JP6171180B2

JP6171180B2 - 電力変換装置

Info

Publication number: JP6171180B2
Application number: JP2015529219A
Authority: JP
Inventors: 鈴木　淳一; 淳一鈴木; 森田　功; 功森田
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2013-07-31
Filing date: 2013-07-31
Publication date: 2017-08-02
Anticipated expiration: 2033-07-31
Also published as: JPWO2015015531A1; WO2015015531A1

Description

本発明は、電力変換装置に関するものである。

従来より、複数の太陽電池の出力する直流電力をまとめた後交流電力に変換し、この変換した交流電力を商用電力系統へ重畳する電力変換装置が提供されている。

このような電力変換装置は、複数の太陽電池ストリング夫々に接続される昇圧回路と、夫々の昇圧回路の出力電力をまとめて入力し、この入力した直流電力を商用電力系統と同期する交流電力に変換して商用電力系統へ重畳するインバータ回路と、により構成される（特許文献１）。

特許文献１に記載の電力変換装置は、太陽が昇り始めて起動に十分な日射が得られるようになると、夫々の昇圧回路が昇圧動作を開始する。そして、インバータ回路の入力側の中間電圧が所定値に安定した時点でインバータ回路を作動させて交流電力の商用電力系統への重畳を開始する。

特開２００５−１５１６６２号公報

しかしながら、特許文献１に記載の電力変換装置のように、起動時（交流電力の変換前）に、夫々の昇圧回路が昇圧動作を行った場合、昇圧回路の出力電圧が夫々の昇圧回路によって独立して調整されるため、昇圧回路の出力電圧が安定しづらく起動に時間を要してしまうという課題があった。

本発明は、このような課題に鑑みてなされた発明であり、速やかに系統と接続できる電力変換装置を提供することを目的とする。

本発明の電力変換装置は、複数の太陽電池に夫々接続され、接続された前記太陽電池の出力電圧を夫々昇圧する昇圧回路と、夫々の前記昇圧回路により昇圧された直流電力をまとめて入力し、入力した直流電力を商用電力系統と同期する交流電力に変換して前記商用電力系統へ重畳可能とするインバータ回路と、を備え、夫々の前記昇圧回路の内の一つの昇圧回路を作動させ前記インバータ回路による変換を開始し、前記インバータ回路による変換が開始されたのちに、夫々の前記昇圧回路の内の他の昇圧回路の作動を開始させることを特徴とする。

本発明によれば、速やかに系統と接続できる電力変換装置を提供することができる。

実施例１における電力変換装置の構成を示す図である。制御回路１５の動作フローチャートを示す図である。

本実施形態は、起動時に複数の昇圧回路の内一つの昇圧回路を作動させて太陽電池の出力を系統へ供給することにより、昇圧回路とインバータ回路との間の中間電圧を安定させ系統との全出力接続移行への時間を短縮することができるようにしたものである。

電力変換装置１には複数の太陽電池（複数の太陽電池セルを電気的に直列及び／または並列に接続して１単位（モジュール）としたもの、または複数のモジュールを電気的に直列及び／または並列に接続して１単位（ストリング）としたものを総称している）２ａ〜２ｅが入力側に接続される。電力変換装置１は、これらの太陽電池２ａ〜２ｅの出力する直流電力を商用電力（系統）に同期する交流電力に変換して系統３へ重畳する。

図１は、実施例１の電力変換装置の構成を示す図である。電力変換装置１は、開閉器１１ａ〜１１ｅ、昇圧回路１２ａ〜１２ｅ、インバータ回路１３、リレー１４、及び制御回路１５を備えている。

昇圧回路１２ａ〜１２ｅには、夫々開閉器１１ａ〜１１ｅを介して太陽電池２ａ〜２ｅが接続される。この昇圧回路１２ａ〜１２ｅには、スイッチ素子、リアクトル、コンデンサ、及びダイオードからなるトランスレス型の昇圧チョッパ回路を用いる。尚、トランスを介して高周波スイッチングを行う様な昇圧回路など従来の回路構成も用いることができる。

昇圧回路１２ａ〜１２ｅは、スイッチ素子のデューティ比を調節して、夫々接続された太陽電池２ａ〜２ｅの出力する直流電力の電圧を昇圧する。夫々の昇圧回路１２ａ〜１２ｅは、その入力電圧や出力電圧をフィードバックして出力電圧を所定値に制御する一定電圧制御と、入力電力をフィードバックして太陽電池２ａ〜２ｅの出力電力が最大になるように制御するＭＰＰＴ（ＭａｘｉｍｕｍＰｏｗｅｒＰｏｉｎｔＴｒａｃｋｉｎｇ：最大電力点追従）制御を行うことができる。

開閉器１１ａ〜１１ｅは手動により開閉することが可能な開閉器であり、メンテナンス時にユーザーや作業者により開閉される。これにより、ユーザーや作業者は、メンテナンス時に太陽電池２ａ〜２ｅと電力変換装置１とを切り離し、太陽電池２ａ〜２ｅから電力変換装置１への供給電力を遮断した状態でメンテナンスを行うことができる。尚、開閉器１１ａ〜１１ｅは、電力変換装置１を動作させるときには太陽電池２ａ〜２ｅと電力変換装置１とを接続するよう切り替えられる。

インバータ回路１３は、入力側が夫々の昇圧回路１２ａ〜１２ｅに接続され、出力側がリレー１４を介して系統３に接続されている。インバータ回路１３は、夫々の昇圧回路１２ａ〜１２ｅにより昇圧された直流電力をまとめて入力する。そして、インバータ回路１３は、入力した直流電力を系統３と同期する交流電力に変換して系統３へ重畳する。

インバータ回路１３は、複数のスイッチ素子からなるブリッジ回路により構成される。インバータ回路１３は、目標とする交流波形（系統３に同期する交流波形）を用いたＰＷＭ変調による複数のスイッチ素子のＯＮ／ＯＦＦ制御（ＰＷＭ制御）により交流波形を形成する。このＰＷＭ制御は制御回路１５により行われる。

リレー１４は、電力変換装置１と系統３との間を開閉するものであり、制御回路によりその開閉が制御される。リレー１４は、太陽電池２ａ〜２ｅが発電し系統３へ電力を重畳するときに閉じられ、太陽電池２ａ〜２ｅの出力が不足してくると開かれる。

制御回路１５は、マイコン等により構成され、昇圧回路１２ａ、インバータ回路１３、及びリレー１４の動作を制御する。この制御は、任意の位置に配置される電流センサや電圧センサからの情報を制御回路１５が取得して、必要な個所の電流や電圧をフィードバックして行われる。

次に、実施例１の特徴である電力変換装置１の起動時の制御について述べる。

日射量が増えて太陽電池２ａ〜２ｅの出力が上昇すると、制御回路１５は、太陽電池２ａ〜２ｅの内２以上（ここでは３つとする）の太陽電池の出力電圧（昇圧回路１２ａ〜１２ｅへの入力電圧Ｖｉ）が所定値を超えたか否かを判断し（ステップＳ１）、この条件を満たした際に電力変換装置１の起動を開始する。この際の所定値は、例えば、変換時に必要な中間電圧対して適正な昇圧比が得られる入力電圧（例えば、５０Ｖ〜２００Ｖ）が設定される。以下、太陽電池２ａ〜２ｃの出力電圧が所定値を超えたものとして説明する。

制御回路１５は、電力変換装置１の起動が可能であると判断すると、太陽電池２ａ〜２ｃに接続される昇圧回路１２ａ〜１２ｃの内最も出力電圧の大きい太陽電池に接続される昇圧回路を選択する（ステップＳ２）。ここでは説明のため、昇圧回路１２ａが選択されたものとする。

そして、制御回路１５は、昇圧回路１２ａの出力電圧Ｖｍ（中間電圧）が所定の電圧に一定になるように作動させる（ステップＳ３）。この際の昇圧回路１２ａの出力電圧Ｖｍは、インバータ回路１３が系統３に交流電力を重畳可能な電圧（例えば、単相三線の系統に対して４８０Ｖ〜５５０Ｖ程度）に設定される。

制御回路１５は、昇圧回路１２ａの出力電圧Ｖｍが安定したか否かを判断し（ステップＳ４）、昇圧回路１２ａの出力電圧Ｖｍが安定するとインバータ回路１３の作動を開始させる（ステップＳ５）。このとき、制御回路１５はインバータ回路１３の出力電圧が系統３と同期するように昇圧回路１２ａで昇圧された直流電力を交流電力に変換する制御を行う。

制御回路１５は、インバータ回路１３により系統３と同期する交流電圧波形が成形されたか否かを判断し（ステップＳ６）、インバータ回路１３により系統３と同期する交流電圧波形が成形されると、リレー１４をＯＮにして（閉じて）インバータ回路１３から系統３にこの交流電力を重畳させる（ステップＳ７）。リレー１４を閉じた後は、制御回路１５は、夫々の昇圧回路１２ａ〜１２ｅを共にＭＰＰＴ動作にて作動させ（ステップＳ８）、インバータ回路１３からは所定の出力電流が出力されるように上記交流電圧波形の振幅の制御を行う。

このように、電力変換装置１の起動時に制御回路１５は、夫々の昇圧回路１２ａ〜１２ｅの内の一つの昇圧回路１２ａを作動させインバータ回路１３による重畳を開始し、インバータ回路１３による変換が開始されたのちに、夫々の昇圧回路１２ａ〜１２ｅの内他の昇圧回路１２ｂ〜１２ｅが作動を開始させる。

これにより、インバータ回路１３が交流電力を系統３へ重畳する際に、選択された昇圧回路１２ａを作動させて変換を開始する。このため、昇圧回路の昇圧電圧（中間電圧）が速やかに所定の電圧に安定してインバータ回路１３の出力を系統３に供給開始することができる。また、インバータ回路により系統と同期した交流電圧を生成してからリレー１４を閉じるため、系統３から電力変換装置１へ流れ込む突入電流を抑制することができる。

また、実施例１によれば、起動時に複数の太陽電池２ａ〜２ｅの内最も出力電圧の大きい太陽電池２ａに接続される昇圧回路１２ａを選択して作動させている。即ち、最も出力が大きい太陽電池を利用して交流電力の重畳を開始することができるため、重畳を開始した直後に日射量の変化などによって出力不足になってしまう事態を抑制することができる。

また、実施例１によれば、インバータ回路１３の交流電力への変換開始後他の昇圧回路１１ｂ〜１１ｅも作動を開始させるため、出力不足により電力変換装置１が止まることを抑制できる。

また、実施例１によれば、複数の太陽電池２ａ〜２ｅの内２以上の太陽電池２ａ〜２ｃの出力電圧Ｖｉが所定値を超えたことにより電力変換装置１の起動可能の判定を行ってから昇圧回路１２ａの作動を開始させているので、交流電力の重畳開始後出力不足により電力変換装置１が止まってしまうことを抑制することができる。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、以上の説明は本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明はその趣旨を逸脱することなく、変更、改良され得ると共に本発明にはその等価物が含まれることは勿論である。

例えば、昇圧回路１２ａ〜１２ｅの内の一つの昇圧回路１２ａの作動させてからインバータ回路１３による変換を開始するまでの間に、太陽電池２ａ〜２ｅの内最も出力電圧の大きい太陽電池２ａが別の太陽電池（例えば、太陽電池２ｂ）に変わった場合に、作動中の昇圧回路１２ａを停止して、別の太陽電池２ｂに接続される昇圧回路１１ｂを作動させても良い。

このようにすることで、出力の高い太陽電池２を選択して交流電力への変換を開始することになるため、重畳開始後出力不足により電力変換装置１が止まってしまうことを抑制することができる。

また、例えば、昇圧回路１２ａ〜１２ｅの内の一つの昇圧回路１２ａの作動させてからインバータ回路１３による変換を開始するまでの間に、太陽電池２ａ〜２ｅの内最も出力電圧の大きい太陽電池２ａが別の太陽電池（例えば、太陽電池２ｂ）に変わった場合に、現在作動している昇圧回路による昇圧を継続しても良い。

このようにすることで、昇圧回路１２ａによる昇圧が開始された後、インバータ回路１３による重畳が開始されるまで、昇圧回路の切り替えがないため、速やかに連系可能な電圧まで昇圧回路により昇圧することができる。

また、実施例１では、太陽電池２ａ〜２eの内２以上の太陽電池２ａ〜２ｃの出力電圧Ｖｉが所定値を超えた際に、昇圧回路１２ａの作動を開始させているが、例えば、複数の太陽電池２ａ〜２ｅの内の一つでも所定値を超えたら昇圧回路の作動を開始しても良い。また、例えば、太陽電池２ａ〜２ｅの出力電圧Ｖｉの合計値や平均値などが所定の値を超えたことを条件として昇圧回路の作動を開始させても良い。

また、所定値は、太陽電池２ａ〜２ｅ夫々に対して異なる値を使用しても良い。例えば、定格出力の大きい太陽電池に対しては、定格出力の小さい太陽電池に比べて大きくする。

また、実施例１では、作動させる昇圧回路を出力電圧が最も大きい太陽電池に接続されている昇圧回路としたが、例えば、定格出力が大きい太陽電池に接続されている昇圧回路としても良いし、電力変換装置１に設定手段を備えておき作動させる昇圧回路をこの設定手段により予め決めておいても良い。

本実施形態の電力変換装置１は、太陽電池２ａ〜２ｅを含む太陽電池システム等としても利用することができる。

１電力変換装置
２ａ〜２ｅ太陽電池
３系統（商用電力系統）
１１ａ〜１１ｅ開閉器
１２ａ〜１２ｅ昇圧回路
１３インバータ回路
１４リレー
１５制御回路

Claims

複数の太陽電池に夫々接続され、接続された前記太陽電池の出力電圧を夫々昇圧する昇圧回路と、
夫々の前記昇圧回路により昇圧された直流電力をまとめて入力し、入力した直流電力を商用電力系統と同期する交流電力に変換して前記商用電力系統へ重畳可能とするインバータ回路と、を備え、
夫々の前記昇圧回路の内の一つの昇圧回路を作動させ前記インバータ回路による変換を開始し、前記インバータ回路による変換が開始されたのちに、夫々の前記昇圧回路の内の他の昇圧回路の作動を開始させることを特徴とする電力変換装置。
前記一つの昇圧回路は、前記複数の太陽電池の内出力電圧の大きい太陽電池に接続される昇圧回路であることを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
前記一つの昇圧回路を作動させてから前記インバータ回路による変換を開始するまでの間に、前記複数の太陽電池の内最も出力電圧の大きい太陽電池が別の太陽電池に変わった場合に、前記別の太陽電池に接続される昇圧回路を作動させることを特徴とする請求項２に記載の電力変換装置。
前記一つの昇圧回路を作動させてから前記インバータ回路による変換を開始するまでの間に、前記複数の太陽電池の内最も出力電圧の大きい太陽電池がどれであるかにかかわらず、前記作動させた昇圧回路による昇圧を継続することを特徴とする請求項２に記載の電力変換装置。
前記複数の太陽電池の内２以上の太陽電池の出力電圧が所定値を超えた際に、前記一つの昇圧回路の作動を開始させることを特徴とする請求項１乃至４の何れか１つに記載の電力変換装置。