JP2016057685A - 太陽光発電システムにおける電力最適採取制御方法および装置 - Google Patents

太陽光発電システムにおける電力最適採取制御方法および装置 Download PDF

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Abstract

【課題】太陽光発電パネルが低出力状態の低電力でも安定な動作を続行させると共に、サージ電圧からトランジスタを保護する手段を備えた太陽光発電システムの出力最適採取制御方法および装置を提供する。【解決手段】パルス周波数変調制御およびパルス幅変調制御で駆動されるDC−DCコンバータで構成され太陽光発電パネルからのDC入力電圧を制御する制御装置500は、マイクロプロセッサ1000、センサ群2000、MOSドライバ群3000で構成される。マイクロプロセッサは制御ロジック部1001、最大出力電力点追従制御部1002、ＰＷＭ制御部1003、PFM制御部1004、入出力ポート1005、前記制御装置の動作時間を制御するタイマ制御部1006、初期測定部1007とを有する。前記センサ群は太陽光パネル電圧検知回路1101、太陽光パネル電流検知回路1102、出力電圧検知回路1201と出力電流検知回路1202を有する。【選択図】図１

Description

本発明は、太陽光パネルを用いた発電システムに係り、特に出力変動が大きい太陽光パネルの電力出力をオプティマイズ（最適化）することで安定した発電電力の収穫を可能とした太陽光発電システムにおける電力最適採取制御方法および装置に関する。
エネルギー資源の多様化に伴い、再生可能エネルギーの一つとして太陽光パネルを利用する発電が普及している。近年のエネルギー源不足やＣＯ２の排出抑制を背景として、１０００ｋＷを超える大規模な太陽光発電プラント（所謂、メガソーラー）の建設も盛んになっている。なお、以下では、太陽光発電をＰＶ(Photo-Voltaic)、それに用いる太陽光パネル（太陽光発電パネル、あるいは、ソーラーパネル）をＰＶパネルとも称する。
ＰＶパネルの電力出力（以下、出力電力、あるいは単に出力とも表記する）は、照射される光量（日射量）すなわち受光エネルギーの大きさにより変化する。特に夜明けなどの光量が少ないときには出力は小さく、内部インピーダンスは高くなっている。内部インピーダンスが高い状態で負荷を接続すると電圧が下がって電源としての正常な動作ができず、不安定な電源となる。そのため、ＰＶパネルが低光量の状態にあっても安定に動作する制御が必要となる。このような制御を最適化する（オプティマイズ）と言い、最適化手段（回路、装置）をオプティマイザと称する。なお、所謂パワーコンディショナの構成にオプティマイザを含める場合もある。
図９は、一日の日射量の変化に対するＰＶパネルの発電電力量の説明図である。曇り空、雲の動きなどの影響は考慮していない。図９のグラフは、日の出を６時、日の入りを１８時とした晴天での理想的な日射条件におけるＰＶパネルの発電電力を定性的に示したものである。日の出によりＰＶパネルに太陽光の照射が始まると、序々に発電が開始される。ＰＶパネルの設置緯度、太陽に対する向きやＰＶパネルの設置傾斜角にもよるが、真夏の全天快晴での日射量は１３時ごろに最大となる。その後、漸次発電電力量は減少していき、日没過ぎでほぼ零となる。
上記のような日照量の変化、および季節や天候の変化による発電電力量が最大となるように制御する必要がある。この制御が最適化（オプティマイズ）である。通常、パワーコンディショナと称する手段と共にこのための最大電力点追従機能（Maximum Power Point Tracking）を実行する。
図１０は、最大電力点追従制御の説明図である。図１０の横軸はＰＶパネルの出力電流（Ｉ）、縦軸は同出力電圧（Ｖ）である。曲線ＰはＰＶパネルの出力電流（Ｉ）と出力電圧（Ｖ）の変化に対するＰＶパネルの発電電力（Ｐ）の変化を示す。発電電力（Ｐ）は出力電圧（Ｖ）×出力電流（Ｉ）であり、電流がＡ１で電圧がＶ１の時の電力（Ｐ）は面積Ａで示され、曲線Ｐ上の点Ａが電力動作点（電力点）となる。
同様に、電流がＡ２で電圧がＶ２の時の電力（Ｐ）は面積Ｂで示され、曲線Ｐ上の点Ｂが電力動作点、電流がＡ３で電圧がＶ３の時の電力（Ｐ）は面積Ｃで示され、曲線Ｐ上の点Ｃが電力動作点となる。図１０で最大の発電電力は出力電圧（Ｖ）×出力電流（Ｉ）の面積が最大となる電力動作点Ｂで示される電流がＡ２で電圧がＶ２の場合である。この電力動作点をＢとなるようにＰＶパネルの電流と電圧を選定するのが最大電力点追従制御（ＭＰＰＴ）である。
図１１は、太陽光の照射量をパラメータとしたＰＶパネルの発電電力の関係を説明する図で、横軸は電圧（Ｖ）、縦軸左は電流（Ａ），縦軸右は電力（Ｗ）を示す。図中、曲線Ｓ１〜Ｓ５はパラメータであるＰＶパネルの照射光量（Incident Irrad.=Ｗ／ｍ２）毎のＰＶパネルの出力電圧―出力電流の変化を示す特性曲線（すなわち、照射光量別電圧電流曲線）である。そして、曲線Ｓ５は最大照射光量時の電圧電流曲線で、曲線Ｓ１〜Ｓ５に付けた○印（Ｍ１〜Ｍ５）はＰＶパネルの照射光量を上記曲線Ｓ１〜Ｓ５の最大出力電力点を示す。図１１はソーラーパネル温度を２５℃とした場合の測定例を説明するものである。
また、曲線Ｐ５はＰＶパネルの設置個所の最大照射光量Ｓ５（Ｗ／ｍ２）での出力電力の特性（電圧電力曲線）を示す。なお、ＰＶパネルの設置個所の照射光量Ｓ１〜Ｓ４（Ｗ／ｍ２）での出力電力の特性についても曲線Ｓ５と同様の曲線が描画されるが、図１１では省略した。点Ｍ１〜Ｍ５は、照射光量別の電圧（横軸）×電流（縦軸）＝電力の最大点を示し、点Ｍ５は曲線Ｓ５における電圧（横軸）×電流（縦軸）＝電力の最大点を示す。なお、点Ａ５は曲線Ｐ５における電力の最大点を示す。
図１１では、当該ＰＶパネルの設置個所の最大照射光量Ｓ５（Ｗ／ｍ２）での発電最大電力は点Ｍ５（○印）となり、この点Ｍ５（○印）が曲線Ｐ５の最大出力電力点Ａ５（◇印）になる。図１１では、Ｍ５の縦軸の値（左側目盛：電流値）×横軸の値（下側目盛：電圧値）である電力値が、Ａ６の縦軸の値（右側目盛：電力値）である電力値と一致する。ＰＶパネルの出力電流が点Ｍ５での出力電流よりも高い（＝出力電圧が低い：図１１の紙面に向かって左側）、あるいは低い（＝出力電圧が高い：図１１の紙面に向かって右側）場合は、曲線Ｐ５で示されたように、出力電力は最大出力電力点Ａ５（◇印）より小さくなる。
この種の従来技術を開示したものとしては、特許文献１、特許文献２、特許文献３、特許文献４、特許文献５、非特許文献１、非特許文献２などを挙げることができる。
特開２００６−２５２３２０号公報 特開２０１１―１０９９０１号公報 特開２００６−１０１５８１号公報 特開２０１１―１７０８３６号公報 特開２０１３―５４１９３０号公報
An improved perturbation and observation MPPT method of photovoltaic generate system Liu Chun-xia; Liu Li-qun Industrial Electronics and Applications, 2009. ICIEA 2009. 4th IEEE Conference on DOI: 10.1109/ICIEA.2009.5138752 Publication Year: 2009, Page(s): 2966- 2970 太陽電池活用の基礎と応用 ２０１１年５月１日 ＣＱ出版株式会社発行
基本的に、太陽光パネル（ＰＶパネル）の電力出力は当該パネルに照射される光量により変化するが、特に夜明け等の光量が小さいときは電力出力も小さく内部インピーダンスが高くなっている。内部インピーダンスが高い状況で負荷を接続すると電圧が下がって電力源として正常な動作ができないため、この状況下でも電力源として安定に動作する制御が必要となる。なお、照射光のエネルギーが変化しても電力出力が最大となる電圧値の無負荷電圧に対する比に大幅な変化がなく、簡易的にＰＶパネルの最大出力が得られる電圧を無負荷電圧の８０％とする。これにより、ほとんど９０％以上の効率で発電電力を利用できる。
図１２は、本発明の制御対象となる従来のＰＶオプティマイザの基本構成を説明する回路図である。また、図１３は、図１２のスィッチングレギュレータを含む回路構成するスイッチングトランジスタのゲート信号のレベルで示す動作波形図である。図１２において、ＰＶパネル（図示せず）の「＋」出力と「−」出力は、それぞれオプティマイザ１００のＰＶ入力１０１（ＩＮ＋）とＰＶ入力１０２（ＩＮ−）：接地に入力する。Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３、Ｑ４、Ｑ５は第１、第２、第３、第４、第５のスイッチングトランジスタで、Ｎチャンネル電力用ＭＯＳＦＥＴを用いている。この回路では、図示のエンハンスメント型が好適であるが、同様の機能を有するものであればこれに限らない。Ｌ１は、一端ａがＰＶ入力１０１に接続され、他端ｂが第１のスイッチングトランジスタＱ１と第２のスイッチングトランジスタＱ２及び第４のスイッチングトランジスタＱ４のドレイン端子に接続されたインダクタンスである。
また、Ｔ１はトランスで、一次巻線（一次側）の一端ａが第２のスイッチングトランジスタＱ２のソース電極と第３のスイッチングトランジスタＱ３のドレイン電極に接続され、他端ｂが第４のスイッチングトランジスタＱ４のソース電極と第５のスイッチングトランジスタＱ５のドレイン電極に接続されている。トランスＴ１の二次巻線（二次側）の前記一次側の一端ａと同極である一端ｃは第１のダイオードＤ１のアノードと第２のダイオードＤ２のカソードに接続され、他端ｄは直列接続された第１のコンデンサＣ１と第２のコンデンサＣ２の直列接続点に接続される。第１のコンデンサＣ１の遊端は第１のダイオードＤ１のカソードに接続されると共にオプティマイザ出力の一方１０４（ＯＵＴ＋）に接続される。そして、第２のコンデンサＣ２の遊端は第２のダイオードＤ２のアノードに接続されると共にオプティマイザ出力の他方１０４（ＯＵＴ−）に接続される。
なお、第１のスイッチングトランジスタＱ１のソース、第３のスイッチングトランジスタＱ３のソース、第５のスイッチングトランジスタＱ５のソースは接地に接続される。第２のトランジスタＱ２と第４のスイッチングトランジスタＱ４はハイサイドドスイッチを構成し、第３のスイッチングトランジスタＱ３と第５のスイッチングトランジスタＱ５はローサイドスイッチを構成する。
図１２に示したＰＶオプティマイザ１００が通常の動作をしているときは、第１のスイッチングトランジスタＱ１、第２のスイッチングトランジスタＱ２、第３のスイッチングトランジスタＱ３、第４のスイッチングトランジスタＱ４、第５のスイッチングトランジスタＱ５の各ゲート信号Ｑ１−Ｇ、Ｑ２−Ｇ、Ｑ３−Ｇ、Ｑ４−Ｇ、Ｑ５−Ｇは図１３に示したようになっている。第１〜第５のスイッチングトランジスタＱ１、Ｑ２、Ｑ３、Ｑ４、Ｑ５の各ゲート信号Ｑ１−Ｇ、Ｑ２−Ｇ、Ｑ３−Ｇ、Ｑ４−Ｇ、Ｑ５−Ｇの生成手段は後述する。このＰＶオプティマイザ１００はブリッジ型の昇圧・倍電圧整流回路である。
図１３において、スイッチング周波数は、例えば５０ｋＨｚであり、その１周期Ｔの前半をＡ、後半をＢとし、前半、後半における各ゲート信号Ｇがハイレベル（Ｈ）で対応するトランジスタがＯＮ、ローレベル（Ｌ）でＯＦＦとなる。
通常動作状態では、周期Ｔの前半Ａのときは、Ａａ区間で第１〜第５のスイッチングトランジスタＱ１〜Ｑ５は全てＯＮにしてインダクタンスＬ１を励磁し、Ａｂ区間になると第１のスイッチングトランジスタＱ１、第３のスイッチングトランジスタＱ３、第４のスイッチングトランジスタＱ４をＯＦＦすることで第２のスイッチングトランジスタＱ２と第５のスイッチングトランジスタＱ５がＯＮとなる。これにより、トランスＴ１の一次側の一端ａがプラス（＋）、他端ｂが接地（ＧＮＤ）となってトランスＴ１が一端ａから他端ｂ方向に励磁される。
１周期の後半Ｂに入ると、再度Ｂａ区間で第１〜第５のスイッチングトランジスタＱ１〜Ｑ５のすべてをＯＮにしてインダクタンスＬ１を励磁し、Ｂｂ区間になると第１のスイッチングトランジスタＱ１，第２のスイッチングトランジスタＱ２，第５のスイッチングトランジスタＱ５をＯＦＦすることで、第３のスイッチングトランジスタＱ３と第４のスイッチングトランジスタＱ４だけがＯＮとなって、今度はトランスＴ１の一次側の他端ｂがプラス（＋）、トランスＴ１の一次側の一端ａが接地（ＧＮＤ）となって、トランスＴ１が上記と逆に他端ｂから一端ａ方向に励磁される。
これでスイッチング周波数の１周期の動作が終了し、その後はその繰り返しとなる。トランンスＴ１の２次側は、１次側と同様に、スイッチング周波数の半周期（Ｔ／２）毎にプラス（＋）とマイナス（−）を繰り返し、第１のダイオードＤ１、第２のダイオードＤ２と第１のコンデンサＣ１、第２のコンデンサＣ２による倍電圧整流によって、トランスＴ１の２次側電圧の２倍に昇圧された電圧が得られる。なお、第１のスイッチングトランジスタＱ１は無くても良いが、これを設けたことによって第２のスイッチングトランジスタＱ２〜第５のスイッチングトランジスタＱ５がＯＮとなった時のＯＮ抵抗を下げ、負担を軽くすることができる。
通常の動作をしているときは、図１３に示したゲート信号によって動作しており、スイッチング周期Ｔの前半ＡのＡａ区間および後半ＢのＢａ区間のパルス幅を変えるＰＷＭ制御と、スイッチング周期Ｔの前半Ａと後半Ｂの時間、即ち周期を変えるＰＦＭ制御を行っている。
ＰＶパネルが低出力であっても、電力源として安定に動作させるため、図１２のインダクタンスＬ１を励磁する時間（図１３に示されたスイッチング信号の周期Ｔ）のＡａ区間およびＢａ区間を非常に短いパルスで駆動するか、もしくはＡ＋Ｂの周期を非常に長くすることが有効である。
しかしながら、図１３に示したＡａ区間およびＢａ区間が短くなった場合、トランスＴ１があるために、第２のスイッチングトランジスタＱ２と第５のスイッチングトランジスタＱ５、もしくは第３のスイッチングトランジスタＱ３と第４のスイッチングトランジスタＱ４のＯＮする時間が長くなり、結局ＰＶパネルの出力を短絡することになってしまう。
図１４は、ＰＶパネルへの照射光量が少なくＡａ区間およびＢａ区間が短くなったときの各スイッチングトランジスタのスイッチング信号の波形図である。上記したＰＶパネルの出力の短絡を防止するため、図１４に示したように周期Ｔの前半のＡｂ区間の終端、および後半のＢｂ区間の終端から第２のスイッチングトランジスタＱ２および第４のスイッチングトランジスタＱ４を一定時間でＯＦＦして、Ａｃ区間およびＢｃ区間に示した状態にするように各スイッチングトランジスタのゲート信号を生成する。
特に、ＰＶパネルが非常に低出力状態にあるときは、上記Ａｃ区間およびＢｃ区間の時間を極力長くすることで、低電力でも安定な動作を続けることができる。しかし、上記のように第２のスイッチングトランジスタＱ２および第４のスイッチングトランジスタＱ４をＯＦＦにした瞬間にインダクタンスＬ１の他端ｂが解放状態になって非常に高いサージ電圧が発生する。その結果、第１のスイッチングトランジスタＱ１，第２のスイッチングトランジスタＱ２，第４のスイッチングトランジスタＱ４に上記のサージ電圧が加わり、これらのスイッチングトランジスタの破壊を引き起こす可能性がある。
本発明の目的は、ＰＶパネルが非常に低出力状態の低電力でも安定な動作を続行とすることにあり、その際のインダクタンスに生じるサージ電圧からトランジスタを保護する手段を備えた太陽光出力オプティマイザを用いた太陽光発電システムにおける出力最適採取制御方法および装置を提供することにある。
上記目的を達成するため、本発明に係る太陽光発電システムにおける出力最適採取制御方法および装置の構成例を挙げれば、次のとおりである。なお、各構成部分に対応する実施例の符号等を付記して構成を明確にした。
（１）出力が変動する太陽光発電パネル（ＰＶパネル）から安定的に電力を収穫する太陽光発電システムにおける出力最適採取制御方法は、
スイッチング周波数(Ｐfi〜Ｐfmax)でパルス周波数変調制御（ＰＦＭ）およびパルス幅変調制御（ＰＷＭ）で駆動されるスイッチングレギュレータを含むＤＣ−ＤＣコンバータで構成されて、前記太陽光パネルからのＤＣ入力電圧を所定のＤＣ高電圧に昇圧し、昇圧したＤＣ電圧を系統連携電圧に変換するためのオプティマイザを制御する出力最適採取制御のための制御装置５００はマイクロプロセッサ１０００を有し、
前記マイクロプロセッサ１０００は、無負荷入力電圧（Ｖii）を測定して初期測定値として設定し、スィッチングレギュレータのスィッチングパルスの幅（Ｐｗｉ）及びその周波数（Ｐｆｉ）をデフォルト値として設定するステップ［１］の実行後、
前記太陽光パネルからのＤＣ入力電力が所定値より小さい場合はパルス周波数変調制御（ＰＦＭ）により前記昇圧を制御する第１制御モードを実行し、
前記太陽光パネルからのＤＣ入力電力が所定値以上となった場合は、前記太陽光パネルの電力出力の増加で第１制御モードでの制御の限界に至ったとして、パルス幅変調制御（ＰＷＭ）により前記昇圧を制御する第２制御モードを実行することを特徴とする。
（２）前記（１）における前記第１制御モードは簡易ＭＰＰＴ処理モードであり、
前記初期測定値と前記デフォルト値を設定する前記ステップ［１］の実行後、
前記太陽光パネルから前記オプティマイザに入力する入力電圧（Ｖｉ）を無負荷入力電圧（Ｖii）の８０％（Ｖｉ８）と比較するステップ［２］を実行し、
前記ステップ［２］での比較結果が（Ｖｉ）＜（Ｖｉ８）なら前記スイッチング周波数(Ｐf)を下げるステップ［３］（パルス幅固定）を実行した後、
前記ステップ３で下げた周波数(Ｐf)をデフォルト周波数（Ｐfi）と比較するステップ［４］を実行し、
前記ステップ［４］での比較結果が、前記ステップ［３］で下げた周波数(Ｐf) ＜デフォルト周波数（Ｐfi）の場合は前記ステップ［１］に戻り、
前記ステップ［４］での比較結果が、前記ステップ［３］で下げた周波数(Ｐf) ≧デフォルト周波数（Ｐfi）の場合は前記ステップ［２］に戻り、
前記ステップ［２］での比較結果が（Ｖｉ）≧（Ｖｉ８）の場合は、周波数(Ｐf)を設定された最大周波数（Ｐｆｍａｘ）と比較するステップ［５］を実行し、
前記ステップ［５］での比較結果が前記スイッチング周波数(Ｐf) ＜最大スイッチング周波数（Ｐｆｍａｘ）の場合は前記スイッチング周波数(Ｐf)を上げるステップ［６］（パルス幅固定）を実行して前記ステップ[２]に戻り、
前記ステップ［５］での比較結果が前記スイッチング周波数(Ｐf) ≧最大スイッチング周波数（Ｐｆｍａｘ）なら、周囲が明るくなり電力出力がスイッチング周波数(Ｐf)を上げるＰＦＭ制御の限界に至ったとして、前記第１制御モードから前記第２制御モードに移行することを特徴とする。
（３）前記（１）における前記第２制御モードは最大電力出力点追従（ＭＰＰＴ）制御モードであり、
前記太陽光パネルの電力出力の増加で前記第１制御モードでの制御の限界に至ったことを示す前記スイッチング周波数(Ｐf) ≧最大スイッチング周波数（Ｐｆｍａｘ）の判断結果に従い、前記スイッチングパルスの幅Ｐｗを上げる（デューティＰｄを上げる）ステップ[７]を実行した後、
前記スイッチングパルスの幅（Ｐｗ）を上げた時の前記太陽光パネルの電力出力（ＰＯ＝Ｖ０×Ｉ０）を測定するステップ［８］を実行して、
最大電力出力点追従（ＭＰＰＴ）制御を行うステップ［９］を実行し、
最大電力出力点追従（ＭＰＰＴ）制御の結果（最大電力出力ＰＯ）が最大電力出力点（ＰＯmax）の電流を超えているか否かを判断するステップ［１０］を実行し、
前記ステップ［１０］で最大電力出力ＰＯ＜最大電力出力点（ＰＯmax）の場合は前記スイッチングパルスの幅Ｐｗを上げる（デューティＰｄを上げる）前記ステップ[７]に戻り、
前記ステップ［１０］で最大電力出力ＰＯ≧最大電力出力点（ＰＯmax）の場合は前記スイッチングパルスの幅Ｐｗを下げる（デューティＰｄを下げる）ステップ[１１]を実行した後、
前記スイッチングパルスの幅（Ｐｗ）をデフォルト値（Ｐｗｉ）と比較するステップ［１２］を実行し、
前記ステップ［１２］でスイッチングパルスの幅（Ｐｗ）≧デフォルト値（Ｐｗｉ）の場合は太陽光パネルの電力出力（ＰＯ＝Ｖ０×Ｉ０）を測定する前記ステップ［８］に戻り、
前記ステップ［１２］で前記スイッチングパルスの幅（Ｐｗ）＜デフォルト値（Ｐｗｉ）の場合は、周囲が暗くなり太陽光パネルの電力出力が小さくなって前記スイッチングパルスの幅（Ｐｗ）を下げるＰＷＭ制御の限界に至ったとして、前記第２制御モードから前記第1制御モードのステップ［１］に戻ることを特徴とする。
（４）出力が変動する太陽光パネルから安定的に電力を収穫する太陽光発電システムにおける出力最適採取制御装置は、
スイッチング周波数(Ｐfi)でパルス周波数変調制御（ＰＦＭ）およびパルス幅変調制御（ＰＷＭ）で駆動されるスイッチングレギュレータを含むＤＣ−ＤＣコンバータで構成されて、前記太陽光パネルからのＤＣ入力電圧を所定のＤＣ高電圧に昇圧し、昇圧したＤＣ電圧を系統連携電圧に変換するためのオプティマイザを制御する制御装置５００を有し、
前記制御装置５００は、マイクロプロセッサ１０００と、センサ群２０００と、ＭＯＳドライバ群３０００で構成され、
前記マイクロプロセッサ１０００は、制御ロジック部１００１と、最大出力電力点追従制御部（ＭＰＰＴ制御部）１００２と、ＰＷＭ制御部１００３と、ＰＦＭ制御部１００４と、入出力ポート１００５と、前記制御装置５００の動作時間を制御するタイマ制御部１００６と、初期測定部１００７とをバスライン１００８で接続してなり、
前記センサ群２０００は、太陽光パネル電圧検知回路（ＰＶ電圧検知回路）１１０１と太陽光パネル電流検知回路（ＰＶ電流検知回路）１１０２、オプティマイザの出力電圧検知回路１２０１とオプティマイザの出力電流検知回路１２０２を有し、
前記ＭＯＳドライバ群３０００は、前記マイクロプロセッサ１０００に有する入出力ポート１００５に接続されて前記オプティマイザを構成するＭＯＳスィッチングトランジスタ群をＯＮ／ＯＦＦするためのゲート信号を生成する複数のハイサイドＭＯＳドライバと複数のローサイドＭＯＳドライバを有し、
前記センサ群２０００の検知出力に基づく前記制御ロジック部１００１による演算で生成された前記オプティマイザを構成する前記ＭＯＳドライバ群３０００のスィッチングトランジスタをＯＮ／ＯＦＦするゲート信号を前記入出力ポート１００５を通して供給することを特徴とする。
（５）前記（４）における前記制御ロジック部１００１は、
太陽光パネルからの入力電圧（Ｖｉ）をその無負荷入力電圧(Ｖｉｉ)の８０％（Ｖｉ８）と比較するＶｉ／Ｖｉ８比較部１０１１と、前記ＭＯＳスィッチングトランジスタ群をＯＮ／ＯＦＦするゲート信号のスィッチング周波数（Ｐｆ）と予め設定されている最大スィッチング周波数（Ｐｆｍａｘ）比較をするＰｆ／Ｐｆｍａｘ比較部１０１２と、前記オプティマイザの出力電圧を測定して前記ＭＰＰＴ制御部１００２にＭＰＰＴ制御を実行させるＰＯ測定部１０１３と、前記Ｖｉ／Ｖｉ８比較部１０１１の比較結果とＰｆ／Ｐｆｍａｘ比較部１０１２の比較結果で前記スィッチング周波数を上下させる簡易ＭＰＰＴ制御のための簡易ＭＰＰＴ処理部１０１４と、前記スィッチング周波数（Ｐｆ）と前記スィッチング周波数のデフォルト値（Ｐｆｉ）を比較するＰｆ／Ｐｆｉ比較部１０１５と、前記ＭＰＰＴ制御部１００２による制御の結果得られる最大電力出力（ＰＯ）の履歴を記憶するメモリ１０１７と、現在の出力点を前記メモリに記憶されている最大電力出力点（ＰＯmax）と比較するＰＯ／ＰＯｍａｘ比較部１０１６を備えることを特徴とする。
（６）前記（４）又は（５）における前記オプティマイザは、
出力が変動する太陽光パネルの電力出力から安定的に電力を収穫するためのものであり、
太陽光パネルのＤＣ出力を入力するＰＶ入力手段２００と、前記ＰＶ入力手段に入力したＤＣ電圧を所定のパルス電圧もしくはＡＣ電圧に変換するスイッチング手段３００と、前記スイッチング手段３００の電力出力をさらに所定のＤＣ電圧に昇圧する倍電圧整流手段４００とからなり、
前記倍電圧整流手段４００のＤＣ電圧出力はＡＣ電圧出力に変換して外部系統に出力するパワーコンディショナ１５０に入力され、前記ＰＶ入力手段２００は、ＰＶパネルの「＋」出力に直列接続されるインダクタンスＬ１と、このインダクタンスＬ１に並列に接続され、ＰＶパネルの出力が小さくて通常の制御ができないときだけ当該インダクタンスＬ１の出力に生じるサージ電圧を吸収するように作用してＰＶパネルの出力が大きくなるとインダクタンスＬ１から自動的に切り離されるサージ保護回路２５０を具備することを特徴とする。
（７）前記（６）における前記太陽光出力オプティマイザ回路の前記サージ保護回路２５０は、
ＰＶパネルの（＋）出力を入力する入力ＰＶ入力（＋）に一端ａを接続したインダクタンスＬ１と、第３のダイオード（一方のダイオード）Ｄ３を介してソース電極を前記インダクタンスＬ１の一端ａに接続し、前記インダクタンスＬ１の他端ｂにドレイン電極を接続した（第６の）スイッチングトランジスタＱ６と、前記（第６の）スイッチングトランジスタＱ６のソース電極にドレイン電極を接続し、前記ソース電極を接地に接続した（第７の）スイッチングトランジスタＱ７と、前記（第６の）スイッチングトランジスタＱ６のソース電極と前記インダクタンスＬ１の一方の端子ａとの間に、前記（第６の）スイッチングトランジスタＱ６のソース電極にアノードを接続し、前記インダクタンスＬ１の一方の端子ａにカソードを接続した（第３の）ダイオードＤ３を接続してなり、
前記（第６の）スイッチングトランジスタＱ６のソース電極と前記（第７の）スイッチングトランジスタ（他方のスイッチングトランジスタ）Ｑ７のドレイン電極の接続点にカソードを接続し、アノードを接地に接続した（第４の）ダイオード（他方のダイオード）Ｄ４とで構成したことをと特徴とする。
（８）前記（６）における前記太陽光出力オプティマイザ回路の前記サージ保護回路２５０は、
ＰＶパネルの（＋）出力を入力する入力ＰＶ入力（＋）に一端ａを接続したインダクタンスＬ１と、第３のダイオード（一方のダイオード）Ｄ３を介してソース電極を前記インダクタンスＬ１の一端ａに接続し、前記インダクタンスＬ１の他端ｂにドレイン電極を接続した（第６の）スイッチングトランジスタＱ６と、前記（第６の）スイッチングトランジスタＱ６のソース電極と前記インダクタンスＬ１の一方の端子ａとの間に、前記（第６の）スイッチングトランジスタＱ６のソース電極にアノードを接続し、前記インダクタンスＬ１の一方の端子ａにカソードを接続した（第３の）ダイオードＤ３を接続してなり、
前記（第６の）スイッチングトランジスタＱ６のソース電極にカソードを接続し、アノードを接地に接続した（第４の）ダイオード（他方のダイオード）Ｄ４とで構成したことをと特徴とする。
（９）前記（６）における前記太陽光出力オプティマイザ回路の前記スイッチング手段３００は、
前記インダクタンスＬ１の他端ｂにドレイン電極を接続し、ソース電極を接地に接続した第１のスイッチングトランジスタＱ１と、前記インダクタンスＬ１の他端ｂにドレイン電極を接続し、ソース電極を前記倍電圧整流手段の一方の入力（倍電圧整流手段を構成するトランスＴ１の一次側の一端）に接続した第２のスイッチングトランジスタＱ２と、前記第２のスイッチングトランジスタＱ２のソース電極にドレイン電極を接続し、ソース電極を接地に接続した第３のスイッチングトランジスタＱ３と、前記インダクタンスＬ１の他端ｂにドレイン電極を接続し、ソース電極を前記倍電圧整流手段の他方の入力（倍電圧整流手段を構成するトランスＴ１の一次側の他端ｂ）に接続した第４のスイッチングトランジスタＱ４と、ドレイン電極を前記倍電圧整流手段の他方の入力（倍電圧整流手段を構成するトランスＴ１の一次側の他端ｂ）に接続し、ソース電極を接地に接続した第５のスイッチングトランジスタＱ５とで構成したことを特徴とする。
（１０）前記（４）において、前記太陽光出力オプティマイザ回路の前記スイッチング手段３００を構成する前記第２のスイッチングトランジスタＱ２と前記第４のスイッチングトランジスタＱ４はハイサイドスイッチとして動作し、前記第３のスイッチングトランジスタＱ３と前記第５のスイッチングトランジスタＱ５はローサイドスイッチとして動作することを特徴とする。
（１１）前記（４）において、前記太陽光出力オプティマイザ回路の前記昇圧手段４００は、
一次側の一端ａを前記スイッチング手段３００を構成する前記第２のスイッチングトランジスタＱ２のソース電極と前記第３のスイッチングトランジスタＱ３のドレイン電極に接続し、二次側に倍電圧昇圧回路を接続したトランスＴ１と、
前記トランスＴ１の前記二次側の一端ｃにアノードを接続し、カソードを前記倍電圧整流手段の「＋」出力端子（ＯＵＴ＋）に接続した第１のダイオードＤ１と、前記トランスＴ１の前記二次側の一端ｃにカソードを接続し、アノードを前記倍電圧整流手段の「−」出力端子（ＯＵＴ−）に接続した第２のダイオードＤ２と、
一端を前記トランスＴ１の前記二次側の他端ｄに接続し、他端を前記倍電圧整流手段の「＋」出力端子（ＯＵＴ＋）に接続した第１のコンデンサＣ１と、一端を前記トランスＴ１の前記二次側の他端ｄに接続し、他端を前記倍電圧整流手段の「−」出力端子（ＯＵＴ−）に接続した第２のコンデンサＣ２とで構成したことを特徴とする。
（１２）前記（６）〜（１１）の何れかにおける前記太陽光出力オプティマイザ回路を構成する前記スイッチングトランジスタは、エンハンスメント型Ｎチャンネル電力用ＭＯＳＦＥＴであることを特徴とする。
（１３）前記（６）〜（１１）の何れかにおける前記太陽光出力オプティマイザ回路の出力は、系統連系にＡＣ電力を供給するパワーコンディショナに接続されることを特徴とする。
（１４）前記（６）〜（１３）の何れかにおいて、前記太陽光出力オプティマイザ回路は複数のＰＶパネル毎に接続され、それらの出力を並列接続することを特徴とする。
本発明は、上記の構成、後述する発明の詳細な説明に記載された技術思想を逸脱することなく、種々の変更が可能であることは言うまでもない。
本発明に係る太陽光発電システムにおける電力最適採取制御方法では、前記太陽光パネルからのＤＣ入力電力が所定値より小さい場合はパルス周波数変調制御（ＰＦＭ）により前記昇圧を制御し（第１制御モードの実行）、前記太陽光パネルからのＤＣ入力電力が所定値以上となった場合は、前記太陽光パネルの電力出力の増加で第１制御モードでの制御の限界に至ったとして、パルス幅変調制御（ＰＷＭ）により前記昇圧を制御する（第２制御モードの実行）。このように、太陽光パネルからのＤＣ入力電力の大きさに応じてオプティマイザの動作を第１制御モードと第２制御モードに切替える制御を行なうことで、特に、太陽光パネルからのＤＣ入力電力が所定値より小さい低電力での動作を安定化し、太陽光パネルを照射する光エネルギーの変動に対して、システム全体での安定な動作を行なうことが可能となる。
本発明に用いる太陽光出力オプティマイザによれば、その入力回路に設けた保護回路の動作で前記したサージ電圧の発生を抑制し、スイッチングトランジスタの破壊を防止してＰＶパネルの出力変動に対しても安定した動作を得ることができる。
本発明に係る太陽光発電システムにおける電力最適採取制御装置を構成するオプティマイザを制御する機能ブロック図である。 本発明に係る太陽光発電システムにおける電力最適採取制御装置の実施例１に用いるオプティマイザの構成を説明する回路図である。 図１の回路を構成するスイッチングトランジスタのゲート信号のレベルで示す動作タイミング波形図である。 本発明に係る太陽光発電システムにおける電力最適採取制御方法を説明する処理の流れ図である。 本発明に係る太陽光発電システムにおける電力最適採取制御方法を説明する図２に続く処理の流れ図である。 太陽パネル発電システムにおける本発明に係る太陽光出力オプティマイザ回路の接続状態の説明図である。 本発明に係る太陽光発電システムにおける電力最適採取制御装置の実施例２に用いるオプティマイザの構成を説明する回路図である。 本発明に係る太陽光出力オプティマイザ回路の具体的構成例を示す回路図である。 一日の日射量の変化に対するＰＶパネルの発電電力量の説明図である。 最大電力点追従制御の説明図である。 太陽光の照射量をパラメータとしたＰＶパネルの発電電力の関係を説明する図である。 従来のＰＶオプティマイザの基本構成を説明する回路図である。 図１２の回路を構成するスイッチングトランジスタのゲート信号のレベルで示す動作波形図である。 ＰＶパネルへの照射光量が少ない場合のＡａ区間およびＢａ区間が短くなった場合の各スイッチングトランジスタのスイッチング信号の波形図である。
以下、本発明を実施するための形態を、実施例の図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明に係る本発明に係る太陽光発電システムにおける電力最適採取制御装置を構成するオプティマイザを制御する機能ブロック図である。この機能ブロック図は、図４、図５で後述する電力最適採取制御方法を説明する処理を実行する制御装置の構成を示す。この制御装置５００は、スイッチング周波数(Ｐfi)でパルス周波数変調制御（ＰＦＭ）およびパルス幅変調制御（ＰＷＭ）で駆動されるスイッチングレギュレータを含むＤＣ−ＤＣコンバータで構成され、前記太陽光パネルからのＤＣ入力電圧を所定のＤＣ高電圧に昇圧し、昇圧したＤＣ電圧を系統連携電圧に変換するためのオプティマイザを制御するものである。
この制御装置５００は、マイクロプロセッサ１０００と、センサ群２０００と、ＭＯＳドライバ群３０００で構成される。マイクロプロセッサ１０００は、制御ロジック部１００１と、最大出力電力点追従制御部（ＭＰＰＴ制御部）１００２と、ＰＷＭ制御部１００３と、ＰＦＭ制御部１００４と、入出力ポート１００５と、前記制御装置５００の動作時間を制御するタイマ制御部１００６と、初期測定部１００７とをバスライン１００８で接続して構成されている。
センサ群２０００は、太陽光パネル電圧検知回路（ＰＶ電圧検知回路）１１０１と太陽光パネル電流検知回路（ＰＶ電流検知回路）１１０２、オプティマイザの出力電圧検知回路１２０１とオプティマイザの出力電流検知回路１２０２を有している。
ＭＯＳドライバ群３０００は、マイクロプロセッサ１０００に有する入出力ポート１００５に接続されて前記オプティマイザを構成するパワーＭＯＳスィッチングトランジスタ群（Ｑ１〜Ｑ６）をＯＮ／ＯＦＦするためのゲート信号を生成する複数のハイサイドＭＯＳドライバ（１３０２，１３０４、１３０６）と複数のローサイドＭＯＳドライバ（１３０１、１３０３、１３０５）を有し、センサ群２０００の検知出力に基づく前記制御ロジック部１００１による演算で生成され、前記入出力ポート１００５を通して出力される制御信号を前記オプティマイザを構成する前記パワーＭＯＳドライバ群３０００のスィッチングトランジスタ（Ｑ１〜Ｑ６）をＯＮ／ＯＦＦするゲート信号に変換してする。なお、ＭＯＳトランジスタＱ７はＴＴＬレベルで動作する通常のトランジスタであるので、上記のようなドライバは必要としない。入出力ポートからの制御信号Ｑ７-ＧｉはそのままトランジスタＱ７にそのゲート制御信号Ｑ７-Ｇとして供給される。
制御ロジック部１００１は、太陽光パネルからの入力電圧（Ｖｉ）をその無負荷入力電圧(Ｖｉｉ)の８０％（Ｖｉ８）と比較するＶｉ／Ｖｉ８比較部１０１１を有する。前記したように、照射光のエネルギーが変化しても電力出力が最大となる電圧値の無負荷電圧に対する比に大幅な変化がなく、ほとんど９０％以上の効率で発電電力を利用できることから、簡易的には、ＰＶパネルの最大電力が得られる電圧を無負荷時電圧の８０％としている。
制御ロジック部１００１はさらに、前記ＭＯＳスィッチングトランジスタ群をＯＮ／ＯＦＦするゲート信号のスィッチング周波数（Ｐｆ）と予め設定されている最大スィッチング周波数（Ｐｆｍａｘ）比較をするＰｆ／Ｐｆｍａｘ比較部１０１２と、前記オプティマイザの出力電圧を測定して前記ＭＰＰＴ制御部１００２にＭＴＴＰ制御を実行させるＰＯ測定部１０１３と、前記Ｖｉ／Ｖｉ８比較部１０１１の比較結果とＰｆ／Ｐｆｍａｘ比較部１０１２の比較結果で前記スィッチング周波数を上下させる簡易ＭＰＰＴ制御のための簡易ＭＰＰＴ処理部１０１４と、前記スィッチング周波数（Ｐｆ）と前記スィッチング周波数のデフォルト値（Ｐｆｉ）を比較するＰｆ／Ｐｆｉ比較部１０１５と、前記ＭＰＰＴ制御部１００２による制御の結果得られる最大電力出力（ＰＯ）を最大電力出力点（ＰＯmax）と比較するＰＯ／ＰＯｍａｘ比較部１０１６と、前記ＭＰＰＴ制御部１００２による制御の結果得られる最大電力出力（ＰＯ）の履歴を記憶するメモリ１０１７を備えている。
図２は、本発明に係る太陽光発電システムにおける電力最適採取制御装置の実施例１に用いるオプティマイザの構成を説明する回路図である。また、図３は、図２のオプティマイザの回路を構成するスイッチングトランジスタのゲート信号のレベルで示す動作タイミング波形図である。図３には、本実施例の動作説明を明確にするため、前記した従来技術における動作タイミング波形も含む。
図２に示した本発明に係るＰＶオプティマイザ１００は、ＰＶ入力手段２００、スイッチング手段３００および倍電圧整流手段４００で構成される。スイッチング手段３００および倍電圧整流手段４００の構成は前記した従来のＰＶオプティマイザ回路と同様である。回路の動作、作用については、前記の従来技術の説明に負うところもあり、また、説明が重複する部分もある。
図２において、ＰＶパネル（図示せず）の「＋」出力と「−」出力は、それぞれオプティマイザ１００のＰＶ入力１０１（ＩＮ＋）とＰＶ入力１０２（ＩＮ−：接地）に入力する。Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３、Ｑ４、Ｑ５は第１、第２、第３、第４、第５のスイッチングトランジスタで、Ｎチャンネル電力用ＭＯＳＦＥＴ（パワーＭＯＳトランジスタ、パワーＭＯＳＦＥＴとも表記する）を用いている。この回路では、図示のエンハンスメント型が好適であるが、同様の機能を有するものであればこれに限らない。
ＰＶ入力手段２００を構成するインダクタンスＬ１のＰＶ入力１０１（ＩＮ＋）側（一端a）と前記インダクタンスＬ１の他端ｂにはサージ保護回路２５０が接続されている。このサージ保護回路２５０はインダクタンスＬ１に並列になるように接続されている。インダクタンスＬ１の他端ｂは第１のスイッチングトランジスタＱ１、第２のスイッチングトランジスタＱ２、第４のスイッチングトランジスタＱ４および第５のスイッチングトランジスタＱ５で構成されたスイッチング手段３００に接続されている。倍電圧整流手段４００のＤＣ電圧出力はＡＣ電圧出力に変換して外部系統に出力するパワーコンディショナ１５０に入力される（図６参照）。
倍電圧整流手段４００を構成するトランスＴ１の一次巻線（一次側）の一端ａは、スイッチング手段３００を構成する第２のスイッチングトランジスタＱ２のソース電極と第３のスイッチングトランジスタＱ３のドレイン電極に接続されている。そして、トランスＴ１の一次側の他端ｂは第４のスイッチングトランジスタＱ４のソース電極と第５のスイッチングトランジスタＱ５のドレイン電極に接続されている。
トランスＴ１の二次巻線（二次側）の前記一次側の一端ａと同極である一端ｃは第１のダイオードＤ１のアノードと第２のダイオードＤ２のカソードに接続され、他端ｄは直列接続された第１のコンデンサＣ１と第２のコンデンサＣ２の直列接続点に接続される。第１のコンデンサＣ１の遊端は第１のダイオードＤ１のカソードに接続されると共にオプティマイザ出力の一方１０４（ＯＵＴ＋）に接続される。そして、第２のコンデンサＣ２の遊端は第２のダイオードＤ２のアノードに接続されると共にオプティマイザ出力の他方１０５（ＯＵＴ−）に接続される。
なお、スイッチング手段３００を構成する第１のスイッチングトランジスタＱ１のソース、第３のスイッチングトランジスタＱ３のソース、第５のスイッチングトランジスタＱ５のソースは接地に接続される。第２のトランジスタＱ２と第４のスイッチングトランジスタＱ４はハイサイドドスイッチを構成し、第３のスイッチングトランジスタＱ３と第５のスイッチングトランジスタＱ５はローサイドスイッチを構成する。
入力手段２００に設けられたサージ保護回路２５０は、ＰＶパネルの（＋）出力を入力する入力１０１（ＩＮ＋）に一端ａを接続したインダクタンスＬ１と、第３のダイオード（一方のダイオード）Ｄ３を介してソース電極をインダクタンスＬ１の一端ａに接続し、前記インダクタンスＬ１の他端ｂにドレイン電極を接続した第６のスイッチングトランジスタ（一方のスイッチングトランジスタ）Ｑ６と、第６のスイッチングトランジスタ（パワーＭＯＳＦＥＴ）Ｑ６のソース電極にドレイン電極を接続し、前記ソース電極を接地に接続した第７のスイッチングトランジスタ（他方のスイッチングトランジスタ：通常のＭＯＳＦＥＴ）Ｑ７と、前記第６のスイッチングトランジスタＱ６のソース電極と前記インダクタンスＬ１の一方の端子ａとの間に、前記第６のスイッチングトランジスタＱ６のソース電極にアノードを接続し、前記インダクタンスＬ１の一方の端子ａにカソードを接続した第３のダイオードＤ３を接続して構成される。
前記第６のスイッチングトランジスタＱ６のソース電極と前記第７のスイッチングトランジスタＱ７のドレイン電極の接続点にはカソードが接続され、アノードを接地に接続した第４のダイオード（他方のダイオード）Ｄ４を有する。この第４のダイオード（他方のダイオード）Ｄ４は、前記第７のスイッチングトランジスタＱ７の内部に存在する寄生ダイオード（回路図には不記載）で代用することができる場合は省略可能である。第７のスイッチングトランジスタＱ７の内部に存在する寄生ダイオードで代用することができる場合とは、寄生ダイオードの特性（最大順方向電流値等）が第４のダイオードに必要な特性を備えていることである。
このように、このオプティマイザでは、前記したインダクタンスＬ１に生じるサージ電圧の発生を抑えるため、入力回路内に第６のスイッチングトランジスタＱ６、もしくは第６のスイッチングトランジスタＱ６と第７のスイッチングトランジスタＱ７からなる回路を設けた構成に特徴を有する。
前記したように、ＰＶオプティマイザ１００の出力はパワーコンディショナ１５０（図６参照）に入力し、所定ＡＣ電圧として系統連系に出力する。
第６のスイッチングトランジスタＱ６および第７のスイッチングトランジスタＱ７は、ＰＶパネルの電力出力が小さくて通常の制御ができないときだけ作用し、電力出力が大きくなると、ＰＷＭ制御もしくはＰＦＭ制御により、途中で自動的にＱ６をＯＦＦしたままの状態となる。この「途中」は、ＰＷＭ制御もしくはＰＦＭ制御が実行されているスイッチング周期Ｔの前半または後半の範囲内の任意の時点である。
以下、サージ保護回路の動作について順を追って説明する。図中、Ｔはスイッチング周波数の１周期の期間を示し、「Ａ」は期間Ｔの前半、「Ｂ」は同後半を示す。「Ｑ１−Ｇ」〜「Ｑ７−Ｇ」は、図１に示された第１〜第７のスイッチングトランジスタＱ１〜Ｑ７をＯＮ・ＯＦＦさせるゲート信号（ゲートパルス）の印加レベルとそのタイミングである。ハイレベル「Ｈ」はスイッチングトランジスタをＯＮさせるゲート信号、ローレベル「Ｌ」はスイッチングトランジスタをＯＦＦさせるゲート信号である。
図３の[１]は、ＰＶパネルの出力が非常に小さいときのスイッチングトランジスタの制御タイミングを示す。図３の[１]の「Ａ」では、ゲート信号Ｑ１−ＧのパルスＡａの幅が非常に狭く（持続時間が短く）、ＰＶパネルの電力出力が小さくてもスイッチング手段３００への入力電圧があまり下がらない、即ち、負荷の影響が少ないパルス幅となっている。このパルスＡａのパルス幅の期間で励磁されたインダクタンスＬ１はパルスＡｂの期間で倍電圧整流手段４００を構成するトランスＴ１の一次側の一端ａに伝えられる。しかし、パルスＡｂの持続時間が長いと短絡状態となるため、トランスＴ１の一次側の一端ａを励磁する時間をパルスＡｂの持続時間に限定して第２のスイッチングトランジスタＱ２をＯＦＦする。
これにより、倍電圧整流手段４００のトランスＴ１と入力手段２００のインダクタンスＬ１は切断されるが、同時に追加した第６のスイッチングトランジスタＱ６を短絡することによりインダクタンスＬ１に発生するサージ電圧を吸収することができる。同時に、第３のスイッチングトランジスタＱ３もＯＮにしてトランスＴ１を短絡しておく。第７のスイッチングトランジスタＱ７はハイサイドドライバーの電源をチャージするため、第６のスイッチングトランジスタＱ６と逆相にしてＡａ＋Ａｂの期間内に充電をしておく。
図３の［１］における「Ｂ」も同様に、第１のスイッチングトランジスタＱ１−ＧのパルスＢａの幅を「Ａ」のパルスＡａと同様に非常に短くして、インダクタンスＬ１の励磁後にＢｂの限定された時間でトランスＴ１の一次側の他端ｂに伝え、第４のスイッチングトランジスタＱ４をＯＦＦする。
これにより、トランスＴ１とインダクタンスＬ１は切断されるので、同時に追加した第６のスイッチングトランジスタＱ６を短絡することによりインダクイタンスＬ１に発生するサージ電圧を吸収する。これと同時に、第５のスイッチングトランジスタＱ５もＯＮしてトランスＴ１を短絡しておく。第７のスイッチングトランジスタＱ７も同様に、第６のスイッチングトランジスタＱ６の逆相でＢａ＋Ｂｂの期間内にハイサイドドライバーの電源を充電しておく。
図３の[２]はＰＶパネルの電力出力が大きくなってきたときのスイッチングトランジスタの制御タイミングを示す。ＰＶパネルの電力出力が大きくなってくると、それを検知して制御すことにより、トランスＴ１は第１のスイッチングトランジスタＱ１のゲート信号Ｑ１−ＧのパルスＡａの幅とパルスＢａの幅を少し長くしてインダクタンスＬ１の励磁時間を増やす。インダクタンスＬ１の励磁後のトランスＴ１の伝達時間であるパルスＡｂとパルスＢｂの幅は第１のスイッチングトランジスタＱ１のゲート信号Ｑ１−Ｇのパルス幅に比例するように広く（時間が長く）なるよう制御する。そうしておくと、ゲート信号Ｑ１−ＧのパルスＡａの幅とパルスＢａの幅がある程度長くなって、トランスＴ１の伝達時間であるパルスＡｂとパルスＢｂの幅も広く（時間が長く）なり、同時に伝達がＯＦＦするパルスＡｃとパルスＢｃの時間が短くなる。
図３の[３]はＰＶパネルの電力出力が大きくなって通常の動作状態[４]に到達する過程でのスイッチングトランジスタの制御タイミングを示す。図３の[２]の制御を経ることで制御タイミングの波形は図３の[３]のようになり、通常の動作状態（図３の[４]）に変化する。
上記したように、ＰＶパネルの電力出力が非常に小さいときは、スィッチング周波数の周期Ｔを長くし、かつゲート信号のパルス幅も狭い状態としてスタートする。最大電力点追従制御（ＭＰＰＴ）をしながら、ＰＶパネルの電力出力が大きくなるにつれ周期を短くしていき、一定の周期になれば次にパルス幅を広くしていくことで、本来のＭＰＰＴ制御のＤＣ−ＤＣコンバータとして動作する。
これとは逆に、夕方に近づくときなど、ＰＶパネルの電力出力が徐々に小さくなってきたときは、これまでの説明と逆に、やはりＭＰＰＴ制御をしながら、パルス幅を狭めて行き、一定（最低限）のパルス幅まで小さくなれば、次に周期を長くしていき、最終的にデフォルトの状態で制御ができなくなるまで待機する。
図４は、本発明に係る太陽光発電システムにおける電力最適採取制御方法を説明する処理の流れ図である。また、図５は、本発明に係る太陽光発電システムにおける電力最適採取制御方法を説明する図４に続く処理の流れ図である。以下、図４と図５を用いて図２に示したオプティマイザを制御する図１の電力最適採取制御装置の処理の流れを説明する。
先ず、無付加ＰＶ電圧である無負荷入力電圧（Ｖii）を測定し、初期測定値として図１の初期測定部１００７に設定する。また、スィッチングレギュレータのスィッチングパルスの幅（Ｐｗｉ）及びその周波数（Ｐｆｉ）をデフォルト値として設定しておく・・・ステップ［１］（以下、ステップをＳ−１のように表記する）。
無負荷入力電圧（Ｖii）は、たとえば４５Ｖ、スィッチングレギュレータのスィッチングパルスの幅（Ｐｗｉ）は０．５μＳ、その周波数（Ｐｆｉ）は１ｋＨｚとした。なお、パルス幅（Ｐｗ）は図３のタイミング波形図におけるＡａまたはＢａに対応する（Ｐｗ＝ＡａorＢａ）。なお、上記のＰｗｉ、Ｐｆｉ、Ｖii等の後の「ｉ」は初期値（initialのｉ）を示す。
上記初期値とデフォルト値の設定するＳ−１の実行後、前記太陽光パネルからのＤＣ入力電圧が所定値より小さい場合はパルス周波数変調制御（ＰＦＭ）により前記昇圧を制御する第１制御モード（簡易ＭＰＰＴＴ処理モード）を実行し、前記太陽光パネルからのＤＣ入力電圧が所定値以上となった場合は、前記太陽光パネルの電力出力の増加で第１制御モードでの制御の限界に至ったとして、パルス幅変調制御（ＰＷＭ）により前記昇圧を制御する第２制御モード（ＭＰＰＴＴ処理モード）を実行する。
図４は、前記第１制御モードすなわち簡易ＭＰＰＴＴ処理モードでの処理の流れを示す。この第１制御モードでは、前記初期測定値と前記デフォルト値を設定する前記Ｓ−１の実行後、前記太陽光パネルから前記オプティマイザに入力する入力電圧（Ｖｉ）を無負荷入力電圧（Ｖii）の８０％（Ｖｉ８）と比較する・・・Ｓ−２。
前記Ｓ−２での比較結果が（Ｖｉ）＜（Ｖｉ８）なら前記スイッチング周波数(Ｐf)を下げる（パルス幅は固定）・・・Ｓ−３。
その後、前記Ｓ−３で下げた周波数(Ｐf)をデフォルト周波数（Ｐfi）と比較する・・・Ｓ−４。
前記Ｓ−４での比較結果が、前記Ｓ−３で下げた周波数(Ｐf) ＜デフォルト周波数（Ｐfi）の場合は前記Ｓ−１に戻り、前記Ｓ−４での比較結果が、前記Ｓ−３で下げた周波数(Ｐf) ≧デフォルト周波数（Ｐfi）の場合は前記Ｓ−２に戻り、前記Ｓ−２での比較結果が（Ｖｉ）≧（Ｖｉ８）の場合は、周波数(Ｐf)を設定された最大周波数（Ｐｆｍａｘ）と比較する・・・Ｓ−５。
前記Ｓ−５での比較結果が前記スイッチング周波数(Ｐf) ＜最大スイッチング周波数（Ｐｆｍａｘ）の場合は前記スイッチング周波数(Ｐf)を上げる（パルス幅固定）・・・Ｓ−６。
Ｓ−６の実行後、前記Ｓ−２に戻り、前記Ｓ−５での比較結果が前記スイッチング周波数(Ｐf) ≧最大スイッチング周波数（Ｐｆｍａｘ）なら、周囲が明るくなり電力出力がスイッチング周波数(Ｐf)を上げるＰＦＭ制御の限界に至ったとして、前記第２制御モードに移行する。
図５は、第２制御モードは最大電力出力点追従（ＭＰＰＴ）制御モードの処理の流れ図であり、前記太陽光パネルの電力出力の増加で前記第１制御モードでの制御の限界に至ったことを示す前記スイッチング周波数(Ｐf) ≧最大スイッチング周波数（Ｐｆｍａｘ）の判断結果に従い、前記スイッチングパルスの幅Ｐｗを上げる（デューティＰｄを上げる）・・・Ｓ−７。
前記Ｓ−７の実行後、前記スイッチングパルスの幅（Ｐｗ）を上げた時の前記太陽光パネルの出力電力（ＰＯ＝Ｖ０×Ｉ０）を測定する。測定された出力電力の値は図１に示したメモリ１０１７に最大出力電力測定値の履歴として記憶される。・・・Ｓ−８。
前記Ｓ−８の実行後、最大電力出力点追従（ＭＰＰＴ）制御を行う。現在の最大出力電力をメモリ１０１７に記憶されている最大出力電力の履歴と比較する。・・・Ｓ−９。
最大電力出力点追従（ＭＰＰＴ）制御の結果（最大電力出力ＰＯ）が最大電力出力点（ＰＯmax）の電流値を超えているか否かを判断する・・・Ｓ−１０。
前記Ｓ−１０で最大電力出力ＰＯ電流値＜最大電力出力点（ＰＯmax）電流値の場合は前記スイッチングパルスの幅Ｐｗを上げる（デューティＰｄを上げる）前記Ｓ−７に戻り、前記Ｓ−１０最大電力出力ＰＯ電流値≧最大電力出力点（ＰＯmax）電流値の場合は前記スイッチングパルスの幅Ｐｗを下げる（デューティＰｄを下げる）・・・Ｓ−１１。
前記Ｓ−１１を実行した後、前記スイッチングパルスの幅（Ｐｗ）をデフォルト値（Ｐｗｉ）と比較する・・・Ｓ−１２。
前記Ｓ−１２でスイッチングパルスの幅（Ｐｗ）≧デフォルト値（Ｐｗｉ）の場合は、太陽光パネルの電力出力（ＰＯ＝Ｖ０×Ｉ０）を測定する前記Ｓ−８に戻り、前記Ｓ−１２で前記スイッチングパルスの幅（Ｐｗ）＜デフォルト値（Ｐｗｉ）の場合は、周囲が暗くなり太陽光パネルの電力出力が小さくなって前記スイッチングパルスの幅（Ｐｗ）を下げるＰＷＭ制御の限界に至ったとして、前記第1制御モードのＳ−１に戻る。
図６は、太陽パネル発電システムにおける本発明に係る太陽光出力オプティマイザ回路の接続状態の説明図である。ＰＶパネル５０の出力は太陽光出力（ＰＶ）オプティマイザ１００の入力１０１（ＩＮ＋）と１０２（ＩＮ−）に接続される。ＰＶパネル５０の出力電圧範囲は、具体的に３０Ｖ〜６０Ｖ／３００Ｗ（ただし，電流は１０Ａｍａｘ）となっているが、定数等（例えば、トランンスＴ１の巻線比）の選択によりこの限りではない。
ＰＶオプティマイザ１００の出力１０４（ＯＵＴ＋）と１０５（ＯＵＴ−）はパワーコンディショナ１５０の入力１０６（ＤＣ＋）と１０７（ＤＣ−）に接続される。推奨するパワーコンディショナ１５０の入力電圧は７００〜８００Ｖの定電圧負荷であるが、ある程度の電圧範囲は許容される。上記定数等の選択により更に幅広い電圧範囲の入力が可能である。パワーコンディショナ１５０のＡＣ出力は図示しない系統連系等に接続される。
本発明に係る太陽光発電システムにおける電力最適採取制御方法および装置の実施例１によれば、前記太陽光パネルからのＤＣ入力電力が所定値より小さい場合はパルス周波数変調制御（ＰＦＭ）により前記昇圧を制御し（第１制御モードの実行）、前記太陽光パネルからのＤＣ入力電力が所定値以上となった場合は、前記太陽光パネルの電力出力の増加で第１制御モードでの制御の限界に至ったとして、パルス幅変調制御（ＰＷＭ）により前記昇圧を制御する（第２制御モードの実行）。このように、太陽光パネルからのＤＣ入力電力の大きさに応じてオプティマイザの動作を第１制御モードと第２制御モードに切替える制御を行なうことで、特に、太陽光パネルからのＤＣ入力電力が所定値より小さい低電力での動作を安定化し、太陽光パネルを照射する光エネルギーの変動に対して、システム全体での安定な動作を行なうことが可能となる。
そして、本発明に用いる太陽光出力オプティマイザは、その入力回路に設けた保護回路の動作で前記したサージ電圧の発生を抑制し、スイッチングトランジスタの破壊を防止してＰＶパネルの出力変動に対しても安定した動作を得ることができる。
図７は、本発明に係る太陽光発電システムにおける電力最適採取制御装置の実施例２に用いるオプティマイザの構成を説明する回路図である。前記実施例１では、入力手段２００に第６のスイッチングトランジスタＱ６と第７のスイッチングトランジスタＱ７で構成したサージ保護回路を設けた。実施理２では、入力手段２００に設けるサージ保護回路を、図２に示した回路から第７のスイッチングトランジスタＱ７を取り去り、第６のスイッチングトランジスタＱ６と第３のダイオードＤ３および第４のダイオードＤ４のみとしたものである。
図７に示したオプティマイザを用いた本発明の実施例２の動作は、実施例１の説明における第７のスイッチングトランジスタＱ７の部分を省いたものとなる。すなわち、ハイサイドドライバー電源を省略した回路である。
実施例２によっても、実施例１と同様に前記太陽光パネルからのＤＣ入力電力が所定値より小さい場合はパルス周波数変調制御（ＰＦＭ）により前記昇圧を制御し（第１制御モードの実行）、前記太陽光パネルからのＤＣ入力電力が所定値以上となった場合は、前記太陽光パネルの電力出力の増加で第１制御モードでの制御の限界に至ったとして、パルス幅変調制御（ＰＷＭ）により前記昇圧を制御する（第２制御モードの実行）。このように、太陽光パネルからのＤＣ入力電力の大きさに応じてオプティマイザの動作を第１制御モードと第２制御モードに切替える制御を行なうことで、特に、太陽光パネルからのＤＣ入力電力が所定値より小さい低電力での動作を安定化し、太陽光パネルを照射する光エネルギーの変動に対して、システム全体での安定な動作を行なうことが可能となる。
そして、ハイサイドドライバーを絶縁型の回路で構成すれば、入力回路に設けた保護回路の動作で前記したサージ電圧の発生を抑制し、スイッチングトランジスタの破壊を防止してＰＶパネルの出力変動に対しても安定した動作を得ることができる。
図８は、本発明の実施例１のオプティマイザ回路の具体的構成例を示す回路図で、図２で説明した実施例１のオプティマイザに対応する。図８における符号２００、２５０、３００、４００は、それぞれ図２の入力手段２００、サージ保護回路符号２５０、昇圧手段３００、倍電圧整流手段４００に対応する。また、図２におけるスイッチングトランジスタＱ１〜Ｑ７、ダイオードＤ１〜Ｄ４、コンデンサＣ１，Ｃ２、インダクタンスＬ１、トランスＴ１も図２の同符号に対応する。
図２に示した基本的なオプティマイザを実際の回路例として具体化したのが図８である。図８のドライバＩＣ１３０１ないし１３０６は図２のＭＯＳドライバ１３０１ないし１３０６に相当する。前記したように、第１ないし第６のトランジスタＱ１ないしＱ６はパワーＭＯＳトランジスタ（パワーＭＯＳＦＥＴ）であるために、制御ロジック部１００１の論理レベルの信号をパワーＭＯＳトランジスタ駆動のためのレベルに変換するドライバを設けている。第７のトランジスタＱ７のみは通常の論理レベルで駆動されるため、ドライバを要しない。すなわち、第１ないし第６のスイッチングトランジスタＱ１ないしＱ６をＯＮ／ＯＦＦするゲート制御信号Ｑ１―ＧｉないしＱ６−Ｇｉは図１のマイクロプロセッサ１０００から入出力ポート１００５を通してドライバＩＣ１３０１ないし１３０６に供給され、所定レベルのゲート信号Ｑ１−ＧないしＱ７−Ｇとして、スイッチングトランジスタＱ１ないしＱ７のそれぞれのゲートに印加される。
図８は本発明の実施例１に用いるオプティマイザの具体的な回路の一例であり、この他にも種々の変形が可能であることは言うまでもない。また、本発明の実施例２に係るオプティマイザの具体的な回路については、図８の回路から第７のスイッチングトランジスタＱ７に関する構成を省いたものとして実現することができる。
上記実施例では、本発明を、太陽パネルを用いた電力収穫システムに適用したものとして説明したが、電力出力が変動するエネルギー源、たとえば電池や蓄電器の昇圧システムなどにも同様に適用できる。
５０・・・太陽光パネル（ＰＶパネル）
１００・・・ＰＶオプティマイザ
１０１・・・ＰＶ入力（＋）
１０２・・・ＰＶ入力（−）
１０３・・・第７のスイッチングトランジスタＱ７のゲート端子
１０４・・・ＰＶ出力（＋）
１０５・・・ＰＶ出力（−）
１５０・・・パワーコンディショナ
２００・・・入力手段
２５０・・・サージ保護回路
３００・・・昇圧手段
４００・・・倍電圧整流手段
５００・・・制御装置
１０００・・・マイクロプロセッサ
１００１・・・制御ロジック部
１００２・・・最大出力電力点追従制御部（ＭＰＰＴ制御部）
１００３・・・ＰＷＭ制御部
１００４・・・ＰＦＭ制御部
１００５・・・入出力ポート
１００６・・・タイマ制御部
１００７・・・初期測定部
１００８・・・バスライン
１１０１・・・太陽光パネル電圧検知回路（ＰＶ電圧検知回路）
１１０２・・・太陽光パネル電流検知回路（ＰＶ電流検知回路）
１２０１・・・オプティマイザの出力電圧検知回路
１２０２・・・オプティマイザの出力電流検知回路
１０１３・・・ＰＯ測定部
１０１４・・・簡易ＭＰＰＴ処理部
１０１５・・・Ｐｆ／Ｐｆｉ比較部
１０１６・・・ＰＯ／ＰＯｍａｘ比較部
１０１７・・・メモリ
１３０１〜１３０６・・・パワーＭＯＳドライバ
Ｑ１〜Ｑ６・・・スイッチングトランジスタ（電力用パワーＭＯＳトランジスタ、パワーＭＯＳトランジスタ：パワーＭＯＳＦＥＴ）
Ｑ７・・・スイッチングトランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）
Ｄ１〜Ｄ４・・・ダイオード
Ｃ１，Ｃ２・・・コンデンサ
Ｌ１・・・インダクタンス
Ｔ１・・・トランス
１３０１〜１３０６・・・ドライバＩＣ
Ｑ１―Ｇｉ〜Ｑ６−Ｇｉ・・・パワーＭＯＳトランジスタＱ１〜Ｑ６のゲート制御信号
Ｑ７・・・ＭＯＳトランジスタＱ７のゲート制御信号
この種の従来技術を開示したものとしては、特許文献１、特許文献２、特許文献３、特許文献４、非特許文献１、非特許文献２などを挙げることができる。
特開２００６−２５２３２０号公報 特開２０１１―１０９９０１号公報 特開２００６−１０１５８１号公報 特開２０１３―５４１９３０号公報
（１）出力が変動する太陽光発電パネルから安定的に電力を収穫する太陽光発電システムにおける出力最適採取制御方法であって、
スイッチング周波数でパルス周波数変調制御およびパルス幅変調制御で駆動されるスイッチングレギュレータを含むＤＣ−ＤＣコンバータで構成されて、前記太陽光発電パネルからのＤＣ入力電圧を所定のＤＣ高電圧に昇圧するオプティマイザと、前記オプティマイザで昇圧したＤＣ電圧を系統連系電圧に変換するためのパワーコンディショナを制御する出力最適採取制御のための制御装置はマイクロプロセッサを有し、
前記マイクロプロセッサは、無負荷入力電圧Ｖiiを測定して初期測定値として設定し、スイッチングレギュレータのスイッチングパルスの幅Ｐｗｉ及び前記スイッチングレギュレータのスイッチング周波数Ｐｆｉをデフォルト値として設定するステップ１の実行後、
前記太陽光発電パネルからのＤＣ入力電力が所定値より小さい場合はパルス周波数変調制御により前記昇圧を制御する第１制御モードを実行し、
前記太陽光発電パネルからのＤＣ入力電力が所定値以上となった場合は、前記太陽光発電パネルの電力出力の増加で前記第１制御モードでの制御の限界に至ったとして、パルス幅変調制御により前記昇圧を制御する第２制御モードを実行するものであり、
前記第１制御モードは簡易最大電力出力点追従ＭＰＰＴ処理モードであり、
前記初期測定値と前記デフォルト値を設定する前記ステップ１の実行後、
前記太陽光発電パネルから前記オプティマイザに入力する入力電圧Ｖｉを無負荷入力電圧Ｖiiの８０％の電圧Ｖｉ８と比較するステップ２を実行し、
前記ステップ２での比較結果が電圧Ｖｉ＜電圧Ｖｉ８ならパルス幅固定で前記スイッチング周波数を下げるステップ３（パルス幅固定）を実行した後、
前記ステップ３で下げた周波数Ｐfをデフォルト周波数Ｐfiと比較するステップ４を実行し、
前記ステップ４での比較結果が、前記ステップ３で下げた周波数Ｐf ＜デフォルト周波数Ｐfiの場合は前記ステップ１に戻り、
前記ステップ４での比較結果が、前記ステップ３で下げた周波数Ｐf ≧デフォルト周波数Ｐfiの場合は前記ステップ２に戻り、
前記ステップ２での比較結果が電圧Ｖｉ≧電圧Ｖｉ８の場合は、周波数Ｐfを設定された最大周波数Ｐｆｍａｘと比較するステップ５を実行し、
前記ステップ５での比較結果が前記スイッチング周波数Ｐf ＜最大スイッチング周波数Ｐｆｍａｘの場合はパルス幅固定で記スイッチング周波数Ｐfを上げるステップ６（パルス幅固定）を実行して前記ステップ２に戻り、
前記ステップ５での比較結果が前記スイッチング周波数Ｐf ≧最大スイッチング周波数Ｐｆｍａｘなら、周囲が明るくなり電力出力がスイッチング周波数Ｐfを上げるＰＦＭ制御の限界に至ったとして、前記第１制御モードから前記第２制御モードに移行し、
前記第２制御モードは最大電力出力点追従（ＭＰＰＴ）制御モードであり、
前記太陽光発電パネルの電力出力の増加で前記第１制御モードでの制御の限界に至ったことを示す前記スイッチング周波数Ｐf ≧最大スイッチング周波数Ｐｆｍａｘの判断結果に従い、前記スイッチングパルスの幅ＰｗのデューティＰｄを上げるステップ７を実行した後、
前記スイッチングパルスの幅ＰｗのデューティＰｄを上げた時の前記太陽光発電パネルの電力出力ＰＯ＝Ｖ ０ ×Ｉ ０ を測定するステップ８を実行して、
前記最大電力出力点追従（ＭＰＰＴ）制御を行うステップ９を実行し、
前記最大電力出力点追従（ＭＰＰＴ）制御の結果、前記電力出力ＰＯが前記最大電力出力点ＰＯmaxを超えているか否かを判断するステップ１０を実行し、
前記ステップ１０で最大電力出力ＰＯ＜最大電力出力点ＰＯmaxの場合は前記スイッチングパルスの幅ＰｗのデューティＰｄを上げる（デューティＰｄを上げる）前記ステップ７に戻り、
前記ステップ１０で最大電力出力ＰＯ≧最大電力出力点ＰＯmaxの場合は前記スイッチングパルスの幅Ｐｗを下げるステップ１１を実行した後、
前記スイッチングパルスの幅Ｐｗをデフォルト値Ｐｗｉと比較するステップ１２を実行し、
前記ステップ１２でスイッチングパルスの幅Ｐｗ≧デフォルト値Ｐｗｉの場合は前記太陽光発電パネルの電力出力ＰＯ＝Ｖ ０ ×Ｉ ０ を測定する前記ステップ８に戻り、
前記ステップ１２で前記スイッチングパルスの幅Ｐｗ＜デフォルト値Ｐｗｉの場合は、周囲が暗くなり前記太陽光発電パネルの電力出力が小さくなって前記スイッチングパルスの幅Ｐｗを下げるＰＷＭ制御の限界に至ったとして、前記第２制御モードから前記第１制御モードの前記ステップ１に戻ることを特徴とする。
（２）出力が変動する太陽光発電パネルから安定的に電力を収穫する太陽光発電システムにおける出力最適採取制御装置であって、
スイッチング周波数でパルス周波数変調制御）およびパルス幅変調制御で駆動されるスイッチングレギュレータを含むＤＣ−ＤＣコンバータで構成されて、前記太陽光発電パネルからのＤＣ入力電圧を所定のＤＣ高電圧に昇圧するオプティマイザと、前記オプティマイザで昇圧したＤＣ電圧を系統連系電圧に変換するためのパワーコンディショナを制御する制御装置を有し、
前記制御装置は、マイクロプロセッサと、センサ群と、ＭＯＳドライバ群で構成され、
前記マイクロプロセッサは、制御ロジック部と、最大出力電力点追従制御部と、ＰＷＭ制御部と、ＰＦＭ制御部と、入出力ポートと、前記制御装置の動作時間を制御するタイマ制御部と、初期測定部とをバスラインで接続してなり、
前記センサ群は、太陽光発電パネル電圧検知回路と太陽光発電パネル電流検知回路、オプティマイザの出力電圧検知回路とオプティマイザの出力電流検知回路を有し、
前記ＭＯＳドライバ群は、前記マイクロプロセッサに有する入出力ポートに接続されて前記オプティマイザを構成するパワーＭＯＳスイッチングトランジスタ群をＯＮ／ＯＦＦするためのゲート信号を生成する複数のハイサイドＭＯＳドライバと複数のローサイドＭＯＳドライバを有し、
前記センサ群の検知出力に基づく前記制御ロジック部による演算で生成された前記オプティマイザを構成する前記ＭＯＳドライバ群のスイッチングトランジスタをＯＮ／ＯＦＦするゲート信号を、前記入出力ポートを通して供給するものであり、
前記制御ロジック部は、
太陽光発電パネルからの入力電圧Ｖｉをその無負荷入力電圧Ｖｉｉの８０％の電圧Ｖｉ８と比較するＶｉ／Ｖｉ８比較部と、前記ＭＯＳスイッチングトランジスタ群をＯＮ／ＯＦＦするゲート信号のスイッチング周波数Ｐｆと予め設定されている最大スイッチング周波数Ｐｆｍａｘ比較をするＰｆ／Ｐｆｍａｘ比較部と、前記オプティマイザの出力電圧を測定して前記最大出力電力点追従ＭＰＰＴ制御部に最大出力電力点追従ＭＴＴＰ制御を実行させる最大電力出力ＰＯ測定部と、前記Ｖｉ／Ｖｉ８比較部の比較結果とＰｆ／Ｐｆｍａｘ比較部の比較結果で前記スイッチング周波数を上下させる簡易最大出力電力点追従ＭＰＰＴ制御のための簡易最大出力電力点追従ＭＰＰＴ処理部と、前記スイッチング周波数Ｐｆ）前記スイッチング周波数のデフォルト値Ｐｆｉを比較するＰｆ／Ｐｆｉ比較部と、前記最大出力電力点追従ＭＴＴＰ制御部による制御の結果得られる最大電力出力ＰＯの履歴を記憶するメモリと、現在の出力点を前記メモリに記憶されている最大電力出力点ＰＯmaxと比較するＰＯ／ＰＯｍａｘ比較部とを備えたことを特徴とする。
（３）上記（２）における前記オプティマイザは、出力が変動する太陽光発電パネルの電力出力から安定的に電力を収穫するためのものであり、
前記太陽光発電パネルのＤＣ出力を入力する太陽光発電入力手段と、前記太陽光発電入力手段に入力したＤＣ電圧を所定のパルス電圧もしくはＡＣ電圧に変換するスイッチング手段と、前記スイッチング手段の電力出力をさらに所定のＤＣ電圧に昇圧する倍電圧整流手段とからなり、
前記倍電圧整流手段のＤＣ電圧出力はＡＣ電圧出力に変換して外部系統に出力するパワーコンディショナに入力され、
前記太陽光発電入力手段は、前記太陽光発電パネルの「＋」出力に直列接続されるインダクタンスＬ１と、前記インダクタンスＬ１に並列に接続され、前記太陽光発電パネルの出力が小さくて通常の制御ができないときだけ前記インダクタンスＬ１の出力に生じるサージ電圧を吸収するように作用して前記太陽光発電パネルの出力が大きくなると前記インダクタンスＬ１から自動的に切り離されるサージ保護回路を具備し、
前記サージ保護回路は、
前記太陽光発電ＰＶパネルの（＋）出力を入力する太陽光発電入力（＋）に一端ａを接続したインダクタンスＬ１と、第３のダイオードＤ３（一方のダイオード）を介してソース電極を前記インダクタンスＬ１の一端に接続し、前記インダクタンスＬ１の他端にドレイン電極を接続した第６のスイッチングトランジスタＱ６と、前記第６のスイッチングトランジスタＱ６のソース電極にドレイン電極を接続し、前記ソース電極を接地に接続した第７のスイッチングトランジスタＱ７と、前記第６のスイッチングトランジスタＱ６のソース電極と前記インダクタンスＬ１の一方の端子との間に、前記第６のスイッチングトランジスタＱ６のソース電極にアノードを接続し、前記インダクタンスＬ１の一方の端子にカソードを接続した前記第３のダイオードＤ３を接続してなり、
前記第６のスイッチングトランジスタＱ６のソース電極と前記第７のスイッチングトランジスタＱ７である他方のスイッチングトランジスタのドレイン電極の接続点にカソードを接続し、アノードを接地に接続した第４のダイオードＤ４である他方のダイオードとで構成したことを特徴とする。
（４）上記（２）における前記太陽光発電出力オプティマイザ回路の前記スイッチング手段は、
前記インダクタンスＬ１の他端にドレイン電極を接続し、ソース電極を接地に接続した第１のスイッチングトランジスタＱ１と、前記インダクタンスＬ１の他端にドレイン電極を接続し、ソース電極を前記倍電圧整流手段の一方の入力である倍電圧整流手段を構成するトランスの一次側の一端に接続した第２のスイッチングトランジスタＱ２と、前記第２のスイッチングトランジスタＱ２のソース電極にドレイン電極を接続し、ソース電極を接地に接続した第３のスイッチングトランジスタＱ３と、前記インダクタンスＬ１の他端にドレイン電極を接続し、ソース電極を前記倍電圧整流手段の他方の入力である倍電圧整流手段を構成するトランスの一次側の他端に接続した第４のスイッチングトランジスタＱ４と、ドレイン電極を前記倍電圧整流手段の他方の入力である倍電圧整流手段を構成するトランスの一次側の他端に接続し、ソース電極を接地に接続した第５のスイッチングトランジスタＱ５とで構成したことを特徴とする。
（５）上記（２）における前記太陽光発電出力オプティマイザ回路の前記スイッチング手段は、
前記インダクタンスＬ１の他端にドレイン電極を接続し、ソース電極を接地に接続した第１のスイッチングトランジスタＱ１と、前記インダクタンスＬ１の他端にドレイン電極を接続し、ソース電極を前記倍電圧整流手段の一方の入力であるすなわち倍電圧整流手段を構成するトランスの一次側の一端に接続した第２のスイッチングトランジスタＱ２と、前記第２のスイッチングトランジスタＱ２のソース電極にドレイン電極を接続し、ソース電極を接地に接続した第３のスイッチングトランジスタＱ３と、前記インダクタンスＬ１の他端にドレイン電極を接続し、ソース電極を前記倍電圧整流手段の他方の入力すなわち倍電圧整流手段を構成するトランスの一次側の他端に接続した第４のスイッチングトランジスタＱ４と、ドレイン電極を前記倍電圧整流手段の他方の入力である倍電圧整流手段を構成するトランスの一次側の他端に接続し、ソース電極を接地に接続した第５のスイッチングトランジスタＱ５とで構成したことを特徴とする。
（６）上記（２）における前記太陽光発電出力オプティマイザ回路の前記スイッチング手段を構成する前記第２のスイッチングトランジスタＱ２と前記第４のスイッチングトランジスタＱ４はハイサイドスイッチとして動作し、前記第３のスイッチングトランジスタＱ３と前記第５のスイッチングトランジスタＱ５はローサイドスイッチとして動作することを特徴とする。
（７）上記（２）における前記太陽光発電出力オプティマイザ回路の前記昇圧手段は、
一次側の一端を前記スイッチング手段を構成する前記第２のスイッチングトランジスタＱ２のソース電極と前記第３のスイッチングトランジスタＱ３のドレイン電極に接続し、二次側に前記倍電圧昇圧回路を接続したトランスと、
前記トランスの前記二次側の一端にアノードを接続し、カソードを前記倍電圧整流手段の「＋」出力端子に接続した第１のダイオードＤ１と、前記トランスの前記二次側の一端にカソードを接続し、アノードを前記倍電圧整流手段の「−」出力端子に接続した第２のダイオードＤ２と、
一端を前記トランスの前記二次側の他端に接続し、他端を前記倍電圧整流手段の「＋」出力端子に接続した第１のコンデンサＣ１と、一端を前記トランスの前記二次側の他端に接続し、他端を前記倍電圧整流手段の「−」出力端子に接続した第２のコンデンサＣ２とで構成したことを特徴とする。
（８）上記（３）又は（４）における前記太陽光発電出力オプティマイザ回路を構成する前記スイッチングトランジスタは、エンハンスメント型Ｎチャンネル電力用ＭＯＳＦＥＴであることを特徴とする。
（９）上記（３）又は（４）における前記太陽光発電出力オプティマイザ回路の出力は、系統連系に電力を供給するパワーコンディショナに接続されることを特徴とする。
（１０）上記（３）又は（４）における前記太陽光発電出力オプティマイザ回路は複数の太陽光発電パネル毎に接続され、それらの出力を並列接続することを特徴とする。

Claims (14)

  1. 出力が変動する太陽光発電パネルから安定的に電力を収穫する太陽光発電システムにおける出力最適採取制御方法であって、
    スイッチング周波数でパルス周波数変調制御およびパルス幅変調制御で駆動されるスイッチングレギュレータを含むＤＣ−ＤＣコンバータで構成されて、前記太陽光パネルからのＤＣ入力電圧を所定のＤＣ高電圧に昇圧し、昇圧したＤＣ電圧を系統連携電圧に変換するためのオプティマイザを制御する出力最適採取制御のための制御装置はマイクロプロセッサを有し、
    前記マイクロプロセッサは、無負荷入力電圧（Ｖii）を測定して初期測定値として設定し、スィッチングレギュレータのスィッチングパルスの幅（Ｐｗｉ）及びその周波数（Ｐｆｉ）をデフォルト値として設定するステップ１の実行後、
    前記太陽光パネルからのＤＣ入力電力が所定値より小さい場合はパルス周波数変調制御により前記昇圧を制御する第１制御モードを実行し、
    前記太陽光パネルからのＤＣ入力電力が所定値以上となった場合は、前記太陽光パネルの電力出力の増加で第１制御モードでの制御の限界に至ったとして、パルス幅変調制御により前記昇圧を制御する第２制御モードを実行することを特徴とする太陽光発電システムにおける電力最適採取制御方法。
  2. 請求項１において、
    前記第１制御モードは簡易ＭＰＰＴ処理モードであり、
    前記初期測定値と前記デフォルト値を設定する前記ステップ１の実行後、
    前記太陽光パネルから前記オプティマイザに入力する入力電圧（Ｖｉ）を無負荷入力電圧（Ｖii）の８０％（Ｖｉ８）と比較するステップ２を実行し、
    前記ステップ２での比較結果が（Ｖｉ）＜（Ｖｉ８）なら前記スイッチング周波数を下げるステップ３（パルス幅固定）を実行した後、
    前記ステップ３で下げた周波数(Ｐf)をデフォルト周波数（Ｐfi）と比較するステップ４を実行し、
    前記ステップ４での比較結果が、前記ステップ３で下げた周波数(Ｐf) ＜デフォルト周波数（Ｐfi）の場合は前記ステップ１に戻り、
    前記ステップ４での比較結果が、前記ステップ３で下げた周波数(Ｐf) ≧デフォルト周波数（Ｐfi）の場合は前記ステップ２に戻り、
    前記ステップ２での比較結果が（Ｖｉ）≧（Ｖｉ８）の場合は、周波数(Ｐf)を設定された最大周波数（Ｐｆｍａｘ）と比較するステップ５を実行し、
    前記ステップ５での比較結果が前記スイッチング周波数(Ｐf) ＜最大スイッチング周波数（Ｐｆｍａｘ）の場合は前記スイッチング周波数(Ｐf)を上げるステップ６（パルス幅固定）を実行して前記ステップ２に戻り、
    前記ステップ５での比較結果が前記スイッチング周波数(Ｐf) ≧最大スイッチング周波数（Ｐｆｍａｘ）なら、周囲が明るくなり電力出力がスイッチング周波数(Ｐf)を上げるＰＦＭ制御の限界に至ったとして、前記第１制御モードから前記第２制御モードに移行することを特徴とする太陽光発電システムにおける電力最適採取制御方法。
  3. 請求項１において、
    前記第２制御モードは最大電力出力点追従（ＭＰＰＴ）制御モードであり、
    前記太陽光パネルの電力出力の増加で前記第１制御モードでの制御の限界に至ったことを示す前記スイッチング周波数(Ｐf) ≧最大スイッチング周波数（Ｐｆｍａｘ）の判断結果に従い、前記スイッチングパルスの幅Ｐｗを上げる（デューティＰｄを上げる）ステップ７を実行した後、
    前記スイッチングパルスの幅（Ｐｗ）を上げた時の前記太陽光パネルの電力出力（ＰＯ＝Ｖ０×Ｉ０）を測定するステップ８を実行して、
    最大電力出力点追従（ＭＰＰＴ）制御を行うステップ９を実行し、
    最大電力出力点追従（ＭＰＰＴ）制御の結果（最大電力出力ＰＯ）が最大電力出力点（ＰＯmax）を超えているか否かを判断するステップ１０を実行し、
    前記ステップ１０で最大電力出力ＰＯ＜最大電力出力点（ＰＯmax）の場合は前記スイッチングパルスの幅Ｐｗを上げる（デューティＰｄを上げる）前記ステップ７に戻り、
    前記ステップ１０で最大電力出力ＰＯ≧最大電力出力点（ＰＯmax）の場合は前記スイッチングパルスの幅Ｐｗを下げるステップ１１を実行した後、
    前記スイッチングパルスの幅（Ｐｗ）をデフォルト値（Ｐｗｉ）と比較するステップ１２を実行し、
    前記ステップ１２でスイッチングパルスの幅（Ｐｗ）≧デフォルト値（Ｐｗｉ）の場合は太陽光パネルの電力出力（ＰＯ＝Ｖ０×Ｉ０）を測定する前記ステップ８に戻り、
    前記ステップ１２で前記スイッチングパルスの幅（Ｐｗ）＜デフォルト値（Ｐｗｉ）の場合は、周囲が暗くなり太陽光パネルの電力出力が小さくなって前記スイッチングパルスの幅（Ｐｗ）を下げるＰＷＭ制御の限界に至ったとして、前記第２制御モードから前記第１制御モードのステップ１に戻ることを特徴とする太陽光発電システムにおける電力最適採取制御方法。
  4. 出力が変動する太陽光パネルから安定的に電力を収穫する太陽光発電システムにおける出力最適採取制御装置であって、
    スイッチング周波数でパルス周波数変調制御）およびパルス幅変調制御で駆動されるスイッチングレギュレータを含むＤＣ−ＤＣコンバータで構成されて、前記太陽光パネルからのＤＣ入力電圧を所定のＤＣ高電圧に昇圧し、昇圧したＤＣ電圧を系統連携電圧に変換するためのオプティマイザを制御する制御装置を有し、
    前記制御装置は、マイクロプロセッサと、センサ群と、ＭＯＳドライバ群で構成され、
    前記マイクロプロセッサは、制御ロジック部と、最大出力電力点追従制御部（ＭＰＰＴ制御部）と、ＰＷＭ制御部と、ＰＦＭ制御部と、入出力ポートと、前記制御装置の動作時間を制御するタイマ制御部と、初期測定部とをバスラインで接続してなり、
    前記センサ群は、太陽光パネル電圧検知回路と太陽光パネル電流検知回路、オプティマイザの出力電圧検知回路とオプティマイザの出力電流検知回路を有し、
    前記ＭＯＳドライバ群は、前記マイクロプロセッサに有する入出力ポートに接続されて前記オプティマイザを構成するパワーＭＯＳスィッチングトランジスタ群をＯＮ／ＯＦＦするためのゲート信号を生成する複数のハイサイドＭＯＳドライバと複数のローサイドＭＯＳドライバを有し、
    前記センサ群の検知出力に基づく前記制御ロジック部による演算で生成された前記オプティマイザを構成する前記ＭＯＳドライバ群のスィッチングトランジスタをＯＮ／ＯＦＦするゲート信号を、前記入出力ポートを通して供給することを特徴とする太陽光発電システムにおける出力最適採取制御装置。
  5. 請求項４において、
    前記制御ロジック部は、
    太陽光パネルからの入力電圧（Ｖｉ）をその無負荷入力電圧(Ｖｉｉ)の８０％（Ｖｉ８）と比較するＶｉ／Ｖｉ８比較部と、前記ＭＯＳスィッチングトランジスタ群をＯＮ／ＯＦＦするゲート信号のスィッチング周波数（Ｐｆ）と予め設定されている最大スィッチング周波数（Ｐｆｍａｘ）比較をするＰｆ／Ｐｆｍａｘ比較部と、前記オプティマイザの出力電圧を測定して前記ＭＰＰＴ制御部にＭＴＴＰ制御を実行させるＰＯ測定部と、前記Ｖｉ／Ｖｉ８比較部の比較結果とＰｆ／Ｐｆｍａｘ比較部の比較結果で前記スィッチング周波数を上下させる簡易ＭＰＰＴ制御のための簡易ＭＰＰＴ処理部と、前記スィッチング周波数（Ｐｆ）と前記スィッチング周波数のデフォルト値（Ｐｆｉ）を比較するＰｆ／Ｐｆｉ比較部と、前記ＭＰＰＴ制御部による制御の結果得られる最大電力出力（ＰＯ）の履歴を記憶するメモリと、現在の出力点を前記メモリに記憶されている最大電力出力点（ＰＯmax）と比較するＰＯ／ＰＯｍａｘ比較部とを備えることを特徴とする太陽光発電システムにおける出力最適採取制御装置。
  6. 請求項４または５において、
    前記オプティマイザは、出力が変動する太陽光パネルの電力出力から安定的に電力を収穫するためのものであり、
    前記太陽光パネルのＤＣ出力を入力するＰＶ入力手段と、前記ＰＶ入力手段に入力したＤＣ電圧を所定のパルス電圧もしくはＡＣ電圧に変換するスイッチング手段と、前記スイッチング手段の電力出力をさらに所定のＤＣ電圧に昇圧する倍電圧整流手段とからなり、
    前記倍電圧整流手段のＤＣ電圧出力はＡＣ電圧出力に変換して外部系統に出力するパワーコンディショナに入力され、
    前記ＰＶ入力手段は、ＰＶパネルの「＋」出力に直列接続されるインダクタンスと、このインダクタンスに並列に接続され、ＰＶパネルの出力が小さくて通常の制御ができないときだけ当該インダクタンスの出力に生じるサージ電圧を吸収するように作用してＰＶパネルの出力が大きくなるとインダクタンスから自動的に切り離されるサージ保護回路を具備することを特徴とする太陽光発電システムにおける出力最適採取制御装置。
  7. 請求項６において、
    前記太陽光出力オプティマイザ回路の前記サージ保護回路は、
    ＰＶパネルの（＋）出力を入力する入力ＰＶ入力（＋）に一端ａを接続したインダクタンスと、第３のダイオード（一方のダイオード）を介してソース電極を前記インダクタンスの一端に接続し、前記インダクタンスの他端にドレイン電極を接続した第６のスイッチングトランジスタと、前記第６のスイッチングトランジスタのソース電極にドレイン電極を接続し、前記ソース電極を接地に接続した第７のスイッチングトランジスタと、前記第６のスイッチングトランジスタのソース電極と前記インダクタンスＬ１の一方の端子との間に、前記第６のスイッチングトランジスタのソース電極にアノードを接続し、前記インダクタンスの一方の端子にカソードを接続した第３のダイオードを接続してなり、
    前記第６のスイッチングトランジスタのソース電極と前記第７のスイッチングトランジスタである他方のスイッチングトランジスタのドレイン電極の接続点にカソードを接続し、アノードを接地に接続した第４のダイオードである他方のダイオードとで構成したことをと特徴とする太陽光発電システムにおける出力最適採取制御装置。
  8. 請求項６において、
    前記太陽光出力オプティマイザ回路の前記サージ保護回路は、
    ＰＶパネルの（＋）出力を入力する入力ＰＶ入力（＋）に一端を接続したインダクタンスと、第３のダイオードすなわち一方のダイオードを介してソース電極を前記インダクタンスの一端に接続し、前記インダクタンスの他端にドレイン電極を接続した第６のスイッチングトランジスタと、前記第６のスイッチングトランジスタのソース電極と前記インダクタンスの一方の端子との間に、前記第６のスイッチングトランジスタのソース電極にアノードを接続し、前記インダクタンスの一方の端子にカソードを接続した第３のダイオードを接続してなり、
    前記第６のスイッチングトランジスタのソース電極にカソードを接続し、アノードを接地に接続した第４のダイオードすなわち他方のダイオードとで構成したことをと特徴とする太陽光発電システムにおける出力最適採取制御装置。
  9. 請求項６において、
    前記太陽光出力オプティマイザ回路の前記スイッチング手段は、
    前記インダクタンスの他端にドレイン電極を接続し、ソース電極を接地に接続した第１のスイッチングトランジスタと、前記インダクタンスの他端にドレイン電極を接続し、ソース電極を前記倍電圧整流手段の一方の入力すなわち倍電圧整流手段を構成するトランスの一次側の一端に接続した第２のスイッチングトランジスタと、前記第２のスイッチングトランジスタのソース電極にドレイン電極を接続し、ソース電極を接地に接続した第３のスイッチングトランジスタと、前記インダクタンスの他端にドレイン電極を接続し、ソース電極を前記倍電圧整流手段の他方の入力すなわち倍電圧整流手段を構成するトランスの一次側の他端に接続した第４のスイッチングトランジスタと、ドレイン電極を前記倍電圧整流手段の他方の入力すなわち倍電圧整流手段を構成するトランスの一次側の他端に接続し、ソース電極を接地に接続した第５のスイッチングトランジスタとで構成したことを特徴とする太陽光発電システムにおける出力最適採取制御装置。
  10. 請求項４において、
    前記太陽光出力オプティマイザ回路の前記スイッチング手段を構成する前記第２のスイッチングトランジスタと前記第４のスイッチングトランジスタはハイサイドスイッチとして動作し、前記第３のスイッチングトランジスタと前記第５のスイッチングトランジスタはローサイドスイッチとして動作することを特徴とする太陽光発電システムにおける出力最適採取制御装置。
  11. 請求項４において、
    前記太陽光出力オプティマイザ回路の前記昇圧手段は、
    一次側の一端を前記スイッチング手段を構成する前記第２のスイッチングトランジスタのソース電極と前記第３のスイッチングトランジスタのドレイン電極に接続し、二次側に倍電圧昇圧回路を接続したトランスと、
    前記トランスの前記二次側の一端にアノードを接続し、カソードを前記倍電圧整流手段の「＋」出力端子に接続した第１のダイオードと、前記トランスの前記二次側の一端にカソードを接続し、アノードを前記倍電圧整流手段の「−」出力端子に接続した第２のダイオードと、
    一端を前記トランスの前記二次側の他端に接続し、他端を前記倍電圧整流手段の「＋」出力端子に接続した第１のコンデンサと、一端を前記トランスの前記二次側の他端に接続し、他端を前記倍電圧整流手段の「−」出力端子に接続した第２のコンデンサとで構成したことを特徴とする太陽光発電システムにおける出力最適採取制御装置。
  12. 請求項６乃至１１の何れかにおいて、
    前記太陽光出力オプティマイザ回路を構成する前記スイッチングトランジスタは、エンハンスメント型Ｎチャンネル電力用ＭＯＳＦＥＴであることを特徴とする太陽光発電システムにおける出力最適採取制御装置。
  13. 請求項６乃至１１の何れかにおいて、
    前記太陽光出力オプティマイザ回路の出力は、系統連系にＡＣ電力を供給するパワーコンディショナに接続されることを特徴とする太陽光発電システムにおける出力最適採取制御装置。
  14. 請求項６乃至１３の何れかにおいて、
    前記太陽光出力オプティマイザ回路は複数のＰＶパネル毎に接続され、それらの出力を並列接続することを特徴とする太陽光発電システムにおける出力最適採取制御装置。
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