JP7292179B2 - 電力変換装置、電力システム - Google Patents

Description

本発明は、太陽電池が出力する電力を変換する電力変換装置に関する。

近年、太陽光発電システムが急激に普及している。家庭用の太陽光発電については、ＦＩＴ（Ｆｅｅｄ Ｉｎ Ｔａｒｉｆｆ：固定価格買取制度）が終了し、その活用方法が検討されている。ＦＩＴ終了後の分散電源の導入に向けて、太陽光発電を自家消費することが可能な市場が整備されつつある。同時に、ＥＶ（電気自動車）や蓄電池の普及により、ＥＶや蓄電池が充放電する直流をそのまま、ＤＣバスを介して拝殿系統へ接続することにより、直流から交流に変換する際に生じる変換損失を低減する直流システムが注目されている。直流システムのようにＤＣバスの電圧を上げ下げするシステムにおいても、太陽電池から最大の電力を取り出し、効率を最大限に活用することにより、直流システムの競争力を確立することが求められている。

特許文献１には、太陽電池、蓄電池、ＤＣ／ＤＣ変換器を備える直流電力供給システムにおいて、ＤＣバスの電圧を可変させながらシステムを安定化させる手法が記載されている。特許文献２には、太陽電池とそれに接続されたＤＣ／ＤＣ変換器（昇降圧チョッパ）を含む複合蓄電システムにおいて、ＤＣバスが過電圧にならないように制御する手法が述べられている。特許文献３と非特許文献１は、太陽電池から最大電力を取り出す手法を記載している。特許文献４と非特許文献２は、太陽電池を搭載した太陽光発電システムが、ＩＶ特性上のどの位置で動作しているかを求める手法が述べられている。

特開2012-147508号公報 特開2014-099986号公報 特開2017-051099号公報 特許6075997号

IEEE Transactions on Energy Conversion, Vol. 22, No. 2, June 2007, pp 439-449 "Comparison of Photovoltaic Array Maximum Power Point Tracking Techniques" IEEE Journal of Photovoltaics, Vol. 9, No. 3, May 2019, pp 780-789 "Fault-Diagnosis Architecture for Large-Scale Photovoltaic Power Plants That Does Not Require Additional Sensors"

ＥＶや蓄電池がＤＣバスに接続されると、大容量の充電電力がＤＣバスを介して充電対象へ向かって流れる。ＥＶや蓄電池が普及すると、このような動作が発生する頻度が増えると考えられる。ＥＶや蓄電池の容量が今後増えていくのにともない、このような大容量の急速充電動作において、ＤＣバス電圧と太陽電池電圧が同時に急降下する可能性が考えられる。

特許文献１と２においては、ＤＣバスの電圧よりも太陽電池の電圧を小さくすることにより、システムを安定化させようとしている。しかし上記のようにＤＣバス電圧と太陽電池電圧が同時に急降下した場合、太陽電池電圧をさらに小さくすると、太陽電池から安定して発電量を得られなくなってしまう。

特許文献３と非特許文献１は、太陽電池から最大の電力を取り出す手法を記載しているが、同文献が記載しているのは主に日射量の変化や部分陰に対する対処方法であり、負荷は安定していることが前提となっている。したがってＥＶを急速充電するときのような急激な負荷変化に対して対処するのは困難である。

特許文献４と非特許文献２は、日射量と温度を算出しながら、ＤＣ／ＤＣ変換器が太陽電池の最大電力点で動作しているか否かを確認する方法について記載している。しかし同文献は動作状態を把握するのみであり、把握した動作状態を制御においてどのように用いるのかについては必ずしも明らかではない。

本発明は、上記のような課題に鑑みてなされたものであり、太陽電池システムにおいて負荷の急変動が生じた場合であっても、太陽電池の最大出力電力をできる限り維持することができる技術を提供することを目的とする。

本発明に係る電力変換装置は、負荷の急変によって太陽電池が最大電力動作点から外れた場合は、電池電圧を基準とする制御から電池電流を基準とする制御へ一時的に切り替える。

本発明に係る電力変換装置によれば、負荷急変時において電流制御へ一時的に切り替えることにより、太陽電池の動作を最適動作点へ速やかに復旧させることができる。これにより負荷急変時においても、太陽電池から最大電力を供給することができる。

実施形態１に係るＤＣバスシステムの構成例である。 実施形態１に係るＤＣバスシステムの別構成例である。 実施形態１に係るＤＣバスシステムの別構成例である。 実施形態１に係るＤＣバスシステムの別構成例である。 実施形態１に係るＤＣバスシステムの別構成例である。 配電系統から交流／直流変換を介して、各コンポーネントに配線される一般的な給電システムの構成例である。 実施形態１に係る電力変換装置１００の回路図である。 太陽電池２００のＩＶ特性を例示するグラフである。 太陽電池２００のＰＶ特性を例示するグラフである。 太陽電池２００のＰＩ特性を例示するグラフである。 ＥＶの急速充電によって負荷が急変した場合におけるＩＶ特性上の一般的な動作点の変化を示す。 ＥＶを急速充電することにともなって太陽電池の動作点を最大電力動作点へ向かわせるように制御する過程を示す。 演算装置１４１が指令値Ｖｃｍｄを算出する手順を説明するフローチャートである。 Ｓ６０５の続きを説明するフローチャートである。 Ｓ６１０の判断条件について説明する図である。

＜実施の形態１＞
図１Ａは、本発明の実施形態１に係るＤＣバスシステムの構成例である。システムはＤＣバスを有する。ＤＣバスには、配電系統に接続する系統用インバータ、ＰＶ（Ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ Ｂａｔｔｅｒｙ：太陽電池）を制御するＤＣ／ＤＣコンバータ、ＥＶ内の蓄電池を充放電制御するＤＣ／ＤＣコンバータ、が接続される。上位コントローラはＤＣバスの電圧を制御する。

図１Ｂは、実施形態１に係るＤＣバスシステムの別構成例である。ＤＣバスに対してＥＶを複数台接続することもできる。ＤＣバスを形成するコンポーネントは、ＤＣ盤に纏められて配置される。

図１Ｃは、実施形態１に係るＤＣバスシステムの別構成例である。ＤＣバスに対して定置型の蓄電池を接続することもできる。ただし法律上の規制により、コンテナボックスが必要になる場合もある。

図１Ｄは、実施形態１に係るＤＣバスシステムの別構成例である。本図においてはＥＶ内の蓄電池を充放電制御するＤＣ／ＤＣコンバータをＥＶ内に内蔵しており、図１Ａ～図２のなかではＤＣ版が最も軽量になる。

図１Ｅは、実施形態１に係るＤＣバスシステムの別構成例である。本図においては、ＤＣバスを配電系統と並列して負荷に接続している。図１Ｅに示すように、自立型の変換器を介して、ＤＣバスに照明や空調などの負荷を接続することも可能である。

図２は、配電系統から交流／直流変換を介して、各コンポーネントに配線される一般的な給電システムの構成例である。図１Ａ～図１Ｅのような直流システムと比較すると、交流から直流に変換される際の損失が課題となる。また各コンポーネント（Ｐｏｗｅｒ Ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ、インバータ）から配電系統の接続先までの距離が長いことが多く、配線や接続盤の設置に工事工数がかかる。さらに、各コンポーネントの配置に基礎工事が必要となる。したがって図２のようなシステムは設置に工数がかかるので、図１Ａ～図１Ｅのような構成が望ましい。

図３は、本実施形態１に係る電力変換装置１００の回路図である。電力変換装置１００は、図１Ａ～図１ＥにおけるＰＶを制御するＤＣ／ＤＣコンバータとして構成することができる。電力変換装置１００は、電圧センサ１１０、電流センサ１２０、昇圧チョッパ１３０、制御部１４０、を備える。

昇圧チョッパ１３０は、インダクタＬ、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、整流ダイオード、平滑コンデンサＣによって構成されている。昇圧チョッパ１３０によって、太陽電池２００とＤＣバス３００が接続される。

電圧センサ１１０は、太陽電池２００の出力電圧Ｖｉｎを計測する。電流センサ１２０は、太陽電池２００の出力電流Ｉｉｎを計測する。制御部１４０は、電力変換装置１００の出力電圧（すなわちＤＣバス３００の電圧）Ｖｏｕｔを制御する。具体的には、演算装置１４１がＶｉｎとＩｉｎそれぞれの計測結果を取得するとともに、上位コントローラ４００からの指令を取得し、これらに基づきＶｏｕｔに対する指令値Ｖｃｍｄを計算する。三角波発生器１４３の出力と指令値Ｖｃｍｄをコンパレータ１４４が比較することにより、指令値Ｖｃｍｄは通流率αに変換される。変換式は下記式１によって表される。

図４Ａは、太陽電池２００のＩＶ特性（電流－電圧特性）を例示するグラフである。電力変換装置１００は、太陽電池２００の出力電力が最大となる動作点（図４Ａの白丸）において太陽電池２００が動作するように、指令値Ｖｃｍｄを算出する。最大電力動作点におけるＶｉｎを最大動作電圧と呼び、最大電力動作点におけるＩｉｎを最大動作電流と呼ぶ場合もある。太陽電池２００の出力端子を短絡したときの電池電流を短絡電流と呼ぶ。短絡電流と最大動作電流の比は、非特許文献２に示されているように、ある程度の日射量以上であれば、一定とみなすことができる。

図４Ｂは、太陽電池２００のＰＶ特性（電力－電圧特性）を例示するグラフである。図４Ａに対応する３つの特性グラフを例示した。

図４Ｃは、太陽電池２００のＰＩ特性（電力－電流特性）を例示するグラフである。図４Ｃに示すように、太陽電池２００のＰＩ特性は最大電力動作点を変曲点として急峻に変化するので、電池電流のわずかな変化に対して電池電力が急激に変化し、短絡電流（電池電圧＝０に対応する電池電流）に至る可能性がある。この状態に至った場合、演算装置１４１は指令値Ｖｃｍｄを計算し続けることができないので、制御部１４０をいったんリセットする必要が生じる。したがって演算装置１４１は、指令値ＶｃｍｄをＩＶ特性（またはＰＶ特性）にしたがって算出するのが一般的である。

図５Ａは、ＥＶの急速充電によって負荷が急変した場合におけるＩＶ特性上の一般的な動作点の変化を示す。直流システムにおける太陽電池のＤＣ／ＤＣコンバータは、最大電力点制御のみではなく、電力を絞る抑制制御や、Ｖｏｕｔの変化に対応させながらＶｉｎをＶｃｍｄによって制御するなど、様々な制御を実施する。したがって通常の運転モードにおいて、動作点はＩＶ特性上を広く移動する。ＤＣバス３００に対してＥＶを接続して急速充電すると、負荷が急変することになる。これによりＶｏｕｔが低下し、さらにＶｉｎが低下するので、動作点は図５Ａ上に動作点１から２のように移動する。

図５Ｂは、ＥＶを急速充電することにともなって太陽電池の動作点を最大電力動作点へ向かわせるように制御する過程を示す。非特許文献１記載のように電池電圧を逐次的に最大電力動作点へ向かわせる制御手順を用いる場合、動作点は図５Ｂに示すように制御ステップごとに最大電力動作点へ向かって順次遷移する。このような制御手順を用いる場合、太陽電池が最大電力動作点へ到達するまでに複数回の制御ステップが必要になる。すなわち最大電力動作点に到達するまで時間を要するので、太陽電池から最大電力を供給することが困難である。

負荷急変時において太陽電池を最大電力動作点へ速やかに復旧させるためには、ＰＩ特性曲線における現動作点と最大電力動作点との間の電流差分を計算し、その電流差分にしたがって指令値Ｖｃｍｄを算出すればよいと考えられる。しかし他方で、ＰＩ特性を基準とする制御は図４Ｃで説明したように不安定である。そこで本実施形態１においては、通常動作時はＶｏｕｔの目標値と現在値との間の差分にしたがって指令値Ｖｃｍｄを算出するとともに、図５Ｂのように逐次的に電池電圧を変化させて最大電力動作点へ向かう。負荷急変時は一時的にＰＩ特性を用いる制御に切り替え、ＰＩ特性曲線における現動作点と最大電力動作点との間の電流差分にしたがって指令値Ｖｃｍｄを算出する。以下のフローチャートを参照して具体的な手順を説明する。

図６Ａは、演算装置１４１が指令値Ｖｃｍｄを算出する手順を説明するフローチャートである。ここでは図５Ｂに示すように、通常動作時は制御ステップごとに最大電力動作点へ向かって順次遷移するように指令値Ｖｃｍｄを算出することとする。演算装置１４１は例えば制御周期ごとに本フローチャートを実施することができる。記載の便宜上、一部のステップについてはステップ番号を付与せず以下の文章内で説明することとした。以下図６Ａの各ステップについて説明する。

（図６Ａ：ステップＳ６０１～Ｓ６０４）
演算装置１４１は、電圧センサ１１０からＶｉｎを取得するとともに、電流センサ１２０からＩｉｎを取得する（Ｓ６０１）。演算装置１４１は、取得したＶｉｎを配列Ｖｉｎ［１］に格納するとともに、本フローチャートを前回実施したときにおけるＶｉｎ［１］をＶｉｎ［０］として置き換え、Ｖｉｎ［０］とＶｉｎ［１］の差分ΔＶを計算する（Ｓ６０２）。演算装置１４１はＩｉｎについても同様にＩｉｎ［０］とＩｉｎ［１］をセットするとともに差分ΔＩを計算する（Ｓ６０３）。演算装置１４１は、Ｖｉｎ［１］とＩｉｎ［１］の積によって現時点における電池電力Ｐｉｎ［１］を求めるとともに、Ｖｉｎ［０］とＩｉｎ［０］の積によって本フローチャートを前回実施したときにおける電池電力Ｐｉｎ［０］を求め、Ｐｉｎ［０］とＰｉｎ［１］の差分ΔＰを計算する（Ｓ６０４）。

（図６Ａ：ステップＳ６０１～Ｓ６０４：補足）
配列Ｖｉｎ［］、配列Ｉｉｎ［］、配列Ｐｉｎ［］は、それぞれ０番目要素が本フローチャートを前回実施したときにおける値を格納し、１番目要素が本フローチャートを今回実施したときにおける値を格納することになる。

（図６Ａ：ステップＳ６０５）
ＥＶがＤＣバス３００へ接続されるなどによって負荷が急変したことを表す内部フラグ変数を、ＴＹＰＥとする。ＴＹＰＥ＝１は負荷急変を表す。負荷急変は、ＰＩ特性における動作点が、本フローチャートを前回実施したとき図５Ａの動作点１であり、今回実施したとき図５Ａの動作点２へ遷移したことに相当する。演算装置１４１は、ＴＹＰＥが１である場合は図６Ｂのフローチャートへ進み、それ以外であればＳ６０６へ進む。

（図６Ａ：ステップＳ６０６：その１）
演算装置１４１は、ΔＶが０よりも大きい（Ｖｉｎが増加した）場合、ΔＰが０よりも大きければＶｉｎを増やし、ΔＰが０以下であればＶｉｎを減らすように、Ｖｃｍｄを算出する。これはＰＶ特性において、動作点が最大電力点の左側から最大電力点へ向かって遷移した場合はＶｉｎを増やし、最大電力点またはその右側からさらに右側へ向かって遷移した場合はＶｉｎを減らすことにより、最大電力動作点を近づけることを意味する。

（図６Ａ：ステップＳ６０６：その２）
演算装置１４１は、ΔＶが０以下（Ｖｉｎが減少した）である場合、ΔＰが０よりも大きければＶｉｎを減らし、ΔＰが０以下であればＶｉｎを増やすように、Ｖｃｍｄを算出する。これはＰＶ特性において、動作点が最大電力点の右側から最大電力点へ向かって遷移した場合はＶｉｎを減らし、最大電力点またはその左側からさらに左側へ向かって遷移した場合はＶｉｎを増やすことにより、最大電力動作点を近づけることを意味する。

（図６Ａ：ステップＳ６０７）
Ｖｉｎが減少し、かつＰｉｎも減少した場合、太陽電池２００の状態は、ＰＶ特性において最大電力動作点の左側からさらに左側へ向かって遷移したことになる。この場合はＥＶ急速充電などによって負荷が急変した可能性がある。そこで演算装置１４１は、ＴＹＰＥに１をセットすることにより、その旨を保持する。本フローチャートを次回実施したとき、Ｓ６０５においてこのＴＹＰＥフラグが判断されることになる。

（図６Ａ：ステップＳ６０７：補足）
ＴＹＰＥフラグは、負荷が急変したとき典型的に現れる図５Ａの動作点１から２への遷移を検出するためのものである。負荷が真に急変したか否かは、ＴＹＰＥ＝１となった後に再度本フローチャートを実施したとき、Ｓ６１０において改めて判定することになる。Ｓ６１０において負荷急変を判定することができる根拠については後述する。

（図６Ａ：ステップＳ６０８～Ｓ６０９）
演算装置１４１は、Ｖｉｎ［０］の値を一時的変数Ｖｉｎ＿ａに保存しておく（Ｓ６０８）。これは後述する計算式において、Ｖｉｎ［０］の前回値（本フローチャートを前回実施したときにおけるＶｉｎ［０］）を用いる必要があるので、次回実施時にＳ６０２において上書されないようにするための便宜上の措置である。演算装置１３１は式１にしたがって通流率αを計算し、これを用いてＶｏｕｔを制御する（Ｓ６０９）。

図６Ｂは、Ｓ６０５の続きを説明するフローチャートである。以下図６Ｂの各ステップを説明する。

（図６Ｂ：ステップＳ６１０）
演算装置１４１は、ΔＰ／ΔＶがＩｉｎの現在値（Ｉｉｎ［１］）と等しいか、またはこれと等価とみなすことができる周辺値であるか否かを判定する。すなわちΔＰ／ΔＶ≒Ｉｉｎ［１］か否かを判定する。条件合致すればＳ６１１へ進み、合致しなければＳ６０６へ戻る。本ステップの条件を定めた理由については後述する。

（図６Ｂ：ステップＳ６１１～Ｓ６１３）
演算装置１４１は、下記式２～式３を用いて太陽電池２００の温度Ｔを推定する（Ｓ６１１）。演算装置１４１は、下記式４にしたがってΔＶｉｎを算出し、Ｖｃｍｄ＝Ｖｉｎ［１］＋ΔＶｉｎによって指令値Ｖｃｍｄを算出する（Ｓ６１２）。演算装置１４１は、ＴＹＰＥを０に戻し（Ｓ６１３）、Ｓ６０９へ戻る。式２～式４の導出過程については後述する。

Ｉｓｃ：太陽電池２００の標準日射量における短絡電流
ｐ：太陽電池２００に対する日射量
Ｉｓ：太陽電池２００の逆方向飽和電流
Ｎｃｅｌｌ：太陽電池２００のセル数
ｎｆ：太陽電池２００のダイオード性能定数
ｋ：ボルツマン定数
Ｔ：太陽電池２００の温度
ｊ＝（現在日射量における現在動作点のＩｉｎ）／（現在日射量における短絡電流）

図７は、Ｓ６１０の判断条件について説明する図である。図７上段はＰＶ特性を示し、図７下段はそのときのＩＶ特性を示す。図７において、動作点が点線丸から黒丸へ変化したときの電力Ｐの増分は、式５で表される。負荷が急変した後に最大電力動作点へ復帰しようとしているとき、ＩＶ特性上における電圧Ｖに対する電流Ｉの傾きはほぼ０とみなすことができる（図７下段図参照）。これを式５に代入すると、式６を導くことができる。

したがって演算装置１４１はＳ６１０において、ΔＰ／ΔＶがＩｉｎ［１］に略等しいとき、負荷が急変したと判断することができる。これに代えてまたはこれと併用して、ΔＩ／ΔＶが０である（または０近傍の所定範囲内である）場合も、負荷が急変したと判断することができる。ここで、０近傍の所定の範囲内とは、－０．００４以内である。式（５）の∂Ｉ／∂Ｖ成分は、式（８）の電圧微分で表され、（ａ）ｎｆ、ｑ、Ｔで示される定数成分、（ｂ）逆方向飽和電流、（ｃ）ｅｘｐ成分の乗算から、シャント抵抗の劣化分が影響する項（ｄ）を引いたもので表すことができる。（ａ）定数成分は、太陽電池の使用範囲において０．００２～０．００３の範囲、（ｂ）逆方向飽和電流は、ほぼ０．００００１、（ｃ）低電圧範囲におけるｅｘｐ成分は、ほぼ１であり、太陽電池の劣化が８０％程度に相当するシャント抵抗０．３Ωであれば、影響する項（ｄ）は０．００４程度である。したがって∂Ｉ／∂Ｖは、－０．００４以内で０近傍と判定することができる。

ＰＩ特性上において、最大電力動作点と現在動作点との間の電流差分を用いて指令値Ｖｃｍｄを算出する場合、実際にはその電流差分を電圧差分に変換した上で、Ｖｃｍｄを算出することになる。この変換を実施するとき、太陽電池の特性を表す数式において電池温度Ｔを用いる必要がある。式２～式４は、電池温度Ｔを反映した上で、指令値Ｖｃｍｄを算出するものである。以下では式２～式４の導出過程について説明する。

日射量ｐは、標準日射量時の短絡電流Ｉｓｃに対する現在日射量時の短絡電流の比として表すことができる。現在日射量における現在動作電流をＩｉｎ＿ａと表す場合、上記符号の定義から、現在日射量における短絡電流はＩｉｎ＿ａ／ｊと定義できる。したがって日射量ｐは、（現在日射量における短絡電流）／Ｉｓｃ、すなわち式７によって表される。式７を用いるのは、現在日射量における最大電力動作点を特定できない事情がある場合において有用である。

Ｉｉｎは式８によって表される。式８をＶｉｎについて解くと、Ｖｉｎは式９によって表される。

式９に対して式７とＩｉｎを代入することにより、Ｖｉｎを得ることができる。Ｖｉｎ［１］はＩｉｎ［１］を代入することにより式１２によって表される。Ｖｉｎ［０］はＩｉｎ［０］を代入することにより式１１によって表される。Ｖｉｎ＿ａは、図６のフローチャートを前回実施したときにおけるＶｉｎ［０］であり、Ｓ６０８において保存したものである。前回実施時におけるＩｉｎ［０］をＩｉｎ＿ａと表す場合、Ｖｉｎ＿ａはＩｉｎ＿ａを代入することにより式１０によって表される。

式１０～式１２より、式１３と式１４が導かれる。式１３と式１４から電池温度Ｔを消去すると、式２が導かれる。演算装置１４１は、式２を満たすようなｊの数値を求める。例えば数値解析によって式２を充足するｊの数値を探索することにより、これを求めることができる。ｊを探索することは、式２を充足する電池電流Ｉｉｎを探索することと等価である。以下では式２を充足するｊを求めたものとして説明する。

式１１と式１２をＴについて解くと、式３を得ることができる。さらに、最大電力動作点におけるＶｉｎをＶｍｐｐとし、最大電力動作点におけるＩｉｎをＩｍｐｐとすると、式９に対して式７とＩｍｐｐを代入することにより、式１５を導くことができる。ただし式１５において、短絡電流と最大動作電流の比は一定値（０．９３５：あらかじめ特定した数値）とみなせることを仮定した。

ＶｍｐｐとＶｉｎ［１］との間の差分ΔＶｉｎをＶｉｎ［１］に対して加算することにより、指令値Ｖｃｍｄを算出することができる。Ｖｍｐｐは式１５から求められ、Ｖｉｎ［１］は式１２から求められる。したがって式１６により、ΔＶｉｎを算出できる。式１２と式１５は、それぞれ最大動作電流Ｉｍｐｐと現在動作点電流Ｉｉｎ［１］を用いて算出したものであるから、ΔＶｉｎは、ＰＩ特性上における最大電力動作点と現在動作点との間の差分を用いて算出したことになる。すなわち最大電力動作点と現在動作点それぞれの間の電流差分を用いて算出したことになる。

以上の手順により、演算装置１４１は、負荷急変時は一時的にＰＩ特性を用いる制御に切り替え、ＰＩ特性曲線における現動作点と最大電力動作点との間の電流差分にしたがって指令値Ｖｃｍｄを算出することができる。これにより太陽電池２００を最大電力動作点へ速やかに復旧させることができる。

＜実施の形態１：まとめ＞
本実施形態１に係る電力変換装置１００は、（ａ）ＰＶ特性の傾きΔＰ／ΔＶがＩｉｎ［１］に略等しいとき、または、（ｂ）ＩＶ特性の傾きΔＩ／ΔＶが略０であるとき、ＥＶの急速充電などによる負荷急変が発生したと判断する。これにより、ＤＣバスシステムにおける負荷急変を正確に検出することができる。

本実施形態１に係る電力変換装置１００は、負荷急変時は一時的にＰＩ特性を用いる制御に切り替え、ＰＩ特性曲線における現動作点と最大電力動作点との間の電流差分にしたがって指令値Ｖｃｍｄを算出する。これにより、負荷急変時において太陽電池２００を最大電力動作点へ速やかに復旧させることができる。

本実施形態１に係る電力変換装置１００は、ＰＩ特性曲線における現動作点と最大電力動作点との間の電流差分を算出する際に、太陽電池２００の温度Ｔを推定する。これにより、電池温度Ｔを反映した上で電流差分を算出することになるので、指令値Ｖｃｍｄを正確に求めることができる。

本実施形態１に係る電力変換装置１００は、Ｓ６１２において電流差分に基づき指令値Ｖｃｍｄを算出した後、Ｓ６１３においてＴＹＰＥを０に戻す。これにより図６のフローチャートを次回実施するときは、電圧差分に基づく制御に戻ることになる。すなわち電流差分に基づく制御は１回の制御サイクルにおいてのみ実施し、その後速やかに電圧差分に基づく制御へ復帰する。これにより、ＰＩ特性に基づく不安定な制御を回避しつつ、太陽電池２００を速やかに最大電力動作点へ復帰させることができる。

本実施形態１に係る電力変換装置１００は、現在日射量における現在動作電流Ｉｉｎ＿ａと現在日射量における短絡電流との間の比率（ｊ）、および標準日射量における短絡電流Ｉｓｃを用いて、日射量ｐを式７により仮設定し、さらに式２を充足するｊを探索することを介して、温度Ｔを算出する。これにより、例えば太陽電池２００の仕様上、最大電力動作点を特定できない場合であっても、現在動作電流Ｉｉｎを用いて温度Ｔを推定することができる。

本実施形態１に係る電力変換装置１００は、式１５において、現在日射量における短絡電流と最大動作電流との間の比率が一定値であると仮定して、ＰＩ特性に基づく指令値Ｖｃｍｄを式１６によって算出する。これにより、例えば太陽電池２００の仕様上、最大電力動作点を特定できない場合であっても、ＰＩ特性に基づき指令値Ｖｃｍｄを算出することができる。

＜実施の形態２＞
実施形態１において、電力変換装置１００はＤＣ／ＤＣコンバータであることを説明した。電力変換装置１００が直流電力を変換するために用いる回路等は、実施形態１で説明したものに限らず、任意の構成を用いることができる。例えばＩＧＢＴに代えて、半導体スイッチング素子としてＳｉＣデバイスを用いるものを採用してもよい。その他適当な半導体スイッチング素子を用いてもよい。

１００：電力変換装置
１１０：電圧センサ
１２０：電流センサ
１３０：昇圧チョッパ
１４０：制御部
１４１：演算装置
２００：太陽電池
３００：ＤＣバス

Claims (10)

1. 太陽電池が出力する電力を変換する電力変換装置であって、
   前記電力変換装置が出力する変換後電圧に対する指令値を算出する制御部を備え、
   前記制御部は、前記太陽電池が出力する電池電力の、前記太陽電池が出力する電池電圧に対する傾きが、前記太陽電池が出力する電池電流に等しいかまたは前記電池電流周辺の所定範囲内に収まっている場合は、前記電池電流の検出値と前記電池電流の目標値との間の電流差分にしたがって、前記指令値を算出し、
   前記制御部は、前記太陽電池が出力する電池電力の、前記太陽電池が出力する電池電圧に対する傾きが、前記電池電流周辺の所定範囲内に収まっていない場合は、前記変換後電圧の目標値と前記変換後電圧の検出値との間の電圧差分にしたがって、前記指令値を算出する
   ことを特徴とする電力変換装置。
2. 前記制御部は、制御サイクル毎に前記指令値を算出し、
   前記制御部は、１回の前記制御サイクルにおいて、前記電流差分にしたがって前記指令値を算出した後、次の前記制御サイクルにおいては、前記電圧差分にしたがって前記指令値を算出する
   ことを特徴とする請求項１記載の電力変換装置。
3. 前記制御部は、前記太陽電池が出力する電池電圧の検出値と、前記電池電流の検出値とを取得し、
   前記制御部は、前記電池電圧の検出値と前記電池電流の検出値とを用いて、前記太陽電池の電池温度を算出し、
   前記制御部は、前記電流差分を用いて前記指令値を算出する場合は、前記電流差分に加えて前記電池温度を用いて、前記指令値を算出する
   ことを特徴とする請求項１記載の電力変換装置。
4. 前記制御部は、制御サイクル毎に前記指令値を算出し、
   前記制御部は、
   第１制御サイクルにおける前記電池電圧、
   前記第１制御サイクルにおける前記電池電流、
   前記第１制御サイクルの次の第２制御サイクルにおける前記電池電圧、
   前記第２制御サイクルにおける前記電池電流、
   前記第２制御サイクルの次の第３制御サイクルにおける前記電池電圧、
   前記第３制御サイクルにおける前記電池電流、
   の間の関係式を充足する電池電流を推定することにより、前記太陽電池の電圧電流曲線上における動作点を推定し、
   前記制御部は、前記推定した動作点を用いて前記電池温度を算出する
   ことを特徴とする請求項３記載の電力変換装置。
5. 前記制御部は、前記電池電流の目標値として、前記太陽電池の最大電力動作点において前記太陽電池が出力する電池電流をセットし、
   前記制御部は、前記電流差分を、前記最大電力動作点において前記太陽電池が出力する電池電圧と前記電池電圧の検出値との間の電圧差分に置き換え、
   前記制御部は、前記置き換えた電圧差分を前記指令値として用いる
   ことを特徴とする請求項１記載の電力変換装置。
6. 前記制御部は、前記太陽電池に対する現在日射量の下における前記太陽電池の最大電力動作点の前記電池電流と、前記現在日射量の下における前記太陽電池の短絡電流との間の比が固定値であると仮定することにより、前記現在日射量の下における前記最大電力動作点の前記電池電流を算出し、
   前記制御部は、前記現在日射量の下における前記最大電力動作点の前記電池電流を用いて、前記電流差分を電圧差分に置き換える
   ことを特徴とする請求項５記載の電力変換装置。
7. 前記制御部は、前記太陽電池が出力する電池電圧の検出値と、前記電池電流の検出値とを取得し、
   前記制御部は、前記電池電圧の検出値と前記電池電流の検出値とを用いて、前記太陽電池の電池温度を算出し、
   前記制御部は、前記電池温度を用いて、前記置き換えた差分を算出する
   ことを特徴とする請求項５記載の電力変換装置。
8. 前記電力変換装置は、前記太陽電池が出力する直流電力を別の直流電力に変換するＤＣコンバータとして構成されている
   ことを特徴とする請求項１記載の電力変換装置。
9. 前記ＤＣコンバータは、半導体スイッチング素子を用いて、前記太陽電池が出力する直流電力を別の直流電力に変換するように構成されている
   ことを特徴とする請求項８記載の電力変換装置。
10. 請求項１記載の電力変換装置、
    電気自動車の充電端子を接続する端子、
    を備えることを特徴とする電力システム。

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