(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
太陽電池と、この太陽電池から入力される入力電圧を変換するコンバータと、上記コンバータに対して太陽電池の動作点を略最適動作点に制御するよう上記コンバータの変換動作を制御するコントローラと、を備えた太陽光発電システムにおいて、
上記太陽電池の出力電圧が当該コンバータの耐圧入力電圧を超過する場合、当該太陽電池から上記コンバータへ入力される入力電圧を当該コンバータの耐圧入力電圧もしくはこれ以下の電圧に制限する入力電圧制限回路を設け、
上記入力電圧制限回路は、
上記略最適動作点の変動により変動する上記コンバータへの入力電圧を検出する入力電圧検出部と、
上記入力電圧検出部の検出出力に基づいて上記耐圧入力電圧から超過する超過電圧分を演算する演算部と、を含み、
上記演算部の演算結果に応じて上記超過電圧分を負担する、複数のパワーＭＯＳＦＥＴを並列接続してなる電圧負担部を、前記コンバータと前記太陽電池との間に接続し、
さらに、上記演算部の演算結果を遅延して上記電圧負担部に入力させる遅延部を含む、太陽光発電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、薄膜系や化合物半導体系等の無負荷時の出力電圧が高い太陽電池と、この太陽電池からの出力電力を変換する低耐圧型のコンバータとを備えると共に該コンバータにおいて太陽電池の出力を略最大に制御するいわゆるＭＰＰＴ（最大電力点追従）制御を行う太陽光発電システムに関するものであり、特に太陽光発電システムにおいて上記太陽電池の無負荷時の高出力電圧が上記低耐圧型のコンバータに印加されることを制限することに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
太陽電池は、照明システム、あるいは商用電力系統との連系システム等、各種に利用されている。太陽電池の発電出力は、コンバータ（ＤＣ／ＤＣコンバータやＤＣ／ＡＣインバータ等）によって変換されて負荷に供給されたりする。太陽電池は出力特性が温度、照度等に依存して変化する。そこで太陽光発電システムでは、一般に、上記コンバータによりＭＰＰＴ制御を行うようになっている。このことを、図３を参照して説明すると、１は太陽電池、２はパワーコンディショナ、３は負荷、４は商用電源であり、パワーコンディショナ２は太陽電池１の出力電流、出力電圧を検出する検出回路２ａ、コンバータ（ＤＣ／ＤＣコンバータ、ＤＣ／ＡＣインバータを含む）２ｂ、およびコントローラ２ｃを含み、コントローラ２ｃは、検出回路２ａの出力に基づいてコンバータ２ｂを制御して太陽電池１の動作点を略最適動作点に制御（例えば太陽電池１が最大電力を出力できるよう出力電圧Ｖｐを制御）するいわゆるＭＰＰＴ（最大電力点追従）制御を行うようになっている（特許文献１参照）。ＭＰＰＴ制御の動作は周知であるからその説明は略する。なお、図４（ａ）に太陽電池１の温度依存性を示し、図４（ｂ）に太陽電池１の照度依存性を示す。そして図４（ａ）では例えば温度２５℃で最適動作点はＰｐ（出力電圧Ｖｐ、出力電流Ｉｐ）であり、図４（ｂ）で照度１０００Ｗ／ｍ2では最適動作点はＰｐ（出力電圧Ｖｐ、出力電流Ｉｐ）である。このことから最適動作点は温度、照度により変動することになる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−３３６９４２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
こうした太陽電池では近年、コストが安い薄膜系や化合物半導体系等の太陽電池が利用されつつあるが、この種の太陽電池はコストが安価である反面、無負荷時における出力電圧（無負荷時出力電圧）が高いという特徴がある。上記無負荷時出力電圧とは図４では出力電流Ｉｐが０のときの出力電圧である。一方、コンバータでは低耐圧のパワーＭＯＳＦＥＴ等を用いて電力変換効率を向上させたものが利用されてきている。そのため、上記無負荷時出力電圧が高い太陽電池と、低耐圧のコンバータとを組合せて太陽光発電システムを構築することは難しい。
【０００５】
そこで本発明は、コストが安い太陽電池と、電力変換効率に優れたコンバータとを組合せることを可能として、システム全体として安価で太陽電池の電力利用率に優れた太陽光発電システムを提供することを解決すべき課題としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明による太陽光発電システムは、太陽電池と、この太陽電池の出力電圧を変換するコンバータと、上記コンバータに対して太陽電池の動作点を略最適動作点に制御するよう上記コンバータの変換動作を制御するコントローラと、を備えた太陽光発電システムにおいて、上記太陽電池の出力電圧が当該コンバータの耐圧入力電圧を超過する場合、当該太陽電池から上記コンバータへ入力される入力電圧を当該コンバータの耐圧入力電圧もしくはこれ以下の電圧に制限する入力電圧制限回路を設けたことを特徴とする。
【０００７】
好ましくは、上記入力電圧制限回路を、上記コンバータの入力端子に対して直列接続することで、太陽電池の出力電圧のうち上記コンバータの耐圧入力電圧を超過する電圧分を当該入力電圧制限回路で負担することである。
【０００８】
好ましくは、上記入力電圧制限回路は、上記コンバータへの入力電圧を検出する入力電圧検出回路と、上記入力電圧検出回路の検出出力に基づいて上記入力電圧制限回路を制御する制御回路と、上記制御回路の制御動作を遅延させる遅延回路と、を含む。
【０００９】
本発明によるコンバータへの入力電圧制限回路は、太陽電池と、この太陽電池から入力される入力電圧を変換するコンバータと、太陽電池が略最適動作点で動作するよう上記コンバータにおける上記変換動作を制御するコントローラと、を備えた太陽光発電システムにおいて用いられる入力電圧制限回路であって、上記太陽電池の出力電圧が上記コンバータの耐圧入力電圧を超えた場合でも、上記コンバータへの入力電圧を当該コンバータの耐圧入力電圧もしくはこれ以下の電圧に制限するよう構成した、ことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、薄膜系や化合物半導体系等のコストが安いが無負荷時出力電圧が高い太陽電池と、電力変換効率に優れるが低耐圧のコンバータとを組合せて太陽光発電システムを構築しても、太陽電池の無負荷時出力電圧が高くなっても、コンバータにはその耐圧入力電圧を超える出力電圧が入力電圧として印加されるようなことがないので、システム全体として安価で太陽電池の電力利用率に優れた太陽光発電システムを提供することができるようになった。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】図１は本発明の実施形態に係る太陽光発電システムの構成を示す図である。
【図２】図２は図１に示すシステムにおいて入力電圧制限回路の回路構成を示す図である。
【図３】図３は従来の太陽光発電システムの構成を示す図である。
【図４】図４は太陽電池の出力特性の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、添付した図面を参照して、本発明の実施の形態に係る太陽電池出力を変換するコンバータへの入力電圧を制限する入力電圧制限回路とこれを備えた太陽光発電システムを説明する。図１を参照して、１は太陽電池、２はパワーコンディショナ、３は負荷、４は商用電源を示す。
【００１３】
パワーコンディショナ２は、太陽電池１の出力電流、出力電圧を検出する検出回路２ａ、コンバータ（ＤＣ／ＤＣコンバータ２ｂ１、ＤＣ／ＡＣインバータ２ｂ２を含む）２ｂ、およびコントローラ２ｃを含み、コントローラ２ｃは、検出回路２ａの出力に基づいてコンバータ２ｂを制御して太陽電池１の動作点を略最適動作点に制御するＭＰＰＴ制御をするようになっている。
【００１４】
ここで、太陽電池１は、薄膜系や化合物半導体系等のコストが安いが無負荷時出力電圧が高い太陽電池であり、コンバータ２ｂ内のＤＣ／ＤＣコンバータ２ｂ１は、入力電圧の耐圧が低い低耐圧入力電圧型のＤＣ／ＤＣコンバータであって、太陽電池１の直流である入力電圧を直流の出力電圧に変換する。また、コンバータ２ｂ内のＤＣ／ＡＣインバータ２ｂ２はＤＣ／ＤＣコンバータ２ｂ１から入力され直流の入力電圧を交流の出力電圧に変換して負荷３に供給することができる。
【００１５】
そして、本実施形態では、パワーコンディショナ２内に以下に詳細に説明するような入力電圧制限回路２ｄを含むことに特徴を有する。すなわち、入力電圧制限回路２ｄは、ＤＣ／ＤＣコンバータ２ｂ１の入力端子ＩＮ１，ＩＮ２間に太陽電池１の一対の出力端子ＯＵＴ１，ＯＵＴ２間からの電圧を入力電圧Ｖｐとして入力する場合に、その入力電圧Ｖｐを、太陽電池１が無負荷になってＤＣ／ＤＣコンバータ２ｂ１の耐圧入力電圧Ｖｌｉｍｉｔを超えて高く変動しても当該ＤＣ／ＤＣコンバータ２ｂ１への入力電圧Ｖｄを耐圧入力電圧Ｖｌｉｍｉｔもしくはこれ以下に制限する回路である。
【００１６】
具体的には、例えばＤＣ／ＤＣコンバータ２ｂ１の耐電圧入力電圧Ｖｌｉｍｉｔが３８０Ｖであるときに、太陽電池１の正負極一対の出力端子ＯＵＴ１，ＯＵＴ２間に、無負荷時の出力電圧Ｖｐである５００Ｖの電圧が入力電圧Ｖｄとして印加されようとした場合、入力電圧制限回路２ｄは、出力電圧Ｖｐ＝５００Ｖのうちの１２０Ｖを負担電圧Ｖｃとして負担することで、ＤＣ／ＤＣコンバータ２ｂ１の一対の入力端子ＩＮ１，ＩＮ２間には耐圧入力電圧Ｖｌｉｍｉｔである３８０Ｖ以上の電圧が入力電圧Ｖｄとして印加されないように制限制御している。
【００１７】
以下、図２を参照して、入力電圧制限回路２ｄを説明する。
【００１８】
この入力電圧制限回路２ｄは、入力電圧検出部１０、負担電圧演算部１１、基準電圧部１２、遅延部１３、地絡検出部１４、超過電圧負担部１５、温度検出部１６、雷保護部１７、太陽電池不安全電圧保護部１８を有する。
【００１９】
入力電圧検出部１０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ２ｂ１の一対の入力端子ＩＮ１，ＩＮ２間に並列接続されて当該入力端子ＩＮ１，ＩＮ２間電圧を検出するもので例えば図中に示すごとき差動増幅回路により構成されている。入力電圧検出部１０からは入力端子ＩＮ１，ＩＮ２間電圧Ｖｄの１／１００の数値に対応するレベルの電圧を検出電圧として出力する。一方、基準電圧部１２は、ＤＣ／ＤＣコンバータ２ｂ１の耐圧入力電圧Ｖｌｉｍｉｔの１／１００の数値に対応するレベルの電圧を基準電圧として出力するようになっている。勿論、これら数値は一例の説明であり本発明を限定するものでは何等ない。
【００２０】
負担電圧演算部１１は、例えば図中図示の差動増幅回路により構成され、入力電圧検出部１０が出力する検出電圧と、基準電圧部１２の基準電圧とを比較し、当該入力電圧制限回路２ｄで負担するべき電圧を演算し、その演算結果を、遅延部１３を介して超過電圧負担部１５に出力する。この場合、太陽電池１からＤＣ／ＤＣコンバータ２ｂ１の耐圧入力電圧Ｖｌｉｍｉｔを超過する電圧として例えば５００Ｖの出力電圧Ｖｐが出力され、ＤＣ／ＤＣコンバータ２ｂ１の入力端子ＩＮ１，ＩＮ２間に耐圧入力電圧Ｖｌｉｍｉｔを超過する電圧５００Ｖが入力電圧Ｖｄとして印加されようとした場合、入力電圧検出部１０からはその１／１００の電圧である５Ｖが検出電圧として出力される一方、基準電圧部１２からは耐圧入力電圧Ｖｌｉｍｉｔである３８０Ｖに対応した３．８Ｖの基準電圧が出力されるので、負担電圧演算部１１からの演算出力はこの例では１．２Ｖ（＝５Ｖ−３．８Ｖ）となって、超過電圧負担部１５で負担すべき電圧は１２０Ｖとする電圧信号を出力する。これにより超過電圧負担部１５を構成する各パワーＭＯＳＦＥＴのゲートが制御され、これら並列合成抵抗がその１２０Ｖを負担する。このようにして、太陽電池１の出力電圧ＶｐがＤＣ／ＤＣコンバータ２ｂ１の耐圧入力電圧Ｖｌｉｍｉｔを超過しても当該ＤＣ／ＤＣコンバータ２ｂ１には耐圧入力電圧Ｖｌｉｍｉｔを超過する電圧が入力電圧Ｖｄとして印加されずに済む。
【００２１】
この場合、負担電圧演算部１１での演算結果は、直接的に即座に超過電圧負担部１５に入力されるのではなく、遅延部１３で適宜の時間遅れ、例えば０ないし数秒間、遅延されてから、超過電圧負担部１５に入力されることで、制御系がハンチングをしないようその応答を調整される。これは、ＤＣ／ＤＣコンバータ２ｂ１では太陽電池１に対してＭＰＰＴ制御を行っているので、入力電圧Ｖｄは変動しやすく、そのため、この変動に遅延することなく追随すると制御系がその変動に追随できず結果としてハンチングするからである。
【００２２】
超過電圧負担部１５は、図示するように複数のパワーＭＯＳＦＥＴが並列接続されて構成され、それらの各ゲートに負担電圧演算部１１での演算結果信号が遅延部１３を介して入力され、これにより、各パワーＭＯＳＦＥＴのドレイン・ソース間抵抗の合成並列抵抗により、上記の例では、太陽電池１から出力電圧Ｖｐのうちの所定電圧分Ｖｃを負担する。上記例では、太陽電池１から５００Ｖの出力電圧Ｖｐが出力された場合、その５００Ｖのうちの１２０Ｖの電圧Ｖｃをこの超過電圧負担部１５で負担するようそれを構成する各パワーＭＯＳＦＥＴの各ゲートに上記演算結果信号が印加され、１２０Ｖの電圧Ｖｃの負担に対応したドレイン・ソース間抵抗が生成される。
【００２３】
こうして超過電圧負担部１５は、ＤＣ／ＤＣコンバータ２ｂ１には直列でＤＣ／ＤＣコンバータ２ｂ１と共に太陽電池１に対して並列接続されることで、太陽電池１の無負荷時出力電圧５００Ｖのうちコンバータ２ｂ１の耐圧入力電圧３８０Ｖを超過する電圧分１２０Ｖを負担するようになっていることで、コンバータ２ｂ１への入力電圧が耐圧電圧３８０Ｖを超過しない制限をする。なお、超過電圧負担部１５はＤＣ／ＤＣコンバータ２ｂ１の入力端子ＩＮ２に直列接続しているが、両入力端子ＩＮ１，ＩＮ２に並列接続しても実施できる。
【００２４】
地絡検出部１４は、太陽電池１に接続したケーブル等が露出するなどしてそれが地面等に接触して短絡したこと等を検出すると共に、その検出出力を用いる図示略の回路に出力するため設けられている。温度検出部１６は超過電圧負担部１５を構成する各パワーＭＯＳＦＥＴが加熱して損傷したりしないようその温度を検出し、所定温度を超過したときは、それに対応した信号を不安全電圧保護部１８における図示するＳＣＲ（サイリスタ）のゲートに印加して当該ＳＣＲを導通させて、超過電圧負担部１５を不動作状態とする。また、不安全電圧保護部１８には図示のツェナーダイオードが設けられていて、太陽電池１の出力電圧が５００Ｖを超過したような場合には導通することで太陽電池１を保護することができるようになっている。また、雷保護回路１７で太陽電池１を保護することもできる。なお、図示を略するが、冷却ファン等の冷却装置を配置してもよい。
【００２５】
以上説明したように本実施形態では、ＤＣ／ＤＣコンバータ２ｂ１をコントローラ２ｃにより太陽電池１の動作点を略最適動作点に制御するようにその変換動作を制御する太陽光発電システムにおいて、ＤＣ／ＤＣコンバータ２ｂ１への入力電圧ＶｄをＤＣ／ＤＣコンバータ２ｂ１の耐圧入力電圧Ｖｌｉｍｉｔ以下に制限する入力電圧制限回路２ｄを設けたので、太陽電池１に薄膜系や化合物半導体系等のコストが安いが無負荷時出力電圧が高い太陽電池を利用する一方、ＤＣ／ＤＣコンバータ２ｂ１として電力変換効率に優れるが低耐圧のものを用いて当該太陽光発電システムを構築しても、ＤＣ／ＤＣコンバータ２ｂ１にはその耐圧入力電圧を超える出力電圧が太陽電池１から印加されるようなことがないので、システム全体として安価で太陽電池１の電力利用率に優れた太陽光発電システムを提供することができる。
【符号の説明】
【００２６】
１  太陽電池
２  パワーコンディショナ
２ｂ  コンバータ
２ｃ  コントローラ
２ｄ  入力電圧制限回路
３  負荷
４  商用電源
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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