JP2010177554A - 太陽光発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】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し、また昇圧比を高くしなくても高電圧出力を得ることができる小形・高効率の太陽光発電装置を実現することにある。
【解決手段】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１１と、この太陽電池セル群１１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、太陽電池セル群１１の発電出力に応じてＤＣ−ＤＣコンバータ１２の昇降圧比を最大電力が得られるように可変制御する最大電力点追従制御部１３とを備えた複数の太陽電池モジュール１０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１と、この太陽光発電アレイ１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２とから構成される。
【選択図】図１

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。

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）。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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）。

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）。

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）。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

特開平８−４６２３１号公報 特開２００３−１２４４９２号公報 特開２００３−１３４６６７号公報 特開２００４−１９４５００号公報 特開２００７−０５８８４３号公報 特開２００７−０５８８４５号公報

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。

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。

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。

（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。

（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。

（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。

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。

（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。

本発明による太陽光発電装置の実施形態を示す回路構成図である。 同実施形態における太陽電池モジュールの回路構成図である。 本発明の太陽電池モジュールの原理を説明するためのＤＣ−ＤＣコンバータの回路構成図である。 本発明に適用可能なＤＣ−ＤＣコンバータの例として示した昇圧チョッパの回路図である。 本発明の太陽電池モジュールの具体的な制御構成例を示すブロック図である。 本発明の太陽電池モジュールの他の具体的な制御構成例を示すブロック図である。 同実施形態において、Ｎ個の太陽電池モジュールを直列接続した回路図である。 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。 同実施形態において、Ｍ個の太陽電池モジュールを並列接続した回路図である。 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、マトリクス状に太陽電池モジュールを接続した回路図である。 同実施形態において、２個の太陽電池モジュールを直列接続し、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図である。 図１の回路に電圧などの記号を付した回路図である。 本発明における負荷装置による太陽光発電アレイの出力電圧制御例を示す回路構成図である。 本発明における負荷装置による太陽光発電アレイの出力電流制御例を示す回路図である。 本発明における負荷が抵抗の場合の太陽光発電アレイの出力動作を示す回路図である。 従来の太陽光発電システムを示す回路図である。 最大電力点追従制御を説明するための太陽電池の特性曲線図である。 従来の太陽光発電装置を示す回路図である。 図１８の従来の太陽光発電装置における太陽電池モジュールの回路図である。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

（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。

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。

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。

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。

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＝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。

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。

Ｐｄ＝Ｖｄ・Ｉｄ＝（Ｖｄ_１＋Ｖｄ_２＋……＋Ｖｄ_Ｎ）Ｉｄ
＝Ｐｐ_１＋Ｐｐ_２＋……＋Ｐｐ_Ｎ …… （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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

Ｖｄｉｊ＝Ｐｐｊ／Ｉｄｊ＝Ｖｄ・Ｐｐｊ／Ｐｐｊ …… （７）
また、電流Ｉｄｊは次のように分流する。

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。

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。

Ｐｄ＝Ｖｄ（Ｉｄ_１＋Ｉｄ_２＋……Ｉｄ_Ｍ）
＝Ｐｐ_１＋Ｐｐ_２＋……Ｐｐ_Ｍ …… （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。

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。

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。

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。

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。

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＝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。

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。

Ｐｄ＝Ｖｄ・Ｉｄ＝Ｖｄ（Ｉｄ_１＋Ｉｄ_２＋……＋Ｉｄ_Ｍ）
＝Ｐｐ_１＋Ｐｐ_２＋……Ｐｐ_Ｍ …… （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。

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。

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。

Ｉｄ＝Ｉｄｉ_１＋Ｉｄｉ_２＋……＋Ｉｄｉ_Ｍ
＝（Ｐｐｉ_１＋Ｐｐｉ_２＋……＋Ｐｐｉ_Ｍ）／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。

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。

Ｖｄ＝Ｖｄ_１＋Ｖｄ_２＋……Ｖｄ_Ｎ
＝（Ｐｐ_１＋Ｐｐ_２＋……＋Ｐｐ_Ｎ）／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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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

Claims (4)

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
   から構成されることを特徴とする太陽光発電装置。
2. 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構成されることを特徴とする請求項１記載の太陽光発電装置。
3. 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されることを特徴とする請求項１記載の太陽光発電装置。
4. 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されることを特徴とする請求項１記載の太陽光発電装置。

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