JP2016045803A - 太陽光電力制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】制御処理の時間を早くできると共に、日照が急激に変化する環境下でも太陽電池からの発電電力を高効率にできる太陽光電力制御装置を提供する。【解決手段】この装置における太陽電池１からの出力電流ＩＰＶが供給される電流線及び出力電圧ＶＰＶが印加される電圧線と電流検出器２とに接続された制御部７では、演算部１０が検出器２からの検出値を電流測定部８で測定した電流Ｉ、電流線及び電圧線から電圧測定部９で測定した電圧Ｖを用いて電力Ｒの算出結果に伴うインピーダンスＲを計算した上、比較器１１でインピーダンスＲを基準インピーダンス設定部１３の基準インピーダンスＲＲＥＦと比較して誤差増幅したＲ制御信号の出力、比較器１２で電力Ｐを最大電力設定部１４の最大電力と比較して誤差増幅したＰ制御信号の出力の切換えスイッチ１５における切換えを指示し、ＤＣ−ＤＣコンバータ３に対してパルス幅変調制御を行う。【選択図】図１

Description

本発明は、太陽光発電で行われる高効率運転に関し、詳しくは太陽電池からの出力電圧が最大となる最大電力点追跡（Ｍａｘｉｍｕｍ Ｐｏｗｅｒ Ｐｏｉｎｔ Ｔｒａｃｋｉｎｇ／以下、ＭＰＰＴと呼ぶ）制御により得られる発電電力を系統出力へ供給する太陽光電力制御装置に関する。

従来、この種の太陽光発電で行われる高効率運転を実施する太陽光電力制御装置では、太陽電池からの発電効率が最大となる条件を見出すため、太陽電池の出力電圧が最大となる動作点（最大電力点）で制御すべく、電力量を監視しつつ電力電圧出力特性（ＰＶ出力特性）に基づくＭＰＰＴ制御を導入している。

ところが、ＭＰＰＴ制御によって発電効率が最大となる最大電力点を追跡すると、最大電力点を超えた瞬間から電力の減少が開始するため、制御の方向を変えなければならなくなり、不連続な制御を行うことで発電状態が不安定になってしまう。

そこで、このような問題を解決するための周知技術として、太陽電池の出力特性の変化に対する追従制御が速く、太陽電池の電気応答速度によらず太陽電池を常に最大効率で発電が可能な新規な発電制御システムを有する「太陽電池システム、電子機器および建築物」（特許文献１参照）が挙げられる。

特開２０１３−９７５９６号公報

上述した特許文献１に係る技術では、太陽電池の発電出力の過渡特性に基づいて出力予測装置によって到達出力値を予測し、得られた予測出力値を太陽電池の出力値とみなしてＭＰＰＴ制御装置で制御し、最大電力点を探索するようにソフトプログラム処理を行う技術が開示されているが、係る技術によれば太陽電池からの発電電力の高効率運転は可能であっても、ソフトプログラム処理が複雑になってしまう他、制御処理の時間や日照が急激に変化する環境下での対処が考慮されていないため、結果として制御処理の時間を早くできず、しかも日照が急激に変化する環境下では太陽電池からの発電電力の効率が低下してしまうという問題がある。

本発明は、このような問題点を解決すべくなされたもので、その技術的課題は、制御処理の時間を早くできると共に、日照が急激に変化する環境下でも太陽電池からの発電電力を高効率にできる太陽光電力制御装置を提供することにある。

上記技術的課題を解決するため、本発明は、太陽電池からの出力電流が供給される電流線に介在接続された電流検出器と、太陽電池からの出力電圧が印加される電圧線と電流線とに接続されたＤＣ−ＤＣコンバータと、電流線及び電圧線と電流検出器とに接続されると共に、太陽電池からの出力電圧が最大となるＭＰＰＴ制御を実施して算出した電力に基づいてＤＣ−ＤＣコンバータに対してパルス幅変調制御を行う制御部と、を備えた太陽光電力制御装置において、制御部は、電流検出器を介して測定した電流と電流線及び電圧線から測定した電圧とを用いて電力の算出を行うと共に、当該電力の算出結果に伴うインピーダンスを計算する演算部と、演算部で計算されたインピーダンスを予め設定した基準インピーダンスと比較して誤差増幅した結果のインピーダンス制御信号を出力するインピーダンス比較器と、演算部で算出された電力を予め設定された最大電力と比較して誤差増幅した結果の電力制御信号を出力する電力比較器と、演算部の指示によりインピーダンス制御信号と電力制御信号とを切換えてＤＣ−ＤＣコンバータに対してパルス幅変調制御を行わせる切換えスイッチと、を備え、演算部は、計算されたインピーダンスについて基準インピーダンスを目標とするフィードバック動作を実行することを特徴とする。

本発明の太陽光電力制御装置によれば、上記構成により、制御処理の時間を早くできると共に、日照が急激に変化する環境下でも太陽電池からの発電電力を高効率にできるようになる。上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施の形態の説明により明らかにされる。

本発明の実施例に係る太陽光電力制御装置の全体的構成を示した機能ブロック図である。 図１に示す太陽光電力制御装置に備えられる制御部における演算部のインピーダンス計算結果に基づくフィードバック動作のシーケンスを示した模式図である。

以下に、本発明の太陽光電力制御装置について、実施例を挙げ、図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本発明の実施例に係る太陽光電力制御装置の全体的構成を示した機能ブロック図である。

図１を参照すれば、実施例に係る太陽光電力制御装置では、太陽電池（ＰＶ）１からの出力電流Ｉ_ＰＶが供給されると共に、電流検出器（ＤＣ−ＣＴ）２を介在接続させた電流線、並びに太陽電池（ＰＶ）１からの出力電圧Ｖ_ＰＶが印加される電圧線に対して、ＤＣ−ＤＣコンバータ３、平滑コンデンサ（ＣＡＰ／ＢＡＴＴ）４、インバータ（ＩＮＶ）５、及び系統出力６が順次接続され、電流線及び電圧線と電流検出器２とに接続された制御部７において、太陽電池１からの出力電圧Ｖ_ＰＶが最大となるＭＰＰＴ制御を実施して算出した電力Ｐに基づいてＤＣ−ＤＣコンバータ３に対してパルス幅変調（ＰＷＭ）制御を行った結果、ＤＣ−ＤＣコンバータ３から出力されるパルス幅変調された発電電力を電気容量蓄積機能を持つ平滑コンデンサ４で蓄えた後、インバータ５で商用周波数に変調してから系統出力６へ出力供給できるように構成されている。

このうち、制御部７は、電流検出器２からの電流検出値を示す電流検出信号を入力して電流Ｉを測定する電流測定部（Ｉ−ＭＥＳ）８と、太陽電池１の電圧線及び電流線に接続されて電圧Ｖを測定する電圧測定部（Ｖ−ＭＥＳ）９と、これらの電流Ｉと電圧Ｖとを用いて電力ＰをＶ×Ｉ（Ｖ＊Ｉとして表記）＝Ｐなる関係により算出を行うと共に、電力Ｒの算出結果に伴うインピーダンスＲをＶ／Ｉ＝Ｒなる関係により計算する演算部１０と、演算部１０で計算されたインピーダンスＲを予め定められた基準インピーダンス設定部（ＲＥＦ₋Ｒ）１３からの基準インピーダンスＲ_ＲＥＦと比較して誤差増幅した結果のインピーダンス制御（Ｒ制御）信号を出力するインピーダンス比較器１１と、演算部１０で算出された電力Ｐを予め定められた最大電力設定部（ＭＡＸ₋Ｐ）１４からの最大電力と比較して誤差増幅した結果の電力制御（Ｐ制御）信号を出力する電力比較器１２と、演算部１０の指示によりインピーダンス比較器１１からのインピーダンス制御信号と電力比較器１２からの電力制御信号とを切換えてＤＣ−ＤＣコンバータ３に対してパルス幅変調制御を行わせる切換えスイッチ１５と、を備えて構成される。因みに、制御部７の演算部１０では、計算されたインピーダンスＲについて基準インピーダンスＲ_ＲＥＦを目標とするフィードバック動作を実行する。

この制御部７における演算部１０で演算する種類は２つであり、一つは電力Ｐの計算、もう一つはその結果に基づくインピーダンスＲの計算である。電力Ｐの計算については、太陽電池１の日照の度合いに応じて異なる幾つかの電力電圧出力特性のパターンを参照し、最大電力点（ピーク電力位置）をＭＰＰＴ制御を適用して求めるものであるが、これは山登り法等を用いてインピーダンスＲが一定の点を追跡する周知技術を適用できるため、詳細な説明は省略する。因みに、太陽電池１の日照の度合いに応じた異なる電力電圧出力特性のパターンは、図示されない不揮発性メモリに予め格納されており、演算部１０により記憶部から参照できるようになっている。

これに対し、インピーダンスＲの計算は、太陽電池１の日照により変化する出力電力の最大電力点を表示する動作点のインピーダンスＲが日照の変化に対して影響を受け難い動作特性に基づくものであれば、そのインピーダンスＲは極度に日照が少ない場合を除いて最大電力点を表示する点に留意し、先の電力Ｐの算出に際して山登り法等で求めた最大電力点が探索過程でインピーダンスＲを求めるための電流Ｉ、電圧Ｖの微分量を獲得しているため、この結果を使って算出する。ここでの算出結果を基準値として保持し、具体的には太陽電池１の出力から算出される太陽電池出力インピーダンスＲ_ＰＶを監視し、太陽電池出力インピーダンスＲ_ＰＶが予め設定された基準インピーダンスＲ_ＲＥＦに添うようにフィードバック動作を実行する。太陽電池出力インピーダンスＲ_ＰＶの制御は太陽電池１の出力系に繋げられたＤＣ−ＤＣコンバータ３に対する切換えスイッチ１５の切換えによるパルス幅変調制御で行うことにより、電力Ｐの計算のＭＰＰＴ制御と併用して追従する動作が可能となる。

ここでの太陽電池出力インピーダンスＲ_ＰＶの計算は、２点測定の結果で求めるものである。実施例に係る太陽光電力制御装置では、ＤＣ−ＤＣコンバータ３に入力される電圧を制御部７でパルス幅変調制御するため、このときにＤＣ−ＤＣコンバータ３において設定される第１の電圧Ｖ_ＰＶ１による第１の電流Ｉ_ＰＶ１、並びに第２の電圧Ｖ_ＰＶ２による第２の電流Ｉ_ＰＶ２を想定すると、太陽電池出力インピーダンスＲ_ＶＰは、Ｒ_ＶＰ＝（Ｖ_ＰＶ１−Ｖ_ＰＶ２）÷（Ｉ_ＰＶ１−Ｉ_ＰＶ２）なる関係の式１で求めることができる。即ち、演算部１０で計算する太陽電池出力インピーダンスＲ_ＶＰは、第１の電圧Ｖ_ＰＶ１に対する第１の電流Ｉ_ＰＶ１と第２の電圧Ｖ_ＰＶ２に対する第２の電流Ｉ_ＰＶ２とのそれぞれの差から求まる微分インピーダンスとなっている。

上記式１で求めた太陽電池出力インピーダンスＲ_ＶＰが先に求めた最大電力点のインピーダンスＲであることを保障するためには、予めシステム運転開始初期に安定して日照が継続する時間帯で太陽電池１から太陽光電力を採取して最大電力点で演算部１０により式１の計算を行い、この計算の結果を基準インピーダンスＲ_ＲＥＦとすれば良い。このように最大電力点のインピーダンスＲを基準インピーダンスＲ_ＲＥＦとすれば、太陽電池インピーダンスＲ_ＶＰを最大電力出力時のインピーダンスＲに制御することができ、結果的に太陽電池１の出力電圧Ｖ_ＰＶが最大出力となる。

演算部１０では、最大電力探索時に太陽電池１の出力電圧Ｖ_ＰＶを増減させて電力Ｐの算出を実行するが、その瞬間は出力電圧Ｖ_ＰＶのデータ、出力電流Ｉ_ＰＶのデータを取り込んでいるため、この結果を使って上記式１の演算を行えば、わざわざインピーダンス計測のシーケンスを開始する必要がない。

この演算部１０による上記式１の計算結果の出力（太陽電池出力インピーダンスＲ_ＶＰ）に対し、基準インピーダンス設定部１３からの最大電力点のインピーダンスＲを設定した基準インピーダンスＲ_ＲＥＦを入力して比較するインピーダンス比較器１１では、誤差増幅機能によりインピーダンス制御信号を出力して切換えスイッチ１５で接続を選択した上でＤＣ−ＤＣコンバータ３に対するＰＷＭ制御を行うが、入力された太陽電池出力インピーダンスＲ_ＶＰが基準インピーダンスＲ_ＲＥＦよりも大きい場合には減少方向に向かわせ、太陽電池出力インピーダンスＲ_ＶＰが基準インピーダンスＲ_ＲＥＦとなるようなフィードバック動作を行う。

即ち、実施例に係る太陽光電力制御装置では、電力Ｐの算出でＭＰＰＴ制御により最大電力点を追跡する際、太陽電池１の最大電力出力時のインピーダンスＲ（太陽電池出力インピーダンスＲ_ＰＶ）を計算し、このインピーダンスＲを基準インピーダンスＲ_ＲＥＦとして日照の変化に伴って発生するインピーダンス変化を基準インピーダンスＲ_ＲＥＦと同一の値となるようにフィードバック動作を実行し、太陽電池１の最大電力点を追跡するようにしたもので、太陽電池出力インピーダンスＲ_ＰＶを制御対象にすることによって高速な追従が可能となる。

図２は、上記太陽光電力制御装置に備えられる制御部７における演算部１０のインピーダンス計算結果に基づくフィードバック動作のシーケンスを示した模式図である。

図２を参照すれば、ここでは太陽電池１からの出力電圧Ｖ_ＰＶ、出力電流Ｉ_ＰＶについて、２点測定のために最初のシーケンスにおいて、太陽電池１の出力電圧Ｖ_ＰＶをＤＣ−ＤＣコンバータ３で制御して電圧Ｖ_ＰＶ１に設定し、そのときの電流Ｉ_ＰＶ１を測定し、次に電圧Ｖ_ＰＶ２に設定し、そのときの電流Ｉ_ＰＶ２を測定する様子を示している。

また、次のシーケンスでは、演算部１０により上記式１の計算を実行し、インピーダンス比較器１１で基準インピーダンスＲ_ＲＥＦと太陽電池出力インピーダンスＲ_ＶＰとの比較動作を実行し、この結果に基づいて切換えスイッチ１５で接続を選択した上でＤＣ−ＤＣコンバータ３に対するインピーダンス制御信号によるパルス幅変調制御を行って太陽電池１の出力電圧Ｖ_ＰＶを変更する。但し、演算部１０による太陽電池出力インピーダンスＲ_ＶＰの計算（インピーダンス計算）に際しては、エラー量ＲｅｒｒをＲｅｒｒ＝（Ｖ_ＰＶ１−Ｖ_ＰＶ２）÷（Ｉ_ＰＶ１−Ｉ_ＰＶ２）₋ＲＥＦ₋Ｒなる関係の式２で計算し、太陽電池１の出力電圧Ｖ_ＰＶの変更量を式２の結果のエラー量Ｒｅｒｒに対してゲイン係数ｋを乗算したフィードバックＦＢ＝ｋ×Ｒｅｒｒにより決定する。このようなフィードバック動作を繰り返し行うことにより、高速で最大電力点へ収束させることが可能となる。

上述した最大電力点のインピーダンスＲは太陽電池１の種類や構成により変わるが、こうした設備面が変わらない限り一定となるので、基本的には太陽電池１の設定時に基準インピーダンスＲ_ＲＥＦを設定すればそれ以降は同一な基準インピーダンスＲ_ＲＥＦで運転することできる。従って、設定後にシステム運転に入ってからは通常、基準インピーダンスＲ_ＲＥＦに合わせる動作を繰り返すことで最大電力点を追尾することができる。

以上に説明したように、実施例に係る太陽光電力制御装置によれば、太陽電池１からの出力に係る太陽電池出力インピーダンスＲ_ＶＰを追従する手法を採用し、太陽電池１の出力電圧Ｖ_ＰＶの低下、増加に対して太陽電池出力インピーダンスＲ_ＶＰを増加、減少するため、制御動作中に極性の変更を行う必要がなくアルゴリズムを簡単化することができ、高速処理と安定化とが可能となる上、日照の度合いに拘らず常に同じ動作を繰り返すことで電力Ｐの算出用のＭＰＰＴ制御に際しての最大電力点を追尾できるので、制御に係る判断が簡単であり、結果として、制御処理の時間を早くできると共に、日照が急激に変化する環境下でも容易に追跡して太陽電池１の発電電力を高効率に維持できるようになる。

即ち、実施例に係る太陽光電力制御装置では、機能上で制御部７の演算部１０で電力Ｐの算出用のＭＰＰＴ制御に際して得られた電流Ｉ、電圧Ｖの微分量を用いて太陽電池出力インピーダンスＲ_ＰＶを算出し、太陽電池１の出力電圧Ｖ_ＰＶの低下、増加に対して切換えスイッチ１５で電力制御信号、インピーダンス制御信号の切換えを行って太陽電池出力インピーダンスＲ_ＰＶを増加、減少して最大電力点を追尾できるので、最大電力点を超えても制御極性が変わることなく連続的にフィードバック動作が行われる。これにより、最大電力点で発生する電力量の振動が起こらないため、太陽電池１の発電電力を高効率とする運転が可能となる他、制御で必要とする判定動作を伴わない汎用的なネガティブフィードバックが行われるため、フィードバック動作に要する時間も短縮でき、結果として、早い日照の変化にも追従でき、日照不安定な曇天でも最高効率での運転が可能となる。

尚、実施例に係る太陽光電力制御装置で採用した制御部７による太陽電池出力インピーダンスＲ_ＰＶの算出結果を基準インピーダンスＲ_ＲＥＦとしてインピーダンス制御を行い、このインピーダンス制御を電力制御に追従させるフィードバック動作の技術は、例えば特許文献１に開示されているような山登り法等の従来のＭＰＰＴ制御の動作をサポートしているＭＰＰＴ制御装置を対象にしても、制御処理のプログラムの更新をすることで適用することが可能であり、こうした既設設備に適用しても太陽電池１の発電電力を高効率で運転可能に変更できる。また、演算部１０の電力Ｐの算出に係るＭＰＰＴ制御の動作では、一般的に山登り法等では最大電力点に到達すると制御極性が変わるため、最大電力点で探索動作を繰り返す結果、太陽電池１の出力電圧Ｖ_ＰＶが不安定になってリップル電圧が発生するが、このリップル電圧はＭＰＰＴ制御の原理に基づくものであるため、なくすることができない。そこで、こうした点に留意し、演算部１０で演算する太陽電池出力インピーダンスＲ_ＰＶとして、実施例で説明した場合とは別に太陽電池１の出力電圧Ｖ_ＰＶに発生するリップル電圧における高レベル側、低レベル側の２点を使用して求めるようにすることもできる。このように、本発明の太陽光電力制御装置は、図１を参照して実施例で開示した形態に限定されない。

１ 太陽電池（ＰＶ）
２ 電流検出器（ＤＣ−ＣＴ）
３ ＤＣ−ＤＣコンバータ
４ 平滑コンデンサ（ＣＡＰ／ＢＡＴＴ）
５ インバータ（ＩＮＶ）
６ 系統出力
７ 制御部
８ 電流測定部（Ｉ−ＭＥＳ）
９ 電圧測定部（Ｖ−ＭＥＳ）
１０ 演算部
１１ インピーダンス比較器
１２ 電力比較器
１３ 基準インピーダンス設定部（ＲＥＦ₋Ｒ）
１４ 最大電力設定部（ＭＡＸ₋Ｐ）
１５ 切換えスイッチ

Claims (5)

1. 太陽電池からの出力電流が供給される電流線に介在接続された電流検出器と、前記太陽電池からの出力電圧が印加される電圧線と前記電流線とに接続されたＤＣ−ＤＣコンバータと、前記電流線及び前記電圧線と前記電流検出器とに接続されると共に、前記太陽電池からの出力電圧が最大となる最大電力点追跡制御を実施して算出した電力に基づいて前記ＤＣ−ＤＣコンバータに対してパルス幅変調制御を行う制御部と、を備えた太陽光電力制御装置において、
   前記制御部は、前記電流検出器を介して測定した電流と前記電流線及び前記電圧線から測定した電圧とを用いて前記電力の算出を行うと共に、当該電力の算出結果に伴うインピーダンスを計算する演算部と、前記演算部で計算された前記インピーダンスを予め設定した基準インピーダンスと比較して誤差増幅した結果のインピーダンス制御信号を出力するインピーダンス比較器と、前記演算部で算出された前記電力を予め設定された最大電力と比較して誤差増幅した結果の電力制御信号を出力する電力比較器と、前記演算部の指示により前記インピーダンス制御信号と前記電力制御信号とを切換えて前記ＤＣ−ＤＣコンバータに対して前記パルス幅変調制御を行わせる切換えスイッチと、を備え、
   前記演算部は、計算された前記インピーダンスについて前記基準インピーダンスを目標とするフィードバック動作を実行することを特徴とする太陽光電力制御装置。
2. 請求項１記載の太陽光電力制御装置において、前記演算部は、前記インピーダンスの計算を前記太陽電池から出力される太陽電池出力インピーダンスについて行い、前記フィードバック動作では、前記インピーダンス比較器における前記基準インピーダンスを最大電力点のインピーダンスとして設定した上で前記太陽電池出力インピーダンスを当該基準インピーダンスとすることを特徴とする太陽光電力制御装置。
3. 請求項２記載の太陽光電力制御装置において、前記基準インピーダンスとする前記最大電力点のインピーダンスは、予めシステム運転開始初期に安定して日照が継続する時間帯で前記太陽電池から太陽光電力を採取して前記演算部により計算した結果を用いることを特徴とする太陽光電力制御装置。
4. 請求項２記載の太陽光電力制御装置において、前記太陽電池出力インピーダンスは、前記ＤＣ−ＤＣコンバータで設定する第１の電圧に対する第１の電流と第２の電圧に対する第２の電流とのそれぞれの差から前記演算部で計算されて求められた微分インピーダンスであることを特徴とする太陽光電力制御装置。
5. 請求項２記載の太陽光電力制御装置において、前記太陽電池出力インピーダンスは、前記太陽電池の出力電圧に発生するリップル電圧における高レベル側、低レベル側の２点を使用して前記演算部で計算されて求められたことを特徴とする太陽光電力制御装置。