JP6529921B2 - 電力変換装置 - Google Patents

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Description

本発明は、複数のコンバータが並列接続された電力変換装置に関する。
近年、地球環境保全への意識の高まりから、太陽電池、燃料電池などの分散電源を備えたシステムが開発されている。太陽光発電システムに用いられる電力変換装置は、一般的に太陽電池から入力する電力を最大化する最大電力点追従(MPPT:Maximum Power Point Tracking)制御装置を備えている。
関連技術として、特許文献1には、より大きな電力変換装置を構成するために、複数台の電力変換器を並列接続した電力変換装置が開示されている。この電力変換装置では、1台の電力変換器が最大電力点追従制御を行い、他の電力変換器が電流制御を行う。これにより、最大電力点追従制御を行いながらも、各電力変換器に均等に電流が流れるように電流制御を行うことができる。
特開2011−141794号公報
特許文献1の電力変換装置では、1台の電力変換器が最大電力点追従制御を行うため、この電力変換器に故障等のトラブルが発生した場合に、最大電力点追従制御を行うことが難しく、信頼性が低いという問題がある。
そこで、本発明は、複数台のコンバータが並列接続されるとともに、信頼性の高い電力変換装置を提供する。
前記課題を解決するために、本発明による電力変換装置は、出力電流あるいは出力電圧に応じて動作点が変わる直流電源に並列接続される複数のコンバータを備えるものであって、複数のコンバータの各々は直流電源の最大電力点追従演算を行なう最大電力点追従手段を備え、複数のコンバータの各々における最大電力点追従演算の結果を複数のコンバータ間で統一し、統一された演算結果に基づいて複数のコンバータの各々最大電力点追従制御される。
本発明によれば、複数のコンバータが最大電力点追従手段を備え、複数のコンバータの最大電力点追従演算の結果を統一した結果により複数のコンバータが制御されるので、複数台のコンバータが並列接続される電力変換装置における最大電力点追従制御の信頼性が向上する。
上記した以外の課題、構成および効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。
本発明の実施例1である電力変換装置の概略構成図である。 DC−DCコンバータの回路構成を示す機能ブロック図である。 図2の制御部における処理動作の流れの一例を示すフローチャートである。 各DC−DCコンバータにおける演算結果と、これらに基づいて決定された統一結果を示す。 本発明の実施例2である電力変換装置の概略構成図である。 DC−DCコンバータの回路構成例を示す。 インバータの回路構成例を示す。
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。
各図において、参照番号が同一のものは同一の構成要件あるいは類似の機能を備えた構成要件を示している。
図1は、本発明の実施例1である電力変換装置の概略構成図である。
図1が示すように、電力変換装置100は、太陽電池1から直流電力を入力し、交流系統2へ交流電力を出力する。電力変換装置100は、並列接続されたDC−DCコンバータ11〜13と、その後段に接続されたインバータ43と、各DC−DCコンバータ11〜13の入力電流を検出する電流センサ21〜23と、入力電圧を検出する電圧センサ31〜33と、各DC−DCコンバータ11〜13間で通信するための通信ライン3を備えている。
DC−DCコンバータ11〜13は、太陽電池1から最大の電力を取り出すように太陽電池1の動作点である電圧と電流を制御する最大電力点追従(以下、MPPTと記す)制御手段を備え、インバータ43に直流電力を供給する。また、DC−DCコンバータ11〜13は、各DC−DCコンバータへの入力電流をバランスさせるカレントシェア制御手段を備えている。インバータ43は、DC−DCコンバータ11〜13から供給される直流電力を交流電力に変換して交流系統2へ出力する。
一般的に太陽電池は、電圧を低下させると電流が増加し、電流を減少させると電圧が上昇する。しかし、電圧と電流の積である電力については、電力が最大となる電圧と電流が存在する。MPPT制御では、例えば太陽電池の電流を変化させ、0.1秒から数秒程度のMPPT周期後に電力が増加したか減少したかを判定し、次に電流を減少させるか増加させるかを判断したMPPT演算結果に基づいて電流を減少または増加させる。例えば、電流を減少させたときに、電力が増加した場合は更に電流を減少させ、電力が減少した場合は逆に電流を増加させる。このような処理をMPPT制御周期ごとに実施することで、太陽電池から入力する電力を最大化する。
電力変換装置100においては、並列接続されたDC−DCコンバータ11〜13が協調してMPPT制御を実施し、太陽電池1からの入力電力を最大化するように動作する。具体的には、電流センサ21〜23、電圧センサ31〜33を用いて、各DC−DCコンバータ11〜13の入力電力が増加したか減少したかを判定してMPPT演算結果を得る。ここで、MPPT演算結果とは、各DC−DCコンバータ11〜13の入力電力を増加させるための情報であり、例えば入力電流を増加させるべきか減少させるべきかという情報である。
次に、通信ライン3を用いて、各DC−DCコンバータ11〜13のMPPT演算結果をDC−DCコンバータ11〜13間で共有し、これらのMPPT演算結果を統一する。そして、この統一されたMPPT演算結果に基づいて、各DC−DCコンバータ11〜13が備えたスイッチング素子を制御し、各DC−DCコンバータ11〜13の例えば入力電流を変化させる。このように、各DC−DCコンバータ11〜13は、各DC−DCコンバータ11〜13の入力電力を最大化するように動作し、太陽電池1の動作点が最適化されて、太陽電池1からの入力電力を最大化するようにMPPT制御が実施される。
なお、MPPT演算結果としては、他にも、入力電力が増加したか減少したかの情報、入力電圧を増加させるか減少させるかの情報、入出力電圧比を増加させるか減少させるかの情報、前記複数のコンバータが備えたスイッチング素子のオン時間比率を増加させるか減少させるかの情報などでもよい。
ここで、上記のように動作するDC−DCコンバータの構成について説明する。
図2は、DC−DCコンバータの回路構成を示す機能ブロック図である。図2においては、図1におけるDC−DCコンバータ11の構成を示すが、他のDC−DCコンバータ12,13の構成も同様である。
図2に示すように、DC/DC主回路部200は、太陽電池1からの入力電力を、半導体スイッチング素子のオン・オフにより電力変換して、変換された電力を出力する。なお、半導体スイッチング素子としては、MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)やIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)などが用いられる。DC/DC主回路部200における半導体スイッチング素子のオン・オフは、制御部300によって制御される。なお、制御部300は、マイクロコンピュータなどの演算処理装置が所定のプログラムを実行することによって、後述するMPPT制御部301、通信部302および多数決部303を含む制御手段として機能する。
制御部300におけるMPPT制御部301は、電流センサ21によって検出される、DC/DC主回路部200への入力電流の値と、電圧センサ31によって検出される、DC/DC主回路部200への入力電圧の値に基づいて、MPPT制御を行う。すなわち、MPPT制御部301は、入力電流を所定量増減するようにDC/DC主回路部200を制御し、入力電流および入力電圧から入力電力(太陽電池1の出力電力)を計測する。
MPPT制御部301は、計測した入力電力と、入力電流の増減前に計測して記憶していた入力電力とを比較し、計測した入力電力が増加していると判定した場合、入力電力の増加が入力電流の増加によるものならば、次の時点では入力電流を増加すると判定し、入力電力の増加が入力電流の減少によるものならば、次の時点では入力電流を減少すると判定する。また、MPPT制御部301は、計測した入力電力が減少していると判定した場合、入力電力の減少が入力電流の増加によるものならば、次の時点では入力電流を減少すると判定し、入力電力の減少が入力電流の減少によるものならば、次の時点では入力電流を増加すると判定する。
MPPT制御部301は、上述のような次の時点での入力電力の増減に関する判定結果を演算結果として出力する。出力された演算結果は、通信部302によって、通信線3を介して他のDC−DCコンバータ12,13(図1)に送信される。また、MPPT制御部301の演算結果は、後述する多数決部303に送られる。
通信部302は、MPPT制御部301の演算結果を他のDC−DCコンバータ12,13(図1)に送信すると共に、他のDC−DCコンバータ12,13(図1)におけるMPPT制御部の演算結果を受信して、受信した演算結果を多数決部303に送る。
多数決部303は、MPPT制御部301の演算結果すなわちDC−DCコンバータ11の入力電流の増減に関わる自演算結果と、通信部302から送られた他のDC−DCコンバータ12,13の演算結果に基づいて、後述する多数決処理により、各DC−DCコンバータ11,12,13の入力電流の増減を増大および低減のどちらか一方に統一した統一結果を出力する。
他の、DC−DCコンバータ12,13においても、同様の多数決処理により、DC−DC11と同じ統一結果が得られる。従って、各DC−DCコンバータ11,12,13において、入力電流の増減が増大および低減のどちらか一方となる。
MPPT制御部301は、多数決部303によって出力された統一結果に従って、入力電流を増減するようにDC/DC主回路部200を制御する。
なお、制御部300は、各DC−DCコンバータへの入力電流をバランスさせるためにカレントシェア制御部を備えている。図2において、カレントシェア制御部は、MPPT制御部301に含めているので、図示を省略している。カレントシェア制御部の動作の一例は、次のとおりである。
カレントシェア制御部は、電流センサ21で検出された入力電流の値を、通信部302を用いて、通信線3を介して他のDC−DCコンバータ12,13(図1)に送信する。通信部302は、DC−DCコンバータ11への入力電流の値を他のDC−DCコンバータ12,13(図1)に送信すると共に、他のDC−DCコンバータ12,13(図1)の入力電流の値を受信する。
カレントシェア制御部は、電流センサ21で検出された入力電流すなわちDC−DCコンバータ11の自入力電流の値と、受信した他のDC−DCコンバータ12,13(図1)の入力電流の値の平均値(例えば、算術平均値)を演算し、演算された平均値を電流指令値とする。そして、電流制御部は、電流センサ21によって検出される入力電流の値をこの電流指令値に一致するように電流制御を行う。各DC−DCコンバータが、同様の電流制御を行うことにより、各DC−DCコンバータへの入力電流をバランスさせることができる。これにより、本実施例におけるMPPT制御によって各DC−DCコンバータの入力電流を一斉に増減しても、一部のDC−DCコンバータが負担する入力電流が大きくなってDC−DCコンバータの寿命が短縮したり、故障が発生したりするという不都合が防止できる。
図3は、図2の制御部300における処理動作の流れの一例を示すフローチャートである。なお、個々の処理動作の詳細については、上述した通りである。
DC−DCコンバータが動作を開始すると、MPPT演算が実行される(ステップS1)。
次に、MPPT演算結果(自演算結果)が、他のDC−DCコンバータへ送信される(ステップS2)。
次に、他のDC−DCコンバータの演算結果(他の演算結果)が受信される(ステップS3)。
次に、自演算結果、およびステップS3で受信した他の演算結果から、多数決により、入力電流の増加および低減のどちらか一方に統一する統一結果を決定する(ステップS4)。
次に、ステップS4で決定された統一結果により入力電流を増減して入力電力を制御する(ステップS5)。
なお、上記の処理動作は、DC−DCコンバータが動作中、所定のMPPT制御周期で繰り返し実行される。
次に、図2の多数決部303の具体的動作、すなわち複数のMPPT演算結果を統一する手段について、図4を用いて説明する。
図4は、各DC−DCコンバータにおける演算結果と、これらに基づいて決定された統一結果を示す。
図4において、Result1,Result2およびResult3は、それぞれDC−DCコンバータ11,DC−DCコンバータ12およびDC−DCコンバータ13のMPPT演算結果を表している。Result1〜3について、「+1」は、次に入力電流を増加させることを示し、「−1」は、次に入力電流を減少させることを示す。また、Resultは、Result1〜Result3に基づいて決定された統一されたMPPT演算結果であり、「+」は、次に入力電流を増加させることを示し、「−」は、次に入力電流を減少させることを示す。
図4におけるCase1〜Case4に示すように、入力電流の増減の内、Result1〜Result3のMPPT演算結果において多い方に、Resultが決定される。すなわち、DC−DCコンバータ11〜13のMPPT演算結果に基づいて、多数決により、統一結果が決定される。
Case5に示すように、Result1〜Result3の+1と−1との間に線形な領域を設けて、多数決によって統一結果となるのに要する演算結果の個数、すなわちDC−DCコンバータの台数を、入力電流増加の場合と入力電流減少の場合とで異ならしめても良い。この場合は、Result1〜Result3の合計値の正負によりMPPT演算結果を統一する。
DC−DCコンバータ11〜13は、太陽電池1からの入力電力が少ない軽負荷状態においては、運転台数を減らした方が、電力変換装置全体として効率が高くなる場合がある。例えばDC−DCコンバータ13を休止させた場合には、Case6に示すように、Result1とResult2を統一することになるが、このように+1と−1のMPPT演算結果が同数の場合には、前回のMPPT演算で統一されたMPPT演算結果(Result)の極性を反転(Reverse)して、統一結果Resultとする。これにより、太陽電池1の動作点が、最大出力が得られる最適動作点の比較的近くにとどまり易くなる。なお、+1と−1のMPPT演算結果が同数の場合には、前述したようなMPPT結果の統一手段に限らず、「+」(入力電流増)か「−」(入力電流減)のいずれかに統一するようにしてもよい。なお、本統一手段は、一部のDC−DCコンバータを休止させる場合に限らず、偶数台のDC−DCコンバータの演算結果を統一する場合に適用できる。
上述の実施例1によれば、複数台のDC−DCコンバータの内のいずれかが故障しても、残りのDC−DCコンバータにおいてMPPT制御を継続することができる。従って、複数台のDC−DCコンバータが並列接続される電力変換装置の信頼性が向上する。
本実施例1では、並列接続される複数台のDC−DCコンバータの各々が、MPPT演算結果を統一する制御機能を有しているが、これに限らず、少なくとも2台のDC−DCコンバータが本制御機能を有するようにして、本制御機能を有するものと有さないものが混在するようにしても良い。この場合、本制御機能を有するDC−DCコンバータから本制御機能を有さないDC−DCコンバータへ、統一されたMPPT演算結果が送信される。
また、本実施例1において、いずれかのDC−DCコンバータをマスターとして、このマスターが、MPPT演算結果を統一して、統一結果を他のDC−DCコンバータへ送信しても良い。マスターが故障した場合は、予め設定されたマスター設定優先順位に従って、順位の最も高いDC−DCコンバータを新たにマスターとして、DC−DCコンバータのMPPT演算結果を統一する。
また、DC−DCコンバータとは別個に制御部を設け、この制御部が各DC−DCコンバータからMPPT演算結果を取得して、統一結果を決定し、決定された統一結果を各DC−DCコンバータに送信しても良い。この場合においても、複数台のDC−DCコンバータの内のいずれかが故障しても、統一結果によるMPPT制御を継続することができる。制御部を複数設け、冗長性を持たせれば、信頼性が向上する。
また、複数台のDC−DCコンバータの内、2台以上のDC−DCコンバータあるいはコンバータ(図5参照)がMPPT演算を実行し、かつMPPT演算を行わないDC−DCコンバータあるいはコンバータが含まれていても良い。この場合、MPPT演算を実行するDC−DCコンバータあるいはコンバータ間で統一結果を決定し、決定された統一結果を、MPPT演算を行わないDC−DCコンバータあるいはコンバータに送信する。MPPT演算を行わないDC−DCコンバータあるいはコンバータは、この統一結果に基づいて作成される制御指令によって電力制御を行う。
図5は、本発明の実施例2である電力変換装置の概略構成図である。
図5が示すように、電力変換装置101は、太陽電池1から直流電力を入力し、交流系統2へ交流電力を出力する。電力変換装置101は、並列接続されたコンバータ64〜66と、各コンバータ64〜66間で通信するための通信ライン4を備えている。コンバータ64〜66は、それぞれDC−DCコンバータ14〜16と、その後段に接続されたインバータ(DC−ACコンバータ)44〜46と、各コンバータ64〜66の入力電流を検出する電流センサ24〜26と、入力電圧を検出する電圧センサ34〜36と、制御部54〜56を備えている。
コンバータ64〜66の制御部54〜56は、太陽電池1から最大の電力を取り出すようにMPPT制御部を備えている。各コンバータ64〜66の入力電力を最大化するようMPPT演算を実施し、各MPPT演算結果を統一して、この統一されたMPPT演算結果を各コンバータ64〜66に反映する点は、実施例1の電力変換装置100と同様である。
なお、実施例2の電力変換装置101では、統一されたMPPT演算結果に基づいて、DC−DCコンバータ14〜16が備えた半導体スイッチング素子を制御しても良いし、インバータ44〜46が備えた半導体スイッチング素子を制御しても良い。なお、太陽電池1の出力をインバータ(DC−ACコンバータ)に直接入力できる場合には、DC−DCコンバータ14〜16は省略しても良い。
図6は、DC−DCコンバータ14〜16の回路構成例を示す。
図6に示すように、DC−DCコンバータ14〜16は、Hブリッジ回路17によって構成できる。Hブリッジ回路17における半導体スイッチング素子(図6では、MOSFET)Q1,Q2をオン・オフ制御することにより、コンデンサC1の両端に入力した電力をコンデンサC2の両端から出力する。
なお、DC−DCコンバータ14〜16は、Hブリッジ回路のほか、昇圧チョッパ回路や絶縁型DC−DCコンバータで構成しても良い。
図7は、インバータ44〜46の回路構成例を示す。
図7に示すように、インバータ44〜46は、フルブリッジ回路47によって構成できる。フルブリッジ回路47における半導体スイッチング素子(図6では、MOSFET)Q11〜Q14をオン・オフ制御することにより、コンデンサC3の両端に入力した直流電力を交流に変換して出力する。
なお、インバータ44〜46は、フルブリッジ回路のほか、三相インバータ回路や単相三線インバータ回路などで構成しても良い。
上述のように、本実施例2によれば、コンバータ64〜66がそれぞれDC−DCコンバータ14〜16とインバータ44〜46を備えているので、電力変換装置101を設置後に、コンバータを増設することにより容易に電力変換容量を増やすことができる。
なお、上述したような本発明によるMPPT制御は、太陽電池に限らず、出力電流または出力電圧に応じて動作点(電流、電圧)が変わり、出力電力が変わる直流電源に適用できる。そのような直流電源として、太陽電池のほか、燃料電池などがある。
なお、本発明は前述した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、前述した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置き換えをすることが可能である。
例えば、MPPT制御においては、入力電圧を増減して最大電力点を求めても良い。また、MPPT制御は、複数のDC−DCコンバータ(図1,5)の各出力電力、もしくは複数のインバータ(図5)の入力電力または出力電力を最大化するものでも良い。
1…太陽電池、2…交流系統、3,4…通信ライン、
11,12,13,14,15,16…DC−DCコンバータ、
21,22,23,24,25,26…電流センサ、
31,32,33,34,35,36…電圧センサ、
43,44,45,46…インバータ、54,55,56…制御部、
64,65,66…コンバータ、100,101…電力変換装置

Claims (15)

  1. 出力電流あるいは出力電圧に応じて動作点が変わる直流電源に並列接続される複数のコンバータを備える電力変換装置において、
    前記複数のコンバータの各々は前記直流電源の最大電力点追従演算を行なう最大電力点追従手段を備え、
    前記複数のコンバータの各々における最大電力点追従演算の結果を前記複数のコンバータ間で統一し、統一された演算結果に基づいて前記複数のコンバータの各々最大電力点追従制御されることを特徴とする電力変換装置。
  2. 請求項1に記載の電力変換装置において、
    前記最大電力点追従演算の結果を多数決により統一する多数決手段を有することを特徴とする電力変換装置。
  3. 請求項2に記載の電力変換装置において、
    前記多数決手段は、前記複数のコンバータの各々が備える多数決部であることを特徴とする電力変換装置。
  4. 請求項3に記載の電力変換装置において、
    前記複数のコンバータは、前記最大電力点追従演算の結果を前記多数決部に送信することを特徴とする電力変換装置。
  5. 請求項1に記載の電力変換装置において、
    前記直流電源からの入力電力量に応じて、前記複数のコンバータの内の運転するコンバータの台数を変化させ、運転するコンバータ間で前記最大電力点追従演算の結果を統一することを特徴とする電力変換装置。
  6. 請求項1に記載の電力変換装置において、
    前記最大電力点追従演算の結果は、前記直流電源の動作点の最適化に関する情報を有することを特徴とする電力変換装置。
  7. 請求項6に記載の電力変換装置において、
    前記直流電源の動作点の最適化に関する前記情報は、各コンバータの入力電力または出力電力を最大化するための情報であることを特徴とする電力変換装置。
  8. 請求項7に記載の電力変換装置において、
    前記各コンバータの入力電力または出力電力を最大化するための情報は、前記複数のコンバータの入力電力の増減に関する情報、前記複数のコンバータの入力電流の増減に関する情報、前記複数のコンバータの入力電圧の増減に関する情報、前記複数のコンバータの入出力電圧比の増減に関する情報、および前記複数のコンバータが備えるスイッチング素子のオン時間比率の増減に関する情報の内のいずれかの情報であることを特徴とする電力変換装置。
  9. 請求項8に記載の電力変換装置において、
    前記複数のコンバータの最大電力点追従演算の結果は、前記いずれかの情報の増減に関し、増大および減少のどちらか一方に統一することを特徴とする電力変換装置。
  10. 請求項9に記載の電力変換装置において、
    前記複数のコンバータの最大電力点追従演算の結果は、多数決で増大および減少のどちらか一方に統一することを特徴とする電力変換装置。
  11. 請求項10に記載の電力変換装置において、
    前記複数のコンバータの最大電力点追従演算の結果が、前記いずれかの情報の増減に関し、増大および減少が同数である場合、前回の制御周期における最大電力点追従演算の統一結果を反転して現制御周期における統一結果とすることを特徴とする電力変換装置。
  12. 請求項10に記載の電力変換装置において、
    多数決に要する演算結果の個数が、増大と減少とで異なることを特徴とする電力変換装置。
  13. 請求項1に記載の電力変換装置において、
    前記複数のコンバータは、各入力電流が同程度になるように制御されることを特徴とする電力変換装置。
  14. 請求項1に記載の電力変換装置において、
    前記複数のコンバータの各々は、DC−DCコンバータとインバータとを備えることを特徴とする電力変換装置。
  15. 請求項1に記載の電力変換装置において、
    前記直流電源は、太陽電池あるいは燃料電池であることを特徴とする電力変換装置。
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