JP2010061495A - 電力制御方法および電力制御装置 - Google Patents

電力制御方法および電力制御装置 Download PDF

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Abstract

【課題】迅速に最大電力点を精度よく求めて太陽電池からの出力電力を常に最大にすること。
【解決手段】電池パラメータ算出部52aは、電池特性曲線が近似された近似式を確定するために用いられる電池パラメータを、PVパネル1の短絡電流および開放電圧と、開放電圧の温度依存性を示す関係式とを用いて算出し、温度電圧関係式算出部52bは、電池パラメータから確定される近似式から、パネル温度とMPP電圧との関係を示す温度電圧関係式を算出する。そして、MPP電圧算出部52dは、温度電圧関係式記憶部52cが記憶する温度電圧関係式と、温度センサー9から取得した現時点でのPVパネル1のパネル温度とから、現時点でのMPP電圧を算出し、MPP電圧制御部52eは、PVパネル1からの出力電圧が、MPP電圧算出部52dによって算出された現時点でのMPP電圧となるようにコントローラ3を制御する。
【選択図】 図3

Description

この発明は、電力制御方法および電力制御装置に関する。
従来より、電源インフラの確保が困難な場所の電源として、あるいは、温室効果ガス排出量削減を目的とした地球環境に対する観点から、太陽光によって発電を行なう太陽電池の重要性が認識されており、その開発が進められている。
太陽光発電を用いたシステムを構築するためには、太陽電池から最大限の電力を取り出すことが重要となる。例えば、太陽電池および蓄電池から構成される自立型電源と、自立型電源から供給される電力を消費して動作する負荷とから構成される太陽光発電による自立型電源システムにおいては、太陽電池から最大限の電力を取り出して蓄電池や負荷に供給することが、蓄電池での効率的な充電や、負荷の安定した動作を実現するために重要となる。
太陽電池で発生する電圧(V)および電流(I)の出力特性は、図9に示すような特性曲線を描くことが知られている。図9は、太陽電池の電圧・電流特性曲線を説明するための図である。
太陽電池の発生電圧が「V1」であり、太陽電池の発生電流が「I1」である場合、太陽電池から得られる発電電力「W1」は、「V1×I1」となる。すなわち、太陽電池から得られる発電電力「W1」は、図9に示す斜線領域の面積となる。なお、図9に示す「Voc」は、電流が「0」のとき、すなわち、太陽電池の出力を開放したときの開放電圧であり、図9に示す「Isc」は、電圧が「0」のとき、すなわち、太陽電池の出力を短絡したときの短絡電流である。
したがって、図9に示す斜線領域の面積が最大となる「V1」および「I1」に、太陽電池から出力される電圧および電流を調整することが、太陽電池から最大限の電力を取り出すためには必要となる。すなわち、斜線領域の面積が最大となる電圧および電流が、最大電力点(Maximum Power Point 、MPP)として定義される。
しかし、図9に示す太陽電池の電圧・電流特性曲線は、日照量、温度など気象条件により変化するので、電圧・電流特性曲線に基づくMPPも、定点とはならない。このため、太陽電池から常に最大電力を取り出すためには、移動するMPPを追従する最大電力点追従(Maximum Power Point Tracker:MPPT)によって、太陽電池から最大電力を取り出すように制御する必要がある。
これまでに、MPPT法として、山登りP&O法(Hill climbing /Perturb and Observe method)、IC(Incremental Conductance)法、開放電圧を用いた方法などが知られている(例えば、非特許文献1参照)。
山登りP&O法は、太陽電池の出力電圧を横軸に、太陽電池の出力電力を縦軸にしてプロットした場合の電力プロファイルが山形をしていることを用い、任意の電圧時での電力を求めたのちに、次の電圧時での電力を求めて、電力の傾きを算出し、算出した電力の傾きによって、電圧値を変化させる方向を定めることにより、電力プロファイルの山を登るように電圧値を移動させて山の頂点(電力値の頂点)となる電圧(MPP電圧)を算出する方法である。
また、IC法は、山登りP&O法と同様に上述した電力プロファイルの頂点を探索する方法である。IC法は、太陽電池の電圧を「V」とし、電流を「I」とすると、電圧の変化量に対する電流の変化量である「ΔI/ΔV」と「−I/V」とが等しくなる点が山の頂点(電力値の頂点)となることを利用してMPPを追従探索する方法である。
また、開放電圧を用いた方法は、シリコン型の太陽電池において、MPP電圧が、開放電圧の70%〜80%近傍に位置する性質を用いた方法であり、システムを構築するシリコン型の太陽電池の開放電圧を求めておき、求めた開放電圧に、例えば、「0.75」を掛け合わせた値を、MPP電圧として算出する方法である。
太陽光発電を用いたシステムでは、上述したMPPTの機能を有するコントローラが太陽電池に接続され、コントローラは、MPPを検知して太陽電池から最大限の電力を取り出して蓄電池や負荷に供給する。
"Comparison of Photovoltaic Array Maximum Power Point Tracking Techniques", IEEE Transaction on energy conversion Vol.22, No.2, June, 2007, Page(s):439 - 449
ところで、上記した従来の技術は、迅速に最大電力点(MPP)を精度よく求めることができないという課題があった。
すなわち、上記した山登りP&O法やIC法においては、MPPTの実行中に、日照量、温度など気象条件が変化すると、電力の傾きや「ΔI/ΔV」が時々刻々と変化するために、MPPの探索に時間がかかってしまう。また、電力プロファイルは、滑らかな曲線とは限らず、局所的に乱れたプロファイルとなるために、上記した山登りP&O法やIC法を実行しても、ローカルミニマムに陥るために、誤ったMPP電圧を算出してしまう可能性がある。
また、上記した開放電圧を用いた方法においては、開放電圧を求めておけばMPP電圧を迅速に算出することができるが、システムを構築する太陽電池がシリコン型の大規模なものであり、温度が大きく変化する環境に設置される場合、MPPの移動量が大きく、MPP電圧のずれ幅が大きくなる。このため、MPPを精度よく求めるためには、山登りP&O法やIC法を併用する必要がある。
そこで、この発明は、上述した従来技術の課題を解決するためになされたものであり、迅速に最大電力点を精度よく求めて太陽電池からの出力電力を常に最大にすることが可能となる電力制御方法および電力制御装置を提供することを目的とする。
上述した課題を解決し、目的を達成するため、この方法は、太陽光によって発電する太陽電池からの出力電力を制御する電力制御方法であって、前記太陽電池で発生する電圧と電流との関係を示す電池特性曲線が近似された近似式を確定するために用いられる当該太陽電池に固有のパラメータである電池パラメータを、所定の日照量および所定の温度における当該太陽電池の短絡電流および開放電圧と、前記開放電圧の温度依存性を示す関係式とを用いて算出する電池パラメータ算出ステップと、前記電池パラメータ算出ステップによって算出された前記電池パラメータから確定される近似式から、前記太陽電池の温度と前記太陽電池の最大電力点を出力するための電圧である最大電力点出力電圧との関係を示す温度電圧関係式を算出する温度電圧関係式算出ステップと、前記温度電圧関係式算出ステップによって算出された前記温度電圧関係式と、前記太陽電池の現時点での温度とから、現時点での最大電力点出力電圧を算出する最大電力点出力電圧算出ステップと、前記太陽電池からの出力電圧が、前記最大電力点出力電圧算出ステップによって算出された現時点での最大電力点出力電圧となるように制御する電圧制御ステップと、を含んだことを要件とする。
また、この装置は、太陽光によって発電する太陽電池からの出力電力を制御する電力制御装置であって、前記太陽電池で発生する電圧と電流との関係を示す電池特性曲線が近似された近似式を確定するために用いられる当該太陽電池に固有のパラメータである電池パラメータを、所定の日照量および所定の温度における当該太陽電池の短絡電流および開放電圧と、前記開放電圧の温度依存性を示す関係式とを用いて算出し、算出された前記電池パラメータから確定される近似式を用いることにより、前記太陽電池の温度と前記太陽電池の最大電力点を出力するための電圧である最大電力点出力電圧との関係を示す温度電圧関係式が算出されて格納された場合に、前記温度電圧関係式と前記太陽電池の現時点での温度とから、現時点での最大電力点出力電圧を算出する最大電力点出力電圧算出手段と、前記太陽電池からの出力電圧が、前記最大電力点出力電圧算出手段によって算出された現時点での最大電力点出力電圧となるように制御する電圧制御手段と、を備えたことを要件とする。
開示の方法および装置によれば、電池パラメータによって確定された精度の高い電池特性曲線の近似式から算出される温度電圧関係式を用いることにより、太陽電池の温度を取得するのみで最大電力点出力電圧を算出することができ、迅速に最大電力点を精度よく求めて太陽電池からの出力電力を常に最大にすることが可能となる。
以下に添付図面を参照して、この発明に係る電力制御方法および電力制御装置の好適な実施例を詳細に説明する。なお、以下では、太陽電池と蓄電池とから構成される自立型電源と自立型電源から供給される電力により動作する負荷とからなる自立型電源システムに、この発明に係る電力制御方法を実行する制御装置が設置された場合を実施例として説明する。
[実施例1における自立型電源システムの構成]
まず、本実施例における自立型電源システムの構成について、図1などを用いて説明する。図1は、実施例1における自立型電源システムの構成を説明するための図である。
図1に示すように、実施例1における自立型電源システムは、PVパネル1と、ニッケル水素蓄電池2と、コントローラ3と、負荷4と、制御装置5と、シャント抵抗6と、電池切り離しスイッチ7と、負荷切り離しスイッチ8と、PVパネル1に取り付けられた温度センサー9とから構成される。なお、図1において、実線は、電力線を示しており、点線は、制御装置5による制御の対応関係を示している。
PVパネル1は、太陽光発電(Photo Voltaic)を行なう機器であり、特許請求の範囲に記載の「太陽電池」に対応する。なお、本実施例におけるPVパネル1は、多結晶系シリコンを光吸収層の材質とする太陽電池である。
温度センサー9は、PVパネル1に取り付けられ、PVパネル1の温度(パネル温度)を取得する。
ニッケル水素蓄電池2は、複数の電池セルから構成される電池モジュールである。例えば、図2に示すように、本実施例におけるニッケル水素蓄電池2は、公称95Ahの電池セルが10個直列に接続され、さらに、電池セルに取り付けられた温度センサーと、温度センサーおよび電力線を取り出すコネクタと、冷却ファンと、収納箱とから構成される。なお、図2は、実施例1において用いられるニッケル水素蓄電池を説明するための図である。
一般的なニッケル水素蓄電池の特性として、温度感受性が高いことがあげられる。すなわち、ニッケル水素蓄電池は、温度変動によって出力電圧が異なるため、充電時における電池セルの温度にばらつきがあると充電容量にもばらつきが生じ、充放電時における各セルの働きが不均一となる。このため、複数の電池セルから構成されるニッケル水素蓄電池2は、特定の電池セルだけ劣化が早まり、全体的に劣化が加速されるという欠点をもつ。
ここで、PVパネル1の発電規模と、ニッケル水素蓄電池2を構成する電池セルの個数(すなわち、ニッケル水素蓄電池2の電池搭載容量)とは、後述する負荷4の消費電力と、PVパネル1が設置される環境の天候履歴から設定される不日照期間の情報とに基づいて、自立型電源システムの管理者によって調整される。
コントローラ3は、PVパネル1の出力電力を最大にする最大電力点(MPP:Maximum Power Point)を追跡して検知し、PVパネル1から最大電力を取り出すMPPT(Maximum Power Point Tracker)と、後述する負荷4に供給する電圧と、ニッケル水素蓄電池2への電池充電電圧との2種類の電圧を生成するDC/DCコンバータとから構成される。
ここで、コントローラ3は、MPPTとして、例えば、山登りP&O法(Hill climbing /Perturb and Observe method)を実行する。山登りP&O法は、電力プロファイルが山形をしていることを用い、任意の電圧時での電力を求めたのちに、次の電圧時での電力を求めて、電力の傾きを算出し、算出した電力の傾きによって、電圧値を変化させる方向を定めることにより、山を登るように電圧値を移動させて山の頂点(電力値の頂点)となる電圧(MPP電圧)を算出する方法である。
すなわち、コントローラ3は、DC/DCコンバータにより、PVパネル1の電圧を、常に微小変動させ、これに対応したPVパネル1の発生電力の変化により、その発生電力が大きくなる方向へ、微小変動幅の中心位置を移動させることによりMPPを探索して、MPP電圧を設定する。
なお、本実施例におけるコントローラ3は、後述する制御装置5が備えるMPP制御部52の制御に基づいてMPP電圧を設定し、所定の条件となった場合に、山登りP&O法を実行するが、これについては後に詳述する。
負荷4は、PVパネル1またはニッケル水素蓄電池2から供給される電力によって動作する装置であり、例えば、連続的に電力を消費して駆動する監視モニタや、定期的に(例えば、1分おきに)電力を消費して駆動する無線送信機などの装置である。
PVパネル1とニッケル水素蓄電池2とコントローラ3とから構成される自立型電源においては、日中、太陽が照っている際には、PVパネル1で発電が行なわれ、コントローラ3により、MPP電圧が設定されてPVパネル1から最大電力が取り出される。また、コントローラ3では、負荷4へ供給する電圧が生成され、生成された電力が負荷4に供給されるとともに、余剰電力から電池充電電圧が生成されたうえでニッケル水素蓄電池2に供給されて充電される。また、夜間や日照が十分ではない期間では、負荷4への電力供給は、ニッケル水素蓄電池2からの放電により賄われる。
すなわち、MPPTの性能が高いほど、ニッケル水素蓄電池2への充電電流を常に大きくできるので、ニッケル水素蓄電池2は、効率のよい充電を行なうことができ、その結果、太陽光発電を用いた自立型電源システムを安定して運用することができる。
制御装置5は、スイッチ制御部51と、MPP制御部52とから構成される。
スイッチ制御部51は、コントローラ3から負荷4に出力される電圧・電流を取得することによりコントローラ3の状態を監視し、取得した電圧・電流の値に基づいて、負荷切り離しスイッチ8のオン・オフの制御をすることで、負荷4を電気的に保護する。
例えば、スイッチ制御部51は、負荷4に出力される電流値が規定の値を超えた場合、コントローラ3に故障が発生したと判定して、負荷切り離しスイッチ8をオフにすることで、負荷4を電気的に保護する。なお、制御装置5は、コントローラ3から負荷4に出力される電圧・電流が正常になった場合、負荷切り離しスイッチ8をオンにする。
また、スイッチ制御部51は、ニッケル水素蓄電池2の状態を監視して、電池切り離しスイッチ7のオン・オフの制御をすることで、ニッケル水素蓄電池2を電気的に保護する。
例えば、スイッチ制御部51は、シャント抵抗6の両端に発生する電圧を計測することで、ニッケル水素蓄電池2に対する充放電電流を取得する。そして、スイッチ制御部51は、取得した充放電電流を積算することで、ニッケル水素蓄電池2の残容量を算出し、算出した残容量が、ニッケル水素蓄電池2の満充電近傍となった場合、過充電を防止するため、電池切り離しスイッチ7をオフにしてPVパネル1からの充電電流を停止する。また、そののち、コントローラ3から取得したPVパネル1の出力電力が負荷4の消費電力を下回った場合、スイッチ制御部51は、負荷4に対して放電を行なうために、電池切り離しスイッチ7をオンにする。
また、スイッチ制御部51は、算出した残容量が、設定閾値を下回った場合、電池切り離しスイッチ7をオフにする。ここで、上記の設定閾値は、負荷4に対する放電を継続するとニッケル水素蓄電池2が過放電の状態となる可能性があるとして設定される値である。なお、電池切り離しスイッチ7をオフにしたのち、コントローラ3から取得したPVパネル1の出力電力が負荷4の消費電力以上となった場合、スイッチ制御部51は、充電が可能となると判定して、電池切り離しスイッチ7をオンにする。
また、スイッチ制御部51は、図2に示すニッケル水素蓄電池2に取り付けられた温度センサーから、ニッケル水素蓄電池2の電池温度を取得し、取得した電池温度が設定温度以上となった場合に、ニッケル水素蓄電池2の充電による発熱から保護するために、電池切り離しスイッチ7をオフにする。なお、電池切り離しスイッチ7をオフにしたのち、取得した電池温度が設定温度より低くなった場合、スイッチ制御部51は、電池切り離しスイッチ7をオンにする。
ここで、本実施例における自立型電源システムは、本実施例における制御装置5に設置されるMPP制御部52がコントローラ3を介してPVパネル1からの出力電力を制御することで、迅速に最大電力点を精度よく求めてPVパネル1からの出力電力を常に最大にすることが可能となることに主たる特徴がある。
以下、この主たる特徴について、図3〜7を用いて説明する。図3は、MPP制御部の構成を説明するための図であり、図4および5は、実施例1におけるPVパネルの特性を説明するための図であり、図6は、電池パラメータ算出部によって算出された電池パラメータに基づく電池特性曲線の近似曲線を説明するための図であり、図7は、温度電圧関係式算出部を説明するための図である。
図3に示すように、MPP制御部52は、電池パラメータ算出部52aと、温度電圧関係式算出部52bと、温度電圧関係式記憶部52cと、MPP電圧算出部52dと、MPP電圧制御部52eとを備える。なお、電池パラメータ算出部52aは、特許請求の範囲に記載の「電池パラメータ算出ステップ」に対応し、温度電圧関係式算出部52bは、同じく「温度電圧関係式算出ステップ」に対応し、MPP電圧算出部52dは、同じく「最大電力点出力電圧算出ステップ」に対応し、MPP電圧制御部52eは、同じく「最大電力点出力電圧算出ステップ」に対応する。
電池パラメータ算出部52aは、PVパネル1で発生する電圧と電流との関係を示す電池特性曲線が近似された近似式を確定するために用いられるPVパネル1に固有のパラメータである電池パラメータを、所定の日照量および所定の温度におけるPVパネル1の短絡電流および開放電圧と、開放電圧の温度依存性を示す関係式とを用いて算出する。
すなわち、本実施例においては、多結晶系シリコン系のPVパネル1の電池特性曲線を、「i」をPVパネル1の発生電流、「v」をPVパネル1の発生電圧として、以下に示す式(1)にて近似する。
Figure 2010061495
ここで、式(1)において、「Isc」は、PVパネル1の短絡電流であり、「Voc」は、PVパネル1の開放電圧である。また、「η(イータ)」は、単位面積あたりの日照量が「1000W/m2」であるときを「1」として表した日照量の割合を示す日照量パラメータである。すなわち、単位面積あたりの日照量が「800W/m2」である場合、「η(イータ)」は、「0.8」となり、単位面積あたりの日照量が「600W/m2」である場合、「η(イータ)」は、「0.6」となる。
また、「T」は、PVパネル1のパネル温度(単位:℃)であり、「f(T)」は、開放電圧の温度依存性を示す関係式である。ここで、太陽電池の開放電圧は、温度依存性があり、パネル温度が高いほど、開放電圧は、低くなる性質がある。
また、「α(アルファ)」は、PVパネル1に固有のパラメータ(電池パラメータ)であり、「α(アルファ)」を算出することにより、PVパネル1の電池特性曲線を近似する式(1)が確定される。
まず、「α(アルファ)」を算出するために、自立型電源システムに設置されるPVパネル1に関する各種特性値および開放電圧の温度依存性を示す関係式が、PVパネル1の購入時に添付されているカタログに記載されている情報を参照した管理者によって電池パラメータ算出部52aに入力される。
例えば、PVパネル1の購入時に添付されているカタログに、図4の(A)に示すような「横軸を電圧(単位:V)とし縦軸を電流(単位:A)とした電池特性曲線」が記載されているとする。なお、図4の(A)に示す「1000W/m2」、「800W/m2」および「600W/m2」それぞれの電池特性曲線は、パネル温度が「25℃」である場合の電池特性曲線である。
また、PVパネル1の購入時に添付されているカタログに、PVパネル1の各種特性値が、図4の(B)に示すように記載されているとする。すなわち、図4の(B)に示すように、単位面積当たりの日照量が「1000W/m2」(η(イータ)=1)であり、パネル温度が「25℃」である場合のPVパネル1において、「開放電圧(Voc):35.42V」、「短絡電流(Isc):8.4A」、「最大出力電圧(Vpm):27.78V」および「最大出力電流(Ipm):7.56A」であることが記載されているとする。なお、最大出力電圧は、MPPとなる電圧値(MPP電圧)であり、最大出力電流は、MPPとなる電流値(MPP電流)である。
すなわち、カタログに記載されている「Voc、Isc、Vpm、Ipm」を式(1)に代入することにより、以下に示す式(2)となる。
Figure 2010061495
また、PVパネル1の購入時に添付されているカタログに、開放電圧の温度依存性を示すグラフが記載されているとする。すなわち、図5に示すように、「横軸をパネル温度(単位:℃)とし縦軸をパネル温度が25℃の場合の開放電圧を100とした場合の開放電圧相対値としたグラフ」がカタログに記載されているとすると、これを参照した管理者によって、以下に示す式(3)によって表される「f(T)」が電池パラメータ算出部52aに入力される。
Figure 2010061495
すなわち、管理者によって入力された図4の(B)に示すPVパネル1の各種特性値(カタログに記載されている「T:25」および「η(イータ):1」における「Voc、Isc、Vpm、Ipm」)および開放電圧の温度依存性を示す関係式を用いることにより、電池パラメータ算出部52aは、式(1)から以下に示す式(4)を取得する。
Figure 2010061495
そして、電池パラメータ算出部52aは、式(4)を解くことで、電池パラメータ「α(α)」を、「3.318」として算出する。
なお、「Voc、Isc、Vpm、Ipm」が図4の(B)に示すようにカタログに記載されていない場合、管理者は、図4の(A)に示す電池特性曲線から、「Voc、Isc、Vpm、Ipm」を求める。また、図4の(A)に示す電池特性曲線や、図5に示す開放電圧の温度依存性を示すグラフがカタログに記載されていない場合は、管理者は、実際にPVパネル1を用いた実測値から各種特性値および開放電圧の温度依存性を示す関係式を求める。
ここで、図6に、電池パラメータ算出部52aによって算出された電池パラメータに基づく電池特性曲線の近似曲線を示す。図6に示す「1000W/m2」、「800W/m2」および「600W/m2」それぞれの近似曲線は、図4の(A)に示す「1000W/m2」、「800W/m2」および「600W/m2」それぞれの電池特性曲線と比較すると、図6に示す近似曲線における開放電圧が日照量に依存せずに同じ値となる点以外、良好に近似できていることがわかる。
一般的に、シリコン系であるPVパネル1の開放電圧は、日照量に対して変動が小さいことが知られており、式(1)は、シリコン系であるPVパネル1の電池特性曲線を近似することに適した近似式であることがわかる。
図3に戻って、温度電圧関係式算出部52bは、電池パラメータ算出部52aによって算出された電池パラメータから確定される近似式から、パネル温度とMPP電圧との関係を示す温度電圧関係式を算出する。
まず、温度電圧関係式を算出するために前提となる数式について説明する。PVパネル1からの出力電力は、電圧と電流とを掛け合わせた値となる。したがって、PVパネル1からの出力電力は、式(1)に電圧を乗じることにより、以下に示す式(5)として近似することができる。
Figure 2010061495
ここで、MPPを求めることは、以下に示す式(6)の条件を満たす電圧「単位:V」(すなわち、MPP電圧)を求めることに帰着する。
Figure 2010061495
すなわち、式(5)を電圧「v」で微分した式が「0」となるような電圧を、MPP電圧(vm)とすることができる。具体的には、MPP電圧は、以下に示す式(7)を満たす値として表される。
Figure 2010061495
ここで、温度電圧関係式算出部52bは、電池パラメータ算出部52aによって算出された電池パラメータ「α:3.318」、上述した近似式(式(1))から日照量に依存せずに同じ値となった「開放電圧(Voc):35.42V」および式(3)を式(7)に代入することにより、本実施例におけるPVパネル1のMPP電圧を、以下に示す式(8)によって定義する。
Figure 2010061495
そして、温度電圧関係式算出部52bは、式(8)を数値的に解くことにより、温度電圧関係式を、以下に示す式(9)として算出する。
Figure 2010061495
具体的には、温度電圧関係式算出部52bは、パネル温度ごとに、式(8)に基づいてMPP電圧をNewton法によって算出する。すなわち、温度電圧関係式算出部52bは、以下に示す式(10)で定義される関数「F」、および以下に示す式(11)で定義される関数「F」の導関数「F’」を用いて、式(8)からMPP電圧をNewton法によって算出する。
Figure 2010061495
Figure 2010061495
まず、温度電圧関係式算出部52bは、「Voc」(本実施例では、35.42V)を、「v」の初期値として、式(10)および式(11)に代入する。そして、温度電圧関係式算出部52bは、式(10)に「Vo」を代入した値が、所定の値(例えば、10のマイナス5乗)より小さい場合、そのときの値をMPP電圧とする。
一方、式(10)に「Vo」を代入した値が、所定の値以上である場合、温度電圧関係式算出部52bは、「Voc」を「Vk」として、以下に示す式(12)によって定まる「Vk+1」を式(10)および式(11)に代入する新たな「v」として決定する。
Figure 2010061495
そして、温度電圧関係式算出部52bは、式(12)を用いて算出した新たな「v」を用いた計算を実行する。このように、温度電圧関係式算出部52bは、式(10)の値が、所定の値より小さくなるまで新たな「Vk+1」を算出して、式(10)および式(11)を用いた計算を繰り返すことで、MPP電圧を算出する。このように、Newton法を、温度電圧関係式算出部52bにて実行させることにより、非線形方程式である式(8)を、高性能なマイコンを用いることなく、比較的容易に算出することができる。
例えば、温度電圧関係式算出部52bは、図7の(A)に示すように、「温度:0」を代入した式(10)および式(11)を用いたNewton法により、パネル温度が「0℃」のときのMPP電圧を「31.19V」として算出し、「温度:10」を代入した式(10)および式(11)を用いたNewton法により、パネル温度が「10℃」のときのMPP電圧を「29.90V」として算出する。
そして、温度電圧関係式算出部52bは、図7の(A)に示したパネル温度ごとのMPP電圧から、図7の(B)に示すような温度とMPP電圧の関係を表すグラフを作成し、作成したグラフを、例えば、一次関数によって近似して温度電圧関係式を算出することにより、上記の式(9)を算出する。
図3に戻って、温度電圧関係式記憶部52cは、温度電圧関係式算出部52bによって算出された温度電圧関係式(式(9))を記憶する。
以上まとめると、電池パラメータ算出部52aは、管理者から入力されたPVパネル1の各種特性値および開放電圧の温度依存性を示す関係式と、予め用意された電池特性曲線の近似式とから、当該近似式を確定する電池パラメータを算出し、温度電圧関係式算出部52bは、電池パラメータ算出部52aによって算出された電池パラメータにより確定された近似式から、パネル温度とMPP電圧との関係式である温度電圧関係式を算出したうえで、算出した温度電圧関係式を温度電圧関係式記憶部52cに格納する。すなわち、図3に示すように、点線で囲った電池パラメータ算出部52aおよび温度電圧関係式算出部52bは、温度線圧関係式の設定機能としてMPP制御部52に備えられる機能ブロックである。
MPP電圧算出部52dは、温度電圧関係式算出部52bによって算出され、温度電圧関係式記憶部52cが記憶する温度電圧関係式と、温度センサー9から取得した現時点でのPVパネル1のパネル温度とから、現時点でのMPP電圧を算出する。
すなわち、MPP電圧算出部52dは、温度センサー9から取得した現時点でのPVパネル1のパネル温度を、温度電圧関係式記憶部52cが記憶する式(9)に代入することにより、現時点でのMPP電圧を算出する。
MPP電圧制御部52eは、PVパネル1からの出力電圧が、MPP電圧算出部52dによって算出された現時点でのMPP電圧となるようにコントローラ3を制御する。
すなわち、MPP電圧制御部52eは、MPP電圧算出部52dが算出したMPP電圧を出力電圧として設定するようにコントローラ3に指示し、コントローラ3のDC/DCコンバータは、PVパネル1が発生した電圧を指示されたMPP電圧に調整したうえで出力する。
また、MPP電圧制御部52eは、所定の期間にわたってPVパネル1から出力される出力電流の変動率が所定の閾値以上となった場合、コントローラ3を、MPP電圧算出部52dによって既に算出されたMPP電圧を起点とした山登りP&O法により新たなMPP電圧を算出し、PVパネル1からの出力電圧が山登りP&O法により算出した新たなMPP電圧となるように制御する。なお、これについては、以下で説明する[本実施例における制御装置のMPP電圧制御処理の手順]にて詳述する。
[実施例1における制御装置のMPP電圧制御処理の手順]
次に、図8を用いて、本実施例における制御装置5が備えるMPP制御部52のMPP電圧制御処理について説明する。図8は、実施例1における制御装置のMPP電圧制御処理を説明するためのフローチャートである。なお、以下では、温度電圧関係式記憶部52cに温度電圧関係式が格納されたのちにMPP制御部52が実行する処理について説明する。
図8に示すように、実施例1における制御装置5は、自立型電源の運用が開始されると(ステップS801肯定)、MPP電圧算出部52dは、温度センサー9からPVパネル1の温度を取得する(ステップS802)。
そして、MPP電圧算出部52dは、取得した温度を、温度電圧関係式記憶部52cが記憶する温度電圧関係式に代入することにより、現時点でのMPP電圧を算出する(ステップS803)。
そののち、MPP電圧制御部52eは、MPP電圧算出部52dが算出したMPP電圧を初期電圧として設定するようにコントローラ3を制御する(ステップS804)。
続いて、制御装置5は、ステップS804ののち、天候の安定性を調査するために、PVパネル1の出力電流を第一の設定期間(例えば、1分間)測定する(ステップS805)。
そして、MPP電圧制御部52eは、第一の設定期間におけるPVパネル1の出力電流の変動率が第一の閾値以上(例えば、変動率の増減度が2倍以上)となったか否かを判定する(ステップS806)。
第一の設定期間におけるPVパネル1の出力電流の変動率が第一の閾値以上となった場合(ステップS806肯定)、MPP電圧制御部52eは、天候の変動が大きいために、設定した初期電圧からMPP電圧が変動する可能性が高いと判断して、初期電圧を起点とした山登りP&O法にて追跡した新たなMPP電圧を設定するようにコントローラ3を制御する(ステップS807)。
そして、MPP電圧制御部52eは、予め設定されたPVパネル1の温度取得時期(例えば、前回の取得時間から10分が経過した時期)となった場合(ステップS808肯定)、ステップS802に戻って、温度センサー9からPVパネル1の温度を取得する。
一方、第一の設定期間におけるPVパネル1の出力電流の変動率が第一の閾値より小さい場合(ステップS806否定)、MPP電圧制御部52eは、MPP電圧の設定確認を実行する。すなわち、MPP電圧制御部52eは、天候の変動が小さいにも関わらずPVパネル1の汚れなど想定外の原因によって設定した初期電圧からMPP電圧が変動する可能性に対応するために、初期電圧に「1」を加えた値を新たなMPP電圧として設定するようにコントローラ3を制御する(ステップS809)。
そして、制御装置5は、ステップS809ののち、PVパネル1の出力電流を第二の設定期間(例えば、10秒間)測定する(ステップS810)。
ここで、MPP電圧制御部52eは、第二の設定期間におけるPVパネル1の出力電流の変動率が第二の閾値以上(例えば、変動率の増減度が1割以上)となったか否かを判定する(ステップS811)。
第二の設定期間におけるPVパネル1の出力電流の変動率が第二の閾値以上となった場合(ステップS811肯定)、MPP電圧制御部52eは、想定外の原因により設定した初期電圧からMPP電圧が変動する可能性が高いと判断して、初期電圧を起点とした山登りP&O法にて追跡した新たなMPP電圧を設定するようにコントローラ3を制御する(ステップS807)。
一方、第二の設定期間におけるPVパネル1の出力電流の変動率が第二の閾値より小さい場合(ステップS806否定)、さらにMPP電圧の変動を確認するために、初期電圧に「1」を差し引いた値を新たなMPP電圧として設定するようにコントローラ3を制御する(ステップS812)。
そして、制御装置5は、ステップS812ののちも、PVパネル1の出力電流を第二の設定期間測定し(ステップS813)、MPP電圧制御部52eは、第二の設定期間におけるPVパネル1の出力電流の変動率が第二の閾値以上となったか否かをステップS811と同様に判定する(ステップS814)。
第二の設定期間におけるPVパネル1の出力電流の変動率が第二の閾値以上となった場合(ステップS814肯定)、MPP電圧制御部52eは、初期電圧を起点とした山登りP&O法にて追跡した新たなMPP電圧を設定するようにコントローラ3を制御する(ステップS807)。
一方、第二の設定期間におけるPVパネル1の出力電流の変動率が第二の閾値より小さい場合(ステップS814否定)、MPP電圧制御部52eは、初期電圧をMPP電圧として再設定するようにコントローラ3を制御し(ステップS815)、予め設定されたPVパネル1の温度取得時期(例えば、前回の取得時間から10分が経過した時期)となった場合(ステップS816肯定)、ステップS802に戻って、温度センサー9からPVパネル1の温度を取得する。
このようにして、制御装置5が備えるMPP制御部52は、コントローラ3を介して、PVパネル1からMPPにて出力電力を取り出すように制御する。
なお、本実施例では、MPP電圧が安定しないと判定されると(ステップS806肯定、ステップS811肯定、ステップS814肯定)、コントローラ3にて初期電圧を起点とした山登りP&O法にてMPPを追跡させる場合について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、コントローラ3が、MPPT機能としてIC(Incremental Conductance)法を実行する機能を有しており、MPP電圧が安定しないと判定されると、コントローラ3にて初期電圧を起点としたIC法にてMPPを追跡させる場合であってもよい。
また、本実施例では、MPP電圧が安定しないと判定されるとコントローラ3にて従来のMPPT法を用いたMPP制御を行なう場合について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、PVパネル1の温度取得間隔を短縮して(例えば、10分間隔から2分間隔にして)、MPP電圧を細かい間隔にて算出することにより、MPP電圧の変動に対応する場合であってもよい。
[実施例1の効果]
上記したように、実施例1によれば、電池パラメータ算出部52aは、PVパネル1の電池特性曲線が近似された近似式を確定するために用いられる電池パラメータを、所定の日照量および所定の温度におけるPVパネル1の短絡電流および開放電圧と、開放電圧の温度依存性を示す関係式とを用いて算出し、温度電圧関係式算出部52bは、電池パラメータ算出部52aによって算出された電池パラメータから確定される近似式から、パネル温度とMPP電圧との関係を示す温度電圧関係式を算出する。
そして、MPP電圧算出部52dは、温度電圧関係式算出部52bによって算出され、温度電圧関係式記憶部52cが記憶する温度電圧関係式と、温度センサー9から取得した現時点でのPVパネル1のパネル温度とから、現時点でのMPP電圧を算出し、MPP電圧制御部52eは、PVパネル1からの出力電圧が、MPP電圧算出部52dによって算出された現時点でのMPP電圧となるようにコントローラ3を制御するので、電池パラメータによって確定された精度の高い電池特性曲線の近似式から算出される温度電圧関係式を用いることにより、PVパネル1の温度を取得するのみでMPP電圧を算出することができ、上記した主たる特徴の通り、迅速に最大電力点を精度よく求めてPVパネル1からの出力電力を常に最大にすることが可能となる。
また、MPP電圧制御部52eは、所定の期間(第一の設定期間や第二の設定期間)にわたってPVパネル1から出力される出力電流の変動率が所定の閾値(第一の閾値や第二の閾値)以上となった場合、コントローラ3を、MPP電圧算出部52dによって既に算出されたMPP電圧を起点とした山登りP&O法により新たなMPP電圧を算出し、PVパネル1からの出力電圧が山登りP&O法により算出した新たなMPP電圧となるように制御するので、天候不順やPVパネル1の汚れなどによってMPP電圧が変動する場合でも、既に算出されたMPP電圧を起点としてMPPを追跡することができ、迅速にMPP電圧を精度よく算出することを保証することが可能となる。
上述した実施例1では、MPP制御部52において、温度線圧関係式の設定機能として設置された電池パラメータ算出部52aおよび温度電圧関係式算出部52bが、MPP電圧を算出するための温度電圧関係式を算出する場合について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、PVパネル1が自立型電源システムに導入され、導入されたPVパネル1の各種特性値および開放電圧の温度依存性を示す関係式が確定した時点で、予め、制御装置5以外のコンピュータなどの装置において、実施例1で説明した電池パラメータ算出部52aおよび温度電圧関係式算出部52bの処理内容と同様の処理を実行させておき、その結果得られた温度電圧関係式(式(9)参照)を温度電圧関係式記憶部52cに格納しておく構成でもよい。
すなわち、実施例2におけるMPP制御部52は、図3に示すように、点線で囲った電池パラメータ算出部52aおよび温度電圧関係式算出部52bからなる温度線圧関係式の設定機能が削除され、温度電圧関係式記憶部52c、MPP電圧算出部52dおよびMPP電圧制御部52eのみから構成される。なお、それ以外については、実施例2における自立型電源システムは、図1に示した実施例1における自立型電源システムと同様の構成となる。
このような構成とすれば、自立型電源システムに導入されているPVパネル1のカタログ値が改定された場合や、自立型電源システムに導入されているPVパネル1を更改する場合は、再度、MPP制御部52にて温度電圧関係式を算出する必要がなく、別の装置で迅速に算出された新たな温度電圧関係式を温度電圧関係式記憶部52cに格納するのみでMPP電圧を算出できるので、自立型電源システムの運用を簡便かつ円滑に行なうことが可能となる。
なお、上記した実施例1では、温度線圧関係式の設定機能を備えるMPP制御部52が、制御装置5に設置される場合について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、温度線圧関係式の設定機能を備えるMPP制御部52がコントローラ3に設置される場合であってもよい。また、実施例2で説明したように、温度電圧関係式の算出を別の装置にて行ない、温度電圧関係式記憶部52c、MPP電圧算出部52dおよびMPP電圧制御部52eのみから構成されるMPP制御部52が、コントローラ3に設置される場合であってもよい。
また、上記した実施例1および2では、PVパネル1がシリコン系である場合について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、PVパネル1がアモルファス系である場合であってもよい。この場合、アモルファス系のPVパネル1の電池特性曲線を近似するための近似式を予め設定することにより、本発明の電力制御方法を適用することができる。
また、本実施例では、自立型電源を構成する蓄電池が、ニッケル水素蓄電池である場合について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、自立型電源を構成する蓄電池が、例えば、鉛蓄電池やニッケルカドミウム蓄電池やリチウムイオン蓄電池などである場合であってもよい。
また、図示した各装置の各構成要素は機能概念的なものであり、必ずしも物理的に図示の如く構成されていることを要しない。すなわち、各装置の分散・統合の具体的形態は図示のものに限られず、その全部または一部を、各種の負荷や使用状況などに応じて、任意の単位で機能的または物理的に分散・統合して構成することができる。さらに、各装置にて行なわれる各処理機能は、その全部または任意の一部が、CPUおよび当該CPUにて解析実行されるプログラムにて実現され、あるいは、ワイヤードロジックによるハードウェアとして実現され得る。
なお、本実施例で説明した電力制御方法は、あらかじめ用意されたプログラムをパーソナルコンピュータやワークステーションなどのコンピュータで実行することによって実現することができる。このプログラムは、インターネットなどのネットワークを介して配布することができる。また、このプログラムは、ハードディスク、フレキシブルディスク(FD)、CD−ROM、MO、DVDなどのコンピュータで読み取り可能な記録媒体に記録され、コンピュータによって記録媒体から読み出されることによって実行することもできる。
以上のように、本発明に係る電力制御方法および電力制御装置は、太陽電池からの出力電力を制御する場合に有用であり、特に、迅速に最大電力点を精度よく求めて太陽電池からの出力電力を常に最大にすることに適する。
実施例1における自立型電源システムの構成を説明するための図である。 実施例1におけるニッケル水素蓄電池を説明するための図である。 MPP制御部の構成を説明するための図である。 実施例1におけるPVパネルの特性を説明するための図(1)である。 実施例1におけるPVパネルの特性を説明するための図(2)である。 電池パラメータ算出部によって算出された電池パラメータに基づく電池特性曲線の近似曲線を説明するための図である。 温度電圧関係式算出部を説明するための図である。 実施例1における制御装置のMPP電圧制御処理を説明するためのフローチャートである。 太陽電池の電圧・電流特性曲線を説明するための図である。
符号の説明
1 PVパネル
2 ニッケル水素蓄電池
3 コントローラ
4 負荷
5 制御装置
51 スイッチ制御部
52 MPP制御部
52a 電池パラメータ算出部
52b 温度電圧関係式算出部
52c 温度電圧関係式記憶部
52d MPP電圧算出部
52e MPP電圧制御部
6 シャント抵抗
7 電池切り離しスイッチ
8 負荷切り離しスイッチ
9 温度センサー

Claims (6)

  1. 太陽光によって発電する太陽電池からの出力電力を制御する電力制御方法であって、
    前記太陽電池で発生する電圧と電流との関係を示す電池特性曲線が近似された近似式を確定するために用いられる当該太陽電池に固有のパラメータである電池パラメータを、所定の日照量および所定の温度における当該太陽電池の短絡電流および開放電圧と、前記開放電圧の温度依存性を示す関係式とを用いて算出する電池パラメータ算出ステップと、
    前記電池パラメータ算出ステップによって算出された前記電池パラメータから確定される近似式から、前記太陽電池の温度と前記太陽電池の最大電力点を出力するための電圧である最大電力点出力電圧との関係を示す温度電圧関係式を算出する温度電圧関係式算出ステップと、
    前記温度電圧関係式算出ステップによって算出された前記温度電圧関係式と、前記太陽電池の現時点での温度とから、現時点での最大電力点出力電圧を算出する最大電力点出力電圧算出ステップと、
    前記太陽電池からの出力電圧が、前記最大電力点出力電圧算出ステップによって算出された現時点での最大電力点出力電圧となるように制御する電圧制御ステップと、
    を含んだことを特徴とする電力制御方法。
  2. 前記電圧制御ステップは、所定の期間にわたって前記太陽電池から出力される出力電流の変動率が所定の閾値以上となった場合、前記最大電力点出力電圧算出ステップによって既に算出された前記最大電力点出力電圧を起点とした最大電力点追従により新たな最大電力点出力電圧を算出するとともに、前記太陽電圧からの出力電圧が算出した新たな最大電力点出力電圧となるように制御することを特徴とする請求項1に記載の電力制御方法。
  3. 前記近似式は、「i」を前記太陽電池の発生電流、「v」を前記太陽電池の発生電圧、「Isc」を前記太陽電池の短絡電流、「Voc」を前記太陽電池の開放電圧、「η」を日照量の割合を示す日照量パラメータ、「α」を前記電池パラメータとした場合、下記の式によって表されることを特徴とする請求項1または2に記載の電力制御方法。
    Figure 2010061495
  4. 太陽光によって発電する太陽電池からの出力電力を制御する電力制御装置であって、
    前記太陽電池で発生する電圧と電流との関係を示す電池特性曲線が近似された近似式を確定するために用いられる当該太陽電池に固有のパラメータである電池パラメータを、所定の日照量および所定の温度における当該太陽電池の短絡電流および開放電圧と、前記開放電圧の温度依存性を示す関係式とを用いて算出し、算出された前記電池パラメータから確定される近似式を用いることにより、前記太陽電池の温度と前記太陽電池の最大電力点を出力するための電圧である最大電力点出力電圧との関係を示す温度電圧関係式が算出されて格納された場合に、
    前記温度電圧関係式と前記太陽電池の現時点での温度とから、現時点での最大電力点出力電圧を算出する最大電力点出力電圧算出手段と、
    前記太陽電池からの出力電圧が、前記最大電力点出力電圧算出手段によって算出された現時点での最大電力点出力電圧となるように制御する電圧制御手段と、
    を備えたことを特徴とする電力制御装置。
  5. 前記近似式における前記電池パラメータを、所定の日照量および所定の温度における前記太陽電池の短絡電流および開放電圧と、前記開放電圧の温度依存性を示す関係式とを用いて算出する電池パラメータ算出手段と、
    前記電池パラメータ算出手段によって算出された前記電池パラメータから確定される近似式から、前記温度電圧関係式を算出する温度電圧関係式算出手段と、
    をさらに備え、
    前記最大電力点出力電圧算出手段は、前記温度電圧関係式算出手段によって算出された前記温度電圧関係式を用いることを特徴とする請求項4に記載の電力制御装置。
  6. 前記近似式は、「i」を前記太陽電池の発生電流、「v」を前記太陽電池の発生電圧、「Isc」を前記太陽電池の短絡電流、「Voc」を前記太陽電池の開放電圧、「η」を日照量の割合を示す日照量パラメータ、「α」を前記電池パラメータとした場合、下記の式によって表されることを特徴とする請求項4または5に記載の電力制御装置。
    Figure 2010061495
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