(57)【要約】【課題】個々の太陽電池モジュールの最大出力動作電圧が異なる場合における電力取り出し効率を向上させ、かつ計測器等を太陽電池モジュール毎に設置する必要がない太陽光発電システムを提供する。【解決手段】複数の太陽電池モジュール11と、第一および第二のＤＣＤＣコンバータ31、32と、共通電源線16と主電源線14と副電源線15と、複数のダイオード素子と、複数のスイッチング素子と、太陽電池モジュールの電圧電流特性を測定するための電子負荷装置33と、制御装置34とを備える太陽光発電システムである。制御装置により、複数の太陽電池モジュールを全て並列接続したときのアレイ最大出力動作電圧を検出し、副電源線に接続された電子負荷装置でアレイ最大出力動作電圧近傍における電力微分値を順次取得し、電力微分値に基づいて、最大出力動作電圧値の高いモジュールのグループと、最大出力動作電圧値の低いモジュールのグループを決定する。【選択図】図１
2012208725.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の太陽電池モジュールと、第一および第二のＤＣＤＣコンバータと、
前記太陽電池モジュールが発生する電力を前記第一または第二のＤＣＤＣコンバータに送るための共通電源線と主電源線と副電源線と、
複数のダイオード素子と、複数のスイッチング素子と、太陽電池モジュールの電圧電流特性を測定するための電子負荷装置と、
前記第一および第二のＤＣＤＣコンバータと前記スイッチング素子と前記電子負荷装置とを制御する制御装置とを具備し、
前記制御装置は、前記太陽電池モジュールのアレイ最大出力動作電圧近傍における電力微分値を順次取得し、前記電力微分値に基づいて、最大出力動作電圧値の高いモジュールのグループと、最大出力動作電圧値の低いモジュールのグループを決定することを特徴とする太陽光発電システム。
【請求項２】
前記制御装置は、
第一段階として、前記第一のＤＣＤＣコンバータに最大電力点探索をさせることにより、前記複数の太陽電池モジュールを全て並列接続したときのアレイ最大出力動作電圧を検出し、
第二段階として、前記第一のＤＣＤＣコンバータに前記アレイ最大出力動作電圧よりも高い電圧を主電源線に発生させつつ、前記スイッチング素子の１つずつを順次オンにさせることによって、前記副電源線に接続された前記電子負荷装置で、前記太陽電池モジュールの前記アレイ最大出力動作電圧近傍における電力微分値を順次取得し、
第三段階として、前記電力微分値に基づいて、最大出力動作電圧値の高いモジュールのグループと、最大出力動作電圧値の低いモジュールのグループを決定し、最大出力動作電圧値の低いモジュールのグループと決定された前記太陽電池モジュールに接続された前記スイッチング素子をオンにすることによって、前記第一のＤＣＤＣコンバータは、高い最大出力動作電圧でＤＣＤＣ変換動作を行い、前記第二のＤＣＤＣコンバータは、低い最大出力動作電圧でＤＣＤＣ変換動作を行うことを特徴とする請求項１記載の太陽光発電システム。
【請求項３】
前記太陽電池モジュールの出力端子と前記主電源線は、前記ダイオード素子を介して接続され、さらに、該出力端子と前記副電源線は、前記スイッチング素子を介して接続され、
前記主電源線は、前記第一のＤＣＤＣコンバータに接続し、
前記副電源線は、前記第二のＤＣＤＣコンバータと前記電子負荷装置とに接続し、
前記共通電源線は、前記太陽電池モジュールのもう一方の出力端子、第一および第二のＤＣＤＣコンバータに接続されていることを特徴とする請求項１又は２記載の太陽光発電システム。
【請求項４】
前記電力微分値の正負の極性によって、最大出力動作電圧値の高いモジュールのグループと、最大出力動作電圧値の低いモジュールのグループを決定していることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載の太陽光発電システム。
【請求項５】
前記複数のスイッチング素子を駆動するための複数のスイッチ制御回路を具備し、前記スイッチ制御回路と前記制御装置間の通信に無線通信を用いることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項記載の太陽光発電システム。
【請求項６】
前記太陽電池モジュールの出力端子と前記副電源線は、前記スイッチング素子および前記ダイオード素子の直列接続を介して接続されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項記載の太陽光発電システム。
【請求項７】
前記電子負荷装置は、前記制御装置によって電圧設定が可能なシャントレギュレータ定電圧回路を用いて構成されていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項記載の太陽光発電システム。
【請求項８】
前記第一および第二のＤＣＤＣコンバータは、前記制御装置によって通流率の制御が可能な昇圧チョッパ回路で構成されていることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項記載の太陽光発電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、太陽電池モジュールから取り出される電力を最大にするための太陽光発電システムに関する。特に、環境変化や個々の特性ばらつきによって、個々の太陽電池モジュールの最大出力動作電圧が異なる場合での電力取り出し効率向上に関する。
【背景技術】
【０００２】
太陽光発電システムは、一般的に、太陽光エネルギーを電力に変換する多数の太陽電池モジュールと、モジュールが出力する電力を回収し、商用電源あるいは蓄電池に供給するためのパワーコンディショナ（ＰＣＳ）とで構成される。
【０００３】
図１５に従来の太陽光発電システムの構成の一例を示す。図１５のように、太陽光発電システムは、太陽電池アレイ２００とパワーコンディショナ２０３を備える。太陽電池アレイ２００は、複数の太陽電池モジュール２０１が、並列に接続されて構成されている。太陽電池モジュール２０１の出力電圧を高くするために、太陽電池モジュール２０１は直列に複数個接続されている場合も多い。また、太陽電池モジュール２０１の出力部には、逆方向電流を防止するためのダイオード２０２が接続されている。パワーコンディショナ２０３は主に、ＤＣＤＣコンバータ２０４、インバータ２０５と、それらを制御するための制御装置２０６から構成される。
【０００４】
ＤＣＤＣコンバータ２０４は、コイル２０７、ダイオード２０８、キャパシタ２０９、スイッチング素子２１０から成る昇圧チョッパ回路で構成されている。ＤＣＤＣコンバータ２０４で昇圧された直流電流はインバータ２０５によって交流電流に変換され、商用の系統電源２１１へと供給される。
【０００５】
制御装置２０６は、電圧計２１２が計測した電圧値と電流計２１３が計測した電流値の積から、太陽電池アレイ２００より取り出される電力値を推定し、その電力値が最大になるようにスイッチング素子２１０をＰＷＭ制御することによって、ＤＣＤＣコンバータに最大電力点追従（ＭＰＰＴ：Ｍａｘｉｍｕｍ  Ｐｏｗｅｒ  Ｐｏｉｎｔ  Ｔｒａｃｋｉｎｇ）制御を行わせている。
【０００６】
太陽電池モジュールの表面に、おおよそ均一な太陽光が照射されている場合、太陽電池モジュールの電力−電圧特性（Ｐ−Ｖ特性）は、一般的に図１６に示すような傾向を示す。ＭＰＰＴ制御の代表的な方法としては山登り法が知られており、これは、ＤＣＤＣコンバータによって、太陽電池アレイより取り出される電力が大きくなる方向に逐次太陽電池モジュールの電圧を変化させていくことで、電力ピークの動作点を追跡する手法である。太陽電池アレイから最大の電力が得られるときの太陽電池アレイの電圧を、アレイの最大出力動作電圧と呼ぶ。また、個々の太陽電池モジュールも図１６と同様の特性があり、太陽電池モジュールから最大の電力が得られるときの太陽電池モジュールの電圧も、モジュールの最大出力動作電圧と呼ぶことができる。
【０００７】
ところで、太陽電池モジュールの最大出力動作電圧は、様々な要因によってモジュール毎に異なる場合がある。その原因の例としては、太陽電池モジュールへの日射量（太陽光の照射強度）、モジュール温度、あるいは、モジュール個々の電圧電流特性のばらつきがある。太陽電池アレイを構成する太陽電池モジュール間で最大出力動作電圧が大きく異なる場合は、１つのＤＣＤＣコンバータでそれら異なる最大出力動作電圧を同時に追従することはできないので、太陽電池モジュールの発電能力を完全には発揮することができない。
【０００８】
そこで、複数のＤＣＤＣコンバータで複数の最大出力動作電圧を追従する太陽光発電システムが、知られている（特許文献１参照）。図１７に、該太陽光発電システムを示す。図１７の太陽光発電システムは、複数の太陽電池モジュール２２１、ＤＣＤＣコンバータ２２２、２２３、インバータ２２４に加え、複数の電流計２２５と複数のスイッチング素子２２６、制御回路２２７で構成されている。複数の電流計２２５は、各太陽電池モジュールの出力に接続されており、制御回路２２７は、各出力の電流値を計測することができる。これらの電流値より、制御回路２２７は、各モジュールの最大出力動作電圧を推測し、スイッチング素子２２６を切り替えることで最大出力動作電圧が近い２つのグループに分け、その２つのグループに対してＤＣＤＣコンバータがＭＰＰＴ制御を行うことで、動作電圧が最大出力動作電圧からずれることによる損失をより少なくしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２０１０−２６７１０６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
従来は、特許文献１のように、太陽電池モジュールが出力する電流の絶対量と最大出力動作電圧に相関があることを利用して、グループ分けをしていた。図１８に特性が異なる２つのモジュールＡ、Ｂの電力−電圧特性（Ｐ−Ｖ特性とも呼ぶ）の例を示す。図１８（ａ）は、太陽電池モジュールへの日射量（太陽光の照射強度）が異なるモジュールＡ、ＢのＰ−Ｖ特性の例である。この場合、太陽電池モジュールが出力する電流の絶対量と最大出力動作電圧には、ある程度の相関があるので、例えば、特許文献１のように、太陽電池モジュール毎に電流計を設け、その電流値から最大出力動作電圧を推定し、最大出力動作電圧の値が近い太陽電池モジュール毎にグループ分けをし、選択スイッチを使用してグループの太陽電池モジュールを並列接続することが可能である。
【００１１】
しかしながら、モジュール温度、あるいは、モジュール電圧電流特性のばらつきによって、最大出力動作電圧が異なる場合には、図１８（ｂ）のように、太陽電池モジュールが出力する電流の絶対量と最大出力動作電圧に、明確な相関が表れないことがある。この場合は、太陽電池モジュール毎に設けられた電流計の電流値だけで、各太陽電池モジュールの最大出力動作電圧を推定することが難しくなるという問題がある。
【００１２】
一方で、太陽電池モジュールに多くの回路素子を設けることは、信頼性の低下やコストアップにつながるため、太陽電池モジュール毎に設ける回路素子は、少数でかつ単純であることが望ましい。よって、各太陽電池モジュールの最大出力動作電圧を算出するための計測器や、並列接続のためのスイッチング素子はできるだけ少ない個数が設置されることが好ましい。
【００１３】
本発明は、これらの問題を解決しようとするものであり、環境変化や個々の特性ばらつきによって、個々の太陽電池モジュールの最大出力動作電圧が異なる場合での電力取り出し効率を向上させることを目的とするものである。また、本発明は、計測器等の回路素子を太陽電池モジュール毎に設置する必要がなく素子の個数を削減させることを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明は、電源線に取り付けられた１個の電子負荷装置によって電流値、電圧値を測定することによって、太陽電池モジュール毎への電流センサを設置する必要が無く、かつ、スイッチング素子の必要な個数を１モジュールあたり１素子とすることができる。また、本発明は、電子負荷装置が各太陽電池モジュールの電圧電流特性の微分値を記録することによって、図１８（ｂ）のように、太陽電池モジュールが出力する電流の絶対量と最大出力動作電圧に、明確な相関が表れない場合でも、最大出力動作電圧の推定を可能にするものである。
【００１５】
本発明は、前記目的を達成するために、以下の特徴を有するものである。
【００１６】
本発明は、太陽光発電システムであって、複数の太陽電池モジュールと、第一および第二のＤＣＤＣコンバータと、前記太陽電池モジュールが発生する電力を前記第一または第二のＤＣＤＣコンバータに送るための共通電源線と主電源線と副電源線と、複数のダイオード素子と、複数のスイッチング素子と、太陽電池モジュールの電圧電流特性を測定するための電子負荷装置と、前記第一および第二のＤＣＤＣコンバータと前記スイッチング素子と前記電子負荷装置とを制御する制御装置とを具備することを特徴とする。本発明の前記制御装置は、前記太陽電池モジュールのアレイ最大出力動作電圧近傍における電力微分値を順次取得し、前記電力微分値に基づいて、最大出力動作電圧値の高いモジュールのグループと、最大出力動作電圧値の低いモジュールのグループを決定することを特徴とする。より具体的には、本発明の前記制御装置は、次の３段階の制御を行うことを特徴とする。第一段階として、前記第一のＤＣＤＣコンバータに最大電力点探索をさせることにより、前記複数の太陽電池モジュールを全て並列接続したときのアレイ最大出力動作電圧を検出する。第二段階として、前記第一のＤＣＤＣコンバータに前記アレイ最大出力動作電圧よりも高い電圧を主電源線に発生させつつ、前記スイッチング素子の１つずつを順次ＯＮにさせることによって、前記副電源線に接続された前記電子負荷装置で、前記太陽電池モジュールの前記アレイ最大出力動作電圧近傍における電力微分値を順次取得する。第三段階として、前記電力微分値に基づいて、最大出力動作電圧値の高いモジュールのグループと、最大出力動作電圧値の低いモジュールのグループを決定する。第１段階は、後述するフローチャートのＳ１０２（アレイ最大出力動作電圧探索）に対応し、第２段階は、Ｓ１０３（電力微分値取得）に対応し、第３段階はＳ１０４（グループ分け）及びＳ１０５（最大電力点追従）に対応する。本発明は、最大出力動作電圧値の低いモジュールのグループと決定された前記太陽電池モジュールに接続された前記スイッチング素子をオンにすることによって、前記第一のＤＣＤＣコンバータは、高い最大出力動作電圧でＤＣＤＣ変換動作を行い、前記第二のＤＣＤＣコンバータは、低い最大出力動作電圧でＤＣＤＣ変換動作を行うことを特徴とする。具体的には、最大出力動作電圧値の高いモジュールのグループは、アレイ最大出力動作電圧ＶＰＭＡより高い電圧が、最大出力動作電圧値の低いモジュールのグループはアレイ最大出力動作電圧ＶＰＭＡより低い電圧が、動作点電圧となる。
【００１７】
本発明の太陽光発電システムは、前記太陽電池モジュールの出力端子と前記主電源線は、前記ダイオード素子を介して接続され、さらに、該出力端子と前記副電源線は、前記スイッチング素子を介して接続され、前記主電源線は、前記第一のＤＣＤＣコンバータに接続し、前記副電源線は、前記第二のＤＣＤＣコンバータと前記電子負荷装置とに接続し、前記共通電源線は、前記太陽電池モジュールのもう一方の出力端子、第一および第二のＤＣＤＣコンバータに接続されていることが、好ましい。
【００１８】
本発明の太陽光発電システムにおいて、前記電力微分値の正負の極性によって、最大出力動作電圧値の高いモジュールのグループと、最大出力動作電圧値の低いモジュールのグループを決定することが好ましい。また、本発明の太陽光発電システムにおいて、前記複数のスイッチング素子を駆動するための複数のスイッチ制御回路を具備し、前記スイッチ制御回路と前記制御装置間の通信に無線通信を用いることが好ましい。また、本発明の太陽光発電システムにおいて、前記太陽電池モジュールの出力端子と前記副電源線は、前記スイッチング素子および前記ダイオード素子の直列接続を介して接続されていることが好ましい。また、本発明の太陽光発電システムにおいて、前記電子負荷装置は、前記制御装置によって電圧設定が可能なシャントレギュレータ定電圧回路を用いて構成することが好ましい。また、本発明の太陽光発電システムにおいて、前記第一および第二のＤＣＤＣコンバータは、前記制御装置によって通流率の制御が可能な昇圧チョッパ回路で構成することが好ましい。
【発明の効果】
【００１９】
本発明は、電子負荷装置が各太陽電池モジュールの電力電圧特性の微分値を測定することによって、太陽電池モジュールが出力する電流の絶対量と最大出力動作電圧に、明確な相関が表れない場合でも、各モジュールの最大出力動作電圧が推定でき、それに従って最大出力動作電圧が近い２つのグループに分けることができる。また、本発明は、決定された２つのグループに対してＤＣＤＣコンバータがＭＰＰＴ制御を行うことで、動作電圧が最大出力動作電圧からずれることによる損失をより少なくすることができる。
【００２０】
さらに、本発明は、電源線に取り付けられた１個の電子負荷装置によって電流値、電圧値を測定することによって、太陽電池モジュール毎への電流センサを設置する必要が無く、かつ、スイッチング素子の必要な個数を１モジュールあたり１素子としているため、コストダウンやシステムの信頼性向上を図ることができる。
【００２１】
本発明は、太陽電池モジュールに部分的な日陰が発生した場合、太陽電池モジュール間で特性のばらつきがある場合、また、温度の違いがある場合に発電効率を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の太陽光発電システムの構成図である。
【図２】本発明の太陽光発電システムにおけるＤＣＤＣコンバータおよびそれら周辺の回路構成を示した図である。
【図３】本発明の太陽光発電システムにおける電子負荷装置およびその周辺の回路構成を示した図である。
【図４】本発明の太陽光発電システムにおけるスイッチ制御信号発生回路のブロック図である。
【図５】本発明の太陽光発電システムにおけるスイッチ制御回路とその周辺の回路構成を示した図である。
【図６】本発明の太陽光発電システムにおける制御装置に搭載されるメインプログラムのフローチャートである。
【図７】本発明の太陽光発電システムにおけるアレイ最大出力動作電圧ＶＰＭＡ探索サブルーチンＳ１０２のフローチャートである。
【図８】本発明の太陽光発電システムにおける電力計測のサブルーチンのフローチャートである。
【図９】本発明の太陽光発電システムにおけるアレイ最大出力動作電圧ＶＰＭＡ探索サブルーチンＳ１０２によるＤＣＤＣコンバータ３１の最大電力点追従動作を表した図である。
【図１０】本発明の太陽光発電システムにおける電力微分値取得サブルーチンＳ１０３のフローチャートである。
【図１１】本発明の太陽光発電システムにおけるグループ分けサブルーチンＳ１０４のフローチャートである。
【図１２】本発明の太陽光発電システムにおけるモジュールの電力−電圧特性と、アレイ最大出力動作電圧ＶＰＭＡ近傍におけるモジュールの電力微分値Ｐ’［ｋ］の極性との関係を示した図である。
【図１３】本発明の太陽光発電システムにおける最大電力点追従サブルーチンＳ１０５のフローチャートである。
【図１４】本発明の太陽光発電システムにおけるメインプログラムの制御動作により発生する主電源線と副電源線の電圧、スイッチ制御信号Ｓ［１］〜Ｓ［ｎ］の状態のタイミングチャートである。
【図１５】従来の太陽光発電システム構成の一例を示した図である。
【図１６】一般的な太陽電池モジュールの電力−電圧特性を示した図である。
【図１７】複数のＤＣＤＣコンバータで複数の最大出力動作電圧を追従する従来の太陽光発電システムの構成である。
【図１８】特性が異なる２つのモジュールＡ、ＢのＰ−Ｖ特性の例を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下に、本発明の実施例について説明する。
【００２４】
（実施例）
本発明の実施例を図１〜１４を参照して説明する。図１に本実施例の太陽光発電システムの構成図を示す。本実施例の太陽光発電システムは、太陽電池モジュール１１と、該太陽電池モジュールに付属するスイッチ回路１２、パワーコンディショナ１３によって構成される。太陽電池モジュール１１とスイッチ回路１２は１対１で接続され、スイッチ回路１２は、主電源線１４、副電源線１５、共通電源線１６の３本の電源線によって並列に接続されている。さらに、主電源線１４、副電源線１５、共通電源線１６は、パワーコンディショナ１３とも接続している。図１では簡単のために３個のモジュールと３個のスイッチ回路だけを記載しているが、実際には、必要な発電量に応じて並列数を増やしてよい。太陽電池モジュール１１の正極から出力される電流は、主電源線１４および副電源線１５を通してパワーコンディショナ１３に供給され、帰還する電流は共通電源線１６を通して太陽電池モジュール１１の負極に流入する。以下、電圧についての記載は、ことわりがない限り、共通電源線１６の電位を基準として説明する。
【００２５】
スイッチ回路１２は、太陽電池モジュールの１１の正極から出力される電流を、主電源線１４あるいは副電源線１５のいずれかに振り分ける働きをする。スイッチ回路１２は、ダイオード素子２１、２２、スイッチング素子２３、スイッチ制御回路２４で構成されている。ダイオード素子２１は、太陽電池モジュール１１の正極と主電源線１４間を接続し、ダイオード素子２２とスイッチング素子２３で構成される直列回路は、太陽電池モジュール１１の正極と副電源線１５の間を接続している。複数のスイッチング素子２３は半導体トランジスタを用いるとよい。スイッチ制御回路２４はスイッチング素子２３の開閉を制御する。以上のようなスイッチ回路１２の構成により、太陽電池モジュール１１の正極から出力される電流は、スイッチング素子２３がＯＦＦの時には、主電源線１４に、スイッチング素子２３がＯＮの時には副電源線１５に流れる。また、副電源線１５の電位を太陽電池モジュール１１の正極の電位より常時低くして扱う場合には、ダイオード素子２２を省略して、太陽電池モジュール１１の正極と副電源線１５の間はスイッチング素子２３のみで接続しても同じ制御が可能である。
【００２６】
パワーコンディショナ１３は、ＤＣＤＣコンバータ３１、３２および電子負荷装置３３、制御装置３４、スイッチ制御信号発生回路３５、インバータ３６で構成されている。ＤＣＤＣコンバータ３１は主電源線１４から入力される直流電流を昇圧して出力し、ＤＣＤＣコンバータ３２は副電源線１５から入力される直流電流を昇圧して出力する。ＤＣコンバータ３１および３２で昇圧された直流電流はインバータ３６によって交流電流に変換され、商用の系統電源１７へと供給される。
【００２７】
ＤＣＤＣコンバータ３１、３２および電子負荷装置３３は、制御装置３４によって制御される。
【００２８】
図２に、ＤＣＤＣコンバータ３１、３２およびそれら周辺の回路構成を示す。ＤＣＤＣコンバータ３１および３２は、制御装置３４によって通流率の制御が可能な昇圧チョッパ回路で構成されている。ＤＣＤＣコンバータ３１、３２は、コイル４１，４２、ダイオード素子４３、４４、スイッチング素子４５、４６を使った昇圧回路で構成されている。制御装置３４から送信される通流率α１、α２のデータに応じて、ＰＷＭ回路４７、４８は、通流率に応じたＰＷＭ波形をスイッチング素子４５、４６に供給し、昇圧回路の通流率は、α１およびα２に制御される。ＤＣＤＣコンバータ３１、３２の出力部には出力部の直流電圧を平滑化するための平滑コンデンサ４９と、電流計５０、電圧計５１が設置されている。電流計５０で計測された直流電流値Ｉｏｕｔと、電圧計５１で計測された直流電圧値Ｖｏｕｔは、ＡＤコンバータ５２、５３で数値化されて、制御装置３４に送信され、それらの値は出力電力の算出や、通流率α１、α２へフィードバックとして利用される。さらに、ＤＣＤＣコンバータ３１の入力部には、電圧計５４が設置されている。電圧計５４で計測された直流電圧値Ｖ１Ｍｅｓは、ＡＤコンバータ５５で数値化され、制御装置３４に送信され、その値は主電源線１４の電圧計測に利用される。
【００２９】
図３に電子負荷装置３３およびその周辺の回路構成を示す。電子負荷装置３３は、前記制御装置によって電圧設定が可能なシャントレギュレータ定電圧回路を用いて構成されている。図３のように、電子負荷装置３３は、電界効果トランジスタ６１、シャント抵抗６２、分圧抵抗器６３、６４、ＯＰアンプ６５で構成される。制御装置３４から送設される電圧設定値Ｖ２ＡＬは、ＤＡコンバータ６６でアナログ電圧に変換される。電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）６１、分圧抵抗器６３、６４、ＯＰアンプ６５とは、定電圧回路を形成しており、電圧設定値Ｖ２ＡＬに比例した電圧を副電源線１５に発生させている。また、その際に副電源線１５から共通電源線１６に流れる電流に比例した電圧がシャント抵抗６２の両端に発生し、その電圧をＡＤコンバータ６７で数値化して測定電流値Ｉ２ＡＬとして制御装置３４に送信する。
【００３０】
図４にスイッチ制御信号発生回路３５のブロック図を示す。制御装置３４から送信されるスイッチ状態信号Ｓ［１］〜Ｓ［ｎ］はエンコーダ７２でコード化され、さらに無線送信機７３で変調された後、アンテナ７４を通じて各スイッチ制御回路２４に無線送信される。
【００３１】
図５にスイッチ制御回路２４とその周辺の回路構成を示す。スイッチ制御回路２４は、アンテナ７５を通じて受信した、スイッチ制御信号発生回路３５からの無線信号を復調する受信機７６、受信信号から有効信号のみを解読するエンコーダ７７、エンコーダ７７の出力信号に基づいてスイッチング素子２３のＯＮ／ＯＦＦ制御をするドライブ回路７８から構成される。さらに、スイッチ制御回路２４には、絶縁型のＤＣＤＣコンバータ７９を内蔵しており、太陽電池モジュール１１が発電する電力のごく一部を、受信機７６、エンコーダ７７、ドライブ回路７８を駆動するための電力に変換して供給している。なお、スイッチ状態信号Ｓ［１］〜Ｓ［ｎ］とスイッチング素子２３のＯＮ／ＯＦＦの関係は、Ｓ［１］〜Ｓ［ｎ］が１のときＯＮ、スイッチ状態Ｓ［１］〜Ｓ［ｎ］が０のときにＯＦＦとなる関係になっている。
【００３２】
図６に、制御装置３４に搭載されるメインプログラムのフローチャートを示す。プログラム起動時には初期設定Ｓ１０１が行われ、ＤＣＤＣコンバータ３１、３２の通流率α１、α２を０％に、全てのスイッチ回路１２のスイッチング素子２３をＯＦＦにする。
【００３３】
初期設定Ｓ１０１後、アレイ最大出力動作電圧ＶＰＭＡ探索サブルーチンＳ１０２、電力微分値取得サブルーチンＳ１０３、グループ分けサブルーチンＳ１０４、最大電力点追従サブルーチンＳ１０５の４つのサブルーチンが繰り返し行われる。なお、複数の太陽モジュールが並列に接続されて構成されている太陽電池アレイの最大出力動作電圧をアレイ最大出力動作電圧ＶＰＭＡと呼ぶ。
【００３４】
図７にアレイ最大出力動作電圧ＶＰＭＡ探索サブルーチンＳ１０２のフローチャートを示す。Ｓ１１１で図８に示した電力計測のサブルーチンを実行する。電力計測のサブルーチンでは、Ｐ１、Ｐ２、Ｖ２、Ｉ２のグローバル変数を使用し、これらは、呼び出しプログラムからも参照できる。Ｓ１２１では、変数Ｐ２の値を変数Ｐ１に移動させ、Ｓ１２２では、ＤＣＤＣコンバータ出力部の電圧計５１の電圧計測値ＶｏｕｔをＶ２に、電流計５０の電流計測値ＩｏｕｔをＩ２に代入し、Ｓ１２３では、変数Ｖ２と変数Ｉ２を乗算した結果をＰ２に代入する。ゆえに、リターン時にはＰ１は１回前に計測した電力値、Ｐ２は今回計測した電力値、Ｖ２には今回計測した電圧値、Ｉ２には今回計測した電流値が代入される。
【００３５】
図７において電力計測Ｓ１１１終了後、Ｓ１１２で通流率α１を増加させ、Ｓ１１３で再度電力計測を行う。Ｓ１１４でＰ１とＰ２を比較し、Ｐ２の方がＰ１より大きかった場合、Ｓ１１２に戻って、さらに通流率α１を増加させることを繰り返す。Ｐ１の方がＰ２より大きかった場合、Ｓ１１５で通流率α１を減少させ、Ｓ１１６で再度電力計測を行う。ＳＳ１７でＰ１とＰ２を比較し、Ｐ２の方がＰ１より大きかった場合、Ｓ１１５に戻って、さらに通流率α１を減少させることを繰り返す。
【００３６】
以上に説明したアレイ最大出力動作電圧ＶＰＭＡ探索サブルーチンＳ１０２によるＤＣＤＣコンバータ３１の最大電力点動作を図９に示す。縦軸が電力Ｐ、横軸が電圧Ｖ、カーブは太陽電池モジュールの電力−電圧（Ｐ−Ｖ）特性を表している。初期状態では動作点はＱｓｔの位置にあり、電力は０、電圧は開放電圧ＶＯＣである。Ｓ１１２〜Ｓ１１４による通流率増加によって、動作点は矢印の方向に移動し、やがて最大電力点ＱＰＭＡに到達する。このとき主電源線１４の電圧はアレイの最大出力電圧ＶＰＭＡとなっているので、Ｓ１１８で電圧Ｖ１Ｍｅｓを計測することで電圧ＶＰＭＡを取得し、その値をＳ１１９にて電圧Ｖ１Ｍｅｓを戻り値ＶＰＭＡとしている。
【００３７】
図１０に、電力微分値取得サブルーチンＳ１０３のフローチャートを示す。サブルーチンＳ１０３では、カウンタ変数ｋを使って、Ｓ１３１からＳ１４３のフローがｋ回繰り返される。ここでｎはスイッチ回路１２の個数であり、図１ではｎ＝３である。Ｓ１３１ではスイッチ制御信号Ｓ［ｋ］を１にすることで、ｋ番目のスイッチ回路１２のスイッチング素子２３をＯＮにする。Ｓ１３２では電子負荷装置の動作電圧Ｖ２ＡＬをＶＰＭＡに設定する。すると、ｋ番目の太陽電池モジュール１１は副電源線１５と接続状態となり、さらに、副電源線１５の電圧ＶＰＭＡは主電源線１４の電圧ＶＰＭＡ＋ΔＶ１より低くなるため、ダイオード素子２１、２２の整流作用によって、太陽電池モジュール１１の正極から出力される電流は全て副電源線１５および電子負荷装置３３に流れ、その電流の値は電子負荷装置３３内のシャント抵抗６２の電圧降下より電流値Ｉ２ＡＬとして測定することができる。
【００３８】
また、ｋ番目のスイッチ回路１２のスイッチング素子２３をＯＮにすることによって、主電源線１４およびＤＣＤＣコンバータ３１に流れる電流量が変化するため、通流率α１を調節する必要がある。Ｓ１３３〜Ｓ１３７では、電圧計５４の電圧を監視しながら、電流量変化後の主電源線１４の電圧をＶＰＭＡ＋ΔＶ１になるように通流率α１を調整する。
【００３９】
Ｓ１３９では電流値Ｉ２ＡＬを測定し、変数ＩＭｅｓ１［ｋ］に代入する。Ｓ１４０では電子負荷装置３３の電圧Ｖ２ＡＬをアレイ最大出力動作電圧ＶＰＭＡよりわずかに低い電圧ＶＰＭＡ−ΔＶ２に設定し、Ｓ１４１では、電子負荷装置３３では再び電流Ｉ２ＡＬを測定し、変数ＩＭｅｓ２［ｋ］に代入する。Ｓ１４２ではスイッチ制御信号Ｓ［ｋ］をＬｏｗにし、ｋ番目のスイッチ回路１２のスイッチング素子２３をＯＦＦにする。
【００４０】
Ｓ１４３において、アレイ最大出力動作電圧ＶＰＭＡ近傍における電力の微分値Ｐ’［ｋ］を計算する。Ｐ’［ｋ］は次式により計算される。
【００４１】
Ｐ’［ｋ］
＝｛ＩＭｅｓ１［ｋ］×ＶＰＭＡ−ＩＭｅｓ２［ｋ］×（ＶＰＭＡ−ΔＶ２）｝／ΔＶ
【００４２】
以上に説明した電力微分値取得サブルーチンＳ１０３の動作によって、各太陽電池モジュール１１に対して、アレイ最大出力動作電圧ＶＰＭＡ近傍における電力微分値Ｐ’［ｋ］を取得することができる。
【００４３】
図１１に、グループ分けサブルーチンＳ１０４のフローチャートを示す。Ｓ１０４においてもサブルーチンＳ１０３と同様に、カウンタ変数ｋを使ってＳ１５３〜Ｓ１５５をｎ回繰り返す。Ｓ１５３では求められた微分値Ｐ’［ｋ］の極性によって分岐する。Ｐ’［ｋ］が負の場合は、Ｓ１５４で、スイッチ制御信号Ｓ［ｋ］を１にし、ｋ番目のスイッチ回路１２のスイッチング素子２３をＯＮにする。そうでない場合は、Ｓ１５５で、スイッチ制御信号Ｓ［ｋ］を０にし、ｋ番目のスイッチ回路１２のスイッチング素子２３をＯＦＦにする。以上の動作は、Ｓ１５６、Ｓ１５７に記載の繰り返しループによって全てのスイッチ制御信号Ｓ［ｋ］に対して行なわれる。
【００４４】
図１２に、太陽電池モジュールの電力−電圧（Ｐ−Ｖ）特性と、アレイ最大出力動作電圧ＶＰＭＡ近傍における太陽電池モジュールの電力微分値Ｐ’［ｋ］の極性との関係を示す。図１２（ａ）は、Ｐ’［ｋ］の値が負の場合のＰ−Ｖ特性を示している。この場合、太陽電池モジュールの最大電力点ＱＰＭは、アレイ最大出力動作電圧ＶＰＭＡのラインより左側にある。つまり、太陽電池モジュールの最大出力動作電圧ＶＰＭは、アレイ最大出力動作電圧ＶＰＭＡより低い。一方、図１２（ｂ）は、Ｐ’［ｋ］の値が正の場合のＰ−Ｖ特性を示している。この場合、太陽電池モジュールの最大電力点ＱＰＭは、アレイ最大出力動作電圧ＶＰＭＡよりも右側にある。つまり、太陽電池モジュールの最大出力動作電圧ＶＰＭは、アレイ最大出力動作電圧ＶＰＭＡより高い。
【００４５】
したがって、図１１に示したグループ分けサブルーチンＳ１０４では、アレイ最大出力動作電圧ＶＰＭＡ近傍における電力微分値Ｐ’［ｋ］が負であるか否かによって、ｋ番目の太陽電池モジュールの最大出力動作電圧ＶＰＭがＶＰＭＡより低いか否かを判別し、スイッチ制御信号Ｓ［ｋ］の０／１論理値によってのグループ分けを行っている。
【００４６】
図１３に、最大電力点追従サブルーチンＳ１０５のフローチャートを示す。Ｓ１６１でＤＣＤＣコンバータ３２内のトランジスタ４６の通流率α２を１００％とする。あるいは１００％に近い値でも良い。すると、副電源線１５の電圧は０Ｖ近くまで低下するため、Ｓ［ｋ］＝１にグループ分けされた太陽電池モジュール１１の出力電流は、ダイオード２２およびスイッチング素子２３を通して補助電源線１５に流れることになる。一方、Ｓ［ｋ］＝０にグループ分けされた太陽電池モジュール１１の出力電流は、スイッチング素子２３がＯＦＦであるので、主電源線１４に流れることになる。この状態で、Ｓ［ｋ］＝０にグループ分けされた太陽電池モジュール１１の出力電流はＤＣＤＣコンバータ３１へ、Ｓ［ｋ］＝１にグループ分けされた太陽電池モジュール１１の出力電流はＤＣＤＣコンバータ３２へ流れるようになった。
【００４７】
続いて、ＤＣＤＣコンバータ３１および３２がそれぞれのＳ［ｋ］＝０、１のグループに対して最大電力点探索を行う。Ｓ１６２およびＳ１６３〜Ｓ１６８では、アレイ最大出力動作電圧ＶＰＭＡ探索サブルーチンＳ１０２と同様に、α１を調整してＤＣＤＣコンバータ３１の最大電力点を探索する。１６９〜Ｓ１７４では、アレイ最大出力動作電圧ＶＰＭＡ探索サブルーチンＳ１０２と同様に、α２を調整してＤＣＤＣコンバータ３２の最大電力点を探索する。その後、Ｓ１６３〜Ｓ１６８によるＤＣＤＣコンバータ３１の最大電力点探索と、１６９〜Ｓ１７４によるＤＣＤＣコンバータ３２の最大電力点探索を繰り返す。
【００４８】
上記のＳ１６３〜Ｓ１７４のループを繰り返す状態によって、ＤＣＤＣコンバータ３１によるＶＰＭが高いグループの太陽電池モジュールに対する最大電力点追従、及びＤＣＤＣコンバータ３２によるＶＰＭが低いグループの太陽電池モジュールに対する最大電力点追従が実現できている。これによって、アレイ全体で１つの電圧ＶＭＰＡで駆動する場合よりも、より個別の太陽電池モジュールの最大出力動作電圧ＶＭＰに近い電圧で駆動できるようになるため、効率を向上させることができる。
【００４９】
時間が経過すると、日照、気温などの環境が変化するため、グループ分けを見直す必要がある。そこで、一定時間経過後にＳ１７５の分岐によってＳ１６３〜Ｓ１７４のループから脱出し、終了する。
【００５０】
その後は、メインプログラムのループにより、図７に示したアレイ最大出力動作電圧ＶＰＭＡ探索サブルーチンＳ１０２に戻り、以降、繰り返しとなる。
【００５１】
図１４に、メインプログラムの制御動作により発生する主電源線１４と副電源線１５の電圧、スイッチ制御信号Ｓ［１］〜Ｓ［ｎ］の状態のタイミングチャートを示す。アレイ最大出力動作電圧ＶＰＭＡ探索サブルーチンＳ１０２において、ＤＣＤＣコンバータ３１がアレイ全体の最大電力点探索を行うため、主電源線１４の電位ＶＡはＶＯＣを開始点として徐々に低下し、アレイ最大出力動作電圧ＶＰＭＡに到達する。電力微分値取得サブルーチンＳ１０３において、最初に主電源線１４の電位ＶＡは電圧ΔＶ１だけ増加される。スイッチ制御信号Ｓ［１］〜Ｓ［ｎ］はパルス状に順次１になり、その間に、副電源線１５の電位ＶＢは電圧ＶＰＭＡと、ＶＰＭＡ−ΔＶとの間を往復し、タイミングｔ１１、ｔ１２、ｔ２１、ｔ２２…ｔｎ１、ｔｎ２で電流計測が行われる。グループ分けサブルーチンＳ１０４ではグループ分けが行われ、図１４では、例として、Ｓ［１］とＳ［ｎ］が１になる。最大電力点追従サブルーチンＳ１０５では、高い最大出力動作電圧ＶＭＰを持つグループの太陽電池モジュール１１が主電源線１４に接続し、低い最大出力動作電圧ＶＭＰを持つグループの太陽電池モジュール１１が副電源線１５に接続し、それぞれＤＣＤＣコンバータ３１、３２によって最大電力点追従が行われるため、主電源線１４の電圧はＶＰＭＡより高く、副電源線１５の電圧はＶＰＭＡより低い電圧が動作点電圧となる。一定時間経過後、アレイ最大出力動作電圧ＶＰＭＡ探索サブルーチンＳ１０２に戻り、以降繰り返される。
【００５２】
なお、上記実施例で示した例は、発明を理解しやすくするために記載したものであり、これに限定されるものではない。
【産業上の利用可能性】
【００５３】
本発明の太陽光発電システムは、高発電効率で高信頼性かつ小型化された太陽発電システムとして有用である。
【符号の説明】
【００５４】
１１、２０１、２２１    太陽電池モジュール
１２    スイッチ回路
１３、２０３    パワーコンディショナ
１４    主電源線
１５    副電源線
１６    共通電源線
１７、２１１    商用の系統電源
２１、２２、４３、４４、２０２、２０８    ダイオード素子
２３、４５、４６、２１０、２２６    スイッチング素子
２４    スイッチ制御回路
３１、３２、７９、２０４、２２２、２２３、    ＤＣＤＣコンバータ
３３    電子負荷装置
３４、２０６、２２７    制御装置
３５    スイッチ制御信号発生回路
３６、２０５、２２４    インバータ
４７、４８    ＰＷＭ回路
４９    平滑コンデンサ
５０、２１３、２２５    電流計
５１、５４、２１２    電圧計
６２    シャント抵抗
６３、６４    分圧抵抗器
６５    ＯＰアンプ
７２、７７    エンコーダ
７８    ドライブ回路
２００    太陽電池アレイ
【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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【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１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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