JP3592422B2 - 太陽光発電システムのインバータ制御方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、太陽電池の発電能力を最大限に活用するための太陽光発電システムのインバータ制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
太陽光発電システムには、商用の交流電源系統に連系して運用する系統連系システムと系統に連系しない自立方式がある。両方式とも、太陽光発電電力を交流電力に変換する電力変換装置としてインバータが用いられている。
インバータは、パワー半導体により構成され、ＰＷＭ（パルス幅変調）制御により、太陽電池にて発電した直流電力を交流電力に変換する。このＰＷＭ制御は、パワーＭＯＳＦＥＴ、パワートランジスタ、あるいはＩＧＢＴなどのパワー半導体のＯＮ、ＯＦＦのデューティを高周波数のキヤリア周波数により変調し、５０Ｈｚ、あるいは６０Ｈｚの系統周波数に同期した交流を作る。
以下に、インバータの温度上昇の要因と従来から行われている太陽光発電システムのインバータの冷却方法を説明する。
インバータは、上述のようにパワー半導体をＯＮ、ＯＦＦすることにより、系統電源と同じ周波数の正弦波状の波形を作っている。この正弦波状の波形は、ＯＮ、ＯＦＦの繰り返し回数（キヤリア周波数）を高くするほど正弦波に近づき、波形に含まれる高調波が少なくなる。したがって、高調波含有率を低くするためにはキャリア周波数は、高くとることが望ましい。一般的にはキャリア周波数１０〜１５ｋＨｚにとられている。一方、インバータに使用するパワー半導体は通電すると電力損失を発生し、パワー半導体の温度上昇を引き起こす。
このパワー半導体の接合部の温度上昇は、キャリア周波数が高いほど、また通電する電流が大きいほど大きくなる。したがって、パワー半導体の接合部の温度はこの温度上昇と周囲温度を加算したものとなる。一般に、インバータはパワー半導体を冷却フィンの上に実装して温度上昇を抑制する。温度上昇が大きい場合には、冷却フアンを付加して強制的に冷却することもある。
インバータの設計時は、インバータが設置される場所の周囲温度の上限値を決め、これにパワー半導体の温度上昇を加算し、加算した温度が、使用するパワー半導体の接合部の許容温度を超えないように、冷却フィンの冷却性能を決定する。
【０００３】
一方、太陽電池の発電量は周囲温度が低い場合は発電量が大きくなり、逆に周囲温度が高い場合は発電量が小さくなる。
従来技術ではインバータの最大許容電流は太陽電池の発電能力に関係なく、以下の方法で決めていた。
すなわち、インバータが設置される場所の最大温度にインバータを運転したときのパワー半導体の温度上昇を加算して、この温度がパワー半導体の接合部の許容温度を越えないようなインバータ電流を許容電流としている。
したがって、この許容電流は使用環境温度の最大値とインバータの冷却能力とで決められ、周囲温度が変化しても許容電流値は変えられない。
急速変換モードに応じてインバータの許容電流を変えるものに特開平３−２１８２６８号公報記載のものがあるが、太陽電池が最大電流を出力した場合に、急速変換モードの信号が無い場合には、太陽電池の発電電力が無駄となっていた。
ところが、太陽電池の発電電力は周囲温度が低いほど発電電力が大きくなるという特性を持っている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
このように、従来のインバータでは、周囲温度が低く太陽電池の発電電力が大きい場合でも、許容電流があらかじめ周囲温度の最大値で決められているため、インバータのパワー半導体の温度上昇、言い換えれば出力電力に余裕があるにもかかわらず、出力を増加させることができなかった。
そこで、本発明が解決すべき課題は太陽電池の周囲温度に従って発電電力が増減する特性に合わせてインバータの許容最大電流を変えることにより、常に太陽電池の発電電力を有効に利用することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するため、本発明の太陽光発電用インバータの制御方法は、太陽電池と、前記太陽電池で発電された直流電力を交流電力に変換するインバータと、前記インバータの出力電流の上限値Ｉ_ＬＩＭを可変させる制御手段と、前記インバータもしくは前記太陽電池の周囲温度を検出する温度センサとを備えた太陽光発電システムのインバータ制御方法であって、前記制御手段は下記式に基づいて前記インバータの出力電流の上限値Ｉ_ＬＩＭを設定することを特徴とする太陽光発電システムのインバータ制御方法。
Ｉ_ＬＩＭ＝Ｉ_ＬＩＭ０＋Ｋ_１×（Ｔ_０−Ｔ_Ｆ）
（但し、Ｉ_ＬＩＭ０：インバータの周囲温度がＴ_０の場合の出力電流の上限値、Ｋ_１：比例定数、Ｔ_０：インバータの周囲温度の設計上の最大値、Ｔ_Ｆ：温度センサにより検出されるインバータもしくは太陽電池の周囲温度。）
【０００６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例を図に基づいて説明する。
図１は太陽光発電システムＳの構成図である。図において、１は太陽電池、２はコンデンサ、３ａ〜３ｄはスイッチング素子であるパワー半導体であり、単相インバータの例として４素子を示してぃる。４は温度センサ、５は電流検出器、６はパワー半導体の駆動回路、７はインバータの制御回路を示している。
図１において、太陽電池１により発電された直流電力はパワー半導体３ａ〜３ｄをＯＮ、ＯＦＦすることにより、交流電力ヘ変換される。このとき、パワー半導体３ａ〜３ｄをＯＮ、ＯＦＦする際に高周波のサージ電圧が発生するが、コンデンサ２がこのサージ電圧を吸収する。このパワー半導体３ａ〜３ｄは駆動回路６よりＯＮ，ＯＦＦ信号が与えられ、一般的には高周波のＰＷＭ制御を行う。系統連系運転時には、本インバータ３は電流制御形のインバータ制御を行う。電流検出器５により電流フィードバック制御を行い、系統の電源（図示しない）へ系統電源に同期した周波数の電流を出力する。
また、系統に連系しない自立運転の場合にはインバータ３は電圧形インバータとなり、電流検出器５はインバータ３の過負荷保護用の電流検出器として使用し、過負荷発生時にインバータ３を保護する。
温度センサ４は、インバータ３もしくは太陽電池１が設置されている周囲環境に取り付け、太陽光発電システムの周囲温度を測定する。
【０００７】
次に、温度の測定について図２を参照して説明する。図２は温度センサとしてサーミスタを使用した例である。サーミスタは、温度により抵抗値が変化する特性を利用して、温度センサとして使用される。図２において１１は後記するインバータ３の出力電流の制御手段である制御回路７に接続されているサーミスタ、１２は固定抵抗、１３は基準電圧源（電圧Ｅ）である。また１４はオペアンプであり、サーミスタ１１の抵抗、固定抵抗１２で分圧された電圧ｅのバッファアンプである。このアンプの出力は１５のＡ／Ｄ変換器によりデジタル変換されＣＰＵ１６に取り込まれる。分圧された電圧ｅをＣＰＵに取り込んだ後、演算処理により図３に示す特性に変換し温度Ｔ_Ｆを測定する。周辺の温度をＣＰＵ１６の演算により測定した後、この温度にしたがって、インバータ３の周囲温度を推定し、インバータ３の電流値上限を可変して、温度が低い時は電流値の上限を大きくし、温度が高い時は電流値上限を小さくする。なおここで、制御回路７は固定抵抗１２、基準電圧１３、オペアンプ（演算増幅器）１４、Ａ／Ｄ変換器１５、及びＣＰＵ１６等から構成されている。
【０００８】
次に図４のフロー図にしたがって制御回路７における処理方法を説明する。ここで、図４に示すフロー図は、本発明に関する処理についてのみ示している。
まず、比例演算を用いたインバータ３の出力電流の上限値Ｉ_ＬＩＭの設定法について述べる。
（処理１０１） 温度測定用の電圧ｅをＡ／Ｄ変換して取り込む。処理１０２に進む。
（処理１０２） 図３の関数を用いて電圧ｅから温度Ｔ_Ｆを演算する。処理１０３に進む。
（処理１０３） 測定した温度Ｔ_Ｆから式（１）のように比例演算により、電流値上限Ｉ_ＬＩＭを設定する。本処理を終了する。
Ｉ_ＬＩＭ＝Ｉ_ＬＩＭ０＋Ｋ_１×（Ｔ_０−Ｔ_Ｆ） （１）
ここで、Ｔ_０は周囲温度の設計上の最大値であり、この温度以上でＩ_ＬＩＭ０の電流を流すとパワー半導体の接合部の温度が設計値を超えてパワー半導体が破壊される恐れがある。
Ｉ_ＬＩＭ０は周囲温度がＴ_０の時の電流の上限値
Ｋ_１は比例定数
である。
【０００９】
以上、制御回路７において検出した周囲温度からインバータ３の出力電流の上限値Ｉ_ＬＩＭを設定する方法を述べた。この電流上限値Ｉ_ＬＩＭは、系統連系しているときは電流制御の電流指令値の制限値として使用し、自立運転しているときは過負荷の判定用として使用する。
以上述べたこれらの方法では、パワ一半導体の接合部の温度は直接的には出てこないが、詐容温度Ｔ_０および周囲温度Ｔ_Ｆにおける許容電流値Ｉ_ＬＩＭ０を設定する際に考慮されている。
説明では、単相用の太陽光発電用インバータを対象にしたが、三相用でもよく、また用途は太陽光発電に限らず、一般の半導体制御装置等にも適用することができる。
【００１０】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明は周囲温度に応じてインバータの許容電流値を変化させるので、周囲温度が低くて、太陽光発電電力が大きい場合に、インバータの許容電流値を大きくできる。これにより、インバータの出力電力も大きくすることができ、同じ定格容量の太陽光発電システムでも大きな出力を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例を示すブロック図である。
【図２】本発明の実施例の温度検出の回路図である。
【図３】本発明の実施例の温度検出特性図である。
【図４】本発明の実施例を示すフロー図である。
【符号の説明】
１ 太陽電池、２ コンデンサ、３ａ〜３ｄ パワー半導体、４ 温度センサ、５ 電流検出器、６ パワー半導体の駆動回路、７ インバータの制御回路、１１ サーミスタ、１２ 固定抵抗、１３ 基準電圧源、１４ オペアンプ、１５
Ａ／Ｄ変換器、１６ ＣＰＵ

Claims (1)

1. 太陽電池と、前記太陽電池で発電された直流電力を交流電力に変換するインバータと、前記インバータの出力電流の上限値Ｉ_ＬＩＭを可変させる制御手段と、前記インバータもしくは前記太陽電池の周囲温度を検出する温度センサとを備えた太陽光発電システムのインバータ制御方法であって、前記制御手段は下記式に基づいて前記インバータの出力電流の上限値Ｉ_ＬＩＭを設定することを特徴とする太陽光発電システムのインバータ制御方法。
   Ｉ_ＬＩＭ＝Ｉ_ＬＩＭ０＋Ｋ_１×（Ｔ_０−Ｔ_Ｆ）
   （但し、Ｉ_ＬＩＭ０：インバータの周囲温度がＴ_０の場合の出力電流の上限値、Ｋ_１：比例定数、Ｔ_０：インバータの周囲温度の設計上の最大値、Ｔ_Ｆ：温度センサにより検出されるインバータもしくは太陽電池の周囲温度。）

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