平成 16 年電気学会全国大会

4-089

電流センサのみをもつ昇降圧チョッパによる太陽電池の最大電力点探索法
松本寛之†

野口季彦

（長岡技術科学大学）

Maximum-Power-Point Tracking Method of Photovoltaic with Single Current Sensor Implemented in Buck-Boost Chopper
Hiroyuki Matsumoto, and Toshihiko Noguchi (Nagaoka University of Technology)

１．はじめにS

D

太陽光発電システムでは電力を最大限に取得するための最 大 電 力 点 追 従 制 御 （ Maximum-Power-Point Tracking:

PVV PV , R PV

MPPT）が行われる。最も一般的な MPPT は電圧と電流を検出し，電力を直接計算して最大となるように制御するもC1

LVC

C2

R L Voのである(1)。この手法では，センサが２つ必要となりシスI L , ∆I L

テムの簡素化や経済面で問題があった。
著者らはこれまでに，単一センサで最大電力点探索を行う手法を提案してきた(2),(3)

図１

昇降圧チョッパによる構成例

Fig. １. Configuration example of buck-boost converter.

。今回は昇降圧チョッパに本アルゴリズムを適用するとともに，屋外で従来法と比較を行うことにより提案法の有効性を示した。

２．提案する最大電力点探索アルゴリズム

Maximum peakholderiL

図 1 に提案するシステムの回路構成を示す。システムは∆IL+-

Minimum peakholder太陽電池，電圧形 DC-DC コンバータとして昇降圧チョッパ，そして負荷抵抗から構成されている。コンバータはスAverage

イッチング動作を含み非線形システムとなるため，その解Power
Estimatorand MPPTController

GateSignal

IL

Digital Signal Processor

析は複雑である。そこで，状態平均化法を用いてこの回路を線形的に取り扱い解析する。静特性を定式化するにあた

図２って，太陽電池は直流電圧源とそれに直列接続された内部抵抗でモデリングする。
以上のシステムについて状態平均化法により定常状態のコンデンサ電圧 VC ，リアクトル電流 I L ，出力電圧 Vo を定提案法の制御部ブロック線図

Fig. 2. Block diagram of proposed controller.
素子のオンデューティー，オフデューティー，スイッチング周期であり，常に D + D′ = 1 である。
(1)，(2)を用いて VPV ， R PV ， V C ， V o ， RL が未知である

式化すると以下のようになる。
⎡ rL + rS D + rD D′ + D′2 RL ⎤⎡VC ⎤VPV⎢⎥⎢ ⎥D⎥⎢ I L ⎥ = r + r D + r D′ + R D′2 + R D 2 ⎢LSDLPV⎢⎥⎢⎣Vo ⎥⎦DD′RL⎣⎦

ことに注意して負荷消費電力 Wo を導くと次のようになる。

(1)

定する値であるため既知である。また， L ， rL ， rD はシス

また，定常状態のリアクトル電流リプル ∆I L は次式となる。

テムの設計段階でおおよその値として知り得るパラメータ

DD ′TSV PV*∆I L =LrL + rS D + rD D ′ + R L D ′ 2 + R PV D 2(* rL + rD + R L D ′ 2

Wo =Vo2∆I= L L I L − (rL + rD )D ′I L2
RLTS

(3)

(3)において， D′ ， TS は操作量としてコントローラから指である。すなわち，(3)を用いれば電流センサから得られる
情報 I L ， ∆I L だけを使用することによって電力を推定でき)(2)

上式において rL ，rS ，rD はそれぞれリアクトルの損失抵抗，スイッチング素子のオン抵抗，ダイオードの順方向抵抗を表している。また， D ， D′ ， TS はそれぞれスイッチングることがわかる。

３．システム構成と実験結果〈３．１〉システム構成

図 2 に提案するシステムの制御部

ブロック線図を示す。電流センサから得られたリプルを含む信号からピークホールド回路を通すことにより，その極- 136 2004/3/17 〜 19

相模原

（第 4 分冊）©2004 IEE Japan

Output Power (W)

0.8
0.6

2

1.0 (kW/m )0.4
20.75 (kW/m )0.2

2

0.5 (kW/m )

0.0
0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0Duty

図３1.8
181.6
16
1.4
141.2
121.0
10
Temperature
0.8
80.660.4
40.2
2
Irradiance0.0
006:00 08:00 10:00 12:00 14:00 16:00 18:00
Time (h:m)

2Temperature (℃)

measurement
estimated

1.0

Irradiance (kW/m )平成 16 年電気学会全国大会

4-089(a) パネル温度と日射強度

電力測定値と電流センサ情報のみを用

ワーメータにより実測した電力と(3)により推定した電力(b) 瞬時電力と総電力量

Output Power (W)Fig. 3. Comparison between measured andestimated power using single current sensor.
大値と極小値を得る。ピークホールド回路を用いたのはコンバータのスイッチングを 10 (kHz)で行っているので，A/Dコンバータのみでピークを検出するには高速なものが必要となるからである。それらの出力を DSP に取り込み，平均Accumulated Power (Wh)値 I L と差 ∆I L から，(3)を用いて電力を推定し MPPT を行う。
〈３．２〉単一センサから得られる推定電力の評価図 3 パ

Proposed system
20100
Conventional system
1890168014701260
10508406304202100006:00 08:00 10:00 12:00 14:00 16:00 18:00
Time (h:m)

いた推定値の比較を示す。照度の揺らぎを避けるためこの実験ではハロゲン

図４

従来法と提案法の比較

ランプを用い，パネル表面温度を 50 (℃)一定とした。推定Fig. 4. Comparison of conventional method and

値を見ると全体的に測定値を上回っていることがわかる。

proposed method.

しかし，各照度における電力ピークの位置は実測値と推定値でよく一致している。追従アルゴリズムに山登り法を用いれば電力の絶対精度に関係なく，ピークの位置で MPPTを行うことができる。つまり，(3)に示す推定値を用いれば，単一センサで MPPT が行えることがわかる。
〈３．３〉従来法との比較

文(1) T. Kenji, Y. Youichi, and M. Toshihiko: “A MPPT System of
Photovoltaic Power Generation Coping with Environment

図 4 に電圧センサと電流センサ

Changes”, T.IEE Japan, Vol.119-D, No.12, pp.1529-1534の両方を用いた従来法と電流センサのみの提案法を用いて(1999)
高原・山之内・松田：「環境の変化に対処可能な太陽光発電の最大電力取得制御系」，電学論 D，Vol.119，No.12，瞬時の出力電力と総出力電力量の比較結果を示す。実験は同一方向を向いた２枚の太陽電池パネルについてそれぞれ，従来法と提案法で MPPT 行い，6:00～18:00 まで測定を行った。(a)はパネル表面温度と日射強度を示しており，(b)献

pp.1529-1534 (平 11)(2) H. Matsumoto, and T. Noguchi: “Maximum-Power-PointTracking

は従来法と提案法による取得電力を示している。日射の変

only

Photovoltaic

usingPower

Current

SensorInformationfor

Generation

System”,

IEE

Japan,

Converter

Meeting,

SPC-02-88,化に対して提案法は従来法とほぼ同様の動きをしており，Semiconductor

単一センサでも良好に MPPT を実現していることがわかる。

pp.63-68 (2002)
松本・野口：「電流センサ情報のみを用いた太陽電池の最４．まとめ

Power

今回，著者らは昇降圧チョッパに MPPT の単一センサ化

大電力点追従法」，半導体電力変換研究会，SPC-02-88，pp.63-68，（平 14）

アルゴリズムを適用した。その結果，単一センサで最大電(3) H. Matsumoto, and T. Noguchi: “Maximum-power-point

力点の推定が可能であることを実験的に確認した。また，

Tracking Method of Photovoltaic Power System Using Single

屋外で従来法との比較実験も行い，同程度の結果が得られることを確認した。

Sensor”, IEE Japan, Ind. Appl. Soc. Annual Conf., Vol.1, 1-40,pp.267-270 (2003)
松本・野口：「単一センサによる太陽電池の最大電力点探索 法 」， 電 気 学 会 産 業 応 用 部 門 大 会 ， Vol.1 ， 1-40 ，pp.267-270 ，（平 15）- 137 2004/3/17 〜 19

相模原

（第 4 分冊）©2004 IEE Japan