JP6662035B2 - 制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、概して制御装置に関し、特に、太陽電池から出力された直流電力を交流電力に変換するＡＣ（Alternating Current）インバータを含む太陽光パワーコンディショナー（ＰＣＳ：Power Conditioning System）用の制御装置に関する。

太陽電池が出力可能な電力は、太陽電池へ注がれる日射量や、太陽電池の温度（パネル温度）に従って変化する。そこで、太陽光パワーコンディショナーは、こうした日射量や温度の変化に応じて可及的に最大電力が出力されるように、太陽電池の出力電力を制御する。

太陽電池の出力電力に関する制御方法には、例えば、ＭＰＰＴ（Maximum Power Point Tracking）制御がある。ＭＰＰＴ制御では、太陽電池の出力電圧と出力電流との組合せ、すなわち、太陽電池の動作点を、太陽電池の発電電力が最大になる最大電力点（最適動作点）に追随させる。また、ＭＰＰＴ制御を実現する具体的なアルゴリズムには、例えば、山登り法がある。山登り法では、次のような処理が繰り返し行われる。すなわち、太陽電池の出力電圧と出力電流とが測定され、測定された出力電圧と出力電流とから太陽電池の出力電力が演算される。そして、今回演算された出力電力と前回演算された出力電力とが比較され、比較結果に従って、太陽電池の動作点が最大電力点に近づくように太陽電池の出力電圧が制御される。

なお、関連する技術として、特許文献１及び２に記載の技術が知られている。
特許文献１には、例えば、次のような技術が示されている。すなわち、太陽光発電装置は、太陽電池、電力変換手段、設定手段、制御手段、及び再設定手段を備える。電力変換手段は、太陽電池から出力された直流電力を交流電力に変換する。設定手段は、電力変換手段の起動直前に、太陽電池の出力電圧と太陽電池の種類に対応して予め定められた定数とから、仮想最適動作電圧及び制御電圧範囲を求める。設定手段は、求めた仮想最適動作電圧、制御電圧範囲、及び固定電圧を太陽電池の仮想最適動作電圧、制御電圧範囲、及び固定電圧として設定する。制御手段は、第１のモード及び第２のモードを有する。第１のモードでは、制御手段は、仮想最適動作電圧を太陽電池の出力電圧の目標値として電力変換手段を起動した後、制御電圧範囲において太陽電池から出力された直流電力が大きくなる方向に、太陽電池の出力電圧を所定の電圧変化幅で段階的に変化させる。第２のモードでは、制御手段は、太陽電池から出力された直流電力が所定電力より小さな場合に、太陽電池の出力電圧を固定電圧とする。再設定手段は、太陽電池の出力電力が安定していない場合に、設定されている太陽電池の仮想最適動作電圧及び制御電圧範囲の少なくとも一方を所定値だけ増加させる。

また、特許文献２には、例えば、次のような技術が示されている。すなわち、太陽光発電用パワーコンディショナーは、取得手段、決定手段、及び調整手段を備える。取得手段は、低電流状態から低電圧状態までの太陽電池の電流−電圧特性を取得する。決定手段は、取得手段によって取得された電流−電圧特性において、電力が最大となるときの電圧を電圧目標値として決定する。調整手段は、決定手段によって決定された電圧目標値に太陽電池の電圧を調整する。取得手段は、１分以上３時間以下の時間間隔で電流−電圧特性を取得することを特徴とする。

特許第３７３２９４３号明細書 特許第５２９１８９６号明細書

しかしながら、低日射時には太陽電池の発電電力のピークがはっきりしないため、ＭＰＰＴ制御では、太陽電池の動作点が最適動作点に制御されずに、太陽電池の発電効率が低下する虞がある。

本発明が解決しようとする課題の１つは、低日射時においても可及的に日射量に応じた最大電力が出力されるように太陽電池の出力電力を制御する制御装置を提供することである。

一実施形態に従った制御装置は、電力演算部、ピーク電圧保持部、及びモード切り替え部を含む。電力演算部は、スイープモード（Sweep Mode）において太陽電池の出力電力を演算する。スイープモードは、太陽電池の出力電圧を開放電圧からＭＰＰＴ（Maximum Power Point Tracking）制御の下限値まで徐々に変化させる、太陽電池に対する電力制御モードである。ピーク電圧保持部は、スイープモードにおいて演算された出力電力の最大値に対応する太陽電池のピーク電圧を保持する。モード切り替え部は、スイープモードにおいて太陽電池の出力電圧を開放電圧からＭＰＰＴ制御の下限値まで変化させたときに演算された出力電力の最大値が、ＭＰＰＴ制御の開始レベル未満である場合に、スイープモードからグローバルピークモード（Global Peak Mode）へ太陽電池に対する電力制御モードを切り替え、一方、スイープモードにおいて太陽電池の出力電圧を開放電圧からＭＰＰＴ制御の下限値まで変化させる間に演算された出力電力の最大値が、ＭＰＰＴ制御の開始レベル以上になった場合に、スイープモードからＭＰＰＴモードへ電力制御モードを切り替える。グローバルピークモードは、保持されたピーク電圧に太陽電池の出力電圧を制御する、太陽電池に対する電力制御モードであり、ＭＰＰＴモードは、山登り法により太陽電池の最大電力点に太陽電池の動作点を制御する、太陽電池に対する電力制御モードである。

一実施形態に従った制御装置によれば、低日射時においても可及的に日射量に応じた最大電力が出力されるように、太陽電池の出力電力を制御することができる。

実施形態に従った制御装置及び該制御装置を含む太陽光発電システムの構成例を示す図である。 実施形態に従った制御装置が実行する電力制御における状態遷移の一例を示す図である。 実施形態に従った制御装置が実行する電力制御における第１例のタイミングチャートである。 実施形態に従った制御装置が実行する電力制御における第２例のタイミングチャートである。 実施形態に従った制御装置が実行する電力制御における第３例のタイミングチャートである。

以下、図面を参照しながら発明を実施するための形態を詳細に説明する。
図１は、実施形態に従った制御装置及び該制御装置を含む太陽光発電システムの構成例を示す図である。図１に示すように、太陽光発電システム１は、太陽光パワーコンディショナー１０及び太陽電池２０を含む。そして、太陽光パワーコンディショナー１０は、制御装置１１、ＡＣ（Alternating Current）インバータ１２、第１のインダクタ１３、コンデンサ１４、及び第２のインダクタ１５を含む。また、太陽光パワーコンディショナー１０は、第１の電圧センサ１６、第２の電圧センサ１７、第１の電流センサ１８、及び第２の電流センサ１９を更に含む。制御装置１１は、実施形態に従った制御装置の一構成例である。

太陽電池２０はＡＣインバータ１２に接続され、太陽電池２０から出力された直流電力は交流電力に変換される。ＡＣインバータ１２から出力された交流電力は、第１のインダクタ１３、コンデンサ１４、及び第２のインダクタ１５を介して電力系統３０へ出力される。第１のインダクタ１３、コンデンサ１４、及び第２のインダクタ１５はＬＣＬフィルタを構成する。ＬＣＬフィルタは、電力系統３０へ出力される交流電流に含まれる高調波電流を除去するノイズ除去フィルタの一例である。

制御装置１１は、太陽電池２０から可及的に最大電力が出力されるように、太陽電池２０からの出力電力を制御する。具体的には、制御装置１１は、太陽電池２０からの出力電圧が目標電圧に一致するように、ＡＣインバータ１２からの出力電流を制御する。以下の説明において、太陽電池２０からの出力電力、出力電圧、及び出力電流を便宜的に、出力電力Ｐ_ＰＶ、出力電圧Ｖ_ＰＶ、及び出力電流Ｉ_ＰＶと夫々記載する場合がある。

制御装置１１は、モード切り替え部１１１、電力演算部１１２、電圧スイープ部１１３、ピーク電圧保持部１１４、ＭＰＰＴ制御部１１５、及び目標電圧切り替え部１１６を含む。また、制御装置１１は、有効電流制御部１１７、無効電流制御部１１８、電流指令演算部１１９、及びＰＷＭ（Pulse Width Modulation）演算部１２１を更に含む。制御装置１１の各部は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）等のプロセッサ、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）、及びＰＬＤ（Programmable Logic Device）といったハードウェアにより実現されてもよい。或いは、制御装置１１の各部は、例えば、コンピュータにより実行されるプログラムといったソフトウェアにより実現されてもよい。

モード切り替え部１１１は、電力演算部１１２、電圧スイープ部１１３、ピーク電圧保持部１１４、ＭＰＰＴ制御部１１５、及び目標電圧切り替え部１１６と連携して、ＡＣインバータ１２を介して実行される太陽電池２０に対する電力制御モードを切り替える。モード切り替え部１１１により切り替えられる電力制御モードには、待機モード、スイープモード、グローバルピークモード、ＭＰＰＴモード、及び保持モードが含まれる。

待機モードは、太陽光発電システム１による発電を待機する電力制御モードである。
スイープモードは、太陽電池２０の出力電圧Ｖ_ＰＶを開放電圧からＭＰＰＴ制御の下限値まで徐々に変化させる電力制御モードである。以下の説明において、スイープモードにおいて開放電圧からＭＰＰＴ制御の下限値まで徐々に変化する太陽電池２０の目標電圧、すなわち、スイープモードでの目標電圧を便宜的に目標電圧Ｖ_ＰＶ ^＊ _{＿ＳＷＥＥＰ}と記載する場合がある。

グローバルピークモードは、太陽電池２０のピーク電圧で太陽電池の出力電圧Ｖ_ＰＶを制御する電力制御モードである。太陽電池２０のピーク電圧は、スイープモードにおいて演算された太陽電池２０の出力電力Ｐ_ＰＶの最大値に対応する、太陽電池２０の出力電圧Ｖ_ＰＶである。グローバルピークモードは、スイープモードにおいて太陽電池２０の出力電圧Ｖ_ＰＶを開放電圧からＭＰＰＴ制御の下限値まで変化させたときに演算された出力電力Ｐ_ＰＶの最大値が、ＭＰＰＴ制御の開始レベル未満である場合に実行される。以下の説明において、スイープモードにおいて演算された太陽電池２０の出力電力Ｐ_ＰＶの最大値に対応する太陽電池２０のピーク電圧、すなわち、グローバルピークモードにおける目標電圧を便宜的に目標電圧Ｖ_ＰＶ ^＊ _{＿ＧＰＥＡＫ}と記載する場合がある。

ＭＰＰＴモードは、山登り法により太陽電池２０の最大電力点に太陽電池２０の動作点を制御する電力制御モードである。ＭＰＰＴモードは、スイープモードにおいて太陽電池２０の出力電圧Ｖ_ＰＶを開放電圧からＭＰＰＴ制御の下限値まで変化させる間に演算された太陽電池２０の出力電力Ｐ_ＰＶの最大値が、ＭＰＰＴ制御の開始レベル以上になった場合に実行される。また、ＭＰＰＴモードは、グローバルピークモード中に演算された太陽電池の出力電力Ｐ_ＰＶが、ＭＰＰＴ制御の開始レベル以上になった場合に実行される。以下の説明において、山登り法を用いたＭＰＰＴ制御によって決まる太陽電池２０の目標電圧、すなわち、ＭＰＰＴモードにおける目標電圧を便宜的に目標電圧Ｖ_ＰＶ ^＊ _{＿ＭＰＰＴ}と記載する場合がある。

保持モードは、ＭＰＰＴモード中に演算された太陽電池２０の出力電力Ｐ_ＰＶが、ＭＰＰＴ制御の停止レベル未満になった場合に、ＭＰＰＴ制御の停止レベル未満になった時点における出力電圧Ｖ_ＰＶに太陽電池２０の出力電圧Ｖ_ＰＶを保持する電力制御モードである。

モード切り替え部１１１の動作によって特定の電力制御モードが設定されると、設定された特定の電力制御モードにおける太陽電池２０の目標電圧が有効電流制御部１１７に入力する。有効電流制御部１１７は、入力された目標電圧と、第１の電圧センサ１６により測定された太陽電池２０の出力電圧Ｖ_ＰＶとから有効電流指令値を求める。また、無効電流制御部１１８は、電力系統３０の電圧維持や太陽光発電システム１の単独運転状態の検出のために無効電流指令値を求める。求められた有効電流指令値及び無効電流指令値は電流指令演算部１１９へ出力される。電流指令演算部１１９は、入力された有効電流指令値及び無効電流指令値を基に交流電流指令を演算し、演算した交流電流指令を電流制御演算部１２０へ出力する。

電流制御演算部１２０は、入力された交流電流指令、第２の電圧センサ１７により測定されたＡＣインバータ１２からの出力電圧、及び第２の電流センサ１９により測定されたＡＣインバータ１２からの出力電流を基にＡＣインバータ１２の電圧指令値を演算する。演算された電圧指令値はＰＷＭ演算部１２１へ出力される。ＰＷＭ演算部１２１は、入力された電圧指令値に従って、ＡＣインバータ１２に含まれるスイッチング素子（図示せず）のゲートパルスを演算する。そして、ＰＷＭ演算部１２１は、演算したゲートパルスをＡＣインバータ１２へ出力する。入力されたゲートパルスに従ってＡＣインバータ１２が動作することによって、太陽電池２０の出力電圧Ｖ_ＰＶは、設定された特定の電力制御モードにおける目標電圧に制御され、可及的に最大電力が太陽電池２０から出力される。

実施形態に従った制御装置１１がＡＣインバータ１２を介して実行する、太陽電池２０に対する電力制御の一例を図２〜図５を更に参照しながら説明する。図２は、実施形態に従った制御装置が実行する電力制御における状態遷移の一例を示す図である。図３〜図５は、実施形態に従った制御装置が実行する電力制御における第１例〜第３例のタイミングチャートである。

＜待機モード＞
太陽光発電システム１の操作員により太陽光パワーコンディショナー１０の電源が投入されると、電力制御モードは待機モードになる。待機モードにおいて、モード切り替え部１１１は、太陽光パワーコンディショナー１０に含まれる各部、太陽電池２０、及び電力系統３０に異常がないことを確認する。また、モード切り替え部１１１は、第１の電圧センサ１６により測定された太陽電池２０の出力電圧Ｖ_ＰＶが、太陽電池２０による発電が開始される所定電圧以上であることを確認する。図２に示すように、これらの確認によって太陽光発電システム１の運転条件が成立すると、モード切り替え部１１１は、待機モードからスイープモードに電力制御モードを切り替える。例えば、モード切り替え部１１１は、電圧スイープ部１１３が有効電流制御部１１７と接続するように、目標電圧切り替え部１１６を動作させる。

なお、太陽光パワーコンディショナー１０に含まれる各部、太陽電池２０、及び電力系統３０に異常がないか否かは、待機モード以外の他の電力制御モードでも監視されてもよい。また、図２には示されていないが、他の電力制御モードにおいて異常が確認された場合には、該他の電力制御モードから待機モードに電力制御モードは切り替えられてもよい。

＜スイープモード＞
電圧スイープ部１１３には、第１の電圧センサ１６により測定された太陽電池の出力電圧Ｖ_ＰＶを入力する。スイープモードにおいて、電圧スイープ部１１３は、入力された出力電圧Ｖ_ＰＶを監視し、目標電圧Ｖ_ＰＶ ^＊ _{＿ＳＷＥＥＰ}を開放電圧からＭＰＰＴ制御の下限値まで徐々に変化させる。なお、以下の説明において、スイープモードにおいて目標電圧Ｖ_ＰＶ ^＊ _{＿ＳＷＥＥＰ}を開放電圧からＭＰＰＴ制御の下限値まで徐々に変化させることを電圧スイープと記載する場合がある。

電圧スイープ部１１３から出力された目標電圧Ｖ_ＰＶ ^＊ _{＿ＳＷＥＥＰ}は、目標電圧切り替え部１１６を介して有効電流制御部１１７に入力する。有効電流制御部１１７に入力された目標電圧Ｖ_ＰＶ ^＊ _{＿ＳＷＥＥＰ}に従って太陽電池２０の出力電圧Ｖ_ＰＶが開放電圧からＭＰＰＴ制御の下限値まで変化するように、ＡＣインバータ１２は起動及び動作する。

電力演算部１１２は、第１の電圧センサ１６により測定された出力電圧Ｖ_ＰＶと、第１の電流センサ１８により測定された出力電流Ｉ_ＰＶとから、太陽電池２０の出力電力Ｐ_ＰＶを逐次（例えば、所定間隔で）演算する。電力演算部１１２は、演算した出力電力Ｐ_ＰＶをピーク電圧保持部１１４及びＭＰＰＴ制御部１１５へ出力する。

ピーク電圧保持部１１４は、ＭＰＰＴ制御の下限値を目標電圧Ｖ_ＰＶ ^＊ _{＿ＧＰＥＡＫ}の初期値として保持する。ＭＰＰＴ制御の下限値は、ＭＰＰＴ制御の制御範囲における太陽電池２０の下限の電圧値である。また、ピーク電圧保持部１１４は、太陽電池２０の動作開始レベルを太陽電池２０の出力電力Ｐ_ＰＶの初期値として保持する。太陽電池２０の動作開始レベルは、太陽電池２０による発電が開始される下限の電力値である。

ピーク電圧保持部１１４には、第１の電圧センサ１６により測定された太陽電池２０の出力電圧Ｖ_ＰＶと、電力演算部１１２により演算された太陽電池２０の出力電力Ｐ_ＰＶとを入力する。入力された今回の出力電力Ｐ_ＰＶが、保持されている出力電力Ｐ_ＰＶよりも大きい場合、ピーク電圧保持部１１４は、今回の出力電力Ｐ_ＰＶに対応する太陽電池２０の出力電圧Ｖ_ＰＶを新たな目標電圧Ｖ_ＰＶ ^＊ _{＿ＧＰＥＡＫ}として保持する。また、ピーク電圧保持部１１４は、今回の出力電力Ｐ_ＰＶを、新たに保持される出力電圧Ｐ_ＰＶとして更新する。ピーク電圧保持部１１４は、スイープモード中にこうした処理を繰り返すことで、電力演算部１１２により演算された太陽電池２０の出力電力Ｐ_ＰＶの最大値に対応する太陽電池２０の出力電圧Ｖ_ＰＶ、すなわち、ピーク電圧を目標電圧Ｖ_ＰＶ ^＊ _{＿ＧＰＥＡＫ}として保持する。

図３には、スイープモードで太陽電池２０の出力電圧Ｖ_ＰＶが開放電圧からＭＰＰＴ制御の下限値まで変化したときに、太陽電池２０の出力電力Ｐ_ＰＶの最大値がＭＰＰＴ制御の開始レベル未満である場合のタイミングチャートの一例が第１例として示されている。ＭＰＰＴ制御の開始レベルは、ＭＰＰＴ制御が開始される太陽電池２０の下限の電力値であり、予め設定される。第１例のようなケースは、例えば、低日射状態のときに発生し得る。

時刻ｔ_１において、モード切り替え部１１１は、電圧スイープ部１１３による電圧スイープが完了したことを確認する。また、モード切り替え部１１１は、ピーク電圧保持部１１４が保持する出力電力Ｐ_ＰＶの最大値がＭＰＰＴ制御の開始レベル未満であることを確認する。図２及び図３に示すように、モード切り替え部１１１は、これらを確認すると、スイープモードからグローバルピークモードへ電力制御モードを切り替える。例えば、モード切り替え部１１１は、ピーク電圧保持部１１４が有効電流制御部１１７と接続するように、目標電圧切り替え部１１６を動作させる。

図４には、スイープモードで太陽電池２０の出力電圧Ｖ_ＰＶが開放電圧からＭＰＰＴ制御の下限値まで変化する間に、太陽電池２０の出力電力Ｐ_ＰＶの最大値がＭＰＰＴ制御の開始レベル以上になった場合のタイミングチャートの一例が第２例として示されている。第２例のようなケースは、例えば、高日射状態のときに発生し得る。

時刻ｔ_２において、モード切り替え部１１１は、電圧スイープ部１１３による電圧スイープ中に、ピーク電圧保持部１１４が保持する出力電力Ｐ_ＰＶの最大値がＭＰＰＴ制御の開始レベル以上になったことを確認する。図２及び図４に示すように、モード切り替え部１１１は、この確認によって、スイープモードからＭＰＰＴモードへ電力制御モードを切り替える。例えば、モード切り替え部１１１は、ＭＰＰＴ制御部１１５が有効電流制御部１１７と接続するように、目標電圧切り替え部１１６を動作させる。

＜グローバルピークモード＞
電力制御モードがグローバルピークモードへ移行すると、ピーク電圧保持部１１４から出力された目標電圧Ｖ_ＰＶ ^＊ _{＿ＧＰＥＡＫ}は、目標電圧切り替え部１１６を介して有効電流制御部１１７に入力する。図３の時刻ｔ_１以降に示すように、太陽電池２０の出力電圧Ｖ_ＰＶは、ピーク電圧保持部１１４が保持及び出力する目標電圧Ｖ_ＰＶ ^＊ _{＿ＧＰＥＡＫ}に一致するように、ＡＣインバータ１２を介して制御される。

例えば、特許文献１では、太陽電池から出力された直流電力が所定電力より小さな場合には、太陽電池の出力電圧は固定電圧とされる。しかしながら、例えば、太陽電池の温度といった、太陽電池の発電効率に影響を与え得る太陽電池の実状態は、季節や気象に従って変化する。このため、こうした太陽電池の実状態に関係なく太陽電池の出力電圧が固定電圧とされると、太陽電池の発電効率は低下し得る。一方、上述したように、実施形態に従った制御装置では、電圧スイープにおいて太陽電池の出力電力が最大値になったときの太陽電池の出力電圧（実測値）が、目標電圧に設定される。すなわち、実施形態に従った制御装置において用いられる目標電圧には、太陽電池の実状態が反映されている。したがって、実施形態に従った制御装置によれば、例えば、パネル温度が基準温度と異なるか否かに係わらず低日射状態において可及的に日射量に応じた最大電力が出力されるように、太陽電池の出力電力を制御することができる。

また、例えば、特許文献２では、１分以上３時間以下の時間間隔で取得された電流−電圧特性において、電力が最大となるときの電圧が電圧目標値として決定される。しかしながら、電流−電圧特性の取得が頻繁に実行されると、取得に起因する電力ロスが多くなる。また、電流−電圧特性の取得が頻繁に実行されると、メガソーラー等の大規模発電設備では、取得動作に伴う電力脈動が電力系統に悪影響を及ぼす虞がある。一方、上述したように、実施形態に従った制御装置では、待機モード中に太陽光発電システムの運転条件が成立した場合に、電圧スイープが実行されるにすぎない。したがって、実施形態に従った制御装置によれば、目標電圧の取得動作に起因する、発電電力の機会損失や電力系統への悪影響を低減できる。

次に、グローバルピークモード中に電力演算部１１２により演算された太陽電池２０の出力電力Ｐ_ＰＶが、ＭＰＰＴ制御の開始レベル以上になった場合、モード切り替え部１１１は電力制御モードを切り替える。すなわち、図２に示すように、モード切り替え部１１１は、グローバルピークモードからＭＰＰＴモードへ電力制御モードを切り替える。例えば、モード切り替え部１１１は、ＭＰＰＴ制御部１１５が有効電流制御部１１７と接続するように、目標電圧切り替え部１１６を動作させる。グローバルピークモード中に太陽電池２０の出力電力Ｐ_ＰＶがＭＰＰＴ制御の開始レベル以上になるケースは、例えば、朝から昼への時間変化や天候の回復等によって日射量が上昇し、太陽電池２０の出力電流Ｉ_ＰＶが増加するときに発生する。

このように、実施形態に従った制御装置は、低日射時に所定の目標電圧で実行される電力制御から、高日射時に山登り法を用いて実行されるＭＰＰＴ制御へ、太陽電池に対する電力制御を速やかに移行できる。このため、実施形態に従った制御装置によれば、例えば、一日の中での時間や気象の変化に応じて可及的に最大電力が出力されるように、太陽電池の出力電力を制御することができる。

＜ＭＰＰＴモード＞
電力制御モードがＭＰＰＴモードへ移行すると、ＭＰＰＴ制御部１１５は、山登り法を用いて、電力演算部１１２により演算された出力電力Ｐ_ＰＶから目標電圧Ｖ_ＰＶ ^＊ _{＿ＭＰＰＴ}を演算する。ＭＰＰＴ制御部１１５は、演算した目標電圧Ｖ_ＰＶ ^＊ _{＿ＭＰＰＴ}を目標電圧切り替え部１１６を介して有効電流制御部１１７へ出力する。

太陽電池２０の出力電圧Ｖ_ＰＶは、目標電圧Ｖ_ＰＶ ^＊ _{＿ＭＰＰＴ}に一致するように、ＡＣインバータ１２を介して制御される。図４の時刻ｔ_２以降には、山登り法を用いたＭＰＰＴ制御によって、太陽電池２０の出力電力Ｐ_ＰＶの上昇に従って太陽電池２０の出力電圧Ｖ_ＰＶが徐々に低下している過程が示されている。

次に、図２に示すように、ＭＰＰＴモード中に電力演算部１１２により演算された太陽電池２０の出力電力Ｐ_ＰＶが、ＭＰＰＴ制御の停止レベル未満になった場合、モード切り替え部１１１は、ＭＰＰＴモードから保持モードへ電力制御モードを切り替える。例えば、モード切り替え部１１１は、ＭＰＰＴ制御部１１５が有効電流制御部１１７と引き続き接続するように、目標電圧切り替え部１１６を動作させる。また、モード切り替え部１１１は、ＭＰＰＴ制御の停止レベル未満になった時点における出力電圧Ｖ_ＰＶを目標電圧Ｖ_ＰＶ ^＊ _{＿ＭＰＰＴ}として保持するように、ＭＰＰＴ制御部１１５に指示する。ＭＰＰＴ制御の停止レベルは、ＭＰＰＴ制御が停止される太陽電池２０の電力の下限値であり、予め設定される。

図５には、ＭＰＰＴモード中に電力演算部１１２により演算された太陽電池２０の出力電力Ｐ_ＰＶが、ＭＰＰＴ制御の停止レベル未満になった場合のタイミングチャートの一例が第３例として示されている。第３例のようなケースは、例えば、昼から夕方への時間変化や天候の悪化等によって日射量が低下し、太陽電池２０の出力電流Ｉ_ＰＶが減少するときに発生する。

＜保持モード＞
電力制御モードが保持モードへ移行すると、ＭＰＰＴ制御部１１５は、ＭＰＰＴ制御の停止レベル未満になった時点における出力電圧Ｖ_ＰＶを目標電圧Ｖ_ＰＶ ^＊ _{＿ＭＰＰＴ}として、目標電圧切り替え部１１６を介して有効電流制御部１１７へ出力する。図５の時刻ｔ_３から時刻ｔ_４までに示されように、太陽電池２０の出力電圧Ｖ_ＰＶは、目標電圧Ｖ_ＰＶ ^＊ _{＿ＭＰＰＴ}に一致するように、ＡＣインバータ１２を介して制御される。

このように、実施形態に従った制御装置は、ＭＰＰＴ制御中に低日射状態になったとしても、太陽電池からの出力電圧は一定電圧に保持される。したがって、実施形態に従った制御装置によれば、日没時等の低日射状態においても、実行中のＭＰＰＴ制御が不安定にならないため、太陽電池による発電を安定的に継続できる。

次に、図２に示すように、保持モード中に電力演算部１１２により演算された出力電力Ｐ_ＰＶが更に低下し、太陽電池２０の動作停止レベル未満になった場合、モード切り替え部１１１は、保持モードから待機モードへ電力制御モードを切り替える。太陽電池２０の動作停止レベルは、太陽電池２０による発電が停止される下限の電力値である。例えば、モード切り替え部１１１は、ＭＰＰＴ制御部１１５及びピーク電圧保持部１１４に次のような動作を指示する。

すなわち、待機モードへ電力制御モードが移行すると、ＭＰＰＴ制御部１１５はＡＣインバータ１２の動作を停止させる。また、ピーク電圧保持部１１４は、保持する目標電圧Ｖ_ＰＶ ^＊ _{＿ＧＰＥＡＫ}をＭＰＰＴ制御の下限値にリセットし、保持する出力電力Ｐ_ＰＶを太陽電池２０の動作開始レベルにリセットする。

図５の時刻ｔ_４以降に示すように、ＡＣインバータ１２の動作停止によりＡＣインバータ１２からの出力電流が０になると、太陽電池２０の出力電圧Ｖ_ＰＶは、保持モード中の出力電圧Ｖ_ＰＶから開放電圧まで上昇する。そして、例えば、夜間になり日射量が激減すると、太陽電池２０の出力電圧Ｖ_ＰＶは０になる。

以上の説明から理解できるように、実施形態に従った制御装置によれば、低日射時においても可及的に日射量に応じた最大電力が出力されるように、太陽電池の出力電力を制御することができる。

なお、本発明は、以上の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良、変更が可能である。例えば、上述の説明では、実施形態に従った制御装置は、太陽電池の発電電力をＡＣインバータを介して制御する太陽光発電システムに用いられる。しかしながら、実施形態に従った制御装置は、例えば、風力発電装置及び水力発電装置といった、電圧や電流等の動作点によって変動する発電電力源の発電電力をＡＣインバータを介して制御するその他の発電システムにも利用可能である。

１ 太陽光発電システム
１０ 太陽光パワーコンディショナー
１１ 制御装置
１１１ モード切り替え部
１１２ 電力演算部
１１３ 電圧スイープ部
１１４ ピーク電圧保持部
１１５ ＭＰＰＴ制御部
１１６ 目標電圧切り替え部
１１７ 有効電流制御部
１１８ 無効電流制御部
１１９ 電流指令演算部
１２０ 電流制御演算部
１２１ ＰＷＭ演算部
１２ ＡＣインバータ
１３ 第１のインダクタ
１４ コンデンサ
１５ 第２のインダクタ
１６ 第１の電圧センサ
１７ 第２の電圧センサ
１８ 第１の電流センサ
１９ 第２の電流センサ
２０ 太陽電池
３０ 電力系統

Claims (4)

1. 太陽電池の出力電圧を開放電圧からＭＰＰＴ（Maximum Power Point Tracking）制御の下限値まで徐々に変化させるスイープモードにおいて、前記太陽電池の出力電力を演算する電力演算部と、
   前記スイープモードにおいて演算された前記出力電力の最大値に対応する前記太陽電池のピーク電圧を保持するピーク電圧保持部と、
   前記スイープモードにおいて前記太陽電池の出力電圧を前記開放電圧から前記ＭＰＰＴ制御の前記下限値まで変化させたときに演算された前記出力電力の前記最大値が、前記ＭＰＰＴ制御の開始レベル未満である場合に、前記スイープモードから、保持された前記ピーク電圧に前記太陽電池の出力電圧を制御するグローバルピークモードへ前記太陽電池に対する電力制御モードを切り替え、一方、前記スイープモードにおいて前記太陽電池の出力電圧を前記開放電圧から前記ＭＰＰＴ制御の前記下限値まで変化させる間に演算された前記出力電力の前記最大値が、前記ＭＰＰＴ制御の開始レベル以上になった場合に、前記スイープモードから、山登り法により前記太陽電池の最大電力点に前記太陽電池の動作点を制御するＭＰＰＴモードへ前記電力制御モードを切り替えるモード切り替え部と
   を含む、制御装置。
2. 前記グローバルピークモード中に演算された前記太陽電池の出力電力が、前記ＭＰＰＴ制御の開始レベル以上になった場合に、前記モード切り替え部は、前記グローバルピークモードから前記ＭＰＰＴモードへ前記電力制御モードを切り替える、請求項１に記載の制御装置。
3. 前記ＭＰＰＴモード中に演算された前記太陽電池の出力電力が、前記ＭＰＰＴ制御の停止レベル未満になった場合に、前記モード切り替え部は、前記ＭＰＰＴモードから、前記ＭＰＰＴ制御の前記停止レベル未満になった時点における前記出力電圧に前記太陽電池の出力電圧を保持する保持モードへ前記電力制御モードを切り替える、請求項２に記載の制御装置。
4. 前記制御装置は、前記太陽電池の出力電力を直流から交流に変換して電力系統へ出力するＡＣ（Alternating Current）インバータを備える太陽光パワーコンディショナーに含まれる、請求項１〜３の何れか一項に記載の制御装置。

Images