JP2012173773A

JP2012173773A - 電力変換装置

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Publication number: JP2012173773A
Application number: JP2011032087A
Authority: JP
Inventors: Kyungsoo Lee; 庚垂李; Yosuke Nakazawa; 洋介中沢
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2011-02-17
Filing date: 2011-02-17
Publication date: 2012-09-10
Also published as: EP2495840A2; US8531855B2; US20120212985A1

Abstract

【課題】独立して並列運転することが可能な電力変換装置を提供する。
【解決手段】第１入力端子１２と第１出力端子１６との間に直列に接続されたコイルＬ_ｃｈｏｐと、コイルＬ_ｃｈｏｐの出力端から第１出力端子１６へ順方向に接続されたダイオードＤ_ｃｈｏｐと、第２入力端子１４とコイルＬ_ｃｈｏｐの出力端との間の接続を切替えるスイッチＳｗ_ｃｈｏｐと、スイッチＳｗ_ｃｈｏｐのオンおよびオフを制御する信号を出力する制御回路ＣＴＲＬとを備え、制御回路ＣＴＲＬは、垂下特性を模擬した垂下ゲインを乗じた値が引かれた入力信号に基づいて、系統電圧のゼロクロス検出信号に基づく周期で最大電力点追従するＭＰＰＴ制御部３２と、ＭＰＰＴ制御部３２から出力された基準と入力信号との差分がゼロになるよう、電圧指令値を出力する制御部３４，３６と、電圧指令値と三角波電圧とに基づいてＰＷＭ信号を出力するＰＷＭコンパレータ３８と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、電力変換装置に関する。

近年、発電時に温室効果ガスを排出しない再生可能エネルギーを利用した発電設備を設置し、電力供給システムの低炭素化が検討されている。太陽光発電システム、風力発電システム、燃料電池システムなど、分散型電源が電力系統と連系して電力を供給することが検討されている。分散型電源と電力系統とが連系する場合、分散型電源から出力された電力を系統と同期するように変換する電力変換装置が必要となる。

この電力変換装置は、分散型電源の容量と同じ容量として構成される。分散型電源が設置される場所の制約や、電力変換装置の単機容量が分散型電源の容量と同じにならない場合には、複数の電力変換装置を並列接続して所定の容量としている。電力変換装置の並列運転では、通信機能を用いて基準となるマスター機からスレーブ機に制御タイミングや指令値を送信して、マスター機とスレーブ機とを同期して運転する方法がある。

A Novel Droop Method for Converter Parallel Operation, IEEE TRANSACTIONS ON POWER ELECTRONICS, VOL.17, NO. 1, JANUARY 2002, pp25-32

複数の電力変換装置を並列接続する場合、各電力変換装置が通信機能を用いて送受信される制御タイミングや指令値により同期を取ると、電力変換装置に通信機能を搭載することにより構成が複雑となりコストの増加に繋がっていた。また、マスター機の故障した場合には、電力変換装置同士で同期を取ることができなくなり、さらには全体のシステムが運転停止する可能性があった。

また、従来、複数の電力変換装置に流れる電流の大きさのバランスを取るために、入力端子には抵抗器を直列に取り付ける場合があった。このように抵抗器を取り付けた場合、取り付ける抵抗器の抵抗の大きさにより精度を向上させることが可能であるが、抵抗の値が大きくなる程、電力の損失が大きくなるため発電電力を効率よく使用することが困難であった。

本発明は上記事情を鑑みて成されたものであって、独立して並列運転することが可能な電力変換装置を提供することを目的とする。

実施形態による電力変換装置は、直流電源の正極と接続される第１入力端子と、前記直流電源の負極と接続される第２入力端子と、前記第１入力端子と電気的に接続された第１出力端子と、前記第２入力端子と電気的に接続された第２出力端子と、前記第１入力端子と前記第１出力端子との間に直列に接続されたコイルと、前記コイルの出力端から第１出力端子へ順方向に接続されたダイオードと、前記第２入力端子と前記コイルの出力端との間の接続を切替えるスイッチと、前記第１出力端子と前記第２出力端子との間に接続されたコンデンサと、前記スイッチのオンおよびオフを制御する信号を出力する制御回路と、前記第１出力端子と前記第２出力端子とから出力された直流電力を交流電力に変換して出力するＤＣ−ＡＣインバータ部と、を備え、前記制御回路は、垂下特性を模擬した垂下ゲインを乗じた値が引かれた入力信号に基づいて、系統電圧のゼロクロス検出信号に基づく周期で最大電力点追従するＭＰＰＴ制御部と、前記ＭＰＰＴ制御部から出力された基準と入力信号との差分がゼロになるよう、電圧指令値を出力する制御部と、前記電圧指令値と三角波電圧とに基づいてＰＷＭ波を出力するＰＷＭコンパレータと、を備える。

実施形態に係る電力変換装置を並列接続した例を示す図である。図１に示す電力変換装置の一構成例を概略的に示す図である。第１実施形態に係る電力変換装置の、ＤＣ−ＤＣコンバータ部の制御回路の一構成例を説明するためのブロック図である。山登り法と呼ばれるＭＰＰＴ（Maximum Power Point Tracker）制御の例について説明するフローチャートである。ＭＰＰＴ制御が同期するＭＰＰＴタイミング信号の一例について説明するための図である。ＭＰＰＴ制御が同期するＭＰＰＴタイミング信号の他の例について説明するための図である。第２実施形態に係る電力変換装置の、ＤＣ−ＤＣコンバータ部の制御回路の一構成例を説明するためのブロック図である。第３実施形態に係る電力変換装置の、ＤＣ−ＤＣコンバータ部の制御回路の一構成例を説明するためのブロック図である。第４実施形態に係る電力変換装置の、ＤＣ−ＤＣコンバータ部の制御回路の一構成例を説明するためのブロック図である。

以下、実施形態に係る電力変換装置について、図面を参照して説明する。
図１に、第１実施形態に係る電力変換装置を並列に接続して用いる例を示す。本実施形態に係る電力変換装置は分散型電源の電力変換装置である。図１ではＮ個の電力変換装置ＰＣＳ_１〜ＰＣＳ_Ｎが並列に接続されている。

Ｎ個の電力変換装置ＰＣＳ_１〜ＰＣＳ_Ｎには、直流電源として並列に接続されたＮ個の太陽電池アレイＰＶ_１〜ＰＶ_Ｎからの直流電力が入力されている。各太陽電池アレイＰＶの出力端子には、逆流を防止するためのダイオードＤ_１〜Ｄ_Ｎが接続されている。Ｎ個の電力変換装置ＰＣＳ_１〜ＰＣＳ_Ｎの出力端子は一括して電力系統に接続されている。

図２に、電力変換装置ＰＣＳの一構成例を示す。電力変換装置ＰＣＳは、直流電力が供給されるＤＣ−ＤＣコンバータ（チョッパ）部１０と、直流電力を交流電力に変換して出力するＤＣ−ＡＣインバータ部２０とを備えている。

ＤＣ−ＤＣコンバータ部１０は、電力系統に連系して電力変換を行なうために分散型電源の直流入力電圧を昇圧して出力するブーストコンバータである。ＤＣ−ＡＣインバータ部２０は、直流入力電圧と直流入力電流とを３相の交流電圧と交流電流に変換して出力する。

ＤＣ−ＤＣコンバータ部１０は、太陽電池アレイＰＶ_１〜ＰＶ_Ｎの正極出力端子と電気的に接続された第１入力端子１２と、負極出力端子と電気的に接続された第２入力端子１４と、第１入力端子１２と電気的に接続された第１出力端子１６と、第２入力端子１４と電気的に接続された第２出力端子１８と、第１入力端子１２と第１出力端子１６との間に直列に接続されたコイルと、コイルの出力端から第１出力端子１６へ順方向に接続されたダイオードと、第２入力端子１４とコイルの出力端との間の接続を切替えるスイッチと、第１出力端子１６と第２出力端子１８との間に接続されたコンデンサと、スイッチのオンおよびオフを制御する信号を出力する制御回路と、を備えている。

第１入力端子１２と第２入力端子１４との間はコンデンサＣ_ｉｎを介して接続されている。第１入力端子１２は、チョークコイルＬ_ｃｈｏｐとダイオードＤ_ｃｈｏｐとを介して第１出力端子１６と接続され、第１出力端子１６はＤＣ_ＡＣインバータ部２０の第３入力端子２２と電気的に接続されている。ダイオードＤ_ｃｈｏｐはチョークコイルＬ_ｃｈｏｐから第１出力端子１６へ順方向となるように接続されている。

第２入力端子１４と第２出力端子１８との間の配線は、ダイオードＤ_ｃｈｏｐの入力端（チョークコイルＬ_ｃｈｏｐの出力端）とスイッチＳｗ_ｃｈｏｐを介して接続され、さらに、コンデンサＣ_ｌｉｎｋを介してダイオードＤ_ｃｈｏｐの出力端と接続されている。第２出力端子１８は、ＤＣ_ＡＣインバータ部２０の第４入力端子２４と電気的に接続されている。

スイッチＳｗ_ｃｈｏｐはソース端子、ドレイン端子、およびドレイン端子を備え、ドレイン端子に印加される信号により、ソース端子とドレイン端子との間の接続が制御される。ＤＣ−ＤＣコンバータ部１０は、スイッチＳｗ_ｃｈｏｐのゲート端子電位を制御するＰＷＭ信号を出力する制御回路を備えている。

スイッチＳｗ_ｃｈｏｐが導通しているとき（オンのとき）には第１入力端子１２からチョークコイルＬ_ｃｈｏｐを介して第２入力端子１４へ電流が流れる。スイッチＳｗ_ｃｈｏｐが導通していないとき（オフのとき）には、第１入力端子１２からチョークコイルＬ_ｃｈｏｐを介して第１出力端子１６へ電流が流れる。

また、スイッチＳｗ_ｃｈｏｐのソース電極とドレイン電極とが導通しているとき（オンのとき）には、太陽電池アレイＰＶ_１〜ＰＶ_Ｎから流れ込む電流によりチョークコイルＬ_ｃｈｏｐにエネルギーが蓄えられ、スイッチＳｗ_ｃｈｏｐのソース電極とドレイン電極とが導通していないとき（オフのとき）には、チョークコイルＬ_ｃｈｏｐに蓄えられたエネルギーが放出され、太陽電池アレイＰＶ_１〜ＰＶ_Ｎから入力される電圧に加算されてＤＣ−ＡＣインバータ部２０へ出力される。

ＤＣ−ＡＣインバータ部２０は、２つの入力端子２２、２４と、３つの出力端子２６、２７、２８とを備えている。第３入力端子２２と第３出力端子２６との間にはスイッチＳｗ１が介在している。第３入力端子２２と第４出力端子２７との間にはスイッチＳｗ３が介在している。第３入力端子２２と第５出力端子２８との間にはスイッチＳｗ５が介在している。第４入力端子２４と第３出力端子２６との間にはスイッチＳｗ２が介在している。第４入力端子２４と第４出力端子２７との間にはスイッチＳｗ４が介在している。第４入力端子２４と第５出力端子２８との間にはスイッチＳｗ６が介在している。

図３に、ＤＣ−ＤＣコンバータ部１０のスイッチＳｗ_ｃｈｏｐのゲート端子電位を制御する制御回路の制御ブロックの一例を示す。図３に示す制御ブロックは、直流電圧（コンバータ入力電圧Ｖｃｏｎｖ−ｋ１×Ｉｃｏｎｖ）とコンバータ入力電流Ｉｃｏｎｖとが入力されるＭＰＰＴ制御部３２と、ＰＩ制御を行なう電圧制御部（ＡＶＲ：Automatic Voltage Regulator）３４およびＰＩ制御を行なう電流制御部（ＡＣＲ：Automatic Current Regulator）３６を含む制御部ＣＴＲＬと、ＰＷＭコンパレータ３８と、を備えている。

ＭＰＰＴ制御部３２にはＭＰＰＴタイミング信号ＭＰＰＴ_ｓｙｎｃがＭＰＰＴ制御の動作を同期するために入力される。なお、コンバータ入力電圧Ｖｃｏｎｖは太陽電池アレイＰＶ_１〜ＰＶ_Ｎの出力電圧であり、コンバータ入力電流Ｉｃｏｎｖは太陽電池アレイＰＶ_１〜ＰＶ_Ｎの出力電流である。

図４に、山登り法と呼ばれるＭＰＰＴ制御の一例を説明するフローチャートを示す。山登り法は、分散型電源である太陽光発電システムにおいて一般的に使われている方法であり、開放電圧を初期値として太陽電池アレイの出力電力が最大となるように基準電圧を探索する方法である。

まず、入力された直流電圧とコンバータ入力電流Ｉｃｏｎｖとを検出してＭＰＰＴ周期毎の直流電圧誤差ΔＶ（＝Ｖ（ｋ）−Ｖ（ｋ−１））と直流電力誤差ΔＰ（＝Ｐ（ｋ）−Ｐ（ｋ−１））とを算出する（ステップＳＴ１）。

続いて、直流電力誤差ΔＰがゼロか否か判断し（ステップＳＴ２）、直流電力誤差ΔＰがゼロである場合には電圧変動なしとする。直流電力誤差ΔＰがゼロでない場合には、さらに直流電力誤差ΔＰがゼロより大きいか否か判断する（ステップＳＴ３）。

直流電力誤差ΔＰがゼロより大きい場合には直流電圧誤差ΔＶがゼロより大きいか否かさらに判断する（ステップＳＴ４）。直流電圧誤差ΔＶがゼロより大きい場合には電圧を増加する。直流電圧誤差ΔＶがゼロ以下である場合には、電圧を減少する。

ステップＳＴ３で直流電力誤差ΔＰがゼロ以下である場合には直流電圧誤差ΔＶがゼロより大きいか否かさらに判断する（ステップＳＴ５）。直流電圧誤差ΔＶがゼロより大きい場合には電圧を減少する。直流電圧誤差ΔＶがゼロ以下である場合には電圧を増加する。

ＭＰＰＴ制御部３２は、上記のようにコンバータ入力電圧Ｖｃｏｎｖとコンバータ入力電流ＩｃｏｎｖをセンシングしてＭＰＰＴ周期毎の直流電圧誤差ΔＶと直流電力誤差ΔＰを出力し、その大きさの大小によって基準電圧を増加、減少、または、変動無しとし、判断結果に基づく基準電圧Ｖｃｏｎｖ^＊を出力する。

図５に、上記ＭＰＰＴ制御を行なうＭＰＰＴ周期の基準となるＭＰＰＴタイミング信号ＭＰＰＴ_ｓｙｎｃの一例について説明する図を示す。本実施形態では、電力系統の系統電圧を検出し、この系統電圧がゼロとなるタイミング（ゼロクロス）を検出して、ゼロクロスから所定期間ハイレベル（ＯＮ）となるパルスを生成して、ＭＰＰＴタイミング信号ＭＰＰＴ_ｓｙｎｃとして使用する。

このように、電力系統の系統電圧と同期する信号をＭＰＰＴタイミング信号ＭＰＰＴ_ｓｙｎｃとして採用することにより、複数の電力変換装置を並列に接続した場合でも、ＭＰＰＴ制御部３２が同期して動作することが可能となる。したがって、電力変換装置に通信機能を搭載する必要がなくなり構成が複雑になることを回避することができるとともに、個々の電力変換装置が独立して動作することが可能となる。

図６に、ＭＰＰＴ制御を行なうＭＰＰＴ周期の基準となるＭＰＰＴタイミング信号ＭＰＰＴ_ｓｙｎｃの他の例について説明する図を示す。図６に示す場合では、信号発生器によりＭＰＰＴタイミング信号ＭＰＰＴ_ｓｙｎｃとなるパルスを生成している。

信号発生器は、並列接続された複数の電力変換装置ＰＣＳ_１〜ＰＣＳ_Ｎの１つに搭載され、他の電力変換装置と補助信号線（図示せず）により接続されている。例えば停電等、電力系統の不具合により電力系統から系統電圧を検出することができなくなった場合には、信号発生器により生成されたパルスをＭＰＰＴタイミング信号ＭＰＰＴ_ｓｙｎｃとして用いる。

このように、信号発生器によるＭＰＰＴタイミング信号ＭＰＰＴ_ｓｙｎｃを補助的に使用可能とすることによって、電力系統に不具合があった場合であっても電力変換装置ＰＣＳ_１〜ＰＣＳ_Ｎを停止することなく運転を継続することが可能となる。なお、この場合に電力変換装置ＰＣＳ_１〜ＰＣＳ_Ｎ間に接続される補助信号線は、通信を行なう必要が無いため複雑な構成を必要としない。したがって、信号発生器を搭載した電力変換装置から他の電力変換装置へＭＰＰＴタイミング信号ＭＰＰＴ_ｓｙｎｃを送信する場合には、電力変換装置の構成を複雑にすることなく、コストを上昇させることもない。

ＭＰＰＴ制御部３２に入力される直流電圧は、コンバータ入力電流Ｉｃｏｎｖに抵抗相当値（垂下ゲイン）ｋ１を乗じた値をコンバータ入力電圧Ｖｃｏｎｖから引いた直流電圧である。抵抗相当値ｋ１は、電力変換装置の入力端に直列に接続される抵抗を模擬するものである。

すなわち、このようにコンバータ入力電流Ｉｃｏｎｖに抵抗相当値ｋ１を乗じた値をコンバータ入力電圧Ｖｃｏｎｖから引いた直流電圧をＭＰＰＴ制御部３２に入力することにより、制御的に電力変換装置の入力端に抵抗器を接続したものと同等となり、実際に抵抗器を接続する必要がなくなる。

したがって、電力変換装置の入力端に接続される抵抗器により電力損失が生じることを回避することができ、太陽電池アレイでの発電電力をより効率よく利用することが可能となるとともに、実際に抵抗器を取り付けた場合と同様に個々の電力変換装置に流れる電流のバランスを調整することが可能となる。なお、抵抗相当値ｋ１は、個々の電力変換装置について異なる値を設定することが可能である。

ＭＰＰＴ制御部３２から出力された基準電圧Ｖｃｏｎｖ^＊は、ＭＰＰＴ制御部３２に入力された直流電圧（Ｖｃｏｎｖ−ｋ１×Ｉｃｏｎｖ）を減じて電圧制御部３４に入力される。

電圧制御部３４は、入力された電圧差分値（Ｖｃｏｎｖ^＊−（Ｖｃｏｎｖ−ｋ１×Ｉｃｏｎｖ））に基づいて、この差分がゼロとなるような基準電流Ｉｃｏｎｖ^＊を出力する。電圧制御部３４から出力された基準電流Ｉｃｏｎｖ^＊は、コンバータ入力電流Ｉｃｏｎｖを減じて電流制御部３６に入力される。

電流制御部３６は、入力された差分値（Ｉｃｏｎｖ^＊−Ｉｃｏｎｖ）に基づいて、この差分がゼロとなるように制御し、ＰＷＭコンパレータ３８の電圧指令値Ｖｐｗｍ＿ｒｅｆを出力する。

ＰＷＭコンパレータ３８は、電流制御部３６から出力された電圧指令値Ｖｐｗｍ＿ｒｅｆと三角波電圧Ｖｔｒｉとを比較して、所定のデューティ比のＰＷＭ信号Ｖｐｗｍを出力する。ＰＷＭ信号Ｖｐｗｍは図１に示すＤＣ−ＤＣコンバータ部１０のスイッチＳｗ＿ｃｈｏｐのゲート電極に印加される。

すなわち、ＰＷＭ信号Ｖｐｗｍのデューティ比を調整することにより、スイッチＳＷ＿ｃｈｏｐのオン期間を調整することができ、ＤＣ−ＤＣコンバータ部１０で昇圧してＤＣ−ＡＣインバータ部２０へ出力される直流電圧の値を調整することができる。

上記のように、本実施形態に係る電力変換装置によれば、独立して並列運転することが可能な電力変換装置を提供することができる。

次に、第２実施形態に係る電力変換装置について図面を参照して説明する。なお、以下の説明において上述の第１実施形態に係る電力変換装置と同様の構成については同一の符号を付して説明を省略する。本実施形態に係る電力変換装置は、ＤＣ−ＤＣコンバータ部１０のスイッチＳｗ_ｃｈｏｐのゲート端子電位を制御する制御ブロックが上述の第１実施形態と異なっている。

図７に本実施形態に係る電力変換装置において、ＤＣ−ＤＣコンバータ部１０のスイッチＳｗ＿ｃｈｏｐのゲート端子電位を制御する制御ブロックの一例を示す。図７に示す制御ブロックは、直流電流（コンバータ入力電流Ｉｃｏｎｖ−Ｖｃｏｎｖ／ｋ１）とコンバータ入力電圧Ｖｃｏｎｖとが入力されるＭＰＰＴ制御部７２と、ＰＩ制御を行なう電流制御部（ＡＣＲ：Automatic Current Regulator）７４を含む制御部ＣＴＲＬと、ＰＷＭコンパレータ７６と、を備えている。

ＭＰＰＴ制御部７２には、ＭＰＰＴタイミング信号ＭＰＰＴ_ｓｙｎｃが入力されている。本実施形態で採用されるＭＰＰＴタイミング信号ＭＰＰＴ_ｓｙｎｃは、上述の第１実施形態と同様に、系統電圧のゼロクロス信号から生成される。

したがって上述の第１実施形態と同様に、電力系統の系統電圧と同期する信号をＭＰＰＴタイミング信号ＭＰＰＴ_ｓｙｎｃとして採用することにより、複数の電力変換装置を並列に接続した場合でも、ＭＰＰＴ制御部７２が同期して動作することが可能となる。したがって、電力変換装置に通信機能を搭載する必要がなくなり構成が複雑になることを回避することができるとともに、個々の電力変換装置が独立して動作することが可能となる。

さらに、電力系統の不具合等により系統電圧を取得できない場合のために、信号発生器によりＭＰＰＴタイミング信号ＭＰＰＴ_ｓｙｎｃを生成可能に構成してもよい。その場合には、上述の第１実施形態の場合と同様に、複数の電力変換装置を補助信号線で接続し、信号発生器から出力されるＭＰＰＴタイミング信号ＭＰＰＴ_ｓｙｎｃを並列接続された全ての電力変換装置に入力する。

ＭＰＰＴ制御部７２は、基準電流Ｉｃｏｎｖ^＊を出力する。すなわち、本実施形態では、ＭＰＰＴ周期で実行するＭＰＰＴ制御において、直流電流誤差ΔＩ（＝Ｉ（ｋ）−Ｉ（ｋ−１））と直流電力誤差ΔＰとを算出し、直流電力誤差ΔＰがゼロである場合には電流変動なしとする。直流電力誤差ΔＰがゼロよりも大きい場合には、さらに直流電流誤差ΔＩがゼロよりも大きいか否かを判断し、直流電流誤差ΔＩがゼロよりも大きい場合には電流を増加し、直流電流誤差ΔＩがゼロ以下の場合は、電流を減少する。直流電力誤差ΔＰがゼロ以下の場合には、さらに直流電流誤差ΔＩがゼロよりも大きいか否か判断し、直流電流誤差ΔＩがゼロよりも大きい場合には電流を減少し、直流電流誤差ΔＩがゼロ以下である場合には電流を増加する。

ＭＰＰＴ制御部７２に入力される直流電流は、コンバータ入力電圧Ｖｃｏｎｖを抵抗相当値ｋ１で割った値をコンバータ入力電流Ｉｃｏｎｖから引いた直流電流である。抵抗相当値ｋ１は、電力変換装置の入力端に直列に接続される抵抗を模擬するものである。

すなわち、このようにコンバータ入力電圧Ｖｃｏｎｖを抵抗相当値ｋ１で割った値をコンバータ入力電流Ｉｃｏｎｖから引いた直流電流をＭＰＰＴ制御部７２に入力することにより、制御的に電力変換装置の入力端に抵抗器を接続したものと同等となり、実際に抵抗器を接続する必要がなくなる。

したがって、電力変換装置の入力端に接続される抵抗器により電力損失が生じることを回避することができ、太陽電池アレイでの発電電力をより効率よく利用することが可能となるとともに、実際に抵抗器を取り付けた場合と同様に個々の電力変換装置に流れる電流のバランスを調整することが可能となる。

ＭＰＰＴ制御部７２から出力された基準電流Ｉｃｏｎｖ^＊は、ＭＰＰＴ制御部７２に入力された直流電流（Ｉｃｏｎｖ−Ｖｃｏｎｖ／ｋ１）を減じて電流制御部７４に入力される。

電流制御部７４は、入力された差分値（Ｉｃｏｎｖ^＊−（Ｉｃｏｎｖ−Ｖｃｏｎｖ／ｋ１））に基づいて、この差分値がゼロとなるように制御し、ＰＷＭコンパレータ７６の電圧指令値Ｖｐｗｍ＿ｒｅｆを出力する。

ＰＷＭコンパレータ７６は、電流制御部７４から出力された電圧指令値Ｖｐｗｍ＿ｒｅｆと三角波電圧Ｖｔｒｉとを比較して、所定のデューティ比のＰＷＭ信号Ｖｐｗｍを出力する。ＰＷＭ信号Ｖｐｗｍは図１に示すＤＣ−ＤＣコンバータ部１０のスイッチＳｗ＿ｃｈｏｐのゲート電極に印加される。

次に、第３実施形態に係る電力変換装置について図面を参照して説明する。本実施形態に係る電力変換装置は、ＤＣ−ＤＣコンバータ部１０のスイッチＳｗ＿ｃｈｏｐのゲート端子電位を制御する制御ブロックが上述の第１実施形態と異なっている。

図８に本実施形態においてＤＣ−ＤＣコンバータ部１０のスイッチＳｗ＿ｃｈｏｐのゲート端子電位を制御する制御ブロックの一例を示す。図８に示す制御ブロックは、コンバータ入力電圧Ｖｃｏｎｖとコンバータ入力電流Ｉｃｏｎｖとが入力されるＭＰＰＴ制御部８２と、ＰＩ制御を行なう電圧制御部（ＡＶＲ：Automatic Voltage Regulator）８４およびＰＩ制御を行なう電流制御部（ＡＣＲ：Automatic Current Regulator）８６を含む制御部ＣＴＲＬと、ＰＷＭコンパレータ８８と、を備えている。

ＭＰＰＴ制御部８２の動作は上述の第１実施形態のＭＰＰＴ制御部３２と同様である。ＭＰＰＴ制御部８２には、ＭＰＰＴタイミング信号ＭＰＰＴ_ｓｙｎｃが入力されている。本実施形態で採用されるＭＰＰＴタイミング信号ＭＰＰＴ_ｓｙｎｃは、上述の第１実施形態と同様に、系統電圧のゼロクロス信号から生成される。

したがって上述の第１実施形態と同様に、電力系統の系統電圧と同期する信号をＭＰＰＴタイミング信号ＭＰＰＴ_ｓｙｎｃとして採用することにより、複数の電力変換装置を並列に接続した場合でも、ＭＰＰＴ制御部８２が同期して動作することが可能となる。したがって、電力変換装置に通信機能を搭載する必要がなくなり構成が複雑になることを回避することができるとともに、個々の電力変換装置が独立して動作することが可能となる。

ＭＰＰＴ制御部８２は基準電圧Ｖｃｏｎｖ^＊を出力する。ＭＰＰＴ制御部８２から出力された基準電圧Ｖｃｏｎｖ^＊には、垂下制御のフィードバックコンバータ電圧値ΔＶｃｏｎｖを加えて電圧Ｖｃｏｎｖ^＊_ｄｒｏｏｐ（＝Ｖｃｏｎｖ＊＋ΔＶｃｏｎｖ）とし、さらにコンバータ入力電圧Ｖｃｏｎｖを減じた電圧（Ｖｃｏｎｖ^＊_ｄｒｏｏｐ−Ｖｃｏｎｖ）が電圧制御部８４に入力される。

垂下制御のフィードバックコンバータ電圧値ΔＶｃｏｎｖは、電圧を変動させるＭＰＰＴ制御より最大電力点よりも大きい場合にマイナス（−）、最大電力点よりも小さい場合にプラス（＋）を示す符号ｋ３と、基準電流Ｉｃｏｎｖ^＊に垂下ゲインｋ２を乗じた値とを乗じた値である。垂下ゲインｋ２は、電力変換装置の入力端に直列に接続される抵抗を模擬するものである。

すなわち、このように基準電流Ｉｃｏｎｖ^＊に抵抗相当値ｋ２を乗じた値を、基準電圧Ｖｃｏｎｖ^＊に加算あるいは減算することにより、制御的に電力変換装置の入力端に抵抗器を接続したものと同等となり、実際に抵抗器を接続する必要がなくなる。

したがって、電力変換装置の入力端に接続される抵抗器により電力損失が生じることを回避することができ、太陽電池アレイでの発電電力をより効率よく利用することが可能となるとともに、実際に抵抗器を取り付けた場合と同様に個々の電力変換装置に流れる電流のバランスを調整することが可能となる。なお、抵抗相当値ｋ２は、個々の電力変換装置について異なる値を設定することが可能である。

電圧制御部８４は、入力された垂下制御後の電圧Ｖｃｏｎｖ＊＿ｄｒｏｏｐとコンバータ入力電圧Ｖｃｏｎｖとの差分（Ｖｃｏｎｖ＊＿ｄｒｏｏｐ−Ｖｃｏｎｖ）がゼロになるような基準電流Ｉｃｏｎｖ^＊を出力する。基準電流Ｉｃｏｎｖ＊は、コンバータ入力電流Ｉｃｏｎｖと比較され、その差分（Ｉｃｏｎｖ^＊−Ｉｃｏｎｖ）が電流制御部８６に入力される。

電流制御部８６は、入力された差分（Ｉｃｏｎｖ^＊−Ｉｃｏｎｖ）に基づいて、この差分値がゼロとなるように制御し、ＰＷＭコンパレータ８８の電圧指令値Ｖｐｗｍ＿ｒｅｆを出力する。

ＰＷＭコンパレータ８８は、電流制御部８６から出力された電圧指令値Ｖｐｗｍ＿ｒｅｆと三角波電圧Ｖｔｒｉとを比較して、所定のデューティ比のＰＷＭ信号Ｖｐｗｍを出力する。ＰＷＭ信号Ｖｐｗｍは図１に示すＤＣ−ＤＣコンバータ部１０のスイッチＳｗ＿ｃｈｏｐのゲート電極に印加される。

次に、第４実施形態に係る電力変換装置について図面を参照して説明する。本実施形態に係る電力変換装置は、ＤＣ−ＤＣコンバータ部１０のスイッチＳｗ＿ｃｈｏｐのゲート端子電位を制御する制御ブロックが上述の第１実施形態と異なっている。

図９に本実施形態においてＤＣ−ＤＣコンバータ部１０のスイッチＳｗ＿ｃｈｏｐのゲート端子電位を制御する制御ブロックの一例を示す。図９に示す制御ブロックは、コンバータ入力電圧Ｖｃｏｎｖとコンバータ入力電流Ｉｃｏｎｖとが入力されるＭＰＰＴ制御部９２と、ＰＩ制御を行なう電流制御部（ＡＣＲ：Automatic Current Regulator）９４を含む制御部ＣＴＲＬと、ＰＷＭコンパレータ９６と、を備えている。

ＭＰＰＴ制御部９２の動作は、上述の第２実施形態のＭＰＰＴ制御部７２と同様である。ＭＰＰＴ制御部９２には、ＭＰＰＴタイミング信号ＭＰＰＴ_ｓｙｎｃが入力されている。本実施形態で採用されるＭＰＰＴタイミング信号ＭＰＰＴ_ｓｙｎｃは、上述の第１実施形態と同様に、系統電圧のゼロクロス信号から生成される。

したがって上述の第１実施形態と同様に、電力系統の系統電圧と同期する信号をＭＰＰＴタイミング信号ＭＰＰＴ_ｓｙｎｃとして採用することにより、複数の電力変換装置を並列に接続した場合でも、ＭＰＰＴ制御部９２が同期して動作することが可能となる。したがって、電力変換装置に通信機能を搭載する必要がなくなり構成が複雑になることを回避することができるとともに、個々の電力変換装置が独立して動作することが可能となる。

ＭＰＰＴ制御部９２は、基準電流Ｉｃｏｎｖ^＊を出力する。ＭＰＰＴ制御部９２から出力された基準電流Ｉｃｏｎｖ^＊には、垂下制御のフィードバックコンバータ電流値ΔＩｃｏｎｖを加えて電流Ｉｃｏｎｖ^＊_ｄｒｏｏｐ（＝Ｉｃｏｎｖ＊＋ΔＩｃｏｎｖ）とし、さらにコンバータ入力電流Ｉｃｏｎｖを減じた電流（Ｉｃｏｎｖ^＊_ｄｒｏｏｐ−Ｉｃｏｎｖ）が電流制御部９４に入力される。

垂下制御のフィードバックコンバータ電流値ΔＩｃｏｎｖは、電流を変動させるＭＰＰＴ制御より最大電力点よりも大きい場合にプラス（＋）、小さい場合にマイナス（−）を示す符号ｋ３と、電圧指令値Ｖｐｗｍ＿ｒｅｆに垂下ゲイン１／ｋ２とを乗じた値とを乗じて演算する。垂下ゲイン１／ｋ２のｋ２は、電力変換装置の入力端に直列に接続される抵抗を模擬するものである。

すなわち、このように電圧指令値Ｖｐｗｍ＿ｒｅｆに垂下ゲイン１／ｋ２を乗じた値を、基準電流Ｉｃｏｎｖ^＊に加算あるいは減算することにより、制御的に電力変換装置の入力端に抵抗器を接続したものと同等となり、実際に抵抗器を接続する必要がなくなる。

電流制御部９４は、入力された垂下制御後の電流Ｉｃｏｎｖ＊＿ｄｒｏｏｐとコンバータ入力電流Ｉｃｏｎｖとの差分（Ｉｃｏｎｖ＊＿ｄｒｏｏｐ−Ｉｃｏｎｖ）に基づいて、差分がゼロになるように制御し、ＰＷＭコンパレータ９６の電圧指令値Ｖｐｗｍ＿ｒｅｆを出力する。

ＰＷＭコンパレータ９６は、電流制御部９４から出力された電圧指令値Ｖｐｗｍ＿ｒｅｆと三角波電圧Ｖｔｒｉとを比較して、所定のデューティ比のＰＷＭ信号Ｖｐｗｍを出力する。ＰＷＭ信号Ｖｐｗｍは図１に示すＤＣ−ＤＣコンバータ部１０のスイッチＳｗ＿ｃｈｏｐのゲート電極に印加される。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

ＰＣＳ（ＰＣＳ_１〜ＰＣＳ_Ｎ）…電力変換装置、ＰＶ（ＰＶ_１〜ＰＶ_Ｎ）…太陽電池アレイ、Ｃ_ｉｎ…コンデンサ、Ｌ_ｃｈｏｐ…チョークコイル、Ｄ_ｃｈｏｐ…ダイオード、Ｓｗ_ｃｈｏｐ…スイッチ、Ｃ_ｌｉｎｋ…コンデンサ、Ｉｃｏｎｖ…コンバータ入力電流、Ｖｃｏｎｖ…コンバータ入力電圧、Ｖｃｏｎｖ^＊…基準電圧、ｋ１、ｋ２…抵抗相当値（垂下ゲイン）、Ｉｃｏｎｖ^＊…基準電流、Ｖｐｗｍ_ｒｅｆ…電圧指令値、Ｖｔｒｉ…三角波電圧、１０…ＤＣ−ＤＣコンバータ部、２０…ＡＣインバータ部、３２、７２、８２、９２…ＭＰＰＴ制御部、ＣＴＲＬ…制御部、３４、８４…電圧制御部、３６、７４、８６、９４…電流制御部、３８、７６、８８、９６…ＰＷＭコンパレータ。

Claims

直流電源の正極と接続される第１入力端子と、
前記直流電源の負極と接続される第２入力端子と、
前記第１入力端子と電気的に接続された第１出力端子と、
前記第２入力端子と電気的に接続された第２出力端子と、
前記第１入力端子と前記第１出力端子との間に直列に接続されたコイルと、
前記コイルの出力端から第１出力端子へ順方向に接続されたダイオードと、
前記第２入力端子と前記コイルの出力端との間の接続を切替えるスイッチと、
前記第１出力端子と前記第２出力端子との間に接続されたコンデンサと、
前記スイッチのオンおよびオフを制御する信号を出力する制御回路と、
前記第１出力端子と前記第２出力端子とから出力された直流電力を交流電力に変換して出力するＤＣ−ＡＣインバータ部と、を備え、
前記制御回路は、垂下特性を模擬した垂下ゲインを乗じた値が引かれた入力信号に基づいて、系統電圧のゼロクロス検出信号に基づく周期で最大電力点追従するＭＰＰＴ制御部と、前記ＭＰＰＴ制御部から出力された基準と入力信号との差分がゼロになるよう、電圧指令値を出力する制御部と、前記電圧指令値と三角波電圧とに基づいてＰＷＭ信号を出力するＰＷＭコンパレータと、を備えた電力変換装置。
直流電源の正極と接続される第１入力端子と、
前記直流電源の負極と接続される第２入力端子と、
前記第１入力端子と電気的に接続された第１出力端子と、
前記第２入力端子と電気的に接続された第２出力端子と、
前記第１入力端子と前記第１出力端子との間に直列に接続されたコイルと、
前記コイルの出力端から第１出力端子へ順方向に接続されたダイオードと、
前記第２入力端子と前記コイルの出力端との間の接続を切替えるスイッチと、
前記第１出力端子と前記第２出力端子との間に接続されたコンデンサと、
前記スイッチのオンおよびオフを制御する信号を出力する制御回路と、
前記第１出力端子と前記第２出力端子とから出力された直流電力を交流電力に変換して出力するＤＣ−ＡＣインバータ部と、を備え、
前記制御回路は、入力信号に基づいて系統電圧のゼロクロス検出信号に基づく周期で最大電力点追従するＭＰＰＴ制御部と、前記ＭＰＰＴ制御部から出力された基準から垂下特性を模擬した値を引いた値と入力信号との差分がゼロになるよう、電圧指令値を出力する制御部と、前記電圧指令値と三角波電圧とに基づいてＰＷＭ信号を出力するＰＷＭコンパレータと、を備えた電力変換装置。
前記ＭＰＰＴ制御部は電圧基準を出力し、
前記制御部は入力された前記差分がゼロになるように電流基準を出力する電圧制御部と、前記電流基準と入力電流信号との差分がゼロになるように前記電圧指令値を出力する電流制御部と、を備える請求項１又は請求項２記載の電力変換装置。
前記ＭＰＰＴ制御部は電流基準を出力し、
前記制御部は入力された差分がゼロになるように前記電圧指令値を出力する電流制御部を備える請求項１又は請求項２記載の電力変換装置。
ＭＰＰＴ制御部の動作タイミングを制御するタイミング信号を生成する信号発生器をさらに備える請求項１乃至請求項４のいずれか１項記載の電力変換装置。