(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
太陽光パネルと、該太陽光パネルの出力直流電力を交流電力に変換して負荷を駆動するインバータと、該インバータを制御する制御装置とを具備した太陽光発電システムにおいて、
前記太陽光パネルの出力直流電力及び電圧を計測し、
前記出力直流電力と出力電圧の変化に基づいて、該変化の方向が電力―電圧座標系におけるI、II、III、IV象限の変化軌跡ベクトルの方向のいずれに属するかに分類し、
前記I、II、III、IV象限の変化軌跡ベクトルの方向に対応して前記インバータの出力周波数の増減または維持を決定し、
前記太陽光パネルの最大電力点に追従するように前記負荷を可変速駆動することを特徴とする太陽光発電システム。
【請求項２】
前記変化の方向が電力―電圧座標系におけるI、II、III、IV象限の変化軌跡ベクトルの方向のいずれに属するかの分類は、変化なしのゼロベクトルを含む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】
前記太陽光パネルの電力−電圧座標系における変化は、前々回、前回および今回の３個のサンプリング時の電力及び電圧から得られた２個の変化軌跡ベクトルの方向の組み合わせにより、前記インバータの出力周波数の増減または維持を決定することを特徴とする請求項１記載の太陽光発電システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、屋外に設置された太陽光パネルにより一次エネルギー源としての太陽光を直流電力に変換し、インバータを介して交流電力に変換し、モータ等の負荷を駆動する太陽光発電システムに係り、特に太陽光パネルを常に最大出力点で動作させることができるシステムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
図８は、太陽光発電システムの説明図であり、１は太陽光パネル、２はインバータ、３は負荷としてのモータ及びポンプである。太陽光パネル１は、太陽光を直流電力に変換し、インバータ２によりその直流電力を交流電力に変換し、モータ及びポンプ等の負荷３に供給する。これにより、モータ及びポンプ等の負荷３は太陽光をエネルギー源とした電力により可変速駆動される。
【０００３】
まず、太陽光パネルの一般的な特性を説明する。図９は、太陽光パネルの特性を示す図である。図９（ａ）は太陽電池の電流―電圧特性を示している。即ち、太陽光が入射することで、無負荷時には開放電圧Ｖｏが現れ、短絡時には短絡電流Ｉｓが流れる。この曲線は、入射光の大きさをパラメータとして図中矢印で示す方向に変化する。入射光の大きさ、この太陽電池の基本特性から図９（ｂ）に示す電力―電圧特性が得られる。即ち、太陽光パネルの出力電力Ｐの大きさは出力電圧Ｖによって変化し、最大出力点を有する山のような曲線になる。また、この曲線は日射の強さ、周囲温度などにより変動する。図９（ｂ）に示すように、太陽光パネルの出力電力Ｐは出力電圧Ｖに従って変化し、その最大出力電力点は日射、周囲温度の変動に従って、点線Ａのような斜めの曲線軌跡になっている。
【０００４】
高価な太陽光発電システムを有効に利用するために、パネル面積に限られている貴重な太陽光エネルギーから最大電力を取り出せることが望ましい。そのために、太陽光発電システムにおいては、太陽光パネルを常に最大出力電力点で動作出来るように最大電力点追従制御を行うことが必要となってくる。
【０００５】
図１０は、太陽光発電システムの負荷であるポンプの負荷特性を示す図である。ポンプの出力は羽根車の回転数、すなわちモータの出力回転数に従って変化する。インダクションモータの場合にはロータの回転数はインバータ出力周波数に近似的に比例するが、同期モータの場合にはインバータ出力周波数に完全に比例する。従って、インバータの出力周波数を制御することにより、モータの出力を制御することができる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
負荷がモータおよびポンプの場合、最大電力追従制御を行うために、インバータ出力周波数を制御することによって、太陽光パネル出力電力最大点で動作するようにしなくてはならない。しかしながら、インバータ出力周波数の制御の判断基準は曖昧であり、また、太陽光パネルの出力特性、ポンプ負荷特性が分からないと、制御ロジックの設計は難しい。さらに、太陽電池特性は日射、周囲温度などの要素により時々刻々変化し、ポンプ・モータの出力特性もバルブの閉め程度、負荷変動などによって事前に想定することが困難である。
【０００７】
本発明は上述した課題に鑑みてなされたもので、太陽電池特性およびポンプ等の負荷特性に依存することなく、常に太陽光パネルの最大電力点で動作させることができる太陽光発電システムを提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、太陽光パネルと、該太陽光パネルの出力直流電力を交流電力に変換して負荷を駆動するインバータと、該インバータを制御する制御装置とを具備した太陽光発電システムにおいて、前記太陽光パネルの出力直流電力及び電圧を計測し、前記出力直流電力と出力電圧の変化に基づいて、該変化の方向が電力―電圧座標系におけるI、II、III、IV象限の変化軌跡ベクトルの方向のいずれに属するかに分類し、前記I、II、III、IV象限の変化軌跡ベクトルの方向に対応して前記インバータの出力周波数の増減または維持を決定し、前記太陽光パネルの最大電力点に追従するように前記負荷を可変速駆動することを特徴とするものである。
【０００９】
ここで、前記変化の方向が電力―電圧座標系におけるI、II、III、IV象限の変化軌跡ベクトルの方向のいずれに属するかの分類は、変化なしのゼロベクトルを含むことが好ましい。
また、前記太陽光パネルの電力−電圧座標系における変化は、前々回、前回および今回の３個のサンプリング時の電力及び電圧から得られた２個の変化軌跡ベクトルの方向の組み合わせにより、前記インバータの出力周波数の増減または維持を決定することが好ましい。
【００１０】
上述した本発明によれば、太陽光パネルの直流電力の電力−電圧座標系における変化に基づいて、太陽電池の動作点が最大電力点で動作するようにインバータにおける出力交流電力の周波数を増減又は維持するものである。従って、入射光の大きさ等により太陽電池特性が変化しても、また負荷変動により負荷の出力が変動しても、常に安定して太陽光パネルの最大電力点で動作させることができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、添付図面を参照しながら説明する。
【００１２】
図１は、本発明の実施形態を示す構成図で、４は制御装置であり、その他の構成要素は図８と同じである。この制御装置４は、太陽光パネル１の出力電流Ｉ及び出力電圧Ｖを計測し、これより出力電力Ｐを算定する。インバータ２は、電力スイッチング素子６を備えたアームを開閉制御することで、コンデンサ５に蓄えられた直流電力を交流電力に変換して、モータ・ポンプからなる負荷３に供給する。ここで、インバータ２の電力スイッチング素子６の開閉制御は、パルス幅変調制御が用いられ、インバータ２は任意の周波数・電圧の交流電力を負荷３に供給することができる。
【００１３】
制御装置４は、マイクロプロセッサ及びメモリ等により構成され、上述したインバータのパルス幅変調制御等を行うほかに、日射条件等の変動にもかかわらず、常に太陽光パネル出力が最大となる動作点を維持する最大電力点追従制御手段を備えている。
【００１４】
太陽光発電システムの出力は、図１に示すように太陽光パネルの太陽電池出力Ｐｓ、インバータの直流コンデンサ出力Ｐｃおよびモータ出力Ｐｍの３つの部分に分けられている。基本的に太陽光パネルの太陽電池出力Ｐｓは電力エネルギーの供給、モータ出力Ｐｍは電力エネルギーの消費（機械動力の発生）、そしてインバータ直流コンデンサ出力Ｐｃは電力エネルギーの蓄積と調節の機能を果たしており、これらの３つの部分は常にバランスを維持している。
【００１５】
最大電力点追従制御の目的は、同じ日射条件における太陽光パネル出力を最大化することにあり、制御の際にはこの出力Ｐｓのみに注目すればよい。太陽光パネル出力Ｐｓはエネルギー供給源で、モータ出力Ｐｍは負荷（エネルギー消費源）であるが、インバータの直流コンデンサ出力Ｐｃは中間蓄積エネルギーとして最大電力点追従制御に非常に重要な役割を果たしている。太陽光発電システムの構造から、太陽光パネル１とインバータ２の直流コンデンサ５とはほぼ直結しており、太陽光パネルの太陽電池出力によりインバータの直流コンデンサ５の電圧値が変わるので、太陽光パネルの動作点の動きは、太陽光パネル１の出力値の動きだけではなく、インバータ２の直流コンデンサ５の電圧値の動きにも深い関係がある。インバータ２の直流コンデンサ５の出力Ｐｃは、コンデンサ電圧の変化に対応して、エネルギーを吸収または放出する。即ち、太陽光パネルの太陽電池出力Ｐｓがモータ出力Ｐｍより大きい場合には、インバータ２の直流コンデンサ５は太陽光パネル１から電力エネルギーを保存するので、インバータ２の直流コンデンサの電圧は上昇する。
【００１６】
逆の場合、すなわち太陽光パネルの太陽電池出力Ｐｓがモータ出力Ｐｍより小さい場合には、インバータの直流コンデンサ出力Ｐｃはモータに対して太陽光パネルの太陽電池出力Ｐｓの不足分を補充する。その時にインバータの直流コンデンサの電圧は減少する。つまり、コンデンサに蓄積した電力エネルギーの流れ方向がコンデンサの電圧変化の正負を決めており、また、コンデンサの電圧の変化からモータ出力と太陽光パネルの太陽電池出力との差の変化が分かる。この電力エネルギーの流れ方向の変化を検出して、電力エネルギーの消費量、即ち、モータの回転速度をインバータの指令周波数の増減又は維持で調整することで、電力エネルギーの供給と消費をバランスさせることができる。このバランス点を、図９（ｂ）に示す太陽光パネルの電圧−電力特性のピーク（最大電力点）に保持することで、日射条件等にかかわらず常に太陽光パネルの最大電力点で運転することが可能となる。
【００１７】
まず，太陽光パネルの出力（Ｐ）―電圧（Ｖ）座標系における動作の解析を行う。
図２は、出力（Ｐ）―電圧（Ｖ）座標系における太陽光パネルの動作点のサンプリング時の間の変化軌跡をベクトルで示した図で、図示のように定義する。すなわち、１個の変化軌跡ベクトルは、太陽光パネルの前回サンプリング時の動作点を原点とし、今回サンプリング時の動作点を終点として表現する。変化軌跡ベクトルは、図示する８個の変化ありのベクトルＶ１〜Ｖ８と、１個の変化なしのゼロベクトルＶ０があり、各ベクトルはそれぞれの状態に対応する。
【００１８】
Ｉ象限のベクトルＶ２は、太陽光パネルの出力電力と電圧は前回のサンプリング時に対して共に上昇している状態を示している。このことは、負荷側の出力状態に対して太陽光パネルには出力余裕があることを意味している。典型的な例としては、日射量が上昇している場合である。インバータ出力周波数ｆが一定でモータ出力Ｐｍに変化がない状態で日射量が上昇した場合、太陽光パネル出力Ｐｓは上昇し、インバータ直流コンデンサはチャージされて電圧Ｖは上昇する。
【００１９】
II象限のベクトルＶ４は、太陽光パネルの出力電力は上昇しているが電圧は減少している。典型的な例としては、山登りの状態であり、図９（ｂ）に示す太陽光パネルの電力−電圧特性曲線の山の右側にある点で動作する際に、日射量が一定の時にインバータ出力周波数ｆを上げてモータを加速する場合である。この時、モータ出力Ｐｍ及び太陽光パネル出力Ｐｓは上昇するが、太陽電池特性により電圧は減少する。
【００２０】
III象限のベクトルＶ６は、太陽光パネルの出力電力と電圧は共に減少しており、太陽光パネル出力Ｐｓはモータ出力Ｐｍより小さく、インバータ直流コンデンサは放電している状態である。典型的な例としては、日射量が低下している場合であり、インバータ出力周波数ｆが一定でモータ出力Ｐｍに変化がない状態である。日射量が低下した場合、太陽光パネル出力Ｐｓが下がるために、インバータ直流コンデンサは貯蔵した電力エネルギーを放出している。
【００２１】
IV象限のベクトルＶ８は、太陽光パネルの出力電力は減少しているが電圧は上昇している。典型的な例としては、山降りの状態であり、図９（ｂ）に示す太陽電池特性曲線の山の右側にある点で動作する際に、日射量が一定の時にインバータ出力周波数ｆを下げてモータを減速する場合である。この時、モータ出力Ｐｍ及び太陽光パネル出力Ｐｓは減少するが、太陽電池特性により電圧は上昇する。原点のゼロベクトルＶ０は、太陽光パネル出力と電圧は共に変化していない状態である。
【００２２】
以上の解析結果から、出力（Ｐ）―電圧（Ｖ）座標系における変化軌跡ベクトルの向きにより、インバータの出力周波数ｆの増減又は維持を決定することが出来る。図３は、出力（Ｐ）―電圧（Ｖ）座標系におけるベクトルと制御すべきインバータ出力周波数との関係を示す図である。ベクトルが図２におけるＶ２からＶ４の場合およびＶ０の場合には、インバータ出力周波数を増加（＋△ｆ）して負荷であるモータの回転数を上げる。ベクトルがＶ２からＶ４の場合は、太陽光パネルの出力が増大しているので、負荷の出力を増大させることで、動作点を最大電力点の方向に移動させることができるからである。
【００２３】
ベクトルが図２におけるＶ６およびＶ７の場合には、インバータ出力周波数を減少（−△ｆ）してモータの回転数を下げればよい。Ｖ６およびＶ７の場合は、太陽光パネルの出力が減少し、電圧も減少か又は変化なしの方向に動いているので、負荷の出力を減少させることで、動作点を最大電力点の方向に移動させることができるからである。ベクトルが図２におけるＶ１、Ｖ５およびＶ８の場合には、インバータ出力周波数は変化させずにモータの回転数は現状維持とすればよい。
【００２４】
以上の分析により、太陽光パネルの直前のサンプリング時の間の１個の変化軌跡ベクトルから、モータの加減速を基本的に判断することができるが、実際の場合には、日射量その他の変動により誤り判断をする恐れがある。従って、前々回、前回および今回のサンプリング時の動作点により決定される２個のベクトルのパターンにより、インバータ出力周波数の増減を決定してモータの加減速の制御を行うことが好ましい。パターンは９個のベクトルの組み合わせで８１通りがあり、事前に決定した９×９の配列から指令値を選択して制御することにより、太陽光パネルの最大電力追従制御を行うことができる。
【００２５】
図４は、前々回、前回及び今回のサンプリング時の動作点により決定される２個のベクトルの組み合わせ及びその時のインバータ周波数の増減又は維持のパターン例を示す。図中、実線は今回の出力（Ｐ）−電圧（Ｖ）座標系における変化軌跡のベクトルを示し、点線は前回のサンプリング時の変化軌跡のベクトルを示す。このように、今回、前回、前々回の３点の情報から２個の変化軌跡のベクトルを求め、このパターンにより周波数の増減又は維持を決定する。即ち、図中＋ｆは周波数を増加する場合であり、−ｆは周波数を減少させる場合であり、０は周波数をそのまま維持する場合をそれぞれ示している。このように２個のベクトルで周波数の増減又は維持を判断することで、日射量等が変動しても常に最大出力点の動作点を維持した運転を行うことができる。
【００２６】
この判断の原則は、出力Ｐが上昇しているときは、最大出力点に到達していないので、モータの周波数を上昇させこれを加速する。そして、最大出力点に到達した場合は、出力は変化がなく、電圧Ｖのみが減少する。このような場合には、周波数の変化はゼロとして現状を維持する。しかしながら、モータには慣性力があり、最大電力点を超えて負荷出力が増加すると、出力Ｐ及び電圧Ｖはともに下降傾向となり、III象限に入る。従って、このような場合にはインバータ周波数を減少させ、モータを減速する。これにより、動作点が再び最大電力点に戻される。なお、ベクトルが２回連続して下げている（III象限にある）場合には、周波数の下げ幅を通常のΔｆに対して例えば１０倍の下げ幅とする。これにより、慣性力に対向して、迅速に最大電力点に引き戻すことができる。なお、図４に示す組み合わせは代表例であり、実際には８１通りの組み合わせがあることは上述したとおりであり、各ベクトルの組み合わせに対する周波数の増減又は維持は、それぞれ動作点が最大電力点に固定される方向で決定する。
【００２７】
図５は、日射一定の場合の出力（Ｐ）−電圧（Ｖ）特性の実測データを示す。図示するように、動作点が山の右側から山登り状態で上昇し、最大電力点（ピーク）近傍に維持されていることが分かる。
【００２８】
図６は、日射が下降した場合の実測データを示す。即ち、当初の特性曲線Ａの最大出力点付近に動作点が保持されていたものが、日射量が低減すると、特性曲線がＢに移行し、動作点はこの特性曲線Ｂの最大出力電力点付近に保持されることが分かる。このように日射量が変動しても、これに追従して常に最大電力点付近に動作点を保持することができている。
【００２９】
図７は、他の実施例を示すもので、この場合は日射量が上昇した場合を示す。即ち、特性曲線Ｃの最大電力点近傍に保持されていた動作点が、日射量の増大とともに特性曲線Ｄの最大電力点付近に移動して、その位置で保持されていることが示されている。
【００３０】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、太陽光パネルの特性やポンプの負荷特性に依存することなく、太陽光パネルの出力−電圧特性における最大電力点追従制御を行うことが可能となる。また、２個のベクトルを用いて制御することにより、日射量の変動に常に対応できると共に、誤り指令の確率を大幅に下げることが出来、速やかな且つ安定した制御を行うことが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態を示す構成図である。
【図２】太陽光パネルの出力（Ｐ）―電圧（Ｖ）座標系における動作点の変化軌跡をベクトルで示す図である。
【図３】出力（Ｐ）―電圧（Ｖ）座標系におけるベクトルとインバータ出力周波数の増減又は維持との関係を示す図である。
【図４】２個のベクトルの組み合わせとインバータ出力周波数の増減又は維持のパターン例を示す図である。
【図５】日射量が一定の場合における制御結果を示す図である。
【図６】日射量が下降した場合における制御結果を示す図である。
【図７】日射量が上昇した場合における制御結果を示す図である。
【図８】太陽光発電システムの説明図である。
【図９】太陽光パネルの特性を示す図である。
【図１０】ポンプの負荷特性を示す図である。
【符号の説明】
１    太陽光パネル
２    インバータ
３    モータ・ポンプ
４    制御装置
５    直流コンデンサ
６    電力スイッチング素子
【図１】
0003733481.tif 000002
【図２】
0003733481.tif 000003
【図３】
0003733481.tif 000004
【図４】
0003733481.tif 000005
【図５】
0003733481.tif 000006
【図６】
0003733481.tif 000007
【図７】
0003733481.tif 000008
【図８】
0003733481.tif 000009
【図９】
0003733481.tif 000010
【図１０】
0003733481.tif 000011