部分影発生時における太陽電池パネルの発電量を向上させる...

部分影発生時における太陽電池パネルの発電量を向上させる補償器と昇圧型PWMコンバータを

一体化した統合型コンバータ

2019年5月17日電子通信エネルギー技術研究会

1

茨城大学佐々木優介中根亨鵜野将年

ハイライトハイライトハイライトハイライト

システムの簡素化が可能な統合型コンバータを提案

実機検証において最大抽出電力41.4%向上

2019.5.17 電子通信エネルギー技術研究会

目次目次目次目次

2

• 背景部分影の悪影響（問題①）部分影補償システムの複雑化（問題②）

• 提案統合コンバータ導出と特徴

動作原理

• 実機検証電力変換効率

部分影を模擬した補償実験

フィールドテスト

• まとめ• 今後の予定

部分影のイメージ

150 W試作機

3

背景背景背景背景


PV4

PV3

PV2

PV1

背景：背景：背景：背景：太陽電池に生じる部分影の悪影響

パネル特性

部分影

各サブストリング特性

4

サブストリング

パネル Ipanel

抽出電力低下

複数の最大電力点(MPP)が発生


抽出可能電力の大幅低下複数のMPP発生による最大電力点追尾制御（MPPT）の誤動作

影サブストリング利用不可

PV4

補償器

PV3

PV2

PV1

背景：部分影補償背景：部分影補償背景：部分影補償背景：部分影補償

5

100 W

100 W

(50 W)

100 W

350 W

50 W

サブストリングのI-V特性

Ieq


部分影補償器の例（LLC共振型倍電圧回路）

PV4

PV3

PV2

PV1

C3

C2

C1

C4D8

D7

D6

D5

D4

D3

D2

D1

CrLkg

Lmg

QL

QH

Cout4

Cout3

Cout2

Cout1

100 W

Ieq

Veq

差分電流Ieqを供給

各サブストリングの電圧をVeqに均一化

パネルから全ての電力を抽出

Unshaded

Shaded

Curr

ent

Voltage

特徴簡素な構成無制御で動作

PV4

補償器

昇圧型コンバータ

負荷

PV3

PV2

PV1

6

汎用型昇圧コンバータ補償器を導入したシステム

従来補償器

背景：システムの複雑化背景：システムの複雑化背景：システムの複雑化背景：システムの複雑化

PV4

PV3

PV2

PV1

C3

C2

C1

C4D8

D7

D6

D5

D4

D3

D2

D1

CrLkg

Lmg

QL

QH

Cout4

Cout3

Cout2

Cout1


Cin

L D

CoutQ

スイッチ

スイッチ

従来システム

PV4


負荷

PV3

PV2

PV1

電圧を安定化して要求電圧まで昇圧

補償器の導入⇒システムの複雑化補償器と昇圧型コンバータを一体化

⇒システムの簡素化及び低コスト化が可能な統合型コンバータを提案

7

提案回路提案回路提案回路提案回路


8

提案回路：導出提案回路：導出提案回路：導出提案回路：導出

LLC共振型倍電圧回路昇圧型PWMコンバータ


補償器導入システム

提案方式のシステム

スイッチを共有

統合型　コンバータ

補償器

PV4

PV3

PV2

PV1

負荷

PV4

補償器


負荷

PV3

PV2

PV1

L D

Cout Rout

C

QL

QH

CinVin Vout

PV4

PV3

PV2

PV1

C3

C2

C1

C4D8

D7

D6

D5

D4

D3

D2

D1

CrLkg

Lmg

QL

QHCout4

Cout3

Cout2

Cout1

VPV4

VPV3

VPV2

VPV1

Vpanel

C3

C2

C1

C4D8

D7

D6

D5

D4

D3

D2

D1

PV4

PV3

PV2

PV1

CrLkg

Lmg

1:N C

L D

Cout

QL

QH

Rout

Cin4

Cin3

Cin2

Cin1

VPV4

VPV3

VPV2

VPV1

Vpanel


Vout

9

提案回路：特徴提案回路：特徴提案回路：特徴提案回路：特徴


補償器と昇圧コンバータを個別に用いた場合と比較してスイッチ数を1つ削減⇒低コスト化

統合によるシステムの簡素化 dに影響を受けない無制御の部分影補償負荷電圧はPWM制御可能

C3

C2

C1

C4D8

D7

D6

D5

D4

D3

D2

D1

PV4

PV3

PV2

PV1

CrLkg

Lmg

1:N C

L D

Cout

QL

QH

Rout

Cin4

Cin3

Cin2

Cin1

VPV4

VPV3

VPV2

VPV1

Vpanel


Vout

i Li C

i Dv S

Ni L

kg i

Lm

gi C

3i D

Time

Mode 1 2 3 4

iD5 iD6

VString

iLmg

iLkg

i C1

iD2 iD1

Vpanel

VQ

L

動作波形

動作モード：動作モード：動作モード：動作モード：Mode 1

10

C3

C2

C1

C4D8

D7

D6

D5

D4

D3

D2

D1

PV4

PV3

PV2

PV1

CrLkg

Lmg

1:N C

L D

Cout

QL

QH

Rout

Cin4

Cin3

Cin2

Cin1

Mode 1


vL = Vpanel−VC

PV1に接続されたC1及びD2のみ動作

LkgとCrが共振

i Li C

i Dv S

Ni L

kg i

Lm

gi C

3i D

Time

Mode 1 2 3 4

iD5 iD6

VString

iLmg

iLkg

i C1

iD2 iD1

Vpanel

VQ

L

動作波形


11

Mode 2

C3

C2

C1

C4D8

D7

D6

D5

D4

D3

D2

D1

PV4

PV3

PV2

PV1

CrLkg

Lmg

1:N C

L D

Cout

QL

QH

Rout

Cin4

Cin3

Cin2

Cin1

トランス2次側に電流は流れない


Lmgが共振に参加

昇圧コンバータはMode 1と同様

i Li C

i Dv S

Ni L

kg i

Lm

gi C

3i D

Time

Mode 1 2 3 4

iD5 iD6

VString

iLmg

iLkg

i C1

iD2 iD1

Vpanel

VQ

L

動作波形


12

Mode 3

C3

C2

C1

C4D8

D7

D6

D5

D4

D3

D2

D1

PV4

PV3

PV2

PV1

CrLkg

Lmg

1:N C

L D

Cout

QL

QH

Rout

Cin4

Cin3

Cin2

Cin1


vQL = VpanelよりLkg

とCrが再び共振

vL = Vpanel−Voutより極性反転

PV1に接続されたC1及びD1のみ動作

vQL

i Li C

i Dv S

Ni L

kg i

Lm

gi C

3i D

Time

Mode 1 2 3 4

iD5 iD6

VString

iLmg

iLkg

i C1

iD2 iD1

Vpanel

VQ

L

動作波形


13

Mode 4

C3

C2

C1

C4D8

D7

D6

D5

D4

D3

D2

D1

PV4

PV3

PV2

PV1

CrLkg

Lmg

1:N C

L D

Cout

QL

QH

Rout

Cin4

Cin3

Cin2

Cin1


昇圧コンバータはMode 3と同様

トランス2次側に電流は流れない

Lmgが共振に再び参加

補償電流はD1及びD2

の平均電流と等しい

14

昇圧型昇圧型昇圧型昇圧型PWMコンバータの理論昇圧比コンバータの理論昇圧比コンバータの理論昇圧比コンバータの理論昇圧比

Mode 1及びMode 2

開放

PV4

C

L D

Cout

Q1

Q2

RL

VoutVstring

PV1

PV3

PV2

C

L D

Cout

Q1

Q2

RL

VoutVstring

PV4

PV1

PV3

PV2

導通

Vout−Vpanel

インダクタの電圧–時間積より

1out

panel

Vd

V 理論昇圧比：

Mode 3及びMode 4

vL vL

vC vC

VpanelVpanel


Vout−Vpanel

Vpanel−vCVpanel−Vout

QLQL

QHQH

d = 0.5

d = 0.6

vQL

iC1

d = 0.4

部分影補償器の原理部分影補償器の原理部分影補償器の原理部分影補償器の原理


C3

C2

C1

C4D8

D7

D6

D5

D4

D3

D2

D1

PV4

PV3

PV2

PV1

Cin4

Cin3

Cin2

Cin1

C3

C2

C1

C4D8

D7

D6

D5

D4

D3

D2

D1

PV4 Cin4

PV3 Cin3

Cin2PV2

Cin1PV1

スイッチング1周期に共振1周期を含む

カップリングコンデンサ

直流分離

等価的に並列接続

dに影響を受けない無制御の部分影補償

⇒無制御 ⇒dに依らない

自動的に電流が流れる

部分影により電圧低下

[出典] M. Uno and A. Kukita, “Two-switch voltage equalizer using an LLC resonant inverter and voltage multiplier for partially

shaded series connected photovoltaics modules,” IEEE Trans. Ind. Appl., vol. 51, no. 2, pp. 1587–1601 (2015)

等価回路

iC1 d 変動時のイメージ

16

実機検証実機検証実機検証実機検証


17

実機検証：試作回路と電力変換効率（条件）実機検証：試作回路と電力変換効率（条件）実機検証：試作回路と電力変換効率（条件）実機検証：試作回路と電力変換効率（条件）


定格150 W試作機

Component Value

Cin1–Cin4 Ceramic Capacitor, 300 �F

D1–D8 Schottky Barrier Diode, Vf = 0.30 V

C1–C4 Ceramic Capacitor, 99 �F

C Ceramic Capacitor, 33 �F

L Inductor, 47 �H

D Schottky Barrier Diode, Vf = 0.40 V

Cout Ceramic Capacitor, 176 �F

Cr Film Capacitor, 220 nF

TransformerN1 : N2 = 12 : 3,

Lkg = 1.54 �F, Lmg = 94.8 �F

QL–QH FDD390N15A, RDS(ON) = 33.5 mΩ

Component values

L D

Cout Rout

C3

C2

C1

C4D8

D7

D6

D5

D4

D3

D2

D1

CrLkg

Lmg

1:N

QL

QH

Cout4

Cout3

Cout2

Cout1

Rvar

Vin

IRvar

VRvar

iLr

iVM

vQH

vQL

CCin

IoutIin

Vout

補償電流IRvarを変動

Poutを固定(0 W, 70 W, 140 W)

d = 0.5

1入力2出力の構成

電力変換効率（結果）電力変換効率（結果）電力変換効率（結果）電力変換効率（結果）


昇圧コンバータ単体の最大電力変換効率は96%

補償器単体の電力変換効率は80%以下

補償器部は昇圧コンバータ部から影響を受けない

L D

Cout Rout

C3

C2

C1

C4D8

D7

D6

D5

D4

D3

D2

D1

CrLkg

Lmg

1:N

QL

QH

Cout4

Cout3

Cout2

Cout1

Rvar

Vin

IRvar

VRvar

iLriVM

vQH

vQL

CCin

IoutIin

Vout

Pout = 0 W

Pout = 70 W

Pout = 140 W

Pout = 0 W

Pout = 70 WPout = 140 W

補償器と昇圧コンバータの出力電力の総和（Ptotal = PRvar + Pout）

C3

C2

C1

C4D8

D7

D6

D5

D4

D3

D2

D1

PV4

PV3

PV2

PV1

CrLkg

Lmg

1:N C

L D

Cout

QL

QH

Rout

Cin4

Cin3

Cin2

Cin1

VPV4

VPV3

VPV2

VPV1

VpanelVout

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部分影を模擬した補償実験（条件）部分影を模擬した補償実験（条件）部分影を模擬した補償実験（条件）部分影を模擬した補償実験（条件）


サブストリング特性d = 0.3~0.7

Vout＝ 48 V

SAS(Solar Array Simulator)

で太陽電池の特性を模擬理想的な抽出電力は55.7 W


部分影を模擬した補償実験（結果）部分影を模擬した補償実験（結果）部分影を模擬した補償実験（結果）部分影を模擬した補償実験（結果）

パネルのP–V特性

MPPが1点に収束

総合効率99%最大抽出電力22.5%向上

フィールドテスト（条件）フィールドテスト（条件）フィールドテスト（条件）フィールドテスト（条件）


サブストリング特性

実験風景（19/4/23 茨城県日立市 PM15:00）

部分影発生時と類似の状況を模擬

C3

C2

C1

C4D8

D7

D6

D5

D4

D3

D2

D1

PV4

PV3

PV2

PV1

CrLkg

Lmg

1:N C

L D

Cout

QL

QH

Rout

Cin4

Cin3

Cin2

Cin1

VPV4

VPV3

VPV2

VPV1

Vpanel Vout

フレキシブルパネル

d = 0.3~0.7

Vout＝ 48 V

理想的な抽出電力は45 W

0

10

20

30

40

50

0 10 20 30 40

Pou

t[W

]

Vpanel [V]

w/ Equalization

w/o Equalization

43.0 W

30.4 W


フィールドテスト（結果）フィールドテスト（結果）フィールドテスト（結果）フィールドテスト（結果）

パネルのP–V特性

MPPが1点に収束

総合効率95.6%最大抽出電力41.4%向上

23

まとめまとめまとめまとめ


システムの簡素化及び低コスト化が可能な統合型コンバータを提案

提案回路

実機検証によりMPPの収束と最大抽出電力の向上を確認

PWM制御によりパネル電圧を昇圧しつつ、同時に部分影補償を無制御で行うことが可能

部分影補償はd及び昇圧コンバータ部に影響を受けない

部分影発生時における太陽電池パネルの発電量を 向上させる...

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