JP2004194500A - 太陽光発電用電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 複数の太陽電池アレイを並列接続して入力される系統連系インバータにおいて、各太陽電池アレイに対して独立に最大電力追従を行わせ、システム発電効率の向上を図る。
【解決手段】 複数の太陽電池モジュール８ａ、８ｂ、８ｃを電力源とする太陽光発電用電力変換装置において、各太陽電池モジュール８ａ、８ｂ、８ｃ毎に各太陽電池モジュール８ａ、８ｂ、８ｃの最大電力追従を行う昇圧チョッパ部２６ａ、２６ｂ、２６ｃや波形成形部３４ａ、３４ｂ、３４ｃ、３４ｄなどのＤＣ／ＤＣコンバータを設け、各太陽電池モジュール８ａ、８ｂ、８ｃより最大電力を導出し、その後まとめてインバータ２３、ＤＣ／ＡＣコンバータ３６等で交流出力に変換する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、太陽電池を用いた分散型電源に使用する太陽光発電用電力変換装置に関するものである。

各家庭に設置される太陽電池モジュールを用いた分散型電源は、従来から図５に示すようなものがある（例えば特許文献１）。
特開平８−７０５３３号公報

図５において、太陽電池アレイ８と、この太陽電池アレイ８から出力される直流電力を交流電力に変えるインバータ（インバータ回路）９を内蔵したインバータ装置１０とを備えている。このインバータ装置１０は、商用電源の電力系統から分散型電源を切り離す遮断機１１と、周波数変動や電圧変動に基づいて、商用電源の電力系統１の遮断機５の解列を検知して遮断機１１を解列させる単独運転検知手段１２とを含む系統連系保護装置を内蔵した構成となっている。ここで３は変電所、４は配電線、６は柱上トランスである。

かかる系統連系システムにおいては、計測される太陽電池アレイ８の出力電圧及び出力電流に基づいて、太陽電池アレイ８の発電電力を演算する演算手段１４と、太陽電池アレイ８の出力電圧を変化させる出力可変手段１５と、この出力可変手段１５を制御して太陽電池アレイ８の出力電圧を変化させることにより、演算手段１４で演算された発電電力が最大となる出力電圧値を探索する探索動作を、一定の時間間隔をあけて断続的に行う制御手段１６と、発電量が異常であるときなどに表示を行う表示手段１７とを備えている。

そして、前記単独運転検知手段１２、演算手段１４、出力可変手段１５及び制御手段１６は、マイクロコンピュータ２０によって構成されている。この制御手段１６は出力可変手段１５を介してインバータ回路９を制御することにより太陽電池アレイ８の出力電圧を変化させ、演算手段１４から出力される電力が最大となる電圧値を探索するものである。

上記の系統連系システムにおいて、電源装置は一般的には図６に示すように、例えば１ｋＷ出力の３枚の太陽電池アレイ８に対して１個の３ｋＷのインバータ９を使用している。また図７に示すように太陽電池アレイ８の出力に等しい容量のインバータ９を使用し、複数枚の太陽電池アレイ８の出力側の夫々をインバータ９の入力側に接続し、これらインバータ９の出力側を１本にして系統と連系するシステムも開示されている。

また、図８に示すように夫々の太陽電池アレイ８の出力側を電力変換部であるＤＣ／ＤＣコンバータ２１の入力側に接続し、これらのＤＣ／ＤＣコンバータの出力側を他の電力変換部であるインバータ９の入力側に逆流防止ダイオード２２を介して接続し、系統と連系するシステムが開示されている。

従って、第１の太陽電池アレイ８の出力がＤＣ２００Ｖ、第２の太陽電池アレイ８の出力がＤＣ１００Ｖ、第３の太陽電池アレイ８の出力がＤＣ５０Ｖである場合、第１のＤＣ／ＤＣコンバータ２１ではその出力をそのままＤＣ２００Ｖに制御し、第２、第３のＤＣ／ＤＣコンバータ２１では出力をＤＣ２００Ｖに昇圧してインバータ９に入力させるようになっている。

上述したような出力を一定電圧制御するＤＣ／ＤＣコンバータによって、各太陽電池アレイからＤＣ／ＤＣコンバータを介して得られる電圧をそろえてＤＣ／ＤＣコンバータの出力で電力を結合する場合、太陽電池の最大電力追従が正確に行えずシステム発電効率が低下するという問題があった。つまり、各ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧を同一に制御するだけでは各太陽電池アレイに対して要求される電流を分配する制御を行うことができず、各太陽電池アレイに対する安定な最大電力の追従が行えない。

また、太陽電池モジュールの直列数の異なる太陽電池アレイを直接並列接続して、１台のインバータで制御した場合のＰ（電力）−Ｖ（電圧）特性は例えば図９に示すようになる。２つの太陽電池アレイの最大電力はＭＰＰ(ａ)、ＭＰＰ(ｂ)であるが、その合成特性の最大電力ＭＰＰ(ａ＋ｂ)と真の最大電力ＭＰＰ(ａ)＋ＭＰＰ(ｂ)との関係は、ＭＰＰ(ａ＋ｂ)＜ＭＰＰ(ａ)＋ＭＰＰ(ｂ)であり、得られる最大電力は真の最大電力に比べて図９に記載の損失分だけ低下する。

また、現状の最適電力追従制御では最悪の場合、図９におけるＭＰＰ(ａ)の位置で動作する場合も予想される。このような太陽電池アレイ間の最適動作電圧のアンバランスは太陽電池モジュールの直列数が同じ場合においても部分的な影の影響により電流が太陽電池アレイ内のバイパスダイオードを経由するような場合に発生する。

上記課題を解決するために本発明は、ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧をそろえるのではなく、各ＤＣ／ＤＣコンバータが各太陽電池アレイの最大電力追従を行う構成とすることを含め、各太陽電池アレイ毎に最大電力を追従する機能を有する電力変換器を介して電力を統合してインバータ装置に入力し、系統と連系運転を行うようにした。

本発明の太陽光発電用電力変換装置は、複数の太陽電池電力入力部と、該複数の太陽電池電力入力部に接続された各々の太陽電池アレイに対する最大電力追従を行う最大電力追従部と、前記複数の太陽電池電力入力部より入力される入力電力を前記太陽光発電用電力変換装置の主回路内で結合する結合手段と、該結合手段で結合した各入力電力の総和を交流電力に変換するインバータを設けた太陽光発電用電力変換装置において、前記複数の太陽電池電力入力部はＤＣ／ＤＣコンバータで構成され、該ＤＣ／ＤＣコンバータの出力端で各々の電力が結合され、その後段に接続されるインバータにより交流電力に変換され、前記ＤＣ／ＤＣコンバータは、各々に接続された太陽電池アレイの動作電圧を該アレイの最大電力点に制御するとともに、電力結合された出力端の電圧が所定の保護電圧値より大きくなる場合は最大電力追従を止めて、前記ＤＣ／ＤＣコンバータの電力結合された出力端の電圧が前記保護電圧値を超えないように、前記ＤＣ／ＤＣコンバータによって供給される電力を抑制することを特徴とするものである。

従って、各太陽電池アレイに対して最大電力追従を行うことができる。この際、電力結合した後のＤＣ／ＤＣコンバータの出力端電圧は、ＤＣ／ＤＣコンバータでは制御されず、最大電力追従の状態によって変化する。更に結合された電力はインバータ装置を介して交流に変換されて出力されるが、このような電力結合した位置より後段に位置するインバータ装置が更に結合後の電力に対する最大電力追従制御を行うことで、トータルとしての最大電力追従が行われる。

また、後段のインバータ装置の出力が、前段のＤＣ／ＤＣコンバータ群の出力よりも小さい場合に、電力結合部の電圧が定格以上に上昇するのを抑制する作用を有する。

また、本発明の太陽光発電用電力変換装置は、複数の太陽電池電力入力部と、該複数の太陽電池電力入力部に接続された各々の太陽電池アレイに対する最大電力追従を行う最大電力追従部と、前記複数の太陽電池電力入力部より入力される入力電力を前記太陽光発電用電力変換装置の主回路内で結合する結合手段と、該結合手段で結合した各入力電力の総和を交流電力に変換するインバータを設けた太陽光発電用電力変換装置において、前記複数の太陽電池電力入力部は、電流共振型の高周波インバータ部と絶縁トランス部と整流部の順序で構成され、各整流部の出力を結合して後段のインバータ部で交流電力に変換することを特徴とするものである。

従って、最大電力追従制御は前段の電流共振型の高周波インバータ部のみで実施されるとともに、電流波形生成も同時に行われるので、後段のインバータ部では商用周波数による波形の折り返し制御だけを行って交流電力を出力できる。

本発明は上記のような構成であるので、太陽光発電用電力変換装置において、複数の太陽電池電力入力部は、太陽電池アレイの動作電圧を該アレイの最大電力点に制御するＤＣ／ＤＣコンバータで構成され、該ＤＣ／ＤＣコンバータの出力端で各々の電力が結合され、その後段に接続されるインバータにより交流電力を得るようにしているので、各太陽電池アレイに対して最大電力追従を行うことができ、太陽光発電のシステム効率を向上することができる。

さらにＤＣ／ＤＣコンバータは、電力結合された出力端の電圧が所定値より大きくなる場合は、前記ＤＣ／ＤＣコンバータによって供給される電力を抑制するようにしているので、後段のインバータ装置の最大定格入力電圧を超えないようにしてインバータ装置の破損を防止することができる。

また、太陽光発電用電力変換装置において、複数の太陽電池電力入力部を、電流共振型の高周波インバータ部と絶縁トランス部と整流部より成る波形成形部で構成し、各整流部の出力を結合して後段のインバータ部で交流電力に変換することにより、最大電力追従制御は前段の電流共振型の高周波インバータ部のみで行わせることができ、最大電力追従の制御を簡素化することができる。さらに各太陽電池アレイに対して最大電力追従を行うことができ、太陽光発電のシステム効率を向上することができる。

（実施形態１）図１は本発明の第１の実施形態を示す太陽光発電用電力変換装置の要部構成図であり、一例として複数の太陽電池電力を入力して、系統と連系運転を行う系統連系インバータ４１の構成を示す。太陽電池アレイ８ａ、８ｂ、８ｃは、各々独立に系統連系インバータ４１に接続され、リアクトル２８ａ、２８ｂ、２８ｃとスイッチ素子４０ａ、４０ｂ、４０ｃとダイオード２７ａ、２７ｂ、２７ｃとで構成される昇圧チョッパ部２６ａ、２６ｂ、２６ｃには直流電力が入力される。

リアクトル２８ａ、２８ｂ、２８ｃの電流はスイッチ素子４０ａ、４０ｂ、４０ｃのオン時間とオフ時間とのデューティによって制御され、リアクトル２８ａ、２８ｂ、２８ｃに蓄えられたエネルギーはダイオード２７ａ、２７ｂ、２７ｃを介してコンデンサ２９に充電される。コンデンサ２９の電圧はインバータ部２３に入力され、系統電圧に同期した交流電力に変換されて系統に出力される。各昇圧チョッパ部２６ａ、２６ｂ、２６ｃに入力される電圧と電流は電力検出部２４ａ、２４ｂ、２４ｃで検出され、制御回路２５に入力される。

制御回路２５は電力検出部２４ａ、２４ｂ、２４ｃで検出される電圧、電流から入力電力を算出し、入力電力が最大となるように各スイッチ素子４０ａ、４０ｂ、４０ｃのゲート信号ｇａ、ｇｂ、ｇｃのデューティ制御を行う。また、制御回路２５はインバータ入力電圧（コンデンサ２９の電圧）を分圧抵抗３０から検出し、所定の保護電圧値以上になると最大電力追従を止めて前記デューティを小さくしてコンデンサ２９の電圧が保護電圧値を越えないように制御する。

さらに制御回路２５はインバータ部２３内のスイッチ素子のゲート信号の制御、前記インバータ入力電圧およびインバータ出力電力に基づいた最大電力追従制御、系統連系保護制御などを行う。このように、各昇圧チョッパ部２６ａ、２６ｂ、２６ｃおよびインバータ部２３がともに最大電力追従制御を行うことにより、系統連系インバータ４１に接続された各太陽電池アレイ８ａ、８ｂ、８ｃの最大電力を取り出すことができる。

（実施形態２）図２は本発明の第２の実施形態を示す太陽光発電用電力変換装置の要部構成図であり、一例として２系統の太陽電池電力を入力して、系統と連系運転を行う系統連系インバータ４１の構成を示すものである。太陽電池アレイ８ａは、逆流防止ダイオード２２を介してコンデンサ２９を充電し、太陽電池アレイ８ｂはリアクトル２８とスイッチ素子４０とダイオード２７とで構成される昇圧チョッパ部２６に接続される。リアクトル２８の電流はスイッチ素子４０のオン時間とオフ時間とのデューティによって制御され、リアクトル２８に蓄えられたエネルギーはダイオード２７を介してコンデンサ２９に充電される。

コンデンサ２９の電圧はインバータ部２３に入力され、系統電圧に同期した交流電力に変換されて系統に出力される。昇圧チョッパ部２６に入力される電圧と電流は電力検出部２４で検出され、制御回路２５に入力される。制御回路２５は電力検出部２４で検出される電圧、電流から入力電力を算出し、入力電力が最大となるようにスイッチ素子４０のゲート信号ｇのデューティ制御を行う。

また、制御回路２５はインバータ部２３の入力電圧（コンデンサ２９の電圧）を分圧抵抗３０から検出し、所定の保護電圧値以上になると最大電力追従を止めて前記デューティを小さくしてコンデンサ２９の電圧が保護電圧値を越えないように制御する。さらに制御回路２５はインバータ部２３内のスイッチ素子のゲート信号の制御、前記インバータ入力電圧およびインバータ出力電力に基づいた最大電力追従制御、系統連系保護制御などを行う。

本実施形態では太陽電池アレイ８ａの開放電圧が太陽電池アレイ８ｂの開放電圧より大きな太陽電池アレイが接続され、コンデンサ２９の電圧は太陽電池アレイ８ａの動作電圧となる。この電圧は昇圧チョッパ部２６の最大電力制御によって上昇するが、インバータ入力電圧はインバータ部２３の最大電力追従制御により太陽電池アレイ８ａの最大電力点となる。このようにして系統連系インバータ４１に接続された太陽電池アレイ８ａ、８ｂの最大電力を取り出すことができる。

（実施形態３）図３は本発明による第３の実施形態を示す太陽光発電用電力変換装置の要部構成図であり、一例として複数の太陽電池電力を入力して、系統と連系運転を行う系統連系インバータ４１の構成を示すものである。太陽電池アレイ８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄは、各々独立に系統連系インバータ４１の波形成形部３４ａ、３４ｂ、３４ｃ、３４ｄに接続される。波形成形部３４ａは電流共振型高周波インバータ３１ａと高周波トランス３２ａと整流ダイオード３３ａで構成され、電流共振型高周波インバータ３１ａは制御回路３７によって電流波形生成を行うと同時に最大電力追従制御が行われる。

電流共振型高周波インバータ３１ａの高周波交流出力は高周波トランス３２ａを介して整流ダイオード３３ａ、３３ａ'で整流され、他の波形生成部３４ｂ、３４ｃ、３４ｄの出力電流と合成される。この場合、波形生成部３４ｂ、３４ｃ、３４ｄは上記波形生成部３４ａと同様に、電流共振型高周波インバータ、高周波トランスおよび整流ダイオード（いずれも図示せず）で構成される。

上記波形成形部３４ａ、３４ｂ、３４ｃ、３４ｄからの出力が合成された電流は、フィルタ用のコンデンサ３５を経て商用周波インバータ３６に入力される。商用周波インバータ３６に入力される電流は図４の（ａ）に示すような全波整流状の直流波形となり（図３におけるＡ点）、これを商用周波インバータ３６で系統電圧に同期して折り返して、図４の（ｂ）にしめすような交流電流出力を得られる（図３におけるＢ点）。更にこれをＡＣフィルタ３９で平滑化して図４の（ｃ）に示すような正弦波電流波形を得ることができる（図３におけるＣ点）。

制御回路３８は上述のような商用周波インバータ３６の折り返し制御および系統連系保護制御を行うとともに、制御回路３７に系統との同期信号を送る。制御回路３７はこの同期信号に同期した電流波形生成を行うように、波形成形部３４ａ、３４ｂ、３４ｃ、３４ｄを制御している。このように各太陽電池アレイ毎に設けた波形生成部３４ａ、３４ｂ、３４ｃ、３４ｄが最大電力追従制御を行うことにより系統連系インバータ４１に接続された各太陽電池アレイ８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄの最大電力を取り出すことができる。

本発明の一実施形態の要部構成図である。 本発明の他の実施形態の要部構成図である。 本発明の更に他の実施形態の要部構成図である。 図３に示す本発明の実施形態の動作説明図である。 太陽電池を用いた分散型電源の動作説明図である。 従来の系統連系インバータのブロック図である。 系統連系インバータの他の従来例のブロック図である。 系統連系インバータの更に他の従来例のブロック図である。 太陽電池アレイの電力−電圧特性図である。

符号の説明

１ 商用電力系統
３ 変電所
４ 配電線
５ 遮断器
６ 柱上トランス
８、８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄ 太陽電池アレイ
９ インバータ回路
１０ インバータ装置
１１ 遮断器
１２ 単独運転検知手段
１４ 演算手段
１５ 出力可変手段
１６ 制御手段
１７ 表示手段
２０ マイクロコンピュータ
２１ ＤＣ／ＤＣコンバータ
２２ 逆流防止ダイオード
２３ インバータ部
２４、２４ａ、２４ｂ、２４ｃ 電力検出部
２５ 制御回路
２６、２６ａ、２６ｂ、２６ｃ 昇圧チョッパ部
２７、２７ａ、２７ｂ、２７ｃ ダイオード
２８、２８ａ、２８ｂ、２８ｃ リアクトル
２９ コンデンサ
３０ 分圧抵抗
３１ａ 電流共振型高周波インバータ
３２ａ 高周波絶縁トランス
３３ａ、３３ａ' 整流ダイオード
３４ａ、３４ｂ、３４ｃ、３４ｄ 波形成形部
３５ コンデンサ
３６ 商用周波インバータ
３７、３８ 制御回路
３９ ＡＣフィルタ
４０、４０ａ、４０ｂ、４０ｃ スイッチ素子
４１ 系統連系インバータ

Claims (2)

1. 複数の太陽電池電力入力部と、該複数の太陽電池電力入力部に接続された各々の太陽電池アレイに対する最大電力追従を行う最大電力追従部と、前記複数の太陽電池電力入力部より入力される入力電力を前記太陽光発電用電力変換装置の主回路内で結合する結合手段と、該結合手段で結合した各入力電力の総和を交流電力に変換するインバータを設けた太陽光発電用電力変換装置において、
   前記複数の太陽電池電力入力部はＤＣ／ＤＣコンバータで構成され、該ＤＣ／ＤＣコンバータの出力端で各々の電力が結合され、その後段に接続されるインバータにより交流電力に変換され、
   前記ＤＣ／ＤＣコンバータは、各々に接続された太陽電池アレイの動作電圧を該アレイの最大電力点に制御するとともに、電力結合された出力端の電圧が所定の保護電圧値より大きくなる場合は最大電力追従を止めて、前記ＤＣ／ＤＣコンバータの電力結合された出力端の電圧が前記保護電圧値を超えないように、前記ＤＣ／ＤＣコンバータによって供給される電力を抑制することを特徴とする太陽光発電用電力変換装置。
2. 複数の太陽電池電力入力部と、該複数の太陽電池電力入力部に接続された各々の太陽電池アレイに対する最大電力追従を行う最大電力追従部と、前記複数の太陽電池電力入力部より入力される入力電力を前記太陽光発電用電力変換装置の主回路内で結合する結合手段と、該結合手段で結合した各入力電力の総和を交流電力に変換するインバータを設けた太陽光発電用電力変換装置において、
   前記複数の太陽電池電力入力部は、電流共振型の高周波インバータ部と絶縁トランス部と整流部の順序で構成され、各整流部の出力を結合して後段のインバータ部で交流電力に変換することを特徴とする太陽光発電用電力変換装置。

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