JP2015072667A - 最大電力点追尾手段を備えた電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】通常時のみならず、電圧―電力特性において電力極大点が複数存在している太陽電池モジュールのアレイからでも、最大電力を取り出す電源装置を提供する。
【解決手段】電源投入時に、出力値を最大にしたときの、太陽電池から出力される電圧値を基準に、追尾範囲を決定する。常時は、所定の小さな範囲に対し、一定の変化量ごとに出力値を複数点にて変化させ、電圧値と電流値をサンプリングし、最大電力点を求め、そのときの出力値を次回の出力値とする。最大電力点に大きな変化が出たとみなす状況が発生すれば、追尾範囲の全体に対し、電圧値と電流値をサンプリングし、最大電力点を求める。
【選択図】図５

Description

本発明は、太陽光発電システムにおいて、太陽電池からの電力を効率よく取り出すための、最大電力点追尾手段を備えた電源装置に関するものである。

近年、原子力発電の安全性、火力発電における二酸化炭素排出における環境破壊に関心が強まっている。このようななか、太陽光発電に注目が集まっている。家庭においても、太陽電池パネルを複数枚直列若しくは並列またはその両方でつなぎ、所望の電力を得ることができるようにしているところもある。

太陽電池は、どのように光があてられるかや、自身の温度により、最大電力を引き出せる電圧が変動する。このため、専用の電源装置を接続し、太陽電池から出力される電圧を調整しながらその時点における最適な動作点を決める最大電力点追尾の手法が現在まで提案されている。

例えば、特開昭６２−８５３１２では、電力の変化が正の方向に出力値を変えるいわゆる「山登り法」が開示されている。また、特開平９−２３０９５２では、狭い範囲を「山登り法」などを用いて探索し、それに加えて、その周期より長い周期で広い範囲を追尾範囲とする方法が開示されている。

特開昭６２−８５３１２ 特開平９−２３０９５２

しかし、特許文献１の方法は電力の変化の正負を見ているから、マイコンのアナログ―デジタル変換による特有の誤差の影響が回避できないときがある。また、特許文献２の方法の長い周期で広い探索を行なう方法では、太陽電池モジュールアレイの電圧―電力特性が理想的な曲線を描き極大値が１つの場合でも広く探索してしまうため、その場合の電力の損失も無視できない。
たとえば、図１に示すような、太陽電池モジュールアレイの理想的な電圧―電力特性を考える。これは、極大値が１つであり、狭い範囲の追尾方法で十分である。すなわち、図１で示している理想追尾範囲のみで追尾するだけで事足りる。しかし、特許文献２の方法ではたとえ太陽電池モジュールアレイの電圧―電力特性が図１に示すようであっても、図１の網掛けで示した部分のような範囲も定期的に探索してしまうため、網掛けの部分を探索している時間は太陽電池モジュールアレイから得られる電力は小さくなってしまう。

本発明の目的は上述の問題を解決し、通常の狭い範囲での探索時は、その範囲内で複数点にて電圧値と電流値をサンプリングし、そのなかから最大電力点を選び出す方法をとり、電源起動時と、太陽電池モジュールアレイの電圧―電力特性に２つ以上の極大値が発生したとみなされる状態になった場合のみ広い範囲を探索し不必要な場合には広い探索をしないことにより、最大電力を得ることができる太陽電池からの電力の電圧を変換する電源装置を提供することである。

本発明に係る電源装置は、太陽電池からの電圧値を検知する電圧センサーと、前記太陽電池からの電流値を検知する電流センサーと、前記電圧値と前記電流値から電力値を演算する電力値演算部と、前記太陽電池から出力される電圧を制御する出力値設定手段を備えている。前記出力値設定手段を用いて、出力値の動作中心点から、電圧値が高くなる方向と低くなる方向へ、それぞれ、あらかじめ定めた一定の狭い範囲を、一定の変化量ごとに出力値を複数点にて変化させ、その変化ごとに太陽電池から出力される電圧値と電流値をサンプリングする。そのときの出力値と太陽電池から出力される電力値を記憶し、その中で最も高かった電力値に対応する出力値を新たな動作中心点とする第一追尾手段を備えている。

この制御方法では、電圧―電力特性の動作点が電力の変化量が正の方向へ移動する方法ではなくて、探索範囲における最大電力値に対応する動作点を次回第一追尾手段の動作中心点としている。このため、正負方向の探索を行なう山登り法より、より誤差の影響を受けず、効果的に最大電力点を見出すことができる。

第一追尾手段を備えている電源装置において、第一追尾手段よりも広い電圧範囲に対して、一定量ずつ出力値を変化させることで電圧値を変化させ、その変化ごとに電圧値と電力値を記憶し、その中から電力値が最大となる出力値を次回の第一追尾手段の動作中心点とする第二追尾手段を備えている。

第一追尾範囲よりも広い電圧範囲を探索することで、太陽電池モジュールアレイが部分的に影に掛かってしまい、太陽電池モジュールアレイの電圧―電力特性に２つ以上極大値が存在する場合でも、最大電力点を特定できる。

さらに第一追尾手段と第二追尾手段を備えている電源装置において、前回実行された第二追尾手段を実行したときに得られた最大電力値と比べ、第一追尾手段での最大電力値があらかじめ決めていた割合より増加または減少したときに実行される第二追尾手段を備えている。

太陽電池モジュールのアレイの電圧―電力特性に極大値が２つ以上となったとみなされた状態になったとき第二追尾手段を行なっているため、定期的に広い探索を行なうより、損失が少ない。ここで、時間経過に対して最大電力点が小さくなることの原因の一つに、太陽電池モジュールアレイの一部に影が掛かってしまったことが考えられる。この場合、例えば図２の破線で示している、点Ａが最大電力点である電圧―電力特性から、図２の実線で示している、点Ｃが最大電力点である電圧―電力特性に変化することがある。第一追尾手段を行なっている最中では点Ａ付近から点Ｂ付近へ動作中心点を変化し続ける。ここで、前回第二追尾手段が図２の破線で示した特性の時に行なわれたとすると、太陽電池モジュールアレイから取得できる電力はΔＰ減少したことになる。ΔＰがあらかじめ算出した値以上となったときに第二追尾手段を用いて第二追尾手段での追尾範囲を探索すれば、そのときの最大電力点が点Ｂでなく点Ｃであることが分かり、点Ｃに次回の第一追尾手段の動作中心点を移すことで最大電力を得ることができる。よって、前回第二追尾手段における最大電力値と比べ、毎回行なっている第一追尾手段で得た最大電力値があらかじめ決めた割合より変化していた場合、すなわち一定量以上日射量が変化したときだけ、広い範囲を探索することを行なう。結果、特許文献２に開示されている技術を使用したときより大きい電力を得ることができる。なお、図２の実線で示した太陽電池モジュールアレイの電圧―電力特性は極大値が２つであるが、３つ以上でも同様の効果が得られる。

本発明に係る電源装置は、太陽電池からの電圧値を検知する電圧センサーと、前記太陽電池からの電流値を検知する電流センサーと、
前記電圧値と前記電流値から電力値を演算する電力値演算部と、
前記太陽電池から出力される電圧を制御する出力値設定手段を備える。
電源装置の起動時に電源装置の出力値を最大にした場合に得られる、太陽電池側の端子で実現される最大電圧値を前記太陽電池から出力される電圧値の特定電圧値とする。特定電圧値に基づく前記特定電圧値よりも小さい電圧値に対応する出力値を追尾範囲の上限とし、あらかじめ決めていた追尾範囲の下限から、前記追尾範囲の上限を太陽電池の最大電力点追尾手段の追尾範囲とする。

追尾範囲を太陽電池の特性に従って初めに特定することで、広い範囲を探索する場合に、追尾範囲の上限を前記特定電圧値より小さい値に対応する出力値にすることにより、電力が発生する範囲で探索するため、結果、変換効率を高く見込める。

以上のように、本発明によれば、太陽電池モジュールアレイの電圧―電力特性に極大値が１つだけの場合はより誤差が少なく電力を取り出すことができ、極大値が２つ以上となったとみなされることが発生しても、高い効率で太陽電池から電力を引き出すことができる電源装置を提供することができる。

特許文献２で開示されている技術内容を説明するのに使用する図である。 太陽電池モジュールアレイに影が掛かっていない状態から掛かっている状態に変化したときの、太陽電池モジュールアレイの電圧―電力特性の変化の様子を表した図である。 本発明の実施形態に係る電源装置を備えた太陽光発電システムの構成例を示したブロック図である。 図３のシステムでの電源装置起動時における最大電力点追尾の方法を太陽電池の特性グラフの例を用いて示した図である。 図３のシステムでの最大電力点追尾の方法を示したフローチャートである。 図５で示した方法のうち、第二追尾方法を詳しく説明したフローチャートである。 図６で示した第二追尾方法を太陽電池モジュールアレイの特性の例を用いて示した図である。 図５で示した方法のうち、第一追尾方法を詳しく説明したフローチャートである。 図８で示した第一追尾方法を太陽電池モジュールアレイの特性の例を用いて示した図である。

以下、本発明に係る実施形態について、図３を使用し、説明する。この実施形態における電源装置は、本体部１、および電圧センサー２、電流センサー３、電力値演算部４、出力値設定手段５を備える。

太陽電池６は、光起電力効果を利用し、光エネルギーを電力に変換する部分である。通常は、複数の太陽電池モジュールを直列、並列またはその両方で接続し、所望の電力が得られるようにアレイを構成する。

電源装置として、電界効果トランジスタ等外部からの信号を用いてオン・オフ状態を切り替えられる素子を用いたＤＣ／ＤＣコンバータ等がある。この電源装置は、ゲートパルスのデューティー比を変化させることで、入力電圧などを制御することができる。

負荷７としては、誘導負荷、ランプ負荷、抵抗負荷、若しくはそれらの組み合わせ、または、商用電力系統等がある。

電圧センサー２としては、通常用いられる電圧検出手段であり、電流センサー３は、通常用いられる電流検出手段であり、電力演算部は、電圧センサー２で検出された電圧値と電流センサー３で検出された電流値から電力値を演算により導く部分である。また、電圧値、電流値、電力値は出力値設定手段５に入力される。出力値設定手段５としては、入力された電圧値・電力値に応じて、電源装置の本体部１に対し印加するゲートパルスのデューティー比を変化させる。電圧センサー２、電流センサー３、出力値設定手段５はＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ、Ｉ／Ｏ等で構成される制御用マイクロコンピュータを用いて実現することができる。

次に、図４を用いて、本発明の電力装置において、太陽電池から最大電力が得られる最大電力点追尾の方法について説明する。図４は、太陽電池モジュールを複数、直列または並列に繋いだアレイの電圧―電力特性の図である。横軸が、電圧値で縦軸が電力値である。なお、太陽電池から電力が発生する電圧範囲では、電圧値と出力値は比例関係にあるので、出力値としてもよい。なお、ここでいう出力値とは、太陽電池からの電圧や電流を決定するためのパラメータのことで、出力値が高くなるほど、太陽電池からの電圧値も高くなるものを指す。たとえば、通常の昇圧チョッパ回路における出力電圧を決定する電界効果トランジスタに印加するゲートパルスのデューティー比を１から引いた値などがある。

本発明の実施にあたっては、第一追尾手段の出力値変動幅ΔＤ、第二追尾方法の出力値変動幅、出力値の追尾範囲下限、探索周期、追尾範囲の上限の設定方法、第二追尾手段を実行する条件をあらかじめＲＯＭに記憶させておくとよい。

第一追尾手段の出力値変動幅ΔＤは、０．３％程度、出力値の追尾範囲の下限が４％程度、制御周期１００ｍｓ程度にしておく。また、前回実行した第二追尾手段での最大電力点の±２０％程度が今回の第一追尾手段での最大電力点である場合、第二追尾手段を行なう設定にしておく。また特定電圧値の９０％程度を追尾範囲の上限とする設定にしておく。第二追尾方法の出力値変動幅は（追尾範囲の上限―下限）÷６０程度にしておく。

実際の動作は次のようになる。まず、図５を用いて説明する。この電源装置を起動させると、最大電力点追尾の制御が開始する。まず、出力値を最大値である１００％とする（Ｓｔｅｐ０＿０）。このときの電圧値を特定電圧値Ｖ＿ｃｈａｒとして記憶しておく（Ｓｔｅｐ０＿１）。

特定電圧値の９０％に相当する出力値を追尾範囲の上限Ｄ＿ＵＬとし（Ｓｔｅｐ０＿２）、第二追尾手段を実行する（Ｓｔｅｐ０＿３）。

その後、第一追尾手段を行なう（Ｓｔｅｐ０＿４）。そして、第一追尾手段での最大電力値Ｐ＿１ｍａｘが前回の第二追尾手段で得た最大電力値Ｐ＿２ｍａｘの８０％を超え、１２０％に満たない場合はそのまま第一追尾手段を実行する。（Ｓｔｅｐ０＿５とＳｔｅｐ０＿７）。しかし、第一追尾手段での最大電力値Ｐ＿１ｍａｘが前回の第二追尾手段で得た最大電力値Ｐ＿２ｍａｘの１２０％以上の場合や、８０％以下の場合（Ｓｔｅｐ０＿５）、第二追尾手段を行ない（Ｓｔｅｐ０＿６）、その後、第一追尾手段（Ｓｔｅｐ０＿７）を行なう。

以下、第二追尾手段について図６と図７を参照しながら説明する。まず、現在の動作点から、電圧が低くなるように、出力値を現在の動作中心点から下限Ｄ＿ＬＬまで一定の変化量にて、また、そこからＤ＿ＵＬまで一定の変化量にて、その後、もといた動作点まで電圧値と電流値をサンプリングしながら変化させる（Ｓｔｅｐ２＿０）。その後、電力値が最大となる出力値Ｄ＿ｍａｘを選び出す（Ｓｔｅｐ２＿１）。その後、出力値をＤ＿ｍａｘへ一定の変化量ずつ変化させながら変化させる（Ｓｔｅｐ２＿２）。なお、当然、第二追尾手段において、現在動作点から電圧が高くなるように出力値を変化させることから、行なってもよい。

以下、第一追尾手段について、図８と図９を参照しながら説明する。まず、現在動作している出力値Ｄに対し、変動幅ΔＤとし、Ｄ−ｍΔＤ，Ｄ−（ｍ−１）ΔＤ，・・・，Ｄ−ΔＤ，Ｄ，Ｄ＋ΔＤ，・・・，Ｄ＋（ｎ−１）ΔＤ，Ｄ＋ｎΔＤにおいて、電圧値、電流値をサンプリングし、それぞれにおいて、電力値を計算する（Ｓｔｅｐ１＿０）。そして、最大電力点となるときの出力値をＤ＿ｍａｘとする（Ｓｔｅｐ１＿２）。なお、図９では、ｎ＝ｍ＝２の場合で書いているが、当然別の値でもよい。そして、現在の出力値からＤ＿ｍａｘへ任意の変化量にて変化させる（Ｓｔｅｐ１＿２）。

このように、電源起動時に追尾範囲の上限を決定し、通常時には、狭い範囲において最大電力点追尾を行ない、最大電力点における電力値に大きな変化があったときに、追尾範囲において広く追尾をする手段を用いることで、通常時には、細かく追尾し、影が掛かったとみなせる状況においては、追尾範囲の下限から上限にかけて広く探索することにより、太陽電池から無駄なく最大電力を取り出すことが出来る。

１ 電源装置の本体部
２ 電圧センサー
３ 電流センサー
４ 電力値演算部
５ 出力値設定手段
６ 太陽電池
７ 負荷

Claims (4)

1. 太陽電池から電圧値を検知する電圧センサーと、前記太陽電池からの電流値を検知する電流センサーと、
   前記電圧値と前記電流値から電力値を演算する電力値演算部と、
   前記太陽電池から出力される電圧を制御する出力値設定手段を備えている電源装置において、
   前記出力値設定手段を用いて、出力値の動作中心点から、電圧値が高くなる方向と低くなる方向へ、
   それぞれ、あらかじめ定めた一定の狭い範囲を、一定の変化量ごとに出力値を複数点にて変化させ、
   その変化ごとに電圧値と電流値をサンプリングし、そのときの出力値と電力値を記憶し、
   その中で最も高かった電力値に対応する出力値を新たな動作中心点とする第一追尾手段を備えている、太陽電池からの電力を最大になるように太陽電池からの電圧を決定する電源装置。
2. 請求項１に記載の電源装置において、前記第一追尾手段よりも広い電圧範囲に対して、一定量ずつ出力値を変化させることで電圧値を変化させ、
   その変化ごとに電圧値と電力値を記憶し、その中から電力値が最大となる出力値を次回の第一追尾手段の動作中心点とする第二追尾手段を備えている太陽電池からの電力を最大になるように太陽電池からの電圧を決定する電源装置。
3. 請求項２に記載の電源装置において、前回実行された第二追尾手段の最大電力値と比べ、第一追尾手段での最大電力値があらかじめ決めていた割合より増加または減少したときに実行される第二追尾手段を備えている、
   太陽電池からの電力を最大になるように太陽電池からの電圧を決定する電源装置。
4. 太陽電池からの電圧値を検知する電圧センサーと、前記太陽電池からの電流値を検知する電流センサーと、
   前記電圧値と前記電流値から電力値を演算する電力値演算部と、
   前記太陽電池から出力される電圧を制御する出力値設定手段を備える電源装置において、
   前記電源装置の起動時に前記電源装置の出力値を最大にした場合に得られる、太陽電池側の端子で実現される最大電圧値を前記太陽電池から出力される電圧値の特定電圧値とし、
   特定電圧値に基づく前記特定電圧値よりも小さい電圧値に対応する出力値を追尾範囲の上限とし、
   あらかじめ決めていた追尾範囲の下限から、前記追尾範囲の上限を太陽電池の最大電力点追尾手段の追尾範囲とする、
   太陽電池からの電力を最大になるように太陽電池からの電圧を決定する電源装置。

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