JP5659240B2

JP5659240B2 - 太陽光発電システム

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Publication number: JP5659240B2
Application number: JP2012542730A
Authority: JP
Inventors: 亨河野; 中村　明博; 明博中村; 泰幸工藤
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2010-11-08
Filing date: 2010-11-08
Publication date: 2015-01-28
Anticipated expiration: 2030-11-08
Also published as: JPWO2012063304A1; WO2012063304A1

Description

本発明は、太陽電池からの出力電力値を制御する技術に関する。

従来の太陽電池アレイは、複数の太陽電池モジュールのストリング（直列接続）に逆流防止ダイオードを介して、複数のストリングを並列接続することによって構成されている（例えば、特許文献１参照）。逆流防止ダイオードは、起電力が低下したストリングに対して、他のストリングから電流が逆流することによって電力損失が発生することを防止することを目的として搭載されている。

この太陽電池アレイを動作させる太陽光発電システムとして、太陽電池アレイに昇圧チョッパ搭載のパワーコンディショナを接続する方式が知られている（例えば、特許文献１参照）。また、各ストリングに昇圧チョッパを搭載する方式が知られている（例えば、特許文献２参照）。さらに、開放電圧の低いストリングにのみ昇圧チョッパを1段追加する方式が知られている（例えば、特許文献３参照）。

特開２００８−９１８０７号公報特開平８−４６２３１号公報特開２００６−２７７３８５号公報

太陽電池アレイを構成する太陽電池モジュールの出力電圧と出力電流の関係は、式（１）に示す特性式で表される。
Ｉ = Iph・ｐ - Io × exp{q・{(Ｖ＋Ｉ・Ｒｓ)/(n・ｋ・Ｔ)}} - Ish ・・・式（１）
ここで、各記号の意味は以下の通りである。
Ｉ :出力電流
Ｖ：出力電圧
Ｉph :光電流
Ｉｏ：逆方向飽和電流
Ｉsh :漏れ電流
Rs :直列抵抗
ｎ：接合定数（ダイオード性能指数）
ｋ：ボルツマン定数
Ｔ：温度
ｑ：素荷量
ｐ：日射量

ボルツマン定数ｋ、素荷量ｑは一定値であり、接合定数（ダイオード性能指数）ｎ、漏れ電流Ish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。直列抵抗Rsは、太陽電池セルの配線等の抵抗成分を示す値であり、組み立て工程に依存するパラメータとして管理される値である。つまり、ｎ、Ish、Rsといった値は、太陽電池モジュールに違う値を持っている。そのため、太陽電池の出力電圧と出力電流に関して、モジュール毎にばらつきを持っている。これは、複数の太陽電池モジュールを直列接続したストリングの特性に関しても同様である。

図１は、複数の太陽電池モジュールを直列接続したストリングの特性を示したものである。図１（ａ）内の特性１０１ａは、特性１００ａに対して大きなRs、Ishと小さなnを持ったストリングの特性を示したものである。この図１（ａ）に示すストリング特性について、電力（出力）−電圧の関係を示したものが図１（ｂ）である。図１（ａ）内の特性１０１ａに対応する図１（ｂ）内の特性１０１ｂは、特性１００ａに対応する１００ｂと比較すると、得られる最大電力である電力１０１ｐが電力１００ｐに比べて低く、さらに最大電力を得るための動作電圧１０１ｖに関しても動作電圧１００ｖよりも低くなり、異なる値となることが分かる。

特許文献１に記載の太陽光発電システムは、太陽電池アレイに対してパワーコンディショナが接続されているため、動作電圧は、太陽電池アレイに対して１点しか定めることができない。そのため、ストリング特性のばらつきが考慮されておらず、各ストリングから最大電力を取り出すことができなくなり電力損失が発生する。

このようなストリング特性のばらつきは、太陽電池モジュールのデバイス上のばらつきや構造上のばらつき以外にも日射量や温度といった周囲環境の変化によっても現れる。図２に示すように、屋根１０３の南向きにストリング２０４を設置し、西向きにストリング２１４を設置し、東向きにストリング２２４を設置した場合について考える。式（１）内の日射量を示すｐに関しては、通常、南向きの太陽電池に注がれる日射量を１とした場合、西向き、東向きに注がれる日射量は、０．８程度になることがよく知られている。

図３（ａ）内の特性１１１ａは、特性１１０ａに対して、８割程度の日射量が注がれた場合のストリング特性を示したものである。この図３（ａ）に示すストリング特性について、電力（出力）−電圧の関係を示したものが図３（ｂ）である。図３（ａ）内の特性１１１ａに対応する図３（ｂ）内の特性１１１ｂは、特性１１０ａに対応する１１０ｂと比較すると、得られる最大電力である電力１１１ｐが電力１１０ｐに比べて低く、さらに最大電力を得るための動作電圧１１１ｖに関しても動作電圧１１０ｖよりも低くなり、異なる値となることが分かる。

このように日射量が変化した場合に関しても、特許文献１に記載の太陽光発電システムでは太陽電池アレイに対してパワーコンディショナが接続されているため、各ストリングから最大電力を取り出すことができず電力損失が発生する。

これらの電力損失を低減するため、特許文献２では各ストリングに昇圧チョッパを搭載する方式を採用し、特許文献３では開放電圧の低いストリングにのみ昇圧チョッパを1段追加する方式を採用している。しかしながら、電力損失に対して搭載する昇圧チョッパのコストが高くなってしまい、発電コストという指標で見た場合に、対策を施すことがかえって損失になるという課題が残る。

そこで、本発明は、各ストリングから最大電力が取り出され、かつ安価な太陽光発電システムを提供することを目的とする。

本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、下記の通りである。

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、複数の太陽電池ストリングを並列接続することによって構成される太陽電池アレイと、太陽電池アレイに接続されるＤＣ／ＤＣコンバータ回路と、ＤＣ／ＤＣコンバータ回路に制御信号を出力して太陽電池アレイの動作電圧を制御するＭＰＰＴ制御部と、複数の太陽電池ストリングそれぞれに直列に接続される複数のマルチプライヤと、を備える太陽光発電システムである。複数のマルチプライヤそれぞれはバイポーラトランジスタを有し、バイポーラトランジスタのベースとエミッタ間に第１の抵抗を有し、ベースとコレクタ間に第２の抵抗を有する。

また、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、複数の太陽電池ストリングを並列接続することによって構成される太陽電池アレイと、太陽電池アレイに接続されるＤＣ／ＤＣコンバータ回路と、ＤＣ／ＤＣコンバータ回路に制御信号を出力して太陽電池アレイの動作電圧を制御するＭＰＰＴ制御部と、複数の太陽電池ストリングそれぞれに直列に接続される複数のマルチプライヤと、を備える太陽光発電システムである。複数のマルチプライヤそれぞれはＭＯＳトランジスタを有し、ＭＯＳトランジスタのゲートとソース間に第１の抵抗を有し、ゲートとドレイン間に第２の抵抗を有する。

また、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、複数の太陽電池ストリングを並列接続することによって構成される太陽電池アレイと、太陽電池アレイに接続されるＤＣ／ＤＣコンバータ回路と、ＤＣ／ＤＣコンバータ回路に制御信号を出力して太陽電池アレイの動作電圧を制御するＭＰＰＴ制御部と、複数の太陽電池ストリングの一部を並列接続したアレイそれぞれに直列に接続される複数のマルチプライヤと、を備える太陽光発電システムである。複数のマルチプライヤそれぞれはバイポーラトランジスタを有し、バイポーラトランジスタのベースとエミッタ間に第１の抵抗を有し、ベースとコレクタ間に第２の抵抗を有する。

本発明によれば、各ストリングから最大電力が取り出される太陽光発電システムを安価に提供することができる。

太陽電池の特性式中のばらつきを持つパラメータに起因した太陽電池ストリング特性のばらつきの例を示す図である。異なる日射量が注がれる太陽電池の構成例を示した図である。異なる日射量に起因した太陽電池ストリング特性のばらつきの例を示す図である。実施例１に係る太陽電池アレイの例を示す図である。実施例１に係る太陽光発電システムの例を示す図である。実施例１に係るマルチプライヤの動作電圧の例を示す図である。実施例２に係る太陽電池アレイの例を示す図である。実施例２に係るマルチプライヤの動作電圧の例を示す図である。実施例３に係る太陽光発電システムの例を示す図である。太陽電池アレイに部分陰が発生した場合の太陽電池ストリング特性の例を示す図である。実施例４に係る太陽光発電システムの例を示す図である。実施例４に係る太陽光発電システムの例を示す図である。実施例５に係る太陽光発電システムの例を示す図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しつつ説明する。なお、図面については、同一又は同等の要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

また、以下の実施の形態において、要素の数等（個数、数値、量、範囲等を含む）に言及する場合、特に明示した場合及び原理的に明らかに特定の数に限定される場合などを除き、その特定の数に限定されるものではなく、特定の数以上でも以下でもよいものとする。

図４は、本発明の実施例１に係る太陽電池アレイを示す図である。直列接続された複数の太陽電池セルにバイパスダイオード４０２を並列接続する。このバイパスダイオードによって仕切られた複数の太陽電池セルをクラスタ４０１と呼ぶ。組み立て工程においては、このクラスタ４０１を複数個直列に接続して、太陽電池モジュール４０３を形成する。この太陽電池モジュールを直列接続したものがストリング２０４である。太陽電池アレイは、ストリング２０４、ストリング２１４、及びストリング２２４が並列接続されることによって形成される。

マルチプライヤ４０５、４１５、４２５は、ストリング２０４、２１４、２２４にそれぞれ直列接続されている。マルチプライヤは、ＮＰＮ型バイポーラトランジスタのベース−コレクタ間とベース−エミッタ間に抵抗を挿入することによって構成される。ＮＰＮ型バイポーラトランジスタにはコレクタからエミッタの方向を順方向として電流が流れるので、マルチプライヤ４０５、４１５、４２５は、逆流防止ダイオードの機能、つまり起電力が低下したストリングに対して、他のストリングから電流が逆流することによって電力損失が発生することを防止する機能を有する。

図５は、マルチプライヤ４０５、４１５、４２５を搭載した太陽電池アレイ５００に制御システム５１３が接続された構成を示すものである。

コイル５０１、ダイオード５０２、コンデンサ５０３、スイッチング素子５０４によってＤＣ／ＤＣコンバータ回路５１４は構成され、スイッチング素子５０４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。

ある通流率を持った制御信号は、制御システム５１３におけるＭＰＰＴ（ＭａｘｉｍｕｍＰｏｗｅｒＰｏｉｎｔＴｒａｃｋｉｎｇ）制御部５１１において生成され、レベルシフタ５１２を介してスイッチング素子５０４のゲート電極に送信される。この制御信号は、太陽電池アレイの出力電力値が最大となるような動作電圧を追従するためのものである。ＭＰＰＴ制御部５１１には、パワーエレクトロニクスＯＳ（ＰＥＯＳ）を内蔵したＣＰＵ、ＤＳＰなどが用いられる。

また、センサ５０５は、太陽電池パネルの出力電圧を検出する出力電圧検出回路、センサ５０６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５０７、バッファ５０８を介してインピーダンス変換される。インピーダンス変換された電圧情報と電流情報はそれぞれ、ＡＤ変換器ＡＤＣ１（５０９）、ＡＤ変換器ＡＤＣ２（５１０）によってデジタル値に変換された後、ＭＰＰＴ制御部５１１に送信される。

これにより、ＭＰＰＴ制御部５１１は、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ができる。通流率を制御することは、太陽電池アレイ５００の動作電圧を一定量シフトさせることである。ＭＰＰＴ制御部の最も一般的な手法として、山登り法と呼ばれる手法が知られている。山登り法とは、ＤＣ／ＤＣコンバータ回路のスイッチング素子５０４の通流率を可変にすることで、ＭＰＰ（ＭａｘｉｍｕｍＰｏｗｅｒＰｏｉｎｔ：最大電力点）を追従するものである。具体的には、制御信号により動作電圧をシフトさせ、シフト前後の動作電圧における電力を比較し、電力が大きくなる方向に再度、動作電圧シフトを行うといった一連の動作を繰り返し行う探索手法である。

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である。

図６は、図４、５に示したマルチプライヤによって生成される電圧を説明したものである。図６（ａ）に示すようにマルチプライヤ４０５の両端子を示すバイポーラトランジスタのコレクタ−エミッタ間電圧Ｖ１は、バイポーラトランジスタのベース−エミッタ間電圧Ｖbe1に対して、ベース−コレクタ間抵抗Ｒ１とベース−エミッタ間抵抗Ｒを用いて（１＋（Ｒ／Ｒ１））の定数倍で表すことができる。ここで、ベース−エミッタ間電圧Ｖbe1は、ストリング２０４に流れる電流をI1とすると以下の式（２）で表すことができる。
Vbe1 = {(ｋ・Ｔ) / q} ・ ln (I1/I0) ・・・式(２)
ここで、各記号の意味は以下の通りである。
Ｉ0 ：逆方向飽和電流
Ｉ1 ：ストリング２０４を流れる電流
ｋ：ボルツマン定数
Ｔ：温度
ｑ：素荷量

同様に、マルチプライヤ４１５、４２５の両端子を示すバイポーラトランジスタのコレクタ−エミッタ間電圧Ｖ２、Ｖ３はそれぞれ、図６（ｂ）、（ｃ）に示すように、バイポーラトランジスタのベース−エミッタ間電圧Ｖbe２、Ｖbe３に対して、ベース−コレクタ間抵抗Ｒ２、Ｒ３とベース−エミッタ間抵抗Ｒを用いて（１＋（Ｒ／Ｒ２））、（１＋（Ｒ／Ｒ３））の定数倍で表すことができる。

ここで、逆方向飽和電流Ｉ0、ボルツマン定数ｋ、素荷量ｑは一定値である。一方、ストリング２０４に流れる電流Ｉ1、温度Ｔは多少変動するが、本実施例１では定数とみなして、コレクタ−エミッタ間電圧Ｖ１がベース−エミッタ間電圧Ｖbe1（例えば０．７Ｖ）の定数倍で表せることができるものとする。つまり、コレクタ−エミッタ間電圧Ｖ１は、ベース−コレクタ間抵抗Ｒ１とベース−エミッタ間抵抗Ｒの比率で決定されることになる。

太陽電池アレイの動作電圧は、ＤＣ／ＤＣコンバータのスイッチング素子５０４の通流率によって決まり、各マルチプライヤの両端子を示すバイポーラトランジスタのコレクタ−エミッタ間電圧は、各マルチプライヤのベース−エミッタ間抵抗Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３によって決定される。各太陽電池ストリングの動作電圧値は、太陽電池アレイの動作電圧値から各マルチプライヤのバイポーラトランジスタのコレクタ−エミッタ間電圧値を減算したものである。そのため、各ストリングの動作電圧は、各マルチプライヤ中のベース−エミッタ間抵抗Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３によって決定される。つまり、ＭＰＰＴ制御部は、制御信号により太陽電池アレイの動作電圧を制御するとともに、太陽電池ストリングごとの動作電圧も制御する。これにより、例えば図１、図３に示した各ストリングの最大電力動作電圧１００ｖ、１０１ｖ、１１０ｖ、１１１ｖを設定することが可能となる。

また、本実施例はバイポーラトランジスタと抵抗で構成されるマルチプライヤを各ストリングに対して設けるものであり、従来のように各ストリング又は開放電圧が低いストリングにＤＣ／ＤＣコンバータ回路を設ける必要がない。さらに、マルチプライヤ４０５、４１５、４２５は逆流防止ダイオードの機能も果たすため、逆流防止ダイオードを設ける必要がない。そのため、安価に各ストリングの最大電力を取り出すことができる。

Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３の決定に関しては、太陽電池モジュール４０３が出荷される時に入手することが可能な検査仕様書を用いて決定することができる。具体的には、太陽電池モジュールの静特性（開放電圧、短絡電流、ＭＰＰ時の出力電流、出力電圧）に基づいて各ストリングの動作電圧を算出することによって、Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３の各値を決定することができる。また、実際に予めストリングの特性や動作を測定し、ストリング２０４、２１４、２２４の動作を相対比較することによっても決定できることは言うまでもない。

なお、本実施例１では、マルチプライヤを構成するバイポーラトランジスタとしてＮＰＮ型バイポーラトランジスタを例に説明したが、ＰＮＰ型バイポーラトランジスタでも同様に構成可能であることは言うまでもない。

図７は、本発明の実施例２に係る太陽電池アレイを示す図である。本実施例２では、マルチプライヤにバイポーラトランジスタを用いるのではなく、ＭＯＳトランジスタを用いる点を特徴とする。

直列接続された複数の太陽電池セルにバイパスダイオード４０２を並列接続する。このバイパスダイオードによって仕切られた複数の太陽電池セルをクラスタ４０１と呼ぶ。組み立て工程においては、このクラスタ４０１を複数個直列に接続して、太陽電池モジュール４０３を形成する。この太陽電池モジュールを直列接続したものがストリング２０４であり、太陽電池アレイは、ストリング２０４とストリング２１４、ストリング２２４が並列接続されることによって形成される。

マルチプライヤ４０５ａ、４１５ａ、４２５ａは、ストリング２０４、２１４、２２４にそれぞれ直列接続されている。マルチプライヤは、ｎ型ＭＯＳトランジスタのゲート−ソース間とゲート−ドレイン間に抵抗を挿入することによって構成される。ｎ型ＭＯＳトランジスタにはドレインからソースの方向を順方向として電流が流れるので、マルチプライヤ４０５ａ、４１５ａ、４２５ａは、逆流防止ダイオードの機能、つまり起電力が低下したストリングに対して、他のストリングから電流が逆流することによって電力損失が発生することを防止する機能を有する。制御システムの構成は、実施例１と同じである。

図８は、図７に示したマルチプライヤによって生成される電圧を説明したものである。図８（ａ）に示すように、マルチプライヤ４０５ａの両端子を示すトランジスタのドレイン−ソース間電圧Ｖ４は、ＭＯＳトランジスタのゲート−ソース間電圧Ｖgs1に対して、ゲート−ドレイン間抵抗Ｒとゲート−ソース間抵抗Ｒ４を用いて（１＋（Ｒ／Ｒ４））の定数倍で表すことができる。ここで、ゲート−ソース間電圧Ｖgs１は、ストリング２０４に流れる電流をI1とすると以下の式（３）で表すことができる。
Vgs1 = Vth + √｛２・（I1）/ β｝・・・式(３)
ここで、各記号の意味は以下の通りである。
Ｉ1 ：ストリング２０４を流れる電流
Vth ：ＭＯＳトランジスタの閾値
β ：ＭＯＳトランジスタの駆動能力

同様に、マルチプライヤ４１５ａ、４２５ａの両端子を示すＭＯＳトランジスタのドレイン−ソース間電圧Ｖ５、Ｖ６は、それぞれ、図８（ｂ）（ｃ）に示すように、トランジスタのゲート−ソース間電圧Ｖgs２、Ｖgs３に対して、ゲート−ソース間抵抗Ｒ５、Ｒ６とゲート−ドレイン間抵抗Ｒを用いて（１＋（Ｒ／Ｒ５））、（１＋（Ｒ／Ｒ６））の定数倍で表すことができる。

ここで、ＭＯＳトランジスタの閾値Vth、ＭＯＳトランジスタの駆動能力βは一定値である。一方、ストリング２０４に流れる電流Ｉ1は多少変動するが、本実施例２も実施例１と同様に定数とみなして、ドレイン−ソース間電圧Ｖ４がゲート−ソース間電圧Ｖgs１の定数倍で表せることができるものとする。つまり、ドレイン−ソース間電圧Ｖ４は、ゲート−ソース間抵抗Ｒ４とゲート−ドレイン間抵抗Ｒの比率で決定されることになる。

太陽電池アレイの動作電圧は、ＤＣ／ＤＣコンバータのスイッチング素子５０４の通流率によって決まり、各マルチプライヤの両端子を示すＭＯＳトランジスタのドレイン−ソース間電圧は、各マルチプライヤのゲート−ソース間抵抗Ｒ４、Ｒ５、Ｒ６によって決定される。各太陽電池ストリングの動作電圧値は、太陽電池アレイの動作電圧値から各マルチプライヤのＭＯＳトランジスタのドレイン−ソース間電圧値を減算したものである。そのため、各ストリングの動作電圧は、各マルチプライヤ中のゲート−ソース間抵抗Ｒ４、Ｒ５、Ｒ６によって決定される。つまり、ＭＰＰＴ制御部は、制御信号により太陽電池アレイの動作電圧を制御するとともに、太陽電池ストリングごとの動作電圧も制御する。これにより、例えば図１、図３に示した各ストリングの最大電力動作電圧１００ｖ、１０１ｖ、１１０ｖ、１１１ｖを設定することが可能となる。

また、本実施例２も実施例１と同様に、従来のように各ストリング又は開放電圧が低いストリングにＤＣ／ＤＣコンバータ回路を設ける必要がなく、逆流防止ダイオードを設ける必要もない。そのため、安価に各ストリングの最大電力を取り出すことができる。

Ｒ４、Ｒ５、Ｒ６の決定に関しては、太陽電池モジュール４０３が出荷される時に入手することが可能な検査仕様書を用いて決定することができる。具体的には、太陽電池モジュールの静特性（開放電圧、短絡電流、ＭＰＰ時の出力電流、出力電圧）に基づいて各ストリングの動作電圧を算出することによって、Ｒ４、Ｒ５、Ｒ６の各値を決定することができる。また、実際に予めストリングの特性や動作を測定し、ストリング２０４、２１４、２２４の動作を相対比較することによっても決定できることは言うまでもない。

なお、本実施例２では、マルチプライヤを構成するＭＯＳトランジスタとしてｎ型ＭＯＳトランジスタを例に説明したが、ｐ型ＭＯＳトランジスタでも同様に構成可能であることは言うまでもない。

図９は、実施例３に係る太陽光発電システムを示す図である。本実施例では、マルチプライヤ４０５、４１５、４２５のコレクタ−エミッタ間電圧を計測する電圧センサ７０１、７０２、７０３を搭載し、計測された電圧情報に基づいて算出される太陽電池ストリングに流れる電流の変化が所定範囲を超えた場合に、ＭＰＰＴ制御部が太陽電池アレイの動作電圧を一定範囲変動させることを特徴とする。これにより、最大電力点でない局所解で動作することを避けて、電力損失を低減することが可能となる。

図１０（ａ）に示すような太陽電池アレイ７０４に部分陰７０５が掛かった場合におけるストリングの動作電圧‐電流特性を図１０（ｂ）に示す。陰の掛かっていない場合、特性７０６のような特性になり、陰が掛かった場合、陰が掛かった部分のクラスタに接続されているバイパスダイオードがオンするので、特性７０７のような特性になる。クラスタが故障した場合においても、バイパスダイオードがオンするので、同様の特性になる。

特性７０７となるようなストリングを太陽電池アレイが有した場合、太陽電池アレイ７０４の特性は、図１０（ｃ）の特性７０９に示すような複数の局所解を持つ特性になる。陰のない状態での太陽電池アレイ７０４の特性は、特性７０８に示すような特性であるため、バイパスダイオードがオンした瞬間、特性は急激に特性７０８から特性７０９に変化する。そのため、動作電圧はＶａあたりを維持し、最大電力点でない局所解で動作することになり、電力損失に繋がる。

式（２）に示すように、マルチプライヤを構成するトランジスタのベース−エミッタ間電圧は、ストリングを流れる電流によって変化する。したがって、ストリングの電流特性が変化はマルチプライヤのコレクタ‐エミッタ間の電圧の変化となって現れる。また、実施例２で説明した太陽電池アレイの場合も、式（３）に示すように、ストリングの電流特性が変化はマルチプライヤのドレイン‐ソース間の電圧の変化となって現れる。

そこで、電圧センサ７０１、７０２、７０３の電圧変動の組み合わせによって、どのストリングに陰が掛かったか、さらにその時の最適な動作電圧をある範囲で予測することが可能である。図１０（ｃ）に示すように、電圧センサ７０１、７０２、７０３の少なくとも何れかが、取得した電圧情報からストリング電流の急峻な変化を検知した場合、電流変化検知情報をＭＰＰＴ制御部へ出力する。ＭＰＰＴ制御部は、その電流変化検知情報に基づいてＤＣ／ＤＣコンバータ回路へ出力する制御信号を変動させて、太陽電池アレイの動作電圧範囲を一旦Ｖｂの範囲内に大きくシフトする。その後、再度、山登り法による最大電力点追従（ＭＰＰＴ：ＭａｘｉｍｕｍＰｏｗｅｒＰｏｉｎｔＴｒａｃｋｉｎｇ）を実行する。この動作により、太陽電池アレイの動作点は局所解から抜け出し、最大電力点に近づいていくことが可能となり、電力損失を低減することが可能となる。

図１１は、実施例４に係る太陽光発電システムを示す図である。図１１に示すように、太陽電池の一部４０１Ｘが故障した場合、ストリング２２４の特性は変化する。太陽電池の故障は、故障の状態によって、ストリングに流れる電流が低下するものやストリングにかかる電圧が低下するものに分類することができる。そこで、本実施例では、ストリングにかかる電圧又はストリングに流れる電流を検知し、検知した情報に基づいて、マルチプライヤのバイポーラトランジスタのベース‐エミッタ間の抵抗もしくは、ＭＯＳトランジスタのゲート‐ソース間の抵抗を可変にすることを特徴とする。これによって、太陽電池の一部４０１Ｘが故障することによって生じた電圧シフト分ほど動作点を移動させ、最大の出力を確保することが可能となる。

図１２を用いて可変抵抗Ｒ１Ｘ、Ｒ２Ｘ、Ｒ３Ｘの具体的な制御方法について説明する。図１２（ａ）において、電圧センサ７０３は、マルチプライヤ４２５に掛かる電圧を検出する。その後、式(２)もしくは式（３）を用いてストリングに流れる電流を算出する。演算部１００１は、算出されたストリングに流れる電流情報に基づいて、電流が低下したか否かを判断する。演算部１００１は、抵抗Ｒ３Ｙ、Ｒ３Ｚそれぞれを切り替えた場合のマルチプライヤにかかる電圧変動量を予め保持しておき、ストリングに流れる電流の低下量に応じて、その切り替えを制御するための制御信号をスイッチＳＷ１、ＳＷ２に出力する。

また、図１２（ｂ）において、電流センサ１００２は、ストリング２２４に流れる電流を検出する。演算部１００３は、検出されたストリングに流れる電流情報に基づいて、電流が低下したか否かを判断する。図１２（ａ）の場合と同様に、演算部１００３は、ストリングに流れる電流の低下量に応じて、その切り替えを制御するための制御信号をスイッチＳＷ１、ＳＷ２に出力する。

また、図１２（ｃ）において、電圧センサ１００４は、ストリングにかかる電圧を検出する。演算部１００５は、検出されたストリングにかかる電圧情報に基づいて、ストリングの電圧が低下したか否かを判断する。演算部１００５は、抵抗Ｒ３Ｙ、Ｒ３Ｚそれぞれを切り替えた場合のマルチプライヤにかかる電圧変動量を予め保持しておき、ストリングにかかる電圧の低下量に応じて、その切り替えを制御するための制御信号をスイッチＳＷ１、ＳＷ２に出力する。

このように、ストリングに流れる電流または電圧の低下量に応じた抵抗を選択することにより、マルチプライヤにおける電圧変位量が変化し、動作電圧をより出力が大きい方へシフトすることができる。そのため、太陽電池の一部が故障した場合であっても、故障により生じる電圧シフト分を補償し、太陽電池アレイの最大出力点を確保することができる。

図１３は、実施例５に係る太陽光発電システムを示す図である。複数のストリングの一部が並列接続されたアレイそれぞれに、マルチプライヤが直列接続されていることを特徴とする。その他の構成は、実施例１と同様である。

本実施例のように、マルチプライヤはストリングだけでなく、各アレイの動作電圧を制御する役割を担ってもよい。複数のストリングの一部であるストリングそれぞれの特性ばらつきが十分管理されたものである場合、図１３に示すように、ストリング２０４、２１４、２２４を並列接続してアレイ９０１を構成し、アレイ９０１にマルチプライヤ４０５を直列接続する。また、アレイ９０２についても同様にマルチプライヤ４１５を直列接続する。このように、マルチプライヤを、太陽電池アレイを構成する各アレイに搭載することで、各ストリングに搭載する場合に対して低コスト化を図ることができる。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変形可能であり、上述した各実施の形態を適宜組み合わせることが可能であることは、当業者に理解されよう。

１００ａ、１０１ａ、１１０ａ、１１１ａ：太陽電池ストリングの電流-電圧特性
１００ｂ、１０１ｂ、１１０ｂ、１１１ｂ：太陽電池ストリングの電力-電圧特性
２０４、２１４、２２４：太陽電池ストリング
４０１：クラスタ
４０２：バイパスダイオード
４０３：太陽電池モジュール
４０５、４１５、４２５：マルチプライヤ
５００：太陽電池アレイ
５０１：コイル
５０２：ダイオード
５０３：コンデンサ
５０４：スイッチング素子
５０５：出力電圧検出回路
５０６：出力電流検出回路
５０７、５０８：バッファ
５０９、５１０：ＡＤ変換器
５１１：ＭＰＰＴ制御部
５１２：レベルシフタ
５１３：制御システム
５１４：ＤＣ／ＤＣコンバータ回路

Claims

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、上記複数の太陽電池ストリングを並列接続することによって構成される太陽電池アレイと、
上記太陽電池アレイに接続されるＤＣ／ＤＣコンバータ回路と、
上記ＤＣ／ＤＣコンバータ回路に制御信号を出力して上記太陽電池アレイの動作電圧を制御するＭＰＰＴ制御部と、
上記複数の太陽電池ストリングそれぞれに直列に接続される複数のマルチプライヤと、を備え、
上記複数のマルチプライヤそれぞれはバイポーラトランジスタを有し、上記バイポーラトランジスタのベースとエミッタ間に第１の抵抗を有し、上記ベースとコレクタ間に第２の抵抗を有し、
上記制御信号は、上記太陽電池アレイの出力電力値が最大となる電圧値を追従するためのものであり、
上記太陽電池ストリングの動作電圧は、上記制御信号により決定される上記太陽電池アレイの動作電圧から上記コレクタと上記エミッタ間の電圧を減算したものであり、
さらに、上記コレクタとエミッタ間の電圧情報を取得する電圧センサを備え、
上記ＭＰＰＴ制御部は、上記電圧情報に基づいて算出される上記太陽電池ストリングに流れる電流の変化が所定の条件を満たす場合に、上記制御信号を変動させて上記太陽電池アレイの動作電圧を一定範囲変動させる太陽光発電システム。
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、上記複数の太陽電池ストリングを並列接続することによって構成される太陽電池アレイと、
上記太陽電池アレイに接続されるＤＣ／ＤＣコンバータ回路と、
上記ＤＣ／ＤＣコンバータ回路に制御信号を出力して上記太陽電池アレイの動作電圧を制御するＭＰＰＴ制御部と、
上記複数の太陽電池ストリングそれぞれに直列に接続される複数のマルチプライヤと、を備え、
上記複数のマルチプライヤそれぞれはバイポーラトランジスタを有し、上記バイポーラトランジスタのベースとエミッタ間に第１の抵抗を有し、上記ベースとコレクタ間に第２の抵抗を有し、
さらに、上記太陽電池ストリングにかかる電圧情報を取得するセンサと、
上記電圧情報に基づいて上記第１の抵抗から第３の抵抗への切り替えを制御する演算部と、を備える太陽光発電システム。
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、上記複数の太陽電池ストリングを並列接続することによって構成される太陽電池アレイと、
上記太陽電池アレイに接続されるＤＣ／ＤＣコンバータ回路と、
上記ＤＣ／ＤＣコンバータ回路に制御信号を出力して上記太陽電池アレイの動作電圧を制御するＭＰＰＴ制御部と、
上記複数の太陽電池ストリングそれぞれに直列に接続される複数のマルチプライヤと、を備え、
上記複数のマルチプライヤそれぞれはバイポーラトランジスタを有し、上記バイポーラトランジスタのベースとエミッタ間に第１の抵抗を有し、上記ベースとコレクタ間に第２の抵抗を有し、
さらに、上記太陽電池ストリングに流れる電流情報を取得するセンサと、
上記電流情報に基づいて上記第１の抵抗から第３の抵抗への切り替えを制御する演算部と、を備える太陽光発電システム。
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、上記複数の太陽電池ストリングを並列接続することによって構成される太陽電池アレイと、
上記太陽電池アレイに接続されるＤＣ／ＤＣコンバータ回路と、
上記ＤＣ／ＤＣコンバータ回路に制御信号を出力して上記太陽電池アレイの動作電圧を制御するＭＰＰＴ制御部と、
上記複数の太陽電池ストリングそれぞれに直列に接続される複数のマルチプライヤと、を備え、
上記複数のマルチプライヤそれぞれはＭＯＳトランジスタを有し、上記ＭＯＳトランジスタのゲートとソース間に第１の抵抗を有し、上記ゲートとドレイン間に第２の抵抗を有し、
上記制御信号は、上記太陽電池アレイの出力電力値が最大となる電圧値を追従するためのものであり、
上記太陽電池ストリングの動作電圧は、上記制御信号により決定される上記太陽電池アレイの動作電圧から上記ドレインと上記ソース間の電圧を減算したものであり、
さらに、上記ドレインとソース間の電圧情報を取得する電圧センサを備え、
上記ＭＰＰＴ制御部は、上記電圧情報に基づいて算出される上記太陽電池ストリングに流れる電流の変化が所定の条件を満たす場合に、上記制御信号を変動させて上記太陽電池アレイの動作電圧を一定範囲変動させる太陽光発電システム。
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、上記複数の太陽電池ストリングを並列接続することによって構成される太陽電池アレイと、
上記太陽電池アレイに接続されるＤＣ／ＤＣコンバータ回路と、
上記ＤＣ／ＤＣコンバータ回路に制御信号を出力して上記太陽電池アレイの動作電圧を制御するＭＰＰＴ制御部と、
上記複数の太陽電池ストリングそれぞれに直列に接続される複数のマルチプライヤと、を備え、
上記複数のマルチプライヤそれぞれはＭＯＳトランジスタを有し、上記ＭＯＳトランジスタのゲートとソース間に第１の抵抗を有し、上記ゲートとドレイン間に第２の抵抗を有し、
さらに、上記太陽電池ストリングにかかる電圧情報を取得するセンサと、
上記電圧情報に基づいて上記第１の抵抗から第３の抵抗への切り替えを制御する演算部と、を備える太陽光発電システム。
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、上記複数の太陽電池ストリングを並列接続することによって構成される太陽電池アレイと、
上記太陽電池アレイに接続されるＤＣ／ＤＣコンバータ回路と、
上記ＤＣ／ＤＣコンバータ回路に制御信号を出力して上記太陽電池アレイの動作電圧を制御するＭＰＰＴ制御部と、
上記複数の太陽電池ストリングそれぞれに直列に接続される複数のマルチプライヤと、を備え、
上記複数のマルチプライヤそれぞれはＭＯＳトランジスタを有し、上記ＭＯＳトランジスタのゲートとソース間に第１の抵抗を有し、上記ゲートとドレイン間に第２の抵抗を有し、
さらに、上記太陽電池ストリングに流れる電流情報を取得するセンサと、
上記電流情報に基づいて上記第１の抵抗から第３の抵抗への切り替えを制御する演算部と、を備える太陽光発電システム。