JP2007049770A - Power supply - Google Patents
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Description
この発明は、太陽電池の出力をインバータにより交流に変換して負荷に供給する電源装置に関する。 The present invention relates to a power supply apparatus that converts an output of a solar cell into an alternating current by an inverter and supplies the alternating current to a load.
太陽電池の出力(直流電圧)をインバータにより交流に変換して負荷に供給する電源装置の例として、インバータを商用電源系統と連系して動作させる系統連系運転、およびインバータを商用電源系統と関わりなく動作させる自立運転を可能とするものがある(例えば、特許文献1,2)。
As an example of a power supply device that converts the output (DC voltage) of a solar cell into AC by an inverter and supplies it to a load, a grid-connected operation in which the inverter is operated in conjunction with a commercial power system, and the inverter as a commercial power system There are some that can be operated independently of each other (for example,
系統連系運転では、太陽電池の出力が商用電源系統に供給される。自立運転では、太陽電池の出力により、家庭電化製品などの電気機器が直接的に運転される。 In the grid connection operation, the output of the solar cell is supplied to the commercial power supply system. In the self-sustained operation, electric devices such as home appliances are directly operated by the output of the solar cell.
このような電源装置では、系統連系運転時、商用電源系統との連系を確実にするため、商用電源の周波数よりも十分に高い周波数でインバータがスイッチングされる。スイッチング周波数が高いことにより、そのスイッチング周期に同期して行われる割り込み制御が頻繁となり、商用電源の状態変化などに十分に追従し得る応答性のよい制御が可能となる。自立運転では、商用電源系統との連系がそもそも不要であること、しかも図4に示すように、インバータのスイッチング周波数(fc)が低いほどスイッチング損失が減少して効率の向上が図れることから、低い周波数でインバータがスイッチングされる。
上記の電源装置では、太陽電池の出力がスイッチングによって一旦昇圧されてからインバータに供給される。昇圧用のスイッチング周波数は、インバータのスイッチング周波数よりも低い。 In the power supply device described above, the output of the solar cell is once boosted by switching and then supplied to the inverter. The switching frequency for boosting is lower than the switching frequency of the inverter.
系統連系運転時に高い周波数でインバータがスイッチングされて、割り込み制御が頻繁になったとしても、それはインバータ側の制御についてだけのことであって、装置全体で見ると必ずしも応答性がよいとはいえない。 Even if the inverter is switched at a high frequency during grid-connected operation and interrupt control becomes frequent, it is only for the control on the inverter side, but it is not necessarily responsive to the entire device. Absent.
この発明は、上記事情を考慮したもので、装置全体にわたって応答性のよい安定した制御を可能とし、しかもスイッチング損失を極力減少できて効率の向上が図れる電源装置を提供することを目的とする。 In view of the above circumstances, an object of the present invention is to provide a power supply apparatus that enables stable control with good responsiveness over the entire apparatus and that can reduce switching loss as much as possible to improve efficiency.
請求項1に係る発明の電源装置は、太陽電池の出力を昇圧手段のスイッチングにより昇圧する昇圧手段と、この昇圧手段の出力をスイッチングにより交流に変換するインバータと、このインバータを商用電源系統に連系して動作させる系統連系運転および上記商用電源系統と関わりなく動作させる自立運転を選択的に実行する制御手段と、上記インバータのスイッチング周波数を上記系統連系運転時に高い値に設定して上記自立運転時に低い値に設定するとともに、そのスイッチング周波数と同じ値に上記昇圧手段のスイッチング周波数を設定する制御手段と、を備えている。 A power supply device according to a first aspect of the present invention includes a booster that boosts the output of a solar cell by switching of the booster, an inverter that converts the output of the booster to AC by switching, and the inverter connected to a commercial power system. Control means for selectively executing grid-connected operation to operate independently and independent operation to operate regardless of the commercial power supply system, and the switching frequency of the inverter is set to a high value during the grid-connected operation. And a control means for setting the switching frequency of the boosting means to the same value as the switching frequency while setting to a low value during the self-sustaining operation.
この発明の電源装置によれば、装置全体にわたって応答性のよい安定した制御が可能となる。しかも、スイッチング損失を極力減少できて、効率の向上が図れる。 According to the power supply apparatus of the present invention, stable control with good responsiveness can be achieved over the entire apparatus. In addition, the switching loss can be reduced as much as possible, and the efficiency can be improved.
以下、この発明の一実施形態について図面を参照して説明する。
図1において、1は太陽電池(PV)で、光を受けることにより、直流電圧を出力する。この出力が本発明の電源装置であるパワーコンディショナー2に供給される。
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
In FIG. 1,
パワーコンディショナー2は、太陽電池1の出力電圧が印加されるコンデンサ3、このコンデンサ3の電圧を昇圧する昇圧チョッパー4、この昇圧チョッパー4の出力を交流電圧に変換するインバータ10を備えている。
The
昇圧チョッパー4は、直流リアクトル5、トランジスタたとえばIGBT6、逆流防止用ダイオード7、およびコンデンサ8を有するいわゆるDC−DCコンバータであり、主制御部であるMCU30から供給されるPWM信号に応じてIGBT6がオン,オフすることにより、入力電圧(直流電圧)を所定レベルの直流電圧に昇圧する。インバータ10は、4つのトランジスタたとえばIGBT11,12,13,14からなるフルブリッジ回路、およびIGBT11,12,13,14にそれぞれ逆並列接続された還流ダイオードDを有し、MCU30から供給されるPWM信号に応じたIGBT11,12,13,14のオン,オフにより、入力電圧(直流電圧)を所定周波数の交流電圧に変換する。
The step-
このインバータ10の出力端に交流リアクトル14を介してコンデンサ15が接続され、そのコンデンサ15に第1スイッチ手段たとえばリレー接点16,17および出力用コンデンサ18,19を介して系統出力端子(100V/200V)20が接続されている。そして、系統出力端子20に商用電源系統が接続され、その商用電源系統に各種電気機器が接続されている。また、上記コンデンサ15に、第2スイッチ手段たとえばリレー接点21および出力用コンデンサ22を介して自立出力端子(100V)23が接続されている。この自立出力端子23に、上記各種電気機器が直接的に接続されている。
A
上記リレー接点16,17,18は、MCU30により制御される。そして、リレー接点16とリレー接点17との間の通電路における系統電圧(および周波数)、太陽電池1の出力電圧・電流、および昇圧チョッパー4の昇圧電圧が、それぞれMCU30により監視される。MCU30には、さらに、運転切替スウィッチ31および表示部32が接続されている。
The
MCU30は、主要な機能として、次の(1)(2)の手段を有している。
(1)運転切替スウィッチ31の操作に応じて、インバータ10を商用電源系統に連系して動作させる系統連系運転および商用電源系統と関わりなく動作させる自立運転を選択的に実行する制御手段。
(2)インバータ10のスイッチング周波数を系統連系運転時に高い値に設定して自立運転時に低い値に設定するとともに、そのスイッチング周波数と同じ値に昇圧チョッパー4のスイッチング周波数を設定する制御手段。
The
(1) Control means for selectively executing, in accordance with an operation of the
(2) Control means for setting the switching frequency of the step-
つぎに、上記の構成の作用を図2の信号波形図および図3のフローチャートを参照しながら説明する。
図2に示すように、正弦波状電圧の指令信号と三角波状電圧のキャリア信号との電圧比較により、パルス波状電圧のPWM信号が生成される。このPWM信号は、周波数がキャリア信号の周波数と一致し、パルス幅(オン,オフデューティ)が指令信号の電圧レベルに応じて変化する。
Next, the operation of the above configuration will be described with reference to the signal waveform diagram of FIG. 2 and the flowchart of FIG.
As shown in FIG. 2, a pulse wave voltage PWM signal is generated by voltage comparison between a sinusoidal voltage command signal and a triangular wave voltage carrier signal. The frequency of the PWM signal matches the frequency of the carrier signal, and the pulse width (on / off duty) changes according to the voltage level of the command signal.
こうして、昇圧チョッパー4を駆動するためのPWM信号が生成されるとともに、インバータ10を駆動するためのPWM信号が生成される。
Thus, a PWM signal for driving the step-up
運転切替スウィッチ31で系統連系運転が設定されると、インバータ10用のPWM信号を生成するためのキャリア信号の周波数fが高めの12kHzに設定されるとともに、昇圧チョッパー4用のPWM信号を生成するためのキャリア信号の周波数fが同じ12kHzに設定される。こうして、昇圧チョッパー4およびインバータ10が共に12kHzの周波数でスイッチングされ、そのインバータ10の出力による系統連系運転が開始される。
When the grid connection operation is set by the
系統連系運転では、初めに、リレー接点16がオフの状態でリレー接点17がオンされ、リレー接点16とリレー接点17との間の通電路において商用電源系統の電圧および周波数がチェックされる。この系統電圧および系統周波数が規定の範囲内に収まったまま、一定の連系待機時間(例えば300秒)が経過すると、商用電源系統が正常であるとの判断の下に、リレー接点16がオンされる。これにより、インバータ10の出力が商用電源系統に供給される。
In the grid connection operation, first, the
この系統連系運転時、系統電圧が所定値以上上昇した場合には、インバータ10から商用電源系統に無効電力を注入する無効電力注入制御が実行され、これにより系統電圧の上昇が抑制される。
During the grid interconnection operation, when the system voltage increases by a predetermined value or more, reactive power injection control for injecting reactive power from the
また、系統連系運転時、昇圧チョッパー4の出力電圧が監視されており、負荷側の電力消費の増大などによって昇圧チョッパー4の出力電圧が下降すると、昇圧チョッパー4用のPWM信号のオン,オフデューティが増大されて、昇圧チョッパー4の出力電圧が上昇方向に調整される。
Further, during the grid connection operation, the output voltage of the
運転切替スウィッチ31で運転停止が指示されると、昇圧チョッパー4およびインバータ10の駆動が停止される。これにより、系統連系運転が終了する。
When operation stop is instructed by the
一方、運転切替スウィッチ31で自立運転が設定されると、インバータ10用のPWM信号を生成するためのキャリア信号の周波数fが低めの6kHzに設定されるとともに、昇圧チョッパー4用のPWM信号を生成するためのキャリア信号の周波数fが同じ6kHzに設定される。こうして、昇圧チョッパー4およびインバータ10が共に6kHzの周波数でスイッチングされ、そのインバータ10の出力による自立運転が開始される。
On the other hand, when the independent operation is set by the
自立運転では、リレー接点21がオンされ、インバータ10の出力が電気機器に直接的に供給される。
In the independent operation, the
また、この自立運転時、昇圧チョッパー4の出力電圧が監視されており、負荷側の電力消費の増大などによって昇圧チョッパー4の出力電圧が下降すると、昇圧チョッパー4用のPWM信号のオン,オフデューティが増大されて、昇圧チョッパー4の出力電圧が上昇方向に調整される。
Further, during this self-sustained operation, the output voltage of the
運転切替スウィッチ31で運転停止が指示されると、昇圧チョッパー4およびインバータ10の駆動が停止される。これにより、自立運転が終了する。
When operation stop is instructed by the
以上のように、系統連系運転では、インバータ10が商用電源の周波数よりも十分に高い周波数12kHzでスイッチングされることにより、そのスイッチング周期に同期して行われる割り込み制御が頻繁となり、商用電源の状態変化などに十分に追従し得る応答性のよい制御が可能となる。しかも、昇圧チョッパー4のスイッチング周波数がインバータ10のスイッチング周波数と同じ12kHzに設定されるので、インバータ10の制御に昇圧チョッパー4の制御が応答性よく追従することになり(ちぐはぐな動作がなくなり)、パワーコンディショナー2の全体にわたって応答性のよい安定した制御が可能となる。
As described above, in the grid connection operation, the
商用電源系統との連系が不要な自立運転時は、インバータ10が低い周波数6kHzでスイッチングされることにより、スイッチング損失が減少して効率の向上が図れる。しかも、この場合、昇圧チョッパー4のスイッチング周波数がインバータ10のスイッチング周波数と同じ6kHzに設定されるので、インバータ10の制御に昇圧チョッパー4の制御が応答性よく追従することになり(ちぐはぐな動作がなくなり)、パワーコンディショナー2の全体にわたって応答性のよい安定した制御が可能となる。
At the time of self-sustained operation that does not require connection with a commercial power supply system, the
なお、この発明は、上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。 Note that the present invention is not limited to the above-described embodiment as it is, and can be embodied by modifying the constituent elements without departing from the scope of the invention in the implementation stage. In addition, various inventions can be formed by appropriately combining a plurality of components disclosed in the embodiment. For example, some components may be deleted from all the components shown in the embodiment.
1…太陽電池、2…パワーコンディショナー(電源装置)、4…昇圧チョッパー(昇圧手段)、10…インバータ、16,17,21…リレー接点、20…系統出力端子、23…自立出力端子、30…MCU
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