JP3584628B2 - 太陽電池の出力電力制御方法 - Google Patents

太陽電池の出力電力制御方法 Download PDF

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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。
Figure 0003584628
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

Claims (2)

  1. 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。
  2. 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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