JP6366083B2 - インバータの制御装置 - Google Patents

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Description

本発明は、太陽光発電に用いるインバータの制御装置に関する。
一般に、太陽光発電システムには、電力系統と連系するために、インバータが用いられる。インバータは、太陽電池により発電された直流電力を電力系統に同期した交流電力に変換して、電力系統に供給する。
例えば、出力電流が逆流するのを防止するために、系統電圧を検出し、検出した系統電圧よりも予め定めた電圧値だけ高い最適な昇圧電圧になるように、昇圧回路を制御する系統連系装置が開示されている（例えば、特許文献１参照）。
しかしながら、太陽電池から出力される電力が最大となるように、インバータを最大電力点追従制御（ＭＰＰＴ, maximum power point tracking）する場合は、直流電圧の下限値が予め設定される。このため、運転中に、インバータが下限値よりも低い直流電圧で運転可能な状態になっても、インバータの制御装置は、予め設定された下限値よりも低い直流電圧で制御することはできない。
特開平１１−１２２８１８号公報
本発明の目的は、太陽電池から出力される電力が最大となるように制御する範囲を広くするインバータの制御装置を提供することにある。
本発明の観点に従ったインバータの制御装置は、太陽電池により発電される電力を電力系統と連系する交流電力に変換するインバータの制御装置であって、前記電力系統の系統電圧を検出する系統電圧検出手段と、前記インバータの直流側の電圧を計測する直流電圧検出器と、前記インバータの直流側の電流を計測する直流電流検出器と、前記インバータに印加される直流電圧が下限値よりも高いとき、前記太陽電池から出力される直流電力が最大となるように前記直流電圧を制御する直流電圧制御手段と、前記系統電圧検出手段により検出される前記系統電圧が予め決められた電圧よりも低いとき、前記下限値を低くする下限値決定手段と、前記系統電圧検出手段により検出される前記系統電圧に基づいて、前記インバータから出力される無効電力を制御する無効電力制御手段とを備え、前記直流電圧制御手段は、前記直流電圧検出器及び前記直流電流検出器の検出結果を基に、現在の前記直流電力を計測し、前記直流電圧を予め決められた所定の電圧を昇圧又は降圧させる電圧増減信号を出力して前記インバータを動作させた後、前記直流電力を再び計測し、前回計測した前記直流電力と新たに計測した前記直流電力とを比較し、新たに計測した前記直流電力が大きい場合には、昇圧又は降圧の同じ前記電圧増減信号を出力し、新たに計測した前記直流電力が小さい場合には、昇圧又は降圧の反対の前記電圧増減信号を出力することにより、前記直流電圧が最大となるように制御するとともに、降圧する前記電圧増減信号を出力すると前記直流電圧が前記下限値を下回る場合には、昇圧する前記電圧増減信号を出力し、昇圧する前記電圧増減信号を出力すると前記直流電圧が上限値を上回る場合には、降圧する前記電圧増減信号を出力する。
図１は、本発明の第１の実施形態に係る制御装置を適用した太陽光発電システムの構成を示す構成図である。 図２は、第１の実施形態に係る太陽電池による発電電力の特性を示す特性図である。 図３は、本発明の第２の実施形態に係る制御装置を適用した太陽光発電システムの構成を示す構成図である。
以下、図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る制御装置２を適用した太陽光発電システム１０の構成を示す構成図である。なお、図面における同一部分には同一符号を付してその詳しい説明を省略し、異なる部分について主に述べる。
太陽光発電システム１０は、インバータ１、制御装置２、太陽電池３、平滑コンデンサ４、交流フィルタ５、連系トランス６、電力系統７、直流電圧検出器１１、直流電流検出器１２、交流電流検出器１３、及び交流電圧検出器１４を備える。
太陽電池３は、光（太陽光）により発電する電池である。太陽電池３は、発電した電力をインバータ１に供給する。太陽電池３は、チョッパなどの昇圧回路を介さずに、インバータ１の直流側に接続される。
インバータ１は、太陽電池３から供給される直流電力を電力系統７と同期する三相交流電力に変換する。インバータ１は、連系トランス６を介して、変換した交流電力を電力系統７に供給する。インバータ１は、制御装置２から出力されるゲート信号Ｇｔにより、パルス幅変調(PWM, pulse width modulation)で電力変換制御される。インバータ１は、例えば、ＰＣＳ(power conditioning system)である。
平滑コンデンサ４は、インバータ１の直流側（入力側）に設けられている。平滑コンデンサ４は、太陽電池３からインバータ１に供給される直流電圧を平滑化する。
交流フィルタ５は、リアクトル５１及びコンデンサ５２を備えている。交流フィルタ５は、インバータ１から出力される高調波を抑制する。
直流電圧検出器１１は、インバータ１の直流側の電圧Ｖｄｃ（平滑コンデンサ４の電圧）を計測するための検出器である。直流電圧検出器１１は、検出した直流電圧Ｖｄｃを制御装置２に出力する。
直流電流検出器１２は、インバータ１の直流側に流れる電流Ｉｄｃを計測するための検出器である。直流電流検出器１２は、検出した直流電流Ｉｄｃを制御装置２に出力する。
交流電流検出器１３は、インバータ１の交流側（出力側）の電流Ｉｉｖを計測するための検出器である。交流電流検出器１３は、検出した交流電流Ｉｉｖを制御装置２に出力する。
交流電圧検出器１４は、電力系統７の系統電圧Ｖｒを計測するための検出器である。交流電圧検出器１４は、検出した系統電圧Ｖｒを制御装置２に出力する。
制御装置２は、インバータ１から出力される有効電力及び無効電力を制御する。制御装置２は、電力演算部２１と、直流電圧下限値演算部２２と、ＭＰＰＴ実行部２３と、直流電圧制御部２４、電力制御部２５と、ＰＷＭ制御部２６とを備えている。
電力演算部２１は、直流電圧検出器１１により検出された直流電圧Ｖｄｃ及び直流電流検出器１２により検出された直流電流Ｉｄｃに基づいて、直流電力Ｐｄｃを演算する。電力演算部２１は、演算した直流電力ＰｄｃをＭＰＰＴ実行部２３に出力する。
直流電圧下限値演算部２２は、交流電圧検出器１４により検出された系統電圧Ｖｒに基づいて、インバータ１の直流電圧Ｖｄｃの下限値ＶＬを決定する。制御装置２は、決定された下限値ＶＬを下回らない範囲で直流電圧Ｖｄｃを制御する。下限値ＶＬは、検出された系統電圧Ｖｒに対して、少なくともインバータ１の出力電流Ｉｉｖが逆流しない値にする。なお、下限値ＶＬは、出力電流Ｉｉｖが逆流しないことに加え、出力電流Ｉｉｖの波形が歪まないような値に決定することが望ましい。出力電流Ｉｉｖの波形が歪まない値か否かは、各高調波の重畳率などから判断することができる。系統電圧Ｖｒが下がると、下限値ＶＬは下がる。直流電圧下限値演算部２２は、系統電圧Ｖｒが予め設定された閾値（例えば、定格電圧）以上であれば、予め設定された値を下限値ＶＬとして決定する。系統電圧Ｖｒが予め設定された閾値よりも低ければ、直流電圧下限値演算部２２は、系統電圧Ｖｒに基づいて、下限値ＶＬを演算する。直流電圧下限値演算部２２は、予め設定された下限値ＶＬ又は演算した下限値ＶＬをＭＰＰＴ実行部２３に出力する。
ここで、系統電圧Ｖｒの低下時に直流電圧Ｖｄｃの下限値ＶＬを演算する理由について説明する。インバータ１が運転可能な直流電圧Ｖｄｃの下限値ＶＬは、インバータ１が出力する交流電圧によって決まる。系統電圧Ｖｒが下がると、インバータ１が出力する無効電力は、誘導性(inductive)となる。誘導性の無効電力をインバータ１から出力する場合、インバータ１の出力電圧は低くなる。従って、インバータ１の直流電圧Ｖｄｃの下限値ＶＬも、下げることができる。
ＭＰＰＴ実行部２３は、電力演算部２１により演算された直流電力Ｐｄｃ、直流電圧下限値演算部２２により演算された下限値ＶＬ、及び予め設定された上限値ＶＨに基づいて、直流電圧の増加又は減少させる電圧増減信号Ｖｎを直流電圧制御部２４に出力する。ＭＰＰＴ実行部２３は、最大電力点追従制御により決定された電圧増減信号Ｖｎを出力する。
図２を参照して、ＭＰＰＴ実行部２３による直流電圧Ｖｄｃの制御について説明する。図２は、本実施形態に係る太陽電池３による発電電力の特性を示す特性図である。
ここで、図２の特性図では、最大電力点Ｐｍｐｐのときの電圧（最大電力点電圧）Ｖｍｐｐが下限値ＶＬと上限値ＶＨとの間にあるが、太陽電池３の発電状態によっては、最大電力点電圧Ｖｍｐｐが下限値ＶＬと上限値ＶＨとの間にない場合がある。
直流電圧Ｖｄｃが下限値ＶＬと上限値ＶＨの間にあるとき、ＭＰＰＴ実行部２３は、図２に示す最大電力点電圧Ｖｍｐｐを追従する制御（最大電力点追従制御）を、次のように行う。
まず、ＭＰＰＴ実行部２３は、現在の直流電圧Ｖｄｃでの直流電力Ｐｄｃを計測する。
次に、ＭＰＰＴ実行部２３は、直流電圧Ｖｄｃを予め決められた１段階分の電圧を昇圧（又は降圧）させる電圧増減信号Ｖｎを出力する。直流電圧Ｖｄｃの昇圧後（又は降圧後）、ＭＰＰＴ実行部２３は、直流電力Ｐｄｃを計測する。ＭＰＰＴ実行部２３は、前回計測した直流電力Ｐｄｃと今回新たに計測した直流電力Ｐｄｃを比較する。
比較した結果、今回新たに計測した直流電力Ｐｄｃの方が大きい場合は、ＭＰＰＴ実行部２３は、前回と同じ電圧増減信号Ｖｎを出力する。即ち、前回の電圧増減信号Ｖｎが昇圧させる信号であれば、今回も電圧増減信号Ｖｎを昇圧させる信号として出力する。前回の電圧増減信号Ｖｎが降圧させる信号であれば、今回も電圧増減信号Ｖｎを降圧させる信号として出力する。一方、今回新たに計測した直流電力Ｐｄｃの方が小さい場合は、ＭＰＰＴ実行部２３は、前回と反対の電圧増減信号Ｖｎを出力する。
上記の手順を繰り返すことにより、ＭＰＰＴ実行部２３は、直流電圧Ｖｄｃが常に最大電力点電圧Ｖｍｐｐの近傍にあるように制御する。
降圧する電圧増減信号Ｖｎを出力すると、直流電圧Ｖｄｃが下限値ＶＬを下回る場合、ＭＰＰＴ実行部２３は、直流電力Ｐｄｃの計測結果に関係なく、昇圧する電圧増減信号Ｖｎを出力する。また、昇圧する電圧増減信号Ｖｎを出力すると、直流電圧Ｖｄｃが上限値ＶＨを上回る場合、ＭＰＰＴ実行部２３は、直流電力Ｐｄｃの計測結果に関係なく、降圧する電圧増減信号Ｖｎを出力する。
直流電圧制御部２４には、直流電圧検出器１１により検出された直流電圧Ｖｄｃ及びＭＰＰＴ実行部２３により決定された電圧増減信号Ｖｎが入力される。直流電圧制御部２４は、直流電圧Ｖｄｃ及び電圧増減信号Ｖｎに基づいて、直流電圧Ｖｄｃを制御するための直流電圧指令値Ｖｄｃｒを演算する。直流電圧制御部２４は、演算した直流電圧指令値Ｖｄｃｒを電力制御部２５に出力する。
電力制御部２５には、交流電流検出器１３により検出された出力電流Ｉｉｖ、交流電圧検出器１４により検出された電力系統７の系統電圧Ｖｒ、電力演算部２１により演算された直流電力Ｐｄｃ、及び直流電圧制御部２４により演算された直流電圧指令値Ｖｄｃｒが入力される。電力制御部２５は、出力電流Ｉｉｖ、直流電力Ｐｄｃ、及び直流電圧指令値Ｖｄｃｒに基づいて、インバータ１から出力する有効電力を制御するための有効電力指令値を演算する。また、電力制御部２５は、系統電圧Ｖｒに基づいて、インバータ１から出力する無効電力を制御するための無効電力指令値を演算する。電力制御部２５は、演算した無効電力指令値及び有効電力指令値に基づいて、インバータ１から出力する三相交流電圧を制御するための電圧指令値Ｖｉｖｒを演算する。電力制御部２５は、演算した電圧指令値ＶｉｖｒをＰＷＭ制御部２６に出力する。
ＰＷＭ制御部２６には、電力制御部２５により演算された電圧指令値Ｖｉｖｒが入力される。ＰＷＭ制御部２６は、インバータ１の出力電圧を電圧指令値Ｖｉｖｒに追従させるように、インバータ１のスイッチング素子を駆動するゲート信号Ｇｔを生成する。ＰＷＭ制御部２６は、生成したゲート信号Ｇｔにより、インバータ１をＰＷＭ制御する。
本実施形態によれば、系統電圧Ｖｒが電圧降下している場合、ＭＰＰＴを実行する直流電圧Ｖｄｃの範囲の下限値ＶＬが下がるため、ＭＰＰＴを実行する範囲を広くすることができる。従って、最大電力点電圧Ｖｍｐｐが下限値ＶＬよりも低い場合、下限値ＶＬが低くなることで、太陽電池３から出力される電力を高くすることができる。
また、直流電圧Ｖｄｃの下限値ＶＬを系統電圧Ｖｒに基づいて演算することで、ＭＰＰＴの実行範囲を現在の系統電圧Ｖｒに応じて広げることができる。
（第２の実施形態）
図３は、本発明の第２の実施形態に係る制御装置２Ａを適用した太陽光発電システム１０Ａの構成を示す構成図である。
太陽光発電システム１０Ａは、図１に示す第１の実施形態に係る太陽光発電システム１０において、制御装置２を制御装置２Ａに代えたものである。制御装置２Ａは、第１の実施形態に係る制御装置２において、直流電圧下限値演算部２２を直流電圧下限値選択部２２Ａに代えたものである。その他は、第１の実施形態と同様である。
直流電圧下限値選択部２２Ａは、交流電圧検出器１４により検出された系統電圧Ｖｒに基づいて、インバータ１の直流電圧Ｖｄｃの下限値ＶＬを決定する。直流電圧下限値選択部２２Ａには、系統電圧Ｖｒのレベル毎に対応する下限値ＶＬが予め設定されている。例えば、系統電圧Ｖｒは、定格電圧以上とするレベルと、定格電圧未満で複数の電圧範囲に細分化された複数のレベルに分けられる。直流電圧下限値選択部２２Ａは、検出された系統電圧Ｖｒがどのレベルの電圧範囲に属するかを判断する。直流電圧下限値選択部２２Ａは、判断したレベルに対応する下限値ＶＬを予め設定された複数の下限値ＶＬの中から選択する。直流電圧下限値選択部２２Ａは、選択した下限値ＶＬをＭＰＰＴ実行部２３に出力する。その他は、直流電圧下限値選択部２２Ａは、第１の実施形態に係る直流電圧下限値演算部２２と同様である。
本実施形態によれば、第１の実施形態と同様の作用効果を得ることができる。
また、予め設定された複数の下限値ＶＬの中から、系統電圧Ｖｒに基づいて１つの下限値ＶＬを選択するように構成することで、制御装置２Ａの運転中における演算負荷を第１の実施形態よりも軽減することができる。
なお、各実施形態において、制御装置２Ａは、無効電力制御を常に行う構成としたが、無効電力制御を止める機能が付いていてもよい。この場合、第１の実施形態に係る直流電圧下限値演算部２２又は第２の実施形態に係る直流電圧下限値選択部２２Ａは、無効電力制御が実行されていることを示す信号を受信することを条件として、処理を実行するようにしてもよい。
なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

Claims (5)

  1. 太陽電池により発電される電力を電力系統と連系する交流電力に変換するインバータの制御装置であって、
    前記電力系統の系統電圧を検出する系統電圧検出手段と、
    前記インバータの直流側の電圧を計測する直流電圧検出器と、
    前記インバータの直流側の電流を計測する直流電流検出器と、
    前記インバータに印加される直流電圧が下限値よりも高いとき、前記太陽電池から出力される直流電力が最大となるように前記直流電圧を制御する直流電圧制御手段と、
    前記系統電圧検出手段により検出される前記系統電圧が予め決められた電圧よりも低いとき、前記下限値を低くする下限値決定手段と、
    前記系統電圧検出手段により検出される前記系統電圧に基づいて、前記インバータから出力される無効電力を制御する無効電力制御手段と
    を備え、
    前記直流電圧制御手段は、
    前記直流電圧検出器及び前記直流電流検出器の検出結果を基に、現在の前記直流電力を計測し、
    前記直流電圧を予め決められた所定の電圧を昇圧又は降圧させる電圧増減信号を出力して前記インバータを動作させた後、前記直流電力を再び計測し、
    前回計測した前記直流電力と新たに計測した前記直流電力とを比較し、
    新たに計測した前記直流電力が大きい場合には、昇圧又は降圧の同じ前記電圧増減信号を出力し、
    新たに計測した前記直流電力が小さい場合には、昇圧又は降圧の反対の前記電圧増減信号を出力することにより、前記直流電圧が最大となるように制御するとともに、
    降圧する前記電圧増減信号を出力すると前記直流電圧が前記下限値を下回る場合には、昇圧する前記電圧増減信号を出力し、
    昇圧する前記電圧増減信号を出力すると前記直流電圧が上限値を上回る場合には、降圧する前記電圧増減信号を出力する
    ことを特徴とするインバータの制御装置。
  2. 前記下限値決定手段は、前記系統電圧に基づいて、前記下限値を演算すること
    を特徴とする請求項１に記載のインバータの制御装置。
  3. 前記下限値決定手段は、前記系統電圧に基づいて、予め設定された複数の値のうち１つを前記下限値として選択すること
    を特徴とする請求項１に記載のインバータの制御装置。
  4. 太陽電池と、
    前記太陽電池で発電される電力を電力系統と連系する交流電力に変換するインバータと、
    前記電力系統の系統電圧を検出する系統電圧検出手段と、
    前記インバータの直流側の電圧を計測する直流電圧検出器と、
    前記インバータの直流側の電流を計測する直流電流検出器と、
    前記インバータに印加される直流電圧が下限値よりも高いとき、前記太陽電池から出力される直流電力が最大となるように前記直流電圧を制御する直流電圧制御手段と、
    前記系統電圧検出手段により検出される前記系統電圧が予め決められた電圧よりも低いとき、前記下限値を低くする下限値決定手段と、
    前記系統電圧検出手段により検出される前記系統電圧に基づいて、前記インバータから出力される無効電力を制御する無効電力制御手段と
    を備え、
    前記直流電圧制御手段は、
    前記直流電圧検出器及び前記直流電流検出器の検出結果を基に、現在の前記直流電力を計測し、
    前記直流電圧を予め決められた所定の電圧を昇圧又は降圧させる電圧増減信号を出力して前記インバータを動作させた後、前記直流電力を再び計測し、
    前回計測した前記直流電力と新たに計測した前記直流電力とを比較し、
    新たに計測した前記直流電力が大きい場合には、昇圧又は降圧の同じ前記電圧増減信号を出力し、
    新たに計測した前記直流電力が小さい場合には、昇圧又は降圧の反対の前記電圧増減信号を出力することにより、前記直流電圧が最大となるように制御するとともに、
    降圧する前記電圧増減信号を出力すると前記直流電圧が前記下限値を下回る場合には、昇圧する前記電圧増減信号を出力し、
    昇圧する前記電圧増減信号を出力すると前記直流電圧が上限値を上回る場合には、降圧する前記電圧増減信号を出力する
    ことを特徴とする太陽光発電システム。
  5. 太陽電池により発電される電力を電力系統と連系する交流電力に変換するインバータの制御方法であって、
    前記電力系統の系統電圧を検出し、
    前記インバータの直流側の電圧を計測し、
    前記インバータの直流側の電流を計測し、
    前記インバータに印加される直流電圧が下限値よりも高いとき、前記太陽電池から出力される直流電力が最大となるように前記直流電圧を制御し、
    検出した前記系統電圧が予め決められた電圧よりも低いとき、前記下限値を低くし、
    検出した前記系統電圧に基づいて、前記インバータから出力される無効電力を制御し、
    前記直流電圧検出器及び前記直流電流検出器の検出結果を基に、現在の前記直流電力を計測し、
    前記直流電圧を予め決められた所定の電圧を昇圧又は降圧させる電圧増減信号を出力して前記インバータを動作させた後、前記直流電力を再び計測し、
    前回計測した前記直流電力と新たに計測した前記直流電力とを比較し、
    新たに計測した前記直流電力が大きい場合には、昇圧又は降圧の同じ前記電圧増減信号を出力し、
    新たに計測した前記直流電力が小さい場合には、昇圧又は降圧の反対の前記電圧増減信号を出力することにより、前記直流電圧が最大となるように制御するとともに、
    降圧する前記電圧増減信号を出力すると前記直流電圧が前記下限値を下回る場合には、昇圧する前記電圧増減信号を出力し、
    昇圧する前記電圧増減信号を出力すると前記直流電圧が上限値を上回る場合には、降圧する前記電圧増減信号を出力すること
    を含むことを特徴とするインバータの制御方法。
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