特許第6031609号(P6031609)IP Force 特許公報掲載プロジェクト 2022.1.31 β版

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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】6031609
(24)【登録日】2016年10月28日
(45)【発行日】2016年11月24日
(54)【発明の名称】太陽光発電用インバータの制御装置
(51)【国際特許分類】
   H02M 7/48 20070101AFI20161114BHJP
   H02J 3/38 20060101ALI20161114BHJP
【FI】
   H02M7/48 R
   H02J3/38 150
【請求項の数】9
【全頁数】10
(21)【出願番号】特願2015-528046(P2015-528046)
(86)(22)【出願日】2013年7月23日
(86)【国際出願番号】JP2013069886
(87)【国際公開番号】WO2015011781
(87)【国際公開日】20150129
【審査請求日】2015年7月9日
(73)【特許権者】
【識別番号】501137636
【氏名又は名称】東芝三菱電機産業システム株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110001737
【氏名又は名称】特許業務法人スズエ国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】松岡 祐司
(72)【発明者】
【氏名】インスンサ フィゲロア ルベン アレクシス
(72)【発明者】
【氏名】安保 達明
【審査官】 松尾 俊介
(56)【参考文献】
【文献】 特開平08−126344(JP,A)
【文献】 特開平07−194134(JP,A)
(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
H02J 3/00 − 5/00
H02M 7/48
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
太陽光により発電された電力を交流電力系統と連系する交流電力に変換する太陽光発電用インバータの制御装置であって、
前記交流電力系統の系統電圧を検出する系統電圧検出手段と、
前記インバータに印加される直流電圧を検出する直流電圧検出手段と、
前記系統電圧検出手段により検出された前記系統電圧及び前記直流電圧検出手段により検出された前記直流電圧に基づいて、前記インバータの出力電圧の不足を検出する出力電圧不足検出手段と、
前記インバータの出力電流を検出する出力電流検出手段と、
前記出力電流検出手段により検出された前記出力電流に含まれる高調波に基づいて、前記出力電流の歪みを検出する出力電流歪み検出手段と、
前記インバータを最大電力点追従制御する最大電力点追従制御手段と、
前記出力電圧不足検出手段により前記出力電圧の不足が検出され、前記出力電流歪み検出手段により前記出力電流の歪みが検出された場合、前記インバータに印加される直流電圧を、前記最大電力点追従制御による最大電力点よりも低い電力点の電圧に制御する出力電流歪み時制御手段と
を備えたことを特徴とする太陽光発電用インバータの制御装置。
【請求項2】
前記出力電流歪み時制御手段は、前記出力電圧不足検出手段により前記出力電圧の不足が検出されなくなるか、又は前記出力電流歪み検出手段により前記出力電流の歪みが検出されなくなるまで、前記直流電圧を昇圧すること
を特徴とする請求項1に記載の太陽光発電用インバータの制御装置。
【請求項3】
前記出力電流歪み時制御手段は、前記出力電圧不足検出手段により前記出力電圧の不足が検出され、前記出力電流歪み検出手段により前記出力電流の歪みが検出された場合、前記最大電力点追従制御による前記直流電圧の制御範囲の下限値を上げること
を特徴とする請求項1に記載の太陽光発電用インバータの制御装置。
【請求項4】
太陽光で発電する太陽電池と、
前記太陽電池で発電された電力を交流電力系統と連系する交流電力に変換するインバータと、
前記交流電力系統の系統電圧を検出する系統電圧検出手段と、
前記インバータに印加される直流電圧を検出する直流電圧検出手段と、
前記系統電圧検出手段により検出された前記系統電圧及び前記直流電圧検出手段により検出された前記直流電圧に基づいて、前記インバータの出力電圧の不足を検出する出力電圧不足検出手段と、
前記インバータの出力電流を検出する出力電流検出手段と、
前記出力電流検出手段により検出された前記出力電流に含まれる高調波に基づいて、前記出力電流の歪みを検出する出力電流歪み検出手段と、
前記インバータを最大電力点追従制御する最大電力点追従制御手段と、
前記出力電圧不足検出手段により前記出力電圧の不足が検出され、前記出力電流歪み検出手段により前記出力電流の歪みが検出された場合、前記インバータに印加される直流電圧を、前記最大電力点追従制御による最大電力点よりも低い電力点の電圧に制御する出力電流歪み時制御手段と
を備えたことを特徴とする太陽光発電システム。
【請求項5】
前記出力電流歪み時制御手段は、前記出力電圧不足検出手段により前記出力電圧の不足が検出されなくなるか、又は前記出力電流歪み検出手段により前記出力電流の歪みが検出されなくなるまで、前記直流電圧を昇圧すること
を特徴とする請求項4に記載の太陽光発電システム。
【請求項6】
前記出力電流歪み時制御手段は、前記出力電圧不足検出手段により前記出力電圧の不足が検出され、前記出力電流歪み検出手段により前記出力電流の歪みが検出された場合、前記最大電力点追従制御による前記直流電圧の制御範囲の下限値を上げること
を特徴とする請求項4に記載の太陽光発電システム。
【請求項7】
太陽光により発電された電力を交流電力系統と連系する交流電力に変換する太陽光発電用インバータの制御方法であって、
前記交流電力系統の系統電圧を検出するステップと
前記インバータに印加される直流電圧を検出するステップと
検出した前記系統電圧及び検出した前記直流電圧に基づいて、前記インバータの出力電圧の不足を検出するステップと
前記インバータの出力電流を検出するステップと
検出した前記出力電流に含まれる高調波に基づいて、前記出力電流の歪みを検出するステップと
前記インバータを最大電力点追従制御するステップと
前記出力電圧の不足を検出するステップにより出力電圧の不足を検出し、前記出力電流の歪みを検出するステップにより出力電流の歪みを検出した場合、前記インバータに印加される直流電圧を、前記最大電力点追従制御による最大電力点よりも低い電力点の電圧に制御する電流歪み時制御をするステップと
を含むことを特徴とする太陽光発電用インバータの制御方法。
【請求項8】
前記電流歪み時制御は、前記出力電圧の不足を検出しなくなるか、前記出力電流の歪みを検出しなくなるまで、前記直流電圧を昇圧すること
を特徴とする請求項7に記載の太陽光発電用インバータの制御方法。
【請求項9】
前記電流歪み時制御は、前記出力電圧の不足を検出して、前記出力電流の歪みを検出した場合、前記最大電力点追従制御による前記直流電圧の制御範囲の下限値を上げること
を特徴とする請求項7に記載の太陽光発電用インバータの制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、太陽光発電用インバータの制御装置に関する。
【背景技術】
【0002】
一般に、太陽光発電システムには、交流電力系統と連系するために、インバータが用いられる。インバータは、太陽電池により発電された直流電力を交流電力系統に同期した交流電力に変換して、交流電力系統に供給する。
【0003】
しかしながら、太陽光発電用インバータは、系統電圧の変動などにより、インバータの出力電圧が不足して出力電流に歪みが生じ、出力電流が逆流することがある(特許文献1参照)。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【特許文献1】特開平11−122818号公報
【発明の概要】
【0005】
本発明の目的は、インバータの出力電圧の不足により出力電流に歪みが生じることを防止することのできる太陽光発電用インバータの制御装置を提供することにある。
【0006】
本発明の観点に従った太陽光発電用インバータの制御装置は、太陽光により発電された電力を交流電力系統と連系する交流電力に変換する太陽光発電用インバータの制御装置であって、前記交流電力系統の系統電圧を検出する系統電圧検出手段と、前記インバータに印加される直流電圧を検出する直流電圧検出手段と、前記系統電圧検出手段により検出された前記系統電圧及び前記直流電圧検出手段により検出された前記直流電圧に基づいて、前記インバータの出力電圧の不足を検出する出力電圧不足検出手段と、前記インバータの出力電流を検出する出力電流検出手段と、前記出力電流検出手段により検出された前記出力電流に含まれる高調波に基づいて、前記出力電流の歪みを検出する出力電流歪み検出手段と、前記インバータを最大電力点追従制御する最大電力点追従制御手段と、前記出力電圧不足検出手段により前記出力電圧の不足が検出され、前記出力電流歪み検出手段により前記出力電流の歪みが検出された場合、前記インバータに印加される直流電圧を、前記最大電力点追従制御による最大電力点よりも低い電力点の電圧に制御する出力電流歪み時制御手段とを備えている。
【図面の簡単な説明】
【0007】
図1図1は、本発明の第1の実施形態に係るインバータの制御装置を適用した太陽光発電システムの構成を示す構成図である。
図2図2は、第1の実施形態に係る太陽電池による発電電力の特性を示す特性図である。
図3図3は、第1の実施形態に係る歪み防止指令部の構成を示す構成図である。
図4図4は、本発明の第2の実施形態に係るインバータの制御装置を適用した太陽光発電システムの構成を示す構成図である。
図5図5は、第2の実施形態に係る太陽電池による発電電力の特性を示す特性図である。
【発明を実施するための形態】
【0008】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。
【0009】
(第1の実施形態)
図1は、本発明の第1の実施形態に係るインバータ1の制御装置2を適用した太陽光発電システム10の構成を示す構成図である。なお、図面における同一部分には同一符号を付してその詳しい説明を省略し、異なる部分について主に述べる。
【0010】
太陽光発電システム10は、インバータ1、制御装置2、太陽電池3、平滑コンデンサ4、交流フィルタ5、連系トランス6、交流電力系統7、直流電圧検出器11、直流電流検出器12、交流電流検出器13、及び交流電圧検出器14を備える。
【0011】
太陽電池3は、光(太陽光)により発電する電池である。太陽電池3は、発電した電力をインバータ1に供給する。
【0012】
インバータ1は、太陽電池3から供給される直流電力を交流電力系統7と同期する交流電力に変換する。インバータ1は、連系トランス6を介して、変換した交流電力を交流電力系統7に供給する。インバータ1は、パルス幅変調(PWM, pulse width modulation)で制御される。インバータ1は、制御装置2から出力されるゲート信号Gtにより電力変換の制御がされる。インバータ1は、例えば、PCS(power conditioning system)である。
【0013】
平滑コンデンサ4は、インバータ1の直流側(入力側)に設けられている。平滑コンデンサ4は、太陽電池3からインバータ1に供給される直流電圧を平滑化する。
【0014】
交流フィルタ5は、リアクトル51及びコンデンサ52を備えている。交流フィルタ5は、インバータ1から出力される高調波を抑制する。
【0015】
直流電圧検出器11は、インバータ1の直流側の電圧Vdc(平滑コンデンサ4の電圧)を計測するための検出器である。直流電圧検出器11は、検出した直流電圧Vdcを制御装置2に出力する。
【0016】
直流電流検出器12は、インバータ1の直流側に流れる電流Idcを計測するための検出器である。直流電流検出器12は、検出した直流電流Idcを制御装置2に出力する。
【0017】
交流電流検出器13は、インバータ1の交流側(出力側)の電流Iivを計測するための検出器である。交流電流検出器13は、検出した交流電流Iivを制御装置2に出力する。
【0018】
交流電圧検出器14は、交流電力系統7の系統電圧Vrを計測するための検出器である。交流電圧検出器14は、検出した系統電圧Vrを制御装置2に出力する。
【0019】
制御装置2は、電力演算部21と、MPPT(maximum power point tracking)22と、直流電圧制御部23、電流制御部24と、PWM制御部25、歪み防止指令部26とを備えている。
【0020】
電力演算部21は、直流電圧検出器11により検出された直流電圧Vdc及び直流電流検出器12により検出された直流電流Idcに基づいて、直流電力Pdcを演算する。電力演算部21は、演算した直流電力PdcをMPPT22に出力する。
【0021】
MPPT22は、電力演算部21により演算された直流電力Pdcに基づいて、直流電圧の増加又は減少させる電圧増減信号Vnを直流電圧制御部23に出力する。通常時(歪み防止指令部26から信号Spを受信していない場合)は、MPPT22は、最大電力点追従制御により決定された電圧増減信号Vnを出力する。歪み防止指令部26から信号Spを受信している場合、MPPT22は、最大電力点追従制御を行わずに、インバータ1の出力電流Iivの波形の歪みを防止するように決定された電圧増減信号Vnを出力する。
【0022】
図2を参照して、MPPT22による直流電圧Vdcの制御について説明する。図2は、本実施形態に係る太陽電池3による発電電力の特性を示す特性図である。
【0023】
MPPT2は、図2に示す最大電力点Pmppの電圧(最大電力点電圧)Vmppを追従する制御(最大電力点追従制御)を、次のように行う。
【0024】
まず、MPPT22は、ある電圧Vdcでの直流電力Pdcを計測する。
【0025】
次に、MPPT22は、直流電圧Vdcを予め決められた1段階分の電圧を昇圧(又は降圧)させる電圧増減信号Vnを出力する。直流電圧Vdcの上昇後(又は下降後)、MPPT22は、直流電力Pdcを計測する。MPPT22は、前回計測した直流電力Pdcと今回新たに計測した直流電力Pdcを比較する。
【0026】
比較した結果、今回新たに計測した直流電力Pdcの方が多い場合は、MPPT22は、前回と同じ電圧増減信号Vnを出力する。即ち、前回の電圧増減信号Vnが昇圧させる信号であれば、今回も電圧増減信号Vnを昇圧させる信号として出力する。前回の電圧増減信号Vnが降圧させる信号であれば、今回も電圧増減信号Vnを降圧させる信号として出力する。一方、今回新たに計測した直流電力Pdcの方が少ない場合は、MPPT22は、前回と異なる電圧増減信号Vnを出力する。
【0027】
上記の手順を繰り返すことにより、MPPT22は、直流電圧Vdcが常に最大電力点電圧Vmppの近傍にあるように制御する。
【0028】
直流電圧制御部23には、直流電圧検出器11により検出された直流電圧Vdc及びMPPT22により決定された電圧増減信号Vnが入力される。直流電圧制御部23は、直流電圧Vdc及び電圧増減信号Vnに基づいて、直流電圧Vdcを制御するための直流電圧指令値Vdcrを演算する。直流電圧制御部23は、演算した直流電圧指令値Vdcrを電流制御部24に出力する。
【0029】
電流制御部24には、交流電流検出器13により検出された出力電流Iiv、電力演算部21により演算された直流電力Pdc、及び直流電圧制御部23により演算された直流電圧指令値Vdcrが入力される。電流制御部24は、出力電流Iiv、直流電力Pdc、及び直流電圧指令値Vdcrに基づいて、インバータ1の出力電圧を制御するための電圧指令値Vivrを演算する。電流制御部24は、演算した電圧指令値VivrをPWM制御部25に出力する。
【0030】
PWM制御部25には、電流制御部24により演算された電圧指令値Vivrが入力される。PWM制御部25は、インバータ1の出力電圧を電圧指令値Vivrに追従させるように、インバータ1のスイッチング素子を駆動するゲート信号Gtを生成する。PWM制御部25は、生成したゲート信号Gtにより、インバータ1をPWM制御する。
【0031】
歪み防止指令部26には、直流電圧検出器11により検出された直流電圧Vdc、交流電流検出器13により検出されたインバータ1の出力電流Iiv、及び交流電圧検出器14により検出された交流電力系統7の系統電圧Vrが入力される。歪み防止指令部26は、直流電圧Vdc、出力電流Iiv及び系統電圧Vrに基づいて、出力電流Iivの歪みを防止するための制御が必要か否かを判断する。歪み防止指令部26は、出力電流Iivの歪みを防止するための制御が必要と判断した場合、この制御を行うための制御信号SpをMPPT22に出力する。
【0032】
図3は、本実施形態に係る歪み防止指令部26の構成を示す構成図である。
【0033】
歪み防止指令部26は、出力電圧不足検出部61、出力電流歪み検出部62、及びAND回路63を備える。
【0034】
出力電圧不足検出部61は、直流電圧Vdc及び系統電圧Vrに基づいて、インバータ1の出力電圧が不足しているか否かを判断する。出力電圧不足検出部61は、系統電圧Vrに応じて決定される基準電圧よりも直流電圧Vdcが低ければ、出力電圧が不足していると判断する。基準電圧は、系統電圧Vrに基づいて演算された電圧であれば、どのように演算されたものでもよい。例えば、基準電圧は、系統電圧Vrの波高値に予め設定された係数を掛けることにより演算される。出力電圧不足検出部61は、出力電圧が不足していると判断した場合、出力電圧の不足を検出したことを示す検出信号SvをAND回路63に出力する。
【0035】
例えば、連系トランス6の変圧比を1:1としたときに、直流電圧Vdcが系統電圧Vrの波高値よりも低い場合に、出力電圧不足検出部61は、出力電圧が不足していると判断する。即ち、インバータ1から系統電圧Vr相当の電圧を出力するために理論上必要最低限の電圧よりも直流電圧Vdcが下回ったときに、出力電圧不足検出部61は、出力電圧が不足していると判断する。従って、インバータ1が3次重畳制御されている場合は、直流電圧Vdcが系統電圧Vrの波高値よりも低くても、インバータ1の出力電圧が不足していないこともある。
【0036】
出力電流歪み検出部62は、出力電流Iivの波形が歪んでいるか否かを判断する。出力電流歪み検出部62は、出力電流Iivが歪んでいると判断した場合、出力電流Iivの歪みを検出したことを示す検出信号SiをAND回路63に出力する。
【0037】
出力電流歪み検出部62は、出力電流Iivの歪みを次のように検出する。まず、出力電流歪み検出部62は、出力電流Iivに重畳されている高調波を抽出する。抽出された高調波(例えば、第5高調波)が基本波に対して予め設定された比率(例えば、5%)以上であれば、出力電流歪み検出部62は、出力電流Iivが歪んでいると判断する。ここで、高調波は、偶数調波でも奇数調波でもよいし、何種類の高調波を抽出してもよい。
【0038】
AND回路63は、出力電圧不足検出部61により検出される検出信号Sv及び出力電流歪み検出部62により検出される検出信号Siを共に受信した場合、出力電流Iivの歪みを防止する制御を行うための制御信号SpをMPPT22に出力する。
【0039】
図2を参照して、制御信号Spを受信した場合のMPPT22の動作について説明する。
【0040】
制御信号Spを受信していない場合、MPPT22は、最大電力点追従制御を行うため、直流電圧Vdcは、最大電力点Pmppの電圧Vmpp近傍に制御されている。
【0041】
MPPT22は、制御信号Spを受信すると、最大電力点Pmppとは関係なく、直流電圧Vdcを昇圧するように、電圧増減信号Vnを出力する。これにより、太陽電池3から出力される電力Pdcは低下するが、直流電圧Vdcは上昇する。即ち、MPPT22は、太陽電池3の発電電力Pdcを絞ることで、直流電圧Vdcを上昇させる。MPPT22は、制御信号Spを受信しなくなるまで、直流電圧Vdcを上昇させる。これにより、MPPT22は、最大電力点Pmppよりも低い電力点P1の電圧V1で、インバータ1を制御する。
【0042】
MPPT22は、制御信号Spを受信しなくなった後(出力電圧不足検出部61でインバータ1の出力電圧の不足を検出しなくなるか、出力電流歪み検出部62でインバータ1の出力電流Iivの歪みを検出しなくなった後)、制御方式を最大電力点追従制御に戻す。なお、制御方式を最大電力点追従制御に戻す場合、条件をさらに追加してもよい。例えば、追加する条件としては、所定時間の経過でもよいし、系統電圧Vrが所定の電圧よりも低下したときでもよいし、太陽電池3の発電電力Pdcが所定の電力を超えたときでもよいし、これら以外の条件でもよい。
【0043】
本実施形態によれば、インバータ1の出力電圧の不足及び出力電流Iivの波形の歪みを検出して、最大電力点追従制御を止め、太陽電池3の発電電力Pdcを絞るように直流電圧Vdcを昇圧することで、出力電流Iivの波形の歪みを防止することができる。
【0044】
(第2の実施形態)
図4は、本発明の第2の実施形態に係るインバータ1の制御装置2Aを適用した太陽光発電システム10Aの構成を示す構成図である。
【0045】
太陽光発電システム10Aは、図1に示す第1の実施形態に係る太陽光発電システム10において、制御装置2を制御装置2Aに代えている。制御装置2Aは、第1の実施形態に係る制御装置2において、MPPT22をMPPT22Aに代え、直流電圧制御部23を直流電圧制御部23Aに代えたものである。その他は、第1の実施形態と同様である。
【0046】
MPPT22Aは、歪み防止指令部26からの制御信号Spを受信せずに、常時、最大電力点追従制御を行う。その他の点は、第1の実施形態に係るMPPT22と同様である。
【0047】
直流電圧制御部23Aは、歪み防止指令部26から制御信号Spを受信する。直流電圧制御部23Aは、制御信号Spを受信すると、出力電流Iivの歪みを防止するための制御をする。通常時(制御信号Spを受信していないとき)では、直流電圧制御部23Aは、第1の実施形態に係る直流電圧制御部23と同様に、MPPT22Aから受信する電圧増減信号Vnに従って、直流電圧Vdcを制御する。
【0048】
図5を参照して、制御信号Spを受信した場合の直流電圧制御部23Aによる制御について説明する。図5は、本実施形態に係る太陽電池3による発電電力の特性を示す特性図である。
【0049】
制御信号Spを受信していない場合、直流電圧制御部23Aは、MPPT22Aによる最大電力点追従制御に従って、直流電圧Vdcを制御する。このとき、直流電圧Vdcは、予め設定された下限電圧Vl1と上限電圧Vhとの間の運転範囲R0で制御される。この場合、直流電圧Vdcは、基本的に、最大電力点Pmppの電圧Vmpp近傍に制御されている。
【0050】
直流電圧制御部23Aは、制御信号Spを受信すると、運転範囲R0から運転範囲R1に変更する。運転範囲R1は、制御信号Spを受信する前の運転範囲R0の下限電圧Vl1を下限電圧Vl2に高くしたものである。ここで、変更する下限電圧Vl2は、予め設定されていてもよいし、交流電力系統7の系統電圧Vrに応じて決定してもよい。
【0051】
最大電力点追従制御により制御された直流電圧Vdcが下限電圧Vl2未満であれば、直流電圧制御部23Aは、MPPT22Aから受信する電圧増減信号Vnに関係なく、直流電圧Vdcを下限電圧Vl2になるように制御する。この場合、最大電力点追従制御による最大電力点Pmppよりも低い電力P2に制御される。
【0052】
一方、最大電力点追従制御により制御された直流電圧Vdcが下限電圧Vl2以上であれば、直流電圧制御部23Aは、通常の最大電力点追従制御と同様に、MPPT22Aから受信する電圧増減信号Vnに従って、直流電圧Vdcを制御する。
【0053】
本実施形態によれば、インバータ1の出力電圧の不足及び出力電流Iivの波形の歪みを検出して、直流電圧Vdcの運転範囲の下限電圧を通常よりも高くすることで、第1の実施形態と同様の作用効果を得ることができる。
【0054】
なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。
図1
図2
図3
図4
図5