(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
太陽電池と、
前記太陽電池から出力された直流電力の電圧を設定された目標電圧となるように昇圧する昇圧手段と、
前記昇圧手段により昇圧された直流電力を交流電力に変換して出力する電力変換手段と、
商用電力系統の電圧を検出する系統電圧検出手段と、
前記系統電圧検出手段によって検出された前記商用電力系統の電圧に基づいて前記昇圧手段の前記目標電圧を、前記商用電力系統の電圧が所定範囲内となっている場合に前記商用電力系統の電圧の増加に応じて上昇し、前記商用電力系統の電圧が前記所定範囲内となっていない場合には所定の一定値となるように設定するか、または前記商用電力系統の電圧の増加に応じて直線的に上昇させるように設定するか、または前記商用電力系統の電圧の増加に応じて階段状に上昇させるように設定する制御手段と、
を備えた太陽光発電装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、太陽光発電装置に係り、特に、太陽電池の出力電力を昇圧した後に交流電力に変換する太陽光発電装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、太陽電池から出力された直流電力をインバータ回路等によって商用電力と同様の交流電力に変換する太陽光発電装置と商用電力系統とを連系（接続）して、家電製品等の負荷に給電する系統連系システムが注目されている。
【０００３】
このような系統連系システムに適用される従来の太陽光発電装置には、太陽電池から出力された直流電力の電圧を昇圧チョッパ回路等の昇圧回路によって昇圧した後に、該昇圧された直流電力をインバータ回路によって交流電力に変換するものがあった。
【０００４】
ところで、この種の太陽光発電装置で用いられる太陽電池の出力電圧−出力電流特性は、一般に図６（Ａ）に示すような曲線で表わされる。従って、太陽電池の出力電圧−出力電力特性は、図６（Ｂ）に示すような曲線で表わされる。即ち、太陽電池の出力電圧が０［Ｖ］から所定電圧までの間は出力電力は徐々に増加し、該所定電圧を越えると出力電力は徐々に減少する。上記所定電圧時における出力電力は当該太陽電池の最大電力となり、この部分を最大電力点Ｐmという。
【０００５】
このような特性を有する太陽電池から最大電力を取り出す制御として、太陽電池の動作点が常に最大電力点Ｐmを追尾するように変化させる最大電力追尾制御（以下、ＭＰＰＴ（Maximum Power Point Tracking）制御という）が知られている。
【０００６】
このＭＰＰＴ制御は、太陽電池の動作電圧の制御目標値となる電圧指令値を一定時間間隔で微小変化させて、この際の太陽電池の出力電力を計測して前回の計測値との比較を行い、常に出力電力が大きくなる方向に上記電圧指令値を変化させるという手順によって、太陽電池の動作点を最大電力点（最適動作点）に近づけるものである。
【０００７】
従来の太陽光発電装置では、このようなＭＰＰＴ制御を行う際に、昇圧回路による昇圧後の電圧値が一定値となるように昇圧回路を制御していた。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の太陽光発電装置では、上述したように昇圧後の電圧値が一定値となるように昇圧回路を制御していたため、太陽電池の発電電力が比較的低い場合に太陽電池の動作電圧が不安定になる、という問題点があった。
【０００９】
このことを、より具体的に説明すると次のようになる。
【００１０】
従来の太陽光発電装置では、昇圧後の電圧値が一定値となるように昇圧回路を制御していたので、太陽電池の出力電圧が小さな場合には、昇圧回路による昇圧率が大きくされていた。
【００１１】
一方、太陽電池の出力電圧−出力電流特性は、図６（Ａ）に示すような曲線で表わされるため、昇圧回路の昇圧率が大きくなると太陽電池の動作電圧が小さくなる方向（図６（Ａ）左方向）に移動し、この結果、太陽電池の動作電圧を不安定にしていた。
【００１２】
また、一定値となるように制御される昇圧回路の出力電圧が必要以上に高く設定された場合、結果的に装置の変換効率を低下させる、という問題点もあった。
【００１３】
本発明は上記問題点を解消するために成されたものであり、常に最適な状態で運転することができる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】
上記目的を達成するために、請求項１記載の太陽光発電装置は、太陽電池と、前記太陽電池から出力された直流電力の電圧を設定された目標電圧となるように昇圧する昇圧手段と、前記昇圧手段により昇圧された直流電力を交流電力に変換して出力する電力変換手段と、商用電力系統の電圧を検出する系統電圧検出手段と、前記系統電圧検出手段によって検出された前記商用電力系統の電圧に基づいて前記昇圧手段の前記目標電圧を、前記商用電力系統の電圧が所定範囲内となっている場合に前記商用電力系統の電圧の増加に応じて上昇し、前記商用電力系統の電圧が前記所定範囲内となっていない場合には所定の一定値となるように設定するか、または前記商用電力系統の電圧の増加に応じて直線的に上昇させるように設定するか、または前記商用電力系統の電圧の増加に応じて階段状に上昇させるように設定する制御手段と、を備えている。
【００１５】
請求項１に記載の太陽光発電装置によれば、太陽電池から出力された直流電力の電圧が、設定された目標電圧となるように昇圧手段によって昇圧され、該昇圧された直流電力が電力変換手段によって交流電力に変換されて出力される。
【００１６】
この際、上記昇圧手段の目標電圧は、系統電圧検出手段によって検出された商用電力系統の電圧に基づいて制御手段によって、商用電力系統の電圧が所定範囲内となっている場合に商用電力系統の電圧の増加に応じて上昇し、商用電力系統の電圧が所定範囲内となっていない場合には所定の一定値となるように設定するか、または商用電力系統の電圧の増加に応じて直線的に上昇させるように設定するか、または商用電力系統の電圧の増加に応じて階段状に上昇させるように設定される。
【００１７】
このように、請求項１に記載の太陽光発電装置によれば、昇圧手段の目標電圧を商用電力系統の電圧に基づいて設定しているので、昇圧手段の昇圧率を必要以上に大きくしないことが可能となり、太陽光発電装置を常に安定して動作させることができると共に、昇圧手段の出力電圧を必要以上に高く設定する必要がなく、装置の変換効率低下を未然に防止することができる。
【００１９】
また、本発明の太陽光発電装置によれば、制御手段によって、昇圧手段の目標電圧が商用電力系統の電圧の増加に応じて上昇するように設定される。
【００２０】
このように、本発明の太陽光発電装置によれば、昇圧手段の目標電圧を商用電力系統の電圧の増加に応じて上昇するように設定しているので、昇圧手段の昇圧率が必要以上に大きくなることを防止することができる。
【００２１】
なお、請求項１記載の発明は、例えば、昇圧手段の当初の目標電圧を太陽電池から出力されている直流電力に基づいて設定した後に、商用電力系統の電圧の変動に応じて上記目標電圧を補正する形態等として適用することができる。この場合は、太陽電池による発電電力を効率よく引き出すことができると共に、電力変換手段に対する制御を簡易化することができる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、本発明に係る太陽光発電装置の実施の形態について詳細に説明する。
【００２３】
図１は、本発明に係る太陽光発電装置を商用電力系統に連系した系統連系システムとして適用した場合の構成を示すブロック図である。同図に示すように、本実施形態に係る太陽光発電装置１０には太陽電池１２が備えられており、太陽電池１２の出力端は逆流防止用のダイオード１４を介して直流用のノイズフィルタ１６に接続されている。
【００２４】
また、ノイズフィルタ１６の出力端は入力された直流電力の昇圧を後述するマイクロコンピュータ（以下、マイコンという）３２から入力されたスイッチング信号Ｓに基づいて行う昇圧回路１８に接続されており、昇圧回路１８の出力端は入力された直流電力を交流電力に変換して出力するインバータ回路２０に接続されており、さらにインバータ回路２０の出力端は交流用のノイズフィルタ２２に接続されている。なお、インバータ回路２０は、後述するマイコン３２から入力されたスイッチング信号に応じて、入力された直流電力を商用電源と同じ周波数（例えば５０Ｈｚ又は６０Ｈｚ）の交流（このインバータ回路２０の出力は、例えばノコギリ状波）に変換する役目を有している。なお、昇圧回路１８の詳細な構成については後述する。
【００２５】
さらに、ノイズフィルタ２２の出力端は解列コンダクタ２４を介して商用電力系統２８に接続されている。
【００２６】
一方、太陽光発電装置１０には、太陽光発電装置１０全体の制御を行うマイコン３２が備えられており、マイコン３２にはアイソレーションアンプから成る第１の電圧検出部３４で検出された太陽電池１２の出力電圧、変流器ＣＴから成る第１の電流検出部３６で検出された太陽電池１２の出力電流、アイソレーションアンプから成る第２の電圧検出部３８で検出された昇圧回路１８の出力電圧、変流器ＣＴから成る第２の電流検出部４０で検出されたインバータ回路２０の出力電流、及び変圧器ＰＴから成る電圧波形検出部４２で検出された商用電力系統２８の電圧波形が各々所定のサンプリング周期（本実施形態では０．５秒）で入力されている。
【００２７】
マイコン３２は、さらに解列コンダクタ２４に接続されており、商用電力系統２８の停電を検出した場合に、解列コンダクタ２４の接点を開放して、インバータ回路２０を商用電力系統２８から切り離す（解列する）ようになっている。
【００２８】
また、マイコン３２は昇圧回路１８に接続されており、第２の電圧検出部３８で検出された昇圧回路１８の出力電圧と、電圧波形検出部４２で検出された商用電力系統２８の電圧波形に基づいて得られる商用電力系統２８の電圧（以下、系統電圧という）と、に基づいて、昇圧回路１８に入力するスイッチング信号Ｓのデューティー比を制御する。
【００２９】
さらに、マイコン３２はインバータ回路２０に接続されており、電圧波形検出部４２で検出された商用電力系統２８の電圧波形に基づいて、インバータ回路２０の出力電力の位相及び周波数が商用電源と略一致するようにスイッチング信号を発生してインバータ回路２０に入力する。
【００３０】
なお、昇圧回路１８が本発明の昇圧手段に、インバータ回路２０が本発明の電力変換手段に、マイコン３２が本発明の制御手段に、電圧波形検出部４２が系統電圧検出手段に、各々相当する。
【００３１】
次に、図２を参照して、昇圧回路１８の詳細な構成について説明する。同図に示すように、昇圧回路１８はノイズフィルタ１６から入力された直流電力を平滑するための平滑コンデンサ５０及びチョークコイル５２と、スイッチング素子及びダイオードにより構成されたスイッチ回路５４と、出力側のフィルタ効果を得るために接続されたダイオード５６及びコンデンサ５８と、を含んで構成されている。
【００３２】
すなわち、この昇圧回路１８はチョークコイル５２中の電磁エネルギーを利用して出力電圧ＶSをノイズフィルタ１６から印加された電圧ＶD以上に昇圧する昇圧チョッパ回路を構成している。なお、上記スイッチ回路５４を構成するスイッチング素子としては、パワートランジスタ、パワーＦＥＴ等を適用することができる。
【００３３】
ここで、この昇圧回路１８からの出力電圧ＶSの平均値Ｖは、スイッチ回路５４のスイッチング素子に入力された図３に示すスイッチング信号Ｓのデューティー比に応じて次の（１）式で与えられる。
【００３４】
【数１】
0004663042.tif 000002
【００３５】
なお、（１）式におけるａ（＝ｔon／ｔ）は、一般に通流率と呼ばれている。上記（１）式から明らかなように、昇圧回路１８からの出力電圧ＶSの平均値Ｖは、スイッチング信号Ｓの１周期ｔに対するオンの期間ｔonの割合が大きい、すなわちデューティー比が大きいほど大きな値となる。
【００３６】
次に、図４を参照して、本実施形態に係る太陽光発電装置１０における昇圧回路１８制御時の作用を説明する。なお、図４は、昇圧回路１８を制御するためにマイコン３２で実行される制御プログラムのフローチャートである。
【００３７】
まずステップ１００では、昇圧回路１８に対するデューティー比が０のスイッチング信号Ｓの入力を開始し、その後、徐々にスイッチング信号Ｓのデューティー比を上昇することによって昇圧回路１８の出力電圧を上昇して、該出力電圧が所定の目標電圧に到達した時点でインバータ回路２０の動作を開始した後にステップ１０２へ移行する。なお、この際の所定の目標電圧は、図５（Ａ）のグラフにおける系統電圧ＶKが０であるときの昇圧回路の目標電圧ＶMに相当する。
【００３８】
次のステップ１０２では、電圧波形検出部４２で検出された商用電力系統２８の電圧波形に基づいて系統電圧ＶKを検出する。なお、ここで検出される系統電圧ＶKは実効値である。
【００３９】
次のステップ１０４では、上記ステップ１０２において検出した系統電圧ＶKに基づいて昇圧回路１８による昇圧後の目標電圧ＶMを求める。この際、系統電圧ＶKと昇圧回路１８の目標電圧ＶMとが図５（Ａ）に示すような関係となるように目標電圧ＶMを求める。すなわち、目標電圧ＶMを、系統電圧ＶKが通常の値（２０２Ｖ）を含む所定範囲内となっている場合は系統電圧ＶKの増加に応じて上昇するように求め、系統電圧ＶKが上記所定範囲内となっていない場合には所定の一定値となるように求める。
【００４０】
なお、図５（Ａ）の上記所定範囲内の領域における目標電圧ＶMは、対応する系統電圧ＶKより若干大きくなるように予め規定されている。これによって、商用電力系統からの逆流を防止することができる。また、この際の目標電圧ＶMの具体的な求め方としては、予め図５（Ａ）に示す関係となる系統電圧ＶKと昇圧回路１８の目標電圧ＶMのテーブルをマイコン３２内の図示しないメモリに記憶しておき、該テーブルを参照して求める方法や、系統電圧ＶKと目標電圧ＶMとの関係が図５（Ａ）に示すようになる計算式を予め用意しておき、該計算式を用いて算出する方法等を適用することができる。また、上記の２０２［Ｖ］は単なる一例であり、本発明はこの値に限定されるものではない。
【００４１】
次のステップ１０６では、第２の電圧検出部３８で検出された昇圧回路１８の出力電圧ＶSの値が目標電圧ＶMより小さいか否かを判定し、小さい場合はステップ１０８に移行して、昇圧回路１８の出力電圧ＶSが目標電圧ＶMとなるように昇圧回路１８に入力しているスイッチング信号Ｓのデューティー比を上げた後にステップ１０２へ戻る。
【００４２】
一方、ステップ１０６において、昇圧回路１８の出力電圧ＶSの値が目標電圧ＶMより小さくないと判定された場合はステップ１１０へ移行して出力電圧ＶSの値が目標電圧ＶMより大きいか否かを判定し、大きい場合はステップ１１２へ移行して、昇圧回路１８の出力電圧ＶSが目標電圧ＶMとなるようにスイッチング信号Ｓのデューティー比を下げた後にステップ１０２へ戻る。
【００４３】
また、ステップ１１０において、昇圧回路１８の出力電圧ＶSの値が目標電圧ＶMより大きくないと判定された場合、すなわち出力電圧ＶSの値が目標電圧ＶMと等しい場合は、スイッチング信号Ｓのデューティー比を変更せずにステップ１０２へ戻る。
【００４４】
これ以降、上記ステップ１０２乃至ステップ１１２の処理を繰り返して実行することによって、昇圧回路１８の出力電圧ＶSの値が系統電圧ＶKの大きさに応じて図５（Ａ）に示すような関係となるように制御される。
【００４５】
このように、本実施の形態に係る太陽光発電装置１０では、昇圧回路１８の目標電圧ＶMを系統電圧ＶKの大きさに応じて変更しているので、昇圧回路１８の昇圧率が必要以上に大きくなることがなく、太陽光発電装置１０を常に安定して動作させることができると共に、昇圧回路１８の出力電圧ＶSの値を必要以上に高く設定する必要がなく、装置の変換効率を低下させることがない。
【００４６】
なお、本実施の形態では、昇圧回路１８の目標電圧ＶMを系統電圧ＶKに応じて図５（Ａ）に示す関係となるように求める場合について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば図５（Ｂ）に示すように目標電圧ＶMを系統電圧ＶKの増加に応じて直線的に上昇させる形態としてもよいし、図５（Ｃ）に示すように系統電圧ＶKの増加に応じて階段状に上昇させる形態としてもよい。これらの場合も、本実施形態と略同様の効果を奏することができる。
【００４７】
また、本実施の形態では、昇圧回路として昇圧チョッパ回路（直接形昇圧回路）を適用した場合について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば倍電圧整流回路、直並列チョッパ回路等を用いた昇圧回路を適用する形態としてもよい。
【００４８】
また、本実施の形態では、商用電力系統の電圧のみを考慮して昇圧回路１８の目標電圧ＶMを設定する場合について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、インバータ回路２０の出力電力も考慮して昇圧回路１８の目標電圧を設定する形態としてもよい。なお、この際のインバータ回路２０の出力電力は、第２の電流検出部４０で検出されているインバータ回路２０の出力電流に商用電力の電圧を乗じることによって得ることができる。
【００４９】
【発明の効果】
請求項１記載の太陽光発電装置によれば、昇圧手段の目標電圧を商用電力系統の電圧に基づいて設定しているので、昇圧手段の昇圧率を必要以上に大きくしないことが可能となり、太陽光発電装置を常に安定して動作させることができると共に、昇圧手段の出力電圧を必要以上に高く設定する必要がなく、装置の変換効率低下を未然に防止することができる、という効果が得られる。
【００５０】
また、本発明によれば、昇圧手段の目標電圧を商用電力系統の電圧の増加に応じて上昇するように設定しているので、昇圧手段の昇圧率が必要以上に大きくなることを防止することができる、という効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施の形態に係る太陽光発電装置の概略構成を示すブロック図である。
【図２】実施の形態に係る昇圧回路の詳細な構成を示すブロック図である。
【図３】実施の形態に係る昇圧回路に入力されるスイッチング信号の状態を示すと共に、昇圧回路の動作原理の説明に供するタイミングチャートである。
【図４】実施の形態におけるマイコンで昇圧回路の制御時に実行される制御プログラムの流れを示すフローチャートである。
【図５】（Ａ）は実施の形態における商用電力系統の電圧と昇圧回路の目標電圧との関係の一例を示すグラフであり、（Ｂ）及び（Ｃ）は商用電力系統の電圧と昇圧回路の目標電圧との関係のその他の例を示すグラフである。
【図６】（Ａ）は太陽電池の出力電圧−出力電流特性図であり、（Ｂ）は最大電力追尾制御の説明に用いる太陽電池の出力電圧−出力電力特性図である。
【符号の説明】
１０    太陽光発電装置
１２    太陽電池
１８    昇圧回路（昇圧手段）
２０    インバータ回路（電力変換手段）
２８    商用電力系統
３２    マイクロコンピュータ（制御手段）
４２    電圧波形検出部（系統電圧検出手段）
５４    スイッチ回路
【図１】
0004663042.tif 000003
【図２】
0004663042.tif 000004
【図３】
0004663042.tif 000005
【図４】
0004663042.tif 000006
【図５】
0004663042.tif 000007
【図６】
0004663042.tif 000008