JP2012113495A - 太陽光発電システムの出力制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 負荷変動への対応が容易で逆潮流を確実に防止する。
【解決手段】 太陽電池２０をパワーコンディショナ１０により電力系統３０と連系させた太陽光発電システムにおいて、パワーコンディショナ１０は、太陽電池２０の出力電圧および出力電流に基づいて最大電力追従制御により直流電圧制御指令値を生成し、その直流電圧制御指令値をＰＩ制御により電流制御指令値に変換し、その電流制御指令値に基づいてＰＷＭ制御によりインバータをスイッチング動作させてインバータ１１の出力電力を負荷に供給する出力制御方法であって、ＰＩ制御による電流制御指令値にリミッタ上限値を設定し、外部からの負荷変動に応じてリミッタ制御によりリミッタ上限値を可変する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、太陽電池をパワーコンディショナにより電力系統と連系させた太陽光発電システムにおいて、太陽電池の発電電力に基づいてパワーコンディショナの出力電力を制御する太陽光発電システムの出力制御方法に関する。

近年、環境保護の観点からクリーンな自然エネルギーの一つとして太陽光を利用した太陽光発電システムが注目されている。この太陽光発電システムは、インバータからなるパワーコンディショナ（電力変換装置）により太陽電池を商用電源などの電力系統と連系させた構成を具備する。

この太陽電池と電力系統とを連系させた太陽光発電システムのパワーコンディショナは、太陽電池で発電された直流電力をインバータによるスイッチング動作によって交流変換し、その交流電力を負荷に供給するものである。この太陽電池の出力は、凸状のＰ−Ｖ特性を有するのが一般的である。このＰ−Ｖ特性では、最低電圧（０Ｖ）から動作電圧を上昇させていくと、出力電力が次第に増加して所定の動作電圧でその出力電力が最大電力となる極大点に達する。その後、動作電圧を上昇させていくと、出力電力が次第に減少して最終的に動作電圧が開放電圧に達すると、出力電力が０となる。

このようなＰ−Ｖ特性に基づいて、太陽光発電システムでは、太陽電池の出力を効率よく利用するため、太陽電池の出力電力が常に最大電力となるように動作電圧を適正に制御する最大電力追従制御方法が採用されている（例えば、特許文献１参照）。

この太陽光発電システムにおけるパワーコンディショナでは、太陽電池の出力電圧および出力電流に基づいて最大電力追従制御により直流電圧制御指令値を生成し、その直流電圧制御指令値をＰＩ制御により電流制御指令値に変換し、その電流制御指令値に基づいてＰＷＭ制御によりインバータをスイッチング動作させてそのインバータの出力電力を負荷に供給するようにしている。

特開平８−４４４４６号公報

ところで、前述した従来の太陽光発電システムでは、太陽電池の発電電力が大きくなり、パワーコンディショナのインバータの出力電力が、負荷が必要とする消費電力を上回った場合、その余剰電力が電力系統に逆潮流する。このような逆潮流が発生すると、電力系統の電力変動や電圧周波数変動を招来することになり望ましくない。

そのため、パワーコンディショナでは、電流制御指令値にリミッタ上限値を設け、太陽電池の発電電力が大きくなった場合でも、前述の電流制御指令値に設けられたリミッタ上限値でもってインバータの出力電力を抑制することにより、逆潮流の発生を未然に防止するようにしている。

しかしながら、パワーコンディショナの最大電力追従制御は、例えば３秒間ごとに直流電圧制御指令値を生成していることから、この３秒よりも短い時間で負荷が変動した場合、従来のように電流制御指令値に設けられたリミッタ上限値が固定値であると、その負荷変動に対応しきれないというのが現状であった。

つまり、このような短時間の負荷変動により、その負荷が必要とする消費電力が減少した場合、パワーコンディショナのインバータの出力電力が、負荷が必要とする消費電力を上回ることになる。その結果、余剰電力が電力系統に逆潮流することになる。

このような逆潮流が発生すると、電力系統の電力変動や電圧周波数変動を招来することになる。このように、従来の太陽光発電システムは、パワーコンディショナの最大電力追従制御よりも短時間の負荷変動に対応することが困難であった。

そこで、本発明は前述の問題点に鑑みて提案されたもので、その目的とするところは、短時間の負荷変動への対応が容易で逆潮流を確実に防止し得る太陽光発電システムの出力制御方法を提供することにある。

前述の目的を達成するための技術的手段として、本発明は、太陽電池をパワーコンディショナにより電力系統と連系させた太陽光発電システムにおいて、前記パワーコンディショナは、太陽電池の出力電圧および出力電流に基づいて最大電力追従制御により直流電圧制御指令値を生成し、前記直流電圧制御指令値をＰＩ制御により電流制御指令値に変換し、前記電流制御指令値に基づいてＰＷＭ制御によりインバータをスイッチング動作させて前記インバータの出力電力を負荷に供給する出力制御方法であって、前記ＰＩ制御による電流制御指令値にリミッタ上限値を設定し、外部からの負荷変動に応じてリミッタ制御により前記リミッタ上限値を可変することを特徴とする。

本発明では、ＰＩ制御による電流制御指令値にリミッタ上限値を設け、外部からの負荷変動に応じてリミッタ制御によりリミッタ上限値を可変することにより、負荷が必要とする消費電力が減少してインバータの出力電力が、負荷が必要とする消費電力を上回った場合、リミッタ上限値を低下させる。このようにリミッタ上限値を低下させることにより、インバータの出力電力を抑制することで逆潮流を未然に防止する。

逆に、負荷が必要とする消費電力が増加してインバータの出力電力が、負荷が必要とする消費電力を下回った場合、リミッタ上限値を上昇させる。このようにリミッタ上限値を上昇させることにより、インバータの出力電力を増大させることで負荷が必要とする消費電力を供給することができる。

このように、本発明では、外部からの負荷変動に応じてリミッタ制御によりリミッタ上限値を可変することで、パワーコンディショナの最大電力追従制御よりも短時間の負荷変動があってもインバータの出力電力を調整することができ、短時間の負荷変動への対応が容易で応答性の向上が図れる。

本発明によれば、ＰＩ制御による電流制御指令値にリミッタ上限値を設け、外部からの負荷変動に応じてリミッタ制御によりリミッタ上限値を可変することにより、負荷が必要とする消費電力が減少してインバータの出力電力が、負荷が必要とする消費電力を上回った場合、リミッタ上限値を低下させる。このようにリミッタ上限値を低下させることにより、インバータの出力電力を抑制することで逆潮流を未然に防止する。

このように、リミッタ上限値を可変することにより、負荷変動があった場合でも、インバータの出力電力を抑制することができて逆潮流を確実に防止することができる。その結果、短時間の負荷変動への対応が容易で応答性の向上が図れ、逆潮流を確実に防止し得る信頼性の高い太陽光発電システムを提供することができる。

本発明の実施形態で、太陽光発電システムの概略構成を示すブロック図である。 図１のパワーコンディショナにおけるリミッタ制御を説明するためのフローチャートである。

本発明に係る太陽光発電システムの運転制御方法の実施形態を以下に詳述する。図１は、この実施形態における太陽光発電システムの概略構成を示すブロック図である。

図１に示す実施形態における太陽光発電システムは、インバータ１１からなるパワーコンディショナ１０（電力変換装置）により太陽電池２０を商用電源などの電力系統３０と連系させた構成を具備する。この太陽光発電システムにおけるパワーコンディショナ１０は、太陽電池２０で発電された直流電力をインバータ１１によるスイッチング動作によって交流変換し、その交流電力を負荷（図示せず）に供給するものである。

このパワーコンディショナ１０は、太陽電池２０の出力電圧Ｖｄｃおよび出力電流Ｉｄｃに基づいて最大電力追従制御により直流電圧制御指令値を生成するＭＰＰＴ制御部１２と、そのＭＰＰＴ制御部１２から出力される直流電圧制御指令値をＰＩ制御により電流制御指令値に変換するＰＩ制御部１３と、そのＰＩ制御部１３から出力される電流制御指令値にリミッタ上限値を設定するリミッタ制御部１４と、そのリミッタ制御部１４から出力される電流制御指令値、つまり、リミッタ上限値が設定された電流制御指令値に基づいてＰＷＭ制御によりインバータ１１をスイッチング動作させるＰＷＭ制御部１５とで主要部が構成されている。

なお、図中の符号４０は、パワーコンディショナ１０と電力系統３０とを連系させるための連系トランスであり、符号５０は、系統停電時などに太陽電池２０を電力系統３０から切り離すための交流スイッチである。

この実施形態のパワーコンディショナ１０におけるリミッタ制御部１４は、ＰＩ制御による電流制御指令値にリミッタ上限値を設定し、外部信号により入力される負荷変動に応じてリミッタ制御により前述のリミッタ上限値を可変する。

パワーコンディショナ１０では、太陽電池２０の出力電圧Ｖｄｃを計器用変圧器により検出すると共に出力電流Ｉｄｃを変流器により検出し、その太陽電池２０の出力電圧Ｖｄｃおよび出力電流Ｉｄｃに基づいて、ＭＰＰＴ制御部１２で最大電力追従制御により直流電圧制御指令値を生成する。

ここで、太陽電池２０の出力は、凸状のＰ−Ｖ特性を有するのが一般的である。このＰ−Ｖ特性では、最低電圧（０Ｖ）から動作電圧を上昇させていくと、出力電力が次第に増加して所定の動作電圧でその出力電力が最大電力となる極大点に達する。その後、動作電圧を上昇させていくと、出力電力が次第に減少して最終的に動作電圧が開放電圧に達すると、出力電力が０となる。このようなＰ−Ｖ特性に基づいて、ＭＰＰＴ制御部１２では、太陽電池２０の出力を効率よく利用するため、太陽電池２０の出力電力が常に最大電力となるように最大電力追従制御により直流電圧制御指令値を生成する。

ＰＩ制御部１３では、前述のＭＰＰＴ制御部１２から出力される直流電圧制御指令値をＰＩ制御により電流制御指令値に変換する。また、リミッタ制御部１４では、ＰＩ制御部１３から出力される電流制御指令値にリミッタ上限値を設定する。ＰＷＭ制御部１５では、リミッタ制御部１４から出力される電流制御指令値、つまり、リミッタ上限値が設定された電流制御指令値に基づいてＰＷＭ制御によりインバータ１１をスイッチング動作させる。このインバータ１１のスイッチング動作により生成された出力電力を負荷（図示せず）に供給する。

ここで、リミッタ制御部１４では、外部信号により入力される負荷変動に応じてリミッタ制御によりリミッタ上限値を可変することが可能である。つまり、図２に示すように、ＰＩ制御部１３の出力、つまり、電流制御指令値に対して可変のリミッタ上限値を設定する（STEP１）。負荷が必要とする消費電力が減少してインバータ１１の出力電力が、負荷が必要とする消費電力を上回った場合（STEP２）、電流制御指令値に設定されるリミッタ上限値を低下させる（STEP３）。このようにリミッタ上限値を低下させたリミッタ制御部１４の出力でもって（STEP４）、インバータ１１の出力電力を抑制することで逆潮流を未然に防止する。

逆に、負荷が必要とする消費電力が増加してインバータ１１の出力電力が、負荷が必要とする消費電力を下回った場合（STEP５）、電流制御指令値に設定されるリミッタ上限値を上昇させる（STEP６）。このようにリミッタ上限値を上昇させたリミッタ制御部１４の出力でもって（STEP４）、インバータ１１の出力電力を増大させることで負荷が必要とする消費電力を供給することができる。

パワーコンディショナ１０の最大電力追従制御は、例えば３秒間ごとに直流電圧制御指令値を生成しているが、この３秒よりも短い時間で負荷が変動した場合であっても、リミッタ制御部１４では、外部信号により入力される負荷変動に対してリミッタ上限値を低下あるいは上昇させるように可変することで、インバータ１１の出力電力を抑制あるいは増大させることができ、前述のような短時間の負荷変動に対応することが容易であり、応答性の向上が図れる。

ここで、インバータ１１の出力電力が、負荷が必要とする消費電力を上回っているかあるいは下回っているかを判定するに際しては、所定のヒステリシス幅を持たせることにより、ハンチングを防止してインバータ１１の出力電力が不安定にならないようにしている。なお、リミッタ上限値を低下あるいは上昇させる変化の割合は、ＭＰＰＴ制御部１２から出力される直流電圧制御指令値や、ＰＩ制御部１３から出力される電流制御指令値に基づいて、逆潮流が発生しない範囲で決定される。

本発明は前述した実施形態に何ら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、さらに種々なる形態で実施し得ることは勿論のことであり、本発明の範囲は、特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲に記載の均等の意味、および範囲内のすべての変更を含む。

１０ パワーコンディショナ
１１ インバータ
２０ 太陽電池
３０ 電力系統

Claims (2)

1. 太陽電池をパワーコンディショナにより電力系統と連系させた太陽光発電システムにおいて、前記パワーコンディショナは、太陽電池の出力電圧および出力電流に基づいて最大電力追従制御により直流電圧制御指令値を生成し、前記直流電圧制御指令値をＰＩ制御により電流制御指令値に変換し、前記電流制御指令値に基づいてＰＷＭ制御によりインバータをスイッチング動作させて前記インバータの出力電力を負荷に供給する出力制御方法であって、前記ＰＩ制御による電流制御指令値にリミッタ上限値を設定し、外部からの負荷変動に応じてリミッタ制御により前記リミッタ上限値を可変することを特徴とする太陽光発電システムの出力制御方法。
2. 前記インバータの出力電力が、前記負荷が必要とする消費電力を上回っている場合に、前記リミッタ上限値を低下させるようにした請求項１に記載の太陽光発電システムの出力制御方法。

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