JP2002112553A - 電力変換装置およびその制御方法、並びに、発電装置 - Google Patents

電力変換装置およびその制御方法、並びに、発電装置

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JP2002112553A JP2000299976A JP2000299976A JP2002112553A JP 2002112553 A JP2002112553 A JP 2002112553A JP 2000299976 A JP2000299976 A JP 2000299976A JP 2000299976 A JP2000299976 A JP 2000299976A JP 2002112553 A JP2002112553 A JP 2002112553A
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Masaki Suzui
正毅 鈴井
Nobuyoshi Takehara
信善 竹原
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Canon Inc
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    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
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    • Y02P90/50—Energy storage in industry with an added climate change mitigation effect
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y10S—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10S323/00—Electricity: power supply or regulation systems
    • Y10S323/906—Solar cell systems

Abstract

(57)【要約】 【課題】 太陽光発電装置において、制御回路などに必
要な電力をインバータの負荷側から供給する場合、入力
電圧がインバータを停止すべき閾値電圧を下回わり、所
定時間が経過してインバータが停止するまでの期間は、
インバータから出力される電力よりインバータが消費す
る電力が大きくなる、無駄な電力を消費する期間が発生
する。 【解決手段】 所定時間T1の間、入力電力P1を積算し
て、積算電力量W1を算出する(S1)。算出される積算電力
量W1と閾値Y1とを比較して(S2)、W1<Y1の場合はゲート
ブロック信号を出力して(S3)、インバータの運転を停止
する。また、W1≧Y1の場合はステップS1へ戻る。閾値Y1
には、インバータの無負荷電力と所定時間T1との積に相
当する値を設定する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は電力変換装置および
その制御方法、並びに、発電装置に関し、例えば、太陽
光発電装置に利用されるインバータなどの電力変換装置
およびその制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】日射に応じて発電する太陽電池の発電力
は、朝夕あるいは曇天や雨天時などに小さい。発電力が
小さい場合、商用電力系統（以下、単に「系統」と呼
ぶ）へ連系された太陽光発電装置のインバータが起動と
停止を繰り返す可能性がある。このため、無用なインバ
ータの停止を抑制した運転方法が要求される。このよう
な運転方法として、例えば第2509187号特許公報に記載
された、インバータの直流入力電圧が閾値より大きい場
合は所定時間待ってインバータを起動する、特開2000-2
3367号公報に記載された、インバータの直流入力電圧が
閾値以上の場合は所定時間待って、インバータを停止す
るなどがある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】図1に示すように、イ
ンバータの直流入力電圧Vが急激に低下する場合、入力
電力P1もこれに伴って急激に低下する。インバータの制
御回路などに必要な電力（以下「無負荷電力」と呼ぶ場
合がある）を系統など、インバータの負荷側から供給す
る場合、入力電圧Vがインバータを停止すべき閾値電圧V
1を下回わり、上記の所定時間が経過してインバータが
停止するまでの期間は、インバータから出力される電力
よりインバータが消費する電力が大きくなる、無駄な電
力を消費する期間が発生する可能性がある。
【０００４】また、図2に示すように、入力電圧Vが閾値
電圧V1付近で上下する場合、インバータの運転が停止さ
れることなく、さらに無駄な電力を消費する可能性があ
る。
【０００５】上記の無駄な電力の消費を抑えるために上
記の所定時間を短縮すれば、インバータの起動と停止が
繰り返される可能性が高くなる。
【０００６】本発明は、上述の問題を解決するためのも
のであり、電力変換装置の無駄な電力消費を抑制するこ
とを目的とする。
【０００７】また、電力変換装置の無用な停止を抑制す
ることを他の目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】本発明は、前記の目的を
達成する一手段として、以下の構成を備える。
【０００９】本発明にかかる電力変換装置は、直流電力
を交流電力に変換する変換手段と、前記変換手段の入力
または出力電力を計測し、所定期間ごとに積算する計測
手段と、前記計測手段の積算値が所定値未満になると前
記変換手段の変換動作を停止する制御手段とを有するこ
とを特徴とする。
【００１０】また、入力直流電力を電圧が異なる直流電
力に変換する変換手段と、前記変換手段の入力または出
力電力を計測し、所定期間ごとに積算する計測手段と、
前記計測手段の積算値が所定値未満になると前記変換手
段の変換動作を停止する制御手段とを有することを特徴
とする。
【００１１】本発明にかかる発電装置は、直流電力を交
流電力に変換する変換手段と、前記変換手段の入力また
は出力電力を計測し、所定期間ごとに積算する計測手段
と、前記計測手段の積算値が所定値未満になると前記変
換手段の変換動作を停止する制御手段とを有する電力変
換装置を備えることを特徴とする。
【００１２】本発明にかかる制御方法は、直流電力を交
流電力に変換する変換手段、前記変換手段の入力または
出力電力を計測し、所定期間ごとに積算する計測手段を
有する電力変換装置の制御方法であって、前記計測手段
の積算値が所定値未満になると前記変換手段の変換動作
を停止することを特徴とする。
【００１３】
【発明の実施の形態】以下、本発明にかかる一実施形態
の発電装置を図面を参照して詳細に説明する。
【００１４】［構成］図3はインバータ2を含む系統連系
型の太陽光発電装置の構成例を示すブロック図である。
なお、インバータ2は、一般的な系統連系型のインバー
タの回路構成を有する。
【００１５】太陽電池1は、アモルファスシリコン、微
結晶シリコン、多結晶シリコン、単結晶シリコンまたは
これらの組み合わせ、あるいは、化合物半導体などを用
いる各種太陽電池である。通常は、複数の太陽電池モジ
ュールを直並列に組み合わせて、所望の電圧および電流
が得られるようにアレイ構成を行う。アレイ構成におけ
る太陽電池モジュールの数に制限はない。
【００１６】インバータ2は、太陽電池1から入力される
直流電力を交流電力に変換して系統3へ出力する。系統3
は、一般的な商用電力系統であるが、工場などの自家発
電系統でもよく、いかなる形態の系統でもよい。
【００１７】●インバータ 電力変換回路23は、コンバータ回路、インバータ回路お
よび連系リアクタなどから構成される。
【００１８】入力電力検出部211は、インバータ2の入力
電力P1を検出し、その検出結果を積算電力量演算部25へ
出力する。積算電力量演算部25は、所定時間T1の間、入
力電力P1を積算し、その積算結果である積算電力量W1を
比較器28へ出力する。
【００１９】計時部26は、タイミングや時間を示す信号
tを積算電力量演算部25などへ出力する。設定値メモリ2
7には、インバータ2の運転を停止する積算電力量W1の閾
値Y1が格納されている。比較器28は、積算電力量W1と閾
値Y1とを比較して、W1<Y1の場合、制御部29へ停止信号
を出力する。
【００２０】制御部29は、インバータ2全体を制御し、
電力変換回路23のコンバータ回路およびインバータ回路
のスイッチング素子へゲート駆動信号を出力する。ま
た、比較器28から停止信号が入力されると、電力変換回
路23へゲートブロック信号を出力する。さらに、系統連
系型のインバータが一般的に備える昇圧制御、出力波形
制御、起動停止制御および最大出力点追尾(MPPT; Maxim
um Power Point Tracking)制御などの機能を備えるほ
か、連系保護やインバータ保護などの機能も備えてい
る。これら機能の詳細説明は省略する。
【００２１】なお、制御部29は、CPU、DSP(Digital Sig
nal Processor)、メモリおよびI/Oなどを備えるワンチ
ップマイクロプロセッサ、A/D変換器およびアナログ回
路などによって構成される。近年、高性能化かつ低価格
化したCPUやDSPを用いれば、各種制御をソフトウェアに
より実現することができ、インバータ2の小型化、低価
格化および設計自由度の向上など、様々なメリットを得
ることができる。
【００２２】なお、実施形態の発電装置は、上記の構成
に限定されるものではない。要は、発電装置の入力電力
が低下して、インバータから出力される電力よりインバ
ータが消費する電力が大きくなる、無駄な電力を消費す
る期間を抑制できる構成であればよい。そして、この期
間を抑制するために、入力電力や出力電力の積算値や平
均値に基づき電力変換装置の運転を停止できる構成であ
ればよい。従って、交流や直流といった出力電力の形
態、系統連系型や独立型といったシステムの形態は問わ
ない。さらに、発電装置の無負荷消費電力のすべてが入
力（太陽電池1）側から供給される構成でなければ、そ
の供給源も問わない。
【００２３】［制御］図4はインバータ2の基本的な停止
方法を説明するフローチャートである。
【００２４】所定時間T1の間、入力電力P1を積算して、
積算電力量W1を算出する(S1)。算出される積算電力量W1
と閾値Y1とを比較して(S2)、W1<Y1の場合はゲートブロ
ック信号を出力して、インバータ2の運転を停止する。
また、W1≧Y1の場合はステップS1へ戻る。
【００２５】このような制御を行えば、積算電力量W1が
閾値Y1未満の場合、インバータ2の運転は停止される。
従って、インバータ2の無負荷電力と所定時間T1との積
に相当する閾値Y1を設定すれば、入力電力P1が無負荷電
力を継続して下回る場合、インバータ2の運転を停止す
ることができる。なお、どのタイミングで積算電力量W1
が閾値Y1を下回るかは、入力電力P1が滑らかに低下する
として、入力電力P1が低下する傾きなどで異なる。
【００２６】また、入力電力P1の積算値である積算電力
量W1に基づき、インバータ2の運転を停止する制御を行
うため、太陽電池1の発電電力が小さな場合や変動する
場合でも、無用なインバータ2の停止を抑制できる。
【００２７】なお、本実施形態のインバータ2の停止方
法は、その起動方法に依存しない。従って、起動方法に
関する説明は省略する。
【００２８】以下では、具体的なインバータ2の停止方
法を実施例として説明する。
【００２９】
【第1実施例】図5は第1実施例のインバータ2の詳細を示
すブロック図である。インバータ2の無負荷電力は20Wで
ある。太陽電池1には、標準日射（1m2当り1kWの日射強
度）において2kWを出力する太陽電池モジュールを使用
する。系統3は単相三線式200V、60Hzである。
【００３０】図6は時間t秒における入力電圧V[V]および
入力電力P1[W]、さらに積算電力量W1[Ws]の関係を示す
図である。なお、日射の変動は、速くても秒単位である
から、後述するA/D変換器のサンプリング周波数は数Hz
程度で充分で、A/D変換器のサンプリング周波数を1Hzに
設定する。従って、計時部26は1秒間隔の信号tを出力す
る。
【００３１】●実施例の停止方法 入力電力P1が無負荷電力を下回る場合に適切にインバー
タ2の運転を停止でき、かつ、無用なインバータ2の停止
を抑制するため、入力電力P1の積算時間T1を9秒間にす
る。従って、インバータ2を停止する閾値Y1は、所定時
間T1と無負荷電力の積である200Ws(20W×10s)に設定す
る。
【００３２】図7はインバータ2の停止方法を説明するフ
ローチャートである。
【００３３】図5に示す電圧検出器21はインバータ2の入
力電圧Vを検出し、その検出値をA/D変換器24へ供給す
る。また、電流検出器22はインバータ2の入力電流Iを検
出し、その検出値をA/D変換器24へ供給する。
【００３４】A/D変換器24は、上記の検出値それぞれを1
秒ごとにディジタルデータへ変換し、積算電力量演算部
25へ出力する(S11)。積算電力量演算部25は、入力され
るディジタルデータから入力電力P1=V×Iを演算し(S1
2)、入力電力P1を10データ分加算する。すなわち、入力
電力P1を積算する(S13)。そして、信号tに基づき(S1
4)、1秒ごとに積算電力量W1を出力し、次の積算を開始
する(S15)。
【００３５】比較器28は、積算電力量W1と閾値Y1を比較
して(S16)、W1<Y1の場合、停止信号を制御部29へ出力す
る。またW1≧Y1の場合、上記の10データのうち最も古い
データを一つ廃棄する(S18)。なお、次の積算電力量の
演算では、残りの9データと新たに入力される一つの入
力電力P1の合計10データを加算する。制御部29は、停止
信号を受信するとゲートブロック信号を出力するととも
に開閉器210を開状態にする(S17)。
【００３６】●比較例の停止方法 比較のために、一般的なインバータ2の停止方法を説明
する。なお、インバータ2の無負荷電力、太陽電池1の構
成、系統3の形態、サンプリング間隔などの条件は上記
と同じである。
【００３７】閾値V1は、図6に示すように、入力電力が
無負荷電力になる198Vに設定する。また、無用なインバ
ータの停止を極力抑制するために、所定時間T2は積算時
間T1の約二倍の20秒に設定する。
【００３８】図8は一般的なインバータ2の構成例を示す
ブロック図、図9は一般的なインバータ2の停止方法を示
すフローチャートである。
【００３９】図8に示す電圧検出器21はインバータ2の入
力電圧Vを検出し、その検出値をA/D変換器24へ供給す
る。
【００４０】A/D変換器24は、上記の検出値を1秒ごとに
ディジタルデータへ変換し、比較器28へ出力する(S2
1)。比較器28は、入力電圧Vと閾値V1とを比較し、その
結果を制御部29へ出力する(S22)。
【００４１】制御部29は、V<V1か否か(S23)、および、
計時中か否かを判定する(S24およびS25)。V<V1、かつ、
計時中ではない場合、計時部26にカウントを開始させる
(S26)。また、V≧V1、かつ、計時中の場合は計時部26に
カウントを中止させ、カウント値をリセットさせる(S2
7)。
【００４２】さらに、V<V1の場合、制御部29は、カウン
ト値が所定時間T2の経過を示すか否かを判定し(S28)、T
2経過した場合はゲートブロック信号を出力するととも
に開閉器210を開状態にする(S29)。
【００４３】従って、入力電圧Vが閾値V1(=198V)未満の
状態が所定時間T2(20秒)以上継続すると、インバータ2
の運転が停止される。
【００４４】●検証実験 上記実施例の停止方法と、比較例の停止方法との検証実
験の結果を、図6に基づき説明する。
【００４５】まず、入力電力P1が急激に低下する図6に
示す条件下で、比較例の停止方法で実験を行った。その
結果、図6に示すように、入力電圧Vは27秒のタイミング
で閾値V1(=198V)を下回り、所定時間T2（=20秒）が経過
した47秒のタイミングでインバータ2が停止した。
【００４６】次に、同様の条件下で、実施例の停止方法
で実験を行った。その結果、図6に示すように、積算電
力量W1は30秒のタイミングで閾値Y1(=200Ws)を下回り、
インバータ2が停止した。つまり、入力電力P1が無負荷
消費電力20Wを下回った後、遅延時間T3（=3秒）後にイ
ンバータ2が停止したことになる。
【００４７】このように、実施例の停止方法は、比較例
に比べて、インバータ2を17秒早く停止したことにな
り、その分、無駄な消費電力を減らすことができた。
【００４８】
【第2実施例】電力変換回路23による電力変換には損失
が伴うから、インバータ2の出力電力は入力電力よりも
小さい。つまり、インバータ2の出力電力が無負荷電力
を下回るか否かの判定は出力電力に基づき行う方が正確
である。従って、インバータ2の停止も、入力電力P1に
基づき制御するよりも、出力電力に基づき制御する方が
好ましい。
【００４９】第2実施例のインバータ2は、図10に示すよ
うに、入力電力P1の代わりに出力電力P2からインバータ
2の停止を行う。なお、電圧検出器21および電流検出器2
2が、電力変換回路23と開閉器210との間に配置され、積
算電力量演算部25が交流電力を演算する以外、構成およ
び動作は第1実施例のインバータ2と同じである。
【００５０】図11は時間t[s]における入力電圧V[V]およ
び出力電力P2[W]、さらに積算電力量W1[Ws]の関係を示
す図である。出力電力P2が無負荷電力の20W付近で上下
する例である。
【００５１】まず、このような条件下で、比較例の停止
方法で実験を行った。その結果、図11に示すように、入
力電圧Vは、何度も閾値V1(=198V)を下回るが、所定時間
T2（=20秒）の間継続して下回ることはなく、インバー
タ2の運転は継続された。この結果、出力電力P2が無負
荷電力を下回る期間、その不足分の電力が系統3から供
給された。そこで、比較例の停止方法において、所定時
間T2を遅延時間T3に相当する3秒に縮めて同様の実験を
行った。すると、運転開始直後の6秒のタイミングでイ
ンバータ2は停止してしまった。
【００５２】次に、同様の条件下で、実施例の停止方法
で実験を行った。その結果、図11に示すように、45秒の
タイミングで積算電力量W1は閾値Y1(=200Ws)を下回り、
インバータ2が停止した。この結果、50秒のタイミング
以降、無負荷電力の不足分の電力が系統3から供給され
ることはなかった。
【００５３】
【第3実施例】第3実施例では、図12および図13に示すよ
うに、インバータの代わりにDC/DCコンバータ4を用い
て、太陽電池1から出力される直流電力を、所望する電
圧の直流電力に変換して、負荷6およびバッテリ7に供給
する例を説明する。
【００５４】DC/DCコンバータ4の主回路の構成は一般的
なコンバータと同じである。また、バッテリ7に12Vの鉛
電池を使用すれば、電力変換回路23の出力電圧は13V付
近である。DC/DCコンバータ4の無負荷電力は、出力（バ
ッテリ7）側から供給される。
【００５５】負荷6には一般的な電気負荷として12V、10
0Wの発熱電球を、バッテリ7には一般的な二次電池とし
て12V、100Ahの鉛電池を用いる。
【００５６】なお、図12のDC/DCコンバータ4は実施例の
停止方法を、図13のDC/DCコンバータ4は比較例の停止方
法を実行する。
【００５７】図6とほぼ同じ条件下で、第1実施例とほぼ
同様の検証を行った。すると、第1実施例と同様に、比
較例の停止方法では、入力電力P1が無負荷電力(=20W)を
下回ってから所定時間T2の間、DC/DCコンバータ4の運転
が継続され、バッテリ7の電力を消費した。一方、実施
例の停止方法では、入力電力P1が無負荷電力を下回る
と、30秒のタイミングでDC/DCコンバータ4の運転が停止
され、無駄な電力消費を抑えることができた。
【００５８】次に、図11とほぼ同じ条件下で、第2実施
例とほぼ同様の検証を行った。ただし、図11に示す出力
電力P2を積算する代わりに、入力電力P1を積算した。こ
の結果、第2実施例と同様、比較例の停止方法では、DC/
DCコンバータ4の運転が継続され、バッテリ7の電力が消
費され続けた。さらに、所定時間T2を遅延時間T3に相当
する3秒に縮めると、図11の6秒に対応するタイミングで
DC/DCコンバータ4の運転が停止されてしまった。一方、
実施例の停止方法では、図11の45秒に対応する、積算電
力量W1が所定値Y1(=200Ws)を下回ったタイミングでDC/D
Cコンバータ4の運転が停止された。
【００５９】このように、本実施形態によれば、交流出
力や直流出力といった形態、系統連系型や独立型といっ
た形態に関らず、発電装置の出力電力が無負荷電力を下
回る状態での運転を回避するとともに、無用な停止を抑
制することができる。本実施形態の発電装置と系統など
とを連系すれば、朝夕あるいは曇天や雨天時などに小さ
くなる発電力の低下を考慮した、効率的な発電装置にす
ることができる。
【００６０】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
電力変換装置の無駄な電力消費を抑制することができ
る。
【００６１】また、電力変換装置の無用な停止を抑制す
ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】インバータの直流入力電圧・電力が急激に低下
する状況を説明する図、
【図２】インバータの直流入力電圧が閾値電圧V1付近で
上下する場合を説明する図、
【図３】系統連系型の太陽光発電装置の構成例を示すブ
ロック図、
【図４】インバータの基本的な停止方法を説明するフロ
ーチャート、
【図５】第1実施例のインバータの詳細を示すブロック
図、
【図６】入力電圧Vおよび入力電力P1、さらに積算電力
量W1の関係を示す図、
【図７】第1実施例のインバータの停止方法を説明する
フローチャート、
【図８】一般的なインバータの構成例を示すブロック
図、
【図９】一般的なインバータの停止方法を示すフローチ
ャート、
【図１０】第2実施例のインバータの詳細を示すブロッ
ク図、
【図１１】入力電圧Vおよび出力電力P2、さらに積算電
力量W1の関係を示す図、
【図１２】第3実施例のコンバータの詳細を示すブロッ
ク図、
【図１３】一般的なコンバータの構成例を示すブロック
図である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 5H007 AA12 BB07 DA04 DB02 DB12 DC02 DC03 DC05 FA14 FA19 GA08 5H420 BB03 BB14 CC03 DD03 EA37 EB01 EB26 EB39 FF03 FF04 FF05 FF22 KK10

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 直流電力を交流電力に変換する変換手段
    と、 前記変換手段の入力または出力電力を計測し、所定期間
    ごとに積算する計測手段と、 前記計測手段の積算値が所定値未満になると前記変換手
    段の変換動作を停止する制御手段とを有することを特徴
    とする電力変換装置。
  2. 【請求項２】 前記計測手段および前記制御手段の電力
    は、前記変換手段の出力側から供給されることを特徴と
    する請求項1に記載された電力変換装置。
  3. 【請求項３】 前記直流電力は太陽電池から供給され、
    前記変換手段から出力される交流電力は商用電力系統に
    供給されることを特徴とする請求項1または請求項2に記
    載された電力変換装置。
  4. 【請求項４】 入力直流電力を電圧が異なる直流電力に
    変換する変換手段と、 前記変換手段の入力または出力電力を計測し、所定期間
    ごとに積算する計測手段と、 前記計測手段の積算値が所定値未満になると前記変換手
    段の変換動作を停止する制御手段とを有することを特徴
    とする電力変換装置。
  5. 【請求項５】 前記計測手段および前記制御手段の電力
    は、前記変換手段の出力側から供給されることを特徴と
    する請求項4に記載された電力変換装置。
  6. 【請求項６】 前記入力直流電力は太陽電池から供給さ
    れ、前記変換手段から出力される直流電力は少なくとも
    二次電池に供給されることを特徴とする請求項4または
    請求項5に記載された電力変換装置。
  7. 【請求項７】 請求項1から請求項6の何れかに記載され
    た電力変換装置を有することを特徴とする発電装置。
  8. 【請求項８】 直流電力を交流電力に変換する変換手
    段、前記変換手段の入力または出力電力を計測し、所定
    期間ごとに積算する計測手段を有する電力変換装置の制
    御方法であって、 前記計測手段の積算値が所定値未満になると前記変換手
    段の変換動作を停止することを特徴とする制御方法。
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