JP2008176474A - 太陽光発電システム - Google Patents
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Abstract
【解決手段】いろいろな日射量でのP−I特性曲線31の最大出力点Mを連ねた線が、最大出力点ライン30である。現状の発電状況が最大出力点ライン30がP−I特性曲線31より大である第1領域32にある場合(例、Y点)は、電流を減少制御して最大出力点Mに近づける。逆に小である第2領域33にある場合(例、A点)は、電流を増加制御して最大出力点Mに近づける。そうすれば、最大出力を取り出すことが出来る。日射量が変ってもこの制御を行えば、日射量の変化に追従しながら常に最大出力を得ることが出来る。
【選択図】図1
Description
太陽電池は日射をエネルギー源として発電するから、発電量は日射量によって大きく変動し、日射量が多ければ多く発電し、少なければ発電量が少ない。一方、太陽電池を設置した者が電力を必要とする時間帯は、まちまちである。一般家庭では、むしろ日射のない夜の方が多く必要とする。
即ち、太陽電池を設置する場合には、浮動充電するよう接続された蓄電池も併せて設置する。そして、太陽電池で発電した電力のうち、その時点で消費する電力を超えた分は蓄電池に蓄電しておき、発電量が少なくなった時間帯にそれを放電させて消費する。
また、蓄電池を満充電してもなお電力が余る場合には、交流に変換して電力系統に供給する(逆潮流させる)。なお、逆潮流された電力は、電力会社が所定の価格で購入することが義務づけられている。
前記した従来の太陽光発電システムには、次のような問題点があった。
第1の問題点は、太陽電池からの発電電力の取り出し方が、常にその時の最大電力を取り出すものとはなっておらず、太陽電池の能力を充分には活用していないという点である。
第2の問題点は、太陽電池を設置する者が増えるに伴い不安定な逆潮流が増え、電力系統に悪影響を及ぼすことがあるという点である。
まず第1の問題点について説明する。
図12は、太陽電池の出力電流Iと出力電力Pとの関係を示す図である。横軸は出力電流Iを表し、縦軸は出力電力Pを表し、31は或る日射量における両者の関係を表す曲線、即ちP−I特性曲線である。日射量は太陽の移動(逆に言えば物の影の移動)や雲の流れに応じて刻々と変化するものであるが、日射量が変わればこのP−I特性曲線も異なったものとなる。
太陽電池の発電量は日射に応じて大きく変動するから、地域における太陽電池の発電量は、天気によって大きく変動する。或る地域の天気が良く、日射量が大であれば、その地域に設置されている太陽電池の殆どは発電過剰となる。
過剰電力を蓄電装置が充分吸収してくれれば良いが、従来の蓄電装置(浮動充電するよう接続された蓄電池)では、充電電流を短時間に変化させることが出来ない等の事情から、充分に吸収することが出来ない。その結果、逆潮流が多くなることになるが、そうすると、その地域の配電網の電圧を上昇させたり、電力系統の周波数を上昇させたりといった悪影響を及ぼすことになる。
本発明は、以上のような問題点を解決することを課題とするものである。
そして、前記課題を解決するため本発明では、太陽電池及びその出力レベルを調整する電力変換手段を具備した太陽光発電システムにおいて、上記電力変換手段は、太陽電池の出力電力と出力電流特性における、最大電力とその最大値を与える最適電流との関係をもとに、その時点の日射量で出力できる最大電力を探索することとした。
この太陽光発電システムにおいては、太陽電池の出力電圧を検出する電圧検出手段及び出力電流を検出する電流検出手段を具備し、最大電力と最適電流との関係を比例特性として、当該電圧検出手段及び電流検出手段で検出された検出電圧と検出電流との積で算出された算出発電電力と、前記検出電流に対応する前記比例特性から決定される検出電流対応の最大電力とを比較し、該検出電流対応の最大電力が前記算出発電電力以上の時は、太陽電池からの出力電流を減少させ、該検出電流対応の最大電力が前記算出発電電力より小の時は、太陽電池からの出力電流を増加させ、上記検出時点で太陽電池が発生できる前記比例特性上の最適な最大電力点に到達するように、太陽電池の出力電圧及び出力電流を制御することとしても良い。
また、比例特性の検出時点における比例係数の演算には、検出時点より前の第1の時点及び第2の時点で演算過程によって既に得られている第1の最適な最大電力と第2の最適な最大電力との差分と、各最適な最大電力を与える第1の最適電流と第2の最適電流との差分との比から求める過程が含まれるようにすることも出来る。
この太陽光発電システムにおいては、太陽電池で発電された電気エネルギーは、電気二重層キャパシタに蓄積できる能力を超えた時にのみ、当該電気二重層キャパシタに蓄積できない余剰エネルギーを系統に逆潮流させるようにすることが出来る。
これにより、日射量が変化しても、それに追従してその日射量での最大出力が得られるようにすることが出来る。
1.常にその時点の日射量に応じた最大電力を取得することが出来るようになった。
現在の日射量に対応したP−I特性曲線上の動作点が、P−I特性曲線と最大出力点ラインとの大小関係で割り出した第1領域にあるか第2領域にあるかに応じ、動作点が反対の領域に入らないようにしつつ、第1領域にある場合は出力電流をひたすら減少させ、第2領域にある場合はひたすら増加させて、最大電力が出力される電流(最適電流)に近づけるようにしたので、常に最大電力が速やかに取得できるようになった。
蓄電装置として極めて短時間(例、マイクロセカンド単位)での電流変化に応じても充放電し得る電気二重層コンデンサ(EDLC)を採用し、前記の最大出力追従制御で行われる電流制御に対応し得るようにしたので、効率良く充電される。このように、需要者で発電した電力は、需要者のところで最大限蓄電されるので、電力系統へ逆潮流される電力は自ずと少なくなり、電力系統に周波数変化等の悪影響を及ぼすことが少なくなる。
或る特定の日射量でのP−I特性曲線は、図12に示したように、出力電流が大になるにつれて出力電力は徐々に増大し、出力電流がIM の時に最大電力PM となる。出力電流がIM より大になると出力電力は急激に減少する。出力端子が短絡された時の電流IS が、この時の日射量での最大の出力電流となるが、その時の出力電圧は0であるから出力電力も0である。
本発明は、このP−I特性曲線に関する新たな知見に基づき、常に最大出力を取得することが出来る新たな最大出力追従制御(MPPT制御)を考案し、太陽光発電システムに応用したものである。そこで、先ずその新たな知見について述べる。
P−I特性曲線34,35,36は、太陽電池(パネル)の温度が一定である状況下において、日射量がいろいろに異なった場合に対応するP−I特性曲線である。日射量が大であるほど、特性曲線は大きなものとなる。
PM =a×IM
の関係が成り立つ。
このことは、任意の出力電流に対応する最大出力点ライン30上の点の出力電力は、上式により算出することが出来ることを物語っている。
例えば、出力電流がIM34 である場合、それに対応する最大出力点ライン30上の点M34の出力電力PM34 は、次のように算出される。
PM34 =a×IM34
図2(2)において、傾きが大である最大出力点ライン30−1は低温の場合のものであり、傾きが小である最大出力点ライン30−3は高温の場合のものである。
この直線の傾きは、太陽電池(パネル)の温度が変化しても殆ど変わらず、両者の関係は
IM =K×IS
で表されることが知られている。ここにKは、短絡電流と最適電流の間を関連付ける当該太陽電池の特性によって定まる物理的定数であり、通常、0.9〜0.95の範囲にある値である。
第1領域32では、最大出力点ライン30の方がP−I特性曲線31より上にあるから、同じ電流(例、IY )に対応する各線上の点(例、Y1 ,Y)の高さ(例、PY1,PY )を比べると、最大出力点ライン30上の点(例、Y1 )の方が上にある(PY1>PY )。従って言い換えれば、第1領域32とは、現在の出力電流を最大出力時電流IM と見立てて計算した最大出力(PY1)の方が、現在の実際の出力電力(PY )より大である領域のことと言うことが出来る。
例えば、動作点が第1領域32のY点にある場合、第1領域独特の制御方法によりP−I特性曲線31上を矢印のようにひたすらM点に向かって移動させ(行きつ戻りつさせることなく)、M点に接近せしめる。他方、動作点が第2領域33のA点にある場合、第2領域独特の制御方法によりP−I特性曲線31上を矢印のようにひたすらM点に向かって移動させ、M点に接近せしめる。
本発明では動作点を行きつ戻りつさせないので、速やかにMに接近し、速やかに最大電力PM を出力させることが出来る。
(なお、各領域独特の制御方法については、図6中の第1領域での制御A,第2領域での制御Bのところで詳しく説明する。)
充電バイパススイッチ部6は、蓄電装置9に充電する必要がない時(例えば、発電電力を電気負荷21にそのまま供給する時とか、既に満充電となっている時など)に、電流を流す経路を提供するためのものである。ダイオード61が直流の流れる方向とは逆方向に接続されているので、トランジスタ62がオフされている時には、この経路を通って直流は流れることが出来ない。しかし、充電制御装置8からトランジスタ62をオンする信号が送られて来ると、この経路に直流が流れることが出来るようになる。
初期充電を終えると、トランジスタ72をオンする信号が送られる。トランジスタ72がオンになると、充電電流はトランジスタ72の方を通って流れることになり、抵抗71は充電経路から事実上除外される。
第2のモードは、初期充電を終えた後の通常充電モードである(最大出力追従制御をしつつの充電)。
第3のモードは、満充電になってからのモードである(逆潮流させる)。
蓄電装置9から放電する場合、主電路スイッチ部13のトランジスタ132がオンされ、放電電流はそのトランジスタ132の方を通って流れ、DC−DCコンバータ15の入力側に供給され、所要の直流電圧に変換される。更にインバータ18により交流に変換され、電気負荷21に供給される。コンバータ制御装置17,インバータ制御装置19は、それぞれDC−DCコンバータ15,インバータ18の制御を行う。
(システム全体の制御の概要)
図5は、本発明の太陽光発電システムでの制御を説明するフローチャートである。
ステップ1…先ず、次のようなデータの検出を行う。
(1)蓄電装置9への充電電流の検出。これは、充電経路に設置されている電流検出器10により行う。
(2)蓄電装置9を構成している個々のEDLC(電気二重層コンデンサ)の温度TC の検出。これは温度検出器11により行う。
(3)個々のEDLCの印加電圧VC の検出。これは個々のEDLCに設けられている電圧検出線12より、電圧を取り込むことにより行う。
図11は、いずれかの信号が比較基準値を超えるかどうかを検知する回路の1例であるが、いずれかの検出温度TC が許容最大温度を超えているかどうかを調べる回路は、この回路を応用して構成することが出来る。図11において、S1 ,S2 ,S3 ,SN は信号端子、40は優先出力回路、41は比較回路、42は比較基準値設定部、401,402,403,40Nはダイオードである。各ダイオードのカソードは一括接続され、比較回路41の一方の入力端子に接続されている。比較回路41の他方の入力端子には、比較基準値設定部42の出力が入力されている。
ステップ4…検出した充電電流が、突入電流判定用電流値を超えているかどうか調べる。蓄電装置9の充電量がゼロ或いは極めて少ない場合に充電を行うと、極めて大きい突入電流が流れる。この電流もEDLCや他の回路素子を損傷する恐れがあるので、予め突入電流判定用電流値を設定しておき、これを超える値かどうか調べる。
ステップ6…ステップ4で、充電電流が突入電流判定用電流値より小さい場合には、蓄電装置9が満充電になっているかどうか調べる。これは蓄電装置9の電圧なり、充電電流なりを調べることによって行う。
なお、本発明では、このモードでの制御を行う場合、太陽電池1から常に最大出力を取り出しつつ行えるようにするため、独特の方法での最大出力追従制御を提案している。その詳細については、図6〜図10等で説明する。
ステップ8…満充電になっている場合には、蓄電装置9への充電は止める。充電制御装置8からのオン信号によりトランジスタ62がオンされ、太陽電池1からの電流はトランジスタ62を通って電気負荷21に給電されたり、電力系統へ逆潮流されたりする。
図6は、本発明における最大出力追従制御を説明するフローチャートである。
ステップ1…太陽電池1からの出力電圧V,出力電流Iを検出する。
ステップ2…検出したV,Iを用いて出力電力Pを算出する。
ステップ3…検出した出力電流Iの値が、太陽電池1の定格電流IR の半分以下であるかどうか調べる。これは、図2(2)で示したが、最大出力点ラインの傾きa(T)として、予め分かっている定数a0 (メーカーによって与えられる)を使ってよいかどうかを判断するためである。なお、この段階で最大出力点ラインの傾きa(T)の点検を始めた理由は、ステップ6で、今回検出した出力電流Iに対応する最大出力(最大出力点ライン30上の点(図1のA1 ,Y1 等)での出力)を計算する際にa(T)を使用するためである。
ステップ5…出力電流Iの値が太陽電池1の定格電流IR の半分より大である場合には、最大出力点ラインの傾きa(T)として定数a0 を使用するのは憚られる。そこで、前回,前々回のフローの時の電流,最大電力を用いて、a(T)を近似的に計算する。
即ち、前回の電流,最大電力がIM1,PM1であり、前々回の電流,最大電力がIM2,PM2であるとした場合、次式の如く電流の増分ΔIM ,最大出力の増分ΔPM の比を取り、a(T)を近似的に得る。
ΔPM PM1−PM2
a(T)= =
ΔIM IM1−IM2
ステップ7…ステップ2で求めた現在の実際の出力電力Pの値が、ステップ6で算出した最大電力PM と等しいかどうか調べる。
もし等しければ、図1で言えば、現在の動作点が点Mに来ているということを意味している。この場合は最大電力を取り出し中であり、申し分ないわけであるから、何らの制御もする必要がない。従って、ステップ1へ戻る。
ステップ8…等しくない場合は、現在の実際の出力電力Pの方がステップ6で算出した最大電力PM より大きいかどうか調べる。もし小さければ、動作点は第1領域32にあるということであるから、第1領域での制御Aという制御ブロックに進む。もし大きければ、動作点は第2領域33にあるということであるから、第2領域での制御Bという制御ブロックに進む。
図7は、第1領域での制御を説明するフローチャートであり、図8は第1領域での制御を説明する図である。符号は図1のものに対応し、Y,X,Wは動作点、Y1 ,X1 ,W1 はY,X,Wに対応する最大出力点ライン30上の点、PY ,PX ,PW ,PY1,PX1,PW1は電力,IY ,IX ,IW は電流である。
ステップA1…制御目標電流ID を仮決定する。第1領域32では、ID =K×Iにより制御目標電流ID を先ず仮決定する。図3でIM =K×IS の関係があることを説明したが、仮決定で使用するKはそのKである。Iは、現在の電流である。
例えば、図8で現在の電流がIY であるとした場合、K×IY =IX ならば、制御目標電流はIX と仮決定される。
例えば、図8で制御目標電流をIX と仮決定した場合であれば、その時の最大出力点ライン30上の点X1 における出力値PX1を算出する。
ステップA3…算出した出力値PMDと今の時点の出力Pとを比較する。この比較は、仮決定した制御目標電流ID に電流を制御した場合、第1領域32を外れてしまうかどうかの点検をするために行う。PMD>Pであれば、まだ第1領域32に留まると判断し、そうでなければ第1領域32を外れると判断する。外れると判断された場合は、第1領域32での制御はもはや行わず、図6のステップ1に戻る。
例えば、図8で制御目標電流をIX とした場合の出力値PX1と、今の時点の出力PY とを比較する。図8を観察すればPX1>PY であるから、この場合は電流をIX にしてもなお、第1領域32に留まると判断される。
ステップA5…電流がID に制御されたところで、電流I,電圧Vを検出し、その時の出力Pを算出する。そうして、ステップA1に戻り、再び上述した第1領域での制御を繰り返す。
図9は、第2領域での制御を説明するフローチャートであり、図10は第2領域での制御を説明する図である。符号は図1のものに対応し、A,B,Cは動作点、A1 ,B1 ,C1 はA,B,Cに対応する最大出力点ライン30上の点、PA ,PB ,PC ,PA1は電力,IA ,IB ,IC は電流である。
ステップB1…制御目標電流ID を決定する。第2領域33では、ID =P/a(T)により制御目標電流ID を決定する。a(T)は最大出力点ライン30の傾きである。Pは、現在の出力電力ある(現在の検出電圧,検出電流がそれぞれV,Iであるなら、V×I=Pと計算される)。つまり、上記のように定めたID は、現時点で流すことが可能な最大電流に他ならず、それを目標値としたということである。
例えば、図10で現在の動作点はAであるとした場合、その時の出力電力はPA であるから、制御目標電流はPA ÷a(T)で計算される。計算の結果、PA ÷a(T)=IB であったとすれば、次の制御目標電流はIB とされる。
例えば、図10で動作点がAにある時点において算出された制御目標電流がIB であれば、電流はIB となるように制御される。
ステップB3…電流が制御目標電流に制御されたところで、新たな動作点での電圧V,電流Iを検出し、それらを基にその時の出力P(P−I特性曲線31上の動作点の出力)や、その時の最大出力点ライン30上の出力を算出する。
例えば、図10で電流を制御目標電流IB に制御した場合、動作点はB点となる。この時の電流,電圧の検出値はそれぞれIB ,VB と検出されたとすると、B点の出力PB はPB =VB ×IB で算出される。また、動作点Bに対応する最大出力点ライン30上の点B1 の出力PB1は、PB1=a(T)×IB で算出される(なお、理論的に言えば、PB1=PA である。なぜなら、IB を決定する際、IB =PA ÷a(T)(つまりPA =a(T)×IB )で決定しているからである。従って、わざわざPB1=a(T)×IB でPB1を計算しなくとも、PA をそのままPB1として用いてよい。)。
例えば、図10で電流を制御目標電流IB に制御した場合、(PB −PB1)/PR の計算をしてΔPを求める。
ΔP<εとなれば、P−I特性曲線31上の動作点は充分にM点に接近しているから、もう第2領域33での制御を続行する必要なしと判断し、図6のステップ1に戻る。
まだΔP<εとなっていなければ、ステップB1に戻り、再び上述した第2領域での制御を繰り返す。
また、蓄電装置として極めて短時間(例、マイクロセカンド単位)での電流変化に応じても充放電し得る電気二重層コンデンサ(EDLC)を採用し、前記の最大出力追従制御で行われる電流制御に対応し得るようにしたので、充電が効率良く行われる。その結果、需要者で発電した電力は、需要者のところで最大限蓄電されるので、電力系統へ逆潮流される電力は自ずと少なくなり、電力系統に電圧上昇や周波数変化等の悪影響を及ぼすことが少なくなる。
Claims (5)
- 太陽電池及びその出力レベルを調整する電力変換手段を具備した太陽光発電システムにおいて、
上記電力変換手段は、太陽電池の出力電力と出力電流特性における、最大電力とその最大値を与える最適電流との関係をもとに、その時点の日射量で出力できる最大電力を探索する
ことを特徴とする太陽光発電システム。 - 太陽電池の出力電圧を検出する電圧検出手段及び出力電流を検出する電流検出手段を具備し、
最大電力と最適電流との関係を比例特性として、当該電圧検出手段及び電流検出手段で検出された検出電圧と検出電流との積で算出された算出発電電力と、前記検出電流に対応する前記比例特性から決定される検出電流対応の最大電力とを比較し、
該検出電流対応の最大電力が前記算出発電電力以上の時は、太陽電池からの出力電流を減少させ、
該検出電流対応の最大電力が前記算出発電電力より小の時は、太陽電池からの出力電流を増加させ、
上記検出時点で太陽電池が発生できる前記比例特性上の最適な最大電力点に到達するように、太陽電池の出力電圧及び出力電流を制御する
ことを特徴とする請求項1記載の太陽光発電システム。 - 比例特性の検出時点における比例係数の演算には、
検出時点より前の第1の時点及び第2の時点で演算過程によって既に得られている第1の最適な最大電力と第2の最適な最大電力との差分と、
各最適な最大電力を与える第1の最適電流と第2の最適電流との差分との比から求める過程が含まれる
ことを特徴とする請求項2記載の太陽光発電システム。 - 太陽電池及びその出力レベルを調整する電力変換手段、当該電力変換手段を介して接続される電気二重層キャパシタを具備した太陽光発電システムにおいて、
上記太陽電池で発電される電気エネルギーを上記電気二重層キャパシタに蓄積するために流す充電電流の条件は、当該電気二重層キャパシタの端子電圧をもとに決定する
ことを特徴とする太陽光発電システム。 - 太陽電池で発電された電気エネルギーは、電気二重層キャパシタに蓄積できる能力を超えた時にのみ、当該電気二重層キャパシタに蓄積できない余剰エネルギーを系統に逆潮流させる
ことを特徴とする請求項4記載の太陽光発電システム。
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