JP3949350B2

JP3949350B2 - 連系装置

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Publication number: JP3949350B2
Application number: JP2000122751A
Authority: JP
Inventors: 英雄岩本; 隆彦飯田; 展幸笠
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2000-04-24
Filing date: 2000-04-24
Publication date: 2007-07-25
Anticipated expiration: 2020-04-24
Also published as: JP2001309561A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、その出力電力が刻々と変化する直流電源から常時、最大電力を取り出して商用周波交流電源や交流負荷に与える連系装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
現在、太陽電池を用いた発電システムの開発が進んでおり、太陽電池から生じる直流電力を効率よく交流負荷や既存の交流電力系統に与えるための研究が広く行われている。
【０００３】
図７は、従来の連系装置を示したものである。この連系装置は、太陽電池１と、既存の電力系統である商用交流電源１５と、ＩＧＢＴ等のスイッチング素子を複数含み、太陽電池１の直流電力を交流電力に変換して逆潮流させるインバータ１０とを備えている。そして、太陽電池１の負極であるノード３には変流器４の一端が接続されている。変流器４は太陽電池１が出力する電流ｉ_DCの検出のために設けられる。なお、ノード３には接地電位ＧＮＤが与えられている。また、太陽電池１の正極であるノード２と変流器４の他端であるノード５との間には、コンデンサ６および電圧検出部９が互いに並列に接続されている。コンデンサ６は太陽電池１が出力する電圧ｖ_DCの平滑化のために、電圧検出部９は電圧ｖ_DCの検出のために、それぞれ設けられる。
【０００４】
インバータ１０の両入力端はそれぞれノード２およびノード５に接続されている。また、インバータ１０の一つの出力端であるノード１１にはインダクタ１７の一端が接続されている。また、インダクタ１７の他端であるノード１６およびインバータ１０の他の出力端であるノード１２の間にはコンデンサ１９が接続されている。インダクタ１７およびコンデンサ１９はＬＣ回路を構成し、インバータ１０の出力電圧から高調波を除去するフィルタとして機能する。また、電圧検出部１８がコンデンサ１９と並列に接続され、ノード１２には変流器１３の一端が接続されている。そして、ノード１６および変流器１３の他端であるノード１４の間に商用交流電源１５が接続されている。変流器１３は商用交流電源１５に流れる電流ｉ_ACの検出のために、電圧検出部１８は商用交流電源１５の両端にかかる電圧ｖ_ACの検出のために、それぞれ設けられる。
【０００５】
さて一般に、太陽電池の出力電力特性は気象（日射量）や温度等の環境条件によって刻々と変化する。すなわち、環境条件によって出力電力が最大となるときの出力電圧および出力電流の値が変化する。このことを示したのが図８である。図８はＰ−Ｖ特性とも称される特性図であり、太陽電池の出力電圧ｖ_DCと出力電力Ｐ_DC（＝ｉ_DC×ｖ_DC）との関係を表わしている。太陽電池のＰ−Ｖ特性は、図８に示すように山形のグラフとなる。そして、そのグラフのうち山の頂上にあたる部分が最大電力点となる。例えば図８に示すように、ある環境条件下でのＰ−Ｖ特性がＣ１であればそのときの最大電力点はＰ１であり、最大電力点Ｐ１に対応する出力電力Ｐ_DC1がそのときの最大電力である。また、この出力電力Ｐ_DC1を太陽電池に発生させるためには、太陽電池が最大電力点Ｐ１に対応する出力電圧ｖ_DC1を発生するよう、太陽電池に接続された外部回路を制御すればよい。
【０００６】
さて、時間の経過とともにＰ−Ｖ特性がＣ１からＣ２へと変化したとすると、最大電力点もＰ１からＰ２へと変化し、最大電力点に対応する出力電圧の値もｖ_DC1からｖ_DC2へと変化する。その場合、太陽電池に最大電力を発生させるためには、太陽電池の出力電圧がｖ_DC1でなくｖ_DC2となるように外部回路を制御する必要がある。
【０００７】
よって、連系装置において太陽電池を最も有効に利用するためには、常に最大電力を出力するよう太陽電池の出力電圧または出力電流を制御する最大電力追従制御機能が必要となる。
【０００８】
図７の連系装置の場合、インバータ１０が制御すべき外部回路にあたる。よって、このインバータ１０の含む各スイッチング素子を最適に制御して、商用交流電源１５に対しては適切な商用交流周波数や商用交流電圧を与えながら、かつ、太陽電池１が最大電力点に対応する電圧を出力するようにしなければならない。そのために最大電力追従制御部２０ｂが設けられる。
【０００９】
検出された電圧ｖ_DC，ｖ_AC、電流ｉ_DC，ｉ_ACの各値の情報は、いずれも最大電力追従制御部２０ｂに入力される。最大電力追従制御部２０ｂでは、これらの情報に基づいて、インバータ１０の含む各スイッチング素子を最適に制御するため、ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）パルスであるゲート信号ｖ_G1を発生させる。なお、ゲート信号ｖ_G1は増幅器２１により増幅され、各スイッチング素子を駆動するのに充分なパルス電力に増幅されたゲート信号ｖ_G2としてインバータ１０に与えられる。
【００１０】
最大電力追従制御部２０ｂは、図９に示すように、機能的には２つの部分に分別できる。すなわち、最大電力追従制御部２０ｂは、ゲート信号ｖ_G1を商用交流電源１５の位相や電圧値に合わせて発生させるためのＰＷＭパルス発生部２０３と、ＰＷＭパルス発生部２０３に対して最大電力点に適したパルス幅やパルス強度を指定する指令値ｉ^*を発生させるための指令値発生部２０４とを備える。ゲート信号ｖ_G1の発生には商用交流電源１５の電力の位相や電圧値を知る必要があるため、ＰＷＭパルス発生部２０３には電圧ｖ_ACおよび電流ｉ_ACの情報が入力される。また、指令値ｉ^*を発生させるためには太陽電池１の最大電力点を知る必要があるため、指令値発生部２０４には電圧ｖ_DCおよび電流ｉ_DCの情報が入力される。なお、指令値発生部２０４はＲＯＭおよびＲＡＭ等が接続された一般的なＣＰＵ内において所定のソフトウェアプログラムによって動作する。
【００１１】
指令値発生部２０４において太陽電池１の最大電力点を求める方法としては、例えば特願平１１−１６０４３５号公報に記載の技術や、よく知られた「山登り法」等を用いればよい。「山登り法」とは、はじめに太陽電池１の出力電圧が低めの値となるようインバータ１０を設定しておき、インバータ１０を制御して出力電圧を徐々に上げて太陽電池１の出力電力の変化を検出することで最大電力点に適した指令値ｉ^*を発生させ、このような動作を定期的にまたは変動があったときに繰り返す制御方法のことである。
【００１２】
図１０では、例として「山登り法」のアルゴリズムを指令値発生部２０４が採用した場合のブロック図を示している。すなわち、入力された電圧ｖ_DCおよび電流ｉ_DCの値が乗算されて、ある時刻ｔ_kにおける電力Ｐ_DC（ｋ）が求められる。なお、ｋは電圧ｖ_DCおよび電流ｉ_DCのサンプリング番号を示す整数であり、Ｐ_DC（ｋ）など（ｋ）が添付されている物理量は、時刻ｔ_kにおけるその物理量の値を示す。
【００１３】
そして、遅延バッファ２０４ａにおいて時刻ｔ_kより１サンプリング周期前の電力Ｐ_DC（ｋ−１）の値の情報が記憶され、電力Ｐ_DC（ｋ）と電力Ｐ_DC（ｋ−１）との差が計算される。そして、指令値算出部２０４ｂにおいて、その結果が正であるか負であるかが判定される。結果が正であった場合は電力の値が増加しており、結果が負であった場合は電力の値が減少していることになる。また、結果が０である場合には、例えば増加とみなせばよい。
【００１４】
そして、指令値算出部２０４ｂにおいて電力の増減に応じて指令値ｉ^*の増減を決定する。すなわち、電力Ｐ_DC（ｋ）と電力Ｐ_DC（ｋ−１）との差が正または０であるときは、サンプリング時刻ｔ_k-1において出力した指令値ｉ^*（ｋ−１）を増加させていた場合には今回出力する指令値ｉ^*（ｋ）をｉ^*（ｋ−１）に比べａ（ｋ）だけ増加させ、サンプリング時刻ｔ_k-1において出力した指令値ｉ^*（ｋ−１）を減少させていた場合には今回出力する指令値ｉ^*（ｋ）をｉ^*（ｋ−１）に比べａ（ｋ）だけ減少させる。一方、電力Ｐ_DC（ｋ）と電力Ｐ_DC（ｋ−１）との差が負であるときは、サンプリング時刻ｔ_k-1において出力した指令値ｉ^*（ｋ−１）を増加させていた場合には今回出力する指令値ｉ^*（ｋ）をｉ^*（ｋ−１）に比べａ（ｋ）だけ減少させ、サンプリング時刻ｔ_k-1において出力した指令値ｉ^*（ｋ−１）を減少させていた場合には今回出力する指令値ｉ^*（ｋ）をｉ^*（ｋ−１）に比べａ（ｋ）だけ増加させる。そして最終的には、指令値ｉ^*はＰ−Ｖ特性の全区間にわたってこれらの増減量が積分された値として出力される。
【００１５】
なお、指令値算出部２０４ｂから出力されるのは増減いずれかを示す情報（例えば＋１，−１）だけであり、その情報は増幅器２０４ｃによって制御ゲインＫ_Mだけ定数倍される。そして、この制御ゲインＫ_Mが指令値ｉ^*（ｋ）への増加分（または減少分）ａ（ｋ）となる。この制御ゲインＫ_Mの値は、制御が最適に行えるよう連系装置ごとに試行錯誤を経て調節される。
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
太陽光発電システムとしての連系装置においては、日照条件等が急変し太陽電池の発生し得る最大電力が急激に変化した場合、この変化に応じて商用交流電源に逆潮流している電力を速やかに制御する必要がある。
【００１７】
ところで太陽電池１の発生電力に変動が生じた場合、慎重に逆潮流電力を制御しないと過渡現象が生じ、一時的にインバータ１０内のスイッチング素子に過電流が流れる場合がある。この過電流によって過渡的ではあるもののスイッチング素子の温度が急上昇し、素子の信頼性が低下したり、最悪の場合には破損してしまうこともある。また、スイッチング素子がこの過電流をオン・オフするときに、大きなスパイク電圧が発生して、スイッチング素子の周辺に接続された他のデバイスを破損させてしまう場合もある。
【００１８】
さて、太陽電池１内には内部抵抗が存在し、また連系装置内には太陽電池１の平滑化のためのコンデンサ６が接続されているため、制御理論におけるいわゆる「一次遅れ」現象が生じる。したがって、最大電力追従制御部２０ｂでの制御用プログラムは、コンデンサ６の容量値の大きさに依存した「一次遅れ要素」を考慮して作成されねばならず、この「一次遅れ」現象への対策が不十分であるとインバータ１０内のスイッチング素子に過電流が流れてしまう。従来の連系装置においては、制御ゲインＫ_Mの値を調節することで「一次遅れ」現象による制御への悪影響を抑制していた。
【００１９】
連系装置内の「一次遅れ」現象は主としてコンデンサ６の容量値の大きさに依存し、容量値が少ないほど「一次遅れ」現象は抑制される。一方、太陽電池１の出力電圧を充分に平滑化するためには大きな容量値が必要であるので、通常、コンデンサ６には種々のコンデンサの中でも比較的容量値が大きい電解コンデンサが選択される。
【００２０】
しかし、電解コンデンサの容量値は、よく知られているように初期値ですら公称値に対して±50％程度の誤差があり、さらに経年変化によって初期値の半分以下にその容量値が減少する。また、容量値が大幅に減少する「容量抜け」や容量値が０となってしまう「パンク」と呼ばれる現象が、極少ない確率ではあるが発生する。
【００２１】
従来の連系装置において、コンデンサ６の初期値のバラツキに対しては、最初に制御ゲインＫ_Mの値を厳密に調節しておくことで対処できるが、コンデンサ６の経年変化に対しては、制御ゲインＫ_Mの値を最適に保つ配慮がなされてはいなかった。よって、従来の連系装置では、太陽電池１の発生電力に変動が生じた場合、制御ゲインＫ_Mの値がコンデンサ６の経年変化に対して最適ではないためにスイッチング素子に過電流が流れやすかった。
【００２２】
これに対する対策として、過渡現象時は過電流が発生しないように極端に逆潮流電力を絞ることなどが考えられているが、このような方法では例えば過渡現象時に充分な交流電圧を発生させることができずに商用交流電源１５に悪影響を与える可能性もある。
【００２３】
そこで、この発明は、太陽電池の出力の平滑化用コンデンサの容量値の経年変化によってインバータの制御に不調を来たしてインバータに過電流が流れるのを防止することが可能な連系装置を実現するものである。
【００２４】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明は、直流電源と、前記直流電源に並列に接続された第１のコンデンサと、前記直流電源が出力する直流電力を受けて交流電力に変換するインバータと、前記直流電力が最大となるよう前記インバータを制御する最大電力追従制御手段とを備え、前記最大電力追従制御手段は前記第１のコンデンサの容量値の変化を検出し、前記容量値の変化を前記インバータの制御に反映させる連系装置である。
【００２５】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の連系装置であって、前記直流電源が発生する電圧を異なる電圧値に変換して前記インバータに与えることにより前記直流電力を伝達するコンバータと、前記コンバータの出力する電圧が所定の値となるよう制御するコンバータ制御手段とをさらに備える連系装置である。
【００２６】
請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の連系装置であって、前記コンバータの出力側に並列に接続された第２のコンデンサをさらに備える連系装置である。
【００２７】
請求項４に記載の発明は、請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の連系装置であって、前記最大電力追従制御手段は、前記第１のコンデンサに流れる電流および前記第１のコンデンサに印加される電圧を前記インバータの制御により変化させつつ検出し、検出した前記第１のコンデンサの前記電流および電圧の値を用いつつ同定アルゴリズムに基づいて前記第１のコンデンサの容量値を同定することで前記第１のコンデンサの容量値の変化を検出する連系装置である。
【００２８】
請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の連系装置であって、前記最大電力追従制御手段は、電力について山登り法により前記インバータを制御する連系装置である。
【００２９】
【発明の実施の形態】
＜実施の形態１＞
図１はこの発明の実施の形態１にかかる連系装置を示す図である。図１に示すように、この連系装置は、図７に示した従来の連系装置と同様、太陽電池１と、既存の電力系統である商用交流電源１５と、ＩＧＢＴ等のスイッチング素子を複数含み、太陽電池１の直流電力を交流電力に変換して逆潮流させるインバータ１０とを備えている。なお、図１では太陽電池１を可変電圧源１ａとその内部抵抗１ｂとの直列接続として表示している。
【００３０】
そして、太陽電池１の負極であるノード３には変流器４の一端が接続され、接地電位ＧＮＤが与えられている。また、太陽電池１の正極であるノード２と変流器４の他端であるノード５との間には、電圧検出部９が接続されている。
【００３１】
インバータ１０の両入力端はそれぞれノード２およびノード５に接続されている。また、インバータ１０の一つの出力端であるノード１１にはインダクタ１７の一端が接続されている。また、インダクタ１７の他端であるノード１６およびインバータ１０の他の出力端であるノード１２の間にはコンデンサ１９が接続されている。インダクタ１７およびコンデンサ１９はＬＣ回路を構成し、インバータ１０の出力電圧から高調波を除去するフィルタとして機能する。また、電圧検出部１８がコンデンサ１９と並列に接続され、ノード１２には変流器１３の一端が接続されている。そして、ノード１６および変流器１３の他端であるノード１４の間に商用交流電源１５が接続されている。
【００３２】
一方、この連系装置では図７に示した従来の連系装置と異なり、ノード５にはコンデンサ６の一端が接続され、コンデンサ６の他端であるノード７には変流器８の一端が接続されている。そして、変流器８の他端はノード２に接続されている。コンデンサ６は従来と同様、太陽電池１が出力する電圧ｖ_DCの平滑化のために設けられるが、変流器８はコンデンサ６に流れる電流ｉ_Cの検出のために設けられる。なお、このコンデンサ６と太陽電池１の内部抵抗１ｂとがいわゆるＣＲ回路を構成し、この連系装置における「一次遅れ」現象を発生させる。
【００３３】
さらに、インバータ１０の含む各スイッチング素子を最適に制御するための最大電力追従制御部２０ａの構成も従来の最大電力追従制御部２０ｂとは異なっている。
【００３４】
検出された電圧ｖ_DC，ｖ_AC、電流ｉ_DC，ｉ_AC，ｉ_Cの各値の情報は、いずれも最大電力追従制御部２０ａに入力される。最大電力追従制御部２０ａでは、これらの情報に基づいて、インバータ１０の含む各スイッチング素子を最適に制御するため、ＰＷＭパルスであるゲート信号ｖ_G1を発生させる。なお、ゲート信号ｖ_G1は増幅器２１により増幅され、各スイッチング素子を駆動するのに充分なパルス電力に増幅されたゲート信号ｖ_G2としてインバータ１０に与えられる。
【００３５】
最大電力追従制御部２０ａは、図１に示すように、機能的には３つの部分に分別できる。すなわち、最大電力追従制御部２０ａは、ゲート信号ｖ_G1を交流電源の位相や電圧値に合わせて発生させるためのＰＷＭパルス発生部２０３と、ＰＷＭパルス発生部２０３に対して最大電力点に適したパルス幅を指定する指令値ｉ^*を発生させるための指令値発生部２０２と、コンデンサ６の容量値を算出する容量値算出部２０１とを備える。ゲート信号ｖ_G1の発生には商用交流電源１５の電力の位相や電圧値を知る必要があるため、ＰＷＭパルス発生部２０３には電圧ｖ_ACおよび電流ｉ_ACの情報が入力される。また、指令値ｉ^*を発生させるためには太陽電池１の最大電力点を知る必要があるため、指令値発生部２０２には電圧ｖ_DCおよび電流ｉ_DCの情報が入力される。また、コンデンサ６の容量値を算出するためにはコンデンサ６に流れる電流およびコンデンサ６に印加される電圧の情報が必要となるため、容量値算出部２０１には電圧ｖ_DCおよび電流ｉ_Cの情報が入力される。なお、容量値算出部２０１および指令値発生部２０２は、ＲＯＭおよびＲＡＭ等が接続された一般的なＣＰＵ内において所定のソフトウェアプログラムによって動作する。
【００３６】
さて、指令値発生部２０２において太陽電池１の最大電力点を求める方法として、本実施の形態においても例として「山登り法」を採用する。また、容量値算出部２０１においては、コンデンサ６の容量値を算出するための同定アルゴリズムが用いられる。ここでいう同定アルゴリズムとは、制御システム中の未知パラメータを同定するために誤差方程式に基づいたモデルを用いる制御理論における同定手法のことである。この同定アルゴリズムを用いれば、制御対象のパラメータの時間的変化にしたがって逐次、誤差方程式に基づいたモデルから未知パラメータを計算することで未知パラメータの真値の近似値が得られる。
【００３７】
図２は、「山登り法」のアルゴリズムを指令値発生部２０２が採用し、同定アルゴリズムの一例としてしばしば採用されるＬＭＳ（Least Mean Square）アルゴリズムを容量値算出部２０１が採用した場合のブロック図を示している（ＬＭＳアルゴリズムについては、新中新二著「適応アルゴリズム−離散と連続，真髄へのアプローチ−」１９９０年、産業図書株式会社発行、ｐ．９３を参照）。
【００３８】
ここで、コンデンサ６の容量値をＣとしてコンデンサ６に流れる電流ｉ_Cおよび印加される電圧ｖ_DCとの関係を表わすと回路方程式より以下のようになる。
【００３９】
【数１】

【００４０】
そして、数１を差分方程式で表わすと以下のようになる。
【００４１】
【数２】

【００４２】
数２において、ｋは電圧ｖ_DCおよび電流ｉ_Cのサンプリング番号を、Δｔはサンプリング周期を、それぞれ示す。なお、ｖ_DC（ｋ）など（ｋ）が添付されている物理量は、時刻ｔ_kにおけるその物理量の値を示す。
【００４３】
容量値Ｃを求めるには、本来ならば、この数２を変形して各サンプリング時刻における電圧ｖ_DCおよび電流ｉ_Cのデータをあてはめることで行える。ところが、この数２では容量値Ｃの値を求めるに際して、ｖ_DC（ｋ）とｖ_DC（ｋ−１）との差分をサンプリング周期Δｔで割った項すなわち時間微分の項が現れるため、ノイズの影響を受けやすいモデルとなる。
【００４４】
そこで、ＬＭＳアルゴリズムのモデルが採用される。このモデルは以下のように設定される。
【００４５】
【数３】

【００４６】
【数４】

【００４７】
数３は、数２に基づいて、時刻ｔ_kより１サンプリング周期前の時刻ｔ_k-1において同定されたコンデンサ６の容量値Ｃ^*（ｋ−１）を用いて計算された、時刻ｔ_kにおける計算上の電圧データｖ_DC ^*（ｋ）を表わしたものである。なお、数３の右辺は、数４のｖ_DC ^*（ｋ）に代入される。
【００４８】
また、数４は、１／Ｃ^*（ｋ）を同定すべき未知パラメータとして、パラメータｖ_DC（ｋ），ｉ_C（ｋ）を時間的に変化させたときに逐次、未知パラメータが真値に収束してゆくことが保証されたモデルである。なお、数４におけるゲインＫは、収束の速度等に影響を与えるファクターであり、実際には試行錯誤を経て調節される。
【００４９】
このようなモデルを用いれば、ｖ_DC（ｋ）とｖ_DC（ｋ−１）との差分をサンプリング周期Δｔで除することなく、すなわち時間微分することなく、未知パラメータ１／Ｃ^*（ｋ）を同定することができ、ノイズの影響の少ない高精度な検出が行える。
【００５０】
図２における容量値算出部２０１は、上記の数３、数４を実現したブロック図である。なお図２において、２０１ａ〜２０１ｃはいずれも遅延バッファであり、入力データを記憶して、時刻ｔ_kより１サンプリング周期前の時刻ｔ_k-1におけるデータを出力する。
【００５１】
まず、容量値算出部２０１に入力された電圧ｖ_DCおよび電流ｉ_Cの情報はそれぞれ、時刻ｔ_kにおける電圧データｖ_DC（ｋ）および電流データｉ_C（ｋ）として処理される。また、電圧ｖ_DCおよび電流ｉ_Cの情報はそれぞれ遅延バッファ２０１ｂ，２０１ｃに入力され、遅延バッファ２０１ｂ，２０１ｃからそれぞれ電圧データｖ_DC（ｋ−１）および電流データｉ_C（ｋ−１）が出力される。電流データｉ_C（ｋ−１）は、時刻ｔ_k-1における未知パラメータとして計算された１／Ｃ^*（ｋ−１）および予め情報が入力されたサンプリング周期Δｔと乗算される。そしてそれらの積と電圧データｖ_DC（ｋ−１）との和が計算されて、時刻ｔ_kにおける計算上の電圧データｖ_DC ^*（ｋ）が求められる。ここまでの過程は数３を実現したものである。
【００５２】
次に、計算上の電圧データｖ_DC ^*（ｋ）と実測された電圧データｖ_DC（ｋ）との差が計算され、その結果と電流データｉ_C（ｋ）および予め情報が入力されたゲインＫとが乗算される。そして、それらの積と未知パラメータ１／Ｃ^*（ｋ−１）との和が計算されて、時刻ｔ_kにおける未知パラメータ１／Ｃ^*（ｋ）が計算される。ここまでの過程は数４を実現したものである。なお、計算された未知パラメータ１／Ｃ^*（ｋ）は、指令値発生部２０２に出力されるとともに遅延バッファ２０１ｃにも入力される。
【００５３】
なお、未知パラメータ１／Ｃ^*（ｋ−１）の初期値は、コンデンサ６の初期値Ｃの逆数であり、予め遅延バッファ２０１ｃに記憶されている。また、電圧データｖ_DC（ｋ−１）および電流データｉ_C（ｋ−１）の初期値は、例えばともに０としておけばよい。
【００５４】
以上のようなＬＭＳアルゴリズムを実現した容量値算出部２０１において、入力される電圧ｖ_DCおよび電流ｉ_Cの情報の時間的変化にしたがって逐次、未知パラメータ１／Ｃ^*（ｋ）が計算され、真値に近づいてゆく。
【００５５】
なお、このような計算で近似が行われるためには、入力される電圧ｖ_DCおよび電流ｉ_Cの情報の時間的変化が存在することが望ましいが、太陽電池１の出力電圧および出力電流は前述のように変化しやすくこのような同定アルゴリズムに適している。
【００５６】
また、山登り法のように、太陽電池１の出力電圧および出力電流を変化させつつ検出して電力特性を求め、その電力特性に基づいて指令値を算出し、算出した指令値によりインバータを制御する制御法も、太陽電池１の出力電圧および出力電流が必然的に変化するので、このような同定アルゴリズムに適している。コンデンサ６の容量値の同定のためだけに太陽電池１の出力電圧および出力電流を変化させる必要がなく、制御に伴って必然的に変化する太陽電池１の出力電圧および出力電流を検出するだけでよいからである。
【００５７】
また、山登り法を用いれば、サンプリング周期Δｔを短かくしたり、太陽電池１の出力電圧を大きく変化させてサンプリング範囲を広くすることも可能である。そのため、同定アルゴリズムにおいてデータの取得回数および取得範囲を増加させることができ、コンデンサ６の容量値がより真値に収束しやすく、コンデンサ６の容量値をより精度よく同定できる。
【００５８】
さて、図２における指令値発生部２０２は、山登り法と制御ゲインＫ_Mの補正を表わしたブロック図である。なお図２において、２０２ａ，２０２ｅ，２０２ｇはいずれも遅延バッファであり、入力データを記憶して、時刻ｔ_kより１サンプリング周期前の時刻ｔ_k-1におけるデータを出力する。まず、図１０に示した指令値発生部２０４と同様、入力された電圧ｖ_DCおよび電流ｉ_DCの値が乗算されて、時刻ｔ_kにおける電力Ｐ_DC（ｋ）が求められる。そして、遅延バッファ２０２ａにおいて時刻ｔ_kより１サンプリング周期前の電力Ｐ_DC（ｋ−１）の値の情報が記憶され、電力Ｐ_DC（ｋ）と電力Ｐ_DC（ｋ−１）との差が計算される。そして、指令値算出部２０２ｂにおいて、その結果が正であるか負であるかが判定される。結果が正であった場合は電力の値が増加しており、結果が負であった場合は電力の値が減少していることになる。また、結果が０である場合には、例えば増加とみなす。
【００５９】
そして、指令値算出部２０２ｂにおいて電力の増減に応じて指令値ｉ^*の増減を決定する。すなわち、電力Ｐ_DC（ｋ）と電力Ｐ_DC（ｋ−１）との差が正または０であるときは、サンプリング時刻ｔ_k-1において出力した指令値ｉ^*（ｋ−１）を増加させていた場合には今回出力する指令値ｉ^*（ｋ）をｉ^*（ｋ−１）に比べａ（ｋ）だけ増加させ、サンプリング時刻ｔ_k-1において出力した指令値ｉ^*（ｋ−１）を減少させていた場合には今回出力する指令値ｉ^*（ｋ）をｉ^*（ｋ−１）に比べａ（ｋ）だけ減少させる。一方、電力Ｐ_DC（ｋ）と電力Ｐ_DC（ｋ−１）との差が負であるときは、サンプリング時刻ｔ_k-1において出力した指令値ｉ^*（ｋ−１）を増加させていた場合には今回出力する指令値ｉ^*（ｋ）をｉ^*（ｋ−１）に比べａ（ｋ）だけ減少させ、サンプリング時刻ｔ_k-1において出力した指令値ｉ^*（ｋ−１）を減少させていた場合には今回出力する指令値ｉ^*（ｋ）をｉ^*（ｋ−１）に比べａ（ｋ）だけ増加させる。そして最終的には、指令値ｉ^*はＰ−Ｖ特性の全区間にわたってこれらの増減量が積分された値として出力される。
【００６０】
なお、指令値算出部２０２ｂから出力されるのは増減いずれかを示す情報（例えば＋１，−１）だけであり、その情報は増幅器２０２ｃによって制御ゲインＫ_Mだけ定数倍される。この制御ゲインＫ_Mの値は、制御が最適に行えるよう連系装置ごとに試行錯誤を経て調節される。
【００６１】
そしてさらに指令値発生部２０２は、従来の連系装置における指令値発生部２０４と異なり、同定されたコンデンサ６の容量値Ｃ^*（ｋ）が初期値Ｃに比して所定値ｂよりも大きく変化していた場合には、増幅器２０２ｃから出力される制御ゲインＫ_MにＣ／Ｃ^*（ｋ）だけ重み付けを行って、その値を増加分（または減少分）ａ（ｋ）として計算する。このような重み付けを行うのは、経年変化によって例えばコンデンサ６の容量値が減少した場合には時定数が減少するので、その分、過渡応答を早める必要があることを考慮したものである。
【００６２】
一方、同定されたコンデンサ６の容量値Ｃ^*（ｋ）が初期値Ｃに比して所定値ｂほどは変化していない場合には、コンデンサ６の容量値の変化を考慮することなく従来と同様、制御ゲインＫ_Mの値をそのまま増加分（または減少分）ａ（ｋ）として計算する。
【００６３】
図２においては、指令値算出部２０２ｂ、増幅器２０２ｃ、スイッチ２０２ｄ，２０２ｆおよび遅延バッファ２０２ｅ，２０２ｇがこれらの動作を表わしている。すなわち、指令値算出部２０２ｂは、容量値算出部２０１において同定されたコンデンサ６の容量値の逆数１／Ｃ^*（ｋ）を得て容量値Ｃ^*（ｋ）を演算し、予め入力されていた初期値Ｃを用いて初期値Ｃと容量値Ｃ^*（ｋ）との差を計算する。そして、その差の絶対値が予め入力されていた所定値ｂよりも大きいかどうかを判断し、大きければ図２においてスイッチ２０２ｄが図中▲１▼の方向に導通し、スイッチ２０２ｆが図中▲２▼の方向に導通するよう命令を与える。一方、その差の絶対値が所定値ｂよりも小さければ図２においてスイッチ２０２ｄが図中▲２▼の方向に導通し、スイッチ２０２ｆが図中▲１▼の方向に導通するよう命令を与える。
【００６４】
初期値Ｃと容量値Ｃ^*（ｋ）との差の絶対値が所定値ｂよりも大きい場合、増幅器２０２ｃから出力された制御ゲインＫ_M（ｋ）は上述のように重み付けされて、
【００６５】
【数５】

【００６６】
となる。そして、このＫ_M（ｋ）の値が、増加分（または減少分）ａ（ｋ）とされる。一方、その差の絶対値が所定値ｂよりも小さい場合は、制御ゲインＫ_Mの値がそのまま増加分（または減少分）ａ（ｋ）とされる。
【００６７】
そして、増加分（または減少分）ａ（ｋ）は遅延バッファ２０２ｅから出力される指令値ｉ^*（ｋ−１）に加算される。そして指令値ｉ^*（ｋ）としてＰＷＭパルス発生回路２０３および遅延バッファ２０２ｅに入力される。なお、増加分（または減少分）ａ（ｋ）は遅延バッファ２０２ｇにも入力され、遅延バッファ２０２ｇからは１サンプリング周期前の増加分（または減少分）ａ（ｋ−１）が指令値算出部２０２ｂへと出力される。そして、指令値算出部２０２ｂにおいて、電力Ｐ_DC（ｋ）が前回の電力Ｐ_DC（ｋ−１）に比して増加したかどうか、および前回の増加分（または減少分）ａ（ｋ−１）が増加または減少のいずれであったかに応じて増幅器２０２ｃに対して＋１または−１のいずれかの値を出力する。
【００６８】
以上に述べた過程のうち、ある時刻ｔ_kにおけるデータのサンプリングから容量値のデータの格納までをフローチャートにまとめたのが、図３である。山登り法のアルゴリズム（割り込み処理）が開始する（ステップＳＴ０）と、まず、電流ｉ_DC（ｋ），ｉ_C（ｋ）および電圧ｖ_DC（ｋ）が検出される（ステップＳＴ１）。そして、容量値算出部２０１において容量値を算出するために計算上の電圧データｖ_DC ^*（ｋ）の算出が行われる（ステップＳＴ２）。そして、計算上の電圧データｖ_DC ^*（ｋ）および実測された電圧データｖ_DC（ｋ）等から未知パラメータである容量値の逆数１／Ｃ^*（ｋ）を計算する（ステップＳＴ３）。
【００６９】
次に、指令値発生部２０２において、制御ゲインＫ_Mに補正を施す必要があるかどうか、すなわち、コンデンサ６の初期値Ｃと容量値Ｃ^*（ｋ）との差が所定値ｂより大きいかどうかを判断し（ステップＳＴ４）、大きい場合には制御ゲインＫ_MにＣ／Ｃ^*（ｋ）の重み付けを行い（ステップＳＴ５ａ）、小さい場合には制御ゲインＫ_MをそのままＫ_M（ｋ）として出力する（ステップＳＴ５ｂ）。
【００７０】
そして、指令値発生部２０２において、
【００７１】
【数６】

【００７２】
として時刻ｔ_kにおける電力Ｐ_DC（ｋ）の算出が行われる（ステップＳＴ６）。この時刻ｔ_kにおける電力Ｐ_DC（ｋ）の値と前回の電力Ｐ_DC（ｋ−１）の値との差が正または０であり（ステップＳＴ７）、サンプリング時刻ｔ_k-1において出力した指令値ｉ^*（ｋ−１）をａ（ｋ−１）の分だけ増加させていた（ステップＳＴ８ａ）場合には、今回出力する指令値ｉ^*（ｋ）をｉ^*（ｋ−１）に比べａ（ｋ）だけ増加させ（ステップＳＴ９ａ）、サンプリング時刻ｔ_k-1において出力した指令値ｉ^*（ｋ−１）を減少させていた（ステップＳＴ８ａ）場合には今回出力する指令値ｉ^*（ｋ）をｉ^*（ｋ−１）に比べａ（ｋ）だけ減少させる（ステップＳＴ９ｂ）。一方、電力Ｐ_DC（ｋ）と電力Ｐ_DC（ｋ−１）との差が負であるとき（ステップＳＴ７）は、サンプリング時刻ｔ_k-1において出力した指令値ｉ^*（ｋ−１）を増加させていた（ステップＳＴ８ｂ）場合には今回出力する指令値ｉ^*（ｋ）をｉ^*（ｋ−１）に比べａ（ｋ）だけ減少させ（ステップＳＴ９ｄ）、サンプリング時刻ｔ_k-1において出力した指令値ｉ^*（ｋ−１）を減少させていた（ステップＳＴ８ｂ）場合には今回出力する指令値ｉ^*（ｋ）をｉ^*（ｋ−１）に比べａ（ｋ）だけ増加させる（ステップＳＴ９ｃ）。すなわち、この指令値ｉ^*（ｋ）は、
【００７３】
【数７】

【００７４】
として算出される（ステップＳＴ１０）。
【００７５】
そして、算出された容量値の逆数１／Ｃ^*（ｋ）が遅延バッファ２０１ｃに格納され、次の時刻ｔ_k+1または次回の制御時の容量値算出の初期値として利用される（ステップＳＴ１１）。このようにして一連の割り込み処理が終了する（ステップＳＴ１２）。
【００７６】
本実施の形態にかかる連係装置を用いれば、最大電力追従制御部２０ａがコンデンサ６の容量値の変化を検出し、その容量値の変化をインバータ１０の制御に反映させるので、コンデンサ６の容量値の変化によってインバータ１０の制御に不調を来たしてインバータ１０に過電流が流れるのを防止できる。また、最大電力追従制御部２０ａが、検出したコンデンサ６の電流ｉ_Cおよび電圧ｖ_DCの値を用いつつ同定アルゴリズムに基づいてコンデンサ６の容量値Ｃ^*（ｋ）を同定することでコンデンサ６の変化を検出するので、回路方程式を解いてコンデンサ６の容量値を求める場合に比べ、ノイズの影響の少ない高精度な検出が行える。
【００７７】
さらに、最大電力追従制御部２０ａが、コンデンサ６に流れる電流ｉ_Cおよびコンデンサ６に印加される電圧ｖ_DCを変化させつつ検出する際に、さらに太陽電池１の直流電力の電力特性を求め、コンデンサ６の容量値の変化を反映させつつ電力特性に基づいて指令値ｉ^*を算出し、指令値ｉ^*によりインバータ１０を制御するので、コンデンサ６の容量値の変化の検出とインバータの制御とが同時に行える。また、山登り法を用いるので、サンプリング周期Δｔを短かくしたり、太陽電池１の出力電圧を大きく変化させてサンプリング範囲を広くすることが可能である。そのため、同定アルゴリズムにおいてコンデンサ６の容量値がより真値に収束しやすく、コンデンサ６の容量値をより精度よく同定できる。
【００７８】
＜実施の形態２＞
図４はこの発明の実施の形態２にかかる連系装置を示す図である。なお、図４では実施の形態１と同様の機能を有する要素については同一符号を付している。図４の如く、この実施の形態の連系装置は、実施の形態１にかかる連系装置にさらに、昇降圧チョッパなどからなるコンバータ２２、コンバータ２２の出力を平滑化するためのコンデンサ２４、コンバータ２２の出力電圧ｖ_Cを検出するための電圧検出部２６およびコンバータ２２の有するスイッチング素子を制御するコンバータ制御部２７がインバータ１０とコンデンサ６との間に加わったものである。すなわち、コンバータ２２の両入力端はそれぞれノード２およびノード５に接続されている。また、コンバータ２２の両出力端であるノード２３およびノード２５がそれぞれインバータ１０の両入力端に接続されている。また、ノード２３およびノード２５の間には、コンデンサ２４と電圧検出部２６とが互いに並列に接続されている。そして、電圧検出部２６により検出された出力電圧ｖ_Cがコンバータ制御部２７に入力される。また、コンバータ２２の出力すべき電圧の情報も参照値ｖ_REFとしてコンバータ制御部２７に入力される。そして、コンバータ制御部２７は、コンバータ２２に対し、コンバータ２２の有するスイッチング素子を制御するためのゲート信号ｖ_G3を出力する。
【００７９】
その他の構成は実施の形態１にかかる連系装置と同様のため、説明を省略する。
【００８０】
上記構成の連系装置では、コンバータ２２の出力電圧ｖ_Cが参照値ｖ_REFにより指定された電圧値を維持するようにコンバータ制御部２７によってフィードバックがかけられており、コンバータ２２の出力電圧ｖ_Cは一定の値となる。
【００８１】
このように、コンバータ２２が変動する太陽電池１の出力電圧を一定の値に固定するので、インバータ１０は太陽電池１の出力電圧を調節する必要がなくなり、コンデンサ６の経年変化を考慮した交流電力の調整が容易となる。
【００８２】
よって、本実施の形態にかかる連係装置を用いれば、コンバータ２２およびコンバータ制御手段２７によって太陽電池１の発生する電圧が所定の値に変換されてインバータ１０に与えられるので、太陽電池１の発生する電圧が変動しやすい場合であってもインバータ１０は電圧の調整を行う必要がなく、逆潮流させる交流電力の調整を行うだけでよい。そのため、インバータ１０の性能を充分に発揮させることができる。また、コンデンサ２４がコンバータ２２の出力側に並列に接続されるので、コンバータの出力する電圧を平滑化できる。
【００８３】
＜実施の形態３＞
図５はこの発明の実施の形態３にかかる連系装置を示す図である。なお、図５では実施の形態１と同様の機能を有する要素については同一符号を付している。図５に示すようにこの実施の形態の連系装置は、実施の形態１にかかる連系装置にさらに、交流負荷２８がノード１６とノード１４との間に加わったものである。このように交流負荷２８が商用交流電源１５に並列に接続されておれば、交流電力を、商用交流電源１５に逆潮流させるだけでなく交流負荷２８にも与えることができる。
【００８４】
その他の構成は実施の形態１にかかる連系装置と同様のため、説明を省略する。
【００８５】
本実施の形態にかかる連係装置を用いれば、交流負荷２８が商用交流電源１５に並列に接続されるので、太陽電池１の出力する直流電力から変換された交流電力を、商用交流電源１５に逆潮流させるだけでなく交流負荷２８にも与えることができる。
【００８６】
なお、実施の形態２にかかる連系装置においても、本実施の形態と同様、交流負荷２８を商用交流電源１５に並列に接続してもよい。
【００８７】
＜実施の形態４＞
図６はこの発明の実施の形態４にかかる連系装置を示す図である。なお、図６では実施の形態１と同様の機能を有する要素については同一符号を付している。この実施の形態の連系装置は、太陽電池１を用いるのではなくその他の直流電源２９を用いるものである。なお、図６に示すように直流電源２９は内部抵抗３０を有している。
【００８８】
その他の構成は実施の形態１にかかる連系装置と同様のため、説明を省略する。
【００８９】
例えば、燃料電池等の他の直流電源を用いる場合も、太陽電池の場合と同様の最大電力追従制御機能が必要となる。そのような場合も、平滑化用コンデンサの経年変化の問題は生じ得るものであり、本発明は有効となる。
【００９０】
【発明の効果】
請求項１に記載の発明によれば、最大電力追従制御手段が第１のコンデンサの容量値の変化を検出し、容量値の変化をインバータの制御に反映させるので、第１のコンデンサの容量値の変化によってインバータの制御に不調を来たしてインバータに過電流が流れるのを防止できる。
【００９１】
請求項２に記載の発明によれば、コンバータおよびコンバータ制御手段によって直流電源の発生する電圧が所定の値に変換されて直流電源からインバータに与えられるので、直流電源の発生する電圧が変動しやすい場合であってもインバータは電圧調整を行う必要がなく、第１のコンデンサの容量値の変化を反映した交流電力の調整が容易となる。
【００９２】
請求項３に記載の発明によれば、第２のコンデンサがコンバータの出力側に並列に接続されるので、コンバータの出力する電圧を平滑化でき、請求項２に記載の発明の効果を高めることができる。
【００９３】
請求項４に記載の発明によれば、最大電力追従制御手段が、検出した第１のコンデンサの電流および電圧の値を用いつつ同定アルゴリズムに基づいて第１のコンデンサの容量値を同定することで第１のコンデンサの変化を検出するので、回路方程式を解いて第１のコンデンサの容量値を求める場合に比べ、ノイズの影響の少ない高精度な検出が行える。
【００９４】
請求項５に記載の発明によれば、最大電力追従制御手段が、山登り法によりインバータを制御するので、サンプリング周期を短かくしたり、サンプリング範囲を広くすることが可能であり、第１のコンデンサの容量値をより精度よく同定できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態１にかかる連系装置を示す図である。
【図２】この発明の実施の形態１にかかる連系装置の容量値算出部２０１および指令値発生部２０２を示す図である。
【図３】この発明の実施の形態１にかかる連系装置における動作を表わすフローチャートを示す図である。
【図４】この発明の実施の形態２にかかる連系装置を示す図である。
【図５】この発明の実施の形態３にかかる連系装置を示す図である。
【図６】この発明の実施の形態４にかかる連系装置を示す図である。
【図７】従来の連系装置を示す図である。
【図８】太陽電池のＰ−Ｖ特性を示す図である。
【図９】従来の連系装置のＰＷＭパルス発生部２０３および指令値発生部２０４を示す図である。
【図１０】従来の連系装置の指令値発生部２０４を示す図である。
【符号の説明】
１太陽電池、６，１９，２４コンデンサ、１０インバータ、１５商用交流電源、２０ａ，２０ｂ最大電力追従制御部、２０１容量値算出部、２０２，２０４指令値発生部、２０３ＰＷＭパルス発生部、２２コンバータ、２７コンバータ制御部、２８交流負荷、２９直流電源。

Claims

直流電源と、
前記直流電源に並列に接続された第１のコンデンサと、
前記直流電源が出力する直流電力を受けて交流電力に変換するインバータと、
前記直流電力が最大となるよう前記インバータを制御する最大電力追従制御手段とを備え、
前記最大電力追従制御手段は前記第１のコンデンサの容量値の変化を検出し、前記容量値の変化を前記インバータの制御に反映させる連系装置。
請求項１に記載の連系装置であって、
前記直流電源が発生する電圧を異なる電圧値に変換して前記インバータに与えることにより前記直流電力を伝達するコンバータと、
前記コンバータの出力する電圧が所定の値となるよう制御するコンバータ制御手段とをさらに備える連系装置。
請求項２に記載の連系装置であって、
前記コンバータの出力側に並列に接続された第２のコンデンサをさらに備える連系装置。
請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の連系装置であって、
前記最大電力追従制御手段は、前記第１のコンデンサに流れる電流および前記第１のコンデンサに印加される電圧を前記インバータの制御により変化させつつ検出し、検出した前記第１のコンデンサの前記電流および電圧の値を用いつつ同定アルゴリズムに基づいて前記第１のコンデンサの容量値を同定することで前記第１のコンデンサの容量値の変化を検出する連系装置。
請求項４に記載の連系装置であって、
前記最大電力追従制御手段は、電力について山登り法により前記インバータを制御する連系装置。