JP2012257451A - 太陽光電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明では、従来の太陽光電力変換装置より低い歪率を有する、出力レベルの高い太陽光電力変換装置を提供する。
【解決手段】本発明による太陽光電力変換装置（１０）は、光を受信して直流電源を生成する少なくとも一つの太陽光アレイ（１１、１２）と、生成された直流電源の大きさを変換するコンバータ（２０）と、コンバータの直流を受信して複数レベルを有する交流電力を出力し、複数のマルチレベルインバータを含むマルチレベルインバータ部（３０）と、マルチレベルインバータ部と系統を絶縁する交流フィルタ（４０）と、コンバータ及びマルチレベルインバータ部に制御信号を印加する制御部（６０）と、を含む。
【選択図】図１

Description

本発明は太陽光電力変換装置に関するものであり、特に中性点クランプ型マルチレベル方式をハイブリッド方式に応用し、従来の太陽光電力変換装置より低い歪率を有する、高い出力レベルを有する太陽光電力変換装置に関するものである。

太陽光電力変換装置とは、太陽電池から生産される直流電気を交流電気に変換して系統に連繋する機器をいう。太陽光電力変換ハードウェア方式は、主にフル・ブリッジ方式を使用する。しかし、電力品質が悪く効率が低いため、現在マルチレベルを利用した電力変換装置に対する研究と製品の需要が増加しつつある。

従来の太陽光電力変換装置は、太陽光発電システムの電力変換効率が低く、アレイ全体を一つの入力として使用するため電力変換効率が低いという短所がある。また、出力電圧レベルを２レベル又は３レベルで運転するため多様なレベルの電量を得ることができず、電力品質が低くてモジュール化が不可能であるという問題点がある。

このような問題点を解決するために、マルチレベルを利用した電力変換装置が開発された。マルチレベルを利用した電力変換装置は、フル・ブリッジ方式より優れた効率と安定された品質を確保する。このようなマルチレベルを利用した電力変換装置トポロジには、３つのＨ−ブリッジ、中性点クランプ型（Ｎｅｕｔｒａｌ−Ｐｏｉｎｔ−ｃｌａｍｐｅｄ）、フライングキャパシタ（Ｆｌｙｉｎｇ Ｃａｐａｃｉｔｏｒ）がある。

しかし、このようなマルチレベル方式も、歪率が多少高く、出力レベルが低いという短所がある。

本発明では、マルチレベルを利用した太陽光電力変換装置として、中性点クランプ型マルチレベル方式を応用して従来の太陽光電力変換装置より低い歪率を有する、出力レベルの高い太陽光電力変換装置を提供する。

また、本発明では、太陽光電力変換装置の効率を高めるために、２つの太陽光アレイで生産される電気エネルギを太陽光電力変換装置の形態でモジュールに連結し、効率の高い太陽光電力変換装置を提供する。

本発明による太陽光電力変換装置は、光を受信して直流電源を生成する少なくとも一つの太陽光アレイと、前記生成された直流電源の大きさを変換するコンバータと、前記コンバータの直流を受信して複数レベルを有する交流電力を出力し、複数のマルチレベルインバータを含むマルチレベルインバータ部と、前記マルチレベルインバータ部と系統を絶縁する交流フィルタと、前記コンバータ及び前記マルチレベルインバータ部に制御信号を印加する制御部と、を含む。

また、前記コンバータは、前記少なくとも一つの太陽光アレイの個数に対応するようにそれぞれコンバータを連結するよう、少なくとも一つのコンバータを含んでもよい。

また、前記マルチレベルインバータ部は、前記少なくとも一つのコンバータに対応するように連結された少なくとも一つのマルチレベルインバータを含んでもよい。

また、前記マルチレベルインバータ部は、複数のスイッチング素子、前記スイッチング素子の間に連結された複数のクランピングダイオード、複数のバスキャパシタを含んでもよい。

また、前記マルチレベルインバータ部は（ｍ−１）×２個のスイッチング素子を含み、前記ｍは出力するレベルの個数であってもよい。

また、前記マルチレベルインバータ部は（ｍ−１）個のクランピングダイオードを含み、前記ｍは出力するレベルの個数であってもよい。

また、前記マルチレベルインバータ部は、ＤＣ電圧リップルを制限する（ｍ−１）／２個のＤＣバスキャパシタを含んでもよい。

また、前記マルチレベルインバータは、複数個である場合それぞれ５レベルの電力を出力し、直接で連結された場合９レベルの電力を出力し得る。

また、前記制御部は、前記コンバータにＭＰＰＴ制御を行うためのゲーティング信号を印加するためのコンバータゲーティング部、前記マルチレベルインバータの動作を制御するためのゲーティング信号を印加するインバータゲーティング部を含み、前記ゲーティング信号はキャリア基板のＰＷＭ信号又は空間ベクタＰＷＭ信号であってもよい。

本発明による太陽光電力変換装置の概略的な構成を示すブロック図である。 本発明による太陽光電力変換装置の構成を詳細に示す図である。 本発明による一つの太陽光アレイ、直流−直流コンバータ及びマルチレベルインバータの動作を説明するための図である。 本発明による各出力レベルによるインバータのスイッチング素子の状態を示す図である。 本発明によるインバータに含まれたスイッチング素子のスイッチング順番を示す図である。 本発明による太陽光電力変換装置の出力信号を示す図である。

本明細書及び特許請求の範囲で使用された用語や単語は通常的である辞書的な意味に限って解釈されてはならず、発明者は自らの発明を最善の方法で説明するために用語の概念を適宜に定義し得るという原則に基づいて、本発明の技術的思想に符合する意味と概念で解釈されるべきである。

従って、本明細書に記載された実施例と図面に示された構成は本発明の最も好ましい一実施例に過ぎないものであり、本実施例の技術的思想を全て代弁するものではないため、本出願時点においてこれらを代替できる多様な均等物と変形例が存在し得るということを理解するべきである。

図１は、本発明による太陽光電力変換装置の概略的な構成を示すブロック図である。

図１を参照すると、太陽光電力変換装置１０は、太陽光アレイ１１，１２、コンバータ２０、マルチレベルインバータ３０、交流フィルタ４０、変圧器５０及び制御部６０を含む。

太陽光アレイ１１，１２は、光を受信して直流電源を生成する。即ち、太陽光アレイ１１，１２はソーラーセルアレイであってもよく、ソーラーセルアレイは太陽光を受信して電力を発生させる多数のソーラーセルで配列されてもよい。

コンバータ２０は直流−直流コンバータであり、一つのコンバータで構成されてもよく、第１、第２太陽光アレイ１１，１２それぞれに対応するように複数のコンバータで構成されてもよい。

マルチレベルインバータ３０は、第１マルチレベルインバータ３１と第２マルチレベルインバータ３２で構成されてもよい。第１、第２マルチレベルインバータ３１，３２は、それぞれ５レベルの電力レベルを出力し得る。第１、第２マルチレベルインバータ３１，３２が直列に連結されて構成されると、出力可能な電力レベルは９レベルであってもよい。即ち、第１、第２マルチレベルインバータ３１，３２の出力可能な電力レベルは、マルチレベルインバータの構成によって異なり得る。

また、第１、第２マルチレベルインバータは互いに直列に連結されており、正常作動の際には９レベルの電力を出力するが、第１又は第２マルチレベルインバータのうちいずれか一つにエラーが発生すると、エラーが発生しない一つのマルチレベルインバータが単独に作動して５レベルの電力を出力し得る。

交流フィルタ４０は、インバータ３０と系統を絶縁させる機能を有してもよい。

制御部６０は、コンバータ２０及びマルチレベルインバータ３０に制御信号を印加し得る。

図２は、本発明による太陽光電力変換装置の構成を詳細に示す図である。

図２を参照すると、直流−直流コンバータ２０の第１コンバータ２１及び第２コンバータ２２は、それぞれダイオードＤ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４、キャパシタＣ１，Ｃ２、インダクタＬ１，Ｌ２、スイッチング素子Ｔ１，Ｔ２で構成されてもよい。

マルチレベルインバータ３０は、複数個のスイッチング素子、ＩＧＢＴとＤＣ電圧リップルを制限するバスキャパシタで構成されてもよい。それぞれのインバータ３１，３２は、互いに直列に連結される。マルチレベルインバータ３０の詳細な構成及び動作については後述する。

制御部６０は、コンバータゲーティング部６１とインバータゲーティング部６２を含んでもよい。

コンバータゲーティング部６１は、コンバータ２０にＭＰＰＴ制御を行うためのゲーティング信号を印加する。

インバータゲーティング部６２は、インバータ３０の動作を制御するためのゲーティング信号を印加する。インバータゲーティング部６２はインバータ３０の動作制御のためのゲーティング信号であり、キャリア基板のＰＷＭ信号又は空間ベクタＰＷＭ信号を使用してもよい。

図３は、本発明による一つの太陽光アレイ、直流−直流コンバータ及びマルチレベルインバータの動作を説明するための図である。図２の太陽光電力変換装置のインバータ３１，３２のうち一つにエラーが発生して動作できない場合、図３に示した状態で運転してもよい。

太陽光アレイ１１で生成された直流電源は、コンバータ２１によって最大出力値を出力し得るためにＭＰＰＴ制御され、マルチレベルインバータ３１に伝達される。コンバータ２１とインバータ３１は、それぞれ制御部６０のゲーティング信号によって制御されてもよい。

インバータ３１は、制御部６０のゲーティング信号によって全５つのレベル電力を出力し得る。インバータ３１は、多数のスイッチング素子とＤＣ電圧リップルを制限する２つのバスキャパシタＣ３，Ｃ４で構成されてもよい。また、図３に示したように、スイッチング素子が４つずつ２列に配置され、スイッチング素子の間にはクランピングダイオードが配置されてもよい。スイッチング素子は、好ましくはＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ ｇａｔｅ ｂｉｐｏｌａｒ ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）であってもよい。

図４は、本発明による各出力レベルによるインバータのスイッチング素子の状態を示す図である。

マルチレベルインバータ３１は、（２Ｅ，Ｅ，０，−Ｅ，２Ｅ）の全５レベルを出力し得る。「２Ｅ」は、インバータ３１に印加される電源の電圧を意味する。（２Ｅ，Ｅ，０，−Ｅ，−２Ｅ）レベルの電力を出力する際、オンされるスイッチング素子は図５の表のように整理され得る。

図５は、本発明によるインバータに含まれたスイッチング素子のスイッチング順番を示す図である。

図５に示したように、スイッチの状態が１であればスイッチング素子はオン状態になり得る。また、スイッチの状態が０であれば、スイッチング素子はオフ状態になる。このように、システムクロックによって順番にスイッチング素子をオンすることで、５つの電力レベルを生成し得る。

図３又は図４において、マルチレベルインバータ３１は互いに相互作用する４つのＩＧＢＴスイッチ対を有しており、スイッチ対は（ＴＡ１１＋、ＴＡ１１−）、（ＴＡ２２＋、ＴＡ２２−）、（ＴＢ１１＋、ＴＢ１１−）、（ＴＢ２２＋、ＴＢ２２−）として定義し得る。

図４の（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）は、出力レベルによる各スイッチング素子のオン状態を示す例であり、（ａ）は出力レベルが２Ｅ、（ｂ）は出力レベルがＥ、（ｃ）は出力レベルが−Ｅ、（ｄ）は出力レベルが−２Ｅである場合を示す。

一方、出力されるマルチレベルの数（ｍ）によって必要な素子の数は、下記表１のように整理され得る。

表１において、ハイブリッドダイオードクランプ方式が本発明によるマルチレベルインバータを直列に連結した方式のインバータである。

また、２つのマルチレベルインバータを図２に示した形態で直列連結した形態では、（４Ｅ，３Ｅ，２Ｅ，Ｅ，０，−Ｅ，−２Ｅ，−３Ｅ，−４Ｅ）の全９レベルの電力を出力し得る。

図６は、本発明による太陽光電力変換装置の出力信号を示す図である。

図６に示した形態の出力信号から必要な電力レベルの信号を抽出し、系統に提供し得る。

以上で本発明についてその好ましい実施例を中心に説明したが、これはただの例示に過ぎないものであって本発明を限るものではなく、本発明の属する分野の通常の知識を有する者であれば、本発明の本質的な特性を逸脱しない範囲内で、以上に例示されていない様々な変形と応用が可能であるということが分かるはずである。例えば、本発明の実施例に具体的に示した各構成要素は変形して実施してもよいものである。そして、このような変形と応用に関する差は、添付した特許請求の範囲で規定する本発明の範囲に含まれるものとして解釈されるべきである。

Claims (9)

1. 光を受信して直流電源を生成する少なくとも一つの太陽光アレイと、
   前記生成された直流電源の大きさを変換するコンバータと、
   前記コンバータの直流を受信して複数レベルを有する交流電力を出力し、複数のマルチレベルインバータを含むマルチレベルインバータ部と、
   前記マルチレベルインバータ部と系統を絶縁する交流フィルタと、
   前記コンバータ及び前記マルチレベルインバータ部に制御信号を印加する制御部と、を含む、
   太陽光電力変換装置。
2. 前記コンバータは、
   前記少なくとも一つの太陽光アレイの個数に対応するよう、それぞれコンバータを連結するように少なくとも一つのコンバータを含む、
   請求項１に記載の太陽光電力変換装置。
3. 前記マルチレベルインバータ部は、
   前記少なくとも一つのコンバータに対応するように連結された少なくとも一つのマルチレベルインバータを含む、
   請求項２に記載の太陽光電力変換装置。
4. 前記マルチレベルインバータ部は、
   複数のスイッチング素子と、
   前記スイッチング素子の間に連結された複数のクランピングダイオードと、
   複数のバスキャパシタと、を含む、
   請求項１〜３のうちいずれか一項に記載の太陽光電力変換装置。
5. 前記マルチレベルインバータ部は、
   （ｍ−１）×２個のスイッチング素子を含み、前記ｍは出力するレベルの個数である、
   請求項１〜３のうちいずれか一項に記載の太陽光電力変換装置。
6. 前記マルチレベルインバータ部は、
   （ｍ−１）個のクランピングダイオードを含み、前記ｍは出力するレベルの個数である、
   請求項１〜３のうちいずれか一項に記載の太陽光電力変換装置。
7. 前記マルチレベルインバータ部は、ＤＣ電圧リップルを制限する（ｍ−１）／２個のＤＣバスキャパシタを含む、
   請求項１〜３のうちいずれか一項に記載の太陽光電力変換装置。
8. 前記マルチレベルインバータは、
   複数個である場合それぞれ５レベルの電力を出力し、直接で連結された場合９レベルの電力を出力する、
   請求項１に記載の太陽光電力変換装置。
9. 前記制御部は、
   前記コンバータにＭＰＰＴ制御を行うためのゲーティング信号を印加するためのコンバータゲーティング部と、
   前記マルチレベルインバータの動作を制御するためのゲーティング信号を印加するインバータゲーティング部と、を含み、
   前記ゲーティング信号は、キャリア基板のＰＷＭ信号又は空間ベクタＰＷＭ信号である、
   請求項１に記載の太陽光電力変換装置。

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