(57)【要約】【課題】複数の太陽電池モジュールの直列接続により構成されるストリング（太陽電池モジュール鎖）において、部分影が発生した場合にもストリング全体としての出力電流を維持して影モジュールを最大動作点付近で動作させるための、システム及び方法を提供する。【解決手段】太陽電池モジュール鎖の出力電圧をインバータに入力して交流電圧に変換し、多段倍電圧整流回路を介して当該交流電圧を太陽電池モジュール鎖に印加することにより、影モジュールに補償電流を優先的に供給する。補償電流によって太陽電池モジュール鎖全体の出力電流を維持すると同時に、補償電流の経路上で発生するインピーダンスにより影モジュールの動作電圧を降下させる。【選択図】図８
2015056003.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
直列接続された第１から第ｎ（ｎは２以上の整数）のキャパシタの各々に対して、２つの直列接続されたダイオードが並列に接続され、更に、該２つの直列接続されたダイオードの各々における中間点に中間キャパシタが接続された、多段倍電圧整流回路と、
第ｋ（ｋ＝１，２，…ｎ）の前記キャパシタに対して並列接続された第ｋの太陽電池モジュールとして与えられる第１から第ｎの太陽電池モジュールを直列接続してなる、太陽電池モジュール鎖と、
前記第１から第ｎの太陽電池モジュールそれぞれに印加された電圧の合計電圧の入力を受けて、該入力された合計電圧を交流電圧に変換し、該交流電圧を前記多段倍電圧整流回路に出力する、容量性素子と誘導性素子とを備えたインバータと
を備えた、太陽電池調整システム。
【請求項２】
前記インバータが前記交流電圧の周波数を変更する手段を備えた、請求項１に記載の太陽電池調整システム。
【請求項３】
前記インバータが、
前記第１から第ｎの太陽電池モジュールそれぞれに印加された電圧の合計電圧の入力を受けて、スイッチの切り替え状態に応じた電圧を出力する、スイッチを備えた入力回路と、
前記入力回路から出力された電圧を交流電圧に変換し、前記多段倍電圧整流回路に対して該交流電圧を出力する、容量性素子と誘導性素子とを備えた共振回路と
を備えた、請求項２に記載の太陽電池調整システム。
【請求項４】
前記共振回路が、トランスにより前記交流電圧を変圧した上で前記多段倍電圧整流回路に出力するよう構成された、請求項３に記載の太陽電池調整システム。
【請求項５】
前記入力回路は、直列接続された第１及び第２のスイッチの各々にフライホイールダイオードを並列接続してなり、
前記第１及び第２のスイッチのうちオンとするスイッチを経時的に切り替えることによって、該第１及び第２のスイッチの両端間に直流電圧が入力されたときに、該第１及び第２のスイッチの中間点にある第１の端子と、該第２のスイッチの両端のうち該第１の端子とは異なる側にある、第２の端子と、の間に矩形波状の電圧を出力するよう構成され、
前記共振回路は、前記第１の端子と第３の端子との間で直列接続されたインダクタと共振回路内キャパシタとを備え、前記入力回路から矩形波状の電圧の入力を受けたときに、前記第３の端子と、前記第２の端子に接続された第４の端子と、の間に交流電圧を出力し、更に該交流電圧をトランスにより変圧した上で前記多段倍電圧整流回路に出力するよう構成された、請求項４に記載の太陽電池調整システム。
【請求項６】
第１から第ｎ（ｎは２以上の整数）の太陽電池モジュールを直列接続してなる、太陽電池モジュール鎖と、
第ｋ（ｋ＝１，２，…ｎ）の前記太陽電池モジュールに対して並列接続された第ｋのキャパシタとして与えられる、第１から第ｎのキャパシタと、２つの直列接続されたダイオードからなり、第ｋ（ｋ＝１，２，…ｎ）の前記キャパシタに対して並列接続された第ｋのダイオードペアとして与えられる、第１から第ｎのダイオードペアと、該第１から第ｎのダイオードペア各々における２つの直列接続されたダイオードの中間点に接続された、第１から第ｎの中間キャパシタと、を備えた第１の多段倍電圧整流回路と、
第ｋ（ｋ＝１，２，…ｎ）の前記太陽電池モジュールに対して並列接続された第ｎ＋ｋのキャパシタとして与えられる、第ｎ＋１から第２ｎのキャパシタと、２つの直列接続されたダイオードからなり、第ｎ＋ｋの前記キャパシタに対して並列接続された第ｎ＋ｋのダイオードペアとして与えられる、第ｎ＋１から第２ｎのダイオードペアと、該第ｎ＋１から第２ｎのダイオードペア各々における２つの直列接続されたダイオードの中間点に接続された、第ｎ＋１から第２ｎの中間キャパシタと、を備えた第２の多段倍電圧整流回路と、
前記第１から第ｎの太陽電池モジュールそれぞれに印加された電圧の合計電圧の入力を受けて、該入力された合計電圧を交流電圧に変換し、該交流電圧をトランスにより変圧した上で出力する、容量性素子と誘導性素子とを備えたインバータと
を備え、
前記トランスの二次巻線の一端が前記第１の多段倍電圧整流回路に接続され、該二次巻線の他端が前記第２の多段倍電圧整流回路に接続された、太陽電池調整システム。
【請求項７】
前記インバータが前記交流電圧の周波数を変更する手段を備えた、請求項６に記載の太陽電池調整システム。
【請求項８】
前記インバータが、
前記第１から第ｎの太陽電池モジュールそれぞれに印加された電圧の合計電圧の入力を受けて、スイッチの切り替え状態に応じた電圧を出力する、スイッチを備えた入力回路と、
前記入力回路から出力された電圧を交流電圧に変換し、該交流電圧をトランスにより変圧した上で出力する、容量性素子と誘導性素子とを備えた共振回路と
を備えた、請求項７に記載の太陽電池調整システム。
【請求項９】
前記入力回路は、直列接続された第１及び第２のスイッチの各々にフライホイールダイオードを並列接続してなり、
前記第１及び第２のスイッチのうちオンとするスイッチを経時的に切り替えることによって、該第１及び第２のスイッチの両端間に直流電圧が入力されたときに、該第１及び第２のスイッチの中間点にある第１の端子と、該第２のスイッチの両端のうち該第１の端子とは異なる側にある、第２の端子と、の間に矩形波状の電圧を出力するよう構成され、
前記共振回路は、前記第１の端子と第３の端子との間で直列接続されたインダクタと共振回路内キャパシタとを備え、前記入力回路から矩形波状の電圧の入力を受けたときに、前記第３の端子と、前記第２の端子に接続された第４の端子と、の間に交流電圧を出力し、更に該交流電圧をトランスにより変圧した上で出力するよう構成された、請求項８に記載の太陽電池調整システム。
【請求項１０】
請求項２乃至５、及び７乃至９のいずれか一項に記載の太陽電池調整システムを用いて、前記太陽電池モジュール鎖の動作状態を制御する方法であって、
前記太陽電池モジュール鎖の出力電力を計測する段階と、
前記インバータにより出力される交流電圧の周波数を変更する段階と、
前記周波数を変更した後に、前記太陽電池モジュール鎖の出力電力を計測する段階と、
前記周波数を変更した後に計測された出力電力が、変更する前に計測された出力電力よりも高い場合に、該変更が該周波数の上昇であったならば該周波数を再び上昇させ、該変更が該周波数の下降であったならば該周波数を再び下降させる段階と、
前記周波数を変更した後に計測された出力電力が、変更する前に計測された出力電力よりも低い場合に、該変更が該周波数の上昇であったならば該周波数を下降させ、該変更が該周波数の下降であったならば該周波数を上昇させる段階と
を備え、前記太陽電池モジュール鎖の出力電力の計測と、前記インバータにより出力される交流電圧の周波数の変更と、を繰り返すことにより該太陽電池モジュール鎖の動作状態を制御する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の太陽電池モジュールの直列接続により構成されるストリング（太陽電池モジュール鎖）において、部分影が発生した場合に各太陽電池モジュールの電気特性を擬似的に均等化する部分影補償装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
太陽電池は、光起電力効果を利用して光エネルギーを電力に変換する電池であり、典型的には、ｐ型半導体とｎ型半導体とを接合して電極等を取り付けてなる構造を有している。太陽電池は日照条件や温度に応じてその動作特性が変化するのであり、太陽電池に印加される電圧と太陽電池を流れる電流、及び太陽電池から発生する電力の関係は、一般的には図１に示すような動作特性曲線により表すことができる。図１の動作特性曲線が示すとおり、太陽電池は或る動作電圧にて最大電力を発生することができるのであり、太陽電池を用いた太陽光発電システムにおいて太陽光エネルギーを最大限に活用するためには、パワーコンディショナ等を用いて太陽電池モジュールを最大電力点（ＭＰＰ：Ｍａｘｉｍｕｍ  Ｐｏｗｅｒ  Ｐｏｉｎｔ）で動作させる必要がある。
【０００３】
複数枚の太陽電池モジュールを直列に接続し、ストリングを構成して使用する場合、一部の太陽電池モジュールに影がかかる（このような影を、以下「部分影」と呼ぶ。）ために各太陽電池モジュール特性にばらつきが生じ、影のかかった太陽電池モジュール（以下、「影モジュール」と呼ぶ。）が逆バイアスされてしまう可能性がある。逆バイアスを防止するべく、一般的には、ストリングを構成する各太陽電池モジュールと並列にバイパスダイオードを接続した上でストリングを使用することが多いが、部分影発生時においては影モジュールに接続されたバイパスダイオードが導通することにより影モジュールが電力を発生できない状態となってしまうため、利用可能な電力が大幅に低下してしまうことが知られている。また、部分影の発生状況に応じて、ストリング全体の動作特性曲線上に複数のＭＰＰが発生するため（図２中のＢ点とＣ点）、パワーコンディショナがストリングを真のＭＰＰ（図２中のＢ点）とは異なる非最適点（図２中のＣ点）で動作させてしまう可能性がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１２−０２８４３５号公報
【特許文献２】特開２００４−０４７５８５号公報
【特許文献３】特開２０１３−１０５３１８号公報
【特許文献４】特開２０１１−２２８５９８号公報
【０００５】
【非特許文献１】T. Shimizu, O, Hashimoto, and G. Kimura, “A novel high-performance utility-interactive photovoltaic inverter system,” IEEE Trans. Power Electron., Vol. 18, No. 2, pp.704-711, Mar. 2003.
【非特許文献２】T. Shimizu, M. Hirakata, T. Kamezawa, and H. Watanabe, “Generation control circuit for photovoltaic modules,” IEEE Trans. Power Electron., Vol. 16, No. 3, pp.293-300, May 2001.
【非特許文献３】S. Qin and R. C. N. Pilawa-Podgurski, “Sub-module differential power processing for photovoltaic applications,” IEEE Applied Power Electron. Conf. Expo., pp.101-108, 2013.
【非特許文献４】J. T. Stauth, M. D. Seeman, and K. Kesarwani, “Resonant switched-capacitor converters for sub-module distributed photovoltaic power management,” IEEE Trans. Power Electron., Vol. 28, No. 3, pp.1189-1198, Mar. 2013.
【非特許文献５】鵜野、久木田、「多段倍電圧整流回路を用いた二石式直列共振形セル電圧バランス回路」、電気学会論文誌D、社団法人電気学会、平成25年4月、Vol.133 No.4 pp.475-483
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
部分影によるこれらの悪影響を低減する手段として、マイクロコンバータ／インバータによる太陽電池モジュール毎の個別制御、動作点走査を用いた真のＭＰＰ探索アルゴリズムを付加した制御の開発等が行われている。しかし、マイクロコンバータ／インバータ方式では太陽電池モジュール毎に電力変換器が必要となるため高コスト化する傾向にあり、一方、動作点走査を用いたＭＰＰ探索アルゴリズムは制御の複雑化や応答性低下、電力抽出率の低下など、依然として大きな課題を有している。その他多数の解決手法も提案されているが、膨大なデータ量に基づく演算や情報検出システムが必要となるためコストの増加が予想される。
【０００７】
部分影による特性劣化を防止する各種の部分影補償装置が提案されている。部分影補償装置は影のかかっていない太陽電池モジュール（以下、「日照モジュール」と呼ぶ。）から影モジュールへと電力伝送を行うことで擬似的に全ての太陽電池モジュールの電気的特性を均等化できるため、部分影発生時においてもマイクロインバータやＭＰＰ探索アルゴリズム等を用いることなく、通常のパワーコンディショナによって各太陽電池モジュールをＭＰＰで動作させることができる。部分影補償装置としては図３ａ，図３ｂに示す双方向昇降圧コンバータを用いた方式や図４に示すスイッチトキャパシタコンバータを用いた方式等が提案されている。これらの部分影補償装置の回路構成は基本的には直列接続された蓄電セル用の電圧均等化回路と同様であるが、後述のとおり、部分影補償装置の特性は蓄電セル用均等化回路の特性とは若干異なることが好ましい。これらの部分影補償装置の方式では、複数個のスイッチが必要なため太陽電池モジュールの直列接続数の増加に伴い回路構成が飛躍的に複雑化する傾向にあり、且つ、電力伝送が隣接する太陽電池モジュール間に限られているため、太陽電池モジュールの直列数が多い場合には複数の太陽電池モジュールを経由して電力伝送が行われる過程で損失が大きくなるという問題も生じる。
【０００８】
太陽光発電システムには、十年以上に亘る長期運転が求められることが多いため、信頼性確保が重要である。また、太陽電池モジュールに電流リプルが重畳している場合、一般的には太陽電池モジュールの動作点が周期的にＭＰＰから逸脱してしまう。信頼性向上のためには回路の簡素化が有効であり、リプル電流の低減はＭＰＰ動作の安定化のために必要不可欠である。以上の背景に鑑みれば、部分影補償装置としては、簡素な回路構成を備え、且つリプル電流出力が低い方式が望ましい。
【０００９】
図５に日照モジュールならびに影モジュールの電気的特性の代表例を示す。一般的に、太陽電池モジュールのＭＰＰにおける電圧は太陽光の照射強度に依存し、強度が弱まるにつれてＭＰＰの電圧ＶMPも低下する。部分影が発生している場合においては、図５に示すように、発生していない場合と比較してＶMPも幾分低くなる。よって、部分影が発生している場合において全ての太陽電池モジュールの発電可能な電力を最大限に利用するためには、図５中の破線Ａで示すように影モジュールを日照モジュールよりも低い電圧で動作させることが望ましい。しかしながら、直列接続された蓄電セル用の従来の電圧均等化回路は全ての蓄電セルの電圧が均一になるよう動作するため、これを部分影補償装置としてそのまま用いた場合は、図５中の破線Ｂで示すように各太陽電池モジュールの電圧が均等となる。このため、各太陽電池モジュールの電力を最大限に活用できなくなる可能性がある。各太陽電池モジュールの電圧が均等な状態においては、日照モジュールは最大電力点で動作可能な一方、影モジュールは最大電力点から離れた点で動作しているため、影モジュールの電力を有効に活用することができない。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
以上の課題に鑑み、本発明は、直列接続された第１から第ｎ（ｎは２以上の整数）のキャパシタの各々に対して、２つの直列接続されたダイオードが並列に接続され、更に、２つの直列接続されたダイオードの各々における中間点に中間キャパシタが接続された、多段倍電圧整流回路と、第ｋ（ｋ＝１，２，…ｎ）のキャパシタに対して並列接続された第ｋの太陽電池モジュールとして与えられる第１から第ｎの太陽電池モジュールを直列接続してなる、太陽電池モジュール鎖と、第１から第ｎの太陽電池モジュールそれぞれに印加された電圧の合計電圧の入力を受けて、入力された合計電圧を交流電圧に変換し、交流電圧を多段倍電圧整流回路に出力する、容量性素子と誘導性素子とを備えたインバータとを備えた、太陽電池調整システムを提供する（本件第１発明）。
【００１１】
上記太陽電池調整システムによれば、ストリングを構成する太陽電池モジュールのうち影モジュールに補償電流を供給しつつ、影モジュールを日照モジュールよりも低い動作電圧で動作させることが可能となる。具体的には、後述の実施例で詳しく説明するとおり、インバータに含まれる容量性素子と誘導性素子、多段倍電圧整流回路に含まれる中間キャパシタ、及び各電流経路に生じる抵抗に起因して発生するインピーダンスにより、多段倍電圧整流回路から電流が優先的に流れ込む影モジュールに電圧降下が発生する。後述のとおり、この電圧降下は等価出力抵抗Ｒoutを用いて表すことができる。既に述べたとおり、影モジュールのＭＰＰにおける電圧ＶMPは、（温度等、日照以外の動作環境、及び太陽電池モジュールの構造が同一であると仮定すれば）日照モジュールのＭＰＰにおける電圧ＶMPよりも低い。したがって、パワーコンディショナやＤＣ−ＤＣコンバータ、負荷等を用いてストリング内の日照モジュールがＭＰＰ付近で動作するよう調整しつつ、本発明の太陽電池調整システムを動作させれば、影モジュールの動作電圧もＭＰＰの電圧ＶMPに向かって調整されることになる。
【００１２】
上記インバータは、交流電圧の周波数を変更する手段を備えることが好ましい。後述の実施例で詳しく説明するとおり、上記インピーダンスはインバータから出力される交流電圧の周波数に依存するので、これを変更することができれば影モジュールの動作電圧も変更できることになる。これにより影モジュールの動作点をＭＰＰに更に近づけることが可能となる。交流電圧の周波数を変更する手段としては、スイッチが考えられるが、これに限らず任意の手段を用いてよい。
【００１３】
上記インバータを、（１）第１から第ｎの太陽電池モジュールそれぞれに印加された電圧の合計電圧の入力を受けて、スイッチの切り替え状態に応じた電圧を出力する、スイッチを備えた入力回路と、（２）入力回路から出力された電圧を交流電圧に変換し、多段倍電圧整流回路に対して交流電圧を出力する、容量性素子と誘導性素子とを備えた共振回路とを備えるよう構成することができる。交流電圧の周波数を変更する手段としてスイッチを用いる、本発明のシステムの一例である。このようなインバータを用いて本発明のシステムを構成すれば、入力回路でスイッチング周波数に応じた矩形波状の電圧を発生させ、これを共振回路で更に変換することにより正弦波状の交流電圧を出力する、等の態様でインバータから交流電圧を出力することが可能となる。
【００１４】
上記共振回路がトランスにより交流電圧を変圧した上で多段倍電圧整流回路に出力するよう、上記インバータを構成することができる。上述のインピーダンスによる影モジュールの電圧降下は当該影モジュールに流れ込む電流の大きさに依存すると考えられるため、トランスにより交流電圧を変圧してから多段倍電圧整流回路に出力することで当該電流の大きさを変更することができれば、影モジュールにおける電圧降下も変更できる。
【００１５】
（１）上記入力回路を、直列接続された第１及び第２のスイッチの各々にフライホイールダイオードを並列接続することにより構成し、第１及び第２のスイッチのうちオンとするスイッチを経時的に切り替えることによって、第１及び第２のスイッチの両端間に直流電圧が入力されたときに、第１及び第２のスイッチの中間点にある第１の端子と、第２のスイッチの両端のうち第１の端子とは異なる側にある、第２の端子と、の間に矩形波状の電圧を出力するよう構成し、（２）上記共振回路を、第１の端子と第３の端子との間で直列接続されたインダクタと共振回路内キャパシタとを備え、入力回路から矩形波状の電圧の入力を受けたときに、第３の端子と、第２の端子に接続された第４の端子と、の間に交流電圧を出力し、更に交流電圧をトランスにより変圧した上で多段倍電圧整流回路に出力するよう構成することができる。図８に示される、本発明の典型的な一態様に対応する構成である。
【００１６】
また本発明は、第１から第ｎ（ｎは２以上の整数）の太陽電池モジュールを直列接続してなる、太陽電池モジュール鎖と、第ｋ（ｋ＝１，２，…ｎ）の太陽電池モジュールに対して並列接続された第ｋのキャパシタとして与えられる、第１から第ｎのキャパシタと、２つの直列接続されたダイオードからなり、第ｋ（ｋ＝１，２，…ｎ）のキャパシタに対して並列接続された第ｋのダイオードペアとして与えられる、第１から第ｎのダイオードペアと、第１から第ｎのダイオードペア各々における２つの直列接続されたダイオードの中間点に接続された、第１から第ｎの中間キャパシタと、を備えた第１の多段倍電圧整流回路と、第ｋ（ｋ＝１，２，…ｎ）の前記太陽電池モジュールに対して並列接続された第ｎ＋ｋのキャパシタとして与えられる、第ｎ＋１から第２ｎのキャパシタと、２つの直列接続されたダイオードからなり、第ｎ＋ｋのキャパシタに対して並列接続された第ｎ＋ｋのダイオードペアとして与えられる、第ｎ＋１から第２ｎのダイオードペアと、第ｎ＋１から第２ｎのダイオードペア各々における２つの直列接続されたダイオードの中間点に接続された、第ｎ＋１から第２ｎの中間キャパシタと、を備えた第２の多段倍電圧整流回路と、第１から第ｎの太陽電池モジュールそれぞれに印加された電圧の合計電圧の入力を受けて、入力された合計電圧を交流電圧に変換し、交流電圧をトランスにより変圧した上で出力する、容量性素子と誘導性素子とを備えたインバータとを備え、トランスの二次巻線の一端が第１の多段倍電圧整流回路に接続され、二次巻線の他端が第２の多段倍電圧整流回路に接続された、太陽電池調整システムを提供する（本件第２発明）。
【００１７】
このような太陽電池調整システムによっても、ストリングを構成する太陽電池モジュールのうち影モジュールに補償電流を供給しつつ、影モジュールを日照モジュールよりも低い動作電圧で動作させることが可能である。さらに、本件第２発明の太陽電池調整システムの一例として、図２６に示されるとおり上記システムを構成すれば、後述の実施例において詳しく説明するとおり、太陽電池モジュールに流れるリプル電流を低減させることが可能となる。
【００１８】
本件第２発明においても、上記インバータは交流電圧の周波数を変更する手段を備えることが好ましい。周波数を変更することができれば、影モジュールの電圧降下を引き起こすインピーダンスの大きさを変更し、当該影モジュールの動作電圧も変更できる。交流電圧の周波数を変更する手段としては、スイッチが考えられるが、これに限らず任意の手段を用いてよい。
【００１９】
本件第２発明において、上記インバータを、（１）第１から第ｎの太陽電池モジュールそれぞれに印加された電圧の合計電圧の入力を受けて、スイッチの切り替え状態に応じた電圧を出力する、スイッチを備えた入力回路と、（２）入力回路から出力された電圧を交流電圧に変換し、交流電圧をトランスにより変圧した上で出力する、容量性素子と誘導性素子とを備えた共振回路とを備えるよう構成することができる。交流電圧の周波数を変更する手段としてスイッチを用いる、本件第２発明のシステムの一例である。
【００２０】
本件第２発明においても、（１）上記入力回路を、直列接続された第１及び第２のスイッチの各々にフライホイールダイオードを並列接続することにより構成し、第１及び第２のスイッチのうちオンとするスイッチを経時的に切り替えることによって、第１及び第２のスイッチの両端間に直流電圧が入力されたときに、第１及び第２のスイッチの中間点にある第１の端子と、第２のスイッチの両端のうち第１の端子とは異なる側にある、第２の端子と、の間に矩形波状の電圧を出力するよう構成し、（２）上記共振回路を、第１の端子と第３の端子との間で直列接続されたインダクタと共振回路内キャパシタとを備え、入力回路から矩形波状の電圧の入力を受けたときに、第３の端子と、第２の端子に接続された第４の端子と、の間に交流電圧を出力し、更に交流電圧をトランスにより変圧した上で出力するよう構成することができる。
【００２１】
また本発明は、本件第１発明及び第２発明の太陽電池調整システムのうち、交流電圧の周波数を変更する手段を備えたいずれかのシステムを用いて、太陽電池モジュール鎖の動作状態を制御する方法であって、太陽電池モジュール鎖の出力電力を計測する段階と、インバータにより出力される交流電圧の周波数を変更する段階と、周波数を変更した後に、太陽電池モジュール鎖の出力電力を計測する段階と、周波数を変更した後に計測された出力電力が、変更する前に計測された出力電力よりも高い場合に、変更が周波数の上昇であったならば周波数を再び上昇させ、変更が周波数の下降であったならば周波数を再び下降させる段階と、周波数を変更した後に計測された出力電力が、変更する前に計測された出力電力よりも低い場合に、変更が周波数の上昇であったならば周波数を下降させ、変更が周波数の下降であったならば周波数を上昇させる段階とを備え、太陽電池モジュール鎖の出力電力の計測と、インバータにより出力される交流電圧の周波数の変更と、を繰り返すことにより太陽電池モジュール鎖の動作状態を制御する方法を提供する（本件第３発明）。この方法により太陽電池モジュール鎖の動作状態を制御すれば、パワーコンディショナやＤＣ−ＤＣコンバータ、負荷等を用いてストリング内の日照モジュールがＭＰＰ付近で動作するよう調整しつつ、インバータが出力する交流電圧の周波数を調整することにより影モジュールがＭＰＰ付近で動作するよう調整することが可能となる。すなわち、日照モジュールと影モジュールとを、互いに異なるＭＰＰの電圧ＶMPに向かって調整することが可能となる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明の太陽電池調整システムを用いれば、部分影発生時に影モジュールの動作電圧を日照モジュールの電圧と比べて相対的に下げることができるため、部分影発生時の太陽電池の電気特性を加味し、等価出力抵抗Ｒoutを適切に設定することにより、部分影発生時においても日照モジュールと影モジュールの両方をＭＰＰ近傍で動作させることが可能となる。すなわち、本発明の太陽電池調整システムは部分影補償装置として機能する。また、部分影の発生状況に応じて部分影補償装置の周波数を制御し、等価出力抵抗Ｒoutを調整することでも同様の目的（部分影発生時においても各モジュールをＭＰＰ近傍で動作させる）を達成することが可能である。典型的な一態様において、部分影補償装置の主回路は、２つのスイッチを用いる二石式の構成であり、その他は受動部品のみで構成可能なため、各種従来の部分影補償装置と比較して回路構成を大幅に簡素化することが可能である。また、本部分影補償装置を構成する多段倍電圧整流回路を対称型構成とすることで、太陽電池モジュールに流れるリプル電流を低減することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】一般的な太陽電池の動作特性を表すグラフ。
【図２】部分影が発生している場合、していない場合のそれぞれにおける、ストリング全体に印加される電圧ＶString、ストリング全体を流れる電流ＩString、及びストリング全体の出力電力Ｐｏｗｅｒの関係を表すグラフ。
【図３ａ】昇降圧コンバータを用いた従来方式の部分影補償装置の回路図。
【図３ｂ】マルチステージ昇降圧コンバータを用いた従来方式の部分影補償装置の回路図。
【図４】スイッチトキャパシタコンバータを用いた従来の部分影補償装置の回路図。
【図５】日照モジュールと影モジュールの、それぞれの動作特性を表すグラフ。
【図６】本発明の太陽電池調整システムの概念図。
【図７】本発明の太陽電池調整システムとＤＣ−ＤＣコンバータとを併用した構成の回路図。
【図８】本発明の一実施形態である太陽電池調整システムの回路図。
【図９】図８の太陽電池調整システムを動作させたときの、各素子を流れる電流、及び各素子に印加される電圧の時間変化を表わす波形図。
【図１０ａ】太陽電池モジュールＰＶ１に影がかかっている状態で図８の太陽電池調整システムを動作させたとき、モード２の期間中において流れる電流の経路を示す図。
【図１０ｂ】太陽電池モジュールＰＶ１に影がかかっている状態で図８の太陽電池調整システムを動作させたとき、モード３の期間中において流れる電流の経路を示す図。
【図１０ｃ】太陽電池モジュールＰＶ１に影がかかっている状態で図８の太陽電池調整システムを動作させたとき、モード４の期間中において流れる電流の経路を示す図。
【図１０ｄ】太陽電池モジュールＰＶ１に影がかかっている状態で図８の太陽電池調整システムを動作させたとき、モード１の期間中において流れる電流の経路を示す図。
【図１１】太陽電池モジュールＰＶ１に影がかかっている状態での、図８の太陽電池調整システム内の各部における矩形波状電圧波形と、これらの一次高調波近似から得られる正弦波状波形を示す図。
【図１２】図８の太陽電池調整システムのうち、図１１に示された回路部分の交流等価回路図。
【図１３】日照量変動時における太陽電池モジュールの特性例を表すグラフ。
【図１４】太陽電池モジュールＰＶ１のみに影がかかっている状態を擬似的に表す、実験に用いた回路構成図。
【図１５】太陽電池アレイ・シミュレータを用いて行った、太陽電池調整システムの動作実験の結果を示すグラフ（スイッチング周波数を変化させたときの、影モジュールＰＶ１の出力特性）。
【図１６】太陽電池アレイ・シミュレータを用いて行った、太陽電池調整システムの動作実験の結果を示すグラフ（各モジュールの動作特性）。
【図１７】太陽電池アレイ・シミュレータを用いて行った、太陽電池モジュール鎖全体の動作実験の結果を示すグラフ（太陽電池調整システムを用いたとき、用いないときの動作特性の比較）。
【図１８】動作実験で、太陽電池調整システムを用いないときに各太陽電池モジュールに接続されたバイパスダイオードの接続態様を示す図。
【図１９】本発明の太陽電池調整システムを用いて太陽電池モジュール鎖の動作状態を制御するためのシステム構成例。
【図２０】本発明による、太陽電池モジュール鎖の動作状態制御方法の一例を示すフローチャート。
【図２１】本発明による、太陽電池モジュール鎖の動作状態制御方法の一例を示すフローチャート。
【図２２】スイッチング周波数を変動させた際（即ちＲoutを変動させた際）における影モジュールの動作点の変化の様子の一例を示す図。
【図２３ａ】太陽電池モジュールＰＶ３に影がかかっている状態で図８の太陽電池調整システムを動作させたとき、モード２の期間中において流れる電流の経路を示す図。
【図２３ｂ】太陽電池モジュールＰＶ３に影がかかっている状態で図８の太陽電池調整システムを動作させたとき、モード３の期間中において流れる電流の経路を示す図。
【図２３ｃ】太陽電池モジュールＰＶ３に影がかかっている状態で図８の太陽電池調整システムを動作させたとき、モード４の期間中において流れる電流の経路を示す図。
【図２３ｄ】太陽電池モジュールＰＶ３に影がかかっている状態で図８の太陽電池調整システムを動作させたとき、モード１の期間中において流れる電流の経路を示す図。
【図２４】太陽電池モジュールＰＶ３に影がかかっている状態での、図８の太陽電池調整システム内の各部における矩形波状電圧波形と、これらの一次高調波近似から得られる正弦波状波形を示す図。
【図２５】図８の太陽電池調整システムのうち、図２４に示された回路部分の交流等価回路図。
【図２６】本発明の一実施形態である太陽電池調整システムの回路図。
【図２７ａ】太陽電池モジュールＰＶ１に影がかかっている状態で図２６の太陽電池調整システムを動作させたとき、モード２の期間中において流れる電流の経路を示す図。
【図２７ｂ】太陽電池モジュールＰＶ１に影がかかっている状態で図２６の太陽電池調整システムを動作させたとき、モード３の期間中において流れる電流の経路を示す図。
【図２７ｃ】太陽電池モジュールＰＶ１に影がかかっている状態で図２６の太陽電池調整システムを動作させたとき、モード４の期間中において流れる電流の経路を示す図。
【図２７ｄ】太陽電池モジュールＰＶ１に影がかかっている状態で図２６の太陽電池調整システムを動作させたとき、モード１の期間中において流れる電流の経路を示す図。
【図２８】本発明の一実施形態である太陽電池調整システムの回路図。
【図２９ａ】太陽電池モジュールＰＶ１に影がかかっている状態で図２８の太陽電池調整システムを動作させたとき、モード２の期間中において流れる電流の経路を示す図。
【図２９ｂ】太陽電池モジュールＰＶ１に影がかかっている状態で図２８の太陽電池調整システムを動作させたとき、モード３の期間中において流れる電流の経路を示す図。
【図２９ｃ】太陽電池モジュールＰＶ１に影がかかっている状態で図２８の太陽電池調整システムを動作させたとき、モード４の期間中において流れる電流の経路を示す図。
【図２９ｄ】太陽電池モジュールＰＶ１に影がかかっている状態で図２８の太陽電池調整システムを動作させたとき、モード１の期間中において流れる電流の経路を示す図。
【図３０】本発明の一実施形態である太陽電池調整システムの回路図。
【図３１ａ】太陽電池モジュールＰＶ１に影がかかっている状態で図３０の太陽電池調整システムを動作させたとき、モード２の期間中において流れる電流の経路を示す図。
【図３１ｂ】太陽電池モジュールＰＶ１に影がかかっている状態で図３０の太陽電池調整システムを動作させたとき、モード３の期間中において流れる電流の経路を示す図。
【図３１ｃ】太陽電池モジュールＰＶ１に影がかかっている状態で図３０の太陽電池調整システムを動作させたとき、モード４の期間中において流れる電流の経路を示す図。
【図３１ｄ】太陽電池モジュールＰＶ１に影がかかっている状態で図３０の太陽電池調整システムを動作させたとき、モード１の期間中において流れる電流の経路を示す図。
【図３２】ハーフブリッジ型セルの回路図。
【図３３】フルブリッジ型セルの回路図。
【図３４】直列共振回路の回路図。
【図３５】並列共振回路の回路図。
【図３６】直並列共振回路の回路図。
【図３７】ＬＬＣ回路の回路図。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
これより図面を用いて、本発明に係る太陽電池調整システム、及び太陽電池モジュール鎖の動作状態制御方法を説明する。但し、本発明に係る太陽電池調整システム、及び太陽電池モジュール鎖の動作状態制御方法の構成は、各図面にて示される特定の具体的構成へと限定されるわけではなく、本発明の範囲内で適宜変更可能である。例えば、以下において各キャパシタは主に単独の蓄電素子であるとして説明するが、これらは充放電可能な任意の素子、複数の素子からなるモジュール、あるいはそれらモジュールを用いて構成される任意の装置であってもよい。各蓄電素子の容量も、それぞれ異なっていてよい。また以下の実施例では４つの太陽電池モジュールにより太陽電池モジュール鎖（ストリング）が構成されるが、４に限らず任意の直列数で太陽電池モジュール鎖を構成できる。各スイッチについても、以下においてはＭＯＳＦＥＴなどの半導体スイッチであるとして説明するが、任意の電子スイッチ、あるいは機械式スイッチを用いることも可能である。
【００２５】
太陽電池調整システムの概念
４直列の太陽電池モジュールＰＶ１〜ＰＶ４を用いて構成される、本発明による太陽電池調整システムの概念図を図６に示す。図６中、ＶPV1〜ＶPV4，ＩPV1〜ＩPV4は、それぞれ太陽電池モジュールＰＶ１〜ＰＶ４に印加される電圧、及びそれらから出力される電流を表し、Ｉeq1〜Ｉeq4は、それぞれ太陽電池モジュールＰＶ１〜ＰＶ４に対してＰＶ疑似均等化器から供給される電流を表す。Ｉstringは、太陽電池モジュールＰＶ１〜ＰＶ４から構成される太陽電池モジュール鎖全体に流れる電流を表し、この電流が、太陽電池モジュール鎖に対して接続される負荷（不図示）へと出力される負荷電流ＩLoadと、ＰＶ擬似均等化器への入力電流Ｉeq-inとに寄与する。ＶStringは太陽電池モジュール鎖の両端に印加される電圧である。
【００２６】
ＰＶ擬似均等化器にはＶPV1〜ＶPV4の合計電圧であるＶStringが入力電圧として印加され、また太陽電池モジュールＰＶ１〜ＰＶ４からの入力電流Ｉeq-inが供給される。各太陽電池モジュールは直列に接続されているため、全ての太陽電池モジュールＰＶ１〜ＰＶ４が同一の大きさの電流ＩStringを流そうと動作する。しかし、図５で示したように、影モジュールの供給可能な電流は日照モジュールのそれと比較して小さいため、多くの場合において影モジュールはＩStringの電流を供給できなくなってしまう。
【００２７】
太陽電池調整システムの利用態様の例としては、図７に示すとおり、ＤＣ−ＤＣコンバータを介して太陽電池モジュール鎖に負荷を接続する構成が挙げられる。図７に示すＤＣ−ＤＣコンバータは昇圧形コンバータであり、スイッチＱDC-DCの時比率（スイッチング周期全体に対するオン期間の割合）をＤとすれば、太陽電池モジュール鎖の出力電圧ＶStringと負荷電圧ＶLoadの間には、
【数１】
2015056003.tif 000003
（１）
の関係が成り立つ。例えば定電圧負荷を用いる場合ＶLoadは一定となるため、検出回路によって太陽電池モジュール鎖、あるいは各太陽電池モジュールの発生する電力を検出しつつ、ＤＣ−ＤＣコンバータ制御回路によって時比率Ｄを制御することにより、最大電力が得られるよう各太陽電池モジュールの電圧を制御することができる。日照モジュールから最大電力を得るためには図５の破線Ｂで示される電圧を印加するべきであるが、このとき日照モジュールに流れる電流は影モジュールが流しうる最大電流を超えている。したがって、日照モジュールの最大電力に対応する電流は影モジュールを流れることができず、一切の電流補償手段がないならば影モジュールから最大電力を得ることは不可能となる。
【００２８】
本発明の太陽電池調整システムは、ＰＶ擬似均等化器を用いることにより、影モジュールも擬似的にＩStringの電流を供給可能となるよう影モジュールに対して補償電流Ｉeqを供給する。例えば太陽電池モジュールＰＶ１に影がかかっており、日照モジュールＰＶ２〜ＰＶ４が流そうとする電流を供給することができない場合、影モジュールＰＶ１にはＰＶ擬似均等化器から補償電流Ｉeq1が供給される。したがって、影モジュールＰＶ１からは自己が供給する電流ＩPV1と補償電流Ｉeq1とが流れるため、
【数２】
2015056003.tif 000004
（２）
で表される電流ＩStringを、太陽電池モジュール鎖が流しうることとなる。
【実施例１】
【００２９】
太陽電池調整システムの構成
４直列の太陽電池モジュールＰＶ１〜ＰＶ４に対する本発明の太陽電池調整システムの第１の実施形態を図８に示す。図８の回路構成は、図６，図７のＰＶ擬似均等化器が直列共振形インバータと多段倍電圧整流回路により構成される例である。
【００３０】
直列共振形インバータ
直列共振形インバータは、直列接続されたスイッチＱａ，Ｑｂの各々にフライホイールダイオードＤａ，Ｄｂを並列接続することにより構成されるハーフブリッジ型セルに、キャパシタＣｒとインダクタＬｒとを直列接続し、更に多段倍電圧整流回路との間にトランスを設けることにより構成される。ここで、図８中、ｉSa，ｉSbはスイッチＱａ，Ｑｂにそれぞれ流れる電流を表し、ＶDSa，ＶDSbはスイッチＱａ，Ｑｂそれぞれに印加される電圧を表し、ｉLrはインダクタＬｒに流れる電流を表し、ＶTP，ＶTSは、それぞれトランスの一次電圧、二次電圧を表す。なお、図８中、直列共振形インバータ内の１〜４の数字は、便宜上付けられた端子番号に対応する。
【００３１】
多段倍電圧整流回路
多段倍電圧整流回路は、直列接続されたキャパシタＣｏｕｔ１〜Ｃｏｕｔ４と、各々のキャパシタに対して２つの直列接続されたダイオードを並列に接続してなる、ダイオードＤ１〜Ｄ８と、２つの直列接続されたダイオードの各々における中間点にキャパシタを接続してなる、中間キャパシタＣ１〜Ｃ４とから構成される。ここで、図８中、ｉC1〜ｉC4は、中間キャパシタＣ１〜Ｃ４にそれぞれ流れる電流を表す。なお、キャパシタの直列接続数は、４に限らず２以上の任意の数であってよい。
【００３２】
太陽電池調整システムの動作
直列共振形インバータは直列接続された太陽電池モジュールＰＶ１〜ＰＶ４により駆動され、多段倍電圧整流回路に対してトランス二次巻線の部位において正弦波状の交流電流を供給する。一方、多段倍電圧整流回路はその正弦波状の交流電流により駆動され、動作時においては直列接続された太陽電池モジュールの中で電圧の最も低いモジュールに対して優先的に電力を分配するよう動作する。図７に示すとおり負荷を接続する等して、直列接続された太陽電池モジュールを使用する場合、一般的に影モジュールの電圧はその他の日照モジュールの電圧よりも低くなる。したがって、本部分影補償装置を用いることで全モジュール（影モジュールも含む）から影モジュールへと電力を分配し、影モジュールにおける電力不足分を補償することができる。以下、詳細な動作原理について説明を行う。
【００３３】
太陽電池調整システムの動作
図７に示すとおり、ＤＣ−ＤＣコンバータを介して負荷を接続する等して、太陽電池モジュール鎖全体に電圧が印加されており、太陽電池モジュールＰＶ１にのみ影がかかっているとする。従来の一般的な共振形インバータと同様に、キャパシタＣｒとインダクタＬｒからなる直列回路の共振周波数よりも高いスイッチング周波数で、スイッチＱａのみがオンの状態とスイッチＱｂのみがオンの状態とを、両スイッチについて５０％以下の時比率で交互に切り替える。このようにして本発明の太陽電池調整システムを動作させたときに各素子を流れる電流、及び各素子に印加される電圧の波形を図９に示し、動作中に実現される４つのモード期間中にシステム内を流れる電流の経路を図１０ａ〜図１０ｂに示す（キャパシタＣｏｕｔ１〜Ｃｏｕｔ４は平滑キャパシタとして機能するため、これらに流れる電流は無視する）。なお、図９のグラフ中、ＶGSa，ＶGSbは、スイッチＱａ，Ｑｂのゲート電圧をそれぞれ表し、ｉD1，ｉD2はダイオードＤ１，Ｄ２に流れる電流をそれぞれ表す。
【００３４】
便宜上、まずモード２の動作を説明する（図１０ａ）。モード２の期間中においては、図９中、ＶGSのグラフが示すとおり、スイッチＱａがオンとされ、スイッチＱｂがオフとされており、キャパシタＣｒ及びインダクタＬｒを含む共振回路に対して、正電圧（図８中、ＶDSbを示す矢印の向きに上昇する電圧。図９中、ＶDSbのグラフ参照。）が出力される。これによりキャパシタＣｒ及びインダクタＬｒに正の電流（図８中、ｉLrを示す矢印の向きに流れる電流。太陽電池モジュールＰＶ１〜ＰＶ４から、オン状態のスイッチＱａを通ってキャパシタＣｒ及びインダクタＬｒへと流れ込む。）が流れる。キャパシタＣｒとインダクタＬｒの共振現象により、ｉLrは正弦波状に変化する（図９中、ｉLrのグラフ参照。）。トランスの一次巻線には交流電圧が印加され、これが変圧されて二次電圧として多段倍電圧整流回路に出力される（図９中、ＶTSのグラフ参照。）。二次電圧による補償電流は影モジュールＰＶ１に（及び、本実施例においては経路上にある日照モジュールＰＶ２に）優先的に流れ込む。
【００３５】
スイッチＱａをオフとすることにより、モード２においてスイッチＱａを流れていた電流がフライホイールダイオードＤｂへと転流し、動作はモード３へと移行する（図１０ｂ）。このとき、共振回路に入力される電圧ＶDSbはゼロとなるが（図９中、ＶDSbのグラフ参照。）、共振現象により、インダクタＬｒを流れる電流ｉLrは引き続き正弦波状に変化する（図９中、ｉLrのグラフ参照。）。共振周波数よりも高い周波数でスイッチングを行っているため、モード３への移行時において、インダクタＬｒを流れる電流ｉLrは依然として正である。インダクタＬｒが誘導性素子であるため、電流ｉLrはモード３への移行時において連続である一方、モード２においてｉLrと等しかった電流ｉSaは、モード３への移行と同時にゼロとなる（図９中、ｉSaのグラフ参照。）。これに対応して、モード２においてゼロであった電流ｉSbが、モード３への移行と同時にｉLrと等しい大きさを有することとなる（図８に示すとおり電流ｉSbの極性を定義しているため、電流ｉSbと電流ｉLrの正負は逆となる。図９中、電流ｉSb，ｉLrのグラフ参照。）。多段倍電圧整流回路から太陽電池モジュール鎖へと流れる電流の経路は、モード２の期間中における経路と同様である。
【００３６】
モード３の期間中に、スイッチＱｂがオンとされる。インダクタＬｒの電流ｉLrが負に切り替わるタイミングで、動作はモード４へと移行する（図１０ｃ）。
【００３７】
モード４の期間中においては、モード３の期間中と同様に、共振回路に入力される電圧ＶDsbはゼロであるが（図９中、ＶDSbのグラフ参照。）、共振現象により、インダクタＬｒを流れる電流ｉLrは引き続き正弦波状に変化する（図９中、ｉLrのグラフ参照。）。モード４においてはｉLrの極性がモード２，３と逆であり、多段倍電圧整流回路に対して入力される交流電圧の極性も逆となる（図９中、ＶTSのグラフ参照。）。これに伴い、多段倍電圧整流回路及び太陽電池モジュール鎖を流れる電流の経路も、図１０ｃに示すとおり変化する。中間キャパシタＣ１がダイオードＤ２を介して放電しており、この放電電流は、モード２，３とは逆向きに日照モジュールＰＶ２を流れる。
【００３８】
スイッチＱｂをオフとすることにより、モード４においてスイッチＱｂを流れていた電流がフライホイールダイオードＤａへと転流し、動作はモード１へと移行する（図１０ｄ）。このとき、インダクタＬｒを含む共振回路に対して、ほぼ一定の正電圧ｖDSbが出力される（図９中、ｖDSbのグラフ参照。）。共振周波数よりも高い周波数でスイッチングを行っているため、モード１への移行時においてインダクタＬｒを流れる電流ｉLrは負であるが、上記正電圧ｖDSb、及び共振現象により経時的に上昇する。インダクタＬｒが誘導性素子であるため、電流ｉLrはモード１への移行時において連続である一方、モード４においてｉLrと大きさが等しかった電流ｉSbは、モード１への移行と同時にゼロとなる（図９中、ｉSbのグラフ参照。）。これに対応して、モード４においてゼロであった電流ｉSaが、モード１への移行と同時にｉLrと等しくなる（図９中、電流ｉSa，ｉLrのグラフ参照。）。多段倍電圧整流回路から太陽電池モジュール鎖へと流れる電流の経路は、モード４の期間中における経路と同様である。
【００３９】
モード１の期間中に、スイッチＱａがオンとされる。インダクタＬｒの電流ｉLrが正に切り替わるタイミングで、動作はモード２へと移行する。以降、同様に各モードが経時的に実現される。
【００４０】
図１０ａ〜図１０ｄに示したように、太陽電池モジュールＰＶ１に影がかかった状態で、多段倍電圧整流回路内において電流が流れる素子は中間キャパシタＣ１、ダイオードＤ１，Ｄ２であり、これらは太陽電池モジュールＰＶ１と対になる素子である。影モジュールと対になる素子のみに電流が流れる点は、他の太陽電池モジュールに影がかかった場合も基本的に同様である。図１０ａ〜図１０ｄから明らかなように、影モジュールに対応する素子が導通することで影モジュールに対して補償電流が供給される。
【００４１】
一方、図１０ａ〜図１０ｄに示す電流経路によれば、多段倍電圧整流回路からは日照モジュールＰＶ２に対しても電流が流れていることが分かる（後述のとおり、例えば太陽電池モジュールＰＶ３が影モジュールとなる場合、このような電流は生じない。）。ただし、多段倍電圧整流回路から日照モジュールＰＶ２へと供給される電流は、モード１〜４全体について平均をとればゼロである（図９中、ｉC1のグラフ参照。）。すなわち日照モジュールＰＶ２に対して正味の補償電流は流れない。しかし、この電流は日照モジュールＰＶ２に対してリプル電流として重畳するため、日照モジュールＰＶ２の動作電圧がリプル電流により変動し不安定化する恐れがある。リプル電流を低減しうる回路構成については、後述の実施例２にて説明を行う。
【００４２】
太陽電池調整システムの動作の、理論的考察
直列共振形インバータと多段倍電圧整流回路を組み合わせたシステムは、本発明者による、先の出願（特願２０１２−０４６５６９）に係る発明でも用いられていた（非特許文献５も参照。）。先の出願においては、多段倍電圧整流回路に接続された蓄電セル鎖のセル電圧にばらつきがある場合に、当該蓄電セル鎖の合計セル電圧を直列共振形インバータに入力し、インバータが発生した交流電圧を、多段倍電圧整流回路を介して当該蓄電セル鎖に入力することによって、電圧の低い蓄電セルを充電してセル電圧を均等化していた。
【００４３】
これに対し、本発明においては、多段倍電圧整流回路に太陽電池モジュール鎖が接続される。部分影の存在により太陽電池モジュール電圧間にばらつきがある場合であっても、当該太陽電池モジュール電圧の合計電圧をインバータに入力し、インバータが発生した交流電圧を、多段倍電圧整流回路を介して当該太陽電池モジュール鎖に入力することによって、電圧の低い影モジュールに優先的に補償電流を流す。影モジュールから自己の出力電流と補償電流が放出されることにより、太陽電池モジュール鎖全体としての高い出力電流を維持することができる。
【００４４】
すなわち、影モジュールに供給される補償電流は太陽電池モジュール鎖の出力電流として放出されるため、この補償電流により影モジュールが「充電されて」太陽電池モジュールの電圧が均等化されることにはならない。これにより、電圧の低い影モジュールには優先的に補償電流が流れ続ける。このとき、インバータ及び多段倍電圧整流回路内に存在するキャパシタやインダクタ、及び抵抗に起因して、補償電流の経路上にインピーダンスが発生することにより、影モジュールに電圧降下が生じる。以上のメカニズムによって影モジュールは電圧を日照モジュールの電圧と比べて相対的に低い状態に維持される。また、インピーダンスの値を制御することにより、上記電圧降下の大きさを調整して影モジュールをＭＰＰ近傍に導くことも可能となる。以下、この点について詳しく説明する。
【００４５】
図１１に、上記動作に関連する各部の電圧波形と、一次高調波近似により得られる、それらの正弦波状近似波形を示す。ただし、図１１中のＰＶ−ｍ，ＰＶ−ｎは、本実施例における影モジュールＰＶ１と日照モジュールＰＶ２に相当する。またＲr，ｒm，ｒnは、それぞれの電流経路に生じる抵抗成分を表す。なお、図１１ではキャパシタＣｏｕｔ１，Ｃｏｕｔ２を省いた。
【００４６】
キャパシタＣｒとインダクタＬｒよりなる直列共振回路に対する入力電圧ＶDSbは振幅Ｖin＝ＶPV1＋ＶPV2＋ＶPV3＋ＶPV4の矩形波状電圧であるため、一次高調波近似により正弦波状電圧に近似することができる。ここでは、入力電圧ＶDSbを、
【数３】
2015056003.tif 000005
（３）
で表される振幅Ｖm-inの正弦波状電圧で近似する。
【００４７】
また、図８中、ダイオードＤ１，Ｄ２の中間点、及びダイオードＤ３，Ｄ４の中間点のグラウンドに対する電位ＶA及びＶB（図１１参照）は、偶数番号のダイオードが導通するときにはそれぞれＶPV-m＋ＶD，ＶPV-n＋ＶPV-m＋ＶDであり（太陽電池モジュールＰＶ−ｍ，ＰＶ−ｎの電圧をそれぞれＶPV-m，ＶPV-nとし、ダイオードの順方向電圧降下をＶDとした。）、奇数番号のダイオードが導通するときにはそれぞれ−ＶD，ＶPV-m−ＶDである。すなわち電位ＶA及びＶBは、上記動作においては、それぞれ振幅がＶPV-m＋２ＶDとＶPV-n＋２ＶDの矩形波状電圧である。入力電圧ＶDSbと同様に、これらの電圧も一次高調波近似により正弦波状電圧で近似する。ここでは、上記電位ＶA及びＶBを、それぞれ振幅が
【数４】
2015056003.tif 000006
（４）
【数５】
2015056003.tif 000007
（５）
で表される正弦波状電圧で近似する。
【００４８】
上記のとおり一次高調波近似により得られる振幅Ｖm-in，Ｖm-A，Ｖm-Bの正弦波状電圧を発生させる、仮想的な交流電源を用いて、本発明の太陽電池調整システムを図１２の等価回路で置き換えることができる。図１２中のＶm-in，Ｖm-A，Ｖm-Bは、それぞれの交流電源が発生させる交流電圧の振幅に対応する。また、図１２中のＺr，Ｚm，Ｚnは、それぞれ図１１中の抵抗Ｒr、キャパシタＣr、及びインダクタＬrによるインピーダンス、抵抗ｒm及びキャパシタＣmによるインピーダンス、抵抗ｒn及びキャパシタＣnによるインピーダンスであり、それぞれ次式で表される。
【数６】
2015056003.tif 000008
（６）
【数７】
2015056003.tif 000009
（７）
【数８】
2015056003.tif 000010
（８）
ただしｊは虚数単位を表し、Ｒr，ｒm，ｒnはそれぞれ同符号で表される抵抗の大きさを表し、Ｃr，Ｃm，Ｃnはそれぞれ同符号で表されるキャパシタの容量を表し、Ｌrは同符号で表されるインダクタのインダクタンスを表し、ωはスイッチＱａ，Ｑｂのスイッチングの角周波数を表す。
【００４９】
太陽電池調整システムが動作する（図１０ａ〜図１０ｄに示す電流が０Ａ以上で流れる）ためには、図１２に示される各部のインピーダンスがゼロの場合を想定し、次式を満足する必要がある。
【数９】
2015056003.tif 000011
（９）
【数１０】
2015056003.tif 000012
（１０）
ただしＮはトランスの巻き数比である（一次巻線の巻き数：二次巻線の巻き数＝Ｎ：１）。
【００５０】
上記（３）〜（５）式と（９），（１０）式より、
【数１１】
2015056003.tif 000013
（１１）
【数１２】
2015056003.tif 000014
（１２）
が得られる。
【００５１】
（３）〜（５）式が示すとおり、Ｖm-in，Ｖm-A，Ｖm-Bはそれぞれ入力電圧Ｖin、影モジュールＰＶ−ｍの電圧ＶPV-m、日照モジュールＰＶ−ｎの電圧ＶPV-nを反映していることから、図１２の等価回路においては、入力電圧Ｖinによって供給された電力が、抵抗Ｒr、キャパシタＣr、インダクタＬrからなる直列回路（図１２中Ｚrで表される。）を介してトランスに伝達され、更にトランス二次側（多段倍電圧整流回路側）で、キャパシタＣmと抵抗ｒmからなる直列回路（図１２中Ｚmで表される。）と、キャパシタＣnと抵抗ｒnからなる直列回路（図１２中Ｚnで表される。）をそれぞれ介して、影モジュールＰＶ−ｍと日照モジュールＰＶ−ｎへとそれぞれ電力が分配されると理解できる。
【００５２】
ここにおいて、振幅Ｖm-Aの仮想交流電源と振幅Ｖm-Bの仮想交流電源は、それぞれＺmとＺnで表される直列回路を介して、トランス二次巻線に対し共通に接続されている。したがって、仮に振幅Ｖm-A，Ｖm-Bが同じ大きさであり、それらに対応する仮想交流電源の位相が等しく、且つ、インピーダンスＺm，Ｚnが等しければ、振幅Ｖm-Aの仮想交流電源と振幅Ｖm-Bの仮想交流電源には等しい電流が流れることが分かる。また、振幅Ｖm-A，Ｖm-Bは（４），（５）で示したように各太陽電池モジュールの電圧ＶPV-m，ＶPV-nを反映しているため、太陽電池モジュール間に電圧差が発生している場合には電圧の低い太陽電池モジュールに対して優先的に電流が流れることが分かる。本実施例においては太陽電池モジュールＰＶ−ｍが影モジュールであり、一般的に、直列接続した太陽電池モジュール鎖においては影モジュールの動作電圧がその他の日照モジュールの動作電圧よりも低くなる。したがって、本太陽電池調整システムを用いることにより、直列接続した全太陽電池モジュールから影モジュール（すなわち、直列接続された太陽電池モジュールのうち電圧の低い太陽電池モジュール）に対して電力を再分配することにより、影モジュールにおける電力不足分を補償することが可能となる。
【００５３】
また、式（６）〜（８）に示したように、各部のインピーダンスはスイッチＱａ，Ｑｂのスイッチング周波数に依存する。本発明の太陽電池調整システムを固定周波数にて動作させた場合、影モジュールＰＶ−ｍに流れ込む補償電流Ｉeqmの増加に伴い、インピーダンスＺmに起因して電圧降下が起こり、影モジュールＰＶ−ｍの電圧ＶPV-mは低下すると考えられる。言い換えれば、本発明の太陽電池調整システムによって影モジュールに補償電流を供給するとき、回路内には影モジュールの電圧降下を引き起こす抵抗（以下、「等価出力抵抗Ｒout」と呼ぶ。）が発生するとみなせる。等価出力抵抗Ｒoutを利用すれば、影モジュールの電圧を日照モジュールと比べて相対的に低下させることができ、すなわち日照モジュールの電圧を相対的に高く保ちつつ、部分影が発生したときのＭＰＰ近傍へと影モジュールの動作状態を導くことができる。
【００５４】
一般的に、太陽電池モジュールのＶMPは日射量に大きく依存し、典型的には図１３に示すように、日照量に応じて動作特性が変化する。日射量の比較的高い領域においては、ＶMPの軌跡は図１３中の破線が示すとおり直線で近似できる。この直線の傾きを次のように定義する。
【数１３】
2015056003.tif 000015
（１３）
ただし、ＶMP，ＩMPは、日照モジュールにおけるＭＰＰでの電圧と電流であり、ＶMP-shaded，ＩMP-shadedは、上記日照量よりも小さい、ある日照量におけるＭＰＰでの電圧と電流である。
【００５５】
図６を用いて説明したように、本発明の太陽電池調整システムを用いた際には、疑似的に全てのモジュールが同一の電流ＩStringを出力可能となるよう、影モジュールに補償電流Ｉeqが供給される。すなわち、日照モジュールと影モジュールがそれぞれＶMPとＶMP-shadedの電圧で動作しておりＩMPとＩMP-shadedの電流を発生する場合、補償電流Ｉeqは（１３）式のΔＩMPに相当することになる。
【００５６】
例として、本実施例のように４直列の太陽電池モジュールのうち１つの太陽電池モジュールに影がかかった場合を考える。このとき影モジュールには補償電流Ｉeqが供給されるが、Ｉeqの増加に伴う出力電圧低下分をＩeq×Ｒoutの形式で表せると仮定すると、上記（１１），（１２）式から次式が得られる。
【数１４】
2015056003.tif 000016
（１４）
【００５７】
上記（１４）式は、補償電流が全く流れていない時点（Ｉeq＝０）や、補償電流が小さく補償が不十分な時点でも成り立つ式である。十分な補償電流が流れている状態では、電圧のつり合いにより以下の（１５）式が成り立つ。
【数１５】
2015056003.tif 000017
（１５）
【００５８】
上記（１５）式中でＩeq＝ΔＩMPとすると、（１３）式を用いて、
【数１６】
2015056003.tif 000018
（１６）
が得られる。太陽電池調整システムの等価出力抵抗Ｒoutが（１６）式を満たす場合、日照モジュールのみならず、影モジュールもその時の最大電力点電圧近傍で動作させることが可能になる。
【００５９】
太陽電池調整システムの動作に関する実験
図８の回路構成を備えた本発明の太陽電池調整システムについて、以下のとおり実験を行った。
【００６０】
（等価出力抵抗Ｒoutの測定）
まず、図８の回路構成を備えた太陽電池調整システムを構築した。なお、中間キャパシタＣ１〜Ｃ４の容量は３３μＦであり、平滑キャパシタＣｏｕｔ１〜Ｃｏｕｔ４の容量は６６μＦであり、ダイオードＤ１〜Ｄ８は順方向電圧降下ＶD＝０．４３Ｖのショットキーダイオードであり、キャパシタＣｒの容量は２２０ｎＦであり、インダクタＬｒのインダクタンスは１８．６μＨであり、トランスの一次巻線の巻き数は２３、二次巻線の巻き数は６であった（巻き数比Ｎ＝２３／６）。
【００６１】
次に、太陽電池モジュールＰＶ１〜ＰＶ４を取り除き、直列共振形インバータの入力部（スイッチ群Ｑａ，Ｑｂの両端）に外部直流電源を接続し、更にキャパシタＣｏｕｔ１に対してのみ可変抵抗器Ｒｏｕｔ１を接続することで、太陽電池モジュールＰＶ１のみに影がかかっている状態を擬似的に構成した（図１４）。
【００６２】
スイッチＱａのみがオンの状態とスイッチＱｂのみがオンの状態とを固定周波数で交互に切り替えて、図１４のシステムを動作させた。可変抵抗器の抵抗値を変化させつつシステムを動作させ、可変抵抗器を流れる電流を補償電流として電流値を測定し、併せてキャパシタＣｏｕｔ１の電圧（ＶPV1を擬似的に表す。）を測定し、それらの相関を直線で近似した。当該電流値の変化と当該電圧値の変化の比（近似曲線の傾き）として特定周波数に対する等価出力抵抗Ｒoutを算出した。
【００６３】
さまざまな固定周波数（８５ｋＨｚ，９３．５ｋＨｚ，１０２ｋＨｚ，１１０．５ｋＨｚ）について、上記方法により等価出力抵抗Ｒoutを算出するとともに、擬似的なＶPV1に応じて変化する出力電力（可変抵抗器Ｒｏｕｔ１に対する電力）と電力変換効率（外部直流電源から入力される電力と可変抵抗器Ｒｏｕｔ１で消費される電力の比）を測定した。測定結果を図１５のグラフに表す。いずれのスイッチング周波数においても出力電流−出力電圧の関係は概ね直線で近似可能であり、近似直線から図１５中に書き込まれているとおり等価出力抵抗Ｒoutを算出した。上述のとおり、太陽電池調整システム内の各部のインピーダンスには周波数依存性があるため、等価出力抵抗Ｒoutも周波数とともに変化した。
【００６４】
（太陽電池モジュール、及び太陽電池モジュール鎖の動作特性の測定）
次に、太陽電池モジュールＰＶ１〜ＰＶ４として太陽電池アレイ・シミュレータ（Ａｇｉｌｅｎｔ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ社製、Ｅ４３５０Ｂ）を図８と同じ回路構成のシステムに接続し、部分影が発生している状態を擬似的に実現した。具体的には、４つの（擬似）太陽電池モジュールＰＶ１〜ＰＶ４により構成される太陽電池モジュール鎖の中で太陽電池モジュールＰＶ１にのみ影がかかった場合を想定し、太陽電池モジュールＰＶ２〜ＰＶ４のＶMPとＩMPはそれぞれ１２Ｖ，４．０Ａにシミュレータで設定し、太陽電池モジュールＰＶ１のＶMP-shadedとＩMP-shadedはそれぞれ９．０Ｖ，２．０Ａと設定した。このような条件の下、スイッチＱａ，Ｑｂのスイッチング周波数を８５ｋＨｚとして（Ｒout＝５９５ｍΩ）、太陽電池モジュール鎖に印加する電圧を変えつつ太陽電池調整システムを動作させた。
【００６５】
図１６に、この実験で得られた日照モジュールＰＶ２〜ＰＶ４と影モジュールＰＶ１それぞれの動作特性曲線を示す。ＰＶ１（ｗ／  Ｅｑ）は、補償電流を電流値に含めた、影モジュールＰＶ１の擬似的な動作特性を表し、ＰＶ１（ｗ／ｏ  Ｅｑ）は影モジュールＰＶ１の真の動作特性を表す。ＩString＝４．０Ａで太陽電池モジュール鎖を動作させたとき、太陽電池モジュールＰＶ２〜ＰＶ４の動作点は図１６中のＡ点となる。一方、太陽電池調整システムは影モジュールＰＶ１の発生電流と補償電流Ｉeq1の合計が４．０Ａとなるよう動作する。よって、太陽電池調整システムにより補償された影モジュールＰＶ１の擬似的動作点はＩString＝４．０Ａの直線上に存在することになる。（１６）式より、影モジュールＰＶ１の擬似的動作点（補償電流と影モジュールＰＶ１の出力電流との合計電流で電流を規定し、影モジュールＰＶ１の電圧で電圧を規定した時の動作点）ならびに実動作点は図１６中のＢ点ならびにＣ点となる。図１６中の斜め破線はＩString＝４．０Ａ時におけるＲout＝５９５ｍΩの特性を表したものであり、影モジュールＰＶ１の動作点がこの直線上に存在することを意味している。
【００６６】
図１７は、上記太陽電池アレイ・シミュレータを負荷に接続して測定した、太陽電池調整システムを用いた場合と用いない場合における、太陽電池モジュール鎖全体としての特性の測定結果である。太陽電池調整システムを用いない場合（図１８に示すとおりバイパスダイオードを用いた場合）は、部分影の影響により２つの最大電力点（ＶString＝３５Ｖと５０Ｖ近傍）が存在したのに対して、太陽電池調整システムを用いた場合は１つの最大電力点（ＶString＝４５Ｖ近傍）のみであった。得られる最大電力も太陽電池調整システムを用いた場合は１５８Ｗ程度であり、用いない場合の１４０Ｗ程度と比べて向上している。
【００６７】
これらの実験により、日照モジュールのＶMPと影モジュールのＶMP-shadedが大きく異なる条件の下でも、太陽電池調整システムの等価出力抵抗Ｒoutを活用することでいずれのモジュールも最大電力点近傍で動作可能であることが示された。
【００６８】
太陽電池モジュール鎖の動作状態制御方法
以上では、固定のスイッチング周波数における等価出力抵抗Ｒoutを利用して影モジュールに補償電流を供給し、且つインピーダンスの効果により影モジュールの電圧を日照モジュールの電圧と比べて相対的に降下させるという動作について説明を行った。しかしながら、太陽電池の特性は日射量のみならず温度にも大きく影響を受け、更に長期の使用においては特性が劣化する。これらの特性変化・劣化に伴い、図１３で示したＲPVの値も変化する。（１６）式で示したように、本発明の太陽電池調整システムにおいて影モジュールの電力を最大限に活用するためにはＲPVの値を考慮してＲoutを適切に設定する必要がある。しかし、固定のスイッチング周波数ではＲoutを動的に調整できないため、特性変化・劣化に伴うＲPVの変化に対応することができない。
【００６９】
この問題には、太陽電池モジュールの特性変化・劣化に伴うＲPVの変動に応じて直列共振インバータのスイッチング周波数を変化させ、等価出力抵抗Ｒoutを随時調節することで対処できる。スイッチング周波数を変化させることにより等価出力抵抗Ｒoutを調節しつつ太陽電池調整システムを動作させるためのシステム構成、及びフローチャートを図１９，図２０に示す。
【００７０】
図１９に示すとおり、太陽電池調整システムには、太陽電池モジュールＰＶ１〜ＰＶ４の合計電力（太陽電池モジュール鎖の電力）を測定するための出力電力検出回路が接続される。出力電力検出回路で検出された合計電力は出力電力比較回路に送信され、少なくとも所定期間は当該比較回路に記憶される。出力電力比較回路は、記憶された出力電力のうち、異なる測定タイミングで測定された２つの出力電力値の比較を行うよう構成されている。比較結果（先に測定された出力電力と後に測定された出力電力のどちらが大きいか）を示す信号は、スイッチ制御回路に送信される。
【００７１】
スイッチ制御回路は、スイッチＱａ，Ｑｂのいずれか一方のみがオンとなった状態と他方のみがオンとなった状態とを（任意で両スイッチがオフのデッドタイムを設けつつ）特定の周波数で切り替えるよう、スイッチＱａ，Ｑｂを制御する回路であり、特に周波数を上昇及び下降させる機能を有している。上昇幅、下降幅は、あらかじめ固定値としてスイッチ制御回路に入力されていてもよいし、任意のタイミングで外部回路（不図示）から入力可能であってもよい。さらにスイッチ制御回路は、少なくとも所定期間は、最後に行った周波数の変更が上昇であったか下降であったかを記憶する。スイッチ制御回路は、出力電力比較回路から比較結果を受信し、先に測定された出力電力よりも後に測定された出力電力の方が大きかった場合には、次回の周波数変更を前回の周波数変更と同様の変更とし、後に測定された出力電力よりも先に測定された出力電力の方が大きかった場合には、次回の周波数変更を前回の周波数変更と逆の変更とするよう構成される（両出力電力が同じであった場合は、次回の周波数変更を前回と同じにしても、逆にしてもよい。どちらにするかは、あらかじめ設定により決められているとする。）。
【００７２】
次に、図１９のシステムを用いた太陽電池モジュール鎖の動作状態制御方法を図２０のフローチャートに従い説明する。なお、各ステップの実行タイミングは、任意のクロック回路（不図示）等を用いて制御されているものとする。
【００７３】
まず、太陽電池モジュール鎖の出力電力（ＩString×ＶString、もしくは負荷電流ＩLoad×ＶString）の初期値Ｐ0を出力電力検出回路が測定する（ステップ２００１）。次にスイッチ制御回路が、スイッチング周波数を上昇（すなわちＲoutを増大）させる（ステップ２００２）。その後、出力電力検出回路が再び太陽電池モジュール鎖の出力電力Ｐ1を測定する（ステップ２００３）。出力電力比較回路は測定された電力Ｐ0，Ｐ1を検出回路から受信して記憶しており、両電力値の大きさを比較する。Ｐ1＞Ｐ0であれば再びフローチャートの最初のステップ２００１に戻り、スイッチ制御回路はスイッチング周波数を更に上昇させ、同じ動作を繰り返す。Ｐ1＜Ｐ0であれば、スイッチ制御回路は逆にスイッチング周波数を減少させＲoutが低下する方向へと動作させる（ステップ２００５）。その際においても周波数の変動前後における太陽電池ストリングの電力Ｐ2とＰ3を出力電力検出回路が計測し（ステップ２００４，２００６）、出力電力比較回路がＰ2，Ｐ3の大小関係を判断する。スイッチ制御回路は、比較結果に基づいてフローチャートに示されているとおり周波数を上昇又は下降させる。
【００７４】
なお、図２０のフローチャートにおいては電力Ｐ0，Ｐ1の比較、及び電力Ｐ2，Ｐ3の比較の後に出力電力が再び測定されることとなっているが、この測定は省いてもよい。すなわち、図２０のフローチャートを図２１のように修正してもよい。図２１のフローチャートに従うとき、例えばステップ２００２でスイッチング周波数を上げてステップ２００３で電力Ｐ1を測定した後、Ｐ1＞Ｐ0だった場合に、出力電力比較回路が当該Ｐ1をＰ0のメモリ領域に記憶し、Ｐ1のメモリ領域に記憶された測定値を消去してから、スイッチ制御回路がステップ２００２を行う。同様に、ステップ２００５でスイッチング周波数を下げてステップ２００６で電力Ｐ3を測定した後、Ｐ3＞Ｐ2だった場合に、出力電力比較回路が当該Ｐ3をＰ2のメモリ領域に記憶し、Ｐ3のメモリ領域に記憶された測定値を消去してから、スイッチ制御回路がステップ２００５を行う。同様に、ステップ２００５でスイッチング周波数を下げてステップ２００６で電力Ｐ3を測定した後、Ｐ3＞Ｐ2でなかった場合に、出力電力比較回路が当該Ｐ3をＰ0のメモリ領域に記憶し、Ｐ3のメモリ領域に記憶された測定値を消去してから、スイッチ制御回路がステップ２００２を行う。なお、ステップ２００３，２００６の次に行われる電力値の比較で両電力が等しかった場合には、最大電力点に到達したとして処理を終了してもよいし、動作特性の変化に備えてスタートまで戻り処理を再開してもよい。また、ステップ２００２とステップ２００５を入れ替えてもよい。
【００７５】
スイッチング周波数を変動させた際（即ちＲoutを変動させた際）における影モジュールの動作点の変化の様子の一例を図２２に示す。ここでは便宜上、影モジュールの特性のみを描いている。影モジュールの初期の動作点がａであった場合に、図２０又は図２１のフローチャートに基づきスイッチング周波数を増大させＲoutを増大させたとする。その結果、影モジュールの動作点がｂに移行し、結果として太陽電池ストリングの出力電力は増加するため、フローチャートに基づきスイッチング周波数を更に増大させ、Ｒoutを更に増大させる。その結果、影モジュールの動作点はｃに移動するため、結果として太陽電池ストリングの出力電力は低下する。よって、フローチャートに基づき、今度はスイッチング周波数を下げてＲoutを低減させる。その結果、影モジュールの動作点は再びｂ点に戻り、太陽電池ストリングの出力電力は上昇するため、フローチャートに基づきスイッチング周波数を更に下げてＲoutを更に低減させる。その結果、動作点はａに移動するため太陽電池ストリングの電力は低下する。以上のように、周波数の変動（Ｒoutの変動）に伴い影モジュールの動作点はａ〜ｃで変動する。影モジュールの動作点は変動するものの、図２０又は図２１のフローチャートに基づき制御を行うことで太陽電池モジュールに特性変化・劣化があった場合においても影モジュールを最大電力点近傍で動作させることが可能となる。
【００７６】
太陽電池モジュールＰＶ１以外に影がかかっている場合
以上においては、図８の回路中で主に太陽電池モジュールＰＶ１に影がかかっている場合について説明したが、他のモジュールに影がかかっている場合であっても、本発明の太陽電池調整システムは同様の原理で動作可能である。
【００７７】
一例として、太陽電池モジュールＰＶ３に影がかかっている場合に、図９のＶGSのグラフに従ってスイッチＱａ，Ｑｂのオンオフを切り替えたときに回路内を流れる、各モードでの電流の経路を図２３ａ〜図２３ｄに示す。
【００７８】
まずモード２の期間中（図２３ａ）においては、図９中、ＶGSのグラフが示すとおり、スイッチＱａがオンとされ、スイッチＱｂがオフとされており、キャパシタＣｒ及びインダクタＬｒを含む共振回路に対して、正電圧（図８中、ＶDSbを示す矢印の向きに上昇する電圧）が出力される。これによりキャパシタＣｒ及びインダクタＬｒに正の電流（図８中、ｉLrを示す矢印の向きに流れる電流。太陽電池モジュールＰＶ１〜ＰＶ４から、オン状態のスイッチＱａを通ってキャパシタＣｒ及びインダクタＬｒへと流れ込む。）が流れる。キャパシタＣｒとインダクタＬｒの共振現象により、ｉLrは正弦波状に変化する。トランスの一次巻線には交流電圧が印加され、これが変圧されて二次電圧として多段倍電圧整流回路に出力される。この二次電圧により、キャパシタＣ３が充電される。
【００７９】
スイッチＱａをオフとすることにより、モード２においてスイッチＱａを流れていた電流がフライホイールダイオードＤｂへと転流し、動作はモード３へと移行する（図２３ｂ）。このとき、共振回路に入力される電圧ＶDSbはゼロとなるが、共振現象により、インダクタＬｒを流れる電流ｉLrは引き続き正弦波状に変化する。共振周波数よりも高い周波数でスイッチングを行っているため、モード３への移行時において、インダクタＬｒを流れる電流ｉLrは依然として正である。インダクタＬｒが誘導性素子であるため、電流ｉLrはモード３への移行時において連続である一方、モード２においてｉLrと等しかった電流ｉSaは、モード３への移行と同時にゼロとなる。これに対応して、モード２においてゼロであった電流ｉSbが、モード３への移行と同時にｉLrと等しい大きさを有することとなる。多段倍電圧整流回路から太陽電池モジュール鎖へと流れる電流の経路は、モード２の期間中における経路と同様である。
【００８０】
モード３の期間中に、スイッチＱｂがオンとされる。インダクタＬｒの電流ｉLrが負に切り替わるタイミングで、動作はモード４へと移行する（図２３ｃ）。
【００８１】
モード４の期間中においては、モード３の期間中と同様に、共振回路に入力される電圧ＶDSbはゼロであるが、共振現象により、インダクタＬｒを流れる電流ｉLrは引き続き正弦波状に変化する。モード４においてはｉLrの極性がモード２，３と逆であり、多段倍電圧整流回路に対して入力される交流電圧の極性も逆となる。これに伴い、多段倍電圧整流回路及び太陽電池モジュール鎖を流れる電流の経路も、図２３ｃに示すとおり変化する。キャパシタＣ３がダイオードＤ６を介して放電しており、この放電電流は、補償電流として影モジュールＰＶ３に供給される。
【００８２】
スイッチＱｂをオフとすることにより、モード４においてスイッチＱｂを流れていた電流がフライホイールダイオードＤａへと転流し、動作はモード１へと移行する（図２３ｄ）。このとき、インダクタＬｒを含む共振回路に対して、ほぼ一定の正電圧ｖDSbが出力される。共振周波数よりも高い周波数でスイッチングを行っているため、モード１への移行時においてインダクタＬｒを流れる電流ｉLrは負であるが、上記正電圧ｖDSb、及び共振現象により経時的に上昇する。インダクタＬｒが誘導性素子であるため、電流ｉLrはモード１への移行時において連続である一方、モード４においてｉLrと大きさが等しかった電流ｉSbは、モード１への移行と同時にゼロとなる。これに対応して、モード４においてゼロであった電流ｉSaが、モード１への移行と同時にｉLrと等しくなる。多段倍電圧整流回路から太陽電池モジュール鎖へと流れる電流の経路は、モード４の期間中における経路と同様である。
【００８３】
モード１の期間中に、スイッチＱａがオンとされる。インダクタＬｒの電流ｉLrが正に切り替わるタイミングで、動作はモード２へと移行する。以降、同様に各モードが経時的に実現される。
【００８４】
このように、太陽電池モジュールＰＶ３に影がかかっている場合も、当該太陽電池モジュール電圧の合計電圧をインバータに入力し、インバータが発生した交流電圧を、多段倍電圧整流回路を介して当該太陽電池モジュール鎖に入力することによって、電圧の低い影モジュールＰＶ３に優先的に補償電流を流すことができる。また補償電流の経路上に発生するインピーダンスにより、影モジュールＰＶ３に電圧降下が生じるため、このインピーダンスの値を制御することにより影モジュールＰＶ３をＭＰＰ近傍に導くことも可能となる。
【００８５】
図１１と同様に、太陽電池モジュールＰＶ３に影がかかっているときの、上記動作に関連する各部の電圧波形と、一次高調波近似により得られる、それらの正弦波状近似波形を図２４に示す。ただし、図２４中のＰＶ−ｍは、本実施例における影モジュールＰＶ３に相当する。またＲr，ｒmは、それぞれの電流経路に生じる抵抗成分を表す。なお、図２４でも、図１１と同様にキャパシタＣｏｕｔ３を省いた。
【００８６】
この場合も、一次高調波近似により、入力電圧ＶDSbと図２４中のＶAで示される電圧を、それぞれ振幅が上記式（３）と（４）で表される正弦波状電圧で近似することができる。これら正弦波状電圧を発生させる仮想的な交流電源を用いて、本発明の太陽電池調整システムを図２５の等価回路で置き換えることができる。図２５中のＶm-in，Ｖm-Aは、それぞれの交流電源が発生させる交流電圧の振幅に対応する。また、図２５中のＺr，Ｚmは、それぞれ図２４中の抵抗Ｒr、キャパシタＣr、及びインダクタＬrによるインピーダンス、抵抗ｒm及びキャパシタＣmによるインピーダンスであり、それぞれ上記（６），（７）式で表される。上記式（９）〜（１６）を用いて既に説明した理由から、今の場合においても太陽電池調整システムの等価出力抵抗Ｒoutが（１６）式を満たす場合に、日照モジュールのみならず、影モジュールも最大電力点電圧近傍で動作させることが可能になる。等価出力抵抗Ｒoutの調整は、例えば図２０，図２１のフローチャートに従って行うことができる。
【実施例２】
【００８７】
本発明の太陽電池調整システムの、第２の実施形態を図２６に示す。図８で示した第１の実施形態に更に第２の多段倍電圧整流回路を用いて対称型の回路構成をとることで各モジュールに流れるリプル電流を低減可能とした回路構成である。
【００８８】
図２６に示す本発明の太陽電池調整システムにおいて、太陽電池モジュールＰＶ１に影がかかっている場合に、図９のＶGSのグラフに従ってスイッチＱａ，Ｑｂのオンオフを切り替えたときに回路内を流れる、各モード２〜４，１での電流の経路を図２７ａ〜図２７ｄに示す。ただし、キャパシタＣｏｕｔ１ａ〜Ｃｏｕｔ４ａ，Ｃｏｕｔ１ｂ〜Ｃｏｕｔ４ｂは省略する。モード２，３においては、トランス二次巻線を経由した中間キャパシタＣ１ｂの放電電流がダイオードＤ２ｂを介して影モジュールＰＶ１に補償電流として流れ込み、またこの電流がダイオードＤ１ａを経由して中間キャパシタＣ１ａを充電する（図２７ａ，図２７ｂ）。モード４，１においては、トランス二次巻線を経由した中間キャパシタＣ１ａの放電電流がダイオードＤ２ａを経由して影モジュールＰＶ１に補償電流として流れ込み、またこの電流がダイオードＤ１ｂを経由して中間キャパシタＣ１ｂを充電する（図２７ｃ，図２７ｄ）。なお、各素子を流れる電流や各素子に印加される電圧の基本的な動作波形は図９に示したものと同一である。
【００８９】
図１０ａ〜図１０ｄで示した、第１の実施形態における電流経路では、多段倍電圧整流回路から影モジュールＰＶ１に補償電流を供給する際に日照モジュールＰＶ２にも電流が流れていた（トランス二次巻線を経由して供給される電流）。多段倍電圧整流回路から日照モジュールＰＶ２に供給される平均電流は０であるため日照モジュールＰＶ２には実質的に補償電流は供給されないが、リプル電流は図示のとおり流れる。このリプル電流成分が大きいと、日照モジュールＰＶ２の動作点がＶMP近傍で変動し、動作が不安定になる恐れがある。
【００９０】
対照的に、図２７ａ〜図２７ｂに示す電流経路において、トランス二次巻線を経由した補償電流は影モジュールＰＶ１のみを流れる。太陽電池モジュールＰＶ３に影がかかっている場合も、モード２，３においては、トランス二次巻線を経由した中間キャパシタＣ３ｂの放電電流がダイオードＤ６ｂを介して影モジュールＰＶ３に補償電流として流れ込み、またこの電流がダイオードＤ５ａを経由して中間キャパシタＣ３ａを充電し、またモード４，１においては、トランス二次巻線を経由した中間キャパシタＣ３ａの放電電流がダイオードＤ６ａを経由して影モジュールＰＶ３に補償電流として流れ込み、またこの電流がダイオードＤ５ｂを経由してキャパシタ中間Ｃ３ｂを充電するため、同様に補償電流は影モジュールＰＶ３のみを流れる。
【００９１】
このように、第２の実施形態では影モジュールに対してのみトランス二次巻線から電流が供給され、その他の日照モジュールに対してはトランス二次巻線からの電流が流れないため、第１の実施形態と比較して日照モジュールにおけるリプル電流を低減することが可能となる。
【００９２】
また、図８に示したシステムと同様に、図２６の太陽電池調整システムにおいても、インバータ及び多段倍電圧整流回路内に存在するキャパシタやインダクタ、及び抵抗に起因して、補償電流の経路上にインピーダンスが発生することにより、影モジュールに電圧降下が生じる。したがって影モジュールは日照モジュールの電圧と比べて相対的に電圧の低い状態に維持されるし、またインピーダンスの値を、例えば図２０，図２１のフローチャートに基づいた周波数制御によって制御することにより、上記電圧降下の大きさを調整して影モジュールをＭＰＰ近傍に導くことも可能となる。なお、図２６には記載されていないが、通常太陽電池モジュール鎖には別途ＤＣ−ＤＣコンバータ等を介して負荷を接続する（図７）。典型的な使用態様としては、ＤＣ−ＤＣコンバータの制御により太陽電池モジュール鎖全体に印加される電圧を調整しつつ、図２６中のスイッチＱａ，Ｑｂの周波数調整により影モジュールの電圧降下を調整して、全ての太陽電池モジュールをモジュールごとに異なるＭＰＰへと近づける。
【００９３】
（具体的回路構成のバリエーション）
本発明の太陽電池調整システムの具体的回路構成は、図８や図２７に示した構成に限らず、本発明の範囲内で適宜変更可能である。
【００９４】
例えば、インバータと多段倍電圧整流回路との接続点は任意に選択可能である。一例として、図８の回路構成において上記接続点を変更してなる、本発明の太陽電池調整システムの回路構成を図２８に示す。このような回路構成のシステムも、上述の実施形態と同様の原理で動作可能である。
【００９５】
図２８に示す本発明の太陽電池調整システムにおいて、太陽電池モジュールＰＶ１に影がかかっている場合に、図９のＶGSのグラフに従ってスイッチＱａ，Ｑｂのオンオフを切り替えたときに回路内を流れる、各モード２〜４，１での電流の経路を図２９ａ〜図２９ｄに示す。モード２，３においては、トランス二次巻線を経由したキャパシタＣ１の放電電流がダイオードＤ２を介して影モジュールＰＶ１に補償電流として流れ込む（図２９ａ，図２９ｂ）。モード４，１においては、トランス二次巻線を経由した電流がダイオードＤ１を経由して中間キャパシタＣ１を充電する（図２９ｃ，図２９ｄ）。各素子を流れる電流や各素子に印加される電圧の基本的な動作波形は図９に示したものと同一である。
【００９６】
その他の変更例として、トランスを用いずに本発明の太陽電池調整システムを構成することも可能である。図３０に、そのようなシステムの回路構成の一例を示す。
【００９７】
図３０に示す本発明の太陽電池調整システムにおいて、太陽電池モジュールＰＶ１に影がかかっている場合に、図９のＶGSのグラフに従ってスイッチＱａ，Ｑｂのオンオフを切り替えたときに回路内を流れる、各モード２〜４，１での電流の経路を図３１ａ〜図３１ｄに示す。影モジュールＰＶ１に対しては、モード３（図３１ｂ），モード１（図３１ｄ）で補償電流が流れ込む一方で、日照モジュールへと供給される補償電流はモード１〜４全体の平均をとればゼロである。
【００９８】
図８に示したシステムと同様に、図２８，図３０の太陽電池調整システムにおいても、インバータ及び多段倍電圧整流回路内に存在するキャパシタやインダクタ、及び抵抗に起因して、補償電流の経路上にインピーダンスが発生することにより、影モジュールに電圧降下が生じる。したがって影モジュールは電圧の低い状態に維持されるし、またインピーダンスの値を、例えば図２０，図２１のフローチャートに基づいた周波数制御によって制御することにより、上記電圧降下の大きさを調整して影モジュールをＭＰＰ近傍に導くことも可能となる。典型的な使用態様として、図７に示すとおりＤＣ−ＤＣコンバータ等を介して負荷を接続し、ＤＣ−ＤＣコンバータの制御により太陽電池モジュール鎖全体に印加される電圧を調整しつつ、Ｑａ，Ｑｂの周波数調整により影モジュールの電圧降下を調整して、全ての太陽電池モジュールをモジュールごとに異なるＭＰＰへと近づけることも可能である。
【００９９】
その他、上述の各実施例においては、ハーフブリッジ型セル、及び、キャパシタＣｒとインダクタＬｒとを直列接続してなる共振回路を接続することによりインバータを構成していたが、本発明の太陽電池調整システムに用いられるインバータはこれに限らない。太陽電池モジュール鎖の電圧を交流電圧へと変換し、多段倍電圧整流回路に当該交流電圧を入力することができるインバータであれば、同様の原理で本発明のシステムを動作させることができる。
【０１００】
例えば、ハーフブリッジ型セル（図３２）の代わりにフルブリッジ型セル（図３３）を用いてもよい。フルブリッジセル型は、スイッチＱａ，Ｑｂを直列接続してなるスイッチ組と、スイッチＱｃ，Ｑｄを直列接続してなるスイッチ組と、を並列接続し、さらに各々のスイッチにフライホイールダイオードＤａ〜Ｄｄを並列接続することにより構成される。スイッチＱａ，Ｑｂの両端間（スイッチＱｃ，Ｑｄの両端間）に電圧Ｖｉｎが入力された状態で、スイッチＱａ及びＱｄをオンとする状態と、スイッチＱｂ及びＱｃをオンとする状態と、の間で接続状態を経時的に切り替えることによって、端子１，２の間には、ピーク電圧Ｖｉｎ、ボトム電圧−Ｖｉｎの矩形状の電圧が出力される。なお、入力回路としてフルブリッジ型セルを用いる場合、後段にはトランスを備えた共振回路を用いる等して、フルブリッジ回路と多段倍電圧整流回路との電圧レベルを独立させる必要がある。
【０１０１】
また、キャパシタＣｒとインダクタＬｒとを直列接続してなる共振回路（図３４）の代わりには、並列共振回路（図３５）、直並列共振回路（図３６）、ＬＬＣ回路（図３７）等を用いても、入力された直流電圧を交流電圧に変換して本発明の太陽電池調整システムを動作させることが可能である。いずれの共振回路を用いる場合も、図中の端子３，４の間に導線を設け、これをコアに対して巻回し、更に二次巻線をコアに対して巻回することによりトランスを形成すれば、端子３，４の間に印加される交流電圧を変圧した上で、二次巻線の両端に接続される多段倍電圧整流回路へと出力することが可能となる。
【０１０２】
なお、以上の実施例においてはスイッチング周波数を変更することにより等価出力抵抗Ｒoutを制御する例について説明したが、周波数制御が不可能であったとしても、上述のとおり補償電流の経路上に発生するインピーダンスによる電圧降下や影モジュールが「充電」されないことに起因して、影モジュールの電圧を少なくとも日照モジュールの電圧より低くすることが可能であるので、従来よりも影モジュールをＭＰＰに近い動作点に導くことは可能である。
【産業上の利用可能性】
【０１０３】
本発明は、太陽電池モジュールを直列に接続して太陽電池ストリングを構成する電源に広く適用できる。
【符号の説明】
【０１０４】
ＰＶ１〜ＰＶ４                                 太陽電池モジュール
Ｑ１〜Ｑ８，ＱDC-DC，Ｑａ〜Ｑｄ                スイッチ
Ｌ１〜Ｌ３，Ｌｒ，Ｌｒ１，Ｌｒ２，ＬDC-DC      インダクタ
Ｄ１〜Ｄ８，Ｄ１ａ〜Ｄ８ａ，Ｄ１ｂ〜Ｄ８ｂ，Ｄａ〜Ｄｄ，ＤDC-DC
ダイオード
Ｃ１〜Ｃ４，Ｃ１ａ〜Ｃ４ａ，Ｃ１ｂ〜Ｃ４ｂ，Ｃｒ，Ｃｒ１，Ｃｒ２，Ｃｍ，Ｃｎ，ＣDC-DC                                          キャパシタ
Ｃｏｕｔ１〜Ｃｏｕｔ４，Ｃｏｕｔ１ａ〜Ｃｏｕｔ４ａ，Ｃｏｕｔ１ｂ〜Ｃｏｕｔ４ｂ
平滑キャパシタ
Ｒｒ，ｒｍ，ｒｎ，Ｒout1                       抵抗成分
【図１】
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【図２】
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【図３ａ】
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【図３ｂ】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０ａ】
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【図１０ｂ】
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【図１０ｃ】
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【図１０ｄ】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３ａ】
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【図２３ｂ】
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【図２３ｃ】
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【図２３ｄ】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７ａ】
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【図２７ｂ】
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【図２７ｃ】
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【図２７ｄ】
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【図２８】
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【図２９ａ】
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【図２９ｂ】
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【図２９ｃ】
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【図２９ｄ】
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【図３０】
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【図３１ａ】
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【図３１ｂ】
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【図３１ｃ】
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【図３１ｄ】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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