JP3373896B2 - 太陽電池電源 - Google Patents

太陽電池電源

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  • Control Of Electrical Variables (AREA)
  • Inverter Devices (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、太陽電池とその出力電
力を制御する電力制御装置とを有した太陽電池電源に関
する。
【0002】
【従来の技術】太陽電池と、太陽電池の直流出力を交流
に変換するためのインバータとを有した太陽電池電源
は、商用電力系統との連系システムなどに利用されてい
る。
【0003】一般に、この種の太陽電池電源では、太陽
が昇って日射量が増大し、太陽電池の発電電力が所定値
に達した時点でインバータが起動され、負荷に対する給
電、つまり太陽電池電源の運転が開始される。そして運
転中は、太陽電池の発電能力を最大限に利用するため、
インバータにおいて、太陽電池の動作点がその時点の最
適動作点(最大電力点ともいう)となるように出力電流
を調整する最大電力点追尾制御(MPPT制御)が行わ
れる。
【0004】従来のインバータは、起動後に直ちにスイ
ッチング素子の導通時間を規定するPWMパルス幅を所
定量ずつ増大させていき、それと並行して太陽電池の出
力電流及び出力電圧を検出して出力電力を求め、太陽電
池の出力電圧の変移方向と出力電力の増減状態とから出
力電力を増大させるべくPWMパルス幅の増減方向を決
定し、これによって太陽電池の出力電圧を開放電圧から
最適動作電圧に近づけるように構成されていた。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】太陽電池の動作点を最
適化するには、太陽電池の出力電圧を小刻みに変化させ
て出力電力が最大となる電圧を見つける必要がある。ま
た、インバータ内の制御の応答性などに起因して、PW
Mパルス幅の変更により動作点が変化して安定するのに
例えば100ms程度の時間を要し、少なくともその時
間より長い時間間隔でPWMパルス幅を変更しなければ
ならない。
【0006】このため、従来では、起動の開始から太陽
電池の動作点がほぼ最適動作点となる定常運転状態に移
行するまでに10秒以上の長い時間を要するという問題
があった。
【0007】また、従来のMPPT制御においては、何
らかの原因により制御に異常をきたした場合に、太陽電
池の運転目標電圧は予め設計時に想定して電圧以外の
他、その時点における太陽電池の状況に最適の電圧値を
検知できないという問題もあった。
【0008】さらに、従来のインバータでは、インバー
タ及び系統に対する保護という観点から、太陽電池側の
過不足電圧、過電流しか検知していないため、太陽電池
アレイの異常(モジュールの欠落、誤配線、特性低下な
ど)に関する検知ができないという問題もあった。
【0009】本発明は、上述の問題に鑑み、起動時の定
常運転状態への移行を迅速化することを目的としてい
る。
【0010】
【課題を解決するための手段】請求項1の発明に係る電
源は、上述の課題を解決するため、太陽電池と、太陽電
池の出力電力を制御する電力制御装置とを有した太陽電
池電源において、前記電力制御装置は、前記太陽電池電
源の起動時に、前記太陽電池のI−V特性を測定すると
共に、このI−V特性から電力値を求めることにより
適動作点を検知し、前記最適動作点を制御目標に設定し
て電力制御を行い、前記太陽電池電源の出力が前記最適
動作点に到達した後に、負荷に対して給電を行う定常運
転に移行するように構成される。
【0011】請求項2の発明に係る電源は、太陽電池
と、インバータとを有した太陽電池電源において、前記
インバータが、前記太陽電池電源の起動時に、非充電状
態のコンデンサを前記太陽電池に接続し、前記コンデン
サの充電電流と端子間電圧とをサンプリングして記憶
し、サンプリングデータに基づいて前記太陽電池の最適
動作点を求め、前記最適動作点を入力電力の制御目標に
設定して電力変換を行い、前記太陽電池電源の出力が前
記最適動作点に到達した後に、負荷に対して給電を行う
定常運転に移行するように構成される。
【0012】請求項3の発明に係る電源は、前記インバ
ータが、前記制御目標の設定値を段階的に前記最適動作
点に近づけるように構成される。
【0013】
【作用】起動開始に際して、例えば非充電状態のコンデ
ンサを太陽電池によって充電することにより、太陽電池
I−V特性が測定される。そして、I−V特性に基づ
いて、その時点の太陽電池の最適動作点が検知され、太
陽電池の動作点を最適動作点とするように電力制御が行
われる。
【0014】
【実施例】図1は本発明に係る太陽電池電源1の全体構
成を示すブロック図である。太陽電池電源1は、太陽電
池10、及び電圧形電流制御方式のインバータ20から
構成され、商用電力系統2と連系されている。配電線3
には各種の電化製品などの負荷Zが接続されている。
【0015】インバータ20は、スイッチ及び逆流防止
ダイオードの機能を有した逆阻止3端子サイリスタ2
1、平滑用コンデンサC0、インバータ主回路22、リ
アクトルからなる出力フィルタ23、連系を解除するた
めのリレー24、インバータ主回路22のスイッチング
制御を行うPWM制御部25、及びインバータ20の全
体の制御を行うマイクロコンピュータ26などから構成
されている。PWM制御部25及びマイクロコンピュー
タ26には、太陽電池10から図示しない定圧電源回路
を介して動作電流が供給される。
【0016】図2はインバータ主回路22の回路図であ
る。インバータ主回路22は、自己ターンオフ機能を有
したスイッチング素子である4つのトランジスタQ1〜
4と、これらのそれぞれに対して逆並列接続された4つ
の帰還ダイオードD1〜4とからなる。
【0017】インバータ主回路22では、トランジスタ
Q1,Q4の組とトランジスタQ2,Q3の組とに分
け、各組を交互にスイッチングすることによって、トラ
ンジスタQ1,Q2の接続点とトランジスタQ3,Q4
の接続点との間に交流電圧が得られる。そして、スイッ
チング信号にパルス幅変調(PWM)を施すことによっ
て出力電圧波形を正弦波形に近づけることができ、その
際にパルス幅を適当に設定することにより出力電流を調
整することができる。
【0018】図3はPWM制御部25の機能上の構成を
示すブロック図である。PWM制御部25は、系統電圧
Voの基本周波数成分を抽出するためのバンドパスフィ
ルタ251、乗算器252、演算増幅器253、PWM
パルス生成部254、及びトランジスタQ1〜4を駆動
するためのドライバ回路255を有したフィードバック
制御系であり、パルス幅を調整したPWMパルスをトラ
ンジスタQ1,Q4の組及びトランジスタQ2,Q3の
組に対するスイッチング信号としてインバータ主回路2
2へ出力する。
【0019】PWM制御部25では、系統電圧Voの基
本周波数成分に対応した信号Sbと、マイクロコンピュ
ータ26から与えられる入力誤差信号Saとの乗算によ
って、電流制御の目標値を示す電流指令値信号Siが生
成される。ここで、入力誤差信号Saは、太陽電池10
からの入力電圧Viとその制御目標値(電圧指令値)と
の差を示す信号である。
【0020】電流指令値信号Siに対しては、実際の出
力電流Ioによる補正及び適当な増幅が施される。その
後にPWMパルス生成部254内で、例えば電流指令値
信号Si及びその位相反転信号と20kHz程度の変調
用三角波信号との比較、及び適当な論理演算により所定
のPWMパルスが生成される。
【0021】このようなPWM制御部25の動作によ
り、インバータ20においては、入力誤差信号Saの値
が小さくなるように、すなわち太陽電池10からの入力
電圧Viがマイクロコンピュータ26の設定する電圧指
令値と一致するように、出力電流Ioが調整される。
【0022】マイクロコンピュータ26は、入力誤差信
号Saを生成するため、太陽電池10からの入力電圧V
i及び入力電流Iiに基づいて、太陽電池10の発電電
力である入力電力Pを演算し、また、入力電力Pが最大
となるように電圧指令値を設定するMPPT制御のため
の処理を行う。
【0023】なお、MPPT制御処理においては、入力
電圧Viの変移方向と入力電力Pの増減状態とからPW
Mパルスのパルス幅の増減方向が決定され、これに対応
して電圧指令値が設定されて入力誤差信号Saが生成さ
れる。MPPT制御が行われない場合には、例えば入力
電圧一定制御が行われる。入力電圧一定制御において
は、電圧指令値として後述のように運転開始時に検知さ
れた太陽電池10の最適動作点の電圧が固定的に設定さ
れ、その電圧指令値と入力電圧Viとの差電圧が入力誤
差信号Saとして求められる。
【0024】以上の構成の太陽電池電源1においては、
起動開始に際して、太陽電池10のI−V特性が測定さ
れ、それにより検知された最適動作点を制御目標に設定
して電力制御が開始される。
【0025】図4はマイクロコンピュータ26の概略の
制御内容を示すフローチャートである。運転停止状態に
おいて、太陽電池電源1は、リレー24がオフ状態であ
って負荷Z及び商用電力系統2と切り離されている。ま
た、インバータ主回路22の4つのトランジスタQ1〜
4及びサイリスタ21も共にオフ状態であり、且つコン
デンサC0は蓄積電荷のない非充電状態である。
【0026】さて、太陽が昇って太陽電池10の開放電
圧がマイクロコンピュータ26の動作電圧に達すると、
マイクロコンピュータ26に動作電流が供給されてプロ
グラムの実行が始まる。
【0027】まず、マイクロコンピュータ26は起動要
求の発生を待つ(#1)。起動要求は、例えば日射量又
はそれに依存する太陽電池10の開放電圧が所定値に達
したときに、図示しない日射量センサー又は電圧監視回
路により発せられる。また、特定の時刻にタイマー回路
により発せられる場合や外部スイッチのオンに呼応して
発せられる場合もある。
【0028】起動要求が発生すると、マイクロコンピュ
ータ26はサイリスタ21をオン状態とする(#2)。
これにより、図5に充電特性を示すように太陽電池10
によってコンデンサC0が充電される。すなわち、太陽
電池10からコンデンサC0に充電電流Iが流れ、コン
デンサC0の端子間電圧Vは数ミリ秒程度の時間内に零
からほぼ太陽電池10の開放電圧Vocまで上昇する。
なお、太陽電池10からマイクロコンピュータ26に供
給される動作電流は微小であるので無視することができ
る。
【0029】コンデンサC0の充電中において、マイク
ロコンピュータ26は、例えば数十マイクロ秒程度の周
期で端子間電圧V及び充電電流Iをサンプリングし、外
乱などの影響を軽減するため複数回分のサンプリングデ
ータの平均値を求め、得られた平均値データを太陽電池
10の出力特性(I−V特性)を示すデータとして記憶
する(#3)。
【0030】続いて、所定のサンプリングポイント毎に
電圧Vと電流Iとの乗算を行って電力値Pを求め(#
4)、その時点の太陽電池10の最大電力Pmaxを検
知する(#5)。そして、一旦、サイリスタ21をオフ
状態とする(#6)。
【0031】次に、図6に一例を示す太陽電池10の出
力特性(実線)及び電力特性(鎖線)のチェックを行う
(#7)。このとき、例えば最大電力Pmaxに対応し
た最適動作電圧VPmax、開放電圧Voc、及び短絡
電流Iscの内の少なくとも1つが所定範囲外の値であ
れば、特性が異常であると判定される。出力特性が異常
である場合は、警告表示などを行う異常処理を行う(#
8)。
【0032】一方、出力特性が正常である場合は、最大
電力Pmaxが所定の電流を出力することのできる一定
値以上であるか否かをチェックする(#9)。最大電力
Pmaxが一定値より小さい場合は、例えば20分後に
再び太陽電池10の特性を測定する再測定処理を行う
(#10)。
【0033】これに対して、最大電力Pmaxが一定値
以上である場合は、最適動作電圧VPmaxを上述の電
圧指令値として設定し、入力誤差信号Saを生成してP
WM制御部25に送るとともに、リレー24及びサイリ
スタ21をオン状態にして太陽電池電源1の運転を開始
する(#11)。
【0034】だたし、運転開始時点における太陽電池1
0の出力電圧(インバータ20の入力電圧)Viは開放
電圧Vocであるので、いきなり電圧指令値を最適動作
電圧VPmaxとすると、急激な状態変化により各部に
悪影響が現れるおそれがある。このため、マイクロコン
ピュータ26は、いわゆるソフトスタート処理として、
電圧指令値を開放電圧Vocから最適動作電圧VPma
xへ段階的に近づけるように設定して入力誤差信号Sa
を生成する。例えば、開放電圧Vocが250ボルトで
あり、最適動作電圧VPmaxが200ボルトである場
合において、100ミリ秒程度の間隔で10ボルトずつ
電圧指令値を下げる。
【0035】以上の一連の処理により、太陽電池電源1
は、起動要求の発生から約0.5秒後に、太陽電池10
の発電能力をほぼ最大限に利用して負荷Zに対して給電
を行う定常運転状態になる。
【0036】定常運転状態において、マイクロコンピュ
ータ26は、上述のMPPT制御又は入力電圧一定制御
に応じた入力誤差信号Saを生成する定常運転処理を行
う(#12)。なお、太陽電池10の出力特性は温度に
より大きく変動するので、特に温度変化の大きい環境で
はMPPT制御が望ましい。定常運転処理は運転停止要
求が発生するまで続けられる。
【0037】運転停止要求は、例えば夕方になって日射
量が低下したときに日射量センサーによって発せられ
る。また、特に定常運転時に入力電圧一定制御を行う場
合には、午前中の運転開始時点と正午の時点とでは、日
射量に大きな差があり太陽電池10の出力特性も異なる
ことがあるので、運転を一時停止して出力特性を改めて
測定するため、正午の時点でタイマー回路により運転停
止要求が発せられることがある。
【0038】運転停止要求が発生すると、マイクロコン
ピュータ26は、リレー24をオフ状態にして連系を解
除する(#14)。続いて、サイリスタ21をオフ状態
にして太陽電池10とインバータ20とを切り離し、イ
ンバータ主回路22のトランジスタQ1〜4をオン状態
とするための信号S22をPWM制御部25のドライバ
回路255へ送る(#15)。これにより、コンデンサ
C0の電荷がトランジスタQ1,Q2及びトランジスタ
Q3,Q4を介して放電する。
【0039】そして、コンデンサC0が非充電状態にな
る所定時間の経過後、マイクロコンピュータ26は、4
つのトランジスタQ1〜4を全てオフ状態とし、処理を
終える(#16)。
【0040】上述の実施例によれば、従来のように太陽
電池10の出力電力を増大させるべく試行錯誤の形で出
力電流を調整するのではなく、最初に太陽電池10の
−V特性を測定し、制御目標を決定して出力電流を調整
するので、太陽電池電源1を起動開始後に迅速に定常運
転状態に移行させることができる。
【0041】上述の実施例によれば、太陽電池10の特
性チェックが行われ、その結果が異常であれば異常処理
が行われるので、例えば、太陽電池10の誤接続や接続
不良、一部のモジュールの断線など、太陽電池10の不
具合をオペレータが知ることができる。
【0042】上述の実施例によれば、運転停止状態にお
いて、商用電力系統2と太陽電池10とが、リレー2
4、インバータ主回路22、及びサイリスタ21により
3重に遮断されるので、商用電力系統2への直流成分の
重畳が起こらず、連系保護の信頼性を高めることができ
る。
【0043】上述の実施例によれば、定常運転時に処理
を簡単化するために入力電圧一定制御を行う場合であっ
ても、毎日の運転開始時に太陽電池10の特性が測定さ
れるので、季節による気温の差異に係わらず最適条件の
運転が行われ、年間を通じて太陽電池10の発電能力を
最大限に利用することができる。
【0044】上述の実施例において、出力特性の測定結
果に基づいて、アモルファス系や多結晶系といった太陽
電池10の種別を判別しておき、定常運転中に日射量及
び温度の変化量を検知して最適動作点を予測し、太陽電
池10の動作点を現在の点から予測した最適動作点へ一
気に移行させるようにし、MPPT制御の高速化を図る
ことができる。
【0045】上述の実施例において、太陽電池10の出
力特性の測定データを外部のコンピュータなどに転送す
る機能、又は出力特性をグラフ化してプリントする機能
を設け、太陽電池電源1の保守の便宜を図ることができ
る。
【0046】上述の実施例において、商用電力系統2を
PWM制御部25及びマイクロコンピュータ26の駆動
電源としてよい。また、逆阻止3端子サイリスタ21に
代えてトランジスタを用いてもよい。さらにハードウェ
アによりソウトスタートを行ってもよい。その他、イン
バータ20の回路構成、制御形態、太陽電池10の種類
や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。連系によらずに運転される太陽電池電源1にも
本発明を適用することができる。
【0047】
【発明の効果】本発明によれば、起動開始後の定常運転
状態への移行を迅速化することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る太陽電池電源の全体構成を示すブ
ロック図である。
【図2】インバータ主回路の回路図である。
【図3】PWM制御部の機能上の構成を示すブロック図
である。
【図4】マイクロコンピュータの概略の制御内容を示す
フローチャートである。
【図5】コンデンサの充電特性の一例を示すグラフであ
る。
【図6】太陽電池の出力特性及びそれに対応した電力特
性の一例を示すグラフである。
【符号の説明】
1 太陽電池電源 10 太陽電池 20 インバータ(電力制御装置) C0 コンデンサ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭62−42213(JP,A) 特開 平5−103477(JP,A) 特開 平5−134773(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 H02M 3/00 - 3/44 H02M 7/00 - 7/98

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 太陽電池と、太陽電池の出力電力を制御
    する電力制御装置とを有した太陽電池電源において、 前記電力制御装置は、前記太陽電池電源の起動時に、前
    記太陽電池のI−V特性を測定すると共に、このI−V
    特性から電力値を求めることにより最適動作点を検知
    し、前記最適動作点を制御目標に設定して電力制御を行
    い、前記太陽電池電源の出力が前記最適動作点に到達し
    た後に、負荷に対して給電を行う定常運転に移行するよ
    うに構成され、 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、インバータとを有した太陽電
    池電源において、 前記インバータは、前記太陽電池電源の起動時に、非充
    電状態のコンデンサを前記太陽電池に接続し、前記コン
    デンサの充電電流と端子間電圧とをサンプリングして記
    憶し、サンプリングデータに基づいて前記太陽電池の最
    適動作点を求め、前記最適動作点を入力電力の制御目標
    に設定して電力変換を行い、 前記太陽電池電源の出力が前記最適動作点に到達した後
    に、負荷に対して給電を行う定常運転に移行する ように
    構成されてなることを特徴とする太陽電池電源。
  3. 【請求項3】前記インバータは、前記制御目標の設定値
    を段階的に前記最適動作点に近づけるように構成されて
    なることを特徴とする請求項2記載の太陽電池電源。
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