WO2016129464A1 - 電力変換装置の制御装置、制御プログラム及び電力変換装置 - Google Patents

電力変換装置の制御装置、制御プログラム及び電力変換装置 Download PDF

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voltage
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康次 真木
宏 餅川
真吾 柳本
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Toshiba Corp
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Toshiba Corp
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    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05F—SYSTEMS FOR REGULATING ELECTRIC OR MAGNETIC VARIABLES
    • G05F1/00—Automatic systems in which deviations of an electric quantity from one or more predetermined values are detected at the output of the system and fed back to a device within the system to restore the detected quantity to its predetermined value or values, i.e. retroactive systems
    • G05F1/66—Regulating electric power
    • G05F1/67—Regulating electric power to the maximum power available from a generator, e.g. from solar cell
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—ELECTRIC POWER NETWORKS; CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J3/00—Circuit arrangements for AC mains or AC distribution networks
    • H02J3/38—Arrangements for feeding a single network from two or more generators or sources in parallel; Arrangements for feeding already energised networks from additional generators or sources in parallel
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/12—Arrangements for reducing harmonics from AC input or output
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00—Conversion of AC power input into DC power output; Conversion of DC power input into AC power output
    • H02M7/42—Conversion of DC power input into AC power output without possibility of reversal
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
    • Y02E10/56—Power conversion systems, e.g. maximum power point trackers

Definitions

  • Embodiments of the present invention relate to a control device, a control program, and a power conversion device for a power conversion device that searches for a maximum power point of a power supply.
  • a power conversion device for connection with a load or interconnection with a system is indispensable.
  • the solar power generation device is configured to be able to supply desired power to the system by connecting to a power conversion device called PCS (Power Conditioning System).
  • PCS Power Conditioning System
  • PCSs often have a DC-DC converter for boosting, a power converter called an inverter for orthogonal transformation, and a control unit thereof.
  • the PCS also has an MPPT (Maximum power point tracker) control unit that tracks the maximum power point at which the output power becomes maximum as the amount of solar radiation changes from moment to moment.
  • MPPT Maximum power point tracker
  • MPPT automatically finds the current x voltage value that maximizes the output, that is, the maximum power point under constantly changing weather conditions.
  • a hill climbing method is generally employed as a method for searching for the maximum power point.
  • the hill-climbing method searches the maximum power point by changing the battery voltage at a fixed time interval with a predetermined step width, checking the increase / decrease in output power, and constantly changing the voltage in the direction in which the output power increases. It is a technique to do.
  • a search is performed with a coarse voltage step width set within a certain voltage range. Then, after detecting the vicinity of the highest vertex of a plurality of peaks, a search with a voltage step width narrower than the primary search is performed as a secondary search (see, for example, Patent Document 1).
  • the current mode and the voltage mode are divided across the maximum power point in the current-voltage curve.
  • the current mode the current is varied with a predetermined current step width.
  • the voltage mode the voltage is increased with a predetermined voltage step width.
  • JP 2012-211151 A Japanese Patent No. 3359206 US Pat. No. 8,754,627 Japanese Patent No. 4491622
  • the embodiment of the present invention has been proposed to solve the above-described problems of the prior art, and the main purpose thereof is to search the maximum power point at high speed in the power generation power maximization control, It is an object of the present invention to provide a power converter control device, a control program, and a power conversion device that can reduce a loss of power generation opportunity and obtain a large amount of electric power and require less control adjustment.
  • a purpose of the embodiment is to provide a power converter control device, a control program, and a power conversion device that can reduce the energy buffer size and cost while increasing the search time.
  • control device of the power conversion device increases or decreases the operating voltage or the operating current of the power source connected to the power converter by a predetermined step width, and the power source
  • a search unit that searches for the maximum power point, and a continuous determination unit that determines whether the search unit has continuously increased or decreased the operating voltage or operating current of the power source, and A step width increasing section that increases the step width when the continuous determination section determines that the number has increased or decreased continuously a predetermined number of times.
  • a power conversion device having the above power converter and control device can be configured.
  • the power supply system 100 includes a power supply 200 and a PCS 300.
  • the power supply system 100 includes a power supply 200 and a PCS 300.
  • the power source 200 is a power supply source.
  • a distributed power source can be used.
  • a distributed power source is a power generation facility that is distributed and arranged near a place where power is demanded compared to a large-scale power plant.
  • a solar power generation device, a wind power generation device, or the like in which the generated power is relatively unstable is suitable, but is not limited thereto. It can also be applied to fuel cells, storage batteries, and the like.
  • a case where the photovoltaic power generation apparatus is the power source 200 will be described as an example.
  • the PCS 300 is a power conversion device that converts power generated by the power source 200 into power corresponding to a load or a system.
  • the PCS 300 includes a power converter 400 and a control device 500.
  • the power converter 400 is a circuit that converts input power.
  • the power converter 400 includes, for example, a DC-DC converter that boosts a DC voltage from the power source 200, and an inverter that converts DC power into AC power and outputs the AC power.
  • a DC-DC converter and an inverter have a switching element, and can output desired power by switching on and off.
  • the switching element is a self-extinguishing element such as GTO, MOSFET, IGBT, IEGT, and the like, and is connected to a power source and a drive circuit.
  • the power converter 400 is not limited to the above configuration. Various converters available now or in the future are applicable. For example, in order to supply direct-current power, the power converter 400 having only a DC-DC converter can be applied. In addition, an inverter-only power converter 400 in which a DC-DC converter is omitted can be applied. Further, the power converter 400 may be a MIC (Module Integrated Converter) such as a DC-DC optimizer or a micro inverter that is installed in each power source 200 such as a solar power generation device instead of in the PCS 300.
  • MIC Mode Integrated Converter
  • the control device 500 is a device that controls the power converter 400.
  • the control device 500 can be realized by controlling the computer with a predetermined program or by a dedicated electronic circuit.
  • the program in this case implements the processing of each unit as described below by physically utilizing computer hardware.
  • a method for executing the processing of each unit, a program, and a recording medium on which the program is recorded are also one aspect of the embodiment.
  • how to set the range processed by hardware and the range processed by software including a program is not limited to a specific mode.
  • the control device 500 includes a storage unit 10, a converter control unit 20, and an MPPT control unit 30.
  • the storage unit 10 is a processing unit that stores various types of information necessary for power conversion processing by the PCS 300.
  • any storage medium that can be used now or in the future, such as a semiconductor memory or a hard disk, can be used.
  • the storage unit 10 may be configured in such a manner that the storage content can be used for various processes by mounting a storage medium in which information is already stored in the reading device.
  • the storage unit 10 includes a main storage device for storing programs and the like, a cache memory used as a temporary storage area, a buffer memory, a register, and the like.
  • a storage area for information input from outside via a sensor or a network (not shown) and information exchanged by absorbing differences in processing timing between the respective sections can also be regarded as the storage section 10.
  • Information stored in the storage unit 10 includes information detected and input by a sensor, information input from the outside via a network, information generated by a converter control unit 20 and an MPPT control unit 30 described later, and the like. is there.
  • Such information includes the operating voltage and operating current of the power source 200, the generated power of the power source 200, the voltage command value, and the current command value.
  • the operating voltage, the operating current, the generated power, the voltage command value, and the current command value may be detected values or estimated values obtained by calculation of the control device 500 from any measured value or the like.
  • this information includes set values set in advance for the processing of the MPPT control unit 30 and the converter control unit 20.
  • Setting values are: search start position, MPPT control timing, MPPT step width, number of continuations, step width increment, number of repetitions, step width decrement, carrier resolution, step width minimum width, upper limit and lower limit Including the search range, the number of times the upper or lower limit is reached, and the cycle of AC power. The use of such information will be described later.
  • the converter control unit 20 is a processing unit that controls the power converter 400.
  • the converter control unit 20 outputs an electric power corresponding to the voltage command value or the current command value by outputting an on / off switching instruction of the switching element of the power converter 400 to the drive circuit.
  • the control by the converter control unit 20 is performed by PWM control, for example.
  • the PWM control is a control in which the switching element is turned on only during a period in which the modulation wave is large by comparing the modulation wave and the carrier wave.
  • the MPPT control unit 30 is a processing unit that performs generated power maximization control. That is, the MPPT control unit 30 searches for an operating point at which the output power of the power source 200 is maximum.
  • the MPPT control unit 30 includes a search unit 31, a continuation determination unit 32, and a step width increase unit 33.
  • the search unit 31 is a processing unit that searches for the maximum power point of the power source 200 by increasing or decreasing the operating voltage or operating current of the power source 200 connected to the power converter 400 by a predetermined step width. That is, the search unit 31 performs MPPT control by the hill climbing method.
  • the hill-climbing method for example, as shown in the power-voltage characteristic of FIG. 2, the output voltage is increased or decreased by changing the operating voltage of the power source 200 by a predetermined step width ⁇ v at a predetermined control timing.
  • the predetermined control timing is a fixed time interval set in the storage unit 10 in advance.
  • the predetermined step width is a fluctuation range of voltage or current set in the storage unit 10 in advance.
  • the search unit 31 starts the search from the search start position set in the storage unit 10 in advance.
  • the search start position is one of the position corresponding to the zero-voltage short-circuit current in FIG. 2 and the position corresponding to the zero-current open-circuit voltage. For this reason, you may start a search from the position of a short circuit current, and the position of an open circuit voltage. However, as will be described later, when the search range is set, it starts from either the upper limit or the lower limit.
  • the continuation determination unit 32 is a processing unit that determines whether or not the search unit 31 has increased or decreased the operating voltage or operating current of the power source 200 continuously for a predetermined number of times. Continuous increase or decrease is a process in which the operating voltage or operating current is increased or decreased for each search executed in a certain control cycle, as shown in FIG. The case where it decreases after the decrease.
  • the step width increasing unit 33 is a processing unit that increases the step width when the continuation determining unit 32 determines that it has been continuously increased or decreased a predetermined number of times.
  • the predetermined number of times is a continuous number set in the storage unit 10 in advance.
  • the increment to be increased is a value that increases the step width set in advance in the storage unit 10. As the increment setting, an amount to be added can be set, or a numerical value to be multiplied to be increased can be set.
  • the search unit 31 increases the operating voltage V1 to V2 and V3 twice in succession by ⁇ V1, Assume that the power is increased from P1 to P3. Then, the step width increasing unit 33 increases ⁇ V2 obtained by adding an increment to ⁇ V1.
  • the PCS 300 is connected to an input unit and an output unit.
  • the input unit is a component that inputs information necessary for processing of the PCS 300, selection of processing, and instructions. An operator can input information stored in the storage unit 10 via the input unit.
  • the input unit includes any input device that can be used at present or in the future, such as a keyboard, a mouse, a touch panel (including a touch panel), a switch, and a voice input unit.
  • the output unit is a component that outputs information stored in the storage unit 10 in the PCS 300, processing results of each unit, and the like so that the worker can recognize the information.
  • the output unit includes any output device that can be used now or in the future, such as a display device, a printer, a meter, a lamp, a speaker, and a buzzer. For example, an operator can confirm the operation state by displaying information being processed on the display device as a numerical value, a graph, or the like.
  • the input unit and the output unit include those configured as an operation panel of the PCS 300 and those configured as a computer terminal for operation connected to the PCS 300 via a cable or a network.
  • the MPPT control unit 30 of the present embodiment changes the voltage from a low voltage to a high voltage with a constant voltage step width ⁇ v1 in a direction in which the power increases from P1 to P3.
  • the MPPT control unit 30 performs control so as to quickly reach the maximum power point Pmax by increasing the step width to ⁇ v2 larger than ⁇ v1.
  • the continuation determination unit 32 initializes a variable N indicating the number of continuations when the search unit 31 starts MPPT control (step S01). Then, the continuation determination unit 32 determines whether or not the voltage value is continuously increased or continuously decreased during the search by the search unit 31 (step S02). If the search unit 31 determines that the voltage value has been continuously increased or decreased (YES in step S03), the continuation determination unit 32 increments the variable N indicating the number of continuations (step S04).
  • the continuation determination unit 32 determines whether or not the variable N has reached the predetermined number of times Y (step S05). When the continuation determination unit 32 determines that the predetermined number of times Y has not been reached (NO in step S06), the process returns to the continuation determination process (step S02). Further, if the search unit 31 determines that the voltage value has been continuously increased or decreased (YES in step S03), the continuation determination unit 32 increments the variable N (step S04).
  • the step width increasing unit 33 determines whether or not the variable N has reached the predetermined number of times Y (step S05). If the step width increasing unit 33 determines that the predetermined number of times Y has been reached (YES in step S06), the step width of the search performed by the search unit 31 is increased (step S07).
  • step S02 determines in step S02 that the voltage value is not continuously increasing or continuously decreasing (NO in step S03).
  • the variable N is initialized ( Step S01). For this reason, only when the operating voltage continuously increases or decreases, the step width is increased.
  • the search unit 31 continuously performs a search with the increased step width, but after that, when the voltage value is continuously increased or decreased, the above step width increase processing is performed.
  • the control device 500 of the power converter 400 increases or decreases the operating voltage or operating current of the power source 200 connected to the power converter 400 by a predetermined step width, and thereby increases the maximum power point of the power source 200.
  • the unit 32 includes a step width increasing unit 33 that increases the step width when it is determined that the unit 32 has continuously increased or decreased a predetermined number of times.
  • the search unit 31 searching for the voltage value continuously increasing or decreasing a predetermined number of times means that the generated power is not the maximum point.
  • the step width can be increased by detecting that the voltage value has increased a predetermined number of times.
  • the search start point in the search unit 31 When the search start point in the search unit 31 is set at a position corresponding to a short circuit current or an open voltage, the search starts from a position far from the maximum power point. In this case, speeding up the search by increasing or decreasing the step width according to this embodiment is effective.
  • the starting point of the search in the search unit 31 can be set on the high voltage side with respect to the maximum power point.
  • the search may be started from the open circuit voltage.
  • the MPPT control unit 30 of the present embodiment includes a repetition determination unit 34 and a step width reduction unit 35 as shown in FIG.
  • the repeat determination unit 34 is a processing unit that determines whether or not the search unit 31 has repeatedly increased and decreased the operating voltage or operating current of the power source 200.
  • the step width reduction unit 35 is a processing unit that reduces the step width when the repetition determination unit 34 determines that the repetition has been repeated a predetermined number of times.
  • the predetermined number of times is set in advance in the storage unit 10 and is the number of repetitions of increase / decrease that is assumed to occur before and after the maximum power point.
  • the decrement to be decreased is a value for decreasing the step width set in the storage unit 10 in advance. As the decrement setting, an amount to be subtracted can be set, or a numerical value to be multiplied or divided to be decreased can be set.
  • the present embodiment basically performs the same operation as the first embodiment.
  • the voltage value is repeatedly increased and decreased. Such an increase and decrease is expressed as going back and forth.
  • the repetition determining unit 34 initializes a variable R indicating the number of repetitions when the search unit 31 starts MPPT control (step S11). Then, the repetition determination unit 34 determines whether or not the search unit 31 has been decreased following the increase in the voltage value during the search or has been increased subsequent to the decrease (step S12). When it is determined that the repetition determination unit 34 has decreased following the increase of the voltage value or increased following the decrease (YES in step S13), the repetition determination unit 34 increments the variable R indicating the number of repetitions (step S14). .
  • step S15 determines whether or not the variable R has reached the predetermined number of times Z.
  • step S16 determines that the predetermined number of times Z has not been reached.
  • the repetition determining unit 34 increments the variable R (step S14).
  • the step width reducing unit 35 determines whether or not the variable R has reached the predetermined number of times Z (step S15). When the step width reducing unit 35 determines that the predetermined number of times Z has been reached (YES in step S16), the step width of the search performed by the search unit 31 is decreased (step S17).
  • step S12 determines in step S12 that the voltage value is not increased or decreased (NO in step S13)
  • the variable R is initialized (step S11). For this reason, only when the operating voltage continuously increases and decreases, it becomes the target of the step width reduction process.
  • the search unit 31 continuously performs a search with a reduced step width. After that, each time the increase / decrease is repeated, the search unit 31 performs the step width reduction process to search for the maximum power point.
  • the search unit 31 determines whether or not the increase or decrease in the operating voltage or operating current of the power supply 200 has been repeated a predetermined number of times.
  • the repetition determination unit 34 and the repetition determination unit 34 include a step width reduction unit 35 that decreases the step width when it is determined that the repetition determination unit 34 has been repeated a predetermined number of times.
  • the search time can be shortened by increasing the step width.
  • the increase and decrease in operating voltage are repeated, it can be estimated that the operating voltage is close to the maximum power point, so the step width is reduced to prevent a decrease in generated power.
  • the minimum step width set in advance in the storage unit 10 is set based on the resolution of the carrier wave that the converter control unit 20 compares with the modulated wave. That is, when digital control is performed, as shown in FIG. 8A, the carrier wave has a minimum resolution n as a control period for comparison with the modulated wave.
  • the resolution n is set to the minimum step width when the step width is reduced as in the second embodiment.
  • the voltage is set as the resolution
  • the power converter 400 is a current type
  • the current is set as the resolution of the carrier wave to be compared with the modulation wave.
  • FIG. 8B shows an example in the case of the voltage type power converter 400.
  • the voltage type power converter 400 stores energy with voltage using the capacitor C as an energy buffer.
  • the voltage varies to some extent depending on the amount of energy stored.
  • the fluctuation range is Vmax to Vmin
  • a value obtained by dividing the minimum value Vmin by the resolution n of the carrier wave is set as a minimum step width ⁇ V that decreases from the voltage value Vc.
  • the minimum step width for decreasing the current value may be set based on the resolution. It should be noted that the step width does not necessarily match the minimum resolution. For example, if the resolution is sufficiently high, it may be twice the minimum resolution.
  • the MPPT control unit 30 of the present embodiment includes a start position instruction unit 36 and a search stop unit 37, as shown in FIG.
  • a search range by the search unit 31 is set in the storage unit 10 in advance.
  • the search range is the upper limit and lower limit of the voltage or current to be searched.
  • the reason for setting such a search range is mainly as follows. (1) Strategic reasons for prioritizing search time or accurate search (2) Constraints on specifications of power converter 400
  • the maximum search range is a range corresponding to the short-circuit current and the open-circuit voltage.
  • the search time can be adjusted. For example, it is possible to search in a short time by setting the search range in a range where the maximum power point is likely to be empirically.
  • a curve indicating the current-voltage characteristics of the solar panel may indicate a plurality of peak points.
  • the search range is narrowed down, only the peak points within the range are searched, so that the search can be performed in a short time.
  • the search range is widened, it takes a long time to search, but the possibility of searching for the true maximum power point can be increased. That is, there is a strategic reason for setting the search range to how far the peak point is searched in relation to the search time.
  • the power converter 400 when trying to search to a low voltage in the MPPT control, the power converter 400 approaches a short-circuit current, and thus a large current flows.
  • the current that can flow is limited due to the specifications of the power converter 400, and thus searching that exceeds this limit may not be possible. That is, there are necessarily upper and lower limits of voltage or current that can be operated as the power converter 400.
  • the upper limit and the lower limit of the search range are set according to the design of the power converter 400. That is, the reason for setting the search range is that there is an inherent restriction as the power converter 400.
  • the search range in the present embodiment is not limited to a specific range, but can be an appropriate range considering the above (1) and (2).
  • the fluctuation range due to the temperature coefficient is, for example, variation due to the temperature coefficient of the maximum power point in the reference state (STC) defined for measurement conditions such as light intensity, spectrum, and temperature.
  • the fluctuation range depending on the product is a variation occurring in each product of the power supply 200 that is mass-produced.
  • the detection error is an error of a detection value that can occur in the sensor, the control device 500, or the like.
  • the margin is a range for giving a margin to the range.
  • the search stop unit 37 is a processing unit that stops the search when the search by the search unit 31 reaches the upper limit or the lower limit of the search range a predetermined number of times. The predetermined number of times is set in the storage unit 10 in advance.
  • FIG. 10 shows the upper and lower limits of the search range in the voltage-power characteristics.
  • the voltage-power specification changes greatly due to changes in the external environment.
  • the voltage-power curve changes in various forms depending on temperature and illuminance variation between cells. For this reason, an unintended operation can be considered.
  • the start position instruction unit 36 resumes the operation from the upper limit when the search by the search unit 31 reaches the lower limit of the search range.
  • the search unit 31 when the search by the search unit 31 reaches the upper limit of the search range, the start position instruction unit 36 resumes the operation from the lower limit.
  • the search unit 31 always operates to search for the maximum point within the range.
  • the search stop unit 37 stops the search when the search by the search unit 31 reaches the upper limit or the lower limit of the search range a predetermined number of times. That is, when the above operation is repeated a predetermined number of times, the search unit 31 stops the operation at the upper limit or the lower limit.
  • the voltage-power characteristics are not the characteristics shown in FIG.
  • the algorithm as described above is unnecessary, and when the lower limit is reached, the search returns to the upper limit, and when the upper limit is reached, the search is resumed by returning to the lower limit.
  • the upper limit and the lower limit are prevented from stopping, and the maximum power point can be reliably reached.
  • the MPPT control unit 30 of the present embodiment includes a suppressing unit 38 that suppresses a sudden change in the operating voltage or the operating current.
  • the suppression unit 38 is, for example, a processing unit that limits differentiation with respect to a command value of voltage or current for generated power maximization control. That is, the suppression unit 38 suppresses rapid increase and decrease by adding dv / dt or di / dt as a tilt limit to the command value.
  • the suppression unit 38 suppresses a sudden increase or decrease in the voltage or current command value for the converter control unit 20 by limiting the differentiation. As a result, the rapid increase or decrease in the voltage of the capacitor serving as the energy buffer of the power converter 400 or the current in the reactor is reduced.
  • control cycle is constant, for example, as the voltage step width is increased, there is a possibility that energy suddenly flows into the energy buffer and breaks down. For this reason, suppression by the suppression part 38 is performed and the steep inflow is prevented.
  • the energy buffer can be reduced in size and cost.
  • the power conversion apparatus 100 can be reduced in size and cost.
  • the MPPT control unit 30 in the present embodiment includes an average value calculation unit 39 as shown in FIG.
  • the average value calculation unit 39 is a processing unit that calculates an average value of a voltage value or a current value in a predetermined range in an AC power cycle as an operating voltage or an operating current for which the search unit 31 searches for a maximum power point.
  • the search unit 51 confirms increase / decrease in generated power by the hill-climbing method.
  • the search unit 51 confirms increase / decrease in generated power by the hill-climbing method.
  • such a vibration component may be removed by adding a capacitor to the power supply 200 side that is the input side of the power converter 400.
  • the vibration component due to the frequency of the output of the power converter 400 becomes a relatively low frequency and cannot be completely removed.
  • a capacitor to be added becomes large.
  • the average value calculation unit 39 calculates the average power so that the search unit 31 does not erroneously determine the increase or decrease in generated power due to fluctuations in voltage or current.
  • the power pulsation due to alternating current is dominated by the double frequency in the case of a single phase and the sixfold frequency in the case of three phases. For this reason, for example, the average value calculation unit 39 calculates the average power in the AC half cycle s, so that the search unit 31 can ignore the fluctuation.
  • the power controlled by the power converter 400 is affected by harmonics from a load such as a half-wave rectifier that only flows when the voltage is positive or negative.
  • a 1-fold frequency, that is, an AC frequency may be mixed.
  • the average value calculator 39 calculates the average power in one cycle S of alternating current. Thereby, the search part 31 can ignore a fluctuation part.
  • the horizontal axis is time [s]
  • the upper vertical axis is the voltage command [V]
  • the middle vertical axis is the solar cell current [A] as the power source
  • the lower vertical axis indicates the generated power [W] for each hour.
  • the balloons in the horizontal direction of each figure are enlarged views of a part of the upper, middle and lower graphs.
  • FIG. 15 is a comparative example in which the voltage step width is set to a relatively large constant value
  • FIG. 16 is a comparative example in which the voltage step width is set to a relatively small constant value
  • FIG. This is an example in which the voltage step width is variable as in the embodiment.
  • FIG. 15 shows that in the generated power maximization control, since the voltage step width is increased, the time required from the start of control until the discovery of the maximum generated power point is short. However, since the voltage step width is large, there is a step in which the generated power temporarily decreases. Therefore, although the discovery of the maximum generated power point is fast, the amount of generated power is reduced.
  • FIG. 16 shows that, in the generated power maximization control, the voltage step is reduced, so that there are few steps in which the generated power temporarily decreases, and conversely, the time required to find the maximum generated power point is long. For this reason, discovery of the maximum power point is slow, and it is impossible to follow the momentum of sunlight radiated on the solar cell, and the opportunity for power generation is lost, resulting in a decrease in the amount of generated power.
  • FIG. 17 is an example of the present embodiment, and shows an operation waveform when the voltage step is varied.
  • the time required to find the maximum generated power is short, and by decreasing the voltage step from there, the generated power will not temporarily drop, so the maximum generated power point can be found quickly and the amount of generated power Becomes larger.
  • FIG. 17 is a circuit analysis to show the operation of decreasing the voltage step.
  • the amount of change for decreasing or increasing the voltage step is not particularly limited. That is, 4V ⁇ 3V ⁇ 2V ⁇ 1V may be operated in the operation of decreasing the voltage step, and 1V ⁇ 3V ⁇ 4V may be operated in the operation of increasing the voltage step.
  • This embodiment is not limited to the above aspects.
  • various types of power converters constituting the power conversion apparatus and connected power sources are conceivable.
  • the power conversion device is not limited to a so-called PCS device as long as it can perform MPPT control and converter control.
  • a power converter device can also be comprised as a micro inverter connected to each of many solar cell modules.
  • the specific contents and values of the information used in the embodiment are free and are not limited to specific contents and numerical values.
  • a preferable value set as a setting value set in the storage unit depends on various factors such as the power generation status of the power source, the specifications of the power source and the power converter, and various values can be considered.
  • the determination of the magnitude of the setting value, the determination of mismatch, etc. it is determined that the value is included as follows, or it is determined that the value is not included as larger, above, smaller, or below.
  • the setting is also free.

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Abstract

　発電電力最大化制御において、最大電力点を高速に探索できるとともに、発電機会の損失を低減して大きな電力を得ることができ、制御調整が少なくて済む電力変換器の制御装置、制御プログラム及び電力変換装置を提供する。電力変換器４００に接続された電源２００の動作電圧又は動作電流を、所定のステップ幅で増加又は減少させて、電源２００の最大電力点を探索する探索部３１と、探索部３１が、電源２００の動作電圧又は動作電流を、連続して増加させたか否か又は連続して減少させたか否かを判定する連続判定部３２と、連続判定部３２が、所定の回数連続して増加又は減少したと判定した場合に、ステップ幅を増加させるステップ幅増加部３３と、を有する。

Description

電力変換装置の制御装置、制御プログラム及び電力変換装置
　本発明の実施形態は、電源の最大電力点を探索する電力変換装置の制御装置、制御プログラム及び電力変換装置に関する。
　太陽光発電装置、風力発電装置、燃料電池、蓄電池等の分散型電源は、負荷との接続や系統との連系のための電力変換装置が不可欠である。例えば、太陽光発電装置は、ＰＣＳ（Power Conditioning System）と呼ばれる電力変換装置に接続することにより、所望の電力を系統へ供給できるように構成されている。
　現行のＰＣＳは、多くの場合、昇圧のためのＤＣ－ＤＣコンバータ、直交変換のためのインバータと呼ばれる電力変換器と、その制御部を有している。また、ＰＣＳは、日射量が時々刻々と変化する中で、出力電力が最大となる最大電力点を追従させるＭＰＰＴ（Maximum power point Tracker)制御部も有している。
　ＭＰＰＴでは、常に変動する気象条件等の下で、出力が最大となる電流×電圧の値、つまり最大電力点を自動で求める。このようなＭＰＰＴにおいて、最大電力点を探索する手法として一般的に採用されている手法が、山登り法である。山登り法とは、一定時間間隔で、電池電圧を所定のステップ幅で変化させ、出力電力の増減を確認し、常に出力電力が増加する方向に電圧を増減変化させることにより、最大電力点を探索する手法である。
　このような山登り法の探索の技術として、以下のようなものが提案されている。
（１）一次探索として、一定の電圧範囲内で設定された粗めの電圧ステップ幅で探索する。そして、複数の山の最も高い頂点付近を検出した後、二次探索として、一次探索よりも狭い電圧ステップ幅で探索する(例えば、特許文献１参照)。
（２）一定の電圧範囲内を探索した後、発電電力と電圧の関係から近似曲線を計算し、曲線の曲率に応じて、電圧ステップ幅を設定する(例えば、特許文献２参照)。
（３）電流－電圧曲線における最大電力点を挟んで、電流モードと電圧モードに分けて、電流モードでは、所定の電流ステップ幅で電流を変動させ、電圧モードでは、所定の電圧ステップ幅で電圧を変動させる（例えば、特許文献３参照）。
（４）太陽電池に寄生している静電容量による検出誤差を低減する。つまり、電圧、電流を高速に変化させる際に、静電容量からの放電、充電により電流－電圧曲線が変化して、ヒステリシスループが発生する。この影響をなくすために、電圧の時間微分値がゼロになる時点の電圧、電流を検出している(例えば、特許文献４参照)。
特開２０１２－２２１１５１号公報 特許第３３５９２０６号公報 米国特許第８７５４６２７号明細書 特許第４４９１６２２号公報
　ところで、上記の（１）～（４）の技術においては、ある一定範囲の電圧ステップ幅で、最大電力点を探索するモードが存在する。このため、探索に時間がかかり、発電機会の損失が生じる。
　また、（４）のように、太陽電池に寄生している静電容量の影響を低減するために、時間微分する方法においては、電圧などの検出値が安定せず、微分値がゼロになりにくい。このため、微分値がある程度のしきい値以下になっていることから判断せざるを得ないが、この場合であっても何度も制御調整が必要となる。
　さらに、最大電力点を高速に探索する場合、電力変換装置のエネルギーバッファであるコンデンサの電圧又はリアクトルの電流を高速に制御する必要がある。この場合、太陽電池の発電電力も急速に変化する。このような急速な変化は、高調波を発生させる。
　しかし、電力変換装置の出力に接続される機器や系統によっては、急変してはいけない制約があるため、かかる高速な探索が困難な場合がある。このような制約としては、周辺への電波障害等を防止するための交流系統の高調波規制などがある。
　これに対処するため、電力－電圧特性カーブを定期的にスキャニングすること、電力制御幅を広げること等が考えられる。しかし、そのためには、部品点数が増える、高価な制御回路、素子が必要となる等により、コスト増となる。
　本発明の実施形態は、上記のような従来技術の問題点を解決するために提案されたものであり、その主たる目的は、発電電力最大化制御において、最大電力点を高速に探索できるとともに、発電機会の損失を低減して大きな電力を得ることができ、制御調整が少なくて済む電力変換器の制御装置、制御プログラム及び電力変換装置を提供することにある。
　また、実施形態の従たる目的は、探索時間を高速化しつつ、エネルギーバッファを小型化、低コスト化できる電力変換器の制御装置、制御プログラム及び電力変換装置を提供することにある。
　上記のような目的を達成するため、実施形態の電力変換装置の制御装置は、電力変換器に接続された電源の動作電圧又は動作電流を、所定のステップ幅で増加又は減少させて、前記電源の最大電力点を探索する探索部と、前記探索部が、前記電源の動作電圧又は動作電流を、連続して増加させたか否か又は連続して減少させたか否かを判定する連続判定部と、前記連続判定部が、所定の回数連続して増加又は減少したと判定した場合に、前記ステップ幅を増加させるステップ幅増加部と、を有する。
　なお、他の態様として、上記の各部の機能をコンピュータに実行させるプログラムとして捉えることもできる。さらに、他の態様として、上記の電力変換器及び制御装置を有する電力変換装置を構成することもできる。
実施形態の電力変換装置を示すブロック図である。 一般的な山登り法によるＭＰＰＴ制御における電圧－電力特性を示す図である。 第１の実施形態のＭＰＰＴ制御における電圧－電力特性を示す図である。 第１の実施形態のステップ幅増加処理を示すフローチャートである。 第２の実施形態のＭＰＰＴ制御部を示すブロック図である。 第２の実施形態のＭＰＰＴ制御における電圧－電力特性を示す図である。 第２の実施形態のステップ幅減少処理を示すフローチャートである。 第３の実施形態の搬送波の分解能（ａ）、電力変換器のコンデンサ（ｂ）、電圧の減少幅（ｃ）を示す説明図である。 第４の実施形態のＭＰＰＴ制御部を示すブロック図である。 第４の実施形態の開始位置制御を示す図である。 第５の実施形態のＭＰＰＴ制御部を示すブロック図である。 第５の実施形態の傾き制限を示す説明図である。 第６の実施形態のＭＰＰＴ制御部を示すブロック図である。 第６の実施形態の交流電圧の周期を示す説明図である。 一定の大きなステップ幅で探索した場合の電圧指令、太陽電池電圧、発電電力を示す説明図である。 一定の小さなステップ幅で探索した場合の電圧指令、太陽電池電圧、発電電力を示す説明図である。 ステップ幅を減少させて探索した場合の電圧指令、太陽電池電圧、発電電力を示す説明図である。
［第１の実施形態］
　本実施形態が適用される電源システム１００を、図１を参照して説明する。この電源システム１００は、電源２００、ＰＣＳ３００を有する。
［構成］
［電源］
　電源２００は、電力の供給源である。この電源２００としては、例えば、分散型電源とすることができる。分散型電源は、大規模発電所と比較して、電力の需要地に近い場所に分散して配置される発電設備である。本実施形態に適用される電源２００としては、発電電力が比較的不安定な、太陽光発電装置、風力発電装置等が適しているが、これに限定するものではない。燃料電池、蓄電池等にも適用可能である。以下の説明では、太陽光発電装置を電源２００とする場合を例に説明する。
［ＰＣＳ］
　ＰＣＳ３００は、電源２００の発電電力を負荷や系統に応じた電力に変換する電力変換装置である。ＰＣＳ３００は、電力変換器４００、制御装置５００を有する。
　電力変換器４００は、入力された電力の変換を行う回路である。電力変換器４００は、例えば、電源２００からの直流電圧を昇圧させるＤＣ－ＤＣコンバータ、直流電力を交流電力に変換して出力するインバータを有する。ＤＣ－ＤＣコンバータ、インバータは、スイッチング素子を有し、オン、オフの切り替えにより、所望の電力を出力することができる。スイッチング素子は、ＧＴＯ、ＭＯＳＦＥＴ、ＩＧＢＴ、ＩＥＧＴ等の自己消弧型素子であり、電源及び駆動回路に接続されている。
　なお、電力変換器４００は、上記の構成には限定されない。現在又は将来において利用可能な種々の変換器を適用可能である。例えば、直流電力を供給するために、ＤＣ－ＤＣコンバータのみの電力変換器４００を適用することもできる。また、ＤＣ－ＤＣコンバータを省略したインバータのみの電力変換器４００を適用することもできる。また、電力変換器４００は、ＰＣＳ３００内にではなく太陽光発電装置などの各電源２００に個別に設置されるＤＣ－ＤＣオプティマイザーやマイクロインバータなどのＭＩＣ（Module Integrated Converter）であってもよい。
　制御装置５００は、電力変換器４００を制御する装置である。制御装置５００は、コンピュータを所定のプログラムで制御することによって、若しくは専用の電子回路によって実現できる。この場合のプログラムは、コンピュータのハードウェアを物理的に活用することで、以下に述べるような各部の処理を実現するものである。なお、各部の処理を実行する方法、プログラム及びプログラムを記録した記録媒体も、実施形態の一態様である。また、ハードウェアで処理する範囲、プログラムを含むソフトウェアで処理する範囲をどのように設定するかは、特定の態様には限定されない。
　この制御装置５００は、記憶部１０、変換器制御部２０、ＭＰＰＴ制御部３０を有する。記憶部１０は、ＰＣＳ３００による電力変換処理に必要な各種の情報を記憶する処理部である。記憶部１０としては、半導体メモリ、ハードディスク等、現在又は将来において利用可能なあらゆる記憶媒体を使用できる。すでに情報が記憶された記憶媒体を、読み取り装置に装着することにより、記憶内容を各種の処理に利用可能となる態様で記憶部１０を構成してもよい。
　この記憶部１０には、プログラム等を格納する主記憶装置、一時的な記憶領域として使用されるキャッシュメモリ、バッファメモリ、レジスタ等も含まれる。図示しないセンサやネットワークを介して外部から入力される情報や各部の間で処理タイミングの相違を吸収してやり取りされる情報の記憶領域も、記憶部１０として捉えることができる。
　記憶部１０に記憶される情報は、センサにより検出されて入力される情報、ネットワークを介して外部から入力される情報、後述する変換器制御部２０、ＭＰＰＴ制御部３０において生成される情報等である。このような情報は、電源２００の動作電圧や動作電流、電源２００の発電電力、電圧指令値、電流指令値を含む。動作電圧、動作電流、発電電力、電圧指令値、電流指令値は、検出値でもよいし、いずれかの実測値等から制御装置５００の演算により求めた推定値であってもよい。
　また、この情報としては、ＭＰＰＴ制御部３０、変換器制御部２０の処理のために、あらかじめ設定される設定値も含む。設定値は、探索の開始位置、ＭＰＰＴの制御タイミング、ＭＰＰＴのステップ幅、連続回数、ステップ幅の増分、繰返回数、ステップ幅の減分、搬送波の分解能、ステップ幅の最小幅、上限及び下限を含む探索範囲、上限又は下限に達する回数、交流電力の周期を含む。これらの情報の使用については、後述する。
　変換器制御部２０は、電力変換器４００を制御する処理部である。変換器制御部２０は、例えば、電力変換器４００のスイッチング素子のオンオフの切り替え指示を、駆動回路に出力することにより、電圧指令値又は電流指令値に応じた電力を出力させる。変換器制御部２０による制御は、例えば、ＰＷＭ制御により行う。ＰＷＭ制御は、変調波と搬送波を比較して、変調波が大きな期間だけ、スイッチング素子をオンにする制御である。
　ＭＰＰＴ制御部３０は、発電電力最大化制御を行う処理部である。つまり、ＭＰＰＴ制御部３０は、電源２００の出力電力が最大となる動作点を探索する。このＭＰＰＴ制御部３０は、探索部３１、連続判定部３２、ステップ幅増加部３３を有する。
　探索部３１は、電力変換器４００に接続された電源２００の動作電圧又は動作電流を、所定のステップ幅で増加又は減少させて、電源２００の最大電力点を探索する処理部である。つまり、探索部３１は、山登り法によるＭＰＰＴ制御を行う。山登り法では、例えば、図２の電力－電圧特性に示すように、所定の制御タイミングで、電源２００の動作電圧を所定のステップ幅であるΔｖだけ変化させて、出力電力が増加したか減少したかを確認する。
　そして、増加する方向にΔｖを増加又は減少させる。これを繰り返すことにより、最大電力点Ｐｍａｘを探索する。所定の制御タイミングは、あらかじめ記憶部１０に設定される一定の時間間隔である。所定のステップ幅は、あらかじめ記憶部１０に設定される電圧又は電流の変動幅である。
　なお、探索部３１は、あらかじめ記憶部１０に設定された探索の開始位置から探索を開始する。探索の開始位置は、図２における電圧ゼロの短絡電流に対応する位置と、電流ゼロの開放電圧に対応する位置の間のいずれかである。このため、短絡電流の位置、開放電圧の位置から探索を開始してもよい。但し、後述するように、探索範囲が設定された場合には、その上限、下限のいずれかから開始することになる。
　連続判定部３２は、探索部３１が、電源２００の動作電圧又は動作電流を、所定の回数連続して増加させたか否か又は減少させたか否かを判定する処理部である。連続して増加又は減少とは、一定の制御周期で実行される探索毎に、動作電圧又は動作電流の増加又は減少が行われる過程で、図２に示すように、増加の次に増加した場合、減少の次に減少した場合をいう。
　ステップ幅増加部３３は、連続判定部３２が、所定の回数連続して増加させた又は減少させたと判定した場合に、ステップ幅を増加させる処理部である。所定の回数は、あらかじめ記憶部１０に設定される連続回数である。増加させる増分は、あらかじめ記憶部１０に設定されるステップ幅を増加させる値である。増分の設定は、加算する量を設定することもできるし、増加させるために乗算する数値を設定することもできる。
　例えば、所定の回数が２回の場合に、図３の電力－電圧特性に示すように、探索部３１が、動作電圧Ｖ１をＶ２、Ｖ３へと連続して２回、ΔＶ１だけ増加させて、Ｐ１～Ｐ３へと電力を増大させていったとする。すると、ステップ幅増加部３３は、さらにΔＶ１に増分を加えたΔＶ２増加させる。
　さらに、図示はしないが、ＰＣＳ３００には、入力部及び出力部が接続されている。入力部は、ＰＣＳ３００の処理に必要な情報、処理の選択や指示を入力する構成部である。入力部を介して、作業員が、記憶部１０に記憶される情報を入力することができる。入力部としては、キーボード、マウス、タッチパネル（表示装置に構成されたものを含む）、スイッチ、音声入力部等、現在又は将来において利用可能なあらゆる入力装置を含む。
　出力部は、ＰＣＳ３００における記憶部１０に記憶された情報、各部の処理結果等を、作業員が認識可能となるように出力する構成部である。出力部としては、表示装置、プリンタ、メータ、ランプ、スピーカ、ブザー等、現在又は将来において利用可能なあらゆる出力装置を含む。例えば、表示装置に、処理中の情報を数値、グラフ等により表示させることにより、作業員が運転状態を確認することができる。なお、入力部、出力部は、ＰＣＳ３００の操作盤として構成されたものも、ＰＣＳ３００にケーブル又はネットワークを介して接続された操作用のコンピュータ端末として構成されたものも含む。
［作用］
　本実施形態の作用を、図３及び図４を参照して説明する。なお、以下の例は、電力変換器４００の動作電圧を変化させて電力最大化制御を行う場合である。動作電流を変化させて電力最大化制御を行う場合も、基本的には同様の処理である。
（処理の概要）
　本実施形態のＭＰＰＴ制御部３０は、まず、図３に示すように、電力がＰ１～Ｐ３へと増える方向に、低電圧から高電圧へ一定の電圧のステップ幅Δｖ１で変化させる。このように、電圧を同じ方向に複数回変化させている場合には、最大電力点Ｐｍａｘに達していないことに相当する。この場合、ＭＰＰＴ制御部３０は、ステップ幅を、Δｖ１よりも大きなΔｖ２に増加させることにより、速く最大電力点Ｐｍａｘにたどり着けるように制御する。
（処理手順）
　以上のような本実施形態におけるステップ幅の増加処理の手順を、図４のフローチャートを参照して説明する。なお、この増加処理は、探索部３１による電力最大化処理の継続中に連続して行われている処理のうち、一部を抽出して示すものである。つまり、ステップ幅を増加させる一回当たりの処理を説明する。
　連続判定部３２は、探索部３１によるＭＰＰＴ制御の開始時に、連続回数を示す変数Ｎを初期化する（ステップＳ０１）。そして、連続判定部３２は、探索部３１が探索中、電圧値を連続して増加させたか否か又は連続して減少させたか否かを判定する（ステップＳ０２）。連続判定部３２は、探索部３１が電圧値を連続して増加又は連続して減少させたと判定した場合に（ステップＳ０３のＹＥＳ）、連続回数を示す変数Ｎをインクリメントする（ステップＳ０４）。
　次に、連続判定部３２は、変数Ｎが所定の回数Ｙに達したか否かを判定する（ステップＳ０５）。連続判定部３２が、所定の回数Ｙに達していないと判定した場合（ステップＳ０６のＮＯ）、連続判定処理に戻る（ステップＳ０２）。さらに、連続判定部３２は、探索部３１が電圧値を連続して増加又は連続して減少させたと判定した場合（ステップＳ０３のＹＥＳ）、変数Ｎをインクリメントする（ステップＳ０４）。
　ステップ幅増加部３３は、変数Ｎが所定の回数Ｙに達したか否かを判定する（ステップＳ０５）。ステップ幅増加部３３が、所定の回数Ｙに達したと判定した場合（ステップＳ０６のＹＥＳ）、探索部３１による探索のステップ幅を増加させる（ステップＳ０７）。
　一方、ステップＳ０２で、連続判定部３２が、電圧値が連続して増加していない又は連続して減少していないと判定した場合には（ステップＳ０３のＮＯ）、変数Ｎを初期化する（ステップＳ０１）。このため、連続して動作電圧が増加又は減少した場合にのみ、ステップ幅の増加処理の対象となる。
　探索部３１は、引き続き増加したステップ幅での探索を行うが、その後も、電圧値を連続して増加又は減少させた場合、上記のステップ幅の増加処理が行われる。
［効果］
　本実施形態の電力変換器４００の制御装置５００は、電力変換器４００に接続された電源２００の動作電圧又は動作電流を、所定のステップ幅で増加又は減少させて、電源２００の最大電力点を探索する探索部３１と、探索部３１が、電源２００の動作電圧又は動作電流を、連続して増加させたか否か又は連続して減少させたか否かを判定する連続判定部３２と、連続判定部３２が、所定の回数連続して増加した又は減少したと判定した場合に、ステップ幅を増加させるステップ幅増加部３３と、を有する。
　探索部３１が、電圧値が所定の回数、連続して増加又は減少する方向に探索しているということは、発電電力が最大となるポイントではないことを意味している。本実施形態では、このように電圧値が所定の回数増加していることを検知して、ステップ幅を増加することができる。これにより、発電電力が最大となるポイントに速くたどり着くことができ、発電機会の損失を低減して、発電により得られる電力量を増加させることができる。
　探索部３１における探索の開始点が、短絡電流又は開放電圧に相当する位置に設定されている場合には、最大電力点に対して遠い位置から開始することになる。この場合、本実施形態によるステップ幅の増加又は減少による探索の高速化が有効になる。
　さらに、探索部３１における探索の開始点を、最大電力点に対して高電圧側に設定することもできる。この場合、図２及び図３に示すように、低電圧側よりも、電力－電圧特性の曲線の傾斜が急になっているので、より高速に最大電力点に近づくことができる。例えば、開放電圧から探索を開始するとよい。
［第２の実施形態］
［構成］
　本実施形態は、基本的には、上記の第１の実施形態と同様の構成である。但し、本実施形態のＭＰＰＴ制御部３０は、図５に示すように、繰返判定部３４、ステップ幅減少部３５を有する。繰返判定部３４は、探索部３１が、電源２００の動作電圧又は動作電流の増加と減少を繰り返したか否かを判定する処理部である。
　ステップ幅減少部３５は、繰返判定部３４が、所定の回数連続して繰り返したと判定した場合に、ステップ幅を減少させる処理部である。所定の回数は、あらかじめ記憶部１０に設定され、最大電力点の前後で生じると想定される増減の繰り返しの回数である。減少させる減分は、あらかじめ記憶部１０に設定されるステップ幅を減少させる値である。減分の設定は、減算する量を設定することもできるし、減少させるために乗算又は除算する数値を設定することもできる。
［作用］
　本実施形態の作用を、図６及び図７を参照して説明する。なお、以下の例は、電力変換器４００の動作電圧を変化させて電力最大化制御を行う場合である。動作電流を変化させて電力最大化制御を行う場合も、基本的には同様の処理である。
（処理の概要）
　電圧のステップ幅が大きい場合、探索する時間は短くなるものの、発電電力が一時的に下がる場合がある。逆に、電圧のステップ幅が小さい場合、探索時間は長くなるものの、発電電力が低下しない。このトレードオフから抜け出すために、発電電力が最大となるポイントに遠い場合、近い場合を、山登り法の動作から推定し、遠い場合には電圧ステップを増加させ、近い場合には電圧ステップを減少させる。
　つまり、本実施形態は、基本的には、第１の実施形態と同様な動作を行う。但し、図６に示すように、探索部３１による山登り法の探索では、電源２００の電圧が、最大電力点付近に来た場合、電圧値の増加及び減少を繰り返す。このような増加及び減少を、右往左往すると表現する。
　このように、右往左往している状態においては、最大電力点がこの範囲にある可能性が高い。このため、ステップ幅を減少させて、最大電力点に到達させることで、定常状態における発電電力を安定して増加させることができる。
（処理手順）
　以上のような本実施形態におけるステップ幅の増加処理の手順を、図７のフローチャートを参照して説明する。なお、この処理は、探索部３１による電力最大化処理の継続中に連続して行われている処理のうち、一部を抽出して示すものである。つまり、ステップ幅を減少させる一回当たりの処理を説明する。また、この処理は、上記の第１の実施形態の処理により、探索部３１による探索が最大電力点近傍に来た場合に行われる処理である。
　繰返判定部３４は、探索部３１によるＭＰＰＴ制御の開始時に、繰返回数を示す変数Ｒを初期化する（ステップＳ１１）。そして、繰返判定部３４は、探索部３１が探索中、電圧値の増加に続いて減少させたか否か又は減少に続いて増加させたか否かを判定する（ステップＳ１２）。繰返判定部３４は、電圧値の増加に続いて減少させた又は減少に続いて増加させたと判定した場合に（ステップＳ１３のＹＥＳ）、繰返回数を示す変数Ｒをインクリメントする（ステップＳ１４）。
　次に、ステップ幅減少部３５は、変数Ｒが所定の回数Ｚに達したか否かを判定する（ステップＳ１５）。ステップ幅減少部３５が、所定の回数Ｚに達していないと判定した場合（ステップＳ１６のＮＯ）、増加及び減少判定処理に戻る（ステップＳ１２）。
　さらに、繰返判定部３４は、探索部３１が電圧値の増加及び減少をさせたと判定した場合（ステップＳ１３のＹＥＳ）、変数Ｒをインクリメントする（ステップＳ１４）。ステップ幅減少部３５は、変数Ｒが所定の回数Ｚに達したか否かを判定する（ステップＳ１５）。ステップ幅減少部３５が、所定の回数Ｚに達したと判定した場合（ステップＳ１６のＹＥＳ）、探索部３１による探索のステップ幅を減少させる（ステップＳ１７）。
　一方、ステップＳ１２で、繰返判定部３４が、電圧値の増加及び減少をさせていないと判定した場合（ステップＳ１３のＮＯ）、変数Ｒを初期化する（ステップＳ１１）。このため、連続して動作電圧が増加及び減少した場合にのみ、ステップ幅の減少処理の対象となる。
　探索部３１は、引き続き減少したステップ幅での探索を行うが、その後も、増減を繰り返す毎に、上記のステップ幅の減少処理を行い、最大電力点を探索する。
［効果］
　本実施形態は、上記の第１の実施形態の構成に加えて、探索部３１が、電源２００の動作電圧又は動作電流の増加と減少を、所定の回数連続して繰り返したか否かを判定する繰返判定部３４と、繰返判定部３４が、所定の回数連続して繰り返したと判定した場合に、ステップ幅を減少させるステップ幅減少部３５とを有する。
　このため、まず、第１の実施形態と同様に、動作電圧の増加が連続している場合、最大電力点まで遠いと推定できるので、ステップ幅を増加させて、探索時間を短くすることができる。さらに、動作電圧の増加と減少を繰り返している場合、最大電力点に近いと推定できるので、ステップ幅を減少させて、発電電力の低下を防止している。このように、第１の実施形態に加えて、本実施形態の動作を組み合わせることで、短時間での探索と発電電力の最大化が両立できるという効果が得られる。
［第３の実施形態］
　本実施形態は、基本的には、上記の第２の実施形態と同様の構成である。但し、記憶部１０にあらかじめ設定されるステップ幅の最小値が、変換器制御部２０が、変調波と比較する搬送波の分解能に基づいて設定されている。つまり、ディジタル制御を行う場合、図８（ａ）に示すように、搬送波は、変調波との比較を行う制御周期として、最小の分解能ｎが存在する。
　本実施形態においては、この分解能ｎを、上記の第２の実施形態のように、ステップ幅を減少させていった場合の最小ステップ幅とする。例えば、電力変換器４００が電圧型である場合には電圧を、電流型である場合は電流を、変調波と比較する搬送波の分解能にする。
　図８（ｂ）に、電圧型の電力変換器４００の場合の例を示す。通常、電圧型の電力変換器４００は、コンデンサＣをエネルギーバッファとして、電圧でエネルギーを蓄積している。エネルギーの蓄積量で、ある程度電圧が変動する。この変動幅を、Ｖｍａｘ～Ｖｍｉｎとすると、図８（ｃ）に示すように、最小値Ｖｍｉｎを搬送波の分解能ｎで除算した値を、電圧値Ｖｃから減少させる最小のステップ幅ΔＶとする。
　これにより、電源２００の電圧－電力特性において、発電電力の低下防止を図り、定常的な発電力の最大化が可能となる。なお、電流型の電力変換器４００であって、リアクトルをエネルギーバッファとして用いる場合にも、電流値を減少させる最少のステップ幅を、分解能を基準に設定してもよい。なお、ステップ幅を、必ずしも最小分解能に一致させる必要はない。例えば、十分に分解能が高ければ、最小分解能の２倍等でもよい。
［第４の実施形態］
［構成］
　本実施形態は、基本的には、上記の第２の実施形態と同様の構成である。但し、本実施形態のＭＰＰＴ制御部３０は、図９に示すように、開始位置指示部３６、探索停止部３７を有する。また、記憶部１０には、探索部３１による探索範囲が、あらかじめ設定されている。探索範囲は、探索する電圧又は電流の上限と下限である。
　このような探索範囲を設定する理由は、主として以下の通りである。
（１）探索時間を優先するか正確な探索を優先するかの戦略的理由
（２）電力変換器４００の仕様上の制約
　（１）については、まず、探索範囲としての最大限は、短絡電流と開放電圧に相当する範囲である。この探索範囲を調整することにより、探索時間を調整することができる。例えば、経験的に最大電力点をとなる可能性が高い範囲で探索範囲を設定することにより、短時間での探索が可能となる。但し、例えば、太陽光パネルの電流－電圧特性を示す曲線が、複数のピーク点を示す場合がある。この場合、敢えて探索範囲を絞れば、その範囲内のピーク点のみを探索するので、短時間に探索できる。一方、探索範囲を広げれば、探索時間はかかるが、本当の最大電力点を探索できる可能性を高めることができる。つまり、探索範囲を設定するのは、探索時間との関係で、ピーク点をどこまで探索するかという戦略的な理由がある。
　（２）については、電力変換器４００としては、ＭＰＰＴ制御において、低い電圧まで探索しようとすると、短絡電流に近づくので、大電流が流れることになる。しかし、電力変換器４００の仕様上、流すことができる電流には制限があるため、この制限を超える探索ができない場合がある。つまり、電力変換器４００として操作できる電圧又は電流の上限、下限は必ず存在する。このため、探索範囲の上限と下限は、電力変換器４００の設計に合わせて設定することが考えられる。つまり、探索範囲を設定するのは、電力変換器４００としての固有の制約があるという理由がある。
　本実施形態における探索範囲は、特定の範囲には限定されないが、上記の（１）（２）を考慮した適切な範囲とすることができる。一例として、温度係数による変動幅、製品による変動幅、検出誤差、マージンのうちのいずれか又はこれらの一部若しくは全部を組み合わせた範囲とすることが考えられる。温度係数による変動幅とは、例えば、光の強度、スペクトル、温度等の測定条件について定められた基準状態（ＳＴＣ）における最大電力点の温度係数によるバラつきである。製品による変動幅とは、量産される電源２００の各製品に生じるバラつきである。検出誤差は、センサ、制御装置５００等において生じうる検出値の誤差である。マージンは、範囲に余裕をもたせるための範囲である。
　開始位置指示部３６は、探索部３１による探索が、あらかじめ設定された探索範囲の上限に達した場合、次の探索を探索範囲の下限から開始させ、探索部３１による探索が探索範囲の下限に達した場合、次の探索を探索範囲の上限から開始させる処理部である。探索停止部３７は、探索部３１による探索が探索範囲の上限又は下限に所定の回数達すると、探索を停止させる処理部である。この所定の回数は、あらかじめ記憶部１０に設定されている。
［作用］
　以上のような本実施形態の作用を、図１０を参照して説明する。図１０は、電圧－電力特性における探索範囲の上限及び下限を示す。例えば、電源２００は、外部の環境の変化によって、電圧－電力特定が大きく変化する。例えば、太陽電池は、温度やセル間の照度バラつきによって、さまざまな形に電圧一電力カーブが変化する。このため、意図しない動作をすることが考えられる。
　本実施形態においては、図１０に示すように、開始位置指示部３６は、探索部３１による探索が、探索範囲の下限に達した場合に、上限から動作を再開させる。また、これとは逆に、開始位置指示部３６は、探索部３１による探索が、探索範囲の上限に達した場合に、下限から動作を再開させる。これにより、探索部３１は、必ず範囲内の最大点を探すように動作する。
　探索停止部３７は、探索部３１による探索が探索範囲の上限又は下限に所定の回数達すると、探索を停止させる。つまり、上記のような動作を所定の回数だけ繰り返した場合は、探索部３１は、上限又は下限で動作を停止する。
［効果］
　上記のように、電圧－電力特性は、図１０に示したような特性となるわけではない。しかし、山登り法による探索では、少なからず最大点とは違う山を探しに行くことがあり、それによって、発電電力最大化制御の探索範囲の上限、下限で止まってしまい、発電電力の最大点にたどり着かないことがある。
　例えば、探索中に、電力は上昇しているにもかかわらず、上限又は下限に達した場合に、その状態に嵌って抜け出せなくなる場合がある。このような場合、特定のアルゴリズムで回避することも可能である。
　しかし、本実施形態では、上記のようなアルゴリズムを不要として、下限に達した場合、上限に戻って探索を再開し、上限に達した場合、下限に戻って探索を再開するという単純な処理によって、上限、下限で止まってしまうことが防止され、最大電力点に確実に到達できる。
　但し、必ずしも上限、下限で止まることが悪いわけではなく、最大電力点を探索した結果の可能性もある。このため、上記のような動作を所定の回数だけ繰り返した場合は、上限、下限で動作を停止することができる。
［第５の実施形態］
［構成］
　本実施形態は、基本的には、上記の第２の実施形態と同様の構成である。但し、図１１に示すように、本実施形態のＭＰＰＴ制御部３０は、動作電圧又は動作電流の急変を抑制する抑制部３８を有する。この抑制部３８は、例えば、発電電力最大化制御の電圧又は電流の指令値に対して、微分制限をする処理部である。つまり、抑制部３８は、指令値に対して、傾き制限としてｄｖ／ｄｔ又はｄｉ／ｄｔを入れることにより、急増、急減を抑制する。
［作用］
　以上のような本実施形態の作用を、図１２を参照して説明する。本実施形態においては、探索部３１による探索において、抑制部３８が、微分制限により、変換器制御部２０に対する電圧又は電流の指令値の急増、急減を抑制する。これにより、電力変換器４００のエネルギーバッファとなっているコンデンサの電圧又はリアクトルの電流の急増、急減が少なくなる。
　制御周期は一定であるので、例えば、電圧のステップ幅を増やせば増やす程、エネルギーがエネルギーバッファに急激に流れ込んできて破綻する可能性が生じる。このため、抑制部３８による抑制を行い、急峻な流れ込みを防止している。
　動作電圧又は動作電流を変化させる時間間隔を変化させなくても、発電電力の急変を抑制することができるため、探索時間には影響しない。なお、抑制部３８として、ローパスフィルタを適用することによっても、上記と同様の処理を実現できる。
［効果］
　以上のよう本実施形態では、エネルギーバッファであるコンデンサの電圧又はリアクトルの電流を高速に制御できない場合においても、エネルギーバッファを小型化、低コスト化することができる。その結果、電力変換装置１００の小型化、低コスト化が可能となる。
［第６の実施形態］
［構成］
　本実施形態は、基本的には上記の第２の実施形態と同様の構成である。但し、本実施形態におけるＭＰＰＴ制御部３０は、図１３に示すように、平均値演算部３９を有する。平均値演算部３９は、探索部３１が最大電力点を探索する動作電圧又は動作電流として、交流電力の周期における所定の範囲の電圧値又は電流値の平均値を求める処理部である。
［作用］
　以上のような本実施形態の作用を、図１４を参照して説明する。まず、上記のように、探索部５１は、山登り法で発電電力の増減を確認する。この場合、電力変換器４０におけるスイッチング素子のスイッチの切り替えによる電圧又は電流の変動や、電力変換装置の出力が交流であった場合の変動がある。このため、常に一定の電力が維持されているわけではなく、微細な増減が生じている。
　例えば、このような振動成分については、電力変換器４００の入力側である電源２００側に、コンデンサを追加することにより取り除く方法が考えられる。しかし、電力変換器４００の出力の周波数による振動成分は、比較的低周波となり、振動成分を取りきれない。または、追加するコンデンサが大型化してしまうという問題がある。
　本実施形態においては、平均値演算部３９が、探索部３１が、電圧又は電流の変動によって発電電力の増減を誤って判断しないように、平均電力を求める。ここで、交流による電力脈動は、単相であれば２倍周波数、３相であれば６倍周波数が支配的となる。このため、平均値演算部３９が、例えば、交流の半周期ｓで平均電力を演算することで、探索部３１においては、変動分を無視することができる。
　さらに、現在の単相系統においては、半波整流器など、電圧が正または負であるときだけしか電流が流れない負荷からの高調波の影響を受けて、電力変換器４００が制御する電力に、１倍周波数、つまり交流周波数が混在することがある。その場合は、平均値演算部３９は、交流の１周期Ｓで平均電力を演算する。これにより、探索部３１は、変動分を無視することができる。
［効果］
　以上のように、本実施形態によれば、電力変換器４００の入力側に大型のコンデンサを必要とせずに、発電電力の増減を誤って判断することを防止できる。このため、電力変換装置１００の小型化、低コスト化、制御精度向上が可能となる。
［実施例］
　さらに、上記の実施形態の効果を示す実施例を、図１５、図１６、図１７を参照して説明する。図１５、図１６、図１７は、全て横軸は時間［ｓ］であり、上段の縦軸は電圧指令［Ｖ］、中段の縦軸が電源としての太陽電池電流［Ａ］、下段の縦軸が時間毎の発電電力［Ｗ］を示す。各図の横の吹き出しは、上段、中段、下段のグラフの一部を拡大した図である。
　そして、図１５は電圧ステップ幅を比較的大きい一定の値に設定した場合の比較例、図１６は電圧ステップ幅を比較的小さい一定の値に設定した場合の比較例、図１７は、第２の実施形態のように、電圧ステップ幅を可変とした場合の実施例である。
　図１５は、発電電力最大化制御においては、電圧ステップ幅を大きくしているため、制御を開始してから最大発電電力点の発見までに要する時間は短い。しかし、電圧ステップ幅が大きいため、発電電力が一時的に下がってしまうステップが存在する。そのため、最大発電電力点の発見は速いものの、発電電力量が低下してしまう。
　図１６は、発電電力最大化制御においては、電圧ステップを小さくしているため、発電電力が一時的に下がってしまうステップが少なく、逆に最大発電電力点の発見までに要する時間は長い。そのため、最大電力点の発見が遅く、太陽電池に照射されている太陽光が時々刻々とするのに追従できず、発電機会を失い、結果として発電電力量が低下してしまう。
　図１７は、本実施形態の実施例であり、電圧ステップを可変した場合の動作波形である。最大発電電力の発見に要する時間は短く、そこから電圧ステップを小さくしていくことで、発電電力が一時的に下がってしまうこともないため、最大発電電力点の発見が早く、なおかつ発電電力量が大きくなる。
　なお、図１７の実施例は、電圧ステップを小さくしていく動作を示すために回路解析したものである。但し、第１の実施形態で示したように、逆に電圧ステップを大きくしていく動作もある。両者は、ほぼ同様の動作となるため、説明を割愛する。また、電圧ステップを小さくしていく変化量又は大きくしていく変化量については、特に限定していない。つまり、電圧ステップを小さくしていく動作では、４Ｖ→３Ｖ→２Ｖ→１Ｖと動作し、電圧ステップを大きくしていく動作では、１Ｖ→３Ｖ→４Ｖでもよい。
［他の実施形態］
（１）本実施形態は、上記のような態様には限定されない。例えば、電力変換装置を構成する電力変換器、接続される電源は、上記のように種々のものが考えられる。このため、電力変換装置についても、いわゆるＰＣＳと呼ばれる装置には限定されず、ＭＰＰＴ制御及び変換器制御が可能である装置であればよい。また、電力変換装置を、多数の太陽電池モジュールのそれぞれに接続されるマイクロインバータとして構成することもできる。
（２）実施形態に用いられる情報の具体的な内容、値は自由であり、特定の内容、数値には限定されない。例えば、記憶部に設定される設定値としての好ましい値は、電源の発電状況、電源及び電力変換器の仕様等の種々の要因に依存するため、種々の値が考えられる。また、電源及び電力変換器の運転状況に応じて、設定値を動的に変更してもよい。さらに、実施形態において、設定値に対する大小判断、一致不一致の判断等において、以上、以下として値を含めるように判断するか、より大きい、上回る、より小さい、下回るとして値を含めないように判断するかの設定も自由である。
（３）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同様に、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ものである。
１００　電源システム
２００　電源
３００　ＰＣＳ
４００　電力変換器
５００　制御装置
１０　記憶部
２０　変換器制御部
３０　ＭＰＰＴ制御部
３１　探索部
３２　連続判定部
３３　ステップ幅増加部
３４　繰返判定部
３５　ステップ幅減少部
３６　開始位置指示部
３７　探索停止部
３８　抑制部
３９　平均値演算部

Claims (13)

  1. 　電力変換器に接続された電源の動作電圧又は動作電流を、所定のステップ幅で増加又は減少させて、前記電源の最大電力点を探索する探索部と、
    　前記探索部が、前記電源の動作電圧又は動作電流を、連続して増加させたか否か又は連続して減少させたか否かを判定する連続判定部と、
    　前記連続判定部が、所定の回数連続して増加又は減少したと判定した場合に、前記ステップ幅を増加させるステップ幅増加部と、
    　を有する電力変換器の制御装置。
  2. 　前記探索部が、前記電源の動作電圧又は動作電流の増加と減少を、所定の回数連続して繰り返したか否かを判定する繰返判定部と、
    　前記繰返判定部が、所定の回数連続して繰り返したと判定した場合に、前記ステップ幅を減少させるステップ幅減少部と、
    　を有する請求項１記載の電力変換器の制御装置。
  3. 　前記電力変換装置をＰＷＭ制御する搬送波の分解能に基いて、前記ステップ幅の最小幅を設定するステップ幅設定部を有する請求項１又は請求項２記載の電力変換器の制御装置。
  4. 　前記探索部による探索が、あらかじめ設定された探索範囲の上限に達した場合、次の探索を前記探索範囲の下限から開始させ、前記探索部による探索が前記探索範囲の下限に達した場合、次の探索を前記探索範囲の上限から開始させる開始位置指示部と、
    を有する請求項１～３のいずれか１項に記載の電力変換器の制御装置。
  5. 　前記探索部による探索が前記探索範囲の上限又は下限に所定の回数達すると、探索を停止させる探索停止部を有する請求項４記載の電力変換器の制御装置。
  6. 　前記動作電圧又は動作電流の急変を抑制する抑制部を有する請求項１～５のいずれか１項に記載の電力変換器の制御装置。
  7. 　前記抑制部は、前記動作電圧若しくは動作電流の指令値を通過させるローパスフィルタである請求項６記載の電力変換器の制御装置。
  8. 　前記抑制部は、前記動作電圧若しくは動作電流の指令値に対して微分制限を行う請求項６記載の電力変換器の制御装置。
  9. 　前記電力変換器は、直流電力を所定の周期の交流電力に変換する変換器であって、
    　前記探索部が最大電力点を探索する動作電圧又は動作電流として、前記交流電力の周期における所定の範囲の電圧値又は電流値の平均値を求める平均値演算部を有する請求項１～８のいずれか１項に記載の電力変換器の制御装置。
  10. 　前記探索部における探索の開始点が、短絡電流又は開放電圧に相当する位置に設定されている請求項１～９のいずれか１項に記載の電力変換器の制御装置。
  11. 　前記探索部における探索の開始点が、最大電力点に対して高電圧側に設定されている請求項１～９のいずれか１項に記載の電力変換器の制御装置。
  12. 　電力変換装置に接続された太陽電池の動作電圧又は動作電流を、所定のステップ幅で増加又は減少させて、前記太陽電池の最大電力点を探索する探索処理と、
    　前記探索処理により、太陽電池の動作電圧又は動作電流が、所定の回数連続して増加したか否か又は連続して減少したか否かを判定する連続判定処理と、
    　前記連続判定処理により、所定の回数連続して増加又は減少したと判定された場合に、前記ステップ幅を増加させるステップ幅増加処理と、
    　を、コンピュータに実行させる電力変換装置の制御プログラム。
  13. 　電力変換器と、
    　前記電力変換器を制御する変換器制御部と、
    　請求項１～１１のいずれか１項に記載の制御装置と、
    を有する電力変換装置。
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