JP6607134B2 - Ｄｃ／ｄｃコンバータ及び太陽発電システム - Google Patents

Description

本発明は、蓄電池（バッテリ）に充電された電力を系統連系型のパワーコンディショナへ送電するＤＣ／ＤＣコンバータ及び太陽発電システムに関する。

蓄電池に充電された電力を系統連系型のパワーコンディショナ経由で送電する場合、一般的に、パワーコンディショナは、ＭＰＰＴ（Maximum Power Point Tracking：最大電力点追従機能）を備えているため、定電圧、定電流のＤＣ−ＤＣコンバータのＶ−Ｉ（出力電圧・出力電流）特性でパワーコンディショナへ入力した場合、ＭＰＰＴが正常に動作しない。

パワーコンディショナのＭＰＰＴを正常に動作させるためには、太陽電池のＶ−Ｉ特性を擬似的に作り出す必要がある。太陽電池のＶ−Ｉ特性を擬似的に作り出す擬似電源装置としては、パワーコンディショナの特性試験時に入力電源として用いるものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

ＷＯ２００７／１２５６９号公報

しかしながら、蓄電池電圧は、満充電時と放電終止時とで異なることや、蓄電池自身のバラツキによっても異なる。また、従来の擬似電源装置は、予めインプットされたＶ−Ｉ特性にしたがって動作する。従って、擬似電源装置にインプットされるＶ−Ｉ特性は、最も低い蓄電池電圧に応じて設定されることになる。これにより、蓄電池電圧に応じた入出力電圧変換比の変化によって変換効率も変動し、条件によっては売電量が少なくなる虞が生じる。

本発明の目的は、上記の課題に鑑み、蓄電池に充電した電力を蓄電池電圧に応じたＶ−Ｉ特性で系統連系型のパワーコンディショナへ送電することができるＤＣ／ＤＣコンバータ及び太陽発電システムを提供することにある。

本発明に係るＤＣ／ＤＣコンバータは、上記の目的を達成するため、次のように構成される。
本発明のＤＣ／ＤＣコンバータは、蓄電池に充電された電力を系統連系型のパワーコンディショナへ送電するＤＣ／ＤＣコンバータであって、前記蓄電池の蓄電池電圧を検出する入力電圧検出部と、太陽電池の特性を模擬したＶ−Ｉ特性を前記蓄電池電圧に応じて生成するＶ−Ｉ特性生成部と、前記蓄電池に充電された電力を前記Ｖ−Ｉ特性生成部によって生成された前記Ｖ−Ｉ特性に変換して出力する電力制御回路とを具備することを特徴とする。
さらに、本発明に係るＤＣ／ＤＣコンバータにおいて、前記Ｖ−Ｉ特性生成部によって生成される前記Ｖ−Ｉ特性は、開放電圧と出力電力最大点との間の第１特性線と、前記出力電力最大点と短絡電流との間の第２特性線とがいずれも傾きを持った直線であっても良い。
さらに、本発明に係るＤＣ／ＤＣコンバータにおいて、前記Ｖ−Ｉ特性生成部によって生成される前記Ｖ−Ｉ特性における、前記第１特性線の傾きの設定と、前記第２特性線の傾きの設定とを受け付ける傾斜角設定部を具備しても良い。
さらに、本発明に係るＤＣ／ＤＣコンバータにおいて、前記Ｖ−Ｉ特性生成部は、前記蓄電池電圧に基づいて前記開放電圧を決定した後に、前記開放電圧及び前記第１特性線の傾きに基づき、前記開放電圧を通る第１特性線上において、電力が前記パワーコンディショナの最大定格出力となるポイントを前記出力電力最大点として決定しても良い。
さらに、本発明に係るＤＣ／ＤＣコンバータにおいて、前記Ｖ−Ｉ特性生成部は、前記開放電圧を前記蓄電池電圧にて決定しても良い。
また、本発明の太陽光発電システムは、蓄電池と、系統連系型のＭＰＰＴ機能を備えたパワーコンディショナと、前記蓄電池に充電された電力を前記パワーコンディショナへ送電する請求項１乃至５のいずれかに記載のＤＣ／ＤＣコンバータと、太陽電池とを具備し、前記ＤＣ／ＤＣコンバータは、前記太陽電池で発電された電力を前記蓄電池に充電する双方向コンバータであることを特徴とする。

本発明によれば、出力電圧及び出力電流は太陽電池の特性を模擬したＶ−Ｉ特性を有しているため、パワーコンディショナのＭＰＰＴ機能を動作させることができると共に、蓄電池に充電した電力を蓄電池電圧に応じたＶ−Ｉ特性で系統連系型のパワーコンディショナへ送電することができ、蓄電池電圧の変動に関わらず、安定した高い変換効率で動作させることができるという効果を奏する。

本発明に係るＤＣ／ＤＣコンバータの実施の形態の構成を示すブロック図である。 図１に示すＤＣ／ＤＣコンバータから出力される電力のＶ−Ｉ特性例を示す図である。 図１に示すＤＣ／ＤＣコンバータにおけるＶ−Ｉ特性及び電圧指令値の生成動作を説明するフローチャートである。 図１に示すＤＣ／ＤＣコンバータにおけるＶ−Ｉ特性及び電圧指令値の生成動作を説明する説明図である。 図１に示すＤＣ／ＤＣコンバータから出力される電力のＶ−Ｉ特性例を示す図である。

次に、本発明の実施の形態を、図面を参照して具体的に説明する。
本実施の形態のＤＣ−ＤＣコンバータ１０は、蓄電池３０と、系統連系型のパワーコンディショナ４０と、太陽電池５０とで太陽光発電システムを構成している。

ＤＣ−ＤＣコンバータ１０は、双方向コンバータであり、蓄電池３０には、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０経由で太陽電池５０によって発電された電力が充電される。

パワーコンディショナ４０は、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０からの直流電力を交流電力に変換して電力系統６０に供給する電力変換装置であり、出力電圧を僅かに変えて、出力電力最大点を探すＭＰＰＴ（Maximum Power Point Tracking：最大電力点追従）機能を備えている。

ＤＣ／ＤＣコンバータ１０は、売電目的で、蓄電池３０に充電された電力をパワーコンディショナへ送電する。ＤＣ−ＤＣコンバータ１０は、パワーコンディショナ４０のＭＰＰＴ機能を動作させるために、蓄電池３０に充電された電力を、太陽電池５０の特性を模擬した、図２に示すようなＶ−Ｉ特性を備えた電力に変換させる電力変換装置である。ＤＣ−ＤＣコンバータ１０は、電力変換回路１１と、入力電圧検出部１２と、出力電流検出部１３と、出力電圧検出部１４と、傾斜角設定部１５と、Ｖ−Ｉ特性生成部１６と、電圧指令値生成部１７と、誤差増幅部１８と、ＰＷＭ信号生成部１９とを備えている。

電力変換回路１１は、蓄電池３０に充電された電力をスイッチング素子でスイッチング制御する電力制御回路を備えている。

入力電圧検出部１２は、電力変換回路１１に入力される蓄電池電圧Ｖ_ｂを検出する。出力電流検出部１３は、電力変換回路１１から出力される出力電流Ｉ_Ｏを検出する。出力電圧検出部１４は、電力変換回路１１から出力される出力電圧Ｖ_Ｏを検出する。

傾斜角設定部１５は、図示しない入力部等によって、パワーコンディショナ４０におけるＭＰＰＴ機能に応じた第１傾斜角αと、第２傾斜角βとの設定を受け付ける。ＤＣ−ＤＣコンバータ１０から出力される電力（出力電圧Ｖ_Ｏ及び出力電流Ｉ_Ｏ）のＶ−Ｉ特性は、図２に示すように、開放電圧Ｖ_ＯＣと出力電力最大点（最大動作電圧Ｖ_Ｐ、最大動作電流Ｉ_Ｐ）との間の第１特性線と、出力電力最大点（Ｖ_Ｐ、Ｉ_Ｐ）と短絡電流Ｉ_ＳＣとの間の第２特性線とはいずれも傾きを持った直線となる。第１傾斜角αは、出力電力最大点（Ｖ_Ｐ、Ｉ_Ｐ）よりも高い電圧領域である開放電圧Ｖ_ＯＣと出力電力最大点（Ｖ_Ｐ、Ｉ_Ｐ）との間の第１特性線の傾きであり、出力電流Ｉ_Ｏの増加に比例して出力電圧Ｖ_Ｏがわずかに減少するように設定される。第２傾斜角βは、出力電力最大点（Ｖ_Ｐ、Ｉ_Ｐ）よりも低い電圧領域である出力電力最大点（Ｖ_Ｐ、Ｉ_Ｐ）と短絡電流Ｉ_ＳＣとの間の第２特性線の傾きであり、出力電圧Ｖ_Ｏの減少に比例して出力電流Ｉ_Ｏがわずかに増加するように設定される。なお、電力を供給するパワーコンディショナ４０が決まっている場合には、第１傾斜角α及び第２傾斜角βを予め設定しておくようにしても良い。

Ｖ−Ｉ特性生成部１６は、入力電圧検出部１２によって検出された蓄電池電圧Ｖ_ｂと、傾斜角設定部１５に設定された第１傾斜角α及び第２傾斜角βとに基づいてＶ−Ｉ特性を生成する。

電圧指令値生成部１７は、Ｖ−Ｉ特性生成部１６によって生成されたＶ−Ｉ特性と、出力電流検出部１３によって検出された出力電流Ｉ_Ｏとに基づいて電圧指令値Ｖ^＊を生成する。

誤差増幅部１８は、電圧指令値Ｖ^＊と、出力電圧検出部１４によって検出された出力電圧Ｖ_Ｏとの誤差信号をＰＷＭ信号生成部１９に供給する。そして、ＰＷＭ信号生成部１９は、誤差信号に応じたＰＷＭ信号を生成し、生成したＰＷＭ信号で電力変換回路１１のスイッチング素子を駆動する、これにより、出力電圧Ｖ_Ｏが電圧指令値Ｖ^＊を目標としてフィードバック制御され、出力電圧Ｖ_Ｏ及び出力電流Ｉ_Ｏは、Ｖ−Ｉ特性生成部１６によって生成されたＶ−Ｉ特性で出力され、パワーコンディショナ４０のＭＰＰＴ機能を動作させることができる。

次に、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０におけるＶ−Ｉ特性及び電圧指令値の生成動作について図３及び図４を参照して詳細に説明する。

まず、入力電圧検出部１２は、電力変換回路１１に入力される蓄電池電圧Ｖ_ｂを検出する（ステップＳ１）。そして、Ｖ−Ｉ特性生成部１６は、開放電圧決定部１６１として機能し、入力電圧検出部１２によって検出された蓄電池電圧Ｖ_ｂに基づいて、蓄電池電圧Ｖ_ｂ以下の開放電圧Ｖ_ＯＣを決定する（ステップＳ２）。なお、開放電圧Ｖ_ＯＣは、蓄電池電圧Ｖ_ｂから予め設定した値を減算して求めても良く、蓄電池電圧Ｖ_ｂに予め設定した係数を乗算して求めても良い。

次に、Ｖ−Ｉ特性生成部１６は、最大動作点決定部１６２として機能し、開放電圧Ｖ_ＯＣと、傾斜角設定部１５に設定された第１傾斜角αとに基づいて出力電力最大点（Ｖ_Ｐ、Ｉ_Ｐ）を決定する（ステップＳ３）。Ｖ−Ｉ特性生成部１６は、開放電圧Ｖ_ＯＣを通る第１傾斜角αの第１特性線上において、最大動作電圧Ｖ_Ｐ×最大動作電流Ｉ_Ｐがパワーコンディショナ４０の最大定格出力となるポイントを出力電力最大点（Ｖ_Ｐ、Ｉ_Ｐ）として決定する。なお、一般的に入出力電圧変換比（最大動作電圧Ｖ_Ｐ／蓄電池電圧Ｖ_ｂ）が高いほど変換効率が高くなる。従って、開放電圧Ｖ_ＯＣを蓄電池電圧Ｖ_ｂにて決定し、第１傾斜角αは、パワーコンディショナ４０のＭＰＰＴ機能を動作させることができる最小角度に設定すると良い。

次に、Ｖ−Ｉ特性生成部１６は、短絡電流決定部１６３として機能し、出力電力最大点（Ｖ_Ｐ、Ｉ_Ｐ）と、傾斜角設定部１５に設定された第２傾斜角βとに基づいて短絡電流Ｉ_ＳＣを決定する（ステップＳ４）。開放電圧Ｖ_ＯＣと出力電力最大点（Ｖ_Ｐ、Ｉ_Ｐ）との直線で結ぶと共に、出力電力最大点（Ｖ_Ｐ、Ｉ_Ｐ）と短絡電流Ｉ_ＳＣとを直線で結ぶＶ−Ｉ特性が生成される。

次に、出力電流検出部１３は、電力変換回路１１から出力される出力電流Ｉ_Ｏ＝Ａを検出する（ステップＳ５）。そして、電圧指令値生成部１７は、出力電流検出部１３によって検出された出力電流Ｉ_Ｏ＝Ａに対応する、Ｖ−Ｉ特性生成部１６によって生成されたＶ−Ｉ特性上の電圧を電圧指令値Ｖ^＊として生成する（ステップＳ６）。

上述のように、本実施の形態のＤＣ−ＤＣコンバータ１０では、蓄電池電圧Ｖ_ｂに基づいて開放電圧Ｖ_ＯＣが決定され、開放電圧Ｖ_ＯＣと第１傾斜角αとに基づいて出力電力最大点（Ｖ_Ｐ、Ｉ_Ｐ）が決定される。すなわち、本実施の形態のＤＣ−ＤＣコンバータ１０では、蓄電池電圧Ｖ_ｂの変動に伴って、出力電力最大点（Ｖ_Ｐ、Ｉ_Ｐ）も変動する。例えば、周囲温度等の使用環境の変動により、蓄電池電圧Ｖ_ｂ１が蓄電池電圧Ｖ_ｂ２に減少すると、図５に示すように、開放電圧Ｖ_ＯＣ及び最大動作電圧Ｖ_Ｐが減少し、最大動作電流Ｉ_Ｐ及び短絡電流Ｉ_ＳＣが増加する。従って、蓄電池３０に充電した電力を蓄電池電圧Ｖ_ｂに応じたＶ−Ｉ特性で系統連系型のパワーコンディショナ４０へ送電することができ、蓄電池電圧Ｖ_ｂが変動しても入出力電圧変換比がほぼ変化しない。これにより、蓄電池電圧Ｖ_ｂの変動に関わらず、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０を安定した高い変換効率で動作させることができる。

以上説明したように、本実施の形態は、蓄電池３０に充電された電力を系統連系型のパワーコンディショナ４０へ送電するＤＣ／ＤＣコンバータ１０であって、蓄電池３０の蓄電池電圧Ｖ_ｂを検出する入力電圧検出部１２と、太陽電池５０の特性を模擬したＶ−Ｉ特性を蓄電池電圧Ｖ_ｂに応じて生成するＶ−Ｉ特性生成部１６と、蓄電池３０に充電された電力をＶ−Ｉ特性生成部１６によって生成されたＶ−Ｉ特性に変換して出力する電力制御回路とを具備することを特徴とする。
この構成により、出力電圧Ｖ_Ｏ及び出力電流Ｉ_Ｏは太陽電池５０の特性を模擬したＶ−Ｉ特性を有しているため、パワーコンディショナ４０のＭＰＰＴ機能を動作させることができると共に、蓄電池３０に充電した電力を蓄電池電圧Ｖ_ｂに応じたＶ−Ｉ特性で系統連系型のパワーコンディショナ４０へ送電することができ、蓄電池電圧Ｖ_ｂが変動しても入出力電圧変換比がほぼ変化しない。これにより、蓄電池電圧Ｖ_ｂの変動に関わらず、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０を安定した高い変換効率で動作させることができる。

さらに、本実施の形態において、Ｖ−Ｉ特性生成部１６によって生成されるＶ−Ｉ特性は、開放電圧Ｖ_ＯＣと出力電力最大点（Ｖ_Ｐ、Ｉ_Ｐ）との間の第１特性線と、出力電力最大点（Ｖ_Ｐ、Ｉ_Ｐ）と短絡電流Ｉ_ＳＣとの間の第２特性線とがいずれも傾きを持った直線である。
この構成により、第１特性線の傾き（第１傾斜角α）と第２特性線の傾き（第２傾斜角β）とを設定するだけで、太陽電池５０の特性を模擬したＶ−Ｉ特性を簡単に生成させることができる。

さらに、本実施の形態において、Ｖ−Ｉ特性生成部１６によって生成されるＶ−Ｉ特性における、第１特性線の傾き（第１傾斜角α）の設定と、第２特性線の傾き（第２傾斜角β）の設定とを受け付ける傾斜角設定部１５を備えている。
この構成により、パワーコンディショナ４０に応じたＶ−Ｉ特性を簡単に生成させることができる。

さらに、本実施の形態において、Ｖ−Ｉ特性生成部１６は、蓄電池電圧Ｖ_ｂに基づいて開放電圧Ｖ_ＯＣを決定した後に、開放電圧Ｖ_ＯＣ及び第１特性線の傾き（第１傾斜角α）に基づき、開放電圧Ｖ_ＯＣを通る第１特性線上において、電力（最大動作電圧Ｖ_Ｐ×最大動作電流Ｉ_Ｐ）がパワーコンディショナ４０の最大定格出力となるポイントを出力電力最大点（Ｖ_Ｐ、Ｉ_Ｐ）として決定する。
この構成により、蓄電池電圧Ｖ_ｂに応じたＶ−Ｉ特性を簡単に生成させることができる。

さらに、本実施の形態において、Ｖ−Ｉ特性生成部１６は、開放電圧Ｖ_ＯＣを蓄電池電圧Ｖ_ｂに決定する。
この構成により、第１特性線の傾き（第１傾斜角α）が同じである場合、蓄電池電圧Ｖ_ｂに応じて決定される最大動作電圧Ｖ_Ｐを最も高くすることができる。これにより、一般的にパワーコンディショナ４０は入力電圧が高いほど変換効率が高くなるため、パワーコンディショナ４０を含めたシステム全体の効率改善にも寄与する。

以上の実施の形態で説明された構成、形状、大きさ及び配置関係については本発明が理解・実施できる程度に概略的に示したものにすぎず、また数値及び各構成の組成（材質）等については例示にすぎない。従って本発明は、説明された実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に示される技術的思想の範囲を逸脱しない限り様々な形態に変更することができる。

１０ ＤＣ／ＤＣコンバータ
１１ 電力変換回路
１２ 入力電圧検出部
１３ 出力電流検出部
１４ 出力電圧検出部
１５ 傾斜角設定部
１６ Ｖ−Ｉ特性生成部
１７ 電圧指令値生成部
１８ 誤差増幅部
１９ ＰＷＭ信号生成部
３０ 蓄電池
４０ パワーコンディショナ
５０ 太陽電池
６０ 電力系統
１６１ 開放電圧決定部
１６２ 最大動作点決定部
１６３ 短絡電流決定部

Claims (6)

1. 蓄電池に充電された電力を系統連系型のパワーコンディショナへ送電するＤＣ／ＤＣコンバータであって、
   前記蓄電池の蓄電池電圧を検出する入力電圧検出部と、
   太陽電池の特性を模擬したＶ−Ｉ特性を前記蓄電池電圧に応じて生成するＶ−Ｉ特性生成部と、
   前記蓄電池に充電された電力を前記Ｖ−Ｉ特性生成部によって生成された前記Ｖ−Ｉ特性に変換して出力する電力制御回路とを具備することを特徴とするＤＣ／ＤＣコンバータ。
2. 前記Ｖ−Ｉ特性生成部によって生成される前記Ｖ−Ｉ特性は、開放電圧と出力電力最大点との間の第１特性線と、前記出力電力最大点と短絡電流との間の第２特性線とがいずれも傾きを持った直線であることを特徴とする請求項１記載のＤＣ／ＤＣコンバータ。
3. 前記Ｖ−Ｉ特性生成部によって生成される前記Ｖ−Ｉ特性における、前記第１特性線の傾きの設定と、前記第２特性線の傾きの設定とを受け付ける傾斜角設定部を具備することを特徴とする請求項２記載のＤＣ／ＤＣコンバータ。
4. 前記Ｖ−Ｉ特性生成部は、前記蓄電池電圧に基づいて前記開放電圧を決定した後に、前記開放電圧及び前記第１特性線の傾きに基づき、前記開放電圧を通る第１特性線上において、電力が前記パワーコンディショナの最大定格出力となるポイントを前記出力電力最大点として決定することを特徴とする請求項３記載のＤＣ／ＤＣコンバータ。
5. 前記Ｖ−Ｉ特性生成部は、前記開放電圧を前記蓄電池電圧にて決定することを特徴とする請求項２乃至４のいずれかに記載のＤＣ／ＤＣコンバータ。
6. 蓄電池と、
   系統連系型のＭＰＰＴ機能を備えたパワーコンディショナと、
   前記蓄電池に充電された電力を前記パワーコンディショナへ送電する請求項１乃至５のいずれかに記載のＤＣ／ＤＣコンバータと、
   太陽電池とを具備し、
   前記ＤＣ／ＤＣコンバータは、前記太陽電池で発電された電力を前記蓄電池に充電する双方向コンバータであることを特徴とする太陽光発電システム。

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