JP5857193B2 - 集電箱 - Google Patents

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Description

本発明は、複数の太陽電池から供給される直流電力をまとめて出力する集電箱に関する。
従来より、太陽電池の出力を、昇圧回路を介して昇圧して供給する第1ラインと、太陽電池の出力を直接供給する第2ラインとを有し、これらの両ラインを介して得られる太陽電池の出力をまとめて出力する第1の集電箱が提案されている(特許文献1)。
国際公開第2006/033142号
集電箱の昇圧回路は、太陽電池の出力電力が最大になるように昇圧回路の入力電圧と出力電圧との昇圧比を増減させるMPPT動作(Maximum Power Point Tracking)を行う。このMPPT動作は、昇圧回路の有するスイッチ素子のONデューティを調整(増減)して、スイッチ素子を周期的に開閉させて昇圧比の増減を行う。このMPPT動作を行うことにより、第1ラインに接続される太陽電池は、最大電力を出力するように出力電圧が制御され最大電力点にて動作する。
また、集電箱により集電された太陽電池の出力電力(直流電力)は、後段のパワーコンディショナに入力される。そして、パワーコンディショナは、入力された直流電力を交流電力に変換すると共に、入力電力(太陽電池の発電電力)が最大になるようにMPPT動作を行い、変換した交流電力を商用電力系統へ重畳する。このMPPT動作により、パワーコンディショナへの入力電力が最大になるように制御され最大電力点にて太陽電池が発電する。
また、特許文献1には、集電箱の全てのラインに対して、第1の集電箱の昇圧回路と同様の昇圧回路を設けて、夫々の昇圧回路においてMPPT動作を行わせる第2の集電箱も提案されている。
しかしながら、第1の集電箱においては、最大電力点の電力が最も大きい、或いは最大電力点の電圧が最も大きい太陽電池が第2ライン(昇圧しないライン)に接続されない(例えば、出力の一番大きい太陽電池を誤って第1ラインに接続してしまった場合(誤配線)、日射量の変化によって各々の太陽電池の最大電力点が変化した場合など)と、第1ラインに接続される太陽電池は、第2ラインに接続される太陽電池の最大電力点より出力電圧を大きくすることができず、全ての太陽電池を最大電力点で動作することができなくなるという問題があった。
これに対して、第2の集電箱では、すべてのラインに昇圧回路が備えられ、夫々がMPPT動作を行うため、全ての太陽電池を最大電力点で利用することができる。しかしながら、全てのラインに備えられる昇圧回路にMPPT動作を行わせるため、昇圧回路がスイッチング作動した際のスイッチングによるリアクタの交流分損失や、スイッチ素子を閉じた際のON抵抗により電力をロスしてしまうという問題があった。
本発明は上述の問題に鑑みて成された発明であり、集電箱へ接続される全ての太陽電池を最大電力点付近で動作させつつも、電力のロスを抑制することができる集電箱を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、複数の太陽電池に夫々接続される電力ライン、及び電力ラインに夫々介在し電力ラインを介して得られる太陽電池の出力電圧を昇圧する昇圧回路を有し、夫々の電力ラインの出力をまとめて出力する集電箱において、昇圧回路を、入力と出力間を繋ぐリアクタ、ダイオード、コンデンサの直列回路とスイッチ素子とを有して構成し、夫々の昇圧回路のうち入力電圧が最も大きい昇圧回路のスイッチング素子の動作を停止して太陽電池からの入力電力をリアクタ、ダイオード、コンデンサを介して出力し、他の昇圧回路は、スイッチ素子を周期的に開閉させて所定の昇圧動作を行うことすることを特徴とする。
本発明の集電箱によれば、入力電圧が最も大きい昇圧回路のスイッチ素子を開いて昇圧を停止するため、最大電力点の電圧が最も大きい太陽電池が昇圧しないラインに常に接続されることになる。このため、全ての太陽電池を最大電力点で動作することができる。また、スイッチ素子を開いて昇圧を停止し、太陽電池からの入力電力を出力するラインができる。これにより、この昇圧回路がスイッチング作動した際のスイッチングによるリアクタの交流分損失やスイッチ素子のON抵抗による電力のロスを抑制することができる。
また、昇圧回路は、リアクトル、ダイオード、コンデンサの直列回路を正極側から負極側に向かって接続し、スイッチ素子は、リアクトルと前記ダイオードとの接続点を負極側に接続し、前記昇圧回路は、前記コンデンサの両端から昇圧出力得ることがきるものである。
また、上述の集電箱において、前記非絶縁型の昇圧回路は、正極側から負極側に向かって接続されるリアクタ、ダイオード、コンデンサの直列回路を備え、前記スイッチ素子は、前記リアクタと前記ダイオードとの接続点を負極側に接続し、前記の昇圧回路は、前記コンデンサの両端から昇圧出力得ることを特徴とする。
本発明によれば、集電箱へ接続される全ての太陽電池を最大電力点付近で動作させつつも、電力のロスを抑制することができる集電箱を提供することができる。
第1の実施形態に係る太陽光発電システム100を示す構成図である。 第1の実施形態の集電箱の昇圧回路の回路図である。 第1の実施形態のパワーコンディショナの回路図である。 第1の実施形態における、集電箱の昇圧回路の動作を示すフローチャートである。 第2の実施形態における、集電箱の昇圧回路の動作を示すフローチャートである。
(第1の実施形態)
以下、図面に基づき本発明の実施形態を詳述する。図1は第1の実施形態に係る太陽光発電システム100を示す構成図である。この図に示すように太陽光発電システム100は、太陽電池1a〜1d、及び系統連系システム50を備える。また、系統連系システム50は、太陽電池1a〜1dの供給する電力をまとめて商用電力系統30へ供給する。
太陽電池1a〜1dは、夫々、太陽電池のセルを直列に接続して構成される。各太陽電池1a〜1dのセルの枚数は、太陽電池1a〜1dを設置する面積等によって変わるため、太陽電池1a〜1dによって枚数が異なる。
系統連系システム50は、集電箱4、及びパワーコンディショナ2を備える。
集電箱4は、複数の太陽電池1a〜1dに夫々接続されるラインLa〜Ld、及びこのラインLa〜Ldに夫々介在しこのラインLa〜Ldを介して得られる太陽電池1a〜1dの出力電圧を昇圧する昇圧回路40a〜40dを有する。夫々の昇圧回路40a〜40dは、夫々の太陽電池1a〜1dの出力電圧を昇圧する昇圧主回路41a〜41dを有する。また、夫々の昇圧回路40a〜40dは、昇圧主回路41a〜41dの昇圧動作の制御を行う昇圧制御回路42a〜42dを有している。また、昇圧主回路41a〜41dの出力側は、集電箱4内において単一に接続されている。集電箱4は、これらの昇圧主回路41a〜41dが昇圧して出力する電力(ラインLa〜Ldの出力する電力)を単一にまとめ、このまとめた直流電力をパワーコンディショナ2へ出力する。
第1の実施形態では、同様の構成のものには同じ数字の符号(太陽電池であれば1)を、各構成同士で接続関係を有するものには同じ英字の符号を付している(太陽電池1と昇圧回路41とで接続関係にあるものを、夫々太陽電池1aと昇圧回路41aと符号を付している)。
同様の構成において、同じ動作を行う場合、同じ説明を行うと冗長になるため、以後、同様の構成において、共通の動作を説明する場合は、末尾の符号のa、b、c、dを省いて説明する場合がある。
図2に第1の実施形態の集電箱の昇圧回路の回路図を示す。昇圧主回路41には、一対の端子(正極側端子88、負極側端子89)、リアクトル81、IGBT(絶縁ゲートバイポーラトランジスタ)のようなスイッチ素子82、ダイオード83、及びコンデンサ84を有し、絶縁トランスを用いない、所謂、非絶縁型の昇圧回路で構成される。リアクトル81、ダイオード83、コンデンサ84は、正極側端子88(太陽電池の正極側)から負極側端子89(太陽電池の負極側)に向かってこの順に直列に接続される直列回路を成している。また、スイッチ素子82は、リアクトル81とダイオード83との接続点を負極側端子89に接続する。
昇圧回路40は、スイッチ素子82を周期的に開閉することで、所定の昇圧比によりコンデンサの両端から昇圧出力を得る昇圧動作を行う。
昇圧主回路41は、入力電流を検出する電流センサ85、入力電圧を検出する電圧センサ86、及び出力電圧を検出する電圧センサ87を有している。昇圧制御回路42は、これらのセンサから得られる情報に基づいて、太陽電池1の出力電力が最大になるようにMPPT動作を行う。
具体的には、昇圧制御回路42は、昇圧主回路41への入力電流及び入力電圧から入力電力を求めて監視する。このとき、入力電力が前回検出した入力電力と比較して大きくなれば、ONデューティを前回調整した方と同じ方(ONデューティを大きくしていれば大きく、小さくしていれば小さく)に設定し、設定したONデューティにてスイッチ素子82を周期的に開閉させる。また、入力電力が前回検出した入力電力と比較して大きくなれば、ONデューティを前回調整した方と反対の方(ONデューティを大きくしていれば小さく、小さくしていれば大きく)に設定し、設定したONデューティにてスイッチ素子82を周期的に開閉させる。このようにすることで、昇圧回路41は、スイッチ素子を周期的に開閉させて所定の昇圧比により動作してMPPT動作を行う。
また、夫々の昇圧制御回路42a〜42dは、通信機能を有しており、互いに通信線LCにより接続されている。そして、昇圧制御回路42は、他の昇圧制御回路42の入力電圧、入力電力などの情報を受信し、受信した情報に基づいて昇圧主回路41によるMPPT動作の開始/停止を制御する(詳細は後述する)。
パワーコンディショナ2は、集電箱4の出力する直流電力を昇圧する昇圧主回路21と、昇圧主回路21が出力する直流電力を交流電力に変換するインバータ回路23と、昇圧主回路21及びインバータ回路23の動作の制御を行うパワコン制御回路22とを備えている。
図3に第1の実施形態のパワーコンディショナの回路図を示す。昇圧主回路21は、リアクトル71、IGBT(絶縁ゲートバイポーラトランジスタ)のようなスイッチ素子72、ダイオード73、及びコンデンサ74を有する、集電箱4の昇圧主回路41と同様の昇圧主回路を用いる。このため、昇圧主回路21については、ここでは説明を省略する。昇圧主回路21は、集電箱4の昇圧主回路41同様の回路構成を用いているが、パワコン制御回路22により別の制御が行われる。
インバータ回路23は、スイッチ素子51、52を直列接続した第1アームと、スイッチ素子53、54を直列接続した第2アームとを夫々並列に接続して構成される。スイッチ素子51〜54には、IGBTのような半導体のスイッチ素子を用いると良い。インバータ回路23は、パワコン制御回路22のPWM(Pulse Width Modulation)制御にしたがって各スイッチ素子51〜54を周期的に開閉する。インバータ回路23は、このスイッチ素子51〜54の開閉により、昇圧回路21から出力される直流電力を三相交流電力に変換する。また、インバータ回路23の後段には、リアクトル61、62、及びコンデンサ63からなるフィルタ回路(ローパスフィルタ)が設けられており、スイッチ素子51〜54の開閉動作による高周波を除去している。
また、インバータ回路23は、インバータ回路23の出力電流を検出する電流センサ91と、インバータ回路23の出力電圧を検出する電圧センサ92とを有している。そして、パワコン制御回路22は、昇圧主回路21の有する電圧センサ86、87、及び電流センサ85、並びにインバータ回路23の有する電圧センサ92、電流センサ91から検出される電流値や電圧値を用いて、昇圧主回路21とインバータ回路23を制御する。これによりパワーコンディショナ2は、集電箱4の出力する直流電力を交流電力に変換すると共に、パワーコンディショナ2への入力電力(集電箱4の出力する直流電力)が最大になるようにMPPT動作を行い、変換した交流電力を商用電力系統30へ重畳する。
パワーコンディショナ2のMPPT動作は一例として次のように行われる。昇圧主回路21に供給される入力電力Ppin(入力電流Ipinと入力電圧Vpinとの積)は、パワーコンディショナ2の変換効率を100%とすると商用電力系統30へ重畳される出力電力Ppoと実質的に等しくなる。(以下、変換効率は100%として取り扱うが、この変換効率を考慮する場合は適当な定数を掛けて用いると良い)。太陽電池1の発電出力は集電箱4を経てパワーコンディショナ2に供給され入力電力Ppinとなっているので、太陽電池1の発電量が変動するとこの入力電力Ppinの値も変化する。また、パワーコンディショナ2の入力電力Ppinと出力電力Ppoとは実質的に同じであるので、商用電力系統30の電圧が一定(例えば単相3線式ではAC200V)であれば入力電力Ppinはパワーコンディショナ2が商用電力系統30へ供給する出力電流Ipoを検出すれば求めることができる。従って出力電流Ipoの値を変えることによって出力電力Ppo値を太陽電池1の現在の発電電力に等しくすることができる。
インバータ回路23は搬送波と正弦波状の変調波とを変調して得られるPWM方式に基づくスイッチング信号でスイッチング素子51〜54をON/OFF制御して単相の疑似正弦波を出力する。この時この疑似正弦波の振幅は昇圧回路21から出力される電圧に比例するので、出力電流Ipoは昇圧回路21の昇圧比を変えることによってこの電圧を変えて制御することができる。従って、この現在の太陽電池1の発電電力の最大値は出力電流Ipoの目標値Itを変えた際に入力電力Ppinが最大になる目標値Itに出力電流Ipoを制御すればよい。
昇圧主回路21は電流差dIp(=電流Ipo−目標値It)に基づいてスイッチング素子82のONデューティを制御する。電流差dIpが正であればONデューティの値を小さくし、負であればONデューティの値を大きくする。尚、この際のゲインは適に設定する。
(集電箱の昇圧回路の動作)
次に、第1の実施形態の集電箱4の昇圧回路40の動作について説明する。昇圧回路40は、電圧センサ86により検出した入力電圧と、受信した他の昇圧回路40の入力電圧に基づいて、MPPT動作の開始/停止を制御する。図4は、昇圧回路40の動作を示すフローチャートである。昇圧回路40は、動作を開始すると、昇圧回路40への入力電圧Vを電圧センサ86により検出する(ステップS11)。そして、昇圧回路40は、通信機能を利用して他の昇圧回路40と通信し、他の昇圧回路40の入力電圧Vnを受信する(ステップS12)。次に、検出した入力電圧Vと、受信した入力電圧Vnの中で最も高い電圧Vmaxを特定する(ステップS13)。
最も高い電圧Vmaxの特定が終わると、昇圧回路40は、最も高い電圧Vmaxと検出した入力電圧Vとの差分(Vmax−V)を演算し、差分(Vmax−V)が電圧閾値Vth(Vth≧0)以下であるか否かを判定する(ステップS14)。この判定により、差分(Vmax−V)が電圧閾値Vth(約10V程度)以下である場合は、昇圧回路40は、スイッチ素子82を開いて昇圧を停止して太陽電池1からの入力電力(直流電力)をリアクタ、ダイオード、コンデンサを介してほぼそのまま出力する(ステップS15
)。また、この判定により、差分(Vmax−V)が電圧閾値Vth以下でない場合は、昇圧回路40は、上述したMPPT動作を行い、太陽電池1を最大電力点で動作させる(ステップS16)。
このように、図4のフローチャートを夫々の昇圧回路40a〜40dが実行することで、入力電圧が最も大きい昇圧回路(Vmax−V=0の昇圧回路)のスイッチ素子82を開いて昇圧を停止するため、最大電力点の電圧が最も大きい太陽電池1が昇圧を行わないラインに常に接続されることになる。このため、全ての太陽電池1a〜1dを最大電力点付近で動作することができる。また、スイッチ素子82を開いて昇圧を停止し、太陽電池1からの入力電力を出力するラインLができる。これにより、この昇圧回路40がスイッチング作動した際のスイッチングによるリアクタの交流分損失やスイッチ素子82のON抵抗による電力のロスを抑制することができる。
また、ステップS14により、差分(Vmax−V)が電圧閾値Vth(約10V程度)以下である昇圧回路40のスイッチ素子82も開いて昇圧を停止する。このため、入力電圧が最も大きい昇圧回路(Vmax−V=0の昇圧回路)の入力電圧とこの電圧との差が所定電圧値以内(約10V以内)の入力電圧を有している昇圧回路は、スイッチ素子82を開いて昇圧動作を停止して前記太陽電池からの入力電力をほぼそのまま出力する。これにより、最大電力点の電圧が最も大きい太陽電池1と最大電力点の電圧が近い太陽電池1に接続される昇圧回路40の動作も停止してより電力のロスを抑制することができる。
尚、この際に、動作を停止する昇圧回路40に接続される太陽電池1は、最大電力点の電圧が最も大きい太陽電池1と最大電力点の電圧が近いため、ほぼ最大電力点にて動作する。
(第2の実施形態)
第1の実施形態では、昇圧回路40は、電圧センサ86により検出した入力電圧と、受信した他の昇圧回路40の入力電圧に基づいて、MPPT動作の開始/停止を制御していたが、第2の実施形態では、昇圧回路40は、電圧センサ86及び電流センサ85により検出した入力電力と、受信した他の昇圧回路40の入力電力に基づいて、MPPT動作の開始/停止を制御する昇圧回路を判断する。
図5は、第2の実施形態における、集電箱4の昇圧回路40の動作を示すフローチャートである。昇圧回路40は、動作を開始すると、昇圧回路40への入力電圧Vと入力電流Iを検出すし、入力電力Pを演算する(ステップS21)。そして、昇圧回路40は、通信機能を利用して他の昇圧回路40と通信し、他の昇圧回路40の入力電力Pnを受信する(ステップS22)。次に、検出した入力電力Pと、受信した入力電力Pnの中で最も高い電力Pmaxを特定する(ステップS23)。
最も高い電力Pmaxの特定が終わると、昇圧回路40は、最も高い電力Pmaxと検出した入力電力Pとの差分(Pmax−P)を演算し、差分(Pmax−P)が電力閾値Pth(Vth≧0)以下であるか否かを判定する(ステップS24)。この判定により、差分(Pmax−P)が電力閾値Pth以下である場合は、昇圧回路40は、スイッチ素子82を開いて昇圧を停止して太陽電池1からの入力電力を(直流電力)をリアクタ、ダイオード、コンデンサを介してほぼそのまま出力する(ステップS25)。また、この判定により、差分(Pmax−P)が電力閾値Pth以下でない場合は、昇圧回路40は、上述したMPPT動作を行い、太陽電池1を最大電力点で動作させる(ステップS26)。
このように、図5のフローチャートを夫々の昇圧回路40a〜40dが実行することで、入力電力が最も大きい昇圧回路(Pmax−P=0の昇圧回路)のスイッチ素子82を開いて昇圧を停止するため、最大電力点の電力が最も大きい太陽電池1が昇圧を行わないラインに常に接続されることになる。このため、全ての太陽電池1a〜1dを最大電力点付近で動作することができる。また、スイッチ素子82を開いて昇圧を停止し、太陽電池1からの入力電力を出力するラインLができる。これにより、この昇圧回路40がスイッチング作動した際のスイッチングによるリアクタの交流分損失やスイッチ素子82のON抵抗による電力のロスを抑制することができる。
また、ステップS14により、差分(Pmax−P)が電力閾値Pth以下である昇圧回路40のスイッチ素子82も開いて昇圧を停止する。このため、入力電力が最も大きい昇圧回路(Pmax−P=0の昇圧回路)の入力電力とこの電力との差が所定電力値以内の入力電力を有している昇圧回路は、スイッチ素子82を開いて昇圧動作を停止して前記太陽電池からの入力電力をほぼそのまま出力する。これにより、最大電力点の電力が最も大きい太陽電池1と最大電力点の電力が近い太陽電池1に接続される昇圧回路40の動作も停止してより電力のロスを抑制することができる。
尚、この際に、動作を停止する昇圧回路40に接続される太陽電池1は、最大電力点の電力が最も大きい太陽電池1と最大電力点の電力が近いため、ほぼ最大電力点にて動作する。
また、昇圧回路40a〜40dへの入力電力によりMPPT動作開始の判定を行っているため、同時に停止している昇圧回路40の出力電圧が同じになり、これらの昇圧回路40の入力電圧に差がつきづらい場合でも、MPPT動作開始の判定を精度良く行うことができる。
以上、本発明の実施形態について説明したが、以上の説明は本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明はその趣旨を逸脱することなく、変更、改良され得ると共に本発明にはその等価物が含まれることは勿論である。
例えば、第1の実施形態のように、昇圧回路40a〜40dへの入力電圧によりMPPT動作の開始/停止の判定を行う場合は、パワーコンディショナ2が動作を開始する前(昇圧主回路41に電流が流れる前)に、パワーコンディショナ2の動作後に昇圧回路40をMPPT動作するか否かを予め決定することができる。
そして、この決定に従って、パワーコンディショナ2の動作後に昇圧回路40を動作させる際に、MPPT動作が安定するまでの所定時間(或いは、MPPT動作を行っている昇圧回路40の電力変化量が所定量より小さくなるまでの間)、動作を変更しない(MPPT動作を行っている昇圧回路40はMPPT動作を行い、停止している昇圧回路40は停止する)ようにする。すると、最初にMPPT動作を開始した際に昇圧回路40a〜40dの入力電圧が大きく変化するような不安定な状態で、昇圧回路40の動作を変更(MPPT動作から停止へ、或いは停止からMPPT動作への変更)することが無くなる。これにより、昇圧回路40を安定して動作させることができる。
また、例えば、本実施形態では、入力電圧(入力電力)が最も大きい昇圧回路の入力電圧(入力電力)とこの電圧(電力)との差が所定電圧値以内(所定電力値以内)であるか否かを、Vmax−Vの差分(Pmax−Pの差分)で判断したが、V/Vmax(P/Pmax)等の比で判断しても良い。
また、例えば、本実施例の集電箱4の昇圧回路40は、昇圧動作として、MPPT動作を行ったが、MPPT動作による昇圧回路40の入力電力の変動が所定量よりも小さい場合(最大電力点付近により動作していると判断できる場合)などは、ONデューティを一定に固定した状態でスイッチ素子82を周期的に開閉させて固定の昇圧比により動作する昇圧比一定動作を行っても良い。
1a〜1d 太陽電池
2 パワーコンディショナ
4 集電箱
21 昇圧主回路
22 パワコン制御回路
23 インバータ回路
30 商用電力系統
40a〜40d
昇圧回路
41a〜41d
昇圧主回路
42a〜42d 昇圧制御回路
50 系統連系システム

Claims (3)

  1. 複数の太陽電池に夫々接続される電力ライン、及び前記電力ラインに夫々介在し前記電力ラインを介して得られる前記太陽電池の出力電圧を昇圧する昇圧回路を有し、夫々の前記電力ラインの出力をまとめて出力する集電箱において、
    前記昇圧回路を、入力と出力間を繋ぐリアクタ、ダイオード、コンデンサの直列回路とスイッチ素子とを有して構成し、夫々の前記昇圧回路のうち入力電圧が最も大きい昇圧回路のスイッチング素子の動作を停止して前記太陽電池からの入力電力を前記リアクタ、前記ダイオード、前記コンデンサを介して出力し、他の昇圧回路は、前記スイッチ素子を周期的に開閉させて所定の昇圧動作を行うことを特徴とする集電箱。
  2. 前記入力電圧が最も大きい昇圧回路の入力電圧とこの電圧との差が所定電圧値以内の入力電圧を有している昇圧回路は、昇圧動作を停止して前記太陽電池からの入力電力をほぼそのまま出力することを特徴とする請求項1に記載の集電箱。
  3. 前記昇圧回路は、前記リアクトル、前記ダイオード、前記コンデンサの直列回路を正極側から負極側に向かって接続し、
    前記スイッチ素子は、前記リアクトルと前記ダイオードとの接続点を負極側に接続し、昇圧回路は、前記コンデンサの両端から昇圧出力得ることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の集電箱。


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