JP2017192243A

JP2017192243A - 太陽光発電システム

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Publication number: JP2017192243A
Application number: JP2016081638A
Authority: JP
Inventors: 悠平河野; Yuhei Kono; 森　泰久; Yasuhisa Mori; 泰久森
Original assignee: Hitachi Appliances Inc
Current assignee: Hitachi Appliances Inc
Priority date: 2016-04-15
Filing date: 2016-04-15
Publication date: 2017-10-19

Abstract

【課題】出力変動を抑制しつつ発電電力上限値に近い高い発電電力を維持することが可能な太陽光発電システムを提供することを目的とする。【解決手段】電力変換器の定格出力に対して，太陽電池発電電力の定格出力の比率が１を超える太陽光発電システムや，電力上限値が定格出力未満に設定された場合に，制御する電圧変化量を小さくすることで，出力変動を抑制しつつ発電電力上限値に近い高い発電電力を維持することが可能な太陽光発電システムを提供する。【選択図】図３

Description

本発明は，太陽電池の発電電力を，電力変換装置を用いて変換して所望の電力を得る太陽光発電システムに関し，特に太陽電池に接続された変換器を制御することによって，太陽電池の電力の最大点を検出するとともに，検出した最大電力点で変換器を動作させる最大電力追従制御法に関するものである。

太陽電池の出力電圧と出力電流の特性は一般に図１に示すような非線形の特性となる。すなわち，電圧−電流特性は，電圧Vpv＝0において短絡電流Isc，開放電圧Vocにおいて電流Ipv＝0となる特性である。そのため，電圧−電力特性は，電圧Vpmaxにおいて最大電力値Pmaxを有する。このとき，Ipv＝Ipmaxである。またこの特性は日照条件や温度条件によって変化するため，太陽電池から効率よく電力を取り出すためには常にこの最大電力点を探索し，太陽電池に接続される電力変換器を制御して太陽電池の動作点が最大電力点となるように追従制御する必要がある。

最大電力追従制御法として一般によく知られた方法として，山登り法がある。山登り法は，電力変換器の入力電圧指令値を微小変更し，入力電圧指令値に応じて太陽電池の発電電力が増加するか減少するかを判定する。そして，この判定結果に依って次の電圧指令値の変更方向を決定して指令値の微小変更を繰返す方法である。山登り法を使用した最大電力追従制御としては，特許文献１や特許文献２に示された方法がある。

特開2014-166009号公報特開平10-117440号公報

特許文献１においては，パワーコンディショナの定格出力に対する太陽電池発電電力の定格出力の比率を過積載率と呼び，過積載率が１４０％となるような太陽光発電システムにおいて，直流電流または交流電流が予め設定された電流値を超える場合，パワーコンディショナの最大電力追従制御を中止し，非最大電力追従制御を行うことで，一定以上の電力を安定して得ることができる方法が示されている。非最大電力追従制御は，太陽電池の出力電流が設定値以上にあるとき，最大電力が得られる電圧値よりさらに動作電圧を高くして出力電流を下げる制御を行う。一定時間経過の後または一定値以上出力が低下した後，非最大電力追従を解除して最大電力追従制御を再開することにより，パワーコンディショナの出力電力を安定させることができると示されている。

特許文献１の実施例では，動作電圧および電流の両方を一定時間間隔でわずかに変動させる山登り法を用いて最大電力追従制御を行っている。しかし，図２に示すように，過積載率が１００％を超えるシステムにおいて，定格出力にて発電する場合，動作電圧の変動に対して電力変動量が大きい動作点で制御を行うことになるため発電電力が安定しない。また，設定された電流値よりも大幅に大きい電流で動作してしまうことで，パワーコンディショナが故障する懸念がある。

また，系統電圧の上昇を検知した場合や，電力会社からの指示により出力制御を行う場合など，パワーコンディショナの最大出力を定格出力よりも低くする必要が生じた場合も同様に非最大電力追従制御を実施するため，課題が生じることとなる。

これらの課題については，動作電圧の変動幅を小さくすることで改善するが，最大電力追従制御時の最大電力へ到達するまでの時間が長くなり，結果得られる発電量が小さくなるという別の課題が生じる。

本発明は、出力変動を抑制しつつ発電電力上限値に近い高い発電電力を維持することが可能な太陽光発電システムを提供することを目的とする。

本発明は，太陽電池と，前記太陽電池に接続される電力変換器を有する太陽光発電システムにおいて，前記電力変換器は，少なくとも1個のスイッチング素子と，前記太陽電池から前記電力変換器に流入する電流を検出して太陽電池電流を得る電流検出手段と，前記太陽電池から前記電力変換器に入力される電圧を検出して太陽電池電圧を得る電圧検出手段と，前記太陽電池電圧を目標電圧値に制御する電圧制御手段と，前記電流検出手段と前記電圧検出手段の検出値により演算した発電電力が最大となるよう電圧検出値を変化させ，目標電圧値を設定する目標電圧設定手段と，を具備するとともに，前記目標電圧値を算出するための電圧変化量を設定する電圧変化量設定手段と，を備え，前記電圧変化量設定手段は，一定期間内の前記発電電力の変化量と，現在の前記発電電力に応じて前記電圧変化量を切り替えるものである。

本発明によれば，一定期間の発電電力の変化量が大きい時や，発電電力上限値が定格出力未満に設定された時に，制御する電圧変化量を小さくすることで，出力変動を抑制しつつ発電電力上限値に近い高い発電電力を維持することが可能な太陽光発電システムを提供することができる。

太陽電池の電流−電圧特性，および電流−電力特性を示すグラフ過積載率による太陽電池特性の差異を示すグラフ本発明の実施例１の回路構成の一例本発明の実施例１における電圧変動幅設定手段の内部を示す図本発明の実施例１における電圧変化幅設定手段の動作フロー本発明の実施例２の回路構成の一例本発明の実施例２における電圧変動幅設定手段の内部を示す図本発明の実施例２における電圧変化幅設定手段の動作フロー

本発明の実施例を図３，図４，図５を用いて説明する。まず，図３において，１は太陽電池，２は電力変換器であるパワーコンディショナ，３は商用系統，４はDC-DCコンバータ，５は制御回路，６ａ，６ｂは電圧検出手段である分圧抵抗，７は電流検出手段である電流センサ，８はチョークコイル，９はスイッチング素子であるパワーMOSFET，１０は昇圧ダイオード，１１はコンデンサ，１２は系統連系インバータ，１３ａ，１３ｂはAD変換器，１４は乗算器，１５は電圧変化量設定手段，１６は目標電圧設定手段である目標電圧算出手段，１７はＲＡＭ，１８は減算器，１９は電圧制御手段であるＰＩ制御ブロック，２０はＰＷＭ回路である。

図３において，パワーコンディショナ２の内部にはDC-DCコンバータ４，系統連系インバータ１２，制御回路５がある。太陽電池１はその両端がパワーコンディショナ２の内部のDC-DCコンバータ４に接続され，DC-DCコンバータ４は系統連系インバータ１２に接続されている。系統連系インバータ１２はパワーコンディショナ２の外部の商用系統３に接続されている。DC-DCコンバータ４の内部には，分圧抵抗６ａ，６ｂ，電流センサ７，チョークコイル８，パワーMOSFET９，昇圧ダイオード１０，それにコンデンサ１１があり，チョークコイル８とパワーMOSFET９のドレインが接続されている。チョークコイル８の入力側は，コンバータ側端子と接続される。また，パワーMOSFET９のソースはコンバータ側端子に接続される。DC-DCコンバータ４の内部側には分圧抵抗６ａ，６ｂが直列に接続されている。パワーMOSFET９のドレインには昇圧ダイオード10のアノードが接続される。昇圧ダイオード１０のカソードとパワーMOSFET９のソースの間にコンデンサ１１が接続される。コンデンサ１１の両端はDC-DCコンバータ４の外部にある系統連系インバータ１２に接続される。

一方，制御回路５の内部にはAD変換器１３ａ，１３ｂ，乗算器１４，電圧変化量設定手段１５，目標電圧算出手段１６，ＲＡＭ１７，減算器１８，PI制御ブロック１９，ＰＷＭ回路２０があり，制御回路５により最大電力追従制御を行う。

分圧抵抗６ａ，６ｂの中点からAD変換器１３ａに接続される。電流センサ７はAD変換器１３ｂに接続される。AD変換器１３ｂの出力はIpvの平均値であるIpvave，AD変換器１３ａの出力はVinであり，IpvaveとVinは乗算器１４に入力され，出力はPpvとして電圧変化量設定手段１５に入力される。電圧変化量設定手段１５の出力はdVとしてVinとともに目標電圧算出手段１６に入力される。また，Vinは減算器１８のマイナス側端子に入力される。減算器１８のプラス側入力端子には目標電圧算出手段１６の出力であるVrefが接続される。減算器１８の出力はPI制御ブロック１９に入力される。PI制御ブロック１９の出力は，ＰＷＭ回路２０に入力される。また，ＰＷＭ回路２０の出力はS1制御信号として制御回路５の外部に出力されDC-DCコンバータ４の内部のパワーMOSFET９のゲートに接続される。

次に最大電力追従制御の動作について説明する。図３において，AD変換器１３ａ，１３ｂから出力されたIpvaveおよびVinを乗算し太陽電池１の発電電力Ppvを演算する。PpvとVin，およびＲＡＭ１７から入力されたPmaxとP₀は電圧変化量設定手段１５に入力される。ここで，Pmaxは現時点での発電電力上限値であり，P₀は電力変動判定に使用する電力変動判定閾値である。電圧変化量設定手段１５は，現時点から一定期間前までのPpv，Vinを保持しており，VinとPpvの増減変化，および現在のPpvとPmaxとの差分に応じて，現在の電圧よりもPpvが大きくなり，かつPmaxを超えない動作電圧を算出するための電圧変化量dVを設定する（切り替える）。電圧変化量dVとVinは目標電圧算出手段１６に入力される。目標電圧算出手段１６は，dVとVinから次の目標電圧Vrefを算出する。PI制御ブロック１９は，VinがVrefとなるように制御量を出力し，制御量に応じてPWM回路２０がパワーMOSFET９をスイッチングすることでVinをVrefに近づける。変化後のVin，Ipvaveについて再び発電電力Ppvを演算し，Ppvを電圧変化量設定手段１５へ入力し次の目標電圧を算出する動作を繰り返すことで，動作電圧を徐々に変化させ最大電力で発電できる動作点を探索していく。

現時点の目標電圧値がVref(n)であると定義すると，目標電圧算出手段１６は，電圧変化量設定手段１５で設定されたdVをVref(n-1)に加算しVref(n)を算出する，このとき，DC-DCコンバータ４はAD変換器１３ａから出力される電圧値VinがVref(n)と一致するように電圧制御動作を行う。すなわち，DC-DCコンバータ４では，DC-DCコンバータ４に入力される電圧を分圧抵抗６ａ，６ｂで検出する。このVinは減算器１８において，目標電圧値Vrefから差し引かれるが，このときVref=Vref(n)であるため，減算器１８の出力である電圧誤差はVref(n)-Vinとなる。この電圧誤差はPI制御ブロック１９に入力され，比例積分演算される。このPI制御ブロック１９の出力は時比率であり，この時比率はPWM回路２０に入力されPWMパルスを生成する。このPWMパルスはS1制御信号である。S1制御信号はパワーMOSFET９（S1）のゲートに入力され，S1を駆動する。S1はスイッチングによりON/OFFを繰り返す。S1がONした際には太陽電池１ーチョークコイル８（L）−パワーMOSFET９（S1）−太陽電池１の閉回路が形成され，太陽電池１からチョークコイル８（L）に電流が流れる。次にパワーMOSFET９（S1）がOFFすると,太陽電池１−S1制御信号−チョークコイル８（L）−昇圧ダイオード１０（D1）−コンデンサ１１（Cpn)−太陽電池１の回路が形成され，チョークコイル８（L）に蓄えられた励磁エネルギーはコンデンサ１１（Cpn)に放出される。電圧誤差Vref(n)-Vinが負の場合にはS1制御信号のON幅が増大してチョークコイル８（L）に蓄える励磁エネルギーを増加させ，反対に電圧誤差Vref(n)-Vinが正の場合にはS1制御信号のON幅を縮小させてチョークコイル８（L）に蓄える励磁エネルギーを減少させる。この動作を繰り返すことにより，電圧誤差Vref(n)-Vinをゼロに，言い換えればVinがVref(n)と等しくなるように制御する。この結果，太陽電池１からDC-DCコンバータ４にはIpvかつVpvの直流電力が流入し，DC-DCコンバータ４から系統連系インバータ１２にはDC-DCコンバータ４の損失を差し引いただけの電力が出力される。系統連系インバータ１２においては，DC-DCコンバータ４から入力された直流電力を，商用系統３の電圧位相に同期した正弦波電流に変換して商用系統３に出力する。

以下，本発明の特徴である，電圧変化量設定手段１５の動作について，図４，図５を用いて説明する。

図４は電圧変化量設定手段１５の内部構成に関し，一例を示したものである。電圧変化量設定手段１５は，電圧変化方向判定手段１５１と，電圧変化幅設定手段１５２と，電圧変化量算出手段１５３により構成されている。

現時点での太陽電池１の発電電力をPpv(n)と定義すると，電圧変化方向判定手段１５１は，Ppv(n)-Ppv(n-1)とVin(n)-Vin(n-1)を計算し，電圧変化方向を表す数値を出力する。実施例では，プラス方向を表す数値として＋１，マイナス方向を表す数値として−１を使用する。Ppv(n)-Ppv(n-1)が正のとき，Vin(n)-Vin(n-1)が負であれば，−１を出力し，Vin(n)-Vin(n-1)が正であれば，＋１を出力する。Ppv(n)-Ppv(n-1)が負のとき，Vin(n)-Vin(n-1)が負であれば，＋１を出力し，Vin(n)-Vin(n-1)が正であれば，−１を出力する。Ppv(n)-Ppv(n-1)が０，またはPpv(n)-Ppv(n-1)が０の場合は，電圧を変化させないことを表す数値(例えば０)を使用しても良い。または，前回の電圧変化の方向を保持しておき，Ppv(n)-Ppv(n-1)が０，またはPpv(n)-Ppv(n-1)が０の場合は，前回と同じ方向を出力してもよい。

電圧変化幅設定手段１５２の動作を図５に示す。

電圧変化幅設定手段１５２は，予めＲＡＭ１７から入力されたPmaxとP₀を保持しておき_，Ppvが入力される度に現時点から一定期間前までのPpvを保持する。ここで，Pmaxは現時点での発電電力上限値であり，P₀は電力変動判定に使用する閾値である。

Ｓ００１で，現時点から一定期間前までのPpvの最大値をP_high，最小値をP_lowとして更新する。Ｓ００２で，(P_high-P_low)≧P₀かつPpv(n)≧(Pmax×k)を満たすかどうか判定し，条件を満たす場合はＳ００３に移行し，電力変動判定カウントを開始する。満たさない場合はＳ００４に移行し，電力変動判定カウントを停止する。ここで，kは比率であり，kの値によって判定を実施する発電電力の範囲が決定する。本実施例では現在の発電電力Ppv(n)が発電電力上限値Pmaxに近づくまで判定を実施しないようにするため0.8〜0.9の値と設定しているが，判定を実施する範囲に応じてkの値を変更しても良い。

次に，Ｓ００５で電力変動判定カウントが一定時間経過しているか判定する。一定時間経過していない場合はＳ００６に移行し，電圧変化幅|dV|をdV1に設定する。一定時間経過している場合はＳ００７に移行し，電圧変化幅|dV|をdV2に設定する。このとき，dV1とdV2は，dV1＞dV2となる値を設定する。

電圧変化量算出手段１５３では，電圧変化方向判定手段１５２の出力と，電圧変化幅設定手段１５２の出力に応じて，電圧変化量dVを算出する。

電圧変化方向判定手段の出力がプラス方向である場合は，電圧変化量は+dV1または+dV2とする。マイナス方向である場合は，電圧変化量は-dV1または-dV2とする。

実施例では，電圧変化方向判定手段１５１の出力値と，電圧変化幅設定手段１５２の出力値を乗算することで，電圧変化量を算出することができる。例えば，電圧変化方向がプラス方向であり，電圧変化幅dVが|dV1|の場合は，dV=+1×|dV1|=+dV1となる。

以上のように，現在の発電電力Ppv(n)と一定期間内の電力変化量に応じて電圧変化量dVを小さくすることで，最大電力への追従速度は維持しつつ最大電力付近での電力変動を小さくすることができ，太陽光発電システムの過積載率によらず，安定した高い発電電力を維持することができる。

図６，図７，図８を用いて実施例２を説明する。なお，実施例１と共通する点は説明を省略する。本実施例は実施例１に対し，電圧変化量設定手段１５に入力する値が異なっている。図６において，ＲＡＭ１７から電圧変化量設定手段１５へ入力する値として，
実施例１で使用した発電電力上限値Pmax，電力変動判定閾値P₀に加え，定格出力電力値Prefがある。電圧変化量設定手段１５は，予めＲＡＭ１７から入力されたPmaxとP₀を保持しておき_，Pmaxは処理を行う度にＲＡＭ１７から入力される値を使用する。

図７は電圧変化量設定手段１５の内部を示している。構成は実施例１と同じであるが，定格出力電力値Prefが電圧変化幅設定手段１５２に入力されている点が異なっている。

本実施例における電圧変化幅設定手段１５２の動作を図８に示す。

本実施例は実施例１に対し，Ｓ００２における判定条件が異なっている。実施例１で使用した条件に加え，現在の発電電力上限値Pmaxが定格出力電力値Prefと異なるかどうか判定している。

(P_high-P_low)≧P₀かつPpv(n)≧(Pmax×k)を満たす，またはPmax!=Prefを満たすかどうか判定し，条件を満たす場合はＳ００３へ移行し，満たさない場合はＳ００４へ移行する。これにより，系統電圧の上昇を検知した場合や，電力会社からの指示により出力制御を行う場合など，発電電力を低下させる必要が生じたことにより，パワーコンディショナの定格出力の設定値が低く設定された場合でも，発電電力上限内で安定した高い発電電力を維持することができる。

本発明は，家庭向けの商用系統と連系する太陽光発電システムに適用することが可能である。また，系統との連系を行わないDC給電システム等の太陽光発電システム，離島や山小屋向け太陽電池システム，スマートグリッド向け太陽電池システム，メガソーラシステム等の大型太陽光発電システムに適用できる。

１：太陽電池
２：パワーコンディショナ（電力変換器）
３：商用系統
４：DC-DCコンバータ
５：制御回路
６ａ，６ｂ：分圧抵抗（電圧検出手段）
７：電流センサ（電流検出手段）
８：チョークコイル
９：パワーMOSFET（スイッチング素子）
１０：昇圧ダイオード
１１：コンデンサ
１２：系統連系インバータ
１３ａ，１３ｂ：AD変換器
１４：乗算器
１５：電圧変化量設定手段
１６：目標電圧算出手段（目標電圧設定手段）
１７：ＲＡＭ
１８：減算器
１９：PI制御ブロック（電圧制御手段）
２０：ＰＷＭ回路
１５１：電圧変化方向判定手段
１５２：電圧変化幅設定手段
１５３：電圧変化量算出手段

Claims

太陽電池と，前記太陽電池に接続される電力変換器を有する太陽光発電システムにおいて，
前記電力変換器は，少なくとも1個のスイッチング素子と，
前記太陽電池から前記電力変換器に流入する電流を検出して太陽電池電流を得る電流検出手段と，
前記太陽電池から前記電力変換器に入力される電圧を検出して太陽電池電圧を得る電圧検出手段と，
前記太陽電池電圧を目標電圧値に制御する電圧制御手段と，
前記電流検出手段と前記電圧検出手段の検出値により演算した発電電力が最大となるよう電圧検出値を変化させ，目標電圧値を設定する目標電圧設定手段と，
を具備するとともに，
前記目標電圧値を算出するための電圧変化量を設定する電圧変化量設定手段と，
を備え
前記電圧変化量設定手段は，一定期間内の前記発電電力の変化量と，現在の前記発電電力に応じて前記電圧変化量を切り替えることを特徴とする太陽光発電システム。
前記電圧変化量設定手段は，一定期間内の前記発電電力の変化量と，現在の前記発電電力と，電力上限値に応じて前記電圧変化量を切り替えることを特徴とする請求項１に記載の太陽光発電システム。