JP2015502621A - 単位グループ別に最大電力点追従を行う太陽光発電システム - Google Patents

Abstract

本発明は、太陽電池ストリング別に個別的な最大電力点追従を行い、太陽電池ストリング別の発電電力量、発電電圧の差と関係なく、インバーターに入力される入力電圧を同一に維持することによってインバーターの変換効率を最大化し、これを通じて太陽光発電効率を向上できるようにした単位グループ別に最大電力点追従を行う太陽光発電システムに関する。本発明に係る単位グループ別に最大電力点追従を行う太陽光発電システムは、複数の太陽電池モジュールが連結されて構成される複数の太陽電池ストリング；前記複数の太陽電池ストリングのそれぞれの発電電圧を同一の大きさの出力電圧に変換し、前記発電電圧の変換のために前記太陽電池ストリング別に最大電力点追従制御を行うストリングオプティマ；及び前記ストリングオプティマからの前記出力電圧を交流電圧に変換して電力系統に供給するインバーター；を含んで構成される。

Description

本発明は、太陽電池で発電された直流電力を交流電力に変換して電力系統に供給する太陽光発電システムに関し、特に、太陽電池ストリング別に個別的な最大電力点追従を行い、太陽電池ストリング別の発電電力量、発電電圧の差と関係なく、インバーターに入力される入力電圧を同一に維持することによってインバーターの変換効率を最大化し、これを通じて太陽光発電効率を向上させるようにした単位グループ別に最大電力点追従を行う太陽光発電システムに関する。

太陽光発電において、現在使用されている太陽電池の出力は非常に小さいので、必要な出力を効率的に得るためには、多数の太陽電池を直列に連結した太陽電池モジュール（ＰＶ ｍｏｄｕｌｅ：Ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ ｍｏｄｕｌｅ）を使用する。このような太陽電池モジュールの一つは、街灯、小型電子装置の動作電源用として使用可能であるが、一般の商用電力系統に発電電力を送電するには、生産される電圧の大きさが小さく、電力量が小さいので無理がある。

このために、電力系統に連結して発電電力を送電しようとする場合、いくつかの太陽電池モジュールを一つのグループに連結したり、または、このようなグループを多数並列に連結して太陽電池アレイ（ＰＶ ａｒｒａｙ）を構成し、これを通じて変電及び送電に必要な電圧及び電力を生産するようにしている。特に、直流で発電される電力の交流変換を容易にし、インバーターなどの電力設備の規格化及び簡素化のためには、一つのグループを形成する太陽電池モジュールを直列に連結したストリングを構成して利用することが普遍的である。

図１は、従来技術に係る太陽光発電装置を概略的に示した構成図である。

図１を参照すると、従来の太陽光発電装置は、複数の太陽光モジュール（ＰＶ）１０を直列に連結して一つの太陽電池ストリング２０を構成し、このような太陽電池ストリング２０を多数並列に連結して一つの太陽電池アレイ１０Ａを構成する。

そして、太陽電池アレイ１０Ａからの出力は、インバーターによって交流電力に変換されて電力系統に供給される。

このような太陽光発電装置は、太陽電池の出力が環境要素に大きく影響を受け、環境要素の変化に応じて出力値が大きく変動するので、一定の出力を得ることが難しい。太陽電池の場合、環境要素のうち日射量に最も大きな影響を受け、雲などの障害物による一時的な日射量の減少も出力を低下させる重要な理由として作用する。また、周辺温度の全体的な低下による太陽電池モジュールの温度低下も、太陽電池の出力を低下させる要因として作用する。

このような太陽電池の出力低下、出力の変動は、出力を変換して交流電力化するインバーターの効率低下につながり、結果的に、電力系統への電力送電時点では発電効率が大きく低下する。

このような太陽電池の出力を最大限安定的に維持するために最大電力点追従（Ｍａｘｉｍｕｍ Ｐｏｗｅｒ Ｐｏｉｎｔ Ｔｒａｃｋｉｎｇ：ＭＰＰＴ）制御による発電を行い、これに対する多様な方式の制御方法が開発されて利用されている。

従来の最大電力点追従は、インバーターの入力端と出力端の電圧を比較し、比較値によって変換率を調整することによって電力量を調節し、電力追従を行うことを基本としており、このような変換率の調整のために多様なアルゴリズムを適用している。

しかし、従来の電力追従のための制御アルゴリズムは、単純制御の場合、制御システムの簡素化と制御が容易であるという長所を有するが、出力変動が大きい場合、速い対応が難しく、環境要素に対応する制御が難しいという短所を有していた。

また、ファジー制御などの複雑な制御アルゴリズムは、発電効率の向上が可能であるという長所を有するが、制御回路の高性能化、アルゴリズムの複雑度増加によって適用が容易でないという問題を有していた。

したがって、本発明の目的は、太陽電池ストリング別に個別的な最大電力点追従を行い、太陽電池ストリング別の発電電力量、発電電圧の差と関係なく、インバーターに入力される入力電圧を同一に維持することによってインバーターの変換効率を最大化し、これを通じて太陽光発電効率を向上させるようにした単位グループ別に最大電力点追従を行う太陽光発電システムを提供することにある。

また、本発明の他の目的は、単純制御方式に環境的な要因を適用して容易に電力追従を行うことによって、最大電力生産効率の増加を可能にした単位グループ別に最大電力点追従を行う太陽光発電システムを提供することにある。

また、本発明の更に他の目的は、環境要因及び電力追従による電圧、電流値を保存・維持し、その後の追従時にこれを通じて予測・推定を行うことによって追従応答速度を向上させ、その結果、電力生産効率を増加させるようにした単位グループ別に最大電力点追従を行う太陽光発電システムを提供することにある。

本発明に係る単位グループ別に最大電力点追従を行う太陽光発電システムは、複数の太陽電池モジュールが連結されて構成される複数の太陽電池ストリング；前記複数の太陽電池ストリングのそれぞれの発電電圧を同一の大きさの出力電圧に変換し、前記発電電圧の変換のために前記太陽電池ストリング別に最大電力点追従制御を行うストリングオプティマ；及び前記ストリングオプティマからの前記出力電圧を交流電圧に変換して電力系統に供給するインバーター；を含む。

前記ストリングオプティマは、前記複数の太陽電池ストリングのそれぞれと連結され、前記発電電圧を前記出力電圧に変換して前記最大電力点追従制御を行うストリング制御装置；前記太陽電池モジュールの発電量を変化させる環境要素、前記発電電圧及び前記出力電圧を含む感知値を生成する感知部；及び前記感知値を用いて前記ストリング制御装置のそれぞれに対する電力追従制御信号を生成する制御部；を含む。

前記環境要素は、日照量、前記太陽電池モジュールが設置された地域の温度、前記太陽電池モジュール表面の温度、風量、風速及び湿度のうちいずれか一つ以上を含む。

前記出力電圧は可変する。

前記ストリング制御装置は、前記太陽電池ストリングからの前記入力電圧を昇圧または減圧するコンバーター；前記太陽電池ストリングと前記コンバーターとの間に連結されるヒューズ；前記コンバーターの出力端に連結されるサーキットブレーカー；及び前記コンバーターの前記昇圧または減圧のための制御信号を生成するＭＰＰＴ制御器；を含む。

前記制御部は、前記感知値によって最大電力点追従が行われる電流または電圧範囲が含まれた追従範囲値を算出する追従範囲算出部；前記追従範囲算出部からの前記追従範囲値、前記入力電圧及び前記出力電圧によって最大電力点追従制御信号を生成する制御信号生成部；及び前記追従範囲値を前記感知値と対応させて保存する追従履歴保存部；を含む。

前記追従範囲算出部は、前記太陽電池モジュールの一日の発電時間を複数の時間区画に区分し、前記時間区画のそれぞれの基本追従範囲を算出する。

前記追従範囲算出部は、前記基本追従範囲に前記環境要素感知値による発電量変化予想範囲を反映して前記追従範囲を算出する。

前記追従範囲算出部は、前記発電電圧及び前記出力電圧が一時的に前記時間区画で予想される最大追従範囲を超える場合、前記入力電圧及び前記出力電圧の超過分に対する電力追従を省略する。

前記太陽電池ストリングは、固定型または追跡型太陽電池モジュールであることを特徴とする単位グループ別に最大電力点追従を行う太陽光発電システム。

前記ストリングオプティマと前記インバーターは一体型で構成される。

したがって、本発明に係る単位グループ別に最大電力点追従を行う太陽光発電システムは、太陽電池ストリング別に個別的な最大電力点追従を行い、太陽電池ストリング別の発電電力量、発電電圧の差と関係なく、インバーターに入力される入力電圧を同一に維持することによってインバーターの変換効率を最大化し、これを通じて太陽光発電効率を向上させることができる。

また、本発明に係る単位グループ別に最大電力点追従を行う太陽光発電システムは、単純制御方式に環境的な要因を適用して電力追従を容易に行うことによって、最大電力生産効率を増加させることができる。

また、本発明に係る単位グループ別に最大電力点追従を行う太陽光発電システムは、環境要因及び電力追従による電圧、電流値を保存・維持し、その後の追従時にこれを通じて予測・推定を行うことによって追従応答速度を向上させ、その結果、電力生産効率を増加させることができる。

従来技術に係る太陽光発電装置を概略的に示した構成図である。 本発明に係る太陽光発電システムの構成を簡略に示した構成例示図である。 ストリングオプティマの構成をより詳細に示した構成例示図である。 ストリングオプティマの制御部の構成をより詳細に示した構成例示図である。 環境要素のうち温度及び照度による追従範囲算出を説明するための例示図である。 時間による電力追従を説明するための例示図である。 追従履歴情報の保存及び利用方法を説明するための例示図である。 本発明の他の実施例に係る太陽光発電システムの構成を示した例示図である。

以下、本発明の好適な実施例を添付の図面を参照して当該分野で通常の知識を有する者が容易に実施できるように説明する。添付の各図面において、構成に表記した図面番号は、他の図面でも同一の構成を表記するときに可能な限り同一の図面番号を使用していることに留意しなければならない。また、本発明を説明するにおいて、関連する公知の機能または公知の構成に対する具体的な説明が本発明の要旨を不要に不明確にし得ると判断される場合は、それについての詳細な説明を省略する。そして、図面に提示されたいずれかの特徴は、説明の容易さのために拡大、縮小または単純化されたものであって、図面及びその構成要素が必ずしも適切な比率で図示されてはいない。しかし、当業者であれば、このような詳細な事項を容易に理解するだろう。

図２は、本発明に係る太陽光発電システムの構成を簡略に示した構成例示図である。

図２を参照すると、本発明に係る太陽光発電システムは、太陽電池アレイ１００、ストリングオプティマ２００及びインバーター３００を含んで構成される。そして、ストリングオプティマ２００は、制御部２１０及びストリング制御装置２２０を含んで構成される。

太陽電池アレイ１００は、太陽光によって発電し、発電された電力をストリングオプティマ２００に供給する。このために、太陽電池アレイ１００は複数の太陽電池ストリング１２０で構成され、各太陽電池ストリング１２０は、ストリングオプティマ２００のストリング制御装置２２０と個別的に連結される。

太陽電池ストリング１２０は、複数の太陽電池モジュール１１０を直列に連結して構成される。太陽電池ストリング１２０は、一定水準以上の発電電圧を確保するために太陽電池モジュール１１０を直列に連結して構成される。太陽電池ストリング１２０を構成する太陽電池モジュール１１０の数は、ストリングオプティマ２００の入力電圧またはインバーター３００の入力電圧に応じて変わり得る。

ストリングオプティマ２００は、それぞれの太陽電池ストリング１２０から供給される電力をＤＣ―ＤＣ変換し、インバーター３００の入力電圧に符合する電圧に変換して供給する。このために、ストリングオプティマ２００は、最大電力点追従制御によるＤＣ―ＤＣ変換を行い、最大電力点追従制御時、環境要素に発電量の変化を反映する。

このために、ストリングオプティマ２００は、それぞれの太陽電池ストリング１２０から供給される発電電力の電圧に対するＤＣ―ＤＣ変換及び最大電力点追従を行うストリング制御装置２２０と、環境要素及びストリング制御装置２２０への入出力電圧を感知値とし、ストリング制御装置２２０を制御するための制御信号を生成する制御部２１０とを含んで構成される。

制御部２１０は、複数のストリング制御装置２２０を個別的に制御するための制御信号を生成する。特に、制御部２１０は、ストリング制御装置２２０に伝達されるそれぞれの入力電圧及び出力電圧による各ストリング別の電力追従を行い、これによって生成された制御信号を該当のストリング制御装置２２０に伝達する。特に、制御部２１０は、センサー１３０から伝達される環境情報に応じて電力追従を行う。

具体的に、制御部２１０は、太陽電池モジュール１１０または太陽電池ストリング１２０が設置された位置の日射量、設置位置の温度、パネルの温度、時間などの環境情報に応じてそれぞれ異なる追従範囲を適用して最大電力点を追従し、これによる制御信号を生成してストリング制御装置２２０に伝達する。このような制御方法については、下記の他の図面を参照してより詳細に説明する。

ストリング制御装置２２０は、太陽電池ストリング１２０から供給される直流電圧をインバーター３００の入力直流電圧に変換して供給し、このような変換を制御部２１０の制御下で行う。

特に、ストリング制御装置２２０は、太陽電池ストリング１２０からストリング制御装置２２０に入力される入力電圧と、変換後にインバーターに出力される出力電圧値を制御部２１０に伝達する。ストリング制御装置２２０についての詳細な構成及び動作は、以下の図面を参照してより詳細に説明する。

インバーター３００は、ストリングオプティマ２００を介して入力電圧が均一化された発電電力を受けて直流―交流変換を行い、変換された電力を電力系統４００に供給する。このようなインバーター３００の入力端には、ストリング制御装置２２０の出力端が並列に連結される。

図３は、ストリングオプティマの構成をより詳細に示した構成例示図である。

図３を参照すると、ストリングオプティマ２００は、ストリング制御装置２２０と太陽電池ストリング１２０との間にヒューズ２１１によって中継・連結される。ヒューズ２１１は、太陽電池ストリング１２０の過電圧、過電流の発生時に自動的に切断されて回路を保護する役割をする。また、ストリングオプティマ２００の出力端にはサーキットブレーカー２１２が設置され、太陽電池ストリング１２０またはストリングオプティマ２００の異常発生時にインバーター３００とストリングオプティマ２００との間の連結を切る役割をする。

ストリング制御装置２２０のそれぞれは、ヒューズ２１１を介して太陽電池ストリング１２０に連結され、太陽電池ストリング１２０から供給される電力の電圧をインバーター３００の入力電圧に変換するＤＣ―ＤＣコンバーター２２２と、制御部２１０の制御信号に応じてコンバーター２２２が最大電力を出力するように制御するＭＰＰＴ制御器２２１とを含んで構成される。このために、ストリング制御装置の制御部２１０は、各ストリング制御装置２２０のＭＰＰＴ制御器２２１と連結される。

ストリング制御装置２２０のそれぞれに入力される入力電圧及びストリング制御装置２２０のそれぞれから出力される出力電圧は、ＭＰＰＴ制御器２２１によって測定されて制御部２１０に伝達することもでき、制御部２１０が各ストリング制御装置２２０の入出力端に設置された電圧検出器から電圧値を直接受けることもできる。しかし、これによって本発明を限定することはない。

図４は、ストリングオプティマの制御部の構成をより詳細に示した構成例示図である。

図４を参照すると、制御部は、感知部２１１、追従範囲算出部３１０、追従履歴保存部３２０及び制御信号生成部３３０を含んで構成される。

感知部２１１は、制御信号の生成のための情報を感知して追従範囲算出部３１０に伝達する。このために、感知部２１１は、入力電圧検出部３０１、出力電圧検出部３０２及びセンサー１３０を含んで構成される。入力電圧検出部３０１は、ストリングオプティマ２００に入力される入力電力の電圧を検出する。出力電圧検出部３０２は、ストリングオプティマ２００から出力される電力の電圧を検出する。このような入力電圧検出部３０１と出力電圧検出部３０２は、複数のストリング制御装置２２０のそれぞれの入力電圧と出力電圧を実時間で感知して追従範囲算出部３１０に伝達する。センサー１３０は、太陽電池アレイ１００に影響を及ぼす環境要素を感知し、感知結果を追従範囲算出部３１０に伝達する。センサー１３０によって感知される環境要素は、太陽電池アレイ１００に照射される太陽光の光量、照度、太陽電池アレイ１００が設置された地域の温度、湿度、太陽電池モジュール１１０のそれぞれの表面温度であり、その他に、発電量に変化をもたらし得る要素であればいずれも測定が可能である。

追従範囲算出部３１０は、感知部２１１の感知結果に従って最大電力推定を行う電圧、電流範囲を選択し、選択された範囲値を制御信号生成部３３０に伝達する。すなわち、追従範囲算出部３１０は、感知部２１１からの入力電圧、出力電圧及びセンサー１３０で感知される情報に基づいて太陽電池ストリング１２０から供給される電力の大きさを把握すると同時に、現在の気象状態による太陽電池モジュール１１０の電力生産値が最大になり得る電圧と電流範囲を算出する。

特に、このような算出において、追従範囲算出部３１０は、予め入力されたり、運行によって累積された情報に時刻情報、日付けまたは季節情報を反映して追従範囲を算出する。そして、追従範囲算出部３１０は、入力電圧と出力電圧を制御信号生成部３３０に伝達すると同時に、算出された追従範囲情報を制御信号生成部３３０及び及び追従履歴保存部３２０に伝達するようになる。このような追従範囲算出部３１０で生成される追従範囲は、太陽電池ストリング１２０のそれぞれに対して個別的に生成される。

このような追従範囲算出部３１０及びこれを有するストリングオプティマ２００の動作は、図５及びその後の図面を参照してより詳細に説明する。

追従履歴保存部３２０は、追従範囲算出部３１０から伝達された追従範囲情報を感知部２１１で感知された環境要素情報と共に保存し、追従範囲算出部３１０の要請に応じて保存された情報を提供する。特に、追従履歴保存部３２０は、日付け別時間帯、季節別または気象状態別環境要素による入力電圧、出力電圧及び最大電力の変化を記録して維持するようになる。

制御信号生成部３３０は、追従範囲算出部３１０を介して伝達される入力電圧及び出力電圧値と算出された追従範囲値を用いてＭＰＰＴ制御器２２１の電力変換率を制御するための制御信号を生成し、これを該当のＭＰＰＴ制御器２２１に伝達する。

図５は、環境要素のうち温度及び照度による追従範囲算出を説明するための例示図である。

図５を参照すると、（ａ）は、温度による太陽電池ストリングの出力電圧電流関係を示したグラフで、（ｂ）は、照度による太陽電池ストリングの出力電圧電流関係を示したグラフである。

（ａ）で照度が一定であるとき、温度が低くなると、太陽電池ストリングから生産される電圧の大きさが小さくなり、全体的な生産電力が小さくなる。（ａ）は、Ａに比べてＣが低い温度であるときの電圧電流グラフであって、電流が比較的一定の値を有する場合にも電圧の大きさが小さくなり、最大電力が小さくなる。

同様に、（ｂ）で他の条件が一定であるとき、照度が変化すると、Ａ'ないしＣ'を通じて分かるように、出力電圧（Ｖ：ＶａないしＶｃ）と出力電流（Ｉ：ＩａないしＩｃ）の値が変化し、最大電力が変化する。

そのため、本発明のストリングオプティマ２００、特に、追従範囲算出部３１０は、感知部２１１を通じて感知される環境要素に応じて最大電力点が形成される電圧、電流範囲を選定し、選定された電圧、電流範囲内で最大電力点追従が制御されるように算出された追従範囲値を制御信号生成部３３０に伝達するようになる。これを通じて、ＭＰＰＴ制御器２２１は、速い時間内に最大電力追従が行われ得る電圧、電流値で電力追従を行うようになり、その結果、太陽電池による発電効率を向上できるようになる。

具体的に、温度、特に、発電に直接的な影響を及ぼす太陽電池モジュール表面の温度は、他の環境要素の影響がない限り、時間の経過と共にゆっくり変化する特徴を有する。しかし、冬季などの場合、風によって太陽電池モジュール表面の温度が急激に低下し得る。すなわち、図５の（ａ）において、範囲１（Ｐ１）で最大電力点が形成される途中で温度が急激に低下し、範囲２（Ｐ２）で最大電力点が形成され得る。この場合、従来の制御装置は、範囲１（Ｐ１）に該当する電圧、電流を可変し、範囲２（Ｐ２）まで最大電力追従を行うようになり、これを通じて多くの時間がかかるようになる。特に、一時的な温度低下後、温度が速い速度で回復する場合は、最大電力追従に撹乱が発生し、正確な追従まで相当時間がかかる。

しかし、本発明のように、温度変化に応じて追従範囲を選定し、該当の範囲で電力追従を行うようにすると、速い追従が可能になり、その結果、発電電力の浪費を最小化することが可能になる。

図６は、時間による電力追従を説明するための例示図である。

図６の（ａ）は、発電時間を時間帯別に区画したことを表現した図で、（ｂ）は、時間区画による太陽電池ストリングの出力電圧及び出力電流の変化をグラフで示した図である。

図６を参照すると、太陽光発電において最も重要な要素は、発電のための光の有無と光量である。このような光量は、日が昇って沈むまで一定に維持されず、時間帯によって変化するようになる。特に、冬季の場合、正午前後の最大光量下でも、最大電力の発電が難しくなる場合が頻繁に発生する。特に、冬季の場合と、夜が明ける頃、日が沈む頃の場合、日照量の変化が急激に発生する。（ａ）のグラフが時計方向に進行するにつれて、（ｂ）の電圧電流グラフは、出力が増加する方向（ｘ１）に変化するようになる。そして、（ａ）で最大出力時点であるｂ５、ｂ６区間を経ると、（ｂ）のグラフは、出力が減少する方向（ｙ１）に変化するようになる。

このような時間帯と季節に単純に出力電圧及び入力電圧によって電力追従を行う場合、最大電力追従を行うとしても最大電力を生産することが難しくなる。特に、冬季または梅雨期などに気象及び温度が比較的急激に変化する場合、最大電力の追従がさらに難しくなり、これは、発電量の損失につながるようになる。

そのため、本発明では、最大電力追従範囲を近似化し得る時間帯別に発電時間を区画（Ｂ１ないしＢ１０）し、各範囲別に追従範囲を選定し、ＭＰＰＴ制御器２２１の制御のための制御信号を生成するようになる。

具体的に、（ａ）が冬季の発電可能な時間帯を区画したものであると仮定すると、第１の区画（ｂ１）、第２の区画（ｂ２）、第９の区画（ｂ９）、第１０の区画（ｂ１０）では、日照量が急激に変化し、速い最大電力追従が難しくなる。しかし、このような時間に日照量と予め定められた区画及びそれによる電圧電流範囲を対照して追従範囲を算出し、算出された追従範囲内で電力追従を行う場合、最大電力点追従の速度及び効率を向上できるようになる。特に、各時間帯別に基本追従範囲を選定し、選定された基本追従範囲に温度による発電低下率、日射量による発電低下率を適用して追従範囲を再び算出し、これによる最大電力点追従を行うことによって環境要素を電力点追従範囲に容易に適用できるようになる。

また、このような発電低下率の計算は、計測当時の気象状況、発電量、形成される最大電力点情報と共に保存し、その後に類似環境が造成される場合、最大電力点追従をより速く行える根拠資料として活用することが可能になる。

すなわち、（ｂ）のように、時間帯によって出力電圧及び出力電流が変わると、変化する前の最大電力点から追従を進行するのではなく、該当の時間帯に該当する区画の追従範囲のうち以前の最大電力点と近い追従範囲で最大電力点追従を行うようになり、これを通じて最大電力点追従にかかる時間を節約できるようになる。その結果、発電効率を従来に比べて高い水準に維持できるようになる。

（ｂ）のように時間帯別に変化する追従値を有する場合、一時的な温度変化、気候変化が発生するとしても、時間帯別に変化する追従値に気候変化による発電効率の低下及び追従範囲の変動を適用することによって速い時間内に最大電力点の探索が可能になる。

図７は、追従履歴情報の保存及び利用方法を説明するための例示図である。

図７を参照すると、太陽電池ストリング１２０は、特定時間に図７の（ａ）のような出力グラフを示すことができる。このとき、Ｖ―Ｉグラフ上での最大出力追従範囲はＰ１１になる。追従範囲算出部３１０は、環境要素の変動がない場合、電圧Ｖｐ、電流Ｉｐ地点付近で電力追従が行われるように追従範囲を選定し、制御信号生成部３３０は、選定された追従範囲にコンバーターの入力及び出力電圧を反映して電力追従を行うことによって、太陽電池ストリング１２０が最大電力を生産するように動作するようになる。また、最大電力点追従が行われる条件、最大電力追従範囲の電圧、電流値、周辺温度、パネル温度、日照量、時間、風速及び風向き情報は、追従履歴保存部３２０に保存され、その後の類似条件による電力追従時に追従範囲を確定するための情報として用いられる。

このように、（ａ）グラフによって最大電力追従を行う途中で環境要素が変化すると、最大電力追従のためのグラフ自体が変化し得る。例えば、小さい範囲の温度変化、日照量変化の場合、（ａ）のグラフを通じて最大電力点追従が行われ得るが、大幅の温度変化が発生したり、日照量が変化すると、最大電力点追従のためのＶ―Ｉグラフの値も大きく変化するようになる。

この場合、上述したように、入出力電圧のフィードバックのみを有して最大出力点追従を行うと時間が長くかかり、安定的な追従及び最大電力生産が行われるまで発電システムの効率低下をもたらすようになる。

そのため、本発明では、このような要素に環境要素を付加し、最大電力点追従が速い時間内に行われるように制御するようになる。

このような状態が（ｂ）に示されている。（ｂ）は、（ａ）のグラフによって電力追従が行われていた太陽電池ストリング１２０の温度と日照量が変化し、Ｖ―Ｉグラフが変化した場合を示している。この場合、最大電力点は、Ｐ１１の範囲で形成されていたものがＰ１２の範囲に変更される。このようなＶ―Ｉグラフの変化は、従来のように入力電圧及び出力電圧によって追従することも可能である。しかし、本発明のように、環境要素の変化とそれによる出力率の変化またはＶ―Ｉグラフの変化を適用すると、より速い応答を期待することができる。

例えば、（ｂ）のグラフのように、日照量と温度が変化した場合、通常、日照量と変化した温度のみを反映して追従範囲を選択することができる。しかし、本発明のように、環境要素を推定範囲に反映する場合、周辺温度に応じてパネルの温度変化を予測し、Ｖ―Ｉグラフの変化を追従することができる。さらに、冬季などの場合、太陽光によって太陽電池モジュールが加熱されるとしても、太陽電池が設置された位置の温度、風速に応じて太陽電池パネルの温度が変わり、これは、電力生産において直接的な影響を及ぼすようになる。この場合、追従履歴保存部３２０に保存された以前の追従情報から類似要因を確認して適用することによって、予想される追従範囲を予め近似化することができ、太陽電池ストリング１２０の入力及び出力電圧が変動する場合、予想された追従範囲に入力及び出力電圧の値を適用し、最大電力点追従のための電圧及び電流範囲を容易に見出せるようになる。

さらに、図６に対する説明で言及したように、本発明のストリングオプティマ２００は、発電時間を多くの段階に区画し、各時間区画別に代表される追従範囲に環境要素及びコンバーターの入出力電圧を反映して電力追従を行う。

このような時刻区画別基本追従範囲を用いた追従は、累積された発電時間帯と温度などの環境要素を通じて発電が進行中である時点の季節、気候的要素を予測することができ、これを通じて追従範囲の変化を予測・追従することが容易になる。さらに、冬のように季節による環境要素が発電に大きな影響を及ぼす場合、このような時間帯別区画による追従は最大電力点追従に有利に作用する。

最大電力点追従の場合、持続的に変わる電圧または電流によって追従を行うようになるが、一時的に電圧または電流に大きな変動が発生し得る。この場合、電圧または電流の変動に応じて追従を行う場合、一時的な変動が解除された後の追従において効率が低下するようになる。しかし、時間を区画し、該当の時間が属する季節的な要素を考慮して追従範囲を制限すると、短い瞬間の間に発生する電圧、電流の大きな変動は追従しなくなり、これを通じて発電効率の低下を防止できるようになる。また、時間帯別区画に応じて電圧または電流が上昇するか、それとも下降するかを予測し、これに対して環境要素及びコンバーターの入出力電圧を反映することによって追従方向を決定しやすくなり、速い応答の最大電力点追従が可能になる。さらに、このような発電に関与する各環境的要素を時間区画及び時間区画による季節区分に従って整列及び接近して追従範囲の選定に用いることによって、既存に比べて大きく複雑でないアルゴリズムを用いて速い追従が可能になる。

図８は、本発明の他の実施例に係る太陽光発電システムの構成を示した例示図である。

図８を参照すると、本発明の他の実施例に係る太陽光発電システムでは、インバーター３００がストリングオプティマ２００及び変換部３９０で構成される。

すなわち、本発明の他の実施例の太陽光発電システムの場合、上述した図２のストリングオプティマ２００とインバーター３００が一つに構成される点において相違点を有し、それ以外の構成及び作用は上述した実施例と同一である。そのため、別途の動作及び構成に対する説明は省略する。

以上では、本発明の技術的思想を例示するために具体的な実施例を図示及び説明したが、本発明は、前記のように具体的な実施例と同一の構成及び作用のみに限定されず、多様な変形が本発明の範囲を逸脱しない限度内で実施され得る。したがって、そのような変形も、本発明の範囲に属するものと見なすべきであり、本発明の範囲は、後述する特許請求の範囲によって決定すべきである。

本発明は、直列に連結された太陽電池単位の最大電力点追従を行うことによって、アレイ単位の最大電力点追従を行う太陽光発電システムに比べて発電効率を向上させ、発電電力量を増大させることができる。また、本発明のそれぞれの太陽電池ストリングから発電された最大発電電力を一つのインバーターによって交流に変換し、インバーターに入力される各太陽電池ストリングの電圧を同一の電圧に変換することによって、インバーターの動作効率を向上させることができる。

さらに、本発明は、既存の太陽光発電システムのインバーターの代わりに、ストリングオプティマと本発明のインバーターを構成することによって既存のシステムを再利用することができ、その結果、既存の太陽光発電システムを高効率システムに再構成することが可能になる。

Claims (11)

1. 複数の太陽電池モジュールが連結されて構成される複数の太陽電池ストリング；
   前記複数の太陽電池ストリングのそれぞれの発電電圧を同一の大きさの出力電圧に変換し、前記発電電圧の変換のために前記太陽電池ストリング別に最大電力点追従制御を行うストリングオプティマ；及び
   前記ストリングオプティマからの前記出力電圧を交流電圧に変換して電力系統に供給するインバーター；を含んで構成されることを特徴とする単位グループ別に最大電力点追従を行う太陽光発電システム。
2. 前記ストリングオプティマは、
   前記複数の太陽電池ストリングのそれぞれと連結され、前記発電電圧を前記出力電圧に変換して前記最大電力点追従制御を行うストリング制御装置；
   前記太陽電池モジュールの発電量を変化させる環境要素、前記発電電圧及び前記出力電圧を含む感知値を生成する感知部；及び
   前記感知値を用いて前記ストリング制御装置のそれぞれに対する電力追従制御信号を生成する制御部；を含んで構成されることを特徴とする、請求項１に記載の単位グループ別に最大電力点追従を行う太陽光発電システム。
3. 前記環境要素は、
   日照量、前記太陽電池モジュールが設置された地域の温度、前記太陽電池モジュール表面の温度、風量、風速及び湿度のうちいずれか一つ以上を含むことを特徴とする、請求項２に記載の単位グループ別に最大電力点追従を行う太陽光発電システム。
4. 前記出力電圧は可変することを特徴とする、請求項３に記載の単位グループ別に最大電力点追従を行う太陽光発電システム。
5. 前記ストリング制御装置は、
   前記太陽電池ストリングからの前記入力電圧を昇圧または減圧するコンバーター；
   前記太陽電池ストリングと前記コンバーターとの間に連結されるヒューズ；
   前記コンバーターの出力端に連結されるサーキットブレーカー；及び
   前記コンバーターの前記昇圧または減圧のための制御信号を生成するＭＰＰＴ制御器；を含んで構成されることを特徴とする、請求項４に記載の単位グループ別に最大電力点追従を行う太陽光発電システム。
6. 前記制御部は、
   前記感知値によって最大電力点追従が行われる電流または電圧範囲が含まれた追従範囲値を算出する追従範囲算出部；
   前記追従範囲算出部からの前記追従範囲値、前記入力電圧及び前記出力電圧によって最大電力点追従制御信号を生成する制御信号生成部；及び
   前記追従範囲値を前記感知値と対応させて保存する追従履歴保存部；を含んで構成されることを特徴とする、請求項５に記載の単位グループ別に最大電力点追従を行う太陽光発電システム。
7. 前記追従範囲算出部は、
   前記太陽電池モジュールの一日の発電時間を複数の時間区画に区分し、前記複数の時間区画のそれぞれの基本追従範囲を算出することを特徴とする、請求項６に記載の単位グループ別に最大電力点追従を行う太陽光発電システム。
8. 前記追従範囲算出部は、
   前記基本追従範囲に前記環境要素感知値による発電量変化予想範囲を反映して前記追従範囲を算出することを特徴とする、請求項７に記載の単位グループ別に最大電力点追従を行う太陽光発電システム。
9. 前記追従範囲算出部は、
   前記発電電圧及び前記出力電圧が一時的に前記時間区画で予想される最大追従範囲を超える場合、前記発電電圧及び前記出力電圧の超過分に対する電力追従を省略することを特徴とする、請求項６に記載の単位グループ別に最大電力点追従を行う太陽光発電システム。
10. 前記太陽電池ストリングは、
    固定型または追跡型太陽電池モジュールであることを特徴とする、請求項８に記載の単位グループ別に最大電力点追従を行う太陽光発電システム。
11. 前記ストリングオプティマと前記インバーターは一体型で構成されることを特徴とする、請求項１に記載の単位グループ別に最大電力点追従を行う太陽光発電システム。

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