JP4586204B2 - 太陽光発電システム - Google Patents

Description

本発明は、太陽電池への日射量が変化しても、それに追従して常にその時の日射量での最大電力を取り出しつつ、蓄電なり負荷への給電なりをするようにした太陽光発電システムに関するものである。

太陽電池は、環境に有害なＣＯ₂ など発生することなく発電するので、クリーンなエネルギー発生装置として期待されている。価格の高さが長らく普及を妨げて来たが、価格低下や補助金制度に助けられ、官庁，学校等の公共施設のほか、一般家庭でも設置されるようになって来ている。
太陽電池は日射をエネルギー源として発電するから、発電量は日射量によって大きく変動し、日射量が多ければ多く発電し、少なければ発電量が少ない。一方、太陽電池を設置した者が電力を必要とする時間帯は、まちまちである。一般家庭では、むしろ日射のない夜の方が多く必要とする。

そこで、従来は次のような太陽光発電システムが用いられている。
即ち、太陽電池を設置する場合には、浮動充電するよう接続された蓄電池も併せて設置する。そして、太陽電池で発電した電力のうち、その時点で消費する電力を超えた分は蓄電池に蓄電しておき、発電量が少なくなった時間帯にそれを放電させて消費する。
また、蓄電池を満充電してもなお電力が余る場合には、交流に変換して電力系統に供給する（逆潮流させる）。なお、逆潮流された電力は、電力会社が所定の価格で購入することが義務づけられている。
特開平０６−０７８４７３号公報 特開平１１−１５５２４２号公報

（問題点）
前記した従来の太陽光発電システムには、次のような問題点があった。
第１の問題点は、太陽電池からの発電電力の取り出し方が、常にその時の最大電力を取り出すものとはなっておらず、太陽電池の能力を充分には活用していないという点である。
第２の問題点は、太陽電池を設置する者が増えるに伴い不安定な逆潮流が増え、電力系統に悪影響を及ぼすことがあるという点である。

（問題点の説明）
まず第１の問題点について説明する。
図１２は、太陽電池の出力電流Ｉと出力電力Ｐとの関係を示す図である。横軸は出力電流Ｉを表し、縦軸は出力電力Ｐを表し、３１は或る日射量における両者の関係を表す曲線、即ちＰ−Ｉ特性曲線である。日射量は太陽の移動（逆に言えば物の影の移動）や雲の流れに応じて刻々と変化するものであるが、日射量が変わればこのＰ−Ｉ特性曲線も異なったものとなる。

Ｐ−Ｉ特性曲線３１は上に凸なるカーブを描く曲線であることより明らかなように、この日射量において取り出せる最大電力は、その頂点Ｍの出力電力Ｐ_M であり、それは出力電流をＩ_M とした時に得られる（以下、Ｉ_M を最大出力時電流ということにする。最適電流とも言う。）。ところが、従来の太陽光発電システムでは、例えばその時の需要等に従い出力電流をＩ_A とし、それに対応した電力Ｐ_A を取り出すようなことを行っていた。これでは、折角Ｐ_M の電力を取り出せるところを、それより遙かに小さいＰ_A の電力しか取り出していないことになり、太陽電池の能力を充分に活用しているとは言えなかった。

次に第２の問題点について説明する。
太陽電池の発電量は日射に応じて大きく変動するから、地域における太陽電池の発電量は、天気によって大きく変動する。或る地域の天気が良く、日射量が大であれば、その地域に設置されている太陽電池の殆どは発電過剰となる。
過剰電力を蓄電装置が充分吸収してくれれば良いが、従来の蓄電装置（浮動充電するよう接続された蓄電池）では、充電電流を短時間に変化させることが出来ない等の事情から、充分に吸収することが出来ない。その結果、逆潮流が多くなることになるが、そうすると、その地域の配電網の電圧を上昇させたり、電力系統の周波数を上昇させたりといった悪影響を及ぼすことになる。
本発明は、以上のような問題点を解決することを課題とするものである。

本願の第１の目的は、そのときの環境条件（日射量や周囲温度（実際にはパネル温度）が変化しても、そのときの条件で太陽電池が発生できる最大電力を効率よく取得することである。第２の目的は、取得された電力は、出来るだけ現在及び将来の負荷需要に応じた利用が出来るようにするために蓄積して、電源（系統）側への逆潮流を低減することにある。第１の具体的な目的は、日射量の大きさや急激な変化等が天候によって発生しても、その時の日射量で発生できる最大電力を取得できるようにすることである。
そして、前記課題を解決するため本発明では、太陽電池と、該太陽電池からの出力を変換する電力変換手段と、該電力変換手段の出力により充電される蓄電装置と、前記太陽電池から取り出す電力が現在の日射量で出力し得る最大電力となるよう前記電力変換手段を制御する最大出力追従制御装置とを具備した太陽光発電システムにおいて、前記太陽電池の出力電力Ｐと出力電流Ｉとの関係を表す曲線で日射量が変る毎に変るＰ−Ｉ特性曲線の最大出力点を連ねたところの最大出力点ラインを予め求めておき、前記太陽電池の出力電圧検出値と出力電流検出値との積で算出された出力電力と、前記出力電流検出値に対応する前記最大出力点ライン上の電力である出力電流対応最大出力点ライン電力とを比較し、両者が等しい場合には現在の制御を維持し、前記出力電流対応最大出力点ライン電力が前記出力電力より大の場合には、前記太陽電池からの出力電流をひたすら減少させ、前記出力電流対応最大出力点ライン電力が前記出力電力より小の場合には、前記太陽電池からの出力電流をひたすら増加させ、前記出力電力が前記出力電流対応最大出力点ライン電力と等しくなるよう前記最大出力追従制御装置での制御を行うこととした。

なお、前記した蓄電装置としては電気二重層キャパシタを用いることが出来る。
また、前記蓄電装置の充電状態を監視する監視部と、該監視部からの監視結果に応じて該蓄電装置へ充電するか否かおよび充電の仕方を制御する充電制御装置とを設けるようにしてもよい。

本発明の太陽光発電システムによれば、次のような効果を奏する。
１．常にその時点の日射量に応じた最大電力を取得することが出来るようになった。
現在の日射量に対応したＰ−Ｉ特性曲線上の動作点が、Ｐ−Ｉ特性曲線と最大出力点ラインとの大小関係で割り出した第１領域にあるか第２領域にあるかに応じ、動作点が反対の領域に入らないようにしつつ、第１領域にある場合は出力電流をひたすら減少させ、第２領域にある場合はひたすら増加させて、最大電力が出力される電流（最適電流）に近づけるようにしたので、常に最大電力が速やかに取得できるようになった。

２．需要者での蓄電量が多くなり、電力系統へ逆潮流させる電力が少なくなる。
蓄電装置として極めて短時間（例、マイクロセカンド単位）での電流変化に応じても充放電し得る電気二重層コンデンサ（ＥＤＬＣ）を採用し、前記の最大出力追従制御で行われる電流制御に対応し得るようにしたので、効率良く充電される。このように、需要者で発電した電力は、需要者のところで最大限蓄電されるので、電力系統へ逆潮流される電力は自ずと少なくなり、電力系統に周波数変化等の悪影響を及ぼすことが少なくなる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。
或る特定の日射量でのＰ−Ｉ特性曲線は、図１２に示したように、出力電流が大になるにつれて出力電力は徐々に増大し、出力電流がＩ_M の時に最大電力Ｐ_M となる。出力電流がＩ_M より大になると出力電力は急激に減少する。出力端子が短絡された時の電流Ｉ_S が、この時の日射量での最大の出力電流となるが、その時の出力電圧は０であるから出力電力も０である。
本発明は、このＰ−Ｉ特性曲線に関する新たな知見に基づき、常に最大出力を取得することが出来る新たな最大出力追従制御（ＭＰＰＴ制御）を考案し、太陽光発電システムに応用したものである。そこで、先ずその新たな知見について述べる。

図２は、太陽電池の最大出力点ラインを説明する図である。符号は図１２のものと同様であり、３０，３０−１，３０−２，３０−３は最大出力点ライン、３４，３５，３６はＰ−Ｉ特性曲線、Ｍ₃₄，Ｍ₃₅，Ｍ₃₆は各Ｐ−Ｉ特性曲線の最大出力点、Ｐ_M34 ，Ｐ_M35 ，Ｐ_M36 は最大出力、Ｉ_M34 ，Ｉ_M35 ，Ｉ_M36 は最大出力時電流、Ｉ_S34 ，Ｉ_S35 ，Ｉ_S36 は短絡電流である。Ｉ_R はこの太陽電池の定格電流である。
Ｐ−Ｉ特性曲線３４，３５，３６は、太陽電池（パネル）の温度が一定である状況下において、日射量がいろいろに異なった場合に対応するＰ−Ｉ特性曲線である。日射量が大であるほど、特性曲線は大きなものとなる。

図２（１）は、Ｐ−Ｉ特性曲線３４，３５，３６と最大出力点ライン３０を示した図である。最大出力点ライン３０は、各Ｐ−Ｉ特性曲線の最大出力点Ｍ₃₄，Ｍ₃₅，Ｍ₃₆を連ねたラインであるが、本発明の発明者は、太陽電池（パネル）の温度が一定であれば最大出力点ライン３０は、原点を通りほぼ直線となるという重要な知見を得た。言い換えれば、太陽電池の温度が一定であれば、日射量がいろいろに変化しても、最大出力Ｐ_M と最大出力時電流Ｉ_M との間にはほぼ線形の比例関係が存在するということである。

従って、最大出力点ライン３０の傾きがａであれば、
Ｐ_M ＝ａ×Ｉ_M
の関係が成り立つ。
このことは、任意の出力電流に対応する最大出力点ライン３０上の点の出力電力は、上式により算出することが出来ることを物語っている。
例えば、出力電流がＩ_M34 である場合、それに対応する最大出力点ライン３０上の点Ｍ₃₄の出力電力Ｐ_M34 は、次のように算出される。
Ｐ_M34 ＝ａ×Ｉ_M34

図２（２）は、太陽電池（パネル）の温度が変化した場合の最大出力点ラインを示している。最大出力点ラインの傾きを仔細に点検すると、出力電流が太陽電池の定格電流Ｉ_R の約半分以下である範囲では、温度の変化に関係なく一定値ａ₀ と見ることが出来る。しかし、それより大きい範囲では、高温となるほど傾きは小になっている。つまり、定格電流Ｉ_R の約半分より大の範囲では、傾きａは温度Ｔの関数ａ（Ｔ）となっていると言うことが出来る。
図２（２）において、傾きが大である最大出力点ライン３０−１は低温の場合のものであり、傾きが小である最大出力点ライン３０−３は高温の場合のものである。

図３は、太陽電池の短絡電流Ｉ_S と最大出力時電流（最適電流）Ｉ_M との関係を示す図である。両者の関係も原点を通る直線の関係となる。因みに、図２（１）の値に例を取ると、短絡電流がＩ_S34 の場合の最大出力時電流は、Ｉ_M34 という関係になる。
この直線の傾きは、太陽電池（パネル）の温度が変化しても殆ど変わらず、両者の関係は
Ｉ_M ＝Ｋ×Ｉ_S
で表されることが知られている。ここにＫは、短絡電流と最適電流の間を関連付ける当該太陽電池の特性によって定まる物理的定数であり、通常、０．９〜０．９５の範囲にある値である。

図１は、本発明での最大出力追従制御（ＭＰＰＴ制御）の原理を説明する図である。符号は図１２，図２のものに対応し、Ａ，Ｙは動作点、３２は第１領域、３３は第２領域、Ｉ_Y は動作点がＹである時の出力電流である。また、Ａ₁ は出力電流Ｉ_A （動作点がＡの時の出力電流）の時の最大出力点ライン３０上の点であり、Ｙ₁ は出力電流Ｉ_Y （動作点がＹの時の出力電流）の時の最大出力点ライン３０上の点である。

図１のように、Ｐ−Ｉ特性曲線３１と最大出力点ライン３０とを同じ座標面上に記載した場合、両者は原点とＭ点で交叉し、両者の間に挟まれる領域が２つ出来る。最大出力点ライン３０の方が上になっている領域（最大出力時電流Ｉ_M より出力電流が大である方の領域）を第１領域３２とし、最大出力点ライン３０の方が下になっている領域を第２領域３３と呼ぶことにする。
第１領域３２では、最大出力点ライン３０の方がＰ−Ｉ特性曲線３１より上にあるから、同じ電流（例、Ｉ_Y ）に対応する各線上の点（例、Ｙ₁ ，Ｙ）の高さ（例、Ｐ_Y1，Ｐ_Y ）を比べると、最大出力点ライン３０上の点（例、Ｙ₁ ）の方が上にある（Ｐ_Y1＞Ｐ_Y ）。従って言い換えれば、第１領域３２とは、現在の出力電流を最大出力時電流Ｉ_M と見立てて計算した最大出力（Ｐ_Y1）の方が、現在の実際の出力電力（Ｐ_Y ）より大である領域のことと言うことが出来る。

一方、第２領域３３では、最大出力点ライン３０の方がＰ−Ｉ特性曲線３１より下にあるから、同じ電流（例、Ｉ_A ）に対応する各線上の点（例、Ａ₁ ，Ａ）の高さ（Ｐ_A1，Ｐ_A ）を比べると、最大出力点ライン３０上の点（例、Ａ₁ ）の方が下にある（Ｐ_A1＜Ｐ_A ）。従って言い換えれば、第２領域３３とは、現在の出力電流を最大出力時電流Ｉ_M と見立てて計算した最大出力（Ｐ_A1）の方が、現在の実際の出力電力（Ｐ_A ）より小である領域のことと言うことが出来る。

本発明では、上記のように領域分けした上で、動作点を行きつ戻りつさせることなく、動作点がいずれの領域にあるかに応じて、その領域独特の制御方法で一方向に移動させて行くことにより動作点をＭに接近せしめ、最大出力を得るようにする。
例えば、動作点が第１領域３２のＹ点にある場合、第１領域独特の制御方法によりＰ−Ｉ特性曲線３１上を矢印のようにひたすらＭ点に向かって移動させ（行きつ戻りつさせることなく）、Ｍ点に接近せしめる。他方、動作点が第２領域３３のＡ点にある場合、第２領域独特の制御方法によりＰ−Ｉ特性曲線３１上を矢印のようにひたすらＭ点に向かって移動させ、Ｍ点に接近せしめる。
本発明では動作点を行きつ戻りつさせないので、速やかにＭに接近し、速やかに最大電力Ｐ_M を出力させることが出来る。
（なお、各領域独特の制御方法については、図６中の第１領域での制御Ａ，第２領域での制御Ｂのところで詳しく説明する。）

図４は、本発明の太陽光発電システムの構成を示す図である。図４において、１は太陽電池、２は整流平滑部、３は電流検出器、４は最大出力追従制御装置、５はＤＣ−ＤＣコンバータ、６は充電バイパススイッチ部、６１はダイオード、６２はトランジスタ、７は突入電流抑制部、７１は抵抗、７２はトランジスタ、８は充電制御装置、９は蓄電装置（電気二重層コンデンサ（ＥＤＬＣ）を直列接続して構成）、１０は電流検出器、１１は温度検出器、１２は電圧検出線、１３は主電路スイッチ部、１３１はダイオード、１３２はトランジスタ、１４はＥＤＬＣ監視部、１５はＤＣ−ＤＣコンバータ、１６は電流検出器、１７はコンバータ制御装置、１８はインバータ、１９はインバータ制御装置、２０は配線、２１は電気負荷である。なお、上記のトランジスタ６２，７２，１３２は、スイッチング用のトランジスタである。

まず、全体構成を概説する。太陽電池１の発電電力は整流平滑部２とＤＣ−ＤＣコンバータ５を経て、制御された直流出力とされる。最大出力追従制御装置４は、太陽電池１からの電流検出信号（電流検出器３で検出），電圧検出信号等を基にして、ＤＣ−ＤＣコンバータ５を制御する。
充電バイパススイッチ部６は、蓄電装置９に充電する必要がない時（例えば、発電電力を電気負荷２１にそのまま供給する時とか、既に満充電となっている時など）に、電流を流す経路を提供するためのものである。ダイオード６１が直流の流れる方向とは逆方向に接続されているので、トランジスタ６２がオフされている時には、この経路を通って直流は流れることが出来ない。しかし、充電制御装置８からトランジスタ６２をオンする信号が送られて来ると、この経路に直流が流れることが出来るようになる。

突入電流抑制部７は、蓄電装置９に充電電荷が殆ど無い充電初期に、突入電流を抑制するための抵抗７１を充電経路に挿入するためのものである。充電初期で抵抗７１を線路に直列接続する必要がある時には、充電制御装置８からトランジスタ７２をオフする信号が送られる。トランジスタ７２がオフすることにより、抵抗７１が充電経路に直列に接続される。
初期充電を終えると、トランジスタ７２をオンする信号が送られる。トランジスタ７２がオンになると、充電電流はトランジスタ７２の方を通って流れることになり、抵抗７１は充電経路から事実上除外される。

ＥＤＬＣ監視部１４は、蓄電装置９の各種の状態を監視するためのものである。電流検出器１０は、蓄電装置９への充電電流を検出する。蓄電装置９は多くのＥＤＬＣが直列接続されて構成されているが、温度検出器１１や電圧検出線１２は、個々のＥＤＬＣの温度や電圧を検出する。ＥＤＬＣ監視部１４による監視は、これらからの検出信号に基づいて行われる。監視の結果、充電に関する制御は次の３つのモードによって行われる。

第１のモードは、充電電荷が殆ど無い場合のモードである（初期充電。突入電流を抑制しつつの充電）。
第２のモードは、初期充電を終えた後の通常充電モードである（最大出力追従制御をしつつの充電）。
第３のモードは、満充電になってからのモードである（逆潮流させる）。
蓄電装置９から放電する場合、主電路スイッチ部１３のトランジスタ１３２がオンされ、放電電流はそのトランジスタ１３２の方を通って流れ、ＤＣ−ＤＣコンバータ１５の入力側に供給され、所要の直流電圧に変換される。更にインバータ１８により交流に変換され、電気負荷２１に供給される。コンバータ制御装置１７，インバータ制御装置１９は、それぞれＤＣ−ＤＣコンバータ１５，インバータ１８の制御を行う。

以下、本発明の太陽光発電システムの制御について説明するが、最初にシステム全体の制御の概要を説明し、次に最大出力追従制御（ＭＰＰＴ制御）について説明する。
（システム全体の制御の概要）
図５は、本発明の太陽光発電システムでの制御を説明するフローチャートである。
ステップ１…先ず、次のようなデータの検出を行う。
（１）蓄電装置９への充電電流の検出。これは、充電経路に設置されている電流検出器１０により行う。
（２）蓄電装置９を構成している個々のＥＤＬＣ（電気二重層コンデンサ）の温度Ｔ_C の検出。これは温度検出器１１により行う。
（３）個々のＥＤＬＣの印加電圧Ｖ_C の検出。これは個々のＥＤＬＣに設けられている電圧検出線１２より、電圧を取り込むことにより行う。

ステップ２…検出されて来る温度Ｔ_C のいずれかが、許容最大温度を超えていないかどうか調べる。超えていたものが１つでもあった場合、そのまま充電を続けるとＥＤＬＣが損傷される恐れがあるので、充電は停止する（ステップ８へ）。
図１１は、いずれかの信号が比較基準値を超えるかどうかを検知する回路の１例であるが、いずれかの検出温度Ｔ_C が許容最大温度を超えているかどうかを調べる回路は、この回路を応用して構成することが出来る。図１１において、Ｓ₁ ，Ｓ₂ ，Ｓ₃ ，Ｓ_N は信号端子、４０は優先出力回路、４１は比較回路、４２は比較基準値設定部、４０１，４０２，４０３，４０Ｎはダイオードである。各ダイオードのカソードは一括接続され、比較回路４１の一方の入力端子に接続されている。比較回路４１の他方の入力端子には、比較基準値設定部４２の出力が入力されている。

比較基準値設定部４２に許容最大温度を設定しておき、信号端子Ｓ₁ ，Ｓ₂ ，Ｓ₃ ，Ｓ_N に個々のＥＤＬＣからの検出温度Ｔ_C の信号を入力する。すると、優先出力回路４０の出力としては、最も高い温度の検出信号のみが出て来る。なぜなら、それより低い温度の検出信号が入力されているダイオードに対しては、最も高い温度の検出信号がカソード側に回り込んで来て印加され、逆電圧印加状態とされ、オフとされるからである。こうして、最も高い温度の検出信号が電圧検出線１１の一方の入力端子に入力され、比較基準値設定部４２に設定されている許容最大温度と比較される。

ステップ３…検出されて来る印加電圧Ｖ_C のいずれかが、許容最大電圧を超えていないかどうか調べる。超えていたものが１つでもあった場合、そのまま充電を続けるとＥＤＬＣが損傷される恐れがあるので、充電は停止する（ステップ８へ）。これを調べる回路も、図１１の回路を応用して構成することが出来る（この場合には、比較基準値設定部４２には、許容最大電圧を設定しておく。）。
ステップ４…検出した充電電流が、突入電流判定用電流値を超えているかどうか調べる。蓄電装置９の充電量がゼロ或いは極めて少ない場合に充電を行うと、極めて大きい突入電流が流れる。この電流もＥＤＬＣや他の回路素子を損傷する恐れがあるので、予め突入電流判定用電流値を設定しておき、これを超える値かどうか調べる。

ステップ５…充電電流が突入電流判定用電流値を超える場合には、突入電流であると判断し、初期充電モードでの制御を行う。即ち、直ちに回路に抵抗等を挿入し、突入電流を抑制する。具体的には、図４において、充電制御装置８よりトランジスタ７２にオフ信号を発し、回路に抵抗７１を挿入する。
ステップ６…ステップ４で、充電電流が突入電流判定用電流値より小さい場合には、蓄電装置９が満充電になっているかどうか調べる。これは蓄電装置９の電圧なり、充電電流なりを調べることによって行う。

ステップ７…まだ満充電になっていない場合には、通常充電モードでの制御を行う。突入電流抑制用の抵抗７１は回路に挿入しておく必要がないから、充電制御装置８からのオン信号によりトランジスタ７２がオンされ、抵抗７１はバイパスされる。太陽電池１からの電流はトランジスタ７２の方を通って流れ、蓄電装置９を充電したり、電気負荷２１へ給電されたりする。
なお、本発明では、このモードでの制御を行う場合、太陽電池１から常に最大出力を取り出しつつ行えるようにするため、独特の方法での最大出力追従制御を提案している。その詳細については、図６〜図１０等で説明する。
ステップ８…満充電になっている場合には、蓄電装置９への充電は止める。充電制御装置８からのオン信号によりトランジスタ６２がオンされ、太陽電池１からの電流はトランジスタ６２を通って電気負荷２１に給電されたり、電力系統へ逆潮流されたりする。

（最大出力追従制御）
図６は、本発明における最大出力追従制御を説明するフローチャートである。
ステップ１…太陽電池１からの出力電圧Ｖ，出力電流Ｉを検出する。
ステップ２…検出したＶ，Ｉを用いて出力電力Ｐを算出する。
ステップ３…検出した出力電流Ｉの値が、太陽電池１の定格電流Ｉ_R の半分以下であるかどうか調べる。これは、図２（２）で示したが、最大出力点ラインの傾きａ（Ｔ）として、予め分かっている定数ａ₀ （メーカーによって与えられる）を使ってよいかどうかを判断するためである。なお、この段階で最大出力点ラインの傾きａ（Ｔ）の点検を始めた理由は、ステップ６で、今回検出した出力電流Ｉに対応する最大出力（最大出力点ライン３０上の点（図１のＡ₁ ，Ｙ₁ 等）での出力）を計算する際にａ（Ｔ）を使用するためである。

ステップ４…出力電流Ｉの値が太陽電池１の定格電流Ｉ_R の半分以下である場合には、最大出力点ラインの傾きａ（Ｔ）としては、定数ａ₀ を使用する。
ステップ５…出力電流Ｉの値が太陽電池１の定格電流Ｉ_R の半分より大である場合には、最大出力点ラインの傾きａ（Ｔ）として定数ａ₀ を使用するのは憚られる。そこで、前回，前々回のフローの時の電流，最大電力を用いて、ａ（Ｔ）を近似的に計算する。
即ち、前回の電流，最大電力がＩ_M1，Ｐ_M1であり、前々回の電流，最大電力がＩ_M2，Ｐ_M2であるとした場合、次式の如く電流の増分ΔＩ_M ，最大出力の増分ΔＰ_M の比を取り、ａ（Ｔ）を近似的に得る。
ａ（Ｔ）＝ΔＰ _M ÷ΔＩ _M ＝（Ｐ _M1 −Ｐ _M2 ）÷（Ｉ _M1 −Ｉ _M2 ）

ステップ６…今回の検出電流に対応する最大電力Ｐ_M を算出する。図１で説明したところの、点Ｙ₁ における電力Ｐ_Y1の算出、或いは点Ａ₁ における電力Ｐ_A1の算出である。
ステップ７…ステップ２で求めた現在の実際の出力電力Ｐの値が、ステップ６で算出した最大電力Ｐ_M と等しいかどうか調べる。
もし等しければ、図１で言えば、現在の動作点が点Ｍに来ているということを意味している。この場合は最大電力を取り出し中であり、申し分ないわけであるから、何らの制御もする必要がない。従って、ステップ１へ戻る。
ステップ８…等しくない場合は、現在の実際の出力電力Ｐの方がステップ６で算出した最大電力Ｐ_M より大きいかどうか調べる。もし小さければ、動作点は第１領域３２にあるということであるから、第１領域での制御Ａという制御ブロックに進む。もし大きければ、動作点は第２領域３３にあるということであるから、第２領域での制御Ｂという制御ブロックに進む。

〔第１領域での制御Ａ〕
図７は、第１領域での制御を説明するフローチャートであり、図８は第１領域での制御を説明する図である。符号は図１のものに対応し、Ｙ，Ｘ，Ｗは動作点、Ｙ₁ ，Ｘ₁ ，Ｗ₁ はＹ，Ｘ，Ｗに対応する最大出力点ライン３０上の点、Ｐ_Y ，Ｐ_X ，Ｐ_W ，Ｐ_Y1，Ｐ_X1，Ｐ_W1は電力，Ｉ_Y ，Ｉ_X ，Ｉ_W は電流である。
ステップＡ１…制御目標電流Ｉ_D を仮決定する。第１領域３２では、Ｉ_D ＝Ｋ×Ｉにより制御目標電流Ｉ_D を先ず仮決定する。図３でＩ_M ＝Ｋ×Ｉ_S の関係があることを説明したが、仮決定で使用するＫはそのＫである。Ｉは、現在の電流である。
例えば、図８で現在の電流がＩ_Y であるとした場合、Ｋ×Ｉ_Y ＝Ｉ_X ならば、制御目標電流はＩ_X と仮決定される。

ステップＡ２…制御目標電流Ｉ_D とした場合の最大出力点ライン３０上の出力値Ｐ_MDを算出する。これは、Ｐ_MD＝ａ（Ｔ）×Ｉ_D で算出される（図６のステップ６参照）。
例えば、図８で制御目標電流をＩ_X と仮決定した場合であれば、その時の最大出力点ライン３０上の点Ｘ₁ における出力値Ｐ_X1を算出する。
ステップＡ３…算出した出力値Ｐ_MDと今の時点の出力Ｐとを比較する。この比較は、仮決定した制御目標電流Ｉ_D に電流を制御した場合、第１領域３２を外れてしまうかどうかの点検をするために行う。Ｐ_MD＞Ｐであれば、まだ第１領域３２に留まると判断し、そうでなければ第１領域３２を外れると判断する。外れると判断された場合は、第１領域３２での制御はもはや行わず、図６のステップ１に戻る。
例えば、図８で制御目標電流をＩ_X とした場合の出力値Ｐ_X1と、今の時点の出力Ｐ_Y とを比較する。図８を観察すればＰ_X1＞Ｐ_Y であるから、この場合は電流をＩ_X にしてもなお、第１領域３２に留まると判断される。

ステップＡ４…ステップＡ３でなお第１領域３２に留まると判断された場合は、制御目標電流Ｉ_D を本決定し、電流をそのＩ_D に制御する。
ステップＡ５…電流がＩ_D に制御されたところで、電流Ｉ，電圧Ｖを検出し、その時の出力Ｐを算出する。そうして、ステップＡ１に戻り、再び上述した第１領域での制御を繰り返す。

その結果、Ｐ−Ｉ特性曲線３１上の動作点は、図８でＹ→Ｘ→Ｗとひたすら最大出力点Ｍに向かって接近してゆき（最大出力点Ｍの左右を行きつ戻りつして接近するのでなく）、次に設定した制御目標電流Ｉ_D にすると第２領域３３に入ってしまうという所で、第１領域での制御を終了する。ひたすら接近してゆくので、最大出力点Ｍ（ないしその近傍）に到達するまでの時間が短く、制御が迅速に行われる。

〔第２領域での制御Ｂ〕
図９は、第２領域での制御を説明するフローチャートであり、図１０は第２領域での制御を説明する図である。符号は図１のものに対応し、Ａ，Ｂ，Ｃは動作点、Ａ₁ ，Ｂ₁ ，Ｃ₁ はＡ，Ｂ，Ｃに対応する最大出力点ライン３０上の点、Ｐ_A ，Ｐ_B ，Ｐ_C ，Ｐ_A1は電力，Ｉ_A ，Ｉ_B ，Ｉ_C は電流である。
ステップＢ１…制御目標電流Ｉ_D を決定する。第２領域３３では、Ｉ_D ＝Ｐ／ａ（Ｔ）により制御目標電流Ｉ_D を決定する。ａ（Ｔ）は最大出力点ライン３０の傾きである。Ｐは、現在の出力電力ある（現在の検出電圧，検出電流がそれぞれＶ，Ｉであるなら、Ｖ×Ｉ＝Ｐと計算される）。つまり、上記のように定めたＩ_D は、現時点で流すことが可能な最大電流に他ならず、それを目標値としたということである。
例えば、図１０で現在の動作点はＡであるとした場合、その時の出力電力はＰ_A であるから、制御目標電流はＰ_A ÷ａ（Ｔ）で計算される。計算の結果、Ｐ_A ÷ａ（Ｔ）＝Ｉ_B であったとすれば、次の制御目標電流はＩ_B とされる。

ステップＢ２…電流を制御して、制御目標電流Ｉ_D となるようにする。
例えば、図１０で動作点がＡにある時点において算出された制御目標電流がＩ_B であれば、電流はＩ_B となるように制御される。
ステップＢ３…電流が制御目標電流に制御されたところで、新たな動作点での電圧Ｖ，電流Ｉを検出し、それらを基にその時の出力Ｐ（Ｐ−Ｉ特性曲線３１上の動作点の出力）や、その時の最大出力点ライン３０上の出力を算出する。
例えば、図１０で電流を制御目標電流Ｉ_B に制御した場合、動作点はＢ点となる。この時の電流，電圧の検出値はそれぞれＩ_B ，Ｖ_B と検出されたとすると、Ｂ点の出力Ｐ_B はＰ_B ＝Ｖ_B ×Ｉ_B で算出される。また、動作点Ｂに対応する最大出力点ライン３０上の点Ｂ₁ の出力Ｐ_B1は、Ｐ_B1＝ａ（Ｔ）×Ｉ_B で算出される（なお、理論的に言えば、Ｐ_B1＝Ｐ_A である。なぜなら、Ｉ_B を決定する際、Ｉ_B ＝Ｐ_A ÷ａ（Ｔ）（つまりＰ_A ＝ａ（Ｔ）×Ｉ_B ）で決定しているからである。従って、わざわざＰ_B1＝ａ（Ｔ）×Ｉ_B でＰ_B1を計算しなくとも、Ｐ_A をそのままＰ_B1として用いてよい。）。

ステップＢ４…ステップＢ３で算出した出力Ｐ_B から最大出力点出力Ｐ_B1を差し引いた差の値の、定格電力Ｐ_R （これは太陽電池１のメーカーから予め与えられている）に対する比ΔＰを算出する。
例えば、図１０で電流を制御目標電流Ｉ_B に制御した場合、（Ｐ_B −Ｐ_B1）／Ｐ_R の計算をしてΔＰを求める。

ステップＢ５…予め小さな値εを定めておいて、ΔＰ＜εとなったどうか調べる。このεの値は、Ｐ−Ｉ特性曲線３１上の動作点と、それに対応する最大出力点ライン３０上の点との縦方向の差が、定格電力Ｐ_R の大きさに比べて、充分に小さくなったと判断されるような場合にΔＰが取る値程度の値に定められる。
ΔＰ＜εとなれば、Ｐ−Ｉ特性曲線３１上の動作点は充分にＭ点に接近しているから、もう第２領域３３での制御を続行する必要なしと判断し、図６のステップ１に戻る。
まだΔＰ＜εとなっていなければ、ステップＢ１に戻り、再び上述した第２領域での制御を繰り返す。

その結果、Ｐ−Ｉ特性曲線３１上の動作点は、Ａ→Ｂ→Ｃとひたすら最大出力点Ｍに向かって接近してゆき（最大出力点Ｍの左右を行きつ戻りつして接近するのでなく）、充分近くまで接近した所で、第２領域での制御を終了する。第２領域の制御でも、ひたすら接近してゆくので、最大出力点Ｍ（ないしその近傍）に到達するまでの時間が短く、制御が迅速に行われる。

以上のように本発明によれば、現在の日射量に対応したＰ−Ｉ特性曲線上の動作点が、Ｐ−Ｉ特性曲線と最大出力点ラインとの大小関係で割り出した第１領域，第２領域のいずれにあるかに応じ、出力電流をそれぞれ独特の仕方で最大電力が出力される電流に近づけるようにしたので、常に最大電力が速やかに取得できるようになる。
また、蓄電装置として極めて短時間（例、マイクロセカンド単位）での電流変化に応じても充放電し得る電気二重層コンデンサ（ＥＤＬＣ）を採用し、前記の最大出力追従制御で行われる電流制御に対応し得るようにしたので、充電が効率良く行われる。その結果、需要者で発電した電力は、需要者のところで最大限蓄電されるので、電力系統へ逆潮流される電力は自ずと少なくなり、電力系統に電圧上昇や周波数変化等の悪影響を及ぼすことが少なくなる。

本発明での最大出力追従制御の原理を説明する図 太陽電池の最大出力点ラインを説明する図 太陽電池の短絡電流と最適電流（最大出力時電流）との関係を示す図 本発明の太陽光発電システムの構成を示す図 本発明の太陽光発電システムでの制御を説明するフローチャート 本発明における最大出力追従制御を説明するフローチャート 第１領域での制御を説明するフローチャート 第１領域での制御を説明する図 第２領域での制御を説明するフローチャート 第２領域での制御を説明する図 いずれかの信号が比較基準値を超えるかどうかを検知する回路の１例 太陽電池の出力電流と出力電力との関係を示す図

符号の説明

１…太陽電池、２…整流平滑部、３…電流検出器、４…最大出力追従制御装置、５…ＤＣ−ＤＣコンバータ、６…充電バイパススイッチ部、６１…ダイオード、６２…トランジスタ、７…突入電流抑制部、７１…抵抗、７２…トランジスタ、８…充電制御装置、９…蓄電装置、１０…電流検出器、１１…温度検出器、１２…電圧検出線、１３…主電路スイッチ部、１４…ＥＤＬＣ監視部、１５…ＤＣ−ＤＣコンバータ、１６…電流検出器、１７…コンバータ制御装置、１８…インバータ、１９…インバータ制御装置、２０…配線、２１…電気負荷、４０…優先出力回路、４１…比較回路、４２…比較基準値

Claims (3)

1. 太陽電池と、
   該太陽電池からの出力を変換する電力変換手段と、
   該電力変換手段の出力により充電される蓄電装置と、
   前記太陽電池から取り出す電力が現在の日射量で出力し得る最大電力となるよう前記電力変換手段を制御する最大出力追従制御装置と
   を具備した太陽光発電システムにおいて、
   前記太陽電池の出力電力Ｐと出力電流Ｉとの関係を表す曲線で日射量が変る毎に変るＰ−Ｉ特性曲線の最大出力点を連ねたところの最大出力点ラインを予め求めておき、
   前記太陽電池の出力電圧検出値と出力電流検出値との積で算出された出力電力と、前記出力電流検出値に対応する前記最大出力点ライン上の電力である出力電流対応最大出力点ライン電力とを比較し、
   両者が等しい場合には現在の制御を維持し、
   前記出力電流対応最大出力点ライン電力が前記出力電力より大の場合には、前記太陽電池からの出力電流をひたすら減少させ、
   前記出力電流対応最大出力点ライン電力が前記出力電力より小の場合には、前記太陽電池からの出力電流をひたすら増加させ、
   前記出力電力が前記出力電流対応最大出力点ライン電力と等しくなるよう前記最大出力追従制御装置での制御を行うようにした
   ことを特徴とする太陽光発電システム。
2. 蓄電装置として電気二重層コンデンサを用いた
   ことを特徴とする請求項１記載の太陽光発電システム。
3. 蓄電装置の充電状態を監視する監視部と、
   該監視部からの監視結果に応じて該蓄電装置へ充電するか否かおよび充電の仕方を制御する充電制御装置と
   を設けたことを特徴とする請求項１または２記載の太陽光発電システム。

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