JP5646112B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、太陽電池等の直流電圧源を交流電力へ変換し、系統へ連系して動作する電力変換装置に関する。

太陽電池などのように出力インピーダンスを持つ直流電圧源から電力を取り出して、系統に連系して動作する電力変換装置は、直流電圧源から取り出す電力を最大にするための最大電力点追従制御を実装している。これにより常に最大電力を出力するよう動作する。

例えば、太陽電池電源の起動時に、太陽電池のＩ−Ｖ特性を測定すると共に、このＩ−Ｖ特性から電力値を求めることにより最適動作点を検知し、最適動作点を制御目標に設定して電力制御を行い、太陽電池電源の出力が最適動作点に到達した後に、負荷に対して給電を行う定常運転に移行するように構成した電力変換装置が特許文献１で開示されている。

特許第３３７３８９６号公報

上記のような構成の従来の電力変換装置においては、日照変動によりＩ−Ｖ特性が変化した場合や装置の異常などにより最適動作点で動作していない状態であっても、使用者はそれを認知できない。その結果、ある期間において積算電力量が減少していても、その原因が日照条件の低下なのか、装置の異常なのかを判断することができないという問題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、直流電圧源の最大電力点で動作しているか（すなわち、直流電圧源から最大電力を取り出せているか）を使用者が認知可能な電力変換装置を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、直流電圧源から供給された電力を最大電力点追従制御により交流電力に変換し、系統へ連系して動作する電力変換装置であって、前記直流電圧源からの出力電力に基づいて、前記直流電圧源が最適動作点付近で動作しているか否か推定する動作点推定手段と、前記動作点推定手段における推定結果に基づいて、最適動作点と実際の動作点の関係を表示する表示手段と、を備えることを特徴とする。

本発明にかかる電力変換装置によれば、使用者が太陽電池の動作状態を容易に知ることができ、最適動作点付近での動作が実現できているかどうかを知ることができるという効果を奏する。さらに、装置に異常がある可能性をいち早く察知することができる、という効果を奏する。

図１は、本発明にかかる電力変換装置の実施の形態１の構成例を示す図である。 図２は、太陽電池の動作状態の表示例を示す図である。 図３は、電力変換装置の各部の動作波形の一例を示す図である。 図４は、本発明にかかる電力変換装置の実施の形態２の構成例を示す図である。 図５は、電力変換装置の各部の動作波形の一例を示す図である。 図６は、電力変換装置の各部の動作波形の一例を示す図である。 図７は、本発明にかかる電力変換装置の実施の形態３の構成例を示す図である。 図８は、太陽電池の特性例を示す図である。 図９は、本発明にかかる電力変換装置の実施の形態４の構成例を示す図である。 図１０は、太陽電池の特性例を示す図である。

以下に、本発明にかかる電力変換装置の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、本発明にかかる電力変換装置の実施の形態１の構成例を示す図である。図１に示した電力変換装置は、直流電圧源としての太陽電池１と、連系するＡＣ系統２と、太陽電池１から出力された直流電力を交流電力に変換する電力変換部３と、太陽電池１の出力電流を計測する電流計測部７と、太陽電池１の出力電圧を計測する電圧計測部８と、電流計測部７による計測結果（電流計測値Ｉｓ）および電圧計測部８による計測結果（電圧計測値Ｖｓ）から電力を演算する電力演算部９と、電力演算部９により演算された電力値Ｐｓから太陽電池１の動作点を推定する動作点推定部１０と、動作点推定部１０における推定結果に基づいて太陽電池１の動作状態の表示を行う表示部１４と、を備える。

電力変換部３は、太陽電池１の出力電圧を昇圧または降圧する昇降圧回路４と、昇降圧回路４の出力を平滑する平滑回路５と、平滑回路５で平滑された直流電力を交流電力へ変換するインバータ回路６と、を備える。この電力変換部３は、従来の一般的な電力変換装置と同様の最大電力点追従制御により、太陽電池１から供給された直流電力を交流電力に変換する。そのため、電力変換部３が備えている各構成要素については詳細な説明を省略する。

動作点推定部１０は、電力演算部９により演算された電力値の全変動成分を演算する全変動成分演算部１１と、電力演算部９により演算された電力値の全変動成分のうち、インバータ出力電流の基本周波数の４倍の周波数成分を演算する４倍周波数成分演算部１２と、全変動成分演算部１１での演算結果および４倍周波数成分演算部１２での演算結果に基づいて太陽電池１の動作点を演算する除算器１３と、を備える。

図２は、本実施の形態の電力変換装置の表示部１４が表示する内容の一例、すなわち、太陽電池１の動作状態の表示例を示す図である。なお、最大電力点＝最適動作点である。

図３は、実施の形態１の電力変換装置において、太陽電池１の出力電圧が最適動作点付近で動作している場合の各部の動作波形の一例を示す図である。

図３（ａ）は、ＡＣ系統２の周波数を５０Ｈｚとし、これに連系して運転させたときのインバータ回路６の出力電流波形である。インバータ回路６の出力電流位相はＡＣ系統２の電圧位相に一致するよう制御されており、周期は２０ｍｓｅｃである。

図３（ｂ）は、平滑回路５に流れる電流のうち、インバータ回路６のＰＷＭスイッチングにともなう高周波成分を除いた基本波成分波形である。

図３（ｃ）は、平滑回路５に流れる電流により、この平滑回路５の両端に発生する電圧リプル波形である。

図３（ｄ）は、上記の平滑回路５の両端に発生する電圧リプル（図３（ｃ））により、太陽電池１の出力に発生する電流リプル波形である。

図３（ｅ）は、電流計測部７および電圧計測部８で計測された電気量（電流計測値Ｉｓ，電圧計測値Ｖｓ）から電力演算部９が演算した電力Ｐｓである。太陽電池１が最適動作点付近で動作している場合は、図３（ｅ）のように、インバータ回路６の出力電流の基本波周波数の４倍の成分のリプルが観測される。

電力演算部９から出力された電力値Ｐｓは、動作点推定部１０を構成する全変動成分演算部１１および４倍周波数成分演算部１２に入力される。全変動成分演算部１１および４倍周波数成分演算部１２は、それぞれ、電力値Ｐｓの全変動の大きさおよび４倍周波数成分（インバータ出力電流の基本周波数の４倍の周波数成分）の大きさを演算する。そして、除算器１３が、４倍周波数成分演算部１２の出力（４倍周波数成分の大きさ）を全変動成分演算部１１の出力（全変動の大きさ）で除すことで、４倍周波数成分の大きさの割合を求める。

表示部１４は、動作点推定部１０で求められた４倍周波数成分の大きさの割合に応じて、太陽電池１の動作点をバーグラフで表示する（図２参照）。図２に示した表示例において、バーグラフ表示は、４倍周波数成分の大きさの割合が０のとき、全消灯となる。また、４倍周波数成分の大きさの割合が１５％増加するごとに左から１単位ずつ点灯させ、９０％以上では全点灯となる。ユーザーは、表示部１４へのバーグラフ表示が全点灯の場合、太陽電池１が最適動作点付近で動作している理想的な状態であることを認識できる。

ここでは、表示部１４が、動作点推定部１０の演算結果に基づいて、直流電圧源である太陽電池１が最適動作点付近で動作しているか否かをバーグラフ状のランプの点灯で示すようにしたが、他の方法、例えば、数値表示、グラフ表示（バーグラフ以外）、ランプ表示（正常／異常など）などを使用してもよい。

このように、本実施の形態の電力変換装置は、太陽電池１から出力される電力の全変動成分と、太陽電池１が最適動作点付近で動作している場合に出力される４倍周波数成分（基本周波数の４倍の周波数成分）とに基づいて、出力された全電力に対する４倍周波数成分の割合を算出し、算出結果を表示部１４に表示させることとした。算出結果は、最適動作点付近で動作している割合を示すので、使用者は容易に太陽電池１の動作状態（最適動作点付近で動作している理想的な状態か否か）を知ることができる。また装置の異常などにより最適動作点で動作していない時は、バーグラフ状のランプ点灯数が少なくなるため、装置に異常がある可能性をいち早く察知することができる。

また、動作点の推定および表示を電力変換部３の運転中に行うため、日射変動によりＩ−Ｖ特性が変化した場合でも常に正しい結果をユーザーへ知らせることができる。

実施の形態２．
図４は、本発明にかかる電力変換装置の実施の形態２の構成例を示す図である。本実施の形態の電力変換装置は、実施の形態１の電力変換装置（図１参照）が備えていた動作点推定部１０を動作点推定部２０に置き換えた構成となっている。動作点推定部２０以外については実施の形態１と同様である。そのため、動作点推定部２０以外の部分については説明を省略する。

動作点推定部２０は、電流波形差異演算部２１、電圧波形差異演算部２２および乗算器２３を備えている。

電流波形差異演算部２１は、太陽電池１の出力電流Ｉｓの脈動波形と出力電力Ｐｓの脈動波形との差の大きさを求める。電圧波形差異演算部２２は、太陽電池１の出力電圧Ｖｓの脈動波形と出力電力Ｐｓの脈動波形との差の大きさを求める。

図５は、実施の形態２の電力変換装置において、太陽電池１の出力電圧が最適動作点よりも低い電圧で動作している場合の各部の動作波形の一例を示す図である。

図６は、実施の形態２の電力変換装置において、太陽電池１の出力電圧が最適動作点よりも高い電圧で動作している場合の各部の動作波形の一例を示す図である。

図５および図６において、（ａ）〜（ｅ）は、実施の形態１で使用した図３の（ａ）〜（ｅ）にそれぞれ対応する。

直流電圧源が太陽電池モジュールである太陽電池１の場合は、動作点が最適動作点よりも低い電圧の領域では、直流電圧源は電流源に近い特性になるため、電力演算部９で演算される電力Ｐｓのリプル波形は図５（ｅ）のごとく、図５（ｃ）に示す電圧リプル波形と同様の波形となる。また、動作点が最適動作点よりも高い電圧の領域では、直流電圧源は電圧源に近い特性になるため、電力演算部９で演算される電力Ｐｓのリプル波形は図６（ｅ）のごとく、図６（ｄ）に示す電流リプル波形と同様の波形となる。

これに対して、動作点が最適動作点付近の場合は、電力演算部９で演算される電力Ｐｓのリプル波形は図３（ｅ）のごとく、図３（ｃ）および図３（ｄ）のいずれとも異なる波形となる。

そこで、本実施の形態の動作点推定部２０では、電流波形差異演算部２１が電流リプル波形と電力リプル波形との差分を演算し、電圧波形差異演算部２２が電圧リプル波形と電力リプル波形との差分を演算し、これらの演算結果同士を乗算器２３が乗算して動作点の推定結果とする。

動作点が最適動作点よりも高い電圧の領域、または低い電圧の領域のときには、電流波形差異演算部２１または電圧波形差異演算部２２の出力が小さくなるため、動作点推定部２０の出力（乗算器２３の演算結果）は相対的に小さくなる。動作点が最適動作点付近の場合には、電流波形差異演算部２１および電圧波形差異演算部２２の出力はいずれも大きくなるため、動作点推定部２０の演算結果は相対的に大きくなる。

表示部１４は、たとえば、動作点推定部２０の演算結果が０のときに全消灯とし、演算結果が大きくなるにつれて点灯数を増やす。

このように、本実施の形態の電力変換装置において、動作点推定部２０は、電流リプル波形と電力リプル波形との差分および電圧リプル波形と電力リプル波形との差分を演算し、これらの演算結果同士を乗算して動作点の推定結果を求めることとした。この場合にも、実施の形態１と同様の効果を得ることができる。

実施の形態３．
図７は、本発明にかかる電力変換装置の実施の形態３の構成例を示す図である。本実施の形態の電力変換装置は、実施の形態１の電力変換装置（図１参照）が備えていた動作点推定部１０を動作点推定部３０に置き換えた構成となっている。動作点推定部３０以外については実施の形態１と同様である。そのため、動作点推定部３０以外の部分については説明を省略する。

動作点推定部３０は、太陽電池１の出力電力Ｐｓに対して時間微分を行う時間微分器３１と、太陽電池１の出力電圧Ｖｓに対して時間微分を行う時間微分器３２と、時間微分器３１における演算結果を時間微分器３２における演算結果で除す除算器３３と、を備えている。

図８は、太陽電池１の特性例を示す図である。図８では、横軸の電圧Ｖｓに対する電流Ｉｓの特性と、電圧Ｖｓに対する電力Ｐｓの特性と、電圧Ｖｓに対する、Ｐｓの時間微分値をＶｓの時間微分値で除した結果である電力の電圧微分値ｄＰｓ／ｄＶｓの特性と、を示している。

電圧が最適動作点Ｖｐｍの場合、電力の電圧微分値ｄＰｓ／ｄＶｓ（動作点推定部３０の出力）は０となる。これに対して、動作点が最適動作点よりも低い電圧の場合、電力の電圧微分値ｄＰｓ／ｄＶｓは正の値となり、最大値は電流Ｉｓと等しくなる。動作点が最適動作点よりも低い電圧の場合、電力の電圧微分値ｄＰｓ／ｄＶｓは負の値となる。

そこで、本実施の形態の動作点推定部３０では、電力の電圧微分値ｄＰｓ／ｄＶｓを演算して動作点の推定結果とする。

表示部１４は、例えば、電力の電圧微分値ｄＰｓ／ｄＶｓの絶対値が０に近いとき（所定値以下のとき）に全点灯し、絶対値が大きくなるにつれて点灯数を減らす。

このように、本実施の形態の電力変換装置において、動作点推定部３０は、電力の電圧微分値ｄＰｓ／ｄＶｓの絶対値を求め、この絶対値に基づいて、最適動作点付近で動作しているかどうかを判定することにした。この場合にも、実施の形態１と同様の効果を得ることができる。

実施の形態４．
図９は、本発明にかかる電力変換装置の実施の形態４の構成例を示す図である。本実施の形態の電力変換装置は、実施の形態１の電力変換装置（図１参照）が備えていた動作点推定部１０を動作点推定部４０に置き換えた構成となっている。動作点推定部４０以外については実施の形態１と同様である。そのため、動作点推定部４０以外の部分については説明を省略する。

動作点推定部４０は、太陽電池１の出力電力Ｐｓに対して時間微分を行う時間微分器４１と、太陽電池１の出力電圧Ｖｓに対して時間微分を行う時間微分器４２と、時間微分器４１および４２における演算結果と太陽電池１の出力電流Ｉｓとを用いて動作点の推定結果を演算する演算器４３と、を備えている。

演算器４３は、まず、電力の電圧微分値ｄＰｓ／ｄＶｓを求め、次に、この微分値を太陽電池１の出力電流Ｉｓで除し、得られた結果（ｄＰｓ／ｄＶｓ／Ｉｓ）を動作点の推定結果とする。

図１０は、太陽電池１の特性例を示す図であり、実施の形態３で示した図８のｄＰｓ／ｄＶｓに代えて、演算器４３による演算結果（ｄＰｓ／ｄＶｓ／Ｉｓ）を示したものである。

図示したように、電圧が最適動作点Ｖｐｍの場合、演算器４３による演算結果（動作点推定部４０の出力）は０になる。これに対して、動作点が最適動作点よりも低い電圧の場合、演算結果は正の値となり、動作点が最適動作点よりも高い電圧の場合、演算結果は負の値となる。実施の形態３で示した動作点推定部３０との違いは出力の最大値であり、動作点推定部４０の出力の最大値は電流Ｉｓにかかわらず１となる。

表示部１４は、動作点推定部４０出力の絶対値が０に近いときに全点灯し、絶対値が大きくなるにつれて点灯数を減らしていく。絶対値が１に付近になると全消灯する。

このように、本実施の形態の電力変換装置において、動作点推定部４０は、電力の電圧微分値ｄＰｓ／ｄＶｓを太陽電池１の出力電流Ｉｓで除した結果に基づいて、最適動作点付近で動作しているかどうかを判定することにした。この場合にも、実施の形態１と同様の効果を得ることができる。

実施の形態３では、最適動作点と異なる電圧で動作していた場合に、ｄＰｓ／ｄＶｓ演算値が日射強度（発電電力量）により変化していたが、本実施の形態では、日射強度が変化してもｄＰｓ／ｄＶｓ／Ｉｓ演算値は変化しない。そのため、最適動作点で動作していない場合に、最適動作点からどれだけズレが生じているかを、実施の形態３の電力変換装置よりも正確に表示できる。

以上のように、本発明は、太陽電池等の直流電圧源を交流電力へ変換し、系統へ連系して動作する電力変換装置として有用である。

１ 太陽電池
２ ＡＣ系統
３ 電力変換部
４ 昇降圧回路
５ 平滑回路
６ インバータ回路
７ 電流計測部
８ 電圧計測部
９ 電力演算部
１０，２０，３０，４０ 動作点推定部
１１ 全変動成分演算部
１２ ４倍周波数成分演算部
１３，３３ 除算器
１４ 表示部
２１ 電流波形差異演算部
２２ 電圧波形差異演算部
２３ 乗算器
３１，３２，４１，４２ 時間微分器
４３ 演算器

Claims (8)

1. 直流電圧源から供給された電力を最大電力点追従制御により交流電力に変換し、系統へ連系して動作する電力変換装置であって、
   前記直流電圧源からの出力電力に基づいて、前記直流電圧源が最適動作点付近で動作しているか否か推定する動作点推定手段と、
   前記動作点推定手段における推定結果に基づいて、最適動作点と実際の動作点の関係を表示する表示手段と、
   を備えることを特徴とする電力変換装置。
2. 前記動作点推定手段は、
   前記直流電圧源からの出力電力の脈動変化のうち、前記系統へ出力する電流の基本波周波数の４倍の周波数成分の比に基づいて前記推定を行うことを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
3. 前記動作点推定手段は、
   前記比が１に近い場合、最適動作点付近で動作していると判断することを特徴とする請求項２に記載の電力変換装置。
4. 前記動作点推定手段は、
   前記直流電圧源からの出力電力の脈動の波形、出力電圧の脈動の波形および出力電流の脈動の波形に基づいて前記推定を行うことを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
5. 前記動作点推定手段は、
   前記出力電力の脈動の波形が、前記出力電圧の脈動の波形および前記出力電流の脈動の波形のいずれにも一致しない場合、最適動作点付近で動作していると判断することを特徴とする請求項４に記載の電力変換装置。
6. 前記動作点推定手段は、
   前記直流電圧源からの出力電力の時間微分値、および前記直流電圧源からの出力電圧の時間微分値に基づいて前記推定を行うことを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
7. 前記動作点推定手段は、
   前記出力電力の時間微分値を前記出力電圧の時間微分値で除した値が０に近い場合、最適動作点付近で動作していると判断することを特徴とする請求項６に記載の電力変換装置。
8. 前記動作点推定手段は、
   前記出力電力の時間微分値を前記出力電圧の時間微分値で除し、さらに前記直流電圧源からの出力電流で除した値が０に近い場合、最適動作点付近で動作していると判断することを特徴とする請求項６に記載の電力変換装置。

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