JP6923341B2 - Operating point control circuit for photovoltaics and series-connected solar cells or other power sources - Google Patents
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Description
本発明は、複数の太陽電池セルを直列に接続した太陽光発電装置又はその他の任意の電源(電池、蓄電器、燃料電池、発電機、熱電素子等)を直列に接続した電力出力装置に係り、より詳細には、直列接続された太陽電池セル又はその他の電源の動作点を制御する回路装置(動作点制御回路装置)に係る。 The present invention relates to a photovoltaic power generation device in which a plurality of solar cells are connected in series or a power output device in which any other power source (battery, power storage, fuel cell, generator, thermoelectric element, etc.) is connected in series. More specifically, the present invention relates to a circuit device (operating point control circuit device) that controls the operating points of solar cells or other power sources connected in series.
一つの太陽電池(セル)の発電電圧は、一般的に、種々の機械器具や充電器の動作電圧よりも低いので、そのような機械器具の作動や充電器の充電に太陽電池を利用するための一つの方法として、太陽光発電システムに於いて、複数個の太陽電池セルを直列に接続した構成(太陽電池モジュール)が採用される。太陽電池モジュールに於いては、各太陽電池セルの設置角度の違いや建造物等によって一部のセル上に影が生じ、セル毎の受光量のバラつきが生じると、発電量の小さいセルは抵抗(逆バイアスのダイオード)となり、太陽電池モジュールの出力を低下させることとなり得る。 Since the generated voltage of one solar cell (cell) is generally lower than the operating voltage of various machinery / equipment and chargers, the solar cell is used for operating such machinery / equipment and charging the charger. As one of the methods, in a photovoltaic power generation system, a configuration in which a plurality of solar cell cells are connected in series (solar cell module) is adopted. In the solar cell module, if the installation angle of each solar cell is different or a building or the like causes a shadow on some cells and the amount of light received varies from cell to cell, the cell with a small amount of power generation resists. It becomes (reverse bias diode) and can reduce the output of the solar cell module.
より具体的には、図1を参照して、この分野に於いてよく知られている如く、或る量の光を受けている太陽電池は、発電電圧が0Vから或る値まで増大するまでは、電流(細実線I100〜I25)が徐々に低減し、発電電圧が更に増大すると、電流が急激に低減する発電電圧−電流特性を有している。従って、太陽電池の発電電力(太実線P100〜P25)は、発電電圧に対して山形に変化する特性を呈し、発電電力の大きさが最大となる最適な動作点(最大電力点又は最適動作点と称される。)が存在する。そして、図示の如く、太陽電池の受光量が低減していくと(R=100%→R=25%)、その発電電圧−電流特性は、発電電圧に対する電流(I100→I25)が低減する方向に変化して、従って、発電電力(P100→P25)が低下し、最大出力点も変化する。このような特性の複数の太陽電池セルがそのまま単に直列に接続された回路構成の場合、全ての太陽電池セルに共通の電流が流通することとなるので、全ての太陽電池セルの受光量が実質的に等しく、それらの最大出力点が実質的に一致しているときには、最大出力点に於ける電流が等しくなり、全ての太陽電池セルを最大出力点にて動作させることが可能となるが、太陽電池モジュール内の一部の太陽電池セルの受光量が影などによって低減すると、その受光量が低減された太陽電池セルでは、受光量の大きいセルと共通の電流が流れることになるので、その動作点が最大出力点から外れ、その発電量が、受光量の低減に対応するよりも大きな程度にて低減することとなり、更に、受光量の低減された太陽電池セル自体が、かかる電流に対する抵抗となるので、太陽電池モジュールの更なる出力低下が惹起されることとなる。(即ち、太陽電池モジュールの受光量に対応した最大の発電出力が得られないだけでなく、出力の損失も生ずることとなる。) More specifically, with reference to FIG. 1, as is well known in the art, a solar cell receiving a certain amount of light is used until the generated voltage increases from 0 V to a certain value. Has a power generation voltage-current characteristic in which the current sharply decreases as the current (fine solid lines I 100 to I 25) gradually decreases and the power generation voltage further increases. Therefore, the generated power of the solar cell (thick solid line P 100 to P 25 ) exhibits a characteristic that changes in a chevron shape with respect to the generated voltage, and the optimum operating point (maximum power point or optimum) at which the magnitude of the generated power is maximized. There is an operating point). Then, as shown in the figure, as the amount of light received by the solar cell decreases (R = 100% → R = 25%), the generated voltage-current characteristic decreases the current (I 100 → I 25) with respect to the generated voltage. Therefore, the generated power (P 100 → P 25 ) decreases, and the maximum output point also changes. In the case of a circuit configuration in which a plurality of solar cells having such characteristics are simply connected in series as they are, a common current flows through all the solar cells, so that the amount of light received by all the solar cells is substantially reduced. When they are equal and their maximum output points are substantially the same, the currents at the maximum output points are equal and all solar cells can be operated at the maximum output points. If the amount of light received by some of the solar cells in the solar cell module is reduced due to shadows, etc., the solar cells with the reduced amount of light will flow the same current as the cells with a large amount of light received. The operating point deviates from the maximum output point, the amount of power generated is reduced to a greater extent than corresponding to the reduction in the amount of light received, and the solar cell itself with the reduced amount of light received is resistant to such current. Therefore, the output of the solar cell module is further reduced. (That is, not only the maximum power generation output corresponding to the amount of light received by the solar cell module cannot be obtained, but also output loss occurs.)
そこで、そのような太陽電池モジュール内に於ける太陽電池セル毎の受光量のバラつきに起因する出力低下を回避するための装置として、直列に接続された太陽電池セルの各々の勳作点を個別に制御することが可能な発電動作点制御回路装置が提案されている(非特許文献1〜3)。かかる発電動作点制御回路装置は、複数の太陽電池セルが直列に接続された回路構成に対して、多段昇降圧チョッパ回路を用いて、太陽電池セル毎に、発電電圧を制御して、互いに異なる電流を流通させることが可能であり、これにより、直列接続された複数個の太陽電池セルの受光量が異なる場合であっても、各太陽電池セルにそれぞれの最大出力点に於ける電流が流通するように発電電圧が調節可能であり、従って、全ての太陽電池セルに実質的に最大出力点にて発電させることが可能となる。即ち、この発電動作点制御回路装置によれば、影などによって受光量が低減した太陽電池セルについても、その最大出力点にて動作させることができるので、太陽電池モジュール全体での受光量に対応して実質的に最大の発電電力を得ることができ、また、受光量が低減した太陽電池セルが逆バイアスのダイオードとはならないので、出力損失も回避できることとなる。
Therefore, as a device for avoiding a decrease in output due to a variation in the amount of light received for each solar cell in such a solar cell module, each solar cell connected in series is individually patented. A power generation operating point control circuit device capable of being controlled is proposed (Non-Patent
複数の太陽電池セルを直列に接続してなる太陽電池モジュールに於いて、上記の如き発電動作点制御回路装置を用いて、太陽電池セルの各々の発電動作点を最適に制御しようとする場合、それらの発電動作点の探索のために或る程度の時間と労力とを要することとなる。かかる発電作動点制御回路装置の場合、具体的には、出力端子間にて直列に接続された太陽電池セルの各々に対して並列に接続されたスイッチング素子又はスイッチング手段のON/OFF(導通/遮断)の時間長さの比(デューティ比)をそれぞれ調節して、太陽電池セルの各々の発電電圧(動作電圧)を昇降する操作が実行される。例えば、n個の直列に接続された太陽電池セルの各々について、発電動作点の探索のために、発電電圧の昇圧及び降圧の二通りの操作をk回ずつ実行したとすると、2nk通りの探索回数を要することとなる。従って、太陽電池セルの数が増大すればするほど、各太陽電池セルの受光量の変動に追従した発電動作点の探索制御に要する時間が長くなってしまうこととなる。 In a solar cell module in which a plurality of solar cells are connected in series, when the power generation operating point control circuit device as described above is used to optimally control each power generation operating point of the solar cells, It will take some time and effort to search for those power generation operating points. In the case of such a power generation operating point control circuit device, specifically, ON / OFF (conduction / conduction /) of a switching element or a switching means connected in parallel to each of the solar cells connected in series between the output terminals. The operation of raising or lowering the power generation voltage (operating voltage) of each of the solar cells is executed by adjusting the ratio (duty ratio) of the time length (cutoff). For example, for each of the n solar cells connected in series, if two operations of stepping up and lowering the generated voltage are executed k times in order to search for the operating point of power generation, 2 nk ways of searching are performed. It will take a number of times. Therefore, as the number of solar cells increases, the time required for the search control of the power generation operating point that follows the fluctuation of the light receiving amount of each solar cell becomes longer.
ところで、図1を再度参照して、上記の如く、太陽電池セルの受光量が低減すると(R=100%〜25%)、発電電圧に対する発電電力(P100〜P25)が低減する方向に特性が変化し、これに対応して最大電力点(×)は図中点線にて示されている如く推移する。かかる受光量の低減に対する特性の変化に於いて、電力値(P100〜P25)及び電流値(I100〜I25)は大きく変化するのに対して、最大電力点の電圧値(×)の変化幅は比較的小さく、また更に、各々の受光量の場合の発電電力特性に於いて、最大電力点付近での電圧値の変化に対する発電電力値の変化も比較的緩やかであることが見出される。より具体的には、例えば、図示の如く、受光量Rが100%から、75%、50%、25%へと低減した太陽電池セルが在る場合に、それらの発電電圧の全てを、受光量が最大の太陽電池セル(R=100%)の最大電力点に於ける発電電圧(一点鎖線:Vmpp100)に調節したとしても、各太陽電池セルの最大電力点に於ける電力に対する発電電力(P75、P50、P25)の低減量は、図示の如く、ΔP1、ΔP2、ΔP3程度であり、然程に大きくならないことが理解される。即ち、太陽電池モジュールに於いて、それぞれの太陽電池セルの受光量の変化に追従してそれぞれの太陽電池セルが最大電力点にて発電動作するようにそれぞれの発電電力及び/又は発電電圧を調節する操作を実行するよりも、むしろ、全ての太陽電池セルの発電電圧を或る値に、例えば、受光量の最大の太陽電池セルの最大電力点の発電電圧値(Vmpp100)に固定してしまった方が、それによる電力の損失は少々発生するが、各太陽電池セルの発電電力及び/又は発電電圧の調節のために費やされる時間と労力を大幅に省けることとなり、有利な場合がある。そして、各太陽電池セルの発電電圧は、それぞれに並列に接続されたスイッチング素子又はスイッチング手段のデューティ比と太陽電池モジュールの出力端子間電圧とにより決定されるので、スイッチング素子又はスイッチング手段のデューティ比を固定値にしてしまっても、出力端子間電圧を調節することによって、各太陽電池セルの発電電圧を、上記の如く調節することは可能である。本発明に於いては、この知見が利用される。 By the way, referring to FIG. 1 again, as described above, when the amount of light received by the solar cell decreases (R = 100% to 25%), the generated power (P 100 to P 25 ) with respect to the generated voltage tends to decrease. The characteristics change, and the maximum power point (x) changes as shown by the dotted line in the figure. The power value (P 100 to P 25 ) and the current value (I 100 to I 25 ) change significantly in the change in the characteristics with respect to the reduction in the amount of received light, whereas the voltage value (x) at the maximum power point. It was found that the range of change is relatively small, and that the change in the generated power value with respect to the change in the voltage value near the maximum power point is also relatively gradual in the generated power characteristics for each received light amount. Is done. More specifically, for example, as shown in the figure, when there is a solar cell whose light receiving amount R is reduced from 100% to 75%, 50%, and 25%, all of those generated voltages are received. Even if it is adjusted to the power generation voltage (single point chain line: Vmpp100 ) at the maximum power point of the solar cell (R = 100%) having the maximum amount, the power generated with respect to the power at the maximum power point of each solar cell. It is understood that the amount of reduction of (P 75 , P 50 , P 25 ) is about ΔP1, ΔP2, and ΔP3 as shown in the figure, and does not increase so much. That is, in the solar cell module, the generated power and / or the generated voltage is adjusted so that each solar cell operates at the maximum power point according to the change in the amount of light received by each solar cell. rather than perform an operation that, rather, the power generation voltages of all of the solar cell to a certain value, for example, is fixed to the power generation voltage value of the maximum power point of the maximum of the solar cell of the light-receiving amount (V mpp100) Although there will be a small loss of power due to this, it may be advantageous because it saves a lot of time and effort for adjusting the generated power and / or the generated voltage of each solar cell. .. The generated voltage of each solar cell is determined by the duty ratio of the switching element or the switching means connected in parallel to each of them and the voltage between the output terminals of the solar cell module. Therefore, the duty ratio of the switching element or the switching means. Even if is set to a fixed value, the generated voltage of each solar cell can be adjusted as described above by adjusting the voltage between the output terminals. This finding is utilized in the present invention.
かくして、本発明の一つの主な課題は、複数個の太陽電池セルが直列に接続されて成る太陽電池モジュールに於いて、各太陽電池セルの発電電力及び/又は発電電圧の調節或いはスイッチング素子若しくはスイッチング手段のデューティ比の調節のために費やされる時間と労力を大幅に削減できる太陽光発電装置或いは発電動作点制御回路装置を提供することである。なお、「発電動作点制御回路装置」とは、直列に接続された太陽電池セルの各々の発電電圧・電流を制御するための回路部分(太陽電池セルへの接続端子、スイッチング素子、コンデンサ、インダクタ等)から成る装置を指し、「太陽光発電装置」という場合には、直列に接続された太陽電池セルから成る太陽電池モジュールと発電動作点制御回路とを含む構成の装置を指すものとする。 Thus, one major subject of the present invention is in a solar cell module in which a plurality of solar cell cells are connected in series, the generated power and / or the generated voltage of each solar cell, or a switching element or a switching element. It is an object of the present invention to provide a photovoltaic power generation device or a power generation operation point control circuit device that can significantly reduce the time and labor spent for adjusting the duty ratio of the switching means. The "power generation operating point control circuit device" is a circuit part for controlling the power generation voltage and current of each of the solar cells connected in series (connection terminal to the solar cell, switching element, capacitor, inductor). Etc.), and the term "photovoltaic power generation device" refers to a device having a configuration including a solar cell module composed of solar cells connected in series and a power generation operating point control circuit.
また、上記の如き太陽光発電装置或いは発電動作点制御回路を用いた太陽電池モジュールの太陽電池セルの発電動作制御は、より安定的であること或いはより損失が少ないことが好ましい。そこで、本発明のもう一つの課題は、より安定的に、及び/又は、より損失が少なく動作する太陽光発電装置或いは発電動作点制御回路装置の構成を提供することである。 Further, it is preferable that the power generation operation control of the solar cell of the solar cell module using the above-mentioned solar power generation device or power generation operating point control circuit is more stable or has less loss. Therefore, another object of the present invention is to provide a configuration of a photovoltaic power generation device or a power generation operating point control circuit device that operates more stably and / or with less loss.
ところで、後により詳細に説明される本発明による装置の回路構成は、太陽電池に限らず、任意の電力を出力する電源素子(例えば、化学電池、燃料電池、蓄電器、発電機、熱電素子など)が直列に接続されたモジュールに於ける各電源素子の動作電圧の制御にも利用可能である。従って、本発明の更なる課題は、複数個の太陽電池及び/又は電源素子(電池セル、蓄電器セル、発電機、熱電素子等)を直列に接続したモジュールに於ける個々の電源素子(セル)の動作点を制御する動作点制御回路装置であって、各電源素子の動作電力及び/又は動作電圧の調節のために費やされる時間と労力を大幅に削減できる構成を提供することである。 By the way, the circuit configuration of the device according to the present invention, which will be described in more detail later, is not limited to solar cells, but is a power source element that outputs arbitrary power (for example, a chemical cell, a fuel cell, a capacitor, a generator, a thermoelectric element, etc.). It can also be used to control the operating voltage of each power source element in a module in which is connected in series. Therefore, a further subject of the present invention is an individual power source element (cell) in a module in which a plurality of solar cells and / or power source elements (battery cell, capacitor cell, generator, thermoelectric element, etc.) are connected in series. It is an operating point control circuit device that controls the operating point of the above, and is to provide a configuration capable of significantly reducing the time and labor required for adjusting the operating power and / or the operating voltage of each power source element.
本発明によれば、上記の課題の一つは、出力端子間に複数の太陽電池セル又は複数の太陽電池セルとコンデンサを直列に接続すると共に、前記出力端子間に於いて各太陽電池セル又は各太陽電池セルとコンデンサに対して、スイッチング素子がインダクタを介して並列に接続されて成る発電動作点制御回路装置を含み、前記スイッチング素子の各々を周期的に遮断することにより対応する太陽電池セル又はコンデンサより電流を前記出力端子間へ送出する太陽光発電装置であって、前記発電動作点制御回路装置は前記複数の太陽電池セル又は複数の太陽電池セルとコンデンサの全てに対応する前記スイッチング素子を一渡り遮断する1サイクルの間には全てのスイッチング素子に対する遮断のデューティ比を固定するようになっていることを特徴とする装置によって達成される。 According to the present invention, one of the above-mentioned problems is to connect a plurality of solar cells or a plurality of solar cells and a capacitor in series between the output terminals, and to connect each solar cell or each solar cell or a capacitor between the output terminals. Each solar cell and capacitor includes a power generation operating point control circuit device in which switching elements are connected in parallel via an inductor, and the corresponding solar cells are generated by periodically shutting off each of the switching elements. Alternatively, the photovoltaic power generation device that sends a current from the capacitor to the output terminals, and the power generation operating point control circuit device is the switching element corresponding to all of the plurality of solar cells or the plurality of solar cells and the capacitor. It is achieved by an apparatus characterized in that the duty ratio of the interruption to all the switching elements is fixed during one cycle of interrupting the circuit.
即ち、上記の装置に於いて、発電動作点制御回路装置は、一対の出力端子と、一対の出力端子の間にて直列に接続される複数の太陽電池セルの各々の電極端子に接続される複数の電極用接続端子と、一対の出力端子の間にて、複数の太陽電池セルの各々に対して、対応する電極用接続端子を介して並列に接続されるコンデンサと、一対の出力端子の間にて、複数の太陽電池セルの各々に対して、対応する電極用接続端子とインダクタとを介して並列に接続されて、接続された一対の電極用接続端子の間を選択的に互いに導通するスイッチング手段(即ち、「スイッチング素子」)と、スイッチング手段の各々の状態を、それぞれの、一対の電極用接続端子間又はコンデンサの一対の端子間に接続された両端子間を導通した導通状態と両端子間の導通を遮断した遮断状態との間にて交互に、同一の所定の周期にて、切換える制御手段とを含む。そして、一連のスイッチング手段の制御に関して、制御手段によって、常に、少なくとも一部のスイッチング手段が遮断状態となり、その他のスイッチング手段が導通状態となるように制御され、スイッチング手段の全ての所定の周期の長さに対する遮断状態となる期間の長さの比(遮断のデューティ比)が互いに同一となるように一律に固定されることとなる。なお、発電動作点制御回路装置は、更に、一対の出力端子の間に於いて、直列接続される複数の太陽電池セルの一方の端側の電極用接続端子と出力端子の一方との間又は直列接続される複数の太陽電池セルのうちの隣接する二つの太陽電池セルの間の二つの電極用接続端子の間にて、前記のコンデンサに対して直列して追加のコンデンサが接続され、該追加のコンデンサに対して並列に且つ前記のスイッチング手段に対して直列して追加のスイッチング手段が接続されている構成であるか、或いは又、一対の出力端子間にて直列に接続されたコンデンサに対して直列に更なる追加のコンデンサが接続され、該更なる追加のコンデンサに対して並列に且つ一対の出力端子間にて直列に接続されたスイッチング手段に対して直列に更なる追加のスイッチング手段が接続されている構成となっていてもよい。それらの場合にも、スイッチング手段の制御は、追加のスイッチング手段及び/又は更なる追加のスイッチング手段を含めて、上記と同様に実行されてよい。 That is, in the above device, the power generation operating point control circuit device is connected to each electrode terminal of a plurality of solar cells connected in series between the pair of output terminals and the pair of output terminals. A capacitor and a pair of output terminals connected in parallel between a plurality of electrode connection terminals and a pair of output terminals via corresponding electrode connection terminals for each of a plurality of solar cells. In the meantime, for each of the plurality of solar cells, the corresponding electrode connection terminals and the inductors are connected in parallel, and the pair of connected electrode connection terminals are selectively electrically connected to each other. A conductive state in which each state of the switching means (that is, "switching element") and the switching means is conducted between the pair of electrode connection terminals or both terminals connected between the pair of terminals of the capacitor. It includes a control means for alternately switching between the above and the cutoff state in which the continuity between the two terminals is cut off at the same predetermined cycle. Then, with respect to the control of the series of switching means, the control means always controls so that at least a part of the switching means is in the cutoff state and the other switching means is in the conductive state, and all the predetermined cycles of the switching means are controlled. The ratio of the length of the cut-off state to the length (cut-off duty ratio) is uniformly fixed so as to be the same as each other. The power generation operating point control circuit device is further provided between the pair of output terminals, between the electrode connection terminal on one end side of a plurality of solar cells connected in series and one of the output terminals, or between the output terminals. An additional capacitor is connected in series with the capacitor between two electrode connection terminals between two adjacent solar cells among a plurality of solar cells connected in series. An additional switching means is connected in parallel to the additional capacitor and in series with the switching means, or to a capacitor connected in series between a pair of output terminals. On the other hand, an additional capacitor is connected in series, and an additional switching means is connected in parallel with the additional capacitor and in series with the switching means connected in series between the pair of output terminals. May be connected. In those cases, control of the switching means may be performed in the same manner as described above, including additional switching means and / or additional switching means.
上記の本発明の装置は、要すれば、回路構成としては、基本的には、後述の図面を参照した説明から理解される如く、非特許文献1〜3に記載されている、多段型の昇降圧チョッパ回路を用いた直列接続された複数の太陽電池セルのための発電動作点制御回路装置と同様の構成を有する。なお、上記の如く、多段型の昇降圧チョッパ回路(太陽電池セル、コンデンサ、インダクタ、スイッチング素子から成る回路)の一方の端と一方の出力端子との間或いは多段型の昇降圧チョッパ回路の段の間に、更に、追加のコンデンサと追加のスイッチング手段とが並列に接続されて成る回路部分が追加されてもよく、或いは又、一対の出力端子間の外側に追加のコンデンサと追加のスイッチング手段とが並列に接続されて成る回路部分が追加されてもよい(この場合、回路構成は、端的に述べれば、非特許文献1〜3の発電動作点制御回路装置に於いて、一つの太陽電池セルを除去した構成と同様となる。)。そして、かかる多段型の昇降圧チョッパ回路に於いて、昇降圧チョッパ回路の各々の段のスイッチング素子の遮断のデューティ比は、従前では、既に述べた如く、対応する太陽電池セルの発電電圧が所望の電圧(好適には、最大電力点に於ける電圧)になるように、或いは、対応するコンデンサの両端の電圧が所望の電圧になるように、それぞれ、調節されていたところ、この操作が時間と労力とを要するものとなっていた。
The above-mentioned apparatus of the present invention, if necessary, has a circuit configuration of a multi-stage type described in
一方、本発明の装置の場合には、要すれば、昇降圧チョッパ回路の各々の段のスイッチング素子又はスイッチング手段の遮断のデューティ比が、一律に固定される。これにより、遮断のデューティ比の調節のための操作を実行する必要がなくなり、装置の動作条件の調整のために要していた時間と労力とが大幅に削減されることとなる(後に、より詳細に説明される如く、発電電力効率を高めるためには、多段型の昇降圧チョッパ回路の全体の出力電圧(出力端子間の電圧)の調節は必要となる。)。かかる構成の場合、後に詳細に説明される如く、多段型の昇降圧チョッパ回路の各段にて印加される電圧、即ち、太陽電池セルの発電電圧(追加のコンデンサがある場合には、コンデンサの保持電圧も含む。)が、基本的には、或る値に一律に決定されるので、各太陽電池セルの動作点が、それぞれの受光量に依存して、最大電力点から外れた状態となり得る。しかしながら、上記の多段型の昇降圧チョッパ回路に於いては、各段に流通する電流は、それぞれの太陽電池セルの受光量に依存した発電電圧−電流特性に応じて個別に決定される一方、太陽電池セルに於いては、受光量の変化に対する、発電電圧の変化による発電電力の変化幅が小さいことから、発電電力の、最大電力点から発電電圧がずれることによる低下量は比較的小さく抑えられることとなる。即ち、本発明の構成によれば、発電電力の低下幅を比較的小さく抑えつつ、装置の動作条件の調整のために費やされる時間と労力を削減できるという利点が得られることとなる。 On the other hand, in the case of the apparatus of the present invention, if necessary, the duty ratio of the cutoff of the switching element or the switching means of each stage of the buck-boost chopper circuit is uniformly fixed. This eliminates the need to perform an operation to adjust the duty ratio of the cutoff, significantly reducing the time and effort required to adjust the operating conditions of the device (later, more). As explained in detail, in order to improve the power generation efficiency, it is necessary to adjust the overall output voltage (voltage between output terminals) of the multi-stage buck-boost chopper circuit.) In the case of such a configuration, as will be described in detail later, the voltage applied in each stage of the multi-stage buck-boost chopper circuit, that is, the generated voltage of the solar cell (if there is an additional capacitor, the capacitor's voltage). The holding voltage is also included.) Is basically uniformly determined to a certain value, so that the operating point of each solar cell deviates from the maximum power point depending on the amount of light received. obtain. However, in the above-mentioned multi-stage buck-boost chopper circuit, the current flowing through each stage is individually determined according to the generated voltage-current characteristics depending on the amount of light received by each solar cell. In a solar cell, since the range of change in the generated power due to the change in the generated voltage is small with respect to the change in the amount of received light, the amount of decrease in the generated power due to the deviation of the generated voltage from the maximum power point is kept relatively small. Will be done. That is, according to the configuration of the present invention, it is possible to obtain an advantage that the time and labor required for adjusting the operating conditions of the apparatus can be reduced while suppressing the decrease in the generated power to be relatively small.
ところで、既に触れたように、上記の本発明の構成は、太陽電池に限らず、例えば、化学電池、燃料電池、蓄電器、発電機、熱電素子などの任意の電力を出力する電源素子(以下、「電源セル」と称する)が直列に接続されたモジュールに於ける各電源セルの動作電圧の制御にも適用可能である。従って、本発明のもう一つの態様に於いては、直列接続された複数の電源セルのための動作点制御回路装置であって、一対の出力端子と、前記一対の出力端子の間にて直列に接続される複数の電源セルの各々の電極端子に接続される複数の電極用接続端子と、前記一対の出力端子の間にて、前記複数の電源セルの各々に対して、対応する前記電極用接続端子を介して並列に接続されるコンデンサと、前記一対の出力端子の間にて、前記複数の電源セルの各々に対して、対応する前記電極用接続端子とインダクタとを介して並列に接続されて、前記接続された一対の前記電極用接続端子の間を選択的に互いに導通するスイッチング手段と、前記スイッチング手段の各々の状態を、それぞれの、一対の電極用接続端子間又は前記コンデンサの一対の端子間に接続された両端子間を導通した導通状態と前記両端子間の導通を遮断した遮断状態との間にて交互に、同一の所定の周期にて、切換える制御手段とを含み、前記制御手段によって、常に、少なくとも一部のスイッチング手段が前記遮断状態となり、その他のスイッチング手段が前記導通状態となるように制御され、前記スイッチング手段の全ての前記所定の周期の長さに対する前記遮断状態となる期間の長さの比が互いに同一となるように一律に固定されている装置が提供される。かかる構成に於いて、更に、前記一対の出力端子の間に於いて、前記直列接続される複数の電源セルの一方の端側の前記電極用接続端子と前記出力端子の一方との間又は前記直列接続される複数の電源セルのうちの隣接する二つの電源セルの間の二つの前記電極用接続端子の間にて、前記コンデンサに対して直列して追加のコンデンサが接続され、該追加のコンデンサに対して並列に且つ前記スイッチング手段に対して直列して追加のスイッチング手段が接続されている構成であってもよく、或いは又、前記一対の出力端子間にて直列に接続された前記コンデンサに対して直列に更なる追加のコンデンサが接続され、該更なる追加のコンデンサに対して並列に且つ前記一対の出力端子間にて直列に接続された前記スイッチング手段に対して直列に更なる追加のスイッチング手段が接続されている構成であってもよい。以下、特に断らない限り、「電源セル」というときは、太陽電池セル或いはその他の任意の電力を出力する電源素子を指すものとする。 By the way, as already mentioned, the above-described configuration of the present invention is not limited to solar cells, but is a power supply element that outputs arbitrary power such as a chemical cell, a fuel cell, a capacitor, a generator, and a thermoelectric element (hereinafter, It can also be applied to control the operating voltage of each power cell in a module in which (referred to as "power cell") is connected in series. Therefore, in another aspect of the present invention, it is an operating point control circuit device for a plurality of power supply cells connected in series, and is connected in series between a pair of output terminals and the pair of output terminals. Between the plurality of electrode connection terminals connected to the respective electrode terminals of the plurality of power cells connected to the power cell and the pair of output terminals, the corresponding electrodes for each of the plurality of power cells. Between the capacitor connected in parallel via the connection terminal and the pair of output terminals, for each of the plurality of power cells, in parallel via the corresponding electrode connection terminal and inductor. A switching means that is connected and selectively conducts each other between the pair of connected electrode connection terminals and the state of each of the switching means can be set between the pair of electrode connection terminals or the capacitor. A control means for alternately switching between a conductive state in which both terminals connected between the pair of terminals are conductive and a cutoff state in which conduction between the two terminals is cut off, at the same predetermined cycle. Including, the control means always controls at least some of the switching means to be in the cutoff state and the other switching means to be in the conductive state, with respect to all the predetermined period lengths of the switching means. An apparatus is provided in which the ratio of the lengths of the cut-off states is uniformly fixed so as to be the same as each other. In such a configuration, further, between the pair of output terminals, between the electrode connection terminal on one end side of the plurality of power cells connected in series or between one of the output terminals or the said. An additional capacitor is connected in series with the capacitor between the two electrode connection terminals between two adjacent power cells of the plurality of power cells connected in series, and the additional capacitor is connected. An additional switching means may be connected in parallel with the capacitor and in series with the switching means, or the capacitor connected in series between the pair of output terminals. An additional capacitor is connected in series with the switching means, and an additional capacitor is added in parallel with the additional capacitor and in series with the switching means connected in series between the pair of output terminals. The switching means may be connected. Hereinafter, unless otherwise specified, the term "power cell" refers to a solar cell or other power element that outputs arbitrary power.
上記の本発明の装置に於けるスイッチング素子又はスイッチング手段の導通/遮断状態の切換制御について、一つの態様に於いては、1サイクルにおける全てのスイッチング素子に対する遮断の時期は相互に重ならないようになっていてよい。即ち、制御手段によって、全てのスイッチング手段の遮断状態となる時期が互いに異なっているようスイッチング手段の状態が制御されてよい。この場合、本発明の装置の構成に於いては、遮断のデューティ比を一律に固定することによって、昇降圧チョッパ回路の各段の動作電圧(即ち、太陽電池セル若しくはその他の電源セル又はこれらに直列に接続されるコンデンサの各々の発電電圧若しくは動作電圧又は保持電圧)が一律に一つの値に決定される。そして、かかる構成に於いては、遮断のデューティ比は、昇降圧チョッパ回路の段数、即ち、直列接続されたスイッチング手段(追加のスイッチング手段、更なる追加のスイッチング手段が存在する場合はそれらを含む。)の数の逆数となるので、遮断のデューティ比の調節が簡単に実行されることとなる。また、この構成の場合、要すれば、スイッチング素子又はスイッチング手段が一時に一つずつ遮断されることとなるので、このことだけで、各スイッチング手段の対応する昇降圧チョッパ回路の段の動作電圧が安定的に決定できることとなる。 Regarding the switching control of the conduction / cutoff state of the switching element or the switching means in the above-mentioned apparatus of the present invention, in one embodiment, the cutoff times for all the switching elements in one cycle do not overlap with each other. It may be. That is, the state of the switching means may be controlled by the control means so that the timing of the cutoff state of all the switching means is different from each other. In this case, in the configuration of the apparatus of the present invention, by uniformly fixing the duty ratio of the cutoff, the operating voltage of each stage of the buck-boost chopper circuit (that is, the solar cell or other power supply cell or these) The generated voltage or operating voltage or holding voltage of each of the capacitors connected in series) is uniformly determined to be one value. And in such a configuration, the duty cycle of the cutoff includes the number of stages of the buck-boost chopper circuit, i.e., the switching means connected in series (additional switching means, if any additional switching means are present). Since it is the reciprocal of the number of.), The duty ratio of the cutoff can be easily adjusted. Further, in the case of this configuration, if necessary, the switching elements or the switching means are cut off one by one at a time. Therefore, this alone is the operating voltage of the stage of the buck-boost chopper circuit corresponding to each switching means. Can be determined stably.
また、上記の本発明の装置に於けるスイッチング素子又はスイッチング手段の導通/遮断状態の切換制御について、別の態様に於いては、前記1サイクルにおける全てのスイッチング素子に対する遮断の時間的長さの合計が前記1サイクルの時間的長さより大きくされ、前記遮断の時期はその一部が互に隣接する遮断の間で重複されているようになっていてもよい。即ち、制御手段によって、一時に遮断状態となるスイッチング手段が、隣接する二つのスイッチング手段であるようスイッチング手段の状態が制御されてよい。かかる構成によれば、実施形態の欄で詳細に説明される如く、上記の全てのスイッチング素子又はスイッチング手段の遮断状態となる時期が互いに異なるようにスイッチング手段の状態が制御される構成に比して、スイッチング素子又はスイッチング手段にそれらが遮断状態にあるときに印加される電圧が低減されることとなり、従って、スイッチング素子又はスイッチング手段に要求される耐圧レベルを低減できる点で有利である。なお、この場合、実施の形態に於いては、制御手段によって、一時に遮断状態となるスイッチング手段が、隣接する二つスイッチング手段であり、遮断状態となるスイッチング手段が直列に接続されたスイッチング手段の列の一方の端から他方の端へ一つずつ順々にシフトしていくようスイッチング手段の状態が制御されてよい。この構成に於いては、後に説明される如く、先に遮断状態となっているスイッチング手段に於いては、寄生ダイオードの存在により一方向の電流の流通のみ許されることとなり、従って、一時に実質的に遮断状態とされるスイッチング手段は一つのみとなる。そうすると、実質的には、スイッチング素子又はスイッチング手段が一時に一つずつ遮断されることと同様となるので、このことだけで、各スイッチング手段の対応する昇降圧チョッパ回路の段の動作電圧が安定的に決定できることとなる。 Further, regarding the switching control of the conduction / cutoff state of the switching element or the switching means in the above-mentioned apparatus of the present invention, in another embodiment, the time length of the cutoff for all the switching elements in the one cycle. The sum may be greater than the temporal length of the one cycle, and the timing of the interruptions may be such that some of them overlap between adjacent interruptions. That is, the state of the switching means may be controlled by the control means so that the switching means that is temporarily cut off is two adjacent switching means. According to such a configuration, as will be described in detail in the column of the embodiment, as compared with the configuration in which the state of the switching means is controlled so that the time when all the switching elements or the switching means are cut off is different from each other. Therefore, the voltage applied to the switching element or the switching means when they are in the cutoff state is reduced, and therefore, it is advantageous in that the withstand voltage level required for the switching element or the switching means can be reduced. In this case, in the embodiment, the switching means that are temporarily cut off by the control means are two adjacent switching means, and the switching means that are cut off are connected in series. The state of the switching means may be controlled so as to sequentially shift from one end of the row to the other end. In this configuration, as will be explained later, in the switching means that has been cut off earlier, the presence of the parasitic diode allows only the flow of current in one direction, and therefore, it is substantially at one time. There is only one switching means that is in a cut-off state. Then, it is substantially the same as shutting off the switching elements or the switching means one by one at a time, and this alone stabilizes the operating voltage of the stage of the buck-boost chopper circuit corresponding to each switching means. It will be possible to make a decision.
更に、上記の本発明の装置に於けるスイッチング素子又はスイッチング手段の導通/遮断状態の切換制御について、もう一つの別の態様に於いては、1サイクルにおける全てのスイッチング素子に対する遮断のうちの或る複数の遮断はその時期が互に同時期とされていてよい。より具体的には、制御手段によって、直列に接続された前記スイッチング手段の状態が、かかる直列に接続されたスイッチング手段の列の一方から数えて奇数番目に接続されたスイッチング手段の全てが遮断状態となり、スイッチング手段の列の一方から数えて偶数番目に接続されたスイッチング手段の全てが導通状態となる第一の相と、スイッチング手段の列の一方から数えて奇数番目に接続されたスイッチング手段が導通状態となり、スイッチング手段の列の前記一方から数えて偶数番目に接続されたスイッチング手段が遮断状態となる第二の相との間で、交互に切換えられるように制御が実行されてよい。この場合、各スイッチング手段の状態は、第一の相と第二の相との間で切り替わることとなるので、遮断のデューティ比は、全て1/2に決定され、従って、煩わしい遮断のデューティ比の調節に要する時間と労力とが省かれることとなる。また、後に詳細に説明される如く、同時に複数のスイッチング手段が遮断状態となるので、各スイッチング手段に要求される耐圧も低減できることとなり、有利となる。 Further, regarding the switching control of the conduction / cutoff state of the switching element or the switching means in the above-mentioned apparatus of the present invention, in another aspect, one of the cutoffs for all the switching elements in one cycle. The multiple cutoffs may be at the same time as each other. More specifically, the state of the switching means connected in series by the control means is such that all of the switching means connected in odd numbers from one of the rows of the switching means connected in series are cut off. The first phase in which all of the even-numbered switching means connected from one of the switching means rows are in a conductive state, and the odd-numbered switching means connected from one of the switching means rows are The control may be executed so that the switching means connected to the even number from one of the rows of the switching means in the conductive state is alternately switched to the second phase in the cutoff state. In this case, since the state of each switching means is switched between the first phase and the second phase, the cutoff duty ratios are all determined to be 1/2, and therefore the troublesome cutoff duty ratio. The time and effort required to adjust the is saved. Further, as will be described in detail later, since a plurality of switching means are cut off at the same time, the withstand voltage required for each switching means can be reduced, which is advantageous.
特に、上記の如く、スイッチング素子又はスイッチング手段の導通/遮断状態の切換制御に於いて、「第一の相」と「第二の相」との二つの相の間で状態を交互に切り換える場合には、より好適には、動作点制御回路装置に於いて、直列に接続されたn個(nは、正の整数)のスイッチング手段の列のうち、一方から数えて2m−1番目(mは、1からn/2までの全ての整数)と2m番目に接続されたスイッチング手段の組の全て(1番目と2番目の組、3番目と4番目の組、…)の両端の各々に対して並列に電圧安定化コンデンサが接続され、前記一方から数えて2i−2番目(iは、2からn/2までの全ての整数)と2i−1番目に接続された前記スイッチング手段の組の全て(2番目と3番目の組、4番目と5番目の組、…)の両端の各々に対して並列に電圧安定化コンデンサが接続されている構成が採用されてよい。後に詳細に説明される如く、「電圧安定化コンデンサ」が用いられると、各太陽電池セル又はその他の電源セルの動作電圧がより安定的となる利点が得られることとなる。 In particular, as described above, in the case of alternately switching the state between the two phases of the "first phase" and the "second phase" in the switching control of the conduction / cutoff state of the switching element or the switching means. More preferably, in the operating point control circuit device, the 2m-1st (m) counting from one of the n (n is a positive integer) sequence of switching means connected in series. Is on each of the ends of all the pairs of switching means (1st and 2nd pairs, 3rd and 4th pairs, ...) connected to the 2mth (all integers from 1 to n / 2). On the other hand, a voltage stabilizing capacitor is connected in parallel, and the set of the switching means connected to the 2i-2nd (i is all integers from 2 to n / 2) and the 2i-1st, counting from the one. A configuration may be adopted in which a voltage stabilizing capacitor is connected in parallel to each of both ends of all (second and third sets, fourth and fifth sets, ...). As will be described in detail later, the use of a "voltage stabilizing capacitor" has the advantage of making the operating voltage of each solar cell or other power cell more stable.
又、本発明の動作点制御回路装置の実施の形態に於いて、直列に接続されたn個(nは、正の整数)のスイッチング手段の列のうち、一方から数えて2m−1番目(mは、1からn/2までの全ての整数)と2m番目に接続されたスイッチング手段の間の接続点と該スイッチング手段に対応するコンデンサの間の接続点との間の全てのそれぞれがインダクタを介して接続され、一方から数えて2i−2番目(iは、2からn/2までの全ての整数)と2i−1番目に接続されたスイッチング手段の間の接続点と該スイッチング手段に対応するコンデンサの接続点との間の全てのそれぞれがインダクタを介さずに接続されているようになっていてよい。即ち、後に説明される図を参照してより容易に理解される如く、特に、スイッチング素子又はスイッチング手段の導通/遮断状態を「第一の相」と「第二の相」との二つの相の間で状態を交互に切り換える制御構成の場合、一方から数えて2i−2番目(iは、2からn/2までの全ての整数)と2i−1番目に接続されたスイッチング手段の間の接続点と該スイッチング手段に対応するコンデンサの接続点との間には、インダクタが必ずしも必要ではなく(在ってもよい)、従って、スイッチング手段とコンデンサとの間を接続する一連の線に於いて、インダクタは、一つ置きに設けられればよいこととなる。インダクタに於いては、通常の導線(例えば、直線状の銅線)よりも寄生抵抗が大きいので、上記の如く、使用されるインダクタの数が削減されると、その分、出力損失の更なる低減が期待できることとなる。 Further, in the embodiment of the operating point control circuit device of the present invention, among the rows of n switching means (n is a positive integer) connected in series, the 2m-1st (2m-1st) (counting from one). m is all integers from 1 to n / 2) and the connection point between the 2mth connected switching means and the connection point between the capacitors corresponding to the switching means, each of which is an inductor. To the connection point between the 2i-2nd (i is all integers from 2 to n / 2) and the 2i-1st connected switching means and the switching means. Everything between the connection points of the corresponding capacitors may be connected without an inductor. That is, as will be more easily understood with reference to the figures described later, in particular, the conduction / cutoff state of the switching element or the switching means is defined as two phases, a "first phase" and a "second phase". In the case of a control configuration that alternately switches the state between, counting from one side, between the 2i-2nd (i is all integers from 2 to n / 2) and the 2i-1st connected switching means. An inductor is not necessarily (or may be) required between the connection point and the connection point of the capacitor corresponding to the switching means, and thus in a series of wires connecting the switching means and the capacitor. Therefore, the inductors need only be provided every other one. Inductors have a higher parasitic resistance than ordinary conductors (for example, linear copper wires), so if the number of inductors used is reduced as described above, the output loss will increase accordingly. A reduction can be expected.
ところで、上記に述べたところの、直列に接続された太陽電池セルの各々に対して接続された昇降圧チョッパ回路に対して、追加のコンデンサと追加のスイッチング手段とが並列に接続されて成る回路部分が追加して接続される場合、その回路部分が出力端子間に接続されていると、出力端子間に流れる出力電流がそのまま追加のスイッチング手段へ流入する期間があり、その分、スイッチング手段による出力損失が発生することとなる。一方、追加のコンデンサと追加のスイッチング手段とが出力端子間の外側にある構成(更なる追加のコンデンサと更なる追加のスイッチング手段を接続する場合)には、追加のスイッチング手段には、出力電流が流れないので、そこに於ける出力損失は大幅に低減される。かかる追加される回路部分は、後に説明される如く、出力端子間電圧の昇圧の目的で設けられる場合もある(特許文献1参照)。かくして、昇降圧チョッパ回路に追加して接続される追加のコンデンサと追加のスイッチング手段とが並列に接続されて成る回路部分が用いられる場合、かかる回路部分は、出力損失の低減を重視する場合には、出力端子間の外側に付加され、出力端子間の昇圧を重視する場合には、出力端子間の内側に付加されるようになっていてよい。 By the way, as described above, a circuit in which an additional capacitor and an additional switching means are connected in parallel to the buck-boost chopper circuit connected to each of the solar cells connected in series. When additional parts are connected, if the circuit part is connected between the output terminals, there is a period during which the output current flowing between the output terminals flows directly into the additional switching means, which depends on the switching means. Output loss will occur. On the other hand, in the configuration where the additional capacitor and the additional switching means are outside between the output terminals (when connecting the additional additional capacitor and the additional switching means), the additional switching means is provided with the output current. Does not flow, so the output loss there is greatly reduced. Such an additional circuit portion may be provided for the purpose of boosting the voltage between output terminals, as will be described later (see Patent Document 1). Thus, when a circuit portion is used in which an additional capacitor additionally connected to the buck-boost chopper circuit and an additional switching means are connected in parallel, such a circuit portion is used when the emphasis is on reducing output loss. Is added to the outside between the output terminals, and may be added to the inside between the output terminals when the boosting between the output terminals is emphasized.
また、上記の本発明の装置に於いては、既に触れた如く、昇降圧チョッパ回路の各段の電圧は、対応するスイッチング素子又はスイッチング手段の遮断のデューティ比と出力端子間電圧とにより決定され、それらのうち、出力端子間に挟まれた段に於ける電源セルの発電電圧若しくは動作電圧の総和(追加のコンデンサが在る場合には、その保持電圧を加算した総和)が出力端子間の電圧に一致することとなる。そして、後に説明される如く、デューティ比は一律に固定値となるので、電源セル又はコンデンサの発電電圧若しくは動作電圧又は保持電圧は、互いに等しくなり、出力端子間の電圧の関数となる。 Further, in the above-mentioned apparatus of the present invention, as already mentioned, the voltage of each stage of the buck-boost chopper circuit is determined by the cutoff duty ratio of the corresponding switching element or switching means and the voltage between output terminals. Of these, the sum of the generated voltage or operating voltage of the power supply cell in the stage sandwiched between the output terminals (if there is an additional capacitor, the sum of the holding voltage added) is between the output terminals. It will match the voltage. Then, as will be described later, since the duty ratio is uniformly fixed, the generated voltage, operating voltage, or holding voltage of the power cell or capacitor becomes equal to each other and becomes a function of the voltage between the output terminals.
従って、出力端子間電圧は、典型的には、電圧制御装置又は出力電圧制御手段によって制御されてよく、出力端子間電圧を調節することにより、出力端子間に挟まれた段に於ける電源セル又はコンデンサの各々の発電電圧若しくは動作電圧又は保持電圧が調節されるようになっていてよい。例えば、直列に接続された電源セルとして太陽電池セルが用いられている場合には、いずれか一つ又は受光量が最大の太陽電池セルの発電電圧が最大動作点の電圧となるように出力端子間の電圧が調節されてよい。これにより、他の太陽電池セルの発電電圧は、受光量が最大の太陽電池セルの発電電圧に一致し、受光量に依存して最大動作点の電圧からずれる可能性があるが、かかる電圧のずれは、比較的小さく、従って、出力の低下も比較的小さいことが期待されることとなる。なお、電圧制御は、太陽電池セルの場合には、好適には、最大電力点追従(MPPT:Maximum Power Point Tracking)を実行するMPPT制御器など電圧又は電流制御器を用いて、実行されてよい。また、出力端子間に対して、上記の如く調節された出力端子間電圧を、更に、接続される負荷の要求電圧に一致するように変圧するための電圧制御手段が接続されてよい。これにより、電源セルをできるだけ最適な状態にて動作させながら、負荷の駆動又は動作が達成可能となる。 Therefore, the voltage between the output terminals may be typically controlled by a voltage control device or an output voltage control means, and by adjusting the voltage between the output terminals, the power cell in the stage sandwiched between the output terminals. Alternatively, the generated voltage, operating voltage, or holding voltage of each of the capacitors may be adjusted. For example, when a solar cell is used as a power cell connected in series, the output terminal is such that the generated voltage of any one of the solar cells or the solar cell having the maximum light receiving amount becomes the voltage at the maximum operating point. The voltage between them may be adjusted. As a result, the generated voltage of the other solar cell matches the generated voltage of the solar cell having the maximum light receiving amount, and may deviate from the voltage of the maximum operating point depending on the received light amount. The deviation is relatively small, and therefore the reduction in output is also expected to be relatively small. In the case of a solar cell, the voltage control may be preferably executed by using a voltage or current controller such as an MPPT controller that executes maximum power point tracking (MPPT). .. Further, a voltage control means for transforming the voltage between the output terminals adjusted as described above so as to match the required voltage of the connected load may be connected between the output terminals. As a result, it is possible to drive or operate the load while operating the power supply cell in the optimum state as much as possible.
本発明の装置の実施の形態に於いて、典型的には、スイッチング素子又はスイッチング手段の導通/遮断状態の切換制御は、一連のスイッチング素子又はスイッチング手段が一つのユニットとして制御される。しかしながら、別の実施の形態として、複数の太陽電池セル又は複数の太陽電池セルとコンデンサは複数のユニットに分けられ、発電動作点制御回路装置はこれら複数のユニットの各々に対し個別に設けられ、それぞれが当該ユニットに属するスイッチング素子の遮断を制御するようになっていてよい。即ち、複数のスイッチング手段が複数の群に分けられ、複数の群のそれぞれに属するスイッチング手段の状態が群毎に別々に制御されるようになっていてもよい。太陽電池セル又は電源セルの数が多くなり、従って、昇降圧チョッパ回路の段数が多くなったときには、一連のスイッチング素子又はスイッチング手段を一つのユニットとして制御するのではなく、一連のスイッチング素子又はスイッチング手段の群を複数のユニットに分けて別々に分けて制御した方が(制御処理は別々必要となるが)有利な場合がある。その場合、後の実施形態の欄にも記載されている如く、実施の形態の一つとして、複数の太陽電池セル又は複数の太陽電池セルとコンデンサは境界にあるその一つを互に共有する複数のユニットに分けられ、発電動作点制御回路装置はこれら複数のユニットの各々に対し個別に設けられ、それぞれが当該ユニットに属する前記スイッチング素子の遮断を制御するようになっていてもよい。即ち、一対の出力端子間に於いて、少なくとも一つの電源セルが第一の群の一つのスイッチング手段と第二の群の一つのスイッチング手段との双方に対して並列に接続されているようになっていてもよい。 In the embodiment of the apparatus of the present invention, typically, the switching control of the conduction / cutoff state of the switching element or the switching means is controlled by a series of switching elements or the switching means as one unit. However, in another embodiment, the plurality of solar cells or the plurality of solar cells and the capacitor are divided into a plurality of units, and the power generation operating point control circuit device is individually provided for each of the plurality of units. Each may control the interruption of the switching element belonging to the unit. That is, a plurality of switching means may be divided into a plurality of groups, and the state of the switching means belonging to each of the plurality of groups may be controlled separately for each group. When the number of solar cells or power supply cells increases, and therefore the number of stages of the buck-boost chopper circuit increases, a series of switching elements or switching means is not controlled as one unit, but a series of switching elements or switching means. It may be advantageous to divide the group of means into a plurality of units and control them separately (although control processing is required separately). In that case, as described in the column of the later embodiment, as one of the embodiments, the plurality of solar cells or the plurality of solar cells and the capacitor share one of them at the boundary with each other. It may be divided into a plurality of units, and a power generation operating point control circuit device may be individually provided for each of the plurality of units, and each of them may control the interruption of the switching element belonging to the unit. That is, at least one power supply cell is connected in parallel to both one switching means in the first group and one switching means in the second group between the pair of output terminals. It may be.
かくして、上記の本発明の構成では、直列接続された複数の太陽電池セルに対して、多段型の昇降圧チョッパ回路を用いて、発電電圧を制御する装置に於いて、複数の太陽電池セル又は複数の太陽電池セルとコンデンサの全てに対応するスイッチング素子を一渡り遮断する1サイクルの間には全てのスイッチング素子に対する遮断のデューティ比を固定するようになっていること、換言すれば、スイッチング手段の全ての所定の周期の長さに対する遮断状態となる期間の長さの比(遮断のデューティ比)が互いに同一となるように一律に固定されることにより、スイッチング素子若しくはスイッチング手段のデューティ比の調節のために費やされる時間と労力は不要となり、各太陽電池セルの発電電力及び/又は発電電圧の調節に費やされる時間と労力を大幅に削減することが可能となる。かかる構成によれば、例えば、太陽電池モジュールの出力をできるだけ大きくしようとする場合には、遮断のデューティ比が固定のままで、出力電力が最大となるように出力端子間電圧を調整すればよいこととなる。この場合、既に触れた如く、全ての太陽電池セルをそれぞれの最大電力点にて発電させることは受光量の差異などによって困難となり得るが、受光量差による太陽電池セルに於ける最大電力点の発電電圧の差は比較的小さく、従って、発電出力の低減はさほどに大きくならないことが期待される一方、従前に比して調節が迅速に実行されるという利点が得られることとなる。同様の利点は、太陽電池セル以外の任意の電源セルを直列に接続して動作させる場合にも得られることは理解されるべきである。 Thus, in the above-described configuration of the present invention, a plurality of solar cells or a plurality of solar cells or in a device for controlling a generated voltage by using a multi-stage buck-boost chopper circuit for a plurality of solar cells connected in series. The duty ratio of the cutoff for all the switching elements is fixed during one cycle of shutting off the switching elements corresponding to all of the plurality of solar cells and the capacitors, in other words, the switching means. The duty ratio of the switching element or the switching means is fixed uniformly so that the ratio of the length of the period in which the cutoff state is established (the duty ratio of the cutoff) to the length of all the predetermined cycles of the above is the same as each other. The time and labor spent for adjustment becomes unnecessary, and the time and labor spent for adjusting the generated power and / or the generated voltage of each solar cell can be significantly reduced. According to such a configuration, for example, when trying to increase the output of the solar cell module as much as possible, the voltage between the output terminals may be adjusted so that the output power is maximized while the duty ratio of the cutoff remains fixed. It will be. In this case, as already mentioned, it may be difficult to generate electricity at each maximum power point of all solar cells due to the difference in the amount of light received, but the difference in the amount of light received causes the maximum power point in the solar cell. The difference in the generated voltage is relatively small, so it is expected that the reduction in the generated output will not be so great, but the advantage will be that the adjustment will be performed more quickly than before. It should be understood that similar benefits can be obtained when any power cell other than solar cells is connected and operated in series.
また、上記の本発明の装置に於いて、スイッチング素子又はスイッチング手段の導通/遮断状態の切換制御に関して、「第一の相」と「第二の相」との二つの相の間で状態を交互に切り換える構成では、遮断のデューティ比を常に0.5とすればよく、スイッチング手段の制御が極めて容易となり、有利である。この点に関し、かかる構成に於いて、更に、上記の如き「電圧安定化コンデンサ」を備える構成によれば、比較的簡易な構成を追加するだけで、各太陽電池セル又は電源セルの発電又は動作電圧を安定化させることが可能となる点で有利である。 Further, in the above-mentioned apparatus of the present invention, regarding the switching control of the conduction / cutoff state of the switching element or the switching means, the state is set between the two phases of the "first phase" and the "second phase". In the configuration of alternating switching, the duty ratio of interruption may always be 0.5, which is advantageous because the control of the switching means becomes extremely easy. In this regard, in such a configuration, further, according to the configuration provided with the "voltage stabilizing capacitor" as described above, the power generation or operation of each solar cell or power cell is performed only by adding a relatively simple configuration. It is advantageous in that the voltage can be stabilized.
本発明のその他の目的及び利点は、以下の本発明の好ましい実施形態の説明により明らかになるであろう。 Other objects and advantages of the present invention will be apparent from the following description of preferred embodiments of the present invention.
PVj…太陽電池セル(jは、正の整数。以下、同様)
Mj…スイッチング素子(MOSFET)
Cj…コンデンサ
Lj…インダクタ
Sj…制御入力
ct…電極用接続端子
Cvj…電圧安定化コンデンサ
CP…スイッチング素子の切換制御装置
PVj ... Solar cell (j is a positive integer; the same applies hereinafter)
Mj ... Switching element (MOSFET)
Cj ... Capacitor Lj ... Inductor Sj ... Control input ct ... Electrode connection terminal Cvj ... Voltage stabilization capacitor CP ... Switching element switching control device
以下に添付の図を参照しつつ、本発明を幾つかの好ましい実施形態について詳細に説明する。図中、同一の符号は、同一の部位を示す。 Some preferred embodiments of the present invention will be described in detail below with reference to the accompanying figures. In the figure, the same reference numerals indicate the same parts.
発電動作点制御回路装置の基本構成
本発明の実施形態による太陽光発電装置に於ける太陽電池セルの発電動作点制御回路装置の回路構成は、基本的には、非特許文献1〜3に記載されている多段型の昇降圧チョッパ回路の構成と同様である。具体的には、まず、図2(A)を参照して、n個(nは、正の整数。図では4個。)の太陽電池セルPV1、PV2、…、PVj、…、PVnを直列に接続して太陽電池モジュールが構成される場合には、太陽電池モジュールの両端の一対の出力端子ot+、ot−の間にて、直列に接続された複数の太陽電池セルPVjの各々に対して、電極用接続端子ctを介して、コンデンサCj(C1、C2、…Cn)とスイッチング素子Mj(M1、M2、…Mn)とが並列に接続され、太陽電池セルPVjの各々の電極端子ctとスイッチング素子Mjの端子との間に於いて、インダクタLj(L1、L2…Ln−1)がそれぞれ装入される。即ち、図2(A)の回路構成の場合、n個の直列に接続された太陽電池セルの各々に対してチョッパ回路を接続して成るn段のチョッパ回路が構成される。スイッチング素子Mjは、それぞれ、制御入力Sjを有し、その制御入力Sjの入力に応じて、図中、上下の端子間、即ち、並列に接続された対応する太陽電池セルPVj及びコンデンサCjの両端の端子間、を選択的に導通又は遮断するスイッチング手段であってよく、典型的には、通常の太陽電池セルの発電動作点制御回路装置に於いて利用されているMOSFETなどのスイッチング素子であってよい。コンデンサとインダクタとは、この分野で通常使用されている任意のものであってよい。
Basic configuration of power generation operating point control circuit device The circuit configuration of the power generation operating point control circuit device of the solar cell in the photovoltaic power generation device according to the embodiment of the present invention is basically described in
発電動作点制御回路装置を実際に使用する場合には、更に、出力端子ot+、ot−の間に、出力端子間の電圧Voutを制御するMPPT制御回路又はその他の任意の電圧/電流制御器(図示せず)が接続され、電圧/電流制御器は、出力端子間の出力電圧を、要求される電圧又は所望の電圧に保持する一方、切換制御装置CPからスイッチング素子Mjの制御入力Sj(S1、S2…Sn)へ制御信号が与えられ、スイッチング素子Mjが、それぞれ、後に詳細に説明される態様にて、並列に接続された対応する太陽電池セルPVj及びコンデンサCjの両端の端子間を導通させるON状態(導通状態)と、かかる導通を遮断するOFF状態(遮断状態)との間で周期的に切換えられることとなる。 When the power generation operating point control circuit device is actually used, an MPPT control circuit for controlling the voltage Vout between the output terminals or any other voltage / current controller between the output terminals ot + and ot- ( (Not shown) is connected, and the voltage / current controller holds the output voltage between the output terminals at the required voltage or the desired voltage, while the switching controller CP controls the switching element Mj at the control input Sj (S1). , S2 ... Sn), and the switching element Mj conducts between the terminals at both ends of the corresponding solar cell PVj and capacitor Cj connected in parallel, respectively, in a manner described in detail later. It is periodically switched between an ON state (conduction state) for causing the conduction to be performed and an OFF state (disconnection state) for interrupting the continuity.
なお、図2(B)に例示されている如く、n個(図では3個)の直列に接続すされた太陽電池セルの各々に対してチョッパ回路を接続して成るn段のチョッパ回路に対して、更に太陽電池セル列と出力端子ot−と間にて、コンデンサ列に対して直列にコンデンサCn+1が追加され、スイッチング素子列に対してスイッチング素子Mn+1が追加されてもよい(特許文献1)。換言すれば、n+1段のチョッパ回路が構成され、そのうちの一段には、太陽電池セルが配置されない構成となっていてよい。かかる追加されるチョッパ回路部分(コンデンサCn+1、スイッチング素子Mn+1、インダクタLn)は、後に説明される如く、端的に述べれば、出力端子間の電圧を直列接続された太陽電池セルの発電電圧の総和よりも昇圧する機能を果たす。なお、出力端子間の昇圧機能のための追加のコンデンサとスイッチング素子は、直列接続された太陽電池セルの間の段に挿入されていてもよく、複数の組にて設けられてもよい(即ち、n個の太陽電池セルを直列に接続する場合には、n+m段のチョッパ回路(mは、正の整数)が用いられてもよい。)。 As illustrated in FIG. 2B, the n-stage chopper circuit is formed by connecting a chopper circuit to each of n (three in the figure) solar cell connected in series. On the other hand, a capacitor C n + 1 may be added in series with the capacitor train between the solar cell row and the output terminal ot−, and a switching element M n + 1 may be added with respect to the switching element train (Patented). Document 1). In other words, an n + 1-stage chopper circuit may be configured, and a solar cell may not be arranged in one of the chopper circuits. The added chopper circuit portion (capacitor C n + 1 , switching element M n + 1 , inductor Ln) is, as will be described later, in short, the voltage between the output terminals of the generated voltage of the solar cell connected in series. It functions to boost the voltage more than the total. An additional capacitor and a switching element for the boosting function between the output terminals may be inserted in the stage between the solar cells connected in series, or may be provided in a plurality of sets (that is,). , When n solar cells are connected in series, an n + m stage chopper circuit (m may be a positive integer) may be used.
発電動作点制御回路装置のスイッチング素子の切換制御
図2(A)又は図2(B)に例示された太陽電池モジュールと発電動作点制御回路装置とから成る太陽光発電装置に於いて、スイッチング素子Mjの周期的なON状態とOFF状態との切換は、種々の態様にて実行されてよいところ、特に、本実施形態に於いては、遮断のデューティ比、即ち、所定の1周期(サイクル)の長さ(ON状態からOFF状態へ切換った時から、ON状態に切換えられた後、再びOFF状態に切換る時までの期間の長さ、即ち、OFF状態の期間の長さとON状態の期間の長さの和)に対するOFF状態となる期間の長さの比、が、全てのスイッチング素子Mjについて、一律に固定される(即ち、同一の値に設定される。)。なお、以下、“遮断のデューティ比”を単に「デューティ比」と称する。スイッチング素子MjのON/OFF(導通/遮断)状態の切換制御の具体的な態様の例は、下記のいずれかであってよい。
Switching control of switching element of power generation operating point control circuit device In a photovoltaic power generation device including a solar cell module illustrated in FIG. 2 (A) or FIG. 2 (B) and a power generation operating point control circuit device, a switching element The periodic switching between the ON state and the OFF state of Mj may be executed in various modes. In particular, in the present embodiment, the duty ratio of interruption, that is, a predetermined one cycle (cycle). (The length of the period from when switching from the ON state to the OFF state, after switching to the ON state, and when switching to the OFF state again, that is, the length of the period of the OFF state and the length of the ON state. The ratio of the length of the period in which the OFF state is set to (the sum of the lengths of the periods) is uniformly fixed (that is, set to the same value) for all the switching elements Mj. Hereinafter, the "cutoff duty ratio" is simply referred to as the "duty ratio". An example of a specific mode of switching control of the ON / OFF (conduction / cutoff) state of the switching element Mj may be any of the following.
(第一の態様) スイッチング素子MjのON/OFF状態の切換制御の第一の態様に於いては、図3(A)に示されている如く、全てのスイッチング素子Mjのデューティ比が互いに等しい状態で且つ全てのスイッチング素子のOFF状態となる時期が互いに異なるように各スイッチング素子の状態が制御されてよい。即ち、この場合、一時期にOFF状態となるスイッチング素子の数は、常に一つとなる。この態様に於いては、n段のチョッパ回路の各段に接続された太陽電池セル(又は太陽電池セルの接続されていない段のコンデンサ)には、互いに大きさの異なる電流が流通できるようになっているので、各段の太陽電池セルの発電電圧(又はコンデンサの保持電圧)Vjとデューティ比Djと出力端子間電圧Voutとの間には、
Vj=Dj・Vout …(1a)
Dj=D …(1b)
ΣDj=1 …(1c)
(総和は、j=1〜n)
D=1/n …(1d)
の関係が成立し、結局、各太陽電池セルの発電電圧(又はコンデンサの保持電圧)Vjは、
Vj=Vout/n …(1e)
により与えられることとなる。従って、例えば、Vout/nが、受光量の最大の太陽電池セルの最大電力点に於ける発電電圧Vmpp100と等しくなるように、出力端子間電圧Voutを調節すれば、図1に例示されている如く、全ての太陽電池セルの発電電圧が実質的にVmpp100に一致した状態が実現できることとなり、その場合、既に触れた如く、受光量の低下があっても、太陽電池セルの個別のデューティ比の調節を行うことなく、それによる出力低下幅を比較的小さく抑えられることとなる。
(First aspect) In the first aspect of the ON / OFF state switching control of the switching element Mj, as shown in FIG. 3A, the duty ratios of all the switching elements Mj are equal to each other. The state of each switching element may be controlled so that the time when all the switching elements are turned off is different from each other. That is, in this case, the number of switching elements that are turned off at one time is always one. In this aspect, currents of different sizes can flow through the solar cell (or the capacitor in the unconnected stage) connected to each stage of the n-stage chopper circuit. Therefore, between the generated voltage (or holding voltage of the capacitor) Vj of the solar cell of each stage, the duty ratio Dj, and the voltage Vout between the output terminals,
Vj = Dj · Vout… (1a)
Dj = D ... (1b)
ΣDj = 1 ... (1c)
(The sum is j = 1 to n)
D = 1 / n ... (1d)
After all, the generated voltage (or holding voltage of the capacitor) Vj of each solar cell is
Vj = Vout / n ... (1e)
Will be given by. Therefore, for example, if the voltage Vout between the output terminals is adjusted so that Vout / n becomes equal to the generated voltage Vmpp100 at the maximum power point of the solar cell having the maximum amount of light received, it is illustrated in FIG. As described above, it is possible to realize a state in which the generated voltage of all the solar cells substantially matches Vmpp100 , and in that case, as already mentioned, even if there is a decrease in the amount of received light, the individual duty of the solar cells Without adjusting the ratio, the output reduction width due to this can be suppressed to a relatively small size.
ところで、図2(A)の如く、n段の昇降圧チョッパ回路の全てに太陽電池セルが接続されている場合には、各太陽電池セルの発電電圧Vpjの総和は、
ΣVpj=n×Vout/n=Vout …(2a)
(図2(A)の例の場合 Vout=ΣVpj=V1+V2+V3+V4)
となるので、太陽電池セルの発電電圧の総和が出力端子間電圧となる。一方、図2(B)の如く、n段の昇降圧チョッパ回路のうち、太陽電池セルが接続されていない段が存在する場合には、各太陽電池セルの発電電圧Vpjの総和ΣVpjと、太陽電池セルが接続されていない段のコンデンサの保持電圧Vcjの総和ΣVcjとの和がVoutとなるので、結局、
Vout=ΣVpj+ΣVcj …(2a)
(図2(B)の例の場合には、
ΣVpj=V1+V2+V3
ΣVcj=V4[コンデンサC4の保持電圧)
である。)
Vout>ΣVpj …(2b)
が成立する。即ち、太陽電池セルが接続されていない段の回路部分は、太陽電池モジュールの出力電圧間電圧を実際の太陽電池セルの発電電圧の総和よりも昇圧する機能を果たすこととなる。この昇圧機能を果たす回路部分は、以下に説明される回路の全てに於いて同様に適用可能である。
By the way, as shown in FIG. 2A, when the solar cells are connected to all of the n-stage buck-boost chopper circuits, the total power generation voltage Vpj of each solar cell is
ΣVpj = n × Vout / n = Vout… (2a)
(In the case of the example of FIG. 2 (A) Vout = ΣVpj = V1 + V2 + V3 + V4)
Therefore, the sum of the generated voltages of the solar cells is the voltage between the output terminals. On the other hand, as shown in FIG. 2B, when there is a stage in which the solar cell is not connected in the n-stage buck-boost chopper circuit, the total generated voltage Vpj of each solar cell is ΣVpj and the sun. Since the sum of the holding voltage Vcj and the sum of the holding voltage Vcj of the capacitor in the stage to which the battery cell is not connected is Vout, it is eventually Vout.
Vout = ΣVpj + ΣVcj ... (2a)
(In the case of the example of FIG. 2 (B),
ΣVpj = V1 + V2 + V3
ΣVcj = V4 [holding voltage of capacitor C4)
Is. )
Vout> ΣVpj… (2b)
Is established. That is, the circuit portion of the stage to which the solar cell is not connected functions to boost the voltage between the output voltages of the solar cell module to be higher than the total generated voltage of the actual solar cell. The circuit portion that performs this boost function is similarly applicable to all of the circuits described below.
(第二の態様) スイッチング素子MjのON/OFF状態の切換制御の第二の態様に於いては、図3(B)、(C)に示されている如く、全てのスイッチング素子Mjのデューティ比が互いに等しい状態で、且つ、1サイクルにおける全てのスイッチング素子に対する遮断の時間的長さの合計が1サイクルの時間的長さより大きくされ、遮断の時期は、その一部が互に隣接する遮断の間で重複されているようになっているように、或いは、一時にOFF状態(遮断状態)となるスイッチング素子が、隣接する二つのスイッチング素子であるようスイッチング素子の状態が制御されてよい。この態様に於いては、又、スイッチング素子の状態の制御は、図示の如く、隣接する二つスイッチング素子が一時にOFF状態となり、且つ、そのOFF状態となるスイッチング素子が直列に接続されたスイッチング素子の列の一方の端から他方の端へ一つずつ順々にシフトしていくように実行されてよい。第一の態様の如く、スイッチング素子が一つずつのOFF状態にされる場合には、各スイッチング素子は、それぞれ、OFF状態の際に、出力端子間電圧に耐えられるようになっている必要があるが、一時に二つのスイッチング素子がOFF状態となる場合には、出力端子間電圧が、そのOFF状態となった二つのスイッチング素子に分散されて印加されることとなるので、第一の態様の場合に比して、スイッチング素子一つ当たりの耐えるべき電圧(要求される耐圧)が低減できることとなる。 (Second aspect) In the second aspect of the ON / OFF state switching control of the switching element Mj, the duty of all the switching elements Mj is as shown in FIGS. 3 (B) and 3 (C). In a state where the ratios are equal to each other, the sum of the time lengths of cutoffs for all switching elements in one cycle is made larger than the time lengths of one cycle, and the cutoff times are such that some of them are adjacent to each other. The state of the switching element may be controlled so that the switching elements are overlapped between the two, or the switching elements that are temporarily turned off (blocked state) are two adjacent switching elements. In this embodiment, the state of the switching element is controlled by switching in which two adjacent switching elements are temporarily turned off and the switching elements in the OFF state are connected in series, as shown in the figure. It may be executed so as to shift one by one from one end of the row of elements to the other end. When the switching elements are turned off one by one as in the first aspect, each switching element needs to be able to withstand the voltage between the output terminals in the OFF state. However, when two switching elements are turned off at one time, the voltage between the output terminals is distributed and applied to the two switching elements turned off, so that the first aspect is made. Compared with the case of, the voltage to be withstood (required withstand voltage) per switching element can be reduced.
上記のスイッチング素子の切換制御の第二の態様の場合、各太陽電池セルの発電電圧(又はコンデンサの保持電圧)Vjは、第一の態様と同様に、式(1e)により決定されることとなる。即ち、かかる態様に於いては、図4(A)、(B)に例示されている如く、隣接する二つのスイッチング素子が同時にOFF状態となっている状態が存在しているところ、スイッチング素子には、一般に、そのソース側からドレイン側にのみ電流の流通を許す寄生ダイオードが存在し、隣接する二つのスイッチング素子のうち、先にOFF状態になっているスイッチング素子に於いては、スイッチング素子内の寄生ダイオードがそのソース側に接続されたインダクタから来る電流の流通を許すこととなる。そうすると、スイッチング素子の制御信号が、同時に隣接する二つのスイッチング素子がOFF状態となるように制御入力に入力された状態でも、実質的には、一時期に遮断状態となるスイッチング素子の数は、常に一つと成っている状態と同様となり、かくして、各太陽電池セルの発電電圧(又はコンデンサの保持電圧)Vjも第一の態様と同様に与えられることとなる。このことによれば、又、第一の態様の如く、全てのスイッチング素子のOFF状態となる時期が互いに異なるように各スイッチング素子の状態の制御を実行する場合にON/OFF状態の切換えが然程に厳密でなくてもよいということもできる。 In the case of the second aspect of the switching control of the switching element described above, the power generation voltage (or the holding voltage of the capacitor) Vj of each solar cell is determined by the equation (1e) as in the first aspect. Become. That is, in such an embodiment, as illustrated in FIGS. 4A and 4B, when two adjacent switching elements are in the OFF state at the same time, the switching element has a state. In general, there is a parasitic diode that allows current to flow only from the source side to the drain side, and of the two adjacent switching elements, the switching element that has been turned off first is inside the switching element. The parasitic diode will allow the flow of current coming from the inductor connected to its source side. Then, even if the control signal of the switching element is input to the control input so that two adjacent switching elements are turned off at the same time, the number of switching elements that are cut off at one time is substantially always the same. It becomes the same as the state of being one, and thus the generated voltage (or the holding voltage of the capacitor) Vj of each solar cell is also given as in the first aspect. According to this, also, as in the first aspect, when the state control of each switching element is executed so that the times when all the switching elements are turned off are different from each other, the ON / OFF state can be switched. It can be said that it does not have to be as strict.
(第三の態様) スイッチング素子MjのON/OFF状態の切換制御の、更に別の、第三の態様に於いては、図5(A)右に例示されたタイムチャートの如く、直列に接続された複数のスイッチング素子(追加のスイッチング素子を含む。)が第一の組(I)と第二の組(II)とに分けられ、第一の組の全てのスイッチング素子がOFF状態となり、第二の組の全てのスイッチング素子がON状態となる相1(Ph1)と、第一の組の全てのスイッチング素子がON状態となり、第二の組の全てのスイッチング素子がOFF状態となる相2(Ph2)との間で、全てのスイッチング素子の状態が交互に切換えられるようになっていてよい。スイッチング素子の組分けは、任意であってよく、例えば、図2(A)、(B)の如く、スイッチング素子M1〜M4を含む回路構成の場合、図5(A)左に例示されている如く、第一の組、第二の組のそれぞれに、(M1,M2)、(M3,M4)を割り当ててもよく、(M1,M3)、(M2,M4)を割り当ててもよい。また、図5(B)、(C)に例示されている如く、n個のスイッチング素子が存在する回路構成の場合に、出力端子の一方、例えば、太陽電池モジュールの陽極側、から数えて奇数番目の段のチョッパ回路に接続されているスイッチング素子M2m−1を第一の組に割り当て、偶数番目の段のチョッパ回路に接続されているスイッチング素子M2mを第二の組に割り当てるようになっていてもよい(mは、正の整数)。かかる態様の場合、図5(A)右のタイムチャートに示されている如く、スイッチング素子の状態は、交互に1サイクルTsの間に相1(Ph1)と相2(Ph2)と成る一方、デューティ比は、全てのスイッチング素子で一律に固定されるので、結局、デューティ比Dは、
D=1/2=0.5 …(3)
となる。
(Third aspect) In yet another third aspect of the ON / OFF state switching control of the switching element Mj, the switching element Mj is connected in series as shown in the time chart illustrated on the right side of FIG. 5 (A). The plurality of switching elements (including additional switching elements) are divided into the first set (I) and the second set (II), and all the switching elements in the first set are turned off. Phase 1 (Ph1) in which all the switching elements in the second set are in the ON state, and
D = 1/2 = 0.5 ... (3)
Will be.
上記の第三の態様の場合であって、特に、スイッチング素子M2m−1を第一の組に割り当て、スイッチング素子M2mを第二の組に割り当てる構成の場合、各太陽電池セルの発電電圧(又はコンデンサの保持電圧)Vjは、出力端子間の挟まれているチョッパ回路の段数(即ち、コンデンサとスイッチング素子の数)によって決定される。具体的には、まず、各太陽電池セルの発電電圧(又はコンデンサの保持電圧)Vjの総和が出力端子間電圧Voutに等しいという条件と、同時にスイッチング素子がOFF状態となる段の各太陽電池セルの発電電圧(又はコンデンサの保持電圧)Vjは、互いに等しくなるという条件とから、
ΣVj=Vout …(4a)
VjI=VI …(4b)
VjII=VII …(4c)
が成立する。ここで、VjIは、第一の組の各太陽電池セルの発電電圧(又はコンデンサの保持電圧)Vjであり、VjIIは、第二の組の各太陽電池セルの発電電圧(又はコンデンサの保持電圧)Vjである。VI、VIIは、それぞれ、第一の組、第二の組の、太陽電池セルの発電電圧(又はコンデンサの保持電圧)の電圧値である。そして、出力端子間ot+〜ot−に2k段のチョッパ回路が存在するとき(kは、正の整数)、相1(図5(B))のときにスイッチング素子がOFF状態となる段数と相2(図5(C))のときにスイッチング素子がOFF状態となる段数とがそれぞれk段となり、同数となることから、
VjI=VI=VjII=VII …(4d)
が成立し、結局、各太陽電池セルの発電電圧(又はコンデンサの保持電圧)Vjは、全て、互いに等しくなるので、
Vj=Vout/2k …(4e)
となる。
In the case of the third aspect described above, particularly in the case of the configuration in which the switching element M 2m-1 is assigned to the first set and the switching element M 2m is assigned to the second set, the generated voltage of each solar cell. (Or the holding voltage of the capacitor) Vj is determined by the number of stages of the chopper circuit sandwiched between the output terminals (that is, the number of capacitors and switching elements). Specifically, first, each solar cell in the stage where the sum of the generated voltage (or the holding voltage of the capacitor) Vj of each solar cell is equal to the voltage Vout between the output terminals and the switching element is turned off at the same time. From the condition that the generated voltage (or holding voltage of the capacitor) Vj of the above is equal to each other.
ΣVj = Vout ... (4a)
Vj I = VI ... (4b)
Vj II = VII ... (4c)
Is established. Here, Vj I is the generated voltage (or holding voltage of the capacitor) Vj of each solar cell in the first set, and Vj II is the generated voltage (or the holding voltage of the capacitor) of each solar cell in the second set. Holding voltage) Vj. VI and VII are voltage values of the generated voltage (or the holding voltage of the capacitor) of the solar cell of the first set and the second set, respectively. Then, when there is a 2k-stage chopper circuit between the output terminals ot + to ot- (k is a positive integer), the number of stages and the phase in which the switching element is turned off in phase 1 (FIG. 5 (B)). Since the number of stages in which the switching element is turned off in the case of 2 (FIG. 5 (C)) is k stages, which is the same number, the number of stages is the same.
Vj I = VI = Vj II = VII ... (4d)
Is established, and in the end, the generated voltage (or the holding voltage of the capacitor) Vj of each solar cell is all equal to each other.
Vj = Vout / 2k ... (4e)
Will be.
一方、出力端子間ot+〜ot−に2k−1段のチョッパ回路が存在するとき、相1(図5(B))のときにスイッチング素子がOFF状態となる段数は、k段であり、相2(図5(C))のときにスイッチング素子がOFF状態となる段数は、k−1段となる。ところで、相1と相2とは、等間隔にて実現されるので、電圧が定常状態に在るときには、相1でOFF状態となる段(第一の組)の各太陽電池セルの発電電圧(又はコンデンサの保持電圧)VjIの総和と、相2でOFF状態となる段(第二の組)の各太陽電池セルの発電電圧(又はコンデンサの保持電圧)VjIIの総和とが等しくなり、結局、
Vout=ΣVjI+ΣVjII …(4f)
ΣVjI=kVI=ΣVjII=(k−1)VII=Vout/2 …(4g)
の関係が成立することとなる。かくして、第一の組の太陽電池セルの発電電圧(又はコンデンサの保持電圧)VjIと第二の組の太陽電池セルの発電電圧(又はコンデンサの保持電圧)VjIIは、
VjI=Vout/2k …(4h)
VjII=Vout/2(k−1) …(4i)
により与えられることとなる。しかしながら、相1と相2との切換えが十分に速い場合(コンデンサCjの容量が十分に大きい場合)には、各チョッパ回路の担持する電圧が均一化され、結局、
Vj=Vout/(2k−1)
が成立することとなる。
[より一般化して、第一の組の段数がx個であり、第二の組の段数がy個である回路構成の場合に、VjI、VjIIは、
VjI=Vout/2x
VjII=Vout/2y
にて与えられることとなる。ただし、xとyとの比が大きくなるほど、各太陽電池セルの発電電圧のずれが大きくなり、出力低下幅を小さく抑えられる利点がえ難くなる。]
On the other hand, when there is a 2k-1 stage chopper circuit between the output terminals ot + to ot-, the number of stages in which the switching element is turned off in phase 1 (FIG. 5 (B)) is k stages, and the phase is
Vout = ΣVj I + ΣVj II … (4f)
ΣVj I = kVI = ΣVj II = (k-1) VII = Vout / 2 ... (4g)
The relationship will be established. Thus, the generated voltage (or capacitor holding voltage) Vj I of the first set of solar cells and the generated voltage (or capacitor holding voltage) Vj II of the second set of solar cells are
Vj I = Vout / 2k ... (4h)
Vj II = Vout / 2 (k-1) ... (4i)
Will be given by. However, when the switching between
Vj = Vout / (2k-1)
Will be established.
[More generalized, in the case of a circuit configuration in which the number of stages of the first set is x and the number of stages of the second set is y, Vj I and Vj II are
Vj I = Vout / 2x
Vj II = Vout / 2y
Will be given at. However, as the ratio of x to y becomes larger, the deviation of the generated voltage of each solar cell becomes larger, and the advantage that the output decrease width can be suppressed to be small becomes difficult to obtain. ]
上記の如く、複数のスイッチング素子のデューティ比を等しくし、且つ、ON/OFF状態を相1と相2との2状態の間にて切換える態様によれば、スイッチング素子のデューティ比の調節のために要する時間と労力とは、実質的に不要となり、制御が大幅に簡単化できる点で有利である。また、第二の態様で説明されたことと同様に、同時のOFF状態にされるスイッチング素子の数が複数となるので(段数が4より多ければ、第二の態様に比しても、同時のOFF状態にされるスイッチング素子の数が更に増大することとなる。)、OFF状態になっているスイッチング素子に印加される出力端子間電圧が、より多くの素子に分散され、これにより、スイッチング素子一つ当たりに要求される耐圧が有利に低減できることとなる。そして、第一の態様と同様に、Vout/nが、受光量の最大の太陽電池セルの最大電力点に於ける発電電圧Vmpp100と等しくなるように、出力端子間電圧Voutを調節すれば、図1に例示されている如く、全ての太陽電池セルの発電電圧が実質的にVmpp100に一致した状態が実現できることとなり、受光量の低下があっても、太陽電池セルの個別のデューティ比の調節を行うことなく、それによる出力低下幅を比較的小さく抑えられることとなる。
As described above, according to the embodiment in which the duty ratios of the plurality of switching elements are equalized and the ON / OFF state is switched between the two states of
発電動作点制御回路装置のスイッチング素子の切換の分割制御の構成例
太陽電池モジュール内に接続されるセル数が多いときには、それらを幾つかの群に分割し、それぞれの群毎に分割してスイッチング素子の切換制御が実行されてよい。例えば、図6(A)に例示されている如く、出力端子間に接続された複数の太陽電池セルが複数のユニットに分けられ、これら複数のユニットの各々に対し発電動作点制御回路装置が個別に設けられ、各発電動作点制御回路装置が当該ユニットに属するスイッチング素子の切換制御を実行するようになっていてよい。図示の例では、太陽電池セルPV1〜PV8がPV1〜PV4のユニットとPV5〜PV8のユニットに分けられ、それぞれのユニットに対し制御装置CP1、CP2が個別に設けられ、それぞれが当該ユニットに属するスイッチング素子M1〜M4、M5〜M8のON/OFF状態を制御するよう構成されている。また、図6(B)に例示されている如く、出力端子間に接続された複数の太陽電池セルが境界にあるその一つを互に共有する複数のユニットに分けられ、これら複数のユニットの各々に対し発電動作点制御回路装置が別々に設けられ、それぞれが当該ユニットに属するスイッチング素子の切換制御を実行するようになっていてもよい。図示の例では、太陽電池セルPV1〜PV7がPV4を互に共有するPV1〜PV4のユニットとPV4〜PV7のユニットに分けられ、それぞれのユニットに対し制御装置CP1、CP2が個別に設けられ、それぞれが当該ユニットに属するスイッチング素子M1〜M4,M5〜M8のON/OFF状態を制御するようになっている。
Configuration example of divided control of switching of switching element of power generation operating point control circuit device When the number of cells connected in the solar cell module is large, they are divided into several groups and divided into each group for switching. Switching control of the element may be executed. For example, as illustrated in FIG. 6A, a plurality of solar cells connected between output terminals are divided into a plurality of units, and a power generation operating point control circuit device is individually provided for each of the plurality of units. Each power generation operating point control circuit device may be provided in the above to execute switching control of switching elements belonging to the unit. In the illustrated example, the solar cells PV1 to PV8 are divided into a unit of PV1 to PV4 and a unit of PV5 to PV8, and control devices CP1 and CP2 are individually provided for each unit, and each of them is a switching belonging to the unit. It is configured to control the ON / OFF state of the elements M1 to M4 and M5 to M8. Further, as illustrated in FIG. 6 (B), a plurality of solar cells connected between output terminals are divided into a plurality of units that share one of them at a boundary, and the plurality of units are divided into a plurality of units. A power generation operating point control circuit device may be provided separately for each, and each may execute switching control of the switching element belonging to the unit. In the illustrated example, the solar cells PV1 to PV7 are divided into PV1 to PV4 units and PV4 to PV7 units that share PV4 with each other, and control devices CP1 and CP2 are individually provided for each unit, respectively. Controls the ON / OFF state of the switching elements M1 to M4 and M5 to M8 belonging to the unit.
上記の図6(A)、(B)に例示されている如く、太陽電池モジュールを複数のユニットに分割する構成に於いて、各ユニットに於けるスイッチング素子の状態の切換制御の態様は、上記の第一の態様〜第三の態様のいずれであってもよい。特に、第三の態様によりスイッチング素子の状態の切換制御を実行する場合には、図5(A)に例示されている如く、スイッチング素子M1〜M4のユニットについて、第一の組に(M1、M2)、第二の組に(M3、M4)を割り当て、スイッチング素子M5〜M8のユニットについて、第一の組に(M5、M6)、第二の組に(M7、M8)を割り当てるようになっていてよい(隣接するスイッチング素子が同時にOFF状態となる制御態様)。また、スイッチング素子M1〜M4のユニットについて、第一の組に(M1、M3)、第二の組に(M2、M4)を割り当て、スイッチング素子M5〜M8のユニットについて、第一の組に(M5、M7)、第二の組に(M6、M8)を割り当てるようになっていてもよい(スイッチング素子が交互にOFF状態となる制御態様)。 As illustrated in FIGS. 6 (A) and 6 (B) above, in a configuration in which the solar cell module is divided into a plurality of units, the mode of switching control of the state of the switching element in each unit is described above. It may be any of the first aspect to the third aspect of the above. In particular, when the switching control of the state of the switching element is executed according to the third aspect, as illustrated in FIG. 5A, the units of the switching elements M1 to M4 are included in the first set (M1, M2), assign (M3, M4) to the second set, and assign (M5, M6) to the first set and (M7, M8) to the second set for the units of the switching elements M5 to M8. (A control mode in which adjacent switching elements are turned off at the same time). Further, regarding the units of the switching elements M1 to M4, (M1, M3) are assigned to the first set, (M2, M4) are assigned to the second set, and the units of the switching elements M5 to M8 are assigned to the first set (M1, M3). (M5, M7), (M6, M8) may be assigned to the second set (a control mode in which the switching elements are alternately turned off).
これらの構成によれば、各ユニット内における太陽電池セルの数は太陽電池セルの総数に対比して大幅に減るので、各ユニット内において、それぞれの両端間の電圧を何れの太陽電池セルに合わせて調節してどのようにスイッチング素子の切換制御を行うのが最適であるかの探索をより短い時間にて行うことができ、そのようにして各ユニットのスイッチング制御を最適化することにより、太陽光の照射状況の変化に対する太陽光発電装置全体の最適化制御の追随性を高めることができる。 According to these configurations, the number of solar cells in each unit is significantly reduced compared to the total number of solar cells, so that the voltage between both ends of each unit is adjusted to any solar cell in each unit. It is possible to search for the optimum way to control the switching of the switching element by adjusting the solar power in a shorter time, and by optimizing the switching control of each unit in this way, the sun It is possible to improve the followability of the optimization control of the entire photovoltaic power generation device to changes in the light irradiation condition.
出力端子間電圧の制御
既に触れた如く、上記の太陽電池モジュールの出力端子間の電圧は、太陽電池モジュール内の太陽電池セルの発電電圧が所望の値となるようにMPPT制御回路等の電圧/電流制御器により調節制御される。この点に関し、本発明の構成に於いては、上記にも説明されている如く、スイッチング素子のデューティ比が一律に固定されているので、各太陽電池セルの発電電圧(又はコンデンサの保持電圧)は、出力端子間電圧によってのみ調節される。そして、図1に関連して説明された如く、太陽電池セルの発電電圧を或る一つのセル(例えば、受光量の最大のセル)の最大電力点に於ける発電電圧に調節しようとする場合には、デューティ比が一律に固定値であるので、出力端子間電圧は、結局、一意に決定されることとなる(昇圧機能を果たす回路部分の昇圧幅(コンデンサの保持電圧)も出力端子間電圧とデューティ比とが決定された条件下では一意に決定され、変更できない。)。一方、太陽電池セルの発電電圧が或るセルの最大電力点に於ける発電電圧へ調節するなどした場合の、太陽電池モジュール(追加のコンデンサがある場合を含む。)の出力端子間電圧は、電力の出力先の負荷、例えば、充電器、の動作電圧と一致しているとは限らない。そして、もし出力端子間電圧が負荷の動作電圧とずれていると、出力端子間電圧が変動してしまうなど、太陽電池セルの発電電圧が或るセルの最大電力点に於ける発電電圧へ調節した状態を保つことが困難となり得る。そこで、本発明の太陽光発電装置の出力を負荷へ送出する際には、図7に模式的に示されている如く、太陽電池モジュールの出力端子ot+、ot-は、任意の電圧制御装置を介して、出力先(負荷)T1、T2へ接続され、出力端子間電圧が更に昇降圧されてから電力が送出されるようになっていてよい。かかる構成により、太陽光発電装置に於いて、太陽電池モジュールの出力端子間電圧をその作動に適した電圧に維持し、太陽光発電装置の出力が効率の良い状態を保ちながら、負荷の電圧要求に対応することが可能となる。
Control of voltage between output terminals As already mentioned, the voltage between the output terminals of the above solar cell module is the voltage of the MPPT control circuit or the like so that the generated voltage of the solar cell in the solar cell module becomes a desired value. It is regulated and controlled by the current controller. In this regard, in the configuration of the present invention, as described above, the duty ratio of the switching element is uniformly fixed, so that the generated voltage (or the holding voltage of the capacitor) of each solar cell is used. Is adjusted only by the voltage between the output terminals. Then, as described in connection with FIG. 1, when the power generation voltage of the solar cell is to be adjusted to the power generation voltage at the maximum power point of a certain cell (for example, the cell having the maximum light reception amount). Since the duty ratio is uniformly fixed, the voltage between the output terminals is ultimately uniquely determined (the boost width (holding voltage of the capacitor) of the circuit part that performs the boost function is also between the output terminals. Under the conditions where the voltage and duty ratio are determined, they are uniquely determined and cannot be changed.) On the other hand, when the power generation voltage of the solar cell is adjusted to the power generation voltage at the maximum power point of a certain cell, the voltage between the output terminals of the solar cell module (including the case where there is an additional capacitor) is determined. It does not always match the operating voltage of the load to which the power is output, for example, the charger. If the voltage between the output terminals deviates from the operating voltage of the load, the voltage between the output terminals fluctuates, and the power generation voltage of the solar cell is adjusted to the power generation voltage at the maximum power point of a certain cell. It can be difficult to keep it in a good condition. Therefore, when the output of the photovoltaic power generation device of the present invention is sent to the load, as shown schematically in FIG. 7, the output terminals ot + and ot- of the solar cell module use an arbitrary voltage control device. The power may be transmitted after being connected to the output destinations (loads) T1 and T2 and the voltage between the output terminals is further stepped up and down. With such a configuration, in the photovoltaic power generation device, the voltage between the output terminals of the solar cell module is maintained at a voltage suitable for its operation, and the voltage requirement of the load is maintained while the output of the photovoltaic power generation device is maintained in an efficient state. It becomes possible to correspond to.
電圧安定化コンデンサの適用
図5を再度参照して、n個のスイッチング素子が存在する回路構成に於いて、特に、出力端子の一方、例えば、太陽電池モジュールの陽極側、から数えて奇数番目の段のチョッパ回路に接続されているスイッチング素子M2m−1を第一の組に割り当て、偶数番目の段のチョッパ回路に接続されているスイッチング素子M2mを第二の組に割り当てて、第一の組の全てのスイッチング素子がOFF状態となり、第二の組の全てのスイッチング素子がON状態となる相1(Ph1)と、第一の組の全てのスイッチング素子がON状態となり、第二の組の全てのスイッチング素子がOFF状態となる相2(Ph2)との間で、全てのスイッチング素子の状態が交互に切換えられる構成の場合、スイッチング素子の切換制御が簡単化され、太陽光発電装置の作動に際して調節されるべきパラメータは、出力端子間電圧Voutだけでよくなるので、一連の制御のための時間と労力とが大幅に削減できる点で非常に有用である。かかる構成に関し、更に、各太陽電池セルの発電電圧(又はコンデンサの保持電圧)を安定化させるために、図8に例示されている如く、直列接続されたスイッチング素子Mjの列に対して、電圧安定化用のコンデンサCvj(Cv1,Cv2,Cv3…Cv2k−1)が接続されてよい。なお、かかるコンデンサを(太陽電池セルに並列に接続されたコンデンサと区別する目的で)以下「電圧安定化コンデンサ」と称する。
Application of Voltage Stabilizing Condenser With reference to FIG. 5 again, in a circuit configuration in which n switching elements exist, in particular, the oddth number counting from one of the output terminals, for example, the anode side of the solar cell module. The switching element M2m-1 connected to the chopper circuit of the stage is assigned to the first set, and the switching element M2m connected to the chopper circuit of the even-th stage is assigned to the second set, and the first set is assigned. Phase 1 (Ph1) in which all the switching elements of the first set are turned off and all the switching elements of the second set are turned on, and all the switching elements of the first set are turned on and all the switching elements of the second set are turned on. In the case of a configuration in which the states of all the switching elements are alternately switched between the phase 2 (Ph2) in which all the switching elements are in the OFF state, the switching control of the switching elements is simplified and the operation of the solar power generation device is performed. Since the parameter to be adjusted is only the voltage Vout between the output terminals, it is very useful in that the time and labor for a series of control can be significantly reduced. Regarding such a configuration, in order to further stabilize the generated voltage (or the holding voltage of the capacitor) of each solar cell, as illustrated in FIG. 8, a voltage is applied to a row of switching elements Mj connected in series. A stabilizing capacitor Cvj (Cv1, Cv2, Cv3 ... Cv 2k-1 ) may be connected. In addition, such a capacitor is hereinafter referred to as a "voltage-stabilized capacitor" (for the purpose of distinguishing it from a capacitor connected in parallel with a solar cell).
「電圧安定化コンデンサ」は、より具体的には、図示の如く、直列に接続されたn個(nは、正の整数)のスイッチング素子の列のうちの一方の端、例えば、太陽電池モジュールの陽極側、から数えて2m−1番目(mは、1からn/2までの全ての整数)と2m番目に接続されたスイッチング素子の組の全て(1番目と2番目の組、3番目と4番目の組、…)の両端の各々に対して並列に、そして、前記の一方の端から数えて2i−2番目(iは、2からn/2までの全ての整数)と2i−1番目に接続されたスイッチング素子の組の全て(2番目と3番目の組、4番目と5番目の組、…)の両端の各々に対して並列に、それぞれ接続される。なお、電圧安定化コンデンサは、この分野で通常使用されているコンデンサであってよい。 More specifically, as shown in the figure, a "voltage stabilizing capacitor" is one end of a row of n (n is a positive integer) switching elements connected in series, for example, a solar cell module. 2m-1st (m is all integers from 1 to n / 2) and all the 2mth connected switching element sets (1st and 2nd sets, 3rd) counting from the anode side of And the 4th set, ...) In parallel with each of both ends, and 2i-2nd (i is all integers from 2 to n / 2) and 2i- counting from one of the above. All of the first connected switching element sets (second and third sets, fourth and fifth sets, ...) Are connected in parallel to each of both ends. The voltage stabilizing capacitor may be a capacitor usually used in this field.
上記の如く、スイッチング素子列に於いて、各スイッチング素子Mjを交互にOFF状態する相1と相2との間にて周期的に切換える構成に於いて、もし「電圧安定化コンデンサ」が用いられない場合には、上記の式(4b)、(4c)の条件(同時にスイッチング素子がOFF状態となる段の各太陽電池セルの発電電圧(又はコンデンサの保持電圧)Vjが互いに等しくなるという条件)がスイッチング素子の特性や寄生抵抗、インピーダンス等の特性の精度に依存して不安定となる場合(電圧が均等に分散されないなど)があるところ、電圧安定化コンデンサの存在によって、式(4b)、(4c)の条件がより確実に担保されることとなる。なお、図示していないが、「電圧安定化コンデンサ」は、図6に例示されている如き太陽電池モジュールを複数のユニットに分割する構成や図7に例示されている如き電圧制御装置を備えた構成に於いても適用可能であり、そのような場合も本発明の範囲に属することは理解されるべきである。
As described above, in the switching element sequence, in the configuration in which each switching element Mj is periodically switched between the
電圧安定化コンデンサが適用された回路構成に於いては、各太陽電池セルの発電電圧(又はコンデンサの保持電圧)Vjは、具体的には、下記の如く決定される。 In the circuit configuration to which the voltage stabilizing capacitor is applied, the generated voltage (or the holding voltage of the capacitor) Vj of each solar cell is specifically determined as follows.
(i)n=2k(kは、正の整数)の場合、即ち、回路構成に於いて存在するスイッチング素子の数が偶数の場合、図8に模式的に描かれているように、スイッチング素子列M1〜M2kの間にて、電圧安定化コンデンサCv1〜Cv2k−1が、それぞれ、二つの隣接するスイッチング素子を交互に跨いで接続されることとなる。その作動中に於いては、スイッチング素子の状態は、相1と相2との間で、交互に、周期的に且つ等間隔にて繰り返し切換えられる。ここに於いて、相1では、太陽電池モジュールの陽極側から数えて奇数番目のスイッチング素子がOFF状態となり(図9(A))、電圧安定化コンデンサCv1〜Cv2k−1が、図9(B)に示されているように、出力端子間ot+〜ot−にてCv1が単独にて、Cv2〜Cv2k−1が対になって互いに直列に接続され、コンデンサがk段の直列接続された回路が構成される一方、相2に於いては、太陽電池モジュールの陽極側から数えて偶数番目のスイッチング素子がOFF状態となり(図9(C))、電圧安定化コンデンサCv1〜Cv2k−1が、図9(D)に示されているように、出力端子間ot+〜ot−にてCv1〜Cv2k−2が対になり、Cv2k−1が単独にて、互いに直列に接続され、コンデンサがk段の直列接続された回路が構成される。そうすると、図9(B)、(D)の電圧安定化コンデンサCv1〜Cv2k−1の接続状態が反復して実現されることから、相1及び相2が交互に現れる定常状態に於いては、電圧安定化コンデンサCv1〜Cv2k−1の電圧V(Cv1)〜V(Cv2k−1)が全て等しくなる。(より具体的には、相1で、V(Cv2)=V(Cv3)、…、V(Cv2k−2)=V(Cv2k−1)となり、相2で、V(Cv2)=V(Cv1)、…、V(Cv2k−2)=V(Cv2k−3)となることから、定常状態では、V(Cv1)=V(Cv2)=V(Cv3)=…=V(Cv2k−2)=V(Cv2k−1)となる。)また、出力端子間ot+〜ot−の電圧はVoutに調節されるところ、k段の電圧安定化コンデンサの直列回路で担持されることになるので、結局、
V(Cv1)=V(Cv2)…=V(Cv2k−1)=Vout/k …(5a)
の関係が成立することとなる。
(I) When n = 2k (k is a positive integer), that is, when the number of switching elements existing in the circuit configuration is an even number, the switching elements are schematically drawn in FIG. Between the rows M1 to M2k, voltage stabilizing capacitors Cv 1 to Cv 2k-1 are connected so as to alternately straddle two adjacent switching elements. During its operation, the state of the switching element is repeatedly switched between
V (Cv 1 ) = V (Cv 2 ) ... = V (Cv 2k-1 ) = Vout / k ... (5a)
The relationship will be established.
ところで、各スイッチング素子がOFF状態にあるときに担持する電圧Ujは、図9(A)、(C)を参照して理解される如く、それぞれ、電圧安定化コンデンサCvjによって安定的に保持されるので、
Uj=V(Cvj)=Vout/k …(5b)
[ただし、U2k=V(Cv2k−1)]
であり、各スイッチング素子がON状態にあるときに担持する電圧Ujは、
Uj=0 …(5c)
となる。そうすると、各太陽電池セルの発電電圧(又はコンデンサの保持電圧)Vjについて、対応するスイッチング素子MjがOFF状態にあるとき、
Vj+Lj・∫(dI/dt)=Uj=Vout/k …(5d)
の関係が成立し(積分範囲は、j=2m−1のとき、0〜D・Tsであり、j=2mのとき、D・Ts〜Tsである。)、対応するスイッチング素子MjがON状態にあるとき、
Vj+Lj・∫(dI/dt)=Uj=0 …(5e)
の関係が成立する。ここで、D=1/2であるので、(5d)+(5e)によれば、
2Vj+Lj・∫(dI/dt)[積分範囲が、0〜Ts]=Vout/k
となり、Lj・∫(dI/dt)=0となるので、結局、
Vj=Vout/2k …(5f)
が成立することとなる。ここで、理解されるべきことは、各スイッチング素子がOFF状態にあるときに担持する電圧Ujが、定常状態に於いて、対応する電圧安定化コンデンサCvjにより、安定的に保持され、これにより、各太陽電池セルの発電電圧(又はコンデンサの保持電圧)も更に安定的に確定されるという点である。即ち、スイッチング素子の特性に於いて、より大きな公差が許される点で有利となる。
By the way, the voltage Uj carried when each switching element is in the OFF state is stably held by the voltage stabilizing capacitor Cvj, as understood with reference to FIGS. 9A and 9C. So
Uj = V (Cv j ) = Vout / k ... (5b)
[However, U2k = V (Cv 2k-1 )]
The voltage Uj supported when each switching element is in the ON state is
Uj = 0 ... (5c)
Will be. Then, for the generated voltage (or holding voltage of the capacitor) Vj of each solar cell, when the corresponding switching element Mj is in the OFF state,
Vj + Lj ・ ∫ (dI / dt) = Uj = Vout / k… (5d)
(The integration range is 0 to D · Ts when j = 2m-1, and D · Ts to Ts when j = 2m), and the corresponding switching element Mj is in the ON state. When in
Vj + Lj ・ ∫ (dI / dt) = Uj = 0… (5e)
Relationship is established. Here, since D = 1/2, according to (5d) + (5e),
2Vj + Lj ・ ∫ (dI / dt) [Integral range is 0 to Ts] = Vout / k
Then, Lj ・ ∫ (dI / dt) = 0, so in the end
Vj = Vout / 2k ... (5f)
Will be established. Here, it should be understood that the voltage Uj carried when each switching element is in the OFF state is stably held by the corresponding voltage stabilizing capacitor Cvj in the steady state, thereby. The point is that the generated voltage (or the holding voltage of the capacitor) of each solar cell is also determined more stably. That is, it is advantageous in that a larger tolerance is allowed in the characteristics of the switching element.
(ii)n=2k−1の場合、即ち、回路構成に於いて存在するスイッチング素子の数が奇数の場合、図10(A)に模式的に描かれているように、スイッチング素子列M1〜M2k−1の間にて、電圧安定化コンデンサCv1〜Cv2k−2が、それぞれ、二つの隣接するスイッチング素子を交互に跨いで接続されることとなる。その作動中に於いては、電圧安定化コンデンサCv1〜Cv2k−2によって、相1では、に示されているように、コンデンサがk段の直列接続された回路が構成され(図10(B))、相2では、コンデンサがk−1段の直列接続された回路が構成されることとなる(図10(C))。ここで、スイッチング素子の状態は、上記の(i)の場合と同様に、相1と相2との間で、交互に、周期的に且つ等間隔にて繰り返し切換えられるので、定常状態に於いては、電圧安定化コンデンサCv1〜Cv2k−2の電圧V(Cv1)〜V(Cv2k−2)が全て等しくなることが期待され、出力端子間ot+〜ot−の電圧はVoutに調節されるので、結局、
V(Cv1)=V(Cv2)…=V(Cv2k−2)=Vout/(k−1/2) …(6a)
の関係が成立することとなる。各スイッチング素子がOFF状態にあるときに担持する電圧Ujは、同様に、
Uj=V(Cvj)=Vout/(k−1/2) …(6b)
となり、各スイッチング素子がON状態にあるときには、いずれの場合も担持電圧Ujは、
Uj=0 …(6c)
となる。そして、各スイッチング素子Mjに対応する太陽電池セル(又はコンデンサに対しては、ON/OFF状態が均等に相1と相2とに於いて交互に現れることから、結局、太陽電池セルの発電電圧(又はコンデンサの保持電圧)Vjは、
Vj=Vout/(2k−1) …(6d)
となる。
(Ii) When n = 2k-1, that is, when the number of switching elements existing in the circuit configuration is an odd number, the switching element trains M1 to are schematically drawn in FIG. 10 (A). Between M2k-1, voltage stabilizing capacitors Cv 1 to Cv 2k-2 are connected so as to alternately straddle two adjacent switching elements. During its operation, the voltage stabilizing capacitors Cv 1 to Cv 2k-2 constitute a circuit in
V (Cv 1 ) = V (Cv 2 ) ... = V (Cv 2k-2 ) = Vout / (k-1 / 2) ... (6a)
The relationship will be established. Similarly, the voltage Uj carried when each switching element is in the OFF state is the same.
Uj = V (Cv j ) = Vout / (k-1 / 2) ... (6b)
When each switching element is in the ON state, the supported voltage Uj is in any case.
Uj = 0 ... (6c)
Will be. Then, since the ON / OFF state appears evenly in the
Vj = Vout / (2k-1) ... (6d)
Will be.
なお、n=2k−1の場合には、相1と相2との間の切換が十分に速くないと、式(6a)が成立せず、太陽電池セルの発電電圧(又はコンデンサの保持電圧)Vjが一様でなくなる場合がある。一方、n=2kの場合には、式(5a)の条件が安定的に成立し、太陽電池セルの発電電圧(又はコンデンサの保持電圧)Vjが式(5f)の状態を安定的に満たすこととなる。このことから、本実施形態に於いては、より好ましくは、発電動作点制御回路装置は、昇降圧チョッパ回路の段数が偶数個となるように構成されてよい。例えば、直列接続される太陽電池セルの個数が奇数である場合には、チョッパ回路(コンデンサ、インダクタ、スイッチング素子)を追加して、段数が偶数となるように回路が構成されてよい。また、太陽電池モジュールの両端の出力電圧を昇圧する目的で、チョッパ回路部分が追加され、チョッパ回路の段数が奇数となっている場合には、更に、チョッパ回路を追加して、総段数が偶数となるように回路が構成されてよい。
In the case of n = 2k-1, the equation (6a) does not hold unless the switching between the
スイッチング素子に於ける出力損失の低減
上記に於いて、本実施形態の発電動作点制御回路装置では、スイッチング素子列の各スイッチング素子Mjを交互にOFF状態する相1と相2との間にて周期的に切換える構成の場合には、昇降圧チョッパ回路の段数が偶数であるときに、太陽電池セルの発電電圧(又はコンデンサの保持電圧)Vjが、より安定化されるので、昇降圧チョッパ回路の段数が奇数の場合には、太陽電池セルを接続しないチョッパ回路を追加して、段数を偶数にすることが好ましい点を述べた。この点に関し、太陽電池セルを接続しないチョッパ回路の場合、そのスイッチング素子がON状態のときには、そのチョッパ回路部分を通過する全ての電流がスイッチング素子を通ることとなる。例えば、図11(A)に描かれている如く、太陽電池セルを接続しないチョッパ回路(C2k、M2k、L2k−1)が出力端子間ot+〜ot−に追加されていると、スイッチング素子M2kがON状態のときには、出力端子間を流れる電流Ioutの実質的に全てがスイッチング素子M2kを通ることとなる。この場合、スイッチング素子は有意な寄生抵抗を有するので、スイッチング素子M2kに於ける電流Ioutの通過によって、抵抗による出力損失が生ずることとなる。
Reduction of Output Loss in Switching Elements In the above, in the power generation operating point control circuit device of the present embodiment, between
そこで、本実施形態の発電動作点制御回路装置に於いて、太陽電池セルを接続しないチョッパ回路を更に追加する場合には、図11(B)に例示されている如く、出力端子間ot+〜ot−の外側に、当該回路部分を追加することが好ましい。かかる構成によれば、更に追加されたスイッチング素子M2kには、出力端子間を流れる電流Ioutは、実質的に流れないこととなり、その分、出力損失を回避できることとなり、有利である。 Therefore, in the power generation operating point control circuit device of the present embodiment, when a chopper circuit that does not connect a solar cell is further added, as illustrated in FIG. 11B, the output terminals are ot + to ot. It is preferable to add the circuit portion to the outside of −. According to such a configuration, the current Iout flowing between the output terminals does not substantially flow in the added switching element M2k, and the output loss can be avoided by that amount, which is advantageous.
出力端子間ot+〜ot−の外側に追加されるチョッパ回路部分は、種々の態様にて構成されてよい。例えば、太陽電池モジュールの両端に負荷へ接続される出力端子ot+〜ot−が形成されている場合に、追加されるチョッパ回路部分は、図11(B)の如く、太陽電池モジュールの陰極側に構成されてもよく、図12(A)の如く、太陽電池モジュールの陽極側に構成されてもよく、図12(B)の如く、太陽電池モジュールの両極側に構成されてもよい。又、図12(C)の如く、既に出力端子間ot+〜ot−に、太陽電池モジュールの出力電圧を昇圧するための太陽電池セルを接続しないチョッパ回路(C3、M3、L2)が追加されている場合にも、更に、出力端子間ot+〜ot−の外側にチョッパ回路部分(C4、M4、L3)追加されてよい。 The chopper circuit portion added to the outside of the output terminals ot + to ot− may be configured in various embodiments. For example, when the output terminals ot + to ot- connected to the load are formed at both ends of the solar cell module, the chopper circuit portion added is on the cathode side of the solar cell module as shown in FIG. 11 (B). It may be configured on the anode side of the solar cell module as shown in FIG. 12 (A), or may be configured on both pole sides of the solar cell module as shown in FIG. 12 (B). Further, as shown in FIG. 12C, a chopper circuit (C3, M3, L2) that does not connect a solar cell for boosting the output voltage of the solar cell module has already been added between the output terminals ot + to ot-. If so, a chopper circuit portion (C4, M4, L3) may be further added to the outside of the output terminals ot + to ot−.
動作点制御回路に於けるインダクタの省略(短絡)
本実施形態の太陽光発電装置及び/又は発電動作点制御回路装置の一連の構成に於いて、太陽電池セルPVjの電極用接続端子ct又はコンデンサCjの両端子は、インダクタLjを介してスイッチング素子Mjに接続されている。かかるインダクタLjは、昇降圧チョッパ回路の一部として、それぞれ対応するコンデンサCjとスイッチング素子Mjと協働して、スイッチング素子MjのON/OFF状態の切換に際して電流の変化に対して逆起電力を発生する機能を果たす。この点に関し、逆起電力を発生するインダクタは、OFF状態となっているスイッチング素子Mjと、これに対応するコンデンサCjとの間に少なくとも一つ介在していればよく、スイッチング素子Mjの両側に存在していなくてもよい。即ち、端的に述べれば、本実施形態の多段型のチョッパ回路から成る構成に於いて、インダクタは、全段ではなく、一段置きに設けられれば、回路は正常に動作することとなる。また、インダクタは、通常の導線(例えば、直線状の銅線)よりも寄生抵抗が大きいので、数が多くなるほど、抵抗による電力損失が多くなる。かくして、出力端子の一方、例えば、太陽電池モジュールの陽極側、から数えて2i−2番目(iは、2からn/2までの全ての整数)と2i−1番目に接続されたスイッチング素子の間の接続点と該スイッチング素子に対応するコンデンサの接続点との間に接続されているインダクタ(L2、L4、…L2k−2、図8〜図13に於いて、符号が括弧内に記載されているインダクタ)は、通常の導線に置換されてよい。これにより、回路に於ける電力損失の更なる低減が図られることとなる。なお、インダクタL2、L4、…L2k−2が省略されて短絡され、インダクタL1、L3…が残されるのは、太陽電池モジュールの両端と出力端子との間には、インダクタを設けない方が効率的に有利であり、その場合には、インダクタL1、L3…が必要となるからである(換言すると、出力端子から数えて、一段置きにインダクタが設けられる必要があるためである。)。
Omission of inductor in operating point control circuit (short circuit)
In a series of configurations of the photovoltaic power generation device and / or the power generation operating point control circuit device of the present embodiment, both terminals of the electrode connection terminal ct and the capacitor Cj of the solar cell PVj are switching elements via the inductor Lj. It is connected to Mj. As a part of the buck-boost chopper circuit, the inductor Lj cooperates with the corresponding capacitors Cj and the switching element Mj to generate a counter electromotive force against a change in current when the switching element Mj is switched to the ON / OFF state. Fulfill the function that occurs. In this regard, at least one inductor that generates counter electromotive force needs to be interposed between the switching element Mj in the OFF state and the corresponding capacitor Cj, and is provided on both sides of the switching element Mj. It does not have to exist. That is, in short, in the configuration including the multi-stage chopper circuit of the present embodiment, if the inductors are provided in every other stage instead of all stages, the circuit will operate normally. Further, since the inductor has a larger parasitic resistance than a normal conducting wire (for example, a linear copper wire), the larger the number, the larger the power loss due to the resistance. Thus, the switching element connected to the 2i-2nd (i is all integers from 2 to n / 2) and the 2i-1st, counting from one of the output terminals, for example, the anode side of the solar cell module. Inductors (L2, L4, ... L 2k-2 , FIGS. 8 to 13 connected between the connection point between them and the connection point of the capacitor corresponding to the switching element, the reference numerals are shown in parentheses. The inductor) may be replaced with a normal conductor. As a result, the power loss in the circuit can be further reduced. The inductors L2, L4, ... L 2k-2 are omitted and short-circuited, and the inductors L1, L3 ... Are left because it is better not to provide an inductor between both ends of the solar cell module and the output terminal. This is advantageous in terms of efficiency, and in that case, inductors L1, L3 ... Are required (in other words, inductors need to be provided every other stage counting from the output terminals).
本発明による発電動作点制御回路装置のその他の電源素子への応用
上記に説明された本実施形態による太陽光発電装置及び/又は発電動作点制御回路装置の一連の構成は、太陽電池の他に、図13に例示されている如く、化学電池セル、蓄電器セル、燃料電池セル(固形酸化物型燃料電池であってもよい。)、熱電発電素子、発電機セル(風力、水力、潮力、エンジン等による任意の発電機であってよい。)など、任意の電源セルを直列接続する際に適用されてよい。直列接続される電源セルの各々の最適な動作電圧が異なっていても、その動作電圧のずれによる出力低下が然程に大きくない場合には、本発明による教示に従って、デューティ比を一律に固定して動作点制御回路装置を利用することにより、出力を大きく低減させずに、動作電圧の調節のための時間と労力とを削減することが可能となる。また、上記の本発明による発電動作点制御回路装置の構成は、直列接続される電源の種類は同じ場合であっても異なる場合であっても適用されてもよい。例えば、図2、図6、図7、図8に例示されている如き本発明による回路構成を有する動作点制御回路装置に於いて、太陽電池セルに換えて、化学電池セル、蓄電器セル、燃料電池セル、熱電発電素子、発電機セル等の任意の電源セルが直列に接続されてよく、図13に例示されている如く、互いに異なる電源セルが直列に接続された状態で使用されてよい。
Application of the power generation operating point control circuit device according to the present invention to other power source elements The series of configurations of the photovoltaic power generation device and / or the power generation operating point control circuit device according to the present embodiment described above is in addition to the solar cell. , Chemical cell, power storage cell, fuel cell (may be a solid oxide fuel cell), thermoelectric power generation element, generator cell (wind force, hydraulic power, tidal power, as illustrated in FIG. It may be an arbitrary generator by an engine or the like.) It may be applied when connecting arbitrary power cells in series. Even if the optimum operating voltage of each of the power supply cells connected in series is different, if the output decrease due to the deviation of the operating voltage is not so large, the duty ratio is uniformly fixed according to the teaching of the present invention. By using the operating point control circuit device, it is possible to reduce the time and labor required for adjusting the operating voltage without significantly reducing the output. Further, the above-described configuration of the power generation operating point control circuit device according to the present invention may be applied regardless of whether the types of power sources connected in series are the same or different. For example, in an operating point control circuit device having a circuit configuration according to the present invention as illustrated in FIGS. 2, 6, 7, and 8, instead of a solar cell, a chemical cell, a capacitor cell, and a fuel are used. Arbitrary power cells such as a battery cell, a thermoelectric power generation element, and a generator cell may be connected in series, and as illustrated in FIG. 13, different power cells may be used in a state of being connected in series.
以上の説明は、本発明の実施の形態に関連してなされているが、当業者にとつて多くの修正及び変更が容易に可能であり、本発明は、上記に例示された実施形態のみに限定されるものではなく、本発明の概念から逸脱することなく種々の装置に適用されることは明らかであろう。 Although the above description has been made in connection with the embodiments of the present invention, many modifications and modifications can be easily made by those skilled in the art, and the present invention is limited to the embodiments exemplified above. It will be clear that it is not limited and is applied to various devices without departing from the concept of the present invention.
Claims (20)
一対の出力端子と、
前記一対の出力端子の間にて直列に接続される複数の電源セルの各々の電極端子に接続される複数の電極用接続端子と、
前記一対の出力端子の間にて、前記複数の電源セルの各々に対して、対応する前記電極用接続端子を介して並列に接続されるコンデンサと、
前記一対の出力端子の間にて、前記複数の電源セルの各々に対して、対応する前記電極用接続端子とインダクタとを介して並列に接続されて、前記接続された一対の前記電極用接続端子の間を選択的に互いに導通するスイッチング手段と、
前記スイッチング手段の各々の状態を、それぞれの、一対の電極用接続端子間又は前記コンデンサの一対の端子間に接続された両端子間を導通した導通状態と前記両端子間の導通を遮断した遮断状態との間にて交互に、同一の所定の周期にて、切換える制御手段と
を含み、
前記制御手段によって、常に、少なくとも一部のスイッチング手段が前記遮断状態となり、その他のスイッチング手段が前記導通状態となるように制御され、前記スイッチング手段の全ての前記所定の周期の長さに対する前記遮断状態となる期間の長さの比が互いに同一となるように一律に固定されている装置。 An operating point control circuit device for multiple power cells connected in series.
A pair of output terminals and
A plurality of electrode connection terminals connected to each electrode terminal of a plurality of power cells connected in series between the pair of output terminals, and a plurality of electrode connection terminals.
A capacitor connected in parallel between the pair of output terminals via the corresponding electrode connection terminal for each of the plurality of power cells.
The pair of output terminals are connected in parallel to each of the plurality of power cells via the corresponding electrode connection terminals and inductors, and the connected pair of electrode connections. Switching means that selectively conducts each other between the terminals,
Each state of the switching means is a conduction state in which the conduction between the pair of electrode connection terminals or both terminals connected between the pair of terminals of the capacitor are conducted, and a cutoff in which the continuity between the two terminals is cut off. Includes control means that alternates between states and at the same predetermined period.
The control means always controls at least a part of the switching means to be in the cutoff state and the other switching means to be in the conduction state, and the cutoff for all the predetermined period lengths of the switching means. A device that is uniformly fixed so that the ratio of the lengths of the periods in which it is in a state is the same as each other.
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