JP3655831B2 - 昇圧ユニット、パワーコンディショナ、およびそれらを用いた太陽光発電システム - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は昇圧ユニット、パワーコンディショナ、およびそれらを用いた太陽光発電システムに関し、特に、第２の太陽電池列の出力電圧を昇圧させて第１の太陽電池列の出力電圧に一致させるための昇圧ユニットと、第１の太陽電池列で生成された直流電力および昇圧ユニットの出力電力を交流電力に変換して負荷回路に与えるパワーコンディショナと、それらを用いた太陽光発電システムとに関する。
【０００２】
【従来の技術】
太陽電池は、太陽光が照射されている限り、直流電源として動作し直流電力を出力する。太陽電池は、２次電池などの他のエネルギ源を介在しなくてもそれのみで直流電力を出力でき、有害な物質を排出しないため、シンプルでクリーンなエネルギ源として知られている。
【０００３】
従来の太陽光発電システムにおいては、太陽電池で生成された直流電力がパワーコンディショナによって交流電力に変換され、一般交流負荷あるいは既存の商用電力系統に供給される。パワーコンディショナには複数の太陽電池ストリングが、接続機能を有した外部装置である接続箱を介して接続される。
【０００４】
また、複数の太陽電池ストリングには、直列接続された標準枚数の太陽電池モジュールを含む標準太陽電池ストリングと、直列接続された標準枚数未満の枚数の太陽電池モジュールを含む非標準太陽電池ストリングとが含まれる。
【０００５】
たとえば、住宅の屋根上に太陽電池ストリングを設置する場合、屋根の形状や面積によっては日射量の最も多い屋根の南面だけに太陽電池モジュールを配置して太陽電池ストリングを構成することができない場合がある。屋根の南面に配置されなかった太陽電池モジュールは屋根の西面や東面にも配置されて太陽電池ストリングを構成したり、屋根の南面の主要部上に太陽電池モジュールを配置した後の周辺の残余領域に配置された小型の太陽電池モジュールをも含めて太陽電池ストリングが構成される場合がある。すなわち、いくつかの太陽電池ストリングに含まれる太陽電池モジュールの直列枚数が他の太陽電池ストリングに比べて少なくなる場合があり、その場合、太陽電池ストリング間で出力電圧が異なることになる。
【０００６】
標準直列枚数の太陽電池モジュールで構成される太陽電池ストリングと標準直列枚数未満の枚数の太陽電池モジュールで構成される太陽電池ストリングとがパワーコンディショナに並列に接続される場合、それぞれの最大電力となる動作電圧が異なるため、合成される電圧−電力特性に基づいてパワーコンディショナが最大電力点追従制御を行なっても、それぞれの最大電力を足し合せた電力を出力することはできず、太陽電池の発電電力を最大限有効に活用することはできない。このような場合、パワーコンディショナの前段に昇圧ユニットを設けて標準太陽電池ストリングと非標準太陽電池ストリングの出力電圧を合せることにより、太陽電池の発電電力を最大限有効に活用することが可能となる。
【０００７】
図３は、そのような太陽光発電システムの構成を示す回路ブロック図である。図３において、この太陽光発電システムは、標準太陽電池ストリング３１ａ、非標準太陽電池ストリング３１ｂ、昇圧ユニット３２、接続箱４０、およびパワーコンディショナ４５を備える。この図３では、図面の簡略化のために２つの太陽電池ストリング３１ａ，３１ｂのみが示されているが、通常はさらに多くの太陽電池ストリングが含まれることは言うまでもない。
【０００８】
標準太陽電池ストリング３１ａは接続箱４０を介してパワーコンディショナ４５に接続され、他方、非標準太陽電池ストリング３１ｂは昇圧ユニット３２および接続箱４０を介してパワーコンディショナ４５に接続される。昇圧ユニット３２は昇圧回路３３および昇圧制御部３９を含み、昇圧回路３３はリアクトル３４、スイッチングトランジスタ３５、ダイオード３６，３７およびコンデンサ３８を含む。
【０００９】
昇圧制御部３９は、図４に示すように、昇圧比設定部５１、信号設定演算部５２、三角波発生部５３、信号比較部５４およびゲートドライブ部５５を含む。昇圧比設定部５１は、標準太陽電池ストリング３１ａに含まれる太陽電池モジュール数ｎ１と非標準太陽電池ストリング３１ｂに含まれる太陽電池モジュール数ｎ２との比すなわち昇圧比ｎ１／ｎ２を設定する。昇圧比設定部５１には、昇圧比を切換えるための切換スイッチが設けられており、予め太陽電池ストリング３１ａ，３１ｂに合せて切換スイッチを手動的に切換えることにより、昇圧比が設定される。
【００１０】
昇圧比設定部５１で設定された昇圧比に基づいて信号設定演算部５２で生成された信号設定値Ｖｔと三角波発生部５３で生成された０からＶｄの振幅値をとる三角波信号φＴとが信号比較部５４で比較される。信号比較部５４は、信号設定値Ｖｔが三角波信号φＴのレベルよりも高い時にゲートオフレベルを出力してＰＷＭ（パルス幅変調）制御を行なう。信号比較部５４の出力パルス信号ＰＳは、ゲートドライブ５５を介してスイッチングトランジスタ３５のゲートに入力される。
【００１１】
接続箱４０は、パワーコンディショナ４５側から太陽電池ストリング３１ａ，３１ｂ側への電流の逆流を防止するための逆流防止ダイオード４１，４２と、太陽電池ストリング３１ａ，３１ｂ側からパワーコンディショナ４５側に落雷時の雷サージが侵入するのを防止するための雷サージアブソーバ４３と、太陽電池ストリング３１ａ，３１ｂ側とパワーコンディショナ４５側とを接続／遮断するためのブレーカとを含む。パワーコンディショナ４５は、接続箱４０を介して与えられた直流電力を商用電力と同一の位相および周波数５０または６０Ｈｚを持つ交流電力に変換して商用電力系統４６に供給する。
【００１２】
次に、この太陽光発電システムの動作について説明する。図５は、標準太陽電池ストリング３１ａおよび非標準太陽電池ストリング３１ｂの出力特性を示す図である。図５において、横軸は太陽電池ストリング３１ａ，３１ｂの出力電圧Ｖを示し、縦軸は太陽電池ストリング３１ａ，３１ｂの出力電力Ｐを示している。標準太陽電池ストリング３１ａの太陽電池モジュールの数ｎ１は非標準太陽電池ストリング３１ｂの太陽電池モジュールの数ｎ２よりも多いので、標準太陽電池ストリング３１ａの最大出力電力Ｐａおよび最大電力出力時の出力電圧Ｖａは非標準太陽電池ストリング３１ｂの最大出力電力Ｐｂおよび最大電力出力時の出力電圧Ｖｂよりも大きくなっている（Ｐａ＞Ｐｂ，Ｖａ＞Ｖｂ）。
【００１３】
図６は、標準太陽電池ストリング３１ａおよび非標準太陽電池ストリング３１ｂの出力特性を合成した特性を示す図である。合成した出力特性では、出力電圧がＶｂのときに出力電力が最大値Ｐａ＋α（＜Ｐａ＋Ｐｂ）となる。昇圧ユニット３２を用いない場合は、太陽電池ストリング３１ａ，３１ｂの電力はこの特性でパワーコンディショナ４５に入力される。この場合は、標準太陽電池ストリング３１ａと非標準太陽電池ストリング３１ｂでは、最大電力Ｐａ，Ｐｂを出力する電圧Ｖａ，Ｖｂが異なるため、それぞれの最大電力Ｐａ，Ｐｂを足し合せた電力Ｐａ＋Ｐｂが出力されず、太陽電池ストリング３１ａ，３１ｂの出力電力を最大限有効に活用することはできない。
【００１４】
昇圧ユニット３２を用いると、図７に示すように、非標準太陽電池ストリング３１ｂの最大電力Ｐｂ出力時の電圧を標準太陽電池ストリング３１ａの最大電力Ｐｂ出力時の電圧Ｖａに一致させることができる。これにより、２つの太陽電池ストリング３１ａ，３１ｂの最大電力Ｐａ，Ｐｂを足し合せた電力Ｐａ＋Ｐｂを出力することが可能となり、太陽電池ストリング３１ａ，３１ｂの出力電力を最大限有効に活用することが可能となる。
【００１５】
なお、他に、昇圧ユニットと接続箱機能を有するパワーコンディショナとで構成される太陽光発電システムや、接続箱機能を有する昇圧ユニットとパワーコンディショナとで構成される太陽光発電システムもあるが、基本的な機能は図３に示した太陽光発電システムと同じである。
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来の太陽光発電システムでは、標準太陽電池ストリング３１ａの太陽電池モジュールの数ｎ１と、非標準太陽電池ストリング３１ｂの太陽電池モジュールの数ｎ２とに基づいて、昇圧ユニット３２の昇圧比ｎ１／ｎ２をシステム設置時に設定する必要があり、システム設置時の作業が煩雑となる。
【００１７】
また、太陽電池モジュールは、種類によって太陽電池セル数が異なり、出力電圧も異なる。したがって、太陽電池モジュールの種類、およびその太陽電池モジュールの直列枚数の組合せのすべてに対応するには、予め多数の昇圧比設定値を準備しておく必要があり、さらに、システム設置時に太陽電池モジュールの種類および直列枚数を確認し、多数の設定値から最適な値を選択することは非常に煩雑となる。
【００１８】
また、太陽電池モジュールの種類および直列枚数の組合せに対して最適な昇圧比を設定した場合においても、太陽電池ストリング３１ａ，３１ｂ間の電圧比が常に一定であるというわけではない。たとえば太陽電池ストリング３１ａと３１ｂの設置方向が異なっており、日射や影の影響で非標準太陽電池ストリング３１ｂの素子温度がＴｓからＴｓ′に変化した場合は、図８に示すように、非標準太陽電池ストリング３１ｂの出力特性も変化する。図８では、非標準太陽電池ストリング３１ｂの最大出力電力がＰｂからＰｂ′に低下し、最大出力時の電圧がＶｂからＶｂ′に低下した状態が示される。この場合は、図９に示すように、昇圧後の非標準太陽電池ストリング３１ｂの出力電圧Ｖａ′は標準太陽電池ストリング３１ａの出力電圧Ｖａよりも低くなり、太陽電池ストリング３１ａ，３１ｂの発電電力を最大限有効に活用することができない。
【００１９】
また、昇圧ユニット３２の昇圧比の設定値を各太陽電池モジュールの種類および直列枚数の組合せごとの細かい設定値ではなく代表的な設定値で近似した場合は、設定値を多く準備する必要がなく設定時の作業も比較的煩雑ではないが、設定した昇圧比では最大電力となる動作電圧が太陽電池ストリング３１ａ，３１ｂ間で異なり、それぞれの最大電力を足し合せた電力を出力することができず、太陽電池ストリング３１ａ，３１ｂの発電電力を最大限有効に活用することはできない。
【００２０】
それゆえに、この発明の主たる目的は、設置作業が容易で、効率の向上を図ることが可能な昇圧ユニット、パワーコンディショナ、およびそれらを用いた太陽光発電システムを提供することである。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る昇圧ユニットは、直列接続された第１の数の太陽電池を含む第１の太陽電池列と、直列接続された第１の数よりも小さな第２の数の太陽電池を含む第２の太陽電池列とに少なくとも接続され、第１および第２の太陽電池列で生成された直流電力を交流電力に変換して負荷回路に与える太陽光発電システムにおいて、第２の太陽電池列の出力電圧を昇圧させて第１の太陽電池列の出力電圧に一致させるための昇圧ユニットであって、第２の太陽電池列の出力電圧を昇圧させるための昇圧比の制御が可能な昇圧回路と、第２の太陽電池列の出力電力を検出する電力検出器と、電力検出器の検出結果に基づいて、第２の太陽電池列の出力電力が増加したか減少したかを示す信号を出力する信号発生回路とを備えたものである。
【００２２】
太陽光発電システムは、さらに、信号発生回路の出力信号に基づいて、太陽光発電システムの出力電力が最大になるように昇圧回路の昇圧比を制御する制御手段を備え、昇圧ユニットは、さらに、昇圧回路の昇圧比を予め定められた値に設定する設定手段と、制御手段および設定手段のうちのいずれか一方を選択するための選択手段とを備える。
【００２３】
また好ましくは、さらに、昇圧回路の出力電圧が予め定められた値を超えたことに応じて昇圧回路の昇圧動作を停止させる保護手段が設けられる。
【００２４】
また好ましくは、さらに、電力検出器の検出結果に基づいて、第２の太陽電池列の出力電力を表示するための表示手段が設けられる。
【００２５】
また、この発明に係るパワーコンディショナは、直列接続された第１の数の太陽電池を含む第１の太陽電池列と、直列接続された第１の数よりも小さな第２の数の太陽電池を含む第２の太陽電池列に接続され、第２の太陽電池列の出力電圧を昇圧させて第１の太陽電池列の出力電圧に一致させるための昇圧比の制御が可能な昇圧ユニットとに少なくとも接続され、第１の太陽電池列で生成された直流電力および昇圧ユニットの出力電力を交流電力に変換して負荷回路に与えるパワーコンディショナであって、第１の太陽電池列の出力電力と昇圧ユニットの出力電力とを合成し、合成した直流電力を交流電力に変換して負荷回路に与えるインバータ回路と、インバータ回路の出力電力を検出する第１の電力検出器と、第１の電力検出器の検出結果に基づいて、パワーコンディショナの出力電力が最大になるように昇圧ユニットおよびインバータ回路を制御する制御手段を備えたものである。
【００２６】
昇圧ユニットは、さらに、第２の太陽電池列の出力電力を検出する第２の電力検出器と、第２の電力検出器の検出結果に基づいて、第２の太陽電池列の出力電力が増加したか減少したかを示す信号を出力する信号発生回路とを含み、制御手段は、信号発生回路の出力信号に基づいて昇圧ユニットの昇圧比を制御する。
【００２７】
また、制御手段は、昇圧ユニットの入力電圧が一定に保持されている期間にインバータ回路の出力電力が増加するようにインバータ回路の入力電圧を制御する第１のステップと、インバータ回路の入力電圧が一定に保持されている期間に第２の太陽電池列の出力電力が増加するように昇圧ユニットの昇圧比を制御する第２のステップとを含む。
【００２８】
また、この発明に係る太陽光発電システムは、直列接続された第１の数の太陽電池を含む第１の太陽電池列と、直列接続された第１の数よりも小さな第２の数の太陽電池を含む第２の太陽電池列とに少なくとも接続され、第１および第２の太陽電池列で生成された直流電力を交流電力に変換して負荷回路に与える太陽光発電システムであって、第２の太陽電池列の出力電圧を昇圧させて第１の太陽電池列の出力電圧に一致させるための昇圧比の制御が可能な昇圧ユニットと、第１の太陽電池列の出力電力と昇圧ユニットの出力電力とを合成し、合成した直流電力を交流電力に変換して負荷回路に与えるインバータ回路、および太陽光発電システムの出力電力が最大になるように昇圧ユニットおよびインバータ回路を制御する制御手段を含むパワーコンディショナとを備えたものである。
【００２９】
制御手段は、昇圧ユニットの入力電圧が一定に保持されている期間にインバータ回路の出力電力が増加するようにインバータ回路の入力電圧を制御する第１のステップと、インバータ回路の入力電圧が一定に保持されている期間に第２の太陽電池列の出力電力が増加するように昇圧ユニットの昇圧比を制御する第２のステップとを含む。
【００３０】
また好ましくは、さらに、昇圧ユニットの昇圧比を予め定められた値に設定する設定手段と、制御手段および設定手段のうちのいずれか一方を選択するための選択手段とが設けられ、昇圧ユニットの昇圧比は、選択手段によって選択された制御手段または設定手段によって制御または設定される。
【００３１】
また好ましくは、さらに、昇圧ユニットの出力電圧が予め定められた値を超えたことに応じて昇圧ユニットの昇圧動作を停止させる保護手段が設けられる。
【００３２】
また好ましくは、さらに、第２の太陽電池列の出力電力を表示するための表示手段が設けられる。
【００３３】
【発明の実施の形態】
図１は、この発明の一実施の形態による太陽光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、この太陽光発電システムは、標準太陽電池ストリング１ａ、非標準太陽電池ストリング１ｂ、パワーコンディショナ２および昇圧ユニット１０を備える。図１では、図面の簡略化のために１つの標準太陽電池ストリング１ａと１つの非標準太陽電池ストリング１ｂのみが示されているが、さらに多くの太陽電池ストリングが含まれ得ることはいうまでもない。標準太陽電池ストリング１ａは、標準直列枚数（通常８枚または９枚）の太陽電池モジュールを含んでいる。非標準太陽電池ストリング１ｂは、標準直列枚数未満の枚数の太陽電池モジュールを含んでいる。
【００３４】
パワーコンディショナ２は、逆流防止ダイオード３，４、インバータ回路５、インバータ制御部６、出力電流検出器７、入力電圧検出器８、昇圧ユニット制御部９を含む。標準太陽電池ストリング１ａの出力電圧は、逆流防止ダイオード３を介してインバータ回路５に入力される。非標準太陽電池ストリング１ｂの出力電圧は、昇圧ユニット１０および逆流防止ダイオード４を介してインバータ回路５に入力される。インバータ回路５は、インバータ制御部６によって制御され、直流電力を商用電力と同一の位相および周波数５０または６０Ｈｚを持つ交流電力に変換し、商用電力系統２２に供給する。
【００３５】
パワーコンディショナ２の出力電流ＩＯは出力電流検出器７によって検出され、また、パワーコンディショナ２の入力電圧ＶＡは入力電圧検出器８によって検出されて、インバータ制御部６に入力される。インバータ制御部６は、出力電流検出値ＩＯと入力電圧検出値ＶＡとに基づいて、出力電流ＩＯが最大になるようにインバータ回路５を制御することにより、インバータ回路５の出力電力が最大になるように制御している。昇圧ユニット１０を運転していない場合は、図５〜図７で示したように、標準太陽電池ストリング１ａの出力電力が最大になっている。ここで、非標準太陽電池ストリング１ｂの出力電力が最大になるように制御すれば、それぞれの最大電力を足し合せた電力を出力できることになり、太陽電池ストリング１ａ，１ｂの発電電力を最大限有効に活用することが可能となる。
【００３６】
昇圧ユニット制御部９は、昇圧ユニット１０に対し、昇圧比を制御し、デューティを与えることにより、非標準太陽電池ストリング１ｂの出力電力が最大になるように昇圧ユニット１０を制御する。すなわち、昇圧ユニット制御部９は、目標となる昇圧ユニット入力電圧設定値ＶＢｒｅｆを持ち、非標準太陽電池ストリング１ｂの出力電力が増加方向になるように目標入力電圧設定値ＶＢｒｅｆを変化させる。また、パワーコンディショナ入力電圧ＶＡを検出し、昇圧ユニット入力電圧設定値ＶＢｒｅｆから昇圧比ＶＡ／ＶＢｒｅｆを決定し、その昇圧比からデューティ１−ＶＢｒｅｆ／ＶＡを算出して昇圧ユニット１０に与える。
【００３７】
昇圧ユニット１０は、昇圧回路１１、昇圧制御部１７、入力電圧検出器１８、出力電圧検出器１９、入力電流検出器２０および表示部２１を含む。昇圧回路１１は、リアクトル１２、スイッチングトランジスタ１３、ダイオード１４，１５およびコンデンサ１６を含む。非標準太陽電池ストリング１ｂで生成された直流電力は、リアクトル１２を介してスイッチングトランジスタ１３に入力される。スイッチングトランジスタ１３のオン期間にリアクトル１２に蓄えられたエネルギがスイッチングトランジスタ１３のオフ期間にダイオード１４を介してコンデンサ１６に蓄えられ出力される。つまり、スイッチングトランジスタ１３のオン／オフ制御によって昇圧回路１１の出力電圧が制御される。昇圧ユニット１０とパワーコンディショナ２の間は信号線によって接続され、互いの制御部９，１７間で通信可能となっている。
【００３８】
昇圧制御部１７は、パワーコンディショナ２の昇圧ユニット制御部９から与えられたデューティで昇圧回路１１のスイッチングトランジスタ１３をオン／オフさせる。また、昇圧制御部１７は、入力電圧ＶＢおよび入力電流ＩＢをそれぞれ検出器１８，２０を介して検出し、昇圧ユニット１０の入力電力（非標準太陽電池ストリング１ｂの出力電力）を算出し、入力電力が増加したか減少したかを示す信号をパワーコンディショナ２の昇圧ユニット制御部９に与える。表示部２１は、昇圧制御部１７で算出された瞬時電力や昇圧回路１１の運転状態を表示する。また、昇圧制御部１７は、検出器１９を介して検出した昇圧ユニット１０の出力電圧ＶＣが予め定められた値以上にならないように監視し、その値を超えた場合は過電圧保護のため昇圧回路１１の昇圧動作を停止させる。
【００３９】
図２は、この太陽光発電システムの動作を示すタイムチャートである。パワーコンディショナ２が時刻Ｔ０から連系運転を開始すると、まず、インバータ制御部６において初期動作が開始される。この初期動作期間では、パワーコンディショナ入力電圧ＶＡが予め設定された初期値ＶＡｒｅｆ（Ｔ０）に達するまで出力を増加させる。この期間Ｔ０〜Ｔ１において昇圧ユニット制御部９は動作しておらず、昇圧ユニット１０は停止している。入力電圧ＶＡが予め設定された初期値ＶＡｒｅｆ（Ｔ０）に達すると、インバータ制御部６はこの電圧を維持するようにインバータ回路５を制御する。一方、昇圧ユニット制御部９は、時刻Ｔ１から初期動作を開始する。昇圧ユニット制御部９の初期動作期間では、パワーコンディショナ入力電圧ＶＡと予め設定されている昇圧ユニット入力電圧の初期値ＶＢｒｅｆ（Ｔ０）とに基づいて昇圧比ＶＡ（Ｔ）／ＶＢｒｅｆ（Ｔ０）が求められ、さらに、デューティ１−ＶＢｒｅｆ（Ｔ０）／ＶＡ（Ｔ）が求められ、そのデューティと運転許可信号とが昇圧ユニット１０に与えられる。昇圧ユニット１０は、昇圧ユニット制御部９から運転許可信号およびデューティが与えられると、動作を開始し、デューティを徐々に変化させてスイッチングトランジスタ１３のオン時間を増加させ、デューティを１−ＶＢｒｅｆ（Ｔ０）／ＶＡ（Ｔ）にする。ここで、ＶＡ（Ｔ）は時々刻々変化するパワーコンディショナ入力電圧を示している。これは、時刻Ｔ１〜Ｔ２の間はインバータ制御部６がパワーコンディショナ入力電圧を一定に保つように制御しているが、昇圧ユニット１０の出力電力の変化によって電圧が変化するからである。昇圧ユニット１０のデューティが１−ＶＢｒｅｆ（Ｔ０）／ＶＡ（Ｔ）に達した時点Ｔ２で、昇圧ユニット１０からパワーコンディショナ２に検出電力が増加したか減少したかを示す信号が与えられる。なお、初期動作期間では、電力が０の状態から開始されるので電力は必ず増加する。
【００４０】
次に、インバータ制御部６は、最大電力点追従動作（ＭＰＰＴ）を開始する。時刻Ｔ２〜Ｔ３の間は、昇圧ユニット制御部９がデューティ１−ＶＢｒｅｆ（Ｔ０）／ＶＡ（Ｔ）を昇圧ユニット１０に与え続けるので、インバータ制御部６の最大電力点追従動作でパワーコンディショナ入力電圧ＶＡが変動しても、昇圧ユニット入力電圧ＶＢが一定に保たれる。したがって、昇圧ユニット１０の出力電力が一定に保たれるので、インバータ制御部６の最大電力点追従動作が高精度で行われる。時刻Ｔ２〜Ｔ３におけるインバータ制御部６の最大電力点追従動作では、パワーコンディショナ出力電流ＩＯが増加する方向が調べられ、パワーコンディショナ出力電流ＩＯが増加する方向へ入力電圧設定値ＶＡｒｅｆ（Ｔ０）がＶＡｒｅｆ（Ｔ３）に更新される。
【００４１】
パワーコンディショナ入力電圧ＶＡが入力電圧設定値ＶＡｒｅｆ（Ｔ３）に達した時刻（Ｔ３）からは、最大電力点追従動作は昇圧ユニット制御部９に移り、インバータ制御部６は入力電圧ＶＡが入力電圧設定値ＶＡｒｅｆ（Ｔ３）を維持するようにインバータ回路６を制御する。一方、昇圧ユニット制御部９は、昇圧ユニット１０から電力が増加したか減少したかを示す信号を受け、その信号に基づいて昇圧ユニット１０の電力が増加する方向に入力電圧設定値をＶＢｒｅｆ（Ｔ０）からＶＢｒｅｆ（Ｔ４）に更新し、デューティ１−ＶＢｒｅｆ（Ｔ４）／ＶＡ（Ｔ）を昇圧ユニット１０に与える。昇圧ユニット１０は、昇圧ユニット制御部９から与えられたデューティで動作する。時刻Ｔ４から最大電力点追従動作は、インバータ制御部６に移る。このように、最大電力点追従制御をインバータ制御部６と昇圧ユニット制御部９で交互に繰返し実行することにより、太陽電池ストリング１ａ，１ｂそれぞれの最大電力を出力させることが可能となる。
【００４２】
なお、昇圧ユニット１０の昇圧制御部１７に昇圧比を手動設定と昇圧ユニット制御部９による自動制御とのうちのいずれかに切換えるための切換スイッチを設ければ、既存のパワーコンディショナ２に昇圧ユニット１０を追加する場合のようにパワーコンディショナ２に昇圧ユニット１０との通信機能がない場合において、予め標準直列枚数と非標準直列枚数により設定された昇圧比で昇圧ユニット１０を動作させることが可能となり、より多くのシステムに対応することができる。また、その切換スイッチが、パワーコンディショナ２と昇圧ユニット１０との通信機能の有無に応じて自動的に切換えられるようにしてもよい。
【００４３】
また、この実施の形態では、昇圧回路１１の出力電圧ＶＣが所定値を超えた場合は過電圧保護のため昇圧回路１１の昇圧動作を停止させたが、インバータ回路５の入力電圧ＶＡが所定値を超えた場合に昇圧回路１１の昇圧動作を停止させてもよい。
【００４４】
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。
【００４５】
【発明の効果】
以上のように、この発明に係る昇圧ユニットでは、第２の太陽電池列の出力電圧を昇圧させるための昇圧比の制御が可能な昇圧回路と、第２の太陽電池列の出力電力を検出する電力検出器と、電力検出器の検出結果に基づいて、第２の太陽電池列の出力電力が増加したか減少したかを示す信号を出力する信号発生回路とが設けられる。したがって、信号発生回路の出力信号に基づいてシステムの出力電力が最大になるように昇圧回路の昇圧比を制御できるので、従来のように昇圧回路の昇圧比を手動で設定する必要がなくなり、システム設定時の作業が容易になる。また、第１および第２の太陽電池列のうちの一方の出力電圧が日射の影響などにより変化した場合でも、それに応じて昇圧回路の昇圧比を最適値に制御できるので、昇圧比が一定値に固定されていた従来に比べ効率が高くなる。
【００４６】
また、太陽光発電システムは、さらに、信号発生回路の出力信号に基づいて、太陽光発電システムの出力電力が最大になるように昇圧回路の昇圧比を制御する制御手段を備え、昇圧ユニットは、さらに、昇圧回路の昇圧比を予め定められた値に設定する設定手段と、制御手段および設定手段のうちのいずれか一方を選択するための選択手段とを備える。したがって、第２の太陽電池列を増設する場合に便利である。
【００４７】
また好ましくは、さらに、昇圧回路の出力電圧が予め定められた値を超えたことに応じて昇圧回路の昇圧動作を停止させる保護手段が設けられる。この場合は、昇圧回路の出力電圧が高くなりすぎてシステムが破壊されるのを防止することができる。
【００４８】
また好ましくは、さらに、電力検出器の検出結果に基づいて、第２の太陽電池列の出力電力を表示するための表示手段が設けられる。この場合は、第２の太陽電池列の出力電力を確認することができ便利である。
【００４９】
また、この発明に係るパワーコンディショナでは、第１の太陽電池列の出力電力と昇圧ユニットの出力電力とを合成し、合成した直流電力を交流電力に変換して負荷回路に与えるインバータ回路と、インバータ回路の出力電力を検出する第１の電力検出器と、第１の電力検出器の検出結果に基づいて、パワーコンディショナの出力電力が最大になるように昇圧ユニットおよびインバータ回路を制御する制御手段とが設けられる。したがって、第１の電力検出器の検出結果に基づいてパワーコンディショナの出力電力が最大になるように昇圧ユニットおよびインバータ回路を制御するので、従来のように昇圧ユニットの昇圧比を手動で設定する必要がなくなり、システム設定時の作業が容易になる。また、第１および第２の太陽電池列のうちの一方の出力電圧が日射の影響などにより変化した場合でも、それに応じて昇圧ユニットの昇圧比を最適値に制御できるので、昇圧比が一定値に固定されていた従来に比べ効率が高くなる。
【００５０】
また、昇圧ユニットは、さらに、第２の太陽電池列の出力電力を検出する第２の電力検出器と、第２の電力検出器の検出結果に基づいて、第２の太陽電池列の出力電力が増加したか減少したかを示す信号を出力する信号発生回路とを含み、制御手段は、信号発生回路の出力信号に基づいて昇圧ユニットの昇圧比を制御する。これにより、昇圧ユニットの昇圧比を容易に制御することができる。
【００５１】
また、制御手段は、昇圧ユニットの入力電圧が一定に保持されている期間にインバータ回路の出力電力が増加するようにインバータ回路の入力電圧を制御する第１のステップと、インバータ回路の入力電圧が一定に保持されている期間に第２の太陽電池列の出力電力が増加するように昇圧ユニットの昇圧比を制御する第２のステップとを含む。したがって、昇圧ユニットの昇圧比とインバータ回路とを交互に制御するので、それらの制御を容易かつ確実に行なうことができる。
【００５２】
また、この発明に係る太陽光発電システムでは、第２の太陽電池列の出力電圧を昇圧させるための昇圧ユニットと、第１の太陽電池列の出力電力と昇圧ユニットの出力電力とを合成し、合成した直流電力を交流電力に変換するためのインバータ回路とおよび太陽光発電システムの出力電力が最大になるように昇圧ユニットおよびインバータ回路を制御する制御手段を含むパワーコンディショナとが設けられる。したがって、システムの出力電力が最大になるように昇圧ユニットの昇圧比が制御手段によって制御されるので、従来のように昇圧ユニットの昇圧比を手動で設定する必要がなくなり、システム設定時の作業が容易になる。また、第１および第２の太陽電池列のうちの一方の出力電圧が日射の影響などにより変化した場合でも、それに応じて昇圧ユニットの昇圧比が最適値に制御されるので、昇圧比が一定値に固定されていた従来に比べて効率が高くなる。
【００５３】
また、制御手段は、昇圧ユニットの入力電圧が一定に保持されている期間にインバータ回路の出力電力が増加するようにインバータ回路の入力電圧を制御する第１ステップと、インバータ回路の入力電圧が一定に保持されている期間に第２の太陽電池列の出力電力が増加するように昇圧ユニットの昇圧比を制御する第２のステップとを含む。したがって、昇圧ユニットの昇圧比とインバータ回路とを交互に制御するので、それらの制御を容易かつ確実に行なうことができる。
【００５４】
好ましくは、さらに、昇圧ユニットの昇圧比を予め定められた値に設定する設定手段と、制御手段および設定手段のうちのいずれか一方を選択するための選択手段が設けられ、昇圧ユニットの昇圧比は、選択手段によって選択された制御手段または設定手段によって制御または設定される。この場合は、第２の太陽電池列を増設する場合に好適である。
【００５５】
また好ましくは、さらに、昇圧ユニットの出力電圧が予め定められた値を超えたことに応じて昇圧ユニットの昇圧動作を停止させる保護手段が設けられる。この場合は、昇圧ユニットの出力電圧が高くなりすぎてインバータ回路などが破壊されるのを防止することができる。
【００５６】
また好ましくは、さらに、第２の太陽電池列の出力電力を表示するための表示手段が設けられる。この場合は、第２の太陽電池列の出力電力を確認することができ便利である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明の一実施の形態による太陽光発電システムの構成を示す回路ブロック図である。
【図２】 図１に示した太陽光発電システムの動作を説明するためのタイムチャートである。
【図３】 従来の太陽光発電システムの構成を示す回路ブロック図である。
【図４】 図３に示した昇圧制御部の構成を示すブロック図である。
【図５】 図３に示した太陽光発電システムの動作を説明するための図である。
【図６】 図３に示した太陽光発電システムの動作を説明するための他の図である。
【図７】 図３に示した太陽光発電システムの動作を説明するためのさらに他の図である。
【図８】 図３に示した太陽光発電システムの問題点を説明するための図である。
【図９】 図３に示した太陽光発電システムの問題点を説明するための他の図である。
【符号の説明】
１ａ，３１ａ 標準太陽電池ストリング、１ｂ，３１ｂ 非標準太陽電池ストリング、２，４５ パワーコンディショナ、３，４，１４，１５，３６，３７，４１，４２ ダイオード、５ インバータ回路、６ インバータ制御部、７，２０ 電流検出器、８，１８，１９ 電圧検出器、９ 昇圧ユニット制御部、１０，３２ 昇圧ユニット、１１，３３ 昇圧回路、１２，３４ リアクトル、１３，３５ スイッチングトランジスタ、１６，３８ コンデンサ、１７，３９ 昇圧制御部、２１ 表示部、２２，４６ 商用電力系統、４０ 接続箱、４３ 雷サージアブソーバ、４４ ブレーカ、５１ 昇圧比設定部、５２ 信号設定演算部、５３ 三角波発生部、５４ 信号比較部、５５ ゲートドライブ部。
【発明の属する技術分野】
この発明は昇圧ユニット、パワーコンディショナ、およびそれらを用いた太陽光発電システムに関し、特に、第２の太陽電池列の出力電圧を昇圧させて第１の太陽電池列の出力電圧に一致させるための昇圧ユニットと、第１の太陽電池列で生成された直流電力および昇圧ユニットの出力電力を交流電力に変換して負荷回路に与えるパワーコンディショナと、それらを用いた太陽光発電システムとに関する。
【０００２】
【従来の技術】
太陽電池は、太陽光が照射されている限り、直流電源として動作し直流電力を出力する。太陽電池は、２次電池などの他のエネルギ源を介在しなくてもそれのみで直流電力を出力でき、有害な物質を排出しないため、シンプルでクリーンなエネルギ源として知られている。
【０００３】
従来の太陽光発電システムにおいては、太陽電池で生成された直流電力がパワーコンディショナによって交流電力に変換され、一般交流負荷あるいは既存の商用電力系統に供給される。パワーコンディショナには複数の太陽電池ストリングが、接続機能を有した外部装置である接続箱を介して接続される。
【０００４】
また、複数の太陽電池ストリングには、直列接続された標準枚数の太陽電池モジュールを含む標準太陽電池ストリングと、直列接続された標準枚数未満の枚数の太陽電池モジュールを含む非標準太陽電池ストリングとが含まれる。
【０００５】
たとえば、住宅の屋根上に太陽電池ストリングを設置する場合、屋根の形状や面積によっては日射量の最も多い屋根の南面だけに太陽電池モジュールを配置して太陽電池ストリングを構成することができない場合がある。屋根の南面に配置されなかった太陽電池モジュールは屋根の西面や東面にも配置されて太陽電池ストリングを構成したり、屋根の南面の主要部上に太陽電池モジュールを配置した後の周辺の残余領域に配置された小型の太陽電池モジュールをも含めて太陽電池ストリングが構成される場合がある。すなわち、いくつかの太陽電池ストリングに含まれる太陽電池モジュールの直列枚数が他の太陽電池ストリングに比べて少なくなる場合があり、その場合、太陽電池ストリング間で出力電圧が異なることになる。
【０００６】
標準直列枚数の太陽電池モジュールで構成される太陽電池ストリングと標準直列枚数未満の枚数の太陽電池モジュールで構成される太陽電池ストリングとがパワーコンディショナに並列に接続される場合、それぞれの最大電力となる動作電圧が異なるため、合成される電圧−電力特性に基づいてパワーコンディショナが最大電力点追従制御を行なっても、それぞれの最大電力を足し合せた電力を出力することはできず、太陽電池の発電電力を最大限有効に活用することはできない。このような場合、パワーコンディショナの前段に昇圧ユニットを設けて標準太陽電池ストリングと非標準太陽電池ストリングの出力電圧を合せることにより、太陽電池の発電電力を最大限有効に活用することが可能となる。
【０００７】
図３は、そのような太陽光発電システムの構成を示す回路ブロック図である。図３において、この太陽光発電システムは、標準太陽電池ストリング３１ａ、非標準太陽電池ストリング３１ｂ、昇圧ユニット３２、接続箱４０、およびパワーコンディショナ４５を備える。この図３では、図面の簡略化のために２つの太陽電池ストリング３１ａ，３１ｂのみが示されているが、通常はさらに多くの太陽電池ストリングが含まれることは言うまでもない。
【０００８】
標準太陽電池ストリング３１ａは接続箱４０を介してパワーコンディショナ４５に接続され、他方、非標準太陽電池ストリング３１ｂは昇圧ユニット３２および接続箱４０を介してパワーコンディショナ４５に接続される。昇圧ユニット３２は昇圧回路３３および昇圧制御部３９を含み、昇圧回路３３はリアクトル３４、スイッチングトランジスタ３５、ダイオード３６，３７およびコンデンサ３８を含む。
【０００９】
昇圧制御部３９は、図４に示すように、昇圧比設定部５１、信号設定演算部５２、三角波発生部５３、信号比較部５４およびゲートドライブ部５５を含む。昇圧比設定部５１は、標準太陽電池ストリング３１ａに含まれる太陽電池モジュール数ｎ１と非標準太陽電池ストリング３１ｂに含まれる太陽電池モジュール数ｎ２との比すなわち昇圧比ｎ１／ｎ２を設定する。昇圧比設定部５１には、昇圧比を切換えるための切換スイッチが設けられており、予め太陽電池ストリング３１ａ，３１ｂに合せて切換スイッチを手動的に切換えることにより、昇圧比が設定される。
【００１０】
昇圧比設定部５１で設定された昇圧比に基づいて信号設定演算部５２で生成された信号設定値Ｖｔと三角波発生部５３で生成された０からＶｄの振幅値をとる三角波信号φＴとが信号比較部５４で比較される。信号比較部５４は、信号設定値Ｖｔが三角波信号φＴのレベルよりも高い時にゲートオフレベルを出力してＰＷＭ（パルス幅変調）制御を行なう。信号比較部５４の出力パルス信号ＰＳは、ゲートドライブ５５を介してスイッチングトランジスタ３５のゲートに入力される。
【００１１】
接続箱４０は、パワーコンディショナ４５側から太陽電池ストリング３１ａ，３１ｂ側への電流の逆流を防止するための逆流防止ダイオード４１，４２と、太陽電池ストリング３１ａ，３１ｂ側からパワーコンディショナ４５側に落雷時の雷サージが侵入するのを防止するための雷サージアブソーバ４３と、太陽電池ストリング３１ａ，３１ｂ側とパワーコンディショナ４５側とを接続／遮断するためのブレーカとを含む。パワーコンディショナ４５は、接続箱４０を介して与えられた直流電力を商用電力と同一の位相および周波数５０または６０Ｈｚを持つ交流電力に変換して商用電力系統４６に供給する。
【００１２】
次に、この太陽光発電システムの動作について説明する。図５は、標準太陽電池ストリング３１ａおよび非標準太陽電池ストリング３１ｂの出力特性を示す図である。図５において、横軸は太陽電池ストリング３１ａ，３１ｂの出力電圧Ｖを示し、縦軸は太陽電池ストリング３１ａ，３１ｂの出力電力Ｐを示している。標準太陽電池ストリング３１ａの太陽電池モジュールの数ｎ１は非標準太陽電池ストリング３１ｂの太陽電池モジュールの数ｎ２よりも多いので、標準太陽電池ストリング３１ａの最大出力電力Ｐａおよび最大電力出力時の出力電圧Ｖａは非標準太陽電池ストリング３１ｂの最大出力電力Ｐｂおよび最大電力出力時の出力電圧Ｖｂよりも大きくなっている（Ｐａ＞Ｐｂ，Ｖａ＞Ｖｂ）。
【００１３】
図６は、標準太陽電池ストリング３１ａおよび非標準太陽電池ストリング３１ｂの出力特性を合成した特性を示す図である。合成した出力特性では、出力電圧がＶｂのときに出力電力が最大値Ｐａ＋α（＜Ｐａ＋Ｐｂ）となる。昇圧ユニット３２を用いない場合は、太陽電池ストリング３１ａ，３１ｂの電力はこの特性でパワーコンディショナ４５に入力される。この場合は、標準太陽電池ストリング３１ａと非標準太陽電池ストリング３１ｂでは、最大電力Ｐａ，Ｐｂを出力する電圧Ｖａ，Ｖｂが異なるため、それぞれの最大電力Ｐａ，Ｐｂを足し合せた電力Ｐａ＋Ｐｂが出力されず、太陽電池ストリング３１ａ，３１ｂの出力電力を最大限有効に活用することはできない。
【００１４】
昇圧ユニット３２を用いると、図７に示すように、非標準太陽電池ストリング３１ｂの最大電力Ｐｂ出力時の電圧を標準太陽電池ストリング３１ａの最大電力Ｐｂ出力時の電圧Ｖａに一致させることができる。これにより、２つの太陽電池ストリング３１ａ，３１ｂの最大電力Ｐａ，Ｐｂを足し合せた電力Ｐａ＋Ｐｂを出力することが可能となり、太陽電池ストリング３１ａ，３１ｂの出力電力を最大限有効に活用することが可能となる。
【００１５】
なお、他に、昇圧ユニットと接続箱機能を有するパワーコンディショナとで構成される太陽光発電システムや、接続箱機能を有する昇圧ユニットとパワーコンディショナとで構成される太陽光発電システムもあるが、基本的な機能は図３に示した太陽光発電システムと同じである。
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来の太陽光発電システムでは、標準太陽電池ストリング３１ａの太陽電池モジュールの数ｎ１と、非標準太陽電池ストリング３１ｂの太陽電池モジュールの数ｎ２とに基づいて、昇圧ユニット３２の昇圧比ｎ１／ｎ２をシステム設置時に設定する必要があり、システム設置時の作業が煩雑となる。
【００１７】
また、太陽電池モジュールは、種類によって太陽電池セル数が異なり、出力電圧も異なる。したがって、太陽電池モジュールの種類、およびその太陽電池モジュールの直列枚数の組合せのすべてに対応するには、予め多数の昇圧比設定値を準備しておく必要があり、さらに、システム設置時に太陽電池モジュールの種類および直列枚数を確認し、多数の設定値から最適な値を選択することは非常に煩雑となる。
【００１８】
また、太陽電池モジュールの種類および直列枚数の組合せに対して最適な昇圧比を設定した場合においても、太陽電池ストリング３１ａ，３１ｂ間の電圧比が常に一定であるというわけではない。たとえば太陽電池ストリング３１ａと３１ｂの設置方向が異なっており、日射や影の影響で非標準太陽電池ストリング３１ｂの素子温度がＴｓからＴｓ′に変化した場合は、図８に示すように、非標準太陽電池ストリング３１ｂの出力特性も変化する。図８では、非標準太陽電池ストリング３１ｂの最大出力電力がＰｂからＰｂ′に低下し、最大出力時の電圧がＶｂからＶｂ′に低下した状態が示される。この場合は、図９に示すように、昇圧後の非標準太陽電池ストリング３１ｂの出力電圧Ｖａ′は標準太陽電池ストリング３１ａの出力電圧Ｖａよりも低くなり、太陽電池ストリング３１ａ，３１ｂの発電電力を最大限有効に活用することができない。
【００１９】
また、昇圧ユニット３２の昇圧比の設定値を各太陽電池モジュールの種類および直列枚数の組合せごとの細かい設定値ではなく代表的な設定値で近似した場合は、設定値を多く準備する必要がなく設定時の作業も比較的煩雑ではないが、設定した昇圧比では最大電力となる動作電圧が太陽電池ストリング３１ａ，３１ｂ間で異なり、それぞれの最大電力を足し合せた電力を出力することができず、太陽電池ストリング３１ａ，３１ｂの発電電力を最大限有効に活用することはできない。
【００２０】
それゆえに、この発明の主たる目的は、設置作業が容易で、効率の向上を図ることが可能な昇圧ユニット、パワーコンディショナ、およびそれらを用いた太陽光発電システムを提供することである。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る昇圧ユニットは、直列接続された第１の数の太陽電池を含む第１の太陽電池列と、直列接続された第１の数よりも小さな第２の数の太陽電池を含む第２の太陽電池列とに少なくとも接続され、第１および第２の太陽電池列で生成された直流電力を交流電力に変換して負荷回路に与える太陽光発電システムにおいて、第２の太陽電池列の出力電圧を昇圧させて第１の太陽電池列の出力電圧に一致させるための昇圧ユニットであって、第２の太陽電池列の出力電圧を昇圧させるための昇圧比の制御が可能な昇圧回路と、第２の太陽電池列の出力電力を検出する電力検出器と、電力検出器の検出結果に基づいて、第２の太陽電池列の出力電力が増加したか減少したかを示す信号を出力する信号発生回路とを備えたものである。
【００２２】
太陽光発電システムは、さらに、信号発生回路の出力信号に基づいて、太陽光発電システムの出力電力が最大になるように昇圧回路の昇圧比を制御する制御手段を備え、昇圧ユニットは、さらに、昇圧回路の昇圧比を予め定められた値に設定する設定手段と、制御手段および設定手段のうちのいずれか一方を選択するための選択手段とを備える。
【００２３】
また好ましくは、さらに、昇圧回路の出力電圧が予め定められた値を超えたことに応じて昇圧回路の昇圧動作を停止させる保護手段が設けられる。
【００２４】
また好ましくは、さらに、電力検出器の検出結果に基づいて、第２の太陽電池列の出力電力を表示するための表示手段が設けられる。
【００２５】
また、この発明に係るパワーコンディショナは、直列接続された第１の数の太陽電池を含む第１の太陽電池列と、直列接続された第１の数よりも小さな第２の数の太陽電池を含む第２の太陽電池列に接続され、第２の太陽電池列の出力電圧を昇圧させて第１の太陽電池列の出力電圧に一致させるための昇圧比の制御が可能な昇圧ユニットとに少なくとも接続され、第１の太陽電池列で生成された直流電力および昇圧ユニットの出力電力を交流電力に変換して負荷回路に与えるパワーコンディショナであって、第１の太陽電池列の出力電力と昇圧ユニットの出力電力とを合成し、合成した直流電力を交流電力に変換して負荷回路に与えるインバータ回路と、インバータ回路の出力電力を検出する第１の電力検出器と、第１の電力検出器の検出結果に基づいて、パワーコンディショナの出力電力が最大になるように昇圧ユニットおよびインバータ回路を制御する制御手段を備えたものである。
【００２６】
昇圧ユニットは、さらに、第２の太陽電池列の出力電力を検出する第２の電力検出器と、第２の電力検出器の検出結果に基づいて、第２の太陽電池列の出力電力が増加したか減少したかを示す信号を出力する信号発生回路とを含み、制御手段は、信号発生回路の出力信号に基づいて昇圧ユニットの昇圧比を制御する。
【００２７】
また、制御手段は、昇圧ユニットの入力電圧が一定に保持されている期間にインバータ回路の出力電力が増加するようにインバータ回路の入力電圧を制御する第１のステップと、インバータ回路の入力電圧が一定に保持されている期間に第２の太陽電池列の出力電力が増加するように昇圧ユニットの昇圧比を制御する第２のステップとを含む。
【００２８】
また、この発明に係る太陽光発電システムは、直列接続された第１の数の太陽電池を含む第１の太陽電池列と、直列接続された第１の数よりも小さな第２の数の太陽電池を含む第２の太陽電池列とに少なくとも接続され、第１および第２の太陽電池列で生成された直流電力を交流電力に変換して負荷回路に与える太陽光発電システムであって、第２の太陽電池列の出力電圧を昇圧させて第１の太陽電池列の出力電圧に一致させるための昇圧比の制御が可能な昇圧ユニットと、第１の太陽電池列の出力電力と昇圧ユニットの出力電力とを合成し、合成した直流電力を交流電力に変換して負荷回路に与えるインバータ回路、および太陽光発電システムの出力電力が最大になるように昇圧ユニットおよびインバータ回路を制御する制御手段を含むパワーコンディショナとを備えたものである。
【００２９】
制御手段は、昇圧ユニットの入力電圧が一定に保持されている期間にインバータ回路の出力電力が増加するようにインバータ回路の入力電圧を制御する第１のステップと、インバータ回路の入力電圧が一定に保持されている期間に第２の太陽電池列の出力電力が増加するように昇圧ユニットの昇圧比を制御する第２のステップとを含む。
【００３０】
また好ましくは、さらに、昇圧ユニットの昇圧比を予め定められた値に設定する設定手段と、制御手段および設定手段のうちのいずれか一方を選択するための選択手段とが設けられ、昇圧ユニットの昇圧比は、選択手段によって選択された制御手段または設定手段によって制御または設定される。
【００３１】
また好ましくは、さらに、昇圧ユニットの出力電圧が予め定められた値を超えたことに応じて昇圧ユニットの昇圧動作を停止させる保護手段が設けられる。
【００３２】
また好ましくは、さらに、第２の太陽電池列の出力電力を表示するための表示手段が設けられる。
【００３３】
【発明の実施の形態】
図１は、この発明の一実施の形態による太陽光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、この太陽光発電システムは、標準太陽電池ストリング１ａ、非標準太陽電池ストリング１ｂ、パワーコンディショナ２および昇圧ユニット１０を備える。図１では、図面の簡略化のために１つの標準太陽電池ストリング１ａと１つの非標準太陽電池ストリング１ｂのみが示されているが、さらに多くの太陽電池ストリングが含まれ得ることはいうまでもない。標準太陽電池ストリング１ａは、標準直列枚数（通常８枚または９枚）の太陽電池モジュールを含んでいる。非標準太陽電池ストリング１ｂは、標準直列枚数未満の枚数の太陽電池モジュールを含んでいる。
【００３４】
パワーコンディショナ２は、逆流防止ダイオード３，４、インバータ回路５、インバータ制御部６、出力電流検出器７、入力電圧検出器８、昇圧ユニット制御部９を含む。標準太陽電池ストリング１ａの出力電圧は、逆流防止ダイオード３を介してインバータ回路５に入力される。非標準太陽電池ストリング１ｂの出力電圧は、昇圧ユニット１０および逆流防止ダイオード４を介してインバータ回路５に入力される。インバータ回路５は、インバータ制御部６によって制御され、直流電力を商用電力と同一の位相および周波数５０または６０Ｈｚを持つ交流電力に変換し、商用電力系統２２に供給する。
【００３５】
パワーコンディショナ２の出力電流ＩＯは出力電流検出器７によって検出され、また、パワーコンディショナ２の入力電圧ＶＡは入力電圧検出器８によって検出されて、インバータ制御部６に入力される。インバータ制御部６は、出力電流検出値ＩＯと入力電圧検出値ＶＡとに基づいて、出力電流ＩＯが最大になるようにインバータ回路５を制御することにより、インバータ回路５の出力電力が最大になるように制御している。昇圧ユニット１０を運転していない場合は、図５〜図７で示したように、標準太陽電池ストリング１ａの出力電力が最大になっている。ここで、非標準太陽電池ストリング１ｂの出力電力が最大になるように制御すれば、それぞれの最大電力を足し合せた電力を出力できることになり、太陽電池ストリング１ａ，１ｂの発電電力を最大限有効に活用することが可能となる。
【００３６】
昇圧ユニット制御部９は、昇圧ユニット１０に対し、昇圧比を制御し、デューティを与えることにより、非標準太陽電池ストリング１ｂの出力電力が最大になるように昇圧ユニット１０を制御する。すなわち、昇圧ユニット制御部９は、目標となる昇圧ユニット入力電圧設定値ＶＢｒｅｆを持ち、非標準太陽電池ストリング１ｂの出力電力が増加方向になるように目標入力電圧設定値ＶＢｒｅｆを変化させる。また、パワーコンディショナ入力電圧ＶＡを検出し、昇圧ユニット入力電圧設定値ＶＢｒｅｆから昇圧比ＶＡ／ＶＢｒｅｆを決定し、その昇圧比からデューティ１−ＶＢｒｅｆ／ＶＡを算出して昇圧ユニット１０に与える。
【００３７】
昇圧ユニット１０は、昇圧回路１１、昇圧制御部１７、入力電圧検出器１８、出力電圧検出器１９、入力電流検出器２０および表示部２１を含む。昇圧回路１１は、リアクトル１２、スイッチングトランジスタ１３、ダイオード１４，１５およびコンデンサ１６を含む。非標準太陽電池ストリング１ｂで生成された直流電力は、リアクトル１２を介してスイッチングトランジスタ１３に入力される。スイッチングトランジスタ１３のオン期間にリアクトル１２に蓄えられたエネルギがスイッチングトランジスタ１３のオフ期間にダイオード１４を介してコンデンサ１６に蓄えられ出力される。つまり、スイッチングトランジスタ１３のオン／オフ制御によって昇圧回路１１の出力電圧が制御される。昇圧ユニット１０とパワーコンディショナ２の間は信号線によって接続され、互いの制御部９，１７間で通信可能となっている。
【００３８】
昇圧制御部１７は、パワーコンディショナ２の昇圧ユニット制御部９から与えられたデューティで昇圧回路１１のスイッチングトランジスタ１３をオン／オフさせる。また、昇圧制御部１７は、入力電圧ＶＢおよび入力電流ＩＢをそれぞれ検出器１８，２０を介して検出し、昇圧ユニット１０の入力電力（非標準太陽電池ストリング１ｂの出力電力）を算出し、入力電力が増加したか減少したかを示す信号をパワーコンディショナ２の昇圧ユニット制御部９に与える。表示部２１は、昇圧制御部１７で算出された瞬時電力や昇圧回路１１の運転状態を表示する。また、昇圧制御部１７は、検出器１９を介して検出した昇圧ユニット１０の出力電圧ＶＣが予め定められた値以上にならないように監視し、その値を超えた場合は過電圧保護のため昇圧回路１１の昇圧動作を停止させる。
【００３９】
図２は、この太陽光発電システムの動作を示すタイムチャートである。パワーコンディショナ２が時刻Ｔ０から連系運転を開始すると、まず、インバータ制御部６において初期動作が開始される。この初期動作期間では、パワーコンディショナ入力電圧ＶＡが予め設定された初期値ＶＡｒｅｆ（Ｔ０）に達するまで出力を増加させる。この期間Ｔ０〜Ｔ１において昇圧ユニット制御部９は動作しておらず、昇圧ユニット１０は停止している。入力電圧ＶＡが予め設定された初期値ＶＡｒｅｆ（Ｔ０）に達すると、インバータ制御部６はこの電圧を維持するようにインバータ回路５を制御する。一方、昇圧ユニット制御部９は、時刻Ｔ１から初期動作を開始する。昇圧ユニット制御部９の初期動作期間では、パワーコンディショナ入力電圧ＶＡと予め設定されている昇圧ユニット入力電圧の初期値ＶＢｒｅｆ（Ｔ０）とに基づいて昇圧比ＶＡ（Ｔ）／ＶＢｒｅｆ（Ｔ０）が求められ、さらに、デューティ１−ＶＢｒｅｆ（Ｔ０）／ＶＡ（Ｔ）が求められ、そのデューティと運転許可信号とが昇圧ユニット１０に与えられる。昇圧ユニット１０は、昇圧ユニット制御部９から運転許可信号およびデューティが与えられると、動作を開始し、デューティを徐々に変化させてスイッチングトランジスタ１３のオン時間を増加させ、デューティを１−ＶＢｒｅｆ（Ｔ０）／ＶＡ（Ｔ）にする。ここで、ＶＡ（Ｔ）は時々刻々変化するパワーコンディショナ入力電圧を示している。これは、時刻Ｔ１〜Ｔ２の間はインバータ制御部６がパワーコンディショナ入力電圧を一定に保つように制御しているが、昇圧ユニット１０の出力電力の変化によって電圧が変化するからである。昇圧ユニット１０のデューティが１−ＶＢｒｅｆ（Ｔ０）／ＶＡ（Ｔ）に達した時点Ｔ２で、昇圧ユニット１０からパワーコンディショナ２に検出電力が増加したか減少したかを示す信号が与えられる。なお、初期動作期間では、電力が０の状態から開始されるので電力は必ず増加する。
【００４０】
次に、インバータ制御部６は、最大電力点追従動作（ＭＰＰＴ）を開始する。時刻Ｔ２〜Ｔ３の間は、昇圧ユニット制御部９がデューティ１−ＶＢｒｅｆ（Ｔ０）／ＶＡ（Ｔ）を昇圧ユニット１０に与え続けるので、インバータ制御部６の最大電力点追従動作でパワーコンディショナ入力電圧ＶＡが変動しても、昇圧ユニット入力電圧ＶＢが一定に保たれる。したがって、昇圧ユニット１０の出力電力が一定に保たれるので、インバータ制御部６の最大電力点追従動作が高精度で行われる。時刻Ｔ２〜Ｔ３におけるインバータ制御部６の最大電力点追従動作では、パワーコンディショナ出力電流ＩＯが増加する方向が調べられ、パワーコンディショナ出力電流ＩＯが増加する方向へ入力電圧設定値ＶＡｒｅｆ（Ｔ０）がＶＡｒｅｆ（Ｔ３）に更新される。
【００４１】
パワーコンディショナ入力電圧ＶＡが入力電圧設定値ＶＡｒｅｆ（Ｔ３）に達した時刻（Ｔ３）からは、最大電力点追従動作は昇圧ユニット制御部９に移り、インバータ制御部６は入力電圧ＶＡが入力電圧設定値ＶＡｒｅｆ（Ｔ３）を維持するようにインバータ回路６を制御する。一方、昇圧ユニット制御部９は、昇圧ユニット１０から電力が増加したか減少したかを示す信号を受け、その信号に基づいて昇圧ユニット１０の電力が増加する方向に入力電圧設定値をＶＢｒｅｆ（Ｔ０）からＶＢｒｅｆ（Ｔ４）に更新し、デューティ１−ＶＢｒｅｆ（Ｔ４）／ＶＡ（Ｔ）を昇圧ユニット１０に与える。昇圧ユニット１０は、昇圧ユニット制御部９から与えられたデューティで動作する。時刻Ｔ４から最大電力点追従動作は、インバータ制御部６に移る。このように、最大電力点追従制御をインバータ制御部６と昇圧ユニット制御部９で交互に繰返し実行することにより、太陽電池ストリング１ａ，１ｂそれぞれの最大電力を出力させることが可能となる。
【００４２】
なお、昇圧ユニット１０の昇圧制御部１７に昇圧比を手動設定と昇圧ユニット制御部９による自動制御とのうちのいずれかに切換えるための切換スイッチを設ければ、既存のパワーコンディショナ２に昇圧ユニット１０を追加する場合のようにパワーコンディショナ２に昇圧ユニット１０との通信機能がない場合において、予め標準直列枚数と非標準直列枚数により設定された昇圧比で昇圧ユニット１０を動作させることが可能となり、より多くのシステムに対応することができる。また、その切換スイッチが、パワーコンディショナ２と昇圧ユニット１０との通信機能の有無に応じて自動的に切換えられるようにしてもよい。
【００４３】
また、この実施の形態では、昇圧回路１１の出力電圧ＶＣが所定値を超えた場合は過電圧保護のため昇圧回路１１の昇圧動作を停止させたが、インバータ回路５の入力電圧ＶＡが所定値を超えた場合に昇圧回路１１の昇圧動作を停止させてもよい。
【００４４】
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。
【００４５】
【発明の効果】
以上のように、この発明に係る昇圧ユニットでは、第２の太陽電池列の出力電圧を昇圧させるための昇圧比の制御が可能な昇圧回路と、第２の太陽電池列の出力電力を検出する電力検出器と、電力検出器の検出結果に基づいて、第２の太陽電池列の出力電力が増加したか減少したかを示す信号を出力する信号発生回路とが設けられる。したがって、信号発生回路の出力信号に基づいてシステムの出力電力が最大になるように昇圧回路の昇圧比を制御できるので、従来のように昇圧回路の昇圧比を手動で設定する必要がなくなり、システム設定時の作業が容易になる。また、第１および第２の太陽電池列のうちの一方の出力電圧が日射の影響などにより変化した場合でも、それに応じて昇圧回路の昇圧比を最適値に制御できるので、昇圧比が一定値に固定されていた従来に比べ効率が高くなる。
【００４６】
また、太陽光発電システムは、さらに、信号発生回路の出力信号に基づいて、太陽光発電システムの出力電力が最大になるように昇圧回路の昇圧比を制御する制御手段を備え、昇圧ユニットは、さらに、昇圧回路の昇圧比を予め定められた値に設定する設定手段と、制御手段および設定手段のうちのいずれか一方を選択するための選択手段とを備える。したがって、第２の太陽電池列を増設する場合に便利である。
【００４７】
また好ましくは、さらに、昇圧回路の出力電圧が予め定められた値を超えたことに応じて昇圧回路の昇圧動作を停止させる保護手段が設けられる。この場合は、昇圧回路の出力電圧が高くなりすぎてシステムが破壊されるのを防止することができる。
【００４８】
また好ましくは、さらに、電力検出器の検出結果に基づいて、第２の太陽電池列の出力電力を表示するための表示手段が設けられる。この場合は、第２の太陽電池列の出力電力を確認することができ便利である。
【００４９】
また、この発明に係るパワーコンディショナでは、第１の太陽電池列の出力電力と昇圧ユニットの出力電力とを合成し、合成した直流電力を交流電力に変換して負荷回路に与えるインバータ回路と、インバータ回路の出力電力を検出する第１の電力検出器と、第１の電力検出器の検出結果に基づいて、パワーコンディショナの出力電力が最大になるように昇圧ユニットおよびインバータ回路を制御する制御手段とが設けられる。したがって、第１の電力検出器の検出結果に基づいてパワーコンディショナの出力電力が最大になるように昇圧ユニットおよびインバータ回路を制御するので、従来のように昇圧ユニットの昇圧比を手動で設定する必要がなくなり、システム設定時の作業が容易になる。また、第１および第２の太陽電池列のうちの一方の出力電圧が日射の影響などにより変化した場合でも、それに応じて昇圧ユニットの昇圧比を最適値に制御できるので、昇圧比が一定値に固定されていた従来に比べ効率が高くなる。
【００５０】
また、昇圧ユニットは、さらに、第２の太陽電池列の出力電力を検出する第２の電力検出器と、第２の電力検出器の検出結果に基づいて、第２の太陽電池列の出力電力が増加したか減少したかを示す信号を出力する信号発生回路とを含み、制御手段は、信号発生回路の出力信号に基づいて昇圧ユニットの昇圧比を制御する。これにより、昇圧ユニットの昇圧比を容易に制御することができる。
【００５１】
また、制御手段は、昇圧ユニットの入力電圧が一定に保持されている期間にインバータ回路の出力電力が増加するようにインバータ回路の入力電圧を制御する第１のステップと、インバータ回路の入力電圧が一定に保持されている期間に第２の太陽電池列の出力電力が増加するように昇圧ユニットの昇圧比を制御する第２のステップとを含む。したがって、昇圧ユニットの昇圧比とインバータ回路とを交互に制御するので、それらの制御を容易かつ確実に行なうことができる。
【００５２】
また、この発明に係る太陽光発電システムでは、第２の太陽電池列の出力電圧を昇圧させるための昇圧ユニットと、第１の太陽電池列の出力電力と昇圧ユニットの出力電力とを合成し、合成した直流電力を交流電力に変換するためのインバータ回路とおよび太陽光発電システムの出力電力が最大になるように昇圧ユニットおよびインバータ回路を制御する制御手段を含むパワーコンディショナとが設けられる。したがって、システムの出力電力が最大になるように昇圧ユニットの昇圧比が制御手段によって制御されるので、従来のように昇圧ユニットの昇圧比を手動で設定する必要がなくなり、システム設定時の作業が容易になる。また、第１および第２の太陽電池列のうちの一方の出力電圧が日射の影響などにより変化した場合でも、それに応じて昇圧ユニットの昇圧比が最適値に制御されるので、昇圧比が一定値に固定されていた従来に比べて効率が高くなる。
【００５３】
また、制御手段は、昇圧ユニットの入力電圧が一定に保持されている期間にインバータ回路の出力電力が増加するようにインバータ回路の入力電圧を制御する第１ステップと、インバータ回路の入力電圧が一定に保持されている期間に第２の太陽電池列の出力電力が増加するように昇圧ユニットの昇圧比を制御する第２のステップとを含む。したがって、昇圧ユニットの昇圧比とインバータ回路とを交互に制御するので、それらの制御を容易かつ確実に行なうことができる。
【００５４】
好ましくは、さらに、昇圧ユニットの昇圧比を予め定められた値に設定する設定手段と、制御手段および設定手段のうちのいずれか一方を選択するための選択手段が設けられ、昇圧ユニットの昇圧比は、選択手段によって選択された制御手段または設定手段によって制御または設定される。この場合は、第２の太陽電池列を増設する場合に好適である。
【００５５】
また好ましくは、さらに、昇圧ユニットの出力電圧が予め定められた値を超えたことに応じて昇圧ユニットの昇圧動作を停止させる保護手段が設けられる。この場合は、昇圧ユニットの出力電圧が高くなりすぎてインバータ回路などが破壊されるのを防止することができる。
【００５６】
また好ましくは、さらに、第２の太陽電池列の出力電力を表示するための表示手段が設けられる。この場合は、第２の太陽電池列の出力電力を確認することができ便利である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明の一実施の形態による太陽光発電システムの構成を示す回路ブロック図である。
【図２】 図１に示した太陽光発電システムの動作を説明するためのタイムチャートである。
【図３】 従来の太陽光発電システムの構成を示す回路ブロック図である。
【図４】 図３に示した昇圧制御部の構成を示すブロック図である。
【図５】 図３に示した太陽光発電システムの動作を説明するための図である。
【図６】 図３に示した太陽光発電システムの動作を説明するための他の図である。
【図７】 図３に示した太陽光発電システムの動作を説明するためのさらに他の図である。
【図８】 図３に示した太陽光発電システムの問題点を説明するための図である。
【図９】 図３に示した太陽光発電システムの問題点を説明するための他の図である。
【符号の説明】
１ａ，３１ａ 標準太陽電池ストリング、１ｂ，３１ｂ 非標準太陽電池ストリング、２，４５ パワーコンディショナ、３，４，１４，１５，３６，３７，４１，４２ ダイオード、５ インバータ回路、６ インバータ制御部、７，２０ 電流検出器、８，１８，１９ 電圧検出器、９ 昇圧ユニット制御部、１０，３２ 昇圧ユニット、１１，３３ 昇圧回路、１２，３４ リアクトル、１３，３５ スイッチングトランジスタ、１６，３８ コンデンサ、１７，３９ 昇圧制御部、２１ 表示部、２２，４６ 商用電力系統、４０ 接続箱、４３ 雷サージアブソーバ、４４ ブレーカ、５１ 昇圧比設定部、５２ 信号設定演算部、５３ 三角波発生部、５４ 信号比較部、５５ ゲートドライブ部。
Claims (8)
- 直列接続された第１の数の太陽電池を含む第１の太陽電池列と、直列接続された前記第１の数よりも小さな第２の数の太陽電池を含む第２の太陽電池列とに少なくとも接続され、前記第１および第２の太陽電池列で生成された直流電力を交流電力に変換して負荷回路に与える太陽光発電システムにおいて、前記第２の太陽電池列の出力電圧を昇圧させて前記第１の太陽電池列の出力電圧に一致させるための昇圧ユニットであって、
前記第２の太陽電池列の出力電圧を昇圧させるための昇圧比の制御が可能な昇圧回路、
前記第２の太陽電池列の出力電力を検出する電力検出器、および
前記電力検出器の検出結果に基づいて、前記第２の太陽電池列の出力電力が増加したか減少したかを示す信号を出力する信号発生回路を備え、
前記太陽光発電システムは、さらに、前記信号発生回路の出力信号に基づいて、前記太陽光発電システムの出力電力が最大になるように前記昇圧回路の昇圧比を制御する制御手段を備え、
前記昇圧ユニットは、
さらに、前記昇圧回路の昇圧比を予め定められた値に設定する設定手段、および
前記制御手段および前記設定手段のうちのいずれか一方を選択するための選択手段を備える、昇圧ユニット。 - さらに、前記昇圧回路の出力電圧が予め定められた値を超えたことに応じて前記昇圧回路の昇圧動作を停止させる保護手段を備える、請求項１に記載の昇圧ユニット。
- さらに、前記電力検出器の検出結果に基づいて、前記第２の太陽電池列の出力電力を表示するための表示手段を備える、請求項１または請求項２に記載の昇圧ユニット。
- 直列接続された第１の数の太陽電池を含む第１の太陽電池列と、直列接続された前記第１の数よりも小さな第２の数の太陽電池を含む第２の太陽電池列に接続され、前記第２の太陽電池列の出力電圧を昇圧させて前記第１の太陽電池列の出力電圧に一致させるための昇圧比の制御が可能な昇圧ユニットとに少なくとも接続され、前記第１の太陽電池列で生成された直流電力および前記昇圧ユニットの出力電力を交流電力に変換して負荷回路に与えるパワーコンディショナであって、
前記第１の太陽電池列の出力電力と前記昇圧ユニットの出力電力とを合成し、合成した直流電力を交流電力に変換して前記負荷回路に与えるインバータ回路、
前記インバータ回路の出力電力を検出する第１の電力検出器、および
前記第１の電力検出器の検出結果に基づいて、前記パワーコンディショナの出力電力が最大になるように前記昇圧ユニットおよび前記インバータ回路を制御する制御手段を備え、
前記昇圧ユニットは、
さらに、前記第２の太陽電池列の出力電力を検出する第２の電力検出器、および
前記第２の電力検出器の検出結果に基づいて、前記第２の太陽電池列の出力電力が増加したか減少したかを示す信号を出力する信号発生回路を含み、
前記制御手段は、前記信号発生回路の出力信号に基づいて前記昇圧ユニットの昇圧比を制御し、
前記制御手段は、
前記昇圧ユニットの入力電圧が一定に保持されている期間に前記インバータ回路の出力電力が増加するように前記インバータ回路の入力電圧を制御する第１のステップ、および
前記インバータ回路の入力電圧が一定に保持されている期間に前記第２の太陽電池列の出力電力が増加するように前記昇圧ユニットの昇圧比を制御する第２のステップを含む、パワーコンディショナ。 - 直列接続された第１の数の太陽電池を含む第１の太陽電池列と、直列接続された前記第１の数よりも小さな第２の数の太陽電池を含む第２の太陽電池列とに少なくとも接続され、前記第１および第２の太陽電池列で生成された直流電力を交流電力に変換して負荷回路に与える太陽光発電システムであって、
前記第２の太陽電池列の出力電圧を昇圧させて前記第１の太陽電池列の出力電圧に一致させるための昇圧比の制御が可能な昇圧ユニットと、
前記第１の太陽電池列の出力電力と前記昇圧ユニットの出力電力とを合成し、合成した直流電力を交流電力に変換して前記負荷回路に与えるインバータ回路、および
前記太陽光発電システムの出力電力が最大になるように前記昇圧ユニットおよび前記インバータ回路を制御する制御手段を含むパワーコンディショナとを備え、
前記制御手段は、
前記昇圧ユニットの入力電圧が一定に保持されている期間に前記インバータ回路の出力電力が増加するように前記インバータ回路の入力電圧を制御する第１のステップ、および
前記インバータ回路の入力電圧が一定に保持されている期間に前記第２の太陽電池列の出力電力が増加するように前記昇圧ユニットの昇圧比を制御する第２のステップを含む、太陽光発電システム。 - さらに、前記昇圧ユニットの昇圧比を予め定められた値に設定する設定手段、および
前記制御手段および前記設定手段のうちのいずれか一方を選択するための選択手段を備え、
前記昇圧ユニットの昇圧比は、前記選択手段によって選択された前記制御手段または前記設定手段によって制御または設定される、請求項５に記載の太陽光発電システム。 - さらに、前記昇圧ユニットの出力電圧が予め定められた値を超えたことに応じて前記昇圧ユニットの昇圧動作を停止させる保護手段を備える、請求項５または請求項６に記載の太陽光発電システム。
- さらに、前記第２の太陽電池列の出力電力を表示するための表示手段を備える、請求項５から請求項７のいずれかに記載の太陽光発電システム。
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