TWI653812B - Dc/dc轉換器、電源調節器以及電源系統 - Google Patents

Dc/dc轉換器、電源調節器以及電源系統 Download PDF

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Abstract

本發明提供一種DC/DC轉換器、電源調節器以及電源系統，防止由PID導致的太陽能電池的性能降低。DC/DC轉換器具備：正側電容器，與正極側的輸出端連接；負側電容器，其中一端部與正側電容器連接，另一端部與負極側的輸出端連接；電抗器，其中一端部與正極側的輸出端連接，相反側的輸入側端部與負極側的輸出端連接，於正極側的端部與輸入側端部之間具有中間分接頭；以及開關元件，其中一端部與電抗器的輸入側端部連接，另一端部與太陽能電池的正極連接，且DC/DC轉換器將太陽能電池的負極連接於正側電容器與負側電容器之間的部位以及電抗器的中間分接頭。

Description

DC/DC轉換器、電源調節器以及電源系統
本發明是有關於一種直流/直流(Direct Current/Direct Current，DC/DC)轉換器(converter)、電源調節器以及電源系統。
於利用太陽光進行發電的太陽光發電系統中，太陽能電池經由包括逆變器(inverter)等的電源調節器而與商用電力(commercial power)系統或負載裝置連接，將太陽能電池所發出的電力供給至商用電力系統或負載裝置。專利文獻1中揭示了如下構成的電源調節器，即，於來自太陽能電池的輸入電壓小於規定的電壓時，利用升壓電路將所述輸入電壓升壓並提供至逆變器電路。
近年來，太陽光發電系統高電壓化，並且逆變器高效率化，因此無變壓器(transformerless)型增加。隨之，有時於太陽能電池的電池(cell)與接地的框架(frame)之間產生大的電位差。已知：此情況因加入濕度、溫度(高溫高濕)等外部因素而成為產生漏電流並引起電位誘導衰減(Potential Induced Degradation，PID)現象的主要因素。
圖8是用以說明PID現象的一例的概念圖。圖8中，示出了太陽光發電系統的太陽能電池陣列(array)中的一個太陽能 電池串10。太陽能電池串10由多個太陽能電池模組(太陽能電池板)1串聯連接而成，並經由電源調節器30而與商用電力系統連接。即，太陽能電池串10的各太陽能電池模組1於白天接受太陽光而發電，藉此使正側的輸入端子311與負側的輸入端子312之間產生電位差。
圖9是示意性表示太陽能電池模組1的結構的圖。如圖9所示，太陽能電池模組1具有框架11、背板(back sheet)12、電池(cell)13、玻璃(glass)14以及密封材15。
電池13是具有藉由光伏效應(Photovoltaic effect)將光能轉換為電力的半導體層(發電層)的元件。於電池13的受光面側設有玻璃14，於電池13的非受光面側設有背板12，於玻璃14及背板12與電池13之間填充有密封材15，由此電池13得到密封。框架11設於太陽能電池模組1的外周部，作為在設置太陽能電池模組1時固定於支撐台等的固定構件來使用。另外，框架11是導電性的金屬，且接地。
如圖8所示，串聯連接的各太陽能電池模組1的電池13的對地電位(earth potential)於輸入端子311側的太陽能電池模組1處為正，於輸入端子312側的太陽能電池模組1處為負。若此對地電位差變大，如圖9中實線箭頭所示，於太陽能電池模組1的電池13與框架11之間，或於附著於玻璃表面的水分91與電池13之間產生漏電流，則有時玻璃14等的鈉離子朝電池13轉移而妨礙電池13的電子的移動，並引起電池13的性能降低，即，引 起PID現象。例如，若太陽能電池模組1的電池為使用p型半導體，則於產生負的對地電位的情況下，容易產生性能降低。另外，若太陽能電池模組1的電池為使用n型半導體，則於產生正的對地電位的情況下，容易產生性能降低。
[現有技術文獻]
[專利文獻]
[專利文獻1]日本專利特開2002-10496號公報
太陽能電池模組1的對地電位越大，由PID現象導致的性能降低越顯著，因此，伴隨近年來太陽光發電系統的高電壓化，由PID現象導致的性能降低的問題亦正在變嚴重。
因此，本發明的目的在於提供一種防止由PID現象導致的太陽能電池的性能降低的技術。
用以解決所述課題的本發明具備：正側電容器，其中一端部與正極側的輸出端連接；負側電容器，其中一端部與所述正側電容器連接，另一端部與負極側的輸出端連接，於所述正極側的輸出端與所述負極側的輸出端之間與所述正側電容器串聯地設置；電抗器(reactor)，其中一端部與所述正極側的輸出端以及所述正側電容器連接，與所述輸出端側的端部為相反側的輸入側端 部與所述負極側的輸出端以及所述負側電容器連接，於所述正極側的端部與所述輸入側端部之間具有中間分接頭；以及開關元件，其中一端部與所述電抗器的所述輸入側端部連接，另一端部與太陽能電池的正極連接，所述開關元件被進行接通/斷開(ON/OFF)控制，從而對自所述太陽能電池輸入的電力的導通與阻斷進行切換，將所述太陽能電池的負極連接於所述正側電容器與所述負側電容器之間以及所述電抗器的所述中間分接頭，於所述開關元件為接通狀態時，將來自所述太陽能電池的電流供給至所述電抗器並將能量儲存於所述電抗器中，於所述開關元件為斷開狀態時，將所述電抗器中所儲存的能量放出，藉此向連接於所述正極側的輸出端與所述負極側的輸出端的負載供給電力，並且對所述正側電容器以及所述負側電容器進行充電，於所述開關元件為接通狀態時，針對自所述正側電容器以及所述負側電容器放出的電力，向連接於所述正極側的輸出端與所述負極側的輸出端的負載供給電力。
根據此構成，本發明的DC/DC轉換器於將由正極側的輸出端與負極側的輸出端供給的直流電力轉換為交流電力並輸出的情況下，使對地(earth)電位相對於正側電容器與負側電容器的中間部的電位而大致一致，或者使對地電位為不會產生PID的範圍，藉此使連接於正側電容器與負側電容器的中間部的太陽能 電池的負極的電位相對於對地電位而不為負，從而防止了PID的產生。
另外，所述DC/DC轉換器亦可藉由將所述開關元件的占空比(duty ratio)設定為小於規定值，而對來自所述太陽能電池的輸入電壓進行降壓。
根據此構成，本發明的DC/DC轉換器即便於使來自太陽能電池的輸入電壓變高的情況下，亦可藉由利用DC/DC轉換器進行降壓而抑制電力轉換效率的降低。
另外，本發明亦可為具備所述DC/DC轉換器以及逆變器的電源調節器，所述逆變器將自所述DC/DC轉換器供給的直流電力轉換為交流電力並輸出。
進而，本發明亦可為電源系統，其具備太陽能電池、所述DC/DC轉換器以及逆變器，所述逆變器將自所述DC/DC轉換器供給的直流電力轉換為交流電力並輸出。
根據本發明，能夠提供一種防止由PID導致的太陽能電池的性能降低的技術。
1‧‧‧太陽能電池模組
10‧‧‧太陽能電池串
11‧‧‧框架
12‧‧‧背板
13‧‧‧電池
14‧‧‧玻璃
15‧‧‧密封材
30‧‧‧電源調節器
31‧‧‧DC/DC轉換器
32‧‧‧逆變器電路
33‧‧‧控制部
38‧‧‧正極側DC匯流排
39‧‧‧負極側DC匯流排
40‧‧‧分電盤
41‧‧‧地
91‧‧‧水分
100‧‧‧電源系統
110‧‧‧太陽能電池
311、312‧‧‧輸入端子
C1、C4‧‧‧電容器
C2‧‧‧電容器(正側電容器)
C3‧‧‧電容器(負側電容器)
D1、D2‧‧‧二極體
L1、L2、L3、L11、L12‧‧‧電抗器
R‧‧‧負載
S1、S2、S3、S4、S5‧‧‧開關元件
T0‧‧‧分接頭
N1、N2‧‧‧捲繞數(匝數)
V1、V2‧‧‧電壓
V1+V2‧‧‧輸出電壓
Vin‧‧‧輸入電壓
圖1是表示電源系統的構成的圖。
圖2是表示電源系統的電路構成的圖。
圖3是表示開關元件為接通(ON)時電流的流動的圖。
圖4是表示開關元件為斷開(OFF)時電流的流動的圖。
圖5(A)至圖5(E)是表示使占空比Don為1/3的示例的圖。
圖6(A)至圖6(E)是表示使占空比Don為0.375的示例的圖。
圖7(A)至圖7(E)是表示使占空比Don為0.273的示例的圖。
圖8是用以說明PID現象的一例的概念圖。
圖9是示意性表示太陽能電池模組的結構的圖。
以下，一面參照圖式一面對應用本技術的具體的實施形態進行說明。
圖1是表示本實施形態的電源系統的構成的圖。圖1中，電源系統100具備太陽能電池110和電源調節器(以下，亦稱為PCS(Power Conditioning System(電源調節系統)))30，並經由分電盤40而與商用電力系統或負載裝置連接。
太陽能電池110由多個太陽能電池串10並聯連接而構成，所述太陽能電池串10藉由串聯連接的多個太陽能電池模組1而構成。各太陽能電池模組1是藉由光伏效應將太陽光能轉換為電能，並以直流電力的形式輸出的模組。太陽能電池模組1例如是圖9所示的公知的構成，即，利用框架11對將電池13密封於玻璃14與背板12之間而成的板(panel)進行保持的構成。再者， 於圖9中示意性地示出了一個電池13，但於太陽能電池模組1內設有多個電池13，所述多個電池13藉由電極圖案而串聯連接，進而，多個所述串聯連接的電池13並聯連接。該些電池13與太陽能電池模組1的輸出端子(未圖示)連接，各電池13所發出的電力自該輸出端子輸出。與這些電池13等內部電路不同，框架11接地，由此電池13與框架11等之間具有電位差(對地電位)，因此，如後所述對由此對地電位導致的PID的產生進行抑制。
電源調節器30具備將來自太陽能電池110的輸出轉換(本例中為升壓)為直流的規定電壓的DC/DC轉換器31和將自DC/DC轉換器31輸出的直流電力轉換為交流電力的逆變器電路32，並將自逆變器電路32輸出的交流電力供給至商用電力系統或負載裝置。另外，電源調節器30亦可具備系統互連繼電器等，來控制與商用電力系統的連接(系統互連)或解列。
圖2是表示本實施形態的電源系統100的電路構成的圖。連接於太陽能電池110的DC/DC轉換器31是具有電抗器L1、升壓用的開關元件S1、二極體D1、二極體D2以及電容器C1、正側電容器C2、負側電容器C3的非絕緣型的升壓電路。
平滑用的電容器C1與太陽能電池110並聯連接，使自太陽能電池110向DC/DC轉換器31輸入的電力的電壓平滑化。
開關元件S1的其中一端與太陽能電池110的正極連接，另一端與電抗器L1連接。開關元件S1藉由控制部33而受到驅動來進行開關，並藉由斷續地使電抗器L1充電放電來進行升 壓。
開關元件S1只要為例如金屬氧化物半導體(metal-oxide-semiconductor，MOS)型場效電晶體、絕緣閘雙極電晶體(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)、雙極電晶體(Bipolar Transistor)、閘流體(Thyristor)等進行開關的器件(device)即可，本例中使用IGBT。
電抗器L1的其中一端連接於開關元件S1，另一端連接於二極體D1的陽極。電抗器L1於其中間具有分接頭T0，以下，此電抗器L1中，亦將開關元件S1側的端部與分接頭T0之間稱為電抗器L11，將二極體D1側的端部與分接頭T0之間稱為電抗器L12。於本實施形態中，電抗器L11與電抗器L12於相同的芯(core)上以相同的捲繞數捲繞並緊密結合。再者，電抗器L11、電抗器L12的捲繞數並非限於此。分接頭T0連接於將正側電容器C2和負側電容器C3之間與太陽能電池110的負極進行連結的線(line)的中途部。即，分接頭T0連接於正側電容器C2與負側電容器C3之間以及太陽能電池110的負極。
關於二極體D1，陽極連接於電抗器L1，陰極與正側電容器C2的高電位側端部以及逆變器電路32的正極連接，對正極側的電流進行整流。
正側電容器C2的高電位側的一端與二極體D1的陰極以及逆變器電路32的正極連接，另一端與負側電容器C3連接。負側電容器C3的高電位側的一端與正側電容器C2連接，另一端與 逆變器電路32的負極以及二極體D2的陽極連接。即，負側電容器C3於正極側DC匯流排(bus)38與負極側DC匯流排39之間與正側電容器C2串聯連接。於本實施形態中，正側電容器C2、負側電容器C3為相同電容的電場電容器，使輸入至逆變器電路32的電力平滑化。
關於二極體D2，陰極連接於電抗器L1，陽極與平滑用負側電容器C3的低電位側的端部以及逆變器電路32的負極連接，對負側的電流進行整流。
DC/DC轉換器31藉由開關元件S1的開關動作而將自太陽能電池110輸入的直流電壓(例如200V)升壓為規定的電壓(例如300V)。
逆變器電路32具備開關元件S2~開關元件S5和電抗器L2、電抗器L3、電容器C4。逆變器電路32將自DC/DC轉換器31輸入的直流電力轉換為交流電力，並將交流電力經由分電盤40輸出至商用電力系統或負載裝置。
開關元件S2~開關元件S5形成橋(bridge)。例如，開關元件S2與開關元件S3連接於逆變器電路32的正負極間，開關元件S4與開關元件S5與所述開關元件S2、開關元件S3並聯地連接於逆變器電路32的正負極間。電抗器L2的其中一端連接於開關元件S4與開關元件S5之間，另一端與逆變器電路32的一個輸出端子連接。電抗器L3的其中一端連接於開關元件S2與開關元件S3之間，另一端與不同於電抗器L2的輸出端子連接。電容 器C4連接於逆變器電路32的輸出端子間。再者，逆變器電路32並非限於此構成，亦可使用公知的其他構成。例如，於本實施形態中，示出了單相的示例，但亦可為二相或三相的構成。
開關元件S2~開關元件S5藉由控制部33來進行開關。例如，控制部33在將開關元件S2與開關元件S5接通時，使開關元件S4與開關元件S3為斷開狀態。另外，控制部33在將開關元件S2與開關元件S5斷開時，使開關元件S4與開關元件S3為接通狀態。控制部33藉由交替重覆此狀態而將自DC/DC轉換器31輸入的直流電力轉換為交流電力。
其次，對DC/DC轉換器31的動作進行說明。圖3是表示開關元件S1為接通時電流的流動的圖，圖4是表示開關元件S1為斷開時電流的流動的圖。再者，於圖3、圖4中，記號Vin表示太陽能電池110的電壓，記號N1、記號N2分別表示電抗器L11、電抗器L12的匝數(number of turns)，記號R表示經由逆變器電路32而連接於DC/DC轉換器31的輸出側端子的負載。另外，圖3、圖4表示N1=N2時的電流的流動。
於開關元件S1藉由控制部33而被接通時，關於自太陽能電池110輸入至DC/DC轉換器31中的電流，如圖3所示，經由開關元件S1而流入至電抗器L11，從而將能量儲存於電抗器L11中。此時，正側電容器C2、負側電容器C3放電，藉此電流自正側電容器C2、負側電容器C3流入至負載R。因此，流入至電抗器L11的電流自分接頭T0流向太陽能電池110的負極，而非電抗 器L12側。
另一方面，於開關元件S1藉由控制部33而被斷開時，如圖4所示，藉由電抗器L11中所儲存的能量，電流自電抗器L1經由二極體D1而流向負載R，進而經由二極體D2而流向電抗器L1。另外，來自電抗器L1的電流對正側電容器C2、負側電容器C3進行充電。此時，若設定施加至正側電容器C2的電壓為V1，設定施加至負側電容器C3的電壓為V2，則電壓V1、電壓V2成為下述式1、式2所表示的值。再者，Don為開關元件S1的占空比，即，開關元件S1的驅動時間中的開關元件S1為接通的時間的比例。
如式1、式2所示，電壓V1為將電抗器L11的捲繞數N1與電抗器L12的捲繞數N2的比與電壓V2相乘所得的值。因此，若捲繞數N1與捲繞數N2相同，則電壓V1與電壓V2成為相同的值。即，倘若N1=N2，則V1=V2。
而且，如圖2所示，正極側DC匯流排38相對於地(earth)41的電壓成為(V1+V2)/2，負極側DC匯流排39相對於地41的電壓成為-(V1+V2)/2。因此，於V1=V2的情況下，連接於正側電容器C2與負側電容器C3之間的太陽能電池110的負極的電位與地 41的電位相等。例如，於太陽能電池模組1的電池為使用p型半導體的情況下，藉由相對於框架的電位(對地電位)成為負而產生PID現象，因此，藉由使太陽能電池110的負極的電位與地41的電位相等，能夠防止由PID現象導致的性能降低。
進而，本實施形態的DC/DC轉換器31根據開關元件S1的占空比的設定，既可採用將自太陽能電池110輸入的電壓升壓的構成，亦可採用降壓的構成。例如，於使電抗器L1、電抗器L2的捲繞數N1、捲繞數N2相同，且使占空比Don為1/3的情況下，藉由式1，電壓V1成為來自太陽能電池110的輸入電壓Vin的1/2。同樣，於使占空比Don為1/3的情況下，藉由式2，電壓V2成為來自太陽能電池110的輸入電壓Vin的1/2。即，成為Vin=V1+V2。
圖5(A)至圖5(E)是表示使占空比Don為1/3的示例的圖，圖5(A)是表示通過二極體D2的電流的波形，圖5(B)是表示通過二極體D1的電流的波形，圖5(C)是表示通過電抗器L12的電流的波形，圖5(D)是表示通過電抗器L11的電流的波形，圖5(E)是表示輸出電壓V1+V2。另外，於圖5(A)至圖5(E)的示例中，使輸入電壓Vin為250V，使開關元件S1的開關頻率為20kHz。如此，於使輸入電壓Vin為250V，使占空比Don為1/3的情況下，輸出電壓V1+V2亦成為250V，與輸入電壓Vin相等。
另外，於使V1=V2，且使Don>1/3的情況下，根據式1、 式2，輸出電壓V1+V2大於輸入電壓Vin。即，成為Vin<V1+V2，能夠對輸入電壓Vin進行升壓。
圖6(A)至圖6(E)是表示使占空比Don為0.375的示例的圖，圖6(A)是表示通過二極體D2的電流的波形，圖6(B)是表示通過二極體D1的電流的波形，圖6(C)是表示通過電抗器L12的電流的波形，圖6(D)是表示通過電抗器L11的電流的波形，圖6(E)是表示輸出電壓V1+V2。於圖6(A)至圖6(E)的示例中，亦與圖5(A)至圖5(E)的示例相同，使輸入電壓Vin為250V，使開關元件S1的開關頻率為20kHz。如此，於使輸入電壓Vin為250V，使占空比Don為0.375的情況下，輸出電壓V1+V2成為300V，高於輸入電壓Vin。
另外，於使V1=V2，且使Don<1/3的情況下，根據式1、式2，輸出電壓V1+V2小於輸入電壓Vin。即，成為Vin>V1+V2，能夠對輸入電壓Vin進行降壓。
圖7(A)至圖7(E)是表示使占空比Don為0.273的示例的圖，圖7(A)是表示通過二極體D2的電流的波形，圖7(B)是表示通過二極體D1的電流的波形，圖7(C)是表示通過電抗器L12的電流的波形，圖7(D)是表示通過電抗器L11的電流的波形，圖7(E)是表示輸出電壓V1+V2。於圖7(A)至圖7(E)的示例中，使輸入電壓Vin為400V，使開關元件S1的開關頻率為20kHz。如此，於使輸入電壓Vin為400V，使占空比Don為0.273的情況下，輸出電壓V1+V2成為約300V，低於輸入電 壓Vin。
如此，於本實施形態的電源系統100中，DC/DC轉換器31既可採用將輸入電壓Vin升壓的構成，亦可採用將輸入電壓Vin降壓的構成，因此設計的自由度提升。即，可設為對應於太陽能電池110的模組數或系統側的需求規格將輸入電壓Vin轉換為規定的電壓的構成。
另外，專利文獻1的電源調節器為對輸入電壓進行升壓並供給至逆變器的構成，無法對輸入電壓進行降壓，但本實施形態的電源調節器30能夠採用藉由開關元件S1的占空比Don的設定來進行降壓的構成。藉此，例如即便於使來自太陽能電池110的輸入電壓Vin變高的情況下，亦可藉由利用DC/DC轉換器31進行降壓而抑制電力轉換效率的降低。
所述本發明的實施形態以及變形例僅為例示，本發明並非限定於此。另外，於所述實施形態以及變形例中示出的特徵性的構成當然可於不脫離本發明的主旨的範圍內進行組合。

Claims (4)

  1. 一種DC/DC轉換器，包括：正側電容器，其中一端部與正極側的輸出端連接；負側電容器，其中一端部與所述正側電容器連接，另一端部與負極側的輸出端連接，於所述正極側的輸出端與所述負極側的輸出端之間與所述正側電容器串聯地設置；電抗器，其中一端部與所述正極側的輸出端以及所述正側電容器連接，與所述輸出端側的端部為相反側的輸入側端部與所述負極側的輸出端以及所述負側電容器連接，於所述正極側的端部與所述輸入側端部之間具有中間分接頭；以及開關元件，其中一端部與所述電抗器的所述輸入側端部連接，另一端部與太陽能電池的正極連接，所述開關元件被進行接通/斷開控制，從而對自所述太陽能電池輸入的電力的導通與阻斷進行切換，將所述太陽能電池的負極連接於所述正側電容器與所述負側電容器之間的部位以及所述電抗器的所述中間分接頭，於所述開關元件為接通狀態時，將來自所述太陽能電池的電流供給至所述電抗器並將能量儲存於所述電抗器中，於所述開關元件為斷開狀態時，將所述電抗器中所儲存的能量放出，藉此向連接於所述正極側的輸出端與所述負極側的輸出端的負載供給電力，並且對所述正側電容器以及所述負側電容器進行充電，於所述開關元件為接通狀態時，針對自所述正側電容器以及所述負側電容器放出的電力，向連接於所述正極側的輸出端與所述負極側的輸出端的負載供給電力。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的DC/DC轉換器，其中，藉由設定所述開關元件的占空比，而對來自所述太陽能電池的輸入電壓進行降壓。
  3. 一種電源調節器，包括：如申請專利範圍第1項或第2項所述的DC/DC轉換器；以及逆變器，耦接所述DC/DC轉換器，並將自所述DC/DC轉換器供給的直流電力轉換為交流電力並輸出。
  4. 一種電源系統，包括：太陽能電池；如申請專利範圍第1項或第2項所述的DC/DC轉換器，耦接所述太陽能電池，並轉換從所述太陽能電池輸出的直流電力的電壓；以及逆變器，耦接所述DC/DC轉換器，並將自所述DC/DC轉換器供給的直流電力轉換為交流電力並輸出。
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