JP2010177554A - Solar power generating apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、太陽電池から効率よく電力を取出して二次電池の充電や電力系統と連系運転を行うための太陽光発電装置に関する。 The present invention relates to a photovoltaic power generation apparatus for efficiently taking out electric power from a solar cell and charging a secondary battery or performing an interconnection operation with an electric power system.
太陽光発電では、太陽電池セルを複数個直列接続あるいは直並列接続して太陽電池パネルを構成し、その太陽電池パネルを更に複数枚直並列に接続して必要な電力を得るようにしている。そして、現在の多くの太陽光発電システムでは、太陽電池で発電した直流電力を５０Ｈｚまたは６０Ｈｚの交流電力に変換し、この交流電力を商用の交流電力で運転される電気機器に供給するようにしている（例えば、特許文献１）。 In solar power generation, a plurality of solar cells are connected in series or in series and parallel to form a solar cell panel, and a plurality of solar cell panels are connected in series and parallel to obtain necessary power. In many current photovoltaic power generation systems, the DC power generated by the solar cell is converted into 50 Hz or 60 Hz AC power, and this AC power is supplied to an electric device operated with commercial AC power. (For example, Patent Document 1).
この特許文献1には、個人住宅等における太陽光発電システムとして、図１６の構成例が示されている。
In
図１６では、複数枚の太陽電池パネル３１を直列接続した太陽電池ストリングを、３組並列接続した構成を示している。各ストリングは逆流防止用ダイオード３４を介して並列接続され、太陽電池アレイを構成している。この太陽電池アレイの出力をスイッチ３５を介してインバータ３７に入力する。この場合、逆流防止用ダイオード３４およびスイッチ３５は接続箱３６の中に収納されている。
FIG. 16 shows a configuration in which three sets of solar cell strings in which a plurality of
上記インバータ３７は、接続箱３６の逆流防止用ダイオード３４およびスイッチ３５を通して入力される直流電力を交流に変換し、配電系統へ出力するように構成されている。
The
太陽光発電システムでは、特許文献１に限らず、太陽電池から最大電力が得られるように、太陽電池の出力電圧あるいは出力電流を制御する最大電力点追従（Maximum Power Point Tracking：ＭＰＰＴ）制御が行われる。
In the solar power generation system, not only
図１７は太陽電池の出力特性曲線（出力電流Ｉ−出力電圧Ｖの関係を示す曲線）図である。 FIG. 17 is an output characteristic curve (curve showing the relationship of output current I-output voltage V) of the solar cell.
図１７に示す特性曲線において、太陽電池から最大電力を取出すには、太陽電池の実際の動作点Ｐ（動作電流Ｉｏｐ×動作電圧Ｖｏｐ）を最大電力点Ｐｍａｘ（最適動作電流Ｉｐｍ×最適動作電圧Ｖｐｍ）で動作させることが重要である。 In the characteristic curve shown in FIG. 17, in order to extract the maximum power from the solar cell, the actual operating point P (operating current Iop × operating voltage Vop) of the solar cell is changed to the maximum power point Pmax (optimal operating current Ipm × optimum operating voltage Vpm). ) Is important.
ＭＰＰＴ制御は、この最大電力点Ｐｍａｘで動作するように出力電圧、出力電流を追従制御するものであり、このＭＰＰＴ制御としては種々の方法が考案されている。 The MPPT control performs follow-up control on the output voltage and output current so as to operate at the maximum power point Pmax, and various methods have been devised as the MPPT control.
例えば太陽電池の出力電圧を変化させ、その変化前後の発電電力が大きくなるような電圧の増減極性を選定して、最大電力点Ｐｍａｘまで動作点を移動させる山登り法などがある。 For example, there is a hill-climbing method in which the output voltage of the solar cell is changed, the polarity of voltage increase / decrease so that the generated power before and after the change is increased, and the operating point is moved to the maximum power point Pmax.
図１６の構成ではインバータ３７の制御により、ＭＰＰＴ制御を実現している。
In the configuration of FIG. 16, MPPT control is realized by control of the
ところで、住宅の屋根の上に太陽電池を設置する場合、必ずしも標準寸法の太陽電池パネルの組合せになるとは限らない。屋根の面積を最大限に利用して少しでも多くの太陽電池パネルを配置しようとすると、屋根の形状に合せて複数の寸法、形状の太陽電池を用意し、これらを組合せて用いる必要がある。 By the way, when installing a solar cell on the roof of a house, it does not necessarily become a combination of solar cell panels of standard dimensions. In order to arrange as many solar cell panels as possible by making maximum use of the area of the roof, it is necessary to prepare solar cells having a plurality of dimensions and shapes according to the shape of the roof, and use them in combination.
このように複数種類の太陽電池パネルを組合せて太陽電池アレイとして用いる場合、全ストリングの特性を揃えるために、出力電圧が高い太陽電池パネルと低い太陽電池パネルとを適宜選択して構成される。しかしながら、全ストリングの出力特性を完全に等しくすることは困難であり、そのような場合には全てのストリングから最大電力を得ることはできない。 When a plurality of types of solar cell panels are combined and used as a solar cell array, a solar cell panel with a high output voltage and a solar cell panel with a low output voltage are selected as appropriate in order to make the characteristics of all strings uniform. However, it is difficult to make the output characteristics of all the strings completely equal, and in such a case, the maximum power cannot be obtained from all the strings.
また、現実の太陽光発電システムでは、太陽電池全体が常に均一な条件で太陽光が照射されているわけではなく、雲や樹木などの影に隠れたりして部分的に出力が弱くなる部分陰影照射の状態となったり、設置場所の向きの違いなどによって日射条件が異なるような、いわゆる不均一日射条件下での動作状態になることが避けられない。 Also, in an actual photovoltaic power generation system, the entire solar cell is not always exposed to sunlight under uniform conditions, and partial shadows where the output is partially weakened due to shadows such as clouds and trees. It is unavoidable that the irradiation condition or the operation condition under the so-called non-uniform irradiation condition in which the irradiation condition varies depending on the orientation of the installation location or the like.
このような条件下では、設置された太陽電池全体に対して例えばインバータによる単一のＭＰＰＴ制御では効率的な電力の取り出しはできない。これはＭＰＰＴ制御の対象となる太陽電池アレイに含まれる太陽電池セル数が多くなり、設置面積が大きくなるほど不均一日射が起こりやすくなるためである。逆に言えば、効率よく太陽電池から発電電力を引き出すためには、複数のＭＰＰＴ制御モジュールを用いて、各ＭＰＰＴ制御モジュールの対象となる太陽電池セル数をできるだけ少なくすることが必要となる。 Under such conditions, it is not possible to efficiently extract electric power from the entire installed solar cell by single MPPT control using, for example, an inverter. This is because uneven solar radiation is more likely to occur as the number of solar cells included in the solar cell array to be subjected to MPPT control increases and the installation area increases. In other words, in order to efficiently extract the generated power from the solar battery, it is necessary to use a plurality of MPPT control modules and reduce the number of solar battery cells targeted by each MPPT control module as much as possible.
そこで、太陽電池発電システムとしては、ＭＰＰＴ制御モジュールの対象となる太陽電池セル数をできるだけ少なくし、不均一日射条件下においても効率良く発電出力を得るための多数の解決策が提案されている。 Thus, as a solar power generation system, many solutions have been proposed for obtaining the power generation output efficiently even under non-uniform solar radiation conditions by minimizing the number of solar battery cells targeted by the MPPT control module.
特許文献１には、太陽電池アレイを構成する複数個の太陽電池モジュールとインバータとの間に複数個のＤＣ−ＤＣコンバータを設け、各ＤＣ−ＤＣコンバータによってＭＰＰＴ制御を行うことにより、効率よく太陽電池の出力を取出すことが可能な技術が開示されている。
In
また、直並列接続された複数の太陽電池素子と、これら各太陽電池素子が発電した直流電力を降圧するコンバータとを基板上に備え、コンバータによりＭＰＰＴ制御を行うようにした構成の太陽電池モジュールが提案されている（例えば、特許文献２）。 A solar cell module having a configuration in which a plurality of solar cell elements connected in series and parallel and a converter for stepping down DC power generated by each of these solar cell elements is provided on a substrate, and MPPT control is performed by the converter. It has been proposed (for example, Patent Document 2).
さらに、太陽電池パネルの複数ブロック毎に昇圧チョッパ回路を設けてブロック毎に個別にＭＰＰＴ制御で直流電圧変換し、それらを統合して系統に供給する構成の太陽光発電装置が提案されている（例えば、特許文献３）。 Furthermore, a photovoltaic power generation apparatus having a configuration in which a step-up chopper circuit is provided for each of a plurality of blocks of the solar battery panel, DC voltage conversion is individually performed for each block by MPPT control, and these are integrated and supplied to the system is proposed ( For example, Patent Document 3).
さらにまた、複数の太陽電池アレイを並列接続して入力される系統連係インバータにおいて、各太陽電池アレイに対して独立にＤＣ−ＤＣコンバータによってＭＰＰＴ制御を行わせて発電効率の向上を図った構成の太陽光発電用電力変換装置が提案されている（例えば、特許文献４）。 Furthermore, in a system linkage inverter that is input by connecting a plurality of solar cell arrays in parallel, MPPT control is performed on each solar cell array by a DC-DC converter independently to improve power generation efficiency. A power conversion device for photovoltaic power generation has been proposed (for example, Patent Document 4).
以上の特許文献以外にも複数の太陽電池セル群毎にＭＰＰＴ制御を行うことで発電効率の向上を実現する提案は非常に多い。しかしながら、その提案の多くは、太陽電池セル群毎にＭＰＰＴ制御して得られた発電出力を並列接続して合成するものである。 Besides the above patent documents, there are very many proposals for realizing improvement in power generation efficiency by performing MPPT control for each of a plurality of solar battery cell groups. However, many of the proposals synthesize power generation outputs obtained by performing MPPT control for each solar cell group in parallel.
また、負荷に発電電力を供給する場合の出力直流電圧はある程度の高電圧、例えば負荷が交流２００Ｖの電力系統と連系するインバータの場合には直流３００Ｖ程度が必要になる。 Further, the output DC voltage when supplying generated power to the load requires a certain level of high voltage, for example, about 300 V DC in the case of an inverter connected to a power system in which the load is 200 V AC.
そこで、できるだけ少ない個数の太陽電池セルをＭＰＰＴ制御の対象とすると、その対象太陽電池セル群の出力電圧は、太陽電池セルの直列接続個数が少なくなり、低電圧になる。また、負荷が要求する電圧を得るためには、太陽電池セル群の出力を昇圧する必要が生じる。 Therefore, when as few solar cells as possible are targets for MPPT control, the output voltage of the target solar cell group becomes low because the number of solar cells connected in series decreases. Further, in order to obtain a voltage required by the load, it is necessary to boost the output of the solar battery cell group.
しかし、昇圧比の大きな昇圧回路はフィルタ素子などの大型化を招きやすく、効率も低下することが多い。また、高昇圧比を避けるためには太陽電池セル群の出力電圧を高くする、すなわち太陽電池直列数を多くすることが必要になり、前述の「できるだけ少ない個数の太陽電池セル群をＭＰＰＴ制御の対象とする」こととは相反する結果になる。 However, a booster circuit having a large boost ratio tends to cause an increase in the size of the filter element and the efficiency is often lowered. In order to avoid a high step-up ratio, it is necessary to increase the output voltage of the solar cell groups, that is, to increase the number of series of solar cells. The result is contrary to “target”.
以上のようなＭＰＰＴ制御単位モジュールを並列接続する構成の提案に対して、単位モジュールを直列接続する構成も提案されている。 In contrast to the proposal of the configuration in which the MPPT control unit modules are connected in parallel as described above, a configuration in which the unit modules are connected in series has also been proposed.
前述した特許文献２には、太陽電池が発電した直流電力を降圧する降圧チョッパモジュールを直列接続する構成の回路が示されているだけで、具体的制御方法や直列接続することの特徴などについては何ら明らかにされていない。
また、特許文献５および特許文献６にも、太陽電池セル群毎にＭＰＰＴ制御を行う複数の電荷移送回路と呼ぶ回路を含む太陽電池モジュールＰＶＭを、図１８のように直並列接続するシステムが示されている。
図１８において、４０は太陽電池モジュールＰＶＭを直並列接続して構成した太陽光発電装置、３８は太陽光発電装置４０から電力を供給される負荷である。また、４２ａ，４２ｂは太陽光発電装置４０の正極、負極出力端子、４８ａ，４８ｂは太陽電池モジュールＰＶＭの正極、負極出力端子である。
In FIG. 18, reference numeral 40 denotes a solar power generation device configured by connecting solar cell modules PVM in series and parallel, and
図１９は図１８の太陽光発電装置４０における太陽電池モジュールＰＶＭの構成であり、特許文献５および特許文献６では周知の降圧チョッパＣＯＮＶａを電荷移送回路と呼んでいる。
FIG. 19 shows a configuration of the solar cell module PVM in the solar power generation device 40 of FIG. 18. In
図１９に示すように、太陽電池モジュールＰＶＭａは太陽電池本体ＳＣと降圧チョッパＣＯＮＶａで構成されている。コンデンサＣａ、Ｃｂは太陽電池本体ＳＣ及び正極出力端４８ａ、負極出力端子４８ｂ間における端子電圧のリップルを低減するために設けられた平滑コンデンサである。
As shown in FIG. 19, the solar cell module PVMa includes a solar cell body SC and a step-down chopper CONVa. Capacitors Ca and Cb are smoothing capacitors provided to reduce terminal voltage ripples between the solar cell main body SC and the positive
チョッパＣＯＮＶａの制御部４４ａは発振器５５を有しており、この発振器５５からの信号を基に第１半導体スイッチ素子ＳＷ１と第２半導体スイッチ素子ＳＷ２とを交互にパルス幅変調（ＰＷＭ）方式でスイッチング制御し同期整流を行う。
The
制御部４４ａは電圧計４６からの動作電圧Ｖｏｐを受けて、動作電圧Ｖｏｐが最適動作電圧Ｖｐｍより高い場合は、第１半導体スイッチ素子ＳＷ１が閉じている時間間隔を拡げるようにＰＷＭ信号のデューティ比を変化させる。また、第１半導体スイッチ素子ＳＷ１が閉じている時間間隔が長くなれば、太陽電池本体ＳＣで生じた出力電力が負荷側に出力される時間間隔が長くなり、太陽電池本体ＳＣの動作電圧Ｖｏｐは減少する。
The
反対に動作電圧Ｖｏｐが最適動作電圧Ｖｐｍより低い場合は、第１半導体スイッチ素子ＳＷ１が開いている時間間隔を拡げるようにＰＷＭ信号のデューティ比を変化させる。第１半導体スイッチ素子ＳＷ１が開いている時間間隔が長くなれば、太陽電池本体ＳＣで生じた出力電力が負荷側に出力される時間間隔は短くなり、よって太陽電池本体ＳＣの動作電圧Ｖｏｐは増加する。 On the other hand, when the operating voltage Vop is lower than the optimum operating voltage Vpm, the duty ratio of the PWM signal is changed so as to widen the time interval during which the first semiconductor switch element SW1 is open. If the time interval at which the first semiconductor switch element SW1 is open becomes longer, the time interval at which the output power generated in the solar cell body SC is output to the load side becomes shorter, and thus the operating voltage Vop of the solar cell body SC increases. To do.
この制御部４４ａのスイッチング制御により太陽電池本体ＳＣの動作電圧Ｖｏｐは常に最適動作電圧Ｖｐｍをとるように追従制御される。前述のように動作電圧Ｖｏｐが最適動作電圧Ｖｐｍを取っていれば、太陽電池本体ＳＣは最大電力点Ｐｍａｘで動作することとなり、よって太陽電池モジュールＰＶＭａは常にその日照条件下における最大の電力を出力することが示されている。
By the switching control of the
上記特許文献５および特許文献６の説明を要約すれば、「太陽電池本体ＳＣの動作電圧Ｖｏｐが最適動作電圧Ｖｐｍとなるように降圧チョッパＣＯＮＶａをＰＷＭ制御する」ことを示している。このことは、直列接続しない単体の降圧チョッパでＭＰＰＴ制御を実現するための方法の説明であるが、直列接続したことによる出力電圧および出力電流の関係などは説明されていない。また、降圧チョッパの場合を示しているが、降圧チョッパの直列接続に伴う作用・効果などが示されておらず、完成された技術とは言い難い点がある。
Summarizing the description of
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、昇降圧コンバータモジュールを直並列接続した場合の動作原理を明確にし、降圧チョッパ以外のコンバータでも、効率よく太陽電池から最大の電力を取出すことのできる太陽光発電装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above circumstances, clarifying the operation principle when the step-up / step-down converter modules are connected in series and parallel, and even in converters other than the step-down chopper, the maximum power can be efficiently extracted from the solar cell. An object of the present invention is to provide a solar power generation device that can be used.
本発明は、
（１）１乃至複数の太陽電池セルを直列接続または直並列接続してなる太陽電池セル群と、この太陽電池セル群の両端電圧を昇降圧して出力する、昇降圧比の制御可能なＤＣ−ＤＣコンバータ１２と、前記太陽電池セル群の発電出力に応じて前記ＤＣ−ＤＣコンバータの昇降圧比を可変制御して最大電力が得られるように制御する最大電力点追従制御部とを備えた複数の太陽電池モジュールの出力端子間を任意に直並列接続した太陽光発電アレイと、この太陽光発電アレイの発電電力が供給され、前記太陽光発電アレイの出力電圧および出力電流の少なくとも一方を制御する負荷装置とから構成され、効率よく太陽電池から最大の電力を取出すことを可能にする。
The present invention
(1) A solar cell group in which one or a plurality of solar cells are connected in series or in series and parallel, and a DC-DC having a controllable step-up / step-down ratio that outputs the voltage between both ends of the solar cell group by stepping up and down. A plurality of suns including a
（２）上記（１）記載の太陽光発電装置において、前記太陽光発電アレイは前記複数の太陽電池モジュールの出力を任意個数だけ直列接続して直列接続ユニットを構成し、１乃至複数の前記直列接続ユニットを並列接続して構成することで、効率よく太陽電池から最大の電力を取出すことを可能にする。 (2) In the solar power generation device according to (1), the solar power generation array includes an arbitrary number of the outputs of the plurality of solar cell modules connected in series to form a series connection unit, and the one to a plurality of the series By configuring the connection units in parallel, it is possible to efficiently extract the maximum power from the solar cell.
（３）上記（１）記載の太陽光発電装置において、前記太陽光発電アレイは前記複数の太陽電池モジュールの出力を任意個数だけ並列接続して並列接続ユニットを構成し、１乃至複数の前記並列接続ユニットを直列接続して構成することで、効率よく太陽電池から最大の電力を取出すことを可能にする。 (3) In the solar power generation device according to (1), the solar power generation array configures a parallel connection unit by connecting an arbitrary number of outputs of the plurality of solar cell modules in parallel to form one to a plurality of the parallel By configuring the connection units in series, the maximum power can be efficiently extracted from the solar cell.
（４）上記（１）記載の太陽光発電装置において、前記太陽光発電アレイは前記複数の太陽電池モジュール出力を任意個数だけ直列接続して直列接続ユニットを構成し、１乃至複数の前記直列接続ユニットを並列接続して直並列接続ユニットを構成し、複数の前記直並列接続ユニットを直列接続して構成することで、効率よく太陽電池から最大の電力を取出すことを可能にする。 (4) In the solar power generation device according to (1), the solar power generation array includes an arbitrary number of the plurality of solar cell module outputs connected in series to form a series connection unit, and the one or more series connection The units are connected in parallel to form a series-parallel connection unit, and a plurality of the series-parallel connection units are connected in series, whereby the maximum power can be efficiently extracted from the solar cell.
本発明に係る太陽光発電装置は、
（１）太陽電池セル群それぞれに設けたＤＣ−ＤＣコンバータが、それぞれの太陽電池セル群に対して最大電力を取出す最大電力点追従制御を行うので、太陽電池に対する不均一日射条件下においても、常に全太陽電池セル群から、その日照条件下での最大の電力を取出すことができる。
The photovoltaic power generator according to the present invention is
(1) Since the DC-DC converter provided in each solar cell group performs maximum power point tracking control for taking out the maximum power for each solar cell group, even under non-uniform solar radiation conditions for solar cells, The maximum electric power under the sunshine condition can always be taken out from the entire solar cell group.
（２）太陽電池モジュールの直列接続が可能なので、昇圧比を高くしなくても高電圧出力が得られ、小形・高効率の太陽光発電装置を実現することができる。 (2) Since solar cell modules can be connected in series, a high voltage output can be obtained without increasing the step-up ratio, and a small and highly efficient solar power generation apparatus can be realized.
以下本発明の実施形態について図面に基づいて説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
図１は本発明に係る太陽光発電装置の接続構成例を示すブロック図である。 FIG. 1 is a block diagram showing a connection configuration example of a photovoltaic power generation apparatus according to the present invention.
図１において、１は太陽電池の発電電力を出力する太陽光発電アレイ、２は太陽光発電アレイ１から電力が供給される負荷装置である。
In FIG. 1,
太陽光発電アレイ１は、複数の太陽電池モジュール１０の出力を直列および並列あるいは直並列に接続して構成される。太陽光発電アレイ１における太陽電池モジュール１０の出力は任意に直並列接続することができる。
The photovoltaic
本発明の太陽光発電装置では、太陽光発電アレイ１の出力電圧Ｖｄおよび出力電流Ｉｄのうちの少なくとも一方を負荷装置２が制御する。
In the solar power generation device of the present invention, the
図２は本発明に係る太陽光発電アレイ１における各太陽電池モジュール１０のブロック図である。
FIG. 2 is a block diagram of each
図２において、１１は１つの太陽電池セルもしくは複数の太陽電池セルを直列接続または直並列接続した太陽電池セル群、１２は太陽電池セル群１１の出力電圧を昇降圧制御するＤＣ−ＤＣコンバータ、１３は太陽電池セル群１１の出力として最大電力が得られるようにＤＣ−ＤＣコンバータ１２の昇降圧比を可変制御するＭＰＰＴ制御機能を含むモジュール制御回路である。
In FIG. 2, 11 is a solar cell group in which one solar cell or a plurality of solar cells are connected in series or series-parallel, 12 is a DC-DC converter that controls the step-up / down of the output voltage of the
先ず、本発明の太陽電池モジュール１０の基本要素であるＤＣ−ＤＣコンバータ１２単体での基本原理について図３により説明する。ただし、ＤＣ−ＤＣコンバータ１２の回路損失とスイッチング動作に伴うリプル成分とを無視し、理想的ＤＣ−ＤＣコンバータとして原理を説明する。
First, the basic principle of the DC-
ＤＣ−ＤＣコンバータ１２の入力電圧および電流をＶｐおよびＩｐ、出力電圧および電流をＶｄおよびＩｄとし、入出力電圧比すなわち昇降圧比をＫｖとしたとき、次の関係式が成立する。
When the input voltage and current of the DC-
Ｖｄ＝Ｋｖ・Ｖｐ ……… （１）
Ｉｄ＝Ｉｐ／Ｋｖ ……… （２）
ＤＣ−ＤＣコンバータ１２の入力および出力の電力ＰｐおよびＰｄは等しいので、次式が成立する。
Vd = Kv · Vp (1)
Id = Ip / Kv (2)
Since the input and output powers Pp and Pd of the DC-
Ｐｄ＝Ｖｄ・Ｉｄ＝Ｐｐ＝Ｖｐ・Ｉｐ …… （３）
（１）式のように昇降圧比Ｋｖで入出力電圧の関係が決定され、このＫｖによって出力電圧Ｖｄが目標電圧になるように制御する用途が多い。
Pd = Vd · Id = Pp = Vp · Ip (3)
As shown in equation (1), the input / output voltage relationship is determined by the step-up / step-down ratio Kv, and there are many applications in which the output voltage Vd is controlled to the target voltage by this Kv.
しかし、本発明ではＤＣ−ＤＣコンバータ１２によって入力電圧Ｖｐもしくは入力電流Ｉｐを制御し、出力電圧Ｖｄもしくは出力電流Ｉｄは制御しない。ＤＣ−ＤＣコンバータ１２が出力電圧Ｖｄおよび電流Ｉｄを規定しないことにより、出力側の負荷装置２がＤＣ−ＤＣコンバータ１２の出力電圧Ｖｄあるいは電流Ｉｄのいずれかを任意に制御することが可能になる。
However, in the present invention, the input voltage Vp or the input current Ip is controlled by the DC-
例えば、任意の出力電圧Ｖｄのときに入力が目標の電圧Ｖｐになるようにするためには、Ｋｖ＝Ｖｄ／Ｖｐとなるように昇降圧比Ｋｖを制御する。制御結果のＫｖに応じて、入出力電流ＩｐとＩｄとは（２）式を満足するように決定する。また、任意のＩｄのときに入力が目標の電流Ｉｐになるようにするためには、Ｋｖ＝Ｉｐ／Ｉｄとなるように昇降圧比Ｋｖを制御すればよい。 For example, in order to set the input to the target voltage Vp at an arbitrary output voltage Vd, the step-up / step-down ratio Kv is controlled so that Kv = Vd / Vp. The input / output currents Ip and Id are determined so as to satisfy the expression (2) according to the control result Kv. In order to make the input the target current Ip at an arbitrary Id, the step-up / step-down ratio Kv may be controlled so that Kv = Ip / Id.
そのときには、制御結果のＫｖに応じて入出力電圧ＶｐとＶｄとが（１）式を満足するように決定する。このように制御することで、負荷装置２でＤＣ−ＤＣコンバータ１２の出力電圧Ｖｄあるいは電流Ｉｄのいずれかを制御する自由度が生まれる。その結果、各種の負荷装置２に適用可能となり、システム構築が容易になる。
At that time, the input / output voltages Vp and Vd are determined according to the control result Kv so as to satisfy the expression (1). By controlling in this way, the
図３に示した昇降圧比Ｋｖを制御可能なＤＣ−ＤＣコンバータ１２には、周知の多くの回路構成がある。現在多く使用されているＤＣ−ＤＣコンバータとして、チョッパ回路と、入力直流電圧を一旦交流に変換し、トランスを介した後に整流する絶縁形ＤＣ−ＤＣコンバータとがあげられる。
The DC-
図１９は昇降圧比Ｋｖを制御可能なＤＣ−ＤＣコンバータ１２の一例であり、周知の降圧チョッパの構成例である。スイッチＳＷ１の電流がパルス状の電流波形となるため、入力の電流リプルを低減するために、平滑コンデンサＣａを設けることにより理想のＤＣ−ＤＣコンバータに近づけることができる。
FIG. 19 is an example of a DC-
図４は周知の昇圧チョッパの構成例を示す回路図である。図４に示す昇圧チョッパではダイオードＤに入力する電流Ｉｓがパルス状の電流波形となる。このダイオードＤの出力電流Ｉｄのリプルを低減するために、出力側に平滑コンデンサＣｏを設けることにより理想のＤＣ−ＤＣコンバータに近づけることができる。 FIG. 4 is a circuit diagram showing a configuration example of a known boost chopper. In the step-up chopper shown in FIG. 4, the current Is input to the diode D has a pulsed current waveform. In order to reduce the ripple of the output current Id of the diode D, by providing a smoothing capacitor Co on the output side, it can be brought close to an ideal DC-DC converter.
図１９や図４の他にも昇降圧可能な昇降圧チョッパも知られており、昇降圧チョッパも本発明のＤＣ−ＤＣコンバータ１２として用いることができる。図１９および図４に示したチョッパ回路は基本構成であり、これらの回路を変形した多くのチョッパ回路がある。また、半導体スイッチのスイッチング損失を減らす目的で、補助の共振回路を設けた共振形あるいはソフトスイッチング方式と呼ばれる構成のチョッパ回路もある。そのようなチョッパ回路も本発明に適用することが可能である。
In addition to FIG. 19 and FIG. 4, a step-up / step-down chopper capable of step-up / step-down is also known, and the step-up / step-down chopper can also be used as the DC-
前述のトランスを用いた絶縁形ＤＣ−ＤＣコンバータにも、降圧形回路、昇圧形回路および昇降圧形回路を基本にした各種のコンバータ回路があり、これらの絶縁形ＤＣ−ＤＣコンバータも本発明に適用することが可能である。 There are various types of converter circuits based on the step-down circuit, the step-up circuit, and the step-up / step-down circuit in the isolated DC-DC converter using the above-described transformer, and these isolated DC-DC converters are also included in the present invention. It is possible to apply.
ここで、ＤＣ−ＤＣコンバータ１２の昇降圧比Ｋｖを可変制御することで、太陽電池セル群１１のＭＰＰＴ制御を実現する制御回路１３の具体的構成例を説明する。
Here, a specific configuration example of the
図５は、図２に示した太陽電池モジュール１０の具体的な制御方法を説明するためのブロック図であり、図５のように入力側にリアクトルＬｉが接続されているリアクトル入力形ＤＣ−ＤＣコンバータ１２の場合に適した制御構成例を示すものである。
FIG. 5 is a block diagram for explaining a specific control method of the
図５において、２１ｐおよび２１ｄはそれぞれＤＣ−ＤＣコンバータ１２の入力電流Ｉｐおよび出力電流Ｉｄを検出する電流検出器、２２ｄはＤＣ−ＤＣコンバータ１２の出力電圧を検出する電圧検出器である。
In FIG. 5, 21p and 21d are current detectors for detecting the input current Ip and output current Id of the DC-
また、制御回路１３において、２３は電圧検出器２２ｄにより検出したＤＣ−ＤＣコンバータ１２の出力電圧Ｖｄおよび電流検出器２１ｄにより検出した出力電流Ｉｄから出力電力Ｐｄを演算する乗算回路、２４は演算された出力電力Ｐｄが最大となるような太陽電池セル群１１の出力電流指令Ｉｐｒを出力する最大電力点追従制御回路（ＭＰＰＴ制御回路）、２５は電流検出器２１ｐにより検出した太陽電池セル群１１の出力電流Ｉｐと出力電流指令Ｉｐｒとの偏差（Ｉｐｒ−Ｉｐ）を求める減算回路、２６は偏差（Ｉｐｒ−Ｉｐ）を増幅するＰＩ制御器などの増幅回路、２７は３角波などを発信出力するキャリア発生回路、２８は増幅回路２６の出力とキャリア発生回路２７の出力キャリアとの大小を比較し、比較結果に応じてＤＣ−ＤＣコンバータ１２のスイッチング素子のオンオフ信号を出力するパルス幅変調（ＰＷＭ）回路である。
In the
上記ＭＰＰＴ制御回路２４はＤＣ−ＤＣコンバータ１２の出力電力Ｐｄが最大となるように、太陽電池セル群１１の動作点を探索するための電流指令Ｉｐｒを出力する。また、減算回路２５、増幅回路２６およびＰＷＭ回路２８は、太陽電池セル群１１の出力電流Ｉｐのフィードバック制御ループを構成し、出力電流Ｉｐが電流指令Ｉｐｒに追従するように機能する。
The
ＰＷＭ回路２８の出力信号でＤＣ−ＤＣコンバータ１２のスイッチング素子をオンオフすることで、ＤＣ−ＤＣコンバータ１２の昇降圧比Ｋｖが制御され、その結果として、リアクトルＬｉの出力側電圧Ｖｉが変化することにより入力電流Ｉｐが制御される。
By turning on and off the switching element of the DC-
日射量変動などにより太陽電池セル群１１の出力が急変した場合でも、リアクトルＬｉにより電流Ｉｐの変動は抑制される。その電流Ｉｐのフィードバック制御ループを構成することで、安定な電流制御が実現できるので、リアクトル入力形ＤＣ−ＤＣコンバータ１２に適した制御構成である。
Even when the output of the solar
リアクトルＬｉはＤＣ−ＤＣコンバータ１２の基本構成上必要なものに限らず、入出力の平滑目的で設けられたリアクトルであってもよい。
Reactor Li is not limited to that required for the basic configuration of DC-
図６は、入力側にコンデンサＣｉが接続されているコンデンサ入力形ＤＣ−ＤＣコンバータ１２の場合に適した制御構成例を示すものである。図６では、ＤＣ−ＤＣコンバータ１２の入力電流Ｉｐを検出する代わりに入力電圧Ｖｐを検出する電圧検出器２２ｐが設けられる。
FIG. 6 shows a control configuration example suitable for the case of the capacitor input type DC-
上記ＭＰＰＴ制御回路２４はＤＣ−ＤＣコンバータ１２の出力電力Ｐｄが最大となるように、太陽電池セル群１１の動作点を探索するための電圧指令Ｖｐｒを出力する。また、減算回路２５、増幅回路２６およびＰＷＭ回路２８は、太陽電池セル群１１の出力電圧Ｖｐのフィードバック制御ループを構成し、出力電圧Ｖｐが電圧指令Ｖｐｒに追従するように機能する。
The
ＰＷＭ回路２８の出力信号でＤＣ−ＤＣコンバータ１２の昇降圧比Ｋｖが制御され、コンデンサＣｉの流出電流Ｉｉが変化することによりＶｐが制御される。
The step-up / step-down ratio Kv of the DC-
太陽電池セル群１１の出力が急変した場合でも、コンデンサＣｉにより電圧Ｖｐの変動は抑制される。その電圧Ｖｐのフィードバック制御ループを構成することで、安定な電圧制御が実現できる。
Even when the output of the
コンデンサＣｉはＤＣ−ＤＣコンバータ１２の基本構成上必要なものに限らず、入出力の平滑目的で設けられたコンデンサであってもよい。
The capacitor Ci is not limited to the one required for the basic configuration of the DC-
以上述べた図５および図６では、昇降圧比Ｋｖの可変制御で、太陽電池セル群のＭＰＰＴ制御を実現する制御構成例として、太陽電池セル群１１の目標とする出力電流Ｉｐあるいは出力電圧Ｖｐをフィードバック制御する例を示した。
5 and 6 described above, as a control configuration example for realizing MPPT control of the solar cell group by variable control of the buck-boost ratio Kv, the target output current Ip or output voltage Vp of the
太陽電池セル群１１の出力電流指令Ｉｐｒあるいは電圧指令Ｖｐｒに出力電流Ｉｐあるいは電圧Ｖｐを追従させることは、ＤＣ−ＤＣコンバータ１２の出力電圧Ｖｄあるいは電流Ｉｄを用いて、（１）式あるいは（２）式の関係から昇降圧比Ｋｖを求め、その昇降圧比ＫｖとなるようにＤＣ−ＤＣコンバータ１２のスイッチング素子のオンオフを制御することでも実現できる。
To make the output current Ip or voltage Vp follow the output current command Ipr or voltage command Vpr of the
また、ＤＣ−ＤＣコンバータの種類によってスイッチング素子のオンオフデューティと昇降圧比Ｋｖとの関係式は異なる場合もあるが、それぞれのＤＣ−ＤＣコンバータではオンオフデューティと昇降圧比Ｋｖは特定の関係式で結び付けられるので、オンオフデューティの制御によって昇降圧比Ｋｖを制御することができる。 The relational expression between the on / off duty of the switching element and the step-up / step-down ratio Kv may be different depending on the type of the DC-DC converter. However, in each DC-DC converter, the on-off duty and the step-up / step-down ratio Kv are linked by a specific relational expression. Therefore, the step-up / step-down ratio Kv can be controlled by controlling the on / off duty.
さらに、図５および図６ではＭＰＰＴ制御回路２４に入力する電力として、ＤＣ−ＤＣコンバータ１２の出力電力Ｐｄを用いたが、多くの周知のＭＰＰＴ制御で用いられている太陽電池セル群１１の出力電力ＰｐをＰｄの代わりに用いてもよいことは勿論のことである。
Further, in FIG. 5 and FIG. 6, the output power Pd of the DC-
ただし、実際の回路では太陽電池セル群１１の出力からＤＣ−ＤＣコンバータ１２の出力の間に回路抵抗などの損失要素が存在するため、ＰｐとＰｄとは等しくならない。ＤＣ−ＤＣコンバータ１２の出力電力Ｐｄを用いる方が、ＤＣ−ＤＣコンバータ１２も含めた出力電力最大制御を実現することができる。
However, in an actual circuit, there is a loss element such as circuit resistance between the output of the
以上は、太陽光発電アレイ１を構成する太陽電池モジュール１０の構成例と制御例について述べたが、次に複数の太陽電池モジュール１０を直並列接続して構成した太陽光発電アレイ１の動作原理を説明する。
The configuration example and control example of the
まず、各太陽電池モジュール１０の発電電力Ｐｐとモジュールの出力電圧Ｖｄおよび出力電流Ｉｄとの関係がどのようにして決定されるかについて述べる。
First, how the relationship between the generated power Pp of each
（３）式に示したように、ＤＣ−ＤＣコンバータ１２の出力電圧Ｖｄと電流Ｉｄの関係は、入力の電圧Ｖｐおよび電流Ｉｐの積である入力電力Ｐｐだけに依存し、ＶｐおよびＩｐそれぞれの大きさとは無関係である。Ｐｐが同じであれば、ＶｐとＩｐが異なっていても直並列接続された太陽電池モジュールの出力側の関係は等しくなる。このことは、ＤＣ−ＤＣコンバータ１２の出力を直並列接続したときの電圧と電流を検討する上で、入力の電圧Ｖｐおよび電流Ｉｐそれぞれの大きさを考慮する必要がなく、入力電力Ｐｐだけを考慮すればよいことを示している。
As shown in the equation (3), the relationship between the output voltage Vd of the DC-
図１の構成は太陽光発電アレイ１における太陽電池モジュール１０の接続構成が複雑であるので、理解を容易にするために、より簡単な直並列接続回路構成の動作から説明する。
Since the connection configuration of the
図７は各発電電力がＰｐｉのＮ個の太陽電池モジュールＰＶＭ−１〜ＰＶＭ−Ｎを直列接続した回路図である。 FIG. 7 is a circuit diagram in which N solar cell modules PVM-1 to PVM-N whose generated power is Ppi are connected in series.
かかる回路構成において、太陽電池モジュールＰＶＭ−１〜ＰＶＭ−Ｎの全出力が直列接続されているので、各モジュールには同じ電流Ｉｄが流れる。したがって、（３）式の関係からｉ番目のモジュールの出力電圧Ｖｄｉは次のようになる。 In such a circuit configuration, since all outputs of the solar cell modules PVM-1 to PVM-N are connected in series, the same current Id flows through each module. Therefore, the output voltage Vdi of the i-th module is as follows from the relationship of the expression (3).
Ｖｄｉ＝Ｐｐｉ／Ｉｄ …… （４）
上式は、Ｉｄが与えられた後に、Ｖｄｉが決定することを意味しているわけではないことに留意されたい。Ｉｄ＝Ｐｄ／Ｖｄであるから、（４）式は次のようにも書くことができる。
Vdi = Ppi / Id (4)
Note that the above equation does not mean that Vdi is determined after Id is given. Since Id = Pd / Vd, equation (4) can also be written as:
Ｖｄｉ＝Ｖｄ・Ｐｐｉ／Ｐｄ …… （５）
上式のように、各モジュールの電圧Ｖｄｉは各モジュールの発電電力Ｐｐｉに比例する。
Vdi = Vd · Ppi / Pd (5)
As in the above equation, the voltage Vdi of each module is proportional to the generated power Ppi of each module.
全太陽電池モジュールＰＶＭ−１〜ＰＶＭ−Ｎの出力電圧Ｖｄｉの和である直流電圧Ｖｄから求めた出力電力Ｐｄは次のようになる。 The output power Pd obtained from the DC voltage Vd which is the sum of the output voltages Vdi of all the solar cell modules PVM-1 to PVM-N is as follows.
Ｐｄ＝Ｖｄ・Ｉｄ＝（Ｖｄ１＋Ｖｄ２＋……＋ＶｄＮ）Ｉｄ
＝Ｐｐ１＋Ｐｐ２＋……＋ＰｐＮ …… （６）
上式は、出力電力Ｐｄ＝Ｖｄ・Ｉｄが太陽電池セル群の発電電力Ｐｐｉの総和に等しいことを示している。各太陽電池セル群の動作点（Ｖｐｉ，Ｉｐｉ）に対する制約条件はないので、全太陽電池セル群をそれぞれの最大電力点で動作させれば、全モジュールから最大の電力を引き出すことができる。
Pd = Vd · Id = (Vd 1 + Vd 2 +... + Vd N ) Id
= Pp 1 + Pp 2 + ... + Pp N (6)
The above equation shows that the output power Pd = Vd · Id is equal to the sum of the generated power Ppi of the solar battery group. Since there are no restrictions on the operating point (Vpi, Ipi) of each solar cell group, the maximum power can be drawn from all modules by operating all the solar cell groups at their respective maximum power points.
ここで、制御の制約条件を明確にするために、ｉ番目のモジュールの昇降圧比Ｋｖｉだけを固定するとどうなるかを考える。Ｋｖｉを固定すると、（１）式および（２）式からＶｄｉ＝Ｋｖｉ・Ｖｐｉ、Ｉｄ＝Ｉｐｉ／Ｋｖｉとなり、ＶｄｉとＩｄが決定される。 Here, in order to clarify the control constraint conditions, what happens when only the step-up / step-down ratio Kvi of the i-th module is fixed will be considered. When Kvi is fixed, Vdi = Kvi · Vpi and Id = Ipi / Kvi from Expressions (1) and (2), and Vdi and Id are determined.
他のモジュールはそれぞれの出力電流がＩｄとなるように昇降圧比を可変制御することで、（５）式を満足するようにそれぞれの出力電圧が決まり、全モジュールの電圧和であるＶｄも決定される。したがって、１つのモジュールの昇降圧比を固定しても、全モジュールが最大電力を出力することは可能である。 The other modules variably control the buck-boost ratio so that each output current becomes Id, so that each output voltage is determined so as to satisfy Equation (5), and Vd which is the voltage sum of all modules is also determined. The Therefore, even if the step-up / step-down ratio of one module is fixed, all modules can output the maximum power.
しかし、１個の太陽電池モジュールの昇降圧比を固定、もしくは何らかの制約をすると、太陽光発電アレイ１の出力電圧Ｖｄおよび電流Ｉｄの制御自由度はなくなる。これは、太陽光発電アレイ１から電力を供給される負荷装置にとっては大きな制約条件となり、システム構築を困難なものにする。
However, if the step-up / step-down ratio of one solar cell module is fixed or some restriction is imposed, the degree of freedom in controlling the output voltage Vd and current Id of the
このような制約を避けるためには、全太陽電池モジュールが昇降圧比Ｋｖに制約を設けないようにする必要がある。図５および図６に示したように、全モジュールがそれぞれの入力量ＶｐあるいはＩｐだけを制御すれば、太陽光発電アレイ１の出力電圧Ｖｄおよび電流Ｉｄに制御自由度が残される。その結果、負荷装置２で出力電圧Ｖｄを制御しているときには、発電電力Ｐｐに応じて電流Ｉｄが変化する。もちろん、Ｖｄを変えれば、Ｖｄに反比例してＩｄは変化する。逆に、負荷装置２が出力電流Ｉｄを制御している場合には、発電電力Ｐｐに応じて電圧Ｖｄが変化する。すなわち、ＶｄあるいはＩｄのいずれか一方を制御すれば他方は（３）式を満足するように変化する。
In order to avoid such a restriction, it is necessary that all the solar cell modules do not place a restriction on the step-up / step-down ratio Kv. As shown in FIGS. 5 and 6, if all the modules control only the input amount Vp or Ip, the degree of freedom of control remains in the output voltage Vd and current Id of the photovoltaic
したがって、負荷装置２に対する制約は少なくなり、各種負荷装置への電力供給のためのシステム構築が容易になる。この昇降圧比に対する制約が太陽光発電アレイ１の出力に与える制約は以降に示す回路構成でも同様である。
Therefore, restrictions on the
図８は、図７に示したモジュール直列回路をＭ回路だけ並列接続した直並列回路図である。 FIG. 8 is a series-parallel circuit diagram in which the module series circuit shown in FIG. 7 is connected in parallel by M circuits.
個々のモジュール直列回路は図７と同じであるから、ｊ番目のモジュール直列回路の発電電力和をＰｐｊ、電流をＩｄｊとすれば、そのモジュール直列回路におけるｉ番目の太陽電池モジュールＰＶＭ−ｉｊの電圧Ｖｄｉｊは（４）式および（５）式と同様に次のようになる。 Since each module series circuit is the same as that of FIG. 7, if the generated power sum of the j-th module series circuit is Ppj and the current is Idj, the voltage of the i-th solar cell module PVM-ij in the module series circuit Vdij is as follows similarly to the equations (4) and (5).
Ｖｄｉｊ＝Ｐｐｊ／Ｉｄｊ＝Ｖｄ・Ｐｐｊ／Ｐｐｊ …… （７）
また、電流Ｉｄｊは次のように分流する。
Vdij = Ppj / Idj = Vd · Ppj / Ppj (7)
Further, the current Idj is shunted as follows.
Ｉｄｊ＝Ｐｐｊ／Ｖｄ＝Ｉｄ・Ｐｐｊ／Ｐｄ …… （８）
（７）式および（８）式のように全太陽電池モジュールの電圧Ｖｄｉｊおよび電流Ｉｄｊが決定される。
Idj = Ppj / Vd = Id · Ppj / Pd (8)
As shown in the equations (7) and (8), the voltage Vdij and the current Idj of all the solar cell modules are determined.
直列回路電流の和であるＩｄとＶｄの積で求められる出力電力Ｐｄは、次式のように発電電力の総和となることは明らかである。 It is obvious that the output power Pd obtained by the product of Id and Vd, which is the sum of the series circuit currents, is the sum of the generated power as in the following equation.
Ｐｄ＝Ｖｄ（Ｉｄ１＋Ｉｄ２＋……ＩｄＭ）
＝Ｐｐ１＋Ｐｐ２＋……ＰｐＭ …… （９）
上式は、図８の回路でも太陽電池セル群の全発電電力を引き出すことができることを示している。
Pd = Vd (Id 1 + Id 2 +... Id M )
= Pp 1 + Pp 2 + ... Pp M (9)
The above equation shows that the total generated power of the solar cell group can be extracted even with the circuit of FIG.
図８のようにモジュール直列回路を並列接続することで、大容量の太陽光発電アレイ1を実現することができる。この場合、並列接続されるモジュール直列回路の直列数を全直列回路で等しくする必要はない。任意の直列数のモジュール直列回路を並列接続しても最大電力を引き出す効果は変わらない。
A large-capacity photovoltaic
図９はＭ個の太陽電池モジュールＰＶＭ−１〜ＰＶＭ−Ｍを並列接続した回路図である。 FIG. 9 is a circuit diagram in which M solar cell modules PVM-1 to PVM-M are connected in parallel.
太陽電池モジュールＰＶＭ−１〜ＰＶＭ−Ｍの全出力が並列接続されているので、全モジュールの出力電圧が同じＶｄになる。 Since all the outputs of the solar cell modules PVM-1 to PVM-M are connected in parallel, the output voltages of all the modules become the same Vd.
いま、ｊ番目のモジュールの発電電力をＰｐｊとしたとき、そのモジュールの出力電流Ｉｄｊは（３）式の関係から次のようになる。 Now, assuming that the generated power of the j-th module is Ppj, the output current Idj of that module is as follows from the relationship of equation (3).
Ｉｄｊ＝Ｐｐｊ／Ｖｄ …… （１０）
Ｖｄ＝Ｐｄ／Ｉｄであるから、（１０）式は次のようにも書くことができる。
Idj = Ppj / Vd (10)
Since Vd = Pd / Id, equation (10) can also be written as:
Ｉｄｊ＝ｉｄ・Ｐｐｊ／Ｐｄ …… （１１）
上式のように、太陽電池モジュールを並列接続した場合には、各モジュールの出力電流Ｉｄｊが各モジュールの発電電力Ｐｐｊに比例して分流する。
Idj = id · Ppj / Pd (11)
As in the above equation, when solar cell modules are connected in parallel, the output current Idj of each module is shunted in proportion to the generated power Ppj of each module.
全太陽電池モジュールＰＶＭ−１〜ＰＶＭ−Ｍの出力電流Ｉｄｊから、太陽光発電アレイ１の出力電力Ｐｄは次のように全モジュールの発電電力Ｐｐｊの総和になる。
From the output current Idj of all the solar cell modules PVM-1 to PVM-M, the output power Pd of the photovoltaic
Ｐｄ＝Ｖｄ・Ｉｄ＝Ｖｄ（Ｉｄ１＋Ｉｄ２＋……＋ＩｄＭ）
＝Ｐｐ１＋Ｐｐ２＋……ＰｐＭ …… （１２）
図１０は図９に示したモジュール並列回路をＮ回路分直列接続して、升目状（マトリクス状）に太陽電池モジュール１０を接続した回路構成図である。
Pd = Vd · Id = Vd (Id 1 + Id 2 +... + Id M )
= Pp 1 + Pp 2 + ... Pp M (12)
FIG. 10 is a circuit configuration diagram in which the module parallel circuits shown in FIG. 9 are connected in series for N circuits, and the
図１０において、ｉ行目の並列接続モジュールの出力電圧Ｖｄｉは等しいので、各モジュールの出力電流Ｉｄｉｊは次のようになる。 In FIG. 10, since the output voltage Vdi of the i-th parallel connection module is equal, the output current Idij of each module is as follows.
Ｉｄｉｊ＝Ｐｐｉｊ／Ｖｄｉ …… （１３）
モジュール並列回路の電流和は全並列回路ともＩｄであるので次式が成立する。
Idj = Ppij / Vdi (13)
Since the current sum of the module parallel circuit is Id for all the parallel circuits, the following equation is established.
Ｉｄ＝Ｉｄｉ１＋Ｉｄｉ２＋……＋ＩｄｉＭ
＝（Ｐｐｉ１＋Ｐｐｉ２＋……＋ＰｐｉＭ）／Ｖｄｉ＝Ｐｐｉ／Ｖｄｉ…（１４）
すなわち、各モジュール並列回路の電圧Ｖｄｉは、その並列回路の発電電力和Ｐｐｉを用いて次のように表すことができる。
Id = Idi 1 + Idi 2 + …… + Idi M
= (Ppi 1 + Ppi 2 +... + Ppi M ) / Vdi = Ppi / Vdi (14)
That is, the voltage Vdi of each module parallel circuit can be expressed as follows using the generated power sum Ppi of the parallel circuit.
Ｖｄｉ＝Ｐｐｉ／Ｉｄ …… （１５）
全並列回路の電圧和がＶｄであるので次式が得られる。
Vdi = Ppi / Id (15)
Since the voltage sum of all the parallel circuits is Vd, the following equation is obtained.
Ｖｄ＝Ｖｄ１＋Ｖｄ２＋……ＶｄＮ
＝（Ｐｐ１＋Ｐｐ２＋……＋ＰｐＮ）／Ｉｄ＝Ｐｄ／Ｉｄ …… （１６）
上式の関係を（１４）式のＩｄに代入して、Ｖｄｉが次のように求められる。
Vd = Vd 1 + Vd 2 + …… Vd N
= (Pp 1 + Pp 2 +... + Pp N ) / Id = Pd / Id (16)
Substituting the relationship of the above equation into Id of equation (14), Vdi is obtained as follows.
Ｖｄｉ＝Ｐｐｉ／Ｉｄ＝Ｖｄ・Ｐｐｉ／Ｐｄ …… （１７）
（１７）式および（１３）式のように全太陽電池モジュールＰＶＭ−１１〜ＰＶＭ−ＮＭの電圧Ｖｄｉおよび電流Ｉｄｉｊが決定される。
Vdi = Ppi / Id = Vd · Ppi / Pd (17)
The voltage Vdi and current Idij of all the solar cell modules PVM-11 to PVM-NM are determined as shown in the equations (17) and (13).
太陽光発電アレイ１の出力Ｐｄは（１６）式から分かるように全太陽電池モジュールの出力電力和となり、図１０の回路でも太陽電池セル群の全発電電力を引き出すことができることを示している。この場合、モジュール並列回路の並列数を全並列回路間で等しくする必要はない。また、任意の並列数のモジュール並列回路を直列接続しても最大電力を引き出す効果は変わらない。
The output Pd of the photovoltaic
図１０に示すようにＭ個のモジュール並列回路をＮ回路分直列接続することで、各モジュールの昇降圧比を高くしなくても高電圧出力が得られる太陽光発電アレイ１を実現することができる。
As shown in FIG. 10, by connecting M module parallel circuits for N circuits in series, a photovoltaic
また、図１０の構成は配線数が多いが、配線が断線した場合の発電出力低下を最低限に抑えることができる特長がある。すなわち、正負の母線（図１０の最上部および最下部）以外であれば並列接続配線が断線しても、発電出力は変化しない。また、直列接続配線が断線した場合は、出力配線が断線した１個の太陽電池モジュール分だけの発電出力低下で済むので、太陽電池アレイ１全体の発電出力の低下を最小限に抑えることができる。
Further, the configuration of FIG. 10 has a large number of wirings, but has a feature that a decrease in power generation output when the wiring is disconnected can be minimized. That is, the power generation output does not change even if the parallel connection wiring is disconnected except for the positive and negative buses (the uppermost part and the lowermost part in FIG. 10). Further, when the series connection wiring is disconnected, the power generation output for the single solar cell module whose output wiring is disconnected can be reduced, so that the power generation output of the entire
図１１は２個の太陽電池モジュールＰＶＭ−ｉｊａおよびＰＶＭ−ｉｊｂを直列接続し、その直列回路をＭ回路分並列接続して直並列ユニットを構成し、その直並列ユニットを更にＮ回路分直列接続した回路構成図である。 In FIG. 11, two solar cell modules PVM-ija and PVM-ijb are connected in series, and the series circuit is connected in parallel for M circuits to form a series-parallel unit, and the series-parallel units are further connected in series for N circuits. FIG.
図７から図１０までの説明で明らかなように、直列接続したモジュールの電圧分担および並列接続したモジュールの電流分担はモジュールの発電電力比となる。この関係を適用することで、図１１の各モジュールの電圧および電流が決定される。 As is clear from the description from FIG. 7 to FIG. 10, the voltage sharing of the modules connected in series and the current sharing of the modules connected in parallel become the ratio of the generated power of the modules. By applying this relationship, the voltage and current of each module in FIG. 11 are determined.
各直並列ユニットのモジュール発電電力和を次式のようにＰｐｉとすれば、各ブロックの電圧Ｖｄｉは（１９）式、各モジュールの電流Ｉｄｉｊは（２０）式となる。 Assuming that the sum of the module generated power of each series-parallel unit is Ppi as in the following equation, the voltage Vdi of each block is given by equation (19) and the current Idij of each module is given by equation (20).
Ｐｐｉ＝Ｐｐｉ１ａ＋Ｐｐｉ１ｂ＋Ｐｐｉ２ａ＋Ｐｐｉ２ｂ＋…
…＋ＰｐｉＭａ＋ＰｐｉＭｂ …… （１８）
Ｖｄｉ＝Ｖｄ・Ｐｐｉ／Ｐｄ …… （１９）
Ｉｄｉｊ＝（Ｐｐｉｊａ＋Ｐｐｉｊｂ）／Ｖｄｉ …… （２０）
直列接続された２個の太陽電池モジュールＰＶＭ−ｉｊａおよびＰＶＭ−ｉｊｂの電圧分担は次のようになる。
Ppi = Ppi1a + Ppi1b + Ppi2a + Ppi2b +...
... + PpiMa + PpiMb (18)
Vdi = Vd · Ppi / Pd (19)
Idij = (Ppija + Ppijb) / Vdi (20)
The voltage sharing of the two solar cell modules PVM-ija and PVM-ijb connected in series is as follows.
Ｖｄｉｊａ＝Ｖｄｉ・Ｐｐｉｊａ／（Ｐｐｉｊａ＋Ｐｐｉｊｂ） …… （２１）
Ｖｄｉｊｂ＝Ｖｄｉ・Ｐｐｉｊｂ／（Ｐｐｉｊａ＋Ｐｐｉｊｂ） …… （２２）
図１１は直並列ブロック内のモジュール直列数が２の場合を示したが、直列数は任意に選定することができる。また、各直並列ブロック毎にモジュール直列数が異なっていてもよく、モジュール並列回路の並列数も全並列回路間で等しくする必要はない。任意の並列数のモジュール並列回路を直列接続しても最大電力を引き出す効果は変わらない。
Vdija = Vdi · Ppija / (Ppija + Ppijb) (21)
Vdijb = Vdi · Ppijb / (Ppija + Ppijb) (22)
Although FIG. 11 shows the case where the number of modules in the series-parallel block is 2, the number of series can be arbitrarily selected. Further, the serial number of modules may be different for each series-parallel block, and the parallel number of the module parallel circuits does not need to be equal among all the parallel circuits. Even if an arbitrary number of parallel module parallel circuits are connected in series, the effect of extracting the maximum power does not change.
図１１の構成は図１０の構成と同様に、各モジュールの昇降圧比を高くしなくても高電圧出力が得られ、配線が断線した場合の発電出力低下を少なく抑えることができ、図１０よりはモジュール間の配線が少なくて済む。 As in the configuration of FIG. 10, the configuration of FIG. 11 can obtain a high voltage output without increasing the step-up / step-down ratio of each module, and can suppress a decrease in power generation output when the wiring is disconnected. Requires less wiring between modules.
以上述べたことから明らかなように任意の直列数および任意の並列数の直並列モジュールを組合せても各モジュールの発電電力を最大限に引き出すことが容易に理解できる。このことを踏まえて、図１に示す複数の太陽電池モジュール１０の出力を直列および並列並びに直並列に接続して構成された太陽光発電装置の動作について述べる。
As is apparent from the above description, it can be easily understood that the generated power of each module can be extracted to the maximum even if any series number and any number of series-parallel modules in parallel are combined. Based on this, the operation of the photovoltaic power generation apparatus configured by connecting the outputs of the plurality of
図１２は図１の回路に電圧、電流および電力の記号を付した回路図であり、導出過程は省略するが図１２の回路方程式から各モジュールの電圧・電流を求めると以下のようになる。
図１および図１２に示した太陽光発電アレイ１における太陽電池モジュール１０の直並列接続回路は、本発明の実施形態の一例に過ぎない。本発明では太陽電池モジュール１０を任意に直並列接続することで、全モジュールの発電電力を取出すことができる太陽光発電アレイ１を実現することができる。
The series-parallel connection circuit of the
前述したように本発明では太陽光発電アレイ１の出力電圧Ｖｄおよび出力電流Ｉｄは負荷装置２が制御するものである。
As described above, in the present invention, the output device Vd and the output current Id of the photovoltaic
最後に、図１３から図１５により、負荷装置２による太陽光発電アレイ１の出力電圧Ｖｄおよび出力電流Ｉｄの具体的な制御例を示す。
Finally, FIGS. 13 to 15 show specific control examples of the output voltage Vd and the output current Id of the photovoltaic
図１３は電圧源的負荷の場合であり、出力電圧Ｖｄが一定であれば、発電電力Ｐｄに応じて電流Ｉｄが変化する。もちろん、Ｖｄを変えれば、Ｖｄに反比例してＩｄは変化する。 FIG. 13 shows a case of a voltage source load. When the output voltage Vd is constant, the current Id changes according to the generated power Pd. Of course, if Vd is changed, Id changes in inverse proportion to Vd.
ここで、一例としては二次電池負荷があげられる。また、負荷装置２がインバータで、インバータにより直流回路電圧を制御する場合も図１３に相当する。更に、二次電池とインバータを並列接続した負荷装置２も図１３に相当する。
Here, as an example, there is a secondary battery load. Further, the case where the
図１４は電流源的負荷の場合で、出力電流Ｉｄが一定であれば、発電電力Ｐｄに応じて電圧Ｖｄが変化する。すなわち、供給される電流を制御するような負荷の例であり、負荷装置２がインバータであり、インバータにより直流回路電流を制御する場合が図１４に相当する。
FIG. 14 shows a case of a current source load. When the output current Id is constant, the voltage Vd changes according to the generated power Pd. That is, it is an example of a load that controls the supplied current, and the case where the
図１５は抵抗負荷の例であり、抵抗Ｒが一定であれば、発電電力Ｐｄに応じて図のように電圧Ｖｄと電流がＩｄが決まる。 FIG. 15 shows an example of a resistive load. If the resistance R is constant, the voltage Vd and current Id are determined according to the generated power Pd as shown in the figure.
上記のようにＤＣ−ＤＣコンバータ１２の出力量制御を負荷装置２に開放することにより、各種の負荷装置２に適用可能となる。
By opening the output amount control of the DC-
以上説明したように本発明では、太陽電池セル群１１とＤＣ−ＤＣコンバータ１２とで構成される太陽電池モジュール１０毎にＭＰＰＴ制御をすることで、太陽電池セル群１１から効率的に発電電力を得ることが可能で、高効率の太陽光発電装置を実現することができる。
As described above, in the present invention, the generated power is efficiently generated from the
本発明の太陽電池セル群１１は１乃至複数の太陽電池パネルを単位とすることもできるが、１枚の太陽電池パネル内の太陽電池セルを複数の太陽電池セル群１１に分割し、分割された太陽電池セル群１１毎に複数のＤＣ−ＤＣ１２コンバータを設け、１枚の太陽電池パネル内に複数の太陽電池モジュール１０を設ける構成とすることもできる。
The solar
１……太陽光発電アレイ、２……負荷装置、１０……太陽電池モジュール、１１……太陽電池セル群、１２……ＤＣ−ＤＣコンバータ、１３……モジュール制御回路、２１ｐ、２１ｄ……電流検出器、２２ｐ、２２ｄ……電圧検出器、２３……乗算回路、２４……最大電力点追従制御回路（ＭＰＰＴ制御回路）、２５……減算回路、２６……増幅回路、２７……キャリア発生回路、２８ ・・・ パルス幅変調（ＰＷＭ）回路
DESCRIPTION OF
Claims (4)
この太陽光発電アレイの発電電力が供給され、前記太陽光発電アレイの出力電圧および出力電流の少なくとも一方を制御する負荷装置と
から構成されることを特徴とする太陽光発電装置。 A solar cell group in which one or a plurality of solar cells are connected in series or in series and parallel, and a DC-DC converter capable of controlling the step-up / step-down ratio that outputs the voltage of both ends of the solar cell group by stepping up and down; Outputs of a plurality of solar cell modules including a maximum power point tracking control unit that variably controls the step-up / step-down ratio of the DC-DC converter according to the power generation output of the solar cell group and controls the maximum power to be obtained. A photovoltaic array in which terminals are arbitrarily connected in series and parallel;
A photovoltaic power generation apparatus comprising: a load device that is supplied with power generated by the photovoltaic power generation array and controls at least one of an output voltage and an output current of the photovoltaic power generation array.
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Cited By (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2011142406A1 (en) * | 2010-05-12 | 2011-11-17 | オムロン株式会社 | Voltage conversion device, voltage conversion method, power adjusting device, power adjusting method, solar power generation system, and management device |
| JP2011238088A (en) * | 2010-05-12 | 2011-11-24 | Omron Corp | Device and method for electric power conditioning, solar power generation system and management device |
| WO2012090242A1 (en) * | 2010-12-27 | 2012-07-05 | 日立アプライアンス株式会社 | Power converter and solar power generation system |
| WO2012101928A1 (en) * | 2011-01-28 | 2012-08-02 | シャープ株式会社 | Optical power generation device, optical power generation system, and vehicle equipped with optical power generation device |
| JP2012252464A (en) * | 2011-06-01 | 2012-12-20 | Sharp Corp | Photovoltaic power generation system |
| JP2014204524A (en) * | 2013-04-03 | 2014-10-27 | 株式会社ダイヘン | Control circuit controlling power conversion circuit, and power conversion device comprising the same |
| JP2017060345A (en) * | 2015-09-18 | 2017-03-23 | トヨタ自動車株式会社 | Power generating operation point control circuit device for solar batteries connected in series |
| JP2021105927A (en) * | 2019-12-27 | 2021-07-26 | 日産自動車株式会社 | Control method for power supply device, and power supply device |
| WO2023002740A1 (en) * | 2021-07-19 | 2023-01-26 | 株式会社村田製作所 | Photovoltaic power generation system |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH0846231A (en) * | 1994-07-29 | 1996-02-16 | Toshiba Corp | Solar generator system |
| JPH1141832A (en) * | 1997-07-17 | 1999-02-12 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | System and method for solar cell generation |
| JP2007058843A (en) * | 2005-07-27 | 2007-03-08 | Gunma Prefecture | Photovoltaic power generator |
-
2009
- 2009-01-30 JP JP2009020281A patent/JP2010177554A/en active Pending
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH0846231A (en) * | 1994-07-29 | 1996-02-16 | Toshiba Corp | Solar generator system |
| JPH1141832A (en) * | 1997-07-17 | 1999-02-12 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | System and method for solar cell generation |
| JP2007058843A (en) * | 2005-07-27 | 2007-03-08 | Gunma Prefecture | Photovoltaic power generator |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| JPN6013000061; 大西 徳生 他: '太陽電池の最大出力制御方式の比較と昇降圧チョッパ回路を用いた制御特性' 電気学会論文誌Ｄ １１２巻３号, 1992, ２５０-２５７ページ * |
Cited By (13)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2011238088A (en) * | 2010-05-12 | 2011-11-24 | Omron Corp | Device and method for electric power conditioning, solar power generation system and management device |
| WO2011142406A1 (en) * | 2010-05-12 | 2011-11-17 | オムロン株式会社 | Voltage conversion device, voltage conversion method, power adjusting device, power adjusting method, solar power generation system, and management device |
| JP5589096B2 (en) * | 2010-12-27 | 2014-09-10 | 日立アプライアンス株式会社 | Power converter and photovoltaic power generation system |
| WO2012090242A1 (en) * | 2010-12-27 | 2012-07-05 | 日立アプライアンス株式会社 | Power converter and solar power generation system |
| WO2012101928A1 (en) * | 2011-01-28 | 2012-08-02 | シャープ株式会社 | Optical power generation device, optical power generation system, and vehicle equipped with optical power generation device |
| JP2012169581A (en) * | 2011-01-28 | 2012-09-06 | Sharp Corp | Photovoltaic generation device, photovoltaic generation system, and vehicle |
| JP2012252464A (en) * | 2011-06-01 | 2012-12-20 | Sharp Corp | Photovoltaic power generation system |
| JP2014204524A (en) * | 2013-04-03 | 2014-10-27 | 株式会社ダイヘン | Control circuit controlling power conversion circuit, and power conversion device comprising the same |
| JP2017060345A (en) * | 2015-09-18 | 2017-03-23 | トヨタ自動車株式会社 | Power generating operation point control circuit device for solar batteries connected in series |
| JP2021105927A (en) * | 2019-12-27 | 2021-07-26 | 日産自動車株式会社 | Control method for power supply device, and power supply device |
| JP7377707B2 (en) | 2019-12-27 | 2023-11-10 | 日産自動車株式会社 | Control method of power supply device and power supply device |
| WO2023002740A1 (en) * | 2021-07-19 | 2023-01-26 | 株式会社村田製作所 | Photovoltaic power generation system |
| JP7485224B2 (en) | 2021-07-19 | 2024-05-16 | 株式会社村田製作所 | Solar power system |
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