JP2005312158A - 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 - Google Patents

Abstract

【課題】 簡単な構成で、高い変換効率を達成する電力変換装置にする。
【解決手段】 DC/DCコンバータ2は、太陽電池セル1から供給される直流電力の電圧（入力電圧）を検出し、直流電力をスイッチングしてトランス15に供給し、トランス15によって昇圧された交流電力を整流した直流電力の電圧（出力電圧）を検出し、制御回路46により、スイッチング素子33、34のオンデューティを入力および出力電圧の検出値の比が一定になるように制御する。
【選択図】 図2

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。

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や、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システムが世界中で実用化されている。

太陽電池を利用した太陽光発電システムの形態としては、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、電力変換装置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。

このような電力変換装置は、太陽電池の出力をDC/DCコンバータで昇圧し、その出力をインバータで直交変換し、系統に連系する構成が一般的である。

また、DC/DCコンバータの構成を簡略化するために、図13に示すように、太陽電池(PV)100から直流電力を入力するDC／DCコンバータ101のスイッチングデュ−ティ（スイッチ素子のオンオフ比）を固定し、後段のインバータ102のスイッチングをPWM制御して、DC／DCコンバータ101から入力する電力の大きさを最大とする最大電力追尾制御を行う電力変換装置が知られている（特許第3311419号（特開平6-309047号公報）参照）。

発明者は、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、日射量の大小によって、最高の変換効率が得られるスイッチングデュ−ティが異なることを発見した。言い換えれば、固定デュ−ティ制御では、変化する日射量に対し、常に最高の変換効率を得ることができない。

特開平6-309047号公報

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、簡単な構成で、高い変換効率を達成する電力変換装置にすることを目的とする。

本発明は、前記の課題を解決する一手段として、以下の構成を備える。

本発明は、太陽電池から供給される直流電力の電圧（入力電圧）を検出し、直流電力をスイッチングしてトランスに供給し、トランスによって昇圧された交流電力を整流し、整流回路から出力される直流電力の電圧（出力電圧）を検出して、スイッチング回路のオンデューティを、入力および出力電圧の検出値の比が一定になるように制御することを特徴とする。

本発明によれば、簡単な構成で、高い変換効率を達成する電力変換装置にすることができる。

発明の実施するための最良の形態

発明者は、太陽光発電システムの一つの有効な形態として、太陽電池セルと一体化した高昇圧DC/DCコンバータを用いた太陽光発電装置の開発を行った。その開発の過程で、入力電圧と出力電圧の検出値の比が一定になるようにスイッチングパルスのオンデュ−ティ（スイッチ素子をオンさせるパルス信号のデューティ）を制御するDC/DCコンバータの構成を採用したところ、安価な構成で、良好な変換効率を得ることができた。

以下、本発明のDC/DCコンバータ、および、そのDC/DCコンバータを使用した太陽光発電装置の構成、動作などを順に説明する。

［太陽光発電装置の構成］
図1は実施例の太陽光発電装置の基本構成を示すブロック図である。

実施例の太陽光発電装置は、太陽電池セル1とDC/DCコンバータ2からなるDC/DCコンバータ付き太陽電池モジュール（以下「DCモジュール」と呼ぶ）、DCモジュールから出力される直流電力を交流電力に変換して系統4に連系するインバータ3から構成される。なお、DC/DCコンバータ2とインバータ3を合わせて電力変換装置と呼ぶ場合がある。

図2は実施例の太陽光発電装置の詳細な回路構成を示すブロック図である。

実施例の太陽光発電装置は、複数のDCモジュール（太陽電池セル1とDC/DCコンバータ2の組み合わせ）、および、インバータ3から構成される。つまり、DCモジュールを複数台、並列に接続してインバータ3に直流電力供給し、インバータ3から出力される例えば単相100Vの交流電力を系統4に逆潮流する、いわゆる系統連系型の太陽光発電装置を構成する。

●太陽電池セル
太陽電池セル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、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素子が使用可能である。実施例においては、アモルファスシリコン系を二層に積層した積層型太陽電池素子単体を太陽電池セル1として使用する。その特性は以下のとおりである。また、図3は定格日射(1kW/m²)時の太陽電池セル1の代表的な出力特性を示す図である。
定格日射(1kW/m²)、周囲温度25℃時
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

●DC/DCコンバータ
太陽電池セル1の出力電極に、低電圧大電流である太陽電池セル1の出力を昇圧して高電圧小電流に変換するDC/DCコンバータ2を直結して設ける。これは、例えば屋内に設置されたインバータ3までの長い送電路の電流を低減して、送電ロスを低減することを目的とする。このように構成すれば、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。さらに、多数の太陽電池を直列に接続して高い電圧を得ようとすれば、屋根などの上に配置された太陽電池の間を結ぶ配線が必要であるし、その配線も大きな電流が流れることを考慮して充分に太い電線が必要になる。これに対して、DCモジュールを利用すれば、DCモジュールからインバータ3までの配線は比較的細い電線で済み、太陽光発電装置を設置する際の配線の取り扱いが容易になる。なお、DC/DCコンバータ2は、通常、入力電圧を25から500倍に昇圧する。

なお、実施例において、太陽電池セル1とDC/DCコンバータ2の間は直結に限らず、太い電線を使用して短い距離で接続するなど、両者の間の抵抗値を充分小さくできる接続であればよい。

●DC/DCコンバータの動作
図4はDC/DCコンバータ2の回路構成を示す図である。

DC/DCコンバータ2に入力される太陽電池セル1の発電電力（直流電力）は、制御回路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。そして、トランス15の二次巻線から出力されるスイッチング周波数の交流電力は、整流器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/DCコンバータ2の入力の負極側と、出力の負極側を直接接続し、入出力間がグランドコモンになる構成にする。このようにDC/DCコンバータ2の入出力間を非絶縁とすれば、トランス15にも入出力間の絶縁耐圧および絶縁距離が要求されることはなく（トランス15は機能絶縁のみでよい）、DC/DCコンバータ2の出力電圧の検出にも絶縁が不要になるため、DC/DCコンバータ2を安価に構成することができる。

DC/DCコンバータ2の制御回路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に供給する。このとき、DC/DCコンバータ2の入出力電圧を検出し、入力電圧と出力電圧の比が一定になるようにゲート駆動信号（矩形波）のオンデュ−ティを制御する。

本実施例では、スイッチング素子33および34の導通期間（オンデューティ）を40%から50%未満になるように、ゲート駆動信号のオンデューティを制御する。これは、ゲート駆動信号のオンデューティを50%近くにすると、スイッチング素子の遅れにより、スイッチング素子の導通期間が50%を超えて、スイッチング素子33および34が同時に導通する期間が発生する危険がある。そこで、スイッチング素子の導通期間が50%未満になるように、ゲート駆動信号のオンデューティを制御する。ただし、以下では、簡単のために、オンデューティを50%と表現する場合があるが、上記を考慮していることは言うまでもない。

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15の小型化のトレードオフにより、20k〜数百kHzの間に設定する。本実施例では、高い変換効率を得るために、スイッチング周波数を極力低くして20kHzとする。

●入力キャパシタ
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い。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の電力供給源が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。

●スイッチング素子
スイッチング素子33および34は、太陽電池セル1の出力電圧が小さく、出力電流が大きいため、オン抵抗が極力低いMOSFETを使用することが好ましい。

●トランス
トランス15の変圧比（巻線比）は、太陽電池セル1の動作上限温度、最低動作保証日射時のワーストケースにおいて、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（150V以上）がDC/DCコンバータ2の出力として得られるように設定する。なお、DC/DCコンバータ2はプッシュプル構成であるため、その出力電圧Voは、入力電圧Viにトランス15の変圧比nとオンデュ−ティd×2を掛けた値になる。

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。本実施例においては、太陽電池セル1の動作最低電圧Vmin=0.75V、最小オンデュ−ティdmin=40%、出力電圧Vo=150Vとして、トランス15の変圧比nを設定する。
Vmin×n×dmin×2 = Vo
0.75×n×0.4×2 =150
変圧比n = 250
一次側巻線 2ターン×2
二次側巻線 500ターン

●整流器および平滑回路
トランス15の後段には、トランス15から出力されるスイッチング周波数の交流電力を整流する整流器36、および、整流後の電力からリブルやノイズを除去する平滑回路37を設ける。

●制御回路用電源
制御回路用電源45は、太陽電池セル1から出力される1V程度の電圧を、制御回路46に供給する制御電源用に変換する。

●制御回路
図5は制御回路46の詳細な構成例、図6は制御回路46の各部の信号を示す信号図である。

制御回路46は、DC/DCコンバータ2の入力電圧と出力電圧の比が常に1:213になるように、スイッチング素子33、34のオンデューティを制御する。この比は、トランス15の巻線やプリント基板などの導体パターンによる電圧降下による損失、スイッチング素子33、34のゲートドライブ電力、トランス15の鉄損などの固定損失との関係で、最高の変換効率が得られる値を設定するが、その設定方法は後述する。

制御回路46の誤差増幅器48は、高電圧の出力電圧モニタ信号を抵抗分圧器47（出力電圧検出部）により分圧した信号Aと、入力電圧モニタ信号（信号B）を入力（入力電圧検出部）し、その差分信号A-Bを出力する。なお、抵抗分圧器47を構成する抵抗器R1とR2は下式の関係をもつようにする。ただし、抵抗器R1、R2は電力を消費し、変換効率を低下させるので、充分抵抗値が高いのものを使用する。
R2/(R1 + R2) = 1/213

PWMコンパレータ50の入力に接続されたツェナーダイオード61は、PWMコンパレータ50の入力電圧を制限してオンデューティが40%未満にならないようにするためのものである。

発信器49は、プッシュプル回路のスイッチング周波数が40kHzになるような鋸波を出力する。これは、二つのスイッチング素子33、34に20kHzのゲート信号を供給するためである。

PWMコンパレータ50は、発信器49および誤差増幅器48の出力を入力して、誤差増幅器48の出力電圧に応じたパルス幅の矩形波を出力する。この矩形波は、D-フリップフロップ、ANDゲート、ドライバから構成されるプッシュプルドライバ51に入力され、スイッチング素子33、34をプッシュプル駆動するゲート信号に変換される。

このような構成により、信号A=BになるようにDC/DCコンバータ2が制御され、その入力電圧と出力電圧の関係を示す昇圧比（出力電圧/入力電圧）が213になる。

なお、制御回路46は、上述したように、スイッチング素子33および34の導通期間（オンデューティ）が40%から50%未満になるように制御するが、その詳細は、本発明の本質とは関係ないので省略する。

●インバータ
次に、インバータ3の動作は簡単に説明する。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制御して、DC/DCコンバータ2と太陽電池セル1を合わせた最大電力追尾制御（MPPT制御）を行う。インバータブリッジ52の出力は、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へ連系される。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。

また、MPPT制御は、100mSごとに動作点を移動させる設定とするが、これは、DC/DCコンバータ2のスイッチング周波数20kHzに比べて、動作点の移動を充分遅くすることで、互いの制御が干渉することを防止する目的がある。

また、MPPT制御による入力電圧範囲は150〜250Vの範囲であるが、この入力電圧範囲は、太陽電池セル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の変圧比とオンデュ−ティによって決定される。

このようなインバータ3のPWM制御により、太陽電池セル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と同一位相の交流電力を出力することができる。

［入力電力とオンデューティの関係］
図7はDC/DCコンバータ2のスイッチング素子33、34のオンデュ−ティを固定した場合の、入力電力とDC/DCコンバータ2の昇圧比（出力電圧／入力電圧）の関係の測定結果を示す図である。なお、オンデューティを40〜50%まで1%刻みに変化させて測定した。

この測定結果から、昇圧比を一定に制御すれば、入力電力とオンデューティの関係が対応することがわかる。言い換えれば、電流検出器を用いなくとも、電圧検出器だけで入力電力を検出することが可能であると言え、電力損失を伴う、コストアップになる電流検出器を用いずに、電力損失が少なく、低コストの電圧検出器だけで入力電力を検出することができることが見出された。

［昇圧比と電力変換効率］
図8はDC/DCコンバータ2のスイッチング素子33、34のオンデュ−ティを固定した場合の、入力電力とDC/DCコンバータ2の電力変換効率の関係の測定結果を示す図である。また、図9は、図8に示す電力変換効率特性の、各入力電力における最高点を記号○で示す図である。これらの図から、各入力電力で最大の電力変換効率をとる一定の昇圧比が存在することがわかる。言い換えれば、昇圧比をある一定値にすると、最大の電力変換効率でDC/DCコンバータ2が動作することが見出されたと言える。

最大の伝六変換効率を得るための昇圧比は、DC/DCコンバータ2のトランス15の巻線やプリント基板などの導体パターンにおける導通損失、スイッチング素子33、34のドライブ電力、コア損失などの固定損失の関係から決定されると推定される。従って、この一定昇圧比を決定するには、昇圧比を変化させて、各入力電力におけるDC/DCコンバータ2の電力変換効率の変化をみればよい。そして、DC/DCコンバータ2が想定する入力電力範囲において入力電圧値に応じて最大変換効率が得られるオンデューティが選択されるように昇圧比を決定する。なお、上述したDC/DCコンバータ2の構成において、最高の電力変換効率が得られる昇圧比は213であった。

図10は実施例のDC/DCコンバータ2において、昇圧比を213にした場合の電力変換効率と、オンデュ−ティを固定（40％、45％、50％）した場合の電力変換効率を示す図、図14は実施例のDC/DCコンバータ2において、昇圧比213の場合の電力変換効率と、他の昇圧比200、205、220、225の場合の電力変換効率を比較した図である。各入力電力において、昇圧比を213にした場合に最高の変換効率が得られていることがわかる。つまり、入力電流（入力電力）を検出せずに、入力電圧と出力電圧の検出するのみで、良好な電力変換効率が得られるオンデュ−ティで運転可能なことが実証された。

なお、図7から図10に示す測定結果は、入力電圧が1.0Vのときの測定データを記したものであるが、この傾向は、インバータ3のMPPT制御により、DC/DCコンバータ2の入力電圧が変化してもほぼ同様のものであることは言うまでもない。

また、本実施例では、とくに好ましい形態として、太陽電池を1セル構成で使用する例を説明したが、太陽電池セルの直列体を用いても低電圧大電流であれば、系統連系するために高い昇圧比が必要になり、本発明が好適に利用できる。具体的には20V以下の低電圧、10A以上の大電流であれば好適に本発明を利用することができる。

［変形例］
図2に示すような太陽光発電装置において、インバータ3が停止するとDC/DCコンバータ2は無負荷になる。このとき、太陽電池セル1は開放電圧状態になり、その電圧をDC/DCコンバータ2は上述した昇圧比で昇圧し出力する。さらに、冬場など、周囲温度が低下すると、太陽電池セル1の開放電圧は一層上昇する傾向がある。つまり、制御回路46においては、PWMコンパレータ50へ入力される上限電圧を制限するためにツェナーダイオード61を設けたが、インバータ3が停止するなどして、太陽電池セル1が開放状態になると、オンデューティを制限しただけでは、DC/DCコンバータ2の出力電圧を充分に抑制することはできない。

図11は、図5に示した制御回路46の構成に出力過電圧を抑制する回路を追加した制御回路70の構成例、図12は制御回路70の各部の信号を示す信号図である。

制御回路70によれば、誤差増幅器72の出力により、出力電圧の分圧信号（信号A）が、基準電圧設定部71で設定した信号Cの値を超えないようにスイッチング素子33、34のオンデュ−ティを抑制することができる。このように構成することで、負荷の状態に応じて変化するDC/DCコンバータ2の出力電圧を所定値以下に抑えることができ、インバータ3への高電圧印0加を防ぐことができる。

実施例の太陽光発電装置の基本構成を示すブロック図、 実施例の太陽光発電装置の詳細な回路構成を示すブロック図、 定格日射時の太陽電池セルの代表的な出力特性を示す図、 DC/DCコンバータの回路構成を示す図、 制御回路の詳細な構成例を示す図、 制御回路の各部の信号を示す信号図、 DC/DCコンバータのスイッチング素子のオンデュ−ティを固定した場合の、入力電力とDC/DCコンバータの昇圧比の関係の測定結果を示す図、 DC/DCコンバータのスイッチング素子のオンデュ−ティを固定した場合の、入力電力とDC/DCコンバータの電力変換効率の関係の測定結果を示す図、 図8に示す電力変換効率特性の、各入力電力における最高点を示す図、 実施例のDC/DCコンバータにおいて、昇圧比を213にした場合の電力変換効率と、オンデュ−ティを固定した場合の電力変換効率を示す図、 図5に示した制御回路の構成に出力過電圧を抑制する回路を追加した制御回路の構成例を示す図、 制御回路の各部の信号を示す信号図、 太陽光発電装置の構成を示すブロック図、 実施例のDC/DCコンバータにおいて、昇圧比213の場合の電力変換効率と、他の昇圧比の場合の電力変換効率を示す図である。

Claims (7)

1. 太陽電池から供給される直流電力の電圧を検出する第一の検出部と、
   前記直流電力をスイッチングしてトランスに供給するスイッチング回路と、
   前記トランスによって昇圧された交流電力を整流する整流回路と、
   前記整流回路から出力される直流電力の電圧を検出する第二の検出部と、
   前記スイッチング回路のオンデューティを、前記第一および第二の検出部の検出値の比が一定になるように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。
2. 前記制御回路は、さらに、前記第二の検出部の検出値が所定値を超えないように、前記オンデュ−ティーを制御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。
3. 前記電力変換装置は、入力電圧を25から500倍に昇圧す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. 前記太陽電池は1セルであることを特徴とする請求項1から請求項3の何れかに記載された電力変換装置。
5. 太陽電池と、
   前記太陽電池が出力する直流電力を交流電力に変換する請求項1から請求項4の何れかに記載された複数の電力変換装置と、
   前記電力変換装置が出力す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。
6. 複数の太陽電池と、
   前記複数の太陽電池のそれぞれに設けられ、と対になり、前記複数の太陽電池それぞれが出力する直流電力を交流電力に変換する請求項1から請求項4の何れかに記載された複数の電力変換装置と、
   前記複数の電力変換装置が出力す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。
7. 太陽電池から供給される直流電力の電圧を検出する第一の検出部、前記直流電力をスイッチングしてトランスに供給するスイッチング回路、前記トランスによって昇圧された交流電力を整流する整流回路、前記整流回路から出力される直流電力の電圧を検出する第二の検出部を有する電力変換装置の制御方法であって、
   前記スイッチング回路のオンデューティを、前記第一および第二の検出部の検出値の比が一定になるように制御することを特徴とする制御方法。

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