JP2016041010A - Power conditioner and method for controlling the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、直流電力の入力部を複数有するパワーコンディショナ及びその制御方法に関するものである。 The present invention relates to a power conditioner having a plurality of DC power input units and a control method thereof.
従来、パワーコンディショナは、商用電力系統(以下、「系統」ともいう)の瞬時電圧低下(以下、「瞬低」ともいう)に対して、対策を施して対応することが求められている。具体的には、系統へ連系しているパワーコンディショナの不要な解列を極力防ぐため、瞬低の電圧低下時間が一定時間以内の場合は、パワーコンディショナを解列せず、運転継続又は自動復帰できるシステムとすることが求められている(例えば、非特許文献1参照)。 Conventionally, power conditioners are required to take measures against an instantaneous voltage drop (hereinafter also referred to as “instantaneous drop”) of a commercial power system (hereinafter also referred to as “system”). Specifically, in order to prevent unnecessary disconnection of the power conditioner connected to the system, if the voltage drop time of the instantaneous drop is within a certain time, the power conditioner is not disconnected and the operation is continued. Or it is calculated | required to set it as the system which can be reset automatically (for example, refer nonpatent literature 1).
図8を用いて、従来のパワーコンディショナ2において運転中に瞬低が発生した場合の動作について述べる。一般的に、太陽光発電用パワーコンディショナは、制御部24において、太陽電池からの入力電力を最大限に引き出すために最大電力点追従(MPPT:Maximum Power Point Tracking)制御を行うことが知られている(例えば、特許文献1及び特許文献2参照)。
With reference to FIG. 8, the operation when a sag occurs during operation in the conventional power conditioner 2 will be described. In general, it is known that a power conditioner for photovoltaic power generation performs maximum power point tracking (MPPT) control in the
制御部24は、DC/DCコンバータ21を制御することで、太陽電池の入力電圧を調整する。DC/DCコンバータ21でMPPT制御することにより、系統25の状況とは関係なく、常に太陽電池20から最大電力を得て、それをインバータ23で系統電圧値や出力電流値を用いて系統25に逆潮流している。そのため、系統25の瞬低が発生すると、系統電圧の低下度合いに比例して出力電流が急増することになる。
The
例として、系統電圧200V、出力電流20Aで逆潮流していた場合に、図9に示すように200Vから40Vまでt1秒間の瞬低が発生した状況を考える。DC/DCコンバータ21のMPPT制御により、インバータ23は瞬低発生後も20Aを系統25へ出力しようとする。この場合、瞬低前の出力電力P1は、P1=20A×v1=20A×200V=4000Wとなる。MPPT制御の働きにより、瞬低後も電力P1を出力し続けようとする。そのため、瞬低後の出力電力P2は、P2=4000W=I2×40Vより、I2=100Aとなり、パワーコンディショナ2は瞬低が発生すると100Aを出力しようとする。
As an example, let us consider a situation where an instantaneous drop occurs for 200 seconds from 40V to t1 seconds when a reverse power flow occurs at a system voltage of 200V and an output current of 20A. Due to the MPPT control of the DC /
このように、瞬低が発生するとパワーコンディショナ2の出力電流は増加する。ただし、実際の出力電流の上限はハードウエアの定格電流で規制されるため、通常は出力過電流として運転停止に至る。また、出力電流を規制することで、出力できない入力電力は平滑コンデンサ22にエネルギーが蓄積され、平滑コンデンサ22の端子間電圧(内部直流電圧)が急激に上昇することになる。この場合は、平滑コンデンサ22の過電圧保護のため、過電圧異常としてやはり運転停止に至る。
As described above, when a voltage sag occurs, the output current of the power conditioner 2 increases. However, since the upper limit of the actual output current is regulated by the rated current of the hardware, the operation is usually stopped as an output overcurrent. In addition, by regulating the output current, energy of the input power that cannot be output is accumulated in the smoothing
近年では、太陽光発電の普及に伴い、パワーコンディショナが広く普及しつつある。今後さらに普及が進むと、大量に導入されたパワーコンディショナが系統に与える影響が大きくなる。特に、系統の瞬低が発生した場合にパワーコンディショナが一斉に運転停止したり、瞬低回復後もしばらく運転を再開しないような状況になったりすると、系統が不安定になる危険性がある。そのため、今後開発されるパワーコンディショナには、瞬低時にも安定して運転できること、及び瞬低回復時に瞬低前の出力まで速やかに復帰することの2点が新たに求められている(例えば、非特許文献2参照)。 In recent years, with the spread of solar power generation, power conditioners are becoming widespread. As further spreads in the future, the influence of power conditioners introduced in large quantities on the system will increase. In particular, there is a risk that the system will become unstable if the power conditioner is shut down all at once when a system sag occurs, or if the system does not resume operation for a while after recovery from the sag. . For this reason, power conditioners that will be developed in the future are newly required to be able to operate stably even during a sag and to quickly return to the output before the sag when the sag recovers (for example, Non-Patent Document 2).
瞬低回復時に出力を迅速に復帰させる運転安定化方法として、瞬低中の出力電流を瞬低発生前の値となるように出力制御を行うと共に、内部直流電圧(平滑コンデンサの端子間電圧)を予め設定された目標電圧となるように直流入力電流を変化させる自動制御方法が知られている(例えば、特許文献3参照)。この方法では、系統電圧低下による出力過電流及び平滑コンデンサの過電圧がともに抑制されることで運転継続が可能である。 As an operation stabilization method that quickly restores the output when the voltage drop recovers, output control is performed so that the output current during the voltage drop becomes the value before the voltage drop occurs, and the internal DC voltage (voltage across the terminals of the smoothing capacitor) There is known an automatic control method in which the DC input current is changed so as to be a preset target voltage (see, for example, Patent Document 3). In this method, it is possible to continue the operation by suppressing both the output overcurrent and the overvoltage of the smoothing capacitor due to the system voltage drop.
また、系統電圧の電圧低下度合いに合わせて出力電力を絞るため、入力電流の上限値を制限する方法が知られている(例えば、特許文献4参照)。 Further, a method of limiting the upper limit value of the input current is known in order to reduce the output power in accordance with the voltage drop degree of the system voltage (see, for example, Patent Document 4).
パワーコンディショナに搭載されている平滑コンデンサは、経年変化による容量抜けを考慮して比較的容量を大きくしたいため、制御の遅れ時間が大きくなる。この場合、適切に内部直流電圧を入力電流から制御するためには、自動制御の性能が必要になる。自動制御の第1の性能として、制御ゲインを上げて必要な追従性能を得る必要がある。特に系統急変のような過渡状態では、定常状態とは異なるゲイン選定を行う場合もある。遅れ時間が大きい場合は、一般的には、比例ゲインと積分ゲインを上げる方向だが、一方で、ゲインを上げると制御ループが発振するリスクが高くなるため、この手法では適切なゲインを決めるチューニングが困難となる。 Since the smoothing capacitor mounted on the power conditioner is desired to have a relatively large capacity in consideration of capacity loss due to secular change, the control delay time becomes large. In this case, in order to appropriately control the internal DC voltage from the input current, automatic control performance is required. As the first performance of automatic control, it is necessary to increase the control gain to obtain the required tracking performance. In particular, in a transient state such as a system sudden change, gain selection different from the steady state may be performed. When the delay time is large, the proportional gain and integral gain are generally increased, but on the other hand, increasing the gain increases the risk of oscillation of the control loop. It becomes difficult.
また、自動制御の第2の性能として、制御ループ周期を早くして応答性能を得る必要がある。そのためには、ある程度高いスペックを持つ制御手段(ここでは記憶装置が接続されたCPUとする)でプログラムを高速に動作させることになるが、そのため高価なCPUを使用することで製品価格が上がる。例えば特許文献3に開示された制御を、安価な制御手段(CPU)を用いた安価なパワーコンディショナにより実現することは困難である。
Further, as the second performance of the automatic control, it is necessary to obtain a response performance by increasing the control loop cycle. For this purpose, a program is operated at high speed by a control means having a somewhat high specification (here, a CPU to which a storage device is connected). For this reason, use of an expensive CPU increases the product price. For example, it is difficult to realize the control disclosed in
ここで、家庭用の太陽光発電用パワーコンディショナは、太陽電池との接続方法に注目すると大きく2種類に分けられる。1つ目は、太陽電池モジュールを複数枚直列接続して出力電圧を上昇させたもの(以降、「太陽電池ストリング」という)を接続箱等で複数系統を並列接続し、1系統に集電することで直流電流を上昇させてパワーコンディショナに入力する従来型の形態である。 Here, home power conditioners for photovoltaic power generation are roughly classified into two types when focusing on the connection method with the solar battery. First, a plurality of solar cell modules connected in series to increase the output voltage (hereinafter referred to as “solar cell string”) are connected in parallel in a connection box or the like, and collected in one system. In this manner, the direct current is increased and input to the power conditioner.
2つ目は、複数系統の太陽電池ストリングをパワーコンディショナにそれぞれ直接入力する形態である。直流電力の入力部及びDC/DCコンバータを複数持つパワーコンディショナは、一般的にマルチストリング入力パワーコンディショナと呼ばれる。近年、太陽電池パネルの設置が柔軟なマルチストリング入力パワーコンディショナが普及してきている。 The second is a form in which a plurality of solar cell strings are directly input to the power conditioner. A power conditioner having a plurality of DC power input units and a plurality of DC / DC converters is generally referred to as a multi-string input power conditioner. In recent years, multi-string input power conditioners with flexible solar panel installation have become widespread.
特許文献3や特許文献4に開示された手法では、パワーコンディショナに対して直流電力が1入力のみの場合には適用できるが、直流電力が複数入力となるマルチストリング入力パワーコンディショナには適用できないという問題がある。
The methods disclosed in
かかる事情に鑑みてなされた本発明の目的は、マルチストリング入力パワーコンディショナにおいて、簡易な制御方法によりコストを増大させることなく、商用電力系統の瞬時電圧低下時にも運転を安定して継続させ、かつ商用電力系統の回復時には、速やかに瞬時電圧低下前の出力に戻すことが可能なパワーコンディショナを提供することにある。 The object of the present invention made in view of such circumstances, in a multi-string input power conditioner, without increasing the cost by a simple control method, it is possible to stably continue operation even when an instantaneous voltage drop of a commercial power system, Another object of the present invention is to provide a power conditioner that can quickly return to the output before the instantaneous voltage drop when the commercial power system recovers.
本発明の一実施形態に係るパワーコンディショナは、
直流電力の入力部を複数有するパワーコンディショナであって、
前記直流電力の電圧を一定の電圧に近づくよう変換する複数のDC/DCコンバータと、
前記DC/DCコンバータにより変換された直流電圧を交流に変換するインバータと、
前記DC/DCコンバータ及び前記インバータを制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、商用電力系統の瞬時電圧低下時に、商用電力系統の電圧の低下度合、及び各DC/DCコンバータの瞬時電圧低下の発生前の入力電力の大きさを用いて、各DC/DCコンバータの入力電流目標値を設定する。
A power conditioner according to an embodiment of the present invention is:
A power conditioner having a plurality of DC power input units,
A plurality of DC / DC converters for converting the voltage of the DC power so as to approach a constant voltage;
An inverter that converts the DC voltage converted by the DC / DC converter into AC;
A controller for controlling the DC / DC converter and the inverter,
When the instantaneous voltage drop of the commercial power system occurs, the control unit uses each degree of DC / DC using the degree of voltage drop of the commercial power system and the magnitude of the input power before the occurrence of the instantaneous voltage drop of each DC / DC converter. Set the input current target value of the converter.
さらに、本発明の一実施形態に係るパワーコンディショナにおいて、
前記制御部は、商用電力系統の瞬時電圧低下時に、前記インバータからの出力電流目標上限値を低下させることにより、出力電流目標値を瞬時電圧低下の発生前の値よりも低下させる。
Furthermore, in the power conditioner according to an embodiment of the present invention,
The controller reduces the output current target value from the value before the occurrence of the instantaneous voltage drop by reducing the output current target upper limit value from the inverter when the instantaneous voltage of the commercial power system drops.
さらに、本発明の一実施形態に係るパワーコンディショナにおいて、
前記DC/DCコンバータにより変換された直流電圧を平滑化し、前記インバータに出力する平滑コンデンサを備え、
前記制御部は、商用電力系統の瞬時電圧低下時に、前記平滑コンデンサの端子間電圧を監視して、該端子間電圧が所定の閾値以上となった場合には、前記入力電流目標値を低下させる。
Furthermore, in the power conditioner according to an embodiment of the present invention,
A smoothing capacitor for smoothing the DC voltage converted by the DC / DC converter and outputting the same to the inverter;
The controller monitors the voltage between the terminals of the smoothing capacitor when the instantaneous voltage of the commercial power system drops, and reduces the input current target value when the voltage between the terminals exceeds a predetermined threshold. .
本発明の一実施形態に係るパワーコンディショナの制御方法は、
太陽電池によって発電された直流電力の入力部を複数有し、該直流電力の電圧を一定の電圧に近づくよう変換する複数のDC/DCコンバータを備えるパワーコンディショナの制御方法であって、
商用電力系統の瞬時電圧低下時に、商用電力系統の電圧の低下度合、及び各DC/DCコンバータの瞬時電圧低下の発生前の入力電力の大きさを用いて、各DC/DCコンバータの入力電流目標値を設定するステップ
を含む。
A control method for a power conditioner according to an embodiment of the present invention includes:
A control method for a power conditioner comprising a plurality of DC power input portions that are generated by a solar cell, and comprising a plurality of DC / DC converters that convert the DC power voltage to approach a constant voltage,
The input current target of each DC / DC converter using the magnitude of the voltage drop of the commercial power system and the magnitude of the input power before the occurrence of the instantaneous voltage drop of each DC / DC converter at the time of the instantaneous voltage drop of the commercial power system Including setting a value.
本発明によれば、マルチストリング入力パワーコンディショナにおいて、簡易な制御方法によりコストを増大させることなく、商用電力系統の瞬時電圧低下時にも安定して継続することができ、かつ、商用電力系統の回復時には、速やかに瞬時電圧低下前の出力に戻すことができる。 According to the present invention, in a multi-string input power conditioner, it is possible to continue stably even when an instantaneous voltage drop of a commercial power system occurs without increasing costs by a simple control method, and At the time of recovery, it is possible to quickly return to the output before the instantaneous voltage drop.
以下、本発明の一実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。 Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
図1は、本発明の一実施形態に係るパワーコンディショナの構成例を示すブロック図である。本実施形態のマルチストリング入力タイプのパワーコンディショナ1は、入力される太陽電池ストリング10の数を3つ(10−1,10−2,10−3)としているが、太陽電池ストリング10の数は3つに限定されるものではない。パワーコンディショナ1は、DC/DCコンバータ11と、平滑コンデンサ12と、インバータ13と、制御部14とを備える。
FIG. 1 is a block diagram illustrating a configuration example of a power conditioner according to an embodiment of the present invention. In the multi-string input type power conditioner 1 of the present embodiment, the number of input solar cell strings 10 is three (10-1, 10-2, 10-3). Is not limited to three. The power conditioner 1 includes a DC /
DC/DCコンバータ11(11−1,11−2,11−3)は、太陽電池ストリング10から入力される電圧を昇圧して一定の電圧に揃える。 The DC / DC converter 11 (11-1, 11-2, 11-3) boosts the voltage input from the solar cell string 10 to make it constant.
平滑コンデンサ12は、DC/DCコンバータ11により昇圧された直流電圧を平滑化する。
The smoothing capacitor 12 smoothes the DC voltage boosted by the DC /
インバータ13は、平滑コンデンサ12により平滑化された直流電圧を交流に変換し、商用電力系統15に連系する。商用電力系統15における交流電圧は、日本では実効値が単相100V、周波数が50Hz又は60Hzの電圧である。
The inverter 13 converts the direct current voltage smoothed by the smoothing capacitor 12 into alternating current, and is connected to the
制御部14は、DC/DCコンバータ11及びインバータ13の動作を制御する。瞬低を検出した際には、通常動作から瞬低時用の動作(以下、「瞬低中動作」という)に切り替えるように制御する。
The
図2は、制御部14の機能ブロックを示す図である。図2に示すように、制御部14は、MPPT制御部141と、インバータ制御部142と、瞬低検出部143と、瞬低時コンバータ制御部144と、瞬低時インバータ制御部145とを備える。制御部14は、瞬低検出部143により瞬低が検出されない場合には、MPPT制御部141及びインバータ制御部142により通常動作を行い、瞬低検出部143により瞬低が検出された場合には、瞬低時コンバータ制御部144及び瞬低時インバータ制御部145により瞬低中動作を行う。なお、制御部14はハードウエアで構成してもよいし、CPUによりプログラムを実行させることで機能を実現してもよい。
FIG. 2 is a diagram illustrating functional blocks of the
図3は、制御部14の制御動作を示すフローチャートである。以下、図3を参照して制御部14の制御動作について説明する。
FIG. 3 is a flowchart showing the control operation of the
(通常動作時の制御)
制御部14は通常動作時(瞬低が発生していない時)には、MPPT制御部141により、各太陽電池ストリング10からの入力電力を最大限に引き出すように各DC/DCコンバータ11を制御する(ステップS11)。
(Control during normal operation)
The
図4は、制御部14の通常動作時のMPPT制御部141の制御を示す模式図である。図4に示すように、太陽電池ストリング10の入力電流Ipv及び入力電圧Vpvから入力電力を算出し、入力電力が最大となるように入力電流目標値Ipvtgtを決定し、入力電流Ipvが入力電流目標値Ipvtgtに近づくように、DC/DCコンバータ11を制御するゲート信号を生成する。なお、MPPT制御は電圧型と電流型があるが、本実施形態では電流型としているため、目標電流指令としている。
FIG. 4 is a schematic diagram illustrating control of the
また、制御部14は通常動作時には、インバータ制御部142により、平滑コンデンサ12の端子間電圧(内部直流電圧)Vdc及び内部直流電圧目標値Vdctgtの差分から出力電流目標値Iactgtを決定し、出力電流Iacが出力電流目標値Iactgtに近づくように、インバータ13を制御するゲート信号を生成する(ステップS12)。
During normal operation, the
制御部14は、瞬低検出部143により、絶えず商用電力系統15の電圧(以下、「系統電圧」ともいう)を監視し、瞬低発生の有無を判定する(ステップS20)。また、瞬低中の制御に使用するため、瞬低直前のセンサ値情報や制御状態の一時的な記録を行う。瞬低の検出方法は特に限定されないが、系統電圧を半周期以下で監視するなど可能な限り早く検出することが望ましい。この瞬低の検出が遅れると、入力電力が絞られない状態で出力電力が絞られる状態となるため、平滑コンデンサ12の過電圧により運転停止に至るリスクが高まることになる。ステップS20により瞬低が検出されると、制御部14は通常動作を停止して瞬低中動作に制御を切り替える。
The
(瞬低発生直後の制御)
制御部14は、瞬低中動作を開始するにあたり、まず瞬低発生直後の手順を行う。制御部14は出力過電流を抑制するために、瞬低時インバータ制御部145により、インバータ13からの出力電流目標上限値Iactgt-maxを低下させることにより、出力電流目標値Iactgtを瞬低発生前の値よりも低下させる(ステップS33)。出力電流目標上限値Iactgt-maxは、通常動作時にはハードウエア部品から制限される定格電流であるが、瞬低中はこの出力電流目標上限値Iactgt-maxを低下させることで出力電流を制限し、出力過電流を防止する。そして、制御部14は、瞬低時インバータ制御部145により、出力電流Iacが出力電流指令となるようにインバータ13のゲートを駆動する。
(Control immediately after the instantaneous drop occurs)
In starting the operation during the sag, the
例えば4kWパワーコンディショナの場合、通常動作時の出力電流目標上限値Iactgt-maxが20A、瞬低発生直前の出力電流目標が10Aならば、瞬低から回復するまでの間、出力電流目標上限値Iactgt-maxを、瞬低発生直前の出力電流目標である10Aに制限する。ここでは、瞬低中の出力電流目標値Iactgtを10Aに固定とはせず、出力電流目標上限値Iactgt-maxを制限することで、瞬低回復時に滑らかに通常動作に復帰することができる。 For example, in the case of a 4 kW power conditioner, if the output current target upper limit Iactgt-max during normal operation is 20 A and the output current target immediately before the occurrence of the sag is 10 A, the output current target upper limit until recovery from the sag decreases. Iactgt-max is limited to 10 A, which is an output current target immediately before the occurrence of a sag. Here, the output current target value Iactgt during the sag is not fixed at 10A, but the output current target upper limit value Iactgt-max is limited, so that the normal operation can be smoothly returned to the recovery from the sag.
次に、DC/DCコンバータ11の制御については、制御部14は、まずMPPT制御部141によるMPPT制御を停止する(ステップS31)。そして、入力電流Ipvを瞬低レベルに応じて素早く低下させる。既に出力電流Iacを出力電流目標上限値Iactgt-maxに制限している状態であり、平滑コンデンサ12への入力電力を低下させて、パワーコンディショナ1の入出力バランスを均衡させることで、平滑コンデンサ12の電圧過上昇を回避することを目的とする。そのため、制御部14は、瞬低時コンバータ制御部144により、入力電流Ipvが入力電流指令となるようにDC/DCコンバータ11のゲート信号を駆動して入力動作点を移動させる。
Next, regarding the control of the DC /
ここで、特許文献3に開示された手法では、瞬低発生と同時に、内部直流電圧を予め設定されている目標値に制御するため、入力電流Ipvを調整する制御ループを動作させている。この構成では、内部直流電圧制御ループと入力電流制御ループがそれぞれフィードバック制御を構成しており、瞬低直後の入力電流目標値Ipvtgtの決定は制御ループの性能に依存している。前述の通り、特許文献3に開示された手法のようにフィードバック制御で入力電流Ipvを素早く低下させることには課題がある。よって、本発明の制御部14は、瞬低時コンバータ制御部144により、瞬低発生直後の入力電流目標値Ipvtgtを、フィードバック制御による算出ではなく、瞬低前後の電圧及び瞬低直前の入力電力から算出し、DC/DCコンバータ11への入力電流指令を瞬低直後に即座に決定する(ステップS32)。
Here, in the method disclosed in
具体的には、複数あるDC/DCコンバータ11に対して、瞬低中の入力電流目標値Ipvtgtを以下のように決定とする。系統電圧が瞬低により1/N倍に低下すると、前述の通りパワーコンディショナ1の出力電流IacはN倍となる。本発明では、瞬低中の出力電流目標上限値Iactgt-maxを瞬低前の出力電流値とすることから、系統電圧が瞬低により1/N倍に低下した場合に、出力電流Iacを瞬低前の値に維持すると、パワーコンディショナ1の出力電力は1/N倍に低下することとなる。そこで、平滑コンデンサ12の電圧過上昇を防止するため、出力電力が1/N倍に低下することに合わせて、入力電力を1/N倍に低下させる。厳密には、出力低下による変換効率悪化などの損失分等を考慮すると1/N倍とはならないが、演算を単純化することで高速処理が可能となる。
Specifically, the input current target value Ipvtgt during the sag is determined for a plurality of DC /
入力電力を正確に1/N倍に低下させるためには、太陽電池のIVカーブを認識していることが必要になる。しかしIVカーブは日射や気温により常に変化しており、また太陽電池に陰がかかる場合にはIVカーブ上に凹凸ができるため、運転中のIVカーブをリアルタイムに把握することは困難である。本発明は、安価な低スペックのCPUでも実現できることを目指しているため、太陽電池特性を簡略化して、直線近似とする。 In order to accurately reduce the input power to 1 / N times, it is necessary to recognize the IV curve of the solar cell. However, the IV curve is constantly changing due to solar radiation and temperature, and when the solar cell is shaded, irregularities are formed on the IV curve, so it is difficult to grasp the IV curve during operation in real time. Since the present invention aims to be realized even with an inexpensive low-spec CPU, the solar cell characteristics are simplified to provide a linear approximation.
図5は、直線近似した太陽電池のIVカーブを示す図である。瞬低直前において、通常はMPPT制御の働きにより入力動作点は最適動作点(MPP)にある。この状態で瞬低が発生した時に、入力電力を1/N倍まで低下させたい。ここで太陽電池のIV特性を図5に示すように直線近似して考えると、入力電力を1/N倍とするためには、入力電圧Vpvが一定のままで入力電流Ipvだけ1/N倍に低下させればよい。これより、瞬低中の入力電流指令を決定する。前提として、瞬低中の短時間に日射変化や温度変化は生じないものとみなして、瞬低前の各太陽電池ストリング10の入力電流Ipvを一時記録した値を用いて、商用電力系統15の電圧の低下度合を元に総入力電流目標値を算出する。そして、総入力電流目標値を瞬低発生直前の入力電力の大きさに応じて分配し、下式により電流分配値Ipvtgt0を求める。
FIG. 5 is a diagram showing an IV curve of a solar cell approximated by a straight line. Immediately before the voltage sag, the input operating point is normally at the optimum operating point (MPP) by the action of MPPT control. I want to reduce the input power to 1 / N times when an instantaneous drop occurs in this state. Here, considering the IV characteristics of the solar cell by linear approximation as shown in FIG. 5, in order to make the input power 1 / N times, the input voltage Vpv remains constant and the input current Ipv is 1 / N times. It may be reduced to. From this, the input current command during the instantaneous drop is determined. As a premise, it is assumed that there is no change in solar radiation or temperature in a short time during the sag, and the value of the
Ipvtgt0=(1/N)×Ipv
Ipvtgt0-n=(Ppv-n/Ppv-all)×Ipvtgt0
ここで、Ipvは瞬低直前の総入力電流であり、通常はMPPT動作により最大入力電流となっている。Ipvtgt0は、瞬低中の総入力電流目標値である。また、Ipvtgt0-nは太陽電池ストリング10−nの電流分配値であり、Ppv-nは瞬低直前の太陽電池ストリング10−nの入力電力であり、Ppv-allは瞬低直前の全体の入力電力であり、Ipv-nは太陽電池ストリング10−nの瞬低直前の入力電流である。
Ipvtgt0 = (1 / N) × Ipv
Ipvtgt0-n = (Ppv-n / Ppv-all) × Ipvtgt0
Here, Ipv is the total input current immediately before the momentary drop, and is usually the maximum input current due to the MPPT operation. Ipvtgt0 is the total input current target value during the instantaneous drop. Ipvtgt0-n is the current distribution value of the solar cell string 10-n, Ppv-n is the input power of the solar cell string 10-n immediately before the voltage drop, and Ppv-all is the entire input immediately before the voltage drop. Ipv-n is an input current immediately before the instantaneous drop of the solar cell string 10-n.
本実施形態のような3ストリング入力の場合、太陽電池ストリング10−1の電流分配値Ipvtgt0-1、太陽電池ストリング10−2の電流分配値Ipvtgt0-2、及び太陽電池ストリング10−3の瞬低中の電流分配値Ipvtgt0-3を求め、各太陽電池ストリング10の入力電流目標値Ipvtgtとする。瞬低時コンバータ制御部144にて、入力電流目標値Ipvtgtである電流分配値Ipvtgt0に従い、各太陽電池ストリング10の入力電流Ipvを低下させることで、パワーコンディショナ1の入力電力を全体として1/N倍まで素早く低下させることができる。
In the case of the three-string input as in the present embodiment, the current distribution value Ipvtgt0-1 of the solar cell string 10-1, the current distribution value Ipvtgt0-2 of the solar cell string 10-2, and the instantaneous drop of the solar cell string 10-3 The current distribution value Ipvtgt0-3 is obtained, and is set as the input current target value Ipvtgt of each solar cell string 10. In the sag
図6は、制御部14の瞬低発生直後の瞬低時コンバータ制御部144の制御を示す模式図である。図6に示すように、瞬低発生前後の系統電圧値と、瞬低発生直前の太陽電池ストリング10の入力電流Ipv及び入力電圧Vpv(入力電力)とから、入力電流目標値Ipvtgtとして電流分配値Ipvtgt0を決定し、入力電流Ipvが入力電流目標値Ipvtgtに近づくように、各DC/DCコンバータ11を制御するゲート信号を生成する。
FIG. 6 is a schematic diagram showing the control of the
(瞬低中動作の制御)
制御部14は、インバータ13の制御については、瞬低時インバータ制御部145により、ステップS33により決定した出力電流目標上限値Iactgt-maxを継続する(ステップS42)。
(Control of operation during low voltage)
For the control of the inverter 13, the
上記瞬低発生直後の制御にて、出力電流Iacを瞬低発生直前の値以下となるように制限し、それと電力バランスをとるために入力電流Ipvを演算で決定した入力目標値Ipvtgt0まで低下させることで、出力過電流と平滑コンデンサ12の過電圧による運転停止を回避することができる。理想では、瞬低中は出力電力と入力電力が平衡する入力電流目標となり、平滑コンデンサ12の電圧が一定レベルを維持する状況となることだが、入力電流目標値Ipvtgt0は簡略化された近似演算で行っているため、実際のIVカーブ上では電力が平衡するとは限らない。出力電流Iacに対して入力電流Ipvが大きいと、平滑コンデンサ12の内部直流電圧Vdcが徐々に上昇して、いずれ過電圧で運転停止に至る。反対に、出力電流Iacに対して入力電流Ipvが小さいと、内部直流電圧Vdcが徐々に低下して、交流波形の生成に必要な電圧以下(例えば系統電圧が200Vならば最低でも282V)になれば電圧不足で運転停止に至る。 In the control immediately after the occurrence of the voltage sag, the output current Iac is limited to be equal to or less than the value immediately before the voltage sag, and the input current Ipv is reduced to the input target value Ipvtgt0 determined by calculation in order to balance the power with it. As a result, it is possible to avoid the operation stop due to the output overcurrent and the overvoltage of the smoothing capacitor 12. Ideally, during the sag, the output current and the input power are balanced with the input current target, and the voltage of the smoothing capacitor 12 is maintained at a constant level. However, the input current target value Ipvtgt0 is a simplified approximation calculation. As a result, the power is not always balanced on the actual IV curve. When the input current Ipv is larger than the output current Iac, the internal DC voltage Vdc of the smoothing capacitor 12 gradually increases, and eventually the operation is stopped at an overvoltage. On the other hand, when the input current Ipv is small with respect to the output current Iac, the internal DC voltage Vdc gradually decreases and becomes lower than the voltage required for generating the AC waveform (for example, if the system voltage is 200V, it is at least 282V). If the voltage is insufficient, the operation will be stopped.
例えば、400V耐圧の平滑コンデンサ12を使用し、通常動作時は内部直流電圧目標値Vdctgtを330Vとして制御し、過電圧レベルを390Vとしたとき、内部直流電圧目標値Vdctgtの330Vに対して内部直流電圧Vdcが300V以下となった場合に、電圧不足として制御異常と判断する。 For example, when a smoothing capacitor 12 having a withstand voltage of 400 V is used and the internal DC voltage target value Vdctgt is controlled to 330 V during normal operation and the overvoltage level is set to 390 V, the internal DC voltage is set to 330 V of the internal DC voltage target value Vdctgt. When Vdc is 300 V or less, it is determined that the control is abnormal because the voltage is insufficient.
そこで、瞬低中では、制御部14は瞬低時コンバータ制御部144により、内部直流電圧Vdcが内部直流電圧閾値Vth(例えば360V)以上となった場合には、入力電流目標値Ipvtgtを低下させる(ステップS41)。例えば、補正用入力電流目標値Ipvtgt1を、内部直流電圧Vdcが内部直流電圧閾値Vth未満である場合には太陽電池ストリング10が許容する最大入力電流値(例えば10A)とし、内部直流電圧Vdcが内部直流電圧閾値Vth以上となった場合には最大入力電流値から0Aに向かって段階的に低下するように自動制御をした電流値とする。そして、瞬低時コンバータ制御部144は、補正用入力電流目標値Ipvtgt1と、瞬低直後に演算で求めた電流分配値Ipvtgt0とを比較して、小さい方を入力電流目標値Ipvtgtとする。
Therefore, during the sag, the
電流分配値Ipvtgt0よりも補正用入力電流目標値Ipvtgt1が小さい場合、入力電力<出力電力となり、内部直流電圧Vdcは徐々に低下する。そして内部直流電圧Vdcが360V未満まで低下すれば、補正用入力電流目標値Ipvtgt1が最大入力電流値まで段階的に上昇することで、今度は電流分配値Ipvtgt0の方が小さくなる。すると、瞬低時コンバータ制御部144は、再び電流分配値Ipvtgt0を入力電流目標値Ipvtgtに選択することになる。
When the correction input current target value Ipvtgt1 is smaller than the current distribution value Ipvtgt0, the input power is less than the output power, and the internal DC voltage Vdc gradually decreases. If the internal DC voltage Vdc decreases to less than 360 V, the correction input current target value Ipvtgt1 increases stepwise up to the maximum input current value, and this time, the current distribution value Ipvtgt0 becomes smaller. Then, the instantaneous voltage drop
この電圧制御ループは、入力電流目標値Ipvtgtを補正するための補助的な位置づけであり、瞬低中の入力電流目標値Ipvtgtは瞬低直後に演算で求めた電流分配値Ipvtgt0を使用する。したがって制御ループには高い応答性は必要無く、低スペックのCPUであっても容易に実現可能である。 This voltage control loop is an auxiliary position for correcting the input current target value Ipvtgt, and the current distribution value Ipvtgt0 obtained by calculation immediately after the voltage drop is used as the input current target value Ipvtgt during the voltage drop. Therefore, the control loop does not require high responsiveness and can be easily realized even with a low-spec CPU.
一方で、内部直流電圧Vdcの電圧不足については、本実施形態では特に考慮する必要は無かった。系統電圧の監視中、瞬低が発生してプログラムが瞬低と判断するまで半周期かかるとすると、その半周期間は、入力電力>出力電力となるため、平滑コンデンサ12に入力電力が溜まることで内部直流電圧Vdcが上昇してしまう。瞬低動作開始前にすでに内部直流電圧Vdcには数Vから数十Vの上昇があるため、ごく短期間の瞬低発生中に内部直流電圧Vdcが大きく低下することは想定されないため、本実施形態では省略している。なお、電圧不足の対策を行う場合は、内部直流電圧Vdcが低下した場合には入力電流目標値を上昇させる制御ループを組み込めばよい。 On the other hand, there is no need to particularly consider the voltage shortage of the internal DC voltage Vdc in the present embodiment. If it takes half a period of time when a voltage drop occurs during monitoring of the system voltage and the program determines that the voltage drop is instantaneous, the input power is accumulated in the smoothing capacitor 12 because the input power is greater than the output power during that half period. The internal DC voltage Vdc increases. Since the internal DC voltage Vdc has already risen from several volts to several tens of volts before the start of the voltage sag operation, the internal DC voltage Vdc is not expected to drop significantly during the very short time of the voltage sag. It is omitted in the form. When taking measures against voltage shortage, a control loop for increasing the input current target value may be incorporated when the internal DC voltage Vdc decreases.
図7は、制御部14の瞬低発生中の瞬低時コンバータ制御部144の制御を示す模式図である。図7に示すように、瞬低時コンバータ制御部144は、内部直流電圧Vdc及び内部直流電圧閾値Vthから求まる入力電流目標値Ipvtgt1と、瞬低発生直後に決定した入力電流目標値Ipvtgt0とを比較して小さいほうの値に、入力電流Ipvが近づくように、DC/DCコンバータ11に対してゲート信号を生成する。
FIG. 7 is a schematic diagram showing the control of the
(瞬低回復時の制御)
制御部14は、瞬低検出部143により、瞬低中に系統電圧を監視して、瞬低からの回復を検出する(ステップS50)。すると、制御部14は、瞬低中動作を終了して通常動作に切り替える。瞬低回復の検出方法については特に限定されないが、系統電圧を半周期以下で監視するなど可能な限り早い検出が望ましい。この瞬低回復の検出が遅れると、出力電流は瞬低発生前の値に制限されたままとなり、今後求められる高速復帰性能を満足できないことになる。
(Control during instantaneous low recovery)
The
通常動作に復帰する時、制御部14は瞬低時コンバータ制御部144による内部直流電圧Vdcの電圧制限制御を終了する。同時に、制御部14は、MPPT制御部141によるMPPT制御を再開させる(ステップS61)。また、制御部14は、瞬低時インバータ制御部145により、出力電流目標上限値Iactgt-maxを通常動作時の値に戻す(ステップS62)。
When returning to the normal operation, the
上述したように、本発明に係るパワーコンディショナ1の制御部14は、商用電力系統15の瞬時電圧低下時に、商用電力系統15の電圧の低下度合を元に全体の入力電流目標値を算出し、それを各DC/DCコンバータの瞬時電圧低下の発生前の入力電力の大きさに応じて分配した分配値を、各DC/DCコンバータの入力電流目標値Ipvtgt0とする。そのため、本発明によれば、マルチストリング入力パワーコンディショナにおいて、瞬時電圧低下時に運転を停止させることなく、安価な手法で運転を継続させることできる。また、瞬時電圧低下時に複数の太陽電池ストリングのうちの1つのみの入力電流Ipvを低下させるのではなく、入力電力に応じて各太陽電池ストリングの入力電流Ipvを低下させることができるので、商用電力系統15の回復時には、各DC/DCコンバータの瞬低前の最適動作点への復帰に要する時間を均一化でき、その結果、速やかに瞬時電圧低下前の出力に戻すことができる。
As described above, the
また、制御部14は、商用電力系統15の瞬時電圧低下時に、インバータ13からの出力電流目標上限値Iactgt-maxを低下させることにより、出力電流目標値Iactgtを瞬時電圧低下の発生前の値よりも低下させる。これにより、出力過電流を防止し、かつ、瞬低回復時に滑らかに通常動作に復帰することができる。
Further, the
また、パワーコンディショナ1はDC/DCコンバータ11により変換された直流電圧を平滑化し、インバータ13に出力する平滑コンデンサ12を備え、制御部14は商用電力系統15の瞬時電圧低下時に、平滑コンデンサ12の端子間電圧(内部直流電圧)Vdcを監視して、内部直流電圧Vdcが所定の閾値以上となった場合には、入力電流目標値を低下させる。例えば、内部直流電圧Vdcが所定の閾値Vth未満である場合には太陽電池ストリング10により発電された直流電力の最大入力電流値とし、内部直流電圧Vdcが所定の閾値Vth以上となった場合には最大入力電流値から段階的に低下させた値とする補正用入力電流目標値Ipvtgt1と、入力電流目標値Ipvtgt0とを比較し、小さい方を最終的な入力電流目標値とする。これにより、平滑コンデンサ12の過電圧及び電圧不足による運転停止を防止することができる。
In addition, the power conditioner 1 includes a smoothing capacitor 12 that smoothes the DC voltage converted by the DC /
上述の実施形態のパワーコンディショナ及びその制御方法は、代表的な例として説明したが、本発明の趣旨及び範囲内で、多くの変更及び置換ができることは当業者に明らかである。したがって、本発明は、上述の実施形態によって制限するものと解するべきではなく、特許請求の範囲から逸脱することなく、種々の変形や変更が可能である。 Although the power conditioner and the control method thereof according to the above-described embodiments have been described as typical examples, it is obvious to those skilled in the art that many changes and substitutions can be made within the spirit and scope of the present invention. Therefore, the present invention should not be construed as being limited by the above-described embodiments, and various modifications and changes can be made without departing from the scope of the claims.
1 パワーコンディショナ
10 太陽電池ストリング
11 DC/DCコンバータ
12 平滑コンデンサ
13 インバータ
14 制御部
15 商用電力系統
141 MPPT制御部
142 インバータ制御部
143 瞬低検出部
144 瞬低時コンバータ制御部
145 瞬低時インバータ制御部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Power conditioner 10
Claims (4)
前記直流電力の電圧を一定の電圧に近づくよう変換する複数のDC/DCコンバータと、
前記DC/DCコンバータにより変換された直流電圧を交流に変換するインバータと、
前記DC/DCコンバータ及び前記インバータを制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、商用電力系統の瞬時電圧低下時に、商用電力系統の電圧の低下度合、及び各DC/DCコンバータの瞬時電圧低下の発生前の入力電力の大きさを用いて、各DC/DCコンバータの入力電流目標値を設定することを特徴とするパワーコンディショナ。 A power conditioner having a plurality of DC power input units,
A plurality of DC / DC converters for converting the voltage of the DC power so as to approach a constant voltage;
An inverter that converts the DC voltage converted by the DC / DC converter into AC;
A controller for controlling the DC / DC converter and the inverter,
When the instantaneous voltage drop of the commercial power system occurs, the control unit uses each degree of DC / DC using the degree of voltage drop of the commercial power system and the magnitude of the input power before the occurrence of the instantaneous voltage drop of each DC / DC converter. A power conditioner that sets an input current target value of a converter.
目標上限値を低下させることにより、出力電流目標値を瞬時電圧低下の発生前の値よりも低下させ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。 The control unit reduces the output current target upper limit value from the value before the occurrence of the instantaneous voltage drop by reducing the output current target upper limit value from the inverter when the instantaneous voltage drop of the commercial power system. The power conditioner according to claim 1.
前記制御部は、商用電力系統の瞬時電圧低下時に、前記平滑コンデンサの端子間電圧を監視して、該端子間電圧が所定の閾値以上となった場合には、前記入力電流目標値を低下させることを特徴とする、請求項1又は2に記載のパワーコンディショナ。 A smoothing capacitor for smoothing the DC voltage converted by the DC / DC converter and outputting the same to the inverter;
The controller monitors the voltage between the terminals of the smoothing capacitor when the instantaneous voltage of the commercial power system drops, and reduces the input current target value when the voltage between the terminals exceeds a predetermined threshold. The power conditioner of Claim 1 or 2 characterized by the above-mentioned.
商用電力系統の瞬時電圧低下時に、商用電力系統の電圧の低下度合、及び各DC/DCコンバータの瞬時電圧低下の発生前の入力電力の大きさを用いて、各DC/DCコンバータの入力電流目標値を設定するステップ
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。 A control method for a power conditioner comprising a plurality of DC power input portions that are generated by a solar cell, and comprising a plurality of DC / DC converters that convert the DC power voltage to approach a constant voltage,
The input current target of each DC / DC converter using the magnitude of the voltage drop of the commercial power system and the magnitude of the input power before the occurrence of the instantaneous voltage drop of each DC / DC converter at the time of the instantaneous voltage drop of the commercial power system A method for controlling an inverter, comprising a step of setting a value.
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