DE69625290T2 - Vorrichtung zur Regelung eines Wechselrichters und eine solche Vorrichtung benutzendes Energieerzeugungssystem - Google Patents

Vorrichtung zur Regelung eines Wechselrichters und eine solche Vorrichtung benutzendes Energieerzeugungssystem

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Description

  • Die Erfindung betrifft eine Steuerungsvorrichtung für einen Umrichter (Wechselrichter) und ein Leistungserzeugungssystem unter Verwendung einer derartigen Steuerungsvorrichtung. Genauer betrifft die Erfindung eine Steuerungsvorrichtung eines Systemanschlussumrichters, der mit einem öffentlichen Energieversorgungssystem verbunden ist und ein Energieversorgungssystem, das eine derartige Steuerungsvorrichtung verwendet und in der Lage ist, mit einer instabilen Energieerzeugung wie eine Solarenergieerzeugung fertig zu werden.
  • Ein Solarenergieerzeugungssystem wandelt unerschöpfliche saubere Solarenergie in elektrische Energie um und ist seit langem erwartet. Insbesondere schreitet in den letzten Jahren die gesetzliche Vorbereitung voran, und ein Verbindungssystem zur Umwandlung einer elektrischen Gleichstromenergie, die durch eine Solarzelle erzeugt wird, in eine Wechselstromenergie unter Verwendung eines Umrichters und zur Zufuhr der Wechselstromenergie in das öffentliche Energieversorgungssystem kann in vollem Ausmaß verwendet werden. Fig. 1 zeigt ein Beispiel für ein allgemeines Solarenergieerzeugungssystem. Ein Ausgang einer Solarzelle 1 ist mit einem öffentlichen Energieversorgungssystem 3 über ein Systemanschlussumrichter (der nachstehend einfach als Umrichter bezeichnet ist) 2 verbunden. Der Umrichter 2 weist auf: ein Eingangsfilter (gleichstromseitiges Filter) 21 mit einer Spule und einem Kondensator, eine Schalteinheit 22 mit einem Halbleiterschalter, der durch ein Gatesteuerungssignal und dergleichen zum Ein- und Ausschalten gesteuert wird, ein Ausgangsfilter (wechselstromseitiges Filter) 23 mit einer Spule und einem Kondensator sowie eine Steuerungsvorrichtung 24 zur Steuerung des Betriebs des Umrichters. Die Steuerungsvorrichtung 24 weist eine Maximumleistungssteuerungseinheit 241 und eine Momentanwertstromsteuerungseinheit 242 auf. Der Umrichter 2 kann ebenfalls eine Schutzvorrichtung und dergleichen aufweisen.
  • Die Maximumleistungssteuerungseinheit 241 ändert einen Betriebspunkt einer Solarzelle entsprechend einer Änderung in der Isolierungsintensität oder Temperatur, wodurch die maximale elektrische Leistung aus der Solarzelle entnommen wird. Der Steuerungseinheit 241 wird eine Solarzellenspannung Vpv und ein Solarzellenstrom Ipv zugeführt, und die Steuerungseinheit 241 berechnet arithmetisch einen Ausgangsstromanweisungswert des Umrichters derart, dass die Solarzellenausgangsleistung maximal wird. Genauer berechnet die Steuerungseinheit 241 eine Spannung derart, dass die elektrische Leistung der Solarzelle maximal wird und steuert den Stromanweisungswert derart, dass die Solarzellenspannung gleich einer derartigen Spannung wird. Allgemein wird ein digitaler Mikroprozessor (der als Micom bezeichnet ist) als eine arithmetische Berechnungsvorrichtung verwendet. Als ein Beispiel für eine derartige Maximalleistungssteuerungseinheit gibt es eine Einheit, wie sie in der japanischen Offenlegungsschrift Nr. 62-85312 offenbart ist.
  • Die Momentanstromwertsteuerungseinheit 242 nimmt den Stromanweisungswert aus der
  • Maximalleistungssteuerungseinheit 241 auf und steuert die Schalteinheit 22 durch ein Gate-Steuerungssignal derart, dass ein Ausgangsstrom des Umrichters annähernd mit dem Stromanweisungswert übereinstimmt. Als ein Beispiel für eine derartige Momentanstromwertsteuerungseinheit gibt es eine Einheit, wie sie in dem US-Patent Nr. 4 424 557 offenbart ist.
  • Ein Beispiel für den Betrieb der Momentanstromwertsteuerungseinheit ist nachstehend anhand von Fig. 1 und 2 beschrieben. Die Momentanstromwertsteuerungseinheit 242 nimmt den Stromanweisungswert aus der Maximalleistungssteuerungseinheit 241 auf und sendet ein Gatesteuerungssignal-(Ein-/Aus)Anweisungssignal zu der Schalteinheit 22. Fig. 2 zeigt Beziehungen zwischen dem Gatesignal, dem Ausgangsstromsignalverlauf und dem Stromanweisungswert in diesem Fall. Wie es in Fig. 2 gezeigt ist, wird für das Momentanstromwertsteuerungssignal ein Gatesteuerungssignal derart gesendet, dass der Ausgangsstrom annähernd mit dem Stromanweisungswert übereinstimmt. Das heißt, dass, wenn das Gatesignal sich auf dem hohen Pegel (H) befindet, steigt der Ausgangsstrom an. Wenn der Ausgangsstrom den Anweisungswert um eine vorbestimmte Größe oder mehr überschreitet, wird das Gatesignal auf dem niedrigen Pegel (L) eingestellt, wodurch der Ausgangsstrom verringert wird. Wenn der Ausgangsstrom um eine vorbestimmte Größer oder mehr niedriger als der Anweisungswert wird, wird das Gatesignal erneut auf den hohen Pegel (H) eingestellt, wodurch der Ausgangsstrom erhöht wird. Durch einen derartigen Steuerungsvorgang wird der Ausgangsstrom annähernd in Übereinstimmung mit dem Anweisungswert gebracht. In dem Umrichter für ein Solarenergieerzeugungssystem wird zur Verringerung von Geräuschen und einer Ausgangsstromverzerrung in vielen Fällen die höchste Frequenz des Gatesignals auf einen ausreichend hohen Wert in einem Bereich von 10 kHz bis 30 kHz eingestellt.
  • Die Maximumleistungssteuerungseinheit und die Momentanstromwertsteuerungseinheit sind gewöhnlicherweise einzeln aufgebaut. Dies liegt daran, dass die Steuerungsgeschwindigkeiten, die für die Maximumleistungssteuerung und die Momentanstromwertsteuerung erforderlich sind, beträchtlich unterschiedlich sind. Da es ausreichend ist, dass die Maximumleistungssteuerungseinheit lediglich eine Fluktuation der Isolierung nachfolgt, kann eine Steuerungseinheit mit relativ geringer Geschwindigkeit verwendet werden. Gemäß der Untersuchung der Erfinder und anderen ist es ausreichend, dass die Steuerungseinheit mit einer langen Periode wie 0,1 Sekunden arbeiten kann. Jedoch vergleicht das Momentanstromwertsteuerungssystem kontinuierlich den Ausgangsstrom mit dem Stromanweisungswert und muss ein Ein-/Ausschalten des Gates anhand des Vergleichsergebnisses entscheiden. Weiterhin ist es zur Verringerung der Ausgangsstromverzerrung und der Geräusche erforderlich, die Schalteinheiten mit einer Frequenz von 10 kHz oder höher ein- oder auszuschalten. Beispielsweise ist es zur Verwirklichung einer Schaltgeschwindigkeit von 10 kHz erforderlich, eine Steuerungsperiode auf einen Wert niedriger als höchstens 100 Mikrosekunden herabzusetzen. Falls beide Steuerungsvorgänge durch einen digitalen Mikroprozessor ausgeführt werden, kann sämtliche Steuerungslogik als Software ausgeführt werden, so dass eine Flexibilität des Systems deutlich ansteigt. Jedoch werden, falls ein derartiger Aufbau herkömmlich umgesetzt worden ist, sowohl die Maximumleistungssteuerung als auch die Momentanstromwertsteuerung in der Steuerungsperiode (beispielsweise 100 usec) ausgeführt, so dass ein Mikroprozessor mit extrem hoher Geschwindigkeit und ein Analog-/Digital-Wandler mit extrem hoher Geschwindigkeit erforderlich sind. Diese sind sehr kostspielig, weshalb es das Problem gibt, dass ein derartiger Umrichter nicht kostengünstig aufgebaut werden kann. Daher sind im allgemeinen die mittels Hardware aufgebaute Momentanstromwertsteuerungseinheit und die durch Software aufgebaute Maximumleistungssteuerungseinheit wie vorstehend beschrieben kombiniert. Obwohl die Durchführung der Momentanstromwertsteuerung durch Hardware leicht ist, da zwei Steuerungseinheiten durch Hardware und der digitale Mikroprozessor vorgesehen sind, steigen die Kosten an und ist ein Einbauraum erforderlich. Wenn eine neue Schaltvorrichtung auftritt, ist es notwendig, die Auslegung der Hardware und der Stromsteuerungseinheit zu ändern.
  • Eine Umrichtersteuerungsvorrichtung, die einen Interrupt durch einen Zeitgeber verwendet, wurde in der Japanischen Offenlegungsschrift Nr. 57-25171 offenbart. Jedoch kann eine derartige Vorrichtung nicht bei einem Umrichter angewendet werden, der einen Ausgang derart aufweist, dass dieser aufeinanderfolgend entsprechend einer Isolierung wie bei einer Solarzelle sich ändert.
  • Die Druckschrift US-5 404 089 offenbart eine programmierte PWM-Steuerungseinrichtung zur Steuerung eines Umrichters. Die Steuerungseinrichtung weist eine Speichereinrichtung zum Speichern einer Vielzahl von Antriebsdatenworten auf, die eine Pulsbreitenmodulationssequenz darstellen. Ein Antriebsdatenwort weist ein Antriebswort und ein Antriebszeitwort auf, wobei die Antriebsworte zum Betrieb des Umrichters verwendet werden. Die PWM- Steuerungseinrichtung weist eine erste digitale Einrichtung zur wahlweisen Entnahme jedes der Vielzahl von Antriebsdatenworten aus dem Speicher entsprechend der Pulsbreitenmodulationssequenz im Ansprechen auf ein Signal, dass ein nächstes Antriebsdatenwort anfordert (nächstes Antriebsdatenwortanforderungssignal) und eine zweite Digitaleinrichtung auf, die durch das Antriebszeitwort überwacht wird, um das nächste Antriebsdatenwortanforderungssignal zu erzeugen.
  • Weiterhin beschreibt die Druckschrift JP 07 028 537 A ein System zur Steuerung einer Solarbatterie durch Durchführung einer Maximumleistungsnachführungssteuerung. Dieses System weist einen Signalbetriebsverarbeitungsteil zur Berechnung des Leistungsausgangswerts einer Solarbatterie und einen PWM-Modulationssteuerungsteil auf.
  • Die Druckschrift JP 07 028 538 A offenbart den Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Genauer offenbart diese Druckschrift ein Solarenergiesystem, bei dem eine CPU ein Signalverlaufsmuster, das aus einem ROM ausgelesen wird, zu einem D/A-Wandler aus, um ein Referenzsinuswellensignal zu erhalten. Die CPU schaltet eine FET-Brücke über eine PWM- Modulationsschaltung und eine Gate-Antriebsschaltung zur Umwandlung der Gleichstromleistung aus einer Solarbatterie in eine Wechselstromleistung. Ein erfasster Umrichterausgangsstrom wird in einen digitalen Wert umgewandelt und in einem RAM gespeichert. Die CPU vergleicht den vorhergehenden Ausgangsstrom und den gegenwärtigen Ausgangsstromwert miteinander, um zu unterscheiden, ob der Ausgangsstrom erhöht ist oder nicht.
  • Auf der Grundlage des Vergleichsergebnisses ändert die CPU die Amplitude des Referenzsinuswellensignals, um eine Maximumleistungspunkt-Nachführungssteuerung der Solarbatterie durchzuführen.
  • Jedoch ist eine passende Steuerungsvorrichtung, die für einen Verbindungsumrichter zur Durchführung der Momentanstromwertsteuerung (Signalverlaufserzeugungssteuerung) und der Maximumleistungssteuerung unter Verwendung einer einzelnen CPU geeignet ist, noch nicht verwirklicht.
  • Die Erfindung wurde im Hinblick auf die vorstehend beschriebenen Probleme gemacht, und ihr liegt die Aufgabe zugrunde, einen kostengünstigen Umrichter bereitzustellen, der einen einzelnen digitalen Mikroprozessor verwendet, und der eine Stromsteuerung und eine Maximumleistungssteuerung ohne Änderung einer Auslegung der Hardware selbst für eine beliebige Schaltvorrichtung oder der Solarzelle durchführen kann.
  • Diese Aufgabe wird durch ein Solarenergieerzeugungssystem gemäß Patentanspruch 1 gelöst.
  • Weiter vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Patentansprüchen definiert.
  • Wenn der Schaltvorgang des Umrichters betrachtet wird, ist es verständlich, dass eine Zeitperiode, wenn ein gewisser Prozess funkionell notwendig ist, nichts als ein kleiner Moment zum Schalten des Schalters ist. Gemäß der Erfindung wird unter Beachtung eines derartigen Punkts der Zeitpunkt (der Moment) zum Umrichten in Hardware-Weise unterschieden, und ein Unterbrechungsanforderungssignal wird erzeugt, wodurch ermöglicht wird, dass die CPU den Schaltvorgang des Schalters lediglich für diesen momentanen Zeitpunkt durchführt. Mit diesem Verfahren kann die CPU sich normalerweise einem Prozess wie einem Schutzprozess, einem Maximumleistungsprozess oder dergleichen widmen, so dass sie relativ genug Ansprechzeit aufweist und einen Prozess zur Erzeugung eines Schalt-Gate-Impulses unter Verwendung eines Interruptprozesses in einer extrem kurzen Antwortzeit ausführen kann. Mit diesem Verfahren gibt es keinen Bedarf zur Änderung der Hardware, selbst wenn die Schaltvorrichtung geändert wird, da der Gate-Impuls- Erzeugungsprozess als Software der CPU beschrieben ist. Weiterhin wird eine Unabhängigkeit der gegenseitigen Verarbeitungsroutinen deutlich erhöht, und kann ein Testen (Debugging) leicht durchgeführt werden.
  • Fig. 1 zeigt ein schematisches Blockschaltbild zur Beschreibung eines Aufbaus eines Solarenergieerzeugungssystems,
  • Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung zur Beschreibung des Verhältnisses zwischen einem Ausgangsstromwert und einem Stromanweisungswert,
  • Fig. 3 und 10 zeigen schematische Blockschaltbilder, die jeweils ein Beispiel für einen Aufbau eines Solarerzeugungssystems gemäß der Erfindung darstellen,
  • Fig. 4 ein schematisches Schaltbild zur Beschreibung eines Beispiels für eine Schalteinheit,
  • Fig. 5 ein schematisches Schaltbild zur Beschreibung eines Beispiels einer Umkehrungsunterscheidungsschaltung,
  • Fig. 6 und 9 zeigen Flussdiagramme, jeweils zur Beschreibung eines Beispiels eines Hauptsteuerungsprozesses,
  • Fig. 7A, 7B, 8A und 8B zeigen Flussdiagramme jeweils zur Beschreibung eines Beispiels für einen Interruptprozess, und
  • Fig. 11 zeigt ein Flussdiagramm zur Beschreibung eines Hauptsteuerungsprozesses in einem Vergleichsbeispiel.
    • Ausführungsbeispiel 1
  • Fig. 3 zeigt ein bevorzugtes Beispiel für einen Aufbau eines Solarenergieerzeugungssystems, der einen Umrichter gemäß der Erfindung verwendet.
  • In Fig. 3 sind dieselben Komponentenelemente, wie sie in Fig. 1 gezeigt sind, durch dieselben Bezugszeichen bezeichnet. Das Bezugszeichen 4 bezeichnet eine CPU (Zentralverarbeitungseinheit), das Bezugszeichen 5 bezeichnet eine Umkehrungsunterscheidungsschaltung, und das Bezugszeichen 6 bezeichnet einen Wandler. Der Wandler 6 ist mit dem öffentlichen Energieversorgungssystem 3 verbunden und führt einen gewünschten Stromwert als einen Referenzstrom der Umkehrungsunterscheidungsschaltung 5 zu. Ein Ausgangsstrom aus der Schalteinheit 22 wird der Umkehrungsunterscheidungsschaltung 5 zugeführt. Bei dem Umrichter 2 gemäß Fig. 3 sind ein analoger Vergleicher und ein geeigneter Hauptprozess durch die CPU kombiniert, und es ist eine Gesamt-Auszeit zum Ausschalten aller Schalter der Schalteinheit 22 eingestellt. Gemäß Fig. 3 wird eine (nicht gezeigte) Gate-Antriebsschaltung der Schalteinheit 22 direkt durch ein digitales Ausgangssignal aus der digitalen CPU 4 angesteuert. Ein Schaltumkehrungsanforderungssignal aus der Umkehrungsunterscheidungsschaltung 5 ist mit einer Interruptsignalleitung der CPU 4 verbunden.
  • Als Solarzelle 1 wird eine Zelle wie amorphes Silizium oder kristallines Silizium in einer fotoelektrischen Umwandlungsschicht verwendet. Jedoch gibt es dahingehend keine Begrenzung bei Umsetzung der Erfindung. Gemäß dem Ausführungsbeispiel sind 56 (14 in Reihe · 4 parallel) amorphe Solarzellenmodule (Handelsnamen: UPM880, die von USSC Co., Ltd. hergestellt sind, als Solarzelle 1 verwendet und eine regelmäßige Anordnung mit einem Ausgang von 200 V und 5, 6 Ampere ist aufgebaut.
  • Der Ausgang der Solarzeile 1 wird der Schalteinheit 22 über den Gleichstromseitenfilter 21 mit einem Kondensator einer großen Kapazität zugeführt. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel wird ein elektrolytischer Aluminiumkondensator mit 4700 uF als Kondensator des gleichstromseitigen Filters 21 verwendet. Für einen derartigen Kondensator ist es erforderlich, einen Kondensator derart auszuwählen, dass er einen Wellenstrom und einer Leerlaufspannung der Solarzelle 1 widerstehen kann.
  • Als Schaltereinheit 22 wird vorzugsweise eine sogenannte Vollbrückenschaltung verwendet, die vier selbstbogenlöschende Schaltvorrichtungen wie MOSFETs, IGBTs oder dergleichen verwendet. Als weitere Schaltung kann eine Halbbrückenschaltung ebenfalls verwendet werden, die zwei Vorrichtungen oder dergleichen verwendet. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist eine Vollbrückenschaltung gemäß Fig. 4 unter Verwendung von 4 MOSFETs (2SK1405 : 600 V und 15 A) aufgebaut, die von Hitachi Ltd. hergestellt sind. Der Ausgang der Schalteinheit 22 ist mit dem öffentlichen Energieversorgungssystem (100 V, 60 Hz) über eine Ausgangsreaktanz (10 A, 10 mH) verbunden.
  • Wie es in Fig. 4 gezeigt ist, weisen die vier MOSFETs zwei Sätze (221 und 222, 223 und 224) von MOSFETs auf, bei denen jeweils eine Source S und ein Drain D miteinander verbunden sind. Die Drains D der MOSFETs 221 und 223, deren Source S miteinander verbunden sind, sind jeweils mit dem positiven (+) Anschluss verbunden. Die Sourceanschlüsse S der MOSFETs 222 und 224, deren Drainanschlüsse D miteinander verbunden sind, sind jeweils mit dem negativen (-) Anschluss verbunden. Es werden Ausgänge aus den Knoten entnommen, in denen die Sourceanschlüsse S und die Drainanschlüsse D der MOSFETs verbunden sind. Ein Ausgang aus der CPU 4 wird einem Gate G jedes MOSFETs zugeführt.
  • Als ein Momentanstromwertsteuerungssystem (Umkehrungsunterscheidungssystem) wird eine Stromnachführungssteuerungsbauart verwendet. Fig. 5 zeigt ein spezifisches Beispiel für eine Schaltung zur Ausführung dieser Steuerung. In der Umkehrungsunterscheidungsschaltung 5 gemäß Fig. 5 wird eine Spannung, die durch Multiplizieren einer vorbestimmten Konstanten mit einer Systemspannung erhalten wird, als ein Referenzstrom einem Referenzsignaleingangsanschluss Iref zugeführt. Ein Umrichterausgangsstrom wird einem Ausgangsstromeingangsanschluss Iinv zugeführt und wird jeweils durch Vergleicher COMP1 und COMP2 verglichen. Umkehrungsanforderungssignale mit zueinander entgegengesetzten Phasen werden ausgegeben.
  • R1 bis R9 und R12 bezeichnen feste Widerstände und VR10, VR11, VR13 und VR14 geben jeweils variable Widerstände an. Widerstandswerte dieser Widerstände sind wie nachstehend beschrieben eingestellt:
  • R1 bis R8 = 100 kΩ, R9, R12 = 5,1 kΩ,
  • VR10 und VR13 = 500 Ω sowie VR11 und VR14 (200 Ω).
  • Ein Betriebszustand der Umkehrungsunterscheidungsschaltung 5 ist nachstehend unter Bezugnahme auf Fig. 2 beschrieben. Wenn ein Unterschied zwischen dem Referenzstrom Iref und dem Ausgangsstrom Iinv sich außerhalb einer vorbestimmten Strombreite Δ bewegt, tritt ein Ausgang auf, so dass ein Umkehrungsanforderungssignal R oder S auf den hohen logischen Pegel H eingestellt wird. Gemäß dem Ausführungsbeispiel werden allgemeine Operationsverstärker TL072 als arithmetische Operationsverstärker U1-1 und Ul-2 verwendet, und ein MAX909, der von Maxim Co., Ltd. hergestellt ist, bei dem sich ein Ausgang auf dem TTL-Pegel befindet und die Betriebsgeschwindigkeit hoch ist, wird als Vergleicher verwendet. Insbesondere ist es, obwohl keine besondere Beschränkung im Bezug auf diese Vorrichtungen vorhanden sind, zur Verbindung der digitalen CPU es bequem, Vorrichtungen zu verwenden, so dass digitale Pegel (CMOS, TTL) über die Ausgänge R und S ausgegeben werden. Es ist erforderlich, die Strombreite Δ auf einen geeigneten Wert im Hinblick auf den Wirkungsgrad und eine Störung des Umrichters einzustellen. Allgemein steigt, wenn Δ verringert wird, die Anzahl der Schaltzeitpunkte an und verschlechtert sich der Wirkungsgrad. Jedoch erhöht sich die Verzerrung. Wenn Δ erhöht wird, tritt das gegenteilige Phänomen auf. Daher ist es notwendig, die Strombreite Δ im Hinblick auf Bedingungen wie eine Verzerrung und dergleichen zu entscheiden.
  • Die Ausgänge R und S der Umkehrungsumwandlungsschaltung 5 sind mit dem Interrupteingangsanschluss der digitalen CPU verbunden. Es ist wünschenswert, eine CPU mit einer Vielzahl von Interrupteingangsanschlüssen zu verwenden. Solange nichts anderes gesagt ist, ist es ausreichend, die Verbindung einer Vielzahl von Interrupteingängen durch Verwendung einer Schaltung zu Interruptsteuerung zu ermöglichen, wie sie durch ein IC (Modellbezeichnung 8251) wiedergegeben ist, das von Intel Co., Ltd. hergestellt ist.
  • Gemäß diesem Ausführungsbeispiel wird eine Mikrocomputerplatine zum Lernen (Handelsbezeichnung MTK7702A) verwendet, die von Mitsubishi Electric Corporation hergestellt wird. Eine Vorrichtung M7710 (die von Mitsubishi Electric Corporation hergestellt ist, Taktfrequenz beträgt 25 MHz) ist als eine CPU auf der Platine eingebaut. Bei einer derartigen CPU handelt es sich um eine 1-Chip-Bauart und diese weist einen A/D-Wandler, einen D/A-Wandler, einen Zeitgeber, eine parallele Eingabe- /Ausgabeschnittstelle (I/O), ein RAM und drei Interrupteingangsanschlüsse auf. Die CPU ist zur Umsetzung der Erfindung geeignet. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel sind die Ausgänge R und 5 jeweils mit einem Interrupt 0 und einem Interrupt 1 verbunden. Bits 0 bis 4 eines parallelen Ports (Anschlusses) Nr. 6 werden als Gate-Impulse verwendet.
  • Ein Ausgang des parallelen Ports ist durch einen Fotokoppler isoliert, woraufhin dieser zu einer Gate- Treiberschaltung der Schaltvorrichtung gesendet wird. Als Gate-Treiberschaltung kann eine bekannte Schaltung verwendet werden. Da empfohlene Gate-Treiberschaltungen in Broschüren der Leistungsvorrichtungen der jeweiligen Hersteller offenbart sind, können diese in vielen Fällen ebenfalls verwendet werden.
  • Eine Umrichtersteuerungsvorrichtung gemäß der Erfindung ist aufgebaut, wie es vorstehend erwähnt worden ist. Nachstehend ist der Aufbau der Software beschrieben.
  • In der Steuerungsvorrichtung gemäß der Erfindung ist es notwendig, zwei unabhängige Verarbeitungsprogramme einer Schaltumkehrungsverarbeitungsroutine zu schreiben, die als ein Interruptprozess und eine Hauptsteuerungsroutine zur Ausführung anderer Prozesse wie eine Optimalbetriebspunktnachführungssteuerung und dergleichen beschrieben sind. Im Fall der Erfindung kann, da die gegenseitigen Programme nichts von ihrer Existenz wissen müssen, das Programm relativ einfach geschrieben werden, weshalb die Wartung verbessert werden kann.
  • Gemäß diesem Ausführungsbeispiel wird ein Prozess zum Flackern einer LED, die mit dem fünften parallelen Port der CPU M7710 verbunden ist, in dem Hauptsteuerungsprozess ausgeführt. Fig. 6 zeigt einen derartigen Hauptsteuerungsprozess. Der Betrieb, der durch die Hauptsteuerungsroutine beschrieben ist, muss eine Verzögerungssteuerungs- (Ansprech-) Zeit aufweisen, die niedriger als der Schaltumrichtungsvorgang ist. Solange nicht anders gesagt ist, wird eine Zeit für einen Interruptprozess eine Größe, die nicht relativ ignoriert werden kann und den Betrieb behindert.
  • Die Beschreibungsinhalte der Interruptprozessroutine sind wie in Fig. 7A und 7B dargestellt. Der Prozess für ALLOFF (Gesamt-Aus) (alle Schaltvorrichtungen werden ausgeschaltet, gemäß diesem Ausführungsbeispiel wird der Gesamt-Aus-Prozess für eine Zeitdauer von 2 usec ausgeführt) für eine vorbestimmte Zeit ausgeführt. Danach wird eine Zustandsumkehrung für eine Stromerhöhungsbetriebsart (die FET5 221 und 224 werden eingeschaltet) und eine Stromverringerungsbetriebsart (die FET5 222 und 223 werden eingeschaltet) ausgeführt. Durch den Gesamt-Aus-Prozess ist es möglich, einen Fehlerbetrieb wie denjenigen zu vermeiden, dass die Schaltvorrichtungen (die FET5 221 und 222, die FET5 223 und 224 gemäß Fig. 4) die in Reihe mit dem Solarzellenausgang geschaltet sind, aufgrund einer Verzögerung des Bogenauslöschens oder dergleichen gleichzeitig leitend gemacht werden und die Schaltung kurzgeschlossen wird, so dass die Schaltvorrichtungen zerstört werden oder dergleichen. Es ist ein Merkmal des Ausführungsbeispiels, dass eine Gesamt- Aus-Zeit in Software-Weise entschieden wird. Wenn die Art der Schaltvorrichtung geändert wird, ist dies ein Fall, in dem die Gesamt-Aus-Zeit geändert werden muss. Selbst in einem derartigen Fall erfordert die Steuerungsvorrichtung gemäß dem Ausführungsbeispiel keine Änderung der Hardware, was Zeit und Kosten erfordern würde. Da der Schaltvorgang intelligent durch die CPU ausgeführt werden kann, können viele verschiedene Prozesse für eine unerwartete Situation durchgeführt werden, weshalb die Sicherheit für das System verbessert werden kann.
  • Für die Steuerungsvorrichtung wird bei der Ausführung des Flackervorgangs bzw. Flackerbetriebs der LED nach dem Zurücksetzen die Schaltumkehrung durchgeführt und der Ausgangsstromsignalverlauf lediglich dann gesteuert, wenn es einen Schaltumkehrungs-Interrupt (eine Schaltumkehrungsunterbrechung) gibt. In der Vorrichtung wird, da die Phasensynchronisation mit dem System automatisch durch den Referenzstrom Iref für die Umkehrungsunterscheidungsschaltung erreicht wird, das Steuerungsverarbeitungsprogramm bemerkenswert einfach, wie es vorstehend beschrieben worden ist.
    • Ausführungsbeispiel 2
  • Gemäß dem Ausführungsbeispiel wird ein IGBT (CM50DY-12H), der von Mitsubishi Electric Corporation hergestellt ist, als eine Schaltvorrichtung verwendet, wobei der andere Hardwareaufbau im wesentlichen derselbe wie gemäß Ausführungsbeispiel 1 ist. Die Beschreibung der Interruptverarbeitungsroutine (Unterbrechungsverarbeitungsroutine) ist verändert, wie es in Fig. 8A und 8B gezeigt ist. Insbesondere wird eine Zeit von der vorhergehenden Umkehrung unter Verwendung eines Zeitgebers gemessen. Wenn die gemessene Zeit zu kurz ist, wird ein Warteprozess ausgeführt. Gemäß dem Ausführungsbeispiel ist die kürzeste Schaltzeit auf 0,1 ms eingestellt. Durch Durchführung eines Begrenzungsprozesses der kürzesten Schaltzeit wie vorstehend beschrieben kann eine Schaltfrequenz auf 10 kHz oder niedriger begrenzt werden. Da der Schaltvorgang des IGBTs langsamer als der des MOSFETs ist, ist es notwendig, die Schaltfrequenz zu begrenzen. Jedoch gibt es bei der Steuerungsvorrichtung gemäß der Erfindung keinen Bedarf zur Änderung der Hardware im Zusammenhang damit. Ein Speicher zum Speichern der Zeit wird gemeinsam für den Interrupt 0 und den Interrupt 1 verwendet.
  • Gemäß dem Ausführungsbeispiel ist zusätzlich zu dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel die Hauptsteuerungsroutine wie in Fig. 9 gezeigt umgeschrieben, und ein Optimalbetriebspunktnachführungs-(MPPT)- Steuerungsbetrieb wird durch die Hauptsteuerungsroutine ausgeführt (MPPT = Optimum Operation Point Trace).
  • Das heißt, dass, nachdem die Stromanweisungswerterhöhungsbetriebsart eingestellt worden ist, eine Stromamplitudenanweisung erneuert wird und die Vorrichtung für 0,1 sec wartet. Darauffolgend wird eine PV- (Solarzellen-) Strom-/Spannung gelesen und wird eine elektrische PV-Leistung berechnet. Es wird eine Überprüfung durchgeführt, ob sich die elektrische PV- (Solarzellen-) Leistung im Vergleich zu dem vorhergehenden Berechnungsergebnis erhöht hat. Falls ja, wird die Stromamplitudenanweisung erneuert. Wenn die PV-Leistung sich im Vergleich zu dem vorhergehenden Berechnungsergebnis nicht erhöht hat, wird die Stromanweisungsbetriebsart umgekehrt. Danach wird die Stromamplitudenanweisung erneuert.
  • Wie es vorstehend beschrieben ist, wird die Stromanweisung entsprechend einem Anstieg oder einer Verringerung der PV- Leistung erneuert. In Zusammenhang mit der Optimalbetriebspunktnachführung ist eine Schaltung aufgebaut, wie sie in Fig. 10 gezeigt ist, so dass die Mikrocomputerplatine ebenfalls die Solarzellenspannung und den Solarzellenstrom an dem A/D-Eingangsanschluss entnehmen (erhalten) kann.
  • Zur Entnahme (Erhalten) der Solarzellenspannung ist es ein allgemeiner Weg, dass die Spannung der Solarzelle um einen geeigneten Spannungsteilerwiderstand verringert wird, und dass danach die verringerte Spannung dem A/D- Eingangsanschluss unter Verwendung eines Isolierverstärkers zugeführt wird. Zur Zufuhr des Solarzellenstroms ist es nach der Isolierung ausreichend, dass der Strom in die Spannung unter Verwendung eines DCCT (Gleichstromtransformators) unter Verwendung eines Hall- Elements umgewandelt wird und die Spannung dem A/D- Eingangsanschluss der CPU zugeführt wird. Es gibt ein weiteres Verfahren der Verwendung eines Präzisionswiderstands zur Stromerfassung und dergleichen. Ein Ausgang eines D/A-Wandlers wird mit der Systemspannung durch einen analogen Multiplizierer 243 multipliziert und die resultierende Spannung wird als Referenzstrom Iref verwendet wodurch ermöglicht wird, dass die Größe eines Umrichterausgangsstroms durch die CPU gesteuert wird. Die Maximumleistungssteuerungseinheit 241 ist in der CPU 4 aufgebaut.
  • Es gibt ein sogenanntes Mounting-Climbing-Verfahren (Kletterverfahren) als ein MPPT- Steuerungsbetriebsverfahren. Gemäß dem Ausführungsbeispiel wird das Mounting-Climbing-Verfahren verwendet. Ein in der vorstehend beschriebenen Fig. 9 durch eine gestrichelte Linie umgebener Abschnitt zeigt ein Flussdiagramm für das Mounting-Climbing-Verfahren. Das heißt, dass der Stromanweisungswert erhöht wird, eine PV-Leistung zu diesem Zeitpunkt berechnet wird, und wenn die Leistung abfällt, wird der Stromanweisungswert verringert, und wenn die Leistung ansteigt, wird der Stromanweisungswert weiter erhöht. Eine Wartezeit von 100 ms (0,1 s) ist für eine Steuerungsschleife vorgesehen, um zu ermöglichen, dass der Umrichter dem Betrieb nachfolgen kann. Selbst falls es eine Wartezeit zur Begrenzung der Schaltzeit gibt, beträgt die Verarbeitungszeit der Interruptverarbeitungsroutine höchstens 0,2 ms oder weniger. Daher unterscheiden sich die beiden vorstehend beschriebenen Steuerungszeiten um das 500-fache.
  • Wenn die Vorrichtung an einem Tag unter blauem Himmel wie vorstehend beschrieben wird, arbeitet der Umrichter gemäß dem Ausführungsbeispiel nicht anormal, sondern führt den Maximalleistungspunktnachführungsbetrieb aus. Es trat kein Problem im Hinblick auf eine Ausgangsstromverzerrung und die kürzeste Schaltzeit auf. Wie vorstehend beschrieben, können der MPPT-Betrieb und der
  • Ausgangssignalverlaufserzeugungsbetrieb durch die einzelne CPU durchgeführt werden.
  • Als ein Vergleichsbeispiel zeigt Fig. 11 ein Flussdiagramm für ein Beispiel eines Programms zur Verarbeitung der Signalverlaufserzeugung und der Hauptsteuerungsbetriebs lediglich durch Software. In diesem Fall sind relativ komplizierte Prozesse wie ein Systemsynchronisierungsprozess, ein Phasenunterscheidungsprozess und dergleichen erforderlich.
  • Wie es vorstehend beschrieben ist, wird erfindungsgemäß eine Steuerungsvorrichtung für einen Systemanschlussumrichter zur Umwandlung der elektrischen Gleichstromleistung in die elektrische Wechselstromleistung unter Verwendung der Schaltvorrichtung und zur Umkehrzufuhr der elektrischen Wechselstromleistung in das öffentliche Energieversorgungssystem geschaffen, wobei die Steuerungsvorrichtung aufweist: die Umkehrungsunterscheidungseinrichtung zur Eingabe eines Ausgangsstroms oder einer Ausgangsspannung und eines Referenzsignals und zur Unterscheidung, ob ein Schaltzustand der Schaltvorrichtung invertiert wird oder nicht, und die Gate-Impulssignalerzeugungseinrichtung zur Änderung des Schaltzustands der Schaltvorrichtung im Ansprechen auf ein Umkehrungsanforderungssignal, das aus der Umkehrungsunterscheidungseinrichtung ausgegeben wird, und wobei die Gate-Impulssignalerzeugungseinrichtung durch die digitale CPU aufgebaut ist und das Umkehrungsanforderungssignal als ein Interruptsteuerungssignal der CPU zugeführt wird. Die Steuerungsvorrichtung weist die folgenden Wirkungen auf.:
  • (1) Die Parameter wie Gesamt-Aus-Zeit und kürzeste Schaltzeit, die für die Schaltvorrichtung entscheidend sind, können leicht geändert werden.
  • (2) Die Gate-Blockierungsfunktion kann leicht verwirklicht werden.
  • (3) Die niedrigste oder höchste Schaltfrequenz kann leicht begrenzt werden.
  • (4) Bei der Solarenergieerzeugung kann die MPPT- Steuerungseinheit und die Signalverlaufssteuerungseinheit durch eine kostengünstige einzelne CPU mit relativ langsamer Geschwindigkeit aufgebaut sein. Somit können die Kosten der Umrichtersteuerungsvorrichtung verringert werden.
  • (5) Da der Interruptprozess verwendet wird, können der Maximumleistungssteuerungsprozess und der Signalverlaufserzeugungssteuerungs- (Gate)- Impulserzeugungs-Prozess als vollständig unabhängige Programme geschrieben werden. Daher kann ein Debuggen (Überprüfen) jedes Prozesses ebenfalls unabhängig und leicht durchgeführt werden, weshalb die Effizienz bei der Entwicklung verbessert werden kann.

Claims (5)

1. Solarenergieerzeugungssystem mit
einem Umrichter (2), der eine Steuervorrichtung (24) aufweist, zur Umwandlung einer elektrischen Gleichstromleistung in eine Wechselstromleistung unter Verwendung einer Schalteinrichtung (22) und zur umgekehrten Zufuhr der Wechselstromleistung zu einem handlesüblichen Energieversorgungssystem (3), das mit dem Umrichter verbunden ist, und
einer Solarzelle (1) zur Zufuhr der elektrischen Gleichstromleistung zu dem Umrichter (2),
wobei die Steuervorrichtung (24) aufweist:
eine Umkehrungsunterscheidungseinrichtung (5) zum Vergleich eines Ausgangsstroms oder einer Ausgangsspannung des Umrichters (2) mit einem vorbestimmten Referenzsignal, wodurch unterschieden wird, ob ein Schaltzustand der Schaltvorrichtung umgekehrt werden sollte oder nicht,
einer Steuerimpulssignalerzeugungseinrichtung zur Umkehrung des Schaltzustands der Schalteinrichtung (22) im Ansprechen auf ein Umkehrungsanforderungssignal, das aus der Unterscheidungseinrichtung (5) ausgegeben wird, und
einer Einrichtung zur Steuerung der maximalen Leistung,
wobei die Steuerimpulssignalerzeugungseinrichtung und die Einrichtung zur Steuerung der maximalen Leistung eine einzige digitale CPU (4) aufweisen,
dadurch gekennzeichnet, dass
die CPU (4) das Umkehrungsanforderungssignal als ein Unterbrechungssteuerungssignal empfängt und ein Steuerimpulssignal zur Umkehrung des Schaltzustands der Schaltvorrichtung in einer Umkehrungsanforderungsverarbeitungsroutine umwandelt, nachdem das Unterbrechungssteuerungssignal eingegeben worden ist.
2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerimpulssignalerzeugungseinrichtung (4) den Schaltzustand der Schaltvorrichtung (22) in einen ersten Zustand, in dem die Ausgangsspannung des Umrichters an ein handelübliches Energieversorgungssystem mit einer ersten Polarität angelegt wird, oder in einen zweiten Zustand umwandelt, in dem die Ausgangsspannung mit einer Polarität angelegt wird, die entgegengesetzt zu der ersten Polarität ist.
3. System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuervorrichtung (24) weiterhin eine Zeitmessungseinrichtung aufweist, wobei die digitale CPU (4) eine Zeitdifferenz zwischen einer vorherigen Umkehrungsanforderung und einer gegenwärtigen Umkehrungsanforderung in der Umkehrungsanforderungsverarbeitungsroutine auf der Grundlage eines Ausgangs der Zeitmessungseinrichtung erhält, und wenn die Zeitdifferenz kürzer als eine vorbestimmte Zeitdauer ist, wartet die CPU (4) auf die Umkehrung des Schaltzustands der Schaltvorrichtung, bis ein eine Zeitdauer die vorbestimmte Zeitdauer erreicht.
4. System nach Anspruch 1, wobei die digitale CPU (4) die Maximalleistungssteuerung derart durchführt, dass die Betriebsspannung der Solarzelle derart gesteuert wird, dass aus der Solarzelle (1) eine maximale Leistung entnommen wird.
5. System nach Anspruch 4, wobei die digitale CPU (4) die Maximalleistungssteuerung derart durchführt, dass sie durch eine Umkehrungsanforderungsunterbrechungsverarbeitung zur Umkehrung des Schaltzustands unterbrochen wird.
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