JP3568023B2 - 太陽光発電用電力変換装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、太陽電池を用いた分散型電源に使用する太陽光発電用電力変換装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
各家庭に設置される太陽電池モジュールを用いた分散型電源は、特開平8−70533号公報に開示されている。この従来技術によると、上記分散型電源は図5に示すように太陽電池アレイ8と、この太陽電池アレイ8から出力される直流電力を交流電力に変えるインバータ(インバータ回路)9を内蔵したインバータ装置10とを備えている。このインバータ装置10は、商用電源の電力系統から分散型電源を切り離す遮断機11と、周波数変動や電圧変動に基づいて、商用電源の電力系統1の遮断機5の解列を検知して遮断機11を解列させる単独運転検知手段12とを含む系統連系保護装置を内蔵した構成となっている。ここで3は変電所、4は配電線、6は柱上トランスである。
【0003】
かかる系統連系システムにおいては、計測される太陽電池アレイ8の出力電圧及び出力電流に基づいて、太陽電池アレイ8の発電電力を演算する演算手段14と、太陽電池アレイ8の出力電圧を変化させる出力可変手段15と、この出力可変手段15を制御して太陽電池アレイ8の出力電圧を変化させることにより、演算手段14で演算された発電電力が最大となる出力電圧値を探索する探索動作を、一定の時間間隔をあけて断続的に行う制御手段16と、発電量が異常であるときなどに表示を行う表示手段17とを備えている。
【0004】
そして、前記単独運転検知手段12、演算手段14、出力可変手段15及び制御手段16は、マイクロコンピュータ20によって構成されている。この制御手段16は出力可変手段15を介してインバータ回路9を制御することにより太陽電池アレイ8の出力電圧を変化させ、演算手段14から出力される電力が最大となる電圧値を探索するものである。
【0005】
上記の系統連系システムにおいて、電源装置は一般的には図6に示すように、例えば1kW出力の3枚の太陽電池アレイ8に対して1個の3kWのインバータ9を使用している。また図7に示すように太陽電池アレイ8の出力に等しい容量のインバータ9を使用し、複数枚の太陽電池アレイ8の出力側の夫々をインバータ9の入力側に接続し、これらインバータ9の出力側を1本にして系統と連系するシステムも開示されている。
【0006】
また、図8に示すように夫々の太陽電池アレイ8の出力側を電力変換部であるDC/DCコンバータ21の入力側に接続し、これらのDC/DCコンバータの出力側を他の電力変換部であるインバータ9の入力側に逆流防止ダイオード22を介して接続し、系統と連系するシステムが開示されている。
【0007】
従って、第1の太陽電池アレイ8の出力がDC200V、第2の太陽電池アレイ8の出力がDC100V、第3の太陽電池アレイ8の出力がDC50Vである場合、第1のDC/DCコンバータ21ではその出力をそのままDC200Vに制御し、第2、第3のDC/DCコンバータ21では出力をDC200Vに昇圧してインバータ9に入力させるようになっている。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
上述したような出力を一定電圧制御するDC/DCコンバータによって、各太陽電池アレイからDC/DCコンバータを介して得られる電圧をそろえてDC/DCコンバータの出力で電力を結合する場合、太陽電池の最大電力追従が正確に行えずシステム発電効率が低下するという問題があった。つまり、各DC/DCコンバータの出力電圧を同一に制御するだけでは各太陽電池アレイに対して要求される電流を分配する制御を行うことができず、各太陽電池アレイに対する安定な最大電力の追従が行えない。
【0009】
また、太陽電池モジュールの直列数の異なる太陽電池アレイを直接並列接続して、1台のインバータで制御した場合のP(電力)−V(電圧)特性は例えば図9に示すようになる。2つの太陽電池アレイの最大電力はMPP(a)、MPP(b)であるが、その合成特性の最大電力MPP(a+b)と真の最大電力MPP(a)+MPP(b)との関係は、MPP(a+b)<MPP(a)+MPP(b)であり、得られる最大電力は真の最大電力に比べて図9に記載の損失分だけ低下する。
【0010】
また、現状の最適電力追従制御では最悪の場合、図9におけるMPP(a)の位置で動作する場合も予想される。このような太陽電池アレイ間の最適動作電圧のアンバランスは太陽電池モジュールの直列数が同じ場合においても部分的な影の影響により電流が太陽電池アレイ内のバイパスダイオードを経由するような場合に発生する。
【0011】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために本発明は、DC/DCコンバータの出力電圧をそろえるのではなく、各DC/DCコンバータが各太陽電池アレイの最大電力追従を行う構成とすることを含め、各太陽電池アレイ毎に最大電力を追従する機能を有する電力変換器を介して電力を統合してインバータ装置に入力し、系統と連系運転を行うようにした。
【0020】
本発明の太陽光発電用電力変換装置は、複数の太陽電池電力入力部と、前記複数の太陽電池電力入力部より入力される入力電力を前記太陽光発電用電力変換装置の主回路内で結合する結合手段と、該結合手段で結合した各入力電力の総和を交流電力に変換するインバータを設けた太陽光発電用電力変換装置において、前記複数の太陽電池電力入力部は、太陽電池電力の直接入力部と前記複数の太陽電池電力入力部に接続された各々の太陽電池アレイに対する最大電力追従を行うDC/DCコンバータを介する入力部とを有し、太陽電池電力の直接入力部は逆流防止ダイオードを介して、前記DC/DCコンバータの出力端と結合され、前記インバータ部が結合電力に対する最大電力追従を行うことを特徴としている。
【0021】
従って、DC/DCコンバータは独自で最大電力の導出を行い、後段のインバータ部が結合電力に対する最大電力追従を行うことで、各太陽電池アレイに対する最大電力追従作用を有するとともに、DC/DCコンバータの数量を低減してコスト削減を図ることができる。
【0022】
【発明の実施の形態】
(実施形態1)
図1は本発明の第1の実施形態を示す太陽光発電用電力変換装置の要部構成図であり、一例として複数の太陽電池電力を入力して、系統と連系運転を行う系統連系インバータ41の構成を示す。太陽電池アレイ8a、8b、8cは、各々独立に系統連系インバータ41に接続され、リアクトル28a、28b、28cとスイッチ素子40a、40b、40cとダイオード27a、27b、27cとで構成される昇圧チョッパ部26a、26b、26cには直流電力が入力される。
【0023】
リアクトル28a、28b、28cの電流はスイッチ素子40a、40b、40cのオン時間とオフ時間とのデューティによって制御され、リアクトル28a、28b、28cに蓄えられたエネルギーはダイオード27a、27b、27cを介してコンデンサ29に充電される。コンデンサ29の電圧はインバータ部23に入力され、系統電圧に同期した交流電力に変換されて系統に出力される。各昇圧チョッパ部26a、26b、26cに入力される電圧と電流は電力検出部24a、24b、24cで検出され、制御回路25に入力される。
【0024】
制御回路25は電力検出部24a、24b、24cで検出される電圧、電流から入力電力を算出し、入力電力が最大となるように各スイッチ素子40a、40b、40cのゲート信号ga、gb、gcのデューティ制御を行う。また、制御回路25はインバータ入力電圧(コンデンサ29の電圧)を分圧抵抗30から検出し、所定の保護電圧値以上になると最大電力追従を止めて前記デューティを小さくしてコンデンサ29の電圧が保護電圧値を越えないように制御する。
【0025】
さらに制御回路25はインバータ部23内のスイッチ素子のゲート信号の制御、前記インバータ入力電圧およびインバータ出力電力に基づいた最大電力追従制御、系統連系保護制御などを行う。このように、各昇圧チョッパ部26a、26b、26cおよびインバータ部23がともに最大電力追従制御を行うことにより、系統連系インバータ41に接続された各太陽電池アレイ8a、8b、8cの最大電力を取り出すことができる。
【0026】
(実施形態2)
図2は本発明の第2の実施形態を示す太陽光発電用電力変換装置の要部構成図であり、一例として2系統の太陽電池電力を入力して、系統と連系運転を行う系統連系インバータ41の構成を示すものである。太陽電池アレイ8aは、逆流防止ダイオード22を介してコンデンサ29を充電し、太陽電池アレイ8bはリアクトル28とスイッチ素子40とダイオード27とで構成される昇圧チョッパ部26に接続される。リアクトル28の電流はスイッチ素子40のオン時間とオフ時間とのデューティによって制御され、リアクトル28に蓄えられたエネルギーはダイオード27を介してコンデンサ29に充電される。
【0027】
コンデンサ29の電圧はインバータ部23に入力され、系統電圧に同期した交流電力に変換されて系統に出力される。昇圧チョッパ部26に入力される電圧と電流は電力検出部24で検出され、制御回路25に入力される。制御回路25は電力検出部24で検出される電圧、電流から入力電力を算出し、入力電力が最大となるようにスイッチ素子40のゲート信号gのデューティ制御を行う。
【0028】
また、制御回路25はインバータ部23の入力電圧(コンデンサ29の電圧)を分圧抵抗30から検出し、所定の保護電圧値以上になると最大電力追従を止めて前記デューティを小さくしてコンデンサ29の電圧が保護電圧値を越えないように制御する。さらに制御回路25はインバータ部23内のスイッチ素子のゲート信号の制御、前記インバータ入力電圧およびインバータ出力電力に基づいた最大電力追従制御、系統連系保護制御などを行う。
【0029】
本実施形態では太陽電池アレイ8aの開放電圧が太陽電池アレイ8bの開放電圧より大きな太陽電池アレイが接続され、コンデンサ29の電圧は太陽電池アレイ8aの動作電圧となる。この電圧は昇圧チョッパ部26の最大電力制御によって上昇するが、インバータ入力電圧はインバータ部23の最大電力追従制御により太陽電池アレイ8aの最大電力点となる。このようにして系統連系インバータ41に接続された太陽電池アレイ8a、8bの最大電力を取り出すことができる。
【0030】
(実施形態3)
図3は本発明による第3の実施形態を示す太陽光発電用電力変換装置の要部構成図であり、一例として複数の太陽電池電力を入力して、系統と連系運転を行う系統連系インバータ41の構成を示すものである。太陽電池アレイ8a、8b、8c、8dは、各々独立に系統連系インバータ41の波形成形部34a、34b、34c、34dに接続される。波形成形部34aは電流共振型高周波インバータ31aと高周波トランス32aと整流ダイオード33aで構成され、電流共振型高周波インバータ31aは制御回路37によって電流波形生成を行うと同時に最大電力追従制御が行われる。
【0031】
電流共振型高周波インバータ31aの高周波交流出力は高周波トランス32aを介して整流ダイオード33a、33a’で整流され、他の波形生成部34b、34c、34dの出力電流と合成される。この場合、波形生成部34b、34c、34dは上記波形生成部34aと同様に、電流共振型高周波インバータ、高周波トランスおよび整流ダイオード(いずれも図示せず)で構成される。
【0032】
上記波形成形部34a、34b、34c、34dからの出力が合成された電流は、フィルタ用のコンデンサ35を経て商用周波インバータ36に入力される。商用周波インバータ36に入力される電流は図4の(a)に示すような全波整流状の直流波形となり(図3におけるA点)、これを商用周波インバータ36で系統電圧に同期して折り返して、図4の(b)にしめすような交流電流出力を得られる(図3におけるB点)。更にこれをACフィルタ39で平滑化して図4の(c)に示すような正弦波電流波形を得ることができる(図3におけるC点)。
【0033】
制御回路38は上述のような商用周波インバータ36の折り返し制御および系統連系保護制御を行うとともに、制御回路37に系統との同期信号を送る。制御回路37はこの同期信号に同期した電流波形生成を行うように、波形成形部34a、34b、34c、34dを制御している。このように各太陽電池アレイ毎に設けた波形生成部34a、34b、34c、34dが最大電力追従制御を行うことにより系統連系インバータ41に接続された各太陽電池アレイ8a、8b、8c、8dの最大電力を取り出すことができる。
【0034】
【発明の効果】
本発明は上記のような構成であるので、各太陽電池アレイに対して最大電力追従を行うことができ、太陽光発電のシステム効率を向上することができる。
【0038】
また、DC/DCコンバータは独自で最大電力を導出し、後段のインバータ部が結合電力に対する最大電力追従を行うことになり、各太陽電池アレイに対する最大電力追従作用を有し、太陽光発電のシステム効率を向上することができる。更にまた、DC/DCコンバータの数量が低減されるのでコストダウンが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施形態の要部構成図である。
【図2】本発明の他の実施形態の要部構成図である。
【図3】本発明の更に他の実施形態の要部構成図である。
【図4】図3に示す本発明の実施形態の動作説明図である。
【図5】太陽電池を用いた分散型電源の動作説明図である。
【図6】従来の系統連系インバータのブロック図である。
【図7】系統連系インバータの他の従来例のブロック図である。
【図8】系統連系インバータの更に他の従来例のブロック図である。
【図9】太陽電池アレイの電力−電圧特性図である。
【符号の説明】
1 商用電力系統
3 変電所
4 配電線
5 遮断器
6 柱上トランス
8、8a、8b、8c、8d 太陽電池アレイ
9 インバータ回路
10 インバータ装置
11 遮断器
12 単独運転検知手段
14 演算手段
15 出力可変手段
16 制御手段
17 表示手段
20 マイクロコンピュータ
21 DC/DCコンバータ
22 逆流防止ダイオード
23 インバータ部
24、24a、24b、24c 電力検出部
25 制御回路
26、26a、26b、26c 昇圧チョッパ部
27、27a、27b、27c ダイオード
28、28a、28b、28c リアクトル
29 コンデンサ
30 分圧抵抗
31a 電流共振型高周波インバータ
32a 高周波絶縁トランス
33a、33a’ 整流ダイオード
34a、34b、34c、34d 波形成形部
35 コンデンサ
36 商用周波インバータ
37、38 制御回路
39 ACフィルタ
40、40a、40b、40c スイッチ素子
41 系統連系インバータ
Claims (1)
- 複数の太陽電池電力入力部と、前記複数の太陽電池電力入力部より入力される入力電力を前記太陽光発電用電力変換装置の主回路内で結合する結合手段と、該結合手段で結合した各入力電力の総和を交流電力に変換するインバータを設けた太陽光発電用電力変換装置において、
前記複数の太陽電池電力入力部は、太陽電池電力の直接入力部と前記複数の太陽電池電力入力部に接続された各々の太陽電池アレイに対する最大電力追従を行うDC/DCコンバータを介する入力部とを有し、太陽電池電力の直接入力部は逆流防止ダイオードを介して、前記DC/DCコンバータの出力端と結合され、前記インバータ部が結合電力に対する最大電力追従を行うことを特徴とする太陽光発電用電力変換装置。
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