WO2005045547A1 - 太陽光発電装置 - Google Patents

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WO2005045547A1
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solar
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solar cell
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Toshiya Yoshida
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Tokyo Denki University
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    • G05CONTROLLING; REGULATING
    • G05FSYSTEMS FOR REGULATING ELECTRIC OR MAGNETIC VARIABLES
    • G05F1/00Automatic systems in which deviations of an electric quantity from one or more predetermined values are detected at the output of the system and fed back to a device within the system to restore the detected quantity to its predetermined value or values, i.e. retroactive systems
    • G05F1/66Regulating electric power
    • G05F1/67Regulating electric power to the maximum power available from a generator, e.g. from solar cell
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50Photovoltaic [PV] energy
    • Y02E10/56Power conversion systems, e.g. maximum power point trackers

Definitions

  • the present invention relates to a solar power generation device using a solar cell.
  • MPPT Force point tracking control
  • the so-called hill-climbing method is known in which the operating point at which the output power of the solar panel is maximized by changing the point is known.
  • FIG. 1 shows a general output current-output power-related static characteristic of a solar cell panel.
  • the output current (horizontal axis) of the solar panel is varied to sample two output powers (vertical axis), and the maximum power point is searched based on the magnitude relation. For example, when the power at the operating points al and a2 (exploration area Sa) in Fig. 1 is sampled, the power at point a2 is larger than the power at point al, so the point a2 side, that is, the current increasing direction It can be seen that the maximum power point P exists.
  • operating point cl and point c2 exploderation area S
  • Japanese Patent Publication No. 5-68722 Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-325031, BK Bose, PM bzczesny & RL bteigerwald: “Micro—computer control of a "Residential photovoltaic power condition system", IEEE Transactions on Industrial Application, Vol. IA- 21, PP. 1182-1191 (1985), and Kenji Takahara, Youichi Yamanouchi, Hideaki Kawaro, "Solar Power Generation System Using Adaptive Mountain Climbing" Maximum Power Acquisition Control ”, IEICE Transactions D, 121 Vol. 6, 689-694 (2001).
  • the maximum power point can be accurately determined and searched quickly, so that the maximum power can be constantly output even when the power generation conditions fluctuate. become.
  • a solar power generation device that outputs power generated by a solar cell panel via a DC-DC converter has a time differential value of an output voltage of the solar cell panel substantially.
  • the DC-DC converter is controlled based on the output power of the solar cell panel at the time when the power becomes zero, and the maximum power condition of the solar cell panel is searched.
  • a method of controlling a solar power generation device that outputs power generated by a solar cell panel via a DC-DC converter includes a method of controlling a time of an output voltage of the solar cell panel. Detecting a time point at which the differential value becomes substantially zero; and detecting the DC-DC converter based on the output power of the solar cell panel at the detected time point. And searching for the maximum power condition of the solar cell panel.
  • FIG. 1 shows the relationship between the output current and the output power of a solar cell panel in a static state.
  • FIG. 2 shows a hysteresis loop based on dynamic characteristics of a solar cell panel.
  • FIG. 3 shows the relationship between the output voltage (V) and output power (P) and the output voltage (V) and output current (I) of the solar cell panel in a static state.
  • FIG. 4 shows a configuration of a general photovoltaic power generator.
  • FIG. 5 shows how an operating point moves when a hysteresis loop occurs.
  • FIG. 6 shows an equivalent circuit of a solar cell panel.
  • FIG. 7 shows a configuration of a solar power generation device according to the present invention.
  • FIG. 8 shows a configuration of a controller of the photovoltaic power generator according to the first embodiment.
  • FIG. 9 shows a configuration of a controller of a photovoltaic power generator according to a second embodiment.
  • FIG. 10 shows a configuration example of a code switch.
  • FIG. 11 shows a configuration of a photovoltaic power generator according to a third embodiment.
  • FIG. 12 shows a response characteristic of the photovoltaic power generator according to the third embodiment to a search frequency.
  • FIG. 13 shows convergence of search conditions of the photovoltaic power generator according to the third embodiment to a maximum power point.
  • FIG. 3 illustrates the static characteristics of a solar cell panel (PV) in relation to the current-voltage (I-V) and power-voltage (PV) relationships.
  • P is the maximum output power of the solar panel.
  • the operating voltage Vop is changed based on the power change of the solar cell panel so as to approach the best operating point.
  • ⁇ ( ⁇ ) is the output power of the solar panel as a function of the output voltage V as shown in FIG. 3, ⁇ , ⁇ is the amplitude of the sweep signal for exploration and has a positive value
  • Pdil3 ⁇ 4Pdif ⁇ P (Vop + ⁇ V) —P (Vop— ⁇ V) be the power change.
  • (i) Vop is increased when Pdif> 0,
  • (ii) Vop is decreased when Pdif is 0, and
  • the operating voltage Vop is adjusted by controlling the switching duty ratio of the DC-DC converter 11 shown in FIG. 4 by the control voltage Vc.
  • the effect of C disappears, and it matches the static characteristics.
  • the inventor pays attention to the behavior of the time differential value de (t) Zdt of the output voltage e ( t ) of the solar cell panel in the search for the maximum power condition, and detects the time point at which the time differential value de (t) Zdt becomes zero. As a result, it has been found that even when the operating voltage is swept at a high frequency, it is possible to appropriately search for the maximum power point.
  • FIG. 7 shows a configuration of a solar power generation device 1 according to the present invention.
  • the power generated by the solar panel 10 is output to the load L via the DC-DC converter 11.
  • the controller 20 detects the output power p (t) and the time differential value de (t) Zdt of the output voltage based on the output voltage e (t) and the output current i (t) of the solar cell panel 10.
  • the calculation unit 20 detects a time point when de (t) Zdt becomes substantially zero, and calculates the output power p (t) at that time point.
  • the calculation unit 20 calculates the power change Pdif ⁇ for the p (tl) and p (t2) forces. At this time, (i) feedback control of the DC-DC converter 11 to increase Vop when Pdif> 0, and (ii) feedback control of the DC-DC converter 11 to decrease Vop when Pdif is 0. I do.
  • FIG. 8 shows a more detailed configuration of the controller 20 of the photovoltaic power generator according to the first embodiment.
  • the output voltage e and the output current i of the solar panel 10 are input to the controller 20.
  • the output voltage e is time-differentiated by the differentiator 22 and output to the calculation unit 23.
  • the output voltage and the output current are multiplied by the multiplier 21 and output to the calculation unit 23 as the output power p of the solar cell panel.
  • the calculation unit calculates when the time derivative deZdt of the output voltage e becomes substantially zero.
  • Sample holding means 25 and 26 for detecting points tl and t2 are provided.
  • the first sample hold means 25 holds the value of the output power p (tl) at the time point 1 when deZdt becomes substantially zero when the voltage differential signal rises.
  • the second sample and hold means 26 holds the value of the output power p (t2) at the time t2 when deZdt becomes substantially zero when the voltage differential signal falls.
  • the arithmetic unit 27 calculates the difference between the two sampled and held power outputs p (tl) and (t2), obtains the power change Pdif ⁇ , and outputs a control signal Vth corresponding to the power change to the comparator 28.
  • the arithmetic unit 27 can realize more accurate convergence to the optimum value by further integrating or integrating the result of the difference calculation to obtain the control signal Vth to the comparator.
  • the comparator 28 outputs a control signal Vc to the DC-DC converter 11 via the driver 24 based on a control signal Vth corresponding to the power change Pdif, and controls the operating voltage Vop.
  • the search for the maximum power point P is realized by feedback-controlling the operating voltage Vop via the DC-DC converter 11 so that the power change Pdii3 ⁇ 4 converges to substantially zero.
  • the comparator 28 compares a reference wave such as a triangular wave with a power change Pdif as a threshold, and generates a control signal Vc for controlling the duty ratio of switching of the DC-DC converter 11 according to the result.
  • DC Output to DC converter 11. Note that the DC-DC converter 11 has the maximum power point P corresponding to the control signal Vc.
  • the duty ratio of the switching that is, the electrical operating point is controlled so as to be bundled.
  • the switching ripple component generated by the DC-DC converter 11 is used for the maximum power point search. can do.
  • an oscillator that periodically varies the duty ratio of switching of the DC-DC converter 11 may be separately provided.
  • the sample-and-hold means 25 and 26 can always accurately grasp the power value on the static characteristic even when a hysteresis loop occurs, so that the sweep frequency It is possible to quickly detect the maximum power point regardless of the above.
  • FIG. 9 shows a more detailed configuration of the controller of the photovoltaic power generator according to the second embodiment of the present invention. Only the operation unit is different from the first embodiment, and the other configuration is the same as that of the first embodiment.
  • the device of the first embodiment is obtained by the power change Pdif ⁇ differential operation in FIG. 7, but the device of the present embodiment is different in that it is obtained by the power change Pdil ⁇ differential operation.
  • the time derivative dpZdt of the output power of the solar cell panel is used to calculate the power change Pdil ⁇ . That is, at the time points tl and t2 at which the voltage differential value becomes substantially zero, the power differential value dpZdt is definitely integrated from the time point tl to t2. More specifically, if the voltage derivative is deZdt> 0,
  • the controller 20 of the present embodiment shown in Fig. 9 generates a control signal Vth 'corresponding to the power change Pdif by the above method. That is, the output power p (t) calculated by the multiplier 21 is time-differentiated by the differentiator 31 and fixedly integrated by the integrator via the sign switch.
  • the synchronous rectifier 32 as a sign switch, an amplifier that inverts the sign of an input signal by a control signal SWsync as illustrated in FIG. 10 and outputs the inverted signal can be used.
  • the control switch 232 is off, the input terminals of the amplifier 231 are equal to the input voltage Vin, so that no current flows through the resistors 233 and 235, so that non-inverting amplification is performed.
  • the control switch 232 When the control switch 232 is on, the inverting input (1) of the amplifier 231 becomes equal to the ground potential, so that the inverting amplification occurs. As a result, the synchronous rectifier 32 switches the sign of the input signal Vi in synchronization with the control signal SWsync and outputs it.
  • definite integration is repeated with time t2 as time tl in the next definite integration operation. That is, since the results of the respective definite integrations are integrated and input to the comparator 28, the integrator 33 performs an operation of sequentially calculating the definite integrations and integrating the results. Therefore, the integrator 33 only needs to have a function of continuously integrating the input signal with time. Specifically, an approximate integration circuit, a low-pass filter, or the like can be used.
  • FIG. 11 shows a photovoltaic power generator according to this embodiment, which realizes the configuration of the present invention shown in FIGS. 7 and 9, and is obtained by using the power change Pdi differential operation as in the second embodiment. .
  • Force voltage e is detected.
  • the output current i of the solar cell panel 10 is detected by the detection resistor Ri and amplified by the transconductance amplifier 21a.
  • the output voltage e is converted to a current corresponding to the voltage e by the current source 21b and supplied as a bias of the transconductance amplifier 21a, whereby the current i is multiplied by the voltage e, and the power value p is output from the buffer 21c. Is done.
  • the power value p is time-differentiated by a differentiator 31 and input to a synchronous rectifier 32.
  • the output voltage e is time-differentiated by the differentiator 22, compared and judged by the comparator 34, input to the control terminal of the synchronous rectifier 32, and performs the expression (4).
  • the integrator 33 sequentially performs the operation of expression (5) on the output h (t) of the synchronous rectifier.
  • the comparator 28 compares and judges the integration result using the triangular wave output from the oscillator 29 as a threshold and controls the duty ratio of the switching element SWchop of the DC-DC converter via the driver 24.
  • the integrator 33 is constituted by an integration circuit that continuously integrates time, performs an operation of sequentially calculating definite integration and integrating the results, and generates a control signal Vth ′ corresponding to the power change Pdif. Then, output to the comparator 28.
  • the expression is based on the voltage differential value deZdt.
  • the integration range (tl ⁇ t ⁇ t2) of the definite integration represented by (5) is determined. Therefore, since the polarity of h (t) switches after time t2, in a new integration operation, time t2 is set anew as time tl, and deZdt further crosses zero to perform definite integration until time t2 at which the sign switches.
  • the electrical operating point is periodically fluctuated, and the time integral of dpZdt from the instant 1 when the time differential value of the output voltage becomes zero to the instant t2 when the time derivative becomes zero again is obtained at the two points Pa and Pb on the static characteristics. A power difference is required.
  • the integration is performed while changing the polarity of dpZdt in synchronization with the change in the sign of the time differential value deZdt of the output voltage, the integration result always indicates Pb-Pa, and the hysteresis loop is generated. Since the power difference between two points on the static characteristics can be detected, it is possible to search for the maximum power point. In addition, since such an operation is performed sequentially, the operating point of the solar panel 10 is quickly set to the maximum power point P
  • the switching griple component generated by the DC-DC converter 11 can be used as a change in the electrical operating point for exploration. This is because the device of the present embodiment can sufficiently respond to the fluctuation speed of the switching ripple component. This is because the search for the maximum power condition can be performed as much as possible.
  • the operating point fluctuation for the exploration may be generated by means for periodically changing the duty ratio of the switching element SWchop without using the switching ripple component.
  • FIG. 12 shows the result of the search for the maximum power condition of the solar cell panel performed by the apparatus of the present embodiment.
  • Curve II is the ideal frequency characteristic of the output of the solar panel when the maximum power condition is searched by manually adjusting the switching duty factor at each switching frequency.
  • Curve III is the result of the conventional maximum power exploration method, and failed to search for an appropriate maximum power condition in the high frequency region (6 kHz or more)!
  • the apparatus of the present embodiment as shown by curve I, even when the search speed is in the high-frequency region and the dynamic characteristics of the solar cell panel have a remarkable hysteresis loop, the ideal The results are comparable to the frequency characteristics.
  • the present invention is not limited to these examples, and changes within the scope not departing from the gist of the present invention are also included in the present invention.
  • the power differential value detector and the voltage differentiator are configured by combining a plurality of detectors and calculators, but a detecting means that can directly obtain these differential values may be used.

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Abstract

 DC−DCコンバータを介して太陽電池パネルが発生する電力を出力する太陽光発電装置は、太陽電池パネルの出力電圧の時間微分値が実質的に零となる時点を検出し、各時点における前記太陽電池パネルの出力電力から電力変化を求め、電力変化に基づいて前記DC−DCコンバータを制御することにより、ヒステリシスループ(動特性)が発生している場合であっても太陽電池パネルの最大電力点を迅速かつ正確に追尾する。    

Description

技術分野
[0001] 本発明は太陽電池を用いた太陽光発電装置に関する。
背景技術
[0002] 太陽光発電装置システムにお 、て効率のよ!、発電を実現するためには、太陽電池 パネルの最良の電気的動作点(最大電力点)を追跡する制御方法すなわち最大電 明
力点追跡制御(MPPT)が不可欠となる。そのような制御方法としては、電気的動作 田
点を変動させて太陽電池パネルの出力電力が最大となる動作点を探査する、いわゆ る山登り法が知られている。
[0003] 図 1は太陽電池パネルの一般的な出力電流 出力電力関係の静特性を示す。前 記山登り法やこれに類した方法では太陽電池パネルの出力電流 (横軸)を変動させ て 2点の出力電力(縦軸)をサンプリングし、その大小関係で最大電力点を探査する 。例えば、図 1の動作点点 alと点 a2 (探査域 Sa)における電力をサンプリングした場 合には、点 alの電力より点 a2の電力の方が大きいので点 a2側、すなわち電流の増 加方向に最大電力点 P が存在することがわかる。一方、動作点 clと点 c2 (探査域 S
M
c)をサンプリングした場合、点 c2の電力より点 clの電力の方が大きいので電流の減 少方向に最大電力点 P が存在することがわかる。また、動作点 blと点 b2 (探査域 Sb
M
)における電力をサンプリングした場合には、両点の電力が等しいのでこの 2点間に 最大電力点 P
Mが存在すると判断される。
[0004] 家屋の屋根等に設置された太陽電池パネルから電力を取り出す場合には、日射量 や温度等の環境変化が緩やかであるため、例えば数分ごとに最大電力点を探査して 太陽電池パネルの電気的動作点を更新すれば発電効率の改善が期待される。また 、最大電力点の探査に要する時間も高速である必要はなぐ例えば数秒以内に探査 が完了する。
[0005] 先行技術としては、日本国特公平 5— 68722号公報、特開 2001— 325031号公報 、 B.K. Bose, P. M. bzczesny & R. L. bteigerwald: "Micro— computer control of a residential photovoltaic power condition system", IEEE Transactions on Industrial Application, Vol. IA- 21, PP. 1182-1191 (1985)、および高原健爾,山之内庸一,川 ロ秀榭「適応山登り法による太陽光発電システムの最大電力取得制御」電気学会論 文誌 D, 121卷 6号, 689— 694頁(2001年)力ある。
発明の開示
[0006] 太陽光発電装置をソーラーカー等の移動体に設置した場合には、発電条件の変 化が著しく最大電力点も変動するので、常時最大電力点の探査を行う必要がある。さ らに変動する最大電力点を探査する時間も短縮しなければならな 、。最大電力点の 探査に要する時間を短縮するためには、電気的動作点を高速に変動させて探査す る必要がある。しかしながら、太陽電池の動作点を高速に変化させると、太陽電池内 部キャリアの寿命の影響により図 1に示す静特性と異なる特性を示す。すなわち、最 大電力点付近で電気的動作点を高速に変動させると、図 2に示すように出力電流 出力電力特性はヒステリシスカーブ Lhを描く。一般的な太陽電池パネルでは、数百 Hzを超える周波数領域でこの現象が顕著となる。この場合には、通常の最大電力点 探査法では静特性上の電力が正しくサンプリングできない場合があるため、真の最 大電力点を探査して特定することが困難となるという問題点があった。
本発明によれば、電気的動作点を高速に変動させても正確に最大電力点をきわめ て迅速に探査することができるため、発電条件が変動する場合でも常時最大電力を 出力することが可能になる。
[0007] 本発明の技術的側面によれば、 DC— DCコンバータを介して太陽電池パネルが発 生する電力を出力する太陽光発電装置は、前記太陽電池パネルの出力電圧の時間 微分値が実質的に零となる時点における前記太陽電池パネルの出力電力に基づい て前記 DC - DCコンバータを制御し前記太陽電池パネルの最大電力条件を探査す ることを特徴とする。
[0008] 本発明の他の技術的側面によれば、 DC— DCコンバータを介して太陽電池パネル が発生する電力を出力する太陽光発電装置の制御方法は、前記太陽電池パネルの 出力電圧の時間微分値が実質的に零となる時点を検出することと、前記検出された 時点における前記太陽電池パネルの出力電力に基づいて前記 DC— DCコンバータ を制御し前記太陽電池パネルの最大電力条件を探査することを特徴とする。
図面の簡単な説明
[0009] [図 1]図 1は、太陽電池パネルの出力電流と出力電力の静的状態における関係を表 す。
[図 2]図 2は、太陽電池パネルの動特性によるヒステリシスループを表す。
[図 3]図 3は、太陽電池パネルの出力電圧 (V)と出力電力(P)および出力電圧 (V)と 出力電流 (I)の静的状態における関係を表す。
[図 4]図 4は、一般的な太陽光発電装置の構成を示す。
[図 5]図 5は、ヒステリシスループが生じたときの動作点が移動する様子を示す。
[図 6]図 6は、太陽電池パネルの等価回路を示す。
[図 7]図 7は、本発明に係る太陽光発電装置の構成を示す。
[図 8]図 8は、第一実施形態に係る太陽光発電装置のコントローラの構成を示す。
[図 9]図 9は、第二実施形態に係る太陽光発電装置のコントローラの構成を示す。
[図 10]図 10は、符号切換器の構成例を示す。
[図 11]図 11は、第三実施形態に係る太陽光発電装置の構成を示す。
[図 12]図 12は、第三実施形態に係る太陽光発電装置の探査周波数に対する応答 特性を示す。
[図 13]図 13は、第三実施形態に係る太陽光発電装置の探査条件の最大電力点へ の収束を示す。
発明を実施するための最良の形態
[0010] 1.最大電力点追跡 (MPPT)制御方法
図 3に太陽電池パネル (PV)の静特性を電流 電圧 (I-V)関係および電力 電圧 ( P— V)関係について例示する。ここで P は太陽電池パネルの最大出力電力である。
M
通常の最大電力点追跡方法では、最大出力電力点 P
Mを追跡するために逐次発生 電力を測定し、 P— V特性の勾配を求める。この勾配が零になるところが最良動作点 P であるため、勾配が零になった時点で太陽電池パネルの動作電圧を保持するよう
M
に制御する。動作電圧 Vopは太陽電池パネルの電力変化に基づ 、て最良動作点に 近づくように変化させる。 [0011] すなわち、 Ρ ( ·)を図 3に示すような出力電圧 Vの関数としての太陽電池パネルの出 力電力 Ρ、 Δνを探査のための掃引信号の振幅であって正値を有するものとして、電 力変化 Pdil¾Pdif≡P (Vop+ Δ V)— P (Vop— Δ V)とする。このとき、(i) Pdif>0のと きには Vopを増加し、(ii) Pdifく 0のときには Vopを減少し、(iii) Pdif=0のときにはそ のときの Vopを保持するように動作電圧 Vopを制御する。動作電圧 Vopは図 4に示す DC— DCコンバータ 11のスイッチングの通流率を制御電圧 Vcにより制御することによ り調整される。
[0012] 2.太陽電池の動特性に適応する最大電力点追跡制御方法の原理
上述した通常の最大電力点追跡方法では動作電圧を高周波数で掃引する場合に は図 2に示すようなヒステリシス特性により真の最大電力点を把握することが困難とな ることはすでに述べた。すなわち、図 5に示すように掃引周波数の上昇に伴い動特性 がヒステリシスループを描くため通常の MPPT法では最大電力点近傍に収束しない 。図 5において、本来曲線 Iで表示される静特性カーブ上では動作点である点 Aから
S
最大電力点 P (V , 1 )を経由して点 Bに移動すべきである。ところが高速な動作電
M M M
圧の掃引によって曲線 Iで表示される動特性が生じた場合には動作点が点 Aから点
D
B'に移動する。次いで点 C'、点 D'、点 E'へと移動して最大電力点 P に収束せず
M
にむしろ最大電力点 P
M力も遠ざ力つてしまう。
[0013] この現象は太陽電池内部キャリアの寿命の影響によるものとされ、太陽電池パネル は図 6に示すような等価回路で表すことができる。静特性の等価回路は正味の起電 力 101と内部抵抗 Rで記述できるが動特性も考慮した等価回路では等価キャパシタ Cを加味しなければならな 、。等価キャパシタ Cは動特性で顕著となる要素であって 周波数応答においてタイムラグを発生させ上記ヒステリシス特性の原因となるため等 価キャパシタの存在が最大電力点の追跡を困難とする。ところが動特性におけるヒス テリシスループ I は必ず 2点において真の静特性カーブ Iと交わる。発明者は、動作
D S
点 Bおよび点 C等における出力電流、出力電圧および出力電力は真の静特性を反 映して 、るためこれらの値に基づ 、て正 U、最大電力点を探査することが可能となる 点に着目した。
[0014] 等価キャパシタ Cを流れる電流 iは、太陽電池パネル 10の出力電圧を e (t)として、 [数 1]
Figure imgf000007_0001
(
[0015] と表すことができる。このとき i =0、すなわち de (t) Zdt = 0の時には等価キャパシタ
C
Cの影響がなくなり静特性と一致する。発明者は、最大電力条件探査における太陽 電池パネルの出力電圧 e (t)の時間微分値 de (t) Zdtの挙動に着目し、時間微分値 de (t) Zdtが零となる時点を検出することにより動作電圧を高周波数で掃引する場合 であっても最大電力点の適切な探査を行うことができることを見いだした。
[0016] 笫1¾施形餱
図 7には本発明に係る太陽光発電装置 1の構成を示す。太陽電池パネル 10の発 生電力は DC— DCコンバータ 11を介して負荷 Lに出力される。コントローラ 20は太陽 電池パネル 10の出力電圧 e (t)および出力電流 i (t)に基づ ヽて出力電力 p (t)およ び出力電圧の時間微分値 de (t) Zdtを検出する。演算部 20は、 de (t) Zdtが実質 的に零となる時点を検出しその時点における出力電力 p (t)を演算する。 1つの動作 点 Vopについて探査のための揺動電圧を重畳する場合には de (t) Zdtが実質的に 零となる時点は二点存在するので、仮にこの時点を tlおよび t2 (tl <t2)とすると演 算部 20は p (tl)および p (t2)力も電力変化 Pdif^演算する。このとき、(i) Pdif>0の ときには Vopを増加させるように DC— DCコンバータ 11を制御し、(ii) Pdifく 0のときに は Vopを減少させるように DC— DCコンバータ 11をフィードバック制御する。そして(iii )電力変化 Pdii¾実質的に零であれば V— I特性にぉ 、て 2点 pi {e (tl) , i (tl) }およ び p2{e (t2) , i(t2) }は静特性上にあり、かつ静特性上の piと p2の間に最大電力点 P が存在することがわかる。そこでコントローラ 20はその時点での Vopを保持するよう
M
に DC— DCコンバータを制御する。
[0017] 図 8には第 1実施形態に係る太陽光発電装置のコントローラ 20のより詳細な構成を 示す。太陽電池パネル 10の出力電圧 eおよび出力電流 iがコントローラ 20に入力さ れる。出力電圧 eは微分器 22で時間微分されて演算部 23に出力される。出力電圧 および出力電流が乗算器 21で乗算されて太陽電池パネルの出力電力 pとして演算 部 23に出力される。演算部は出力電圧 eの時間微分 deZdtが実質的に零となる時 点 tlおよび t2を検出するサンプルホールド手段 25、 26を備える。第 1サンプルホー ルド手段 25は電圧微分信号が立ち上がるときに deZdtが実質的に零になる時点 1 での出力電力 p (tl)の値を保持する。第 2サンプルホールド手段 26は電圧微分信号 が立ち下がるときに deZdtが実質的に零になる時点 t2での出力電力 p (t2)の値を 保持する。
[0018] 演算器 27はサンプルホールドされた 2つの電力出力 p (tl)と (t2)の差分を演算 することにより電力変化 Pdif^求め電力変化に相応した制御信号 Vthをコンパレータ 28に出力する。図示しないが、演算器 27は差分演算結果をさらに積算または積分し てコンパレータへの制御信号 Vthとすることにより最適値へのより正確な収束を実現 することができる。
[0019] コンパレータ 28は電力変化 Pdifに相応した制御信号 Vthに基づいてドライバ 24を 介して DC— DCコンバータ 11に制御信号 Vcを出力し動作電圧 Vopを制御する。す なわち、電力変化 Pdii¾実質的に零に収束するように DC— DCコンバータ 11を介し て動作電圧 Vopをフィードバック制御することによって最大電力点 P の探査が実現
M
する。
[0020] その結果最大電力点 P が迅速に探査され常に最大電力点で太陽電池パネルが
M
動作することが可能になる。本実施形態では、コンパレータ 28は三角波等の参照波 と閾値としての電力変化 Pdifとを比較してその結果に応じて DC— DCコンバータ 11の スイッチングの通流率を制御するための制御信号 Vcを DC— DCコンバータ 11に出 力する。なお、 DC— DCコンバータ 11は制御信号 Vcに相応して最大電力点 P に収
M
束するようにスイッチングの通流率、すなわち電気的動作点を制御する。
[0021] また、本実施形態では、数百 Hzを超える周波数領域での掃引探査に適応すること が可能であるため、 DC— DCコンバータ 11が発生するスイッチングリップル成分を最 大電力点探査に利用することができる。なお、 DC— DCコンバータ 11のスイッチング の通流率を周期的に変動させる発振器を別途備えてもよいことは当業者であれば理 解するであろう。
[0022] 本実施形態によればサンプルホールド手段 25、 26はヒステリシスループが発生し ている場合であっても常に静特性上の電力値を正確に把握できるため掃引周波数 によらずに最大電力点を迅速に探知することが可能になる。
[0023] 第 2実施形態
図 9には本発明の第 2実施形態に係る太陽光発電装置のコントローラのより詳細な 構成を示す。第 1実施形態とは演算部のみが相違し他の構成は第 1実施形態と同様 であるので重複する説明は省略する。第 1実施形態の装置は図 7において電力変化 Pdif^差分演算によって求めたが、本実施形態の装置は電力変化 Pdil^微分演算を 用いて求める点が異なる。
[0024] 本実施形態では電力変化 Pdil^演算するために太陽電池パネルの出力電力 の 時間微分 dpZdtを用いる。すなわち、電圧微分値が実質的に零となる時点 tlおよび t2について、電力微分値 dpZdtを時点 tlから t2まで定積分する。より具体的には、 電圧微分値が deZdt>0の場合には、
[数 2]
C t = [ρ( ];? = [P(V)]Z = Ρ( +Δ - P - Δり一 Pdif (2)
[0025] であり、電圧微分値が deZdtく 0の場合には、
[数 3]
Figure imgf000009_0001
[0026] となる。したがって、極性切換えの関数 h(t)を、
[数 4]
^dp{t)ldt (de/dt>0)
h(t) =
\-dp{t)ldt (de/dt<0) (4)
[0027] と定義すれば、
[数 5]
Figure imgf000009_0002
[0028] で与えられる。なお、表現(1)により deZdtの極性をキャパシタ電流 icの極性 (符号) に置き換えても同じ結果が得られる。
[0029] 図 9に示す本実施形態のコントローラ 20は上記方法により電力変化 Pdifに相応す る制御信号 Vth'を生成する。すなわち、乗算器 21で演算された出力電力 p (t)は微 分器 31により時間微分されて符号切換器を介して積分器で定積分される。符号切換 器としての同期整流器 32は図 10に例示するような制御信号 SWsyncにより入力信号 の符号を反転させて出力する増幅器を用いることができる。制御スィッチ 232がオフ のときには増幅器 231の入力端子はいずれも入力電圧 Vinに等しいため抵抗器 233 および抵抗器 235には電流が流れないので非反転増幅となる。また、制御スィッチ 2 32がオンのときには増幅器 231の反転入力(一)が接地電位と等しくなるため反転増 幅となる。その結果同期整流器 32は制御信号 SWsyncに同期して入力信号 Viの符 号を切り換えて出力する。
[0030] 微分器 22から出力された電圧微分値 deZdtがコンパレータ 34を介して同期整流 器 32の制御信号 SWsyncとして入力されると同期整流器 32はその制御信号の符号 に従って表現 (4)の演算を行う。その演算結果は表現(5)にしたがって deZdt=0と なる時点 tlおよび t2間で定積分される。その結果第 1実施形態と同様にヒステリシス ループが生じて 、る場合であっても静特性に基づ 、た電力変化 Pdii¾S演算され最大 電力条件の探査が迅速に行われる。また積分演算は時点 tlおよび t2間の各点にお ける勾配 dpZdtの平均化演算でもあるためノイズの影響を受けにくい。
[0031] 本実施形態では時点 t2を次の定積分演算における時点 tlとして定積分を繰り返 す。すなわち、各定積分の結果は積算されてコンパレータ 28に入力されるので積分 器 33は逐次演算される定積分とそれらの結果を積算する動作をおこなっている。し たがって積分器 33は入力信号を連続的に時間積分する機能さえ有していればよぐ 具体的には近似積分回路や低域通過フィルタ一等を使用することができる。
[0032] 第 3実施形態
図 11は本実施形態に係る太陽光発電装置を示すもので図 7および図 9に示す本 発明の構成を実現したものであり、第 2実施形態と同様に電力変化 Pdi 微分演算 を用いて求める。
[0033] 図 11に示す本実施形態の装置では電圧増幅器 38により太陽電池パネル 10の出 力電圧 eが検出される。また太陽電池パネル 10の出力電流 iは検出抵抗 Riで検出さ れトランスコンダクタンスアンプ 21aで増幅される。一方出力電圧 eは電流源 21bによ り電圧 eに対応する電流に変換されてトランスコンダクタンスアンプ 21aのバイアスとし て供給されることによって電流 iと電圧 eが乗算されバッファ 21cから電力値 pが出力さ れる。電力値 pは微分器 31で時間微分されて同期整流器 32に入力される。一方出 力電圧 eは微分器 22で時間微分されてコンパレータ 34で比較判断されて同期整流 器 32の制御端子に入力され表現 (4)の演算を行う。その結果積分器 33は、同期整 流器の出力 h (t)に対して表現(5)の演算を逐次行う。コンパレータ 28は発振器 29 力 出力された三角波を閾値として積分結果を比較判断しドライバ 24を介して DC— DCコンバータのスイッチング素子 SWchopの通流率を制御する。なお、積分器 33は 連続的に時間積分する積分回路で構成されており、逐次演算される定積分とそれら の結果を積算する動作をおこな 、電力変化 Pdifに相応する制御信号 Vth'を生成し てコンパレータ 28に出力する。
[0034] 本実施形態においては第 2実施形態と同様に電圧微分値 deZdtに基づいて表現
(5)で表される定積分の積分範囲 (tl≤t≤t2)を判断している。したがって、時点 t2 以降は h (t)の極性が切り換わるので、新たな積分演算において時点 t2をあらためて 時点 tlとし deZdtがさらに零を横切って符号が切り換わる時点 t2まで定積分を行う。 すなわち、電気的動作点を周期的に変動させ、出力電圧の時間微分値が零となった 瞬間 1から再度零となる瞬間 t2まで dpZdtを時間積分すると静特性上の 2点 Paお よび Pbにおける電力差が求められる。さらに出力電圧の時間微分値 deZdtの符号 の変化に同期して dpZdtの極性を変更しながら積分するため積分結果は常に Pb— Paを示すことになつてヒステリシスループが発生している場合であっても静特性上の 2点における電力差を検出することができるので最大電力点の探査が可能となる。ま た、このような動作が逐次行われるため太陽電池パネル 10の動作点を速やかに最大 電力点 P
Mに移動させることができる。
[0035] 本実施形態においても他の実施形態と同様に DC— DCコンバータ 11が発生するス イッチングリップル成分を探査のための電気的動作点の変動として利用できる。これ は本実施形態の装置によればスイッチングリップル成分の変動速度に十分応答でき るほどに最大電力条件の探査をおこなうことができるからである。なお、スイッチングリ ップル成分を使用せずに別途スイッチング素子 SWchopの通流率を周期的に変動さ せる手段により探査のための動作点変動を生成してもよい。
[0036] 探査速度への適応
図 12に本実施形態の装置により太陽電池パネルの最大電力条件の探査を実行し た結果を示す。曲線 IIは手動により各スイッチング周波数においてスイッチングの通 流率を調整して最大電力条件を探査した場合の太陽電池パネル出力の理想的な周 波数特性である。曲線 IIIは従来の最大電力探査法による結果であり高周波数領域( 6kHz以上)で適切な最大電力条件の探査に失敗して!/ヽる。これに対して本実施形 態の装置によれば曲線 Iに示すように、探査速度が高周波領域にあり太陽電池パネ ルの動特性が顕著なヒステリシスループを生じた場合であっても理想的な周波数特 性に匹敵する結果が得られる。
[0037] 図 13には本実施形態の装置においてスイッチング周波数を 20kHzとしたときの動 作点の探査の結果を示す。図に示すように探査が適切に実行されて deZdt = 0 (ま たは i =0)の時点で太陽電池パネルの動特性応答の中力も太陽電池パネルの静特
C
性を探知した結果、探知範囲が最大電力点 P の
M 近傍である動作点 pl、 pi間 (探査 域 S )に収束している。
M
[0038] また、本実施形態の装置によれば太陽電池パネルの発電量が急激に変化した場 合であっても lms以内に変更された最大電力点を正しく探査することができた。
[0039] 以上、本発明の実施形態を詳述したが、本発明はこれらの実施例に限られるもの ではなぐ本発明の要旨を逸脱しない範囲の変更も本発明に含まれる。例えば、実 施形態においては、電力微分値検出器と電圧微分器を複数の検出器および演算器 を組み合わせて構成したがこれらの微分値が直接的に得られる検出手段を用いても よい。
[0040] 本出願は日本国特許出願特願 2003— 380566 (2003年 11月 10日出願)を基礎 として米国特許法 (35USC § 119)に基づく優先権を主張するものであり、当該内容は 文献として本出願に援用される。

Claims

請求の範囲
[1] DC— DCコンバータを介して太陽電池パネルが発生する電力を出力する太陽光発 電装置であって、
前記太陽電池パネルの出力電圧の時間微分値が実質的に零となる時点における 前記太陽電池パネルの出力電力に基づいて前記 DC— DCコンバータを制御し前記 太陽電池パネルの最大電力条件を探査すること
を特徴とする装置。
[2] 請求項 1記載の太陽光発電装置であって、
前記出力電圧の時間微分値が実質的に零となる第 1の時点における前記太陽電 池パネルの第 1の出力電力および第 2の時点における前記太陽電池パネルの第 2の 出力電力の差に基づいて前記太陽電池パネルの最大電力条件を探査することを特 徴とする装置。
[3] 請求項 2記載の太陽光発電装置であって、
前記第 1の出力電力および前記第 2の出力電力の差は前記太陽電池パネルの出 力電力の時間微分を前記第 1の時点力 前記第 2の時点まで積分した値に基づいて 演算されることを特徴とする装置。
[4] 請求項 1乃至 3記載の太陽光発電装置であって、前記 DC— DCコンバータの制御 はスイッチングの通流率の制御であることを特徴とする装置。
[5] 請求項 2乃至 4記載の太陽光発電装置であって、前記 DC— DCコンバータのスイツ チングリップルを前記最大電力条件を探査するための掃引信号として用いることを特 徴とする装置。
[6] 請求項 1乃至 5記載の太陽光発電装置であって、
前記太陽電池パネルの出力電圧の時間微分値が実質的に零となる時点を、前記 太陽電池パネルの等価キャパシタを流れる電流が実質的に零となる時点とすることを 特徴とする装置。
[7] DC— DCコンバータを介して太陽電池パネルが発生する電力を出力する太陽光発 電装置の制御方法であって、
前記太陽電池パネルの出力電圧の時間微分値が実質的に零となる時点を検出す ることと、
前記検出された時点における前記太陽電池パネルの出力電力に基づいて前記 D C - DCコンバータを制御し前記太陽電池パネルの最大電力条件を探査すること を特徴とする方法。
[8] 請求項 7記載の太陽光発電装置の制御方法であって、
前記 DC— DCコンバータを制御する段階は、前記出力電圧の時間微分値が実質 的に零となる第 1の時点における前記太陽電池パネルの第 1の出力電力および前記 出力電圧の時間微分値が実質的に零となる別の第 2の時点における前記太陽電池 パネルの第 2の出力電力の差に基づいて前記 DC— DCコンバータを制御することを 特徴とする方法。
[9] 請求項 7または 8記載の太陽光発電装置の制御方法であって、前記 DC— DCコン バータのスイッチングリップルを前記最大電力条件を探査するための掃引信号として 用いることを特徴とする方法。
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