JP2015070714A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】系統の電圧上昇の抑制と太陽電池の発電の継続性とを両立させる電力変換装置を提供するものである。【解決手段】本発明は、出力電圧の上昇につれて発電電力が増加し最大発電電力の地点を超えた後、発電電力が低下に変わる特性を有する太陽電池の発電電力を入力し交流電力に変換して系統へ重畳する電力変換装置において、系統へ繋がる配線の電圧が予め定めた値を超えた際に、太陽電池の出力電圧を変えて発電電力を減少させる制御を行う制御部にこの出力電圧の可変範囲を変える手段を備えるものである。【選択図】図１

Description

本発明は太陽電池の発電電力を交流電力に変換する電力変換装置に関するものである。

従来のものでは系統の電圧を検出し、この電圧と系統に重畳する交流電力の電圧との夫々
のピーク値との差が一定になるように交流電力を制御していた。（特許文献１）

また、インバータを用いて系統へ重畳する交流電力を生成するものでは、インバータへ
送出するゲートパルス信号のゲートパルス幅を検出し、このゲートパルス幅の変化で過電
圧発生時にインバータを停止させるものがあった。（特許文献２）

特許第３８６２３２０号公報 特許第３１１１７４５号公報

特許文献１に記載のものでは、系統電圧の変動に応じて系統に重畳する交流電力の電圧
も変動するので、この交流電力の電圧が高くなりすぎ系統にとって好ましくない状態に至
ることがあった。

また、特許文献２に記載のものでは、ゲートパルス幅を基準にしているため、太陽電池
の発電電力に変動が生じると系統に重畳する交流電力の電圧も変動するため充分な制御の
追従性が得られず装置が不必要に停止する場合があった。

本発明は、このような従来のものに対して系統の安定性と装置の運転の継続性とを考慮
した装置を提供するものである。

本発明は、出力電圧の上昇につれて発電電力が増加し最大発電電力の地点を超えた後、
発電電力が低下に変わる特性を有する太陽電池の発電電力を入力し交流電力に変換して系
統へ重畳する電力変換装置において、系統へ繋がる配線の電圧が予め定めた値を超えた際
に、太陽電池の出力電圧を変えて発電電力を減少させる制御を行う制御部にこの出力電圧
の可変範囲を変える手段を備えることを特徴とするものである。

本発明の電力変換装置では、太陽電池の発電電力を制御する際のその制御範囲を変えて発
電を継続することが可能になるものである。

本発明の実施例を示す電気回路の説明図である。 図１に示す太陽電池の特性の一例を示す説明図である。

本発明の電力変換装置では、系統の電圧に相当する配線の電圧又は系統の電圧が予め定め
た値を超えないように太陽電池の発電電力を制御すると共に、その可変範囲の変更を可能
にしたものである。

図１は本発明の実施利を示す電気回路の説明図である。１は太陽電池であり図２に示すよ
うに所定の温度において、出力電圧の上昇につれて発電電力が増加し最大発電電力（所定
の温度における定格発電電力に相当）の地点Ｐを超えた後、発電電力が低下に変わる特性
を有している。また、発電電圧がＶ１では発電電力が地点Ｐ１であり、発電電圧がＶ２で
は発電電力が地点Ｐ２である。この太陽電池は複数の太陽電池セルを直列及び並列に接続
して所定の定格出力となるように構成されている。

２、３は連動して開閉作動する直流リレーの接片であり、太陽電池の発電電力（出力）は
この接片２、３を介して電力変換装置に取り込まれるものである。この接片２、３は太陽
電池１の発電電力が所定値以上の際に閉じるものである。すなわち電力変換装置が交流電
力を出力している間は閉じている。尚、異常時には接片２、３は開くものである。

４は直流電流検出器であり、接片２、３を介して取り込んだ太陽電池１の発電電力から
その電流値を検出するものであり、その検出値は制御部６へ取り込まれる。５は直流電圧
検出器であり、同様に太陽電池１の発電電力からその電圧値を検出し、その検出値は制御
部６へ取り込まれる。制御部６はこれら検出器の検出した電流値と電圧値との積から太陽
電池の発電電力を算出し格納する。

７は直流昇圧回路であり、接片２、３を介して得られる太陽電池１からの発電電力（直
流電力）を昇圧するものであり、リアクタ８、ＦＥＴやトランジスタなどのスイッチング
素子９、ダイオード１０、平滑用のコンデンサ１１を備えスイッチング素子９をＰＷＭ（
ｐｕｌｓｅ ｗｉｄｔｈ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）制御して昇圧を行う汎用の３端子型の
昇圧回路を構成している。

ＰＷＭ制御は搬送波（例えば三角波）を変調波（定電圧レベル）で変調することによっ
て得られる出力を信号としてスイッチング素子９へ供給するものであり、搬送波の周期内
でオン信号となるデューティを変調波の定電圧レベルを変えて制御する。例えば、変調波
の定電圧レベルを低くすればオンデューティが長くなり、この定電圧レベルを高くすれば
オンデューティが短くなるように設計することができる。このオンデューティが長くなれ
ば昇圧比が大きくなり高い電圧が得られる。この直流昇圧回路７の出力電圧（以下、中間
電圧という）は中間電圧検出器１２で検出され、制御部６へ格納される。尚、制御部６が
周期的にオンデューティを直接算出してスイッチング素子９へオン信号を供給するように
構成することも可能である。

この変調波の定電圧レベルすなわち直流昇圧回路７の昇圧比は、直流電流検出器４の検
出した電流値と直流電圧検出器５の検出した直流電圧値との積、すなわち太陽電池１の発
電電力が最大になる値（図２に示す地点Ｐ）に至るように増減させながら収束させる制御
を行っている。直流昇圧回路７はオンデューティを変えることによって太陽電池１側から
見たインピーダンスが変化するので太陽電池１の出力電圧を変化させる。従って、昇圧比
を変えることによって太陽電池１の出力電圧は図２に示す特性上で変化するものである。

太陽電池１が最大発電電力で発電しているときに、直流電圧検出器５の検出する直流電圧
ＶＰを直流電圧Ｖ１に上昇させると太陽電池１の発電電力が地点Ｐ１まで減少し、同様に
直流電圧ＶＰを直流電圧Ｖ２に低下させれば太陽電池１の発電電力が地点Ｐ２まで減少す
る。

１３はインバータ回路であり、４個のスイッチング素子を単相ブリッジ状に構成し、搬
送波（例えば三角波）と変調波（例えば正弦波）とを変調して得られるスイッチング信号
で夫々のスイッチング素子がオンオフ動作を行い直流電力を交流電力（疑似正弦波）に変
換するものである。この交流電力（疑似正弦波）は、リアクタとコンデンサとから構成さ
れるフィルター回路１４で高周波成分および直成分が取り除かれ又は減衰させられて単相
の交流電力となり系統１９へ重畳される。

１５は交流電流検出器（例えば、Ｃ．Ｔ．（カレントトランス））、１６は交流電圧検
出器、１７、１８は電力変換装置が系統連系を行う際に閉じられるリレーの接片である。
交流電流検出器１５、交流電圧検出器１６はフィルター回路１４から系統１９へ繋がる配
線上の電流及び電圧を検出するものであり、この電流は電力変換装置が系統へ供給する電
流なので、この電流とこの電圧との積が太陽電池１の発電電力に相当する（変換ロスがな
い場合）。交流電流検出器１５の検出電流が太陽電池１の発電電力に対応する電流になる
ようにインバータ回路１３での変調率（搬送波と変調波との振幅比）を変えてインバータ
回路１３から出力される疑似正弦波の振幅（電圧）を制御している。

制御部６は交流電圧検出器１６が検出した電圧が所定電圧（予め定めた値）以上に高く
ならないように系統１９へ供給する電流、すなわち交流電流検出器１５の検出する電流値
を減少させる保護動作を行い、その動作は直流昇圧回路７のスイッチング素子９のオンデ
ューティ、すなわち昇圧比を変えて行うことができる。従って、太陽電池１の発電電力が
例えば地点Ｐであれば地点Ｐ１またはＰ２に移動するように太陽電池１の出力電圧をＶＰ
からＶ１またはＶ２へ変化させる。太陽電池１の発電電力が減少すれば系統１９へ供給さ
れる電流も減少し交流電圧検出器１６の検出する電圧も低くなる。

この電圧Ｖ１、Ｖ２は交流電圧検出器１６の検出する電圧と所定電圧との差に応じて徐
々に増加または減少させてこの検出電圧が所定電圧を超えない状態に至るまで可変される
。この可変幅は一定の電圧変動幅または異なる電圧変動幅を用いてもよいものである。電
圧Ｖ１には上限値、電圧Ｖ２には下限値が設定されており、太陽電池１の発電電圧が電圧
Ｖ１、Ｖ２に至った際はこの電圧Ｖ１、電圧Ｖ２を維持するものである。従って、太陽電
池１の出力電圧は電圧Ｖ１〜電圧Ｖ２の可変範囲内で変動制御される。

尚、太陽電池１の出力電圧は、交流電圧検出器１６の検出する電圧が所定電圧を短時間
で超えた場合は、電圧Ｖ１側へ可変させて太陽電池１の発電電力を素早く減少させ、交流
電圧検出器１６の検出する電圧が所定電圧をゆっくりと超えた場合は、電圧Ｖ２側へ可変
させて太陽電池１の発電電力をゆっくりと減少させているが、いずれか片方向への制御の
みでもよく、この場合、太陽電池１の出力電圧の可変範囲は、電圧ＶＰ〜電圧Ｖ１または
電圧ＶＰ〜電圧Ｖ２の可変範囲に設定することが可能である。

２０はスイッチであり電圧Ｖ１、電圧Ｖ２の可変範囲を変えるものである。例えば電圧
Ｖ１、電圧Ｖ２の値を図２に示す特性上の定格出力となる地点Ｐの発電電力の半分の発電
電力に相当する出力電圧と、実質的に発電電力がゼロ（交流電力に変換させるに必要な最
少の発電電力を下回る値に相当）の出力電圧とを切り換えるものである。尚、電圧Ｖ１、
電圧Ｖ２の可変範囲はこの値及びこの切換え数に限るものではなく任意に変更できるもの
である。例えば、交流電圧検出器１６の検出する電圧が所定電圧を超えた時の地点Ｐの発
電電力の２／３の発電電力に相当する出力電圧や４／５の発電電力に相当する出力電圧を
スイッチ２０の切換え選択の種類に加えても良いものである。

また、スイッチ２０は図１に示すように手動の操作スイッチでもよく、また制御部６が
制御に応じて自動的に切り替えるように構成することも可能である。前者の場合は、交流
電圧検出器１６の検出する電圧が所定電圧を頻繁に超えるような場合に出力電圧の可変範
囲が狭くなるように切換えて太陽電池１の発電電力が減少しすぎないように制御し、後者
の場合は交流電圧検出器１６の検出する電圧が所定電圧を頻繁に超えるような場合に超え
る回数が所定の期間に対して一定値を超えた場合に自動的に出力電圧の可変範囲が狭くな
るように切換えて太陽電池１の発電電力が減少しすぎないように制御するものである。す
なわち系統１９の電圧上昇を抑制しながら太陽電池１の発電の安定化や継続が図れるもの
である。

以上の実施例において、直流昇圧回路７は図１に示したような非絶縁型に限らず、昇圧
トランスを用いた絶縁型で構成することも可能であり、また、インバータ回路１３は中性
点クランプ方式で構成するなど直流電力を交流電力に変換できる回路構成であればよい。

このように構成された電力変換装置では、系統の電圧が高くなった際に太陽電池の発電
電力を減少させて系統の電圧の上昇を抑制すると共に、その減少範囲を変えて太陽電池の
発電の継続性を確保できるものである。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、以上の説明は本発明の理解を容易にす
るためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明はその趣旨を逸脱すること
なく、変更、改良され得ると共に本発明にはその等価物が含まれることは勿論である。

１ 太陽電池
４ 直流電流検出器
５ 直流電圧検出器
６ 制御部
７ 直流昇圧回路
１３ インバータ回路
１５ 交流電流検出器
１６ 交流電圧検出器
２０ スイッチ

Claims (4)

1. 出力電圧の上昇につれて発電電力が増加し最大発電電力の地点を超えた後、発電電力が
   低下に変わる特性を有する太陽電池の発電電力を入力し交流電力に変換して系統へ重畳す
   る電力変換装置において、
   前記系統へ繋がる配線の電圧が予め定めた値を超えた際に、前記太陽電池の出力電圧を
   変えて前記発電電力を減少させる制御を行う制御部に前記出力電圧の可変範囲を変える手
   段を備えることを特徴とする電力変換装置。
2. 前記太陽電池は前記最大発電電力の地点の前の前記出力電圧の上昇に対する発電電力の
   変化分より前記地点の後の前記出力電圧の上昇に対する発電電力の変化分が大きい特性を
   有し、前記発電電力を減少させる際は、前記太陽電池の出力電圧を上昇させることを特徴
   とする請求項１に記載の電力変換装置。
3. 前記出力電圧の可変範囲は、前記系統へ繋がる配線の電圧が予め定めた値を超えた時の
   前記太陽電池の最大発電電力の地点に相当する前記太陽電池の発電電力の半分に相当する
   電圧の範囲内であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電力変換装置。
4. 前記系統へ繋がる配線の電圧は前記系統の電圧に相当し、前記可変範囲を変える手段は
   スイッチであることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の電力変換
   装置。

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