JP2017175826A - 電力変換システム、電力変換装置 - Google Patents

電力変換システム、電力変換装置 Download PDF

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Akihiro Kikuchi
彰洋 菊池
祐輔 岩松
Yusuke Iwamatsu
祐輔 岩松
守雄 中村
Morio Nakamura
守雄 中村
藤井 裕之
Hiroyuki Fujii
裕之 藤井
直生 辻本
Naoki Tsujimoto
直生 辻本
賢治 花村
Kenji Hanamura
賢治 花村
直章 藤居
Naoaki Fujii
直章 藤居
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Hirokazu Hayashi
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Abstract

【課題】昇圧用のDC−DCコンバータの電圧制御可能な範囲を超える電力が太陽電池で発電されている場合でも、太陽電池の最大電力点で動作させる。
【解決手段】DC−DCコンバータ11は、太陽電池2から供給される直流電力を別の電圧の直流電力に変換し、当該直流電力を直流バス30に出力する。インバータ21は、直流バス30から入力される直流電力を交流電力に変換し、当該交流電力を系統3に出力する。制御部12、22は、太陽電池2の出力電力が最大になるようDC−DCコンバータ11を制御するとともに、直流バス30の電圧が目標電圧を維持するようインバータ21を制御する。制御部12、22は、太陽電池2の動作点電圧が、直流バス30の予め設定された目標電圧より高い場合、直流バス30の目標電圧として前記動作点電圧を使用する。
【選択図】図1

Description

本発明は、太陽電池で発電された直流電力を交流電力に変換する電力変換システム、電力変換装置に関する。
従来より、太陽電池の発電電力を最大限に取得するための制御として、MPPT (Maximum Power Point Tracking) 制御が良く利用されている。MPPT制御は、太陽電池の動作電圧(出力電圧)を所定のステップ幅で変動させ、太陽電池の最大電力点を探索する制御である。MPPT制御は通常、太陽電池とインバータの間に設けられる昇圧回路により実行され、最大電力点の発電電力が直流バスを介してインバータに出力される。インバータは、直流バスを介して入力される発電電力(直流電力)を交流電力に変換して商用電力系統(以下単に、系統という)に出力する(例えば、特許文献1参照)。
インバータは、直流バスの電圧が系統の電圧より高くなるように、当該直流バスの電圧を制御して系統に電力を出力する。この際、直流バスの電圧が系統の電圧に近いほど変換損失を小さくできる。
特開2013−90364号公報
近年、太陽電池パネルの性能が向上してきており、最大電力点の動作電圧が高いパネルも市販されている。これに伴い、太陽電池の最大電力点の動作電圧が、昇圧回路の電圧制御可能な範囲を超えるケースが発生している。この場合、昇圧回路で太陽電池の動作点を制御することが困難になる。
本発明はこうした状況に鑑みなされたものであり、その目的は、昇圧用のDC−DCコンバータの電圧制御可能な範囲を超える電力が太陽電池で発電されている場合でも、太陽電池の最大電力点で動作させることができる電力変換システム、電力変換装置を提供することにある。
上記課題を解決するために、本発明のある態様の電力変換システムは、太陽電池から供給される直流電力を別の電圧の直流電力に変換し、当該直流電力を直流バスに出力するDC−DCコンバータと、前記直流バスから入力される直流電力を交流電力に変換し、当該交流電力を系統に出力するインバータと、前記太陽電池の出力電力が最大になるよう前記DC−DCコンバータを制御するとともに、前記直流バスの電圧が目標電圧を維持するよう前記インバータを制御する制御部と、を備える。前記制御部は、前記太陽電池の動作点電圧が、前記直流バスの予め設定された目標電圧より高い場合、前記直流バスの目標電圧として前記動作点電圧を使用する。
本発明によれば、昇圧用のDC−DCコンバータの電圧制御可能な範囲を超える電力が太陽電池で発電されている場合でも、太陽電池の最大電力点で動作させることができる。
本発明の実施の形態1に係る電力変換システムを説明するための図である。 実施の形態1に係る太陽電池のP−V特性の一例を示す図である。 実施の形態1の実施例1に係るDC−DCコンバータ及びインバータの制御方法を示すフローチャートである。 実施の形態1の実施例2に係るDC−DCコンバータ及びインバータの制御方法を示すフローチャートである。 本発明の実施の形態2に係る電力変換システムを説明するための図である。 実施の形態2に係る複数の太陽電池ストリングのP−V特性の一例を示す図である。 実施の形態2の実施例1に係るDC−DCコンバータ及びインバータの制御方法を示すフローチャートである。 実施の形態2の実施例2に係るDC−DCコンバータ及びインバータの制御方法を示すフローチャートである。 実施の形態2の変形例に係るDC−DCコンバータ及びインバータの制御方法を示すフローチャートである。 本発明の実施の形態3に係る電力変換システムを説明するための図である。 一体型の電力変換システムの一例を示す図である。
図1は、本発明の実施の形態1に係る電力変換システム1を説明するための図である。実施の形態1は太陽電池が集中型で構成される例である。図1の太陽電池2は、複数の太陽電池パネルと、複数の太陽電池パネルの出力を1系統に接続する接続箱の総称である。また実施の形態1では太陽電池2で発電された電力を別の電圧の電力に変換するDC−DCコンバータと、別の電圧に変換された直流電力を交流電力に変換するインバータを別の筐体に設置する例を示す。両者を別の筐体に設置することにより、個々の筐体を小型化することができ、設置の柔軟性が向上する。例えば、両者を離れた位置に設置することも可能である。また、新たな太陽電池や蓄電池の増設が容易である。
実施の形態1に係る電力変換システム1は、第1電力変換装置10及び第2電力変換装置20を備え、両者は直流バス30で接続される。第1電力変換装置10はDC−DCコンバータ11及び第1制御部12を含み、第2電力変換装置20はインバータ21及び第2制御部22を含む。
DC−DCコンバータ11は、太陽電池2から供給される直流電力を別の電圧の直流電力に変換し、当該直流電力を直流バス30に出力する。DC−DCコンバータ11は例えば、昇圧チョッパで構成することができる。
第1制御部12は、太陽電池2の出力電力が最大になるようDC−DCコンバータ11を制御する。第1制御部12は、入力電流・電圧検出部121、MPPT制御部122、第1バス電圧検出部123、第1通信部124、第1電圧指令値決定部125及び第1駆動部126を含む。第1制御部12の構成は、ハードウェア資源とソフトウェア資源の協働、またはハードウェア資源のみにより実現できる。ハードウェア資源としてアナログ素子、マイクロコンピュータ、DSP、ROM、RAM、FPGA、その他のLSIを利用できる。ソフトウェア資源としてファームウェア等のプログラムを利用できる。
入力電流・電圧検出部121は、太陽電池2の出力電流および出力電圧である、DC−DCコンバータ11の入力電流および入力電圧を検出する。MPPT制御部122は、検出された入力電流および入力電圧をもとに計測された太陽電池2の発電電力が最大電力点(最適動作点)となるよう制御する。具体的には山登り法に従い動作点電圧を所定のステップ幅で変化させて最大電力点を探索し、太陽電池2の出力電力が最大電力点を維持するよう制御する。
第1バス電圧検出部123は、直流バス30の電圧を検出して第1電圧指令値決定部125に出力する。第1通信部124は、第2電力変換装置20の第2通信部224と通信する。第1制御部12の第1通信部124と第2制御部22の第2通信部224間は通信線40で接続される。例えばRS−485規格に対応したケーブルで接続され、当該規格に準拠した通信方式に従いシリアル通信する。
第1電圧指令値決定部125は、MPPT制御部122から供給される動作点電圧と、第1バス電圧検出部123により検出される直流バス電圧との差分をもとに電圧指令値を生成し、第1駆動部126に出力する。第1駆動部126は当該電圧指令値をもとに駆動信号を生成し、DC−DCコンバータ11のデューティ制御用のスイッチング素子を駆動する。スイッチング素子には例えば、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)又はMOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)を使用することができる。第1駆動部126は例えば、当該電圧指令値と搬送波(三角波)を比較するコンパレータを含み、当該コンパレータは、当該電圧指令値と搬送波の比較結果に応じたPWM信号を駆動信号として上記スイッチング素子のゲート端子に出力する。
インバータ21は、直流バス30から入力される直流電力を交流電力に変換し、当該交流電力を系統3に出力する。インバータ21は例えば、4つのスイッチング素子をブリッジ接続したブリッジ回路を含む。当該スイッチング素子のデューティを制御することにより、インバータ21の出力を調整することができる。
第2制御部22は、直流バス30の電圧が目標電圧を維持するようインバータ21を制御する。第2制御部22は、第2バス電圧検出部221、系統電流・電圧検出部223、第2通信部224、第2電圧指令値決定部225及び第2駆動部226を含む。第2制御部22の構成は、ハードウェア資源とソフトウェア資源の協働、またはハードウェア資源のみにより実現できる。ハードウェア資源としてアナログ素子、マイクロコンピュータ、DSP、ROM、RAM、FPGA、その他のLSIを利用できる。ソフトウェア資源としてファームウェア等のプログラムを利用できる。
第2バス電圧検出部221は、直流バス30の電圧を検出して第2電圧指令値決定部225に出力する。系統電流・電圧検出部223は、第2電力変換装置20と系統3間を繋ぐ配電線の電流および電圧を検出する。当該配電線には負荷4が接続され、負荷4の使用状態により当該配電線に流れる電流が変化する。当該配電線の電圧は、停電にならない限り系統3の電圧で規定される。
第2通信部224は、第1電力変換装置10の第1通信部124と通信する。上述のように両者は通信線40で接続される。
第2電圧指令値決定部225は、予め設定された直流バス電圧の目標値と、第2バス電圧検出部221により検出されるバス電圧との差分をもとに電圧指令値を生成する。当該目標値は、系統電圧(例えば、AC200V)より高い電圧であって、できるだけ系統電圧に近い値に設定される。例えば、DC320Vに設定される。直流バス30の電圧と系統電圧の差が小さいほどインバータ21(具体的にはスイッチング素子)での変換損失が少なく、高効率な電力変換が可能となる。
第2電圧指令値決定部225は、上記目標値と検出されたバス電圧の差分にもとづく電圧指令値と、系統電流・電圧検出部223により検出された配電線の電圧との差分をもとに最終的な電圧指令値を生成し、第2駆動部226に出力する。第2駆動部226は当該電圧指令値をもとに駆動信号を生成し、インバータ21のデューティ制御用のスイッチング素子を駆動する。
以上が第1電力変換装置10及び第2電力変換装置20の基本処理である。当該基本処理は、太陽電池2の最大電力点の動作電圧が、DC−DCコンバータ11による昇圧可能な電圧範囲内の場合を想定している。これに対して、太陽電池2の最大電力点の動作電圧が、DC−DCコンバータ11の昇圧制御可能な電圧範囲より上にある場合、DC−DCコンバータ11が太陽電池2の動作電圧を、最大電力点まで制御できなくなる。この場合、太陽電池2の発電能力がフルに発揮できない状態となる。これに対して、制御可能な電圧範囲が広いDC−DCコンバータ11を使用することが考えられるが、高耐圧のDC−DCコンバータ11を使用する必要があり、コスト及び回路面積が増加する。
図2は、実施の形態1に係る太陽電池2のP−V特性の一例を示す図である。図2に示すP−V特性では、太陽電池2の最大電力点の動作電圧が、DC−DCコンバータ11の電圧制御範囲を超えている。そこで実施の形態1では、第2制御部22がインバータ21のバス電圧の目標値を、最大電力点の動作電圧に制御する。これにより太陽電池2の最大電力点の動作電圧が、DC−DCコンバータ11の電圧制御範囲を超える場合でも、太陽電池2を最大電力点で動作させることができる。以下、この制御を実現するための具体的な処理を説明する。
図3は、実施の形態1の実施例1に係るDC−DCコンバータ11及びインバータ21の制御方法を示すフローチャートである。第2制御部22の第2通信部224は、直流バス30の電圧の目標値(デフォルト値または系統電圧から算出される目標値)を通信線40を介して第1制御部12の第1通信部124に通知する(S10)。なお当該目標値を第1制御部12が予め保持している場合、当該通知ステップは省略される。以下の説明では、直流バス30の電圧の基準となる目標値として、デフォルト値を使用する例を示す。なお当該目標値に系統電圧から算出される目標値を使用してもよい。
第1電力変換装置10の入力電流・電圧検出部121は、DC−DCコンバータ11の入力電流および入力電圧を検出し、太陽電池2の発電電力を計測する(S11)。第1電圧指令値決定部125は太陽電池2の動作点電圧と、バス電圧の目標値を比較する(S12)。動作点電圧がバス電圧の目標値以下の場合(S12のN)、MPPT制御部122は、太陽電池2の動作点電圧を山登り法に従い1ステップ移動(増加または減少)させる(S13)。MPPT制御部122は太陽電池2の最大電力点を検出したか否か判定する(S14)。例えば、ある動作点を超えて次にその動作点に戻る往復移動したとき、当該動作点を最大電力点として検出する。
最大電力点に到達していない場合(S14のN)、ステップS11に戻る。最大電力点が検出された場合(S14のY)、第1制御部12の第1通信部124は、最大電力点の検出を通信線40を介して第2制御部22の第2通信部224に通知する(S18)。第2制御部22の第2電圧指令値決定部225は、バス電圧の目標値をデフォルト値に維持する(S19)。第1制御部12の第1電圧指令値決定部125は、検出された最大電力点の動作電圧をもとに電圧指令値を設定する(S110)。
ステップS12において、太陽電池2の動作点電圧がバス電圧の目標値より高い場合(S12のY)、第1制御部12の第1通信部124は、当該動作点電圧を含む比較結果を通信線40を介して第2制御部22の第2通信部224に通知する(S15)。第2制御部22の第2電圧指令値決定部225はバス電圧の目標値を、取得した動作点電圧を初期値としたMPPT制御により決定する(S16)。第1制御部12の第1電圧指令値決定部125は、DC−DCコンバータ11の動作を停止させ、入力電力を単純に通過させる(S17)。
図4は、実施の形態1の実施例2に係るDC−DCコンバータ11及びインバータ21の制御方法を示すフローチャートである。第1電力変換装置10の入力電流・電圧検出部121は、DC−DCコンバータ11の入力電流および入力電圧を検出し、太陽電池2の発電電力を計測する(S20)。第1制御部12の第1通信部124は、太陽電池2の動作点電圧を通信線40を介して第2制御部22の第2通信部224に通知する(S21)。MPPT制御部122は、太陽電池2の動作点電圧を山登り法に従い1ステップ移動(増加または減少)させる(S22)。MPPT制御部122は太陽電池2の最大電力点を検出したか否か判定する(S23)。
最大電力点に到達していない場合(S23のN)、ステップS20に戻る。最大電力点が検出された場合(S23のY)、第1電圧指令値決定部125は、検出された最大電力点の動作電圧をもとに電圧指令値を設定する(S28)。
第2制御部22の第2電圧指令値決定部225は、取得した太陽電池2の動作点電圧と、バス電圧の目標値(デフォルト値)を比較する(S24)。動作点電圧がバス電圧の目標値以下の場合(S24のN)、第2電圧指令値決定部225は、バス電圧の目標値をデフォルト値に維持する(S29)。
ステップS24において、動作点電圧がバス電圧の目標値より高い場合(S24のY)、第2制御部22の第2通信部224は、当該比較結果を通信線40を介して第1制御部12の第1通信部124に通知する(S25)。第1制御部12の第1電圧指令値決定部125は、DC−DCコンバータ11の動作を停止させ、入力電力を単純に通過させる(S26)。第2制御部22の第2電圧指令値決定部225はバス電圧の目標値を、MPPT制御により決定する(S27)。
以上説明したように実施の形態1によれば、太陽電池2の最大電力点の動作電圧が、DC−DCコンバータ11の昇圧不能な領域に存在する場合でも、インバータ21により当該動作電圧までバス電圧を昇圧させることにより、太陽電池2の最大電力点を追従し続けることができる。従って太陽電池2から電力変換システム1に入力される電圧範囲の全領域において最大電力点で発電させることができ、太陽電池2の発電能力を常時、フルに活用することができる。
実施の形態1のように分離型の電力変換システム1では、第1電力変換装置10と第2電力変換装置20間でバス電圧の目標値の協調が必要になる。実施例1は最大電力点の動作電圧とバス電圧の目標値との比較を第1電力変換装置10(DC−DCコンバータ側)で行い、実施例2は当該比較を第2電力変換装置20(インバータ側)で行う構成である。前者は処理負荷が分散されるため、演算等による遅延が発生しにくい構成である。後者はインバータ側で目標値が一括管理されるため、外乱ノイズ等の影響によりDC−DCコンバータ側のバス電圧と、インバータ側のバス電圧にばらつきが発生することを防止することができる。
ところで近年、系統に接続される再生可能エネルギーを用いた発電装置(太陽光発電システム、風力発電システムなど)が増加してきており、パワーコンディショナに出力抑制機能が標準搭載されるようになってきている。太陽電池に接続されるパワーコンディショナでは、電気事業者から出力抑制を指示するデマンドレスポンス指令を受信した場合、系統電圧が設定値を上回った場合、パワーコンディショナの温度が設定値を上回った場合などに、系統への出力電力を抑制する。
系統への出力電力を抑制する方法には様々なものがあるが、MPPT制御機能を搭載した電力変換装置では、太陽電池の動作電圧を開放電圧Vocに近づけることにより出力電力を抑制することができる。図2に示す例では、最大電力点から右側へ動作電圧をシフトすることにより出力電力を抑制することができる。
実施の形態1のようにDC−DCコンバータ11に加えて、インバータ21でも太陽電池2の動作電圧を制御可能な構成では、太陽電池2の動作電圧を全範囲に渡り制御可能である。従って太陽電池2の動作電圧を開放電圧Vocに近づけることにより出力電力を抑制する処理を、正確に実行することができる。途中で出力電力を低下できなくなる事態が発生しない。
図5は、本発明の実施の形態2に係る電力変換システム1を説明するための図である。実施の形態1では太陽電池を集中型で構成する例を示したが、実施の形態2では太陽電池をマルチストリング型で構成する例を説明する。実施の形態2では複数の太陽電池ストリングが設けられる。図5では4つの太陽電池ストリング2a−2dが設けられる。また複数の太陽電池ストリング2a−2dごとに複数の第1電力変換装置10a−10d(複数のDC−DCコンバータ11a−11d)が設けられる。複数のDC−DCコンバータ11a−11dの出力側は1つに結合されて直流バス30に接続される。
複数の第1電力変換装置10a−10dのそれぞれの構成および動作は、実施の形態1で説明した第1電力変換装置10の構成および動作と基本的に同じである。実施の形態2に係る第2電力変換装置20の構成および動作も、実施の形態1で説明した第2電力変換装置20の構成および動作と基本的に同じである。以下、実施の形態1との相違点を説明する。
図6は、実施の形態2に係る複数の太陽電池ストリング2a−2dのP−V特性の一例を示す図である。図4に示すP−V特性では4つの太陽電池ストリング2a−2dの内、3つの太陽電池ストリングの最大電力点の動作電圧が、DC−DCコンバータ11の電圧制御範囲を超えている。
図7は、実施の形態2の実施例1に係るDC−DCコンバータ11及びインバータ21の制御方法を示すフローチャートである。当該フローチャートにおいて各第1制御部12a−12dはそれぞれ、図3のフローチャートのステップS11−S14と同様の処理を実行する。最大電力点を検出した(S14のY)、太陽電池ストリングに接続された電力変換装置10の第1制御部12の第1通信部124は、最大電力点の検出を通信線40を介して第2制御部22の第2通信部224に通知する(S18)。第2制御部22の第2電圧指令値決定部225は、全ての太陽電池ストリングが最大電力点を検出した場合(S185のY)、バス電圧の目標値をデフォルト値に維持する(S19)。少なくとも1台の太陽電池ストリングが最大電力点を検出していない場合(S185のN)、ステップS16aに遷移する。第1制御部12の第1電圧指令値決定部125は、検出された最大電力点の動作電圧をもとに電圧指令値を設定する(S110)。
ステップS12において、太陽電池ストリングの動作点電圧がバス電圧の目標値より高い場合(S12のY)、第1制御部12の第1通信部124は、当該動作点電圧と発電電力を含む比較結果を通信線40を介して第2制御部22の第2通信部224に通知する(S15)。第2制御部22の第2電圧指令値決定部225は、取得したデータの内、発電電力が最大の太陽電池ストリングの動作点電圧および発電電力をもとにMPPT制御を行い、バス電圧の目標値を決定する(S16a)。第1制御部12の第1電圧指令値決定部125は、DC−DCコンバータ11の動作を停止させ、入力電力を単純に通過させる(S17)。図6に示す例では、上から2番目のP−V特性を持つ太陽電池ストリングの最大電力点の動作電圧を設定する。
図8は、実施の形態2の実施例2に係るDC−DCコンバータ11及びインバータ21の制御方法を示すフローチャートである。当該フローチャートにおいて各第1制御部12a−12dはそれぞれ、図4のフローチャートのステップS20−S23、S28と基本的に同様の処理を実行する。なお図8のフローチャートのステップ21aでは、第1制御部12の第1通信部124は、太陽電池ストリングの動作点電圧と発電電力を通信線40を介して第2制御部22の第2通信部224に通知する(S21a)。
ステップS24において第2制御部22の第2電圧指令値決定部225は、複数の第1制御部12a−12dから取得した太陽電池ストリングの動作点電圧とバス電圧の目標値(デフォルト値)を比較する(S24)。太陽電池ストリングの動作点電圧がバス電圧の目標値より高い第1電力変換装置10に対して(S24のY)、第2制御部22の第2通信部224は、当該比較結果を通信線40を介して第1制御部12の第1通信部124に通知する(S25)。通知を受けた第1制御部12の第1電圧指令値決定部125は、DC−DCコンバータ11の動作を停止させ、入力電力を単純に通過させる(S26)。第2制御部22の第2電圧指令値決定部225は、複数の第1制御部12a−12dから取得したデータの内、発電電力が最大の太陽電池ストリングの動作点電圧および発電電力をもとにMPPT制御を行い、バス電圧の目標値を決定する(S27a)。
ステップS24の比較において、全ての太陽電池ストリングの動作点電圧がバス電圧の目標値(デフォルト値)以下の場合(S24のN、S285のY)、バス電圧の目標値をデフォルト値に維持する(S29)。少なくとも1台の太陽電池ストリングの動作点電圧がバス電圧の目標値(デフォルト値)より高い場合(S285のN)、ステップS27aに遷移する。
以上説明したように実施の形態2によれば、太陽電池がマルチストリング型の場合であっても、バス電圧の目標値(デフォルト値)より高い、最大電力点の動作電圧の内、最も高い最大電力点の動作電圧をバス電圧の目標値に設定することにより、実施の形態1の効果と同様の効果を奏する。
図7、8のフローチャートでは、バス電圧の目標値(デフォルト値)より高い、最大電力点の動作電圧の内、最も高い最大電力点の動作電圧をバス電圧の目標値に設定したが、バス電圧の目標値(デフォルト値)より高い、複数の最大電力点の動作電圧の平均値または中央値をバス電圧の目標値に設定してもよい。
また図7、8のフローチャートでは、最大電力点の動作電圧がバス電圧の目標値(デフォルト値)より高い第1電力変換装置10が存在する場合であっても、最大電力点の動作電圧がバス電圧の目標値(デフォルト値)以下の第1電力変換装置10ではDC−DCコンバータ11の動作を停止させなかった。この点、最大電力点の動作電圧がバス電圧の目標値(デフォルト値)より高い第1電力変換装置10が存在する場合、複数のDC−DCコンバータ11a−11dを一律に停止させてもよい。一律に停止させる制御を用いた場合、系統3からの外乱ノイズにより、各装置間の直流バス30の電圧にばらつきが発生することを防止することができる。
また最大電力点の動作電圧がバス電圧の目標値(デフォルト値)より高い第1電力変換装置10が存在する場合において、最大電力点の動作電圧がバス電圧の目標値(デフォルト値)以下の第1電力変換装置10のDC−DCコンバータ11の動作を停止させるか否かを以下のように決定してもよい。例えば、当該DC−DCコンバータ11の動作を停止させた場合と停止させない場合のそれぞれについて、インバータ21の出力電力を計測し、値が大きい方の制御を選択する。インバータ21の出力電力は、系統電流・電圧検出部223により検出されるインバータ21の出力電流および系統電圧をもとに計測される。
図9は、実施の形態2の変形例に係るDC−DCコンバータ11及びインバータ21の制御方法を示すフローチャートである。当該フローチャートにおいて各第1制御部12a−12dはそれぞれ、図3のフローチャートのステップS11−S15、S17、S18、S110と同様の処理を実行する。図9のフローチャートは、図3のフローチャートとステップS16の処理が異なる。
第2制御部22の第2電圧指令値決定部225は、少なくとも1台の第1電力変換装置10の第1制御部12から太陽電池ストリングの動作点電圧を取得すると、インバータ21の出力電力が最大化されるようにバス電圧の目標値を決定する(S16b)。具体的には、系統電流・電圧検出部223により検出されるインバータ21の出力電流および系統電圧をもとにインバータ21の出力電力を計測し、第2電圧指令値決定部225は、第2駆動部226に供給する電圧指令値を1ステップ移動(増加または減少)させる。第2電圧指令値決定部225はインバータ21の出力電力の最大電力点を検出したか否か判定する。例えば、ある動作点を超えて次にその動作点に戻る往復移動したとき、当該動作点をインバータ21の最大電力点として検出する。最大電力点が検出されると、第2電圧指令値決定部225は最大電力点を検出したときの電圧指令値をバス電圧の目標値に決定する。
当該変形例によれば、最大電力点の動作電圧がバス電圧の目標値(デフォルト値)より高い第1電力変換装置10が存在する場合において、インバータ21の出力電力を監視することにより、最適なバス電圧の目標値を決定することができる。
図10は、本発明の実施の形態3に係る電力変換システム1を説明するための図である。実施の形態3では蓄電部5及び第3電力変換装置50が追加される。蓄電部5は、リチウムイオン蓄電池、ニッケル水素蓄電池、鉛蓄電池、電気二重層キャパシタ、又はリチウムイオンキャパシタ等を含んで構成される。
第3電力変換装置50は第3DC−DCコンバータ51及び第3制御部52を備える。第3DC−DCコンバータ51は、蓄電部5と直流バス30の間に接続され、蓄電部5を充放電する。第3制御部52は所定の電圧指令値をもとに第3DC−DCコンバータ51を制御して蓄電部5を定電圧(CV)充電/放電する。また第3制御部52は所定の電流指令値をもとに第3DC−DCコンバータ51を制御して蓄電部5を定電流(CC)充電/放電する。第3制御部52は、第1制御部12及び第2制御部22と通信線40で接続される。
図10の第1電力変換装置10と第2電力変換装置20間において、上述した実施の形態1に係る制御を行うことができる。また第2制御部22は、太陽電池2の最大電力点の動作電圧がバス電圧の目標値(デフォルト値)より高い場合において、インバータ21の出力電力が最大になるようバス電圧の目標値を決定してもよい。また蓄電部5が充電中は、インバータ21の出力電力と第3DC−DCコンバータ51の充電電力の和が、最大になるようバス電圧の目標値を決定してもよい。第3DC−DCコンバータ51の充電電力は第3制御部52から通信線40を介して第2制御部22が取得する。なお蓄電部5の放電中または停止中は、インバータ21の出力電力が最大になるようバス電圧の目標値を決定する。
なお図10では太陽電池が集中型の例を描いているが、ストリング型であってもよい。その場合、複数の第1電力変換装置10a−10dと第2電力変換装置20間において、上述した実施の形態2に係る制御を行うことができる。また上述したインバータ21の出力電力、またはインバータ21の出力電力と第3DC−DCコンバータ51の充電電力の和を最大化する制御を行うこともできる。
以上、本発明を実施の形態をもとに説明した。実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組み合わせにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。
図1から図10では分離型の電力変換システム1を説明したが、上述の実施の形態1−3に係る制御は、図11に示すようにDC−DCコンバータ11、インバータ21及び、両者を制御する制御部12を一つの筐体に設置した一体型の電力変換システム1にも適用可能である。なお蓄電部5が設置される構成では、同一筐体内に第3DC−DCコンバータ51も設置される。
なお、実施の形態は、以下の項目によって特定されてもよい。
[項目1]
太陽電池(2)から供給される直流電力を別の電圧の直流電力に変換し、当該直流電力を直流バス(30)に出力するDC−DCコンバータ(11)と、
前記直流バス(30)から入力される直流電力を交流電力に変換し、当該交流電力を系統(3)に出力するインバータ(21)と、
前記太陽電池(2)の出力電力が最大になるよう前記DC−DCコンバータ(11)を制御するとともに、前記直流バス(30)の電圧が目標電圧を維持するよう前記インバータ(21)を制御する制御部(12 and/or 22)と、を備え、
前記制御部(12 and/or 22)は、前記太陽電池(2)の動作点電圧が、前記直流バス(30)の予め設定された目標電圧より高い場合、前記直流バス(30)の目標電圧として前記動作点電圧を使用することを特徴とする電力変換システム(1)。
これによれば、太陽電池(2)の最大動作点電圧が、直流バス(30)の予め設定された目標電圧より高い場合でも、太陽電池(2)の出力電圧範囲の全領域に渡り最大動作点を追従し続けることができる。
[項目2]
前記太陽電池(2)は、複数の太陽電池ストリング(2a−2d)を有し、
前記DC−DCコンバータ(11)は、入力側が前記複数の太陽電池ストリング(2a−2d)にそれぞれ接続され、出力側が前記直流バス(30)に共通に接続された複数のDC−DCコンバータ(11a−11d)を有し、
前記制御部(12 and/or 22)は、前記太陽電池ストリング(2a−2d)の動作点電圧の内、前記直流バス(30)の予め設定された目標電圧より高い動作点電圧が複数ある場合、当該複数の動作点電圧のうち最も高い動作点電圧を前記直流バス(30)の目標電圧として使用することを特徴とする項目1に記載の電力変換システム(1)。
これによれば、少なくとも1つの太陽電池ストリング(2b)の最大動作点電圧が、直流バス(30)の予め設定された目標電圧より高い場合でも、太陽電池ストリング(2b)の出力電圧範囲の全領域に渡り最大動作点を追従し続けることができる。
[項目3]
前記制御部(12 and/or 22)は、前記太陽電池ストリング(2a−2d)の動作点電圧の内、前記直流バス(30)の予め設定された目標電圧より高い動作点電圧がある場合、少なくとも1つのDC−DCコンバータ(11a−11d)の昇圧動作を停止させることを特徴とする項目2に記載の電力変換システム(1)。
これによれば、昇圧する必要のないDC−DCコンバータ(11a−11d)の動作を停止させることにより、DC−DCコンバータ(11a−11d)の変換損失を低減することができる。
[項目4]
第1電力変換装置(10)と第2電力変換装置(20)を備える電力変換システム(1)であって、
前記第1電力変換装置(10)は、
太陽電池(2)から供給される直流電力を別の電圧の直流電力に変換し、当該直流電力を直流バス(30)に出力するDC−DCコンバータ(11)と、
前記太陽電池(2)の出力電力が最大になるよう前記DC−DCコンバータ(11)を制御する第1制御部(12)と、を有し、
前記第2電力変換装置(20)は、
前記直流バス(30)から入力される直流電力を交流電力に変換し、当該交流電力を系統(3)に出力するインバータ(21)と、
前記直流バス(30)の電圧が目標電圧を維持するよう前記インバータ(21)を制御する第2制御部(22)と、を有し、
前記第1電力変換装置(10)の第1制御部(12)と前記第2電力変換装置(20)の第2制御部(22)との間は通信線(40)で接続されており、
前記第2制御部(22)は、前記太陽電池(2)の動作点電圧が、前記直流バス(30)の予め設定された目標電圧より高い場合、前記直流バス(30)の目標電圧として前記動作点電圧を使用することを特徴とする電力変換システム(1)。
これによれば、分離型の電力変換システム(1)において、太陽電池(2)の最大動作点電圧が、直流バス(30)の予め設定された目標電圧より高い場合でも、太陽電池(2)の出力電圧範囲の全領域に渡り、最大動作点を追従し続けることができる。
[項目5]
前記第1制御部(12)は、前記太陽電池(2)の動作点電圧と、前記直流バス(30)の予め設定された目標電圧とを比較し、当該動作点電圧が当該目標電圧より高い場合、当該動作点電圧を前記第2制御部(22)に通知することを特徴とする項目4に記載の電力変換システム(1)。
これによれば、処理負荷を第1制御部(12)と第2制御部(22)とで分散させることができ、演算等による遅延を回避することができる。
[項目6]
前記第1制御部(12)は、前記太陽電池(2)の動作点電圧を前記第2制御部(22)に通知し、
前記第2制御部(22)は、前記第1制御部(12)から取得した動作点電圧と、前記直流バス(30)の予め設定された目標電圧とを比較することを特徴とする項目4に記載の電力変換システム(1)。
これによれば、直流バス(30)の目標電圧を第2制御部(22)で一括管理することにより、外乱などに対する全体動作の影響を低減することができる。
[項目7]
前記第1制御部(12)は、前記太陽電池(2)の動作点電圧が、前記直流バス(30)の予め設定された目標電圧より高い場合、前記DC−DCコンバータ(11)の昇圧動作を停止させることを特徴とする項目5または6に記載の電力変換システム(1)。
これによれば、DC−DCコンバータ(11)の変換損失を低減することができる。
[項目8]
太陽電池(2)から供給される直流電力を別の電圧の直流電力に変換し、当該直流電力を直流バス(30)に出力するDC−DCコンバータ(11)と、
前記直流バス(30)から入力される直流電力を交流電力に変換し、当該交流電力を系統(3)に出力するインバータ(21)と、
前記太陽電池(2)の出力電力が最大になるよう前記DC−DCコンバータ(11)を制御するとともに、前記直流バス(30)の電圧が目標電圧を維持するよう前記インバータ(21)を制御する制御部(12 and/or 22)と、を備え、
前記制御部(12 and/or 22)は、前記太陽電池(2)の動作点電圧が、前記直流バス(30)の予め設定された目標電圧より高い場合、前記インバータ(21)の出力電力が最大になるよう前記直流バス(30)の目標電圧を決定することを特徴とする電力変換システム(1)。
これによれば、太陽電池(2)の最大動作点電圧が、直流バス(30)の予め設定された目標電圧より高い場合において、高効率な直流バス(30)の目標電圧を設定することができる。
[項目9]
太陽電池(2)から供給される直流電力を別の電圧の直流電力に変換し、当該直流電力を直流バス(30)に出力する第1DC−DCコンバータ(11)と、
蓄電部(5)と前記直流バス(30)の間に接続され、前記蓄電部(5)を充放電する第2DC−DCコンバータ(51)と、
前記直流バス(30)から入力される直流電力を交流電力に変換し、当該交流電力を系統(3)に出力するインバータ(21)と、
前記太陽電池(2)の出力電力が最大になるよう前記DC−DCコンバータ(11)を制御するとともに、前記直流バス(30)の電圧が目標電圧を維持するよう前記インバータ(21)を制御する制御部(12 and/or 22)と、を備え、
前記制御部(12 and/or 22)は、前記太陽電池(2)の動作点電圧が、前記直流バス(30)の予め設定された目標電圧より高い場合、前記インバータ(21)の出力電力、または前記インバータ(21)の出力電力と前記蓄電部(5)の充電電力の和が最大になるよう前記直流バス(30)の目標電圧を決定することを特徴とする電力変換システム(1)。
これによれば、蓄電部(5)が併設された太陽電池(2)の最大動作点電圧が、直流バス(30)の予め設定された目標電圧より高い場合において、高効率な直流バス(30)の目標電圧を設定することができる。
[項目10]
直流バス(30)から入力される直流電力を交流電力に変換し、当該交流電力を系統(3)に出力するインバータ(21)を有する第2電力変換装置(20)と接続される第1電力変換装置(10)であって、
太陽電池(2)から供給される直流電力を別の電圧の直流電力に変換し、当該直流電力を前記直流バス(30)に出力するDC−DCコンバータ(11)と、
前記太陽電池(2)の出力電力が最大になるよう前記DC−DCコンバータ(11)を制御する第1制御部(12)と、を備え、
前記第1制御部(12)は、
前記直流バス(30)の電圧が目標電圧を維持するよう前記インバータ(21)を制御し、前記太陽電池(2)の動作点電圧が、前記直流バス(30)の予め設定された目標電圧より高い場合、前記直流バス(30)の目標電圧として前記動作点電圧を使用する、前記第2電力変換装置(20)の第2制御部(22)と通信線(40)で接続されることを特徴とする電力変換装置(10)。
これによれば、太陽電池(2)の最大動作点電圧が、直流バス(30)の予め設定された目標電圧より高い場合でも、太陽電池(2)の出力電圧範囲の全領域に渡り最大動作点を追従し続けることができる。
[項目11]
太陽電池(2)から供給される直流電力を別の電圧の直流電力に変換し、当該直流電力を直流バス(30)に出力するDC−DCコンバータ(11)と、前記太陽電池(2)の出力電力が最大になるよう前記DC−DCコンバータ(11)を制御する第1制御部(12)と、を有する第1電力変換装置(10)に接続される第2電力変換装置(20)であって、
前記直流バス(30)から入力される直流電力を交流電力に変換し、当該交流電力を系統(3)に出力するインバータ(21)と、
前記直流バス(30)の電圧が目標電圧を維持するよう前記インバータ(21)を制御する第2制御部(22)と、を備え、
前記第2電力変換装置(20)の第2制御部(22)は、前記第1電力変換装置(10)の第1制御部(12)と通信線(40)で接続され、
前記第2制御部(22)は、前記太陽電池(2)の動作点電圧が、前記直流バス(30)の予め設定された目標電圧より高い場合、前記直流バス(30)の目標電圧として前記動作点電圧を使用することを特徴とする電力変換装置(20)。
これによれば、太陽電池(2)の最大動作点電圧が、直流バス(30)の予め設定された目標電圧より高い場合でも、太陽電池(2)の出力電圧範囲の全領域に渡り最大動作点を追従し続けることができる。
1 電力変換システム、 2 太陽電池、 2a 第1太陽電池ストリング、 2b 第2太陽電池ストリング、 2c 第3太陽電池ストリング、 2d 第4太陽電池ストリング、 3 系統、 4 負荷、 5 蓄電部、 10 第1電力変換装置、 11 DC−DCコンバータ、 12 第1制御部、 121 入力電流・電圧検出部、 122 MPPT制御部、 123 第1バス電圧検出部、 124 第1通信部、 125 第1電圧指令値決定部、 126 第1駆動部、 20 第2電力変換装置、 21 インバータ、 22 第2制御部、 221 第2バス電圧検出部、 223 系統電流・電圧検出部、 224 第2通信部、 225 第2電圧指令値決定部、 226 第2駆動部、 30 直流バス、 40 通信線、 50 第3電力変換装置、 51 第3DC−DCコンバータ、 52 第3制御部。

Claims (11)

  1. 太陽電池から供給される直流電力を別の電圧の直流電力に変換し、当該直流電力を直流バスに出力するDC−DCコンバータと、
    前記直流バスから入力される直流電力を交流電力に変換し、当該交流電力を系統に出力するインバータと、
    前記太陽電池の出力電力が最大になるよう前記DC−DCコンバータを制御するとともに、前記直流バスの電圧が目標電圧を維持するよう前記インバータを制御する制御部と、を備え、
    前記制御部は、前記太陽電池の動作点電圧が、前記直流バスの予め設定された目標電圧より高い場合、前記直流バスの目標電圧として前記動作点電圧を使用することを特徴とする電力変換システム。
  2. 前記太陽電池は、複数の太陽電池ストリングを有し、
    前記DC−DCコンバータは、入力側が前記複数の太陽電池ストリングにそれぞれ接続され、出力側が前記直流バスに共通に接続された複数のDC−DCコンバータを有し、
    前記制御部は、前記太陽電池ストリングの動作点電圧の内、前記直流バスの予め設定された目標電圧より高い動作点電圧が複数ある場合、当該複数の動作点電圧のうち最も高い動作点電圧を前記直流バスの目標電圧として使用することを特徴とする請求項1に記載の電力変換システム。
  3. 前記制御部は、前記太陽電池ストリングの動作点電圧の内、前記直流バスの予め設定された目標電圧より高い動作点電圧がある場合、少なくとも1つのDC−DCコンバータの昇圧動作を停止させることを特徴とする請求項2に記載の電力変換システム。
  4. 第1電力変換装置と第2電力変換装置を備える電力変換システムであって、
    前記第1電力変換装置は、
    太陽電池から供給される直流電力を別の電圧の直流電力に変換し、当該直流電力を直流バスに出力するDC−DCコンバータと、
    前記太陽電池の出力電力が最大になるよう前記DC−DCコンバータを制御する第1制御部と、を有し、
    前記第2電力変換装置は、
    前記直流バスから入力される直流電力を交流電力に変換し、当該交流電力を系統に出力するインバータと、
    前記直流バスの電圧が目標電圧を維持するよう前記インバータを制御する第2制御部と、を有し、
    前記第1電力変換装置の第1制御部と前記第2電力変換装置の第2制御部との間は通信線で接続されており、
    前記第2制御部は、前記太陽電池の動作点電圧が、前記直流バスの予め設定された目標電圧より高い場合、前記直流バスの目標電圧として前記動作点電圧を使用することを特徴とする電力変換システム。
  5. 前記第1制御部は、前記太陽電池の動作点電圧と、前記直流バスの予め設定された目標電圧とを比較し、当該動作点電圧が当該目標電圧より高い場合、当該動作点電圧を前記第2制御部に通知することを特徴とする請求項4に記載の電力変換システム。
  6. 前記第1制御部は、前記太陽電池の動作点電圧を前記第2制御部に通知し、
    前記第2制御部は、前記第1制御部から取得した動作点電圧と、前記直流バスの予め設定された目標電圧とを比較することを特徴とする請求項4に記載の電力変換システム。
  7. 前記第1制御部は、前記太陽電池の動作点電圧が、前記直流バスの予め設定された目標電圧より高い場合、前記DC−DCコンバータの昇圧動作を停止させることを特徴とする請求項5または6に記載の電力変換システム。
  8. 太陽電池から供給される直流電力を別の電圧の直流電力に変換し、当該直流電力を直流バスに出力するDC−DCコンバータと、
    前記直流バスから入力される直流電力を交流電力に変換し、当該交流電力を系統に出力するインバータと、
    前記太陽電池の出力電力が最大になるよう前記DC−DCコンバータを制御するとともに、前記直流バスの電圧が目標電圧を維持するよう前記インバータを制御する制御部と、を備え、
    前記制御部は、前記太陽電池の動作点電圧が、前記直流バスの予め設定された目標電圧より高い場合、前記インバータの出力電力が最大になるよう前記直流バスの目標電圧を決定することを特徴とする電力変換システム。
  9. 太陽電池から供給される直流電力を別の電圧の直流電力に変換し、当該直流電力を直流バスに出力する第1DC−DCコンバータと、
    蓄電部と前記直流バスの間に接続され、前記蓄電部を充放電する第2DC−DCコンバータと、
    前記直流バスから入力される直流電力を交流電力に変換し、当該交流電力を系統に出力するインバータと、
    前記太陽電池の出力電力が最大になるよう前記DC−DCコンバータを制御するとともに、前記直流バスの電圧が目標電圧を維持するよう前記インバータを制御する制御部と、を備え、
    前記制御部は、前記太陽電池の動作点電圧が、前記直流バスの予め設定された目標電圧より高い場合、前記インバータの出力電力、または前記インバータの出力電力と前記蓄電部の充電電力の和が最大になるよう前記直流バスの目標電圧を決定することを特徴とする電力変換システム。
  10. 直流バスから入力される直流電力を交流電力に変換し、当該交流電力を系統に出力するインバータを有する第2電力変換装置と接続される第1電力変換装置であって、
    太陽電池から供給される直流電力を別の電圧の直流電力に変換し、当該直流電力を前記直流バスに出力するDC−DCコンバータと、
    前記太陽電池の出力電力が最大になるよう前記DC−DCコンバータを制御する第1制御部と、を備え、
    前記第1制御部は、
    前記直流バスの電圧が目標電圧を維持するよう前記インバータを制御し、前記太陽電池の動作点電圧が、前記直流バスの予め設定された目標電圧より高い場合、前記直流バスの目標電圧として前記動作点電圧を使用する、前記第2電力変換装置の第2制御部と通信線で接続されることを特徴とする電力変換装置。
  11. 太陽電池から供給される直流電力を別の電圧の直流電力に変換し、当該直流電力を直流バスに出力するDC−DCコンバータと、前記太陽電池の出力電力が最大になるよう前記DC−DCコンバータを制御する第1制御部と、を有する第1電力変換装置に接続される第2電力変換装置であって、
    前記直流バスから入力される直流電力を交流電力に変換し、当該交流電力を系統に出力するインバータと、
    前記直流バスの電圧が目標電圧を維持するよう前記インバータを制御する第2制御部と、を備え、
    前記第2電力変換装置の第2制御部は、前記第1電力変換装置の第1制御部と通信線で接続され、
    前記第2制御部は、前記太陽電池の動作点電圧が、前記直流バスの予め設定された目標電圧より高い場合、前記直流バスの目標電圧として前記動作点電圧を使用することを特徴とする電力変換装置。
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