JP2005252172A - 太陽光発電システムの電力見積方法、設計支援方法およびプログラム - Google Patents

Abstract

【課題】 パワーコンディショナの制御回路の消費電力を考慮した上での正確な最大電力値を求める。
【解決手段】 複数の太陽電池モジュールを備える太陽電池アレイと、前記太陽電池アレイからの電力を変換する電力変換部および当該電力変換部を制御する制御回路を備えるパワーコンディショナと、を有する太陽光発電システムの電力見積方法において、太陽電池アレイの環境条件ごとに設定されるアレイ出力電力−電圧特性データの電力値から、前記制御回路の消費電力特性である制御回路電力−電圧特性データの電力値を差し引くことにより、前記電力変換部の入力点での電力変換部入力電力−電圧特性データを求める手順と、前記電力変換部入力電力−電圧特性データから電力変換部最大電力値を求める手順と、を有する。
【選択図】 図６

Description

本発明は、太陽光発電システムの電力見積方法、設計支援方法およびこれらの方法をコンピュータに実行させるプログラムに関する。特に、太陽光発電システムの備えるパワーコンディショナの制御回路用電力の特性などの影響を考慮することで、不整合による出力低下を正確に評価し、これに基づいて太陽電池アレイの最適なアレイ電圧を求め、直列モジュール数を決定する方法に関する。

従来、太陽電池モジュールを組み合わせた太陽電池アレイ、およびその発生電力を一般商用電力に変換するためのパワーコンディショナを備えた太陽光発電システムについて、太陽電池モジュールの組合せと、パワーコンディショナとの適切な組合せを選択しようとする方法が知られている（例えば、非特許文献１および特許文献１参照。）。

太陽光発電システムでは、複数個の太陽電池モジュールを直列に接続し太陽電池ストリングを構成し、さらに複数の太陽電池ストリングを並列に接続して太陽電池アレイを構成する。すなわち太陽電池アレイは、太陽電池モジュールの直並列組合せにより構成される。太陽電池アレイはパワーコンディショナに接続される。そして、太陽電池アレイが発生する直流電力を交流電力に変換し、一般の交流負荷または商用電力系統に供給する。

一般に、太陽電池の出力電力特性である出力電流と電圧の関係は非線形であり、定電圧でも定電流でもない。この特性は、太陽からの日射強度、太陽電池のセル温度および入射光スペクトルといった環境の条件の変化に応じて絶えず変動する。このため、太陽電池は電源としての取り扱いが容易でない。

パワーコンディショナは、太陽電池の能力を常に最大限発揮させるために、最大出力点追尾（Ｍａｘｉｍｕｍ Ｐｏｗｅｒ Ｐｏｉｎｔ Ｔｒａｃｋｉｎｇ：ＭＰＰＴ）機能を備えている。ＭＰＰＴ装置は、太陽電池アレイから入力する電流および電圧を検出しながら自らの負荷特性を絶えず変化させ、太陽電池アレイのその時点の環境下における最大出力電力を取出そうとするものである。ＭＰＰＴ装置を経た電力はインバータに入力され、一般の交流負荷や商用電力系統に対し供給可能な形式に変換される。

パワーコンディショナには、上述のＭＰＰＴ装置やインバータによる電力変換部の他に、パワーコントローラ内の、ＭＰＰＴ装置およびインバータや系統連系装置を各種監視する装置および制御装置を制御するための制御回路も備えられている。制御回路には、この制御回路自体を駆動する電力を得るための電源回路を備えており、電源回路への入力電力は、太陽電池アレイから入力する電力の一部が割り当てられている。

すなわち、太陽電池アレイから入力する電力は、電力変換部を経て交流負荷に供給されるものと、制御回路が備える電源回路を経て制御回路に供給されるものと、に分かれる。

太陽光発電システムで用いられるパワーコンディショナは、定格で使用したときに最も効率良く動作するように設計され、制御用電力も定格電圧での消費電力が最小になるよう考慮される。つまり、制御回路が消費する電力も、通常、太陽電池アレイから入力する電圧がパワーコントローラの定格値であるとき最小となるように設定されている。そして、太陽光発電システムの設計においては、太陽電池アレイを構成する太陽電池モジュールの配列は、パワーコントローラの定格運転時の特性を考慮して決定される。
特開２００３−１４２７０４号公報 「太陽光発電」浜川， シーエムシー， ｐ．２０２， （２０００）

このような太陽光発電システムの設計において電力を見積もる場合には、太陽電池アレイの特性の実測値や理論値から、所定の環境条件における最大電力を求め、この変数にパワーコントローラの変換効率を乗じるなどして結果を求める。

しかしながら、太陽電池の最適動作電圧は、日射強度やセル温度など環境条件の変化に応じて絶えず変化するものであり、太陽電池アレイは、定格電圧とは異なる電圧で動作する場合も多い。実際の太陽光発電システムにおいては、太陽電池アレイの電流−電圧特性（以下、Ｉ−Ｖ特性とも言う）または電力−電圧特性（以下、Ｐ−Ｖ特性とも言う）とＭＰＰＴ装置の入力部に対して設定される電流−電圧特性との間に制御回路の消費電力による差異が生じるため、特に定格電圧とは異なる電圧で動作する場合には、太陽電池アレイが最大電力を発生する電圧とパワーコンディショナの最大出力点追尾により設定される電圧との間に差異が生じ、太陽電池の発電出力は、最大能力の出力より低くなる。これを不整合という。

このため、実際の太陽光発電システムにおいて、太陽電池の発電能力が最大限に発揮されないため、正確な出力を評価できず、原因不明な出力低下が生じたりといったおそれがあった。

本発明は、太陽電池の電力特性と、パワーコンディショナの制御回路の電力特性による不整合が、太陽光発電システムの発電効率の見積に影響を与えるという知見に基づき、不整合を考慮した太陽光発電システムの動作出力をより正確に求め、システムの出力積算量を正確に評価する方法を提供するものである。

また、この太陽電池アレイとパワーコンディショナとの不整合を考慮した出力見積方法を用いて、太陽電池の年間発電能力の低下を最小に抑える最適なアレイ電圧、つまりモジュールの組合せを決定する設計方法を提供することを目的とする。

（１） 複数の太陽電池モジュールを備える太陽電池アレイと、前記太陽電池アレイからの電力を変換する電力変換部および当該電力変換部を制御する制御回路を備えるパワーコンディショナと、を有する太陽光発電システムの電力見積方法であって、太陽電池アレイの環境条件ごとに設定されるアレイ出力電力−電圧特性データの電力値から、前記制御回路の消費電力特性である制御回路電力−電圧特性データの電力値を差し引くことにより、前記電力変換部の入力点での電力変換部入力電力−電圧特性データを求める手順と、前記電力変換部入力電力−電圧特性データから電力変換部最大電力値を求める手順と、を有する太陽光発電システムの電力見積方法。

（２） （１）記載の太陽光発電システムの電力見積方法であって、前記環境条件を仮想的な時間の進行とともに想定させながら、前記電力変換部入力電力−電圧特性データを求める手順、および、前記電力変換部最大電力値を求める手順を繰り返す手順と、前記電力変換部最大電力値の累積値を求める手順と、を有する太陽光発電システムの電力見積方法。

（３） 前記制御回路電力−電圧特性は制御回路電圧の自乗項を含む近似式に基づいて算出されることを特徴とする（２）記載の太陽光発電システムの電力見積方法。

（４） （２）または（３）記載の電力見積方法を含む太陽光発電システムの設計支援方法であって、前記アレイ出力電力−電圧特性データは、さらに前記太陽電池モジュールの複数の直並列組合せごとに設定され、当該接続組合せのそれぞれについて、請求項２または３記載の電力見積方法により電力変換部最大電力値の累積値を求める手順と、前記接続組合せのうち電力変換部最大電力値の累積値が最大となる直並列数を求める手順を有する太陽光発電システム設計支援方法。

（５） 複数の太陽電池モジュールを備える太陽電池アレイと、前記太陽電池アレイからの電力を変換する電力変換部および当該電力変換部を制御する制御回路を備えるパワーコンディショナと、を有する太陽光発電システムの電力見積プログラムであって、太陽電池アレイの環境条件ごとに設定されるアレイ出力電力−電圧特性データの電力値から、前記制御回路の消費電力特性である制御回路電力−電圧特性データの電力値を差し引いて前記電力変換部の入力点での電力変換部入力電力−電圧特性データを求める手順と、前記電力変換部入力電力−電圧特性データから電力変換部最大電力値を求める手順と、をコンピュータに実行させるための電力見積プログラム。

（６） （５）記載の太陽光発電システムの電力見積プログラムであって、前記環境条件を仮想的な時間の進行とともに想定させながら、前記電力変換部入力電力−電圧特性データを求める手順、および、前記電力変換部最大電力値を求める手順を繰り返す手順と、前記電力変換部最大電力値の累積値を求める手順と、をコンピュータに実行させるための電力見積プログラム。

（７） 前記制御回路電力−電圧特性は制御回路電圧の自乗項を含む近似式に基づいて算出されることを特徴とする（６）記載の太陽光発電システムの電力見積プログラム。

（８） （６）または（７）記載の電力見積プログラムを含む太陽光発電システムの設計支援プログラムであって、前記アレイ出力電力−電圧特性データは、さらに前記太陽電池モジュールの複数の直並列組合せごとに設定され、当該複数の直並列組合せのそれぞれについて、前記電力見積プログラムにより電力変換部最大電力値の累積値を求める手順と、前記複数の組合せのうち電力変換部最大電力値の累積値が最大となる直並列数を求める手順と、をコンピュータに実行させるための太陽光発電システム設計支援プログラム。

（１）または（５）の発明によれば、アレイ出力電力−電圧特性データの電力値から、制御回路の消費電力値を差し引いて求めた特性のデータにより電力変換部の入力点における電力変換部最大電力値を求めるため、制御回路の消費電力特性が考慮されることとなる。したがって、より実際のシステムの特性に近い、制御回路の消費電力を考慮した上での正確な最大電力値を求めることができる。なお、環境条件は、例えば、環境条件データとして用いることができる。

（２）または（６）の発明によれば、仮想的な時間の進行とともに時間ごとに想定された環境条件も変化するが、この時々での電力変換部最大電力値を求め、その累積値を得るため、特定期間のシミュレーション結果として積算電力を得ることができる。ここで仮想的な時間とは、それぞれの値を計算するにあたり設定される仮の時間であり、いわゆるシミュレーション時間である。本発明により、より正確な積算電力を得ることができる。

（３）または（７）の発明によれば、制御回路電力−電圧特性は制御回路電圧による単純な式に基づいて計算される。したがって、単純な式を用いて計算の負担を低減することができる。

（４）または（８）の発明によれば、太陽電池モジュールの複数の直並列組合せごと電力変換部最大電力値を求め、このうち最大値を得る接続組合せを求める。このため、制御回路の消費電力による不整合を考慮した上で、太陽電池アレイを構成する太陽電池モジュールの最適な直並列組合せを得ることができる。

本発明により、太陽光発電システムの出力電力を見積もる精度が向上し、システムに対する信頼性を向上させることができる。つまり、原因不明な出力低下を抑えることができる。また、不整合による出力低下を最小にするアレイ動作電圧および直並列モジュール数を定めることが可能となる。

［見積対象のシステムの構成］
図１は、本発明に係る方法の対象となる太陽光発電システムの構成の例を示す。太陽光発電システム１１は、太陽電池アレイ１３およびこの太陽電池アレイ１３が接続されるパワーコンディショナ１５から構成されている。太陽光発電システム１１には、発電した電力により駆動される負荷３１が接続されている。

太陽電池アレイ１３は、複数の太陽電池ストリングが並列に接続されたもので構成され、この太陽電池ストリングは複数枚の太陽電池モジュールが直列に接続されたものである。パワーコンディショナ１５は、太陽電池アレイ１３に接続される逆流防止用のダイオード１７と、ダイオード１７の他端側に接続され負荷３１へ供給する電力の変換を行うための電力変換回路１９と、この電力変換回路１９の制御を行うための制御回路２１とを備える。ここで、制御回路２１には、電力変換回路１９を直接に制御する回路以外にも、一般の商用交流系統の状態を監視する回路、蓄電池を備えるシステムにおいては蓄電池の状態を監視する回路、ユーザの操作部やそのインターフェースのための回路も含む。電力変換回路１９は、太陽電池アレイ１３が置かれる環境の変化に応じて変化する入力電圧を一定の値に変換しつつ、入力される電流および電圧を監視しながら入力電力が常に最大となるよう入力インピーダンスを変動するための、ＤＣ−ＤＣコンバータからなるＭＰＰＴ装置２３と、この出力電力を一般の商用交流に変換し、負荷３１に供給するためのＤＣ−ＡＣインバータ２５とを備える。なお、図１に示す太陽光発電システム１１において、太陽電池アレイ１３の出力点をＩＶ１、ダイオード１７の出力点をＩＶ２、電力変換回路１９の入力点をＩＶ３、電力変換回路１９の出力点をＡＣ４、としている。

次に、上述の例の太陽光発電システム１１を対象とする、本発明の第１実施形態である電力の見積方法について説明する。

［パワーコンディショナの制御部電力特性］
まず、パワーコンディショナ１５の制御回路２１での消費電力の特性である、制御回路電力−電圧特性を設定する。一般的な制御回路２１の消費電力は、パワーコンディショナ１５の入力の標準的な定格電圧において最小となるように設計され、消費電力は、入力電圧が定格電圧から外れて大きくなっても、逆に小さくなっても増加する。ここで、制御回路２１の消費電力Ｐ_ｃｔｒｌ（Ｖ）を、式（１）に示すように入力電圧Ｖすなわち制御回路電圧の自乗の項を有する近似式として設定する。

ここでＶは、電力変換回路１９の入力点ＩＶ３における電圧である。なお、ダイオード１７の順方向電圧は、常にほぼ一定であり、パワーコンディショナ１５の定格電圧に比較して非常に低い。このため、ダイオード１７の順方向電圧は無視し、ＩＶ１における電圧、ＩＶ２における電圧に等しく電圧Ｖであるとする。また制御回路２１は電力変換回路１９に並列接続されており、ＩＶ２における電圧は、ＩＶ３における電圧に等しく、これも電圧Ｖであるとした。

図２は、制御回路２１の消費電力を示す上式に、パワーコンディショナ１５の特性の例として、ＶＲ＝３００Ｖ、ＰＣ０＝３０Ｗと設定した場合の制御回路電力−電圧特性を示すグラフである。ここで、パワーコンディショナ１５の内部の制御用電力は、電圧Ｖが定格電圧３００Ｖのとき最小値（ＰＣ０）となる。なお、式（１）に示される制御回路２１の消費する電力の特性は、入力部ＩＶ１点（図１）から、ＭＰＰＴ装置の最大出力点検索用電流、電圧計測点である電力変換回路１９の入力点ＩＶ３（図１）に至るまでに失う電力の特性ということができる。

［パワーコンディショナのＭＰＰＴ入力電力特性］
次に、上述した制御回路２１の消費電力の特性、および、太陽電池アレイ１３の出力特性から、電力変換回路１９の入力点ＩＶ３における電力−電圧特性を次式により求める。

このように、アレイ出力電力−電圧特性データの電力値から、前記制御回路の消費電力特性である制御回路電力−電圧特性データのそれぞれ等しい電圧値における電力値を差し引いて電力変換部入力電力−電圧特性データを求める。

図３は、上式により求められるＰ_ｄｙｃ（Ｖ）の例を示す。ここで、出力電力−電圧特性Ｐ_ｓｔｃ（Ｖ）は、太陽電池アレイ１３の出力の特性であり、本来は、太陽電池アレイ１３を電子負荷装置内蔵のカーブトレーサといった測定器に単独で接続して実測したデータにより得られるものである。なお、出力電力−電圧特性Ｐ_ｓｔｃ（Ｖ）は、太陽電池アレイ１３を構成する太陽電池モジュールの個数および直並列の組合せ数によって異なるものである。この出力電力−電圧特性は、また、環境条件（日射強度、セル温度、入射光スペクトル）ごとに異なるものであり、後に説明する見積方法や設計支援の方法では、太陽電池セルの等価回路モデルに、環境因子を示す環境条件データを適用することによって計算により求める。ただし、環境条件ごとに出力電力−電圧特性の実測値を記憶しておき、必要に応じて環境条件データに対応して読み出されるものでもよい。

図３のグラフに示すＰ_ｓｔｃ（Ｖ）は、特定の環境条件および太陽電池モジュール構成の例である。この例において、太陽電池アレイ１３の最大出力電力は約１０ｋＷの容量を想定し、この最大出力電力を発生する電圧ＶをＶ_ｐｍａｘとする。

図３の例で設定した環境条件においては、最大出力電力を発生する電圧Ｖ_ｐｍａｘがパワーコンディショナの定格電圧に等しい。このため、Ｐ_ｄｙｃ（Ｖ）の最大値を得る電圧もＶ_ｐｍａｘとなっている。実際の太陽光発電システム１１のＭＰＰＴ装置２３は、電力変換回路１９の入力電圧がＰ_ｄｙｃ（Ｖ）の最大値を得る電圧Ｖ_ｏｐとなるように入力インピーダンスを調節する。したがって、図３に示す特性の場合、ＭＰＰＴ装置２３は、太陽電池アレイ１３が最大電力を発生する電圧に設定し、電力変換回路１９を作動させるため、不整合の問題は生じていない。

図４は、太陽電池アレイ１３の置かれた環境条件が図３と比べ変化した場合の特性の例を示す。この例では、Ｐ_ｓｔｃ（Ｖ）の最大値を得る電圧Ｖが定格電圧よりも低くなっている。しかし、制御回路２１の消費電力特性Ｐ_ｃｔｒｌ（Ｖ）は環境条件の変動に拘わらない。したがって、上式（２）により、求めるＰ_ｄｙｃ（Ｖ）の最大値を得る電圧Ｖ_ｏｐはＶ_ｐｍａｘと異なる。このように、ＭＰＰＴ装置２３による設定されるＶ_ｏｐと太陽電池アレイ１３の最大出力電圧Ｖ_ｐｍａｘとのずれにより不整合が生じる。

図５は、太陽電池アレイ１３の置かれた環境条件が同様に変化し、図４に示す例とは逆に、Ｐ_ｓｔｃ（Ｖ）の最大値を得る電圧Ｖが定格電圧よりも高くなっている例を示す。この場合にも、Ｐ_ｄｙｃ（Ｖ）の最大値を得る電圧Ｖ_ｏｐはＶ_ｐｍａｘと異なり、Ｖ_ｏｐとＶ_ｐｍａｘとのずれにより不整合が生じる。なお、図４または図５の例では、Ｖ＝Ｖ_ｏｐのとき、ＩＶ３での出力Ｐ_ｄｙｃ（Ｖ_ｏｐ）は最大となり、これが、パワーコンディショナ１５の電力変換部１９の入力点での電力変換部入力電力−電圧特性となる。

また、太陽光発電システム１１の全体の電力を評価するため、電圧Ｖ_ｏｐにおける太陽電池アレイの出力電力Ｐ_ｓｔｃ（Ｖ_ｏｐ）を求めておく。

実際の太陽光発電システムがおかれる環境条件は、時刻の経過とともに変化する。電力見積では、見積を行う設定期間（例えば、１年間）の各時刻ごとに、理論値や気象記録データや理論値に基づいて環境条件を変更しながら、この環境条件での出力特性Ｐ_ｓｔｃ（Ｖ）を設定して出力Ｐ_ｄｙｃ（Ｖ_ｏｐ）を求め、この累計値を設定期間の積算電力とする。

不整合を生じなかったとした場合の太陽電池アレイ１３の出力はＰ_ｓｔｃ（Ｖ_ｐｍａｘ）であり、この積算量も比較基準として求めておく。このＰ_ｓｔｃ（Ｖ_ｐｍａｘ）に対するＰ_ｓｔｃ（Ｖ_ｏｐ）の積算量の差が、不整合による年間の発電能力低下分となる。

［システム全体の出力電力特性］
電力Ｐ_ｄｙｃ（Ｖ_ｏｐ）は、電力変換回路１９に入力され、交流出力としてＡＣ４に出力される。電力変換回路１９での、入力電流、電圧に対する出力の変換効率特性は下式により求められる。

このようにして、最終的なシステムの交流出力を求める。なお、上式の特性は、実際のパワーコンディショナ１５における電力変換部特性の実測値データに基づいて設定されるが、電力変換部の回路から近似式の形で論理値として設定するものであってもよい。

例えば、太陽光発電システムの年間の発電量は、各時刻ごとに環境条件を変更しながら、出力Ｐ_ｄｙｃ（Ｖ_ｏｐ）を求め、このときのＶ_ｏｐ、Ｉ_ｏｐから、上式により求めることができる。

［積算電力量見積方法および設計支援方法］
次に、図６を参照しながら、上述の方法を利用した、本発明の第２実施形態である太陽光発電システムの設計支援方法について説明する。上述の計算法で、太陽電池アレイ１３の電流、電圧比を変えて再び計算を行うことで、太陽電池の発電能力の低下を抑える最適なアレイ電圧および直列モジュール数を決定することができる。

図６は、データフローを考慮した、太陽光発電システムの設計方法の手順を示す計算流れ図（フローチャート）である。

太陽電池アレイ１３の構成および想定される設置環境により、日射強度およびセル温度などの環境因子が決まり、その環境因子から、ある直並列モジュール数の太陽電池アレイ１３のＩ−Ｖ特性およびＰ−Ｖ特性が定められる。これを基に、パワーコンディショナ１５における不整合を考慮した動作出力を求め、ＤＣ−ＡＣインバータの電力変換効率から交流出力を求める。これより、年間の出力積算量が算出される（図６のＳＴ４）。なお、太陽電池アレイ１３のＰ−Ｖ特性であるＰ_ｓｔｃ（Ｖ）は、太陽電池セルの等価回路モデルに、環境因子を示す環境条件データを適用して計算により求める。あるいは、環境条件ごとの出力電力−電圧特性の実測値等を記憶しておき、環境条件データに対応する出力電力−電圧特性Ｐ_ｓｔｃ（Ｖ）を読み出すことによりもとめるものでもよい。

この出力積算量をＰ_ｓｔｃ０とする。次に、太陽電池アレイ１３を構成する太陽電池ストリングの直列モジュール数を変えて、最適動作電圧を設定し年間の出力積算量を求める。例えば、直列モジュール数を１個増加した場合の出力積算量はＰ_{ｓｔｃ＋１}、１個減少した場合はＰ_{ｓｔｃ−１}とする。このようにして、複数種類の直列モジュール数について出力積算量を求め、その中で値が最大となる直列モジュール数を決定する。なお、太陽電池アレイ１３を構成できるモジュールの総数は、パワーコンディショナ１５の定格容量から制約されているため、アレイの直列モジュール数を変えたときは、並列モジュール数も調整する。

それぞれのステップを具体的に説明する。まず、システムの太陽電池アレイ１３を構成する太陽電池モジュールの直並列数、すなわち直並列組合せを一つ定め、このモジュール組合せにおけるアレイのＩ−Ｖ特性を基に、設置環境の影響を受けたＩ−Ｖ特性Ｐ_ｓｔｃ（Ｖ）を求める（図６のＳＴ１）。ここで求められたＩ−Ｖ特性の電力は、パワーコンディショナ１５に入力される電力の特性となる。次に、式（１）および式（２）の計算により、パワーコンディショナ１５の制御回路２１での消費電力特性を考慮した、上述のＰ_ｄｙｃ（Ｖ）によるＰ−Ｖ特性を求める（図６のＳＴ２）。

続いて、Ｐ_ｄｙｃ（Ｖ）が最大となる電圧Ｖを、パワーコンディショナ１５のＭＰＰＴ装置２３が動作する電圧Ｖ_ｏｐとして計算し、このときのＭＰＰＴ装置２３の入力電力すなわち電力変換部の入力電力Ｐ_ｄｙｃ（Ｖ_ｏｐ）および出力電力Ｐ_ａｃを計算する（ＳＴ３）。また、ＭＰＰＴ装置２３が動作する電圧Ｖ_ｏｐにおける。太陽電池アレイ１３の出力電力Ｐ_ｓｔｃ（Ｖ_ｏｐ）、および、パワーコンディショナ１５の制御回路２１の電力を考慮しない場合の最大出力電力Ｐ_ｓｔｃ（Ｖ_ｐｍａｘ）も計算しておく。

なお、図６のＳＴ３またはＳＴ４での計算値を、ＩＶ１またはＡＣ４（図１）における実測値と比較することにより、計算による評価の精度を確認することができる。

図６の計算流れ図のＳＴ１での特性は、同じ設置環境下における太陽電池アレイ１３のＩ−Ｖ特性実測値を利用することもできる。つまり、特性の同じ太陽電池アレイ１３をもう一組用意し、同様の環境に設定する。そして、そのＩ−Ｖ特性をＩ−Ｖカーブトレーサ（Ｉ−Ｖ特性計測装置）により測定する。この場合のセル温度は、発電していない分若干高いので、パワーコンディショナ使用時のセル温度に補正しておく。

なお、このＩ−Ｖ特性をＳＴ１に当てはめ、計算値のＳＴ３’またはＳＴ４を実測値ＩＶ１かＡＣ４（図１）と比較することにより、評価法の精度を確認することができる。

ＳＴ５のステップで、太陽電池アレイ１３を構成する太陽電池モジュールの組合せを変更して、最適動作電流、電圧の比率を変え、再びＳＴ１〜ＳＴ４の計算を行う。このようにして、設置環境による影響を考慮した年間の不整合による出力低下量が最小となる、つまり発電量が最大となる、最適動作電流、電圧の値が求められる。これより、太陽電池アレイ１３の最適なモジュール直並列数比が定まり、その比でシステムを構成したときの出力の計測値と実測値と比較する。計算値が実測値に等しければ、評価法の精度が確認される。この方法により、太陽電池を実際に屋外環境下で使用したときに、変化するＩ−Ｖ特性に対して生じる、パワーコンディショナ１５における不整合を、年間で定量的に評価することができる。また、不整合による太陽電池の発電能力低下を評価することができる。

［太陽光発電システムの電力見積プログラム、設計支援プログラム、設計支援装置］
次に、上述の方法を実現するための第３実施形態である太陽光発電システムの電力見積プログラム、太陽光発電システムの設計支援プログラム、およびこれらのプログラムを実行する装置（以下、設計支援装置）について、図７から９を参照しながら説明する。

図７は、本実施形態に係る設計支援装置４０の概略構成図を示す。設計支援装置４０は、例えばパーソナルコンピュータやワークステーションといったコンピュータであり、データやプログラムを記憶するための記憶装置４３、演算や他の装置の制御を行うための制御装置４５、ユーザの操作によりデータを入力するための入力装置４７、およびユーザに対して演算結果を示すための表示装置４９を主要部として備える。これらの装置は、バスにより接続されている。

記憶装置４３は、例えば、ＲＡＭやＲＯＭといった半導体メモリ、ハードディスク、フレキシブルディスク、または光磁気ディスクといった記憶媒体および装置、もしくは、これらの組合せからなる。また、記憶装置４３には、記憶されたデータを読み出すだけのＣＤ−ＲＯＭといった光ディスクも含む。記憶装置４３には、制御装置４５が実行するコンピュータプログラムの他、各種データが記憶される。

制御装置４５は、例えば、中央演算装置（ＣＰＵ）からなり、コンピュータプログラムに従って、データの演算、記憶装置４３が記憶するデータの読み書き、他の装置に対する制御、およびデータの入力を行う。設計支援装置４０の各種計算や探索の処理は、制御装置４５が、記憶装置４３に記憶されたプログラムに従って記憶装置４３からデータを読み出し、データの演算を行い、演算の結果を記憶装置４３に書き込み、または表示装置に表すことにより実行される。

入力装置４７は、例えば、キーボードやマウスからなる。表示装置４９は、例えば液晶ディスプレイやＣＲＴディスプレイおよびこれらに接続する表示制御回路からなる。

［データ］
記憶装置４３に記憶されているデータには、例えば以下のものがある。環境条件データは、特定の場所に設置される太陽電池アレイ１３が置かれる環境条件を、例えば１時間ごとに１年分というように所定の期間に渡り記録したデータである。例えば、新エネルギー・産業技術総合開発機構（ＮＥＤＯ）により、ＭＥＴＰＶといった太陽光発電の環境についてのデータが提供されている。太陽電池アレイ１３が置かれる環境条件のうち、発電電力に影響を与えるものとしては、日射強度、セル温度、入射光スペクトルがあり、これらは、実際の環境では日によって異なり、１日の中では時々刻々と変化するものである。環境条件データは、該当する地域での実測や過去の気象記録から求められている。見積に用いる際の環境条件データの形式としては、日射強度、セル温度、入射光スペクトルの環境条件を統合した条件変数として持つものであってもよい。

太陽電池アレイ特性データは、太陽電池アレイ１３の出力電力−電圧特性のデータである。出力電力−電圧特性は、太陽電池を構成する最小単位である太陽電池セルの等価回路モデルに環境条件を適用して、計算により求めることができる。なお、この特性データは、各環境条件での太陽電池アレイ１３の実測値を記録したものであってもよい。また、出力電力−電圧特性は太陽電池モジュールの直並列組合せによっても異なるため、太陽電池モジュール単体のデータを設定し、太陽電池アレイ１３の特性が、太陽電池モジュールの組合せに応じて計算により求められる。

シミュレーション時刻データは、特定の期間における電力量のデータを計算する際に、特定の期間（例えば１年）でのシミュレーション上の仮想的な時間の経過（例えば何月何日の何時）に対する環境因子（日射強度、セル温度、入射光スペクトル）を示すデータである。

［処理］
図８は、図１に示す太陽光発電システム１１の、制御回路２１での消費電力の特性を考慮した、電力見積プログラムの処理を示すフローチャートである。以下に、制御装置４５が、プログラムに従って実行する処理を説明する。

ステップＳＴ１１で、制御装置４５は、処理に必要なデータの初期化を行う。具体的には、記憶装置４３に記憶された、シミュレーション時刻データ、積算電力データの値を初期値に設定する。この後、ステップＳＴ１２の処理に移る。

ステップＳＴ１２で、制御装置４５は、設定されたシミュレーション時刻における、太陽電池アレイ１３の環境条件を設定する。具体的には、シミュレーション時刻に該当する環境条件データを記憶装置４３から読み出す。この後、ステップＳＴ１３で、制御装置４５は、太陽電池アレイ１３の特性の設定処理を行う。具体的には、太陽電池セルの等価回路モデルに、ステップＳＴ１２で読み出した環境条件データを適用して、シミュレーション時刻の環境における出力電力−電圧特性Ｐ_ｓｔｃ（Ｖ）を計算により求める。なお、設計支援装置４０の記憶装置４３に環境条件ごとの出力電力−電圧特性の実測値等が記憶されている構成として、制御装置４５は本ステップにおいて、上述の計算を行わずステップＳＴ１２で読み出した環境条件データに対応する出力電力−電圧特性Ｐ_ｓｔｃ（Ｖ）を記憶装置４３から読み出すものとしてもよい。この後、ステップＳＴ１４で、制御装置４５は、最大電力および電圧探索の処理を行う。具体的には、ステップＳＴ１３で読み出した太陽電池アレイ特性データの中から、電力の最大値を探索し、この最大電力に対応する電圧を求める。この電圧をＶ_ｐｍａｘとし、最大電力値をＰ_ｓｔｃ（Ｖ_ｐｍａｘ）とする。この後、ステップＳＴ１５の処理に移る。

ステップＳＴ１５で、制御装置４５は、制御回路２１の消費電力を差し引く処理を行う。具体的には、式（１）により求めた電圧に対する消費電力Ｐ_ｃｔｒｌ（Ｖ）を、ステップＳＴ１３で読み出した太陽電池アレイ特性データの同じ電圧における電力値Ｐ_ｓｔｃ（Ｖ）から引く（式（２））。この処理により、制御回路２１の消費電力を考慮した、電力変換部の入力点（図１のＩＶ３）での特性データＰ_ｄｙｃ（Ｖ）が求められる。この特性データＰ_ｄｙｃ（Ｖ）は、すなわち電力変換部に入力される電力についての電力変換部入力電力−電圧特性データである。この後、ステップＳＴ１６で、制御装置４５は、最大電力および電圧探索の処理を行う。具体的には、ステップＳＴ１５で求めた特性データの中から、電力の最大値を探索し、最大電力値に対応する電圧を求める。この電圧をＶ_ｏｐとし、最大電力値をＰ_ｄｙｃ（Ｖ_ｏｐ）とし、式（３）を用いてＰ_ａｃを求める。また、Ｖ_ｏｐに対応する太陽電池アレイ特性データの電力値を求めＰ_ｓｔｃ（Ｖ_ｏｐ）とする。この後、ステップＳＴ１７で、制御装置４５は、電力の加算の処理を行う。具体的には、先のステップで求めたＰ_ｓｔｃ（Ｖ_ｐｍａｘ）、Ｐ_ｄｙｃ（Ｖ_ｏｐ）およびＰ_ｓｔｃ（Ｖ_ｏｐ）を、記憶装置４３に配置されたそれぞれの累積データに加算する。この後、ステップＳＴ１８の処理に移る。

ステップＳＴ１８で、制御装置４５は、シミュレーション時刻の進行の処理を行う。具体的には、シミュレーション時刻データを加算する。この後、ステップＳＴ１９で、制御装置４５は、シミュレーションが１年分の時刻を経過したか否か判別する処理を行う。シミュレーションを１年分行ったと判別した場合には、ステップＳＴ２０の処理に移り、まだ、１年分行っていないと判別した場合には、ステップＳＴ１２からの処理を繰り返す。このように、シミュレーション時間を１年分繰り返すことにより、１年間の積算電力量を求めることができる。

ステップＳＴ２０で、制御装置４５は、積算電力、積算電力差の記憶処理を行う。具体的には、ステップＳＴ１２からステップＳＴ２０で求めたＰ_ｓｔｃ（Ｖ_ｐｍａｘ）、Ｐ_ｄｙｃ（Ｖ_ｏｐ）、Ｐ_ｓｔｃ（Ｖ_ｏｐ）およびＰ_ａｃの累積データを、積算電力の結果データとして記憶装置４３に書き込み、また、Ｐ_ｓｔｃ（Ｖ_ｐｍａｘ）の累積データとＰ_ｓｔｃ（Ｖ_ｏｐ）の累積データとの差を積算電力差として書き込む。この後、電力見積プログラムの処理を終了する。

図９は、図８の電力見積の処理を利用した、太陽光発電システムの設計支援プログラムの処理を示すフローチャートである。以下に、制御装置４５が、プログラムに従って実行する処理を説明する。

ステップＳＴ３１で、制御装置４５は、処理に必要なデータの初期化を行う。具体的には、記憶装置４３に記憶された、モジュール組合せデータの値を初期値に設定する。この後、ステップＳＴ３２の処理に移る。

ステップＳＴ３２で、制御装置４５は、図８に示す電力見積の処理を行う。この処理により、太陽電池モジュールのある特定の組合せによる太陽電池アレイ１３における、１年間の出力電力すなわち積算電力、不整合による積算電力差を求めることができる。この後、ステップＳＴ３３で、制御装置４５は、モジュールの組合せ変更の処理を行う。具体的には、見積の対象となる太陽電池アレイ１３において直列接続する太陽電池モジュール数データの値を変更する。また、これに合わせて太陽電池モジュールを直列接続した太陽電池ストリングの並列接続数を調節する。この後、ステップＳＴ３４の処理に移る。

ステップＳＴ３４で、制御装置４５は、すべての組合せを見積もったか否か判別する処理を行う。太陽電池アレイ１３を構成する太陽電池モジュールの総数は、パワーコンディショナが許容できる電力の範囲にある必要がある。また、太陽電池モジュールの直列接続数もパワーコンディショナが許容できる電圧の範囲に収める必要がある。したがって、ステップＳＴ３３において行った組合せ変更により、これらの範囲において可能な太陽電池モジュールの組合せをすべて見積もったか否か判別する。本ステップで、すべての可能な組合せをすべて見積もっていないと判別した場合には、ステップＳＴ３２からの処理を繰り返し、まだ、見積もったと判別した場合には、ステップＳＴ３５の処理に移る。このように、すべての組合せを見積もるまで処理を繰り返すことにより、太陽電池モジュールの可能な組合せのそれぞれについて、電力の見積を求めることができる。

ステップＳＴ３５で、制御装置４５は、出力電力が最大となる組合せの探索の処理を行う。具体的には、ステップＳＴ３２からＳＴ３４までの処理によって求めた出力電力のうち、最大の出力電力と、この最大値を得る太陽電池モジュールの組合せを探索する。この後、処理を終了する。

従来は、定格における太陽電池アレイの最適動作電圧を、どのような値に設定すれば、不整合による年間の発電能力低下量が最小に抑えられるか、つまりモジュール直列数をどの位にすれば、年間発電能力を高く機能させることができるか不明であったが、上述の支援プログラムおよび設計支援装置によって、制御回路の電力特性を考慮した、太陽光発電システムの年間発電量の見積を行い、最大の発電量を得る太陽電池モジュールの直並列組合せを得ることができる。つまり、パワーコントローラに対し、最適な太陽電池モジュールの直並列組合せを持つ太陽電池アレイ１３を示し、太陽光発電システムの設計支援がなされる。

なお、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。

本実施形態においては、太陽電池を用いた太陽光発電システムを対象とする見積方法や設計支援方法およびプログラムを説明したが、本発明の対象となるものはこれに限らない。すなわち本発明は、太陽電池のほか風力発電機といった、エネルギー源のエネルギー発生量の制御が受動的となる受動型発電装置を用いた受動型発電システムに広く適用可能である。すなわち、これらの受動型発電装置は、例えば火力発電のようにエネルギー源のエネルギー発生量を能動的に制御するといったことが困難であり、発電装置に与えられるエネルギー源の状態に応じてパワーコントローラのインピーダンスを動的に適応する必要がある。図１０には、太陽電池と別の受動型発電装置の例としての風力発電装置における出力電力−電圧特性の例を示す。このような受動型発電システムにおいては、接続されるパワーコンディショナ内の制御回路の電力特性を考慮することにより、より正確な発電量の見積が行える。つまり、本発明の見積方法や設計支援方法およびプログラムが適用することができる。

また、燃料電池でも、自動車や一般家庭用途のようにダイナミックに変動する負荷に電力を供給することを想定した場合には、エネルギーの発生量を変化させる必要が生じる（例えば、電気学会・燃料電池発電次世代システム技術調査専門委員会編「燃料電池の技術」ｐ．７０−７１、オーム社）。このように出力電力−電圧特性が、エネルギー源の負荷に対する状態によって変化する点では、太陽光発電システムや風力発電システムと同様であり、制御回路の電力特性を考慮することにより、より正確な発電量の見積が行える。したがって、本発明の見積方法や設計支援方法およびプログラムを適用することができる。

電力見積方法において想定される、太陽光発電システムのブロック図である。 太陽光発電システムの制御回路の消費電力特性の例を示すグラフである。 太陽光発電システムの電力変換回路の入力点での電力−電圧特性の例を示すグラフである。 太陽光発電システムのアレイ最大出力時の電圧が、定格値よりも小さい場合における電力変換回路の入力点の電力−電圧特性の例を示すグラフである。 太陽光発電システムのアレイ最大出力時の電圧が、定格値よりも大きい場合における電力変換回路の入力点の電力−電圧特性の例を示すグラフである。 太陽光発電システムの設計支援方法の手順を示すフローチャートである。 太陽光発電システムの設計支援装置の構成を示すブロック図である。 太陽光発電システムの電力見積プログラムの処理を示すフローチャートである。 太陽光発電システムの設計支援プログラムの処理を示すフローチャートである。 風力発電装置の出力電力−電圧特性の例を示すグラフである。

符号の説明

１１ 太陽光発電システム
１３ 太陽電池アレイ
１５ パワーコンディショナ
１７ ダイオード
１９ 電力変換回路
２１ 制御回路
２３ ＭＰＰＴ装置
２５ ＤＣ−ＡＣインバータ
３１ 負荷
４０ 設計支援装置
４３ 記憶装置
４５ 制御装置
４７ 入力装置
４９ 表示装置

Claims (8)

1. 複数の太陽電池モジュールを備える太陽電池アレイと、前記太陽電池アレイからの電力を変換する電力変換部および当該電力変換部を制御する制御回路を備えるパワーコンディショナと、を有する太陽光発電システムの電力見積方法であって、
   太陽電池アレイの環境条件ごとに設定されるアレイ出力電力−電圧特性データの電力値から、前記制御回路の消費電力特性である制御回路電力−電圧特性データの電力値を差し引くことにより、前記電力変換部の入力点での電力変換部入力電力−電圧特性データを求める手順と、
   前記電力変換部入力電力−電圧特性データから電力変換部最大電力値を求める手順と、を有する太陽光発電システムの電力見積方法。
2. 請求項１記載の太陽光発電システムの電力見積方法であって、
   前記環境条件を仮想的な時間の進行とともに想定させながら、
   前記電力変換部入力電力−電圧特性データを求める手順、および、前記電力変換部最大電力値を求める手順を繰り返す手順と、
   前記電力変換部最大電力値の累積値を求める手順と、を有する太陽光発電システムの電力見積方法。
3. 前記制御回路電力−電圧特性は制御回路電圧の自乗項を含む近似式に基づいて算出されることを特徴とする請求項２記載の太陽光発電システムの電力見積方法。
4. 請求項２または３記載の電力見積方法を含む太陽光発電システムの設計支援方法であって、
   前記アレイ出力電力−電圧特性データは、さらに前記太陽電池モジュールの複数の直並列組合せごとに設定され、
   当該接続組合せのそれぞれについて、請求項２または３記載の電力見積方法により電力変換部最大電力値の累積値を求める手順と、
   前記接続組合せのうち電力変換部最大電力値の累積値が最大となる直並列数を求める手順を有する太陽光発電システム設計支援方法。
5. 複数の太陽電池モジュールを備える太陽電池アレイと、前記太陽電池アレイからの電力を変換する電力変換部および当該電力変換部を制御する制御回路を備えるパワーコンディショナと、を有する太陽光発電システムの電力見積プログラムであって、
   太陽電池アレイの環境条件ごとに設定されるアレイ出力電力−電圧特性データの電力値から、前記制御回路の消費電力特性である制御回路電力−電圧特性データの電力値を差し引いて前記電力変換部の入力点での電力変換部入力電力−電圧特性データを求める手順と、
   前記電力変換部入力電力−電圧特性データから電力変換部最大電力値を求める手順と、をコンピュータに実行させるための電力見積プログラム。
6. 請求項５記載の太陽光発電システムの電力見積プログラムであって、
   前記環境条件を仮想的な時間の進行とともに想定させながら、
   前記電力変換部入力電力−電圧特性データを求める手順、および、前記電力変換部最大電力値を求める手順を繰り返す手順と、
   前記電力変換部最大電力値の累積値を求める手順と、をコンピュータに実行させるための電力見積プログラム。
7. 前記制御回路電力−電圧特性は制御回路電圧の自乗項を含む近似式に基づいて算出されることを特徴とする請求項６記載の太陽光発電システムの電力見積プログラム。
8. 請求項６または７記載の電力見積プログラムを含む太陽光発電システムの設計支援プログラムであって、
   前記アレイ出力電力−電圧特性データは、さらに前記太陽電池モジュールの複数の直並列組合せごとに設定され、
   当該複数の直並列組合せのそれぞれについて、前記電力見積プログラムにより電力変換部最大電力値の累積値を求める手順と、
   前記複数の組合せのうち電力変換部最大電力値の累積値が最大となる直並列数を求める手順と、をコンピュータに実行させるための太陽光発電システム設計支援プログラム。

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