JP2010177554A - Solar power generating apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、太陽電池から効率よく電力を取出して二次電池の充電や電力系統と連系運転を行うための太陽光発電装置に関する。 The present invention relates to a photovoltaic power generation apparatus for efficiently taking out electric power from a solar cell and charging a secondary battery or performing an interconnection operation with an electric power system.
太陽光発電では、太陽電池セルを複数個直列接続あるいは直並列接続して太陽電池パネルを構成し、その太陽電池パネルを更に複数枚直並列に接続して必要な電力を得るようにしている。そして、現在の多くの太陽光発電システムでは、太陽電池で発電した直流電力を50Hzまたは60Hzの交流電力に変換し、この交流電力を商用の交流電力で運転される電気機器に供給するようにしている(例えば、特許文献1)。 In solar power generation, a plurality of solar cells are connected in series or in series and parallel to form a solar cell panel, and a plurality of solar cell panels are connected in series and parallel to obtain necessary power. In many current photovoltaic power generation systems, the DC power generated by the solar cell is converted into 50 Hz or 60 Hz AC power, and this AC power is supplied to an electric device operated with commercial AC power. (For example, Patent Document 1).
この特許文献1には、個人住宅等における太陽光発電システムとして、図16の構成例が示されている。
In
図16では、複数枚の太陽電池パネル31を直列接続した太陽電池ストリングを、3組並列接続した構成を示している。各ストリングは逆流防止用ダイオード34を介して並列接続され、太陽電池アレイを構成している。この太陽電池アレイの出力をスイッチ35を介してインバータ37に入力する。この場合、逆流防止用ダイオード34およびスイッチ35は接続箱36の中に収納されている。
FIG. 16 shows a configuration in which three sets of solar cell strings in which a plurality of
上記インバータ37は、接続箱36の逆流防止用ダイオード34およびスイッチ35を通して入力される直流電力を交流に変換し、配電系統へ出力するように構成されている。
The
太陽光発電システムでは、特許文献1に限らず、太陽電池から最大電力が得られるように、太陽電池の出力電圧あるいは出力電流を制御する最大電力点追従(Maximum Power Point Tracking:MPPT)制御が行われる。
In the solar power generation system, not only
図17は太陽電池の出力特性曲線(出力電流I−出力電圧Vの関係を示す曲線)図である。 FIG. 17 is an output characteristic curve (curve showing the relationship of output current I-output voltage V) of the solar cell.
図17に示す特性曲線において、太陽電池から最大電力を取出すには、太陽電池の実際の動作点P(動作電流Iop×動作電圧Vop)を最大電力点Pmax(最適動作電流Ipm×最適動作電圧Vpm)で動作させることが重要である。 In the characteristic curve shown in FIG. 17, in order to extract the maximum power from the solar cell, the actual operating point P (operating current Iop × operating voltage Vop) of the solar cell is changed to the maximum power point Pmax (optimal operating current Ipm × optimum operating voltage Vpm). ) Is important.
MPPT制御は、この最大電力点Pmaxで動作するように出力電圧、出力電流を追従制御するものであり、このMPPT制御としては種々の方法が考案されている。 The MPPT control performs follow-up control on the output voltage and output current so as to operate at the maximum power point Pmax, and various methods have been devised as the MPPT control.
例えば太陽電池の出力電圧を変化させ、その変化前後の発電電力が大きくなるような電圧の増減極性を選定して、最大電力点Pmaxまで動作点を移動させる山登り法などがある。 For example, there is a hill-climbing method in which the output voltage of the solar cell is changed, the polarity of voltage increase / decrease so that the generated power before and after the change is increased, and the operating point is moved to the maximum power point Pmax.
図16の構成ではインバータ37の制御により、MPPT制御を実現している。
In the configuration of FIG. 16, MPPT control is realized by control of the
ところで、住宅の屋根の上に太陽電池を設置する場合、必ずしも標準寸法の太陽電池パネルの組合せになるとは限らない。屋根の面積を最大限に利用して少しでも多くの太陽電池パネルを配置しようとすると、屋根の形状に合せて複数の寸法、形状の太陽電池を用意し、これらを組合せて用いる必要がある。 By the way, when installing a solar cell on the roof of a house, it does not necessarily become a combination of solar cell panels of standard dimensions. In order to arrange as many solar cell panels as possible by making maximum use of the area of the roof, it is necessary to prepare solar cells having a plurality of dimensions and shapes according to the shape of the roof, and use them in combination.
このように複数種類の太陽電池パネルを組合せて太陽電池アレイとして用いる場合、全ストリングの特性を揃えるために、出力電圧が高い太陽電池パネルと低い太陽電池パネルとを適宜選択して構成される。しかしながら、全ストリングの出力特性を完全に等しくすることは困難であり、そのような場合には全てのストリングから最大電力を得ることはできない。 When a plurality of types of solar cell panels are combined and used as a solar cell array, a solar cell panel with a high output voltage and a solar cell panel with a low output voltage are selected as appropriate in order to make the characteristics of all strings uniform. However, it is difficult to make the output characteristics of all the strings completely equal, and in such a case, the maximum power cannot be obtained from all the strings.
また、現実の太陽光発電システムでは、太陽電池全体が常に均一な条件で太陽光が照射されているわけではなく、雲や樹木などの影に隠れたりして部分的に出力が弱くなる部分陰影照射の状態となったり、設置場所の向きの違いなどによって日射条件が異なるような、いわゆる不均一日射条件下での動作状態になることが避けられない。 Also, in an actual photovoltaic power generation system, the entire solar cell is not always exposed to sunlight under uniform conditions, and partial shadows where the output is partially weakened due to shadows such as clouds and trees. It is unavoidable that the irradiation condition or the operation condition under the so-called non-uniform irradiation condition in which the irradiation condition varies depending on the orientation of the installation location or the like.
このような条件下では、設置された太陽電池全体に対して例えばインバータによる単一のMPPT制御では効率的な電力の取り出しはできない。これはMPPT制御の対象となる太陽電池アレイに含まれる太陽電池セル数が多くなり、設置面積が大きくなるほど不均一日射が起こりやすくなるためである。逆に言えば、効率よく太陽電池から発電電力を引き出すためには、複数のMPPT制御モジュールを用いて、各MPPT制御モジュールの対象となる太陽電池セル数をできるだけ少なくすることが必要となる。 Under such conditions, it is not possible to efficiently extract electric power from the entire installed solar cell by single MPPT control using, for example, an inverter. This is because uneven solar radiation is more likely to occur as the number of solar cells included in the solar cell array to be subjected to MPPT control increases and the installation area increases. In other words, in order to efficiently extract the generated power from the solar battery, it is necessary to use a plurality of MPPT control modules and reduce the number of solar battery cells targeted by each MPPT control module as much as possible.
そこで、太陽電池発電システムとしては、MPPT制御モジュールの対象となる太陽電池セル数をできるだけ少なくし、不均一日射条件下においても効率良く発電出力を得るための多数の解決策が提案されている。 Thus, as a solar power generation system, many solutions have been proposed for obtaining the power generation output efficiently even under non-uniform solar radiation conditions by minimizing the number of solar battery cells targeted by the MPPT control module.
特許文献1には、太陽電池アレイを構成する複数個の太陽電池モジュールとインバータとの間に複数個のDC−DCコンバータを設け、各DC−DCコンバータによってMPPT制御を行うことにより、効率よく太陽電池の出力を取出すことが可能な技術が開示されている。
In
また、直並列接続された複数の太陽電池素子と、これら各太陽電池素子が発電した直流電力を降圧するコンバータとを基板上に備え、コンバータによりMPPT制御を行うようにした構成の太陽電池モジュールが提案されている(例えば、特許文献2)。 A solar cell module having a configuration in which a plurality of solar cell elements connected in series and parallel and a converter for stepping down DC power generated by each of these solar cell elements is provided on a substrate, and MPPT control is performed by the converter. It has been proposed (for example, Patent Document 2).
さらに、太陽電池パネルの複数ブロック毎に昇圧チョッパ回路を設けてブロック毎に個別にMPPT制御で直流電圧変換し、それらを統合して系統に供給する構成の太陽光発電装置が提案されている(例えば、特許文献3)。 Furthermore, a photovoltaic power generation apparatus having a configuration in which a step-up chopper circuit is provided for each of a plurality of blocks of the solar battery panel, DC voltage conversion is individually performed for each block by MPPT control, and these are integrated and supplied to the system is proposed ( For example, Patent Document 3).
さらにまた、複数の太陽電池アレイを並列接続して入力される系統連係インバータにおいて、各太陽電池アレイに対して独立にDC−DCコンバータによってMPPT制御を行わせて発電効率の向上を図った構成の太陽光発電用電力変換装置が提案されている(例えば、特許文献4)。 Furthermore, in a system linkage inverter that is input by connecting a plurality of solar cell arrays in parallel, MPPT control is performed on each solar cell array by a DC-DC converter independently to improve power generation efficiency. A power conversion device for photovoltaic power generation has been proposed (for example, Patent Document 4).
以上の特許文献以外にも複数の太陽電池セル群毎にMPPT制御を行うことで発電効率の向上を実現する提案は非常に多い。しかしながら、その提案の多くは、太陽電池セル群毎にMPPT制御して得られた発電出力を並列接続して合成するものである。 Besides the above patent documents, there are very many proposals for realizing improvement in power generation efficiency by performing MPPT control for each of a plurality of solar battery cell groups. However, many of the proposals synthesize power generation outputs obtained by performing MPPT control for each solar cell group in parallel.
また、負荷に発電電力を供給する場合の出力直流電圧はある程度の高電圧、例えば負荷が交流200Vの電力系統と連系するインバータの場合には直流300V程度が必要になる。 Further, the output DC voltage when supplying generated power to the load requires a certain level of high voltage, for example, about 300 V DC in the case of an inverter connected to a power system in which the load is 200 V AC.
そこで、できるだけ少ない個数の太陽電池セルをMPPT制御の対象とすると、その対象太陽電池セル群の出力電圧は、太陽電池セルの直列接続個数が少なくなり、低電圧になる。また、負荷が要求する電圧を得るためには、太陽電池セル群の出力を昇圧する必要が生じる。 Therefore, when as few solar cells as possible are targets for MPPT control, the output voltage of the target solar cell group becomes low because the number of solar cells connected in series decreases. Further, in order to obtain a voltage required by the load, it is necessary to boost the output of the solar battery cell group.
しかし、昇圧比の大きな昇圧回路はフィルタ素子などの大型化を招きやすく、効率も低下することが多い。また、高昇圧比を避けるためには太陽電池セル群の出力電圧を高くする、すなわち太陽電池直列数を多くすることが必要になり、前述の「できるだけ少ない個数の太陽電池セル群をMPPT制御の対象とする」こととは相反する結果になる。 However, a booster circuit having a large boost ratio tends to cause an increase in the size of the filter element and the efficiency is often lowered. In order to avoid a high step-up ratio, it is necessary to increase the output voltage of the solar cell groups, that is, to increase the number of series of solar cells. The result is contrary to “target”.
以上のようなMPPT制御単位モジュールを並列接続する構成の提案に対して、単位モジュールを直列接続する構成も提案されている。 In contrast to the proposal of the configuration in which the MPPT control unit modules are connected in parallel as described above, a configuration in which the unit modules are connected in series has also been proposed.
前述した特許文献2には、太陽電池が発電した直流電力を降圧する降圧チョッパモジュールを直列接続する構成の回路が示されているだけで、具体的制御方法や直列接続することの特徴などについては何ら明らかにされていない。
また、特許文献5および特許文献6にも、太陽電池セル群毎にMPPT制御を行う複数の電荷移送回路と呼ぶ回路を含む太陽電池モジュールPVMを、図18のように直並列接続するシステムが示されている。
図18において、40は太陽電池モジュールPVMを直並列接続して構成した太陽光発電装置、38は太陽光発電装置40から電力を供給される負荷である。また、42a,42bは太陽光発電装置40の正極、負極出力端子、48a,48bは太陽電池モジュールPVMの正極、負極出力端子である。
In FIG. 18, reference numeral 40 denotes a solar power generation device configured by connecting solar cell modules PVM in series and parallel, and
図19は図18の太陽光発電装置40における太陽電池モジュールPVMの構成であり、特許文献5および特許文献6では周知の降圧チョッパCONVaを電荷移送回路と呼んでいる。
FIG. 19 shows a configuration of the solar cell module PVM in the solar power generation device 40 of FIG. 18. In
図19に示すように、太陽電池モジュールPVMaは太陽電池本体SCと降圧チョッパCONVaで構成されている。コンデンサCa、Cbは太陽電池本体SC及び正極出力端48a、負極出力端子48b間における端子電圧のリップルを低減するために設けられた平滑コンデンサである。
As shown in FIG. 19, the solar cell module PVMa includes a solar cell body SC and a step-down chopper CONVa. Capacitors Ca and Cb are smoothing capacitors provided to reduce terminal voltage ripples between the solar cell main body SC and the positive
チョッパCONVaの制御部44aは発振器55を有しており、この発振器55からの信号を基に第1半導体スイッチ素子SW1と第2半導体スイッチ素子SW2とを交互にパルス幅変調(PWM)方式でスイッチング制御し同期整流を行う。
The
制御部44aは電圧計46からの動作電圧Vopを受けて、動作電圧Vopが最適動作電圧Vpmより高い場合は、第1半導体スイッチ素子SW1が閉じている時間間隔を拡げるようにPWM信号のデューティ比を変化させる。また、第1半導体スイッチ素子SW1が閉じている時間間隔が長くなれば、太陽電池本体SCで生じた出力電力が負荷側に出力される時間間隔が長くなり、太陽電池本体SCの動作電圧Vopは減少する。
The
反対に動作電圧Vopが最適動作電圧Vpmより低い場合は、第1半導体スイッチ素子SW1が開いている時間間隔を拡げるようにPWM信号のデューティ比を変化させる。第1半導体スイッチ素子SW1が開いている時間間隔が長くなれば、太陽電池本体SCで生じた出力電力が負荷側に出力される時間間隔は短くなり、よって太陽電池本体SCの動作電圧Vopは増加する。 On the other hand, when the operating voltage Vop is lower than the optimum operating voltage Vpm, the duty ratio of the PWM signal is changed so as to widen the time interval during which the first semiconductor switch element SW1 is open. If the time interval at which the first semiconductor switch element SW1 is open becomes longer, the time interval at which the output power generated in the solar cell body SC is output to the load side becomes shorter, and thus the operating voltage Vop of the solar cell body SC increases. To do.
この制御部44aのスイッチング制御により太陽電池本体SCの動作電圧Vopは常に最適動作電圧Vpmをとるように追従制御される。前述のように動作電圧Vopが最適動作電圧Vpmを取っていれば、太陽電池本体SCは最大電力点Pmaxで動作することとなり、よって太陽電池モジュールPVMaは常にその日照条件下における最大の電力を出力することが示されている。
By the switching control of the
上記特許文献5および特許文献6の説明を要約すれば、「太陽電池本体SCの動作電圧Vopが最適動作電圧Vpmとなるように降圧チョッパCONVaをPWM制御する」ことを示している。このことは、直列接続しない単体の降圧チョッパでMPPT制御を実現するための方法の説明であるが、直列接続したことによる出力電圧および出力電流の関係などは説明されていない。また、降圧チョッパの場合を示しているが、降圧チョッパの直列接続に伴う作用・効果などが示されておらず、完成された技術とは言い難い点がある。
Summarizing the description of
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、昇降圧コンバータモジュールを直並列接続した場合の動作原理を明確にし、降圧チョッパ以外のコンバータでも、効率よく太陽電池から最大の電力を取出すことのできる太陽光発電装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above circumstances, clarifying the operation principle when the step-up / step-down converter modules are connected in series and parallel, and even in converters other than the step-down chopper, the maximum power can be efficiently extracted from the solar cell. An object of the present invention is to provide a solar power generation device that can be used.
本発明は、
(1)1乃至複数の太陽電池セルを直列接続または直並列接続してなる太陽電池セル群と、この太陽電池セル群の両端電圧を昇降圧して出力する、昇降圧比の制御可能なDC−DCコンバータ12と、前記太陽電池セル群の発電出力に応じて前記DC−DCコンバータの昇降圧比を可変制御して最大電力が得られるように制御する最大電力点追従制御部とを備えた複数の太陽電池モジュールの出力端子間を任意に直並列接続した太陽光発電アレイと、この太陽光発電アレイの発電電力が供給され、前記太陽光発電アレイの出力電圧および出力電流の少なくとも一方を制御する負荷装置とから構成され、効率よく太陽電池から最大の電力を取出すことを可能にする。
The present invention
(1) A solar cell group in which one or a plurality of solar cells are connected in series or in series and parallel, and a DC-DC having a controllable step-up / step-down ratio that outputs the voltage between both ends of the solar cell group by stepping up and down. A plurality of suns including a
(2)上記(1)記載の太陽光発電装置において、前記太陽光発電アレイは前記複数の太陽電池モジュールの出力を任意個数だけ直列接続して直列接続ユニットを構成し、1乃至複数の前記直列接続ユニットを並列接続して構成することで、効率よく太陽電池から最大の電力を取出すことを可能にする。 (2) In the solar power generation device according to (1), the solar power generation array includes an arbitrary number of the outputs of the plurality of solar cell modules connected in series to form a series connection unit, and the one to a plurality of the series By configuring the connection units in parallel, it is possible to efficiently extract the maximum power from the solar cell.
(3)上記(1)記載の太陽光発電装置において、前記太陽光発電アレイは前記複数の太陽電池モジュールの出力を任意個数だけ並列接続して並列接続ユニットを構成し、1乃至複数の前記並列接続ユニットを直列接続して構成することで、効率よく太陽電池から最大の電力を取出すことを可能にする。 (3) In the solar power generation device according to (1), the solar power generation array configures a parallel connection unit by connecting an arbitrary number of outputs of the plurality of solar cell modules in parallel to form one to a plurality of the parallel By configuring the connection units in series, the maximum power can be efficiently extracted from the solar cell.
(4)上記(1)記載の太陽光発電装置において、前記太陽光発電アレイは前記複数の太陽電池モジュール出力を任意個数だけ直列接続して直列接続ユニットを構成し、1乃至複数の前記直列接続ユニットを並列接続して直並列接続ユニットを構成し、複数の前記直並列接続ユニットを直列接続して構成することで、効率よく太陽電池から最大の電力を取出すことを可能にする。 (4) In the solar power generation device according to (1), the solar power generation array includes an arbitrary number of the plurality of solar cell module outputs connected in series to form a series connection unit, and the one or more series connection The units are connected in parallel to form a series-parallel connection unit, and a plurality of the series-parallel connection units are connected in series, whereby the maximum power can be efficiently extracted from the solar cell.
本発明に係る太陽光発電装置は、
(1)太陽電池セル群それぞれに設けたDC−DCコンバータが、それぞれの太陽電池セル群に対して最大電力を取出す最大電力点追従制御を行うので、太陽電池に対する不均一日射条件下においても、常に全太陽電池セル群から、その日照条件下での最大の電力を取出すことができる。
The photovoltaic power generator according to the present invention is
(1) Since the DC-DC converter provided in each solar cell group performs maximum power point tracking control for taking out the maximum power for each solar cell group, even under non-uniform solar radiation conditions for solar cells, The maximum electric power under the sunshine condition can always be taken out from the entire solar cell group.
(2)太陽電池モジュールの直列接続が可能なので、昇圧比を高くしなくても高電圧出力が得られ、小形・高効率の太陽光発電装置を実現することができる。 (2) Since solar cell modules can be connected in series, a high voltage output can be obtained without increasing the step-up ratio, and a small and highly efficient solar power generation apparatus can be realized.
以下本発明の実施形態について図面に基づいて説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
図1は本発明に係る太陽光発電装置の接続構成例を示すブロック図である。 FIG. 1 is a block diagram showing a connection configuration example of a photovoltaic power generation apparatus according to the present invention.
図1において、1は太陽電池の発電電力を出力する太陽光発電アレイ、2は太陽光発電アレイ1から電力が供給される負荷装置である。
In FIG. 1,
太陽光発電アレイ1は、複数の太陽電池モジュール10の出力を直列および並列あるいは直並列に接続して構成される。太陽光発電アレイ1における太陽電池モジュール10の出力は任意に直並列接続することができる。
The photovoltaic
本発明の太陽光発電装置では、太陽光発電アレイ1の出力電圧Vdおよび出力電流Idのうちの少なくとも一方を負荷装置2が制御する。
In the solar power generation device of the present invention, the
図2は本発明に係る太陽光発電アレイ1における各太陽電池モジュール10のブロック図である。
FIG. 2 is a block diagram of each
図2において、11は1つの太陽電池セルもしくは複数の太陽電池セルを直列接続または直並列接続した太陽電池セル群、12は太陽電池セル群11の出力電圧を昇降圧制御するDC−DCコンバータ、13は太陽電池セル群11の出力として最大電力が得られるようにDC−DCコンバータ12の昇降圧比を可変制御するMPPT制御機能を含むモジュール制御回路である。
In FIG. 2, 11 is a solar cell group in which one solar cell or a plurality of solar cells are connected in series or series-parallel, 12 is a DC-DC converter that controls the step-up / down of the output voltage of the
先ず、本発明の太陽電池モジュール10の基本要素であるDC−DCコンバータ12単体での基本原理について図3により説明する。ただし、DC−DCコンバータ12の回路損失とスイッチング動作に伴うリプル成分とを無視し、理想的DC−DCコンバータとして原理を説明する。
First, the basic principle of the DC-
DC−DCコンバータ12の入力電圧および電流をVpおよびIp、出力電圧および電流をVdおよびIdとし、入出力電圧比すなわち昇降圧比をKvとしたとき、次の関係式が成立する。
When the input voltage and current of the DC-
Vd=Kv・Vp ……… (1)
Id=Ip/Kv ……… (2)
DC−DCコンバータ12の入力および出力の電力PpおよびPdは等しいので、次式が成立する。
Vd = Kv · Vp (1)
Id = Ip / Kv (2)
Since the input and output powers Pp and Pd of the DC-
Pd=Vd・Id=Pp=Vp・Ip …… (3)
(1)式のように昇降圧比Kvで入出力電圧の関係が決定され、このKvによって出力電圧Vdが目標電圧になるように制御する用途が多い。
Pd = Vd · Id = Pp = Vp · Ip (3)
As shown in equation (1), the input / output voltage relationship is determined by the step-up / step-down ratio Kv, and there are many applications in which the output voltage Vd is controlled to the target voltage by this Kv.
しかし、本発明ではDC−DCコンバータ12によって入力電圧Vpもしくは入力電流Ipを制御し、出力電圧Vdもしくは出力電流Idは制御しない。DC−DCコンバータ12が出力電圧Vdおよび電流Idを規定しないことにより、出力側の負荷装置2がDC−DCコンバータ12の出力電圧Vdあるいは電流Idのいずれかを任意に制御することが可能になる。
However, in the present invention, the input voltage Vp or the input current Ip is controlled by the DC-
例えば、任意の出力電圧Vdのときに入力が目標の電圧Vpになるようにするためには、Kv=Vd/Vpとなるように昇降圧比Kvを制御する。制御結果のKvに応じて、入出力電流IpとIdとは(2)式を満足するように決定する。また、任意のIdのときに入力が目標の電流Ipになるようにするためには、Kv=Ip/Idとなるように昇降圧比Kvを制御すればよい。 For example, in order to set the input to the target voltage Vp at an arbitrary output voltage Vd, the step-up / step-down ratio Kv is controlled so that Kv = Vd / Vp. The input / output currents Ip and Id are determined so as to satisfy the expression (2) according to the control result Kv. In order to make the input the target current Ip at an arbitrary Id, the step-up / step-down ratio Kv may be controlled so that Kv = Ip / Id.
そのときには、制御結果のKvに応じて入出力電圧VpとVdとが(1)式を満足するように決定する。このように制御することで、負荷装置2でDC−DCコンバータ12の出力電圧Vdあるいは電流Idのいずれかを制御する自由度が生まれる。その結果、各種の負荷装置2に適用可能となり、システム構築が容易になる。
At that time, the input / output voltages Vp and Vd are determined according to the control result Kv so as to satisfy the expression (1). By controlling in this way, the
図3に示した昇降圧比Kvを制御可能なDC−DCコンバータ12には、周知の多くの回路構成がある。現在多く使用されているDC−DCコンバータとして、チョッパ回路と、入力直流電圧を一旦交流に変換し、トランスを介した後に整流する絶縁形DC−DCコンバータとがあげられる。
The DC-
図19は昇降圧比Kvを制御可能なDC−DCコンバータ12の一例であり、周知の降圧チョッパの構成例である。スイッチSW1の電流がパルス状の電流波形となるため、入力の電流リプルを低減するために、平滑コンデンサCaを設けることにより理想のDC−DCコンバータに近づけることができる。
FIG. 19 is an example of a DC-
図4は周知の昇圧チョッパの構成例を示す回路図である。図4に示す昇圧チョッパではダイオードDに入力する電流Isがパルス状の電流波形となる。このダイオードDの出力電流Idのリプルを低減するために、出力側に平滑コンデンサCoを設けることにより理想のDC−DCコンバータに近づけることができる。 FIG. 4 is a circuit diagram showing a configuration example of a known boost chopper. In the step-up chopper shown in FIG. 4, the current Is input to the diode D has a pulsed current waveform. In order to reduce the ripple of the output current Id of the diode D, by providing a smoothing capacitor Co on the output side, it can be brought close to an ideal DC-DC converter.
図19や図4の他にも昇降圧可能な昇降圧チョッパも知られており、昇降圧チョッパも本発明のDC−DCコンバータ12として用いることができる。図19および図4に示したチョッパ回路は基本構成であり、これらの回路を変形した多くのチョッパ回路がある。また、半導体スイッチのスイッチング損失を減らす目的で、補助の共振回路を設けた共振形あるいはソフトスイッチング方式と呼ばれる構成のチョッパ回路もある。そのようなチョッパ回路も本発明に適用することが可能である。
In addition to FIG. 19 and FIG. 4, a step-up / step-down chopper capable of step-up / step-down is also known, and the step-up / step-down chopper can also be used as the DC-
前述のトランスを用いた絶縁形DC−DCコンバータにも、降圧形回路、昇圧形回路および昇降圧形回路を基本にした各種のコンバータ回路があり、これらの絶縁形DC−DCコンバータも本発明に適用することが可能である。 There are various types of converter circuits based on the step-down circuit, the step-up circuit, and the step-up / step-down circuit in the isolated DC-DC converter using the above-described transformer, and these isolated DC-DC converters are also included in the present invention. It is possible to apply.
ここで、DC−DCコンバータ12の昇降圧比Kvを可変制御することで、太陽電池セル群11のMPPT制御を実現する制御回路13の具体的構成例を説明する。
Here, a specific configuration example of the
図5は、図2に示した太陽電池モジュール10の具体的な制御方法を説明するためのブロック図であり、図5のように入力側にリアクトルLiが接続されているリアクトル入力形DC−DCコンバータ12の場合に適した制御構成例を示すものである。
FIG. 5 is a block diagram for explaining a specific control method of the
図5において、21pおよび21dはそれぞれDC−DCコンバータ12の入力電流Ipおよび出力電流Idを検出する電流検出器、22dはDC−DCコンバータ12の出力電圧を検出する電圧検出器である。
In FIG. 5, 21p and 21d are current detectors for detecting the input current Ip and output current Id of the DC-
また、制御回路13において、23は電圧検出器22dにより検出したDC−DCコンバータ12の出力電圧Vdおよび電流検出器21dにより検出した出力電流Idから出力電力Pdを演算する乗算回路、24は演算された出力電力Pdが最大となるような太陽電池セル群11の出力電流指令Iprを出力する最大電力点追従制御回路(MPPT制御回路)、25は電流検出器21pにより検出した太陽電池セル群11の出力電流Ipと出力電流指令Iprとの偏差(Ipr−Ip)を求める減算回路、26は偏差(Ipr−Ip)を増幅するPI制御器などの増幅回路、27は3角波などを発信出力するキャリア発生回路、28は増幅回路26の出力とキャリア発生回路27の出力キャリアとの大小を比較し、比較結果に応じてDC−DCコンバータ12のスイッチング素子のオンオフ信号を出力するパルス幅変調(PWM)回路である。
In the
上記MPPT制御回路24はDC−DCコンバータ12の出力電力Pdが最大となるように、太陽電池セル群11の動作点を探索するための電流指令Iprを出力する。また、減算回路25、増幅回路26およびPWM回路28は、太陽電池セル群11の出力電流Ipのフィードバック制御ループを構成し、出力電流Ipが電流指令Iprに追従するように機能する。
The
PWM回路28の出力信号でDC−DCコンバータ12のスイッチング素子をオンオフすることで、DC−DCコンバータ12の昇降圧比Kvが制御され、その結果として、リアクトルLiの出力側電圧Viが変化することにより入力電流Ipが制御される。
By turning on and off the switching element of the DC-
日射量変動などにより太陽電池セル群11の出力が急変した場合でも、リアクトルLiにより電流Ipの変動は抑制される。その電流Ipのフィードバック制御ループを構成することで、安定な電流制御が実現できるので、リアクトル入力形DC−DCコンバータ12に適した制御構成である。
Even when the output of the solar
リアクトルLiはDC−DCコンバータ12の基本構成上必要なものに限らず、入出力の平滑目的で設けられたリアクトルであってもよい。
Reactor Li is not limited to that required for the basic configuration of DC-
図6は、入力側にコンデンサCiが接続されているコンデンサ入力形DC−DCコンバータ12の場合に適した制御構成例を示すものである。図6では、DC−DCコンバータ12の入力電流Ipを検出する代わりに入力電圧Vpを検出する電圧検出器22pが設けられる。
FIG. 6 shows a control configuration example suitable for the case of the capacitor input type DC-
上記MPPT制御回路24はDC−DCコンバータ12の出力電力Pdが最大となるように、太陽電池セル群11の動作点を探索するための電圧指令Vprを出力する。また、減算回路25、増幅回路26およびPWM回路28は、太陽電池セル群11の出力電圧Vpのフィードバック制御ループを構成し、出力電圧Vpが電圧指令Vprに追従するように機能する。
The
PWM回路28の出力信号でDC−DCコンバータ12の昇降圧比Kvが制御され、コンデンサCiの流出電流Iiが変化することによりVpが制御される。
The step-up / step-down ratio Kv of the DC-
太陽電池セル群11の出力が急変した場合でも、コンデンサCiにより電圧Vpの変動は抑制される。その電圧Vpのフィードバック制御ループを構成することで、安定な電圧制御が実現できる。
Even when the output of the
コンデンサCiはDC−DCコンバータ12の基本構成上必要なものに限らず、入出力の平滑目的で設けられたコンデンサであってもよい。
The capacitor Ci is not limited to the one required for the basic configuration of the DC-
以上述べた図5および図6では、昇降圧比Kvの可変制御で、太陽電池セル群のMPPT制御を実現する制御構成例として、太陽電池セル群11の目標とする出力電流Ipあるいは出力電圧Vpをフィードバック制御する例を示した。
5 and 6 described above, as a control configuration example for realizing MPPT control of the solar cell group by variable control of the buck-boost ratio Kv, the target output current Ip or output voltage Vp of the
太陽電池セル群11の出力電流指令Iprあるいは電圧指令Vprに出力電流Ipあるいは電圧Vpを追従させることは、DC−DCコンバータ12の出力電圧Vdあるいは電流Idを用いて、(1)式あるいは(2)式の関係から昇降圧比Kvを求め、その昇降圧比KvとなるようにDC−DCコンバータ12のスイッチング素子のオンオフを制御することでも実現できる。
To make the output current Ip or voltage Vp follow the output current command Ipr or voltage command Vpr of the
また、DC−DCコンバータの種類によってスイッチング素子のオンオフデューティと昇降圧比Kvとの関係式は異なる場合もあるが、それぞれのDC−DCコンバータではオンオフデューティと昇降圧比Kvは特定の関係式で結び付けられるので、オンオフデューティの制御によって昇降圧比Kvを制御することができる。 The relational expression between the on / off duty of the switching element and the step-up / step-down ratio Kv may be different depending on the type of the DC-DC converter. However, in each DC-DC converter, the on-off duty and the step-up / step-down ratio Kv are linked by a specific relational expression. Therefore, the step-up / step-down ratio Kv can be controlled by controlling the on / off duty.
さらに、図5および図6ではMPPT制御回路24に入力する電力として、DC−DCコンバータ12の出力電力Pdを用いたが、多くの周知のMPPT制御で用いられている太陽電池セル群11の出力電力PpをPdの代わりに用いてもよいことは勿論のことである。
Further, in FIG. 5 and FIG. 6, the output power Pd of the DC-
ただし、実際の回路では太陽電池セル群11の出力からDC−DCコンバータ12の出力の間に回路抵抗などの損失要素が存在するため、PpとPdとは等しくならない。DC−DCコンバータ12の出力電力Pdを用いる方が、DC−DCコンバータ12も含めた出力電力最大制御を実現することができる。
However, in an actual circuit, there is a loss element such as circuit resistance between the output of the
以上は、太陽光発電アレイ1を構成する太陽電池モジュール10の構成例と制御例について述べたが、次に複数の太陽電池モジュール10を直並列接続して構成した太陽光発電アレイ1の動作原理を説明する。
The configuration example and control example of the
まず、各太陽電池モジュール10の発電電力Ppとモジュールの出力電圧Vdおよび出力電流Idとの関係がどのようにして決定されるかについて述べる。
First, how the relationship between the generated power Pp of each
(3)式に示したように、DC−DCコンバータ12の出力電圧Vdと電流Idの関係は、入力の電圧Vpおよび電流Ipの積である入力電力Ppだけに依存し、VpおよびIpそれぞれの大きさとは無関係である。Ppが同じであれば、VpとIpが異なっていても直並列接続された太陽電池モジュールの出力側の関係は等しくなる。このことは、DC−DCコンバータ12の出力を直並列接続したときの電圧と電流を検討する上で、入力の電圧Vpおよび電流Ipそれぞれの大きさを考慮する必要がなく、入力電力Ppだけを考慮すればよいことを示している。
As shown in the equation (3), the relationship between the output voltage Vd of the DC-
図1の構成は太陽光発電アレイ1における太陽電池モジュール10の接続構成が複雑であるので、理解を容易にするために、より簡単な直並列接続回路構成の動作から説明する。
Since the connection configuration of the
図7は各発電電力がPpiのN個の太陽電池モジュールPVM−1〜PVM−Nを直列接続した回路図である。 FIG. 7 is a circuit diagram in which N solar cell modules PVM-1 to PVM-N whose generated power is Ppi are connected in series.
かかる回路構成において、太陽電池モジュールPVM−1〜PVM−Nの全出力が直列接続されているので、各モジュールには同じ電流Idが流れる。したがって、(3)式の関係からi番目のモジュールの出力電圧Vdiは次のようになる。 In such a circuit configuration, since all outputs of the solar cell modules PVM-1 to PVM-N are connected in series, the same current Id flows through each module. Therefore, the output voltage Vdi of the i-th module is as follows from the relationship of the expression (3).
Vdi=Ppi/Id …… (4)
上式は、Idが与えられた後に、Vdiが決定することを意味しているわけではないことに留意されたい。Id=Pd/Vdであるから、(4)式は次のようにも書くことができる。
Vdi = Ppi / Id (4)
Note that the above equation does not mean that Vdi is determined after Id is given. Since Id = Pd / Vd, equation (4) can also be written as:
Vdi=Vd・Ppi/Pd …… (5)
上式のように、各モジュールの電圧Vdiは各モジュールの発電電力Ppiに比例する。
Vdi = Vd · Ppi / Pd (5)
As in the above equation, the voltage Vdi of each module is proportional to the generated power Ppi of each module.
全太陽電池モジュールPVM−1〜PVM−Nの出力電圧Vdiの和である直流電圧Vdから求めた出力電力Pdは次のようになる。 The output power Pd obtained from the DC voltage Vd which is the sum of the output voltages Vdi of all the solar cell modules PVM-1 to PVM-N is as follows.
Pd=Vd・Id=(Vd1+Vd2+……+VdN)Id
=Pp1+Pp2+……+PpN …… (6)
上式は、出力電力Pd=Vd・Idが太陽電池セル群の発電電力Ppiの総和に等しいことを示している。各太陽電池セル群の動作点(Vpi,Ipi)に対する制約条件はないので、全太陽電池セル群をそれぞれの最大電力点で動作させれば、全モジュールから最大の電力を引き出すことができる。
Pd = Vd · Id = (Vd 1 + Vd 2 +... + Vd N ) Id
= Pp 1 + Pp 2 + ... + Pp N (6)
The above equation shows that the output power Pd = Vd · Id is equal to the sum of the generated power Ppi of the solar battery group. Since there are no restrictions on the operating point (Vpi, Ipi) of each solar cell group, the maximum power can be drawn from all modules by operating all the solar cell groups at their respective maximum power points.
ここで、制御の制約条件を明確にするために、i番目のモジュールの昇降圧比Kviだけを固定するとどうなるかを考える。Kviを固定すると、(1)式および(2)式からVdi=Kvi・Vpi、Id=Ipi/Kviとなり、VdiとIdが決定される。 Here, in order to clarify the control constraint conditions, what happens when only the step-up / step-down ratio Kvi of the i-th module is fixed will be considered. When Kvi is fixed, Vdi = Kvi · Vpi and Id = Ipi / Kvi from Expressions (1) and (2), and Vdi and Id are determined.
他のモジュールはそれぞれの出力電流がIdとなるように昇降圧比を可変制御することで、(5)式を満足するようにそれぞれの出力電圧が決まり、全モジュールの電圧和であるVdも決定される。したがって、1つのモジュールの昇降圧比を固定しても、全モジュールが最大電力を出力することは可能である。 The other modules variably control the buck-boost ratio so that each output current becomes Id, so that each output voltage is determined so as to satisfy Equation (5), and Vd which is the voltage sum of all modules is also determined. The Therefore, even if the step-up / step-down ratio of one module is fixed, all modules can output the maximum power.
しかし、1個の太陽電池モジュールの昇降圧比を固定、もしくは何らかの制約をすると、太陽光発電アレイ1の出力電圧Vdおよび電流Idの制御自由度はなくなる。これは、太陽光発電アレイ1から電力を供給される負荷装置にとっては大きな制約条件となり、システム構築を困難なものにする。
However, if the step-up / step-down ratio of one solar cell module is fixed or some restriction is imposed, the degree of freedom in controlling the output voltage Vd and current Id of the
このような制約を避けるためには、全太陽電池モジュールが昇降圧比Kvに制約を設けないようにする必要がある。図5および図6に示したように、全モジュールがそれぞれの入力量VpあるいはIpだけを制御すれば、太陽光発電アレイ1の出力電圧Vdおよび電流Idに制御自由度が残される。その結果、負荷装置2で出力電圧Vdを制御しているときには、発電電力Ppに応じて電流Idが変化する。もちろん、Vdを変えれば、Vdに反比例してIdは変化する。逆に、負荷装置2が出力電流Idを制御している場合には、発電電力Ppに応じて電圧Vdが変化する。すなわち、VdあるいはIdのいずれか一方を制御すれば他方は(3)式を満足するように変化する。
In order to avoid such a restriction, it is necessary that all the solar cell modules do not place a restriction on the step-up / step-down ratio Kv. As shown in FIGS. 5 and 6, if all the modules control only the input amount Vp or Ip, the degree of freedom of control remains in the output voltage Vd and current Id of the photovoltaic
したがって、負荷装置2に対する制約は少なくなり、各種負荷装置への電力供給のためのシステム構築が容易になる。この昇降圧比に対する制約が太陽光発電アレイ1の出力に与える制約は以降に示す回路構成でも同様である。
Therefore, restrictions on the
図8は、図7に示したモジュール直列回路をM回路だけ並列接続した直並列回路図である。 FIG. 8 is a series-parallel circuit diagram in which the module series circuit shown in FIG. 7 is connected in parallel by M circuits.
個々のモジュール直列回路は図7と同じであるから、j番目のモジュール直列回路の発電電力和をPpj、電流をIdjとすれば、そのモジュール直列回路におけるi番目の太陽電池モジュールPVM−ijの電圧Vdijは(4)式および(5)式と同様に次のようになる。 Since each module series circuit is the same as that of FIG. 7, if the generated power sum of the j-th module series circuit is Ppj and the current is Idj, the voltage of the i-th solar cell module PVM-ij in the module series circuit Vdij is as follows similarly to the equations (4) and (5).
Vdij=Ppj/Idj=Vd・Ppj/Ppj …… (7)
また、電流Idjは次のように分流する。
Vdij = Ppj / Idj = Vd · Ppj / Ppj (7)
Further, the current Idj is shunted as follows.
Idj=Ppj/Vd=Id・Ppj/Pd …… (8)
(7)式および(8)式のように全太陽電池モジュールの電圧Vdijおよび電流Idjが決定される。
Idj = Ppj / Vd = Id · Ppj / Pd (8)
As shown in the equations (7) and (8), the voltage Vdij and the current Idj of all the solar cell modules are determined.
直列回路電流の和であるIdとVdの積で求められる出力電力Pdは、次式のように発電電力の総和となることは明らかである。 It is obvious that the output power Pd obtained by the product of Id and Vd, which is the sum of the series circuit currents, is the sum of the generated power as in the following equation.
Pd=Vd(Id1+Id2+……IdM)
=Pp1+Pp2+……PpM …… (9)
上式は、図8の回路でも太陽電池セル群の全発電電力を引き出すことができることを示している。
Pd = Vd (Id 1 + Id 2 +... Id M )
= Pp 1 + Pp 2 + ... Pp M (9)
The above equation shows that the total generated power of the solar cell group can be extracted even with the circuit of FIG.
図8のようにモジュール直列回路を並列接続することで、大容量の太陽光発電アレイ1を実現することができる。この場合、並列接続されるモジュール直列回路の直列数を全直列回路で等しくする必要はない。任意の直列数のモジュール直列回路を並列接続しても最大電力を引き出す効果は変わらない。
A large-capacity photovoltaic
図9はM個の太陽電池モジュールPVM−1〜PVM−Mを並列接続した回路図である。 FIG. 9 is a circuit diagram in which M solar cell modules PVM-1 to PVM-M are connected in parallel.
太陽電池モジュールPVM−1〜PVM−Mの全出力が並列接続されているので、全モジュールの出力電圧が同じVdになる。 Since all the outputs of the solar cell modules PVM-1 to PVM-M are connected in parallel, the output voltages of all the modules become the same Vd.
いま、j番目のモジュールの発電電力をPpjとしたとき、そのモジュールの出力電流Idjは(3)式の関係から次のようになる。 Now, assuming that the generated power of the j-th module is Ppj, the output current Idj of that module is as follows from the relationship of equation (3).
Idj=Ppj/Vd …… (10)
Vd=Pd/Idであるから、(10)式は次のようにも書くことができる。
Idj = Ppj / Vd (10)
Since Vd = Pd / Id, equation (10) can also be written as:
Idj=id・Ppj/Pd …… (11)
上式のように、太陽電池モジュールを並列接続した場合には、各モジュールの出力電流Idjが各モジュールの発電電力Ppjに比例して分流する。
Idj = id · Ppj / Pd (11)
As in the above equation, when solar cell modules are connected in parallel, the output current Idj of each module is shunted in proportion to the generated power Ppj of each module.
全太陽電池モジュールPVM−1〜PVM−Mの出力電流Idjから、太陽光発電アレイ1の出力電力Pdは次のように全モジュールの発電電力Ppjの総和になる。
From the output current Idj of all the solar cell modules PVM-1 to PVM-M, the output power Pd of the photovoltaic
Pd=Vd・Id=Vd(Id1+Id2+……+IdM)
=Pp1+Pp2+……PpM …… (12)
図10は図9に示したモジュール並列回路をN回路分直列接続して、升目状(マトリクス状)に太陽電池モジュール10を接続した回路構成図である。
Pd = Vd · Id = Vd (Id 1 + Id 2 +... + Id M )
= Pp 1 + Pp 2 + ... Pp M (12)
FIG. 10 is a circuit configuration diagram in which the module parallel circuits shown in FIG. 9 are connected in series for N circuits, and the
図10において、i行目の並列接続モジュールの出力電圧Vdiは等しいので、各モジュールの出力電流Idijは次のようになる。 In FIG. 10, since the output voltage Vdi of the i-th parallel connection module is equal, the output current Idij of each module is as follows.
Idij=Ppij/Vdi …… (13)
モジュール並列回路の電流和は全並列回路ともIdであるので次式が成立する。
Idj = Ppij / Vdi (13)
Since the current sum of the module parallel circuit is Id for all the parallel circuits, the following equation is established.
Id=Idi1+Idi2+……+IdiM
=(Ppi1+Ppi2+……+PpiM)/Vdi=Ppi/Vdi…(14)
すなわち、各モジュール並列回路の電圧Vdiは、その並列回路の発電電力和Ppiを用いて次のように表すことができる。
Id = Idi 1 + Idi 2 + …… + Idi M
= (Ppi 1 + Ppi 2 +... + Ppi M ) / Vdi = Ppi / Vdi (14)
That is, the voltage Vdi of each module parallel circuit can be expressed as follows using the generated power sum Ppi of the parallel circuit.
Vdi=Ppi/Id …… (15)
全並列回路の電圧和がVdであるので次式が得られる。
Vdi = Ppi / Id (15)
Since the voltage sum of all the parallel circuits is Vd, the following equation is obtained.
Vd=Vd1+Vd2+……VdN
=(Pp1+Pp2+……+PpN)/Id=Pd/Id …… (16)
上式の関係を(14)式のIdに代入して、Vdiが次のように求められる。
Vd = Vd 1 + Vd 2 + …… Vd N
= (Pp 1 + Pp 2 +... + Pp N ) / Id = Pd / Id (16)
Substituting the relationship of the above equation into Id of equation (14), Vdi is obtained as follows.
Vdi=Ppi/Id=Vd・Ppi/Pd …… (17)
(17)式および(13)式のように全太陽電池モジュールPVM−11〜PVM−NMの電圧Vdiおよび電流Idijが決定される。
Vdi = Ppi / Id = Vd · Ppi / Pd (17)
The voltage Vdi and current Idij of all the solar cell modules PVM-11 to PVM-NM are determined as shown in the equations (17) and (13).
太陽光発電アレイ1の出力Pdは(16)式から分かるように全太陽電池モジュールの出力電力和となり、図10の回路でも太陽電池セル群の全発電電力を引き出すことができることを示している。この場合、モジュール並列回路の並列数を全並列回路間で等しくする必要はない。また、任意の並列数のモジュール並列回路を直列接続しても最大電力を引き出す効果は変わらない。
The output Pd of the photovoltaic
図10に示すようにM個のモジュール並列回路をN回路分直列接続することで、各モジュールの昇降圧比を高くしなくても高電圧出力が得られる太陽光発電アレイ1を実現することができる。
As shown in FIG. 10, by connecting M module parallel circuits for N circuits in series, a photovoltaic
また、図10の構成は配線数が多いが、配線が断線した場合の発電出力低下を最低限に抑えることができる特長がある。すなわち、正負の母線(図10の最上部および最下部)以外であれば並列接続配線が断線しても、発電出力は変化しない。また、直列接続配線が断線した場合は、出力配線が断線した1個の太陽電池モジュール分だけの発電出力低下で済むので、太陽電池アレイ1全体の発電出力の低下を最小限に抑えることができる。
Further, the configuration of FIG. 10 has a large number of wirings, but has a feature that a decrease in power generation output when the wiring is disconnected can be minimized. That is, the power generation output does not change even if the parallel connection wiring is disconnected except for the positive and negative buses (the uppermost part and the lowermost part in FIG. 10). Further, when the series connection wiring is disconnected, the power generation output for the single solar cell module whose output wiring is disconnected can be reduced, so that the power generation output of the entire
図11は2個の太陽電池モジュールPVM−ijaおよびPVM−ijbを直列接続し、その直列回路をM回路分並列接続して直並列ユニットを構成し、その直並列ユニットを更にN回路分直列接続した回路構成図である。 In FIG. 11, two solar cell modules PVM-ija and PVM-ijb are connected in series, and the series circuit is connected in parallel for M circuits to form a series-parallel unit, and the series-parallel units are further connected in series for N circuits. FIG.
図7から図10までの説明で明らかなように、直列接続したモジュールの電圧分担および並列接続したモジュールの電流分担はモジュールの発電電力比となる。この関係を適用することで、図11の各モジュールの電圧および電流が決定される。 As is clear from the description from FIG. 7 to FIG. 10, the voltage sharing of the modules connected in series and the current sharing of the modules connected in parallel become the ratio of the generated power of the modules. By applying this relationship, the voltage and current of each module in FIG. 11 are determined.
各直並列ユニットのモジュール発電電力和を次式のようにPpiとすれば、各ブロックの電圧Vdiは(19)式、各モジュールの電流Idijは(20)式となる。 Assuming that the sum of the module generated power of each series-parallel unit is Ppi as in the following equation, the voltage Vdi of each block is given by equation (19) and the current Idij of each module is given by equation (20).
Ppi=Ppi1a+Ppi1b+Ppi2a+Ppi2b+…
…+PpiMa+PpiMb …… (18)
Vdi=Vd・Ppi/Pd …… (19)
Idij=(Ppija+Ppijb)/Vdi …… (20)
直列接続された2個の太陽電池モジュールPVM−ijaおよびPVM−ijbの電圧分担は次のようになる。
Ppi = Ppi1a + Ppi1b + Ppi2a + Ppi2b +...
... + PpiMa + PpiMb (18)
Vdi = Vd · Ppi / Pd (19)
Idij = (Ppija + Ppijb) / Vdi (20)
The voltage sharing of the two solar cell modules PVM-ija and PVM-ijb connected in series is as follows.
Vdija=Vdi・Ppija/(Ppija+Ppijb) …… (21)
Vdijb=Vdi・Ppijb/(Ppija+Ppijb) …… (22)
図11は直並列ブロック内のモジュール直列数が2の場合を示したが、直列数は任意に選定することができる。また、各直並列ブロック毎にモジュール直列数が異なっていてもよく、モジュール並列回路の並列数も全並列回路間で等しくする必要はない。任意の並列数のモジュール並列回路を直列接続しても最大電力を引き出す効果は変わらない。
Vdija = Vdi · Ppija / (Ppija + Ppijb) (21)
Vdijb = Vdi · Ppijb / (Ppija + Ppijb) (22)
Although FIG. 11 shows the case where the number of modules in the series-parallel block is 2, the number of series can be arbitrarily selected. Further, the serial number of modules may be different for each series-parallel block, and the parallel number of the module parallel circuits does not need to be equal among all the parallel circuits. Even if an arbitrary number of parallel module parallel circuits are connected in series, the effect of extracting the maximum power does not change.
図11の構成は図10の構成と同様に、各モジュールの昇降圧比を高くしなくても高電圧出力が得られ、配線が断線した場合の発電出力低下を少なく抑えることができ、図10よりはモジュール間の配線が少なくて済む。 As in the configuration of FIG. 10, the configuration of FIG. 11 can obtain a high voltage output without increasing the step-up / step-down ratio of each module, and can suppress a decrease in power generation output when the wiring is disconnected. Requires less wiring between modules.
以上述べたことから明らかなように任意の直列数および任意の並列数の直並列モジュールを組合せても各モジュールの発電電力を最大限に引き出すことが容易に理解できる。このことを踏まえて、図1に示す複数の太陽電池モジュール10の出力を直列および並列並びに直並列に接続して構成された太陽光発電装置の動作について述べる。
As is apparent from the above description, it can be easily understood that the generated power of each module can be extracted to the maximum even if any series number and any number of series-parallel modules in parallel are combined. Based on this, the operation of the photovoltaic power generation apparatus configured by connecting the outputs of the plurality of
図12は図1の回路に電圧、電流および電力の記号を付した回路図であり、導出過程は省略するが図12の回路方程式から各モジュールの電圧・電流を求めると以下のようになる。
図1および図12に示した太陽光発電アレイ1における太陽電池モジュール10の直並列接続回路は、本発明の実施形態の一例に過ぎない。本発明では太陽電池モジュール10を任意に直並列接続することで、全モジュールの発電電力を取出すことができる太陽光発電アレイ1を実現することができる。
The series-parallel connection circuit of the
前述したように本発明では太陽光発電アレイ1の出力電圧Vdおよび出力電流Idは負荷装置2が制御するものである。
As described above, in the present invention, the output device Vd and the output current Id of the photovoltaic
最後に、図13から図15により、負荷装置2による太陽光発電アレイ1の出力電圧Vdおよび出力電流Idの具体的な制御例を示す。
Finally, FIGS. 13 to 15 show specific control examples of the output voltage Vd and the output current Id of the photovoltaic
図13は電圧源的負荷の場合であり、出力電圧Vdが一定であれば、発電電力Pdに応じて電流Idが変化する。もちろん、Vdを変えれば、Vdに反比例してIdは変化する。 FIG. 13 shows a case of a voltage source load. When the output voltage Vd is constant, the current Id changes according to the generated power Pd. Of course, if Vd is changed, Id changes in inverse proportion to Vd.
ここで、一例としては二次電池負荷があげられる。また、負荷装置2がインバータで、インバータにより直流回路電圧を制御する場合も図13に相当する。更に、二次電池とインバータを並列接続した負荷装置2も図13に相当する。
Here, as an example, there is a secondary battery load. Further, the case where the
図14は電流源的負荷の場合で、出力電流Idが一定であれば、発電電力Pdに応じて電圧Vdが変化する。すなわち、供給される電流を制御するような負荷の例であり、負荷装置2がインバータであり、インバータにより直流回路電流を制御する場合が図14に相当する。
FIG. 14 shows a case of a current source load. When the output current Id is constant, the voltage Vd changes according to the generated power Pd. That is, it is an example of a load that controls the supplied current, and the case where the
図15は抵抗負荷の例であり、抵抗Rが一定であれば、発電電力Pdに応じて図のように電圧Vdと電流がIdが決まる。 FIG. 15 shows an example of a resistive load. If the resistance R is constant, the voltage Vd and current Id are determined according to the generated power Pd as shown in the figure.
上記のようにDC−DCコンバータ12の出力量制御を負荷装置2に開放することにより、各種の負荷装置2に適用可能となる。
By opening the output amount control of the DC-
以上説明したように本発明では、太陽電池セル群11とDC−DCコンバータ12とで構成される太陽電池モジュール10毎にMPPT制御をすることで、太陽電池セル群11から効率的に発電電力を得ることが可能で、高効率の太陽光発電装置を実現することができる。
As described above, in the present invention, the generated power is efficiently generated from the
本発明の太陽電池セル群11は1乃至複数の太陽電池パネルを単位とすることもできるが、1枚の太陽電池パネル内の太陽電池セルを複数の太陽電池セル群11に分割し、分割された太陽電池セル群11毎に複数のDC−DC12コンバータを設け、1枚の太陽電池パネル内に複数の太陽電池モジュール10を設ける構成とすることもできる。
The solar
1……太陽光発電アレイ、2……負荷装置、10……太陽電池モジュール、11……太陽電池セル群、12……DC−DCコンバータ、13……モジュール制御回路、21p、21d……電流検出器、22p、22d……電圧検出器、23……乗算回路、24……最大電力点追従制御回路(MPPT制御回路)、25……減算回路、26……増幅回路、27……キャリア発生回路、28 ・・・ パルス幅変調(PWM)回路
DESCRIPTION OF
Claims (4)
この太陽光発電アレイの発電電力が供給され、前記太陽光発電アレイの出力電圧および出力電流の少なくとも一方を制御する負荷装置と
から構成されることを特徴とする太陽光発電装置。 A solar cell group in which one or a plurality of solar cells are connected in series or in series and parallel, and a DC-DC converter capable of controlling the step-up / step-down ratio that outputs the voltage of both ends of the solar cell group by stepping up and down; Outputs of a plurality of solar cell modules including a maximum power point tracking control unit that variably controls the step-up / step-down ratio of the DC-DC converter according to the power generation output of the solar cell group and controls the maximum power to be obtained. A photovoltaic array in which terminals are arbitrarily connected in series and parallel;
A photovoltaic power generation apparatus comprising: a load device that is supplied with power generated by the photovoltaic power generation array and controls at least one of an output voltage and an output current of the photovoltaic power generation array.
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