JP5837454B2

JP5837454B2 - 制御装置

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Publication number: JP5837454B2
Application number: JP2012120004A
Authority: JP
Inventors: 浩明中村
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2012-05-25
Filing date: 2012-05-25
Publication date: 2015-12-24
Anticipated expiration: 2032-05-25
Also published as: JP2013247779A

Description

本発明は、太陽光発電による発電電力の昇圧を行う制御装置に関する。

太陽光発電による発電電力を商用系統に逆潮流して売却する場合、太陽電池から最大電力を引き出しつつ、その電力を定格の交流電力に変換できるような任意電圧（以下、ＤＣリンク電圧という）に昇圧することが求められる。たとえば、住宅向けの単相用太陽光発電用のパワーコンディショナは、太陽電池の電圧が上昇すると電流が下降し、電圧が下降すると電流が上昇する特性を利用して、最大電力点追跡（ＭＰＰＴ：Maximum Power Point Tracking）制御によりＰ−Ｖ曲線上のピークを追従するような運転を行うことで、太陽電池から常に最大電力を取り出す（例えば、特許文献１、２）。そして、太陽電池からの入力電圧は昇圧回路でＤＣリンク電圧まで昇圧され、インバータで直流から交流に変換されて、商用電力系統へ逆潮流される（たとえば、特許文献３）。

一般的なパワーコンディショナでは、昇圧回路に含まれる昇圧チョッパのスイッチング期間を変化させ、これにより太陽電池からの直流入力電圧を調整して、Ｐ−Ｖ曲線上のピークを追従する。よって、ＭＰＰＴ制御には、昇圧チョッパが動作することが必要条件となっている。この点、住宅用のシステムでは、単相２００Ｖの系統に接続する場合、ＤＣリンク電圧は３１０Ｖ〜３５０Ｖ程度で選定されることが多い。これは、系統の交流電圧波形のピーク以上の直流電圧が必要とされるところ、定格の系統電圧２００Ｖに対しては、最低２８２Ｖ以上が必要となり、さらに電力損失等を勘案すると、３１０Ｖ以上が望ましいからである。また、電気事業法等で定められる接地工事が容易であることにもよる。よって、パワーコンディショナの入力電圧はＤＣリンク電圧（３１０Ｖ〜３５０Ｖ）以下であり、常に昇圧チョッパの動作が求められる。すなわち、ＭＰＰＴ制御のための必要条件が満たされていた。

ところで、近年、太陽電池の直流出力電圧の増大傾向を呈し、次のような懸念が生じている。まず、太陽電池の直流出力電圧がＤＣリンク電圧以上となると、昇圧の必要がなくなるので、昇圧チョッパが動作せず、ＭＰＰＴ制御が行われなくなる。すると、日射に見合った最大電力が得られなくなるおそれがある。この点、ＤＣリンク電圧を太陽電池からの入力電圧上限まで高く設定しておけば、入力電圧がその範囲でいかに上昇しても昇圧チョッパが動作する余地を常に確保することが可能である。しかし、ＤＣリンク電圧を高くすると、昇圧回路では昇圧比が高くなる一方、出力電流が低下するので、パワーコンディショナの電力変換効率が低下し、電力損失が大きくなる。よって、最大可能な発電電力を得ようとすることと相反する。

そこで、かかる問題に対処すべく、種々の方法が提案されている。たとえば、昇圧チョッパへの入力電圧のレベルに応じて、ＤＣリンク電圧の目標値（以下、ＤＣリンク電圧目標）を設定することで、昇圧部を停止させない方法が提案されている（たとえば、特許文献４）。

特許第３４２６９４７号公報特開２００５−７３３２１号公報特開２００１−１０３７６８号公報国際公開ＷＯ２００８／０２９７１１号

ところで、昇圧チョッパはその入出力レベルにおいて、連続モードと不連続モードという動作形態がある。連続モードは、入力電圧と出力電圧の比が、スイッチング素子のＯＮ時間とＯＦＦ時間のみで決まるモードであり、一般的に電流リップルが小さいが応答性が低いという特性を有する。一方、不連続モードは、入力電圧と出力電圧の比が、ＯＮ時間とＯＦＦ時間に加えて出力電流や昇圧回路のインダクタ値にも左右されるモードであり、一般的に電流リップルは大きいが応答性は高いという特性を有する。また、連続モードと不連続モードでは、安定性についての極の位置が異なるため、連続モードで安定動作していても、不連続モードに切り替わったときに動作が不安定になる場合もある。よって、これらのモードは、制御目的に応じて固定されることが望ましい場合があり、たとえば、昇圧回路の負荷電流が大きいシステムでは、制御しやすく安定度が高い連続モードに固定することが好ましい。

しかしながら、たとえば特許文献４に記載の方法は、昇圧回路への入力電圧レベルとＤＣリンク電圧の差異に基づいてＤＣリンク電圧目標を変更するものであり、昇圧チョッパがどのような動作モードにあるかが考慮されていない。従って、入力電圧が高くなっても昇圧動作は継続しているが、そのときの昇圧チョッパの動作が不安定となるおそれがある。

従って、上記のような問題点に鑑みてなされた本発明の目的は、昇圧回路を連続モードで動作させつつ、変換効率よく、ＭＰＰＴ制御を行うことができる制御装置を提供することにある。

上記課題を解決するために本発明に係る制御装置は、発電装置からの直流の入力電圧を、当該入力電圧と電圧目標の比に対応するデューティ比の駆動信号に応答して前記電圧目標まで昇圧する昇圧チョッパと、前記昇圧チョッパの、前記入力電圧と昇圧された電圧との比が前記駆動信号のデューティ比に対応する第１の動作モードと、前記駆動信号のデューティ比に対応しない第２の動作モードとの変曲点におけるデューティ比の第１の判定値を前記入力電圧と前記電圧目標の組合せから求め、当該第１の判定値と前記駆動信号のデューティ比との比較に基づいて前記電圧目標を増減する制御部と、前記昇圧チョッパから出力される直流電力を交流電力に変換して系統に出力する変換部とを有する。

前記制御部は、前記駆動信号のデューティ比が前記第１の判定値を下回ると前記電圧目標を増加させ、前記駆動信号のデューティ比を前記第１の判定値以上に維持することを特徴とする。

前記制御部は、前記駆動信号のデューティ比が前記第１の判定値より大きい第２の判定値以上になると、当該電圧目標を減少させ、前記駆動信号のデューティ比を前記第１の判定値以上かつ前記第２の判定値未満に維持する、制御装置。

前記制御部は、前記入力電圧を調節することで前記発電装置の最大動作点に追従して発電電力を取り出す、制御装置に適用される。

本発明における制御装置によれば、昇圧回路を連続モードで動作させつつ、変換効率よく、ＭＰＰＴ制御を行うことができる。

本発明の実施形態における、パワーコンディショナのブロック図である。制御部５によるＤＣリンク電圧目標の決定方法を示す図である。制御部５のＤＣリンク電圧目標の制御手順を示すフローチャートである。昇圧部２の昇圧チョッパの一例を示す図である。昇圧回路におけるシミュレーション例を示す図である。昇圧回路におけるシミュレーション例を示す図である。連続モードと不連続モードとを説明する図である。変曲点について説明する図である。

以下、本発明の実施の形態について説明する。

図１は、本発明の実施形態における、パワーコンディショナのブロック図である。パワーコンディショナ４は、太陽電池アレイ１と、太陽電池アレイ１に接続しているＤＣ／ＤＣ電圧変換手段である昇圧部２と、昇圧部２で昇圧された直流電力を交流電力に変換する電力変換手段である電力変換部３と、昇圧部２と電力変換部３をソフトウエアで制御する制御部５を備えている。制御部５は、たとえば、プロセッサとソフトウエアプログラムを格納したメモリとを備えたマイクロコンピュータである。電力変換部３から出力される交流電力は、商用電力系統６に出力（逆潮流）される。パワーコンディショナ４が、本実施形態の「制御装置」の例である。

太陽電池アレイ１は、シリコン系多結晶太陽電池、シリコン系単結晶太陽電池、あるいはＣＩＧＳ等薄膜系太陽電池等、光電変換可能なものであればよく、太陽電池の種類によって制限されない。太陽電池アレイ１が、本実施形態における「発電装置」の例である。ただし、発電装置には、その最大動作点を追跡して直流の発電電力を取り出すＭＰＰＴ制御が適用可能な、蓄電池や燃料電池が含まれる。さらに、風力発電機、小型水力発電機など、交流電力を整流して出力するものを含んでもよい。昇圧部２は、昇圧チョッパを構成するＤＣ／ＤＣ変換回路を有する。昇圧部２には、制御部５によりＤＣリンク電圧目標が設定される。そして、昇圧部２は、入力電圧を設定されたＤＣリンク電圧目標まで昇圧して電力変換部３に出力する。電力変換部３は、たとえばＤＣ／ＡＣ変換回路を有するが、その他各種制御回路で構成されていてもよい。

制御部５は、太陽電池アレイ１の発電電力（動作点電圧および動作点電流）を太陽電池アレイ１と昇圧部２との間に配置されたセンサなど（図示省略）によって検出し、太陽電池アレイ１に対してＭＰＰＴ制御を行う。具体的には、制御部５は、太陽電池アレイ１の動作点電圧及び動作点電流が最大となるように、昇圧部２の入力電圧を設定する。

なお、商用電力系統６は、低圧連系を行う単相３線式１００Ｖまたは単相２線式２００Ｖである。

図２は、制御部５によるＤＣリンク電圧目標の決定方法を示す。図２には、太陽電池アレイ１のＩ−Ｖ曲線が示される。図２（Ａ）は、ＤＣリンク電圧目標が入力電圧に対して十分高い場合を示す。たとえば、ＤＣリンク電圧目標が３３０Ｖであるのに対し、入力電圧が２５０Ｖである。このとき、ＭＰＰＴ制御が実行され、入力電圧は最適な（最大発電電力が得られるような）入力電圧Ｖｍとなることで昇圧比が決まり、昇圧比に応じたデューティ比で昇圧部２の昇圧チョッパが動作する。

図２（Ｂ）は、ＤＣリンク電圧目標が入力電圧に対して接近した場合を示す。たとえば、入力電圧が３２０Ｖまで上昇した場合である。図２（Ａ）と比べて、昇圧比は小さくなる。入力電圧がＤＣリンク電圧目標未満であるかぎり、昇圧チョッパは動作する。よって、ＭＰＰＴの動作により、入力電圧は最適入力電圧Ｖｍとなる。ただし、ＤＣリンク電圧目標が入力電圧に対して接近すると、ＤＣリンク電圧目標や入力電圧の急変などで（入力電圧＜目標リンク電圧）なる大小関係が成立しなくなって昇圧チョッパが停止する可能性が高まる。たとえば、図２（Ｃ）に示すように、ＤＣリンク電圧目標が太陽電池アレイ１の最適入力電圧より低い場合、昇圧チョッパは入力電圧がＤＣリンク電圧目標と等しくなった時点で停止するため、入力電圧はＤＣリンク電圧目標以上とはならない。すると、昇圧チョッパの停止によりＭＰＰＴ制御は機能しなくなるので、最適入力電圧Ｖｍを追従することができなくなる。すると、本来得られる入力電力が得られなくなる。よって、ＭＰＰＴ制御を確実に実行するためには、必ず昇圧チョッパが動作するように、ＤＣリンク電圧目標を上昇させることが望ましい。

そこで、本実施形態では、図２（Ｄ）に示すように、制御部５は、ＤＣリンク電圧目標が入力電圧に対して十分高くなるように昇圧部３を制御する。具体的には、最適入力電圧がＤＣリンク電圧目標以下になり、確実に昇圧チョッパが動作するように、ＤＣリンク電圧目標を随時上昇させる（たとえば、３３０Ｖから３５０Ｖまで段階的に上昇させる）。そうすることで、昇圧チョッパを停止させることなく、確実にＭＰＰＴ制御が実行される。よって、最適入力電圧を追従でき、本来ＭＰＰＴ制御で得られる入力電力を得ることができる。

図３は、制御部５のＤＣリンク電圧目標の制御手順を示すフローチャートである。制御部５は、センサにより取得した動作点電圧および動作点電流を用いてＭＰＰＴ制御を行う（Ｓ１００）。なお、ＭＰＰＴ制御手法は、様々な方法が提案されており特定の方法には限定されない。次いで、制御部５は、最新のＰＶ動作点電圧とＤＣリンク電圧目標を計測する（Ｓ１０１）。

次いで、制御部５は、ＰＶ動作点電圧（つまり昇圧部２の入力電圧）が通常時のＤＣリンク電圧目標に対して近づいている状態であるかを判断する。ここでは、通常時の目標３３０Ｖに対して−１０Ｖの３２０Ｖをしきい値として、ＰＶ動作点電圧が３２０Ｖ未満かを判断する（Ｓ１０２）。判断結果がＹｅｓのとき、昇圧部２の入出力電圧がＤＣリンク電圧目標に接近していないので、通常時のＤＣリンク電圧目標３３０Ｖにセットする（Ｓ１０３）。一方、判断結果がＮｏのとき、すなわち、昇圧部２の入出力電圧が３２０Ｖ以上となり、ＤＣリンク電圧目標に接近したときは、ＤＣリンク電圧目標の調整を開始する。日射急変や系統急変により、入力電圧やＤＣリンク電圧目標が急に上昇下降することもあるため、そのような場合でも入力電圧＜ＤＣリンク電圧目標の関係を確実に維持するため、１０Ｖ程度の差異を設けることが望ましい。

制御部５は、手順Ｓ１０１で取得したＰＶ動作点電圧とＤＣリンク電圧目標から変曲点を算出する（Ｓ１０４）。

ここで、図４〜７を用いて、変曲点について説明する。

図４は、昇圧部２の昇圧チョッパの一例を示す。この昇圧チョッパは、直流入力電圧Ｖｄｃを昇圧出力部電圧Ｖｄｄまで昇圧させるための回路である。スイッチ部４００は、ＶｄｄとＶｄｃの差分に対応したデューティ比の駆動信号をスイッチＳＷ１に印加するように構成される。この昇圧チョッパでは、スイッチＳＷ１がＯＮのときに昇圧用コイルＬ１に蓄積された電気エネルギーが、ＯＦＦのときに入力電圧Ｖｄｃに加算されて出力される。

図５、図６は、それぞれ図４の昇圧回路におけるシミュレーション例を示す。図５、図６では、横軸にスイッチＳＷ１に印加されるパルス信号のデューティ比である昇圧デューティが示され、縦軸に出力電力Ｐｏｕｔ［ｋＷ］と出力電圧Ｖｄｄ［Ｖ］とが示される。図５、図６のシミュレーションでは、昇圧回路の出力電圧Ｖｄｄ［Ｖ］がＤＣリンク電圧目標３３０Ｖとなるように、昇圧出力側に任意の負荷を接続する。出力電力Ｐｏｕｔ［ｋＷ］は、接続した負荷での消費電力を示し、それとともに昇圧チョッパでどれだけ出力が得られるかを示している。なお、直流入力には、無限に電流が吸い込める電圧源が接続される。

図５は、入力電圧Ｖｄｃ＝２５０Ｖ時の昇圧デューティに対する出力を示す。このグラフのＶｄｄから、昇圧デューティが０．１０以上あれば、ＤＣリンク電圧目標３３０Ｖが得られることが分かる。また、昇圧デューティ０．２５付近でグラフのＰｏｕｔに変曲点が見られる。この０．２５を境に、昇圧デューティが低いと（すなわち、入力電圧とリンク電圧との差が小さく、昇圧比が小さいと）昇圧チョッパが不連続モードとなっており、昇圧デューティが高いと（すなわち、入力電圧とリンク電圧との差が大きく、昇圧比が大きいと）連続モードとなっている。連続モードでは、入力電圧と出力電圧の比が、ＯＮ時間とＯＦＦ時間のみで決まるが、不連続モードは、入力電圧と出力電圧の比が、ＯＮ時間とＯＦＦ時間に加えて出力電流や昇圧回路のインダクタ値にも左右される。

また、図６は、入力電圧Ｖｄｃ＝１５０Ｖの昇圧デューティに対する出力を示す。こちらのグラフでは、昇圧デューティ０．５５付近でグラフのＰｏｕｔに変曲点が見られる。図５との比較において、入力電圧が高くなると、変曲点が現れる昇圧デューティが低くなることが示される。

図７は、連続モードと不連続モードとを説明する図である。図７（Ａ）は連続モード、図７（Ｂ）は不連続モードに対応する。図７（Ａ）、（Ｂ）において、横軸が時間を示し、各モードでの駆動昇圧チョッパの信号波形Ｓ１と、昇圧用コイルのリアクトル電流ＩＬを示す。いずれのモードでも、リアクトル電流ＩＬは駆動信号がＯＮのときに増加し、ＯＦＦのときに減少する。連続モードでは、ＯＦＦの時間が短く、すなわち昇圧デューティが高いので、リアクトル電流ＩＬが連続して増減する。一方、不連続モードでは、ＯＦＦの時間が長く、すなわち昇圧デューティが低いので、リアクトル電流ＩＬの増減周期に不連続が生じる。かかる連続モードと不連続モードとの境界となる昇圧デューティが、変曲点である。

図８は、変曲点について説明する図である。横軸が入力電圧、縦軸が昇圧デューティを示し、図４で示す回路のシミュレーション結果から、ＤＣリンク電圧目標ごとの変曲点がマッピングされる。このグラフから、変曲点と入力電圧は略比例関係とみなすことができる。よって、たとえば、入力電圧から変曲点を求める線形式をあらかじめ導出し、その式を制御部５内のメモリに格納しておいたり、入力電圧と変曲点との対応関係をマッピングしたデータテーブルを予めメモリ格納しておいたりすることで、これらのデータを用いて入力電圧から変曲点を導出することができる。

図３に戻り、制御部５は、手順Ｓ１０４で変曲点を算出すると、変曲点となる昇圧デューティから、ＤＣリンク電圧目標を上昇させる判定値を決定する（１０５）。この判定値は、（入力電圧＜電圧目標）なる関係式が成立し、かつ連続モードが維持されるような昇圧デューティが選定される。例えば、図４の昇圧チョッパの例では、ＤＣリンク電圧目標３３０Ｖに対して入力電圧３２０Ｖとなった場合、昇圧デューティが０．０１以上あれば、３３０Ｖへの昇圧は可能である。また、変曲点は昇圧デューティが０．０３付近に現れる。つまり、昇圧デューティが０．０３以下になると、昇圧チョッパの入出力電圧がＤＣリンク電圧目標に接近して不連続モードに遷移する、と判断できる。従って昇圧動作の連続モードを維持するには、０．０３以上の昇圧デューティを維持すればよい。よって、ある程度の余裕をもって、たとえば０．０３の倍の０．０６を上昇判定値とする。

次いで、制御部５は、前回制御周期でＤＣリンク電圧目標を既に操作していた場合はその操作が昇圧部により反映されるまで、たとえば３０秒間待機する（Ｓ１０６のＹｅｓ）。待機時間は、昇圧チョッパが目標に追従するまで十分な任意の時間に設定される。３０秒経過すると（Ｓ１０６のＮｏ）、制御部５は、ＤＣリンク電圧目標に対して昇圧デューティが上昇判定値未満となった場合に（Ｓ１０７のＹｅｓ）、ＤＣリンク電圧目標を１０Ｖ上昇させる（Ｓ１０８）。このように、昇圧チョッパの入力電圧に対して出力電圧を常に１０Ｖ以上に目標設定することで、昇圧チョッパを常時動作させることができる。昇圧チョッパを動作させるための入力差異１０Ｖは一例であり、たとえば１Ｖの上昇でもよい。ただし、日射急変や系統急変を考慮したとき、ある程度の上昇幅であることが望ましい。

既にＤＣリンク電圧目標を上限（ここでは３８０Ｖとする）まで上昇させている場合（Ｓ１０９のＹｅｓ）、ＤＣリンク電圧目標を３８０Ｖ以上には上昇させず、入力過電圧異常等とみなして運転停止させる（Ｓ１１０）。一方、一旦ＤＣリンク電圧目標を上昇させて、上限に達していなければ（Ｓ１０９のＮｏ）、一定時間（たとえば３０秒）の待機を行う（Ｓ１１３）。

一方で、ＤＣリンク電圧目標を上昇させても、入力電圧が低下した場合には、高いＤＣリンク電圧目標を維持する必要は無い。その場合はＤＣリンク電圧目標を下げることで変換効率を優先する。よって、ＤＣリンク電圧目標に対して昇圧デューティが過大になったことを、下降判定値との比較により判断する。たとえば、日射急変や系統急変時の外乱を考慮して、（上昇判定値＋０．２）を下降判定値とし、昇圧デューティが下降判定値より大きければ昇圧デューティは十分大きい、つまりＤＣリンク電圧目標に対して入力電圧が十分低下した、と判断できる。

手順Ｓ１０７でＮｏの場合、制御部５は、昇圧デューティが下降判断値より大きいかを判断し、判断結果がＹｅｓであれば、電圧目標が過大であるので、ＤＣリンク電圧目標を１０Ｖ低下させる（Ｓ１１２）。その後は、上昇時と同様、一定時間の待機を行う。一方、判断結果がＮｏであれば、電圧目標は適切であるので、そのまま今回の制御処理を終了する。

以上説明した本実施形態によれば、昇圧チョッパを停止させずに、ＭＰＰＴ制御を機能させたままで入力電圧をＤＣリンク電圧まで昇圧できるので、最大発電電力を出力することができる。また、昇圧デューティを連続モードが維持できるように制御することで、昇圧動作を安定させ、かつ良好な変換効率を得ることができる。

本発明を諸図面や実施例に基づき説明してきたが、当業者であれば本開示に基づき種々の変形や修正を行うことが容易であることに注意されたい。従って、これらの変形や修正は本発明の範囲に含まれることに留意されたい。例えば、各手段、各ステップ等に含まれる機能等は論理的に矛盾しないように再配置可能であり、複数の手段やステップ等を１つに組み合わせたり、或いは分割したりすることが可能である。

１太陽電池アレイ
２昇圧部
３電力変換部
４パワーコンディショナ
５制御装置
６商用電力系統

Claims

発電装置からの直流の入力電圧を、当該入力電圧と電圧目標の比に対応するデューティ比の駆動信号に応答して前記電圧目標まで昇圧する昇圧チョッパと、
前記昇圧チョッパの、前記入力電圧と昇圧された電圧との比が前記駆動信号のデューティ比に対応する第１の動作モードと、前記駆動信号のデューティ比に対応しない第２の動作モードとの変曲点におけるデューティ比の第１の判定値を前記入力電圧と前記電圧目標の組合せから求め、当該第１の判定値と前記駆動信号のデューティ比との比較に基づいて前記電圧目標を増減する制御部と、
前記昇圧チョッパから出力される直流電力を交流電力に変換して系統に出力する変換部とを有する制御装置。
請求項１において、
前記制御部は、前記駆動信号のデューティ比が前記第１の判定値を下回ると前記電圧目標を増加させ、前記駆動信号のデューティ比を前記第１の判定値以上に維持する、制御装置。
請求項２において、
前記制御部は、前記駆動信号のデューティ比が前記第１の判定値より大きい第２の判定値以上になると、当該電圧目標を減少させ、前記駆動信号のデューティ比を前記第１の判定値以上かつ前記第２の判定値未満に維持する、制御装置。
請求項１乃至３のいずれかにおいて、
前記制御部は、前記入力電圧を調節することで前記発電装置の最大動作点に追従して発電電力を取り出す、制御装置。