JP2014038567A

JP2014038567A - パワーコンディショナ及びその制御方法

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Publication number: JP2014038567A
Application number: JP2012181924A
Authority: JP
Inventors: Hitoshi Kuwabara; 仁桑原
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2012-08-20
Filing date: 2012-08-20
Publication date: 2014-02-27
Anticipated expiration: 2032-08-20
Also published as: JP6013830B2

Abstract

【課題】太陽電池パネルの直列数が異なっていても、太陽電池パネルに特性差があっても安定した起動を行うことができるパワーコンディショナ及びその制御方法を提供する。
【解決手段】パワーコンディショナ１０は、太陽電池パネル１から供給された直流電力を交流電力に変換して、商用の電力系統と連系する電力変換部１３と、電力変換部１３を起動させるための基準となる起動電圧値を記憶する記憶部２２と、太陽電池パネル１からの直流入力電圧値と記憶部２２に記憶されている起動電圧値とを比較して電力変換部１３の起動の判定を行う制御部２１とを備える。制御部２１は、電力変換部１３を起動する場合、太陽電池パネル１からの直流入力電圧値と直流入力電流値の情報を利用してＭＰＰＴ制御を行い、ＭＰＰＴ制御時における太陽電池パネル１からの直流入力電圧値に基づいて新たな起動電圧値を算出する。
【選択図】図１

Description

本発明は、電源装置から供給される直流電力を交流電力に変換するパワーコンディショナ及びその制御方法に関する。

従来、商用の電力系統と連系し、逆潮流を行う太陽光発電システムにおいて、パワーコンディショナは、太陽電池出力の開放電圧値が閾値より大きいか否かにより、電力系統に連系した安定した太陽電池出力が供給可能かどうかを判定し、連系リレーにより電力系統との連系および切り離しを行っている。

特開２００５−１９２３１７号公報

ところで、一般に、設置される太陽電池パネルは様々であり、パワーコンディショナに入力される太陽電池からの開放電圧値も様々な値となる。

本発明は、このような点に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、様々な太陽電池パネルが接続されても安定した起動を行うことができるパワーコンディショナ及びその制御方法を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明のパワーコンディショナは、電源装置から供給された直流電力を交流電力に変換して、商用の電力系統と連系する電力変換部と、前記電力変換部を起動させるための基準となる起動電圧値を記憶する記憶部と、前記電源装置からの直流入力電圧値と前記記憶部に記憶されている起動電圧値とを比較して前記電力変換部の起動の判定を行う制御部とを備えるパワーコンディショナであって、前記制御部は、前記電力変換部を起動する場合、前記電源装置からの直流入力電圧値と直流入力電流値の情報を利用してＭＰＰＴ制御を行い、前記ＭＰＰＴ制御時における前記電源装置からの直流入力電圧値に基づいて新たな起動電圧値を算出することを特徴とする。

前記制御部は、前記新たな起動電圧値を、前記ＭＰＰＴ制御時における前記電源装置からの直流入力電圧値に所定の係数を乗算することにより算出することが好ましい。

また、前記制御部は、算出した前記新たな起動電圧値が、前記記憶部に記憶されている起動電圧値より大きいときは、前記記憶部に記憶されている起動電圧値を更新することが好ましく、前記制御部は、所定期間、前記起動電圧値の更新がないときは、前記記憶部に記憶されている起動電圧値を初期値に戻すことが好ましい。また、前記電源装置は、太陽光発電装置あるいは風力発電装置であることが好ましい。

また、本発明は、電源装置から供給された直流電力を交流電力に変換して、商用の電力系統と連系する電力変換部を備えるパワーコンディショナの制御方法であって、前記電源装置からの直流入力電圧値が、前記電力変換部を起動させるための基準となる起動電圧値より大きいときは、前記電力変換部の起動処理を行うステップと、前記電源装置からの直流入力電圧値と直流入力電流値の情報を利用してＭＰＰＴ制御を行うステップと、前記ＭＰＰＴ制御時における前記電源装置からの直流入力電圧値に基づいて新たに起動電圧値を算出するステップと、を含むことを特徴とする。

本発明は、様々な太陽電池パネルが接続されていても安定した起動を行うことができる。

本発明の実施形態に係るパワーコンディショナの構成を示す図である。太陽電池パネルの直列数が４で日射が１ｋＷ／ｍ^２であった場合のＰ−Ｖカーブを示す図である。太陽電池パネルの直列数が１０で日射が０．０１ｋＷ／ｍ^２であった場合のＰ−Ｖカーブを示す図である。本発明の実施形態に係るパワーコンディショナの動作を説明するフローチャートである。

本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
図１は、本発明の実施形態に係るパワーコンディショナの構成を示す図である。本発明の実施形態に係るパワーコンディショナ１０は、電力変換部１３と、連系リレー１４と、制御部２１と、記憶部２２を備えている。

電力変換部１３は、電源装置としての太陽電池パネル１で発電されたＤＣ電力を商用の電力系統２と同様の品質を有するＡＣ電力に変換し、商用の電力系統２と連系して電力系統２へ逆潮流する。電力変換部１３は、ＤＣ／ＤＣ変換部１５と、ＤＣ／ＡＣ変換部１６からなる。ＤＣ／ＤＣ変換部１５は、太陽電池パネル１の発生電圧をＤＣ／ＡＣ変換部１６で使えるＤＣ電圧に変換し、ＤＣ／ＡＣ変換部１６は、ＤＣ／ＤＣ変換部１５で変換されたＤＣ電圧を商用のＡＣ電圧に変換する。

連系リレー１４は、必要に応じて電力系統２から遮断する時にオフさせる。

また、パワーコンディショナ１０は、入力電圧センサ１１と、入力電流センサ１２を備え、入力電圧センサ１１で太陽電池パネル１が発生する電圧を測定し、入力電流センサ１２で太陽電池パネル１からの電流を測定する。入力電圧センサ１１で測定された入力電圧値および入力電流センサ１２で測定された入力電流値は、制御部２１に入力される。制御部２１は、入力電圧値と入力電流値の情報を利用して、太陽電池パネル１が最大電力で出力できるようＤＣ／ＤＣ変換部１５を制御し、ＭＰＰＴ（最大電力点追従）を実現する。また、記憶部２２は、様々なデータを記憶し、特に電力変換部１３を起動させるための基準となる起動電圧値を記憶する。記憶部２２は、パワーコンディショナ１０が動作していない状況でも常にデータの保持が行える不揮発性である。

また、制御部２１は、入力電圧センサ１１からの入力電圧値と記憶部２２に記憶されている起動電圧値とを比較して電力変換部１３を起動するか否かの判定を行う。制御部２１は、比較の結果、電力変換部１３を起動すると判定したときは、電力変換部１３を起動した後、入力電圧センサ１１からの入力電圧値と入力電流センサ１２からの入力電流値の情報を利用してＭＰＰＴ制御を行い、安定して電力を出力している状態での太陽電池パネル１の出力電圧（Ｖｍ）値を入力電圧センサ１１で測定する。

制御部２１は、測定されたＶｍ値に基づいて現在のシステムで安定して発電できる新たな起動電圧値を決定し、新たな起動電圧値が、記憶部２２に記憶されている起動電圧値より大きいときは、記憶部２２に記憶されている起動電圧値を更新する。制御部２１は、次回、電力変換部１３を起動する際には、更新された起動電圧値と入力電圧値とを比較して電力変換部１３を起動するか否かの判定を行う。

また、制御部２１は、所定期間（例えば、１週間乃至３ヶ月）、起動電圧値の更新がないときは、記憶部２２に記憶されている起動電圧値を初期値に戻す。初期値は、例えば、太陽電池パネルが最小直列数でも起動する電圧値である。あるいは、記憶部２２に記憶されている起動電圧値に1未満の所定の係数を乗算した値に設定し直すように構成してもよい。

なお、本実施形態では、電源装置を太陽光発電装置（太陽電池パネル）として、本発明のパワーコンディショナシステムを説明するが、電源装置は、風力発電装置でも良い。

ここで、起動電圧値と開放電圧値について説明を行う。
まず、太陽光発電システムにおいて、太陽電池による最大発電量は日射量によって増減し、それに応じてパワーコンディショナが出力する最大電力も増減することが知られている。そして、太陽電池パネルの出力端が開放された状態における電圧値（パワーコンディショナによる太陽電池パネルからの入力電圧に対する制御実施前の電圧）、すなわち開放電圧値に関しては、ある程度以上の日射量があった場合にはそれほど変わらない。すなわち、開放電圧値とは、日射量が少ない時には低く、日射量が増加すれば上昇し、日射量がある程度以上になれば大きく変動しない、という特性を有する。このように、開放電圧値は基本的に日射量に依存しており、この値を基準として太陽電池パネルから安定した出力が可能な状態であるか否かを判断することができる。つまり、開放電圧値を基準としてパワーコンディショナから安定した出力が可能な状態であるか否かを判断することができるようになる。

ところで、安定した出力を行うことのできない状態においては、接続される負荷や系統への影響を考慮して、連系リレーがＯＦＦされ、さらにパワーコンディショナについても停止されることが望ましい。このような理由により、パワーコンディショナは、開放電圧値が所定の基準値未満においては停止させ、所定の基準値を超えれば起動させる。この所定の基準値が起動電圧値である。言い換えれば、起動電圧値とは、安定した出力を確保可能な日射状態となった、と判断するための開放電圧値の下限値である。

しかしながら、開放電圧値は、日射量以外にも変動要因を有している。したがって、起動電圧値についても、このような変動要因についても考慮する必要が有る。
次にこの点についての説明を行う。

一般に、パワーコンディショナに接続される太陽電池は様々である。そもそも、太陽電池は複数枚の太陽電池パネルを直列に接続して使用されるものである。また、一般家庭向けの太陽光発電システムでは、屋根の形状や面積により、設置可能な太陽電池パネル数は様々である。（なお、本発明の実施の形態においては、このように直列に接続された太陽電池パネルの集合を、図１に示す太陽電池パネル１として表現している。）さらには、太陽電池パネル毎に特性差がある。したがって、各家庭にて構築される太陽光発電システム毎に、それぞれのパワーコンディショナに入力される太陽電池からの開放電圧値も様々な値となってしまう。このため、太陽光発電システムにおけるパネルの開放電圧値および起動電圧値を得るためには、太陽電池パネル自体の特性と、接続されるパネル数についても把握する必要がある。

例として、図２と図３に、直列数の異なる太陽電池パネルで日射を変更した際のシミュレーションを示す。図２は、太陽電池パネルの直列数が４で日射が１ｋＷ／ｍ^２であった場合のＰ−Ｖカーブである。最大電力（Ｐｍｐｐ）は７４５Ｗとなっており、その際の開放電圧（Ｖｏｃ）１１７．３Ｖである。一方、図３は、太陽電池パネルの直列数が１０で日射が０．０１ｋＷ／ｍ^２であった場合のＰ−Ｖカーブである。最大電力は１０Ｗであり、図２の例における発電量の１／７４．５という非常に低い値となっているが、開放電圧値は１８２．９Ｖと図２の例における開放電圧値より高い値になっている。このように、開放電圧値が高いからといって、十分な発電ができるとは限らず、起動電圧値を決定する際には、太陽電池パネル自体の特性、および接続されるパネル数とが非常に重要な値となる。

図２の例においては、開放電圧（Ｖｏｃ）１１７．３Ｖの状態で充分な発電量を確保できる。そこで仮に、開放電圧（Ｖｏｃ）１１７．３Ｖの状態でパワーコンディショナが動作しているように起動電圧値を１１７．３Ｖよりも低く設定してあるにもかかわらず、実際のシステムの太陽電池パネル直列数が図３の例のように構成されていた場合について考える。この場合、開放電圧値が低い、つまり低日射量時（低出力時）には出力がほとんどないにもかかわらず、パワーコンディショナが起動されてしまう、という状態となってしまう。ひいては、パワーコンディショナからの出力が不安定となり、連系リレーが頻繁にＯＮ／ＯＦＦを繰り返して物理的な騒音が多くなったり、頻繁なＯＮ／ＯＦＦの繰り返しによって連系リレーが劣化し、パワーコンディショナの寿命が低下してしまったりするという事態が生じてしまう。逆に、図３のシステムの例に合わせた起動電圧値のまま、図２のシステムの例のような太陽電池パネルの直列数となっていた場合には、例えば開放電圧（Ｖｏｃ）が１１７．３Ｖとなり、実際には安定した出力が得られるはずであるにもかかわらず、開放電圧値が起動電圧値に至らないと判断されるためにパワーコンディショナが起動されない、という事態が生じてしまう。
このため、太陽光発電システムにおけるパネルの開放電圧値および起動電圧値を得るためには、太陽電池パネル自体の特性と、接続されるパネル数とを特定する必要がある。

図４は、本発明の実施形態に係るパワーコンディショナの動作を説明するフローチャートである。

制御部２１は、記憶部２２に記憶していた起動電圧値（Ｖｏｐ）を読み出す（Ｓ１０１）。次に、制御部２１は、入力電圧センサ１１が測定した入力電圧値（Ｖｉｎ）を取得する（Ｓ１０２）。更に、制御部２１は、入力電圧値（Ｖｉｎ）と起動電圧値（Ｖｏｐ）とを比較する（Ｓ１０３）。

制御部２１は、入力電圧値（Ｖｉｎ）が小さい場合（Ｓ１０３でＮｏの場合）は十分な起動電圧ではないと判断し、Ｓ１０２に戻る。制御部２１は、入力電圧値（Ｖｉｎ）が大きい場合（Ｓ１０３でＹｅｓの場合）は起動に十分な電力があると判断し、パワーコンディショナ１０の起動処理を行い、更に、ＭＰＰＴ制御を開始する（Ｓ１０４）。次に、ＭＰＰＴ制御を開始した後、制御部２１は、動作が安定しているかどうかを判断する（Ｓ１０５）。動作が安定しているかどうかの判断は、「ＭＰＰＴ制御時の電圧（ＭＰＰ電圧：Ｖｍ）が、所定時間の間、所定の範囲内にあったか否か」や「太陽電池パネルからの入力電力が、所定時間の間、所定の範囲内にあったか否か」等の情報に基づいて行う。

制御部２１は、動作が安定していないと判断した場合（Ｓ１０５でＮｏの場合）はＳ１０５の処理を繰り返す。制御部２１は、動作が安定していると判断した場合（Ｓ１０５でＹｅｓの場合）は、その時に入力電圧センサ１１が測定したＭＰＰ電圧（Ｖｍ）を取得し（Ｓ１０６）、更に、ＭＰＰ電圧（Ｖｍ）値に基づいて最適な起動電圧値（Ｖｏｐ）を計算する（Ｓ１０７）。最適な起動電圧値（Ｖｏｐ）は、例えば、ＭＰＰ電圧（Ｖｍ）に所定の係数を乗算することにより求める。所定の係数の計算にはＶｍ値とＰ−Ｖカーブより見積もる方法などがある。すなわち、Ｖｍ値を特定し、Ｐ−Ｖカーブのデータに対比することにより最適な起動電圧値（Ｖｏｐ）を算出する。

制御部２１は、最適な起動電圧値（Ｖｏｐ）を計算したならば、記憶部２２に記憶されている起動電圧値と比較し、最適な起動電圧値（Ｖｏｐ）が、記憶部２２に記憶されている起動電圧値より大きいときは、この電圧値（Ｖｏｐ）を次回の起動電圧値とするために、新たな起動電圧値として記憶部２２に書き込む（Ｓ１０８）。

上述した処理を行うことで、本発明のパワーコンディショナは、太陽光発電システムによって太陽電池パネルの直列数が異なっている場合でも、また、太陽電池パネルに特性差がある場合でも太陽電池パネルの出力が安定した状態で起動を行うことができる。

また、本発明のパワーコンディショナは、太陽電池パネルの出力が安定した状態で起動を行うことができるので、連系リレーのＯＮ／ＯＦＦが少なくなることによって物理的な騒音も少なくなり、また、連系リレーの劣化によるパワーコンディショナの寿命の低下も回避することができる。

また、太陽光発電システムの施工時に太陽電池パネルの直列数を作業者がパワーコンディショナに入力し、それに対応する起動電圧値を設定するようなことを行わずとも、本発明のパワーコンディショナは、自動的に太陽電池パネルの出力が安定した状態で起動を行うことができるので、施工時の設定ミスに起因する動作不具合も生じない。

１太陽電池パネル
２電力系統
１０パワーコンディショナ
１１入力電圧センサ
１２入力電流センサ
１３電力変換部
１４連系リレー
１５ＤＣ／ＤＣ変換部
１６ＤＣ／ＡＣ変換部
２１制御部
２２記憶部

Claims

電源装置から供給された直流電力を交流電力に変換して、商用の電力系統と連系する電力変換部と、前記電力変換部を起動させるための基準となる起動電圧値を記憶する記憶部と、前記電源装置からの直流入力電圧値と前記記憶部に記憶されている起動電圧値とを比較して前記電力変換部の起動の判定を行う制御部とを備えるパワーコンディショナであって、
前記制御部は、前記電力変換部を起動する場合、前記電源装置からの直流入力電圧値と直流入力電流値の情報を利用してＭＰＰＴ制御を行い、前記ＭＰＰＴ制御時における前記電源装置からの直流入力電圧値に基づいて新たな起動電圧値を算出することを特徴とするパワーコンディショナ。
前記制御部は、前記新たな起動電圧値を、前記ＭＰＰＴ制御時における前記電源装置からの直流入力電圧値に所定の係数を乗算することにより算出することを特徴とする請求項１に記載のパワーコンディショナ。
前記制御部は、算出した前記新たな起動電圧値が、前記記憶部に記憶されている起動電圧値より大きいときは、前記記憶部に記憶されている起動電圧値を更新することを特徴とする請求項１または２に記載のパワーコンディショナ。
前記制御部は、所定期間、前記起動電圧値の更新がないときは、前記記憶部に記憶されている起動電圧値を初期値に戻すことを特徴とする請求項３に記載のパワーコンディショナ。
前記電源装置は、太陽光発電装置あるいは風力発電装置であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のパワーコンディショナ。
電源装置から供給された直流電力を交流電力に変換して、商用の電力系統と連系する電力変換部を備えるパワーコンディショナの制御方法であって、
前記電源装置からの直流入力電圧値が、前記電力変換部を起動させるための基準となる起動電圧値より大きいときは、前記電力変換部の起動処理を行うステップと、
前記電源装置からの直流入力電圧値と直流入力電流値の情報を利用してＭＰＰＴ制御を行うステップと、
前記ＭＰＰＴ制御時における前記電源装置からの直流入力電圧値に基づいて新たに起動電圧値を算出するステップと、
を含むことを特徴とするパワーコンディショナの制御方法。