(57)【要約】【課題】太陽電池のＭＰＰＴ制御を簡単かつ高精度で行うことが可能で、電力取得の効率を向上させることができる太陽光発電システムおよびその最大電力点追従制御方法を提供する。【解決手段】ＤＣ−ＤＣコンバータなどの電力変換回路１４に含まれるインダクタＬ１４１に流れる太陽電池電流ＩＰＶを零から短絡電流まで変化させ、太陽電池のＩ−Ｖ特性を瞬時にスキャンし、最適太陽電池電流ＩＯＰに太陽電池電流ＩＰＶを追従させ、得られた最大電力動作点で動作するように追従制御を行うＤＳＰ１５を設ける。これにより、電流太陽電池の最大電力点を確実にかつ高い精度で検出することができる。本方式で制御しない場合と比較すると１４．８％程度増加し、電力取得の効率は約９９％と非常に高い値を得ることができる。また、負荷変動に対する制御特性も良いという利点がある。【選択図】      図３
2004280220.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
太陽電池と、
上記太陽電池の電圧を検出する電圧検出部と、
少なくとも上記太陽電池の電流を検出する電流検出部と、
インダクタを含み、上記太陽電池の出力電力値を電力値に変換する電力変換回路と、
上記電圧検出センサ部で検出された太陽電池電圧と上記電流検出センサ部で検出された太陽電池電流を受けて、上記インダクタに流れる太陽電池電流を零から短絡電流まで変化させて、当該電流−電圧特性をスキャンして最大電力点を検出し、当該スキャンによって得られた最大電力点のときの最適太陽電池電流に太陽電池電流または最適太陽電池電圧に太陽電池電圧を追従させ、得られた最大電力動作点で動作するように追従制御を行う制御回路と
を有する太陽光発電システム。
【請求項２】
太陽電池と、
上記太陽電池の電圧を検出する電圧検出部と、
少なくとも上記太陽電池の電流を検出する電流検出部と、
インダクタと制御信号により導通制御されるスイッチング素子を含み、上記太陽電池の出力電力値を電力値に変換する電力変換回路と、
上記電圧検出センサ部で検出された太陽電池電圧と上記電流検出センサ部で検出された太陽電池電流を受けて、太陽電池の最大電力点を求めるときは、制御信号により上記電力変換回路のスイッチング素子をオフ状態に保持させて、電力変換回路のインダクタを流れる太陽電池電流が零になったら、スイッチング素子をオン状態に保持させて、インダクタを流れる太陽電池電流を零から短絡電流まで変化させて、当該電流−電圧特性をスキャンし最大電力点を検出し、当該スキャンによって得られた最大電力点のときの最適太陽電池電流に太陽電池電流または最適太陽電池電圧に太陽電池電圧を追従させ、得られた最大電力動作点で動作するように上記スイッチング素子のオン・オフ制御を行う制御回路と
を有する太陽光発電システム。
【請求項３】
上記制御回路は、上記最大電力点の検出動作と追従動作を交互に繰り返し行う
請求項１または２記載の太陽光発電システム。
【請求項４】
上記電力変換回路のインダクタに流れる電流を検出するインダクタ電流検出センサ部をさらに有し、
上記制御回路は、上記電圧検出センサ部で検出された太陽電池電圧、上記電流検出センサ部で検出された太陽電池電流、およびインダクタ電流検出センサ部で検出されたインダクタ電流に基づいて、上記最大電圧点検出動作および追従動作の制御を行う
請求項１、２、または３記載の太陽光発電システム。
【請求項５】
太陽電池の出力電力値を、インダクタを含む電力変換回路で所望の電力値に変換して負荷に供給する太陽光発電システムの最大電力点追従制御方法であって、
太陽電池電圧と少なくとも太陽電池電流を検出し、
検出した太陽電池電圧と太陽電池電流に基づいて、上記インダクタに流れる太陽電池電流を零から短絡電流まで変化させて、当該電流−電圧特性をスキャンして最大電力点を検出し、
上記スキャンによって得られた最大電力点のときの最適太陽電池電流に太陽電池電流または最適太陽電池電圧に太陽電池電圧を追従させ、得られた最大電力動作点で動作するように追従制御を行う
太陽光発電システムの最大電力点追従制御方法。
【請求項６】
上記最大電力点の検出動作と追従動作を交互に繰り返し行う
請求項５記載の太陽光発電システムの最大電力点追従制御方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、太陽電池の出力電力を電力変換回路で所望の電力に変換して負荷側に供給する太陽光発電システムに係り、特に、最大電力点追跡（ＭＰＰＴ：Ｍａｘｉｍｕｍ  Ｐｏｗｅｒ  Ｐｏｉｎｔ  Ｔｒａｃｋｉｎｇ）制御方式を採用した太陽光発電システムおよびその最大電力点追従制御方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
太陽電池は、日射強度や温度、または負荷条件によって最大電力動作点が大きく変動することから、高効率で使用するためには、最大電力点追跡（以下、ＭＰＰＴという）制御が必要となる。
【０００３】
系統連系型太陽光発電システムにおいては、いわゆる山登り法を用いたＭＰＰＴ制御が提案され（たとえば、特許文献１参照）、実用化されている。
【０００４】
図１は、従来の山登り法を採用した太陽光発電システムの構成例を示す図である。
【０００５】
この太陽光発電システム１は、図１に示すように、太陽電池パネル（ＰＶ）２、電力変換回路３、および制御回路４を有している。
電力変換回路３は、電圧検出センサ部３１、電流検出センサ部３２、スイッチング素子としてのＭＯＳＦＥＴ３３、インダクタ（チョークコイル）Ｌ１、ダイオードＤ１、キャパシタＣ１，Ｃ２を有している。また、ＶＢはバッテリ電圧を示している。ＭＯＳＦＥＴ３３、インダクタ（チョークコイル）Ｌ１、ダイオードＤ１、キャパシタＣ２によりＤＣ−ＤＣコンバータ３は、降圧型ＤＣ−ＤＣコンバータが構成される。
また、制御回路４は、インタフェース回路（Ｉ／Ｆ）４１、マイクロプロセッサ（μＰＲＯ）４１、ＭＯＳＦＥＴドライバ（ＤＲＶ）４３、ＥＰＲＯＭ４４、およびＳＲＡＭ４５を有している。
【０００６】
この太陽光発電システム１の動作原理について、図２に関連付けて説明する。なお、図２において、横軸がＰＷＭ制御信号のデューティサイクル（ＤｕｔｙＣｙｃｌｅ）、縦軸が太陽電池パネル２の出力電力をそれぞれ表している。
また、図２中、ＳＴＰ１，ＳＴＰ２は開始可能点を示す。
【０００７】
この太陽光発電システム１においては、太陽電池の電圧および電流が電圧検出センサ部３１、電流検出センサ部３２で検出され、制御回路４のインタフェース回路４１を介してマイクロプロセッサ４２に供給される。
マイクロプロセッサ４２は、入力された電圧値および電流値をデジタル値に変換して、両者の積から電力Ｐを求める。マイクロプロセッサ４２は、図２に示すように、ＤＣ−ＤＣコンバータ３のＭＯＳＦＥＴ３３の駆動パルス幅を、ある微小幅で変化させ、電力Ｐを徐々に増加させていく。そして、電力Ｐの変化が減少に転じたならばパルス幅を今までとは逆に変化させる。
したがって、定常状態では、最大電力Ｐｍａｘ  近傍において、電力Ｐは常に振動する。
【０００８】
【特許文献１】
特開平７−２３４７３３号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
上述した山登り法を採用したＭＰＰＴ制御においては、動作原理から明らかなように、電力Ｐの真の電力最大点Ｐｍａｘ  に近づけるためには、ＤＣ−ＤＣコンバータのパルス幅の変化幅を小さくとれば良い。
【００１０】
ところが、これにはＤＣ−ＤＣコンバータのスイッチング周波数やマイクロプロセッサの処理能力から制限があり、ＤＣ−ＤＣコンバータのパルス幅の変化幅をある程度小さくできたとしても、日射強度の変化に対して最大電力点に到達するまでに時間を要し、結果として電力取得の効率が低下する。
逆に、応答性を良くするためにパルス幅の変化幅を大きくとると、定常状態で電力Ｐが大きく振動するため、結果として電力取得の効率が大幅に低下するという不利益がある。
【００１１】
系統連系で既に実用化されている制御方式では、実際の運用において、上述したようなＭＰＰＴのミスマッチにより最大で２５％もの損失の生じる事例が報告されている。
【００１２】
本発明の目的は、太陽電池のＭＰＰＴ制御を簡単かつ高精度で行うことが可能で、電力取得の効率を向上させることができる太陽光発電システムおよびその最大電力点追従制御方法を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の第１の観点に係る太陽光発電システムは、太陽電池と、上記太陽電池の電圧を検出する電圧検出部と、少なくとも上記太陽電池の電流を検出する電流検出部と、インダクタを含み、上記太陽電池の出力電力値を電力値に変換する電力変換回路と、上記電圧検出センサ部で検出された太陽電池電圧と上記電流検出センサ部で検出された太陽電池電流を受けて、上記インダクタに流れる太陽電池電流を零から短絡電流まで変化させて、当該電流−電圧特性をスキャンして最大電力点を検出し、当該スキャンによって得られた最大電力点のときの最適太陽電池電流に太陽電池電流または最適太陽電池電圧に太陽電池電圧を追従させ、得られた最大電力動作点で動作するように追従制御を行う制御回路とを有する。
【００１４】
本発明の第２の観点に係る太陽光発電システムは、太陽電池と、上記太陽電池の電圧を検出する電圧検出部と、少なくとも上記太陽電池の電流を検出する電流検出部と、インダクタと制御信号により導通制御されるスイッチング素子を含み、上記太陽電池の出力電力値を電力値に変換する電力変換回路と、上記電圧検出センサ部で検出された太陽電池電圧と上記電流検出センサ部で検出された太陽電池電流を受けて、太陽電池の最大電力点を求めるときは、制御信号により上記電力変換回路のスイッチング素子をオフ状態に保持させて、電力変換回路のインダクタを流れる太陽電池電流が零になったら、スイッチング素子をオン状態に保持させて、インダクタを流れる太陽電池電流を零から短絡電流まで変化させて、当該電流−電圧特性をスキャンし最大電力点を検出し、当該スキャンによって得られた最大電力点のときの最適太陽電池電流に太陽電池電流または最適太陽電池電圧に太陽電池電圧を追従させ、得られた最大電力動作点で動作するように上記スイッチング素子のオン・オフ制御を行う制御回路とを有する。
【００１５】
好適には、上記制御回路は、上記最大電力点の検出動作と追従動作を交互に繰り返し行う。
【００１６】
好適には、上記電力変換回路のインダクタに流れる電流を検出するインダクタ電流検出センサ部をさらに有し、上記制御回路は、上記電圧検出センサ部で検出された太陽電池電圧、上記電流検出センサ部で検出された太陽電池電流、およびインダクタ電流検出センサ部で検出されたインダクタ電流に基づいて、上記最大電流点検出動作および追従動作の制御を行う。
【００１７】
本発明の第３の観点は、太陽電池の出力電力値を、インダクタを含む電力変換回路で所望の電力値に変換して負荷に供給する太陽光発電システムの最大電力点追従制御方法であって、太陽電池電圧と少なくとも太陽電池電流を検出し、検出した太陽電池電圧と太陽電池電流に基づいて、上記インダクタに流れる太陽電池電流を零から短絡電流まで変化させて、当該電流−電圧特性をスキャンして最大電力点を検出し、上記スキャンによって得られた最大電力点のときの最適太陽電池電流に太陽電池電流または最適太陽電池電圧に太陽電池電圧を追従させ、得られた最大電力動作点で動作するように追従制御を行う。
【００１８】
本発明によれば、ＤＣ−ＤＣコンバータなどの電力変換回路に含まれるインダクタに流れる太陽電池電流が零から短絡電流まで変化させられて、太陽電池のＩ−Ｖ特性が瞬時にスキャンされる。
そして、最適太陽電池電流に太陽電池電流を追従させ、得られた最大電力動作点で動作するように追従制御が行われる。
これにより、電流太陽電池の最大電力点を確実にかつ高い精度で検出することができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
【００２０】
図３は、本発明に係る太陽光発電システムの一実施形態を示す構成図である。
【００２１】
本太陽光発電システム１０は、図３に示すように、太陽電池パネル（ＰＶ）１１、電圧検出センサ部１２、電流検出センサ部１３、電力変換回路１４、制御回路としてのデジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ：Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｓｉｇｎａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）１５、およびバッテリィ等の負荷１６を有している。なお、負荷１６は、たとえば１２Ｖのバッテリィを２個直列に接続し、これと並列に１００Ｗの電球を接続して負荷電圧がほぼ２５Ｖで一定となるように調節されている。
【００２２】
太陽電池パネル１１は、所定起電力の複数の太陽電池をアレイ状に配列して構成されており、所要の電力（電圧）を端子ＴＯ１，ＴＯ２から出力する。
複数の太陽電池は並列に接続されるが、その数は、所要の電力に応じて選定される。
【００２３】
電圧検出センサ部１２は、太陽電池パネル１１の出力電力から太陽電池電圧ＶＰＶをリアルタイムに検出して、ＤＳＰ１５に供給する。
【００２４】
電流検出センサ部１３は、太陽電池パネル１１の出力電力から太陽電池電流ＩＰＶをリアルタイムに検出して、ＤＳＰ１５に供給する。
【００２５】
電力変換回路１４は、いわゆる昇圧型ＤＣ−ＤＣコンバータにより構成され、太陽電池パネル１１の出力電圧を昇圧して、昇圧電圧ＶＬ  を負荷１６に印加する。
【００２６】
この電力変換回路１４を構成する昇圧型ＤＣ−ＤＣコンバータは、図３に示すように、スイッチング素子としての絶縁ゲート型電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）１４１、インダクタ（チョークコイル）Ｌ１４１、ダイオードＤ１４１、および平滑用キャパシタＣ１４１により構成されている。
なお、ＭＯＳＦＥＴ１４１は、たとえばｎチャネルのＭＯＳトランジスタにより構成される。
【００２７】
ＭＯＳＦＥＴ１４１のソースが太陽電池パネル１１の電力出力端ＴＯ２に接続され、その接続点がキャパシタＣ１４１の第１電極に接続されている。また、ＭＯＳＦＥＴ１４１のソースと電力出力端ＴＯ２との接続ラインに電流検出センサ部１３の電流検出センサが配置されている。
ＭＯＳＦＥＴ１４１のドレインがインダクタＬ１４１の一端に接続され、その接続点がダイオードＤ１４１のアノードに接続されている。ダイオードＤ１４１のカソードがキャパシタＣ１４１の第２電極に接続されている。
そして、キャパシタＣ１４１の第１電極とＭＯＳＦＥＴ１４１のソースとの接続点、並びに第２電極とダイオードＤ１４１のカソードとの接続点が負荷１６に接続されている。
ＭＯＳＦＥＴ１４１は、そのゲート端子に、ＤＳＰ１５による制御信号ＣＬＴが供給されて、その導通状態が制御される。
【００２８】
ＤＳＰ１５は、電圧検出センサ部１２で検出された太陽電池電圧ＶＰＶと電流検出センサ部１３で検出された太陽電池電流ＩＰＶを受けて、太陽電池パネル１１の最大電力Ｐｍａｘ  を求めるときは、制御信号ＣＴＬにより電力変換回路１４のＭＯＳＦＥＴ１４１をオフ状態に保持させて（ＭＯＳＦＥＴがｎチャネル場合、制御信号ＣＴＬをローレベルに保持して）、電力変換回路１４に内蔵されるインダクタＬ１４１を流れる太陽電池電流ＩＰＶが零になったら、ＭＯＳＦＥＴ１４１をオン状態に保持させて電力変換回路１４に内蔵されるインダクタＬ１４１を流れる太陽電池電流ＩＰＶを零から短絡電流まで変化させ、その電流−電圧（Ｉ−Ｖ）特性をスキャンし、それによって得られた最大電力点に追従するようにＭＯＳＦＥＴ１４１のオフ状態を解除してＭＯＳＦＥＴ１４１に対するＰＷＭ制御を行い、この最大電力点の検出動作（Ｉ−Ｖスキャン）と追従動作を交互に繰り返し行うことで、精度の高いＭＰＰＴ制御を行う。
【００２９】
すなわち、ＤＳＰ１５は、電力変換回路１４に内蔵されるインダクタＬ１４１を流れる電流の変化を利用して、Ｉ−Ｖ特性を瞬時にスキャンする動作をＭＰＰＴ制御に組み込んで、最大電力点の検出動作と追従動作を１つのサイクル（検出周期Ｔ：たとえば１秒）として繰り返し動作させることで、最大電力点を確実かつ厳密に求めるような制御を行う。
【００３０】
具体的には、ＤＳＰ１５は、図３に示すように、アナログ−デジタル変換回路（ＡＤＣ）１５１、乗算器１５２、最大電力点検出回路（Ｐｍａｘ  ＤＥＴ  ）１５３、加算器（減算器）１５４、ＰＩ制御器１５５、搬送波生成器１５６、加算器（減算器）１５７、コンパレータ１５８、およびＰＷＭ信号出力部１５９を有している。
以下に、ＤＳＰ１５の各構成要素の機能について、図４（Ａ）〜（Ｅ）に関連付けて説明する。
【００３１】
図４（Ａ）〜（Ｅ）は、太陽光発電システム１０の各要部波形を示す図である。
図４（Ａ）は電力変換回路１４のインダクタＬ１４１の短絡電流ＩＳＣを、図４（Ｂ）はＤＳＰ１５のＰＩ制御器１５５による基準信号波Ｖｒｅｆ  と搬送波生成器１５６による搬送波Ｖｃを、図４（Ｃ）はＤＳＰ１５のＰＷＭ信号出力部１５９のＰＷＭ信号を、図４（Ｄ）は太陽電池電圧ＶＰＶおよび太陽電池電流ＩＰＶを、図４（Ｅ）は太陽電池電力ＰＰＶをそれぞれ示している。
また、ＳＣＮは最大電力点Ｐｍａｘ  検出のためのスキャン期間、ＴＲＫは追従動作期間をそれぞれ示している。
【００３２】
ＡＤＣ１５１は、電圧検出センサ部１２で検出された太陽電池電圧ＶＰＶをアナログ値からデジタル値に変換して乗算器１５２の第１端子に供給する。
また、ＡＤＣ１５１は、電流検出センサ部１３で検出された太陽電池電流ＩＰＶをアナログ値からデジタル値に変換して乗算器１５２の第２端子および加算器１５４に供給する。
【００３３】
乗算器１５２は、ＡＤＣ１５１によるデジタルの太陽電池電圧ＶＰＶと太陽電池電流ＩＰＶとを乗算し、その結果ＶＩ（＝ＰＰＶ）  を最大電力点検出回路１５３に出力する。
この乗算器１５２は、最大電力点Ｐｍａｘ  の検出期間のみ（スキャン期間のみ）動作するように制御される。
【００３４】
最大電力点検出回路１５３は、最大電力点Ｐｍａｘ  の検出期間のみ（スキャン期間のみ）動作し、このスキャン期間中は、制御信号ＣＴＬにより電力変換回路１４のＭＯＳＦＥＴ１４１をオフ状態に保持させて、図４（Ｄ），（Ｅ）に示すように、電力変換回路１４に内蔵されるインダクタＬ１４１を流れる太陽電池電流ＩＰＶが零になったら、ＭＯＳＦＥＴ１４１をオン状態に保持させて太陽電池電流ＩＰＶを零から短絡電流まで変化させ、乗算器１５２による太陽電池電力ＰＰＶに基づいてその電流−電圧（Ｉ−Ｖ）特性をスキャンして最大電力点Ｐｍａｘ  を検出し、そのときの最適太陽電池電流ＩＯＰを求め、加算器１５４に出力する。
最大電力点検出回路１５３は、最大電力点Ｐｍａｘ  を検出し、そのときの最適太陽電池電流ＩＯＰを求めると、電力変換回路１４におけるＭＯＳＦＥＴ１４１のオン・オフ制御を解除する。
【００３５】
加算器１５４は、最大電力点検出回路１５３による最適太陽電池電流ＩＯＰとＡＤＣ１５１による太陽電池電流ＩＰＶとを加算し（差をとり）、その結果を信号Ｓ１５４としてＰＩ制御器１５５に出力する。
【００３６】
ＰＩ制御器１５５は、加算器１５４の出力信号を受けて、図４（Ｂ）に示すような基準信号波Ｖｒｅｆ  を生成して加算器１５７に出力する。
【００３７】
搬送波生成器１５６は、図４（Ｂ）に示すような、いわゆるのこぎり波（三角波）である搬送波Ｖｃを生成し、加算器１５７に出力する。
【００３８】
加算器１５７は、ＰＩ制御器１５５による基準信号波Ｖｒｅｆ  と搬送波生成器１５６による搬送波Ｖｃを合波して信号Ｓ１５７としてコンパレータ１５８に出力する。
【００３９】
コンパレータ１５８は、加算器１５７の出力信号Ｓ１５７を受けて、基準信号波Ｖｒｅｆ  と搬送波Ｖｃとを比較しその結果をＰＷＭ信号生成部１５９に出力する。
ＰＷＭ信号生成部１５９は、コンパレータ１５８の比較結果を受けて、図４（Ｂ），（Ｃ）に示すように、搬送波Ｖｃの立上がりタイミングからこの搬送波Ｖｃと基準信号波Ｖｒｅｆ  が交わる時点までをハイレベル「１」の期間とし、この交点から次の搬送波Ｖｃの立上がりタイミングまでをローレベル「０」期間とするパルスを連続して生成し、追従動作期間ＴＲＫの間、ＰＷＭ信号として電力変換回路１４のＭＯＳＦＥＴ１４１のゲートに供給する。
【００４０】
ＰＷＭ信号生成部１５９によるＰＷＭ信号の出力は、スキャン期間に検出された最適太陽電池電流ＩＯＰに太陽電池電流ＩＰＶを追従させる追従動作期間ＴＲＫに行われる。
このとき、ＤＳＰ１５は、電力取得能力を高めるために数十ｋＨｚ（たとえば１０ｋＨｚ）と高い周波数ｆｃでＭＯＳＦＥＴ１４１のスイッチング制御を行う。
【００４１】
次に、上記構成による動作を説明する。
【００４２】
太陽電池パネル１１から照射される光量に応じて、所要の電力が端子ＴＯ１，ＴＯ２から電力変換回路１４に出力される。
このとき、電圧検出センサ部１２において、太陽電池パネル１１の出力電力から太陽電池電圧ＶＰＶがリアルタイムに検出されて、ＤＳＰ１５のＡＤＣ１５１に供給される。
同様に、電流検出センサ部１３において、太陽電池パネル１１の出力電力から太陽電池電流ＩＰＶがリアルタイムに検出されて、ＤＳＰ１５のＡＤＣ１５１に供給される。
また、電力変換回路１４おいては、太陽電池パネル１１の出力電圧が昇圧されて昇圧電圧ＶＬ  として負荷１６に印加される。
【００４３】
リアルタイムで検出される太陽電池電圧ＶＰＶと太陽電池電流ＩＰＶはＡＤＣ１５１において、アナログ値からデジタル値に変換され乗算器１５２に供給され、また、太陽電池電流ＩＰＶは加算器１５４に供給される。
【００４４】
ここで、最大電力点Ｐｍａｘ  を検出する場合、すなわちスキャン動作を行う場合には、ＤＳＰ１５において乗算器１５２および最大電力点検出回路１５３が動作状態とされる。
そして、最大電力点検出回路１５３において、制御信号ＣＴＬにより電力変換回路１４のＭＯＳＦＥＴ１４１がオフ状態に保持される。
乗算器１５２では、ＡＤＣ１５１によるデジタルの太陽電池電圧ＶＰＶと太陽電池電流ＩＰＶとが乗算され、その結果ＶＩ（＝ＰＰＶ）  が最大電力点検出回路１５３に入力される。
そして、最大電力点検出回路１５３において、電力変換回路１４に内蔵されるインダクタＬ１４１を流れる太陽電池電流ＩＰＶが零になったことが確認されると、制御信号ＣＴＬによりＭＯＳＦＥＴ１４１をオン状態になるように制御される。
これにより、電力変換回路１４に内蔵されるインダクタＬ１４１を流れる太陽電池電流ＩＰＶを零から短絡電流まで変化し、乗算器１５２による太陽電池電力ＰＰＶに基づいてその電流−電圧（Ｉ−Ｖ）特性をスキャンして最大電力点Ｐｍａｘ  が検出される。最大電力点検出回路１５３において、そのときの最適太陽電池電流ＩＯＰを求められ、加算器１５４に出力される。
【００４５】
最大電力点検出回路１５３において、最大電力点Ｐｍａｘ  を検出し、そのときの最適太陽電池電流ＩＯＰを求めると、電力変換回路１４におけるＭＯＳＦＥＴ１４１のオン・オフ制御が解除され、乗算器１５２および最大電力検出回路１５３は非動作状態に保持される。
そして、ＤＳＰ１５においては、電力制御がスキャン期間ＳＣＮから追従動作期間ＴＲＫに移行する。
【００４６】
追従動作期間ＴＲＫにおいて、加算器１５４では、最大電力点検出回路１５３による最適太陽電池電流ＩＯＰとＡＤＣ１５１による太陽電池電流ＩＰＶとが加算され、その結果がＳ１５４としてＰＩ制御器１５５に出力される。
ＰＩ制御器１５５においては、加算器１５４の出力信号を受けて基準信号波Ｖｒｅｆ  が生成されて加算器１５７に出力される。
加算器１５７においては、ＰＩ制御器１５５による基準信号波Ｖｒｅｆ  と搬送波生成器１５６による搬送波Ｖｃが合波されて信号Ｓ１５７としてコンパレータ１５８に出力される。
コンパレータ１５８では、加算器１５７の出力信号Ｓ１５７を受けて、基準信号波Ｖｒｅｆ  と搬送波Ｖｃとが比較されて結果がＰＷＭ信号生成部１５９に供給される。
そして、ＰＷＭ信号生成部１５９において、コンパレータ１５８の比較結果を受けて、所定のＰＷＭ信号が生成されて電力変換回路１４のＭＯＳＦＥＴ１４１のゲートに供給される。これにより、ＭＯＳＦＥＴ１４１は数十ｋＨｚという高い周波数ｆｃでスイッチング制御され、スキャン期間ＳＣＮに求められた最適太陽電池電流ＩＯＰにカレント太陽電池電流ＩＰＶが追従するように制御される。
【００４７】
以上の最大電力点の検出動作と追従動作を１つのサイクル（検出周期Ｔ：たとえば１秒）として繰り返し動作させることで、最大電力点Ｐｍａｘ  が確実かつ厳密に求められる。
【００４８】
上述した本実施形態に係る制御方式の効果を確認するため、独立型の太陽光発電で広く利用されているバッテリィ制御装置を搭載した従来方式と比較した。
【００４９】
図５は、本制御方式および従来方式における一日の太陽電池出力電力の変化（バッテリィ負荷）を示す図である。
【００５０】
この図５の特性は、太陽電池パネル１１は、本制御方式ではパネル２枚を並列に接続し、従来方式では２枚を直列に接続して構成し、ＤＣ−ＤＣコンバータ（電力変換回路１４）のインダクタ１４１のインダクタンスＬ＝７．５ｍＨ、平滑用キャパシタＣ１４１の容量Ｃ＝２００μＦとし、負荷１６として１２Ｖのバッテリィを２個直列に接続し、これと並列に１００Ｗの電球を接続して負荷電圧がほぼ２５Ｖで一定となるように調節し、スイッチング周波数ｆｃを１０ｋＨｚ、検出周期Ｔを１秒とした。また、日中の午前７時３０分から午後４時までの太陽電池出力電力ＰＰＶの変換を比較している。
【００５１】
図５において、横軸が時刻を、左側縦軸が太陽電池出力電力とパネル面温度を表し、右側縦軸が日射温度を表している。
また、図５において、Ａで示す曲線が日射強度を、Ｂで示す曲線が本制御方式の特性を、Ｃで示す曲線が従来方式の特性を、Ｄで示す曲線がパネル面温度をそれぞれ示している。
【００５２】
図５からわかるように、本制御方式は従来方式に比較して太陽電池の出力電力ＰＰＶが大幅に増加している。
発電電力で比較すると、従来方式が４６２．６Ｗｈであったものが、本制御方式では５３１．２Ｗｈと約１４．８％増加した。
このときの最大電力Ｐｍａｘ  に対する実際の取得できた電力の割合は約９９％と非常に高い効率を示した。
【００５３】
図６は、負荷を純抵抗ＲＬ  とし、その値を１０Ω→２０Ω→１０Ωとステップ状に変化させ、急激な負荷変動を与えたとき応答特性を示す図である。
図６において、横軸が時間を、左側縦軸が太陽電池出力電力を表し、右側縦軸が日射温度を表している。
また、図６において、Ａで示す曲線が日射強度を、Ｂで示す曲線が本制御方式の特性を、Ｃで示す曲線が従来方式の特性をそれぞれ示している。
【００５４】
図６からわかるように、本制御方式は従来方式に比較して、負荷変動による影響を受けることなく、日射強度に比例した電力を安定に取り出すことができる。
【００５５】
次に、日暮れ等、日射強度が急変する場合の応答特性について、図７〜図１１に関連付けて考察する。
【００５６】
図７は、本制御方式における日射強度急変時の応答特性の一例を示す図である。
図７において、横軸が時間を、左側縦軸が太陽電池出力電力を表し、右側縦軸が日射温度を表している。
また、図８（Ａ），（Ｂ）は、図７との比較のための図であって、従来の山登り法による日射強度急変時の応答特性の一例を示す図である（文献：高原、山之内、松田、電学論Ｄ、１１９巻、１２号、平成１１年より引用）。
【００５７】
図９（Ａ），（Ｂ）は、太陽電池パネルに影が生じない場合と生じた場合の本制御方式の追従性を示す図である。
また、図１０（Ａ），（Ｂ）は、図９（Ａ），（Ｂ）との比較のための図であって、太陽電池パネルに影が生じない場合と生じた場合の従来の山登り法の追従性を示す図である。
【００５８】
太陽電池の現在の技術的課題は、太陽光照度の急変に対する追従性および照度の絶対値が減少していくとき（日暮れ等）、どこまで電力を捕捉供給できるかという点である。
ＭＰＰＴ制御で現在実用に供されている山登り法に対して本制御方式は、いずれの課題においても優れている。
【００５９】
照度急変に対する追従性は、図７および図８（Ａ），（Ｂ）に示すように、本制御方式ではただ一度のスキャンによって変化後の最大電力点を検出することが可能であるのに対し、山登り法では変化前の最大点近傍でスキャンを繰り返してピーク値を探す。
この場合、図１０（Ａ），（Ｂ）に示すように、山登り法では太陽電池パネルへの影の影響などが不均一に起きた場合にはピーク値が大きく変動した点になることもあり、追従制御が落ちることになる。
これに対して、本制御方式によれば、図９（Ａ），（Ｂ）に示すように、太陽電池パネルへの影の影響などが不均一に起きた場合であって、良好な追従性を示す。
【００６０】
図１１は、本制御方式における低照度時の電力取得性能を示す図である。
図１１において、横軸が時刻を、左側縦軸が電力取得の効率を表す太陽電池出力利用率ＵＵＦを、右側縦軸がパネル面日射強度Ｇをそれぞれ表している。
なお、太陽電池出力利用率ＵＵＦは、最大電力点検出周期をＴとすると、次式で与えられる。
【００６１】
【数１】
2004280220.tif 000003
【００６２】
低照度領域での追従は、山登り法では微分値を得るためにかなり早い段階で制御不能の現象が起きる。
これに対して、本制御方式では、単純な最大値検出のため、スキャン全幅の中に勾配があれば追従可能である。
図１１からわかるように、本制御方式では、日射強度Ｇがピーク時８００Ｗ／ｍ２  のとき１００／ｍ２  まで照度が低下しても出力利用率ＵＵＦが９０％を維持している。
【００６３】
また、図１２は、本制御方式における低照度時の電力取得特性を示す図である。
図１２において、横軸が時刻を、左側縦軸が太陽電池出力電力ＰＰＶおよび太陽電池出力利用率ＵＵＦを、右側縦軸がパネル面日射強度Ｇをそれぞれ表している。
なお、太陽電池出力利用率ＵＵＦは、最大電力点検出周期をＴとすると、上記数１で与えられる。
【００６４】
本制御方式では、図１２に示すように、日射強度Ｇが５０Ｗ／ｍ２  で太陽電池出力利用率ＵＵＦが８０％以上と高い効率を示す。
また、本制御方式では、日射強度Ｇが５０Ｗ／ｍ２  以下では、太陽電池出力利用率ＵＵＦは低下するが６０％程度エネルギーを回収することがきる。
【００６５】
以上説明したように、本実施形態によれば、ＤＣ−ＤＣコンバータなどの電力変換回路１４に含まれるインダクタＬ１４１に流れる太陽電池電流ＩＰＶを零から短絡電流まで変化させ、太陽電池のＩ−Ｖ特性を瞬時にスキャンし、最適太陽電池電流ＩＯＰに太陽電池電流ＩＰＶを追従させ、得られた最大電力動作点で動作するように追従制御を行うＤＳＰ１５を設けたので、太陽電池の最大電力点を確実にかつ高い精度で検出することができる。
実測例によれば、本制御方式と独立型の太陽光発電システムで広く利用されているバッテリィ制御装置を搭載した従来方式を発電電力量について比較すると１４．８％程度増加し、太陽電池出力利用率ＵＵＦは約９９％と非常に高い値を得ることができる。また、負荷変動に対する制御特性も良いという利点がある。
【００６６】
なお、以上の説明では、電力変換回路としてのＤＣ−ＤＣコンバータは、昇圧型を例に説明した。この昇圧型ＤＣ−ＤＣコンバータでは、太陽電池電圧より高い負荷電圧を得ることができる。
【００６７】
たとえば、負荷電圧を太陽電池電圧より下げたい場合には、図１３に示すような、電力変換回路１４Ａとして降圧型ＤＣ−ＤＣコンバータを用いた回路構成が適している。
降圧型ＤＣ−ＤＣコンバータにおいては、太陽電池パネル１１の第１端子ＴＯ１および第２端子ＴＯ２に対して並列にキャパシタＣＦ  が接続される。
また、ＭＯＳＦＥＴ１４１のドレインが太陽電池パネル１１の第１端子ＴＯ１に接続され、ソースがダイオードＤ１４１のカソードおよびインダクタＬ１４１の一端に接続される。ダイオードＤ１４１のアノードが太陽電池パネル１１の第２端子ＴＯ２、キャパシタＣ１４１，ＣＦ  の第１電極に接続され、インダクタＬ１４１の他端がキャパシタＣ１４１の第２電極に接続される。
この降圧型ＤＣ−ＤＣコンバータを用いる場合、検出動作時にインダクタＬ１４１を流れる電流ＩＬ  、太陽電池電流ＩＰＶ、および太陽電池電圧ＰＰＶを３つのセンサで検出する必要がある。
【００６８】
図１４（Ａ）〜（Ｄ）は、電力変換回路として降圧型ＤＣ−ＤＣコンバータを用いた場合の太陽光発電システム１０Ａの各要部波形を示す図である。
図１４（Ａ）はＤＳＰ１５のＰＷＭ信号出力部１５９のＰＷＭ信号を、図１４（Ｂ）は太陽電池電圧ＶＰＶおよび太陽電池電流ＩＰＶを、図１４（Ｃ）は電力変換回路１４ＡのインダクタＬ１４１を流れる電流ＩＬ  を、図１４（Ｄ）は太陽電池電力ＰＰＶをそれぞれ示している。
また、ＳＣＮは最大電力点Ｐｍａｘ  検出のためのスキャン期間、ＴＲＫは追従動作期間をそれぞれ示している。
【００６９】
電力変換回路として降圧型ＤＣ−ＤＣコンバータを用いた場合の太陽光発電システム１０Ａの動作が昇圧型ＤＣ−ＤＣコンバータを用いた場合と異なる点は、ＰＷＭ信号のオン、オフが逆となることである。
【００７０】
また、負荷電圧を太陽電池電圧により下げたり上げたりしたい場合には、図１５に示すような、電力変換回路１４Ｂとして昇降圧型ＤＣ−ＤＣコンバータを用いた回路構成が適している。
昇降圧型ＤＣ−ＤＣコンバータにおいては、太陽電池パネル１１の第１端子ＴＯ１および第２端子ＴＯ２に対して並列にキャパシタＣＦ  が接続される。
また、ＭＯＳＦＥＴ１４１のドレインが太陽電池パネル１１の第１端子ＴＯ１に接続され、ソースがダイオードＤ１４１のカソードおよびインダクタＬ１４１の一端に接続される。インダクタＬ１４１の他端が太陽電池パネル１１の第２端子ＴＯ２、キャパシタＣ１４１，ＣＦ  の第１電極に接続され、ダイオードＤ１４１のアノードがキャパシタＣ１４１の第２電極に接続される。
この昇降圧型ＤＣ−ＤＣコンバータを用いる場合も、検出動作時にインダクタＬ１４１を流れる電流ＩＬ  、太陽電池電流ＩＰＶ、および太陽電池電圧ＰＰＶを３つのセンサで検出する必要がある。
【００７１】
図１６（Ａ）〜（Ｄ）は、電力変換回路として昇降圧型ＤＣ−ＤＣコンバータを用いた場合の太陽光発電システム１０Ｂの各要部波形を示す図である。
動作波形としては、図１５（Ａ）〜（Ｄ）とほぼ同じであるが、ＰＷＭ信号のオン、オフが逆となる。
【００７２】
このように、電力変換回路の種類によらずその電力変換回路に挿入されたインダクタに流れる電流の変化を利用して、瞬時に太陽電池のＩ−Ｖ特性をスキャンし、その結果をもとに追従制御を行い、太陽電池の高精度なＭＰＰＴ制御を実現することが可能である。
【００７３】
なお、上述の実施形態では、最大電力点のときの最適太陽電池電流に太陽電池電流を追従させるように追従制御を行う例を説明したが、最大電力点のときの最適太陽電池電圧に太陽電池電圧を追従させるように追従制御を行う構成を採用することも可能である。
この場合も、上述した効果と同様の効果を得ることができる。
【００７４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、最大電力点を確実に高い精度で検出することが可能となり、発電電力量を増大でき、電力取得の効率を大幅に向上させることができる。
また、負荷変動に対する制御特性も良いという利点がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の山登り法を採用した太陽光発電システムの構成例を示す図である。
【図２】図１の太陽光発電システムの動作原理を説明するための図である。
【図３】本発明に係る太陽光発電システムの一実施形態を示す構成図である。
【図４】本実施形態に係る太陽光発電システムの要部波形を示す図である。
【図５】本制御方式および従来方式における一日の太陽電池出力電力の変化（バッテリィ負荷）を示す図である。
【図６】負荷を純抵抗ＲＬ  とし、その値を１０Ω→２０Ω→１０Ωとステップ状に変化させ、急激な負荷変動を与えたとき応答特性を示す図である。
【図７】本制御方式における日射強度急変時の応答特性の一例を示す図である。
【図８】図７との比較のための図であって、従来の山登り法による日射強度急変時の応答特性の一例を示す図である。
【図９】太陽電池パネルに影が生じない場合と生じた場合の制御方式の追従性を示す図である。
【図１０】図９との比較のための図であって、太陽電池パネルに影が生じない場合と生じた場合の従来の山登り法の追従性を示す図である。
【図１１】本制御方式における低照度時の電力取得性能を示す図である。
【図１２】本制御方式における低照度時の電力取得特性を示す図である。
【図１３】降圧型ＤＣ−ＤＣコンバータの構成を示す回路図である。
【図１４】電力変換回路として降圧型ＤＣ−ＤＣコンバータを用いた場合の太陽光発電システムの各要部波形を示す図である。
【図１５】昇降圧型ＤＣ−ＤＣコンバータの構成を示す回路図である。
【図１６】電力変換回路として昇降圧型ＤＣ−ＤＣコンバータを用いた場合の太陽光発電システムの各要部波形を示す図である。
【符号の説明】
１０，１０Ａ，１０Ｂ…太陽光発電システム、１１…太陽電池パネル（ＰＶ）、１２…電圧検出センサ部、１３…電流検出センサ部、１４，１４Ａ，１４Ｂ…電力変換回路、１４１…ＭＯＳＦＥＴ、Ｌ１４１…インダクタ、Ｄ１４１…ダイオード、Ｃ１４１…キャパシタ、１５…デジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）、１５１…アナログ−デジタル変換回路（ＡＤＣ）、１５２…乗算器、１５３…最大電力点検出回路（Ｐｍａｘ  ＤＥＴ  ）、１５４…加算器（減算器）、１５５…ＰＩ制御器、１５６…搬送波生成器、１５７…加算器（減算器）、１５８…コンパレータ、１５９…ＰＷＭ信号出力部、１６…負荷。
【図１】
2004280220.tif 000004
【図２】
2004280220.tif 000005
【図３】
2004280220.tif 000006
【図４】
2004280220.tif 000007
【図５】
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【図６】
2004280220.tif 000009
【図７】
2004280220.tif 000010
【図８】
2004280220.tif 000011
【図９】
2004280220.tif 000012
【図１０】
2004280220.tif 000013
【図１１】
2004280220.tif 000014
【図１２】
2004280220.tif 000015
【図１３】
2004280220.tif 000016
【図１４】
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【図１５】
2004280220.tif 000018
【図１６】
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