WO2014147771A1 - 太陽光発電システム - Google Patents

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Abstract

　太陽光発電システム(１)は、複数の太陽電池群(２ａ,２ｂ～２ｎ)と、これらの各太陽電池群のそれぞれに対応して設けられて前記各太陽電池群からそれぞれ得られる直流電圧を昇圧する複数のチョッパユニット(３ａ,３ｂ～３ｎ)と、これらのチョッパユニットの出力電流をそれぞれ制御して前記各太陽電池群の動作点を最適化し、該太陽電池群から最大出力を得る動作点制御手段(６ａ,６ｂ～６ｎ)と、前記複数のチョッパユニットから得られる直流電圧を入力し、該直流電圧を所定電圧の交流電力に変換して出力するインバータ(４)とを備える。

Description

太陽光発電システム
　本発明は、太陽電池に生起される直流電力を有効に活用することができ、また交流出力電圧を高く設定することのできる太陽光発電システムに関する。
　近時、太陽電池から得られる直流電力を交流電力に変換し、商用交流電源系である、いわゆる系統電源に連系させる太陽光発電システムが注目されている。この太陽光発電システムは、一般的には複数の太陽電池からなる太陽電池群から得られる直流電力を所定周波数の交流電力に変換するインバータと、このインバータが出力する交流電力を前記系統電源に給電するトランスとを備えて構成される。
　ところで太陽電池から得られる電力は、個々の太陽電池の固体差によって異なる。この為、複数の太陽電池をグループ分けした複数の太陽電池群からそれぞれ得られる電力に自ずと差異が生じることが否めない。そこで出力電圧が近接している太陽電池同士を並列接続して複数の太陽電池群を形成し、これらの各太陽電池群毎に電圧調整手段を設けることで前記インバータに入力する電圧を互いに等しくすることが提唱されている（例えば特許文献１を参照）。
　またこの種の太陽光発電システムにおいては、例えば前記インバータの出力電流を制御することで前記太陽電池群の動作点を制御し、これによって前記太陽電池群から得られる直流電力を最大化することも行われている。この太陽電池群の動作点制御は、最大電力点追従（ＭＰＰＴ；Maximum Power Point Tracking）制御と称される。
特開２００１－３０９５６０号公報
　ところで太陽電池群から得られる直流電力は、日照量や温度の変化に伴って変動する。この為、太陽電池群に生起される直流電力が減少し、その出力電圧が低下した場合には前記インバータの動作が不安定となる。そこで従来一般的には、前記太陽電池群の出力電圧が前記インバータの予め設定した入力電圧に満たないとき、専ら、前記インバータの動作を停止させるようにしている。従って前記太陽電池群に生起される電力を十分に活用することができないと言う問題があった。
　本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、その目的は、太陽電池に生起される電圧が小さい場合であってもインバータを安定に動作させることができ、また前記インバータの交流出力電圧を高く設定することのできる太陽光発電システムを提供することにある。
　上述した目的を達成するべく本発明に係る太陽光発電システムは、基本的には
　太陽電池から得られる直流電圧を昇圧するチョッパユニットと、
　このチョッパユニットの出力電流を制御して前記太陽電池の動作点を最適化し、該太陽電池から最大出力を得る動作点制御手段と、
　前記チョッパユニットから得られる直流電圧を入力し、該直流電圧を所定電圧の交流電力に変換して出力するインバータと
を備えて構成される。
　好ましくは本発明に係る太陽光発電システムは、
　複数の太陽電池をグループ分けした複数の太陽電池群と、
　前記複数の太陽電池群のそれぞれに対応して設けられて前記各太陽電池群からそれぞれ得られる直流電圧を昇圧する複数のチョッパユニットと、
　これらのチョッパユニットの出力電流をそれぞれ制御して前記各太陽電池群の動作点を最適化し、該太陽電池群から最大出力を得る動作点制御手段と、
　前記複数のチョッパユニットから得られる直流電圧を入力し、該直流電圧を所定電圧の交流電力に変換して出力するインバータと
を具備して構成される。
　ちなみに前記インバータは、その入力電圧が一定、若しくは所定の電圧範囲となるように交流出力電流を制御するものである。
　好ましくは前記複数のチョッパユニットは、前記太陽電池群の出力電圧が前記インバータの予め定められた入力電圧を超えたとき、スイッチング動作を停止してその入力電圧を直接出力するスルー機能、または該チョッパユニットの入出力間を短絡する短絡手段を備える。この短絡手段は、例えば整流ダイオード、機械接点スイッチ、または半導体スイッチング素子を用いた同期整流回路からなる。
　また前記インバータは、好ましくは前記チョッパユニットによる前記動作点制御手段とは別に、該インバータの入力電圧を変化させて前記各太陽電池群の動作点を最適化する第２の動作点制御手段を備える。好ましくは前記第２の動作点制御手段は、前記インバータの入力電圧を変化させても前記太陽電池群から得られる電力が変化しないとき、前記太陽電池群に対する動作点探索範囲の下限値となるように前記入力電圧を設定するように構成される。
　尚、上述した構成の太陽光発電システムにおいて、更に双方向の電力フローが可能な双方向チョッパユニットと、この双方向チョッパユニットを介して前記インバータの入力端に接続された蓄電器を備えることも好ましい。具体的には前記双方向チョッパユニットは、前記複数のチョッパユニットから前記インバータに供給する電力の余剰分を前記蓄電器に蓄電し、前記複数のチョッパユニットから前記インバータに供給する電力が不足するとき、前記蓄電器に蓄電された電力を前記インバータに出力する役割を担う。
　この際、前記双方向チョッパユニットを介する前記蓄電池の充放電制御を、前記インバータにおける前記第２の動作点制御手段の制御に比較して緩やかに実行することが望ましい。更には前記複数のチョッパユニットおよび前記インバータを、好ましくは前記複数の太陽電池群からの電力を集電する直流集電盤内にまとめて設けるようにすれば良い。この際、前記インバータには、交流変換と系統電源に対する連系動作とを実行する役割を持たせることが望ましい。
　上記構成の太陽光発電システムによれば、太陽電池群から得られる直流電圧を、チョッパユニットを介して昇圧してインバータに入力するので、該インバータの入力電圧の下限値を高く設定することができる。従って前記太陽電池群に生起される直流電力が減少してその出力電圧が低下した場合であっても前記チョッパユニットを介して前記インバータの入力電圧を高くしているので、該インバータの安定した動作を確保することができる。故に前記太陽電池に生起される直流電力を有効に活用することができる。
　また前記インバータの入力電圧を高くすることができるので、該インバータの交流出力電圧を容易に高く設定することができる。この結果、同じ出力電力に対して前記インバータの出力電流を少なくすることができる。そして前記インバータの出力電流を少なくした分、前記インバータにおける導通損失を低減し、また装置の小型化を図り、更には出力電力を系統電源に給電する為の電線径を細くすることができる。よってシステム全体を簡易に、しかも安価に構築することができる等の効果が奏せられる。
　またチョッパユニットに短絡手段を設けることで、前記太陽電池群の出力電圧が高いときには該チョッパユニットをバイパスして前記太陽電池群の出力電力をインバータに入力することができ、該チョッパユニットでの損失を抑えることができる。更には前記第２の動作点制御手段により前記太陽電池群の動作点を最適化すれば、これに伴って前記チョッパユニットにおける動作点制御手段も追従する。従って複数の太陽電池群に対する各動作点の最適化を同時に実行することが可能となる。
　また双方向チョッパユニットを介して前記インバータの入力端に接続された蓄電器を備えることで、前記太陽電池群から得られる直流電力を有効に活用し、該太陽電池群から得られる直流電力が不足するような場合には、その不足分を前記蓄電器に蓄電された電力にて補うことができる。従って前記インバータの交流出力電力の安定化を図ることができる等の効果が奏せられる。
　また本発明に係る太陽光発電システムを適用して、いわゆるメガソーラーシステムを構築すれば、その設備コストを抑えながら安定した電力供給が可能となる等の効果が奏せられる。
本発明の一実施形態に係る太陽光発電システムの全体的な概略構成図。 図１に示す太陽光発電システムにおけるチョッパユニットの要部概略構成図。 太陽電池群の電圧・電流特性を示す図。 太陽電池群の出力電圧と出力電力との関係を示す図。 複数の太陽電池群に対する動作点制御を説明する為の図。 チョッパユニットにおける出力電圧の絞り込み制御を示す制御ブロック図。 図６に示す出力電圧の絞り込み制御と、その効果を説明する為の特性図。 本発明の別の実施形態に係る太陽光発電システムの全体的な概略構成図。
　以下、図面を参照して本発明に係る太陽光発電システムについて説明する。
　図１は本発明の実施形態に係る太陽光発電システム１の概略構成図で、２は所定数の太陽電池を直並列に接続した太陽電池群である。この太陽電池群２は、太陽光を受けて光電変換作用を呈して所定の電力Ｐを生起する、例えば太陽電池パネルからなる。またここでは複数の太陽電池群２ａ,２ｂ～２ｎを並列に設けた例を示している。
　ここで本太陽光発電システム１が特徴とするところは、前記太陽電池群２ａ,２ｂ～２ｎに対応付けて複数のチョッパユニット３ａ,３ｂ～３ｎを設けた点にある。これらのチョッパユニット３ａ,３ｂ～３ｎは、前記各太陽電池群２ａ,２ｂ～２ｎの出力電圧（直流電圧）をそれぞれ昇圧する役割を担う。そして前記太陽電池群２ａ,２ｂ～２ｎからそれぞれ得られる直流電力を所定電圧の交流電力に変換するインバータ４を、前記複数のチョッパユニット３ａ,３ｂ～３ｎの後段に設けたことを特徴としている。換言すれば前記インバータ４を、前記各チョッパユニット３ａ,３ｂ～３ｎからの出力電力を入力して動作するように設けたことを特徴としている。
　尚、前記各チョッパユニット３ａ,３ｂ～３ｎからの出力電流は、コンデンサ５に蓄電された後、所定の直流電圧Ｅとして前記インバータ４に与えられる。そして前記インバータ４は、入力された直流電圧Ｅを所定電圧の交流電力に変換して出力する。ちなみに前記インバータ４は、基本的にはその入力電圧Ｅが一定、若しくは所定の電圧範囲となるように交流出力電流Ｉoを制御する機能を備えたものである。そして前記インバータ４から出力される交流電力は、図示しないトランスを介して系統電源に給電される。
　ここで前記各チョッパユニット３ａ,３ｂ～３ｎは、前記太陽電池群２ａ,２ｂ～２ｎの出力電力を最大化する動作点制御手段６ａ,６ｂ～６ｎをそれぞれ備える。これらの各動作点制御手段６ａ,６ｂ～６ｎは、当該チョッパユニット３ａ,３ｂ～３ｎの出力電流Ｉdを制御して前記太陽電池群２ａ,２ｂ～２ｎの動作点を最適化し、該太陽電池群２ａ,２ｂ～２ｎから最大出力を得る最大電力点追従（ＭＰＰＴ）制御手段からなる。
　また前記各チョッパユニット３ａ,３ｂ～３ｎは、前記太陽電池群２ａ,２ｂ～２ｎの出力電圧、換言すれば当該チョッパユニット３ａ,３ｂ～３ｎの入力電圧Ｖinが前記インバータ４の予め定められた入力電圧Ｅを超えたとき、そのスイッチング動作を停止して入力電圧Ｖinを直接的に電圧Ｅとして出力する機能（スルーモード）を備える。この機能（スルーモード）は、チョッパユニット３ａ,３ｂ～３ｎにおけるスイッチング損失の発生を防ぐ役割を担う。
　即ち、前記各チョッパユニット３ａ,３ｂ～３ｎは、例えば図２にその主体部の概略構成を示すように、インダクタ３２を介して入力端子に接続された半導体スイッチング素子（ＭＯＳ-ＦＥＴ）３１を備える。ここで３３は上記半導体スイッチング素子３１に逆並列に接続されたフリーホイリングダイオードであり、３４は前記インダクタ３２の出力を出力端子に導く整流ダイオードである。尚、３５は、該チョッパユニット３の出力端子に接続されたコンデンサである。
　このように構成された前記各チョッパユニット３ａ,３ｂ～３ｎは、前記半導体スイッチング素子３１のオン時に前記インダクタ３２に電磁エネルギを蓄える。そして前記半導体スイッチング素子３１のオフ時に前記入力電圧と前記インダクタ３２に生起される逆起電力とを合成し、整流ダイオード３４を介して出力する。これによって前記各チョッパユニット３ａ,３ｂ～３ｎは、前記入力電圧を昇圧して出力する。
　ところで前記各チョッパユニット３ａ,３ｂ～３ｎの主体部を構成する前記半導体スイッチング素子（例えばＭＯＳ-ＦＥＴ）３１は、その導通時に抵抗特性を示す。この抵抗特性については、例えば前記半導体スイッチング素子３１を複数個並列接続することで、理論的にはその抵抗値を限りなく零（０）に近付けることができる。また前記整流ダイオード３４をＭＯＳ-ＦＥＴに置き換え、その逆方向導通特性により整流素子として利用した場合でも同様なことが言える。ちなみに前記整流ダイオード３４を無限に並列して用いても、ダイオードの順電圧降下は電流に対し定電圧成分があるので、その電圧降下が一定値以下になることはない。
　また前記各チョッパユニット３ａ,３ｂ～３ｎにおいては、そのスイッチング動作に伴って前記半導体スイッチング素子３１にスイッチング損失が生じることが否めない。このスイッチング損失は、前記半導体スイッチング素子３１の寄生キャパシタンスによる充放電損失や、寄生ダイオードの逆回復損失を含む。そして上述したように複数個の半導体スイッチング素子３１を並列に用いて導通時の抵抗を小さくした場合、却って上述した充放電損失および逆回復損失が増大する。この結果、前記各チョッパユニット３ａ,３ｂ～３ｎにおけるスイッチング損失が増大することになる。
　この点、前記各チョッパユニット３ａ,３ｂ～３ｎが前述したスルーモードの機能を備えれば、前記太陽電池群２ａ,２ｂ～２ｎの出力電圧が高い場合、そのスイッチング動作を停止させるだけで前記半導体スイッチング素子３１におけるスイッチング損失の問題を解消することができる。そして前記太陽電池群２ａ,２ｂ～２ｎの出力電圧を、そのまま高効率に前記インバータ４に供給することが可能となる。
　尚、前記各チョッパユニット３ａ,３ｂ～３ｎに、該チョッパユニット３ａ,３ｂ～３ｎの入出力端子間を短絡し、これによって前記入力電圧Ｖinをそのまま前記電圧Ｅとして出力する短絡手段７ａ,７ｂ～７ｎをそれぞれ設けることも有用である。これらの短絡手段７ａ,７ｂ～７ｎは、図２に例示するように低周波用の整流ダイオード７１、機械接点スイッチ７２、または半導体スイッチング素子を用いた同期整流回路７３のいずれか、或いはこれらの組み合わせからなる。前記短絡手段７ａ,７ｂ～７ｎは、当該チョッパユニット３ａ,３ｂ～３ｎをバイパス（スルー）して前記入力端子に加わる電圧Ｖinをそのまま出力端子に導く役割を担う。
　このような短絡手段７ａ,７ｂ～７ｎはスイッチング動作するものでなく、単に前記チョッパユニット３ａ,３ｂ～３ｎの主体部をバイパスして、直流電力を入力側から出力側にスルーするだけである。従って前記短絡手段７ａ,７ｂ～７ｎを備えた前記各チョッパユニット３ａ,３ｂ～３ｎによれば、前述したスイッチング損失の問題を招来することがない。
　ところで前記インバータ４は、前述したように入力電圧Ｅが一定となるように、若しくは所定の電圧範囲となるように交流出力電流Ｉoを制御する機能を備える。この機能に加えて前記インバータ４は、該インバータ４の入力電圧Ｅを変化させて前記各太陽電池群２ａ,２ｂ～２ｎの動作点を最適化する第２の動作点制御手段８を備える。この第２の動作点制御手段８は、前記チョッパユニット３ａ,３ｂ～３ｎにおける前記動作点制御手段（ＭＰＰＴ）６ａ,６ｂ～６ｎとは別に、前記スルーモードが設定された系の太陽電池群２ａ,２ｂ～２ｎの出力電力が最大となるように、その動作点を変化させる最大電力点追従（ＭＰＰＴ）制御手段からなる。
　ここで前記動作点制御手段６ａ,６ｂ～６ｎ、および前記第２の動作点制御手段８による前記太陽電池群２ａ,２ｂ～２ｎの動作点の最適化制御、即ち、最大電力点追従（ＭＰＰＴ）制御の説明に先立ち、前記太陽電池群２（２ａ,２ｂ～２ｎ）の特性について簡単に説明する。前記太陽電池群２は、例えば図３に示すような出力電圧・出力電流特性（Ｖ-Ｉ特性）を有し、その出力電流Ｉは日照量や温度によって変化する。尚、図３においてＸは一定の日照量（光源下）におけるＶ-Ｉ特性を示しており、出力電圧Ｖが或る程度高くなると、その出力電流Ｉが急激に減少する。ここでＩsは太陽電池群２の短絡電流、Ｖoは太陽電池群２の開放電圧である。
　図３に示すＶ-Ｉ特性Ｘから明らかなように、太陽電池群２の出力電圧Ｖを高くすると該太陽電池群２からの出力電流Ｉは低下する。逆に太陽電池群２からの出力電流Ｉを多くすると該太陽電池群２の出力電圧Ｖが低下する。そして太陽電池群２の出力電圧Ｖに対する出力電力Ｐは、例えば図４にＶ-Ｐ特性Ｙとして示すように変化する。これ故、太陽電池群２の動作点（出力電圧）Ｖを最適化すれば、太陽電池群２から取り出し得る電力Ｐが最大となる。
　尚、太陽電池群２のＶ-Ｉ特性ＸおよびＶ-Ｐ特性Ｙは、日照量や温度等の動作条件によって変化するので、その最適動作点Ｖpもまた変化する。従って前述した最大電力点追従（ＭＰＰＴ）制御は、基本的には太陽電池群２の出力電圧（動作点電圧）Ｖを変化させながらその出力電力Ｐをモニタし、出力電力Ｐが高くなるように出力電圧（動作点）Ｖを変化させることで実行される。
　さて前記動作点制御手段６ａ,６ｂ～６ｎ、および前記第２の動作点制御手段８による前記太陽電池群２ａ,２ｂ～２ｎの動作点の最適化制御は次のようにして実行される。即ち、前記動作点制御手段６ａ,６ｂ～６ｎは、前記太陽電池群２ａ,２ｂ～２ｎの特性に応じて、個々に最大電力点追従（ＭＰＰＴ）制御を実行する。そして前記各太陽電池群２ａ,２ｂ～２ｎの動作点をそれぞれ最適化し、これによって前記各太陽電池群２ａ,２ｂ～２ｎからそれぞれ最大の電力Ｐを引き出す。
　この際、前記各太陽電池群２ａ,２ｂ～２ｎの最適動作点電圧、つまり前記各チョッパユニット３ａ,３ｂ～３ｎの入力電圧Ｖinが前記インバータ４の入力電圧Ｅを超えた場合、前記チョッパユニット３ａ,３ｂ～３ｎは前述したようにスルーモードを設定する。そして前記チョッパユニット３ａ,３ｂ～３ｎは、前記太陽電池群２ａ,２ｂ～２ｎから得られる入力電圧Ｖinをそのまま出力する。
　図５は、４個の太陽電池群２ａ,２ｂ～２ｎのＶ-Ｉ特性をそれぞれ示しており、特性Ａは、前記チョッパユニット３ａ,３ｂ～３ｎにおいてスルーモードが設定された太陽電池群のＶ-Ｉ特性を示している。また特性Ｂ,Ｃ,Ｄは、上記スルーモードが設定された太陽電池群よりも出力電圧が低く、前記チョッパユニット３ａ,３ｂ～３ｎにおいてｋ倍の電圧に昇圧された太陽電池群のＶ-Ｉ特性をそれぞれ示している。
　尚、前記チョッパユニット３ａ,３ｂ～３ｎを介して昇圧される前記太陽電池群２ａ,２ｂ～２ｎの最大電力を得る動作点自体は、上記昇圧によって変化することはない。従って前記チョッパユニット３ａ,３ｂ～３ｎを介して昇圧されて出力される電圧だけがｋ倍にシフトされることになる。またスルーモードが設定される太陽電池群がない場合には、全ての太陽電池群２ａ,２ｂ～２ｎの出力電圧がそれぞれｋ倍に昇圧されることは言うまでもない。
　一方、前記第２の動作点制御手段８は、スルーモードが設定されている太陽電池群の出力電圧が最大となるように前記インバータ４の出力電流を調整し、これによって該インバータ４の入力電圧Ｅを変化させる。すると昇圧動作を実行している前記チョッパユニット３ａ,３ｂ～３ｎにおいては、上記入力電圧Ｅの変化に伴って前記最大電力点追従（ＭＰＰＴ）制御を実行する。
　するとこの最大電力点追従（ＭＰＰＴ）制御により、前記太陽電池群２ａ,２ｂ～２ｎから得られる電圧Ｖinが変化する。従って前記チョッパユニット３ａ,３ｂ～３ｎは、前記インバータ４の入力電圧Ｅを生成して出力するべくその入出力電圧比、即ち、電圧変換率ｋを変化させる。この結果、前記チョッパユニット３ａ,３ｂ～３ｎの出力電圧は、前記インバータ４の入力電圧Ｅの変化に追従して変化する。従って前記太陽電池群２ａ,２ｂ～２ｎは、前記インバータ４の前記第２の動作点制御手段８により、前記チョッパユニット３ａ,３ｂ～３ｎを介して最大電力点追従（ＭＰＰＴ）制御がなされることになる。
　尚、スルーモードが設定されている太陽電池群がない場合には、前記第２の動作点制御手段８は、前述した最大電力点追従（ＭＰＰＴ）制御における動作点探索範囲内のある値となるように前記インバータ４の入力電圧Ｅを変化させる。ちなみに前記チョッパユニット３ａ,３ｂ～３ｎの全てが前記太陽電池群２ａ,２ｂ～２ｎに対する最大電力点追従（ＭＰＰＴ）制御を実行している場合には、前記入力電圧Ｅを変化させても、これによって前記太陽電池群２ａ,２ｂ～２ｎの出力電圧が変化することはない。この結果、前記入力電圧Ｅが不定となることが懸念される。
　そこで前記入力電圧Ｅを変化させても前記太陽電池群２ａ,２ｂ～２ｎから得られる電力が殆ど変化しない場合には、前記第２の動作点制御手段８は、上述したように前記インバータ４の入力電圧Ｅを前記最大電力点追従（ＭＰＰＴ）制御における動作点探索範囲内で予め決めた或る値に設定する。この値は、例えば動作点探索範囲の下限値とすることができる。この結果、前記チョッパユニット３ａ,３ｂ～３ｎにおいてスルーモードが設定される可能性のある太陽電池群を増やすことができ、また上述した入力電圧Ｅが不定となるような不具合を回避することが可能となる。そして前記スルーモードの設定により、該チョッパユニット３ａ,３ｂ～３ｎでのスイッチング損失を低減することが可能となる。
　従って前記第２の動作点制御手段８によれば、スルーモードで動作するチョッパユニット３ａ,３ｂ～３ｎを設定してそのスイッチング損失を低減することができる。またこれと同時に、前記太陽電池群２ａ,２ｂ～２ｎに対する当該チョッパユニット３ａ,３ｂ～３ｎによる最大電力点追従（ＭＰＰＴ）制御を、前記インバータ４によって肩代わりして実行することができる。従って前記動作点制御手段６ａ,６ｂ～６ｎと前記第２の動作点制御手段８とを協調動作させることが可能となり、前記太陽電池群２ａ,２ｂ～２ｎから効率的に最大電力を引き出すことが可能となる。
　ところで前記チョッパユニット３ａ,３ｂ～３ｎにおいてそれぞれ最大電力点追従（ＭＰＰＴ）制御を実行した場合、前記インバータ４の入力電力は該インバータの入力電圧Ｅに拘わらず一定となる。そしてこの状態において前記インバータ４の前記第２の動作点制御手段８により最大電力点追従（ＭＰＰＴ）制御を実行すると、前述したように前記入力電圧Ｅが不定となる。
　そこで、例えば図６に示すような制御の下で前記チョッパユニット３ａ（３ｂ～３ｎ）の出力電圧（インバータ４の入力電圧）Ｅの絞り込みを行い、これによって上述した不具合を避けることも有用である。即ち、差分器６１にて前記チョッパユニット３ａ（３ｂ～３ｎ）の出力電圧Ｅと、その制限値Ｅlimとの差を求める。そして電圧リミッタ６２にて前記差分器６１で求められた電圧差（Ｅ－Ｅlim）に応じて最大電力点追従（ＭＰＰＴ）制御に対する係数αを求める。
　この係数αについては、例えば［Ｅ≦Ｅlim］で（α＝１）、［Ｅmax＜Ｅ］で（α＝０）、そして［Ｅlim＜Ｅ≦Ｅmax］で前記電圧差（Ｅ－Ｅlim）に比例して（０～１）の範囲で減少する値として与えられる。そしてこの係数αを、入力電力Ｐに応じてＭＰＰＴ制御部６４にて求められる電流指令値に乗算し、入力電流指令値６６を求める。尚、前記入力電力Ｐは乗算器６３にてチョッパユニット３ａ（３ｂ～３ｎ）に対する入力電圧と入力電流を掛け合わせることで求められる。また前記入力電流指令値６６は、乗算器６５において前記ＭＰＰＴ制御部６４にて求められる電流指令値と前記係数αとを掛け合わせることによって求められる。
　そしてこのようにして求められた前記入力電流指令値６６と、前記チョッパユニット３ａ（３ｂ～３ｎ）に対する入力電流との差分を差分器６７にて求める。その上で上記差分器６７の出力に応じて電流調節器６８によりスイッチング制御部６９に対する制御情報を生成し、該スイッチング制御部６９の下で前記チョッパユニット３ａ（３ｂ～３ｎ）の動作を制御する。
　このような出力電圧Ｅの絞り込み制御によれば、前記チョッパユニット３ａ（３ｂ～３ｎ）の出力特性を、図７に示すように前記インバータ４が最大電力点追従（ＭＰＰＴ）制御を実行し得る電圧範囲に拡大することができる。そして前記チョッパユニット３ａ（３ｂ～３ｎ）の出力電圧Ｅが前記制限値Ｅlimを超えるとき、該チョッパユニット３ａ（３ｂ～３ｎ）の出力電力を絞り込むことが可能となる。
　この結果、前記インバータ４側から見たときの前記チョッパユニット３ａ（３ｂ～３ｎ）の最大出力電力点を、該インバータ４における最大電力点追従（ＭＰＰＴ）制御の探索範囲にシフト（誘導）することが可能となる。従って前記インバータ４において最大電力点追従（ＭＰＰＴ）制御を実行した場合においても、前記各チョッパユニット３ａ,３ｂ～３ｎの出力電圧Ｅ、ひいては前記インバータ４の入力電圧Ｅが不定となるような不具合を回避することが可能となる。
　またこのような制御を実行すれば、例えば前記インバータ４の制御遅れや系統電源側の不具合等によって前記インバータ４が十分な電力を出力することができない事態が生じても、前記各チョッパユニット３ａ,３ｂ～３ｎの出力電圧Ｅが異常に上昇するような不具合を回避することができる。即ち、前記インバータ４が電力を出力することができない場合、前記チョッパユニット３ａ,３ｂ～３ｎから強制的に送られる電力によって該インバータ４の入力電圧Ｅが異常に上昇する虞がある。しかし前述した制御により前記チョッパユニット３ａ,３ｂ～３ｎの出力電力の絞り込みを行うことが可能なので、前記出力電圧Ｅが異常な上昇を未然に防ぐことができ、過電圧状態となることを効果的に防ぐことが可能となる等の効果が奏せられる。
　次に本発明の第２の実施形態に係る太陽光発電システムについて図８を参照して説明する。
　この太陽光発電システム１０は、前述した第１の実施形態に係る太陽光発電システム１に加えて双方向の電力フローが可能な双方向チョッパユニット１１と、この双方向チョッパユニット１１を介して前記インバータ４の入力端に接続された蓄電器（バッテリ）１２を備える。尚、図６においては図１に示す太陽光発電システム１と同一部分には同一符号を付して示しており、その重複した説明については省略する。また前記双方向チョッパユニット１１および前記蓄電器１２を複数組並列に設けることも勿論可能である。
　前記双方向チョッパユニット１１は、前記複数のチョッパユニット３ａ,３ｂ～３ｎから前記インバータ４に供給する電力の余剰分を前記蓄電器１２に蓄電する役割を担う。また前記双方向チョッパユニット１１は、前記複数のチョッパユニット３ａ,３ｂ～３ｎから前記インバータ４に供給する電力が不足するとき、前記蓄電器１２に蓄電された電力を前記インバータ４に出力し、これによって上記不足電力分を補う役割を担う。
　前記双方向チョッパユニット１１を介する前記蓄電器１２の充放電は、前記インバータ４との情報通信により制御される。即ち、前記インバータ４の制御部は、例えば当該インバータ４における定常時の出力電力に比較して前記太陽電池群２ａ,２ｂ～２ｎから得られる電力が上回るとき、前記双方向チョッパユニット１１に対して充電指令を発する。そして前記双方向チョッパユニット１１を充電駆動し、前記チョッパユニット３ａ,３ｂ～３ｎから出力される電力の余剰分を前記蓄電器１２に蓄電する。
　また前記インバータ４の制御部は、例えば前記系統電源の負荷がピークとなり、そのときに前記太陽電池群２ａ,２ｂ～２ｎから得られる電力だけでは、前記系統電源に出力する電力が不足するような場合、前記双方向チョッパユニット１１に対して放電指令を発する。そして前記双方向チョッパユニット１１を放電駆動し、前記蓄電器１２に蓄電された電力を前記インバータ４に出力させる。この結果、前記インバータ４は、前記太陽電池群２ａ,２ｂ～２ｎから得られる電力に前記蓄電器１２から得られた電力を加えた電力を所定電圧の交流電力に変換して前記系統電源に出力することが可能となる。換言すれば前記インバータ４は、その時点における前記太陽電池群２ａ,２ｂ～２ｎの発電量を上回る交流電力を出力することが可能となる。
　この際、前記インバータ４から前記双方向チョッパユニット１１に対する充放電指令については、該インバータ４における前述した最大電力点追従制御に比較して十分に長い時間を掛けて緩やかに実行することが望ましい。このような前記双方向チョッパユニット１１に対する緩やかな充放電制御によれば、前記インバータ４から見て前記蓄電器１２を定電力源として看做すことが可能となる。すると前記インバータ４の入力電圧Ｅの変化に対して前記双方向チョッパユニット１１から得られる電力に殆ど変化が生じなくなる。この結果、前記太陽電池群２ａ,２ｂ～２ｎに対する前述した最大電力点追従制御に影響が及ぶことがなくなる。従って前記最大電力点追従制御による前記太陽電池群２ａ,２ｂ～２ｎの高効率な運用と相俟って、前記蓄電器１２を活用した無駄のない安定な電力供給が可能となる。
　尚、上述したようにして前記蓄電器１２を充放電するに際して、例えば前記双方向チョッパユニット１１から前記蓄電器１２を充放電する電力量を前記インバータ４の制御部に通知することも有用である。このようにすれば前記インバータ４において、前記双方向チョッパユニット１１から通知された電力量に応じて前記入力電圧Ｅを変化させる上での前記出力電流Ｉoに対する制御量を変えることができる。従って前記入力電圧Ｅの可変制御による前述した太陽電池群２ａ,２ｂ～２ｎに対する前記最大電力点追従制御を、前記蓄電器１２の充放電から切り離して実行することが可能となる。
　また前記蓄電器１２の充放電電力量を前記インバータ４に与えることに代えて、前記インバータ４に電力指令値を与えてその動作を制御するようにしても良い。この場合、前記双方向チョッパユニット１１が生成する上記電力指令値については、その時点において前記蓄電器１２が充放電可能な電力量の範囲に制限することが望ましい。このような電力指令値を用いれば、前記インバータ４においては前記電力指令値に基づいてその出力電流量を制御するだけで良いので、その制御処理負担を軽減することが可能となる。
　ところでメガソーラーシステムと称される大規模な太陽光発電システム１０を構築する場合、前記太陽電池群２ａ,２ｂ～２ｎを設置するには、一般的には１ＭＷの発電量当たり略２ヘクタールもの平坦な土地を必要とする。ちなみに土地が平坦でない場合には、その設置場所により前記太陽電池群２ａ,２ｂ～２ｎの発電特性が大きく異なってしまう。するとメガソーラーシステム（太陽光発電システム１０）における複数の太陽電池群２ａ,２ｂ～２ｎを一括して制御することが困難となることが想定される。
　この点、複数の前記太陽電池群２ａ,２ｂ～２ｎを、その特性が揃う群毎に分割して前記チョッパユニット３ａ（３ｂ～３ｎ）をそれぞれ設ければ、平坦な土地以外でも前記メガソーラーの実現が可能となる。また同時に前記インバータ４を、上記特性が揃う群毎に設けることも考えられる。しかしながらこのようにしてメガソーラーシステムを構築すると、各群を連携させる為の複雑な制御が必要となる上、各群の三相電圧や電流を検出する為の検出系や各々の電流を制御する為の制御系が複数必要となるので複雑化する。また交流部における配電機器等も分割されるのでその構成が大掛かりになることが否めない。更には交流部における電力伝送ケーブルが長くなり、そのインダクタンスによる電圧変動の問題も発生する。
　この点、前述した構成の本発明に係る太陽光発電システム１０によれば、前記チョッパユニット３ａ（３ｂ～３ｎ）に対する制御が単純で確実であり、その制御系および検出系の構成も簡単に、しかも比較的安価に構築することができる。従って上述したような不具合を招来することがない。しかも前記太陽電池群２ａ,２ｂ～２ｎから前記インバータ４に至る給電を直流で行うので、前述したインダクタンスによる電圧変動の問題を招来することもない。
　しかもこの種のメガソーラーシステムにおいては、専ら、その給電系そのものが分散配置し、集電箱盤にて合流させる構成を採用している。これ故、上記集電箱盤に前記チョッパユニット３ａ（３ｂ～３ｎ）を設けて前記太陽電池群２ａ,２ｂ～２ｎをそれぞれ個別に制御し、更に１台のインバータ４により交流変換を行うようにすれば、これに要する設備負担を最小限に抑えることが可能となる。
　特にスイッチング素子として、例えば炭化ケイ素（ＳiＣ）を用いたパワー半導体素子であるＳiＣ素子等を用いて高周波スイッチングを行うようにすれば、前記チョッパユニット３ａ（３ｂ～３ｎ）の小型化を図ることができる。従って既存の集電箱盤に前記チョッパユニット３ａ（３ｂ～３ｎ）等を収納することも可能となる。またチョッパユニット３ａ（３ｂ～３ｎ）における損失も、殆ど無視し得る程度に小さくすることが可能となるので、変換効率低下等の不具合を招来する虞も殆どない。故に本発明に係る太陽光発電システム１０を用いることで、平坦でない土地においてもメガソーラーシステムを容易に、且つ安価に構築することを可能とする等の実用上、多大なる効果が奏せられる。
　尚、本発明は上述した各実施形態に限定されるものではない。例えば前記太陽電池群２ａ,２ｂ～２ｎの数や、各太陽電池群２ａ,２ｂ～２ｎの定格については、太陽光発電システム１,１０の電力仕様に応じたものであれば十分である。また前記チョッパユニット３ａ,３ｂ～３ｎや前記インバータ４についても、従来より種々提唱されている方式のものを、その電力仕様に応じて適宜採用可能である。要は本発明はその要旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。
　１,１０　太陽光発電システム
　２ａ,２ｂ～２ｎ　太陽電池群
　３ａ,３ｂ～３ｎ　チョッパユニット
　４　インバータ
　５　コンデンサ
　６ａ,６ｂ～６ｎ　動作点制御手段（ＭＰＰＴ制御）
　７ａ,７ｂ～７ｎ　短絡手段
　８　第２の動作点制御手段（ＭＰＰＴ制御）
　１１　双方向チョッパユニット
　１２　蓄電器（バッテリ）
　３１　半導体スイッチング素子（ＭＯＳ-ＦＥＴ）
　３２　インダクタ
　３３　フリーホイリングダイオード
　３４　スイッチングダイオード
　３５　コンデンサ
　７１　低周波用の整流ダイオード
　７２　機械接点スイッチ
　７３　同期整流回路

Claims (12)

  1. 　太陽電池から得られる直流電圧を昇圧するチョッパユニットと、
    　このチョッパユニットの出力電流を制御して前記太陽電池の動作点を最適化し、該太陽電池から最大出力を得る動作点制御手段と、
    　前記チョッパユニットから得られる直流電圧を入力し、該直流電圧を所定電圧の交流電力に変換して出力するインバータと
    を具備したことを特徴とする太陽光発電システム。
  2. 　複数の太陽電池をグループ分けした複数の太陽電池群と、
    　前記複数の太陽電池群のそれぞれに対応して設けられて前記各太陽電池群からそれぞれ得られる直流電圧を昇圧する複数のチョッパユニットと、
    　これらのチョッパユニットの出力電流をそれぞれ制御して前記各太陽電池群の動作点を最適化し、該太陽電池群から最大出力を得る動作点制御手段と、
    　前記複数のチョッパユニットから得られる直流電圧を入力し、該直流電圧を所定電圧の交流電力に変換して出力するインバータと
    を具備したことを特徴とする太陽光発電システム。
  3. 　前記インバータは、その入力電圧が一定、若しくは所定の電圧範囲となるように交流出力電流を制御する請求項２に記載の太陽光発電システム。
  4. 　前記複数のチョッパユニットは、前記太陽電池群の出力電圧が前記インバータの予め定められた入力電圧を超えたとき、スイッチング動作を停止してその入力電圧を直接出力するスルーモード機能、または該チョッパユニットの入出力端子間を短絡する短絡手段をそれぞれ備える請求項２に記載の太陽光発電システム。
  5. 　前記短絡手段は、整流ダイオード、機械接点スイッチ、または半導体スイッチング素子を用いた同期整流回路のいずれかまたはこれらの組み合わせからなる請求項４に記載の太陽光発電システム。
  6. 　前記インバータは、前記チョッパユニットによる前記動作点制御手段とは別に、該インバータの入力電圧を変化させて前記各太陽電池群の動作点を最適化する第２の動作点制御手段を備える請求項２に記載の太陽光発電システム。
  7. 　前記第２の動作点制御手段は、前記インバータの入力電圧を変化させても前記太陽電池群から得られる電力が変化しないとき、前記太陽電池群に対する動作点探索範囲内の一定値となるように前記入力電圧を設定する請求項６に記載の太陽光発電システム。
  8. 　請求項２～７のいずれかに記載の太陽光発電システムにおいて、
    　更に双方向の電力フローが可能な双方向チョッパユニットと、この双方向チョッパユニットを介して前記インバータの入力端に接続された蓄電器を備えることを特徴とする太陽光発電システム。
  9. 　前記双方向チョッパユニットは、前記複数のチョッパユニットから前記インバータに供給する電力の余剰分を前記蓄電器に蓄電し、前記複数のチョッパユニットから前記インバータに供給する電力が不足するとき、前記蓄電器に蓄電された電力を前記インバータに出力するものである請求項８に記載の太陽光発電システム。
  10. 　前記双方向チョッパユニットを介する前記蓄電池の充放電制御は、前記インバータにおける前記第２の動作点制御手段の制御に比較して緩やかに実行される請求項９に記載の太陽光発電システム。
  11. 　前記複数のチョッパユニットおよび前記インバータは、前記複数の太陽電池群からの電力を集電する直流集電盤内にまとめて設けられるものである請求項２に記載の太陽光発電システム。
  12. 　直流集電盤に設けられる前記インバータは、交流変換と系統電源に対する連系動作とを実行する役割を担う請求項１１に記載の太陽光発電システム。
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