(57)【要約】【課題】  太陽光発電システムにおいて、DC/DCコンバータの出力先のインバータが停止すると、DC/DCコンバータの出力には、太陽電池セルの軽負荷時における電圧上昇だけでは説明がつかない程の電圧上昇が発生し、インバータを必要以上の高入力電圧に設計する必要が生じる。【解決手段】  太陽電池1の出力電圧を昇圧するDC/DCコンバータを、太陽電池1からの入力電流を検出する検出器31、太陽電池1の出力電力をスイッチングするスイッチング素子33および34に駆動パルスを供給する駆動回路46、スイッチングされた電力を昇圧するトランス15、昇圧された電力を整流する整流回路36、並びに、入力電流が小さい場合に駆動パルスのオンデューティを低下させるデューティ切換回路146で構成する。【選択図】    図12
2004364493.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
太陽電池の出力電圧を昇圧する電力変換装置であって、
前記太陽電池からの入力値を検出する検出器と、
前記太陽電池の出力電力をスイッチングするスイッチング回路に駆動パルスを供給する駆動回路と、
スイッチングされた電力を昇圧するトランスと、
昇圧された電力を整流する整流回路と、
前記検出器の検出値に応じて、前記駆動パルスのオンデューティを制御する制御回路とを有することを特徴とする電力変換装置。
【請求項２】
前記制御回路は、前記検出値が所定値よりも小さい場合、前記オンデューティを減じることを特徴とする請求項1に記載された電力変換装置
【請求項３】
前記制御回路は、前記検出値と所定値の比較結果に基づき、前記オンデューティを50%または50%未満に切り換えることを特徴とする請求項1に記載された電力変換装置。
【請求項４】
前記制御回路は、前記検出値が所定値を下回る場合、電力の供給先の装置の入力許容電圧を満たすように、前記オンデューティを低減することを特徴とする請求項1に記載された電力変換装置。
【請求項５】
前記検出器は、前記太陽電池と前記電力変換装置の間の電圧降下から前記入力値を検出することを特徴とする請求項1から請求項4の何れかに記載された電力変換装置。
【請求項６】
太陽電池からの入力値を検出する検出器、前記太陽電池の出力電力をスイッチングするスイッチング回路に駆動パルスを供給する駆動回路、スイッチングされた電力を昇圧するトランス、および、昇圧された電力を整流する整流回路を有し、前記太陽電池の出力電圧を昇圧する電力変換装置の制御方法であって、
前記検出器の検出値に応じて、前記駆動パルスのオンデューティを制御することを特徴とする制御方法。
【請求項７】
太陽電池と、
請求項1から請求項5の何れかに記載された電力変換装置と、
前記電力変換装置から出力される直流電力を交流電力に変換するインバータとを有することを特徴とする太陽光発電装置。
【請求項８】
複数の太陽電池と、
前記複数の太陽電池それぞれに接続される、請求項1から請求項5の何れかに記載された電力変換装置を複数と、
前記複数の電力変換装置から出力される直流電力を交流電力に変換するインバータとを有することを特徴とする太陽光発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は電力変換装置およびその制御方法、並びに、太陽光発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、化石燃料の使用に伴う二酸化炭素などの排出による地球温暖化、原子力発電所の事故や放射性廃棄物による放射能汚染などの問題が深刻になり、地球環境とエネルギに対する関心が高まっている。このような状況の下、無尽蔵かつクリーンなエネルギ源として太陽光を利用する太陽光発電が世界中で実用化されている。
【０００３】
太陽電池を利用した太陽光発電の形態としては、数Wから数千kWまでの出力規模に応じた種々の形態がある。太陽電池を使用した代表的なシステムとしては、太陽電池によって発電された直流電力をインバータなどにより交流電力に変換（直交変換）して需要家の負荷や、商用電力系統（以下「系統」と呼ぶ）に供給するシステムがある。
【０００４】
図1は太陽光発電システムの概観図、図2は太陽発電システムの接続を示すブロック図である。
【０００５】
図1および2に示す太陽電池モジュール75は、出力電圧が数Vの太陽電池セルを複数枚直列接続したもので、20V程度の電圧を出力する。さらに、太陽電池モジュール75を複数枚直列接続して、200V程度の出力電圧が得られる太陽電池ストリング76を構成し、単数または必要ならば複数の太陽電池ストリング76を、系統72に連系するインバータ71に接続することで、系統連系型の太陽光発電システムを構築する。
【０００６】
ところで、太陽光発電システムを構成する太陽電池セルには、その特性上、負荷によって電圧が変わる性質がある。無負荷時の開放電圧は、太陽電池セルの出力が最大になる最適動作点電圧よりも必ず高くなる。発電装置として効率よく使用するには太陽電池セルを最適動作点で作動させればよい（すなわち最適な負荷を与えればよい）が、負荷が軽くなる（すなわち負荷抵抗値が大きくなる）ような場合、太陽電池セルの電圧が上昇する。従って、インバータ71が停止状態になると、太陽電池セルの電圧は開放電圧まで上昇するから、太陽電池セルを直列接続した太陽電池ストリング76につながれるインバータ71などの電力変換装置は、この電圧上昇に耐え得るものでなければならない。
【０００７】
太陽電池セルの開放電圧など出力電圧の上昇対策として、特開2000-228529公報に示されるように、太陽電池セルやモジュールに電圧抑制素子を取り付けて、電圧上昇を抑制する方法が知られている。図3および4は、特開2000-228529公報に開示された電圧上昇抑制方法を示す図である。太陽電池セル77にバイパスダイオード78および電圧抑制素子79を並列接続して、電圧抑制素子79の順方向降下電圧やツェナー電圧によって、太陽電池セル7の出力電圧の上昇を抑制する。
【０００８】
このような太陽光発電システムに対して、本発明者らは、太陽光発電システムの有効な形態として高昇圧オープンループDC/DCコンバータ（以下、単に「DC/DCコンバータ」と呼ぶ）を用いる太陽光発電システムの検討を行った。この太陽光発電システムは、太陽電池モジュール75や太陽電池ストリング76のように、太陽電池セルを多数直列化したものをインバータ71に接続する構成ではなく、単セルもしくは数枚のセルを直列化し、その近傍に、定電圧制御や最大動作点追尾などの負帰還制御を行わない、オープンループのDC/DCコンバータを配置して、DC/DCコンバータ付き太陽電池モジュールを構成し、その出力をインバータに供給するものである。このような太陽光発電システムの優位性として、以下が挙げられる。
【０００９】
（1）一般の太陽電池モジュールは、系統電圧に対して、かなり低い出力電圧を有す。そのため、一般の太陽電池モジュールを用いて系統連系型の太陽光発電システムを形成すると、数多くの太陽電池モジュールを直列接続して必要な電圧を得るしかない。その結果、小規模な太陽光発電システムを構築することはできない。しかし、DC/DCコンバータ付き太陽電池モジュールによれば、高い出力電圧を有する太陽電池モジュールを構成できるので、小容量の太陽光発電システムでも容易に構成できる。
【００１０】
（2）一般の太陽電池モジュールを直列接続して高電圧化する場合、必然的に、太陽電池モジュール内の太陽電池素子には高電圧がかかった部分が存在する。このような事情から、一般の太陽電池モジュールは、万一の被覆破れに対応するために被覆材（絶縁材）のコストが大きくなる。しかし、DC/DCコンバータ付き太陽電池モジュールは、太陽電池素子の被覆（絶縁）を薄くすることができ、その結果、大幅なコスト削減が可能になる。
【００１１】
（3）単セルを使用する場合、直列化工程が不要で、直列するセル間の距離をとる必要がないためにアクティブエリアが広い。
【００１２】
発明者らは、DC/DCコンバータ付き太陽電池モジュールを使用する太陽光発電システムを検討する過程で、DC/DCコンバータの出力先のインバータが停止した際に、DC/DCコンバータの出力に、前述した太陽電池セルの軽負荷時における電圧上昇だけでは説明がつかない程の異常な電圧上昇が発生し、インバータを必要以上の高入力電圧に設計する必要が生じる問題に遭遇した。
【００１３】
この現象をもう少し詳しく説明する。例えば、太陽電池の開放電圧をVoc、最適動作点電圧をVpm、フルデューティで動作するオープンループのDC/DCコンバータの昇圧比をNとする。この場合、DC/DCコンバータの出力電圧は、インバータが動作中は略Vpm×N[V]、インバータが停止すれば理論的にはVoc×N[V]になるはずである。しかし、現実に、インバータが停止時の出力電圧を測定すると、Voc×N[V]を遥かに超えた電圧になる。発明者らは、この現象を「異常電圧上昇」と名付けた。
【００１４】
【特許文献１】特開2000-228529公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
本発明は、上述の問題を個々にまたはまとめて解決するもので、異常電圧上昇の抑制を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明は、前記の目的を達成する一手段として、以下の構成を備える。
【００１７】
本発明の、太陽電池の出力電圧を昇圧する電力変換装置は、太陽電池からの入力値を検出する検出器、太陽電池の出力電力をスイッチングするスイッチング回路に駆動パルスを供給する駆動回路、スイッチングされた電力を昇圧するトランス、昇圧された電力を整流する整流回路、検出器の検出値に応じて、駆動パルスのオンデューティを制御する制御回路とを有することを特徴とする。
【００１８】
また、本発明の制御方法は、上記電力変換装置の制御方法であって、検出器の検出値に応じて、駆動パルスのオンデューティを制御することを特徴とする。
【００１９】
また、本発明の太陽光発電装置は、太陽電池、上記の電力変換装置、および、電力変換装置から出力される直流電力を交流電力に変換するインバータを有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、異常電圧上昇を抑制することができる。従って、DC/DCコンバータの接続先であるインバータを必要以上の高入力電圧に設計する必要がなく、インバータを含む太陽光発電装置（システム）のトータルコストの削減に貢献する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、本発明にかかる実施例の太陽光発電システム（装置）を図面を参照して詳細に説明する。
【００２２】
発明者らは、太陽光発電システムの一つの有効な形態として「高昇圧オープンループDC/DCコンバータ」の開発を行った。その結果、DC/DCコンバータの負荷として接続されるインバータが、充分な電流を入力しない場合や、停止した際に、異常電圧上昇が発生し、インバータに必要以上の高耐圧が要求されるという課題に遭遇した。以下、DC/DCコンバータを使用したシステム、DC/DCコンバータの構成、動作、そして異常電圧上昇とその対策について順を追って説明する。
【実施例１】
【００２３】
［太陽光発電システムの構成］
図5はDC/DCコンバータを使用した太陽光発電システムの構成例を示すブロック図である。
【００２４】
太陽電池1の発電電力は、DC/DCコンバータ2によって昇圧され、インバータ3によって交流電力に変換されて系統4へ連系される。なお、図5に示すシステムでは、太陽電池1とDC/DCコンバータ2のセットを複数組並列接続してインバータ3に接続し、インバータ3から系統4に電力を逆潮流する系統連系システムを構成する。
【００２５】
●太陽電池
太陽電池1は、太陽光が遮られることがない屋根などの屋外に設置され、直列接続数を制限して出力電圧が低電圧になるように構成する。太陽電池1には、アモルファスシリコン系、多結晶シリコン系、結晶シリコン系などの太陽電池が使用可能である。実施例においては、アモルファスシリコン系を三層に積層した積層型太陽電池セルを太陽電池1に使用した。その特性を以下に示す。また、図6は太陽電池1の出力特性を示す図である。
定格日射量      1kW/m2  周囲温度 25℃
短絡電流        Isc = 12.45A
開放電圧        Voc = 1.4V
最大動作点電流  Ipm = 10.0A
最大動作点電圧  Vpm = 1.0V
最大出力電力    Pmax = 10W
【００２６】
●DC/DCコンバータ
太陽電池1の近傍に、低電圧大電流である太陽電池1の出力を昇圧して高電圧小電流に変換するオープンループコンバータ2を設ける。これは、例えば屋内に配置されたインバータ3までの送電路における送電ロスを低減するためである。なお、太陽電池1とDC/DCコンバータ2を一体化（積層）したモジュールとして構成することもできる。こうすれば、太陽電池1とDC/DCコンバータ2の間の配線を短くして、配線抵抗によるロスを効果的に低減することができる。
【００２７】
DC/DCコンバータ2のゲート駆動回路46は、位相が逆の二つのゲート駆動信号を、プッシュプルスイッチング回路を構成するスイッチング素子33および34のゲートに供給する。なお、ゲート駆動信号（矩形波）のでデューティは固定にするが、プッシュプルスイッチング回路の最大デューティである50％が変換効率が高く好ましい。ゲート駆動信号のデューティを固定にするのは、フィードバック回路をなくして、スイッチング制御回路をシンプル化することによるコストダウンおよび信頼性の向上のためである。なお、スイッチング周波数は、スイッチングによる損失電力と、トランスの小型化のトレードオフにより、20kHzから数百kHzの間に設定する。本実施例では、最高の変換効率を得るために、スイッチング周波数を極力低くする構成とし、スイッチング周波数を20kHzにする。
【００２８】
スイッチング素子33および34は、太陽電池1の出力電圧が低いため、オン抵抗が低いMOSFETが好ましい。現時点では、ユニポーラ素子であるMOSFETが、オン抵抗の面でとくに優れている。
【００２９】
入力キャパシタ32は、DC/DCコンバータ2の電力供給源が電圧源とみなせるように、等価直列抵抗（ESR）が小さく、高周波特性に優れるキャパシタを使用することが好ましく、例えばOSコン（三洋電機製）、積層セラミックキャパシタ、タンタル電解キャパシタなどESRが小さいものが使用可能である。入力キャパシタ32によって、DC/DCコンバータ2の電力供給源は電圧源とみなせるようになり、DC/DCコンバータ2はいわゆる電圧型コンバータと呼ばれるものになる。
【００３０】
トランス15の変圧比（巻線比）は、太陽電池1の運転電圧が最小時に、インバータ3が交流電圧100Vを出力するために必要な直流電圧（例えば150V以上）がインバータ3に供給されるように設定する。なお、DC/DCコンバータ2の出力電圧は、スイッチング回路が常に最大デューティで運転されるために、入力電圧にトランス15の変圧比を掛けた値になる。
【００３１】
太陽電池の最適動作点は高温、低日射時に低電圧になる特性がある。実施例においては、太陽電池の動作最低電圧を0.75Vと設定し、そのとき出力電圧150Vに昇圧可能とする巻線比をトランス15に設定する。
巻線比      0.75：150
一次側巻線  2ターン×2
二次側巻線  400ターン
【００３２】
トランス15の後段には、トランス15の高周波交流出力を整流する整流回路36、および、平滑する平滑回路37を設ける。なお、DC/DCコンバータ2の出力先であるインバータ3の入力キャパシタ51の静電容量が充分に大きい場合は平滑回路37のキャパシタはなくてもよい。
【００３３】
DC/DCコンバータ2には、太陽電池1から直流電力が入力される。入力された直流電力は、ゲート駆動回路46、スイッチング素子33および34、並びに、トランス15から構成される昇圧回路によって昇圧される。トランス15の二次巻線から出力される高周波交流電力は、ダイオードブリッジ36で整流され、平滑回路37で平滑された後、インバータ3へ供給される。
【００３４】
●インバータ
インバータ3の制御回路53は、入力電圧検出器54および入力電流検出器55により、DC/DCコンバータ2から入力される電圧および電流をモニタして、インバータブリッジ52のスイッチング素子をPWM制御する。この制御によって、DC/DCコンバータ2の出力電圧、出力電流が制御され、その結果、太陽電池1の動作点電圧および電流を制御することができる。言い換えれば、制御回路53は、DC/DCコンバータ2と太陽電池1とを併せた最大電力追尾制御（MPPT制御）を行うことで、太陽電池1の発電電力を有効に活用する。
【００３５】
本実施例のインバータ3は、MPPT制御による入力電圧150V〜250Vの範囲で運転される。この入力電圧範囲は、太陽電池1の日射、温度による最大電力点の変化と、DC/DCコンバータ2の変圧比とスイッチングデューティによって決定される。
【００３６】
インバータ3へ入力される直流電力は、インバータブリッジ52および連系リアクタを含むフィルタ58によって交流電力に変換され、系統4へ供給される。インバータ3の入力電圧および入力電流をモニタして、インバータブリッジ52をPWM制御する方法は、公知公用の多数の方法が知られているので、その説明は省略する。
【００３７】
このようなインバータ3のPWM制御により、太陽電池1およびDC/DCコンバータ2から最大電力を引き出しつつ（MPPT制御）、系統4と同一の電流位相をもつ力率が1の交流電力を出力する。
【００３８】
［DC／DCコンバータの動作］
上記の構成において、DC/DCコンバータ2のスイッチング素子33および34に常時50%（または50%弱、例えば49%から50%未満）のデューティの駆動信号を供給した場合を説明する。なお、デューティを50%にする理由は、DC/DCコンバータ2の変換効率を最高にするためである。つまり、同じ電力を伝達するのにデューティを小さくすると、オン時の電流値がデューティに反比例して大きくなり、プリント板やFETのオン抵抗によるI2R×デューティで表される導通損失が増加する。従って、デューティを50%に固定してオン時の電流値を抑え、導通損失を抑える。しかし、デューティを常時50%に固すれば前述した異常電圧上昇が発生することになる。
【００３９】
例えば、太陽電池1に定格日射1kW/m2が照射されている条件で、DC/DCコンバータ2の出力先であるインバータ3が停止すると、DC/DCコンバータ2および太陽電池1はほぼ無負荷（出力電流が零の状態）になり、太陽電池1は図6のA点で動作する。つまりDC/DCコンバータ2は定格時よりも1.4倍高いA点の電圧（約1.4V）を入力することになる。
【００４０】
ここで、DC/DCコンバータ2のスイッチング回路は固定デューティで駆動されているから、通常の負荷運転時は入力電圧と出力電圧との比はほぼ一定になる。従って、DC/DCコンバータ2の出力電圧は下式で表され、太陽電池1の動作点電圧とDC/DCコンバータ2の出力電圧は比例して変動する。
Vd ＝ Tr×Vop
ここで、VdはDC/DCコンバータ2の出力電圧
Vopは太陽電池1の動作電圧
Trは昇圧比（巻線比）
【００４１】
ところが、無負荷時または負荷電流が少ない状態では異常電圧上昇が発生する。その結果、常時50%デューティ固定で運転されるDC/DCコンバータ2のIVカーブ特性（定格日射1kW/m2時）は図7に示すようになり、最大電力出力時の出力電圧が200Vであるにも関わらず、無負荷電圧は450V（B点）にもなる。
【００４２】
この関係をDC/DCコンバータ2の出力電力との関係で表現すると図8に示すようになる。図8に示すグラフは、図3の構成において、太陽電池1に定格日射1kW/m2を照射した状態で、インバータ3が消費する電流を変えることでDC/DCコンバータ2の出力電力を変化させ、そのときのDC／DCコンバータ2の出力電圧を測定したものである。定格電力出力時（入力電力10W）の出力電圧は200Vであるが、出力電流が零の状態では、出力電圧は450Vにもなる。このため、例えば、太陽電池1に1kW/m2が照射された状態で、系統4の停電を検出したインバータ3が停止した場合など、インバータ3の入力端子に450Vが加わることになる。
【００４３】
図9はDC/DCコンバータ2の動作を説明する図で、インバータ3がタイミングt1で停止し、タイミングt2で運転を再開する際のDC/DCコンバータ2の動作を示している。
【００４４】
インバータ3が停止し、DC/DCコンバータ2の出力電力は零になると、図8に示すように、DC/DCコンバータ2の入力電圧は約450Vになる。その後、インバータ3の運転が再開され、DC/DCコンバータ2の入力電流が上昇し始めるタイミングt2まで、異常電圧上昇が継続される。
【００４５】
発明者は異常電圧上昇の対策を検討するうちに、システムの積算発電量に寄与しないインバータ停止時や低日射照射時など、DC／DCコンバータ2の入出力電流が小さいときに異常電圧上昇が発生することに着目し、それらの状態で、ゲート駆動回路46が出力するパルスのデューティを50%から少し絞ることで、異常電圧上昇が効果的に抑圧されることを見出した。
【００４６】
図10はデューティを絞ることが異常電圧上昇の抑圧に有効であることを示す測定結果を示す図で、スイッチング素子33および34に供給する駆動パルスのデューティを50%から48%、46%に絞ったときのDC/DCコンバータ2の出力電力と出力電圧の関係を示している。
【００４７】
図10に示すように、出力電力が1W以下の軽負荷時および出力電力が零の無負荷時の出力電圧が50%デューティ時に比べて大きく抑制されることがわかる。これから、発明者はDC/DCコンバータ2の出力が低くなる状態、例えばDC/DCコンバータ2の入力電流が所定値以下の場合、ゲート駆動パルスのデューティを50%デューティから少し絞り、入力電流が所定値を超えるとゲート駆動パルスを50%デューティにすることが好ましいという知見を得た。
【００４８】
図11はスイッチング素子33および34に供給する駆動パルスのデューティを50%から48%、46%に絞ったときのDC/DCコンバータ2の出力電力と変換効率の関係を示す図である。具体的には、インバータ3は常にMPPT運転を行っている条件で、太陽電池1に照射される日射量を変化させて変換効率特性を測定した。これによると、出力電力が小さいときは、デューティによる変換効率の差はほとんどないことがわかる。勿論、低日射時のDC/DCコンバータ2の変換効率の差は、一日を通した積算変換効率に及ぼす影響も極めて小さい。
【００４９】
［異常電圧上昇の抑圧手段］
上記の駆動パルスのデューティを絞って異常電圧上昇を抑圧する手段を設けたDC/DCコンバータ2を説明する。図12は異常電圧上昇の抑圧手段を有するDC/DCコンバータ2の構成例を示す図である。
【００５０】
●電流検出器
DC/DCコンバータ2の入力端子と平滑キャパシタ32の間に電流検出器31を設ける。DC/DCコンバータ2の負荷であるインバータ3が停止すると、電流検出器31にはトランス15のコアの励磁分に相当する電流（励磁電流）しか流れなくなる。なお、電流検出器31は、電流路にシャント抵抗器を挿入してその両端電圧を測定する方法や、電流によって発生する磁界の強さを測定することで電流路に非接触で電流値を測定するなど、様々な方法で構成可能である。電流検出器31は検出した電流値を電圧値に変換して比較器101に出力する。
【００５１】
●比較器
比較器101は、電流検出器31の検出値（出力電圧値）とデューティを切り換えるべき所定値（閾値）とを比較して、検出値が閾値以上になるとデューティ切換回路146に切換信号を出力する。基準電圧源102は、デューティを切り替えるべき電流値（基準電流値）を電圧換算した電圧（閾値電圧）を比較器101に供給する。
【００５２】
なお、本実施例では、デューティを切り換える基準電流値を前述した励磁電流以上、かつ、DC/DCコンバータ2の変換効率にほとんど影響しない値として、1Aを選定する。従って、電流検出器31の検出値が1A以上になると、比較器101は切換信号をHレベルにする。
【００５３】
●デューティ切換回路
図13は一つのゲート駆動信号分のデューティ切換回路146の構成例を示す図で、インバータ143および145、遅延回路142を構成するキャパシタおよび抵抗器、ダイオード144、そして遅延回路142をバイパスするバイパススイッチ141から構成され、ゲート駆動回路46から50%デューティのパルスを入力し、スイッチング素子33または34にゲート駆動信号を供給する。
【００５４】
バイパススイッチ141は、切換信号がLレベルのとき開状態であり、遅延回路142によりパルス間デッドタイム（ゲートパルスG1の立ち下りからG2の立ち上がりまでの時間、もしくは、ゲートパルスG2の立ち下りからG1の立ち上がりまでの時間）が生じる。従って、遅延回路142を構成するキャパシタおよび抵抗器の値を調整することで、デューティ切換回路146は、例えば46%デューティの駆動パルスを出力する。また、切換信号がHレベルのときはバイパススイッチ141を閉状態になり、遅延回路142はバイパスされ、デューティ切換回路146は、50%デューティの駆動パルスを出力する。
【００５５】
なお、デッドタイムを生成する回路は、図13のほかにも、公知公用の方法が多数存在し、そのどれを利用してもよい。
【００５６】
●DC/DCコンバータの動作
図14および15は異常電圧上昇の抑圧手段を有するDC/DCコンバータ2の動作を説明する図で、インバータ3がタイミングt1で停止し、タイミングt2で運転を再開する際のDC/DCコンバータ2の動作を説明する。
【００５７】
タイミングt1以前のインバータ3のMPPT動作時、DC/DCコンバータ2は、MPPT動作電圧で動作し、本実施例では、DC/DCコンバータ2の出力電圧は200Vである。タイミングt1においてインバータ3が停止すると、DC/DCコンバータ2の出力電流は0Aに、入力電流はトランス15の励磁電流程度の微かな電流になる。このとき、電流検出器31の検出値は閾値である1Aを下回り、比較器101の出力（切換信号）はHレベルからLレベルに遷移する。
【００５８】
デューティ切換回路146は、Lレベルの切換信号を入力すると、例えばデューティ46％の駆動パルスを出力する。従って、図15に示すように、DC/DCコンバータ2の出力電圧は抑圧され、無負荷時でも約270Vになる。
【００５９】
次に、タイミングt2でインバータ3の運転が再開されると、DC/DCコンバータ2の入力電流は徐々に増加し、タイミングt3において、閾値である1Aを超える。このとき、比較器101の出力（切換信号）はLレベルからHレベルに遷移し、デューティ切換回路146はデューティ50%の駆動パルスを出力する。つまり、インバータ3の運転時（太陽光発電システムの発電時）、DC/DCコンバータ2は、変換効率が高いフルデューティー運転状態になる。
【００６０】
なお、デューティが50%になった直後、出力電圧は図14および15に示すように若干上昇するが、この電圧上昇は問題のない範囲である。勿論、平滑キャパシタなどの影響により、DC/DCコンバータ2の出力電圧が急上昇することはない。その後、インバータ3はMPPT動作を行い、DC/DCコンバータ2は、MPPT動作電圧、かつ、50%デューティの高効率運転を続ける。
【００６１】
このように、インバータ3が通常運転に復帰すればDC/DCコンバータ2も自動的に通常運転に移行する。さらに、停電などによってインバータ3の動作が停止している期間、DC/DCコンバータ2は270V程度（46%デューティの場合）の出力電圧を維持する。その結果、インバータ3の起動準備はいつでもできていることになり、停電が解消すると、インバータ3は速やかに系統連系運転を再開することができる。
【００６２】
本実施例は、入力電源が太陽電池1であるから、日射が増加するとともに入力電流が増加し、ある日射条件でデューティが例えば46%から50%に切り換わる。その際、太陽電池1からみた見掛け上の負荷も増大することになり、DC/DCコンバータ2の入力電流はさらに増加する（入力電圧は減少する）。従って、デューティの切換時にチャタリングが発生する心配は少なく、基準値（閾値）にヒステリシスは設ける必要はない。しかし、例えば1Aを超えると50%デューティ、0.8A未満で46%デューティというような、ヒステリシスを設けることも当然可能である。
【００６３】
また、上記では、DC/DCコンバータ2の入力電流に基づきデューティを切り換える例を説明したが、これは、DC/DCコンバータ2の二次側に検出回路や制御回路を設けるよりも構成が簡単になるからである。
【００６４】
勿論、絶縁トランスやフォトプラなどを利用して、DC/DCコンバータ2の二次側から一次側に切換信号などを送信するような構成でもよい。同様に、DC/DCコンバータ2の一次側と二次側を非絶縁にして、DC/DCコンバータ2の出力電流に基づきデューティを切り換える構成にしても簡易な構成で実現することができる。これらの場合、出力電流が増加したらデューティを大きく、出力電流が減少したらデューティを小さくするように制御すればよい。
【００６５】
また、上記では、二つのデューティを切り換える例を説明したが、デューティの数はいくつでも差し支えない。デューティの数を増やせば、構成は複雑になるものの、DC/DCコンバータを高効率にする、もしくは、電圧の抑圧をより顕著にすることができる。つまり、DC/DCコンバータ2のコストは上昇するものの、発電時の損失と異常電圧上昇の抑制のバランスを考えて、より細かな制御を行うことができる。
【実施例２】
【００６６】
以下、本発明にかかる実施例2の太陽光発電システムを説明する。なお、実施例2において、実施例1と略同様の構成については、同一符号を付して、その詳細説明を省略する。
【００６７】
実施例1においては、DC/DCコンバータ2の入力電流を検出してデューティを切り換える例を説明したが、実施例2においては、DC/DCコンバータ2の入力電力を検出して、その検出値が所定値を超えるとデューティ増、所定値を下回るとデューティ減にする例を説明する。
【００６８】
図16は実施例2のDC/DCコンバータ2の構成例を示す図で、図12に示した実施例1のDC/DCコンバータ2に比べて、電流検出器31が電力検出器41に置き換わり、比較器103および基準電圧源104が追加されている。
【００６９】
実施例2では、入力電力が基準値を超過するとデューティ増、基準値を下回るとデューティ減にするが、入力電流を検出する場合と異なり、デューティの切り換え前後で入力電力はほとんど変化しない。つまり、チャタリングが発生する心配がある。そこで本実施例では、デューティの切り換えにヒステリシスを設けるため、図16に示すように二つの基準電圧源102および104を設け、例えば、電力検出器41の検出値が上昇して1Wを超過するとデューティ増加、減少して0.8Wを下回わるとデューティ減にする。
【００７０】
このような構成により、実施例1のDC/DCコンバータ2と同様に動作し、インバータ3が停止した際などの異常電圧上昇を防ぐことができる。
【実施例３】
【００７１】
以下、本発明にかかる実施例3の太陽光発電システムを説明する。なお、実施例3において、実施例1と略同様の構成については、同一符号を付して、その詳細説明を省略する。
【００７２】
実施例3は、DC/DCコンバータ2の入力電流を簡易かつ低コストで検出するものである。具体的には、図17に示すように、太陽電池1からDC/DCコンバータ2までの配線30における電圧降下を検出し、それによってDC/DCコンバータ2の入力電流を検出する。なお、一般に、配線30における電圧降下は小さく（例えば10A時に10mV）、閾値との比較を確実にするために増幅器103で増幅する必要がある。また、増幅器103にはノイズフィルタや積分回路などを設け、ノイズによる誤検出を防ぐことが好ましい。
【００７３】
DC/DCコンバータ2の入力電流を検出するその他の方法として、スイッチング素子33および34のオン抵抗による電圧降下を利用する方法がある。つまり、スイッチング素子がオン時のドレインソース間電圧を測定して、入力電流を検出する方法である。
【００７４】
何れの方法も、銅の抵抗率、FETのオン抵抗の温度依存性による影響を大きく受け、電流値の検出精度は低い。しかし、その程度の検出精度であっても、本実施例の電流検出には充分利用可能である。例えば、温度の影響を考慮して、図18に一例を示すように、デューティを増加する閾値（電流値もしくは電力値）を高めに設定すればよく、簡易な電流検出方法により異常電圧上昇を抑圧することができる。
【００７５】
上述した各実施例によれば、DC/DCコンバータの高変換効率を維持した上で、軽負荷時、無負荷時の異常電圧上昇を抑圧することができる。
【００７６】
また、太陽電池の発電電力を入力するオープンループコンバータの異常電圧上昇を抑圧することで、コンバータの出力先であるインバータの耐電圧（許容入力電圧）を低くすることができ、インバータを含む太陽光発電システムのトータルコストの削減に貢献する。
【００７７】
また、DC/DCコンバータのトランスの一次側のみで異常電圧上昇を抑圧する回路を構成することができるので、(i) 二次側の回路が不要で回路構成が簡易、(ii) 二次側から一次側に信号を伝送するための構成（絶縁部品など）が不要、などの利点がある。
【００７８】
さらに、停電などによってインバータの動作が停止している時もDC/DCコンバータは出力電圧を維持するので、インバータの起動準備ができていることになり、停電が解消するとインバータは速やかに系統連系運転を開始することができる。
【００７９】
なお、上記では、軽負荷または無負荷時にデューティを50%（または50%弱）から46%に低減する例を説明したが、46%に限定されるわけではない。要は、インバータが許容する入力電圧に、DC/DCコンバータの出力電圧を抑圧することができればよく、48%、47または45%でもよいし、それらの中間の値でもよい。
【実施例４】
【００８０】
以下、本発明にかかる実施例4の太陽光発電システムを説明する。なお、実施例4において、実施例1と略同様の構成については、同一符号を付して、その詳細説明を省略する。なお、実施例4では、トランスの特性によって、実施例のDC/DCコンバータの電力変換効率がさらに改善することを説明する。
【００８１】
DC/DCコンバータの小型薄型化を図ろうとすると、トランスのコアを薄くする必要があり、それによってコアが飽和に至る磁束（以下「飽和磁束量」と呼ぶ）が減少する。飽和磁束量の減少を補うためには巻回数を増加させるか、スイッチング周波数を上げるしかないが、スイッチング周波数を増加させればスイッチング損失が増え、電力変換装置の変換効率が減少するため、巻回数を増加させる必要がある。
【００８２】
一般に、同一のコアおよびウィンドウエリア（コアの巻線巻き付け領域）で、巻回数を増やすと巻線長が長くなり、ウィンドウエリア内に巻線を収める必要があるため、巻線の線径を細くしなければならず導通損失（銅損）が増加する。一方、巻回数を増加させると、コアの磁束密度が低くなりコア損（固定損失）は減少する。つまり、トランスの小型薄型化で最適巻数設定を行うと巻回数が増加し、導通損失が支配的となる大電力時においては変換効率が低下し、固定損失が支配的となる小電力時においては変換効率が向上する特性となる。
【００８３】
なお、常に晴天が続くわけではなく、太陽光発電装置においては大電力時（晴天の時の発電量）のほか、小電力時（例えば曇天の時の発電量）もかなり長い時間発生することが考えられる。すなわち、太陽光発電装置においては、大電力時のみの最適化では不充分であり、大電力および小電力の各入力電力値について総合的な電力変換効率が良好なDC/DCコンバータが必要であると言える。実施例4は、このような観点で最適化したDC/DCコンバータを提示する。
【００８４】
［太陽光発電システムの構成］
実施例4において、使用する太陽電池、インバータ3などの構成は実施例1と同様である。異なるのは、実施例1に対してDC/DCコンバータ2の小型薄型化を図った結果、トランス15の巻回数が増加している点である。実施例4のトランス15の仕様を以下に示す。
一次側巻線：3ターン×2
二次側巻線：600ターン
【００８５】
巻線比は、実施例1と同じにして、一次側および二次側巻線の巻回数をともに1.5倍に増加させる。図19は、実施例4において、オンデューティをパラメータにする場合のDC/DCコンバータ2の入力電流と電力変換効率の関係を示すグラフである。なお、横軸を入力電流にしたのは、一般に、太陽電池は夜明などの薄暗い状況下を除き、出力電圧がほぼ一定値をとり電流値がほぼ電力値に比例して、便宜上、DC/DCコンバータ2の入力電流と入力電力が同視できるからである。
【００８６】
図19から明らかなように、実施例4のトランス15は、小電流時（小電力時）において、オンデューティが大きい(50%)場合よりもオンデューティが小さい(46%)方が電力変換効率がよい。
【００８７】
このような特性をもつDC/DCコンバータ2において、図12に示す実施例1と同様の構成で異常電圧上昇を抑制するため、電流検出器31の出力が一定レベル以下のときにオンデューティを絞る制御を行うとする。例えば、1Aを超える入力電流の検出値では50%のオンデューティでDC/DCコンバータ2を運転し、1A以下の入力電流の検出値では46%のオンデューティでDC/DCコンバータ2を運転するようにすれば、図19に示すように、オンデューティを50%固定でDC/DCコンバータ2を運転する場合と比べ、入力電流が1A以下の領域の電力変換効率の向上が図れる。すなわち、実施例4では、異常電圧上昇を抑えるのみならず、太陽光発電装置の電力変換効率も向上させる格別な効果を得ることができる。
【００８８】
なお、実施例4のトランス15は上記に限らず、以下のような特性を有するトランスであれば上記作用効果を奏する。つまり、DC/DCコンバータ2の電力変換効率に与える影響が、晴天日射時の太陽電池の出力電力においてはトランスの銅損が支配的で、逆に、曇天時の太陽電池の出力電力においてはトランスの鉄損が支配的になるようなトランスであればよい。なお、晴天日射時の出力電力とは日中の晴天度が100（雲がまったく無い状況）を、曇天時の出力電力とは日中の晴天度が0（天空にしめる雲と晴天の領域について、雲が100%）の状況を想定している。
【００８９】
また、実施例4において、入力電流を検出してオンデューティを制御する構成以外に、実施例2の図16と同様に、入力電力を検出してオンデューティを制御する構成にしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００９０】
【図１】太陽光発電システムの概観図、
【図２】太陽発電システムの接続を示すブロック図、
【図３】電圧上昇抑制方法を示す図、
【図４】電圧上昇抑制方法を示す図、
【図５】DC/DCコンバータを使用した太陽光発電システムの構成例を示すブロック図、
【図６】太陽電池の出力特性を示す図、
【図７】DC/DCコンバータのIVカーブ特性を示す図、
【図８】DC/DCコンバータの出力電力と出力電圧との関係を示す図、
【図９】DC/DCコンバータの動作を説明する図、
【図１０】デューティを絞ることが異常電圧上昇の抑圧に有効であることを示す測定結果を示す図、
【図１１】スイッチング素子に供給する駆動パルスのデューティを50%から48%、46%に絞ったときのDC/DCコンバータの出力電力と変換効率の関係を示す図、
【図１２】異常電圧上昇の抑圧手段を有するDC/DCコンバータの構成例を示す図、
【図１３】デューティ切換回路の構成例を示す図、
【図１４】異常電圧上昇の抑圧手段を有するDC/DCコンバータの動作を説明する図、
【図１５】異常電圧上昇の抑圧手段を有するDC/DCコンバータの動作を説明する図、
【図１６】実施例2のDC/DCコンバータの構成例を示す図、
【図１７】実施例3のDC/DCコンバータの構成例を示す図、
【図１８】デューティ増の閾値を高めに設定することを説明する図、
【図１９】実施例4における、DC/DCコンバータの入力電流と電力変換効率の関係を示すグラフである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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