JP6706927B2

JP6706927B2 - 電力変換装置

Info

Publication number: JP6706927B2
Application number: JP2016022382A
Authority: JP
Inventors: 木村　友昭; 友昭木村
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2016-02-09
Filing date: 2016-02-09
Publication date: 2020-06-10
Anticipated expiration: 2036-02-09
Also published as: JP2017142586A

Description

本発明は、直流電圧源の出力を交流に変換して負荷に出力する電力変換装置に関する。

直流電圧源を交流に変換して負荷に交流電力を出力する電力変換装置の運転は、交流電力を系統へ出力する連系運転と、交流電力を負荷へ直接出力する自立運転とに分けられる。直流電圧源の一例である太陽電池の出力には最適動作点が存在し、動作点がこの最適動作点に存在するときに発電可能電力に相当する電力を出力することができる。従来の太陽電池が接続された電力変換装置では、発電可能電力に相当する電力を出力できておらず発電余力が存在する状態であってもユーザーがそれを認知することができない構成が一般的であった。

従来技術である特許文献１には、直流電圧源が最適動作点付近で動作しているか否かを推定し、この最適動作点と実際の動作点との関係を表示する技術が開示されている。

国際公開第２０１３／１４５０７９号

しかしながら、上記の従来技術によれば、発電余力の絶対値を表示することができない。そのため、発電余力が足りないにも関わらず負荷が追加されてしまうことで消費電力が発電可能電力を超えてしまうことがある、という問題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、発電余力の絶対値を通知する電力変換装置を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、直流電圧源から出力された直流電力を交流電力に変換し、接続された負荷へ交流電力を出力する電力変換装置であって、前記直流電圧源からの出力電圧及び出力電流により前記直流電圧源の現在の発電電力を演算する電力演算部と、前記直流電圧源の出力電圧Ｖと出力電力ＰとのＰ−Ｖ曲線における最適動作点の出力電力値である発電可能電力を演算し、前記発電可能電力と前記現在の発電電力との差である発電余力を演算する発電余力演算部と、前記発電余力を表示する表示部とを備え、前記発電余力演算部は、前記最適動作点の出力電圧値以上の出力電圧値となっている異なる２つの動作点における出力電圧及び出力電力の値と、前記２つの動作点それぞれの電力の電圧微分値ｄＰ/ｄＶとを用いて、前記発電可能電力及び前記発電可能電力における出力電圧を演算することを特徴とする。

本発明によれば、発電余力の絶対値を通知する電力変換装置を得ることができるという効果を奏する。

実施の形態１に係る電力変換装置とその周辺の構成の一例を示す図実施の形態１における太陽電池の特性の一例を示す図実施の形態１における電力の電圧微分値ｄＰ／ｄＶを示す図実施の形態２における太陽電池の特性の一例を示す図実施の形態１，２に係る電力変換装置内の電力演算部、ｄＰ／ｄＶ演算部、発電余力演算部及び表示部を実現するハードウェアの一般的な構成の一例を示す図

以下に、本発明の実施の形態に係る電力変換装置を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る電力変換装置２０とその周辺の構成の一例を示す図である。図１には、直流電圧源である太陽電池１、交流負荷である負荷２、電力変換部３、太陽電池１の出力電圧を昇圧又は降圧する昇降圧回路４、昇降圧回路４の出力である直流電力を平滑する平滑回路５、平滑回路５で平滑された直流電力を交流電力へ変換するインバータ回路６、負荷２と電力変換部３との接続と切断とを切り替えるスイッチ回路７、太陽電池１の出力電流を計測する電流計測部８、太陽電池１の出力電圧を計測する電圧計測部９、電流計測部８による計測結果である電流計測値Ｉ及び電圧計測部９による計測結果である電圧計測値Ｖから電力Ｐを演算する電力演算部１０、微小な時間間隔での計測値である電圧Ｖ及び演算値である電力Ｐを監視しつつ前回計測時の電圧Ｖ及び電力Ｐから今回計測時の電圧Ｖ及び電力Ｐへの変化量により電力の電圧微分値ｄＰ／ｄＶを演算するｄＰ／ｄＶ演算部１１、電力の電圧微分値ｄＰ／ｄＶと電圧Ｖと電力Ｐとから発電可能電力Ｐｍを演算して発電余力Ｐｒを演算する発電余力演算部１２及び発電余力演算部１２の結果をユーザーへ通知する表示部１３が示されている。

次に、電力演算部１０、ｄＰ／ｄＶ演算部１１及び発電余力演算部１２が行う演算について説明する。図２は、実施の形態１における太陽電池１の特性の一例を示す図である。図２には、横軸に太陽電池１の出力電圧である電圧Ｖをとり、縦軸に太陽電池１の発電電力である電力ＰをとったＰ−Ｖ曲線と、横軸に電圧Ｖをとり、縦軸に電力の電圧微分値ｄＰ／ｄＶをとったＶ−ｄＰ／ｄＶ特性とが示されている。電力の電圧微分値ｄＰ／ｄＶは、電力Ｐの時間微分値ｄＰ／ｄｔを電圧Ｖの時間微分値ｄＶ／ｄｔで割ったものである。

太陽電池１の動作点は、Ｐ−Ｖ曲線上を動く。第１の動作点Ａ（Ｖｏｃ，０）は無負荷時の動作点である。ここで、Ｖｏｃは、太陽電池１の開放電圧である。第２の動作点Ｂ（Ｖｓ，Ｐｓ）は接続された負荷２が動作している時の動作点である。ここで、Ｖｓは動作時の電圧であり、Ｐｓは動作時の電力である。第３の動作点Ｃ（Ｖｍ，Ｐｍ）は、太陽電池１の最適動作点である。ここで、Ｐｍは太陽電池１の発電可能電力であり、ＶｍはＰｍにおける電圧である。電力変換部３に負荷２を接続して動作させると、太陽電池１の動作点は、第１の動作点Ａ（Ｖｏｃ，０）から第２の動作点Ｂ（Ｖｓ，Ｐｓ）まで移動する。Ｖｏｃ、Ｖｓ及びＰｓの値は、電流計測部８及び電圧計測部９によって既知である。しかしながら、動作点の位置は負荷の消費電力によって決まり、第３の動作点Ｃ（Ｖｍ，Ｐｍ）まで到達するとは限らず、Ｖｍ及びＰｍの値は未知であることが多い。発電余力Ｐｒは、ＰｍとＰｓとの差により演算される。

図３は、実施の形態１における電力の電圧微分値ｄＰ／ｄＶを示す図である。無負荷時に負荷２を接続して動作させ、負荷２が電力を消費することにより動作点は第１の動作点Ａ（Ｖｏｃ，０）から第２の動作点Ｂ（Ｖｓ，Ｐｓ）まで移動する。電流計測部８及び電圧計測部９は、微小な時間間隔で電流及び電圧の計測を行う。電力演算部１０、ｄＰ／ｄＶ演算部１１及び発電余力演算部１２は、電流計測部８及び電圧計測部９が計測した値を用いて演算を行う。

第１の動作点Ａ（Ｖｏｃ，０）における電力の電圧微分値ｄＰ／ｄＶは、電力消費開始時に動作点が第１の動作点Ａ（Ｖｏｃ，０）から微小移動したとき、電力Ｐの時間微分値ｄＰ／ｄｔを電圧Ｖの時間微分値ｄＶ／ｄｔで割ることにより演算される。これは、図３において、第１の動作点Ａ（Ｖｏｃ，０）の部分における傾きΔＰ／ΔＶを演算することと同じである。

また、第２の動作点Ｂ（Ｖｓ，Ｐｓ）における電力の電圧微分値ｄＰ／ｄＶは、動作点が微小移動して第２の動作点Ｂ（Ｖｓ，Ｐｓ）へ到達したとき、電力Ｐの時間微分値ｄＰ／ｄｔを電圧Ｖの時間微分値ｄＶ／ｄｔで割ることにより演算される。これも、図３において、第２の動作点Ｂ（Ｖｓ，Ｐｓ）部分における傾きΔＰ／ΔＶを演算することと同じである。

次に、発電余力演算部１２が発電余力Ｐｒを演算して表示部１３に表示するまでの動作について説明する。第１に、Ｐ−Ｖ曲線上の無負荷時の動作点である第１の動作点Ａ（Ｖｏｃ，０）及び電力消費時の動作点である第２の動作点Ｂ（Ｖｓ，Ｐｓ）において、電圧を計測し、電力演算部１０が電力Ｐを演算し、ｄＰ／ｄＶ演算部１１が電力の電圧微分値ｄＰ／ｄＶを演算する。

第２に、Ｐ−Ｖ曲線上の最適動作点である第３の動作点Ｃ（Ｖｍ，Ｐｍ）から無負荷時の動作点である第１の動作点Ａ（Ｖｏｃ，０）までの軌跡を、上に凸の二次関数とする。ただし、第３の動作点Ｃ（Ｖｍ，Ｐｍ）において、電力の電圧微分値ｄＰ／ｄＶ＝０であり、ｄＰ／ｄＶ＝０となる点の電力値がＰｍである。Ｐ−Ｖ曲線を二次関数としたので、電圧Ｖと、電力の電圧微分値ｄＰ／ｄＶとの関係を表すグラフは図２に示すように直線で表される。

図３において、二次関数Ｐ＝ｆ（Ｖ）に対し、ｆ（Ｖ）をＶについて微分した関数をｆ’（Ｖ）と表す。ここで、負荷使用時の動作点である第２の動作点Ｂ（Ｖｓ，Ｐｓ）、Ｖ＝Ｖｓにおける傾きｆ’（Ｖｓ）、無負荷時の動作点である第１の動作点Ａ（Ｖｏｃ，０）及びＶ＝Ｖｏｃにおける傾きｆ’（Ｖｏｃ）は、既知である。

電圧Ｖと電力の電圧微分値ｄＰ／ｄＶとの関係を表すグラフは直線であるので正の係数ａ，ｂを用いて、ｆ’（Ｖ）＝−ａＶ＋ｂと表すと、ｆ’（Ｖｍ）＝０からＶｍ＝ｂ／ａであり、Ｖｍ＝｛Ｖｏｃ・ｆ’（Ｖｓ）−Ｖｓ・ｆ’（Ｖｏｃ）｝／｛ｆ’（Ｖｓ）−ｆ’（Ｖｏｃ）｝と表される。正の係数ｃを用いて、二次関数Ｐ＝ｆ（Ｖ）をｆ（Ｖ）＝−ｃ（Ｖ−Ｖｍ）^２＋Ｐｍと表すと、この二次関数は第１の動作点Ａ（Ｖｏｃ，０）を通るので、ｃ＝Ｐｍ／（Ｖｏｃ−Ｖｍ）^２である。従って、Ｐｍ＝Ｐｓ／｛１−（Ｖｓ−Ｖｍ）^２／（Ｖｏｃ−Ｖｍ）^２｝である。

第３に、発電余力演算部１２が発電余力ＰｒをＰｒ＝Ｐｍ−Ｐｓと演算する。

第４に、上記のように演算した発電余力Ｐｒを表示部１３に表示する。ただし、電力変換装置２０は表示部１３に代えて音声部を備えていてもよく、図示しない音声部から発電余力Ｐｒを音声アナウンスすることでユーザーに通知してもよい。又は、発電余力Ｐｒを図示しない音声部から音声アナウンスしつつ、発電余力Ｐｒを表示部１３に表示してもよい。

なお、実施の形態１においては、説明を簡略化するために、無負荷時の動作点である第１の動作点Ａ（Ｖｏｃ，０）と、負荷使用時の動作点である第２の動作点Ｂ（Ｖｓ，Ｐｓ）とを用いて説明したが、負荷使用時の動作点を２つ用いることによってもＰｍの演算は可能である。

また、実施の形態１の説明においては、自立運転の場合を想定して説明したが、太陽電池１の第１の動作点Ａ（Ｖｏｃ，０）から第２の動作点Ｂ（Ｖｓ，Ｐｓ）までの値を計測することができれば発電余力Ｐｒの絶対値を演算可能であるため、連系運転の場合であっても実施の形態１にて説明した方法を適用可能である。

実施の形態１では、ユーザーが発電可能電力を認識可能であるため、自立運転における負荷の使用時にユーザーが発電余力の絶対値を知ることができる。また、実施の形態１によれば、自立運転での負荷の使用時に、更なる負荷を追加すると消費電力が発電可能電力を超えて電力変換装置の自立運転が出力停止してしまう場面においても、ユーザーが発電余力を認識しているため、更なる負荷を追加することを中止し、電力変換装置の出力が停止してしまうことを防止することができる。

また、実施の形態１によれば、日射量が少ない時間帯において発電余力がほとんどない場面が頻発する場合に、これをユーザーが認識することができるので、負荷を使用するタイムスケジュールを調整して、日射量が多い時間帯に負荷を集中して使用するようにして安定した電力の運用を行うことができる。また、実施の形態１によれば、太陽電池１の発電電力を増大させるために太陽電池の増設を検討すべきであることをユーザーに促すことができる。このように、実施の形態１によれば、太陽電池１の発電電力に応じた適切な電力運用が可能となる。

また、電力変換装置２０が連系運転で動作しているとき、通常は最大電力点追従（ＭＰＰＴ：ＭａｘｉｍｕｍＰｏｗｅｒＰｏｉｎｔＴｒａｃｋｉｎｇ）制御により動作しており太陽電池１の出力電圧はＶｍとなるべきであり、このような場面で発電余力が生じていれば動作異常であることになる。実施の形態１によれば、このような動作異常をユーザーに気付かせることができる。

実施の形態２．
実施の形態１では、Ｐ−Ｖ曲線が変化しないことを前提として、ユーザーが負荷を接続して使用した場合に、演算された発電余力Ｐｒがユーザーへ通知される形態について説明した。ここで、Ｐ−Ｖ曲線が変化しない場合としては天候が安定している場合を例示することができる。実施の形態２では、実施の形態１と同様にユーザーが負荷を接続して使用し続けている場面ではあるが、何らかの理由によりＰ−Ｖ曲線が変化した場合に、発電余力を再演算し、再演算された発電余力Ｐｒがユーザーへ通知される形態について説明する。なお、Ｐ−Ｖ曲線が変化する理由には、天候の急変による日射量の変化、及び太陽電池の表面に落ち葉又は鳥といった遮蔽物の存在によって影がかかることで太陽電池に入射する光量の減少を例示することができる。

なお、実施の形態２に係る電力変換装置の構成は、図１と同様である。図４は、実施の形態２における太陽電池１の特性の一例を示す図である。図４では、日射量が減少する前のＰ−Ｖ曲線を細い線で示し、日射量が減少した後のＰ−Ｖ曲線を太い線で示している。

まず、負荷を使用しているとき、動作点はＢ１（Ｖｓ１，Ｐｓ１）に存在する。しかしながら、日射量が減少すると発電可能電力Ｐｍも減少し、動作点Ｃ１（Ｖｍ，Ｐｍ）は動作点Ｃ２へと移動するため発電可能電力Ｐｍを再演算する必要がある。日射量の減少によりＰ−Ｖ曲線の山は低くなるが、消費電力は変化しないため、使用時の動作点Ｂ１（Ｖｓ１，Ｐｓ１）は、図４に示すように変化するＰ−Ｖ曲線上に乗り続けつつ、水平方向に平行移動して動作点Ｂ２（Ｖｓ２，Ｐｓ２）へ移動する。なお、Ｐｓ２＝Ｐｓ１である。日射量が変化すると、Ｐ−Ｖ曲線のＶｍ及びＶｏｃも変化するが、発電可能電力Ｐｍの変化に比べれば僅かである。そのため、発電可能電力Ｐｍの再演算に際してはＶｍ及びＶｏｃは一定とする。すると、日射量変化前後のＰ−Ｖ曲線は、いずれも動作点Ａ（Ｖｏｃ，０）を通ることから、実施の形態１と同様に、ｃ＝Ｐｍ／（Ｖｏｃ−Ｖｍ）^２であり、Ｖｍ及びＶｏｃは一定であるため、ｃはＰｍに比例することになる。すなわち、発電可能電力Ｐｍは、二次関数Ｐ＝ｆ（Ｖ）の係数ｃと比例関係にある。

ところで、電圧Ｖに対する電力の電圧微分値ｄＰ／ｄＶの直線グラフは、ｆ（Ｖ）＝−ｃ（Ｖ−Ｖｍ）^２＋Ｐｍを微分することで、ｆ’（Ｖ）＝−２ｃＶ＋２ｃＶｍとなる。従って直線の傾きは２ｃとなり、上述のように、発電可能電力Ｐｍは、直線の傾き２ｃと比例関係にあるといえる。

図４から、Ｖｓ２における日射量変化前の電力の電圧微分値ｄＰ／ｄＶと、Ｖｓ２における日射量変化後の電力の電圧微分値ｄＰ／ｄＶとの比は、直線の傾き２ｃの日射量変化前後の比に相当するため、発電可能電力Ｐｍの減少率は、Ｖｓ２における日射量変化前の電力の電圧微分値ｄＰ／ｄＶからＶｓ２における日射量変化後の電力の電圧微分値ｄＰ／ｄＶへの減少率と等しい。

Ｖｓ２における日射量変化前の電力の電圧微分値ｄＰ／ｄＶは、日射量変化前のｆ’（ｖ）直線が既知であるので演算可能である。また、Ｖｓ２における日射量変化後の電力の電圧微分値ｄＰ／ｄＶは、ｄＰ／ｄＶ演算部１１によって演算される。従って、日射量の変化後の発電可能電力であるＰｍ（変化後）は、実施の形態１で説明したようにＰｍ＝Ｐｓ／｛１−（Ｖｓ−Ｖｍ）^２／（Ｖｏｃ−Ｖｍ）^２｝で表される日射量の変化前の発電可能電力Ｐｍ（変化前）を用いると、発電可能電力Ｐｍ（変化後）＝発電可能電力Ｐｍ（変化前）×｛ｆ’（Ｖｓ２）（変化後）／ｆ’（Ｖｓ２）（変化前）｝と表される。

従って、日射量変化後の発電余力Ｐｒは、発電余力Ｐｒ（変化後）＝発電可能電力Ｐｍ（変化後）−現使用電力Ｐｓによって演算される。

実施の形態２によれば、Ｐ−Ｖ曲線が変化した場合でも発電余力Ｐｒの再演算を行うことで、発電余力Ｐｒの絶対値を正確に得ることができる。

また、実施の形態２によれば、負荷の消費電力が一定であるときに発電余力Ｐｒが突然変化したことをユーザーが認識できることで、天候の急変及び太陽電池の表面における遮蔽物の存在、並びに太陽電池又は負荷における異常の発生をユーザーに知らせることができる。

なお、実施の形態２においては、日射量が減少した場合の発電可能電力の演算について説明したが、本発明はこれに限定されず、日射量が増加した場合の発電可能電力の演算にも同様に適用することができる。

従来技術では、最適動作点付近で動作している割合を演算するためにインバータ出力電流が正弦波である必要があるが、自立運転では負荷により電流波形が変わってしまうため、系統連系せずに自立運転する場合には従来技術を適用することができないという問題があった。

また、従来技術では、最適動作点と実際の動作点との関係を表示するが、ユーザーが発電余力の絶対値自体を知ることはできない。そのため、自立運転による負荷使用時にユーザーが更なる負荷を追加すると、消費電力が発電可能電力を超えてしまうことがあり、自立運転が突然停止することがあるという問題があった。

実施の形態１，２にて説明したように、本発明によれば、電力変換装置が自立運転し、且つ負荷を接続して使用している状態において、ユーザーに発電余力の絶対値を通知することができる。

図５は、実施の形態１，２に係る電力変換装置２０内の電力演算部１０、ｄＰ／ｄＶ演算部１１、発電余力演算部１２及び表示部１３を実現するハードウェアの一般的な構成の一例を示す図である。図５には、プロセッサ２１、メモリ２２、入力部２３及び表示部２４が示されている。プロセッサ２１は演算を実行し、メモリ２２はプロセッサ２１が演算を行うに際して必要なデータ及びソフトウェアの記憶を行う。入力部２３には、電流計測部８から太陽電池１の出力電流が入力され、電圧計測部９から太陽電池１の出力電圧が入力される。表示部２４は、図１の表示部１３に相当する。なお、プロセッサ２１、メモリ２２、入力部２３及び表示部２４は、各々複数設けられていてもよい。

実施の形態１，２に示した構成は、本発明の内容の一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。

１太陽電池、２負荷、３電力変換部、４昇降圧回路、５平滑回路、６インバータ回路、７スイッチ回路、８電流計測部、９電圧計測部、１０電力演算部、１１ｄＰ／ｄＶ演算部、１２発電余力演算部、１３表示部、２０電力変換装置、２１プロセッサ、２２メモリ、２３入力部、２４表示部。

Claims

直流電圧源から出力された直流電力を交流電力に変換し、接続された負荷へ交流電力を出力する電力変換装置であって、
前記直流電圧源からの出力電圧及び出力電流により前記直流電圧源の現在の発電電力を演算する電力演算部と、
前記直流電圧源の出力電圧Ｖと出力電力ＰとのＰ−Ｖ曲線における最適動作点の出力電力値である発電可能電力を演算し、前記発電可能電力と前記現在の発電電力との差である発電余力を演算する発電余力演算部と、
前記発電余力を表示する表示部と、を備え、
前記発電余力演算部は、前記最適動作点の出力電圧値以上の出力電圧値となっている異なる２つの動作点における出力電圧及び出力電力の値と、前記２つの動作点それぞれの電力の電圧微分値ｄＰ/ｄＶとを用いて、前記発電可能電力及び前記発電可能電力における出力電圧を演算することを特徴とする電力変換装置。
前記２つの動作点のうちの第１の動作点における出力電力を０とし、出力電圧をＶｏｃとし、前記２つの動作点のうちの第２の動作点における出力電力をＰｓとし、出力電圧をＶｓとし、Ｐ＝ｆ（Ｖ）を二次関数とし、前記電圧微分値ｄＰ／ｄＶが０となる前記最適動作点の出力電力である発電可能電力をＰｍとし、前記最適動作点における出力電圧をＶｍとし、ｆ（Ｖ）をＶについて微分した関数をｆ’（Ｖ）とし、前記発電余力をＰｒとしたとき、
前記発電余力演算部は、
前記Ｖｍを下式（１）によって求め、
Ｖｍ＝｛Ｖｏｃ・ｆ’（Ｖｓ）−Ｖｓ・ｆ’（Ｖｏｃ）｝／｛ｆ’（Ｖｓ）−ｆ’（Ｖｏｃ）｝ ……（１）
求められたＶｍに基づいて、前記Ｐｍを下式（２）によって求め、
Ｐｍ＝Ｐｓ／｛１−（Ｖｓ−Ｖｍ）^２／（Ｖｏｃ−Ｖｍ）^２｝ ……（２）
前記発電余力Ｐｒを、下式（３）によって求める
Ｐｒ＝Ｐｍ−Ｐｓ ……（３）
ことを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
前記直流電圧源は太陽電池であることを特徴とする請求項１または２に記載の電力変換装置。
前記発電余力演算部は、前記直流電圧源の発電可能電力が変化したときに、前記直流電圧源の前記発電余力を再演算することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の電力変換装置。
前記発電余力演算部は、前記直流電圧源の発電可能電力が変化したときに、変化後の発電可能電力Ｐｍを、変化前の発電可能電力Ｐｍに、前記第２の動作点における前記変化前の電力の電圧微分値ｄＰ／ｄＶに対する前記第２の動作点における前記変化後の電力の電圧微分値ｄＰ／ｄＶの比を乗算して求め、求められた前記変化後の発電可能電力Ｐｍに基づいて前記発電余力Ｐｒを求めることを特徴とする請求項２に記載の電力変換装置。