JP6958456B2 - 電力変換装置及び最大電力点追従制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、電力変換装置及び最大電力点追従制御方法に関する。

例えば太陽光発電パネルには電力変換装置としてのパワーコンディショナが接続され、このパワーコンディショナを介して商用電力系統との系統連系を行うことができる。パワーコンディショナは、太陽光発電パネルから、その時点での最大の電力を引き出すため、最大電力点追従制御（ＭＰＰＴ（Maximum Power Point Tracking）制御）を行っている（例えば、特許文献１参照。）。

入力可能な電力に関してのパワーコンディショナの能力は、基本的には、太陽光発電パネルの発電電力に合わせて選定されるべきである。しかしながら、太陽光発電パネルは日射条件によって発電量が変化し、期待される発電電力を常に出力できるとは限らない。また、太陽光発電パネル自体のコストも従前より安価になりつつある。そこで、設置スペースを最大限に活用して、できるだけ多くの太陽光発電パネルを設置し、それに比してパワーコンディショナの能力を若干抑える、というシステム構成がある。その結果、パワーコンディショナに入力可能な電力よりも太陽光発電パネルの発電電力の最大値の方が大きい「過積載」の状態が起こり得る（例えば、特許文献２，３参照。）。

特開２０１０−６６９１９号公報 特開２０１６−１１５２８３号公報 特開２０１４−１６６００９号公報

しかしながら、過積載の状態でパワーコンディショナがＭＰＰＴ制御を行う場合、パワーコンディショナの能力範囲でしか電力を引き出せない。従って、太陽光発電パネルが定格通りの最大電力を発電できる場合でも、その最大電力を引き出すことができない場合が起こり得る。このような場合、発電電力の無駄が生じる。

かかる課題に鑑み、本発明は、太陽光発電パネルが過積載の状態で電力変換装置が使用されても、発電電力の無駄を抑制することを目的とする。

本開示は、以下の発明を含む。但し、本発明は、特許請求の範囲によって定められるものである。

本発明の一表現に係る電力変換装置とは、太陽光発電パネルと、電力を引き込む負荷との間に設けられる電力変換装置であって、前記太陽光発電パネルから電力を取り出す電力変換部と、前記電力変換部を制御して最大電力点追従制御を行う機能を有し、当該電力変換装置に入力可能な電力上限の特性を把握している制御部と、を備え、前記制御部は、前記最大電力点追従制御において、前記太陽光発電パネルの出力曲線における値域のいずれか一方側から最大電力点にアプローチしている途中で前記特性による制約を受ける第１の電力点に到達した場合、前記値域の範囲内で前記値域の他方側から前記最大電力点にアプローチして前記第１の電力点とは異なる第２の電力点を探索する、電力変換装置である。

また、本発明の一表現に係る方法は、太陽光発電パネルと、電力を引き込む負荷との間に設けられる電力変換装置における、最大電力点追従制御方法であって、前記太陽光発電パネルから電力を取り出す電力変換部を制御して最大電力点追従制御を行い、前記最大電力点追従制御において、前記太陽光発電パネルの出力曲線における値域のいずれか一方側から最大電力点にアプローチしている途中で、当該電力変換装置に入力可能な電力上限の特性による制約を受ける第１の電力点に到達した場合、前記値域の範囲内で前記値域の他方側から前記最大電力点にアプローチして前記第１の電力点とは異なる第２の電力点を探索する、最大電力点追従制御方法である。

太陽光発電パネルが過積載の状態で電力変換装置が使用されても、発電電力の無駄を抑制することができる。

電力変換装置を中心とした回路図である。 太陽光発電パネルの発電電力を電圧と電力との関係で表した出力曲線（実線）と、電力変換装置に入力可能な電力上限を電圧と電力との関係で表した折れ線（点線）とを示すグラフである。 電力変換装置に入力可能な電力上限を選択するフローチャートである。 太陽光発電パネルから引き出せる電圧と電流との関係の一例を示すグラフである。 太陽光発電パネルの発電電力を電流と電力との関係で表した出力曲線（実線）と、電力変換装置に入力される電力の範囲を電流と電力との関係で表した折れ線（点線）とを示すグラフである。 図７，図８と共に、反転機能付きのＭＰＰＴ制御の一例を示すフローチャートである。 図６，図８と共に、反転機能付きのＭＰＰＴ制御の一例を示すフローチャートである。 図６，図７と共に、反転機能付きのＭＰＰＴ制御の一例を示すフローチャートである。

［実施形態の要旨］
本発明の実施形態の要旨としては、少なくとも以下のものが含まれる。

（１）これは、太陽光発電パネルと、電力を引き込む負荷との間に設けられる電力変換装置であって、前記太陽光発電パネルから電力を取り出す電力変換部と、前記電力変換部を制御して最大電力点追従制御を行う機能を有し、当該電力変換装置に入力可能な電力上限の特性を把握している制御部と、を備え、前記制御部は、前記最大電力点追従制御において、前記太陽光発電パネルの出力曲線における値域のいずれか一方側から最大電力点にアプローチしている途中で前記特性による制約を受ける第１の電力点に到達した場合、前記値域の範囲内で前記値域の他方側から前記最大電力点にアプローチして前記第１の電力点とは異なる第２の電力点を探索する、電力変換装置である。
なお、「値域」とは、電流の値域又は電圧の値域である。

例えば、いわゆる過積載の状態で使用される電力変換装置では、太陽光発電パネルから出力可能な電力が、電力変換装置に入力可能な電力上限の特性を超えることがある。この場合には、制御部が最大電力点追従制御を行おうとしても、太陽光発電パネルの出力曲線における最大電力点に到達することができず、最大電力点の両側に、事実上の最大電力点の候補が存在する場合がある。そこで、このような場合に、値域の一方側のみからではなく、他方側からも最大電力点にアプローチすることにより、複数の、事実上の最大電力点の候補から、最も電力の大きい電力点を探すことができる。このような制御を行う電力変換装置では、過積載であっても、その時点で太陽光発電パネルから引き出せる最大の電力を引き出すことができ、効率よく発電電力を利用することができる。

（２）また、（１）の電力変換装置において、例えば、前記制御部は、前記最大電力点追従制御における電力点が、前記第１の電力点に到達した場合、前記値域内で電圧又は電流を所定量変化させて、前記出力曲線上で、直前の電力点からは不連続となる他の電力点に移動する制御を行うことができる。
このような手法により、制御部は、値域の他方側から最大電力点にアプローチすることができる。

（３）また、（２）の電力変換装置において、前記制御部は、前記最大電力点追従制御における電力点が、前記第１の電力点に到達した場合、電圧又は電流を前記値域の反対側の末端近傍まで変化させるようにしてもよい。
この場合、確実に値域の他方側にジャンプし、第２の電力点を探すことができる。

（４）また、（１）〜（３）のいずれかの電力変換装置において、例えば、前記制御部は、前記最大電力点追従制御における電力点が、前記第１の電力点及びその電力を記憶した後前記第２の電力点に移動し、前記第２の電力点の電力が前記第１の電力点より大きい場合は制御上で前記第２の電力点にとどまり、逆に、前記第２の電力点の電力が前記第１の電力点より小さい場合は制御上で前記第１の電力点に戻るようにしてもよい。
このようにすれば、２つの電力点のうち、常に、電力の大きい方を選択することができる。

（５）一方、これは、太陽光発電パネルと、電力を引き込む負荷との間に設けられる電力変換装置における、最大電力点追従制御方法であって、前記太陽光発電パネルから電力を取り出す電力変換部を制御して最大電力点追従制御を行い、前記最大電力点追従制御において、前記太陽光発電パネルの出力曲線における値域のいずれか一方側から最大電力点にアプローチしている途中で、当該電力変換装置に入力可能な電力上限の特性による制約を受ける第１の電力点に到達した場合、前記値域の範囲内で前記値域の他方側から前記最大電力点にアプローチして前記第１の電力点とは異なる第２の電力点を探索する、最大電力点追従制御方法である。

例えば、いわゆる過積載の状態で使用される電力変換装置では、太陽光発電パネルから出力可能な電力が、電力変換装置に入力可能な電力上限の特性を超えることがある。この場合には、最大電力点追従制御を行おうとしても、太陽光発電パネルの出力曲線における最大電力点に到達することができず、最大電力点の両側に、事実上の最大電力点の候補が存在する。そこで、このような場合に、値域の一方側のみからではなく、他方側からも最大電力点にアプローチすることにより、複数の、事実上の最大電力点の候補から、最も電力の大きい電力点を探すことができる。このような制御を行うことにより、過積載の状態で使用される電力変換装置であっても、その時点で太陽光発電パネルから引き出せる最大の電力を引き出すことができ、効率よく発電電力を利用することができる。

［実施形態の詳細］
以下、本発明の一実施形態に係る電力変換装置について、図面を参照して説明する。なお、本実施形態に登場する数値はいずれも一例に過ぎず、記載した値に限定される訳ではない。

《電力変換装置の回路構成例》
図１は、電力変換装置１（パワーコンディショナ）を中心とした回路図である。図において、電力変換装置１は、太陽光発電パネル２と、交流電路３との間に設けられている。交流電路３は、商用電力系統４と接続されている。また、電力変換装置１は、蓄電池５と接続されている。

電力変換装置１は、２つのＤＣ／ＤＣコンバータ６，７と、ＤＣバス８と、インバータ９とを備えている。主回路要素から順に説明すると、太陽光発電パネル２と接続される直流入力端側には、直流側コンデンサ１１が入力に対して並列に設けられている。入力された電圧はＤＣ／ＤＣコンバータ６により所望の電圧に変換され、ＤＣバス８に出力される。ＤＣ／ＤＣコンバータ６は、ＤＣリアクトル１２と、スイッチング素子Ｑ１と、ダイオード１３とを備えている。スイッチング素子Ｑ１は、例えばＭＯＳ−ＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor）であり、ボディダイオードを有する。なお、図１の例では、他のスイッチング素子Ｑ２〜Ｑ９も全てＭＯＳ−ＦＥＴであるが、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）等、他の半導体スイッチであってもよい。

また、蓄電池５と並列に接続される直流側コンデンサ１５と、ＤＣバス８との間には、ＤＣ／ＤＣコンバータ７が設けられている。ＤＣ／ＤＣコンバータ７は、双方向性があり、蓄電池５の放電時には昇圧動作を行い、また、蓄電池５の充電時は降圧動作を行う。ＤＣ／ＤＣコンバータ７は、ＤＣリアクトル１６と、ローサイドのスイッチング素子Ｑ２と、ハイサイドのスイッチング素子Ｑ３とを備えている。

ＤＣバス８の電圧すなわち中間コンデンサ１４の両端電圧は、フルブリッジ回路を成すスイッチング素子Ｑ４，Ｑ５，Ｑ６，Ｑ７，Ｑ８，Ｑ９によって構成されるインバータ９に与えられる。インバータ９は、ＤＣバス８の直流電圧を、単相３線の交流電圧に変換する。ＡＣリアクトル１７，１８，１９及び交流側コンデンサ２０，２１は、インバータ９の発生する高周波ノイズが交流電路３に出ることを防止するフィルタ回路として機能している。交流電路Ｕ−Ｗ線間には例えば２０２Ｖ、Ｕ−Ｏ線間、及びＷ−Ｏ線間にはそれぞれ、Ｏ線を０電位として＋１０１Ｖ、−１０１Ｖが出力される。

蓄電池５は、太陽光発電パネル２の発電電力により充電することができ、また、商用電力系統４からの電力を用いて充電することもできる。商用電力系統４からの電力を用いて蓄電池５を充電する場合には、インバータ９は、交流から直流への整流器として機能する。

計測・制御用の回路要素としては、電圧センサ２２と、電流センサ２３とが設けられている。電圧センサ２２は、太陽光発電パネル２の発電電圧を検出して、検出出力を制御部２４に送る。電流センサ２３は、太陽光発電パネル２から引き出される電流を検出して、検出出力を制御部２４に送る。なお、他にも、計測・制御用の電圧センサ及び電流センサは随所に設けられているが、ここでは図示を省略している。制御部２４は、各センサから送られてくる検出出力に基づいてスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３，Ｑ４〜Ｑ９のオン・オフを制御する。

制御部２４は例えば、コンピュータを含み、ソフトウェア（コンピュータプログラム）をコンピュータが実行することで、必要な制御機能を実現する。ソフトウェアは、制御部２４の記憶装置（図示せず。）に格納される。

太陽光発電パネル２が発電中は、電力変換装置１は、交流電路３との系統連系運転を行う。これにより、交流電路３に接続されている需要家の負荷（図示せず。）への給電、及び、商用電力系統４への逆潮（売電）を行うことができる。さらに、必要に応じて、太陽光発電パネル２の発電電力を用いて蓄電池５を充電することもできる。
また例えば夜間には、蓄電池５を放電させることにより、交流電路３に接続されている需要家の負荷への給電を行うことができる。

《ＭＰＰＴ制御》
ここで、インバータ９と共に電力変換部を構成するＤＣ／ＤＣコンバータ６は、制御部２４の制御により、最大電力点追従制御（ＭＰＰＴ（Maximum Power Point Tracking）制御）を行う。ＭＰＰＴ制御を行うことにより、太陽からの日射の状況によって発電量が変動する太陽光発電パネル２から、その時点での最大電力を引き出すことができる。

また、この電力変換装置１は、入力可能な電力上限の特性に関して、太陽光発電パネル２から出力可能な電力が、電力上限の特性を超えることがある状態で使用されている。すなわち、電力変換装置１は、過積載の状態で使用されている。

図２は、太陽光発電パネル２の発電電力を電圧と電力との関係で表した出力曲線（実線）と、電力変換装置１に入力可能な電力上限を電圧と電力との関係で表した折れ線（点線）とを示すグラフである。太陽光発電パネル２から引き出せる電力は、この出力曲線上の値となり、出力曲線上にない値をとることはできない。また、電力変換装置１は、内部で使用している電子部品の性能上の制約により、入力可能な電力上限がある。一般には、電力変換装置１（の制御部２４）自身が、ソフトウェアにより、入力可能な電力上限を設定している。

《入力可能な電力上限の設定》
図３は、電力変換装置１に入力可能な電力上限を選択するフローチャートである。この処理は、制御部２４により、ＭＰＰＴ制御の実行周期よりも長い周期で実行される。図３において、電圧センサ２２（図１）により検出される太陽光発電パネル２の発電電圧を、「ＰＶ電圧」と表現する。

まずステップＳｐ１において制御部２４は、ＰＶ電圧が５０Ｖ未満であるか否かを判定する。「Ｙｅｓ」の場合には、電力上限は０Ｗとなる（ステップＳｐ２）。「Ｎｏ」の場合、制御部２４は、ＰＶ電圧が５０Ｖ以上２００Ｖ未満であるか否かを判定する（ステップＳｐ３）。

ステップＳｐ３において「Ｙｅｓ」の場合には、電力上限はＰＶ電圧×Ｉ_１（すなわち比例上昇）となる（ステップＳｐ４）。「Ｎｏ」の場合、制御部２４は、ＰＶ電圧が２００Ｖ以上３３０Ｖ未満であるか否かを判定する（ステップＳｐ５）。「Ｙｅｓ」の場合には、電力上限は２１５０Ｗ（すなわち固定）となる（ステップＳｐ６）。「Ｎｏ」の場合、制御部２４は、ＰＶ電圧が３３０Ｖ以上４５０Ｖ未満であるか否かを判定する（ステップＳｐ７）。

ステップＳｐ７において「Ｙｅｓ」の場合には、電力上限は−Ｉ_２×ＰＶ電圧＋Ｐ_１（すなわち比例減少）となる（ステップＳｐ８）。「Ｎｏ」の場合、制御部２４は、電力上限を０Ｗとする（ステップＳｐ９）。続いて、制御部２４は、ここまでの判定で得られた電力上限が、０Ｗより大きく２１５０Ｗ未満か否かを判定する（ステップＳｐ１０）。ここで「Ｙｅｓ」であればＭＰＰＴ反転フラグは１となり（ステップＳｐ１１）、「Ｎｏ」であればＭＰＰＴ反転フラグは０となる（ステップＳｐ１２）。ＭＰＰＴ反転フラグとは、後述の反転動作が必要（＝１）か否（＝０）かを示している。すなわち、電力上限が０Ｗ又は一定の最大値２１５０Ｗであれば後述の反転動作は実行する必要がない。また、その他、ＭＰＰＴ反転フラグは２に設定される場合もあり、「２」の場合は、短絡側(電流最大)から最大電力点を目指す。
図３のフローチャートの処理により、図２に示す入力電力の上限（点線）が設定されている。

《過積載とＭＰＰＴ制御》
図２に戻り、発電電力の曲線を「山」に例えると、ＭＰＰＴ制御は、山登り法とも言われている。例えば、発電電力の曲線の最も電圧の高い末端近傍（この例では約４３０Ｖ）から最大電力点を目指して電圧を徐々に低下させ、山登りする。１ステップ分の電圧を下げる前と下げた後とで、電力を互いに比較し、電力が増加から減少に転じると電圧を変化させる方向を逆（上昇）にする。このような探索を繰り返し行うことで、最大電力点に追従する制御を行うことができる。

ところが、電圧が図２のＡ点に達すると、Ａ点での電圧に対する電力変換装置１への入力電力の上限となるので、ＭＰＰＴ制御はＡ点で停滞した状態となる。入力可能な電力上限としては、この例ではＢ点の方が、電力が大きいが、従前のＭＰＰＴ制御ではＢ点には行けない。

図４は、太陽光発電パネル２から引き出せる電圧と電流との関係の一例を示すグラフである。電圧×電流が最も大きくなる点が、最大電力点Ｐ_ｍａｘである。図示のように、電圧と電流とは一対一の関係にある。なお、この曲線は日射条件により、縦軸及び横軸の方向に膨らむか又はしぼむように変化する。

図５は、太陽光発電パネル２の発電電力を電流と電力との関係で表した出力曲線（実線）と、電力変換装置１に入力される電力の範囲を電流と電力との関係で表した折れ線（点線）とを示すグラフである。
図２と同様に、太陽光発電パネル２から引き出せる電力は、この出力曲線上の値となり、出力曲線上にない値をとることはできない。

ＭＰＰＴ制御は、図２に示す出力曲線に沿った電圧ステップの制御、及び、図５に示す出力曲線に沿った電流ステップの制御、のいずれか一方を行うことで、他方も結果的に制御される。

《反転機能付きＭＰＰＴ制御の例》
次に、反転機能付きのＭＰＰＴ制御を、電流ステップによる制御を例に説明する。
図６〜図８は、反転機能付きのＭＰＰＴ制御の一例を示すフローチャートであり、一つのフローチャートを、図示の便宜上３枚の図面で表している。図６の「Ｘ」は、図７の「Ｘ」のところへ繋がっている。図７の「Ｙ」、「Ｚ」はそれぞれ、図８の「Ｙ」、「Ｚ」に繋がっている。

まず、図６は、ＭＰＰＴ制御の通常の制御における前半部分を示すフローチャートである。ＭＰＰＴ制御は、制御部２４により、繰り返し実行される。図において、制御部２４は、電圧センサ２２（図１）及び電流センサ２３（図１）の検出出力に基づいて、太陽光発電パネル２からの、ＰＶ電力（太陽光発電の電力）、電圧、電流の各情報を取得する（ステップＳ１）。次に制御部２４は、ステップＳ１で取得した現在のＰＶ電力が、記憶している前回のＰＶ電力より大きいか否かを判定する（ステップＳ２）。

ステップＳ２での判定が「Ｙｅｓ」であれば、制御部２４は、ＭＰＰＴ制御すなわち山登りの現在位置が、最大電力点を通り越したか否かを判定する（ステップＳ３）。ステップＳ３の判定が「Ｙｅｓ」であれば、制御部２４は、ＭＰＰＴの方向を「山下り」方向に向けて（ステップＳ４）、電流ステップを山下り方向に設定する（ステップＳ５）。一方、ステップＳ３の判定が「Ｎｏ」であれば、制御部２４は、電流ステップを山登り方向に設定する（ステップＳ６）。

また、ステップＳ２での判定が「Ｎｏ」であれば、制御部２４は、ＭＰＰＴ制御による現在位置が、最大電力点より手前か否かを判定する（ステップＳ７）。ステップＳ７の判定が「Ｙｅｓ」であれば、制御部２４は、ＭＰＰＴの方向を山登り方向に向けて（ステップＳ８）、電流ステップを山登り方向に設定する（ステップＳ９）。一方、ステップＳ７の判定が「Ｎｏ」であれば、制御部２４は、電流ステップを山下り方向に設定する（ステップＳ１０）。

なお、図６は電流ステップの例であるが、電圧ステップの場合は、ステップＳ５，Ｓ６，Ｓ９，Ｓ１０における「電流ステップを・・・」が、「電圧ステップを・・・」に置き換わるだけで、それ以外は同様である。

図７，図８は、反転機能を含む、ＭＰＰＴ制御の後半部分を示すフローチャートである。以下、状況に分けて流れを説明する。

＜電力上限が２１５０Ｗ又は０Ｗの場合＞
この場合、ステップＳ１１において制御部２４はＭＰＰＴ反転フラグが０（図３のステップＳｐ１２）であるから、判定は「Ｎｏ」となり、図８のステップＳ３１に進む。ステップＳ３１において、ＭＰＰＴ反転フラグは２ではないとすると、処理は図７のステップＳ１７に飛び、電流指令値の決定及び、スイッチングのデューティ比の更新（ステップＳ１８）が行われる。

＜開放点近傍から山登り〜Ａ点到達〜反転準備＞
開放点（図５の出力曲線の左端）近傍からＭＰＰＴ制御により山登りしているとき、ステップＳ１１においてＭＰＰＴ反転フラグが１であれば、制御部２４は、現在の電力が電力上限（すなわちＡ点）か否かを判定する（ステップＳ１２）。ここでは「Ｙｅｓ」であり、現在の電力が反転前の電力Ｂより小さいか否かを判定する（ステップＳ１３）。ここでも「Ｙｅｓ」であり、制御部２４は、反転前のＡ点の電力を記憶し（ステップＳ１４）、暫定的に、電圧指令値を５０Ｖ（最低値）に設定し（ステップＳ１５）、電流指令値を１０．７５Ａ（最大値）に設定する（ステップＳ１６）。

その後、電流指令値の決定（ステップＳ１７）、及び、スイッチングのデューティ比の更新が行われる（ステップＳ１８）。

＜開放点近傍から山登りの途中、又は、反転して短絡点近傍へ移動する最中＞
この場合、ステップＳ１１において「Ｙｅｓ」、ステップＳ１２において「Ｎｏ」、ステップＳ２２において、現在のＰＶ電圧が１００Ｖ未満であるか否かを判定し「Ｎｏ」となる。以下、電流指令値の決定（ステップＳ１７）、及び、スイッチングのデューティ比の更新が行われる（ステップＳ１８）。なお、短絡点とは、図５の出力曲線の右端である。

＜反転により短絡点近傍に移動した場合＞
この場合、ステップＳ１１において「Ｙｅｓ」、ステップＳ１２において「Ｎｏ」、ステップＳ２２において「Ｙｅｓ」となり、制御部２４は、ＭＰＰＴ反転フラグを２に設定する（ステップＳ２３）。以下、電流指令値の決定（ステップＳ１７）、及び、スイッチングのデューティ比の更新が行われる（ステップＳ１８）。

＜Ｂ点電力よりＡ点電力の方が大きい場合＞
この場合、ステップＳ１１，Ｓ１２においていずれも「Ｙｅｓ」、ステップＳ１３において「Ｎｏ」となる。制御部２４は自動反転カウンタをインクリメント（＋１）し（ステップＳ１９）、自動反転カウンタが１００を超えなければ（ステップＳ２０の「Ｎｏ」）、以下、電流指令値の決定（ステップＳ１７）、及び、スイッチングのデューティ比の更新が行われる（ステップＳ１８）。

＜定期的な反転＞
この場合、ステップＳ１１，Ｓ１２においていずれも「Ｙｅｓ」、ステップＳ１３において「Ｎｏ」となる。制御部２４は自動反転カウンタをインクリメント（＋１）し（ステップＳ１９）、自動反転カウンタが１００を超えると（ステップＳ２０の「Ｙｅｓ」）、自動反転カウンタをリセットして（ステップＳ２１）、制御部２４は、反転前のＡ点の電力を記憶し（ステップＳ１４）、暫定的に、電圧指令値を５０Ｖ（最低値）に設定し（ステップＳ１５）、電流指令値を１０．７５Ａ（最大値）に設定する（ステップＳ１６）。以下、電流指令値の決定（ステップＳ１７）、及び、スイッチングのデューティ比の更新が行われる（ステップＳ１８）。

＜短絡点近傍から山登り〜Ｂ点到達〜反転準備＞
短絡点（図５の出力曲線の右端）近傍からＭＰＰＴ制御により山登りしているとき、ステップＳ１１においてＭＰＰＴ反転フラグが０であれば、制御部２４は、現在の電力が電力上限（すなわちＢ点）か否かを判定する（ステップＳ３２）。ここでは「Ｙｅｓ」であり、現在の電力が反転前の電力Ａより小さいか否かを判定する（ステップＳ３３）。ここでも「Ｙｅｓ」であり、制御部２４は、反転前のＢ点の電力を記憶し（ステップＳ３４）、暫定的に、電圧指令値を４５０Ｖ（最高値）に設定し（ステップＳ３５）、電流指令値を０Ａ（最小値）に設定する（ステップＳ３６）。

その後、電流指令値の決定（ステップＳ１７）、及び、スイッチングのデューティ比の更新が行われる（ステップＳ１８）。

＜短絡点近傍から山登りの途中、又は、反転して開放点近傍へ移動する最中＞
この場合、ステップＳ１１において「Ｎｏ」、ステップＳ３１において「Ｙｅｓ」、ステップＳ３２において「Ｎｏ」、ステップＳ４２において、現在のＰＶ電圧が４００Ｖより大きいか否かを判定し「Ｎｏ」となる。以下、電流指令値の決定（ステップＳ１７）、及び、スイッチングのデューティ比の更新が行われる（ステップＳ１８）。

＜反転により短絡点近傍に移動した場合＞
この場合、ステップＳ１１において「Ｎｏ」、ステップＳ３１において「Ｙｅｓ」、ステップＳ３２において「Ｎｏ」、ステップＳ４２において「Ｙｅｓ」となり、制御部２４は、ＭＰＰＴ反転フラグを１に設定する（ステップＳ４３）。以下、電流指令値の決定（ステップＳ１７）、及び、スイッチングのデューティ比の更新が行われる（ステップＳ１８）。

＜Ａ点電力よりＢ点電力の方が大きい場合＞
この場合、ステップＳ１１，Ｓ３１，Ｓ３２においていずれも「Ｙｅｓ」、ステップＳ３３において「Ｎｏ」となる。制御部２４は自動反転カウンタをインクリメント（＋１）し（ステップＳ３９）、自動反転カウンタが１００を超えなければ（ステップＳ４０の「Ｎｏ」）、以下、電流指令値の決定（ステップＳ１７）、及び、スイッチングのデューティ比の更新が行われる（ステップＳ１８）。

＜定期的な反転＞
この場合、ステップＳ１１，Ｓ３１，Ｓ３２においていずれも「Ｙｅｓ」、ステップＳ３３において「Ｎｏ」となる。制御部２４は自動反転カウンタをインクリメント（＋１）し（ステップＳ３９）、自動反転カウンタが１００を超えると（ステップＳ４０の「Ｙｅｓ」）、自動反転カウンタをリセットして（ステップＳ４１）、制御部２４は、反転前のＢ点の電力を記憶し（ステップＳ３４）、暫定的に、電圧指令値を４５０Ｖ（最高値）に設定し（ステップＳ３５）、電流指令値を０Ａ（最小値）に設定する（ステップＳ３６）。以下、電流指令値の決定（ステップＳ１７）、及び、スイッチングのデューティ比の更新が行われる（ステップＳ１８）。

《まとめ》
図７，図８に例示したようなフローチャートにおけるＭＰＰＴ制御の反転機能は、以下のようにも説明できる。すなわち、電流ステップのＭＰＰＴ制御では、図５の発電電力の出力曲線上を、例えば電流の低値側から山登りして最大電力点にアプローチするが、電力変換装置１に入力可能な電力上限の特性に阻まれてＡ点止まりとなることがある。その場合、制御部２４は、電流指令値を最大値として（但し、実際には実線上の電流しか流れない。）電流の値域の反対側すなわち山の反対側から最大電力点にアプローチしてＢ点に到達する。

Ｂ点の電力がＡ点の電力より大きければ、Ｂ点がこの状態で得られる事実上の最大電力点である。もしＢ点の電力よりＡ点の電力の方が大きければ、Ａ点に戻る。太陽光発電パネル２の出力曲線は日射条件によって時々刻々変化するので、Ａ点、Ｂ点も、常に同じということはなく、また、大小関係も変わるので、固定的な電力点ではない。

同様に、電圧ステップのＭＰＰＴ制御では、図２の発電電力の出力曲線上を、例えば電圧の高値側から山登りして最大電力点にアプローチするが、電力変換装置１に入力可能な電力上限の特性に阻まれてＡ点止まりとなることがある。その場合、制御部２４は、電圧指令値を最低値として、電圧の値域の反対側すなわち山の反対側から最大電力点にアプローチしてＢ点に到達する。

Ｂ点の電力がＡ点の電力より大きければ、Ｂ点がこの状態で得られる事実上の最大電力点である。もしＢ点の電力よりＡ点の電力の方が大きければ、Ａ点に戻る。太陽光発電パネル２の出力曲線は日射条件によって時々刻々変化するので、Ａ点、Ｂ点も、常に同じということはなく、また、大小関係も変わるので、固定的な電力点ではない。

さらに普遍的に要部を説明すれば、例えば以下のようになる。
図７，図８に示したような反転機能を持つＭＰＰＴ制御を制御部２４が実行することにより、太陽光発電パネル２の出力曲線における電圧又は電流の値域のいずれか一方側から最大電力点にアプローチしている途中で、電力変換装置１に入力可能な電力上限の特性による制約を受ける第１の電力点（Ａ点又はＢ点）に到達した場合、電圧又は電流の値域の範囲内で他方側から最大電力点にアプローチして第１の電力点とは異なる第２の電力点（Ｂ点又はＡ点）を探索することができる。

過積載の状態で使用される電力変換装置１では、太陽光発電パネル２から出力可能な電力が、入力可能な電力上限の特性を超えることがある。この場合には、制御部２４が最大電力点追従制御を行おうとしても、太陽光発電パネル２の出力曲線における最大電力点に到達することができず、最大電力点の両側に、事実上の最大電力点の候補（Ａ点，Ｂ点）が存在する。そこで、このような場合に、値域の一方側のみからではなく、他方側からも最大電力点にアプローチすることにより、複数の、事実上の最大電力点の候補から、最も電力の大きい電力点を探すことができる。このような制御を行う電力変換装置１では、過積載であっても、その時点で太陽光発電パネル２から引き出せる最大の電力を引き出すことができ、効率よく発電電力を利用することができる。

なお、上記実施形態では、制御部２４は、第１の電力点に到達した場合、電圧又は電流を値域の反対側の末端近傍（出力曲線の上限近傍又は下限近傍）まで変化させるようにした。この場合、確実に値域の他方側にジャンプし、第２の電力点を探すことができる。

但し、電圧又は電流を値域の反対側の末端近傍まで変化させることは一例であり、必ずしも末端近傍でなくてもよい。例えば、図２を参照すれば、Ａ点に到達後、発電電力の出力曲線の値域内で電圧を所定量（例えば２００Ｖ）低下させて、出力曲線上で、直前の電力点であるＡ点からは不連続となる他の電力点に移動する制御を行ってもよい。そして、他の電力点から最大電力点にアプローチしてＢ点にたどり着ければ良い。このような手法により、制御部２４は、値域の他方側から最大電力点にアプローチすることができる。また、値域の末端（図２では５０Ｖ）近傍まで移動するよりも、Ｂ点の探索までに要する時間が短くなる。

また、前述のように、制御部２４は、第１の電力点及びその電力を記憶した後、第２の電力点に移動し、第２の電力点の電力が第１の電力点より大きい場合は制御上で第２の電力点にとどまり、逆に、第２の電力点の電力が前記第１の電力点より小さい場合は制御上で第１の電力点に戻るようにすればよい。このようにして、２つの電力点のうち、常に、電力の大きい方を選択することができる。

《その他補足》
なお、上記実施形態の電力変換装置１は、商用電力系統に系統連系するパワーコンディショナであるが、系統連系しないスタンドアローンの太陽光発電システムにおける電力変換装置であっても、上記の反転機能付きのＭＰＰＴ制御を適用することができる。但し、負荷が接続された状態でなければ電流が流れないので、スタンドアローンの場合は、電力変換装置が太陽光発電パネルから引き出そうとする電流を自在に流してくれる負荷が必要となる。系統連系して逆潮している場合は、商用電力系統が一種の負荷となるので、電流はどのようにでも引き出すことができる。
すなわち、電力変換装置には、電力を引き込む負荷が接続されていることが必要である。

なお、図１に示した蓄電池５は、電力の有効活用に役立つが、必須の設備ではない。直流の負荷に接続するスタンドアローンの電力変換装置であれば、インバータ９を省略することもできる。

《補記》
なお、今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。

１ 電力変換装置
２ 太陽光発電パネル
３ 交流電路
４ 商用電力系統
５ 蓄電池
６，７ ＤＣ／ＤＣコンバータ
８ ＤＣバス
９ インバータ
１１ 直流側コンデンサ
１２ ＤＣリアクトル
１３ ダイオード
１４ 中間コンデンサ
１５ 直流側コンデンサ
１６ ＤＣリアクトル
１７，１８，１９ ＡＣリアクトル
２０，２１ 交流側コンデンサ
２２ 電圧センサ
２３ 電流センサ
２４ 制御部
Ｑ１〜Ｑ９ スイッチング素子

Claims (5)

1. 太陽光発電パネルと、電力を引き込む負荷との間に設けられる電力変換装置であって、
   前記太陽光発電パネルから電力を取り出す電力変換部と、
   前記電力変換部を制御して最大電力点追従制御を行う機能を有し、当該電力変換装置に入力可能な電力上限の特性を把握している制御部と、を備え、
   前記制御部は、前記最大電力点追従制御において、前記太陽光発電パネルの出力曲線における値域の一方側から最大電力点にアプローチしている途中で前記特性による制約を受ける第１の電力点に到達した場合、前記値域の範囲内で前記値域の他方側から前記最大電力点にアプローチして前記第１の電力点とは異なる第２の電力点を探索する、電力変換装置。
2. 前記制御部は、前記最大電力点追従制御における電力点が、前記第１の電力点に到達した場合、前記値域内で電圧又は電流を所定量変化させて、前記出力曲線上で、直前の電力点からは不連続となる他の電力点に移動する制御を行う、請求項１に記載の電力変換装置。
3. 前記制御部は、前記最大電力点追従制御における電力点が、前記第１の電力点に到達した場合、電圧又は電流を前記値域の反対側の末端近傍まで変化させる、請求項２に記載の電力変換装置。
4. 前記制御部は、前記最大電力点追従制御における電力点が、前記第１の電力点及びその電力を記憶した後前記第２の電力点に移動し、前記第２の電力点の電力が前記第１の電力点より大きい場合は制御上で前記第２の電力点にとどまり、逆に、前記第２の電力点の電力が前記第１の電力点より小さい場合は制御上で前記第１の電力点に戻る、請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の電力変換装置。
5. 太陽光発電パネルと、電力を引き込む負荷との間に設けられる電力変換装置における、最大電力点追従制御方法であって、
   前記太陽光発電パネルから電力を取り出す電力変換部を制御して最大電力点追従制御を行い、
   前記最大電力点追従制御において、前記太陽光発電パネルの出力曲線における値域のいずれか一方側から最大電力点にアプローチしている途中で、当該電力変換装置に入力可能な電力上限の特性による制約を受ける第１の電力点に到達した場合、前記値域の範囲内で前記値域の他方側から前記最大電力点にアプローチして前記第１の電力点とは異なる第２の電力点を探索する、
   最大電力点追従制御方法。

Images