(57)【要約】【課題】従来の最大電力点追従制御方式における、インバータ運転指令値や目標電圧刻み幅はの決定には、固定刻み，電圧偏差の重み付けによる比例制御，比例・積分制御等の方法が行われているが、日射急変等により運転指令値である出力電流指示値と、実際に太陽電池から出力可能な電流の間にミスマッチが生じると、より電流を出力させるために動作点が短絡電流点へ移行して出力電力が零の状態になり、有効に電力を取り出すことが出来なくなる問題がある。【解決手段】本発明は、最大電力点追従制御方式におけるインバータ制御において、その指示の値刻み幅を、減少刻み幅の場合には固定幅とすることにより、増分刻み幅の場合には可変幅とすることにより、電圧刻み幅については、太陽電池出力の直流電力と開放電圧を用いて決定することにより動作点が短絡電流点へ移行し出力電力が零の状態になるのを防止するようにしたものである。【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、該太陽電池によって発電された直流を交流に変換し負荷及び商用電力系統に供給する系統連系型インバータと、該インバータを制御するインバータ制御部を具備した太陽光発電システムにおいて、
インバータ制御部は、その指示値の値刻み幅を、
減少刻み幅の場合は、固定幅として、不安定領域から安定領域への復帰が速やかに行うように制御し、
増分刻み幅の場合は、開放電圧付近では大きく、最大電力点付近では小さくる可変幅として、動作点が短絡電流点へ移行して出力電力が零（インバータ停止）の状態になるのを防止するように制御する、
ことを特徴とする太陽光発電用インバータの最大電力点追従制御方式。
【請求項２】
請求項１において，インバータ制御部の指令値刻み幅が増分の場合の可変幅の値は，以下の式により求める。
太陽電池の出力の，時刻Ｔｎでの直流電力Ｐｎと，１サイクル前の時刻Ｔｎ−１での直流電力Ｐｎ−１との偏差，ｄＰ＝Ｐｎ−Ｐｎ−１を求め，増分刻み幅ｄｋをｄｋ＝ｄＰ／Ｎとする。増分刻み幅の値をｄｋ１＝ｄＰ／Ｎ１，
ｄｋ２＝ｄＰ／Ｎ２とし，Ｎ１＞Ｎ２とし
ｄｋ１＜ｄｋ２となるようにする。
指令値増加の場合において動作電圧と目標電圧の偏差が小さい場合にはｄｋ１を加算し，大きい場合にはｄｋ２を加算することを特徴とする太陽光発電用インバータの最大電力点追従制御方式。
【請求項３】
太陽電池と，当該太陽電池によって発電された直流を交流に変換し負荷及び商用電力系統に供給する系統連系型インバータと，該インバータを制御するインバータ制御部を具備した太陽光発電システムにおいて，インバータ制御部は，その電力刻み幅を，太陽電池出力の直流電力と太陽電池定格出力電力，及びスタート時開放電圧を用いて決定することにより，太陽電池の現在の出力電力と定格出力電力により電力に応じた可変幅とし，かつスタート時の開放電圧も関数として含むことでインバータ指示値と出力可能な電流との間のミスマッチが生じる可能性を低減することを可能としたことを特徴とする太陽光発電用インバータの最大電力点追従制御方式。
【請求項４】
請求項３において、電圧刻み幅を決定するにあたり，現在の太陽電池出力電力と使用する太陽電池の定格出力電力，インバータ起動時の電圧であるスタート時の開放電圧の３つの値によって決定する事を特徴とする太陽光発電用インバータの最大電力点追従制御方式。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、太陽光発電システムにおける太陽光発電用インバータの最大電力点追従制御方式に関する。
本発明の太陽光発電用インバータの最大電力点追従制御方式は、不安定領域から安定領域への復帰が速やかに行える、インバータの指令値と目標電圧の刻み幅の決定方式に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、地球温暖化防止京都会議等をきっかけとし地球規模で、環境とエネルギーに対する関心が急速に高まっており、太陽光発電は再生可能なクリーンエネルギーとして期待されている。
しかしながら、太陽光発電は、その発電量を日射、温度等の条件に依存し、常に変動を伴うため、太陽光発電を安定したエネルギー源として使うために太陽光発電から得られる直流出力をインバータにより交流に変換し、これを商用電力系統と連系させることが現在広く行われている。
図２は、太陽光発電に使用される一般的な太陽電池の出力電流Ｉと電圧Ｖの関係（Ｉ−Ｖ特性）を表わすグラフである。図２に示すグラフは、照度の高低に応じた太陽電池の二つの出力特性ａ，ｂを示したものである。
図２に示すように、太陽電池のＩ−Ｖ特性は、ある一定の照量のもとで発電を行っている場合、その電力が供給される負荷が、低抵抗時には定電流源として動作するが、負荷抵抗が増加して、負荷の電圧が一定電圧値６，７に達すると、急激に電流が減少して、定電圧源として動作すようになる。さらに負荷抵抗を増加させると、電流が減少していき、開放点に近づくという特性を持っている。
【０００３】
又、太陽電池の特性として、定電流の領域９から定電圧の領域１０に切替る点における電圧値６，７は、照度の高低ａ，ｂに関わらずほぼ一定値となっている。又、太陽電池の定電流から定電圧への切替点６，７は、電流値と電圧値の積、すなわち太陽光発電の発電電力が最大値をとる点で、この点における電力値が最大電力に一致することが知られている。
つまり、太陽電池には、ある条件下において最大電力を取り出すことのできる固有の電圧値が存在するということになる。その値を最適電圧値として、太陽電池の出力電圧が最適電圧値になるように、インバータ運転指令値や目標電圧を調節しながら使用することにより、どのような照度に対しても常に最も効率よく電力を得ることができることになる。
このように太陽電池は、照度に対しては発電電力の最大点が存在し、さらにその最大電力を発電するための負荷電流、すなわち最適電流が存在し、負荷電流がそれよりも大きすぎても小さすぎても発電効率は低下する特性を持っている。このため、天候の状況によって時々刻々変化する照度のもとで太陽光発電から最も効率よく電力を得るためには、太陽電池の発電電圧、および電流が、その時々の日照量に対して、最大電力が得られる値となるようにようにインバータ運転指令値や目標電圧を制御することが必要である。このように、その時々の日照量に対して、最大電力が得られるように太陽電池の発電電圧、および電流を制御する方法が最大電力点追従制御である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来の最大電力点追従制御方式における、インバータ運転指令値や目標電圧刻み幅の決定には、固定刻み，電圧偏差の重み付けによる比例制御，比例・積分制御等の方法が行われている。しかしながら、従来のインバータ運転指令値や目標電圧刻み幅の決定方法による制御では、インバータ運転指令値である出力電流指示値と、実際に太陽電池から出力可能な電流の間にミスマッチが生じると、より電流を出力させるために図２の動作点が短絡電流点へ移行してしまい出力電力が零（インバータ停止）の状態になり、有効に電力を取り出すことが出来なくなる問題がある。（特開平６−３４８３５２，特開平９−９１０５１）
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明の太陽光発電用インバータの最大電力点追従制御方式は、太陽光発電システムにおける最大電力点追従制御方式におけるインバータ制御において、その指示の値刻み幅を、減少刻み幅の場合には固定幅とすることにより不安定領域から安定領域への復帰を速やかに行い、増分刻み幅の場合には可変幅とすることにより、指示値の刻み幅を開放電圧付近では大きく、最大電力点付近では小さくすることにより、動作点が短絡電流点へ移行してしまい出力電力が零（インバータ停止）の状態になるのを防止するようにしたものである。
又，電圧刻み幅については，太陽電池出力の直流電力とスタート時開放電圧及
び太陽電池定格出力電力を用いて決定することにより，太陽電池出力の現在の出力電力と定格出力電力により電力に応じた可変幅とし，かつスタート時の開放電圧も関数として含むことでインバータ指示値と出力可能な電流との間のミスマッチが生じる可能性を低減することを可能としたものである。
【０００６】
【発明の実施の形態】
【実施例】
本発明の、太陽光発電用インバータの最大電力点追従制御方式、が適用される太陽光発電システムの一例を図１に示す。
図１において、１は太陽電池である。２は系統連系型インバータで、３はインバータ本体、４はインバータ制御部、ＣＴ１，ＣＴ２は電流変成器、ＰＴ１，ＰＴ２は電圧変成器、Ｃは電流平滑コンデンサである。５は商用電源である。
太陽電池１から出力される直流電力は、コンデンサＣを介してインバータ３に加えられ、インバータ３により商用電源の周波数の交流電力に変換される。系統連系型インバータ２の交流出力は負荷に供給され、又系統連系保護装置を介して商用電源５に接続される。
【０００７】
太陽電池１の出力電流と電圧の値は電流変成器ＣＴ１及び電圧変成器ＰＴ１により検出されインバータ制御部４に加えられる。又、インバータ３の交流出力電流と電圧の値は電流変成器ＣＴ２及び電圧変成器ＰＴ２により検出され制御部４に加えられる。
インバータ制御部４は、電流変成器ＣＴ１及び電圧変成器ＰＴ１の太陽電池１の出力電流と電圧の値より太陽電池１の出力を算出する。目標電圧と太陽電池出力電圧の電圧偏差を求め、電圧偏差が大きい場合には、太陽電池出力電圧が目標電圧に接近し偏差が小さくなるように出力電流指示値（電流定数）の増減演算を行いインバータ３に運転の指示を行う。偏差が小さい場合には、次なる目標電圧の演算を行う。これら一連の制御を繰り返し行うことにより太陽電池の動作点を最大電力点へ移行させることが可能となる。
【０００８】
インバータ制御部４の演算素子にはＣＰＵが使用され、この制御部への設定値の指示等は、プログラムソフトウェアーにより行われる。
以上のように構成された太陽光発電システムにおいては、需要個所での消費電力が系統連系インバータ２の出力よりも小さいときには余剰分が商用系統に逆潮流され、また需要個所での消費電力が系統連系インバータ２の出力よりも大きいときには不足分が商用系統から供給される。そしてこのようにして安定なエネルギー源として太陽光発電を使用できる。
本発明では，事前に，使用する太陽電池の仮の目標電圧値を設定し，初期値としてインバータ制御部４に設定しておき，通常起動時には起動時の電圧である開放電圧から微少電圧幅だけ減じた値を目標電圧とする。また，起動時以外は太陽電池１から電力をより多く取り出せるように目標電圧をインバータ制御部４にて決定する。太陽電池１の出力電力を交流に変換するインバータ３に，制御部４より出力電流指示値（電流定数）ｋを供給することによって，太陽電池１から取り出す電流の調節を行う。インバータ制御部４の制御は，太陽電池１の出力電流と出力電圧から電力を計算し，その上下に応じ出力電流指示値（電流定数）ｋを計算していく。
【０００９】
インバータ制御部４の制御手順は，次のように行われる。起動と通常制御時に分けて説明を行う。
起動時の制御手順は，
１．負荷接続時の太陽電池１の出力電圧，電流を検出する。
２．出力電圧が運転範囲内であるかの確認
３．起動（電流定数零）の太陽電池１の出力電圧を開放電圧として保持
４．太陽電池１の電流が設定値以上になるまで電流定数を上昇させる。
５．目標電圧を出力電圧から微少電圧幅だけ減じた値とする。（通常制御移行時に用いる）
起動時の制御により電流定数を上昇させていき太陽電池１の出力電流が設定値以上となり次第，通常制御を行う。通常制御の手順は以下のように行われる。
１．負荷接続時の太陽電池１の出力電圧，電流を検出する。
２．出力電圧が運転範囲内であるかの確認。
３．出力電圧と目標電圧の偏差を算出する。
４．偏差が大きい場合には偏差が小さくなるように出力電流指示値の増減を行う。出力電圧が目標電圧より大きい場合には出力電流定数（電流定数）ｋを増加させる。出力電圧が目標電圧より小さい場合には出力電流定数（電流定数）ｋを減少させる。
５．偏差が小さい場合には出力電流，電圧より出力電力を計算し，出力電力の前回計算値と比較して，出力電力が増加するような目標電圧を決定する。
上記の制御を繰り返し行うことにより，動作点を最大電力点とすることが可能となる。
【００１０】
従来の最大電力点追従制御方式におけるインバータ運転指令値や目標電圧刻み幅は、固定刻み，電圧偏差の重み付けによるＰ制御，ＰＩ制御がが行われているが、従来のインバータ運転指令値や目標電圧刻み幅の制御では、インバータ運転指令値（出力電流指示値）と実際に太陽電池から出力可能な電流の間に日射急変等によるミスマッチが生じると、より電流を出力させるために、動作点が図２の短絡電流点８へ移行してしまい出力電力が零（インバータ停止）の状態になり、有効に電力を取り出すことが出来なくなる。
このような状態は、図２に示すように太陽電池の電流電圧特性（Ｉ−Ｖ特性）上の最大電力点６，７を境界にして、定電流の領域９（不安定領域）と定電圧の領域１０（安定領域）の直流電流の増加幅が大きく異なることが原因で、太陽電池が最大電力点付近で定常動作している場合には、日射変動などにより、図２に示すようにＩ−Ｖ特性がａからｂにへ変化する時に生じる。
具体的には、図２における太陽電池のＩ−Ｖ特性ａ上の動作点６の時の出力電流指示値をｋ１とし、Ｉ−Ｖ特性ｂ上の最大電力点を指示する最適な出力電流指示値をｋ２とし，太陽電池の出力が日射変動などにより、Ｉ−Ｖ特性ａからｂへ急変した場合に、出力電流指示値の変更が成されない場合、又は変更が遅い場合にはｋ１〉ｋ２なので、太陽電池の動作点がＩ−Ｖ特性ｂ上の短絡電流点８へ移行してしまうことが原因である。
【００１１】
図３は、本発明の太陽光発電用インバータの最大電力点追従制御方式の動作を説明する図である。
図３において、９は定電流の不安定領域を、１０は定電圧の安定領域を示す。１１は短絡電流点、１２は最大電力点を示す。１３は開放電圧点、１４は電力零点を示す。１５は出力電流指示値増分刻み幅の方向、１６は出力電流指示値差分刻み幅の方向、１７は太陽電池動作点を示す。
図３に示すように、本発明では、制御部４のインバータ運転指令値は、太陽電池１の出力を、動作点１７から増加させるような、不安定領域９の方向に向ける「増分」１５の指示を出す場合には、太陽電池の現在出力Ｐｎと、１サイクル前の出力Ｐｎ−１の偏差用いてその刻み幅を算出し、「増分」１５の値を可変にしている。これにより制御部４のインバータ運転指令値を、開放電圧付近では大、最大電力点付近では小とすることにより、太陽電池１の出力が不安定領域９へ大きく振り込むことを防止している。
又、制御部４のインバータ運転指令値が、太陽電池１の出力を、動作点１７から減少させるような、安定領域１０の方向に向ける指示を行う、「差分」１６の指示を行う場合には、固定値を用いることにより、不安定領域９から安定領域１０への復帰を速やかに行うことが出来る。
【００１２】
図４は、本発明の太陽光発電用インバータの最大電力点追従制御方式における、インバータ制御部４の指令値の刻み幅「増分」を決定する計算方法を説明するための図である。
図４において、図３と同一の部分には同一の符合を付けてその説明を省略する。１７は太陽電池動作点、１８は時刻Ｔｎにおける動作点（Ｖｎ，Ｉｎ）、１９は時刻Ｔｎ‐１における動作点（Ｖｎ‐１，Ｉｎ‐１）を示す。２０は時刻Ｔｎにおける動作電力Ｐｎ、２１は時刻Ｔｎ‐１における動作電力Ｐｎ‐１を示す。
太陽電池１の出力の、時刻Ｔｎでの直流データ１８を（Ｖｎ，Ｉｎ）とし、１サイクル前の時刻Ｔｎ‐１での直流データ１９を（Ｖｎ‐１，Ｉｎ‐１）とすると、
この直流データより各時点の太陽電池１の直流電力２０，２１を求める。
２０：Ｐｎ＝Ｖｎ＊Ｉｎ・・・（１）
２１：Ｐｎ‐１＝Ｖｎ‐１＊Ｉｎ‐１・・・（２）
となる。
【００１３】
式（１），（２）より電力偏差ｄＰを求めると，
ｄＰ＝Ｐｎ−Ｐｎ‐１  ・・・（３）
となる。
増分刻み幅ｄｋを
ｄｋ＝ｄＰ／Ｎ
とする。増分刻み幅の値を，
ｄｋ１＝ｄＰ／Ｎ１，ｄｋ２＝ｄＰ／Ｎ２
とし，Ｎ１＝３００，Ｎ２＝２００などとすることによりＮ１＞Ｎ２とし，ｄｋ１＜ｄｋ２と
なるようにする。
【００１４】
図３における，指令値増加１５の場合において，動作電圧と目標電圧の偏差が小さい場合にはｄｋ１を加算し，大きい場合にはｄｋ２を加算する。
図における，指令値減少１６の場合には，固定刻みとする。
固定刻みとすることにより，不安定領域９に突入時には，速やかに安定領域１０への復帰が可能となる。
電圧刻み幅は，動作電圧と目標電圧（最適電圧）の電圧偏差が小さい場合に、次サイクル以降の目標電圧を決定する際に用いる。電圧刻み幅ｄＶの決定には現在の太陽電池出力の直流電力と、スタート時開放電圧、及び太陽電池定格出力電力を用いて決定する。
電圧刻み幅ｄＶの決定方法は以下の式（４）により求める。
ｄＶ＝α×Ｖｏｃ×（β＋Ｐｎ／（γ×Ｐｍａｘ））  ・・・（４）
α，β，γの各値は使用する太陽電池等により調整する。
ここで，例えば
Ｖｏｃ：スタート時の開放電圧１３，
Ｐｎ：現在の電力２０
Ｐｍａｘ：太陽電池定格出力
α＝０．００７５
β＝０．５
γ＝２．０
とする。
【００１５】
図５は、本発明の太陽光発電用インバータの最大電力点追従制御方式を採用した、実機による動作試験結果の一例の電流電圧計測波形を示したものである。
図５のグラフは、太陽電池の動作点をリセットした後の、インバータ制御装置の電流定数の変化と、これに伴う太陽電池の出力の直流電圧と直流電流の変化の状態を示したものである。
図５において、２２はリセット点、２３は開放電圧、２４は最大電力点電圧を示す。
図５より、太陽電池の動作点は、太陽電池の動作点をリセットしたリセット２２→開放電圧２３→最大電力点２４への制御がスムースに行えていることが確認できる。
本発明により、インバータ運転指令値である出力電流指示値と、実際に太陽電池から出力可能な電流の間にミスマッチが生じ、動作点が短絡電流点へ移行した状態になった場合にも、スムースに最大電力点への復帰が行われ、有効に電力を取り出すことが出来る。
【００１６】
【発明の効果】
以上の説明より明らかなように、本発明の太陽光発電用インバータの最大電力点追従制御方式は、太陽光発電システムにおける最大電力点追従制御方式におけるインバーター制御において、その指示の値刻み幅を、減少刻み幅の場合には固定幅とするように制御し、増分刻み幅の場合には可変幅とすることにより、指示値を開放電圧付近では大きく、最大電力点付近では小さくする制御を行うことにより、
（１）減少刻み幅を固定幅とすることにより不安定領域から安定領域への復帰が速やかに行える。
（２）増分刻み幅を可変とすることにより指示値を開放電圧付近では大きく，最大電力点付近では小さくする。
又，電圧刻み幅については，太陽電池出力の直流電力と太陽電池定格出力電力及びスタート時開放電圧を用いて決定することにより，
刻み幅決定に太陽電池出力の直流電力（現在値）と太陽電池定格電力を用いたために，電力に応じた刻み幅とすることが出来，インバータ指示値と出力可能な電流の間のミスマッチが生じる可能性を低減出来る。
開放電圧を用いているので電流電圧特性により刻み幅が変更される。
等の優れた効果をうることが出来るので，太陽光発電の普及に貢献することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の、太陽光発電用インバータの最大電力点追従制御方式、が適用される太陽光発電システムの一例を示す。
【図２】太陽光発電に使用される一般的な太陽電池の出力電流Ｉと電圧Ｖの関係（Ｉ−Ｖ特性）を表わすグラフである。
【図３】本発明の太陽光発電用インバータの最大電力点追従制御方式の動作を説明する図である。
【図４】本発明の太陽光発電用インバータの最大電力点追従制御方式における、インバータ制御部４の指令値の刻み幅「増分」を決定する計算方法を説明するための図である。
【図５】本発明の太陽光発電用インバータの最大電力点追従制御方式を採用した、実機による動作試験結果の一例の電流電圧計測波形を示したものである。
【符号の説明】
１・・・太陽電池，
２・・・系統連系型インバータ，
３・・・インバータ本体，
４・・・インバータ制御部，
５・・・商用電源，
６，７，１２・・・最大電力点，
８，１１・・・短絡電流点，
９・・・不安定領域，
１０・・・安定領域，
１３・・・開放電圧点，
１４・・・電力零点，
１５・・・出力電流指示値増分刻み幅の方向，
１６・・・出力電流指示値差分刻み幅の方向，
１７・・・太陽電池動作点，
１８・・・時刻Ｔｎにおける動作点（Ｖｎ，Ｉｎ），
１９・・・時刻Ｔｎ‐１における動作点（Ｖｎ‐１，Ｉｎ‐１），
２０・・・時刻Ｔｎにおける動作電力，
２１・・・時刻Ｔｎ‐１における動作電力，
２２・・・リセット点，
２３・・・開放電圧，
２４・・・最大電力点電圧，
【図１】
2005070890.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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