JPS58182726A - 直流電源の最適動作点自動設定方法および装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、内部抵抗を有する直流電源、特に方法を実施
するための装置に関するものである。

その場合、直流電源の動作点を決定する直流電源の電気
的状態量に対して、直流電源に後置された可制御電力変
換装置の入力電力を制御するための目標値が予め与えら
れる。

この種の直流電源は例えば蓄電器、熱電対、燃料電池、
あるいは特に太陽電池などであり得る。

これらの直流電源から供給される電力は周囲温度や内部
温度のような非電気的パラメータとか、蓄電器における
充電状態、あるいは太陽電池における入射エネルギー量
とかに依存するということを別にすれば、これらの直流
電源は、その両電気的状態量（出力電圧および出力電流
）の間に成る一定の物理的関係、すなわち一般に等何回
路において内部抵抗で示される関係があるという点で共
通である。そのため、これらの直流電源から直流電流調
整器や、電圧変成器、あるいは他の整合変成器を介して
後置の負荷のために電力が取出されるれる程、得られる
最大出力電圧は大きく下がる。

逆に、直流電源の出力電圧が成る一定値に維持されるよ
うに電圧変成器を制御調整すれば、取出し得る電流は固
定される。この種の直流電源は電源もしくは整合変成器
の動作点として予め与えることのできる唯一の電気的自
由度しか持っていない。

その場合、かかる直流電源の出力電力は対応する自由度
すなわち動作点の関数として与えられ、しかもその関数
は、一般に電源の利用率に関して最適動作点（［最大電
力点Ｊ−ｒＭＰＰｊ）を示す成る一定の値（二おいて最
大値をとる。とりわけ、−次エネルギーに費用がかから
ない（例えば太陽エネルギー）、あるいは設備費に比較
してほとんど費用がかからない直流電源においては、そ
の直流電源から負荷、例えばエネルギー蓄積器にできる
だけ多くの電気エネルギーを供給するために、装置を最
大限利用すべく、装置を常にほぼ全負荷で、すなわち常
にほぼＭＰＰで動作させることが望ましい。

直流電流調整器や他の直流電圧変成器を用いる場合に、
負荷と１．て例えば電気車の主電源のような直流負荷が
問題となる。そのような場合、直流電圧変成器は蓄電器
用充電調整器としても用いられ、蓄電器には可制御のイ
ンバータが後置される。

このインバータは例えば離れ小島の電源母線、すなわち
公的な系統電源からは給電されない辺地の負荷群に給電
する。直流電源から取出される一次エネルギーを他の電
気エネルギーに可制御式に変換するために、直流電圧変
成器の代りに可制御インバータ（一般に可制御電力変換
器）を用いると、エネルギー変換、例えばエネルギー媒
体の汲み上げ作業に用いることのできるポンプのような
交流負荷も負荷として対象になる。

ドイツ連邦共和国特許出願公開第２９０３５５９号明細
書により、負荷の入力電力を、太陽電池に接続された直
流電圧変成器によって制御することはすでに知られてい
る。その場合、直流電圧変成器には調節電圧が導かれ、
その調節電圧によって太陽電池の出力電圧が最適動作点
に対応する最適電圧値になるように制御される。それに
対応して調節電圧は太陽電池出力電圧と基準電圧との間
の偏差から形成され、基準電圧は、非電気的な環境条件
の影響を考慮するために、同一構成ではあるが無負荷の
他の太陽電池から供給される。しかしパネルとも称され
る直流電源から流れる低下特性の電流による動作点変化
の影響は、無負荷の測定用太陽電池によって形成される
人工的な基準電圧によって十分補償することはできない
。さらに製造上の許容誤差によるバラツキは動作点の誤
設定に導く。

さらにまた公知の装置においては、太陽電池や基準電圧
を供給する無負荷の測定用電池が部分的に日陰になった
り汚染したりすると、最適動作点を見つけ出すことがほ
とんど不可能になる。

本発明の目的は、動作点を常に最適動作点Ｃ１自動的に
制御し、パネルの状態パラメータが変動しと簡単な装置
を提供することにある。

この目的は、特許請求の範囲第１項に記載した方法によ
って達成される。それ故出発点は、負荷に給電するため
に可制御電力変換装置が後置された直流電源、特に太陽
電池である。この電力変換装置は、その入力電力、すな
わちパネルから取り出される電力が最大になるように制
御される。そのためパネルの動作点を決定する状態量、
すなわちパイ・ルミ圧またはパネル電流に対して、それ
ぞれに対応する目標値が予め与えられる。この目標値に
は一定の時間間隔で付加的な値が摂動量の意味で一時的
に重畳され、それによって生じるパネル電力の微分的変
化が検出される。付加的僅の重畳の終了（摂動量の除去
）後、目標値は補正される。すなわち持続的に変えられ
る。その際、目標値変化の符号は、重畳の期間中パネル
電力の正の微分的変化が確認されたとき、丁なわち重畳
によって生じる電力測定値の時間微分値が正ならば、船
釣目標値の重畳が取り出されるパネル出力の負の微分的
変化に導くような場合は、補正の方向（目標値変化の符
号）は付加的目標値の符号とは反対に選定される。Ｔな
わち常により大きいパネル出力の動作点に導く目標値補
正がＭＰＰを超えるところまで行われる。そこからさら
に動作点がＭＰＰを中心にして振動するように次の補正
が行われる。この振動によって生じる変動は、補正ステ
ップおよび摂動喰の振幅（付加的目標値）が小さく選定
できればできる程小さく保持される。本発明によれば、
パネル電力Ｐの変化ΔＰそのものが評価されるのではな
く、その時間微分も伊が評価され、その結果、パネル電
力の増減についての正確な質的情報を得るためには、小
さな摂動量振幅で十分である。

その場合、摂動量振幅は、パネル電力における変化が１
％以下、好ましくは１〃・よりも少なくなるように、つ
まり本来のパネル調節が実際上乱されないように、小さ
く選定することができる。

よび重畳中に互いに比較しても、通常の測定装置および
評価装置の精度のもとでは電力実際値の差を所望の信頼
性をもって検出することはできないであろう。

特に簡単な装置の場合、すべての重畳のための付加的目
標値の大きさおよび符号は等しく、かつ固定的に与えら
れる。目標値変動そのものの大きさは、付加的目標値の
重畳によって生じるパネル電力の変化に応じて決定され
、それにより、最大電力点とその都度の動作点との間に
大きな偏差が存在する場合、動作点はまず迅速にＭＰＰ
に近づけられる。しかし、この方法は、目標値変動の大
きさがあらゆる目標値変動に対して等しく、かつ固定的
に与えられるならば、特に目標値変動の大きさが付加的
目標値の大きさよりも小さく選定されるならば、一層簡
単に実施することができる。

パネル出力電力の変化は付加的目標値の重畳の前後にパ
ネル電力を定常状態で微分評価することによって確認す
ればよい。そのためには摂動量重畳前の定常状態時に検
出した（例えば僅か平滑化された）電力実際値を摂動量
重畳の始まりの前にまずメモリに入力しておき、このメ
モリは中間記憶された実際値を、摂動量重畳の際微分回
路の入力端に中間記憶された電力実際値の代りに入力さ
れる定常的な電力実際値を再び調節するまでは。

微分回路の入力端に与えるようにすることができる。こ
うすることによって、微分回路の入力端に急激な変化Δ
Ｐが生じ、微分回路は、変化ΔＰが極めて小さいときで
も大きな出力信号ｄΔｐ／ｄ　ｔを生じる。

例えば太陽電池の照度が弱い場合、目標値変化はパネル
電力の変化をそれに応じて小さい１重く評価し得る変化
にするので、出力電力が調節最小値を下まわったら直ち
に一定の目標値を与えるようにすることができる。

以下、図面を参照して本発明をさらに詳細に説第１図は
、太陽電池の出力電流（パネル電流）■と出力電圧（パ
ネル電圧）Ｕとの関係を示すものである。同図には太陽
電池の出力電力Ｐすなわちパネル電圧Ｕとパネル電流Ｉ
との積も示されている。出力電力Ｐは顕著な最大値Ｐ。

、ｔを持っている。この最大値Ｐ。ｐｔの点はＵ−１特
性曲線上の両型気状態量Ｕおよび■の値Ｕｏｐｔおよび
Ｉ。ｐｔに対応している。この種の特性曲線は同一タイ
プであっても異なるパネルに対しては多少異なるものと
なるが、図示の特性曲線は入射エネルギー量９３０　Ｗ
／ｒＩＬ２．周囲温度２４℃、パネル温度３６℃におい
て測定されたデータの一例である。このほかの非電気的
パラメータが変化すると、特性曲線も異なったものとな
る。本発明によれば、電圧Ｕｏｐｔおよび電流Ｉ。ｐｔ
によって与えられる最適動作点ＭＰＰに自動調整される
。

次に、第２図において、太陽電池１が電力変換装置２を
介して負荷３に給電する場合につＩＪ）て考器として構
成され、負荷（電池）３の充電調節器として用いられる
。電池３の端子電圧は摂動咀重畳中極めてわずか変化す
るので、電流調整器を介して太陽電池から取出されて電
池に供給される電力はほぼ電池の充電量流に比例する。

この充電電流は電流検出器４によって検出される。電池
の入力電圧は直流電流調整器を制御する制御装置６や池
の制御装置のための動作電圧を、電源装置５を介して供
給するためにも用いられる。

本発明の制御の目標は、状態量Ｕ（この実施例ではパネ
ル電圧）を装置の実際値人力として最適動作点Ｕ　ｏｐ
ｔに制御することである。そして、この制御は、直流電
流調整器２に含まれているスイッチのオンオフ比を変え
ることによって行われる。

この制御によって、調整器２を介して流れる電流がシス
テムの調整量として、所望の動作点に相応するように変
化させられる。

目標値形成器７は基本目標値口。と補正目標値Ｕｋｏｒ
ｒ　に合成される。まず、装置は最適動作点（最大電力
点ＭＰＰ　）からずれた動作点で動作しており、その動
作点は電圧Ｕ。によって与えられ、かつ目標値形成器７
内の設定器７ａによって固定的に設定されているものと
仮定する。この装置は制御されて動作することができ、
また調節も行われることができる。調整器２の制御装置
６の制御計を得るために１例えば加算部８で、パネル電
圧の目標値Ｕ。と、電圧検出器９によって検出されたパ
ネル電圧の実際値との間の制御偏差が形成される。

タイマー回路１０は摂動量（付加的目標値ΔＵ’）を発
生する。この摂動量は摂動電圧ショックとして、目標値
形成器７で設定された目標値Ｕ。に一時的に例えば加算
部８で重畳される。付加的目標値ΔＵ／の符号が負であ
ると、第１図に示されているＵ。＜Ｕｏｐｊの場合、太
陽電池から出力されているパネル電圧Ｐを減少させるよ
うに作用する。

Ｕｋｏｒｒを発生し、これらは目標値Ｕ。−Ｕｏ十（１
５） 電力Ｐ。、および摂動１ΔＵ’の重畳によって生じるパ
ネル電力間の差によって与えられる上記電力変動ΔＰ’
の符号は、電圧Ｕ。ｐｔに近づくために。

どの方向に目標値Ｕ。が変えられねばならないかを示す
ものである。そのため、摂動量の重畳前および重畳中に
出力されるパネル電力の時間微分値を評価する評価回路
１１が、重畳によって生じる太陽電池の出力電力変化を
確認する。

その場合、評価回路１１によって確認された電力変化の
符号に応じて、目標値形成器７から供給される目標値Ｕ
。が変えられる。この目的のため、目標値形成器７は積
分器７ｂを含んでいる。積分器７ｂには電圧制限のため
逆並列接続の２つのツェナーダイオードが並列に接続さ
れている。目標値の後調整のため、評価回路１１はその
出力側に限界値超過検出器１２を含んでいる。限界値超
過検出器１２は電力変化の符号をディジタル信号の設定
された動作点Ｕ。に対して与えられたパネル（１６） 記憶された信号に応じて一定の大きさの正または負の電
圧ΔＵ、　（電力の増加または減少に対応）が得られる
ように接続されている。付加的目標値ΔＵ’の重畳の終
了後にタイマー回路］０がメモリー１３と積分器７ｂと
の間に設けられているスイッチ１４を閉じる。その結果
、いまや積分器７ｂにはメモリー１３から出力された電
圧が電力微分変化の符号に対応した符号を有する入力電
圧として短時間重畳される。積分ｉ７ｂは、この短時間
の電圧ショックΔＵＯを積分する。積分器７ｂの出力電
圧Ｕｋｏｒｒ　　−ΣΔＵ、は基本目標値Ｕ。の補正Ｉ
と１−で設定器７ａの出力側に導かれる。

かくして目標１直Ｕ。は重畳動作が行われる関ごとに固
定的に与えられた一定の補正量ΔＵＯ分だけ変化させら
れる。付加的目標値ΔＵ′の一時的な重畳とそれに続く
ΔＵ、という目標値変化とからなる」二連の補正ステッ
プを何回か繰返すことによってに揺動することになる。

付加的目標値ΔＵ’の符号および大きさは図示の実施例
の場合、タイマー回路】０によって固定的に与えられる
。電力変化の微分的検出が極めて敏感なため、付加的目
標値ΔＵ′は、摂動量の重畳によって生じる出力電圧Ｕ
の変化が最大出力点ＭＰＰにおける電圧Ｕ　ｏｐｔの１
％ｐから最大１％程度になるように選定することができ
る。目標値変動計ΔＵ０はスイッチ１４のオン時間によ
って決定されるが、それは付加的目標値ΔＵ’より幾分
小さく選定するのがよい。

タイマー回路１０はさらに評価回路】１内の２個のスイ
ッチ１６ａおよび１６ｂからなるスイッチング装置を制
御する。図示の例では評価回路１１にとって直流電源の
出力電力を検出するのに電流検出器で十分である。なぜ
なら、負荷の端子電圧すなわち電池の入力電圧が摂動量
のオンオフの際に実際上一定に保たれ、電池の充電状態
に依存する端子電圧の緩慢な変化は電力の微分変化にと
つて重要ではないからである。場合によっては電力もし
くはその微分変化を検出するために電流と電圧を検出し
１両者の積から電力を算出するようにしてもよい。

スイッチ１６ａは付加的目標値ΔＵ’の重量のすぐ前も
しくは少なくとも重畳の始まりと同時に開かれ、検出器
４（あるいは、これに後置された小定常状態に属する出
力電力値が記憶されている。

重畳の終了前、装置がＵ。十ΔＵ’に属する新しい定常
値に達するとスイッチ１６は再び閉じられ、メモリーは
新しい定常的な検出値を記憶する。メモリーには微分回
路が後置されており、メモリーと微分回路は共通の微分
装置１７にまとめることができ、第３図にその具体例が
示されている。

メモリーおよびスイッチは互いに関連動作し。

微分回路の入力端でスイッチの開放前には電力測定値が
導かれ、スイッチ開放時には摂動量重畳直前に測定され
て記憶された測定値が導かれ、スイッチの閉成後は測定
され、いまやＵ。＋ΔＵ’に対応する測定値が再び導か
れる。これらの測定値はその都度定常状態で得られるの
で、微分回路は定常電力Ｐ　５ｔａｔまたはその変化Δ
Ｐ　５ｔａｔの摂動量による変化しか検出しない。その
変化はスイッチ１６ａの新たな閉成後、電圧ショックと
して加えられ、微分される。したがって、微分装置」７
の出力端には直流電源の定常出力電力の微分変化が現れ
る。

第３図の微分装置１７において、演算増幅器３０に前置
されたコンデンサ３１がメモリーとして作′　　用して
いる。コンデンサ３１は高絶縁性のスイッチ１６の閉成
時に加えられた入力信号に応じて充電され、その電荷は
スイッチ１６の再閉成の時までほぼ不変（１保たれる。

演算増幅器３０はコンデンサ３１および抵抗３４を介し
て微分器として構成され、抵抗３４およびコンデンサ３
３からなるいる。制御信号Ｓ１を介してスイッチ１６ａ
と共通に駆動制御されるスイッチ１６ｂは、スイッチ１
６ａのオフ時間中に微分装置１７から後置の平滑回路１
８へと電流が流れようとするのを阻止する。平滑回路１
８は例えば受動型低域フィルタおよび能動型平滑回路か
ら構成−［ることができ、電力実際値の高調波から出る
微分出力電圧の重畳された交流電圧成分を平滑化するの
に役立つものである。

すでに述べた限界値超過検出器１２は、この（平滑化さ
れた）電力変化の符号を検出し、すでに述べた重畳動作
を介してフリップフロップ１３およびスイッチ１４によ
り補正目標値Ｕｋｏｒｒ　　または目標値Ｕ。を電圧Δ
Ｕｏだけ調節するために導く。

さら（１弟２の限界値超過検出器１９が設けられており
、この限界値超過検出器１９は出力電力の実際値が最小
値を下まわらないかどうかを監視し。

下まわった時に積分器７の橋絡スインｆ２０を閉がもは
や不可能である程に太陽電池の出力電力が小さくなると
直ちに目標値Ｕ。の調整手段を無効とする。

付加的目標値ΔＵ’の重畳と目標値の調整との間の変動
は、タイマー回路１０によって与えられる動作周期で生
ずる。かかる周期は例えば２秒であり、後置カウンタを
有する適当な発振器によって２５６の時間ステップに分
割される。

電力検出の摂動が電流調整器２の動作サイクルによって
起るおそれがある場合には、発振器２１を電流調整器の
動作サイクルに同調させることができる。発振器出力パ
ルスによってメモリ２２のアドレスは順次制御され、各
時間ステップに対して追従制御のための対応する制御パ
ルスが読出される。第４図は対応する制御信号の時間ス
テップｎに対する変化を一例として示すものである。

周期の初めにまず閉じていたスイッチング装置１６ａ、
１６ｂが開かれ（制御信号Ｓ１）、その直後に付加的目
標値ΔＵ′が加算部８に加えられる（電圧Ｓ２）。パネ
ルが新たな電圧目標値Ｕ。＋ΔＵ／に対応して定常的な
電力実際値に落ち着くと、ΔＵ’の重畳動作を続けてい
る段階で、スイッチング装置１６を閉じる。こうするこ
とによって微分装置１７の入力電圧が新たｒｌ電力実際
値に急変し。

微分装置１７の出力端および平滑回路Ｊ８にパルスが生
ずる。このパ？レスの符号は限界値超過検出器１２によ
って評価される。平滑回路１８の電圧がそのほぼ最高値
に上昇すると、制御信号ｓ３によってメモリー１３が短
時間開かれ、限界値超過検出器１２の出力信号は周期期
間記憶される。続いて摂動量ΔＵ／の重畳が終了し、目
標値Ｕ　ｋｏｒｒの補正が始まる。そこで固定的に予め
与えられる補正時間の間メモリー１３の出力が積分器７
ｂに入力される。かくして積分器７ｂの出力電圧Ｕｋｏ
ｒｒは信号Ｓ４に対応する電圧時間積ΔＵｏ　　だけ変
化する。

以上述べた直流電流調整器の制御はパルスのオンオフ制
御を介して伝送電流に一次的に作用する。

その場合、電圧は負荷抵抗に応じて調整される。

自明のことながら本発明においては他の電力変換装置を
用いることもできる。

本発明の装置は動作点を最適動作点に自動設定し、しか
も最適動作点のあらゆるシフトを自動的に考慮すること
を可能にしたものである。

【図面の簡単な説明】 第１図は太陽電池の電流−電圧特性および電流−出力電
力特性を示す線図、第２図は本発明方法を実施するため
の装置の一実施例を示すブロック図、第３図は定常出力
の変化を検出するための評価回路の要部の接続図、第４
図は第２図の装置の動作を説明するための線図である。 １・・・直流電源、　　２・・・可制御電力変換装置。 ３・・・負荷、　　６・・・可制御電力変換装置用制御
装置、　　７・・・目標値形成器、１０・・・タイマー
回路、　　１】・・・評価回路、　　１３・・・メモリ
ー、１４．１６ａ、１６ｂ、２０−・−スイッチ、　Ｕ
、−１基目標値、　　ΔＵ’・・・　付加的目標値（摂
動量）、Ｕ・・・出力電圧、　　■・・・出力硯流、　
Ｐ・・・出力電力、　　ＭＰＰ・・・最大電力点。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）ａ）直流電源の動作点を決定する電気的状態量に対
   して目標値が予め与えられ、この目標直により直流電源
   に後置された可制御電力変換装置の入力電力を制御調整
   する内部抵抗な有する直流電源の最適動作点自動設定方
   法において。 ｂ）　目標１直に所定の時間間隔で付加的目標値を一時
   的に重畳し、 Ｃ）　この重畳によって生じる直流電源の出力電力の微
   分変化を検出し、 ｄ）　付加的目標値の重畳の終了後、目標値を変化させ
   、その際目標値変化の符号は、前記出力電力の微分変化
   が正のときは付加的目標値の符号に等しく、前記微分的
   変化が負のときは付加的目標値の符号とは逆の符号に選
   定する ことを特徴とする直流電源の最適動作点自動設定方法。 ２、特許請求の範囲第１項記載の方法において、付加的
   目標値の大きさおよび符号を丁べての重畳に対して等し
   く固定して予め与えることを特徴とする直流電源の最適
   動作点自動設定方法。 ３〕　特許請求の範囲第１項または第２項記載の方法に
   おいて、目標値変化の大きさをたかだか付加的目標値の
   大きさに等しく選定することを特徴とする直流電源の最
   適動作点自動設定方法。 ４）特許請求の範囲第２項または第３項記載の方法にお
   いて、目標値変化の大きさをすべての目標値変化に対し
   て等しく固定して予め与えることを特徴とする直流電源
   の最適動作点自動設定方法。 ５）特許請求の範囲第１〜４項のうちのいずれかに記載
   の方法において、最小出力電力よりも小さいところで不
   変の目標値を予め与えることを特徴とする直流電源の最
   適動作点自動設定方法。 ６）特許請求の範囲第１〜５項のうちのいずれかに記載
   の方法において、出力電力の変化を付加的目標値の重畳
   前と重畳中の直流電源の定常状態の微分的評価によって
   確定することを特徴とする直流電源の最適動作点自動設
   定方法。 ７）ａ）直流電源、それに後置された可制御電力変換装
   置、直流電源の電気的状態量に対する目標値が基準入力
   量として与えられる可制御電力変換装置用の制御装置と
   、 ｂ）　目標値を形成するための目標値形成器と。 Ｃ）　目標値形成器に一時的に重畳され、その重畳期間
   中、目標値を付加的目標値だけ変化させる出力信号を発
   生させるためのタイマー回路と。 力の時間微分を確定する評価回路と、 ｅ）　目標値形成器から供給された目標値を評価回路に
   よって得られた出力電力の微分的変化の符号に応じて調
   整する手段と が設けられていることを特徴とする直流電源の最適動作
   点自動設定装置。 ８）特許請求の範囲第７項記載の装置において、評価回
   路は、出力電力が最小値を下まわったとき、目標値を調
   整する手段を無効にする限界値超過検出器を含んでいる
   ことを特徴とする直流電源の最適動作点自動設定装置。 ９）特許請求の範囲第７項または第８項記載の装置にお
   いて、評価回路は出方電力に対応する量を検出する検出
   器を含んでおり、この検出器は重畳の開始時に開き、か
   つ重畳の終了　　　　　（前に閉じるべきスイッチを介
   して蓄積器と接続され、この蓄積器には微分回路が後置
   され、この微分回路の入力端には、スイッチが開く前は
   検出器によって検出された定常電力測定値が導かれ、ス
   イッチが開いているときは記憶された値が導かれ、スイ
   ッチが閉じた後は再び検出器によって検出された電力測
   定値が導かれるようになっていることを特徴とする直流
   風源の最適動作点自動設定装置。 １０）特許請求の範囲第７〜９項のうちのいずれかに記
   載の装置において、目標値形成器は基本目標値と補正目
   標値との和として目標値を形成し、基本目標値を形成す
   るために設定器を、また補正目標値を形成するために積
   分器をそれぞれ含んでおり、積分器には付加的目標値の
   各重畳後、電力の微分変化の符号に←致する符号の予め
   与えられた入力電圧が重畳されるようになっていること
   を特徴とする直流電源の最適動作点自動設定装置。