WO2024034527A1 - 最大電力点追従制御における電力制御方法およびその電圧変換装置 - Google Patents

最大電力点追従制御における電力制御方法およびその電圧変換装置 Download PDF

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WO2024034527A1
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voltage
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conditioner
maximum
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Inventor
弘之 西村
一郎 久保
剛司 冨永
Original Assignee
Ｃｅｆ株式会社
Ｍｅｒｓｉｎｔｅｌ株式会社
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    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05F—SYSTEMS FOR REGULATING ELECTRIC OR MAGNETIC VARIABLES
    • G05F1/00—Automatic 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
    • G05F1/66—Regulating electric power
    • G05F1/67—Regulating electric power to the maximum power available from a generator, e.g. from solar cell

Definitions

  • the present invention relates to a power control method in maximum power point tracking control for obtaining power generated by a solar module composed of a plurality of solar panels with maximum efficiency, and a voltage conversion device thereof.
  • Photovoltaic power generation (also referred to as solar power generation) has been put into practical use as a means of securing energy to realize a low-carbon society.
  • one or more photo-voltaic panels (PV panels, hereinafter also simply referred to as panels) are arranged in a plane to obtain a predetermined amount of power.
  • Solar power generation equipment is widely used, from small-scale facilities for home use to large-scale facilities that replace existing power generation facilities such as thermal and nuclear power plants.
  • large-scale plants included in the concept of power plants are also called mega solar (mega solar power generation sites).
  • FIG. 7 is an explanatory diagram of a parallel connection method of panels in a solar module adopted by the present invention.
  • a large number of panels 3 are arranged as one solar module (hereinafter also simply referred to as a module) 60 at a power generation site.
  • One module outputs a required voltage by interconnecting the power generation outputs of a large number of panels 3, such as 10 or 20 panels, through an intra-module parallel connection line 21.
  • solar modules are sometimes referred to as strings.
  • PCS also abbreviated as power conditioner
  • each panel 3 is provided with an optimizer 4 that accommodates an optimizer circuit (OP: Optimizer) with a boost function.
  • Optimizer 4 has interconnection functionality with other panels and other modules not shown. If the voltage at the maximum power point of one panel is, for example, 40V (DC), the optimizer circuit uses a booster circuit to boost the voltage to, for example, 800V (this voltage is arbitrarily set (operated) by the power conditioner). .
  • the 800V output of the optimizer 4 of each panel is connected to the intra-module parallel connection line 21. Therefore, the voltage of this solar module 60 is 800V. This output is adjusted to a required AC voltage etc. by the power conditioner 7, and is supplied to the customer's load via the grid line 8.
  • MPPT Maximum Power Point Tracking
  • Patent Document 1 discloses related art related to MPPT control to which the present invention is applied.
  • the inventor of the present application provided an optimizer for each panel, applied MPPT (maximum power point tracking control) to each panel, and connected the MPPT-controlled panels in parallel to create a power conditioner.
  • MPPT maximum power point tracking control
  • the assumption was that the power conditioner had a setting function to maintain constant voltage.
  • FIG. 4 shows panels for explaining MPPT: (a) voltage-power curve (PV curve), (b) power conditioner with constant voltage maintenance method (constant voltage-PCS), and (c) power conditioner with only MPPT function.
  • FIG. 2 is an explanatory diagram of MPPT-PCS.
  • FIG. 5 is an explanatory diagram of the voltage-power curve for each function of the optimizer, (a) is an explanatory diagram of the voltage-power curve of the full-voltage OP-MPPT system optimizer corresponding to FIG.
  • the power conditioner has only the power conditioner that can maintain a constant voltage (e.g., 800V) shown in Figure 4(b) and the MPPT function shown in Figure 4(c).
  • a power conditioner can be considered.
  • the constant voltage maintenance type PCS (constant voltage-PCS) shown in Figure 4(b) is also designed to maintain the constant voltage (A) of the voltage-power curve (PV curve) shown in Figure 4(a).
  • the constant voltage (A) is preferably set to a value close to the MPPT voltage of the panels (for example, 20 panels) that make up the module (for example, 800 V for 20 panels with an MPPT voltage of 40 V). be.
  • the purpose of the present invention is to solve the above-mentioned problems and relate to optimizer-related technology that can be connected to most commercially available power conditioners, and in particular, a novel power control method in maximum power point tracking control (MPPT) and its voltage
  • MPPT maximum power point tracking control
  • the purpose of the present invention is to provide a conversion device.
  • a power control method in maximum power point follow-up control for efficiently extracting power generated by a solar module composed of a large number of solar panels is as follows.
  • Equipped with an optimizer that boosts the power generation output of a solar module to a predetermined voltage and a power conditioner with an MPPT function it is used in maximum power point tracking control to efficiently extract the power generated by a solar module composed of a large number of solar panels.
  • a power control method (1) The optimizer inductively controls the operating voltage of the power conditioner so as to adjust the MPPT target voltage of the power conditioner based on the voltage-power characteristic curve of the optimizer. (2) The optimizer performs the following 1. and 2. As described in , the operating voltage of the power conditioner is inductively controlled. 1. If the voltage of the power conditioner is lower than the target value (left side of the paper in FIG.
  • the optimizer increases the output power, and if the power conditioner lowers its operating voltage, the optimizer increases the output power. The optimizer reduces the output power. 2.
  • the voltage of the power conditioner is higher than the target value (see the right side of the paper in Figure 1), if the power conditioner increases the voltage, the optimizer lowers the output power; if the power conditioner lowers the voltage, the optimizer decreases the output power. Optimizer increases output power.
  • a voltage conversion device according to the present invention, (3)
  • Each of the solar panels is equipped with an optimizer and a power conditioner having a maximum power point tracking circuit, and the maximum power point tracking circuit is configured to reach the maximum power point at the peak of the voltage-power curve where the power of the solar panel is maximum.
  • this power difference is a design value that is set based on the circuit capacity (accuracy) in circuit design, and is approximately a few percent to 10%, but it depends on the voltage discrimination accuracy (capacity) of the circuit and the MPPT control of the power conditioner. Depending on your ability, it may be more than that.
  • this voltage converter is connected to the power conditioner through a parallel connection line that connects the generated power of the module in parallel,
  • the power conditioner converts the power into the form of power required by the grid and outputs it to the grid line.
  • FIG. 1 An explanatory diagram of a voltage-power characteristic curve (PV curve) illustrating an embodiment of the power control method in maximum power point tracking control and its voltage converter according to the present invention Functional block diagram of hardware for executing OP-MPPT control shown in Figure 1 Flowchart explaining the flow of control of the control unit 45 Panels to explain MPPT: (a) Voltage-power curve (PV curve), (b) PCS with constant voltage maintenance method (constant voltage-PCS), (c) PCS with only MPPT function (MPPT-PCS) Explanatory diagram 4(a) is an explanatory diagram of the voltage-power curve for each function of the OP, and (b) is an explanatory diagram of the voltage-power curve of the OP of the full voltage OP-MPPT method corresponding to FIG.
  • V curve Voltage-power curve
  • PCS with constant voltage maintenance method constant voltage-PCS
  • MPPT-PCS PCS with only MPPT function
  • Explanatory diagram 4(a) is an explanatory diagram of the voltage-power curve
  • An explanatory diagram of the voltage-power curve (PV curve) of an OP with a plateau shape control function related to An explanatory diagram of the PV curve of the optimizer output (a) is an explanatory diagram of the PV curve of triangular control (so-called hill climbing control), and (b) is an explanatory diagram of the PV curve of plateau shape control (no boundary step).
  • the present invention provides methods and means for connecting an optimizer (OP) to the MPPT-PCS shown in FIGS. 4(c) and 5(b).
  • an existing control method and a control method according to the present invention regarding MPPT control of the optimizer will be explained.
  • FIG. 6 is an explanatory diagram of the PV curve of the optimizer output
  • FIG. 6(a) is an explanatory diagram of the PV curve of triangular control (so-called hill-climbing control)
  • FIG. 6(b) is an explanatory diagram of the PV curve of plateau shape control (no boundary step).
  • the optimizer inductively controls the operating voltage of the power conditioner so as to adjust the MPPT target voltage of the power conditioner based on the voltage-power characteristic curve of the optimizer.
  • the optimizer increases the output power, and if the power conditioner lowers the voltage, the optimizer decreases the output power.
  • the optimizer When the voltage of the power conditioner is higher than the target value, if the power conditioner increases the voltage, the optimizer lowers the output power, and if the power conditioner lowers the voltage, the optimizer increases the output power.
  • MPPT-PCS performs MPPT control that aims at the top of the panel's PV curve by changing the voltage in the direction of increasing power.
  • the voltage is varied aiming at 800V (800V is just an example and varies depending on the type and number of panels, etc.). After reaching 800V, the voltage continues to rise and fall around 800V so as to maintain the peak by MPPT. Therefore, when connecting to an optimizer, if the output curve of the optimizer is controlled so that the peak is 800V, the power decreases as the voltage decreases on the left slope, and the power decreases as the voltage increases on the right slope, the MPPT- PCS can be connected.
  • FIG. 6(a) is an example when the input power is 300 W and the target voltage is 800 V, and the upper and lower voltage and power are indicated by arrows " ⁇ " in the figure.
  • the voltage of the power conditioner is lower than the target value of 800V, if the power conditioner increases the voltage, the optimizer increases the power output, and if the power conditioner decreases the power output, the optimizer decreases the output power. .
  • the optimizer will lower the output power, and if the power conditioner lowers the voltage, the optimizer will lower the output power. increase. In this way, the optimizer induces the operating voltage of the power conditioner.
  • the MPPT-PCS In triangular control, it is possible to connect the MPPT-PCS by controlling the voltage-power curve (PV curve) that is the output of the optimizer to become a triangular curve as shown in FIG. 6(a).
  • the "power control pulse width" of the optimizer is set to a "fixed value” that remains constant and does not change. If you set it to a "fixed value”, the optimizer will not control the power, so the shape of the PV curve of the optimizer output will be similar to the PV curve of the panel ( Figure 4 (a)) (only boosting will be performed). Become. Therefore, when creating a PV curve as shown in FIG. 6(a), it is sufficient to select a pulse width (fixed value) such that the apex (MPP voltage) is 800V.
  • the optimizer "continues to change the power control pulse width" so that the power conditioner outputs the maximum power at the set voltage (for example, 800V), and this "continuously change the power control pulse width" is intended to This is the OP-MPPT shown in 5(a).
  • the pulse width is set to a fixed value, the optimizer becomes a "voltage converter that only boosts the voltage and ignores the panel output characteristics.” Therefore, in order to output maximum power, it is necessary for the MPPT-PCS to continue changing the voltage.
  • OP-MPPT can only be executed at one point at the apex (800V), so OP-MPPT cannot be executed satisfactorily. This is because a power conditioner voltage that is 800V for one optimizer does not become 800V for other optimizers due to variations in the detection voltage of each optimizer, voltage loss in cables, etc. In other words, triangular control cannot bring out the value of the optimizer in ⁇ outputting maximum power for each panel.'' Therefore, it is necessary to provide a "constant voltage range" for performing OP-MPPT.
  • the PV curve of the optimizer output it is also possible to control the PV curve of the optimizer output so that it has a plateau shape as shown in Figure 6(b), and execute OP-MPPT in a flat plateau-shaped region (a voltage range where the output power is a constant value).
  • the OP-MPPT execution range is 750V to 820V.
  • the slope portions of 750 V or less and 820 V or more on the PV curve are set by selecting fixed values of "power control pulse width" suitable for each. That is, for 750V or less, a fixed value that makes the MPPT voltage 750V is selected, and for 820V or more, a fixed value that makes the MPPT voltage 820V is selected.
  • the PV curve of the optimizer output becomes a PV curve similar to that in FIG. 4(a) with the apex at 750V or 820V.
  • the power control pulse width is near the boundary between "fixed control” and “variable MPPT control” (near 750V and 820V in Fig. 6(b)) In this case, the power difference is not clear because the power change is continuous. As a result, depending on the control of the power conditioner, the voltage remains at a little less than 750V or a little more than 820V (exceeding), and OP-MPPT is not executed.
  • the difference is only 5W (1.7%) at 10V. If the voltage was 742V, we would expect the power conditioner to increase it by 10V to exceed 750V, but in reality, due to variations in the detection voltage ( ⁇ 8V at ⁇ 1%) and changes in light intensity, etc. Power differences as small as 5W may be absorbed (or ignored). Therefore, there are cases where the power conditioner does not increase (lower) the voltage and does not reach 750V no matter how long it takes. Therefore, near the boundary, it is necessary to control so that a "clear power difference" appears.
  • the difference is 20W (7%) at 10V.
  • the power conditioner raises the voltage by 10V from 742V, it can be recognized with certainty that the power has increased, so the power conditioner will surely raise the voltage to above 750V. In other words, the transition to OP-MPPT7 is ensured.
  • FIGS. 1, 2, and 3 are views of the present invention.
  • FIG. 1 is a voltage-power characteristic curve (PV curve) illustrating an embodiment of the power control method in maximum power point tracking control and its voltage converter according to the present invention
  • FIG. 2 is the OP-MPPT control shown in FIG.
  • FIG. 3 is a functional block diagram of the hardware for executing the process
  • FIG. 3 is a flowchart explaining the flow of control.
  • the PV curve of the optimizer output is controlled so as to have a plateau shape with a boundary step (with a clear power difference in the boundary area) as shown in FIG.
  • a step is provided between 750V and 820V.
  • select a fixed value that makes the MPPT voltage 800V or more eg, 830V
  • 820V or more select a fixed value that makes the MPPT voltage 800V or less (eg, 770V).
  • the above 10% was selected as a voltage value at which the voltage difference actually becomes clear.
  • the optimal operating point at which the power of the solar panel 3 is maximum is set to the low voltage side of the voltage-power curve (PV curve) with reference to the voltage value of the maximum power point that is the apex of the voltage-power curve (PV curve).
  • the operating voltage of the power conditioner is induced as a plateau shape (flat shape) that maintains a constant power value with a downward step whose lower end falls on the slope of voltage-power curve 1 on both sides of the high voltage side. After induction, the operating voltage of the power conditioner can be maintained within a certain fixed range of the plateau-shaped flat area and output to the outside.
  • the voltage at the maximum power point on the voltage-power curve is D T (V)
  • the voltage matching the voltage-power curve on the low voltage side of the above plateau shape is D L (V)
  • the voltage on the high voltage side of the plateau shape is D H (V)
  • D L ⁇ D H the power at points D L (V) and D H is equal to ⁇ V (clear) of the power at point D T (V). It is assumed that the power difference is lower by, for example, about 10% of the above value.
  • the voltage at the maximum power point on the voltage-power curve is set to 800V, which is common with the current setting value
  • the voltage that accretes and touches the voltage-power curve on the low voltage side of the plateau shape is 750V
  • the voltage on the low voltage side of the plateau shape is 750V.
  • the voltage on the high voltage side is set to 820V.
  • Stable MPPT control can be obtained by inducing the operating voltage of the power conditioner to fall within a certain fixed range of the flat area of the plateau shape with a plateau shape where the electric power value is maintained at a constant value.
  • FIG. 2 shows a functional block of the hardware (optimizer) that executes the MPPT control shown in FIG. 1.
  • the power generation output of the solar panel 3 is input to the input section 41 of the optimizer 4.
  • the input voltage is adjusted to a predetermined voltage by the step-up (step-down) section 42.
  • the voltage is boosted to 800V and output to the power conditioner via the output section 43.
  • a panel output voltage/current/power detection section 44 is connected to the input section 41, and supplies control signals such as power control pulses to the voltage step-up (step-down) section 42 through the control section 45. Note that the panel power input to the input section 41 is also given to the OP power source 48.
  • the control unit 45 has a voltage that is lowered on both sides of the low voltage side and the high voltage side shown in FIG. It has a function of creating a terrace shape where the lower end of the straight line touches the slope of the voltage-power curve 1, and the power value is maintained at a constant value. After the induction, the operating voltage of the power conditioner is maintained within a certain fixed range and outputted to the outside as generated power.
  • the step where the lower end of the straight line hanging down on both the low voltage side and the high voltage side touches the slope of voltage-power curve 1 is a value that allows the power difference in the above power point tracking control to be clearly recognized.
  • the power values of the D L and D H are slightly lower than those of the plateau shape.
  • this power difference is a design value set based on the circuit ability (accuracy) in circuit design, and is approximately a few percent to 10%, but it may be higher depending on the voltage identification accuracy (ability) of the circuit. There is also.
  • a voltage/current/power detection section 46 is also connected to the output section 43, and a feedback control signal for adjusting the boosted power generated by the output section 43 is sent to the step-up (step-down) section 42 via the control section 45. give. Further, when performing power line communication (PLC) between an external server or the like and the control unit 45, the power line communication unit 47 is interposed.
  • PLC power line communication
  • FIG. 3 is a flowchart illustrating the flow of control by the control section 45.
  • Each processing process is expressed as (S- ⁇ ).
  • start the voltage/current/power detection unit 46 in FIG. -1). If not (N: No), OP-MPPT is executed to increase or decrease the power control pulse in the direction of increasing power (S-4), and the process returns to (S-1).
  • N in (S-2) it is determined whether the voltage is "850V ⁇ " (S-3). If it is N in (S-3), the process returns to (S-1), and if it is Y, the power control pulse width is fixed to the C value (S-6) and the process returns to (S-1).
  • the C value is a pulse width that the optimizer estimates the pulse width that outputs the maximum power at 800V, and corrects it for "820V ⁇ " based on that pulse width.
  • the operating voltage of the power conditioner is induced to "750 to 820V", and after induction, OP-MPPT control can be executed by maintaining "750 to 820V".
  • the optimizer can be connected regardless of the functions of commercially available power conditioners, making it possible to extract the maximum power generation output from each panel.

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Abstract

【課題】市販されているＰＣＳの殆どに接続できるオプティマイザ関連の最大電力点追従制御ＭＰＰＴにおける電力制御方法およびその電圧変換装置を提供する。 【解決手段】ソーラーパネルの電力が最大となる最適動作点を電圧－電力カーブ１の頂点となる最大電力点ＭＰＰＴの電圧値を規準に、当該電圧－電力カーブに対してその低電圧側と高電圧側の両側から垂下した直線が電圧－電力カーブ１の斜面に当接する段差を有する形状の一定電力値に保持させた台地形状２としてパワーコンディショナの運転電圧を台地形状の平ら部分領域内に入るよう誘導し、誘導後にパワーコンディショナの運転電圧を一定の固定範囲で保持して外部に出力する。

Description

最大電力点追従制御における電力制御方法およびその電圧変換装置
　本発明は、複数のソーラーパネルで構成するソーラーモジュールの発電電力を最大効率で得るための最大電力点追従制御における電力制御方法およびその電圧変換装置に関する。
　低炭素社会を実現するためのエネルギー確保の一手段として太陽光発電（ソーラー発電とも称する）が実用化されている。ソーラー発電は、１又は複数のソーラーパネル（Photo-Voltaic panel：ＰＶパネル、以下単にパネルとも称する）を平面状に配列して所定の電力を得るようにしている。
　ソーラー発電設備は、家庭用の小規模施設から火力、原子力等の既存発電施設に代わる大規模施設まで幅広く利用されている。特に、パワープラント（発電所）の概念に含まれる大規模なものはメガソーラー（メガソーラー発電サイト）とも呼ばれている。
　メガソーラーでは、数千枚あるいは数万枚、あるいはそれ以上のパネルをモジュール群として地上あるいは水上等に配置し、太陽光の電磁波エネルギーを電力エネルギーに変換して需要家に送電している。多数のパネルの発電出力を取り出すためのモジュール内パネル間の接続には直列方式と並列方式がある。
　図７は、本発明が採用するソーラーモジュールにおけるパネルの並列接続方式の説明図である。図７では、多数のパネル３を一つのソーラーモジュール（以下、単にモジュールとも称する）６０として発電サイトに配列される。一つのモジュールは１０枚とか２０枚などの多数のパネル３の発電出力をモジュール内並列接続線２１で相互接続して所要の電圧を出力している。なお、このようなソーラーモジュールをストリングと称することもある。図７にはソーラーモジュール６０を一つのみを示してあるが、パワーコンディショナ（ＰＣＳ、パワコンとも略称される）７には図示しない他のソーラーモジュールも図示しないモジュール間並列接続線で接続される。
　図７に示したパネルの並列接続方式では、それぞれのパネル３に昇圧機能を備えたオプティマイザ回路（ＯＰ：Optimizer）を収容したオプティマイザ４が設けられている。オプティマイザ４は他のパネル、および図示しない他のモジュールとの相互接続機能を有する。一枚のパネルの最大電力点の電圧が例えば４０Ｖ（ＤＣ）であるとした場合、オプティマイザ回路は昇圧回路で例えば８００Ｖに昇圧する（この電圧はパワーコンディショナによって任意に設定（運転）される）。この並列接続方式では各パネルのオプティマイザ４の８００Ｖ出力はモジュール内並列接続線２１に接続される。したがって、このソーラーモジュール６０の電圧は８００Ｖとなる。この出力はパワーコンディショナ７で所要のＡＣ電圧等に調整され、系統線８を介して需要家の負荷に供給される。
　太陽光をエネルギー源としたこの種のソーラー発電設備では、季節や時間、発電サイトの立地条件、立木等の影、天候状態、異物の付着等によるパネル面への太陽光の照射量変動が激しく、結果として発電量が変動する。この変動を低減する手法として、最大電力点追従制御（ＭＰＰＴ）が採用される。ＭＰＰＴ（Maximum Power Point Tracking）は、パネルの発電量出力を最大化できる電流×電圧の値が最大となる動作点を自動で求める制御である。
　本発明が適用するＭＰＰＴ制御に関連する従来技術を開示した先行技術は多数あるが、例えば特許文献１、特許文献２を挙げることができる。
特表２００９－５４０４１９号公報 特開２０１８－１９５２２５号公報
　前記したように、多数のパネルの発電出力を取り出すためのモジュール内パネル間の接続には直列方式と並列方式がある。直列方式では一枚のパネルの故障や影（受光量のバラツキ）の影響がモジュール全体に影響するため、モジュールの電力が低下、あるいは喪失してしまう。正常な発電をしている当該モジュールの他のパネルも無駄になるという問題がある。このような無駄はＳＤＧｓの観点からも解決すべき課題である。
　このような課題を解決するため、本願の発明者は、パネル毎にオプティマイザを設け、パネル毎にＭＰＰＴ（最大電力点追従制御）を施し、ＭＰＰＴ制御した各パネルを並列に接続してパワーコンディショナに出力する方式を開発した。このようなパネル毎にオプティマイザを設け、各パネルの出力を並列にパワーコンディショナに接続する並列接続方式とすることで、パネルの故障や影による発電電力の低下の影響（モジュールに対する照射光量の局部的な低下）を当該モジュール内のパネルに留めることができる。ただし、定電圧維持の設定機能を有するパワーコンディショナを前提としていた。
　しかしながら、市販のパワーコンディショナには、ＭＰＰＴ機能は有するものの定電圧維持の設定機能を有しないタイプが数多くある。そのため、市販のパワーコンディショナを採用した発電サイトの中にはオプティマイザを採用できないケースが発生する。このことも解決すべき課題の一つとなっている。
　図４はＭＰＰＴを説明するためのパネルの（ａ）電圧－電力カーブ（ＰＶカーブ）、（ｂ）定電圧維持方式のパワーコンディショナ（定電圧－ＰＣＳ）、（ｃ）ＭＰＰＴ機能のみのパワーコンディショナ（ＭＰＰＴ－ＰＣＳ）の説明図である。
　また、図５はオプティマイザの機能別の電圧－電力カーブの説明図で、（ａ）は図４（ａ）に対応する全電圧ＯＰ－ＭＰＰＴ方式のオプティマイザの電圧－電力カーブの説明図、（ｂ）は後述する本発明に関連する台地形状（単に台地形とも称する。この“台地形状”（所謂“台地”の意味で、幾何学の“Trapezoid”を意味しない）の制御機能を備えるオプティマイザの電圧－電力カーブ（ＰＶカーブ）の説明図である。
　パワーコンディショナには、本来のＭＰＰＴ制御機能に加えて、図４（ｂ）に示す定電圧（例えば、８００Ｖ等）を維持できるパワーコンディショナと、図４（ｃ）に示すＭＰＰＴ機能のみを有するパワーコンディショナが考えられる。図４（ｂ）の定電圧維持方式のＰＣＳ（定電圧－ＰＣＳ）では、図４（ａ）に示す電圧－電力カーブ（ＰＶカーブ）の定電圧（Ａ）を維持できるようにも設計されている。
　定電圧（Ａ）は実運用上、モジュールを構成するパネル（例えば、２０枚分）のＭＰＰＴ電圧（例えば、ＭＰＰＴ電圧４０Ｖのパネルなら２０枚分で８００Ｖ等）に近い値とするのが好適である。
　しかし、前記したように、市販されているパワーコンディショナにはＭＰＰＴ機能は有するものの、定電圧維持の設定機能を有しないタイプが数多く存在している。そのため、市販のパワーコンディショナを採用したサイト（発電所等）の中で、オプティマイザを採用できない場合がある。
　本発明の目的は、上記の課題を解決し、市販されているパワーコンディショナの殆どに接続できるオプティマイザ関連技術に係り、特に、最大電力点追従制御（ＭＰＰＴ）における新規な電力制御方法およびその電圧変換装置を提供することにある。
　上記目的を達成するための本発明に係る最大電力点追従制御における電力制御方法およびその電圧変換装置の代表的な特徴点の構成を以下に説明する。
　先ず、多数のソーラーパネルで構成したソーラーモジュールの発電電力を効率よく取り出すための最大電力点追従制御における電力制御方法は次のとおりである。
　ソーラーモジュールの発電出力を所定の電圧に昇圧するオプティマイザと、ＭＰＰＴ機能を有するパワーコンディショナを備えて、多数のソーラーパネルで構成したソーラーモジュールの発電電力を効率よく取り出すための最大電力点追従制御における本発明に係る電力制御方法であり、
（１）オプティマイザの電圧―電力特性カーブに基づいてパワーコンディショナのＭＰＰＴ目標電圧の調整を行う如く当該オプティマイザがパワーコンディショナの運転電圧を誘導的に制御することを特徴とする。
（２）オプティマイザは、下記の１．と２．に記載した如く、前記パワーコンディショナの運転電圧を誘導的に制御する。
　１．前記パワーコンディショナの電圧が目標値より低い場合（図１の紙面左側）に、当該パワーコンディショナがその電圧を上げれば前記オプティマイザは出力電力を上げ、当該パワーコンディショナがその運転電圧を下げれば当該オプティマイザは出力電力を下げる。
　２．前記パワーコンディショナの電圧が目標値より高い場合（図１の紙面右側）に、当該パワーコンディショナがその電圧を上げれば前記オプティマイザは出力電力を下げ、当該パワーコンディショナがその電圧を下げれば当該オプティマイザは出力電力を上げる。
　ソーラーモジュールの発電出力を所定の電圧に昇圧するオプティマイザと、ＭＰＰＴ機能を有するパワーコンディショナを備えて、多数のソーラーパネルで構成したソーラーモジュールの発電電力を効率よく取り出すための最大電力点追従制御における本発明に係る電圧変換装置であり、
（３）ソーラーパネルのそれぞれに最大電力点追従回路を有するオプティマイザとパワーコンディショナを備えて、当該最大電力点追従回路は、当該ソーラーパネルの電力が最大となる電圧-電力カーブの頂点である最大電力点の電圧値を規準に、その低電圧側と高電圧側の両側に垂下した直線の下端が電圧-電力カーブの斜面に当接する段差を有する一定電力値に保持させた台地形状とする制御部を備え、
　前記制御部が、前記パワーコンディショナの運転電圧を前記（１）又は（２）に記載の電力制御方法を用いて前記台地形状の平ら部分領域の一定の固定範囲に誘導し、誘導後は当該パワーコンディショナの運転電圧を一定の固定範囲内で保持して発電電力として外部に出力することを特徴とする。
（４）前記電圧－電力カーブにおける前記最大電力点の電圧をＤT（Ｖ）としたとき、前記台地形状の低電圧側で前記電圧-電力カーブに一致する電圧をＤL（Ｖ）、前記台地形状の高電圧側の電圧をＤH（Ｖ）、かつＤL＜ＤHであり、ＤL（Ｖ）点とＤH点の電力がＤT（Ｖ）点の電力よりも前記オプティマイザと前記パワーコンディショナを構成する回路が電力点追従制御における電力差を明確に認識できる値で、前記ＤLとＤHが前記台地形状のよりも若干低い電力値であることを特徴とする。実際には、この電力差は回路設計での回路能力（精度）で設定する設計値であり、数％乃至１０％程度であるが、回路の電圧識別精度（能力）やパワーコンディショナのＭＰＰＴ制御能力などによってはそれ以上とする場合もある。
　また、この電圧変換装置は、前記モジュールの発電電力を並列に接続する並列接続線でパワーコンディショナに接続しており、
　前記パワーコンディショナで系統が要求する電力形態に変換して系統線に出力する。
　なお、本発明は、上記の構成、および後述する実施の形態に記載された構成に限定されるものでなく、本発明の技術思想の範囲内で種々の変更が可能であることは言うまでも無い。
　本発明に係る台地形状制御により、市販されているパワーコンディショナの機能に係わらずにオプティマイザを接続することができ、パネル毎に最大限の発電出力を取り出すことが可能となる。
本発明に係る最大電力点追従制御における電力制御方法およびその電圧変換装置の一実施例を説明する電圧－電力特性曲線（ＰＶカーブ）の説明図 図１に示したＯＰ－ＭＰＰＴ制御を実行するためのハードウエアの機能ブロック図 制御部４５の制御の流れを説明するフローチャート ＭＰＰＴを説明するためのパネルの（ａ）電圧－電力カーブ（ＰＶカーブ）、（ｂ）定電圧維持方式のＰＣＳ（定電圧－ＰＣＳ）、（ｃ）ＭＰＰＴ機能のみのＰＣＳ（ＭＰＰＴ－ＰＣＳ）の説明図 ＯＰの機能別の電圧―電力カーブの説明図で、（ａ）は図４（ａ）に対応する全電圧ＯＰ－ＭＰＰＴ方式のＯＰの電圧－電力カーブの説明図（ｂ）は後述する本発明に関連する台地形状の制御機能を備えるＯＰの電圧－電力カーブ（ＰＶカーブ）の説明図 オプティマイザ出力のＰＶカーブの説明図で、（ａ）は三角形制御（所謂、山登り制御）、（ｂ）は台地形状制御（境界段差なし）のＰＶカーブの説明図 本発明が採用するソーラーモジュールにおけるパネルの並列接続方式の説明図
　本発明は、図４（ｃ）および図５（ｂ）に示したＭＰＰＴ－ＰＣＳにオプティマイザ（ＯＰ）を接続するための方法と手段を提供する。先ず、オプティマイザのＭＰＰＴ制御についての既存の制御方式と本発明に係る制御方式について説明する。
　図６はオプティマイザ出力のＰＶカーブの説明図で、図６（ａ）は三角形制御（所謂、山登り制御）、図６（ｂ）は台地形状制御（境界段差なし）のＰＶカーブの説明図である。図６（ａ）では、オプティマイザの電圧－電力特性カーブに基づいてパワーコンディショナのＭＰＰＴ目標電圧の調整を行う如く当該オプティマイザがパワーコンディショナの運転電圧を誘導的に制御する。
　すなわち、オプティマイザは、パワーコンディショナの電圧が目標値より低い場合に、パワーコンディショナがその電圧を上げればオプティマイザは出力電力を上げ、パワーコンディショナがその電圧を下げればオプティマイザは出力電力を下げる。
　パワーコンディショナの電圧が目標値より高い場合に、パワーコンディショナがその電圧を上げればオプティマイザは出力電力を下げ、パワーコンディショナがその電圧を下げればオプティマイザは出力電力を上げる。
　ＭＰＰＴ－ＰＣＳは、図４（ａ）に示したように、電力が増える方向に電圧を変化させてパネルのＰＶカーブの頂点を目指すＭＰＰＴ制御を行う。図６（ａ）の場合は８００Ｖ（８００Ｖは一例であり、パネルの種類や枚数などによって異なる）を目指して電圧を変化させていく。８００Ｖに達した後には、ＭＰＰＴにより頂点を維持するように、電圧を８００Ｖ近傍で上下し続ける。したがって、オプティマイザに接続する場合も、オプティマイザの出力カーブが「８００Ｖを頂点にして、左斜面は電圧が下がれば電力が減り、右斜面は電圧が上がれば電力が減る」ように制御すればＭＰＰＴ－ＰＣＳを接続することができる。
　図６（ａ）を用いて三角形制御の内容をさらに具体的に説明すると次のようになる。図６（ａ）は入力電力を３００Ｗ、目標電圧を８００Ｖとしたときの例で、図中に電圧と電力の上下を矢印「→」で示す。パワーコンディショナの電圧が目標値８００Ｖより低い場合に、当該パワーコンディショナがその電圧を上げれば前記オプティマイザは電力出力を上げ、当該パワーコンディショナがその電力出力を下げれば当該オプティマイザは出力電力を下げる。
　また、パワーコンディショナの電圧が目標値８００Ｖより高い場合には、当該パワーコンディショナがその電圧を上げればオプティマイザは出力電力を下げ、当該パワーコンディショナがその電圧を下げれば当該オプティマイザは出力電力を上げる。
　このように、オプティマイザは、パワーコンディショナの運転電圧を誘導する。
　三角形制御では、オプティマイザの出力である電圧―電力カーブ（ＰＶカーブ）を図６（ａ）に示したような三角形カーブになるように制御してＭＰＰＴ－ＰＣＳを接続可能とすることができる。例えば、オプティマイザの「電力制御パルス幅」を一定値のまま変化させない「固定値」とする。「固定値」にすればオプティマイザは電力の制御をしないので、オプティマイザ出力のＰＶカーブの形状はパネルのＰＶカーブ（図４（ａ））と類似の形状がそのまま現れる（昇圧だけ行われる）ことになる。したがって、図６（ａ）のようなＰＶカーブにする場合には、頂点（ＭＰＰ電圧）が８００Ｖになるようなパルス幅（固定値）を選択すればよい。
　オプティマイザは、パワーコンディショナが設定した電圧（例えば、８００Ｖ）において最大電力を出力するような「電力制御パルス幅を変化させ続ける」もので、この「電力制御パルス幅を変化させ続ける」ことが図５（ａ）に示したＯＰ―ＭＰＰＴである。ところが、パルス幅を固定値にするとオプティマイザは「昇圧だけ行い、パネル出力特性はそのままスルーする電圧変換装置」になってしまう。そのため、最大電力を出力させるためにはＭＰＰＴ－ＰＣＳが電圧を変化させ続けることが必要となる。
　上記の三角形制御では、ＯＰ－ＭＰＰＴを実行できるのが頂点（８００Ｖ）の一点に限定されるため、実質的にはＯＰ－ＭＰＰＴは十分に実行できない。なぜなら、ある一つのオプティマイザにとって８００Ｖとなるパワーコンディショナ電圧は各オプティマイザの検知電圧のバラツキやケーブルの電圧損失などのため、他のオプティマイザにとって８００Ｖにならないからである。つまり、三角形制御では「各々のパネル毎に最大電力を出力する」というオプティマイザの価値を発揮できない。したがって、ＯＰ－ＭＰＰＴを実行するための「一定電圧の範囲」を設ける必要がある。
　オプティマイザ出力のＰＶカーブを図６（ｂ）の台地形状になるように制御して、台地形状の平らな領域（出力電力が一定値となる電圧範囲）でＯＰ－ＭＰＰＴを実行することも考えられる。具体例としては、７５０Ｖ～８２０ＶをＯＰ－ＭＰＰＴ実行範囲とする。ＰＶカーブ上の７５０Ｖ以下と８２０Ｖ以上の傾斜部分は、それぞれに適した「電力制御パルス幅」の固定値を選択することで設定する。すなわち、７５０Ｖ以下はＭＰＰＴ電圧が７５０Ｖとなる固定値を、８２０Ｖ以上はＭＰＰＴ電圧が８２０Ｖとなる固定値を選択する。こうすると、オプティマイザ出力のＰＶカーブは「頂点が７５０Ｖまたは８２０Ｖで図４（ａ）と類似のＰＶカーブとなる。
　図６（ｂ）で説明した台地形状制御（境界段差なし）では、電力制御パルス幅を「固定する制御」と「変化させるＭＰＰＴ制御」の境界付近（図６（ｂ）の７５０Ｖ、８２０Ｖ付近）では電力変化が連続的となるために電力差が明確でない。その結果、パワーコンディショナの制御次第では７５０Ｖ弱（未満）や８２０Ｖ強（超過）の電圧に留まり、ＯＰ－ＭＰＰＴが実行されないことになる。
　例えば、オプティマイザ出力のＰＶカーブ上の値が「７５２Ｖ：２９５Ｗ、７４２Ｖ：２９０Ｗ」とすると、その差は１０Ｖで５Ｗ（１．７％）に過ぎない。仮に、電圧が７４２Ｖであった時には、パワーコンディショナが１０Ｖ上昇させて７５０Ｖを上回ることを期待するのだが、実際には検知電圧のバラツキ（±１％で±８Ｖ）や光量変化などのため、５Ｗ程度の小さな電力差は吸収されることがある（無視されることがある）。そのため、パワーコンディショナは電圧を上昇させずに（下降させ）、いつまで経っても７５０Ｖに到達しない場合が出てくる。したがって、境界付近では、「明確な電力差」が現れる制御にする必要がある。
　例えば、オプティマイザ出力のＰＶカーブ上の値が「７５２Ｖ：２９５Ｗ、７４２Ｖ：２７５Ｗ」とすると、その差は１０Ｖで２０Ｗ（７％）となる。これだけ明確な電力差があれば、パワーコンディショナが７４２Ｖから１０Ｖ上昇させたとき電力が増えたことを確実に認識できるので、パワーコンディショナは確実に７５０Ｖを上回る電圧に上昇させる。すなわち、確実にＯＰ－ＭＰＰＴ７に移行させることになる。
　以下、上記の説明に基づいて、本発明の一実施例を図１、図２、図３を用いて説明する　
　図１は本発明に係る最大電力点追従制御における電力制御方法およびその電圧変換装置の一実施例を説明する電圧－電力特性曲線（ＰＶカーブ）、図２は図１に示したＯＰ－ＭＰＰＴ制御を実行するためのハードウエアの機能ブロック図、図３は制御の流れを説明するフローチャートである。
　本実施例では、オプティマイザ出力のＰＶカーブを図１の境界段差のある（境界領域での電力差が明確な）台地形状となるように制御する。例えば、７５０Ｖと８２０Ｖで段差を設ける。７５０Ｖ以下と８２０Ｖ以上の傾斜部分は、７５０Ｖと８２０Ｖの電力が１０％程度低い値になる「電力制御パルス幅」の固定値を選択する（電力差が実務上明確になる電圧値）。７５０Ｖ以下はＭＰＰＴ電圧が８００Ｖ以上（例、８３０Ｖ）となる固定値を、８２０Ｖ以上はＭＰＰＴ電圧が８００Ｖ以下（例、７７０Ｖ）となる固定値を選択する。
　上記の１０パーセントは、現実に電圧差が明確になる電圧値として選定されたものである。
　すなわち、ソーラーパネル３の電力が最大となる最適動作点を電圧－電力カーブ（ＰＶカーブ）の頂点となる最大電力点の電圧値を規準に、当該電圧－電力カーブに対してその低電圧側と高電圧側の両側で下端が電圧－電力カーブ１の斜面に降着する下方段差を有する一定電力値に保持させた台地形状（平坦な形状）としてパワーコンディショナの運転電圧を誘導する。
　誘導後は、パワーコンディショナの運転電圧を台地形状の平ら部分領域の一定の固定範囲内に保持して外部に出力することができる。
　一例としては、電圧－電力カーブにおける前記最大電力点の電圧をＤT（Ｖ）としたとき、上記の台地形状の低電圧側で前記電圧-電力カーブに一致する電圧をＤL（Ｖ）、台地形状の高電圧側の電圧をＤH（Ｖ）、かつＤL＜ＤHであり、ＤL（Ｖ）点とＤH点の電力がＤT（Ｖ）点の電力のΔＶ（明確な電力差、例えば上記の１０％程度）だけ低いものとする。
　また、電圧－電力カーブにおける最大電力点の電圧を、現行の設定値で一般的な８００Ｖとしたとき、台地形状の低電圧側で電圧－電力カーブに降着して接する電圧を７５０Ｖ、台地形状の高電圧側の電圧を８２０Ｖとする。
　このように、電圧-電力カーブの頂点となる最大電力点の電圧値を規準にして、当該電圧-電力カーブに対してその低電圧側と高電圧側の両側で下端が降着する下方段差を有する一定電力値に保持させた台地形状としてパワーコンディショナの運転電圧を台地形状の平ら部分領域の一定の固定範囲内に入るように誘導することで安定したＭＰＰＴ制御を得ることができる。
　図２は図１に示したＭＰＰＴ制御を実行するハードウエア（オプティマイザ）の機能ブロックを示す。図２において、ソーラーパネル３の発電出力はオプティマイザ４の入力部４１に入力する。入力した電圧は昇（降）圧部４２で所定の電圧に調整される。ここでは８００Ｖに昇圧されて出力部４３を介してパワーコンディショナに出力される。
　入力部４１にはパネル出力の電圧／電流／電力検知部４４が接続されており、制御部４５を通して昇（降）圧部４２に電力制御パルス等の制御信号を供給する。なお、入力部４１に入力されたパネル電力はＯＰ用電源４８にも与えられる。
　制御部４５は、ソーラーパネル３の電力が最大となる電圧－電力カーブの頂点である最大電力点の電圧値を規準に、図１に示された低電圧側と高電圧側の両側に垂下した直線の下端が電圧－電力カーブ１の斜面に当接する段差を有する一定電力値に保持させた台地形状とする機能を有し、パワーコンディショナの運転電圧を台地形状の平ら部分領域の一定の固定範囲内に入るように誘導し、誘導後は当該パワーコンディショナの運転電圧を一定の固定範囲内で保持して発電電力として外部に出力する。
　前記したように、低電圧側と高電圧側の両側に垂下した直線の下端が電圧-電力カーブ１の斜面に当接する段差が、上記の電力点追従制御における電力差を明確に認識できる値で、前記ＤLトＤHが前記台地形状のよりも若干低い電力値であることを特徴とする。実際には、この電力差は回路設計での回路能力（精度）で設定する設計値であり、数％乃至１０％程度であるが、回路の電圧識別精度（能力）によってはそれ以上とする場合もある。
　出力部４３にも電圧／電流／電力検知部４６が接続されており、出力部４３で生成された昇圧電力の調整用フィードバック制御信号を、制御部４５を介して昇（降）圧部４２に与える。また、外部サーバー等と制御部４５との間で電力線データ通信（Power Line Communication:ＰＬＣ）を行う場合は、電力線通信部４７を介在させる。
　図３は制御部４５の制御の流れを説明するフローチャートである。各処理プロセスを（Ｓ－〇〇）のように表記する。
　制御が開始すると（スタート）、図２の電圧／電流／電力検知部４６が、出力部４３の電圧が「～７５０Ｖor８２０Ｖ～でありかつ台地形状制御可能な電力であるか否かを判断する（Ｓ－１）。
　否の場合（Ｎ：Ｎo）は、電力制御パルスを電力増の方向へ増減するＯＰ－ＭＰＰＴを実行して（Ｓ－４）、（Ｓ－１）に戻る。
　（Ｓ－１）で台地形状制御可能であると判断された場合（Ｙ：Ｙｅｓ）は、その電圧値が「～７５０Ｖ」であるか否かを判断し（Ｓ－２）、Ｙｅｓの場合は電力制御パルス幅をＢ値に固定して（Ｓ－５）、（Ｓ－１）に戻る。Ｂ値は、オプティマイザが８００Ｖで最大電力を出力するパルス幅を推定し、そのパルス幅を元に「～７５０Ｖ」用に補正したパルス幅である。
　（Ｓ－２）でＮの場合、その電圧が「８５０Ｖ～」であるか否かを判断する（Ｓ－３）。（Ｓ－３）でＮならそのまま（Ｓ－１）に戻り、Ｙであるなら電力制御パルス幅をＣ値に固定して（Ｓ－６）、（Ｓ－１）に戻る。Ｃ値は、オプティマイザが８００Ｖで最大電力を出力するパルス幅を推定し、そのパルス幅を元に「８２０Ｖ～」用に補正したパルス幅である。
　この手順により、パワーコンディショナの運転電圧を「７５０～８２０Ｖ」に誘導し、誘導後には「７５０～８２０Ｖ」を保持することでＯＰ－ＭＰＰＴ制御を実行することができる。
　本実施例により、市販されているパワーコンディショナの機能に係らずにオプティマイザを接続することができ、パネル毎に最大限の発電出力を取り出すことが可能となる
　１　・・・オプティマイザ出力のＰＶカーブ
　２　・・・ＯＰ－ＭＰＰＴ制御領域（台地形状）
　２１・・・モジュール内並列接続線
　３　・・・ソーラーパネル
　４　・・・オプティマイザ（ＯＰ）
　４１・・・入力部
　４２・・・昇（降）圧部
　４３・・・出力部
　４４・・・電圧／電流／電力検知部（入力側）
　４５・・・制御部
　４６・・・電圧／電流／電力検知部（出力側）
　４７・・・電力線通信部
　４８・・・ＯＰ電源
　６０・・・モジュール
　７　・・・パワーコンディショナ（ＰＣＳ）
　８　・・・系統線
                                                                                

Claims (4)

  1. 　多数のソーラーパネルで構成したソーラーモジュールの発電電力を効率よく取り出すための最大電力点追従制御における電力制御方法であって、
    　前記ソーラーモジュールの発電出力を所定の電圧に昇圧するオプティマイザと、ＭＰＰＴ機能を有するパワーコンディショナを備え、
    　前記オプティマイザの電圧－電力特性カーブに基づいて前記パワーコンディショナのＭＰＰＴ目標電圧の調整を行う如く前記オプティマイザが前記パワーコンディショナの運転電圧を誘導して当該ソーラーモジュールの最大出力電力を得ることを特徴とする最大電力点追従制御における電力制御方法。
  2. 　前記オプティマイザは、下記の１．と２．に記載した如く、前記パワーコンディショナの前記運転電圧を誘導することを特徴とする請求項１に記載の最大電力点追従制御における電力制御方法。

    　　　　　記
    １．前記パワーコンディショナの電圧が目標値より低い場合に、
    当該パワーコンディショナがその電圧を上げれば前記オプティマイザは出力電力を上げ、当該パワーコンディショナがその電圧を下げれば当該オプティマイザは出力電力を下げる。
    ２．前記パワーコンディショナの電圧が目標値より高い場合に、
    当該パワーコンディショナがその電圧を上げれば前記オプティマイザは出力電力を下げ、当該パワーコンディショナがその電圧を下げれば当該オプティマイザは出力電力を上げる。
  3. 　多数のソーラーパネルで構成したソーラーモジュールの発電電力を効率よく取り出すための最大電力点追従制御における電圧変換装置であって、
    　前記ソーラーパネルのそれぞれに最大電力点追従回路を有するオプティマイザとパワーコンディショナを備え、
    　前記最大電力点追従回路は、当該ソーラーパネルの電力が最大となる電圧－電力カーブの頂点である最大電力点の電圧値を規準に、その低電圧側と高電圧側の両側に垂下した直線の下端が電圧－電力カーブの斜面に当接する段差を有する一定電力値に保持させた台地形状とする制御部を備え、
    　前記制御部は、前記パワーコンディショナの運転電圧を請求項１又は２に記載の電力制御方法を用いて前記台地形状の平ら部分領域の一定の固定範囲内に入るよう誘導し、誘導後は当該パワーコンディショナの運転電圧を一定の固定範囲内で保持して発電電力として外部に出力することを特徴とする最大電力点追従制御における電圧変換装置。
  4. 　前記電圧-電力カーブにおける前記最大電力点の電圧をＤT（Ｖ）としたとき、前記台地形状の低電圧側で前記電圧-電力カーブに一致する電圧をＤL（Ｖ）、前記台地形状の高電圧側の電圧をＤH（Ｖ）、かつＤL＜ＤHであり、ＤL（Ｖ）点とＤH点の電力がＤT（Ｖ）点の電力よりも前記オプティマイザと前記パワーコンディショナを構成する回路が電力点追従制御における電力差を明確に認識できる値で、前記ＤLとＤHが前記台地形状のよりも若干低い電力であることを特徴とする請求項３に記載の電圧変換装置。
                                                                                    
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