JP2010066919A - 系統連系インバータ - Google Patents

Abstract

【課題】 発電装置の発電電力を最大発電電力に速やかに収束させることができる系統連系インバータを提供する。
【解決手段】 太陽電池１０の単位時間当たりの平均発電電力量が増加であるか減少であるかを判定し、増加の場合は昇圧チョッパ５の出力に対する調節の方向をそのまま維持し、減少の場合は昇圧チョッパ５の出力に対する調節の方向を反転する。さらに、平均発電電力量が設定時間にわたり所定範囲内にあるとき、昇圧チョッパ５の出力に対する調節量を減少方向に調整する。
【選択図】 図１

Description

この発明は、発電装置の出力を交流に変換して商用電源系統に連系出力する系統連系インバータに関する。

太陽電池、バイオマス、燃料電池等の発電装置の出力をコンバータで直流電圧に変換（昇圧）し、変換後の直流電圧をスイッチングにより交流に変換して商用電源系統に連系出力する系統連系インバータが知られている（例えば、特許文献１）。
このような系統連系インバータでは、発電装置の発電電力が最大となる状態にコンバータの出力を調節するＭＰＰＴ制御（Maximum Power Point Tracker；最大電力点追従制御）を実行することにより、発電装置の能力を最大限に発揮させることができる。
特開平９−３０８２６３号公報

ただし、ＭＰＰＴ制御の実行中、太陽電池の発電電力が最大発電電力の付近で増減を頻繁に繰り返し、最大発電電力になかなか収束しないことがある。

この発明は、上記事情を考慮したもので、発電装置の発電電力を最大発電電力に速やかに収束させることができる系統連系インバータを提供することを目的とする。

請求項１に係る発明の系統連系インバータは、発電装置の発電電力を直流電圧に変換するコンバータと、このコンバータの出力を交流に変換するインバータと、前記発電装置の発電電力が最大となるよう前記コンバータの出力を調節するＭＰＰＴ制御手段とを備え、前記インバータの出力を商用電源系統に連系出力するものであって、前記ＭＰＰＴ制御手段が、前記発電装置の単位時間当たりの平均発電電力量を検出する検出手段と、この検出手段で検出される今回の平均発電電力量が、同検出手段で検出された前回の平均発電電力量に対し、増加であるか減少であるかを判定する判定手段と、この判定手段の判定結果が増加のとき前記調節の方向をそのまま維持し、同判定結果が減少のとき前記調節の方向を反転する調節方向制御手段と、前記検出手段で検出される平均発電電力量が設定時間にわたり所定範囲内にあるとき、前記コンバータの出力に対する調節量を減少方向に調整する調整手段と、を含んでいる。

この発明の系統連系インバータによれば、発電装置の発電電力を最大発電電力に速やかに収束させることができる。

［１］以下、この発明の第１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は発電装置たとえば太陽電池（ＰＶ）で、家屋の屋根等に設置され、太陽からの日射を受けて直流電圧を出力する。この出力が開閉器２を介してコンデンサ３，４に印加され、そのコンデンサ３，４の電圧がコンバータたとえば昇圧チョッパ５に供給される。昇圧チョッパ５は、直流リアクトル６、トランジスタたとえばＩＧＢＴ１７、逆流防止用ダイオード８、およびコンデンサ９を有するいわゆるＤＣ−ＤＣコンバータであり、制御部６０から供給されるＰＷＭ信号に応じてＩＧＢＴ７がオン，オフすることにより、太陽電池１０の発電電力（直流電圧）を予め定められている基準レベルの直流電圧に昇圧する。

この昇圧チョッパ５の出力が単相インバータ２０に供給される。単相インバータ２０は、４つのトランジスタたとえばＩＧＢＴ２１，２２，２３，２４からなるフルブリッジ回路、ＩＧＢＴ２１，２２，２３，２４にそれぞれ逆並列接続された還流ダイオードＤ、および制御部６０から供給されるＰＷＭ信号に応じて上記ＩＧＢＴ２１，２２，２３，２４のオン，オフ（スイッチング）駆動するゲート駆動回路３１，３２，３３，３４を有し、昇圧チョッパ５からの入力電圧（直流電圧）を系統電圧および系統周波数に合わせた交流電圧に変換する。

この単相インバータ２０の出力端にノイズフィルタとなる交流リアクトル４１を介してコンデンサ４２が接続され、そのコンデンサ４２にリレー接点４３，４４および出力用コンデンサ４５，４６を介して商用電源系統（単相三線式交流２００Ｖ）４７が接続される。

また、上記コンデンサ４２に、リレー接点４８および出力用コンデンサ４９を介して自立運転用の商用電源系統（単相単線式交流１００Ｖ）５０が接続される。

なお、太陽電池１０の発電電圧（ＰＶ電圧）、コンデンサ３，４の相互間の電流（太陽電池１０の地絡検出用電流）、太陽電池１０の発電電流（ＰＶ電流）、昇圧チョッパ５の昇圧電圧、単相インバータ２０の出力電流、単相インバータ２０の出力電圧、およびリレー接点４３，４４の相互間における系統電圧が、それぞれ制御部６０により検出される。

制御部６０は、制御の中枢としてＭＣＵ６１を有する。このＭＣＵ６１に、ＥＥＰＲＯＭ６２、Ａ／Ｄコンバータ６３、ＰＷＭ生成器６４、およびＡ／Ｄコンバータ６５が接続される。ＥＥＰＲＯＭ６２は、各種データの記憶用である。Ａ／Ｄコンバータ６３は、上記発電電圧（ＰＶ電圧）、地絡検出用電流、発電電流（ＰＶ電流）、昇圧電圧をそれぞれディジタル信号に変換して取込む。ＰＷＭ生成器６４は、ＭＣＵ６１からのＭＰＰＴ指令値に応じた周期およびオン，オフデューティの昇圧チョッパ用のＰＷＭ信号を生成するとともに、ＭＣＵ６１からの指令に応じた周期およびオン，オフデューティのインバータ用のＰＷＭ信号を生成する。昇圧用のＰＷＭ信号は昇圧チョッパ５に供給され、インバータ用のＰＷＭ信号は単相インバータ２０に供給される。Ａ／Ｄコンバータ６５は、単相インバータ２０の出力電流、単相インバータ２０の出力電圧、および系統電圧をそれぞれディジタル信号に変換して取込む。

そして、ＭＣＵ６１は、主要な機能として、ＭＰＰＴ制御手段を有する。このＭＰＰＴ制御手段は、太陽電池１０の出力が最大電力となるよう昇圧チョッパ５の出力を調節（ＭＰＰＴ指令値を調節）するＭＰＰＴ制御（Maximum Power Point Tracker；最大電力点追従制御）を行うもので、次の（１）〜（４）の手段を含む。

（１）太陽電池１０の単位時間１００msec当たりの平均発電電力量Ppv_avgを検出（算出）する検出手段。

（２）上記検出手段で検出される今回の平均発電電力量Ppv_avgが、同検出手段で検出された前回の平均発電電力量(これまでの最大平均発電電力量) Ppv_avgに対し、増加であるか減少であるかを判定する判定手段。

（３）上記判定手段の判定結果が増加のとき上記昇圧チョッパ５の出力に対する調節の方向をそのまま維持し、同判定結果が減少のとき上記昇圧チョッパ５の出力に対する調節の方向を反転する調節方向制御手段。具体的には、判定結果が増加の場合に上記昇圧チョッパ５の出力に対する調節の方向をそのまま維持し、同判定結果が減少でその減少量が所定量（前回の平均発電電力量Ppv_avgの例えば２％〜３％程度）以上の場合に上記昇圧チョッパ５の出力に対する調節の方向を反転する。

（４）上記検出手段で検出される平均発電電力量Ppv_avgが設定時間Ts1にわたり所定範囲内にあるとき、平均発電電力量Ppv_avgが最大発電電力量Ppv_max付近で安定状態にあるとの判断の下に、上記調節方向制御手段の所定量および上記昇圧チョッパ５の出力に対する調節量Widthを減少方向に調整する調整手段。

つぎに、図２、図３、図４、図５を参照しながら作用について説明する。図２は、ＭＣＵ６１の制御。図３は、発電電力量の変化、ＭＰＰＴ指令値の変化、および調節の方向・量の関係。図４は太陽電池１０の発電電力がＭＰＰＴ制御の最適動作点（最大発電電力）に向かって増加する様子。図５は太陽電池１０の発電電力がＭＰＰＴ制御の最適動作点付近で増減を小刻みに繰り返す様子を示している。

まず、太陽電池１０の発電電圧Vpv_adおよび発電電流Ipv_adが、それぞれＡ／Ｄ変換されて読込まれる。さらに、タイマーカウントが実行され、そのタイマーカウントが単位時間例えば１００msecに達したかどうか、判定される。タイマーカウントが単位時間１００msecに達すると、タイマーカウントがクリアされるとともに、その単位時間１００msecにおける平均発電電圧（平均入力電圧ともいう）Vpv_avgおよび平均発電電流（平均入力電流ともいう）Ipv_avgが算出され、これら平均発電電圧Vpv_avgと平均発電電流Ipv_avgとの積により、単位時間１００msecにおける平均発電電力量Ppv_avgが算出される。

そして、算出された平均発電電力量Ppv_avgを増加させるべく、昇圧チョッパ５の出力に対する規定の調節量Widthが設定される。

続いて、算出された平均発電電力量Ppv_avgが、予め設定された安定許容上限値Ppv_Hiと安定許容下限値Ppv_Liとの所定範囲内にあるかどうか判定される。所定範囲内にあれば、タイマーカウント（発電量安定化検出カウンタ計数）stable_cntが開始され、そのタイマーカウントstable_cntが設定時間Ts1に達しているかどうか判定される。

タイマーカウントstable_cntが設定時間Ts1に達しないうちは、今回算出された平均発電電力量Ppv_avgが、前回算出された平均発電電力量Ppv_avg（＝これまでの最大平均発電電力量Ppv_max)に対し、増加であるか減少であるかが判定される。

増加であれば、そのときの昇圧チョッパ５の出力に対する調節の方向が維持されたまま、今回算出された平均発電電力量Ppv_avgが、前回算出された平均発電電力量Ppv_avg（＝これまでの最大平均発電電力量Ppv_max)として更新登録される。

減少であれば、その減少量が所定量（前回の平均発電電力量Ppv_avgの所定割合である例えば２％〜５％程度）以上かどうか、判定される。すなわち、前回算出された平均発電電力量Ppv_avgに係数DirThras（例えば９８％〜９５％）が積算され、その積算値（更新方向判定閾値）よりも、今回算出された平均発電電力量Ppv_avgが小さいかどうか、判定される。

減少量が所定量以上の場合、前回算出された平均発電電力量Ppv_avg（＝これまでの最大平均発電電力量Ppv_max)がクリアされて、昇圧チョッパ５の出力に対する調節の方向が反転される。減少量が所定量未満の場合は、昇圧チョッパ５の出力に対する上記調節量Widthが予め定められている最小調節量Width_minに低減される。

今回算出の平均発電電力量Ppv_avgが安定許容上限値Ppv_Hiと安定許容下限値Ppv_Liとの所定範囲内にあって、そのまま上記タイマーカウントstable_cntが設定時間Ts1に達した場合は、今回算出の平均発電電力量Ppv_avgが最大発電電力量Ppv_max付近で安定状態にあるとの判断の下に、昇圧チョッパ５の出力に対する上記調節量Widthが減少方向に設定量だけ調整されるとともに、上記係数DirThrasが増大されて、減少量判定の基準となる上記所定量（２％〜５％）が減少方向に設定量だけ調整される。

今回算出の平均発電電力量Ppv_avgが安定許容上限値Ppv_Hiと安定許容下限値Ppv_Liとの所定範囲から外れている場合は、その安定許容上限値Ppv_Hiおよび安定許容下限値Ppv_Liが今回算出の平均発電電力量Ppv_avgに基づく下式の演算により更新設定され、かつタイマーカウント（発電量安定化検出カウンタ計数）stable_cntがクリアされる。
Ppv_Hi＝Ppv_avg×１．１
Ppv_Li＝Ppv_avg×０．９
以上のＭＰＰＴ制御により、太陽電池１０の平均発電電力量Ppv_avgは、初めは最大平均発電電力量Ppv_maxに向かって加速度的に増大し、やがて最大平均発電電力量Ppv_max付近に達するとその最大平均発電電力量Ppv_maxを中心に小刻みに増減を繰り返し、かつその増減量を徐々に減らしながら、最大平均発電電力量Ppv_maxへと速やかに収束する。

図２のフローチャートにおいて、ブロックＳａが上記（４）調整手段の処理に対応し、ブロックＳｂが上記（２）判定手段および上記（３）調節方向制御手段の処理に対応する。

［２］第２の実施形態について説明する。
ＭＣＵ６１のＭＰＰＴ制御において、第１の実施形態の（４）の調整手段に代えて、次の（４ａ）の第１調整手段、（４ｂ）の第２調整手段が採用される。
（４ａ）上記検出手段で検出される平均発電電力量Ppv_avgが第１設定時間Ts1にわたり所定範囲内にあるとき、平均発電電力量Ppv_avgが最大平均発電電力量Ppv_max付近で安定状態にあるとの判断の下に、調節方向制御手段の所定量（２％〜５％）および昇圧チョッパ５の出力に対する調節量Widthを減少方向に設定量だけ調整する第１調整手段。

（４ｂ）上記検出手段で検出される平均発電電力量Ppv_avgが第１設定時間Ts2（＞Ts1）にわたり所定範囲内にあるとき、平均発電電力量Ppv_avgの安定状態が増したとの判断の下に、調節方向制御手段の所定量（２％〜５％）および上記昇圧チョッパ５の出力に対する調節量Widthを減少方向にさらに設定量だけ調整する第２調整手段。

図６のフローチャートにおいて、ブロックＳａ´が（４ａ）第１調整手段の処理および（４ｂ）第２調整手段の処理に対応する。

すなわち、今回算出の平均発電電力量Ppv_avgが安定許容上限値Ppv_Hiと安定許容下限値Ppv_Liとの所定範囲内にあって、そのままタイマーカウントstable_cntが第１設定時間Ts1に達した場合は、今回算出の平均発電電力量Ppv_avgが最大平均発電電力量Ppv_max付近で安定状態にあるとの判断の下に、昇圧チョッパ５の出力に対する調節量Widthが減少方向に設定量だけ調整されるとともに、係数DirThrasが増大されて、減少量判定の基準となる所定量が減少方向に設定量だけ調整される。

しかも、今回算出の平均発電電力量Ppv_avgが安定許容上限値Ppv_Hiと安定許容下限値Ppv_Liとの所定範囲内に収まったまま、タイマーカウントstable_cntが第１設定時間Ts1を超えて第２設定時間Ts2に達すると、平均発電電力量Ppv_avgの安定状態が増したとの判断の下に、昇圧チョッパ５の出力に対する調節量Widthが減少方向にさらに設定量だけ調整されるとともに、係数DirThrasがさらに増大されて、減少量判定の基準となる所定量（２％〜５％）が減少方向にさらに設定量だけ調整される。

このように、平均発電電力量Ppv_avgの安定状態を判断する時間要素として、長さの異なる複数の設定時間を用いることにより、安定状態が長いほど、平均発電電力量Ppv_avgが最大平均発電電力量Ppv_maxを中心により小刻みに増減を繰り返しながら最大平均発電電力量Ppv_maxへと速やかに収束する。
他の構成、作用、効果は、第１の実施形態と同じである。よって、その説明は省略する。

［３］第３の実施形態について説明する。
ＭＣＵ６１のＭＰＰＴ制御において、第２の実施形態の（４ａ）の第１調整手段、（４ｂ）の第２調整手段の採用に加え、さらに次の（５）の保護手段、（６）の平均発電電圧検出手段、（７）の第１補正手段、（８）の第２補正手段が採用される。
（５）太陽電池１０の発電電圧Vpv_adが許容下限値である例えば１００V未満に低下したとき、安全のため、出力用の全てのリレー接点４３，４４，４８を開くとともに昇圧チョッパ５および単相インバータ２０の動作を停止し、待機モードを設定する保護手段。

（６）太陽電池１０の平均発電電圧Vpv_avgを平均発電電力量Ppv_avgの検出より短い時間間隔たとえば１msec間隔で検出する平均発電電圧検出手段。

（７）太陽電池１０の発電電圧Vpv_adが上記平均発電電圧検出手段で検出される平均発電電圧Vpv_avgよりも一定値ΔV以上低下したとき、昇圧チョッパ５の出力に対する調節量Widthを低減する第１補正手段。

（８）昇圧チョッパ５の出力に対する調節が増加のとき、かつ太陽電池１０の発電電圧Vpv_adが上記平均発電電圧検出手段で検出される平均発電電圧Vpv_avgより大きいとき、昇圧チョッパ５の出力に対する調節量Widthを増大する第２補正手段。

図７のフローチャートにおいて、ブロックＳｃが（５）の保護手段の処理に対応し、ブロックＳｄが（７）の第１補正手段および（８）の第２補正手段の処理に対応する。

すなわち、太陽電池１０の発電電圧Vpv_adが許容下限値である１００V未満に低下すると、安全のため、出力用の全てのリレー接点４３，４４，４８を開くとともに昇圧チョッパ５および単相インバータ２０の動作を停止する待機モードが設定される。

また、太陽電池１０の平均発電電圧Vpv_avgが平均発電電力量Ppv_avgの検出より短い時間間隔１msecで検出される。この平均発電電圧Vpv_avgに対し、太陽電池１０の発電電圧Vpv_adが一定値ΔV以上低下した場合は、太陽電池１０の発電量以上に電力を取出そうとしているとの判断の下に、あるいは太陽電池１０への日射量が急激に低下したとの判断の下に、昇圧チョッパ５の出力に対する調節量Widthが、その調節方向にかかわらず設定量だけ低減される。この低減により、発電電圧Vpv_adのそれ以上の低下が抑制される。

この結果、日射量の急激な変動が生じた場合でも、平均発電電力量Ppv_avgを最大平均発電電力量Ppv_maxへと速やかに収束させることができる。
さらに、昇圧チョッパ５の出力に対する調節が増加であるにもかかわらず、太陽電池１０の発電電圧Vpv_adが平均発電電圧Vpv_avgより大きい場合は、太陽電池１０の発電量の増加に制御が追従できていないとの判断の下に、昇圧チョッパ５の出力に対する調節量Widthが設定量だけ増大される。

この結果、日射量が急激に増加した場合でも、平均発電電力量Ppv_avgを最大平均発電電力量Ppv_maxへと速やかに収束させることができる。
他の構成、作用、効果は、第２の実施形態と同じである。よって、その説明は省略する。

［４］変形例
上記各実施形態では、太陽電池１０の発電電圧Vpv_adおよび平均発電電力量Ppv_avgを考慮した制御について説明したが、それに、太陽電池１０の発電電流Ｉpv_adを考慮した制御を加えてもよい。

例えば、発電電圧Vpv_adが高くて平均発電電力量Ppv_avgもまずまず大きく、反面、発電電流Ｉpv_adが小さい場合、昇圧チョッパ５の出力に対する調節量Widthが抑制されるとともに、係数DirThrasが増大されて、昇圧チョッパ５の出力に対する調節方向反転の判定基準となる所定量（２％〜５％）が減少方向に調整される。逆に、発電電圧Vpv_adが低くて発電電流Ｉpv_adが大きい場合は、昇圧チョッパ５の出力に対する調節量Widthが増加されるとともに、係数DirThrasが低減されて、昇圧チョッパ５の出力に対する調節方向反転の判定基準となる所定量（２％〜５％）が増大方向に調整される。

また、上記各実施形態では、発電装置として太陽電池１０を用いる場合を例に説明したが、太陽電池に限らず、バイオマスや燃料電池などを用いる場合についても、同様に実施可能である。

その他、この発明は、上記各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、上記各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。

各実施形態の構成を示す図。 第１実施形態におけるＭＣＵの制御を示すフローチャート。 各実施形態における発電電力量の変化、ＭＰＰＴ指令値の変化、および調節の方向・量の関係を示す図。 各実施形態における太陽電池の発電電力がＭＰＰＴ制御の最適動作点（最大発電電力）に向かって増加する様子を示す図。 各実施形態における太陽電池の発電電力がＭＰＰＴ制御の最適動作点付近で増減を小刻みに繰り返す様子を示す図。 第２実施形態の作用を説明するためのフローチャート。 第２実施形態の作用を説明するためのフローチャート。

符号の説明

１…太陽電池（発電装置）、５…昇圧チョッパ（コンバータ）、２０…単相インバータ、４７…商用電源系統（単相三線式交流２００Ｖ）、５０…自立運転用の商用電源系統（単相単線式交流１００Ｖ）、６０…制御部、６１…ＭＣＵ

Claims (6)

1. 発電装置の発電電力を直流電圧に変換するコンバータと、このコンバータの出力を交流に変換するインバータと、前記発電装置の発電電力が最大となるよう前記コンバータの出力を調節するＭＰＰＴ制御手段とを備え、前記インバータの出力を商用電源系統に連系出力する系統連系インバータにおいて、
   前記ＭＰＰＴ制御手段は、
   前記発電装置の単位時間当たりの平均発電電力量を検出する検出手段と、
   この検出手段で検出される今回の平均発電電力量が、同検出手段で検出された前回の平均発電電力量に対し、増加であるか減少であるかを判定する判定手段と、
   この判定手段の判定結果が増加のとき前記調節の方向をそのまま維持し、同判定結果が減少のとき前記調節の方向を反転する調節方向制御手段と、
   前記検出手段で検出される平均発電電力量が設定時間にわたり所定範囲内にあるとき、前記コンバータの出力に対する調節量を減少方向に調整する調整手段と、
   を含む、
   ことを特徴とする系統連系インバータ。
2. 前記調節方向制御手段は、前記判定手段の判定結果が増加のときに前記調節の方向をそのまま維持し、同判定結果が減少でその減少量が所定量以上のときに前記調節の方向を反転することを特徴とする請求項１記載の系統連系インバータ。
3. 前記調整手段は、前記検出手段で検出される平均発電電力量が設定時間にわたり所定範囲内にあるとき、前記調節方向制御手段の前記所定量および前記コンバータの出力に対する調節量を減少方向に調整することを特徴とする請求項２記載の系統連系インバータ。
4. 前記調整手段は、
   前記検出手段で検出される平均発電電力量の変化が第１設定時間にわたり所定範囲内にあるとき、前記調節方向制御手段の前記所定量および前記コンバータの出力に対する調節量を減少方向に設定量だけ調整する第１調整手段と、
   前記検出手段で検出される平均発電電力量の変化が第２設定時間（＞第１設定時間）にわたり所定範囲内にあるとき、前記調節方向制御手段の前記所定量および前記コンバータの出力に対する調節量を減少方向にさらに設定量だけ調整する第２調整手段と、
   を含むことを特徴とする請求項２記載の系統連系インバータ。
5. 前記ＭＰＰＴ制御手段は、
   前記発電装置の平均発電電圧を前記平均発電電力量の検出より短い時間間隔で検出する平均発電電圧検出手段と、
   前記発電装置の発電電圧が前記平均発電電圧検出手段で検出される平均発電電圧よりも一定値以上低下したとき、前記コンバータの出力に対する調節量を低減する補正手段と、
   をさらに含むことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の系統連系インバータ。
6. 前記ＭＰＰＴ制御手段は、
   前記コンバータの出力に対する調節が増加のとき、かつ前記発電装置の発電電圧が前記平均電圧検出手段で検出される平均発電電圧より大きいとき、前記コンバータの出力に対する調節量を増大する補正手段、
   をさらに含むことを特徴とする請求項５記載の系統連系インバータ。

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