JP3550680B2

JP3550680B2 - Apparatus and method for determining optimum solar power output

Info

Publication number: JP3550680B2
Application number: JP18747799A
Authority: JP
Inventors: 敦宇野
Original assignee: Takaoka Electric Mfg Co Ltd
Current assignee: Takaoka Electric Mfg Co Ltd
Priority date: 1999-07-01
Filing date: 1999-07-01
Publication date: 2004-08-04
Anticipated expiration: 2019-07-01
Also published as: JP2001016861A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は，太陽電池など直流電源が発生する直流電力を交流電力に変換して、商用電力系統に連係又は一般の交流負荷に電力を供給するインバータ装置において、そのインバータに供給する直流電源の電力を最大にするための制御に関する。
【０００２】
【従来の技術】
太陽電池の出力特性曲線上には太陽電池の最大電力を取り出せる最大電力点が存在するが、出力特性が日射量や気温に依存するためその時々で最大電力点が異なる。そこで、従来から、インバータ装置においては、太陽電池の出力特性曲線上の太陽電池動作点をそのときの最大電力点に一致させるように制御することにより、太陽電池から最大電力を取り出すことが行われている。
【０００３】
このような最大電力点追従制御としては例えば特開平１０−１３３７５５号公報が知られている。これらの制御方法では一様に、リプル的変動を平滑化するに十分なほどに長い単位時間の平均的な電力または電圧を検出、記録する。そして出力を微動させ、そこでの電力または電圧を再測定し、記録されている過去の電力値または電圧値と比較する。その結果から最大電力点の存在する方向を推定し、漸次的に最大電力点へ接近してゆく方法が用いられている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような従来のインバータ制御方法は、漸次的探索によって最大電力点を探るため制御応答性が遅く、出力を微動させて探索するため、最大電力点に止まっていることができない。
【０００５】
本発明はこのような課題を解決することを目的とし、制御応答性が高く、探索的方法によらない太陽光発電出力最適判別装置及び方法を提供する事にある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明はこれらの課題を解決するために、インバータのスイッチングにより太陽電池電圧に生じるリプルに注目し、この電圧リプルが太陽電池の出力特性に依存することを利用して、リプル電圧の最大値と最小値を計測することで、インバータの動作点が太陽電池の出力特性曲線上のどの点に位置するかを瞬時に判断することを特徴とするものである。
【０００７】
これにより、一回の測定で最大電力点からのズレを判断でき高速な最大電力点追跡を可能にする作用をもつ。また出力を変動させることなく、最大電力点から外れたことを検出できるので、最大電力点に止まることを可能にする作用をもつ。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して詳細に説明する。
【０００９】
図１は本発明の直流電源出力が最適かを判別する装置の実施の形態の一例を示す回路図である。判別する装置は、太陽電池１１から出力された直流電力をリアクトル１２とＩＧＢＴ（Ｑ０１）１３と整流素子１４より構成される昇圧チョッパ回路により電解コンデンサ１５に中間的に昇圧した電力として蓄えられ、インバータ部１６により交流電力に変換され供給される。
【００１０】
当該回路は制御部１７を備え、その内部には検出器１８、計算機１０、パルス発生器１９、を備えており検出器１８は太陽電池１１の電圧値、リアクトル１２の電流値と、電解コンデンサ１５の電圧値を検出する。検出器１８により検出された値は計算機１０に送られる。計算機１０はパルス発生器１９に数値を設定する開閉素子であるＩＧＢＴ（Ｑ０１）１３を開閉する。パルス発生器１９の出力パルス信号は検出器１８の制御端に接続されており、パルス発生器１９の出力パルスと同期して検出器を動作させる。
【００１１】
当該回路は制御部１７を備え、太陽電池１１の電圧ＶＤＣ、リアクトル１２に流れる電流ＩＤＣ、電解コンデンサ１５に蓄えられる電圧ｍｉｄＤＣＶを検出し、Ｑ０１、Ｑ１１〜Ｑ３２をドライブするゲート信号をＰＷＭ変調したＯＮ／ＯＦＦ信号として出力する。太陽電池１１の電圧ＶＤＣ、リアクトル１２に流れる電流ＩＤＣはゲート信号Ｑ０１に同期して検出される。
【００１２】
本発明の実施にはまず太陽電池１１のリプルを検出する必要がある。このリプルはＱ０１１３のＯＮ／ＯＦＦ動作により必然的に発生するものである。
【００１３】
このリプルと太陽電池１１の出力特性との関わりについて図２を用いて説明する。
【００１４】
太陽電池の出力特性はＩ−Ｖ特性２１によって表される。Ｑ０１１３のＯＮ／ＯＦＦによってリアクトル１２に生じる電流ＩＤＣはリアクトル電流２４に示すように三角波形状となる。このような三角波になるのはリアクトル１２のｄｉ／ｄｔ特性によるものである。リアクトル電流２４が流れる時の太陽電池１１の出力電圧はＩ−Ｖ特性２１によりリプル電圧２３にしめすような三角波状になる。電流リプル最大値２７の電流が生じているときにはＩ−Ｖ特性２１により電圧リプル最小値２６の出力電圧となる。同様に、電流リプル最小値２８のリアクトル電流が流れるときには電圧リプル最大値２５の出力電圧となる。
【００１５】
最大電力点とリプルの関係を式をもちいて説明する。最大電力点とは出力特性図２の太陽電池のＰ−Ｖ特性２２の頂点を意味する。Ｐ−Ｖ特性をＰ−Ｉ特性にプロットしなおしたものを図６で説明する。太陽電池のＶ−Ｉ特性６１は図２の太陽電池のＩ−Ｖ特性２１の縦軸と横軸を入れ替えたものである。太陽電池のＰ−Ｉ特性６２は横軸に太陽電池の出力電流Ｉをとったときの出力電力Ｐを縦軸にあらわしたものである。最大電力点６３はＰ−Ｖ特性２２の頂点と同一でやはりＰ−Ｉ特性６２の頂点となる。これを説明する。太陽電池のＰ−Ｖ特性曲線上に極値（最大電力点）Ｐｍａｘをひとつもつとき、Ｉ−Ｖ特性曲線より最大電力点での電圧Ｖがきまると最大電力点での電流Ｉが一意に決定されることがわかる。最大電力点での一組の電圧、電流を（ｉｐｍａｘ，ｖｐｍａｘ）とするとその他の電圧、電流の組合わせとは次の関係がある。
Ｐｍａｘ＝ｉｐｍａｘ＊ｖｐｍａｘ＞ｉ＊ｖ
｛ｉ≠ｉｐｍａｘ，ｖ≠ｐｖｍａｘ｝
さらに出力電流ｉ＝０のとき電圧は太陽電池の開放電圧で出力電力はｐ＝０となり、電流の最大値ｉｍａｘ（太陽電池の短絡電流）のときは電圧がｖ＝０となりやはり出力電力はｐ＝０となる。これによりＰ−Ｉ特性曲線は、両端が０であり、最大値をひとつもち、Ｖ−Ｉ特性が連続であることから同様に連続であるので、極値をもつことがわかる。
Ｐ（ｉ）＝ｉ＊ｖ＝ｉ＊Ｆ（ｉ）・・・（１）
ここで、Ｐ（ｉ）は太陽電池のＰ−Ｖ特性２２を出力電流ｉについての関数にしたもの、Ｆ（ｉ）は太陽電池のＩ−Ｖ特性２１を出力電流ｉについての関数にして表現したものである。つまり太陽電池の出力電流がｉの時、太陽電池の出力電力ｐおよび出力電圧ｖは、
ｐ＝Ｐ（ｉ）
ｖ＝Ｆ（ｉ）の関係になる。
この式の両辺をｉで微分して（２）式をえる。
【００１６】

（２）式のｄＰ（ｉ）／ｄｉは関数Ｐ（ｉ）を出力電流ｉで微分したものでありｉにたいするｐの傾きを表している。
【００１７】
この式と最大電力点との関係は一組の（３）式で表される。
最大電力点での電流をｉｐｍａｘとしたとき、
ｉ＝ｉｐｍａｘ：ｄＰ（ｉ）／ｄｉ＝０
ｉ＜ｉｐｍａｘ：ｄＰ（ｉ）／ｄｉ＞０・・・（３）
ｉ＞ｉｐｍａｘ：ｄＰ（ｉ）／ｄｉ＜０
の関係が生じる。
【００１８】
上記の（２）式と等価な式が検出値より得られれば、（３）式の関係から太陽電池の出力電流ｉを増減することで容易に最大電力点に追随、安定させることが可能であることがわかる。
【００１９】
本実施例では（２）式と等価な式を次の式として得る。
ｄＰ（ｉ）／ｄｉ＝
ＤＣＶ０＋（ｄｃｉ２＋ｄｃｉ１）／２＊（ｄｃｖ１ − ｄｃｖ２）／（ｄｃｉ１−ｄｃｉ２）・・・（４）
【００２０】
ここでｄｃｉはリアクトル電流、ｄｃｖは太陽電圧の出力電圧である。この式の各項と検出値との関係をタイミング図図５をもちいて説明する。ゲート信号５３は図１Ｑ０１１３をＯＮ／ＯＦＦするゲート信号である。リアクトル電流（ｄｃｉ）５２は図１リアクトル１２に流れる電流である。これは図１太陽電池１１の出力電流と等価である。また図２におけるリアクトル電流２４と同じものである。太陽電池の出力電圧（ｄｃｖ）５１は、図１太陽電池１１の出力電圧であり、リプル電圧２３と同じものである。
【００２１】
ゲート信号５３をＴ１，Ｔ２，…，ＴｎにてＯＮしｔ１，ｔ２，…，ｔｎにてＯＦＦするように操作されているとき、Ｔ１からｔ１のＯＮ区間では図１リアクトル１２に太陽電池電圧が順方向にかかり、リアクトル電流（ｄｃｉ）５２は増加する。ｔ１からＴ２のＯＦＦ区間では図１電解コンデンサ１５の電圧ｍｉｄＤＣＶへ昇圧するため、リアクトル１２には逆方向の電位がかかり、リアクトル電流（ｄｃｉ）５２は減少する。すなわち、ゲート信号５３をＯＮするＴ１のタイミングにて検出したリアクトル電流（ｄｃｉ）５２の値はリプルの小さいほうのピーク値になり、ゲート信号５３をＯＦＦするｔ１のタイミングで検出したリアクトル電流（ｄｃｉ）５２の値はリプルの大きいほうのピーク値になる。また太陽電池の出力電圧（ｄｃｖ）５３はＴ１のタイミングで検出した値が大きいほうのピークとなりｔ１のタイミングで検出した値が小さいほうのピークとなる。
【００２２】
Ｔ１のタイミングで検出した太陽電池の出力電圧のピークをｄｃｖ１、リアクトル電流をｄｃｉ１としｔ１のタイミングで検出した太陽電池の出力電圧の小さいほうのピークをｄｃｖ２、リアクトル電流をｄｃｉ２とする。
【００２３】
ＰＷＭ変調は通常十数ｋＨｚで変調されており、制御対象にたいし十分に細かいパルス幅で制御されている。それゆえ次の近似がなりたつ。
【００２４】

【００２５】
ＰＷＭ変調の制御量であるパルス幅にたいし、太陽電池１１の電圧ＤＣＶ０後にみちびき方を示すが次の式で表される。
ＤＣＶ０＝ｍｉｄＤＣＶ＊（ＰＷＭ＿ｂａｓｅ − ＰＷＭ＿ｔｉｍｅ）／ＰＷＭ＿ｂａｓｅ・・・（５）
ここでＤＣＶ０はＰＷＭ変調の結果得られる太陽電池１１の出力電圧の中心値であり、ｍｉｄＤＣＶは１図電解コンデンサ１５に蓄えられた電位である。ＰＷＭ＿ｂａｓｅは図５ゲート信号５３のスイッチング周期である。ＰＷＭ＿ｔｉｍｅはゲート信号５３のＯＮしている幅である。
【００２６】
リアクトル電流の挙動は次のようになる。太陽電池を短絡するようにＱ０１をスイッチオンしたときに、リアクトル電流が増加する。短絡を開放するようにＱ０１をスイッチオフすると、整流子１４を通して電解コンデンサ１５に電流を流し込み電流は減少する。これがバランスするのは電流の増加と減少する量が一致するときである。これは一般的にリアクトル両端の電圧と電流の関係Ｖ／Ｌ△Ｔ＝△Ｉより次の式で表わされる。
（ｄｃｖ／Ｌ）＊ＰＷＭ＿ｔｉｍｅ＝（（ｍｉｄＤＣＶ−ｄｃｖ）／Ｌ）＊（ＰＷＭ＿ｂａｓｅ − ＰＷＭ＿ｔｉｍｅ）
左辺は上記の「短絡するようにＱ０１をスイッチオンした」ときの電流の増加量を表している。この時リアクトル１２の両端にかかる電圧がｄｃｖになる。これをリアクトルのインダクタンスＬで割ると単位時間あたりのリアクトル電流の変化量が得られる。これに短絡している時間ＰＷＭ＿ｔｉｍｅを乗ずることで、リアクトル電流の増加量を算出している。右辺は上記の「開放するようにＱ０１をスイッチ」したときの電流の減少量をあらわしている。この時リアクトル１２の両端にかかる電圧が（ｄｃｖ−ｍｉｄＤＣＶ）になる。これをリアクトルのインダクタンスＬで割ると単位時間あたりのリアクトル電流の変化量が得られる。これに開放している時間（ＰＷＭ＿ｂａｓｅ − ＰＷＭ＿ｔｉｍｅ）を乗ずることで、リアクトル電流の減少量を算出している。この式を整理して
ｄｃｖ＝ｍｉｄＤＣＶ＊（ＰＷＭ＿ｂａｓｅ − ＰＷＭ＿ｔｉｍｅ）／ＰＷＭ＿ｂａｓｅ
となり（５）式を得る。
【００２７】
図７を用いてｐｗｍ（ゲート信号５３）のＯＮ／ＯＦＦに合わせてｄｃｉ１，ｄｃｉ２，ｄｃｖ１，ｄｃｖ２をサンプリングする実施例を説明する。７１，７０１はＡＤコンバータであり、ｄｃｉ１，ｄｃｉ２，ｄｃｖ１，ｄｃｖ２のアナログ値をデジタル値に変換する。７７，７８は７１ＡＤコンバータで変換されたデジタル値を７２ＭＰＵ（マイクロプロセッシングユニット）へ伝達するためのＢＵＳ線である。７０は前記ＰＷＭ＿ｂａｓｅを発生するインタバルタイマーである。７３はｐｗｍ（ゲート信号５３）のＯＮ区間を発生させるワンショットタイマーである。７９は７２ＭＰＵより７３ワンショットタイマーへ７３はｐｗｍ（ゲート信号５３）のＯＮ区間時間を伝達するためのＢＵＳ線である。７０２はｐｗｍ（ゲート信号５３）となる信号線である。７４は信号用インバータである。７５は７１ＡＤコンバータに変換を実施させるトリガ信号である。７６は７０１ＡＤコンバータに変換を実施させるトリガ信号である。
【００２８】
７２ＭＰＵにより後で述べるように算出されたｐｗｍ（ゲート信号５３）のＯＮ区間幅が７９ＢＵＳ線を通って７３ワンショットタイマーにセットされる。７０２ｐｗｍ（ゲート信号５３）にＯＮパルスが７０のインタバルタイマーにしたがってＰＷＭ＿ｂａｓｅごとに発せられる。このＯＮパルス信号の立ち上がりが７５トリガ信号線によって７１ＡＤコンバータへ伝えられその時のｄｃｉ１，ｄｃｖ１をサンプリングしその結果をデジタル数値化し７７ＢＵＳ線を通じて７２ＭＰＵへ伝える。またＯＮパルス信号の立ち下がりが７４信号用インバータにより反転され立ち上がりとなり７６トリガ信号線によって７０１ＡＤコンバータへ伝えられその時のｄｃｉ２，ｄｃｖ２をサンプリングしてその結果をデジタル数値化し７８ＢＵＳ線を通じて７２ＭＰＵへ伝える。７２ＭＰＵは得られた情報をもとに後に述べるように計算処理しｐｗｍ（ゲート信号５３）のＯＮ区間幅を更新し７９ＢＵＳ線に出力しもって７３ワンショットタイマーの設定値を更新したｐｗｍ（ゲート信号５３）のＯＮ区間幅にする。
【００２９】
７２ＭＰＵにて実施される演算は次のようになる。ｐｗｍのｏｎ／ｏｆｆのタイミングにあわせてサンプリングしたｄｃｉ１ｄｃｉ２ｄｃｖ１，ｄｃｖ２とその時のｐｗｍのｏｎの幅、中間電圧（電解コンデンサ１５）を（５）式、（４）式に代入し出力電力特性Ｐ（ｉ）のその位置での傾きｄＰ（ｉ）／ｄｉを算出する。
【００３０】
その傾きｄＰ（ｉ）／ｄｉがプラスの時の動作点と、最大電力点との関係を図８を用いて説明する。図８は３１太陽電池のＶ−Ｉ出力特性と３２０太陽電池のＰ−Ｉ特性をかさねて図示している。Ｖ−Ｉ出力特性上の３５動作点で出力されているとき、３４の電流波形および３３の電圧波形が生じる。このときの３６太陽電池のＰ−Ｉ特性曲線上での動作点は３６動作点となる。３７は最大電力動作点である。図３はこれらの点をＩ−Ｖ出力特性上に示したものである。この場合３２は太陽電池のＰ−Ｖ特性になる。図８の３６動作点で明らかなように３２０太陽電池のＰ−Ｉ特性の傾きがプラスになっているときは３７最大電力動作点よりも電流の少ない側言い換えると電圧の高い太陽電池の開放電圧側に位置している。
【００３１】
動作点が太陽電池の開放電圧側に位置している時には、太陽電池の動作電圧（（５）式におけるＤＣＶ０）を下げる方向に動作させれば最大電力点に近づけることができる。すなわち、（５）式におけるｍｉｄＤＣＶが安定化しているときにｐｗｍ（ゲート信号５３）のＯＮパルス幅（（５）式におけるＰＷＭ＿ｔｉｍｅ）を広げる（大きくする）ことでそれが可能である。
【００３２】
ｍｉｄＤＣＶ中間電圧（電解コンデンサ１５）は太陽電池の出力と連系している系統等の負荷への出力の中間点にあり、太陽電池の出力を十分負荷側へ出力している時には中間電圧を通る流入電力と出力電力が均等化するためその電圧は安定している。
【００３３】
その傾きｄＰ（ｉ）／ｄｉがマイナスの時の動作点と、最大電力点との関係を図９を用いて説明する。図９は４１太陽電池のＶ−Ｉ出力特性と４２０太陽電池のＰ−Ｉ特性をかさねて図示している。Ｖ−Ｉ出力特性上の４５動作点で出力されているとき、４４の電流波形および４３の電圧波形が生じる。このときの４６太陽電池のＰ−Ｉ特性曲線上での動作点は４６動作点となる。４７は最大電力動作点である。図４はこれらの点をＩ−Ｖ出力特性上に示したものである。この場合４２は太陽電池のＰ−Ｖ特性になる。図９の４６動作点で明らかなように４２０太陽電池のＰ−Ｉ特性の傾きがマイナスになっているときは４７最大電力動作点よりも電流の大きい側、言い換えると太陽電池の短絡電流側に位置している。
【００３４】
動作点が太陽電池の短絡電流側に位置している時には、太陽電池の動作電圧（５）式におけるＤＣＶ０）を上げる方向に動作させれば最大電力点に近づけることができる。すなわちｐｗｍ（ゲート信号５３）のＯＮパルス幅（（５）式におけるＰＷＭ＿ｔｉｍｅ）を狭める（小さくする）ことでそれが可能である。
【００３５】
その傾きｄＰ（ｉ）／ｄｉがゼロ付近の時の動作点と、最大電力点との関係を図１０を用いて説明する。図９は２１太陽電池のＶ−Ｉ特性と２２０太陽電池のＰ−Ｉ特性をかさねて図示している。Ｖ−Ｉ出力特性上の２０動作点で出力されているとき、２４の電流波形および２３の電圧波形が生じる。このときの２６太陽電池のＰ−Ｉ特性曲線上での動作点は２９動作点となる。これは最大電力動作点とほぼ同一である。図１０の２９動作点で明らかなように２２０太陽電池のＰ−Ｉ特性の傾きがゼロ付近の時には特に最大電力点を追跡するための制御は必要ではない。
【００３６】
また傾きｄＰ（ｉ）／ｄｉは最大電力動作点から離れているほどその絶対値が大きくなることから最大電力動作点からのずれの大小を知ることができ、最大電力動作点への接近速度に反映することができる。
【００３７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば瞬時かつ直接的に最大電力点で動作しているか否か判断でき、また最大電力点よりずれた時も、どちらにどの程度ずれているのかを瞬時かつ直接的にしることができる。これにより機敏な最大電力点への追従が可能となり、太陽電池の発電力をより効率よく引き出す利点がある
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の制御回の実施の形態の一例を示す回路図である。
【図２】太陽電池のＩ−Ｖ特性とリプルの関係を示した説明図である。
【図３】太陽電池のＩ−Ｖ特性とリプルの関係において、最大電力点よりも太陽電池の開放電圧側（出力電圧の大きい側）へ動作点がずれている状態を示す図である。
【図４】太陽電池のＩ−Ｖ特性とリプルの関係において、最大電力点よりも太陽電池の短絡側（出力電圧の小さい側）へ動作点がずれている状態を示す図である。
【図５】リプルとＰＷＭ変調との関係説明図
【図６】太陽電池のＶ，Ｐ−Ｉ特性の説明図
【図７】サンプリング回路の説明図
【図８】動作点が太陽電池の開放電圧側にずれている時の説明図
【図９】動作点が太陽電池の短絡側にずれている時の説明図
【図１０】動作点が太陽電池の最大電力動作点にいる時の説明図
【符号の説明】
１１太陽電池
１２リアクトル
１３ＩＧＢＴＱ０１
１５電解コンデンサ
２１太陽電池のＩ−Ｖ特性
２２太陽電池のＰ−Ｖ特性
２３リプル電圧
２４リアクトル電流
２５電圧リプル最大値
２６電圧リプル最小値
２７電流リプル最大値
２８電流リプル最小値
６２太陽電池のＰ−Ｉ特性
６３最大電力点[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to an inverter device that converts DC power generated by a DC power supply such as a solar cell into AC power and supplies power to a commercial power system or to a general AC load. Related to control for maximizing.
[0002]
[Prior art]
Although there is a maximum power point on the output characteristic curve of the solar cell at which the maximum power of the solar cell can be extracted, the maximum power point differs at each time because the output characteristic depends on the amount of solar radiation and the temperature. Therefore, conventionally, in an inverter device, the maximum power has been extracted from the solar cell by controlling the operating point of the solar cell on the output characteristic curve of the solar cell to match the maximum power point at that time. ing.
[0003]
Japanese Patent Application Laid-Open No. H10-133755 is known as such maximum power point tracking control. These control methods uniformly detect and record an average power or voltage for a unit time long enough to smooth the ripple-like fluctuation. Then, the output is finely adjusted, and the power or voltage there is re-measured and compared with the recorded past power or voltage value. A method of estimating the direction in which the maximum power point exists from the result and gradually approaching the maximum power point is used.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
However, in such a conventional inverter control method, control responsiveness is slow because the maximum power point is searched by a gradual search, and the search is performed by slightly moving the output, so that it cannot be stopped at the maximum power point.
[0005]
SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide an apparatus and a method for determining the optimal output of a photovoltaic power generation that have high control responsiveness and do not rely on an exploratory method.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve these problems, the present invention focuses on the ripple generated in the solar cell voltage due to the switching of the inverter, and makes use of the fact that this voltage ripple depends on the output characteristics of the solar cell. By measuring the minimum value, it is possible to instantaneously determine at which point on the output characteristic curve of the solar cell the operating point of the inverter is located.
[0007]
Thereby, the deviation from the maximum power point can be determined by one measurement, and the high power point tracking can be performed at high speed. Further, since it is possible to detect that the output deviates from the maximum power point without fluctuating the output, it is possible to stop at the maximum power point.
[0008]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[0009]
FIG. 1 is a circuit diagram showing an example of an embodiment of the apparatus for determining whether the output of a DC power supply is optimal according to the present invention. The device for discriminating stores DC power output from solar cell 11 as power intermediately boosted in electrolytic capacitor 15 by a boost chopper circuit including reactor 12, IGBT (Q01) 13 and rectifying element 14, and an inverter. The power is converted into AC power by the unit 16 and supplied.
[0010]
The circuit includes a control unit 17, which includes a detector 18, a computer 10, and a pulse generator 19. The detector 18 includes a voltage value of the solar cell 11, a current value of the reactor 12, and a current value of the electrolytic capacitor 15. The voltage value of is detected. The value detected by the detector 18 is sent to the computer 10. The computer 10 opens and closes the IGBT (Q01) 13, which is an opening and closing element for setting a numerical value in the pulse generator 19. The output pulse signal of the pulse generator 19 is connected to the control terminal of the detector 18, and operates the detector in synchronization with the output pulse of the pulse generator 19.
[0011]
The circuit includes a control unit 17, detects the voltage VDC of the solar cell 11, the current IDC flowing in the reactor 12, and the voltage midDCV stored in the electrolytic capacitor 15, and applies PWM modulation to a gate signal for driving Q01, Q11 to Q32. Output as / OFF signal. The voltage VDC of the solar cell 11 and the current IDC flowing through the reactor 12 are detected in synchronization with the gate signal Q01.
[0012]
To implement the present invention, it is necessary to first detect the ripple of the solar cell 11. This ripple is inevitably generated by the ON / OFF operation of Q0113.
[0013]
The relationship between the ripple and the output characteristics of the solar cell 11 will be described with reference to FIG.
[0014]
The output characteristics of the solar cell are represented by IV characteristics 21. The current IDC generated in the reactor 12 by turning on / off the Q01 13 has a triangular waveform as indicated by the reactor current 24. Such a triangular wave is due to the di / dt characteristics of the reactor 12. The output voltage of the solar cell 11 when the reactor current 24 flows has a triangular waveform like the ripple voltage 23 due to the IV characteristic 21. When a current having the maximum current ripple 27 is generated, the output voltage becomes the minimum voltage ripple 26 due to the IV characteristic 21. Similarly, when a reactor current having a minimum current ripple value of 28 flows, the output voltage has a maximum voltage ripple value of 25.
[0015]
The relationship between the maximum power point and the ripple will be described using an equation. The maximum power point means the peak of the PV characteristic 22 of the solar cell in FIG. FIG. 6 shows a plot of the PV characteristics re-plotted on the PI characteristics. The VI characteristic 61 of the solar cell is obtained by exchanging the vertical axis and the horizontal axis of the IV characteristic 21 of the solar cell in FIG. The PI characteristic 62 of the solar cell is obtained by plotting the output power P when the output current I of the solar cell is plotted on the horizontal axis on the vertical axis. The maximum power point 63 is the same as the peak of the PV characteristic 22 and is also the peak of the PI characteristic 62. This will be described. When the solar cell has one extreme value (maximum power point) Pmax on the PV characteristic curve, the current I at the maximum power point is uniquely determined when the voltage V at the maximum power point is determined from the IV characteristic curve. It is understood that it is done. Assuming that one set of voltage and current at the maximum power point is (ipmax, vpmax), there is the following relationship with other combinations of voltage and current.
Pmax = ipmax * vpmax> i * v
｛I ≠ ipmax, v ≠ pvmax｝
Further, when the output current i = 0, the voltage is the open-circuit voltage of the solar cell, and the output power is p = 0. When the maximum value of the current is imax (the short-circuit current of the solar cell), the voltage is v = 0, and the output power is also p. = 0. As a result, the PI characteristic curve has 0 at both ends, has one maximum value, and is also continuous since the VI characteristic is continuous.
P (i) = i * v = i * F (i) (1)
Here, P (i) expresses the PV characteristic 22 of the solar cell as a function of the output current i, and F (i) expresses the IV characteristic 21 of the solar cell as a function of the output current i. It was done. That is, when the output current of the solar cell is i, the output power p and the output voltage v of the solar cell are
p = P (i)
v = F (i).
Differentiating both sides of this equation with i yields equation (2).
[0016]

DP (i) / di in the equation (2) is obtained by differentiating the function P (i) with the output current i, and represents the slope of p with respect to i.
[0017]
The relationship between this equation and the maximum power point is represented by a set of equations (3).
When the current at the maximum power point is ipmax,
i = ipmax: dP (i) / di = 0
i <ipmax: dP (i) / di> 0 (3)
i> ipmax: dP (i) / di <0
The relationship of
[0018]
If an equation equivalent to the above equation (2) is obtained from the detected value, it is possible to easily follow and stabilize the maximum power point by increasing or decreasing the output current i of the solar cell based on the equation (3). You can see that there is.
[0019]
In this embodiment, an equation equivalent to the equation (2) is obtained as the following equation.
dP (i) / di =
DCV0 + (dci2 + dci1) / 2 * (dcv1-dcv2) / (dci1-dci2) (4)
[0020]
Here, dci is a reactor current, and dcv is an output voltage of solar voltage. The relationship between each term of this equation and the detected value will be described with reference to a timing chart of FIG. The gate signal 53 is a gate signal for turning ON / OFF the Q01 13 in FIG. The reactor current (dci) 52 is a current flowing through the reactor 12 in FIG. This is equivalent to the output current of the solar cell 11 in FIG. It is the same as the reactor current 24 in FIG. The output voltage (dcv) 51 of the solar cell is the output voltage of the solar cell 11 in FIG. 1 and is the same as the ripple voltage 23.
[0021]
When the gate signal 53 is turned on at T1, T2, ..., Tn and turned off at t1, t2, ..., tn, the solar cell voltage is applied to the reactor 12 in Fig. 1 during the ON section from T1 to t1. In the forward direction, the reactor current (dci) 52 increases. In the OFF period from t1 to T2, the voltage rises to the voltage midDCV of the electrolytic capacitor 15 in FIG. 1. Therefore, a reverse potential is applied to the reactor 12, and the reactor current (dci) 52 decreases. That is, the value of the reactor current (dci) 52 detected at the timing T1 when the gate signal 53 is turned on becomes the peak value of the smaller ripple, and the reactor current (dci) detected at the timing t1 when the gate signal 53 is turned off. The value of 52) is the peak value of the larger ripple. The output voltage (dcv) 53 of the solar cell has a larger peak detected at the timing T1 and a smaller peak detected at the timing t1.
[0022]
The peak of the output voltage of the solar cell detected at the timing of T1 is dcv1, the reactor current is dci1, and the smaller peak of the output voltage of the solar cell detected at the timing of t1 is dcv2, and the reactor current is dci2.
[0023]
PWM modulation is usually performed at a frequency of about 10 kHz, and is controlled with a sufficiently fine pulse width for a control target. Therefore, the following approximation is obtained.
[0024]

[0025]
With respect to the pulse width, which is the control amount of the PWM modulation, the manner of seeing after the voltage DCV0 of the solar cell 11 is shown by the following equation.
DCV0 = midDCV * (PWM_base-PWM_time) / PWM_base (5)
Here, DCV0 is the center value of the output voltage of the solar cell 11 obtained as a result of the PWM modulation, and midDCV is the potential stored in the electrolytic capacitor 15 in FIG. PWM_base is the switching cycle of the gate signal 53 in FIG. PWM_time is the ON width of the gate signal 53.
[0026]
The behavior of the reactor current is as follows. When Q01 is switched on to short-circuit the solar cell, the reactor current increases. When Q01 is switched off so as to open the short circuit, current flows into the electrolytic capacitor 15 through the commutator 14 and the current decreases. This balance occurs when the amount of increase and decrease in current match. This is generally expressed by the following equation from the relationship between the voltage and current at both ends of the reactor, V / L △ T = △ I.
(Dcv / L) * PWM_time = ((midDCV-dcv) / L) * (PWM_base-PWM_time)
The left side represents the amount of increase in current when the above-mentioned "Q01 is switched on so as to be short-circuited". At this time, the voltage applied to both ends of the reactor 12 becomes dcv. When this is divided by the inductance L of the reactor, the amount of change in the reactor current per unit time can be obtained. The amount of increase in the reactor current is calculated by multiplying this by the short-circuit time PWM_time. The right side represents the amount of decrease in the current when the above-mentioned “switch Q01 to open”. At this time, the voltage applied to both ends of the reactor 12 becomes (dcv-midDCV). When this is divided by the inductance L of the reactor, the amount of change in the reactor current per unit time can be obtained. By multiplying this by the open time (PWM_base-PWM_time), the reduction amount of the reactor current is calculated. By rearranging this equation, dcv = midDCV * (PWM_base−PWM_time) / PWM_base
Equation (5) is obtained.
[0027]
An example in which dci1, dci2, dcv1, and dcv2 are sampled in accordance with ON / OFF of pwm (gate signal 53) will be described with reference to FIG. Reference numerals 71 and 701 denote AD converters for converting analog values of dci1, dci2, dcv1, and dcv2 into digital values. Reference numerals 77 and 78 denote BUS lines for transmitting the digital value converted by the 71 AD converter to a 72 MPU (micro processing unit). 70 is an interval timer for generating the PWM_base. 73 is a one-shot timer for generating an ON section of pwm (gate signal 53). 79 is from the 72 MPU to 73 one-shot timer 73 is a BUS line for transmitting the ON section time of pwm (gate signal 53). 702 is a signal line to be pwm (gate signal 53). 74 is a signal inverter. Reference numeral 75 denotes a trigger signal for causing the 71 AD converter to perform conversion. Reference numeral 76 denotes a trigger signal for causing the 701 AD converter to perform conversion.
[0028]
The ON section width of the pwm (gate signal 53) calculated by the 72 MPU as described later is set in the 73 one-shot timer through the 79 BUS line. An ON pulse is issued at 702 pwm (gate signal 53) every PWM_base according to an interval timer of 70. The rising edge of the ON pulse signal is transmitted to the 71 AD converter by the 75 trigger signal line, and dci1 and dcv1 at that time are sampled. The result is converted into a digital value and transmitted to the 72 MPU through the 77 BUS line. Also, the falling edge of the ON pulse signal is inverted by the 74 signal inverter and becomes the rising edge. The signal is transmitted to the 701 AD converter via the 76 trigger signal line, and the dci2 and dcv2 at that time are sampled. . The 72 MPU performs a calculation process based on the obtained information as described later, updates the ON section width of pwm (gate signal 53), outputs the ON section width to the 79 BUS line, and updates the set value of the one-shot timer 73 pwm ( Set the ON section width of the gate signal 53).
[0029]
The operation performed by the 72 MPU is as follows. The dci1 dci2 dcv1, dcv2 sampled in accordance with the on / off timing of pwm, the width of pwm on at that time, and the intermediate voltage (electrolytic capacitor 15) are substituted into equations (5) and (4), and output power characteristics (I) The slope dP (i) / di at that position is calculated.
[0030]
The relationship between the operating point when the slope dP (i) / di is positive and the maximum power point will be described with reference to FIG. FIG. 8 shows the VI output characteristics of the 31 solar cells and the PI characteristics of the 320 solar cells in a superimposed manner. When output is performed at 35 operating points on the VI output characteristic, 34 current waveforms and 33 voltage waveforms are generated. The operating point on the PI characteristic curve of the 36 solar cells at this time is 36 operating points. 37 is a maximum power operating point. FIG. 3 shows these points on the IV output characteristics. In this case, 32 becomes the PV characteristic of the solar cell. As is apparent from the 36 operating point in FIG. 8, when the slope of the PI characteristic of the 320 solar cell is positive, 37 is the side where the current is smaller than the maximum power operating point. In other words, the open-circuit voltage of the solar cell having a high voltage Located on the side.
[0031]
When the operating point is located on the open voltage side of the solar cell, the maximum power point can be approached by operating the solar cell in a direction in which the operating voltage (DCV0 in equation (5)) decreases. That is, when the midDCV in the equation (5) is stabilized, the ON pulse width (PWM_time in the equation (5)) of the pwm (gate signal 53) can be increased (increased).
[0032]
The midDCV intermediate voltage (electrolytic capacitor 15) is at an intermediate point of the output to a load such as a system connected to the output of the solar cell, and passes the intermediate voltage when the output of the solar cell is sufficiently output to the load side. Since the inflow power and the output power are equalized, the voltage is stable.
[0033]
The relationship between the operating point when the slope dP (i) / di is negative and the maximum power point will be described with reference to FIG. FIG. 9 additionally shows the VI output characteristics of the 41 solar cell and the PI characteristics of the 420 solar cell. When output is performed at 45 operating points on the VI output characteristic, a current waveform of 44 and a voltage waveform of 43 are generated. The operating point on the PI characteristic curve of the 46 solar cell at this time is 46 operating points. 47 is the maximum power operation point. FIG. 4 shows these points on the IV output characteristic. In this case, 42 is the PV characteristic of the solar cell. As is apparent from the 46 operating point in FIG. 9, when the slope of the PI characteristic of the 420 solar cell is negative, the current is larger than the 47 maximum power operating point, in other words, on the short-circuit current side of the solar cell. positioned.
[0034]
When the operating point is located on the short-circuit current side of the solar cell, the maximum power point can be approached by operating the solar cell in the direction of increasing the operating voltage (DCV0 in equation (5)). That is, this can be achieved by narrowing (decreasing) the ON pulse width (PWM_time in equation (5)) of pwm (gate signal 53).
[0035]
The relationship between the operating point when the slope dP (i) / di is near zero and the maximum power point will be described with reference to FIG. FIG. 9 shows the VI characteristics of the 21 solar cell and the PI characteristics of the 220 solar cell in a superimposed manner. When output is performed at 20 operating points on the VI output characteristic, 24 current waveforms and 23 voltage waveforms are generated. The operating points on the PI characteristic curve of the 26 solar cells at this time are 29 operating points. This is almost the same as the maximum power operating point. As is clear from the 29 operating points in FIG. 10, when the slope of the PI characteristic of the 220 solar cell is near zero, control for tracking the maximum power point is not particularly necessary.
[0036]
Further, since the absolute value of the slope dP (i) / di increases as the distance from the maximum power operating point increases, the magnitude of the deviation from the maximum power operating point can be known. Can be reflected.
[0037]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, it is possible to instantaneously and directly determine whether or not the operation is performed at the maximum power point. Can be direct. This makes it possible to quickly follow the maximum power point, and has the advantage of more efficiently extracting the power generated by the solar cell.
FIG. 1 is a circuit diagram showing an example of a control embodiment of the present invention.
FIG. 2 is an explanatory diagram showing a relationship between an IV characteristic and a ripple of a solar cell.
FIG. 3 is a diagram showing a state in which the operating point is shifted from the maximum power point to the open-circuit voltage side (larger output voltage side) of the solar cell in the relationship between the IV characteristic and the ripple of the solar cell.
FIG. 4 is a diagram illustrating a state in which an operating point is shifted from a maximum power point to a short-circuit side (a side with a small output voltage) of the solar cell in relation to an IV characteristic and a ripple of the solar cell.
FIG. 5 is a diagram illustrating the relationship between ripple and PWM modulation. FIG. 6 is a diagram illustrating the V and PI characteristics of a solar cell. FIG. 7 is a diagram illustrating a sampling circuit. FIG. FIG. 9 is an explanatory diagram when the operating point is shifted to the short-circuit side of the solar cell. FIG. 10 is an explanatory diagram when the operating point is at the maximum power operating point of the solar cell. Explanation of code]
11 solar cell 12 reactor 13 IGBT Q01
Reference Signs List 15 electrolytic capacitor 21 solar cell IV characteristic 22 solar cell PV characteristic 23 ripple voltage 24 reactor current 25 voltage ripple maximum value 26 voltage ripple minimum value 27 current ripple maximum value 28 current ripple minimum value 62 solar cell P -I characteristic 63 maximum power point

Claims

直流電源の正極端にリアクトルの一端と制御部検出器電圧検出端子を接
続し、前記リアクトルの他端に開閉素子の一端と整流子の一端を接続し前記整流子の他端
に平滑用コンデンサの一端とインバータ直流側正極端を接続し、前記インバータ直流側負
極端と前記コンデンサの他端と開閉素子の他端を前記直流電源の負極端に接続し制御パル
ス発生器出力端子と前記開閉素子の制御端と制御部検出器制御端子とを接続し、前記制御
パルス発生器出力の一つのパルスの立ち上がりと同じパルスの立下りのタイミングで、前
記直流電源の電圧と、前記リアクトルに流れる電流をサンプリングする前記制御部検出器
と、その出力端子より出力されたサンプリング値と、前記１つのパルスのオンの幅，パル
スの１サイクルの幅，及び前記平活用コンデンサーの両端にかかる電圧の値をもとに、前
記直流電源から供給される電力の最適値が電流を増加した場合に得られるか、減少した場
合に得られるかを瞬時に判定し、その判定に基づき前記制御パルス発生器をから出力され
るパルスの幅を前記制御パルス発生器を制御して電流を制御する制御計算機からなること
を特徴とする、インバータの入力電力を調整するための装置。One end of a reactor and a control unit detector voltage detection terminal are connected to the positive terminal of the DC power supply, one end of a switching element and one end of a rectifier are connected to the other end of the reactor, and a smoothing capacitor is connected to the other end of the rectifier. One end is connected to the inverter DC side positive terminal, the inverter DC side negative terminal, the other end of the capacitor and the other end of the switching element are connected to the negative terminal of the DC power supply, the control pulse generator output terminal and the switching element The control terminal is connected to the control unit detector control terminal, and the voltage of the DC power supply and the current flowing through the reactor are sampled at the same pulse falling timing as the rising of one pulse of the control pulse generator output. The control unit detector, the sampling value output from its output terminal, the ON width of the one pulse, the width of one cycle of the pulse, and the And immediately determine whether the optimum value of the power supplied from the DC power supply can be obtained when the current increases or decreases, based on the value of the voltage applied to both ends of the An apparatus for adjusting the input power of an inverter, comprising: a control computer that controls a current by controlling a width of a pulse output from the control pulse generator based on the control pulse generator.

直流電源の出力を最適化する方法において、開閉素子の出力を制御する
パルス発生装置の出力の１つのパルスの立ちあがりと立下りのタイミングで直流電源の電
圧と、リアクトルに流れる電流をサンプリングし、そのサンプリングと同じタイミングで
平滑コンデンサーにかかる電圧を計測し、前記電圧と、前記サンプリング値と前記一つの
パルスのパルス幅、パルスの１サイクルの幅より直流電源の出力電力の出力電流による勾
配ｄｐ／ｄｉを１パルスの間隔内で演算し、その値により電流を増加すると最適の出力電
力を得られるのか、減少したら最適の電力を得られるのかを瞬時に判別し、その判定に基
づいてパルスの幅を制御し、電流を変化させて出力電力を制御する方法。In the method of optimizing the output of the DC power supply, the voltage of the DC power supply and the current flowing through the reactor are sampled at the rising and falling timings of one pulse of the output of the pulse generator that controls the output of the switching element. The voltage applied to the smoothing capacitor is measured at the same timing as the sampling, and the gradient dp / di of the output power of the DC power supply based on the voltage, the sampling value, the pulse width of the one pulse, and the width of one cycle of the pulse is calculated. Is calculated within the interval of one pulse, and it is instantaneously determined whether the optimum output power can be obtained when the current is increased or the optimum power can be obtained when the current is decreased, and the pulse width is determined based on the determination. A method of controlling and changing the current to control the output power.