JP5412297B2

JP5412297B2 - 電力変換装置

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Publication number: JP5412297B2
Application number: JP2010002768A
Authority: JP
Inventors: 英彦杉本; 準二大田
Original assignee: Tabuchi Electric Co Ltd
Current assignee: Tabuchi Electric Co Ltd
Priority date: 2010-01-08
Filing date: 2010-01-08
Publication date: 2014-02-12
Anticipated expiration: 2030-01-08
Also published as: JP2011141794A

Description

本発明は、太陽電池パネルに複数台の電力変換器を並列接続して太陽電池パネルの直流電力を変換する電力変換装置に関する。

近年、地球環境保護の観点から環境への影響の少ない太陽電池、燃料電池等による分散型電源システムの開発が盛んに進められている。このような分散型電源システムでは、太陽電池等によって発電した直流電力を、電力変換器としてのＤＣ／ＤＣコンバータおよびインバータ等を備えるパワーコンディショナによって商用周波数の交流電力に変換し、商用電力系統と連系して負荷に供給するとともに、余剰電力を商用電力系統に逆潮流することが行われている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００１−１６１０３２号公報

上記ＤＣ／ＤＣコンバータとして、高周波トランス絶縁方式のＤＣ／ＤＣコンバータ(以下「高周波絶縁ＤＣ／ＤＣコンバータ」という）があるが、かかる高周波絶縁ＤＣ／ＤＣコンバータでは、効率のよい大容量の高周波トランスを製作するのが困難であり、大容量にすると、効率が上がらず、現状では、その容量は２ｋＷ程度である。

このため、例えば、１０ｋＷ以上といった大きな発電電力を得る場合には、例えば太陽電池パネル５台それぞれに上記容量のＤＣ／ＤＣコンバータを5台、個別接続して各太陽電池パネルの直流電力をそれぞれ個別変換して１０ｋＷ以上の発電電力を得ることが考えられるが、このような接続形態では、発電電力が大きくなり、太陽電池パネル及びＤＣ／ＤＣコンバータの数が増加すれば、配線数が増大し、配線作業もより煩雑化してくる。

そこで、複数の太陽電池パネル同士をまとめて並列接続し、また、複数台のＤＣ／ＤＣコンバータ同士をまとめて並列接続すると共に、各太陽電池パネルと各ＤＣ／ＤＣコンバータとはそれぞれの並列接続一端側同士を配線接続することで全体の配線数を削減し、配線作業の簡素化を図ることが考えられる。

しかしながら、従来では、上記各ＤＣ／ＤＣコンバータそれぞれを、太陽電池の動作点が最大出力点に追従するように変化させ、太陽電池から最大出力を取り出す最大電力追従（ＭＰＰＴ：Maximum Power Point Tracking）制御を行わせると、各ＤＣ−ＤＣコンバータそれぞれが入力電流をばらばらに制御して電力変換を行ってしまうという課題がある。

したがって、本発明は、上述の課題に鑑みてなされたものであって、より大きい発電出力を得るに際して複数台の電力変換器を並列接続する場合、それらの配線の簡素化を図る一方で、その接続方式において、太陽電池の最大電力追従制御を行う場合に、電流制御を可能とするようにした電力変換装置を提供することを目的とする。

本発明では、上記目的を達成するために、次のように構成している。

本発明の電力変換装置は、太陽電池に並列接続される複数台の電力変換器を備える電力変換装置であって、前記複数台の電力変換器の内の１台の電力変換器が、前記複数台全体としての前記太陽電池の最大電力追従制御を行う一方、残余の電力変換器が電流制御を行うものである。

電力変換器は、ＤＣ／ＤＣコンバータであってもよいし、インバータであってもよい。

本発明の電力変換装置によれば、複数台の電力変換器の内の１台の電力変換器が、全体としての最大電力追従制御を行う一方、残余の電力変換器が、電流制御を行うので、各電力変換器がそれぞれ最大電力追従制御を行う従来例のように、電流制御できなくなるといったことがない。

本発明の電力変換装置の一つの実施態様では、前記太陽電池が、一つの太陽電池パネルまたは出力が並列接続された複数の太陽電池パネルであり、前記１台の電力変換器が、入力電圧および前記複数台の各電力変換器の入力電流の総和に基づいて、前記最大電力追従制御を行うものであり、前記残余の電力変換器が、入力電流指令および入力電流に基づいて、電流制御を行うものである。

前記入力電流指令は、入力電圧及び複数台の各電力変換器の入力電流の総和が与えられる前記１台の電力変換器が生成して残余の電力変換器に与えるようにしてもよいし、別途、入力電流指令を出力する制御部を設けてもよい。

また、この入力電流指令は、電力変換器の許容電流内の電流指令である。

この実施態様によると、複数の太陽電池パネルと複数台の電力変換装置とを並列接続して電力変換を行うので、発電電力を高めることができると共に、複数の太陽電池パネルと複数台の電力変換器とを個別にそれぞれ接続する構成に比べて、配線数を削減することができる。

本発明の電力変換装置の好ましい実施態様では、前記入力電流指令が、前記入力電流の総和を前記複数台の電力変換器で均等に分配する電流指令である。

この実施態様によると、複数台の電力変換器には、等しい電流が流れるように制御されることになる。

なお、入力電流指令は、複数台の電力変換器全体として最大効率となるような電流指令としてもよく、例えば、前記残余の電力変換器が複数台存在するときには、その内の少なくとも１台を停止させるような電流指令であってもよい。

本発明の電力変換装置の他の実施態様では、前記電力変換器が、高周波トランス絶縁方式のＤＣ／ＤＣコンバータである。

この実施態様によると、容量が比較的小さい高周波トランス絶縁方式のＤＣ／ＤＣコンバータの複数台を並列接続することによって、大きな発電電力に対応することができる。

本発明の電力変換装置の更に他の実施態様では、前記電力変換器が、昇圧チョッパと高周波トランス絶縁方式のＤＣ／ＤＣコンバータとを備えている。

この実施態様によると、太陽電池の発電電圧が低いときには、昇圧チョッパによって昇圧することによって、高周波トランス絶縁方式のＤＣ／ＤＣコンバータの変換効率を高く維持することができる。

本発明によれば、複数台の電力変換器の内の１台の電力変換器が、全体としての最大電力追従制御を行う一方、残余の電力変換器が、電流制御を行うので、各電力変換器がそれぞれ最大電力追従制御を行う従来例のように、電流制御できないといったことがない。

本発明の一つの実施の形態に係る太陽光発電システムの概略構成図である。図１の最大電力追従制御ＤＣ／ＤＣコンバータの回路構成図である。図１の電流制御ＤＣ／ＤＣコンバータの回路構成図である。本発明の他の実施形態に係る太陽光発電システムの概略構成図である。図４の昇圧チョッパの回路構成図である。本発明の更に他の実施形態に係る太陽光発電システムの概略構成図である。

以下、図面によって本発明の実施の形態について詳細に説明する。

（実施形態１）
図１は、本発明の一つの実施形態に係る電力変換装置を備える太陽光発電システムの概略構成図である。

この太陽光発電システムは、直流電力源としての複数、この実施形態では５つの太陽電池パネル１_１〜１_５と、この太陽電池パネル１_１〜１_５からの直流電力を、交流電力に変換して商用電源系統である、例えば、三相電源２に連系する電力変換装置としてのパワーコンディショナ３とを備えている。５つの太陽電池パネル１_１〜１_５の出力は、逆流防止用のダイオード４_１〜４_５を介して互いに並列接続されており、その最大出力電力は、例えば、１０ｋＷである。

パワーコンディショナ３は、入力側および出力側が並列接続された複数台、この実施形態では５台の電力変換器としての高周波トランス絶縁方式のＤＣ／ＤＣコンバータ５_１〜５_５と、ＤＣ／ＤＣコンバータ５_１〜５_５の入力電圧（太陽電池パネル１_１〜１_５の出力電圧）を検出する電圧検出回路６と、各ＤＣ／ＤＣコンバータ５_１〜５_５の各入力電流をそれぞれ検出する電流検出器７_１〜７_５と、前記各電流検出器７_１〜７_５の検出出力に基づいて、全電流（太陽電池パネル１_１〜１_５の出力電流）を検出する全電流検出器８と、ＤＣ／ＤＣコンバータ５_１〜５_５からの直流電力を、三相の交流電力に変換して商用の三相電源２に連系するインバータ９とを備えている。各ＤＣ／ＤＣコンバータ５_１〜５_５の容量は、例えば、２．０ｋＷである。

この実施形態では、太陽電池パネル１_１〜１_５に並列接続された５台のＤＣ／ＤＣコンバータ５_１〜５_５の運転を可能とするために、次のように構成している。

すなわち、５台のＤＣ／ＤＣコンバータ５_１〜５₅の内、１台のＤＣ／ＤＣコンバータ５_１は、５台全体として太陽電池の最大電力追従制御を行う最大電力追従制御ＤＣ／ＤＣコンバータであり、残りの４台のＤＣ／ＤＣコンバータ５₂〜５_５は、最大電力追従制御ＤＣ／ＤＣコンバータ５_１から与えられる入力電流指令に応じて電流制御をそれぞれ行う電流制御ＤＣ／ＤＣコンバータである。

図２は、最大電力追従制御ＤＣ／ＤＣコンバータ５_１の回路構成図である。

この最大電力追従制御ＤＣ／ＤＣコンバータ５_１は、太陽電池パネル１_１〜１_５からの入力電圧を平滑化する平滑コンデンサ１０と、直流電力を交流電力に変換する高周波インバータ回路１１と、この高周波インバータ回路１１からの交流電力を変圧する高周波トランス１２と、この高周波トランス１２からの交流出力を全波整流する整流回路１３と、整流回路１３の出力を平滑化してインバータ９に与える平滑回路１４と、上述の電圧検出回路６の検出出力および全電流検出器８の検出出力に基づいて、太陽電池パネル１_１〜１_５から最大電力を取り出すように高周波インバータ回路１１のスイッチング制御を行うと共に、各ＤＣ／ＤＣコンバータ５_１〜５_５に許容電流内で均等に電流を流すための電流指令を各電流制御ＤＣ／ＤＣコンバータ５₂〜５_５に与える最大電力追従制御回路１５とを備えている。

高周波インバータ回路１１は、フルブリッジ構成された４個のＩＧＢＴなどのスイッチング素子１６ａ〜１６ｄと、各スイッチング素子１６ａ〜１６ｄに逆並列に接続されたダイオード１７ａ〜１７ｄとを備えている。この高周波インバータ回路１１は、最大電力追従制御回路１５によって後述のようにスイッチング制御されて直流電力を高周波の交流電力に変換する。

高周波トランス１２は、高周波インバータ回路１１からの交流電力を変圧して、整流回路１３に供給する。

整流回路１３は、ダイオードブリッジで構成されており、高周波トランス１２からの高周波電流は、整流回路１３で整流され、更に、リアクトル１８とコンデンサ１９からなる平滑回路１４で平滑化されて、図１のインバータ９に供給される。

最大電力追従制御回路１５は、電圧検出回路６によって検出される直流電圧と全電流検出器８によって検出される各ＤＣ／ＤＣコンバータ５_１〜５_５に流れる電流の総和である全電流とに基づいて、太陽電池パネル１_１〜１_５からの直流電力が最大となるように、高周波インバータ回路１１のスイッチング素子１６ａ〜１６ｄを制御する。

すなわち、最大電力追従制御回路１５は、いわゆる山登り法により太陽電池パネル１_１〜１_５から出力される直流電圧を変化させ、太陽電池パネル１_１〜１_５から出力される直流電力を最大出力電力になるように制御する。

このように最大電力追従制御回路１５では、５台のＤＣ／ＤＣコンバータ５_１〜５_５全体として最大電力追従制御を行う。

更に、この最大電力追従制御回路１５では、全電流検出器８によって検出される全電流が、各ＤＣ／ＤＣコンバータ５_１〜５_５に均等に流れるように、各電流制御ＤＣ／ＤＣコンバータ５₂〜５_５に対して全電流を等分した電流指令を与える。

図３は、電流制御ＤＣ／ＤＣコンバータ５₂の回路構成図であり、図２の最大電力追従制御ＤＣ／ＤＣコンバータ５_１に対応する部分には、同一の参照符号を付す。なお、各電流制御ＤＣ／ＤＣコンバータ５₂〜５_５の構成は、同一であるので、図３では、電流制御ＤＣ／ＤＣコンバータ５₂を代表的に示している。

この電流制御ＤＣ／ＤＣコンバータ５₂は、太陽電池パネル１_１〜１_５からの入力電圧を平滑化する平滑コンデンサ１０と、直流電力を交流電力に変換する高周波インバータ回路１１と、この高周波インバータ回路１１からの交流電力を変圧する高周波トランス１２と、この高周波トランス１２からの交流出力を全波整流する整流回路１３と、整流回路１３の出力を平滑化してインバータ９に与える平滑回路１４と、電流検出器７_２の検出出力及び最大電力追従制御ＤＣ／ＤＣコンバータ５_１から入力される入力電流指令に基づいて、高周波インバータ回路１１のスイッチング制御を行う電流制御回路２１とを備えている。

この電流制御回路２１は、電流検出器７_２によって検出される電流が、入力電流指令に一致するように、高周波インバータ回路１１のスイッチング素子１６ａ〜１６ｄを制御し、これによって、各電流制御ＤＣ／ＤＣコンバータ５₂〜５_５には、均等な電流が流れ、最大電力追従制御ＤＣ／ＤＣコンバータ５_１には、太陽電池パネル１_１〜１_５の出力電流から４台の電流制御ＤＣ／ＤＣコンバータ５₂〜５_５に流れる電流を差し引いた差電流が流れることになる。

このように５台のＤＣ／ＤＣコンバータ５_１〜５_５の内、最大電力追従制御ＤＣ／ＤＣコンバータ５_１は、全体として最大電力追従制御を行う一方、他の電流制御ＤＣ／ＤＣコンバータ５_２〜５_５は、入力電流指令に応じて電流制御を行うので、５台のＤＣ／ＤＣコンバータ５_１〜５_５が連携して太陽電池パネル１_１〜１_５から直流電力を変換することができる。

これらＤＣ／ＤＣコンバータ５_１〜５_５からの直流電力は、インバータ９によって商用電源に連系した三相の交流電力に変換される。

上述の実施形態では、電流指令によって５台のＤＣ／ＤＣコンバータ５_１〜５_５に均等に電流を分配したけれども、本発明の他の実施形態として、５台のＤＣ／ＤＣコンバータ５_１〜５_５全体として最も効率のよい運転ができるように、不均等に配分してもよく、例えば、入力電圧が低いときには、電流制御ＤＣ／ＤＣコンバータ５_２〜５_５の運転台数を減らすような電流指令を与えるようにしてもよい。

なお、各ＤＣ／ＤＣコンバータ５_１〜５_５は、並列接続されない場合には、従来と同様に、それぞれが最大電力追従制御を行うことができる。

上述の実施形態では、各ＤＣ／ＤＣコンバータ５_１〜５_５の入力電流を各電流検出器７_１〜７_５でそれぞれ検出し、各電流検出器７_１〜７_５の検出出力に基づいて、全電流検出器８で全電流（太陽電池パネル１_１〜１_５全体の出力電流）を検出したけれども、本発明の他の実施形態として、電流検出器７_１〜７_５及び全電流検出器８に代えて、太陽電池パネル１_１〜１_５全体の出力電流を検出する電流検出器を、各ＤＣ／ＤＣコンバータ５_１〜５_５への分岐点の前に配置するようにしてもよい。

（その他の実施形態）
ＤＣ／ＤＣコンバータは、入力電圧が低いと、十分な効率が得られない場合がある。そこで、図４のパワーコンディショナ３ａに示すように、各ＤＣ／ＤＣコンバータ５_１〜５_５の前段に昇圧チョッパ回路２２_１〜２２_５をそれぞれ追加し、入力電圧が一定の電圧レベルに達するまでは、昇圧チョッパ回路２２_１〜２２_５によって昇圧するようにしてもよい。

なお、昇圧チョッパ回路２２_１〜２２_５としては、例えば、図５に示すように、インダクタンス２３、トランジスタ２４、ダイオード２５およびコンデンサ２６を備える非絶縁型の昇圧チョッパを用いてもよい。

上述の各実施形態では、電力変換器としてＤＣ／ＤＣコンバータに適用して説明したけれども、本発明は、ＤＣ／ＤＣコンバータを省略してインバータに適用することも可能であり、例えば、図６のパワーコンディショナ３ｂに示すように、５台のインバータ９_１〜９_５の内の１台のインバータ９_１によって全体として最大電力追従制御を行う一方、４台の各インバータ９₂〜９_５によって電流制御を行なうようにしてもよい。
なお、各インバータ９_１〜９_５では、従来と同様の力率制御も行われる。

また、電流検出器７_１〜７_５及び全電流検出器８に代えて、太陽電池パネル１_１〜１_５全体の出力電流を検出する電流検出器を、各インバータ９_１〜９_５への分岐点の前に配置するようにしてもよく、この場合には、各電流制御インバータ９₂〜９_５の電流検出器は、三相電源２側に配置すればよい。

上述の各実施形態では、商用電源系統として三相電源２に連系させたけれども、単相電源に連系させてもよいのは勿論である。

本発明は、太陽電池からの電力を変換する太陽光発電システムなどの電力変換に有用である。

１_１〜１_５太陽電池パネル
２三相電源
３，３ａ，３ｂパワーコンディショナ
５_１最大電力追従ＤＣ／ＤＣコンバータ
５_２〜５_４電流制御ＤＣ／ＤＣコンバータ
６電圧検出回路
７_１〜７_５電流検出回路
８全電流検出回路
９インバータ

Claims

太陽電池に並列接続される複数台の電力変換器を備える電力変換装置であって、
前記複数台の電力変換器の内の１台の電力変換器が、前記複数台全体としての前記太陽電池の最大電力追従制御を行う一方、残余の電力変換器が電流制御を行うことを特徴とする電力変換装置。
前記太陽電池が、一つの太陽電池パネルまたは出力が並列接続された複数の太陽電池パネルであり、
前記１台の電力変換器が、入力電圧および前記複数台の各電力変換器の入力電流の総和に基づいて、前記最大電力追従制御を行うものであり、
前記残余の電力変換器が、入力電流指令および入力電流に基づいて、電流制御を行うものである、
請求項１に記載の電力変換装置。
前記入力電流指令が、前記入力電流の総和を前記複数台の電力変換器で均等に分配する電流指令である請求項２に記載の電力変換装置。
前記電力変換器が、高周波トランス絶縁方式のＤＣ／ＤＣコンバータである請求項１ないし３のいずれかに記載の電力変換装置。
前記電力変換器が、昇圧チョッパと高周波トランス絶縁方式のＤＣ／ＤＣコンバータとを備える請求項１ないし３のいずれかに記載の電力変換装置。