JP5946035B2 - 太陽光発電制御システム - Google Patents

Description

本発明は、太陽電池で発電した電力を商用電源系統に系統連系して動作する太陽光発電制御システムに関する。

太陽電池で発電した電力を商用電源系統と系統連系し、その上、商用電源系統側に電力を逆潮流させる技術については社団法人日本電気協会から発行されている「系統連系規程」に定められている条件で行わればならない。このため、「系統連系規程」に沿った太陽光発電制御システムの開発が進められている。

太陽電池の発電能力は太陽電池に照射する太陽光の量と、太陽電池が動作する温度に影響を受ける。日々天候が変わる環境下で、太陽電池の発電能力を常に最適化する方法として、最大電力点追尾（ＭＰＰＴ：Ｍａｘｉｍｕｍ Ｐｏｗｅｒ Ｐｏｉｎｔ Ｔｒａｃｋｉｎｇ）制御が知られている。（特許文献１参照）

太陽光発電制御システムと系統連系している商用電源系統の電圧が低下した時及び周波数が変動した時に、太陽光発電システムが発電する電力の品質を確保するため、「系統連系規程」では事故時運転継続要件（ＦＲＴ要件（ＦＲＴ：Ｆａｕｌｔ Ｒｉｄｅ Ｔｈｒｏｕｇｈ））を満たす事が要求されている。（非特許文献１参照）

特開２０１１−１０１４５５号公報

「系統連系規程 Ｇｒｉｄ−ｉｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ Ｃｏｄｅ ＪＥＡＣ ９７０１−２０１０［２０１１年追補版（その１）］、社団法人日本電気協会 系統連系専門部会

系統連系する商用電源系統電圧の位相（周波数）を以降外部周波数、太陽光発電制御システムの電力変換器が出力する交流電力の位相を以降内部周波数と称す。太陽電池が発電した電力を商用電源系統に系統連系する場合、外部周波数と内部周波数の位相を同期させることが「系統連系規程」で求められている。従来方式の位相同期制御を図３に示す。（ａ）の様に内部周波数と外部周波数の位相が同期していない場合、内部周波数が外部周波数に比較してどれぐらい位相差があるか検出する。位相差を検出後（ｂ）の様に位相差を用いて内部周波数に対してＰＩ制御を行う。（ｃ）のように内部周波数が外部周波数に同期するまで（ａ）、（ｂ）の動作を繰り返していた。この方法では、内部周波数と外部周波数が同期するまでに外部周波数５周期分ほどの時間を要するため、より早い同期方法が求められている。

また、太陽電池の発電能力を最適化するためのＭＰＰＴ制御において、特許文献１では商用電源系統が停電する直前に記憶していた電圧を起点としてＭＰＰＴ制御を始める方法について記述しているが、商用電源系統から交流周波数を取得できない状態を伴う電圧低下から復旧した場合に、内部周波数を外部周波数に同期させ、太陽光発電システムから最適な交流電力を速やかに得る方法については言及していない。

本発明の目的は、太陽光発電システムが発電する電力の品質を確保するためのＦＲＴ要件を満たし、電力変換器の出力する電力が、電力低下から有効電力まで回復する時間を短縮する太陽光発電制御システムを提供することである。

上記目的を達成するために、本発明による太陽光発電制御システムは、太陽電池と、前記太陽電池が発電した直流電力を交流電力に変換し商用電源系統と系統連系する電力変換部と、前記太陽電池の出力電圧と出力電流の組を微小変化させながら前記太陽電池の最適動作点へと追従制御させる電力追従制御部と、前記商用電源系統の電圧を検出する電圧検出部と、前記電圧検出部が検出した電圧を基にして前記商用電源系統が瞬時電圧低下状態であるか否かを判定する系統状態判定部と、前記商用電源系統の電圧位相を検出する位相検出部と、前記電力変換部の出力交流電圧位相を前記商用電源系統の電圧位相へ同期させる位相同期部と、前記系統状態判定部により前記商用電源系統が瞬時電圧低下状態であると判定されたとき瞬時電圧低下直前の前記太陽電池が発電していた出力電流と出力電圧の組を記憶する動作記憶部とを備え、前記系統状態判定部により前記商用電源系統が復帰状態にあると判定されたとき、前記商用電源系統の瞬時電圧低下復帰後、最初に検出した電圧位相におけるゼロクロスのタイミングで前記電力変換部の電圧位相をプリセットして、前記商用電源系統の電圧位相に同期させ、さらに前記動作記憶部が記憶した瞬時電圧低下直前の前記太陽電池の出力電圧と出力電流の組を起点として前記太陽電池の最適動作点へと追従制御させることを特徴とする。

本発明によれば、商用電源系統側の瞬時電圧低下からの復帰後、外部周波数と内部周波数の位相が同期するまでの時間短縮が可能となることに加え、位相同期によりＭＰＰＴ制御を開始するタイミングが早くなるので、ＦＲＴ要件で求められている出力電力の回復時間をより短縮する事が可能となる。

本発明の実施の形態に係る太陽光発電制御システムの構成図。 交流電源系統電圧とマイコン内カウンタの関係図。 従来の位相同期制御説明図。 本発明の位相同期制御説明図。 太陽電池の電流−電圧特性の概念図。

以下、本発明の実施の形態について説明する。図１は本発明の実施の形態に係る太陽光発電制御システムの構成図である。太陽電池１で発電した直流は、ＤＣ／ＤＣコンバータ２とＤＣ／ＡＣインバータ３などを含む機器で構成された電力変換器４内で電圧調整を受けた後交流に変換され、交流電源系統５に系統連系される。

系統電源電圧検出器９は系統状態判定装置１０に商用電源系統５の電圧を送信し、系統状態判定装置１０では商用電源系統５が瞬時電圧低下状態にあるか否かを判定する。系統電源位相検出器１２は商用電源系統５の電圧位相を検出し、位相同期装置１３に送信する。位相同期装置１３は電力変換器４と商用電源系統５の電圧位相を常に同期（ＰＬＬ：Ｐｈａｓｅ Ｌｏｃｋｅｄ Ｌｏｏｐ）制御をして、商用電源系統５との系統連系を可能にしている

ここで、ＰＬＬ制御について概略を説明する。商用電力系統の瞬時電圧低下にて、例えば、０％まで電圧低下した場合は、商用電源系統５の電圧位相が系統電源位相検出器１２で検出出来なくなるので、ＰＬＬ制御が止まる。商用電源系統５が瞬時電圧低下から復旧すると、電力変換器５の出力電圧位相と商用電源系統の電圧位相とを系統連系させる為に、ＰＬＬ制御が始まる。ＰＬＬ制御をする際、図２のように商用電源系統電圧の一周期０［ｒａｄ］〜２π［ｒａｄ］を例えば０［ｃｎｔ］〜３，０００，０００［ｃｎｔ］のようなカウンタ値として扱い、このカウント数を用いて図３の様に、（ａ）内部周波数と外部周波数の位相差を検出し、このときの位相差はカウント数となる。（ｂ）内部周波数に対し位相差のカウント数を用いてＰＩ制御を実施し、（ａ）と（ｂ）の操作を繰り返すことにより徐々に内部周波数と外部周波数の位相差が小さくなり、最終的に（ｃ）内部周波数と外部周波数の同期が行われる。

図３に示す操作により、電力変換器４の出力電力と商用電源系統５の電力が逆潮流可能となる、ある一定範囲内に電圧位相が同期した時の状態を、ＰＬＬロックと称する。このＰＬＬロック状態に導く制御方法をＰＬＬ制御と言う。

本実施形態のＰＬＬ制御では図１のように系統電源位相検出器１２が停電から復帰した商用電源系統５の周波数（外部周波数）を検出し位相同期装置１３に入力する。位相同期装置１３は図４（ａ）の様に外部周波数が停電から復帰して最初のゼロクロスになった場合、電力変換器４にＤＣ／ＡＣインバータの周波数（内部周波数）をプリセットして（ｂ）の様に内部周波数と外部周波数の位相を同期（ＰＬＬロック）させる。よって、位相同期により電力変換器４の出力電力と商用電源系統５が系統連系可能となる。

上述のようにＰＬＬロックを終えたことにより、電力変換器４で商用電源系統４の周波数をＰＷＭ制御の基準正弦波として用いることが出来るので、太陽電池１に対するＭＰＰＴ制御を開始することが出来る。ＭＰＰＴ制御とは電圧検出器６で検出された電圧（ＶＤＣ）、電流検出器７で検出された電流（ＩＤＣ）を電力追従制御装置８に入力し、太陽電池１の発電能力を最適化する方法である。

ここで、ＭＰＰＴ制御について概略を説明する。前述したように太陽電池１の出力電力Ｐ（Ｐ＝Ｉ×Ｖ）の特性は、太陽電池１に照射する太陽光の量と、太陽電池１が動作する温度によって変化し、概ね図５の様な曲線を描くことが知られている。これを通称「Ｉ−Ｖ特性曲線」と言う。よって太陽電池の最大出力を得るためには、図５に示す斜線で示された面積（Ｉ×Ｖ）が最大となる「Ｉ−Ｖ特性曲線」上のＩｍａｘとＶｍａｘの組み合わせを探せばよい。

ＩｍａｘとＶｍａｘの組み合わせを探すため、ＩとＶの組み合わせを微小変化させてその組み合わせを電力追従制御装置８に入力する。電力追従装置では入力されたＩとＶの組み合わせから太陽電池１の出力電力を計算の上、電力の増減を判定し、ＩｍａｘとＶｍａｘの組み合わせに近づけるように「Ｉ−Ｖ特性曲線」上で微小変化を繰り返す。この制御方法がＭＰＰＴ制御である。

動作記憶装置１１は商用電源系統が停電になった場合、電力追従制御装置８から受け取った直流電流（ＩＤＣ）と直流電圧（ＶＤＣ）を記憶保持する。また、停電から復帰した場合、記憶保持していた直流電流（ＩＤＣ）と直流電圧（ＶＤＣ）を電力追従制御装置８に入力する。

ここで、電力変換器４の出力電力を商用電源系統５へ系統連系している状態とする。この状態で商用電源系統５が瞬間的な電圧低下を起こした場合、電力変換器４では商用電源系統５の電圧波形を用いてＤＣ／ＡＣインバータ３に対してＰＷＭ制御を行うので、商用電源系統５の電圧低下に伴いＤＣ／ＡＣインバータ３の出力電圧が低下してしまう。この状態でＤＣ／ＤＣコンバータ２からＤＣ／ＡＣインバータ３に入力される電圧は、ＤＣ／ＡＣインバータ３には高すぎる電圧となってしまう。よって太陽電池１の出力を絞るとともにＤＣ／ＤＣコンバータ２の出力電圧も絞る必要が生じる。太陽電池１の出力を１度絞ると元の出力に戻すまでにＭＰＰＴ制御を初期状態から行う必要があるので、太陽電池１の出力が元に戻るのに時間を要してしまう。

この時間を短縮するための方法を以下に示す。系統状態判定装置１０は系統電源監視装置９からの交流電源監視信号を基に商用電源系統５の停電を検知する。停電を検知すると系統状態判定装置１０は電力追従制御装置８に停電信号を発信する。電力追従制御装置８では停電信号を受信すると、停電直前の直流電圧（ＶＤＣ）、直流電流（ＩＤＣ）を動作記憶装置１１に記憶させる。系統状態判定装置１０が商用電源系統５の復電を検知した場合、電源位相検出器１２は復電後、外部周波数の最初のゼロクロスを検出した際、位相同期装置１３に電圧位相（ＶＲＮ）を入力し、図４のように、内部周波数の位相角をプリセットする。この動作を行うことにより外部周波数と内部周波数の位相が同期し、ＰＬＬロック状態となるまでの時間が短縮できる。

また、系統状態判定装置１０は電力追従制御装置８に復電信号を発信する。電力追従制御装置８は動作記憶装置１１に記憶していた直流電圧（ＶＤＣ）と直流電流（ＩＤＣ）を出力するように指示する。動作記憶装置１１が出力した直流電圧（ＶＤＣ）と直流電流（ＩＤＣ）は電力追従制御装置８へ入力される。電力追従制御装置８は入力された直流電圧（ＶＤＣ）と直流電流（ＩＤＣ）を用いてＭＰＰＴ制御を開始することが出来る。

このように動作する本実施形態の太陽光発電制御システムにおいては、交流電源が瞬間的な停電から復電した場合、ＤＣ／ＡＣインバータ３の出力電圧の位相を、商用電源系統５のゼロクロス点でプリセットするので、従来方法では商用電源系統の周波数が５周期ほどして位相同期が完了していたところ、本実施形態では最大でも商用電源系統の半周期で位相同期が完了するので位相同期の時間が短縮できる。

さらに、ＤＣ／ＡＣインバータ３の出力電圧と商用電源系統５の電圧位相が同期した状態で、瞬間的な停電時に記憶した直流電源（ＶＤＣ）、直流電流（ＩＤＣ）を用いてＭＰＰＴ制御を再開できるので、太陽電池１の発電が最適化されるまでの時間も短縮できる。

よって、商用電源系統５が瞬間的な停電から復帰したとき、太陽光発電制御システムと商用電源系統５との系統連系可能となるまでの時間が短縮されるので、ＦＲＴ要件を満たすことが出来る。

１ 太陽電池
２ ＤＣ／ＤＣコンバータ
３ ＤＣ／ＡＣインバータ
４ 電力変換器
５ 商用電源系統
６ 電圧検出器
７ 電流検出器
８ 電力追従制御装置
９ 系統電源電圧検出器
１０ 系統状態判定装置
１１ 動作記憶装置
１２ 系統電源位相検出器
１３ 位相同期装置

Claims (1)

1. 太陽電池と、
   前記太陽電池が発電した直流電力を交流電力に変換し商用電源系統と系統連系する電力変換部と、
   前記太陽電池の出力電圧と出力電流の組を微小変化させながら前記太陽電池の最適動作点へと追従制御させる電力追従制御部と、
   前記商用電源系統の電圧を検出する電圧検出部と、
   前記電圧検出部が検出した電圧を基にして前記商用電源系統が瞬時電圧低下状態であるか否かを判定する系統状態判定部と、
   前記商用電源系統の電圧位相を検出する位相検出部と、
   前記電力変換部の出力交流電圧位相を前記商用電源系統の電圧位相へ同期させる位相同期部と、
   前記系統状態判定部により前記商用電源系統が瞬時電圧低下状態であると判定されたとき瞬時電圧低下直前の前記太陽電池が発電していた出力電流と出力電圧の組を記憶する動作記憶部とを備え、
   前記系統状態判定部により前記商用電源系統が復帰状態にあると判定されたとき、前記商用電源系統の瞬時電圧低下復帰後、最初に検出した電圧位相におけるゼロクロスのタイミングで前記電力変換部の電圧位相をプリセットして、前記商用電源系統の電圧位相に同期させ、さらに前記動作記憶部が記憶した瞬時電圧低下直前の前記太陽電池の出力電圧と出力電流の組を用いて前記太陽電池の最適動作点へと追従制御させることを特徴とする太陽光発電制御システム。

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