(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電力供給源の電力を交流電力に変換する電力変換装置において、
前記直流電力供給源の電圧調整を行なう電圧調整手段と、該電圧調整手段の出力を入力して交流電力に変換するインバータ手段とを備え、
前記電圧調整手段は、
前記直流電力供給源の最大電力を追従するように入出力電圧比の調整を行なう最大電力追従制御部と、
前記最大電力追従制御部に優先して出力電圧が所定の最大リンク電圧を越えないように出力電圧を制御する出力電圧制御部とを含み、
前記インバータ手段は、入力電圧を前記最大リンク電圧より低い値に設定される所定の入力動作電圧に制御する出力制御部を備え、
前記所定の入力動作電圧は変更可能になっていることを特徴とする、電力変換装置。
【請求項２】
前記電圧調整手段は複数設けられ、複数の前記電圧調整手段の出力が並列結合されて前記インバータ手段に入力されることを特徴とする、請求項１に記載の電力変換装置。
【請求項３】
直流電力供給源の電力を交流電力に変換する電力変換装置において、
前記直流電力供給源の電圧調整を行なう電圧調整手段と、該電圧調整手段の出力を入力して交流電力に変換するインバータ手段とを備え、
前記電圧調整手段は、
前記直流電力供給源から所定の電力を取出すように入出力電圧比を調整する電力制御部と、
前記電力制御部に優先して出力電圧が所定の最大リンク電圧を超えないように出力電圧を制御する出力電圧制御部を含み、
前記インバータ手段は、入力電圧を前記最大リンク電圧より低い値に設定される所定の入力動作電圧に制御する出力制御部を備え、
前記所定の入力動作電圧は変更可能になっていることを特徴とする、電力変換装置。
【請求項４】
前記電圧調整手段は複数設けられ、そのうちの少なくとも１つは前記電力制御部と前記出力電圧制御部を含むことを特徴とする、請求項３に記載の電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は電力変換装置に関し、たとえば太陽電池や燃料電池などの直流電力供給源から電力を受け、交流電力に変換する電力変換装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
太陽電池発電システムにおいては、太陽電池より発生する直流電力が５０Ｈｚまたは６０Ｈｚの交流電力に変換され、この交流電力が商用の交流電力で運転される電気機器に供給される。
【０００３】
たとえば、個人の住宅などでは、その建物の屋根の上に複数個の太陽電池が配列され、これらの太陽電池が太陽光を受けて発電する直流電力が商用周波数と同じ周波数の交流電力に変換され、この交流電力が商用配電線系統を介して電気機器に供給される。また、太陽電池からの発電電力が少ないときには、商用配電線系統から不足分の商用電力が補われて電気機器が安定に運転できるようにされている。
【０００４】
ところで、住宅の屋根の上に太陽電池を設置する場合、複数枚の太陽電池モジュールを直列に接続してストリングとし、さらに複数のストリングを並列に接続して全体が太陽電池アレイとして使用される。ところが、太陽電池を置く屋根の面の形が必ずしも太陽電池モジュールの長方形の標準寸法の組合せで得られる形になるとは限らず、ストリングの太陽電池モジュールの直列数を揃えることができない場合がある。
【０００５】
図６は太陽電池モジュールの直列数が異なるストリングＡとストリングＢの電力−電圧特性を示す図である。図６から明らかなように、ストリングＡとストリングＢの最大出力電圧値Ｖ（Ｐｍａｘ−ｓｔｒ）は異なった電圧値となっている。
【０００６】
通常、系統連係インバータは、その時々の日射量に応じて太陽電池アレイが最大電力を出力する最大出力電圧値Ｖ（Ｐｍａｘ−ａｒｒ）になるように制御される。各ストリングの最大出力電圧値Ｖ（Ｐｍａｘ−ｓｔｒ）が同一である場合は、ΣＰｍａｘ−ｓｔｒ＝Ｐｍａｘ−ａｒｒ（Ｐｍａｘ−ｓｔｒ：ストリングの最大電力，Ｐｍａｘ−ａｒｒ：太陽電池アレイの最大電力）となるが、図６に示すように、各ストリングの最大出力電圧値Ｖ（Ｐｍａｘ−ｓｔｒ）が異なる場合は、ΣＰｍａｘ−ｓｔｒ＞Ｐｍａｘ−ａｒｒとなり、従来の系統連係インバータでは、本来の各ストリングの発電能力を十分に引き出すことができない。
【０００７】
そこで、従来、特開昭５９−１４４３２７号公報，特開平８−４６２３１号公報および特開平８−７０５３３号公報などでは、図７に示すように、それぞれのストリング１に電圧調整器８を設け、インバータ７に出力される電圧が等しくなるようにしている。この電圧調整器８としては、太陽電池モジュールの出力電圧を可変する電圧可変回路と、太陽電池モジュール側から入力される電圧および電流信号をもとにして太陽電池モジュールを最大電力で運転し得る出力電圧を求める回路と、この回路から求められた運転電圧と予め設定されたインバータ７の入力電圧をもとに電圧可変回路を制御する制御回路とを備えている。
【０００８】
図８はそのような電圧調整器の構成を示す回路図である。図８において、太陽電池モジュールの直流出力はリアクトル１６を介してスイッチング回路１７に入力される。スイッチング回路１７はオン時に太陽電池モジュールのエネルギーをリアクトル１６に一旦蓄え、オフ時に蓄えられたエネルギーをダイオード１８を介してコンデンサ１９に蓄え、直流電圧としてインバータ側に出力される。このスイッチング回路のオン時間のデューティを制御することによって電圧調整が行なわれる。
【０００９】
スイッチング回路１７の入力側に設けられた電圧検出器９および電流検出器１０によりそれぞれ検出された太陽電池モジュールの直流電圧および直流電流は最大電力追従回路１１に入力される。この最大電力追従回路１１は太陽電池モジュールを最大電力で運転し得る出力電圧Ｖｃを求めるものであり、その出力電圧を制御回路１２に与える。
【００１０】
制御回路１２には電圧検出器２０により検出されたコンデンサ１９の端子間電圧が入力され、最大電力追従回路１１で求めた出力電圧Ｖｃと予めインバータ入力電圧値として設定された一定電圧値ＶＩとの比（ＶＩ／Ｖｃ）が図６の電圧調整器８の昇圧比となるように、スイッチング回路１７が制御される。
【００１１】
このようにして電圧調整器８は太陽電池の出力を太陽電池ストリング１の最大電力を出力する直流電圧Ｖ（Ｐｍａｘ−ｓｔｒ）に制御し、かつインバータ７の入力側の電圧を予め定められた一定電圧値ＶＩになるように制御している。さらに、インバータ７側では、インバータ出力を大きくし過ぎると、電圧調整器８からの供給電力が不足して、上述の一定電圧値ＶＩを維持できずに低下するが、このような一定電圧値ＶＩの低下を防ぐために、インバータ７は一定電圧値ＶＩを下回らないようにインバータ出力が適時調整されている。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
上述のごとく、従来は、太陽電池モジュールを直列に接続した太陽電池ストリング１を並列に接続して太陽電池アレイとし、その直流出力電力をインバータ７で交流電力に変換する太陽電池発電システムにおいては、太陽電池ストリング１のモジュールの直列数が異なる場合など、各々の太陽電池ストリング１の出力電圧が一様でない場合にはすべての太陽電池ストリング１の最大電力を得るために、すべての太陽電池ストリング１に電圧調整器８を設ける必要がある。電圧調整器８では、最大電力追従回路１１で求めた出力電圧Ｖｃと予めインバータ入力電圧値として設定された一定電圧値ＶＩとの比（ＶＩ／Ｖｃ）が電圧調整器８の昇圧比となるようにスイッチング回路１７を制御している。
【００１３】
しかしながら、このようなシステムでは、予めインバータ７側の入力電圧値として一定電圧値ＶＩを電圧調整器８に設定しておく必要があるとともに、電圧調整器８に設定されているインバータ７側の入力電圧値ＶＩとインバータ側の出力制御によって維持すべき入力動作電圧の目標値とのマッチングを図る必要がある。このため、電圧調整器８とインバータ７との組合せはマッチングによって制限されていた。また、インバータ７は常に予め設定された入力電圧値ＶＩで動作させる必要があった。
【００１４】
それゆえに、この発明の主たる目的は、インバータの前段に接続される電圧調整器の出力制御とインバータ側の出力制御とが一定電圧値ＶＩを設定することなく独立して動作することができ、さらにインバータの入力動作電圧も可変できる制御構成を備えた電力変換装置を提供することである。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
この発明係る電力変換装置は、直流電力供給源の電力を交流電力に変換する電力変換装置において、直流電力供給源の電圧調整を行なう電圧調整手段と、この電圧調整手段の出力を入力して交流電力に変換するインバータ手段とを備え、電圧調整手段は直流電力供給源の最大電力を追従するように入出力電圧比の調整を行なう最大電力変換制御部と、最大電力変換制御部に優先して出力電圧が所定の最大リンク電圧を越えないように出力電圧を制御する出力電圧制御部を備え、インバータ手段は入力電圧を最大リンク電圧より低い値に設定される所定の入力動作電圧に制御する出力制御部を含み、所定の入力動作電圧は変更可能になっていることを特徴とする。
【００１６】
このように、直流電力供給源の電圧調整を行なう電圧調整手段は、直流電力供給源の最大電力を追従するように入出力電圧比の調整を行なう最大電力追従制御部により、直流電力供給源から電圧調整手段に入力される電力が最大になるように電圧調整手段が制御される。
【００１７】
また、電圧調整手段は複数設けられ、複数の電圧調整手段の出力が並列結合されてインバータ手段に入力される。
【００１８】
これらの出力端で並列結合された電圧調整手段は、制御動作を独立にして行ない、各々の電圧調整手段に入力される直流電力供給源の最大電力を追従する。
【００１９】
また、この発明に係る他の電力変換装置は、直流電力供給源の電力を交流電力に変換する電力変換装置において、直流電力供給源の電圧調整を行なう電圧調整手段と、該電圧調整手段の出力を入力して交流電力に変換するインバータ手段とを備え、電圧調整手段は、直流電力供給源から所定の電力を取出すように入出力電圧比を調整する電力制御部と、電力制御部に優先して出力電圧が所定の最大リンク電圧を超えないように出力電圧を制御する出力電圧制御部を含み、インバータ手段は、入力電圧を最大リンク電圧より低い値に設定される所定の入力動作電圧に制御する出力制御部を備え、所定の入力動作電圧は変更可能になっていることを特徴とする。
【００２０】
さらに、複数の電圧調整手段のうちの少なくとも１つは電力制御部と出力電圧制御部を含む。
【００２１】
これにより、出力特性の異なる複数の直流電力供給源の電力を入力可能な系統連係インバータ装置として構成できる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
図１はこの発明の一実施形態の電力変換装置を用いた太陽電池発電システムの構成を示すブロック図である。図１において、電力変換装置の一形態である系統連係インバータ装置１３は２つの電圧調整手段２ａ，２ｂとインバータ手段７とから構成されている。太陽電池ストリング１ａ，１ｂの直流電力は各々対応する電圧調整手段２ａ，２ｂに入力される。電圧調整手段２ａ，２ｂは太陽電池ストリング１ａ，１ｂからの直流電圧を調整し、出力された直流出力は並列接続されてインバータ手段７に入力される。インバータ手段７では直流電力を商用周波数の交流電力に変換し、商用系統と連係運転を行なう。
【００２３】
電圧調整手段２ａ，２ｂの主回路は電圧調整回路２１とコンデンサ１９とから構成され、インバータ手段７の直流電力源となる。電圧調整回路２１に入力される入力電流Ｉｂは電流検出器１０で検出され、最大電力追従制御回路５に入力される。また、電圧調整回路２１の入力電圧Ｖｂも電圧検出器９で検出され、最大電力追従制御回路５に入力される。最大電力追従制御回路５は入力電流Ｉｂと入力電圧Ｖｂから電圧調整回路２１への入力電力を算出し、この入力電力が最大になるように目標入力電圧設定値Ｖｂ＿ｒｅｆを変化させる。そして、ゲートパルス発生回路４に入力電圧設定値Ｖｂ＿ｒｅｆが出力される。
【００２４】
次に、電圧調整回路２１の出力であるリンク電圧Ｖａは、出力電圧制御部６に入力される。出力電圧制御部６は、予め定められた最大リンク電圧ＶＬと実際のリンク電圧Ｖａとを比較して、その差分Ｖａ−ＶＬが正であれば信号Ｅ＝０をゲートパルス発生部４へ出力する。また、差分Ｖａ−ＶＬが負の場合、信号Ｅ＝１をゲートパルス発生部４へ出力する。
【００２５】
ゲートパルス発生回路４では、入力電圧Ｖｂと入力電圧設定値Ｖｂ＿ｒｅｆをそれぞれ入力して、入力電圧Ｖｂが入力電圧設定値Ｖｂ＿ｒｅｆに一致するように、電圧調整回路２１内のスイッチング素子を駆動するためのゲート駆動信号Ｓを作成する。さらに、ゲートパルス発生回路４は出力電圧制御回路６から信号Ｅを入力して、信号Ｅとゲート駆動信号Ｓとの積をとり、これをＰＷＭ変調することによりゲートパルスＧを作成し、電圧調整回路２１内のスイッチング素子を駆動する。
【００２６】
したがって、差分Ｖａ−ＶＬが負である場合は、リンク電圧Ｖａは最大リンク電圧ＶＬを越えていないので、ゲート駆動信号ＳがＰＷＭ変調されることになる。また、リンク電圧Ｖａが最大リンク電圧ＶＬより大きくなって、差分Ｖａ−ＶＬが正になる場合は、ＰＷＭされるべき信号が０になり、ゲートパルスＧがオフ状態となる。このようにして、リンク電圧Ｖａが予め定められた最大リンク電圧ＶＬを越えることを防止している。
【００２７】
一方、電圧調整手段２ａ，２ｂの出力が並列接続されてインバータ手段７に入力される。インバータ手段７は電圧調整手段２ａ，２ｂから直流電力を入力して商用周波数の交流電力に変換し、商用系統と連係するインバータ回路１５と、インバータ回路１５の出力を調整する出力電力制御回路１４とで構成される。インバータ回路１５には図示しないが出力電流を商用周波数の正弦波に制御するための出力電流波形制御部も含まれる。インバータ回路１５に入力される直流電圧Ｖａは電圧検出器１６で検出され、出力電力制御回路１４に入力される。出力電力制御回路１４は直流電圧Ｖａが予め定められた入力動作基準電圧Ｖａ＿ｒｅｆになるようにインバータ回路１５の出力電力を調整する。
【００２８】
すなわち、出力電力制御回路１４は、直流電圧Ｖａが入力動作基準電圧Ｖａ＿ｒｅｆより大きい場合は、インバータ回路１５の出力を増加させるように調整し、直流電圧Ｖａが入力動作基準電圧Ｖａ＿ｒｅｆより小さい場合は、インバータ回路１５の出力を低下させるように調整する。ここで、入力動作基準電圧Ｖａ＿ｒｅｆは最大リンク電圧ＶＬより小さな値がとられる。たとえば、最大リンク電圧ＶＬ＝３５０Ｖとし、入力動作基準電圧Ｖａ＿ｒｅｆ＝３３０Ｖと設定される。
【００２９】
さらに、出力電力制御回路１４に設定される入力動作基準電圧Ｖａ＿ｒｅｆの値は、常に一定値である必要はなく、インバータ回路１５の出力電力に応じて変化するように設定してもよい。これは、インバータ回路１５に使用されるスイッチング素子の導通損やスイッチング損失の兼ね合いで、入力動作電圧を変化させた方が損失を少なくできるような場合に利用できる。
【００３０】
図２は図１に示した電圧調整回路の具体例を示す回路図である。図２において、電圧調整回路２１ａに入力された直流電力はリアクトル１６を介してスイッチング素子１７に入力される。このスイッチング素子１７はスイッチオン時に直流入力のエネルギーをリアクトル１６に一旦蓄え、スイッチオフ時にリアクトル１６に蓄えられたエネルギーをダイオード１８を介してコンデンサ１９に蓄える。
【００３１】
図２の電圧調整回路２１ａが使用される場合は、スイッチング素子１７のオン時間のデューティαは次のようにして算出することができる。すなわち、逐次検出するリンク電圧Ｖａと入力電圧設定値Ｖｂ＿ｒｅｆから電圧調整回路２１ａの昇圧比がＶａ／Ｖｂ＿ｒｅｆと決定される。このとき、デューティαは１−Ｖｂ＿ｒｅｆ／Ｖａと算出される。この場合、図１のゲートパルス発生回路４へはリンク電圧Ｖａが入力され、入力電圧Ｖｂの入力の必要はない。
【００３２】
図３は電圧調整回路の他の例を示す回路図である。図３において、電圧調整回路２１ｂは、高周波ＰＷＭインバータ２２と、高周波絶縁トランス２３と、ダイオードブリッジ２４と、２個のリアクトル１６，１６とから構成されている。電圧調整回路２１ｂに入力された直流電圧は、高周波ＰＷＭインバータ２２で一旦高周波の交流電圧に変換されて高周波絶縁トランス２３で昇圧が行なわれ、高周波絶縁トランス２３の２次側のダイオードブリッジ２４で直流電圧に全波整流される。これがリアクトル１６で平滑化され、コンデンサ１９に蓄えられる。この場合、図１のゲートパルス発生回路４では高周波ＰＷＭインバータ２２を構成する各スイッチング素子を駆動するゲートパルスが作成される。図３の回路はインバータ７の入出力を絶縁する必要がある場合に利用される。
【００３３】
図４は電圧調整回路のさらに他の例を示す回路図である。図４において、電圧調整回路２１ｃはスイッチング素子１７とリーケージトランス２５と共振コンデンサ２６と倍電圧整流用ダイオード２７，２８およびコンデンサ２９とから構成される。入力された直流電圧は、スイッチング素子１７と共振コンデンサ２６とリーケージトランス２５とからなる一石共振回路に入力され、リーケージトランス２５の２次側では、ダイオード２７，２８とコンデンサ２９とによって半波の倍電圧整流がなされ、直流電圧がコンデンサ１９に蓄えられる。この回路構成を利用する場合、図１に示したゲートパルス発生回路４ではＰＷＭ変調ではなく、ＰＦＭ変調（パルス周波数変調）を用いてスイッチング素子１７のソフトスイッチング化が図られる。
【００３４】
図５はこの発明の第２の実施形態を示す系統連係インバータ装置のブロック図である。この図５に示した実施形態は、図１の最大電力追従制御回路５に代えて電力制御回路３０が設けられ、それ以外の構成は図１と同じである。この実施形態では、直流電力供給源として燃料電池１ｃ，１ｄなどの定電力で動作する電力源を入力とする場合に対応している。電力制御回路３０は燃料電池１ｃから所定の電力を取出すように入出力電圧比を調整する。そして、電力制御回路３０は電圧調整回路２１に入力される入力電流Ｉｂと入力電圧Ｖｂを入力し、電圧調整回路２１への入力電力Ｐｂを算出する。
【００３５】
この入力電力と予め定められた基準入力電圧Ｐｒｅｆとが一致するように電圧調整回路２１の入出力電圧比を調節するためのゲート駆動信号Ｓが作成され、ゲートパルス発生回路４へ与えられる。ゲートパルス発生回路４は出力電圧制御回路６から信号Ｅを入力し、この信号Ｅとゲート駆動信号Ｓとの積をとり、これをＰＷＭ変調することにより、ゲートパルスＧを作成して電圧調整回路２１内のスイッチング素子を駆動する。
【００３６】
ここでは、予め定められた基準入力電力と実際に検出される入力電力とを一致させるようにゲート駆動信号Ｓを作成したが、直流電力供給源の特性上、動作電圧と電力が比例関係にある場合は、入力電圧設定値Ｖｂ＿ｒｅｆを定め、実際の入力電圧Ｖｂがこれに一致するようにしてもよい。
【００３７】
さらに、図１に示した電圧調整手段２ａと図５に示した電圧調整手段２ｃとを混在させ、各出力を並列接続した構成とし、これをインバータ手段７に入力すれば、出力特性の異なる複数の直流電力供給源の電力を入力可能な系統連係インバータ装置として簡単に構成できる。
【００３８】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【００３９】
【発明の効果】
以上のように、この発明に係る電力変換装置では、直流電力供給源の電圧調整を行なう電圧調整手段と、この電圧調整手段の出力を入力して交流電力に変換するインバータ手段とから電力変換装置を構成し、電圧調整手段は電力供給源の最大電力を追従するように入出力電圧比の調整を行なう最大電力追従制御部と、この最大電力追従制御部に優先して出力電圧が所定の最大リンク電圧ＶＬを越えないように出力電圧を制御する出力電圧制御部を含み、インバータ手段は入力電圧を最大リンク電圧ＶＬより低い値に設定される入力動作電圧に制御する出力制御部を備え、所定の入力動作電圧は変更可能になっている。したがって、インバータ手段に入力可能な上限電圧の整合だけをとっておけば、インバータ手段の前段に接続される電圧調整手段の出力制御とインバータ手段の出力制御とを独立して行なうことができる。その結果、電圧調整手段やインバータ手段をそれぞれ独立した汎用機能ユニットとして取扱うことができる。また、インバータ手段は電圧調整手段側の制約をあまり受けないので、入力動作電圧も可変できるようになり、制御性が向上する。
【００４０】
さらに、異なる出力特性を持つ複数の直流電力供給源の電力を入力できる電力変換装置を各ユニットの組合せにより簡単に構成できる。これにより、たとえば出力電圧が異なる太陽電池ストリングが複数存在するようなシステムに対応することができる。
【００４１】
また、この発明に係る他の電力変換装置では、直流電力供給源の電圧調整を行なう電圧調整手段と、この電圧調整手段の出力を入力して交流電力に変換するインバータ手段とを備え、電圧調整手段は、直流電力供給源から所定の電力を取出すように入出力電圧比を調整する電力制御部と、電力制御部に優先して出力電圧が所定の最大リンク電圧ＶＬを越えないように出力電圧を制御する出力電圧制御部を含み、インバータ手段は、入力電圧を最大リンク電圧ＶＬより低い値に設定される所定の入力動作電圧に制御する出力制御部を備え、所定の入力動作電圧は変更可能になっている。したがって、電圧調整手段の出力電圧が最大リンク電圧設定値ＶＬを越えると、出力電圧制御部の制御が効きはじめ、出力電圧を最大リンク電圧ＶＬを越えないように維持できる。
【００４２】
さらに、複数の電圧調整手段のうちの少なくとも１つは電力制御部と出力電圧制御部を含む。これにより、太陽電池のように最大電力追従の必要な直流電力供給源の電力と、燃料電池のような定出力の直流電力供給源の電力がそれぞれ対応する制御仕様の電圧調整手段を介して並列接続することができる。このとき、各々の制御は独立であるため、追加接続による増設が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  この発明の一実施形態の系統連係インバータ装置のブロック図である。
【図２】  図１に示した電圧調整手段の一例を示す回路図である。
【図３】  図１に示した電圧調整手段の他の例を示す回路図である。
【図４】  図１に示した電圧調整手段のさらに他の例を示す回路図である。
【図５】  この発明の第２の実施形態の系統連携インバータ装置のブロック図である。
【図６】  太陽電池アレイの電力−電圧特性図である。
【図７】  従来の太陽電池発電システムの構成を示すブロック図である。
【図８】  図７に示した太陽電池発電システムにおける電圧調整手段の回路構成を示す図である。
【符号の説明】
１ａ，１ｂ  太陽電池ストリング、１ｃ，１ｄ  燃料電池、２ａ〜２ｄ  電圧調整手段、４  ゲート信号発生回路、５  最大電力追従制御回路、６  出力電圧制御回路、７  インバータ手段、９，１６，２０  電圧検出器、１０  電流検出器、１１  最大電力追従制御回路、１４  出力電力制御回路、１５  インバータ回路、３０  電力制御回路、１６  リアクトル、１７  スイッチング素子、１８，２７，２８  ダイオード、１９，２９  コンデンサ、２２  高周波ＰＷＭインバータ、２３  高周波絶縁トランス、２４  ダイオードブリッジ、２５  リーケージトランス。
【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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