JP6158476B2

JP6158476B2 - 太陽光発電用電力変換装置

Info

Publication number: JP6158476B2
Application number: JP2012096420A
Authority: JP
Inventors: 勇樹八賀; 宮田　博昭; 博昭宮田; 恵三嶋田
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2012-04-20
Filing date: 2012-04-20
Publication date: 2017-07-05
Anticipated expiration: 2032-04-20
Also published as: JP2013225191A

Description

本発明は、太陽光発電用電力変換装置に係り、特に太陽光パネルが発電した直流電力を昇圧した後、交流電力に変換するときの変換損失を低減させるための太陽光発電用電力変換装置に関する。

太陽光発電用電力変換装置は、太陽光パネルで発電された直流電力を電力系統の交流電力へ変換する電力変換装置である。

この典型的な構成例は図１に示すように、太陽光パネル１と電力系統４の間には、昇圧チョッパ回路２とインバータ回路３で構成された電力変換回路１１が設置される。このうち昇圧チョッパ回路２では、太陽光パネル１の直流電圧を調整する。インバータ回路３では直流電力を交流電力へ変換して電力系統４に連系する。

これらの昇圧チョッパ回路２とインバータ回路３は、制御回路５からの指令に応じて制御される。制御回路５は、これらの操作のために、太陽光パネル１の出力として直流電流Ｉｄ（昇圧チョッパ回路２の直流入力電流）、直流電圧Ｖｄ（昇圧チョッパ回路２の直流入力電圧）を、それぞれ直流電流変成器７、直流電圧変成器６を介して入力している。そして直流電力を算出する。

また制御回路５は、電力系統４に与える電力変換回路１１の出力として交流電流ｉａ（インバータ回路３の交流出力電流）、交流電圧ｖａ（インバータ回路３の交流出力電圧）を、それぞれ交流電流変成器９、交流電圧変成器１０を介して入力している。

さらに制御回路５には、インバータ回路３の直流入力電圧Ｖｄｃを、直流電圧変成器８を介して入力している。

制御回路５は、以上の入力信号を用いて太陽光パネル１の出力が最大となるように、最大電力追従（ＭＰＰＴ：ＭａｘｉｍｕｍＰｏｗｅｒＰｏｉｎｔＴｒａｃｋｉｎｇ）制御を行う。最大電力追従制御に関しては、例えば特許文献１に記載されている。

特開２００２−３４１７５号公報

図２は、太陽光パネル１の電圧Ｖｄ−電流Ｉｄ特性、電力Ｐｄの出力特性を示した図である。日射量を一定としたとき、直流電圧Ｖｄが低い領域では、直流電流Ｉｄはほぼ一定であるが、直流電圧Ｖｄが高い領域では、直流電圧Ｖｄの増大に伴い直流電流Ｉｄは低減する。この電圧Ｖｄ−電流Ｉｄ特性は日射量により変化し、日射量が少ないほど低い電流となる。一方、電力Ｐｄは電圧Ｖｄに対して山状の特性を示し、最大電力点を有する。かつ最大電力点は日射量により移動して、日射量が少ないほど低い電力となり、より低い直流電圧にて最大電力点となる。

ここで最大電力点追従制御とは、図２のように周囲環境によって変化する太陽光パネルの出力特性に追従して、出力が最大となる直流電圧Ｖｄで発電を行う制御である。なお最大電力点追従制御を実行すると、日射量が少ない状態では直流電圧Ｖｄが、インバータ回路３の交流出力電圧から決まるインバータ回路の最低入力直流電圧より小さくなる場合がある。

制御回路５は最大電力追従制御を実行しながら、かつ後段のインバータ回路３で定まる最低入力電圧以上の一定の電圧に直流電圧Ｖｄを昇圧する。

図４は、直流電圧Ｖｄｃ制御の従来手法を示した図である。この図で上段は最大出力となる太陽光パネル１の出力電圧（昇圧チョッパ回路２の直流入力電圧）Ｖｄであり、時間経過と共に低下したものとする。ここで最大出力となる太陽光パネル１の出力電圧は当初６００ボルトであり、日照量の変動により電圧低下した状態を示している。

かかる時間変化に対して、従来手法では、図４中段のように太陽光パネル電圧Ｖｄに関わらず、インバータ入力電圧Ｖｄｃを例えば６００ボルトに固定する。ここで６００ボルトとは、インバータ回路３の交流出力電圧ｖａから決まるインバータ回路３の入力直流電圧Ｖｄｃより高い電圧である。なお、Ｖｄｃ０はインバータ回路３の最低入力電圧である。インバータ回路３の入力直流電圧Ｖｄｃは、最低入力電圧Ｖｄｃ０以上とされる必要がある。この例では、最低入力電圧Ｖｄｃ０は５００ボルトであり、制御回路５はインバータ入力電圧Ｖｄｃを６００ボルトに一定に制御する。

インバータ入力電圧Ｖｄｃを６００ボルトに一定制御するために、制御回路５は直流入力電圧Ｖｄが低いほど、昇圧チョッパ回路２の昇圧比を上げるように働く。例えばＶｄが６００ボルトのときの昇圧比を１とすると、５００ボルトに低下したときの昇圧比を１．２とする。図４下に昇圧比の変動を示す。

この結果、図４の制御手法を採用する電力変換回路１１は、常に昇圧チョッパ回路２においてスイッチング動作を行っている。またインバータ回路３も常に機能している。このことは、昇圧チョッパ回路２とインバータ回路３が常時稼動状態にあることを意味しており、双方回路で発生する損失が無視できない。

以上のことから本発明においては、昇圧チョッパ回路とインバータ回路で発生する損失を低減させて、太陽光発電用電力変換装置の電力変換効率の改善を図るものである。

以上のことから本発明においては、太陽光パネルの出力電圧を昇圧する昇圧チョッパ回路と、昇圧チョッパ回路の出力電力を入力として交流電力を系統へ出力するインバータ回路を備えた太陽光発電用電力変換装置において、
太陽光パネル電圧を、インバータ回路の交流出力電圧から決まるインバータ回路の最低入力直流電圧より高くする場合には、昇圧チョッパ回路のスイッチングを停止してインバータ回路による運転を行い、
太陽光パネル電圧を、インバータ回路の交流出力電圧から決まるインバータ回路の最低入力直流電圧よりも低くする場合には、インバータ回路と昇圧チョッパ回路により運転することを特徴とする。

また直流電流と直流電圧を検出して、最大電力点追従制御を実施することを特徴とする。

また太陽光パネル電圧を、インバータ回路の交流出力電圧から決まるインバータ回路の最低入力直流電圧より高くする場合には、インバータ回路の入力直流電圧を可変させることで、太陽光パネル電圧を可変させることを特徴とする。

また太陽光パネル電圧を、インバータ回路の交流出力電圧から決まるインバータ回路の最低入力直流電圧より高くする場合には、直流電流として昇圧チョッパ回路の入力電流を用い、直流電圧としてインバータ回路の入力直流電圧を用いた最大電力点追従制御を実施することを特徴とする。

また太陽光パネル電圧を、インバータ回路の交流出力電圧から決まるインバータ回路の最低入力直流電圧よりも低くする場合には、インバータ回路の入力直流電圧を最低入力直流電圧に固定し、昇圧チョッパ回路の昇圧比を調整することで、太陽光パネル電圧を可変させることを特徴とする。

また太陽光パネル電圧を、インバータ回路の交流出力電圧から決まるインバータ回路の最低入力直流電圧より低くする場合には、直流電流として昇圧チョッパ回路の入力電流を用い、直流電圧として昇圧チョッパ回路の入力直流電圧を用いた最大電力点追従制御を実施することを特徴とする。

以上のことから本発明においては、太陽光パネルの出力電圧を昇圧する昇圧チョッパ回路と、昇圧チョッパ回路の出力電力を入力として交流電力を系統へ出力するインバータ回路を備えた太陽光発電用電力変換装置において、
太陽光パネル電圧を、インバータ回路の交流出力電圧から決まるインバータ回路の最低入力直流電圧より高くする場合には、昇圧チョッパ回路のスイッチングを停止してインバータ回路による運転を行い、インバータ回路の入力直流電圧を可変させることで太陽光パネル電圧を可変させ、
太陽光パネル電圧を、インバータ回路の交流出力電圧から決まるインバータ回路の最低入力直流電圧よりも低くする場合には、インバータ回路と昇圧チョッパ回路により運転を行い、インバータ回路の入力直流電圧を最低入力直流電圧に固定し、昇圧チョッパ回路の昇圧比を調整することで太陽光パネル電圧を可変させることを特徴とする。

本発明によれば、広い直流電圧範囲で最大電力点追従制御を行うことができ、かつ昇圧チョッパ回路とインバータ回路で発生する損失を低減することが出来る。

太陽光発電用電力変換装置の典型的な構成例を示した図。太陽光パネルの出力特性を示した図。本発明の制御手法を示した図。従来の制御手法を示した図。太陽光パネル出力電圧とインバータ回路電圧の関係を示した図。

以下図面を参照して本発明について説明する。

従来における電力変換損失は、昇圧チョッパ回路２とインバータ回路３が常時稼動状態にあることにより発生している問題である。インバータ最低入力電圧Ｖｄｃ０（この場合５００ボルト）以上の一定値（この場合６００ボルト）に保持しているために常時稼動状態にならざるを得ない。

本発明では、「インバータ最低入力電圧Ｖｄｃ０以上の一定値に保持する」のではなく、「インバータ最低入力電圧Ｖｄｃ０以上にする」ことにした。最悪でもＶｄｃ０以下にしない、Ｖｄｃ０以上ならその大きさを問わないことにした。

図３は、図４に対比して示した本発明の動作を示す図である。ここでは、上段のように最大出力となる太陽光パネル１の出力電圧が低下した状態を示している。この想定は図４と同じである。

本発明では、太陽光パネル電圧Ｖｄを、インバータ回路の交流出力電圧ｖａから決まるインバータ回路の最低入力直流電圧Ｖｄｃ０より高くする場合には、昇圧チョッパ回路２のスイッチングを停止し、インバータ回路３の入力直流電圧Ｖｄｃを可変させることで、太陽光パネル電圧Ｖｄを可変させる。この状態ではインバータ回路３は所望の交流出力を得るために機能している。図３の中段の左側がこの状態を示している。

このように太陽光パネル電圧Ｖｄを、インバータ回路の最低入力直流電圧Ｖｄｃ０より高くする場合には、昇圧チョッパ回路２が停止しており、インバータ回路３が作動する運転状態を採用する。この場合には、片方しか動いていないので電力変換損失が低減されている。

続いて、太陽光パネル電圧Ｖｄを、インバータ回路３の交流出力電圧ｖａから決まるインバータ回路３の最低入力直流電圧Ｖｄｃ０よりも低くする場合には、インバータ回路３の入力直流電圧Ｖｄｃを最低入力直流電圧Ｖｄｃ０に固定したうえで、昇圧チョッパ回路２を運転して、昇圧比を調整することで、太陽光パネル電圧Ｖｄを可変させる。この場合、制御回路５はインバータ回路３の入力電圧Ｖｄｃをインバータ最低入力電圧Ｖｄｃ０に制御する。

例えば、太陽光パネル１の出力電圧Ｖｄが４００ボルトの状態では、インバータ回路３の入力電圧Ｖｄｃをインバータ最低入力電圧Ｖｄｃ０に制御するために、昇圧チョッパ回路２の昇圧比を１．２５とする。図３の右半分がこの状態を示している。この時、インバータ回路３の入力電圧Ｖｄｃを従来の高い値に対してインバータ最低入力電圧Ｖｄｃ０とすることでインバータ回路の損失を低減できる。

このように制御することで、広い直流電圧範囲で最大電力点追従制御を行うことができるようにするとともに、昇圧チョッパ回路とインバータ回路で発生する損失を低減することができる。

図５は、太陽光パネル１の出力電圧Ｖｄとインバータ回路３の電圧Ｖｄｃの関係を示した図である。この図に示すように、太陽光パネル１の出力電圧Ｖｄを、インバータ回路３の交流出力電圧ｖａから決まるインバータ回路３の最低入力直流電圧Ｖｄｃ０より高くする場合には、インバータ回路３の電圧ＶｄｃをＶｄと同じ値にしている。また、太陽光パネル電圧Ｖｄを、インバータ回路３の交流出力電圧ｖａから決まるインバータ回路３の最低入力直流電圧Ｖｄｃ０よりも低くする場合には、インバータ回路３の電圧ＶｄｃをＶｄｃ０に固定している。

この図の右半分の領域Ｒ１ではインバータのみで運転され、左半分の領域Ｒ２ではインバータと昇圧チョッパ回路で運転される。なお通常の天候状態での日射量の場合、最大電力点追従制御を行うときの電圧Ｖｄは、最低入力直流電圧Ｖｄｃ０以上となっていることが殆どである。このため、通常の運転ではインバータのみの運転機会が多いので、変換効率を高めることができる。

以上説明した本発明の制御回路５の機能を整理する。制御回路５は、太陽光パネル１と、太陽光パネル１の出力電圧Ｖｄをインバータ回路３の最低入力電圧Ｖｄｃ０以上に昇圧する昇圧チョッパ回路２と、昇圧チョッパ回路２の出力電力を入力として交流電力を電力系統４へ出力するインバータ回路３を備えた太陽光発電用電力変換装置に適用される。

制御回路５では、太陽光パネル１電圧Ｖｄを、インバータ回路３の交流出力電圧ｖａから決まるインバータ回路３の最低入力直流電圧Ｖｄｃ０より高くする場合には、昇圧チョッパ回路２のスイッチングを停止し、昇圧チョッパ回路２の入力電流Ｉｄを測定する直流電流変成器７、インバータ回路３の入力直流電圧Ｖｄｃを測定する直流電圧変成器８の測定結果をもとに、制御回路５により最大電力点追従制御を実行する。ここでは最大電力点追従制御は、インバータ回路３の入力直流電圧Ｖｄｃを可変させることで、太陽光パネル１電圧Ｖｄを可変させることにより行う。

また制御回路５では、太陽光パネル電圧Ｖｄを、インバータ回路３の交流出力電圧ｖａから決まるインバータ回路３の最低入力直流電圧Ｖｄｃ０よりも低くする場合には、昇圧チョッパ回路２を運転し、インバータ回路３の入力直流電圧Ｖｄｃを最低入力直流電圧Ｖｄｃ０に固定したうえで、昇圧チョッパ回路２の入力電圧Ｖｄを測定する直流電圧変成器６、電流を測定する直流電流変成器７の測定結果をもとに制御回路５により最大電力点追従制御を実行する。ここでは最大電力点追従制御は、昇圧チョッパ回路２の昇圧比を調整することで、太陽光パネル電圧Ｖｄを可変させることにより行う。

１：太陽光パネル
２：昇圧チョッパ回路
３：インバータ回路
４：電力系統
５：制御回路
６：直流電圧変成器
７：直流電流変成器
１１：電力変換回路
ｉａ：交流電流
Ｉｄ：直流電流
Ｖｄ：直流電圧
ｖａ：交流電圧
Ｖｄｃ：インバータ回路の直流入力電圧

Claims

太陽光パネルの出力電圧を昇圧する昇圧チョッパ回路と、該昇圧チョッパ回路の出力電力を入力として交流電力を系統へ出力するインバータ回路を備えた太陽光発電用電力変換装置において、
前記太陽光パネルの出力電圧が、第一の所定の値より高くなる場合には、前記昇圧チョッパ回路のスイッチングを停止させ、かつ前記インバータ回路の入力直流電圧を可変させることで太陽光パネル電圧を可変させるように前記インバータ回路を作動させ、
前記太陽光パネル電圧が、前記第一の所定の値よりも低くなる場合には、前記インバータ回路の入力直流電圧を前記第一の所定の値に固定したうえで、前記昇圧チョッパ回路を運転して、昇圧比を調整することで、太陽光パネル電圧Ｖｄを可変させるように前記インバータ回路と前記昇圧チョッパ回路双方のスイッチングを行わせる制御部を備えるとともに、
前記第一の所定の値は、前記インバータ回路の交流出力電圧から決まる前記インバータ回路の最低入力直流電圧であることを特徴とする太陽光発電用電力変換装置。
請求項１に記載の太陽光発電用電力変換装置において、
前記制御部は、直流電流と直流電圧を検出して最大電力点追従制御を実施させる制御手段を備えることを特徴とする太陽光発電用電力変換装置。