JP6168897B2 - 太陽光発電システムの制御システムおよび制御方法 - Google Patents
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Description
まず、実施の形態の概要について説明する。本実施の形態では、電力抑制解除の際の電圧制御を最適に行う技術を実現するものである。具体的には、電力抑制時にもMPPT制御を有効にし、電力抑制解除時にもMPPTを継続する方法、さらに、電力抑制解除後、太陽電池アレイの動作電圧指令値を算出するにあたり、太陽光発電システムの動作下限値から決まる電圧閾値と電圧計測値との大小関係に応じてMPPTでの電圧指令値算出方法を変える方法である。電力抑制時にMPPT制御を有効にするには、太陽電池アレイの状態を制御する電圧指令値を、電流制御信号に変換した状態で電力抑制をもたらす電流制御値と比較して置き換えるのではなく、電圧制御値に応じた電力を、抑制すべき電力値と比較して制御値を更新すればよい。
本実施の形態1における太陽光発電システムの制御システムおよび制御方法について、図1〜図4を用いて説明する。
まず、本実施の形態における太陽光発電システムの構成を図1に示す。図1は、本実施の形態における太陽光発電システムの構成の一例を示すブロック図である。より具体的に、図1では、電力抑制時にもMPPT制御を有効にするパワーコンディショナの構成の一例を示している。
本実施の形態では山登り法を例に、電力抑制時にもMPPT制御を有効にした状態で電力を抑制する方法を説明する。図1のMPPT+電力制御部23で示すブロックの動作フローを図2に示す。図2は、電力抑制時にも最大電力点追従制御を有効にする最大電力点追従の一例を示すフローチャートである。
PVアレイの電圧−電力特性を図3に示す。図3は、PVアレイの電圧−電力特性と、電力抑制が課せられた場合の動作点との一例を示す図である。図3において、横軸は電圧、縦軸は電力であり、また、30はPVアレイの電圧−電力特性曲線、31は電力抑制が課された時の動作点の一つ(A点)、32は電力抑制が課された時のもう一つの動作点(B点)を示す。MPPは最大電力点、Vmppは最大電力点に対応する電圧、Pmppは最大電力点に対応する電力、Plimit−1は電力抑制値の一つ、Plimit−2はもう一つの電力抑制値である。
図2のフローに従った制御のタイムチャートを図4に示す。図4は、電力抑制時の最大電力点追従制御の一例を示すタイムチャートである。図4において、横軸は時間、縦軸は電圧指令値と電力とsignであり、また、40は更新後の電力値(図2のP1)、41は1ステップ前の電力値(図2のP0)を示す。図4では、Plimit−1の位置で電力抑制がかかっているが、Step−AでPlimit−2の位置に電力抑制の値が変化する。Plimit−2は最大電力点であるPmppよりも大きな電力値での抑制であり、事実上抑制が無い状態である。その後、Step−Bにて再度、Plimit−1での電力抑制に変化している(図3参照)。
以上のように、本実施の形態における太陽光発電システムの制御システムおよび制御方法によれば、インバータ21と計測部22と最大電力点追従部+電力制御部23と自動電圧調整部24とパルス幅変調信号生成部25とを有することで、電力抑制時から電力抑制解除の際の電圧制御を最適に行う技術を実現することができる。この結果、電力抑制中に日射変動などによるPVアレイ出力変化が生じた際や、電力抑制状態から通常の運転状態への移行時に、発電電力損失を低く抑えることが可能となる。具体的には、電力抑制時にもMPPT制御を有効にし、電力抑制解除時にもMPPTを継続することができる。電力抑制時にMPPT制御を有効にするには、PVアレイ1の状態を制御する電圧指令値を、従来のように電流制御信号に変換した状態で電力抑制をもたらす電流制御値と比較して置き換えるのではなく、電圧制御値に応じた電力を、抑制すべき電力値と比較して制御値を更新することで実現することができる。
本実施の形態2における太陽光発電システムの制御システムおよび制御方法について、図5〜図8を用いて説明する。以下においては、上記実施の形態1と異なる点を主に説明する。
図5において、パワーコンディショナ2aは、インバータ21と、計測部22と、最大電力点追従部(MPPT)23aと、電力制御部23bと、自動電圧調整部(AVR)24と、パルス幅変調信号生成部(PWM)25とから構成される。図1と異なる点は、MPPT23aと電力制御部23bとが別々のブロック構成となっている。
図6において、まず、ステップS201において、MPPTにより電圧指令値の電圧初期値V0を設定する。また、電圧更新幅ΔV、sign0(←+1)、sign1(←+1)も設定する。そして、ステップS202において、V0における電力計測値P0を計測部22より取得する。次に、ステップS203において、V0より電圧更新幅ΔVだけ大きな電圧V1を電圧指令値として設定する(V1←V0+sign0×sign1×ΔV)。
図6のフローに従った制御のタイムチャートを示したのが図8である。図8において、横軸は時間、縦軸は電圧指令値と電力とsign1とsign0と電力抑制信号である。図8では、電力抑制信号のON/OFFにより、電力抑制が課せられているか(ON)、課せられていないか(OFF)が決められる。
以上のように、本実施の形態における太陽光発電システムの制御システムおよび制御方法によれば、MPPT23aと電力制御部23bとを別々のブロック構成とすることで、上記実施の形態1と異なる効果として、以下のような効果を得ることができる。例えば、MPPT23aで電力抑制を考慮しなくてもよいため、MPPTアリゴリズムの実装が容易となる利点がある。また、電力抑制信号のON/OFFにより電力抑制処理への分岐を決めるため、電力抑制が不要な場合の処理時間を短くできる。このように、本実施の形態の構成では電力抑制処理を分離しているため、電力抑制処理として、例えば発電電力の抑制ではなく、抑制すべき電力を蓄電池の充電に用いるなど、異なる電力抑制手法を導入することが上記実施の形態1の構成に比べ容易となる利点がある。
本実施の形態3における太陽光発電システムの制御システムおよび制御方法について、図9〜図13を用いて説明する。以下においては、上記実施の形態1および2と異なる点を主に説明する。
図9および図10は、最大電力点追従の一例を示すフローチャートである。
図11は、最大電力点追従の動作電圧設定方法におけるルックアップテーブルの作成方法の一例を示す図である。図12は、この作成されたルックアップテーブルの一例を示す図である。
図12に示したLUTを用いて図9および図10のフローに従った制御のタイムチャートを示したのが図13である。図13において、横軸は時間、縦軸は電圧指令値と電力と電力抑制値Plimit/最大発電電力Pmaxとsignと電力抑制信号である。
以上のように、本実施の形態における太陽光発電システムの制御システムおよび制御方法によれば、電力抑制時の電圧設定方法を事前に準備した電力抑制値とこの電力抑制値に対応する電圧指令値との一覧表のルックアップテーブルから選択することで、上記実施の形態1および2と異なる効果として、以下のような効果を得ることができる。例えば、ルックアップテーブルを用いる方法は、テーブルを制御システムに記憶しておくことで、漸次的に電圧指令値の更新を行って電力抑制をする必要がないため、処理が速いという利点がある。
本実施の形態4における太陽光発電システムの制御システムおよび制御方法について、図14を用いて説明する。以下においては、上記実施の形態1〜3と異なる点を主に説明する。
図14は、太陽光発電システムの最低動作電圧から決まる閾値を用いた電力抑制解除時の動作電圧設定方法の一例を示す図である。図14では、太陽光発電システムの電圧−電力特性曲線を示している。特性1がシステムの定格出力に対応する特性で、特性2〜4は低日射の場合など、特性1に比べて出力が低下している場合の特性である。電圧Vminは太陽光発電システムの最低動作電圧であり、これより低い電圧しか出力されない場合、システムは待機、もしくは停止状態となる。従って、Vminが最大電力点(MPP)の電圧となる特性(特性4)よりも低出力の場合、MPPT制御を行う必要性はない。経験的に、開放電圧Vocと最大電力点電圧Vpmaxの比Vpmax/Vocは0.8程度になることが知られているが、この関係を用いると特性4の開放電圧Voc4は、
Voc4≒Vmin/0.8
となる。
ΔV=β×ΔT×N1×N2
Voc4=Voc4(25℃)−ΔV
となる。
Voc4(25℃)=350/0.8=437.5
ΔV=2×10−3×18.4×16×60=35.3
Voc4=437.5−35.3≒402(V)
となる。
以上のように、本実施の形態における太陽光発電システムの制御システムおよび制御方法によれば、複数の電圧指令値設定方法を切り替える電圧閾値を、太陽光発電システムの最小起動電圧値から決定し、この電圧閾値を境に二分探索法の探索幅初期値を決定することで、上記実施の形態1〜3と異なる効果として、以下のような効果を得ることができる。例えば、電圧閾値を設けてMPPTの探索方法を変えることで、効率よく電圧指令値を探索することができ、また、不適当な電圧指令値を探索する恐れも低くできる利点がある。
本実施の形態5における太陽光発電システムの制御システムおよび制御方法について、図15〜図17を用いて説明する。以下においては、上記実施の形態1〜4と異なる点を主に説明する。
図15は、低日射時における一定電圧動作の際にも最大電力点追従制御の一環として定電圧の指令値を出力する制御の一例を示すフローチャートである。図16は、低日射時における一定電圧制御の説明のための太陽光発電システムにおける電圧−電力関係の一例を示す図である。図17は、電力抑制時の最大電力点追従制御の一例を示すタイムチャートである。
以上のように、本実施の形態における太陽光発電システムの制御システムおよび制御方法によれば、日射量が少ない場合の一定電圧制御を行う部分をMPPTで電圧指令値として出力する方式とすることで、上記実施の形態1〜4と異なる効果として、以下のような効果を得ることができる。例えば、低日射時における一定電圧動作の際にも、電圧値を指令値として出力し制御することができる。この結果、日の出から日の入りまで一貫してMPPTによる電圧制御が可能となる利点がある。
21…インバータ、22…計測部、23…最大電力点追従部(MPPT)+電力制御部、23a…最大電力点追従部(MPPT)、23b…電力制御部、24…自動電圧調整部(AVR)、25…パルス幅変調信号生成部(PWM)、
30…太陽電池アレイの電圧−電力特性曲線、31…電力抑制が課された時の動作点の一つ、32…電力抑制が課された時のもう一つの動作点、
40…更新後の電力値、41…1ステップ前の電力値、
90…太陽電池アレイの定格に対する電圧−電力特性曲線、91…日射が低下した場合の太陽電池アレイの電圧−電力特性曲線。
Claims (15)
- 太陽電池アレイの動作電圧を設定し、かつ前記太陽電池アレイの出力する直流電力を交流に変換するインバータと、
前記太陽電池アレイの出力する電流および電圧を計測する計測部と、
前記計測部により計測される前記太陽電池アレイの動作電圧および出力電流値を基に前記太陽電池アレイの動作電圧指令値を算出する最大電力点追従部と、
前記計測部より得られる前記太陽電池アレイの動作電圧値と、前記最大電力点追従部より設定される前記太陽電池アレイの動作電圧指令値とを比較し、その差分を基に比例積分制御を行う自動電圧調整部と、
前記自動電圧調整部より出力される電流指令値を基に前記インバータのゲート信号を生成するパルス幅変調信号生成部と、
日の出から日の入りまで、低日射の場合も含めて常に最大電力点追従による電圧指令出力により制御する電力制御部と、
を有し、
前記電力制御部は、太陽光発電システムの電力抑制時の前記太陽電池アレイの動作電圧設定方法として、前記最大電力点追従部による電圧設定方法と、電力抑制時の電圧設定方法とを有する、太陽光発電システムの制御システム。 - 請求項1記載の太陽光発電システムの制御システムにおいて、
前記電力制御部は、前記太陽光発電システムの電力抑制時にも前記最大電力点追従部によって前記太陽電池アレイの動作電圧を設定する、太陽光発電システムの制御システム。 - 請求項2記載の太陽光発電システムの制御システムにおいて、
前記電力制御部は、前記太陽光発電システムの制御電圧を一定に保つ場合にも、前記最大電力点追従部によって前記太陽電池アレイの動作電圧を設定する、太陽光発電システムの制御システム。 - 請求項2記載の太陽光発電システムの制御システムにおいて、
前記太陽光発電システムの動作下限電圧が電圧閾値であり、前記動作下限電圧が最大電力点の電圧となるような動作点の電力値が電力閾値である2つの閾値を持ち、
前記太陽光発電システムの開放電圧が前記電圧閾値以下では、前記最大電力点追従部は、前記動作電圧指令値として0Vを出力し、
前記太陽光発電システムの開放電圧が前記電圧閾値以上かつ前記太陽光発電システムの発電電力が前記電力閾値以下である場合には、前記最大電力点追従部は、前記動作電圧指令値として所定の一定値を出力し、
前記太陽光発電システムの発電電力が前記電力閾値以上である場合に、最大電力点追従制御により前記動作電圧指令値を決定して出力する、太陽光発電システムの制御システム。 - 請求項2記載の太陽光発電システムの制御システムにおいて、
前記電力制御部は、前記太陽光発電システムの電力抑制時の前記太陽電池アレイの動作電圧設定方法において、前記最大電力点追従部による電圧設定方法と、前記電力抑制時の電圧設定方法とを有し、前記電力抑制時の電圧設定方法を電力抑制値と電力計測値との比較に基づいて決定する、太陽光発電システムの制御システム。 - 請求項2記載の太陽光発電システムの制御システムにおいて、
前記電力制御部は、前記太陽光発電システムの電力抑制時の前記太陽電池アレイの動作電圧設定方法において、前記最大電力点追従部による電圧設定方法と、前記電力抑制時の電圧設定方法とを有し、前記電力抑制時の電圧設定方法を事前に準備した電力抑制値と前記電力抑制値に対応する電圧指令値との一覧表から選択する、太陽光発電システムの制御システム。 - 請求項2記載の太陽光発電システムの制御システムにおいて、
前記電力制御部は、前記太陽光発電システムの制御において、電力抑制解除時の電圧指令値設定方法を複数有し、前記複数の電圧指令値設定方法を切り替える電圧閾値を、前記太陽光発電システムの最小起動電圧値から決定する、太陽光発電システムの制御システム。 - 請求項7記載の太陽光発電システムの制御システムにおいて、
前記複数の電圧指令値設定方法は、二分探索法および山登り法を含み、
前記二分探索法は、前記太陽光発電システムの最小起動電圧から決まる電圧閾値を境に前記二分探索法の探索幅初期値を決定する、太陽光発電システムの制御システム。 - 太陽電池アレイの動作電圧を設定し、かつ前記太陽電池アレイの出力する直流電力を交流に変換するインバータと、
前記太陽電池アレイの出力する電流および電圧を計測する計測部と、
前記計測部により計測される前記太陽電池アレイの動作電圧および出力電流値を基に前記太陽電池アレイの動作電圧指令値を算出する最大電力点追従部と、
前記計測部より得られる前記太陽電池アレイの動作電圧値と、前記最大電力点追従部より設定される前記太陽電池アレイの動作電圧指令値とを比較し、その差分を基に比例積分制御を行う自動電圧調整部と、
前記自動電圧調整部より出力される電流指令値を基に前記インバータのゲート信号を生成するパルス幅変調信号生成部と、
電力制御部と、
を有する、太陽光発電システムの制御方法であって、
前記電力制御部は、前記太陽光発電システムの制御を、日の出から日の入りまで、低日射の場合も含めて常に最大電力点追従による電圧指令出力により行い、
さらに、前記電力制御部は、前記太陽光発電システムの電力抑制時の前記太陽電池アレイの動作電圧設定方法として、前記最大電力点追従部による電圧設定方法と、電力抑制時の電圧設定方法とを有する、太陽光発電システムの制御方法。 - 請求項9記載の太陽光発電システムの制御方法において、
前記電力制御部は、前記太陽光発電システムの電力抑制時にも前記最大電力点追従部によって前記太陽電池アレイの動作電圧を設定する、太陽光発電システムの制御方法。 - 請求項10記載の太陽光発電システムの制御方法において、
前記電力制御部は、前記太陽光発電システムの制御電圧を一定に保つ場合にも、前記最大電力点追従部によって前記太陽電池アレイの動作電圧を設定する、太陽光発電システムの制御方法。 - 請求項10記載の太陽光発電システムの制御方法において、
前記太陽光発電システムの動作下限電圧が電圧閾値であり、前記動作下限電圧が最大電力点の電圧となるような動作点の電力値が電力閾値である2つの閾値を持ち、
前記太陽光発電システムの開放電圧が前記電圧閾値以下では、前記最大電力点追従部は、前記動作電圧指令値として0Vを出力し、
前記太陽光発電システムの開放電圧が前記電圧閾値以上かつ前記太陽光発電システムの発電電力が前記電力閾値以下である場合には、前記最大電力点追従部は、前記動作電圧指令値として所定の一定値を出力し、
前記太陽光発電システムの発電電力が前記電力閾値以上である場合に、最大電力点追従制御により前記動作電圧指令値を決定して出力する、太陽光発電システムの制御方法。 - 請求項10記載の太陽光発電システムの制御方法において、
前記電力制御部は、前記太陽光発電システムの電力抑制時の前記太陽電池アレイの動作電圧設定方法において、前記最大電力点追従部による電圧設定方法と、前記電力抑制時の電圧設定方法とを有し、前記電力抑制時の電圧設定方法を電力抑制値と電力計測値との比較に基づいて決定する、太陽光発電システムの制御方法。 - 請求項10記載の太陽光発電システムの制御方法において、
前記電力制御部は、前記太陽光発電システムの電力抑制時の前記太陽電池アレイの動作電圧設定方法において、前記最大電力点追従部による電圧設定方法と、前記電力抑制時の電圧設定方法とを有し、前記電力抑制時の電圧設定方法を事前に準備した電力抑制値と前記電力抑制値に対応する電圧指令値との一覧表から選択する、太陽光発電システムの制御方法。 - 請求項10記載の太陽光発電システムの制御方法において、
前記電力制御部は、前記太陽光発電システムの制御において、電力抑制解除時の電圧指令値設定方法を複数有し、前記複数の電圧指令値設定方法を切り替える電圧閾値を、前記太陽光発電システムの最小起動電圧値から決定する、太陽光発電システムの制御方法。
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