JP2016220432A

JP2016220432A - 電力変換装置

Info

Publication number: JP2016220432A
Application number: JP2015104118A
Authority: JP
Inventors: 輝菊池; Teru Kikuchi; 智道伊藤; Tomomichi Ito
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2015-05-22
Filing date: 2015-05-22
Publication date: 2016-12-22

Abstract

【課題】複数の発電設備を備えた発電設備用電力変換装置において、適切にスイッチング動作を停止するチョッパを選択し、電力変換装置における変換損失を低減させることを目的とする。【解決手段】発電設備に接続される複数のチョッパを備え、チョッパの出力電力を入力として交流電力を系統へ出力するインバータを備えた電力変換装置において、複数のチョッパのうちチョッパの入力電圧が所定値よりも大きいチョッパを特定するチョッパ選択部と、特定されたチョッパのスイッチング動作を停止し、それ以外のチョッパはスイッチング動作を行うチョッパ制御部と、を有する電力変換装置。【選択図】図３

Description

本発明は電力変換装置および発電システムに関する。

電力変換装置は、直流電力を交流電力へ変換して電力系統に電力を供給するものであるが、例えば太陽光発電用電力変換装置の構成の一例として、チョッパやインバータから構成されるものがある。これは、太陽光パネルが出力する直流電圧をチョッパで昇圧し、チョッパの出力する直流電力をインバータが商用周波数の交流電力に変換して、電力系統へ送電するというものである。

このような太陽光発電用電力変換装置においては、一般に太陽光パネルの出力電力が最大となるように最大電力追従（MPPT: Maximum Power Point Tracking)制御を行う。最大電力追従制御とは、周囲環境によって変化する太陽光パネルの出力特性に追従して、太陽光パネルの出力電力が最大となるように太陽光パネルの出力電圧を調整する制御である。このような最大電力追従制御はチョッパが太陽光パネルの出力電圧を調整することで行う。

特許文献１には、太陽光発電用電力変換装置の高効率化を図る為に、例えば日射量の増加により太陽光パネルの出力電圧が上昇してインバータの入力電圧下限値よりも大きくなる場合にはチョッパのスイッチング動作を停止して、スイッチング損失を低減する制御が記載されている。この場合、最大電力追従制御はインバータが直流電圧を調整することで行う。

また、特許文献２には、メガソーラなど複数の太陽光パネルを備える場合には各太陽光パネル毎に出力特性が異なるため、各太陽光パネル毎にチョッパを備え、各チョッパがそれぞれで最大電力追従制御を行うことが記載されている。

特開２０１３−２２５１９１号公報特開２０１２−１３７８３０号公報

しかし、複数の太陽光パネルを備えた太陽光発電用電力変換装置では、複数のチョッパを備えている為、スイッチング損失を低減するためにチョッパのスイッチング動作を停止する場合には、どのチョッパのスイッチング動作を停止するかを状況の変化に応じて適切に決定する必要がある。

そこで本発明では、複数の発電設備を備えた発電設備用電力変換装置において、適切にスイッチング動作を停止するチョッパを選択し、電力変換装置における変換損失を低減させることを目的とする。

上記課題を解決する為に、例えば、発電設備に接続される複数のチョッパを備え、チョッパの出力電力を入力として交流電力を系統へ出力するインバータを備えた電力変換装置において、複数のチョッパのうちチョッパの入力電圧が所定値よりも大きいチョッパを特定するチョッパ選択部と、特定されたチョッパのスイッチング動作を停止し、それ以外のチョッパはスイッチング動作を行うチョッパ制御部と、を有することを特徴とする。

本発明によれば、複数の発電設備を備えた太陽光発電用電力変換装置において、適切にスイッチング動作を停止するチョッパを選択し、電力変換装置における変換損失を低減させることができる。

太陽光発電用電力変換装置の構成を示す。制御回路の構成を示す。停止チョッパ選択部の構成を示す。停止チョッパ選択部の動作例を示す。チョッパ制御部の構成を示す。インバータ制御部の構成を示す。チョッパの構成を示す。電流可逆チョッパの構成を示す。太陽光パネルの出力特性を示す。太陽光パネルの出力電圧の最大値がインバータ入力電圧下限値未満の場合の動作を示す。太陽光パネルの出力電圧の最大値がインバータ入力電圧下限値以上の場合の動作を示す。太陽光パネルの代わりに蓄電池が接続された構成を示す。本発明の一実施形態に係る電力変換装置の構成を示す。

以下、発電設備として太陽光パネルを採用した場合を例に、太陽光発電用電力変換装置の実施例について図面を参照しながら説明する。なお、発電設備として蓄電池を採用することも可能である。

図１は、太陽光発電用電力変換装置の構成を示す。太陽光パネル1a〜1nは、それぞれチョッパ2a〜2nの入力部に接続し、チョッパ2a〜2nの出力部は、インバータ3の直流部と接続し、インバータ3の交流部は、三相の電力系統4と接続する。チョッパ2a〜2nは、それぞれ太陽光パネル1a〜1nの発電する直流電圧を昇圧してインバータ3の直流部に直流電力を供給する。インバータ3は、チョッパ2a〜2nから供給される直流電力を交流電力に変換して電力系統4に供給する。電圧検出器5a〜5nは、それぞれ太陽光パネル1a〜1nの出力電圧を検出する。なお、太陽光パネル1a〜1nの出力電圧は、チョッパ2a〜2nの入力電圧と同じであり、電圧検出器5a〜5nはそれぞれチョッパ2a〜2nの入力電圧を検出するということもできる。電流検出器6a〜6nは、それぞれ太陽光パネル1a〜1nの出力電流を検出する。なお、太陽光パネル1a〜1nの出力電流はチョッパ2a〜2nの入力電流と同じであり、電流検出器6a〜6nはそれぞれチョッパ2a〜2nの入力電流を検出するということもできる。電圧検出器7は、インバータ3の直流電圧を検出する。電圧検出器8は、電力系統4の三相交流電圧を検出する。電流検出器9は、インバータ3の交流部から電力系統4へ流れる三相出力電流を検出する。上記の電圧検出器5a〜5n、電流検出器6a〜6n、電圧検出器7、電圧検出器8、電流検出器9の検出する電圧検出値や電流検出値は、制御回路10に入力される。制御回路10は、入力された電圧検出値や電流検出値に基づいて所定の演算を行い、チョッパ2a〜2n及びインバータ3を駆動する為のゲートパルス信号を出力する。なお、図１では太陽光パネル１つに対してチョッパが1つ設けられているが、１つのチョッパに対して複数の太陽光パネルが設けられていてもよい。

図２は、制御回路10の構成を示す。停止チョッパ選択部11は、太陽光パネル1a〜1nの出力電圧を入力として、スイッチング動作を停止させるチョッパを選択し、その選択結果を出力する。ここでの制御の詳細は、図３を用いながら後述する。チョッパ制御部12は、停止チョッパ選択部11の出力する選択結果、太陽光パネル1a〜1nの出力電圧及び出力電流を入力として、チョッパ2a〜2nを駆動する為のゲートパルス信号を出力する。インバータ制御部13は、停止チョッパ選択部11の出力する選択結果、太陽光パネル1a〜1nの出力電圧及び出力電流、インバータ3の直流電圧、電力系統4の交流電圧、インバータ3から電力系統4へ流れる出力電流を入力として、インバータ3を駆動する為のゲートパルス信号を出力する。

図３は、停止チョッパ選択部11の構成を示す。最大電圧出力パネル選択器14は、太陽光パネル1a〜1nの出力電圧を入力として、太陽光パネル1a〜1nのうち、太陽光パネルの出力電圧の最大値及びその電圧を出力している太陽光パネルを特定するパネル信号を出力する。比較器15は、最大電圧出力パネル選択器14が出力するパネル電圧最大値とインバータ3の入力電圧下限値とを比較する。ここでインバータ3の入力電圧下限値は、インバータ3が連系する電力系統の交流電圧の大きさで決まる。電力系統の交流電圧の大きさが大きくなればなるほどインバータ3の入力電圧下限値も大きくなる。判定器16は、比較器15が出力する比較結果及び最大電圧出力パネル選択器14が出力するパネル信号を入力として、スイッチング動作を停止させるチョッパを選択する。ここで、比較器１５においてパネル電圧最大値がインバータ入力電圧下限値以上であると判定した場合、その電圧を出力している太陽光パネルに接続しているチョッパのスイッチング動作を行わなくても、インバータ3の直流電圧はインバータ3の入力電圧下限値以上にすることができるため、判定器１６は、そのチョッパをスイッチング動作を停止するチョッパとし、その他のチョッパはスイッチング動作を継続するチョッパとすることを停止チョッパ選択結果として出力する。一方、比較器１５においてパネル電圧最大値がインバータ入力電圧下限値未満であると判定した場合、チョッパが昇圧動作を行わなければチョッパの出力電圧をインバータ入力電圧下限値以上にすることができないので、判定器１６は、いずれのチョッパもスイッチング動作を継続するチョッパとすることを、停止チョッパ選択結果として出力する。このような構成により、太陽光パネル発電システムにおいて、全てのパネルにおける発電電力を電力系統に送電することができるとともに、電力変換装置による変換損失を低減することが可能となる。

なお、上記構成においては、太陽光パネルの出力電圧のうち最大値をとるパネルに接続されたチョッパを停止する構成としているが、所定値以上の出力電圧を出力するパネルに接続されたチョッパを停止するように制御してもよい。このようにすることで、パネルの発電電力の一部を電力系統に送電するとともに、電力変換装置における変換損失を低減させることができる。

図４は、停止チョッパ選択部11の動作例を示す。時間0〜T1の区間では、太陽光パネル1aの出力電圧が最も大きいが、インバータ入力電圧下限値未満なので、全てのチョッパをスイッチング動作を継続することとし、スイッチング動作を停止するチョッパは選択しない。次に、時間T1〜T2の区間では、太陽光パネル1aの出力電圧が最も大きく、更にインバータ入力電圧下限値以上なので、太陽光パネル1aに接続しているチョッパ2aをスイッチング動作を停止するチョッパとして選択する。次に、時間T2〜T3の区間では、太陽光パネル1bの出力電圧が最も大きく、更にインバータ入力電圧下限値以上なので、太陽光パネル1bに接続しているチョッパ2bをスイッチング動作を停止するチョッパとして選択し、チョッパ2aはスイッチング動作を再開する。次に、時間T3〜T4の区間では、太陽光パネル1nの出力電圧が最も大きく、更にインバータ入力電圧下限値以上なので、太陽光パネル1nに接続しているチョッパ2nをスイッチング動作を停止するチョッパとして選択し、チョッパ2bはスイッチング動作を再開する。次に、時間T4〜T5の区間では、太陽光パネル1aの出力電圧が最も大きく、更にインバータ入力電圧下限値以上なので、太陽光パネル1aに接続しているチョッパ2aをスイッチング動作を停止するチョッパとして選択し、チョッパ2nのスイッチング動作を再開する。次に、時間T5〜の区間では、太陽光パネル1aの出力電圧が最も大きいが、インバータ入力電圧下限値未満なので、全てのチョッパをスイッチング動作を継続することとし、スイッチング動作を停止するチョッパは選択しない。以上のように、太陽光パネル1a〜1nの出力電圧に応じて、スイッチング動作を停止するチョッパを適宜選択する。

図５は、チョッパ制御部12の構成を示す。MPPT制御部17a〜17nは、それぞれ太陽光パネル1a〜1nの出力電圧及び出力電流を入力として、太陽光パネル1a〜1nの出力電力が最大になるように最大電力追従制御を行うことで、太陽光パネル1a〜1nの出力電圧指令を出力する。PWM制御部18a〜18nは、それぞれMPPT制御部17a〜17nが出力する太陽光パネル1a〜1nの出力電圧指令及び停止チョッパ選択結果を入力として、チョッパ2a〜2nを駆動する為のゲートパルス信号を出力する。PWM制御部18a〜18nは、太陽光パネル1a〜1nの出力電圧が指令通りになるように、PWM(Pulse Width Modulation)制御を行い、ゲートパルス信号を出力するが、停止チョッパ選択結果に従ってスイッチング動作を停止するチョッパに関してはゲートパルス信号の出力を停止して、スイッチング動作を停止させる。

図６は、インバータ制御部1３の構成を示す。選択器20は、停止チョッパ選択結果、太陽光パネル1a〜1nの出力電圧、出力電流を入力として、スイッチング動作を停止させるチョッパと接続されている太陽光パネルの出力電圧、出力電流を出力する。MPPT制御部21は、選択器20の出力する選択パネル電圧及び選択パネル電流を入力として、スイッチング動作を停止させるチョッパの接続している太陽光パネルの出力電力が最大になるように最大電力追従制御を行うことで、インバータ3の直流電圧指令を出力する。選択器22は、停止チョッパ選択結果、MPPT制御部21の出力する直流電圧指令、所定の直流電圧指令を入力として、スイッチング動作を停止するチョッパがある場合はMPPT制御部21が出力する直流電圧指令を出力する。スイッチング動作を停止するチョッパがない場合は、所定の直流電圧指令を出力する。直流電圧制御部23は、選択器22の出力する直流電圧指令及びインバータ3の直流電圧検出値を入力として、インバータ3の出力する電流の指令を作成する。電流制御部24は、直流電圧制御部23の出力する電流指令と、電力系統4の交流電圧と、インバータ3から電力系統4へ流れる出力電流を入力として、電流指令と出力電流が一致するように電流制御を行い、インバータ3が出力する電圧の指令を出力する。PWM制御部25は、電流制御部24が出力する電圧指令を入力として、PWM(Pulse Width Modulation)制御を行い、インバータ3を駆動する為のゲートパルス信号を出力する。

図７に、チョッパ2a〜2nの構成を示す。リアクトル26、IGBT等の半導体スイッチング素子27、整流ダイオード28、コンデンサ29で構成される。ここで、リアクトル26が接続されている側がチョッパの入力側で、コンデンサ29が接続されている側がチョッパの出力側である。半導体スイッチング素子27がオンするとチョッパのリアクトル26にエネルギーが蓄えられる。半導体スイッチング素子27がオフすると、リアクトル26に蓄えられたエネルギー及び入力側に接続される太陽光パネルからのエネルギーが整流ダイオード28を介してチョッパの出力側に電力として供給される。このような半導体スイッチング素子27の動作により、チョッパ2a〜2nは昇圧動作を行うことができる。入力側に接続される太陽光パネルの出力電圧がインバータ入力電圧下限値未満の場合は、このような昇圧動作を行うことでチョッパの入力側から出力側へ電力を供給することができる。一方、入力側に接続される太陽光パネルの出力電圧がインバータ入力電圧下限値以上の場合は、半導体スイッチング素子27がスイッチング動作を行わずに太陽光パネルの出力電圧をそのままチョッパの出力側に出力することで、チョッパの入力側から出力側へ電力を供給することができる。このように、チョッパのスイッチング動作を停止することでスイッチング損失を低減することができる。

また、チョッパ2a〜2nの構成としては図８に示すような電流可逆チョッパを用いても構わない。

図９は、太陽光パネルの出力特性を示す。この出力電流は、日射量や温度等によって変化する。図９は、一例として一定の日射量における出力特性を示しており、太陽光パネルは出力電圧が高くなると、その出力電流が急激に減少する特性を有している。したがって、その出力電力はピークのある山型の特性を有し、動作点を最適に選択することで太陽光パネルから取り出し得る電力が最大となる。なお、これらの特性は日射量や温度等の動作条件によって変化するので、最適動作点も適宜変化する。そこで、前述した最大電力追従制御は、太陽光パネルの出力電圧を変化させながら出力電力を検出して、その出力電力が高くなるように出力電圧を調整することで実行される。スイッチング動作を行うチョッパに接続している太陽光パネルに関しては、そのチョッパが太陽光パネルの出力電圧を調整することで最大電力追従制御を行う。一方、スイッチング動作を停止するチョッパに接続している太陽光パネルに関しては、インバータ3がその直流電圧を調整することで最大電力追従制御を行う。このように、チョッパ2a〜2n及びインバータ3が最大電力追従制御を行うことで、常に動作点は最適に制御される。

図１０は、太陽光パネル1a〜1nの出力電圧の最大値がインバータ入力電圧下限値未満の場合の動作を示す。この場合は、いずれのチョッパもスイッチング動作を継続する。太陽光パネルの最大電力追従制御はそれぞれが接続しているチョッパが太陽光パネルの出力電圧を調整することで行う。したがって、太陽光パネル1a〜1nの出力電圧はそれぞれの太陽光パネルの最適動作点になるように調整される。

図１１は、太陽光パネル1a〜1nの出力電圧の最大値がインバータ入力電圧下限値以上の場合の動作を示す。この場合は、最も高い電圧を出力している太陽光パネルに接続しているチョッパのスイッチング動作を停止する。図１１では太陽光パネル1aの動作点の電圧が最も高く、更にインバータ入力電圧下限値以上の例を示す。この場合、太陽光パネル1aに接続しているチョッパ2aのスイッチング動作を停止する。太陽光パネル1aの最大電力追従制御はインバータ3がその直流電圧を調整することで行う。したがって、インバータ3の直流電圧は太陽光パネル1aの最適動作点になるように調整される。一方、その他の太陽光パネルの最大電力追従制御はそれぞれが接続しているチョッパが太陽光パネルの出力電圧を調整することで行う。したがって、その他の太陽光パネルの出力電圧はそれぞれの太陽光パネルの最適動作点になるように調整される。

以上のような構成とすることで、複数の太陽光パネルを備えた太陽光発電用電力変換装置において、日射量の変化に応じて適切にスイッチング動作を停止するチョッパを選択することができる。また、スイッチング動作を停止するチョッパに接続する太陽光パネルに関してはインバータが直流電圧を調整することで最大電力追従制御が可能となり、その他の太陽光パネルに関してはそれぞれに接続するチョッパが太陽光パネルの出力電圧を調整することで最大電力追従制御が可能となる。これにより、チョッパのスイッチング損失を低減しつつ、全ての太陽光パネルにおいて最大電力追従制御が可能となる。

図１２は、太陽光パネルの代わりに蓄電池30a〜30nが接続された構成を示す。また、チョッパとしては電流可逆チョッパ31a〜31nを用いる。電流可逆チョッパ31a〜31nを用いることで蓄電池30a〜30nの充放電が可能となる。このような構成においても、蓄電池30a〜30nの出力電圧に応じて、適切にスイッチング動作を停止するチョッパを選択することで、チョッパのスイッチング損失を低減することができる。すなわち、蓄電池30a〜30nの出力電圧の中で最も高い電圧がインバータ入力電圧下限値以上の場合は、その電圧を出力している蓄電池に接続しているチョッパのスイッチングを停止し、その他のチョッパのスイッチングは継続する。また、蓄電池30a〜30nの出力電圧の中で最も高い電圧がインバータ入力電圧下限値未満の場合は、全てのチョッパのスイッチングを継続する。

図１３は、太陽光パネルと蓄電池が混在して接続された構成を示す。図１３では一例として太陽光パネル1b〜1n、蓄電池30aが接続された構成となっているが、太陽光パネル及び蓄電池の組合せはこれ以外の構成でも構わない。蓄電池30aに接続しているチョッパとしては電流可逆チョッパ31aを用いることで蓄電池30aの充放電が可能となる。このような構成においても、蓄電池30a、太陽光パネル1b〜1nの出力電圧に応じて、適切にスイッチング動作を停止するチョッパを選択することで、チョッパのスイッチング損失を低減することができる。すなわち、蓄電池30a、太陽光パネル1b〜1nの出力電圧の中で最も高い電圧がインバータ入力電圧下限値以上の場合は、その電圧を出力している蓄電池あるいは太陽光パネルに接続しているチョッパのスイッチングを停止し、その他のチョッパのスイッチングは継続する。また、蓄電池30a、太陽光パネル1b〜1nの出力電圧の中で最も高い電圧がインバータ入力電圧下限値未満の場合は、全てのチョッパのスイッチングを継続する。

1a〜1n：太陽光パネル
2a〜2n：チョッパ
3：インバータ
4：電力系統
5a〜5n：電圧検出器
6a〜6n：電流検出器
7：電圧検出器
8：電圧検出器
9：電流検出器
10：制御回路
11：停止チョッパ選択部
12：チョッパ制御部
13：インバータ制御部
14：最大電圧出力パネル選択器
15：比較器
16：判定器
17a〜17n：MPPT制御部
18a〜18n：PWM制御部
19：インバータ制御部
20：選択器
21：MPPT制御部
22：選択器
23：直流電圧制御部
24：電流制御部
25：PWM制御部
26：リアクトル
27：半導体スイッチング素子
28：整流ダイオード
29：コンデンサ
30a〜30n：蓄電池
31a〜31n：電流可逆チョッパ
32：制御回路
33：制御回路

Claims

発電設備に接続される複数のチョッパを備え、前記チョッパの出力電力を入力として交流電力を系統へ出力するインバータを備えた電力変換装置において、
前記複数のチョッパのうち前記チョッパの入力電圧が所定値よりも大きいチョッパを特定するチョッパ選択部と、
前記特定されたチョッパのスイッチング動作を停止し、それ以外のチョッパはスイッチング動作を行うチョッパ制御部と、
を有する電力変換装置。
請求項１に記載の電力変換装置において、
前記所定値は、前記インバータの入力電圧の下限値である電力変換装置。
請求項１に記載の電力変換装置において、
前記チョッパ選択部は、前記複数のチョッパのうち、最も前記出力電圧が大きいチョッパを特定し、
前記チョッパ制御部は、前記特定されたチョッパのスイッチング動作を停止し、それ以外のチョッパはスイッチング動作を行う電力変換装置。
請求項１に記載の電力変換装置において、
前記インバータを駆動するためのゲートパルス信号を出力するインバータ制御部を有し、
前記特定のチョッパのスイッチング動作を停止した場合には、前記インバータ制御部が直流電圧を調整することにより前記特定のチョッパの最大電力追従制御を行う電力変換装置。
請求項４に記載の電力変換装置において、
前記チョッパ制御部は、前記特定のチョッパ以外のチョッパにおける入力電圧を調整することにより最大電力追従制御を行う電力変換装置。
請求項１に記載の電力変換装置において、
前記チョッパ選択部は、前記チョッパの入力電圧に代えて、前記発電設備の出力電圧に基づいて所定値よりも大きいチョッパを特定する電力変換装置。
発電設備と、
前記発電設備に接続された複数のチョッパおよび前記チョッパの出力電力を入力として交流電力を系統へ出力するインバータを備えた電力変換装置と、
を有する発電システムにおいて、
前記複数のチョッパのうち前記チョッパの入力電圧が所定値よりも大きいチョッパを特定するチョッパ選択部と、
前記特定されたチョッパのスイッチング動作を停止し、それ以外のチョッパはスイッチング動作を行うチョッパ制御部と、
を有する発電システム。
請求項７に記載の発電システムにおいて、
前記発電設備は太陽光パネルまたは蓄電池である発電システム。