(57)【要約】【課題】  迅速な過渡応答と最大電力点近傍での脈動が極めて小さく、かつ、収束性のよい、太陽電池の最大電力制御方法及びその制御装置を提供する。【解決手段】  太陽電池２と太陽電池２に接続される電力変換手段３を介して取り出される電力を最大電力に制御する方法で、太陽電池２の動作点の変更方向の特定には、電力変換手段３のスイッチング動作に伴う瞬時電圧脈動または瞬時電流脈動を用いてフィードバック制御し、太陽電池２の動作点の最大電力点への移動及び最大電力点へ到達した後の太陽電池２の動作点の維持は、太陽電池２の動作点電圧または電流の平均値を求め、太陽電池２の動作点電圧または電流の平均値の積分制御に基づきフィードバック制御する。迅速な過渡応答が得られ、また、最大電力点近傍での脈動が極めて小さく、かつ、収束性がよい。【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に接続される電力変換手段を介して取り出される電力を最大電力に制御する方法であって、
上記太陽電池の動作点の変更方向の特定には、上記電力変換手段のスイッチング動作に伴う瞬時電圧脈動または瞬時電流脈動を用いてフィードバック制御し、
上記太陽電池の動作点の最大電力点への移動及び最大電力点へ到達した後の太陽電池の動作点の維持は、上記太陽電池の動作点電圧平均値または動作点電流平均値を求め、該太陽電池の動作点電圧平均値または動作点電流平均値の積分制御に基づきフィードバック制御することを特徴とする、太陽電池の最大電力制御方法。
【請求項２】
前記太陽電池の瞬時電圧脈動を、前記太陽電池または前記電力変換手段の瞬時電圧ｖ（ｔ）から計算するか、または、前記太陽電池の瞬時電流脈動を前記太陽電池または前記電力変換手段の瞬時電流脈動ｉ（ｔ）から計算することを特徴とする、請求項１に記載の太陽電池の最大電力制御方法。
【請求項３】
前記太陽電池の動作点電圧平均値を、前記太陽電池または前記電力変換手段の瞬時電圧ｖ（ｔ）から計算し、前記電力変換手段のデューティ比に対する指令値とすることを特徴とする、請求項１に記載の太陽電池の最大電力制御方法。
【請求項４】
前記太陽電池の動作点電流平均値を、前記太陽電池または前記電力変換手段の瞬時電流ｉ（ｔ）から計算し、前記電力変換手段のデューティ比に対する指令値とすることを特徴とする、請求項１に記載の太陽電池の最大電力制御方法。
【請求項５】
太陽電池に接続される電力変換手段と最大電力制御部とを有する太陽電池の最大電力制御装置であって、
上記最大電力制御部は、少なくとも瞬時最大電力演算手段と、比較手段と、平均電圧または平均電流演算手段と、増幅手段と、積分手段と、からなり、
上記瞬時最大電力演算手段は、上記太陽電池の瞬時電圧ｖ（ｔ）と上記太陽電池の瞬時電流ｉ（ｔ）とにより上記太陽電池の動作点電圧指令値Ｖ* または動作点電流指令値Ｉ* を上記比較手段に出力し、
上記平均電圧または平均電流演算手段は、上記電力変換手段のスイッチング動作に伴う瞬時電圧脈動または瞬時電流脈動を用いてその平均電圧または平均電流を上記比較手段に出力し、
上記比較手段は、太陽電池の動作点電圧指令値Ｖ* と上記平均電圧との電圧偏差ΔＶまたは太陽電池の動作点電流指令値Ｉ* と上記平均電流との電流偏差ΔＩを出力し、
この電圧偏差ΔＶまたは電流偏差ΔＩが増幅手段により増幅され、さらに積分手段により上記電力変換手段のデューティ比に対する指令値として上記電力変換手段に与えられ、上記電圧偏差ΔＶまたは電流偏差ΔＩが０となるようにフィードバック制御されることを特徴とする、太陽電池の最大電力制御装置。
【請求項６】
前記瞬時最大電力演算手段は、前記太陽電池の動作点の変更方向を特定する際に、前記電力変換手段のスイッチング動作に伴う前記太陽電池または前記電力変換手段の瞬時電圧脈動を前記太陽電池の動作点電圧指令値Ｖ* として前記比較手段へ出力し、
前記瞬時最大電力演算手段は、前記太陽電池の動作点の最大電力点への移動と最大電力点へ到達した後の太陽電池の動作点を維持する際、前記太陽電池の動作点電圧平均値を前記太陽電池の動作点電圧指令値Ｖ* として前記比較手段に出力することを特徴とする、請求項５に記載の太陽電池の最大電力制御装置。
【請求項７】
前記瞬時最大電力演算手段は、前記太陽電池の動作点の変更方向を特定する際に、前記電力変換手段のスイッチング動作に伴う前記太陽電池または前記電力変換手段の瞬時電流脈動を前記太陽電池の動作点電流指令値Ｉ* として前記比較手段へ出力し、
前記瞬時最大電力演算手段は、前記太陽電池の動作点の最大電力点への移動と最大電力点へ到達した後の太陽電池の動作点を維持する際、前記太陽電池の動作点電流平均値を前記太陽電池の動作点電流指令値Ｉ* として前記比較手段に出力することを特徴とする、請求項５に記載の太陽電池の最大電力制御装置。
【請求項８】
前記太陽電池の動作点電圧平均値を、前記太陽電池または前記電力変換手段の瞬時電圧ｖ（ｔ）から計算し、前記電力変換手段のデューティ比に対する指令値とすることを特徴とする、請求項５または６に記載の太陽電池の最大電力制御装置。
【請求項９】
前記太陽電池の動作点電流平均値を、前記太陽電池または前記電力変換手段の瞬時電流ｉ（ｔ）から計算し、前記電力変換手段のデューティ比に対する指令値とすることを特徴とする、請求項５または６に記載の太陽電池の最大電力制御装置。
【請求項１０】
前記太陽電池の制御装置はコンピュータを具備し、
該コンピュータは、前記太陽電池の瞬時電圧ｖ（ｔ）及び前記太陽電池の瞬時電流ｉ（ｔ）から、瞬時電力ｐ（ｔ）と、前記太陽電池の動作点電圧指令値Ｖ* または動作点電流指令値Ｉ* と、前記太陽電池の動作点電圧平均値または動作点電流平均値と、を自動的に計算することを特徴とする、請求項５から８の何れかに記載の太陽電池の制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、太陽電池の最大電力制御方法及びその制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
地球環境に悪影響を及ぼす化石燃料に対して、太陽光発電をはじめとする代替エネルギーの活用技術の開発とその効率向上が急務である。
一般に、太陽光発電の技術開発要素は、太陽電池の材料関連と、太陽光発電システム技術関連に大別できる。太陽電池材料開発では、材料コストとの低減と並んで、変換効率の高い材料の開発が行われている。一方、太陽光発電システム技術開発においても、太陽電池から最大限の電力を取り出す技術の効率の向上は不可欠である。
【０００３】
図２０は太陽電池の出力特性の一例を示す図である。図において、横軸は太陽電池に発生する電圧（Ｖ）であり、縦軸は太陽電池の電流（Ｉ）と発生する電力Ｐ（Ｐ＝Ｉ×Ｖ）を示している。
太陽電池の電流−電圧特性（以後、Ｉ−Ｖ特性と呼ぶ）において、太陽電池の開放電圧は、電流が０のときの電圧であり、太陽電池の短絡電流は、電圧が０、すなわち短絡したときの電流である。
また、太陽電池の電力−電圧特性（以後、Ｐ−Ｖ特性と呼ぶ）の頂点は、太陽電池からの出力電力が最大となる最大電力点である（Maximum Power Point 、以下適宜ＭＰＰと呼ぶ）。無制御では、太陽電池の動作点がＭＰＰに位置する保証はどこにもなく、Ｐ−Ｖ特性上で太陽電池の電力が小さい動作点に滞留することは十分あり得る。
さらに、図２０に例示した特性は不変ではなく、日照量、温度など気象条件により時々刻々に変化し、ＭＰＰも定点とはならない。太陽電池から最大電力を取り出すには、太陽電池に電力変換器を接続し、移動するＭＰＰに太陽電池の動作点を追従させる制御を施す必要がある。この制御が、最大電力点追従（ＭＰＰＴ: Maximum Power Point Tracking、以下、適宜ＭＰＰＴと呼ぶ）制御方法と呼ばれている。
これまでに、多数のＭＰＰＴ法が報告されている。例えば、太陽電池の特性の関数近似による方法（非特許文献１及び２参照）、太陽電池の内部インピーダンスと太陽電池に接続される変換器の入力インピーダンスを最大電力条件に整合させる方法（非特許文献３及び４参照）、二値制御方式（非特許文献５及び６参照）などがある。
【０００４】
山登り法（Perturb and Observe method、以下適宜Ｐ＆Ｏ法とも呼ぶ）もその一つで、数多くの手法が提起されている（例えば、特許文献１及び２参照）。
その基本原理は、太陽電池の電圧または電流を、電力変換器により常に微小変動させ、これに対応した太陽電池の発生電力の変化により、その発生電力が大きくなる方向へ、上記電力変換器の微小変動幅の中心位置を移動させる制御方法である。
【０００５】
【特許文献１】特開昭６２−８５３１２号（第１及び第４図）
【特許文献２】特開２００２−４８７０４号（第２〜３頁、第１図）
【非特許文献１】A. Kislovski and R. Redl, “Maximum-power-tracking using  positive feedback", (1994), Proc IEEE Power Electron Spec. Conf., pp.1065-1068
【非特許文献２】Y. Yamaguchi, E. Sato, H. Minakata, S. Tadakuma,“Maximum Power Tracking Control Method of A Solar Cell by Approximating theＩ−Ｖ Characteristics", (1998), Convention Record IEE Japan, Industry Applications Society,  pp.191-194
【非特許文献３】A. Nafeh, F. Fahmy, O. Mahgoub and E. Abou El-Zahab,“Developed algorism of maximum power tracking for stand alone photovoltaic system",  (1998), Energy Sources, Vol.20, Issue 1, pp.45-58
【非特許文献４】K. Hussein, I. Muta, T. Hoshino and M. Osakada“Maximum   photo-voltaic power tracking: An algorithm for rapidly changing atmosphere conditions", (Jan.,1995), Proc. Inst. Elect. Eng. G , vol.142, pp.59-64
【非特許文献５】渡辺崇、吉田俊哉、大庭勝實、「太陽電池の動特性を考慮した最大電力点追従法」、(2003)、電気学会論文誌Ｄ、Vol.123 、No.7、pp.863-869
【非特許文献６】M. Miyatake, T. Kouno and M. Nakano,“Maximum Power Point Tracking Method of Photovoltaic Generation System Introducing Line Search Method",(2000), Proceedings of Japan Industry Applications Society Conference, pp.327-330
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従来の山登り法では、ＭＰＰＴ達成のいかんに関わらず、一定幅の動作点振動を続行するため、ＭＰＰＴ達成後の定常状態でもＭＰＰ近傍で振動が残り、電力の損失が発生するという課題がある。
【０００７】
本発明は上記課題に鑑み、迅速な過渡応答と最大電力点近傍での脈動が極めて小さく、かつ、収束性のよい、新規な太陽電池の最大電力制御方法及びその制御装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するため、本発明は、太陽電池と太陽電池に接続される電力変換手段を介して取り出される電力を最大電力に制御する方法であって、電力変換手段のスイッチング動作に伴う瞬時電圧脈動または瞬時電流脈動を用いてフィードバック制御することによって、太陽電池の動作点の変更方向を特定し、さらに、太陽電池の動作点電圧平均値または動作点電流平均値を求め、太陽電池の動作点電圧平均値または動作点電流平均値の積分制御に基づきフィードバック制御することによって、太陽電池の動作点の最大電力点への移動及び最大電力点へ到達した後の太陽電池の動作点を維持するようにしたことを特徴とする。
上記構成において、太陽電池の瞬時電圧脈動を、好ましくは、太陽電池または電力変換手段の瞬時電圧ｖ（ｔ）から計算するか、または、太陽電池の瞬時電流脈動を太陽電池または電力変換手段の瞬時電流脈動ｉ（ｔ）から計算する。
また、太陽電池の動作点電圧平均値を、好ましくは、太陽電池または電力変換手段の瞬時電圧ｖ（ｔ）から計算し、電力変換手段のデューティ比に対する指令値とする。さらに、太陽電池の動作点電流平均値を、太陽電池または電力変換手段の瞬時電流ｉ（ｔ）から計算し、電力変換手段のデューティ比に対する指令値としてもよい。
【０００９】
この構成によれば、太陽電池の瞬時電圧変動または瞬時電流変動を用い、その瞬時値と平均値を適切に使い分けてフィードバック制御を行うことができる。
太陽電池の動作点の変更方向の特定には、太陽電池の動作点を制御するために、電力変換手段のスイッチング動作に伴う瞬時電圧脈動または瞬時電流脈動を利用してフィードバック制御するので、迅速な過渡応答を提供することができる。
また、太陽電池の最大電力点への移動と、最大電力点達成後の動作点の維持は、積分制御に基づく太陽電池の動作点電圧または電流の平均値のフィードバック制御により行うことで、ＭＰＰ近傍での脈動が極めて小さく、かつ、収束性のよい制御方法を提供すことができる。
したがって、ある条件で最大電力点追従（ＭＰＰＴ）を達成した後は、平均値で与える動作点電圧または電流指令値の変化を僅少に留めることができる。
【００１０】
さらに、本発明は、太陽電池に接続される電力変換手段と最大電力制御部とを含む太陽電池の最大電力制御装置であって、最大電力制御部は、少なくとも瞬時最大電力演算手段と、比較手段と、平均電圧または平均電流演算手段と、増幅手段と、積分手段と、からなり、瞬時最大電力演算手段は、太陽電池の瞬時電圧ｖ（ｔ）と太陽電池の瞬時電流ｉ（ｔ）とにより太陽電池の動作点電圧指令値Ｖ* または動作点電流指令値Ｉ* を比較手段に出力し、平均電圧または平均電流演算手段は、電力変換手段のスイッチング動作に伴う瞬時電圧脈動または瞬時電流脈動を用いてその平均電圧または平均電流を比較手段に出力し、比較手段は、太陽電池の動作点電圧指令値Ｖ* と平均電圧との電圧偏差ΔＶまたは太陽電池の動作点電流指令値Ｉ* と平均電流との電流偏差ΔＩを出力し、この電圧偏差ΔＶまたは電流偏差ΔＩが増幅手段により増幅され、さらに積分手段により電力変換手段のデューティ比に対する指令値として与えられ、電圧偏差ΔＶまたは電流偏差ΔＩが０となるようにフィードバック制御されることを特徴とする。
上記構成において、好ましくは、瞬時最大電力演算手段は、太陽電池の瞬時電圧ｖ（ｔ）と太陽電池の瞬時電流ｉ（ｔ）とにより、太陽電池の動作点の変更方向の特定には、電力変換手段のスイッチング動作に伴う瞬時電圧脈動または瞬時電流脈動を用いて、太陽電池の動作点電圧指令値Ｖ* または動作点電流指令値Ｉ* を比較手段に出力し、太陽電池の動作点の最大電力点への移動と最大電力点へ到達した後の太陽電池の動作点の維持は、太陽電池の動作点電圧平均値または動作点電流平均値を求め、太陽電池の動作点電圧指令値Ｖ* または動作点電流指令値Ｉ* を比較手段に出力する。
太陽電池の動作点電圧平均値を、太陽電池または電力変換手段の瞬時電圧ｖ（ｔ）から計算し、電力変換手段のデューティ比に対する指令値とすれば好適である。
また、太陽電池の動作点電流平均値を、太陽電池または前記電力変換手段の瞬時電流ｉ（ｔ）から計算し、電力変換手段のデューティ比に対する指令値とすることでもよい。
また、太陽電池の制御装置はコンピュータを具備し、コンピュータが太陽電池の瞬時電圧ｖ（ｔ）及び太陽電池の瞬時電流ｉ（ｔ）から、瞬時電力ｐ（ｔ）と、太陽電池の動作点電圧指令値Ｖ* または動作点電流指令値Ｉ* と、太陽電池の動作点電圧平均値または動作点電流平均値と、を自動的に計算するようにすれば好ましい。
【００１１】
この構成によれば、太陽電池の動作点の変更方向の特定には、太陽電池の動作点を制御するために、電力変換手段のスイッチング動作に伴う瞬時電圧または電流脈動を利用してフィードバック制御し、そして、太陽電池の最大電力点への移動と、最大電力点達成後の動作点の維持は、積分制御に基づく太陽電池の動作点電圧または電流の平均値のフィードバック制御により行い、迅速な過渡応答とＭＰＰ近傍での脈動が極めて小さく、かつ、収束性のよい太陽電池の制御装置を提供することができる。これにより、常に太陽電池から最大電力が得られるので、太陽電池の電力を有効に使用することができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、太陽電池からの電力を、迅速な過渡応答とＭＰＰ近傍での脈動が極めて小さく、かつ、収束性よく最大電力に追従できる、太陽電池の最大電力制御方法及びその制御装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を詳細に説明する。
始めに、本発明の太陽電池の最大電力制御方法に用いる装置を説明する。図１は、本発明の太陽電池の最大電力制御装置を模式的に示すブロック図である。
図示するように、本発明の太陽電池の最大電力制御装置１は、太陽電池２と、太陽電池２に接続される電力変換手段３と、最大電力制御部４とから構成されている。
太陽電池２と太陽電池に接続される電力変換手段３を介して取り出される電力が、最大となるように最大電力制御部４により制御される。このような電力変換手段３としては、太陽電池２の直流出力を直流に変換する、ＤＣ−ＤＣチョッパ（以下、適宜単にチョッパと呼ぶ。）が使用できる。以下、電力変換手段３をチョッパとして説明する。
【００１４】
最大電力制御部４は、瞬時最大電力演算手段５と、比較手段６と、チョッパ３の出力からその電圧平均値ＶAVE を演算する平均電圧演算手段７と、増幅手段８と、積分手段９と、からなっている。
ここで、瞬時最大電力演算手段５と、比較手段６と、平均電圧演算手段７とは、マイクロプロセッサ、デジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）、Ａ／Ｄ変換器などを含むコンピュータを用いて構成することができる。また、増幅手段８及び積分手段９は、アナログＩＣなどを用いることができる。
【００１５】
瞬時最大電力演算手段５は、太陽電池２の瞬時電圧ｖ（ｔ）２ａ及び瞬時電流ｉ（ｔ）２ｂが入力されて、後述する動作点電圧指令値Ｖ* を計算し、比較手段６に出力する。
【００１６】
平均電圧演算手段７は、太陽電池２に接続されるチョッパ３からの出力電力３’から、その出力電圧の平均電圧ＶAVE を演算して、比較手段６に出力する。
ここで、チョッパ３の出力電圧が、太陽電池２に対する電圧比が１：１の場合には、図示するようにチョッパ３の出力電圧から平均電圧ＶAVE を演算できる。また、上記電圧比が異なる場合、例えばチョッパにより太陽電池の電圧を昇圧している場合には、平均電圧ＶAVE は、太陽電池２の瞬時電圧ｖ（ｔ）から計算してもよい。
【００１７】
比較手段６においては、動作点電圧指令値Ｖ* と平均電圧ＶAVE との電圧偏差ΔＶ（ΔＶ＝Ｖ* −ＶAVE ）を検出する。この電圧偏差ΔＶは、増幅手段７により増幅され、さらに積分手段８によりデューティ信号としてチョッパ３に出力される。
【００１８】
この比較手段６で得られる電圧偏差ΔＶが０となるように、フィードバック制御がなされる。すなわち、動作点電圧指令値Ｖ* に太陽電池２の動作電圧を追従させるように、フィードバック制御系が構成されている。
上記動作点電圧指令値Ｖ* は太陽電池２の瞬時値への指令値ではなく、チョッパ電圧制御サンプリング周期ΔＴでの平均値に対する指令値である。
このようにしてフィードバック制御が行われ、追従を達成して電圧偏差ΔＶが０になったとき、その時のチョッパ３へのデューティ比が維持される。つまり太陽電池２の動作電圧を動作電圧指令値Ｖ* に保つために、制御論理は積分手段８を用いた積分制御としている。
【００１９】
次に、本発明の太陽電池の最大電力制御装置１の動作を説明する。
太陽電池２の動作点をＭＰＰへ接近させる方向の特定には、太陽電池２に接続されるチョッパ３のスイッチング動作に起因する瞬時電圧変動を利用する。
そして、太陽電池２の動作点がＭＰＰに接近した場合には、太陽電池２の動作点電圧を、動作点電圧指令値Ｖ* に追従させる。この動作点電圧指令値Ｖ* は、チョッパ３の入力段における、チョッパ電圧制御サンプリング周期ΔＴの平均電圧を用いて制御を行う。
【００２０】
本発明の太陽電池の最大電力制御装置１は以上のように構成されており、太陽電池２の動作点をＭＰＰへ接近させる方向の特定の制御方法をさらに詳しく説明する。
図２は本発明の第１の実施の形態である太陽電池の最大電力制御方法における、（ａ）太陽電池のＩ−Ｖ特性及びＰ−Ｖ特性と、（ｂ）その出力電力の時間変化であるＰ（ｔ）特性を模式的に示す図である。
図２（ａ）のＰ−Ｖ特性曲線にて、双方向の矢印で示した電圧動作点の範囲（ＶMIN ≦Ｖ≦VMAX）が、太陽電池２に接続されるチョッパ３のスイッチング動作に起因する電圧変動である。この電圧変動により、太陽電池２の電力も変動し、図２（ｂ）に示すように、Ｐ（ｔ）は脈動を呈する。
【００２１】
上記チョッパ電圧制御サンプリング周期ΔＴにおける瞬時電力の最大値をＰIMAX、これに対応する瞬時電圧をＶIMAXとする。また、ΔＴ間の瞬時動作点電圧の平均電圧をＶAVE とする。図２（ａ）において、動作点がＭＰＰの電圧より低い場合と高い場合とで、それぞれ以下の関係が成立する。
ＶIMAX  ＞  ＶAVE             （１）
ＶIMAX  ＜  ＶAVE             （２）
図２（ａ）からも明らかなように、ＶIMAXは必ずＶAVE よりもＭＰＰに近い側に存在するので、太陽電池２の動作点をＭＰＰへ接近させる方向の特定には、ＶIMAXを用いてフィードバック制御を行う。これにより、太陽電池２の動作点をＭＰＰへ接近させる方向の特定には、太陽電池２の動作電圧の瞬時電圧ＶIMAXを用いることで、迅速な過渡応答特性を得ることができる。
【００２２】
次に、太陽電池の電圧が最大電力点近傍になったときの動作について説明する。
図３は、本発明の第１の実施の形態である太陽電池の最大電力制御方法における、最大電力点近傍の太陽電池のＩ−Ｖ特性及びＰ−Ｖ特性を模式的に示す図である。図３のＰ−Ｖ特性曲線から分かるように、太陽電池２の動作点ＣがＭＰＰ近傍のＶIMAXに達した場合には、瞬時電圧の脈動、つまり動作点電圧の変化範囲が図２（ａ）の場合とは異なり、ＶIMAXの両側に亘る。ＶIMAXへの追従を続行すれば、ＶIMAXは、この太陽電池２の動作点電圧の変化範囲のほぼ中央に位置し、ＭＰＰＴが達成できる。動作点がＭＰＰ電圧より低い場合でも同様である。
ここで、ＭＰＰＴの制御周期は、瞬時最大電力制御手段５の出力である動作点電圧指令値Ｖ* の更新周期であり、上記チョッパ電圧制御サンプリング周期ΔＴよりも十分に長い周期とすればよい。例えば、ΔＴの千倍から１万倍とすることができる。
したがって、太陽電池２の動作点電圧の変化範囲のほぼ中央の値、すなわち、動作点電圧の平均値ＶAVE がＶIMAXを追従するようにフィードバック制御をかければ、太陽電池２の動作点をＭＰＰへ接近させる方向に追従制御できる。
これにより、太陽電池２の動作点のＭＰＰへの追従制御には、太陽電池２の動作電圧の平均電圧ＶAVE を用ることで、迅速な過渡応答とＭＰＰ近傍での脈動が極めて小さい収束性を実現できる。このように、本発明の太陽電池の最大電力制御方法は、瞬時最大電力追従法(Instantaneous Maximum Power Point Tracking Control : ＩＭＰＴＣ) と、呼ぶことができる。
【００２３】
次に、太陽電池２の動作点電圧の追従目標値である瞬時電圧ＶIMAXの算出過程について説明する。図４は、ＶIMAXを算出する過程を示すフローチャートである。
先ず、ステップＳＴ１において、太陽電池２の瞬時電圧ｖ（ｔ）と瞬時電流ｉ（ｔ）を検出する。
【００２４】
次に、ステップＳＴ２において、瞬時電圧ｖ（ｔ）と瞬時電流ｉ（ｔ）と、を乗算することにより瞬時電力ｐ（ｔ）を求める。
【００２５】
そして、ステップＳＴ３において、得られた瞬時電力ｐ（ｔ）のＰMAX に対する大小関係を判定する。ここで、ＰMAX は、ΔＴ期間内で演算されたそれまでの瞬時電力の最大値である。そして、ステップＳＴ３において、得られた瞬時電力ｐ（ｔ）がＰMAX よりも小さい（ｐ（ｔ）＜ＰMAX ）と判定したときには、ステップＳＴ５に進みリターンとなる。  
【００２６】
これに対して、ステップＳＴ３において、得られた瞬時電力ｐ（ｔ）のＰMAX に対する大小関係が、ＰMAX よりも大きい（ｐ（ｔ）＞ＰMAX ）と判定したときには、ステップＳＴ４に進む。そして、ステップＳＴ４において、このＰMAX を瞬時電力ｐ（ｔ）の最大瞬時電力である（ＰIMAX＝ｐ（ｔ））として、このＰMAX に対応する瞬時電圧ｖ（ｔ）をＶIMAXとして特定し、ステップＳＴ５に進みリターンとなる。この際、ＶIMAXが、チョッパ３への動作点電圧指令値Ｖ* となる。
【００２７】
ここで、実際にチョッパ３に、動作点電圧指令値Ｖ* として直接与えられる物理量は、デューティ比である。チョッパ３は与えられたデューティ比を実現すべく、そのスイッチング周波数にて、チョッパ３のスイッチング素子のオン・オフ制御を実行する。スイッチング素子をオンして短絡状態にすると、太陽電池２の出力電流が増加し、図２に示したＩ−Ｖ特性に従って太陽電池２の出力電圧が減少する。また、スイッチング素子をオフしたときはこの逆の現象を呈する。
このように、太陽電池２の電圧の増減は、スイッチングによる瞬時値の変化であり、上記太陽電池の最大電力制御方法で説明したように、この脈動を利用してＭＰＰＴを行うことができる。
【００２８】
次に、本発明の第２の実施形態に係る太陽電池の最大電力制御方法について説明する。  図５は、本発明の第２の実施形態に係る太陽電池の最大電力制御装置を模式的に示すブロック図である。図示するように、本発明の第２の実施形態に係る太陽電池の最大電力制御装置１’が、図１で示した本発明の第１の実施形態の太陽電池の最大電力制御装置１と異なるのは、フィードバック制御に太陽電池の瞬時電流ｉ（ｔ）を用いることである。
したがって、太陽電池の瞬時電流ｉ（ｔ）により制御されるために、最大電力制御部４は、瞬時最大電力演算手段５’と、比較手段６’と、チョッパ３の出力からその電流平均値ＩAVE を演算する平均電圧演算手段７’と、増幅手段８’と、積分手段９’と、からなっている。
【００２９】
瞬時最大電力演算手段５は、太陽電池２の瞬時電圧ｖ（ｔ）２ａ及び瞬時電流ｉ（ｔ）２ｂが入力されて、動作点電流指令値Ｉ* を計算し、比較手段６’に出力する。
【００３０】
平均電流演算手段７’は、太陽電池２に接続されるチョッパ３からの出力電力３’から、その出力電流の平均電流ＩAVE を演算して、比較手段６’に出力する。
ここで、チョッパ３の出力電流が、太陽電池２に対する電流比が１：１の場合には、図示するようにチョッパ３の出力電流から平均電流ＩAVE を演算できる。また、上記電流比が異なる場合、例えばチョッパ３により太陽電池の電圧を昇圧している場合には、電流が変わるので、平均電流ＩAVE は、太陽電池２の瞬時電流ｉ（ｔ）から計算してもよい。
【００３１】
比較手段６’においては、動作点電流指令値Ｉ* と平均電圧ＩAVE との電流偏差ΔＩ（ΔＩ＝Ｉ* −ＩAVE ）を検出する。この電流偏差ΔＩは、増幅手段７’により増幅され、さらに積分手段８’によりデューティ信号としてチョッパ３に出力される。
【００３２】
この比較手段６’で得られる電流偏差ΔＩが０となるように、フィードバック制御がなされる。すなわち、動作点電流指令値Ｉ* に太陽電池２の動作電流を追従させるように、フィードバック制御系が構成されている。この際、動作点電流指令値Ｉ* は太陽電池２の瞬時値への指令値ではなく、ΔＴでの平均値に対する指令値である。
このようにしてフィードバック制御が行われ、追従を達成して電流偏差ΔＩが０になったとき、その時のチョッパ３へのデューティ比が維持される。つまり太陽電池２の動作電流を動作電流指令値Ｉ* に保つために、制御論理は積分手段８’を用いた積分制御としている。
【００３３】
本発明の第２の実施形態による太陽電池の最大電力制御装置１’は以上のように構成されているから、第１の実施の形態による太陽電池の最大電力制御方法の瞬時電圧変動ｖ（ｔ）を瞬時電流変動ｉ（ｔ）に置き換えれば、太陽電池２の動作点が最大電力となるように制御される（図２及び図３参照）。
【００３４】
また、太陽電池２の動作点電流の追従目標値である瞬時電圧ＩIMAXの算出過程は、図４のステップＳＴ４において、ＰMAX に対応する瞬時電流ｉ（ｔ）をＩIMAXとして特定すればよい。そして、ＭＰＰＴの制御周期は、瞬時最大電力制御手段５の出力である動作点電流指令値Ｉ＊の更新周期であり、チョッパ電圧制御サンプリング周期ΔＴよりも十分に長い周期とすればよい。例えば、ΔＴの千倍から１万倍とすることができる。
【００３５】
ここで、実際にチョッパ３に、動作点電流指令値Ｉ* からの指令値として直接与えられる物理量は、デューティ比である。チョッパ３は与えられたデューティ比を実現すべく、そのスイッチング周波数にて、チョッパ３のスイッチング素子のオン・オフ制御を実行する。
したがって、スイッチング素子をオンして短絡状態にすると、太陽電池２の出力電流が増加し、図２に示したＩ−Ｖ特性に従って太陽電池２の出力電圧が減少する。また、スイッチング素子をオフしたときはこの逆の現象を呈する。このように、太陽電池２の電流の増減は、スイッチングによる電流瞬時値の変化であり、電圧瞬時値と同様に、この電流脈動を利用してＭＰＰＴを行うことができる。
【００３６】
以上説明した本発明の太陽電池の最大電力制御方法の特徴について説明する。
太陽電池２の動作点の変更方向の特定には、太陽電池２の動作点を制御するのに必要な電力変換手段としてのチョッパ３のスイッチング動作に伴う瞬時電圧または瞬時電流の脈動を利用する。そして、太陽電池２の動作点のＭＰＰへの移動とＭＰＰＴ達成後の動作点の維持は、積分制御に基づく太陽電池２の動作点電圧平均値または動作点電圧平均値のフィードバック制御により行うことである。
したがって、本発明の太陽電池の最大電力制御方法と従来の、所謂山登り法との本質的相違は、太陽電池２の電圧ｖ（ｔ）または電流ｉ（ｔ）の瞬時値と平均値を適切に使い分けたことにある。これにより、本発明の太陽電池の最大電力制御方法においては、ある条件でＭＰＰＴを達成した後は、平均値で与える動作点電圧指令値Ｖ* または動作点電流指令値Ｉ* の変化を僅少に留めることが可能となる。
同時に、その後の日照などの条件変化に伴うＭＰＰの移動に備え必須であるＭＰＰの移動情報は、チョッパ３のスイッチング動作により常時発生している太陽電池２の動作点電圧または動作点電流の脈動を利用して遅滞なく取得できる。
【実施例１】
【００３７】
本発明の太陽電池の最大電力制御装置の実施例１について説明する。
図６は、本発明の実施例１の太陽電池の最大電力制御装置を模式的に示すブロック図である。図６に示すように、実施例１の太陽電池の最大電力制御装置１０は、太陽電池２と、チョッパ３（図６の点線で囲んだ領域）と、最大電力制御部４’と、により構成されている。
【００３８】
チョッパ３は、スイッチング素子１１、ダイオード１２、コンデンサ１３，１４、インダクタンス１５などから構成されている。チョッパ３の出力段は、直接、負荷１６に接続されたり、図示しないインバータを介して負荷や交流系統などに接続される。実施例１では、ＭＰＰＴの性能だけを評価するため、チョッパ３の負荷として、バッテリー１６’を接続した。
【００３９】
最大電力制御部４’は、図１で説明した最大電力制御部４と、チョッパ３のスイッチング素子のコントローラ１３と、から構成されている。最大電力制御部４’は、ＤＳＰを用いて製作した。また、本発明の太陽電池の最大電力制御方法に関するプログラムは、デジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）のメモリに書き込んだ。
太陽電池の瞬時電圧２ａ及び瞬時電流２ｂは、それぞれ、アイソレーションアンプ１７及びホール電流検出器（ホールＣＴ）１８で検出され、最大電力制御部４’に入力される。太陽電池の瞬時電圧２ａは、その瞬時値や平均値が計算されて制御に供され、太陽電池の瞬時電流２ｂは、瞬時電力の算出に用いた。
【００４０】
図７は、使用した太陽電池２及び最大電力制御部４’の制御条件を示す表である。太陽電池２としては、ＧＴ−１６３３−ＴＦ（昭和シェル製品）を使用し、その定格最大電力は２．８Ｗであり、定格出力電圧は１５．４Ｖである。また、最大電力制御部４’の制御条件としては、スイッチング周波数が１０ｋＨｚ、瞬時最大電力演算手段５のサンプリング周期が１０μｓ、ＭＰＰＴ周期が５０ｍｓ、定格出力電圧が２４Ｖである。太陽電池２に照射する光源として、光量が調節できるハロゲンランプを用いた。
【００４１】
（比較例１）
次に、比較例１について説明する。
実施例１と比較するために、従来の山登り法を用いた太陽電池の最大電力制御装置を製作した。この比較例１の制御装置は、図５に示した本発明の実施例１の太陽電池の最大電力制御装置において、太陽電池やチョッパは同じであり、制御方法を山登り法に代えたものである。
【００４２】
比較例１に用いた従来の山登り法について説明する。
太陽電池の動作電圧をΔＴごとに一定変化幅で変動させる。変動前と変動後の太陽電池の出力電力を比較し、常に電力が大きくなる方向へ太陽電池の動作点を移動させＭＰＰへ接近させる。太陽電池における変動前の動作電圧をＶA 、そのときの電力をＰA 、変動後の動作電圧をＶB 、そのときの電力をＰB 、電圧の変動幅をΔＶとし、以下の（３）式〜（６）式の判定条件で動作点を変更した。
（ＰA ＞ＰB ）∩（ＶA ＞ＶB ）のとき、ΔＶ＞０    （３）
（ＰA ＜ＰB ）∩（ＶA ＜ＶB ）のとき、ΔＶ＞０    （４）
（ＰA ＞ＰB ）∩（ＶA ＜ＶB ）のとき、ΔＶ＜０    （５）
（ＰA ＜ＰB ）∩（ＶA ＞ＶB ）のとき、ΔＶ＜０    （６）
ここで、∩は、論理積（ＡＮＤ）である。
【００４３】
実施例１と比較例１において、太陽電池への照度と温度を一定に保った条件での太陽電池の制御結果について説明する。ここで、太陽電池への照度と温度を一定に保った状態を、定常状態と呼ぶ。日の出から日没まで太陽電池の稼働時間の大半は定常状態が占めるため、定常状態における電力の増加は、発電量の増加に最も貢献し、重要である。この条件では、太陽電池のＰ−Ｖ特性が一本の曲線で定まるので、ＭＰＰＴ制御の基本性能を評価するのに適している。
図８は、実施例１及び比較例１の太陽電池の最大電力制御装置の電力応答を示す図である。図において、縦軸が太陽電池の電力（Ｗ）であり、横軸が制御時間（ｓ）である。実施例１においては、ＭＰＰＴ制御を施していない状態でＭＰＰから外れた動作点を初期動作点とする。この点から、ＭＰＰＴ制御を開始し電力応答を観測する。初期動作点は、ＭＰＰ電圧より低い状態でＭＰＰ電力の６５％とし、電力応答速度は最速の設定とした。
一方、比較例１の山登り法においては、動作点電圧の変化幅ΔＶを、実施例１の応答とほぼ同じになるように設定した。
図８から明らかなように、定常状態に到達した後の波形の比較から、実施例１では殆ど脈動が発生していないが、比較例では顕著な脈動が生じていることがわかる（図８のＡ区間）。
【００４４】
図９は図８の脈動の一周期での電力量を比較した表である。図９から明らかなように、図８のＡ区間における電力量は、実施例１では１７１．８ｍＷであり、比較例では１６４．８ｍＷであった。これから、実施例１においては、比較例よりも４．２％多い電力が得られた。
これは、比較例の山登り法では、原理的にＭＰＰ到達以後、動作点指令電圧を変動させ続ける必要があるのに対して、実施例１のＩＭＰＴＣは積分制御により動作点指令電圧を一定値に維持できるので、大きな電力が得られるからである。
【００４５】
次に、実施例１及び比較例１の別の電力応答について説明する。
図１０は、実施例１と、比較例１の定常状態での脈動がほぼ実施例１と同程度になるよう変更した場合の電力応答の比較を示している。
図において、縦軸が太陽電池の電力（Ｗ）であり、横軸が制御時間（ｓ）である。具体的には、比較例の山登り法にて、動作点電圧の変更幅を図８で示した場合の１／６に狭くした。
図１０から明らかなように、実施例１の過渡応答速度は、約０．１ｓであり、比較例１の過渡応答速度が０．７ｓと大幅に劣化していることが分かる。これから、比較例１においては、上記の設定変更により、定常状態での脈動は狙いどおり小さくできたが、過渡応答速度が大幅に劣化したことが分かる。
【００４６】
図１１は図１０の過渡応答期間であるＢ区間での電力量の比較を示す表である。図１１から明らかなように、実施例１及び比較例１の電力が、それぞれ、１２１８ｍＷ、１０１１ｍＷであった。これから、実施例１の過渡応答期間の電力が、比較例に対して約２０％多く得られることが分かる。
これにより、本発明の実施例１であるＩＭＰＴＣ法では、ＭＰＰＴ制御における太陽電池の電力応答速度及び定常特性において、比較例１よりも電力が大きくその制御性が優れていることが分かった。
一方、比較例の山登り法はＭＰＰＴ制御の電力応答を速くすると、ＭＰＰ到達後、つまり定常状態での脈動が大きく、ひいては電力の損失が大きい。逆に、定常特性を重視すると応答速度が遅くなり、電力損失が発生した。
【実施例２】
【００４７】
太陽電池の最大電力制御装置は実施例１と同じ装置を使用し、太陽電池への照射条件を変えた実施例２について説明する。
比較例２は、比較例１において、山登り法の応答速度の設定を定常特性を重視した設定、つまり、図１０で示した設定とした。
太陽電池２の温度を一定に保ち、すでにＭＰＰＴ制御を施した状態から太陽電池２に照射するハロゲンランプの照度が０．５ｋＷ／ｍ2 〜１．０ｋＷ／ｍ2 になるように、ハロゲンランプの電源電圧をステップ状に上昇させ、下降させた。
【００４８】
最初に、太陽電池への照度を上昇させたときの電力応答について説明する。
図１２は、実施例２及び比較例２の照度を上昇させたときの太陽電池の最大電力制御装置の電力応答を示す図である。図において、縦軸が太陽電池の電力（Ｗ）であり、横軸が制御時間（ｓ）である。図１２から明らかなように、実施例２の過渡応答時間が、比較例２のそれに対して、０．１５ｓ速く照度上昇後のＭＰＰに至っていることから、実施例２の制御速度が速いことが分かる。
【００４９】
図１３は図１２の過渡応答期間であるＤ区間での電力量の比較を示す表である。図１３から明らかなように、過渡応答期間であるＤ区間において、実施例２の電力が８７５ｍＷであり、比較例２の電力が７６４ｍＷであった。これから、実施例２においては、過渡応答期間Ｄの電力が、比較例２に対して１４．６％多く得られることが分かる。
【００５０】
図１４及び図１５は、それぞれ、比較例２及び実施例２における電力応答時の太陽電池のＰＶ特性上での動作点の軌跡を示す図である。図において、縦軸は太陽電池の電力（Ｗ）、横軸は太陽電池の電圧（Ｖ）である。
図１４から明らかなように、比較例２においては、照度が上昇中にＭＰＰから遠ざかる挙動を示している。これは、山登り法がΔＴごとの平均値しか扱っていないため起こる現象である。つまり、ＭＰＰから遠ざかる方向へ動作点を移動させても照度上昇の影響により平均電力はかえって増加し、いっそう遠ざかる方向へ動作点を移動させるからである。  一方、図１５から明らかなように、実施例２においては、比較例２のようにＭＰＰから遠ざかる挙動は観測されないことが分かる。これは、実施例２においては、常に瞬時最大電力点を監視しているのでこの現象が生じないからである。
【００５１】
次に、太陽電池への照度を下降させたときの電力応答について説明する。
図１６は、照度を下降させた場合の実施例２のＩＭＰＴＣと比較例２の山登り法の太陽電池の最大電力制御装置の電力応答波形を示す図である。図において、縦軸が太陽電池の電力（Ｗ）であり、横軸が制御時間（ｓ）である。
図１６から明らかなように、実施例２の電力応答が比較例２のそれよりも、より速く照度下降後のＭＰＰに至っていることから、実施例２の制御速度が速いことが分かる。
【００５２】
図１７は図１６の過渡応答期間であるＥ区間での電力量の比較を示す表である。図１７から明らかなように、過渡応答期間であるＥ区間（図１６参照）において、実施例２の電力が４８８ｍＷであり、比較例２が５２５ｍＷであった。これから、実施例２においては、過渡応答期間Ｅの電力が、比較例２に対して７．６５％多く得られることが分かる。
【００５３】
図１８及び図１９は、それぞれ、比較例２及び実施例２における太陽電池への照度を下降させたときの太陽電池のＰＶ特性上での動作点の軌跡を示す図である。各図において、縦軸が太陽電池の電力（Ｗ）であり、横軸が太陽電池の電圧（Ｖ）である。
これから、実施例２のＩＭＰＴＣ法において、照度変化に対して比較例２よりも、非常に応答性が高いことが分かる。
【００５４】
本発明は上記実施例に限定されることなく、特許請求の範囲に記載した発明の範囲内で種々の変形が可能であり、例えば、太陽電池の容量は任意に設定でき、それに応じてチョッパの取り扱い電力や制御方法を適宜変更設計できることはいうまでもなく、それらも本発明の範囲内に含まれることは明らかである。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】本発明の太陽電池の最大電力制御装置を模式的に示すブロック図である。
【図２】本発明の太陽電池の最大電力制御方法における、（ａ）太陽電池のＩ−Ｖ特性及びＰ−Ｖ特性と、（ｂ）その出力電力の時間変化であるＰ（ｔ）特性を模式的に示す図である。
【図３】本発明の太陽電池の最大電力制御方法における、最大電力点近傍の太陽電池のＩ−Ｖ特性及びＰ−Ｖ特性を模式的に示す図である。
【図４】ＶIMAXを算出する過程を示すフローチャートである。
【図５】本発明の第２の実施の形態に係る太陽電池の最大電力制御装置を模式的に示すブロック図である。
【図６】本発明の実施例１の太陽電池の最大電力制御装置を模式的に示すに示すブロック図である。
【図７】実施例１で用いた太陽電池及び最大電力制御部の制御条件を示す表である。
【図８】実施例１及び比較例１の太陽電池の最大電力制御装置の電力応答を示す図である。
【図９】図８の脈動の一周期での電力量を比較した表である。
【図１０】実施例１と、比較例１の定常状態での脈動がほぼ実施例１と同程度になるよう変更した場合との電力応答の比較を示す図である。
【図１１】図１０の過渡応答期間であるＢ区間での電力量の比較を示す表である。
【図１２】実施例２及び比較例２の照度を上昇させたときの太陽電池の最大電力制御装置の電力応答を示す図である。
【図１３】図１２の過渡応答期間であるＤ区間での電力量の比較を示す表である。
【図１４】比較例２における電力応答時の太陽電池のＰＶ特性上での動作点の軌跡を示す図である。
【図１５】実施例２における電力応答時の太陽電池のＰＶ特性上での動作点の軌跡を示す図である。
【図１６】照度を下降させた場合の実施例２及び比較例２の太陽電池の最大電力制御装置の電力応答波形を示す図である。
【図１７】図１６の過渡応答期間であるＥ区間での電力量の比較を示す表である。
【図１８】比較例２における太陽電池への照度を下降させたときの太陽電池のＰＶ特性上での動作点の軌跡を示す図である。
【図１９】実施例２における太陽電池への照度を下降させたときの太陽電池のＰＶ特性上での動作点の軌跡を示す図である。
【図２０】太陽電池の出力特性の一例を示す図である。
【符号の説明】
【００５６】
１，１’，１０：太陽電池の最大電力制御装置
２：        太陽電池
２ａ：        太陽電池の瞬時電圧ｖ（ｔ）
２ｂ：        太陽電池の瞬時電流ｉ（ｔ）
３：        電力変換手段
３’：        電力変換手段の出力
４，４’：    最大電力制御部
５，５’：    瞬時最大電力演算手段
６，６’：    比較手段
７，７’：    平均電圧演算手段
８，８’：    増幅手段
９，９’：    積分手段
１１：        スイッチング素子
１２：        ダイオード
１３，１４：  コンデンサ
１５：        インダクタンス
１６：        負荷
１６’：      バッテリー
１７：        アイソレーションアンプ
１８：        ホール電流検出器
２０：        スイッチング素子のコントローラ
【図１】
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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１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１７】
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【図２】
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【図３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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