JP3373882B2 - 太陽電池電源及びその制御方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、太陽電池の最適動作点
追尾制御を効率良く行うようにした太陽電池電源及びそ
の制御方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】太陽電池を用いた太陽電池電源は、照明
システム、非常用電源システム、ソーラーエアコンシス
テムなど各種のシステムに利用され、システムの省エネ
ルギー化に大きく貢献している。しかし、太陽電池の出
力は、照度（太陽の日射量）及び温度に応じて大きく変
動し、それにともなって最大出力を取り出せる最適動作
点も変動する。

【０００３】そのため、従来の太陽電池電源において
は、太陽電池が常に最適動作点で動作するように、例え
ば電力変換装置に組み込まれたスイッチング回路におい
てＰＷＭ制御による最適動作点追尾制御（最大電力追尾
制御）が行われている。従来の最適動作点追尾制御は、
太陽電池の動作点の全変動範囲、すなわち太陽電池の開
放電圧から短絡電流が流れる零電圧までの全範囲にわた
って行われている。

【０００４】例えば、電源の立ち上げと同時に太陽電池
の出力電圧及び出力電流の検出を開始し、これらの積に
より求められる電力値を増大させるべくスイッチング回
路のパルス幅を所定量ずつ変化させることにより、太陽
電池の出力電圧が開放電圧から最適動作電圧に至るまで
の間において段階的に推移するように制御されている。
また、外乱などの影響によって制御が外れた場合には、
再度、開放電圧からの追尾が開始されるようになってい
る。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、太陽電
池の最適動作点は、開放電圧の近辺には存在せず、且つ
短絡電流の流れる零電圧近辺にも存在しない。したがっ
て、従来の最適動作点追尾制御によると、最適動作点の
存在しない発電動作の両端部分においても最適動作点追
尾を行うという全く無駄な制御が行われていることとな
る。

【０００６】そのため、検出動作を開始してから最適動
作点に至るまでに数秒乃至１０秒程度の時間遅れが生
じ、その間においては太陽電池の発電電力が有効に利用
されないばかりでなく、太陽電池電源によって駆動され
るシステムの効率又は稼働率が低下するという問題があ
った。

【０００７】本発明は、上述の問題に鑑み、太陽電池の
最適動作点追尾における無駄な制御を無くして短時間で
最適動作点に至ることを可能とし、これによって太陽電
池の発電電力を有効に利用することのできる太陽電池電
源及びその制御方法を提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明に係る太
陽電池電源は、上述の課題を解決するため、太陽電池
と、前記太陽電池の出力する直流電力を交流電力に変換
するとともに前記太陽電池の動作点を変化させることが
可能なスイッチング回路と、前記太陽電池の最適動作点
の変動範囲内において、前記スイッチング回路を制御し
て前記太陽電池が最適動作点で動作するように最適動作
点追尾制御を行うための手段と、前記太陽電池の最適動
作点の変動範囲外において、前記スイッチング回路を制
御して前記太陽電池の動作電圧が前記変動範囲の下限電
圧又は上限電圧と等しくなるように定電圧制御を行うた
めの手段と、を有して構成される。

【０００９】請求項２の発明に係る制御方法は、太陽電
池と、前記太陽電池の出力する直流電力を交流電力に変
換するとともに前記太陽電池の動作点を変化させること
が可能なスイッチング回路とを有し、前記太陽電池が最
適動作点で動作するように最適動作点追尾制御が行われ
るように構成された太陽電池電源の制御方法において、
前記最適動作点追尾制御を行う範囲を前記太陽電池の最
適動作点の変動範囲に限定し、前記太陽電池の最適動作
点の変動範囲外においては、動作電圧が前記変動範囲の
下限電圧又は上限電圧と等しくなるように定電圧制御を
行う太陽電池電源の制御方法である。

【００１０】請求項３の発明に係る制御方法は、前記太
陽電池の最適動作点の変動範囲を、前記太陽電池への日
射量又は太陽電池の温度の変動に基づく最適動作点の最
大変動範囲に対応して設定する太陽電池電源の制御方法
である。

【００１１】

【作用】太陽電池から出力される直流電力は、スイッチ
ング回路によって交流電力に変換され、その後必要に応
じて直流電力に変換される。スイッチング回路では、太
陽電池の出力電流又は出力電圧を制御することにより、
太陽電池の動作点の最適動作点追尾制御又は定電圧制御
が行われる。

【００１２】最適動作点追尾制御は、日射量又は温度の
変動などによる太陽電池の最適動作点の変動範囲内にお
いて行われる。その変動範囲外においては動作電圧が変
動範囲の下限電圧又は上限電圧と等しくなるように定電
圧制御が行われる。

【００１３】したがって、例えば、太陽電池電源の立ち
上がり時などのように太陽電池の出力電圧が開放電圧と
なっている場合には、太陽電池の出力電圧が設定された
変動範囲の上限に到達するまで定電圧制御が行われ、変
動範囲に入った後に最適動作点追尾制御が行われる。

【００１４】

【実施例】図１は本発明に係る太陽電池電源３を用いた
ソーラーエアコンシステム１の概略の回路を示すブロッ
ク図である。

【００１５】図１において、ソーラーエアコンシステム
１は太陽電池電源３及びインバータエアコン５から構成
されている。太陽電池電源３は、太陽電池ＰＶ、及び太
陽電池ＰＶの出力する直流電力をそれよりも電圧の高い
直流電力に変換するＤＣーＤＣコンバータ１１から構成
されている。

【００１６】ＤＣーＤＣコンバータ１１は、直流電力を
交流電力に変換するスイッチング回路２１、整流平滑回
路２２、及び制御回路２３などからなっている。

【００１７】スイッチング回路２１は、交互にオンオフ
するようにＰＷＭ制御される２つのトランジスタＴＲ
１，２、トランスＴ１、及びコンデンサＣ１などからな
り、各トランジスタＴＲ１，２のオン時間（オン時間と
オフ時間のデューティ比）を変化させることによって太
陽電池ＰＶから流れ込む電流Ｉｓが変化し、これにとも
なって太陽電池ＰＶの出力電圧Ｖｓが変化する。このよ
うにして太陽電池ＰＶの動作点が制御されるようになっ
ている。

【００１８】整流回路２２は、ブリッジ式の整流器ＲＥ
Ｃ１、チョークコイルＣＨ１、及び平滑コンデンサＣ２
などからなり、トランスＴ１の２次側の出力を整流し平
滑して直流電力を出力する。

【００１９】制御回路２３は、太陽電池ＰＶの出力電圧
Ｖｓを検出するための、抵抗Ｒ１，２及びフォトカプラ
ＰＣ１などからなる電圧検出回路３１、太陽電池ＰＶの
出力電流Ｉｓを検出するための変流器ＣＴ１、マイクロ
コンピュータ３３、及びＰＷＭ制御回路３４などからな
っている。

【００２０】マイクロコンピュータ３３は、制御のため
のプログラムが格納されたメモリ、演算用のワークメモ
リ、ＡＤ入力ポート及びＰＷＭポートなどの種々の入出
力用ポートを有しており、電圧検出回路３１及び変流器
ＣＴ１から入力される電圧Ｖｓ及び電流Ｉｓに基づいて
所定の演算を行い、スイッチング回路２１において太陽
電池ＰＶの最適動作点追尾制御（以下において「追尾制
御」ということがある）及び定電圧制御が行われるよう
にＰＷＭ制御回路３４へデジタル値のＰＷＭ信号Ｓ１を
出力する。詳細は後述する。

【００２１】ＰＷＭ制御回路３４は、マイクロコンピュ
ータ３３から出力されるＰＷＭ信号Ｓ１に対応した幅の
パルスＰ１，２を交互に出力し、これによって上述のト
ランジスタＴＲ１，２の各オン時間を制御する。

【００２２】インバータエアコン５は、電圧及び周波数
が可変のインバータＩＮＶによって室外機のコンプレッ
サ用モータＭの回転制御が行われる公知のものであり、
倍電圧整流回路４１を介して供給される商用電源と上述
の太陽電池電源３とによる並列運転が行われる。

【００２３】次に、ソーラーエアコンシステム１の動
作、特に太陽電池電源３の最適動作点追尾制御について
詳しく説明する。

【００２４】太陽電池電源３においては、太陽電池ＰＶ
が最適動作点で動作するように追尾制御が行われるが、
追尾制御の行われる範囲が太陽電池ＰＶの最適動作点の
変動範囲Ｅ（変動範囲Ｅ１，Ｅ２、図２を参照）に限定
されており、太陽電池ＰＶの最適動作点の変動範囲Ｅ外
においては、動作電圧（出力電圧Ｖｓ）が一定となるよ
うな定電圧制御が行われる。

【００２５】追尾制御では、例えば、所定の周期で検出
した電圧Ｖｓ及び電流Ｉｓに基づいて電力値を求め、今
回に求めた電力値ＰＶＰ１と前回に求めた電力値ＰＶＰ
０とを比較し、その比較結果に基づいて、次回に検出さ
れる電力値が増大するようにＰＷＭ信号Ｓ１の値（ＰＷ
Ｍ値）を増減する。

【００２６】また、定電圧制御では、例えば、変動範囲
Ｅの上限を越えている場合にはこの上限に対応する出力
電圧ＶｓとなるようにＰＷＭ信号Ｓ１の値（ＰＷＭ値）
を増減し、変動範囲Ｅの下限を越えている場合にはこの
下限に対応する出力電圧ＶｓとなるようにＰＷＭ信号Ｓ
１の値（ＰＷＭ値）を増減する。

【００２７】ここで、太陽電池ＰＶの最適動作点の変動
範囲Ｅについて説明する。図２は追尾制御が行われる変
動範囲Ｅを説明するための図である。この内、図２
（ａ）では、温度を一定とし、太陽電池ＰＶに入射する
日射量（照度）をパラメータとして、太陽電池ＰＶの出
力電圧Ｖｓと出力電流Ｉｓとの関係が示されており、図
２（ｂ）では、太陽電池ＰＶに入射する日射量を一定と
し、温度をパラメータとして、太陽電池ＰＶの出力電圧
Ｖｓと出力電流Ｉｓとの関係が示されている。

【００２８】図２（ａ）においては、雨又は曇りなどに
よって日中における日射量が最も少なくなったときの日
射量である１０ｍＷ／ｃｍ² から、太陽光による最大日
射量である１００ｍＷ／ｃｍ² までの複数の出力電圧対
出力電流曲線と、それぞれにおける最適動作点Ｐｍａｘ
が示されている。太陽電池ＰＶを太陽光発電に用いる場
合の実用範囲としては、１０〜１００ｍＷ／ｃｍ² の範
囲の日射量を考えれば充分である。この図から理解でき
るように、日射量の変動による最適動作点Ｐｍａｘの変
動範囲Ｅ１は、太陽電池ＰＶの出力電圧Ｖｓの全範囲
（０〜開放電圧）の中の一部分である。

【００２９】したがって、追尾制御を行う範囲をその変
動範囲Ｅ１内に限定し、変動範囲Ｅ外においては、つま
り最適動作点Ｐｍａｘとはなりえない範囲においては、
追尾制御を行うことなく、処理時間のより短い定電圧制
御を行うこととし、これにより制御の無駄を無くして最
適動作点追尾のための処理に要する時間の短縮を図り、
短時間で最適動作点Ｐｍａｘに達するように制御を行う
のである。

【００３０】図２（ａ）に示すように、日射量の変動に
着目した場合には、変動範囲Ｅ１の下限値に対応する出
力電圧Ｖｓが下限電圧ＶＬｉとなり、上限値に対応する
出力電圧Ｖｓが上限電圧ＶＨｉとなる。

【００３１】また、図２（ｂ）においては、太陽の日射
によって太陽電池ＰＶの温度が０〜８０℃の範囲で変動
した場合の複数の出力電圧対出力電流曲線と、それぞれ
における最適動作点Ｐｍａｘが示されている。太陽電池
ＰＶの実用範囲として、０〜８０℃の範囲の温度を考え
れば充分である。この図に示されるように、温度の変動
に着目した場合には、変動範囲Ｅ２の下限値に対応する
出力電圧Ｖｓが下限電圧ＶＬｄとなり、上限値に対応す
る出力電圧Ｖｓが上限電圧ＶＨｄとなる。

【００３２】このようにして、変動範囲Ｅに対応する電
圧Ｖｓの範囲が、一般的に用いられる太陽電池ＰＶでは
例えば５０〜７０Ｖ又は６５〜８５Ｖなどのオーダーで
設定される。なお、上においては、説明の便宜上、日射
量又は温度がそれぞれ単独で変動した場合について述べ
たが、実際には日射量及び温度が同時に変動するので、
これらの両方の変動を考慮することが望ましい。その場
合には、例えば最低日射量且つ最高温度における最適動
作点Ｐｍａｘから最高日射量且つ最低温度における最適
動作点Ｐｍａｘまでの範囲を変動範囲Ｅとし、それぞれ
の下限及び上限に対応する出力電圧Ｖｓを下限電圧ＶＬ
及び上限電圧ＶＨとすればよい。また、日射量の範囲と
温度の範囲とを上述以外に種々組み合わせてもよく、日
射量及び温度以外の要素を組み合わせてもよい。下限電
圧ＶＬ又は上限電圧ＶＨとして、適度の余裕幅を持たせ
てもよい。

【００３３】次に、マイクロコンピュータ３３の制御動
作の概略をフローチャートを参照して説明する。

【００３４】図３において、まず、検出された電圧Ｖｓ
と下限電圧ＶＬとを比較し（＃１１）、電圧Ｖｓが下限
電圧ＶＬよりも小さい場合には、ＰＷＭ信号Ｓ１の値
（ＰＷＭ値）を１つ減算する（＃１２）。また、検出さ
れた電圧Ｖｓが上限電圧ＶＨよりも大きい場合には（＃
１３でイエス）、ＰＷＭ信号Ｓ１の値（ＰＷＭ値）を１
つ加算する（＃１４）。これらの処理が繰り返されるこ
とによって、太陽電池ＰＶの出力電圧Ｖｓが下限電圧Ｖ
Ｌ又は上限電圧ＶＨと等しくなるように定電圧制御が行
われる。

【００３５】電圧Ｖｓが下限電圧ＶＬから上限電圧ＶＨ
までの範囲に入っていれば、つまり変動範囲Ｅ内であれ
ば、そのときの電力値を演算し（＃１５）、最適動作点
追尾制御のルーチンを実行する（＃１６）。

【００３６】最適動作点追尾制御のルーチンでは、太陽
電池ＰＶが最適動作点Ｐｍａｘで動作するように、演
算、比較、又はカウントなど種々の処理が実行され、そ
の結果であるＰＷＭ信号Ｓ１が出力される。

【００３７】このように、太陽電池電源３において最適
動作点追尾制御が行われ、太陽電池ＰＶが最適動作点Ｐ
ｍａｘで動作し、インバータエアコン５に電力が供給さ
れる。

【００３８】上述の実施例において、制御回路２３が本
発明における最適動作点追尾制御を行うための手段及び
定電圧制御を行うための手段に相当し、特に、フローチ
ャートの＃１１〜１４の処理が定電圧制御のための処理
に対応し、＃１６が最適動作点追尾制御のための処理に
対応する。

【００３９】上述の実施例の太陽電池電源３によると、
太陽電池ＰＶの最適動作点追尾制御における無駄な制御
を無くして短時間で最適動作点Ｐｍａｘに至ることとな
り、その結果、太陽電池ＰＶの発電電力が有効に利用さ
れ、且つソーラーエアコンシステム１全体の効率及び稼
働率が向上する。

【００４０】上述の実施例において、追尾制御及び定電
圧制御の内容は種々変更することができる。マイクロコ
ンピュータ３３からＰＷＭ制御回路３４に対してＰＷＭ
値に対応するアナログ信号を出力するようにしてもよ
い。太陽電池電源３にはＤＣーＤＣコンバータ１１を組
み込んだが、ＤＣーＤＣコンバータ１１から整流回路２
２を取り除き、スイッチング回路２１から交流電力を出
力するように構成してもよい。その場合には、例えば家
庭用の商用電源にスイッチング回路２１からの交流電力
を供給し、太陽電池電源３と商用電源との系統連係を図
ることもできる。その他、スイッチング回路２１、整流
回路２２、制御回路２３などの構成、素子の種類又は定
数、フローチャートの内容及び順序、太陽電池電源３、
ソーラーエアコンシステム１の各部の構成などは、本発
明の主旨に沿って種々変更することができる。

【００４１】

【発明の効果】本発明によると、太陽電池の最適動作点
追尾における無駄な制御を無くして短時間で最適動作点
に至ることが可能となり、太陽電池の発電電力を有効に
利用することができ、且つシステムの効率又は稼働率を
向上させることができる。

【００４２】請求項３の発明によると、太陽電池の最適
動作点の変動範囲を太陽電池の使用環境に応じた実用範
囲に設定することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る太陽電池電源を用いたソーラーエ
アコンシステムの概略の回路を示すブロック図である。

【図２】最適動作点追尾制御が行われる変動範囲を説明
するための図である。

【図３】本発明に係る太陽電池電源の制御動作の概略を
示すフローチャートである。

【符号の説明】

３ 太陽電池電源 ２１ スイッチング回路 ２３ 制御回路（最適動作点追尾制御を行うための手
段、定電圧制御を行うための手段） Ｅ１，Ｅ２ 変動範囲 ＰＶ 太陽電池

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ Ｈ０５Ｂ 37/02 Ｈ０５Ｂ 37/02 Ｚ (56)参考文献 特開 昭62−100819（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G05F 1/67 H02J 3/00 - 5/00 H02J 7/00 - 7/36

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】太陽電池と、 前記太陽電池の出力する直流電力を交流電力に変換する
   とともに前記太陽電池の動作点を変化させることが可能
   なスイッチング回路と、 前記太陽電池の最適動作点の変動範囲内において、前記
   スイッチング回路を制御して前記太陽電池が最適動作点
   で動作するように最適動作点追尾制御を行うための手段
   と、 前記太陽電池の最適動作点の変動範囲外において、前記
   スイッチング回路を制御して前記太陽電池の動作電圧が
   前記変動範囲の下限電圧又は上限電圧と等しくなるよう
   に定電圧制御を行うための手段と、 を有してなることを特徴とする太陽電池電源。
2. 【請求項２】太陽電池と、前記太陽電池の出力する直流
   電力を交流電力に変換するとともに前記太陽電池の動作
   点を変化させることが可能なスイッチング回路とを有
   し、前記太陽電池が最適動作点で動作するように最適動
   作点追尾制御が行われるように構成された太陽電池電源
   の制御方法において、 前記最適動作点追尾制御を行う範囲を前記太陽電池の最
   適動作点の変動範囲に限定し、 前記太陽電池の最適動作点の変動範囲外においては、動
   作電圧が前記変動範囲の下限電圧又は上限電圧と等しく
   なるように定電圧制御を行うことを特徴とする太陽電池
   電源の制御方法。
3. 【請求項３】前記太陽電池の最適動作点の変動範囲を、
   前記太陽電池への日射量又は太陽電池の温度の変動に基
   づく最適動作点の最大変動範囲に対応して設定する請求
   項２記載の太陽電池電源の制御方法。