JP5419252B2 - 最大電力スイッチングコンバーター - Google Patents
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Description
規定の抵抗に出力または入力電流を流してその電圧差により電流換算するか、電流による磁界から電流を検出する方法であるが、簡易に抵抗を用いる場合は検出精度を上げるか抵抗値を上がるかしないと精度の高い検出が出来無い欠点があり、抵抗値が大きいとそのまま電力の損失となる。また、電流検出センサーを用いることは回路のコストがかった。 (たとえば特許文献1)
電流測定が不要なため簡単な回路で実現できるため低コストで有るが、予め発電素子の性状が判明していなければならず、高効率な運転をするには制御が複雑となり、性状の判明した太陽電池以外の適用は困難であった。
また、太陽電池の解放電圧を測定している間はその太陽電池からの電力は利用できないと言う欠点もあった。
(たとえば特許文献2)
検出演算方法が複雑であり、高性能な演算装置を必要とした。
(たとえば特許文献3)
アナログ制御のみで制御されるが検出方法が複雑であり、追尾動作を必要とした。
(たとえば特許文献4)
スイッチングOFFの条件としてコイル電流は入力電圧に比例するが、その比率は一定であり、変動電圧ΔV:入力電圧Vinの設定比をxとおくと、ΔI/ΔV=xとなりxの値を設定することで入力電圧に関わらず変動幅−ΔI/ΔVの比率を設定することが出来る。
この状態でも入力としての変動幅−ΔI/ΔVは電流に比例することは変わりない。
入力電圧がスイッチングOFF条件まで降下した時スイッチング信号はOFFとなり重畳されていた櫛歯状のスイッチング駆動は停止する。
スイッチング駆動が停止されると入力電圧は上昇してスイッチングONの状態まで復帰する。
また電流連続モードの条件に満たなくてとも、入力電流に対してピーク電流が小さくなるので損失は少なくなる。
スイッチング信号ONの時間T1の時間内には徴小パルスにて制御する場合でもパルスの倍数となるだけであるから、T1は−ΔI/ΔVと比例の関係にある。
−ΔI/ΔVは定数Aで表すことが出来るので、最大出力点に調整するときはAの値を変動させるだけで可能になる。また電圧の復帰時間T2はスイッチングOFFの状態での平滑コンデンサーに充電される電流に反比例するのでVin/T2は電力に比例するのでAの値をVin/T2が最大点となるように設定することで可能となる。
このようなときは−ΔI/ΔVと入力電圧が、P/V曲線の山と谷では変化率逆転が生じるので、全域スイープして最適な入力電圧で−ΔI/ΔVと入力電圧の比率となるように制御する。入力機器の代表特性をデータテーブル化しておき補正を加えてもよい。このとき−ΔI/ΔVが同じであっても電流T2の範囲を調節することにより入力電圧に対応した特定制御が可能である。
また、T1の可変スイープの方向を変えて最大値をスキャンすれば、最大値が1つであれば両者は一致し、一致しなければピークが複数あることが判断できる。
1 予め最大電力点を設定するのみで、入力機器の特性が変化しない限り最大点を保持できる。
2 追従、演算処理が不要なので回路が簡単で時間遅れが無く、低コストである。
3 追従制御による入力変動が無く効率がよい。
4 演算処理が無いため、高速スイッチングによるコイルの小型化が計れる。
5 制御に関わる消費電力が小さく、徴小電力から対応できる。
6 MPPTによる制御ミスマッチがなくなる。
7 入力変動に対してリアルタイム制御になる。
1 出力負荷により、出力電力を調節可能となり、バッテリーなどの充電制御が別回路の制御装置が不要となる。
2 入力負荷により、入力電力を調節可能となり、風力発電機の回転数および回転トルクを出来機械的負荷を調節することが出来る。
1 精確な検出が可能である
2 電流のピーク値の比較であるから、抵抗値を同じとすると平均電流を計測するより電圧変化が大きく計測誤差が小さくなる。
1 回路の直流抵抗が低減でき損失の低減が計れる。
2 平滑コンデンサーの充放電による電圧変動によれば部品の増加が無い。
1 ピーク電流を小さくすることが可能となり、損失の低減が計れる。
2 徴小電流から大電流まで幅広い範囲で高効率運転が可能となる。
3 コイルの磁気飽和を防ぐことが出来る。
4 直流成分電流によりコイルのインダクタンスの有効利用が出来る。
1 回路切り替えだけで入力電圧と出力電圧の制限が無くなる。
2 入力と出力が同じ電圧の時は、スイッチング回路をバイパス出来るので、スイッチング損失が無くなる。
3 出力にキャパシタ充電などの電圧変動を伴う場合であっても効率よく電力変換が可能である。
4 在来の太陽電池から直結して充電利用しているシステムに回路付加するだけで利用でき、現存のシステムの効率を上げることが容易に出来る。
1 簡単な回路で複雑な条件での制御が可能になる。
2 入力特性の多様な変化にも適切な対応することが可能。
3 出力制御などの制御も同時に行うことが出来る。
1 特別なセンサーを設けることなく、自動で最大電力点にて作動させることが出来る。
2 最大点が複数生じても、最大点を入力電圧にて特定して制御できる。
1 電流センサーを設けることなく、従来のMPPTの制御法でも用いることができ、簡易な演算のみで最大電力点にて作動させることが出来る。
2 電圧検出のみであるから、複合して検出して演算することにより最大点をより精度良く制御できる。
以下にその各要素を実施例において説明する。
入力側グランドは入力平滑コンデンサー5を接続され、出力側グランドに電流測定抵抗15を介して接続する。
コンパレーターb13は入力電圧の脈動によりコンデンサーa20が充電されるとフリップフロップ22をリセットする。
1出力側の電圧が高い場合は、フリップフロップ22の出力はAND(1)23を介して昇圧スイッチング素子8をスイッチング動作し、降圧スイッチング素子9はNOT(1)25とAND(2)24及びNOT(2)26により閉の状態を保持し、昇圧コンバーターとして作動する。
2 出力側の電圧が低い場合は、フリップフロップ22の出力はAND(1)23を介して昇圧スイッチング素子8の開を保持し、降圧スイッチング素子9はNOT(1)25とAND(2)24及びNOT(2)26によりスイッチング動作し、降圧コンバーターとして作動する。
3 入力と出力の電圧差が小さいときに直結とする場合は、適宜電圧比較にヒステリシス回路を付加して行うことも出来る。
入力電圧を可変抵抗16にて分圧比を調整可能にして分圧電圧をコンパレーターa12の−に入力し、+を入力から抵抗c19を介してコンデンサーb21にて入力平均電圧を接続する。
コンパレーターb13は入力電圧の脈動によりコンデンサーa20が充電されるとフリップフロップ22をリセットする。
前述の実施例3にフリップフロップ22のロジック出力をAND(1)23にて発振器27からの高周波を重畳し、スイッチングONの時のみ高周波にて昇圧スイッチング素子8を駆動する。
入力電圧を抵抗a17と抵抗b18にて分圧した電圧と出力側の電圧をマイクロコンピュータ28のA/Dに入力し、ロジック出力I/Oを 昇圧スイッチング素子8及び降圧スイッチング素子9に接続する。
入力は入力平滑コンデンサー5を経由して降圧スイッチング素子9を介してダイオードb11のアノードに接続された後コイル7に接続される。コイル7から昇圧スイッチング素子8にてグランドに短絡制御されてダイオードa10を介して出力となり、出力は出力平滑コンデンサー6を接続する。
1 モード設定動作として、出力電圧と入力電圧を比較して昇圧モードか降圧モードに切り換える。制御中の電圧が入力と出力がほぼ同じになった場合はスイッチング動作を停止して直結状態に置き、随時制御を開始して制御電圧の確認を行う。
2 入力電圧と出力電圧の測定値から高周波の電流連続モード作動のスイッチングタイミングを設定する。
3 1の動作モードにて2のスイッチングタイミングにてスイッチング動作を開始する。
4 入力電圧が変動しないようにスイッチングOFFの時間(T2)を調整する。
5 T2が調整幅にないとき、0または短い場合は高周波の周波数を下げて時間あたりの電流を多く調整し、長い場合は周波数を上げて電流値を小さく調整する。
6 4の動作中にスイッチングONの時間(T1)をスイープしてT1変化率に対する入力電圧の変動率が最大となるT1の値を記憶し、逆方向にスイープしてT1の値を記憶しT1の平均をT1として設定する。
7 T1が設定された後は4の動作の繰り返しで入力を変動率−ΔI/ΔVの比率を一定に保ち最大電力点を保持しながら動作する。
動作中に5の動作が必要となったときは再度T1の最適値をスイープするか山登り法等の最大値探索法にてT1を再設定する。
構成部品点数も少ないため小型で耐久性に優れる。
利用可能用途別に以下に列記する。
2 独立系の小型太陽電池パネルにて徴小電力で有っても制御が可能で、ソーラーカーのような照度の変化が激しい移動体に設置しても高速な追従で発電効率が改善される。
3 電力による制御のため、風力発電、水力発電、燃料電池、熱電素子発電などにも利用可能であり、バッテリー充電コントローラー機能を持たせることも容易で、発電しない時は電力を消費しないのでバッテリーの利用効率も上昇する。
4 制御に関わるプログラムが小さく、僅かなデジタルI/O使用で構成されるので 充放電コントローラー等のユニットに組み込みも容易である。
5 小型で徴小電力から制御できるので、衣服、鞄、帽子に取り付けた小面積の太陽電池であっても2次電池に充電することが効率よくでき、直射光から室内照明における幅広い照度で利用できる。
6 既存の独立系太陽電池システムに接続するだけで、太陽電池の定格出力電圧が充電側より高いシステムにおいても、光強度が大きいときは降圧して電流を増加し、光強度が低いときは昇圧して無駄なく太陽光を電力に変換可能となる。
7 鉛バッテリーに充電する場合は、パルス出力を平滑する事無く、バッテリーにパルスを加えることでサルフェーションを除去防止する効果があり、バッテリーの充電に加えて劣化防止及び長寿命化が可能となる。
1b I/V特性b
1c I/V特性c
2a P/V特性a
2b P/V特性b
2c P/V特性c
3a I/V接線a
3b I/V接線b
3c I/V接線c
5 入力平滑コンデンサー
6 出力平滑コンデンサー
7 コイル
8 昇圧スイッチング素子
9 降圧スイッチング素子
10 ダイオードa
11 ダイオードb
12 コンパレーターa
13 コンパレーターb
14 コンパレーターc
15 電流測定抵抗
16 可変抵抗
17 抵抗a
18 抵抗b
19 抵抗c
20 コンデンサーa
21 コンデンサーb
22 フリップフロップ
23 AND(1)
24 AND(2)
25 NOT(1)
26 NOT(2)
27 発振器
28 マイクロコンピュータ
Claims (2)
- 太陽電池等の出力電力にピーク電力特性を生じる入力の最大電力点で作動させる制御を行うスイッチングコンバーターにおいて、入力機器の出力電圧と出力電流の特性であるI/V出力曲線に於ける作動点の接線となる変動率−ΔI/ΔVの比率を入力平均電圧変動に対して一定に保持する手段として、スイッチングにより入力電流のコイル電流増加に伴う電圧変動と入力平均電圧の比較比率を最大電力点に設定してコイル電流増加に伴う電圧変動と入力平均電圧の比較によりスイッチング駆動して入力電流の補填により再帰を行う最大電力スイッチングコンバーター。
- 変動率−ΔI/ΔVの比率をスイッチング信号ON時間ΔT1として数値制御し、ΔT1/ΔIの最大値または変化率の反転する点の−ΔI/ΔVの比率を最大電力点とする請求項1の最大電力スイッチングコンバーター。
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