WO2017043197A1 - パワーコンディショナおよびパワーコンディショナの制御方法 - Google Patents

パワーコンディショナおよびパワーコンディショナの制御方法 Download PDF

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WO2017043197A1
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power
unit
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power conditioner
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しおり 増山
俊祐 松永
小坂　忠義
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株式会社日立産機システム
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
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    • H02M7/42—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal
    • H02M7/44—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters
    • H02M7/48—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
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    • G05F1/66—Regulating electric power
    • G05F1/67—Regulating electric power to the maximum power available from a generator, e.g. from solar cell
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
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    • H02M7/537—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only, e.g. single switched pulse inverters
    • H02M7/539—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only, e.g. single switched pulse inverters with automatic control of output wave form or frequency
    • H02M7/5395—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only, e.g. single switched pulse inverters with automatic control of output wave form or frequency by pulse-width modulation
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
    • Y02E10/56—Power conversion systems, e.g. maximum power point trackers

Definitions

  • the present invention relates to a power conditioner and a method for controlling the power conditioner.
  • Patent Document 1 JP 2012-205328 A
  • Patent Document 2 JP 2012-205328 A
  • a grid interconnection device that can use a low withstand voltage load or switch circuit to which power is supplied when determining whether or not a solar cell can supply power capable of interconnection operation. Is provided. "
  • patent 3762036 gazette patent document 2. This publication states that “the power conditioner can be stably operated even if the output characteristics of the solar cell change”.
  • JP 2012-205328 A Japanese Patent No. 3762036
  • the power conditioner is connected to the power system at the time of start-up, and supplies the power system by converting the DC power output from the solar cell into AC power.
  • the inverter starts when the output power of the solar cell exceeds the power required to start the inverter, and stops when the output power of the solar cell decreases and falls below the power required to start the power conditioner. .
  • the inverter In the start-up of the inverter, there is usually no information that can be obtained only for the open voltage of the solar cell (DC voltage when no current is flowing) in the state before the interconnection with the power system. Therefore, it is not clear from the open-circuit voltage whether the output power of the solar cell exceeds the power necessary for starting the power conditioner due to the characteristics of the solar cell whose open-circuit voltage value changes with temperature. Therefore, if the output power of the solar cell is insufficient, the power conditioner consumes the output power of the solar cell at the same time as the start of the power conditioner, and the reduced DC voltage does not satisfy the operating condition of the power conditioner The inverter is stopped.
  • Patent Document 1 describes means for determining whether a solar cell is outputting electric power necessary for operation of the power conditioner by consuming electric power in an AC load circuit provided outside the power conditioner. Further, in Patent Document 2, power is consumed by a discharge resistor in a discharge circuit additionally provided inside the power conditioner, and it is determined whether the solar cell outputs power necessary for the operation of the power conditioner. The means to do is described.
  • Patent Document 1 additional components such as an AC load circuit for starting determination and a circuit switching device are required outside the power conditioner. Moreover, in the said patent document 2, a discharge resistance is separately needed for a direct-current part.
  • An object of the present invention is to provide a control method for the inverter and the inverter.
  • a main circuit unit including an inverter unit that converts DC power from a solar cell into AC power, a switching pulse generation unit that sends a switching command to the inverter unit of the main circuit unit, and a switching command sent by the switching pulse generation unit
  • a start-up determination processing unit including a comparison unit that compares a DC voltage value when the inverter unit consumes power with a predetermined minimum operable voltage value.
  • FIG. 10 is an example of a flowchart for explaining processing of a start determination processing unit 150. This is an example of a PV curve comparing a case where the amount of generated power is small and a case where the amount of generated power is large. It is an example of a PV curve for explaining a determination criterion of the comparison calculation unit 152. It is an example of the figure showing the relationship between active power (P) and frequency (f). 4 is an example of an operation performed in a switching pulse generation unit 160. 4 is an example of an operation performed in a switching pulse generation unit 160. It is an example of the block diagram of the power conditioner in Example 2. FIG. It is an example of the flowchart explaining the process of the starting determination process part.
  • PV curve when power is consumed inside the power conditioner. It is an example of the block diagram of the power conditioner in Example 3. FIG. It is an example of the flowchart explaining the process of the starting determination process part. It is an example of a PV curve of a solar cell under a certain condition. It is an example of the IV curve of the solar cell under a certain condition.
  • FIG. 1 is an example of a configuration diagram of the power conditioner of the present embodiment.
  • the power conditioner of the present embodiment includes a power conditioner main circuit unit 100 and an activation determination processing unit 150, and the solar cell 1 and the power system 2 are connected to the power conditioner main circuit unit 100.
  • the power conditioner main circuit unit 100 includes an insulating transformer 11, MC 12, a system side breaker 13, a DC side breaker 14, a DC unit capacitor 15, and an inverter unit 20.
  • the inverter unit 20 includes a main element 21 and a main circuit filter 30, and the main circuit filter 30 includes a reactor 31, a damper resistor 32, and a filter capacitor 33.
  • the activation determination processing unit 150 includes an estimation process activation determination unit 151, a comparison calculation unit 152, and a switching pulse generation unit 160.
  • Solar cell 1 outputs the generated DC power to power conditioner main circuit unit 100.
  • the power system 2 passes AC power to and from the power conditioner main circuit unit 100.
  • the insulation transformer 11 is a transformer provided between the inverter unit 20 and the power system 2 and insulates the inverter unit 20 and the power system 2.
  • the MC 12 is inserted when the inverter unit 20 and the power system 2 are connected via the system-side breaker 13.
  • the system side breaker 13 is a circuit breaker that is inserted when the power system 2 and the power conditioner main circuit unit 100 are connected, and is also used as protection on the AC side.
  • the DC side breaker 14 is a breaker that is inserted when the solar cell 1 and the power conditioner main circuit unit 100 are connected, and is also used as a DC side protection.
  • the DC unit capacitor 15 is a capacitor provided on the DC side of the power conditioner main circuit unit 100, and smoothes the DC voltage. Moreover, the direct current voltage which the solar cell 1 outputs can be measured by monitoring this capacitor
  • the main element 21 receives a switching command from the switching pulse generator 160, converts the DC power output from the solar cell 1 into AC power, and outputs the AC power to the main circuit filter 30.
  • the main circuit filter 30 removes harmonics of the alternating current output from the main element 21.
  • the output power is output to the power system 2 via the isolation transformer 11, MC 12, and system side breaker 13.
  • Reactor 31, damper resistor 32, and filter capacitor 33 are mounted inside main circuit filter 30 as components for suppressing harmonics of AC power. When the main element 21 performs switching, power is consumed by the damper resistor 32 as described later.
  • the estimation process activation determination unit 151 monitors the open-circuit voltage of the DC unit capacitor 15 (DC voltage when no DC current is flowing) and determines whether to start the estimation process. When it is determined that the estimation process can be activated, an estimation process activation instruction is output to the switching pulse generator 160.
  • Switching pulse generation unit 160 outputs a switching command to main element 21 when an estimation processing activation command is input from estimation processing activation determination unit 151. Details of this will be described later.
  • the comparison calculation unit 152 compares the DC voltage of the DC capacitor 15 when the damper resistor 32 is consuming power (hereinafter referred to as DC voltage when the load is applied) with the minimum operable voltage, and the DC when the load is applied. When the voltage exceeds the minimum operable voltage, it is determined that the operation can be started and a start command is output.
  • the minimum operable voltage is the minimum DC voltage required when converting DC power to AC power.
  • the AC voltage value to be converted can be adjusted by changing the modulation factor, but the AC voltage of the power system 2 is determined, so it is necessary for the conversion.
  • the minimum value of this DC voltage is the minimum operable voltage.
  • the minimum operable voltage is a value determined in advance at the time of factory shipment, for example.
  • FIG. 2 is an example of a flowchart for explaining the processing of the activation determination processing unit 150. Processing performed by the activation determination processing unit 150 will be described with reference to FIG.
  • the estimation process activation determination unit 151 compares the open-circuit voltage of the DC unit capacitor 15 with a preset reference voltage (S201), and outputs an estimation process activation command when the open-circuit voltage is greater than the reference voltage. (S202). At this time, it may be added on condition that the electric power system 2 is in a return state for reasons related to grid connection regulations. For safety reasons, an operation command may be added as a condition.
  • the switching pulse generation unit 160 When the estimation process activation determination unit 151 receives the estimation process activation instruction, the switching pulse generation unit 160 generates a switching pulse for switching the main element 21 (S203), and outputs the switching instruction to the main element 21 ( S204).
  • the main element 21 When the main element 21 performs switching, the DC power generated by the solar cell 1 is converted into AC power. The converted AC power is consumed by the damper resistor 32 in the main circuit filter 30.
  • the power consumption of the damper resistor 32 is adjusted so that the total power consumed in the power conditioner exceeds the minimum operable power.
  • the minimum operable power is the minimum power required when the power conditioner is operating, and is the total of the power consumption of the switching loss when the main element 21 is in a no-load state, the cooling fan, the power supply of various circuits, and the like.
  • the power consumed by the damper resistor 32 is the driving of the cooling fan. Power consumption for the vehicle and other power consumption generated by starting operation are added. A method for adjusting the power consumed by the damper resistor 32 will be described later.
  • the comparison calculation unit 152 compares the DC voltage at the time of loading with the minimum operable voltage (S205). When the DC voltage at the time of loading the load is larger than the minimum operable voltage, the generated power of the solar cell 1 exceeds the minimum operable power for the reason described later. Therefore, when the DC voltage at the time of applying the load is smaller than the minimum operable voltage, it is determined that the operation is impossible, the output of the switching command is stopped, the standby for a certain time is performed (S206), and the start determination processing unit 150 Redo the judgment process from the beginning.
  • FIG. 3 is an example of a PV curve representing the relationship between the output power (P) and the output voltage (V) of the solar cell 1. A case where the amount of generated power of the solar cell 1 is small is compared with a case where the amount of generated power is large.
  • V OP is an open-circuit voltage
  • V RUN is a minimum operable voltage
  • P COM is power consumed by the entire power conditioner when the damper resistor 32 consumes power
  • V COM is P COM. It is assumed that the voltage at the time of consumption, P MAX, is the point at which the power is maximum on the PV curve.
  • P MAX the voltage at the time of consumption
  • the solar cell 1 cannot output a direct current when the process of the activation determination processing unit 150 starts, it takes V OP that is an open-circuit voltage point. Since V OP is larger than V RUN , the activation determination process starts.
  • FIG. 4 is an example of a PV curve when V OP takes a value relatively close to V RUN with respect to the PV curve when P MAX is larger than P COM in FIG.
  • the symbols shown in FIG. 4 have the same meaning as the same symbol names shown in FIG. FIG. 4 shows that V OP is larger than V RUN, but when the damper resistor 32 consumes power, V COM becomes smaller than V RUN .
  • the comparison calculation unit 152 compares V COM and V RUN to confirm whether there is a voltage necessary for operation.
  • Equation 1 is an equation for obtaining the power of the RLC circuit.
  • Equation 1 P is an effective power consumed by the damper resistor 32, V is an applied voltage (amplitude value of the phase voltage), L is an inductance of the reactor 31, R is a resistance value of the damper resistor 32, and C is a static value of the filter capacitor 33. Electric capacity, ⁇ is angular velocity. If phase-converted values are used as the values of L, R, and C, the power per phase is calculated from Equation 1, so by multiplying by three, the total power for the three phases is obtained. When L, R, and C are fixed values, the active power P is a function of the angular velocity ⁇ and the applied voltage V.
  • FIG. 5 is an example of a diagram showing the relationship between the active power P and the frequency f when the applied voltage V is constant.
  • the frequency f is the angular velocity ⁇ divided by 2 ⁇
  • f R is the resonance frequency. 5 that by changing the frequency, the less the maximum power at the resonant frequency f R, it is possible to consume any power P.
  • the capacitor voltage V C can be higher than the applied voltage V in a frequency region higher than the frequency of the connected power system 2. As a result, a voltage higher than that during normal operation may be generated across the capacitor.
  • a smaller area than the resonance frequency f R, including the frequency of the system to be interconnection as frequency.
  • the frequency when the power P is consumed can be obtained by solving Equation 1 for the angular velocity ⁇ . This is as shown in Equation 2.
  • Equation 3 The voltage V C across the capacitor at this angular velocity ⁇ is expressed by Equation 3, but if Equation 2 is substituted for the angular velocity ⁇ in Equation 3, the voltage V C across the capacitor when the power P is consumed at the applied voltage V is I want.
  • This equation makes it possible to power dissipation in the components rated range of the capacitor becomes possible to adjust the voltage V C across the capacitor by applying a voltage V.
  • a high-frequency component is included in the voltage waveform.
  • the calculation of power when this high frequency component is included will be described. First, if the frequency component contained in the PWM voltage waveform is obtained by Fourier transform, the power can be calculated from Equation 1 for each frequency. Calculation is possible by integrating all the frequencies that contain this electric power. Further, the relationship between the frequency and the power may be grasped by preparing an environment according to actual output conditions and measuring the power in advance.
  • the approximate time from when the voltage is applied to the damper resistor 32 until the electric power shown in Equation 1 is actually generated can be obtained from the time constant of the LR circuit composed of L and R of the main circuit filter. This time constant is usually about 1 second or less.
  • the DC voltage is measured after the electric power represented by Equation 1 is generated, but it is usually possible to perform the measurement in a time less than or equal to the time constant. Further, the interval of the switching command output for determining the start of operation seems to be several seconds to several minutes, but the usage rate of the damper resistor 32 can be determined by adjusting this interval.
  • the power consumption at the short-time rating can be performed. It becomes possible. Since the short-time rating is usually several times the continuous rating, even a damper resistor provided for the purpose of a sine wave filter can often consume the same amount of power as the minimum operable power.
  • the voltage of the filter capacitor 33 when the power is consumed by the damper resistor 32 is obtained.
  • the frequency at which power is consumed by the damper resistor 32 is set to a frequency smaller than the resonance frequency
  • the voltage applied to the filter capacitor 33 in the main circuit filter 30 becomes larger. Therefore, by obtaining the voltage applied to the filter capacitor 33 as follows, it is possible to prevent the filter capacitor 33 from being broken.
  • FIG. 6 is a specific example of the operation performed in the switching pulse generator 160.
  • the switching pulse generation unit 160 includes an integration unit 161, a conversion unit 162, and a PWM pulse generation unit 163.
  • the switching pulse generation unit 160 performs the following operation.
  • the angular velocity 2 ⁇ f (f is a frequency) is input to the integrating unit 161, time integration is performed, and the phase ⁇ is output.
  • the phase ⁇ , the d-axis voltage command V d *, and the q-axis voltage command V q * are input to the conversion unit 162.
  • the voltage command value of V q * is 0.
  • the converter 162 converts the voltage on the dq axis of V d * and V q * into a three-phase AC voltage signal and outputs it to the PWM pulse generator 164.
  • the PWM pulse generation unit 164 generates six switching pulse signals that become PWM pulses from the three-phase AC voltage, and outputs them to the main element 21 as switching commands.
  • FIG. 7 is a specific example of the operation performed in the switching pulse generation unit 160 when the voltage feedback processing is provided.
  • the switching pulse generation unit 160 includes an integration unit 161, a conversion unit 162, a PWM pulse generation unit 163, a power calculation unit 164, and a frequency calculation unit 165.
  • the switching pulse generator 160 includes a power calculator 164 and a frequency calculator 165 in addition to the switching pulse generator 160 of FIG. Since it has the same function as the configuration denoted by the same reference numeral shown in FIG. 6 already described, description thereof will be omitted.
  • the power calculation unit 164 performs power calculation from the AC current and AC voltage between the main element 21 and the main circuit filter 30. At this time, the AC voltage can be converted from the voltage command input to the converter 162. Further, the current and voltage used in the power calculation unit 164 may be detected on the DC side.
  • the power output from the power calculation unit 164 is compared with the power consumed by the damper resistor 32 set in advance, and the difference power is output.
  • the frequency calculation unit 165 outputs a frequency command by taking the sum of the difference power output from the power calculation unit 164 by multiplying the proportional coefficient and the integration coefficient.
  • the provision of the switching pulse generator 160 as shown in FIG. 7 makes it possible to consume desired power even when a resistance change due to a resistance error between solids or a temperature occurs in the damper resistor 32.
  • the present invention is also effective when a boost chopper circuit is mounted on the DC side of the power conditioner main circuit unit 100.
  • connection with the power system 2 is three-phase, but the same method can be applied even with a single-phase connection.
  • FIG. 8 is an example of a configuration diagram of the power conditioner of the present embodiment.
  • the power conditioner of the present embodiment includes a power conditioner main circuit unit 100 and an activation determination processing unit 250, and the solar cell 1 and the power system 2 are connected to the power conditioner main circuit unit 100.
  • the power conditioner main circuit unit 100 includes an insulation transformer 11, MC 12, a system side breaker 13, a DC side breaker 14, a DC unit capacitor 15, and an inverter unit 20.
  • the inverter unit 20 includes a main element 21 and a main circuit filter 30, and the main circuit filter 30 includes a reactor 31, a damper resistor 32, and a filter capacitor 33.
  • the activation determination processing unit 250 includes an estimation process activation determination unit 151, a comparison calculation unit 252, and a switching pulse generation unit 160.
  • the comparison calculation unit 152 is changed to the comparison calculation unit 252.
  • Other configurations have the same functions as the configurations denoted by the same reference numerals shown in FIG. 1 and have not been described.
  • the comparison calculation unit 252 compares the open-circuit voltage of the DC unit capacitor 15, the DC voltage of the DC unit capacitor 15 when the load is applied, and a predetermined operable drop voltage. When the difference between the open-circuit voltage and the DC voltage when the load is applied (hereinafter referred to as DC voltage drop) is smaller than the operable voltage drop, a start command is output.
  • the operable drop voltage is a ratio of a voltage calculated based on an arbitrary fixed voltage or open circuit voltage, and is a DC drop voltage used for comparison of conditions for outputting a start command.
  • FIG. 9 is an example of a flowchart for explaining the processing of the activation determination processing unit 250. The process performed by the activation determination processing unit 250 will be described with reference to FIG.
  • the power consumed by the damper resistor 32 does not need to exceed the minimum operable power, and is an arbitrary fixed power. In the present embodiment, the power consumed by the damper resistor 32 is smaller than the minimum operable power.
  • the power consumed by the damper resistor 32 is limited by, for example, voltage detection accuracy or other estimation methods.
  • the comparison calculation unit 252 compares the DC voltage drop with the operable voltage drop (S905).
  • the comparison calculation unit 252 outputs a start command (S907).
  • the operation can be continued without repeating the start and stop of the power conditioner by starting the operation after the comparison operation unit 252 outputs the start command.
  • FIG. 10 is an example of a PV curve when power is consumed inside the power conditioner.
  • V OP is open voltage
  • V D is operable voltage drop
  • P RUN is operable minimum power
  • P D is the voltage drop across the power consumption, and to.
  • C 1 is a PV curve where the maximum point of power sufficiently exceeds P RUN
  • C 2 is a PV curve where the maximum point of power slightly exceeds P RUN
  • C 3 is a maximum point of power where P RUN is but not exceeding, P-V curve more than P D
  • C 4 is a P-V curve the maximum point of power does not exceed P D.
  • the DC voltage when PD is consumed at C 1 is V 1
  • the DC voltage when PD is consumed at C 2 is V 2
  • the DC voltage when PD is consumed at C 3 is V 3.
  • the DC voltage when PD is consumed at C 4 is V 4 (0 point).
  • the voltage V 1 and V 2 at the time of consumed power P D at C 1 and C 2 is greater than V D
  • the voltage V 3 at the time of consumed power P D at C 3 and C 4 It can be seen that V 4 is smaller than V D.
  • the damper resistor 32 is taken as an example of the load on the AC side.
  • the present invention is not limited to this as long as it is a means for consuming the AC side power by the parts provided in advance in the power conditioner. Further, power may be consumed using a load on the DC side instead of the load on the AC side.
  • FIG. 11 is an example of a configuration diagram of the power conditioner of the present embodiment.
  • the power conditioner of the present embodiment includes a power conditioner main circuit unit 100 and an activation determination processing unit 350, and the solar cell 1 and the power system 2 are connected to the power conditioner main circuit unit 100.
  • the power conditioner main circuit unit 100 includes an insulation transformer 11, MC 12, a system side breaker 13, a DC side breaker 14, a DC unit capacitor 15, and an inverter unit 20.
  • the inverter unit 20 includes a main element 21 and a main circuit filter 30, and the main circuit filter 30 includes a reactor 31, a damper resistor 32, and a filter capacitor 33.
  • the activation determination processing unit 350 includes an estimation process activation determination unit 151, a switching pulse generation unit 160, a comparison calculation unit 352, and a solar cell maximum power estimation processing unit 353.
  • the comparison calculation unit 152 is changed to the comparison calculation unit 352, and the activation determination processing unit 350 includes a solar cell maximum power estimation processing unit 353.
  • Other configurations have the same functions as the configurations denoted by the same reference numerals shown in FIG. 1 and have not been described.
  • the comparison calculation unit 352 compares the estimated maximum power output from the solar cell maximum power estimation processing unit 353 with the minimum operable power. When the estimated maximum power is larger than the minimum operable power, a start command is output.
  • the solar cell maximum power estimation processing unit 353 calculates the estimated maximum power (the value obtained by calculating the maximum power that can be generated by the solar cell 1) from the power consumption when the load is applied and the DC voltage of the DC capacitor 15 when the load is applied. Is calculated and output.
  • the power consumption when the load is turned on is the power consumed by the damper resistor 32, and the power consumed is a predetermined power.
  • FIG. 12 is an example of a flowchart for explaining the processing of the activation determination processing unit 350. Processing performed by the activation determination processing unit 350 will be described with reference to FIG.
  • the power consumed by the damper resistor 32 does not need to exceed the minimum operable power, and is an arbitrary fixed power. In the present embodiment, the power consumed by the damper resistor 32 is smaller than the minimum operable power.
  • the solar cell maximum power estimation processing unit 353 estimates the maximum power from the power consumption when the load is turned on, the open-circuit voltage, and the DC voltage when the load is turned on, and outputs it to the comparison calculation unit 352 (S1205). A method for estimating the maximum power will be described later.
  • the comparison calculation unit 352 compares the estimated maximum power input from the solar cell maximum power estimation processing unit 353 with the operable minimum power (S1206).
  • the output of the switching command is stopped, waiting for a predetermined time (S1207), and the determination process is restarted from the start of the activation determination processing unit 350.
  • the comparison calculation unit 352 outputs a start command (S1208).
  • Equations (4) and (5) are solar cell operation equations.
  • I is the DC current
  • V is a DC voltage
  • I ph is caused current by solar radiation
  • R s is the series resistance
  • R sh is the parallel resistance
  • I s is the reverse saturation current
  • q is Motoni amount
  • n represents the bonding constant
  • k is Boltzmann's constant
  • T is temperature
  • I s (T 1) is the reverse saturation current at a temperature T 1
  • I s (T 0 ) is the reverse saturation current at a temperature T0
  • XTI is the saturation current
  • N is an emission constant
  • E g is an energy gap.
  • FIG. 13 is an example of a PV curve of a solar cell under certain conditions.
  • FIG. 14 is an example of an IV curve of a solar cell under the same conditions as in FIG.
  • the IV curve is a curve representing the relationship between the direct current (I) and direct current voltage (V) of the solar cell.
  • the IV curve takes an operating point on the IV curve shown in FIG.
  • the DC voltage at the operating point on this IV curve is V 2 and the DC current is I 2 .
  • Equation 4 Substituting the temperature T 1 , the DC voltage V 1 at the open-circuit voltage point, the DC voltage V 2 at the operating point, and the DC current I 2 at the operating point into Equation 4 , respectively, Equations 6 and 7 are derived.
  • Equation 8 is derived, and when Equation 5 is substituted for Equation 8, Equation 9 is derived.
  • Equation 9 the second term of the term and the right side R s I 2, since a small value, excluding from this calculation, the number 10 is obtained.
  • Equation 6 the electromotive current I ph due to solar radiation is obtained.
  • the second term on the right side is a minute value and is excluded from the calculation.
  • Equation 12 is derived.
  • V represents a DC voltage at the maximum power point
  • I represents a DC current at the maximum power point.
  • Equation 13 is obtained, and when Equation 12 is substituted into Equation 13, Equation 14 is derived.
  • Equation 14 since the R s I term is a minute value, it is excluded from this calculation and Equation 15 is derived.
  • equation 16 When substituting equation 15 into equation 4, equation 16 is obtained, and the unknown is only V, so the DC voltage V at the maximum power point is obtained.
  • the maximum power point can be estimated by calculating the point on the PV curve when the damper resistor 32 is consuming power as the operating point.
  • the method for obtaining the power consumption at the time of load application is not specified, it may be measured in advance under the same conditions, or the DC voltage at the time of load application and the DC current at the time of load application may be measured. You may multiply.
  • the damper resistor 32 is taken as an example of the load on the AC side.
  • the present invention is not limited to this as long as it is a means for consuming the AC side power by the parts provided in advance in the power conditioner. Further, power may be consumed using a load on the DC side instead of the load on the AC side.
  • the power conditioner is provided in advance without providing a load circuit, a circuit switching device, or the like for use in the start determination for consuming the generated power of the solar cell 1 outside the power conditioner. It is possible to determine whether or not the solar cell can generate the minimum power necessary for the operation of the power conditioner.
  • the contents of the present embodiment can be used not only during the interconnection operation but also during the independent operation.
  • the power generated by the inverter during the self-sustaining operation is equal to the power consumed by any load installed by the user. Therefore, in order to output an AC voltage at a constant voltage during the self-sustaining operation, the power conditioner needs to generate electric power that exceeds the electric power consumed by the load. However, since there is no means for knowing the electric power consumed by the attached load, the electric power that can be generated by the solar cell is stopped simultaneously with the operation unless the electric power consumed by the load exceeds the electric power consumed by the load.
  • the user in addition to being able to determine whether or not driving is possible by the user, the user can determine detailed activation and operating conditions of the entire system, thereby expanding the usage range.
  • this invention is not limited to an above-described Example, Various modifications are included.
  • the above-described embodiments have been described in detail for easy understanding of the present invention, and are not necessarily limited to those having all the configurations described.
  • a part of the configuration of one embodiment can be replaced with the configuration of another embodiment, and the configuration of another embodiment can be added to the configuration of one embodiment.
  • Each of the above-described configurations, functions, processing units, processing means, and the like may be realized by hardware by designing a part or all of them with, for example, an integrated circuit.
  • Each of the above-described configurations, functions, and the like may be realized by software by interpreting and executing a program that realizes each function by the processor.
  • Information such as programs, tables, and files for realizing each function can be stored in a recording device such as a memory, a hard disk, an SSD (Solid State Drive), or a recording medium such as an IC card, an SD card, or a DVD.
  • the control lines and information lines indicate what is considered necessary for the explanation, and not all the control lines and information lines on the product are necessarily shown. Actually, it may be considered that almost all the components are connected to each other.

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Abstract

適切なパワーコンディショナの起動のためには、パワーコンディショナの外部に起動判定用の交流負荷回路や回路切替装置等の追加部品が必要となる。また、直流部に放電抵抗が別途必要となる。この問題を解決するためのパワーコンディショナであって、太陽電池からの直流電力を交流電力に変換するインバータ部を備える主回路部と、前記主回路部のインバータ部にスイッチング指令を送るスイッチングパルス生成部と、前記スイッチングパルス生成部により送られたスイッチング指令に基づき前記インバータ部で電力を消費している際の直流電圧値と予め定めた運転可能最小電圧値とを比較する比較部と、を備える起動判定処理部と、を備えるパワーコンディショナである。

Description

パワーコンディショナおよびパワーコンディショナの制御方法
　本発明は、パワーコンディショナおよびパワーコンディショナの制御方法に関する。
　本技術分野の背景技術として、特開２０１２－２０５３２８号公報（特許文献１）がある。この公報には、「連系運転が可能な電力を太陽電池が供給できるか否かを判定する際に電力が供給される負荷やスイッチ回路について、耐圧の低いものが利用できる系統連系装置を提供する。」と記載されている。また、特許第３７６２０３６号公報（特許文献２）がある。この公報には、「太陽電池の出力特性が変化してもパワーコンディショナを安定的に運転可能とする。」と記載されている。
特開２０１２－２０５３２８号 特許第３７６２０３６号
　太陽光発電システムにおいて、パワーコンディショナは、起動時に電力系統と連系し、太陽電池が出力する直流電力を交流電力に変換することで、電力系統に供給する。
　パワーコンディショナは、太陽電池の出力電力が、パワーコンディショナの起動に必要な電力を上回ると起動し、太陽電池の出力電力が減少してパワーコンディショナの起動に必要な電力を下回ると停止する。
　このパワーコンディショナの起動において、電力系統と連系を行う前の状態では、通常、太陽電池の開放電圧（電流が流れていないのときの直流電圧）しか得られる情報がない。そのため、温度によって開放電圧値が変化してしまう太陽電池の特性により、太陽電池の出力電力が、パワーコンディショナの起動に必要な電力を上回っているかが、開放電圧からは明解にわからない。そのため、太陽電池の出力電力が不十分だと、パワーコンディショナの起動と同時に、パワーコンディショナが太陽電池の出力電力を消費し、低下した直流電圧がパワーコンディショナの運転条件を満足しないため、パワーコンディショナは停止する。この際、電力系統と連系する際に投入する系統連系用リレー（以下、ＭＣ）の、不要な開閉動作が発生する。ＭＣの不要な開閉動作が発生すると、ＭＣの寿命低下や騒音の影響があるため、避けることが望ましい。
　前記特許文献１には、パワーコンディショナの外部に設けた交流負荷回路に電力を消費させ、太陽電池がパワーコンディショナの運転に必要な電力を出力しているかを判断する手段を記載している。また、前記特許文献２には、パワーコンディショナの内部に追加で設けた放電回路内の放電抵抗に電力を消費させ、太陽電池がパワーコンディショナの運転に必要な電力を出力しているかを判断する手段を記載している。
　しかし、前記特許文献１においては、パワーコンディショナの外部に、起動判定用の交流負荷回路や、回路切替装置等の追加部品が必要となる。また、前記特許文献２においては、直流部に放電抵抗が別途必要となる。
　そこで、本願では、信頼性が高く、また、より安価に、太陽電池がパワーコンディショナの運転に必要な電力を出力しているかを判断し、パワーコンディショナの起動と停止の繰り返しを避けるパワーコンディショナおよびパワーコンディショナの制御方法を提供することを目的とする。
　上記課題を解決するために、例えば特許請求の範囲の構成を採用する。
　太陽電池からの直流電力を交流電力に変換するインバータ部を備える主回路部と、前記主回路部のインバータ部にスイッチング指令を送るスイッチングパルス生成部と、前記スイッチングパルス生成部により送られたスイッチング指令に基づき前記インバータ部で電力を消費している際の直流電圧値と予め定めた運転可能最小電圧値とを比較する比較部と、を備える起動判定処理部と、を備えるパワーコンディショナである。
　本発明によれば、信頼性が高く、また、より安価なパワーコンディショナおよびパワーコンディショナの制御方法を提供することができる。
　上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。
実施例１におけるパワーコンディショナの構成図の例である。 起動判定処理部１５０の処理を説明するフローチャートの例である。 発電電力量が少ない場合と多い場合とを比較したＰ－Ｖカーブの例である。 比較演算部１５２の判定基準を説明するためのＰ－Ｖカーブの例である。 有効電力（Ｐ）と周波数（ｆ）の関係を表す図の例である。 スイッチングパルス生成部１６０で行われる動作の例である。 スイッチングパルス生成部１６０で行われる動作の例である。 実施例２におけるパワーコンディショナの構成図の例である。 起動判定処理部２５０の処理を説明するフローチャートの例である。 パワーコンディショナ内部で電力を消費した際のＰ－Ｖカーブの例である。 実施例３におけるパワーコンディショナの構成図の例である。 起動判定処理部３５０の処理を説明するフローチャートの例である。 ある条件下での太陽電池のＰ－Ｖカーブの例である。 ある条件下での太陽電池のＩ－Ｖカーブの例である。
　以下、実施例を図面を用いて説明する。
　本実施例では、連系運転を行う前に、パワーコンディショナの内部に備えた交流負荷を用いて電力を消費し、太陽電池が、パワーコンディショナの運転に必要な最小電力（以下、運転可能最小電力）を発電可能かどうかを判断する方法について説明する。
　図１は、本実施例のパワーコンディショナの構成図の例である。
　本実施例のパワーコンディショナは、パワーコンディショナ主回路部１００と起動判定処理部１５０を備えて構成され、太陽電池１と電力系統２はパワーコンディショナ主回路部１００に接続される。
　パワーコンディショナ主回路部１００は、絶縁トランス１１、ＭＣ１２、系統側ブレーカ１３、直流側ブレーカ１４、直流部コンデンサ１５、インバータ部２０を備えて構成される。インバータ部２０は、主素子２１、主回路フィルタ３０を有し、主回路フィルタ３０はリアクトル３１、ダンパ抵抗３２、フィルタコンデンサ３３を有する。　
　起動判定処理部１５０は、推定処理起動判定部１５１、比較演算部１５２、スイッチングパルス生成部１６０を有する。
　太陽電池１は、発電した直流電力をパワーコンディショナ主回路部１００へ出力する。電力系統２は、交流電力をパワーコンディショナ主回路部１００と受け渡しする。絶縁トランス１１は、インバータ部２０と電力系統２との間に設けられたトランスであり、インバータ部２０と電力系統２とを絶縁する。ＭＣ１２は、系統側ブレーカ１３を介して、インバータ部２０と電力系統２とを連系させる際に投入する。系統側ブレーカ１３は、電力系統２とパワーコンディショナ主回路部１００とを接続する際に投入するブレーカであり、交流側の保護としても使用する。直流側ブレーカ１４は、太陽電池１とパワーコンディショナ主回路部１００とを接続する際に投入するブレーカであり、直流側の保護としても使用する。直流部コンデンサ１５は、パワーコンディショナ主回路部１００の直流側に設けられたコンデンサであり、直流電圧の平滑化を行う。また、このコンデンサを監視することで、太陽電池１が出力する直流電圧を計測することができる。
　主素子２１はスイッチングパルス生成部１６０よりスイッチング指令を受け、太陽電池１が出力した直流電力を交流電力に変換し、主回路フィルタ３０へ出力する。主回路フィルタ３０は、主素子２１が出力した交流電流の高調波を除去する。出力された電力は、絶縁トランス１１、ＭＣ１２、系統側ブレーカ１３を介して電力系統２へ出力される。リアクトル３１、ダンパ抵抗３２、フィルタコンデンサ３３は、交流電力の高調波を抑制するための部品として主回路フィルタ３０の内部に搭載されている。主素子２１がスイッチングを行った際は、後述のようにダンパ抵抗３２にて電力が消費される。
　推定処理起動判定部１５１は、直流部コンデンサ１５の開放電圧（直流電流が流れていないときの直流電圧）を監視し、推定処理を起動するかどうかの判定を行う。推定処理を起動可能と判断した場合に、スイッチングパルス生成部１６０へ推定処理起動指令を出力する。
　スイッチングパルス生成部１６０は、推定処理起動判定部１５１より推定処理起動指令を入力されると、主素子２１へスイッチング指令を出力する。この詳細については後述する。
　比較演算部１５２は、ダンパ抵抗３２が電力を消費している時の直流部コンデンサ１５の直流電圧（以下、負荷投入時の直流電圧）と、運転可能最小電圧を比較し、負荷投入時の直流電圧が運転可能最小電圧を上回っている場合には起動可能と判断して起動指令を出力する。
　運転可能最小電圧とは、直流電力を交流電力に変換する際、必要とされる直流電圧の最小値である。直流電力を交流電力に変換する際には、変調率を変化させることで、変換される交流電圧値を調整することが可能だが、電力系統２の交流電圧は定められているため、変換に必要とされる直流電圧の最小値が存在する。この直流電圧の最小値が運転可能最小電圧である。運転可能最小電圧は、例えば工場出荷時に予め定められる値である。
　図２は起動判定処理部１５０の処理を説明するフローチャートの例である。図２を用いて、起動判定処理部１５０が行う処理について説明する。
　まず、推定処理起動判定部１５１にて、直流部コンデンサ１５の開放電圧と、予め設定されていた基準電圧とを比較し（Ｓ２０１）、開放電圧が基準電圧より大きい場合に推定処理起動指令を出力する（Ｓ２０２）。この際、系統連系規程上の理由等から、電力系統２が復帰状態であることを条件に追加してもよい。また、安全上の理由から、運転指令を条件に追加してもよい。
　スイッチングパルス生成部１６０は推定処理起動判定部１５１から推定処理起動指令を入力されると、主素子２１をスイッチングするためのスイッチングパルスを生成し（Ｓ２０３）、主素子２１へスイッチング指令を出力する（Ｓ２０４）。
　主素子２１がスイッチングを行うと、太陽電池１が発電した直流電力が交流電力へと変換される。変換された交流電力は主回路フィルタ３０内のダンパ抵抗３２が消費する。
　このとき、パワーコンディショナの内部で消費する電力の合計が運転可能最小電力を超えるよう、ダンパ抵抗３２の消費電力を調整することとする。運転可能最小電力とは、パワーコンディショナの運転時に最小限必要な電力で、主素子２１の無負荷状態でのスイッチングロスや、冷却ファン、各種回路の電源等の消費電力の合計となる。例えば、起動判定処理中の動作状態が、主素子２１はスイッチングし、冷却ファンは停止し、各種回路の電源は投入されているような場合、ダンパ抵抗３２に消費させる電力は、冷却ファンの駆動のために消費される電力と、その他運転を開始することによって追加で発生する消費電力を加えたものとする。ダンパ抵抗３２が消費する電力の調整方法は後述する。
　比較演算部１５２では、負荷投入時の直流電圧と、運転可能最小電圧とを比較する（Ｓ２０５）。運転可能最小電圧より負荷投入時の直流電圧の方が大きい場合には、後述の理由により、太陽電池１の発電電力は運転可能最小電力を上回る。よって、運転可能最小電圧より負荷投入時の直流電圧の方が小さい場合には、運転不可と判断し、スイッチング指令の出力を止め、一定時間の待機を行い（Ｓ２０６）、起動判定処理部１５０の最初から判定処理をやり直す。
　一方、運転可能最小電圧より負荷投入時の直流電圧の方が大きい場合には、運転可能と判断し、比較演算部１５２は起動指令を出力する（Ｓ２０７）。
　このように、太陽電池１の発電電力と運転可能最小電力の比較を行った上で運転の可否を判定することで、パワーコンディショナの起動と停止の繰り返しを回避することが可能となる。
　以下、比較演算部１５２が起動指令を出力する判定基準の根拠について説明する。
　図３は太陽電池１の出力電力（Ｐ）と出力電圧（Ｖ）の関係を表すＰ－Ｖカーブの例である。太陽電池１の発電電力量が少ない場合と多い場合とを比較する。
　図３に示す記号はそれぞれ、ＶＯＰが開放電圧、ＶＲＵＮが運転可能最小電圧、ＰＣＯＭがダンパ抵抗３２が電力を消費した際にパワーコンディショナ全体で消費される電力、ＶＣＯＭがＰＣＯＭ消費時の電圧、ＰＭＡＸがＰ－Ｖカーブ上で電力が最大となる点、とする。　
　まず、図３において、ＰＣＯＭよりＰＭＡＸの方が小さい場合のパワーコンディショナの動作について説明する。起動判定処理部１５０の処理が始まる時点で、太陽電池１は直流電流を出力できていないため、開放電圧点であるＶＯＰをとる。ＶＯＰがＶＲＵＮより大きいため、起動判定処理が開始する。ダンパ抵抗３２が電力を消費すると、対応する直流電力が太陽電池から放出される。結果、直流部コンデンサ１５の直流電圧が下がり、太陽電池１の出力する直流電力はＰ－Ｖカーブに沿って徐々に上昇する。しかし、ＰＣＯＭを供給できる電圧点は存在しないため、直流電力はＰＭＡＸを超えて０点まで減少する。
　次に、ＰＣＯＭよりＰＭＡＸの方が大きい場合のパワーコンディショナの動作について説明する。上述の場合と同様に、ダンパ抵抗３２が電力を消費すると、対応する直流電力が太陽電池から放出される。結果、直流部コンデンサ１５の直流電圧が下がり、太陽電池１の出力する直流電力はＰ－Ｖカーブに沿って徐々に上昇する。直流電圧がＶＣＯＭなった時点で、直流部コンデンサ１５へ流入する電力が、放出される直流電力と一致するため、平衡状態となる。よって、この時点のＰ－Ｖカーブ上の点で安定して動作する。
　電力を消費すると、その電力に見合ったＰ－Ｖカーブ上の点をとるため、電力消費時の電圧は開放電圧より小さくなる。よって、さらにＶＣＯＭとＶＲＵＮを比較し、後述のように運転に必要な電圧があるかを確認する必要がある。
　図４を用いて比較演算部１５２の判定基準について説明する。
　図４は、図３のＰＣＯＭよりＰＭＡＸの方が大きい場合のＰ－Ｖカーブに対して、ＶＯＰがＶＲＵＮに比較的近い値をとる場合のＰ－Ｖカーブの例である。図４に示す記号は、図３で示された同一の記号名と同一の意味をとる。図４より、ＶＯＰはＶＲＵＮより大きいが、ダンパ抵抗３２が電力を消費すると、ＶＣＯＭはＶＲＵＮより小さくなることがわかる。このように、電力を消費すると、その電力に見合ったＰ－Ｖカーブ上の点をとるため、電力消費時の電圧は開放電圧より小さくなる。よって、比較演算部１５２では、ＶＣＯＭとＶＲＵＮの比較を行い、運転に必要な電圧があるかを確認する。
　次に、ダンパ抵抗３２に電力を消費させる方法について説明する。
　数１は、ＲＬＣ回路の電力を求める式である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　正弦波の交流電圧を印加した時のダンパ抵抗３２で消費される電力は、数１で求められる。
　数１において、Ｐはダンパ抵抗３２に消費させる有効電力、Ｖは印可電圧（相電圧の振幅値）、Ｌはリアクトル３１のインダクタンス、Ｒはダンパ抵抗３２の抵抗値、Ｃはフィルタコンデンサ３３の静電容量、ωは角速度である。Ｌ、Ｒ、Ｃの値として相換算値を用いれば、一相当たりの電力が数１より算出されるので、３倍することで三相合計の電力となる。Ｌ、Ｒ、Ｃを固定値とすると、有効電力Ｐは角速度ωと印可電圧Ｖの関数となる。
　図５は、印可電圧Ｖを一定とした場合の有効電力Ｐと周波数ｆの関係を表した図の例である。ここで、周波数ｆは角速度ωを２πで除したものであり、ｆＲは共振周波数である。図５より、周波数を変更することで、共振周波数ｆＲでの最大電力以下の、任意の電力Ｐを消費することが可能となる。
　次に、上記電力Ｐを消費するときの周波数とその際のコンデンサ両端の電圧ＶＣについて示す。接続される電力系統２の周波数より高い周波数領域では、コンデンサの電圧ＶＣは印可電圧Ｖよりも高くなり得る。結果、通常運転時以上の電圧がコンデンサ両端に発生する可能性がある。ここで、周波数としては連系される系統の周波数を含んだ共振周波数ｆＲよりも小さい領域を利用するものと仮定する。電力Ｐを消費するときの周波数は数１を角速度ωについて解くことで得られる。これは数２のようになる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
　この角速度ωでのコンデンサ両端の電圧ＶＣは数３で表されるが、数３の角速度ωに数２を代入すると、印可電圧Ｖで電力Ｐを消費する場合のコンデンサ両端の電圧ＶＣが求まる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
　この式により、印可電圧Ｖによるコンデンサ両端の電圧ＶＣの調整が可能となりコンデンサの部品定格範囲内での電力消費が可能となる。
　主素子２１のスイッチングによってＰＷＭ変調を行ったＰＷＭ交流電圧を印加する場合は、電圧波形に高周波成分を含む。この高周波成分を含む場合の電力の計算について説明する。まず、フーリエ変換にてＰＷＭ電圧波形中に含まれる周波数成分を求めれば、それぞれの周波数ごとに数１より電力を計算できる。この電力を含有される全ての周波数について積算することで計算可能となる。また、実際の出力条件に従う環境を準備して予め電力を計測しておくことで周波数と電力の関係を把握してもよい。
　ダンパ抵抗３２に電圧を印加してから、実際に数１で示される電力が発生するまでの概略の時間は主回路フィルタのＬとＲから構成されるＬＲ回路の時定数で求めることができる。この時定数は通常、約１秒以下となる。
　実際に数１で示される電力が発生した後に直流電圧の計測を行うが、通常、前記時定数と同程度以下の時間で行うことが可能である。また、運転開始判定のためのスイッチング指令出力の間隔は数秒から数分と思われるが、この間隔を調整すればダンパ抵抗３２の使用率を決めることができる。
　数１で示される電力が発生するまでの時間と、直流電圧の計測を行う時間と、ダンパ抵抗３２の使用率が短時間定格の範囲であれば、短時間定格での電力消費を行うことが可能となる。短時間定格は通常、連続定格の数倍であるので、正弦波フィルタの目的で供されるダンパ抵抗であっても、多くの場合運転可能最小電力と同程度の電力消費が可能となる。
　ここで、ダンパ抵抗３２に電力を消費させた際の、フィルタコンデンサ３３の電圧を求める。ダンパ抵抗３２に電力を消費させる際の周波数を共振周波数より小さい周波数とする場合、主回路フィルタ３０内において、フィルタコンデンサ３３にかかる電圧がより大きくなる。そのため、以下のようにフィルタコンデンサ３３にかかる電圧を求めることで、フィルタコンデンサ３３の故障を防ぐことが可能となる。
　次に、スイッチングパルス生成部１６０が行う動作について説明する。
　図６はスイッチングパルス生成部１６０内で行われる動作の具体例である。図６において、スイッチングパルス生成部１６０は、積算部１６１、変換部１６２、及び、ＰＷＭパルス生成部１６３を有する。スイッチングパルス生成部１６０は、推定処理起動判定部１５１から推定処理起動指令を入力されると、以下の動作を行う。
　まず、積算部１６１に角速度２πｆ（ｆは周波数）を入力し、時間積算を行い、位相θを出力する。
　次に、変換部１６２に位相θとｄ軸の電圧指令Ｖｄ ＊とｑ軸の電圧指令Ｖｑ ＊を入力する。ただし、Ｖｑ ＊の電圧指令値は０とする。変換部１６２にて、Ｖｄ ＊、Ｖｑ ＊のｄｑ軸上の電圧が三相の交流電圧信号に変換され、ＰＷＭパルス生成部１６４へ出力する。ＰＷＭパルス生成部１６４では、三相の交流電圧からＰＷＭパルスとなる６本のスイッチングパルス信号を生成し、主素子２１へスイッチング指令として出力する。
　また、電圧フィードバック処理を備えた場合のスイッチングパルス生成部１６０の動作について説明する。
　図７は、電圧フィードバック処理を備えた場合のスイッチングパルス生成部１６０内で行われる動作の具体例である。図７において、スイッチングパルス生成部１６０は、積算部１６１、変換部１６２、ＰＷＭパルス生成部１６３、電力演算部１６４、周波数演算部１６５を有する。
　スイッチングパルス生成部１６０は、図６のスイッチングパルス生成部１６０に加えて、電力演算部１６４と周波数演算部１６５を備えたものである。すでに説明した図６に示された同一の符号を付された構成と、同一の機能を有するので、それらの説明は省略する。
　電力演算部１６４は、主素子２１と主回路フィルタ３０間の交流電流と交流電圧から電力演算を行う。このとき、交流電圧は変換部１６２に入力した電圧指令から換算することも可能である。また、電力演算部１６４で使用する電流と電圧は、直流側で検出してもよい。
　電力演算部１６４が出力した電力と、予め設定されていたダンパ抵抗３２に消費させる電力とが比較され、差分の電力が出力される。周波数演算部１６５は、電力演算部１６４から出力された差分の電力に比例係数と積分係数をかけて和をとることで、周波数指令を出力する。
　図７のようなスイッチングパルス生成部１６０を備えることで、ダンパ抵抗３２に、固体間の抵抗誤差や温度等による抵抗変化が発生した場合にも、所望の電力を消費させることが可能となる。
　また、パワーコンディショナ主回路部１００の直流側に昇圧チョッパ回路を搭載した場合においても、本発明は有効である。
　また、本発明では、電力系統２との接続は三相としているが、単相接続でも同様の手法が適応可能である。
　本実施例では、連系運転を行う前に、パワーコンディショナの内部に備えた交流負荷を用いて電力を消費し、電力を消費する前と後の直流電圧の降下分から、太陽電池が、パワーコンディショナの運転に必要な最小電力を発電可能かどうかを判断する方法について説明する。
　図８は、本実施例のパワーコンディショナの構成図の例である。
　本実施例のパワーコンディショナは、パワーコンディショナ主回路部１００と起動判定処理部２５０を備えて構成され、太陽電池１と電力系統２はパワーコンディショナ主回路部１００に接続される。
　パワーコンディショナ主回路部１００は、絶縁トランス１１、ＭＣ１２、系統側ブレーカ１３、直流側ブレーカ１４、直流部コンデンサ１５、インバータ部２０を備えて構成される。インバータ部２０は、主素子２１、主回路フィルタ３０を有し、主回路フィルタ３０はリアクトル３１、ダンパ抵抗３２、フィルタコンデンサ３３を有する。
　起動判定処理部２５０は、推定処理起動判定部１５１、比較演算部２５２、スイッチングパルス生成部１６０を有する。
　図１のパワーコンディショナの構成図のうち、比較演算部１５２を比較演算部２５２に変更したものである。その他の構成は、すでに説明した図１に示された同一の符号を付された構成と、同一の機能を有するので、それらの説明は省略する。
　比較演算部２５２は、直流部コンデンサ１５の開放電圧と、負荷投入時の直流部コンデンサ１５の直流電圧と、予め定められた運転可能降下電圧を比較する。開放電圧と負荷投入時の直流電圧の差（以下、直流降下電圧）が運転可能降下電圧よりも小さい場合に、起動指令を出力する。
　運転可能降下電圧とは、任意の固定電圧や、開放電圧をもとに算出した電圧の割合であり、起動指令を出力する条件の比較に使用する直流降下電圧である。
　図９は起動判定処理部２５０の処理を説明するフローチャートの例である。図９を用いて、起動判定処理部２５０が行う処理について説明する。
　推定処理起動判定部１５１、スイッチングパルス生成部１６０が行う処理については、実施例１で説明した内容と同一のため省略する。
　ただし、ダンパ抵抗３２が消費する電力は、運転可能最小電力を超える必要はなく、任意の固定電力とする。本実施例では、ダンパ抵抗３２が消費する電力を、運転可能最小電力より小さい電力とする。
　しかし、ダンパ抵抗３２が消費する電力には、例えば、電圧検出精度、あるいはその他の推定方法等によって制約がある。
　比較演算部２５２では、直流降下電圧と運転可能降下電圧とを比較する（Ｓ９０５）。
　運転可能降下電圧より直流降下電圧の方が大きい場合には、スイッチング指令の出力をやめ、一定時間の待機を行い（Ｓ９０６）、起動判定処理部２５０の最初から判定処理をやり直す。運転可能降下電圧より直流降下電圧の方が小さい場合には、後述の理由により、太陽電池１の発電電力は運転可能最小電力を上回る。よって、比較演算部２５２は起動指令を出力する（Ｓ９０７）。
　したがって、比較演算部２５２が起動指令を出力してから運転を開始することで、パワーコンディショナの起動と停止を繰り返すことなく運転を継続させることが可能となる。
　ここで、比較演算部２５２が起動指令を出力する判定基準の根拠について説明する。
　図１０は、パワーコンディショナ内部で電力を消費した際の、Ｐ－Ｖカーブの例である。図１０に示す記号はそれぞれ、ＶＯＰが開放電圧、ＶＤが運転可能降下電圧、ＰＲＵＮが運転可能最小電力、ＰＤが電圧降下消費電力、とする。
　また、Ｃ１は電力の最大点がＰＲＵＮを十分に超えるＰ－Ｖカーブ、Ｃ２は電力の最大点がＰＲＵＮを少し超えるＰ－Ｖカーブ、Ｃ３は電力の最大点がＰＲＵＮは超えないが、ＰＤを超えるＰ－Ｖカーブ、Ｃ４は電力の最大点がＰＤを超えないＰ－Ｖカーブとする。Ｃ１にてＰＤを消費した際の直流電圧をＶ１、Ｃ２にてＰＤを消費した際の直流電圧をＶ２、Ｃ３にてＰＤを消費した際の直流電圧をＶ３、Ｃ４にてＰＤを消費した際の直流電圧をＶ４（０点）とする。
　図１０において、Ｃ１とＣ２で電力ＰＤを消費した際の電圧Ｖ１とＶ２は、ＶＤよりも大きく、Ｃ３とＣ４で電力ＰＤを消費した際の電圧Ｖ３とＶ４は、ＶＤよりも小さいことがわかる。
　このことから、ＰＤを消費した際の直流降下電圧を、ＶＤと比較することで、太陽電池がＰＲＵＮを超える電力を発電可能かどうかが判定できる。
　本実施例では、交流側の負荷としてダンパ抵抗３２を例に挙げたが、パワーコンディショナの内部に予め備えられている部品により、交流側の電力を消費する手段であればこの限りではない。また、交流側の負荷の代わりに、直流側の負荷を用いて電力を消費しても良い。
　本実施例では、連系運転を行う前に、パワーコンディショナの内部に備えた交流負荷を用いて電力を消費し、消費した電力と、電力を消費した際の直流電圧と、開放電圧から、太陽電池が発電可能な最大電力を推定する方法について説明する。
　図１１は、本実施例のパワーコンディショナの構成図の例である。本実施例のパワーコンディショナは、パワーコンディショナ主回路部１００と起動判定処理部３５０を備えて構成され、太陽電池１と電力系統２はパワーコンディショナ主回路部１００に接続される。
　パワーコンディショナ主回路部１００は、絶縁トランス１１、ＭＣ１２、系統側ブレーカ１３、直流側ブレーカ１４、直流部コンデンサ１５、インバータ部２０を備えて構成される。インバータ部２０は、主素子２１、主回路フィルタ３０を有し、主回路フィルタ３０はリアクトル３１、ダンパ抵抗３２、フィルタコンデンサ３３を有する。
　起動判定処理部３５０は、推定処理起動判定部１５１、スイッチングパルス生成部１６０、比較演算部３５２、太陽電池最大電力推定処理部３５３を有する。
　図１のパワーコンディショナの構成図のうち、比較演算部１５２を比較演算部３５２に変更し、起動判定処理部３５０に太陽電池最大電力推定処理部３５３を備えたものである。その他の構成は、すでに説明した図１に示された同一の符号を付された構成と、同一の機能を有するので、それらの説明は省略する。
　比較演算部３５２は、太陽電池最大電力推定処理部３５３が出力した推定最大電力と、運転可能最小電力とを比較する。運転可能最小電力より推定最大電力の方が大きい場合に、起動指令を出力する。
　太陽電池最大電力推定処理部３５３は、負荷投入時の消費電力と、負荷投入時の直流部コンデンサ１５の直流電圧から、推定最大電力（太陽電池１が発電できる最大電力を計算により求めた値）を算出して出力する。
　負荷投入時の消費電力とは、ダンパ抵抗３２が消費する電力のことであり、消費させる電力は予め定められた電力とする。
　図１２は起動判定処理部３５０の処理を説明するフローチャートの例である。図１２を用いて、起動判定処理部３５０が行う処理について説明する。
　推定処理起動判定部１５１、スイッチングパルス生成部１６０が行う処理については、実施例１で説明した内容と同一のため省略する。
　ただし、ダンパ抵抗３２が消費する電力は、運転可能最小電力を超える必要はなく、任意の固定電力とする。本実施例では、ダンパ抵抗３２が消費する電力を、運転可能最小電力より小さい電力とする。
　太陽電池最大電力推定処理部３５３では、負荷投入時の消費電力と、開放電圧と、負荷投入時の直流電圧から、最大電力を推定し、比較演算部３５２へ出力する（Ｓ１２０５）。最大電力の推定方法は後述する。
　比較演算部３５２では、太陽電池最大電力推定処理部３５３から入力された推定最大電力と、運転可能最小電力とを比較する（Ｓ１２０６）。
　推定最大電力が運転可能最小電力より小さい場合には、スイッチング指令の出力を止め、一定時間の待機を行い（Ｓ１２０７）、起動判定処理部３５０の最初から判定処理をやり直す。
　推定最大電力が運転可能最小電力より大きい場合には、後述の理由により、太陽電池１の発電電力は運転可能最小電力を上回る。よって、比較演算部３５２は起動指令を出力する（Ｓ１２０８）。
　したがって、比較演算部３５２が起動指令を出力してから運転を開始することで、パワーコンディショナの起動と停止を繰り返すことなく運転を継続させることが可能となる。
　ここで、太陽電池最大電力推定処理部３５３が出力する最大電力の推定方法について説明する。
　数４、数５は、それぞれ太陽電池の動作方程式である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
　数４、数５において、Ｉは直流電流、Ｖは直流電圧、Ｉｐｈは日射による起電流、Ｒｓは直列抵抗、Ｒｓｈは並列抵抗、Ｉｓは逆方向飽和電流、ｑは素荷量、ｎは接合定数、ｋはボルツマン定数、Ｔは温度、Ｉｓ（Ｔ１）は温度Ｔ１における逆方向飽和電流、Ｉｓ（Ｔ０）は温度Ｔ０における逆方向飽和電流、ＸＴＩは飽和電流温度係数、Ｎはエミッション定数、Ｅｇはエネルギーギャップである。
　図１３は、ある条件下での太陽電池のＰ－Ｖカーブの例である。
　図１４は、図１３と同様の条件下での太陽電池のＩ－Ｖカーブの例である。
　Ｉ－Ｖカーブとは、太陽電池の直流電流（Ｉ）と直流電圧（Ｖ）の関係を表すカーブのことである。
　太陽電池が、図１３のＰ－Ｖカーブ上の動作点をとる場合、Ｉ－Ｖカーブでは、図１４に示されるＩ－Ｖカーブ上の動作点をとる。このＩ－Ｖカーブ上の動作点の直流電圧をＶ２、直流電流をI２とする。同様に、開放電圧点の直流電圧をＶ１とする。
　数４に、温度Ｔ1と開放電圧点の直流電圧Ｖ１、動作点の直流電圧Ｖ２と動作点の直流電流I２をそれぞれ代入し、数６と数７を導く。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000006
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000007
　数７と数６の差をとると、数８が導かれ、数８に数５を代入すると、数９が導かれる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000008
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000009
　数９において、ＲsＩ２の項と右辺の第２項は、微小な値となるため、本計算から除外すると、数１０が求められる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000010
　数１０において未知数は温度Ｔ1のみとなるため、温度Ｔ1が求められる。
　ここで、数６を数１１のように変形させ、求めた温度Ｔ1を代入することで、日射による起電流Ｉｐｈが求められる。このとき、右辺の第２項は微小な値となるため、計算から除外する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000011
　最大電力点において、∂（ＶＩ）/∂Ｖ＝０が成り立つことから、数１２が導かれる。
数１２におけるＶは最大電力点の直流電圧、Ｉは最大電力点の直流電流を表す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000012
　数４の両辺をＶで偏微分すると、数１３が求められ、数１３に数１２を代入すると、数１４が導かれる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000013
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000014
　数１４において、ＲsＩの項は微小な値となるため、本計算からは除外し、数１５を導く。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000015
　数１５を数４に代入すると、数１６となり、未知数がＶのみとなるため、最大電力点の直流電圧Ｖが求まる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000016
　求めた最大電力点の直流電圧Ｖを数１５に代入することで、最大電力点の直流電流Ｉが求まるため、最大電力点を推定することができる。
　以上の内容より、ダンパ抵抗３２が電力を消費している際のＰ－Ｖカーブ上の点を動作点とし、計算を行うことで、最大電力点を推定することができる。
　負荷投入時の消費電力を求める方法を明記していないが、同様の条件下にて前もって計測しておいてもよいし、負荷投入時の直流電圧と、負荷投入時の直流電流を計測して掛け合わせてもよい。
　本実施例においては、電流検出は行わないが、負荷投入時の消費電力と負荷投入時の直流電圧が得られることから、動作点の直流電流は求められる。
　本実施例では、交流側の負荷としてダンパ抵抗３２を例に挙げたが、パワーコンディショナの内部に予め備えられている部品により、交流側の電力を消費する手段であればこの限りではない。また、交流側の負荷の代わりに、直流側の負荷を用いて電力を消費しても良い。
　上述した実施例より、パワーコンディショナの外部に、太陽電池１の発電電力を消費するための、起動判定時に用いる負荷回路や、回路切替装置等を備えることなく、パワーコンディショナ内部に予め備えられている部品を使用することで、太陽電池がパワーコンディショナの運転に必要な最小電力を発電可能かどうかを判断することができる。
　また、日射強度や温度等の天候に影響を受けることがなく、新たな部品追加も無いため、安価で、信頼性の高いパワーコンディショナを実現できる。
　本実施例の内容は、連系運転時のみでなく、自立運転時にも利用可能である。
　自立運転時のパワーコンディショナの発電電力は、ユーザが取り付けた任意の負荷で消費される電力と等しい。そのため、自立運転時に一定の電圧にて交流電圧を出力するためには、パワーコンディショナは、前記負荷が消費する電力を超える電力を発電する必要がある。しかし、取り付けられた負荷が消費する電力を知る手段がないため、太陽電池の発電可能な電力が、前記負荷が消費する電力を超えていなければ、運転と同時に停止してしまう。
　そこで、負荷の電力をユーザが入力できる手段を設け、入力された電力よりパワーコンディショナの推定最大電力が大きい場合に運転を開始する条件とすることで、運転開始を判断することが可能となる。
　また、パワーコンディショナの推定最大電力をユーザに出力する手段もある。この場合、ユーザにて運転の可否を判断できるということに加え、詳細な起動やシステム全体の動作条件をユーザにて決定できることから、利用範囲が拡大する。
　なお、本発明は上記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、上記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、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。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・置換をすることが可能である。 
また、上記の各構成、機能、処理部、処理手段等は、それらの一部又は全部を、例えば集積回路で設計する等によりハードウェアで実現してもよい。また、上記の各構成、機能等は、プロセッサがそれぞれの機能を実現するプログラムを解釈し、実行することによりソフトウェアで実現してもよい。各機能を実現するプログラム、テーブル、ファイル等の情報は、メモリや、ハードディスク、ＳＳＤ（Solid State Drive）等の記録装置、または、ＩＣカード、ＳＤカード、ＤＶＤ等の記録媒体に置くことができる。 
　また、制御線や情報線は説明上必要と考えられるものを示しており、製品上必ずしも全ての制御線や情報線を示しているとは限らない。実際には殆ど全ての構成が相互に接続されていると考えてもよい。
１００…パワーコンディショナ主回路部
１…太陽電池
２０…インバータ部
１６０…スイッチングパルス生成部
１５０…起動判定処理部
１５２…比較演算部
１５…直流部コンデンサ
１５１…推定処理起動判定部
２５２…比較演算部
３５２…比較演算部
３５３…太陽電池最大電力推定処理部

Claims (12)

  1. 　太陽電池からの直流電力を交流電力に変換するインバータ部を備える主回路部と、
    　前記主回路部のインバータ部にスイッチング指令を送るスイッチングパルス生成部と、
    前記スイッチングパルス生成部により送られたスイッチング指令に基づき前記インバータ部で電力を消費している際の直流電圧値と予め定めた運転可能最小電圧値とを比較する比較部と、を備える起動判定処理部と、
    を備えるパワーコンディショナ。
  2. 　請求項１記載のパワーコンディショナであって、
    　前記主回路部は、該太陽電池の直流電圧を平滑化する直流部コンデンサを備え、
    　前記起動判定処理部は、前記直流部コンデンサの開放電圧と予め設定した基準電圧値とを比較し、該比較結果に基づき前記スイッチングパルス生成部から前記インバータ部にスイッチング指令を送るか否かを決定することを特徴とするパワーコンディショナ。
  3. 　スイッチングパルス生成部にて生成したスイッチング指令をインバータ部に出力する出力工程と、
    　前記出力工程にて出力したスイッチング指令に基づき該インバータ部で電力を消費している際の直流電圧値と予め定めた運転可能最小電圧値とを比較する比較工程と、
    を備えるパワーコンディショナの制御方法。
  4. 　請求項３記載のパワーコンディショナの制御方法であって、
    　直流部コンデンサの開放電圧と予め設定した基準電圧値とを比較し、該比較結果に基づき前記スイッチングパルス生成部から前記インバータ部にスイッチング指令を送るか否かを決定する決定工程と、
    を備えることを特徴とするパワーコンディショナの制御方法。
  5. 　太陽電池からの直流電力を平滑化する直流部コンデンサと前記直流部コンデンサにて平滑化した直流電力を交流電力に変換するインバータ部を備える主回路部と、
    　前記主回路部のインバータ部にスイッチング指令を送るスイッチングパルス生成部と、
    前記スイッチングパルス生成部により送られたスイッチング指令に基づき前記インバータ部で電力を消費している際の直流電圧値と前記直流部コンデンサの開放電圧値と予め定めた運転可能降下電圧値とを用いて比較処理を行う比較部とを備える起動判定処理部と、
    を備えるパワーコンディショナ。
  6. 　請求項５記載のパワーコンディショナであって、
    　前記起動判定処理部は、前記直流部コンデンサの開放電圧と予め設定した基準電圧値とを比較し、該比較結果に基づき前記スイッチングパルス生成部から前記インバータ部にスイッチング指令を送るか否かを決定することを特徴とするパワーコンディショナ。
  7. 　スイッチングパルス生成部にて生成したスイッチング指令をインバータ部に出力する出力工程と、
    　前記出力工程にて出力したスイッチング指令に基づき該インバータ部で電力を消費している際の直流電圧値と直流部コンデンサの開放電圧値と予め定めた運転可能降下電圧値とを比較する比較工程と、
    を備えるパワーコンディショナの制御方法。
  8. 　請求項７記載のパワーコンディショナの制御方法であって、
    　該直流部コンデンサの開放電圧と予め設定した基準電圧値とを比較し、該比較結果に基づき前記スイッチングパルス生成部から前記インバータ部にスイッチング指令を送るか否かを決定する工程と、
    を備えることを特徴とするパワーコンディショナの制御方法。
  9. 　太陽電池からの直流電力を交流電力に変換するインバータ部を備える主回路部と、
    　前記主回路部のインバータ部にスイッチング指令を送るスイッチングパルス生成部と前記スイッチングパルス生成部により送られたスイッチング指令に基づき前記インバータ部で電力を消費している際の直流電圧値に基づく推定最大電力値と予め定めた運転可能最小電力とを比較する比較部を備える起動判定処理部と、
    を備えるパワーコンディショナ。
  10. 　請求項９記載のパワーコンディショナであって、
    　前記主回路部は、該太陽電池の直流電圧を平滑化する直流部コンデンサを備え、
    　前記起動判定処理部は、該直流電圧値と前記直流部コンデンサの開放電圧と予め定めた負荷投入時の消費電力とを比較して該推定最大電力を算出する太陽電池最大電力推定処理部を備えることを特徴とするパワーコンディショナ。
  11. 　スイッチングパルス生成部にて生成したスイッチング指令をインバータ部に出力する工程と、
    　前記出力する工程にて出力したスイッチング指令に基づき該インバータ部で電力を消費している際の直流電圧値に基づく推定最大電力値を求める工程と、
    　前記推定最大電力値を求める工程にて求めた推定最大電力値と予め定めた運転可能最小電力とを比較する比較工程と、
    を備えるパワーコンディショナの制御方法。
  12. 　請求項１１記載のパワーコンディショナの制御方法であって、
    　さらに、該直流電圧値と直流部コンデンサの開放電圧値と予め定めた負荷投入時の消費電力とを比較して該推定最大電力値を算出する工程を備えることを特徴とするパワーコンディショナの制御方法。
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