JP2006252320A

JP2006252320A - 電力制御方法ならびに電力制御装置および電力システム

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Publication number: JP2006252320A
Application number: JP2005069789A
Authority: JP
Inventors: Mikihiko Matsui; 幹彦松井
Original assignee: Kanagawa Academy of Science and Technology; Tokyo Polytechnic University
Current assignee: Kanagawa Academy of Science and Technology; Tokyo Polytechnic University
Priority date: 2005-03-11
Filing date: 2005-03-11
Publication date: 2006-09-21
Anticipated expiration: 2025-03-11
Also published as: JP4999280B2

Abstract

【課題】電力変換段が１段の太陽光発電システム等の電力システムに適用できる新たなリミットサイクルＭＰＰＴ（最大電力追尾）方式を採用した電力制御方法を提供することを課題としている。
【解決手段】昇圧チョッパ（または降圧チョッパ）の電流制御ループ内の電流誤差信号を利用して最大電力点追尾制御を行う。
【選択図】図８

Description

本願発明は、最大電力点追尾制御に関するものである。

現代社会では多様な情報化機器が使用されており、また生活をより豊かにするためにエネルギーの消費は急増する傾向にある。一方、化石燃料の枯渇と環境汚染問題に対する規制も強化されている。この問題の解決策の一つとして、クリーンエネルギーに関する国際社会活動と、再生エネルギーの開発および普及の標準化活動等が活発に行われている。

一般の家庭用発電設備において、太陽光発電システムは、燃料電池や風力発電設備に比べて設置が容易で、且つ騒音と管理費用等において多くの利点があり、最もよく利用されている。しかし、太陽電池は外部温度、日照条件、負荷の状態によって最大電力が変動する非線型の特性を持っているため、常に最大電力点追尾（ＭＰＰＴ：Maximum Power Point Tracking）動作させることが実用的に重要である。ＭＰＰＴの手法についてはこれまでに様々な研究開発が行われているが、実用的な普及タイプの実現には、センサの個数を極力減らし、より低速で安価なＣＰＵ(Central Processing Unit)でも実現可能な実用的なアルゴリズムの開発が重要である。

これらの観点から、本願発明の発明者らは、電力変換段が昇圧チョッパとＰＷＭ(Pulse Width Modulation)インバータの２段よりなる系統連系太陽光発電システムに対して、リミットサイクル動作によるＭＰＰＴ方式を先に提案している（非特許文献１〜６参照）。この方式は、２つの変換段の中間にあるＤＣ(Direct Current)リンク部の電圧制御誤差であるリプル成分から両変換段相互間の電力バランスを観測しつつ、インバータ側で取る電力を最大化するものである。太陽電池の電圧、電流、あるいは電力を直接には用いることなくＭＰＰＴ動作を実現できる点に大きな特徴があり、システムの簡素化が可能である。
Mikihiko Matsui, Tatsuya Kitano, Dehong Xu, "A Simple Maximum Photovoltaic Power Tracking Technique Utilizing System Inherent Limit Cycle Phenomena", IEEE-IAS 2003 Annual Meeting Conf. Rec., pp.2041-2047, 2003年10月 Mikihiko Matsui, Dehong Xu, Longyun Kang, Zongqing Yang, "Limit Cycle Based Simple ＭＰＰＴ Control Scheme for a Small Sized Wind Turbine Generator System -Principle and experimental verification-", IPEMC2004, pp.1746-1750, 2004年8月 Mikihiko. Matsui, T. Kitano, "Proposal of Simple ＭＰＰＴ Control Technique Using Current Minor-Loop Error Information", ICPE2004 Conf. Proceedings, pp.121-125, 2004年10月松井幹彦，北野達也，徐徳鴻，"リミットサイクル動作による最大電力点追尾制御方式"，電気学会論文誌Ｄ，121巻11号, 平成13年(2001年)11月北野達也，松井幹彦，徐徳鴻，"リミットサイクル動作による太陽電池最大電力点追尾制御方式とその設計法"，電気学会論文誌Ｄ，122巻4号, 平成14年(2002年)4月江井知和，高康熏，松井幹彦，"小型風力発電機の簡易最大電力点追尾制御方式"，電気学会半導体電力変換研究会，SPC-05-7，平成17年(2005年)1月

しかしながら、上記のリミットサイクルＭＰＰＴ方式では、その動作原理上、電力変換段が２段必要となるため、適用範囲が制限されるという懸念があった。

そこで、本願発明は、電力変換段が１段の発電システムにも適用できる新たなリミットサイクルＭＰＰＴ方式を採用した電力制御方法ならびに電力制御装置およびそれを備えた電力システムを提供することを課題としている。

本願発明は、上記の課題を解決するものとして、第１には、電力制御方法であって、チョッパの電流制御ループ内の電流誤差信号を利用して最大電力点追尾（ＭＰＰＴ）制御を行うことを特徴とする。

第２には、前記電力制御方法であって、電力源の出力電力を減少させる積分時定数＜電流制御ループの応答時定数＜電力源の出力電力を増加させる積分時定数の条件が成立するように最大電力点追尾制御を行うことを特徴とする。

第３には、前記電力制御方法であって、電力源の出力電力を減少させる積分時定数＜電流制御ループの応答時定数＜電力源の出力電力を増加させる積分時定数の条件が成立するように各時定数を選択し、この時定数を用いて得られた電流指令と検出電流とを比較して電流誤差を求め、この電流誤差に基づいてチョッパのデューティ比指令を生成することを特徴とする。

また、本願発明は、第４には、電力制御装置であって、チョッパの電流制御ループ内の電流誤差信号を利用した最大電力点追尾制御を行うことを特徴とする。

第５には、前記電力制御装置であって、電力源の出力電力を減少させる積分時定数＜電流制御ループの応答時定数＜電力源の出力電力を増加させる積分時定数の条件が成立するように選択された各時定数を用いて得られた電流指令電流指令と検出電流とを比較して電流誤差を得る手段、および得られた電流誤差に基づいてチョッパのデューティ比指令を生成する手段を備えたことを特徴とする。

またさらに、本願発明は、第６には、電力システムであって、前記電力制御装置を備えたことを特徴とする。

上記のとおりの特徴を有する本願発明によれば、従来のようにチョッパ段とインバータ段でなる２段の電力変換段の間に位置するＤＣリンク部の電圧誤差を用いるのではなく、その代わりに、チョッパの出力電流制御ループ内の電流誤差信号を利用することで、電力変換段が１段の発電システム等の電力システムにおいてもリミットサイクルＭＰＰＴを実現することできる。

また、電流制御用の電流センサ１個を必要とするのみであるため、コスト的にも有利であり、さらには、信号の微分演算を行わないため、スイッチングノイズなどの影響を受けにくく動作が安定である利点をも有している。

以下、本願発明の特徴をより明確にするために、まず、従来のＭＰＰＴ手法の基本的な考え方について述べ、代表的な手法の原理を紹介する。次に、本願発明の基となる先の既提案の電圧制御誤差に基づくリミットサイクルＭＰＰＴ方式（上記非特許文献１、２参照）の原理を簡単に述べる。そして、これを発展させた本願発明の原理である電流制御ループ誤差に基づくリミットサイクルＭＰＰＴ方式について説明し、動作を検証するためＰＳＩＭ(Model of the PowerPC Architecture)によるシミュレーション結果を示す。また、ＰＩＣ(Peripheral Interface Controller)マイコンを利用したバッテリ充電回路への応用についても述べる。

＜１．従来のＭＰＰＴ制御＞
ここでは、従来、一般的に行われているＭＰＰＴ制御の考え方について、関連式と図を用いて説明する。

ＭＰＰＴ制御技法の一つに、dI_array/dV_arrayにより与えられるコンダクタンスをその最適値に追従するよう制御する方法がある。dP_array/dV_arrayを偏微分を用いて変形すると次式が得られる。

この式でdP_array/dV_array＝０のとき、電力は最大点に到達するようになり、この手法はIncCond(Incremental Conductance)制御方式と呼ばれている（Jun Youn Ahn, Jong Hoo Park, B.H.Cho, K.J.Yoo, "Analog MPPT for connected single-phase system", KIPE conference, pp.785-788, 2003.7参照)。

いま、市販の太陽電池ＧＴ１３６（昭和シェル石油株式会社）を例にとり、各パラメータを表１に、特性曲線を図１にそれぞれ示す。

図１から明らかなように、電圧と電流の増減傾向は常に逆であるため、dI_array/dV_arrayは常に負の値となる。このようにコンダクタンスの符号が負となる特性を利用し、最大電力点での電流または電圧の振幅を調節することで追従特性を向上させることができる(上記Jun Youn Ahnらの文献およびHannes Knopf, "ANALYSIS, SIMULATION, AND EVALUATION OF MAXIMUM POWER POINT TRACKING (MPPT) METHODS FOR A SOLAR POWERED VEHICLE ", MASTER OF SCIENCE in ELECTRICAL AND COMPUTER ENGINEERING, Portland state university, 1999参照)。この式を用いると、太陽電池の特性値である短絡電流I_SCと開放電圧V_OCが既知の揚合、電流または電圧いずれかの制御だけで最大電力が得られる。ここで、電流I_arrayは日照量と、電圧V_arrayは太陽電池の温度と関係していることが知られている。しかし、温度と日照量は太陽電池の設置環境により決まる外部条件であるので、一般には電圧または電流のみを利用した制御を行う。電圧制御の場合には太陽電池端子に設置するコンデンサでの電圧リプル振幅が、また電流制御の場合には太陽電池端子に設置する昇圧チョッパのインダクタンス電流リプル振幅が、最大電力動作点周辺での動作点の振幅を決定する。

大容量の発電設備の場合、太陽電池自身の電圧と電流をセンサにより検出し、これを使用して電力を制御するＰ＆Ｏ(Perturbation and Observation), IncCond制御技法がもっとも代表的なデイジタ制御技法として多く用いられている。しかし、これらの制御を遂行するためには複雑な演算式と高速な処理速度が要求されるため、一般に高速演算を得意とするＤＳＰ(Degital Signal Processing)を使用した制御器が必要となる。システム全体において、ソーラーセルが費用の主要部を占めるが、ＤＳＰを使用した制御器も価格上昇の要因となる。また屋根の形態によっては、日照角度や部分影に起因して、設置されたモジュール間の発電不平衡が発生し、システム全体の効率が低下する。この場合、モジュール毎にコンバータを設置すれば良いがコスト高となるため、低価格での普及タイプの実現性が重要な問題となる。

このような課題の解決のため、従来、太陽電池の出力電力を検出及び比較して最大化する方法、フアジー論理や遺伝的アルゴリズム（上記Hannes Knopfの文献参照）、アナログ積分器（上記Jun Youn Ahnらの文献参照）、徹分器を用いた制御技法（小島知也，松井景樹，"出力電流のみで追従する太陽光発電システムにおける順次最大電力制御"，平成16年電気学会産業応用部門大会，pp.1199-1200，2004.3参照）、太陽電池の電圧と電流の特性を利用して制御する方法（Sachin Jain, Vivek Agarwal, "A New Algorithm for Rapid Tracking of Approximate Maximum Power Point in Photovoltaic Systems", IEEE POWER ELECTRONICS LETTERS, VOL.2, NO.1, pp.16-19, 2004.3及びMohammad A.S. Masoum, Hooman Dehbonei, and Ewald F.fuchs, "Theoretical and Experimental Analysis of Photovoltaic Systems With Voltage- and Current-Based Maximum Power-Point Tracking", IEEE TRANSACTIONS ON ENERGY CONVERSION, VOL.17, NO.4, pp.514-522, 2002.12）等、多様な研究が行なわれている。しかし、これらの方法の多くは、基本的に電力情報を取得するため、太陽電池瑞子または負荷端子での電圧電流の検出と出力電力の演算を必要とする。また、制御情報の処理に微分器を使用して制御アルゴリズムの簡単化を図る方式も提案されているが（上記小島らの文献参照）、スイッチングノイズ等の影響を回避する設計方法に実用上の問題点があると考えられる。

これに対して、本願発明の発明者らが提案するリミットサイクルＭＰＰＴ方式（またはＭＰＰＴ制御法）では、太陽電池の電圧および電流を直接知る必要がないため、センサ数を減らすことができ、また演算に微分を用いないため、スイッチングノイズ等による動作不安定への影響がない、という利点がある。

＜２．電圧制御誤差に基づくリミットサイクルＭＰＰＴ方式−電力変換段２段−＞
図２〜図５は、各々、先の提案のリミットサイクルＭＰＰＴ方式を採用した電力変換段２段の太陽光発電システムの一例を示したものであり、図６は、これを風力発電システムに適用させた一例を示したものである。

これら図２〜図６に示したように、電圧形のパワーコンバータにより太陽電池（図６では風力発電機）を電力系統に連系する場合、日照条件や温度により変動する太陽電池の端子電圧V_array（図２ではV_pv）を、一旦昇圧チョッパにより一定電圧V_linkに昇圧してから、このＤＣリンク部を介して３相ＰＷＭインバータ（必要によっては高周波リンクコンバータ）により系統連系する必要がある。この系統連系において、太陽電池の端子電圧V_arrayが変化しても常にＤＣリンク部の電圧V_linkが一定に保たれるように昇圧チョッパのデューティ比d^*を調整し、インバータの電流指令値I_peak ^*を増加して徐々に出力電力を増加させると、太陽電池の最大供給電力を超えたところで電力供給のバランスが崩れてリンク電圧が一定に保たれなくなるという現象を利用し、系を定常的にこの電力平衡／不平衡の境界点でリミットサイクル動作させることにより常に最大電力点で動作させる。これがリサイクルＭＰＰＴ方式（リサイクル方式のＭＰＰＴ制御法とも呼べる）である。

図５の回路構成に沿ってさらに説明すると、まず、昇圧チョッパのデューティ比指令d^*は、太陽電池の端子電圧V_arrayが変化しても常にＤＣリンク電圧V_linkを一定に保つように電圧誤差ε_vのＰＩ(Proportion-Integral)演算量により与えられる。一方、インバータ側では、与えられた電源電流振幅指令I_peak ^*に応じて瞬時電流制御を行う。いま、I_peak ^*を単位量変化させるのに必要な時間をTiとする。正の値1/T_iuを積分器1/Sに入力すると、I_peak ^*は、図７に示したようにゆっくり増加しはじめる。この時、ＤＣリンク電圧V_linkが安定に保たれるには、時定数T_iuが電圧フイードバックループの応答時定数τ_piより大きくなければならない。太陽電池の出力電力が最大電力に達するとＤＣリンク部での電力バランスが崩れ、ＤＣリンク電圧V_linkは急速に低下する。そして、電圧誤差ε_vの値がある閾値ΔV_linkを超えると、積分器1/Sへの入力信号は負の値-1/T_iuに切り換えられる。ここで、ＤＣリンク電圧V_linkの過度の低下を防いで電圧を回復させるためには、時定数T_idはτ_piより十分に小さくする必要がある。このように、積分器への入力信号をＤＣリンク電圧の電圧制御誤差信号に応じて切り換えることにより、最大電力点付近でリミットサイクルと呼ばれる自励発振を発生させ、ＭＰＰＴ動作を実現することができる。

なお、図２では、このリミットサイクルＭＰＰＴ方式に従ったＭＰＰＴアルゴリズムをＡＶＲ等のマイクロコンピュータによって実行させる構成となっている。図３では、図２の構成を２組の太陽電池アレイの系統連系に適用し、図４ではさらに、図３のＭＰＰＴアルゴリズムを昇圧チョッパ毎に２系統に分け、電流マイナループからのI_peak ^*をバンドパスフィルタＢＰＦでフィルタリングして必要なI_peakf1 ^*、I_peakf1 ^*をそれぞれに入力させている。もちろん、３組以上の太陽電池アレイの場合にも適用できることは言うまでもない。また、図２〜図６における電流制御ループおよび電流マイナループは同一機能であり、I_peak ^*に応じた瞬時電流制御時にＰＷＭインバータへのゲートシグナルを出力している。

以上のとおりのリミットサイクルＭＰＰＴ方式によれば、太陽電池の電圧V_arrayおよび電流I_arrayの検出を必要とせず、また過去と現在における電力P_arrayの比較動作を必要としないので、制御回路の構成が簡単になる。

しかしながら、上記既提案の方式では、太陽電池や風力発電機などの単峰性の電源から電力を最大限取るように制御し、ＤＣリンク部のコンデンサの電圧の維持状態によって、電源から電力を供給するチョッパ段とそこから電力を放出するインバータ段との間で電力のバランスを取っていたため、リミットサイクル動作を発生させるためには電力変換段が２段になることが避けられなかった。すなわち、ＤＣリンク電圧V_linkの電圧制御誤差を利用するため、電力変換段数が２段の方式にしか適用できず、たとえば系統連系用のＰＷＭインバータを要しないシステムへの適用が困難であったのである。また、図３および図４のように複数組の太陽電池アレイで発電システムが構成された場合、昇圧チョッパが多重化され、電力バランスをコンデンサの電圧で検出できなくなるため、リミットサイクルによるＭＰＰＴ動作が難しいという懸念もあった。

そこで、本願発明の発明者らは、上記既提案の方式をさらに発展させ、電流制御ループ内の誤差信号を利用してリミットサイクル動作を発生させ、電力変換段が１段のシステムにも適用可能な新たなリミットサイクルＭＰＰＴ方式を見出した。

＜３．電流制御ループ誤差に基づくリミットサイクルＭＰＰＴ方式−電力変換段１段−＞
＜３．１動作原理＞
図８は、本願発明の一実施形態である、新たなリミットサイクルＭＰＰＴ方式を採用した電力変換段１段の太陽光発電システムを示したものである。

このシステムにおいて、主回路は太陽電池１、昇圧チョッパ２および電流センサ３で構成されており、下段の制御回路は電流制御ループ誤差部５およびＰＩ(Proportion-Integral)制御部６で構成されている。主回路の負荷はバッテリ４となっており（図中の７はその保護ダイオード）、太陽電池１の電圧を昇圧チョッパにより昇圧させてバッテリ４に充電する充電システムをも兼ねている。この電力変換段が昇圧チョッパ２のみの１段構成となっている太陽光発電・バッテリ充電システムにおいて、次のとおりのリミットサイクルＭＰＰＴを実現している。

すなわち、電流制御ループ誤差部５における電流指令I_{bat_ref}と電流センサ６により検出されたバッテリ充電電流I_batとの比較により得られた電流誤差I_errorは、ＰＩ制御部６におけるＰＩゲインを介してデューティ比指令d^*として昇圧チョッパ２のスイッチング素子Ｓへ出力される。この制御系では、前述した電力変換段２段のリミットサイクルＭＰＰＴ方式におけるＤＣリンク電圧制御誤差信号の代わりに、バッテリ充電電流I_batの電流制御誤差信号を利用して、電力変換段が１段の場合においても同様の原理によりリミットサイクルを発生させＭＰＰＴを実現している。このリミットサイクルの発生条件については、以下に詳しく述べる。

＜３．２リミットサイクルの発生条件＞
図９に示すように、バッテリ充電電流I_batは、電流制御ループ誤差部５およびＰＩ制御部６を介した電流制御ループの働きによりフイードバック制御される。

いま、太陽電池１の出力電力P_outがその最大電力P_max に達していないとき、つまりP_out＜P_maxのときには、太陽電池１の供給電力P_arrayに余裕があるため、出力電力P_outを増加させる積分時定数T_iuをバッテリ充電電流I_batの電流制御ループの応答時定数τ_piに比べて大きくすれば（下記数２）、バッテリ充電電流I_batの電流指令I_{bat_ref}への良好な追従を得ることができ、電流誤差ε_i(図８中「I_error」)をほぼ０に保つことができる。

数２が成立しない場合には、電流指令I_{bat_ref}が増加する速度に対してＰＩ制御ループの応答が間に合わず、要求される電流を昇圧チョッパ２が供給できなくなる結果、バッテリ充電電流I_batが低下する。すると、これを検知してリミットサイクル動作が始まるため、出力電力P_outが最大電力P_maxに達する前にリミットサイクル動作が発生することになる。

一方、出力電力P_outが最大電力P_maxを超えると、つまりP_out＞P_maxになると、もはや供給電力P_arrayには余裕がないため、電力の供給バランスが崩れるようになり、バッテリ充電電流I_batは急激に低下し、同時に電流誤差ε_iもまた急激に増加する。よって、電流誤差ε_iが所定の閾値ΔI_limitを超えた時点、つまりε_i＞ΔI_limitとなる時点で、積分器1/Sへの入力を負の値-1/T_idに切り換えると、電流指令I_{bat_ref}を急速に減少させることができる。

このとき、

の関係が成立するように、出力電力P_outを減少させる積分時定数T_idを選択する必要がある。数３が満足されない場合、電流指令I_{bat_ref}を減少させる動作が間に合わず、デューティ比ｄが急速に１に飽和して太陽電池１は短絡状態となり、供給電力P_arrayは０となる。

このように太陽電池１の最大電力点の近傍で、電力平衡および不平衡の境界点でリミットサイクル動作させることによって、最大電力点を追従させることができる。ここで、最大電力P_maxを得るためのリミットサイクル発生条件として、数２および数３の両条件が同時に成立しなけらばならない（下記数４）。

＜３．３シミュレーション結果＞
以上の太陽電池システムにおける電力最大点追尾特性を確かめるため、時間２．５秒の間に日照条件が１００％−７０％−１００％と変化した場合の応答について、ＰＳＩＭによるシミュレーションを行った。シミュレーションで用いた各パラメータを、表２に示す。

図１０は、このシミュレーションにより得られたＭＰＰＴ制御時の各部の動作波形を示しており、上から、電流指令値I_{bat_ref}、チョッパ電流I_L、バッテリ充電電流のサンプル値I_bat、太陽電池端子電圧V_array、太陽電池電流I_array、ＰＩ制御部６によるゲート信号の波形である。電流指令値I_{bat_ref}に対して、電流誤差ε_iの閾値ΔI_limit＝０．３の範囲で正常に動作していることが分かる。

また図１１は、全期間の動作波形を示しており、上から、太陽電池端子電圧V_array、太陽電池電流I_array、太陽電池供給電力P_array、チョッパ電流I_chopの波形である。日照条件の変化により電圧、電流、電力波形が安定に変化し、最大電力点追尾する様子が確かめられる。

＜４．複数組太陽電池アレイへの応用１＞
以上のとおりの新たなリミットサイクルＭＰＰＴ方式は、従来のリミットサイクルＭＰＰＴ方式と同様に（たとえば前述の図４）、複数組の太陽電池アレイを備えた太陽光発電システムにも適用できる。

図１２はその一実施形態を示したものであり、１台のインバータ側（図中「ＤＣリンクステージ（バッテリＤＣ−ＡＣインバータ）」）に２組の太陽電池アレイを並列に接続したシステムである。

この実施形態において、一方の太陽電池アレイの日照条件は常に１００％とし、他方は１００％〜７０％と日照量を変化させた時のシミュレーション結果を、図１３に示す。各々の日照条件に応じて、一方は常に一定電力を出力し、他方は変動する日照条件に従って最大電力点で動作していることが確認できる。

＜５．複数組太陽電池アレイへの応用２＞
図１４は図１２とは別の一実施形態を示したものであり、電力系統の前段に３相ＰＷＭインバータが設けられて、前述の図２〜図７と同様なチョッパ段およびインバータ段の２段の電力変換段となっている。

この場合の電流制御ループ誤差に基づくＭＰＰＴ制御について簡単に説明すると、まず、ＤＣリンク電圧V_linkを一定値に保つようにインバータ側の電流制御を行い、任意の大きさのチョッパ出力電流I_dc1を系統に回生する。このとき、チョッパ出力電流I_dc1を出力電流指令I_dc1 ^*に追従するように、昇圧チョッパのデューティ比ｄを電流制御ループ内の電流誤差信号ε_iのＰＩ演算量により与える。ここで、出力電流指令I_dc1 ^*を増加すると、太陽電池の出力電力P_pv1を増加させることができ、出力電力P_pv1がその最大電力P_maxに達していない時、つまりP_pv1<P_maxの時には、チョッパ部のＰＩ演算により電流誤差信号ε_iはほぼ０に保たれるので、積分器1/Sの入力に正の値1/T_iuを与えることにより、出力電流指令I_dc1 ^*を図１５に示したようにゆっくりと増加させる。さらに、出力電流指令I_dc1 ^*を増加して出力電力P_pv1を増加させようとすると、P_pv1>P_maxとなるので、太陽電池の供給電力には余裕がなくなり、電力の供給バランスが崩れるので、チョッパ出力電流I_dc1が急激に低下して、電流誤差信号ε_iは急激に増加する。そこで、最大電力P_maxに達したことを電流誤差信号ε_iの急激な増加によって検知するために、ε_i>閾値ΔI_dc1となったときに積分器1/Sの入力を負の値-1/T_iuに切り換えて、出力電流指令I_dc1 ^*を速やかに減少させる。このように、新たなリミットサイクルＭＰＰＴ方式による電力の最大化は、検索により行われるのではなく、電力を可能な限り取り太陽電池の最大供給電力を超えたところで電力需給のバランスが崩れてチョッパ出力電流I_dc1が出力電流指令I_dc1 ^*に追従できなくなる現象を利用し、系を定常的にこの電力平衡および不平衡の境界点でリミットサイクル動作させることによって実現される。以上の制御方法の説明は昇圧チョッパ１についてのものだが、昇圧チョッパ２の場合も同様な制御となる。

この図１４の太陽光発電システムに関して、次のとおりの設定でPSIMシミュレーションを行った。
ＤＣリンク電圧指令値V_link ^*=200[V]
ＤＣリンクキャパシタンスC_link=220[μF]
チョッパインダクタンスL_pv1=L_pv2=5[mH]
積分時定数T_iu1=T_iu2=0.1[s]
積分時定数T_id1=T_id2=0.025[s]
電流誤差閾値ΔI_id1=ΔI_id2=0.2[A]
太陽電池の特性については、一方のアレイは部分影の影響を受けて下記２種類の状態Ａ、Ｂに変化する場合を想定し、他方のアレイは部分影の影響を受けずに下記１種類の状態Ａのまま変化しない場合を想定した。変化する方は、シミュレーション開始から１秒までＡの状態とし、そこから１秒かけてＢの状態へ移行し、さらにＡの状態へ１秒かけて戻すように設定している。
Ａ：
公称開放電圧V_o=120[V]
公称最大出力動作電圧V_opt=103[V]
公称短絡電流I_sc=2[A]
公称最大出力動作電流I_opt=1.6[A]
最大電力P_max=160[W]
Ｂ：
公称開放電圧V_o=80[V]
公称最大出力動作電圧V_opt=71[V]
公称短絡電流I_sc=5[A]
公称最大出力動作電流I_opt=4.5[A]
最大電力P_max=318[W]
図１６はこのシミュレーション結果を示したものである。部分影の影響を受ける太陽電池アレイPV1は、上記のとおりに設定した変化に従い、Ａ状態の最大電力P_max=160[W]とＢ状態の最大電力P_max=318[W]との間で常に最大電力を得ている。部分影の影響のない太陽電池アレイPV2は、Ａ状態の最大電力P_max=160[W]を保っている。したがって、いずれの太陽電池においても、常に最大電力が得られている、つまりＭＰＰＴが実現されていることが分かる。

＜６．バッテリ充電システムへの応用＞
図１７は、太陽光発電・バッテリ充電システムの別の一実施形態を示したものである。

この実施形態では、上述の電流制御ループ誤差に基づくリミットサイクルＭＰＰＴアルゴリズムをプログラミングしたマイクロプロセッサにより、ＭＰＰＴ制御を実行するようにシステム構築されている。図８の実施形態における電流制御ループ誤差部５およびＰＩ制御部６がマイクロプロセッサで構成されているとも言える。マイクロプロセッサとしてはＰＩＣなどを用い、Ａ／Ｄ変換器やＤ／Ａ変換器をワンチップＰＩＣに内蔵させた実施形態も可能である。

図１８は、上記プログラムのフローチャートである。バッテリ充電電流I_batをＡ／Ｄ変換した後、バッテリ電流指令値I_{bat_ref}と比較して電流誤差値I_errorを算出し、さらに比例積分処理によってデューティ比指令d^*を算出する。そして、デューティ比指令d^*に基づき、昇圧チョッパ２のスイッチングパタンを発生させるとともに、電流誤差値I_errorに基づき、上述したとおりのＭＰＰＴ制御を行ってリミットサイクルを発生させる。より具体的には、電流誤差値I_errorが閾値ΔI_limitよりも大きい場合には積分時定数を正の値1/Tiu、小さい場合には負の値-1/Tidとして、バッテリ電流指令値I_{bat_ref}を積分算出し、これをもって再び電流誤差値I_errorを算出する。図中のI_mppは最大電力点におけるバッテリ電流を表す。

＜他の実施形態＞
上記の各実施形態は、太陽電池とバッテリ又は電力系統を連系させる場合のものであるが、本願発明はこれらに限定されるものでなく、単峰性の出力電力特性を持つ各種の電力源（前述の図６に例示したような風力発電機など）にも適用でき、またモータやポンプなどといった各種の負荷にも適用できる。

また、電力変換段を構成するチョッパについては、昇圧チョッパだけでなく、降圧チョッパでもよい。

また、３相電力系統および３相ＰＷＭインバータについては、単相でもよい。

このように、本願発明は、太陽電池等の電力源とバッテリ等の負荷や電力系統とを、チョッパやインバータ等でなる１段あるいは複数段の電力変換段で連系する、各種の電力システムに適用でき、いずれにおいても良好な電流制御ループ誤差に基づくリミットサイクルＭＰＰＴを実現する。

太陽電池パネルＧＴ１３６のＰ−Ｖ特性曲線およびＩ−Ｖ特性曲線を示した図。従来のリミットサイクルＭＰＰＴ方式を採用した太陽光発電システムの一例を示した回路図。従来のリミットサイクルＭＰＰＴ方式を採用した太陽光発電システムの別の一例を示した回路図。従来のリミットサイクルＭＰＰＴ方式を採用した太陽光発電システムの別の一例を示した回路図。従来のリミットサイクルＭＰＰＴ方式を採用した太陽光発電システムの別の一例を示した回路図。従来のリミットサイクルＭＰＰＴ方式を採用した風力発電システムの一例を示した回路図。従来のリミットサイクルＭＰＰＴ方式について説明するための図。本願発明の一実施形態である、新たなリミットサイクルＭＰＰＴ方式を採用した太陽光発電システムを示した回路図。図８の太陽光発電システムにおけるリミットサイクル動作について説明するための図。図８の太陽光発電システムに関するシミュレーション結果を示した図。図８の太陽光発電システムに関するシミュレーション結果を示した別の図。本願発明の別の一実施形態である、新たなリミットサイクルＭＰＰＴ方式を採用した２組太陽電池アレイの太陽光発電システムを示した回路図。図１２の太陽光発電システムに関するシミュレーション結果を示した図。本願発明のまた別の一実施形態である、新たなリミットサイクルＭＰＰＴ方式を採用した２組太陽電池アレイの太陽光発電システムを示した回路図。図１４の太陽光発電システムにおけるリミットサイクル動作について説明するための図。図１４の太陽光発電システムに関するシミュレーション結果を示した図。本願発明のさらに別の一実施形態である、新たなリミットサイクルＭＰＰＴ方式を採用したバッテリ充電システムを示した回路ブロック図。図１７のバッテリ充電システムにおけるマイクロプロセッサにより実行されるＭＴＴＰプログラムのフローチャート。

符号の説明

１太陽電池
２昇圧チョッパ
３電流センサ
４バッテリ
５電流制御ループ誤差部
６ＰＩ制御部
７保護ダイオード

Claims

チョッパの電流制御ループ内の電流誤差信号を利用して最大電力点追尾制御を行うことを特徴とする電力制御方法。
電力源の出力電力を減少させる積分時定数＜電流制御ループの応答時定数＜電力源の出力電力を増加させる積分時定数
の条件が成立するように最大電力点追尾制御を行うことを特徴とする請求項１記載の電力制御方法。
電力源の出力電力を減少させる積分時定数＜電流制御ループの応答時定数＜電力源の出力電力を増加させる積分時定数の条件が成立するように各時定数を選択し、この時定数を用いて得られた電流指令と検出電流とを比較して電流誤差を求め、この電流誤差に基づいてチョッパのデューティ比指令を生成することを特徴とする請求項２記載の電力制御方法。
チョッパの電流制御ループ内の電流誤差信号を利用した最大電力点追尾制御を行うことを特徴とする電力制御装置。
電力源の出力電力を減少させる積分時定数＜電流制御ループの応答時定数＜電力源の出力電力を増加させる積分時定数の条件が成立するように選択された各時定数を用いて得られた電流指令電流指令と検出電流とを比較して電流誤差を得る手段、および
得られた電流誤差に基づいてチョッパのデューティ比指令を生成する手段
を備えたことを特徴とする請求項４記載の電力制御装置。
請求項４または５記載の電力制御装置を備えたことを特徴とする電力システム。