JP2005243852A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 制御速度が速く、日射が変動しない場合においても応答速度が悪くならず、
高価な照度計などの設置が必要なく、また、太陽電池パネルに影などの外因による出力低下があった場合にも正確な最大出力電圧で動作する、太陽電池パネルからなる直流電源の最大出力電力点を効率よく追尾できる電力変換装置を提供すること。
【解決手段】 太陽電池パネルの出力電力を最大にすべく前記太陽電池パネルの出力電圧を制御する出力制御手段と、前記太陽電池パネル周囲の照度変化を検出する画像素子とを備えるともに、前記画像素子が前記太陽電池パネル周囲の照度変化を検出し、この照度変化があった場合、前記出力制御手段は前記太陽電池パネルの出力電力を最大に保つべく、前記太陽電池パネルの出力電圧を変化させない制御を行う。
【選択図】 図１

Description

本発明は、太陽電池パネル等の直流電源から得られる直流電力を交流電力に変換する電力変換装置に関し、特に太陽電池パネルの発電電力の最大出力点を追尾する電力変換装置に関するものである。

近年、太陽エネルギーを電気エネルギーへ光電変換できる太陽電池パネルが発電し、出力する直流電力をインバータにて交流電力に変換し、太陽電池パネルを商用電力系統と連系する系統連系システムが実用化されている。

図５は従来の系統連系システムの形態を示す概略説明図である。

図５に示すように、この系統連系システムにおいては、太陽電池パネルにより構成された直流電源２にて発電した直流電力は、電力変換装置１にてたとえば２００Ｖの交流電力に変換され、商用電力系統１６と連系運転されている。従来より、太陽電池パネルの出力する直流電力をインバータにて交流電力に変換させる電力変換装置においては、太陽電池パネルにより構成された直流電源の出力を効率よく取り出すために最大出力電力点を追尾させるＭＰＰＴ（最大電力追従制御 Ｍｕｘｉｍｕｍ Ｐｏｗｅｒ Ｐｏｉｎｔ Ｔｒａｃｋｅｒ）制御が行われている。

図６は従来の電力変換装置の形態を示す一例の説明図、図７は従来の太陽電池パネルにより構成された直流電源の電圧−電流特性を示す概略グラフ、図８は従来の太陽電池パネルにより構成された直流電源の電圧−電力特性を示す概略グラフである。

一般に電力変換装置１は、図６に示すように、太陽電池パネルにより構成された直流電源２と、この直流電源２の出力電圧を異なる電圧に変換する直流電圧変換回路３と、直流電圧変換回路３にて変換された直流電力を交流電力に変換するインバータ回路４とから構成され、太陽電池パネルにより構成された直流電源２の出力電圧検出手段１０と出力電流検出手段１１とを有している。

ここで、電力変換装置１のＭＰＰＴ制御は、図７に示す太陽電池パネルにより構成された直流電源２の電圧―電流特性上の動作点における電圧、電流を測定するとともに該動作点を微小変動させ、図８に示す太陽電池パネルにより構成された直流電源２の電圧―電力特性上の前動作点の出力電力と比較することにより最大出力電力点を追尾させる制御方式（山登り制御方式）が用いられている。

また、山登り制御において追従動作の性能向上としては、電圧設定値をＶ１からＶ２へ変化させ、再びＶ１に戻す３つの計測点において、太陽電池パネルにより構成された直流電源２の出力電力を計測し、比較することで、日射の変動を検出するという方式が提案されている。（例えば特許文献１を参照）
また、日射量センサを備え、日射量に対応する最大出力電圧をデータベースとして保持し、その保持された電圧を電圧設定値として制御を行うという方法も提案されている。（例えば特許文献２を参照）
特開平６−３５５５５号公報 特開２０００−１８１５５５号公報

しかしながら、上述の山登り制御方式においては、太陽電池パネルにより構成された直流電源の出力電圧を変化させて、検出した直流電源の出力電力の変動に基づき、推測された最大出力電圧（太陽電池パネルの出力電力が最大となる太陽電池パネルの出力電圧）を決定する制御を行っている。しかし、太陽電池パネルにより構成された直流電源の出力電圧を変化させた際に、照度が変化した場合でも、太陽電池パネルにより構成された直流電源の出力電力が変動してしまい、誤った最大出力電圧で動作したり、正確な最大出力電圧に到達するまでに時間がかかって、太陽電池パネルにより構成された直流電源の出力電力が低下するという問題があった。

また、上記問題点の解決策として特許文献１のように、山登り制御において、電圧設定値をＶ１からＶ２へ変化させ再びＶ１に戻す３つの計測点において太陽電池パネルにより構成された直流電源の出力電力を計測し、比較することで、日射の変動を検出するという方式が提案されているが、制御速度が遅くなり、日射が変動しない場合においても応答速度が悪くなるという問題点がある。

また、特許文献２のように、日射量センサを備え、日射量に対応する最大出力電圧をデータベースとして保持し、その保持された電圧を電圧設定値として制御を行うという方法も提案されているが、照度の絶対値を計測する必要があるため、高価な照度計が必要となり、また、太陽電池パネルに影などの外因による出力電力低下があった場合に、誤った形でデータベース化されてしまい、正確な最大出力電圧で動作するように回復するまでに時間かかかってしまうという問題点がある。

本発明は上述した従来の問題点に鑑みてなされたものであり、制御速度が速く、日射が変動しない場合においても応答速度が悪くならず、高価な照度計などの設置が必要なく、また、太陽電池パネルに影などの外因による出力低下があった場合にも正確な最大出力電圧で動作する、太陽電池パネルにより構成された直流電源の最大出力電力点を効率よく追尾できる電力変換装置を提供することを目的とするものである。

本発明の電力変換装置は、太陽電池パネルの発電した直流電力の電圧を昇圧し、さらにこの昇圧された直流電圧を交流電圧に変換し、太陽電池パネルを負荷系統及び商用電力系統に電気的に接続して連系運転を行う電力変換装置であって、前記太陽電池パネルの出力電力を最大にすべく前記太陽電池パネルの出力電圧を制御する出力制御手段と、前記太陽電池パネル周囲の照度変化を検出する画像素子とを備えるともに、前記画像素子が前記太陽電池パネル周囲の照度変化を検出し、この照度変化があった場合、前記出力制御手段は前記太陽電池パネルの出力電力を最大に保つべく、前記太陽電池パネルの出力電圧を変化させない制御を行うことを特徴とする。

また、本発明の他の電力変換装置は、前記画像素子が検出する画像面を複数の領域に分割し、照度変化の検出を行うための最も輝度が高く、かつ輝度のばらつきが小さい領域を設定し、この設定された領域の輝度変化により照度変化を検出することを特徴とする。

本発明の電力変換装置によれば、太陽電池パネルの発電した直流電力の電圧を昇圧し、さらにこの昇圧された直流電圧を交流電圧に変換し、太陽電池パネルを負荷系統及び商用電力系統に電気的に接続して連系運転を行う電力変換装置であって、前記太陽電池パネルの出力電力を最大にすべく前記太陽電池パネルの出力電圧を制御する出力制御手段と、前記太陽電池パネル周囲の照度変化を検出する画像素子とを備えるともに、前記画像素子が前記太陽電池パネル周囲の照度変化を検出し、この照度変化があった場合、前記出力制御手段は前記太陽電池パネルの出力電力を最大に保つべく、前記太陽電池パネルの出力電圧を変化させない制御を行うことで、いかなる照度変化においても最適な太陽電池パネルからなる直流電源の最大出力電力点が変動することがなく、電力変換装置を確実に最大出力電力点で動作させることが可能となる。

また、画像素子が安価なので、電力変換装置のコストを抑えることができる。

さらに、本発明の他の電力変換装置によれば、前記画像素子が検出する画像面を複数の領域に分割し、照度変化の検出を行うための最も輝度が高く、かつ輝度のばらつきが小さい領域を設定し、この設定された領域の輝度変化により照度変化を検出することで、さらに精度の高い制御を行うことが可能となる。

以下、図１に従い本発明に係る一実施形態について説明する。

図１は本発明に係る電力変換装置の実施形態の一例を示す概略回路構成図である。

図１において、太陽電池素子を用いて太陽光を電気エネルギーに変換する太陽電池パネルからなる直流電源２で発電された直流電力は、直流電力を交流電力に変換する電力変換装置１に入力される。電力変換装置１は、太陽電池パネルからなる直流電源２の直流電圧を異なる直流電圧に変換する直流電圧変換回路３と、直流電圧変換回路３にて電圧変換された直流電力を交流電力に変換するインバータ回路４とから構成されており、太陽電池パネルからなる直流電源２の発電電力を交流負荷などに供給もしくは電力会社などの商用系統電力に逆潮流を行う。

直流電圧変換回路３はリアクトル５、半導体スイッチ素子６、ダイオード７、平滑コンデンサ８及び半導体スイッチ素子６を制御する出力制御手段（本発明において、出力制御手段は半導体スイッチ素子６のスイッチング周波数などのデューティ比を制御して出力電力を調整する出力制御回路のことである。）９によりチョッパ回路を構成し、電圧変換が行われる。

なお、電圧変換時に電流量も変化するがこちらは特に制御しないものとする。

また、直流電圧変換回路３には太陽電池パネルからなる直流電源２の出力電圧、出力電流を検出する電圧検出手段１０、電流検出手段１１と、検出された電圧・電流の演算により電力を求める電力計測手段（ＭＰＵ、積算回路などで構成される）１２と、電力変換装置１の内部または外部に設けられた画像素子１３とを有し、太陽電池パネルからなる直流電源２の発電電力が常に最大になるよう制御するための情報を出力制御手段９に送っている。電圧検出手段としては抵抗分割による分圧方式が主流であるが、電流検出手段としてはシャント抵抗や直流電流トランス（ＤＣＣＴ）を用いたり、直流電流のスイッチング時の流れを電流トランス（ＣＴ）で検出して擬似的に測定する方法も用いられる。

一方、インバータ回路４は複数の半導体スイッチ素子から成るブリッジ回路１４とリアクトルとコンデンサから成るフィルタ回路１５とを有し、直流電圧変換回路３より出力される直流電力を正弦波の商用交流波形に変換し、商用電力系統１６と連系運転を行えるようにしている。これにより照明器具や冷蔵庫などの商用電力負荷へ電力を供給したり、商用電力系統１６へ逆潮流（売電）することができる。

次に、電力変換装置１の動作について説明する。直流電圧変換回路３においては、太陽電池パネルからなる直流電源２から直流電力が入力され、出力制御手段９により半導体スイッチ素子６が高速にオン、オフ制御される。半導体スイッチ６のオン時、リアクトル５にはエネルギーが蓄積され、半導体スイッチ６のオフ時に前記エネルギーがダイオード７を通り平滑コンデンサ８部に出力され、太陽電池パネルからなる直流電源２から入力された電圧とは異なる直流電圧に変換することが可能となる。

なお、半導体スイッチ素子６は変換電圧に応じてパルスのデューティーをコントロールするＰＷＭ方式により制御されている。また、出力制御手段９部は、電圧検出手段１０、電流検出手段１１で検出された太陽電池パネルからなる直流電源２の出力電圧、出力電流値から電力計測手段１２により出力電力を演算し、出力電圧（動作点）を微少に変動させながら太陽電池パネルからなる直流電源２の出力電力が最大になるように制御を行う。

一方、インバータ回路４では、ブリッジ回路１４の高速スイッチング動作によるＰＷＭ制御が行われ、ＬＰＦ（ローパスフィルタ）であるフィルタ回路１５を通すことにより、正弦波の交流出力が得られる。出力制御手段９は通常の制御において、太陽電池パネルからなる直流電源２の出力電圧を微小に変化させて電力計測手段１２から得られる出力電力が高くなる方向へ太陽電池パネルからなる直流電源２の出力電圧を制御する。しかし、例えば太陽電池パネルからなる直流電源２の出力電圧を高くした際に日射が低下すると、太陽電池パネルからなる直流電源２の発電量が低下したと判断し、電圧指令値を低くする方向へ制御を行ってしまう。そのため、本発明の電力変換装置においては、画像素子１３により照度変化を検出し、日射変動があった場合には電圧指令値を変動させないように制御を行う。

図２は本発明に係る照度による太陽光発電制御の実施形態の一例を示す概略構成図、図３の（ａ）、（ｂ）は本発明に係る照度検出の方法の一例を模式的に説明する概念図であり、（ａ）は分割方法、（ｂ）はその具体的事例、図４は本発明に係る相対照度算出の方法の一例を説明するフロー図である。

図２に示すように、画像素子１３は照度検出部２５と出力制御部２０とから成り、電力変換装置１内に設けてある出力制御手段９のＭＰＰＴ制御部１７へＭＰＰＴ制御を効率よく作動させるための情報を送る。照度検出部２５は画像素子であるＣＣＤカメラ、ＣＭＯＳセンサーなどの照度変化を検出するための装置であり、例えば、後述する図３（ｂ）のような照度状況の変化が判別できる画像情報を採取する。採取された画像情報は出力制御部２０に送られ、解析が行なわれる。まず、画像解析部２１で照度検出部２５から送られてきた図３（ｂ）の映像情報を、例えば図３（ａ）のように照度検出部２５から得られる画像情報を複数の領域（例えば縦３マス×横３マスの９つの領域）に分割しておき、図３（ａ）にある１〜９の画像情報の中から最も照度検知に適した画像領域（最も照度検知に適した画像領域というのは、輝度のばらつきが小さい領域、例えば画像領域５）を選定してメモリ２３に記録する。ここで照度検知に適した画像の判定方法の一例を述べると、まず複数の領域の中で最も輝度が高い部分を有する領域を選定する。そしてその領域の中における最も輝度の高い部分を中心として一定の面積（後述するＭＰＵなどが照度変化を検出するのに必要な画像面積）がほぼその輝度と同じレベル（一例として、例えば１０％以内の差）であれば、その領域の測定ポイントには障害物などがなく、かつ一部の光の反射によるものではないと判断し、以降は領域内の当該ポイントの輝度を照度に換算する方法が挙げられる。このとき、もし輝度が一定の面積無かった場合には、そのポイントは周囲の障害物が風等で揺れたりして正確な変化を読み取れない、もしくは金属物などが太陽光を反射しているだけの局所的な光であると判断し、それ以外の領域で次に輝度の高いところを選定し、同様のフローで判断を行うようにする。そして選定された領域の明るさの相対的な明るさの変化を算出し、照度の変化に変換する相対照度演算部２２によって照度情報として利用可能となる。照度情報はＭＰＰＴ制御部１７に送られて太陽電池パネルからなる直流電源２の出力変動に対する出力制御の追従予測に用いられ、より変換効率の高い太陽光発電が行なわれるようになる。同時に照度情報はメモリ２３に記録され、次に送られてくる画像情報との相対的変化の基準値として用いられる。この制御の流れを図４に示す。

この画像解析の方法としてはＭＰＵなどによる高度な画像解析を行なって地面などを判定し、その照度変化を検出する方法でもよいが、ＲＧＢ信号を解析し、木や門柱などの色付きの物体を排除し、道路や塀などの太陽光が照射されていると推定される部分の一定面積を選出し、その位置の明るさの変化を相対的に検出するようにするのが好ましい。また、この制御においては、照度の絶対値ではなく相対値で制御ができるため、検出の絶対値精度を必要としない。そのため、安価で普及している画像素子を用いる事が可能となり、例えばＣＣＤを用いた場合には光の情報から輝度信号として諧調の表現度合いであるγ値の変化から用意に照度の相対的な変化を検出することもできる。

なお、画像素子１３を電力変換装置１の外部に設置する場合においては、昨今画像素子を用いた機器が増えているため、インターホンなど他の用途で使用される機器から兼用して照度信号（輝度信号）を得ることで、この装置のためだけの新たな機器の設置をする必要がなく、トータルシステムとしての構成要素を少なくすることができるという利点も挙げられる。

このように画像素子を用いて相対値による制御を行うことにより、如何なる日射状態であっても太陽電池パネルからなる直流電源の最大出力点を正確に追従することが可能であり、誤った最大出力点で動作したり、最大出力点に到達するまでに時間がかかることによって太陽電池パネルからなる直流電源の発電量が低下することのない電力変換装置を提供することが可能となる。

本発明に係る電力変換装置の実施形態の一例を示す概略回路構成図である。 本発明に係る照度による太陽光発電制御の実施形態の一例を示す概略構成図である。 （ａ）、（ｂ）は本発明に係る照度検出の方法の一例を模式的に説明する概念図であり、（ａ）は分割方法、（ｂ）はその具体的事例である。 本発明に係る相対照度算出の方法の一例を説明するフロー図である。 従来の系統連系システムの形態を示す概略説明図である。 従来の電力変換装置の形態を示す一例の説明図である。 従来の太陽電池パネルにより構成された直流電源の電圧−電流特性を示す概略グラフである。 従来の太陽電池パネルにより構成された直流電源の電圧−電力特性を示す概略グラフである。

符号の説明

１：電力変換装置
２：太陽電池パネルからなる直流電源
３：直流電圧変換回路
４：インバータ回路
５：リアクトル
６：半導体スイッチ素子
７：ダイオード
８：平滑コンデンサ
９：出力制御手段
１０：電圧検出手段
１１：電流検出手段
１２：電力計測手段
１３：画像素子
１４：ブリッジ回路
１５：フィルタ回路
１６：商用電力系統
１７：ＭＰＰＴ制御部
２０：出力制御部
２１：画像解析部
２２：相対照度演算部
２３：メモリ
２５：照度検出部

Claims (2)

1. 太陽電池パネルの発電した直流電力の電圧を昇圧し、さらにこの昇圧された直流電圧を交流電圧に変換し、太陽電池パネルを負荷系統及び商用電力系統に電気的に接続して連系運転を行う電力変換装置であって、前記太陽電池パネルの出力電力を最大にすべく前記太陽電池パネルの出力電圧を制御する出力制御手段と、前記太陽電池パネル周囲の照度変化を検出する画像素子とを備えるともに、前記画像素子が前記太陽電池パネル周囲の照度変化を検出し、この照度変化があった場合、前記出力制御手段は前記太陽電池パネルの出力電力を最大に保つべく、前記太陽電池パネルの出力電圧を変化させない制御を行うことを特徴とする電力変換装置。
2. 前記画像素子が検出する画像面を複数の領域に分割し、照度変化の検出を行うための輝度のばらつきが小さい領域を設定し、この設定された領域の輝度変化により照度変化を検出することを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。

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