JPH06332553A - 太陽光発電システムの電力制御方法および電力制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】太陽電池とインバータとから構成される太陽光
発電システムの電力制御方法及び電力制御装置に関し、
発電が無駄になる連系解除を可及的に抑え、一日又は年
間の太陽エネルギーの利用率を高めることを目的とす
る。 【構成】商用電力系統と連系されて使用される太陽光発
電システムの電力制御方法であって、常時は太陽電池の
動作点が最大電力点Ｐｍａｘとなるように出力電流を調
整する最大電力点追尾制御を行い、連系点の電圧が規定
の上限電圧に近づいたときには、動作点が最大電力点Ｐ
ｍａｘと異なるように出力電流を設定して出力電力を最
大電力よりも小さくするように構成される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、太陽電池とインバータ
とから構成される太陽光発電システムの電力制御方法及
び電力制御装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年における地球環境保護意識の高まり
によって、環境汚染のないクリーンエネルギー、中でも
太陽電池を利用した太陽光発電が注目されている。太陽
光発電では発電電力が日射量に応じて大きく変動するの
で、電力の安定供給及び余剰発電電力の有効利用を図る
ために、ビルや一般家庭に設置された太陽光発電システ
ム（太陽電池とインバータとからなる）は、商用電力系
統との連系による使用が望ましい。つまり、通常は、太
陽光発電システムと商用電力系統との並列運転により負
荷に対する給電が行われ、自家に必要な電力の一部又は
全部が太陽光発電によって賄われるとともに、太陽電池
の発電電力が余った場合には商用電力系統へのいわゆる
逆潮流が行われる。

【０００３】この種の太陽光発電システムは、出力電圧
（連系接続点の電圧）を監視し、これが規定範囲外の値
になった時点、すなわち給電異常が発生した時点で、直
ちに太陽光発電システムによる給電を停止するために継
電器を作動させて連系を解除する連系保護装置を有して
いる。

【０００４】さて、商用電力系統においては、供給電圧
（すなわち連系点の電圧）を一定化する運転制御が行わ
れる。しかし、その運転制御の応答性が緩慢であること
から、特に商用電力系統の出力インピーダンスが比較的
に大きい場合には、負荷の増減によって供給電圧が変動
する。

【０００５】一方、一般に太陽光発電システムにおいて
は、太陽電池の動作点が最大電力点（日射量に応じて変
化する）となるように出力電流を調整する最大電力点追
尾制御（ＭＰＰＴ制御）が行われる。つまり、負荷状態
に係わらずその時点の最大電力が出力され、これによっ
て太陽電池の発電能力が最大限に利用される。なお、太
陽光発電システムの出力電力が負荷の消費電力より小さ
いときには、不足の電力（電流）が商用電力系統によっ
て補われ、逆に出力電力が負荷の消費電力より大きいと
きには、上述のように余剰の出力電流が商用電力系統へ
逆潮流することになる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】特に、日射量が多い時
間帯又は季節であって太陽光発電システムの出力電力が
大きい場合には、負荷が極端に軽くなったときなどに、
連系点の電圧が規定範囲の上限電圧を越える給電異常が
発生し、連系保護装置による連系の解除が頻発する。

【０００７】一旦、連系が解除されると、商用電力系統
の運用規定の上で、例えば３分が経過するまでは連系を
再開することができない。このため、従来では太陽電池
の発電が無駄になる時間が長くなり、太陽エネルギーの
有効利用が損なわれるという問題があった。また、連系
保護装置の継電器のオンオフ回数が多いことから、継電
器の寿命が短くなる。

【０００８】本発明は、上述の問題に鑑み、太陽電池の
発電が無駄になる連系の解除を可及的に抑え、一日又は
年間の太陽エネルギーの利用率を高めることを目的とし
ている。

【０００９】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明に係る方
法は、上述の課題を解決するため、商用電力系統と連系
されて使用される太陽光発電システムの電力制御に際し
て、常時は太陽電池の動作点が最大電力点となるように
出力電流を調整する最大電力点追尾制御を行い、連系点
の電圧が規定の上限電圧に近づいたときには、前記動作
点が前記最大電力点と異なるように出力電流を設定して
出力電力を最大電力よりも小さくするものである。

【００１０】請求項２の発明に係る装置は、連系点の電
圧を検出する手段と、常時は太陽電池の動作点が最大電
力点となるように出力電流を設定し、前記連系点の電圧
と上限電圧との差が一定値より小さいときに、その差に
応じて前記太陽電池の動作点が最大電力点から離れるよ
うに出力電流を設定する手段とを備えて構成される。

【００１１】

【作用】連系点の電圧と規定の上限電圧との差が一定値
より大きいときには、太陽電池の動作点が最大電力点に
維持され、太陽電池の発電電力が最大限に利用される。

【００１２】連系点の電圧が上限電圧に近づき、これら
の差が一定値より小さくなれば、連系点の電圧が上限電
圧に達しないようにその上昇を抑えるために、太陽電池
の出力電力が低減される。

【００１３】

【実施例】図１は本発明の実施に係る太陽光発電システ
ム１を商用電力系統２に接続した状態を示すブロック
図、図２は図１のインバータ２０の制御部２３の構成を
示すブロック図、図３は連系点Ｐｘの電圧と制御部２３
の内部の信号との関係を示すグラフ、図４はインバータ
２０による電力制御の内容を示すための太陽電池１０の
出力特性のグラフである。なお、図４において、実線は
出力電圧と出力電流との関係を示し、鎖線は動作点と出
力電力との関係を示している。

【００１４】図１において、太陽光発電システム１は、
例えば最適動作電圧が２００Ｖ程度の太陽電池１０、電
圧形電流制御方式のインバータ２０、及び絶縁トランス
３０などから構成され、図示しない積算電力計や分電盤
などからなる配電装置３５を介して商用電力系統（周波
数は５０／６０Ｈｚ）２と連系されている。配電線３に
は各種の電化製品などの負荷Ｚが接続されている。

【００１５】インバータ２０は、入力側のノイズフィル
タ２１、逆流防止用のダイオードＤ０、平滑コンデンサ
Ｃ０、４つのスイッチング素子からなるブリッジ形のス
イッチング回路２２、スイッチング回路２２のＰＷＭ制
御などを行う制御部２３、高調波成分の少ない出力を得
るための逆Ｌ形の出力フィルタ２４、継電器２５、出力
側のノイズフィルタ２６、遮断器２７、出力電流の位相
を検出するための変流器２８、及び太陽光発電システム
１と商用電力系統２との連系点Ｐｘの電圧（すなわち配
電線３上の系統電圧）の位相及び波形を検出するための
変圧器２９などから構成されている。

【００１６】継電器２５は、系統電圧が規定範囲（１０
１±６ボルト）の上限値１０７ボルトになったときに制
御部２３によって遮断状態とされ、これによって実質的
に連系が解除される。つまり、インバータ２０は連系保
護機能を有している。

【００１７】図２において、制御部２３は、加算器２３
０、差動増幅器（エラーアンプ）２３１，２３３、乗算
器２３２、ＰＷＭパルス生成部２３４、系統電圧の基準
周波数成分を抽出するためのバンドパスフィルタ２３
５、及び電力規制部２３６を有したフィードバック制御
系であり、インバータ２０の出力状態が適正になるよう
にパルス幅を調整した複数組のＰＷＭパルスをスイッチ
ング信号としてスイッチング回路２２へ出力する。

【００１８】ＰＷＭパルス生成部２３４は、位相反転回
路２４１、三角波信号発生回路２４２、コンパレータ２
４３，２４４、論理回路２４５、及びドライバ回路２４
６からなる。

【００１９】また、電力規制部２３６は、系統電圧の平
均値を検出するための平均値回路２５１、平均値回路２
５１の出力端子にカソードが接続されたツェナーダイオ
ード２５２、及びツェナーダイオード２５２のアノード
と接地ラインとの間に接続された抵抗２５３からなり、
ツェナーダイオード２５２と抵抗２５３との接続点の電
位レベルを電力規制信号Ｓｄとして加算器２３０へ出力
する。

【００２０】制御部２２においては、その基本動作とし
て、日射量や温度に応じて変動する直流入力電圧Ｖｉｎ
と電圧指令値Ｖｓとの差を示す入力誤差信号Ｓａが生成
され、この入力誤差信号Ｓａと系統電圧の基本周波数成
分に対応した信号Ｓｂとの乗算によって、制御の目標値
を示す電流指令値信号Ｓｉが生成される。つまり、入力
誤差信号Ｓａによってインバータ２０の出力電流の大き
さ（振幅）が設定され、系統電圧によって出力電流の位
相が設定される。

【００２１】そして、電流指令値信号Ｓｉに対して実際
の出力電流の位相を示す信号Ｓｃに応じた補正及び適当
な増幅が施され、その後にＰＷＭパルス生成部２３４内
で、電流指令値信号Ｓｉ及びその位相反転信号と２０ｋ
Ｈｚ程度の変調用三角波信号との比較、及び適当な論理
演算によって所定のＰＷＭパルスが生成される。

【００２２】さて、本実施例では、インバータ２０の出
力電力の大きさを規定する電圧指令値Ｖｓが、基準電圧
Ｖｒｅｆと電力規制部２３６の出力である電力規制信号
Ｓｄとの加算により生成される。

【００２３】その際、予め基準電圧Ｖｒｅｆとしては、
図４に示すように太陽電池１０の出力電力が最大となる
動作点（最大電力点Ｐｍａｘ）に対応した最適動作電圧
Ｖｏｐの近辺の値が設定される。一方、電力規制信号Ｓ
ｄは、図３（ａ）に示すように、系統電圧がツェナーダ
イオード２５２のブレークダウン電圧によって定まる抑
制開始電圧Ｖｚより小さいときは０であり、系統電圧が
抑制開始電圧Ｖｚを越えると系統電圧に応じて値が増大
する。抑制開始電圧Ｖｚとしては、系統電圧の上限電圧
Ｖｏｖ（１０７ボルト）に近い値、例えば１０５ボルト
程度の値が選定されている。

【００２４】したがって、インバータ２０においては、
図３（ｂ）に示すように、系統電圧が抑制開始電圧Ｖｚ
より小さいときには、電圧指令値Ｖｓが基準電圧Ｖｒｅ
ｆであるので、直流入力電圧Ｖｉｎ（太陽電池１０の出
力電圧）を基準電圧Ｖｒｅｆに一致させるように出力電
流を調整する電力制御が行われる。これにより、太陽電
池１０の動作点はほぼ最大電力点Ｐｍａｘとなり、太陽
電池１０の発電電力が最大限に利用される。

【００２５】これに対して、負荷Ｚの軽減などに起因し
て、系統電圧が抑制開始電圧Ｖｚを越えたときには、電
圧指令値Ｖｓが基準電圧Ｖｒｅｆより大きい値となるの
で、直流入力電圧Ｖｉｎを積極的に最適動作電圧Ｖｏｐ
より高い電圧に一致させるように出力電流を調整する電
力制御が行われる。これにより、図４に示すように太陽
電池１０の動作点が最大電力点Ｐｍａｘから開放電圧Ｖ
ｏｃ側（図の右側）へ移動し、太陽電池１０の出力電力
が低減されて系統電圧の上昇が抑えられる。なお、動作
点の移動量は系統電圧が上限電圧Ｖｏｖに近いほど多く
なる。

【００２６】上述の実施例によれば、系統電圧が規定の
上限電圧Ｖｏｖに近づいたときには、太陽電池１０の動
作点を最大電力点Ｐｍａｘから移動させて太陽光発電シ
ステム１の出力電力を積極的に低減し、給電異常を招く
系統電圧の上昇を抑えるので、給電異常に伴う連系解除
を可及的に回避することができ、結果的に一日又は年間
における太陽エネルギーの利用率を高めることができ
る。

【００２７】上述の実施例においては、太陽電池１０の
出力特性が一定であるものとして説明したが、日射量や
温度の変動による太陽電池１０の出力特性の変化に応じ
て、基準電圧Ｖｒｅｆをその時々の最適動作電圧Ｖｏｐ
の近辺の値に設定し、太陽電池１０の発電能力を最大限
に利用する、いわゆる最大電力点追尾制御を行うことが
できる。

【００２８】上述の実施例において、抑制開始電圧Ｖｚ
を１０５［Ｖｒｍｓ］に限定する必要はなく、太陽光発
電システム１の設置環境に応じて最適化すればよい。ま
た、電流指令値信号Ｓｉの生成及びその補正をマイクロ
プロセッサユニットによって行ってもよい。その他、太
陽電池１０、インバータ２０の回路構成、素子の種類な
どは本発明の主旨に沿って種々変更することができる。

【００２９】

【発明の効果】本発明によれば、太陽電池の発電が無駄
になる連系解除を可及的に抑え、一日又は年間の太陽エ
ネルギーの利用率を高めることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施に係る太陽光発電システムを商用
電力系統に接続した状態を示すブロック図である。

【図２】図１のインバータの制御部の構成を示すブロッ
ク図である。

【図３】連系点の電圧と制御部の内部の信号との関係を
示すグラフである。

【図４】インバータによる電力制御の内容を示すための
太陽電池の出力特性のグラフである。

【符号の説明】

１ 太陽光発電システム ２ 商用電力系統 １０ 太陽電池 ２０ インバータ（電力制御装置） ２９ 変圧器 ２３６ 電力規制部 Ｐｍａｘ 最大電力点 Ｐｘ 連系点 Ｖｏｖ 上限電圧

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】商用電力系統と連系されて使用される太陽
   光発電システムの電力制御方法であって、 常時は太陽電池の動作点が最大電力点となるように出力
   電流を調整する最大電力点追尾制御を行い、連系点の電
   圧が規定の上限電圧に近づいたときには、前記動作点が
   前記最大電力点と異なるように出力電流を設定して出力
   電力を最大電力よりも小さくすることを特徴とする太陽
   光発電システムの電力制御方法。
2. 【請求項２】商用電力系統と連系されて使用される太陽
   光発電システムの電力制御装置であって、 連系点の電圧を検出する手段と、 常時は太陽電池の動作点が最大電力点となるように出力
   電流を設定し、前記連系点の電圧と上限電圧との差が一
   定値より小さいときに、その差に応じて前記太陽電池の
   動作点が最大電力点から離れるように出力電流を設定す
   る手段とを備えたことを特徴とする太陽光発電システム
   の電力制御装置。