(57)【要約】【課題】従来のＭＰＰＴ方式での誤判断による発電電力機会を損なうこと無く、有効に太陽電池電力を取り出すことができる最適点追従方式の太陽光発電装置を提供すること。【解決手段】太陽電池２と、これからの電力を交流に変換する系統連系インバータ１と、これに入力させる太陽電池出力の動作電圧を周期的に変化させながら、太陽電池２の最大出力点を追尾する制御手段である昇圧制御回路６とを備え、この昇圧制御回路６は、初期または前回の太陽電池出力の動作電圧と今回周期の動作電圧との差に応じて、次回周期の動作電圧変化の増減量を決定するようにした太陽光発電装置とする。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
太陽電池と、該太陽電池からの電力を交流に変換する電力変換手段と、該電力変換手段に入力させる太陽電池出力の動作電圧を周期的に変化させながら前記太陽電池の最大出力点を追尾する制御手段とを備えて成るとともに、該制御手段は、初期または前回の太陽電池出力の動作電圧と今回周期の動作電圧との差に応じて、次回周期の動作電圧変化の増減量を決定するようにしたことを特徴とする太陽光発電装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、たとえば太陽光発電システムにおいて、商用電力系統へ連系させる電力変換手段（例えば、系統連系インバータ）を備える太陽光発電装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の太陽光発電システムについて、図７に基づき説明する。太陽光発電装置１０は、太陽光を光電変換する太陽電池２と、直流電力を交流電力に変換する系統連系インバータ１が、商用電力系統９や交流負荷８に接続されて成る。
【０００３】
ここで、系統連系インバータ１は、太陽電池２からの入力電流・入力電圧を検知する電流検出部３と、電圧検出部４と、太陽電池２から入力された電圧を昇圧し異なる電圧に変換する昇圧部５と、昇圧部５にて変換された直流電力を交流電力に変換するインバータ部７とから構成される。昇圧部５はリアクトルや半導体スイッチ素子、ダイオードや平滑コンデンサ、半導体スイッチ素子を制御する昇圧制御回路１４でチョッパ回路を構成しており、これにより電圧変換が行われる。なお、半導体スイッチ素子は変換電圧に応じてパルスのデューティーをコントロールするＰＷＭ方式により制御するのが望ましい。また、変換出力された直流電圧はインバータ回路４が効率よく作動する電圧値であることが望ましい。インバータ回路４は複数の半導体スイッチ素子から成るブリッジ回路やリアクトルとコンデンサから成るフィルタ回路から成り、昇圧部５より出力される直流電力を正弦波の商用交流波形に変換する。
【０００４】
太陽電池２により発電された電力は、接続箱等を介して系統連系インバータ１に入力される。系統連系インバータ１は交流分電盤を介して商用電力系統９あるいは系統用負荷８に接続されており、太陽電池２で発電された直流電力を前記系統連系インバータ１で交流電力に変換した後、モーターや照明などの交流機器である負荷８に供給されるが、太陽電池電源２の発電電力量が負荷電力量を上回る場合は、余った電力を商用電力系統９に逆潮流させて売電を行う。
【０００５】
ところで、太陽電池は日射量及び太陽電池モジュールの温度により最大電力を発生させる動作点が異なる為、太陽電池の発電電力を有効に活用するには刻々太陽電池の変化していく最適動作電圧点に追従していくことが不可欠である。このような太陽電池特性より最大電力を取り出す手法としては、主に太陽電池の最大電力を発生させる最適点に太陽電池の動作点を追従させるＭＰＰＴ制御方法である山登り法などが用いられている。具体的には、現状の動作点で得られる電力と移動させた動作点で得られる電力の増減により動作点への方向判断を行い、この２点間の各動作点での電力増減判定操作を繰り返し行うことにより、最適点へと追従させる方法である。
【０００６】
すなわち図６に示す動作フローのように、△Ｖほど動作点を移動させた時に電力が増加しているならば、△Ｖ移動させた方向と同じ方向に次回も動作点を移動させるというものである。また、△Ｖほど動作点を移動させた時に逆に電力が小さくなる場合には、最適点は今回動作させた逆方向にあると考え、次回は動作点を逆方向に移動させ、この２点間の各動作点での電力増減判定操作を繰り返し行うことにより最適点へと追従させていくことができる。このように、前回動作点での電力と今回の動作点での電力比較を行い、即座に次回の動作点電圧を決定していた。
【０００７】
また、日射量変化による電力増減が大きい場合にのみ、動作点電圧を固定し一定制御モードでＭＰＰＴ動作を停止させることが提案されている（例えば、特許文献１を参照）。
【０００８】
【特許文献１】
特開平８−１７９８４０号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、日射量が刻々変化する状況においては、現状の動作点と△Ｖを増減させた動作点での２点間電力比較では、回路の応答性、測定誤差等の要因により正しい方向判定が得られない場合がある。
【００１０】
また、電力比較を行う際に両者の電力差が小さい場合には、無理に方向判断せず現状の動作点を維持する方が好ましい。この状況は、現状の動作点が最適点近傍に位置する場合か、日射が不安定で電力計算自体が日射量の変化の影響を受ける場合が考えられる。
【００１１】
また、両者の電力差が極端に大きい場合は、日射量が急変していることが容易に考えることができこの場合は日射が安定するまでは動作点を移動させない方が誤判断もなく良好な結果を得られる。
【００１２】
さらに、特許文献１に開示された技術では、最適点を的確に追尾しているときに電力増減が小さい場合も、現在の動作点電圧を維持させねば、より効率良く安定した太陽電池電力を引き出すことはできない。
【００１３】
そこで本発明は、初期または前回の動作電圧と今回の動作電圧との差異に基づいて次回動作電圧の方向判定をしつつ、一定周期内での複数ポイントでの方向判断を総合的に判断し最終方向判定を下し最大出力点を追従させるようにした太陽光発電装置を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明の太陽光発電装置は、太陽電池と、該太陽電池からの電力を交流に変換する電力変換手段と、該電力変換手段に入力させる太陽電池出力の動作電圧を周期的に変化させながら前記太陽電池の最大出力点を追尾する制御手段とを備えて成るとともに、該制御手段は、初期または前回の太陽電池出力の動作電圧と今回周期の動作電圧との差に応じて、次回周期の動作電圧変化の増減量を決定するようにしたことを特徴とする。
【００１５】
具体的には、系統連系インバータ内部に電力計算を行う為の太陽電池出力電圧及び太陽電池出力電流を計測する太陽電池出力電圧・電流計測部と、一定周期で太陽電池電圧を変化させるタイマー制御部と、動作点を変化せた各点での方向判断を行う動作点方向判定部と、一定周期内の各点での方向判断を元に総合的に最終方向判定を動作点方向最終判定部とを備える。
【００１６】
これにより、常に安定した方向判断を行い、未然に従来のＭＰＰＴ方式での誤判断による発電電力機会を損なうこと無く有効に太陽電池電力を取り出すことができる最適点追従方式の太陽光発電装置を提供することができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明に係る太陽光発電装置の実施形態について、模式的に図示した図面に基づき詳細に説明する。
【００１８】
図１に示すように、主な回路構成は既に述べた図７と同様であり、太陽電池２にて発電された電力は接続箱等を介して電力変換手段である系統連系インバータ１に入力される。系統連系インバータ１では入力された直流電力を交流電力に直交変換し、交流分電盤を介して商用電力系統９に逆潮流あるいは系統負荷８へ電力供給や逆潮流を行なっている。
【００１９】
ここで、太陽電池２としては、多結晶、単結晶、またはアモルファスのシリコン等の太陽電池などが好適に使用され、複数枚の太陽電池セルを接続して成るモジュールを、さらに直並列に並べてアレイとし、特に図示しないが接続箱等で太陽電池モジュールの出力配線を合成するようにしている。そして、合成された太陽電池２の出力は系統連系インバータ１に入力され、この系統連系インバータ１内で、電流検出手段３、及び電圧検出手段４により、太陽電池出力電流、電圧等が測定され、これらの情報に基づいて太陽電池出力を計算する。
【００２０】
また、系統連系インバータ１では所定の太陽電池出力電圧で動作するように昇圧制御回路６により、制御目標値として電圧指令値Ｖｒｅｆを定めて太陽電池動作点を決定する。昇圧制御回路６には、一定周期で太陽電池電圧を変化させるタイマー制御部１１と、動作点を変化させた各点での方向判断を行う動作点方向判定部１２、一定周期内の各点での方向判断を元に総合的に最終方向判定を動作点方向最終判定部１３が設けられており、昇圧部５の制御をコントロールする。
【００２１】
このように、本発明の太陽光発電装置は、太陽電池２と、これからの電力を交流に変換する系統連系インバータ１と、これに入力させる太陽電池出力の動作電圧を周期的に変化させながら、太陽電池２の最大出力点を追尾する制御手段である昇圧制御回路６とを備え、この昇圧制御回路６は、初期または前回の太陽電池出力の動作電圧と今回周期の動作電圧との差に応じて、次回周期の動作電圧変化の増減量を決定するようにしている。
【００２２】
次に、太陽電池動作電圧を決定する方法について説明する。図２において、図中の各番号は太陽電池出力の最適点追従制御における太陽電池出力電圧指令値（制御電圧）Ｖｒｅｆを示すものであり、状態１から状態４までは次回動作点を決定する為の一周期内での太陽電池出力電圧指令値パターンを表している。例えば状態１の時間や一周期の長さは、タイマー制御部１１により定められる。まず一つの周期内における複数の状態、すなわち状態１、状態２、状態３、状態４の各点で最適点への方向判定を行う。この方向判定は動作点方向判定部１２で行なわれる。
【００２３】
次に、状態４においては、状態１から状態４までの各点での方向判定結果を総合的に判断し最適点への方向を決定し、これにより、次回ＭＰＰＴ周期である状態５から８の動作基準電圧（Ｖｂａｓｅ）を決定する。この動作基準電圧を算出するのが動作点方向最終判定部１３であり、この判定のための情報は電流検出部３と電圧検出部４から電流値、電圧値、電力値を、動作点方向判定部１２から電力の変化の方向を得ている。
【００２４】
以下、上述の制御について状態１での判定方法を図４のフローチャートにしたがって説明する。まず、前回動作点（状態０）での電力（Ｐ０）と現在動作点（状態１）での電力（Ｐ１）との電力差（絶対値、Ｐｄｉｆ）を算出し、電力差が一定値（Ｐｍａｘ）以上の場合は、日射急変による電力増減と考えることができ、このとき日射急変が落ち着くまでは現状の動作点を維持することが望ましく、方向判定として＋１の重みづけを行う。
【００２５】
なお、この重みづけに関する最終方向判定は後述する。また、この数値は説明上の例として記述したものであり、特別な意味はない。また、前記電力差が一定値以下の場合は、現在の動作点は最適点近傍に位置していると判断するとともに、最適点近傍では電力差が生じにくく、回路の応答性や測定誤差を受けやすい状態にあることから現状の動作点を維持することが望ましい。電力差がＰｍｉｎからＰｍａｘの間にある時は、前回動作点（状態０）での電力と今回動作点（状態１）との大小比較を行う。状態０から状態１へは、動作基準電圧（Ｖｂａｓｅ）より△ｒｅｆＶほど電圧指令値Ｖｒｅｆを上げているから、電力が状態０に対し状態１の方が大きければ、最適動作電圧点は動作基準電圧を上げる方向にあると判断できる。この時の方向判定としては＋２の重みづけを行う。逆に電力が状態０に対し状態１の方が小さければ、最適点は動作点電圧を下げる方向にあると判断できる。この時の方向判定としては＋０の重みづけを行う。
【００２６】
以上が状態１における動作点での方向判定方法である。次に、状態２から状態４での各点での方向判定の基本的な考え方は同じであるが各状態での相違点を説明する。
【００２７】
状態２では状態１と電力差による判定は状態１と全く同様であるが、状態１から状態２へは電圧指令値Ｖｒｅｆを下げている。最適点電圧が＋方向、つまり状態１での動作点方向にあるならば電力は減る方向にあると考え、電力が状態１に対し状態２の方が小さければ、最適点は動作点電圧を上げる方向にあると判断できる。この時の方向判定としては＋２の重みづけを行う。逆に電力が状態１に対し状態２の方より大きければ最適点は動作点電圧を下げる方向にあると判断できる。この時の方向判定としては＋０の重みづけを行う。状態３の場合は状態２での方向判定と同様に考える。状態２から状態３へと電圧指令値Ｖｒｅｆを下げる場合なので、方向判定の考え方及び重み付けも同様に行う。状態４の場合は状態１での方向判定と同様に考える。状態３から状態４へと電圧指令値Ｖｒｅｆを上げる場合なので方向判定の考え方、重み付けも同様に行う。
【００２８】
このように、状態１から状態４までの各点での方向判断に基いて、重み付けを累積した結果の大小に応じて３つのグループに分類し、最終的な最適動作点への方向判定を行う。このアルゴリズムを図５に示す。
【００２９】
例えば、重み付けの累積結果が６、７、８の場合には、最適点が現在の動作点より＋方向にあると考え、次の一定周期、すなわち状態１から状態４の動作基準電圧（Ｖｂａｓｅ）を△ｇＶ増加させる。このとき、状態５、６、７，８が動作基準電圧を△ｇＶ増加させた場合、図２に示すような電圧指令値パターンとなる。一方、重み付けの累積結果が３、４、５の場合は、電力差が状態１から状態４での各点で大き過ぎる（Ｐｄｉｆ≧Ｐｍａｘ）、あるいは小さ過ぎる（Ｐｄｉｆ≦Ｐｍｉｎ）判定を行ったかであり、各点での方向判定は不一致となる。つまり、ある点では＋方向、ある点では−方向に最適点があると判断したかである。この場合は、日射急変及び一過性の応答遅れによる誤判断が考えられ、方向判定を見送り現状の動作点を維持するようにする。
【００３０】
また、重み付けの累積結果が０、１、２の場合は、最適点が現在の動作点より−方向にあると考え、次の一定周期、すなわち状態５から状態８の動作基準電圧（Ｖｂａｓｅ）を△ｇＶ減少させた、図３に示すような電圧指令値パターンとなる。
【００３１】
なお、本実施形態では各動作点での判定要因により０、＋１、＋２の重み付けを行う例により説明したが、これに限定されるものではなく、各要因における重みと最終方向判定を行う際の閾値は本発明を特定させるものではない。
【００３２】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明の太陽光発電装置では、太陽電池と、この太陽電池からの電力を交流に変換する電力変換手段と、この電力変換手段に入力させる太陽電池出力の動作電圧を周期的に変化させながら太陽電池の最大出力点を追尾する制御手段とを備えて成るとともに、この制御手段は、初期または前回の太陽電池出力の動作電圧と今回周期の動作電圧との差に応じて、次回周期の動作電圧変化の増減量を決定するようにした。これにより、太陽光発電における単発的な外乱による影響を緩和し、常に安定した方向判断を行い、従来のＭＰＰＴ方式では誤判断をする場合のあった発電状況においても、発電電力機会を損なうこと無く有効に太陽電池電力を取り出すことができる。
【００３３】
また、日射急変中でも常に同じアルゴリズムで、現状の動作電圧をできるだけ維持することが可能であり、これにより、日射状態が安定するまで実質的に定電圧制御動作を行い、誤判断を極力防止した優れた太陽光発電装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る太陽光発電装置の実施形態を模式的に説明する回路構成図である。
【図２】一定周期内における電圧指令値変更パターン（今回の方向判定により動作基準電圧を増加させる場合）を示す図である。
【図３】一定周期内における電圧指令値変更パターン（今回の方向判定により動作基準電圧を減少させる場合）を示す図である。
【図４】動作点変更パターンの状態１での方向判定処理フローチャートである。
【図５】動作点変更パターンの一周期終了時点での各状態での方向判定に基づいて総合判定を行い動作点の方向判断を決定するフローチャートである。
【図６】従来の太陽光発電装置における動作点での方向判定処理フローチャートである。
【図７】従来の太陽光発電装置を模式的に説明する回路構成図である。
【符号の説明】
１：系統連系インバータ（電力変換手段）
２：太陽電池
３：電流検出部
４：電圧検出部
５：昇圧部
６：昇圧制御回路（制御手段）
７：インバータ部
８：系統負荷
９：商用電力系統
１０：太陽光発電装置
１１：タイマー制御部
１２：動作点方向判定部
１３：動作点方向最終判定部
１４：昇圧制御回路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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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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