JP2012514805A - 再生可能なエネルギー源から電力を取り出す方法及びシステム - Google Patents

Abstract

本プラントは、少なくとも一つの制御できない量の各値に対して動作条件が少なくとも一つの制御できない量の関数として変化し、被制御量の関数として供給電力の特性曲線を持ち、各特性曲線が前記被制御量の最適値に対して最大を示す、ＤＣ電圧電力源（３）と、電力調整回路（５）と、前記被制御量を調整して、前記制御できない量の変化する際に前記ＤＣ電圧電力源から供給される電力を最大にさせる調整ループ（９）とを有する。調整ループ（９）は、前記制御できない量の実際の値に対して被制御量（Ｖ．ｉｎ）の実際の値が前記最適値より高いか低いかを決定しかつ被制御量の実際の値を前記最適値に向って変更する調整信号（Ｖ．ｉｎ−ＲＥＦ）を発生するように構成される。
【選択図】 図３

Description

本発明は、代替エネルギー源の開発に関するものであり、特に再生可能なエネルギー源の開発に関する。特に、排他的ではないが、本発明は、光電パネルによって太陽エネルギーを利用する方法及びシステムの改良に関する。
さらに特に、本発明は、少なくとも一つの制御できない量の関数として変化する作動条件を持ち、制御できない量の各値に対して被制御量の関数として供給される電力の特性曲線をもち、制御できない量の各値に対する特性曲線が被制御量の最適値に対して最大となる、源から電力を取り出す方法及びシステムの改良に関する。

エネルギー需要の増加及び伝統的なエネルギー源の枯渇に関連した問題、並びにエネルギー源の開発に伴う環境への影響のために、再生可能なエネルギー源は益々重要となってきている。これらの再生可能なエネルギー源の中でも、太陽エネルギーは基本的に重要である。かかるエネルギー源は種々の仕方で開発され、すなわち本発明の目的のために重要なことは、光電（光起電性）パネルによって太陽エネルギーを電力に直接変換することにある。太陽光線に晒されるこれらのパネルは、直流を発生し、エネルギー源の出力端子において電圧の所与値に対して電力の最大出力となる特性電力出力電圧曲線を示す。光電パネルの機能条件は、太陽光線の各値すなわちパネルの受ける単位表面積当たりのパワーの各値に対して入射エネルギーに大きく依存するので、特性曲線を決めることができ、すなわち全ての特性曲線は、エネルギー源の出力電圧の所与値に対して最大となるが、この値は特性曲線とその他との間で変動する。

明らかなように、光電パネルの照射条件は、季節、時間及び大気の状態に関連した種々のファクタに依存している。これらのファクタは、しばしば一日の経過においても予測できずに変動し得る。雲の通過、霧靄の発生、空気中の湿気含有量の変化は、全て、照射における多少急速で予測できない変動を生じさせるファクタであり、従ってエネルギー源の機能に影響を及ぼす予期できない量を表している。

機能条件が変動する場合及び特に太陽光線で表わされる制御できない量が変動する場合に、光電パネルからの電力の取り出しを最大化できるシステムを構築することは特に重要である。

光電パネルは直流を発生し、インバータによって発生した直流を交流に変換することにより使用され得る。インバータからの出力交流は配電回路網へ送電したり及び／又は一つ以上のローカル負荷に給電するのに用いられ得る。（直接配電回路網への、単一ローカル負荷への或はこれら二つの動作モードの組み合わせへの）光電パネルの接続或は複数の光電パネルの領域に関係なく、パネルの出力又は複数の光電パネルの領域（及び従ってインバータの入力）において、電力の取り出しを最大にさせる制御された量の値すなわち電圧値を維持するようにインバータを制御する必要がある。エネルギー源から取り出され得る電力を最大にさせる最適電圧は、太陽光線の状態が変化する際に上記のように変動するので、制御及び調整アルゴリズムが検討され、源、インバータ及び制御ルーフ゜から成るシステムを、常に取り出し電力を最大にさせる状態に向かわせるように、照射状態が変化する時にインバータの動作条件を変更させるようにしてきた。

この機能を実行するのに適したアルゴリズムの例は特許文献１並び該特許文献１に記載された特許文献及び非特許文献並びにそれぞれのサーチレポートに記載されており、これらの文献の内容は本明細書に組み込まれる。

最も普通の制御アルゴリズムの中で、“摂動及び観測”（Perturb and Observe）と呼ばれるアルゴリズムを記載すべきである。このアルゴリズムは、ソース＋インバータ系の動作状態を摂動させ、ソースの出力電圧（及び従ってインバータの入力）における変動を課し、この摂動の結果を観察し、すなわち課した摂動が被供給電力を増減させるかどうかを確認するためのものである。被供給電力が増加する場合には、システムが最大電力供給点にないことを意味ししかも課した摂動が被供給電力のひ増加を引き起こす方向、すなわち最大供給点に向かって動いていることを意味している。これに対して、課した摂動が被供給電力の減少に相当する場合には、課した摂動が取り出され得る電力を最大にさせるのに必要な方向と反対の方向にあることを意味している。

これらのアルゴリズムは有効であるが、しかし主に照射条件の突然の変動がシステムの動かなければならない特性曲線に変化を生じさせることにより、システムに対して新しい動作条件を適用するのに長時間を要することに伴う幾つかの制限がある。

WO-A-2007/072517

本発明の目的は、公知のシステム及び方法の問題点を全体的に又は部分的に軽減して、再生可能なエネルギー源から、特に排他的ではないが光電パネルを備えた源からの電力の取り出しを改善でき、エネルギー源の動作条件が上述のように少なくとも一つの制御できない量に依存している、方法及びシステムを提供することにある。

本発明の第１の特徴によれば、本発明は、電力調整回路によって電源から電力を取り出す方法に関し、電源の動作条件は少なくとも一つの制御できない量の関数として変化し、制御できない量の各値に対して電源が被制御量の関数として供給電力の特性曲線をもち、各特性曲線が被制御量の最適値に対して最大となる。代表的には、排他的ではないが、電源は一つ以上の光電パネルを備えることができ、そしてこの場合、制御できない量は例えば太陽光線であり、また被制御量はパネルの出力電圧又はパネルからの出力電流であり得る。本発明の一実施形態によれば、本発明による方法は、
被制御量の実際の値が制御できない量の実際の値に対する最適値より大きいか小さいかを決めるステップと、
被制御量の実際の値を最適値に向かって変更するために調整信号を発生するステップと
を含んでいる。

本方法は、摂動及び観測アルゴリズムに基づく方法と実質的に異なる。実際に、これらの公知のアルゴリズムでは、システムを摂動するために被制御量（例えば電圧）を変動させ、そしてこの変動（摂動）が源によって供給される電力を増大させるか又は減少させるかを観察する。摂動により供給電力が増大する場合には、相互作用アルゴリズムの後続のステップにおいて、同じ符号の新しい摂動が生じられ、供給電力における影響が観察される。このプロセスを繰り返すことにより、ある特定の時間後（制御できない量の変化しない限り）、最大電力ポイントが達成される。従って、かかる従来の方法は実験的（経験的）なアプローチである。

これに対して、本発明による方法は、被制御量の最適値に対して被制御量の値の検査を予備的に行なう制御アルゴリズムを提供する。最適値（すなわち取り出し電力を最大化する値）が前もって未知であっても、制御できない量（或はさらに一層制御できない量）に依存するので、例えば被制御量を周期的に振動させることによってこの量が現在最適値より大きい或は小さい値であるかどうか決定することができる。この決定に基き、制御ループは被制御量の最適値に向かって目標変動させる。被制御量の実際の値が最適値より低い場合には、前記被制御量は増大される。被制御量の実際の値が最適値より大きい場合には、前記被制御量は減少される。

従って、従来の“摂動及び観察”法と違って、変動の符号が供給電力を増大又は減少させるのかどうかをその後確認するのに被制御量に対してランダムな符号の変動は課せられない。一方、変動の符号は、いずれにしても、特定の動作条件すなわち制御できない量の現在値に対して被制御量の最適値に向かってシステムを変位させるようにして変動の符号が課せられる。その結果、制御できない量（例えば、太陽光線）が突然変化した場合に、システムは直ちに反応し、制御アルゴリズムの第１のステップにより、被制御量を新しい最適値に向かって変動させる。

以下、光電パネルを用いるシステム用の新しい方法の使用について特に参照するが、この方法は、制御できないパラメータ又は量の関数として変化し得る特性曲線をもつ出力の限定された源から電力を取り出す必要があり、しかも特性曲線（それら特性曲線の内の幾つか）が被制御量の最適値に対して供給できる電力の少なくとも最大値をもつその他の場合にも有利に適用され得ることが理解されなければならない。幾つかの実施形態では、源は燃料電池或は燃料電池のセットであることができ、その場合には、制御できない量は例えば酸素又はその他の燃料ガスの流量によって、或は燃料電池の経時変化によって表わされ得る。

一般に、制御できない量は、多くのファクタ又はパラメータの和で構成された総量を意味することができる。一般には、例えば光電パネルの場合には、特性機能曲線に影響し得るファクタには、光線だけでなくパネルの動作温度、時間の経過と共にパネルの受ける変化なども含まれる。

幾つかの実施形態では、本方法では、被制御量の実際の値が前記最適値より低い場合には被制御量の値に対して正の変動が課せられ、被制御量の実際の値が前記最適値より高い場合には被制御量の値に対して負の変動が課せられる。

被制御量の実際の値が最適値より高いか低いかを確認するために、本発明の幾つかの実施形態によれば、少なくとも一つの周期的成分をもつ外乱を含む調整信号が発生される。有利には、前記外乱によって、被制御量を周期的に変動させ、その結果前記源によって供給される電力を変動させる。電力及び被制御量の変動は、被制御量の値が前記最適値より高いか低いかを決定するように相互に関連される。

原理的には、被制御量の外乱はインバータの入力電圧をリプル（変化）させ得、インバータの入力は源に接続され、インバータの出力は配電回路網に接続される。しかし、制御ループは好ましくは、被制御量の調整信号に、正弦波又は非正弦波状の周期的信号で構成された或は正弦波又は非正弦波状の周期的信号を含む外乱を加えるブロックを備える。

本発明による方法のさらに有利な実施形態及び特徴は特許請求の範囲に示され、そして実施形態を参照して以下詳細に説明する。

本発明の別の特徴によれば、本発明は、
少なくとも一つの制御できない量の各値に対して動作条件が少なくとも一つの制御できない量の関数として変化し、被制御量の関数として供給電力の特性曲線を持ち、各特性曲線が前記被制御量の最適値に対して最大を示す、ＤＣ電圧電力源と、
前記ＤＣ電圧電力源からＤＣ電圧電力を取り出し、出力へ電力を供給する電力調整回路と、
前記被制御量を調整して、前記制御できない量の変化する際に前記ＤＣ電圧電力源から供給される電力を最大にさせる調整ループと
を有し、
前記制御できない量の実際の値に対して被制御量の実際の値が前記最適値より高いか低いかを決定しかつ被制御量の実際の値を前記最適値に向って変更する調整信号を発生するように、調整ループは構成される。
電力調整回路は、例えば電力配電回路網及び／又は一つ以上のローカル負荷に接続したＤＣ／ＡＣインバータを含み得る。他の実施形態では電力調整回路はＤＣ／ＡＣコンバータで構成され得、或はＤＣ／ＡＣコンバータを含み得る。

本発明によるプラントの別の有利な実施形態及び特徴については本発明の実施形態を参照して以下に説明する。

以下、本発明を限定しない実施形態を示す添付図面及び以下の説明から本発明は良く理解される。

種々の照射条件における再生可能なエネルギー源、代表的には光電パネルの一連の特性曲線を示す図。 再生可能なエネルギー源の単一特性曲線を示す図。 本発明を実施しているシステムを示すブロック線図。 本発明の変更実施形態の場合の図３と同様なブロック線図。 図３又は図４に概略的に示す制御ループの種々の部位における信号の波形を示す線図。 図３又は図４に概略的に示す制御ループの種々の部位における信号の波形を示す線図。 図３又は図４に概略的に示す制御ループの種々の部位における信号の波形を示す線図。

以下、光電パネルに応用する場合について本発明を説明するが、本発明による方法及びシステムは、同様な振る舞いの生じる、すなわち被制御量の関数として電力の特性曲線をもつその他の再生可能なエネルギー源を用いても実現でき、特性曲線は制御できない量が変化する場合に変化することが理解されなければならない。

本発明の機能原理及び従来の方法に対して本発明によって達成できる利点を良く理解するために、まず機能条件に応じて再生可能なエネルギー源、特に光電パネルの振る舞いに関係する幾つかの要素に注目する必要がある。

上述のように、光電パネルは、光電パネルの出力接続端子に電圧の関数である電力を供給する。出力電圧の関数としての電力特性曲線は不変であるが、照射が変化すると、すなわち光電パネルに到達する単位表面当たりのエネルギーが変化すると、変化する。図１には一連の特性曲線Ｃ１、Ｃ２、．．．．Ｃｎを示し、各特性曲線Ｃ１、Ｃ２、．．．．Ｃｎは光電パネルの種々の照射条件に対応している。各特性曲線Ｃ１、Ｃ２、．．．．Ｃｎは、光電パネルの出力に電圧Ｖ（横軸に示す）の関数としてパネルによって取り出すことのできる電力Ｐ（縦軸に示す）の変動を示している。各特性曲線Ｃ１、Ｃ２、．．．．Ｃｎは、電圧の値に応じた最大値をもつ。電圧値Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３は、光電パネルから取り出すことのできる電力の最大値に相応し、照射条件が変わると変化する。さらに特に、照射が強ければ強い程、光電パネルが電力の最大値を発生する電圧が高くなる。図１において、照射は矢印ＩＲに従って増大し、従って曲線Ｃ１は照射の最大値に相応したものであり、曲線Ｃｎは照射の最少値に相応したものである。電圧Ｖ１は電圧Ｖｎより高い。

図２には、表示を簡単にするために、単一特性曲線Ｃを示している。Ｖａ及びＶｂは光電パネルの出力電圧の二つの値を表し、所与太陽光線の値に対する最大取り出し可能な電力Ｐｍａｘより低い供給電力に相応している。Ｖｍｐｐは取り出し可能な電力を最大にさせる電圧を表している（ｍｐｐ＝最大電力点）。従って、光電パネルが設けられるシステムは、光電パネルの端部において電圧Ｖｍｐｐが維持される場合には、この照射条件において最大の電力を供給することができる。これに対して、電圧がＶａに等しい場合に、取り出し電力を最大化するためには、曲線Ｃの右側において光電パネルの出力における電圧を点Ｐａから点Ｐｍｐｐへシフトするように低減する必要がある。一方、光電パネルの出力電圧Ｖｂが点Ｐｂにある場合に、この照射条件において電力を最大化するためには、光電パネルの出力における電圧を、値Ｖｍｐｐに再び到達するまで、漸次に高める必要がある。

照射が一定に維持すると、光電パネルの出力に接続したインバータの制御は相対的に簡単である。これに対して、照射は、上述のように突然変化したり、時間と共に繰り返し変化し得る。これは特に困難に遭遇する。

再び図１を参照すると、例えば、システムは曲線Ｃ２上にあり、そして従来の“摂動及び観察”アルゴリズムによって行なった調整により、最大効率の条件が達成され、すなわち光電パネルの端子において供給電力Ｐ２に相応する出力電圧Ｖ２が達成されたと仮定され得る。この時点において、照射条件が突然変化したとすると、例えば雲の通過により照射の低減が生じるとすると、システムは曲線Ｃ２から曲線ＣＮへ移り、供給電力は、特性曲線Ｃｎの最大値に相応した値Ｐｎより低い値Ｐｘへ突然に低減する。システムを再び最適な動作条件にするためには、制御アルゴリズムにより、電圧を値Ｖ２から値Ｖｎへ漸次に低下させなければならない。これに対して、曲線Ｃ２に相応した照射条件から太陽光線が突然増えて、システムを曲線Ｃ１で動作させることになった場合には、供給電力は値Ｐ２から、これらの照射条件のもとで光電パネルから取り出すことのできる最大電力値Ｐ１より低い値Ｐｙへ移る。従って、制御アルゴリズムは、システムを電圧Ｖ２から電圧Ｖ１へ漸次移して出力電圧を高め、照射の減少の場合にシステムに対して実施する方向と反対の方向に変動させ、曲線Ｃ２の条件から曲線Ｃ１の条件へ移動させなければならない。

光電システムの通常の制御系では照射のこれらの突然の変化には適切に迅速には追従できない。というのは、通常の制御系では照射条件の所与変化が、それより前の照射条件のもとで取り出すことのできる電力を最大化する電圧に対して高い又は低い電圧でシステムを作動させることになるかどうかを決定できないからである。

言い換えれば、従来のシステムでは、照射条件が変化する場合に、システムを再び取り出し可能な電力最大値の状態にするのに電圧を増大する必要があるのか低減する必要があるのかを検知することができない。そのため従来のシステムでは新たな太陽光線照射条件を適用するのにかなりの時間が必要である。

この問題は、以下に図３、図４及び図５を参照して説明する制御方法によって解決される。

簡単には、本発明による方法は、システムが光電パネルからの出力電圧の最適値に対して動作している状態を検知できる制御ループを設け、従ってむ光電パネルから出力電圧が取り出し電力を最大にさせる条件を達成するために増大しなければならないか或は低減しなければならないかを“決定する”のに適している。その結果、照射条件が変化する際には、システムは直ちに始動して、調整信号によって行われる光電むパネルに接続したインバータの動作条件の変化、インバータにおける電圧入力の正しい変動（場合によって増減）及び光電パネルにおける電圧出力を変えて、新たに取り出し可能な電力を最大にする条件に向かってシステムを動かす。

本発明による方法及びシステムの機能を良く理解できるようにするために、まず図３のブロック線図を参照すべきである。この線図において、システム全体は１で示されている。システム１は、全体を３で示す再生可能なエネルギー源、例えば光電パネル又は複数の光電パネルセットを有している。再生可能なエネルギー源３は、ＤＣ電圧で電力を発生し、再生可能なエネルギー源３の出力は、全体を５で示す二段インバータに接続されている。５Ａは第１のＤＣ／ＤＣ段（前端）を示し、５Ｂは第２のＤＣ／ＡＣ段を示している。インバータ５の出力は一つ以上のローカル負荷及び／又は電力配電網に接続される。図３のブロック線図において、インバータ５の出力は総負荷Ｚ及び７で概略的に示す電力配電網に接続されている。この形態の接続により、電力配電網７には、ローカル負荷Ｚで吸収されない電力が入力でき、再生可能なエネルギー源３で発生されたエネルギーをローカル負荷Ｚに給電でき、或は（再生可能なエネルギー源３が十分な電力を供給できない場合に）電力配電網７から電気エネルギーを吸収することによりローカル負荷Ｚに給電できる。

再生可能なエネルギー源３及びインバータ５で構成したシステムは、９で概略的に示す調整又は制御ループによって制御される。この調整ループ９はソフトウエア又はハードウエア、或はそれらの組み合わせにより実現でき、調整ループの機能及び制御の仕方については以下に説明する。以下の説明に基いて、当業者は、本発明による方法を実行する制御ループを実施する複数の可能な形態を設計することができる。

制御ループは、再生可能なエネルギー源３の出力電圧に比例した信号Ｖ．ｉｎを検知し、さらに再生可能なエネルギー源３からインバータ５へ供給される電流に比例した値Ｉ．ｉｎを検知するために再生可能なエネルギー源３の出力に接続されている。

電流値Ｉ．ｉｎ及び電圧値Ｖ．ｉｎから、マルチプレクサブロック１１で簡単に乗算することにより、再生可能なエネルギー源３からインバータ５へ供給される電力に比例した信号（Ｐ．ｉｎ＝Ｖ．ｉｎ×Ｉ．ｉｎ）得られる。

電力信号及び電圧信号から、適切な処理を通して調整装置１３の出力に電圧設定点Ｖｓｅｔが発生される。この調整信号は、システムを最適機能か点へ向かわせるように、すなわち再生可能なエネルギー源３からの出力電圧を、特定の照射条件のもとで再生可能なエネルギー源３から取り出すことのできる電力を最大化する値にするようにしてインバータ５及びさらに正確にはインバータの第１の段５Ａを制御するのに用いられる。

再生可能なエネルギー源３からの出力電圧Ｖ．ｉｎが最適電圧値、すなわち所与照射条件のもとで供給できる電力を最大にさせる値より高いか低いかを決定するために、調整装置１３で固定された電圧設定点を表す値Ｖｓｅｔに、例えば０．１〜１００Ｈｚの範囲で可変である適切な周波数で周期的外乱が加えられ、これらの値は非限定例として考えられなければならない。理論的には、この外乱は、インバータの出力が接続される回路網電圧の振動によってインバータ５の入力に加えられる振動によって構成され得る。しかし、好ましい実施形態では、この外乱はブロック１５で発生される。再生可能なエネルギー源３の特性曲線のために、供給電力を相応して変動させ、この変動は信号Ｖｓｅｔに加えられる外乱の同じ周波数で循環する。

図４の線図は図３の線図と実質的に同等であり、これら二つの図面において同じ参照符号は同じ又は同等の部分を表している。図４の線図と図３の線図との違いは実質的に、インバータが二段インバータに代わって一段インバータである点にある。両線図において、本発明を理解する上で必要ないしかも当業者には公知である要素は省略されている。

図２を参照すると、瞬時出力電圧がＶａに等しい場合、すなわち瞬時出力電圧が源から取り出すことのできる電力を最大化する電圧Ｖｍｐｐより高い場合には、電圧の振動（発振）により出力電力において逆符号の相応した振動が生じる。逆の状態は、機能点が値Ｖｍｐｐより低い電圧値Ｖｂに相応している時に生じる。この場合、源からの出力電圧の周期的変動により電力は同じ位相で相似的に変動する。

従って、電力を表す曲線と源からの出力電圧を表す曲線との相関関係を計算することにより、源から平均出力電圧が所与照射条件において取り出しできる電力を最大化する電圧Ｖｍｐｐより低いか高いかを決定することが可能であることが理解される。

信号Ｖ．ｉｎ−ＲＥＦを得るために電圧設定点に加えた周期的成分を含む外乱によって生じた電力変動と電圧変動との相関関係を計算するために、制御ループ９は、マルチプレクサ１１で得られた電力信号をろ波するブロック２１及び電圧信号Ｖ．ｉｎをろ波するブロック２３を備えている。ブロック２１、２３は例えば相応したバンドパスフィルタ又は別の適当な形式のフィルタによって実現できる。一般に、ブロック２１、２３において設けられるフィルタは、ブロック１５で発生した外乱の可変周期的成分の周波数Ｆｒに中心決めされ、それによりブロック２１、２３の出力は、一定成分及び外乱信号の基本周波数Ｆｒと異なる周波数をもつ任意の成分が除去されているので、信号の周波数Ｆｒをもつ可変成分だけを含む二つの信号ｄＰ、ｄＶである。

マルチプレクサブロック２５において、電力変動と電圧変動との間の相関関係信号ｄＰｄＶを得るために、信号ｄＰ、ｄＶは乗算される。相関関係信号ｄＰｄＶはブロック２６例えばバンドパスフィルタでろ波され、ブロック１５で発生した外乱の周期的成分の周波数及び／又は非正弦波信号である際には基本周波数及びそれの調波をカットする。このようにして、フィルタブロック２６の出力において、ほぼ連続した信号Ｃｔｒｌが得られ、この信号の値及び符号は相関関係信号ｄＰｄＶの平均値で決定される。このほぼ連続した信号Ｃｔｒｌは調整装置１３に供給される。調整装置１３は好ましくはＰＩ（比例積分）調整装置或いは単に積分調整装置であり、上述の得られた信号Ｃｔｒｌに基き電圧設定点Ｖｓｅｔを発生する。別の実施形態では、フィルタブロック２６は省略でき、その機能は直接調整装置によって行なうことができる。しかし、この場合、システムの力学的構成は減少される。調整装置の上流にバンドパスフィルタを用いることにより、調整システムの速度をフィルタの機能に関係なくでき、従って調整システムのダイナミック応答を妨害するのを避ける。

図５Ａ、図５Ｂ及び図５Ｃに示す波形は、上記のシステムのむ動作を説明している。これらの線図において開ループ波形は、調整システムの機能原理を簡単に説明するために示される。

例えば図５Ａを参照すると、源３の出力電圧Ｖ．ｉｎは平均値Ｖａをもち、この値を軸として周波数Ｆｒで振動し、ブロック１５で発生した外乱による振動は、調整装置１３で発生した電圧設定点Ｖｓｅｔに加えられる。値Ｖａのまわりのこの電圧変動により、電力Ｐ．ｉｎの等しい周波数Ｆｒでの相応した周期的振動を生じさせる。図５Ａの頂部の最初の線図で表わすように、源３の出力電圧値Ｖａは源から取り出すことのできる電力を最大化する値より高いと仮定していることが観察できる。

この仮定では、電圧Ｖａは供給できる最大電力に相応した電圧より高いので、源３から供給される出力電力振動Ｐ．ｉｎは出力電圧Ｖ．ｉｎの同じ周波数であるが逆位相で振動する。電圧Ｖ．ｉｎが最大値である場合には、電力Ｐ．ｉｎは最小値となり、逆も成り立つ。源３からの出力電流Ｉ．ｉｎは電力のパターンに相応したパターンをもっている。

図５Ａの第４及び第５の線図には、値ｄＶ、ｄＰが示され、これらの値は信号Ｖ．ｉｎ及び信号Ｐ．ｉｎをろ波することで得られ、信号Ｖ．ｉｎはむ源からの出力電圧を直接測定することで得られ、信号Ｐ．ｉｎは出力電圧と出力電流とを乗算することで得られる。図５Ａの線図において観察できるように、信号ｄＶ、ｄＰは、電圧Ｖ．ｉｎの同じ周波数で及び従ってブロック１５で発生したほぼゼロに近い外乱の同じ周波数Ｆｒで振動する。

信号ｄＶ、ｄＰを乗算することにより、これら信号間の相関関係が得られ、図５Ａの六番目の線図にｄＶｄＰで表わされている。この相関関係は、電圧設定点Ｖｓｅｔに加えられた外乱の周期的成分の周波数Ｆｒに対して二倍の周波数をもつ負の平均値を示している。

ブロック２６において相関関係信号ｄＶｄＰをろ波することによって、ほぼ連続した信号Ｃｔｒｌが得られ、この信号Ｃｔｒｌは図５Ａの第７の線図に示されている。この信号は、上述のように負の値をもつ相関関係信号をろ波することで得られるので、負である。信号Ｃｔｒｌを調整装置の積分器１３に加えることにより、電圧設定点Ｖｓｅｔが得られ、この信号は徐々に直線的に減少していく傾向がある。このことは、これらの条件のもとで源から取り出すことのできる電力の最大値を得るために、電圧Ｖａが実際の値に対して有効に低減されなければならないことに相当している。

最初に示したように、調整信号Ｖｓｅｔには、周期的成分をもつ外乱信号が加えられて信号Ｖ．ｉｎ−ＲＥＦが得られ、この信号Ｖ．ｉｎ−ＲＥＦは図５Ａの最後の線図に示されている。電圧設定点信号Ｖｓｅｔに重ねられたこの周期的振動は、エネルギー源からの出力電圧Ｖ．ｉｎの周期的振動を生じさせる。

図５Ｂには、取り出しできる電力を最大化する電圧より低いエネルギー源３からの出力電圧でシステムが作動している状態を示している。特性曲線より下方の線図の波形は上記したものと同じ信号を表し、すなわち上部から底部へ順に、電圧設定点Ｖｓｅｔの信号に加えた外乱で誘導された重ねられた周期的振動をもつエネルギー源からの出力電圧、エネルギー源からの出力電流、エネルギー源からの出力電力、時間の経過を通しての電圧変動、時間の経過を通しての電力変動、電力時間変動と電圧時間変動との間の相関関係、フィルタ２６からの出力制御信号、調整装置１３からの出力電圧設定点Ｖｓｅｔ、並びに周期的成分を含む外乱と電圧設定点Ｖｓｅｔとの組み合わせにより得られた調整信号Ｖ．ｉｎ−ＲＥＦが示されている。

この場合、エネルギー源の平均出力電圧Ｖｂは電力を最大化させる値より低いので、出力電圧における周期的変動は、電圧変動と同相で電力の相応した周期的変動を生じさせる。その結果、電圧変動と電力変動との間の相関関係ｄＰｄＶは、調整信号に加えた外乱の周波数に対して二倍の周波数をもつ周期的波形となるが、この相関関係は正の平均値をもつている。従って、相関関係信号をろ波することで得られた信号Ｃｔｒｌは正の符号で実質的に連続しており、その結果、調整装置１３からの出力電圧設定点は直線的に増加する傾向にある。このことは、システムを最大取り出し電力の最適条件にするために、システムによって制御されるパラメータであるエネルギー源からの出力電圧が、値Ｖｂから最大電力値（Ｖｍｐｐ）へ漸増されなければならないことに相当している。

このようにして、システムは極端に速い仕方で最適機能点に向うようにされ、すなわち、システムが照射の突然の変動で異なる特性曲線になった時に電力の最大化に必要な方向に電圧を変更する修正値を電圧設定点Ｖｓｅｔがもっているので、取り出し電力を最大化する電圧に成るようにされることが理解される。

ひとたび最大取り出し可能な電力点に達すると、システムは図５Ｃに示す振る舞いとなり、エネルギー源３からの出力電圧は値Ｖｍｐｐに等しくなり、その結果取り出し電力は最大となる。特性曲線の下方には、波形が示され、特に電圧が最適値に相応している場合において、図５Ａ及び図５Ｃを参照して説明してきた信号を表している。この場合、外乱信号によってエネルギー源からの出力電圧に課せられた振動は最大点のまわりで振動を生じさせ、その結果取り出し電力は外乱の周波数に対して二倍の周波数の振動を受けることが観察できる。相応した仕方で、相関関係ｄＰｄＶの平均値はゼロに等しい。相関関係ｄＰｄＶをろ波（フィルタリング）することにで得られた信号Ｃｔｒｌは実質的に連続し、ゼロ値に等しく、その結果、電圧設定点Ｖｓｅｔは一定のままで、値Ｖｍｐｐに固定される。

図面は単に本発明の実施装置によって提供された例を示すだけであり、本発明の概念の範囲から逸脱することなしに形態及び構成を変更できることが理解される。特許請求の範囲における参照符号は明細書及び図面に関連して特許請求の範囲を容易に読めるようにするためだけに付けられており、特許請求の範囲で表わした保護の範囲をいかようにも限定するものではない。

１ ：システム
２ ：再生可能なエネルギー源
５ ：インバータ
Ｚ ：ローカル負荷
７ ：電力配電網
９ ：調整又は制御ループ
Ｖ．ｉｎ ：電圧値（出力電圧に比例した信号）
Ｉ．ｉｎ ：電流値
１１ ：マルチプレクサブロック
Ｐ．ｉｎ ：再生可能なエネルギー源３からインバータ５へ供給される電力に比例した信号
１３ ：調整装置
Ｖｓｅｔ ：電圧設定点
１５ ：外乱を発生するブロック
Ｖｍｐｐ ：電力を最大化する電圧
Ｖａ ：電圧
ＶｂＢ ：電圧
Ｖ．ｉｎ−ＲＥＦ：信号
２１ ：ブロック
２３ ：ブロック
Ｆｒ ：外乱の可変周期的成分の周波数
ｄＰ ：信号
ｄＶ ：信号
２５ ：マルチプレクサブロック
２６ ：フィルタブロック
ｄＰｄＶ ：相関関係信号
Ｃｔｒｌ ：信号

Claims (34)

1. 電力調整システムによって電源から電力を取り出す方法であって、前記電源の動作条件が少なくとも一つの制御できない量の関数として変化し、制御できない量の各値に対して電源が被制御量の関数として供給電力の特性曲線をもち、各特性曲線が前記被制御量の最適値に対して最大となる、方法において、
   被制御量の実際の値が前記制御できない量の実際の値に対する前記最適値より大きいか小さいかを決めるステップと、
   被制御量の実際の値を前記最適値に向かって変更するために調整信号を発生するステップと
   を含むこと
   を特徴とする方法。
2. 被制御量の実際の値が前記最適値より低い場合には、被制御量の値に正の符号の変動が施され、被制御量の実際の値が前記最適値より高い場合には、被制御量の値に負の符号の変動が施されることを特徴とする請求項１記載の方法。
3. 前記調整信号が少なくとも一つの周期的成分をもつ外乱を含んでいることを特徴とする請求項１又は２記載の方法。
4. 前記外乱によって、被制御量及び従って前記電源からき要求される電力に周期的変動を生じさせ、被制御量の値が前記最適値より高いか低いかを決定するために電力及び被制御量の変動の間の相関関係を計算することを特徴とする請求項３記載の方法。
5. 被制御量の実際の値について周期的に変動させそして相応して前記電源から供給される電力について周期的に変動させること、
   被制御量の実際の値が前記最適値より高いか低いかを決定するために、電力の変動と被制御量の変動との間の相関関係を作ること
   を含むことを特徴とする請求項１記載の方法。
6. 前記周期的変動が調整信号に周期的外乱を導入することで得られることを特徴とする請求項５記載の方法。
7. 調整ループにおいて、電源から供給される電力の時間変動と前記被制御量の時間変動との間の相関関係を計算し、被制御量の実際の値が前記最適値より高いか低いかを前記相関関係が表わし、また調整信号を発生するために調整装置において前記相関関係を用いることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項記載の方法。
8. 前記被制御量が前記電源の出力電圧であることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項記載の方法。
9. 前記被制御量が前記電源によって供給される電流であることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項記載の方法。
10. 前記電源が再生可能なエネルギー源であることを特徴とする請求項１〜９のいずれか一項記載の方法。
11. 前記電源が少なくとも一つの光電パネルであり、前記少なくとも一つの制御できない量が太陽光線であることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか一項記載の方法。
12. 前記電源が一つ以上の燃料電池であることを特徴とする請求項１〜９のいずれか一項記載の方法。
13. 被制御量の調整信号を発生するステップと、
    少なくとも一つの周期的成分を含む外乱を前記調整信号に導入するステップと、
    前記周期的成分の作用により、被制御量の周期的変動及びその結果電源から取り出した電力の変動を生じさせるステップと、
    電源から取り出した電力の変動と被制御量の変動との間の相関関係を決定し、被制御量の実際の値が前記最適値より高いか低いかを前記相関関係で表わすステップと、
    を含むことを特徴とする請求項１〜１２のいずれか一項記載の方法。
14. 前記電源によって供給された電力の時間の経過による変動を検知するステップと、
    被制御量の時間の経過による変動を検知するステップと、
    電力変動と被制御量の変動との間の相関関係を計算するステップと、
    前記相関関係に従って電力調整回路の調整信号を発生するステップと、
    少なくとも一つの周期的成分を含む外乱を前記調整信号に導入するステップと、
    被制御量の周期的変動を生じさせそして電源によって供給された電力の変動を生じさせる前記外乱を含む前記調整信号で電力調整回路を制御するステップと、
    を含むことを特徴とする請求項１〜１３のいずれか一項記載の方法。
15. 前記電源によって供給された電力の時間の経過による変動を検知するステップと、
    前記電源の出力電圧の時間の経過による変動を検知するステップと、
    電力変動と電圧変動との間の相関関係を計算するステップと、
    前記相関関係に従って電力調整回路の調整信号を発生するステップと、
    少なくとも一つの周期的成分を含む外乱を前記調整信号に導入するステップと、
    電力調整回路の入力電圧及び前記電源からの出力電圧の周期的変動を生じさせそして電源によって供給された電力の変動を生じさせる前記外乱を含む前記調整信号で電力調整回路を制御するステップと、
    を含むことを特徴とする請求項１〜１４のいずれか一項記載の方法。
16. 電源によって供給され電力の前記時間変動が前記外乱の周波数を中心としたバンドパスフィルタでろ波され、また被制御量の前記時間変動が前記外乱の周波数を中心としたバンドパスフィルタでろ波されることを特徴とする請求項１３、１４、１５のいずれか一項記載の方法。
17. 前記相関関係がバンドパスフィルタでろ波され、そして前記調整信号を得るために積分調整装置又は比例積分調整装置の入力に加えられることを特徴とする請求項１３〜１６のいずれか一項記載の方法。
18. 外乱の前記周期的成分が固定周波数をもつことを特徴とする請求項３〜１７のいずれか一項記載の方法。
19. 外乱の前記周期的成分が可変周波数をもつことを特徴とする請求項３〜１７のいずれか一項記載の方法。
20. 前記周期的成分が、前記電源によって供給された電力の関数である周波数をもつことを特徴とする請求項１９記載の方法。
21. 少なくとも一つの制御できない量の各値に対して動作条件が少なくとも一つの制御できない量の関数として変化し、被制御量の関数として供給電力の特性曲線を持ち、各特性曲線が前記被制御量の最適値に対して最大を示す、ＤＣ電圧電力源と、
    前記ＤＣ電圧電力源からＤＣ電圧電力を取り出し、出力へ電力を供給する電力調整回路と、
    前記被制御量を調整して、前記制御できない量の変化する際に前記ＤＣ電圧電力源から供給される電力を最大にさせる調整ループと
    を有し、
    前記制御できない量の実際の値に対して被制御量の実際の値が前記最適値より高いか低いかを決定しかつ被制御量の実際の値を前記最適値に向って変更する調整信号を発生するように、前記調整ループが構成されること
    を特徴とする電力発生システム。
22. 被制御量の実際の値が前記最適値より低い場合には正の符号の変動を被制御量の値に与え、また被制御量の実際の値が前記最適値より高い場合には負の符号の変動を被制御量の値に与えるように、前記調整ループが構成されることを特徴とする請求項２１記載の電力発生システム。
23. 電力源の出力における被制御量の周期的変動及び従って前記電力源によって供給される電力の周期的変動を生じさせるように、前記調整ループが構成されることを特徴とする請求項２１又は２２記載の電力発生システム。
24. 電力源の出力における前記被制御量の周期的変動と周期的電力変動との間の相関関係を得るように前記調整ループが構成され、被制御量の実際の値が前記制御できない量の実際の値に対して前記最適値より高いか低いかを前記相関関係が表わし、また前記調整ループが、前記相関関係の関数として被制御量の実際の値を前記最適値に向かって変更するために調整信号を発生することを特徴とする請求項２３記載の電力発生システム。
25. 前記調整ループが、前記相関関係に従って調整信号を発生する調整装置と、前記被制御量の周期的変動を生じさせるために前記調整信号に導入される、少なくとも一つの周期的成分をもつ外乱を発生する発生装置とを備えていることを特徴とする請求項２４記載の電力発生システム。
26. 前記周期的成分が固定周波数をもつことを特徴とする請求項２５記載の電力発生システム。
27. 前記周期的成分が、前記電力源によって供給される電力に従って可変である周波数をもつことを特徴とする請求項２５記載の電力発生システム。
28. 前記調整ループが、前記電力源の出力における電圧入力と、前記電力源によって供給される電流入力と、前記電力源によって供給される電力を計算するブロックと、前記電力源によって供給される電力の変動と出力電圧変動との間の相関関係を決定するための相関関係ブロックと、前記相関関係に従って調整信号を発生する調整装置と、前記調整信号に導入される、少なくとも一つの周期的成分を含む外乱を発生するブロックとを備えていることを特徴とする請求項２１〜２７のいずれか一項記載の電力発生システム。
29. 前記調整装置が積分調整装置又は比例積分調整装置であることを特徴とする請求項２８記載の電力発生システム。
30. 前記電力源が再生可能なエネルギー源であることを特徴とする請求項２１〜２９のいずれか一項２８記載の電力発生システム。
31. 前記電力源が少なくとも一つの光電パネルを備え、前記少なくとも一つの制御できない量が太陽光線であることを特徴とする請求項３０記載の電力発生システム。
32. 前記電力源が少なくとも一つの燃料電池であることを特徴とする請求項２１〜２９のいずれか一項記載の電力発生システム。
33. 前記被制御量が前記電力源の出力電圧であることを特徴とする請求項２１〜２３のいずれか一項記載の電力発生システム。
34. 前記被制御量が前記電力源によって供給される電流であることを特徴とする請求項１〜３２のいずれか一項記載の電力発生システム。

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