JP2018182967A - 太陽光発電システム - Google Patents

Abstract

【課題】太陽電池の逆流を抑制しつつ接続箱の損失を低減するとともに、太陽電池の診断を行って発電量を向上させた太陽光発電システムを提供する。【解決手段】太陽電池とスイッチング素子が直列に接続され且つ、それらが複数並列に接続され、前記スイッチング素子の両端電圧を検出する電圧検出手段と、前記スイッチング素子を駆動する制御手段を備え、前記制御手段は、前記スイッチング素子を所定の方法でオンまたはオフを行い、前記スイッチング素子のオフ時の両端電圧に基づいて、前記太陽電池の状態を診断し、前記スイッチ素子を継続的にオンまたはオフさせることを特徴とする。【選択図】 図１

Description

本発明は、太陽光発電システムに関し、特に、太陽電池の診断および接続箱の損失低減を通じて、システムの発電効率を向上させる方法に関する。

太陽光発電システムにおいて、複数の太陽電池が直列接続された太陽電池ストリングをさらに並列接続して１つの回路にまとめる接続箱がある。接続箱は、一般に複数の逆流防止ダイオードで構成され、これらのダイオードの電圧降下による電力損失（これ以降、損失と呼ぶ）が発生する。この損失が太陽光発電システムの発電あ効率を低下させる一因となっており、この問題を解決する技術が特許文献１に示されている。

特許文献１には、「そこで、本発明はこのような問題点に鑑み、ダイオードより低損失な素子を使用して逆流防止回路を構成することで、太陽光発電の発電効率を上げることを可能とした逆流防止回路及びこの逆流防止回路を備えた太陽光発電用接続箱を提供することを目的としている。上記課題を解決する為に、請求項１の発明に係る逆流防止回路は、直流電源から電流を送出する正極側電路と負極側電路から成る一対の電路のうち、負極側電路の電路をオン／オフ操作するＦＥＴ素子と、ＦＥＴ素子を制御する制御ＩＣと、正極側電路から制御ＩＣに動作電源を供給する電源回路とを有し、電源回路は、正極側電路と負極側電路の間の電位差が所定値を下回ると、制御ＩＣへの電源供給を停止し、ＦＥＴ素子がオフすることを特徴とする。この構成によれば、電路間の電位差が所定値を下回ると電源回路から制御ＩＣへの電源の供給が停止するため、ＦＥＴ素子がオフして電路は遮断状態となる。よって、電路電流に逆流が発生するような状況では電路が遮断されて逆流の発生を防止できる。そして、ＦＥＴ素子のオン動作状態の順方向電圧降下は、ダイオードの順方向電圧降下
に比べて小さいため、逆流防止にダイオードを使用した場合に比べて損失を改善すること
ができるし、電路に電流が流れないような状況では制御ＩＣにも電源が供給されないため
制御ＩＣにおい消費される電力も僅かで済む。」と記載されている。

特開２０１５−１０６８８２号公報

ところで、複数の太陽電池ストリングが並列接続された構成で起こる逆流は、太陽電池に生じた影（以降、部分影と呼ぶ）や故障等によって、該当する太陽電池ストリングの発電量が低下することに起因する。このような状況の場合、太陽光発電システムの発電効率を向上させるには、接続箱の逆流防止ダイオードの損失低減に加え、太陽電池を診断して部分影で変化した太陽電池ストリングの最大電力点を捉えることや、故障した太陽電池の交換等が必要である。

ここで太陽電池における逆流に関して述べる。一般に太陽電池には、後述する図８と図９に示すように、短絡電流値以上の電流を出力できない特徴がある。この特徴により、複数の太陽電池ストリングを並列接続した構成において、とある太陽電池ストリングに逆流が生じる状況になった場合、その逆電流値は太陽電池の並列数で制限される。一方、鉛電池やニッケル水素電池などの化学電池においては、出力電流は出力に接続される負荷のインピーダンスおよび電池内部のインピーダンスによって制限される。一般に化学電池の内部抵抗は非常に低く、化学電池と太陽電池とを並列接続した構成において、何らかの原因で太陽電池電圧が低くなった場合には太陽電池側に大きな逆電流が流れて数ｍ秒から数十ｍ秒間で破壊するおそれがある。ここで太陽電池アレイ同士の並列接続においては、前述の通りに逆電流はその並列数で制限されることから、太陽電池アレイが数列の並列である場合には数百ｍ秒間程度あるいはそれ以上の間の逆電流を許容できる。しかし、逆流が生じると、発電量の多い太陽電池アレイの電流が発電量の少ない太陽電池アレイに流れ込むことから、発電システムの発電量の低下につながる。そこで発電効率の向上に向け、太陽電池アレイの逆流を抑制することが望ましい。

本発明の目的は、太陽電池の逆流を抑制しつつ接続箱の損失を低減するとともに、太陽電池の診断を行って発電量を向上させた太陽光発電システムを提供することにある。

上記課題を解決するために、太陽電池とスイッチング素子が直列に接続され且つ、それらが複数並列に接続され、前記スイッチング素子の両端電圧を検出する電圧検出手段と、前記スイッチング素子を駆動する制御手段を備え、前記制御手段は、前記スイッチング素子を所定の方法でオンまたはオフを行い、前記スイッチング素子のオフ時の両端電圧に基づいて、前記太陽電池の状態を診断し、前記スイッチ素子を継続的にオンまたはオフさせることで達成される。

接続箱の損失を低減するとともに、太陽電池の診断を行って短時間で最大電力点を検出し、太陽光発電システムの発電効率の向上が可能となる。

実施例の構成図 実施例の動作を説明する図 実施例の制御のフローチャート 実施例の動作を説明する図 実施例の動作を説明する図 実施例の制御のフローチャート 実施例の構成図 山登り法の説明図 スキャン法の説明図

以下発明の一実施例について、図１から３を用いて説明する。

＜太陽光発電システムの構成＞
図１は本実施例における太陽光発電システムの構成図である。図１において、１は太陽光発電システム、１２は太陽電池アレイ、２はパワーコンディショナ、９０はＤＣ−ＤＣコンバータ、９１は系統連系インバータ、１５は商用系統である。２０、２１はスイッチング素子、１０１は電圧検出手段、１００は制御手段、３０〜３３は端子である。なお本実施例では、スイッチング素子２０、２１にＭＯＳＦＥＴを用いているが、それに限定するものではない。

太陽電池アレイ１２は、太陽電池１０ａ〜１０ｃで成る太陽電池ストリング１０と、太陽電池１１ａ〜１１ｃで成る太陽電池ストリング１１で構成されている。太陽電池ストリング１０と１１の電力を合成する接続箱に相当するのが、スイッチング素子２０、２１である。なお、本実施例では、太陽電池を３直列、太陽電池ストリングを２並列としたが、それよりも直列数および並列数を増やしても同様の効果が得られる。

スイッチング素子２０、２１のそれぞれのドレイン端子とソース端子は電圧検出手段１０１に接続される。スイッチング素子２０、２１のそれぞれのドレイン−ソース間電圧Ｖｄは電圧検出手段１０１で検出され、その情報は制御手段１００に伝達される。スイッチング素子２０、２１のそれぞれゲート端子は制御手段１００に接続され、それらのオンおよびオフは制御手段１００によって制御される。

ＤＣ−ＤＣコンバータ９０の入力は太陽電池アレイ１２と接続される側であり、出力は系統連系インバータ９１と接続される側である。太陽電池アレイ１２の電圧ＶｐｖとＤＣ−ＤＣコンバータ９０の出力電圧Ｖｐｎは制御手段１００に伝達される。ＤＣ−ＤＣコンバータ９０の出力には系統連系インバータ９１の入力が接続される。系統連系インバータ９１の出力には、商用系統１５が接続される。なお図表は省略するが、ＤＣ−ＤＣコンバータ９０および系統連系インバータ９１の内部にあるセンサやスイッチング素子の各端子は制御手段１００に接続されている。制御手段１００はＤＣ−ＤＣコンバータ９０と系統連系インバータ９１を制御する。

＜パワーコンディショナの系統連系と最大電力点追従＞
これ以降、本実施例におけるパワーコンディショナ２の動作を説明する。パワーコンディショナ２は、太陽電池アレイ１２で発電した直流電力を交流電力に変換する系統連系と、太陽電池の最大電力点を探索する最大電力点追従を行う。

まず系統連系について説明する。制御手段１００は、ＤＣ−ＤＣコンバータ９０を運転して、太陽電池アレイ１２で発電した直流電力を商用系統１５のピーク電圧よりも高い電圧に変換する。これと同時に制御手段１００は、系統連系インバータ９１を運転して、ＤＣ−ＤＣコンバータ９０から出力された直流電力を商用系統１５の周波数および位相に同期した交流電力に変換し、商用系統１５に逆潮流させる。

次に最大電力点追従について説明する。制御手段１００は、ＤＣ−ＤＣコンバータ９０と系統連系インバータ９１を運転して太陽電池アレイ１２から発電した直流電力を取り出す。その際に、太陽電池アレイ１２の電圧や電流を変化させて最大電力点を探索する。

一般によく知られる最大電力点追従法に山登り法がある。図８は、山登り法の説明図である。図８の横軸は、太陽電池アレイの電圧である。縦軸は、太陽電池アレイからパワーコンディショナへ流れる電流、および太陽電池アレイから供給される電力である。図８の破線に示す通り、太陽電池アレイのＶ−Ｉ特性は曲線状になっている。また、太陽電池アレイのＶ−Ｐ特性は上に凸の曲線状になっている。山登り法とは、パワーコンディショナを制御して、太陽電池アレイの動作点を微小電圧分あるいは微小電流分移動させ、その移動前後における電力値の比較結果に基づいて次の動作点を決定する方法である。これにより、太陽電池アレイの動作点を最大電力点Ｇ１の付近に留めることができる。

前述の最大電力点Ｇ１とは、太陽電池の発電電力の総和が最大となる動作点を意味している。図８では、Ｖ‐Ｐ特性の極大値を与える動作点（以降、極大点と呼ぶ）が一つであり、この極大点が最大電力点Ｇ１に一致している。しかし、太陽電池アレイを構成するそれぞれの太陽電池において日射量の偏りが生じて太陽電池アレイのＶ−Ｐ特性に複数の極大点が発生する場合もある（図９参照）。そのような状況下では、山登り法では最大の極大点を検出できない場合があり、この問題を解決する最大電力追従法としてスキャン法が提案されている。

図９はスキャン法の説明図である。図９では、Ｖ‐Ｐ特性の極大値を与える点Ｇ２、Ｇ３のうち、点Ｇ２が最大電力点に一致している。なお、時間の経過とともに太陽電池アレイの日射条件が変化すると、点Ｇ２、Ｈ３における電力値の大小が入れ替わったり、極大点の位置が変化したりする場合がある。このような状況下で山登り法を行った場合、太陽電池アレイの動作点が最大電力点ではない極大点Ｇ３付近に留まる可能性がある。太陽電池アレイから最大限の発電電力を取り出すためには、その動作点を最大電力点Ｇ２に移動させることが望ましい。スキャン法とは、太陽電池の動作点を所定の電圧あるいは電流の範囲内で移動させ（図９の実践矢印を参照）、これらの範囲内における動作点のうち最大電力を与える動作点（つまり、最大電力点Ｇ２：図９参照）を特定する方法である。

＜太陽電池の診断および接続箱の損失低減＞
これ以降、本実施例の特徴である太陽電池の診断機能と接続箱の損失低減について説明する。

図２は、本実施例におけるパワーコンディショナ２の動作を説明する図である。太陽電池アレイ１０の電圧をＶｐｖ、スイッチング素子２１のソースからドレインに流れる電流をＩｄ２１、ドレイン−ソース間の電圧をＶｄ２１、ゲート−ソース間の電圧をＶｇ２１とする。また図２は、図１の太陽電池ストリング１１に部分影が生じて、太陽電池ストリング１０と比較して太陽電池ストリング１１の発電量および開放電圧が低い場合におけるパワーコンディショナ２の動作を示している。図３は、本実施例におけるパワーコンディショナ２の制御のフローチャートである。これ以降、図１、２、３を用いて説明する。

図２の時刻ｔ０において、パワーコンディショナ２は系統連系をしていない状態である。制御手段１００は、Ｖｇ２１に示す通り、スイッチング素子２１のゲートにオフ電圧を印加してオフさせている。図表を省略するが、スイッチング素子２０のゲートも同様にオフさせている。このとき、接続箱に相当するスイッチング素子２０、２１はオフしているため、太陽電池ストリング１０よりも開放電圧の低い太陽電池ストリング１１に逆流は発生せず、Ｉｄ２１に示す通り、スイッチング素子２１に電流は流れない。その一方で、スイッチング素子２１には、Ｖｄ２１に示す通り、太陽電池ストリング１０と１１との差分の正の電圧が印加される。

ここで制御手段１００は、図３のＳ２０１を実行して太陽電池アレイ電圧Ｖｐｖと各スイッチング素子の電圧Ｖｄを取得する。次にＳ２０２を実行し、もし各スイッチング素子の電圧Ｖｄが所定の電圧（太陽電池アレイ１２の電圧Ｖｐｖの所定の割合Ａ）以上の場合は太陽電池の故障と判定して、Ｓ２０３を実行して故障アラーム等を出す。このアラームにより、発電システムの管理者に故障した太陽電池の点検や交換を促し、発電量を向上させる効果が得られる。またこの場合は、接続箱に相当するスイッチング素子２０と２１はオフを継続しているので、太陽電池アレイ間の継続的な逆流を防止し、太陽電池アレイの更なる破壊を防止する効果がある。

図２は太陽電池ストリング１１に部分影が生じた場合であるから、制御手段１００は全ての太陽電池ストリングにおいて太陽電池の故障は無いと判定し、Ｓ２０７に進む。ここで制御手段１００は、各スイッチング素子の電圧Ｖｄが所定の電圧（太陽電池アレイ１２の電圧Ｖｐｖの所定の割合Ｂ）以上と判定し、太陽電池に部分影が発生していると判定した。そしてＳ２０８に進み、ＤＣ−ＤＣコンバータ９０と系統連系インバータ９１を運転して前述のスキャン法の動作を行うスキャンモードを実行した。なお本実施例では、時刻ｔ１においてスキャンモードを実行したが、前述のＳ２０７において部分影の発生は無いと判定された場合は、Ｓ２０８のスキャンモードを省略してＳ２１１の山登りモードを実行する。この作用により、スキャンモードを実行するよりも短時間に最大電力点を検出してシステムの発電効率を向上させる効果が得られる。

前述のスキャンモードを実行した時刻が、図２の時刻ｔ１である。制御手段１００は、ＤＣ−ＤＣコンバータ９０と系統連系インバータ９１を運転して、時刻ｔ１において開放電圧であった太陽電池アレイ１２の動作点を時刻ｔ３までの間にパワーコンディショナ２の最低動作電圧まで移動させる。なお、動作点の移動範囲に関してはこれに限定するものではなく、太陽電池アレイの電力の極大点が発生し得る範囲内であればよい。その移動範囲を狭めるほど短時間に最大電力点を検出できてシステムの発電電力を向上できる効果が得られる。

スキャンモード実行最中の時刻ｔ２において、太陽電池アレイの電圧Ｖｐｖが太陽電池ストリング１１の開放電圧と等しくなり、Ｖｄ２１に示す通り、スイッチング素子２１への正の印加電圧が減少する。その後、スイッチング素子２１には、太陽電池ストリング１１から負の電圧が印加され、スイッチング素子２１の寄生ダイオードが導通するとともに、太陽電池ストリング１１からＤＣ−ＤＣコンバータ９０に電流が流れる。なお、この負電圧は寄生ダイオードの順方向電圧に起因しており、一般に−数百ｍＶから−数Ｖの範囲で発生する。そして、寄生ダイオードの順方向電圧に相応する損失がスイッチング素子に発生する。図表を省略するが、スイッチング素子２０にも同様の負電圧が発生し、損失が発生している。

時刻ｔ４において、スキャンモードが終了すると、制御手段１００は検出した最大電力点でＤＣ−ＤＣコンバータ９０と系統連系インバータ９１を運転させる。その後、Ｓ２０９を実行し、前述の山登り法で動作する山登りモードに切り替える。

時刻ｔ５において、制御手段１００はＳ２１２を実行して、Ｖｇ２１に示す通り、接続箱の各スイッチング素子のゲートにオン電圧を印加し、各スイッチング素子をオン状態にする。この作用により、スイッチング素子の寄生ダイオードに流れていた電流が低抵抗のチャネルに流れるようになり、Ｖｄ２１に示す通り、スイッチング素子両端の負の電圧が低減する。その結果、スイッチング素子の損失が低減し、システムの発電効率が向上する効果が得られる。なお、本実施例では、接続箱の各スイッチング素子をオンする時刻を山登りモードの最中に設定したが、時刻ｔ２以降のスイッチング素子の寄生ダイオードに順方向電流が流れる状態であればよく、スキャンモードの最中でもよい。

以上に説明した通り、本実施例では、太陽電池アレイと直接接続されたスイッチング素子のオフ状態における印加電圧すなわち太陽電池アレイ同士の差分電圧を基に太陽電池の状態を診断して、太陽電池の最大電力点を短時間に検出することを可能とし、システムの発電効率を向上する効果を得た。また電圧検出手段に常時印加される電圧は太陽電池アレイの電圧よりも低いことから、電圧検出手段の耐久性が向上または、その設計を簡易化できる効果が得られる。

図４は、パワーコンディショナ２の稼働後に、太陽電池アレイ１１に逆流が生じた場合の動作を説明する図である。以降、図１と４を使って、パワーコンディショナ２が接続箱に相当するスイッチング素子の損失を低減するとともに、逆流を抑制する動作を説明する。なお、実施例１の説明と重複する部分については省略する。

図４の時刻ｔ０以前において、制御手段１００はＤＣ−ＤＣコンバータ９０と系統連系インバータ９１を運転して、山登りモードで動作させている。このとき、Ｖｇ２１に示す通り、制御手段１００は所定のオン比率を持ったパルス電圧をスイッチング素子２０、２１の各ゲートに印加する。これと同時に、上記スイッチング素子のオフ期間における各ドレイン−ソース間電圧Ｖｄを監視する。

まず本実施例において接続箱に相当するスイッチング素子２０、２１の損失を低減する動作を説明する。図４の時刻ｔ０以前において、Ｖｇ２１がオフ電圧のとき、スイッチング素子２１はオフして、太陽電池アレイ１１からＤＣ−ＤＣコンバータ９０を介してスイッチング素子２１の寄生ダイオードに電流が流れる。スイッチング素子２１には、Ｖｄ２１に示す通り、寄生ダイオードの順方向電圧に相当する−数百ｍＶから−数Ｖの電圧が発生し、これに相応した損失が発生する。一方、Ｖｇ２１がオン電圧のとき、スイッチング素子２１はオンして、太陽電池アレイ１１からの電流はスイッチング素子２１の低抵抗のチャネルを流れるようになり、Ｖｄ２１に示す通り、スイッチング素子両端の負の電圧が減少して損失が低減する。本実施例では、オンの比率の高いパルス電圧をスイッチング素子２１に印加していることから、スイッチング素子２１の損失が低い状態の時間比率が高い。その結果、スイッチング素子の損失が低減する効果が高まり、システムの発電効率が向上する効果が得られる。なお、図表を省略するが、スイッチング素子２０についても同様の動作を行っており、損失を低減している。

次に本実施例における太陽電池ストリングの逆流を抑制する動作を説明する。図４の時刻ｔ０において、日射量の変化あるいは太陽電池の故障が生じて太陽電池ストリング２１の発電量が低下した。これにより、Ｉｄ２１に示す通り、太陽電池アレイ１１からＤＣ−ＤＣコンバータ９０を介してスイッチング素子２１に流れる電流が減少し始め、時刻ｔ１で電流値が負となって逆流期間にはいった。一方、Ｖｇ２１に示す通り、制御手段１００は所定のオン比率のパルス電圧をスイッチング素子のゲートに印加し、時刻ｔ２にスイッチング素子２１をオフさせた。

時刻ｔ２において、スイッチング素子２１にはドレインからソースの方向に電流が流れていることから、スイッチング素子２１がオフすると、その逆流が抑制されるとともにスイッチング素子２１のドレイン−ソース間に太陽電池ストリング１０と１１の差分の電圧が印加される。ここで、制御手段１００は、スイッチング素子のオフ期間におけるドレイン電圧を監視しており、それが正の電圧の場合は、太陽電池ストリングに逆流が発生し得る状況と判定して、次にスイッチング素子をオンさせるタイミングでオンさせずに継続的にオフさせる。この機能により、時刻ｔ２において、制御手段１００は、Ｖｄ２１の正の電圧を検出して太陽電池ストリング１１に逆流が発生し得る状況と判定した。そして、時刻ｔ３でオンさせる予定のところをオフさせて、逆流を抑制した。本動作により、発電量の多い太陽電池アレイ１０から発電量の少ない太陽電池アレイ１１に流れ込む逆流を抑制し、システムの発電効率を向上させる効果を得た。

なお、接続箱に相当するスイッチング素子に印加するパルス電圧の周期については、使用する太陽電池の許容可能な逆流期間と同等な時間でよい。太陽電池アレイが数並列のシステムであれば数秒間程度の逆流を許容可能と見込まれることから、具体的なパルス電圧の周期は数百ｍ秒間からもっと長い数秒間でもよい。周期が長いほどスッチング素子のゲートの充放電に伴う損失を低減でき、発電効率を高める効果が得られる。

図５は、先の実施例２とは異なる方法で、接続箱に相当するスイッチング素子の損失を低減するとともに逆流を抑制する動作を説明する図である。Ｐｐｖは太陽電池アレイ１０の電力、その他は図２と同部位の電圧および電流の波形である。図６は、本実施例におけるパワーコンディショナ２の制御のフローチャートである。Ｓ２０１以降は、実施例１における図３と同様の処理である。これ以降、図１、５、６を用いて説明する。なお、先の実施例の説明と重複する部分については省略する。

図５の時刻ｔ０以前において、制御手段１００は、ＤＣ−ＤＣコンバータ９０と系統連系インバータ９１を運転して、山登りモードで動作させている。これは、実施例１で説明した図２の時刻ｔ５以降の動作に相当する。同時に制御手段１００は、太陽電池アレイ１０からパワーコンディショナ２に出力される電力Ｐｐｖの情報をＤＣ−ＤＣコンバータ９０内の電圧センサおよび電流センサ等によって得ながら監視している。

このとき、太陽電池アレイ１１からＤＣ−ＤＣコンバータ９０を介してスイッチング素子２１に電流が流れて損失が発生する。そこで制御手段１００は、図５のＶｇ２１に示す通り、スイッチング素子２１のゲートにオン電圧を印加してスイッチング素子２１をオン状態にし、スイッチング素子両端の負の電圧を減少させて損失を低減させる。その結果、システムの発電効率が向上する効果が得られる。なお、図表を省略するが、スイッチング素子２０についても同様の動作を行っており、損失を低減している。

本実施例における太陽電池ストリングの逆流を抑制する動作を説明する。時刻ｔ０において、日射量の変化が生じて太陽電池ストリング２１の発電量が低下した。これにより、Ｉｄ２１に示す通り、太陽電池アレイ１１からＤＣ−ＤＣコンバータ９０を介してスイッチング素子２１に流れる電流が減少し始め、時刻ｔ１で電流値が負となって逆流期間にはいった。同時に、太陽電池アレイ１０の電力Ｐｐｖ、電圧Ｖｐｖも減少した。

一方、制御手段１００は太陽電池アレイ１０の電力Ｐｐｖを監視しており、図６のＳ３０１を所定の時間間隔で実行している。時刻ｔ０から始まったＰｐｖの電力変動が、時刻ｔ２で設定された閾値に到達した。制御手段１００はＳ３０２を実行して、スイッチング素子２０、２１をオフさせた。この作用により、Ｉｄ２１に示す通り、時刻ｔ２以降において太陽電池ストリング１１の逆流が抑制された。そして、太陽電池アレイ１２の電力Ｐｐｖおよび電圧Ｖｐｖの低下が改善され、システムの発電効率が向上する効果を得た。

その後、制御手段１００は、太陽電池アレイを診断して時刻ｔ０で起こった電力変動の要因を特定するため、以下の処理を実行する。

時刻ｔ３において、制御手段１００はＳ３０３を実行して、ＤＣ−ＤＣコンバータ９０と系統連系インバータ９１を運転して、太陽電池アレイ１０の出力電流をゼロにし、太陽電池アレイ１０を開放電圧にする。このとき、接続箱に相当するスイッチング素子２０、２１はオフしているため、太陽電池ストリング１０よりも開放電圧の低い太陽電池ストリング１１に逆流は発生せず、スイッチング素子２１に電流は流れない。その一方で、スイッチング素子２１には、Ｖｄ２１に示す通り、太陽電池ストリング１０と１１との差分の正の電圧が印加される。なお本実施例では、時刻ｔ３で太陽電池アレイ１０の出力電流をゼロにしたが、それに限るものではない。太陽電池ストリングの診断に弊害が無い微小な電流値であればよい。

その後、制御手段１００は、Ｓ２０１を実行して太陽電池アレイ電圧Ｖｐｖと各スイッチング素子の電圧Ｖｄを取得する。次にＳ２０２を実行し、各スイッチング素子の電圧Ｖｄが所定の電圧（太陽電池アレイ１２の電圧Ｖｐｖの所定の割合Ａ）以上の場合は太陽電池の故障と判定して、Ｓ２０３を実行して故障アラーム等を出す。このアラームにより、発電システムの管理者に故障した太陽電池の点検や交換を促し、発電量を向上させる効果が得られる。またこの場合、接続箱に相当するスイッチング素子２０と２１はオフを継続しているので、太陽電池アレイ間の継続的な逆流を防止し、太陽電池アレイの更なる破壊を防止する効果がある。

しかし、図６は太陽電池ストリング１１に部分影が生じた場合であるから、制御手段１００は全ての太陽電池ストリングにおいて太陽電池の故障は無いと判定し、Ｓ２０７に進む。ここで制御手段１００は、各スイッチング素子の電圧Ｖｄが所定の電圧（太陽電池アレイ１２の電圧Ｖｐｖの所定の割合Ｂ）以上と判定し、太陽電池に部分影が発生していると判定した。そしてＳ２０８に進み、ＤＣ−ＤＣコンバータ９０と系統連系インバータ９１を運転して、時刻ｔ４でスキャンモードを実行した。

時刻ｔ４以降、制御手段１００は、ＤＣ−ＤＣコンバータ９０と系統連系インバータ９１を運転して、開放電圧であった太陽電池アレイ１２の動作点を時刻ｔ６までの間にパワーコンディショナ２の最低動作電圧まで移動させる。なお、動作点の移動範囲に関してはこれに限定するものではなく、太陽電池アレイの電力の極大点が発生し得る範囲内であればよい。その移動範囲を狭めるほど短時間に最大電力点を検出できてシステムの発電効率を向上する効果が得られる。

スキャンモード実行最中の時刻ｔ５において、太陽電池アレイの電圧Ｖｐｖが太陽電池ストリング１１の開放電圧と等しくなり、Ｖｄ２１に示す通り、スイッチング素子２１への正の印加電圧が減少する。その後、スイッチング素子２１には、太陽電池ストリング１１から負の電圧が印加され、スイッチング素子２１の寄生ダイオードが導通するとともに、太陽電池ストリング１１からＤＣ−ＤＣコンバータ９０に電流が流れる。なお、この負電圧は寄生ダイオードの順方向電圧に起因しており、一般に−数百ｍＶから−数Ｖの範囲で発生する。そして、寄生ダイオードの順方向電圧に相応する損失がスイッチング素子に発生する。また図表を省略するが、スイッチング素子２０にも同様の負電圧が発生し、損失が発生している。

時刻ｔ７において、スキャンモードが終了すると、制御手段１００は検出した最大電力点でＤＣ−ＤＣコンバータ９０と系統連系インバータ９１を運転させる。その後、Ｓ２０９を実行し、前述の山登り法で動作する山登りモードに切り替える。

時刻ｔ８において、制御手段１００はＳ２１２を実行して、接続箱の各スイッチング素子のゲートにオン電圧を印加し、各スイッチング素子をオン状態にする。この作用により、スイッチング素子の寄生ダイオードに流れていた電流が低抵抗のチャネルに流れるようになり、Ｖｄ２１に示す通り、スイッチング素子両端の負の電圧が低減する。その結果、スイッチング素子の損失が低減し、システムの発電効率が向上する効果が得られる。なお、本実施例では、接続箱の各スイッチング素子をオンする時刻を山登りモードの最中に設定したが、時刻ｔ５以降のスイッチング素子の寄生ダイオードに順方向電流が流れる状態であればよく、スキャンモードの最中でもよい。

以上に説明した通り、本実施例では、太陽電池アレイと直接接続されたスイッチング素子のオフ状態における印加電圧すなわち太陽電池アレイ同士の差分電圧を基に太陽電池の状態を診断して、太陽電池アレイの逆流を抑制する効果を得た。同時に、太陽電池の最大電力点を短時間に検出することを可能とし、システムの発電効率を向上する効果を得た。また電圧検出手段に常時印加される電圧は太陽電池アレイの電圧よりも低いことから、電圧検出手段の耐久性が向上または、その設計を簡易化できる効果が得られる。

なお本実施例では、時刻ｔ４においてスキャンモードを実行する場合を説明したが、前述のＳ２０７において部分影の発生は無いと判定された場合は、Ｓ２０８のスキャンモードを省略してＳ２１１の山登りモードを実行する。この作用により、スキャンモード実行するよりも短時間に最大電力点を検出してシステムの発電効率を向上させる効果が得られる。

また本実施例では、太陽電池アレイの電力変動をきっかけに太陽電池の診断を開始したが、太陽電池アレイの電圧および電流の変動、または太陽電池アレイＤＣ−ＤＣコンバータ９０の出力電圧Ｖｐｎおよび系統連系インバータ９１の出力電力の変動などをきっかけとしても同様な効果を得ることが可能である。

図７は、実施例１〜３で説明したパワーコンディショナ２の変形例である。本実施例では、スイッチング素子で構成した接続箱と、ＤＣ−ＤＣコンバータと系統連系インバータとで構成したパワーコンディショナを分離している。以下、本実施例について説明する。なお、先の実施例の説明と重複する部分については省略する。

図７において、３は接続箱、４はパワーコンディショナ、１０２は接続箱を構成するスイッチング素子を制御する制御手段である。１０３は、ＤＣ−ＤＣコンバータ９０と系統連系インバータ９１を制御する制御手段１０３である。３４〜３９は端子である。

電圧検出手段１０１で検出されたスイッチング素子２０、２１の電圧は、制御手段１０２に伝達される。制御手段１０２と１０３は端子３６と３９を介して信号線で接続されており、スイッチング素子２０、２１に印加されている電圧情報および、それらの素子のオンまたはオフする制御情報が伝達されている。なお、本実施例では制御手段１０２と１０３を信号線で接続したが、無線通信装置を介して接続してもよい。

本実施例の動作は、先に説明した実施例１〜３と同様である。制御手段１０２と１０３が連携して、制御手段１００と同様の働きをし、実施例１〜３と同様の効果を得ることができる。

本実施例では、接続箱とパワーコンディショナを分離したことにより、接続箱を太陽電池アレイの近く配置することが可能になる。これにより、太陽電池アレイと接続箱を結ぶ複数の電力線を短縮でき、システムにおける電力線の総量を低減できる。そして電力線コストの低減と配線作業量を低減する効果が得られる。

１ 太陽光発電システム
２、４ パワーコンディショナ
３ 接続箱
１０、１１ 太陽電池アレイ
１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１１ａ、１１ｂ、１１ｃ 太陽電池
１２ 太陽電池アレイ
１５ 商用系統
２０、２１ スイッチング素子
３０、３１、３２、３３、３４、３５、３６、３７、３８、３９ 端子
９０ ＤＣ−ＤＣコンバータ
９１ 系統連系インバータ
１００、１０２、１０３ 制御手段
１０１ 電圧検出手段

Claims (5)

1. 太陽電池とスイッチング素子が直列に接続され且つ、それらが複数並列に接続され、前記スイッチング素子の両端電圧を検出する電圧検出手段と、前記スイッチング素子を駆動する制御手段を備え、
   前記制御手段は、前記スイッチング素子を所定の方法でオンまたはオフを行い、前記スイッチング素子のオフ時の両端電圧に基づいて、前記太陽電池の状態を診断し、前記スイッチング素子を継続的にオンまたはオフさせることを特徴とする太陽光発電システム。
2. 請求項１に記載の太陽光発電システムにおいて、
   前記スイッチング素子のオフ時の両端電圧に基づいて、前記太陽電池の故障あるいは部分影の有無を判定する制御手段を備えることを特徴とする太陽光発電システム。
3. 請求項１又は２に記載の太陽光発電システムにおいて、
   前記太陽電池に部分影有りと判定した場合には、太陽電池の最大電力点を所定の電圧および電流範囲内で探索する動作モードを実行する制御手段を備えることを特徴とする太陽光発電システム。
4. 請求項１から３の何れか１項に記載の太陽光発電システムにおいて、前記スイッチング素子を所定のオン比率のパルス電圧で駆動してオンまたはオフさせる制御手段を備えることを特徴とする太陽光発電システム。
5. 請求項１から３の何れか１項に記載の太陽光発電システムにおいて、前記太陽電池の発電量の変化をとらえて前記スイッチング素子をオフすることを特徴とする太陽光発電システム。

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