(57)【要約】【課題】従来の最大電力点追従制御を行う電流制御型インバータでは、日射変動などにより太陽電池のＩ−Ｖ特性が、変化した場合に、インバータ運転指令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しまい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、太陽電池の動作点が変化して、短絡電流点へ移行してし状態が生じた場合には、移行検出後一定時間定電圧制御を行い、その後通常の最大電力点追従制御を行うようにして、速やかに安定点への復帰が出来るようにして、従来の問題を解決したものである。【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、
太陽電池の動作点が、日射急変等によりＩ−Ｖ特性の短絡電流点へ移行時に、移行検出後一定期間定電圧制御を行い、その後通常の制御を行うようにすることにより、現象の繰り返しを防止し、一定時間後に速やかに安定点へ復帰す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短絡電流移行時の定電圧制御方式。
【請求項２】
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，太陽電池の動作点が，Ｉ−Ｖ特性の短絡電流点移行時に，移行検出後一定期間，制御目標電圧を低日射・低曲線因子時においても太陽電池の最大出力点電圧より高電圧となるように太陽電池の開放電圧のある一定の割合とする定電圧制御を行い，その後通常制御を行うことにより，速やかに安定点への復帰が出来るようにしたことを特徴とする太陽光発電用インバータの短絡電流点移行時の定電圧制御方式。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、太陽光発電用インバータの短絡電流移行時の定電圧制御方式に関する。
本発明は、太陽光発電用インバータにおいて、日射が激しく変化し太陽電池の電流電圧特性が大きく変動して、動作点が短絡電流点に移行した場合にも、安定領域への復帰を速やかに行なうことが出来るようにしたものである。
【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て地球規模で、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。
【０００３】
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出力のＩ−Ｖ特性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８に近づくという特性を持っている。
又、太陽電池の特性として、定電流の領域１０から定電圧の領域１１に切替る点７における電圧値は、照度の高低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７は、太陽電池の発電力と電圧の特性、Ｐ−Ｖ特性上の太陽電池の発電力が最大値となる点で、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。
【０００４】
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。（特開平５−４６２６５，特開平１０−１３３７５５）
【０００５】
【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を行う電流制御型インバータでは、日射が激しく変動して太陽電池のＩ−Ｖ特性が、変化した場合に、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に示すように動作点が短絡電流点６へ移行してしまい出力電力が零（インバータ停止）９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。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明はこのような電流制御型インバータにおいて、日射が激しく変動することにより太陽電池の動作点が変化して、短絡電流点へ移行する状態が生じた場合には、移行検出後一定時間定電圧制御を行い、その後通常の最大電力点追従制御を行うようにして、速やかに安定点への復帰が出来るようにした、太陽光発電用インバータの最大電力点追従制御における短絡電流移行時の定電圧制御方式を実現することにより、従来の問題を解決したものである。
具体的には，定電圧制御時における目標電圧を低日射・低曲線因子時においても太陽電池の最大出力点電圧より高電圧となるような太陽電池の開放電圧のある一定の割合，一例として約８５％とすることにより，安定点への復帰が速やかに行われることが確認されている。
【０００７】
【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２に加えられ、インバータ２により商用電源の周波数の交流電力に変換される。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。
【０００８】
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２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２の制御部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２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。
【０００９】
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、全て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、需要個所の負荷における消費電力が系統連系インバータ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、また需要個所の負荷の消費電力が系統連系インバータ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。
【００１０】
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。
【００１１】
図３は、日射変動等により太陽電池のＩ−Ｖ特性がａからｂに変化した場合の太陽電池のＩ−Ｖ特性の変化を説明する図である。
従来の最大電力点追従制御ては、日射変動が激しく変動して太陽電池の動作点が、図３に示すように日射変動が激しく変動して太陽電池のＩ−Ｖ特性がａからｂに変化した場合等に、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３のｂ上の短絡電流点１６の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ことがある。
このような状態は、図３に示すように太陽電池の電流電圧（Ｉ−Ｖ特性）上の最大電力点１４，１５を境界にして短絡電流側（不安定領域）１２と開放電圧側（安定領域）１３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、日射変動などによりＩ−Ｖ特性がａからｂに変化する時に生じる。
【００１２】
それは、Ｉ−Ｖ特性ａ上の動作点１４における出力電流指示値をｋ１とし、Ｉ−Ｖ特性ｂ上の最大電力点１５を指示する最適な出力電流指示値をｋ２とし，ここで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なので動作点がｂ上の短絡電流点１６へ移行してしまうことが原因である。
本発明はこのような最大電力点追従制御を行っている電流制御型インバータにおいて、日射変動が激しく変動して太陽電池の動作点が、図３に示すＩ−Ｖ特性のｂ上の短絡電流点１６へ移行した状態が生じた場合には、移行検出後一定時間定電圧制御を行い、その後通常制御（最大電力点追従制御）を行うようにして、速やかに安定点への復帰が出来るようにしたものである。
【００１３】
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における短絡電流点移行時の定電圧制御方式を実施した場合における，太陽電池Ｉ−Ｖ特性上の動作点を示す図である。
図４に示すように，本発明では，定電圧制御時には，目標電圧を低日射・低曲線因子時においても太陽電池の最大出力点電圧より高電圧となるような太陽電池の開放電圧のある一定の割合，一例として約８５％とすることにより，そのＩ−Ｖ特性上の動作点１９を，最大電力点１８の開放電圧側（安定領域）に設定するようにしている。
本発明を実施した装置では，図１のインバータ制御部４に，通常の最大電力点追従制御と定電圧制御の間の移行を，スムーズに行う為のプログラムのループを設けておく。定電圧制御運転時においては，太陽電池１の出力電圧，電流がほぼ一定なので，通常制御復帰時の時刻Ｉｎにおける動作点（Ｖｎ，Ｉｎ）及び時刻Ｉｎ−１における動作点（Ｖｎ−１，Ｉｎ−１）の関係がＶｎ＝Ｖｎ−１，Ｉｎ＝Ｉｎ−１となるので，的確な最大電力点追従制御が行えない。（現在の動作点を最大電力点と認識してしまう。）そこで，本ループにより定電圧制御から通常制御への復帰時にはインバータ制御部４において設定したサイクル分だけ出力電流定数を分解能毎増加させることにより出力電圧，電流を変動させ，的確に最大電力点追従制御が行えるようにしたものである。
【００１４】
本発明の短絡電流移行時の定電圧制御を行うためのプログラムの制御フローチャートを図５に示す。
短絡電流移行時の定電圧制御を行うために、
１．太陽電池からの直流入力電圧Ｖｄｃが、７Ｖ（太陽電池により異なる）
以下に下がったどうかを常時監視している。
本発明を適用した太陽電池は、その直流出力電圧が７Ｖ以下に下ると、短絡電流への移行が開始されたと判断される特性のものを使用したが、この監視電圧は  、使用する太陽電池の特性により決定される。
２．直流入力電圧が、７Ｖ以下に下がった場合には、２２の分岐により、２３の手順に移る。
【００１５】
３．手順２３では、つぎの作業が行われる。
電圧制御を行うためのＣＶフラグをＯＮとする。
各変数を初期化するリセットを行う。
過渡現象リセットのために、待ち時間（数十サイクル程度）を設ける。
４．電圧制御を行うためのＣＶフラグをオンの場合には，手順２４において，目標電を低日射・低曲線因子時においても太陽電池の最大出力点電圧より高電圧となるような太陽電池の開放電圧のある一定の割合，一例として開放電圧に０．８５を乗じた値として数百〜数千サイクル程度の期間、定電圧制御を行う。通常制御２５への復帰は３サイクルの間，出力交流電流指示値ｋを分解能分  ｄｋだけ増加させ直流値を変動させるｋ＝ｋ＋ｄｋの指示値を行う。
５．通常の最大電力点追従制御２５，直流入力電圧が７Ｖ以上の場合，電圧制御を行うためのＣＶフラグがＯＮでない場合には，通常の最大電力点追従制御を行う。図５に示すフローチャートの動作を，繰り返し行うことによって、短絡電流移行時の定電圧制御が実現できる。
【００１６】
図６は、本発明の太陽光発電用インバータの短絡電流移行時の定電圧制御方式を採用した、プログラムの有効性を確認するために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６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制御の状態を示したものである。
図６において、２６は、短絡電流移行時に定電圧制御を行った期間を示す。
図６より、図中ＣＶ制御２６の部分では出力電流定数（図中電流定数）の微小変化により直流入力電圧が一定に保たれていること、，さらに定電圧制御２６から通常の最大電力点追従制御２７への移行も的確に行われていることが確認された。
【００１７】
上記のように、本発明の太陽光発電用インバータの短絡電流移行時の定電圧制御方式は、制御安定性が向上するために、インバータ端子に印加される直流電圧の急激な変化や直流電流の急変を防止することが可能となり、従来ならばインバータ停止により得られなかった電力を定電圧制御により得る事が可能となる。
本発明は太陽光発電用のインバータ制御全般に利用可能である。上記の説明は、本発明を電流制御型インバータに適用した事例について行ったが、本発明は、電圧制御型インバータにおいても、日射変動が激しく電流電圧特性が大きく変動する場合にはインバータ停止する事があるので、そのような場合にも適用が可能である。
【００１８】
【発明の効果】
以上の説明より明らかなように、本発明は太陽電池の直流出力を交流電力に変換するインバータにおいて、日射が激しく変動して太陽電池の動作点が変化し、短絡電流点へ移行する状態が生じた場合には、移行検出後一定時間定電圧制御を行い、その後通常の最大電力点追従制御を行うようにして、速やかに安定点への復帰が出来るようにした、太陽光発電用インバータの短絡電流移行時の定電圧制御方式を実現したために、制御安定性が向上し、インバータ端子に印加される直流電圧の急激な変化や直流電流の急変を防止することが可能となり、従来ならばインバータ停止により得られなかった電力を定電圧制御により得る事が可能となる。
【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したものである。
【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及び出力Ｐと電圧Ｖの関係を表わすグラフである。
【図３】日射変動等により太陽電池のＩ−Ｖ特性がａからｂに変化した場合の太陽電池のＩ−Ｖ特性の変化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短絡電流移行時の定電圧制御方式を実施した場合における、太陽電池のＩ−Ｖ特性上の動作点を示す図である。
【図５】本発明の短絡電流移行時の定電圧制御を行うためのプログラムのフローチャートを示す。
【図６】本発明の、太陽光発電用インバータの短絡電流移行時の定電圧制御方式を採用した、プログラムの有効性を確認するために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，
７，１４，１５，１８・・・最大電力点，
６，１６・・・短絡電流点，
１０，１２・・・不安定領域，
１１，１３・・・安定領域，
８，１７・・・開放電圧点，
９・・・電力零点，
１９・・・定電圧制御における動作点，
２０・・・最大電力点，
２１・・・定電圧制御における目標電圧，
２６・・・定電圧制御区間，
２７・・・通常制御区間，
【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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