JP2014204524A - 電力変換回路を制御する制御回路、および、当該制御回路を備えた電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】発電効率を向上させる電力変換回路の制御回路を提供する。【解決手段】直流電源が出力する直流電力を変換するインバータ回路２を制御する制御回路３において、直流電源の出力電圧の目標値である電圧目標値Ｖｄｃ*を設定する電圧目標値設定部３１と、直流電圧センサ６が検出した直流電圧信号Ｖｄｃと電圧目標値Ｖｄｃ*との偏差ΔＶｄｃに基づいてＰＷＭ信号を生成し、インバータ回路２に出力するＰＷＭ信号生成部３５とを備えた。電圧目標値設定部３１は、電圧目標値Ｖｄｃ*を変化させて、電力算出回路７が算出する有効電力Ｐがより大きくなるように、電圧目標値Ｖｄｃ*を調整する。これにより、インバータ回路２の出力電力が略最大になるように制御される。直流電源が出力する直流電力が略最大になるように制御を行った場合よりも、発電効率を向上させることができる。【選択図】図２

Description

本発明は、太陽電池などが出力する電力を変換する電力変換回路を制御する制御回路、および、当該制御回路を備えた電力変換装置に関する。

従来、太陽電池などによって生成される直流電力を交流電力に変換して、電力系統に供給する系統連系インバータシステムが開発されている。

図９は、従来の一般的な系統連系インバータシステムを説明するためのブロック図である。

系統連系インバータシステムＡ１００は、太陽電池を備える直流電源１が生成した直流電力を交流電力に変換して、電力系統Ｂに供給するものである。インバータ回路２は、制御回路３００から入力されるＰＷＭ信号に基づいてスイッチング素子（図示しない）のスイッチングを行うことで、直流電源１から入力される直流電圧を交流電圧に変換する。制御回路３００は、インバータ回路２を制御するためのＰＷＭ信号を生成して出力する。制御回路３００は、直流電源１からインバータ回路２に入力される直流電圧が所定の電圧になるように制御している。すなわち、直流電圧センサ６が検出した直流電圧Ｖｄｃを電圧目標値Ｖｄｃ^*に一致させるように、制御部３０２がフィードバック制御を行っている。

電圧目標値設定部３０１は、電圧目標値Ｖｄｃ^*を設定するものである。一般的に、太陽電池の出力電力をできるだけ大きくするために、最大電力点追従（ＭＰＰＴ：Maximum Power Point Tracking）制御が行われる。最大電力点追従制御は、太陽電池の例えば出力電圧を変化させて太陽電池の出力電力を検出し、当該出力電力が最大になる最大電力点を探索するものである。太陽電池の電圧−電力特性は、図１０（ａ）の曲線Ｐｄｃのようになる。すなわち、所定の電圧のときに電力が最大になり、この時の電圧から離れるに従って電力が小さくなるという特性がある。この特性を利用した、いわゆる山登り法が、最大電力点追従制御に用いられている。すなわち、出力電圧を増加させた時に出力電力が大きくなれば続けて出力電圧を増加させ、出力電力が小さくなれば最大電力点（図１０（ａ）の点Ｍ₁参照）を超えたとして、出力電圧を減少させる。出力電圧を減少させた時に出力電力が大きくなれば続けて出力電圧を減少させ、出力電力が小さくなれば最大電力点（図１０（ａ）の点Ｍ₁参照）を超えたとして、出力電圧を増加させる。これを繰り返すことで、動作点を最大電力点の近傍に位置させて、出力電力をできるだけ最大の状態に保つ。電圧目標値設定部３０１は、電圧目標値Ｖｄｃ^*を変化させて、直流電圧センサ６が検出した直流電圧Ｖｄｃと、直流電流センサ８が検出した直流電流Ｉｄｃとから、直流電源１の出力電力を算出する。そして、山登り法を用いて、当該出力電力ができるだけ最大の状態を保つように電圧目標値Ｖｄｃ^*を調整する。

また、山登り法を応用して、太陽電池に影がかかった場合などに生じる問題（いわゆる「２山問題」）などの対策方法なども開発されている（特許文献１参照）。

特開平９−２３０９５２号公報

しかしながら、最大電力点追従制御は、太陽電池の出力電力を最大にするものであるが、電力変換後のインバータ回路２の出力電力を最大にするとは限らない。例えば、電力変換においては、ロスが生じる。電力変換でのロスは、インバータ回路２の入力電圧（すなわち、直流電源１の出力電圧）やインバータ回路２の出力電力などによって異なる。図１１は、あるインバータ回路２の入力電圧毎の電力変換効率の一例を示す図である。横軸は定格出力電力に対する出力電力をパーセンテージで示しており、縦軸は電力変換効率である。入力電圧毎に、出力電力に対する電力変換効率を接続した折れ線グラフとして表示している。同図に示すように、入力電圧および出力電力によって電力変換効率が異なっている。したがって、直流電源１の出力電力を最大にする出力電圧のときに、インバータ回路２の出力電力が最大にならない場合もある。

図１０（ａ）の曲線Ｐａｃは、太陽電池の出力電圧と、当該太陽電池の出力電力をインバータ回路２で交流電力に変換した後の出力電力との関係を示す曲線である。インバータ回路２での電力変換によるロス分により電力が減少するので、曲線Ｐａｃは曲線Ｐｄｃより下に位置している。

図１０（ｂ）は、図１０（ａ）における、電圧３５０〜６００Ｖの範囲を拡大したものである。太陽電池の出力電力は曲線Ｐｄｃ上の点Ｍ₁のときに最大になる。しかし、この時の出力電圧における曲線Ｐａｃ上の点は点Ｍ₂になる。点Ｍ₂のときの出力電力は最大ではなく、まだ出力電力を増加させる余地がある。インバータ回路２の出力電力は曲線Ｐａｃ上の点Ｍ₃のときに最大になる。したがって、さらに出力することが可能であった、点Ｍ₃のときの出力電力と点Ｍ₂のときの出力電力との差であるＰ_lossの電力が無駄になり、発電効率を低下させてしまう。特に低日射時には、曲線Ｐｄｃおよび曲線Ｐａｃはなだらかな曲線になり、点Ｍ₁のときの出力電圧と点Ｍ₃のときの出力電圧との差が大きくなって、Ｐ_lossが大きくなるので、より問題になる。

本発明は上述した事情のもとで考え出されたものであって、発電効率を向上させる電力変換回路の制御回路を提供することをその目的としている。

上記課題を解決するため、本発明では、次の技術的手段を講じている。

本発明の第１の側面によって提供される制御回路は、直流電源が出力する直流電力を変換する電力変換回路を制御する制御回路であって、前記電力変換回路の出力電力、または、前記電力変換回路の後段の他の電力変換回路の出力電力が略最大になるように制御を行うことを特徴とする。

本発明の好ましい実施の形態においては、前記直流電源の出力計測値の目標値である出力目標値を設定する出力目標値設定手段と、前記直流電源の出力計測値と前記出力目標値との偏差に基づいてＰＷＭ信号を生成し、前記電力変換回路に出力するＰＷＭ信号生成手段とを備えており、前記出力目標値設定手段は、前記出力目標値を変化させて、前記電力変換回路の出力電力、または、前記他の電力変換回路の出力電力がより大きくなるように、前記出力目標値を調整する。

本発明の好ましい実施の形態においては、前記出力計測値は前記直流電源の出力電圧の計測値である。

本発明の好ましい実施の形態においては、前記電力変換回路の出力電力の目標値である電力目標値を設定する電力目標値設定手段と、前記電力変換回路の出力電力と前記電力目標値との偏差に基づいてＰＷＭ信号を生成し、前記電力変換回路に出力するＰＷＭ信号生成手段とを備えており、前記電力目標値設定手段は、前記電力目標値を増加させて、前記直流電源の出力電圧が急激に変化した場合に、急変前の電力目標値を設定する。

本発明の好ましい実施の形態においては、前記電力変換回路は、直流電力を交流電力に変換するインバータ回路である。

本発明の好ましい実施の形態においては、前記電力変換回路は、直流電力を電圧の異なる直流電力に変換するＤＣ／ＤＣコンバータ回路である。

本発明の好ましい実施の形態においては、前記直流電源が太陽電池を備えている。

本発明の第２の側面によって提供される電力変換装置は、本発明の第１の側面によって提供される制御回路と、前記電力変換回路とを備えていることを特徴とする。

本発明に係る制御回路は、直流電源が出力する直流電力が略最大になるように制御を行うのではなくて、電力変換回路の出力電力（または、後段の他の電力変換回路の出力電力）が略最大になるように制御を行う。したがって、直流電源が出力する直流電力が略最大になるときに電力変換回路の出力電力（または、後段の他の電力変換回路の出力電力）が略最大にならない場合でも、システムとしての出力電力を略最大にすることができる。これにより、直流電源が出力する直流電力が略最大になるように制御を行った場合よりも、発電効率を向上させることができる。

本発明のその他の特徴および利点は、添付図面を参照して以下に行う詳細な説明によって、より明らかとなろう。

第１実施形態に係る制御回路を備えた系統連系インバータシステムを説明するための図である。 第１実施形態に係る制御回路の内部構成を説明するための機能ブロック図である。 電圧目標値設定部が行う最大電力点の探索処理を説明するためのフローチャートである。 第２実施形態に係る制御回路の内部構成を説明するための機能ブロック図である。 有効電力目標値設定部が行う最大電力点の探索処理を説明するためのフローチャートである。 第３実施形態に係る制御回路を備えた系統連系インバータシステムを説明するための図である。 第３実施形態に係る制御回路の内部構成を説明するための機能ブロック図である。 第４実施形態に係る制御回路を備えたコンバータシステムを説明するための図である。 従来の一般的な系統連系インバータシステムを説明するためのブロック図である。 太陽電池の電圧−電力特性、および、太陽電池の出力電圧とインバータ回路の出力電力との関係を説明するための図である。 インバータ回路の入力電圧毎の電力変換効率の一例を示す図である。

以下、本発明の実施の形態を、本発明に係る制御回路を系統連系インバータシステムに用いた場合を例として、図面を参照して具体的に説明する。

図１は、第１実施形態に係る制御回路を備えた系統連系インバータシステムを説明するための図である。

系統連系インバータシステムＡは、分散形電源であり、直流電源１、インバータ回路２、制御回路３、電流センサ４、電圧センサ５、直流電圧センサ６、および電力算出回路７を備えている。系統連系インバータシステムＡは、三相の電力系統Ｂに連系している。なお、以下では３つの相をＵ相、Ｖ相およびＷ相とする。系統連系インバータシステムＡは、直流電源１が出力する直流電力をインバータ回路２によって交流電力に変換し、図示しない負荷に供給する。負荷には、電力系統Ｂからも電力が供給される。また、系統連系インバータシステムＡは、逆潮流ありのシステムであり、交流電力を電力系統Ｂにも供給する。なお、図示しないが、インバータ回路２の出力側には、交流電圧を昇圧（または降圧）するための変圧器が設けられている。インバータ回路２、制御回路３、電流センサ４、電圧センサ５、直流電圧センサ６、および電力算出回路７をまとめたものがインバータ装置であり、いわゆるパワーコンディショナと呼ばれるものである。

直流電源１は、直流電力を出力するものであり、太陽電池を備えている。太陽電池は、太陽光エネルギーを電気エネルギーに変換することで、直流電力を生成する。直流電源１は、生成された直流電力を、インバータ回路２に出力する。

インバータ回路２は、直流電源１から入力される直流電力を交流電力に変換して出力するものである。インバータ回路２は、図示しないＰＷＭ制御インバータとフィルタとを備えている。ＰＷＭ制御インバータは、図示しない３組６個のスイッチング素子を備えた三相インバータであり、制御回路３から入力されるＰＷＭ信号に基づいて各スイッチング素子のオンとオフとを切り替えることで直流電力を交流電力に変換する。フィルタは、スイッチングによる高周波成分を除去する。インバータ回路２の入力側の正極および負極は、直流電源１の正極および負極にそれぞれ接続されているので、インバータ回路２の入力電圧は直流電源１の出力電圧に一致する。

電流センサ４は、インバータ回路２の三相の出力電流の瞬時値をそれぞれ検出するものである。電流センサ４は、検出した瞬時値をディジタル変換して、電流信号ｉ_u，ｉ_v，ｉ_w（３つの電流信号をまとめて「電流信号ｉ」と記載する場合がある。）として制御回路３および電力算出回路７に出力する。電圧センサ５は、インバータ回路２の三相の出力電圧の瞬時値をそれぞれ検出するものである。電圧センサ５は、検出した瞬時値をディジタル変換して、電圧信号ｖ_u，ｖ_v，ｖ_w（３つの電圧信号をまとめて「電圧信号ｖ」と記載する場合がある。）として電力算出回路７に出力する。

直流電圧センサ６は、インバータ回路２の入力電圧（すなわち、直流電源１の出力電圧）の瞬時値を検出するものである。直流電圧センサ６は、検出した瞬時値をディジタル変換して、直流電圧信号Ｖｄｃとして制御回路３に出力する。直流電圧センサ６は、インバータ回路２の入力側の正極と負極との間に設けられた電解コンデンサ（図示しない）の端子間電圧を検出している。

電力算出回路７は、インバータ回路２が出力する有効電力および無効電力を算出するものである。電力算出回路７は、電流センサ４より入力される電流信号ｉと電圧センサ５より入力される電圧信号ｖとに基づいて、有効電力Ｐおよび無効電力Ｑを算出して、制御回路３に出力する。

電力算出回路７は、電流センサ４より入力される電流信号ｉおよび電圧センサ５より入力される電圧信号ｖから、それぞれ正相分の信号のみを抽出してから、有効電力Ｐおよび無効電力Ｑを算出する。本発明は、インバータ回路２の出力電力を最大にするように制御するものなので、インバータ回路２の出力電力を計測するための電力算出回路７の精度が重要になる。一般的に、電力系統Ｂには基本波の正相分の交流信号の他に逆相分の交流信号や、高調波成分の交流信号が含まれている。これら正相分以外の成分のために、交流信号の有効電力や無効電力を精度よく計測することは難しい。したがって、電力算出回路７は、電流信号ｉおよび電圧信号ｖから、それぞれ逆相分や高調波成分などの成分を除去して、正相分の信号のみを抽出したうえで、有効電力Ｐおよび無効電力Ｑの算出を行う。電力算出回路７の具体例としては、発明者らが出願した特願２０１１‐２２４５０３号および特願２０１１‐２５４１２３号に記載の電力計測装置がある。この電力計測装置は、三相の電流信号ｉ_u，ｉ_v，ｉ_wを後述する下記（１）式に示す三相二相変換（αβ変換）によって、α軸電流信号ｉαおよびβ軸電流信号ｉβに変換し、α軸電流信号ｉαおよびβ軸電流信号ｉβから正相分の信号のみを抽出する。三相の電圧信号ｖ_u，ｖ_v，ｖ_wも同様に変換を行って、正相分の信号のみを抽出する。そして、これらを用いて有効電力Ｐおよび無効電力Ｑを算出する。正相分の信号のみを抽出する具体的な方法は、複素係数フィルタを通す方法、後述する下記（２）式に示す回転座標変換（ｄｑ変換）を行ってからローパスフィルタを通す方法、回転座標変換処理、ローパスフィルタ処理および静止座標変換処理を統合した伝達関数による処理などがあるが、詳細は省略する。なお、その他の方法を用いてもよい。

制御回路３は、インバータ回路２を制御するものであり、例えばマイクロコンピュータなどによって実現されている。制御回路３は、電流センサ４より入力される電流信号ｉ、直流電圧センサ６より入力される直流電圧信号Ｖｄｃ、および、電力算出回路７より入力される有効電力Ｐおより無効電力Ｑに基づいてＰＷＭ信号を生成して、インバータ回路２に出力する。

図２は、制御回路３の内部構成を説明するための機能ブロック図である。

制御回路３は、電圧目標値設定部３１、直流電圧制御部３２、無効電力制御部３３、電流制御部３４、および、ＰＷＭ信号生成部３５を備えている。

電圧目標値設定部３１は、直流電圧信号Ｖｄｃの目標値である電圧目標値Ｖｄｃ^*を設定するものである。電圧目標値設定部３１は、電圧目標値Ｖｄｃ^*を変化させて、電力算出回路７から入力される有効電力Ｐが最大になるように、電圧目標値Ｖｄｃ^*を調整する。いわゆる最大電力点追従制御が直流電源１の出力電力を最大にするように制御するのに対して、電圧目標値設定部３１は、インバータ回路２の出力電力を最大にするように制御する点が異なっている。直流電源１の出力電圧Ｖｄｃに対する、インバータ回路２の出力電力の特性曲線も図１０（ａ）に示す曲線Ｐａｃのようになる。すなわち、所定の電圧のときに電力が最大になり、この時の電圧から離れるに従って電力が小さくなるという特性がある。したがって、この特性を利用した山登り法を用いることができる。

電圧目標値設定部３１は、電圧目標値Ｖｄｃ^*を変化させて、電力算出回路７が算出した有効電力Ｐを取得する。そして、取得した有効電力Ｐが前回取得した値より大きくなっていれば、電圧目標値Ｖｄｃ^*を同じ方向に変化させ、取得した有効電力Ｐが前回取得した値より小さくなっていれば、最大電力点（図１０（ｂ）の点Ｍ₃参照）を超えたとして、電圧目標値Ｖｄｃ^*を逆の方向に変化させる。これを繰り返すことで、動作点を最大電力点の近傍に位置させて、有効電力Ｐをできるだけ最大の状態に保つ。

図３は、電圧目標値設定部３１が行う最大電力点の探索処理を説明するためのフローチャートである。当該探索処理は、インバータ回路２が電力変換動作を開始するときに、実行が開始される。

まず、電圧目標値Ｖｄｃ^*に初期値Ｖ₀が設定され、探索方向が設定される（Ｓ１）。本実施形態では、初期値Ｖ₀として開放電圧が設定されている。また、探索方向としては、電圧目標値Ｖｄｃ^*を減少させる減少方向が設定される。なお、各設定はこれに限定されない。次に、電圧目標値Ｖｄｃ^*が出力され（Ｓ２）、直流電圧制御により直流電源１の出力電圧が電圧目標値Ｖｄｃ^*に制御される。そして、電力算出回路７が算出した有効電力Ｐが取得され（Ｓ３）、前回有効電力Ｐ₀に設定される（Ｓ４）。

次に、現在設定されている探索方向が減少方向であるか否かが判別される（Ｓ５）。探索方向が減少方向である場合（Ｓ５：ＹＥＳ）、電圧目標値Ｖｄｃ^*をΔＶだけ減少させ（Ｓ６）、探索方向が減少方向でない場合（Ｓ５：ＮＯ）、すなわち増加方向である場合、電圧目標値Ｖｄｃ^*をΔＶだけ増加させる（Ｓ７）。そして、電圧目標値Ｖｄｃ^*が出力されて（Ｓ８）、有効電力Ｐが取得される（Ｓ９）。なお、増減幅ΔＶは、小さすぎると最大電力点の探索に時間がかかりすぎ、大きすぎると精度と安定性が悪くなるので、適宜適切な値を設定する必要がある。

次に、有効電力Ｐが前回有効電力Ｐ₀より大きいか否かが判別される（Ｓ１０）。有効電力Ｐが前回有効電力Ｐ₀より大きい場合（Ｓ１０：ＹＥＳ）、探索方向は変更されずに、前回有効電力Ｐ₀に有効電力Ｐが設定されて（Ｓ１２）、ステップＳ５に戻る。一方、有効電力Ｐが前回有効電力Ｐ₀以下の場合（Ｓ１０：ＮＯ）、最大電力点を超えたとして探索方向は反転され（Ｓ１１）、すなわち、減少方向であった場合は増加方向が設定され、増加方向であった場合は減少方向が設定され、前回有効電力Ｐ₀に有効電力Ｐが設定されて（Ｓ１２）、ステップＳ５に戻る。その後は、ステップＳ５〜Ｓ１２が繰り返される。

なお、電圧目標値設定部３１が行う最大電力点の探索処理は、上述したものに限定されない。例えば、電圧目標値Ｖｄｃ^*をΔＶだけ減少させたときと、ΔＶだけ増加させたときとで、それぞれ有効電力Ｐを取得し、より大きくなる方向に電圧目標値Ｖｄｃ^*を変化させるようにしてもよい。また、増減幅ΔＶを変化させたり、遺伝的アルゴリズム処理を用いることで、いわゆる「２山問題」を解消するようにしてもよい。また、山登り法に限定されず、最大電力点追従制御で用いられるあらゆるアルゴリズムを用いることができる。従来の最大電力点追従制御で用いられるあらゆるアルゴリズムにおいて、直流電源１からの出力電力を最大にするように追従するのではなく、インバータ回路２の出力電力を最大にするように追従するようにすればよい。

直流電圧制御部３２は、直流電源１の出力電圧の制御を行うためのものである。直流電圧制御部３２は、直流電圧センサ６より出力される直流電圧信号Ｖｄｃと電圧目標値設定部３１より出力される直流電圧目標値Ｖｄｃ^*との偏差ΔＶｄｃ（＝Ｖｄｃ^*−Ｖｄｃ）を入力されて、当該偏差をゼロにするための直流電圧補償値を電流制御部３４に出力する。直流電圧制御部３２は、例えば、ＰＩ制御（比例積分制御）を行っている。

無効電力制御部３３は、インバータ回路２が出力する無効電力の制御を行うためのものである。無効電力制御部３３は、電力算出回路７より出力される無効電力Ｑと無効電力目標値Ｑ^*との偏差ΔＱ（＝Ｑ^*−Ｑ）を入力されて、当該偏差をゼロにするための無効電力補償値を電流制御部３４に出力する。無効電力制御部３３は、例えば、ＰＩ制御を行っている。

電流制御部３４は、インバータ回路２の出力電流の制御を行うためのものである。電流制御部３４は、電流センサ４より入力される三相の電流信号ｉ_u，ｉ_v，ｉ_wをｄ軸電流信号ｉ_dおよびｑ軸電流信号ｉ_qに変換して制御を行い、補償信号ｘ_dおよびｘ_qを三相の補償信号ｘ_u，ｘ_v，ｘ_wに変換して、ＰＷＭ信号生成部３５に出力する。電流制御部３４は、直流電圧制御部３２より入力される直流電圧補償値を、ｄ軸電流信号ｉ_dの目標値として用い、無効電力制御部３３より入力される無効電力補償値を、ｑ軸電流信号ｉ_qの目標値として用いる。

電流制御部３４は、まず、三相の電流信号ｉ_u，ｉ_v，ｉ_wを下記（１）式に示す三相二相変換（αβ変換）によって、α軸電流信号ｉαおよびβ軸電流信号ｉβに変換し、さらに、下記（２）式に示す回転座標変換（ｄｑ変換）によって、ｄ軸電流信号ｉ_dおよびｑ軸電流信号ｉ_qに変換する。

次に、電流制御部３４は、ｄ軸電流信号ｉ_dと直流電圧制御部３２より入力される直流電圧補償値との偏差に基づいてＰＩ制御を行って補償信号ｘ_dを生成し、ｑ軸電流信号ｉ_qと無効電力制御部３３より入力される無効電力補償値との偏差に基づいてＰＩ制御を行って補償信号ｘ_qを生成する。

そして、電流制御部３４は、補償信号ｘ_d,ｘ_qを下記（３）式に示す静止座標変換（逆ｄｑ変換）によって、補償信号ｘα,ｘβに変換し、さらに、下記（４）式に示す二相三相変換（逆αβ変換）によって、三相の補償信号ｘ_u，ｘ_v，ｘ_wに変換する。

ＰＷＭ信号生成部３５は、ＰＷＭ信号を生成するものである。ＰＷＭ信号生成部３５は、電流制御部３４より入力される三相の補償信号ｘ_u，ｘ_v，ｘ_wに基づいて、インバータ回路２の各相の出力電圧の波形を指令するための指令信号を生成し、指令信号とキャリア信号とに基づいて、三角波比較法によりＰＷＭ信号を生成する。例えば、指令信号がキャリア信号より大きい場合にハイレベルとなり、指令信号がキャリア信号以下の場合にローレベルとなるパルス信号が、ＰＷＭ信号として生成される。生成されたＰＷＭ信号は、インバータ回路２に出力される。なお、ＰＷＭ信号生成部３５は、三角波比較法によりＰＷＭ信号を生成する場合に限定されず、例えば、ヒステリシス方式でＰＷＭ信号を生成するようにしてもよい。

本実施形態では、制御回路３をディジタル回路として実現した場合について説明したが、アナログ回路として実現してもよい。また、各部が行う処理をプログラムで設計し、当該プログラムを実行させることでコンピュータを制御回路３として機能させてもよい。また、当該プログラムを記録媒体に記録しておき、コンピュータに読み取らせるようにしてもよい。

次に、本発明の作用と効果について説明する。

本実施形態によると、直流電源１の出力電圧が、電圧目標値設定部３１が設定する直流電圧目標値Ｖｄｃ^*に制御される。この時に検出された電流信号ｉおよび電圧信号ｖから電力算出回路７が算出した有効電力Ｐが、インバータ回路２の出力電力を検出したものである。電圧目標値設定部３１は、有効電力Ｐが最大になるように直流電圧目標値Ｖｄｃ^*を調整する。これにより、インバータ回路２の出力電力が略最大になるように制御される。

直流電源１が出力する直流電力が略最大になるように制御を行うのではなく、インバータ回路２の出力電力が略最大になるように制御を行うので、直流電源１が出力する直流電力が略最大になるときにインバータ回路２の出力電力が略最大にならない場合でも、系統連系インバータシステムＡとしての出力電力を略最大にすることができる。これにより、直流電源１が出力する直流電力が略最大になるように制御を行った場合よりも、発電効率を向上させることができる。

なお、本実施形態においては、直流電源１の出力電圧を制御する場合について説明したが、これに限られない。直流電源１の出力電流を制御するようにしてもよい。すなわち、直流電源１の出力電流を直流電流センサで検出して直流電流制御を行うようにし、電流目標値を変化させて最大電力点を探索するようにしてもよい。

本実施形態においては、インバータ回路２が電力系統Ｂに電力を供給する場合について説明したが、これに限られず、負荷のみに電力を供給するようにしてもよい。

本実施形態では、系統連系インバータシステムＡが三相のシステムである場合について説明したが、単相のシステムであってもよい。この場合、電流制御部３４が、電流センサ４から入力される単相の電流信号の目標値として、直流電圧制御部３２より入力される直流電圧補償値を目標値として用いるようにすればよい。また、ヒルベルト変換などで単相の電流信号を直交する２つの電流信号に変換して、α軸電流信号ｉαおよびβ軸電流信号ｉβとして用いるようにしてもよい。

上記第１実施形態においては、電圧目標値Ｖｄｃ^*を変化させて、山登り法により、インバータ回路２の出力電力を最大にする場合について説明したが、これに限られない。インバータ回路２の出力電力を最大にできれば、他の方法で行ってもよい。他の方法の例を第２実施形態として、以下に説明する。

図４は、第２実施形態に係る制御回路の内部構成を説明するための機能ブロック図である。同図において、第１実施形態に係る制御回路３（図２参照）と同一または類似の要素には、同一の符号を付している。

図４に示す制御回路３’は、電圧目標値設定部３１に代えて有効電力目標値設定部３６を設け、直流電圧制御部３２に代えて有効電力制御部３７を設けている点で、第１実施形態に係る制御回路３と異なる。

有効電力目標値設定部３６は、有効電力Ｐの目標値である有効電力目標値Ｐ^*を設定するものである。有効電力目標値設定部３６は、有効電力目標値Ｐ^*を増加させて、電力算出回路７から入力される有効電力Ｐが最大になるように、有効電力目標値Ｐ^*を調整する。直流電源１の出力電圧に対する、インバータ回路２の出力電力の特性曲線は図１０（ａ）に示す曲線Ｐａｃのようになる。すなわち、所定の電圧のときに電力が最大になり、この時の電圧から離れるに従って電力が小さくなるという特性がある。インバータ回路２の出力電力を徐々に増加させていくと、直流電源１の出力電圧も徐々に減少していくが、最大電力点を超えると、直流電源１の出力電圧が急激に減少する。有効電力目標値設定部３６は、この特性を利用しており、有効電力目標値Ｐ^*を増加させていって、直流電源１の出力電圧が急激に変化したときに最大電力点を超えたと考え、有効電力目標値Ｐ^*を急変前の値に制御する。

有効電力目標値設定部３６は、有効電力目標値Ｐ^*を増加させて、直流電圧センサ６が出力した直流電圧信号Ｖｄｃを取得する。そして、取得した直流電圧信号Ｖｄｃと前回取得した値との差が閾値より小さい場合、まだ最大電力点（図１０（ｂ）の点Ｍ₃参照）に到達していないので、有効電力目標値Ｐ^*を増加させ、取得した直流電圧信号Ｖｄｃと前回取得した値との差が閾値より大きくなった場合、最大電力点を超えたとして、有効電力目標値Ｐ^*を前回の値に戻す。これを繰り返すことで、動作点を最大電力点の近傍に位置させて、有効電力Ｐをできるだけ最大の状態に保つ。

図５は、有効電力目標値設定部３６が行う最大電力点の探索処理を説明するためのフローチャートである。当該探索処理は、インバータ回路２が電力変換動作を開始するときに、実行が開始される。

まず、有効電力目標値Ｐ^*に初期値Ｐ₀が設定される（Ｓ２１）。本実施形態では、初期値Ｐ₀として「０」が設定されている。なお、初期値Ｐ₀はこれに限定されない。次に、有効電力目標値Ｐ^*が出力され（Ｓ２２）、有効電力制御によりインバータ回路２の出力電力が有効電力目標値Ｐ^*に制御される。そして、直流電圧センサ６が検出した直流電圧信号Ｖｄｃが取得され（Ｓ２３）、前回電圧値Ｖｄｃ₀に設定される（Ｓ２４）。

次に、有効電力目標値Ｐ^*がｄＰだけ増加される（Ｓ２５）。そして、有効電力目標値Ｐ^*が出力されて（Ｓ２６）、直流電圧信号Ｖｄｃが取得される（Ｓ２７）。なお、増加幅ｄＰは、小さすぎると最大電力点の探索に時間がかかりすぎ、大きすぎると精度と安定性が悪くなるので、適宜適切な値を設定する必要がある。

次に、直流電圧信号Ｖｄｃと前回電圧値Ｖｄｃ₀との差の絶対値が閾値ｋより小さいか否かが判別される（Ｓ２８）。差の絶対値が閾値ｋより小さい場合（Ｓ２８：ＹＥＳ）、最大電力点にまだ到達していないので、前回電圧値Ｖｄｃ₀に直流電圧信号Ｖｄｃが設定されて（Ｓ２９）、ステップＳ２５に戻る。一方、差の絶対値が閾値ｋ以上の場合（Ｓ２８：ＮＯ）、最大電力点を超えたとして、有効電力目標値Ｐ^*がｄＰだけ減少されて前回の値に戻され（Ｓ３０）、ステップＳ２６に戻る。この場合は、前回電圧値Ｖｄｃ₀を直流電圧信号Ｖｄｃに更新せず、前回のままとする。その後は、ステップＳ２５〜Ｓ３０が繰り返される。

なお、有効電力目標値設定部３６が行う最大電力点の探索処理は、上述したものに限定されない。例えば、図５に示すステップＳ３０において、有効電力目標値Ｐ^*をｄＰ以上減少させて前回の値より小さい値にし、前回電圧値Ｖｄｃ₀として減少後の有効電力目標値Ｐ^*に対応する値を設定するようにしてもよい。

有効電力制御部３７は、インバータ回路２が出力する有効電力の制御を行うためのものである。有効電力制御部３７は、電力算出回路７より出力される有効電力Ｐと有効電力目標値設定部３６より出力される有効電力目標値Ｐ^*との偏差ΔＰ（＝Ｐ^*−Ｐ）を入力されて、当該偏差をゼロにするための有効電力補償値を電流制御部３４に出力する。有効電力制御部３７は、例えば、ＰＩ制御を行っている。電流制御部３４は、有効電力制御部３７より入力される有効電力補償値をｄ軸電流信号ｉ_dの目標値として用いる。

第２実施形態によると、インバータ回路２の出力電力が、有効電力目標値設定部３６が設定する有効電力目標値Ｐ^*に制御される。有効電力目標値設定部３６は、この時に検出された直流電圧信号Ｖｄｃに基づいて、有効電力Ｐが最大になるように有効電力目標値Ｐ^*を調整する。これにより、インバータ回路２の出力電力が略最大になるように制御される。

第２実施形態においても、直流電源１が出力する直流電力が略最大になるように制御を行うのではなく、インバータ回路２の出力電力が略最大になるように制御を行うので、第１実施形態と同様の効果を奏することができる。

本発明は、直流電源１とインバータ回路２との間にＤＣ／ＤＣコンバータ回路が設けられている場合にも適用することができる。ＤＣ／ＤＣコンバータ回路が設けられている場合を第３実施形態として、以下に説明する。

図６は、第３実施形態に係る系統連系インバータシステムを説明するための図である。同図において、第１実施形態に係る系統連系インバータシステムＡ（図１参照）と同一または類似の要素には、同一の符号を付している。

図６に示す系統連系インバータシステムＡ’は、直流電圧センサ６の前段にＤＣ／ＤＣコンバータ回路２’および直流電圧センサ６’が設けられており、ＤＣ／ＤＣコンバータ回路２’を制御するための制御回路３”が設けられている点で、第１実施形態に係る系統連系インバータシステムＡと異なる。

ＤＣ／ＤＣコンバータ回路２’は、直流電源１の出力電圧を昇圧または降圧して、インバータ回路２に出力するものである。ＤＣ／ＤＣコンバータ回路２’は、制御回路３”から入力されるＰＷＭ信号に基づいて、図示しないスイッチング素子のオンとオフとを切り替えることで、入力電圧を昇圧または降圧して出力する。ＤＣ／ＤＣコンバータ回路２’の入力側の正極および負極は、直流電源１の正極および負極にそれぞれ接続されているのでＤＣ／ＤＣコンバータ回路２’の入力電圧は直流電源１の出力電圧に一致する。

直流電圧センサ６’は、ＤＣ／ＤＣコンバータ回路２’の入力電圧（すなわち、直流電源１の出力電圧）の瞬時値を検出するものである。直流電圧センサ６’は、検出した瞬時値をディジタル変換して、直流電圧信号Ｖ’ｄｃとして制御回路３”に出力する。直流電圧センサ６’は、ＤＣ／ＤＣコンバータ回路２’の入力側の正極と負極との間に設けられた電解コンデンサ（図示しない）の端子間電圧を検出している。

制御回路３”は、ＤＣ／ＤＣコンバータ回路２’を制御するものであり、例えばマイクロコンピュータなどによって実現されている。制御回路３”は、直流電圧センサ６’より入力される直流電圧信号Ｖ’ｄｃに基づいてＰＷＭ信号を生成して、ＤＣ／ＤＣコンバータ回路２’に出力する。

図７は、制御回路３”の内部構成を説明するための機能ブロック図である。制御回路３”は、電圧目標値設定部３１’、直流電圧制御部３２’、および、ＰＷＭ信号生成部３５’を備えている。

電圧目標値設定部３１’は、第１実施形態に係る電圧目標値設定部３１と同様のものであって、直流電圧信号Ｖ’ｄｃの目標値である電圧目標値Ｖ’ｄｃ^*を設定するものであり、電圧目標値Ｖ’ｄｃ^*を変化させて、電力算出回路７から入力される有効電力Ｐが最大になるように、電圧目標値Ｖ’ｄｃ^*を調整する。

直流電圧制御部３２’は、第１実施形態に係る直流電圧制御部３２と同様のものであり、直流電源１の出力電圧の制御を行うためのものである。直流電圧制御部３２’は、直流電圧センサ６’より出力される直流電圧信号Ｖ’ｄｃと電圧目標値設定部３１’より出力される直流電圧目標値Ｖ’ｄｃ^*との偏差ΔＶ’ｄｃ（＝Ｖ’ｄｃ^*−Ｖ’ｄｃ）を入力されて、当該偏差をゼロにするための直流電圧補償値をＰＷＭ信号生成部３５’に出力する。直流電圧制御部３２’は、例えば、ＰＩ制御（比例積分制御）を行っている。系統連系インバータシステムＡ’においては、ＤＣ／ＤＣコンバータ回路２’が、インバータ回路２の出力電力を略最大にするための制御を行っている。

ＰＷＭ信号生成部３５’は、第１実施形態に係るＰＷＭ信号生成部３５と同様のものであり、ＤＣ／ＤＣコンバータ回路２’に出力するＰＷＭ信号を生成するものである。ＰＷＭ信号生成部３５’は、直流電圧制御部３２’より入力される信号とキャリア信号とに基づいて、三角波比較法によりＰＷＭ信号を生成する。生成されたＰＷＭ信号は、ＤＣ／ＤＣコンバータ回路２’に出力される。なお、ＰＷＭ信号生成部３５’は、三角波比較法によりＰＷＭ信号を生成する場合に限定されず、例えば、ヒステリシス方式でＰＷＭ信号を生成するようにしてもよい。

なお、制御回路３”の構成は上記に限られない。また、本実施形態では、制御回路３”をディジタル回路として実現した場合について説明したが、アナログ回路として実現してもよい。また、各部が行う処理をプログラムで設計し、当該プログラムを実行させることでコンピュータを制御回路３”として機能させてもよい。また、当該プログラムを記録媒体に記録しておき、コンピュータに読み取らせるようにしてもよい。

インバータ回路２は、ＤＣ／ＤＣコンバータ回路２’から入力される直流電力を交流電力に変換する。インバータ回路２の入力側の正極および負極は、ＤＣ／ＤＣコンバータ回路２’の出力側の正極および負極にそれぞれ接続されているので、インバータ回路２の入力電圧はＤＣ／ＤＣコンバータ回路２’の出力電圧に一致する。制御回路３は、電圧目標値設定部３１（図２参照）を備えておらず、直流電圧目標値Ｖｄｃ^*を固定値としている。これにより、ＤＣ／ＤＣコンバータ回路２’の出力電圧は、直流電圧目標値Ｖｄｃ^*に固定される。

第３実施形態によると、直流電源１の出力電圧が、電圧目標値設定部３１’が設定する直流電圧目標値Ｖ’ｄｃ^*に制御される。この時に検出された電流信号ｉおよび電圧信号ｖから電力算出回路７が算出した有効電力Ｐが、インバータ回路２の出力電力を検出したものである。電圧目標値設定部３１’は、有効電力Ｐが最大になるように直流電圧目標値Ｖ’ｄｃ^*を調整する。これにより、インバータ回路２の出力電力が略最大になるように制御される。

第３実施形態においても、直流電源１が出力する直流電力が略最大になるように制御を行うのではなく、インバータ回路２の出力電力が略最大になるように制御を行うので、第１実施形態と同様の効果を奏することができる。

上記第１〜第３実施形態においては、本発明を系統連系インバータシステムＡ（Ａ’）に適用した場合について説明したが、これに限られない。本発明は、インバータ回路２を備えていない、例えば、コンバータシステムにおいても適用することができる。コンバータシステムに適用した場合の例を、第４実施形態として、以下に説明する。

図８は、第４実施形態に係るコンバータシステムを説明するための図である。同図において、第３実施形態に係る系統連系インバータシステムＡ’（図６参照）と同一または類似の要素には、同一の符号を付している。

図８に示すコンバータシステムＡ”は、インバータ回路２、制御回路３、直流電圧センサ６を備えていない点で、第３実施形態に係る系統連系インバータシステムＡ’と異なる。また、コンバータシステムＡ”は、電圧変換後の直流電力を負荷Ｂ’に供給するものなので、電流センサ４および電圧センサ５に代えて、直流電流センサ４’および直流電圧センサ５’を備えており、電力算出回路７に代えて、直流電力を算出する電力算出回路７’を備えている。制御回路３”は、第３実施形態に係る制御回路３”（図７参照）と同様のものである。

コンバータシステムＡ”は、直流電源１が出力する直流電圧をＤＣ／ＤＣコンバータ回路２’によって所定の電圧に変換し、負荷Ｂに出力するものである。

第４実施形態によると、直流電源１の出力電圧が、電圧目標値設定部３１’が設定する直流電圧目標値Ｖ’ｄｃ^*に制御される。この時に検出された電流信号ｉおよび電圧信号ｖから電力算出回路７’が算出した有効電力Ｐが、ＤＣ／ＤＣコンバータ回路２’の出力電力を検出したものである。電圧目標値設定部３１’は、有効電力Ｐが最大になるように直流電圧目標値Ｖ’ｄｃ^*を調整する。これにより、ＤＣ／ＤＣコンバータ回路２’の出力電力が略最大になるように制御される。

第４実施形態においても、直流電源１が出力する直流電力が略最大になるように制御を行うのではなく、ＤＣ／ＤＣコンバータ回路２’の出力電力が略最大になるように制御を行うので、第１実施形態と同様の効果を奏することができる。

上記第１〜第４実施形態においては、直流電源１が太陽電池により直流電力を生成する場合について説明したが、これに限られない。例えば、直流電源１は、風力タービン発電機などにより生成された交流電力を直流電力に変換して出力する装置であってもよい。自然エネルギーなどの出力を制御できないエネルギーを電力に変換するシステムにおいて、効率よく電力を取り出す場合に、本発明は有効になる。

本発明に係る制御回路、および、当該制御回路を備えた電力変換装置は、上述した実施形態に限定されるものではない。本発明に係る制御回路、および、当該制御回路を備えた電力変換装置の各部の具体的な構成は、種々に設計変更自在である。

Ａ，Ａ’ 系統連系インバータシステム（電力変換装置）
Ａ” コンバータシステム（電力変換装置）
１ 直流電源
２ インバータ回路（電力変換回路、他の電力変換回路）
２’ ＤＣ／ＤＣコンバータ回路（電力変換回路）
３，３’，３” 制御回路
３１，３１’ 電圧目標値設定部（出力目標値設定手段）
３２，３２’ 直流電圧制御部
３３ 無効電力制御部
３４ 電流制御部
３５，３５’ ＰＷＭ信号生成部
３６ 有効電力目標値設定部
３７ 有効電力制御部
４ 電流センサ
４’ 直流電流センサ
５ 電圧センサ
５’ 直流電圧センサ
６，６’ 直流電圧センサ
７，７’ 電力算出回路
Ｂ 電力系統
Ｂ’ 負荷

Claims (8)

1. 直流電源が出力する直流電力を変換する電力変換回路を制御する制御回路であって、
   前記電力変換回路の出力電力、または、前記電力変換回路の後段の他の電力変換回路の出力電力が略最大になるように制御を行う、
   ことを特徴とする制御回路。
2. 前記直流電源の出力計測値の目標値である出力目標値を設定する出力目標値設定手段と、
   前記直流電源の出力計測値と前記出力目標値との偏差に基づいてＰＷＭ信号を生成し、前記電力変換回路に出力するＰＷＭ信号生成手段と、
   を備えており、
   前記出力目標値設定手段は、前記出力目標値を変化させて、前記電力変換回路の出力電力、または、前記他の電力変換回路の出力電力がより大きくなるように、前記出力目標値を調整する、
   請求項１に記載の制御回路。
3. 前記出力計測値は前記直流電源の出力電圧の計測値である、
   請求項２に記載の制御回路。
4. 前記電力変換回路の出力電力の目標値である電力目標値を設定する電力目標値設定手段と、
   前記電力変換回路の出力電力と前記電力目標値との偏差に基づいてＰＷＭ信号を生成し、前記電力変換回路に出力するＰＷＭ信号生成手段と、
   を備えており、
   前記電力目標値設定手段は、前記電力目標値を増加させて、前記直流電源の出力電圧が急激に変化した場合に、急変前の電力目標値を設定する、
   請求項１に記載の制御回路。
5. 前記電力変換回路は、直流電力を交流電力に変換するインバータ回路である、
   請求項１ないし４のいずれかに記載の制御回路。
6. 前記電力変換回路は、直流電力を電圧の異なる直流電力に変換するＤＣ／ＤＣコンバータ回路である、
   請求項１ないし３のいずれかに記載の制御回路。
7. 前記直流電源が太陽電池を備えている、請求項１ないし６のいずれかに記載の制御回路。
8. 請求項１ないし７のいずれかに記載の制御回路と、前記電力変換回路とを備えていることを特徴とする電力変換装置。