JP2013033365A

JP2013033365A - 制御装置

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Publication number: JP2013033365A
Application number: JP2011168848A
Authority: JP
Inventors: Kazumasa Shichiri; 一正七里
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2011-08-01
Filing date: 2011-08-01
Publication date: 2013-02-14
Anticipated expiration: 2031-08-01
Also published as: JP5806544B2

Abstract

【課題】太陽電池の発電効率の低下を抑制することを可能とする制御装置を提供する制御装置を提供する。
【解決手段】ＰＣＳ２００は、日射量毎の最適動作点によって定まる通常動作範囲を記憶する記憶部２４０と、太陽電池１１の動作点を制御する制御部２５０とを備える。制御部２５０は、太陽電池１１の動作点が通常動作範囲内である場合に、太陽電池１１の動作点を通常変更幅で最適動作点に近づける通常制御を行う。制御部２５０は、太陽電池１１の動作点が通常動作範囲外である場合に、通常制御とは異なる非通常制御を行う。
【選択図】図２

Description

本発明は、太陽電池を制御する制御装置に関する。

従来、太陽電池の出力（発電能力）を最大化するために、太陽電池の動作点（動作点電圧値と電力値とによって定まる点、或いは、動作点電圧値と電流値とによって定まる点）を変化させる技術が知られている。このような技術は、ＭＰＰＴ（ＭａｘｉｍｕｍＰｏｗｅｒＰｏｉｎｔＴｒａｃｋｉｎｇ）法と称される。

ここで、最適動作点の学習によって、太陽電池の動作点を速やかに最適動作点に近づける技術が提案されている（例えば、特許文献１）。詳細には、以下に示す動作によって、太陽電池を制御する。

（１）予め日射量などの動作条件をパラメータとして、太陽電池の特性カーブ（例えば、Ｉ−Ｖ特性）を測定する
（２）動作条件における最適動作点を求める
（３）現在のＩ−Ｖ特性に基づいて、実際の動作条件を推定する
（４）動作条件に対応する最適動作点を制御目標として、太陽電池を制御する

特開平７−２３４７３３号公報

ところで、影などの影響によって、出力電力のピークとして複数のピークを有するＩ−Ｖ特性が得られるケースが存在する。このようなケースにおいて、ＭＰＰＴ法では、最初に得られたピークを最適動作点として判定するため、最初に得られたピークが実際には最適動作点でない場合に、太陽電池の発電効率が低下する。

例えば、太陽電池の動作点を通常変更幅で最適動作点に近づけるＭＰＰＴ法を高電圧から開始する場合において、低電圧側及び高電圧側にピークが存在しており、低電圧側のピークが最適動作点であるケースについて考える。このようなケースでは、高電圧側のピークが最低動作点として判定されるため、太陽電池の動作電圧が低電圧側のピークに対応する動作電圧に制御されない。

このように、ＭＰＰＴ法によって最適動作点が誤判定される状態を回避するために、太陽電池の動作点の変更幅を通常変更幅よりも増大する制御を行う技術が提案されている。

しかしながら、太陽電池の動作点が最適動作点の近傍である場合に、太陽電池の動作点の変更幅を通常変更幅よりも増大してしまうと、太陽電池の動作点が最適動作点に収束せずに、太陽電池の発電効率が低下してしまう。

そこで、本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、太陽電池の発電効率の低下を抑制することを可能とする制御装置を提供することを目的とする。

第１の特徴に係る制御装置は、太陽電池を制御する。制御装置は、日射量毎の最適動作点によって定まる通常動作範囲を記憶する記憶部と、前記太陽電池の動作点を制御する制御部とを備える。前記制御部は、前記太陽電池の動作点が前記通常動作範囲内である場合に、前記太陽電池の動作点を通常変更幅で最適動作点に近づける通常制御を行う。前記制御部は、前記太陽電池の動作点が前記通常動作範囲外である場合に、前記通常制御とは異なる非通常制御を行う。

第１の特徴において、前記太陽電池の出力電力が大きいほど、前記通常動作範囲が広い。

第１の特徴において、前記通常範囲は、前記太陽電池のパネル温度が第１温度範囲内で変化するケースにおける前記日射量毎の最適動作点と、前記太陽電池のパネル温度が第１温度範囲よりも高い第２温度範囲内で変化するケースにおける前記日射量毎の最適動作点とによって定められる。

第１の特徴において、前記通常範囲は、前記太陽電池のパネル温度毎に定められる。

第１の特徴において、前記通常範囲を定める前記日射量毎の最適動作点は学習によって取得される。

本発明によれば、太陽電池の発電効率の低下を抑制することを可能とする制御装置を提供することができる。

図１は、第１実施形態に係る需要家１０の構成を示す図である。図２は、第１実施形態に係る太陽電池１１の特性カーブの条件を示す図である。図３は、第１実施形態に係る太陽電池１１の特性カーブを示す図である。図４は、第１実施形態に係る太陽電池１１の特性カーブを示す図である。図５は、第１実施形態に係る太陽電池１１の特性カーブを示す図である。図６は、第１実施形態に係る太陽電池１１の特性カーブを示す図である。図７は、第１実施形態に係る通常動作範囲Ｒ_（Ｎ）を説明するための図である。図８は、第１実施形態に係る通常動作範囲Ｒ_（Ｎ）を説明するための図である。図９は、変更例１に係る太陽電池１１の特性カーブを示す図である。図１０は、変更例２に係る太陽電池１１の特性カーブを示す図である。図１１は、変更例２に係る太陽電池１１の特性カーブを示す図である。図１２は、変更例２に係る太陽電池１１の特性カーブを示す図である。

以下において、本発明の実施形態に係る制御装置について、図面を参照しながら説明する。なお、以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には、同一又は類似の符号を付している。

ただし、図面は模式的なものであり、各寸法の比率などは現実のものとは異なることに留意すべきである。従って、具体的な寸法などは以下の説明を参酌して判断すべきである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。

［実施形態の概要］
実施形態に係る制御装置は、太陽電池を制御する。制御装置は、日射量毎の最適動作点によって定まる通常動作範囲を記憶する記憶部と、前記太陽電池の動作点を制御する制御部とを備える。前記制御部は、前記太陽電池の動作点が前記通常動作範囲内である場合に、前記太陽電池の動作点を通常変更幅で最適動作点に近づける通常制御を行う。前記制御部は、前記太陽電池の動作点が前記通常動作範囲外である場合に、前記通常制御とは異なる非通常制御を行う。

実施形態では、制御部は、太陽電池の動作点が通常動作範囲外である場合に、通常制御とは異なる非通常制御を行う。従って、太陽電池の動作点が最適動作点の近傍である場合に、非通常制御が行われて、太陽電池の発電効率の低下を招く状態を回避することができる。

なお、非通常制御とは、太陽電池の動作点を最小動作点（例えば、最小動作電圧）に変更する制御、或いは、太陽電池の動作点の変更幅を通常変更幅よりも増大する制御などである。

［第１実施形態］
（需要家）
以下において、第１実施形態に係る需要家の構成について、図面を参照しながら説明する。図１は、第１実施形態に係る需要家１０の構成を示す図である。なお、図１では、需要家１０に設けられるＰＣＳ（ＰｏｗｅｒＣｏｎｄｉｔｉｏｎｉｎｇＳｙｓｔｅｍ）について主として説明する。

図１に示すように、需要家１０は、太陽電池１１を有する。また、需要家１０は、太陽電池１１と電力系統３１との間の連系／解列を切り替えるスイッチ１２を有する。さらに、需要家１０は、太陽電池１１を制御するＰＣＳ２００を有する。

また、スイッチ１２がオンである場合に、需要家１０の状態は、太陽電池１１が電力系統３１に連系された状態（連系状態）である。連系状態においては、太陽電池１１によって発電された電力を売電することが可能である。

ＰＣＳ２００は、昇圧回路２１０と、インバータ回路２２０と、検出回路２３０と、記憶部２４０と、制御部２５０とを有する。

昇圧回路２１０は、太陽電池１１及びインバータ回路２２０に接続される。昇圧回路２１０は、太陽電池１１から出力される電力の電圧を昇圧する。

インバータ回路２２０は、昇圧回路２１０に接続されており、スイッチ１２を介して電力系統３１に接続される。インバータ回路２２０は、電力系統３１から供給される交流電力を直流電力に変換する。インバータ回路２２０は、昇圧回路２１０から供給される直流電力を交流電力に変換する。

検出回路２３０は、太陽電池１１から出力される電力の値を検出する。具体的には、検出回路２３０は、太陽電池１１から出力される電力の電圧値（Ｖ）及び電流値（Ｉ）を検出する。

記憶部２４０は、各種情報を記憶する。例えば、記憶部２４０は、日射量(ｋＷ／ｍ^２)毎の最適動作点によって定まる通常動作範囲を記憶する。

例えば、太陽電池１１の特性は、日射量及び太陽電池１１のパネル温度によって異なる。従って、日射量及び太陽電池１１のパネル温度の関係は、図２に示す関係で表すことが可能である。

また、“標準”、“冬場”、“夏場”、“春・夏”の４種類について、図３〜図６に示す日射量毎の最適動作点を取得することが可能である。なお、図３では、太陽電池１１のパネル温度が一定温度（２５℃）であるケースの特性カーブが示されている。図４では、太陽電池１１のパネル温度が第１温度範囲内で変化するケース（冬場）における特性カーブが示されている。図５では、太陽電池１１のパネル温度が第１温度範囲よりも高い第２温度範囲内で変化するケース（夏場）における特性カーブが示されている。図６では、太陽電池１１のパネル温度が第１温度範囲よりも高く、第２温度範囲よりも低い第３温度範囲内で変化するケース（春・秋）における特性カーブが示されている。

特性カーブは、太陽電池１１の出力電流値（Ｉ）及び太陽電池１１の出力電圧値（Ｖ）の関係を示すＩ−Ｖ特性（曲線）である。或いは、太陽電池１１の出力電力値（Ｗ）及び太陽電池１１の出力電圧値（Ｖ）の関係を示す出力特性（曲線）であってもよい。

なお、図３〜図６では、特性カーブが出力特性（曲線）であるケースについて例示されている。すなわち、日射量(ｋＷ／ｍ^２)が“０．１”であるときに、出力特性（曲線）が“Ｗ０．１”である。同様に、日射量(ｋＷ／ｍ^２)が“０．２”、“０．４”、“０．６”、“０．８”、“１”であるときに、出力特性（曲線）が“Ｗ０．２”、“Ｗ０．４”、“Ｗ０．６”、“Ｗ０．８”、“Ｗ１”である。

図３に示すように、太陽電池１１のパネル温度が一定温度（２５℃）である場合には、日射量毎の最適動作点は、“ＭＰａ”で一般的に表される。また、“ＭＰａ”を結ぶ仮想線は、“ａ”で表される。言い換えると、日射量毎の最適動作点ＭＰａの推移は、仮想線ａによって表される。

図４に示すように、太陽電池１１のパネル温度が第１温度範囲内で変化するケース（冬場）において、日射量毎の最適動作点は、“ＭＰｂ”で一般的に表される。また、“ＭＰｂ”を結ぶ仮想線は、“ｂ”で表される。言い換えると、日射量毎の最適動作点ＭＰｂの推移は、仮想線ｂによって表される。

図５に示すように、太陽電池１１のパネル温度が第１温度範囲よりも高い第２温度範囲内で変化するケース（夏場）において、日射量毎の最適動作点は、“ＭＰｃ”で一般的に表される。また、“ＭＰｃ”を結ぶ仮想線は、“ｃ”で表される。言い換えると、日射量毎の最適動作点ＭＰｃの推移は、仮想線ｃによって表される。

図６に示すように、太陽電池１１のパネル温度が第１温度範囲よりも高く、第２温度範囲よりも低い第３温度範囲内で変化するケース（春・秋）において、日射量毎の最適動作点は、“ＭＰｄ”で一般的に表される。また、“ＭＰｄ”を結ぶ仮想線は、“ｄ”で表される。言い換えると、日射量毎の最適動作点ＭＰｄの推移は、仮想線ｄによって表される。

このように、太陽電池１１のパネル温度が変化する場合には、太陽電池１１のパネル温度が一定温度である場合に比べて、日射量毎の最適動作点を結ぶ仮想線の形状が異なることに留意すべきである。

第１実施形態では、通常動作範囲Ｒ_（Ｎ）は、図７及び図８に示すように、仮想線ｂ（すなわち、最適動作点ＭＰｂ）、仮想線ｃ（すなわち、最適動作点ＭＰｃ）及び仮想線ｄ（すなわち、最適動作点ＭＰｄ）によって定められる。詳細には、図７に示すように、仮想線ｂ、仮想線ｃ及び仮想線ｄによって、最適動作点が変化し得る範囲が特定される。続いて、図８に示すように、特定された範囲をカバーするように、通常動作範囲Ｒ_（Ｎ）が設定される。

ここで、図８に示すように、太陽電池１１の出力電力（Ｗ）が大きいほど、通常動作範囲Ｒ_（Ｎ）については、最適動作点が変化し得る範囲よりも広く設定することが好ましい。この理由は、設定した範囲内で十分な電力が得られていれば、最大電力点を大きく逸脱していないということに他ならず、逆に、設定した範囲内で十分な電力が得られていなければ、最大電力点で動作していない可能性が高くなるためである。また、出力電力が少ない状況では、仮に、このような状況が日射量の少なさに起因する状況であっても、大きく電圧を変更しても得られる電力に大きな差がないため、システムトータルでの発電電力への影響は少ない。

制御部２５０は、昇圧回路２１０及び検出回路２３０に接続される。制御部２５０は、昇圧回路２１０のパルス制御によって、太陽電池１１の動作点を制御する。

具体的には、制御部２５０は、太陽電池１１の動作点が通常動作範囲Ｒ_（Ｎ）内である場合に、太陽電池１１の動作点を通常変更幅で最適動作点に近づける通常制御を行う。すなわち、制御部２５０は、太陽電池１１の動作点が通常動作範囲Ｒ_（Ｎ）内である場合に、ＭＰＰＴ（ＭａｘｉｍｕｍＰｏｗｅｒＰｏｉｎｔＴｒａｃｋｉｎｇ）法に従って、太陽電池１１の動作点を制御する。

一方で、制御部２５０は、太陽電池１１の動作点が通常動作範囲Ｒ_（Ｎ）外である場合に、通常制御とは異なる非通常制御を行う。なお、非通常制御は、太陽電池の動作点を最小動作点（例えば、最小動作電圧）に変更する制御、太陽電池１１の動作点の変更幅を通常変更幅よりも増大する制御などである。

（作用及び効果）
第１実施形態では、ＰＣＳ２００（制御部２５０）は、太陽電池１１の動作点が通常動作範囲外である場合に、通常制御とは異なる非通常制御を行う。従って、太陽電池１１の動作点が最適動作点の近傍である場合に、非通常制御が行われて、太陽電池１１の発電効率の低下を招く状態を回避することができる。

第１実施形態では、太陽電池１１の出力電力（Ｗ）が大きいほど、通常動作範囲Ｒ_（Ｎ）が大きい。これによって、不適切な非通常制御が効果的に抑制される。詳細には、図４に示したように、太陽電池１１の出力電力（Ｗ）が大きいほど、すなわち、日射量が大きいほど、最適動作点の近傍における出力特性（曲線）の単位変化量が大きい。従って、太陽電池１１の出力電力（Ｗ）が大きいほど、通常制御が維持されるため、不適切な非通常制御が効果的に抑制される。

第１実施形態では、通常動作範囲Ｒ_（Ｎ）は、太陽電池１１のパネル温度が第１温度範囲内で変化するときの仮想線ｂ（すなわち、最適動作点ＭＰｂ）、太陽電池１１のパネル温度が第２温度範囲内で変化するときの仮想線ｃ（すなわち、最適動作点ＭＰｃ）、太陽電池１１のパネル温度が第３温度範囲内で変化するときの仮想線ｄ（すなわち、最適動作点ＭＰｄ）によって定められる。従って、１種類の通常動作範囲Ｒ_（Ｎ）を定めることによって、太陽電池１１のパネル温度（すなわち、季節等）毎に通常動作範囲Ｒ_（Ｎ）を定めずに、不適切な非通常制御が抑制される。

［変更例１］
以下において、第１実施形態の変更例１について説明する。以下においては、第１実施形態に対する相違点について主として説明する。

第１実施形態では、通常動作範囲Ｒ_（Ｎ）は、仮想線ｂ（すなわち、最適動作点ＭＰｂ）、仮想線ｃ（すなわち、最適動作点ＭＰｃ）及び仮想線ｄ（すなわち、最適動作点ＭＰｄ）によって定められる。

これに対して、変更例１では、図９に示すように、通常動作範囲Ｒ_（Ｎ）は、太陽電池１１のパネル温度が一定であるときの仮想線ａ基準仮想線として定められる。

変更例１によれば、仮想線ａは、理論上の計算によって理論値として取得しやすいため、通常動作範囲Ｒ_（Ｎ）を容易に定めることができる。

［変更例２］
以下において、第１実施形態の変更例２について説明する。以下においては、第１実施形態に対する相違点について主として説明する。

これに対して、変更例２では、通常動作範囲Ｒ_（Ｎ）は、太陽電池１１のパネル温度が変化する範囲毎に定められる。詳細には、図１０に示すように、太陽電池１１のパネル温度が第１温度範囲内で変化する場合には、通常動作範囲Ｒ_{（Ｎ−ｂ）}は、仮想線ｂ（すなわち、最適動作点ＭＰｂ）を基準仮想線として定められる。或いは、図１１に示すように、太陽電池１１のパネル温度が第２温度範囲内で変化する場合には、通常動作範囲Ｒ_{（Ｎ−ｃ）}は、仮想線ｃ（すなわち、最適動作点ＭＰｃ）を基準仮想線として定められる。或いは、図１２に示すように、太陽電池１１のパネル温度が第３温度範囲内で変化する場合には、通常動作範囲Ｒ_{（Ｎ−ｄ）}は、仮想線ｄ（すなわち、最適動作点ＭＰｄ）を基準仮想線として定められる。

変更例２によれば、太陽電池１１のパネル温度が変化する範囲（例えば、季節）毎に異なる通常動作範囲Ｒ_（Ｎ）を用いる必要があるが、通常動作範囲Ｒ_（Ｎ）の設定精度が向上する。従って、不適切な非通常制御が抑制される。

［その他の実施形態］
本発明は上述した実施形態によって説明したが、この開示の一部をなす論述及び図面は、この発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。

実施形態では、特に触れていないが、日射量毎の最適動作点や仮想線は、理論上の計算によって取得される理論値であってもよい。或いは、日射量毎の最適動作点や仮想線は、太陽電池１１の設置後において、太陽電池１１の最適動作点を学習することによって取得される値であってもよい。

実施形態では、特に触れていないが、通常動作範囲Ｒ_（Ｎ）は、太陽電池１１のパネル温度が第１温度範囲内で変化するときの仮想線ｂ（すなわち、最適動作点ＭＰｂ）、及び、太陽電池１１のパネル温度が第２温度範囲内で変化するときの仮想線ｃ（すなわち、最適動作点ＭＰｃ）によって定められてもよい。すなわち、太陽電池１１のパネル温度が第３温度範囲内で変化するときの仮想線ｄ（すなわち、最適動作点ＭＰｄ）は考慮されなくてもよい。

１０…需要家、１１…太陽電池、１２…スイッチ、２００…ＰＣＳ、２１０…昇圧回路、２２０…インバータ回路、２３０…検出回路、２４０…記憶部、２５０…制御部

Claims

太陽電池を制御する制御装置であって、
日射量毎の最適動作点によって定まる通常動作範囲を記憶する記憶部と、
前記太陽電池の動作点を制御する制御部とを備え、
前記制御部は、
前記太陽電池の動作点が前記通常動作範囲内である場合に、前記太陽電池の動作点を通常変更幅で最適動作点に近づける通常制御を行い、
前記太陽電池の動作点が前記通常動作範囲外である場合に、前記通常制御とは異なる非通常制御を行うことを特徴とする制御装置。
前記太陽電池の出力電力が大きいほど、前記通常動作範囲が広いことを特徴とする請求項１に記載の制御装置。
前記通常範囲は、前記太陽電池のパネル温度が第１温度範囲内で変化するケースにおける前記日射量毎の最適動作点と、前記太陽電池のパネル温度が第１温度範囲よりも高い第２温度範囲内で変化するケースにおける前記日射量毎の最適動作点とによって定められることを特徴とする請求項１に記載の制御装置。
前記通常範囲は、前記太陽電池のパネル温度毎に定められることを特徴とする請求項１に記載の制御装置。
前記通常範囲を定める前記日射量毎の最適動作点は学習によって取得されることを特徴とする請求項１に記載の制御装置。