JP5581965B2 - Mppt制御器、太陽電池制御装置、太陽光発電システム、mppt制御プログラム、およびmppt制御器の制御方法 - Google Patents
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Description
環境データである日射量を取得するとともに、当該日射量のときに探索された最大動作点において計測された最大動作電流値を取得する。そして、日射量と、最大動作電流値との間に成立する関係式を推計する。なお、この推計は、1回以上、日射量を計測して、そのときの最大動作電流値を計測することで得ることが可能である。
環境データである温度を取得するとともに、当該温度のときに探索された最大動作点において計測された最大動作電圧値を取得する。そして、温度と最大動作電圧値との間に成立する関係式を推計する。なお、この推計は、2回以上、温度を計測して、そのときの最大動作電圧値を計測することで得ることが可能である。
(太陽光発電システムについて)
本発明の一実施形態について図1〜図7を参照して説明する。図2に示すように、太陽光発電システム1は、太陽電池アレイ(以下「アレイ」と略称する)10、パワーコンディショナ(太陽電池制御装置)11、表示器12、入力器13、日射計(計測部)14、温度計(計測部)15、負荷16を備える構成である。
次に、図1を用いて、MPPT制御器20の詳細について説明する。図1は、MPPT制御器20の概略的構成を示す機能ブロック図である。同図に示すように、MPPT制御器20は制御部30および記憶部50を備える構成である。
次に、図3を用いて探索制御部34の制御の具体例(山登り法)について説明する。
次に、図4を用いて、推定式算出部32が算出し推定式記憶部61に記憶する推定式について詳細に説明する。
推定式算出部32が、最大動作電流値を推定するための推定式を算出する手法は、次のとおりである。
よって、基準となる日射量および当該日射量における最大動作電流値がわかっていれば、所望の日射量における最大動作電流値を推定式(A)から求めることが可能となる。つまり、推定式(A)は日射量と最大動作電流値との比例関係を示している。
推定式算出部32が、最大動作電圧値を推定するための推定式を算出する手法は、次のとおりである。
また、上記回帰式(1)に基づいて、モジュール温度tのときの推定最大動作電流値Vmaxを求めるための推定式(B)を算出することができる。
ここで、VTは、直線L2の傾きを示しており、モジュール温度と当該モジュール温度における最大動作電圧値とを2回計測することにより近似的に求めることができる。
MPP推定部35は、次の(i)および(ii)のいずれかの方法により最大動作点を推定する。
次に、図6を用いて、太陽光発電システム1において、推定最大動作点でアレイ10を動作させる処理について説明する。
以上のように、本発明に係るMPPT制御器20は、日射計14/温度計15から日射量および/または温度を取得し、電流計17a/電圧計17bから電流値および/または電圧値を取得する計測データ取得部31と、インバータ18を制御することによりアレイ10の動作点を制御して最大動作点を探索する探索制御部34と、上記日射量と上記最大動作電流値との間に成立する推定式(A)および/または上記温度と上記最大動作電圧値との間に成立する推定式(B)を推計する推定式算出32と、或る日射量または或る温度における最大動作点を推定式(A)または(B)を用いて推定するMPP推定部35と、を備える構成である。
以下において、太陽光発電システム1の好ましい変形例について説明する。
以上では、推定式算出部32が、最大動作電圧を推定するための推定式(B)を、モジュール温度を説明変数とする線形回帰分析により算出する場合について説明した。これに限られず、推定式算出部32は最大動作電圧を推定するための推定式を重回帰分析により算出してもよい。
この回帰式から、VT、GV、Cを推計することにより、モジュール温度t、日射量gの時の最大動作電圧Vmaxを示す次の推定式(C)が得られる。
[計測と推計のタイミング]
なお、推定式(A)〜(C)は、太陽光発電システム1の導入時に1回または複数回、各計測機器による計測を行って算出してもよいし、導入後に最大動作点を探索した際に、都度算出してもよい。また、この探索は、ユーザが入力器13を操作することによって手動によって行ってもよいし、自動的に、例えば定期的に行ってもよい。特に、MPPT制御器20によれば、各計測機器による計測は、最大動作電流値−日射量については、1回、最大動作電圧値−温度については2回で済むので、導入時の設定作業の効率化を図ることができる。
MPPT制御器20は、次のようにして、推定された最大動作点から、実際の最大動作点を探索する構成であってもよい。すなわち、MPPT推定部35が最大動作点を推定し、この推定された最大動作点を基点として、探索制御部34が最大動作点の探索を行う。そして、この結果得られた最大動作点に基づいて、インバータ18がアレイ10を動作させる。
図7を用いて、推定式(A)〜(C)の算出に際して、目標値を設定しておく手法について説明する。
本発明の他の実施形態について図8および図9を参照して説明すると以下のとおりである。本実施形態では、図1を用いて説明した太陽光発電システム1のパワーコンディショナ11が備えるMPPT制御器20において、アレイ10の異常判定をする場合について説明する。
次に、図9を用いて、異常判別部41および異常判定データベース70の詳細について説明する。
上記構成によれば、挙動パターン診断部47が、アレイ10が「一時的異常」状態であるか否かを判定することができる。このため、アレイ10が「一時的異常」であるのか、「永続的異常」であるのかに応じて、適宜アレイ10を動作させることができるという効果を奏する。
本発明のさらに他の実施形態について図10および図11を参照して説明する。まず、図10を用いて本実施形態に係る太陽光発電システム2について説明する。太陽光発電システム2は、太陽光発電システム1とは、次の点で相違する。
次に、図11を用いて、一例として、モジュールM21のDCDC制御装置80の構成について詳細に説明する。同図に示すように、DCDC制御装置80は、計測器17と、電圧設定部180と、MPPT制御器(動作点制御器)22とを備える構成である。
上記構成のメリットとしては次のことが考えられる。まず、モジュールが直列に接続されたストリングの一部に部分的な影ができた場合(例えば、モジュール上に木の葉が落ちている場合など)、ストリング全体の発電量が数分の一にまで低下するという課題が一般的に知られている。これに対して、太陽光発電システム2では、DCDC制御装置80がモジュール単位でDCDC(直流−直流)変換を制御するので、影の影響が及ぶ範囲を、その影がかかっているモジュールのみに限定することができる。
本発明のさらに他の実施形態について図12〜15を参照して説明する。まず、図12を用いて本実施形態に係る太陽光発電システム3について説明する。太陽光発電システム3は太陽光発電システム1と次の点で相違する。
次に、図13を用いてMPPT制御器23の詳細について説明する。図13に示すように、MPPT制御器23には、MPPT制御器20の計測データ取得部31に替えて計測データ取得部(日射量/温度取得手段、電流/電圧取得手段、開放電圧値取得手段)310が設けられており、異常判別部41に替えて異常判別部(異常状態判定手段)410が設けられている。また、MPPT制御器23には、異常判定データベース70に替えて異常判定データベース700が設けられている。
次に、図14を用いて異常判別部410の詳細について説明する。図14に示すように、異常判別部410は、異常判別部41において、モジュール診断部(異常状態判定手段、開放電圧値判定手段)48がさらに追加された構成である。また、異常判定データベース700は、異常判定データベース70において、開放電圧記憶部75および発電電流・電圧記憶部76がさらに追加された構成である。
次に、図15を用いて、手法選択処理の流れについて説明する。
各モジュールがDCDC制御装置81を備える構成であるので、各モジュールの直流電流値および直流電圧値を計測することができる。よって、モジュールごとに、開放電圧値、発電電流値、および発電電圧値が異常であるか、正常であるかを判定することができる。これにより、モジュール単位の詳細な異常判別が可能となる。
以下において、太陽光発電システム3における好ましい変形例について説明する。
上記異常判定処理は、太陽光発電システム2のDCDC制御装置80において適用することができる。すなわち、MPPT制御器22において、異常判別部410および異常判定データベース700を備える構成にすることも可能である。
モジュールごとに備える日射計14は、1つ日射計14のみが絶対的な日射量を計測し、その他の日射計14は、当該絶対的な日射量に対して相対的な差分を検知するように構成されていてもよい。よって、例えば、モジュールの一部を上記その他の日射計14の代用とすることも可能である。
モジュール診断部48によって、発電電流値および発電電圧値の少なくとも一方が異常範囲にあることによりモジュールが異常状態であると診断された結果、探索制御部34による最大動作点探索処理が実行された後に、異常値である当該発電電流値および/または発電電圧値を探索された最大動作点における電流値・電圧値と対応付けて記憶部50に記憶しておいてもよい。
異常値である当該発電電流値および/または発電電圧値を、探索された最大動作点における電流値・電圧値と対応付けて記憶部50に記憶する場合、これらのデータの組を学習データとして、例えば、教師つき学習手法として、ベイジアンネットワークのネットワーク構造および条件付確率表の集合としてモデル化してもよい。
開放電圧値は、モジュールごとにおおよそ固有の値となる。よって、開放電圧記憶部75には、例えば、モジュールの製造者が仕様として公表している開放電圧値を記憶しておくことが考えられる。また、モジュール診断部48は、計測された開放電圧値がモジュール仕様の開放電圧値の所定以下、例えば50%以下となった場合に、当該モジュールに異常が生じていると診断してもよい。
開放電圧記憶部75に記憶するモジュールの正常な開放電圧値の範囲、および発電電流・電圧記憶部76に記憶するモジュールの正常な発電電流値・電圧値の範囲は、次のようにして決定してもよい。
[動作点の調製について]
インバータ18は、探索制御部34、MPP推定部35からの制御・指示に従い、モジュールごとに動作電流値・動作電圧値を設定することにより動作点を調整してもよい。例えば、インバータ18は推定動作点でモジュールを動作させるようにDCDC制御装置81に指示してもよい。これにより、各モジュールを最適な手法により動作させることができる。また、インバータ18はストリング単位に動作点を制御してもよい。これにより、ストリング単位で最大動作点を調整する手法を変更することができる。
本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
11、111 パワーコンディショナ(太陽電池制御装置)
14 日射計(計測部)
15 温度計(計測部)
17 計測器(計測部)
17a 電流計
17b 電圧計
18 インバータ
20〜23 MPPT制御器(動作点制御器)
30、301 制御部
31、310 計測データ取得部(計測データ取得手段、日射量/温度取得手段、電流/電圧取得手段、開放電圧値取得手段)
32 推定式算出部(推計手段、推定精度計算手段)
33 目標値設定部(目標値設定手段)
34 探索制御部(最大動作点探索手段、探索開始手段)
35 MPP推定部(推定手段)
41、410 異常判別部(異常状態判定手段)
42 手法選択部(探索手法選択手段)
43 正規化関数作成部
44 故障判定部(異常状態判定手段)
45 正規化部
48 モジュール診断部(異常状態判定手段、開放電圧値判定手段)
50 記憶部
51 MPP計測データ記憶部
53 推定式記憶部
60 定格値データベース
61 推定式記憶部
62 目標値記憶部
70、700 異常判定データベース
71 正規化関数記憶部
75 開放電圧記憶部
80 DCDC制御装置(太陽電池制御装置)
180 電圧設定部
Claims (12)
- 太陽電池の最大動作点を探索して太陽電池の動作を制御するMPPT(Maximum Power Point Tracking)制御器において、
上記太陽電池の周辺環境の計測値である環境データと、上記太陽電池から出力される電力に関連する情報を示す電力データとを取得する計測データ取得手段と、
上記環境データと、探索した最大動作点における電力データとの間に成立する関係式を推計する推計手段と、
上記太陽電池について計測される環境データを用いて、上記推計手段が推計した関係式から最大動作点を推定する推定手段と、を備えており、
上記環境データは、日射量および温度であり、
上記推計手段は、上記日射量と探索した最大動作点における電力データとの間に成立する第1関係式、および、上記温度と探索した最大動作点における電力データとの間に成立する第2関係式を推計し、
上記推定手段は、上記日射量または上記温度の計測値に基づいて、上記第1関係式、または、上記第2関係式を選択し、当該選択した関係式から最大動作点を推定することを特徴とするMPPT制御器。 - 太陽電池の最大動作点を探索して太陽電池の動作を制御するMPPT(Maximum Power Point Tracking)制御器において、
上記太陽電池の周辺環境の計測値である環境データと、上記太陽電池から出力される電力に関連する情報を示す電力データとを取得する計測データ取得手段と、
上記環境データと、探索した最大動作点における電力データとの間に成立する関係式を推計する推計手段と、
上記太陽電池について計測される環境データを用いて、上記推計手段が推計した関係式から最大動作点を推定する推定手段と、
太陽電池が異常状態であるか否かを判定する異常状態判定手段と、
上記異常状態判定手段の判定結果に基づいて、最大動作点を設定する手法を選択する探索手法選択手段と、を備えることを特徴とするMPPT制御器。 - 上記推計手段によって推計された上記関係式を記憶する記憶部を備え、
上記推計手段は、新たに取得された上記環境データと、新たに取得された上記電力データとを用いて上記記憶部に記憶されている上記関係式を更新することを特徴とする請求項1に記載のMPPT制御器。 - 推計された関係式から上記推定手段が推定した最大動作点を基点に、最大動作点の探索を開始する探索開始手段を備えることを特徴とする請求項1に記載のMPPT制御器。
- 上記太陽電池の開放電圧値を取得する開放電圧値取得手段と、
上記開放電圧値が、正常な範囲にあるか否かを判定する開放電圧値判定手段と、を含み、
上記異常状態判定手段は、上記開放電圧値判定手段によって上記開放電圧値が正常な範囲にないと判定された場合、上記太陽電池が異常状態であると判定することを特徴とする請求項2に記載のMPPT制御器。 - 請求項1または2に記載のMPPT制御器と、太陽電池から出力された電流に対して電圧を設定し、該電圧で外部へ出力する電圧設定部とを備え、
上記MPPT制御器が、上記電圧設定部を制御することを特徴とする太陽電池制御装置。 - 上記太陽電池の周辺環境の計測値と、上記太陽電池から出力される電力とを計測する計測部を備える請求項6に記載の太陽電池制御装置。
- 請求項7に記載の太陽電池制御装置と、
上記太陽電池制御装置と接続される太陽電池とを備える太陽光発電システム。 - 太陽電池の最大動作点を探索して太陽電池の動作を制御するMPPT制御器を動作させるMPPT制御プログラムであって、
上記太陽電池の周辺環境の計測値である環境データと、上記太陽電池から出力される電力に関連する情報を示す電力データとを取得する計測データ取得ステップと、
上記環境データと、探索した最大動作点における電力データとの間に成立する関係式を推計する推計ステップと、
上記太陽電池について計測される環境データを用いて、上記推計ステップにおいて推計した関係式から最大動作点を推定する推定ステップと、を含んでおり、
上記環境データは、日射量および温度であり、
上記推計ステップは、上記日射量と探索した最大動作点における電力データとの間に成立する第1関係式、および、上記温度と探索した最大動作点における電力データとの間に成立する第2関係式を推計するステップであり、
上記推定ステップは、上記日射量または上記温度の計測値に基づいて、上記第1関係式、または、上記第2関係式を選択し、当該選択した関係式から最大動作点を推定するステップである処理をコンピュータに実行させるためのMPPT制御プログラム。 - 太陽電池の最大動作点を探索して太陽電池の動作を制御するMPPT制御器を動作させるMPPT制御プログラムであって、
上記太陽電池の周辺環境の計測値である環境データと、上記太陽電池から出力される電力に関連する情報を示す電力データとを取得する計測データ取得ステップと、
上記環境データと、探索した最大動作点における電力データとの間に成立する関係式を推計する推計ステップと、
上記太陽電池について計測される環境データを用いて、上記推計ステップにおいて推計した関係式から最大動作点を推定する推定ステップと、
太陽電池が異常状態であるか否かを判定する異常状態判定ステップと、
上記異常状態判定ステップの判定結果に基づいて、最大動作点を設定する手法を選択する探索手法選択ステップである処理をコンピュータに実行させるためのMPPT制御プログラム。 - 太陽電池の最大動作点を探索して太陽電池の動作を制御するMPPT制御器の制御方法において、
上記太陽電池の周辺環境の計測値である環境データと、上記太陽電池から出力される電力に関連する情報を示す電力データとを取得する計測データ取得ステップと、
上記環境データと、探索した最大動作点における電力データとの間に成立する関係式を推計する推計ステップと、
上記太陽電池について計測される環境データを用いて、上記推計ステップにおいて推計した関係式から最大動作点を推定する推定ステップと、を含んでおり、
上記環境データは、日射量および温度であり、
上記推計ステップは、上記日射量と探索した最大動作点における電力データとの間に成立する第1関係式、および、上記温度と探索した最大動作点における電力データとの間に成立する第2関係式を推計するステップであり、
上記推定ステップは、上記日射量または上記温度の計測値に基づいて、上記第1関係式、または、上記第2関係式を選択し、当該選択した関係式から最大動作点を推定するステップであることを特徴とするMPPT制御器の制御方法。 - 太陽電池の最大動作点を探索して太陽電池の動作を制御するMPPT制御器の制御方法において、
上記太陽電池の周辺環境の計測値である環境データと、上記太陽電池から出力される電力に関連する情報を示す電力データとを取得する計測データ取得ステップと、
上記環境データと、探索した最大動作点における電力データとの間に成立する関係式を推計する推計ステップと、
上記太陽電池について計測される環境データを用いて、上記推計ステップにおいて推計した関係式から最大動作点を推定する推定ステップと、
太陽電池が異常状態であるか否かを判定する異常状態判定ステップと、
上記異常状態判定ステップの判定結果に基づいて、最大動作点を設定する手法を選択する探索手法選択ステップとを含むことを特徴とするMPPT制御器の制御方法。
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