JP2008022688A - 最大電力動作点追尾制御方式 - Google Patents

Abstract

【課題】熱電発電システムにおいて熱電発電素子と負荷のインピーダンスマッチングを取るために最大電力点追尾制御機能のある電力変換回路を熱電発電素子と負荷の間に挿入する場合、従来からある坂登り法による最大電力点追尾制御では制御の収束性が悪く不安定である。
【解決手段】熱電発電素子の内部コンダクタンスを測定し、動作状態における電力変換回路の入力電流、電圧を測定することにより電力変換回路を介した実効的な負荷の入力コンダクタンスを計測し、その値が素子の内部コンダクタンスに一致するように制御を行う。
【選択図】図２

Description

産業上の利用分野

本発明は発電素子に接続される電力変換装置に関する。

熱電発電素子は熱エネルギーを直接電気エネルギーへ変換する素子であり、多くは半導体のゼーベック効果を利用している。近年、エネルギー・資源問題が顕在する中、熱電発電システムはこれまで廃熱として捨てられていた熱エネルギーを有効利用するための手段として期待されている。これまで人工衛星等の独立システム用電力供給源としての実績があるが、用途は限られていた。近年における熱電発電素子の性能向上と製造コスト低下に伴い、給湯器等の民生用発電システム、コジェネレーションの熱源を利用した比較的大規模な電力源など、その応用範囲はますます広がっており、すでにｋＷクラスの熱電発電システムの開発例も報告されるようになってきた。

インピーダンスマッチングの必要性

熱電発電素子の出力電流、電圧は素子にかかる温度差にほぼ比例して増大する。等価回路的には熱電発電素子は内部抵抗と電圧源の直列接続によって表される。熱電発電素子に負荷を接続して負荷へ発電電力を供給する場合、負荷抵抗と熱電発電素子の内部抵抗が一致しているときに最も効果的に電力を負荷へ供給することができる。
熱電発電素子を電力源として実際に運用する場合、複数の素子を直列／並列接続することにより負荷に必要な電圧と電力を得られるようにする必要がある。設置する熱電発電素子の数には制約があり、直列並列された熱電発電素子から構成される熱電発電アレイの内部抵抗と負荷の内部抵抗を一致させることは容易ではない。さらに、多くの場合熱源の温度は分布を持つ上に時間変動し、さらに負荷の状態も変動する。このようなシステムでは熱電発電素子と負荷のミスマッチによるエネルギーロスが発生する。このようなミスマッチパワーロスは熱電発電システムに限らず、発電機一般に共通する問題である。負荷と熱電発電素子のミスマッチロスを抑えるために最大電力動作点追尾制御機能付きのＤＣ−ＤＣコンバーターからなる電力変換回路を熱電発電素子と負荷の間に挿入して負荷と熱電発電素子との間のインピーダンスマッチングを取ることが有効である。

発電側と負荷のインピーダンスマッチングを取る方式として、光発電システムでは坂登り法による最大電力点追尾方式が実用化されている。この方法では発電素子と負荷の間に挿入された電力変換回路により発電素子から負荷へ流れる電流を制御して発電素子の動作点を僅かに前後にずらしてそれぞれの動作点における電力測定を行い、出力電力の高い条件へ動作点を移動する。日射変動や影の影響を受けても太陽電池出力電力が常に最大になるように制御される。熱電発電素子に坂登り法による最大電力動作点追尾回路を適用した例としてはこれまで永吉らによる報告例がある。（Ｈ Ｎａｇａｙｏｓｈｉ，Ｋ Ｙａｍａｇｕｃｈｉ ａｎｄ Ｔ Ｋａｊｉｋａｗａ，Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅ ２３ｒｄ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｔｈｅｒｍｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，２００４，２３）

従来技術の問題点

前述の坂登り法は太陽電池特性のように電力−出力電圧特性のピークが鋭く現れる場合には明確な収束点があり効果的であるが、熱電発電素子のＩ−Ｖ特性は直線的に変化し、出力電力は出力電圧の２次関数で表される。このため出力電力ピーク付近の変化は比較的ブロードである。このような特性に従来の坂登り法を適用すると、ピーク付近では動作点で比較される電力の差が小さいためにノイズの影響を受けやすく、各ピークの大小判定が困難となり動作点が一点に収束しない。これを避けるために動作点の変動幅を大きく取ると、出力電圧の変動幅が大きくなり出力電圧は振動する。さらに坂登り法では動作点を前後に振りながら動作点を移動するので、最適動作点に収束するまで時間がかかる。

従来の問題点の解決策

熱電発電素子の開放電圧、短絡電流は素子にかかる温度差に比例する。素子のＩ−Ｖ特性は直線的に変化し、その傾きは温度差によらずほぼ一定と見なすことができる。したがって熱電発電素子の内部コンダクタンスは温度差の変化によらずほぼ一定とみなせる。複数の熱電発電素子を電気的に接続して構成される熱電発電アレイの出力特性もほぼ同じ傾向を示す。本発明による制御法では、熱電発電アレイの内部コンダクタンスを測定し、熱電発電アレイと負荷との間に挿入された電力変換回路により、熱電発電アレイの出力電流を制御することによって電力変換回路の実効的な入力コンダクタンスが熱電発電アレイの内部コンダクタンスと常に一致するように制御する。以上のような制御を行うことにより熱電発電アレイにかかる温度の変化及び負荷変動に対して熱電発電アレイの動作点を常に最適状態に維持する。内部抵抗の測定をして制御することも可能である。

発明の効果

本発明による制御方式では、１点の目標値に向けて出力制御を行うために、動作点を前後に振りそれぞれの動作点の電力比較をしながら移動していく坂登り法に比べて最大電力点に到達するまでの時間が非常に短くなる。さらに坂登り法では動作点移動前後のわずかな電力差を比較するために移動ステップ量を小さくすると動作不安定になるが、本発明による制御方式では動作点を移動していく際の移動ステップ量を小さく設定しても動作にはなんら支障をきたさない。
したがって目標値への収束性は坂登り法に比べて格段に向上し収束後の出力電圧変動を非常に小さくすることが可能である。本発明は熱電発電素子だけでなく、同様な出力特性を持つ他の発電素子に対しても適用できる。

熱電発電素子の内部コンダクタンスまたは内部抵抗の測定は素子の開放電圧と短絡電流から算出できるが、制御回路用内部電源を熱電発電アレイ出力から得る場合短絡電流測定時に内部電源の供給が一時的に遮断される不都合が生じる。内部電源に蓄電機能を持たせることも解決策の一つであるが、本発明では内部電源の電圧供給を維持しながら熱電発電素子の内部コンダクタンスまたは内部抵抗を測定することを可能にした。負荷が一定であるとき、熱電発電素子の最大電力動作点における出力電圧は開放電圧の１／２である。このとき熱電発電素子の内部コンダクタンスが負荷の内部コンダクタンスと一致する。本発明による方法では熱電発電素子と負荷の間に挿入された電力変換回路により熱電発電素子から負荷に流れる電流を制御することによって動作点を最大電力が得られる動作点（出力電圧が開放電圧の１／２である点）に移動し、最大電力動作点における電流・電圧測定から熱電発電素子の内部コンダクタンスを算出する。または任意の２つの動作点の電流・電圧測定を行い電流・電圧測定から熱電発電素子の内部コンダクタンスを算出する。

昇降圧コンバーター回路を電力変換回路に採用した場合、昇圧モード、降圧モードそれぞれ動作点の移動可能な範囲が限定される。したがって初期の動作点を最大電力動作点に移動する際に回路の動作モードを昇圧にするか降圧にするか判断する必要がある。負荷の内部コンダクタンスが熱電発電モジュールの内部コンダクタンスより小さい場合は降圧モード、大きい場合は昇圧モードを適用しないと動作点を最大電力動作点に移動することができない。本発明では熱電発電素子に負荷を接続したときの素子の出力電圧を測定し、開放電圧の１／２と比較することによってモード選択の判断を行う。以上の動作は内部コンダクタンスの代わりに内部抵抗を用いても同じである。

図１に示すような昇降圧コンバーター回路を熱電発電素子５個の直列接続からなる熱電変換アレイと電子負荷との間に挿入した。トランジスタで構成されるスイッチ（Ｔｒ１、Ｔｒ２）はマイクロコンピュータによって制御される。昇圧動作を行う場合はＴｒ１を常時ＯＮとし、Ｔｒ２をＰＷＭ（パルス幅変調）制御する。降圧動作の場合はＴｒ２を常時ＯＦＦとしてＴｒ１をＰＷＭ制御する。制御回路入力側に電流センサを設け、入力電流と入力電圧をモニターしてマイクロコンピュータに取り込んでいる。本発明による最大電力動作点追尾制御を行うためのプログラムのフローチャートを図２に示す。プログラムスタート時にまずＴｒ１、Ｔｒ２を共にＯＦＦし開放電圧の測定を行う。続いてＴｒ１をＯＮ、Ｔｒ２をＯＦＦにして電力変換回路の昇圧比＝１の状態で負荷が接続された時の動作電圧を測定する。このときの動作電圧が開放電圧の１／２より大きい場合は昇圧モード、低い場合は降圧モードでＰＷＭ動作を開始する。電力変換回路のトランジスタをＰＷＭ制御することによって動作点の熱電変換アレイ出力電圧が開放電圧の１／２の値になるまで動作点を移動しその点における電流・電圧測定から熱電発電アレイの内部コンダクタンスを算出する。引き続きＰＷＭ制御によって常に測定されるコンダクタンスが熱電発電アレイの内部コンダクタンスと一致するようにループ処理を行う。さらに負荷や熱電変換素子にかかる温度差の変動によりトランジスタのゲート駆動パルスのデューティ比が降圧モード、昇圧モードの制御限界に達したところで動作モードを互いに切り替えることによって広い範囲のマッチング能力を実現した。
図３に熱電発電素子にかかる温度差を一定にして負荷を変化させたときの結果例を示す。負荷は電子負荷を使用した。熱電発電アレイの出力電圧は電源投入後１秒程度で速やかに出力電圧の約半分に収束した。負荷電圧と負荷電流は負荷の値が変わることによって大きく変動するが、熱電発電アレイの出力電圧、電流は一定値に保たれており、最大電力動作点を維持している。図４には熱源の温度を変化させたときの熱電発電アレイ出力電圧と熱電発電アレイ出力電圧、電流から算出した電力変換回路の入力コンダクタンスすなわち負荷の実効コンダクタンスを示す。熱源の温度上昇に伴って熱電発電アレイの出力電圧は上昇していくが、負荷の実効コンダクタンスは一定に保たれており、温度変化にかかわらず負荷と熱電発電アレイのマッチングが取れている。

電力変換システム回路図 電力変換回路制御フローチャート 本発明の１実施例によって得られた結果例１ 本発明の１実施例によって得られた結果例２

符号の説明

１ トランジスタ１（Ｔｒ１）
２ トランジスタ２（Ｔｒ２）
３ ダイオード
４ ダイオード
５ コイル
６ コンデンサ
７ コンデンサ
８ 負荷
９ 制御回路
１０ 熱電発電アレイ
１１ 電力変換回路
１２ 電流センサ

Claims (13)

1. 発電素子と負荷の間に挿入される電力変換回路により負荷側へ流れる電流を制御することによって発電素子から見た電力変換回路の実効的な入力コンダクタンスまたは入力抵抗と発電素子の内部コンダクタンスまたは内部抵抗が一致するように制御を行う最大電力点追尾制御方式。
2. 擬似負荷または負荷と発電素子の間に挿入された電力変換回路により負荷側へ流れる電流を制御して発電素子の動作点を移動することにより、２点以上の動作点における電流・電圧測定から発電素子の内部コンダクタンスまたは内部抵抗を求める請求項１の最大電力動作点追尾方式。
3. 擬似負荷または負荷と発電素子の間に挿入された電力変換回路により負荷側へ流れる電流を制御して発電素子の出力電圧が開放電圧の１／２になるように動作点を移動することによって発電素子の内部コンダクタンスまたは内部抵抗を測定する請求項１の最大電力動作点追尾方式。
4. 発電素子の開放電圧と短絡電流測定により発電素子の内部コンダクタンスまたは内部抵抗を測定する請求項１の最大電力動作点追尾方式。
5. 請求項１の制御方式を有し電力変換部にバックブースト方式を用いた最大電力動作点追尾システム
6. 請求項１の制御方式を有し電力変換部に昇降圧コンバーター方式を用いた最大電力動作点追尾システム
7. 請求項１の制御方式を有し電力変換部にブリッジ方式コンバーター方式を用いた最大電力動作点追尾システム
8. 請求項１の制御方式を有し電力変換部にフォワードコンバーター方式を用いた最大電力動作点追尾システム
9. 請求項１の制御方式を有し電力変換部にフライバックコンバーター方式を用いた最大電力動作点追尾システム
10. 昇降圧コンバーターを電力変換回路に用いる請求項１の最大電力動作点追尾方式において、負荷を発電素子に直接接続するか、または発電素子と負荷との間に挿入される電力変換回路の入出力の電圧昇圧比が１の場合における発電素子出力電圧によって昇降圧コンバーターの初期制御モード（昇圧／降圧）を選択する請求項６の制御方式。
11. 発電素子として燃料電池を用いた請求項１の最大電力動作点追尾制御方式。
12. 発電素子として熱電発電素子を用いた請求項１の最大電力動作点追尾制御方式。
13. 発電素子として直流発電機を用いた請求項１の最大電力動作点追尾制御方式。

Images