JP2004364493A - Electric power conversion apparatus and control method therefor, as well as solar power generation arrangement - Google Patents

Electric power conversion apparatus and control method therefor, as well as solar power generation arrangement Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To suppress, when stopping an inverter in an output destination of a DC/DC converter, abnormal surge in the voltage generated in the output of the converter, in a solar power generation system. <P>SOLUTION: The DC/DC converter stepping up output voltage of a solar battery 1 is constituted by a detector 31 for detecting the input current from the solar battery 1, a drive circuit 46 for supplying drive pulses to switching elements 33 and 34 for switching the output power of the solar battery 1, a transformer 15 for stepping up the power made switching, a rectifier circuit 36 rectifying the power stepped up, as well as, a duty selector circuit 146 decreasing an on-duty of the drive pulse when the input current is small. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は電力変換装置およびその制御方法、並びに、太陽光発電装置に関する。   The present invention relates to a power conversion device, a control method thereof, and a solar power generation device.

近年、化石燃料の使用に伴う二酸化炭素などの排出による地球温暖化、原子力発電所の事故や放射性廃棄物による放射能汚染などの問題が深刻になり、地球環境とエネルギに対する関心が高まっている。このような状況の下、無尽蔵かつクリーンなエネルギ源として太陽光を利用する太陽光発電が世界中で実用化されている。   In recent years, problems such as global warming due to emission of carbon dioxide and the like due to the use of fossil fuels, accidents at nuclear power plants and radioactive contamination by radioactive waste have become serious, and interest in the global environment and energy has been increasing. Under such circumstances, photovoltaic power generation using sunlight as an inexhaustible and clean energy source has been put to practical use all over the world.

太陽電池を利用した太陽光発電の形態としては、数Wから数千kWまでの出力規模に応じた種々の形態がある。太陽電池を使用した代表的なシステムとしては、太陽電池によって発電された直流電力をインバータなどにより交流電力に変換(直交変換)して需要家の負荷や、商用電力系統(以下「系統」と呼ぶ)に供給するシステムがある。   As a form of photovoltaic power generation using a solar cell, there are various forms corresponding to an output scale from several W to several thousand kW. As a typical system using a solar cell, DC power generated by the solar cell is converted (orthogonal-converted) into AC power by an inverter or the like, and a load on a customer or a commercial power system (hereinafter, referred to as a “system”). ).

図1は太陽光発電システムの概観図、図2は太陽発電システムの接続を示すブロック図である。   FIG. 1 is a schematic view of a photovoltaic power generation system, and FIG. 2 is a block diagram showing connection of the photovoltaic power generation system.

図1および2に示す太陽電池モジュール75は、出力電圧が数Vの太陽電池セルを複数枚直列接続したもので、20V程度の電圧を出力する。さらに、太陽電池モジュール75を複数枚直列接続して、200V程度の出力電圧が得られる太陽電池ストリング76を構成し、単数または必要ならば複数の太陽電池ストリング76を、系統72に連系するインバータ71に接続することで、系統連系型の太陽光発電システムを構築する。   The solar cell module 75 shown in FIGS. 1 and 2 is obtained by connecting a plurality of solar cells having an output voltage of several V in series, and outputs a voltage of about 20 V. Further, a plurality of solar cell modules 75 are connected in series to form a solar cell string 76 that can obtain an output voltage of about 200 V, and an inverter that connects one or more solar cell strings 76 to the system 72 if necessary. By connecting to 71, a grid-connected solar power generation system is built.

ところで、太陽光発電システムを構成する太陽電池セルには、その特性上、負荷によって電圧が変わる性質がある。無負荷時の開放電圧は、太陽電池セルの出力が最大になる最適動作点電圧よりも必ず高くなる。発電装置として効率よく使用するには太陽電池セルを最適動作点で作動させればよい(すなわち最適な負荷を与えればよい)が、負荷が軽くなる(すなわち負荷抵抗値が大きくなる)ような場合、太陽電池セルの電圧が上昇する。従って、インバータ71が停止状態になると、太陽電池セルの電圧は開放電圧まで上昇するから、太陽電池セルを直列接続した太陽電池ストリング76につながれるインバータ71などの電力変換装置は、この電圧上昇に耐え得るものでなければならない。   By the way, the photovoltaic cell constituting the photovoltaic power generation system has a characteristic that the voltage changes depending on the load due to its characteristics. The open-circuit voltage under no load is always higher than the optimum operating point voltage at which the output of the solar cell is maximized. In order to use the photovoltaic cell efficiently as a power generation device, the solar cell may be operated at the optimal operating point (that is, an optimal load may be applied), but when the load becomes light (that is, the load resistance increases). As a result, the voltage of the solar cell increases. Therefore, when the inverter 71 is stopped, the voltage of the photovoltaic cells rises to the open-circuit voltage.Therefore, the power conversion device such as the inverter 71 connected to the photovoltaic string 76 in which the photovoltaic cells are connected in series causes the voltage to rise. Must be endurable.

太陽電池セルの開放電圧など出力電圧の上昇対策として、特開2000-228529公報に示されるように、太陽電池セルやモジュールに電圧抑制素子を取り付けて、電圧上昇を抑制する方法が知られている。図3および4は、特開2000-228529公報に開示された電圧上昇抑制方法を示す図である。太陽電池セル77にバイパスダイオード78および電圧抑制素子79を並列接続して、電圧抑制素子79の順方向降下電圧やツェナー電圧によって、太陽電池セル7の出力電圧の上昇を抑制する。   As a countermeasure against an increase in output voltage such as the open-circuit voltage of a solar cell, as disclosed in JP-A-2000-228529, a method is known in which a voltage suppressor is attached to a solar cell or a module to suppress a voltage increase. . 3 and 4 are diagrams showing a voltage rise suppression method disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-228529. A bypass diode 78 and a voltage suppression element 79 are connected in parallel to the solar cell 77, and an increase in the output voltage of the solar cell 7 is suppressed by a forward drop voltage or a Zener voltage of the voltage suppression element 79.

このような太陽光発電システムに対して、本発明者らは、太陽光発電システムの有効な形態として高昇圧オープンループDC/DCコンバータ(以下、単に「DC/DCコンバータ」と呼ぶ)を用いる太陽光発電システムの検討を行った。この太陽光発電システムは、太陽電池モジュール75や太陽電池ストリング76のように、太陽電池セルを多数直列化したものをインバータ71に接続する構成ではなく、単セルもしくは数枚のセルを直列化し、その近傍に、定電圧制御や最大動作点追尾などの負帰還制御を行わない、オープンループのDC/DCコンバータを配置して、DC/DCコンバータ付き太陽電池モジュールを構成し、その出力をインバータに供給するものである。このような太陽光発電システムの優位性として、以下が挙げられる。   For such a photovoltaic power generation system, the present inventors have proposed a solar power generation system using a high step-up open-loop DC / DC converter (hereinafter simply referred to as “DC / DC converter”) as an effective form of the photovoltaic power generation system. A photovoltaic power generation system was studied. This solar power generation system does not have a configuration in which a large number of solar cells are serialized and connected to an inverter 71, such as a solar cell module 75 or a solar cell string 76, but serializes a single cell or several cells, An open-loop DC / DC converter that does not perform negative feedback control such as constant voltage control or maximum operating point tracking is arranged in the vicinity, and a solar cell module with a DC / DC converter is configured. Supply. The advantages of such a solar power generation system include the following.

(1)一般の太陽電池モジュールは、系統電圧に対して、かなり低い出力電圧を有す。そのため、一般の太陽電池モジュールを用いて系統連系型の太陽光発電システムを形成すると、数多くの太陽電池モジュールを直列接続して必要な電圧を得るしかない。その結果、小規模な太陽光発電システムを構築することはできない。しかし、DC/DCコンバータ付き太陽電池モジュールによれば、高い出力電圧を有する太陽電池モジュールを構成できるので、小容量の太陽光発電システムでも容易に構成できる。   (1) A general solar cell module has a considerably lower output voltage than the system voltage. Therefore, when a system interconnection type photovoltaic power generation system is formed using a general solar cell module, a required voltage can only be obtained by connecting a large number of solar cell modules in series. As a result, a small-scale solar power generation system cannot be constructed. However, according to the solar cell module with a DC / DC converter, a solar cell module having a high output voltage can be configured, so that a small-capacity solar power generation system can be easily configured.

(2)一般の太陽電池モジュールを直列接続して高電圧化する場合、必然的に、太陽電池モジュール内の太陽電池素子には高電圧がかかった部分が存在する。このような事情から、一般の太陽電池モジュールは、万一の被覆破れに対応するために被覆材(絶縁材)のコストが大きくなる。しかし、DC/DCコンバータ付き太陽電池モジュールは、太陽電池素子の被覆(絶縁)を薄くすることができ、その結果、大幅なコスト削減が可能になる。   (2) When a general solar cell module is connected in series to increase the voltage, the solar cell element in the solar cell module necessarily has a high voltage applied portion. Under such circumstances, the cost of the covering material (insulating material) of a general solar cell module increases in order to cope with a breakage of the covering. However, a solar cell module with a DC / DC converter can make the coating (insulation) of the solar cell element thinner, and as a result, a significant cost reduction can be achieved.

(3)単セルを使用する場合、直列化工程が不要で、直列するセル間の距離をとる必要がないためにアクティブエリアが広い。   (3) When a single cell is used, a serialization step is not required, and the active area is wide because there is no need to keep a distance between cells in series.

発明者らは、DC/DCコンバータ付き太陽電池モジュールを使用する太陽光発電システムを検討する過程で、DC/DCコンバータの出力先のインバータが停止した際に、DC/DCコンバータの出力に、前述した太陽電池セルの軽負荷時における電圧上昇だけでは説明がつかない程の異常な電圧上昇が発生し、インバータを必要以上の高入力電圧に設計する必要が生じる問題に遭遇した。   In the process of studying a photovoltaic power generation system using a photovoltaic module with a DC / DC converter, when the inverter at the output destination of the DC / DC converter was stopped, the inventors added the aforementioned output to the DC / DC converter. Abnormal voltage rise that cannot be explained by the voltage rise of the photovoltaic cells at light load alone has occurred, and a problem has arisen that the inverter must be designed to have a higher input voltage than necessary.

この現象をもう少し詳しく説明する。例えば、太陽電池の開放電圧をVoc、最適動作点電圧をVpm、フルデューティで動作するオープンループのDC/DCコンバータの昇圧比をNとする。この場合、DC/DCコンバータの出力電圧は、インバータが動作中は略Vpm×N[V]、インバータが停止すれば理論的にはVoc×N[V]になるはずである。しかし、現実に、インバータが停止時の出力電圧を測定すると、Voc×N[V]を遥かに超えた電圧になる。発明者らは、この現象を「異常電圧上昇」と名付けた。   This phenomenon will be described in more detail. For example, it is assumed that the open voltage of the solar cell is Voc, the optimum operating point voltage is Vpm, and the boost ratio of the open-loop DC / DC converter operating at full duty is N. In this case, the output voltage of the DC / DC converter should be approximately Vpm × N [V] while the inverter is operating, and theoretically Voc × N [V] when the inverter stops. However, actually, when the output voltage when the inverter is stopped is measured, the output voltage is much higher than Voc × N [V]. The inventors have named this phenomenon "abnormal voltage rise".

特開2000-228529公報JP 2000-228529 A

本発明は、上述の問題を個々にまたはまとめて解決するもので、異常電圧上昇の抑制を目的とする。   The present invention solves the above-mentioned problems individually or collectively, and aims at suppressing an abnormal voltage rise.

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。   The present invention has the following configuration as one means for achieving the above object.

本発明の、太陽電池の出力電圧を昇圧する電力変換装置は、太陽電池からの入力値を検出する検出器、太陽電池の出力電力をスイッチングするスイッチング回路に駆動パルスを供給する駆動回路、スイッチングされた電力を昇圧するトランス、昇圧された電力を整流する整流回路、検出器の検出値に応じて、駆動パルスのオンデューティを制御する制御回路とを有することを特徴とする。   A power converter for boosting an output voltage of a solar cell according to the present invention includes a detector that detects an input value from the solar cell, a driving circuit that supplies a driving pulse to a switching circuit that switches output power of the solar cell, And a control circuit for controlling the on-duty of the drive pulse in accordance with the detection value of the detector.

また、本発明の制御方法は、上記電力変換装置の制御方法であって、検出器の検出値に応じて、駆動パルスのオンデューティを制御することを特徴とする。   Further, a control method of the present invention is the control method of the power conversion device, wherein the on-duty of the drive pulse is controlled according to a detection value of the detector.

また、本発明の太陽光発電装置は、太陽電池、上記の電力変換装置、および、電力変換装置から出力される直流電力を交流電力に変換するインバータを有することを特徴とする。   Further, a solar power generation device according to the present invention includes a solar cell, the above-described power conversion device, and an inverter that converts DC power output from the power conversion device into AC power.

本発明によれば、異常電圧上昇を抑制することができる。従って、DC/DCコンバータの接続先であるインバータを必要以上の高入力電圧に設計する必要がなく、インバータを含む太陽光発電装置(システム)のトータルコストの削減に貢献する。   According to the present invention, an abnormal voltage rise can be suppressed. Therefore, there is no need to design the inverter to which the DC / DC converter is connected to an input voltage that is higher than necessary, which contributes to a reduction in the total cost of the photovoltaic power generation device (system) including the inverter.

以下、本発明にかかる実施例の太陽光発電システム(装置)を図面を参照して詳細に説明する。   Hereinafter, a photovoltaic power generation system (apparatus) according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

発明者らは、太陽光発電システムの一つの有効な形態として「高昇圧オープンループDC/DCコンバータ」の開発を行った。その結果、DC/DCコンバータの負荷として接続されるインバータが、充分な電流を入力しない場合や、停止した際に、異常電圧上昇が発生し、インバータに必要以上の高耐圧が要求されるという課題に遭遇した。以下、DC/DCコンバータを使用したシステム、DC/DCコンバータの構成、動作、そして異常電圧上昇とその対策について順を追って説明する。   The inventors have developed a “high step-up open-loop DC / DC converter” as one effective form of a photovoltaic power generation system. As a result, when the inverter connected as a load of the DC / DC converter does not input a sufficient current or stops, an abnormal voltage rise occurs, and the inverter is required to have a higher withstand voltage than necessary. Encountered. Hereinafter, the system using the DC / DC converter, the configuration and operation of the DC / DC converter, and the abnormal voltage rise and its countermeasures will be described step by step.

[太陽光発電システムの構成]
図5はDC/DCコンバータを使用した太陽光発電システムの構成例を示すブロック図である。
[Configuration of solar power generation system]
FIG. 5 is a block diagram showing a configuration example of a photovoltaic power generation system using a DC / DC converter.

太陽電池1の発電電力は、DC/DCコンバータ2によって昇圧され、インバータ3によって交流電力に変換されて系統4へ連系される。なお、図5に示すシステムでは、太陽電池1とDC/DCコンバータ2のセットを複数組並列接続してインバータ3に接続し、インバータ3から系統4に電力を逆潮流する系統連系システムを構成する。   The power generated by the solar cell 1 is boosted by the DC / DC converter 2, converted into AC power by the inverter 3, and connected to the grid 4. In the system shown in FIG. 5, a plurality of sets of a solar cell 1 and a DC / DC converter 2 are connected in parallel and connected to an inverter 3 to constitute a system interconnection system in which power flows backward from the inverter 3 to a system 4. I do.

●太陽電池
太陽電池1は、太陽光が遮られることがない屋根などの屋外に設置され、直列接続数を制限して出力電圧が低電圧になるように構成する。太陽電池1には、アモルファスシリコン系、多結晶シリコン系、結晶シリコン系などの太陽電池が使用可能である。実施例においては、アモルファスシリコン系を三層に積層した積層型太陽電池セルを太陽電池1に使用した。その特性を以下に示す。また、図6は太陽電池1の出力特性を示す図である。
定格日射量 1kW/m2 周囲温度 25℃
短絡電流 Isc = 12.45A
開放電圧 Voc = 1.4V
最大動作点電流 Ipm = 10.0A
最大動作点電圧 Vpm = 1.0V
最大出力電力 Pmax = 10W
● Solar cell The solar cell 1 is installed outdoors such as a roof where sunlight is not blocked, and is configured so that the output voltage is low by limiting the number of series connections. As the solar cell 1, an amorphous silicon-based, polycrystalline silicon-based, or crystalline silicon-based solar cell can be used. In the examples, a stacked solar cell in which three layers of amorphous silicon were stacked was used for the solar cell 1. The characteristics are shown below. FIG. 6 is a diagram showing output characteristics of the solar cell 1.
Rated solar radiation 1kW / m 2 Ambient temperature 25 ℃
Short circuit current Isc = 12.45A
Open circuit voltage Voc = 1.4V
Maximum operating point current Ipm = 10.0A
Maximum operating point voltage Vpm = 1.0V
Maximum output power Pmax = 10W

●DC/DCコンバータ
太陽電池1の近傍に、低電圧大電流である太陽電池1の出力を昇圧して高電圧小電流に変換するオープンループコンバータ2を設ける。これは、例えば屋内に配置されたインバータ3までの送電路における送電ロスを低減するためである。なお、太陽電池1とDC/DCコンバータ2を一体化(積層)したモジュールとして構成することもできる。こうすれば、太陽電池1とDC/DCコンバータ2の間の配線を短くして、配線抵抗によるロスを効果的に低減することができる。
● DC / DC converter An open-loop converter 2 is provided near the solar cell 1 for boosting the output of the solar cell 1 having a low voltage and a large current and converting the output to a high voltage and a small current. This is for reducing the power transmission loss in the power transmission path up to the inverter 3 placed indoors, for example. It should be noted that the solar cell 1 and the DC / DC converter 2 may be configured as an integrated (laminated) module. By doing so, the wiring between the solar cell 1 and the DC / DC converter 2 can be shortened, and loss due to wiring resistance can be effectively reduced.

DC/DCコンバータ2のゲート駆動回路46は、位相が逆の二つのゲート駆動信号を、プッシュプルスイッチング回路を構成するスイッチング素子33および34のゲートに供給する。なお、ゲート駆動信号(矩形波)のでデューティは固定にするが、プッシュプルスイッチング回路の最大デューティである50%が変換効率が高く好ましい。ゲート駆動信号のデューティを固定にするのは、フィードバック回路をなくして、スイッチング制御回路をシンプル化することによるコストダウンおよび信頼性の向上のためである。なお、スイッチング周波数は、スイッチングによる損失電力と、トランスの小型化のトレードオフにより、20kHzから数百kHzの間に設定する。本実施例では、最高の変換効率を得るために、スイッチング周波数を極力低くする構成とし、スイッチング周波数を20kHzにする。   The gate drive circuit 46 of the DC / DC converter 2 supplies two gate drive signals having opposite phases to the gates of the switching elements 33 and 34 constituting the push-pull switching circuit. Although the duty is fixed because of the gate drive signal (rectangular wave), 50% which is the maximum duty of the push-pull switching circuit is preferable because the conversion efficiency is high. The reason why the duty of the gate drive signal is fixed is to reduce the cost and improve the reliability by simplifying the switching control circuit by eliminating the feedback circuit. The switching frequency is set between 20 kHz and several hundred kHz due to a trade-off between power loss due to switching and miniaturization of the transformer. In this embodiment, in order to obtain the highest conversion efficiency, the switching frequency is set as low as possible, and the switching frequency is set to 20 kHz.

スイッチング素子33および34は、太陽電池1の出力電圧が低いため、オン抵抗が低いMOSFETが好ましい。現時点では、ユニポーラ素子であるMOSFETが、オン抵抗の面でとくに優れている。   The switching elements 33 and 34 are preferably MOSFETs having low on-resistance because the output voltage of the solar cell 1 is low. At present, MOSFETs, which are unipolar elements, are particularly excellent in terms of on-resistance.

入力キャパシタ32は、DC/DCコンバータ2の電力供給源が電圧源とみなせるように、等価直列抵抗(ESR)が小さく、高周波特性に優れるキャパシタを使用することが好ましく、例えばOSコン(三洋電機製)、積層セラミックキャパシタ、タンタル電解キャパシタなどESRが小さいものが使用可能である。入力キャパシタ32によって、DC/DCコンバータ2の電力供給源は電圧源とみなせるようになり、DC/DCコンバータ2はいわゆる電圧型コンバータと呼ばれるものになる。   As the input capacitor 32, it is preferable to use a capacitor having a small equivalent series resistance (ESR) and an excellent high-frequency characteristic so that the power supply source of the DC / DC converter 2 can be regarded as a voltage source. ), Low ESR capacitors such as multilayer ceramic capacitors and tantalum electrolytic capacitors can be used. With the input capacitor 32, the power supply source of the DC / DC converter 2 can be regarded as a voltage source, and the DC / DC converter 2 becomes what is called a voltage type converter.

トランス15の変圧比(巻線比)は、太陽電池1の運転電圧が最小時に、インバータ3が交流電圧100Vを出力するために必要な直流電圧(例えば150V以上)がインバータ3に供給されるように設定する。なお、DC/DCコンバータ2の出力電圧は、スイッチング回路が常に最大デューティで運転されるために、入力電圧にトランス15の変圧比を掛けた値になる。   The transformation ratio (turn ratio) of the transformer 15 is such that when the operating voltage of the solar cell 1 is minimum, a DC voltage (for example, 150 V or more) necessary for the inverter 3 to output an AC voltage of 100 V is supplied to the inverter 3. Set to. Note that the output voltage of the DC / DC converter 2 is a value obtained by multiplying the input voltage by the transformation ratio of the transformer 15 because the switching circuit is always operated at the maximum duty.

太陽電池の最適動作点は高温、低日射時に低電圧になる特性がある。実施例においては、太陽電池の動作最低電圧を0.75Vと設定し、そのとき出力電圧150Vに昇圧可能とする巻線比をトランス15に設定する。
巻線比 0.75:150
一次側巻線 2ターン×2
二次側巻線 400ターン
The optimal operating point of a solar cell has the characteristic that the voltage becomes low at high temperature and low solar radiation. In the embodiment, the minimum operation voltage of the solar cell is set to 0.75 V, and at that time, the winding ratio that allows the output voltage to be raised to 150 V is set in the transformer 15.
Turn ratio 0.75: 150
Primary winding 2 turns x 2
Secondary winding 400 turns

トランス15の後段には、トランス15の高周波交流出力を整流する整流回路36、および、平滑する平滑回路37を設ける。なお、DC/DCコンバータ2の出力先であるインバータ3の入力キャパシタ51の静電容量が充分に大きい場合は平滑回路37のキャパシタはなくてもよい。   A rectifier circuit 36 for rectifying the high-frequency AC output of the transformer 15 and a smoothing circuit 37 for smoothing are provided at the subsequent stage of the transformer 15. Note that if the capacitance of the input capacitor 51 of the inverter 3 that is the output destination of the DC / DC converter 2 is sufficiently large, the capacitor of the smoothing circuit 37 may not be provided.

DC/DCコンバータ2には、太陽電池1から直流電力が入力される。入力された直流電力は、ゲート駆動回路46、スイッチング素子33および34、並びに、トランス15から構成される昇圧回路によって昇圧される。トランス15の二次巻線から出力される高周波交流電力は、ダイオードブリッジ36で整流され、平滑回路37で平滑された後、インバータ3へ供給される。   DC power is input from the solar cell 1 to the DC / DC converter 2. The input DC power is boosted by a booster circuit including the gate drive circuit 46, the switching elements 33 and 34, and the transformer 15. The high-frequency AC power output from the secondary winding of the transformer 15 is rectified by the diode bridge 36, smoothed by the smoothing circuit 37, and supplied to the inverter 3.

●インバータ
インバータ3の制御回路53は、入力電圧検出器54および入力電流検出器55により、DC/DCコンバータ2から入力される電圧および電流をモニタして、インバータブリッジ52のスイッチング素子をPWM制御する。この制御によって、DC/DCコンバータ2の出力電圧、出力電流が制御され、その結果、太陽電池1の動作点電圧および電流を制御することができる。言い換えれば、制御回路53は、DC/DCコンバータ2と太陽電池1とを併せた最大電力追尾制御(MPPT制御)を行うことで、太陽電池1の発電電力を有効に活用する。
● Inverter The control circuit 53 of the inverter 3 monitors the voltage and current input from the DC / DC converter 2 by the input voltage detector 54 and the input current detector 55, and performs PWM control of the switching element of the inverter bridge 52. . By this control, the output voltage and output current of DC / DC converter 2 are controlled, and as a result, the operating point voltage and current of solar cell 1 can be controlled. In other words, the control circuit 53 performs the maximum power tracking control (MPPT control) of the DC / DC converter 2 and the solar cell 1 together, so that the power generated by the solar cell 1 is effectively used.

本実施例のインバータ3は、MPPT制御による入力電圧150V〜250Vの範囲で運転される。この入力電圧範囲は、太陽電池1の日射、温度による最大電力点の変化と、DC/DCコンバータ2の変圧比とスイッチングデューティによって決定される。   The inverter 3 of the present embodiment is operated in an input voltage range of 150 V to 250 V by MPPT control. This input voltage range is determined by the change in the maximum power point due to the solar radiation and temperature of the solar cell 1, the transformation ratio of the DC / DC converter 2, and the switching duty.

インバータ3へ入力される直流電力は、インバータブリッジ52および連系リアクタを含むフィルタ58によって交流電力に変換され、系統4へ供給される。インバータ3の入力電圧および入力電流をモニタして、インバータブリッジ52をPWM制御する方法は、公知公用の多数の方法が知られているので、その説明は省略する。   The DC power input to the inverter 3 is converted into AC power by the filter 58 including the inverter bridge 52 and the interconnection reactor, and is supplied to the grid 4. As a method of monitoring the input voltage and the input current of the inverter 3 and performing PWM control of the inverter bridge 52, a number of publicly-known and publicly-known methods are known, and therefore description thereof is omitted.

このようなインバータ3のPWM制御により、太陽電池1およびDC/DCコンバータ2から最大電力を引き出しつつ(MPPT制御)、系統4と同一の電流位相をもつ力率が1の交流電力を出力する。   By such PWM control of the inverter 3, while extracting maximum power from the solar cell 1 and the DC / DC converter 2 (MPPT control), AC power having the same current phase as that of the system 4 and having a power factor of 1 is output.

[DC/DCコンバータの動作]
上記の構成において、DC/DCコンバータ2のスイッチング素子33および34に常時50%(または50%弱、例えば49%から50%未満)のデューティの駆動信号を供給した場合を説明する。なお、デューティを50%にする理由は、DC/DCコンバータ2の変換効率を最高にするためである。つまり、同じ電力を伝達するのにデューティを小さくすると、オン時の電流値がデューティに反比例して大きくなり、プリント板やFETのオン抵抗によるI2R×デューティで表される導通損失が増加する。従って、デューティを50%に固定してオン時の電流値を抑え、導通損失を抑える。しかし、デューティを常時50%に固すれば前述した異常電圧上昇が発生することになる。
[Operation of DC / DC converter]
In the above configuration, a case where a drive signal with a duty of 50% (or slightly less than 50%, for example, 49% to less than 50%) is always supplied to switching elements 33 and 34 of DC / DC converter 2 will be described. The reason for setting the duty to 50% is to maximize the conversion efficiency of the DC / DC converter 2. In other words, if the duty is reduced to transmit the same power, the current value at the time of on increases in inverse proportion to the duty, and the conduction loss represented by I 2 R × duty due to the on-resistance of the printed circuit board and FET increases. . Therefore, the duty is fixed to 50%, the current value at the time of ON is suppressed, and the conduction loss is suppressed. However, if the duty is always fixed to 50%, the above-described abnormal voltage rise occurs.

例えば、太陽電池1に定格日射1kW/m2が照射されている条件で、DC/DCコンバータ2の出力先であるインバータ3が停止すると、DC/DCコンバータ2および太陽電池1はほぼ無負荷(出力電流が零の状態)になり、太陽電池1は図6のA点で動作する。つまりDC/DCコンバータ2は定格時よりも1.4倍高いA点の電圧(約1.4V)を入力することになる。 For example, when the inverter 3 which is the output destination of the DC / DC converter 2 is stopped under the condition that the solar cell 1 is irradiated with the rated solar radiation of 1 kW / m 2 , the DC / DC converter 2 and the solar cell 1 are almost unloaded ( The output current becomes zero), and the solar cell 1 operates at the point A in FIG. In other words, the DC / DC converter 2 inputs the voltage at the point A (about 1.4 V) which is 1.4 times higher than the rated time.

ここで、DC/DCコンバータ2のスイッチング回路は固定デューティで駆動されているから、通常の負荷運転時は入力電圧と出力電圧との比はほぼ一定になる。従って、DC/DCコンバータ2の出力電圧は下式で表され、太陽電池1の動作点電圧とDC/DCコンバータ2の出力電圧は比例して変動する。
Vd = Tr×Vop
ここで、VdはDC/DCコンバータ2の出力電圧
Vopは太陽電池1の動作電圧
Trは昇圧比(巻線比)
Here, since the switching circuit of the DC / DC converter 2 is driven with a fixed duty, the ratio between the input voltage and the output voltage becomes almost constant during normal load operation. Therefore, the output voltage of the DC / DC converter 2 is represented by the following equation, and the operating point voltage of the solar cell 1 and the output voltage of the DC / DC converter 2 fluctuate in proportion.
Vd = Tr x Vop
Where Vd is the output voltage of DC / DC converter 2.
Vop is the operating voltage of solar cell 1
Tr is the boost ratio (turn ratio)

ところが、無負荷時または負荷電流が少ない状態では異常電圧上昇が発生する。その結果、常時50%デューティ固定で運転されるDC/DCコンバータ2のIVカーブ特性(定格日射1kW/m2時)は図7に示すようになり、最大電力出力時の出力電圧が200Vであるにも関わらず、無負荷電圧は450V(B点)にもなる。 However, when there is no load or when the load current is small, an abnormal voltage rise occurs. As a result, the IV curve characteristics (at the rated solar radiation of 1 kW / m 2 ) of the DC / DC converter 2 that is always operated with the duty fixed at 50% are as shown in FIG. Nevertheless, the no-load voltage is 450V (point B).

この関係をDC/DCコンバータ2の出力電力との関係で表現すると図8に示すようになる。図8に示すグラフは、図3の構成において、太陽電池1に定格日射1kW/m2を照射した状態で、インバータ3が消費する電流を変えることでDC/DCコンバータ2の出力電力を変化させ、そのときのDC/DCコンバータ2の出力電圧を測定したものである。定格電力出力時(入力電力10W)の出力電圧は200Vであるが、出力電流が零の状態では、出力電圧は450Vにもなる。このため、例えば、太陽電池1に1kW/m2が照射された状態で、系統4の停電を検出したインバータ3が停止した場合など、インバータ3の入力端子に450Vが加わることになる。 FIG. 8 shows this relationship in terms of the relationship with the output power of the DC / DC converter 2. The graph shown in FIG. 8, in the configuration of FIG. 3, while irradiating the rated solar radiation 1 kW / m 2 to the solar cell 1, by changing the output power of the DC / DC converter 2 by changing the current inverter 3 consumes , At which time the output voltage of the DC / DC converter 2 was measured. The output voltage at rated power output (input power 10 W) is 200 V, but when the output current is zero, the output voltage is as high as 450 V. For this reason, for example, 450 V is applied to the input terminal of the inverter 3 when, for example, the inverter 3 that detects the power failure of the system 4 stops while the solar cell 1 is irradiated with 1 kW / m 2 .

図9はDC/DCコンバータ2の動作を説明する図で、インバータ3がタイミングt1で停止し、タイミングt2で運転を再開する際のDC/DCコンバータ2の動作を示している。   FIG. 9 is a diagram for explaining the operation of the DC / DC converter 2, showing the operation of the DC / DC converter 2 when the inverter 3 stops at the timing t1 and resumes operation at the timing t2.

インバータ3が停止し、DC/DCコンバータ2の出力電力は零になると、図8に示すように、DC/DCコンバータ2の入力電圧は約450Vになる。その後、インバータ3の運転が再開され、DC/DCコンバータ2の入力電流が上昇し始めるタイミングt2まで、異常電圧上昇が継続される。   When the inverter 3 stops and the output power of the DC / DC converter 2 becomes zero, the input voltage of the DC / DC converter 2 becomes about 450 V as shown in FIG. Thereafter, the operation of the inverter 3 is restarted, and the abnormal voltage rise is continued until the timing t2 at which the input current of the DC / DC converter 2 starts to rise.

発明者は異常電圧上昇の対策を検討するうちに、システムの積算発電量に寄与しないインバータ停止時や低日射照射時など、DC/DCコンバータ2の入出力電流が小さいときに異常電圧上昇が発生することに着目し、それらの状態で、ゲート駆動回路46が出力するパルスのデューティを50%から少し絞ることで、異常電圧上昇が効果的に抑圧されることを見出した。   While studying measures for abnormal voltage rise, the inventor found that abnormal voltage rise occurred when the input / output current of the DC / DC converter 2 was small, such as when the inverter stopped or did not emit low solar radiation, which did not contribute to the integrated power generation of the system. It was found that in such a state, the abnormal voltage rise was effectively suppressed by slightly reducing the duty of the pulse output from the gate drive circuit 46 from 50%.

図10はデューティを絞ることが異常電圧上昇の抑圧に有効であることを示す測定結果を示す図で、スイッチング素子33および34に供給する駆動パルスのデューティを50%から48%、46%に絞ったときのDC/DCコンバータ2の出力電力と出力電圧の関係を示している。   FIG. 10 is a diagram showing measurement results showing that reducing the duty is effective in suppressing abnormal voltage rise.The duty of the drive pulse supplied to the switching elements 33 and 34 was reduced from 50% to 48% and 46%. 3 shows the relationship between the output power and the output voltage of the DC / DC converter 2 at the time.

図10に示すように、出力電力が1W以下の軽負荷時および出力電力が零の無負荷時の出力電圧が50%デューティ時に比べて大きく抑制されることがわかる。これから、発明者はDC/DCコンバータ2の出力が低くなる状態、例えばDC/DCコンバータ2の入力電流が所定値以下の場合、ゲート駆動パルスのデューティを50%デューティから少し絞り、入力電流が所定値を超えるとゲート駆動パルスを50%デューティにすることが好ましいという知見を得た。   As shown in FIG. 10, it can be seen that the output voltage at the time of light load where the output power is 1 W or less and at the time of no load where the output power is zero is greatly suppressed as compared with the case of the 50% duty. From this, when the output of the DC / DC converter 2 becomes low, for example, when the input current of the DC / DC converter 2 is equal to or less than a predetermined value, the duty of the gate drive pulse is slightly reduced from the 50% duty, and the input current is reduced to a predetermined value. It has been found that it is preferable to set the gate drive pulse to 50% duty when the value exceeds the value.

図11はスイッチング素子33および34に供給する駆動パルスのデューティを50%から48%、46%に絞ったときのDC/DCコンバータ2の出力電力と変換効率の関係を示す図である。具体的には、インバータ3は常にMPPT運転を行っている条件で、太陽電池1に照射される日射量を変化させて変換効率特性を測定した。これによると、出力電力が小さいときは、デューティによる変換効率の差はほとんどないことがわかる。勿論、低日射時のDC/DCコンバータ2の変換効率の差は、一日を通した積算変換効率に及ぼす影響も極めて小さい。   FIG. 11 is a diagram showing the relationship between the output power of the DC / DC converter 2 and the conversion efficiency when the duty of the drive pulse supplied to the switching elements 33 and 34 is reduced from 50% to 48% and 46%. Specifically, under the condition that the inverter 3 always performs the MPPT operation, the conversion efficiency characteristic was measured by changing the amount of solar radiation applied to the solar cell 1. According to this, when the output power is small, there is almost no difference in the conversion efficiency due to the duty. Of course, the difference between the conversion efficiencies of the DC / DC converter 2 during low solar radiation has a very small effect on the integrated conversion efficiency throughout the day.

[異常電圧上昇の抑圧手段]
上記の駆動パルスのデューティを絞って異常電圧上昇を抑圧する手段を設けたDC/DCコンバータ2を説明する。図12は異常電圧上昇の抑圧手段を有するDC/DCコンバータ2の構成例を示す図である。
[Abnormal voltage rise suppression means]
A DC / DC converter 2 provided with means for suppressing the abnormal voltage rise by reducing the duty of the drive pulse will be described. FIG. 12 is a diagram showing a configuration example of the DC / DC converter 2 having a means for suppressing an abnormal voltage rise.

●電流検出器
DC/DCコンバータ2の入力端子と平滑キャパシタ32の間に電流検出器31を設ける。DC/DCコンバータ2の負荷であるインバータ3が停止すると、電流検出器31にはトランス15のコアの励磁分に相当する電流(励磁電流)しか流れなくなる。なお、電流検出器31は、電流路にシャント抵抗器を挿入してその両端電圧を測定する方法や、電流によって発生する磁界の強さを測定することで電流路に非接触で電流値を測定するなど、様々な方法で構成可能である。電流検出器31は検出した電流値を電圧値に変換して比較器101に出力する。
● Current detector
A current detector 31 is provided between the input terminal of the DC / DC converter 2 and the smoothing capacitor 32. When the inverter 3, which is the load of the DC / DC converter 2, stops, only a current (excitation current) corresponding to the excitation of the core of the transformer 15 flows through the current detector 31. The current detector 31 measures the current value without contact with the current path by inserting a shunt resistor into the current path and measuring the voltage between both ends, or by measuring the strength of the magnetic field generated by the current. It can be configured in various ways. The current detector 31 converts the detected current value into a voltage value and outputs it to the comparator 101.

●比較器
比較器101は、電流検出器31の検出値(出力電圧値)とデューティを切り換えるべき所定値(閾値)とを比較して、検出値が閾値以上になるとデューティ切換回路146に切換信号を出力する。基準電圧源102は、デューティを切り替えるべき電流値(基準電流値)を電圧換算した電圧(閾値電圧)を比較器101に供給する。
Comparator The comparator 101 compares the detection value (output voltage value) of the current detector 31 with a predetermined value (threshold) for switching the duty. Is output. The reference voltage source 102 supplies the comparator 101 with a voltage (threshold voltage) obtained by converting a current value (reference current value) at which the duty is to be switched (voltage).

なお、本実施例では、デューティを切り換える基準電流値を前述した励磁電流以上、かつ、DC/DCコンバータ2の変換効率にほとんど影響しない値として、1Aを選定する。従って、電流検出器31の検出値が1A以上になると、比較器101は切換信号をHレベルにする。   In the present embodiment, 1 A is selected as a reference current value for switching the duty which is equal to or more than the above-described excitation current and has a value that hardly affects the conversion efficiency of the DC / DC converter 2. Therefore, when the detection value of the current detector 31 becomes 1 A or more, the comparator 101 sets the switching signal to the H level.

●デューティ切換回路
図13は一つのゲート駆動信号分のデューティ切換回路146の構成例を示す図で、インバータ143および145、遅延回路142を構成するキャパシタおよび抵抗器、ダイオード144、そして遅延回路142をバイパスするバイパススイッチ141から構成され、ゲート駆動回路46から50%デューティのパルスを入力し、スイッチング素子33または34にゲート駆動信号を供給する。
FIG. 13 is a diagram showing a configuration example of a duty switching circuit 146 for one gate drive signal. Inverters 143 and 145, capacitors and resistors constituting a delay circuit 142, a diode 144, and a delay circuit 142 are shown. It is configured by a bypass switch 141 for bypassing, receives a pulse of 50% duty from the gate drive circuit 46, and supplies a gate drive signal to the switching element 33 or.

バイパススイッチ141は、切換信号がLレベルのとき開状態であり、遅延回路142によりパルス間デッドタイム(ゲートパルスG1の立ち下りからG2の立ち上がりまでの時間、もしくは、ゲートパルスG2の立ち下りからG1の立ち上がりまでの時間)が生じる。従って、遅延回路142を構成するキャパシタおよび抵抗器の値を調整することで、デューティ切換回路146は、例えば46%デューティの駆動パルスを出力する。また、切換信号がHレベルのときはバイパススイッチ141を閉状態になり、遅延回路142はバイパスされ、デューティ切換回路146は、50%デューティの駆動パルスを出力する。   The bypass switch 141 is in the open state when the switching signal is at the L level, and the inter-pulse dead time (the time from the fall of the gate pulse G1 to the rise of G2, or G1 from the fall of the gate pulse G2, (Time until the rise of the signal). Therefore, by adjusting the values of the capacitor and the resistor constituting the delay circuit 142, the duty switching circuit 146 outputs, for example, a drive pulse having a 46% duty. When the switching signal is at the H level, the bypass switch 141 is closed, the delay circuit 142 is bypassed, and the duty switching circuit 146 outputs a 50% duty driving pulse.

なお、デッドタイムを生成する回路は、図13のほかにも、公知公用の方法が多数存在し、そのどれを利用してもよい。   In addition to the circuit for generating the dead time, there are many publicly known methods other than those shown in FIG. 13, and any of them may be used.

●DC/DCコンバータの動作
図14および15は異常電圧上昇の抑圧手段を有するDC/DCコンバータ2の動作を説明する図で、インバータ3がタイミングt1で停止し、タイミングt2で運転を再開する際のDC/DCコンバータ2の動作を説明する。
[Operation of DC / DC Converter] FIGS. 14 and 15 are diagrams for explaining the operation of the DC / DC converter 2 having a means for suppressing an abnormal voltage rise, when the inverter 3 stops at the timing t1 and resumes operation at the timing t2. The operation of the DC / DC converter 2 will be described.

タイミングt1以前のインバータ3のMPPT動作時、DC/DCコンバータ2は、MPPT動作電圧で動作し、本実施例では、DC/DCコンバータ2の出力電圧は200Vである。タイミングt1においてインバータ3が停止すると、DC/DCコンバータ2の出力電流は0Aに、入力電流はトランス15の励磁電流程度の微かな電流になる。このとき、電流検出器31の検出値は閾値である1Aを下回り、比較器101の出力(切換信号)はHレベルからLレベルに遷移する。   At the time of the MPPT operation of the inverter 3 before the timing t1, the DC / DC converter 2 operates at the MPPT operation voltage. In this embodiment, the output voltage of the DC / DC converter 2 is 200V. When the inverter 3 stops at the timing t1, the output current of the DC / DC converter 2 becomes 0 A, and the input current becomes a minute current of about the exciting current of the transformer 15. At this time, the detection value of the current detector 31 falls below the threshold value 1A, and the output (switching signal) of the comparator 101 transitions from the H level to the L level.

デューティ切換回路146は、Lレベルの切換信号を入力すると、例えばデューティ46%の駆動パルスを出力する。従って、図15に示すように、DC/DCコンバータ2の出力電圧は抑圧され、無負荷時でも約270Vになる。   When the L-level switching signal is input, the duty switching circuit 146 outputs, for example, a drive pulse having a duty of 46%. Therefore, as shown in FIG. 15, the output voltage of the DC / DC converter 2 is suppressed, and becomes about 270 V even when there is no load.

次に、タイミングt2でインバータ3の運転が再開されると、DC/DCコンバータ2の入力電流は徐々に増加し、タイミングt3において、閾値である1Aを超える。このとき、比較器101の出力(切換信号)はLレベルからHレベルに遷移し、デューティ切換回路146はデューティ50%の駆動パルスを出力する。つまり、インバータ3の運転時(太陽光発電システムの発電時)、DC/DCコンバータ2は、変換効率が高いフルデューティー運転状態になる。   Next, when the operation of the inverter 3 is restarted at the timing t2, the input current of the DC / DC converter 2 gradually increases and exceeds the threshold value of 1 A at the timing t3. At this time, the output (switching signal) of the comparator 101 changes from the L level to the H level, and the duty switching circuit 146 outputs a driving pulse with a duty of 50%. That is, when the inverter 3 is operating (during power generation by the photovoltaic power generation system), the DC / DC converter 2 enters a full-duty operating state with high conversion efficiency.

なお、デューティが50%になった直後、出力電圧は図14および15に示すように若干上昇するが、この電圧上昇は問題のない範囲である。勿論、平滑キャパシタなどの影響により、DC/DCコンバータ2の出力電圧が急上昇することはない。その後、インバータ3はMPPT動作を行い、DC/DCコンバータ2は、MPPT動作電圧、かつ、50%デューティの高効率運転を続ける。   Immediately after the duty becomes 50%, the output voltage slightly increases as shown in FIGS. 14 and 15, but this voltage increase is within a range in which there is no problem. Of course, the output voltage of the DC / DC converter 2 does not rise sharply due to the influence of the smoothing capacitor and the like. Thereafter, the inverter 3 performs the MPPT operation, and the DC / DC converter 2 continues the high-efficiency operation at the MPPT operating voltage and 50% duty.

このように、インバータ3が通常運転に復帰すればDC/DCコンバータ2も自動的に通常運転に移行する。さらに、停電などによってインバータ3の動作が停止している期間、DC/DCコンバータ2は270V程度(46%デューティの場合)の出力電圧を維持する。その結果、インバータ3の起動準備はいつでもできていることになり、停電が解消すると、インバータ3は速やかに系統連系運転を再開することができる。   Thus, when the inverter 3 returns to the normal operation, the DC / DC converter 2 also automatically shifts to the normal operation. Further, while the operation of the inverter 3 is stopped due to a power failure or the like, the DC / DC converter 2 maintains an output voltage of about 270 V (in the case of a 46% duty). As a result, the start-up preparation of the inverter 3 is ready at any time, and when the power failure is resolved, the inverter 3 can promptly restart the system interconnection operation.

本実施例は、入力電源が太陽電池1であるから、日射が増加するとともに入力電流が増加し、ある日射条件でデューティが例えば46%から50%に切り換わる。その際、太陽電池1からみた見掛け上の負荷も増大することになり、DC/DCコンバータ2の入力電流はさらに増加する(入力電圧は減少する)。従って、デューティの切換時にチャタリングが発生する心配は少なく、基準値(閾値)にヒステリシスは設ける必要はない。しかし、例えば1Aを超えると50%デューティ、0.8A未満で46%デューティというような、ヒステリシスを設けることも当然可能である。   In this embodiment, since the input power supply is the solar cell 1, the input current increases as the solar radiation increases, and the duty switches from, for example, 46% to 50% under a certain solar radiation condition. At this time, the apparent load seen from the solar cell 1 also increases, and the input current of the DC / DC converter 2 further increases (the input voltage decreases). Therefore, chattering is less likely to occur when the duty is switched, and there is no need to provide hysteresis in the reference value (threshold). However, it is naturally possible to provide a hysteresis such as, for example, a duty of 50% above 1A and a duty of 46% below 0.8A.

また、上記では、DC/DCコンバータ2の入力電流に基づきデューティを切り換える例を説明したが、これは、DC/DCコンバータ2の二次側に検出回路や制御回路を設けるよりも構成が簡単になるからである。   In the above description, an example in which the duty is switched based on the input current of the DC / DC converter 2 has been described. However, this configuration is simpler than providing a detection circuit and a control circuit on the secondary side of the DC / DC converter 2. Because it becomes.

勿論、絶縁トランスやフォトプラなどを利用して、DC/DCコンバータ2の二次側から一次側に切換信号などを送信するような構成でもよい。同様に、DC/DCコンバータ2の一次側と二次側を非絶縁にして、DC/DCコンバータ2の出力電流に基づきデューティを切り換える構成にしても簡易な構成で実現することができる。これらの場合、出力電流が増加したらデューティを大きく、出力電流が減少したらデューティを小さくするように制御すればよい。   Of course, a configuration may be used in which a switching signal or the like is transmitted from the secondary side of the DC / DC converter 2 to the primary side using an insulating transformer or a photo plastic. Similarly, a simple configuration can be realized even when the primary side and the secondary side of the DC / DC converter 2 are not insulated and the duty is switched based on the output current of the DC / DC converter 2. In these cases, the duty may be increased so that the duty increases when the output current increases, and the duty decreases when the output current decreases.

また、上記では、二つのデューティを切り換える例を説明したが、デューティの数はいくつでも差し支えない。デューティの数を増やせば、構成は複雑になるものの、DC/DCコンバータを高効率にする、もしくは、電圧の抑圧をより顕著にすることができる。つまり、DC/DCコンバータ2のコストは上昇するものの、発電時の損失と異常電圧上昇の抑制のバランスを考えて、より細かな制御を行うことができる。   In the above description, an example in which two duties are switched has been described, but the number of duties may be any number. Increasing the number of duties increases the efficiency of the DC / DC converter or makes the voltage suppression more remarkable, though the configuration becomes complicated. That is, although the cost of the DC / DC converter 2 increases, more detailed control can be performed in consideration of the balance between the loss during power generation and the suppression of the abnormal voltage rise.

以下、本発明にかかる実施例2の太陽光発電システムを説明する。なお、実施例2において、実施例1と略同様の構成については、同一符号を付して、その詳細説明を省略する。   Hereinafter, a solar power generation system according to a second embodiment of the present invention will be described. In the second embodiment, the same components as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted.

実施例1においては、DC/DCコンバータ2の入力電流を検出してデューティを切り換える例を説明したが、実施例2においては、DC/DCコンバータ2の入力電力を検出して、その検出値が所定値を超えるとデューティ増、所定値を下回るとデューティ減にする例を説明する。   In the first embodiment, the example in which the input current of the DC / DC converter 2 is detected to switch the duty is described.In the second embodiment, the input power of the DC / DC converter 2 is detected, and the detected value is An example will be described in which the duty is increased when the value exceeds a predetermined value, and the duty is decreased when the value falls below the predetermined value.

図16は実施例2のDC/DCコンバータ2の構成例を示す図で、図12に示した実施例1のDC/DCコンバータ2に比べて、電流検出器31が電力検出器41に置き換わり、比較器103および基準電圧源104が追加されている。   FIG. 16 is a diagram illustrating a configuration example of the DC / DC converter 2 according to the second embodiment.In comparison with the DC / DC converter 2 according to the first embodiment illustrated in FIG. 12, the current detector 31 is replaced with a power detector 41. A comparator 103 and a reference voltage source 104 are added.

実施例2では、入力電力が基準値を超過するとデューティ増、基準値を下回るとデューティ減にするが、入力電流を検出する場合と異なり、デューティの切り換え前後で入力電力はほとんど変化しない。つまり、チャタリングが発生する心配がある。そこで本実施例では、デューティの切り換えにヒステリシスを設けるため、図16に示すように二つの基準電圧源102および104を設け、例えば、電力検出器41の検出値が上昇して1Wを超過するとデューティ増加、減少して0.8Wを下回わるとデューティ減にする。   In the second embodiment, when the input power exceeds the reference value, the duty increases, and when the input power falls below the reference value, the duty decreases. However, unlike the case of detecting the input current, the input power hardly changes before and after the duty switching. That is, there is a concern that chattering will occur. Therefore, in the present embodiment, two reference voltage sources 102 and 104 are provided as shown in FIG. 16 in order to provide hysteresis for duty switching. For example, when the detection value of the power detector 41 increases and exceeds 1 W, the duty The duty is reduced when it decreases below 0.8W.

このような構成により、実施例1のDC/DCコンバータ2と同様に動作し、インバータ3が停止した際などの異常電圧上昇を防ぐことができる。   With such a configuration, it operates in the same manner as the DC / DC converter 2 of the first embodiment, and can prevent an abnormal voltage rise when the inverter 3 stops or the like.

以下、本発明にかかる実施例3の太陽光発電システムを説明する。なお、実施例3において、実施例1と略同様の構成については、同一符号を付して、その詳細説明を省略する。   Hereinafter, a solar power generation system according to a third embodiment of the present invention will be described. In the third embodiment, the same components as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and the detailed description thereof will be omitted.

実施例3は、DC/DCコンバータ2の入力電流を簡易かつ低コストで検出するものである。具体的には、図17に示すように、太陽電池1からDC/DCコンバータ2までの配線30における電圧降下を検出し、それによってDC/DCコンバータ2の入力電流を検出する。なお、一般に、配線30における電圧降下は小さく(例えば10A時に10mV)、閾値との比較を確実にするために増幅器103で増幅する必要がある。また、増幅器103にはノイズフィルタや積分回路などを設け、ノイズによる誤検出を防ぐことが好ましい。   In the third embodiment, the input current of the DC / DC converter 2 is detected simply and at low cost. Specifically, as shown in FIG. 17, a voltage drop in wiring 30 from solar cell 1 to DC / DC converter 2 is detected, thereby detecting an input current of DC / DC converter 2. In general, the voltage drop in the wiring 30 is small (for example, 10 mV at 10 A) and needs to be amplified by the amplifier 103 in order to ensure comparison with a threshold. Further, it is preferable to provide a noise filter, an integration circuit, and the like in the amplifier 103 to prevent erroneous detection due to noise.

DC/DCコンバータ2の入力電流を検出するその他の方法として、スイッチング素子33および34のオン抵抗による電圧降下を利用する方法がある。つまり、スイッチング素子がオン時のドレインソース間電圧を測定して、入力電流を検出する方法である。   As another method for detecting the input current of the DC / DC converter 2, there is a method using a voltage drop due to the on-resistance of the switching elements 33 and 34. In other words, the input current is detected by measuring the drain-source voltage when the switching element is turned on.

何れの方法も、銅の抵抗率、FETのオン抵抗の温度依存性による影響を大きく受け、電流値の検出精度は低い。しかし、その程度の検出精度であっても、本実施例の電流検出には充分利用可能である。例えば、温度の影響を考慮して、図18に一例を示すように、デューティを増加する閾値(電流値もしくは電力値)を高めに設定すればよく、簡易な電流検出方法により異常電圧上昇を抑圧することができる。   Both methods are greatly affected by the temperature dependence of the resistivity of copper and the on-resistance of the FET, and the accuracy of detecting the current value is low. However, even with such a level of detection accuracy, it can be used sufficiently for the current detection of this embodiment. For example, in consideration of the influence of temperature, a threshold (current value or power value) for increasing the duty may be set higher as shown in an example in FIG. 18, and the abnormal voltage rise is suppressed by a simple current detection method. can do.

上述した各実施例によれば、DC/DCコンバータの高変換効率を維持した上で、軽負荷時、無負荷時の異常電圧上昇を抑圧することができる。   According to each of the embodiments described above, it is possible to suppress the abnormal voltage rise at the time of light load and no load while maintaining the high conversion efficiency of the DC / DC converter.

また、太陽電池の発電電力を入力するオープンループコンバータの異常電圧上昇を抑圧することで、コンバータの出力先であるインバータの耐電圧(許容入力電圧)を低くすることができ、インバータを含む太陽光発電システムのトータルコストの削減に貢献する。   Also, by suppressing the abnormal voltage rise of the open-loop converter that inputs the power generated by the solar cell, the withstand voltage (allowable input voltage) of the inverter, which is the output destination of the converter, can be reduced, and the sunlight including the inverter can be reduced. Contribute to reducing the total cost of the power generation system.

また、DC/DCコンバータのトランスの一次側のみで異常電圧上昇を抑圧する回路を構成することができるので、(i) 二次側の回路が不要で回路構成が簡易、(ii) 二次側から一次側に信号を伝送するための構成(絶縁部品など)が不要、などの利点がある。   In addition, since a circuit that suppresses abnormal voltage rise can be configured only on the primary side of the DC / DC converter transformer, (i) the secondary side circuit is unnecessary and the circuit configuration is simplified, and (ii) the secondary side Therefore, there is an advantage that a configuration (insulating parts or the like) for transmitting a signal from the first side to the primary side is unnecessary.

さらに、停電などによってインバータの動作が停止している時もDC/DCコンバータは出力電圧を維持するので、インバータの起動準備ができていることになり、停電が解消するとインバータは速やかに系統連系運転を開始することができる。   In addition, the DC / DC converter maintains the output voltage even when the operation of the inverter is stopped due to a power failure, so that the inverter is ready to start. Driving can be started.

なお、上記では、軽負荷または無負荷時にデューティを50%(または50%弱)から46%に低減する例を説明したが、46%に限定されるわけではない。要は、インバータが許容する入力電圧に、DC/DCコンバータの出力電圧を抑圧することができればよく、48%、47または45%でもよいし、それらの中間の値でもよい。   In the above description, an example in which the duty is reduced from 50% (or slightly less than 50%) to 46% when the load is light or no load is described, but the duty is not limited to 46%. The point is that the output voltage of the DC / DC converter can be suppressed to the input voltage allowed by the inverter, and may be 48%, 47 or 45%, or a value between those.

以下、本発明にかかる実施例4の太陽光発電システムを説明する。なお、実施例4において、実施例1と略同様の構成については、同一符号を付して、その詳細説明を省略する。なお、実施例4では、トランスの特性によって、実施例のDC/DCコンバータの電力変換効率がさらに改善することを説明する。   Hereinafter, a solar power generation system according to a fourth embodiment of the present invention will be described. In the fourth embodiment, the same components as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and the detailed description thereof will be omitted. In the fourth embodiment, it is described that the power conversion efficiency of the DC / DC converter of the embodiment is further improved by the characteristics of the transformer.

DC/DCコンバータの小型薄型化を図ろうとすると、トランスのコアを薄くする必要があり、それによってコアが飽和に至る磁束(以下「飽和磁束量」と呼ぶ)が減少する。飽和磁束量の減少を補うためには巻回数を増加させるか、スイッチング周波数を上げるしかないが、スイッチング周波数を増加させればスイッチング損失が増え、電力変換装置の変換効率が減少するため、巻回数を増加させる必要がある。   In order to reduce the size and thickness of a DC / DC converter, it is necessary to make the core of the transformer thinner, which reduces the magnetic flux that causes the core to be saturated (hereinafter referred to as “saturated magnetic flux amount”). The only way to compensate for the decrease in the amount of saturation magnetic flux is to increase the number of turns or increase the switching frequency.However, if the switching frequency is increased, the switching loss increases, and the conversion efficiency of the power converter decreases. Need to be increased.

一般に、同一のコアおよびウィンドウエリア(コアの巻線巻き付け領域)で、巻回数を増やすと巻線長が長くなり、ウィンドウエリア内に巻線を収める必要があるため、巻線の線径を細くしなければならず導通損失(銅損)が増加する。一方、巻回数を増加させると、コアの磁束密度が低くなりコア損(固定損失)は減少する。つまり、トランスの小型薄型化で最適巻数設定を行うと巻回数が増加し、導通損失が支配的となる大電力時においては変換効率が低下し、固定損失が支配的となる小電力時においては変換効率が向上する特性となる。   Generally, when the number of turns is increased in the same core and window area (winding winding area of the core), the winding length becomes longer, and it is necessary to accommodate the winding in the window area. The conduction loss (copper loss) increases. On the other hand, when the number of turns is increased, the magnetic flux density of the core is reduced, and the core loss (fixed loss) is reduced. In other words, if the optimal number of turns is set with a compact and thin transformer, the number of turns will increase, and the conversion efficiency will decrease at high power when conduction loss is dominant, and at low power when fixed loss is dominant. The conversion efficiency is improved.

なお、常に晴天が続くわけではなく、太陽光発電装置においては大電力時(晴天の時の発電量)のほか、小電力時(例えば曇天の時の発電量)もかなり長い時間発生することが考えられる。すなわち、太陽光発電装置においては、大電力時のみの最適化では不充分であり、大電力および小電力の各入力電力値について総合的な電力変換効率が良好なDC/DCコンバータが必要であると言える。実施例4は、このような観点で最適化したDC/DCコンバータを提示する。   It should be noted that the weather is not always clear, and in the case of photovoltaic power generators, in addition to high power (power generation in clear weather), low power (power generation in cloudy weather) may occur for a long time. Conceivable. That is, in a photovoltaic power generator, optimization only at the time of high power is insufficient, and a DC / DC converter with good overall power conversion efficiency for each input power value of high power and low power is required. It can be said. Embodiment 4 presents a DC / DC converter optimized from such a viewpoint.

[太陽光発電システムの構成]
実施例4において、使用する太陽電池、インバータ3などの構成は実施例1と同様である。異なるのは、実施例1に対してDC/DCコンバータ2の小型薄型化を図った結果、トランス15の巻回数が増加している点である。実施例4のトランス15の仕様を以下に示す。
一次側巻線:3ターン×2
二次側巻線:600ターン
[Configuration of solar power generation system]
In the fourth embodiment, the configurations of the solar cell, the inverter 3, and the like to be used are the same as those in the first embodiment. The difference is that the size of the DC / DC converter 2 is reduced in size and thickness compared to the first embodiment, and as a result, the number of turns of the transformer 15 is increased. The specifications of the transformer 15 of the fourth embodiment are shown below.
Primary winding: 3 turns x 2
Secondary winding: 600 turns

巻線比は、実施例1と同じにして、一次側および二次側巻線の巻回数をともに1.5倍に増加させる。図19は、実施例4において、オンデューティをパラメータにする場合のDC/DCコンバータ2の入力電流と電力変換効率の関係を示すグラフである。なお、横軸を入力電流にしたのは、一般に、太陽電池は夜明などの薄暗い状況下を除き、出力電圧がほぼ一定値をとり電流値がほぼ電力値に比例して、便宜上、DC/DCコンバータ2の入力電流と入力電力が同視できるからである。   The turns ratio is the same as in Example 1, and the number of turns of the primary and secondary windings is both increased by 1.5 times. FIG. 19 is a graph illustrating the relationship between the input current of the DC / DC converter 2 and the power conversion efficiency when the on-duty is used as a parameter in the fourth embodiment. In general, the input current is plotted on the horizontal axis because the output voltage of the solar cell is almost constant and the current value is almost proportional to the power value, except for dim conditions such as dawn. This is because the input current and the input power of converter 2 can be regarded as the same.

図19から明らかなように、実施例4のトランス15は、小電流時(小電力時)において、オンデューティが大きい(50%)場合よりもオンデューティが小さい(46%)方が電力変換効率がよい。   As is clear from FIG. 19, the transformer 15 of the fourth embodiment has a smaller power conversion efficiency (46%) when the on-duty is large (50%) than when the on-duty is large (50%). Is good.

このような特性をもつDC/DCコンバータ2において、図12に示す実施例1と同様の構成で異常電圧上昇を抑制するため、電流検出器31の出力が一定レベル以下のときにオンデューティを絞る制御を行うとする。例えば、1Aを超える入力電流の検出値では50%のオンデューティでDC/DCコンバータ2を運転し、1A以下の入力電流の検出値では46%のオンデューティでDC/DCコンバータ2を運転するようにすれば、図19に示すように、オンデューティを50%固定でDC/DCコンバータ2を運転する場合と比べ、入力電流が1A以下の領域の電力変換効率の向上が図れる。すなわち、実施例4では、異常電圧上昇を抑えるのみならず、太陽光発電装置の電力変換効率も向上させる格別な効果を得ることができる。   In the DC / DC converter 2 having such characteristics, the on-duty is reduced when the output of the current detector 31 is equal to or lower than a certain level in order to suppress the abnormal voltage rise with the same configuration as that of the first embodiment shown in FIG. Assume that control is performed. For example, operate the DC / DC converter 2 with an on-duty of 50% for a detected value of input current exceeding 1A, and operate the DC / DC converter 2 with an on-duty of 46% for a detected value of input current of 1A or less. In this case, as shown in FIG. 19, the power conversion efficiency can be improved in a region where the input current is 1 A or less as compared with the case where the DC / DC converter 2 is operated with the on-duty fixed at 50%. That is, in the fourth embodiment, not only the abnormal voltage rise is suppressed but also a special effect of improving the power conversion efficiency of the solar power generation device can be obtained.

なお、実施例4のトランス15は上記に限らず、以下のような特性を有するトランスであれば上記作用効果を奏する。つまり、DC/DCコンバータ2の電力変換効率に与える影響が、晴天日射時の太陽電池の出力電力においてはトランスの銅損が支配的で、逆に、曇天時の太陽電池の出力電力においてはトランスの鉄損が支配的になるようなトランスであればよい。なお、晴天日射時の出力電力とは日中の晴天度が100(雲がまったく無い状況)を、曇天時の出力電力とは日中の晴天度が0(天空にしめる雲と晴天の領域について、雲が100%)の状況を想定している。   Note that the transformer 15 of the fourth embodiment is not limited to the above, and the transformer and the transformer having the following characteristics can achieve the above-described effects. In other words, the effect on the power conversion efficiency of the DC / DC converter 2 is dominated by the copper loss of the transformer in the output power of the solar cell during sunny sunlight, and conversely, by the transformer in the output power of the solar cell during cloudy weather. Any transformer can be used as long as the iron loss becomes dominant. In addition, the output power at the time of the clear sun is 100 days (there is no cloud at all) during the daytime, and the output power at the time of the cloudy day is 0 (the cloud and clear sky area that can be made into the sky) Cloud is 100%).

また、実施例4において、入力電流を検出してオンデューティを制御する構成以外に、実施例2の図16と同様に、入力電力を検出してオンデューティを制御する構成にしてもよい。   Further, in the fourth embodiment, in addition to the configuration for controlling the on-duty by detecting the input current, a configuration for detecting the input power and controlling the on-duty may be employed similarly to FIG. 16 of the second embodiment.

太陽光発電システムの概観図、Overview of the photovoltaic system, 太陽発電システムの接続を示すブロック図、Block diagram showing connection of the solar power generation system, 電圧上昇抑制方法を示す図、Diagram showing a voltage rise suppression method, 電圧上昇抑制方法を示す図、Diagram showing a voltage rise suppression method, DC/DCコンバータを使用した太陽光発電システムの構成例を示すブロック図、Block diagram showing a configuration example of a photovoltaic power generation system using a DC / DC converter, 太陽電池の出力特性を示す図、Diagram showing output characteristics of the solar cell, DC/DCコンバータのIVカーブ特性を示す図、A diagram showing IV curve characteristics of a DC / DC converter, DC/DCコンバータの出力電力と出力電圧との関係を示す図、A diagram showing the relationship between output power and output voltage of the DC / DC converter, DC/DCコンバータの動作を説明する図、Diagram for explaining the operation of the DC / DC converter, デューティを絞ることが異常電圧上昇の抑圧に有効であることを示す測定結果を示す図、A diagram showing measurement results showing that reducing the duty is effective in suppressing abnormal voltage rise, スイッチング素子に供給する駆動パルスのデューティを50%から48%、46%に絞ったときのDC/DCコンバータの出力電力と変換効率の関係を示す図、A diagram showing the relationship between the output power and conversion efficiency of the DC / DC converter when the duty of the drive pulse supplied to the switching element is reduced from 50% to 48% and 46%. 異常電圧上昇の抑圧手段を有するDC/DCコンバータの構成例を示す図、A diagram showing a configuration example of a DC / DC converter having an abnormal voltage rise suppression means, デューティ切換回路の構成例を示す図、FIG. 3 is a diagram illustrating a configuration example of a duty switching circuit; 異常電圧上昇の抑圧手段を有するDC/DCコンバータの動作を説明する図、FIG. 7 is a diagram illustrating the operation of a DC / DC converter having an abnormal voltage rise suppression unit. 異常電圧上昇の抑圧手段を有するDC/DCコンバータの動作を説明する図、FIG. 7 is a diagram illustrating the operation of a DC / DC converter having an abnormal voltage rise suppression unit. 実施例2のDC/DCコンバータの構成例を示す図、A diagram showing a configuration example of a DC / DC converter of the second embodiment, 実施例3のDC/DCコンバータの構成例を示す図、A diagram showing a configuration example of a DC / DC converter of Embodiment 3, デューティ増の閾値を高めに設定することを説明する図、FIG. 7 is a diagram for explaining setting a higher threshold for duty increase. 実施例4における、DC/DCコンバータの入力電流と電力変換効率の関係を示すグラフである。13 is a graph showing the relationship between the input current of the DC / DC converter and the power conversion efficiency in Example 4.

Claims (8)

太陽電池の出力電圧を昇圧する電力変換装置であって、
前記太陽電池からの入力値を検出する検出器と、
前記太陽電池の出力電力をスイッチングするスイッチング回路に駆動パルスを供給する駆動回路と、
スイッチングされた電力を昇圧するトランスと、
昇圧された電力を整流する整流回路と、
前記検出器の検出値に応じて、前記駆動パルスのオンデューティを制御する制御回路とを有することを特徴とする電力変換装置。
A power converter for boosting an output voltage of a solar cell,
A detector for detecting an input value from the solar cell,
A drive circuit that supplies a drive pulse to a switching circuit that switches output power of the solar cell,
A transformer that boosts the switched power,
A rectifier circuit for rectifying the boosted power;
A control circuit for controlling an on-duty of the drive pulse according to a detection value of the detector.
前記制御回路は、前記検出値が所定値よりも小さい場合、前記オンデューティを減じ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   The power converter according to claim 1, wherein the control circuit reduces the on-duty when the detection value is smaller than a predetermined value. 前記制御回路は、前記検出値と所定値の比較結果に基づき、前記オンデューティを50%または50%未満に切り換え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。   2. The power converter according to claim 1, wherein the control circuit switches the on-duty to 50% or less than 50% based on a comparison result of the detection value and a predetermined value. 前記制御回路は、前記検出値が所定値を下回る場合、電力の供給先の装置の入力許容電圧を満たすように、前記オンデューティを低減す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。   The power converter according to claim 1, wherein the control circuit reduces the on-duty so as to satisfy an input allowable voltage of a device to which power is supplied when the detection value is lower than a predetermined value. apparatus. 前記検出器は、前記太陽電池と前記電力変換装置の間の電圧降下から前記入力値を検出することを特徴とする請求項1から請求項4の何れかに記載された電力変換装置。   5. The power conversion device according to claim 1, wherein the detector detects the input value from a voltage drop between the solar cell and the power conversion device. 太陽電池からの入力値を検出する検出器、前記太陽電池の出力電力をスイッチングするスイッチング回路に駆動パルスを供給する駆動回路、スイッチングされた電力を昇圧するトランス、および、昇圧された電力を整流する整流回路を有し、前記太陽電池の出力電圧を昇圧する電力変換装置の制御方法であって、
前記検出器の検出値に応じて、前記駆動パルスのオンデューティを制御することを特徴とする制御方法。
A detector that detects an input value from the solar cell, a driving circuit that supplies a driving pulse to a switching circuit that switches output power of the solar cell, a transformer that boosts the switched power, and rectifies the boosted power. A control method of a power conversion device having a rectifier circuit and boosting an output voltage of the solar cell,
A control method, wherein an on-duty of the drive pulse is controlled according to a detection value of the detector.
太陽電池と、
請求項1から請求項5の何れかに記載された電力変換装置と、
前記電力変換装置から出力される直流電力を交流電力に変換するインバータとを有することを特徴とする太陽光発電装置。
Solar cells,
The power converter according to any one of claims 1 to 5,
An inverter for converting DC power output from the power converter to AC power.
複数の太陽電池と、
前記複数の太陽電池それぞれに接続される、請求項1から請求項5の何れかに記載された電力変換装置を複数と、
前記複数の電力変換装置から出力される直流電力を交流電力に変換するインバータとを有することを特徴とする太陽光発電装置。
Multiple solar cells,
Connected to each of the plurality of solar cells, a plurality of the power conversion device according to any one of claims 1 to 5,
An inverter for converting DC power output from the plurality of power converters into AC power.
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