DE102015202362A1 - Steuervorrichtung, Stromumwandlungsvorrichtung, Stromerzeugungssystem, sowie Programm - Google Patents

Steuervorrichtung, Stromumwandlungsvorrichtung, Stromerzeugungssystem, sowie Programm Download PDF

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Abstract

Aufgabe: Es soll unterdrückt werden, dass eine Gleichstromspannung, die von einer Gleichstromquelle in eine Spannungserhöhungsschaltung eingegeben wird, in Verbindung mit einem Schwanken der Gleichstromspannung, die von der Spannungserhöhungsschaltung ausgegeben wird, schwankt.

Mittel zur Lösung: Eine Steuervorrichtung steuert die Spannungserhöhungsschaltung, die eine Spannungserhöhung einer Gleichstromspannung von der Gleichstromquelle vornimmt und sie in einen Inverter, der die Gleichstromspannung in eine Wechselstromspannung umwandelt und an ein Stromnetz anschließt, eingibt. Die Steuervorrichtung umfasst einen Abschnitt zur Erlangung des Tastverhältnisses, der auf Basis eines verlangten Betriebsspannungswerts der Gleichstromquelle und eines Betriebsspannungswerts der Gleichstromquelle ein Tastverhältnis der Spannungserhöhungsschaltung, bei dem die Betriebsspannung der Gleichstromquelle konstant gehalten wird, ableitet, und einen Abschnitt zur Steuerung der Spannungserhöhungsschaltung, der auf Basis des Tastverhältnisses, das durch den Abschnitt zur Ableitung des Tastverhältnisses abgeleitet wurde, den Spannungserhöhungsbetrieb der Spannungserhöhungsschaltung steuert.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Steuervorrichtung, eine Stromumwandlungsvorrichtung, ein Stromerzeugungssystem, sowie ein Programm.
  • Allgemeiner Stand der Technik
  • In dem Patentliteraturbeispiel 1 ist eine Stromquellenvorrichtung offenbart, bei der der Welligkeitsstrom einer Solarzellenanordnung verringert wird und eine Folgeregelung der maximalen Leistung möglich ist.
    • Patentliteraturbeispiel 1: Patentoffenlegungsschrift 2002-55723
  • Kurzdarstellung der Erfindung
  • Aufgabe, die die Erfindung lösen soll
  • Bei einer Stromumwandlungsvorrichtung, welche eine Spannungserhöhungsschaltung, die die Gleichstromspannung von einer Gleichstromquelle wie einer Solarzelle erhöht, und einen Inverter, der die von der Spannungserhöhungsschaltung ausgegebene Gleichstromspannung in eine Wechselstromspannung umwandelt und an ein Stromnetz anschließt, ist es erwünscht, die in die Spannungserhöhungsschaltung eingegebene Gleichstromspannung von der Gleichstromquelle konstant zu halten. Doch aufgrund der Umwandlung der Gleichstromspannung in eine Wechselstromspannung durch einen Schaltbetrieb des Inverters kann es sein, dass die von der Spannungserhöhungsschaltung ausgegebene und in den Inverter eingegebene Gleichstromspannung schwankt. In Verbindung mit der Schwankung der von der Spannungserhöhungsschaltung ausgegebenen Gleichstromspannung besteht die Möglichkeit, dass auch die von der Gleichstromquelle ausgegebene und in die Spannungserhöhungsschaltung eingegebene Gleichstromspannung schwankt.
  • Mittel zur Lösung der Aufgabe
  • Eine Steuervorrichtung nach einer Form der vorliegenden Erfindung, die eine Spannungserhöhungsschaltung steuert, welche die Gleichstromspannung von einer Gleichstromquelle erhöht und in einen Inverter eingibt, der die Gleichstromspannung in eine Wechselstromspannung umwandelt und an ein Stromnetz anschließt, umfasst einen Abschnitt zur Ableitung des Tastverhältnisses, der auf Basis eines verlangten Betriebsspannungswerts der Gleichstromquelle und eines Betriebsspannungswerts der Gleichstromquelle ein Tastverhältnis der Spannungserhöhungsschaltung, bei dem die Betriebsspannung der Gleichstromquelle konstant gehalten wird, ableitet; und einen Abschnitt zur Steuerung des Betriebs der Spannungserhöhung, der den Spannungserhöhungsbetrieb auf Basis des Tastverhältnisses, das durch den Abschnitt zur Ableitung des Tastverhältnisses abgeleitet wurde, steuert.
  • Bei der obigen Steuervorrichtung kann der Abschnitt zur Ableitung des Tastverhältnisses das Tastverhältnis auf Basis der Differenz zwischen dem Wert der verlangten Betriebsspannung der Gleichstromquelle und dem Wert der Betriebsspannung der Gleichstromquelle ableiten.
  • Bei der obigen Steuervorrichtung kann der Abschnitt zur Ableitung des Tastverhältnisses das Tastverhältnis auf Basis der Differenz zwischen dem Wert der verlangten Spannung, der die Spannung, die in den Inverter eingegeben werden soll, angibt, und dem Eingangsspannungswert, der die in den Inverter eingegebene Spannung angibt, des Werts der verlangten Spannung, der die Spannung, die in den Inverter eingegeben werden soll, angibt, und des gegenwärtigen Tastverhältnisses der Spannungserhöhungsschaltung ableiten.
  • Die obige Steuervorrichtung kann ferner auch einen Abschnitt zur Erlangung eines Eingangsspannungswerts umfassen, der den Spannungswert jener Spannungskomponente der in den Inverter eingegebenen Spannung, die mit der auf der Netzfrequenz des Stromnetzes beruhenden Standardfrequenz schwankt, als Eingangsspannungswert erlangt.
  • Bei der obigen Steuervorrichtung ist die Gleichstromquelle eine Solarzelle und kann der Abschnitt zur Ableitung des Tastverhältnisses ein Tastverhältnis ableiten, bei dem die in die Spannungserhöhungsschaltung eingegebene Spannung konstant bei jener Spannung gehalten wird, bei der von der Solarbatterie die maximale Leistung erhalten wird.
  • Eine Stromumwandlungsvorrichtung nach einer Form der vorliegenden Erfindung umfasst die obige Steuervorrichtung, eine Spannungserhöhungsschaltung, und einen Inverter.
  • Ein Stromerzeugungssystem nach einer Form der vorliegenden Erfindung umfasst die obige Stromumwandlungsvorrichtung und eine Solarzelle, die eine Gleichstromquelle darstellt.
  • Die obige Kurzdarstellung der Erfindung zählt nicht alle Kennzeichnungen der vorliegenden Erfindung auf. Außerdem stellen auch Unterkombinationen dieser Kennzeichnungsgruppen wiederum Erfindungen dar.
  • Einfache Erklärung der Zeichnungen
  • 1: ist eine Ansicht, die ein Beispiel für den Systemaufbau eines gesamten Stromerzeugungssystems nach der vorliegenden Ausführungsform zeigt.
  • 2: ist eine Ansicht, die ein Beispiel eines Ersatzschaltbildmodells einer Solarzellenanordnung und einer Spannungserhöhungsschaltung zeigt.
  • 3: ist eine Ansicht, die auf Basis des in 2 gezeigten Ersatzschaltbildmodells ein Steuersystem durch ein Übertragungsfunktionsmodell zeigt.
  • 4: ist eine Ansicht, die ein Übertragungsfunktionsmodell zeigt, bei dem eine Unterdrückung von Schwankungen einer Ausgangsspannung v1, die infolge eines Schwankungsausmaßes ΔVo einer Spannung Vo entstehen, möglich ist.
  • 5: ist eine Ansicht, die den Zustand der zeitlichen Veränderung eines in einer Drosselspule L1 fließenden Stroms IL bei der Betriebsart mit kontinuierlichem Strom zeigt.
  • 6: ist eine Ansicht, die den Zustand der zeitlichen Veränderung eines in einer Drosselspule L1 fließenden Stroms IL bei der Betriebsart mit diskontinuierlichem Strom zeigt.
  • 7: ist eine Ansicht, die ein Beispiel eines Übertragungsfunktionsmodells zeigt, bei dem bei der Betriebsart eines kontinuierlichen Stroms eine Unterdrückung von Schwankungen einer Ausgangsspannung vi, die infolge eines Schwankungsausmaßes Δvo einer Spannung vo entstehen, möglich ist.
  • 8: ist eine Ansicht, die ein Beispiel eines Funktionsblockdiagramms zeigt, das mit dem Spannungserhöhungsbetrieb der Steuervorrichtung in Zusammenhang steht.
  • 9: ist eine Ansicht, die ein Beispiel für den Hardwareaufbau der Steuervorrichtung nach der vorliegenden Ausführungsform zeigt.
  • Formen zur Ausführung der Erfindung
  • Nachstehend wird die vorliegende Erfindung durch Ausführungsformen der Erfindung erklärt, doch stellen die folgenden Ausführungsformen keine Beschränkung der Erfindung gemäß den Patentansprüchen dar. Außerdem sind nicht notwendigerweise alle Kombinationen von Kennzeichnungen, die bei den Ausführungsformen erklärt werden, für das Mittel zur Lösung der Erfindung unerlässlich.
  • 1 ist eine Ansicht, die ein Beispiel für den Systemaufbau eines gesamten Stromerzeugungssystems nach einer vorliegenden Ausführungsform zeigt. Das Stromerzeugungssystem umfasst eine Solarzellenanordnung 200 und einen Wechselrichter 10. Der Wechselrichter 10 ist ein Beispiel für eine Stromumwandlungsvorrichtung. Die Solarzellenanordnung 200 weist mehrere Solarzellenmodule auf, die seriell oder parallel angeschlossen sind. Die Solarzellenanordnung 200 ist ein Beispiel für eine Gleichstromquelle. Als Gleichstromquelle kann auch eine andere dezentrale Stromversorgung als eine Solarzellenanordnung 200 verwendet werden. Die dezentrale Stromversorgung kann auch ein Gasmotor, eine Gasturbine, eine Mikrogasturbine, eine Brennstoffzelle, ein Windstromerzeuger, ein Elektrofahrzeug oder ein Stromspeichersystem sein.
  • Der Wechselrichter 10 wandelt die Gleichstromspannung von der Solarzellenanordnung 200 in eine Wechselstromspannung um und ist mit einer Netzstromquelle 300 verbunden. Die Netzstromquelle 300 kann zum Beispiel eine Einphasen-Dreileiter-Stromquelle sein.
  • Der Wechselrichter 10 umfasst ferner einen Kondensator C1, eine Spannungserhöhungsschaltung 20, einen Kondensator C2, einen Inverter 30, eine Filterschaltung 40, und eine Steuervorrichtung 100.
  • Ein Ende des Kondensators C1 ist elektrisch an die positive Elektrode der Solarzellenanordnung 200 angeschlossen. Das andere Ende des Kondensators C1 ist elektrisch an die negative Elektrode der Solarzellenanordnung 200 angeschlossen. Der Kondensator C1 ist ein Beispiel für eine Rauschverrringerungsschaltung, die das Rauschen, das in der von der Solarzellenanordnung 200 ausgegebenen Gleichstromspannung enthalten ist, verringert. Mit anderen Worten ist der Kondensator C1 ein Beispiel für ein Glättungsfilter, das die von der Solarzellenanordnung 200 ausgegebene Gleichstromspannung glättet.
  • Die Spannungserhöhungsschaltung 20 erhöht die Spannung der Gleichstromspannung, deren Rauschen durch den Kondensator C1 verringert wurde, und gibt sie aus. Die Spannungserhöhungsschaltung 20 ist ein Beispiel für eine Spannungserhöhungsschaltung vom nicht isolierten Typ. Die Spannungserhöhungsschaltung 20 kann ein sogenannter Schaltregler vom Zerhackertyp sein. Die Spannungserhöhungsschaltung 20 weist eine Drosselspule L1, einen Schalter Tr, und eine Diode D1 auf.
  • Ein Ende der Drosselspule L1 ist an ein Ende des Kondensators C1 angeschlossen, und das andere Ende der Drosselspule L1 ist an den Kollektor des Schalters SW angeschlossen. Der Schalter SW kann zum Beispiel ein Bipolartransistor mit isoliertem Gate (IGBT) sein. Der Kollektor des Schalters SW ist an die Anode der Diode D1 angeschlossen, und der Emitter des Schalters SW ist an das andere Ende des Kondensators C1 angeschlossen.
  • Die Drosselspule L1 speichert während des EIN-Zeitraums des Schalters SW Energie, die auf der Leistung der Solarzellenanordnung 200 beruht, und gibt die gespeicherte Energie während der AUS-Zeit des Schalters SW ab. Dadurch erhöht die Spannungserhöhungsschaltung 20 die Gleichstromspannung von der Solarzellenanordnung 200. Die Diode D1 verhindert, dass Strom von der Ausgangsseite der Spannungserhöhungsschaltung 20 zu der Eingangsseite fließt.
  • Der Kondensator C2 glättet die von der Spannungserhöhungsschaltung 20 ausgegebene Gleichstromspannung. Mit anderen Worten verringert der Kondensator C2 das Rauschen, das in der von der Spannungserhöhungsschaltung 20 ausgegebenen Gleichstromspannung enthalten ist.
  • Der Inverter 30 enthält Schalter, wandelt die von der Spannungserhöhungsschaltung 20 ausgegebene Gleichstromspannung durch Ein- und Ausschalten der Schalter in eine Wechselstromspannung um, und gibt diese zu der Netzstromquelle 30 hin aus. Der Inverter 30 schließt die Leistung von der Solarzellenanordnung 200 an die Leistung von der Netzstromquelle 300 an.
  • Der Inverter 30 kann zum Beispiel durch einen Einphasen-Vollbrücken-PWM-Inverter, der vier Halbleiterschalter in Brückenschaltung enthält, aufgebaut sein. Ein Paar von Halbleiterschaltern der vier Halbleiterschalter ist seriell angeschlossen. Das andere Paar von Halbleiterschaltern der vier Halbleiterschalter ist seriell angeschlossen und mit dem einen Paar von Halbleiterschaltern parallel angeschlossen.
  • Die Filterschaltung 40 verringert das Rauschen, das in der von dem Inverter 30 ausgegebenen Wechselstromspannung enthalten ist. Die Filterschaltung 40 enthält ein Paar von Spulen L2 und einen Kondensator C3. Ein jeweiliges Ende des Paars von Spulen L2 ist an ein Ausgangsende des Inverters 30 angeschlossen. Das jeweilige andere Ende des Paars von Spulen L2 ist an das eine Ende bzw. das andere Ende des Kondensators C3 angeschlossen.
  • Der Wechselrichter 10 umfasst ferner einen Spannungssensor 50, einen Spannungssensor 52 und einen Spannungssensor 54. Der Spannungssensor 50 detektiert eine Spannung vi, die einer Potentialdifferenz der beiden Enden der Solarzellenanordnung 200 entspricht. Der Spannungssensor 52 detektiert eine Spannung Vo, die einer Potentialdifferenz der beiden Enden an der Ausgangsseite der Spannungserhöhungsschaltung 20 entspricht. Der Spannungssensor 54 detektiert eine Spannung Vf der Netzstromquelle 300.
  • Die Steuervorrichtung 100 steuert auf Basis der Spannung vi, der Spannung Vo, der Spannung Vf und dergleichen den Spannungserhöhungsbetrieb der Spannungserhöhungsschaltung 20 und den Gleichstrom-Wechselstrom-Umwandlungsbetrieb des Inverters 30.
  • Die Steuervorrichtung 100 erhält von der Spannungserhöhungsschaltung 20 eine derartige Eingangsspannung, dass von der Solarzellenanordnung 200 die maximale Leistung erhalten wird, und steuert den Inverter 30, damit dieser eine mit der Wechselstromspannung der Netzstromquelle 300 synchronisierte Wechselstromspannung ausgibt. Außerdem erhält die Steuervorrichtung 100 von der Solarzellenanordnung 200 eine derartige Eingangsspannung, dass von der Solarzellenanordnung 200 die maximale Leistung erhalten wird, und steuert sie die Spannungserhöhungsschaltung 20, damit diese die in den Inverter 30 einzugebende Gleichstromspannung ausgibt.
  • Die Steuervorrichtung 100 steuert den Spannungserhöhungsbetrieb der Spannungserhöhungsschaltung 20 je nach der in den Inverter 30 einzugebenden Gleichstromspannung unter derartiger Regulierung des Tastverhältnisses der Spannungserhöhungsschaltung 20 durch eine sogenannte Maximal-Leistungspunkt-Suche-Steuerung (MPPT), dass von der Solarzellenanordnung 200 die maximale Leistung erhalten wird. Doch in Verbindung mit der Umwandlung der von der Spannungserhöhungsschaltung 20 eingegebenen Gleichstromspannung in eine Wechselstromspannung durch einen Schaltbetrieb des Inverters 30 schwankt die in den Inverter 30 eingegebene Gleichstromspannung. Das heißt, die von der Spannungserhöhungsschaltung 20 ausgegebene Gleichstromspannung schwankt.
  • Die in den Inverter 30 eingegebene Gleichstromspannung schwankt gemäß der Frequenz der Netzspannung der Netzstromquelle 300. Wenn die Netzstromquelle 300 zum Beispiel eine Einphasen-Wechselstromquelle ist, schwankt die in den Inverter 30 eingegebene Gleichstromspannung mit der doppelten Frequenz 2 × f der Frequenz f der Netzspannung. Als Folge kann die Regulierung des Tastverhältnisses der Spanungserhöhungsschaltung 20 mittels der Maximal-Leistungspunkt-Suche-Steuerung (MPPT) durch die Steuervorrichtung 100 nicht folgen, und kommt es in Verbindung mit der Schwankung der von der Spannungserhöhungsschaltung 20 ausgegebenen Gleichstromspannung auch zu einer Schwankung der Gleichstromspannung, die in die Spannungserhöhungsschaltung 20 eingegeben wird. Durch die Schwankung der in die Spannungserhöhungsschaltung 20 eingegebenen Gleichstromspannung kann es sein, dass von der Solarzellenanordnung 200 nicht die maximale Leistung erhalten wird.
  • Nun wird bei der vorliegenden Ausführungsform unterdrückt, dass die Gleichstromspannung, die von der Solarzellenanordnung 200 in die Spannungserhöhungsschaltung 20 eingegeben wird, in Verbindung mit der Schwankung der von der Spannungserhöhungsschaltung 20 ausgegebenen Gleichstromspannung schwankt.
  • 2 ist eine Ansicht, die ein Beispiel eines Ersatzschaltbildmodells der Solarzellenanordnung 200 und der Spannungserhöhungsschaltung 20 zeigt. Ip zeigt den Photostrom von der Solarzellenanordnung 200. ra zeigt den Widerstand der Summe aus dem Ersatzwiderstand in der Durchlassrichtung der Diode und dem Widerstand der parallelen Komponente bei dem Ersatzschaltbild der Solarzellenanordnung 200. ia zeigt den in dem Widerstand ra fließenden Strom. rs zeigt den Widerstand der seriellen Komponente bei dem Ersatzschaltbild der Solarzellenanordnung 200. vi zeigt die Ausgangsspannung bei dem Ersatzschaltbild der Solarzellenanordnung 200. C zeigt den Kondensator C1. rc zeigt den Widerstand der seriellen Komponente des Kondensators C1. vc zeigt die Spannung, die an beide Enden des Kondensators C1 angelegt wird. L zeigt die Drosselspule L1. rL zeigt den Spulenwiderstand der Drosselspule L1. S zeigt den Schalter SW. D1 zeigt die Diode D1. Vo zeigt die Ausgangsspannung der Spannungserhöhungsschaltung, das heißt, die Spannung, die an beide Enden des Kondensators C2 angelegt wird.
  • 3 ist eine Ansicht, die auf Basis des in 2 gezeigten Ersatzschaltbildmodells ein Steuersystem durch ein Übertragungsfunktionsmodell zeigt. ΔVo zeigt das Schwankungsausmaß der Spannung Vo. Gvv zeigt die Übertragungsfunktion, die die Ansprecheigenschaften der Spannung vi in Bezug auf winzige Schwankungen der Spannung Vo ausdrückt. Viref zeigt den Wert der verlangten Betriebsspannung der Solarzellenanordnung 200. α zeigt die Übertragungsfunktion der Steuerung, die das Tastverhältnis D berechnet, das heißt, die Ansprecheigenschaften der Steuervorrichtung 100, ausdrückt. Gvd zeigt die Übertragungsfunktion, die die Ansprecheigenschaften der Spannung vi in Bezug auf winzige Schwankungen des Tastverhältnisses D ausdrückt. vi zeigt das Schwankungsausmaß der von der Solarzellenanordnung 200 ausgegebenen Ausgangsspannung.
  • Die Übertragungsfunktion α ist die Übertragungsfunktion, um zum Beispiel durch MPPT das ideale Tastverhältnis D abzuleiten, damit in Bezug auf die Spannung, die die Spannungserhöhungsschaltung 20 ausgeben soll, von der Solarzellenanordnung 200 eine solche Spannung ausgegeben werden kann, dass von der Solarzellenanordnung 200 die maximale Leistung erhalten wird. Doch das durch die Übertragungsfunktion α abgeleitete Tastverhältnis D berücksichtigt nicht Schwankungen der Spannung, die die Spannungserhöhungsschaltung 20 ausgeben soll. Wenn die Steuervorrichtung 100 den Spannungserhöhungsbetrieb der Spannungserhöhungsschaltung 20 durch das Tastverhältnis D steuert, entstehen folglich die Schwankungen, die durch das Schwankungsausmaß ΔVo der Spannung Vo verursacht werden, auch in der Betriebsspannung vi der Solarzellenanordnung 200. Das heißt, das Schwankungsausmaß Δi der von der Solarzellenanordnung 200 ausgegebenen Ausgangsspannung wird nicht Null. Um die von der Solarzellenanordnung 200 ausgegebene Ausgangsspannung konstant bei einer Spannung zu halten, bei der die maximale Leistung erhalten wird, ist es erwünscht, das Schwankungsausmaß ΔVi auf null zu bringen. Daher wird bei der vorliegenden Ausführungsform das Schwankungsausmaß ΔVi der Spannung vi, das aufgrund des Schwankungsausmaßes ΔVo der Spannung Vo entsteht, unterdrückt.
  • 4 ist eine Ansicht, die ein Übertragungsfunktionsmodell zeigt, bei dem eine Unterdrückung des Schwankungsausmaßes ΔVi der Ausgangsspannung vi, das infolge des Schwankungsausmaßes ΔVo einer Spannung Vo entsteht, möglich ist. Bei dem in 4 gezeigten Übertragungsfunktionsmodell wird das Tastverhältnis D über die Übertragungsfunktion α aus der Differenz zwischen der verlangten Betriebsspannung Viref der Solarzellenanordnung 200 und der Betriebsspannung vi der Solarzellenanordnung 200 abgeleitet. Außerdem wird durch Abziehen eines Werts, der in Bezug auf das Schwankungsausmaß ΔVo der Spannung Vo über die Übertragungsfunktion Gvv/Gvd abgeleitet wurde, von dem Tastverhältnis D ein Tastverhältnis D' abgeleitet. Die Steuervorrichtung 100 steuert den Spannungserhöhungsbetrieb der Spannungserhöhungsschaltung 20 durch das Tastverhältnis D'.
  • Bei dem in 4 gezeigten Übertragungsfunktionsmodell ist ΔVi/ΔVo durch die folgende Formel (1) ausgedrückt. [Formelausdruck 1]
    Figure DE102015202362A1_0002
  • Wie in der Formel (1) gezeigt wird ΔVo/ΔVo Null. Folglich kann durch Abziehen eines Werts, der in Bezug auf das Schwankungsausmaß ΔVo der Spannung Vo durch die Übertragungsfunktion Gvv/Gvd abgeleitet wurde, von dem abgeleiteten Tastverhältnis D das Schwankungsausmaß ΔVi der von der Solarzellenanordnung 200 ausgegebenen Ausgangsspannung auf null gebracht werden.
  • Hier unterscheiden sich die Übertragungsfunktion Gvd und die Übertragungsfunktion Gvv je nach den Bedingungen der zeitlichen Veränderung des Stroms, der in Verbindung mit dem Schaltbetrieb der Spannungserhöhungsschaltung 20 in der Drosselspule L1 fließt. Hier wird der Fall, bei dem stets Strom in der Drosselspule L1 fließt, als Betriebsart mit kontinuierlichem Strom bezeichnet, während der Fall, bei dem es Zeiten gibt, in denen in der Drosselspule L1 kein Strom fließt, als Betriebsart mit diskontinuierlichem Strom bezeichnet wird.
  • 5 ist eine Ansicht, die den Zustand der zeitlichen Veränderung des in der Drosselspule L1 fließenden Stroms IL bei der Betriebsart mit kontinuierlichem Strom zeigt. D zeigt das Tastverhältnis, und TS die Schaltperiode. Der Strom IL nimmt während des Zeitraums, der der Periode TS, in der der Schalter SW eingeschaltet ist, entspricht, allmählich zu, und während des Zeitraums, der der Periode (1 – D)TS, in der der Schalter SW ausgeschaltet ist, entspricht, allmählich ab. Bevor der Strom IL Null wird, wird der Schalter SW erneut eingeschaltet und nimmt der Strom IL erneut allmählich zu.
  • In der Betriebsart mit kontinuierlichem Strom sind die Übertragungsfunktion Gvd und die Übertragungsfunktion Gvv, durch die folgende Formel (2) und die folgende Formel (3) ausgedrückt. In der Formel zeigt s den Laplace-Operator. P(s) zeigt die inverse Übertragungsfunktion der Standardform der sekundären Übertragungsfunktion, die die Eigenfrequenz des Modells und den Dämpfungskoeffizienten enthält. [Formelausdruck 2]
    Figure DE102015202362A1_0003
  • 6 ist eine Ansicht, die den Zustand der zeitlichen Veränderung des in der Drosselspule L1 fließenden Stroms IL bei der Betriebsart mit diskontinuierlichem Strom zeigt. Der Strom IL nimmt während des Zeitraums, der der Periode TS, in der der Schalter SW eingeschaltet ist, entspricht, allmählich zu, und während des Zeitraums, der der Periode (1 – D)TS, in der der Schalter SW ausgeschaltet ist, entspricht, allmählich ab. Während des Zeitraums, der der Periode (1 – D)TS, in der der Schalter SW ausgeschaltet ist, entspricht, erreicht der Strom IL Null. Danach nimmt der Strom IL von Null erneut allmählich zu. Hier wird die Zeit, zu der während des Zeitraums, in dem der Schalter SW ausgeschaltet ist, Strom in der Drosselspule L1 fließt, als D2TS angesetzt. D2 gibt das Verhältnis an, in dem innerhalb eines Zeitraums, in dem der Schalter SW ein- und ausschaltet, bei ausgeschaltetem Schalter SW Strom in der Drosselspule L1 fließt.
  • Bei der Betriebsart mit diskontinuierlichem Strom werden die Übertragungsfunktion Gvd und die Übertragungsfunktion Gvv auf die gleiche Weise wie bei der Betriebsart mit kontinuierlichem Strom abgeleitet.
  • Für die Betriebsart mit kontinuierlichem Strom und die Betriebsart mit diskontinuierlichem Strom ist die Übertragungsfunktion Gvv/Gdv durch die folgende Formel (4) und die folgende Formel (5) ausgedrückt. [Formelausdruck 3]
    Figure DE102015202362A1_0004
  • Folglich kann ein Übertragungsfunktionsmodell, bei dem es zum Beispiel in der Betriebsart mit kontinuierlichem Strom möglich ist, das Schwankungsausmaß ΔVi der Spannung vi, das infolge des Schwankungsausmaßes ΔVo der Spannung Vi entsteht, zu unterdrücken, wie in 7 ausgedrückt werden.
  • 8 eine Ansicht, die ein Beispiel eines Funktionsblockdiagramms zeigt, das mit dem Spannungserhöhungsbetrieb der Steuervorrichtung 100 in Zusammenhang steht. Die Spannungserhöhungsschaltung 100 umfasst einen Abschnitt 102 zur Erlangung des verlangten Spannungswert, einen Abschnitt 104 zur Erlangung des Eingangsspannungswerts, einen Abschnitt 106 zur Ableitung des Tastverhältnisses, und einen Abschnitt 108 zur Steuerung des Spannungserhöhungsbetriebs.
  • Der Abschnitt 102 zur Erlangung des verlangten Spannungswerts erlangt den verlangten Betriebsspannungswerts der Solarzellenanordnung 200. Die Steuervorrichtung 100 erhält von der Spannungserhöhungsschaltung 20 eine Eingangsspannung, bei der von der Solarzellenanordnung 200 die maximale Leistung erhalten wird, und steuert den Inverter 30, damit eine Wechselstromspannung, die mit der Wechselstromspannung der Netzstromquelle 300 synchronisiert ist, ausgegeben wird. Die Steuervorrichtung 100 erzeugt einen Vi-Befehlswert, der jene Eingangsspannung zeigt, bei der von der Solarzellenanordnung 200 die maximale Leistung erhalten wird, und steuert den Inverter 30. Daher kann der Abschnitt 102 zur Erlangung des verlangten Spannungswerts die Vi-Befehlsspannung als verlangten Spannungswert erlangen.
  • Der Abschnitt 104 zur Erlangung des Eingangsspannungswerts erlangt über den Spannungssensor 50 einen Eingangsspannungswert, der die Betriebsspannung der Solarzelle angibt.
  • Der Abschnitt 106 zur Ableitung des Tastverhältnisses leitet auf Basis des verlangten Betriebsspannungswerts der Solarzellenanordnung 200 und des Betriebsspannungswerts der Solarzellenanordnung 200 das Tastverhältnis D' der Spannungserhöhungsschaltung 20, bei dem die Betriebsspannung der Solarzellenanordnung 200 konstant gehalten wird, ab. Der Abschnitt 106 zur Ableitung des Tastverhältnisses kann das Tastverhältnis D' auf Basis der Differenz zwischen dem verlangten Spannungswert und dem Eingangsspannungswert ableiten.
  • Der Abschnitt 106 zur Ableitung des Tastverhältnisses kann das Tastverhältnis D' auf Basis der Differenz zwischen dem verlangten Spannungswert, der die Spannung, die in den Inverter 30 eingegeben werden soll, zeigt, und dem Eingangsspannungswert, der die Spannung, die in den Inverter 30 eingegeben wird, zeigt, des verlangten Spannungswerts, der die Spannung, die in den Inverter 30 eingegeben werden soll, zeigt, und des gegenwärtigen Tastverhältnisses D der Spannungserhöhungsschaltung 20 ableiten. Bei der vorliegenden Ausführungsform werden Schwankungen der Betriebsspannung der Solarzellenanordnung 200 infolge von Schwankungen der Spannung, die in den Inverter 30 eingegeben wird, unterdrückt. Die Schwankungen der Spannung, die in den Inverter 30 eingegeben wird, schwanken gemäß der Netzfrequenz der Netzstromquelle 300. Wenn die Netzstromquelle 300 zum Beispiel eine Einphasen-Wechselstromquelle ist, schwankt sie wie oben erwähnt mit der doppelten Frequenz der Netzfrequenz. Da in der durch den Spannungssensor 52 detektierten Spannung, die in den Inverter 30 eingegeben wird, auch Rauschen enthalten ist, ist auch eine andere Spannungskomponente als die Schwankungen infolge der Netzfrequenz der Netzstromquelle 300 enthalten. Um das Rauschen zu beseitigen, kann der Spannungswert jener Spannungskomponente der in den Inverter 30 eingegebenen Spannung, die mit der Standardfrequenz auf Basis der Netzfrequenz der Netzstromquelle 300 schwankt, als Eingangsspannungswert erlangt werden. Die Spannungskomponente, die mit der Standardfrequenz schwankt, kann durch Führen des Spannungssignals, das die durch den Spannungssensor 52 detektierte Spannung zeigt, durch ein Bandpassfilter, welches eine Standardfrequenz auf Basis der Netzfrequenz der Netzstromquelle 300, zum Beispiel die doppelte Frequenz der Netzfrequenz, passieren lässt, aus dem Spannungssignal von dem Spannungssensor 52 entnommen werden und als Eingangsspannungswert erlangt werden.
  • In der Betriebsart mit kontinuierlichem Strom kann der Abschnitt 106 zur Ableitung des Tastverhältnisses das Tastverhältnis D' dann, wenn der verlangte Spannungswert, der die Spannung, die in den Inverter 30 eingegeben werden soll, zeigt, als Vo, die Differenz zwischen dem verlangten Spannungswert Vo', der die Spannung, die in den Inverter 30 eingegeben werden soll, zeigt, und dem in den Inverter 30 eingegebenen Spannungswert als ΔVo', und das gegenwärtige Tastverhältnis als D angesetzt wird, durch D + (1 – D)/Vo' × ΔVo' ableiten.
  • Der Abschnitt 106 zur Ableitung des Tastverhältnisses kann das Tastverhältnis D' in der Betriebsart mit diskontinuierlichem Strom auf Basis der Differenz ΔVo', des verlangten Spannungswerts Vo', des Verhältnisses D2 des Stromflusses in der Drosselspule L1 bei ausgeschaltetem Schalter SW innerhalb eines Zeitraums, in dem der Schalter SW ein- und ausschaltet, und des gegenwärtigen Tastverhältnisses D durch D + D2/Vo' × ΔVo' ableiten.
  • Der Abschnitt 108 zur Steuerung des Spannungserhöhungsbetriebs steuert den Spannungserhöhungsbetrieb der Spannungserhöhungsschaltung 20 auf Basis des Tastverhältnisses D', das durch den Abschnitt 106 zur Ableitung des Tastverhältnisses abgeleitet wurde. Der Abschnitt 108 zur Steuerung des Spannungserhöhungsbetriebs steuert auf Basis des Tastverhältnisses D' das Ein- und Ausschalten des Schalters SW, der in der Spannungserhöhungsschaltung 20 enthalten ist.
  • Wie oben beschrieben leitet der Abschnitt 106 zur Ableitung des Tastverhältnisses das Tastverhältnis D' der Spannungserhöhungsschaltung 20, bei dem die Betriebsspannung der Solarzellenanordnung 200 konstant gehalten wird, unter Berücksichtigung der Schwankungen der Eingangsspannung des Inverters 30 ab. Folglich kann unterdrückt werden, dass die von der Solarzellenanordnung 200 in die Spannungserhöhungsschaltung 20 eingegebene Gleichstromspannung in Verbindung mit einem Schwanken der von der Spannungserhöhungsschaltung 20 ausgegebenen Gleichstromspannung schwankt. Dadurch kann die Stromerzeugungseffizienz der Solarzellenanordnung 200 noch weiter verbessert werden.
  • Die einzelnen Abschnitte, mit denen die Steuervorrichtung 100 nach der vorliegenden Ausführungsform versehen ist, können auch durch Installieren eines Programms, das auf einem computerlesbaren Aufzeichnungsmedium aufgezeichnet wurde und die einzelnen Verarbeitungen im Zusammenhang mit der Spannungserhöhung und der Gleichstrom-Wechselstrom-Umwandlung des Wechselrichters 10 vornimmt, und Ausführen dieses Programms an einem Computer gestaltet werden. Das heißt, die Steuervorrichtung 100 kann auch so gestaltet werden, dass das Programm, das die einzelnen Verarbeitungen im Zusammenhang mit der Spannungserhöhung und der Gleichstrom-Wechselstrom-Umwandlung des Wechselrichters 10 vornimmt, an einem Computer ausgeführt wird und der Computer dazu gebracht wird, als die einzelnen Abschnitte, mit denen die Steuervorrichtung 100 versehen ist, zu wirken.
  • 9 ist eine Ansicht, die ein Beispiel für den Hardwareaufbau der Steuervorrichtung 100 nach der vorliegenden Ausführungsform zeigt. Die Steuervorrichtung 100 nach der vorliegenden Ausführungsform umfasst eine CPU-Peripherie, die eine CPU 904 und einen RAM 906 aufweist, welche jeweils durch eine Hoststeuerung 902 untereinander angeschlossen sind, einen ROM 910, der durch eine Ein/Ausgabesteuerung 908 an die Hoststeuerung 902 angeschlossen ist, sowie eine Kommunikationsschnittstelle 912.
  • Die Hoststeuerung 902 verbindet den RAM 906 und die CPU 904, die mit einer hohen Übertragungsrate auf den RAM 906 zugreift. Die CPU 904 arbeitet auf Basis von in dem ROM 910 und dem RAM 906 gespeicherten Programmen und steuert die einzelnen Abschnitte. Die Ein/Ausgabesteuerung 908 verbindet die Hoststeuerung 902, die Kommunikationsschnittstelle 912, bei der es sich um eine vergleichsweise schnelle Ein- und Ausgabevorrichtung handelt, und den ROM 910.
  • Die Kommunikationsschnittstelle 912 kommuniziert mit dem Spannungssensor 50, dem Spannungssensor 52, dem Spannungssensor 54 und dergleichen. Der ROM 910 speichert Programme und Daten, die durch die CPU 904 in der Steuervorrichtung 100 verwendet werden. Außerdem speichert der ROM 910 ein Boot-Programm, das die Steuervorrichtung 100 beim Starten verwendet, Programme, die von der Hardware der Steuervorrichtung 100 abhängen, und dergleichen.
  • Die Programme, die dem ROM 910 über den RAM 906 bereitgestellt werden, sind auf ein computerlesbares Aufzeichnungsmedium wie etwa einen CD-ROM, einen USB-Speicher oder dergleichen aufgezeichnet und werden durch den Benutzer bereitgestellt. Die Programme werden von dem Aufzeichnungsmedium gelesen, über den RAM 906 in dem ROM 910 in der Steuervorrichtung 100 installiert, und in der CPU 904 ausgeführt.
  • Die in der Steuervorrichtung 100 installierten und ausgeführten Programme wirken auf die CPU 904 und bringen die Steuervorrichtung 100 dazu, als Flankensignalerzeugungsabschnitt 110, als Abschnitt 102 zur Erlangung des verlangten Spannungswerts, als Abschnitt 104 zur Erlangung des Eingangsspannungswerts, als Abschnitt 106 zur Ableitung des Tastverhältnisses, und als Abschnitt 108 zur Steuerung des Spannungserhöhungsbetriebs, die in 1 bis 8 erklärt wurden, zu wirken.
  • Die vorliegende Erfindung wurde anhand von Ausführungsformen erklärt, doch ist der technische Umfang der vorliegenden Erfindung nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsformen beschränkt. Dem Fachmann ist klar, dass den oben beschriebenen Ausführungsformen verschiedenste Änderungen oder Verbesserungen hinzugefügt werden können.
  • Aus den Angaben in den Patentansprüchen ist klar, dass derartige Änderungen oder Verbesserungen ebenfalls in dem technischen Umfang der vorliegenden Erfindung enthalten sind.
  • Es versteht sich, dass die Reihenfolge der Ausführung der einzelnen Verarbeitungen von Tätigkeiten, Abfolgen, Schritten und Stufen bei den in den Patentansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen gezeigten Vorrichtungen, Systemen, Programmen und Verfahren in einer beliebigen Reihenfolge erfolgen kann, sofern nicht ausdrücklich ”vor”, ”vorhergehend” oder dergleichen angegeben ist oder das Ergebnis einer früheren Verarbeitung bei einer späteren Verarbeitung verwendet wird. Was Betriebsabläufe in den Patentansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen betrifft, wurde die Erklärung zur Bequemlichkeit unter Verwendung von ”zuerst”, ”dann” oder dergleichen vorgenommen, doch bedeutet dies nicht, dass eine Ausführung in dieser Reihenfolge unerlässlich ist.
  • Bezugszeichenliste
    • 10
    Wechselrichter
    20
    Spannungserhöhungsschaltung
    30
    Inverter
    40
    Filterschaltung
    50
    Spannungssensor
    52
    Spannungssensor
    54
    Spannungssensor
    C1
    Kondensator
    C2
    Kondensator
    C3
    Kondensator
    D1
    Diode
    L1
    Drosselspule
    L2
    Spule
    100
    Steuervorrichtung
    102
    Abschnitt zur Erlangung des verlangten Spannungswerts
    104
    Abschnitt zur Erlangung des Eingangsspannungswerts
    106
    Abschnitt zur Ableitung des Tastverhältnisses
    108
    Abschnitt zur Steuerung des Spannungserhöhungsbetriebs
    200
    Solarzellenanordnung
    300
    Netzstromquelle
    902
    Hoststeuerung
    904
    CPU
    906
    RAM
    908
    Ein/Ausgabesteuerung
    910
    ROM
    912
    Kommunikationsschnittstelle

Claims (8)

  1. Steuervorrichtung, die eine Spannungserhöhungsschaltung steuert, welche die Gleichstromspannung von einer Gleichstromquelle erhöht und in einen Inverter eingibt, der die Gleichstromspannung in eine Wechselstromspannung umwandelt und an ein Stromnetz anschließt, umfassend einen Abschnitt zur Ableitung des Tastverhältnisses, der auf Basis eines verlangten Betriebsspannungswerts der Gleichstromquelle und eines Betriebsspannungswerts der Gleichstromquelle ein Tastverhältnis der Spannungserhöhungsschaltung, bei dem die Betriebsspannung der Gleichstromquelle konstant gehalten wird, ableitet; und einen Abschnitt zur Steuerung des Betriebs der Spannungserhöhung, der den Spannungserhöhungsbetrieb auf Basis des Tastverhältnisses, das durch den Abschnitt zur Ableitung des Tastverhältnisses abgeleitet wurde, steuert.
  2. Steuervorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Abschnitt zur Ableitung des Tastverhältnisses das Tastverhältnis auf Basis der Differenz zwischen dem Wert der verlangten Betriebsspannung der Gleichstromquelle und dem Wert der Betriebsspannung der Gleichstromquelle ableitet.
  3. Steuervorrichtung nach Anspruch 2, wobei der Abschnitt zur Ableitung des Tastverhältnisses das Tastverhältnis auf Basis der Differenz zwischen dem Wert der verlangten Spannung, der die Spannung, die in den Inverter eingegeben werden soll, angibt, und dem Eingangsspannungswert, der die in den Inverter eingegebene Spannung angibt, des Werts der verlangten Spannung, der die Spannung, die in den Inverter eingegeben werden soll, angibt, und des gegenwärtigen Tastverhältnisses der Spannungserhöhungsschaltung ableitet.
  4. Steuervorrichtung nach Anspruch 3, ferner umfassend einen Abschnitt zur Erlangung des Eingangsspannungswerts, der den Spannungswert jener Spannungskomponente der in den Inverter eingegebenen Spannung, die mit der auf der Netzfrequenz des Stromnetzes beruhenden Standardfrequenz schwankt, als Eingangsspannungswert erlangt.
  5. Steuervorrichtung nach einem von Anspruch 1 bis Anspruch 4, wobei die Gleichstromquelle eine Solarzelle ist, und der Abschnitt zur Ableitung des Tastverhältnisses ein Tastverhältnis ableitet, bei dem die in die Spannungserhöhungsschaltung eingegebene Spannung konstant bei jener Spannung gehalten wird, bei der von der Solarbatterie die maximale Leistung erhalten wird.
  6. Stromumwandlungsvorrichtung, umfassend die Steuervorrichtung nach einem aus Anspruch 1 bis Anspruch 5; die Spannungserhöhungsschaltung; und den Inverter.
  7. Stromerzeugungssystem, umfassend die Stromumwandlungsvorrichtung nach Anspruch 6; und eine Solarzelle, die eine Gleichstromquelle darstellt.
  8. Programm, um einen Computer dazu zu bringen, als Steuervorrichtung nach einem von Anspruch 1 bis Anspruch 5 zu wirken.
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