JPH06332554A

JPH06332554A - 太陽光発電システムの制御方法

Info

Publication number: JPH06332554A
Application number: JP5121401A
Authority: JP
Inventors: Ro Chiyou; 路丁; Yasuhiro Makino; 康弘牧野
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 1993-05-24
Filing date: 1993-05-24
Publication date: 1994-12-02

Abstract

(57)【要約】【目的】単相３線式の商用電力系統と連系されて使用さ
れる太陽光発電システムの制御方法に関し、商用電力系
統とのトランスレスの連系に際して、インバータを構成
する電子部品の所要耐圧の低減を図り、太陽光発電シス
テムの低価格化及び小型化を実現することを目的とす
る。【構成】太陽電池と昇圧回路４０とインバータ主回路と
を有した太陽光発電システムの商用電力系統との連系に
際して、太陽電池の出力電力がほぼ最大となるように、
インバータ主回路に対してパルス幅変調制御を行うとと
もに、インバータ主回路の入力電圧Ｖ２が耐電圧より低
い一定電圧を越えるときに、インバータ主回路の入力電
圧Ｖ２の上昇を抑えるように昇圧回路４０の昇圧比を調
整するように構成される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、単相３線式の商用電力
系統と連系されて使用される太陽光発電システムの制御
方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】単相３線式線路は、負荷平衡時の電圧降
下及び電力損失が単相２線式に比べて少なく経済的に有
利であることから、住宅などの低圧需要家に電力を供給
するための配電方式として大多数の低圧電灯線に採用さ
れている。

【０００３】一方、近年における地球環境保護意識の高
まりによって、環境汚染のないクリーンエネルギー、中
でも太陽電池を利用した太陽光発電が注目されている。
太陽光発電では発電電力が日射量に応じて大きく変動す
るので、電力の安定供給及び余剰発電電力の有効利用を
図るために、ビルや一般家庭に設置された太陽光発電シ
ステム（太陽電池とインバータとからなる）は、商用電
力系統との連系による使用が望ましい。つまり、通常は
太陽光発電システムと商用電力系統との並列運転により
負荷に対する給電が行われ、自家に必要な電力の一部又
は全部が太陽光発電によって賄われるとともに、太陽電
池の発電電力が余った場合には商用電力系統へのいわゆ
る逆潮流が行われる。

【０００４】さて、一般に、直流電力の単相交流電力へ
の変換には、図６に示すように、自己ターンオフ機能を
有したスイッチング素子である４つの半導体デバイス
（例えばＩＧＢＴ）Ｑ１〜４と、これらのそれぞれに対
して逆並列接続された４つの帰還ダイオードＤ１〜４と
からなる単相ブリッジ形のインバータ主回路２２が用い
られる。

【０００５】インバータ主回路２２では、周知のように
半導体デバイスＱ１，Ｑ４の組と半導体デバイスＱ２，
Ｑ３の組とに分け、各組を交互に開閉（スイッチング）
することによって、半導体デバイスＱ１，Ｑ２の接続点
と半導体デバイスＱ３，Ｑ４の接続点との間に階段波状
の電圧が得られる。そして、スイッチング信号に適当な
パルス幅変調（ＰＷＭ）を施すことによって、出力電圧
波形を正弦波形に近づけることができる。

【０００６】なお、インバータ主回路２２の入力直流電
圧は、原理的には出力交流電圧の波高値（実効値の約
１．４倍）であればよいが、実際には半導体デバイスＱ
１〜４の電圧降下、フィルタ回路の電圧降下、及び直流
電源（太陽電池）の温度特性などを考慮して、出力交流
電圧（実効値）の２倍程度の値に設定される。

【０００７】インバータ主回路２２の出力線形式は単相
２線式である。したがって、従来では、図７（ａ）に示
すように、太陽電池１０及びインバータ２０Ａからなる
太陽光発電システムは、単３式トランスと呼称される線
式変換用の変成器３０を用いて単相３線式の商用電力系
統と連系されていた。その際、一般家庭用の低圧電灯線
のように単相３線式線路の中性線Ｎと各電圧線Ｒ，Ｓと
の間の電圧が１００Ｖｒｍｓの場合、インバータ２０Ａ
の出力電圧は１００Ｖｒｍｓとされ、太陽電池１０とし
て最適動作電圧（出力電力が最大となる電圧）が２００
Ｖ程度のものが使用されていた。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】太陽光発電システムの
小型軽量化及び低価格化の上で、変成器３０による連系
は不利である。すなわち、太陽光発電システムにおいて
も、各種の電気回路装置と同様にトランスレス化が望ま
れている。

【０００９】そこで、図７（ｂ）に示すように、商用電
力系統との連系に際して、インバータ２０Ｂの出力電圧
を２００Ｖｒｍｓとし、インバータ主回路２２の各出力
端子を変成器３０を介さずに各電圧線Ｒ，Ｓと接続する
ことが考えられる。

【００１０】その場合、太陽電池１０とインバータ２０
Ｂとの間の屋内配線の線間電圧を安全基準で定められた
上限値３００Ｖより低くする必要があるので、インバー
タ主回路２２の直流入力として必要な４００Ｖの電圧
（出力電圧の２倍の電圧）を得るために、開放電圧（最
大電圧）が３００Ｖより低い太陽電池１０を使用すると
ともに、太陽電池１０の出力電圧を４００Ｖに昇圧する
昇圧回路４０をインバータ主回路２２の前段に設けるこ
とになる。

【００１１】ここで、一般に使用されるシリコン太陽電
池では、単結晶系と多結晶系とアモルファス系とで若干
の違いはあるものの、開放電圧は最適動作電圧の約１．
５倍である。したがって、太陽電池１０として従来と同
様に最適動作電圧が２００Ｖ程度のものを使用し、昇圧
回路４０の昇圧比を「２」とすれば、安全基準に適合し
且つ商用電力系統とのトランスレスの連系が可能な太陽
光発電システムを実現することができる。

【００１２】ところが、このような太陽光発電システム
では、その運転開始時点などにおいて、昇圧回路４０の
出力電圧が太陽電池１０の開放電圧の２倍の６００（＝
２００×１．５×２）Ｖに達する可能性がある。このた
め、インバータ主回路２２の入力のリップルを低減する
ための平滑コンデンサＣ０、及びインバータ主回路２２
の各半導体デバイスＱ１〜４に６００Ｖ以上の耐圧が要
求されることから、インバータ２０Ｂの高価格化及び大
型化が避けられないという問題が生じる。また、半導体
デバイスＱ１〜４は耐圧が高いほどスイッチング損失が
大きい。

【００１３】本発明は、上述の問題に鑑み、商用電力系
統とのトランスレスの連系に際して、インバータを構成
する電子部品の所要耐圧の低減を図り、太陽光発電シス
テムの低価格化及び小型化を実現することを目的として
いる。

【００１４】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明に係る制
御方法は、上述の課題を解決するため、直流電力を出力
する太陽電池と、前記直流電力をスイッチング制御によ
って昇圧する昇圧回路と、昇圧後の前記直流電力を交流
電力に変換するためのインバータ主回路とを有した太陽
光発電システムの商用電力系統との連系に際して、前記
太陽電池の出力電力がほぼ最大となるように、前記イン
バータ主回路に対してパルス幅変調制御を行うととも
に、前記インバータ主回路の入力電圧が耐電圧より低い
一定電圧を越えるときに、前記インバータ主回路の入力
電圧の上昇を抑えるように前記昇圧回路の昇圧比を調整
するものである。

【００１５】請求項２の発明に係る制御方法は、前記イ
ンバータ主回路の入力電圧が耐電圧を越えるときには、
前記昇圧回路を動作停止状態にするものである。

【００１６】

【作用】通常は、インバータ主回路に対するパルス幅変
調制御により、太陽電池の動作点が最適動作点又はその
近辺に維持され、昇圧回路は太陽電池の出力電圧を交流
への変換に必要な電圧に昇圧して出力する。このとき、
昇圧比はほぼ「２」である。

【００１７】これに対して、例えば、太陽光発電システ
ムの運転開始から動作が安定するまでの過渡期、日射量
が急激に変化した場合などにおいて、太陽電池の出力電
圧が開放電圧に近づき、それにともなってインバータ主
回路の入力電圧が耐電圧より低い一定電圧に近づいたと
きには、昇圧回路はインバータ主回路の入力電圧の上昇
を抑えるように昇圧比を小さくする。

【００１８】

【実施例】図１は本発明の実施に係る太陽光発電システ
ム１を商用電力系統２に接続した状態を示すブロック図
である。

【００１９】太陽光発電システム１は、最適動作電圧が
２００Ｖ程度の太陽電池１０と、電圧形電流制御方式の
インバータ２０とから構成され、図示しない積算電力計
や分電盤などからなる配電装置４を介して単相３線式の
商用電力系統（電圧線間の電圧は２００Ｖｒｍｓ、周波
数は５０／６０Ｈｚ）２と連系されている。配電線３に
は各種の電化製品などの負荷Ｚが接続されている。

【００２０】インバータ２０は、入力側のノイズフィル
タ２１、太陽電池１０の出力電圧Ｖ１を昇圧するチョッ
パ方式の昇圧回路４０、耐電圧５５０Ｖの平滑コンデン
サＣ０、昇圧回路４０の出力電圧Ｖ２を２００Ｖｒｍｓ
の交流電圧に変換するための単相ブリッジ形のインバー
タ主回路２２、インバータ主回路２２のＰＷＭスイッチ
ング制御などを行うインバータ制御部２３、高調波成分
の少ない出力を得るための逆Ｌ形の出力フィルタ２４、
継電器２５、出力側のノイズフィルタ２６、遮断器２
７、出力電流を検出するための変流器２８、及び太陽光
発電システム１と商用電力系統２との連系点Ｐｘの電圧
（すなわち配電線３上の系統電圧）の位相及び波形を検
出するための変圧器２９などから構成されている。

【００２１】継電器２５は、系統電圧（ここでは中性線
と一方の電圧線との間の電圧）が規定範囲の上限値１０
７（１０１＋６）ボルトになったときにインバータ制御
部２３によって遮断状態とされ、これによって実質的に
連系が解除される。つまり、インバータ２０は連系保護
機能を有している。

【００２２】図２は図１のインバータ制御部２３の構成
を示すブロック図である。インバータ制御部２３は、差
動増幅器（エラーアンプ）２３１，２３３、乗算器２３
２、ＰＷＭパルス生成部２３４、及び系統電圧の基準周
波数成分を抽出するためのバンドパスフィルタ２３５を
有したフィードバック制御系であり、インバータ２０の
出力状態が適正になるようにパルス幅を調整した複数組
のＰＷＭパルスをスイッチング信号としてインバータ主
回路２２へ出力する。

【００２３】ＰＷＭパルス生成部２３４は、位相反転回
路２４１、三角波信号発生回路２４２、コンパレータ２
４３，２４４、論理回路２４５、及びスイッチング駆動
用のドライバ回路２４６からなる。

【００２４】インバータ制御部２３では、日射量に応じ
て変動する直流入力電圧（太陽電池の出力電圧）Ｖ１と
基準電圧Ｖｒｅｆとの差を示す入力誤差信号Ｓａが生成
され、この入力誤差信号Ｓａと系統電圧の基本周波数成
分に対応した信号Ｓｂとの乗算によって、制御の目標値
を示す電流指令値信号Ｓｉが生成される。すなわち、入
力誤差信号Ｓａによってインバータ２０の出力電流の大
きさ（振幅）が設定され、系統電圧によって出力電流の
位相が設定される。

【００２５】そして、電流指令値信号Ｓｉに対して実際
の出力電流の位相を示す信号Ｓｃに応じた補正及び適当
な増幅が施され、その後にＰＷＭパルス生成部２３４内
で、電流指令値信号Ｓｉ及びその位相反転信号と２０ｋ
Ｈｚ程度の変調用三角波信号Ｓｆとの比較、及び適当な
論理演算によって所定のＰＷＭパルスが生成される。

【００２６】これにより、インバータ２０においては、
太陽電池１０の出力電圧Ｖ１を基準電圧Ｖｒｅｆに一致
させるように出力電流を調整する入力電圧一定制御が行
われる。

【００２７】基準電圧Ｖｒｅｆとしては、太陽電池１０
の発電電力をできるだけ効率よく利用するために、太陽
電池１０の出力電力が最大となる最適動作電圧に近い値
（ここでは２００Ｖ）に設定されている。

【００２８】つまり、太陽電池１０の出力特性の一例を
示す図４において、日射量が変動すると太陽電池１０の
出力特性は曲線ＣＶ１〜３のように変化する。これらの
曲線ＣＶ１〜３において、最適動作点（最大電力点とも
いう）はＰ１〜３のように変化するので、インバータ２
０においては、日射量が変動した場合であっても太陽電
池１０が常に最適動作点Ｐ１〜３で動作するように最大
電力点追尾制御を行うことが望ましい。しかし、図４か
らも理解できるように、最適動作点Ｐ１〜３における電
圧（最適動作電圧）の変化は小さいので、制御回路の簡
単化のために、太陽電池１０の出力電圧Ｖ１が最適動作
電圧の変動範囲内における中央近辺の一定の電圧（例え
ば２００Ｖ）となるように基準電圧Ｖｒｅｆが設定され
ているのである。

【００２９】図３は図１の昇圧回路４０の構成を示すブ
ロック図である。昇圧回路４０は、周知の回路構成のチ
ョッパ部５０と、チョッパ部５０のスイッチング制御を
行うチョッパ制御部６０とから構成されている。

【００３０】チョッパ部５０においては、スイッチング
用の半導体デバイス５３がオン状態の期間Ｔｏｎに、太
陽電池１０から平滑コンデンサ５１を介してリアクトル
５２に電流が流れ込み、半導体デバイス５３がオフ状態
の期間Ｔｏｆｆに、その以前にリアクトル５２に蓄えら
れた電荷エネルギーが、逆流防止用のダイオード５４及
び放電用の抵抗５５からなる出力部を経てインバータ主
回路２２側へ移る。

【００３１】このようなチョッパ部５０における昇圧比
（Ｖ２／Ｖ１）は、（１）式によって表される。Ｖ２／Ｖ１＝（Ｔｏｎ＋Ｔｏｆｆ）／Ｔｏｆｆ …（１）すなわち、半導体デバイス５３のオンオフの周期Ｔ（＝
Ｔｏｎ＋Ｔｏｆｆ）において、期間Ｔｏｆｆが短いほど
昇圧比が増大する。

【００３２】一方、チョッパ制御部６０は、コンパレー
タ６１，６７，６８、論理積回路６２，６９、ドライバ
回路６３、差動増幅器（エラーアンプ）６４、及びアッ
テネータ６５，６６から構成されている。

【００３３】コンパレータ６１は、出力誤差信号Ｓｐと
上述の三角波信号Ｓｆとを比較し、半導体デバイス５３
のスイッチングを規定する論理信号Ｓ６１を出力する。
出力誤差信号Ｓｐは、電圧Ｖ２をアッテネータ６６によ
り適当に降圧したフィードバック電圧Ｖ２ａと予め設定
された昇圧基準電圧Ｖｚとの差を示す信号である。論理
信号Ｓ６１は、信号ゲートとして設けられた論理積回路
６２を介してドライバ回路６３へ入力され、半導体デバ
イス５３を駆動するためのスイッチング信号Ｓ５３の生
成に用いられる。

【００３４】これにより、チョッパ制御部５０において
は、電圧Ｖ２が昇圧基準電圧Ｖｚに対応した一定の上限
電圧（例えば４５０Ｖ）と一致するように、スイッチン
グ信号Ｓ５３のパルス幅を調整するＰＷＭスイッチング
制御が行われ、その結果として電圧Ｖ２は、図５に示す
ように、太陽電池１０の出力電圧Ｖ１が日射量にほぼ比
例して増大するにも係わらず４５０Ｖに制限される。

【００３５】ただし、このようなＰＷＭスイッチング制
御は、入力側の電圧Ｖ１が安全基準の上限電圧３００Ｖ
より低く、且つ出力側の電圧Ｖ２がチョッパ部４０の後
段の各部の耐電圧５５０Ｖよりも低い場合に限られる。
すなわち、アッテネータ６５，６６とコンパレータ６
７，６８と論理積回路６９とによって、電圧Ｖ１，Ｖ２
の少なくとも一方が所定の電圧以上であることが検出さ
れた場合には、上述の論理積回路６２の出力がローレベ
ル（ノンアクティブ）となり、実質的に昇圧回路４０の
動作が停止状態となる。

【００３６】次に、以上の構成のインバータ２０の通常
動作について説明する。まず、太陽電池１０の出力特性
が曲線ＣＶ２となるような日射量であったとする。そし
て、チョッパ制御部６０が出力電圧Ｖ２を一定の値（４
５０Ｖ）とするようにＰＷＭ制御を行い、これによって
太陽電池１０が動作点ａで動作しているとする。このと
き、インバータ制御部２３によって入力電圧Ｖ１が一定
の値（２００Ｖ）となるようにＰＷＭ制御が行われるの
で、その電圧Ｖ１を維持すべく昇圧回路４０からインバ
ータ主回路２２に電流が供給される。

【００３７】このような状態において、日射量が低下
し、太陽電池１０の出力特性が曲線ＣＶ２から曲線ＣＶ
３に変化したとする。インバータ制御部２３が何らの制
御を行わない場合には、太陽電池１０の動作点はａ点か
らｂ点に移行するが、入力電圧一定制御が行われている
ので、動作点は曲線ＣＶ３上のｂ１点となる。これはイ
ンバータ主回路２２がインピーダンス変換器として作用
しているためである。

【００３８】そうすると、入力電圧一定制御によるパル
ス幅の変化により、昇圧回路４０の出力電圧Ｖ２が当然
に変化しようとする。昇圧回路４０は、出力電圧Ｖ２が
変化しないようにＰＷＭ制御を行う。このとき、昇圧回
路４０の側から見るとインバータ主回路２２は負荷とな
っているのであるが、インバータ制御部２３がＰＷＭ制
御を行うことによってインバータ主回路２２のインピー
ダンスは変化することになる。インバータ主回路２２の
インピーダンスの変化は昇圧回路４０の入力電圧Ｖ１を
変化させることになるため、昇圧回路４０もまたＰＷＭ
制御を行う。このことによりまた昇圧回路４０の出力電
圧Ｖ２が変化するため、インバータ制御部２３もＰＷＭ
制御を行う。

【００３９】以上の一連の動作を繰り返すことによっ
て、昇圧回路４０及びインバータ主回路２２の制御は最
終的に収束し、上述の一定の電圧を維持した状態で安定
する。また、日射量が増加し、太陽電池１０の出力特性
が曲線ＣＶ２から曲線ＣＶ１に変化した場合には、上述
と同様に動作点がｃ１点となるようにＰＷＭ制御が行わ
れる。

【００４０】上述の実施例によれば、昇圧回路４０の昇
圧比が固定ではなく、後段のインバータ主回路２２の入
力電圧Ｖ２を４５０Ｖに制限するように調整されるの
で、市販の汎用部品の中では耐電圧が最大の５５０Ｖで
ある電解コンデンサを平滑コンデンサＣ０として用いる
ことができ、耐電圧が５５０Ｖを越える特殊な電解コン
デンサを用いる場合に比べて、平滑コンデンサＣ０の部
品価格を大幅に抑えることができる。また、インバータ
主回路２２の半導体デバイスＱ１〜４の耐電圧も同様に
低減することができ、スイッチング損失を最小限に抑え
ることができる。

【００４１】上述の実施例において、昇圧回路４０の出
力電圧Ｖ２の制限値を４５０Ｖに限定する必要はなく、
インバータ主回路２２によって２００Ｖｒｍｓを得る上
で必要となる最低値（４００Ｖ程度）と平滑コンデンサ
Ｃ０などの耐電圧５５０Ｖとの間の適当な値（例えば５
００Ｖ）に設定すればよい。

【００４２】上述の実施例において、昇圧回路４０の出
力電圧Ｖ２が０〜４５０Ｖのときは太陽電池１０の出力
電圧Ｖ１に係わらず昇圧比を一定値Ｎとし、電圧Ｖ１が
（４５０／Ｎ）を越えるときに、昇圧比をＮより小さい
値として電圧Ｖ２の上昇を抑えるようにしてもよい。

【００４３】上述の実施例において、チョッパ方式の昇
圧回路４０に代えて、ＤＣ−ＤＣコンバータなどの他の
方式のスイッチングレギュレータを用いることができ
る。また、インバータ制御部２３の回路構成、インバー
タ主回路２２の素子の種類などは本発明の主旨に沿って
種々変更することができる。

【００４４】

【発明の効果】本発明によれば、商用電力系統とのトラ
ンスレスの連系に際して、インバータを構成する電子部
品の所要耐圧の低減を図り、太陽光発電システムの低価
格化及び小型化を実現することができる。

【００４５】請求項２の発明によれば、電子部品の所要
耐圧の低減を図りつつ、太陽光発電システムの安全性を
高めることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施に係る太陽光発電システムを商用
電力系統に接続した状態を示すブロック図である。

【図２】図１のインバータ制御部の構成を示すブロック
図である。

【図３】図１の昇圧回路の構成を示すブロック図であ
る。

【図４】太陽電池の出力特性の一例を示すグラフであ
る。

【図５】日射量と昇圧回路の入出力電圧との関係を示す
グラフである。

【図６】単相ブリッジ形のインバータ主回路の構成を示
す回路図である。

【図７】従来の制御方法によるインバータと単相３線式
線路との接続形態を示すブロック図である。

【符号の説明】

１太陽光発電システム２商用電力系統１０太陽電池２２インバータ主回路４０昇圧回路Ｖ１太陽電池の出力電圧Ｖ２インバータ主回路の入力電圧

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁵ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所Ｈ０２Ｍ 7/48 Ｆ 9181−5ＨＭ 9181−5Ｈ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】直流電力を出力する太陽電池と、前記直流
電力をスイッチング制御によって昇圧する昇圧回路と、
昇圧後の前記直流電力を交流電力に変換するためのイン
バータ主回路とを有し、商用電力系統と連系されて使用
される太陽光発電システムの制御方法であって、前記太陽電池の出力電力がほぼ最大となるように、前記
インバータ主回路に対してパルス幅変調制御を行うとと
もに、前記インバータ主回路の入力電圧が耐電圧より低い一定
電圧を越えるときに、前記インバータ主回路の入力電圧
の上昇を抑えるように前記昇圧回路の昇圧比を調整する
ことを特徴とする太陽光発電システムの制御方法。
【請求項２】前記インバータ主回路の入力電圧が耐電圧
を越えるときには、前記昇圧回路を動作停止状態にする
ことを特徴とする請求項１記載の太陽光発電システムの
制御方法。