JP2013192382A - ソーラーパワーコンディショナ - Google Patents

Abstract

【課題】スイッチング損失を低減しながら太陽電池パネルのパネル群の電力変換効率を極力向上できるようにしたソーラーパワーコンディショナを提供する。
【解決手段】太陽電池パネル２ａ〜２ｄ毎に電力変換器３ａ〜３ｄが設けられている。これらの電力変換器３ａ〜３ｄは当該太陽電池パネル２ａ〜２ｄの出力電力を最大電力点追尾して電圧電流変換する。出力端子Ｏ１−Ｏ２間のリアクトル６，７、コンデンサＣを小型化できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、太陽電池の直流電力を交流電力に変換するソーラーパワーコンディショナに関する。

この種のソーラーパワーコンディショナは各社で開発が進められている。太陽電池の発生電力を効率良く取得するため、ＭＰＰＴ（Maximum Power Point Tracking：最大電力点追尾）制御が行われている。このＭＰＰＴ制御は、太陽電池パネルの最大電力を得るための動作電圧が逐次変動するため、通常、動作電圧を変動させて電力を最大とするように制御を行うものである（例えば、特許文献１〜２参照）。

特許文献１によれば、太陽電池モジュールは、対応して設けられた電力変換器がそれぞれＭＰＰＴ制御することにより常に最大の発電効率となるように出力電流および出力電圧が制御される。電力変換器の各出力端には共通の出力電流が流れており、各出力電圧はそれぞれの比が各太陽電池モジュールの最大電力の比となるように自動調整されるようになっている。

また、特許文献２によれば、複数台の単相インバータは、直流電源のうち電圧が最大の第１の直流電源を入力とする第１のインバータと、第１のインバータの交流側第１の端子に接続された１台以上の第２のインバータと、該第１のインバータの交流側第２の端子に接続された１台以上の第３のインバータとから成る構成を採用している。

また、特許文献３、４によれば、太陽電池パネルが発電した電圧を昇降圧コンバータに入力しコンデンサに充電し、このコンデンサの直流電力を第１、第２、第３の単相インバータに入力させてこれらの発生電圧を組み合わせた総和の電圧をインバータ部から出力するようにしている。また、特許文献５によれば、キャパシタに蓄積した電荷を切替えて交流出力している。

特開平１１−１０３５３８号公報 特許４５２７７６７号明細書 特開２００８−１７８１５８号公報 特開２００７−５０４７０５号公報 特開２００７−５８８４３号公報

しかしながら、特許文献１記載の技術思想では、ＤＣ−ＤＣ変換しか行っておらず、ＤＣ−ＡＣ変換を行うための電力変換器が別途必要となり、スイッチング損失が増大する。また、特許文献２〜４記載の技術思想では、全ての太陽電池パネルに対応して電圧変換器が設置されているため太陽電池パネルの最大電力を効率良く出力できない。また、特許文献５記載の技術思想では、電荷蓄積コンデンサの充放電の切替えを系統周波数の数百〜数万倍の周波数で制御しているためスイッチング損失が増大してしまう。

本発明の目的は、スイッチング損失を低減しながら太陽電池パネルのパネル群の電力変換効率を極力向上できるようにしたソーラーパワーコンディショナを提供することにある。

請求項１記載の発明によれば、電力変換部は１又は複数の太陽電池パネルのパネル群毎に設けているため、パネル群の電力変換効率を極力大きくできる。また、電力変換部は、パネル群の出力電力を最大電力点追尾制御し、当該パネル群毎の出力電力を電圧電流変換している。

したがって、同期制御部が複数の電力変換部の変換電圧を直列に重ね合わせて同期制御して疑似正弦波電圧又は目標交流電圧とすれば、パネル群が出力する直流電力を直接変換出力することができ、効率良く疑似正弦波電圧又は目標交流電圧を出力できる。これにより、太陽電池パネルのパネル群の電力変換効率を極力向上できる。

本発明の第１実施形態に係るソーラーパワーコンディショナの全体構成図 太陽電池パネルの構成例（その１） 太陽電池パネルの構成例（その２） 電力変換器の回路構成例 太陽電池パネルの出力電力の電圧依存性を示す特性図 ＰＷＭ信号の一例 ＰＦＭ信号の一例 各電力変換器が出力する疑似正弦波の一部を示す波形例 各トランジスタのオンオフタイミングを表す図 制御形態例（その１） 制御形態例（その２） 制御形態例（その３） 制御形態例（その４） 電力変換器の変形例を示す図４相当図（その１） 電力変換器の変形例を示す図４相当図（その２） 電圧出力波形例 本発明の第２実施形態を示す全体回路構成図 要部の出力波形を概略的に示す図 本発明の第３実施形態を示す図１７相当図 図１８相当図 波形整形例 本発明の第４実施形態を示す図１７相当図 図１８相当図 パネル群の出力電力が時間的に変化したときの制御方法を表す図 本発明の第５実施形態を示す図１７相当図 本発明の第５実施形態の変形例を示す図１７相当図 本発明の第６実施形態を示す図１相当図

（第１実施形態）
以下、本発明の第１実施形態について図１ないし図１６を参照しながら説明する。図１に示すソーラーパワーコンディショナ１は、複数の太陽電池パネル（solar cell panel）２ａ〜２ｄの出力する直流電力を家庭用の交流電力に変換して系統に連系するための電力変換器３ａ〜３ｄを備える。電力変換器３ａ〜３ｄは、太陽電池パネル２ａ〜２ｄにそれぞれ設けられ、各パネル裏面に設置されている。

電力変換器３ａは太陽電池パネル２ａを入力端子に接続する。同様に、電力変換器３ｂは太陽電池パネル２ｂを入力端子に接続し、電力変換器３ｃは太陽電池パネル２ｃを入力端子に接続する。電力変換器３ｄは太陽電池パネル２ｄを接続する。これらの電力変換器３ａ〜３ｄはその出力側が直列接続されている。

図１には電力変換器３ａ〜３ｄの出力側を４段に直列接続した例を示しているが、この段数は複数段であれば何れの段数であっても良い。この段数は太陽電池パネル２ａ〜２ｄの出力直流電圧と、目標となる疑似正弦波又は交流電圧の振幅に応じて決定されるが具体例は後述する。

電力変換器３ａ〜３ｄにはそれぞれ制御回路４ａ〜４ｄが接続されている。これらの制御回路４ａ〜４ｄには通信線５が互いに接続されており、これらの制御回路４ａ〜４ｄは協調してそれぞれ接続された電力変換器３ａ〜３ｄを同期制御することで、複数の電力変換器３ａ〜３ｄがそれぞれ電力出力する。この場合、複数の電力変換器３ａ〜３ｄは直列接続されているため、出力電圧が重ね合わせられた状態で出力端子Ｏ１−Ｏ２間に出力されることになる。

通信線５は、例えばＣＡＮ（Controller Area Network）、ＲＳ４８５などのネットワークなどによる。この通信線５は必要に応じて設ければ良い。すなわち、例えばこのネットワークをＰＬＣ（Power Line Communications）として構築した場合には通信線５は不要となる。

電力変換器３ａの出力はソーラーパワーコンディショナ１の出力端子Ｏ１に接続されている。また、電力変換器３ｄの出力はソーラーパワーコンディショナ１の出力端子Ｏ２に接続されている。これにより、電力変換器３ａ〜３ｄの加算電圧ｖA＋ｖB＋ｖC＋ｖDが出力端子Ｏ１−Ｏ２間に出力される。

本実施形態においては、出力端子Ｏ１、Ｏ２には、それぞれ高周波カットして波形整形するため、リアクトル６，７，コンデンサＣがＡＣフィルタとして接続されており、ＡＣフィルタ（６，７，Ｃ）を通じて出力端子Ｏ１−Ｏ２間に交流電圧を出力する。

図１に示す太陽電池パネル２ａ〜２ｄは、図２に示す結晶系の太陽電池パネル８、図３に示す薄膜系の太陽電池パネル９、等に分類される。図２に示す結晶系の太陽電池パネル８は、例えば一辺数〜数十ｃｍの太陽電池素子（solar cell element）１０を例えば一辺１〜数ｍのパネル１１に組み付けて構成される。他方、図３に示す薄膜系の太陽電池パネル９は、例えばガラス基板１２上に微小な薄膜系の太陽電池素子１３を多数配置して構成されている。

太陽電池素子１０，１３は単体で使用されることが少なく、複数接続して使用されることが多い。すなわち、単体では電圧が最大数百ｍＶ程度と低く、特に大電力供給用途には適さないため、太陽電池素子１０、１３を直列接続し電圧を大きくして用いられる。これにより太陽電池パネル８、９は、１枚でそれぞれ例えば数〜数十Ｖ程度の電圧出力を得ることができる。本実施形態では、このような太陽電池パネル８または９をそれぞれ太陽電池パネル２ａ〜２ｄとして適用した態様を説明する。

前述した電力変換器３ａ〜３ｄの回路構成は互いに同一であっても異なっていても良いが、本実施形態では同一とした例を示す。以下では、電力変換器３ａの回路構成を説明し、他の電力変換器３ｂ〜３ｄの回路構成説明を省略する。

図４に電力変換器３ａの回路構成を示すように、電力変換器３ａは、主に、太陽電池パネル２ａに接続された電圧変換部１４と、この電圧変換部１４の後段に設けられた極性変換部１５とを備える。電圧変換部１４は、例えば、リアクトルＬ１、トランジスタＭ１、ダイオードＤ１を備えた昇圧回路により構成されている。トランジスタＭ１は例えばＮチャネル型のパワーＭＯＳＦＥＴにより構成されている。電圧変換部１４は、制御回路４ａからトランジスタＭ１の制御端子にパルス信号が与えられると、当該パルス信号に応じて出力直流電圧値を変換する。

図４に示す抵抗Ｒ１は太陽電池パネル２ａの出力電流を測定する電流検出器として構成され、抵抗Ｒ２は太陽電池パネル２ａの出力電圧を測定する電圧検出器として構成されている。これらの電圧検出器、電流検出器の検出信号に応じて制御回路４ａはＭＰＰＴ制御する。例えば、制御回路４ａはトランジスタＭ１の制御端子に印加するパルス信号のデューティ比または／および周期を制御する。

図５に一般的な太陽電池パネルの電力（Ｐ）−電圧（Ｖ）特性を示している。出力動作電圧が上昇すれば出力電力も上昇する傾向にあるが、ある電圧以上となると電流供給量が減少するため出力電力も少なくなる。したがって、図５に示すように、ある最大出力動作電圧Ｖｚにおいて最大電力Ｐｚを得ることができる。

本実施形態では、太陽電池パネル２ａ〜２ｄの出力電圧がこの最大出力動作電圧Ｖｚまたはこれに近似した値となるように、制御回路４ａがトランジスタＭ１の制御端子に印加するパルス信号のデューティ比または／および周期を時間的に変化させることでＭＰＰＴ（Maximum Power Point Tracking：最大電力点追尾）制御する。これにより太陽電池パネル２ａの発生電力を効率良く取得できる。

図６、図７はトランジスタＭ１の制御端子に印加する制御用のパルス信号の一例を示す。図６は、パルス信号の周期Ｔを一定としてパルス幅ｔw1、ｔw2、ｔw3…、を変動させるパルス幅変調（ＰＷＭ）の例を示し、図７はパルス信号のパルス幅ｔw を一定としてパルス信号の周期Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３…、を変動させるパルス周波数変調（ＰＦＭ）の例を示している。

一般に、ソフトスイッチング技術を用いて立上り、立下り波形を鈍らせるときにはパルス幅ｔｗ又は（ｔw1、ｔw2、ｔw3）を一定以上確保すると良く、パルス幅ｔｗを一定としてパルス周波数変調を用いることが望ましい。ただし、低負荷の場合には周波数を低く制御する必要があるが、この周波数を可聴帯域（＜２０ｋＨｚ）とならないように、周波数を非可聴周波数帯域（例えば２０ｋＨｚを僅かに上回る所定周波数）で一定とし、パルス幅変調すると良い。

さて、日射強度（天候、太陽高度、日影等）の影響に応じて、太陽電池パネル２ａの最大出力電力が逐次変動する。このため、制御回路４ａは前述した抵抗Ｒ１，Ｒ２により電圧、電流を検出して電力を逐次モニタし、常に最大電力を得るように制御する。なお、出力ノードＮ１−Ｎ２間にはコンデンサ（図示せず）が接続されていても接続されていなくても良い。

極性変換部１５はトランジスタＭ２〜Ｍ５を備える。これらのトランジスタＭ２〜Ｍ５はそれぞれ例えばＮチャネル型のパワーＭＯＳＦＥＴをフルブリッジ接続して構成されている。図４において、制御回路４ａがＭ２：ＯＦＦ、Ｍ３：ＯＮ、Ｍ４：ＯＮ、Ｍ５：ＯＦＦ、とすると出力端子Ｏ１ａ−Ｏ２ａ間に正極性の電圧を出力する。また、制御回路４ａがＭ２：ＯＮ、Ｍ３：ＯＦＦ、Ｍ４：ＯＦＦ、Ｍ５：ＯＮ、とすると出力端子Ｏ１ａ−Ｏ２ａ間に負極性の電圧を出力する。なお、図１には出力端子Ｏ１ａ，Ｏ２ａを図示していないが、電力変換器３ａ〜３ｄは、それぞれ、出力端子Ｏ１ａ−Ｏ２ａ間に電圧ｖA〜ｖDを出力する。

また、制御回路４ａがトランジスタＭ３、Ｍ５を共にＯＮ、トランジスタＭ２、Ｍ４を共にＯＦＦとすると出力端子Ｏ１ａ−Ｏ２ａ間にほぼ０Ｖを出力する。したがって、電力変換器３ａは、正極性のパルス電圧又は負極性のパルス電圧を出力端子Ｏ１ａ−Ｏ２ａ間に出力できる。

制御回路４ａ〜４ｄがトランジスタＭ１〜Ｍ５をオンオフ制御したとき、各電力変換器３ａ〜３ｄは図８に示すように電圧を出力する。図８の「×」印の付されている時間領域では、トランジスタＭ２〜Ｍ５の何れか少なくとも一つ以上がスイッチング制御されており、これにより疑似正弦波の一部電圧を出力する。

また、図８の「×」印の付されていない「×」印で挟まれた時間領域（図８の（４）領域および（７）領域参照）では、正極性又は負極性で所定時間一定電圧となるパルス電圧を出力していることを示している。

例えば、電力変換器３ａの出力電圧ｖAは、０Ｖと所定の正振幅電圧＋ＶA1との間で高速切換えされた（（１）の時間領域参照）後、０Ｖ出力を経て、０Ｖと所定の負振幅電圧−ＶA2との間で高速切換えされている（（２）の時間領域参照）。これにより、（１）および（２）の時間領域において、電力変換器３ａは、（４）又は（７）の時間領域のパルス電圧より周期の短い短パルス電圧を出力している。

また、電力変換器３ｂは、出力電圧ｖBとして、０Ｖと正振幅電圧＋ＶB1との間で高速切換えした短パルス電圧を出力した（（３）の時間領域参照）直後、所定時間（特に（１）の短パルス電圧出力期間）だけ正振幅電圧＋ＶB1の一定電圧のパルス電圧を出力し（（４）の時間領域参照）、その直後０Ｖと正振幅電圧＋ＶB1との間で高速切換えした短パルス電圧を出力している（（５）の時間領域参照）。そして、電力変換器３ｂはほぼ０Ｖを所定期間出力する。

またその後、電力変換器３ｂは、出力電圧ｖBとして、０Ｖと負振幅電圧−ＶB2との間で高速切換えして疑似正弦波用の短パルス電圧を出力し（（６）の時間領域参照）直後、所定時間（特に（２）の短パルス電圧出力期間）だけ負振幅電圧−ＶB2の一定電圧のパルス電圧を出力し（（７）の時間領域参照）、その直後、０Ｖと負振幅電圧−ＶB2との間で高速切換えして疑似正弦波用の短パルス電圧を出力している（（８）の時間領域参照）。このようにして、電力変換器３ｂはパルス電圧および短パルス電圧を出力する。説明は省略するが、図８に示すように、電力変換器３ｃ、３ｄもそれぞれ同様に出力電圧ｖC、ｖDとしてパルス電圧および短パルス電圧を出力する。

パワーコンディショナ１は、各電力変換器３ａ〜３ｄの出力端子Ｏ１ａ−Ｏ２ａ間の出力電圧ｖA〜ｖDを直列に重ね合わせて出力するため同期して出力することで疑似正弦波を出力でき、ＡＣフィルタ（６，７，Ｃ）を経て出力端子Ｏ１−Ｏ２にほぼ正弦波となる交流電圧を出力できる。

図９には電力変換器内のトランジスタのオンオフ制御方法を示している。電力変換器３ｎ（ｎはａ〜ｄ）が、その出力電圧ｖN（NはA〜D）として図９の左側に示すように正振幅電圧＋ＶN1を振幅としたパルス電圧および短パルス電圧を出力するときには、トランジスタＭ２、Ｍ５を共にオフとした状態で、トランジスタＭ４をオンにしたままトランジスタＭ３をオンオフしてスイッチング制御する。

例えば、図９の（３）または（５）の時間領域において、出力電圧ｖNとして０Vと正振幅電圧＋ＶN1との間の短パルス電圧を出力するが、トランジスタＭ２、Ｍ５を共にオフとした状態で、トランジスタＭ４をオンにしたままトランジスタＭ３を高速でオンオフ制御する。

また、図９の（４）の時間領域において、出力電圧ｖNとして０Ｖと正振幅電圧＋ＶN1との間の短パルス電圧を出力するときには、トランジスタＭ２、Ｍ５を共にオフとした状態で、トランジスタＭ４をオンにしたままトランジスタＭ３を高速でオンオフ制御する。このとき、トランジスタＭ３の（３）および（５）の時間領域においては、出力信号は疑似正弦波の一部を構成する。このため、（３）の始期タイミングから終了タイミングに向かうに連れてオン時間幅を徐々に広くし、（５）の始期タイミングから終了タイミングに向かうに連れてオン時間幅を徐々に狭くする。

また、電力変換器３ｎ（ｎはａ〜ｄ）が、その出力電圧ｖN（NはA〜D）として、図９の右側に示すように負振幅電圧−ＶN2のパルス電圧および短パルス電圧を出力するときには、トランジスタＭ３、Ｍ４を共にオフとした状態で、トランジスタＭ２をオンにしたままトランジスタＭ５を高速でオンオフ制御する。

このとき、トランジスタＭ５の（６）および（８）の時間領域において、出力信号は疑似正弦波の一部を構成する。このため、（６）の始期タイミングから終了タイミングに向かうに連れてオン時間幅を徐々に広くし、（８）の始期タイミングから終了タイミングに向かうに連れてオン時間幅を徐々に狭くする。

例えば、このような電力変換器３ａ〜３ｄを用いて制御回路４ａ〜４ｄによる同期制御を行い、５０Ｈｚの交流電圧を目標とした疑似正弦波を生成すると、当該疑似正弦波の１周期が２０ｍｓとなる。このため、各電力変換器３ａ〜３ｄはこの２０ｍｓよりも短い数ｍｓのパルス正電圧またはパルス負電圧を出力し、制御回路４ａ〜４ｄの制御に応じてこれらの電圧を直列に重ね合わせて同期して出力する。

制御回路（制御部）４ａ〜４ｄはそれぞれ対応した電力変換器３ａ〜３ｄをそれぞれ制御するが、このとき、通信線５を接続した他の制御回路との間で通信処理し、電力変換器３ａ〜３ｄの変換電力をそれぞれ制御する。このため、他の電力変換部による電力変換状況を確認しながら自身の電力変換部の電力変換状況を変更でき、電力変換効率を向上することができる。

（制御形態例：その１）
電力変換器３ｎ（ｎはａ〜ｄ）は、図１０に示すその出力電圧ｖN（NはA〜D）について、その正振幅電圧＋ＶN1を変動させても良いし、負振幅電圧−ＶN2を変動させることで電力を変換しても良い。また、電力変換器３ｎは、短パルス電圧を出力するときには、高速切換えする時間幅Ｔｗａを変動させても良いし、パルス電圧および短パルス電圧の全体の時間幅Ｔｗｂを変動させても良い。

ここで、実際に制御するときには、パルス時間幅Ｔwaまたは／およびＴwbを一定として振幅電圧＋ＶN1および−ＶN1を変化させて変換出力したり、逆に、振幅電圧＋ＶN1および−ＶN1を一定としてパルス時間幅Ｔwaまたは／およびＴwbを変化させると良い。すると変化させるパラメータ数を低減できるため容易に制御できる。

（制御態様例：その２）
図１１は太陽光が太陽電池パネル２ｃ、２ｄのみに照射され、太陽電池パネル２ａ、２ｂには太陽光が入射していない場合の制御態様を示している。このとき電力変換器３ａ、３ｂは発電電力を出力しないものの電力変換器３ｃ、３ｄは発電電力を出力する。このため、電力変換器３ａ、３ｂによる発電量が低下したとしても、電力変換器３ｃ、３ｄを使用して発電でき、当該発電電力を疑似正弦波電圧の一部に整形した後、直列に重ね合わせて電圧出力できる。

このとき、抵抗Ｒ１、Ｒ２の端子電圧を測定して太陽電池パネル２ａ〜２ｄ（８，９）の電圧、電流を検出することで遮光状態であるか否かを判定し、当該遮光検出回路により遮光が検出されると、遮光が検出されていない太陽電池パネルのみの出力電力を変換するようにしても良い。このとき、遮光検出された太陽電池パネルに対応した電圧変換部１４，極性変換部１５を動作させず、遮光検出されていない太陽電池パネルに対応した電力変換部のみを動作させるように制御する。すると、当該電圧変換部１４、極性変換部１５を構成するトランジスタＭ１〜Ｍ５のスイッチング損失を低減でき、電力変換効率を向上できる。これにより、出力端子Ｏ１−Ｏ２間に正弦波となる交流電圧を出力できる。

（制御態様例：その３）
図１２は制御形態例を示し、全電力変換器３ａ〜３ｄのうち一部の電力変換器３ａのみ短パルス電圧を出力するようにしている。したがって、その他の電力変換器３ｂ〜３ｄについては、各トランジスタＭ２〜Ｍ５を切換え、ある時間間隔のみ一定電圧をパルス電圧として出力している。このように、短パルス電圧を出力する電力変換器３ａと、パルス電圧を出力する電力変換器３ｂ〜３ｄとの役割が分担して予め定められている。このように、電力変換器３ｂ〜３ｄの一部のみトランジスタを高速切換えするようにすれば煩雑な制御手法を必要としなくなる。これにより、出力端子Ｏ１−Ｏ２間に正弦波となる交流電圧を出力できる。

（制御態様例：その４）
図１３の制御形態例に示すように、電力変換器３ａは、その出力電圧ｖAとして、正振幅電圧＋ＶA1のパルス電圧出力期間ｔwa1と、負振幅電圧−ＶA2のパルス電圧出力期間ｔwa2とを互いに異なる期間としても良い。

電力変換器３ｂは、その出力電圧ｖBのパルス電圧出力期間ｔwb1とｔwb2との関係、電力変換器３ｃの出力電圧ｖCのパルス電圧出力期間ｔwc1とｔwc2との関係、電力変換器３ｄの出力電圧ｖDのパルス電圧出力期間ｔwd1とｔwd2との関係、も同様である。要は、制御回路４ａ〜４ｄの制御に基づいて、電力変換器３ａの出力電圧ｖA〜ｖDを全て重ね合わせて目標となる疑似正弦波となるようにすれば良い。これにより、出力端子Ｏ１−Ｏ２間に正弦波となる交流電圧を出力できる。

（変形例１）
図１４は電力変換器の変形例について電力変換器３ａに代わる電力変換器２３ａを示している。この電力変換器２３ａは、電圧変換部２４、極性変換部１５を備える。

電圧変換部２４は、太陽電池パネル２ａの出力に、コンデンサＣ１と、トランスＬ２と、トランジスタＭ１とを備えている。コンデンサＣ１が太陽電池パネル２ａの出力に接続されると共に、このコンデンサＣ１の両端子間にトランスＬ２の一次側およびトランジスタＭ１の直列回路が接続されており、トランスＬ２の二次側が整流用のダイオードＤ１に接続され、その後段に極性変換部１５が接続されている。したがって、電圧変換部２４は入出力絶縁型の回路によって構成され、トランジスタＭ１をオンオフ制御することによって最大電力点追尾して出力制御でき、その後段の極性変換部１５が出力電圧の極性を変換し出力端子Ｏ１ａ−Ｏ２ａ間に疑似正弦波の一部を出力できる。

（変形例２）
図１５は電力変換器の変形例について電力変換器３ａに代わる電力変換器３３ａを示している。この電力変換器３３ａは、電圧変換部３４、極性変換部１５を備える。太陽電池パネル２ａの端子間にはコンデンサＣ１が接続されると共に、極性変換部１５のトランジスタＭ２，Ｍ３にはコンデンサＣ２が並列接続されている。

電圧変換部３４は、トランジスタＭ６，Ｍ７をコンデンサＣ１の両端に直列接続すると共に、トランジスタＭ８，Ｍ９をコンデンサＣ２の両端に直列接続し、これらのトランジスタＭ６，Ｍ７の共通接続点とトランジスタＭ８，Ｍ９の共通接続点との間にリアクトルＬ３を接続して構成される。

制御回路４ａはこれらのトランジスタＭ６〜Ｍ９をオンオフ制御することにより、太陽電池パネル２ａの出力電力をリアクトルＬ３に一旦蓄積し、このリアクトルＬ３の蓄積電力を電圧電流変換して極性変換部１５に出力する。極性変換部１５は正負を変換して出力端子Ｏ１ａ−Ｏ２ａ間に疑似正弦波の一部を出力できる。この場合、太陽電池パネル２ａの出力電圧を昇降圧することができ、電圧をより安定化させることができる。

図１６は電圧出力波形例を概略的に示している。各トランジスタＭ６〜Ｍ９をスイッチングする間、電力変換器３ｎが電圧を出力しない時間ｔ１，ｔ２が存在するが、図１５に示す電力変換器３３ａはコンデンサＣ１およびＣ２が取付けられているため、これらの時間ｔ１，ｔ２の直後により安定したパルス電圧，短パルス電圧を出力できる。これらのコンデンサＣ１，Ｃ２を両方省いても良いし、一方のみ取り付けても良い。また、前述した図４に示す電力変換器３ａ、図１４に示す電力変換器２３ａにも同様の位置にコンデンサＣ１およびＣ２を取り付けても良い。

本実施形態によれば、太陽電池パネル２ａ〜２ｄ毎に電力変換器３ａ〜３ｄが設けられており、電力変換器３ａ〜３ｄは当該太陽電池パネル２ａ〜２ｄの出力電力を最大電力点追尾して電圧電流変換しているため、電力変換効率を極力向上できる。出力端子Ｏ１−Ｏ２間に接続されるＡＣフィルタ（６，７）を小型化できる。

極性変換部１５をそれぞれの電力変換器３ａ〜３ｄに設けているため、電力変換器３ａ〜３ｄ毎にパルス電圧の正負極性を変換することができ、制御回路４ａ〜４ｄはそれぞれ自由度の高い波形整形処理を行うことができる。

（第２実施形態）
図１７は本発明の第２実施形態を示すもので、前述実施形態、変形例と異なるところは、全ての電圧変換部の後段に接続される極性変換部を全体に対応して一つだけ設けたところにある。本実施形態では、前述の変形例２で説明した電圧変換部３４、極性変換部１５の構成を用いた一例を説明する。以下の説明では、各太陽電池パネル２ａ〜２ｄに対応して構成した電圧変換部３４、トランジスタＭ６〜Ｍ９、コンデンサＣ１、にそれぞれ符号「ａ」〜「ｄ」を付して説明を省略し、以下、異なる部分について説明する。

図１７に示すように、各電圧変換部３４ａ〜３４ｄの二次側が直列接続されている。この電圧変換部３４ａ〜３４ｄを直列して得られた電圧は全体で１つの極性変換部１５に与えられている。この極性変換部１５には制御回路４ｅが接続されている。この制御回路４ｅは、系統出力端子Ｏ３−Ｏ４間の検出電圧に応じて、極性変換部１５のトランジスタＭ２〜Ｍ５に印加する制御信号を設定し、極性変換部１５は入力電圧（電圧変換部３４ａ〜３４ｄを直列接続した変換電圧）の極性を変換出力する。

各制御回路４ａ〜４ｄがそれぞれ電圧変換部３４ａ〜３４ｄの出力電圧を制御すると、図１８の上段に示すように電圧出力が得られる。各電圧変換部３４ａ〜３４ｄは、正極性の疑似正弦波電圧の一部を出力するため、これらの出力電圧を直列に重ね合わせると、極性変換部１５は、図１８（ａ）に示した電圧波形（疑似正弦波の正極性波形）を入力する。

そして、制御回路４ｅは、極性変換部１５の入力電圧の疑似正弦波について半周期毎に極性を反転制御する。このとき、制御回路４ｅは図１８（ａ）、図１８（ｂ）に示す（９）の時間領域において正極性のまま出力し、（１０）の時間領域において負極性に変換し、（１１）の時間領域において正極性のまま出力する。このタイミングは、出力端子Ｏ３−Ｏ４間の検出電圧に応じて設定できる。この制御により極性変換部１５は疑似正弦波を出力する。極性変換部１５は、疑似正弦波を出力し、ＡＣフィルタ（６，７，Ｃ３）を介して出力端子Ｏ３−Ｏ４間に目標となる交流電圧を出力できる。本実施形態の電圧変換部３４（３４ａ〜３４ｄ）に代えて電圧変換部１４または２４を用いても良い。

（第３実施形態）
図１９は本発明の第３実施形態を示すもので、前述実施形態、変形例と異なるところは、全ての電圧変換部の後段にそれぞれ極性変換部を設けると共に、これらの極性変換部の後段に設ける波形整形部を全体で一つだけ設けたところにある。

本実施形態では、第１実施形態で説明した電圧変換部１４、極性変換部１５の構成を用いた一例を説明する。以下の説明では、各太陽電池パネル２ａ〜２ｄに対応してそれぞれ構成した、電圧変換部１４、極性変換部１５、トランジスタＭ１〜Ｍ５、リアクトルＬ１、コンデンサＣ２、ダイオードＤ１、ノードＮ１、に対応する構成にそれぞれ符号「ａ」〜「ｄ」を付して図中に記して説明を省略し、以下、異なる部分について説明する。

電圧変換部１４ａ〜１４ｄ、極性変換部１５ａ〜１５ｄは第１実施形態と同一構成となっている。これらの極性変換部１５ａ〜１５ｄの出力を直列接続して得られた電圧は全体で１つの波形整形部４０に与えられている。

この波形整形部４０は、トランジスタＭ１０〜Ｍ１３と、コンデンサＣ４と、通信線５に接続された制御回路４ｆとを備える。トランジスタＭ１０〜Ｍ１３はフルブリッジ接続されている。コンデンサＣ４は、トランジスタＭ１０およびＭ１２間の共通接続点とトランジスタＭ１１およびＭ１３間の共通接続点との間に接続されている。そして、極性変換部１５ａ〜１５ｄの直列接続回路の一端子がトランジスタＭ１０，Ｍ１１間の共通接続点に接続されており、他端子がＡＣフィルタ（６，７，Ｃ３）を構成する入力ノードに接続されており、この電圧が波形整形部４０の入力電圧となる。

電圧変換部１４ａ〜１４ｄ、極性変換部１５ａ〜１５ｄが電圧変換することで、図２０（ａ）に示すように電圧波形を得ることができる。ここで図２０（ａ）に示すパルス電圧波形は、所定時間一定電圧となるパルス電圧（単パルス矩形波）であり、波形整形部４０の入力電圧は、図２０（ａ）に示すように、パルス電圧（単パルス矩形波）を直列に重ね合わせた階段状電圧になる。

この波形整形部４０は、図２１に示すように、入力電圧となる階段状電圧のうちパルス電圧（単パルス矩形波）の立上り矩形電圧に基づく電力をコンデンサＣ４に蓄積し、その直後の電圧に加算して目標の交流電圧波形に整形するための回路である。波形整形部４０は、パルス電圧（単パルス矩形波）の立上り電圧を検出すると、トランジスタＭ１０，Ｍ１３をオンすると同時にトランジスタＭ１１，Ｍ１２をオフして電力をコンデンサＣ４に蓄積し、その後、電圧波形勾配が低下したことを検出すると、トランジスタＭ１０，Ｍ１３をオフしてからトランジスタＭ１１，Ｍ１２をオンして電力を出力側に放出することで電圧をその後の電圧に加算して目標となる交流電圧波形に近似させる。すると、図２０（ｂ）に示すように、出力端子Ｏ５−Ｏ６間に目標となる交流電圧を得ることができる。

（第４実施形態）
図２２〜図２４は、本発明の第４実施形態を示すもので、前述の回路構成を組み合わせた点を特徴としている。第２実施形態の特徴点と第３実施形態の特徴点とを組み合わせて構成したところに特徴を備える。

図２２に示すように、極性変換部１５は、全ての電圧変換部３４ａ〜３４ｄを直列接続した回路の出力を入力する。図２３（ａ）に示すように、極性変換部１５に階段状電圧が正極性で与えられると、極性変換部１５は図２３（ｂ）に示すように半周期毎に負極性に変換し、波形整形部４０が波形整形した後、ＡＣフィルタ（６，７，Ｃ３）を通じて出力端子Ｏ７−Ｏ８間に出力される。すると図２３（ｃ）に示すように目標となる交流電圧が得られる。

図２４はＭＰＰＴ制御を実行中に太陽電池パネルの出力電力が時間的に変化したときの制御方法の一例を示している。この図２４に示す例では、パルス電圧（単パルス矩形波）のパルス幅を固定し、当該単パルス矩形波の電圧振幅を昇降圧制御する例を示している。

すなわち、通常時において電圧変換部３４ａ〜３４ｄがそれぞれ制御回路４ａ〜４ｄの制御信号に応じてＭＰＰＴ制御しているときには、パルス電圧（単パルス矩形波）のパルス幅を予め定められた幅にした状態でパルス電圧の振幅を昇降圧制御する。このように制御することで太陽電池パネル２ａ〜２ｄの最大電力をそれぞれ得られるようにしている。

例えば突然の天候変更などの影響により、太陽電池パネル２ｃ、２ｄの太陽光の受光領域のみが影で隠れてしまい太陽電池パネル２ｃ、２ｄの発電能力がほぼ０になることを想定する。このとき、太陽電池パネル２ａ，２ｂは発電能力を保持しているため、電圧変換器３４ａ，３４ｂは太陽電池パネル２ａ，２ｂの最大電力点を維持させるように動作し、ＭＰＰＴ制御の作用に応じて自動的に出力を昇圧する。

これは以下の理由による。電圧変換器３４ａ，３４ｂはそれぞれ太陽電池パネル２ａ，２ｂの発電電力を一旦リアクトルＬ３ａ，Ｌ３ｂに蓄積した後その出力側に放出させる。当該リアクトルＬ３ａ，Ｌ３ｂに蓄積されたエネルギーはＭＰＰＴ制御されるためそれぞれ太陽電池パネル２ａ，２ｂの最大電力のエネルギーが蓄えられる。電圧変換器３４ａ，３４ｂはＭＰＰＴ制御が行われると最大電力点を維持させるため当該リアクトルＬ３ａ，Ｌ３ｂの蓄積エネルギーを放出させる。電圧変換器３４ａ，３４ｂは当該蓄積電力を放出させるため自動的に出力側の電圧を上げつつ電流を下げる。すると、極性変換部１５、波形整形部４０、ＡＣフィルタ（６，７，Ｃ３）を通じて出力端子Ｏ７−Ｏ８間に電力出力することで、図２４（ｂ）に示すように、太陽電池パネル２ａ，２ｂの発電電力のみで疑似正弦波を整形できる。

なお、制御回路４ａ，４ｂは、独立して太陽電池パネル２ａ〜２ｂの発電量をＭＰＰＴ制御しても良いし、通信線５で接続された制御回路４ｃ，４ｄから発電量等の情報を逐次受信してＭＰＰＴ制御しても良い。したがって、太陽電池パネル２ｃ、２ｄの太陽光の受光領域のみが影で隠れてしまったとしても、太陽電池パネル２ａ，２ｂの発電能力を保持しながらＭＰＰＴ制御することで疑似正弦波を整形することができる。

（第５実施形態）
図２５および図２６は、本発明の第５実施形態を示している。前述実施形態と異なるところは、太陽電池パネルを複数直列接続したパネル群を電力変換器毎に設けたところにある。また、極性変換部および波形整形部を複数の電力変換器の直列接続の全体に対応してそれぞれ一つ設けたところにある。また、複数の電力変換部が複数のパネル群に対応して全体で一つに一体化されているところにある。前述実施形態と同一または類似部分については同一符号または類似符号を付して説明を省略し、以下、異なる部分について説明する。

図２５に示すように、太陽電池パネル２ａは、電圧変換部３４ａの入力端子に複数直列接続されパネル群２Ａとして設けられている。同様に、太陽電池パネル２ｂ〜２ｄは、それぞれ、電圧変換部３４ｂ〜３４ｄの入力端子に複数直列接続され、それぞれパネル群２Ｂ〜２Ｄとして設けられている。

前述実施形態で説明したように、太陽電池パネル２ａは１枚で数〜数十Ｖ程度のＤＣ電圧を得られる。例えば電圧変換部３４ａ〜３４ｄを４つ直列接続して系統２００ＶＡＣの出力を目標交流電圧とする。この目標交流電圧の最大振幅は２００×√２＝２８２．８Ｖとなるため、例えば１枚の太陽電池パネル２ａがＤＣ１５Ｖを出力する場合、各電圧変換部３４ａ〜３４ｄの入力端子に接続する太陽電池パネル２ａ〜２ｄをそれぞれ５つ直列接続すると良い。

つまり、１つの電力変換器３ａは、１枚の直列電圧１５Ｖ×５枚＝７５Ｖを出力するが、４つの電力変換器３ａ〜３ｄを直列接続すると、７５Ｖ×４直列＝３００ＶＤＣを出力可能となるため、最大振幅２００×√２＝２８２．８Ｖを超える電圧を十分に確保できるためである。

また、本実施形態においては、機器Ｐａが電圧変換部３４ａ〜３４ｄ，極性変換部１５，波形整形部４０，並びに，制御回路４ａ〜４ｄおよび４ｇを一体にして構成している。すると機器Ｐａはパネル群２Ａ〜２Ｄを接続すると出力端子Ｏ７−Ｏ８間に疑似正弦波を出力できる。例えば、図８に示すように、各電力変換器３ａ〜３ｄの出力電圧ＶＡ〜ＶＤを得るためには、各電圧変換部３４ａ〜３４ｄが協調しながら疑似正弦波を出力する。

図２５に示す電気的構成を採用したときには、制御回路４ａ〜４ｄ，４ｇは互いに協調制御し、電圧変換部３４ａ〜３４ｄが電圧出力する。協調制御するときには並列処理できる。これらの制御を統括した制御回路を予め決定し、当該統括制御部が主体となって全体の制御を行っても良い。本実施形態のように一体化した機器Ｐａを構成したときには、最終段の極性変換部１５および波形整形部４０を制御する制御回路４ｇを、統括制御部として構成すると良い。

これは、制御回路４ｇが出力端子Ｏ７−Ｏ８間の電圧を検出してフィードバック制御しているため、制御回路４ａ〜４ｄにそれぞれ制御指令を出力でき、また、電圧変換部３４ａ〜３４ｄの出力電圧の波形整形を容易に行えるためである。

また、図２６に示すように、制御回路４ｇとは別体にモニタ４１を設けても良い。このモニタ４１は通信線５に接続されており、出力端子Ｏ７−Ｏ８間の電圧を検出し各制御回路４ａ〜４ｄ，４ｇに検出電圧情報を送信する。このモニタ４１に統括制御部としての機能を設けても良い。すると、モニタ４１が各制御回路４ａ〜４ｄ，４ｇに統括制御情報を出力することで、各制御回路４ａ〜４ｄ，４ｇがそれぞれこの統括制御情報に応じた制御を行うことができる。本実施形態によれば、制御回路４ｇまたはモニタ４１が、複数の電力変換器３ａ〜３ｄの変換電力を統括制御するため電力変換効率を向上できる。

（第６実施形態）
図２７は本発明の第６実施形態を示している。第１実施形態においては、リアクトル６、７が、ソーラーパワーコンディショナ１の全体出力に２つ設けられている形態を示したが、図２７のソーラーパワーコンディショナ１ａに示すように、各電力変換器４３ａ〜４３ｄが、前述した各電力変換器３ａ〜３ｄの電気的構成を備え、当該電力変換器３ａ〜３ｄの出力にリアクトルＬａ〜ＬｄとコンデンサＣａ〜Ｃｄとを設けても良い。すると、このソーラーパワーコンディショナ１ａは、疑似正弦波を出力でき出力端子Ｏ１−Ｏ２間に目標交流電圧を出力できる。

図面中、１，１ａはソーラーパワーコンディショナ、２ａ〜２ｄは太陽電池パネル（パネル群）、２Ａ〜２Ｄはパネル群、３ａ〜３ｃは複数の電力変換器（複数の電力変換部）、４ａ〜４ｄは制御回路（同期制御部）、５は通信線、６，７，Ｃ３はＡＣフィルタ、を示す。

Claims (16)

1. 同期制御部と、
   １又は複数の太陽電池パネルのパネル群毎に設けられ、互いに直列接続された複数の電力変換部と、を備え、
   前記複数の電力変換部は、それぞれ、前記パネル群の出力電力を最大電力点追尾して当該出力電力を電圧電流変換し、
   前記同期制御部は、前記複数の電力変換部の変換電圧を直列に重ね合わせて目標となる疑似正弦波電圧又は交流電圧とするように同期制御して出力することを特徴とするソーラーパワーコンディショナ。
2. 前記電力変換部は、前記パネル群の出力電力を最大電力点追尾した出力電力について、所定時間一定電圧となるパルス電圧、または／および、当該パルス電圧より周期の短いパルスを繰り返して疑似正弦波電圧の一部となる短パルス電圧、に変換するものであり、
   前記電力変換部の変換電圧の正負極性を変換する極性変換部を備え、
   前記同期制御部は、複数の前記電力変換部のパルス電圧または／および短パルス電圧を前記極性変換部により正負極性を変換した状態で同期して疑似正弦波電圧とすることを特徴とする請求項１記載のソーラーパワーコンディショナ。
3. 前記電力変換部は、トランジスタをオンオフしてスイッチングする回路を用いて前記トランジスタのオンオフのデューティ比を時間的に変化させて電圧電流変換することを特徴とする請求項１または２記載のソーラーパワーコンディショナ。
4. 前記電力変換部は、トランジスタをオンオフしてスイッチングする回路を用いて前記トランジスタのオンオフの周波数を時間的に変化させて電圧電流変換することを特徴とする請求項１または２記載のソーラーパワーコンディショナ。
5. 前記電力変換部は、前記トランジスタのオンオフのデューティ比および周波数を共に時間的に変化させて電圧電流変換することを特徴とする請求項１または２記載のソーラーパワーコンディショナ。
6. 前記同期制御部は、一の前記電力変換部の出力電圧が減少したときには他の前記電力変換部の出力電圧を上昇させるように制御することを特徴とする請求項１ないし５の何れかに記載のソーラーパワーコンディショナ。
7. 前記複数の電力変換部は、それぞれの変換電圧の値を一定にしつつ当該変換電圧を出力する時間幅を変化させて変換出力することを特徴とする請求項１ないし６の何れかに記載のソーラーパワーコンディショナ。
8. 前記複数の電力変換部は、それぞれの変換電圧を出力する時間幅を一定にしつつ当該変換電圧の電圧値を変化させて変換出力することを特徴とする請求項１ないし６の何れかに記載のソーラーパワーコンディショナ。
9. 前記電力変換部は、前記階段状電圧の一部となるパルス電圧と当該パルス電圧より周期の短い短パルス電圧とを出力する出力分担が予め定められていることを特徴とする請求項１ないし８の何れかに記載のソーラーパワーコンディショナ。
10. 前記複数の電力変換部は、前記太陽電池パネルの遮光が検出されると当該遮光が検出された太陽電池パネルに対応した電力変換部を動作させず当該遮光が検出されていない太陽電池パネルの電力を変換する電力変換部のみを動作させることを特徴とする請求項１ないし９の何れかに記載のソーラーパワーコンディショナ。
11. 前記電力変換部の変換電圧の正負を変換出力する極性変換部を備え、
    前記極性変換部は、前記複数の電力変換部の直列接続の全体に対応して一つ設けられていることを特徴とする請求項１ないし１０の何れかに記載のソーラーパワーコンディショナ。
12. 階段状電圧または／および疑似正弦波電圧を目標交流電圧にする波形整形部を備え、
    前記波形整形部は、前記複数の電力変換部の直列接続の全体に対応して一つ設けられていることを特徴とする請求項１ないし１０の何れかに記載のソーラーパワーコンディショナ。
13. 前記電力変換部の変換電圧の正負を変換出力する極性変換部と、
    階段状電圧または／および疑似正弦波電圧を目標交流電圧にする波形整形部とを備え、
    前記極性変換部および前記波形整形部は、前記複数の電力変換部の直列接続の全体に対応してそれぞれ一つ設けられていることを特徴とする請求項１ないし１０の何れかに記載のソーラーパワーコンディショナ。
14. 前記複数の電力変換部はそれぞれ接続される複数のパネル群に対応して全体で一つに一体化されていることを特徴とする請求項１ないし１３の何れかに記載のソーラーパワーコンディショナ。
15. 前記同期制御部は、前記複数の電力変換部をそれぞれ制御する複数の制御部を備え、
    前記複数の制御部は、それぞれ、他の制御部との間で通信処理して電力変換部の変換電力を協調制御することを特徴とする請求項１ないし１４の何れかに記載のソーラーパワーコンディショナ。
16. 前記同期制御部は、前記複数の電力変換部を制御する統括制御部を備え、
    前記統括制御部は、前記複数の電力変換部の変換電力をそれぞれ制御することを特徴とする請求項１ないし１４の何れかに記載のソーラーパワーコンディショナ。

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