JP2017055535A - 太陽光発電用電力変換装置および太陽光発電システム - Google Patents

Abstract

【課題】出力電力抑制指令に従って、太陽光発電用電力変換装置が適切に出力抑制することができる制御装置等を提供することを目的とする。【解決手段】太陽光パネルの出力する直流電力を交流電力に変換して系統に出力する太陽光発電用電力変換装置において、太陽光発電用電力変換装置は、系統への出力に対して出力抑制指令を受信した場合において、太陽光パネルの電圧を上昇させると電力変換装置の出力が増加傾向にあることを検出した場合には、電力変換装置を停止させる制御部を有する太陽光発電用電力変換装置。【選択図】 図７

Description

本発明は太陽光発電用電力変換装置および太陽光発電システムに関する。

太陽光発電用電力変換装置は、太陽光パネルで発電された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電力変換装置である。

太陽光発電用電力変換装置の一例として、チョッパと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力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。また、他の一例として、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、一般的に、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パネル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、チョッパあるいはインバータが太陽光パネルのパネル電圧を調整することで行う。

一方で、電力は需要と供給のバランスを常に図る必要がある。電力の需要に対して供給が多すぎる場合には、停電が発生するなど電力の安定供給に支障をきたす恐れがある。このような状況を避けるために、太陽光発電用電力変換装置においては、電力会社からの出力指令に従って太陽光パネルの出力を制御することが求められる。特許文献１には、出力電力抑制が求められた場合、出力電力抑制指令に従って、最大電力追従制御を停止し、出力電力を抑制する太陽光発電用電力変換装置が記載されている。

特開２０１３−１８３５７８号公報

しかし、出力電力抑制指令に従って、最大電力追従制御を停止し、出力電力を抑制する場合、太陽光パネルの出力特性によっては出力電力抑制を達成できない場合がある。例えば、雲などの影響で太陽光パネルに影が掛かると、太陽光パネルの出力特性が大きく変化する場合がある。具体的には、図５に記載のような1点の最大値を有するような凸形状の出力特性を取らず、図７のように複数の凸形状を有する出力特性を有する場合がある。
このような複数の凸形状を有する出力特性を有する太陽光発電用電力変換装置において、特許文献１のように、最大電力追従制御を停止し、入力電力を減少させる制御を行うと、出力電力抑制指令が出されているにも関わらず、出力が上昇傾向に転じる状況が生じてしまう。

本発明は、出力電力抑制指令に従って、太陽光発電用電力変換装置が適切に出力抑制することができる制御装置等を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、例えば、太陽光パネルの出力する直流電力を交流電力に変換して系統に出力する太陽光発電用電力変換装置において、太陽光発電用電力変換装置は、系統への出力に対して出力抑制指令を受信した場合において、太陽光パネルの電圧を上昇させると電力変換装置の出力が増加傾向にあることを検出した場合には、電力変換装置を停止させる制御部を有する太陽光発電用電力変換装置を有することを特徴とする。

本発明によれば、出力電力抑制指令に従って、太陽光発電用電力変換装置が適切に出力抑制することができる制御装置等を提供することが可能となる。

本実施例における太陽光発電用電力変換装置３０を含む太陽光発電システムの構成図である。 制御部10の機能ブロック図である。 インバータ制御部11の機能ブロック図である。 チョッパ制御部12の機能ブロック図である。 本実施例との比較例である太陽光パネル1の出力特性および動作点の動作例である。 図５に記載の太陽光パネル１の出力特性における太陽光パネル1のパネル電圧、インバータ出力電力の動作波形例である。 本実施例における太陽光パネル1の出力特性および動作点の動作例である。 太陽光パネル及びインバータの動作波形例 本実施例におけるフローチャートに基づく動作を示している 太陽光発電用電力変換装置の第二の実施例の構成を示す。 第二の実施例における制御部21の構成を示す。 第二の実施例におけるインバータ制御部22の構成を示す。

以下、本発明に係る太陽光発電用電力変換装置およびの実施例について図面を参照しながら説明する。

図１は、本実施例における太陽光発電用電力変換装置３０を含む太陽光発電システムの構成図である。

太陽光発電システムは、太陽光パネル1、チョッパ2およびインバータ3からなる太陽光発電用電力変換装置30および電力系統4から構成されている。

太陽光パネル1の出力部はチョッパ2の入力部に接続され、チョッパ2の出力部はインバータ3の直流部と接続され、インバータ3の交流部は三相の電力系統4に接続されている。チョッパ2は、太陽光パネル1の発電する直流電力を昇圧し、インバータ3の直流部に直流電力を供給する機能を有する。インバータ3は、チョッパ2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。

太陽光パネル１の出力部側には電圧検出器5が設けられ、太陽光パネル1のパネル電圧を検出する。なお、太陽光パネル1のパネル電圧はチョッパ2の入力電圧と同じであるため、電圧検出器5はチョッパ2の入力電圧を検出できるといえる。また、太陽光パネル１の出力部側には電流検出器6が設けられており、太陽光パネル1の出力電流を検出する。なお、太陽光パネル1の出力電流はチョッパ2の入力電流と同じであるため、電流検出器6はチョッパ2の入力電流を検出できるといえる。インバータ3の入力部側には電圧検出器7が設けれ、インバータ3の直流電圧を検出する。また、インバータ3の出力部側に設けられる電圧検出器8によって、電力系統4の系統電圧を検出する。さらに、インバータ3の出力部側に設けられた電流検出器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。

制御部10には、電圧検出器5、電流検出器6、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が入力される。更に、制御部10は、太陽光発電用電力変換装置２１の出力を抑制するための信号である出力抑制指令が、外部から入力される。このように入力された電圧検出値、電流検出値、出力抑制指令に基づいて、所定の演算を行い、チョッパ2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、本実施例では制御部10は、太陽光発電用電力変換装置３０内に設けられている場合を示しているが、電圧検出器5、電流検出器6、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の入力は、別体の制御部10によって行われるようにしてもよい。

図２は、制御部10の機能ブロック図である。

制御部10は、インバータ制御部11およびチョッパ制御部12を有している。インバータ制御部11は、インバータ3の直流電圧、系統電圧および系統へ流れる出力電流を入力として、インバータ3を駆動するためのゲートパルス信号及びインバータ3の出力電力を出力する。チョッパ制御部12は、太陽光パネル1のパネル電圧、出力電流、出力抑制指令およびインバータ3の出力電力を入力として、チョッパ2を駆動する為のゲートパルス信号を出力する。

図３は、インバータ制御部11の機能ブロック図である。

インバータ制御部11は、直流電圧制御部13、電流制御部14、PWM制御部15および出力演算部16を有している。直流電圧制御部13は、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が出力する電流の指令を作成する。電流制御部14は、直流電圧制御部13の出力する電流の指令と、電力系統4の系統電圧と、インバータ3から電力系統4へ流れる出力電流とを入力として、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15は、電流制御部14が出力する電圧の指令を入力として、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。出力演算部16は、電力系統4の系統電圧と、インバータ3から電力系統4へ流れる出力電流とを入力として、インバータ3が出力する電力を演算し出力する。

図４は、チョッパ制御部12の機能ブロック図である。

チョッパ制御部12は、MPPT制御部17、出力比較部18、出力制御部19およびPWM制御部20を有している。

MPPT制御部17は、太陽光パネル1のパネル電圧及び出力電流を入力として、太陽光パネル1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1のパネル電圧指令を出力する。出力比較部18は、出力抑制指令とインバータ3の出力電力を入力として、それらの大小を比較し、その比較結果を出力する。出力制御部19は、MPPT制御部17の出力する太陽光パネル1のパネル電圧指令と出力比較部18の出力する比較結果とを入力とし、補正した太陽光パネル1のパネル電圧指令及びチョッパ2を運転するか停止するかを決める運転指令を出力する。PWM制御部20は、出力制御部19の出力する補正した太陽光パネル1のパネル電圧指令及び運転指令を入力としてPWM(Pulse Width Modulation)制御を行い、チョッパ2を駆動するためのゲートパルス信号を出力する。チョッパ2を停止する場合はゲートパルス信号の出力を停止する。

図５は、本実施例との比較例である太陽光パネル1の出力特性および動作点の動作例である。

太陽光パネル1は、通常はその出力電力はピークのある凸型の特性を有する。このような特性においては、最大電力追従制御により太陽光パネル1から取り出し得る電力が最大になるように最大電力追従制御を行い、凸型のピークである動作点（1）で動作する。この時のパネル電圧をVoptとする。

一方、外部から、パネル出力がP1になるような出力抑制指令が与えられると、太陽光パネル1のパネル電圧を増加させることで太陽光パネル1の出力電力を低減させ、出力抑制指令で定められる動作点（2）まで動作点を移動させる。この時のパネル電圧をVcompとする。このような動作点の移動はチョッパ制御部12の制御により実現される。

このように１つの凸型を有する出力特性を有する場合においては、チョッパ制御部１２は、MPPT制御部17が最大電力追従制御を行い、動作点が（1）になるようにパネル電圧指令を出力する。そして、インバータ3の出力電力よりも小さな出力抑制指令が与えられていない限りは、出力制御部19はMPPT制御部17が出力するパネル電圧指令を特に補正せずにそのまま出力する。一方、インバータ3の出力電力が出力抑制指令よりも大きい場合には、出力制御部19はMPPT制御部17が出力するパネル電圧指令を補正して、その補正したパネル電圧指令を出力する。

図６は、図５に記載の太陽光パネル１の出力特性における太陽光パネル1のパネル電圧、インバータ出力電力の動作波形例である。

時刻0〜T1では、破線で示した出力抑制指令がインバータ出力電力よりも大きいため、パネル電圧はVoptで動作する（動作点（1））。次に、時刻T1〜T2では、インバータ出力電力が出力抑制指令よりも大きいため、インバータ出力電力が出力抑制指令より大きくならないようにパネル電圧をVcompまで上昇させる（動作点（2））。時刻T2以降は、パネル電圧をVcompで維持する（動作点（2））。このような動作により、出力抑制指令に応じてインバータ3の出力電力を制御することが可能である。

図７は、本実施例における太陽光パネル1の出力特性および動作点の動作例である。

太陽光パネル１は、部分影の影響など周囲環境によって、図５に示すような１つの凸形状をもつ特性からその特性が変化するが、その一例が図７に示したような特性である。図７は太陽光パネル1の出力電力のピークが二つある場合の例であるが、三つ以上ある場合も同様である。

このような場合において、通常は最大電力追従制御により太陽光パネル1から取り出し得る電力が最大になるよう、凸型のピークであるパネル電圧Voptで動作する（動作点（1））。一方、外部から、パネル出力がP1になるような出力抑制指令が与えられると、太陽光パネル1のパネル電圧を増加させることで太陽光パネル1の出力電力を低減させる。しかし、動作点が極小値（2）に到達した後に、太陽光パネル1のパネル電圧をさらに増加させると、逆に太陽光パネル1の出力電力が増加してしまう。この時のパネル電圧をVcomp1とする（動作点（2））。そこで、この場合はチョッパ2をゲートブロックすることで、一旦チョッパ2を停止させパネル電圧を開放端電圧Voにする（動作点（3））。その後、パネル電圧を開放端電圧Voからチョッパ2を再起動する。そして、太陽光パネル1のパネル電圧を低減させることで太陽光パネル1の出力電力を増加させ、出力抑制指令で定められるパネル出力に対応するパネル電圧Vcomp2まで電圧を変化させる（動作点（4））。このような動作点の移動はチョッパ制御部12による昇降圧動作により実現される。

以上のように、本実施例においては、出力抑制指令がなされていない通常時においては、MPPT制御部17が最大電力追従制御を行うことで、動作点が（1）になるようにパネル電圧指令を出力する。すなわち、インバータ3の出力電力よりも小さな出力抑制指令が与えられていない限りは、出力制御部19はMPPT制御部17が出力するパネル電圧指令を特に補正せずにそのまま出力する。

なおここで、上述のように出力抑制指令によりパネル出力を低減させる場合に、太陽光パネル１のパネル電圧動作点（1）からパネル電圧を下げることで低減を図ると、パネル電流が増加するので、太陽光発電用電力変換装置３０で熱が発生してしまう。そこで、本実施例においては、上述のように動作点（1）からパネル電圧増加方向に制御を行う。

また、出力抑制指令によりパネル出力を低減させる場合に、太陽光パネル１のパネル電圧動作点（2）から動作点（3）に遷移する場合において、パネル電圧を上昇させながら遷移させると、太陽光パネル1の出力特性に則ったパネル出力となる。つまり出力抑制指令が出されているにも関わらずパネル出力が一時上昇してしまう。よって、本実施例においては、上述のように動作点（2）まで到達したらパネル電圧を開放端電圧V₀にすることによりパネル出力の上昇を防ぐことができる。

一方、出力抑制指令が出され、インバータ3の出力電力が出力抑制指令よりも大きい場合には、出力制御部19はMPPT制御部17が出力するパネル電圧指令を補正して、その補正したパネル電圧指令を出力する。ただし、パネル電圧指令を増加してもインバータ3の出力電力が低減しない場合、すなわち出力電力が増加傾向にある場合には、出力制御部19はチョッパ2を停止する指令を出力し、PWM制御部20はゲートパルス信号の出力を停止することで、チョッパ2が動作を停止する。そして、出力制御部19は、パネル電圧指令として、太陽光パネル1の開放端電圧Voを出力すると同時にチョッパ2を運転する指令を出力することで、太陽光パネル1のパネル電圧を開放端電圧Voの状態からチョッパ2を再起動する。そして、出力制御部19は、開放端電圧Voから減少するようにパネル電圧指令を補正して、その補正したパネル電圧指令を出力する。

図８は、本実施例における太陽光パネル1のパネル電圧、インバータの出力電力の動作波形例である。

時刻0〜T1では、破線で示した出力抑制指令がインバータ出力電力よりも大きいため、パネル電圧は動作点（1）であるVoptで動作する。次に、時刻T1〜T2では、インバータ出力電力が出力抑制指令よりも大きいため、インバータ出力電力が低減するようにパネル電圧を上昇させる。しかし、パネル電圧がVcomp1に到達するとインバータ出力電力が増加傾向となるため、チョッパ2を停止し、パネル電圧を開放端電圧Voからチョッパ2を再起動する。つまり、電力変換装置の出力を抑制しようとする場合、電力変換装置の出力が増加傾向にあることを検知した場合には、チョッパ2を停止させ、パネル電圧を開放端電圧にする。次に、時刻T2〜T3では、インバータ出力電力が出力抑制指令より大きくならないようにパネル電圧をVcomp2まで減少させる。時刻T3以降はパネル電圧をVcomp2で維持する。このような動作により、出力抑制指令に応じたインバータ3の出力電力を抑制することが可能である。

以上のような構成とすることで、出力電力抑制指令に従って、太陽光発電用電力変換装置が適切に出力抑制することが可能となる。また、太陽光パネルの出力特性によらず、太陽光発電用電力変換装置の出力を増加させることなく抑制することが可能となる。また、出力電力抑制指令の範囲内で出来るだけ発電することも可能となる。

図９は、本実施例におけるフローチャートに基づく動作を示している。

まず、出力抑制指令値が成されているかを制御部１０において判定する（S９０１）。出力抑制指令値がなされていない場合は（S９０１のNO）、最大電力追従制御を行い（S９０２）、制御は終了する。

一方、出力抑制指令値がなされてる場合は（S９０１のYES）、出力抑制指令値がインバータ出力電力よりも大きいかを制御部１０において判定する（S９０３）。出力抑制指令値がインバータ出力電力よりも大きい場合には（S９０３のYES）、最大電力追従制御を行い（S９０２）、制御は終了する。一方、出力抑制指令値がインバータ出力電力よりも小さい場合には（S９０３のNO）、パネル電圧を上昇させるとともに（S９０４）、電力変換装置の出力が上昇傾向かを判定する（S905）。上昇傾向である場合は、電力変換装置を停止させる（S906）。一方、減少傾向である場合は、パネル電圧を引き続き上昇させる（S９０７）。

図１０は、太陽光発電用電力変換装置の第二の実施例の構成を示す。

第二の実施例は、第一の実施例における太陽光発電用電力変換器３０が、インバータ３のみで構成されている点が異なる。

太陽光パネル1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。インバータ3は、太陽光パネル1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5は、太陽光パネル1のパネル電圧を検出する。なお、太陽光パネル1のパネル電圧はインバータ3の直流電圧と同じであるため、電圧検出器5はインバータ3の直流電圧も検出できる。電流検出器6は太陽光パネル1の出力電流を検出する。なお、太陽光パネル1の出力電流はインバータ3の直流部への入力電流と同じであるため、インバータ3の直流部への入力電流も検出できる。電圧検出器8は、電力系統4の系統電圧を検出する。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。電圧検出器5、電流検出器6、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、制御部21に入力される。また、制御部21には太陽光発電用電力変換装置の出力を抑制するための信号である出力抑制指令が外部から入力される。制御部21は入力された電圧検出値や電流検出値や出力抑制指令に基づいて所定の演算を行い、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１１は、制御部21の構成を示す。制御部21はインバータ制御部22を有しており、インバータ制御部22は太陽光パネル1のパネル電圧及び出力電流、出力抑制指令、系統電圧、系統へ流れる出力電流を入力として、インバータ3を駆動するためのゲートパルス信号を出力する。

図１２は、インバータ制御部22の構成を示す。

インバータ制御部22は、MPPT制御部23、出力演算部24、出力比較部25、出力制御部26、直流電圧制御部27、電流制御部28およびWM制御部29を有する。

MPPT制御部23は、太陽光パネル1のパネル電圧及び出力電流を入力として、太陽光パネル1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1のパネル電圧指令を出力する。出力演算部24は、電力系統4の系統電圧と、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、インバータ3が出力する電力を演算して出力する。出力比較部25は、出力抑制指令とインバータ3の出力電力を入力として、それらの大小を比較し、その比較結果を出力する。出力制御部26は、MPPT制御部23の出力する太陽光パネル1のパネル電圧指令と出力比較部25の出力する比較結果を入力とし、補正したパネル電圧指令及びインバータ3を運転するか停止するかを決める運転指令を出力する。直流電圧制御部27は、出力制御部26の出力する太陽光パネル1の補正したパネル電圧指令と太陽光パネル1のパネル電圧を入力として、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28は、直流電圧制御部27の出力する電流指令と、電力系統4の系統電圧と、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29は、電流制御部28が出力する電圧指令、出力制御部26が出力する運転指令を入力として、インバータ3を運転する場合は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。インバータ3を停止する場合はゲートパルス信号の出力を停止する。

このような構成においても、出力電力抑制指令に従って、太陽光発電用電力変換装置の出力を抑制することが可能となる。第一の実施例ではチョッパ2がパネル電圧を変化させることでパネル出力を制御するが、第二の実施例ではインバータ3がパネル電圧を変化させることでパネル出力を制御する。第二の実施例においては、第一の実施例の場合と比較して、部品点数の削減、効率の向上が実現できる。なお、第一の実施例で示した図５〜図９の動作例は第二の実施例でも全く同様である。

1：太陽光パネル
2：チョッパ
3：インバータ
4：電力系統
5：電圧検出器
6：電流検出器
7：電圧検出器
8：電圧検出器
9：電流検出器
10：制御部
11：インバータ制御部
12：チョッパ制御部
13：直流電圧制御部
14：電流制御部
15：PWM制御部
16：出力演算部
17：MPPT制御部
18：出力比較部
19：出力制御部
20：PWM制御部
21：制御部
22：インバータ制御部
23：MPPT制御部
24：出力演算部
25：出力比較部
26：出力制御部
27：直流電圧制御部
28：電流制御部
29：PWM制御部
30：太陽光発電用電力変換装置

Claims (7)

1. 太陽光パネルの出力する直流電力を交流電力に変換して系統に出力する太陽光発電用電力変換装置において、
   前記太陽光発電用電力変換装置は、
   前記系統への出力に対して出力抑制指令を受信した場合において、前記太陽光パネルの電圧を上昇させると前記電力変換装置の出力が増加傾向にあることを検出した場合には、前記電力変換装置を停止させる制御部を有する太陽光発電用電力変換装置。
2. 前記出力指令は、前記電力変換装置の出力を、現時点の出力よりも抑制する指令である請求項１に記載の太陽光発電用電力変換装置。
3. 前記電力変換装置を停止後に運転を再開する場合は、前記太陽光パネル端の電圧をパネル開放端電圧から電圧を下降させる請求項１または２に記載の太陽光発電用電力変換装置。
4. 前記出力抑制指令で定められるパネル出力にする場合には、前記太陽光パネル端の電圧をパネル開放端電圧から電圧を下降させる請求項１または２に記載の太陽光発電用電力変換装置。
5. 太陽光パネルの出力する直流電力を交流電力に変換して系統に出力する太陽光発電用電力変換装置において、
   前記太陽光発電用電力変換装置は、
   前記系統への出力に対する出力抑制指令に応じて前記太陽光パネルの電圧を上昇させる場合に、前記電力変換装置の出力が増加傾向にあることを検出した場合には、パネル電圧を開放端電圧にする制御部を有する太陽光発電用電力変換装置。
6. 前記電力変換装置は、チョッパ及びインバータから構成される、またはインバータから構成される請求項１〜５の何れかに記載の太陽光発電用電力変換装置。
7. 太陽光パネルと、
   太陽光パネルの出力する直流電力を交流電力に変換して系統に出力する太陽光発電用電力変換装置と、
   を有する太陽光発電システムにおいて、
   前記太陽光発電用電力変換装置は、
   前記系統への出力に対して出力抑制指令が出された場合において、前記太陽光パネルの電圧を上昇させると前記電力変換装置の出力が増加傾向にある場合には、前記電力変換装置を停止させる制御部を有する太陽光発電システム。

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