JP5894870B2 - Solar power system - Google Patents

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Description

本発明は、太陽光パネルの発電電力を、電力変換装置を用いて変換して所望の電力を得る太陽光発電システムに関し、特に、太陽光パネルに接続された変換器を制御することによって、太陽光パネルの電力の最大点を検出し、検出した最大電力点で電力変換器(パワーコンディショナ、PCS)を動作させる太陽光発電システムに関するものである。   The present invention relates to a solar power generation system that obtains desired power by converting power generated by a solar panel using a power converter, and in particular, by controlling a converter connected to the solar panel, The present invention relates to a photovoltaic power generation system that detects a maximum point of power of an optical panel and operates a power converter (power conditioner, PCS) at the detected maximum power point.

太陽光発電システムは、太陽光パネルで発電した電力をパワーコンディショナで商用交流に変換し、家庭内で消費したり、商用系統に逆潮流させたりするシステムである。   A solar power generation system is a system that converts electric power generated by a solar panel into commercial alternating current by a power conditioner and consumes it at home or reversely flows to a commercial system.

図4において、実線は太陽光パネルの出力電圧Vpvと出力電流Ipvの特性(以下「電圧−電流特性」)を示すグラフであり、破線は太陽光パネルの出力電圧Vpvと出力電力Ppvの特性(以下「電圧−電力特性」)を示すグラフである。   In FIG. 4, the solid line is a graph showing the characteristics of the output voltage Vpv and output current Ipv of the solar panel (hereinafter referred to as “voltage-current characteristics”), and the broken line is the characteristic of the output voltage Vpv and output power Ppv of the solar panel ( It is a graph showing “voltage-power characteristics” below.

ここに示すように、電圧−電流特性は、出力電圧Vpvが0のときに出力電流Ipvが短絡電流Iscとなり、出力電圧Vpvが開放電圧Vocのときに出力電流Ipvが0となる非線形の特性である。また、電圧−電力特性は、出力電圧VpvがVpmaxのときに出力電力Ppvが最大電力点Pmaxとなる特性を有し、最大電力点Pmaxのときの出力電流IpvをIpmaxとする。   As shown here, the voltage-current characteristic is a non-linear characteristic in which the output current Ipv becomes the short-circuit current Isc when the output voltage Vpv is 0, and the output current Ipv becomes 0 when the output voltage Vpv is the open circuit voltage Voc. is there. The voltage-power characteristic has a characteristic that the output power Ppv becomes the maximum power point Pmax when the output voltage Vpv is Vpmax, and the output current Ipv at the maximum power point Pmax is Ipmax.

ここで説明した電圧−電流特性や電圧−電力特性は、日照条件や温度条件によって変化するため、太陽光パネルから効率よく電力を取り出すためには常にこの最大電力点Pmaxを探索し、太陽光パネルに接続される電力変換器を制御して太陽光パネルの動作点が最大電力点となるように追従制御する必要がある。   Since the voltage-current characteristics and voltage-power characteristics described here vary depending on the sunshine conditions and temperature conditions, in order to efficiently extract power from the solar panel, the maximum power point Pmax is always searched and the solar panel It is necessary to control the power converter connected to the power source so that the operation point of the solar panel becomes the maximum power point.

最大電力追従制御法として一般によく知られた方法として、山登り法がある。この山登り法は、電力変換器の入力電圧指令値を微小変更し、これに応じて太陽光パネルの発電電力が増加するか減少するかを判定する。そして、この判定結果に依って次の電圧指令値を微小増加変更させるか微小減少変更させるかの変更方向を決定して指令値の微小変更を繰り返す方法である。   As a method well known as the maximum power tracking control method, there is a hill climbing method. This hill-climbing method minutely changes the input voltage command value of the power converter, and determines whether the generated power of the solar panel increases or decreases according to this change. Then, based on this determination result, the change direction of whether the next voltage command value is to be slightly increased or decreased is determined to repeat the minute change of the command value.

あるいは、特許文献1に示されたスキャン法がある。この方法は、太陽光パネルの2端子にインダクタとスイッチング素子が直列に接続される構成の電力変換回路を有しており、最大電力点の検出時には、スイッチング素子を第1の論理状態、いわゆる開状態に動作させ太陽光パネルの出力端子間を開放状態にするとともに、この開放状態からスイッチング素子を第2の論理状態、いわゆる閉状態に動作させ太陽光パネルの出力端子間を短絡状態にする過程において電圧と電流を検出し、これらの積である電力が最大となる点を検出するものである。最大電力検出時には、最初に電力変換回路の入力電流の電流指令値Iref0を0とし、太陽光パネルの電圧を一旦開放電圧Vocにする。次に電力変換回路の入力電圧の指令値Vref0を
Vref0=Voc−(Voc/to)・t …(式1)
で表される値に変化させる。Vref0は式に従い時間toの間にVocから0にリニアに低下する。電力変換回路ではPI制御を用いて電力変換回路の入力電圧である太陽光パネル電圧がVref0になるようにフィードバック制御し、スイッチング素子を駆動することが示されている。
Alternatively, there is a scanning method disclosed in Patent Document 1. This method has a power conversion circuit configured such that an inductor and a switching element are connected in series to two terminals of a solar panel, and when the maximum power point is detected, the switching element is in a first logic state, so-called open state. The process of making the solar panel output terminals open and the switching element operating from this open state to the second logic state, the so-called closed state, to make the solar panel output terminals short-circuited The voltage and current are detected at, and the point at which the power that is the product of these is maximized is detected. At the time of maximum power detection, first, the current command value Iref0 of the input current of the power conversion circuit is set to 0, and the voltage of the solar panel is once set to the open voltage Voc. Next, the command value Vref0 of the input voltage of the power conversion circuit is changed to Vref0 = Voc− (Voc / to) · t (Expression 1)
Change to the value represented by. Vref0 linearly drops from Voc to 0 during time to according to the equation. It is shown that the power conversion circuit performs feedback control using PI control so that the solar panel voltage, which is the input voltage of the power conversion circuit, becomes Vref0, and drives the switching element.

この方法は太陽光パネルの全域にわたる電流−電圧特性を検出できるため、部分影により二山特性が発生した場合においても確実に最大電力点を検出して移動することが可能である。   Since this method can detect the current-voltage characteristic over the entire area of the solar panel, even when a double peak characteristic occurs due to a partial shadow, the maximum power point can be reliably detected and moved.

WO2012/025593A1WO2012 / 025593A1

上記山登り法は日照が急変した場合に応答性が遅くなる恐れがあった。また、太陽光パネルに部分影が発生した場合に生じる二山特性に対応できないという恐れがあった。   The hill-climbing method described above may have a slow response when sunshine changes suddenly. In addition, there is a fear that it is not possible to cope with the double mountain characteristics that occur when a partial shadow occurs in the solar panel.

また、特許文献1に示されたスキャン法は、最大電力点検出時にPI制御によるフィードバック制御により太陽光パネルの電圧である入力電圧指令値を変化させている。太陽光パネルは短絡電流点近傍においては電流変化に対する電圧変化(dV/di)が大きい特性となっているため、チョークコイルの値を小さくして体積とコストを低減しようとすれば、短絡電流点近傍において、チョークコイルリプル電流に起因して太陽光パネルの電圧が大きく変動し、入力電圧制御系が発振して正確な最大電力点を検出できなくなる恐れがあった。   Moreover, the scanning method shown by patent document 1 is changing the input voltage command value which is the voltage of a solar panel by the feedback control by PI control at the time of a maximum power point detection. The solar panel has a characteristic that the voltage change (dV / di) with respect to the current change is large in the vicinity of the short circuit current point. Therefore, if the choke coil value is reduced to reduce the volume and cost, the short circuit current point In the vicinity, the voltage of the solar panel greatly fluctuates due to the choke coil ripple current, and the input voltage control system may oscillate and the accurate maximum power point may not be detected.

また、スキャン法では最大電力検出時にIref0を0にすることで、太陽光パネルの開放電圧Voc点に移動し電力変換回路からの出力電力がゼロになる。次にVref0を変化させるにしたがって出力電力がゼロから最大電力を経て再び減少し、Vref0がゼロになると電流が短絡電流Iscに至り、出力電力はゼロになる。このように系統連系インバータ側から見ると最大電力検出時に出力電力が大きく変化するため、系統の電圧変動など系統への悪影響を与える恐れがある。   In the scanning method, when Iref0 is set to 0 when maximum power is detected, the solar panel shifts to the open circuit voltage Voc point, and the output power from the power conversion circuit becomes zero. Next, as Vref0 is changed, the output power decreases again from zero through the maximum power, and when Vref0 becomes zero, the current reaches the short-circuit current Isc and the output power becomes zero. In this way, when viewed from the grid-connected inverter side, the output power greatly changes when maximum power is detected, which may adversely affect the system such as voltage fluctuations in the system.

本発明の目的は、太陽光発電システムにおける、最大電力点追従方式の応答性を高めることである。また、太陽光パネルに部分影が生じた場合であっても、最大電力点を正確に求めることである。また、電力変換回路のチョークコイルや入力フィルタコンデンサの容量をできるだけ小さくし体積やコストを低減することである。また、系統連系インバータの急激な出力変動を抑制し系統の安定化を図ることである。   An object of the present invention is to improve the responsiveness of the maximum power point tracking method in a photovoltaic power generation system. In addition, even when a partial shadow is generated on the solar panel, the maximum power point is accurately obtained. Also, the capacity and cost of the choke coil and the input filter capacitor of the power conversion circuit are made as small as possible. In addition, it is intended to stabilize the system by suppressing rapid output fluctuation of the grid interconnection inverter.

上記課題を解決するため、請求項1の太陽光発電システムでは、太陽光パネルと、該太陽光パネルの出力電力を検出する電力検出手段と、スイッチング素子のオン・オフ動作によって前記太陽光パネルの出力電圧を変換した電圧の電力を出力する電力変換手段と、前記電力検出手段の出力が入力されるとともに、前記スイッチング素子を制御する制御手段と、を備え、前記制御手段は、オープンループで前記スイッチング素子を制御するとともに、前記スイッチング素子を駆動する時比率を0%と所定の上限値の間で変化させ、その過程で前記太陽光パネルの最大電力点を検出する。
In order to solve the above-described problem, in the photovoltaic power generation system according to claim 1, a solar panel, a power detection unit that detects output power of the solar panel, and an on / off operation of a switching element, a power conversion means for outputting the voltage of the power obtained by converting the output voltage, the output of the power detection means is input, and a control means for controlling the switching element, the control means, wherein an open loop While controlling the switching element, the duty ratio for driving the switching element is changed between 0% and a predetermined upper limit value, and the maximum power point of the solar panel is detected in the process.

本発明によれば、太陽光発電システムにおける、最大電力点追従方式の応答性を高めることができる。また、太陽光パネル上に部分影が生じた場合であっても、最大電力点を正確に求めることができる。また、電力変換回路のチョークコイルや入力フィルタコンデンサの容量をできるだけ小さくし体積やコストを低減することができる。また、系統連系インバータの急激な出力変動を抑制し系統の安定化を図ることができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the responsiveness of the maximum electric power point tracking system in a solar power generation system can be improved. Further, even when a partial shadow is generated on the solar panel, the maximum power point can be accurately obtained. In addition, the capacity and cost of the choke coil and input filter capacitor of the power conversion circuit can be reduced as much as possible. Further, it is possible to stabilize the system by suppressing a rapid output fluctuation of the grid interconnection inverter.

実施例1の回路構成を示す図。1 is a diagram illustrating a circuit configuration of Embodiment 1. FIG. 実施例1の入力フィルタの回路構成を示す図。FIG. 3 is a diagram illustrating a circuit configuration of an input filter according to the first embodiment. 実施例1の動作を示す各部波形。FIG. 6 is a waveform of each part showing the operation of the first embodiment. 太陽光パネルの特性を示す図。The figure which shows the characteristic of a solar panel. パワーコンディショナのPN電圧とDuty最大値Dmaxの関係を示す図。The figure which shows the relationship between the PN voltage of a power conditioner, and Duty maximum value Dmax. 実施例1の検出モードにおける各部の波形。5 shows waveforms at various parts in the detection mode according to the first embodiment. 実施例2の検出モードにおける各部の波形。6 shows waveforms at various parts in the detection mode of Example 2. 実施例3における各部の波形。6 shows waveforms at various parts in the third embodiment.

図1から図8を用いて、本発明の太陽光発電システムの実施例を説明する。   The Example of the solar energy power generation system of this invention is described using FIGS. 1-8.

実施例1の太陽光発電システムを図1から図6を用いて説明する。   The solar power generation system of Example 1 is demonstrated using FIGS. 1-6.

図1は、本実施例の太陽光発電システムの回路構成を示す図である。図1において、1は太陽光パネル、2はパワーコンディショナ、3は商用系統であり、パワーコンディショナ2の内部には、入力フィルタ4、DC−DCコンバータ7、系統連系インバータ12、制御回路14がある。DC−DCコンバータ7において、8はインダクタンス値が200〜800μH程度のチョークコイル、9はパワーMOSFET、10は昇圧ダイオード、11はコンデンサ、13は電流センサ、15a、15bは分圧抵抗、24はドライバである。また、制御回路14において、16は時比率発生器、17はモード切替器、18a、18bは減算器、19a、19bはPI制御ブロック、20は乗算器、21a、21bはAD変換器、22はPWM回路、23は最大値判定回路、25は入力電圧指令値(Vref)である。   FIG. 1 is a diagram illustrating a circuit configuration of the photovoltaic power generation system according to the present embodiment. In FIG. 1, 1 is a solar panel, 2 is a power conditioner, 3 is a commercial system, and an input filter 4, a DC-DC converter 7, a grid interconnection inverter 12, and a control circuit are provided inside the power conditioner 2. There are 14. In the DC-DC converter 7, 8 is a choke coil having an inductance value of about 200 to 800 μH, 9 is a power MOSFET, 10 is a boost diode, 11 is a capacitor, 13 is a current sensor, 15a and 15b are voltage dividing resistors, and 24 is a driver. It is. In the control circuit 14, 16 is a time ratio generator, 17 is a mode switch, 18a and 18b are subtractors, 19a and 19b are PI control blocks, 20 is a multiplier, 21a and 21b are AD converters, and 22 is A PWM circuit, 23 is a maximum value determination circuit, and 25 is an input voltage command value (Vref).

図1に示すように、太陽光パネル1はその両端がパワーコンディショナ2の内部の入力フィルタ4の入力側端子に接続されており、入力フィルタ4の出力側端子はDC−DCコンバータ7の入力側端子に接続され、DC−DCコンバータ7の出力側端子は系統連系インバータ12の入力側端子に接続されている。系統連系インバータ12の出力側端子はパワーコンディショナ2の外部の商用系統3に接続されている。   As shown in FIG. 1, both ends of the solar panel 1 are connected to the input side terminals of the input filter 4 inside the power conditioner 2, and the output side terminal of the input filter 4 is the input of the DC-DC converter 7. The output side terminal of the DC-DC converter 7 is connected to the input side terminal of the grid interconnection inverter 12. The output side terminal of the grid interconnection inverter 12 is connected to the commercial system 3 outside the power conditioner 2.

ここでDC−DCコンバータ7の内部を詳細に説明する。チョークコイル8の入力側端子は入力フィルタ4の正極の出力側端子に接続され、チョークコイル8の出力側端子はパワーMOSFET9のドレインに接続される。また、入力フィルタ4の負極の出力側端子とパワーMOSFET9のソースが接続される。さらに、DC−DCコンバータ7の内部では、入力フィルタ4の出力側端子の両端に、分圧抵抗15a、15bの直列体が接続されている。パワーMOSFET9のドレインには昇圧ダイオード10のアノードが接続される。昇圧ダイオード10のカソードとパワーMOSFET9のソースの間にコンデンサ11が接続される。コンデンサ11の両端はDC−DCコンバータ7の外部にある系統連系インバータ12に接続される。   Here, the inside of the DC-DC converter 7 will be described in detail. The input side terminal of the choke coil 8 is connected to the positive output side terminal of the input filter 4, and the output side terminal of the choke coil 8 is connected to the drain of the power MOSFET 9. Further, the negative output side terminal of the input filter 4 and the source of the power MOSFET 9 are connected. Further, in the DC-DC converter 7, a series body of voltage dividing resistors 15 a and 15 b is connected to both ends of the output side terminal of the input filter 4. The anode of the boost diode 10 is connected to the drain of the power MOSFET 9. A capacitor 11 is connected between the cathode of the boost diode 10 and the source of the power MOSFET 9. Both ends of the capacitor 11 are connected to the grid interconnection inverter 12 outside the DC-DC converter 7.

次に制御回路14の内部を詳細に説明する。AD変換器21aはDC−DCコンバータ7内部の分圧抵抗15a、15bの中点に接続され、AD変換器21bはDC−DCコンバータ7内部の電流センサ13に接続される。AD変換器21aの出力はVin、AD変換器21bの出力はILという名称のデジタル量である。ILとVinは乗算器20に入力され、出力はPpvとして最大値判定回路23に入力される。また、Vinは、最大値判定回路23と、減算器18aのプラス側端子にも入力される。最大値判定回路23の出力は、入力電圧指令値25(Vref)となり、減算器18aのマイナス側端子に入力される。減算器18aの出力はPI制御ブロック19aに入力される。PI制御ブロック19aの出力は減算器18bのプラス側端子に入力される。また、ILは減算器18bのマイナス側端子に入力される。減算器18bの出力はPI制御ブロック19bに入力される。PI制御ブロック19bの出力は、モード切替器17の定常モード側に接続される。モード切替器17の検出モード側には時比率発生器16が接続される。モード切替器17の出力がPWM回路22に入力される。ここでモード切替器17の出力がパワーMOSFET9をスイッチングさせる際の時比率であり、以下ではDutyと記載する。PWM回路22の出力はDC−DCコンバータ7の内部のドライバ24に入力される。ドライバ24の出力はパワーMOSFET9のゲートに接続される。   Next, the inside of the control circuit 14 will be described in detail. The AD converter 21 a is connected to the midpoint of the voltage dividing resistors 15 a and 15 b inside the DC-DC converter 7, and the AD converter 21 b is connected to the current sensor 13 inside the DC-DC converter 7. The output of the AD converter 21a is Vin and the output of the AD converter 21b is a digital quantity named IL. IL and Vin are input to the multiplier 20, and the output is input to the maximum value determination circuit 23 as Ppv. Vin is also input to the maximum value determination circuit 23 and the positive terminal of the subtractor 18a. The output of the maximum value determination circuit 23 becomes the input voltage command value 25 (Vref) and is input to the minus side terminal of the subtractor 18a. The output of the subtracter 18a is input to the PI control block 19a. The output of the PI control block 19a is input to the plus side terminal of the subtractor 18b. IL is input to the minus terminal of the subtractor 18b. The output of the subtracter 18b is input to the PI control block 19b. The output of the PI control block 19b is connected to the steady mode side of the mode switch 17. A duty ratio generator 16 is connected to the detection mode side of the mode switch 17. The output of the mode switch 17 is input to the PWM circuit 22. Here, the output of the mode switch 17 is a duty ratio when the power MOSFET 9 is switched, and is described as “Duty” below. The output of the PWM circuit 22 is input to a driver 24 inside the DC-DC converter 7. The output of the driver 24 is connected to the gate of the power MOSFET 9.

図2は、図1の入力フィルタ4内部の一例を示した図である。図2において、5a、5bはコモンモードチョーク、6a、6b、6c、6d、6e、6fはフィルタコンデンサである。フィルタコンデンサのうち、6a、6eの容量は5〜10μF程度であり、8μFのフィルタコンデンサ6a、6eと、10000pFのフィルタコンデンサ6b、6c、6d、6fを例示する。図2において、入力フィルタ4の入力側端子の両端にはフィルタコンデンサ6aが接続され、フィルタコンデンサ6aの両端にはコモンモードチョーク5aの入力側端子が接続される。コモンモードチョーク5aの出力側端子はフィルタコンデンサ6bと6cの直列体に接続される。フィルタコンデンサ6bと6cの中点はフレームグランドに接続される。フィルタコンデンサ6bと6cの直列体の両端にはフィルタコンデンサ6dの両端が接続される。フィルタコンデンサ6dの両端はコモンモードチョーク5bの入力側端子が接続される。コモンモードチョーク5bの出力側端子の間にフィルタコンデンサ6eが接続される。そして、フィルタコンデンサ6eの両端子はコンバータ側端子となり入力フィルタ4の外部に引き出される。ここで、フィルタコンデンサ6aと6eの8μFは、主にスイッチング周波数である20〜40kHzのスイッチングリプルを除去するために用いられるコンデンサで、比較的大容量で周波数特性に優れたフィルムコンデンサを用いることが望ましい。一方、フィルタコンデンサ6b、6c、6d、6fはスイッチングに伴って発生する100kHz以上のノイズ成分を除去するために使用され、フィルムコンデンサよりも更に高周波特性に優れたセラミックコンデンサを用いることが望ましい。   FIG. 2 is a diagram showing an example of the inside of the input filter 4 of FIG. In FIG. 2, 5a and 5b are common mode chokes, and 6a, 6b, 6c, 6d, 6e and 6f are filter capacitors. Among the filter capacitors, the capacities of 6a and 6e are about 5 to 10 μF, and 8 μF filter capacitors 6 a and 6 e and 10000 pF filter capacitors 6 b, 6 c, 6 d, and 6 f are exemplified. In FIG. 2, a filter capacitor 6a is connected to both ends of the input side terminal of the input filter 4, and an input side terminal of the common mode choke 5a is connected to both ends of the filter capacitor 6a. The output side terminal of the common mode choke 5a is connected to a series body of filter capacitors 6b and 6c. The midpoint of the filter capacitors 6b and 6c is connected to the frame ground. Both ends of the filter capacitor 6d are connected to both ends of the series body of the filter capacitors 6b and 6c. Both ends of the filter capacitor 6d are connected to the input side terminals of the common mode choke 5b. A filter capacitor 6e is connected between the output side terminals of the common mode choke 5b. Then, both terminals of the filter capacitor 6 e become the converter side terminals and are drawn out of the input filter 4. Here, 8 μF of the filter capacitors 6a and 6e is a capacitor mainly used for removing a switching ripple of 20 to 40 kHz which is a switching frequency, and a film capacitor having a relatively large capacity and excellent frequency characteristics is used. desirable. On the other hand, the filter capacitors 6b, 6c, 6d, and 6f are used to remove noise components of 100 kHz or more that are generated in association with switching, and it is desirable to use ceramic capacitors that are more excellent in high frequency characteristics than film capacitors.

次に、図3を用いて実施例1の回路動作を説明する。図3は、横軸を時間として、図1の回路各部の動作波形を示した図であり、図3(a)はDC−DCコンバータ7が定常モードであるか検出モードであるかを示す「DC−DCコンバータ7動作状態」、図3(b)は時比率発生器16の時比率Dutyをパーセント表示した波形を示す「Duty」、図3(c)は太陽光パネル1の電流波形を示す「Ipv」、図3(d)は太陽光パネル1の両端の電圧波形を示す「Vpv」、図3(e)はDC−DCコンバータ7から系統連系インバータ12に出力される電力の波形を示す「DC−DCコンバータ7出力電力」である。ここで、検出モードとは、太陽光パネル1の最大電力点を検出するモードのことであり、定常モードとは、検出モードで得た最大電力点の電流となるようにパワーコンディショナ2を動作させるモードのことである。   Next, the circuit operation of the first embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 3 is a diagram showing operation waveforms of each part of the circuit of FIG. 1 with the horizontal axis as time, and FIG. 3A shows whether the DC-DC converter 7 is in a steady mode or a detection mode. “DC-DC converter 7 operating state”, FIG. 3B shows a waveform indicating the duty ratio Duty of the duty ratio generator 16 as “Duty”, and FIG. 3C shows the current waveform of the solar panel 1. “Ipv”, FIG. 3D shows the voltage waveform at both ends of the solar panel 1, and FIG. 3E shows the waveform of the power output from the DC-DC converter 7 to the grid interconnection inverter 12. This is “DC-DC converter 7 output power”. Here, the detection mode is a mode for detecting the maximum power point of the solar panel 1, and the steady mode is for operating the power conditioner 2 so that the current at the maximum power point obtained in the detection mode is obtained. It is a mode to make it.

次に、図4は、前述したとおり、太陽光パネル1の電流−電圧特性、および、電流−電力特性を示すグラフであり、検出モードで用いられる電圧Vpvの範囲(Vpvmin〜Voc)を示すものである。   Next, FIG. 4 is a graph showing the current-voltage characteristics and the current-power characteristics of the solar panel 1 as described above, and shows the range (Vpvmin to Voc) of the voltage Vpv used in the detection mode. It is.

次に、図5は、時比率発生器16が出力する時比率Dutyの最大値Dmaxと、コンデンサ11(Cpn)の電圧であるPN電圧(Vpn)の関係を示したグラフである。パラメータは検出モードにおける太陽光パネル電圧Vpvの最低値Vpvminであり、30V、50V、70Vの三例を示す。   Next, FIG. 5 is a graph showing the relationship between the maximum value Dmax of the duty ratio Duty output from the duty ratio generator 16 and the PN voltage (Vpn) which is the voltage of the capacitor 11 (Cpn). The parameter is the minimum value Vpvmin of the solar panel voltage Vpv in the detection mode, and shows three examples of 30V, 50V, and 70V.

次に、図6は本実施例の具体例として、検出モードにおけるDuty、発電電力、Ipv、Vpvのそれぞれの時間変化を記載したグラフである。   Next, FIG. 6 is a graph showing respective time variations of Duty, generated power, Ipv, and Vpv in the detection mode as a specific example of this embodiment.

続いて本実施例のパワーコンディショナ2の動作を説明する。まず定常モードを説明する。定常モードにおいては、図1におけるモード切替器17は定常モード側に接続されている。このとき、DC−DCコンバータ7は入力電圧Vinが入力電圧指令値25(Vref)と一致するようにパワーMOSFET9をPWM制御する。なお、入力電圧指令値25(Vref)は、事前に求めた値であり、その求め方は後述する。   Next, the operation of the power conditioner 2 of this embodiment will be described. First, the steady mode will be described. In the steady mode, the mode switch 17 in FIG. 1 is connected to the steady mode side. At this time, the DC-DC converter 7 performs PWM control of the power MOSFET 9 so that the input voltage Vin matches the input voltage command value 25 (Vref). The input voltage command value 25 (Vref) is a value obtained in advance, and how to obtain it will be described later.

DC−DCコンバータ7では、入力電圧Vinを分圧抵抗15a、15bにより検出し、AD変換器21aによりデジタル量に変換する。また、チョークコイル8(L)に流れる電流を電流センサ13で検出する。チョークコイル8(L)に流れる電流ILは後述するパワーMOSFET9のスイッチングにより脈動するため、電流センサ13で検出された電流ILはAD変換器21bを経て制御回路14に取り込まれ平均値として認識される。脈動する電流ILから平均値を取り出す方法としては、電流センサ13の内部にパワーMOSFET9(S1)のスイッチング周波数成分を減衰させる一次遅れフィルタを設ける方法や、AD変換器21bの取り込みタイミングをPWM周期と同期させて常に脈動の中心値をサンプリングする方法などがあり、脈動する電流ILから平均値を取り出すことができればいずれの方法を用いても良い。以下、求めた電流平均値をILとして記載する。   In the DC-DC converter 7, the input voltage Vin is detected by the voltage dividing resistors 15a and 15b, and converted into a digital quantity by the AD converter 21a. Further, the current sensor 13 detects the current flowing through the choke coil 8 (L). Since the current IL flowing through the choke coil 8 (L) pulsates by switching of the power MOSFET 9 described later, the current IL detected by the current sensor 13 is taken into the control circuit 14 through the AD converter 21b and recognized as an average value. . As a method for extracting the average value from the pulsating current IL, there is a method of providing a first-order lag filter for attenuating the switching frequency component of the power MOSFET 9 (S1) in the current sensor 13, or a timing for taking in the AD converter 21b as a PWM cycle. There is a method of always sampling the central value of pulsation in synchronization, and any method may be used as long as the average value can be extracted from the pulsating current IL. Hereinafter, the obtained average current value is described as IL.

AD変換器21aから出力されたVinは減算器18aにて入力電圧指令値25(Vref)と比較され、これらの電圧誤差がPI制御ブロック19aに入力され、比例積分演算される。このPI制御ブロック19aの出力信号は電流目標値Irefである。次に、ILは減算器18bにおいて、電流目標値Irefから差し引かれる。この電流誤差はPI制御ブロック19bに入力され、比例積分演算される。このPI制御ブロック19bの出力は時比率Dutyであり、このDutyはモード切替器17を介してPWM回路22に入力されPWMパルスを生成する。このPWMパルスはドライバ24を介してパワーMOSFET9(S1)のゲートに入力され、パワーMOSFET9(S1)を駆動する。パワーMOSFET9(S1)はスイッチングによりON/OFFを繰り返す。このスイッチング周波数はおよそ20〜100kHzである。パワーMOSFET9(S1)がONした際には太陽光パネル1−入力フィルタ4−チョークコイル8(L)−パワーMOSFET9(S1)−入力フィルタ4−太陽光パネル1の閉回路が形成され、太陽光パネル1からチョークコイル8(L)に電流が流れる。次にパワーMOSFET9(S1)がOFFすると、太陽光パネル1−入力フィルタ4−チョークコイル8(L)−昇圧ダイオード10(D1)−コンデンサ11(Cpn)−入力フィルタ4−太陽光パネル1の回路が形成され、チョークコイル8(L)に蓄えられた励磁エネルギーはコンデンサ11(Cpn)に放出される。   Vin output from the AD converter 21a is compared with the input voltage command value 25 (Vref) by the subtractor 18a, and these voltage errors are input to the PI control block 19a to be proportional-integral calculated. The output signal of the PI control block 19a is a current target value Iref. Next, IL is subtracted from the current target value Iref in the subtractor 18b. This current error is input to the PI control block 19b and subjected to proportional integration calculation. The output of the PI control block 19b is a duty ratio, and this duty is input to the PWM circuit 22 via the mode switch 17 to generate a PWM pulse. This PWM pulse is input to the gate of the power MOSFET 9 (S1) via the driver 24 to drive the power MOSFET 9 (S1). The power MOSFET 9 (S1) is repeatedly turned on and off by switching. This switching frequency is approximately 20 to 100 kHz. When the power MOSFET 9 (S1) is turned on, a closed circuit of the solar panel 1-input filter 4-choke coil 8 (L) -power MOSFET 9 (S1) -input filter 4-solar panel 1 is formed. A current flows from the panel 1 to the choke coil 8 (L). Next, when the power MOSFET 9 (S1) is turned OFF, the solar panel 1-input filter 4-choke coil 8 (L) -boost diode 10 (D1) -capacitor 11 (Cpn) -input filter 4-solar panel 1 circuit The excitation energy stored in the choke coil 8 (L) is released to the capacitor 11 (Cpn).

入力電圧Vinが電圧指令値Vrefよりも高い場合、すなわち電圧誤差が正の場合にはパワーMOSFET9の駆動信号のON幅が増大してチョークコイル8(L)に蓄える励磁エネルギーを増加させ、入力電流を増加させるように動作する。反対に入力電圧Vinが電圧指令値Vrefよりも低い場合、すなわち電圧誤差が負の場合にはパワーMOSFET9の駆動信号のON幅を縮小させてチョークコイル8(L)に蓄える励磁エネルギーを減少させ、入力電流を減少させるように動作する。この動作を繰り返すことにより、電圧誤差がゼロになるように制御する。なお、パワーMOSFET9(S1)がONするとチョークコイル8(L)に励磁エネルギーが蓄えられていきILは増加し、パワーMOSFET9(S1)がOFFとなるとチョークコイル8(L)に蓄えられた励磁エネルギーはコンデンサ11(Cpn)に放出されILは減少する。ここで、電圧誤差をゼロにするような制御に限るものでなく、ゼロに近い値となるよう制御しても良い。   When the input voltage Vin is higher than the voltage command value Vref, that is, when the voltage error is positive, the ON width of the drive signal of the power MOSFET 9 increases to increase the excitation energy stored in the choke coil 8 (L), and the input current Works to increase. On the contrary, when the input voltage Vin is lower than the voltage command value Vref, that is, when the voltage error is negative, the ON width of the drive signal of the power MOSFET 9 is reduced to reduce the excitation energy stored in the choke coil 8 (L), Operates to reduce input current. By repeating this operation, the voltage error is controlled to be zero. When the power MOSFET 9 (S1) is turned on, the excitation energy is stored in the choke coil 8 (L) and IL increases. When the power MOSFET 9 (S1) is turned off, the excitation energy stored in the choke coil 8 (L). Is discharged to the capacitor 11 (Cpn) and IL decreases. Here, the control is not limited to making the voltage error zero, but may be controlled to be a value close to zero.

一方、AD変換器21a、21bでデジタル量に変換されたVinとIL(平均値)は乗算器20に入力され、現時点の瞬時電力Ppvが演算される。PpvとVinは最大値判定回路23に入力され、最大値判定回路23では、山登り法を用いたアルゴリズムにより最大電力点を探索し順次入力電圧指令値25(Vref)を微小変化させていく。この山登り法アルゴリズムは、前回のサンプル値であるPpv(z−1)、Vin(z−1)と、今回採取したPpv、Vinをそれぞれ比較し、これらの大小関係により、次に入力電圧指令値25(Vref)を微小変化させる方向を判定するものである。このアルゴリズムにより図4に示したような特性の太陽光パネル1において、電力が最大(Pmax)となる点(Vpmax、Ipmax)で動作するようにVrefを変化させることができる。   On the other hand, Vin and IL (average value) converted into digital quantities by the AD converters 21a and 21b are input to the multiplier 20, and the current instantaneous power Ppv is calculated. Ppv and Vin are input to the maximum value determination circuit 23. The maximum value determination circuit 23 searches for the maximum power point by an algorithm using the hill-climbing method, and sequentially changes the input voltage command value 25 (Vref) minutely. This hill-climbing algorithm compares Ppv (z-1) and Vin (z-1), which are the previous sample values, with Ppv and Vin collected this time. The direction in which 25 (Vref) is slightly changed is determined. With this algorithm, in the solar panel 1 having the characteristics as shown in FIG. 4, Vref can be changed so as to operate at a point (Vpmax, Ipmax) at which the power becomes maximum (Pmax).

このとき、図2に示すような入力フィルタ4を用いることで、主にパワーMOSFET9(S1)のスイッチングによるILの脈動成分は減衰する。一方、電圧に関しては、入力フィルタ4に入力される太陽光パネル1の電圧Vpvと入力フィルタ4の出力電圧Vinは、DC成分はほぼ等しく、Vinにはスイッチングに伴う高周波成分が含まれる。   At this time, by using the input filter 4 as shown in FIG. 2, the pulsation component of IL mainly due to switching of the power MOSFET 9 (S1) is attenuated. On the other hand, regarding the voltage, the DC component of the voltage Vpv of the solar panel 1 input to the input filter 4 and the output voltage Vin of the input filter 4 are substantially equal, and Vin includes a high-frequency component accompanying switching.

この結果、太陽光パネル1からDC−DCコンバータ7にはIpvかつVpvの直流電力が流入し、DC−DCコンバータ7から系統連系インバータ12にはDC−DCコンバータ7の損失を差し引いただけの電力が出力される。系統連系インバータ12においては、DC−DCコンバータ7から入力された直流電力を、商用系統3の電圧位相に同期した正弦波電流に変換して商用系統3に出力する。   As a result, DC power of Ipv and Vpv flows from the solar panel 1 to the DC-DC converter 7, and the loss of the DC-DC converter 7 can be subtracted from the DC-DC converter 7 to the grid interconnection inverter 12. Electric power is output. In the grid interconnection inverter 12, the DC power input from the DC-DC converter 7 is converted into a sine wave current synchronized with the voltage phase of the commercial system 3 and output to the commercial system 3.

次に、検出モードについて説明する。一般に、太陽光パネル1の電圧−電流特性は図4に示すように、短絡電流点(0、Isc)の近傍においては電流の変化に対して電圧の変化(dV/di)が非常に大きい特性となっている。一方、DC−DCコンバータ7においては、パワーMOSFET9をPWM制御してチョークコイル8に流れる電流を20〜100kHz程度の周波数で増減させるスイッチング動作を行うことから、短絡電流点(0、Isc)の近傍においては、このチョークコイル8のリプル電流の影響により、太陽光パネル1の電圧が大きく変動し、DC−DCコンバータ7のVinが振動する恐れがある。このとき、Vinを指令値に一致させようとフィードバック制御を行うと位相が回ってVinが発振する恐れがある。Vinが発振すると太陽光パネル1の正確な電圧−電流特性、ひいては最大電力点を把握することができなくなり、パワーコンディショナ2のMPPT効率の低下につながる。   Next, the detection mode will be described. In general, the voltage-current characteristic of the solar panel 1 is such that the voltage change (dV / di) is very large with respect to the current change in the vicinity of the short-circuit current point (0, Isc) as shown in FIG. It has become. On the other hand, in the DC-DC converter 7, the power MOSFET 9 is PWM-controlled to perform a switching operation to increase or decrease the current flowing through the choke coil 8 at a frequency of about 20 to 100 kHz, so that the vicinity of the short-circuit current point (0, Isc). In this case, the voltage of the solar panel 1 greatly fluctuates due to the ripple current of the choke coil 8, and Vin of the DC-DC converter 7 may vibrate. At this time, if feedback control is performed so as to make Vin coincide with the command value, there is a possibility that the phase is rotated and Vin oscillates. When Vin oscillates, the accurate voltage-current characteristics of the solar panel 1 and thus the maximum power point cannot be grasped, leading to a decrease in the MPPT efficiency of the power conditioner 2.

従来のスキャン法で発振を防止しようとすれば、チョークコイル8の値を1mH以上に設定することによってリプル電流を抑制することにより発振を抑制する必要がある。あるいは、入力フィルタ4内のコンデンサの容量を500〜2000μF程度としてリプル電流を抑制することができる。しかし、これらの従来の対策方法はいずれもチョークコイル8や入力フィルタ4の体積やコストを増加させるため、パワーコンディショナ2の小型化、低コスト化の観点から課題がある。   In order to prevent oscillation by the conventional scanning method, it is necessary to suppress oscillation by suppressing the ripple current by setting the value of the choke coil 8 to 1 mH or more. Alternatively, the ripple current can be suppressed by setting the capacitance of the capacitor in the input filter 4 to about 500 to 2000 μF. However, all of these conventional countermeasures increase the volume and cost of the choke coil 8 and the input filter 4, and therefore have problems from the viewpoint of reducing the size and cost of the power conditioner 2.

そこで、本実施例においては、以下の2つの手段により、チョークコイル8のインダクタンス値を100〜800μH程度に抑え、かつ入力フィルタ4内のコンデンサ容量を5〜30μF程度に抑えながら、検出モードにおける発振を防止する方法を提案するものである。   Therefore, in the present embodiment, the oscillation in the detection mode is performed while the inductance value of the choke coil 8 is suppressed to about 100 to 800 μH and the capacitor capacity in the input filter 4 is suppressed to about 5 to 30 μF by the following two means. It proposes a method to prevent this.

本実施例においては、検出モードにおいてはフィードバック制御を用いず、オープンループ制御により、順次パワーMOSFET9をON/OFFするための時比率Dutyを変化させる手法をとる。これにより、たとえVinに振動が生じてもこのVinを検出してDutyを変化させないため発振を生じさせない。   In this embodiment, a method is employed in which the duty ratio for sequentially turning on / off the power MOSFET 9 is changed by open loop control without using feedback control in the detection mode. Thereby, even if vibration occurs in Vin, this Vin is detected and Duty is not changed, so that oscillation does not occur.

また、本実施例においては、検出モードにおいて予めDmaxを定め、Dutyを0からDmaxの間でリニアに変化(単調増加、あるいは、単調減少)させる。DutyがDmaxになると、図4において太陽光パネル1の動作点は(Vpvmin、Ipvmin)になる。(Vpvmin、Ipvmax)と短絡電流点(0、Isc)の間はチョークコイル8のリプル電流によりVinが振動しやすいため、この区間については特性検出を行わないことで振動の発生を避けることができる。   In this embodiment, Dmax is determined in advance in the detection mode, and Duty is linearly changed (monotonically increased or monotonously decreased) between 0 and Dmax. When Duty becomes Dmax, the operating point of the solar panel 1 in FIG. 4 becomes (Vpvmin, Ipvmin). Since Vin tends to vibrate due to the ripple current of the choke coil 8 between (Vpvmin, Ipvmax) and the short-circuit current point (0, Isc), generation of vibration can be avoided by not performing characteristic detection in this section. .

本実施例においては上記思想を反映して下記のように動作させる。すなわち、定常モードにおいて一定時間経過すると検出モードに遷移する。検出モードは図1におけるモード切替器17を検出モード側に切り替えることにより開始される。図1からわかるように、検出モードにおいては、定常モードで用いられていたフィードバック制御系が用いられず、時比率発生器16から発生させたDutyによりパワーMOSFET9を駆動するオープンループの制御系に変化する。   In the present embodiment, the operation is performed as follows reflecting the above idea. That is, when a certain time elapses in the steady mode, the mode transits to the detection mode. The detection mode is started by switching the mode switch 17 in FIG. 1 to the detection mode side. As can be seen from FIG. 1, in the detection mode, the feedback control system used in the steady mode is not used, and the duty ratio generated from the duty ratio generator 16 changes to an open loop control system that drives the power MOSFET 9. To do.

このとき、時比率発生器16の初期値はゼロに設定されている。そのため、モード切換器17を検出モードに切り替えるとDutyはそれまでの定常モード時の時比率からゼロに変化する。このとき、太陽光パネル1の動作点は図4で(Voc、0)の座標に移動する。そして、Dutyが徐々に増加するにしたがってパワーMOSFET9のON幅が徐々に増加しILが増加する。図4においては(Voc、0)の点から(Vpmax、Ipmax)を経由して(Vpvmin、Ipvmax)の方に向かって動作点が変化することを意味する。   At this time, the initial value of the duty ratio generator 16 is set to zero. Therefore, when the mode switch 17 is switched to the detection mode, the duty changes from the time ratio in the normal mode to zero. At this time, the operating point of the solar panel 1 moves to the coordinates of (Voc, 0) in FIG. As the duty gradually increases, the ON width of the power MOSFET 9 gradually increases and IL increases. In FIG. 4, this means that the operating point changes from the point (Voc, 0) to (Vpvmin, Ipvmax) via (Vpmax, Ipmax).

検出モードにおける波形は図3のようになる。図3(b)に示すようにDutyが0からリニアに上昇すると、図3(c)(d)に示すようにIpvが増加しVpvは低下する。このとき、DC−DCコンバータ7の出力電力は図3(e)に示すような波形になり、最大電力点Pmaxを通過して次第に電力が低下する特性となる。図3(b)から明らかなように、本実施例ではDutyは予め定められた最大値Dmaxまでリニアに上昇する。DmaxはPN電圧Vpnと検出モードにおける電圧最低値Vpvminにより
Dmax=(Vpn−Vpvmin)/Vpn …(式2)
で決まる値に設定する。
The waveform in the detection mode is as shown in FIG. When Duty increases linearly from 0 as shown in FIG. 3B, Ipv increases and Vpv decreases as shown in FIGS. 3C and 3D. At this time, the output power of the DC-DC converter 7 has a waveform as shown in FIG. 3E, and has a characteristic that the power gradually decreases after passing through the maximum power point Pmax. As apparent from FIG. 3B, in this embodiment, Duty rises linearly to a predetermined maximum value Dmax. Dmax is determined by the PN voltage Vpn and the minimum voltage Vpvmin in the detection mode. Dmax = (Vpn−Vpvmin) / Vpn (Equation 2)
Set to a value determined by.

図5は式2でVpnを300〜420V、Vpvminを30V、50V、70Vとした場合のDmaxを示すグラフである。Vpvminは振動発生を避けるため、定格250〜350V程度の太陽光パネル1であれば、概ね50V程度に定めるのが良い。PN電圧Vpnは通常系統側にAC200Vを出力するために最低320V程度は必要である。Vpnが増加する程パワーコンディショナ2の変換効率が低下するため、340V程度に設定することが一般的である。太陽光パネル1の電圧最低値Vpvminを50V、VPNを340Vに設定する場合、Dmaxはおよそ85%となる。なお、ここでは、Dmaxがおよそ85%の例を説明するが、Dmaxを80〜90%の範囲で設定することで後述すると同様の効果を得ることができる。   FIG. 5 is a graph showing Dmax when Vpn is 300 to 420 V and Vpvmin is 30 V, 50 V, and 70 V in Equation 2. In order to avoid vibrations, Vpvmin is preferably set to about 50 V in the case of the solar panel 1 having a rating of about 250 to 350 V. The PN voltage Vpn normally requires about 320 V in order to output AC 200 V to the system side. Since the conversion efficiency of the power conditioner 2 decreases as Vpn increases, it is generally set to about 340V. When the minimum voltage Vpvmin of the solar panel 1 is set to 50V and the VPN is set to 340V, Dmax is approximately 85%. Here, an example in which Dmax is approximately 85% will be described. However, by setting Dmax in the range of 80 to 90%, the same effect as described later can be obtained.

検出モードにおいてはオープンループ制御となるが、時比率DutyはPWM回路22に入力されPWMパルスを生成する。このPWMパルスはパワーMOSFET9(S1)のゲートに入力され、パワーMOSFET9(S1)を駆動する。パワーMOSFET9(S1)がONするとチョークコイル8(L)に励磁エネルギーが蓄えられるとともにILは増加し、パワーMOSFET9(S1)がOFFとなるとチョークコイル8(L)に蓄えられた励磁エネルギーはコンデンサ11(Cpn)に放出されILは減少する。Dutyが増加するにつれ、パワーMOSFET9のON時間が増加し、ILが増加していく。IpvはILの増加とともに図4に示す実線の特性に従い(Voc、0)から(Vpvmin、Ipvmax)へ変化する。このとき、ILとVinはその都度AD変換器21aと21bでサンプリングされる。サンプリング周期tsは25〜100μs程度である。これらを検出して乗算器20でPpvを算出することにより、最大値判定回路23では、Ppvとその時のVinを(Ppv、Vin)の組として把握することができる。最大値判定回路23では、順次入力される(Ppv、Vin)の組のうちでPpvがそれまでよりも大きな場合にPpvを最大電力点Pmaxとし、その時のVinをVinMとして記憶する。   In the detection mode, open-loop control is performed, but the duty ratio Duty is input to the PWM circuit 22 to generate a PWM pulse. This PWM pulse is input to the gate of the power MOSFET 9 (S1) to drive the power MOSFET 9 (S1). When the power MOSFET 9 (S1) is turned on, excitation energy is stored in the choke coil 8 (L) and IL increases. When the power MOSFET 9 (S1) is turned off, the excitation energy stored in the choke coil 8 (L) is Released to (Cpn) and IL decreases. As the duty increases, the ON time of the power MOSFET 9 increases and the IL increases. Ipv changes from (Voc, 0) to (Vpvmin, Ipvmax) according to the characteristics of the solid line shown in FIG. 4 as IL increases. At this time, IL and Vin are sampled by the AD converters 21a and 21b each time. The sampling period ts is about 25 to 100 μs. By detecting these and calculating Ppv by the multiplier 20, the maximum value determination circuit 23 can grasp Ppv and Vin at that time as a set of (Ppv, Vin). The maximum value determination circuit 23 stores Ppv as the maximum power point Pmax and stores Vin at that time as VinM when Ppv is larger than the previous set among the pairs of (Ppv, Vin) sequentially input.

Dutyの増加に伴って、電圧VpvはVocから徐々に低下してDmaxのときにVpvminに至る。この間に、最大電力点であるPmaxの動作点を通るため、検出モードの終了時点であるDuty=Dmaxの時点で、最大値判定回路23には(Pmax、VinM)=(Pmax、Vpmax)が記憶されていることになる。   As Duty increases, the voltage Vpv gradually decreases from Voc and reaches Vpvmin at Dmax. During this time, since the operating point of Pmax, which is the maximum power point, passes through, the maximum value determination circuit 23 stores (Pmax, VinM) = (Pmax, Vpmax) when Duty = Dmax, which is the end point of the detection mode. Will be.

そこで、次の定常モードにおいては、最大値判定回路23からはVrefとしてVpmaxを出力する。定常モードにおいては前述したようにモード切替器17は再び定常側に接続され、VinがVrefに一致するようにフィードバック制御する。Vrefは検出モードで求めたVpmaxが定常モードでの初期値となり、前述した山登り法により、更なる最大電力点を探索しながら動作する。   Therefore, in the next steady mode, the maximum value determination circuit 23 outputs Vpmax as Vref. In the steady mode, as described above, the mode switch 17 is again connected to the steady side and performs feedback control so that Vin matches Vref. Vref is Vpmax obtained in the detection mode, and becomes an initial value in the steady mode, and operates while searching for a further maximum power point by the above-described hill-climbing method.

なお、定常モードの時間はこれをTとすると、検出モードの時間tsに比べて十分に長い時間とする。例えば、検出モードの時間tsは1〜数10msのオーダー、定常モードの時間Tは数分〜数十分のオーダーである。   If the time in the steady mode is T, the time is sufficiently longer than the time ts in the detection mode. For example, the detection mode time ts is in the order of 1 to several tens of ms, and the steady mode time T is in the order of several minutes to several tens of minutes.

また、このときに使用するチョークコイル8のインダクタンス値は概ね100〜800Hの間の値であり、プリント基板上に搭載可能である。   In addition, the inductance value of the choke coil 8 used at this time is approximately between 100 and 800H, and can be mounted on a printed circuit board.

次に、図6の説明をする。図6はVoc=45.2V、Isc=5.62A、Vpmax=36.6V、Ipmax=5.20Aの特性を持つ定格190Wの太陽光パネル1を6枚直列、3枚並列とし、パワーコンディショナ2に接続した場合を想定したシミュレーション結果であり、Vpn=340V、Vpvmin=50V、Dmax=85.3%、検出モードの時間は約100msである。Dutyは検出モード開始点(時間ゼロ)から直線状に上昇している。時間が20msでDutyは20%に達するが、Vocは271.2V(=45.2×6直)であるため、
Vpv=Vpn(1−Duty) …(式3)
から、Dutyが20.2%以上にならないと、Vpvは開放電圧のままである。時間が20ms以上となり、Dutyが20.2%以上になるとVpvは徐々に直線的に低下し、一方電流Ipvは急激に増加する。これに伴い、電力Ppvは電流と同様に増加し、Dutyが35%のときに約3420Wの最大値となる。Dutyが35%以上になると、電流の増加が小さくなり、電圧はリニアに低下するため、電力はほぼリニアに低下していく。DutyがDmaxである85.3%になると、Dutyは一定になり、電圧Vpvは50Vになる。
Next, FIG. 6 will be described. FIG. 6 shows a power conditioner in which six solar panels 1 having a rating of Voc = 45.2V, Isc = 5.62A, Vpmax = 36.6V, Ipmax = 5.20A and rated at 190 W are connected in series and three in parallel. This is a simulation result assuming the case of connection to No. 2. Vpn = 340V, Vpvmin = 50V, Dmax = 85.3%, and the detection mode time is about 100 ms. Duty rises linearly from the detection mode start point (time zero). Although the time reaches 20% at 20 ms, Voc is 271.2V (= 45.2 × 6),
Vpv = Vpn (1-Duty) (Formula 3)
Therefore, if Duty does not become 20.2% or more, Vpv remains at the open circuit voltage. When the time becomes 20 ms or more and Duty becomes 20.2% or more, Vpv gradually decreases linearly, while the current Ipv increases rapidly. Accordingly, the power Ppv increases in the same manner as the current, and reaches a maximum value of about 3420 W when the duty is 35%. When Duty is 35% or more, the increase in current becomes small and the voltage decreases linearly, so that the power decreases almost linearly. When Duty reaches 85.3%, which is Dmax, Duty becomes constant and voltage Vpv becomes 50V.

本実施例において、検出モード時のdi/dtはチョークコイル8のインダクタンス値に依存するものではなく、設定するDutyの増加率に依存するものであるため、チョークコイルのインダクタンス値を自由に選定することが可能となり、小型軽量かつ低コストな太陽光発電システムを実現することができる。   In this embodiment, di / dt in the detection mode does not depend on the inductance value of the choke coil 8, but depends on the increasing rate of the duty to be set, so that the inductance value of the choke coil can be freely selected. Thus, a small, light and low cost solar power generation system can be realized.

このようにして、本実施例では太陽光パネルの最大電力点を所定時間毎に検出し、パワーコンディショナ2を検出した最大電力点で動作させることができる。   In this way, in this embodiment, the maximum power point of the solar panel can be detected every predetermined time, and the power conditioner 2 can be operated at the detected maximum power point.

本実施例においては図3に示したように、検出モードにおいても太陽光パネル1の電力はDC−DCコンバータ7から出力され系統連系インバータ12を経て商用系統3側に出力される。このため、検出精度を向上させるためにdi/dtを小さく、すなわち電流変化の増加率を緩くして検出モードに時間を掛けても太陽光パネルからの電力の損失は最小限に抑えることができる。   In the present embodiment, as shown in FIG. 3, even in the detection mode, the power of the solar panel 1 is output from the DC-DC converter 7 and output to the commercial system 3 side via the system interconnection inverter 12. For this reason, even if di / dt is made small in order to improve detection accuracy, that is, the rate of increase in current change is slowed down and the detection mode is extended, power loss from the solar panel can be minimized. .

なお、本実施例において、パワーMOSFET9にスーパージャンクションタイプのパワーMOSFET9を用いることはもちろん、IGBTやSiC−MOSFETなど他のスイッチング素子に置き換えても良い。昇圧ダイオード10にSiCデバイスを適用することも効果的である。DC−DCコンバータ7の構成は図1に示した昇圧型コンバータが好ましいが、その他の非絶縁型コンバータや絶縁型コンバータであってもよい。また、入力フィルタ4は同様の機能、すなわちスイッチング成分の電流が太陽光パネル側に流れるのを防止するとともに、コモンモードノイズを低減する役割の回路構成であれば他の構成としても良い。   In the present embodiment, the super-junction type power MOSFET 9 may be used as the power MOSFET 9 and may be replaced with other switching elements such as IGBT and SiC-MOSFET. It is also effective to apply a SiC device to the boost diode 10. The configuration of the DC-DC converter 7 is preferably the step-up converter shown in FIG. 1, but may be other non-insulated converters or isolated converters. In addition, the input filter 4 may have other configurations as long as it has a similar function, that is, a circuit configuration that prevents the current of the switching component from flowing to the solar panel and reduces common mode noise.

また、制御回路14は同様の機能を持つアナログ回路で構成しても良い。PWM回路22はパルス幅変調制御を行う回路であるが、これはパルス周波数変調制御(PFM)やパルス密度変調制御(PDM)などで置き換えることもできる。さらに、PI制御ブロック19a、19bは比例積分制御を行うブロックであるが、前述のようにオペアンプなどのアナログ回路で構成しても良いし、PID(比例積分遅延)制御等に置き換えても良い。   Further, the control circuit 14 may be constituted by an analog circuit having a similar function. Although the PWM circuit 22 is a circuit that performs pulse width modulation control, it can be replaced by pulse frequency modulation control (PFM), pulse density modulation control (PDM), or the like. Further, the PI control blocks 19a and 19b are blocks that perform proportional-integral control, but may be configured by analog circuits such as operational amplifiers as described above, or may be replaced by PID (proportional-integral delay) control or the like.

また、本実施例において、時比率発生器16の初期値をゼロとしたが、この限りではない。時比率発生器16の初期値をゼロとするのは最大電力点を検出する際のサンプリングにおいて漏れがないようにするという意味も持っているためである。よって、時比率発生器16の初期値はゼロに限るものではく、ゼロに近い値としても良い。   In this embodiment, the initial value of the duty ratio generator 16 is set to zero, but this is not restrictive. The reason why the initial value of the time ratio generator 16 is set to zero is that it also means that there is no leakage in sampling when detecting the maximum power point. Therefore, the initial value of the time ratio generator 16 is not limited to zero, but may be a value close to zero.

また、定常モードから検出モードに遷移する時に時比率発生器16の値を時比率発生器16の値を徐々に低減させてゼロ、あるいはゼロに近い値に変更してもよい。時比率発生器16の値を徐々に低減させることで、太陽光パネル1とパワーコンディショナ2の間のケーブルの寄生インダクタンスによる電圧跳ね上がりを防止することができる。   Further, the value of the time ratio generator 16 may be changed to zero or a value close to zero by gradually reducing the value of the time ratio generator 16 when transitioning from the steady mode to the detection mode. By gradually reducing the value of the time ratio generator 16, it is possible to prevent a voltage jump due to the parasitic inductance of the cable between the solar panel 1 and the power conditioner 2.

また、Dutyをゼロあるいはゼロに近い値から徐々に上昇させていくタイミングはDutyがゼロあるいはゼロに近い値となっている場合を検出したときでも、一定の時間が経過したときでも、一定のスイッチング回数をカウントしたときでも良い。   The timing at which the duty is gradually increased from zero or a value close to zero is constant switching regardless of whether the duty is zero or a value close to zero, even when a certain time has elapsed. It may be when the number of times is counted.

また、本実施例において、最大値判定回路23では、順次入力される(Ppv、Vin)の組のうちでPpvがそれまでよりも大きな場合にPpvを最大電力点Pmaxとし、その時のVinをVinMとして記憶しているが、この限りでない。最大電力点Pmaxが分かればよいため、最大値判定回路23にて順次入力される(Ppv、Vin)の組を全て記憶しておき、記憶した中で最も大きなPpvを最大電力点Pmaxとしても良い。この場合、最大電力点PmaxのときのVinがVinMとされ、その後の定常モードはVinMとしてVpmaxを出力する上記の動作の通りである。   Further, in this embodiment, the maximum value determination circuit 23 sets Ppv as the maximum power point Pmax when Ppv is larger than before in the set of (Ppv, Vin) sequentially input, and Vin at that time is VinM. However, this is not the case. Since it is sufficient to know the maximum power point Pmax, all the pairs (Ppv, Vin) sequentially input by the maximum value determination circuit 23 are stored, and the largest stored Ppv may be set as the maximum power point Pmax. . In this case, Vin at the maximum power point Pmax is set to VinM, and the subsequent steady mode is as described above for outputting Vpmax as VinM.

また、本実施例においては一定時間経過により定常モードから検出モードへ遷移しているが、この限りではない。定常モードから検出モードへ遷移するタイミングが設けられれば良く、スイッチング回数などの所定の条件下で遷移しても良い。   In the present embodiment, the transition is made from the steady mode to the detection mode after a lapse of a fixed time, but this is not restrictive. It is only necessary to provide a timing for transition from the steady mode to the detection mode, and transition may be performed under a predetermined condition such as the number of times of switching.

また、本実施例においては一定時間経過により検出モードから定常モードへ遷移しているが、この限りではない。検出モードから定常モードへの遷移は、検出モードが終了した段階や最大電力点が検出された段階で行われればよく、スイッチング回数などの所定の条件下で遷移しても良い。   Further, in the present embodiment, the transition from the detection mode to the steady mode is made after a certain period of time, but this is not restrictive. The transition from the detection mode to the steady mode may be performed at the stage where the detection mode is completed or the stage where the maximum power point is detected, and the transition may be performed under a predetermined condition such as the number of times of switching.

また、本実施例においては時比率発生器16においてDutyおよびDmaxを定めていったがこの限りではない。   In this embodiment, the duty ratio generator 16 determines Duty and Dmax. However, the present invention is not limited to this.

また、本実施例ではDutyの増加を0から開始としているがこの限りでなく、定常モードから検出モードに切り替えた時点でDutyがゼロとなりVocが求められるため、
Duty=(Vpn−Voc)/Vpn …(式4)
で求められるDuty、すなわち図6ではDutyを0から約21%にステップ的に増加させ、そこからDutyを直線的に上昇させてもよい。
In this embodiment, the increase in duty is started from 0. However, this is not the case, and when switching from the steady mode to the detection mode, the duty becomes zero and Voc is obtained.
Duty = (Vpn−Voc) / Vpn (Formula 4)
In FIG. 6, the duty may be increased stepwise from 0 to about 21%, and then the duty may be increased linearly.

次に本発明の実施例2について図1と図7を用いて説明する。なお、実施例1と共通する点は説明を省略する。   Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. Note that the description of the points in common with the first embodiment will be omitted.

図7は本実施例の具体例として、検出モードにおけるDuty、発電電力、Ipv、Vpvのそれぞれの時間変化を記載したグラフである。   FIG. 7 is a graph showing respective time variations of Duty, generated power, Ipv, and Vpv in the detection mode as a specific example of the present embodiment.

図7も図6と同様に、Voc=45.2V、Isc=5.62A、Vpmax=36.6V、Ipmax=5.20Aの特性を持つ定格190Wの太陽光パネル1を6枚直列、3枚並列とし、パワーコンディショナ2に接続した場合を想定したシミュレーション結果であり、Vpn=340V、Vpvmin=50V、Dmax=85.3%、検出モードの時間は約100msである。   FIG. 7 is also similar to FIG. 6 and includes six solar panels 1 rated in the order of 190 W having three characteristics: Voc = 45.2V, Isc = 5.62A, Vpmax = 36.6V, Ipmax = 5.20A. It is a simulation result that assumes a case of parallel connection to the power conditioner 2. Vpn = 340V, Vpvmin = 50V, Dmax = 85.3%, and the detection mode time is about 100 ms.

図7が図6と異なる点は、図6ではDutyの変化を直線状としているのに対し、図7では一次遅れとしている点である。具体的には図1の時比率発生器16において、Dutyの変化を
Duty=1−exp(−t/τ) …(式5)
として決定する。なおτは一次遅れ時定数であり、本実施例では50msとした。
FIG. 7 differs from FIG. 6 in that the change in Duty in FIG. 6 is linear, whereas in FIG. Specifically, in the duty ratio generator 16 of FIG. 1, the change in Duty is calculated as follows: Duty = 1−exp (−t / τ) (Formula 5)
Determine as. Note that τ is a first-order lag time constant, and is set to 50 ms in this embodiment.

本実施例においても、
Vpv=Vpn(1−Duty) …(式6)
の関係が成り立つため、Dutyが20%を超過しない11ms以前はVpvは開放電圧Vocのままとなるが、それ以降は電圧Vpvが急速に低下し、電流Ipvが急激に立ち上がる。この結果、電力Ppvは約22msの時点で最大値である約3420Wとなり、その後、徐々に低下する傾向となる。図6と比べると図7の方が電圧変化の開始が早いこと、最大電力に達するまでの時間が短いこと、最大電力点からDmax点に至るまでの時間が長いことがわかる。
Also in this example,
Vpv = Vpn (1-Duty) (Formula 6)
Therefore, Vpv remains at the open circuit voltage Voc before 11 ms when Duty does not exceed 20%, but after that, the voltage Vpv drops rapidly and the current Ipv rises rapidly. As a result, the power Ppv is about 3420 W, which is the maximum value at about 22 ms, and then gradually decreases. Compared to FIG. 6, it can be seen that the voltage change starts earlier in FIG. 7, the time to reach the maximum power is shorter, and the time from the maximum power point to the Dmax point is longer.

本実施例によれば、検出モードにおいてDutyの変化を直線的に行うよりも一次遅れ関数でDutyを変化させることによってより早い時間で最大電力点を検出できる。また、Vpvが低下すると太陽光パネル1の特性上、Ipvの変化に対するVpvの変化が大きくなりDC−DCコンバータ7のリプル電流により振動が発生する懸念があるが、本実施例ではこの領域ではDutyの変化率を抑えている。   According to the present embodiment, it is possible to detect the maximum power point in an earlier time by changing the duty with a linear delay function than when the duty is changed linearly in the detection mode. Further, when Vpv is lowered, there is a concern that the change of Vpv with respect to the change of Ipv becomes large due to the characteristics of the solar panel 1, and vibration is generated by the ripple current of the DC-DC converter 7, but in this embodiment, the duty is in this region. The rate of change is suppressed.

なお、最大電力点からの電力の低下を監視しながら、たとえば最大電力から1/3以下の電力に至った段階で検出モードを中断して定常モードに移行しても良い。   It should be noted that, while monitoring the decrease in power from the maximum power point, the detection mode may be interrupted and shifted to the steady mode, for example, when the power reaches 1/3 or less of the maximum power.

次に、本発明の実施例3について図1と図8を用いて説明する。なお、実施例1と共通する点は説明を省略する。   Next, a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. Note that the description of the points in common with the first embodiment will be omitted.

図8は、本実施例の具体例として、検出モードにおけるDuty、発電電力、Ipv、Vpvのそれぞれの時間変化を記載したグラフと、系統電圧、系統連系インバータ12の出力電流の波形を記載した図である。   FIG. 8 shows, as a specific example of this embodiment, a graph in which each time change of Duty, generated power, Ipv, and Vpv in the detection mode, a waveform of the system voltage, and an output current of the grid interconnection inverter 12 are described. FIG.

図8も図6と同様に、Voc=45.2V、Isc=5.62A、Vpmax=36.6V、Ipmax=5.20Aの特性を持つ定格190Wの太陽光パネル1を6枚直列、3枚並列とし、パワーコンディショナ2に接続した場合を想定したシミュレーション結果であり、Vpn=340V、Vpvmin=50V、Dmax=85.3%である。   As in FIG. 6, FIG. 8 is similar to FIG. It is a simulation result assuming the case where it is set in parallel and connected to the power conditioner 2, and Vpn = 340V, Vpvmin = 50V, and Dmax = 85.3%.

この実施例において他の実施例と異なる特徴は、Dutyの変化を工夫することにより検出モードにおけるPpvの時間変化を正弦半波状にしている点と、検出モードのタイミングを系統電圧位相に同期させている点である。   This embodiment is different from the other embodiments in that the change in Duty is devised to make the time change of Ppv in the detection mode sine half-wave, and the detection mode timing is synchronized with the system voltage phase. It is a point.

本実施例で解決すべき課題は、検出モードにおいては定常モードと異なり系統側に出力される電力の変動が大きい点を解消することである。   The problem to be solved in the present embodiment is to eliminate the point that the fluctuation of the power output to the system side is large in the detection mode, unlike the steady mode.

図8において、系統電圧はAC200V/50Hzである。Dutyの変化は検出モード開始点で約21%である。これは直前に定常モードから検出モードに遷移した際に開放電圧Vocを計測し、これとVpnから、
Duty=(Vpn−Voc)/Vpn …(式7)
により求める。Dutyは図示のように懸垂線状に増加させ、2.5msで27%、5msで36%、7.5msで49%、10msで85%と変化させる。これにより、太陽光パネル1が定格出力可能な状態の場合には、Ppvは10msの時に最大電力点をとる正弦半波に近い形状となる。
In FIG. 8, the system voltage is AC200V / 50Hz. The change in Duty is about 21% at the detection mode start point. This is the measurement of the open circuit voltage Voc just before the transition from the steady mode to the detection mode.
Duty = (Vpn−Voc) / Vpn (Expression 7)
Ask for. As shown in the figure, the duty is increased in the form of a suspended line and is changed to 27% at 2.5 ms, 36% at 5 ms, 49% at 7.5 ms, and 85% at 10 ms. Thereby, when the solar panel 1 is in a state where rated output is possible, Ppv has a shape close to a sine half wave that takes the maximum power point at 10 ms.

一方、本実施例では検出モードを10ms間とし、検出モードの開始点と終了点を系統電圧のゼロクロス点にほぼ同期させることを提案する。これにより、系統への電力供給が0となるゼロクロス点で発電電力Ppvが最も低くなり、反対に系統への電力供給が最も大きくなる位相90度(5ms時)にPpvが最も大きくなる。この結果、図1に示すコンデンサ11(Cpn)においては、太陽光パネル1側から流入する電力と系統連系インバータ12側に出力する電力の差異は他のパターンで検出する場合に比べて小さく抑えることができる。この結果、検出モードの前後においてパワーコンディショナ2から商用系統3に出力する電力の変動を抑制することができる。   On the other hand, in this embodiment, it is proposed that the detection mode is set to 10 ms and the start point and end point of the detection mode are substantially synchronized with the zero cross point of the system voltage. As a result, the generated power Ppv is the lowest at the zero cross point where the power supply to the system becomes zero, and conversely, the Ppv becomes the largest at a phase of 90 degrees (at 5 ms) when the power supply to the system is the largest. As a result, in the capacitor 11 (Cpn) shown in FIG. 1, the difference between the power flowing from the solar panel 1 side and the power output to the grid-connected inverter 12 side is suppressed smaller than that detected by other patterns. be able to. As a result, fluctuations in the electric power output from the power conditioner 2 to the commercial system 3 before and after the detection mode can be suppressed.

1 太陽光パネル
2 パワーコンディショナ
3 商用系統
4 入力フィルタ
5a、5b コモンモードチョーク
6a、6b、6c、6d、6e、6f フィルタコンデンサ
7 DC−DCコンバータ
8 チョークコイル
9 パワーMOSFET
10 昇圧ダイオード
11 コンデンサ
12 系統連系インバータ
13 電流センサ
14 制御回路
15a、15b 分圧抵抗
16 時比率発生器
17 モード切替器
18a、18b 減算器
19a、19b PI制御ブロック
20 乗算器
21a、21b AD変換器
22 PWM回路
23 最大値判定回路
24 ドライバ
25 入力電圧指令値
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Solar panel 2 Power conditioner 3 Commercial system 4 Input filter 5a, 5b Common mode choke 6a, 6b, 6c, 6d, 6e, 6f Filter capacitor 7 DC-DC converter 8 Choke coil 9 Power MOSFET
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Boost diode 11 Capacitor 12 Grid connection inverter 13 Current sensor 14 Control circuit 15a, 15b Voltage dividing resistor 16 Time ratio generator 17 Mode switch 18a, 18b Subtractor 19a, 19b PI control block 20 Multiplier 21a, 21b AD conversion 22 PWM circuit 23 Maximum value determination circuit 24 Driver 25 Input voltage command value

Claims (5)

太陽光パネルと、
該太陽光パネルの出力電力を検出する電力検出手段と、
スイッチング素子のオン・オフ動作によって前記太陽光パネルの出力電圧を
変換した電圧の電力を出力する電力変換手段と、
前記電力検出手段の出力が入力されるとともに、前記スイッチング素子を制御する制御手段と、
を備えた太陽光発電システムであって、
前記制御手段は、オープンループで前記スイッチング素子を制御するとともに、前記スイッチング素子を駆動する時比率を0%と所定の上限値の間で変化させ、
その過程で前記太陽光パネルの最大電力点を検出することを特徴とする太陽光発電システム。
Solar panels,
Power detection means for detecting the output power of the solar panel;
Power conversion means for outputting electric power of a voltage obtained by converting the output voltage of the solar panel by an on / off operation of a switching element;
Control means for controlling the switching element while receiving an output of the power detection means;
A solar power generation system comprising:
The control means controls the switching element in an open loop and changes a time ratio for driving the switching element between 0% and a predetermined upper limit value.
A solar power generation system, wherein a maximum power point of the solar panel is detected in the process.
請求項1に記載の太陽光発電システムにおいて、
前記所定の上限値は、80〜90%であることを特徴とする太陽光発電システム。
In the photovoltaic power generation system according to claim 1,
The predetermined upper limit value is 80 to 90%.
請求項1または2に記載の太陽光発電システムにおいて、
前記スイッチング素子を駆動する時比率を変化させる過程では、該時比率を0%から前記所定の上限値まで単調増加させることを特徴とする太陽光発電システム。
The solar power generation system according to claim 1 or 2,
In the process of changing the time ratio for driving the switching element, the time ratio is monotonously increased from 0% to the predetermined upper limit value.
請求項1または2に記載の太陽光発電システムにおいて、
前記スイッチング素子を駆動する時比率を変化させる過程では、該時比率を前記所定の上限値から0%まで単調減少させることを特徴とする太陽光発電システム。
The solar power generation system according to claim 1 or 2,
In the process of changing the time ratio for driving the switching element, the time ratio is monotonously decreased from the predetermined upper limit value to 0%.
太陽光パネルと、  Solar panels,
該太陽光パネルの出力電力を検出する電力検出手段と、  Power detection means for detecting the output power of the solar panel;
スイッチング素子のオン・オフ動作によって前記太陽光パネルの出力電圧を  The output voltage of the solar panel is controlled by the on / off operation of the switching element.
変換した電圧の電力を出力する電力変換手段と、  Power conversion means for outputting the power of the converted voltage;
前記電力検出手段の出力が入力されるとともに、前記スイッチング素子を制御する制御手段と、  Control means for controlling the switching element while receiving an output of the power detection means;
を備えた太陽光発電システムであって、A solar power generation system comprising:
前記制御手段は、前記スイッチング素子を駆動する時比率を変化させて、  The control means changes a time ratio for driving the switching element,
その過程で前記太陽光パネルの最大電力点を検出させるとともに、  While detecting the maximum power point of the solar panel in the process,
前記検出は系統電圧のゼロクロスに同期させて系統電圧の半周期間で行うことを特徴と  The detection is performed during a half cycle of the system voltage in synchronization with the zero crossing of the system voltage.
する太陽光発電システム。Solar power generation system.
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