JP2904990B2

JP2904990B2 - 太陽電池出力電力制御回路

Info

Publication number: JP2904990B2
Application number: JP4050688A
Authority: JP
Inventors: 博一小玉; 光央岡本; 光治南野; 司竹林; 嘉和露口; 茂大森
Original assignee: Consejo Superior de Investigaciones Cientificas CSIC; Kansai Denryoku KK
Current assignee: Consejo Superior de Investigaciones Cientificas CSIC; Kansai Denryoku KK
Priority date: 1992-03-09
Filing date: 1992-03-09
Publication date: 1999-06-14
Anticipated expiration: 2014-06-14
Also published as: JPH05250053A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、太陽電池を利用した商
用電力併用型空調システムの電力制御回路の改良に関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】太陽電池を利用した商用電力併用型空調
システムとは、太陽電池とインバータエアコンを組合わ
せたシステムであり、太陽電池からの出力をインバータ
エアコンのたとえば倍電圧整流回路の後段に当る直流回
路に接続し、太陽電池からの電力と商用系統からの電流
を併用して、インバータエアコンのたとえばＶＶＶＦ
（可変電圧可変周波数）インバータに供給するものであ
る。なお、太陽電池からの電力は、エアコンの整流回路
によって商用系統に逆流することはない。このようなシ
ステムにおいて、従来、太陽電池の直列接続枚数をその
出力電圧値がエアコンの直流回路部の電圧に合うように
決定し、太陽電池出力を直接に上記エアコンの直流回路
部に接続する方式が考案されている。

【０００３】また、エアコンの直流回路部と太陽電池出
力との間に直流−直流変換器を儲け、該変換器はその出
力電圧をエアコンの直流回路部の電圧に合わせるととも
に、その入力電圧、すなわち太陽電池からの出力電圧を
予め設定した一定電圧値に制御する方式が採用されてい
る。この方式の特徴は、先に述べた太陽電池の最大電力
を取出せる動作電圧が、実際には気象条件（日射量，素
子温度）によって刻々と変化するのであるが、日射量，
素子温度にかかわらず、ほぼ任意の一定電圧に近似でき
ると仮定して、擬似的に予め設定した太陽電池の最大出
力点で動作させようとしたことである。

【０００４】さらに、エアコン以外の負荷と太陽電池を
組合わせたシステム例では、実際に太陽電池の出力電力
を検出して、その出力が最大となるように太陽電池の出
力特性曲線に沿って太陽電池の動作点を変動させること
で、最大出力点を見つけ出し、その点で動作させるよう
に閉ループ制御も行なわれている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】周知のごとく太陽電池
の出力電力は、その動作電圧値によって大きく変化し、
任意の一電圧値でしか最大電力は取出せず、その上その
電圧値は日射量，温度等の気象条件で変化する。

【０００６】前述の太陽電池出力を直接エアコン直流回
路部に接続する方式では、常に変化するエアコンの負荷
特性，あるいは商用系統の電圧変動によって、上記太陽
電池動作電圧は予想不可能な電圧値で変動する。したが
って、太陽電池出力を有効に取出すことは不可能であ
り、その結果、過剰な太陽電池容量を必要としてコスト
高につながる。

【０００７】前述の直流−直流変換器を介して供給する
方式では、制御的には開ループ制御を行なっており、予
め予測して設定された電圧値と実際の最大出力を取出せ
る動作電圧値は、一致しないことが当然予想される。こ
の場合には最適動作点からずれた点で動作することとな
り、このため太陽電池の特性上、動作点が少しでもずれ
ると、特に日射量がある程度高くなった場合、無駄にす
る電力が多くなる。また、季節によって、上記最適動作
点は変化するので、１年を通して冬場の暖房，梅雨時の
除湿も考慮すると、この方式では、上記の予め設定する
電圧値を頻繁に変更する必要があるなどの煩雑な操作を
しないと、年間を通じて非常に多くの太陽電池出力電力
を無駄にすることになり、非効率的で使用に耐えるもの
ではない。

【０００８】さらに前述の閉ループ制御を行なうものに
おいても、なおその動作は不十分であった。

【０００９】従来行なわれているこれらの制御方式は、
必ずしも制御特性の優れたものではなく、特に太陽が雲
の間から見え隠れするような日射変動時には、日射が変
化するたびに動作電圧が変化し、最大電力を取出せる動
作電圧付近での電圧変動が大きい。このような状況で正
確に太陽電池最大点の追尾は不可能であった。しかも、
最大点付近で動作させるというだけで、負荷消費電力に
応じて太陽電池出力を制御するという試みはなされてい
ない。

【００１０】前述のように、太陽電池の大きな特徴とし
て、その出力は気象条件に大きく左右されるため、利用
者の設定する設定温度，外気温度によって常に変動する
エアコン等の負荷消費電力に対して、いつもそれに応じ
た安定した電力を太陽電池から供給することはできない
し、エアコンも常に一定の電力消費を行なうことはな
い。すなわち、太陽電池出力電力と負荷消費電力の間に
は、常に大小関係があり、このことによって負荷が要求
する不足電力と、負荷が必要としない余剰電力が生じて
くる。

【００１１】本発明の目的は、前述の従来の太陽電池利
用空調システムの欠点を補い、日射変動時にも正確かつ
高速に太陽電池出力最大点を追尾することのできる制御
性能の優れた太陽電池最大出力点追尾制御と、太陽電池
動作電圧を移動させることで太陽電池出力電力の増減を
制御する太陽電池出力電力制御回路を提供することにあ
る。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明においては、太陽
電池出力電力制御回路をインバータエアコンの整流後の
直流回路部分と太陽電池との間に挿入し、この電力制御
回路には、太陽電池出力最大点を追尾するための追尾制
御手段と、電力制御回路の出力電圧を一定にするための
定値制御手段と、それぞれの制御手段からの制御量で決
定されるデューティ比を持つ第１および第２のパルス信
号を形成するＰＷＭ制御信号発生手段と、この２つのＰ
ＷＭ制御信号を自動的に切換える切換手段と、切換えら
れたデューティ比で開閉するスイッチング素子を有する
スイッチング手段と、太陽電池からの余剰電力を一時的
に蓄える手段とを設けた。また、前記追尾制御手段に
は、電力制御回路の出力情報により出力が最大となるよ
うな入力電圧指令値を演算する演算手段と、前記入力電
圧指令値と入力電圧信号の誤差電圧検出手段とを設け、
ＰＷＭ制御信号発生手段は、前記演算手段から出力され
る誤差電圧信号に応じて、入力電圧を入力電圧指令値に
一致させるデューティ比の第１のパルス信号を発生する
手段を含むようにした。さらに、前記定値制御手段は、
基準電圧と電力制御回路の出力電圧との誤差電圧を検出
する誤差電圧検出手段を有し、ＰＷＭ信号発生手段は、
前記誤差電圧検出手段から出力された誤差電圧の大きさ
に応じて、第２のパルス信号のデューティ比を変化させ
る手段を含むようにした。

【００１３】

【作用】本発明は以上のような構成であるから、エアコ
ン消費電力の方が太陽電池出力電力より大きい場合、太
陽電池はそのときに出力できる限り最大の電力をエアコ
ンに供給し、不足分については商用系統から分担して供
給するように制御（最大点追尾制御）する。このため
に、太陽電池の出力電力がエアコン消費電力よりも小さ
いときは、太陽電池の出力電力の最大点を追尾する追尾
制御部により決定される入力電圧指令値と、入力電圧信
号との誤差電圧の大きさに応じたデューティ比の、第１
のパルス信号を発生してスイッチング手段をスイッチン
グし、電力制御回路の入力電圧をそのときの最大電力を
出力できる太陽電池動作電圧に一致させると同時に、本
回路の出力電圧を太陽電池の最大出力電力に合った値ま
で上昇させる。

【００１４】そして、日射量の増加により太陽電池出力
電力がさらに大きくなると、さらに出力電圧を上昇させ
て、より多くの電力を負荷に供給する。その結果、太陽
電池から供給される電力とエアコンの負荷電力が等しく
なる電圧値まで出力電圧が上昇し、回路の出力電圧はこ
れ以上電圧を上げて電力を供給しようにも負荷が受付け
ない電圧値に達することになる。

【００１５】出力電圧が上記電圧値に達すると、切換手
段が太陽電池最大出力電力とエアコン消費電力の大小関
係が反転したと判断する。この場合、すなわち、太陽電
池出力電力はエアコンの消費電力よりも大きい場合、太
陽電池の動作電圧−出力電力特性は、太陽電池出力電力
はその動作電圧によって変化するという特性を利用し
て、動作点をずらすことによって太陽電池出力とエアコ
ンの消費電力と等しくなるように制御する。この制御
は、定値制御部により、電力制御回路の出力電圧と基準
電圧の誤差電圧を検出する誤差電圧検出手段から出力さ
れる誤差電圧に応じてデューティ比の変化する第２のパ
ルス信号を発生して、スイッチング手段をスイッチング
し、電力制御回路の出力電圧を一定に制御する定値制御
を行ない、太陽電池の動作電圧を太陽電池出力特性曲線
上に沿って、開放電圧側に移動させることで、太陽電池
出力とエアコンの消費電力とが等しくなるように制御す
る。

【００１６】

【実施例】図１は、本発明の一実施例のブロック図であ
る。

【００１７】電力制御回路１は太陽電池２とインバータ
エアコン３の間に挿入され、その出力はエアコン内部の
倍電圧整流回路４の後段にある直流回路部５に接続され
る。そして、電力制御回路１は、太陽電池２の出力の直
流電力を電圧，電流変換するとともに、コンセント９を
介して倍電圧整流回路４で交流−直流変換された商用系
統電源６から供給される直流電力と合わせて、負荷であ
るエアコンの圧縮器８にＶＶＶＦインバータ（以下イン
バータという）７で直流−交流変換された電力を供給す
る。

【００１８】電力制御回路１の内部は、太陽電池２から
の入力電力の変動を抑える入力コンデンサ１１，スイッ
チング素子として１個または複数個のパワーＭＯＳＦＥ
Ｔで構成されるＦＥＴブリッジ１２，高周波トランス１
３，出力整流用のダイオード１４，出力フィルタ回路を
構成する平滑コンデンサ１５および出力チョークコイル
１６，および出力コンデンサ１７，逆流防止のダイオー
ド１９，電力制御回路１で発生したノイズが外部へ流出
するのを防止するために入出力部分に配置したノイズフ
ィルタ２０，ならびに電力制御回路１の制御部１８を構
成する追尾制御部２１，定値制御部２２，ＰＷＭ信号発
生・切換部２３，ソフトスタート制御部２４，電源部２
５等を含む。電源部２５は商用系統電源６に接続され
る。出力フィルタ回路出力部に設けた分流器２６は追尾
制御部２１に接続される。

【００１９】次に動作について説明する。制御部１８は
後述の図１１で詳細に説明するが、ＰＷＭ制御を施され
たゲートパルス信号によって、ＦＥＴブリッジ１２をス
イッチングすることで、電力制御回路１の入力電圧（太
陽電池の動作電圧）およびその出力電圧を制御して、イ
ンバータ７に太陽電池２の出力電力を供給する。すなわ
ち、ＦＥＴブリッジ１２が閉じると、太陽電池２の電圧
が高周波トランス１４の一次巻線Ｎ_Fに印加され、二次
巻線Ｎ_Sに電圧が誘起される。この電圧はダイオード１
４を正方向にバイアスするので、ダイオード１４，出力
チョークコイル１６，平滑コンデンサ１５を充電する経
路で電流が流れる。次にＦＥＴブリッジ１２が開くと、
トランス一次側からの電力の伝達がなくなり、出力チョ
ークコイル１６に逆起電力が発生し、チョークコイル１
６，平滑コンデンサ１５，ダイオード１４に電流が流れ
る。

【００２０】ここで本回路のトランス一次側に流れる平
均電流は次の式（１）で表わすことができる。

【００２１】

【数１】

【００２２】ただし、Ｖ_IN：太陽電池動作電圧Ｔ_ON：ＦＥＴオン時間Ｎ：トランス巻線比Ｌ：チョークコイルのＴ_S：スイッチング期間式（１）より、電力制御回路１の太陽電池２側から見た
インピーダンスＺ_INは、次の式（２）で表わすことがで
きる。

【００２３】

【数２】

【００２４】ただし、Ｄ＝Ｔ_ON／Ｔ_S Ｄ：デューティ比ここで、トランス巻数比Ｎ，チョークコイルのインダク
タンス値Ｌ，スイッチング周期Ｔ_S等の値は回路設計時
に決定される固定値である。したがって、式（２）よ
り、太陽電池２側から見た電力制御回路１の入力インピ
ーダンスＺ_INは、上記デューティ比Ｄによって変化する
のがわかる。そこで、このデューティ比Ｄを制御するこ
とによって、図２に示されるように、太陽電池電圧電流
特性曲線上の動作電圧を任意の電圧で制御することがで
きる。つまり、デューティ比ＤをＤ _a，Ｄ_b，Ｄ_cと変
化させることによって、太陽電池２の動作電圧Ｖ_INおよ
び動作電流Ｉ_INを図のように変化させることができ、デ
ューティ比を大きくするほど太陽電池２の動作電圧Ｖ_IN
は低くなる。

【００２５】さらに、電力制御回路１の入力電圧、言換
えると太陽電池２の最大出力電力を出力できる動作電圧
Ｖ_INの制御は、追尾制御部２１が電力制御回路１の出力
電圧および出力電流に応じて出力電力を求め、その出力
電力が最大になるか、あるいは前記出力電流が最大とな
るような、入力電圧指令値を演算して決定する。追尾制
御部２１には、分流器２６を介して出力電流信号が与え
られ、出力コンデンサ１７の出力側から出力電圧信号が
与えられる。そして、この入力電圧指令値と入力電圧信
号との誤差電圧を検出し、これに応じたデューティ比Ｄ
のゲートパルス信号を発生させることで、電力制御回路
１の入力電圧が上記演算された入力電圧指令値と一致す
るように制御している。

【００２６】以上のことから入力電圧指令値は、上述し
た入力電圧（太陽電池２の動作電圧）Ｖ_INとデューティ
Ｄの関係から予め定義する必要がある。すなわち、本実
施例では、入力電圧指令値０〜２５６段階（たとえば、
各ステップ０．６Ｖ）に対して、デューティ比４０〜０
％の関係を持たせており、入力指令値が高くなるとデュ
ーティ比は小さくなる。なお、本実施例では制御特性を
向上させるために、入力指令値の範囲を予め太陽電池２
の最大出力点が存在する、たとえば１８０Ｖから３００
Ｖの間で制御している。

【００２７】次に、図３により最大点追尾制御の一例に
ついて説明する。太陽電池２の動作電圧Ｖ_INは、電力制
御回路１の入力電圧指令値に等しい値になるように、Ｆ
ＥＴブリッジ１２のゲートパルス信号のデューティ比Ｄ
を制御する。追尾制御部２１によって、現在の入力電圧
Ｖ_Bでの電力制御回路１の出力電力Ｐ_Bと、記憶されて
いる前回の入力電圧Ｖ_Aでの出力電力Ｐ_Aの値を比較し
て、現在の出力電力Ｐ _Bが前回の出力電力Ｐ_Aよりも大
きいときは、入力電圧指令値を１段階小さくして、入力
電圧すなわち太陽電池２の動作電圧値をＶ_Cまで低くす
る。さらに、同じ操作によって入力電圧をＶ_Dまで低く
したところで、入力電圧Ｖ_Dでの電力制御回路１の出力
電力Ｐ_Dと、前回の入力電圧Ｖ_Cでの出力電力Ｐ_Cとを
比較して、Ｐ_Dの方が小さいときには、入力電圧指令を
逆に一段階大きくして入力電圧をＰ_Cに戻す。

【００２８】以上のような制御で、入力電圧指令値をＶ
_A→Ｖ_B→Ｖ_C→Ｖ_D→Ｖ_Cと順に変化させることで、
太陽電池の動作点もＡ→Ｂ→Ｃ→Ｄ→Ｃと最大点に向か
って移動する。

【００２９】図３は、説明のため簡略してわかりやすく
書いたが、一度の制御で変化させる入力電圧指令値の１
段階の電圧値ΔＶは、制御速度の許す限り微少値とする
ことが最大点追尾制御の制御特性の向上につながる。

【００３０】一方、電力制御回路１は、その出力電圧Ｖ
_OUTを高くすることによって、商用系統電源に優先し
て、太陽電池２の出力をインバータエアコン３のインバ
ータ７に供給している。これは、インバータ７の入力電
圧−電流特性のレギュレーションを利用した制御方法で
あり、インバータエアコン３のインバータ７には、商用
系統電源（AC100V）を倍電圧整流回路４で倍電圧整流し
た直流電圧（220V〜300VDC）が印加されている。

【００３１】図４はインバータ７のレギュレーション特
性を示す図であり、この図から明らかなように、入力電
圧−電力特性は、入力電力（負荷消費電力）が大きくな
るに従って、入力電圧は低下する。そこで、商用系統電
源電圧および負荷電力が一定の状態、すなわち図４のＡ
₀点で商用系統電源６から１００％の電力供給を受けて
インバータ７を運転していると考えた場合（このときの
インバータの入力電圧はＶ₀，たとえば２３５Ｖ）、太
陽電池２の出力電力をインバータ７に供給するには、上
記インバータ７のレギュレーション特性を利用して、図
５に示すように、電力制御回路１の出力電圧Ｖ_OUTを、
上記Ａ₀点での電圧Ｖ₀よりも高い電圧Ｖ_OUT＝Ｖ₁に
することによって、図５に示すように、商用系統電源６
に変わって太陽電池２の出力をインバータ７に供給する
ことができる。そして、電力制御回路１の出力電圧を高
くすればするほど、電力制御回路１からの電力供給量
（負荷分担率）は増加することになる。さらに、電力制
御回路１の出力電圧がＶ_OUT＝Ｖ₂、すなわち、図４の
インバータのレギュレーション特性において、負荷電力
０Ｗのとき（無負荷時）のインバータ入力電圧に等しく
なったときのＢ₀点で、商用系統電源に代わって、すべ
ての負荷電力を太陽電池２の出力電力によって供給する
ことになる。

【００３２】ここで、電力制御回路１の出力電圧Ｖ_OUT
は、上述のデューティ比Ｄを用いて次の式（３）で決定
される。

【００３３】Ｖ_OUT＝Ｎ・Ｖ_IN・Ｄ …（３）ただし、Ｖ_OUT：電力制御回路出力電圧Ｖ_IN ：太陽電池動作電圧Ｎ：トランス巻線比Ｄ：デューティ比（３）式において巻数比Ｎは、回路設計時に決定される
定数値であることから、出力電圧Ｖ_OUTはデューティ比
Ｄと入力電圧Ｖ_INの積によって決定されることがわか
る。しかしながら、入力電圧Ｖ_INは、図２に示したよう
に、追尾制御部２１からの入力電圧指令値で決定され、
入力電圧指令値はデューティ比を決定する。したがっ
て、入力電圧Ｖ_INもデューティ比Ｄによって制御され、
入力電圧Ｖ_INはデューティ比Ｄが大きくなると低くな
る。しかしながら、式（３）から出力電圧Ｖ_OUTはデュ
ーティ比Ｄを大きくすると上昇するが、逆に入力電圧Ｖ
_INはデューティ比Ｄが大きくなると低下するため、出力
電圧ＶOUT を最も高くすることで、より多くの太陽電池
２の出力電力をインバータ７に供給できるデューティ比
Ｄを決定するためには、デューティ比の増減、すなわち
入力電圧指令値の増減による電力の増減を検出して、よ
り多くの電力を供給できるデューティ比Ｄを決定すると
いったフィードバック制御、すなわち閉ループ追尾制御
を行なう必要がある。

【００３４】この追尾制御は以下のようにして実現され
る。すなわち図２の太陽電池２の動作点ａ，ｂ，ｃにお
ける動作電圧、すなわち電力制御回路１の入力電圧Ｖ_IN
をそれぞれＶ_a，Ｖ_b，Ｖ_cとすると、式（３）からこ
れに対応する電力制御回路１の出力電圧Ｖ_a′，
Ｖ_b′，Ｖ_c′は以下のとおりとなる。

【００３５】Ｖ_a′＝Ｎ・Ｄ_a・Ｖ_a Ｖ_b′＝Ｎ・Ｄ_b・Ｖ_b Ｖ_c′＝Ｎ・Ｄ_c・Ｖ_c 今デューティ比がＤ_a〜Ｄ_cの変化幅においては、デュ
ーティ比の変化量ΔＤに対して入力電圧の変化量ΔＶ_IN
が小さいとするとデューティＤの増加（Ｄ_a＜Ｄ_b＜Ｄ
_c）により、電力制御回路１の出力電圧もＶ_a′＞
Ｖ_b′＞Ｖ_c′と上昇する。

【００３６】ここで図６に示すように、電力制御回路１
は出力電圧Ｖ_OUTがＶ_a′，Ｖ_b′，Ｖ_c′と上昇する
に従って、Ｐ_a，Ｐ_b，Ｐ_cとより多くの電力をインバ
ータ７に供給しようとする。しかし、太陽電池２の特性
上、出力できる電力に限度がある。つまり、デューティ
比と太陽電池２の出力電力（電力制御回路出力）の間に
は図７に示す関係があり、デューティ比を、Ｄ_a→Ｄ_b
→Ｄ_cと大きくすることにより電力制御回路１の出力も
Ｐ_a＜Ｐ_b＜Ｐ_cと増加するが、デューティ比をそれ以
上増加させても出力電力が増加しないデューティ比Ｄ_c
が存在する。すなわち、これ以上デューティ比Ｄを大き
くした場合は、上述したデューティ比Ｄと入力電圧Ｖ_IN
との関係において、デューティ比の変化量ΔＤに対して
入力電圧の変化量ΔＶ_INが大きくなる場合であり、この
場合は先ほどとは逆に、デューティ比Ｄの増加に対し
て、電力制御回路の出力電圧Ｖ_OUTが低下し、その結果
電力制御回路１の出力電力も低下してしまう。

【００３７】このことから、上記デューティ比Ｄ_cでの
電力制御回路１の出力Ｐ_cが、インバータ７への最大供
給可能電力となり、同時に本デューティ比によって決定
される太陽電池２の動作点が太陽電池の最大出力点とな
る。

【００３８】以上のことが、デューティ比Ｄを入力電圧
指令値と言換えて、同じことがいえる。すなわち図３に
おいて、入力電圧指令値をＶ_A→Ｖ_B→Ｖ_Cと低くする
ことにより電力制御回路出力もＰ_A＜Ｐ_B＜Ｐ_Cと増加
するが、入力電圧指令値をそれ以上低下させても出力電
力が増加しない最適入力電圧Ｖ_opが存在し、この電圧が
太陽電池２の最大出力点での動作電圧である。本実施例
では入力電圧指令値を与えて、間接的にデューティ比の
制御を行ない入力電圧Ｖ_INを最適入力電圧Ｖ_opに一致さ
せる制御方法を採用している。このとき図８に示すよう
に、最適動作（入力）電圧Ｖ_opによって最大出力Ｐ_max
を得る。

【００３９】そこで、太陽電池動作電圧を上記のような
Ｖ_opに制御する方法の一例として、本発明の電力制御回
路１では、太陽電池２の出力（太陽電池電圧電流特性）
がそのときの日射量によって大きく変動することを考慮
して、回路の出力電圧，出力電流等の出力情報を検出，
演算して出力電力を求め、これが常に最大となるよう
に、あるいは出力電流が最大となるように太陽電池動作
電圧すなわち電力制御回路１の入力電圧指令値を決定
し、この入力電圧指令値に電力制御回路の入力電圧を一
致させるフィードバック制御を行なっている。具体的に
は、入力電圧指令値をΔＶだけ増加方向あるいは減少方
向に微少変化させる。その結果、出力電力が増加すれ
ば、同じ方向に入力電圧指令値をさらにΔＶだけ微少変
化させる。反対に減少すれば、ΔＶだけ逆方向に変化さ
せる。以上のようにして、出力電力が最大となる入力電
圧をおいかける制御を行なっており、本実施例ではこの
制御を図１１に示した追尾制御部２１で、マイクロコン
ピュータを用いたソフトウェア制御によって実現してい
る。以上の一連の動作によって、電力制御回路１は入力
電圧Ｖ_INの制御により回路出力電圧を上げて、太陽電池
の最大出力点を追尾しながらインバータに太陽電池から
取出せる最大出力を供給することができる。

【００４０】以上は比較的日射量が安定した状態での最
大点追尾の制御方法について説明したが、次に本発明に
よる電力制御回路１のもう１つの特徴として、日射量が
急変したときの最大点追尾の制御方法について以下に説
明する。

【００４１】図１０は、太陽電池の出力と電圧と電流と
の関係を示すグラフであり、上部は出力電圧と出力電流
の関係を示し、下部は出力電圧と出力電力との関係を示
す。

【００４２】まず、日射量Ｅのとき太陽電池２の最大出
力、Ｐ_maxで動作していたとすると、この状態から日射
量がＥ′に変化したとき、デューティ比Ｄを制御要素と
して制御した場合は、太陽電池の動作点は日射変化と同
時に、矢印ＡのようにＰ_maxからＰ₁に移動する。しか
しながら、日射量Ｅ′のときは最大出力点はＰ′_maxで
あるため、デューティ比Ｄを微少変化させることによっ
て最大出力点を追尾する、上述のソフトウェア制御によ
ってデューティ比Ｄ₁からＤ₂まで順次大きくしてい
き、動作点をＰ′_maxまで移動させる。このソフトウェ
ア制御は、マイクロコンピュータの処理速度，微少変化
させる電圧の細かさ等によって異なるが、現状では日射
変動に常に追従できる速度は有していない。このためど
うしても動作電圧はＶ₂→Ｖ₁→Ｖ₃と大きく変化し、
出力電力についてもＰ_max→Ｐ₁→Ｐ′_max と大きく変
化する。図９の太陽電池２の出力電圧／電力特性から
も、デューティ比を一定で制御しているために日射量が
変化して太陽電池がより大きな出力を出すことが可能な
場合でも、図７に示したように任意のデューティ比で出
力できる電力制御回路１の出力は一義的に決まっている
ため、日射変動の直後では図１０に示すようにＰ_maxか
らＰ₁へ同じ電力が出力できる動作点へ移動する。その
後Ｐ′_maxへとソフトウェア制御で徐々に動作点は移動
する。したがって、日射変動が繰り返されるような場合
は、最大点追尾の制御が日射変動についていけず制御不
能となることになる。

【００４３】一方、本実施例のように電力制御回路１の
入力電圧を制御要素とした場合、太陽電池出力電圧電流
特性で日射量がＥからＥ′に変化したとき、日射量の変
化に追従して矢印ＢのようにＰ_maxからＰ₂に入力電圧
を一定に保って動作点が移動する。この制御は上述の適
宜分圧された入力電圧信号と入力電圧指令信号の誤差電
圧を検出して入力電圧を入力電圧指令値に一致させるハ
ードウェア制御であり、日射変動に十分追従できる高速
処理が可能である。その後、最大点追尾のソフトウェア
制御によって動作電圧を微少変化させて、動作点をＰ₂
からＰ′_maxまで移動させる。また、太陽電池２の出力
電圧・電力特性でも、動作点はＥからＥ′への日射変化
に伴ってＰ_maxからＰ₂へと瞬時に変化し、その後Ｐ²
からＰ′ _maxまでソフトウェア制御で徐々に動作点は移
動する。

【００４４】上記の２つの制御方法を比較すると、前者
に比べて後者の方が、日射量の急変時における太陽電池
２の最大出力点追尾特性として、動作電圧，出力電力の
変化量がはるかに小さく、また日射変化後の動作点の最
大点への移動長さが短く、到達時間も小さいため、より
高速で、かつ安定した追尾特性を得ることができる。ま
たこの制御特性の差は日射変動が大きければ大きい程顕
著になる。

【００４５】太陽電池２の最大出力電力と負荷電力の関
係で、前者が後者と比較して小さい場合、上記の太陽電
池最大点追尾を行なうと余剰電力が生じてしまう。した
がって、今度は太陽電池２の動作電圧を最大出力が得ら
れる電圧値から、開放電圧側へ移動させることで、出力
電力を減少させ、そのときの負荷電力と等しくなるよう
に制御してやる必要がある。この制御方法の一例を以下
に説明する。

【００４６】まず図５を参照して、電力制御回路１の出
力電圧がＶ_OUT＝Ｖ₂まで上昇し、商用系統電源に代わ
って、すべての負荷電力は太陽電池出力電力によって供
給されている状態を考えると、この状態では太陽電池の
最大出力電力が負荷電力と釣合っている。この状態から
少しでも日射量が増加し、それに伴い太陽電池出力が増
加すると、そのまま最大出力点を追尾していたのでは、
負荷電力より太陽電池出力が大きくなってしまう。ここ
で太陽電池出力は負荷に直結しており、余剰電流は他に
行き場がない。このため、負荷消費電力（エアコンの運
転パワー）が太陽電池出力によって変動したり、異常電
圧が生じ回路部品への悪影響を及ぼす、等の諸問題が生
じる。そこで、これらの問題を解決するために、太陽電
池出力電力をその動作点を動かすことにより太陽電池出
力が負荷電力に等しくなるように制御する。

【００４７】図５において、電力制御回路１の出力電圧
がＶ_OUT＝Ｖ₂まで上昇し、商用系統電源に代わって、
すべての負荷電力が太陽電池出力電力によって供給され
ている状態から、太陽電池出力がさらに大きくなると、
余った電力が出力コンデンサ１７に充電される。このコ
ンデンサ充電電圧によって出力電圧はＶ₂よりもさらに
上昇しようとする。そして出力電圧が一定電圧Ｖ_const
まで上昇したところで、この一定電圧Ｖ_constで一定に
制御する出力電圧一定制御に切換える。本制御は、出力
電圧を一定にするようにデューティ比Ｄを制御する。す
なわち、太陽電池出力が大きくなったとき、あるいは負
荷電力が小さくなったとき、余った電力は一時的にバッ
ファとして設けている出力コンデンサ１７に充電され
る。そして出力電圧はこの充電電圧により上昇しようと
する。しかし出力電圧一定制御により、出力電圧の上昇
を妨げるようにデューティ比を小さくするように制御し
て出力電圧を一定に保つ。ここで、出力電圧，入力電
圧，デューティ比の関係の式である式（２）より、出力
電圧が一定のときデューティ比を小さくすると、入力電
圧Ｖ_INは大きくなり、太陽電池の動作点は電圧電流特性
曲線上に沿って、開放電圧側へ太陽電池出力電力と負荷
電力が等しくなるところまで移動することになる。

【００４８】以上のことを図９に従って説明すると、今
日射強度がＥのとき、太陽電池アレイが図９の最大出力
点（Ｂ_i点）で動作して、電力制御回路が先に示した図
５のＢ₀点（出力電圧Ｖ₂）において、太陽電池最大出
力＝負荷電力の状態で運転していると考える。ここで日
射強度が増してＥ→Ｅ′（Ｅ＜Ｅ′）になったとする
と、太陽電池の出力可能電力が増加するため、電力制御
回路１は、さらに大きな電力を負荷であるインバータ７
に供給することができる。しかしながら、インバータ７
の負荷電力は、室内外温度および設定温度に影響される
のであって、日射変動には無関係であるから、日射の増
加が直接負荷電力に影響することはない。そこで余った
電力は一時的に出力コンデンサ１７に充電される。そし
てこの充電電圧により電力制御回路１の出力電圧はＶ₂
から一定電圧Ｖ_const急峻に上昇し、その上さらに上昇
しようとする。ここで出力電圧一定制御が働き、出力電
圧の上昇を抑え、一定電圧に保つようにデューティ比を
小さくする方向にＤ→Ｄ′（Ｄ＞Ｄ′）と制御する。こ
のとき太陽電池の動作点は、Ｂ_i点から以下に示す式
（４）が成立つようなＢ_i′点まで移動し、最大出力点
から開放電圧側に移動し、太陽電池出力電力は負荷電力
と一致するところまで低下する。

【００４９】Ｖ_const＝Ｎ・Ｄ・Ｖ_b＝Ｎ・Ｄ′・Ｖ_b′ …（４）ここで、Ｄ＞Ｄ′，Ｖ_b＜Ｖ_b′ 上記とは逆に日射量は変化しない状態の太陽電池出力一
定の状態で負荷電力が小さくなって、太陽電池出力と負
荷電力の関係が逆転した場合も同様に余った電力が一時
的に出力コンデンサ１７に充電され、上述と同じ動作を
する。以上のような制御動作により、太陽電池アレイの
最大出力がインバータ要求電力より大きくなる場合に
は、太陽電池アレイの動作点を最大出力点からずらし
て、太陽電池側からの出力とインバータ要求電力が等し
くなるように制御する。

【００５０】ここで、再び図４に戻って、インバータの
入力電圧−電流特性のレギュレーション特性は、商用系
統電源の電圧変動（９０Ｖ〜１１０Ｖ）によって、図に
示すように上下方向に変化する。したがって図５に示し
たＢ₀点、すなわちすべての負荷電力が太陽電池出力電
力によって供給される電力制御回路の出力電圧Ｖ_OUT＝
Ｖ₂は、商用系統電圧の変動によって変化する。したが
って出力電圧一定制御における一定電圧Ｖ_const値の設
定は、少なくとも商用系統電圧の最大電圧（１１０Ｖ）
時におけるインバータ入力電圧の最大値（無負荷時にお
けるインバータ入力電圧）の電圧より高い値に設定する
必要があり、このようにすることで、商用系統電圧の変
動に対しても上述の制御、すなわち電力制御回路の出力
電圧を上げることで、太陽電池出力電力を商用系統電源
の代わりに負荷であるインバータに送り込むという制御
を実現することができる。

【００５１】以上の最大点追尾制御と出力電圧一定制御
を併用することで、太陽電池の出力を負荷電力の大きさ
に応じて適切に制御できる。

【００５２】図１１は、前記の制御を実現する制御部１
８の一例のブロック図である。制御部１８は図に示すよ
うに、追尾制御部２１，定値制御部２２，ＰＷＭ信号発
生・切換部２３，ソフトスタート制御部２４等で構成さ
れている。

【００５３】まず、追尾制御部２１は、主にＡ／Ｄコン
バータ４３，ＣＰＵ（マイクロコンピュータ）４４，Ｄ
／Ａコンバータ４５，誤差増幅器ａ４６で構成され、上
述したように太陽電池の最大出力点を追尾する制御部で
あり、出力電流信号（出力電流に比例した電圧信号），
出力電圧信号（出力電圧に比例した電圧信号）を検出し
てＡ／Ｄコンバータ４３でアナログ信号をデジタル信号
に変換した後、ＣＰＵ４４でまず出力電力を求め、さら
にこれが最大となるような入力電圧指令値を常に演算し
ており、この入力電圧指令値をＤ／Ａコンバータ４５を
介してアナログ信号で出力している。この信号と入力電
圧を分圧した入力電圧信号とを誤差増幅器ａ４６に入力
し、電力制御回路１の入力電圧が入力電圧指令値に等し
くなるように制御する第１の制御電圧信号ａをＰＷＭ信
号発生・切換部２３に対して出力する。この第１の制御
電圧信号ａはＰＷＭ信号発生・切換部２３のランプ波形
発生回路４７から出力された鋸波とコンパレータａ４９
を用いて比較することにより、電流制御回路１の入力電
圧がマイコンから出力された入力電圧指令値と等しくな
るように、ＦＥＴブリッジ１２をオンオフ制御するゲー
トパルス信号のデューティ比をフィードバック制御す
る。

【００５４】このとき、図１２に示したステップＡ〜Ｑ
よりなるフローチャートに従って、制御が行なわれる。
この入力電圧指令値は、たとえば入力電圧指令値を大き
くしたとき、電力制御回路１の出力電圧が前回の値より
増加すれば、入力電圧指令値をさらに大きく、出力電力
が前回の値より減少すれば指令値を小さくする。また入
力電圧指令値を小さくしたとき、出力電力が前回の値よ
り増加すれば、指令値をさらに小さくし、出力電力が前
回の値より減少すれば、指令値を大きくする。入力電圧
指令値は予め定めた、ある出力電圧範囲で（本実施例で
は１８０Ｖ〜３００Ｖ）ステップ電圧ごと（本実施例で
は０．６Ｖステップ）に増減を繰り返し、常に最大出力
を提供する入力電圧値で制御される。

【００５５】また、一方、定値制御部２２は、主に誤差
増幅器ｂ４１と基準電圧源４２で構成され、出力電圧を
分圧した出力電圧信号と上記出力電圧一定制御の一定電
圧Ｖ _constを決定する基準電圧源４２からの基準電圧を
誤差増幅器ｂ４１に入力し、この誤差電圧信号を出力電
圧が基準電圧に一致するように制御する第２の制御電圧
信号ｂとして出力している。

【００５６】ＰＷＭ信号発生・信号切換部２３は、主と
してランプ波形発生回路４７，コンパレータａ４８，コ
ンパレータｂ４９，ＡＮＤゲート５０，パルス分配器５
１等で構成されている。ここでは、前記の追尾制御部２
１，定値制御部２２のそれぞれから出力された第１およ
び第２の制御電圧信号ａおよびｂの双方を、ランプ波形
発生回路４７から出力される鋸波形とコンパレータａ４
８およびコンパレータｂ４９を用いて比較することで、
それぞれの制御電圧信号ａおよびｂの電圧レベルに比例
したデューティ比を持つＰＷＭ信号を発生させる。これ
ら２つのＰＷＭ信号は次段のＡＮＤゲート５０に入力さ
れ、ここでどちらか一方のデューティ比の小さい（パル
ス幅の小さい）方のＰＷＭ信号が選択され、ＡＮＤゲー
ト５０から出力される。

【００５７】ここでどのようなときにどちらの信号が選
択されるかであるが、負荷電力が太陽電池の最大出力よ
も大きく、太陽電池の最大点追尾制御を行なっている場
合は、電力制御回路１の出力電圧は基準の一定電圧Ｖ
_constには達していないため、定値制御部２２からの制
御電圧信号ｂは最大値で出力され、ＰＷＭ信号のパルス
幅（デューティ比）も最大となる。その結果、以上のよ
うな場合にはＡＮＤゲート５０では、パルス幅の小さい
方のＰＷＭ信号、すなわち追尾制御部２１からの信号が
選択される。他方、太陽電池の最大出力と負荷電力の関
係が逆転した場合、追尾制御部２１からの制御電圧信号
は太陽電池からの電力に余裕があるので、電圧レベルを
上げて、ＰＷＭ信号のパルス幅を大きくしようとする。
また、出力電圧は一定電圧Ｖ _constに達するため、定値
制御部２２からの信号は、出力電圧を基準電圧より高く
ならないようにするために、制御電圧信号の電圧レベル
を下げてＰＷＭパルス幅を小さくしようとする。その結
果ＡＮＤゲート５０では、定値制御部２２からの信号が
選択される。また、パルス分配器５１は、ＡＮＤゲート
５０で選択されたＰＷＭ信号をゲートパルス信号Ｐ１お
よびＰ２の２つに分配して、ゲートパルス信号として、
それぞれ交互にスイッチングするＦＥＴブリッジ１２に
出力している。以上のように、追尾制御部２１および定
値制御部２２で決定されるそれぞれのＰＷＭ信号は、電
力制御回路１の出力電圧が基準となる一定の電圧Ｖ
_constに達した時点で自動的に切換られる。

【００５８】以上のようにして、最大点追尾制御と出力
電圧一定制御の切換えによる太陽電池出力制御を行なう
ことができる。なお図１１中のソフトスタート制御部２
４は、本発明の回路起動時に、ＰＷＭ信号のＯＮ時間を
徐々に広げるといったソフトスタート制御を行なってい
る。また、同図中のゲートパルスＯＦＦ信号は、外部か
ら強制的に回路の運転を停止するための入力である。

【００５９】

【発明の効果】以上のように、本発明の装置をインバー
タエアコンの直流回路部に接続することで、太陽電池の
直流出力を有効に利用できるとともに、太陽電池による
電力という自然エネルギを有効に利用してエアコンを駆
動することができ、この自然エネルギが少ないときに
は、商用系統電源からの電力で補完し、多いときには自
然エネルギに依存するように、適切に電力制御すること
で、エアコンを使用するユーザにとっては、太陽電池か
らの電力、商用系統電源からの電力という区別を意識す
ることなく、従来どおりの使い勝手を提供できる。しか
も、エアコンを運転する必要がある気象環境（夏場の日
中時）の下では、太陽電池からの自然エネルギは十分な
出力を期待できるという効果もあり、エネルギの浪費と
いうことを意識せずにエアコンを運転することができ、
より快適な生活環境を提供することができる。また、電
力の供給側から考えても、本システムが普及することに
より、特に夏場の日中時の電力消費ピークを抑えるとい
う効果を期待できる。したがって、本発明は、電力の需
要者，供給者の双方にとって、大きな効果が期待できる
とともに、環境にやさしい自然エネルギの利用というこ
とで、地球環境に対しても大きな効果が期待できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例のブロック図である。

【図２】電力制御回路デューティ比と太陽電池出力特性
との関係を示すグラフである。

【図３】最大点追尾制御の説明図である。

【図４】ＶＶＶＦインバータのレギュレーション特性の
グラフである。

【図５】本発明の電力制御回路と商用系統電源との電力
供給分担を示すグラフである。

【図６】本発明の電力制御回路の出力電圧・出力電力特
性を示すグラフである。

【図７】本発明の電力制御回路のデューティ比と出力電
力特性を示すグラフである。

【図８】太陽電池動作電圧・出力電力特性を示すグラフ
である。

【図９】本発明の電力制御回路デューティ比の最大出力
点との関係を示すグラフである。

【図１０】日射量急変時の最大点追尾制御の説明図であ
る。

【図１１】本発明の電力制御回路の制御部のブロック図
である。

【図１２】ＣＰＵによるフローチャートである。

【符号の説明】

１電力制御回路２太陽電池３インバータエアコン４倍電圧整流回路７ＶＶＶＦインバータ１２ＦＥＴブリッジ１３高周波トランス１４，１９ダイオード１５平滑コンデンサ１６出力チョークコイル１７出力コンデンサ１８制御部２１追尾制御部２２定値制御部２３ＰＷＭ信号発生・切換部２４ソフトスタート制御部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者南野光治大阪府大阪市阿倍野区長池町22番22号シャープ株式会社内 (72)発明者竹林司大阪府大阪市阿倍野区長池町22番22号シャープ株式会社内 (72)発明者露口嘉和大阪市北区中之島３丁目３番22号関西電力株式会社内 (72)発明者大森茂大阪市北区中之島３丁目３番22号関西電力株式会社内 (56)参考文献特開平５−157330（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) G05F 1/67 F24F 11/00 - 11/02 103 H02J 1/00 - 1/16 H02J 7/35 H02M 3/00 - 3/44

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】太陽電池とインバータエアコンの間に挿
入され太陽電池からの出力電圧をインバータエアコンの
整流後の直流回路部分に供給する太陽電池出力電力制御
回路において、太陽電池出力最大点を追尾するための追尾制御手段と、電力制御回路の出力電圧を一定にするための定値制御手
段と、それぞれの制御手段からの制御量で決定されるデューテ
ィ比を持つ第１および第２のパルス信号を形成するＰＷ
Ｍ制御信号発生手段と、この２つのＰＷＭ制御信号を自動的に切換える切換手段
と、切換えられたデューティ比で開閉するスイッチング素子
を有するスイッチング手段と、太陽電池からの余剰電力を一時的に蓄える手段と、を有することを特徴とする太陽電池出力電力制御回路。
【請求項２】追尾制御手段は、電力制御回路の出力情
報により出力が最大となるような入力電圧指令値を演算
する演算手段と、入力電圧指令値と入力電圧信号の誤差
電圧検出手段を有し、ＰＷＭ制御信号発生手段は、前記演算手段から出力され
る誤差電圧信号に応じて、入力電圧を入力電圧指令値に
一致させるデューティ比の第１のパルス信号を発生する
手段を含む、請求項１記載の太陽電池出力電力制御回
路。
【請求項３】定値制御手段は、基準電圧と電流制御回
路の出力電圧との誤差電圧を検出する誤差電圧検出手段
を有し、ＰＷＭ信号発生手段は、前記誤差電圧検出手段から出力
された誤差電圧の大きさに応じて、第２のパルス信号の
デューティ比を変化させる手段を含む、請求項１記載の
太陽電池出力電力制御回路。