JP5322256B2

JP5322256B2 - 太陽光発電制御装置及び太陽光発電制御における電力評価方法

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Inventors: 俊哉吉田; 勝實大庭; 道雄大坪
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Description

本発明は、太陽光発電制御装置及び太陽光発電制御における電力評価方法に関する。

太陽電池から効率よく電力を取り出すためには、太陽電池を常に最大電力点（ＭａｘｉｍｕｍＰｏｗｅｒＰｏｉｎｔ：ＭＰＰ）で動作させる必要がある。このため一般的な太陽光発電システムでは、最大電力点追従制御回路（ＭａｘｉｍｕｍＰｏｗｅｒＰｏｉｎｔＴｒａｃｋｉｎｇ：ＭＰＰＴ）が実装されている。

既に多くのＭＰＰＴ手法が報告されており、その一つに山登り法と称する制御法がある。この制御法はチョッパ回路などの電力変換器を用いて、太陽電池の動作電圧に低周波で一定変化幅の揺動成分（以下、「リプル成分」と称する。）を与え、これに伴う電力の傾きを算出し、動作点をＭＰＰに移動させる方法である。この制御法は外部環境変化に対する高い適応能力があり、広く用いられている。

この山登り法はＭＰＰまでの追従速度の向上と、ＭＰＰ収束後の出力電力の振動抑制がトレードオフの関係にある。この問題点に対して、変化幅を最適値に自動調整し、ＭＰＰへの速やかな追従を実現しながらも、ＭＰＰ付近での振動を抑えた適応山登り法が提案されている（高原、山之内、川口、「適応山登り法による太陽光発電システムの最大電力取得制御」、電学論Ｄ、１２１巻６号、６８９−６９３ページ、平成１３年―非特許文献１）。この適応山登り法を含め、山登り法はＭＰＰ収束後の精度を上げるために変化幅をできるだけ小さくする必要がある。しかし、マイクロコンピュータ（以下、「マイコン」と称する。）を用いて山登り法を行う場合、リプル成分の変化幅はＡＤ変換器（以下、「ＡＤＣ」と略記する。）の分解能を考慮して決める必要がある。安価なマイコンに搭載されているＡＤＣは低分解能で、内部雑音が多く精度が期待できないものが多い。そのため、山登り法でＭＰＰ収束後の精度を上げるために変化幅を小さくするためには、高分解能のＡＤＣが必要となるが、その場合には製品コストの増加につながる。

他方、山登り法だけに限らず多くのＭＰＰＴ制御回路では、低日射時にＭＰＰＴの精度が悪化することが知られている。一般的に制御回路のパラメータを選定する場合、使用する太陽電池の最大定格に合わせて選定される。しかし、太陽電池は外部環境の変化に伴いその出力が大幅に変化するため、低日射時は制御回路に入力される信号レベルが大幅に減少してしまう。このためＡＤＣの分解能等の問題で制御の精度が悪くなってしまうのである。

低分解能なＡＤＣで微小な出力変化を検出するためには、太陽電池の電圧、電流を高ゲインで検出すればよい。しかし高ゲイン化すると、電流、電圧のリプル成分だけでなく直流成分も拡大してしまい、計測系の飽和（サチュレーション）が問題となる。

そこで、山登り法の特徴である、リプル成分による電力変化を評価してＭＰＰＴを行っている点に着目し、直流成分を除去しリプル成分のみのゲインを上げることが考えられる。しかし、直流成分を除去した電流、電圧から電力を求めると、本来の太陽電池による発電電力値とはまったく異なるものになる。

本願発明者らは、直流成分を除去した場合においても正確なＭＰＰＴ制御が行える条件を見出し、これを応用することで、ＭＰＰ近傍においては直流成分を完全に除去した場合においてもリプル成分のみで正しい電力評価が行えることも見出した。直流成分を除去したリプル成分のみであれば増幅器が飽和する恐れが小さくなるのでそのゲインを非常に高くすることができ、低分解能なＡＤＣで微小な電力変化を検出することができる。これを利用することで、ＭＰＰＴの高精度化、低日射での精度向上が図れる。

従来、太陽光発電装置におけるＭＰＰＴ制御技術については、例えば、特開２００５−７０８９０号公報（特許文献１）、特開平９−９１０５０号公報（特許文献２）等があげられる。しかしながら、これらはいずれも上記のようなＭＰＰ点付近で直流成分を除去しあるいは抑制し、直流リプルを利用し、かつゲインを切替ることでＭＰＰＴの高精度化、低日射での精度向上をはかる技術については知られていない。
特開２００５−７０８９０号公報特開平９−９１０５０号公報高原、山之内、川口、「適応山登り法による太陽光発電システムの最大電力取得制御」、電学論Ｄ、１２１巻６号、６８９−６９３ページ、平成１３年

本発明は、上述した技術背景の下に発明されたもので、ＭＰＰ近傍において直流成分を除去したリプル成分のみで電力評価するように切り替えることにより、ＭＰＰＴ制御のための増幅器にゲインの非常に高いものを利用することができ、広い日射量範囲で高精度なＭＰＰＴが行える太陽光発電制御技術を提供することを目的とする。

本発明の基本原理は、次の通りである。太陽電池の電圧、電流のリプル成分のみを検出して最大電力点追従制御ＭＰＰＴを行うことを考える。ここでは、直流成分を除去した場合に正確な電力評価が行える条件を理論的に解明する。

リプル成分を含んだ太陽電池の出力電圧ｅに対する出力電流がｉ（ｅ）で表せるとすると、出力電力は次のように表すことができる。

従来の制御法ではこの電力を評価してＭＰＰＴを行っている。一方、ｅ，ｉ（ｅ）から直流値Ｅ，Ｉ（Ｅ，Ｉの値は任意）を除いて電力評価を行うと、次のようになる。

式（１）と式（２）とを比較すると、式（２）には右辺第２項と第３項が付加されていることがわかる。山登り法のように電力の大小を比較して最大電力点を探査するＭＰＰＴ法では、必ずしも電力の絶対値を計測する必要はない。よって式（２）の右辺第２項と第３項が零又は定数であるならばｐ′（ｅ）を評価することでもＭＰＰＴは可能である。右辺第３項は言うまでもなく定数である。したがって、右辺第２項が実質的に定数又は零となる条件下であればｐ′（ｅ）によるＭＰＰＴが可能となる。

いま、ｅとｉ（ｅ）の変化を微小とし、この時のｄｉ／ｄｅをα（αは太陽電池の特性から常に負）とすると、微小変動区間では出力電流ｉ（ｅ）を

と近似することができる。式（３）を式（２）の右辺第２項に代入すると、

となる。ここで直流値ＥとＩを

の関係を持って定めると式（４）は次のように定数と考えることができる。

つまり、式（５）の関係になるようにＥとＩを選定することで式（２）の第２項を定数とみなすことができる。したがって、式（１）と同様に式（２）を用いてＭＰＰＴを実施することができる。

ところで、最大電力点ＭＰＰの近傍においては一般に、

が成り立つ。よって、動作点がＭＰＰ近傍にある場合はＥとＩをＭＰＰ近傍の直流成分Ｅ_Ｑ，Ｉ_Ｑ（ただし、Ｅ_Ｑ≒Ｅ_ｏｐｔ［最適動作電圧］、Ｉ_Ｑ≒Ｉ_ｏｐｔ［最適動作電流］）に選べば、

となる。したがって、

によりＭＰＰＴが行えると言える。（ｅ−Ｅ_Ｑ）及び（ｉ（ｅ）−Ｉ_Ｑ）は電圧、電流のリプル成分のみを表しているので、リプル成分のみの計測でよいことがわかる。

ＭＰＰ近傍においては直流成分を完全に除去することができるが、その他の動作点では動作点に応じて除去できる直流電圧値Ｅと直流電流値Ｉを操作する必要がある。しかし、精度を上げるべき動作点はＭＰＰ近傍なので、本発明ではＭＰＰ近傍のみで用いる。直流成分を除去すると信号レベルが大幅に下がるため、増幅器のゲインを上げても計測系が飽和することはない。つまり、高ゲイン化できてＭＰＰＴの精度を高めることができる。

本発明は、このような原理を応用した太陽光発電制御装置であって、光を受けて発電する太陽電池と、前記太陽電池の発電電力を所定の電力形式に変換する電力変換装置と、前記電力変換装置の変調度を制御する制御回路と、前記太陽電池の出力電圧を検出する電圧検出器と、前記太陽電池の出力電流を検出する電流検出器と、前記電圧検出器及び電流検出器の直流成分を除去するハイパスフィルタと、前記ハイパスフィルタの電圧出力、電流出力それぞれを増幅する増幅器と、前記電圧検出器及び電流検出器の出力信号若しくは前記増幅器の出力信号を切り替えて出力するスイッチと、前記スイッチを経て出力される電圧信号及び電流信号から電力値を求め、前記制御回路に入力する電力検出器とを備え、前記制御回路は、前記スイッチを前記電圧検出器及び電流検出器の出力側にし、前記変調度を変化させながら前記電力値を観測して前記電力値が最大となる動作点を探査する最大電力点追跡制御を行った後に、前記スイッチを前記増幅器の出力側に切り替えて前記最大電力点追従制御を継続することを特徴とする。

上記発明の太陽光発電制御装置においては、前記制御回路における前記変調度の変化を離散的とし、前記スイッチを前記電圧検出器及び電流検出器の出力側にした場合の前記変調度の変化幅より、前記スイッチを前記増幅器の出力側にした場合の変化幅を小さくすることができる。

また、上記発明の太陽光発電制御装置においては、前記電力変換装置は、前記太陽電池の発電電力を所定の直流電力に変換するＤＣ・ＤＣコンバータであり、前記制御回路は、前記変調度として前記ＤＣ・ＤＣコンバータの変調度を制御するものであって、前記スイッチを前記電圧検出器及び電流検出器の出力側にし、前記変調度を所定の変化幅で増加させながら前記太陽電池の動作電圧に低周波のリプル成分を与えることで開放電圧側から最大電力点探査を開始し、前記最大電力点近傍で動作点が振動し、変調度更新前の前記電力検出器の出力する電力値よりも変調度更新後の電力値の方が小さくなれば最大電力点通過と判断し、前記スイッチを前記増幅器の出力側に切り替えて最大電力点追従制御を継続するものとすることができる。

また、上記発明の太陽光発電制御装置においては、前記制御回路は、当初の所定の第１の変化幅にて最大電力点探査を開始し、前記最大電力点通過後は、前記第１の変化幅よりも小さい値の第２の変化幅にて前記最大電力点追従制御を継続するものとすることができる。

さらに、上記発明の太陽光発電制御装置においては、電圧、電流及び電圧電流特性上の傾きを計測し、それに応じて電流オフセット、電圧オフセットを生成するオフセット設定部を備え、前記制御回路は前記オフセット設定部の生成した電流オフセットを直流値を除去した前記電流に加算し、前記オフセット設定部の生成した電圧オフセットを直流値を除去した前記電圧に加算し、このオフセット加算後の電流値、電圧値を用いて電力値を算出し、前記最大電力点追従制御を行うものとすることができる。
本発明の太陽光発電制御における電力評価方法は、太陽電池の出力電圧検出信号と出力電流検出信号から求めた電力検出値に対して、電力変換装置に与える変調度を変化させながら前記電力値が最大となる動作点を探査する最大電力点追跡制御を行う第１のステップと、前記第１のステップにて前記電力値が最大となる動作点を探査した後に、ハイパスフィルタにて前記出力電圧検出信号と出力電流検出信号から直流成分を除去した後のリプル電圧信号成分、リプル電流信号成分に対して所定のゲインにて増幅した信号に対して前記最大電力点追従制御を継続する第２のステップとを有することを特徴とする。

上記発明の太陽光発電制御における電力評価方法においては、前記変調度の変化を離散的とし、前記第１のステップにて用いる変調度の変化幅より、前記第２のステップにて用いる変調度の変化幅を小さくすることができる。

また、上記発明の太陽光発電制御における電力評価方法においては、前記第１のステップでは、前記太陽電池の出力電圧検出信号と出力電流検出信号から求めた電力検出値に対して、変調度を所定の変化幅で増加させながら前記太陽電池の動作電圧に低周波のリプル成分を与えることで開放電圧側から最大電力点探査を開始し、前記第２のステップでは、前記最大電力点近傍で動作点が振動し、変調度更新前の電力検出値よりも変調度更新後の電力検出値の方が小さくなれば最大電力点通過と判断し、ハイパスフィルタにて直流成分を除去した後のリプル電圧信号成分、リプル電流信号成分に対して所定のゲインをかけた信号に対して前記最大電力点追従制御を継続するものとすることができる。

また、上記発明の太陽光発電制御における電力評価方法においては、当初は所定の第１の変化幅にて最大電力点探査を開始し、前記最大電力点通過後は、前記第１の変化幅よりも小さい値の第２の変化幅にて前記最大電力点追従制御を継続するものとすることができる。

さらに、上記発明の太陽光発電制御における電力評価方法においては、電圧、電流及び電圧電流特性上の傾きを計測し、それに応じて電流オフセット、電圧オフセットを求め、前記電流オフセットを直流値を除去した前記電流に加算し、前記電圧オフセットを直流値を除去した前記電圧に加算し、このオフセット加算後の電流値、電圧値を用いて電力値を算出し、前記最大電力点追従制御を継続するものとすることができる。

本発明の太陽光発電制御技術によれば、電力変換装置の変調度に所定の変化幅を与えながらＭＰＰＴ制御を開始し、ＭＰＰ近傍において直流成分を除去したリプル成分のみで電力評価するように切り替えることにより、ＭＰＰＴ制御のための増幅器にゲインの非常に高いものを利用することができ、広い日射量範囲で高精度なＭＰＰＴが行える。さらに、この結果として、ＭＰＰＴをマイコンにて行う場合には、低分解能なＡＤＣであっても微小な電力変化を検出して最大電力点追従制御が高精度で行え、また低日射での精度向上も図れることになる。

また、本発明において、変調度に与える変化幅として、当初は比較的粗い第１の変化幅にてＭＰＰＴ制御を開始し、ＭＰＰ近傍においては第１の変化幅よりも小さな第２の変化幅を用いてＭＰＰＴ制御を継続することで、ＭＰＰ到達速度を速め、応答性を良くすることができる。

以下、本発明の実施の形態を図に基づいて詳説する。

（第１の実施の形態）図１は、本発明の第１の実施の形態の太陽光発電制御装置のシステム構成を示している。本実施の形態の太陽光発電制御装置は、太陽電池１、昇圧チョッパ回路２、負荷としての二次電池であるバッテリ３、制御回路４、ゲートドライブ回路５から構成されている。尚、太陽電池１とチョッパ回路２との間には平滑コンデンサ６を設け、また、チョッパ回路２と負荷としてのバッテリ３との間にも平滑コンデンサ７を設けている。また、太陽電池１の出力電圧を検出する電圧検出器８、出力電流を検出する電流検出器９も設けてある。そして、これら電圧検出器８の検出電圧信号、電流検出器９の検出電流信号はローパスフィルタ（ＬＰＦ）２１を経て制御回路４に入力するようにしてある。

制御回路４は、ハイパスフィルタ（ＨＰＦ）２２、ゲイン係数Ｋｉの電流増幅器２３、ゲイン係数Ｋｖの電圧増幅器２４、スイッチ４１、ＡＤ変換器（ＡＤＣ）４２、掛算器４３、そしてＭＰＰＴ制御部４４を備えている。制御回路４におけるスイッチ４１、ＡＤＣ４２、掛算器４３、そしてＭＰＰＴ制御部４４にはワンチップマイコンを使用している。

次に、上記構成の太陽光発電制御装置の動作を説明する。本実施の形態の太陽光発電制御装置は、昇圧チョッパ回路２の変調度Ｄを制御回路４にて制御して、太陽電池１の動作電圧を決定する。変調度Ｄをある一定の変化幅ｄで変化させ、太陽電池１の動作電圧に低周波のリプル成分を与える。太陽電池１から検出した出力電圧、電流信号は、一度ＬＰＦ２１に入力される。これは、チョッパ回路２のスイッチングによって発生する高周波のスイッチングリプルを除去するためである。ＨＰＦ２２は直流成分を除去するためのものであり、ＭＰＰ近傍で（ｅ−Ｅ_Ｑ）及び（ｉ（ｅ）−Ｉ_Ｑ）を求める。尚、ＬＰＦ２１、ＨＰＦ２２のカットオフ周波数はリプル成分の信号に影響が出ないように設定してある。

ＭＰＰＴ制御部４４の実行するＭＰＰＴアルゴリズムを図２のフローチャートに示してある。基本的な制御アルゴリズムは山登り法に基づいている。図２のフローチャート中の変数Ｄは変調度、ｄは変調度Ｄの変化幅、Ｐａは変調度更新前の電力、Ｐｂは変調度更新後の電力である。

ＭＰＰＴ制御部４４は、スイッチ４１をＡ側にしてＭＰＰＴを開放電圧Ｐａ側から開始し、大きな変化幅ｄ１でＭＰＰを探査する（ステップＳ１〜Ｓ７）。

ＭＰＰ近傍で動作点が振動し、変調度更新前の電力Ｐａよりも変調度更新後の電力Ｐｂが小さくなれば、ステップＳ６でＮＯに分岐し、１回前の変調度Ｄに戻し、スイッチ４１をＡ側からＢ側に切り替える（ステップＳ６，Ｓ８，Ｓ９）。そして変調度Ｄの変化幅を粗いｄ１から細かいｄ２に切り替えてＭＰＰＴ制御を継続する（ステップＳ１０）。

ＭＰＰ探査では、変調度Ｄを小刻みな変化幅ｄだけ増減させ、変調度更新前の電力Ｐａが変調度更新後の電力Ｐｂよりも小さければ変調度を小刻みに増加させながら同じ制御を繰り返す。そして電力がピークを超え、変調度Ｄを変化幅ｄだけ増加させることで変調度更新前の電力Ｐａよりも変調度更新後の電力Ｐｂが小さくなれば、最大電力点ＭＰＰを通過したとみなし、変調度Ｄ−２ｄに戻し、また変調度Ｄをより細かな変化幅ｄ（＝ｄ_２＜ｄ_１）にて小刻みに増加させながら同じ制御を繰り返すことで、変調度Ｄをピーク電力をもたらす値に維持する。

太陽電池１の出力電流、電圧からＨＰＦ２２を通して直流成分を除去した後は大幅に信号レベルが下がる。しかしながら、本実施の形態では、この場合にＡＤＣ４２の分解能を最大限に活かすために電流、電圧にゲイン係数Ｋｉ，Ｋｖを乗じてゲインを上げて変化幅ｄを小さくすることで、低分解能のマイコンであってもＭＰＰＴの精度を上げることができる。

本実施の形態によれば、太陽電池１の直流成分を除去し、電力変化を評価するために与えるリプル成分のみでＭＰＰＴを行うので、低分解能なＡＤＣ４２を用いた場合においても非常に微小な電力変化を検出することができ、また、広範囲な日射量範囲において高いＭＰＰＴ精度が得られる。加えて、本実施の形態によれば、低分解能ＡＤＣを内蔵した安価なマイクロコンピュータで非常に高精度なＭＰＰＴが実現できるため、コストの低減に貢献できる。

尚、上記実施の形態では、変調度Ｄに与える変化幅ｄは、ＭＰＰ到達までは比較的粗い値ｄ_１を用い、ＭＰＰ到達後はより細かい値ｄ_２（ｄ_２＜ｄ_１）を用いることでＭＰＰ到達までの時間を速くなるようにしている。しかしながら、変調度Ｄに与える変化幅ｄには一定値を用いてもかまわない。その場合には制御ロジックがより簡素化されることになる。ただし、その場合にｄを細かくしすぎるとＭＰＰ到達までの所要時間が上記実施の形態の場合よりも長くなることが避けられない。

（第２の実施の形態）本発明の第２の実施の形態を、図３を用いて説明する。本実施の形態の特徴は、ＭＰＰＴ制御部４４が増幅器２３，２４の飽和の有無を判断し、飽和発生時には山登り法を最初からやり直し、飽和発生無しの場合には第１の実施の形態と同様に改良山登り法でＭＰＰＴ制御を継続する点にある。したがって、本実施の形態のシステム構成は第１の実施の形態と同様に図１に示すものであるが、ＭＰＰＴ制御が図３のフローチャートに示すものとなる。

本実施の形態にあっては、ＭＰＰＴ制御部４４は、スイッチ４１をＡ側にしてＭＰＰＴを開放電圧Ｐａ側から開始し、大きな変化幅ｄ_１でＭＰＰを探査する（ステップＳ１〜Ｓ７）。そして、増幅器２３，２４の飽和発生の有無を、ＡＤＣ４２が出力し得る最大値のデジタル出力を出力したか否かにより判断する（ステップＳ１１）。尚、増幅器２３，２４の飽和発生の判定は、このようなＡＤＣ４２の飽和を検出する方法に代えて、例えば増幅器２３，２４の出力が例えば３回以上連続してＰａ＝Ｐｂであったか否かにより判断する方法を採用することもできる。また、上記ＡＤＣ４２の飽和の判定はそれが出力し得る最大値に基づくものである必要はなく、例えば「最大出力範囲の９０％を超えたら」飽和と判定する方法を採用することもできる。このように飽和発生の判定方法は特に限定されることはない。

そして、ステップＳ１１で飽和発生無しと判定すれば、以降、第１の実施の形態と同様にＭＰＰＴ制御を継続する。すなわち、ＭＰＰ近傍で動作点が振動し、変調度更新前の電力Ｐａよりも変調度更新後の電力Ｐｂが小さくなれば、ステップＳ６でＮＯに分岐し、１回前の変調度Ｄに戻し、スイッチ４１をＡ側からＢ側に切り替える（ステップＳ６，Ｓ８，Ｓ９）。そして変調度Ｄの変化幅を粗いｄ１から細かいｄ２に切り替えてＭＰＰＴ制御を継続する（ステップＳ１０）。

他方、ステップＳ１１で飽和発生有りと判断すれば、ステップＳ１に戻り、変調度Ｄの変化幅ｄを大きい値ｄ_１に戻し、山登り法を継続する（ステップＳ１１，Ｓ１）。

この実施の形態によれば、変調度Ｄの変化幅ｄを小さな値ｄ_２に切り替えることで飽和が発生すれば、変化幅ｄを再び大きい値ｄ_１に戻してＭＰＰＴを再開することで飽和から自動的に回復できる。

尚、上記の両実施の形態において、増幅器２３，２４のゲインは５０〜６０倍から５００〜６００倍に設定することができる。また、ＭＰＰＴ制御には、山登り法に限定されず、例えば、遺伝的アルゴリズム等各種の最大値探索法を利用することもできる。

また、電力変換装置には、上記実施の形態で示したチョッパ回路２その他のＤＣ−ＤＣコンバータだけではなく、太陽発電の直流電力を交流電力に変換して交流電力系統に連系するインバータを採用することもできる。

さらに、上記実施の形態の場合、ＭＰＰＴ制御において変調度を一定の変化幅だけ増加させながらＭＰＰ探索を行うようにしたが、ＭＰＰＴ制御方式はこれに限らない。例えば，変調度を減少させながら行う方式、あるいは変調度を揺動させながら行う方式であってもよい。さらに、山登り方式に代えて、動作点を広範囲に動かして電力を計測し，結果として最大電力点を見つけ出すという方法でもよい。

つまり、本発明の特徴は、ＭＰＰ付近であればハイパスフィルタ２２を通した電流検出信号、電圧検出信号から求められる電力値を用いてＭＰＰＴ制御する点にあり、ＭＰＰＴそのものの手法は限定されるものではない。また、ＡＤＣ４２を用いず、アナログ回路にて同様のＭＰＰＴ制御を行うことも可能である。

（第３の実施の形態）本発明の第３の実施の形態について説明する。太陽電池１の電圧・電流特性の任意の動作点においてｄｉ／ｄｅ、すなわちαが既知であるとすると、すでに述べたように（５）式の関係を持ったＥ，Ｉを（２）式のように電圧・電流の計測値から減じてその積から電力を求めた値を使ってもＭＰＰＴ制御は可能である。

動作点が（Ｅ_ｐ，Ｉ_ｐ）にあるときに直流分を除去して電力を求める場合を考える。ハイパスフィルタで直流分を除去するということは（２）式において、

としたことに相当する。一方、電圧値からＥ_ｐを除去した場合、（５）式より、電流値から減算できる値Ｉは、

となる。（Ｅ_ｐ，Ｉ_ｐ）がＭＰＰ近傍にある場合は（８）式の関係があるので、（１２）式の値と（１１）式の値はほぼ一致する。しかしながらＭＰＰ近傍以外では一致しないので、（２）式による電力では正しいＭＰＰＴ制御が不可能になる。すなわち電流から減じた値、つまり（１１）式の値が適切でないことを意味する。そこでハイパスフィルタを通して計測する場合においては、ハイパスフィルタで除去されてしまった電流の直流値Ｉ_ｐをマイコン内部で加算し、その後、（１２）式で与えられる適切な減算値を減じれば、（５）式の関係を保つことができ、（２）式の電力でＭＰＰＴ制御が可能となる。ここで直流値を除去した太陽電池の電圧、電流をそれぞれ

とすると、

で与えられる電力値を用いればＭＰＰＴ制御が可能となる。つまり、直流値を除去した電流にＩ_ｐ＋αＥ_ｐなるオフセットを加えてから乗じればよい。

逆に電流値からＩ_ｐを除去した場合、電圧値から減算できる値Ｅは同様に、

となる。このときは、

で与えられる電力値を用いればＭＰＰＴ制御が可能となる。つまり、直流値を除去した電圧にＥ_ｐ＋（１／α）Ｉ_ｐなるオフセットを加えてから乗じればよい。

このように、動作点がＭＰＰ付近でない場合であっても、電流・電圧特性の傾きαに応じたオフセットを加算すれば、ハイパスフィルタを介して求めた電力でＭＰＰＴ制御が可能となる。なお、Ｅ_ｐとＩ_ｐは図１においてスイッチをＡ側とすれば計測が可能である。この場合Ａ／Ｄ変換器の分解能が高いとはいえないが、近似的なＥ_ｐとＩ_ｐは十分知ることができる。また、傾きαについてはスイッチをＢ側にして揺動しながら計測すれば精度よく求めることができる。

図５は本発明の第３の実施の形態の太陽光発電制御装置のブロック図、図６は本実施の形態の太陽光発電制御装置による最大点追従制御のフローチャートである。本実施の形態の太陽光発電制御装置では、制御回路４内においてＡＤＣ４２と乗算器４３との間に電流、電圧オフセット値を算出して加算するオフセット設定部４６を設けたことを特徴としている。尚、図５において、その他の構成要素については図１に示した第１の実施の形態の構成要素と共通するものに同一の符号を付して示してある。

図６のフローチャートに示すように、本実施の形態の太陽光発電制御装置では、先ずスイッチ４１をＡ側（ハイパスなし、低ゲイン）にして従来のＭＰＰＴ制御を施し、収束後、現在の動作点における電圧値Ｅｐ、電流値Ｉｐを得る（ステップＳ２１〜Ｓ２４）。

次いでスイッチ４１をＢ側（ハイパスあり、高ゲイン）に切り替え、精度よく傾きαを計測する（ステップＳ２４，Ｓ２５）。このようにして得た電圧値Ｅ_ｐ、電流値Ｉ_ｐ、αよりオフセット値を演算し、オフセット設定部４６でオフセット値を設定する（ステップＳ２６）。そして、このオフセット値を用いて第１の実施の形態と同様に乗算器４３にて電力を演算し、ＭＰＰＴ制御を継続する（ステップＳ２７〜Ｓ２９，Ｓ２３）。これにより高精度なＭＰＰＴ制御が可能となる。

このＭＰＰＴ制御中に、ＡＤＣ４２に前述の飽和が発生した場合には再びスイッチ４１をＡ側に切り替えて、これらの手順を繰り返す（ステップＳ２８でＹＥＳ，Ｓ２１〜Ｓ２７）。

次に、本実施の形態の太陽光発電制御装置を用いて行った実験結果について説明する。本実施の形態の太陽光発電制御装置による電力評価法の有用性を、従来の山登り法との比較により確認した。実験装置には図１の構成のものを用いた。実験に使用した太陽電池の定格を図４の表１に示してある。制御回路４のマイコンにはＨ８／３０５２Ｆを用いた。ＡＤＣ４２はマイコンに内蔵されている分解能１０ビットのものを使用したが、より低分解能なＡＤＣで検証するために上位８ビットのみを参照している。太陽電池１から検出した出力電圧、電流は定格開放電圧、短絡電流がＡＤＣ４２の入力電圧レンジに納まるようにスケーリングしている。電力評価用のリプル成分は、スイッチングリプル（スイッチング周波数１０ｋＨｚ）除去の影響を受けないように低周波に選んだ。変調度Ｄの更新周期は１０ｍｓにした。

尚、実験では再現性を得るために白熱電球を光源とし、その電球電圧ＶＬを記録した。

［定常時の電力波形の比較］
この実験では最大電力点に収束後、本実施の形態による電力評価法に切り替えた場合に安定した制御が行えるかどうかを検証した。測定条件として日射量、温度は一定とした。

図７に最大電力点収束後の電力波形を示してある。図７（ａ）は従来の山登り法において、ＭＰＰ収束後に変調度の変化幅を０．０４％とした電力波形である。８ビットＡＤＣの１ＬＳＢはフルスケールの約０．３９％であり、設定した変化幅に対する電力変化を正確に評価できないために制御不能となっている。

図７（ｂ）は変調度の変化幅を２．６％に設定した電力波形である。８ビットのＡＤＣで十分電力変化を検出できるため、安定して最大電力点近傍に収束している。しかし、変化幅を図７（ａ）と比べ６５倍にしているため最大電力点収束後に大きく振動し、定常時に静特性上での最大電力に対して約３％の電力損失がある。

図７（ｃ）は図７（ａ）と同条件で、本実施の形態により最大電力点収束後ＭＰＰＴを行った結果である。本実施の形態によれば、実験で使用したＡＤＣの分解能で電力変化を検出できる程度までリプル成分のゲインを上げているため、安定して最大電力点に収束し、電力の振動もほぼないことが確認できた。

［広い日射量範囲におけるＭＰＰＴ精度の比較］
この実験では広い日射量範囲において、本実施の形態による電力評価法を用いた山登り法と従来法のＭＰＰＴ精度を比較し、その有用性を検証した。尚、実験システムのパラメータは定格最大出力時に最適になるように選定した。しかし、実験で使用した光源では定格最大出力時の約三分の一程度の電力しか発電できないため、実験結果は低日射領域によるものである。しかしながら、ＭＰＰＴ精度が低下するのは低日射領域であるため、この日射量範囲のみの評価で十分である。表面温度は５０°一定とした。

図８に低日射領域におけるＭＰＰＴの結果を示してある。図８に示す理想出力（Ｄｅｓｉｒｅｄｏｕｔｐｕｔ）は各測定条件下での静特性における最大電力である。ＭＰＰＴ効率μは理想出力に対してどれだけ電力を回収できたかを表し、ＭＰＰＴの精度を意味する。図８（ａ）は従来の山登り法を用いて、定常状態での電力の振動が比較的少なく、高日射時に安定してＭＰＰＴが可能な変調度の変化幅（０．８％）に設定した場合である。高日射時においては非常に高いＭＰＰＴ効率を持っているが、低日射になるにつれＭＰＰＴの精度が悪くなっているのが確認できる。低日射時は太陽電池１から検出した出力電圧、電流信号のレベルが大幅に低下するため電力変化を正確に評価できないためである。

図８（ｂ）は変化幅を２．６％に設定した場合のＭＰＰＴの結果である。先ほどより変化幅を３．２５倍にし、低日射時において電力変化を検出できるようにした結果である。低日射時のＭＰＰＴ効率は上がったが、変化幅を大きくしたために高日射時のＭＰＰＴ効率が約３％程度減少した。

図８（ｃ）は本実施の形態により変化幅を０．０４％に設定して行ったＭＰＰＴの結果である。低日射時においてもリプル成分のゲインを上げているため非常に高いＭＰＰＴ効率を持っている。また、高日射時においてもリプル成分の振動が小さいため、ほぼ理想出力と変わらないことが確認できる。

以上の実験結果より、本発明の太陽光発電制御装置によれば、広い日射量範囲において高いＭＰＰＴ精度が得られることが実証できた。

本発明の第１の実施の形態の太陽光発電制御装置の回路図。上記実施の形態において電力最大点追従制御部が行う電力最大点追従制御のフローチャート。本発明の第２の実施の形態の太陽光発電制御装置において電力最大点追従制御部が行う電力最大点追従制御のフローチャート。上記実施の形態において用いられる太陽電池の定格を示す表。本発明の第３の実施の形態の太陽光発電制御装置のブロック図。上記実施の形態の太陽光発電制御装置において最大点追従制御部が行う電力最大点追従制御のフローチャート。従来例と本発明の実施の形態の太陽光発電制御装置による定常時の電力波形図であり、（ａ）は従来の山登り法による例１（変調度の変化幅０．０４％の場合）の電力波形図、（ｂ）は従来の山登り法による例２（変調度の変化幅２．６％の場合）の電力波形図、（ｃ）本発明の実施例による電力評価法を用いた山登り法（最大電力点近傍での変調度の変化幅０．０４％）による電力波形図。従来例と本発明の実施例の太陽光発電制御装置による低日射領域における電力最大点追従制御の精度特性を示すグラフであり、（ａ）は従来の山登り法による例３（変調度の変化幅０．８％の場合）の精度特性のグラフ、（ｂ）は従来の山登り法による例４（変調度の変化幅２．６％の場合）の精度特性のグラフ、（ｃ）本発明の実施例による電力評価法を用いた山登り法（最大電力点近傍での変調度の変化幅０．０４％）による精度特性のグラフ。

符号の説明

１太陽電池
２チョッパ回路
３バッテリ
４制御回路
５ドライブ回路
８電圧検出器
９電流検出器
２２ハイパスフィルタ
２３電流増幅器
２４電圧増幅器
４１スイッチ
４２ＡＤ変換器
４３掛算器
４４最大電力点追従制御部

Claims

光を受けて発電する太陽電池と、
前記太陽電池の発電電力を所定の電力形式に変換する電力変換装置と、
前記電力変換装置の変調度を制御する制御回路と、
前記太陽電池の出力電圧を検出する電圧検出器と、
前記太陽電池の出力電流を検出する電流検出器と、
前記電圧検出器及び電流検出器の直流成分を除去するハイパスフィルタと、
前記ハイパスフィルタの電圧出力、電流出力それぞれを増幅する増幅器と、
前記電圧検出器及び電流検出器の出力信号若しくは前記増幅器の出力信号を切り替えて出力するスイッチと、
前記スイッチを経て出力される電圧信号及び電流信号から電力値を求め、前記制御回路に入力する電力検出器とを備え、
前記制御回路は、前記スイッチを前記電圧検出器及び電流検出器の出力側にし、前記変調度を変化させながら前記電力値を観測して前記電力値が最大となる動作点を探査する最大電力点追跡制御を行った後に、前記スイッチを前記増幅器の出力側に切り替えて前記最大電力点追従制御を継続することを特徴とする太陽光発電制御装置。
前記制御回路において、前記変調度の変化を離散的とし、前記スイッチを前記電圧検出器及び電流検出器の出力側にした場合の前記変調度の変化幅より、前記スイッチを前記増幅器の出力側にした場合の変化幅を小さくしたことを特徴とする請求項１に記載の太陽光発電制御装置。
前記電力変換装置は、前記太陽電池の発電電力を所定の直流電力に変換するＤＣ・ＤＣコンバータであり、
前記制御回路は、前記変調度として前記ＤＣ・ＤＣコンバータの変調度を制御するものであって、前記スイッチを前記電圧検出器及び電流検出器の出力側にし、前記変調度を所定の変化幅で増加させながら前記太陽電池の動作電圧に低周波のリプル成分を与えることで開放電圧側から最大電力点探査を開始し、前記最大電力点近傍で動作点が振動し、変調度更新前の前記電力検出器の出力する電力値よりも変調度更新後の電力値の方が小さくなれば最大電力点通過と判断し、前記スイッチを前記増幅器の出力側に切り替えて最大電力点追従制御を継続することを特徴とする請求項１に記載の太陽光発電制御装置。
前記制御回路は、当初の所定の第１の変化幅にて最大電力点探査を開始し、前記最大電力点通過後は、前記第１の変化幅よりも小さい値の第２の変化幅にて前記最大電力点追従制御を継続することを特徴とする請求項３に記載の太陽光発電制御装置。
電圧、電流及び電圧電流特性上の傾きを計測し、それに応じて電流オフセット、電圧オフセットを生成するオフセット設定部を備え、
前記制御回路は前記オフセット設定部の生成した電流オフセットを直流値を除去した前記電流に加算し、前記オフセット設定部の生成した電圧オフセットを直流値を除去した前記電圧に加算し、このオフセット加算後の電流値、電圧値を用いて電力値を算出し、前記最大電力点追従制御を行うことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の太陽光発電制御装置。
太陽電池の出力電圧検出信号と出力電流検出信号から求めた電力検出値に対して、電力変換装置に与える変調度を変化させながら前記電力値が最大となる動作点を探査する最大電力点追跡制御を行う第１のステップと、
前記第１のステップにて前記電力値が最大となる動作点を探査した後に、ハイパスフィルタにて前記出力電圧検出信号と出力電流検出信号から直流成分を除去した後のリプル電圧信号成分、リプル電流信号成分に対して所定のゲインにて増幅した信号に対して前記最大電力点追従制御を継続する第２のステップとを有する太陽光発電制御における電力評価方法。
前記変調度の変化を離散的とし、前記第１のステップにて用いる変調度の変化幅より、前記第２のステップにて用いる変調度の変化幅を小さくすることを特徴とする請求項６に記載の太陽光発電制御における電力評価方法。
前記第１のステップでは、前記太陽電池の出力電圧検出信号と出力電流検出信号から求めた電力検出値に対して、変調度を所定の変化幅で増加させながら前記太陽電池の動作電圧に低周波のリプル成分を与えることで開放電圧側から最大電力点探査を開始し、
前記第２のステップでは、前記最大電力点近傍で動作点が振動し、変調度更新前の電力検出値よりも変調度更新後の電力検出値の方が小さくなれば最大電力点通過と判断し、ハイパスフィルタにて直流成分を除去した後のリプル電圧信号成分、リプル電流信号成分に対して所定のゲインをかけた信号に対して前記最大電力点追従制御を継続することを特徴とする請求項６に記載の太陽光発電制御における電力評価方法。
当初は所定の第１の変化幅にて最大電力点探査を開始し、前記最大電力点通過後は、前記第１の変化幅よりも小さい値の第２の変化幅にて前記最大電力点追従制御を継続することを特徴とする請求項８に記載の太陽光発電制御における電力評価方法。
電圧、電流及び電圧電流特性上の傾きを計測し、それに応じて電流オフセット、電圧オフセットを求め、
前記電流オフセットを直流値を除去した前記電流に加算し、前記電圧オフセットを直流値を除去した前記電圧に加算し、このオフセット加算後の電流値、電圧値を用いて電力値を算出し、前記最大電力点追従制御を継続することを特徴とする請求項６〜９のいずれかに記載の太陽光発電制御における電力評価方法。