JP2015079833A - State estimation apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、太陽電池の発電量の変化に関わる状態を推定する技術に関する。 The present invention relates to a technique for estimating a state related to a change in power generation amount of a solar cell.
太陽光発電システムでは、太陽電池を構成する複数の太陽電池セルの各々が、太陽光を受けて発電する。太陽光発電システムは、自然エネルギーを利用した発電システムであるため、発電量が時間的に変化しやすいことが知られている。このため、太陽光発電システムの発電量が低下した原因を検知する技術が、従来から提案されている。特許文献1は、太陽光発電システムにおける一の太陽電池モジュールの発電電力と他の太陽電池モジュールの発電電力とを相互比較して、発電電力の低下の原因が、一時的な日陰又は太陽電池モジュールの異常(故障)の発生のいずれであるかを検出することを開示している。特許文献2は、太陽電池ストリングを構成する太陽電池モジュールの両端を短絡又は開放するスイッチ素子のオンオフ制御と、太陽電池ストリングの発電電力の測定値とに基づいて、太陽電池モジュールの故障の有無や日陰による出力低下の有無を判定することを開示している。 In the solar power generation system, each of a plurality of solar cells constituting the solar battery receives sunlight to generate power. Since a solar power generation system is a power generation system using natural energy, it is known that the amount of power generation is likely to change over time. For this reason, the technique which detects the cause by which the electric power generation amount of the solar power generation system fell has been proposed conventionally. In Patent Document 1, the generated power of one solar cell module and the generated power of another solar cell module in a solar power generation system are compared with each other. It is disclosed to detect whether an abnormality (failure) occurs. Patent Document 2 describes whether or not there is a failure in a solar cell module based on on / off control of a switch element that short-circuits or opens both ends of the solar cell module constituting the solar cell string, and a measured value of the generated power of the solar cell string. It is disclosed that the presence or absence of output decrease due to shade is determined.
特許文献1に開示された技術では、比較対象の太陽電池モジュールの両方の発電電力が低下した場合、両方の太陽電池モジュールが日陰になったのか、又は、両方の太陽電池モジュールが故障したのかを正確に判別することができない。特許文献2に開示された技術では、太陽電池ストリングから発電電力を得る機会以外の機会に、スイッチ素子のオンオフ制御と発電電力の測定とを行わなければならず、当該太陽電池ストリングからの発電電力の供給を妨げてしまう。
これに対し、本発明の目的は、太陽電池の動作点の挙動に基づいて、当該太陽電池の従来よりも詳細な状態を推定することである。
In the technology disclosed in Patent Document 1, when the power generated by both of the solar cell modules to be compared decreases, whether both solar cell modules are shaded or whether both solar cell modules have failed. It cannot be determined accurately. In the technique disclosed in Patent Document 2, on / off control of the switch element and measurement of the generated power must be performed on occasions other than the opportunity to obtain the generated power from the solar cell string, and the generated power from the solar cell string Will interfere with the supply.
On the other hand, an object of the present invention is to estimate a more detailed state than the conventional solar cell based on the behavior of the operating point of the solar cell.
上述した課題を解決するため、本発明の状態推定装置は、直列接続した複数の太陽電池セルと、前記複数の太陽電池セルに並列接続したバイパスダイオードとを含む太陽電池を備えた太陽光発電システムの発電量が変化したときの、前記太陽電池の状態を推定する状態推定装置であって、前記バイパスダイオードのオフからオンへの切り替わりを検出する検出手段と、前記検出手段が検出した前記切り替わりの履歴を特定する履歴特定手段と、前記履歴特定手段が特定した前記履歴に基づいて、前記太陽電池の状態を推定し、推定結果を示すデータを出力する推定手段とを備える。 In order to solve the above-described problem, a state estimation device according to the present invention is a photovoltaic power generation system including a solar cell including a plurality of solar cells connected in series and a bypass diode connected in parallel to the plurality of solar cells. A state estimation device for estimating the state of the solar cell when the amount of power generation changes, and detecting means for detecting switching of the bypass diode from OFF to ON, and the switching detected by the detection means History specifying means for specifying a history, and estimation means for estimating the state of the solar cell based on the history specified by the history specifying means and outputting data indicating the estimation result.
本発明の状態推定装置において、前記検出手段は、前記太陽電池の出力電圧が予め設定した速度以上で変化したことを検出することにより、前記切り替わりを検出してもよい。
本発明の状態推定装置において、前記推定手段は、前記太陽光発電システムにおいて、前記太陽電池の動作点を最大電力点に追従させる制御が行われているときの前記履歴に基づいて、前記太陽電池の状態を推定してもよい。
In the state estimation device of the present invention, the detection means may detect the switching by detecting that the output voltage of the solar cell has changed at a preset speed or more.
In the state estimation device according to the present invention, the estimation unit is configured to control the solar cell based on the history when the operation of the solar cell is controlled to follow the maximum power point in the solar power generation system. May be estimated.
本発明の状態推定装置において、前記履歴特定手段は、前記履歴として、前記切り替わりを検出した頻度を少なくとも特定し、前記推定手段は、前記状態の複数の候補のうち、前記頻度に応じたいずれかを前記推定結果としてもよい。
この状態推定装置において、前記履歴特定手段は、前記履歴として、前記切り替わりを検出した期間を更に特定し、前記推定手段は、前記状態の複数の候補のうち、前記頻度及び前記期間に応じたいずれかを前記推定結果としてもよい。
In the state estimation device of the present invention, the history specifying unit specifies at least the frequency at which the switching is detected as the history, and the estimation unit is any one of the plurality of candidates for the state according to the frequency. May be the estimation result.
In the state estimation device, the history specifying unit further specifies a period in which the switching is detected as the history, and the estimation unit selects any one of the plurality of candidates for the state according to the frequency and the period. It is good also as said estimation result.
本発明の状態推定装置において、前記太陽電池の発電量を測定する測定手段を備え、前記推定手段は、前記状態の複数の候補のうち、前記履歴及び前記測定手段が測定した前記発電量に応じたいずれかを前記推定結果としてもよい。 The state estimation apparatus according to the present invention further includes a measurement unit that measures a power generation amount of the solar cell, the estimation unit according to the history and the power generation amount measured by the measurement unit among a plurality of candidates of the state. Any of the above may be used as the estimation result.
本発明によれば、太陽電池の動作点の挙動に基づいて、当該太陽電池の従来よりも詳細な状態を推定することができる。 According to the present invention, based on the behavior of the operating point of a solar cell, it is possible to estimate a more detailed state than the conventional solar cell.
本発明の実施の形態について図面を参照しつつ説明する。
図1は、本発明の一実施形態の太陽光発電システム1の全体構成を示す図である。
図1に示すように、太陽光発電システム1は、太陽電池アレイ100と、パワーコンディショナー200と、複数の状態推定装置300とを備える。太陽電池アレイ100は、例えば、住宅やビルディング等の建築物の屋上又はその周辺に設置される。太陽電池アレイ100は、複数の太陽電池ストリング110がアレイ状に配列した構成である。複数の太陽電池ストリング110の各々は、パワーコンディショナー200に並列接続される。太陽電池ストリング110は、複数の太陽電池モジュール120を直列接続した構成である。この実施形態において、接続とは、電気的な接続のことをいう。
なお、太陽電池アレイ100が備える太陽電池ストリング110の数、及び、太陽電池ストリング110が備える太陽電池モジュール120の数は、それぞれいくつであってもよい。
Embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a diagram showing an overall configuration of a photovoltaic power generation system 1 according to an embodiment of the present invention.
As shown in FIG. 1, the photovoltaic power generation system 1 includes a
Note that the number of
パワーコンディショナー200は、太陽電池アレイ100が備える複数の太陽電池ストリング110の各々と、ブロッキングダイオード400を介して接続された電圧変換装置である。ブロッキングダイオード400は、アノードが太陽電池ストリング110と接続され、カソードがパワーコンディショナー200と接続される。パワーコンディショナー200は、太陽電池アレイ100の出力電圧(直流電圧)を取り込むとともに、太陽電池アレイ100の動作を制御する。
The
パワーコンディショナー200は、DC−DCコンバーターと、インバーターとを備える。DC−DCコンバーターは、太陽電池アレイ100の各々から取り込んだ直流電圧(例えば200〜300V)を、スイッチ素子をオン又はオフする制御によりさらに高い直流電圧(例えば300〜400V)に昇圧する。インバーターは、DC−DCコンバーターから入力した直流電圧を交流電圧に変換して、系統電力網へ交流電流を送出する。インバーターは、スイッチ素子のPWM(Pulse Width Modulation)制御を行うことにより交流電流の送出量を調整する。インバーターが行うPWM制御により、最大電力点追従制御(以下、「MPPT制御」という。)が実現される。「MPPT」は、Maximum Power Point Trackingの略語である。MPPT制御は、太陽電池の動作点を最大電力点に追従させる制御である。ここでの太陽電池は、太陽電池アレイ100、太陽電池ストリング110、太陽電池モジュール120及び後で説明する太陽電池ブロック130を含む概念である。
The
状態推定装置300は、太陽光発電システム1の発電量が変化したときの、当該太陽光発電システム1が有する太陽電池の状態を推定する装置である。ここでは、状態推定装置300は、太陽電池ストリング110の各々に対応して1つずつ設けられる。このため、状態推定装置300は、太陽電池ストリング110の状態を推定する。状態推定装置300は、例えば、太陽光発電システム1の発電量が変化した原因を推定する。
The
図2は、太陽電池ストリング110と状態推定装置300との電気的接続を説明する図である。図2に示すように、太陽電池ストリング110において直列接続された複数の太陽電池モジュール120の各々は、複数の太陽電池ブロック130を直列接続した構成である。太陽電池モジュール120は、例えば、複数の太陽電池ブロック130をつなぎ合わせてパネル状に形成されたり、柔軟性を持った(つまりフレキシブルな)素材で形成されたりした構成であり、製品としての最小単位となることがある。複数の太陽電池ブロック130の各々は、直列接続した複数の太陽電池セル131と、これらの複数の太陽電池セル131に並列接続したバイパスダイオード132とを含む。太陽電池ブロック130は、太陽電池クラスタと呼ばれることもある。
なお、太陽電池モジュール120が備える太陽電池ブロック130の数、及び、太陽電池ブロック130が備える太陽電池セル131の数は、それぞれいくつであってもよい。
FIG. 2 is a diagram for explaining electrical connection between the
Note that the number of the solar battery blocks 130 included in the
太陽電池ブロック130の太陽電池セル131は、太陽光を受けて発電して、直流電流を出力する。太陽電池セル131は、最小の発電単位である。太陽電池セル131の等価回路は、電流源とダイオードと抵抗で表すことができる。太陽電池ブロック130のバイパスダイオード132は、当該太陽電池ブロック130を構成するすべての太陽電池セル131が、一定量以上の発電量で発電する状態(以下、「定常状態」という。)であるときは、オフしている。このため、太陽電池ブロック130が定常状態のときには、図2に矢印A1で示すように、当該太陽電池ブロック130の太陽電池セル131を通過する経路で直流電流が流れる。しかし、太陽電池ブロック130の少なくとも一部の太陽電池セル131の発電量が低下(ゼロの場合を含む。)したときは、当該太陽電池ブロック130のバイパスダイオード132がオンすることがある。バイパスダイオード132は、発電量が低下した太陽電池セル131を含む太陽電池ブロック130を電気的に切り離した状態にすることにより、他の太陽電池ブロック130の出力電流を迂回させる(つまりバイパスする)ためのダイオードである。このため、太陽電池ブロック130を構成する少なくとも一部の太陽電池セル131の発電量が低下したときには、図2に矢印A2で示すように、バイパスダイオード132を通過する経路で直流電流が流れる。
The
太陽電池セル131の発電量が低下して、バイパスダイオード132がオフからオンに切り替わる原因は、例えば、太陽電池セル131に対する日射量の低下である。日射量の低下は、例えば、天気や時刻を原因として発生する。日射量の低下による発電量の低下は、太陽電池アレイ100の全体でほぼ均一に発生する。日射量の低下以外にも、太陽電池セル131の発電量が低下する原因として、例えば、太陽電池セル131に発生した故障や経時劣化、部分日陰、太陽電池セル131の表面に付着した汚れ等がある。部分日陰は、一の太陽電池ブロック130に含まれる複数の太陽電池セル131のうち、一部の太陽電池セル131が日陰になることを意味する。これらの日射量の低下以外の原因による発電量の低下は、太陽電池アレイ100の一部で(例えば局所的に)発生することが多い。
The reason why the power generation amount of the
図3は、太陽電池セル131の定常状態での電気的特性を説明する図である。図3の上段には、太陽電池セル131の出力電流を縦軸に対応させ、太陽電池セル131の出力電圧を横軸に対応させた電流(I)−電圧(V)特性曲線(以下、「I−Vカーブ」という。)が示されている。図3の下段には、太陽電池セル131の出力電力(P)を縦軸に対応させ、太陽電池セル131の出力電圧(V)を横軸に対応させた電力(P)−電圧(V)特性曲線(以下、「P−Vカーブ」という。)が示されている。I−Vカーブが定まると、P−Vカーブも一義的に定まる。I−Vカーブ上で、出力電圧Vが最大で、且つ、出力電流Iがゼロになる点の電圧を、「開放電圧」という。また、I−Vカーブ上で、出力電圧Vがゼロで、且つ、出力電流Iが最大になる点の電流を、「短絡電流」という。
FIG. 3 is a diagram for explaining electrical characteristics of the
図3の上段に示すように、I−Vカーブ上の領域は、出力電流Iの変化に対する出力電圧Vの変化の大小に応じて、「低抵抗領域」と「高抵抗領域」とに分けられる。低抵抗領域は、出力電流Iの変化に対する出力電圧Vの変化の量が相対的に小さい領域である。高抵抗領域は、出力電流Iの変化に対する出力電圧Vの変化の量が相対的に大きい領域である。
太陽電池セル131に限らず、太陽電池セル131を含む太陽電池ブロック130、太陽電池モジュール120、太陽電池ストリング110、及び、太陽電池アレイ100の電流(I)−電圧(V)特性曲線も、太陽電池セル131のI−Vカーブ及びP−Vカーブと同じ形状の曲線を描く。また、太陽電池ブロック130、太陽電池モジュール120、太陽電池ストリング110及び太陽電池アレイ100のI−Vカーブ上の領域も、「低抵抗領域」と「高抵抗領域」とに分けられる。
As shown in the upper part of FIG. 3, the region on the IV curve is divided into a “low resistance region” and a “high resistance region” according to the change in the output voltage V with respect to the change in the output current I. . The low resistance region is a region where the amount of change in the output voltage V relative to the change in the output current I is relatively small. The high resistance region is a region where the amount of change in the output voltage V relative to the change in the output current I is relatively large.
The current (I) -voltage (V) characteristic curve of the
ここで、パワーコンディショナー200が行うMPPT制御を、図4を参照して説明する。図4(a),(b)には、太陽電池アレイ100のI−Vカーブ及びP−Vカーブが示されているものとする。すなわち、図4及びその説明では、出力電流Iは太陽電池アレイ100の出力電流のことであり、出力電圧Vは太陽電池アレイ100の出力電圧のことであり、出力電力Pは太陽電池アレイ100の出力電力のことである。
図4(a)に示すように、パワーコンディショナー200は、太陽電池アレイ100のI−Vカーブ上の動作点Pc(白丸印で図示)を、最大電力点Pm(黒丸印で図示)に追従させるMPPT制御を行う。最大電力点Pmは、P−Vカーブ上の出力電力Pが最大となる点である。P−Vカーブ上の最大電力点Pmが定まれば、I−Vカーブ上の最大電力点Pmが一義的に定まる。最大電力点Pmは、I−Vカーブ上の低抵抗領域に位置する。この実施形態では、パワーコンディショナー200は、公知の山登り法(Hill Climbing Method)に従ってMPPT制御を行うが、他の方式に従ってMPPT制御を行ってもよい。
Here, the MPPT control performed by the
As shown in FIG. 4A, the
ところで、I−Vカーブ及びP−Vカーブは常に一定であるわけではなく、例えば、太陽電池アレイ100に対する日射量に応じて変化する。一般に、朝夕の日射量は、昼間等の別の時刻の日射量よりも少ない。また、曇天や雨天等の雲が多い天気のときの日射量は、晴天のときの日射量よりも少ない。また、晴天であっても、一時的な日陰になることによって日射量が低下することもある。太陽電池アレイ100に対する日射量が減少すると、I−Vカーブは、例えば、図4(a)に示す状態から図4(b)に示す状態へ変化する。
By the way, the IV curve and the PV curve are not always constant, and change according to the amount of solar radiation with respect to the
図4(b)に示すI−Vカーブは、日射量が多い図4(a)に示すI−Vカーブに比べて、出力電流Iが減少する方向に変化した曲線を描く。このI−Vカーブの変化により、最大電力点Pmは、図4(a)に示すI−Vカーブの場合に比べて低電位側、すなわち、高抵抗領域に近づく方向へ移動する。日射量が少ないほど、I−Vカーブのこの変化の傾向はより顕著に現れる。このため、日射量が僅かに減少した場合には、僅かに出力電流Iが減少するだけで済み、最大電力点Pmについても僅かに低電位側に移動するだけで済む。しかし、日射量が大きく減少するほど出力電流Iは大きく減少し、最大電力点Pmも大きく低電位側、すなわち、高抵抗領域に近づく方向へ移動する。 The IV curve shown in FIG. 4B draws a curve that changes in the direction in which the output current I decreases compared to the IV curve shown in FIG. Due to the change in the IV curve, the maximum power point Pm moves to the low potential side, that is, in a direction approaching the high resistance region, as compared with the case of the IV curve shown in FIG. The smaller the amount of solar radiation, the more prominent the tendency of this change in the IV curve. For this reason, when the amount of solar radiation slightly decreases, the output current I only needs to decrease slightly, and the maximum power point Pm also needs to move slightly to the low potential side. However, as the amount of solar radiation is greatly reduced, the output current I is greatly reduced, and the maximum power point Pm is also greatly moved toward the low potential side, that is, in a direction approaching the high resistance region.
MPPT制御において、動作点Pcが最大電力点Pmよりも高電位側にあるときには、出力電流Iが僅かに増減すると、出力電圧Vも僅かに変化する。このため、低抵抗領域は、出力電圧Vの変動が小さく発電電力を安定的に得るための制御を行いやすい領域、ということができる。他方、動作点Pcが最大電力点Pmよりも低電位側の高抵抗領域にあるときには、出力電流Iを僅かに増減させただけでも、出力電圧Vがゼロ付近から高抵抗領域の最大電圧付近までの間で大きく変化し得る。このため、高抵抗領域は、出力電圧Vの変動が大きく発電電力を安定的に得るための制御を行うことが難しい領域、ということができる。よって、パワーコンディショナー200は、高抵抗領域に動作点Pcを移動させないように、MPPT制御を行うのが一般的である。
In the MPPT control, when the operating point Pc is on the higher potential side than the maximum power point Pm, when the output current I slightly increases or decreases, the output voltage V also slightly changes. For this reason, it can be said that the low resistance region is a region where the fluctuation of the output voltage V is small and the control for stably obtaining the generated power is easily performed. On the other hand, when the operating point Pc is in the high resistance region on the lower potential side than the maximum power point Pm, even if the output current I is slightly increased or decreased, the output voltage V is from near zero to near the maximum voltage in the high resistance region. Can vary greatly between. For this reason, it can be said that the high resistance region is a region in which the fluctuation of the output voltage V is large and it is difficult to perform control for stably obtaining the generated power. Therefore, the
しかし、パワーコンディショナー200がMPPT制御を行っているときに、高抵抗領域に動作点Pcが移動する場合がある。特に日射量が少ない場合ほど、最大電力点Pmが高抵抗領域に接近するので、高抵抗領域に動作点Pcが移動しやすい。例えば、急激に太陽電池アレイ100の出力電力Pが変化した場合、パワーコンディショナー200による動作点Pcの制御が間に合わず、動作点Pcが高抵抗領域に移動することがある。高抵抗領域に動作点Pcが移動した場合、太陽電池モジュール120内の太陽電池セル131の電気的特性が揃っている場合は、太陽電池モジュール120の出力電圧Vが瞬間的に非常に大きく低下する。太陽電池セル131の電気的特性にばらつきがある場合、最も電気的特性の悪い太陽電池セル131を含む太陽電池ブロック130の出力電圧が大きく低下して、当該太陽電池ブロック130のバイパスダイオード132が、オフからオンに切り替わることがある。
However, when the
高抵抗領域に動作点Pcが移動する原因として、太陽電池アレイ100の出力電流Iに含まれる微少電流変動の存在がある。太陽電池アレイ100の出力電流Iは、完全な直流電流ではなく、微少変動を伴った電流になっている。この微少電流変動は、パワーコンディショナー200の動作を原因として生じ、以下の(I),(II)の2つの原因が挙げられる。
(I)パワーコンディショナー200のDC−DCコンバーターで発生するリップル成分に起因する微少電流変動。(具体的には、スイッチ素子のスイッチング周波数に同期した三角波に近い形状のリップル成分。)
(II)パワーコンディショナー200が山登り法のMPPT制御を行う際に発生させる微少電流変動。(パワーコンディショナー200が周期的に変動させる電流変化で、階段状になることが多い。)
As a cause of the movement of the operating point Pc to the high resistance region, there is a minute current fluctuation included in the output current I of the
(I) Small current fluctuation caused by a ripple component generated in the DC-DC converter of the
(II) Small current fluctuation generated when the
(I),(II)の2つの微少電流変動は、パワーコンディショナー200の動作を原因として発生し、例えば日射量や日陰の有無とは無関係である。DC−DCコンバーターのスイッチング周波数(例えば、数十〜数百kHz)は、パワーコンディショナー200が周期的に変動させる電流変化の周波数(例えば、数〜数十Hz)よりも高い。このため、(I)の微少電流変動の周波数の方は、(II)の微少電流変動の周波数よりも高くなることが多い。ただし、(I),(II)の2つの微少電流変動は各々独立して発生するため、実際の微少電流変動は、この2つの変動を足し合わせた大きさとなる。この微少電流変動を原因とした、動作点Pcの高抵抗領域への移動のしやすさも、太陽電池アレイ100に対する日射量に応じて変化する。
The two minute current fluctuations (I) and (II) are caused by the operation of the
図5は、微少電流変動と、動作点Pcの高抵抗領域への移動のしやすさとの関係を説明する図である。図5(a)が、図4(a)に示すI−Vカーブの場合の説明図であり、図5(b)が、図4(b)に示すI−Vカーブの場合の説明図である。
図5(a)に示すように、日射量が相対的に多い場合、微少電流変動を原因とした動作点Pcの高抵抗領域への移動は起こりにくい。図5(a)に示すように、動作点Pcの制御の基準になるのは、太陽電池アレイ100の出力電流Iの平均値(図5(a)に示す平均電流)である。高抵抗領域に動作点Pcが移動するのは、微少電流変動のピークが、高抵抗領域の出力電流以上になったときである。これに対し、日射量が相対的に多く、I−Vカーブ上の高抵抗領域から比較的離れた位置に最大電力点Pmがある場合には、微少電流変動による電流のピーク(図5(a)に示すピーク電流)と、高抵抗領域の最小の出力電流との差である電流マージンIMが十分に確保されている。このため、出力電流Iの微少電流変動を原因とした動作点Pcの高抵抗領域への移動が起こりにくい。例えば、電流マージンIMは、太陽電池アレイ100の短絡電流の10%程度あり、最大電力点Pmに合わせた動作点Pcが、日射量の変動等によって高抵抗領域に入ってしまうことは通常は起きない。
FIG. 5 is a diagram for explaining the relationship between the minute current fluctuation and the ease of movement of the operating point Pc to the high resistance region. 5A is an explanatory diagram for the case of the IV curve shown in FIG. 4A, and FIG. 5B is an explanatory diagram for the case of the IV curve shown in FIG. 4B. is there.
As shown in FIG. 5A, when the amount of solar radiation is relatively large, the operating point Pc is hardly moved to the high resistance region due to the minute current fluctuation. As shown in FIG. 5A, the reference value for the control of the operating point Pc is the average value of the output current I of the solar cell array 100 (average current shown in FIG. 5A). The operating point Pc moves to the high resistance region when the peak of the minute current fluctuation becomes equal to or higher than the output current of the high resistance region. On the other hand, when the amount of solar radiation is relatively large and the maximum power point Pm is at a position relatively distant from the high resistance region on the IV curve, the peak of the current due to minute current fluctuation (FIG. 5 (a The current margin IM, which is the difference between the peak current shown in (2)) and the minimum output current in the high resistance region, is sufficiently secured. For this reason, it is difficult for the operating point Pc to move to the high resistance region due to the minute current fluctuation of the output current I. For example, the current margin IM is about 10% of the short-circuit current of the
他方、図5(b)に示すように、日射量が相対的に少ない場合、微少電流変動を原因として動作点Pcが高抵抗領域へ移動しやすい。日射量が相対的に少なく、I−Vカーブ上の高抵抗領域から比較的近い位置に最大電力点Pmがある場合、電流マージンIMがなくなるか、又は、極めて小さいからである。すなわち、日射量が相対的に少なく、太陽電池アレイ100の出力電流Iが少ないときには、微少電流変動を原因として動作点Pcが高抵抗領域に入り、その結果、太陽電池アレイ100内のバイパスダイオード132がオフからオンに切り替わることがある。図5(b)に示すように、太陽電池アレイ100の出力電流Iの微少電流変動を原因として、バイパスダイオード132がオンオフを繰り返すときには、微少電流変動の周波数に応じた周波数になる。
On the other hand, as shown in FIG. 5B, when the amount of solar radiation is relatively small, the operating point Pc is likely to move to the high resistance region due to minute current fluctuations. This is because when the amount of solar radiation is relatively small and the maximum power point Pm is located relatively close to the high resistance region on the IV curve, the current margin IM disappears or is extremely small. That is, when the amount of solar radiation is relatively small and the output current I of the
図6は、天気及び時刻(時間帯)と、電流マージンIMの大きさとの関係を示す図である。図6に示すように、電流マージンIMは日射量が多いときほど十分に確保されるため、日射量が多い天気又は時刻である場合ほど、電流マージンIMは大きい。反対に、日射量が少ない天気又は時刻である場合ほど、電流マージンIMは小さい。 FIG. 6 is a diagram showing the relationship between the weather and time (time zone) and the size of the current margin IM. As shown in FIG. 6, the current margin IM is sufficiently secured as the amount of solar radiation increases. Therefore, the current margin IM is larger as the weather or time is higher. On the contrary, the current margin IM is smaller as the weather or time is lower.
日射量の低下以外の原因で、太陽電池アレイ100の発電量が低下した場合には、図4(a),(b)で説明したI−Vカーブとは異なるI−Vカーブに変化する。以下、状態推定装置300に対応して1つずつ設けられる、太陽電池ストリング110のI−Vカーブを例に挙げて、発電量の低下の原因とI−Vカーブとの関係を説明する。図7,図8及びこれらの各図の説明では、出力電流Iは太陽電池ストリング110の出力電流のことであり、出力電圧Vは太陽電池ストリング110の出力電圧のことであり、出力電力Pは太陽電池ストリング110の出力電力のことである。
図7は、特定の太陽電池セル131が故障によってほとんど発電していない場合の、太陽電池ストリング110のI−Vカーブ及びP−Vカーブを示す図である。図7に示すように、特定の太陽電池セル131が故障によってほとんど発電していない場合、図7に示すように、I−Vカーブの開放電圧に近い領域Aにて段差、すなわち、高抵抗領域が発生する。この結果、P−Vカーブにも同様の段差が発生している。しかし、最大電力点Pmで付近では、日射量が多い場合とほぼ同じ曲線を描く。
なお、太陽電池セル131の故障時のほか、太陽電池セル131に濃い部分日陰が掛かった場合にも、図7に示す形状のI−Vカーブ及びP−Vカーブとなる。また、故障している太陽電池セル131が多いと、その数に応じて、I−Vカーブ及びP−Vカーブ上の段差の数が増加する。
When the power generation amount of the
FIG. 7 is a diagram illustrating an IV curve and a PV curve of the
It should be noted that the IV curve and the PV curve having the shapes shown in FIG. 7 are obtained not only when the
図8は、特定の太陽電池セル131の発電量が低下した場合の太陽電池ストリング110のI−Vカーブ及びP−Vカーブを示す図である。この発電量の低下は、例えば、太陽電池セル131の汚れや経時劣化、薄い部分日陰を原因とする。図8(a)に示すように、特定の太陽電池セル131の発電量が低下した場合、I−Vカーブに段差、すなわち、高抵抗領域が2つ発生する。このため、P−Vカーブには、最大電力点Pmの両側に2つの出力電力Pのピークが現れる。I−Vカーブの段差部を拡大すると、図8(b)に示すとおりとなる。図8(b)に示すように、最大電力点Pmの僅かに低電位側に、高抵抗領域が現れる。このため、前述した微少電流変動の影響で、動作点Pcが高抵抗領域に移動する頻度が高くなりやすく、MPPT制御も不安定になりやすい。この場合、バイパスダイオード132がオンオフを高頻度で繰り返すことがある。
FIG. 8 is a diagram illustrating an IV curve and a PV curve of the
この場合のMPPT制御を説明する。パワーコンディショナー200は、動作点Pcを最大電力点Pmに追従させようとする。しかし、動作点Pcを高抵抗領域の高電位側にある最大電力点Pmに安定的に保持することは、高抵抗領域と最大電力点Pmとが近接しているため難しい。前述したように、太陽電池アレイ100の出力電流には微少電流変動が含まれるため、動作点Pcが高抵抗領域に入る瞬間が、ほぼ必ず存在する。一旦、動作点Pcが高抵抗領域に入ると、しばらく出力電圧Vが変動する状態が続くが、最終的には、図8(b)に示すように、一の電圧ピークである動作点Pc1、又は、最大電力点Pmよりも更に高電位側の動作点Pc2のどちらかに移動することが多い。例えば、動作点Pc1での電流マージンIMが微少電流変動よりも大きければ動作点Pc1の位置になり、そうでなければ動作点Pc2の位置になる。ただし、動作点Pc1の位置で動作点Pcが時間的に変化しても、動作点Pc2の位置よりも発電量が多いならば、動作点Pc1の位置に留まる制御が行われる場合もある。
The MPPT control in this case will be described. The
以上のことから、太陽電池アレイ100の発電量の低下の原因、並びに、天気及び時刻の組み合わせと、バイパスダイオード132がオフからオンへ切り替わる頻度(以下、「切り替り頻度」という。)との関係は、図9に示すとおりになる。図9において、「あり」、「時々あり」、「なし」及び「停止」の順で、切り替り頻度が高いことを意味する。これらのうちの「停止」は、太陽電池アレイ100が発電を停止している又は停止しているとみなせる状態であることを意味する。
太陽電池アレイ100の発電量の低下の原因と、バイパスダイオード132の切り替り頻度とに関連性があるのは、前述のとおり、太陽電池アレイ100の発電量の低下の原因によってI−Vカーブ及びP−Vカーブの変化の仕方が異なり、その結果、MPPT制御による動作点Pcの挙動も異なるためである。
From the above, the relationship between the cause of the decrease in the amount of power generated by the
As described above, the cause of the decrease in the power generation amount of the
前述のとおり、太陽電池セル131の発電量が低下したときに、当該太陽電池セル131を含む太陽電池ブロック130のバイパスダイオード132がオフからオンに切り替わるが、この切り替りは、例えば数十ナノ秒で完了するため、比較的高速である。他方、日射量の変化等によって動作点Pcが移動する速度は、例えば秒単位で完了するため、比較的低速である。そこで、太陽電池セル131の動作点Pcの挙動に基づいて、高速な電圧変化を検出すれば、バイパスダイオード132がオンした瞬間を検知することができるはずである。更に、バイパスダイオード132の切り替り頻度は、太陽電池アレイ100の発電量の低下の原因で異なることがある。また、バイパスダイオード132のオフからオンへの切り替りが発生する天気や時刻は、太陽電池アレイ100の発電量の低下の原因によって異なることがある。そこで、バイパスダイオード132のオフからオンへの切り替わりの履歴を解析すれば、太陽電池アレイ100の発電量が低下したときの、太陽電池アレイ100の状態(例えば、発電量の低下の原因)を推定することができる、と発明者らは考えた。バイパスダイオード132をオフからオンへの切り替わりの履歴を解析して、太陽電池ストリング110(すなわち、太陽電池ストリング110を備えた太陽電池アレイ100)の状態を推定する装置が、状態推定装置300である。
As described above, when the power generation amount of the
図10は、状態推定装置300のハードウェア構成を示すブロック図である。
図10に示すように、状態推定装置300は、レベルシフト回路310と、電圧変化検出回路320aと、エッジ検出回路330aと、電圧変化検出回路320bと、エッジ検出回路330bと、発電量測定部340と、コントローラー350と、通信回路360と、表示装置370とを備える。
レベルシフト回路310は、太陽電池ストリング110の出力電圧Vの電圧レベルを変換する回路である。
FIG. 10 is a block diagram illustrating a hardware configuration of the
As illustrated in FIG. 10, the
The
電圧変化検出回路320a,320bは、レベルシフト回路310の出力電圧における電圧変化を検出する回路である。電圧変化検出回路320aは、バイパスダイオード132がオフからオンに切り替わったことを検出するように、予め設定された速度以上の電圧変化を検出する。電圧変化検出回路320aは、例えば、出力電圧Vの数%程度の電圧が急速に(例えば、少なくとも数十ナノ秒以下の速度で)変化したことを検出し、反対に、それよりも低速の電圧変化については検出しない。電圧変化検出回路320bは、電圧変化検出回路320aよりも遅い速度(例えば、数十ナノ秒以上)の電圧変化を検出する回路である。電圧変化検出回路320bは、バイパスダイオード132のオフからオンへ切り替ったときの電圧変化ではなく、それ以外の原因で発生することのある低速の電圧変化を検出する。
The voltage
エッジ検出回路330aは、電圧変化検出回路320aにより検出された電圧変化のエッジ、ここでは、立ち上がりエッジ及び立下りエッジを検出する回路である。エッジ検出回路330bは、電圧変化検出回路320bにより検出された電圧変化のエッジ(立ち上がりエッジ及び立下りエッジ)を検出する回路である。
The
発電量測定部340(測定手段)は、太陽電池ストリング110の発電量を測定する回路である。発電量測定部340は、例えば、太陽電池ストリング110の出力電圧Vと出力電流Iとのそれぞれを測定する。そして、発電量測定部340は、測定した出力電圧Vと出力電流Iとを乗算して発電電力を算出する。発電量測定部340は、算出した発電電力を発電量として、コントローラー350へ通知する。
The power generation amount measuring unit 340 (measuring means) is a circuit that measures the power generation amount of the
コントローラー350は、例えばCPU(Central Processing Unit)及びメモリーを備えるマイクロコンピュータであり、状態推定装置300の各部を制御する制御装置である。コントローラー350は、メモリーに状態推定データベース351及び履歴データ352を記憶する。状態推定データベース351は、太陽電池ストリング110の状態を推定するために参照されるデータベースである。状態推定データベース351では、太陽電池ストリング110の状態と、その状態のときに発生するバイパスダイオード132に関する現象とが対応付けられている。履歴データ352は、バイパスダイオード132の切り替りの履歴を示すデータである。また、コントローラー350は、太陽電池アレイ100に設けられた日照計101から、日射量の検出結果を取得する。コントローラー350は、日照計101による照度の検出結果に基づいて、太陽電池アレイ100の設置場所の天気を判定する。ただし、コントローラー350は、別の方法で天気を判定してもよく、通信回路360を介して天気を特定するためのデータを取得して判定してもよい。コントローラー350が太陽電池ストリング110の状態を推定するための推定のアルゴリズムについては、後で説明する。
なお、コントローラー350が出力する推定結果のデータの内容やデータ形式、データの出力先はこの例に限らず、種々の変形が可能である。
The
The contents, data format, and data output destination of the estimation result data output from the
コントローラー350は、太陽電池ストリング110の状態を推定すると、推定結果を示すデータを、通信回路360及び表示装置370へ出力する。例えば、コントローラー350は、外部装置へ推定結果を報知するための報知データを通信回路360へ出力する。また、コントローラー350は、推定結果を表示するための表示データを表示装置370へ出力する。通信回路360は、例えばモデムを備え、図示せぬインターネット等の通信回線を介して、外部装置(メンテナンス会社等の装置)へデータ送信する。表示装置370は、例えば液晶ディスプレイであり、コントローラー350から供給された表示データに応じて画像(画面)を表示する。
When
図11は、レベルシフト回路310、電圧変化検出回路320a及びエッジ検出回路330a(検出手段)の回路構成を示す図である。図11では、太陽電池ストリング110を直流電源の回路記号で表している。
レベルシフト回路310は、太陽電池ストリング110に対して、抵抗3101,3102及び3103の直列回路と、抵抗3104及び3105の直列回路とが並列接続される。例えば、抵抗3101と抵抗3104との抵抗値が同一で、抵抗3103と抵抗3105との抵抗値が同一である。レベルシフト回路310は、抵抗3102と抵抗3103との接点であるノードN1と、抵抗3104と抵抗3105との接点であるノードN2との各々から、太陽電池ストリング110の出力電圧Vを分圧して出力する。レベルシフト回路310では、抵抗3101〜3105のそれぞれの抵抗値により、分圧比が設定されている。ここにおいて、ノードN1の電圧は、ノードN2の電圧よりも低い。
FIG. 11 is a diagram illustrating a circuit configuration of the
In the
電圧変化検出回路320aにおいて、レベルシフト回路310のノードN1は,順方向接続したダイオード3201及び抵抗3202を介して、差動増幅器3208の負極端子と接続される。また、抵抗3202と差動増幅器3208の負極端子との間には、コンデンサー3203と抵抗3204との並列回路(RC並列回路)の一端が接続されている。このRC並列回路の他端は、接地点GNDと接続される。また、レベルシフト回路310のノードN2は,順方向接続したダイオード3205及び抵抗3206を介して、差動増幅器3208の正極端子と接続される。また、抵抗3206と差動増幅器3208の正極端子との間には、抵抗3207の一端が接続されている。抵抗3207の他端は、接地点GNDと接続される。差動増幅器3208は、ノードN1からの入力電圧と、ノードN2からの入力電圧との電圧差を増幅して出力するコンパレータ(比較器)である。例えば、抵抗3202と抵抗3206との抵抗値が同一で、抵抗3204と抵抗3207との抵抗値が同一である。このため、太陽電池ストリング110の出力電圧Vに、設定速度以上の電圧変化が生じていないときには、差動増幅器3208の負極端子の入力電圧は正極端子の入力電圧よりも低い。この場合、差動増幅器3208の出力レベルは、ハイ(H)レベルである。他方、太陽電池ストリング110の出力電圧Vに、設定速度以上の電圧変化が生じたときには、RC並列回路において、コンデンサー3203に加わる電圧は抵抗3207に比べてゆっくりと変化する。このため、太陽電池ストリング110に設定速度以上の電圧変化が生じたときには、差動増幅器3208の負極端子の入力電圧は正極端子の入力電圧よりも遅れて変化する。よって、太陽電池ストリング110の出力電圧Vが設定速度以上で低下したときには、差動増幅器3208の負極端子の入力電圧が正極端子の入力電圧より高くなり、差動増幅器3208の出力レベルがHレベルからロー(L)レベルに変化する。電圧変化検出回路320aがLレベルの信号を出力する電圧変化の速度は、例えば、RC並列回路の時定数により設定される。
なお、差動増幅器3208の出力電圧は、差動増幅器3208の電源電圧VDDと、抵抗3209の抵抗値とに応じた電圧となる。
In the voltage
Note that the output voltage of the
エッジ検出回路330aにおいて、電源電圧VDDの電源ラインと接地点GNDとの間には、抵抗3301と、N型MOSFET3302と、抵抗3303とが順次接続される。N型MOSFET3302のゲートは、差動増幅器3208の出力端子と接続され、ドレインは抵抗3301の一端と接続され、ソースは抵抗3303の一端と接続される。N型MOSFET3302の出力電圧は、インバーター3304に入力される。N型MOSFET3302の出力電圧がインバーター3304により論理反転されると、この反転後の電圧は、エッジ検出回路330aにおける応答速度の異なる2つの信号線経路を介して、XNOR素子3311に入力される。信号線経路の一方は、インバーター3305及び3306の直列回路からなる。信号線経路の他方は、インバーター3307、抵抗3308及びインバーター3309の直列回路と、抵抗3308とインバーター3309との接点に一端が接続され、他端が接地点GNDと接続されたコンデンサー3310とからなる。すなわち、抵抗3308とコンデンサー3310とで積分回路が構成される。
In the
XNOR素子3311は、応答速度の異なる2つの信号線経路からの入力電圧に基づいて、これらの応答速度差を利用して否定排他的論理和をとることにより、入力信号の立ち上がり、及び、立ち下がりに対応してワンショットパルスを発生させる。インバーター3312は、XNOR素子3311の出力信号を論理反転として出力する。これにより、エッジ検出回路330aは、太陽電池ストリング110の設定速度以上の電圧変化に対応してHレベルとし、それ以外の場合はLレベルとしたパルス信号を出力する。
エッジ検出回路330aが検出するエッジのエッジ時間は、例えば、抵抗3308とコンデンサー3310で構成される積分回路の時定数により設定される。
ここでは、電圧変化検出回路320a及びエッジ検出回路330aの構成を説明したが、電圧変化検出回路320b及びエッジ検出回路330bも同じ回路構成でよい。ただし、電圧変化検出回路320b及びエッジ検出回路330bは、低速の電圧変化を検出するため、電圧変化検出回路320a及びエッジ検出回路330aとは異なる時定数の設定となっている。
The
The edge time of the edge detected by the
Although the configuration of the voltage
以上の構成の下、コントローラー350は、図12のフローチャートに示す手順に従って処理を実行する。
コントローラー350は、エッジ検出回路330aのエッジ検出結果に基づいて、バイパスダイオード132がオフからオンへの切り替わったことを検出すると(ステップS1)、履歴データ352をメモリーに記録する(ステップS2)。履歴データ352は、例えば、バイパスダイオード132がオフからオンに切り替った時刻(日時)を含む。また、履歴データ352は、発電量測定部340により測定された発電量と、その測定時刻とを対応付けた情報を含む。履歴データ352は、これ以外にも、バイパスダイオード132の切り替わり頻度を特定可能な情報(例えば、バイパスダイオード132がオンする周波数)、及び、バイパスダイオード132のオンオフが発生した期間(例えば、発生時間帯や継続時間)等のデータの1つ以上を含んでいてもよい。
Under the above configuration, the
When the
次に、コントローラー350(履歴特定手段)は、メモリーに記憶された履歴データ352に基づいて、バイパスダイオード132のオフからオンへの切り替わりの履歴と、発電量測定部340により測定された発電量の履歴とを特定する(ステップS3)。例えば、コントローラー350は、バイパスダイオード132の切り替わり頻度(例えば、バイパスダイオード132がオンする周波数)、バイパスダイオード132のオンオフが発生した期間(例えば、発生時間帯や継続時間)、切り替わり頻度の経時変化、及び、発電量の履歴として発電量の経時変化を特定する。そして、コントローラー350(推定手段)は、ステップS3の処理で特定した履歴と、状態推定データベース351とに基づいて、太陽電池ストリング110の状態を推定し、推定結果を示すデータを出力する(ステップS4)。
なお、コントローラー350において、履歴データ352を記録する処理を行う機会と、履歴データ352に基づいて太陽電池ストリング110の状態を推定する機会とが別々に設けられてもよい。
Next, the controller 350 (history specifying means), based on the
In
ここで、コントローラー350における、太陽電池ストリング110の状態の推定アルゴリズムを説明する。
例えば、バイパスダイオード132の切り替わり頻度が相対的に低い場合、部分日陰が発生している可能性がある。図13(a)に、部分日陰が発生した場合の太陽電池ストリング110の出力電圧Vと、太陽電池ストリング110の出力電流Iと、エッジ検出回路330aのエッジ検出結果とが示されている。部分日陰によってバイパスダイオード132がオンした場合、部分日陰の影響が出るのは短くても数秒単位、通常はもっと長い時間となる。このため、バイパスダイオード132がオフからオンに切り替った場合に、数秒周期等の相対的に低い切り替わり頻度であるときには、部分日陰による発電量の変化(ここでは低下)が原因の候補となる。
Here, an estimation algorithm of the state of the
For example, when the switching frequency of the bypass diode 132 is relatively low, partial shade may occur. FIG. 13A shows an output voltage V of the
図13(b)には、微少電流変動によってバイパスダイオード132がオンする場合の太陽電池ストリング110の出力電圧Vと、太陽電池ストリング110の出力電流Iと、エッジ検出回路330aのエッジ検出結果とが示されている。バイパスダイオード132がオンするのは、微少電流変動による電流のピークが高抵抗領域の出力電流となったときなので、高頻度でバイパスダイオード132がオンオフを繰り返す。このときに、バイパスダイオード132がオンする周波数は、微少電流変動の周波数に応じたものとなる。具体的には、バイパスダイオード132がオンオフを繰り返すときの周波数は、パワーコンディショナー200のDC−DCコンバーターのリップル成分に起因する場合は、DC−DCコンバーターのスイッチング周波数に依存し、MPPT制御に伴う微少電流変動に起因する場合は、パワーコンディショナー200が周期的に変動させる電流変化の周波数に依存する。すなわち、微少電流変動に起因して高い切り替わり頻度でバイパスダイオード132のオンオフが検出された場合、例えば、太陽電池セル131の汚れや、劣化、薄い部分日陰による発電量の変化が原因の候補となる。
FIG. 13B shows the output voltage V of the
図13(c)には、故障のために特定の太陽電池セル131が発電不良となってバイパスダイオード132がオンする場合の太陽電池ストリング110の出力電圧Vと、太陽電池ストリング110の出力電流Iと、エッジ検出回路330aのエッジ検出結果とが示されている。特定の太陽電池セル131に故障が発生した場合は、バイパスダイオード132がオフからオンに切り替わった後、当面の間(例えば部分日陰の場合よりも長い期間)、バイパスダイオード132がオフにならない。例えば、発電不良が解消されるまではバイパスダイオード132がオフにならない。ただし、日射量が少ない場合等の条件が揃った場合は、故障のままでもバイパスダイオード132がオフになることがある。いずれにしても、太陽電池セル131に故障が発生した場合には、例えば、部分日陰が発生した場合よりもバイパスダイオード132の切り替り頻度が低い、といえる。このため、比較的低い切り替わり頻度でバイパスダイオード132のオンオフが検出された場合、例えば、太陽電池セル131の故障による発電量の変化が原因の候補となる。
FIG. 13C shows the output voltage V of the
以上説明した理由により、バイパスダイオード132の切り替わり頻度に基づいて、太陽電池アレイ100(太陽電池ストリング110)の発電量の低下の原因の候補を特定することができる。この切り替わりの頻度に加え、更に、バイパスダイオード132のオフからオンへの切り替わりが発生した期間(発生時間帯及び継続時間)、切り替わり頻度の経時変化、及び、発電量の経時変化を参照すれば、発電量の低下のより詳細な原因を推定することができる。そこで、コントローラー350は、ステップS4の処理で特定したバイパスダイオード132のオフからオンへの切り替わりの履歴と、発電量測定部340により測定された発電量の履歴とを、状態推定データベース351に記述された情報と照合して、太陽電池ストリング110のより詳細な状態を推定する。
For the reasons described above, based on the switching frequency of the bypass diode 132, a candidate for a cause of a decrease in the amount of power generated by the solar cell array 100 (solar cell string 110) can be specified. In addition to the frequency of this switching, further referring to the period (occurrence time zone and duration) when switching from OFF to ON of the bypass diode 132, the time-dependent change in the switching frequency, and the time-dependent change in power generation amount, A more detailed cause of the decrease in power generation amount can be estimated. Therefore, the
図14は、状態推定データベース351に記述される情報の一例を示す図である。
図14に示すように、状態推定データベース351では、バイパスダイオード132の切り替わり頻度に関する現象、バイパスダイオード132のオフからオンへの切り替わりの発生時間帯、同切り替わりの継続時間、及び、同切り替わりが発生する継続時間又は時間帯の経時変化、並びに、発電量の経時変化の各条件が、太陽電池ストリング110の状態と対応付けられている。コントローラー350は、履歴データ352から求めた切り替わりの履歴と発電量の履歴とを、状態推定データベース351に記述された条件と比較して、合致する又は近い条件に対応付けられた太陽電池ストリング110の状態を抽出する。コントローラー350は、状態推定データベース351から抽出した太陽電池ストリング110の状態を推定結果とする。ここにおいて、コントローラー350は、いずれか1つの状態に絞り込んで推定結果してもよいし、複数の状態が複合的に発生している可能性もあるので、複数の状態を推定結果としてもよい。
FIG. 14 is a diagram illustrating an example of information described in the
As shown in FIG. 14, in the
図14に示す状態推定データベース351に記述される情報は、図9で説明した事項と、太陽電池ストリング110の状態に応じて発生し得る現象についての発明者の知見とに基づいて決められている。図14に示すように、バイパスダイオード132がオンオフするときの太陽電池ストリング110の動作点の挙動と、当該太陽電池ストリング110の状態との間には密接な関係があることが分かる。
図14には示していないが、コントローラー350は、電圧変化検出回路320b及びエッジ検出回路330bによって、比較的遅い電圧変化を検出し、且つ、発電量の低下があった場合には、雲による日射量の変化(低下)があったと推定してもよい。
通信回路360で送信された報知データを受信した外部装置の管理者や、表示装置370の表示を見た人物は、太陽電池アレイ100の発電量の低下の原因を知ることができるので、例えば、太陽光発電システム1の発電量を回復させるための対処に活かすことができる。
The information described in the
Although not shown in FIG. 14, the
The manager of the external device that has received the notification data transmitted by the
ところで、状態推定装置300は、更に、レベルシフト回路310、電圧変化検出回路320a,320b及びエッジ検出回路330a,330bの1つ以上の回路の定数を変化させて、太陽電池ストリング110の状態を推定する機能を有していてもよい。図15は、この場合の状態推定装置300の構成を説明する図である。図15及びその説明では、電圧変化検出回路320a,320bを「電圧変化検出回路320」と総称し、エッジ検出回路330a,330bを「エッジ検出回路330」と総称する。
例えば、状態推定装置300のコントローラー350は、通信回路360により外部装置から受信した指示(例えば外部装置の遠隔操作)に従って、レベルシフト回路310における抵抗(すなわち分圧比)、電圧変化検出回路320の定数、及び、エッジ検出回路330の定数のうちの1つ以上を変化させる。なお、コントローラー350は、或る回路の定数を変化させるために、当該回路に含まれるいずれの素子の定数を変化させてもよい。なお、図15では、図面が煩雑にはなるのを防ぐために、定数を変化可能な素子の回路記号も、図11と同じ回路記号で表している。
By the way, the
For example, the
電圧変化検出回路320で変更可能な素子の定数は、例えば、RC並列回路を構成する抵抗3204の抵抗値である。この場合、コントローラー350は、可変抵抗である抵抗3204の抵抗を、例えば電子ボリュームを使用する等の電気的な制御によって変化させる。この抵抗の変化により、RC並列回路の時定数が変化するので、電圧変化検出回路320が検出する電圧変化の速度が変化する。そして、コントローラー350は、電圧変化検出回路320が検出する電圧変化の速度を変化させながら、太陽電池ストリング110の状態を、その速度毎に推定する。例えば、検出する電圧変化の速度を変化させながら、コントローラー350が太陽電池ストリング110の状態を逐一推定することにより、太陽電池ストリング110の汚れの程度をより詳細に推定することに役立てることができる。また、コントローラー350は、抵抗3204に代えて又は組み合わせて、RC並列回路を構成するコンデンサー3203の容量を変化させてもよい。また、コントローラー350は、太陽電池ストリング110の状態を推定に適した条件となるように、レベルシフト回路310における各抵抗(分圧比)を変化させてもよい。また、コントローラー350は、エッジ検出回路330の積分回路の時定数を変化させて、信号線経路の応答速度を調整することにより、検出対象とする立ち上がりエッジや立下りエッジのエッジ時間を変化させてもよい。
以上のとおり、コントローラー350が、回路(素子)の定数を変化させて、各定数に設定したときの太陽電池ストリング110の状態を推定することにより、定数を固定とした場合よりも、更に詳細な状態を推定できる場合がある。
なお、コントローラー350は、通信回路360により受信した指示以外の条件で各回路の定数を変化させてもよく、例えば、コントローラー350が実行するプログラムに従って各回路の定数を変化させてもよい。
The constant of the element that can be changed by the voltage
As described above, the
The
本発明は、上述した実施形態と異なる形態で実施してもよい。また、以下に示す変形例は、各々を組み合わせてもよい。
(変形例1)
上述した実施形態で説明した、状態推定装置300が推定する太陽電池ストリング110の状態はあくまで一例である。例えば、図16に示す関係に基づいて、コントローラー350は、太陽電池ストリング110の動作に関する状態(つまり動作状態)を推定してもよい。図16に示すように、バイパスダイオード132がオンオフする原因によっては、このオンオフの切り替わりが連続的(断続的)に発生したり、間欠的に発生したりする。そこで、コントローラー350は、バイパスダイオード132のオンオフの切り替りの発生期間の連続性と当該発生期間の継続時間とを、バイパスダイオード132のオフからオンへの履歴として特定し、図16に示す関係に基づいて、太陽電池ストリング110の動作状態を推定する。図16に示す動作状態は、I−Vカーブ上での動作点の挙動に対応している。
The present invention may be implemented in a form different from the above-described embodiment. Moreover, you may combine each of the modification shown below.
(Modification 1)
The state of the
また、状態推定装置300は、太陽電池ストリング110の発電量(例えば、発電量の時間的な変化)に基づいて、太陽電池ストリング110の動作状態を推定してもよい。図17に示すように、コントローラー350は、発電量の低下が大きい場合には、複数の太陽電池ブロックの故障の可能性があると推定する。更に、発電量の低下に時刻依存(例えば時間帯依存又は季節依存)がある場合には、コントローラー350は、複数の太陽電池ブロック130に濃い影が掛かっていると推定する。
Further, the
また、状態推定装置300は、微少電流変動によってバイパスダイオード132がオンする周波数に応じて、太陽電池ストリング110の動作状態を推定してもよい。図18に示すように、コントローラー350は、例えば、数十〜数百kHzの周波数であれば、DC−DCコンバーターの動作に起因するリップル成分の発生の可能性が高いと推定する。また、例えば数Hz〜数十Hzの周波数であれば、コントローラー350は、MPPT制御の調整電流が原因と推定する。また、コントローラー350は、バイパスダイオード132のオンオフが時々発生するか、又は、瞬間的に連続して発生する場合には、部分日陰の発生の可能性が高いと推定する。
Moreover, the
また、状態推定装置300は、図19に示す関係に基づいて、太陽電池ストリング110の出力電圧V又は出力電流Iに応じて、太陽電池ストリング110の動作状態を推定してもよい。この場合、コントローラー350は、発電量測定部340による出力電圧V又は出力電流Iの測定値を使用してよい。例えば、コントローラー350は、太陽電池ストリング110の出力電圧V又は出力電流Iの測定値、又は、当該測定値の時間的な変化に基づいて、太陽電池ストリング110の動作状態を推定する。
以上説明した図16〜図19に示される情報は、状態推定データベース351に記述されていればよい。
Moreover, the
The information shown in FIGS. 16 to 19 described above may be described in the
以上のとおり、状態推定装置300が推定する状態と、その状態のときに太陽電池ストリング110において発生する現象との間には、様々な関係がある。このため、状態推定装置300は、太陽電池ストリング110で発生する更に別の現象に基づいて、太陽電池ストリング110(太陽電池アレイ100)の状態を推定してもよい。例えば、状態推定装置300は、バイパスダイオード132のオフからオンへの切り替わりの履歴、及び、発電量測定部340により測定された発電量の履歴に基づいて、発電量が回復(つまり増加)したときの太陽電池ストリング110の状態(例えば汚れの付着の解消)を推定してもよい。
反対に、状態推定装置300は、上述した実施形態及び変形例で説明した状態のすべてを推定しなくてもよく、一部の状態のみを推定してもよい。この場合に、状態推定装置300は、バイパスダイオード132のオフからオンへの切り替わりの履歴や、発電量測定部340により測定された発電量の履歴のうちの一部の情報を特定しないようにしてもよい。例えば、状態推定装置300の発電量測定部340を省き、コントローラー350が、発電量の履歴を特定しないで、バイパスダイオード132のオフからオンへの切り替わりの履歴に基づいて、太陽電池ストリング110の状態を推定してもよい。
As described above, there are various relationships between the state estimated by the
On the contrary, the
(変形例2)
上述した実施形態の電圧変化検出回路320a,320と、エッジ検出回路330a,330bの回路構成はあくまで一例であり、他の回路構成で実現されてもよい。例えば、状態推定装置300は、設定速度以上で出力電圧Vが低下すること(立ち下りエッジ)を検出し、出力電圧Vが増加すること(立ち上がりエッジ)については検出しないようにしてもよい。また、エッジ検出回路は、ワンショット回路でなくてもよく、パルスを計数するカウンター、ラッチ、積分回路を用いて実現されてもよい。
また、状態推定装置300は、起動時や異常時にも利用できるリセット回路を備えていてもよい。
(Modification 2)
The circuit configurations of the voltage
Moreover, the
また、状態推定装置300は、電圧変化検出回路とエッジ検出回路との組を2組ではなく、1組又は3組以上備えていてもよい。前者の場合、状態推定装置300は、バイパスダイオード132のオフからオンへの切り替りを検出するための、電圧変化検出回路320a及びエッジ検出回路330aに相当する検出回路を備えることとなる。後者の場合、電圧変化検出回路とエッジ検出回路との組毎に、検出する電圧変化の速度を異ならせてよい。こうすれば、状態推定装置300において、太陽電池ストリング110のより詳細な状態を推定するのに役立てられる可能性がある。
Moreover, the
また、バイパスダイオード132のオフからオンへの切り替りを検出するための手段は、予め設定された速度以上の電圧変化の検出でなくてもよい。例えば、電圧変化検出回路320a,320に代えて、設定速度以上の電流変化(ここでは電流の増加)を検出する回路が設けられてもよい。バイパスダイオード132がオフからオンに切り替わった場合、突入電流のような瞬間的に大きな出力電流Iが太陽電池ストリング110に流れる。そこで、電流検出回路が設定速度以上の電流変化を検出することにより、バイパスダイオード132のオフからオンへの切り替わりを検出してもよい。また、状態推定装置300は、更に別の方法で、バイパスダイオード132のオフからオンへの切り替わりを検出してもよい。
Further, the means for detecting the switching of the bypass diode 132 from OFF to ON may not be detection of a voltage change at a speed higher than a preset speed. For example, instead of the voltage
(変形例3)
太陽光発電システム1において、太陽電池アレイ100が置かれる環境を示す環境情報を検出する環境センサを併用してもよい。環境センサは、例えば、温度、湿度又は風力を検出するセンサであるが、これらとは別の環境情報を検出してもよい。この場合、コントローラー350は、環境センサから検出された環境情報を取得して、取得した環境情報と、上述した実施形態で説明した履歴データ352とに基づいて、太陽電池ストリング110の状態を推定するとよい。
(Modification 3)
In the solar power generation system 1, an environmental sensor that detects environmental information indicating an environment where the
(変形例4)
上述した実施形態の太陽光発電システム1において、状態推定装置300は太陽電池ストリング110単位で設けられていたが、太陽電池アレイ100単位、太陽電池モジュール120単位又は太陽電池ブロック130単位で設けられてもよい。また、太陽光発電システム1では、太陽電池アレイ100単位、太陽電池ストリング110単位、太陽電池モジュール120単位又は太陽電池ブロック130単位で設けられた状態推定装置300を、2つ以上組み合わせてもよい。こうすれば、太陽光発電システム1において、複数の状態推定装置300による状態の推定結果に基づいて、太陽電池アレイ100のより詳細な状態を推定するのに役立てられる可能性がある。
また、本発明の太陽電池は、直列接続した複数の太陽電池セルと、これらの複数の太陽電池セルに並列接続したバイパスダイオードとを、少なくとも1組含んでいればよい。このため、本発明の太陽電池は、太陽電池ブロック、太陽電池モジュール、太陽電池ストリング、及び、太陽電池アレイのいずれで観念されてもよい。そして、本発明の太陽電池の規模や具体的構成は、上述した実施形態で説明した例に限定されない。
(Modification 4)
In the solar power generation system 1 of the above-described embodiment, the
Moreover, the solar cell of this invention should just contain at least 1 set of the several solar cell connected in series, and the bypass diode connected in parallel with these several solar cell. For this reason, the solar cell of this invention may be considered by any of a solar cell block, a solar cell module, a solar cell string, and a solar cell array. And the scale and specific structure of the solar cell of this invention are not limited to the example demonstrated by embodiment mentioned above.
パワーコンディショナー200は、太陽電池アレイ100につき1つ設けられるのではなく、太陽電池ストリング110につき1つ設けられてもよい。すなわち、太陽光発電システム1が備えるパワーコンディショナー200の数や動作は、上述した実施形態で説明した例に限定されない。
One
(変形例5)
本発明の太陽光発電システムは、MPPT制御により動作点を最大電力点に追従させる制御が行われない太陽光発電システムであってもよい。この太陽光発電システムであっても、本発明の状態推定装置が、太陽光発電システムに含まれる太陽電池のバイパスダイオードのオフからオンへの切り替りを検出することにより、当該太陽電池の状態を推定することができる。MPPT制御が行われない太陽光発電システムの具体例としては、パワーコンディショナーを設けないで、太陽電池を蓄電池に直接に接続した太陽光発電システムがある。この太陽光発電システムでは、例えば、太陽電池の出力電圧を監視して蓄電池への充電制御を行うことはあるが、当該太陽電池の出力電圧の制御(動作点の制御)が行われない場合がある。
(Modification 5)
The solar power generation system of the present invention may be a solar power generation system in which control for causing the operating point to follow the maximum power point by MPPT control is not performed. Even in this solar power generation system, the state estimation device of the present invention detects the state of the solar cell by detecting the switching of the bypass diode of the solar cell included in the solar power generation system from OFF to ON. Can be estimated. As a specific example of the solar power generation system in which MPPT control is not performed, there is a solar power generation system in which a solar battery is directly connected to a storage battery without providing a power conditioner. In this solar power generation system, for example, the output voltage of the solar cell may be monitored to control charging of the storage battery, but the control of the output voltage of the solar cell (control of the operating point) may not be performed. is there.
(変形例6)
また、本発明の状態推定装置が実現する機能は、ハードウェア資源若しくはソフトウェア資源の一方又はそれらの協働によって実現することが可能である。例えば、本発明は、コンピュータが実行するプログラムとして提供することも可能である。
本発明の状態推定装置の機能がプログラムを用いて実現される場合、このプログラムは、磁気記録媒体(磁気テープ、磁気ディスク(HDD(Hard Disk Drive)、FD(Flexible Disk))等)、光記録媒体(光ディスク等)、光磁気記録媒体、半導体メモリー等のコンピュータ読取可能な記録媒体に記憶した状態で提供されてもよいし、ネットワークを介して配信されてもよい。また、本発明は、コンピュータが行う状態推定方法として把握し得る。
(Modification 6)
In addition, the function realized by the state estimation device of the present invention can be realized by either hardware resources or software resources or by their cooperation. For example, the present invention can be provided as a program executed by a computer.
When the function of the state estimation apparatus according to the present invention is implemented using a program, the program can be a magnetic recording medium (magnetic tape, magnetic disk (HDD (Hard Disk Drive), FD (Flexible Disk), etc.)), optical recording. It may be provided in a state stored in a computer-readable recording medium such as a medium (such as an optical disk), a magneto-optical recording medium, or a semiconductor memory, or may be distributed via a network. Further, the present invention can be grasped as a state estimation method performed by a computer.
1…太陽光発電システム、100…太陽電池アレイ、101…日照計、110…太陽電池ストリング、120…太陽電池モジュール、130…太陽電池ブロック、131…太陽電池セル、132…バイパスダイオード、200…パワーコンディショナー、300…状態推定装置、310…レベルシフト回路、320a,320b…電圧変化検出回路、330a,330b…エッジ検出回路、340…発電量測定部、350…コントローラー、351…状態推定データベース、352…履歴データ、360…通信回路、370…表示装置、400…ブロッキングダイオード。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Solar power generation system, 100 ... Solar cell array, 101 ... Solar meter, 110 ... Solar cell string, 120 ... Solar cell module, 130 ... Solar cell block, 131 ... Solar cell, 132 ... Bypass diode, 200 ... Power Conditioner, 300 ... State estimation device, 310 ... Level shift circuit, 320a, 320b ... Voltage change detection circuit, 330a, 330b ... Edge detection circuit, 340 ... Power generation amount measuring unit, 350 ... Controller, 351 ... State estimation database, 352 ... History data, 360 ... communication circuit, 370 ... display device, 400 ... blocking diode.
Claims (6)
前記バイパスダイオードのオフからオンへの切り替わりを検出する検出手段と、
前記検出手段が検出した前記切り替わりの履歴を特定する履歴特定手段と、
前記履歴特定手段が特定した前記履歴に基づいて、前記太陽電池の状態を推定し、推定結果を示すデータを出力する推定手段と
を備える状態推定装置。 Estimating the state of the solar cell when the amount of power generated by a solar power generation system including a plurality of solar cells connected in series and a bypass diode connected in parallel to the plurality of solar cells is changed. A state estimation device that performs
Detecting means for detecting switching of the bypass diode from off to on;
History specifying means for specifying the switching history detected by the detecting means;
A state estimation device comprising: estimation means for estimating a state of the solar cell based on the history specified by the history specifying means and outputting data indicating an estimation result.
前記太陽電池の出力電圧が予め設定した速度以上で変化したことを検出することにより、前記切り替わりを検出する
ことを特徴とする請求項1に記載の状態推定装置。 The detection means includes
The state estimation device according to claim 1, wherein the switching is detected by detecting that the output voltage of the solar cell has changed at a preset speed or higher.
前記太陽光発電システムにおいて、前記太陽電池の動作点を最大電力点に追従させる制御が行われているときの前記履歴に基づいて、前記太陽電池の状態を推定する
ことを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の状態推定装置。 The estimation means includes
2. The solar cell state is estimated based on the history when the control of making the operating point of the solar cell follow the maximum power point is performed. Or the state estimation apparatus of Claim 2.
前記履歴として、前記切り替わりを検出した頻度を少なくとも特定し、
前記推定手段は、
前記状態の複数の候補のうち、前記頻度に応じたいずれかを前記推定結果とする
ことを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の状態推定装置。 The history specifying means includes
As the history, specify at least the frequency of detecting the switching,
The estimation means includes
The state estimation device according to any one of claims 1 to 3, wherein one of the plurality of candidates for the state according to the frequency is used as the estimation result.
前記履歴として、前記切り替わりを検出した期間を更に特定し、
前記推定手段は、
前記状態の複数の候補のうち、前記頻度及び前記期間に応じたいずれかを前記推定結果とする
ことを特徴とする請求項4に記載の状態推定装置。 The history specifying means includes
As the history, further specify the period of detecting the switching,
The estimation means includes
The state estimation apparatus according to claim 4, wherein any one of the plurality of candidates for the state according to the frequency and the period is used as the estimation result.
前記推定手段は、
前記状態の複数の候補のうち、前記履歴及び前記測定手段が測定した前記発電量に応じたいずれかを前記推定結果とする
ことを特徴とする請求項1から請求項5のいずれか1項に記載の状態推定装置。 Comprising measuring means for measuring the power generation amount of the solar cell,
The estimation means includes
6. The method according to claim 1, wherein among the plurality of candidates for the state, any one of the history and the power generation amount measured by the measurement unit is used as the estimation result. The state estimation apparatus described.
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