JP2018064360A - 太陽光発電システムおよび太陽光発電制御システム - Google Patents

太陽光発電システムおよび太陽光発電制御システム Download PDF

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Abstract

【課題】ストリングごとの詳細な電流・電圧特性を遠隔操作で測定可能な太陽光発電システムを提供すること。
【解決手段】複数の太陽電池セルが直列に接続された複数の太陽電池ストリングを並列に接続してなる太陽光発電システムを、各々の前記太陽電池ストリングから入力される電力を、指定された電力量となるよう制御して系統に出力するパワーコンディショナと、出力すべき電力量を前記パワーコンディショナに指定する出力制限指示部と、前記出力制限指示部に指定された電力量となるよう前記パワーコンディショナにより制御されたときの発電電圧値と、前記出力制限指示部に指定された電力量となるよう前記パワーコンディショナにより制御されたときの各々の前記太陽電池ストリングの発電電流値と、に基づいて、各々の前記太陽電池ストリングのＩＶ特性を測定する特性測定部と、を備えるよう構成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＩＶ特性を測定可能な太陽光発電システムおよび太陽光発電制御システムに関する。
複数の太陽電池モジュールを直列接続したストリングにより構成される太陽光発電システムでは、各太陽電池モジュールに問題が発生するとシステム全体の発電効率が低下する。したがって、発電効率を一定レベル以上に維持するために、ストリングの発電特性の定期的な測定を行い、問題を早期に発見することが重要である。
ストリングの発電特性の測定は、測定器をストリングに接続して行う。複数のストリングで構成される太陽光発電システムでは、各ストリングへの測定器のつなぎ替えのため、現地での作業が必要であった。また、高圧となるストリング端子に測定器を接続する作業は危険であり、作業員の専門性が求められていた。さらに、通常発電状態での特性を測定するために、十分な日照が必要であることから、実際の作業時間以上に余裕をもった日程で、専門性を有する作業員を確保しなければならなかった。
国際公開第２０１２／０８１１１６号
特許文献１に記載の太陽光発電システムは、複数の太陽電池モジュールを直列接続してなる太陽電池と、太陽電池が発電した直流電力を交流電力に変換するパワーコンディショナと、を備え、天候状態が曇天であるか晴天であるかを判定し、太陽電池ストリングの出力動作点を変化させ、天候状態が曇天であると判定し、かつ、太陽電池の動作点を変化させたときの太陽電池の動作点を変化させたときの太陽電池の出力電力または出力電流の微分特性に不連続点が生じている場合、太陽電池が故障していることを検出する。
特許文献１に記載の太陽光発電システムとして、複数のストリングを並列に接続した構成が記載されているが、太陽電池の特性の検出はシステム全体について行っており、ストリングごとの詳細な特性を測定することができない。また、測定器を接続して測定を行う現地作業が必要であり、作業員の確保が困難という課題は解決されない。
本発明は、ストリングごとの詳細な電流・電圧特性を遠隔操作で測定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。
上述した課題を解決するために、本発明にかかる太陽光発電システムは、
複数の太陽電池セルが直列に接続された複数の太陽電池ストリングを並列に接続してなる太陽光発電システムであって、
各々の前記太陽電池ストリングから入力される電力を、指定された電力量となるよう制御して系統に出力するパワーコンディショナと、
出力すべき電力量を前記パワーコンディショナに指定する出力制限指示部と、
前記出力制限指示部に指定された電力量となるよう前記パワーコンディショナにより制御されたときの発電電圧値と、前記出力制限指示部に指定された電力量となるよう前記パワーコンディショナにより制御されたときの各々の前記太陽電池ストリングの発電電流値と、に基づいて、各々の前記太陽電池ストリングのＩＶ特性を測定する特性測定部と、
を備えることを特徴とする。
本発明により、ストリングごとの詳細な電流・電圧特性を遠隔操作で測定可能な太陽光発電システムを提供することができる。
本発明の第１の実施形態にかかる太陽光発電システムの概略構成図である。 第１の実施形態の太陽光発電システム１０におけるＩＶ特性測定処理のフローチャートである。 標準的な太陽電池のＩＶ特性を示すグラフである。 日射量の変動に対応したＩＶ特性の変化の例を示すグラフである。 正常ストリングと不具合ストリングとのＩＶ特性の例を示すグラフである。 日射量が急激に減少する前後のＩＶ特性の例を示すグラフである。 本発明の第２の実施形態にかかる太陽光発電制御システムの概略構成図である。
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態にかかる太陽光発電システムの概略構成図である。図１に示すように、太陽光発電システム１０は、太陽電池ストリング１００ａ〜１００ｄと、パワーコンディショナ２００（以下、「パワコン」ともいう）と、電圧計３００と、日射計４００と、測定装置５００とを有して構成される。なお、本実施形態においては太陽光発電システムあたりの太陽電池ストリング数は４であるが、これはあくまで例示であり、設置場所の面積などの諸条件に応じて適宜変更可能である。
太陽電池ストリング１００ａは、太陽電池モジュール１００１ａ〜１０１２ａと電流計１１００ａとが直列に接続されて構成される。電流計１１００ａにより、太陽電池ストリング１００ａの発電電力の電流量を計測する。太陽電池ストリング１００ｂ〜１００ｄは太陽電池ストリング１００ａと同様に構成可能であり、説明を省略する。なお、本実施形態においては太陽電池ストリングあたりの太陽電池モジュール数は１２であるが、これはあくまで例示であり、設置場所の面積などの諸条件に応じて適宜変更可能である。
太陽電池モジュール１００１ａは、太陽電池セルが複数直列に接続されて構成される。他の太陽電池モジュールも同様に構成可能であり、説明を省略する。太陽電池モジュールは各セルが直列で接続されるため、１つのセルに異常（セルの故障、接触不良、受光面の汚れなど）が生じると、太陽電池モジュールがさらに直列で接続された太陽電池ストリング全体の出力が大きく低下する。
パワーコンディショナ２００は、並列に接続された各太陽電池ストリングから入力される直流電力を交流に変換して系統２０に出力する。パワーコンディショナ２００は、ＭＰＰＴ部２００１と、出力制限部２００２とを有する。
ＭＰＰＴ部２００１は、太陽電池ストリング１００ａ〜１００ｄの発電電力が最大となるような電圧で発電電流を取り出すＭＰＰＴ(最大出力点追従制御)を行い、発電電力が最大となる動作点である最大電力点（以下、「ＭＰＰ」ともいう）を検出する。ＭＰＰＴにあたり、発電電圧を変化させた前後での発電電力を比較し、発電電力が大きくなる方の電圧を基準に変更し、これを適宜繰り返す山登り法と呼ばれる制御を行うのが一般的である。出力制限部２００２は、太陽電池ストリング１００ａ〜１００ｄの発電電力が、ＭＰＰＴ部２００１が検出する最大電力点に対して指定された割合の電力となるよう、太陽電池ストリング１００ａ〜１００ｄを制御する。出力制限部２００２は、系統側における需給バランスをコントロールするためにコンディショナ２００の出力を調整することを可能とする。
電圧計３００は、各太陽電池ストリングに並列に接続され、太陽電池ストリング全体の電圧を計測する。電圧計３００は、パワーコンディショナ２００と一体に構成されていてもよい。日射計４００は、太陽光発電システム１０に照射する日射量を計測する。
測定装置５００は、出力制限指示部５００１と、特性測定部５００２とを有する。出力制限指示部５００１は、パワーコンディショナ２００に対し太陽電池の出力を所定の割合に制限する指示を行う。
特定測定部５００２は、太陽光発電システム１０全体の発電電圧値と各太陽電池ストリング１００ａ〜１００ｄにおける発電電流値とを取得する。また、太陽光発電システム１０への日射量を取得する。特性測定部５００２は、取得した電圧値および電流値に基づいて、太陽光発電システム１０における各太陽電池ストリングのＩＶ特性を測定するとともに、必要に応じて取得した電圧値や電流値を補正する。例えば、電流測定値を標準日射量に規格化した値を、各太陽電池ストリングのＩＶ特性値として使用する。
測定装置５００は、ハードディスクドライブや半導体ドライブなどのファイル記憶部から読み出したプログラムをメインメモリに展開してプロセッサで実行する汎用的なコンピュータ、例えばパーソナルコンピュータやサーバ、タブレットコンピュータやスマートフォンなどにより構成可能である。このとき、出力制限指示部５００１、特性測定部５００２は、所定のプログラムの実行により構成することができる。また、測定装置５００を専用コンピュータで構成してもよい。
続いて、本実施形態の太陽光発電システム１０における動作を説明する。図２は、第１の実施形態の太陽光発電システム１０におけるＩＶ特性測定処理のフローチャートである。図２を参照すると、本実施形態の太陽光発電システム１０は、まず、パワーコンディショナ２００の出力制限値を設定する（ステップＳ１）。出力制限値の設定は、最大出力に対する出力の割合を出力制限指示部５００１が出力制限部２００２に指示することにより行うことができる。
太陽光発電システム１０は、パワーコンディショナ２００をそのまま動作させる。これにより、ステップＳ１で設定された出力制限値に応じた動作点で出力するよう太陽電池ストリング１００ａ〜１００ｄが制御される（ステップＳ２）。この制御は、出力制限値に基づいて出力制限部２００２が動作することにより行うことができる。なお、本ステップ以外のタイミング、例えば本ステップの実行前や実行後、あるいはＩＶ特性測定の前後にも、パワーコンディショナ２００の動作は実行されている。
次に、太陽光発電システム１０は、太陽光発電システム１０全体の発電電圧値と各太陽電池ストリング１００ａ〜１００ｄにおける発電電流値と日射量とを取得する（ステップＳ３）。発電電圧値および発電電流値の取得は、特性測定部５００２が行う。取得した日射量と標準日射量とに基づいて発電電流値を補正した値を、各ストリングのＩＶ特性の測定値として使用することができる。
太陽光発電システム１０は、ＩＶ特性の測定が完了したか否かを判断する（ステップＳ４）。例えば、取得されたＩＶ特性値の数が所定の閾値を超えたときに、ＩＶ特性の出力が完了したと判断することができる。また、取得されたＩＶ特性値を統計的に分析し、有意な結果が得られたときにＩＶ特性の出力が完了したと判断するようにしてもよい。ＩＶ特性の測定が完了していないと判断したとき（ステップＳ４：Ｎ）、ステップＳ１に戻り、新たな出力制限を行う。このとき、これまで測定に使用していない制限値により出力制限を行うようにすると、新たなＩＶ特性値を取得することができる。なお、時間により日照条件が変動するため、制限値が同じであってもステップＳ２で制御される出力電圧・電流が異なる場合がある。したがって、同じ制限値による測定を繰り返してもよい。また、制限値を変更する場合に、100%から一方的に減少もしくは0%から一方的に増加のような一方的なスキャンを行うことは可能であるがこれに限らず、双方向的に繰り返してもよい。
ＩＶ特性の測定が完了したと判断したとき（ステップＳ４：Ｙ）、太陽光発電システム１０は、出力制限を解除する（ステップＳ５）。出力制限の解除は、出力制限指示部５００１が出力制限部２００２に指示することにより行うことができる。このとき、太陽光発電システム１０は、出力制限によらずにＭＰＰＴ動作を行い、最大出力点で出力するよう制御される。
ここで、図面を参照して太陽電池におけるＩＶ特性を説明する。図３は、標準的な太陽電池のＩＶ特性を示すグラフである。このように太陽電池は、電圧ゼロ、すなわち出力を短絡したときに発電電流が最大となり、発電電流ゼロ、すなわち出力が開放のとき電圧が最大となる。そして、図中矢印で示す点で発電電力量（Ｉ＊Ｖ）が最大となる。このとき、矢印で示す点を最大電力点と呼ぶ。このような太陽電池の動作範囲を網羅したＩＶ特性は、太陽電池に専用の測定器を接続することにより測定可能である。
次に、従来技術におけるＩＶ特性の測定につき説明する。上述のとおり、専用の測定器は太陽電池の動作範囲を走査してＩＶ特性を測定することができるものの、そのためには各太陽電池ストリングに測定器を順次接続していくという現地作業が必要となる。一方、従来技術のパワコンは、ある時点の最大出力点を特定することができる。このようなパワコンに電流計・電圧計を組み合わせると、ある時点の最大出力点における電流・電圧値（ＩＶ）を計測することができる。したがって、パワコンにより複数条件の最大出力点の電流・電圧値を取得すれば、ＩＶ特性の測定が可能となる。最大出力点を取得するときの複数条件としては、日射量の変動が考えられる。
図４は、日射量の変動に対応したＩＶ特性の変化の例を示すグラフである。図４に示すように、日射量が減少するに伴い同じ電圧のときに発電される電流量が減少し、それに伴って最大電力点も変化する。ここで、日射量が大のときの最大電力点をMPPTmax(Vmax, Imax)とし、日射量小のときの最大電力点をMPPTmin(Vmin, Imin)とすると、VmaxとVminとの差は大きくない。このように、日射量の異なる複数条件で最大電力点を測定して得られるＩＶ特性は全体のごく一部であり、太陽電池の動作状況を的確に把握するには不十分である。
続いて、本実施形態にかかる太陽光発電システムで測定されるＩＶ特性を説明する。図５は、正常ストリングと不具合ストリングとのＩＶ特性の例を示すグラフである。各太陽電池ストリングは並列に接続されているので、すべてのストリングは同じ出力電圧に制御される。このとき、破線および網掛け点で示す不具合ストリングは、発電電圧が0Vから上昇するにつれて発電電流量が正常ストリングよりも減少する。これは、不具合ストリングにおいては直列に接続された太陽電池モジュールの一部（例えば１つ）に不具合が発生し、そのモジュールで発電が行われなくなっているためである。
不具合ストリングと正常ストリングとの出力電流量の差は、出力割合100%のときよりも出力割合をある程度小さく（例えば40%）したときの方が大きくなる。これは、最大出力点近傍よりも電圧の高い領域の方がグラフの傾きが大きくなるためである。
本実施形態では、太陽光発電システム１０は、パワーコンディショナ２００を制御することで出力割合を減少させ、それぞれの出力割合に対応した最大出力点における電圧・電流値を取得する。上述のとおり、出力割合をある程度小さくすると不具合ストリングと正常ストリングとの差が大きくなるため、不具合ストリングを容易に検出できるのである。
ＩＶ特性の測定にあたり、日射計４００により測定される日射量を考慮するようにしてもよい。具体的には、日射量が所定の範囲内であるときにＩＶ特性を測定するようにしてもよいし、日射量に基づいて発電電圧・電流値を補正してＩＶ特性を測定するようにしてもよい。
図５の例では、出力制限をしないときの最大出力点よりも発電電圧が大きくなる方（グラフ右側）の特性を測定している。これは、太陽光発電システム全体が所定の電圧で発電するときの各太陽電池ストリングの発電電流値の差が、発電電圧が大きい側の方が大きくなるためである。しかし、本実施形態においては、所定条件下では最大出力点よりも発電電圧が小さくなる方（クラブ左側）の特性を測定することも可能である。
図６は、日射量が急激に減少する前後のＩＶ特性の例を示すグラフである。日射量が大きい状態で最大電力点が検出された後に日射量が急激に減少すると、ＩＶ特性が変動する。ＭＰＰＴ部２００１がＭＰＰＴを行い、減少した日射量における最大電力点を求めるにあたり、ＭＰＰＴの開始点は、原点と日射量大のときの最大電力点（Ａ点）とを結んだ直線と日射量小のときのＩＶ特性との交点（Ｂ点）となる。ＭＰＰＴ部２００１はＢ点からＭＰＰＴを開始し、発電電圧の変更と電力量の測定とを繰り返して、日照量小のときの最大電力点（Ｃ点）に到達する。このように動作すると、日射量小のときのＢ点からＣ点まで（最大電力点であるＣ点の左側）のＩＶ特性を測定することができる。
以上のような構成および動作により、本発明の第１の実施形態にかかる太陽光発電システム１０は、太陽電池ストリングごとのＩＶ特性を、各々の太陽電池ストリングに専用の測定器を接続することなく測定することができる。各々の太陽電池ストリングへの測定器の接続が不要となるため、太陽光発電システム敷地内で移動することなくＩＶ特性測定作業が一カ所で完結する。また、正常ストリングと不具合ストリングとの差が大きくなる領域のＩＶ特性を測定しているため、不具合ストリングを明確に特定することができる。
続いて、本発明の第２の実施形態を説明する。図７は、本発明の第２の実施形態にかかる太陽光発電制御システムの概略構成図である。図７に示すように、太陽光発電制御システム１は、太陽光発電システム１０と、測定装置５００とを有して構成される。太陽光発電システム１０と測定装置５００とは、ネットワーク３０を介して接続される。
本発明の第２の実施形態にかかる太陽光発電制御システム１は、第１の実施形態にかかる太陽光発電システム１０における測定装置５００がネットワーク３０を介して接続されている。以下、第１の実施形態と共通する構成については説明を省略する。
測定装置５００は、通信部５００３を有する。通信部５００３は、ネットワーク３０に対する通信を実行する。出力制限指示部５００１によるパワーコンディショナ２００に対する指示や、特性測定部５００２によるデータの取得は、通信部５００３を介して行われる。測定装置５００は、ネットワーク３０に接続されたサーバ群により、いわゆるクラウドサービスとしても実施可能である。
太陽光発電システム１０は、通信装置６００を有する。通信装置６００は、太陽光発電システム１０をネットワーク３０に通信可能に接続し、データの送受信を行う。
このように太陽光発電制御システム１を構成することにより、太陽光発電システム１０の設置場所に赴くことなくネットワークを介して太陽電池ストリング１００ａ〜１００ｄのＩＶ特性を測定することができる。
以上本発明の好ましい実施例について詳述したが、本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形、変更が可能である。
１ 太陽光発電制御システム
１０ 太陽光発電システム
２０ 系統
３０ ネットワーク
１００ａ〜１００ｄ 太陽電池ストリング
１００１ａ〜１０１２ａ 太陽電池モジュール
１１００ａ 電流計
２００ パワーコンディショナ
２００１ ＭＰＰＴ部
２００２ 出力制限部
３００ 電圧計
４００ 日照計
５００ 測定装置
５００１ 出力制限指示部
５００２ 特性測定部
５００３ 通信部
６００ 通信装置

Claims (4)

  1. 複数の太陽電池セルが直列に接続された複数の太陽電池ストリングを並列に接続してなる太陽光発電システムであって、
    各々の前記太陽電池ストリングから入力される電力を、指定された電力量となるよう制御して系統に出力するパワーコンディショナと、
    出力すべき電力量を前記パワーコンディショナに指定する出力制限指示部と、
    前記出力制限指示部に指定された電力量となるよう前記パワーコンディショナにより制御されたときの発電電圧値と、前記出力制限指示部に指定された電力量となるよう前記パワーコンディショナにより制御されたときの各々の前記太陽電池ストリングの発電電流値と、に基づいて、各々の前記太陽電池ストリングのＩＶ特性を測定する特性測定部と、
    を備えることを特徴とする太陽光発電システム。
  2. 前記パワーコンディショナの入力と並列に接続され、前記発電電圧値を計測する電圧計と、
    各々の前記太陽電池ストリングに前記太陽電池セルと直列に接続され、前記発電電流値を計測する電流計と、をさらに備え、
    前記特性測定部は、前記電圧計から前記発電電圧値を取得し、前記電流計から前記発電電流量を取得する、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。
  3. 前記太陽光発電システムに照射する日射量を計測する日射計をさらに備え、
    前記特性測定部は、前記発電電圧値と前記発電電流値と前記日射量とを取得し、取得した前記電圧値と前記電流値と前記日射量とに基づいて、各々の前記太陽電池ストリングのＩＶ特性を測定する、ことを特徴とする請求項１または２に記載の太陽光発電システム。
  4. 複数の太陽電池セルが直列に接続された複数の太陽電池ストリングを並列に接続してなる太陽光発電システムと測定装置とがネットワークを介して接続された太陽光発電制御システムであって、
    前記太陽光発電システムは、
    各々の前記太陽電池ストリングから入力される電力を、指定された電力量となるよう制御して系統に出力するパワーコンディショナと、
    ネットワークを介してデータの送受信を行う通信装置と、を備え、
    前記測定装置は、
    出力すべき電力量を前記パワーコンディショナに指定する出力制限指示部と、
    前記出力制限指示部に指定された電力量となるよう前記パワーコンディショナにより制御されたときの発電電圧値と、前記出力制限指示部に指定された電力量となるよう前記パワーコンディショナにより制御されたときの各々の前記太陽電池ストリングの発電電流値と、に基づいて、各々の前記太陽電池ストリングのＩＶ特性を測定する特性測定部と、
    ネットワークを介してデータの送受信を行う通信部と、を備える
    ことを特徴とする太陽光発電制御システム。
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