JP2002270876A - 太陽光発電装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 高周波リンク方式の連系インバータを用いた
この種太陽光発電装置において、とくに、低出力側の連
系インバータの効率を改善して向上する。 【解決手段】ＤＣ／ＤＣコンバータ部１９の高周波イン
バータ２１の直流の入力電圧，入力電流を監視してイン
バータ２１を太陽電池１７の最大電力点追尾制御（Ｐｍ
ａｘ制御）で運転する手段と、ＤＣ／ＡＣインバータ部
２０の直流入力電圧が上限電圧より低いときに、Ｐｍａ
ｘ制御の運転状態で前記直流入力電圧が上昇するよう
に、インバータ２１の運転を制御してコンバータ部１９
のモジュレーションを高くする手段と、インバータ部２
０の直流入力電圧が上限電圧に上昇したときに、Ｐｍａ
ｘ制御の運転状態で前記直流入力電圧が上限電圧に保た
れるように、インバータ２１の運転を制御してコンバー
タ部１９のモジュレーションを調整する手段とを備え
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、太陽電池の直流出
力を、高周波リンク方式の連系インバータにより系統周
波数の連系出力の交流に変換し、この連系出力の交流を
系統側に出力する太陽光発電装置に関し、詳しくは、そ
の駆動制御に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、この種の太陽光発電装置は図３に
示すように、太陽電池１に高周波リンク方式の連系イン
バータ２を接続して形成され、連系インバータ２は入力
側のＤＣ／ＤＣコンバータ部３と出力側のＤＣ／ＡＣイ
ンバータ部４とからなる。

【０００３】そして、太陽電池１の直流出力はＤＣ／Ｄ
Ｃコンバータ部３の高周波インバータ５により例えば数
ＫHz〜数十ＫHzの高周波交流に変換され、この高周波交
流が入出力絶縁用の高周波トランス６を介して整流平滑
部７に供給され、この整流平滑部７のダイオード整流回
路８，平滑用Ｌ−Ｃフィルタ９により整流，平滑されて
ＤＣ／ＡＣインバータ部４の直流電源に変換される。

【０００４】さらに、この直流電源がＤＣ／ＡＣインバ
ータ部４により、系統電源１０に同期した系統周波数の
単相又は３相の交流に変換され、この交流が系統側に供
給される。

【０００５】ところで、高周波インバータ５及びＤＣ／
ＡＣインバータ部４の低周波インバータ１１は、それぞ
れの駆動制御部１２，１３のＰＷＭ波形の駆動パルスに
よりスイッチング動作する。

【０００６】そして、高周波インバータ５の入力側の電
圧検出器１４及び電流検出器１５により太陽電池１の直
流出力の電圧，電流が計測され、これらの計測結果の監
視に基づき、駆動部１２は太陽電池１の最大電力点追尾
制御（以下Ｐｍａｘ制御という）で高周波インバータ５
を運転する。

【０００７】また、駆動制御部１３は系統周波数のＰＬ
Ｌ制御により、低周波インバータ１１を、その直流入力
電圧が指令値（設定値）の一定電圧であるとして、連系
運転する。

【０００８】この連系運転により、低周波インバータ１
１の出力は、ＤＣ／ＤＣコンバータ部３から供給された
直流電源の電圧と前記の指令値の電圧との差によって出
力電力が増減変化する。

【０００９】このとき、低周波インバータ１１の素子耐
圧等から定まるその直流入力電圧の上限値（上限電圧）
が４２０Ｖで、許容される直流入力電圧範囲が４２０Ｖ
〜３２０Ｖであるとすれば、従来は、前記の指令値の電
圧が、ほぼその中間値の３８０Ｖに設定される。

【００１０】そして、ＤＣ／ＤＣコンバータ部３の直流
電源の電圧が前記の指令値の定電圧になるように、太陽
電池１の直流出力の増減変化に応じて高周波インバータ
５のスイッチング動作のデューティ比が可変され、高周
波インバータ５をＰｍａｘ制御の運転状態に保ちなが
ら、ＤＣ／ＤＣコンバータ部３のモジュレーション（変
調量）が調整される。なお、図３の１６は系統の配線イ
ンダクタンスである。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】前記従来のこの種太陽
光発電装置は、ＤＣ／ＡＣインバータ部４の直流入力電
圧が指令値の一定電圧になるように、ＤＣ／ＤＣコンバ
ータ部３のモジュレーションを可変して高周波インバー
タ５のＰｍａｘ制御の運転を実現しているため、つぎに
説明するように、太陽電池１の直流出力が低下する低出
力時、ＤＣ／ＤＣコンバータ部３のモジュレーションが
低くなって連系インバータ全体の効率が低下する問題点
がある。

【００１２】すなわち、図３の連系インバータ２を１０
ｋＷインバータとし、太陽電池１の直流出力の電圧を２
７０Ｖ，高周波トランス６の変圧比を１：１．５，ＤＣ
／ＡＣインバータ部４の直流入力電圧を３８０Ｖとする
と、太陽電池１の直流出力が十分に大きく、１０ｋＷイ
ンバータとして動作する定格運転時は、このときのＤＣ
／ＤＣコンバータ部３のモジュレーションをＭ（１０）
とすると、モジュレーションＭ（１０）が、つぎの数１
の式に示すように０．９４と高くなる。

【００１３】

【数１】Ｍ（１０）＝３８０Ｖ÷（２７０Ｖ×１．５）
＝０．９４

【００１４】これに対して、太陽電池１の直流出力が例
えば定格（最大出力）の５０％に減少する低出力時、こ
のときのＤＣ／ＤＣコンバータ部３のモジュレーション
をＭ（５）とすると、このモジュレーションＭ（５）
が、つぎの数２の式に示すように０．４７と極めて低く
なる。

【００１５】

【数２】Ｍ（５）＝０．５×｛３８０Ｖ÷（２７０Ｖ×
１．５）｝＝０．４７

【００１６】また、フィルタ９を介してＤＣ／ＡＣイン
バータ部４に流れるＤＣ／ＤＣコンバータ部３の出力電
流（実効値）をＩ_DCとすると、電流Ｉ_DCはつぎの数３の
式から求まる。

【００１７】

【数３】Ｉ_DC＝インバータ部４の交流出力電力（＝コン
バータ部３の出力電力）÷太陽電池１の直流電圧（＝コ
ンバータ部３の入力電圧）÷コンバータ部３のモジュレ
ーション

【００１８】そして、モジュレーションＭ（５）の低出
力時、ＤＣ／ＡＣインバータ部４の交流出力電力は５ｋ
Ｗ（＝５０００Ｗ）であり、このとき、太陽電池１の直
流電圧を２７０Ｖとすると、電流Ｉ_DCはつぎの数４の式
に示すように３９．４Ａとなり、モジュレーションＭ
（１０）＝０．９４の定格出力時と同等の大電流にな
る。

【００１９】

【数４】 ５０００Ｗ÷２７０Ｖ÷０．４７＝３９．４Ａ

【００２０】そして、同じ大きさの連系出力の場合、電
流Ｉ_DCが大きくなる程、その出力波形等が劣化して連系
インバータ２全体の効率が低下する。

【００２１】本発明は、高周波リンク方式の連系インバ
ータを用いたこの種太陽光発電装置において、とくに、
低出力時の連系インバータの効率を改善して向上するこ
とを課題とする。

【００２２】

【課題を解決するための手段】前記の課題を解決するた
めに、本発明の太陽光発電装置においては、ＤＣ／ＤＣ
コンバータ部の高周波インバータの直流入力の電圧，電
流を監視して高周波インバータを太陽電池のＰｍａｘ制
御で運転する手段と、ＤＣ／ＡＣインバータ部の直流入
力電圧が上限電圧より低いときに、Ｐｍａｘ制御の運転
状態で前記直流電圧が上昇するように、高周波インバー
タの運転を制御してＤＣ／ＤＣコンバータ部のモジュレ
ーションを高くする手段と、前記直流入力電圧が上限電
圧に上昇したときに、Ｐｍａｘ制御の運転状態で前記直
流入力電圧が上限電圧に保たれるように、高周波インバ
ータの運転を制御してＤＣ／ＤＣコンバータ部のモジュ
レーションを調整する手段とを備える。

【００２３】したがって、太陽電池の直流出力が小さい
連系インバータの低出力時、ＤＣ／ＡＣインバータ部の
直流入力電圧が極力その上限電圧（例えば４２０Ｖ）に
上昇するように、ＤＣ／ＤＣコンバータ部はＰｍａｘ制
御の運転状態でモジュレーションが高くなる。

【００２４】この場合、ＤＣ／ＡＣインバータ部の直流
入力電圧を上限電圧より低い一定電圧（例えば３８０
Ｖ）に固定する従来装置に比して、ＤＣ／ＤＣコンバー
タ部のモジュレーションが高くなるため、数３の式から
求まる電流Ｉ_DCが減少してその波形率が改善され、連系
インバータ全体の効率が改善されて向上する。

【００２５】また、太陽電池の出力が十分大きい連系イ
ンバータの定格運転時等は、ＤＣ／ＡＣインバータ部の
直流入力電圧が上限電圧に保持され、この場合も、ＤＣ
／ＡＣインバータ部の直流入力電圧が従来装置の直流入
力電圧より高くなるため、連系インバータの効率が改善
されて向上する。

【００２６】

【発明の実施の形態】本発明の実施の１形態につき、図
１及び図２を参照して説明する。図１は太陽光発電装置
の全体構成を示し、太陽電池１７に高周波リンク方式の
連系インバータ１８を接続して形成され、連系インバー
タ１８は図３のコンバータ部３に対応する入力側のＤＣ
／ＤＣコンバータ部１９と、図３のインバータ部４に対
応する出力側のＤＣ／ＡＣインバータ部２０とからな
る。

【００２７】そして、太陽電池１７の直流出力はＤＣ／
ＤＣコンバータ部１９の高周波インバータ２１により例
えば数ＫHz〜数十ＫHzの高周波交流に変換され、この高
周波交流が入出力絶縁用の高周波トランス２２を介して
整流平滑部２３に供給され、この整流平滑部２３のダイ
オード整流回路２４，平滑用Ｌ−Ｃフィルタ２５により
整流，平滑されてＤＣ／ＡＣインバータ部２０の直流電
源に変換される。

【００２８】このとき、高周波インバータ２１の直流入
力側に設けられた電圧検出器２６及び電流検出器２７に
より、太陽電池１７の直流出力の電圧，電流、換言すれ
ば高周波インバータ２１の入力電圧，入力電流が計測さ
れ、それらの計測出力が高周波インバータ２１の駆動制
御部２８に設けられた制御回路２９に供給される。

【００２９】そして、制御回路２９のソフトウェア制御
により、検出器２６，２７の計測結果に基づいて高周波
インバータ２１の直流入力の電圧，電流を監視して高周
波インバータ２１を太陽電池１７のＰｍａｘ制御で運転
する手段が形成され、この手段の運転制御に基づき、駆
動制御部２８の駆動回路３０から高周波インバータ２１
に駆動用のＰＷＭパルスが供給され、このＰＷＭパルス
により高周波インバータ２１がＰｍａｘ制御運転され
る。

【００３０】さらに、フィルタ２５の直流電源がＤＣ／
ＡＣインバータ部２０の低周波インバータ３１に供給さ
れる。

【００３１】そして、低周波インバータ３１の直流入力
側に設けられた電圧検出器３３の直流電圧の計測結果及
び交流出力側に設けられた計器用変圧器３４の交流電圧
の計測結果と、駆動制御部２９からのＰｍａｘ制御の状
態通知とに基づき、駆動制御部３５により低周波インバ
ータ３１の駆動用のＰＷＭパルスが形成され、このパル
スにより低周波インバータ３１が系統電源３２に連系運
転されて直流電源が系統周波数の単相又は３相の交流に
変換され、この交流が系統側に供給される。

【００３２】このとき、低周波インバータ３１のＰＷＭ
パルスのデューティ比は、ＤＣ／ＡＣインバータ部２０
の直流入力電圧を設定する駆動制御部３５の指令値（設
定値）の電圧に応じて変化する。なお、図１の３６は系
統の配線インピーダンスである。

【００３３】つぎに、太陽電池１７は開放電圧が最も高
く、高周波インバータ２１のＰｍａｘ制御の運転は、そ
のＰＷＭパルスのデューティ比を増減可変し、いわゆる
山登り制御で高周波インバータ２１の直流入力の最大電
力点を検出して行われる。

【００３４】このとき、高周波インバータ２１の直流の
入力電力は、太陽電池１７の出力の最大電力点を頂点と
する山形の特性線に沿って変化し、この特性線の山の左
側のときは高周波インバータ２１が最大電力点に到達す
る前の運転状態にあり、山の右側のときは高周波インバ
ータ２１が最大電力点を過ぎた運転状態にある。

【００３５】そして、駆動制御回路２９は高周波インバ
ータ２１の時々刻々変化する運転状態を判別し、その判
別結果の山の左側又は右側の情報を、前記のＰｍａｘ制
御の状態通知として駆動制御部３５に送る。

【００３６】さらに、この状態通知に基づき、駆動制御
部３５は駆動制御部２８の駆動回路３０を介して高周波
インバータ２１のＰＷＭパルスのパルス幅を可変補正
し、その運転を制御し、ＤＣ／ＡＣインバータ部２０の
直流入力電圧を、極力その低周波インバータ３１の素子
耐圧等に基づいて設定された例えば４２０Ｖの上限電圧
に近づくように、上昇補正する。

【００３７】すなわち、この連系インバータ１８は駆動
制御部３５のソフトウェア制御により、ＤＣ／ＡＣイン
バータ部２０の直流入力電圧が上限電圧より低いとき
に、高周波インバータ２１をＰｍａｘ制御の運転状態に
保ってＤＣ／ＡＣインバータ部２０の直流入力電圧が上
昇するように、高周波インバータ２１の運転を制御し、
その駆動のデューティ比を大きくしてＤＣ／ＤＣコンバ
ータ部１９のモジュレーションを高くする手段が形成さ
れ、また、ＤＣ／ＡＣインバータ部２０の直流入力電圧
が上限電圧に上昇したときに、高周波インバータ２１を
Ｐｍａｘ制御の運転状態に保ってＤＣ／ＡＣインバータ
部２０の直流入力電圧が上限電圧に保つように、高周波
インバータ２１の運転を制御し、その駆動のデューティ
比を可変してＤＣ／ＤＣコンバータ部１９のモジュレー
ションを調整する手段も形成される。この両手段によ
り、具体的には図２のフローチャートに示す運転制御が
行われる。

【００３８】この運転制御にあっては、ＤＣ／ＡＣイン
バータ部２０の直流入力電圧の指令値の電圧をＶ_DC・REF
とし、その直流入力電圧の上限電圧を４２０Ｖとする
と、ステップＳ₁ により、駆動制御部３５がＶ_DC・REF＜
４２０Ｖか否かを判別し、Ｖ_{DC ・REF}＜４２０ＶでＤＣ／
ＡＣインバータ部２０の直流入力電圧が上限電圧より低
いときは、ステップＳ₁からステップＳ₂に移行する。

【００３９】そして、駆動制御部３５により、駆動回路
３０から出力される駆動パルスのデューティ比を単位量
増大補正し、ＤＣ／ＤＣコンバータ部１９のモジュレー
ションを高くする。

【００４０】さらに、ステップＳ₃ に移行し、駆動制御
部２９からのＰｍａｘ制御の状態通知に基づき、駆動制
御部３５が高周波インバータ２１の運転状態が前記山の
左側か右側かを判別する。

【００４１】この判別結果が山の左側（最大電力点到達
前）であれば、太陽電池１から取出す出力が少ないた
め、ステップＳ₃からステップＳ₄に移行してＤＣ／ＡＣ
インバータ部２０の指令値の電圧Ｖ_DC・REFを単位量引下
げ、逆に判別結果が山の右側（最大電力点通過後）であ
れば、電圧を高くして変換効率を改善するため、ステッ
プＳ₃からステップＳ₅に移行してＤＣ／ＡＣインバータ
部２０の指令値の電圧Ｖ _DC・REFを単位量引上げる。

【００４２】そして、ステップＳ₁からステップＳ₂，Ｓ
₃を介してステップＳ₄はステップＳ ₅ に到る制御処理の
くり返しにより、ＤＣ／ＤＣコンバータ部１９の高周波
インバータ２１は、太陽電池１７の低出力時にもその最
大電力点の電力を取出す運転状態に制御され、かつ、Ｄ
Ｃ／ＡＣインバータ部２０の低周波インバータ３１は、
その直流入力電圧が上限電圧（４２０Ｖ）に極力近づく
ように引上げられる。

【００４３】このとき、低周波インバータ３１の直流入
力電圧の上昇にしたがってＤＣ／ＤＣコンバータ部１９
のモジュレーションが高くなり、その高周波インバータ
２１の高周波交流の電圧が上昇し、フィルタ２５からＤ
Ｃ／ＡＣインバータ部２０の低周波インバータ３１に供
給される直流電源の電圧が上昇する。

【００４４】そして、太陽電池１７の直流出力が少ない
連系インバータの例えば５０％の低出力時、ＤＣ／ＤＣ
コンバータ部１９からＤＣ／ＡＣインバータ部２０に給
電される直流電源の電圧が４２０Ｖに引上げられると、
ＤＣ／ＤＣコンバータ部１９のモジュレーションＭ
（５）’は、前記数２の式と同様のつぎの数５の式に示
すように、Ｍ（５）’＝０．５２になり、従来装置のモ
ジュレーションＭ（５）＝０．４９より高くなる。

【００４５】

【数５】Ｍ（５）’＝０．５×｛４２０÷（２７０×
１．５）｝＝０．５２

【００４６】さらに、このモジュレーションＭ（５）’
に基づくＤＣ／ＤＣコンバータ部１９の出力電流を
Ｉ_DC’とすると、出力電流Ｉ_DC’は、つぎの数６の式に
示すように、Ｉ_DC’＝３５．６Ａになって従来装置の電
流Ｉ_DC＝３９．４Ａより減少する。

【００４７】

【数６】 Ｉ_DC’＝５０００Ｗ÷２７０Ｖ÷０．５２＝３５．６Ａ

【００４８】そして、この電流Ｉ_DC’の減少によりＤＣ
／ＤＣコンバータ部１９の波形率が従来より改善され、
連系インバータ１８全体の効率が改善されて向上する。

【００４９】つぎに、太陽電池１の直流出力が十分に大
きくなる連系インバータの定格運転時は、ＤＣ／ＡＣイ
ンバータ部２０の指令値の電圧Ｖ_DC・REFが上限電圧に上
昇し、このとき、図２のステップＳ₁からステップＳ₆に
移動し、駆動制御部３５により電圧Ｖ_DC・REFを上限電圧
（４２０Ｖ）に保ってＤＣ／ＡＣインバータ部２０の直
流入力電圧を上限電圧に固定し、低周波インバータ３１
の直流電圧の過大を防止する。

【００５０】さらに、ステップＳ₇ に移行し、制御回路
２９からのＰｍａｘ制御の状態通知に基づき、駆動制御
部３５がステップＳ₃ と同様にして高周波インバータ２
１の運転状態が山の左側か右側かを判別する。

【００５１】そして、駆動制御部３５は、山の左側（最
大電力点到達前）であれば、ステップＳ₇からステップ
Ｓ₈に移行し、駆動回路３０を介して高周波インバータ
２１のスイッチングのデューティ比を大きくし、ＤＣ／
ＤＣコンバータ部１９のモジュレーションを高くする。

【００５２】また、山の右側（最大電力点通過後）であ
れば、ステップＳ₇ からステップＳ ₉に移行し、ステッ
プＳ₈とは逆に、高周波インバータ２１のスイッチング
のデューティ比を小さくしてＤＣ／ＤＣコンバータ部１
９のモジュレーションを低くし、ＤＣ／ＤＣコンバータ
部１９をＰｍａｘ制御運転する。

【００５３】このとき、ＤＣ／ＤＣコンバータ部１９の
モジュレーションをＭ（１０）’とすると、このモジュ
レーションＭ（１０）’は、ＤＣ／ＡＣインバータ部２
０の直流入力電圧が従来装置の３８０Ｖから４２０Ｖに
上昇するため、従来装置のモジュレーションＭ（１０）
＝０．９４より高くなる。そのため、連系インバータ１
８の高出力時の効率も改善されて向上する。

【００５４】そして、とくに低出力時の効率が大きく改
善されるため、連系インバータ１８は、その出力状態に
よらず、高効率で系統電源３２に連系運転され、高周波
リンク方式の連系インバータを用いた効率の高い太陽光
発電装置を提供することができる。

【００５５】

【発明の効果】本発明は、以下に記載する効果を奏す
る。太陽電池１７の直流出力が小さい連系インバータ１
８の低出力時、ＤＣ／ＤＣコンバータ部１９の高周波イ
ンバータ２１を最大電力点追尾制御運転し、しかも、Ｄ
Ｃ／ＤＣコンバータ部１９のモジュレーションを高くし
てＤＣ／ＡＣインバータ部２０の直流入力電圧を、極力
その上限電圧（例えば４２０Ｖ）になるように、高くす
ることができる。

【００５６】この場合、ＤＣ／ＡＣインバータ部２０の
直流入力電圧を上限電圧より低い一定電圧（例えば３８
０Ｖ）に固定してＤＣ／ＤＣコンバータ部１９の高周波
インバータ２１を最大電力点追尾制御運転する従来装置
より、ＤＣ／ＤＣコンバータ部１９のモジュレーション
が高くなり、コンバータ部１９からインバータ部２０に
流れる電流Ｉ_DCが減少してその波形率を改善し、連系イ
ンバータ１８全体の効率を改善して向上することができ
る。

【００５７】また、太陽電池１７の出力が十分大きい連
系インバータ１８の定格運転時等は、ＤＣ／ＡＣインバ
ータ部２０の直流入力電圧が上限電圧に保持され、この
電圧を越えないようにして高周波インバータ２０を最大
電力点追尾制御運転することができ、この場合も、ＤＣ
／ＡＣインバータ部２０の直流入力電圧が従来装置の直
流入力電圧より高くなるため、連系インバータ１８の効
率を改善して向上することができる。

【００５８】したがって、高周波リンク方式の連系イン
バータを用いたこの種の太陽電池発電装置において、太
陽電池１７の出力状態によらず、高い効率で系統電源３
２に連系運転することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の１形態のブロック結線図であ
る。

【図２】図１の動作説明用のフローチャートである。

【図３】従来例のブロック結線図である。

【符号の説明】

１，１７ 太陽電池 ２，１８ 連系インバータ ３，１９ ＤＣ／ＤＣコンバータ部 ４，２０ ＤＣ／ＡＣインバータ部 ５，２１ 高周波インバータ ６，２２ 高周波トランス ７，２３ 整流平滑部 １０，３２ 系統電源

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 5F051 KA03 KA04 5G066 HB06 5H420 BB03 BB12 CC03 DD03 DD04 EB09 EB11 EB26 EB29 EB39 FF03 FF24 FF25 GG07

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 高周波リンク方式の連系インバータのＤ
   Ｃ／ＤＣコンバータ部に設けられた高周波インバータに
   より、太陽電池の直流出力を高周波交流に変換し、 前記高周波交流を高周波トランスを介して前記ＤＣ／Ｄ
   Ｃコンバータ部の整流平滑部に供給し、 前記整流平滑部により、前記高周波交流を整流，平滑し
   て後段のＤＣ／ＡＣインバータ部の直流電源を形成し、 前記ＤＣ／ＡＣインバータ部により、前記直流電源を系
   統周波数の連系出力の交流に変換して系統側に出力する
   太陽光発電装置において、 前記高周波インバータの直流の電圧，電流を監視して前
   記高周波インバータを前記太陽電池の最大電力点追尾制
   御で運転する手段と、 前記ＤＣ／ＡＣインバータ部の直流入力電圧が上限電圧
   より低いときに、前記最大電力点追尾制御の運転状態で
   前記直流入力電圧が上昇するように、前記高周波インバ
   ータの運転を制御して前記ＤＣ／ＤＣコンバータ部のモ
   ジュレーションを高くする手段と、 前記直流入力電圧が前記上限電圧に上昇したときに、前
   記最大電力点追尾制御の運転状態で前記直流入力電圧が
   前記上限電圧に保たれるように、前記高周波インバータ
   の運転を制御して前記ＤＣ／ＤＣコンバータ部のモジュ
   レーションを調整する手段とを備えたことを特徴とする
   太陽光発電装置。