JP6320723B2

JP6320723B2 - 太陽光発電システム、それに用いる動作点補正装置、および動作点補正方法

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Publication number: JP6320723B2
Application number: JP2013238211A
Authority: JP
Inventors: 一隆板子
Original assignee: Ikutoku Gakuen School Corp
Current assignee: Ikutoku Gakuen School Corp
Priority date: 2013-11-18
Filing date: 2013-11-18
Publication date: 2018-05-09
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Description

本発明は、太陽光発電システムに関する。
特に、本発明は、太陽光発電システムにおける最大電力点追従制御（ＭＰＰＴ制御）方式の動作点を補正する技術に関するものである。

太陽光発電システムにおいて、効率のよい発電を行うためには、太陽光発電システムの最大電力点を調整することが必要である。
太陽光発電システムにおいて太陽光を受け発電を行う太陽光発電パネルは、出力電圧と出力電流との間に相関関係を有する。出力電力Ｐと出力電圧Ｖとの特性（Ｐ−Ｖ特性）曲線上には、最大電力が発揮される点である最大電力点が存在する。太陽光発電パネルの最大電力点は、日照条件によって変動し、設置場所の違い等によっても異なる。そこで、変動する最大電力点に追従し、最大の発電量を確保できるように、太陽光発電システムの最大電力点を調整する制御が行われている。この制御は、一般に最大電力点追従（ＭＰＰＴ：Maximum Power Point Tracking）制御と呼ばれる。

ＭＰＰＴ制御方法として、例えば「山登り法」が知られている。
山登り法は、例えば下記特許文献１に概要が記載されているように、一定の時間間隔で電圧を変化させたときに電力が大きくなるか小さくなるかに応じて、次の電圧変化の符号を決定することにより、山を登るように電力が大きくなる点を探索する方法である。

ところで、太陽光発電パネルの部分影や異方位設置、混成時には、太陽電池の出力電圧に対する出力電力の特性曲線上に複数のピークが発生することが知られている。かかる状況においては、複数のピークが存在することにより、ＭＰＰＴ制御を行う場合の山登り法を用いた電力調整方法では、必ずしも、正確に最大電力点を検出することができない。

例えば、図１（Ａ）に示すように、太陽光発電パネルに影がない場合は、その出力特性は図１（Ｂ）に示すように、１箇所のピーク、すなわち、最大電力点を有する。
しかしながら、図２（Ａ）に示すように、太陽光発電パネルに部分的な影があると、その出力特性は図２（Ａ）に示すように、２つのピークＡ、Ｂを有する場合が生じる。なお、ピークは、２か所とは限らず、３以上となる可能性もある。
このように、ピークが複数存在すると、従来のＭＰＰＴ制御方法では、例えば図２（Ｂ）に示すように、ピークＡが最大電力点であるにもかかわらず、電圧が高い方のピークであるピークＢを最大電力点として検出してしまう場合があった。

このため、太陽光発電パネルの部分影や異方位設置、混成時であっても、適確にＭＰＰＴ制御を行うことができることが望まれている。
本願発明者は、このような要望に応えるため、特願２０１２−１１４７２６において、太陽電池と、当該太陽電池の出力が最大電力点のときの最適太陽電池電流に太陽電池電流または最適太陽電池電圧に太陽電池電圧を追従させ、得られた最大電力動作点で動作するように追従制御を行う電力調整装置と、前記太陽電池と、前記電力調整装置との間に設けられ、前記太陽電池の最大出力をスキャンし、複数のピークがある場合、最大のピークを検出し、検出した最大ピークに応じた電力に補正して前記電力調整装置に入力する動作点補正装置と、を有する太陽光発電システムを提案している。

特願２０１２−１１４７２６号に開示した太陽光発電システムは、太陽電池の最大電力点をスキャンして、ＭＰＰＴ方式の電力調整装置における動作点が最大電力点で動作しているか否かを確認し、誤った点で動作している場合には、誤った電圧点から最大電力点に対応した電圧に向かって、ＭＰＰＴ方式の電力調整装置における入力電力が増加する方向に出力電力を制御して、ＭＰＰＴ方式の電力調整装置の入力電圧が最大電力点となるように補正して動作し、その後、ＭＰＰＴ方式の電力調整装置による電力の調整を行う。

特開２００１−１０３６７５号公報

しかし、入力電圧が所定の動作電圧範囲内にある場合しか動作しないＭＰＰＴ方式の電力調整装置が存在する。
このような電力調整装置を使用した場合、特願２０１２−１１４７２６号に開示した太陽光発電システムでは、太陽電池の最適動作電圧が低い場合、電力調整装置への入力電圧が電力調整装置の動作範囲外となってしまう場合があり、このような場合には最大電力点への追従動作が不可能となってしまう。

したがって、所定の動作電圧範囲内でしか動作しないＭＰＰＴ方式の電力調整装置が使用される場合に、太陽光発電パネルの部分的な影等により出力電力のピークが複数存在しても、正確にＭＰＰＴ方式による電力調整を行うことができることが要望されている。

本発明によれば、太陽電池と、当該太陽電池の出力が最大となる最大電力点に対応する太陽電池の前記最大電力点に対応する太陽電池の最適動作電圧値に太陽電池電圧値を追従させ、当該最大電力点で動作するように追従制御を行う電力調整装置と、前記太陽電池と前記電力調整装置との間に設けられ、動作モード期間、前記電力調整装置が動作可能な電圧を求めるように動作する、動作点補正装置とを具備し、
前記動作点補正装置は、
前記太陽電池の一方の出力部に接続された第１のスイッチと、
カソード（陰極）が前記第１のスイッチの出力部に接続され、アノード（陽極）が前記太陽電池の他方の出力部に接続された第１のダイオードと、
入力部が前記第１のスイッチの出力部と前記第１のダイオードの陰極とに接続されたインダクタと、
前記インダクタの出力部と前記太陽電池の他方の出力部との間に接続された第２のスイッチと、
アノード（陽極）が前記第２のスイッチの入力部に接続された第２のダイオードと、前記第２のダイオードのカソード（陰極）と前記太陽電池の他方の出力部との間に接続されたキャパシタと、
演算処理手段と
を有し、
前記演算処理手段は、動作モード期間、
前記第１のスイッチおよび前記第２のスイッチを同時にオフにして、前記インダクタ、前記キャパシタ、前記第１のダイオードの閉回路を形成させて前記太陽電池を開放状態とし、
前記第１のスイッチおよび前記第２のスイッチを同時にオンにして、所定期間、前記太陽電池の出力電圧を前記開放状態の開放電圧から変化させながら、前記太陽電池の出力電圧と前記太陽電池の出力電流とを乗じて前記太陽電池の出力電力を連続的に算出し、算出した電力の最大の電力点を検出し、当該検出した最大の電力点に対応する最適動作電圧を検出し、
前記電力調整装置が最適動作電圧付近の動作範囲で動作しているか否かを確認し、前記電力調整装置が最適動作電圧付近の動作範囲で動作しているとき、
前記第１のスイッチをオンにし、前記第２のスイッチをオフにして、前記検出した最大電力点に対応する最適動作電圧を前記電力調整装置に出力し、
前記電力調整装置が最適動作電圧付近の動作範囲で動作していない時、
前記第１のスイッチおよび前記第２のスイッチを同時にオフにして、前記インダクタ、前記キャパシタ、前記第１のダイオードの閉回路を形成させ、
前記太陽電池の出力電圧を最適動作電圧とし、前記第１のスイッチをオン、前記第２のスイッチをオフにして、当該最適動作電圧を前記電力調整装置に出力し、
前記電力調整装置は、入力された最適動作電圧値に応じて追従制御を行う、
太陽光発電システムが提供される。

好ましくは、前記動作点補正装置は、さらに、前記太陽電池の出力電流を検出する電流計と、前記太陽電池の出力端子電圧を検出する電圧計と、を有し、
前記演算処理手段は、
前記電流計が検出した前記太陽電池の電流値と、前記電圧計が検出した前記太陽電池の電圧値とを乗算して前記太陽電池の出力電力値を演算し、
当該太陽電池の電流値と、電圧値と、出力電力値と、に基いて、記第１のスイッチおよび第２のスイッチのオン／オフを制御する。

本発明によれば、太陽電池と、当該太陽電池の出力が最大となる最大電力点に対応する太陽電池の前記最大電力点に対応する太陽電池の最適動作電圧値に太陽電池電圧値を追従させ、当該最大電力点で動作するように追従制御を行う電力調整装置と、有する、太陽光発電システムにおいて、前記太陽電池と前記電力調整装置との間に設けられ、動作モード期間、前記電力調整装置が動作可能な電圧を求めるように動作する、動作点補正装置であって、
前記動作点補正装置は、
前記太陽電池の一方の出力部に接続された第１のスイッチと、
カソード（陰極）が前記第１のスイッチの出力部に接続され、アノード（陽極）が前記太陽電池の他方の出力部に接続された第１のダイオードと、
入力部が前記第１のスイッチの出力部と前記第１のダイオードの陰極とに接続されたインダクタと、
前記インダクタの出力部と前記太陽電池の他方の出力部との間に接続された第２のスイッチと、
アノード（陽極）が前記第２のスイッチの入力部に接続された第２のダイオードと、前記第２のダイオードのカソード（陰極）と前記太陽電池の他方の出力部との間に接続されたキャパシタと、
演算処理手段と
を有し、
前記演算処理手段は、動作モード期間、
前記第１のスイッチおよび前記第２のスイッチを同時にオフにして、前記インダクタ、前記キャパシタ、前記第１のダイオードの閉回路を形成させて前記太陽電池を開放状態とし、
前記第１のスイッチおよび前記第２のスイッチを同時にオンにして、所定期間、前記太陽電池の出力電圧を前記開放状態の開放電圧から変化させながら、前記太陽電池の出力電圧と前記太陽電池の出力電流とを乗じて前記太陽電池の出力電力を連続的に算出し、算出した電力の最大の電力点を検出し、当該検出した最大の電力点に対応する最適動作電圧を検出し、
前記電力調整装置が最適動作電圧付近の動作範囲で動作しているか否かを確認し、前記電力調整装置が最適動作電圧付近の動作範囲で動作しているとき、
前記第１のスイッチをオンにし前記第２のスイッチをオフにして、前記検出した最大電力点に対応する最適動作電圧を前記電力調整装置に出力し、
前記電力調整装置が最適動作電圧付近の動作範囲で動作していない時、
前記第１のスイッチおよび前記第２のスイッチを同時にオフにして、前記インダクタ、前記キャパシタ、前記第１のダイオードの閉回路を形成させ、
前記太陽電池の出力電圧を最適動作電圧とし、前記第１のスイッチをオン、前記第２のスイッチをオフにして、当該最適動作電圧を前記電力調整装置に出力し、
それにより、前記電力調整装置が、入力された最適動作電圧値に応じて追従制御を行うことが可能となる、
動作点補正装置が提供される。

本発明によれば、所定の動作電圧範囲内でしか動作しないＭＰＰＴ方式の電力調整装置が使用される場合に、太陽光発電パネルの部分的な影等による、出力電圧のピークが複数存在しても、正確にＭＰＰＴ方式による電力調整を行うことができる。

太陽光発電パネルに影がない場合の出力電圧−電力特性を示す図である。太陽光発電パネルに部分影がある場合の出力電圧−電力特性を示す図である。本発明の太陽光発電システムの全体構成の一例を示す図である。本発明の太陽光発電システムの回路構成例を示した図である。本発明の太陽光発電システムにおいて、太陽光発電パネルに部分的な影が生じている場合の動作点補正装置による補正動作を示すタイミング図である。本発明の太陽光発電システムにおける動作点補正装置の出力電圧と太陽光発電パネルの最適動作電圧との関係を示す図である。本発明の太陽光発電システムにおける動作点補正装置による動作点補正の概念図である。本発明の太陽光発電システムにおける動作点補正の様子を示す実測値の時間変化を示す図である。本発明の太陽光発電システムの適用例を示す図である。

構成例
図３に本発明の太陽光発電システムの全体構成の一例を示す。
図３に示す太陽光発電システムは、独立型太陽光発電システムであり、太陽光発電パネル１と、動作点補正装置２と、ＭＰＰＴ装置３と、バッテリ４と、負荷５とで構成されている。

太陽光発電パネル１は、所定の起電力を有する太陽電池（ＰＶ：Photovoltaics）セルが１つあるいは複数個接続されて構成される。すなわち、太陽光発電パネル１は、太陽電池モジュール、あるいは太陽電池アレイである。太陽光発電パネル１の形態は、太陽光発電システムの目的や希望する電圧等に応じて選択されうる。

動作点補正装置２は、例えば昇圧型、あるいは降圧型のＤＣ−ＤＣコンバータであり、太陽光発電パネル１の出力電圧を調節してＭＰＰＴ装置３に出力することにより、ＭＰＰＴ装置３が正確にＭＰＰＴ制御を行うことができるようにする。
ＭＰＰＴ装置３は、動作点補正装置２によって補正された太陽光発電パネル１の電流値、電圧値を用いて、例えば山登り法等により太陽光発電パネル１の最大電力点で動作させるＭＰＰＴ制御を行う。
ＭＰＰＴ装置３は、例えば昇圧型や降圧型のＤＣ−ＤＣコンバータで構成されている。ＭＰＰＴ装置３の構成及びそのＭＰＰＴ制御動作については、公知のものを採用することができる。
負荷４は、太陽電池パネル１の起電力により動作する負荷である。

動作点補正装置２の構成
上述したように、本発明の太陽光発電システムは、動作点補正装置２が太陽光発電パネル１とＭＰＰＴ装置３との間に配置されており、太陽光発電パネル１の出力値を補正してＭＰＰＴ装置３に渡すことにより、ＭＰＰＴ装置３が好適にＭＰＰＴ制御を行うことができるようにするものである。
したがって、以下では動作点補正装置２の構成及び動作について詳細に説明する。

図４は、動作点補正装置２を含む太陽光発電システムの回路構成例を示した図である。
図４に示すように、動作点補正装置２は、例えば下記の構成要素ａ〜ｌからなる。
ａ．太陽光発電パネル１の出力電流Ｉ_ＰＶを測定する（検出する）電流計ＭＩ_ＰＶ
ｂ．太陽光発電パネル１の出力端子電圧Ｖ_ＰＶを測定する（検出する）電圧計ＭＶ_ＰＶ
ｃ．太陽光発電パネル１の出力が大きく変化したとき、変動を抑制する第１のキャパシタＣ１
ｄ．太陽光発電パネル１からインダクタＬへの回路を断続する、保護ダイオード付のトランジスタで構成された第１のスイッチＳ１
ｅ．第１のダイオードＤ１
ｆ．第１のスイッチＳ１の出力電流であり、インダクタＬに流れるインダクタ電流Ｉ_Ｌを測定する電流計ＭＩ_Ｌと、
ｇ．インダクタＬ
ｈ．第２のキャパシタＣ２の両端を断続する保護ダイオード付のトランジスタで形成された第２のスイッチＳ２
ｉ．第２のスイッチＳ２がオンのとき、第２のキャパシタＣ２の短絡を防止するための第２のダイオードＤ２
ｊ．平滑用の第２のキャパシタＣ２
ｋ．動作点補正装置２の出力電圧である電圧Ｖ_Ｌを測定する電圧計ＭＶ_Ｌ
ｌ．これらを制御する制御処理手段としてのＤＳＰ

図４に示すように、動作点補正装置２は、基本的に、第１のスイッチＳ１および第２のスイッチＳ２を含み、これらスイッチの動作によって、入力した電力を昇圧、または、降圧させるＤＣ−ＤＣコンバータ（昇圧型、あるいは降圧型）として構成されている。

動作点補正装置２の動作
次に、動作点補正装置２の動作例について説明する。
図５は、太陽光発電パネル１に部分的な影が生じている場合の動作点補正装置２による補正動作を示すタイミング図である。
図５（Ａ）は、時系列の動作モードを示す。
モードＩは、動作点補正装置２の第１のスイッチＳ１および第２のスイッチＳ２をともにオフにする動作モードである。
モードＩＩは、第１のスイッチＳ１および第２のスイッチＳ２をともにオンにする動作モードである。
モードＩＩＩは、ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御を行う動作モードである。
モードＩＶは、最大電力点での動作が確認された後に移行するモードで、第１のスイッチＳ１をオンにし、第２のスイッチＳ２をオフにする動作モードである。

モードＩ、ＩＩ、ＩＩＩは、動作点補正装置２により動作点の補正が行われる期間であり、モードＩＶは、モードＩ〜ＩＩＩにおいて補正された最大電力点の電圧で、例えば、山登り法でＭＰＰＴ装置３による調整が行われる期間である。モードＩＶにおけるＭＰＰＴ装置３の動作の詳細については後述する。
また、図５（Ｂ）〜（Ｄ）は各モードにおける動作点補正装置２の各構成が検出する値の変化を示す。図５（Ｂ）は太陽電池パネル１の出力端子電圧である電圧Ｖ_ＰＶ、動作点補正装置２の出力電圧である電圧Ｖ_Ｌおよび太陽電池パネル１の出力電流Ｉ_ＰＶの値の変化を、図５（Ｃ）はインダクタ電流Ｉ_Ｌの値の変化を、図５（Ｄ）は太陽光発電パネル１の出力電力Ｐ_ＰＶの値の変化を、それぞれ示している。

各動作モードにおいて、ＤＳＰは、第１のスイッチＳ１、第２のスイッチＳ２を下記のごとく、制御する。
モードＩ：開放動作：第１のスイッチＳ１＝オフ、第２のスイッチＳ２＝オフ
モードＩＩ：短絡動作（ただし、ｔ＝ｔ１〜ｔ２では最大電力点検出動作）：第１のスイッチＳ１＝オン、第２のスイッチＳ２＝オン
モードＩＩＩ：追従動作：ＰＷＭ制御（第１のスイッチＳ１、または、第２のスイッチＳ２）
モードＩＶ：停止動作：第１のスイッチＳ１＝オン、第２のスイッチＳ２＝オフ

第２のスイッチＳ２は、最大電力点検出動作（モードＩＩ）時に、ＤＳＰによってオン状態とされ、このとき、第２のダイオードＤ２は第２のキャパシタＣ２の短絡を防止するために設けられている。なお、第２のキャパシタＣ２は平滑用のキャパシタである。

動作点補正装置２のＤＳＰは、電流計ＭＩ_ＰＶで検出した太陽光発電パネル１の出力電流Ｉ_ＰＶと、電圧計ＭＶ_ＰＶで検出した太陽光発電パネル１の出力端子電圧Ｖ_ＰＶを乗算して太陽光発電パネル１の出力電力Ｐ_ＰＶを算出する。
そして、ＤＳＰは、太陽光発電パネル１の最大電力点をスキャンし、ＭＰＰＴ装置３が最大電力点で動作しているか否かをチェックする。
ＭＰＰＴ装置３が最大電力点で動作していない場合は、ＤＳＰはＭＰＰＴ装置３の入力電圧動作範囲内で最適に動作するよう、太陽光発電パネル１の電圧を制御する。

時間経過に伴う動作点補正装置２による動作の詳細
以下、時間経過に伴う動作点補正装置２の動作の詳細について説明する。
＜時間ｔ＝０〜ｔ１＞
ＤＳＰは、図５に示す時間０において、電圧計ＭＶ_Ｌの測定値（動作点補正装置２の出力電圧）Ｖ_Ｌを入力してメモリに保存するとともに、第１のスイッチＳ１と第２のスイッチＳ２とを同時にオフ状態にして、太陽光発電パネル１の出力を開放状態にする。
これにより、太陽光発電パネル１からインダクタＬへの回路が遮断され、インダクタＬ、第２のキャパシタＣ２、第１のダイオードＤ１の回路が形成される。太陽光発電パネル１の出力端子電圧Ｖ_ＰＶは上昇して開放電圧Ｖ_ＯＣとなり、太陽光発電パネル１の出力電流Ｉ_ＰＶは第１のキャパシタＣ１の特性に応じて低下する。したがって、太陽光発電パネル１の出力端子電圧Ｖ_ＰＶと出力電流Ｉ_ＰＶとの積として得られる太陽光発電パネル１の出力電力Ｐ_ＰＶは急激に低下する。他方、インダクタ電流Ｉ_Ｌは、インダクタＬの特性に応じて、直線的に低下し、ｔ＝ｔ１において０となる。

＜時間ｔ＝ｔ１〜ｔ２＞
ＤＳＰは、図５に示す時間ｔ１において、第１のスイッチＳ１と第２のスイッチＳ２とを同時にオン状態にする。
第１のスイッチＳ１と第２のスイッチＳ２のオンにより、太陽光発電パネル１がインダクタＬに接続され、電流Ｉ_ＬがインダクタＬの特性に応じて直線的に増加する。第２のスイッチＳ２がオンになっても、第２のダイオードＤ２によって第２のキャパシタＣ２の両端は短絡されない。
このため、太陽光発電パネル１の出力端子電圧Ｖ_ＰＶは、時間ｔ１における開放電圧Ｖ_ＯＣから、時間ｔ２における０まで変化する。太陽光発電パネル１の出力電流Ｉ_ＰＶは、太陽光発電パネル１の出力電力Ｐ_ＰＶのピークに応じて変化する。

時間ｔ１からｔ２にかけて、ＤＳＰは、順次、太陽光発電パネル１の出力電流Ｉ_ＰＶと出力端子電圧Ｖ_ＰＶとを乗じて出力電力Ｐ_ＰＶを算出し、図示しないＤＳＰのメモリに記憶していき、記憶した電力値を監視して、電力が最大となる最大電力点Ｐ_ｍａｘを検出する。これにより、例えば太陽電池パネル１に部分的な影が存在し、ＰＶ特性のピークが複数存在する場合でも、最大電力点Ｐ_ｍａｘを必ず検出することができる。
ＤＳＰは、検出した最大電力点Ｐ_ｍａｘに対応する太陽光発電パネル１の最適動作電圧Ｖ_ＯＰをメモリに保存する。
ここで、ＤＳＰは、ＭＰＰＴ装置３が最適動作電圧Ｖ_ＯＰ付近で動作しているか否かを確認する。ＭＰＰＴ装置３が最適動作電圧Ｖ_ＯＰ付近で動作していない場合は、以下説明する時間ｔ４以降の動作（モードＩＩＩ）により太陽電池パネル１の最適動作電圧をＭＰＰＴ装置３の動作範囲内となるように調節する。

＜時間ｔ＝ｔ２〜ｔ４＞
時間ｔ２の時点では太陽光発電パネル１の動作電圧、すなわち出力端子電圧Ｖ_ＰＶは最適動作電圧Ｖ_ＯＰから離れているので、ＤＳＰは時間ｔ２において再度モードＩ、すなわち第１のスイッチＳ１と第２のスイッチＳ２とを同時にオフ状態とし、太陽光発電パネル１を再度開放状態とする。これにより、太陽光発電パネル１の出力電流Ｉ_ＰＶとインダクタ電流Ｉ_Ｌとがともに０となり等しくなる。
続いてＤＳＰは時間ｔ３において再度モードＩＩ、すなわち第１のスイッチＳ１と第２のスイッチＳ２とを同時にオン状態にする。これにより、太陽光発電パネル１の出力端子電圧Ｖ_ＰＶを開放電圧Ｖ_ＯＣから変化させ、最適動作電圧Ｖ_ＯＰとする。

＜時間ｔ＝ｔ４〜＞
時間ｔ４において、ＤＳＰは、太陽光発電パネル１の出力端子電圧Ｖ_ＰＶが太陽光発電パネル１の目標電圧Ｖ_{ＰＶｒｅｆ}に追従するように制御する（モードＩＩＩ）。
具体的には、以下のような方法を用いる。
まず、ＭＰＰＴ装置３が好適に動作する任意の動作電圧をＶ_Ｌ’とする。すなわち、電圧Ｖ_Ｌ’はＭＰＰＴ装置３の動作範囲内の電圧である。太陽光発電パネル１の最適動作電圧Ｖ_ＯＰと電圧Ｖ_Ｌ’との比Ｋを以下のように定義する。

このＫは、最大電力点をスキャンする（ｔ＝ｔ１〜ｔ２）度に新しい太陽光発電パネル１の最適動作電圧Ｖ_ＯＰが代入され、更新される。

なお、上述した太陽光発電パネル１の目標電圧Ｖ_{ＰＶｒｅｆ}は、上記定義した比Ｋを用いて、ＫＶ_Ｌとする。

Ｖ_Ｌは、動作点補正装置２の出力電圧、すなわち、ＭＰＰＴ装置３の動作電圧である。動作点補正装置２は、出力電圧Ｖ_Ｌを、ＭＰＰＴ装置３が好適に動作する任意の動作電圧Ｖ_Ｌ’付近となるように制御する。
すなわち、動作点補正装置２のＤＳＰは、出力電圧Ｖ_ＬをＭＰＰＴ装置の動作範囲内の電圧Ｖ_Ｌ’付近となるようにして、太陽電池パネル１の出力端子電圧Ｖ_ＰＶを目標電圧Ｖ_{ＰＶｒｅｆ}に追従するように制御する。
これにより、動作点補正装置２は、ＭＰＰＴ装置３の動作範囲内で太陽電池パネル１が最大電力点における最適動作を行うように制御することができる。

以上説明した動作点補正装置２の動作により、太陽光発電パネル１を最大電力点で動作させることと、ＭＰＰＴ装置３側の入力電圧がＭＰＰＴ装置３の好適に動作する電圧付近であること、の両条件が満たされる。

なお、上述した例では、動作点補正装置２の出力電圧、すなわち、ＭＰＰＴ装置３の動作電圧Ｖ_Ｌを、ＭＰＰＴ装置３が好適に動作する任意の動作電圧Ｖ_Ｌ’付近としたが、本発明はこれには限定されない。
動作点補正装置２の出力電圧Ｖ_Ｌの値は、ＭＰＰＴ装置３の動作可能電圧範囲内で、太陽光発電パネル１の最適動作電圧Ｖ_ＯＰに応じて変化してもよい。
図６は、動作点補正装置２の出力電圧Ｖ_Ｌと太陽光発電パネル１の最適動作電圧Ｖ_ＯＰとの関係を示す図である。

図６において、線Ａ〜Ｅはそれぞれ動作点補正装置２の出力電圧Ｖ_Ｌと太陽光発電パネル１の最適動作電圧Ｖ_ＯＰとの関係を示している。
線Ａは、動作点補正装置２の出力電圧Ｖ_Ｌを一定の値Ｖ_Ｌ’とする場合を示しており、上述した動作例はこれに対応している。
線Ｂ〜Ｅは、出力電圧Ｖ_ＬをＭＰＰＴ装置３の動作可能電圧範囲Ｖ_Ｌｍｉｎ〜Ｖ_Ｌｍａｘ内の任意の値とした場合を示している。出力電圧Ｖ_Ｌの値は、太陽光発電パネル１の最適動作電圧Ｖ_ＯＰの値に応じて一意に決定されればよい。図６に示した線Ｂ〜Ｅは、出力電圧Ｖ_Ｌを決定するための関係を示したものであるが、これらは一例であり、出力電圧Ｖ_Ｌを決定するための関係については本発明では限定しない。図６に示した例である線Ｂ〜Ｅは傾きが正であるが、例えば傾きが負であってもよい。

なお、モードＩＩＩの動作は、ＤＣ−ＤＣコンバータである動作点補正装置２の入出力比Ｋから得られる通流率で一定とすることもできる。
また、時間０〜ｔ４の動作を、ＰＷＭ制御によって実施することも可能である。この場合スキャン時間ｔ１〜ｔ２を任意にコントロールすることができる。

時間ｔ１〜ｔ２の検出動作において、ＭＰＰＴ装置３の動作電圧が最適動作電圧Ｖ_ＯＰ付近で動作していることが確認された場合は、動作点は最大電力点Ｐ_ｍａｘ付近にあるので、ＤＳＰは第１のスイッチＳ１をオンに、第２のスイッチＳ２をオフにしてモードＩＶに推移し、動作点補正装置２の動作を停止する。
これに伴い、ＭＰＰＴ装置３は、動作点補正装置２によって検出された最大電力点Ｐ_ｍａｘで動作するように調整を行う。

なお、動作点補正装置２による上述した動作を、一定時間周期で定期的に行うことにより、あるいは、利用者の指示により行うことにより、太陽光発電パネル１に対する環境の変化に対して、常に、最大電力点を検出することができ、さらに、それに応じて、ＭＰＰＴ装置３を動作させることができる。

図７に、動作点補正装置２による動作点補正の概念図を示す。
図７は、縦軸に電力Ｐ、横軸に電圧ＶをとったＰＶ特性曲線であるが、太陽光発電パネル１に部分的な影が存在することを想定しているため、ピークＡ、Ｂの２つのピークが存在する。電圧が低いピークＡの方がピークＢよりも大きなピークとなっている。そして、ＭＰＰＴ装置３は、ピークＢを含む所定の電圧範囲内でしか動作しない場合を想定している。
このような場合、ＭＰＰＴ装置の動作電圧を太陽光発電パネルの最適動作電圧に誘導してＭＰＰＴ制御を行う動作点補正装置では、ピークＡに対応する電圧は動作範囲外であるため、ピークＢを最大電力点として認識してしまい、ピークＡを検出できない恐れがあった。

本発明の太陽光発電システムにおける動作点補正装置２は、上述したように、動作点補正装置２の出力電圧Ｖ_Ｌ、すなわちＭＰＰＴ装置３の動作電圧を調節することで、図７におけるピークＡ、すなわち太陽電池パネル１の最大電力点をＭＰＰＴ装置３の動作範囲内仮想的に移動させ、ピークＡ’として動作させることができる。

図８は、本発明の太陽光発電システムにおける動作点補正の様子を示す実測値の時間変化を示す図である。
図８に示すように、補正前の太陽光発電パネル１の出力電力Ｐ_ＰＶは約２０Ｗであった。
約２２ｍｓから動作点補正装置２による補正が開始され、約２６ｍｓで補正が終了している。太陽光発電パネル１の出力電力Ｐ_ＰＶは約４２Ｗに改善されている。そして、動作点補正装置２の出力電圧Ｖ_ＬはＭＰＰＴ装置が好適に動作する電圧Ｖ_Ｌ’付近に調節されるため、補正の前と後において出力電圧Ｖ_Ｌはほぼ維持されている。
すなわち、本発明の太陽光発電システムの動作点補正装置２の補正動作により、太陽光発電パネル１側は最大動作点で動作していることが分かる。また、補正動作はミリセカンドオーダーの極短時間で完了することが確認できる。

適用例
本発明の太陽光発電システムは、図３に示すように、太陽電池モジュールあるいは太陽電池アレイである太陽光発電パネル１と、その出力をＭＰＰＴ制御するＭＰＰＴ装置３との間に動作点補正装置２が配置される。ＭＰＰＴ装置３の後段には、バッテリ４と負荷５とが接続され、太陽光発電パネル１における起電力を有効に利用できるようになっている。このような形態の太陽光発電システムは、独立型太陽光発電システムと呼ばれる。
ただし、本発明は図３に示す独立型太陽光発電システムだけではなく、種々の形態の構成を取ることもできる。以下、本発明の太陽光発電システムの適用例について説明する。

図９（ａ）は、バッテリ４の代わりに商用電源などの系統電源を配置することで、系統連系太陽光発電システムとしたものである。
図９（ｂ）及び（ｃ）は、太陽光発電パネル１を太陽電池ストリング、すなわち太陽電池モジュールを直列に複数個接続して出力の大きな発電を可能としたものを、複数個並列に接続した構成としたものである。
複数個の太陽電池ストリングは、それぞれに動作条件が異なるため、それぞれの太陽電池ストリング毎に動作点補正装置２を接続するとともに、それぞれＭＰＰＴ装置３によりＭＰＰＴ制御を行う必要がある。

図９（ｂ）に示す太陽光発電システムは、複数の動作点補正装置２からの出力を、接続箱を利用してＭＰＰＴ装置３に入力するものであり、図９（ｃ）に示す太陽光発電システムは、多入力型のＭＰＰＴ装置３を使用することにより、複数の動作点補正装置２からの出力をＭＰＰＴ装置３に入力するものである。

以上説明したように、本発明の太陽光発電システムによれば、動作点補正装置２のＤＳＰは、出力電圧Ｖ_ＬをＭＰＰＴ装置の動作範囲内の電圧Ｖ_Ｌ’付近となるようにして、太陽電池パネル１の出力端子電圧Ｖ_ＰＶを目標電圧Ｖ_{ＰＶｒｅｆ}に追従するように制御する。これにより、動作点補正装置２は、ＭＰＰＴ装置３の動作範囲内で太陽電池パネル１が最大電力点における最適動作を行うように制御している。
したがって、例えＭＰＰＴ装置３が所定の動作電圧範囲内でしか動作しない場合でも、その動作範囲内で太陽電池パネル１が最大電力点での動作を行うように調節することができる。

なお、動作点補正装置２に適用するＤＣ−ＤＣコンバータとしては、公知の種々の方式のものを適用することができる。

上述した実施の形態においては、動作点補正装置２を付加することにより、太陽光発電パネル１に部分的な影が存在して、太陽光発電パネル１の出力に複数のピークが存在したとしても、ＭＰＰＴ装置３における制御処理が正確に行われることを述べた。
しかしながら、動作点補正装置２と、ＭＰＰＴ装置３とは、たとえば、電力演算など、共通する、または、類似する処理も多いことから、動作点補正装置２とＭＰＰＴ装置３とを合体した装置とすることもできる。

１・・・太陽光発電パネル
２・・・動作点補正装置
３・・・装置
４・・・バッテリ
５・・・負荷Ｃ１・・・第１のキャパシタ
Ｃ２・・・第２のキャパシタ
Ｄ１・・・第１のダイオード
Ｄ２・・・第２のダイオード
ＭＩ_Ｌ・・・電流計
ＭＩ_ＰＶ・・・電流計
ＭＶ_Ｌ・・・電圧計
ＭＶ_ＰＶ・・・電圧計
Ｓ１・・・第１のスイッチ
Ｓ２・・・第２のスイッチ

Claims

太陽電池と、
当該太陽電池の出力が最大となる最大電力点に対応する太陽電池の前記最大電力点に対応する太陽電池の最適動作電圧値に太陽電池電圧値を追従させ、当該最大電力点で動作するように追従制御を行う電力調整装置と、
前記太陽電池と前記電力調整装置との間に設けられ、動作モード期間、前記電力調整装置が動作可能な電圧を求めるように動作する、動作点補正装置と
を具備し、
前記動作点補正装置は、
前記太陽電池の一方の出力部に接続された第１のスイッチと、
カソード（陰極）が前記第１のスイッチの出力部に接続され、アノード（陽極）が前記太陽電池の他方の出力部に接続された第１のダイオードと、
入力部が前記第１のスイッチの出力部と前記第１のダイオードの陰極とに接続されたインダクタと、
前記インダクタの出力部と前記太陽電池の他方の出力部との間に接続された第２のスイッチと、
アノード（陽極）が前記第２のスイッチの入力部に接続された第２のダイオードと、前記第２のダイオードのカソード（陰極）と前記太陽電池の他方の出力部との間に接続されたキャパシタと、
演算処理手段と
を有し、
前記演算処理手段は、動作モード期間、
前記第１のスイッチおよび前記第２のスイッチを同時にオフにして、前記インダクタ、前記キャパシタ、前記第１のダイオードの閉回路を形成させて前記太陽電池を開放状態とし、
前記第１のスイッチおよび前記第２のスイッチを同時にオンにして、所定期間、前記太陽電池の出力電圧を前記開放状態の開放電圧から変化させながら、前記太陽電池の出力電圧と前記太陽電池の出力電流とを乗じて前記太陽電池の出力電力を連続的に算出し、算出した電力の最大の電力点を検出し、当該検出した最大の電力点に対応する最適動作電圧を検出し、
前記電力調整装置が最適動作電圧付近の動作範囲で動作しているか否かを確認し、前記電力調整装置が最適動作電圧付近の動作範囲で動作しているとき、
前記第１のスイッチをオンにし、前記第２のスイッチをオフにして、前記検出した最大電力点に対応する最適動作電圧を前記電力調整装置に出力し、
前記電力調整装置が最適動作電圧付近の動作範囲で動作していない時、
前記第１のスイッチおよび前記第２のスイッチを同時にオフにして、前記インダクタ、前記キャパシタ、前記第１のダイオードの閉回路を形成させ、
前記太陽電池の出力電圧を最適動作電圧とし、前記第１のスイッチをオン、前記第２のスイッチをオフにして、当該最適動作電圧を前記電力調整装置に出力し、
前記電力調整装置は、入力された最適動作電圧値に応じて追従制御を行う、
太陽光発電システム。
前記動作点補正装置は、さらに、
前記太陽電池の出力電流を検出する電流計と、
前記太陽電池の出力端子電圧を検出する電圧計と、
を有し、
前記演算処理手段は、
前記電流計が検出した前記太陽電池の電流値と、前記電圧計が検出した前記太陽電池の電圧値とを乗算して前記太陽電池の出力電力値を演算し、
当該太陽電池の電流値と、電圧値と、出力電力値と、に基いて、記第１のスイッチおよび第２のスイッチのオン／オフを制御する、
請求項１に記載の太陽光発電システム。
太陽電池と、当該太陽電池の出力が最大となる最大電力点に対応する太陽電池の前記最大電力点に対応する太陽電池の最適動作電圧値に太陽電池電圧値を追従させ、当該最大電力点で動作するように追従制御を行う電力調整装置と、有する、太陽光発電システムにおいて、前記太陽電池と前記電力調整装置との間に設けられ、動作モード期間、前記電力調整装置が動作可能な電圧を求めるように動作する、動作点補正装置であって、
前記動作点補正装置は、
前記太陽電池の一方の出力部に接続された第１のスイッチと、
カソード（陰極）が前記第１のスイッチの出力部に接続され、アノード（陽極）が前記太陽電池の他方の出力部に接続された第１のダイオードと、
入力部が前記第１のスイッチの出力部と前記第１のダイオードの陰極とに接続されたインダクタと、
前記インダクタの出力部と前記太陽電池の他方の出力部との間に接続された第２のスイッチと、
アノード（陽極）が前記第２のスイッチの入力部に接続された第２のダイオードと、前記第２のダイオードのカソード（陰極）と前記太陽電池の他方の出力部との間に接続されたキャパシタと、
演算処理手段と
を有し、
前記演算処理手段は、動作モード期間、
前記第１のスイッチおよび前記第２のスイッチを同時にオフにして、前記インダクタ、前記キャパシタ、前記第１のダイオードの閉回路を形成させて前記太陽電池を開放状態とし、
前記第１のスイッチおよび前記第２のスイッチを同時にオンにして、所定期間、前記太陽電池の出力電圧を前記開放状態の開放電圧から変化させながら、前記太陽電池の出力電圧と前記太陽電池の出力電流とを乗じて前記太陽電池の出力電力を連続的に算出し、算出した電力の最大の電力点を検出し、当該検出した最大の電力点に対応する最適動作電圧を検出し、
前記電力調整装置が最適動作電圧付近の動作範囲で動作しているか否かを確認し、前記電力調整装置が最適動作電圧付近の動作範囲で動作しているとき、
前記第１のスイッチをオンにし前記第２のスイッチをオフにして、前記検出した最大電力点に対応する最適動作電圧を前記電力調整装置に出力し、
前記電力調整装置が最適動作電圧付近の動作範囲で動作していない時、
前記第１のスイッチおよび前記第２のスイッチを同時にオフにして、前記インダクタ、前記キャパシタ、前記第１のダイオードの閉回路を形成させ、
前記太陽電池の出力電圧を最適動作電圧とし、前記第１のスイッチをオン、前記第２のスイッチをオフにして、当該最適動作電圧を前記電力調整装置に出力し、
それにより、前記電力調整装置が、入力された最適動作電圧値に応じて追従制御を行うことが可能となる、
動作点補正装置。
前記動作点補正装置は、さらに、
前記太陽電池の出力電流を検出する電流計と、
前記太陽電池の出力端子電圧を検出する電圧計と、
を有し、
前記演算処理手段は、
前記電流計が検出した前記太陽電池の電流値と、前記電圧計が検出した前記太陽電池の電圧値とを乗算して前記太陽電池の出力電力値を演算し、
当該太陽電池の電流値と、電圧値と、出力電力値と、に基いて、記第１のスイッチおよび第２のスイッチのオン／オフを制御する、
請求項３に記載の動作点補正装置。