JP2015052966A

JP2015052966A - 電力変換装置

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Publication number: JP2015052966A
Application number: JP2013186032A
Authority: JP
Inventors: 雅樹仲石; Masaki Nakaishi
Original assignee: Tabuchi Electric Co Ltd
Current assignee: Tabuchi Electric Co Ltd
Priority date: 2013-09-09
Filing date: 2013-09-09
Publication date: 2015-03-19
Anticipated expiration: 2033-09-09
Also published as: JP6242128B2

Abstract

【課題】複数の電圧調整回路を備えながらも、高速な応答処理能力を有する電力変換装置を提供する。【解決手段】複数の直流電源２に接続され、電力系統３に連系可能な交流電力を出力する電力変換装置１であって、複数の直流電源２からそれぞれ供給される直流電圧を同一の所定の電圧設定値に昇圧する、複数の電圧調整回路１１と、複数の電圧調整回路１１に並列接続されたインバータ回路１２であって、複数の電圧調整回路１１が昇圧した直流電圧を交流電圧に変換するインバータ回路１２と、複数の電圧調整回路１１に複数の直流電源２からそれぞれ入力される各直流電流および各直流電圧に基づいて、複数の電圧調整回路１１を制御する電圧調整回路制御手段４０とを備え、電圧調整回路制御手段４０は、単一のマイクロコンピュータに構成されている。【選択図】図２

Description

本発明は、電力系統に連系可能な電力変換装置に関し、特に、複数の直流電力入力に対応した電力変換装置に関する。

太陽光発電システムでは、図３に示すように、複数の太陽光モジュール２１からなる太陽電池ストリング２が電力変換装置１０１に接続されるものがある（例えば、特許文献１）。この電力変換装置１０１には、複数の太陽電池ストリング２からの直流電圧が、電力変換装置１０１内の複数の電圧調整回路１１１にそれぞれ入力されて、これら電圧調整回路１１１において所定の直流電圧に昇圧される。

これら電圧調整回路１１１は並列にインバータ回路１１２に接続され、各電圧調整回路１１１で昇圧された直流電圧は、インバータ回路１１２およびフィルタ回路１１３において交流電圧に変換されて商用電力系統３などに出力される。

電圧調整回路１１１の制御部１１４は、ＭＰＰＴ制御部と駆動信号生成部からなり、それぞれ別個のマイクロコンピュータから構成されて、電圧調整回路１１１ごとに設けられる。

ところで、電力系統に連系される発電システムでは、瞬低（瞬時電圧低下）時には、瞬低発生前の出力電力まで高速に復帰すること、すなわち、ＦＲＴ（瞬低時運転継続）機能を備えることが要請されてきている。このため、高速な応答処理能力が電力変換装置１０１には求められてきている。

特開２００９−１５１８３２号公報

しかし、電力変換装置１０１の複数の電圧調整回路１１１に複数の制御部１１４がそれぞれ別個に設けられている場合、高速な応答処理能力が実現し難い。具体的には、各電圧調整回路１１１に太陽電池ストリング２から入力される入力電流Ｉin（図示の例では、第１〜第３の入力電流Ｉin_１〜Ｉin_３）を入力電流検出手段１１７で検出して電圧調整回路１１１に対応する制御部１１４が監視して、その入力電流Ｉinが低下すると、電力系統３で電圧低下が発生したと判定する。しかし、電力系統３の電圧が低下しても、全ての制御部１１４がこれを検出できるとは限らない。また、全ての制御部１１４が同時に電力系統３の電圧低下を検出できるわけではない。これは、太陽電池ストリング２ごとに発電量が異なり、発電量が小さい太陽電池ストリング２からの電流Ｉinの低下は検出し難いからである。

一方、複数の電圧調整回路１１１の各制御部１１４を通信接続すれば、全ての制御部１１４において、電力系統３の電圧低下や電圧低下の解消などの発生を通知することができる。しかし、通信遅延があるため、電力系統３の電圧低下や電圧低下の解消などの発生が通知されてから電圧調整回路１１１の制御部１１４が対処したのでは、高速な応答を行うことができない。

そこで、本発明は、複数の電圧調整回路を備えながらも、高速な応答処理能力を有する電力変換装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の一構成にかかる電力変換装置は、複数の直流電源に接続され、電力系統に連系可能な交流電力を出力する電力変換装置であって、前記複数の直流電源からそれぞれ供給される直流電圧を同一の所定の電圧設定値に昇圧する、複数の電圧調整回路と、前記複数の電圧調整回路に並列接続されたインバータ回路であって、前記複数の電圧調整回路が昇圧した直流電圧を交流電圧に変換するインバータ回路と、前記複数の電圧調整回路に前記複数の直流電源からそれぞれ入力される各直流電流および各直流電圧に基づいて、前記複数の電圧調整回路を制御する電圧調整回路制御手段とを備え、前記電圧調整回路制御手段は、単一のマイクロコンピュータに構成されている。

この構成によれば、複数の電圧調整回路を制御する電圧調整回路制御手段が単一のマイクロコンピュータに構成されているため、異常の発生のような状態変化の発生時に実行される処理は、この電圧調整回路制御手段において遅延なくかつ確実に実行される。したがって、電圧調整回路の制御に関して、高速な応答処理能力を実現できる。

好ましい実施形態においては、前記電圧調整回路制御手段は、前記電力系統における状態の変化を検出し、変化を検出すると、前記複数の電圧調整回路に前記複数の直流電源からそれぞれ入力される各直流電流および各直流電圧の少なくとも一方を記憶する電力系統状態変化処理部を有する。

これによれば、単一のマイクロコンピュータに構成され、複数の電圧調整回路を制御する電圧調整回路制御手段が、電力系統状態変化処理部を有するため、電力系統の状態変化の検出も、その状態変化の検出時点での電圧調整回路への入力電流および／入力電圧の記憶も、遅延なく全ての電圧調整回路の制御に対して行うことができる。

好ましくは、前記電圧調整回路制御手段は、さらに、各電圧調整回路に入力される各直流電流および各直流電圧に基づいてＭＰＰＴ制御を実行するように目標値を出力するＭＰＰＴ制御部と、前記ＭＰＰＴ制御部が出力する目標値、および前記所定の電圧設定値に基づいて、対応する電圧調整回路を駆動する駆動信号を生成する駆動信号生成部とを、前記複数の電圧調整回路に対応してそれぞれ複数有する。

これによれば、電圧調整回路制御手段の電力系統状態変化処理部が、電力系統における状態の変化を検出した時点の直前における、前記複数の電圧調整回路に前記複数の直流電源からそれぞれ入力される各直流電流値および各直流電圧値の少なくとも一方を記憶するため、電力系統における状態が回復した際には、これら入力電流値または入力電圧値を用いて各ＭＰＰＴ制御を行えば、迅速に変化前の状態に回復できる。

好ましくは、前記直流電源は、複数の太陽光モジュールが直列接続して構成された太陽電池ストリングからなる。

本発明にかかる電力変換装置によれば、複数の電圧調整回路を備えながらも高速な応答処理能力を有する。

本発明の一実施形態に係る電力変換装置を含む発電システムの概略ブロック図である。図１の電力変換装置の電圧調整回路制御部を詳細に図示した概略ブロック図である。従来の電力変換装置を含む発電システムの概略ブロック図である。

以下、本発明の第１の実施形態に係る電力変換装置について、図１を参照して説明する。
本実施形態に係る電力変換装置（パワーコンディショナ）１は、複数の直流電源２に接続されて、これら直流電源２が出力する直流電力を交流電力に変換して、その交流電力を電力系統３に連系する。

本実施形態において、直流電源２は、それぞれ、複数の太陽電池モジュール２１を直列接続して構成された太陽電池ストリングからなる。各太陽電池ストリング２に含まれる太陽電池モジュール２１の数は、太陽電池ストリング２を設置する場所の形状や面積に依存する。したがって、標準の数の太陽電池モジュール２１から構成されるものもあれば、それよりも少ない数から構成されるものもある。太陽電池ストリング２の数は、太陽光発電システム１の設置態様に応じて決定され、例えば、２〜５のストリング数である。なお、直流電源２は、単一の太陽電池モジュール２１からなるものであってもよい。

電力変換装置１は、複数の電圧調整回路（ＤＣ／ＤＣコンバータ）１１、インバータ回路１２、フィルタ回路１３および制御手段１４を備える。電圧調整回路１１は、それぞれ１つの太陽電池ストリング２の数に接続される。なお、図示の例では、太陽電池ストリング２および電圧調整回路１１の数はそれぞれ３とするが、これに限定されるものではない。

各電圧調整回路１１は、その入力電圧Ｖin（第１〜第３の入力電圧Ｖin_１〜Ｖin_３）、つまり対応する太陽電池ストリング２が出力する直流電圧を、所定のバス電圧設定値Ｖsetに昇圧する。電圧調整回路１１は、例えば、リアクトル（図示せず）、ＩＧＢＴなどからなるスイッチング素子（図示せず）、ダイオード（図示せず）およびコンデンサ（図示せず）を含む昇圧チョッパ回路からなる。そして、電圧調整回路１１が出力する直流電圧がバス電圧設定値Ｖsetとなるように、スイッチング素子（図示せず）のオンオフが制御される。複数の電圧調整回路１１において、所定のバス電圧設定値Ｖsetは同一の値である。

インバータ回路１２には、複数の電圧調整回路１１から、それぞれ前記所定のバス電圧設定値Ｖsetとなるように昇圧された直流バス電圧Ｖbusが並列に入力される。インバータ回路１２は、例えば３相インバータ回路であり、３組のペアからなる合計６個またはそれ以上の数のスイッチング素子（図示せず）を備え、これらスイッチング素子（図示せず）が制御される。フィルタ回路１３は、リアクトル（図示せず）とコンデンサ（図示せず）とからなり、インバータ回路１２に組み合わされて３相交流電圧を出力する。

電力変換装置１は、また、各電圧調整回路１１への入力電圧Ｖin（第１〜第３の入力電圧Ｖin_１〜Ｖin_３）をそれぞれ検出する入力電圧検出手段１６（第１〜第３の入力電圧検出手段１６_１〜１６_３）と、各電圧調整回路１１への入力電流Ｉin（第１〜第３の入力電流Ｉin_１〜Ｉin_３）をそれぞれ検出する入力電流検出手段１７（第１〜第３の入力電圧検出手段１７_１〜１７_３）と、インバータ回路１２の入力電圧である直流バス電圧Ｖbusを検出する直流バス電圧検出手段１８とを備える。

制御手段１４は、インバータ回路制御部３０および電圧調整回路制御部４０を含む。制御手段１４は、１つのマイクロコンピュータから構成される。インバータ回路制御部３０には、直流バス電圧検出手段１８で検出された直流バス電圧Ｖbusが入力される。インバータ回路制御部３０は、この直流バス電圧Ｖbusに基づいて、ＰＷＭ信号を生成してインバータ回路１２のスイッチング素子（図示せず）を駆動する。

電圧調整回路制御部４０には、入力電圧検出手段１６で検出された入力電圧Ｖin（第１〜第３の入力電圧Ｖin_１〜Ｖin_３）、入力電流検出手段１７で検出された入力電流Ｉin（第１〜第３の入力電流Ｉin_１〜Ｉin_３）および直流バス電圧検出手段１８で検出された直流バス電圧Ｖbusが入力される。

電圧調整回路制御部４０は、図２に示すように、各電圧調整回路１１に対応した、ＭＰＰＴ制御部４１および複数の駆動信号生成部４２を有する。

各ＭＰＰＴ制御部４１は、対応する電圧調整回路１１に対してＭＰＰＴ制御（最大電力追従制御）を実行することで、太陽電池ストリング２から最大電力を取り出すようにする。具体的には、電圧調整回路の入力電圧Ｖinと入力電力特性曲線において、最大電力なる目標入力電圧Ｖin_refが、いわゆる山登り法によって求められる。ただし、この特性曲線は日射量などに応じて変化し、最大電力となる目標入力電圧Ｖin_refが変化する。このように目標入力電圧Ｖin_refは変動するため、電圧調整回路１１の動作中にＭＰＰＴ制御部４１は常時ＭＰＰＴ制御を実行している。

各電圧調整回路１１に対応する太陽電池ストリング２は日射量やその他の条件が異なるため、各ＭＰＰＴ制御部４１によって求められる目標入力電圧Ｖin_refは互いに異なる。したがって、第１〜第３の目標入力電圧Ｖin_ref_１〜Ｖin_ref_３がそれぞれ求められる。ここで、各電圧調整回路１１の入力電力は、対応する入力電圧検出手段１６（図１）が検出した入力電圧Ｖinおよび入力電流検出手段１７（図１）が検出した入力電流Ｉinから求められるため、各ＭＰＰＴ制御部４１には、入力電圧Ｖinおよび入力電流Ｉinが入力される。

各駆動信号生成部４２は、ＭＰＰＴ制御部４１が求めた目標入力電圧Ｖin_refとバス電圧設定値Ｖsetから、電圧調整回路１１を駆動する駆動信号であって、スイッチング素子（図示せず）のオンオフを制御するパルス信号を生成する。

電圧調整回路制御部４０は、また、電力系統３（図１）における状態の変化を検出し、変化を検出すると、所定の処理を行う電力系統状態変化処理部４３を有する。

電力系統状態変化処理部４３には、各入力電流検出手段１７（図１）によってそれぞれ検出された第１〜第３の入力電流Ｉin_１〜Ｉin_３、および、各入力電圧検出手段１６（図１）によってそれぞれ検出された第１〜第３の入力電圧Ｖin_１〜Ｖin_３が入力される。電力系統状態変化処理部４３では、例えば、第１〜第３の入力電流Ｉin_１〜Ｉin_３のうちのいずれか１つの入力電流Ｉinが低下した場合、つまり所定値よりも小さくなった場合に、図１の電力系統３の電圧が低下したと判定してもよい。すなわち、電力系統３の電圧が低下すると、直流バス電圧検出手段１８によって検出される直流バス電圧Ｖbusが増加し、これに伴い、インバータ回路制御部３０はインバータ回路１２の動作を停止させるため、電圧調整回路１１の入力電流Ｉinが低下する。なお、図２の電力系統状態変化判定部４３は、複数の入力電流Ｉin_１〜Ｉin_３のうちのいずれか２つの入力電流Ｉin、つまり１つではないが一部である入力電流Ｉinが低下した場合に、電力系統３の電圧が低下したと判定してもよい。

電力系統状態変化処理部４３は、また、入力される第１〜第３の入力電流Ｉin_１〜Ｉin_３、および、入力される第１〜第３の入力電圧Ｖin_１〜Ｖin_３を定期的に記録する。そして、電圧低下発生を判定すると、その直前の各入力電流Ｉin_１〜Ｉin_３、および、各入力電圧Ｖin_１〜Ｖin_３を、それぞれ、回復時制御電流値Ｉin_strおよび回復時制御電圧値Ｖin_str（第１〜第３の回復時制御電流値Ｉin_str_１〜Ｉin_str_３および回復時制御電圧値Ｖin_str_１〜Ｖin_str_３）として記憶部４４に記憶する。このように記憶部４４が各回復時制御電流値Ｉin_str_１〜Ｉin_str_３および回復時制御電圧値Ｖin_str_１〜Ｖin_str_３を記憶するため、電力系統３（図１）の電圧低下が解消された際には、これらを各ＭＰＰＴ制御に入力して、ＭＰＰＴ制御が再開される。したがって、迅速に最大電力Ｐとなる目標入力電圧Ｖin_refに到達できる。

なお、ここで、太陽電池ストリング２（図２）の日射量などの条件は１秒以内のような短時間の瞬抵中に大幅に変更することがほとんどないため、電圧調整回路の入力電圧Ｖinと入力電力の特性曲線はほとんど変化しない可能性が極めて高い。したがって、図２の記憶部４４に記憶された、系統電力３の電圧低下を検出する直前の回復時制御電流値Ｉin_strおよび回復時制御電圧値Ｖin_strは、検出直前にＭＰＰＴ制御部４１に入力されていた値に近い可能性が極めて高い。これより、全てのＭＰＰＴ制御部４１が、最大電力となる目標入力電圧Ｖin_refに迅速に追従できる。

図１に戻って、電圧調整回路制御部４０は、また、各入力電圧検出手段１６によってそれぞれ検出された第１〜第３の入力電圧Ｖin_１〜Ｖin_３と、各入力電流検出手段１７によってそれぞれ検出された第１〜第３の入力電流Ｉin_１〜Ｉin_３と、直流バス電圧検出手段１８によって検出された直流バス電圧Ｖbusに基づいて、電力系統３の電圧低下以外にも様々な状態変化や異常などを判定できる。特に、電圧調整回路制御部４０は、全ての検出値およびそれらの変化を全て把握できるため、これらの値を互いに照合することで、確実に状態変化や異常などを判定できる。

電圧調整回路制御部４０は、また、第１〜第３の入力電圧Ｖin_１〜Ｖin_３と第１〜第３の入力電流Ｉin_１〜Ｉin_３とから、太陽電池ストリング２の発電量の総計（Ｖin_１×Ｉin_１＋Ｖin_２×Ｉin_２＋Ｖin_３×Ｉin_３）を算出してもよい。これにより、太陽電池ストリング２の発電量を監視することができる。

次に、本実施形態にかかる電力変換装置の例示的な動作について説明する。
通常の動作中において、図１の電力系統３の電圧が低下するとする。これに伴い直流バス電圧Ｖbusが増加するため、インバータ回路制御部３０の図示しない判定手段が、この直流バス電圧Ｖbusが所定の上限値を超えた場合に電力系統３の電圧の低下を判定して、インバータ回路１２の動作を停止させる。インバータ回路１２の動作が停止されると、各電圧調整回路１１の入力電圧Ｖinは開放電圧となる。このため、電圧調整回路１１の入力電流Ｉinが低下する。

第１〜第３の入力電流Ｉin_１〜Ｉin_３のうちのいずれか１つの入力電流Ｉinが所定値よりも小さくなった場合に、図２の電力系統状態変化処理部４３が電力系統３において電圧低下が生じたことを判定して、駆動信号生成部４２に駆動信号生成を停止させるべくＭＰＰＴ制御部４１のＭＰＰＴ制御を停止させる。電力系統状態変化処理部４３は、次に、電量系統の電圧低下を検出する直前の各入力電流Ｉinおよび各入力電圧Ｖinを、それぞれ、回復時制御電流値Ｉin_str（第１〜第３の回復時制御電流値Ｉin_str_１〜Ｉin_str_３）および回復時制御電圧値Ｖin_str（第１〜第３のＶin_str_１〜Ｖin_str_３）として記憶部４４に記憶する。

その後、この電圧低下時点から所定時間以内（例えば１秒以内）に図１の電力系統３の電圧低下が解消したとする。これに伴い、インバータ回路制御部３０の図示しない判定手段が、増加した直流バス電圧Ｖbusが所定の下限値を下回った場合に電力系統３の電圧低下が解消したと判定して、インバータ回路１２の動作停止を解除させる。インバータ回路１２の動作停止が解除されると、電圧調整回路１１の入力電流Ｉinが増加する。電力系統状態変化判定部４３が第１〜第３の入力電流Ｉin_１〜Ｉin_３全ての入力電流Ｉinが所定値よりも大きくなった場合に、電力系統３において電圧低下が解消したことを判定する。

そして、図２の各ＭＰＰＴ制御部４１がＭＰＰＴ制御を再開する。ここで、ＭＰＰＴ制御の再開する時に、記憶部４４に記憶された回復時制御電流値Ｉin_str（第１〜第３の回復時制御電流値Ｉin_str_１〜Ｉin_str_３）および回復時制御電圧値Ｖin_str（第１〜第３のＶin_str_１〜Ｖin_str_３）が用いられる。このように、ＭＰＰＴ制御の再開時に、電圧低下検出直前の回復時制御電流値Ｉin_str（第１〜第３の回復時制御電流値Ｉin_str_１〜Ｉin_str_３）および回復時制御電圧値Ｖin_str（第１〜第３のＶin_str_１〜Ｖin_str_３）が用いられるため、迅速に最大電力Ｐin_maxとなる目標入力電圧Ｖin_refにそれぞれ到達できる。

なお、上記実施形態において、電圧低下発生を判定すると、その直前の入力電流Ｉinおよび入力電圧Ｖinを記憶部４４に記憶するものとしたが、いずれか一方のみを記憶してもよい。

上記実施形態において、各電圧調整回路１１を駆動するために必要なＭＰＰＴ制御部４１および駆動信号生成部４２は、単一のマイクロコンピュータに構成されるため、電圧調整回路１１ごとにマイクロコンピュータを設けられなくとも全ての電圧調整回路１１は動作できる。しかし、各電圧調整回路１１にマイクロコンピュータを設けられてもよく、例えば、これらマイクロコンピュータは対応する電圧調整回路１１の温度補償を実行してもよい。

また、上記実施形態にかかる電力変換装置は、太陽光発電システムに限らず、風力発電システム、燃料電池システムおよび蓄電システムなどを含むあらゆる再生エネルギ発電システムに適用できる。

以上、本発明にかかる電力変換装置によれば、複数の電圧調整回路を備えながらも、高速な応答処理能力を有する。

１電力変換装置
２直流電源
３電力系統
１１電圧調整回路
１２インバータ回路
４０電圧調整回路制御手段

Claims

複数の直流電源に接続され、電力系統に連系可能な交流電力を出力する電力変換装置であって、
前記複数の直流電源からそれぞれ供給される直流電圧を同一の所定の電圧設定値に昇圧する、複数の電圧調整回路と、
前記複数の電圧調整回路に並列接続されたインバータ回路であって、前記複数の電圧調整回路が昇圧した直流電圧を交流電圧に変換するインバータ回路と、
前記複数の電圧調整回路に前記複数の直流電源からそれぞれ入力される各直流電流および各直流電圧に基づいて、前記複数の電圧調整回路を制御する電圧調整回路制御手段とを備え、
前記電圧調整回路制御手段は、単一のマイクロコンピュータに構成されている、電力変換装置。
請求項１に記載の電力変換装置において、
前記電圧調整回路制御手段は、
前記電力系統における状態の変化し、変化を検出すると、前記複数の電圧調整回路に前記複数の直流電源からそれぞれ入力される各直流電流および各直流電圧の少なくとも一方を記憶する電力系統状態変化処理部有する、電力変換装置。
請求項２に記載の電力変換装置において、
前記電圧調整回路制御手段は、さらに、
各電圧調整回路に入力される各直流電流および各直流電圧に基づいてＭＰＰＴ制御を実行するように目標値を出力するＭＰＰＴ制御部と、
前記ＭＰＰＴ制御部が出力する目標値、および前記所定の電圧設定値に基づいて、対応する電圧調整回路を駆動する駆動信号を生成する駆動信号生成部とを、前記複数の電圧調整回路に対応してそれぞれ複数有する、電力変換装置。
請求項１から３のいずれか一項に記載の電力変換装置において、
前記直流電源は、複数の太陽光モジュールが直列接続して構成された太陽電池ストリングからなる、電力変換装置。