JP5979502B2 - 最大電力の動作点で光起電力発電機を動作させる方法 - Google Patents

Description

本発明は、最大電力の動作点で光起電力発電機を動作させるための方法であって、副次的方法（ｓｕｂ−ｍｅｔｈｏｄ）として、広い変動範囲を有する系統的負荷変動に基づいて最大電力の点を探索し、前記光起電力発電機の瞬時動作点として最大電力の点を設定し、狭い変動範囲を有する負荷変動に基づいて前記動作点を追跡することを含む方法に関する。

入射光の存在において、光起電力発電機は、電気エネルギーを発生する。光起電力発電機により発生されたＤＣ電圧を公衆供給グリッドシステムへと給電できるようにするために、インバータが必要とされている。光起電力発電機の動作点は、光起電力発電機ができるだけ常に最大電力出力の点で動作させられるように、このインバータの動作管理をするため、最大電力点（ＭＰＰ）トラッカーとも称される追跡装置を用いてその電力出力の変動に従って連続的に追跡される。このような目的で、このようなＭＰＰトラッカーは、光起電力発電機により引き出される電流（Ｉ）又は発生される電圧（Ｕ）を少量だけ変化させ、各場合において、その電流及び電圧の積として電力（Ｐ）を計算し、できるだけより高い電力の方向へとその電流値又は電圧値を再調整する。Ｐ／Ｕ特性又はＰ／Ｉ特性の全体最大により、望む最適動作点が形成される。

ＭＰＰ追跡装置のための種々な既知の追跡方法についての概略は、２００７年のIEEETransactions on Energy Conversion, Vol.22, No.2の４３９頁から４４９頁における記事「Comparison of Photovoltaic Array Maximum Power Point TrackingTechniques」により与えられている。

もし、光起電力発電機が部分的に日陰とされる場合には、典型的には、２つ以上の局部最大がＰ／Ｕ特性又はＰ／Ｉ特性に生ずる。ＭＰＰ追跡を使用するとき、この場合において、動作点が局部最大へと再調整されてしまうことがあり、この局部最大は、必ずしも、光起電力発電機が好ましくはそこで動作させられるべき全体最大ではないことがある。実際において、日陰の発生の履歴に依存して、そのＭＰＰトラッカーが局部最大へと「辿り着き」、そして、そこに留まる場合には、このようなことにより、出力損失が生ずるようなことになってしまう。

この場合において、ＭＰＰトラッカーの追跡モードは、所定の通常時間間隔で中断され、Ｐ／Ｕ特性に関する全体最大についての系統的探索が実施されることが知られている。例として、このような探索は、少なくとも全体最大が予測される範囲に亘るＵ／Ｉ特性の記録に基づいてなされる。それから、この探索において見出される全体最大は、その後に再開される追跡モードのための初期動作点として使用される。これにより、動作点が局部最大を追跡することにより生ずるようなエネルギー損失を防止することはできないのであるが、しかし、これにより、エネルギー損失を減ずることはできる。何故ならば、局部最大での停止時間が、２つの連続する探索の間の時間間隔に制限されているからである。

しかしながら、全体最大について探索するときにも、エネルギー損失が生ずることは避けられない。何故ならば、動作点は、その動作点について探索しているときに、その探索時間の大部分の間、全体最大とは異なっているからである。これらのエネルギー損失の大きさは、探索頻度につれて増大し、一方、これと対比的に、局部最大での停止から生ずる潜在的エネルギー損失のリスクは、その探索頻度につれて低下する。従って、どのような探索頻度の値としても、特定の入射放射線状態においてのみエネルギー損失を低く保つのに適した１つの妥協点でしかないのである。

２００８年のIEEE Transactions on IndustrialElectronics, Vol.55, No.4の１６８９頁から１６９８頁における記事「MaximumPower Point Tracking Scheme for PV Systems Operating Under Partially ShadedConditions」には、最大電力の動作点で光起電力発電機を動作させるための方法において、その光起電力発電機の電力が追跡動作中の突然の変化について監視されるような方法が開示されている。もし、観測された変化の割合が限界であると考えられる所定の変化割合を超える場合には、全体ＭＰＰについての探索が開始される。かくして、突然の電力変化は、全体ＭＰＰについての探索が必要とされる指示として見られる。従って、全体ＭＰＰについての探索を行うための頻度は、所定の限界割合の値に大きく依存しており、この所定の限界割合の値自体は、通常、光起電力発電機に特定のものであり、手動にて決定されねばならないものである。

従って、本発明の１つの目的は、所定の発電機特定設定値とは無関係に、エネルギー損失をできるだけ低くするように最大電力の動作点で光起電力発電機を動作させるための最適化方法を提供することである。

このような目的は、副次的方法として、追跡方法及び探索方法を含むような初めに述べたような方法であって、次のようなステップを含むような方法により、達成される。瞬時動作点が最大電力の点からずれる確率のレベルを決定するため、光起電力発電機の動作変数を分析する。前記追跡方法は、前記動作変数の分析の結果に依存して中断され、最大電力の点を決定するため、前記探索方法が実施される。それから、前記最大電力の点が瞬時動作点として設定され、前記追跡方法が再開される。前記方法は、前記瞬時動作点が最大電力の点からずれる確率を決定するため、同等の動作変数の存在において実施された前の探索方法の結果を更に考慮に入れる。

瞬時動作点が最大電力の点からずれる確率を決定するために動作変数を分析することにより、動作点を最大電力の点へと変化させる結果として予測されるエネルギー利得によって補償されるよりも、探索に関連するエネルギー損失の確率が高くなる時にのみ、前記探索方法が実施されるようにすることができる。前の探索方法の結果を考慮することにより、前記方法は、手動にて決定しなければならない所定の発電機特定設定値とは無関係となる。

前記方法の効果的な実施形態では、前記分析される動作変数は、動作点の追跡中に記録される。こうして、全体ＭＰＰについての探索は、そのＭＰＰを追跡しながら、開始することができる。

前記方法の更に別の効果的な実施形態では、前記光起電力発電機の電力及び／又は電圧及び／又は電流が、１つの動作変数又は複数の動作変数として分析される。かくして、前記探索方法を実施することによるエネルギー損失がエネルギー利得により補償される確率を決定するのに、前述したパラメータは充分に適したものである。

前記方法の更に別の効果的な実施形態では、動作変数についての許容範囲が予め決定され、そして、動作変数が前記許容範囲の外にあるとの前提条件に従って、前記探索方法が開始される。

前記方法の更に別の効果的な実施形態では、動作変数の変化の割合について許容範囲が予め決定され、そして、動作変数の変化の割合が前記許容範囲の外にあるとの前提条件に従って、前記探索方法が開始される。

前記方法の更に別の効果的な実施形態では、異なる動作変数の相互の依存性について許容範囲が予め決定され、そして、動作変数の相互の依存性が前記許容範囲の外にあるとの前提条件に従って、前記探索方法が開始される。種々な動作変数の相互の依存性は、第１の動作変数又は第２の動作変数が変化するとき、前記第１の動作変数の変化と前記第２の動作変数の変化との比率であるのが好ましい。

これらの効果的な実施形態では、決定された動作値又は関連する量を予め決定された許容範囲と比較することにより、前記方法を制御するための手段が与えられる。

これらの場合において、待ち時間を与えて、前記許容範囲が前記待ち時間よりも長い時間期間の間そのままとされるとの前提条件に従って、前記探索方法が開始されるようにするのが好ましい。更に好ましい実施形態では、前記待ち時間自体の長さは、光起電力発電機の動作変数に依存している。更に別の好ましい実施形態では、前記待ち時間の長さは、前記確率を考慮して決定される。

前記方法の更に別の効果的な実施形態では、前の探索方法の結果は、前記前の探索方法が、各々、各動作変数を考慮して異なる動作点の設定に至った確率である。

前記方法の更に別の効果的な実施形態では、前の探索方法の結果は、前記前の探索方法が、各々、各動作変数を考慮して異なる動作点の設定に至ったところの各新しい動作点の予測値又は各新しい動作点での光起電力発電機の動作変数の予測値である。前記確率の決定は、前記予測値と前記光起電力発電機の対応する瞬時動作変数との間の相違を考慮して実施されるのが、特に好ましい。

これらの実施形態によれば、前の探索方法の結果を考慮する直接的で且つ簡単な方法が提供される。

前記方法の更に別の効果的な実施形態では、光起電力発電機に入射する放射線のパラメータが、動作変数として分析される。前記パラメータは、放射線方向に関連しているのが好ましい。前記放射線方向は、瞬時時間に基づいて決定されると、更に好ましい。前記入射放射線は、光起電力発電機の動作変数でもあり、前記探索方法を実施することによるエネルギー損失が動作の変化点によるエネルギー利得により補償されるかに影響を及ぼす。

種々な改良形態及び効果的な発展形態については、特許請求の範囲の従属請求項に特定されている。

実施形態を用いて且つ添付図面を参照して、本発明を以下により詳細に説明する。

光起電力設備の等価回路の例を示す。 光起電力発電機のＰ／Ｕ特性の例をグラフの形にて示している。 光起電力発電機を動作させるための方法の第１の実施形態における光起電力発電機の電圧の時間プロフィールの例をグラフの形にて示している。 前記方法の別の実施形態を例示するため、一日の時間の関数として光起電力発電機の予測電力のグラフを示している。 図４に例示したような前記方法の別の実施形態のフローチャートを示す。 図５に示した実施形態の代替改良形態を例示するため、一日の経過に亘る光起電力モジュールの予測電力を例示している。 前記方法の更に別の実施形態を例示するため、一日の経過に亘る光起電力モジュールの再調整電圧の予測プロフィールを例示している。 前記方法の更に別の実施形態を例示するため、Ｐ／Ｕ特性をグラフの形にて例示している。 前記方法の更に別の実施形態を例示するため、Ｉ／Ｕ特性をグラフの形にて例示している。

図１は、エネルギー発生のための光起電力設備の等価回路の例を示している。

例えば、各々が複数の直列接続された光起電力モジュールを有する１つ以上のストリングを備える光起電力発電機ＰＶは、ダイオードＤと並列に且つ内部抵抗Ｒ_ｉと直列に接続される理想電流源ＰＶ′として例示されている。可変負荷ＲＬが光起電力発電機ＰＶに接続されており、この負荷Ｒ_Ｌを通して、光起電力発電機ＰＶから電流Ｉ_ＰＶが流れ、その負荷端で電圧Ｕ_ＰＶが降下する。

光起電力発電機は、一般的には、好ましくは、全体として、例えば、ＤＣ／ＤＣ変換器及びＤＣ／ＡＣ変換器を備える「インバータ」と称される構成体である装置により可変負荷Ｒ_Ｌに接続される。このインバータは、主として、ＰＶ発電機によって発生された直流電流（ＤＣ）を供給グリッドシステムへと給電される交流電流（ＡＣ）へと変換するのに使用される。更に又、その動作点は、光起電力発電機ＰＶの電力／電圧特性（Ｐ／Ｕ特性）に関して以下の説明においては略してＭＰＰ（最大電力点）とも称されるＤＣ／ＤＣ変換器への入力での最大電力の点に設定される。

図２は、光起電力発電機ＰＶのＰ／Ｕ特性の例の概要を示している。日陰とされていない光起電力発電機ＰＶの定格特性１１は、通常、電圧Ｕ_ＰＶが零から無負荷電圧Ｕ_０とも称される最大電圧まで変化するとき、最大値を有する。これは、以下の記載において全体最大１と称される。

図２は、光起電力発電機が部分的に日陰となる場合におけるＰ／Ｕ特性の例として実際特性１２をも示している。一般的に、部分日陰により、Ｐ／Ｕ特性に複数の極大が生ぜしめられる。この提示された場合においては、極大２、３が異なるレベルにて形成されている。これらのうち極大２が全体最大を表しており、従って、以下の記載において全体最大２と称される。これに対して、極大３は、局部においてのみ最大であり、これに対応して、局部最大３と称される。

最良の動作点を決定するため、２つの異なる副次的方法、即ち、探索方法及び追跡方法が使用される。これに応じて、インバータの動作管理をするための制御装置は、２つのモード、即ち、探索モード及び追跡モードにて動作させられる。両副次的方法及び両モード自体は、各々、知られており、広範囲に亘って異なる形式のものがある。

これら２つの副次的方法の各々の１つの形式について、図３を参照して以下に例示する。この点で、説明を簡単なものするため、以下の説明は、予め設定された電圧に基づいていることに、注意されたい。勿論、この方法を予め設定された電流へと転換することは可能である。

図３は、探索方法４又は追跡方法５中の時間ｔの関数として光起電力発電機の電圧Ｕ_ＰＶのプロフィールを示している。

探索方法４の第１の行程ａは、先ず、時間期間ｔ_ａ＜ｔ＜ｔ_ａ′にて実施される。探索方法４のこの第１の行程ａにおいては、動作電圧とも称される光起電力発電機の電圧Ｕ_ＰＶは、適当な負荷変動により、所定の下限値Ｕ_Ｌから上限値Ｕ_Ｈへと連続的に（デジタル的に制御される方法の場合には準連続的に）変化される。これら下限値Ｕ_Ｌ及び上限値Ｕ_Ｈは、この場合においては、それらが光起電力発電機の動作範囲の部分、即ち、その部分内でＭＰＰが典型的には予測されうるような、例えば、無負荷電圧Ｕ_０の２５％と８０％との間の範囲を定めるように選択されている。この行程中、光起電力発電機によって発生される電流Ｉ_ＰＶが測定され、その電力出力がＵ_ＰＶとＩ_ＰＶとの積として決定され、その大きさが電圧Ｕ_ＰＶの関数として記録される。この記録された測定値は、全体最大をＭＰＰとして決定し、且つ動作点をこの値へと変えるのに使用される。例として、図３は、光起電力発電機が第１の探索４ａの時間中日陰とされず、図２に示したような定格特性１１を有しているとの仮定に基づいている。全体最大１は、これに応じて、ＭＰＰとして見出され、それに関連した電圧Ｕ_１は、新しい動作電圧として変化される。

それから、追跡方法５が時間ｔ＝ｔ_ａ′から時間（ａ）の間実施される。この目的のため、電圧Ｕ_ＰＶは、より高い電圧値及びより低い電圧値に向かって所定の大きさの小さなステップにて変化させられ、その変化後の新しく生じた電力値が前に存在していた値と比較される。もし、電力が増大した場合には、同様に予め定められた短い待ち時間の後、電圧において同じ方向に（即ち、より高い電圧又はより低い電圧に向かって）、もう１つのステップ変化を実施する。もし、電力がその変動に応答して変化せず又は低下した場合には、前の電圧値が再び採用される。このようにして、動作電圧は、ＭＰＰの電圧値の周りに、即ち、ここに提示したような場合においては先ず電圧Ｕ_１の値の周りに振動する。

もし、ＭＰＰの位置が、Ｐ／Ｕ特性に対するどのような定性的変化も無い状態で、変化する場合には、その動作電圧は、その追跡方法中そのＭＰＰの位置に従う。ＭＰＰの位置は、例えば、加熱の事象においてシフトされる。しかし、原理的には、Ｐ／Ｕ特性はその特性のままであり、例えば、極大の数も変化しない。このような情況においては、その追跡方法により、光起電力発電機がそのＭＰＰで動作させられるようになる。

しかしながら、Ｐ／Ｕ特性の特性が本来的に変化するような状況においては、この追跡方法では、最早このようなことは保証されない。例えば、部分日陰の事象において複数の極大が発生することにより、その特性に変化が生ずる。このような日陰は、図２に示したような定格特性１１から実際特性１２への変化をもたらすものであり、図３における時間ｔ_{１１／１２}から開始されるものと仮定する。２つの極大２、３が形成されるとき、その追跡方法は、その形成される２つの極大のうちの１つに従うのであり、必ずしもそれら２つのうちの大きいものの方に従うのではない。ここに提示したような場合においては、動作電圧は、連続的に上昇し、これは、それら２つの極大２、３が形成されるとき、その追跡方法が局部最大２に従っていることを示しており、全体最大２に従っているのではないことを示している。

瞬時動作点が全体ＭＰＰからずれる確率を推定するため、光起電力発電機の動作変数が決定され分析される。この分析の結果に依存して、その追跡方法は、中断され、もし、その瞬時動作点が全体ＭＰＰからずれており且つ更新された探索がこの探索を実施することにより生ずるエネルギー損失を補償するよりも多いエネルギー利得に関連付けられるようなより良い動作点とする確率が高い場合には、この探索方法の更なる行程が実施される。この記載の最後の段落に記載されるように、同等の動作変数の存在において実施された前の探索方法の結果が、瞬時動作点が最大電力の点からずれる確率を決定するのに考慮される。

図３に示した例では、この追跡方法５ａは、時間ｔ_ｂで中断され、探索方法４の更なる行程（ｂ）が開始される。これは、前述したような探索方法４の第１の行程（ａ）と同様にして実施され、全体最大２が見出され、動作点が関連する電圧Ｕ_２へと設定されることになる。この探索方法が終了して新しい動作点へと変化した後、追跡方法５が時間ｔ_ｂ′で再開される（図において５ｂとして示されている）。

図３に関して例示されている第１の実施形態では、動作点を追跡しながら、光起電力発電機の電圧Ｕ_ＰＶの変化が、動作変数として分析される。この場合において、変化の割合（単位時間当たりの電圧の変化）は、瞬時的に追跡されている動作点がＭＰＰからずれる確率の尺度である。この背景には、例えば、光起電力発電機の前記加熱の如き、Ｐ／Ｕ特性の特性を変わらないままとするようなプロセスが、日陰とされていない光起電力発電機から部分的に日陰とされる光起電力発電機までの変化よりも長い時間スケールに亘って行われるということがある。例として、追跡プロセス中に電圧Ｕ_ＰＶの変化の割合の移動平均値を形成し、もし、この変化の割合が所定値を超える場合に、探索方法４を開始することができる。例として、変化の割合の移動平均値は、追跡方法５中において電圧変動について所定数の前のステップ、例えば、１８個のステップを考慮し、それら所定数のステップのうちの特定の比率、例えば、それらステップの３分の２のステップが同じ方向（電圧増大又は電圧減少）となる傾向にあるときに探索方法４を開始することにより、決定することができる。この示した例では、この比率は、時間ｔ_ｂで超えられ、追跡方法５ａは、探索方法４ｂを実施するため中断される。

最大電力の動作点で光起電力発電機ＰＶを動作させるための方法の第２の実施形態について、図４及び図５を参照して説明する。図４は、一日の経過に亘って時間ｔの関数として、光起電力発電機ＰＶによって発生される電力Ｐ_ＰＶを例示している。この場合において、時間ｔ_Ａは、日の出の時間を示し、時間ｔ_Ｍは、正午を示し、時間ｔ_Ｕは、日の入りの時間を示している。光起電力発電機の定格電力Ｐ_Ｎ並びにこの値の半分が、このグラフの縦座標にて水平線として示されている。

妥当な近似として、光起電力発電機からの最大電力出力は、一日の時間に従った放物線状プロフィールを有していると言える。底部で開き正午にピーク値に達するような放物線を有するこのような放物線状プロフィールは、図４において点線で示す定格電力曲線２１として示されている。この定格電力曲線２１は、光起電力発電機が日陰とされない時に、理想的条件でのみ達成される。日の出の時間ｔ_Ａ及び日の入りの時間ｔ_Ｕ並びにその放物線のピーク点での最大定格電力は、一年の時間に依存している。この定格電力曲線２１の作成のための対応するパラメータは、表形式にて予め定めたり、又は、前の１日又は前の複数の日に亘って測定されたデータから構成したりすることができる。例えば、しきい値曲線２２は、その予測定格電力曲線２１に１の単位より小さな所定の係数を乗ずることにより作成することができる。ここに提示している例では、その所定の係数は、０．５であり、その結果として、しきい値曲線２２は、時間ｔ_Ｍで定格電力の半分のピーク点を有している。

このような改良形態の方法では、追跡方法５を実施しながら、光起電力発電機ＰＶの瞬時電力Ｐ_ＰＶが決定され、しきい値曲線２２と比較される。もし、瞬時電力Ｐ_ＰＶが、しきい値曲線２２の値より下に降下し、従って、図４のグラフに示す許容範囲２１′から出て範囲２２′内へと入る場合には、追跡方法５は、中断され、ＭＰＰを決定するため、探索方法４が行われる。前述した例におけるように、その探索が完了したらすぐに、見出された最大電力の対応する点がその光起電力発電機ＰＶのための新しい動作点として設定され、追跡方法５がこの動作点を使用して継続される。この場合において、探索方法４は、所定の時間期間（待ち時間）よりも長い間、特定の基準が満たされた場合にのみ、開始させることができる。この目的のため、しきい値曲線２２と比較される瞬時電力Ｐ_ＰＶは、その比較の前に、積分器、例えば、低域フィルタに通される。

１つの代替改良形態の方法では、このような待ち時間は、図５に示すようなフローチャートを使用し且つ図４を参照して以下に説明するように、カウンタを用いて与えられる。

第１のステップＳ１において、最大電力の点、即ち、ＭＰＰについての探索が実施される。第２のステップＳ２において、光起電力発電機の動作のための動作点が、ステップＳ１にて見出された最大電力の点に設定される。詳述するに、この場合において、ステップＳ１及びＳ２は、図３に関して前述したようにして実施することができる。

続くステップＳ３において、カウンタｃが、初期値ｃ_０、例えば、初期値ｃ_０＝３６０に初期化される。続くステップＳ４において、ＭＰＰの動作点を追跡するための追跡方法が、所定の時間期間、例えば、１秒の間実施される。これに関しても、既に前述したような詳細について参照されたい。

続くステップＳ５において、光起電力モジュールの瞬時電力Ｐ_ＰＶが、しきい値曲線２２に基づいたしきい値電力Ｐ_２２（図４参照）と比較される。もし、瞬時電力Ｐ_ＰＶがしきい値曲線２２における対応する値よりも小さくない場合には、この方法は、ステップＳ３へとジャンプして戻り、ここで、カウンタｃは、再び初期値ｃ_０へと設定される。それから、この追跡方法は、ステップＳ４を再び実施することにより、実効的に中断することなく継続される。

しかしながら、もし、ステップＳ５において、瞬時電力Ｐ_ＰＶがしきい値曲線２２からの対応するしきい値電力Ｐ_２２より小さく、即ち、その瞬時電力Ｐ_ＰＶが図４における範囲２２′内にあることが見出された場合には、この方法は、ステップＳ６で継続され、ここで、カウンタｃのカウントは、所定値Δｃ、例えば、値１だけ減分される。

続くステップＳ７において、カウンタｃがカウント０に達したかを決定するためのチェックが実施される。もし、達していない場合には、この方法は、ステップＳ４へとジャンプして戻り、追跡方法を再び継続する。

もし、ステップ７において、カウント０に達していることが見出される場合には、この方法は、スタートにジャンプして戻り、再びステップ１において全体電力最大ＭＰＰについての探索を実施する。

この方法においては、新しい探索プロセスは、初期値ｃ_０を３６０とし且つ１秒の間隔当たりのカウンタ減分Δｃを１とした例で述べた値を使用する時、６分の待ち時間後にのみカウンタｃにより開始される。この待ち時間内では、その電力は、連続して範囲２２′内になければならないものである。こうすることにより、局部最大での追跡により引き起こされないような短い電力動揺によっても、又は動作変数の測定における短い乱れによっても、探索が開始されないようにすることができる。同時に、このことは、更に別の探索が実施された場合に、より高い電力を有する動作点が見出される確率が増大するような時でさえ、頻繁には探索を実施しないことを意味している。この場合において、別の代替的改良形態では、カウンタｃは、しきい値曲線２２が超えられる時でも初期値ｃ_０へリセットされず、所定の間隔にて所定のカウンタ増分だけ増大されるだけとすることができ、この場合において、そのカウントは、その最大値として初期値ｃ_０に制限されている。同様に、カウンタｃは、全体電力最大ＭＰＰについての探索が動作変数に依存した時間期間の後に実施されるように減分されるようにすることができる。この場合において、この時間期間を通して、探索が首尾良く実施される確率についての予想が考慮される。

更に別の改良形態では、待ち時間は、複数のしきい値曲線を導入することにより、光起電力発電機ＰＶの測定された動作変数に依存して生成される。これは、図４の例示と同様に、図６において例示されている。

この図６は、一群のしきい値曲線２２から２７を示しており、これらのうち曲線２２は、実際に、図４におけるしきい値曲線２２に対応している。更に別のしきい値曲線２３から２７は、定格電力曲線２１（ここでは例示されておらず、図４参照）から、同じ仕方ではあるが、係数をだんだん小さくしていくことにより生成されている。

このような改良形態において図５に例示された方法に対応する方法では、カウンタ減分Δｃの大きさ（図５におけるステップＳ６）は、光起電力発電機ＰＶの測定された瞬時電力Ｐ_ＰＶに依存して生成される。もし、Ｐ_ＰＶがしきい値曲線２２としきい値曲線２３との間の範囲２２′にある場合には、その時には、Δｃ＝１である。これと違って、もし、Ｐ_ＰＶが、それより低く、しきい値曲線２３としきい値曲線２４との間の範囲２３′にある場合には、カウンタ減分は、Δｃ＝２である。電力が減少するにつれて、その減分は、図６から分かるように、値４、８及び１６へと上昇していく。ステップの数、即ち、基本的なしきい値曲線２２から２７の数と、カウンタ減分Δｃのそれに関連した大きさとの両者は、この場合において、単なる例であると理解されたい。全体として、図６に例示した方法によれば、探索を実施するための待ち時間は、光起電力発電機の瞬時電力と予測定格電力との間の相違が増大していくにつれて、減少していくものとなる。その相違が大きくなればなる程、追跡方法が中断され、ＭＰＰについての新しい探索が開始される頻度は、より高くなる。この場合において、同様に、カウンタ減分Δｃの離散的選択に代えて、前述した動作変数から計算することにより、連続的決定プロセスを実施することもできる。

図３に関して説明した方法のこの第１の実施形態は、それらの方向の変化について分析される追跡方法におけるステップの数により制御される待ち時間を、本来的に既に有しているものである。この場合において、考慮されている変数に対する待ち時間の依存性は、電圧ステップの分布がそれらの方向（電圧増大又は電圧減少）の形において一様な分布から異なる程度をも考慮して探索方法を開始するためのプロセスにより導入される。

光起電力発電機の動作変数として電力を分析することに基づいているような図４から図６に関連して説明した方法では、１つの可能な代替的改良形態として、電力変動を付加的に考慮することができる。これは、光起電力発電機によって発生される電力における主たる動揺は、雲により覆われる程度が変化することによると推測できるという知見に基づくものである。このような情況においては、どの場合においても短時間しか続かないであろうような雲により覆われている状態中に局部最少を追跡してしまうことがあるかもしれないことにより生ずるかもしれないエネルギー損失を許容する方が、探索を開始するよりも良い場合が多くある。従って、この改良形態によれば、電力レベルの大きな変化が検出される時には、探索方法４の開始が抑制される。例として、電力レベルの大きな変化は、所定の時間期間、例えば、１分の持続時間に亘って電力を連続的に検出し、測定された最大電力と測定された最少電力との間の相対的差を形成し、その差を所定のしきい値、例えば、２％と比較することにより、検出することができる。電力動揺の尺度としてのこの相対的差がこのしきい値を超える限りにおいては、追跡方法５は、中断されず、探索方法は開始されない。決定された電力動揺の大きさは、更に、待ち時間に含ませることができる。例えば、決定された電力動揺が少ない程カウンタ減分Δｃをより大きく選定することができる。何故ならば、もし、電力動揺が小さい場合には、しきい値曲線より下への電力の急降下は、日陰となっていることをより強く示すものであるからである。

この点で、考慮に入れる動作変数として電力を使用するような実施形態の場合においてだけでなく、本発明の範囲内にて提案される方法の実施形態の全てにおいて、このようにして探索方法の開始の抑制を実施することができることに、注意されたい。

図７は、最大電力の動作点で光起電力発電機ＰＶを動作させるための方法の別の実施形態を例示している。

図７は、一日の経過に亘って光起電力発電機ＰＶの再調整電圧Ｕ_ＰＶのプロフィールについての予測値曲線３１を示している。図４及び図６の場合におけるように、時間ｔ_Ａ及びｔ_Ｕは、それぞれ日の出及び日の入りを示している。日の出直後及び日の入り直前の短い時間期間は別にして、予測値曲線３１の電圧Ｕ_ＰＶは、第１の近似である上部に開いた放物線に従っている。このような仮定が妥当であるような日部分の時間は、時間ｔ′_Ａ及びｔ′_Ｕにより示されている。正午のあたりの一日に亘るプロフィールにおける減少は、光起電力発電機の加熱の結果として動作条件が変化することによるものである。時間ｔ′_Ａ及びｔ′_Ｕ並びにこれら時間及び予測値曲線３１のピーク点での電圧値は、図４及び図６に関連して説明したのと同様にして、１日以上の前の日からの測定データから決定することができる。

予測値曲線３１に基づいて、例えば、第１の場合において単位１より小さな係数を乗じ、第２の場合において単位１より大きな係数を乗ずることにより、２つのしきい値曲線３２及び３３が決定され、これら曲線３２及び３３との間に電圧Ｕ_ＰＶに対する許容範囲３１′が形成される。光起電力発電機の瞬時測定電圧Ｕ_ＰＶの相違が、この許容範囲３１′から、下方しきい値曲線３２より下の範囲３２′へ入り又は上方しきい値曲線３３より上の範囲３３′へと入ることは、光起電力発電機が部分的に日陰とされている確率が増大していることを示し、又、動作点がその追跡方法の結果として少なくとも２つの電力極大のうちの１つを追跡している確率が増大していることを示している。従って、その追跡方法が全体最大でなく、局部最大のみを追跡している確率も増大している。このような改良形態によれば、その追跡方法を中断し、探索方法を実施するために、範囲３２′又は３３′にある光起電力電圧が監視される。この場合において、下方しきい値曲線３２及び上方しきい値曲線３３を決定するための感度のよい係数は、例えば、それぞれ０．９及び１．０５である。

図５に関連して説明した実施形態と同様にして、ここでも、探索方法の開始のための待ち時間を導入するため、カウンタを使用することができる。この場合において、この方法が基づく動作変数、即ち、この場合において、光起電力モジュールの電圧を、待ち時間に影響を及ぼすものとして使用することができる。例えば、光起電力モジュールの測定電圧Ｕ_ＰＶと予測曲線３１との間の相違が大きくなればなる程、単位時間当たりのカウンタ減分をより大きく選定することができる。

図８は、この方法の更に別の実施形態を例示するため、図１に例示したのと同様に、Ｐ／Ｕ特性を示している。図２に関連して説明したように、光起電力発電機の電圧Ｕ_ＰＶは、その時に設定される電流値Ｉ_ＰＶを測定し、電力値Ｐ_ＰＶを決定するのにこれを使用するため、追跡方法中に段階的に増大又は減少させられる。電圧Ｕ_ＰＶを変える前の電力値と電圧Ｕ_ＰＶを変えた後の電力値との比較は、この追跡方法のための基礎を構成する。この場合において、電力変化と電圧変化との比率ΔＰ_ＰＶ／ΔＵ_ＰＶは、追跡されている各最大に隣接する側部の勾配を示している。この勾配は、その極大の幅に関係しており、大きな勾配は、狭い極大に対応しており、小さな勾配は、広い極大に対応している。

図８は、極大１、２及び３に対してこのようにして決定された勾配４１、４２及び４３を例示している。Ｐ／Ｕ特性に複数の極大、例えば、実際の特性１２の場合において観測される極大、この場合において極大２及び３が発生する時には、それらは、定格特性１１に対する、ここでは最大１の如き、日陰とされていないＰＶ発電機のＰ／Ｕ特性の単一極大よりも狭いものとなる傾向がある。追跡方法中にこのようにして決定される勾配ΔＰ_ＰＶ／ΔＵ_ＰＶに対して限界値が定められ、この限界値を超えると、日陰が存在することが示されるようにする。このような方法の改良形態では、探索方法は、追跡方法中に、その勾配の限界値が動作点を追跡するのに現在使用されている極大の側部において超えられたことが観測された時に、それに応じて開始される。この場合において、その限界値は、例えば、相対的変化ΔＰ_ＰＶ／（ΔＵ_ＰＶ＊Ｐ_ＰＶ）として決定される勾配によって、瞬時電力に依存させることができる。既に説明した実施形態におけるように、この場合においても、一方で、待ち時間を導入し、他方で、その待ち時間の大きさを観測された急峻度に依存させることができる。例として、待ち時間を実施するのにカウンタを使用する時には、そのカウンタ減分は、決定された勾配ΔＰ_ＰＶ／ΔＵ_ＰＶの大きさに依存するように選定することができる。別の仕方として、勾配を使用する代わりに、観測された極大１、２、３の領域におけるＰ／Ｕ特性１１、１２のより高次の多項式係数（例えば、２次係数）を決定することにより、その急峻度を決定することもできる。

図９は、光起電力発電機のＩ／Ｕ特性の幾つかの例を使用する前記方法の更に別の実施形態を例示している。日陰とされていないＰＶ発電機の定格特性５１及び部分的に日陰とされているＰＶ発電機の実際特性５２が例示されている。これら特性５１、５２が横座標軸と交わるところの電圧値は、光起電力発電機の無負荷電圧Ｕ_０を示している。それら特性５１、５２が縦座標軸と交わるところの電流値は、短絡電流Ｉ_０と称される。

これら特性５１及び５２に沿っている電流値と電圧値とを互いに掛け合わせて、Ｐ／Ｕグラフの形にて例示するならば、図２に例示した特性１１及び１２となる。この場合において図９にて特性５１及び５２の勾配が変化している肩部は、図２における極大の位置を示している。

この実施形態では、追跡方法を実施しながら、特性５１、５２の対応する肩部の勾配が、図７に例示した方法におけるとの同様にして決定される。勾配ΔＰ／ΔＵと同様にして、これら勾配ΔＩ／ΔＵも又、基本的特性の特性尺度である。この場合においても、それら勾配に対して限界値が定められ、この限界値を超えると、部分的日陰が存在するとすることができる。それら限界値が超えられる時、その追跡が非全体電力最大について行われている確率が高いと仮定することができる。従って、この追跡方法は、探索方法を実施するため、中断される。

更に又、その追跡方法の途中において、電圧を、例えば、Ｉ／Ｕグラフにおける対応する肩部に隣接する右側側部に位置するより高い値の方へと変化させることができる。このような変動により、そのＩ／Ｕグラフにおける右側に降下する側部を近似し、これを横座標軸上への直線の形にて外挿することができる。日陰とされていない光起電力発電機の場合には、その外挿直線が横座標軸と交わるところの値は、光起電力発電機の無負荷電圧Ｕ_０に近似している。部分的日陰の事象においてＰ／Ｕ特性に複数の極大及びＵ／Ｉ特性に複数の肩部がある時には、その外挿は、その特性のこの領域を支配している光起電力発電機の部分の各無負荷電圧を示している。

図９における実際特性５２の場合において、左側肩部に対する右側外挿を行うと、光起電力発電機の日陰部分に関連付けられる予想無負荷電圧Ｕ′_０が得られる。予測される無負荷電圧Ｕ_０より相当下である無負荷電圧Ｕ′_０が観測されることは、再び又、部分的日陰の存在を示している。この場合において、無負荷電圧Ｕ_０は、日陰とされていない光起電力発電機に関して測定を行うことにより、又は定格特性５１の肩部を追跡しているときに外挿を行うことにより、前もって決定することができる。予想無負荷電圧Ｕ′_０と予測無負荷電圧Ｕ_０との間の相違は、光起電力発電機の最大電力の点ではない動作点を使用して追跡が行われている確率が増大していることを示す。それに応じて、その追跡方法は、探索方法を実施するため、中断される。

Ｉ／Ｕ特性の肩部の右側側部での勾配の決定から無負荷電圧を予想することができるのと同じ仕方にて、その肩部の左側側部での勾配を縦座標軸上へと同様に外挿することにより、短絡電流を推定することができる。

日陰の事象においては、実際曲線５２の右側肩部での対応する外挿により、予測短絡電流Ｉ_０とは相当に異なる予想短絡値Ｉ′_０が得られる。短絡電流Ｉ_０は、日陰とされない場合において前もって測定することができ、又は、定格特性５１の肩部で追跡しているときに外挿により決定することができる。この場合において、予想短絡値Ｉ′_０と予測短絡電流Ｉ_０との間の相違は、再び、部分日陰の存在を示すものとなる。この相違のための所定の限界値が超えられる場合に、探索方法が開始される。

既に説明した実施形態におけるように、図９に関連して説明される実施形態において、その探索方法の開始のための待ち時間を導入することができる。この場合において、この待ち時間の大きさは、例えば、決定された勾配ΔＩ／ΔＵ、予想無負荷電圧Ｕ′_０又は予想短絡電流Ｉ′_０に依存させられる。

各予測値からの予想短絡電流Ｉ′_０と予想無負荷電圧Ｕ′_０との間の相違も又、探索方法を開始するため、組み合わせた形式にて使用することができる。このような目的のため、前記方法の更に別の実施形態では、Ｕ′_０とＩ′_０との積が形成され、対応する予測値の積と比較される。これら積の間の相違も又、部分日陰の存在を示すものとなる。このようにすると、動作点を追跡するのに２つ以上の極大のうちのどれがその追跡方法において使用されているかに無関係に、日陰を認識することができるという効果がある。

これまでに説明した実施形態では、探索方法の開始は、例えば、光起電力発電機に接続されているインバータと一体とされるような適当な追跡装置により追跡方法を実施しながら、記録されている動作変数を評価することに基づかれている。しかしながら、このような動作変数に加えて、又はそれらに代えて、探索方法の更なる行程を開始するため、外部的に供給される情報及び／又は光起電力設備に存在する別の光起電力発電機の動作変数を考慮に入れることもできる。

もし、例えば、光起電力設備において複数の光起電力発電機の動作変数が互いに無関係に決定される場合には、これらの動作変数における差、例えば、その各定格電力と大きく異なる光起電力発電機電力は、日陰の可能性があることを示すものとして査定することができ、非常に低い相対的電力を発生している光起電力発電機に対して、探索方法を実施するため、その追跡方法は、それに応じて、中断される。その探索方法を開始するため、対応するインバータにおいて外部トリガ信号を与えることができ、このトリガ信号は、それら複数の光起電力発電機の動作変数を監視している中央装置から出力される。これは、更に又、更に別の外部的に使用できる情報項目を考慮に入れることができる。例えば、光起電力発電機によって瞬時的に発生されている電力レベルを、瞬時的天候データに基づいて予測される電力レベルと比較することができる。この場合において観測されるいずれの相違も、探索方法を開始させるのに同様に使用することができる。

本発明によれば、実施された探索が特定の（環境）条件において首尾良く行われたことを、探索方法の更なる行程の開始を制御するときに考慮に入れる。

例えば、実線角度チャートにおいて探索方法の首尾良く行われる行程に入ることができる。探索方法の首尾良く行われる行程は、より高い出力が見出されるような動作点となることで見分けられる。探索の成功は、例えば、実線角度チャートにおいて入射放射線方向の関数として示され、即ち、太陽は日付及び時間の関数としてある。もし、実施された複数の探索方法に関する情報が時間経過に亘って実線角度チャートに入れられている場合には、この実線角度チャートにより、探索方法の更なる行程が電力の増大に繋がるか及びそれがどのような確率であるのかに関して、特定の入射放射線方向について記述することが可能となる。このような情報は、探索方法の一行程を開始するのに直接的に使用することができ、又は、既に説明した方法のうちの１つに関連して待ち時間を変化させることによりその探索方法の開始に影響を及ぼすのに間接的に使用することができる。探索の成功に関する情報に代えて、又はそれに加えて、新しい動作点及び／又はその新しい動作点での動作変数もまた、実線角度チャートに記憶させることができ、時間の経過に亘って、その実線角度チャートがその動作点についての予測値及び／又はその動作点での動作変数に関するより精密な情報を含むようにすることができ、それら情報から、探索の成功についての確率予想を導き出すことができる。この確率予想は、その探索方法を実施するかを決定するのに、前述したようにして使用することができる。

更に別の改良形態では、探索方法の各行程は、所定の第１の時間期間、例えば、１日の間に通常時間間隔で周期的に実施される。各行程がこの時間期間においてどのように首尾よく行われたかに依存して、その周期的探索は、第２のより長い時間期間の間通常に実施されるか、又は、その第２の時間期間の全持続時間の間、抑制される。その第２の時間期間が経過した時、その探索は、第１の時間期間の持続時間の間再び周期的に実施され、その成功が査定され、その方法は、それに対応して繰り返される。こうして、時間（又は年）の経過に亘って変化するような、繰り返される通常探索方法の成功の確率が決定され、更なる探索方法を実施するプロセスは、このような確率に基づいて制御される。

１、２・・・全体最大、３・・・局部最大、４・・・探索方法、５・・・追跡方法、１１、５１・・・定格特性、１２、５２・・・実際特性、２１・・・定格電力曲線、２１′・・・許容範囲、２２〜２７・・・しきい値曲線、２２′〜２６′・・・範囲、３１・・・予測値曲線、３１′・・・許容範囲、３２、３３・・・しきい値曲線、３２′、３３′・・・範囲、４１〜４３・・・勾配、ＰＶ・・・光起電力発電機、ＰＶ′・・・理想的光起電力発電機、Ｄ・・・ダイオード、Ｒ_ｉ・・・内部抵抗、Ｒ_Ｌ・・・負荷抵抗、Ｕ_ＰＶ・・・光起電力電圧、Ｉ_ＰＶ・・・光起電力電流、Ｐ_ＰＶ・・・光起電力電力、Ｕ_０・・・無負荷電圧、Ｉ_０・・・短絡電流、Ｕ′_０・・・予想無負荷電圧、Ｉ′_０・・・予想短絡電流、ｔ・・・時間、ｔ_Ａ・・・日の出の時間、ｔ_Ｍ・・・正午、ｔ_Ｕ・・・日の入りの時間、ｃ・・・カウンタ、ｃ_０・・・初期値、Δｃ・・・カウンタ減分

Claims (16)

1. 広い変動範囲を有する系統的負荷変動に基づいて最大電力の点を探索する探索方法、
   光起電力発電機（ＰＶ）の瞬時動作点として最大電力の点を設定する設定方法、及び、
   狭い変動範囲を有する負荷変動に基づいて前記瞬時動作点を追跡する追跡方法
   を含む副次的方法を用いて、最大電力の動作点で光起電力発電機を動作させるための方法であって、
   前記瞬時動作点が最大電力の点からずれる確率のレベルを決定するため、前記光起電力発電機（ＰＶ）の動作変数を分析するステップと、
   前記動作変数の分析の結果の関数として最大電力の点を決定するため、前記追跡方法を中断し、前記探索方法を実施するステップと、
   前記最大電力の点を前記瞬時動作点として設定し、前記追跡方法を再開するステップとを含み、
   前記瞬時動作点が最大電力の点からずれる確率を決定するため、同等の動作変数の存在において実施された前の探索方法の結果が考慮される、方法。
2. 前記分析される動作変数は、前記動作点の追跡中に記録される、請求項１に記載の方法。
3. 前記光起電力発電機の電力（Ｐ_ＰＶ）及び／又は電圧（Ｕ_ＰＶ）及び／又は電流（Ｉ_ＰＶ）が、１つの動作変数又は複数の動作変数として分析される、請求項１又は２に記載の方法。
4. 前記動作変数についての許容範囲が予め決定され、
   前記動作変数が前記許容範囲の外にあるとの前提条件に従って、前記探索方法が開始される、請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法。
5. 前記動作変数の変化の割合についての許容範囲が予め決定され、
   前記動作変数の変化の割合が前記許容範囲の外にあるとの前提条件に従って、前記探索方法が開始される、請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法。
6. 異なる動作変数の相互の依存性について許容範囲が予め決定され、
   前記動作変数の相互の依存性が前記許容範囲の外にあるとの前提条件に従って、前記探索方法が開始される、請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法。
7. 前記種々な動作変数の相互の依存性は、第１の動作変数又は第２の動作変数が変化するとき、前記第１の動作変数の変化と前記第２の動作変数の変化との比率である、請求項６に記載の方法。
8. 待ち時間が与えられ、前記許容範囲が前記待ち時間よりも長い時間期間の間そのままとされるとの前提条件に従って、前記探索方法が開始される、請求項４〜７のうちのいずれか１項に記載の方法。
9. 前記待ち時間自体の長さは、光起電力発電機（ＰＶ）の動作変数に依存している、請求項８に記載の方法。
10. 前記待ち時間の長さは、前記確率を考慮して決定される、請求項８又は９に記載の方法。
11. 前の探索方法の結果は、前記前の探索方法が、各々、各動作変数を考慮して異なる動作点の設定に至った確率である、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の方法。
12. 光起電力発電機に入射する放射線のパラメータが、動作変数として分析される、請求項１〜１１のいずれか１項に記載の方法。
13. 前記パラメータは、放射線方向に関連している、請求項１２に記載の方法。
14. 前記放射線方向は、瞬時時間に基づいて決定される、請求項１３に記載の方法。
15. 前記前の探索ステップの結果は、前記前の探索方法の各々が前記各動作変数を考慮して異なる動作点の設定に至ったところの各新しい動作点の予測値又は前記各新しい動作点での前記光起電力発電機の動作変数の予測値である、請求項１〜１４のいずれか１項に記載の方法。
16. 前記確率の決定は、前記予測値と前記光起電力発電機の対応する瞬時動作変数との相違を考慮して実施される、請求項１５に記載の方法。

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