JP5511350B2

JP5511350B2 - 系統連系パワーコンディショナ

Info

Publication number: JP5511350B2
Application number: JP2009282855A
Authority: JP
Inventors: 誠春日井; 明彦岩田
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2009-12-14
Filing date: 2009-12-14
Publication date: 2014-06-04
Anticipated expiration: 2029-12-14
Also published as: JP2011125190A; JP5622923B2; JP2014057513A

Description

この発明は、太陽電池で発電した電力を商用系統に連系させる系統連系パワーコンディショナに関するものである。

系統連系パワーコンディショナ（以下、単にパワーコンディショナという）は、太陽電池で発電された直流電力を、インバータを用いて電力会社による単相３線式または三相３線式などの商用系統の周波数及び電圧に応じた交流電力に変換し、その商用系統に接続される家庭や工場などでの交流電気機器に使用できるようにすると共に、余剰交流電力を商用系統側へ逆潮流できるようにする装置であり、日の出の時間帯とともに太陽の日射が太陽電池に照射され、太陽電池が発電したことをパワーコンディショナが検知して太陽電池の電力を出力し、夕方、日の入りの時間帯に、太陽電池が発電できないことをパワーコンディショナが検知して翌日の日の出の時間帯まで機器を停止する自動運転を行うものであった。

上述のパワーコンディショナの一例として、特許文献１に示されたものは、パワーコンディショナが起動条件を満足できる電力が太陽電池から発電されているかどうかを、パワーコンディショナの内部に設けた放電回路のスイッチ素子をオンオフ制御して抵抗に電力を消費させることにより起動が可能かどうかを判断していた。

特開平１０−２８９０２６号公報（図４）

特許文献１に示されたものは、パワーコンディショナを起動する前に、放電回路内の抵抗に太陽電池の電力を一旦消費させて起動可能な電力を太陽電池から出力できるかどうかを判断しているため、放電回路という余分な設備が必要となり、パワーコンディショナの体積が大きくなると共にコストも高くなるという問題点があった。また、太陽電池の発電電力を抵抗に無駄に消費させ、運転可能最小電力が出力できないと判断されたときは、運転可能最小電力が太陽電池から出力される日射量に到達するまで、運転を開始せずに待機するため、低日射時には太陽電池から発電する電力を出力することができず、エネルギーを有効に活用できないという問題点もあった。

この発明は、上記のような問題点を解消するためになされたもので、朝夕の低日射時にもパワーコンディショナから電力を出力し、日射量の少ない朝、夕方でも、太陽電池が発電する電力を捨てることなく、有効に利用することができるパワーコンディショナを得ることを目的とする。

この発明に係るパワーコンディショナは、太陽電池が発電する直流電力を交流電力に変換して商用系統に出力するパワーコンディショナであって、朝夕などの日射量が少ない時間帯に、制御可能な最小電流指令値で出力して一定期間での太陽電池電圧の変化量を監視し、上記変化量が所定値を越えなければ電流指令値を増加し、上記変化量が所定値を越えたら電流指令値を減少させる制御手段を設け、上記制御手段は、最小電流指令値で出力している時に、上記変化量が所定値を超えた場合は出力を一定期間休止し、休止期間経過後
、再度最小電流指令値で運転して上記変化量が所定値を超えなければ一定休止期間内で電流指令値を出力する期間を増やすようにし、この出力動作を繰り返すことにより、日射量が少ないときでも、日射が安定するまで待つことなく、常に電力を出力するようにしたものである。

この発明によれば、朝夕の日射量が少ないときのパワーコンディショナの目標出力電流を制御可能な最小電流指令値から増加し、太陽電池電圧の変化量を監視しながら、出力する電流を増減させて出力し続けるようにしているため、従来のように、日射量が安定するまでパワーコンディショナからの出力を停止したり、パワーコンディショナが起動できるだけの日射量があるかどうかを、パワーコンディショナに搭載した専用の抵抗負荷に電力を供給して確認したりすることなく、太陽電池から電力を出力し、太陽電池が発電するわずかな電力も無駄にすることなく、電力を有効に利用することができるものである。

この発明の実施の形態１によるパワーコンディショナの構成を示すブロック図である。太陽電池の出力特性を示す図である。日射量が少ないがある程度安定している状態におけるパワーコンディショナの制御の状況を示す図である。日射量が少ない状態におけるパワーコンディショナの制御の状況を示す図である。日射量が極端に少ない状態におけるパワーコンディショナの制御の状況を示す図である。太陽電池の電圧−電流特性を示す図である。太陽光発電による一日の発電量を示した図で、この発明によって朝夕の電力が出力できる時間帯を斜線部分で示している。

実施の形態１．
以下、この発明の実施の形態１を図にもとづいて説明する。図１は、実施の形態１によるパワーコンディショナの構成を示すブロック図である。

図１に示すように、実施の形態１によるパワーコンディショナ１は、直流電力を発電する太陽電池２と、５０Ｈｚ或いは６０Ｈｚの商用系統電源３との間に接続される。商用系統電源３は、単相３線式または三相３線式の配電系統である。パワーコンディショナ１は、太陽電池２の電圧を昇圧するための昇圧部４と、太陽電池２が発電する直流電力を図示しないパワー素子のオンオフによって交流電力に変換するインバータ部５と、インバータ部５の出力側に接続され、インバータ部５の出力電流波形を滑らかにして商用系統電源３へ出力するフィルタ部６と、太陽電池の電圧Vsと、カレントトランス８ａの検出電流Isとを入力側の電力情報とし、商用系統電源３の電圧Voとカレントトランス８ｂの検出電流Iioとを出力側の電力情報として太陽電池の電力の変化を監視し、インバータ部５に制御信号として電流指令値I*を与える制御回路部７とを有している。インバータ部５は電流指令値I*に応じてパワー素子のオンオフ幅を調整しながら制御回路部７からの電流指令値と実際に出力している電流との誤差が少なくなるように周知のフィードバック制御を行って商用系統電源３に電力を出力している。

図２は太陽電池の出力特性を示す図で、横軸は太陽電池電圧、縦軸は太陽電池の電力を示す。図中、Ａは日射量が多い場合の特性を示し、Ｂは日射量が少ない場合の特性を示している。太陽電池から電力を取り出していない時、すなわち電流を出力していないときの太陽電池電圧は、図中のVocで、この電圧は一般的に開放電圧と呼ばれている。また、太
陽電池から最大の電力を出力する時の電圧は、図中のVpmで、この電圧は一般的に最大出
力動作電圧と呼ばれている。この開放電圧と最大出力動作電圧は、日の出の直後など、極端に日射量が少ない時間を除いて、日射量が少ない時でもＡ、Ｂの各特性においてほぼ同じ値を示すことが確認されている。

朝方、太陽電池に日射が当たると、日射量が少ないながらも太陽電池には電圧が発生し、日の出直後のわずかな時間を除けば、図２にＢで示す特性を示し、太陽電池の電圧は日射量が多いときの特性Ａとほぼ同じ開放電圧Vocを出力する。従来のパワーコンディショナは、この時、日射量が増えるまで一定時間出力をせずに待機状態を維持したり、特許文献１に示されているようにパワーコンディショナに設けてある放電回路に電力を消費させるなどして太陽電池の発電電力を無駄に消費していた。

この発明のパワーコンディショナは図２に示すように、最小出力電流指令値で太陽電池から一定期間、電力を出力し、その間の太陽電池の電圧変化△Ｖを監視し、同じ電流指令値で一定期間電力を出力したとき、太陽電池の電圧変化△Ｖが所定値を超えるか超えないかを検出する。具体的には、最小出力電流指令値で一定期間（例えば系統サイクル数で１０サイクル）電力を出力しても太陽電池の電圧変化△Ｖが所定値を超えない場合は、出力電流指令値すなわち最小出力電流指令値を増加させて、更に一定期間（系統サイクル数で１０サイクル）電力を出力する。これを繰り返し、所定の電流指令値増加回数（例えば１０回）まで連続して出力を増加しても太陽電池の電圧変化△Ｖが所定値を超えなければ、ある程度日射量が安定していると判断できるため、次回の電流指令値は増加分を増やして出力する。

図３は、上述の制御の状況を図示したものである。図３では、一例として最小出力電流指令値を0.1Aとし、T₁からT₂まで１０サイクル0.1Aを連続出力しても太陽電池の電圧変化△Ｖが所定値を超えない場合、T₂から出力電流指令値を0.2Aにして１０サイクル出力する。これを１０回繰り返し、出力電流指令値が1.0Aまで増加したT₃においても電圧変化△Ｖが所定値を超えない場合は、T₃において電流指令値を2.0Aに増やして１０サイクル出力する。この状態でも太陽電池の電圧変化△Ｖが所定値を超えなければ、最小出力電流指令値0.1Aに対して２０倍の電流指令値としても太陽電池の電圧変化△Ｖが少ないことから日射量がある程度安定していると判断できるため、通常のＭＰＰＴ制御（Maximum Power Point Tracking 最大電力点追従制御）で出力電流を増やし、太陽電池の電圧は最大電力点で動作する電圧値に落ち着く。ＭＰＰＴ制御は周知の技術であるため詳細な説明を省略する。

なお、日射量が安定していない状態で上述した最小出力電流指令値から電流指令値を増加中に、太陽電池の電圧変化△Ｖが所定値を超えた場合は、次のサイクルから現在の電流指令値に対して1つ前の電流指令値に減らして出力する。その後、一定期間（例えば系統
サイクル数で１０サイクル）出力した後でも電圧変化△Ｖが所定値を越えなければ、電流指令値を増やし、電圧変化△Ｖが所定値を超える場合は電流指令値を減らす操作を実施することで電流を流し続ける動作を繰り返す。

図４は、上述の制御の状態を示したものである。図４では、出力電流指令値が0.5Aの時、５サイクル目で電圧変化△Ｖが所定値を超えたため、T₄で電流指令値を１つ前の電流指令値である0.4Aに下げて出力する。この状態で一定期間（例えば系統サイクル数で１０サイクル）を経過しても、電圧変化△Ｖが所定値を超えなければ、T₅で電流指令値を再び0.5Aに増やして出力することを示している。

また、日射量が極端に少ない場合などで、最小出力電流指令値で出力しているときに電圧変化△Ｖが所定値を超えた場合は、出力電流指令値を０Ａとし、一定の休止時間（例えば系統サイクル数で１０サイクル）を設け、休止時間経過後、再度最小出力電流指令値で出力する。電圧変化△Ｖが所定値を超えなければ、今回出力したサイクル数から目標出力サイクル数を１サイクルだけ増やし、一定の休止時間の残りのサイクル期間は電流を出力しないようにする。電圧変化△Ｖが所定値を超えた場合は今回出力したサイクル数から目標出力サイクル数を１サイクルだけ減らし、一定の休止時間の残りのサイクル期間は電流を出力しないようにする。

これらの電流出力制御を繰り返すことで日射量が特に少ない場合でも、日射が安定するまでわずかながら電流を流すことで長時間出力を止めることはせず、太陽電池の発電電力を有効に活用する。この電流制御の期間中、最小出力電流指令値で休止時間がなくなる（例えば１０サイクル連続）まで出力しても電圧変化△Ｖが所定値を超えない場合は、上述した電流指令値を増加して連続して電流を出力する制御に切替える。

図５は、上述の制御の状況を図示したものである。図５では、最小出力電流指令値Im₁
（例えば0.1A）で出力中、１サイクル目で電圧変化△Ｖが所定値を超えた場合は、T₆で一定期間（例えば１０サイクル）出力電流指令値を０Ａとする。一定期間経過後、T₇においてIm₂で示すように、最小出力電流指令値で１サイクル出力し、この期間に電圧変化△Ｖ
が所定値を超えなければ、一定期間の残りの９サイクルを０Ａ出力とし、その９サイクルの経過後、T₈においてIm₃で示すように、最小出力電流指令値の出力サイクル数を１つ増
やして２サイクルとし、一定期間の残りの８サイクルを０Ａ出力とする。同様に、最小出力電流指令値での出力サイクル数を徐々に増やしていく。そして例えばT₉においてIm₄で
示すように、最小出力電流指令値での出力サイクルが５サイクルとなり、その５サイクル目で電圧変化△Ｖが所定値を超えた場合は、一定期間の残りの５サイクルを０Ａ出力とし、T₁₀においてIm₅で示すように、最小出力電流の目標サイクル数を１サイクル減らして４サイクルとし、一定期間の残りの６サイクルを０Ａ出力とする出力電流制御を行うものである。

実施の形態２．
次に、この発明の実施の形態２について説明する。実施の形態１では朝方など日射量の少ない時に、最小出力電流指令値で出力している時の指令電流を増やすか減らすかの判断は、太陽電池の電圧変化△Ｖを検出して行っているが、実施の形態２では、この電圧変化量で定まる基準電圧Ｖrefを、出力電流指令値を２倍にしてもそれに対応する電流出力が
可能となる電圧値に設定するものである。

以下、その詳細について説明する。図６は太陽電池の電圧−電流特性を示す図である。図中、Ｃは日射量が多い場合の特性を示し、Ｄは日射量が少ない場合の特性を示している。太陽電池が出力する電力が最大となる最大出力動作電圧Vpmは、開放電圧Vocの約８０％近辺となる。太陽電池の出力電流は開放電圧から最大出力動作電圧までは電圧が減少するのに対して電流は増加する。最大出力動作電圧より更に電圧が下がると、出力電流はほぼ一定な定電流特性を示す。

朝方などの日射量が少なくて不安定なときは、太陽電池から電力を出力すると、日射量が安定しているときに比べて太陽電池の動作電圧の変化量が大きくなりやすい。日射量が少ないときの出力電流指令値の増減を判断する太陽電池の基準電圧をVref₂で示すように、
最大出力動作電圧Vpm近辺に設定すると、出力電流指令値を２倍に増やした場合でも、日
射量が増えない限り２倍に増やした電流指令値に対応した電流を出力する電圧が得られないため、インバータ部は、不足する電力をインバータ入力部の図示しないコンデンサから出力すると共に、太陽電池からも電力が出力されるため、太陽電池の電圧が大きく下がり、場合によってはこの電圧がパワーコンディショナの最低動作電圧を下回り、パワーコンディショナの運転が一時停止する可能性もある。

そこで、日射量が少ないときの電流制御として、電流指令値を増減させる太陽電池電圧の変化量で定まる基準電圧を、電流指令値が２倍になってもそれに対応する電流を出力することができる電圧値に設定しようとするものである。この電圧は、図６の特性図において開放電圧Vocと最大出力動作電圧Vpmとの電圧差の約１／３の電圧を開放電圧Vocに対し
て保持した電圧値であるVref₁に設定する。このように設定すれば、出力電流の指令値を
２倍にしても、それに対応した電流を流す電力は出力されるため、日射量が増えなくても２倍に増やした目標電流を太陽電池から出力することができ、太陽電池電圧が急激に下がって、パワーコンディショナの最低動作電圧を下回り、パワーコンディショナの運転を一時停止してしまうような事態を防ぐことができる。

実施の形態２によれば、朝方など日射量の少ないときの出力電流制御に対して、パワーコンディショナが停止してしまうようなことが起こらないため、低日射時の電力出力を継続して行うことができ、従来、日射量が少ないときに太陽電池から出力を取り過ぎてパワーコンディショナの入力電圧下限値を下回り、一時パワーコンディショナが停止して待機状態に陥ったりすることがなく、安定して、日射量が少ないときの太陽電池の発電電力を維持することができるという効果がある。

以上のように、この発明にかかるパワーコンディショナは、朝夕の日射量が少ないときでも、パワーコンディショナから電流を出力することができるため、日射量が少なく太陽高度が低いため、朝方、日射量が安定するまでに時間がかかる冬季の朝などには特に有効であり、今まで日射量が安定するまで待機していたり、パワーコンディショナの内部の抵抗に太陽電池の発電電力を無駄に放電していた時間帯にも電力を出力することができるので、図７に示すように、１日の発電の中で、ａ，ｂで示す朝夕の日射量の少ない時間帯の発電電力を増やすことができる。また、十年以上稼動しているような太陽光発電システムにおいても、日射量の少ない時間帯に電力を出力することができて太陽電池の発電する積算電力量を増加することができるので、太陽電池の発電する電力を無駄なく、有用に活用することができる。

なお、上述した一連の制御は、朝方に限らず、日射量の少ない夕方や、雨の日の日中にも適用できることは言うまでもない。

１パワーコンディショナ、
２太陽電池、
３商用系統電源、
４昇圧部、
５インバータ部、
６フィルタ部、
７制御回路部、
８ａ，８ｂカレントトランス。

Claims

太陽電池が発電する直流電力を交流電力に変換して商用系統に出力する系統連系パワーコンディショナであって、朝夕などの日射量が少ない時間帯に、制御可能な最小電流指令値で出力して一定期間での太陽電池電圧の変化量を監視し、上記変化量が所定値を越えなければ電流指令値を増加し、上記変化量が所定値を越えたら電流指令値を減少させる制御手段を設け、上記制御手段は、最小電流指令値で出力している時に、上記変化量が所定値を超えた場合は出力を一定期間休止し、休止期間経過後、再度最小電流指令値で運転して上記変化量が所定値を超えなければ一定休止期間内で電流指令値を出力する期間を増やすようにしたことを特徴とする系統連系パワーコンディショナ。