インバーターの動作原理：
インバータ装置の中核となるのは、インバータスイッチ回路（略してインバータ回路）です。この回路は、パワーエレクトロニクススイッチのオン/オフを切り替えることで、インバータ機能を実現します。
特徴：
（１）高い効率が求められる。
現在、太陽電池の価格が高いため、太陽電池の利用率を最大化し、システムの効率を向上させるためには、インバータの効率を向上させる必要があります。
（２）高い信頼性が求められる。
現在、太陽光発電所システムは主に遠隔地で使用されており、多くの発電所は無人メンテナンスされているため、インバータには合理的な回路構造、厳格な部品選択が求められ、入力DC極性逆保護、AC出力短絡保護、過熱、過負荷保護などのさまざまな保護機能が求められています。
（３）入力電圧はより広い適応範囲が求められる。
太陽電池の端子電圧は、負荷や日照強度によって変動します。特にバッテリーが劣化すると、端子電圧が大きく変動します。例えば、12Vバッテリーの場合、端子電圧は10Vから16Vの間で変動するため、インバータは広いDC入力電圧範囲で正常に動作する必要があります。
太陽光発電インバータの分類：
インバータの分類方法は多岐にわたります。例えば、インバータが出力する交流電圧の相数によって、単相インバータと三相インバータに分類されます。また、トランジスタインバータ、サイリスタインバータ、ターンオフサイリスタインバータに分類されます。インバータ回路の原理によって、自励発振インバータ、ステップ波重畳インバータ、パルス幅変調インバータに分類されます。系統連系システムとオフグリッドシステムへの適用によって、系統連系インバータとオフグリッドインバータに分類されます。オプトエレクトロニクスユーザーがインバータを選択しやすいよう、ここでは適用場面に応じてインバータを分類します。
1. 集中型インバータ
集中型インバータ技術とは、複数の並列太陽光発電ストリングを同一の集中型インバータの直流入力に接続する技術です。一般的に、高出力には三相IGBTパワーモジュールを使用し、低出力には電界効果トランジスタを使用します。DSPはコントローラを変換することで発電電力の品質を向上させ、正弦波電流に非常に近づけます。これは、大規模太陽光発電所（10kW以上）のシステムによく使用されます。システムの最大の特徴は、高出力と低コストですが、異なるPVストリングの出力電圧と電流が完全に一致しないことがよくあるため（特に、曇り、日陰、汚れなどによりPVストリングが部分的に遮られている場合）、集中型インバータを採用しています。この方法の変更は、インバータプロセスの効率低下と電力ユーザーのエネルギー減少につながります。同時に、太陽光発電システム全体の発電信頼性は、太陽光発電ユニット群の動作状態不良の影響を受けます。最新の研究方向は、空間ベクトル変調制御の使用と、部分負荷条件下で高い効率を得るためのインバータの新しいトポロジ接続の開発です。
2. ストリングインバータ
ストリングインバータはモジュラーコンセプトに基づいています。各PVストリング（1～5kW）はインバータを通過し、DC側で最大電力ピークトラッキングを行い、AC側で並列接続されます。市場で最も普及しているインバータです。
多くの大規模太陽光発電所では、ストリングインバータが採用されています。その利点は、モジュールのばらつきやストリング間の影の影響を受けないこと、そして同時に太陽光発電モジュールとインバータの最適動作点の不一致を低減することで発電量を増加させることです。これらの技術的利点は、システムコストを削減するだけでなく、システムの信頼性も向上させます。同時に、ストリング間に「マスタースレーブ」の概念が導入され、システムは複数のグループの太陽光発電ストリングを接続し、単一のストリングのエネルギーでは単一のインバータを動作させることができない状況でも、1つまたは複数のストリングを動作させることができます。これにより、より多くの電力を生産できます。
最新のコンセプトは、複数のインバータが「マスター・スレーブ」ではなく「チーム」を形成するというものです。これにより、システムの信頼性がさらに向上します。現在、トランスレス・ストリング・インバータが主流となっています。
3. マイクロインバータ
従来のPVシステムでは、各ストリングインバータのDC入力端に約10枚の太陽光パネルが直列に接続されています。10枚のパネルを直列に接続すると、1枚が故障すると、このストリング全体が影響を受けます。インバータの複数の入力に同じMPPTを使用すると、すべての入力も影響を受け、発電効率が大幅に低下します。実際のアプリケーションでは、雲、木、煙突、動物、ほこり、氷、雪などのさまざまな遮蔽要因が上記要因を引き起こし、非常に一般的な状況です。マイクロインバータのPVシステムでは、各パネルがマイクロインバータに接続されています。パネルの1枚が故障した場合、そのパネルのみが影響を受けます。他のすべてのPVパネルは最適に動作するため、システム全体の効率が向上し、より多くの電力を発電します。実際のアプリケーションでは、ストリングインバータが故障すると、数キロワットの太陽光パネルが機能しなくなりますが、マイクロインバータの故障の影響は非常に小さいです。
4. パワーオプティマイザー
太陽光発電システムにパワーオプティマイザを設置すると、変換効率が大幅に向上し、インバータの機能が簡素化されてコストが削減されます。スマートな太陽光発電システムを実現するために、このパワーオプティマイザ装置は、各太陽電池が実際に最高のパフォーマンスを発揮できるようにし、いつでもバッテリーの消費状態を監視することができます。パワーオプティマイザは、発電システムとインバータの間にある装置で、主な役割はインバータ本来の最適電力点追従機能を置き換えることです。パワーオプティマイザは、回路を簡素化することで類推的に非常に高速な最適電力点追従スキャンを実行し、単一の太陽電池がパワーオプティマイザに対応するため、各太陽電池は真に最適電力点追従を実現できます。また、通信チップを挿入することで、いつでもどこでもバッテリーの状態を監視でき、問題をすぐに報告して関係者ができるだけ早く修理できるようにすることができます。
太陽光発電インバータの機能
インバータは、DC-AC変換機能だけでなく、太陽電池の性能を最大限に引き出す機能やシステム故障保護機能も備えています。具体的には、自動運転・シャットダウン機能、最大電力追従制御機能、自立運転防止機能（系統連系システム向け）、自動電圧調整機能（系統連系システム向け）、直流電流検出機能（系統連系システム向け）、直流地絡検出機能（系統連系システム向け）などを備えています。以下では、自動運転・シャットダウン機能と最大電力追従制御機能について簡単に説明します。
（１）自動運転・停止機能
朝日が昇ると、日射強度が徐々に増加し、太陽電池の出力も増加します。インバータに必要な出力電力に達すると、インバータは自動的に運転を開始します。運転開始後、インバータは太陽電池モジュールの出力を常に監視します。太陽電池モジュールの出力電力がインバータの動作に必要な出力電力よりも大きい限り、インバータは動作を継続します。日没時、曇りや雨天時でも停止します。インバータは動作可能です。太陽電池モジュールの出力が減少し、インバータの出力が0に近づくと、インバータはスタンバイ状態になります。
（２）最大電力追従制御機能
太陽電池モジュールの出力は、日射強度と太陽電池モジュール自体の温度（チップ温度）によって変化します。また、太陽電池モジュールは電流の増加に伴い電圧が低下する特性があるため、最大電力を得られる最適動作点が存在します。日射強度は変化し、当然最適動作点も変化します。これらの変化に対して、太陽電池モジュールの動作点は常に最大電力点にあり、システムは常に太陽電池モジュールから最大の電力出力を得ます。この制御を最大電力追従制御といいます。太陽光発電システム用インバータの最大の特徴は、最大電力点追従（MPPT）機能を備えていることです。
投稿日時: 2022年10月26日
