JP2023000317A - power conditioner - Google Patents
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Abstract
Description
本開示は、パワーコンディショナに関するものである。 The present disclosure relates to power conditioners.
従来、電力供給システムは、太陽電池で発電される電力、または蓄電池から放電される電力を交流電力に変換して出力する電力変換装置などのパワーコンディショナを備える。たとえば、特許文献1には、直流バスに双方向DC/DCコンバータを通して蓄電池が接続され、双方向DC/DCコンバータによって蓄電池に対して充電と放電とを制御し、蓄電池から放電される電力を交流電力に変換して出力する電力変換装置が開示されている。 2. Description of the Related Art Conventionally, a power supply system includes a power conditioner such as a power conversion device that converts power generated by a solar cell or power discharged from a storage battery into AC power and outputs the AC power. For example, in Patent Document 1, a storage battery is connected to a DC bus through a bidirectional DC/DC converter, the bidirectional DC/DC converter controls charging and discharging of the storage battery, and the power discharged from the storage battery is converted into an alternating current. A power conversion device that converts and outputs electric power is disclosed.
ところで、双方向DC/DCコンバータを省略し、直流バスに蓄電池を直接接続する構成が考えられる。この場合、意図しない電流が流れることがある。 By the way, a configuration in which the bidirectional DC/DC converter is omitted and the storage battery is directly connected to the DC bus is conceivable. In this case, an unintended current may flow.
本開示の一態様であるパワーコンディショナは、自然エネルギーを利用する電源に接続され、第1スイッチング素子とインダクタとを有し、前記第1スイッチング素子のオンオフ動作によって前記電源から供給される第1電圧を昇圧する昇圧コンバータと、前記昇圧コンバータによって昇圧された直流電圧が出力されるバスラインと、前記バスラインに接続される蓄電池と、前記バスラインの直流電圧を交流電圧に変換するインバータと、前記電源と前記昇圧コンバータとの間に接続され、前記第1電圧を検出する第1電圧センサと、前記電源と前記昇圧コンバータとの間に流れる第1電流を検出する第1電流センサと、前記蓄電池の第2電圧を検出する第2電圧センサと、制御回路と、を備え、前記制御回路は、前記第1電圧と前記第1電流とから第1電力量を算出し、前記第1スイッチング素子をオンオフ動作して前記第1電圧が前記第2電圧以下となる範囲で前記第1電圧を変化させ、前記第1電圧を前記第1電力量が最も大きくなる電圧となるよう制御する。 A power conditioner that is one aspect of the present disclosure is connected to a power supply that uses natural energy, has a first switching element and an inductor, and is supplied from the power supply by an on/off operation of the first switching element. a boost converter that boosts voltage, a bus line that outputs a DC voltage boosted by the boost converter, a storage battery that is connected to the bus line, an inverter that converts the DC voltage of the bus line into an AC voltage, a first voltage sensor connected between the power supply and the boost converter for detecting the first voltage; a first current sensor for detecting a first current flowing between the power supply and the boost converter; a second voltage sensor that detects a second voltage of the storage battery; and a control circuit, wherein the control circuit calculates a first electric energy from the first voltage and the first current, and the first switching element. is turned on and off to change the first voltage within a range in which the first voltage is equal to or lower than the second voltage, and the first voltage is controlled so as to maximize the first electric energy.
本開示の一態様であるパワーコンディショナは、自然エネルギーを利用する電源に接続され、第1スイッチング素子とインダクタとを有し、前記第1スイッチング素子のオンオフ動作によって前記電源から供給される第1電圧を昇圧する昇圧コンバータと、前記昇圧コンバータによって昇圧された直流電圧が出力されるバスラインと、前記バスラインに接続された第1開閉器と、前記第1開閉器を通して前記バスラインに接続される蓄電池と、前記バスラインの直流電圧を交流電圧に変換するインバータと、前記電源と前記昇圧コンバータとの間に接続され、前記第1電圧を検出する第1電圧センサと、前記電源と前記昇圧コンバータとの間に流れる第1電流を検出する第1電流センサと、前記蓄電池の第2電圧を検出する第2電圧センサと、制御回路と、を備え、前記制御回路は、前記第1電圧と前記第1電流とから第1電力量を算出し、前記第1スイッチング素子をオンオフ動作して前記第1電圧が前記第2電圧以下となる範囲で前記第1電圧を変化させ、前記第1電圧を前記第1電力量が最も大きくなる電圧となるよう制御し、前記第2電圧よりも前記第1電圧が大きくなるとき前記第1開閉器を閉状態とする。 A power conditioner that is one aspect of the present disclosure is connected to a power supply that uses natural energy, has a first switching element and an inductor, and is supplied from the power supply by an on/off operation of the first switching element. a boost converter for boosting a voltage; a bus line for outputting a DC voltage boosted by the boost converter; a first switch connected to the bus line; an inverter for converting the DC voltage of the bus line into an AC voltage; a first voltage sensor connected between the power supply and the boost converter for detecting the first voltage; the power supply and the booster; a first current sensor that detects a first current flowing between a converter, a second voltage sensor that detects a second voltage of the storage battery, and a control circuit, wherein the control circuit detects the first voltage and the calculating a first electric energy from the first current, turning on and off the first switching element to change the first voltage within a range in which the first voltage is equal to or lower than the second voltage, and is controlled so that the first electric energy becomes the maximum voltage, and the first switch is closed when the first voltage becomes larger than the second voltage.
本開示の一態様によれば、意図しない電流が流れることを抑制可能としたパワーコンディショナを提供することができる。 According to one aspect of the present disclosure, it is possible to provide a power conditioner capable of suppressing unintended current flow.
(第1実施形態)
以下、第1実施形態を説明する。
図1に示すように、電力供給システム10は、パワーコンディショナ11、太陽電池12を備える。太陽電池12は、自然エネルギーを利用する電源の一例である。電力供給システム10は、たとえば、一般家屋に設置される。なお、電力供給システム10は、集合住宅、商業施設、工場、等に設置されてもよい。
(First embodiment)
The first embodiment will be described below.
As shown in FIG. 1 , the
パワーコンディショナ11は、電力線110により商用電力系統100に接続される。電力線110は、分電盤、電力量計、屋内に敷設された電力線、屋内に配設されたコンセント(アウトレット)などの図示しない電気設備を含む。また、電力線110は、パワーコンディショナ11内の接続部材を含む。接続部材は、パワーコンディショナ11の内部配線、接続端子(端子板)、等を含む。電力線110には、負荷120が接続される。負荷120は、電力線110により供給される交流電力により動作する電気機器である。負荷120としては、たとえば、照明器具、テレビ、冷蔵庫、洗濯機、空気調和機、電子レンジ、空気清浄機、等が含まれる。
パワーコンディショナ11は、太陽電池12にて発電した第1電圧を交流電圧に変換して電力線110に出力する。この電力線110には、商用電力系統100から商用交流電力が供給される。つまり、パワーコンディショナ11は、商用電力系統100に接続される電力線110に向けて、交流電力を出力する。
太陽電池12は、自然エネルギーとして太陽光を利用して発電を行う電源である。太陽電池12は、光電変換を行う複数のセルを直列に接続して構成された太陽電池ストリング、並列に接続された複数のストリングにより構成される太陽電池アレイ、等を含む。
The
パワーコンディショナ11は、蓄電池(バッテリ)13を備える。蓄電池13は、充放電可能とされた電池(二次電池)である。蓄電池13は、たとえばリチウムイオン電池である。蓄電池13は、パワーコンディショナ11に内蔵され、またはパワーコンディショナ11に接続される。パワーコンディショナ11は、蓄電池13から放電される第2電圧を交流電圧に変換して電力線110に出力する。また、パワーコンディショナ11は、太陽電池12の電圧と、商用電力系統100の商用交流電圧を変換した直流の電圧との少なくとも一方により蓄電池13を充電する。
The
パワーコンディショナ11は、昇圧コンバータ21、リレー(バッテリリレー)22、インバータ23、フィルタ24、リレー25、制御回路26、電源回路27,28を有している。また、パワーコンディショナ11は、複数のセンサ31~36を有している。リレー22は第1開閉器の一例、リレー25は第2開閉器の一例である。
The
太陽電池12は、昇圧コンバータ21に接続される。昇圧コンバータ21は、バスライン40を通してインバータ23に接続されている。インバータ23は、フィルタ24とリレー25とを通して電力線110に接続される。
蓄電池13は、バスライン40に対して接続されている。ここでいる接続とは、蓄電池13とバスライン40との間において、電圧変化が実質的にゼロ(0)となる接続を意図している。つまり、本実施形態のように、蓄電池13がリレー22を通してバスライン40に接続される場合と、蓄電池13がバスライン40に直接接続される場合と、を含む。
制御回路26は、昇圧コンバータ21、インバータ23、リレー22,25を制御する。リレー22,25は、たとえば半導体スイッチであり、制御回路26からの制御信号に応答してオンオフする。リレー22は、第1開閉器(スイッチ)の一例である。リレー25は、第2開閉器(スイッチ)の一例である。
昇圧コンバータ21は、太陽電池12から供給される電圧を所定の電圧に昇圧してバスライン40に出力する機能を有している。
蓄電池13の電圧は、オン状態のリレー22を通してバスライン40に放電される。また、バスライン40の電圧により、オン状態のリレー22を通して蓄電池13に充電のための電流が供給される。
The
The voltage of the
インバータ23は、直流交流変換回路である。インバータ23は、制御回路26からの制御信号により動作する。インバータ23は、バスライン40の直流電圧を交流電圧に変換して出力する。また、インバータ23は、商用電力系統100から供給される交流電圧を直流電圧に変換してバスライン40に出力する。
The
フィルタ24は、インバータ23から出力される交流電力の高周波成分を低減する。このフィルタ24は、パワーコンディショナ11は、インバータ23の出力電圧および出力電流を正弦波に近づける。
電源回路27は、ダイオードD11を通してバスライン40に接続されている。ダイオードD11は、バスライン40から電源回路27に向けて順方向に接続されている。つまり、ダイオードD11のアノード端子は、バスライン40に接続され、ダイオードD11のカソード端子は電源回路27に接続されている。また、電源回路27は、ダイオードD12を通して電源回路28に接続されている。ダイオードD12は、電源回路28から電源回路27に向けて順方向に接続されている。つまり、ダイオードD12のアノード端子は電源回路28に接続され、ダイオードD12のカソード端子は電源回路27に接続されている。両ダイオードD11,D12は、それぞれのカソード端子が互いに接続されている。
The power supply circuit 27 is connected to the
電源回路28は、電力線110に接続されている。たとえば、電源回路28は、パワーコンディショナ11の内部の接続部材に接続されている。電源回路28は、たとえば整流回路を含み、電力線110の交流電圧から直流電圧を生成する。なお、電源回路28は、平滑回路を含んでいてもよい。28にて生成された直流電圧は、ダイオードD12を通して電源回路27に供給される。電源回路27は、バスライン40の電圧、または電源回路28にて生成された直流電圧、つまり商用交流電圧により、制御回路26の制御電源(動作電源)を生成する。制御回路26は、その制御電源により動作する。
The
図2は、パワーコンディショナ11の構成の一例を示す回路図である。
昇圧コンバータ21は、スイッチング素子21a、インダクタ21b、ダイオード21cを有している。スイッチング素子21aは、たとえばパワーMOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)である。スイッチング素子21aは、第1スイッチング素子の一例である。
FIG. 2 is a circuit diagram showing an example of the configuration of the
The
インダクタ21bの第1端子は太陽電池12のプラス側端子に接続されている。インダクタ21bの第2端子は、スイッチング素子21aの第1端子(たとえばドレイン端子)とダイオード21cのアノード端子に接続されている。スイッチング素子21aの第2端子(たとえばソース端子)は太陽電池12のマイナス側端子に接続されている。バスライン40は、高圧側バスライン40aと低圧側バスライン40bとを含む。ダイオード21cのカソード端子は高圧側バスライン40aに接続されている。スイッチング素子21aの第2端子は低圧側バスライン40bに接続されている。スイッチング素子21aの制御端子(たとえばゲート端子)には、制御回路26から制御信号が供給される。
A first terminal of the
制御回路26は、スイッチング素子21aをオンオフ動作する。詳しくは、制御回路26は、スイッチング素子21aをオンオフ動作する制御信号をスイッチング素子21aに供給する。また、制御回路26は、スイッチング素子21aに供給する制御信号のパルス幅を、たとえばパルス幅変調(PWM:Pulse Width Modulation)方式により調整する。制御信号の周波数は、数十kHz程度(たとえば20kHz)に設定される。昇圧コンバータ21は、スイッチング素子21aのオンオフ動作によって入力電圧、つまり太陽電池12からの電圧を所定の電圧に昇圧する。
The
センサ31は、電流センサ31aと電圧センサ31bとを含む。電流センサ31aは、太陽電池12と昇圧コンバータ21との間、詳しくは太陽電池12のプラス側端子とインダクタ21bとの間に接続されている。電流センサ31aは、太陽電池12から流れる電流、つまり第1電流Ipvを検出する。制御回路26は、電流センサ31aにより太陽電池12の第1電流Ipvを取得できる。太陽電池12から流れる第1電流Ipvは、昇圧コンバータ21に入力される。したがって、第1電流Ipvは、昇圧コンバータ21の入力電流ともいえる。電流センサ31aは、第1電流センサの一例である。電圧センサ31bは、第1電圧センサの一例である。
The
電圧センサ31bは、太陽電池12の端子間に接続されている。電圧センサ31bは、太陽電池12の端子間電圧、つまり第1電圧Vpvを検出する。制御回路26は、電圧センサ31bにより太陽電池12の第1電圧Vpvを取得できる。そして、制御回路26は、第1電圧Vpvと第1電流Ipvとにより、太陽電池12の第1電力量Ppvを算出する。
センサ32は、電流センサ32aと電圧センサ32bとを含む。電流センサ32aは、蓄電池13とリレー22との間、詳しくは蓄電池13のプラス側端子とリレー22との間に接続されている。電流センサ32aは、蓄電池13のプラス側端子とリレー22との間に流れる電流Ibattを検出する。電流Ibattは、蓄電池13から流れる電流と蓄電池13に向かう電流と、を含み、これらは符号が異なる。たとえば、蓄電池13から流れる電流をプラスとし、蓄電池13に流れる電流をマイナスとする。したがって、制御回路26は、蓄電池13から放電される電流と、蓄電池13を充電する電流とを取得できる。
電圧センサ32bは、蓄電池13の端子間に接続されている。電圧センサ32bは、蓄電池13の端子間電圧、つまり蓄電池13の第2電圧Vbattを検出する。制御回路26は、電圧センサ32bにより蓄電池13の第2電圧Vbattを取得できる。電圧センサ32bは、第2電圧センサの一例である。
The
本実施形態のパワーコンディショナ11は、リレー22とバスライン40との間に接続されたフィルタ29を備えている。蓄電池13は、リレー22とフィルタ29とを通してバスライン40に接続されている。蓄電池13のプラス側端子はリレー22を通してフィルタ29に接続されている。蓄電池13のマイナス側端子はバスライン40の低圧側バスライン40bに接続されている。
The
フィルタ29は、コンデンサ29aとインダクタ29bとを有している。コンデンサ29aは、たとえばフィルムコンデンサである。コンデンサ29aの第1端子はリレー22に接続され、コンデンサ29aの第2端子はバスライン40の低圧側バスライン40bに接続されている。インダクタ29bの第1端子はリレー22に接続され、インダクタ29bの第2端子はバスライン40の高圧側バスライン40aに接続されている。なお、インダクタ29bは、コンデンサ29aとリレー22との間に接続されてもよい。
The
センサ33は、バスライン40に接続された電圧センサであり、高圧側バスライン40aと低圧側バスライン40bとの間に接続されている。センサ33は、バスライン40のバス電圧Vhvdcを検出する。制御回路26は、センサ33によりバスライン40のバス電圧Vhvdcを取得できる。
The
バスライン40には、電解コンデンサC11が接続されている。電解コンデンサC11のプラス側端子は、高圧側バスライン40aに接続され、電解コンデンサC11のマイナス側端子は低圧側バスライン40bに接続されている。電解コンデンサC11は、バスライン40の電圧を平滑化する。なお、電解コンデンサC11は、省略されてもよい。
An electrolytic capacitor C11 is connected to the
インバータ23は、スイッチング素子23a,23b,23c,23dを有している。スイッチング素子23a~23dは、たとえばnチャネルMOSFETである。スイッチング素子23a,23cの第1端子(たとえばドレイン端子)は高圧側バスライン40aに接続されている。スイッチング素子23a,23cの第2端子(たとえばソース端子)は、スイッチング素子23b,23dの第1端子(たとえばドレイン端子)にそれぞれ接続されている。スイッチング素子23b,23dの第2端子(たとえばソース端子)は低圧側バスライン40bに接続されている。スイッチング素子23a~23dは、第2スイッチング素子の一例である。
The
つまり、インバータ23は、バスライン40a,40bの間に直列に接続されたスイッチング素子23a,23bからなる直列回路と、バスライン40a,40bの間に直列に接続されたスイッチング素子23c,23dからなる直列回路とを含む。スイッチング素子23a,23cは、ハイサイドスイッチング素子の一例であり、スイッチング素子23b,23dは、ローサイドスイッチング素子の一例である。スイッチング素子23a~23dの制御端子(たとえばゲート端子)には、制御回路26から制御信号がそれぞれ供給される。スイッチング素子23aとスイッチング素子23bとの間の接続点N1と、スイッチング素子23cとスイッチング素子23dとの間の接続点N2は、フィルタ24に接続される。
That is, the
制御回路26は、インバータ23のスイッチング素子23a~23dをそれぞれオンオフ動作する。制御回路26は、スイッチング素子23a~23dをそれぞれオンオフ動作する制御信号を各スイッチング素子23a~23dに供給する。制御回路26は、所定の周波数の制御信号を生成する。所定の周波数は、パワーコンディショナ11が連系する商用電力系統100の交流電圧の周波数(商用周波数:たとえば60Hz)よりも高い周波数に設定される。制御回路26は、電力線110に出力する交流電圧を正弦波に近づけるように、制御信号のパルス幅を、たとえばパルス幅変調(PWM:Pulse Width Modulation)方式により調整する。所定の周波数は、数十kHz程度(たとえば20kHz)に設定される。インバータ23は、スイッチング素子23a~23dのオンオフ動作によって、バスライン40の直流電圧を交流電圧に変換する。
The
フィルタ24は、インダクタ24a,24b,24cと、コンデンサ24dとを有している。
インダクタ24aの第1端子はインバータ23の接続点N1に接続され、インダクタ24bの第1端子はインバータ23の接続点N2に接続されている。インダクタ24aの第2端子はコンデンサ24dの第1端子とインダクタ24cの第2端子とに接続されている。インダクタ24bの第2端子は、コンデンサ24dの第2端子とリレー25とに接続されている。インダクタ24cの第2端子はリレー25に接続されている。
The
A first terminal of the inductor 24a is connected to a connection point N1 of the
リレー25は、第1リレー25aと第2リレー25bとを有している。第1リレー25aと第2リレー25bは、フィルタ24と電力線110との間に接続されている。リレー25は、フィルタ24と電力線110との間を開閉する。フィルタ24はインバータ23に接続されている。電力線110は商用電力系統100に接続されている。したがって、リレー25は、インバータ23と商用電力系統100との間に接続されているといえる。そして、リレー25(第1リレー25a、第2リレー25b)は、インバータ23と商用電力系統100とを接離するといえる。
The
センサ34は、電流センサである。このセンサ34は、フィルタ24とリレー25との間、詳しくはフィルタ24のインダクタ24cとリレー25の第1リレー25aとの間に接続されている。センサ34は、インバータ23から出力される電流を検出する。制御回路26は、センサ34により、インバータ23の出力電流を取得できる。
商用電力系統100は、たとえば単相3線式の電力線であり、U相電力線110u、O相電力線110o、W相電力線110wとを含む。第1リレー25aは、U相電力線110uに接続され、第2リレー25bはW相電力線110wに接続されている。本実施形態のパワーコンディショナ11は、実効値200Vの交流電圧をU相電力線110uとW相電力線110wとに出力する。O相電力線110oは接地されている。
U相電力線110uとO相電力線110oとの間には負荷120aが接続される。W相電力線110wとO相電力線110oとの間には負荷120bが接続される。負荷120a,120bは、100V系の負荷である。なお、U相電力線110uとW相電力線110wとの間に、200V系の負荷が接続されてもよい。
A
センサ35は、電圧センサ35a,35bを含む。電圧センサ35aは、U相電力線110uとO相電力線110oとの間に接続されている。電圧センサ35bは、W相電力線110wとO相電力線110oとの間に接続されている。電圧センサ35a,35bは、電力線110により供給される商用電力系統100から供給される商用交流電圧(系統電圧)を検出する。制御回路26は、センサ35(電圧センサ35a,35b)により商用交流電圧を取得できる。なお、センサ35の電圧センサ35a,35bは、いずれか一方が省略されてもよい。センサ35(電圧センサ35a,35b)は、第3電圧センサの一例である。
図1に示すように、電力線110には、センサ36が接続されている。センサ36は、電流センサである。このセンサ36は、商用電力系統100から供給される電流(系統電流)を検出する。制御回路26は、センサ36により、系統電流を取得できる。
As shown in FIG. 1, the
制御回路26は、たとえば、MCU(Micro Controller Unit)26a、メモリ26bを有する。MCU26aは、各センサ31~36による検出値(測定値)や各種の信号を入力する入力回路、各制御信号を出力する出力回路、動作クロック信号を生成する回路、リセット回路、銅を含む。制御回路26は、MCU26aがメモリ26bに記憶されたプログラムを実行することにより、パワーコンディショナ11の各部を制御する。
The
(作用)
次に、本実施形態のパワーコンディショナ11の作用を説明する。
図3、図4を参照して、太陽電池12に対する昇圧コンバータ21の制御について説明する。
(action)
Next, the action of the
Control of
制御回路26は、センサ31の電流センサ31aおよび電圧センサ31bと、センサ33(電圧センサ)との検出結果により、昇圧コンバータ21を制御する。昇圧コンバータ21において、入力電圧つまり第1電圧Vpvと、出力電圧つまりバス電圧Vhvdcとの比(昇圧比)は、スイッチング素子21aのオン期間とオフ期間、つまりスイッチング素子21aをオンオフ動作する制御信号のデューティ比により変更できる。制御回路26は、昇圧比、つまりスイッチング素子21aに供給する制御信号のデューティ比を、たとえば例えばパルス幅変調(PWM:Pulse Width Modulation)制御により調整する。そして、制御回路26は、第1電圧Vpvと第1電流Ipvとに基づいて、太陽電池12の第1電力量Ppvを最大とするように最大電力点追従(MPPT:Maximum Power Point Tracking)制御を実行する。
図3は、太陽電池12の出力電流と出力電圧の特性(I-V特性)を示す。図4は、太陽電池12の出力電力と出力電圧の特性(P-V特性)を示す。太陽電池12は、日照によって発電し始める。太陽電池12は、出力電圧の広い範囲においてほぼ一定の出力電流となる定電流特性を有している。図3において、出力電流が流れない(=0)のときの電圧は開放電圧Vocである。図4において、出力電力が最大となる点を最大電力点Pmaxとし、その時の出力電圧を最適動作電圧Vopとする。
FIG. 3 shows the output current and output voltage characteristics (IV characteristics) of the
太陽電池12は、日照強度や表面温度等により出力特性が変化する。つまり、最大電力点Pmax(最適動作電圧Vop)が変化する。このため、制御回路26は、第1電圧Vpvを最適動作電圧Vopに追従させる、つまり昇圧コンバータ21のスイッチング素子21aをオンオフ動作する制御信号のデューティ比を変化させ、最大電力点Pmaxを探索する制御を行う。
The output characteristics of the
上記したように、制御回路26は、太陽電池12の第1電力量Ppvを最大とするように最大電力点追従(MPPT)制御を実行する。つまり、制御回路26は、図4に示す最大電力点Pmaxとなるように、つまり電圧センサ31bにより検出した第1電圧Vpvを上記の最適動作電圧Vopとするように、スイッチング素子21aをオンオフ動作する。これにより、太陽電池12から効率のよい電力が得られる。
As described above, the
本実施形態のパワーコンディショナ11は、バスライン40に対してリレー22を用いて蓄電池13が接続されている。図5に示すように、リレー22をオン状態、つまり蓄電池13をバスライン40に接続しているとき、蓄電池13の第2電圧Vbattに対して、太陽電池12の最適動作電圧Vopが高くなる場合がある。この場合、太陽電池12の第1電力量Ppvが供給されるバスライン40から蓄電池13に向けて電流が流れる。たとえば、蓄電池13が満充電の場合、蓄電池13に向かう電流は、蓄電池13にとって意図しない電流となる。そこで、制御回路26は、蓄電池13の第2電圧Vbattに対して、太陽電池12の動作電圧が超えないように、昇圧コンバータ21のスイッチング素子21aをオンオフ動作する。これにより、制御回路26は、蓄電池13に対して流れる意図しない電流を低減する。
In the
詳述すると、制御回路26は、電圧センサ31bにより、太陽電池12の第1電圧Vpvを検出する。また、制御回路26は、電圧センサ32bにより、蓄電池13の第2電圧Vbattを検出する。制御回路26は、第1電圧Vpvと第2電圧Vbattとを大小比較する。そして、制御回路26は、第1電圧Vpvを第2電圧Vbatt以下とするように、昇圧コンバータ21のスイッチング素子21aをオンオフ動作する。このとき、制御回路26は、第1電圧Vpvが第2電圧Vbatt以下となる範囲において、太陽電池12の第1電力量Ppvを最大とするようにスイッチング素子21aをオンオフ動作する。これにより、太陽電池12により発電量を大きくしながら、意図しない電流が蓄電池13に向けて流れることを抑制できる。
Specifically, the
なお、インバータ23から電力線110に向けて出力される電力量について、制限されることがある。インバータ23の出力電力は、交流電圧を出力する電力線110に対して供給する電力量であり、第2電力量に相当する。出力電力の制限は、たとえば、商用電力系統100からの出力抑制、系統電圧の上昇、による。出力電力が制限される値を制限電力量Plimとする。出力電力が制限される値は、商用電力系統100から、たとえば図示しないコントローラを通して指示される。制御回路26は、電流センサ31aにより検出された第1電流Ipvと、電圧センサ31bにより検出された第1電圧Vpvとにより、太陽電池12の第1電力量Ppvを算出する。そして、制御回路26は、第1電力量Ppvを制限電力量Plim以下とするように、昇圧コンバータ21のスイッチング素子21aをオンオフ動作する。
Note that the amount of power output from
なお、太陽電池12の最大電力点Pmaxが制限電力量Plimよりも低い場合がある。たとえば、上述したように、太陽電池12の発電電力は、日照強度等の状態により変化する。この場合、制御回路26は、太陽電池12の最大電力点Pmaxが制限電力量Plim以下の場合、たとえば上記のMPPT制御によって太陽電池12の第1電力量Ppvを最大電力点Pmaxとするように、昇圧コンバータ21を制御する。
Note that the maximum power point Pmax of the
図6に示すように、太陽電池12の最大電力点Pmaxが制限電力量Plimより大きい場合、制限電力量Plim以下となる第1電力量Ppvについて、第1電力量Ppvが最大となる2つの動作点P1,P2が存在する。この場合、最大電力点Pmaxを挟んで、第1電圧Vpvが低い側の動作点P1と、第1電圧Vpvが高い側の動作点P2ととなる。一般に、第1電力量Ppvを制限する場合、第1電流Ipvを小さくする方向に昇圧コンバータ21を制御する。つまり、動作点P2にて動作させることが多い。しかしながら、本実施形態のパワーコンディショナ11では、蓄電池13がバスライン40に対して直接的に接続されている。図6に示す例では、2つの動作点P1,P2は、蓄電池13の第2電圧Vbattを挟むように設定されている。したがって、制御回路26は、動作点P1,P2の電圧と蓄電池13の第2電圧Vbattとを比較し、第2電圧Vbatt以下となる電圧の動作点P1を選択する。そして、制御回路26は、太陽電池12の第1電力量Ppvを動作点P1とするように、昇圧コンバータ21のスイッチング素子21aをオンオフ動作する。これにより、インバータ23の出力電力が制限された場合であっても、太陽電池12を効率よく発電しながら、蓄電池13に対して意図しない電流が流れることを抑制できる。
As shown in FIG. 6, when the maximum power point Pmax of the
なお、図6では、動作点P1,P2の間に蓄電池13の第2電圧Vbattがある場合について説明した。これに対し、動作点P2の電圧よりも第2電圧Vbattが高い場合がある。この場合、制御回路26は、第2電圧Vbattよりも電圧が低い動作点P1,P2のうちの電圧が高い動作点P2を選択する。そして、制御回路26は、太陽電池12の第1電力量Ppvを動作点P2とするように、昇圧コンバータ21のスイッチング素子21aをオンオフ動作する。これにより、インバータ23の出力電力が制限された場合であっても、太陽電池12を効率よく発電しながら、蓄電池13に対して意図しない電流が流れることを抑制できる。
Note that FIG. 6 describes the case where the second voltage Vbatt of the
インバータ23の出力電力について、パワーコンディショナ11の構成により制限される場合がある。たとえば、パワーコンディショナ11が出力可能な電力量よりも、発電可能電力が大きな太陽電池12が接続されることがある。パワーコンディショナ11の出力可能な電力量は、昇圧コンバータ21やインバータ23等の回路の最大定格電力により決定され、たとえば4kWに設定される。パワーコンディショナ11の出力可能な電力量は、第1電力値としてたとえばメモリ26bに記憶される。なお、第1電力値は、パワーコンディショナ11が接続された図示しないコントローラのメモリに記憶され、パワーコンディショナ11に対して指示されてもよい。
The output power of
制御回路26は、第1電力値を図6に示す制限電力量Plimとして、上記と同様に、太陽電池12の第1電力量Ppvを動作点P1とするように、昇圧コンバータ21のスイッチング素子21aをオンオフ動作する。これにより、インバータ23の出力電力が制限された場合であっても、太陽電池12を効率よく発電しながら、蓄電池13に対して意図しない電流が流れることを抑制できる。
なお、図6では、動作点P1,P2の間に蓄電池13の第2電圧Vbattがある場合について説明した。これに対し、図7に示すように、制限電力量Plimによる2つの動作点P1,P2の電圧よりも蓄電池13の第2電圧Vbattが低い場合がある。制御回路26は、制限電力量Plimによる動作点P1,P2の電圧と、蓄電池13の第2電圧Vbattとを比較する。蓄電池13の第2電圧Vbattよいも低い電圧の動作点が存在しないため、制御回路26は、電圧の制限範囲(上限値)を蓄電池13の第2電圧Vbattとする。そして、制御回路26は、太陽電池12の第1電圧Vpvを蓄電池13の第2電圧Vbatt以下とするように、昇圧コンバータ21のスイッチング素子21aをオンオフ動作する。これにより、インバータ23の出力電力が制限された場合であっても、太陽電池12を効率よく発電しながら、蓄電池13に対して意図しない電流が流れることを抑制できる。
Note that FIG. 6 describes the case where the second voltage Vbatt of the
(第1実施形態の効果)
以上記述したように、本実施形態によれば、以下の効果を奏する。
(1-1)パワーコンディショナ11は、バスライン40に対してリレー22を用いて蓄電池13が接続されている。制御回路26は、第1電圧Vpvと第1電流Ipvとから第1電力量Ppvを算出する。そして、制御回路26は、スイッチング素子21aをオンオフ動作して、第1電圧Vpvが第2電圧Vbatt以下となる範囲で第1電圧Vpvを変化させ、第1電圧Vpvを第1電力量Ppvが最も大きくなる電圧となるよう制御する。これにより、制御回路26は、蓄電池13に対して流れる意図しない電流を低減する。
(Effect of the first embodiment)
As described above, according to this embodiment, the following effects are obtained.
(1-1) The
(1-2)太陽電池12の最大電力点Pmaxが制限電力量Plimより大きい場合、制限電力量Plim以下となる第1電力量Ppvについて、第1電力量Ppvが最大となる2つの動作点P1,P2が存在する。制御回路26は、動作点P1,P2の電圧と蓄電池13の第2電圧Vbattとを比較し、第2電圧Vbatt以下となる電圧の動作点P1を選択する。そして、制御回路26は、太陽電池12の第1電力量Ppvを動作点P1とするように、昇圧コンバータ21のスイッチング素子21aをオンオフ動作する。これにより、インバータ23の出力電力が制限された場合であっても、太陽電池12を効率よく発電しながら、蓄電池13に対して意図しない電流が流れることを抑制できる。
(1-2) When the maximum power point Pmax of the
(1-3)制御回路26は、メモリ26bに記憶された第1電力値を制限電力量Plimとして、上記と同様に、太陽電池12の第1電力量Ppvを動作点P1とするように、昇圧コンバータ21のスイッチング素子21aをオンオフ動作する。これにより、インバータ23の出力電力が制限された場合であっても、太陽電池12を効率よく発電しながら、蓄電池13に対して意図しない電流が流れることを抑制できる。
(1-3) The
(1-4)制御回路26は、制限電力量Plimによる動作点P1,P2の電圧と、蓄電池13の第2電圧Vbattとを比較する。蓄電池13の第2電圧Vbattよいも低い電圧の動作点が存在しないため、制御回路26は、電圧の制限範囲(上限値)を蓄電池13の第2電圧Vbattとする。そして、制御回路26は、太陽電池12の第1電圧Vpvを蓄電池13の第2電圧Vbatt以下とするように、昇圧コンバータ21のスイッチング素子21aをオンオフ動作する。これにより、インバータ23の出力電力が制限された場合であっても、太陽電池12を効率よく発電しながら、蓄電池13に対して意図しない電流が流れることを抑制できる。
(1-4) The
(第2実施形態)
以下、第2実施形態を説明する。
なお、この第2実施形態は、第1実施形態と同じ構成であり、制御回路26による制御が異なる。このため、第2実施形態の構成を示す図面および説明を省略し、第1実施形態の構成を示す図面を参照して制御回路26による制御について説明する。
(Second embodiment)
The second embodiment will be described below.
The second embodiment has the same configuration as the first embodiment, but the control by the
制御回路26は、センサ31の電流センサ31aおよび電圧センサ31bと、センサ33(電圧センサ)との検出結果により、昇圧コンバータ21を制御する。昇圧コンバータ21において、入力電圧つまり第1電圧Vpvと、出力電圧つまりバス電圧Vhvdcとの比(昇圧比)は、スイッチング素子21aのオン期間とオフ期間、つまりスイッチング素子21aをオンオフ動作する制御信号のデューティ比により変更できる。制御回路26は、昇圧比、つまりスイッチング素子21aに供給する制御信号のデューティ比を、たとえば例えばパルス幅変調(PWM:Pulse Width Modulation)制御により調整する。そして、制御回路26は、第1電圧Vpvと第1電流Ipvとに基づいて、太陽電池12の第1電力量Ppvを最大とするように最大電力点追従(MPPT:Maximum Power Point Tracking)制御を実行する。
制御回路26は、電圧センサ31bにより、太陽電池12の第1電圧Vpvを検出する。また、制御回路26は、電圧センサ32bにより、蓄電池13の第2電圧Vbattを検出する。制御回路26は、第1電圧Vpvと第2電圧Vbattとを大小比較する。そして、制御回路26は、第1電圧Vpvが第2電圧Vbattよりも大きくなるとき、蓄電池13とバスライン40との間のリレー22を開状態(オフ状態)に制御する。これにより、太陽電池12により発電量を大きくしながら、意図しない電流が蓄電池13に向けて流れることを抑制できる。
The
なお、蓄電池13の第2電圧Vbattにより、リレー22の状態を制御してもよい。たとえば、制御回路26は、蓄電池13の第2電圧Vbattにより、蓄電池13が満充電か否かを判定する。そして、蓄電池13が満充電の場合、リレー22を開状態(オフ状態)とする。これにより、制御回路26は、第1電圧Vpvが第2電圧Vbattより大きい場合であっても、蓄電池13に向けて電流が流れることを抑制できる。つまり、制御回路26は、蓄電池13に対する過充電を抑制できる。
Note that the state of the
また、制御回路26は、リレー22を閉状態(オン状態)としているとき、負荷120の消費電力と、太陽電池12の第1電力量Ppvとを比較する。そして、負荷120の消費電力が太陽電池12の第1電力量Ppvを上回るとき、リレー22を開状態(オフ状態)とする。そして、制御回路26は、MPPT制御によって太陽電池12に対して最大電力点Pmaxとなるように昇圧コンバータ21のスイッチング素子21aをオンオフ動作する。これにより、制御回路26は、蓄電池13に対する意図しない電流を抑制するとともに、負荷120に対して商用電力系統100からの交流電圧の供給を抑えることができる。
Further,
(第2実施形態の効果)
以上記述したように、本実施形態によれば、以下の効果を奏する。
(2-1)制御回路26は、電圧センサ31bにより、太陽電池12の第1電圧Vpvを検出する。また、制御回路26は、電圧センサ32bにより、蓄電池13の第2電圧Vbattを検出する。制御回路26は、第1電圧Vpvと第2電圧Vbattとを大小比較する。そして、制御回路26は、第1電圧Vpvが第2電圧Vbattよりも大きくなるとき、蓄電池13とバスライン40との間のリレー22を開状態(オフ状態)に制御する。これにより、太陽電池12により発電量を大きくしながら、意図しない電流が蓄電池13に向けて流れることを抑制できる。
(Effect of Second Embodiment)
As described above, according to this embodiment, the following effects are obtained.
(2-1) The
(2-2)制御回路26は、蓄電池13の第2電圧Vbattにより、蓄電池13が満充電か否かを判定する。そして、蓄電池13が満充電の場合、リレー22を開状態(オフ状態)とする。これにより、制御回路26は、第1電圧Vpvが第2電圧Vbattより大きい場合であっても、蓄電池13に向けて電流が流れることを抑制できる。つまり、制御回路26は、蓄電池13に対する過充電を抑制できる。
(2-2) The
(2-3)制御回路26は、リレー22を閉状態(オン状態)としているとき、負荷120の消費電力と、太陽電池12の第1電力量Ppvとを比較する。そして、負荷120の消費電力が太陽電池12の第1電力量Ppvを上回るとき、リレー22を開状態(オフ状態)とする。そして、制御回路26は、MPPT制御によって太陽電池12に対して最大電力点Pmaxとなるように昇圧コンバータ21のスイッチング素子21aをオンオフ動作する。これにより、制御回路26は、蓄電池13に対する意図しない電流を抑制するとともに、負荷120に対して商用電力系統100からの交流電圧の供給を抑えることができる。
(2-3) The
(変更例)
上記実施形態は例えば以下のように変更できる。上記実施形態と以下の各変更例は、技術的な矛盾が生じない限り、互いに組み合せることができる。なお、以下の変更例において、上記実施形態と共通する部分については、上記実施形態と同一の符号を付してその説明を省略する。
(Change example)
For example, the above embodiment can be modified as follows. The above-described embodiment and each modification below can be combined with each other as long as there is no technical contradiction. In addition, in the following modified example, the same reference numerals as in the above embodiment are attached to the parts common to the above embodiment, and the explanation thereof is omitted.
・上記第1実施形態において、制御回路26は、第1電圧Vpvが第2電圧Vbattを超えたことを検出したときに、第1電圧Vpvを第2電圧Vbatt以下とするようにスイッチング素子21aをオンオフ動作するようにしてもよい。
- In the above-described first embodiment, when the
・昇圧コンバータ21のスイッチング素子21aとして、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(IGBT:Insulated Gate Bipolar Transistor)等としてもよい。また、インバータ23のスイッチング素子23a~23dとして、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(IGBT:Insulated Gate Bipolar Transistor)等としてもよい。
The switching element 21a of the
・リレー22,25は、機械式リレー等を用いることができる。また、リレー22,25は、直列または並列に接続された複数の半導体スイッチや機械式リレーにより構成されてもよい。また、リレー22,25は、異なる構成の開閉器(スイッチ)、たとえば半導体スイッチと機械式リレーとを組み合わせた構成であってもよい。
- As the
・制御回路26のメモリ26bは、MCU26aに接続されてもよく、MCU26aに内蔵されていてもよい。また、メモリ26bは、制御回路26に接続されていてもよい。
・上記実施形態及び変更例では、自然エネルギーを利用した電源としての太陽電池12に接続されたパワーコンディショナ11について説明した。自然エネルギーを利用した電源としては、太陽光発電装置、太陽熱発電装置、風力発電装置、ガス発電装置、地熱発電装置、等の発電装置、またはこれらを組み合わせて用いることができる。
- The
- In the above embodiments and modifications, the
以上の説明は単に例示である。本開示の技術を説明する目的のために列挙された構成要素および方法(製造プロセス)以外に、より多くの考えられる組み合わせおよび置換が可能であることを当業者は認識し得る。本開示は、特許請求の範囲を含む本開示の範囲内に含まれるすべての代替、変形、および変更を包含することが意図される。 The above description is merely exemplary. Those skilled in the art can recognize that many more possible combinations and permutations are possible in addition to the components and methods (manufacturing processes) listed for the purpose of describing the technology of this disclosure. This disclosure is intended to cover all alternatives, variations and modifications that fall within the scope of this disclosure, including the claims.
10 電力供給システム
11 パワーコンディショナ
12 太陽電池
13 蓄電池
21 昇圧コンバータ
21a スイッチング素子
21b インダクタ
21c ダイオード
22 リレー
23 インバータ
23a~23d スイッチング素子
24 フィルタ
24a~24c インダクタ
24d コンデンサ
25 リレー
25a 第1リレー
25b 第2リレー
26 制御回路
26a MCU
26b メモリ
27,28 電源回路
29 フィルタ
29a コンデンサ
29b インダクタ
31~37 センサ
31a 電流センサ
31b 電圧センサ
32b 電圧センサ
35a 電圧センサ
35b 電圧センサ
40 バスライン
40a 高圧側バスライン
40b 低圧側バスライン
100 商用電力系統
110 電力線
110o O相電力線
110u U相電力線
110w W相電力線
120,120a,120b 負荷
C11 電解コンデンサ
D11,D12 ダイオード
Ia 電流
Ibatt 電流
Ipv 第1電流
N1 接続点
N2 接続点
Ppv 第1電力量
Pmax 最大電力点
P1,P2 動作点
Vbatt 第2電圧
Vhvdc バス電圧
Vpv 第1電圧
Voc 開放電圧
Vop 動作電圧
10
Claims (7)
前記昇圧コンバータによって昇圧された直流電圧が出力されるバスラインと、
前記バスラインに接続される蓄電池と、
前記バスラインの直流電圧を交流電圧に変換するインバータと、
前記電源と前記昇圧コンバータとの間に接続され、前記第1電圧を検出する第1電圧センサと、
前記電源と前記昇圧コンバータとの間に流れる第1電流を検出する第1電流センサと、
前記蓄電池の第2電圧を検出する第2電圧センサと、
制御回路と、
を備え、
前記制御回路は、前記第1電圧と前記第1電流とから第1電力量を算出し、前記第1スイッチング素子をオンオフ動作して前記第1電圧が前記第2電圧以下となる範囲で前記第1電圧を変化させ、前記第1電圧を前記第1電力量が最も大きくなる電圧となるよう制御する、
パワーコンディショナ。 a boost converter that is connected to a power source that uses natural energy, has a first switching element and an inductor, and boosts a first voltage supplied from the power supply by an on/off operation of the first switching element;
a bus line for outputting a DC voltage boosted by the boost converter;
a storage battery connected to the bus line;
an inverter that converts the DC voltage of the bus line into an AC voltage;
a first voltage sensor connected between the power supply and the boost converter for detecting the first voltage;
a first current sensor that detects a first current flowing between the power supply and the boost converter;
a second voltage sensor that detects a second voltage of the storage battery;
a control circuit;
with
The control circuit calculates a first electric energy from the first voltage and the first current, turns the first switching element on and off, and controls the first electric energy within a range in which the first voltage is equal to or lower than the second voltage. 1 voltage is changed, and the first voltage is controlled to be the voltage that maximizes the first electric energy;
power conditioner.
前記制御回路は、前記第1電力量が前記第1電力値を超えた場合に、前記第1電力量が前記第1電力値以下となるように前記第1スイッチング素子をオンオフ動作する、
請求項1に記載のパワーコンディショナ。 having a memory in which the first power value is stored;
When the first power amount exceeds the first power value, the control circuit turns on and off the first switching element so that the first power amount becomes equal to or less than the first power value.
The power conditioner according to claim 1.
前記電力線に対して出力が制限され電力の制限電力量を前記第2電力量が超える場合に、前記第2電力量が前記制限電力量以下となるように前記第1スイッチング素子をオンオフ動作する、
請求項1または請求項2に記載のパワーコンディショナ。 The control circuit detects a second amount of power supplied to a power line that outputs the AC voltage,
When the output to the power line is limited and the second power amount exceeds the power limit amount of power, the first switching element is turned on and off so that the second power amount is equal to or less than the power limit amount.
The power conditioner according to claim 1 or 2.
前記昇圧コンバータによって昇圧された直流電圧が出力されるバスラインと、
前記バスラインに接続された第1開閉器と、
前記第1開閉器を通して前記バスラインに接続される蓄電池と、
前記バスラインの直流電圧を交流電圧に変換するインバータと、
前記電源と前記昇圧コンバータとの間に接続され、前記第1電圧を検出する第1電圧センサと、
前記電源と前記昇圧コンバータとの間に流れる第1電流を検出する第1電流センサと、
前記蓄電池の第2電圧を検出する第2電圧センサと、
制御回路と、
を備え、
前記制御回路は、前記第1電圧と前記第1電流とから第1電力量を算出し、前記第1スイッチング素子をオンオフ動作して前記第1電圧が前記第2電圧以下となる範囲で前記第1電圧を変化させ、前記第1電圧を前記第1電力量が最も大きくなる電圧となるよう制御し、前記第2電圧よりも前記第1電圧が大きくなるとき前記第1開閉器を閉状態とする、
パワーコンディショナ。 a boost converter that is connected to a power source that uses natural energy, has a first switching element and an inductor, and boosts a first voltage supplied from the power supply by an on/off operation of the first switching element;
a bus line for outputting a DC voltage boosted by the boost converter;
a first switch connected to the bus line;
a storage battery connected to the bus line through the first switch;
an inverter that converts the DC voltage of the bus line into an AC voltage;
a first voltage sensor connected between the power supply and the boost converter for detecting the first voltage;
a first current sensor that detects a first current flowing between the power supply and the boost converter;
a second voltage sensor that detects a second voltage of the storage battery;
a control circuit;
with
The control circuit calculates a first electric energy from the first voltage and the first current, turns the first switching element on and off, and controls the first electric energy within a range in which the first voltage is equal to or lower than the second voltage. 1 voltage is changed, the first voltage is controlled so as to maximize the first electric energy, and the first switch is closed when the first voltage becomes greater than the second voltage. do,
power conditioner.
前記制御回路は、前記インバータにて変換した前記交流電圧を前記商用電力系統に対して供給可能であるときに前記第1開閉器を開状態にする、
請求項4に記載のパワーコンディショナ。 The inverter is connected to a commercial power system through a power line,
The control circuit opens the first switch when the AC voltage converted by the inverter can be supplied to the commercial power system,
The power conditioner according to claim 4.
請求項4に記載のパワーコンディショナ。 The control circuit opens the first switch when the storage battery is fully charged.
The power conditioner according to claim 4.
前記制御回路は、前記負荷における消費電力が前記第1電力量よりも大きいときに前記第1開閉器を開状態にする、
請求項4に記載のパワーコンディショナ。 The inverter is connected to a load through a power line,
The control circuit opens the first switch when power consumption in the load is greater than the first power amount.
The power conditioner according to claim 4.
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