JP2022187039A - 太陽光発電システム - Google Patents
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Abstract
【課題】モジュール毎にＭＰＰＴ制御を可能とする接続装置、ＰＶモジュール及び太陽光発電システムを提供する。【解決手段】第１の半導体スイッチ６と第２の半導体スイッチ７を同時にオンして一旦コンデンサ４の電圧をゼロにした直後、第１の半導体スイッチ６と第２の半導体スイッチ７を同時にオフしてコンデンサ４を再充電しつつ、電圧センサ５にて計測した電圧に基づいて所定の計算式によりＰＶモジュール１の発電電力を算出し、算出した発電電力が最大となる点の電圧をスキャンして新たな最大電力点電圧）として記憶し、ＰＶモジュール１に降圧型ＤＣ／ＤＣ変換する接続装置１０によって、各ＰＶモジュールが最大電力点の電圧になるように制御して、多数直列接続してストリングとなし、その電流を昇圧型ＤＣ／ＤＣ変換した後に電圧型ＤＣ／ＡＣ逆変換若しくは直接に電流型逆変換により系統に連系する。【選択図】図１
Description
本発明は、太陽光発電システムに関し、特に、多数の太陽電池モジュール（以下「ＰＶモジュール」という。）を直列にストリング接続して、さらに、そのストリングを並列に接続して構成する太陽光発電システムに関するもので、個々に光量、温度、または規格が異なるＰＶモジュールのそれぞれの最大電力を集めるためのＰＶモジュールの接続装置及びそれを接続したＰＶモジュールを用いた太陽光発電システムに関するものである。
太陽光発電は、電力密度が昼のピークでも約２００Ｗ／ｍ２と低いので電力エネルギー源とするには広大な面積が必要なのが欠点であるが、枯渇しないエネルギー源である。近年、半導体製造技術の進歩で製造コストが下がり、耐用年数も３０年近くと永く、近い将来、主要な電力エネルギー源になるものと期待されている。大規模な発電設備・メガソーラーでは、数万枚のＰＶモジュールが、広い平坦な土地に均一に並べられて、ストリング状に直列に、さらに並列に接続されて、合わせて数ＭＷの直流出力をインバータで交流に変換して電力系統に連系している。
これまでの太陽光発電システムでは、ＰＶモジュールから最大電力を取り出せるように、系統連系装置（PCS：Power Conversion System）によって、並列に接続されたストリングに対して一括して電圧を制御して、全体として最大電力になる電圧を探して運転するMPPT（Maximum Power Point Tracking：最大電力点追従）運転を行っている。
すなわち、全てのＰＶモジュールの規格や光量や温度の条件が同一のＰＶモジュールが同一に発電している場合であれば、一括PCSによってストリング電圧を制御して、温度の変化などに対してMPPT制御を行い、電圧源型のDC/AC変換装置で逆変換して交流電力系統に送電する。
すなわち、全てのＰＶモジュールの規格や光量や温度の条件が同一のＰＶモジュールが同一に発電している場合であれば、一括PCSによってストリング電圧を制御して、温度の変化などに対してMPPT制御を行い、電圧源型のDC/AC変換装置で逆変換して交流電力系統に送電する。
ＰＶモジュールの最大電力を得るには、直列ストリングの電圧をPCSによってMPPT制御をすると、各ＰＶモジュールの条件が同じならば、同じ電圧分担で各ＰＶモジュールの最大電力が得られる。しかしながら、そこに、電柱、建物の影や落ち葉、汚染、劣化などによってストリング内の１枚のＰＶモジュールの出力減によって、そのストリングの電力が大幅に下がる問題（部分影問題）がある。ストリング内のＰＶモジュールが影や落ち葉などの汚染により光出力電流がストリング電流以下になると、ＰＶモジュールに並列接続されているバイパスダイオードが導通して短絡され、そのＰＶモジュールが出力しなくなるばかりでなく、端子電圧がゼロに下がる。その他のＰＶモジュールは分担電圧がその分高くなってMPPT条件の電圧から外れることで出力電力がさらに下がる。
図２にＰＶモジュール１枚の電流・電圧特性を示すが、横軸に電流を、縦軸に電圧と電力を、パラメータに光量１００％、７５％、５０％、２５％として示している。一般のＰＶモジュール特性は、横軸に電圧を取るが、図２は横軸を電流としている。例えば、直列ＰＶモジュールがある光量の最大電力点で運転されており、その１つのモジュールの光量がわずか２０％下がると電流は光量に比例して下がるが、電圧はそこでバイパスダイオードが導通して、端子電圧がゼロ以下、わずかマイナスになることがわかる。この場合、そのモジュールは電力を送出できないばかりか、ストリングの１モジュールが短絡して電圧ゼロ、その分、他のＰＶモジュールの分担電圧も上がって、最大電力点より高電圧側にずれる。それによってストリング内の他の健全なＰＶモジュールも発電電力が下がり、ストリングは大きな出力損失が生じるのである。
図１１に示すPSIM回路シミュレーション計算コードのモデルによって、部分影の影響を計算した。図１２にシミュレーション計算の結果を示すが、計算によれば、ＰＶモジュール（最大定格250Ｗが８直列）、2,000Ｗのストリングで、１枚のみが光量５０％になると、光のパワーは125Ｗ減であるはずが、ストリング全体電力は2,000Ｗが450Ｗ減の1,550Ｗになってしまう。
下記特許文献１では、部分影によって生じた足りない電圧、バイパスされたＰＶモジュール分の電圧をストリングに直列に電圧を補充することで回復する方法や、下記特許文献２では、各ＰＶモジュールの出力を昇降圧のDC/DCコンバータで変換して直並列のストリングにして、その最大電力を出力する方法を開示している。
また太陽光発電システムの安全対策では、下記特許文献３の電気による人的障害を回避する電気安全のためＰＶモジュール単体・複数の出力端子間を半導体スイッチで短絡することによって発電出力を停止する方法が開示されている。
また太陽光発電システムの安全対策では、下記特許文献３の電気による人的障害を回避する電気安全のためＰＶモジュール単体・複数の出力端子間を半導体スイッチで短絡することによって発電出力を停止する方法が開示されている。
平たんでない土地など条件の悪い場所に展開され、設置される太陽光発電施設では、上述のような、ストリング内のＰＶモジュールが部分影など、時々刻々の日照、温度などが変化する発電出力変動のほかに、性能や規格の異なるＰＶモジュールを接続したストリングスにおいては電圧分担の問題が発生する。
そこで、性能、規格の違うモジュールでも、最大電力点で発電して、バイパスすることなく全てのＰＶモジュールからストリングへ送出して太陽光発電システムの効率と稼働率を上げることが求められている。
しかし、理想的条件で設置され、各ＰＶモジュールの性能が均一な状態で接続されたＰＶモジュールは従来のＰＣＳによるストリングの電圧一括制御ですべてのＰＶモジュールの最大電力が得られるので、その場合には、DC/DC変換などの半導体スイッチの導通損、挿入損が無いように運用したい。
そこで、性能、規格の違うモジュールでも、最大電力点で発電して、バイパスすることなく全てのＰＶモジュールからストリングへ送出して太陽光発電システムの効率と稼働率を上げることが求められている。
しかし、理想的条件で設置され、各ＰＶモジュールの性能が均一な状態で接続されたＰＶモジュールは従来のＰＣＳによるストリングの電圧一括制御ですべてのＰＶモジュールの最大電力が得られるので、その場合には、DC/DC変換などの半導体スイッチの導通損、挿入損が無いように運用したい。
本発明は、かかる従来のＰＶモジュールの発電電力の制御の問題点に鑑みなされたものであり、直列接続されたＰＶモジュールの部分影や経年劣化したＰＶモジュール、または電圧・電流などの規格が異なるＰＶモジュールがある場合であっても、モジュールごとにＭＰＰＴ制御を可能とするための接続装置を提供し、それを用いた太陽光発電システムを提供することを目的とする。
ＰＶモジュール単体又はその集合体は、発電設備であり、光があれば発電するので電圧を停止することができない。人家、車庫、倉庫や工場の屋根にも配置されるのであれば、発電の不要な時は発電出力を停止し、さらに衝撃を受けた場合や水没時にも、自動的に発電出力を停止し、人体に安全な電圧にする対策が必要である。
そこで、本発明の他の目的は、非常時において発電電力を安全に停止させる手段を備えた接続装置を提供することにある。
そこで、本発明の他の目的は、非常時において発電電力を安全に停止させる手段を備えた接続装置を提供することにある。
本発明は、ＰＶモジュールと接続され、該ＰＶモジュールから出力される直流電力を降圧型DC/DC変換で所望の電力値に電力変換して出力する電力変換接続装置（以下「接続装置」という。）に関し、本発明の上記目的は、該接続装置は、前記ＰＶモジュールと接続される入力端子（正極及び負極）と、前記電力変換された直流電力を負荷又は電力系統に供給するための出力端子（正極及び負極）と、前記入力端子の正極と負極との間に接続されたコンデンサと、前記コンデンサの両端の電圧(Vc)を計測する電圧センサと、直列に接続された２個の半導体スイッチと、通信によりオン／オフ制御可能な金属接点と、制御装置とを備えるとともに、前記２個の半導体スイッチの接続点が前記出力端子の正極に接続され、前記入力端子の負極が前記出力端子の負極に接続され、前記金属接点は、前記入力端子の正極と前記出力端子の正極との間に接続され、前記２個の半導体スイッチのうち、前記接続点とは反対側の端子が前記入力端子の正極に接続されるものを第１の半導体スイッチとし、前記半導体スイッチのうち、前記接続点とは反対側の端子が前記出力端子の負極に接続されるものを第２の半導体スイッチとし、さらに、前記制御装置は、前記電圧センサからの電圧(Vc)を受信し、それに基づいて前記第１の半導体スイッチ、第２の半導体スイッチ及び前記金属接点のオン／オフを制御することにより、前記ＰＶモジュールから出力される直流電力を降圧型DC/DC変換で所望の電力値（電流・電圧値）に電力変換して出力又はその出力を停止することによって達成される。
また、本発明の上記目的は、前記制御装置が、前記金属接点がオフの状態において、前記電圧センサからの電圧(Vc)と前記ＰＶモジュールの最大電力点電圧(Vmp)との差が所定の範囲内に入っているときは、前記２個の半導体スイッチを交互にオン／オフしてＰＷＭ制御により前記電圧(Vc)を制御し、前記電圧センサからの電圧(Vc)と前記ＰＶモジュールの最大電力点電圧(Vmp)との差が所定の範囲を超え、かつ、前記電圧(Vc)が前記最大電力点電圧(Vmp)よりも低いときは、前記第１の半導体スイッチと前記第２の半導体スイッチを同時にオンして一旦前記電圧(Vc)をゼロにした直後、前記第１の半導体スイッチと前記第２の半導体スイッチを同時にオフして前記コンデンサを再充電しつつ、前記電圧センサにて計測した前記電圧(Vc)に基づいて所定の計算式により前記ＰＶモジュールの発電電力を算出し、該算出した発電電力が最大となる点の前記電圧(Vc)をゼロから最大まで全電圧スキャンすることにより求めて新たな最大電力点電圧(Vmp)として記憶し、前記電圧センサからの電圧(Vc)と前記ＰＶモジュールの最大電力点電圧(Vmp)との差が所定の範囲を超え、かつ、前記電圧(Vc)が前記最大電力点電圧(Vmp)よりも高いときは、前記第１の半導体スイッチをオンした後に前記金属接点をオンし、かつ、前記第２の半導体スイッチをオフすることにより外部に電流を放出して電圧(Vc)を下げるように制御することによって効果的に達成される。
さらに、本発明の上記他の目的は、前記半導体スイッチがN型MOSFETであって、前記第２の半導体スイッチのドレインとゲートとを抵抗器を介して接続し、かつ、前記制御装置と前記ゲートとをリードスイッチを介して接続し、通常動作時においては、前記リードスイッチに永久磁石を近接して設置しておいて前記リードスイッチを導通させて前記制御装置からの制御信号を前記ゲートに供給し、前記出力端子からの出力を強制的に停止させるときは、前記永久磁石を人力により、又は衝撃等により自然脱落させることで前記リードスイッチから隔離させて前記リードスイッチをオフしてゲートへの制御信号を遮断することにより、前記ゲートの電位を前記抵抗器によって前記ドレインの電位までプルアップさせて前記第２の半導体スイッチをオンすることを特徴とする前記接続装置によって達成される。
またさらに、本発明の上記目的は、ＰＶモジュールの出力端子に前記接続装置を接続したものを複数個直列接続して電流リンクのストリングを構成し、個々に前記ＰＶモジュールごとに最大電力点追従制御を行うことを特徴とする太陽光発電システムによって達成される。
太陽光発電システムの個々のＰＶモジュールの最大出力を得るには各ＰＶモジュールの出力端電圧を最大出力時の電圧Ｖｍｐに維持するために、出力電流を制限すればよい。そのために部分影のＰＶモジュール、電流規格が異なるＰＶモジュールを直列接続するには、半導体スイッチによる降圧型DC/DC変換によって、ＰＶモジュールの端子電圧をＶｍｐに維持するように端子に接続されたコンデンサの電荷を降圧型DC/DC変換で電流パルスにしてストリングに出力すれば、直列に接続された全てのＰＶモジュールの電力を系統連系インバータに集めることが出来る。
本発明に係る接続装置をＰＶモジュールに接続して使用すれば、上記のことが実現可能になる。
本発明に係る接続装置をＰＶモジュールに接続して使用すれば、上記のことが実現可能になる。
本発明に係る接続装置によれば、部分影や、規格の異なるＰＶモジュールであっても、瞬時スキャン（詳細は後述）によってＶｍｐを求めることができるので、その時の状態に合わせたＭＰＰＴ運転が可能となる。
本発明に係る接続装置によれば、ＰＶモジュールに接続された接続装置が衝撃を受けた場合、永久磁石が離れ落ちることで、第２の半導体スイッチがＰＶモジュールの発電電圧によってオンするため、外部電源なしにＰＶモジュールの出力を短絡して、人体に安全な電圧にすることができる。
以下、図面を参照しつつ、ＰＶモジュールごとにＭＰＰＴ運転を可能とするための接続装置及びそれを用いた太陽光発電システムの実施形態について説明する。
上記特許文献１では、ＰＶモジュール端子の電圧が、ＰＶモジュールの最大電力を発電する電圧Ｖｍｐになるように外部から補助電圧を与えていたが、本発明では、出力電流を断続して制限することで電圧の下がるのを止めて発生させるようにする。
そのため、ＰＶモジュールの出力端子とストリングとの間に、電圧電流を変換する接続装置を挿入する。
上記特許文献１では、ＰＶモジュール端子の電圧が、ＰＶモジュールの最大電力を発電する電圧Ｖｍｐになるように外部から補助電圧を与えていたが、本発明では、出力電流を断続して制限することで電圧の下がるのを止めて発生させるようにする。
そのため、ＰＶモジュールの出力端子とストリングとの間に、電圧電流を変換する接続装置を挿入する。
図１は本発明に係る接続装置１０の構成を示す図である。以下、図１を参照しつつ詳細に説明する。
接続装置１０は、ＰＶモジュール１と接続される入力端子２（正極及び負極）と、電力変換された直流電力を負荷又は電力系統に供給するための出力端子３（正極及び負極）と、入力端子２の正極と負極との間に接続されたコンデンサ４と、コンデンサ４の両端の電圧(Vc)を計測する電圧センサ５と、直列に接続された２個の半導体スイッチ６及び７と、通信によりオン／オフ制御可能な金属接点８と、制御装置９とを備えるとともに、半導体スイッチ６，７の接続点が出力端子３の正極に接続され、入力端子２の負極が出力端子３の負極に接続され、金属接点８は、入力端子２の正極と出力端子３の正極との間に接続され、２個の半導体スイッチ６，７のうち、接続点とは反対側の端子が入力端子２の正極に接続されるものを第１の半導体スイッチ６とし、接続点とは反対側の端子が出力端子３の負極に接続されるものを第２の半導体スイッチ７とし、さらに、制御装置９は、電圧センサ５からの電圧(Vc)を受信し、それに基づいて第１の半導体スイッチ６、第２の半導体スイッチ７及び金属接点８のオン／オフを制御することにより、ＰＶモジュール１から出力される直流電力を降圧型DC/DC変換で所望の電圧・電流値に電力変換して出力する。
なお、参照符号１１で示すのは、ＰＶモジュール１に付属しているバイパスダイオードである。半導体スイッチとしては、例えばMOSFET又はIGBT、金属接点としてはリレーが利用可能である。MOSFETは直列に接続されたペアのものが市販されている。制御装置９はマイクロコンピュータを所定のソフトウェアで動作させることによって実現できる。
また、制御装置９は、外部から無線あるいは有線にて指令を送受信可能な通信機能（不図示）を備えている。
接続装置１０は、ＰＶモジュール１と接続される入力端子２（正極及び負極）と、電力変換された直流電力を負荷又は電力系統に供給するための出力端子３（正極及び負極）と、入力端子２の正極と負極との間に接続されたコンデンサ４と、コンデンサ４の両端の電圧(Vc)を計測する電圧センサ５と、直列に接続された２個の半導体スイッチ６及び７と、通信によりオン／オフ制御可能な金属接点８と、制御装置９とを備えるとともに、半導体スイッチ６，７の接続点が出力端子３の正極に接続され、入力端子２の負極が出力端子３の負極に接続され、金属接点８は、入力端子２の正極と出力端子３の正極との間に接続され、２個の半導体スイッチ６，７のうち、接続点とは反対側の端子が入力端子２の正極に接続されるものを第１の半導体スイッチ６とし、接続点とは反対側の端子が出力端子３の負極に接続されるものを第２の半導体スイッチ７とし、さらに、制御装置９は、電圧センサ５からの電圧(Vc)を受信し、それに基づいて第１の半導体スイッチ６、第２の半導体スイッチ７及び金属接点８のオン／オフを制御することにより、ＰＶモジュール１から出力される直流電力を降圧型DC/DC変換で所望の電圧・電流値に電力変換して出力する。
なお、参照符号１１で示すのは、ＰＶモジュール１に付属しているバイパスダイオードである。半導体スイッチとしては、例えばMOSFET又はIGBT、金属接点としてはリレーが利用可能である。MOSFETは直列に接続されたペアのものが市販されている。制御装置９はマイクロコンピュータを所定のソフトウェアで動作させることによって実現できる。
また、制御装置９は、外部から無線あるいは有線にて指令を送受信可能な通信機能（不図示）を備えている。
すなわち、ＰＶモジュール１の出力を、一旦、コンデンサ４に静電エネルギーとして蓄積して、その電圧が最大電力の電圧Ｖｍｐになるように制御すれば、最大電力を発電している状態になる。そのため、実際には、電圧が下がった場合は図の第１の半導体スイッチ６をオフしてコンデンサ４を充電し、電圧がＶｍｐよりも上がった場合は、第１の半導体スイッチ６をオンし、コンデンサ４の電荷を電流としてストリングに放電する。ストリングの電流は第１の半導体スイッチ６がオフの間は、第２の半導体スイッチ７がオンしてバイパスしてストリング電流は外部インダクタ１３によって還流している。
結局、接続装置１０はＰＶモジュール１が最大電力となる電圧Ｖｍｐでストリングに出力する。ＰＶモジュール１は、図２で示すように、最大電力点の電圧値Ｖｍｐは、光量による変化がほとんど無いという特性を利用して、コンデンサ４の電圧をＶｍｐに維持しようとする降圧型DC/DC変換制御で、ＰＶモジュール１の最大電力点を追従するMPPT制御が実現できる。
結局、接続装置１０はＰＶモジュール１が最大電力となる電圧Ｖｍｐでストリングに出力する。ＰＶモジュール１は、図２で示すように、最大電力点の電圧値Ｖｍｐは、光量による変化がほとんど無いという特性を利用して、コンデンサ４の電圧をＶｍｐに維持しようとする降圧型DC/DC変換制御で、ＰＶモジュール１の最大電力点を追従するMPPT制御が実現できる。
部分影などによってストリング中の１つのＰＶモジュールの光量が約２０％減少すると、図２のように、ＰＶモジュールの出力電圧は急に減少して、ほぼゼロになる。ＰＶモジュールは、バイパスダイオード１１が順方向に導通して電圧は約ゼロとなる。
その電圧低下を電圧センサ５で検出すると、制御装置９は第１の半導体スイッチ６をオフにして最大電力点の瞬時スキャンを開始する。図３に示すのは、ここで行うＰＶモジュールの最大電力点電圧の瞬時スキャン法の概念図である
その電圧低下を電圧センサ５で検出すると、制御装置９は第１の半導体スイッチ６をオフにして最大電力点の瞬時スキャンを開始する。図３に示すのは、ここで行うＰＶモジュールの最大電力点電圧の瞬時スキャン法の概念図である
最大電力点の電圧は、コンデンサの充電時の電流、電圧特性から決定することができる。半導体スイッチ６と７を同時にオンした後、同時にオフすると、コンデンサ４の電圧がゼロから無負荷開放電圧まで変化するが、その充電特性からＰＶモジュールの特性を探査する。コンデンサ４の静電容量が例えば1,000μＦとすると、ＰＶモジュールの光発電電流が１０Ａとして、コンデンサ充電完了の時間は約１０ｍｓである。この充電の電圧・電流特性から最大電力点の電圧Ｖｍｐが分かる。この方法の特徴は、瞬時（約１０ｍｓ程度の短時間）でスキャンが可能であるし、山登り法などのアルゴリズム・各種インテリジェントな方法とは違い、この瞬時スキャン法では、全電圧をスキャンしているので、発電電力に複数のピークがある場合でも全電圧領域のスキャンができ、外れがない。
最大電力点電圧（Ｖｍｐ）の検出の方法は、半導体スイッチ６と７を同時にオンにしてコンデンサ電圧をゼロにした後、同時にオフにするとコンデンサ４に充電が始まる。コンデンサ４の電流Ｉｃを電流センサで検出しても良いが、ここでは電圧センサ５によってコンデンサ電圧Ｖｃを計測しているので、その充電スピード（電圧の時間微分）と電圧とで、最大電力点の電圧Ｖｍｐを決定する。
すなわち、
ＰＶモジュールの発電電力Watt＝コンデンサの充電電力
＝コンデンサ電流×コンデンサ電圧
Watt=Ic×Vc
コンデンサへの電流Icは、コンデンサの電荷Q(=C×Vc)の時間変化であるから、電流は
Ic=dQ/dt＝d(C×Vc)/dt
したがって、電力は、
Watt=d(C×Vc)/dt ×Vc =C×(dVc/dt)×Vc…（式１）
電力ピーク値は、VcとVcの時間微分の掛け算値のピーク値であり、電力のピークを記憶して、その時の電圧Vcを最大電力点の電圧Ｖｍｐとして設定すれば良い。これは制御装置９内に計算能力を持たせることで可能である。
本発明のコンデンサ４の充電時間は約１０ｍｓ程度であるから、ＰＶモジュール上の影が激しく変化する場合にはそれに合わせて瞬時に探査することも可能である。
すなわち、
ＰＶモジュールの発電電力Watt＝コンデンサの充電電力
＝コンデンサ電流×コンデンサ電圧
Watt=Ic×Vc
コンデンサへの電流Icは、コンデンサの電荷Q(=C×Vc)の時間変化であるから、電流は
Ic=dQ/dt＝d(C×Vc)/dt
したがって、電力は、
Watt=d(C×Vc)/dt ×Vc =C×(dVc/dt)×Vc…（式１）
電力ピーク値は、VcとVcの時間微分の掛け算値のピーク値であり、電力のピークを記憶して、その時の電圧Vcを最大電力点の電圧Ｖｍｐとして設定すれば良い。これは制御装置９内に計算能力を持たせることで可能である。
本発明のコンデンサ４の充電時間は約１０ｍｓ程度であるから、ＰＶモジュール上の影が激しく変化する場合にはそれに合わせて瞬時に探査することも可能である。
次に、制御装置９の行う制御について、図４に示すフローチャートに基づいて説明する。
制御装置９は各種の運転条件や各種の指令（出力開始や出力停止、Ｖｍｐ探査実行等）を外部装置（例えば、太陽光発電システム全体を統括する上位の制御機器等を指す。）との通信によって受信する（ステップＳ１）。指令の中に出力停止指令が含まれていなければ（Ｓ２のＮｏ）、電圧センサ５から電圧Ｖｃを受信する（Ｓ３）。
なお、スタート直後はまだＶｍｐが分かっていないので、外部装置からの指令により、後述のステップＳ７に飛んで、その処理を先に行ってＶｍｐを求めてからＳ３の処理に移行することになる。これにより、ストリングの各ＰＶモジュールの規格値がバラバラであっても、ＰＶモジュールごとに最適のＶｍｐでＭＰＰＴ運転をすることが可能になる。
次に、電圧ＶｃとＶｍｐとを比較して、その差が所定の値δ（例えば１Ｖ程度）であれば（Ｓ４のＹｅｓ）、金属接点８がオフの状態において、第１の半導体スイッチ６と第２の半導体スイッチ７とを交互にオン／オフして、ＰＷＭ制御によりコンデンサの電圧ＶｃがＶｍｐになるように制御する（Ｓ５）。すなわち、ＭＰＰＴ運転を行う。
ステップＳ４において、ＶｃとＶｍｐとの差がδを超えている場合であって、かつ、Ｖｃ＜Ｖｍｐである場合は（Ｓ６のＮｏ）、何らかの原因（例えば部分影など）でＰＶモジュールの発電電力が低下していると考えられるので、ステップＳ７に移行して電圧Ｖｃに基づいてＶｍｐを求める（Ｓ７）。
具体的には、金属接点８がオフの状態で、半導体スイッチ６と７を同時にオンしてコンデンサ電圧Ｖｃをゼロにし、その後半導体スイッチ６と７を同時にオフすると、図３のゲートOFFの状態になる。そうするとコンデンサ４の充電が開始され、コンデンサ電圧Ｖｃは瞬時に０Ｖから無負荷開放電圧まで上昇する。この時間内に上記（式１）に基づいてコンデンサの充電電力Wattを計算して、それが最大となる点の電圧ＶｃをＶｍｐとしてメモリに記憶する。このＶｍｐをステップＳ４で使用する。
一方、ステップＳ６において、Ｖｃ＞Ｖｍｐである場合は（Ｓ６のＹｅｓ）、先に第１の半導体スイッチ６をオンしてから金属接点８をオンし、第２の半導体スイッチ７をオフにする（Ｓ８）。これにより、コンデンサ４の電荷は電流としてストリングに放電され、電圧Ｖｃが下がる。次に、ステップＳ１に戻って同様の制御を繰り返す。
もし、ステップＳ２において出力停止指令がある場合は（Ｓ２のＹｅｓ）、それが全停止指令の場合は（Ｓ９のＹｅｓ）、半導体スイッチ６と７を共にオンした後、接点８をオンする（Ｓ１１）。一方、半停止指令の場合は（Ｓ９のＮｏ）、接点８がオフ状態であれば、その状態で半導体スイッチをオフ、半導体スイッチ７をオンにする。もし、接点８がオンの状態であれば、半導体スイッチ６をオンの状態にしてから、先に接点８をオフし、その後に半導体スイッチ６をオフする。その後半導体スイッチ７をオンする（Ｓ１０）。
なお、全停止と半停止の違いは、前者がＰＶモジュールの出力と接続装置の出力を共にゼロ（短絡）にするのに対して、後者は接続装置の出力のみを短絡し、ＰＶモジュールの出力はそのまま維持するという点である。
この実施形態では、コンデンサ電圧Ｖｃが部分影の影響等によって低下した場合に、制御装置９が備える制御プログラムに基づいて瞬時スキャンを行って新たなＶｍｐを算出するものであるが、そうではなくて、ＰＶモジュールの温度変化等による変化に対応して上記外部装置からの指令により、上述の瞬時スキャンを行ってＶｍｐを求めるようにしてもよい。
制御装置９は各種の運転条件や各種の指令（出力開始や出力停止、Ｖｍｐ探査実行等）を外部装置（例えば、太陽光発電システム全体を統括する上位の制御機器等を指す。）との通信によって受信する（ステップＳ１）。指令の中に出力停止指令が含まれていなければ（Ｓ２のＮｏ）、電圧センサ５から電圧Ｖｃを受信する（Ｓ３）。
なお、スタート直後はまだＶｍｐが分かっていないので、外部装置からの指令により、後述のステップＳ７に飛んで、その処理を先に行ってＶｍｐを求めてからＳ３の処理に移行することになる。これにより、ストリングの各ＰＶモジュールの規格値がバラバラであっても、ＰＶモジュールごとに最適のＶｍｐでＭＰＰＴ運転をすることが可能になる。
次に、電圧ＶｃとＶｍｐとを比較して、その差が所定の値δ（例えば１Ｖ程度）であれば（Ｓ４のＹｅｓ）、金属接点８がオフの状態において、第１の半導体スイッチ６と第２の半導体スイッチ７とを交互にオン／オフして、ＰＷＭ制御によりコンデンサの電圧ＶｃがＶｍｐになるように制御する（Ｓ５）。すなわち、ＭＰＰＴ運転を行う。
ステップＳ４において、ＶｃとＶｍｐとの差がδを超えている場合であって、かつ、Ｖｃ＜Ｖｍｐである場合は（Ｓ６のＮｏ）、何らかの原因（例えば部分影など）でＰＶモジュールの発電電力が低下していると考えられるので、ステップＳ７に移行して電圧Ｖｃに基づいてＶｍｐを求める（Ｓ７）。
具体的には、金属接点８がオフの状態で、半導体スイッチ６と７を同時にオンしてコンデンサ電圧Ｖｃをゼロにし、その後半導体スイッチ６と７を同時にオフすると、図３のゲートOFFの状態になる。そうするとコンデンサ４の充電が開始され、コンデンサ電圧Ｖｃは瞬時に０Ｖから無負荷開放電圧まで上昇する。この時間内に上記（式１）に基づいてコンデンサの充電電力Wattを計算して、それが最大となる点の電圧ＶｃをＶｍｐとしてメモリに記憶する。このＶｍｐをステップＳ４で使用する。
一方、ステップＳ６において、Ｖｃ＞Ｖｍｐである場合は（Ｓ６のＹｅｓ）、先に第１の半導体スイッチ６をオンしてから金属接点８をオンし、第２の半導体スイッチ７をオフにする（Ｓ８）。これにより、コンデンサ４の電荷は電流としてストリングに放電され、電圧Ｖｃが下がる。次に、ステップＳ１に戻って同様の制御を繰り返す。
もし、ステップＳ２において出力停止指令がある場合は（Ｓ２のＹｅｓ）、それが全停止指令の場合は（Ｓ９のＹｅｓ）、半導体スイッチ６と７を共にオンした後、接点８をオンする（Ｓ１１）。一方、半停止指令の場合は（Ｓ９のＮｏ）、接点８がオフ状態であれば、その状態で半導体スイッチをオフ、半導体スイッチ７をオンにする。もし、接点８がオンの状態であれば、半導体スイッチ６をオンの状態にしてから、先に接点８をオフし、その後に半導体スイッチ６をオフする。その後半導体スイッチ７をオンする（Ｓ１０）。
なお、全停止と半停止の違いは、前者がＰＶモジュールの出力と接続装置の出力を共にゼロ（短絡）にするのに対して、後者は接続装置の出力のみを短絡し、ＰＶモジュールの出力はそのまま維持するという点である。
この実施形態では、コンデンサ電圧Ｖｃが部分影の影響等によって低下した場合に、制御装置９が備える制御プログラムに基づいて瞬時スキャンを行って新たなＶｍｐを算出するものであるが、そうではなくて、ＰＶモジュールの温度変化等による変化に対応して上記外部装置からの指令により、上述の瞬時スキャンを行ってＶｍｐを求めるようにしてもよい。
図１１、図１２にシミュレーション計算結果を示すが、８直列のＰＶモジュールストリングが時刻０．１秒時点で、１つのＰＶモジュール（ＰＶ１）の光量が５０％に落ちるとＰＶモジュールの電流が５０％になって、バイパスダイオードが導通し、そのモジュール電圧はゼロになる。その結果ストリングの出力は１つのＰＶモジュールが低下する以上の1,550Ｗに低下することを示している。電圧ゼロまたは電圧低下を電圧センサ５で検出すると、制御装置９は金属接点（以下「接点」という。）８を（それまで接点８で電流を流して、損失無しにストリングに接続していたが、）オフするが、接点８が動作する時間を考慮して、半導体スイッチ６をオン状態に維持して無アークで接点を開極させるが、そのため約１０ｍｓ程度遅らせてコンデンサ４の降圧型DC/DC制御を開始する。その結果、図１２のＰＶ１のコンデンサ端子電圧は最大電力点の電圧Ｖｍｐの付近、この場合、２７Ｖになって、光量が低下したＰＶモジュールからも、その最大電力を送出することができる。影になったＰＶモジュールも出力電圧がゼロではなくなるので、またその他のＰＶモジュールの電圧の分担電圧も改善して、接点が導通状態で通電損失も無く、８個のモジュールのストリングの全電力は光入力から換算すると1,875Ｗであったがそれが1,850Ｗまでに回復する。
半導体スイッチ７は、ダイオードでも代替可能であるが、MOSFETのオン電圧は、ダイオードのオン電圧より低くできるので、後述の実施例ではMOSFETを採用して、併せて電気安全のための出力短絡スイッチとしても使う。
また、本発明が降圧型DC/DC変換を採用した理由は、損失の大きなインダクタを使わず、ＰＶモジュールの電力は一旦、降圧型DC/DC変換で降圧して、電流リンクで系統連系インバータの昇圧型DC/DC変換につなぐ形である。接続装置１０には、入力に大きな約1,000μＦ耐圧５０Ｖのコンデンサ４が必要だが、コンデンサ４は軽量で損失が少ないが寿命が短い欠点もある。
また、本発明が降圧型DC/DC変換を採用した理由は、損失の大きなインダクタを使わず、ＰＶモジュールの電力は一旦、降圧型DC/DC変換で降圧して、電流リンクで系統連系インバータの昇圧型DC/DC変換につなぐ形である。接続装置１０には、入力に大きな約1,000μＦ耐圧５０Ｖのコンデンサ４が必要だが、コンデンサ４は軽量で損失が少ないが寿命が短い欠点もある。
図５に、一般的に普及している系統連系装置（PCS）１５を接続する場合を示すが、本発明の接続装置１０により各ＰＶモジュールの最大電力を電流パルスで出力させ、ダイオード１２と外部インダクタ１３を介して並列に接続した後、全体を昇圧型DC/DC変換で昇圧し、電圧型DC/AC変換機能を持つ系統連系装置１５で系統に接続することで電圧・電流の規格の異なるＰＶモジュールでも直列させてそれぞれの最大電力を集めることができる。
現在普及している直列ＰＶモジュール、一括ストリング電圧方式の大規模太陽光発電設備に本発明の接続装置１０を採用しても損失が増えることの無いように、図５の場合、同一規格のＰＶモジュールが影の無い状態では全てＰＶモジュールの電圧は均一で最大電力の出力電圧Ｖｍｐになるように系統連系装置側のＭＰＰＴ制御機能でストリング電圧が制御されているので、個々のＰＶモジュールでの変換は不要なので、接点８をオン状態にしてバイパスすれば、接続装置１０は挿入損なしに全てＰＶモジュールの最大電力を取り出せる。したがって、従来の全ストリング一括方式電圧型インバータのMPPT制御でも損失が増えることはない。また接点８は接点の開閉による直流アークの発生で接点８が損傷すること無いように、制御装置９によって、並列の半導体スイッチ６にゲートオン信号をリレーと同期して導通・短絡すればアークを発生すること無しに接点を開閉することができる。
現在普及している直列ＰＶモジュール、一括ストリング電圧方式の大規模太陽光発電設備に本発明の接続装置１０を採用しても損失が増えることの無いように、図５の場合、同一規格のＰＶモジュールが影の無い状態では全てＰＶモジュールの電圧は均一で最大電力の出力電圧Ｖｍｐになるように系統連系装置側のＭＰＰＴ制御機能でストリング電圧が制御されているので、個々のＰＶモジュールでの変換は不要なので、接点８をオン状態にしてバイパスすれば、接続装置１０は挿入損なしに全てＰＶモジュールの最大電力を取り出せる。したがって、従来の全ストリング一括方式電圧型インバータのMPPT制御でも損失が増えることはない。また接点８は接点の開閉による直流アークの発生で接点８が損傷すること無いように、制御装置９によって、並列の半導体スイッチ６にゲートオン信号をリレーと同期して導通・短絡すればアークを発生すること無しに接点を開閉することができる。
図６では、電流リンクによってストリング毎の外部インダクタ１３と昇圧回路によって多数のストリングをPCSに連結する。ストリング毎に最適の電流になるように昇圧型DC/DC制御で制御される。電流はストリング内にＰＶモジュールの最大電流以上になるように、また電流のジュール損の関係で大きすぎないように制御されるのが好ましい。ここではリンク電流は各ストリングの昇圧型DC/DC変換側で高圧の直流配電線で電圧源型PCSの交流連系につなぐことで電線のジュール損を減らす、または導線重量を軽くすることができる。
また、図６が図５と異なるのは、本発明の接続装置１０を介してＰＶモジュールを一括直列ストリング状にするが、太陽に向かう向きが異なるストリング、電流電圧の規格の違うＰＶモジュールのストリングなど条件の違うすべてのＰＶモジュールの最大電力を集めることが可能にする太陽光発電設備を構築することができる。各ストリング電流は各ストリングの昇圧型DC/DC制御により制御する必要がある。
また、図６が図５と異なるのは、本発明の接続装置１０を介してＰＶモジュールを一括直列ストリング状にするが、太陽に向かう向きが異なるストリング、電流電圧の規格の違うＰＶモジュールのストリングなど条件の違うすべてのＰＶモジュールの最大電力を集めることが可能にする太陽光発電設備を構築することができる。各ストリング電流は各ストリングの昇圧型DC/DC制御により制御する必要がある。
制御装置９の機能は、最適電圧Ｖｍｐの値はパネル温度による変化が大きいので、モジュール温度の実測を行い、最大電力電圧ＶｍｐのテーブルによってＶｍｐを設定する機能も良いが、瞬時に電圧スキャンの探査することも、内部セルの健全性を調査するなど、制御装置９は外部装置と通信しながら連携する。
図７にその構成を示すが、本発明の接続装置１０を使って、蓄電池に一旦充電してから、その電圧を逆変換で交流連系する形である。ＰＶモジュールの接続装置１０は、これまで最大電力を出すことに注目してMPPT運転していたが、最大にするだけではなく、本発明の制御装置９によって、設定電圧を必要に応じて上げることで、各モジュールの出力を下げることができる。図はＰＶモジュールを並列接続した後に直列する形である。
例えば、ＰＶモジュールの電流・電圧特性（図２参照）から、設定電圧をＶｍｐ（約２７Ｖ）から、さらに上げて無負荷開放電圧（約３８Ｖ）まで変化することで、発生電力を最大から連続的にゼロまで下げることができる。この各ＰＶモジュールの出力を調整できる機能は太陽光発電で直接、蓄電池を充電する場合に有効である。制御装置９は外部装置からの指令で設定される。
例えば、ＰＶモジュールの電流・電圧特性（図２参照）から、設定電圧をＶｍｐ（約２７Ｖ）から、さらに上げて無負荷開放電圧（約３８Ｖ）まで変化することで、発生電力を最大から連続的にゼロまで下げることができる。この各ＰＶモジュールの出力を調整できる機能は太陽光発電で直接、蓄電池を充電する場合に有効である。制御装置９は外部装置からの指令で設定される。
大規模な太陽光発電設備の１日の発電運転記録を見ると、良く晴れた日ほど急速な雲の通過や雲の反射、またパネル温度の変化などで発電電力が大幅に変化している。これを電力の「しわ」と呼んでいるが、太陽光発電の電力品質は悪いと言われる。将来、大規模な太陽光発電システムでは、電力系統の電圧変化、フリッカと呼ばれる電圧急変問題になりうる。極端な例であるが、航空機の影が通過した場合、それが電力系統に与えるショックが問題になるだろう。電力急変を補完する短時間の電力補償装置が必要である。図９に示すが、交流連系点にフライホイール付可変速同期機、ＲＯＴＥＳ（Rotary Energy Storage System）１７があると短時間の電力蓄積があるのでこれで解決する。太陽光発電の大きな欠点は発電電力の予期せぬ急変であるが、図９のＲＯＴＥＳの設置は系統への電力変動を、電力系統が要求する数１００ＭＷの変動を１％１秒以下の変動に抑えるのに、本案は、製造コスト、寿命、電力系統での実運転経験の点で有利な構成である。
図８と図９は、本発明の接続装置１０の降圧型DC/DC変換による電流リンクの電流を電力系統に連系するに、電流型DC/AC変換（電流型インバータ）とする形である。
逆電流阻止型の半導体スイッチまたはダイオードを直列にしてインバータを構成する逆変換の電流型インバータは、直流側の電流は１方向であるが電圧はプラスからマイナスに可変である。この場合、電流に対してマイナスの電圧を発生させ、直流のリンク電流を制御しながら交流電力を交流系統に送る。図８の太陽光発電システムは電流型インバータで逆変換して三相交流にして出力している。これは最小の部品数で構成できる点が特徴で本発明の降圧型DC/DC変換で電流出力を行った結果である。
電流型DC/AC逆変換装置１６は、電圧高調波が少なく、電圧源コンデンサ１４が不要で、事故時に電圧が蓄積されないので、急速遮断（Rapid Shutdown）が可能であるなど電流型変換は堅牢で安全性が高い。
すなわち、直列接続された各ＰＶモジュールの最大電力を降圧型DC/DC変換によって電圧電流変換して、そのストリングの電流を電流型変換によって、電流から交流電力に逆変換して系統連系すれば、大容量で、かつ短絡保護が可能で、高周波ノイズの少ない太陽光発電システムになる。要するに、ＰＶモジュールを電圧源であるとして電圧から電流変換の後に、電流電圧変換で系統連系するシステムが最適な構成である。
逆電流阻止型の半導体スイッチまたはダイオードを直列にしてインバータを構成する逆変換の電流型インバータは、直流側の電流は１方向であるが電圧はプラスからマイナスに可変である。この場合、電流に対してマイナスの電圧を発生させ、直流のリンク電流を制御しながら交流電力を交流系統に送る。図８の太陽光発電システムは電流型インバータで逆変換して三相交流にして出力している。これは最小の部品数で構成できる点が特徴で本発明の降圧型DC/DC変換で電流出力を行った結果である。
電流型DC/AC逆変換装置１６は、電圧高調波が少なく、電圧源コンデンサ１４が不要で、事故時に電圧が蓄積されないので、急速遮断（Rapid Shutdown）が可能であるなど電流型変換は堅牢で安全性が高い。
すなわち、直列接続された各ＰＶモジュールの最大電力を降圧型DC/DC変換によって電圧電流変換して、そのストリングの電流を電流型変換によって、電流から交流電力に逆変換して系統連系すれば、大容量で、かつ短絡保護が可能で、高周波ノイズの少ない太陽光発電システムになる。要するに、ＰＶモジュールを電圧源であるとして電圧から電流変換の後に、電流電圧変換で系統連系するシステムが最適な構成である。
図９はさらに大型の数１０ＭＷ級のメガソーラーに本発明の接続装置を応用した場合で、多数のストリングが電流型DC/AC変換１６で共通の交流母線に接続される実施形態を示す。各ＰＶモジュール１には本発明の降圧型DC/DC変換を行う接続装置１０（ＰＶモジュール１と接続装置１０を接続したものを参照符号１’で表している。）によって最大電力点で発電電力をストリングに電流パルスにて電流リンクで直列に出力され、逆阻止型半導体スイッチで構成される電流型DC/AC変換１６で共通母線に連系される。交流電力は変圧器で昇圧されて共通母線６ｋＶの配電系統の機器で構成し、さらに交流連系へは６６ｋＶでメガソーラーの電力をさらに遠方に送る。そこにフライホイール付同期機１７が共通母線に結合する多数の電流型インバータのバックパワーとして必要で、さらに交流電力系統の電圧安定化、周波数安定化、停電後の復旧にも寄与する。
今後、ＰＶモジュールは、多くの人家の屋根、工場の屋上、壁などに配置されるようになると、清掃時、保守・点検時に、電気工作物として、人身への電気的安全対策が不可欠であるが、そのために、全てのＰＶモジュール出力を停止する機能が必要である。その場合の制御のフローを図４に示したが、制御の割り込み指令によって半導体スイッチ７を連続オンすればよい（図４のＳ１０，Ｓ１１）。 制御装置９からの指令によって半導体スイッチ６と７がゲート制御でオンにして、出力を短絡すれば、電圧が無くなるまで数マイクロ秒である。
さらに本発明の接続装置１０に付加して図１０に示すように、半導体スイッチ７のドレイン－ゲート間に抵抗器１８が接続されて、ゲートにはリードスイッチ１９でゲート制御回路へと接続されている。リードスイッチ１９は永久磁石があるとオンになって、ゲート制御回路へと接続し、抵抗器１８があっても正常にゲート駆動動作をするが、永久磁石が離れるとリードスイッチ１９がオフになって、半導体スイッチ７はドレイン－ゲート間が同電位になり、スレッショルド電圧のオン状態になってＰＶモジュール１の出力が短絡状態になって、電気的に安全になる。この永久磁石は、ＰＶモジュール１が受ける衝撃によって容易に脱落し、水没、また工事、点検時にも人手により外すようにするとよい。
上記の目的を達成するために、図１にＰＶモジュールとストリングとの間に挿入する接続装置１０の回路構成を示す。ＰＶモジュール１は、ここでは例として、６０セルで短絡電流９．８Ａ、温度が２５度Ｃでは、最大電力となる電圧はＶｍｐ＝２８Ｖ付近で、約２５０Ｗの発電をする。半導体スイッチ６，７はn-MOSFETであり、MOSFET６をオフすると、コンデンサ４（ここでは一例として1,000μＦである。）に電荷が蓄積される。この電圧が最大電力点の電圧ＶｍｐになるとMOSFET６をオンし、下がればオフするヒステリシス制御で制御する。電圧の精度は１Ｖ程度ずれてもあまり電力は変化が無いので、オン／オフは遅くてもよく、または高速オン／オフのＰＷＭ制御でもよい。電流リンクのストリングに数ｍＨの外部インダクタがあれば、ストリングの電流は平滑化され直流電流になっている。また、接点８としては１０Ａ－５０Ｖ程度の小形リレーを用いている。
実施例２は、図５に示すように、本発明の接続装置１０を使って、一括してPCS：系統連系装置によって等しいストリング電圧を与えて、発電システム全体で一括MPPTを行う従来の太陽光発電システムにおいて、従来できなかった部分影による電力減少の対策になる適用方法である。
図５には、本発明の接続装置１０を付けたＰＶモジュール１を直列ストリングにしてダイオード１２とインダクタ１３の直列接続を介して並列接続して最終的に昇圧型DC/DC変換回路で昇圧して電圧源コンデンサ１４を充電する。充電された電圧は電圧型DC/AC変換１５で交流に逆変換している。
図５には、本発明の接続装置１０を付けたＰＶモジュール１を直列ストリングにしてダイオード１２とインダクタ１３の直列接続を介して並列接続して最終的に昇圧型DC/DC変換回路で昇圧して電圧源コンデンサ１４を充電する。充電された電圧は電圧型DC/AC変換１５で交流に逆変換している。
正常時、即ち、すべてのＰＶモジュール１の電流、光量がストリング内で均一の場合、PCSは全ストリングをまとめてのMPPT制御、最大電力ポイント追従制御が行われる結果、すべてのＰＶモジュールの電圧はＶｍｐ付近にある。本発明の接続装置１０はコンデンサ４の電圧Ｖｃが最大電力電圧Ｖｍｐであるかそれ以上ある場合、制御装置９の指令でMOSFET６をオンする。
本発明の接続装置１０には接点（リレー）８があり、MOSFET６のオンが継続する場合、制御装置９はこれをオンにして、接続装置１０は接点８によって半導体の導通損失も無くして、ストリングに直列接続する。接点８は直流電流の遮断能力が無いので遮断には注意が必要で、リレーの動作の遅れが約１０ｍｓあるので、遮断時はMOSFET６のオフ信号をこれよりさらに遅らせて発信して、接点８を無アークで開極するシーケンスが重要である。これらのシーケンスは制御装置９に内蔵し、外部装置からの通信による指令を受け、また連携も行う。
本発明の接続装置１０には接点（リレー）８があり、MOSFET６のオンが継続する場合、制御装置９はこれをオンにして、接続装置１０は接点８によって半導体の導通損失も無くして、ストリングに直列接続する。接点８は直流電流の遮断能力が無いので遮断には注意が必要で、リレーの動作の遅れが約１０ｍｓあるので、遮断時はMOSFET６のオフ信号をこれよりさらに遅らせて発信して、接点８を無アークで開極するシーケンスが重要である。これらのシーケンスは制御装置９に内蔵し、外部装置からの通信による指令を受け、また連携も行う。
正常な運転中、ストリングの１つの、または複数のＰＶモジュールが部分影などで光出力電流が減少して、ストリングの電流より少なくなった場合、図２のＰＶモジュールの電圧・電流特性が示すように、電圧は低下して順方向通電のバイパスダイオードの順電圧だけマイナスになって、バイパスダイオード１１が通電する。この電圧低下を電圧センサ５で検出すると制御装置９は電力変換運転を開始する。
コンデンサ４の電荷をMOSFET６とさらにMOSFET７のペアの降圧型DC/DC変換によって、直流電流リンクに電流をパルス的に注入する形で、発電した電力を電流パルスとして出力しながらコンデンサ４の電圧をＶｍｐに維持する。
ストリングの電流はそのループ全体で１つの外部インダクタ（大型低損失のインダクタ）１３を入れることで平滑化される。
コンデンサ４の電荷をMOSFET６とさらにMOSFET７のペアの降圧型DC/DC変換によって、直流電流リンクに電流をパルス的に注入する形で、発電した電力を電流パルスとして出力しながらコンデンサ４の電圧をＶｍｐに維持する。
ストリングの電流はそのループ全体で１つの外部インダクタ（大型低損失のインダクタ）１３を入れることで平滑化される。
本発明の接続装置１０は、緊急に発電出力を停止することができる。外部装置から制御装置９に発電出力停止命令が来た場合、パネルの出力を急速に停止する。MOSFET６と７のゲートに共にオン信号を割り込むことでＰＶモジュール１は短絡状態になるが、短絡してもＰＶモジュール１の最大電流以上にはならない。MOSFET７のみオンする場合、ＰＶモジュール１の開放電圧がモジュール内にはあるが、ストリングには出力されない状態、これを半停止状態といい、通常の停止状態で選択可能である。図４のフローチャートに示すとおりである。
条件が時々刻々変化するＰＶモジュール、内部短絡などある場合は単体でも最大電力点の電圧を瞬時電圧スキャンニングで決定するために、制御装置９は、図３に最大電力点探査の方法を示すが、MOSFET６と７を同時にオンしてコンデンサ４を短絡し、次に同時にオフすれば、ＰＶモジュールの電流でコンデンサ４を無電圧から無負荷開放電圧まで瞬時に（約１０ｍｓ）充電することになって、その電圧の時間変化から、電流を計測することなく計算で電力を求め、最大電力点の電圧Ｖｍｐを決定することができる。
実施例の第３は（図６に示す）は大型太陽光発電システム、多数の電流リンク方式をそれぞれの昇圧型DC/DC制御で並列化したメガソーラーの構成を示す。本発明の接続装置１０が、ＰＶモジュールの最大電力を電流パルスにして１つの電流リンクに出力する。本発明の接続装置１０が１つの電流リンクに、全てのＰＶモジュールの最大電力を送出することが可能になる。電圧、電流の規格の異なるＰＶモジュールを本発明の接続装置１０を介して直列接続にして、電流リンクで集電することができる。ＰＶモジュールの電圧・電流が異なってもすべて電流パルスとなって電流リンクに出力される。
実施例４は（図７参照）発電した電力を、一旦、二次電池（蓄電池）に充電する場合で、ＰＶモジュールを本発明の接続装置１０で電流リンクへ直流出力する構成である。近年の充放サイクルに耐えるディープサイクル鉛蓄電池、高性能なリチウムイオン電池など、蓄電池に充電する場合の本発明の構成を図７に示す。各ＰＶモジュールの最大電力を取り出すために、ＰＶモジュールの出力電圧を最大出力の電圧Ｖｍｐになるようにして、降圧型DC/DC変換で電流パルスにしてストリングに出力すれば、そのまま蓄電池に接続でき、各ＰＶモジュールの最大電力で蓄電池を充電する。蓄電池の電圧は直列接続したＶｍｐの和より小さくする必要があるが、蓄電池の電圧が変化しても発電電力は変化せず、定電力なところが特徴である。蓄電池に充電する電流調整は、本発明の制御装置９の外部装置との通信機能で設定電圧をＶｍｐより高く設定して行うことになる。無負荷開放電圧はＶｍｐより２０～３０％程度上にあるが、制御装置９から強制設定すれば、電流は制御可能になる。接続装置１０の制御で電力調整して蓄電池の充電量を制御することは、過充電を防ぎ、蓄電池の寿命を延ばすことになる。
図８では、本発明の接続装置１０を用いたことで電流リンクが可能になる最も基本的構成である定電流リンク型交流連系システムの構成を示す。系統連系装置は、逆電流阻止型の半導体スイッチを用いて構成する電流型DC/AC変換装置である。接続装置１０は、ＰＶモジュールは電圧源であるとして、電圧電流変換を行っているので、それを電流型DC/AC変換１６で交流電力系に接続する。さらに大容量で広域に分散する場合は図９に示すような形になる。
広域に分散したＰＶモジュール群の電力を直流電流リンクで集電し、電流型変換で系統へ連系するが、整流器変圧器の移相シフトによって12相、24相整流にして高調波の発生を抑えることができる。
図８と図９では絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（IGBT）にダイオードを直列にした逆阻止半導体スイッチの例を示すが、半導体スイッチが大容量で実績のあるサイリスタである場合は、転流する逆電圧の発生は電力系統からの電圧であるので、系統の力率改善と短絡容量が必要で、弱小な系統の末端ではそれが得られない。その場合も、図９のようにフライホイール付可変速同期機１７を設置して、サイリスタ変換器の転流時のバックパワーと、力率調整力も兼ねる構成がよい。さらに可変速揚水発電で開発された可変速同期機技術によってフライホイール効果を利用する短時間の電力貯蔵設備があれば、太陽光発電側と交流電力系統側の双方の電力変動を吸収して安定に運転することができ、また交流系統の停電時のブラックアウト・スタートも可能になる。
広域に分散したＰＶモジュール群の電力を直流電流リンクで集電し、電流型変換で系統へ連系するが、整流器変圧器の移相シフトによって12相、24相整流にして高調波の発生を抑えることができる。
図８と図９では絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（IGBT）にダイオードを直列にした逆阻止半導体スイッチの例を示すが、半導体スイッチが大容量で実績のあるサイリスタである場合は、転流する逆電圧の発生は電力系統からの電圧であるので、系統の力率改善と短絡容量が必要で、弱小な系統の末端ではそれが得られない。その場合も、図９のようにフライホイール付可変速同期機１７を設置して、サイリスタ変換器の転流時のバックパワーと、力率調整力も兼ねる構成がよい。さらに可変速揚水発電で開発された可変速同期機技術によってフライホイール効果を利用する短時間の電力貯蔵設備があれば、太陽光発電側と交流電力系統側の双方の電力変動を吸収して安定に運転することができ、また交流系統の停電時のブラックアウト・スタートも可能になる。
太陽光発電や風力発電など自然エネルギー源は予期せぬ変動が起きて、例えば、系統の末端に数１０ＭＷ規模の太陽光発電システムが、その上空を航空機が通過した場合、その電力変動は、１秒以下の変動であっても、交流系統には致命的電力動揺を発生させ、系列する火力・水力発電所の脱調、連鎖停電を誘発する可能性がある。このため大規模太陽光発電システムと弱小な交流電力系統との接続点に、図９のようなフライホイール付可変速同期機１７の設置は有効である。
実施例６は（図１０参照）は、接続装置１０に付加する外部からの衝撃により動作する電気安全スイッチの構成になる。ＰＶモジュールは、常に光があれば発電し、夜でも火災の光で、また月の光で電圧が発生すると報告がある。ＰＶモジュールを直列接続すると人体に危険な高電圧になる。また発電中の直流電流は１０Ａ以上ではアーク放電現象で遮断が困難であり、溶断し火災に発展する。ＰＶモジュールは電流源であるので遮断するよりも短絡して、電圧を無害な電圧に下げることで感電事故から保護するのがよい。
図１０はリードスイッチ１９がMOSFET７のゲートと制御装置９の間に接続してある。リードスイッチ１９は電気的絶縁を保ちつつ磁石による磁力でオン・オフすることができる信頼性あるスイッチで、水没しても接点はガラス管内なので動作が可能である。上記特許文献３とは異なり、本発明では、永久磁石が離れてリードスイッチがオフされるとゲート回路が切り離される。抵抗器１８、これは概ね100ｋΩ以上の抵抗値を想定するが、ドレインに接続されているのでオン状態になる。高抵抗値を持つ抵抗器１８で接続するのは、絶縁ゲートをプルアップするに十分で、かつ、制御装置９のゲート回路は低インピーダンス、約100Ω程度であるので、ゲート駆動には影響しないからである。リードスイッチ１９のオフの結果、ドレイン－ソース間は、Ｖｔｈ：スレッショルド電圧（約３～５Ｖ）になる。結局、永久磁石が衝撃などにより脱落して離れれば、MOSFET７によって出力端子３が短絡される。また、永久磁石を人力で取り去ると出力電圧が安全な電圧になるので現場での安全スイッチとして使用できる。
図１１は電子回路シミュレーション計算コードPSIMによる解析回路を示す。８枚の250ＷのＰＶモジュールが直列ストリングになって、1,000Ｗ／ｍ２の光量であると、最大電力となるストリング電圧は215Ｖであって、2,000Ｗが発電されている。そのＰＶモジュールの内の１枚だけが影などで光量５０％になった場合を計算した。PCSは他のストリングもあるのでそのまま215Ｖである。
計算結果を図１２に示す。時間０．１秒で、ＰＶモジュール（ＰＶ１）のみが光量が５０％になる。ＰＶ１のモジュールの端子電圧がそれまで最大電力を発電する電圧Ｖｍｐが２７Ｖであったのがゼロになる。その反動で他のモジュール端子電圧は若干高くなる。ＰＶ１のコンデンサ４の電圧低下を電圧センサ５が測定して、接点８のリレーを開にするが、接点８は動作が約１０ｍｓ遅れてオフになって、その後、降圧型DC/DC制御が開始される。端子電圧が最大電力電圧である２７Ｖ近くに回復するようにコンデンサ４の電圧をMOSFET６，７がオン／オフして降圧型DC/DC制御で、電流がストリングに送り出される。グラフの最下段がストリングの発電電力であるが、0.1秒までは2,000Ｗであるが、ＰＶ１のみ５０％になるとストリング電力は1,550Ｗまで減少する。その後、制御回路が動作を開始すると1,850Ｗまで回復している。約300Ｗの回復効果があり、これが本発明に係る接続装置１０による効果である。
計算結果を図１２に示す。時間０．１秒で、ＰＶモジュール（ＰＶ１）のみが光量が５０％になる。ＰＶ１のモジュールの端子電圧がそれまで最大電力を発電する電圧Ｖｍｐが２７Ｖであったのがゼロになる。その反動で他のモジュール端子電圧は若干高くなる。ＰＶ１のコンデンサ４の電圧低下を電圧センサ５が測定して、接点８のリレーを開にするが、接点８は動作が約１０ｍｓ遅れてオフになって、その後、降圧型DC/DC制御が開始される。端子電圧が最大電力電圧である２７Ｖ近くに回復するようにコンデンサ４の電圧をMOSFET６，７がオン／オフして降圧型DC/DC制御で、電流がストリングに送り出される。グラフの最下段がストリングの発電電力であるが、0.1秒までは2,000Ｗであるが、ＰＶ１のみ５０％になるとストリング電力は1,550Ｗまで減少する。その後、制御回路が動作を開始すると1,850Ｗまで回復している。約300Ｗの回復効果があり、これが本発明に係る接続装置１０による効果である。
なお、接続装置１０の実施形態として、ＰＶモジュール１との接続を接続装置１０の入力端子２を介して行う例を示したが、本発明はそれに限られず、例えば、ＰＶモジュール１の出力端子（不図示）と接続装置１０の入力端子２を直結して（この場合は入力端子２を設ける必要はなくなる。）、接続装置１０をＰＶモジュール１に内蔵する形態でも構わない。
クリーンで恒久的な太陽光エネルギーを直接、電気エネルギーに変換する太陽光発電システムは、望まれる発電方式であると注目されている。近年の技術革新によってＰＶモジュールの製造コストが下がり、基幹電力源として、他の発電手段と経済的に十分競合できるようになってきた。今後、様々な場所に設置され、また大規模な発電設備になると予想される。
これまで条件が一様な場所に設置されていたＰＶモジュールが、今後は、条件の一様でない、斜面や、一時部分影になるところ、さらに規格の異なるＰＶモジュールなど、多種多様なＰＶモジュールを接続して太陽光発電システムが建設されるので、従来のストリング毎の一括制御ではなく、本発明のＰＶモジュールごとに最大電力点電圧を追従する降圧型DC/DC変換の電流リンク方式がよい。
これまで条件が一様な場所に設置されていたＰＶモジュールが、今後は、条件の一様でない、斜面や、一時部分影になるところ、さらに規格の異なるＰＶモジュールなど、多種多様なＰＶモジュールを接続して太陽光発電システムが建設されるので、従来のストリング毎の一括制御ではなく、本発明のＰＶモジュールごとに最大電力点電圧を追従する降圧型DC/DC変換の電流リンク方式がよい。
また、全ての発電設備には、発電出力を停止する手段が必要である。都市部の屋上、人家の屋根に設置される直流電力設備は安全上注意が必要である。多くのＰＶモジュールの出力電圧は単独では４０Ｖ程度以下であるが、多数直列接続されると人体に危険な電圧であって、また、開極や断線しても交流電流と違い、直流電流はアーク放電で電流が持続して、アークの熱で火災が発生する。本発明の接続装置はそのために、人身の保護、保守時などに指令で出力を停止することができる。さらにＰＶモジュールが大きな衝撃、水没時などに自動的に発電を停止することも可能だ。本発明により安全で、高効率な太陽光発電システムを提供できる。
１：ＰＶモジュール
２：ＰＶモジュールからの入力端子
３：ストリングへの出力端子
４：コンデンサ
５：電圧センサ
６：第１の半導体スイッチ
７：第２の半導体スイッチ
８：金属接点
９：制御装置
１０：接続装置
１１：バイパスダイオード
１２：外部ダイオード
１３：外部インダクタ
１４：電圧源コンデンサ
１５：系統連系装置（ＰＣＳ）
１６：電流型DC/AC変換
１７：フライホイール付同期機
１８：抵抗器
１９：リードスイッチと磁石
２：ＰＶモジュールからの入力端子
３：ストリングへの出力端子
４：コンデンサ
５：電圧センサ
６：第１の半導体スイッチ
７：第２の半導体スイッチ
８：金属接点
９：制御装置
１０：接続装置
１１：バイパスダイオード
１２：外部ダイオード
１３：外部インダクタ
１４：電圧源コンデンサ
１５：系統連系装置（ＰＣＳ）
１６：電流型DC/AC変換
１７：フライホイール付同期機
１８：抵抗器
１９：リードスイッチと磁石
Claims (13)
- 太陽光発電モジュール（以下「ＰＶモジュール」という。）と接続され、該ＰＶモジュール(1)から出力される直流電力を降圧型DC/DC変換で所望の電圧・電流値に電力変換して出力する電力変換接続装置（以下「接続装置」という。）であって、該接続装置(10)は、
前記ＰＶモジュール(1)と接続される入力端子(2)（正極及び負極）と、前記電力変換された直流電力を負荷又は電力系統に供給するための出力端子(3)（正極及び負極）と、前記入力端子(2)の正極と負極との間に接続されたコンデンサ(4)と、前記コンデンサの両端の電圧(Vc)を計測する電圧センサ(5)と、直列に接続された２個の半導体スイッチ(6,7)と、通信によりオン／オフ制御可能な金属接点(8)と、制御装置(9)とを備えるとともに、
前記２個の半導体スイッチの接続点が前記出力端子の正極に接続され、前記入力端子の負極が前記出力端子の負極に接続され、
前記金属接点(8)は、前記入力端子の正極と前記出力端子の正極との間に接続され、
前記２個の半導体スイッチのうち、前記接続点とは反対側の端子が前記入力端子の正極に接続されるものを第１の半導体スイッチ(6)とし、前記半導体スイッチのうち、前記接続点とは反対側の端子が前記出力端子の負極に接続されるものを第２の半導体スイッチ(7)とし、
さらに、前記制御装置(9)は、
前記電圧センサ(5)からの電圧(Vc)を受信し、それに基づいて前記第１の半導体スイッチ(6)、第２の半導体スイッチ(7)及び前記金属接点(8)のオン／オフを制御することにより、前記ＰＶモジュール(1)から出力される直流電力を降圧型DC/DC変換で所望の電力値に電力変換して出力又はその出力を停止することを特徴とする接続装置。 - 前記制御装置(9)が、
前記金属接点(8)がオフの状態において、前記電圧センサからの電圧(Vc)と前記ＰＶモジュールの最大電力点電圧(Vmp)との差が所定の範囲内に入っているときは、前記２個の半導体スイッチを交互にオン／オフしてＰＷＭ制御により前記電圧(Vc)を制御し、
前記電圧センサからの電圧(Vc)と前記ＰＶモジュールの最大電力点電圧(Vmp)との差が所定の範囲を超え、かつ、前記電圧(Vc)が前記最大電力点電圧(Vmp)よりも低いときは、前記第１の半導体スイッチ(6)と前記第２の半導体スイッチ(7)を同時にオンして一旦前記電圧(Vc)をゼロにした直後、前記第１の半導体スイッチ(6)と前記第２の半導体スイッチ(7)を同時にオフして前記コンデンサ(4)を再充電しつつ、前記電圧センサ(5)にて計測した前記電圧(Vc)に基づいて所定の計算式により前記ＰＶモジュールの発電電力を算出し、該算出した発電電力が最大となる点の前記電圧(Vc)をゼロから最大まで全電圧スキャンすることにより求めて新たな最大電力点電圧(Vmp)として記憶し、
前記電圧センサからの電圧(Vc)と前記ＰＶモジュールの最大電力点電圧(Vmp)との差が所定の範囲を超え、かつ、前記電圧(Vc)が前記最大電力点電圧(Vmp)よりも高いときは、前記第１の半導体スイッチ(6)をオンした後に前記金属接点(8)をオンし、かつ、前記第２の半導体スイッチ(7)をオフすることにより電流を放出して電圧(Vc)を下げるように制御することを特徴とする請求項１に記載の接続装置。 - 前記制御装置(9)が、さらに、外部装置との通信機能を備え、
前記外部装置からの出力半停止指令を受信すると、前記金属接点(8)をオフの状態にした上で前記第１の半導体スイッチ(6)をオフするとともに前記第２の半導体スイッチ(7)をオンし、あるいは、
前記外部装置からの出力全停止指令を受信すると、前記金属接点(8)をオフの状態にした上で前記第１の半導体スイッチ(6)及び前記第２の半導体スイッチ(7)をオンし、その後に前記金属接点(8)をオンにするように制御することを特徴とする請求項２に記載の接続装置。 - ＰＶモジュールの出力端子に請求項２又は３に記載の接続装置(10)を接続したものを複数個直列接続して電流リンクのストリングを構成し、前記ＰＶモジュールごとに最大電力点追従制御を行うことを特徴とする太陽光発電システム。
- 前記ストリングをダイオード(12)とインダクタ(13)の直列接続を介して複数列並列接続して、別に設置された系統連系装置(15)で昇圧型DC/DC変換を行って電圧を上げた後、DC/AC逆変換を行って交流連系することを特徴とする請求項４に記載の太陽光発電システム。
- 前記ストリングをダイオード(12)とインダクタ(13)の直列接続により昇圧型DC/DC変換を介して高圧直流母線に接続し、集電した後にDC/AC逆変換を行って交流連系する請求項４に記載の太陽光発電システム。
- ダイオードを介して並列接続した複数のＰＶモジュールに請求項３に記載の接続装置(10)を接続したものを複数個直列接続してストリングを構成し、該ストリングを外部のダイオード(12)を介して電流リンクに接続し、それを二次電池に接続して該二次電池を充電する太陽光発電システムであって、
前記制御装置(9)が、前記外部装置からの指令により、前記二次電池の充電電流の制御を行うことを特徴とする太陽光発電システム。 - 前記ストリングを外部ダイオードを介し、さらに、外部インダクタを介して電流リンクを構成し、電流型DC/AC逆変換回路(16)で交流連系する請求項４に記載の太陽光発電システム。
- 前記ストリングと前記電流型DC/AC逆変換回路(16)で交流連系する請求項８に記載の太陽光発電システムにおいて、
さらに、交流送電端子側にフライホイール付同期機(17)を短時間の電力貯蔵装置として設置して、電力変動を緩和することを特徴とする太陽光発電システム。 - 前記半導体スイッチがMOSFET又はIGBTなど絶縁ゲート形のスイッチング素子である請求項１乃至３のいずれかに記載の接続装置。
- 前記半導体スイッチがN型MOSFETであって、前記第２の半導体スイッチ(7)のドレインとゲートとを抵抗器(18)を介して接続し、かつ、前記制御装置(9)と前記ゲートとをリードスイッチ(19)を介して接続し、通常動作時においては、前記リードスイッチ(19)に永久磁石を近接して設置しておいて前記リードスイッチ(19)を導通させて前記制御装置(9)からの制御信号を前記ゲートに供給し、前記出力端子(3)からの出力を強制的に停止させるときは、前記永久磁石を人力により、又は衝撃等により自然脱落させることで前記リードスイッチ(19)から隔離させて前記リードスイッチ(19)をオフしてゲートへの制御信号を遮断することにより、前記ゲートの電位を前記抵抗器(18)によって前記ドレインの電位までプルアップさせて前記第２の半導体スイッチ(7)をオンすることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の接続装置。
- 請求項１乃至３のいずれかに記載の接続装置(10)の前記入力端子(2)と前記ＰＶモジュール(1)の出力を直結し、かつ、前記接続装置(10)を内蔵したことを特徴とするＰＶモジュール。
- 前記制御装置(9)が、さらに、外部装置との通信機能を備え、
前記金属接点(8)がオフの状態において、前記外部装置からの指令により、前記第１の半導体スイッチ(6)と前記第２の半導体スイッチ(7)を同時にオンして一旦前記電圧(Vc)をゼロにした直後、前記第１の半導体スイッチ(6)と前記第２の半導体スイッチ(7)を同時にオフして前記コンデンサ(4)を再充電しつつ、前記電圧センサ(5)にて計測した前記電圧(Vc)に基づいて所定の計算式により前記ＰＶモジュールの発電電力を算出し、該算出した発電電力が最大となる点の前記電圧(Vc)をゼロから最大まで全電圧スキャンすることにより求めて新たな最大電力点電圧(Vmp)として記憶する機能をさらに備えたことを特徴とする請求項２に記載の接続装置。
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| JP2000112545A (ja) * | 1998-09-30 | 2000-04-21 | Daihen Corp | 太陽光発電システム |
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