(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
太陽電池の出力電圧および出力電流を検出して、太陽電池の出力電力が最大になるように出力電圧を変化させる太陽電池の最大電力追尾制御方法であって、
検出電流が変化するか否かを判定し、
検出電流が変化するまでの間は、太陽電池の出力電圧を所定の方向に変化させ、
検出電流が変化するまでの間に得られた検出電力の平均値が最大になるように太陽電池の出力電圧を制御することを特徴とする太陽電池の最大電力追尾制御方法。
【請求項２】
太陽電池の出力電圧および出力電流を検出して、太陽電池の出力電力が最大になるように出力電圧を変化させる太陽電池の最大電力追尾制御装置であって、
検出電流が変化するか否かを判定する電流変化判定手段（６１）と、
検出電流が変化するまでの間は、太陽電池の出力電圧を所定の方向に変化させる出力電圧変化手段（６０）と、
検出電流が変化するまでの間に得られた検出電力の平均値を算出する平均値算出手段（６５）と、
検出電流が変化するまでの間に得られた検出電力の平均値が最大になるように太陽電池の出力電圧を制御する制御手段（６６）とを含むことを特徴とする太陽電池の最大電力追尾制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は太陽電池の最大電力追尾制御方法およびその装置に関し、さらに詳細にいえば、太陽電池の出力電圧および出力電流を検出して、太陽電池の出力電力が最大になるように出力電圧を変化させるための方法およびその装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、太陽電池の活用が提唱され、種々の分野において採用されるようになってきている。
この太陽電池は、図１に示すような出力特性を有しており、出力電力Ｐｓが出力電圧Ｖｓによって異なり、出力電力が最大電力となる出力電圧（最適動作電圧）が１つだけ存在することが知られている。なお、図１において、実線が出力電圧に対する出力電力の変化を示し、破線が出力電圧に対する出力電流の変化を示している。
【０００３】
図１における特性Ｉの場合には、最適動作電圧はＶｏｐｔ１となる。また、最適動作電圧は出力特性の変化により変動するのであるから、日射量低下時を示す特性ＩＩ、特性ＩＩＩの場合には、それぞれ最適動作電圧を特性Ｉの場合の最適動作電圧Ｖｏｐｔ１から変化させなければならない。したがって、常に最大電力を得るためには、最大電力の追尾を行うことが必要になる。
【０００４】
この最大電力の追尾を行う装置は、太陽電池モジュールからの出力を電力変換器を介して負荷に供給しているとともに、太陽電池モジュールからの出力電圧、出力電流を検出し、検出電圧および検出電流に基づいて最大電力が得られるように電圧変更指令を生成して電力変換器に供給する制御装置を有している。
ここで、太陽電池の出力電力特性は、図１に示すように最大値を１つ持った山形であるから、最大電力点ではΔＰｓ／ΔＶｓ＝０となる。したがって、最大電力追尾装置の制御系は、制御量ΔＰｓ／ΔＶｓ、操作量Ｖｓ、指令値ΔＰｓ／ΔＶｓ＝０とすればよい。このような制御系を実現する最大電力追尾制御方法には、一般に山登り法が多く用いられている。山登り法は、前回の電圧変化と電力変化の符号のみを用いて次の電圧変化の符号を決定しており、その制御アルゴリズムは数１のとおりである。
【０００５】
【数１】
0003680438.tif 000002
図３に山登り法による最大電力点の追尾例を、図４に山登り法による最大電力点の追尾のためのフローチャートをそれぞれ示す。なお、図３、図４中の丸で囲んだ番号は、それぞれ数１に同じ番号で示す処理に対応している。
【０００６】
このように、山登り法は出力特性関数を用いないため、演算量が少ないという利点がある。また、日射量を検出することなく出力特性変化に対する最大電力追尾が可能であるため、安価に太陽電池発電システムを構成できる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
山登り法のように条件判断処理を行う制御にはデジタル制御が適しており、一般的にも、マイコンを用いたシステムが多く利用されている。しかし、デジタル制御では、電流Ｉｓと電圧Ｖｓの検出をＡ／Ｄ変換器にて行うため、検出された値には量子化誤差が含まれ、最大電力の検出にも誤差が生じるという不都合がある。
【０００８】
ここで、図１に示す出力電流−出力電圧特性のうち、特性Ｉの最大電流値、最大電圧値をＡ／Ｄ変換器のフルスケールとした場合、日射量の低下に伴い出力電流が減少するにつれて電流用Ａ／Ｄ変換器の分解能は見かけ上低下する。その結果、検出電圧の変化に対する検出電流の変化が少なくなり、図５中（ｂ）に示すように、検出電力特性には複数の極大電力点が現れる。
【０００９】
極大電力点が生じる理由をさらに詳細に説明する。
図６中（ａ）（ｃ）に示す格子は検出電流、検出電圧がとることができる値を示しており、これらの格子に実特性を重ねることにより、階段状の検出特性が得られる。また、図６中（ａ）（ｂ）は電流用Ａ／Ｄ変換器の分解能が高い（日射量が多い）ときを、図６中（ｃ）（ｄ）は電流用Ａ／Ｄ変換器の分解能が低い（日射量が少ない）ときをそれぞれ示している。
【００１０】
電圧の増加と共に電流が連続して減少する実特性に対して、検出特性は電圧の増加または電流の減少が別々に起こっていることから、それぞれの変化に対応する検出電力の変化量を求めると以下のようになる。
（１）検出電圧が増加するとき
この場合には、検出電力が増加し、その増加量ΔＰＡＤｕは、
ΔＰＡＤｕ＝ＩＡＤ・ΔＶＡＤ
となる。ここで、ＩＡＤは検出電流値、ΔＶＡＤは電圧用Ａ／Ｄ変換器の１ＬＳＢに当たる電圧変化量である。
【００１１】
図６中（ａ）（ｃ）共にΔＶＡＤ＝ΔＶＡＤ１であることから、検出電力の増加量は検出電流値により定まる。
（２）検出電流が減少するとき
この場合には、検出電力が減少し、その減少量ΔＰＡＤｄは、
ΔＰＡＤｄ＝ΔＩＡＤ・ＶＡＤ
となる。ここで、ΔＩＡＤは電流用Ａ／Ｄ変換器の１ＬＳＢに当たる電流変化量、ＶＡＤは検出電圧値である。
【００１２】
図６中（ａ）ではΔＩＡＤ＝ΔＩＡＤ１、図６中（ｃ）ではΔＩＡＤ＝ΔＩＡＤ２（＞ΔＩＡＤ１）であることから、同じ検出電圧値であっても、検出電力の減少量は図６中（ｃ）の方が多くなる。
以上のように、実電力が単調に変化するのに対して、検出電力は増減を繰り返しながら変化するため、検出電力上には複数の極大点が現れる。
【００１３】
ここで、図６中（ｂ）（ｄ）を比較すると、電流用Ａ／Ｄ変換器の分解能が低いほど、極大電力点の電圧間隔と検出電力の減少量が大きくなっている。これは、分解能の低下により、検出電流が変化するまでの検出電圧の変化量と、電流用Ａ／Ｄ変換器の１ＬＳＢに当たる電流変化量とが増加したためである。そのため、山登り法による同じ電圧変化幅ΔＶｓに対して、図６中（ｂ）では電力の増加を検出し、図６中（ｄ）では電力の減少を検出することになり、図６中（ｄ）において極大電力点の追尾が行われてしまう。つまり、Ａ／Ｄ変換器の分解能が低いとき、または日射量が少ないときほど極大電力点を追尾し易くなる。
【００１４】
また、従来は、上記の検出電力特性に対して１サンプル毎に山登り法を行っていたので、例えば、図７の電圧Ｖｓ１に動作点が移った場合、図５中（ａ）に示す実電力特性上であれば最終的に最大電力点に到達できるはずであるにも拘らず、検出電力特性上では最大電力点以外の極大電力点に留まる可能性が高く、このような場合には最大電力を引き出すことができないという不都合がある。
【００１５】
【発明の目的】
この発明は上記の問題点に鑑みてなされたものであり、極大電力点を追尾してしまうという不都合を確実に解消し、常に最大電力を太陽電池から取り出すことができる太陽電池の最大電力追尾制御方法およびその装置を提供することを目的としている。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
請求項１の太陽電池の最大電力追尾制御方法は、太陽電池の出力電圧および出力電流を検出して、太陽電池の出力電力が最大になるように出力電圧を変化させるに当たって、
検出電流が変化するか否かを判定し、
検出電流が変化するまでの間は、太陽電池の出力電圧を所定の方向に変化させ、
検出電流が変化するまでの間に得られた検出電力の平均値が最大になるように太陽電池の出力電圧を制御する方法である。
【００１７】
請求項２の太陽電池の最大電力追尾制御装置は、太陽電池の出力電圧および出力電流を検出して、太陽電池の出力電力が最大になるように出力電圧を変化させる太陽電池の最大電力追尾制御装置であって、
検出電流が変化するか否かを判定する電流変化判定手段と、
検出電流が変化するまでの間は、太陽電池の出力電圧を所定の方向に変化させる出力電圧変化手段と、
検出電流が変化するまでの間に得られた検出電力の平均値を算出する平均値算出手段と、
検出電流が変化するまでの間に得られた検出電力の平均値が最大になるように太陽電池の出力電圧を制御する制御手段とを含んでいる。
【００１９】
【作用】
請求項１の太陽電池の最大電力追尾制御方法であれば、太陽電池の出力電圧および出力電流を検出して、太陽電池の出力電力が最大になるように出力電圧を変化させるに当たって、検出電流が変化するか否かを判定し、検出電流が変化するまでの間は、太陽電池の出力電圧を所定の方向に変化させ、検出電流が変化するまでの間に得られた検出電力の平均値が最大になるように太陽電池の出力電圧を制御するのであるから、極大電力点以外の区間、すなわち極大電力点間の平均電力を最大にするように出力電圧が制御され、極大電力点の存在に拘らず確実に最大電力追尾制御を行うことができる。ここで、極大電力点は、図６からも明らかなように、検出電流が変化するところで現れるので、検出電流が変化するまでの間に得られた検出電力の平均値を用いて制御することにより、前記のように、極大電力点の存在に拘らず確実に最大電力追尾制御を行うことができる。
【００２０】
請求項２の太陽電池の最大電力追尾制御装置であれば、太陽電池の出力電圧および出力電流を検出して、太陽電池の出力電力が最大になるように出力電圧を変化させるに当たって、検出電流が変化するか否かを電流変化判定手段により判定し、出力電圧変化手段によって、検出電流が変化するまでの間は、太陽電池の出力電圧を所定の方向に変化させ、平均値算出手段によって、検出電流が変化するまでの間に得られた検出電力の平均値を算出し、制御手段によって、検出電流が変化するまでの間に得られた検出電力の平均値が最大になるように太陽電池の出力電圧を制御する。
【００２１】
したがって、極大電力点以外の区間、すなわち極大電力点間の平均電力を最大にするように出力電圧が制御され、極大電力点の存在に拘らず確実に最大電力追尾制御を行うことができる。ここで、極大電力点は、図６からも明らかなように、検出電流が変化するところで現れるので、検出電流が変化するまでの間に得られた検出電力の平均値を用いて制御することにより、前記のように、極大電力点の存在に拘らず確実に最大電力追尾制御を行うことができる。
【００２２】
【発明の実施の態様】
以下、添付図面を参照しながらこの発明の太陽電池の最大電力追尾制御方法およびその装置を詳細に説明する。
図２はこの発明の最大電力追尾方法を適用した最大電力追尾装置を有する太陽電池発電システムの構成を概略的に示すブロック図である。
【００２３】
この太陽電池発電システムは、太陽電池モジュール１からの出力を電力変換器２を介して負荷３に供給しているとともに、太陽電池モジュール１からの出力電圧、出力電流を所定のサンプリング間隔毎に検出する電圧検出器４、電流検出器５と、検出電圧および検出電流を入力として最大電力が得られるように電圧変更指令を生成して電力変換器２に供給する最大電力追尾制御装置６とを有している。
【００２４】
そして、最大電力追尾制御装置６は、図８に示すように、出力電圧の変化方向の正負を判定する変化方向判定部５９と、変化方向判定部５９による判定結果に応答して、出力電圧を増減させる電圧変更指令を出力する電圧変更指令出力部６０と、検出電流が変化したか否かを判定する電流変化判定部６１と、検出電流が変化していないと判定されたことに応答して、前回までの電圧加算値に今回の検出電圧を加算する電圧加算部６２と、電圧加算部６２による加算毎に加算回数を１ずつ増加させる加算回数増加部６３と、検出電流が変化したと判定されたことに応答して、加算回数が１か否かを判定する加算回数判定部６４と、加算回数が１でないと判定されたことに応答して、加算した検出電圧の平均値と前回の検出電流とに基づいて平均電力を算出する平均電力算出部６５と、平均電力算出部６５による処理が行われたことに応答して、加算回数を１に設定する加算回数設定部６８と、加算回数が１であると判定されたことに応答して、今回の検出電力を今回の平均電力へ代入する平均電力設定部６７と、加算回数設定部６８による処理、または平均電力設定部６７による処理が行われたことに応答して、前回の平均電力と今回の平均電力とを比較し、電力が大きくなる方向に次の出力電圧の変化方向を設定する変化方向設定部６６と、変化方向設定部６６による設定処理が行われたことに応答して、電圧加算値へ今回の検出電圧値を代入する電圧加算値設定部６９と、加算回数増加部６３による加算処理が行われたことに応答して、または、電圧加算値設定部６９による設定処理が行われたことに応答して、変化方向判定部５９による判定処理を再び行わせる反復制御部７０とを有している。
【００２５】
図９および図１０はこの発明の最大電力追尾方法の一実施態様（最大電力追尾装置６の動作）を説明するフローチャートである。なお、このフローチャートの処理は所定のサンプリング間隔毎に行われる。
ステップＳＰ１において、太陽電池の出力電圧の変化方向が正方向であるか否かを判定し、正方向であれば、ステップＳＰ２において、出力電圧を増加させ、逆に、正方向でなければ、ステップＳＰ３において、出力電圧を減少させる。そして、ステップＳＰ２またはステップＳＰ３の処理が行われた後は、ステップＳＰ４において、出力電圧の検出および出力電流の検出を行い、ステップＳＰ５において、検出電流が変化したか否かを判定する。そして、検出電流が変化していないと判定された場合には、ステップＳＰ６において、前回までの電圧加算値に今回の検出電圧を加算し、ステップＳＰ７において、電圧加算回数を１だけ増加させ、再びステップＳＰ１の判定を行う。
【００２６】
ステップＳＰ５において検出電流が変化したと判定された場合には、ステップＳＰ８において、電圧の加算回数が１であるか否かを判定する。そして、電圧の加算回数が１でないと判定された場合には、ステップＳＰ９において、加算した検出電圧の平均値と前回の検出電流から平均電力を算出し、ステップＳＰ１０において、電圧の加算回数を１に設定する。
【００２７】
ステップＳＰ８において、電圧の加算回数が１であると判定された場合には、ステップＳＰ１１において、今回の検出電力を今回の平均電力に代入する。
そして、ステップＳＰ１０の処理またはステップＳＰ１１の処理が行われた後は、ステップＳＰ１２において、前回の検出電力と今回の検出電力とを比較し、電力が大きくなる方向に次の出力電圧の変化方向を設定し（山登り法）、ステップＳＰ１３において、今回の検出電圧を電圧加算値へ代入し、再びステップＳＰ１の判定を行う。
【００２８】
以上の処理を行えば、検出電流が変化した場合（図６から明らかなように、極大電力点は必ず検出電流が変化するころで現れるので、極大電力点が発生する場合を意味する）にのみ、前回の平均電力と今回の平均電力とを比較して、電力が大きくなる方向に次の出力電圧の変化方向を設定し、検出電流が変化しない間は設定された方向に出力電圧を変化させることにより、図１１に示すように、極大電力点による影響を排除して確実に最大電力点の追尾を達成することができる。図１１において、実線が実電力を示し、破線が検出電力を示し、黒丸が追尾電力の平均値を示し、白丸が検出電力の平均値を示している。なお、以上の一連の処理を行った場合には、追尾される最大電力は実電力特性上の最大電力よりもやや少なくなるが、極大電力点を追尾する場合と比較すれば、実電力特性上の最大電力に近似できる最大電力点の追尾を達成することができる。
【００２９】
この結果、最大電力点以外の極大電力点を追尾するという不都合を排除し、可能な限り大きい太陽電池出力電力を取り出すことができる。
【００３１】
【発明の効果】
請求項１の発明は、極大電力点以外の区間、すなわち極大電力点間の平均電力を最大にするように出力電圧が制御され、極大電力点の存在に拘らず確実に最大電力追尾制御を行うことができるという特有の効果を奏する。
請求項２の発明は、極大電力点以外の区間、すなわち極大電力点間の平均電力を最大にするように出力電圧が制御され、極大電力点の存在に拘らず確実に最大電力追尾制御を行うことができるという特有の効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】太陽電池の出力特性を示す図である。
【図２】最大電力追尾装置を組み込んだ太陽電池発電システムの構成を示すブロック図である。
【図３】山登り法による最大電力点の追尾例を示す該略図である。
【図４】山登り法による最大電力点の追尾を説明するフローチャートである。
【図５】太陽電池の出力の実特性および検出特性を示す図である。
【図６】太陽電池の出力の実特性と検出特性とを示す図である。
【図７】山登り法による最大電力点の追尾によって生じる不都合を示す図である。
【図８】図２のシステムにおける最大電力追尾制御装置の構成を詳細に示すブロック図である。
【図９】この発明の最大電力追尾方法の一実施態様の一部を説明するフローチャートである。
【図１０】この発明の最大電力追尾方法の一実施態様の残部を説明するフローチャートである。
【図１１】図９および図１０のフローチャートに基づく最大電力の追尾例を示す図である。
【符号の説明】
６０  電圧変更指令出力部    ６１  電流変化判定部
６５  平均電力算出部    ６６  変化方向設定部
【図１】
0003680438.tif 000003
【図２】
0003680438.tif 000004
【図３】
0003680438.tif 000005
【図４】
0003680438.tif 000006
【図５】
0003680438.tif 000007
【図６】
0003680438.tif 000008
【図７】
0003680438.tif 000009
【図８】
0003680438.tif 000010
【図９】
0003680438.tif 000011
【図１０】
0003680438.tif 000012
【図１１】
0003680438.tif 000013