使っている電力とインバータが入出力する電力を常時監視する必要があります。その動作を見ていきます。

まずはこのインバータが特に動作していない場合です。どのような状況かというと、夜間で太陽光パネルでの発電はなし、そしてバッテリー残量はゼロ、そのような状況です。家で電力を使っているとすると、電力の流れとしてはグリッドから家の方向です。ハイブリッドインバータ自体は動作しないで、電力をバイパスしている状態です。

次は単相インバータが動作する場合です。太陽光パネルやバッテリーから電力を引き出す場合です。インバータとその右側にある回路が協調して動きます。単相インバータについては、実はここにインダクタがあるので、単相インバータから出し入れする電流の制御が出来ます。

まずは単相インバータから電流を出す方向を考えてみます。そうすると、家で使う分の電力はハイブリッドインバータから供給されるので、もともと電力系統から買電していた分の電力は少なくなっていきます。さらにインバータから出す電流を多くして、家で使う分の電力とハイブリッドインバータから引き出す電力が完全に一致したとしましょう。そうしますと、電力系統からは買電していないで、電力を完全に自給出来ている状態になります。

実際には家で使う電力、つまり今回の場合は電流ですが、それは常時変動しています。通常のハイブリッドインバータであれば逆潮流しても良いのですが、今回見ていくLVYUANの製品は逆潮流はしてはいけないものです。そのため実際に家で使う分の電力変動に対して、少しマージンを持たせたものとなっています。簡単に書きますと、CT2に流れる電流の方がCT1に流れる電流より大きいと、つまり少しだけ買電はしなきゃいけないような状態となります。ただこの状況でLVYUANのハイブリッドインバータがどれくらい買電しているのかは、今回は検証していないので分かりません。

この部分の回路を見てもらうと分かりますが、回路的には逆潮流が出来てしまう構成です。そのため、ここにあるリレーや単相インバータを含めた制御が非常に重要になってきます。繰り返しになりますが、今回分解した製品はJET認証を受けていないので、電力系統に接続は出来ますが、系統連携の契約をして逆潮流をするということは出来ません。一般的なJET認証を受けている逆潮流可能なハイブリッドインバータと比べてしまうと、売電が出来ませんので、太陽光パネルのポテンシャルを全て生かすことは出来ないかもしれません。

今回は実験していないので後日確認したいのですが、この製品は単独運転防止機能があるかどうか不明です。単独運転とは、電力系統が停電している状態で、インバータが電力系統とつながったまま電圧を出し続けている状態です。この状態で停電を直すために来た電力会社の作業員が電線を触ったりすると感電します。そのため停電を検出したら、自動的に電力系統から切り離す機能が必須となっています。

理想的には停電を検出したら、電力系統から切り離して、そして自立運転モードに入ってほしいです。一応回路的には、この部分にリレーがありますので、単独運転の防止と自立運転は可能となっています。ただそれを制御的に実装しているかどうかは不明です。取り扱い説明書を見てみると、バッテリーから電力を供給するUPSモードがあるとは書いてあります。なので単独運転防止機能に近いものは実装されているようですが、実際に動作確認までしたわけではないので、今回は分かりません。

いずれにしても電力系統に接続する場合には、少しグレーゾーンな製品となりそうです。電力系統に一切接続しないで、完全オフグリッドで使う分には問題なさそうな製品です。

ちなみに今回は、動作検証をする前に完全に製品を分解してしまいましたので、動作検証は出来なくなってしまいました。LVYUANやSNREの担当者が、もしこの動画を見ていましたら、ぜひ連絡をください。

というわけで、今日はハイブリッドインバータについて分解解説してきました。完全オフグリッドで太陽光パネルと蓄電池で電力の自給自足をしたい人には、回路的には問題ない製品かと思いました。ただ冷却の構造などを見てみると、少し寿命が短そうな部分はありますね。エアフローの部分で熱を下から上に逃がすのではなくて、上から下に逃がすということをやっていて、その点については部品の寿命は短そうです。一方でこの製品はJET認証を受けておらず、また回路的には逆潮流が出来てしまう構成なので、系統保護の観点からすると、グレーゾーンな製品なのかなと思いました。

この部分の動作検証については、今後動画を作成予定です。というわけで、もしこの動画が役に立ちましたら、高評価・チャンネル登録よろしくお願いします。気になることがありましたら、ぜひコメントも残してみてください。それでは最後まで動画のご視聴ありがとうございました。