(57)【要約】【目的】本発明は、太陽電池の最大電力点追従法を用いる装置において最大電力を取り出す電圧コンバータシステムに関し、最大電力点が大幅に移動することが少ないことに着目し、ＭＰＰＴ制御の精度を維持しつつ、最大電力点付近のＭＰＰＴ制御処理を効率的にすることで、太陽電池の利用効率を向上させることを目的とする。【構成】本発明は、太陽電池の出力電力を電圧コンバータによって計測および算出して、当該太陽電池の出力電力を最大にする最大動作電圧Ｖｍに調整する最大電力点追従制御であって、電圧コンバータが発生する電圧Ｖによって前記太陽電池の出力電力を計測する周期に関して、前記電圧Ｖが前記Ｖｍから離れている場合には計測及び算出周期を短くするように動作する手段と、前記電圧Ｖが前記Ｖｍの近傍である場合には計測及び算出周期を長くするように動作する手段とを有することを特徴とする。【選択図】図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
太陽電池の出力電力を電圧コンバータによって計測および算出して、当該太陽電池の出力電力を最大にする最大動作電圧Ｖｍに調整する最大電力点追従制御であって、
電圧コンバータが発生する電圧Ｖによって前記太陽電池の出力電力を計測する周期に関して、
前記電圧Ｖが前記Ｖｍから離れている場合には計測及び算出周期を短くするように動作する手段と、
前記電圧Ｖが前記Ｖｍの近傍である場合には計測及び算出周期を長くするように動作する手段と、
を有することを特徴とする太陽電池の最大電力点追従法。
【請求項２】
請求項１に記載の最大電力点追従法において、
前記電圧コンバータが、計測および算出した出力電力値と前回計測および算出した出力電力値を比較した際に、設定された回数以上連続で電圧値を上昇もしくは下降させた場合に、計測および算出周期を段階的に短くなるように動作し、それ以外では、計測および算出周期を段階的に長くなるように動作する手段と、
設定された最大周期を越えて計測および算出周期を長くしないように動作する手段と、
設定された最小周期を越えて計測および算出周期を短くしないように動作する手段と、
を有することを特徴とする太陽電池の最大電力点追従法。
【請求項３】
前記出力電力を計測する周期に合わせて前記電圧コンバータが動作と停止を繰り返す間欠動作の手段を備えることを特徴とする、請求項１乃至請求項２のいずれか一項に記載の太陽電池の最大電力点追従法。
【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点追従制御を用いる装置において最大電力を取り出す電圧コンバータシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
太陽電池にはＶ−Ｉ出力特性があり、接続した負荷の電圧によって取り出せる電流が決まっている。そのため最大の電力を取り出せる電圧点（以下、最適動作点）に太陽電池の出力電圧を設定することが特に重要になる。
【０００３】
最適動作点を追従する制御を最大電力点追従制御（以下、ＭＰＰＴ制御）と呼び、太陽電池の電圧コンバータに用いられている。
【０００４】
ＭＰＰＴ制御にはいくつかの方法がある。その中でも特性精度が良く、シーケンスが簡素な山登り法がよく用いられている。
【０００５】
図１は従来の山登り法を説明するための図である。図１は太陽電池の出力電圧Ｖｏと出力電力Ｐｏとの関係を示す特性曲線を示す。
【０００６】
太陽電池の出力電力Ｐｏは、動作電圧Ｖｏによって変化し、その特性曲線は図１のようになる。特性曲線の頂点は、出力電力Ｐｏが最大となる最大電力点（Ｐｍａｘ点）であり、そのときの動作電圧Ｖｏが最適動作電圧（最適動作点）Ｖｍａｘである。また、特性曲線は太陽の日射量及び温度の変動に応じて変化し、したがって最適動作電圧Ｖｍａｘもそれに応じて変化する。
【０００７】
太陽電池の出力電力Ｐｏを最大限に利用するためには、太陽電池を最大電力点で動作させればよいが、最大電力点は日射量や温度に応じて常に変動するので、最大電力点を追従するＭＰＰＴ制御が必要となる。ＭＰＰＴ制御においては、太陽電池の出力電力Ｐｏを時間間隔ΔＴで計測し、出力電力Ｐｏが増大するように動作電圧Ｖｏを制御する。
【０００８】
従来のＭＰＰＴ制御では、動作電圧ＶｏがＶｂｌのとき、変化幅ΔＶだけ隣り合ったＶａｌとＶｃｌの各出力電力を比較し、電力が高い方向へ移動する。
【０００９】
同じように最適動作点まで同様の制御を行い、図１の例では出力電圧が高くなるように電圧コンバータが電圧を調整する。
【００１０】
また、同じく動作電圧ＶｏがＶｂｈのとき、変化幅ΔＶだけ隣り合ったＶａｈとＶｃｈの各出力電力を比較し、電力が高い方向へ移動する。最適動作点まで同様の制御を行い、図１の例では出力電圧が低くなるように電圧コンバータが電圧を調整する。
【００１１】
以上のように時間間隔ΔＴで電流値と電圧値を計測し、電力値を算出することで山登り法を実現している。実際にはＭＰＰＴ制御時以外は計測および算出をしないような機構を設けて消費電流を節約している。
【００１２】
しかしながら、従来のＭＰＰＴ制御では、動作電圧Ｖｏが常に周期的に変化し、それに応じて出力電力Ｐｏも常に変動する。特に、最大電力点の近辺においては、動作電圧Ｖｏの変化によって出力電力Ｐｏは常に減少するので、その分が電力の損失となる。
【００１３】
また、変化幅ΔＶの大きさが動作電圧Ｖｏの大きさに係わらず常に一定であるため、最大電力点の近辺においても変化幅ΔＶが大きい。そのため、最大電力点の近辺における電力の損失が顕著となり、これが太陽電池の利用効率を低下させる一因となっている。
【００１４】
なお、動作電圧Ｖｏの変化幅ΔＶを小さくすると、インバータの起動から最大電力点に達するまでの時間が長く必要であり、その間における太陽電池の利用効率が低下する。また、動作電圧Ｖｏが常に変化しており、これがインバータの制御の安定性を乱す原因となるため、安定性を維持するためには、動作電圧Ｖｏの変化速度、つまりＭＰＰＴ制御の応答速度をあまり大きくすることができない。
【００１５】
上記の内容を鑑みて特許文献１において変化幅ΔＶを可変にすることで、太陽電池の利用効率の向上を図っている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１６】
【特許文献１】特許２７３１１１７号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
しかし特許文献１に示す技術でも周期的に電流値と電圧値を計測して電力値を計算しているためその都度消費電流が増え、回数を増やす毎に太陽電池の利用効率が低下してしまう。
【００１８】
そこで、最大電力点は日射量によって変化するが、図２のように大幅に変化することはないことに着目し、本発明はＭＰＰＴ制御の精度を維持しつつ、最大電力点付近のＭＰＰＴ制御処理を効率的にすることで、太陽電池の利用効率を向上させることを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
前記課題を解決するために、本発明は次のような手段をとるものとする。つまり、太陽電池の出力電力を電圧コンバータによって計測および算出して、当該太陽電池の出力電力を最大にする最大動作電圧Ｖｍに調整する最大電力点追従制御であって、電圧コンバータが発生する電圧Ｖによって前記太陽電池の出力電力を計測する周期に関して、前記電圧Ｖが前記Ｖｍから離れている場合には計測及び算出周期を短くするように動作する手段と、前記電圧Ｖが前記Ｖｍの近傍である場合には計測及び算出周期を長くするように動作する手段と、を有することを特徴とする。
【００２０】
また、本発明は、前記電圧コンバータが、計測および算出した出力電力値と前回計測および算出した出力電力値を比較した際に、設定された回数以上連続で電圧値を上昇もしくは下降させた場合に、計測および算出周期を段階的に短くなるように動作し、それ以外では、計測および算出周期を段階的に長くなるように動作する手段と、設定された最大周期を越えて計測および算出周期を長くしないように動作する手段と、設定された最小周期を越えて計測および算出周期を短くしないように動作する手段と、を有することを特徴とする。
【００２１】
更に、本発明は、前記出力電力を計測する周期に合わせて前記電圧コンバータが動作と停止を繰り返す間欠動作の手段を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２２】
前記手段により、本発明は次のような効果を得ることができる。つまり、計測及び算出周期を変化させることで、早く最適動作点に到達することが可能となり、また最適動作点に近づくと計測及び算出周期も長くなるので消費電流を抑えることができ、太陽電池の効率が向上する。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】一般的な太陽電池の出力電圧と出力電力の関係を示したグラフである。
【図２】一般的な太陽電池の日射量による変化を示した出力電圧と出力電力の関係を示したグラフである。
【図３】太陽電池に接続される電圧コンバータのブロック図である。
【図４】ＰＷＭ波形とチョッパ回路から出力される電圧との関係を示した式である。
【図５】ＭＰＰＴ制御のフローチャートである。
【図６】制御回数を変化させる例を示したフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【実施例】
【００２４】
以下、図面を用いて本実施形態を説明する。図３は本発明に係る太陽電池に接続される電圧コンバータ１の構成を示すブロック図である。
【００２５】
電圧コンバータ１は主にマイコン４、ＰＷＭコントローラ５、チョッパ回路６、シャント抵抗７、電流検出アンプ８から成る。
【００２６】
電圧コンバータ１はＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ  Ｗｉｄｔｈ  Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）制御を行うことで負荷電圧を調整することができる。図４はＰＷＭ制御の説明である。
【００２７】
ＰＷＭ制御はスイッチング周波数Ｆのデューティ比を変化させることによって行う。デューティをうまく変化させることで負荷電圧Ｖｒをコントロールすることが可能となる。
【００２８】
一般にチョッパ回路において、降圧チョッパでは図４に示した式１が、昇圧チョッパでは同図４に示した式２が成り立つ。そのため、ＰＷＭのデューティ比を変化させることで出力電圧Ｖｏから任意の負荷電圧Ｖｒを取り出すことができる。
【００２９】
マイコン４は太陽電池２から出力される出力電流Ｉｏ、出力電圧ＶｏをＡ／Ｄ変換機能を用いて測定する。さらにマイコン４は負荷３に入力される負荷電流Ｉｒ、負荷電圧ＶｒをＡ／Ｄ変換機能を用いて測定する。なおシャント抵抗７は電流測定用のため非常に低い抵抗値であり、シャント抵抗による電圧降下は無視することができる。そのためチョッパ回路６から出力される電圧は負荷電圧Ｖｒと同程度であると見なすことができる。
【００３０】
電流検出アンプ８はシャント抵抗７の両端に掛かる電圧を検出してマイコン４に電圧値として出力する。マイコン４はその電圧値をＡ／Ｄ変換機能を用いて測定し、シャント抵抗の抵抗値を用いて負荷電流Ｉｒを算出することができる。同様の手順で出力電流Ｉｏも算出することができる。
【００３１】
その測定結果を用いてＰＷＭコントローラ５に対し、後述するように、ＰＷＭ出力を調整するよう指示を与える。マイコン４は動作中以外スリープ状態となり、消費電流を抑えるようになっている。
【００３２】
ＰＷＭコントローラ５はマイコンからの指示を受け、適切なＰＷＭ波形を出力する。ＰＷＭコントローラ５は電圧を変化させる必要があるため常に動作している。
【００３３】
チョッパ回路６はＰＷＭ信号により太陽電池２からの出力電圧Ｖｏを負荷電圧Ｖｒに変換する。チョッパ回路６には主に降圧タイプと昇圧タイプがあり、降圧タイプは電圧を下げるように働き、昇圧タイプは電圧を上げるように働く。
【００３４】
負荷３には蓄電池などのバッテリや太陽電池で動作する装置などが接続される。
【００３５】
図５は前記したようなＰＷＭ波形の調整によるＭＰＰＴ制御のフローチャートである。フローチャートを用いてＭＰＰＴ制御の説明を行う。
【００３６】
まず現状の出力電圧Ｖｏと出力電流Ｉｏを計算し、その値を掛け合わせて出力電力Ｐｏを算出する。その算出した値を電力値１とする（Ｓ２）。
【００３７】
次にＰＷＭのデューティを規定値分変化させる。フローチャートではＰＷＭデューティをアップしてチョッパ回路から出力される負荷電圧Ｖｒを上げている（Ｓ３）。さらにそのときの出力電力Ｐｏを前回と同様に算出し、電力値２とする（Ｓ４）。
【００３８】
前回算出した電力値１と今回算出した電力値２を比較する（Ｓ５）。今回算出した電力値２の方が大きい場合にはさらにＰＷＭデューティをアップさせる（Ｓ５の電力値２≧電力値１の部分）。前回算出した電力値２の方が大きい場合にはＰＷＭデューティをダウンさせる（Ｓ５の電力値２＜電力値１の部分）。
【００３９】
ＰＷＭデューティをダウンさせた場合、再び電力値を算出して（Ｓ８）、前回値を比較する（Ｓ９）。今回算出した電力値２の方が大きい場合にはさらにＰＷＭデューティをダウンさせる（Ｓ１０の電力値２≧電力値１の部分）。前回算出した電力値２の方が大きい場合にはＰＷＭデューティをアップさせる（Ｓ１０の電力値２＜電力値１の部分）。
【００４０】
以上のように繰り返し、電力値を算出して、前回算出した電力値と比較し、ＰＷＭデューティを変化させる。
【００４１】
しかし、この繰り返し回数が多いほど計測と算出に電流を多く消費するため、なるべく少ないことが望ましい。だからといって制御間隔の周期を長くすると、なかなか最適動作点に到達せず、太陽電池の効率が悪くなってしまう。そこで、ＰＷＭデューティをＵＰした回数、もしくはＤＯＷＮした回数に基づいて制御間隔の長さを調整することにより、消費電流を抑えるようにする。
【００４２】
図６は制御間隔を変化させるフローチャートである。
【００４３】
ＭＰＰＴ制御を行い（Ｓ１４）、ＰＷＭ制御により電圧をｍ回以上連続で上昇させた場合（Ｓ１５のＹＥＳの部分）には制御間隔を現状の間隔よりも短くする（Ｓ１６）。ただし、制御間隔はＴｍｉｎ以内とする。
【００４４】
ＰＷＭ制御により電圧をｎ回以上連続で下降させた場合（Ｓ１７のＹＥＳの部分）には制御間隔を現状の間隔よりも短くする（Ｓ１８）。ただし、制御間隔はＴｍｉｎ以上とする。
【００４５】
上記に当てはまらない場合には制御間隔を現状の間隔よりも長くする（Ｓ１９）。ただし、制御間隔はＴｍａｘ以下とする。以上を繰り返すことにより、制御間隔を変化させることができる。
【００４６】
複雑な計算ではなく、非常に簡単なフローチャートのため制御間隔の計算に時間がかからず、無駄な消費電流を抑えることができる。
【００４７】
なお、フローチャートにあるパラメータのｍやｎ、制御間隔ＴｍｉｎやＴｍａｘを様々な値に設定することにより、太陽電池の設置現場に最適なＭＰＰＴ制御に調整することができる。
【００４８】
以上より、日照が安定していれば、計測および算出周期が長くなるため消費電流を抑えることができる。さらに、日照が不安定で最適動作点が移動したとしても、計測および算出周期が短くなるため、最適動作点に到達することが可能となるので、消費電流を抑えることができる。そのため、複雑な制御は必要とせずに、太陽電池の効率が向上する。
【００４９】
なお、本実施例においては負荷にかける電圧の制御手段としてチョッパ回路を用いているが、本発明ではチョッパ回路以外の手段でも実施可能であり、これを限定しない。
【００５０】
また、本実施例においてはＰＷＭ波形のデューティ比の詳細や、電圧値の上昇回数あるいは下降回数を具体的な数値で示さなかったが、実施する環境や装置の構成によって変動するものであるから、本発明においてはこれらをなんら限定するものではない。
【符号の説明】
【００５１】
１…電圧コンバータ、
２…太陽電池、
３…負荷
４…マイコン
５…ＰＷＭコントローラ
６…チョッパ回路
７…シャント抵抗
８…電流検出アンプ
【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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