JP3584628B2 - 太陽電池の出力電力制御方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は太陽電池の出力電力制御方法に関し、さらに詳細にいえば、太陽電池の出力電力を効率よく直流負荷に供給するための方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来からクリーンな電力源として太陽電池が注目されている。この太陽電池は、出力電力が出力電圧によって異なり、出力電力が最大になる点が１つだけ存在するという特性を有している。また、最大電力が得られる出力電圧は、図１に示すように、日射量、素子温度によって変動するのであるから、一般的には、常に最大電力を得るために最大電力追尾装置が用いられる。
【０００３】
ここで、最大電力追尾装置は、図３に示すように、直流電力変換装置と制御装置により構成されており、制御装置により太陽電池の出力電圧および出力電流を検出して、演算された電力が最大になるように流通率指令を変化させ、この流通率指令に基づいて直流電力変換装置を制御することにより直流電力変換装置の入力電圧と出力電圧との変換比を設定し、入力電圧に対する出力電圧、または出力電圧に対する入力電圧の制御を達成するものである。したがって、最大電力追尾装置の入力側に太陽電池を、出力側に直流負荷をそれぞれ接続することにより簡単な発電システムを構成することができる。しかし、夜間または低日照時には太陽電池から十分な電力を得ることができないので、このような場合における不足電力を商用電源系統で補うようにしたシステムが一般的に用いられる。
【０００４】
図２は、最大電力追尾装置をエアコンのインバータ直流部に並列接続した構成を示す図である。図２のシステムは、従来のインバータを変更することなく簡単に構成できるという利点を有している。しかし、商用電源を整流してインバータ直流部に供給する整流回路は、電力を商用電源系統から負荷側にしか流せないため、負荷消費電力が太陽電池の最大電力よりも小さい場合に余剰電力が発生する。そして、この余剰電力は前記整流回路の後段の直流部コンデンサＣ１、Ｃ２、Ｃ３を充電し続けるので、インバータの直流部電圧Ｖｉｎｖが上昇し続け、機器を破壊してしまうことになる。したがって、図２のようなシステム構成では、余剰電力を抑制する制御が必要になる。
【０００５】
さらに詳細に説明する。
図２に示すシステム中の最大電力追尾装置においては、インバータの直流部電圧Ｖｉｎｖと太陽電池の出力電圧Ｖｓとの間には、
Ｖｉｎｖ＝Ｄ・Ｖｓ
Ｄ＝α・Ｎ（αは流通率指令、Ｎはトランスの巻数比）
の関係が成り立つ。
【０００６】
また、最大電力追尾制御を行なうに当たって、直流負荷に太陽電池のみならず商用電源系統も接続されている場合には、直流負荷両端の電圧Ｖｉｎｖは整流回路の出力電圧ＶＤＳ以下にはならない。したがって、負荷が大きい場合には、Ｖｉｎｖ＝ＶＤＳとなり、不足電力が商用電源系統からの電力で補われることになる。ここで、負荷から見た太陽電池の出力特性は、出力電圧Ｖｓが直流電力変換装置の昇降圧比倍（Ｄ倍）されたものになる。図４の太陽電池の出力電力Ｐｓと出力電圧Ｖｓとの関係を示すグラフおよび太陽電池の出力電力Ｐｓと直流負荷電圧Ｖｉｎｖとの関係を示すグラフにおいて、昇降圧比がＤ１の時は昇降圧比を増加させ、昇降圧比がＤ３の時は昇降圧比を減少させることにより、電圧ＶＤＳにて最大電力Ｐｓ＿ｍａｘが得られる昇降圧比Ｄ２を探索する（最大電力追尾を行う）。
【０００７】
また、最大電力追尾を行っていた状態から負荷が減少すると、直流負荷電圧Ｖｉｎｖは図５に示す出力特性（昇降圧比がＤ６の時の出力特性）を高電圧側に移動し、最大許容電圧Ｖｉｎｖ＿ｍａｘを越えてしまう。このため、昇降圧比Ｄを減少させることによって太陽電池の出力電力Ｐｓを抑制し、直流負荷電圧Ｖｉｎｖを減少させなければならない（昇降圧比がＤ５の時の出力特性を参照）。ただし、昇降圧比Ｄの減少量が大きすぎる場合には、直流負荷電圧ＶｉｎｖはＶＤＳとなり、不足電力が生じる（昇降圧比がＤ４の時の出力特性を参照）。この場合には、太陽電池は出力電力が抑制されているにも拘らず、商用電源電力が利用されることになるという不都合がある。したがって、ＶＤＳ＜Ｖｉｎｖ＜Ｖｉｎｖ＿ｍａｘという関係を満足するように昇降圧比Ｄを制御することになる。
【０００８】
具体的には、図６に示すように、直流負荷電圧Ｖｉｎｖに対して閾値電圧Ｖｍを設定し、Ｖｉｎｖ＜Ｖｍの場合には最大電力追尾制御を行い、Ｖｍ≦Ｖｉｎｖの場合には流通率αをΔαずつ減少させることによる出力電力抑制制御を行う。なお、閾値電圧Ｖｍの設定は、整流回路の出力電圧ＶＤＳ＜Ｖｍ＜Ｖｉｎｖ＿ｍａｘという関係を満足するように行う。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
図６に示すように太陽電池の出力電力の制御を行った場合には、直流負荷に供給される太陽電池の出力電力Ｐｓおよび直流負荷電圧Ｖｉｎｖが変動するという不都合がある。このような不都合が生じた場合には、例えば、図２に示すシステムでは、圧縮機内の誘動機を駆動する際に所望のＶ／Ｆパターンを逸脱し、運転効率の低下を招いてしまう。
【００１０】
さらに詳細に説明する。
整流回路の出力電圧ＶＤＳにて最大電力Ｐｓ＿ｍａｘとなる動作をしていたところ、負荷が減少した状況を図７に示している（昇降圧比がＤ１の時の出力特性を参照）。このように負荷が減少すると、直流負荷電圧Ｖｉｎｖが閾値電圧Ｖｍを越えるため、流通率αをΔαずつ減少させることになる（昇降圧比がＤ２の時の出力特性を参照）。そして、直流負荷電圧Ｖｉｎｖが閾値電圧Ｖｍを下回ると再び閾値電圧Ｖｍを越えるまで最大電力追尾制御が行われる。このように、最大電力追尾制御（昇降圧比Ｄの増加）と流通率αをΔαずつ減少させる出力電力抑制制御（昇降圧比Ｄの減少）とを繰り返すのであるから、太陽電池の出力電力Ｐｓと直流負荷の消費電力Ｐｉｎｖとが釣り合うように収束した後も、例えば、昇降圧比がＤ３の時の出力特性と昇降圧比がＤ４の時の出力特性との間で流通率αの変動を繰り返し、負荷に供給される太陽電池の出力電力Ｐｓおよび直流負荷電圧Ｖｉｎｖも変動を繰り返してしまうのである（図７における直流負荷電圧Ｖｉｎｖの経時変化を示す図を参照）。
【００１１】
なお、以上においては太陽電池の出力電力と商用電源系統からの電力を並列に利用するシステムについて説明したが、太陽電池の出力電力のみを利用するシステムにおいても同様の不都合を生じる。
【００１２】
【発明の目的】
この発明は上記の問題点に鑑みてなされたものであり、太陽電池から直流負荷に対して変動の少ない電力および電圧を供給することができる太陽電池の出力電力制御方法を提供することを目的としている。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
請求項１の太陽電池の出力電力制御方法は、太陽電池の出力電圧及び出力電流を検出して直流電力変換手段に対する流通率指令を出力し、この流通率指令に基づいて制御される直流電力変換手段を通して太陽電池の出力電力を直流負荷に供給するシステムにおいて、直流負荷電圧を検出して、この直流負荷電圧を互いに異なる２つの閾値電圧と比較し、直流負荷電圧が両閾値電圧よりも高い場合に、最大電力追尾を行なうべく流通率指令を出力し、直流負荷電圧が両閾値電圧よりも低い場合に、出力電力抑制制御を行なうべく流通率指令を出力し、直流負荷電圧が両閾値電圧の間の値である場合に、流通率をそのまま保持する方法である。
【００１４】
請求項２の太陽電池の出力制御方法は、前記システムとして、太陽電池の出力電力と商用電源系統の電力とを並列的に直流負荷に供給するものを採用する方法である。
【００１５】
【作用】
請求項１の太陽電池の出力電力制御方法であれば、太陽電池の出力電圧及び出力電流を検出して直流電力変換手段に対する流通率指令を出力し、この流通率指令に基づいて制御される直流電力変換手段を通して太陽電池の出力電力を直流負荷に供給するシステムにおいて、直流負荷電圧を検出して、この直流負荷電圧を互いに異なる２つの閾値電圧と比較し、直流負荷電圧が両閾値電圧よりも高い場合に、出力電力抑制制御を行なうべく流通率指令を出力し、直流負荷電圧が両閾値電圧よりも低い場合に、最大電力追尾を行なうべく流通率指令を出力し、直流負荷電圧が両閾値電圧の間の値である場合に、流通率をそのまま保持するのであるから、最大電力追尾制御と出力電力抑制制御とを繰り返すことに起因して直流負荷に供給される太陽電池の出力電力および直流負荷電圧が変動するという不都合を解消させ、変動の少ない電力および電圧を直流負荷に供給することができる。そして、負荷がインバータによって駆動されるものである場合には、運転効率を改善することができる。
【００１６】
請求項２の太陽電池の出力制御方法であれば、前記システムとして、太陽電池の出力電力と商用電源系統の電力とを並列的に直流負荷に供給するものを採用するのであるから、請求項１の作用に加え、太陽電池からの出力電力の利用効率を高め、商用電源系統からの電力の利用を必要最小限にすることができる。
【００１７】
【発明の実施の態様】
以下、添付図面を参照しながらこの発明の太陽電池の出力制御方法の実施態様を詳細に説明する。
図３はこの発明の太陽電池の出力制御方法が適用されるシステムの一例を示すブロック図である。
【００１８】
このシステムは、商用電源系統１を整流回路２を介して直流負荷３に接続しているとともに、太陽電池モジュール４を直流電力変換装置５を介して直流負荷３に接続している。そして、太陽電池モジュール４の出力電圧Ｖｓ、出力電流Ｉｓ、直流負荷３の両端の電圧Ｖｉｎｖを入力として必要な処理を行って流通率指令αを算出し、この流通率指令αを直流電力変換装置５に供給する制御装置６を有している。なお、整流回路２からの出力電圧をＶＤＳで示してある。
【００１９】
図８はこの発明の太陽電池の出力制御方法の一実施態様を説明するフローチャートである。
ステップＳＰ１において太陽電池モジュール４の出力電圧Ｖｓ、出力電流Ｉｓ、直流負荷３の両端の電圧Ｖｉｎｖを検出し、ステップＳＰ２において直流負荷電圧Ｖｉｎｖが第１の閾値電圧ＶｍＨよりも低いか否かを判定する。そして、直流負荷電圧Ｖｉｎｖが第１の閾値電圧ＶｍＨよりも低いと判定された場合には、ステップＳＰ５において直流負荷電圧Ｖｉｎｖが第２の閾値電圧ＶｍＬ以下か否かを判定する。
【００２０】
そして、ステップＳＰ２において直流負荷電圧Ｖｉｎｖが第１の閾値電圧ＶｍＨ以上であると判定された場合には、ステップＳＰ３において流通率指令αの減少量Δαを算出し、ステップＳＰ４において流通率指令αを減少量Δαだけ減少させて新たな流通率指令αを得、再びステップＳＰ１の処理を行う。ここで、ステップＳＰ３およびステップＳＰ４の処理が出力電力抑制制御である。
【００２１】
また、ステップＳＰ５において直流負荷電圧Ｖｉｎｖが第２の閾値電圧ＶｍＬ以下であると判定された場合には、ステップＳＰ６において最大電力追尾制御を行い、再びステップＳＰ１の処理を行う。
さらに、ステップＳＰ５において直流負荷電圧Ｖｉｎｖが第２の閾値電圧ＶｍＬよりも高いと判定された場合には、そのまま再びステップＳＰ１の処理を行う。
なお、ステップＳＰ３における流通率指令αの減少量Δαの算出は、例えば、Δα＝ｋ・Ｉｓ・Ｖｓ・αｎの演算を行うことにより達成できる。ここで、ｋは定数、αｎは現在の流通率である。また、整流回路出力電圧ＶＤＳの最大値＜ＶｍＬ＜ＶｍＨ＜Ｖｉｎｖ＿ｍａｘである。
【００２２】
図９は図８のフローチャートに基づく処理を行った場合における動作特性を示す図である。なお、図９は、太陽電池出力電力Ｐｓ−太陽電池出力電圧Ｖｓ特性、太陽電池出力電力Ｐｓ−直流負荷電圧Ｖｉｎｖ特性、直流負荷消費電力Ｐｉｎｖ−直流負荷電圧Ｖｉｎｖ特性、および直流負荷電圧Ｖｉｎｖの経時変化特性を示している。
【００２３】
整流回路出力電圧ＶＤＳにて最大出力Ｐｓ＿ｍａｘとなる動作をしている状態（昇降圧比がＤ１の場合を参照）において、下側の直流負荷線に示すように負荷が減少すれば、直流負荷電圧Ｖｉｎｖが第１の閾値電圧ＶｍＨを越えるので、流通率指令αを減少量Δαだけ減少させ、出力電力抑制制御を行う（昇降圧比がＤ２の場合を参照）。次に、直流負荷電圧Ｖｉｎｖが第２の閾値電圧ＶｍＬを下回ると、最大電力追尾制御を行い、直流負荷電圧Ｖｉｎｖが第２の閾値電圧ＶｍＬを越えた時点で最大電力追尾を停止する（昇降圧比がＤ３の場合を参照）。そして、ＶｍＬ≦Ｖｉｎｖ＜ＶｍＨの範囲では、昇降圧比の増減を行わないので、この範囲では、変動の少ない直流電力および電圧を直流負荷に供給することができる。
【００２４】
また、減少量Δαを前記のように現在の流通率αｎと発電電力とに比例した値としているので、いかなる発電電力および流通率においても、直流負荷が無負荷状態へと急減した場合の直流負荷電圧ＶｉｎｖをＶｉｎｖ＿ｍａｘ以下に押さえることができる。また、軽負荷時には、直流負荷電圧Ｖｉｎｖを第２の閾値電圧ＶｍＬから第１の閾値電圧ＶｍＨの範囲に速く収束させることができる。
【００２５】
次いで、第２の閾値電圧ＶｍＬの設定の一例を説明する。
最大電力追尾制御の一制御周期における流通率の変化量Δαｍが一定である場合、直流負荷電圧の変化量が最大になるのは太陽電池の出力電圧が最大かつ軽負荷の時である。したがって、負荷が限りなく無負荷に近く、かつ太陽電池の出力電圧が開放電圧（出力電流＝０の時の電圧）付近となる時を考えると、直流負荷電圧の変化量の最大値ΔＶｉｎｖ＿ＭＡＸは次式のように表せる。
ΔＶｉｎｖ＿ＭＡＸ＝Ｎ・Δαｍ・Ｖｏｃ＿ｍａｘ
ただし、Ｖｏｃ＿ｍａｘは太陽電池の開放電圧の最大値、Ｎはトランスの巻数比である。
【００２６】
したがって、ＶｍＬとＶｍＨとの差がΔＶｉｎｖ＿ＭＡＸよりも小さい場合、ＶｍＬ以下であった直流負荷電圧が一制御周期後にはＶｍＨを越えてしまい、従来の技術と同様に振動を繰り返す場合が生じる可能性がある。逆に、ＶｍＬとＶｍＨとの差が非常に大きい場合、太陽電池の出力特性の変化による直流負荷電圧変動（ＶｍＬからＶｍＨの間）が大きくなってしまう。
【００２７】
以上から、ＶｍＬとＶｍＨとの差はΔＶｉｎｖ＿ＭＡＸ以上のできるだけ小さい値とすることが望ましい。よって、ＶｍＬを次のように設定することが好ましい。
ＶｍＬ＝ＶｍＨ−ΔＶｉｎｖ＿ＭＡＸ
次に、定数ｋの設定の一例を説明する。
【００２８】
直流負荷電圧Ｖｉｎｖが最も速く増加するのは、大きな直流負荷が無負荷状態まで急減する時である。この時、Ｖｉｎｖが最大定格Ｖｉｎｖ＿ｍａｘを越えないように流通率の減少量Δαを設定しなければならない。例えば、図２に示すシステムにおいてインバータがスイッチングを停止した場合、最大電力追尾装置の流通率αは最終的に零になるが、αが減少する間に供給された電力（電荷量）は、コンデンサＣ１、Ｃ２、Ｃ３に充電され、Ｖｉｎｖが上昇する。いま、コンデンサに充電された電荷量をΔＱ、Ｖｉｎｖの増加量をΔＶｉｎｖとすると、次式が成り立つ。
ΔＱ＝Ｃ・ΔＶｉｎｖ
Ｃ＝（Ｃ２・Ｃ３）／（Ｃ２＋Ｃ３）
ここで、ΔＱの電荷が充電される時間（ＶｉｎｖがＶｍＨを越えてから流通率が零になるまでの時間を）Δｔ、ＶｉｎｖがＶｍＨを越えたときの発電電力をＰｓｎとすると、ＶｉｎｖがＶｉｎｖ＿ｍａｘを越えないようにするためには次式が成り立てばよい。
（Ｐｓｎ／ＶｍＨ）・Δｔ≦Ｃ・（Ｖｉｎｖ＿ｍａｘ − ＶｍＨ）
この式の（Ｐｓｎ／ＶｍＨ）・Δｔは供給される電荷量の最大値を示しており、流通率の減少と共に発電電力も減少することを考えると、実際に供給される電荷量はさらに少なくなる（図１０参照）。したがって、Ｖｉｎｖの上昇量も少なくなることから、Ｖｉｎｖ＿ｍａｘを超えないために必要な流通率の減少量Δαは次式のようになる。
ただし、Ｔは制御周期、αｎは現在の流通率である。
この式において、Ｔ、Ｃ、Ｖｉｎｖ＿ｍａｘ、ＶｍＨは定数であるから、
ｋ＝Ｔ／｛Ｃ・（Ｖｉｎｖ＿ｍａｘ − ＶｍＨ）・ＶｍＨ｝
とすれば、上式は次式のように簡単化できる。
Δα＝ｋ・Ｐｓｎ・αｎ
ただし、Δα＜Δαｍｉｎ（Δαｍｉｎは流通率の最小変化量）となるときは、Δα＝Δαｍｉｎとする。
【００２９】
簡単化された上式を用いると、発電電力、流通率に応じた流通率の減少が達成でき、軽負荷時におけるＶｉｎｖの収束が速くなる利点が生まれる。
これに対して、従来のようにΔαを一定にする場合、いかなる発電電力、流通率に対してもＶｉｎｖがＶｉｎｖ＿ｍａｘを超えないようにΔαを決める必要があるため、
Δα＝ｋ・Ｐｓ＿ｍａｘ・１
ただし、Ｐｓ＿ｍａｘは想定される太陽電池最大電力の最大値である。
【００３０】
この場合、発電電力および流通率が小さい時（軽負荷時）にもΔαが大きいため、Ｖｉｎｖは大幅に減少し、収束時間が長くなるという問題が生じる。
式Δα＝ｋ・Ｐｓｎ・αｎによりΔαを演算した場合と、式Δα＝ｋ・Ｐｓ＿ｍａｘ・１によりΔαを一定にした時のＶｉｎｖの収束特性を図１１に示す。
図１１から明らかなように、式Δα＝ｋ・Ｐｓｎ・αｎによりΔαを演算することにより、Ｖｉｎｖの収束特性を大幅に向上できることが分かる。
【００３１】
【発明の効果】
請求項１の発明は、最大電力追尾制御と出力電力抑制制御とを繰り返すことに起因して直流負荷に供給される太陽電池の出力電力および直流負荷電圧が変動するという不都合を解消させ、変動の少ない電力および電圧を直流負荷に供給することができるという特有の効果を奏する。
【００３２】
請求項２の発明は、請求項１の効果に加え、太陽電池からの出力電力の利用効率を高め、商用電源系統からの電力の利用を必要最小限にすることができるという特有の効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】太陽電池の出力特性の一例を示す図である。
【図２】最大電力追尾装置を介して太陽電池とインバータ機器とを接続してなるシステムの構成を示す電気回路図である。
【図３】この発明の太陽電池の出力電力制御方法が適用されるシステムの一例を示すブロック図である。
【図４】最大電力追尾制御を説明する図である。
【図５】出力電力抑制制御を説明する図である。
【図６】従来の太陽電池の出力電力抑制制御方法を説明するフローチャートである。
【図７】図６の太陽電池の出力電力抑制制御方法による動作特性を示す図である。
【図８】この発明の太陽電池の出力電力抑制制御方法を説明するフローチャートである。
【図９】図８の太陽電池の出力電力抑制制御方法による動作特性を示す図である。
【図１０】図２のシステムにおいてコンデンサに充電される電荷量の経時変化を示す図である。
【図１１】直流負荷電圧の収束特性を示す図である。
【符号の説明】
１ 商用電源系統 ３ 直流負荷
４ 太陽電池モジュール ５ 直流電力変換装置
【発明の属する技術分野】
この発明は太陽電池の出力電力制御方法に関し、さらに詳細にいえば、太陽電池の出力電力を効率よく直流負荷に供給するための方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来からクリーンな電力源として太陽電池が注目されている。この太陽電池は、出力電力が出力電圧によって異なり、出力電力が最大になる点が１つだけ存在するという特性を有している。また、最大電力が得られる出力電圧は、図１に示すように、日射量、素子温度によって変動するのであるから、一般的には、常に最大電力を得るために最大電力追尾装置が用いられる。
【０００３】
ここで、最大電力追尾装置は、図３に示すように、直流電力変換装置と制御装置により構成されており、制御装置により太陽電池の出力電圧および出力電流を検出して、演算された電力が最大になるように流通率指令を変化させ、この流通率指令に基づいて直流電力変換装置を制御することにより直流電力変換装置の入力電圧と出力電圧との変換比を設定し、入力電圧に対する出力電圧、または出力電圧に対する入力電圧の制御を達成するものである。したがって、最大電力追尾装置の入力側に太陽電池を、出力側に直流負荷をそれぞれ接続することにより簡単な発電システムを構成することができる。しかし、夜間または低日照時には太陽電池から十分な電力を得ることができないので、このような場合における不足電力を商用電源系統で補うようにしたシステムが一般的に用いられる。
【０００４】
図２は、最大電力追尾装置をエアコンのインバータ直流部に並列接続した構成を示す図である。図２のシステムは、従来のインバータを変更することなく簡単に構成できるという利点を有している。しかし、商用電源を整流してインバータ直流部に供給する整流回路は、電力を商用電源系統から負荷側にしか流せないため、負荷消費電力が太陽電池の最大電力よりも小さい場合に余剰電力が発生する。そして、この余剰電力は前記整流回路の後段の直流部コンデンサＣ１、Ｃ２、Ｃ３を充電し続けるので、インバータの直流部電圧Ｖｉｎｖが上昇し続け、機器を破壊してしまうことになる。したがって、図２のようなシステム構成では、余剰電力を抑制する制御が必要になる。
【０００５】
さらに詳細に説明する。
図２に示すシステム中の最大電力追尾装置においては、インバータの直流部電圧Ｖｉｎｖと太陽電池の出力電圧Ｖｓとの間には、
Ｖｉｎｖ＝Ｄ・Ｖｓ
Ｄ＝α・Ｎ（αは流通率指令、Ｎはトランスの巻数比）
の関係が成り立つ。
【０００６】
また、最大電力追尾制御を行なうに当たって、直流負荷に太陽電池のみならず商用電源系統も接続されている場合には、直流負荷両端の電圧Ｖｉｎｖは整流回路の出力電圧ＶＤＳ以下にはならない。したがって、負荷が大きい場合には、Ｖｉｎｖ＝ＶＤＳとなり、不足電力が商用電源系統からの電力で補われることになる。ここで、負荷から見た太陽電池の出力特性は、出力電圧Ｖｓが直流電力変換装置の昇降圧比倍（Ｄ倍）されたものになる。図４の太陽電池の出力電力Ｐｓと出力電圧Ｖｓとの関係を示すグラフおよび太陽電池の出力電力Ｐｓと直流負荷電圧Ｖｉｎｖとの関係を示すグラフにおいて、昇降圧比がＤ１の時は昇降圧比を増加させ、昇降圧比がＤ３の時は昇降圧比を減少させることにより、電圧ＶＤＳにて最大電力Ｐｓ＿ｍａｘが得られる昇降圧比Ｄ２を探索する（最大電力追尾を行う）。
【０００７】
また、最大電力追尾を行っていた状態から負荷が減少すると、直流負荷電圧Ｖｉｎｖは図５に示す出力特性（昇降圧比がＤ６の時の出力特性）を高電圧側に移動し、最大許容電圧Ｖｉｎｖ＿ｍａｘを越えてしまう。このため、昇降圧比Ｄを減少させることによって太陽電池の出力電力Ｐｓを抑制し、直流負荷電圧Ｖｉｎｖを減少させなければならない（昇降圧比がＤ５の時の出力特性を参照）。ただし、昇降圧比Ｄの減少量が大きすぎる場合には、直流負荷電圧ＶｉｎｖはＶＤＳとなり、不足電力が生じる（昇降圧比がＤ４の時の出力特性を参照）。この場合には、太陽電池は出力電力が抑制されているにも拘らず、商用電源電力が利用されることになるという不都合がある。したがって、ＶＤＳ＜Ｖｉｎｖ＜Ｖｉｎｖ＿ｍａｘという関係を満足するように昇降圧比Ｄを制御することになる。
【０００８】
具体的には、図６に示すように、直流負荷電圧Ｖｉｎｖに対して閾値電圧Ｖｍを設定し、Ｖｉｎｖ＜Ｖｍの場合には最大電力追尾制御を行い、Ｖｍ≦Ｖｉｎｖの場合には流通率αをΔαずつ減少させることによる出力電力抑制制御を行う。なお、閾値電圧Ｖｍの設定は、整流回路の出力電圧ＶＤＳ＜Ｖｍ＜Ｖｉｎｖ＿ｍａｘという関係を満足するように行う。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
図６に示すように太陽電池の出力電力の制御を行った場合には、直流負荷に供給される太陽電池の出力電力Ｐｓおよび直流負荷電圧Ｖｉｎｖが変動するという不都合がある。このような不都合が生じた場合には、例えば、図２に示すシステムでは、圧縮機内の誘動機を駆動する際に所望のＶ／Ｆパターンを逸脱し、運転効率の低下を招いてしまう。
【００１０】
さらに詳細に説明する。
整流回路の出力電圧ＶＤＳにて最大電力Ｐｓ＿ｍａｘとなる動作をしていたところ、負荷が減少した状況を図７に示している（昇降圧比がＤ１の時の出力特性を参照）。このように負荷が減少すると、直流負荷電圧Ｖｉｎｖが閾値電圧Ｖｍを越えるため、流通率αをΔαずつ減少させることになる（昇降圧比がＤ２の時の出力特性を参照）。そして、直流負荷電圧Ｖｉｎｖが閾値電圧Ｖｍを下回ると再び閾値電圧Ｖｍを越えるまで最大電力追尾制御が行われる。このように、最大電力追尾制御（昇降圧比Ｄの増加）と流通率αをΔαずつ減少させる出力電力抑制制御（昇降圧比Ｄの減少）とを繰り返すのであるから、太陽電池の出力電力Ｐｓと直流負荷の消費電力Ｐｉｎｖとが釣り合うように収束した後も、例えば、昇降圧比がＤ３の時の出力特性と昇降圧比がＤ４の時の出力特性との間で流通率αの変動を繰り返し、負荷に供給される太陽電池の出力電力Ｐｓおよび直流負荷電圧Ｖｉｎｖも変動を繰り返してしまうのである（図７における直流負荷電圧Ｖｉｎｖの経時変化を示す図を参照）。
【００１１】
なお、以上においては太陽電池の出力電力と商用電源系統からの電力を並列に利用するシステムについて説明したが、太陽電池の出力電力のみを利用するシステムにおいても同様の不都合を生じる。
【００１２】
【発明の目的】
この発明は上記の問題点に鑑みてなされたものであり、太陽電池から直流負荷に対して変動の少ない電力および電圧を供給することができる太陽電池の出力電力制御方法を提供することを目的としている。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
請求項１の太陽電池の出力電力制御方法は、太陽電池の出力電圧及び出力電流を検出して直流電力変換手段に対する流通率指令を出力し、この流通率指令に基づいて制御される直流電力変換手段を通して太陽電池の出力電力を直流負荷に供給するシステムにおいて、直流負荷電圧を検出して、この直流負荷電圧を互いに異なる２つの閾値電圧と比較し、直流負荷電圧が両閾値電圧よりも高い場合に、最大電力追尾を行なうべく流通率指令を出力し、直流負荷電圧が両閾値電圧よりも低い場合に、出力電力抑制制御を行なうべく流通率指令を出力し、直流負荷電圧が両閾値電圧の間の値である場合に、流通率をそのまま保持する方法である。
【００１４】
請求項２の太陽電池の出力制御方法は、前記システムとして、太陽電池の出力電力と商用電源系統の電力とを並列的に直流負荷に供給するものを採用する方法である。
【００１５】
【作用】
請求項１の太陽電池の出力電力制御方法であれば、太陽電池の出力電圧及び出力電流を検出して直流電力変換手段に対する流通率指令を出力し、この流通率指令に基づいて制御される直流電力変換手段を通して太陽電池の出力電力を直流負荷に供給するシステムにおいて、直流負荷電圧を検出して、この直流負荷電圧を互いに異なる２つの閾値電圧と比較し、直流負荷電圧が両閾値電圧よりも高い場合に、出力電力抑制制御を行なうべく流通率指令を出力し、直流負荷電圧が両閾値電圧よりも低い場合に、最大電力追尾を行なうべく流通率指令を出力し、直流負荷電圧が両閾値電圧の間の値である場合に、流通率をそのまま保持するのであるから、最大電力追尾制御と出力電力抑制制御とを繰り返すことに起因して直流負荷に供給される太陽電池の出力電力および直流負荷電圧が変動するという不都合を解消させ、変動の少ない電力および電圧を直流負荷に供給することができる。そして、負荷がインバータによって駆動されるものである場合には、運転効率を改善することができる。
【００１６】
請求項２の太陽電池の出力制御方法であれば、前記システムとして、太陽電池の出力電力と商用電源系統の電力とを並列的に直流負荷に供給するものを採用するのであるから、請求項１の作用に加え、太陽電池からの出力電力の利用効率を高め、商用電源系統からの電力の利用を必要最小限にすることができる。
【００１７】
【発明の実施の態様】
以下、添付図面を参照しながらこの発明の太陽電池の出力制御方法の実施態様を詳細に説明する。
図３はこの発明の太陽電池の出力制御方法が適用されるシステムの一例を示すブロック図である。
【００１８】
このシステムは、商用電源系統１を整流回路２を介して直流負荷３に接続しているとともに、太陽電池モジュール４を直流電力変換装置５を介して直流負荷３に接続している。そして、太陽電池モジュール４の出力電圧Ｖｓ、出力電流Ｉｓ、直流負荷３の両端の電圧Ｖｉｎｖを入力として必要な処理を行って流通率指令αを算出し、この流通率指令αを直流電力変換装置５に供給する制御装置６を有している。なお、整流回路２からの出力電圧をＶＤＳで示してある。
【００１９】
図８はこの発明の太陽電池の出力制御方法の一実施態様を説明するフローチャートである。
ステップＳＰ１において太陽電池モジュール４の出力電圧Ｖｓ、出力電流Ｉｓ、直流負荷３の両端の電圧Ｖｉｎｖを検出し、ステップＳＰ２において直流負荷電圧Ｖｉｎｖが第１の閾値電圧ＶｍＨよりも低いか否かを判定する。そして、直流負荷電圧Ｖｉｎｖが第１の閾値電圧ＶｍＨよりも低いと判定された場合には、ステップＳＰ５において直流負荷電圧Ｖｉｎｖが第２の閾値電圧ＶｍＬ以下か否かを判定する。
【００２０】
そして、ステップＳＰ２において直流負荷電圧Ｖｉｎｖが第１の閾値電圧ＶｍＨ以上であると判定された場合には、ステップＳＰ３において流通率指令αの減少量Δαを算出し、ステップＳＰ４において流通率指令αを減少量Δαだけ減少させて新たな流通率指令αを得、再びステップＳＰ１の処理を行う。ここで、ステップＳＰ３およびステップＳＰ４の処理が出力電力抑制制御である。
【００２１】
また、ステップＳＰ５において直流負荷電圧Ｖｉｎｖが第２の閾値電圧ＶｍＬ以下であると判定された場合には、ステップＳＰ６において最大電力追尾制御を行い、再びステップＳＰ１の処理を行う。
さらに、ステップＳＰ５において直流負荷電圧Ｖｉｎｖが第２の閾値電圧ＶｍＬよりも高いと判定された場合には、そのまま再びステップＳＰ１の処理を行う。
なお、ステップＳＰ３における流通率指令αの減少量Δαの算出は、例えば、Δα＝ｋ・Ｉｓ・Ｖｓ・αｎの演算を行うことにより達成できる。ここで、ｋは定数、αｎは現在の流通率である。また、整流回路出力電圧ＶＤＳの最大値＜ＶｍＬ＜ＶｍＨ＜Ｖｉｎｖ＿ｍａｘである。
【００２２】
図９は図８のフローチャートに基づく処理を行った場合における動作特性を示す図である。なお、図９は、太陽電池出力電力Ｐｓ−太陽電池出力電圧Ｖｓ特性、太陽電池出力電力Ｐｓ−直流負荷電圧Ｖｉｎｖ特性、直流負荷消費電力Ｐｉｎｖ−直流負荷電圧Ｖｉｎｖ特性、および直流負荷電圧Ｖｉｎｖの経時変化特性を示している。
【００２３】
整流回路出力電圧ＶＤＳにて最大出力Ｐｓ＿ｍａｘとなる動作をしている状態（昇降圧比がＤ１の場合を参照）において、下側の直流負荷線に示すように負荷が減少すれば、直流負荷電圧Ｖｉｎｖが第１の閾値電圧ＶｍＨを越えるので、流通率指令αを減少量Δαだけ減少させ、出力電力抑制制御を行う（昇降圧比がＤ２の場合を参照）。次に、直流負荷電圧Ｖｉｎｖが第２の閾値電圧ＶｍＬを下回ると、最大電力追尾制御を行い、直流負荷電圧Ｖｉｎｖが第２の閾値電圧ＶｍＬを越えた時点で最大電力追尾を停止する（昇降圧比がＤ３の場合を参照）。そして、ＶｍＬ≦Ｖｉｎｖ＜ＶｍＨの範囲では、昇降圧比の増減を行わないので、この範囲では、変動の少ない直流電力および電圧を直流負荷に供給することができる。
【００２４】
また、減少量Δαを前記のように現在の流通率αｎと発電電力とに比例した値としているので、いかなる発電電力および流通率においても、直流負荷が無負荷状態へと急減した場合の直流負荷電圧ＶｉｎｖをＶｉｎｖ＿ｍａｘ以下に押さえることができる。また、軽負荷時には、直流負荷電圧Ｖｉｎｖを第２の閾値電圧ＶｍＬから第１の閾値電圧ＶｍＨの範囲に速く収束させることができる。
【００２５】
次いで、第２の閾値電圧ＶｍＬの設定の一例を説明する。
最大電力追尾制御の一制御周期における流通率の変化量Δαｍが一定である場合、直流負荷電圧の変化量が最大になるのは太陽電池の出力電圧が最大かつ軽負荷の時である。したがって、負荷が限りなく無負荷に近く、かつ太陽電池の出力電圧が開放電圧（出力電流＝０の時の電圧）付近となる時を考えると、直流負荷電圧の変化量の最大値ΔＶｉｎｖ＿ＭＡＸは次式のように表せる。
ΔＶｉｎｖ＿ＭＡＸ＝Ｎ・Δαｍ・Ｖｏｃ＿ｍａｘ
ただし、Ｖｏｃ＿ｍａｘは太陽電池の開放電圧の最大値、Ｎはトランスの巻数比である。
【００２６】
したがって、ＶｍＬとＶｍＨとの差がΔＶｉｎｖ＿ＭＡＸよりも小さい場合、ＶｍＬ以下であった直流負荷電圧が一制御周期後にはＶｍＨを越えてしまい、従来の技術と同様に振動を繰り返す場合が生じる可能性がある。逆に、ＶｍＬとＶｍＨとの差が非常に大きい場合、太陽電池の出力特性の変化による直流負荷電圧変動（ＶｍＬからＶｍＨの間）が大きくなってしまう。
【００２７】
以上から、ＶｍＬとＶｍＨとの差はΔＶｉｎｖ＿ＭＡＸ以上のできるだけ小さい値とすることが望ましい。よって、ＶｍＬを次のように設定することが好ましい。
ＶｍＬ＝ＶｍＨ−ΔＶｉｎｖ＿ＭＡＸ
次に、定数ｋの設定の一例を説明する。
【００２８】
直流負荷電圧Ｖｉｎｖが最も速く増加するのは、大きな直流負荷が無負荷状態まで急減する時である。この時、Ｖｉｎｖが最大定格Ｖｉｎｖ＿ｍａｘを越えないように流通率の減少量Δαを設定しなければならない。例えば、図２に示すシステムにおいてインバータがスイッチングを停止した場合、最大電力追尾装置の流通率αは最終的に零になるが、αが減少する間に供給された電力（電荷量）は、コンデンサＣ１、Ｃ２、Ｃ３に充電され、Ｖｉｎｖが上昇する。いま、コンデンサに充電された電荷量をΔＱ、Ｖｉｎｖの増加量をΔＶｉｎｖとすると、次式が成り立つ。
ΔＱ＝Ｃ・ΔＶｉｎｖ
Ｃ＝（Ｃ２・Ｃ３）／（Ｃ２＋Ｃ３）
ここで、ΔＱの電荷が充電される時間（ＶｉｎｖがＶｍＨを越えてから流通率が零になるまでの時間を）Δｔ、ＶｉｎｖがＶｍＨを越えたときの発電電力をＰｓｎとすると、ＶｉｎｖがＶｉｎｖ＿ｍａｘを越えないようにするためには次式が成り立てばよい。
（Ｐｓｎ／ＶｍＨ）・Δｔ≦Ｃ・（Ｖｉｎｖ＿ｍａｘ − ＶｍＨ）
この式の（Ｐｓｎ／ＶｍＨ）・Δｔは供給される電荷量の最大値を示しており、流通率の減少と共に発電電力も減少することを考えると、実際に供給される電荷量はさらに少なくなる（図１０参照）。したがって、Ｖｉｎｖの上昇量も少なくなることから、Ｖｉｎｖ＿ｍａｘを超えないために必要な流通率の減少量Δαは次式のようになる。
この式において、Ｔ、Ｃ、Ｖｉｎｖ＿ｍａｘ、ＶｍＨは定数であるから、
ｋ＝Ｔ／｛Ｃ・（Ｖｉｎｖ＿ｍａｘ − ＶｍＨ）・ＶｍＨ｝
とすれば、上式は次式のように簡単化できる。
Δα＝ｋ・Ｐｓｎ・αｎ
ただし、Δα＜Δαｍｉｎ（Δαｍｉｎは流通率の最小変化量）となるときは、Δα＝Δαｍｉｎとする。
【００２９】
簡単化された上式を用いると、発電電力、流通率に応じた流通率の減少が達成でき、軽負荷時におけるＶｉｎｖの収束が速くなる利点が生まれる。
これに対して、従来のようにΔαを一定にする場合、いかなる発電電力、流通率に対してもＶｉｎｖがＶｉｎｖ＿ｍａｘを超えないようにΔαを決める必要があるため、
Δα＝ｋ・Ｐｓ＿ｍａｘ・１
ただし、Ｐｓ＿ｍａｘは想定される太陽電池最大電力の最大値である。
【００３０】
この場合、発電電力および流通率が小さい時（軽負荷時）にもΔαが大きいため、Ｖｉｎｖは大幅に減少し、収束時間が長くなるという問題が生じる。
式Δα＝ｋ・Ｐｓｎ・αｎによりΔαを演算した場合と、式Δα＝ｋ・Ｐｓ＿ｍａｘ・１によりΔαを一定にした時のＶｉｎｖの収束特性を図１１に示す。
図１１から明らかなように、式Δα＝ｋ・Ｐｓｎ・αｎによりΔαを演算することにより、Ｖｉｎｖの収束特性を大幅に向上できることが分かる。
【００３１】
【発明の効果】
請求項１の発明は、最大電力追尾制御と出力電力抑制制御とを繰り返すことに起因して直流負荷に供給される太陽電池の出力電力および直流負荷電圧が変動するという不都合を解消させ、変動の少ない電力および電圧を直流負荷に供給することができるという特有の効果を奏する。
【００３２】
請求項２の発明は、請求項１の効果に加え、太陽電池からの出力電力の利用効率を高め、商用電源系統からの電力の利用を必要最小限にすることができるという特有の効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】太陽電池の出力特性の一例を示す図である。
【図２】最大電力追尾装置を介して太陽電池とインバータ機器とを接続してなるシステムの構成を示す電気回路図である。
【図３】この発明の太陽電池の出力電力制御方法が適用されるシステムの一例を示すブロック図である。
【図４】最大電力追尾制御を説明する図である。
【図５】出力電力抑制制御を説明する図である。
【図６】従来の太陽電池の出力電力抑制制御方法を説明するフローチャートである。
【図７】図６の太陽電池の出力電力抑制制御方法による動作特性を示す図である。
【図８】この発明の太陽電池の出力電力抑制制御方法を説明するフローチャートである。
【図９】図８の太陽電池の出力電力抑制制御方法による動作特性を示す図である。
【図１０】図２のシステムにおいてコンデンサに充電される電荷量の経時変化を示す図である。
【図１１】直流負荷電圧の収束特性を示す図である。
【符号の説明】
１ 商用電源系統 ３ 直流負荷
４ 太陽電池モジュール ５ 直流電力変換装置
Claims (2)
- 太陽電池（４）の出力電圧及び出力電流を検出して直流電力変換手段（５）に対する流通率指令を出力し、この流通率指令に基づいて制御される直流電力変換手段（５）を通して太陽電池（４）の出力電力を直流負荷（３）に供給するシステムにおいて、
直流負荷電圧を検出して、この直流負荷電圧を互いに異なる２つの閾値電圧と比較し、
直流負荷電圧が両閾値電圧よりも高い場合に、出力電力抑制制御を行なうべく流通率指令を出力し、
直流負荷電圧が両閾値電圧よりも低い場合に、最大電力追尾を行なうべく流通率指令を出力し、
直流負荷電圧が両閾値電圧の間の値である場合に、流通率をそのまま保持することを特徴とする太陽電池の出力制御方法。 - 前記システムは、太陽電池（４）の出力電力と商用電源系統（１）の電力とを並列的に直流負荷（３）に供給するものである請求項１に記載の太陽電池の出力電力制御方法。
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