JP6301770B2 - Ｄｃ／ｄｃ変換装置、電力変換装置、及び分散電源システム - Google Patents

Description

本発明は、ＤＣ／ＤＣ変換装置に関するものである。

従来、太陽電池等の分散電源を直流電源として商用電力系統と連系して交流電力を出力するパワーコンディショナ（電力変換装置）が存在している。

太陽電池を分散電源とした分散電源システムの従来の構成例を図５に示す。図５に示すように、従来の分散電源システム１００は、太陽電池１０１と、パワーコンディショナ１０２とから構成される。パワーコンディショナ１０２は、ＤＣ／ＤＣ変換装置１０２１と、インバータ装置１０２２とから成る。

ＤＣ／ＤＣ変換装置１０２１は、太陽電池１０１が太陽光を受けて発電した直流電力を所定電圧の直流電力に変換して出力する。インバータ装置１０２２は、商用電力系統１０３と連系しており、ＤＣ／ＤＣ変換装置１０２１から出力される直流電力を交流電力に変換して系統側へ出力する。

通常動作時、ＤＣ／ＤＣ変換装置１０２１は、太陽電池１０１から最大電力を取り出すべくＭＰＰＴ（最大電力点追従制御）制御を行い、インバータ装置１０２２は、ＤＣ／ＤＣ変換装置１０２１とインバータ装置１０２２の間のリンク電圧Ｖｌｉｎｋを一定電圧とするように出力電力を制御する。

ここで、リンク電圧Ｖｌｉｎｋの挙動の一例を図６に示すが、図６における通常動作時、インバータ装置１０２２によりリンク電圧Ｖｌｉｎｋは例えば一定電圧３８０Ｖに制御される。なお、図６においてリンク電圧Ｖｌｉｎｋにはリップル成分が含まれるが、インバータが交流電力を出力することによる影響である。

ここで、系統電圧においては、瞬間的に電圧が低下する現象である瞬時電圧低下（以下、瞬低）が発生する場合がある。系統電圧の瞬低が発生した場合、図６に示すように、リンク電圧Ｖｌｉｎｋが急上昇する。リンク電圧Ｖｌｉｎｋの上昇により、ＤＣ／ＤＣ変換装置１０２１は、出力電圧抑制動作、或いは動作停止を行う。これにより、リンク電圧Ｖｌｉｎｋは図６の破線に示すように、大きく低下する。すると、インバータ装置１０２２は、リンク電圧Ｖｌｉｎｋを一定電圧（図６では３８０Ｖ）に制御しようとして出力を抑制するため、パワーコンディショナ１０２（インバータ装置１０２２）は出力を維持できない。

特開２０１２−５５０３６号公報

しかしながら、系統連系規程では、系統電圧の瞬低が発生した場合にパワーコンディショナが継続運転することが要求されている。そこで、ＤＣ／ＤＣ変換装置１０２１がリンク電圧Ｖｌｉｎｋを検出し、リンク電圧Ｖｌｉｎｋが所定の閾値を下回った場合に、ＤＣ／ＤＣ変換装置１０２１が上記閾値からの下回り量に応じてスイッチング素子を駆動するパルス信号の幅を広げるフィードバック動作を開始するようにすることが考えられる。

図６においては、系統電圧の瞬低が発生後、リンク電圧Ｖｌｉｎｋが低下して閾値３７５Ｖを下回ると、フィードバック動作が開始され、リンク電圧Ｖｌｉｎｋが上昇する（図６の実線）。これにより、インバータ装置１０２２の出力を維持でき、パワーコンディショナ１０２の継続運転が可能となる。

しかしながら、通常動作時にリンク電圧Ｖｌｉｎｋがリップル成分によって変動して上記閾値を下回ってしまった場合、ＭＰＰＴ制御時にフィードバック動作が行われ、動作点（ＤＣ／ＤＣ変換装置１０２１の入力電圧）がずれてしまうという問題がある（ＭＰＰＴ制御への干渉）。

なお、系統電圧の瞬低が発生した場合でも継続運転を行え、瞬低から系統電圧が復帰した場合に出力電力を迅速に復帰できる従来のパワーコンディショナの一例は特許文献１にも開示されている。

上記問題点に鑑み、本発明は、系統電圧の瞬低が発生しても電力変換装置の継続運転が行えるＤＣ／ＤＣ変換装置において、ＭＰＰＴ制御への干渉を抑制できるＤＣ／ＤＣ変換装置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本発明は、入力側に直流電源である太陽電池を、出力側に系統連系するインバータ装置をそれぞれ接続可能であり、少なくとも一つのスイッチング素子を有したＤＣ／ＤＣコンバータ部と、
前記ＤＣ／ＤＣコンバータ部を駆動制御する制御部と、を備えたＤＣ／ＤＣ変換装置であって、
前記インバータ装置は、前記ＤＣ／ＤＣコンバータ部と前記インバータ装置の間のリンク電圧が一定電圧となるよう出力電力を制御し、
前記制御部は、系統電圧の瞬低が発生した後に前記リンク電圧が所定の閾値を下回ったことを検出した場合、前記リンク電圧が前記閾値を下回った量に応じて前記スイッチング素子を駆動するパルス信号の幅を広げて前記リンク電圧を上昇させるようフィードバック動作を行い、
前記閾値は、前記制御部が通常動作としてＭＰＰＴ制御（最大電力点追従制御）を行っているときに前記リンク電圧が下回ることがない程度の電圧値に設定される構成としている。

また、上記構成において、前記インバータ装置は、系統電圧の瞬低が発生したことを検出すると、一定電圧とする前記リンク電圧の目標電圧値を前記閾値よりも低い値に設定することとしてもよい。

また、本発明は、上記いずれかの構成のＤＣ／ＤＣ変換装置と、前記ＤＣ／ＤＣ変換装置が有するＤＣ／ＤＣコンバータ部の出力側に接続される系統連系するインバータ装置と、を備えた電力変換装置としている。

また、本発明は、上記構成の電力変換装置と、前記電力変換装置の入力側に接続される太陽電池と、を備えた分散電源システムとしている。

本発明によると、系統電圧の瞬低が発生しても電力変換装置の継続運転が行えるＤＣ／ＤＣ変換装置において、ＭＰＰＴ制御への干渉を抑制できる。

本発明の一実施形態に係る分散電源システムの構成図である。 系統連系規程で規定されているＦＲＴ（Fault Ride Through）要件を示す図である。 系統電圧の瞬低が発生した場合における本発明の一実施形態に係るリンク電圧波形の一例を示す図である。 本発明の別実施形態に係る分散電源システムの構成図である。 従来例に係る分散電源システムの構成図である。 本発明の課題を説明するためのリンク電圧の波形例を示す図である。

＜第１実施形態＞
以下に本発明の一実施形態について図面を参照して説明する。本発明の一実施形態に係る系統連系を目的とした分散電源システムの構成を図１に示す。図１に示す分散電源システム１０は、直流電源である太陽電池１と、パワーコンディショナ２とから構成され、太陽光発電システムに相当する。なお、図１の構成は、上述した図５に示す構成と同様である。

パワーコンディショナ２は、商用電力系統３と連系し、太陽電池１から出力される直流電力を交流電力に変換して出力する電力変換装置であり、ＤＣ／ＤＣ変換装置２１と、インバータ装置２２とから構成される。

ＤＣ／ＤＣ変換装置２１は、ＤＣ／ＤＣコンバータ部２１１と、ＤＣ／ＤＣコンバータ制御部２１２と、ドライバ２１３及び２１４と、を備えている。

ＤＣ／ＤＣコンバータ部２１１は、ＬＬＣ共振を用いた所謂ハーフブリッジ型のＤＣ／ＤＣコンバータ回路である。なお、ＤＣ／ＤＣコンバータ部２１１は、所謂フルブリッジ型の回路として構成することも可能である。

図１に示すように、ＤＣ／ＤＣコンバータ部２１１は、入力コンデンサＣ０と、スイッチング素子Ｑ１及びＱ２と、電圧共振コンデンサＣｖと、電流共振コンデンサＣｒと、トランスＴｒ０と、コンデンサＣ１と、ダイオードＤ１及びＤ２と、平滑コンデンサＣ２と、出力電圧検出回路Ａ１と、を備えている。

トランスＴｒ０の２次側には、ダイオードＤ１及びＤ２とコンデンサＣ１から成る整流回路が接続される。当該整流回路の出力側には平滑コンデンサＣ２が接続され、更に平滑コンデンサＣ２の出力側にインバータ装置２２の入力側が接続される。

また、トランスＴｒ０は疎結合トランスであり、図示しない漏れインダクタンスと励磁インダクタンスを含み、漏れインダクタンスは電流直列共振に寄与する共振インダクタに相当する。

ＭＯＳＦＥＴで構成されるスイッチング素子Ｑ１及びＱ２は、ドレイン−ソース間に逆並列ダイオードが接続される。逆並列ダイオードは、寄生ダイオード（内蔵ダイオード）でもよいし、外付けで接続されたダイオードであってもよい。

入力コンデンサＣ０の一端には太陽電池１のプラス側が接続され、入力コンデンサＣ０の他端には太陽電池１のマイナス側が接続される。スイッチング素子Ｑ１とＱ２を直列接続した組が、入力コンデンサＣ０と並列接続される。

スイッチング素子Ｑ１のドレインに電圧共振コンデンサＣｖの一端が接続されると共に、電流共振コンデンサＣｒの一端も接続される。電流共振コンデンサＣｒの他端はトランスＴｒ０の１次巻線の一端に接続される。トランスＴｒ０の１次巻線の他端は電圧共振コンデンサＣｖの他端に接続されると共に、スイッチング素子Ｑ１のソースとスイッチング素子Ｑ２のドレインとの接続点にも接続される。

スイッチング素子Ｑ１のゲートには、スイッチング素子Ｑ１をスイッチングするためのゲート駆動回路であるドライバ２１４の出力端が接続され、スイッチング素子Ｑ２のゲートには、スイッチング素子Ｑ２をスイッチングするためのゲート駆動回路であるドライバ２１３の出力端が接続される。ＤＣ／ＤＣコンバータ制御部２１２がドライバ２１４に駆動信号を出力することにより、ドライバ２１４によりスイッチング素子Ｑ１が駆動される。また、ＤＣ／ＤＣコンバータ制御用マイコン２１２がドライバ２１３に駆動信号を出力することにより、ドライバ２１３によりスイッチング素子Ｑ２が駆動される。

スイッチング素子Ｑ１及びＱ２がデッドタイムを含めて相補的にパルス駆動されることにより、ＤＣ／ＤＣコンバータ部２１１は太陽電池１から出力される直流電力を所定電圧の直流電力に変換してインバータ装置２２へ出力する。

出力側に商用電力系統３が接続されるインバータ装置２２は、ＤＣ／ＤＣコンバータ部２１１から出力される直流電力を交流電力に変換して出力する。インバータ装置２２は、例えば、所謂２レベルインバータ回路や３レベルインバータ回路等により構成すればよい。

また、平滑コンデンサＣ２の両端が入力に接続される出力電圧検出回路Ａ１は、検出電圧をＤＣ／ＤＣコンバータ制御部２１２に出力する。ＤＣ／ＤＣコンバータ制御部２１２は、出力電圧検出回路Ａ１の出力を監視することで、ＤＣ／ＤＣコンバータ部２１１とインバータ装置２２の間のリンク電圧Ｖｌｉｎｋを監視する。

本実施形態に係るパワーコンディショナ２は以上のような構成であるが、ここで、商用電力系統３の系統電圧の瞬低について説明する。瞬低発生時の系統電圧の挙動を図２の上段に示し、系統連系規程においてパワーコンディショナが満たすことを要求される瞬低発生時の運転継続要件（ＦＲＴ（Fault Ride Through）要件）を図２の上段に対応させて下段に示す。

図２の上段は、系統電圧が電圧低下前の電圧を１００％とした場合に２０％以上の電圧まで低下して瞬低が発生し、瞬低発生から１秒以内に系統電圧が１００％まで復帰したことを示す。このような系統電圧の瞬低及び復帰が発生した場合、ＦＲＴ要件としては図２の下段に示すように、瞬低発生時にパワーコンディショナを運転継続させ、系統電圧が復帰した時点から０．１秒以内にパワーコンディショナの出力を電圧低下前の８０％以上まで復帰させることが要求される。

本実施形態に係るパワーコンディショナ２は上記ＦＲＴ要件を満たす制御を行うことができ、次にこれについて説明する。

系統電圧の瞬低が発生した場合におけるリンク電圧Ｖｌｉｎｋの波形の一例を図３に示し、以下図３も参照しつつ説明する。なお、以下で説明する具体的な電圧値はあくまで一例である。

まず、ＤＣ／ＤＣ変換装置２１の通常動作時は、ＤＣ／ＤＣコンバータ制御部２１２は、太陽電池１からの入力電力を最大とすべく入力電圧（動作点）を制御するＭＰＰＴ制御（最大電力点追従制御）を行う。ＭＰＰＴ制御の手法としては、例えば所謂、山登り法を採用できる。山登り法では、入力電力が大きくなる方向へ入力電圧を逐次変化させてゆき入力電力が最大となる入力電圧を探索する。入力電圧は、スイッチング素子Ｑ１及びＱ２を駆動するパルス信号の周波数を変化させることにより変化させる（デューティ比は固定のままパルス幅を変化）。

ＤＣ／ＤＣ変換装置２１の通常動作時、インバータ装置２２は、リンク電圧Ｖｌｉｎｋを目標電圧Ｖｒｅｆ１にするよう出力電力を制御する。図３の例であれば、目標電圧Ｖｒｅｆ１を３８０Ｖとしているので、リンク電圧Ｖｌｉｎｋは平均で３８０Ｖに制御されている。なお、図３に示すよう、リンク電圧Ｖｌｉｎｋにリップル成分が含まれているが、これはインバータが交流電力を出力することによる影響である。

そして、系統電圧の瞬低が発生した場合、これを検出したインバータ装置２２は、目標電圧をＶｒｅｆ１からＶｒｅｆ２へ変更して、リンク電圧Ｖｌｉｎｋを目標電圧Ｖｒｅｆ２にするよう出力電力を制御する。図３の例であれば、目標電圧Ｖｒｅｆ２を３６０Ｖとしている。

また、通常動作時、ＤＣ／ＤＣコンバータ制御部２１２は、出力電圧検出回路Ａ１の出力電圧よりリンク電圧Ｖｌｉｎｋを監視しており、リンク電圧Ｖｌｉｎｋが或る閾値（瞬低判定用閾値）を上回ったことを検出した場合、系統電圧の瞬低が発生したと判断する。すると、ＤＣ／ＤＣコンバータ制御用マイコン２１２は、スイッチング素子Ｑ１及びＱ２を駆動するパルス幅を大きく縮めてＤＣ／ＤＣコンバータ部２１１の出力電圧（＝リンク電圧Ｖｌｉｎｋ）を抑える制御を行うか、或いはＤＣ／ＤＣコンバータ部２１１の動作を停止させる。

図３の例であれば、上記瞬低判定用閾値を４００Ｖとしているので、リンク電圧Ｖｌｉｎｋが４００Ｖを上回ると、ＤＣ／ＤＣコンバータ部２１１の出力電圧を抑制するか、或いはＤＣ／ＤＣコンバータ部２１１の動作を停止させる。

上記のＤＣ／ＤＣコンバータ部２１１の出力電圧抑制か、或いは動作停止により、リンク電圧Ｖｌｉｎｋが低下し、ＤＣ／ＤＣコンバータ制御部２１２が、出力電圧検出回路Ａ１の出力電圧に基づいてリンク電圧Ｖｌｉｎｋが所定のフィードバック動作移行用閾値を下回ったことを検出した場合、ＤＣ／ＤＣコンバータ制御部２１２はフィードバック動作を開始する。

フィードバック動作とは、出力電圧検出回路Ａ１により検出されたリンク電圧Ｖｌｉｎｋが上記フィードバック動作移行用閾値を下回った量に応じてスイッチング素子Ｑ１及びＱ２を駆動するパルス信号の幅を広げる動作である。より具体的には、リンク電圧Ｖｌｉｎｋが上記閾値を下回った量が大きい程、パルス信号幅の広げ量を大きくする。

ここで、インバータ装置２２によるリンク電圧Ｖｌｉｎｋの制御の目標電圧Ｖｒｅｆ２は、フィードバック動作移行用閾値よりも低い値に設定されている。図３の例であれば、目標電圧Ｖｒｅｆ２は３６０Ｖであり、フィードバック動作移行用閾値である３７０Ｖよりも低い値に設定されている。リンク電圧Ｖｌｉｎｋは、フィードバック動作によってフィードバック動作移行用閾値（＝３７０Ｖ）に近づくよう制御されるが、同時にインバータ装置２２はリンク電圧Ｖｌｉｎｋをフィードバック動作移行用閾値よりも低い目標電圧Ｖｒｅｆ２（＝３６０Ｖ）にするよう制御するので、インバータ装置２２は電力出力を継続しようとする。従って、系統電圧の瞬低が発生した場合でも、パワーコンディショナ２は出力を継続するので、継続運転が可能となる。

また、上記フィードバック動作移行用閾値は、ＤＣ／ＤＣコンバータ制御用マイコン２１２が通常動作としてＭＰＰＴ制御を行っているときに一定電圧に制御されるリンク電圧Ｖｌｉｎｋがリップル成分によって下回ることがない程度の電圧値に設定される。図３の例であれば、ＭＰＰＴ制御時のリンク電圧Ｖｌｉｎｋは３８０Ｖを中心として３７５Ｖ以上３８５Ｖ以下の範囲でリップル成分により変動するので、下限である３７５Ｖよりも余裕を取って３７０Ｖをフィードバック動作移行用閾値に設定している。

これにより、ＭＰＰＴ制御時にリンク電圧Ｖｌｉｎｋがフィードバック動作移行用閾値を下回り、フィードバック動作が行われ、ＭＰＰＴ制御による動作点（ＤＣ／ＤＣコンバータ部２１１の入力電圧）がずれてしまうことを抑制できる。つまり、ＭＰＰＴ制御への干渉を抑制できる。

また、系統電圧が復電した場合、これを検出したインバータ装置２２は、目標電圧をＶｒｅｆ２からＶｒｅｆ１へ戻し、リンク電圧Ｖｌｉｎｋを目標電圧Ｖｒｅｆ１にするよう出力電力を制御する。つまり目標電圧Ｖｒｅｆ１が３８０Ｖとなり、以降は瞬停前の通常動作に戻る。

＜第２実施形態＞
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明の趣旨の範囲内であれば、実施形態は種々変形が可能である。

例えば、上記実施形態（図１）では太陽電池とＤＣ／ＤＣ変換装置をそれぞれ一つずつとしたシステムとして説明したが、図４に示すように、複数の太陽電池（１１、１２）に対応させて複数のＤＣ／ＤＣ変換装置（１３１、１３２）をパワーコンディショナ（１３）に備えるようにしてもよい。この場合、複数の各ＤＣ／ＤＣ変換装置は、上述した実施形態と同様の動作を行うようにすればよい。

＜第３実施形態＞
また、ＤＣ／ＤＣ変換装置はチョッパ等の回路であってもよく、回路方式に依存することはない。

１ 太陽電池
２ パワーコンディショナ
３ 商用電力系統
１０ 分散電源システム
２１ ＤＣ／ＤＣ変換装置
２２ インバータ装置
２１１ ＤＣ／ＤＣコンバータ部
２１２ ＤＣ／ＤＣコンバータ制御部
２１３、２１４ ドライバ
Ｃ０ 入力コンデンサ
Ｑ１、Ｑ２ スイッチング素子
Ｃｖ 電圧共振コンデンサ
Ｃｒ 電流共振コンデンサ
Ｔｒ０ トランス
Ｃ１ コンデンサ
Ｄ１、Ｄ２ ダイオード
Ｃ２ 平滑コンデンサ
Ａ１ エラーアンプ
１１、１２ 太陽電池
１３ パワーコンディショナ
１４ 商用電力系統
１３１、１３２ ＤＣ／ＤＣ変換装置
１３３ インバータ装置
１００ 分散電源システム
１０１ 太陽電池
１０２ パワーコンディショナ
１０３ 商用電力系統
１０２１ ＤＣ／ＤＣ変換装置
１０２２ インバータ装置

Claims (4)

1. 入力側に直流電源である太陽電池を、出力側に系統連系するインバータ装置をそれぞれ接続可能であり、少なくとも一つのスイッチング素子を有したＤＣ／ＤＣコンバータ部と、
   前記ＤＣ／ＤＣコンバータ部を駆動制御する制御部と、を備えたＤＣ／ＤＣ変換装置であって、
   前記インバータ装置は、前記ＤＣ／ＤＣコンバータ部と前記インバータ装置の間のリンク電圧が一定電圧となるよう出力電力を制御し、
   前記制御部は、系統電圧の瞬低が発生した後に前記リンク電圧が所定の閾値を下回ったことを検出した場合、前記リンク電圧が前記閾値を下回った量に応じて前記スイッチング素子を駆動するパルス信号の幅を広げて前記リンク電圧を上昇させるようフィードバック動作を行い、
   前記閾値は、前記制御部が通常動作としてＭＰＰＴ制御（最大電力点追従制御）を行っているときに前記リンク電圧が下回ることがない程度の電圧値に設定される、
   ことを特徴とするＤＣ／ＤＣ変換装置。
2. 前記インバータ装置は、系統電圧の瞬低が発生したことを検出すると、一定電圧とする前記リンク電圧の目標電圧値を前記閾値よりも低い値に設定することを特徴とする請求項１に記載のＤＣ／ＤＣ変換装置。
3. 請求項１又は請求項２に記載のＤＣ／ＤＣ変換装置と、前記ＤＣ／ＤＣ変換装置が有するＤＣ／ＤＣコンバータ部の出力側に接続される系統連系するインバータ装置と、を備えた電力変換装置。
4. 請求項３に記載の電力変換装置と、前記電力変換装置の入力側に接続される太陽電池と、を備えた分散電源システム。

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