JP5412575B2 - 太陽光発電システムおよび制御システム - Google Patents

Description

本発明は、太陽電池からの出力電力値を制御する太陽光発電システムおよび制御システムに関する。

従来の太陽光発電システムは、特許文献２の図５に示されるように、電圧検出回路と電流検出回路によって検出された電圧情報と電流情報をもとに、ＤＣ／ＤＣコンバータのスイッチング動作におけるオンとオフ比である通流率を可変することによって太陽電池アレイの出力を制御する。太陽電池パネルからの出力はＤＣであるため、ＤＣ／ＡＣインバータ回路を介して、商用の系統電源に接続する。

＜山登り法の概要＞
図６（ａ）は、太陽光発電システムから高効率な電力を得るために一般的に用いられている山登り法と呼ばれる最大電力点追従制御法の概念図である。以下、最大電力点追従制のことをＭＰＰＴ制御（Ｍａｘｉｍｕｍ Ｐｏｗｅｒ Ｐｏｉｎｔ Ｔｒａｃｋｉｎｇ）と呼ぶ。

まず、初期の太陽電池アレイ特性の出力設定値としてＤＣ／ＤＣコンバータを動作させて太陽電池アレイの出力電圧Ｖaを測定する。同時に、太陽電池パネルの出力電圧値に応じて出力される太陽電池出力電流を測定する。ＭＰＰＴ制御部は、出力電圧Ｖaと出力電流とを乗算して、太陽電池パネルの出力電力Ｐaを算出し、メモリに記憶させておく。次に、出力電圧Ｖaより所定量大きい電圧Ｖbに設定するようＤＣ／ＤＣコンバータを動作させ、同様に、太陽電池出力電流の測定と太陽電池パネルの出力電力Ｐbの算出を行い、メモリに記憶させておく。記憶させた出力電力ＰaとＰbを比較し、ＰaよりもＰbの方が大きい値であれば、出力電圧Ｖbより所定量大きい電圧に設定するようＤＣ／ＤＣコンバータを動作させる。記憶させた出力電力の比較結果が逆の場合は、出力電力Ｐc、Ｐdに示した関係であり、出力電圧Ｖcより所定量小さい電圧に設定するようＤＣ／ＤＣコンバータを動作させる。

この一連の動作は、ＤＣ／ＤＣコンバータの通流率を可変することで、最大電力点ＭＰＰ（Ｍａｘｉｍｕｍ Ｐｏｗｅｒ Ｐｏｉｎｔ）:Ｖmppをトラッキングすることを行っており、そのトラッキングの様子から山登り法と呼ばれ、簡単で扱いやすいアルゴリズムであるため、現在、太陽光発電システムにおいて、最も多く用いられている方法である。この山登り法を用いたＭＰＰＴ制御アルゴリズムに関しては、例えば、非特許文献１に記載されている。

＜複数の局所解をもつ理由＞
ここで、図６（ｂ）に示すように、太陽電池アレイに部分陰が差し掛かると、太陽電池アレイの特性がＰＶaからＰＶbに変化し、太陽電池の電圧−電力特性に複数の極値を持つことがある。太陽光発電システムに部分陰が掛かった時、複数の局所解をもつ特性となる主要因を、以下で説明する。

図７は、太陽光発電システムに部分陰が掛かった時、複数の局所解をもつ特性となることを示す図である。図７（ａ）に示すように、Ｍ１からＭ４で示す４枚の太陽電池モジュールが直列に接続されているストリングを考える。

陰の掛かったモジュールＭ３、Ｍ４、陰の掛かっていないモジュールＭ１、Ｍ２に関して、各モジュールの電流‐電圧特性（Ｉ−Ｖ特性）を図７（ｂ）に示し、ストリング全体の電流−電圧特性を図７（ｃ）に示す。図７（ｂ）に示すように、陰の掛かった部分において算出されたＶ3、Ｖ4については、陰の掛かっていない部分において算出されたＶ1、Ｖ2よりも開放電圧も小さくなることが分かる。

また、全てのモジュールに関して、逆バイアス（バイパスダイオードにとっての順バイアス）が掛かると、バイパスダイオードがＯＮし、抵抗成分が０になる。そして、バイパスダイオードがＯＮした後は、モジュールＭ3、Ｍ4の出力電圧は０となるため、モジュールＭ3、Ｍ4の電流−電圧特性は、図７（ｂ）に示す通り、所定の出力電流以上の場合は常に出力電圧が０である波形となる。その結果、当該モジュールＭ3、Ｍ4は、陰の掛かっていない(バイパスダイオードがＯＦＦである)モジュールＭ1、Ｍ2とは電流−電圧特性が異なるようになる。

すると、ストリング全体の電圧で見た場合、ある電流における陰の掛かった部分と陰の掛かっていない部分においての電圧差によって、バイパスダイオードのON動作する電圧条件が変わるため、図７（ｃ）のように、出力電流が所定の値(Ｉa)を超えて、モジュールＭ3、Ｍ4のバイパスダイオードがＯＮになる点（図７（ｃ）の点Ａ）において、不連続な電流−電圧特性を示すことになる。ここで、電力−電圧特性を求めると、電力は電圧と電流の積であるため、ストリング全体の電力は、図７（ｄ）に示すように複数の極値を持つような特性となる。以上、説明したように、ストリング方向に部分陰が掛かる場合は、部分陰の掛かっていないモジュール（Ｍ1及びＭ2）と、部分陰の掛かっているモジュール（Ｍ3及びＭ4）との間で電流−電圧特性が異なるため、ストリング全体の電力−電圧特性は、複数の局所解を持つこととなる。この複数の局所解を持つ場合、図６（ｂ）に示すように、山登り法では、Ｖe、Ｖfあたりでの比較演算に陥ることがあるため、局所解が実動作点となり、電力効率が落ちる可能性がある。

＜複数の局所解に対する従来の対策＞
以上で詳述した通り、山登り法では、ストリング全体の電力−電圧特性が複数の局所解を持つ際に、最大電力でストリングを動作させられない場合があるので、山登り法以外にも多くのＭＰＰＴ制御アルゴリズムが提案されている。

最大電力点への追従を行っても、最大電力でない小さい山の極大値を回避するようなＭＰＰＴ制御アルゴリズムの先行文献として、例えば、特許文献１では、最適化問題である遺伝的アルゴリズムを導入したＭＰＰＴ制御を行っている。また、非特許文献２では、遺伝的アルゴリズムのような計算が複雑なものでなく、フィボナッチ探索を利用して、山登り法の探索幅を可変することを導入したＭＰＰＴ制御を行っている。

また、太陽電池ストリング毎ではなく、太陽電池モジュール毎にＭＰＰＴ制御することによって、不均一日射条件下でも常に最大効率を得る先行文献として、特許文献２がある。特許文献２では、太陽電池モジュール毎に設けられた電荷移送回路のスイッチング制御により、最大電力点をとるように追従制御されるため、太陽電池モジュールを直列もしくは直並列に複数個接続される太陽光発電アレイに関しても常に最大の電力を負荷側に出力することが出来る。

特許文献３では、メモリ５２にデータベース化された複数の基準特性とモジュール毎の電圧、太陽電池表面温度、日射計、外気温度、リファレンスセル等の計測部によって計測された値から換算した所定の基準状態を比較して、最も近似した特性を現在の太陽電池の状態を推定することにより、部分陰を持った特性を再現する手段が開示されている。

特開２００６―１０７４２５号公報 特開２００７―５８８４５号公報 特開２００７―３１１４８７号公報

IEEE TRANSACTIONS ON ENERGY CONVERSION, VOL.２, No２, ２００７ p.p.４３９-４４９ International Power Electronics Conference (ICPE'０１), p.p.６２２-６２５

特許文献１や非特許文献２のように、ＭＰＰではない局所解の問題を解決するために遺伝的アルゴリズムやフィボナッチ探索を用いる等の、最適化問題を適用したＭＰＰＴ制御では、広範囲の動作電圧における電力を何点も取得するため、結果として最大電力点以外での動作が多くなり、部分陰のない定常状態での性能が悪くなるという課題がある。すなわち、山登り法を用いたＭＰＰＴ制御では、定常状態での性能が良い半面局所解に陥る危険性があり、最適化問題を利用したＭＰＰＴ制御では、局所解を避けることが可能である半面定常状態での電力効率が悪化する。そのため、最適化問題を適用したＭＰＰＴ制御を行う期間は極力短くして、可能な限り山登り法にてＭＰＰＴ制御を行うことが必要である。

さらに、特許文献２や特許文献３のように、太陽電池モジュール毎にＭＰＰＴ制御する技術は、太陽電池モジュール毎に回路を設けるため、コストが高くなるという課題がある。

特に、特許文献２に係る発明では、太陽電池モジュール毎に最大電力点を探索する回路を搭載するため、コストが高くなるという課題がある。また、当該探索回路は、太陽電池モジュール内のストリングに直列に接続されるため、当該探索回路が故障すると、ストリング全体が機能しなくなるという課題もある。

また、特許文献３に係る発明では、モジュール毎の電圧、太陽電池表面温度、日射計、外気温度、リファレンスセル等の計測部とその情報を格納するメモリを搭載する必要があるが、係る計測部は高額であり、やはりコストが高くなるという課題がある。

したがって、本発明の目的は、回路コストの増大を抑えつつ、より電力効率の良好な太陽電池の制御を実現することにある。

本発明による課題を解決する手段のうち、代表的なものを挙げると次の通りである。

第１に、太陽光発電システムにおいて、太陽電池と、太陽電池の出力電圧を制御する電圧制御部と、太陽電池の出力電圧を検出する電圧検出部と、太陽電池の出力電流を検出する電流検出部と、電圧制御部に出力電圧を第１の変化幅で変化させ、変化の前後における太陽電池の出力電力を比較する第１の制御部と、電圧制御部に出力電圧を第１の変化幅よりも大きい第２の変化幅で変化させ、変化の前後における出力電力を比較する第２の制御部と、電流検出部によって検出された電流の単位時間当たりの変化量の絶対値と、所定のしきい値とを比較する比較部とを有し、比較部によって、変化量の絶対値が所定のしきい値よりも小さいと判定された場合は、第１の制御部が選択され、比較部によって、変化量の絶対値が所定のしきい値よりも大きいと判定された場合は、第２の制御部が選択されることを特徴とする。

第２に、太陽電池を制御する制御システムにおいて、太陽電池の出力電圧を第１の変化幅で変化させ、変化の前後における太陽電池の出力電力を比較する第１の制御部と、出力電圧を第１の変化幅よりも大きい第２の変化幅で変化させ、変化の前後における出力電力を比較する第２の制御部と、太陽電池の出力電流の短時間当たりの変化量の絶対値と、所定のしきい値とを比較する比較部とを有し、比較部によって、変化量の絶対値が所定のしきい値よりも小さいと判定された場合は、第１の制御部が選択され、比較部によって、変化量の絶対値が所定のしきい値よりも大きいと判定された場合は、第２の制御部が選択されることを特徴とする。

本発明によれば、より効率的に太陽電池を動作させることができる。

本発明の実施例１に係る太陽光発電システムの全体構成を示す図である。 本発明の実施例１に係る太陽光発電システムの全体構成を示す図である。 本発明の実施例２に係る太陽光発電システムの全体構成を示す図である。 本発明の実施例３に係る太陽光発電システムの全体構成を示す図である。 本発明の実施例４に係る太陽光発電システムの全体構成を示す図である。 本発明の太陽光発電システムによるＭＰＰＴ制御の様子を示す図である。 本発明の太陽光発電システムによるＭＰＰＴ制御の様子を示す図である。 本発明の太陽光発電システムによるＭＰＰＴ制御の様子を示す図である。 本発明の太陽光発電システムによるＭＰＰＴ制御の様子を示す図である。 本発明の太陽光発電システムによるＭＰＰＴ制御の様子を示す図である。 山登り法によるＭＰＰＴ制御を示す図である。 太陽電池に部分陰が掛かった場合の山登り法によるＭＰＰＴ制御を示す図である。 太陽電池ストリングに部分陰が掛かった場合の模式図である。 陰が掛かっている太陽電池モジュールと陰が掛かっていない太陽電池モジュールの電流―電圧特性の違いを示す図である。 部分陰が掛かっている場合の太陽電池ストリングの電流―電圧特性を示す図である。 部分陰が掛かっている場合の太陽電池ストリングの電力―電圧特性を示す図である。 太陽電池アレイに部分陰が掛かる様子を示す模式図である。 太陽電池アレイに部分陰が掛かった場合の電力―電圧特性の時間変化を示す図である。 太陽電池アレイに部分陰が掛かった場合の出力電流の時間変化を示す図である。 太陽電池モジュールの出力電流を示す図である。 太陽電池ストリングの出力電圧を示す図である。 太陽電池ストリングの出力電圧と出力電流の関係を示す図である。 太陽電池ストリングの出力電圧と出力電流の関係を示す図である。

実施例の説明をするに当たり、本願明細書にて用いられる用語の定義を説明する。以下の実施例において、「太陽電池モジュール」とは、図１（ａ）の１に示すように、太陽光発電を行う単位を指すものとし、並列にバイパスダイオード２が取り付けられる単位を指すものとする。「太陽電池ストリング」とは、図１（ａ）の３のように、複数の太陽電池モジュールを直列に接続した単位を指すものとする。「太陽電池アレイ」とは、図１（ａ）のように、複数の太陽電池ストリングを並列に接続した単位を指すものとする。

本願発明者は、引用文献として挙げた各従来技術の課題を解決するために、複数の局所解をもつ特性となる過渡的な挙動に着目した。

図８は、１４直列のストリング３が４並列(５６枚)になって構成される太陽電池アレイ５に対して、ある程度の風速で動く雲によって、複数の局所解の主要因であるストリングと平行な方向に陰１００が移動していった時（図８（ａ））の太陽電池アレイの特性の変化を模式的に表したものである。灰色のハッチングの掛かっている部分が、雲によってストリングに陰が掛かっている部分を示す。このような雲による部分陰を検討したのは、メガソーラといった大規模発電システムにおいては、周りに大きな建物のない広大な環境に設置されることが多いため、建物による陰よりも、図８（ａ）に示すような雲による陰が大きな問題となるためである。但し、本願発明の適用先はこのような雲による部分陰に限定されるものではなく、建物等の部分陰一般に適用しうるものであることは言うまでもない。

陰が掛かり始めてからt1、t2、t3、t4、t5と等間隔で時間が経過した時、図８（ｂ）に示すように、t1における太陽電池の特性ＰＶ1、t2における太陽電池の特性ＰＶ2、t3における太陽電池の特性ＰＶ3、t4における太陽電池の特性ＰＶ4、t5における太陽電池の特性ＰＶ5といった具合に特性が変化する。この場合、従来の山登り法を用いた場合は、追従点が、ＰＰ1、ＰＰ2、ＰＰ3といった具合に変化するため、最大電力点ではない局所解付近で動作が落ち着き、発電効率が低下してしまう。ここで、図８（ｃ）に示すように、太陽電池アレイ全体の、出力電流の時間変化に着目する。Ｉaは理論上の最大電力点となる時の太陽電池アレイの出力電流の時間変化をモニターしたものであり、Ｉbは従来のＭＰＰＴ制御によって追従された太陽電池アレイの出力電流の時間変化をモニターしたものである。

図８（ｂ）と図８（ｃ）を比較することによって、太陽電池アレイが最大電力点でない局所解での動作に陥る時、出力電流の変化が通常の変化に比べて非常に大きいことが分かる。これを踏まえ本願発明者は、以下の回路構成によって、定常状態における動作効率を悪化させることなく、また、回路コストを過剰に増加させることなく、部分陰による課題を解決しうるという知見を得た。

図１（ａ）は、本発明の実施例１に係る太陽光発電システムのブロック図である。太陽電池アレイ５は、太陽電池モジュール１を複数枚直列に並べたストリング３と呼ばれる単位が並列に並べられることによって構成される。各太陽電池モジュール1には、逆バイアスが掛かった時、逆方向電流が流れるのを防止するため、バイパスダイオード２が取り付けられており、各ストリング単位でも、逆方向に電流が流れ込むのを防止するための逆流防止ダイオード４が取り付けられている。

この太陽電池アレイの出力電圧を制御するために、ＤＣ／ＤＣコンバータ回路を用いる。ＤＣ／ＤＣコンバータ回路は、コイル６、ダイオード７、コンデンサ８、スイッチング素子９で構成された昇圧チョッパ１０によって実現され、スイッチング素子９のスイッチング動作におけるオンとオフ比である通流率を可変することによって太陽電池アレイの出力電圧を制御する。

ある通流率を持った制御信号は、制御部１３におけるＭＰＰＴ制御部において生成され、レベルシフタ１５を介してスイッチング素子９のゲート電極に送信される。ＭＰＰＴ制御部には、パワーエレクトロニクスＯＳ（ＰＥＯＳ）を内蔵したＣＰＵやＤＳＰが用いられる。

また、センサ１１ｂは、太陽電池パネルの出力電圧を検出する電圧検出回路、センサ１２ｂは、太陽電池の出力電流を検出する出力電流検出回路である。検出された電圧情報と電流情報は、それぞれ、バッファ１１ａ、バッファ１２ａを介してインピーダンス変換され、ＡＤ変換器ＡＤＣ１、ＡＤ変換器ＡＤＣ２によってデジタル値に変換された後、ＭＰＰＴ制御部に送信される。これにより、太陽電池パネルの出力をフィードバックしながら、通流率を制御することできる。

太陽電池アレイからの出力はＤＣであるため、ＤＣ／ＡＣインバータ回路を介して、商用の系統電源に接続する。太陽電池システムの中において、インバータ回路と商用の系統電源は、電気的負荷１８の役割を担っているとみなすことができる。一般に、太陽電池アレイから商用の系統電源に接続するまでの機器がパワーコンディショナ１４である。

センサ１２ｂによって、太陽電池の出力電流は検出され、ＡＤ変換器ＡＤＣ２によってデジタル値に変換されるので、この情報を用いて、電流変化演算部によって出力電流の単位時間当たりの変化を演算することができる。しきい値設定部において予め設定しておいたしきい値と演算結果を比較して、その変化の絶対値がしきい値を超えない場合は、ＭＰＰＴ制御部１を選択し、太陽電池アレイの出力を制御する。逆に、電流変化の絶対値がしきい値を超えた場合は、ＭＰＰＴ制御部２を選択する。

ここで、ＭＰＰＴ制御部１は、太陽電池アレイの出力電圧を第１の変化幅で変化させ、変化の前後で出力電圧を比較する制御であれば良く、例えば前述の山登り法が該当する。これに対し、ＭＰＰＴ制御部２は、太陽電池アレイの出力電圧を、第１の変化幅より大きい第２の変化幅で変化させ、変化の前後で出力電圧を比較する制御であれば良く、例えば、遺伝アルゴリズムやフィボナッチ探索といった、探索幅を可変にするＭＰＰＴ制御がこれに該当する。ここで、「変化幅」とは、変化前の出力電圧と、変化後の出力電圧の差の絶対値を意味する。

ここで、上記２種のＭＰＰＴ制御には、以下の特徴がある。ＭＰＰＴ制御部１による制御は、出力電圧の変化幅が相対的に小さいため、最大電力点付近で太陽電池アレイを動作させられる半面、太陽電池アレイに部分陰が生じた場合に局所解に陥る課題がある。これに対し、ＭＰＰＴ制御部２による制御は、出力電圧の変化幅が相対的に大きいため、部分陰が生じても局所解に陥らず最大電力点を探索できる半面、最大電力点と外れた電圧に出力電圧を制御する期間が長くなり、動作効率が劣る課題がある。

これに対し、実施例１に係る発明は、太陽電池の出力電圧を第１の変化幅で変化させ、変化の前後における太陽電池の出力電力を比較する第１の制御部と、出力電圧を第１の変化幅よりも大きい第２の変化幅で変化させ、変化の前後における出力電力を比較する第２の制御部と、太陽電池の出力電流の単位時間当たりの変化量の絶対値と、所定のしきい値とを比較する比較部とを有し、比較部によって変化量の絶対値が所定のしきい値よりも小さいと判定された場合は、第１の制御部が選択され、比較部によって変化量の絶対値が所定のしきい値よりも大きいと判定された場合は、第２の制御部が選択されることを特徴とする。

ここで、本実施例においては、太陽電池とは太陽電池アレイを想定している（以後の実施例では異なる場合がある）。また、出力電圧はセンサ１１ｂ等の電圧検出部より、出力電流はセンサ１２ｂ等の電流検出部より得ることができ、これらを乗ずることで出力電力も得ることができる。

係る構成を有することで、以下の効果を有する。上述の通り本願発明者は、出力電流の変化量により部分陰の有無を判定できるという知見を得ているため、出力電流の変化量が所定のしきい値を超えていない場合は、太陽電池アレイに部分陰が掛かっていないと判定できる。従って、この場合は、ＭＰＰＴ制御部１を選択することで、より効率的に太陽電池アレイを動作できる。これに対し、出力電流の変化量が所定のしきい値を超えている場合は、太陽電池アレイに部分陰が掛かっていると判定できるので、ＭＰＰＴ制御部２を選択することで、ＭＰＰＴ制御が局所解に陥るのを防止できるのである。

また、係る制御は、比較器、電流変化演算部、しきい値設定部といった一般的な回路にて実現できる。そのため、計測部を太陽電池に搭載するようなコストが問題になることも無い。

図５は、ＭＰＰＴ制御１とＭＰＰＴ制御２の選択機能をより具体的にしたものである。

まず、図５（ａ）に示すように、まず、ＭＰＰＴ制御１によって制御され、動作電圧Ｖg、Ｖmpp、Ｖhを行き来し(以下、ＶgとＶmmpの変化幅、及びＶmmpとＶhの変化幅（変化幅１）を第１の変化幅とする)、最大電力点を追従している状態を考える。

次に、図５（ｂ）に示すように、部分陰が掛かり、太陽電池の特性が、突如、複数の局所解をもつ特性になったと仮定する。この場合、前述したとおり、電流の急激な変化が起こるから、その変化を感知し、制御方法をＭＰＰＴ制御１からＭＰＰＴ制御２に変換する。ここで、以下の説明では、ＭＰＰＴ制御２として、図５（ｃ）に示すような動作電圧Ｖh、Ｖiと一度探索幅を広げた後で、再度、探索幅を可変しながら、追従し直していくという探索一変数手法の１つであるフィボナッチ探索を適用した場合を例として挙げる。しかし、少なくともＶhとＶiの間の変化幅(第２の変化幅)を、ＶgとＶmmpの間の変化幅及びＶhとＶmmpとの間の変化幅(第１の変化幅)よりも大きくする制御を行っていれば良く、フィボナッチ探索に限定はされない。そして、図５（ｄ）に示すようにフィボナッチ探索を何度か続けた後で、動作電圧Ｖi、Ｖjとなり、フィボナッチ探索の探索幅を示すフィボナッチ探索数列の値が充分小さくなると、制御方法をＭＰＰＴ１つまり山登り法に戻して、動作電圧Ｖi、Ｖmpp１、Ｖjを行き来させ、最大電力点付近で常に動作させる。

係る制御を行うことによって、図５（ｂ）のように部分陰が生じた場合でも、最終的に図５（ｅ）のように最大電力点での動作を実現している。その上で、定常状態では、図５（ａ）や図５（ｅ）のようなＭＰＰＴ制御１にて動作しているため、常にフィボナッチ探索を行うような制御と比較して、最大電力点以外を探索することによる電力のロスが少ない。さらに、係る機能を実現するために追加される回路は、ＭＰＰＴ制御部２、比較器、電流変化演算部、しきい値設定部等であり、これらは実際には、ＣＰＵ、ＤＳＰ等の機能の一部として実現可能であるため、別途計測部等を搭載するのと比較して、追加コストを抑えることが可能である。

その結果、従来技術と比較して、定常状態では最大電力付近での動作を行いつつ、部分陰が生じた場合には局所解に陥ることを防止する、という２つの利点を両立することが可能となる。さらに、そのためのコストも安価で実現することが可能となる。

ここで、しきい値の設定の例を以下に記述する。各モジュールの出力電流は図９に記載の式(１)(２)で表される。

ｋ、ｑ、Ｅgは、一定値であり、ｎ、Ｃｏは、太陽電池デバイス特性で左右され、デバイスパラメータとして管理される値である。Ｒs:直列抵抗は、太陽電池セルの測定により判明する値である。これらのパラメータと太陽電池デバイスの静特性から開放電圧、短絡電流、ＭＰＰ時の出力電流、出力電圧から、連立方程式を解いて、Ｉshが定まると、式(１)をＩ、Ｉph、Ｖ、Ｔをパラメータとした式で表すことができる。ｎ、Ｃｏなどの太陽電池セルのデバイス特性で不明なものがある場合でもニュートン法などを適用することで、式（１）をＩ、Ｉph、Ｖ、Ｔをパラメータとした式で表すことができる。

ストリングの解析に関しては、４枚のモジュールに流れる電流Ｉは共通であるので、電流Ｉが流れている場合のモジュール電圧Ｖ1〜Ｖ4を式(１)(２)から求め、その和Ｖを求めればよい。すなわち、１つのストリング全体の電圧Ｖ（Ｉ）は図１０に記載の式(３)である。

各太陽電池モジュールには、逆バイアスが掛かった時、逆方向電流が流れるのを防止するバイパスダイオードが取り付けられている。また、式(１)(２)では、ＩからＶを求めるので逆関数を計算しなくてはならない。バイパスダイオードのモデルを取り込んだ逆関数の計算は、ニュートン法を用いて簡単に行うことができる。最大電力点は、dＰ/dＶ＝０となる点であるので、図１１に記載のように、式(４)から式(６)に示すような関係が求まる。｜dＶ｜は昇圧チョッパの変化幅のため既知の値であり、式(１)より、図１２に記載の式(７)に示すような関係が求まる。

ここで式(７)を構成するＩph及びＴは、メガソーラに搭載している日射計や温度計から取得した値を用いて決定することができ、Ｖは昇圧チョッパ１０が定める動作電圧であり、ＡＤ変換器ＡＤＣ１より算出することができる。その他の変数は物理パラメータであり、太陽電池モジュールを構成するデバイスによってある程度のばらつきはあるもののパラメータ値をフィッテング等で定めることができる値である。また、Ｉ／Ｖは、ＡＤ変換器ＡＤＣ１とＡＤ変換器ＡＤＣ２で検出された値からも算出することができる。

このようにして、式(６)によって求まった｜dＩ｜を基準として、少なくとも|dＩ|より大きい値をしきい値として設定すれば、局所解が生じたことを判定可能である。そのため、ＭＰＰＴ制御２に切り替えることで、局所解を防止する効果を奏することができる。しきい値としては、例えば、２×｜dＩ｜といった値をしきい値として設定すれば良い。

このように、本願発明のしきい値は、出力電圧及び出力電流および探索幅である電圧幅を元に決定することができる。この場合のしきい値の決定は、従来用いられているシステムに搭載されている電流センサおよび電圧センサで実現することが可能で、現状システムのコストのままで発電効率を上げることができるので、発電コストと言う面で大きな効果がある。

また、図１（ｂ）に示すように、日射計２０、温度計２１から取得した値に基づいて決定することもできる。メガソーラのような大規模発電では、計測サイトにおいて日射計や温度計といった計測器が設置されている。日射計から太陽電池アレイに照射されている日射量を計測することができ、温度計で計測した気温情報から、JIS C 8907より太陽電池アレイ温度を推測することができる。これらの情報をＡＤ変換器ＡＤＣ３、ＡＤ変換器ＡＤＣ４でデジタル変換し、式(１)、及び式(２)と電流センサおよび電圧センサのデジタル情報から理論値予測部において、部分陰のない状態での動作点を予測することができるため、予測値と計測結果と式(６)によって求まった｜dＩ｜を比較演算することによって、特性の予測制度を向上させることができる。

図２は、本発明の実施例２に係る太陽光発電システムのブロック図である。同図において、図１（ａ）に示す太陽光発電システム内の太陽電池アレイを太陽電池モジュールが直列に接続されているストリングに置き換えたものであるので、図１（ａ）と同一符号は、同一動作を行なうので説明は省略する。

図７を用いて上述したように、太陽光発電システムが複数の局所解をもつ特性となる主要因は、太陽電池モジュールが直列に接続されているストリングに掛かる部分陰であるため、図２のようなストリング単位で制御することによっても、実施例１に係る発明と同様の効果を奏することが可能である。さらに、制御対象に含まれる太陽電池モジュールの数が、実施例１に係る場合よりも少なくなるため、より太陽電池モジュールのばらつきの影響を受けにくいというメリットがある。本実施例の場合、ストリング毎に制御を行うため、アレイ毎に制御を行うよりはある程度コストが増大するが、この差よりもばらつきの影響が大きい場合に、特に本実施例が有効となる。また、モジュール毎に制御を行うことに比較すれば、コスト面においても大きくならない。

図３は、本発明の実施例３に係る太陽光発電システムのブロック図である。図１（ａ）同様、センサ１２ｂによって検出され、ＡＤ変換器ＡＤＣ２によってデジタル値に変換された出力電流の変化をしきい値設定部において予め設定しておいたしきい値と演算結果を比較する。

センサ１２ｂによって検出し、ＡＤ変換器ＡＤＣ２によってデジタル値に変換する動作は、ＭＰＰＴ制御部１での山登り法を行うためのものであり、昇圧チョッパ１０の性能等によってサンプリング速度が制約される。これに対し、図８（ｃ）を用いて詳述した通り、部分陰が生じる場合においては、短時間に電流が急激に変化する場合がある。したがって、電流の変化をモニターするために、サンプリング速度が足りない場合も考えられる。

そこで、本実施例に係る発明においては、出力電流をアナログからデジタルに変換して前記電流変化演算部に供給するＡＤ変換器であるＡＤＣ３に供給されるクロックの周波数は、ＡＤ変換器ＡＤＣ１及びＡＤ変換器ＡＤＣ２に供給されるクロックの周波数よりも高いことを特徴とする。このようなクロックは、サンプリング速度の速い分周器１を用いて生成され、これによって、部分陰により短時間に電流変化が生じる場合であっても、当該電流変化をモニターすることができる。

図４は、本発明の実施例３に係る太陽光発電システムのブロック図である。同図において、図３に示す太陽光発電システム内の太陽電池アレイを太陽電池モジュールが直列に接続されているストリングに置き換えたものであるので、図３と同一符号は、同一動作を行なうので説明は省略する。

図８を用いて上述したように、太陽光発電システムが複数の局所解をもつ特性となる主要因は、太陽電池モジュールが直列に接続されているストリングに掛かる部分陰であるため、図４のようなストリング単位で制御することで、最大電力点ではない局所解での動作に対する回避が可能であり、ストリング毎に設けるため、コスト面においても大きくならないというメリットがある。

１…太陽電池モジュール
２…バイパスダイオード
３…太陽電池ストリング
４…逆流防止ダイオード
５…太陽電池アレイ
６…コイル
７…ダイオード
８…コンデンサ
９…スイッチング素子
１０…昇圧チョッパ
１１ａ…バッファ
１１ｂ…センサ
１２ａ…バッファ
１２ｂ…センサ
１３…制御部
１４…パワーコンディショナ
１５…レベルシフタ
１６…電気的負荷

Claims (12)

1. 太陽電池と、
   前記太陽電池の出力電圧を制御する電圧制御部と、
   前記太陽電池の出力電圧を検出する電圧検出部と、
   前記太陽電池の出力電流を検出する電流検出部と、
   前記電圧制御部に前記出力電圧を第１の変化幅で変化させ、変化の前後における前記太陽電池の出力電力を比較する第１の制御部と、
   前記電圧制御部に前記出力電圧を前記第１の変化幅よりも大きい第２の変化幅で変化させ、変化の前後における前記出力電力を比較する第２の制御部と、
   前記電流検出部によって検出された電流の単位時間当たりの変化量の絶対値と、所定のしきい値とを比較する比較部とを有し、
   前記比較部によって、前記変化量の絶対値が前記所定のしきい値よりも小さいと判定された場合は、前記第１の制御部が選択され、
   前記比較部によって、前記変化量の絶対値が前記所定のしきい値よりも大きいと判定された場合は、前記第２の制御部が選択されることを特徴とする太陽光発電システム。
2. 請求項１記載の太陽光発電システムにおいて、
   前記太陽電池は、複数の太陽電池モジュールを直列に接続した太陽電池ストリングを複数有し、前記複数の太陽電池ストリングが並列に接続された太陽電池アレイであることを特徴とする太陽光発電システム。
3. 請求項１記載の太陽光発電システムにおいて、
   前記太陽電池は、複数の太陽電池モジュールを直列に接続した太陽電池ストリングであることを特徴とする太陽光発電システム。
4. 請求項１記載の太陽光発電システムにおいて、
   前記しきい値は、前記出力電圧及び前記出力電流に基づいて算出されることを特徴とする太陽光発電システム。
5. 請求項１記載の太陽光発電システムにおいて、
   前記しきい値は、前記太陽電池の温度及び前記太陽電池に対する日射量に基づいて算出されることを特徴とする太陽光発電システム。
6. 請求項１記載の太陽光発電システムにおいて、
   前記変化量を算出して前記比較部に供給する電流変化演算部と、
   前記出力電圧を、アナログからデジタルに変換して前記第１の制御部及び前記第２の制御部に供給する第１のＡＤ変換器と、
   前記出力電流を、アナログからデジタルに変換して前記第１の制御部及び前記第２の制御部に供給する第２のＡＤ変換器と、
   前記出力電流を、アナログからデジタルに変換して前記電流変化演算部に供給する第３のＡＤ変換器とをさらに有し、
   前記第３のＡＤ変換器に供給されるクロックの周波数は、前記第１のＡＤ変換器に供給されるクロックの周波数及び前記第２のＡＤ変換器に供給されるクロックの周波数よりも高いことを特徴とする太陽光発電システム。
7. 太陽電池を制御する制御システムにおいて、
   前記太陽電池の出力電圧を第１の変化幅で変化させ、変化の前後における前記太陽電池の出力電力を比較する第１の制御部と、
   前記出力電圧を前記第１の変化幅よりも大きい第２の変化幅で変化させ、変化の前後における前記出力電力を比較する第２の制御部と、
   前記太陽電池の出力電流の単位時間当たりの変化量の絶対値と、所定のしきい値とを比較する比較部とを有し、
   前記比較部によって、前記変化量の絶対値が前記所定のしきい値よりも小さいと判定された場合は、前記第１の制御部が選択され、
   前記比較部によって、前記変化量の絶対値が前記所定のしきい値よりも大きいと判定された場合は、前記第２の制御部が選択されることを特徴とする制御システム。
8. 請求項７記載の制御システムにおいて、
   前記太陽電池は、複数の太陽電池モジュールを直列に接続した太陽電池ストリングを複数有し、前記複数の太陽電池ストリングが並列に接続された太陽電池アレイであることを特徴とする制御システム。
9. 請求項７記載の制御システムにおいて、
   前記太陽電池は、複数の太陽電池モジュールを直列に接続した太陽電池ストリングであることを特徴とする制御システム。
10. 請求項７記載の制御システムにおいて、
    前記しきい値は、前記出力電圧及び前記出力電流に基づいて算出されることを特徴とする制御システム。
11. 請求項７記載の制御システムにおいて、
    前記しきい値は、前記太陽電池の温度及び前記太陽電池に対する日射量に基づいて算出されることを特徴とする制御システム。
12. 請求項７記載の制御システムにおいて、
    前記出力電流の変化量を算出して前記比較部に供給する電流変化演算部と、
    前記出力電圧を、アナログからデジタルに変換して前記第１の制御部及び前記第２の制御部に供給する第１のＡＤ変換器と、
    前記出力電流を、アナログからデジタルに変換して前記第１の制御部及び前記第２の制御部に供給する第２のＡＤ変換器と、
    前記出力電流を、アナログからデジタルに変換して前記電流変化演算部に供給する第３のＡＤ変換器とをさらに有し、
    前記第３のＡＤ変換器に供給されるクロックの周波数は、前記第１のＡＤ変換器に供給されるクロックの周波数及び前記第２のＡＤ変換器に供給されるクロックの周波数よりも高いことを特徴とする制御システム。
    

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