(57)【要約】【課題】蓄電池での必要以上の電荷の出し入れを削減し当該蓄電池の寿命を延ばすことができる太陽光発電システムの発電制御装置を提案すること。【解決手段】太陽光発電システム１において、太陽光発電パネル２からの発電電力を入力とし、蓄電池４へ定電圧出力を行う発電制御装置３は、太陽光発電パネル２からの入力電流Ｉｉｎ、入力電圧Ｖｉｎと、直流負荷５への出力電流Ｉｏ、出力電圧Ｖｏとを監視し、入力電力Ｐｉｎ（＝Ｖｉｎ×Ｉｉｎ）が出力電力Ｐｏ（＝Ｖｏ×Ｉｏ）と等しくなるように、降圧型のＤＣ−ＤＣコンバータからなる充電回路・コントローラ１０のスイッチング素子１１のオン時間のデューティー比を増減して、太陽光発電パネル２の動作点を制御する。【選択図】図３
2013090460.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
太陽光パネルの発電電力を用いて、直流負荷への直流電力の供給および前記直流負荷への電力供給をバックアップする蓄電池の充電を行う太陽光発電システムの発電制御装置であって、
前記太陽光パネルから供給される入力電力を、所定電圧の出力電力に変換して前記蓄電池および前記直流負荷に供給するＤＣ−ＤＣコンバータと、
前記直流負荷の負荷変動に基づき設定される動作電圧で、前記太陽光パネルが発電動作を行うように、前記ＤＣ−ＤＣコンバータの変圧動作を制御するコントローラとを有し、
前記コントローラは、
前記入力電力が前記出力電力に等しくなるように、前記ＤＣ−ＤＣコンバータの出力電圧を制御する第１制御形態、および、
前記蓄電池の端子電圧の変化、あるいは、前記蓄電池への電荷の出入りが無くなるように、前記ＤＣ−ＤＣコンバータの出力電圧を制御する第２制御形態
のうちのいずれか一方の制御形態で前記ＤＣ−ＤＣコンバータを制御することを特徴とする太陽光発電システムの発電制御装置。
【請求項２】
請求項１において、
前記コントローラは前記第１制御形態で前記ＤＣ−ＤＣコンバータの出力電圧を制御するものであり、
前記入力電力Ｐｉｎは、
Ｐｉｎ＝Ｖｉｎ×Ｉｉｎ
但し、Ｖｉｎ：入力電圧の測定値
Ｉｉｎ：ＤＣ−ＤＣコンバータに入力される入力電流の測定値
であり、前記出力電力Ｐｏは、
Ｐｏ＝Ｖｏ×Ｉｏ、または
Ｐｏ＝α（Ｖｏ×Ｉｏ）＋β
但し、Ｖｏ：出力電圧の測定値
Ｉｏ：ＤＣ−ＤＣコンバータから出力される出力電流の測定値
α：「１」より大きな整数
β：ＤＣ−ＤＣコンバータのオフセット値
であることを特徴とする太陽光発電システムの発電制御装置。
【請求項３】
請求項２において、
前記ＤＣ−ＤＣコンバータは、所定のデューティー比でオンオフする電圧変換用のスイッチング素子を備えており、
前記コントローラは、
前記Ｖｉｎ、Ｉｉｎ、Ｖｏ、Ｉｏを測定し、前記Ｐｉｎと前記Ｐｏを比較し、前記Ｐｉｎが前記Ｐｏに一致する方向に前記デューティー比を増減する電力量制御ループと、
前記Ｖｏを前記蓄電池の定格電圧Ｖｓｔｄと比較し、前記Ｖｏが前記Ｖｓｔｄに一致する方向に前記デューティー比を増減する定電圧制御ループとを、
前記電力量制御ループを複数回実行する毎に、前記定電圧制御ループを１回実行することを特徴とする太陽光発電システムの発電制御装置。
【請求項４】
請求項１において、
前記ＤＣ−ＤＣコンバータは、所定のデューティー比でオンオフする電圧変換用のスイッチング素子を備えており、
前記コントローラは、前記第２制御形態で前記ＤＣ−ＤＣコンバータの出力電圧を制御するものであり、
前記コントローラは、
前記蓄電池への電荷の出入りを監視し、当該電荷の出入りが零になる方向に前記デューティー比を増減する充電電流制御ループと、
前記Ｖｏを前記蓄電池の定格電圧Ｖｓｔｄと比較し、前記Ｖｏが前記Ｖｓｔｄに一致する方向に前記デューティー比を増減する定電圧制御ループとを、
前記充電電流制御ループを複数回行う毎に前記定電圧制御ループを１回実行することを特徴とする太陽光発電システムの発電制御装置。
【請求項５】
太陽光パネルの発電電力を用いて、直流負荷への直流電力の供給および前記直流負荷への電力供給をバックアップする蓄電池の充電を行う太陽光発電システムであって、
前記太陽光パネルと、前記蓄電池と、請求項１ないし４のうちのいずれかの項に記載の前記発電制御装置とを有していることを特徴とする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、太陽光パネルの発電電力を用いて蓄電池の充電および直流負荷に対する電力供給を行う太陽光発電システムの発電制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
太陽光発電システムとしては、特許文献１に記載されているように、商用電気系統から供給される交流電力と太陽電池などの直流電源とを連携させて直流負荷に直流電力を供給する連携式の電源システムと、商用電気系統と切り離して太陽光発電設備のみを用いて直流負荷を駆動する、いわゆる独立電源システムが知られている。
【０００３】
図７に一例を示すように、本発明が対象としている後者の独立電源システム１００では、太陽光発電パネル１０２による発電出力の不安定性を補うために蓄電池１０４と組み合わされて構成されることが多い。太陽光発電電力は、直接的には蓄電池１０４の充電器コントローラ１０３に使われ、直流負荷１０５に対しては、充電器コントローラ１０３の出力と蓄電池１０４の放電によって電力が供給される。蓄電池１０４は定電圧で充放電を行う必要があるので、充電器コントローラ１０３は、直流電圧計１０９の測定値に基づき、その出力が一定電圧になるように変圧動作を行う。
【０００４】
ここで、太陽光発電素子（太陽電池セルを複数直並列に接続したパネル群）の特性上、そこから取り出される電力は、繋がれる負荷抵抗に大きく依存する。高抵抗や短絡時には出力電力は零で、中間の比較的狭いインピーダンス範囲で最大出力を取り出すことができる。効率よく発電電力を得るために、最大電力動作点に追従しながら動作させるＭＰＰＴ（最大電力点トラッキング）方式が広く採用されている。
【０００５】
太陽光発電電力を自家で消費する以外の余剰分を電力会社の供給ラインから逆潮流させて、他者へ電力供給する「系統連携」を行う場合には、常に最大電力を発電させて商用電力ラインという巨大な負荷へ余剰電力を放り込めばよい。
【０００６】
ところが、系統連携しない独立電源システムの場合には、発電電力を全て有限の自家負荷で消費する必要が生ずる。また、太陽光発電設備の発電電力が負荷電力を上回った場合には、充電器の出力電圧（すなわち、蓄電池の端子電圧）が上昇し、余剰分の電力が、大きな容量のコンデンサである蓄電池に充電される。蓄電池の端子電圧の上昇が続くと当該蓄電池の過充電を招き、蓄電池が短寿命化するなどの弊害が発生する。そこで、蓄電池の端子電圧を測定して、上限値を超えないような制御が行われている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００９−１５９７３０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
従来のように蓄電池の電圧によって太陽光発電素子の発電動作を制御する方法では、発電量の制御動作において常に電池電圧の変化を伴うことになる。蓄電池は定電圧特性を持つため、わずかな電圧変化でも大きな電荷量の出し入れが蓄電池で起きる。このような充放電動作の繰り返しは、蓄電池の短寿命化を招くことが知られている。
【０００９】
本発明の課題は、この点に鑑みて、蓄電池での必要以上の電荷の出し入れを削減して当該蓄電池の寿命を延ばすことができるように、太陽光パネルの発電動作を制御可能な太陽光発電システムの発電制御装置を提案することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記の課題を解決するために、本発明は、太陽光パネルの発電電力を用いて、直流負荷への直流電力の供給および前記直流負荷への電力供給をバックアップする蓄電池の充電を行う太陽光発電システムの発電制御装置であって、
前記太陽光パネルから供給される入力電力を、所定電圧の出力電力に変換して前記蓄電池および前記直流負荷に供給するＤＣ−ＤＣコンバータと、
前記直流負荷の負荷変動に基づき設定される動作電圧で、前記太陽光パネルが発電動作を行うように、前記ＤＣ−ＤＣコンバータの変圧動作を制御するコントローラとを有し、
前記コントローラは、
前記入力電力が前記出力電力に等しくなるように、前記ＤＣ−ＤＣコンバータの出力電圧を制御する第１制御形態、および、
前記蓄電池の端子電圧の変化、あるいは、前記蓄電池への電荷の出入りが無くなるように、前記ＤＣ−ＤＣコンバータの出力電圧を制御する第２制御形態
のうちのいずれか一方の制御形態で前記ＤＣ−ＤＣコンバータを制御することを特徴としている。
【００１１】
すなわち、本発明において、太陽光パネルからの発電電力を入力とし、蓄電池端子へ定電圧出力を行う発電制御装置は、太陽光発電パネルからの入力電流Ｉｉｎおよび入力電圧Ｖｉｎと、直流負荷への出力電流Ｉｏおよび出力電圧Ｖｏとを監視し、入力電力Ｐｉｎ（＝Ｉｉｎ×Ｖｉｎ）が出力電力Ｐｏ（＝Ｉｏ×Ｖｏ）と等しくなるように、入力に対する動作点を決める。または、蓄電池端子電圧の変化あるいは蓄電池への電荷の出入りを監視し、これが零になるように太陽光発電パネルの動作点を制御する。
【発明の効果】
【００１２】
このように、従来においては、直流負荷の負荷変動に対して、給電点での電圧降下を利用して発電制御を行っているのに対して、本発明では、直流負荷に供給される出力電力量をリアルタイムに監視し、それに等しい発電量となるように、発電量そのものを太陽光発電の動作点に反映させるようにしている。したがって、本発明によれば、蓄電池の電池電圧の変動を起こさずに直流負荷の変動に応じた適切な発電動作を実現でき、蓄電池の消耗を抑制することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施の形態１に係る太陽光発電システムの概略構成図である。
【図２】図１の太陽光発電システムにおける充電回路コントローラの部分を示すブロック図である。
【図３】図１の太陽光発電システムの発電制御動作を示す概略フローチャートである。
【図４】図１の太陽光発電システムの変更例を示す概略構成図である。
【図５】本発明の実施の形態２に係る太陽光発電システムの概略構成図である。
【図６】図５の太陽光発電システムの発電制御動作を示す概略フローチャートである。
【図７】従来の太陽光発電による独立電源システムを示す概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下に、図面を参照して本発明を適用した太陽光発電システムの実施の形態を説明する。
【００１５】
（実施の形態１）
図１を参照して本発明の実施の形態１に係る太陽光発電システムを説明する。実施の形態１に係る太陽光発電システム１は、太陽光発電パネル２、充電回路・コントローラ１０を含む発電制御装置３、および、蓄電池４を備えている。充電回路・コントローラ１０の出力側には蓄電池４と並列に直流負荷５が接続される。発電制御装置３は、太陽光発電パネル２に対しては電流電圧動作点を与え、直流負荷５に対しては定電圧の直流電力を供給する。
【００１６】
発電制御装置３は、太陽光発電パネル２からの入力電流Ｉｉｎおよび入力電圧Ｖｉｎをそれぞれ測定する直流電流計６および直流電圧計７を備えている。また、発電制御装置３は、直流負荷５の側に供給される出力電流Ｉｏおよび出力電圧Ｖｏをそれぞれ測定する直流電流計８および直流電圧計９を備えている。発電制御装置３の充電回路・コントローラ１０は、これらの測定値に基づき発電制御動作を行う。
【００１７】
図２は発電制御装置３の充電回路・コントローラ１０を示す概略構成図である。充電回路・コントローラ１０は、降圧型のＤＣ−ＤＣコンバータからなる充電回路１０Ａと、この充電回路１０Ａのコントローラ１０Ｂとを備えている。充電回路１０Ａは、入出力間に介挿されたスイッチング素子１１、例えばスイッチングトランジスターを備えている。スイッチング素子１１は、ＰＷＭゲートドライバ１２によって設定されるオン時間デューティー比によってオンオフ動作を行う。このオンオフ動作によって、充電回路の出力電圧Ｖｏが制御される。コントローラ１０Ｂは、測定値Ｉｉｎ、Ｖｉｎ、Ｉｏ、Ｖｏに基づき、ＰＷＭゲートドライバ１２を介して、スイッチング素子１１を駆動する。本例では、以下に説明するように、定電圧出力のための出力電圧Ｖｏに基づく制御動作に加えて、入力電力Ｐｉ（＝Ｖｉｎ×Ｉｉｎ）と出力電力Ｐｏ（＝Ｖｏ×Ｉｏ）の差による制御動作を行い、これによって太陽光発電パネル２の発電動作が制御される。
【００１８】
図３は発電制御装置３のコントローラ１０Ｂによる制御動作を示す概略フローチャートである。この図において、点線内の部分が本発明で加わった新たな制御動作部分であり、点線枠外の部分は従来から行われている定電圧制御部分である。
【００１９】
制御動作においては、まず、制御ループ回数を規定するＮ値（Ｎ：２以上の整数）が設定される（ステップＳＴ１）。次に、測定値Ｖｉｎ、Ｉｉｎ、Ｖｏ、Ｉｏがサンプリングされ（ステップＳＴ２）、Ｎ値を「１」だけカウントダウンし（ステップＳＴ３）、しかる後に、入力電力Ｐｉ（＝Ｖｉｎ×Ｉｉｎ）と出力電力Ｐｏ（＝Ｖｏ×Ｉｏ）を比較する（ステップＳＴ４）。これらの電力差が無くなる方向に、ＰＷＭゲートドライバ１２によるスイッチング素子１１のオン時間のデューティー比（ＰＷＭ  Ｄｕｔｙ）が増減される。
【００２０】
すなわち、入力電力Ｐｉが出力電力Ｐｏより大きい場合には、オン時間のデューティー比を予め定めた値Δ２だけ減少させる（ステップＳＴ５：ＰＷＭ  Ｄｕｔｙ−Δ２）。逆の場合には、デューティー比を値Δ２だけ増加させる（ステップＳＴ６：ＰＷＭ  Ｄｕｔｙ＋Δ２）。また、これらが等しい場合にはデューティー比を同一の値に維持する。
【００２１】
この後は、回路の発信などを防止するために、予め設定した遅延時間分だけ動作を遅延させ（ステップＳＴ７）、しかる後に、制御ループ回数が設定したＮ回に達したか否かを判別し（ステップＳＴ８）、Ｎ回に達するまで、のステップＳＴ２〜ＳＴ８までの電力量制御ループを繰り返す。この電力量制御ループがＮ回に達した後は、制御を電力量制御ループから定電圧制御ループに移行させる。
【００２２】
定電圧制御ループでは、出力電圧Ｖｏの測定値を、予め設定されている基準電圧（蓄電池の定格電圧）Ｖｓｔｄと比較し（ステップＳＴ９）、出力電圧Ｖｏが基準電圧Ｖｓｔｄに等しくなる方向に、スイッチング素子１１のオン時間のデューティー比を増減する。すなわち、出力電圧Ｖｏの方が大きい場合には、デューティー比を予め定めた値Δ１だけ減少させ（ステップＳＴ１０：ＰＷＭ  Ｄｕｔｙ−Δ１）、逆の場合にはデューティー比を値Δ１だけ増加させる（ステップＳＴ１１：ＰＷＭ  Ｄｕｔｙ＋Δ１）。双方が等しい場合には、デューティーを同一の間に維持する。
【００２３】
このように、本例では電力量制御ループを所定の周期でＮ回繰り返す毎に、定電圧制御ループを１回実行している。電力量制御ループを実行することにより、蓄電池４が満充電時に、太陽光発電パネル２の発電電力能力が直流負荷５の所要の負荷電力より大きい場合において、出力電圧Ｖｏを変化させることなく、出力電力を直流負荷５に供給できる。出力電圧Ｖｏが変化しないので、蓄電池４への電荷の移動が起こらず、蓄電池４の消耗を抑えることができる。
【００２４】
直流負荷５の値が大きくなると、スイッチング素子１１のオン時間のデューティー比が増える。直流負荷５の値が太陽光発電パネル２の発電能力を超えた時点で、太陽光パネルの発電動作はＭＰＰＴ動作になる。直流負荷５の値が更に大きくなり、直流負荷５への所要電力がＭＰＰＴ動作による最大発電電力でも不足すると、初めて出力電圧Ｖｏの低下が始まり、蓄電池４が放電を開始して直流負荷５の側への電力が供給される。
【００２５】
ここで、電力量制御ループだけでは、測定誤差や温度特性などにより、電池電圧Ｖｏがゆっくりと変動する。しかし、本例では、この変動を抑制するために、電力量制御ループより充分長い時定数で定電圧制御ループが実行される。よって、電力量制御を精度良く行うことができる。
【００２６】
また、充電回路自体の電力損失分、オフセットを補償する必要がある場合には、入力電力Ｐｉ（＝Ｖｉｎ×Ｉｉｎ）と比較する出力電力Ｐｏとして、測定値Ｖｏ×Ｉｏの代わりに、｛α（Ｖｏ×Ｉｏ）＋β｝を用いればよい。αは「１」より大きな値であり、βはオフセット分に対応する値である。
【００２７】
なお、図４は本例の太陽光発電システム１の変更例を示す概略構成図である。この図に示すように、太陽光発電システム１において、蓄電池４への充電を、発電制御装置３の充電回路・コントローラ１０から定電流充電回路１３を介して行うようにしてもよい。
【００２８】
（実施の形態２）
図５は本発明を適用した実施の形態２に係る太陽光発電システムを示す概略構成図である。本例の太陽光発電システム１Ａの発電制御装置３Ａでは、蓄電池４に対する電荷の出入りを監視し、それが零になるように発電動作制御を行う。すなわち、充電回路の出力側の蓄電池４の充放電路において、蓄電池４の入出力端子と直流負荷５への配電分岐点との間に、直流電流計１４が配置されている。この直流電流計１４の測定値が零となるように、発電制御装置３Ａは太陽光発電パネル２の発電動作制御を行う。
【００２９】
図６は発電制御装置３Ａの制御動作を示す概略フローチャートである。基本的な動作は図１の太陽光発電システム１の場合と同様であり、ステップＳＴ２２〜ＳＴ２８からなる充電電流制御ループをＮ回実行する毎に、ステップＳＴ２９〜ＳＴ３１からなる定電圧制御ループを１回実行する動作を繰り返す。
【００３０】
異なる点は、充電電流制御ループにおいて、蓄電池４に対する充電電流の測定値Ｉｃｈａｒｇｅが零であるか否かを判別し（ステップＳＴ２４）、これが零になる方向にスイッチング素子１１のオン時間のデューティー比を増減する制御を行っていることである。
【００３１】
本例の太陽光発電システム１Ａによっても実施の形態１の場合と同様な作用効果が得られる。すなわち、蓄電池４が満充電時に、太陽光発電パネル２の発電電力能力が直流負荷５の所要の負荷電力より大きい場合において、蓄電池４への電荷の移動が起きないように出力電力を直流負荷５に供給できる。すなわち、出力電圧Ｖｏを変化させることなく、出力電力を直流負荷５に供給できる。このように、蓄電池４への電荷の移動が起きないので、蓄電池４の消耗を抑えることができる。また、出力電圧Ｖｏの定電圧制御を行うために、出力電圧Ｖｏを測定するための直流電圧計９が必要であるが、太陽光発電パネル２の電流、電圧を測定する必要がない。よって、実施の形態１における入力側の直流電流計６、直流電圧計７を省略できるので、装置構成を簡素化できる。
【符号の説明】
【００３２】
１、１Ａ  太陽光発電システム
２    太陽光発電パネル
３、３Ａ  発電制御装置
４    蓄電池
５    直流負荷
６    直流電流計
７    直流電圧計
８    直流電流計
９    直流電圧計
１０  充電回路・コントローラ
１０Ａ  充電回路
１０Ｂ  コントローラ
１１  スイッチング素子
１２  ＰＷＭゲートドライバ
１３  定電流充電回路
１４  直流電流計
Ｖｉｎ  入力電圧
Ｖｏ    出力電圧
Ｉｉｎ  入力電流
Ｉｏ    出力電流
Ｉｃｈａｒｇｅ  充電電流
【図６】
2013090460.tif 000003
【図１】
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【図２】
2013090460.tif 000005
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図７】
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