JP5869999B2 - 太陽光発電システム - Google Patents

Description

本発明は、太陽光発電システムに関する。

近年、変電所からの交流電力の供給を受ける各需要家（例えば、住宅や工場など）において、太陽光発電システムが普及している。太陽光発電により発電された電力のうち、需要家内の電力消費装置により消費されずに余った電力は、商用電力系統（配電網）に出力される。この需要家から電力系統に向かう電力の流れは、「逆潮流」と呼ばれる。需要家内で消費する電力と逆潮流する電力を切り分ける構成としては、交流回路を利用するものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１２−３９８１３号公報

しかしながら、上記従来技術では、以下のような問題点があった。すなわち、従来では、太陽光発電により発電された発電電力を需要家内で消費する際、太陽光発電装置にて発電した直流電力を交流電力に変換した後、再び直流電力に変換する必要があった。そのため、従来では、変換による電力ロスが生じ、エネルギーの効率的な利用が困難であった。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、太陽光発電により発電されたエネルギーを効率良く利用することができる太陽光発電システムを提供することを課題とする。

上記課題を解決するために、本発明に係る太陽光発電システムは、太陽光発電装置と、太陽光発電装置から出力される直流電力が供給され、負荷が接続される直流システムと、太陽光発電装置と直流システムとの間に接続される制御装置と、制御装置と他の系統との間に接続されるパワーコンディショナーと、を備え、制御装置は、太陽光発電装置が最大電力動作点で動作するように当該太陽光発電装置を制御する第１最大電力点追従制御手段と、直流電力の電圧が直流システムにおいて過電圧になったことを検出する過電圧検出手段と、直流システムに出力する直流電力を制御すると共に、第１最大電力点追従制御手段の動作を制御する制御手段と、過電圧検出手段により過電圧が検出された場合に、太陽光発電装置から出力される直流電力の一部がパワーコンディショナーに出力されるように出力先を制御するスイッチ手段と、を備え、パワーコンディショナーは、太陽光発電装置が最大電力動作点で動作するように当該太陽光発電装置を制御する第２最大電力点追従制御手段を備え、制御手段は、過電圧検出手段により過電圧が検出された場合に、直流システムに所定の一定電圧で直流電力を出力すると共に、第１最大電力点追従制御手段の動作を停止させることを特徴とする。

この太陽光発電システムでは、太陽光発電装置から出力される直流電力は、交流電力に変換されることなく、太陽光発電装置から出力された直流電力が直流システムに直接に出力される。したがって、電力変換による損失を抑制できる。また、太陽光発電システムでは、過電圧検出手段により過電圧が検出された場合に、太陽光発電装置から出力される直流電力の一部がパワーコンディショナーに出力されるように出力先を制御する。これにより、直流システムで消費されない余剰な電力は、パワーコンディショナーを介して例えば商用電力系統などの他の系統に逆潮流される。したがって、直流システムで消費されない余剰電力を有効に活用できる。このように、太陽光発電システムでは、太陽光発電により発電されたエネルギーを効率良く利用することができる。

また、太陽光発電システムでは、過電圧検出手段により過電圧が検出された場合に、直流システムに所定の一定電圧で直流電力を出力すると共に、第１最大電力点追従制御手段の動作を停止させる。最大電力点追従制御手段を２つ以上備えるシステムでは、各制御手段のそれぞれが自系統に多くの電力を引き込めるように電圧を設定するため、各制御手段において最大電力点追従制御が同時に実施されると、太陽光発電装置において最大動作点での動作とならない可能性がある。これに対して、本発明の太陽光発電システムでは、過電圧検出手段により過電圧が検出された場合に、第１最大電力点追従制御手段の動作を停止させる。すなわち、第２最大電力点追従制御手段でのみ最大電力点追従制御が実施される。したがって、同時に最大電力点追従制御が実施されないため、太陽光発電装置を常に最大電力動作点で稼働させることができる。

一実施形態においては、他の系統は、商用電力系統であり、パワーコンディショナーは、直流電力を交流電力に変換する電力変換手段を備える構成とすることもできる。

本発明によれば、太陽光発電により発電されたエネルギーを効率良く利用することができる。

一実施形態に係る太陽光発電システムを示す図である。 制御装置及びパワーコンディショナーの構成を示す図である。 制御装置の回路構成を示す図である。 第１及び第２ＭＰＰＴ制御部の動作を示す図である。

以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明において同一又は相当要素には同一符号を付し、重複する説明は省略する。

図１は、一実施形態に係る太陽光発電システムを示す図である。図１に示すように、太陽光発電システム１は、太陽光発電装置３と、直流システム５と、制御装置７と、パワーコンディショナー９と、商用電力系統（他の系統）１１と、整流器１３とを含んで構成されている。

太陽光発電装置３は、図示しない太陽電池セルがアレイ状に配置された太陽電池アレイを有している。太陽光発電装置３は、太陽電池アレイにより太陽光エネルギーを電力に変換し、直流電力（発電電力）を出力する。

直流システム５は、蓄電池１５と、負荷１７とを含んで構成されている。直流システム５と太陽光発電装置３とは、制御装置７を介して接続されている。直流システム５には、太陽光発電装置３から出力された直流電力が入力される。また、直流システム５には、整流器１３から出力された直流電力が入力される。

制御装置７は、太陽光発電装置３と直流システム５及びパワーコンディショナー９との間に接続されている。制御装置７は、太陽光発電装置３から出力された直流電力の出力先を制御する。図２は、制御装置及びパワーコンディショナーの構成を示す図である。図２に示すように、制御装置７は、第１ＭＰＰＴ制御部（第１最大電力点追従制御手段）２０と、制御部（制御手段）２１と、過電圧検出部（過電圧検出手段）２２と、スイッチ部（スイッチ手段）２３とを備えている。

第１ＭＰＰＴ制御部２０は、最大電力動作点追従（Maximum Power PointTracking：ＭＰＰＴ）制御を行う部分である。最大電力動作点は、太陽光発電装置３において電圧と電流との積が最大になる点である。第１ＭＰＰＴ制御部２０は、最大電力動作点が日照量や温度によって変化するため、常に最大電力動作点で太陽電池セルを稼動させるために、日照量や温度の変化に応じて太陽光発電に最適な出力電圧に制御する。第１ＭＰＰＴ制御部２０は、太陽光発電装置３のＭＰＰＴ制御を実施し、太陽光発電装置３から出力される直流出力を過電圧検出部２１に出力する。

また、第１ＭＰＰＴ制御部２０は、制御部２２から出力される制御信号（後述）を受け取ると、ＭＰＰＴ制御を停止する。

図３は、制御装置の回路構成を示す図である。図３に示すように、第１ＭＰＰＴ制御部２０は、ＤＣ−ＤＣコンバータとして構成されている。第１ＭＰＰＴ制御部２０は、太陽光発電装置３の動作電圧を調整するコンデンサＣ１と、動作電圧をパルス幅変調（Pulse Width Modulation：ＰＷＭ）制御によって制御するＰＷＭ信号発生装置２５と、出力電流を制御するトランジスタＴと、インダクタＬと、ダイオードＤと、コンデンサＣ２とを有している。インダクタＬ及びコンデンサＣ１は、ＬＣフィルタ回路を構成しており、これは平滑回路として機能する。

ＰＷＭ信号発生装置２５は、トランジスタＴにＰＷＭ信号を出力してトランジスタＴを制御することにより、コンデンサＣ１の電圧を調整する。第１ＭＰＰＴ制御部２０では、ＰＷＭ信号発生装置２５のＰＷＭ信号のＰＷＭデューティを大きくすることで入力電圧が低くなり、ＰＷＭデューティを小さくすることで入力電圧が高くなる。第１ＭＰＰＴ制御部２０では、この手法により、太陽光発電装置３の出力が最大となる電圧を維持する。

コンデンサＣ２は、第１ＭＰＰＴ制御部２０の出力側に設けられており、出力を平滑化する。第１ＭＰＰＴ制御部２０では、出力される電圧が直流システム５に適した電圧とされ、直流システム５の電圧で直流電力（発電電力）を供給する。

過電圧検出部２１は、直流システム５の過電圧を検出する部分である。過電圧検出部２１は、第１ＭＰＰＴ制御部２０から出力される直流電力において電圧を検出し、電圧が予め設定された所定の閾値を超えた場合、すなわち過電圧を検出した場合に、制御部２２及びスイッチ部２３に検出信号を出力する。過電圧検出部２１は、過電圧を検出している場合、検出信号を出力し続ける。

具体的には、第１ＭＰＰＴ制御部２０では、太陽光発電装置３から出力される直流電力が直流システム５の消費電力を上回ると、余剰電力がコンデンサＣ２に蓄積され、出力電圧が上昇する。過電圧検出部２１は、コンデンサＣ２の出力電圧の上昇を検出し、この電圧が所定の閾値を越えたときに、検出信号を制御部２２及びスイッチ部２３に出力する。所定の閾値は、直流システム５の蓄電池１５や負荷１７に応じて適宜設定される。

制御部２２は、直流システム５に出力する直流電力を制御すると共に、第１ＭＰＰＴ制御部２０の動作を制御する部分である。制御部２２は、過電圧検出部２１から出力された検出信号を受け取ると、第１ＭＰＰＴ制御部２０の動作を停止する制御信号を第１ＭＰＰＴ制御部２０に出力すると共に、直流システム５に入力される直流電力の電圧が所定の一定電圧となるように、太陽光発電装置３から出力される直流電力の電圧を制御する。所定の一定電圧は、直流システム５の蓄電池１５及び負荷１７により適宜設定される。

スイッチ部２３は、直流電力の出力先を制御するスイッチである。スイッチ部２３は、例えばＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）である。スイッチ部２３は、過電圧検出部２１から検出信号が出力されると、スイッチをオンとする。これにより、太陽光発電装置３から出力され、直流システム５にて消費されない余剰の直流電力（直流電力の一部）は、商用電力系統１１に逆潮流される。スイッチ部２３は、過電圧検出部２１から検出信号が出力されていないときには、スイッチをオフとする。

図２に戻り、パワーコンディショナー９の構成について説明する。図２に示すように、パワーコンディショナー９は、太陽光発電装置３から出力された直流電力を変換して交流電力を生成し、商用電力系統１１に連系させる。パワーコンディショナー９は、第２ＭＰＰＴ制御部（第２最大電力点追従制御手段）２６と、ＤＣ／ＡＣ変換部（電力変換手段）２８とを備えている。

第２ＭＰＰＴ制御部２６は、第１ＭＰＰＴ制御部２０と同様の構成を有している。第２ＭＰＰＴ制御部２６は、常に最大電力動作点で太陽電池セルを稼動させるために、日照量や温度の変化に応じて太陽光発電に最適な出力電圧に制御する。

図４は、第１及び第２ＭＰＰＴ制御部の動作を示す図である。図４に示すように、太陽光発電システム１では、制御装置７の過電圧検出部２１により直流システム５の過電圧が検出されていない場合、すなわちスイッチ部２３がオフの場合には、制御装置７の第１ＭＰＰＴ制御部２０において最大動作点追従の制御が実施される（第１モード）。太陽光発電システム１では、第１モードで制御されるときには、太陽光発電装置３から出力される直流電力が、直流システム５において余剰ではない（発電電力非余剰）状態である。

一方、太陽光発電システム１では、制御装置７の過電圧検出部２１により直流システム５の過電圧が検出された場合、すなわちスイッチ部２３がオンの場合には、パワーコンディショナー９の第２ＭＰＰＴ制御部２６において最大動作点追従の制御が実施される（第２モード）。このとき、制御装置７の第１ＭＰＰＴ制御部２０は、ＭＰＰＴ制御を実施しない。太陽光発電システム１では、第２モードで制御されるときには、太陽光発電装置３から出力される直流電力が、直流システム５において余剰な状態である。

ＤＣ／ＡＣ変換部２８は、第２ＭＰＰＴ制御部２６を介して入力される直流電力を交流電力に変換する部分である。ＤＣ／ＡＣ変換部２８は、入力した直流電力を交流電力に変換し、商用電力系統１１に出力する。

整流器１３は、商用電力系統１１から出力された交流電力を直流電力に整流平滑する部分である。整流器１３は、例えばダイオードによる全波整流回路と平滑コンデンサとにより構成されている。整流器１３は、直流電力を直流システム５に出力する。なお、整流器１３には、昇圧／降圧回路が設けられていてもよい。

以上説明したように、本実施形態の太陽光発電システム１では、太陽光発電装置３から出力される直流電力は、交流電力に変換されることなく、太陽光発電装置３から出力された直流電力が直流システム５に直接に出力される。したがって、電力変換による損失を抑制できる。

また、太陽光発電システム１では、制御装置７の過電圧検出部２１が直流システム５への出力電力において過電圧であることを検出した場合、スイッチ部２３がオンとなり、直流システム５で消費されない余剰電力がパワーコンディショナー９を介して商用電力系統１１に出力（逆潮流）される。これにより、太陽光発電システム１では、太陽光発電装置３から商用電力系統１１への逆潮流を可能としている。

また、太陽光発電システム１では、スイッチ部２３がオンの場合、すなわち過電圧検出部２１において直流システム５の過電圧が検出された場合には、ＭＰＰＴの制御がパワーコンディショナー９の第２ＭＰＰＴ制御部２６でのみ実施される。このとき、太陽光発電システム１では、制御装置７の第１ＭＰＰＴ制御部２０においてＭＰＰＴの制御を実施せずに、直流システム５に所定の一定電圧で直流電力を出力する。

ここで、一般的に、ＭＰＰＴ制御部が１つ設けられている構成では、ＭＰＰＴ制御部に流入する電力は、太陽光発電装置３において最大電力動作点で動作して発電された最大電力となる。一方、ＭＰＰＴ制御部を２つ有する構成では、第１及び第２ＭＰＰＴ制御部２０，２６のそれぞれが自系統に多くの電力を引き込めるように電圧を設定する。例えば、太陽光発電装置３から出力される電圧がＶ１［Ｖ］のとき、太陽光発電装置３が最大電力動作点で動作し、その発電電力が「１０」となり、第１ＭＰＰＴ制御部２０に「５」、第２ＭＰＰＴ制御部２６に「５」の電力がそれぞれ流入していたとする。しかし、第１ＭＰＰＴ制御部２０による制御が第２ＭＰＰＴ制御部２６による制御よりも優位である場合には、第１ＭＰＰＴ制御部２０は自身にとって最適な電力動作点となるような制御を行い、結果として太陽光発電装置３から出力される電圧がＶ２［Ｖ］となる。この場合、第１ＭＰＰＴ制御部２０に「６」、第２ＭＰＰＴ制御部２６に「２」流入し、太陽光発電装置３の発電電力は全体で「８」となったとする。つまり、第１ＭＰＰＴ制御部２０に流入する電力は「５」から「６」に増加しているものの、太陽光発電装置３の発電電力は減少することとなる。したがって、２つのＭＰＰＴ制御が同時に実施されると、太陽光発電装置３において最大動作点での動作とならない可能性がある。

これに対して、本実施形態の太陽光発電システム１では、スイッチ部２３がオンのときには、第２ＭＰＰＴ制御部２６のみでＭＰＰＴの制御を実施する。したがって、太陽光発電システム１では、第１及び第２ＭＰＰＴ制御部２０，２６を備えている場合であっても、その両方において同時にＭＰＰＴ制御が実施されないため、太陽光発電装置３を常に最大電力動作点で稼働させることができる。

本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。例えば、上記実施形態では、他の系統として商用電力系統１１を例示しているが、他の系統としては、例えば電気自動車の充電装置等であってもよい。

１…太陽光発電システム、３…太陽光発電装置、５…直流システム、７…制御装置、９…パワーコンディショナー、１１…商用電力系統（他の系統）、１７…負荷、２０…第１ＭＰＰＴ制御部（第１最大電力追従手段）、２１…過電圧検出部（過電圧検出手段）、２２…制御部（制御手段）、２３…スイッチ部（スイッチ手段）、２６…第２ＭＰＰＴ制御部（第２最大電力追従手段）、２８…ＤＣ／ＡＣ変換部（電力変換手段）。

Claims (2)

1. 太陽光発電装置と、
   前記太陽光発電装置から出力される直流電力が供給され、負荷が接続される直流システムと、
   前記太陽光発電装置と前記直流システムとの間に接続される制御装置と、
   前記制御装置と他の系統との間に接続されるパワーコンディショナーと、を備え、
   前記制御装置は、
   前記太陽光発電装置が最大電力動作点で動作するように当該太陽光発電装置を制御する第１最大電力点追従制御手段と、
   前記直流電力の電圧が前記直流システムにおいて過電圧になったことを検出する過電圧検出手段と、
   前記直流システムに出力する前記直流電力を制御すると共に、前記第１最大電力点追従制御手段の動作を制御する制御手段と、
   前記過電圧検出手段により過電圧が検出された場合に、前記太陽光発電装置から出力される前記直流電力の一部が前記パワーコンディショナーに出力されるように出力先を制御するスイッチ手段と、を備え、
   前記パワーコンディショナーは、
   前記太陽光発電装置が最大電力動作点で動作するように当該太陽光発電装置を制御する第２最大電力点追従制御手段を備え、
   前記制御手段は、前記過電圧検出手段により過電圧が検出された場合に、前記直流システムに所定の一定電圧で直流電力を出力すると共に、前記第１最大電力点追従制御手段の動作を停止させることを特徴とする太陽光発電システム。
2. 前記他の系統は、商用電力系統であり、
   前記パワーコンディショナーは、前記直流電力を交流電力に変換する電力変換手段を備えることを特徴とする請求項１記載の太陽光発電システム。

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