JP2015056003A - 共振形インバータと多段倍電圧整流回路を用いた太陽電池部分影補償装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】太陽電池モジュール鎖の出力電圧をインバータに入力して交流電圧に変換し、多段倍電圧整流回路を介して当該交流電圧を太陽電池モジュール鎖に印加することにより、影モジュールに補償電流を優先的に供給する。補償電流によって太陽電池モジュール鎖全体の出力電流を維持すると同時に、補償電流の経路上で発生するインピーダンスにより影モジュールの動作電圧を降下させる。
【選択図】図8
Description
4直列の太陽電池モジュールPV1〜PV4を用いて構成される、本発明による太陽電池調整システムの概念図を図6に示す。図6中、VPV1〜VPV4,IPV1〜IPV4は、それぞれ太陽電池モジュールPV1〜PV4に印加される電圧、及びそれらから出力される電流を表し、Ieq1〜Ieq4は、それぞれ太陽電池モジュールPV1〜PV4に対してPV疑似均等化器から供給される電流を表す。Istringは、太陽電池モジュールPV1〜PV4から構成される太陽電池モジュール鎖全体に流れる電流を表し、この電流が、太陽電池モジュール鎖に対して接続される負荷(不図示)へと出力される負荷電流ILoadと、PV擬似均等化器への入力電流Ieq-inとに寄与する。VStringは太陽電池モジュール鎖の両端に印加される電圧である。
の関係が成り立つ。例えば定電圧負荷を用いる場合VLoadは一定となるため、検出回路によって太陽電池モジュール鎖、あるいは各太陽電池モジュールの発生する電力を検出しつつ、DC−DCコンバータ制御回路によって時比率Dを制御することにより、最大電力が得られるよう各太陽電池モジュールの電圧を制御することができる。日照モジュールから最大電力を得るためには図5の破線Bで示される電圧を印加するべきであるが、このとき日照モジュールに流れる電流は影モジュールが流しうる最大電流を超えている。したがって、日照モジュールの最大電力に対応する電流は影モジュールを流れることができず、一切の電流補償手段がないならば影モジュールから最大電力を得ることは不可能となる。
で表される電流IStringを、太陽電池モジュール鎖が流しうることとなる。
4直列の太陽電池モジュールPV1〜PV4に対する本発明の太陽電池調整システムの第1の実施形態を図8に示す。図8の回路構成は、図6,図7のPV擬似均等化器が直列共振形インバータと多段倍電圧整流回路により構成される例である。
直列共振形インバータは、直列接続されたスイッチQa,Qbの各々にフライホイールダイオードDa,Dbを並列接続することにより構成されるハーフブリッジ型セルに、キャパシタCrとインダクタLrとを直列接続し、更に多段倍電圧整流回路との間にトランスを設けることにより構成される。ここで、図8中、iSa,iSbはスイッチQa,Qbにそれぞれ流れる電流を表し、VDSa,VDSbはスイッチQa,Qbそれぞれに印加される電圧を表し、iLrはインダクタLrに流れる電流を表し、VTP,VTSは、それぞれトランスの一次電圧、二次電圧を表す。なお、図8中、直列共振形インバータ内の1〜4の数字は、便宜上付けられた端子番号に対応する。
多段倍電圧整流回路は、直列接続されたキャパシタCout1〜Cout4と、各々のキャパシタに対して2つの直列接続されたダイオードを並列に接続してなる、ダイオードD1〜D8と、2つの直列接続されたダイオードの各々における中間点にキャパシタを接続してなる、中間キャパシタC1〜C4とから構成される。ここで、図8中、iC1〜iC4は、中間キャパシタC1〜C4にそれぞれ流れる電流を表す。なお、キャパシタの直列接続数は、4に限らず2以上の任意の数であってよい。
直列共振形インバータは直列接続された太陽電池モジュールPV1〜PV4により駆動され、多段倍電圧整流回路に対してトランス二次巻線の部位において正弦波状の交流電流を供給する。一方、多段倍電圧整流回路はその正弦波状の交流電流により駆動され、動作時においては直列接続された太陽電池モジュールの中で電圧の最も低いモジュールに対して優先的に電力を分配するよう動作する。図7に示すとおり負荷を接続する等して、直列接続された太陽電池モジュールを使用する場合、一般的に影モジュールの電圧はその他の日照モジュールの電圧よりも低くなる。したがって、本部分影補償装置を用いることで全モジュール(影モジュールも含む)から影モジュールへと電力を分配し、影モジュールにおける電力不足分を補償することができる。以下、詳細な動作原理について説明を行う。
図7に示すとおり、DC−DCコンバータを介して負荷を接続する等して、太陽電池モジュール鎖全体に電圧が印加されており、太陽電池モジュールPV1にのみ影がかかっているとする。従来の一般的な共振形インバータと同様に、キャパシタCrとインダクタLrからなる直列回路の共振周波数よりも高いスイッチング周波数で、スイッチQaのみがオンの状態とスイッチQbのみがオンの状態とを、両スイッチについて50%以下の時比率で交互に切り替える。このようにして本発明の太陽電池調整システムを動作させたときに各素子を流れる電流、及び各素子に印加される電圧の波形を図9に示し、動作中に実現される4つのモード期間中にシステム内を流れる電流の経路を図10a〜図10bに示す(キャパシタCout1〜Cout4は平滑キャパシタとして機能するため、これらに流れる電流は無視する)。なお、図9のグラフ中、VGSa,VGSbは、スイッチQa,Qbのゲート電圧をそれぞれ表し、iD1,iD2はダイオードD1,D2に流れる電流をそれぞれ表す。
直列共振形インバータと多段倍電圧整流回路を組み合わせたシステムは、本発明者による、先の出願(特願2012−046569)に係る発明でも用いられていた(非特許文献5も参照。)。先の出願においては、多段倍電圧整流回路に接続された蓄電セル鎖のセル電圧にばらつきがある場合に、当該蓄電セル鎖の合計セル電圧を直列共振形インバータに入力し、インバータが発生した交流電圧を、多段倍電圧整流回路を介して当該蓄電セル鎖に入力することによって、電圧の低い蓄電セルを充電してセル電圧を均等化していた。
で表される振幅Vm-inの正弦波状電圧で近似する。
で表される正弦波状電圧で近似する。
ただしjは虚数単位を表し、Rr,rm,rnはそれぞれ同符号で表される抵抗の大きさを表し、Cr,Cm,Cnはそれぞれ同符号で表されるキャパシタの容量を表し、Lrは同符号で表されるインダクタのインダクタンスを表し、ωはスイッチQa,Qbのスイッチングの角周波数を表す。
ただしNはトランスの巻き数比である(一次巻線の巻き数:二次巻線の巻き数=N:1)。
ただし、VMP,IMPは、日照モジュールにおけるMPPでの電圧と電流であり、VMP-shaded,IMP-shadedは、上記日照量よりも小さい、ある日照量におけるMPPでの電圧と電流である。
が得られる。太陽電池調整システムの等価出力抵抗Routが(16)式を満たす場合、日照モジュールのみならず、影モジュールもその時の最大電力点電圧近傍で動作させることが可能になる。
図8の回路構成を備えた本発明の太陽電池調整システムについて、以下のとおり実験を行った。
まず、図8の回路構成を備えた太陽電池調整システムを構築した。なお、中間キャパシタC1〜C4の容量は33μFであり、平滑キャパシタCout1〜Cout4の容量は66μFであり、ダイオードD1〜D8は順方向電圧降下VD=0.43Vのショットキーダイオードであり、キャパシタCrの容量は220nFであり、インダクタLrのインダクタンスは18.6μHであり、トランスの一次巻線の巻き数は23、二次巻線の巻き数は6であった(巻き数比N=23/6)。
次に、太陽電池モジュールPV1〜PV4として太陽電池アレイ・シミュレータ(Agilent Technologies社製、E4350B)を図8と同じ回路構成のシステムに接続し、部分影が発生している状態を擬似的に実現した。具体的には、4つの(擬似)太陽電池モジュールPV1〜PV4により構成される太陽電池モジュール鎖の中で太陽電池モジュールPV1にのみ影がかかった場合を想定し、太陽電池モジュールPV2〜PV4のVMPとIMPはそれぞれ12V,4.0Aにシミュレータで設定し、太陽電池モジュールPV1のVMP-shadedとIMP-shadedはそれぞれ9.0V,2.0Aと設定した。このような条件の下、スイッチQa,Qbのスイッチング周波数を85kHzとして(Rout=595mΩ)、太陽電池モジュール鎖に印加する電圧を変えつつ太陽電池調整システムを動作させた。
以上では、固定のスイッチング周波数における等価出力抵抗Routを利用して影モジュールに補償電流を供給し、且つインピーダンスの効果により影モジュールの電圧を日照モジュールの電圧と比べて相対的に降下させるという動作について説明を行った。しかしながら、太陽電池の特性は日射量のみならず温度にも大きく影響を受け、更に長期の使用においては特性が劣化する。これらの特性変化・劣化に伴い、図13で示したRPVの値も変化する。(16)式で示したように、本発明の太陽電池調整システムにおいて影モジュールの電力を最大限に活用するためにはRPVの値を考慮してRoutを適切に設定する必要がある。しかし、固定のスイッチング周波数ではRoutを動的に調整できないため、特性変化・劣化に伴うRPVの変化に対応することができない。
以上においては、図8の回路中で主に太陽電池モジュールPV1に影がかかっている場合について説明したが、他のモジュールに影がかかっている場合であっても、本発明の太陽電池調整システムは同様の原理で動作可能である。
本発明の太陽電池調整システムの具体的回路構成は、図8や図27に示した構成に限らず、本発明の範囲内で適宜変更可能である。
Q1〜Q8,QDC-DC,Qa〜Qd スイッチ
L1〜L3,Lr,Lr1,Lr2,LDC-DC インダクタ
D1〜D8,D1a〜D8a,D1b〜D8b,Da〜Dd,DDC-DC
ダイオード
C1〜C4,C1a〜C4a,C1b〜C4b,Cr,Cr1,Cr2,Cm,Cn,CDC-DC キャパシタ
Cout1〜Cout4,Cout1a〜Cout4a,Cout1b〜Cout4b
平滑キャパシタ
Rr,rm,rn,Rout1 抵抗成分
Claims (10)
- 直列接続された第1から第n(nは2以上の整数)のキャパシタの各々に対して、2つの直列接続されたダイオードが並列に接続され、更に、該2つの直列接続されたダイオードの各々における中間点に中間キャパシタが接続された、多段倍電圧整流回路と、
第k(k=1,2,…n)の前記キャパシタに対して並列接続された第kの太陽電池モジュールとして与えられる第1から第nの太陽電池モジュールを直列接続してなる、太陽電池モジュール鎖と、
前記第1から第nの太陽電池モジュールそれぞれに印加された電圧の合計電圧の入力を受けて、該入力された合計電圧を交流電圧に変換し、該交流電圧を前記多段倍電圧整流回路に出力する、容量性素子と誘導性素子とを備えたインバータと
を備えた、太陽電池調整システム。 - 前記インバータが前記交流電圧の周波数を変更する手段を備えた、請求項1に記載の太陽電池調整システム。
- 前記インバータが、
前記第1から第nの太陽電池モジュールそれぞれに印加された電圧の合計電圧の入力を受けて、スイッチの切り替え状態に応じた電圧を出力する、スイッチを備えた入力回路と、
前記入力回路から出力された電圧を交流電圧に変換し、前記多段倍電圧整流回路に対して該交流電圧を出力する、容量性素子と誘導性素子とを備えた共振回路と
を備えた、請求項2に記載の太陽電池調整システム。 - 前記共振回路が、トランスにより前記交流電圧を変圧した上で前記多段倍電圧整流回路に出力するよう構成された、請求項3に記載の太陽電池調整システム。
- 前記入力回路は、直列接続された第1及び第2のスイッチの各々にフライホイールダイオードを並列接続してなり、
前記第1及び第2のスイッチのうちオンとするスイッチを経時的に切り替えることによって、該第1及び第2のスイッチの両端間に直流電圧が入力されたときに、該第1及び第2のスイッチの中間点にある第1の端子と、該第2のスイッチの両端のうち該第1の端子とは異なる側にある、第2の端子と、の間に矩形波状の電圧を出力するよう構成され、
前記共振回路は、前記第1の端子と第3の端子との間で直列接続されたインダクタと共振回路内キャパシタとを備え、前記入力回路から矩形波状の電圧の入力を受けたときに、前記第3の端子と、前記第2の端子に接続された第4の端子と、の間に交流電圧を出力し、更に該交流電圧をトランスにより変圧した上で前記多段倍電圧整流回路に出力するよう構成された、請求項4に記載の太陽電池調整システム。 - 第1から第n(nは2以上の整数)の太陽電池モジュールを直列接続してなる、太陽電池モジュール鎖と、
第k(k=1,2,…n)の前記太陽電池モジュールに対して並列接続された第kのキャパシタとして与えられる、第1から第nのキャパシタと、2つの直列接続されたダイオードからなり、第k(k=1,2,…n)の前記キャパシタに対して並列接続された第kのダイオードペアとして与えられる、第1から第nのダイオードペアと、該第1から第nのダイオードペア各々における2つの直列接続されたダイオードの中間点に接続された、第1から第nの中間キャパシタと、を備えた第1の多段倍電圧整流回路と、
第k(k=1,2,…n)の前記太陽電池モジュールに対して並列接続された第n+kのキャパシタとして与えられる、第n+1から第2nのキャパシタと、2つの直列接続されたダイオードからなり、第n+kの前記キャパシタに対して並列接続された第n+kのダイオードペアとして与えられる、第n+1から第2nのダイオードペアと、該第n+1から第2nのダイオードペア各々における2つの直列接続されたダイオードの中間点に接続された、第n+1から第2nの中間キャパシタと、を備えた第2の多段倍電圧整流回路と、
前記第1から第nの太陽電池モジュールそれぞれに印加された電圧の合計電圧の入力を受けて、該入力された合計電圧を交流電圧に変換し、該交流電圧をトランスにより変圧した上で出力する、容量性素子と誘導性素子とを備えたインバータと
を備え、
前記トランスの二次巻線の一端が前記第1の多段倍電圧整流回路に接続され、該二次巻線の他端が前記第2の多段倍電圧整流回路に接続された、太陽電池調整システム。 - 前記インバータが前記交流電圧の周波数を変更する手段を備えた、請求項6に記載の太陽電池調整システム。
- 前記インバータが、
前記第1から第nの太陽電池モジュールそれぞれに印加された電圧の合計電圧の入力を受けて、スイッチの切り替え状態に応じた電圧を出力する、スイッチを備えた入力回路と、
前記入力回路から出力された電圧を交流電圧に変換し、該交流電圧をトランスにより変圧した上で出力する、容量性素子と誘導性素子とを備えた共振回路と
を備えた、請求項7に記載の太陽電池調整システム。 - 前記入力回路は、直列接続された第1及び第2のスイッチの各々にフライホイールダイオードを並列接続してなり、
前記第1及び第2のスイッチのうちオンとするスイッチを経時的に切り替えることによって、該第1及び第2のスイッチの両端間に直流電圧が入力されたときに、該第1及び第2のスイッチの中間点にある第1の端子と、該第2のスイッチの両端のうち該第1の端子とは異なる側にある、第2の端子と、の間に矩形波状の電圧を出力するよう構成され、
前記共振回路は、前記第1の端子と第3の端子との間で直列接続されたインダクタと共振回路内キャパシタとを備え、前記入力回路から矩形波状の電圧の入力を受けたときに、前記第3の端子と、前記第2の端子に接続された第4の端子と、の間に交流電圧を出力し、更に該交流電圧をトランスにより変圧した上で出力するよう構成された、請求項8に記載の太陽電池調整システム。 - 請求項2乃至5、及び7乃至9のいずれか一項に記載の太陽電池調整システムを用いて、前記太陽電池モジュール鎖の動作状態を制御する方法であって、
前記太陽電池モジュール鎖の出力電力を計測する段階と、
前記インバータにより出力される交流電圧の周波数を変更する段階と、
前記周波数を変更した後に、前記太陽電池モジュール鎖の出力電力を計測する段階と、
前記周波数を変更した後に計測された出力電力が、変更する前に計測された出力電力よりも高い場合に、該変更が該周波数の上昇であったならば該周波数を再び上昇させ、該変更が該周波数の下降であったならば該周波数を再び下降させる段階と、
前記周波数を変更した後に計測された出力電力が、変更する前に計測された出力電力よりも低い場合に、該変更が該周波数の上昇であったならば該周波数を下降させ、該変更が該周波数の下降であったならば該周波数を上昇させる段階と
を備え、前記太陽電池モジュール鎖の出力電力の計測と、前記インバータにより出力される交流電圧の周波数の変更と、を繰り返すことにより該太陽電池モジュール鎖の動作状態を制御する方法。
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