特開 2024-139294 電力変換装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024139294

(43)【公開日】2024-10-09

(54)【発明の名称】電力変換装置

(51)【国際特許分類】

   G05F 1/67 20060101AFI20241002BHJP

   H02M 3/155 20060101ALI20241002BHJP

【ＦＩ】

G05F1/67 A

H02M3/155 P

【審査請求】未請求

【請求項の数】5

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023050170

(22)【出願日】2023-03-27

(71)【出願人】

【識別番号】000000262

【氏名又は名称】株式会社ダイヘン

(74)【代理人】

【識別番号】100135389

【弁理士】

【氏名又は名称】臼井 尚

(74)【代理人】

【識別番号】100168044

【弁理士】

【氏名又は名称】小淵 景太

(72)【発明者】

【氏名】五十棲 健太

(72)【発明者】

【氏名】田村 亨

(72)【発明者】

【氏名】山根 康嗣

【テーマコード（参考）】

5H420

5H730

【Ｆターム（参考）】

5H420BB12

5H420CC03

5H420DD02

5H420EA14

5H420EB09

5H420FF04

5H730AS05

5H730AS13

5H730BB13

5H730DD04

5H730EE59

5H730FD31

5H730FG05

(57)【要約】

【課題】電圧変換回路の入力電圧の制御系を簡素化でき、計測データに含まれる振動の影響を受けない電力変換装置を提供する。
【解決手段】電力変換装置Ａ１において、降圧コンバータ回路１と、降圧コンバータ回路１を制御する制御回路４と、降圧コンバータ回路１の出力電流Ｉｏｕｔを検出する電流センサとを備えた。制御回路４は、デューティ比Ｄｕを設定するデューティ設定部４１と、デューティ比Ｄｕの駆動信号を出力する駆動信号生成部４２とを備えている。デューティ設定部４１は、デューティ比Ｄｕを増加させたときに出力電流Ｉｏｕｔが増加した場合、および、デューティ比Ｄｕを減少させたときに出力電流Ｉｏｕｔが減少した場合には、デューティ比Ｄｕを増加させ、デューティ比Ｄｕを増加させたときに出力電流Ｉｏｕｔが減少した場合、および、デューティ比Ｄｕを減少させたときに出力電流Ｉｏｕｔが増加した場合には、デューティ比Ｄｕを減少させる。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

入力される電圧を所定電圧に変換して出力する電圧変換回路と、
前記電圧変換回路を制御する制御回路と、
前記電圧変換回路の出力電流を検出する電流センサと、
を備え、
前記制御回路は、
デューティ比を設定するデューティ設定部と、
前記デューティ比のパルス信号を生成し、駆動信号として前記電圧変換回路に出力する駆動信号生成部と、
を備え、
前記デューティ設定部は、
前記デューティ比を増加させたときに前記出力電流が増加した場合、および、前記デューティ比を減少させたときに前記出力電流が減少した場合には、前記デューティ比を増加させ、
前記デューティ比を増加させたときに前記出力電流が減少した場合、および、前記デューティ比を減少させたときに前記出力電流が増加した場合には、前記デューティ比を減少させる、
電力変換装置。

【請求項2】

前記デューティ設定部は、
前記デューティ比を変化させる際、デューティ変化幅だけ増減させ、
前記デューティ変化幅を、前記デューティ比の変化前後の、前記出力電流の変化量に比例して変化させる、
請求項１に記載の電力変換装置。

【請求項3】

前記デューティ設定部は、
前記デューティ変化幅を、変化幅下限値以上、変化幅上限値以下の範囲内に制限する、
請求項２に記載の電力変換装置。

【請求項4】

前記デューティ設定部は、所定時間ごとに、前記デューティ比を第１変化幅だけ減少させる、
請求項１に記載の電力変換装置。

【請求項5】

前記デューティ設定部は、前記出力電流が所定電流以下になった場合、前記デューティ比を第２変化幅だけ増加させる、
請求項１に記載の電力変換装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、電力変換装置に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、太陽電池よって生成される直流電力を交流電力に変換して、電力系統に供給する太陽光発電システムが開発されている。太陽光発電システムでは、太陽電池から最大限の電力が出力されるように、ＭＰＰＴ（Maximum Power Point Tracking）制御が行われる。ＭＰＰＴ制御とは、太陽電池から出力される電力が最大になる太陽電池の出力電圧を探索し、太陽電池がその出力電圧となるように調整する制御である。ＭＰＰＴ制御には山登り法と呼ばれる方式がある。山登り法とは、太陽電池の出力電圧を僅かに増減させて、出力電力が最も高くなる場合の出力電圧を探索する方法である。特許文献１には、山登り法のＭＰＰＴ制御を行うパワーコンディショナが開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１７－７８８７６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

山登り法のＭＰＰＴ制御では、電圧変換回路の昇降比を意図的に変動させて太陽電池の出力電圧を変動させ、出力電力が増大する方の出力電圧の値を探索する。このとき、電圧変換回路の入力電圧指令値と実際の太陽電池電圧との差分から算出した指令値を昇降比に変換して電圧変換回路を動作させることで太陽電池電圧を制御するので、制御系が複雑になる。また、入力電圧制御の応答性も悪くなるという問題があった。また、実際の太陽電池電圧の計測データに振動が含まれている場合、その振動が、算出した指令値および昇降比に影響を与え、入力電圧指令値が振動することで、ＭＰＰＴ制御の精度が悪くなるという問題もあった。

【0005】

本発明は上記した事情のもとで考え出されたものであって、電圧変換回路の入力電圧の制御系を簡素化でき、かつ、計測データに含まれる振動の影響を受けない電力変換装置を提供することをその目的としている。

【課題を解決するための手段】

【0006】

上記課題を解決するため、本発明では、次の技術的手段を講じている。

【0007】

本発明の第１の側面によって提供される電力変換装置は、入力される電圧を所定電圧に変換して出力する電圧変換回路と、前記電圧変換回路を制御する制御回路と、前記電圧変換回路の出力電流を検出する電流センサと、を備え、前記制御回路は、デューティ比を設定するデューティ設定部と、前記デューティ比のパルス信号を生成し、駆動信号として前記電圧変換回路に出力する駆動信号生成部と、を備え、前記デューティ設定部は、前記デューティ比を増加させたときに前記出力電流が増加した場合、および、前記デューティ比を減少させたときに前記出力電流が減少した場合には、前記デューティ比を増加させ、前記デューティ比を増加させたときに前記出力電流が減少した場合、および、前記デューティ比を減少させたときに前記出力電流が増加した場合には、前記デューティ比を減少させる。

【0008】

本発明の好ましい実施の形態においては、前記デューティ設定部は、前記デューティ比を変化させる際、デューティ変化幅だけ増減させ、前記デューティ変化幅を、前記デューティ比の変化前後の、前記出力電流の変化量に比例して変化させる。

【0009】

本発明の好ましい実施の形態においては、前記デューティ設定部は、前記デューティ変化幅を、変化幅下限値以上、変化幅上限値以下の範囲内に制限する。

【0010】

本発明の好ましい実施の形態においては、前記デューティ設定部は、所定時間ごとに、前記デューティ比を第１変化幅だけ減少させる。

【0011】

本発明の好ましい実施の形態においては、前記デューティ設定部は、前記出力電流が所定電流以下になった場合、前記デューティ比を第２変化幅だけ増加させる。

【0012】

本発明の好ましい実施の形態においては、前記電圧変換回路は、太陽電池から直流電力を入力され、前記デューティ設定部は、前記所定電圧を前記太陽電池の開放電圧で除算した値を、前記デューティ比の初期値として設定する。

【0013】

本発明の好ましい実施の形態においては、前記デューティ設定部は、前記所定電圧を、前記所定電圧に余裕幅を加算した加算値で除算した値を、前記デューティ比の上限値として設定する。

【0014】

本発明の好ましい実施の形態においては、前記電圧変換回路は、降圧コンバータ回路である。

【発明の効果】

【0015】

本発明によると、制御回路は、出力電流の増減に基づいてデューティ比を変化させて電圧変換回路を駆動させることで、入力電圧を制御する。したがって、本発明に係る電力変換装置は、電圧変換回路の入力電圧の制御系を簡素化できる。また、制御回路は、入力電圧の制御に、太陽電池電圧の計測データを参照しないので、本発明に係る電力変換装置は、計測データに含まれる振動の影響を受けない。

【0016】

本発明のその他の特徴および利点は、添付図面を参照して以下に行う詳細な説明によって、より明らかとなろう。

【図面の簡単な説明】

【0017】

【図1】第１実施形態に係る電力変換装置の全体構成を示すブロック図である。

【図2】太陽電池の電圧－電力特性の特性曲線を示す特性図である。

【図3】デューティ設定部が行うデューティ設定処理を説明するためのフローチャートである。

【図4】デューティ設定部が行うデューティ設定処理を説明するためのフローチャートである。

【図5】第２実施形態に係る電力変換装置の全体構成を示すブロック図である。

【図6】第３実施形態に係る電力変換装置の全体構成を示すブロック図である。

【発明を実施するための形態】

【0018】

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して具体的に説明する。

【0019】

〔第１実施形態〕
図１は、第１実施形態に係る電力変換装置Ａ１の全体構成を示すブロック図である。

【0020】

電力変換装置Ａ１は、太陽電池Ｂが生成した電力を、蓄電池Ｄに充電したり、図示しない負荷に供給したり、電力系統Ｃに出力する。また、電力変換装置Ａ１は、電力系統Ｃから供給される電力を蓄電池Ｄに充電する。太陽電池Ｂは、太陽光エネルギーを電気エネルギーに変換することで、直流電力を生成する。太陽電池Ｂは、生成した直流電力を、電力変換装置Ａ１に出力する。蓄電池Ｄは、繰り返し充放電を行うことができる二次電池である。蓄電池Ｄは、特に限定されないが、例えば、リチウムイオン電池、ニッケル水素電池、ニッケルカドミウム電池、または鉛蓄電池などである。なお、蓄電池Ｄは、二次電池ではなく、電気二重層コンデンサなどのコンデンサであってもよい。電力変換装置Ａ１は、降圧コンバータ回路１、電流センサ２、インバータ回路３、および制御回路４を備えている。

【0021】

降圧コンバータ回路１は、太陽電池Ｂが出力する直流電力を入力される。降圧コンバータ回路１は、制御回路４から入力される駆動信号に応じて、太陽電池Ｂから入力される直流電圧を降圧して出力する。降圧コンバータ回路１は、いわゆる降圧チョッパであり、スイッチング素子ＳＷ、コンデンサＣ１，Ｃ２、ダイオードＤｉ、およびコイルＬを備えている。本実施形態では、スイッチング素子ＳＷは、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）である。なお、スイッチング素子ＳＷは、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor : 絶縁ゲート・バイポーラトランジスタ）、バイポーラトランジスタなどであってもよい。降圧コンバータ回路１において、スイッチング素子ＳＷのドレイン端子は、正極側の入力端子に接続されている。スイッチング素子ＳＷのソース端子にはコイルＬの一方の端子が接続され、コイルＬの他方の端子は正極側の出力端子に接続されている。ダイオードＤｉは、カソード端子がスイッチング素子ＳＷとコイルＬとの接続点に接続され、アノード端子が負極側の入力端子および出力端子に接続されている。入力端子間には、コンデンサＣ１が並列接続され、出力端子間には、コンデンサＣ２が並列接続されている。なお、降圧コンバータ回路１の回路構成は限定されない。

【0022】

降圧コンバータ回路１は、制御回路４から入力される駆動信号に応じてスイッチング素子ＳＷのオンとオフとを切り替えることで、入力される電圧を降圧して出力する。駆動信号は、ハイレベルとローレベルとが周期的に繰り返されるパルス信号である。スイッチング素子ＳＷは、駆動信号がハイレベルの間はオンになり、駆動信号がローレベルの間はオフになる。降圧コンバータ回路１は、駆動信号の周期に対するパルス幅（ハイレベルの期間）の割合であるデューティ比に応じて、入力される電圧を降圧する。降圧コンバータ回路１の出力電圧Ｖｏｕｔは、降圧コンバータ回路１の入力電圧Ｖｉｎにデューティ比Ｄｕを乗算した電圧になる（Ｖｏｕｔ＝Ｖｉｎ＊Ｄｕ）。後述するように、降圧コンバータ回路１の出力電圧Ｖｏｕｔは所定電圧Ｖｘに固定されているので、降圧コンバータ回路１は、駆動信号のデューティ比Ｄｕに応じて、入力電圧（Ｖｉｎ＝Ｖｏｕｔ／Ｄｕ）を変更する。降圧コンバータ回路１の各入力端子は太陽電池Ｂの各出力端子にそれぞれ接続されているので、降圧コンバータ回路１の入力電圧Ｖｉｎは太陽電池Ｂの出力電圧に一致する。したがって、降圧コンバータ回路１は、駆動信号のデューティ比Ｄｕに応じて、太陽電池Ｂの出力電圧を変更する。

【0023】

電流センサ２は、降圧コンバータ回路１が出力する電流を検出する。電流センサ２は、検出した出力電流Ｉｏｕｔを制御回路４に出力する。

【0024】

インバータ回路３は、直流電力と交流電力との変換を行う。インバータ回路３は、降圧コンバータ回路１および蓄電池Ｄが出力する直流電力を交流電力に変換して電力系統Ｃに出力し、電力系統Ｃから入力される交流電力を直流電力に変換して蓄電池Ｄに出力する。インバータ回路３の具体的な構成は限定されない。インバータ回路３は、直流側の電圧を所定電圧Ｖｘに制御する。これにより、降圧コンバータ回路１の出力電圧Ｖｏｕｔは、所定電圧Ｖｘに固定される。

【0025】

制御回路４は、電力変換装置Ａ１を制御する回路であり、例えばマイクロコンピュータなどによって実現されている。制御回路４は、降圧コンバータ回路１を駆動するための駆動信号を生成して出力することで、降圧コンバータ回路１を制御する。

【0026】

制御回路４は、降圧コンバータ回路１に出力する駆動信号のデューティ比Ｄｕによって、太陽電池Ｂの出力電圧を変更する。太陽電池Ｂの出力電力は、太陽電池Ｂの出力電圧に応じて変化する。図２は、太陽電池Ｂの電圧－電力特性の特性曲線Ｐｘを示す特性図である。図２に示すように、太陽電池Ｂの出力電力は、出力電圧が電圧Ｖｍのときに最大電力Ｐｍになり（図２に示す最大電力点Ｍ参照）、出力電圧が電圧Ｖｍから離れるに従って、特性曲線Ｐｘに沿って小さくなるという特性がある。出力電圧を減少させた時に出力電力が大きくなれば続けて出力電圧を減少させ、出力電力が小さくなれば出力電圧を増加させ、また、出力電圧を増加させた時に出力電力が大きくなれば続けて出力電圧を増加させ、出力電力が小さくなれば出力電圧を減少させる。これを繰り返すことで、動作点Ｘを最大電力点Ｍの近傍に位置させて、出力電力をできるだけ最大の状態に保つことができる。

【0027】

太陽電池Ｂの出力電力は、降圧コンバータ回路１の入力電力に一致し、降圧コンバータ回路１の出力電力（＝Ｖｏｕｔ×Ｉｏｕｔ）にほぼ一致する。また、先述したように、降圧コンバータ回路１の出力電圧Ｖｏｕｔは、所定電圧Ｖｘに固定される。したがって、降圧コンバータ回路１の出力電流Ｉｏｕｔを最大化することで、太陽電池Ｂの出力電力を最大化できる。制御回路４は、電流センサ２が検出した出力電流Ｉｏｕｔが最大になるように、駆動信号のデューティ比Ｄｕを調整することで、太陽電池Ｂの出力電力の動作点Ｘを最大電力点Ｍの近傍に位置させて、出力電力をできるだけ最大の状態に保つ。

【0028】

制御回路４は、降圧コンバータ回路１を制御するための構成として、デューティ設定部４１および駆動信号生成部４２を備えている。

【0029】

デューティ設定部４１は、デューティ比Ｄｕを設定する機能構成である。デューティ設定部４１は、電流センサ２から入力される出力電流Ｉｏｕｔに基づいて、設定するデューティ比Ｄｕを変更する。デューティ設定部４１は、デューティ比Ｄｕを増加させたときに出力電流Ｉｏｕｔが増加した場合、および、デューティ比Ｄｕを減少させたときに出力電流Ｉｏｕｔが減少した場合には、デューティ比Ｄｕを増加させる。一方、デューティ設定部４１は、デューティ比Ｄｕを増加させたときに出力電流Ｉｏｕｔが減少した場合、および、デューティ比Ｄｕを減少させたときに出力電流Ｉｏｕｔが増加した場合には、デューティ比Ｄｕを減少させる。

【0030】

デューティ比Ｄｕが増加すると、太陽電池Ｂの出力電圧（＝Ｖｉｎ＝Ｖｏｕｔ／Ｄｕ）は減少する。このとき、図２に示すように、動作点Ｘが最大電力点Ｍより右側にある場合、出力電流Ｉｏｕｔは増加するので、デューティ設定部４１は、デューティ比Ｄｕをさらに増加させる。一方、図２において、動作点Ｘが最大電力点Ｍより左にある場合、出力電流Ｉｏｕｔは減少するので、デューティ設定部４１は、デューティ比Ｄｕを減少させる。また、デューティ比Ｄｕが減少すると、太陽電池Ｂの出力電圧は増加する。このとき、図２に示すように、動作点Ｘが最大電力点Ｍより右側にある場合、出力電流Ｉｏｕｔは減少するので、デューティ設定部４１は、デューティ比Ｄｕを増加させる。一方、図２において、動作点Ｘが最大電力点Ｍより左にある場合、出力電流Ｉｏｕｔは増加するので、デューティ設定部４１は、デューティ比Ｄｕをさらに減少させる。このように、デューティ設定部４１は、出力電流Ｉｏｕｔの変化に基づいてデューティ比Ｄｕを変更することで、山登り法のＭＰＰＴ制御と同様に、動作点Ｘを最大電力点Ｍの近傍に位置させて、太陽電池Ｂの出力電力をできるだけ最大の状態に保つことができる。

【0031】

デューティ設定部４１は、デューティ比Ｄｕを変化させる際、デューティ変化幅Δｄだけ増減させる。デューティ変化幅Δｄは、限定されない。デューティ変化幅Δｄは、固定値であってもよい。また、デューティ比Ｄｕを増加させるときと減少させるときとで、異なるデューティ変化幅Δｄを用いてもよい。

【0032】

デューティ変化幅Δｄが大きい場合、太陽電池Ｂの出力電圧の変化が大きいので、動作点Ｘを早く最大電力点Ｍに近づけることができる。しかし、動作点Ｘが最大電力点Ｍを超えることが多いので、デューティ比Ｄｕの増加と減少が繰り返されて、出力電流Ｉｏｕｔが振動する。逆に、デューティ変化幅Δｄが小さい場合、太陽電池Ｂの出力電圧の変化が小さいので、動作点Ｘが最大電力点Ｍを超えることが少なく、出力電流Ｉｏｕｔが安定するが、動作点Ｘを最大電力点Ｍに近づけるのに時間がかかる。本実施形態では、デューティ変化幅Δｄを固定値とせず可変値としている。デューティ設定部４１は、デューティ変化幅Δｄを、デューティ比Ｄｕの変化前後の出力電流Ｉｏｕｔの変化量に比例して変化させる。具体的には、デューティ設定部４１は、今回検出された出力電流Ｉｏｕｔから、前回検出された出力電流Ｉｏｕｔを減算した値の絶対値を電流変化量ΔＩとして算出する。そして、デューティ設定部４１は、電流変化量ΔＩに比例ゲインＫｐを乗算した値を、デューティ変化幅Δｄとする。ただし、デューティ変化幅Δｄが「０」になるとデューティ比Ｄｕが変化しなくなるので、デューティ変化幅Δｄは、変化幅下限値Δｄｍｉｎ(＞０)以上の値に制限される。また、デューティ変化幅Δｄが大きくなりすぎると、出力電流Ｉｏｕｔが振動するので、デューティ変化幅Δｄは、変化幅上限値Δｄｍａｘ以下の値に制限される。すなわち、デューティ設定部４１は、デューティ変化幅Δｄを（Δｄｍｉｎ≦Δｄ≦Δｄｍａｘ）の範囲内に制限する。変化幅下限値Δｄｍｉｎ、変化幅上限値Δｄｍａｘ、および、比例ゲインＫｐは、適宜設定される。

【0033】

デューティ設定部４１は、降圧コンバータ回路１の出力電圧Ｖｏｕｔが固定される所定電圧Ｖｘを太陽電池Ｂの開放電圧で除算した値を、デューティ比Ｄｕの初期値として設定する。これにより、デューティ設定部４１は、制御開始時に、動作点Ｘを開放電圧から開始させることができる。

【0034】

デューティ比Ｄｕが「１」の場合、太陽電池Ｂの出力電圧（＝入力電圧Ｖｉｎ）は所定電圧Ｖｘになる。デューティ設定部４１は、入力電圧Ｖｉｎを所定電圧Ｖｘより大きい電圧に制限するために、デューティ比Ｄｕの上限値Ｄｕｍａｘを設定する。上限値Ｄｕｍａｘは、所定電圧Ｖｘを、所定電圧Ｖｘに余裕幅αを加算した加算値で除算した値として算出される。デューティ設定部４１は、デューティ比Ｄｕを上限値Ｄｕｍａｘ以下に制限することで、入力電圧Ｖｉｎを（Ｖｘ＋α）以上に制限できる。

【0035】

太陽電池Ｂの電圧－電力特性の特性曲線Ｐｘ（図２参照）は、日射変動により変化する。特性曲線Ｐｘが変化することで、動作点Ｘが最大電力点Ｍに対して反対側に移動する誤動作が発生する場合がある。日射変動が継続して誤動作が継続すると、正しく制御することができない。この対策として、デューティ設定部４１は、所定時間Ｔｘ（限定されないが、例えば１０秒）ごとに、デューティ比Ｄｕを、強制的に第１変化幅だけ減少させることで、動作点Ｘを開放電圧側に移動させる。本実施形態では、第１変化幅として、変化幅上限値Δｄｍａｘの２倍の値が設定される。なお、第１変化幅は限定されず、実験またはシミュレーションに基づいて、適切な値が設定される。

【0036】

デューティ比Ｄｕが、入力電圧Ｖｉｎが開放電圧になる値を超えて小さくなった場合、出力電流Ｉｏｕｔが変化しなくなり、制御が継続できなくなる。この対策として、デューティ設定部４１は、出力電流Ｉｏｕｔが所定電流Ｉｘ以下になった場合、デューティ比Ｄｕを、強制的に第２変化幅だけ増加させることで、入力電圧Ｖｉｎを減少させて、出力電流Ｉｏｕｔを増加させる。本実施形態では、第２変化幅として、変化幅上限値Δｄｍａｘの２倍の値が設定される。なお、第２変化幅は限定されず、実験またはシミュレーションに基づいて、適切な値が設定される。また、所定電流Ｉｘは限定されず、太陽電池Ｂの特性に応じて、適宜設定される。

【0037】

なお、デューティ設定部４１は、上述した機能のすべてを備えている必要はなく、一部の機能を備えていなくてもよい。

【0038】

図３および図４は、デューティ設定部４１が行うデューティ設定処理を説明するためのフローチャートである。デューティ設定処理は、デューティ比Ｄｕを設定するための処理であり、降圧コンバータ回路１を駆動できる状態になったときから、所定のタイミング毎に実行される。

【0039】

まず、最初の処理であるか否かが判別され（Ｓ１）、最初の処理である場合（Ｓ１：ＹＥＳ）、デューティ比Ｄｕの初期値が算出され、当該初期値がデューティ比Ｄｕとして設定される（Ｓ２）。一方、最初の処理でない場合（Ｓ１：ＮＯ）、ステップＳ２は実行されず、デューティ比Ｄｕは、前回の処理後のデューティ比Ｄｕが用いられる。

【0040】

次に、デューティ比Ｄｕの上限値Ｄｕｍａｘが算出される（Ｓ３）。次に、出力電流Ｉｏｕｔが検出される（Ｓ４）。具体的には、デューティ設定部４１が、電流センサ２が検出した出力電流Ｉｏｕｔを取得する。次に、前回の処理での出力電流Ｉｏｕｔが読み出される（Ｓ５）。具体的には、デューティ設定部４１が、前回の処理で図示しない記憶部に記憶された出力電流Ｉｏｕｔを読み出す。次に、デューティ変化幅Δｄが算出される（Ｓ６）。具体的には、デューティ設定部４１は、今回の出力電流Ｉｏｕｔと前回の出力電流Ｉｏｕｔとから電流変化量ΔＩを算出し、電流変化量ΔＩに比例ゲインＫｐを乗算することで、デューティ変化幅Δｄを算出する。さらに、デューティ設定部４１は、デューティ変化幅Δｄを（Δｄｍｉｎ≦Δｄ≦Δｄｍａｘ）の範囲内に制限する。

【0041】

次に、所定時間Ｔｘが経過したか否かが判別される（Ｓ７）。具体的には、デューティ設定部４１は、図示しないタイマが計時した時間に基づいて判別する。所定時間Ｔｘが経過した場合（Ｓ７：ＹＥＳ）、デューティ比Ｄｕが強制的に第１変化幅だけ減少され（Ｓ８）、ステップＳ１２に進む。所定時間Ｔｘが経過していない場合（Ｓ７：ＮＯ）、出力電流Ｉｏｕｔが所定電流Ｉｘ以下であるか否かが判別される（Ｓ９）。所定電流Ｉｘ以下の場合（Ｓ９：ＹＥＳ）、デューティ比Ｄｕが強制的に第２変化幅だけ増加され（Ｓ１０）、ステップＳ１２に進む。出力電流Ｉｏｕｔが所定電流Ｉｘより大きい場合（Ｓ９：ＮＯ）、山登り処理が行われ（Ｓ１１）、ステップＳ１２に進む。山登り処理の詳細は後述する。

【0042】

次に、デューティ比Ｄｕが所定の範囲内に制限される（Ｓ１２）。具体的には、デューティ設定部４１は、デューティ比Ｄｕが上限値Ｄｕｍａｘより大きい場合は、デューティ比Ｄｕを上限値Ｄｕｍａｘとし、デューティ比Ｄｕが下限値Ｄｕｍｉｎより小さい場合は、デューティ比Ｄｕを下限値Ｄｕｍｉｎとする。上限値Ｄｕｍａｘは、ステップＳ３で算出された値が用いられる。下限値Ｄｕｍｉｎは、あらかじめ設定されている。次に、デューティ比Ｄｕが駆動信号生成部４２に出力され、今回検出された出力電流Ｉｏｕｔが記憶部に記憶されて、デューティ設定処理は終了する。

【0043】

ステップＳ１１の山登り処理では、図４に示すように、まず、出力電流Ｉｏｕｔが増加したか否かが判別される（Ｓ２１）。具体的には、デューティ設定部４１は、今回検出された出力電流Ｉｏｕｔと、記憶部から読み出された前回の処理での出力電流Ｉｏｕｔとを比較することで、出力電流Ｉｏｕｔの増加を判別する。出力電流Ｉｏｕｔが増加した場合（Ｓ２１：ＹＥＳ）、前回の処理でデューティ比Ｄｕが増加していたか否かが判別される（Ｓ２２）。具体的には、デューティ設定部４１は、前回の処理で記憶部に記憶されたデューティ比Ｄｕの変化情報を読み出して判別する。デューティ比Ｄｕが増加していた場合（Ｓ２２：ＹＥＳ）、デューティ比Ｄｕがデューティ変化幅Δｄだけ増加され（Ｓ２３）、ステップＳ２８に進む。一方、デューティ比Ｄｕが減少していた場合（Ｓ２２：ＮＯ）、デューティ比Ｄｕがデューティ変化幅Δｄだけ減少され（Ｓ２４）、ステップＳ２８に進む。

【0044】

ステップＳ２１で、出力電流Ｉｏｕｔが減少した場合（Ｓ２１：ＮＯ）、前回の処理でデューティ比Ｄｕが増加していたか否かが判別される（Ｓ２５）。デューティ比Ｄｕが増加していた場合（Ｓ２５：ＹＥＳ）、デューティ比Ｄｕがデューティ変化幅Δｄだけ減少され（Ｓ２６）、ステップＳ２８に進む。一方、デューティ比Ｄｕが減少していた場合（Ｓ２５：ＮＯ）、デューティ比Ｄｕがデューティ変化幅Δｄだけ増加され（Ｓ２７）、ステップＳ２８に進む。ステップＳ２８ではデューティ比Ｄｕの変化情報が記憶部に記憶されて、山登り処理が終了する。

【0045】

なお、デューティ設定部４１が行うデューティ設定処理は、上述したものに限定されない。

【0046】

駆動信号生成部４２は、駆動信号を生成する機能構成である。駆動信号生成部４２は、デューティ設定部４１から入力されるデューティ比Ｄｕのパルス信号を生成し、駆動信号として降圧コンバータ回路１に出力する。当該駆動信号は、降圧コンバータ回路１のスイッチング素子ＳＷのゲート端子に入力される。

【0047】

次に、本実施形態に係る電力変換装置Ａ１の作用効果について説明する。

【0048】

本実施形態によると、デューティ設定部４１は、電流センサ２から入力される出力電流Ｉｏｕｔに基づいて、設定するデューティ比Ｄｕを変更する。駆動信号生成部４２は、デューティ設定部４１から入力されるデューティ比Ｄｕのパルス信号を生成し、駆動信号として降圧コンバータ回路１に出力する。降圧コンバータ回路１は、駆動信号に応じてスイッチング素子ＳＷのオンとオフとを切り替えることで、太陽電池Ｂの出力電圧を変更する。これにより、電力変換装置Ａ１は、動作点Ｘを最大電力点Ｍの近傍に位置させて、太陽電池Ｂの出力電力をできるだけ最大の状態に保つことができる。また、電力変換装置Ａ１は、出力電流Ｉｏｕｔに基づいてデューティ比Ｄｕを変更することで入力電圧Ｖｉｎを制御するので、入力電圧Ｖｉｎの制御系を簡素化できる。また、制御回路４は、入力電圧Ｖｉｎの制御に、太陽電池電圧の計測データを参照しないので、電力変換装置Ａ１は、計測データに含まれる振動の影響を受けない。

【0049】

本実施形態によると、デューティ設定部４１は、デューティ変化幅Δｄを、デューティ比Ｄｕの変化前後の出力電流Ｉｏｕｔの変化量である電流変化量ΔＩに比例して変化させる。これにより、電流変化量ΔＩが大きい場合にデューティ変化幅Δｄが大きくなるので、動作点Ｘを早く最大電力点Ｍに近づけることができる。また、電流変化量ΔＩが小さい場合にデューティ変化幅Δｄが小さくなるので、動作点Ｘが最大電力点Ｍを超えることが少なく、出力電流Ｉｏｕｔを安定させることができる。

【0050】

本実施形態によると、デューティ設定部４１は、デューティ変化幅Δｄを、変化幅下限値Δｄｍｉｎ以上、変化幅上限値Δｄｍａｘ以下の範囲内に制限する。これにより、電力変換装置Ａ１は、デューティ変化幅Δｄが小さくなりすぎてデューティ比Ｄｕが変化しなくなることを防止できる。また、電力変換装置Ａ１は、デューティ変化幅Δｄが大きくなりすぎて出力電流Ｉｏｕｔが振動することを防止できる。

【0051】

本実施形態によると、デューティ設定部４１は、所定時間Ｔｘごとに、デューティ比Ｄｕを、強制的に第１変化幅だけ減少させることで、動作点Ｘを開放電圧側に移動させる。これにより、電力変換装置Ａ１は、日射変動による太陽電池Ｂの特性曲線Ｐｘの変化で動作点Ｘの誤動作が発生しても、誤動作の継続を防止できる。

【0052】

本実施形態によると、デューティ設定部４１は、出力電流Ｉｏｕｔが所定電流Ｉｘ以下になった場合、デューティ比Ｄｕを強制的に第２変化幅だけ増加させことで、入力電圧Ｖｉｎを減少させて、出力電流Ｉｏｕｔを増加させる。これにより、デューティ比Ｄｕが小さくなりすぎることを防止できるので、出力電流Ｉｏｕｔが変化しなくなって、制御が継続できなくなることを防止できる。

【0053】

本実施形態によると、デューティ設定部４１は、降圧コンバータ回路１の出力電圧Ｖｏｕｔが固定される所定電圧Ｖｘを太陽電池Ｂの開放電圧で除算した値を、デューティ比Ｄｕの初期値として設定する。これにより、デューティ設定部４１は、制御開始時に、動作点Ｘを開放電圧から開始させることができる。

【0054】

本実施形態によると、デューティ設定部４１は、所定電圧Ｖｘを、所定電圧Ｖｘに余裕幅αを加算した加算値で除算した値を、デューティ比Ｄｕの上限値Ｄｕｍａｘとして設定する。これにより、デューティ設定部４１は、デューティ比Ｄｕを上限値Ｄｕｍａｘ以下に制限することで、入力電圧Ｖｉｎを（Ｖｘ＋α）以上に制限できる。

【0055】

なお、本実施形態では、電力変換装置Ａ１が太陽電池Ｂから直流電力を入力される場合について説明したが、これに限られない。電力変換装置Ａ１は、図２に示す特性曲線Ｐｘのような山なりの変化をする電圧－電力特性を有する直流電源に対して、当該直流電源の出力電力をできるだけ最大の状態に保つことができる。

【0056】

〔第２実施形態〕
図５は、第２実施形態に係る電力変換装置Ａ２の全体構成を示すブロック図である。図５において、上記第１実施形態と同一または類似の要素には、上記第１実施形態と同一の符号を付している。本実施形態に係る電力変換装置Ａ２は、電力系統Ｃに接続されていない点で、第１実施形態に係る電力変換装置Ａ１と異なる。

【0057】

本実施形態に係る電力変換装置Ａ２は、インバータ回路３を備えておらず、電力系統Ｃに接続されていない。電力変換装置Ａ２は、降圧コンバータ回路１が出力する電力を、蓄電池Ｄに充電する。

【0058】

本実施形態においても、デューティ設定部４１は、電流センサ２から入力される出力電流Ｉｏｕｔに基づいて、設定するデューティ比Ｄｕを変更する。これにより、電力変換装置Ａ１は、動作点Ｘを最大電力点Ｍの近傍に位置させて、太陽電池Ｂの出力電力をできるだけ最大の状態に保つことができる。また、電力変換装置Ａ２は、入力電圧Ｖｉｎの制御系を簡素化でき、かつ、計測データに含まれる振動の影響を受けない。また、電力変換装置Ａ２は、電力変換装置Ａ１と共通する構成により、電力変換装置Ａ１と同等の効果を奏する。

【0059】

第１，２実施形態から理解されるように、本発明が適用される電力変換装置は、降圧コンバータ回路１の出力側の構成は限定されない。

【0060】

〔第３実施形態〕
図６は、第３実施形態に係る電力変換装置Ａ３の全体構成を示すブロック図である。図６において、上記第１実施形態と同一または類似の要素には、上記第１実施形態と同一の符号を付している。本実施形態に係る電力変換装置Ａ３は、降圧コンバータ回路１の代わりに、昇圧コンバータ回路５を備えている点で、第１実施形態に係る電力変換装置Ａ１と異なる。

【0061】

昇圧コンバータ回路５は、太陽電池Ｂが出力する直流電力を入力される。昇圧コンバータ回路５は、制御回路４から入力される駆動信号に応じて、太陽電池Ｂから入力される直流電圧を昇圧して出力する。昇圧コンバータ回路５は、いわゆる昇圧チョッパであり、スイッチング素子ＳＷ、コンデンサＣ１，Ｃ２、ダイオードＤｉ、およびコイルＬを備えている。昇圧コンバータ回路５において、コイルＬは、一方の端子が正極側の入力端子に接続され、他方の端子がダイオードＤｉのアノード端子に接続されている。ダイオードＤｉのカソード端子は、正極側の出力端子に接続されている。つまり、正極側の入力端子と出力端との間で、コイルＬとダイオードＤｉと互いに直列に接続されている。スイッチング素子ＳＷのドレイン端子は、コイルＬとダイオードＤｉとの接続点に接続されている。スイッチング素子ＳＷのソース端子は、負極側の入力端子および出力端子に接続されている。入力端子間には、コンデンサＣ１が並列接続され、出力端子間には、コンデンサＣ２が並列接続されている。なお、昇圧コンバータ回路５の回路構成は限定されない。昇圧コンバータ回路５は、制御回路４から入力される駆動信号に応じてスイッチング素子ＳＷのオンとオフとを切り替えることで、入力される電圧を昇圧して出力する。

【0062】

本実施形態においても、デューティ設定部４１は、電流センサ２から入力される出力電流Ｉｏｕｔに基づいて、設定するデューティ比Ｄｕを変更する。これにより、電力変換装置Ａ３は、動作点Ｘを最大電力点Ｍの近傍に位置させて、太陽電池Ｂの出力電力をできるだけ最大の状態に保つことができる。また、電力変換装置Ａ３は、入力電圧Ｖｉｎの制御系を簡素化でき、かつ、計測データに含まれる振動の影響を受けない。また、電力変換装置Ａ３は、電力変換装置Ａ１と共通する構成により、電力変換装置Ａ１と同等の効果を奏する。

【0063】

第１，３実施形態から理解されるように、本発明が適用される電力変換装置は、電圧変換回路を備えていればよく、電圧変換回路の種類は限定されない。例えば、電圧変換回路は、昇降圧コンバータ回路であってもよい。また、電圧変換回路は、非同期整流方式であってもよいし、同期整流方式であってもよい。

【0064】

本発明に係る電力変換装置は、上述した実施形態に限定されるものではない。本発明に係る電力変換装置の各部の具体的な構成は、種々に設計変更自在である。

【符号の説明】

【0065】

Ａ１～Ａ３：電力変換装置、１：降圧コンバータ回路、２：電流センサ、４：制御回路、４１：デューティ設定部、４２：駆動信号生成部、５：昇圧コンバータ回路

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】