JP6097601B2

JP6097601B2 - 太陽電池の制御装置

Info

Publication number: JP6097601B2
Application number: JP2013047468A
Authority: JP
Inventors: 紘平大西; 将紀栗田; 俊祐松永; 亨河野; 正成藤森
Original assignee: Hitachi Industrial Equipment Systems Co Ltd
Current assignee: Hitachi Industrial Equipment Systems Co Ltd
Priority date: 2013-03-11
Filing date: 2013-03-11
Publication date: 2017-03-15
Anticipated expiration: 2033-03-11
Also published as: CN105074604A; DE112014000638B4; WO2014141760A1; JP2014174777A; CN105074604B; DE112014000638T5

Description

本発明は、太陽電池の制御装置に関わる。

太陽電池には、日射量や温度の変化によって、動作電圧または動作電流に対する出力電力が変化するという特性がある。そのため、太陽電池の制御の際には、最大電力を取り出せる動作点（以下、最大電力点）に太陽電池の出力電圧を設定することが重要になる。この最大電力動作点を自動的に追尾し、太陽電池の発電効率を向上させる制御は、最大電力点追従制御と呼ばれる。

最大電力点追従制御については、多くの方法が提案されている。その中でも比較的追従性能が良く、シーケンスが簡素である山登り法が広く利用されており、特許文献１に、そのシーケンスが記載されている。山登り法では、出力電圧Ｖ0で運転中に、重畳電圧ΔＶを加算した時の電力Ｐの変化量ΔＰが正であれば、出力電圧Ｖ0は最大電力点電圧Ｖmax よりも小さいものと判断して、Ｖ0＋ΔＶを新たな動作点とし、変化量ΔＰが負であれば、出力電圧Ｖ0は最大電力点電圧Ｖmaxよりも大きいものと判断して、Ｖ0−ΔＶを新たな動作点とし、この動作を繰り返すことにより、太陽電池の出力を最大電力点に暫時近づけていく。

また、特許文献２では最大電力点へ高速に追従させる制御方法が開示されている。動作電圧が、増加方向又は減少方向のいずれかの方向に、設定された回数だけ変化した場合に、動作電圧の変化幅が比較的大きくなるように制御し、動作電圧が、増加方向と減少方向とを繰り返すように変化した場合に、前記動作電圧の変化幅が比較的小さくなるように制御することで、高速な追従を実現している。

特開昭61-97721号特開平8‐44445号

特許文献１に示される最大電力点追従制御では、日射量や温度変化の小さい特性に対しては、最大電力点付近を追従可能である。しかし、日射が急激に変化した場合には、最大電力点から大きく外れた後、改めて山登りを行うため、電力を大きく損失する。このため、山登りを高速なタイミングで実施し、最大電力点までの到達時間を短くして、電力損失を削減することが考えられている。しかし、山登り法の高速化の効果は、ある一定の日射変化のスピードにのみ有効であり、このスピードより遅い速度で日射量が変化した場合、最大電力点追従制御で指令する電圧が真の最大電力点電圧と乖離し、電力損失を新たに発生させてしまう。

特許文献２に示される最大電力点追従制御を用いると、日射量の変化幅が増加したときには動作電圧の変化幅が拡大されるため、高速に最大電力点を追従することができる。しかしながら、前述の重畳信号は、電圧指令値の変化に対して実電圧が追従するまで印加する必要がある。この時間は、負荷機器の特性によっては、比較的長い時間に渡ることもある。さらに電圧や電流値の取り込みの際、平均値が算出のための周期的なサンプリングが行われることや、平均値取得からのシーケンス処理が0.1~1秒毎の一定周期で行われていることから、1回の追従処理にはある程度の時間を要することになり、この間の日射変動や負荷変動による動作点の変化には追従することができない。

そこで、本発明では、以上のような従来技術の課題を検討し、より日射量の急激な変化に対応しうる太陽電池の制御装置を提供することを目的とする。

本願発明による課題を解決する手段のうち代表的なものを例示すれば、太陽電池の制御装置であって、太陽電池の電力値を計測する電力計測部と、太陽電池の動作電圧を決定する電圧制御部と、電力値を積算し、電力値の平均値を算出する平均化部と、電力値の偏差情報と積算の回数から算出される閾値と、電力計測部において計測された電力値と平均値の差分値の絶対値と、を比較し、差分値の絶対値が閾値より大きい場合は、積算を止め、動作電圧を決定する電圧指令値を生成する最大電力点追従制御部と、を有することを特徴とする。

前記手段により、本発明を用いれば、より効率の高い太陽光発電システムの制御装置を提供することが可能となる。

本発明の実施例に係る太陽光発電システムの構成を示すブロック図である。本発明の実施例に係る電力平均化部のブロック図である。本発明の実施例に係るAVR制御のブロック構成図である。本発明の実施例１に係る最大電力点追従制御のフローチャートである。本発明の実施例１に係る移動電圧幅設定のフローチャートである。従来の山登り法を実装した場合のタイミングチャートである。本発明の実施例１に係る発明の効果を示すタイミングチャートである。本発明の実施例１の変形例の効果を示すタイミングチャートである。本発明の実施例２に係る系統擾乱時の継続運転から復帰する動作を示すフローチャートである。本発明の実施例２に係る移動電圧幅設定のフローチャートである。本発明の実施例２の効果を示すタイミングチャートである。

以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。

図１はパワーコンディショナ７を採用した太陽光発電システムのブロック構成図である。パワーコンディショナ７は、太陽電池アレイ１が発電する直流電力を系統の交流電力系統ライン６に同期した交流に変換する。６は一般の電力系統ラインで、例えば交流電圧２００Ｖまたは４００Ｖ、周波数５０または６０Ｈｚのラインである。一般の需要家の負荷が接続されているラインである。このパワーコンディショナ７は、DC/ACインバータ２、電力計測部３１、電圧計測部３２、電力平均化部３、ＡＶＲ制御部（Automatic Voltage Regulator）4、最大電力点追従制御部５によって構成される。インバータ２は、太陽電池アレイ１で発電された直流電力を、系統電圧に同期した交流電力（商用電力）に変換する。太陽電池アレイ１の動作電圧を制御するように、ＡＶＲ制御部４（Automatic Voltage Regulator）からインバータ２にＰＷＭ信号が供給される。

太陽電池アレイ１からの発電電力は、インバータ２に供給されると共に、太陽電池アレイ１の出力制御のための情報として、電力計測部３１と電圧計測部３２から直流電力と電圧の形で、パワーコンディショナ７内に取り込まれる。パワーコンディショナ７に取り込まれた電力情報は、電力平均化部３において周期的な複数のサンプリングを行い平均化される。この電力平均化部３によって、測定の不確かさが抑制された電力情報と、太陽電池アレイ１から取り込まれた電力情報の２つの情報が、最大電力点追従制御部５へ送信される。最大電力点追従制御部５においては、後述する論理に従い、次の探索用の設定電圧を決め、ＡＶＲ制御部４に電圧指令値を送る。

図２は、電力平均化部の機能を示したブロック図である。現在、取り込まれた直流電力の値をP[n]とし、１つ前にサンプルした直流電力をP[n-1]、同様にP[n-2]、…、P[0]と表す。mはサンプリング番号、z^-1は入力を１サンプル時間遅らせて出力する記号であり、現在の値と１サンプルずつ遅らせたものを足し合わせ、その値を1/ｍにし平均をとる。つまり、サンプリング回数が増えるほど、測定データの不確かさUcが、（√ｍ）倍向上することになる。このサンプリングによる平均化のことを以下、平均化処理を呼ぶこととする。

図３は、ＡＶＲ制御部４の機能を示したブロック図である。最大電力点追従制御部５から送信された電圧指令値と太陽電池アレイ１からパワーコンディショナ７内に取り込まれた電圧を用いて、PI制御を行い、比較器９で三角波との比較を行うことで、電圧指令値に相応する通流率を持ったPWM信号に変換される。PI制御を示す伝達関数は、K2×｛K1＋（1/（τ・s））｝（Ｋ１、Ｋ２は所定の定数）と表される。ここで、電圧指令値に実電圧が収束するまでの時間を５τ程度設定する。この、収束するまで待機することを以下、AVR待機と呼ぶこととする。

図４（ａ）に、本発明に係るフローチャートを示す。まず、ステップS1において、太陽電池アレイ１から直流電力P[m], 直流電圧V*を取り込み、電力平均化部からPave[m-1]を取り込む。Pave[m-1]は、直流電力P[0]、P[1]、…、P[m-1]の加算平均電力である。次に、ステップS2において、測定の不確かさUcを算出する。ｍ-1回までの測定の不確かさUcは、P[0]、P[1]、…、P[m-1]の標準偏差を算出することによって得られる。一般に、標準偏差は、サンプリング数ｎが増えると、(√ｎ)分の1に抑制されることが知られている。ここで日射量が変化しないと仮定すると、m番目の計測値であるP[m]は、基本的には、P[0]、P[1]、…、P[m-1]の平均値Pave[m-1]±標準偏差Ucに位置する。つまり、ステップS3に示すように、m番目の計測値であるP[m]が、この平均値Pave[m-1]±標準偏差Uc内に位置している場合には、日射量の変化が少ないとみなし、ステップS4にて、サンプリング回数をインクリメント(m++)し、電力power に Pave[m-1] を代入する。このインクリメント動作は、設定したサンプリング数ｎになるまで行われる（ステップS5）。一方、m番目の計測値であるP[m]が、平均値Pave[m-1]±標準偏差Uc内に位置してない場合には、日射量が急変したとみなし、電力power には、日射変化後の最新電力 P[m]を取り込む(ステップS6)。

サンプリング数ｎの平均化処理が終了するか、または、最新電力 P[m]の取り込みが完了するか、いずれの場合においても、取り込まれたpowerを用い、S7、S8において極値監視かつ極値付近に動作点がいるか否かの判定を行う。極値の判定方法については、例えば、下記に述べるような方法が挙げられる。

極値においては、

が成り立つので、変形すると、以下の関係が成り立つ。

今回の最大電力点制御時の電圧指令値をV2、取り込んだ電力値powerをP2、前回の最大電力点制御時の電圧指令値をV1、取り込んだ電力値power をP1とし、電流値をそれぞれI1＝P1/V1, I2＝P2/V2と計算すると、ΔI=（I2-I1），ΔV=（V2-V1），I2，V2の関係から動作点が極値付近にあるか否かの判断は可能である。ステップS8において、極値付近にいると判断されれば、ステップS10に移動し、山登り法のような通常の最大電力点追従制御を適用する。極値付近にいないと判断されれば、ステップS9に移動し、後述する論理に従い、移動電圧幅を設定する。

ステップS９、ステップS10が終了すると電圧指令値の設定をステップS11で行う。ここで、前回の電圧指令値と今回の電圧指令値の差が小さければ、AVRの待機時間を図３中の時定数τに対し、2τ程度に設定し、前回の電圧指令値と今回の電圧指令値の差が大きければ、5τ程度に設定するなどの待機時間制御を行う。その後、ＡＶＲ制御部４に電圧指令値を送信し（ステップS11）、ステップS13において設定した応答時間の待機を行う。最後に、サンプリング回数の変数ｍを0に初期化して、電力平均化部３にサンプリング回数ｎを送信すると（ステップS14）、最大電力追従制御の1回のシーケンスが終了し、ステップS1にフィードバックする。

移動電圧幅の算出方法の詳細を以下に記述する。太陽電池の特性式は、式（３）で示される。

ここで、Iは太陽電池の出力電流、Vは太陽電池の出力電圧、Iscは短絡電流、pは日射量、Isは太陽電池セルの逆方向飽和電流、nfはダイオード接合定数、kはボルツマン定数、Tは絶対温度、Ncellはセル数、qは素荷量、Rsは太陽電池セル同士を接続する配線などの直列抵抗値、Rshは太陽電池セルのシャントを表す。簡単のため、Rs≒0、Rsh≒∞として電圧の式として変換すると式（４）になる。

日射量変化前ｐ１における極値付近で動作する電流値をIm1と、日射変化後ｐ２における電流値をI1とすると、変化前後における電圧値は同じであるため、式（４）を以下のように展開することができる。

対数内は、1となるので、以下の関係が成り立つ。

同様に、日射量変化前ｐ１における極値付近で動作する電流値Im1、日射変化後ｐ２における電流値Im２として、変化前後における移動すべき電圧幅ΔVを求めると、

となる。一般に、太陽電池特性について、日射量が異なる場合における短絡電流と最大動作電流の関係は、式（８）のような関係になると知られており、式（８）を式（７）に代入すると、式（９）の関係が成り立つ。

ここで、式（６）を変形し、式（８）を用いて、以下のように変換する。

ｊはおよそ0.9の値を取ることが一般的であるが、簡単のため、ｊ＝1.0と設定すると、式（１０）を用いて、式（９）は、

で表すことが出来る。ここで、Im1とI1の動作電圧は同じなので、電流値を電力値として置き換えることも可能である。

図４（ａ）のフローにて、前回の最大電力点制御時に取り込んだ電力値power をP1とし、今回、取り込んだ電力値powerをP2とすると、P２は不確かさUcを持つので、P2±Ucの範囲に真の値がある。ここで、不確かさの表現を％表記Uc’として考えると、P２×(1±Uc’)となるから、式（１１）は、式（１２）または式（１３）で示すことができる。

図4（ｂ）に、図４（ａ）中のステップS9の移動電圧幅設定の詳細なフローチャートを示す。まず、ステップS15にて、電力の比と大小関係の比較を行うための閾値Pthを設定する。この閾値は変動幅を決めるための条件分岐で使用する。閾値決定後、P2とP1から電圧の移動方向を決める信号Signを１または−１で設定する(ステップS16)。Sign=1の時は、電力が増加した場合であり、不確かさUcはプラス方向にシフトする。Sign=-1の場合は電力が減少した場合であり、不確かさUcはマイナス方向にシフトする。次に、ステップS17において、不確かさの表現を％に変換し、最後に、電力の比を式（１２）の対数内のような形で算出する（ステップS18）。

上記のパラメータの設定後、電力の比と閾値Pthの比較を実施し、電力の比が閾値より大きな値であれば、閾値Pthをべき乗し、新たに電力の比と比較を行う。条件が満たされたべき乗数の数に従い変動幅の基準幅を整数倍して、電圧移動幅を決定する（ステップS19〜S24）。

図５（ａ）は、従来の山登り法を実装した場合のタイミングチャートであり、図５（ｂ）は、本発明を実装した場合のタイミングチャートである。図５（ａ）においては、平均化処理、AVR待機時間ともに一定時間で設定されている。図中t0において、日射量が急激に変化した場合、図５（ａ）においては、日射量急変前の電圧指令値のまま平均化処理が終了するのを待ち、t1において、電圧指令値が更新され、山登り法により最大電力点を追従する。この場合、t1から５周期分の追従制御を行っても日射急変後の最大電力点の理論値に到達しない。一方、図５（ｂ）においては、日射量急変と同時に平均化処理を終了し、t0において、電圧指令値が更新される。移動電圧幅ΔVは、式（１３）より決定されるシフト量であり、平均化処理のサンプリングの不確かさの値がサンプリング数の不足により収束していないケースにおいても、問題なく最大電力点付近まで到達している。

図５（ｃ）は、本実施例に係る発明の変形例を実装した場合のタイミングチャートであり、移動電圧幅ΔVに応じて、AVR待機時間を可変させた一例である。図５（ｂ）において、例えばAVR待機時間を９９％以上収束が完了する５τと設定していたとすると、図５（ｃ）では、８６％程度の収束が完了する２τ程度とAVR待機時間を短く設定している。最大電力点追従制御による移動電圧幅が小さい時は、AVR待機時間を図３中のτに対して、1×τ，2×τと設定したとしても電圧幅が小さく電力損失が小さい。これに対し、図中t2において、日射量が増加した場合は、t3において、Pave[m-1]＋標準偏差Ucの値に対して、P[m]が上回るので、power=P[m]とし、式（１３）より、移動電圧幅ΔV₁を決定する。ここで、移動電圧幅ΔV₁が大きいため、AVR待機時間を９９％以上収束が完了する５τと設定することで最大電力点に近づける。同様に、図中t4において、日射量が減少した場合、t5において、Pave[m-1]‐標準偏差Ucの値に対して、P[m]が下回ったので、power=P[m]とし、式（１３）より、移動電圧幅ΔV₂を決定する。ここで、移動電圧幅ΔV₂がある程度の大きさを持つため、AVR待機時間を3τ程度に設定する。

このように、本実施例に係る太陽電池の制御装置７は、太陽電池の電力値を計測する電力計測部３１と、太陽電池の動作電圧を決定する電圧制御部４と、電力値を積算し、電力値の平均値を算出する平均化部３と、電力値の偏差情報と積算の回数から算出される閾値と、電力計測部において計測された電力値と平均値の差分値の絶対値と、を比較し、差分値の絶対値が閾値より大きい場合は、積算を止め、動作電圧を決定する電圧指令値を生成する最大電力点追従制御部５と、を有することを特徴とする。係る構成により、本実施例に係る太陽電池の制御装置は、太陽電池を、最大電力点追従制御1回のシーケンス処理時間の日射変動にも十分に応答させることができ、太陽電池の利用効率を向上させることができる。

図６（ａ）は、系統擾乱時の継続運転から復帰する動作に本発明を実装した場合のタイミングチャートである。太陽光発電設備については、系統送電線事故による広範囲の瞬時電圧低下などにより、一斉解列が発生すれば系統全体に大きな影響を与える可能性があるため、事故時の運転継続（FRT：Fault Ride Through）が要求され、この系統擾乱時の継続運転からの復帰時には、電圧低下前の80%以上の出力までの高速な復帰動作が要求される。この高速動作に対応するため、ステップS25にて復帰動作が開始したら、まず、ステップS26にて、直流電力P[0]と継続運転直前の直流電力の平均値Po、さらに継続運転直前の電圧指令値Vを取り込み、次に、ステップS27に移動し、後述する論理に従い、移動電圧幅を設定する。

以降は、実施例１と同様に、決定された電圧指令値とAVR待機時間が、ＡＶＲ制御部４に送信され、サンプリング回数の変数ｍを0に初期化して、最大電力追従制御のシーケンスに移行する。

図６（ｂ）は、移動電圧幅の設定について詳細に説明するためのフローチャートである。直流電力P[0]は、平均化処理1回の値であるため、測定器誤差などに由来する測定の不確かさUcを含む値である。この不確かさUcを、ステップS34で設定しておく。次に、出力の80％まで回復に必要な設定電圧1は、式（１４）を用い、ステップS35、S36にて決定する。

次に、継続運転直前の直流電力の平均値Poと直流電力P[0]-Ucの電力の比をステップS37で求め、式（１５）を用いて、ステップS38にて、設定電圧２を決定する。

P[0]から不確かさUcを引くのは、ワーストケースを仮定した計算を行い、なるべく移動電圧幅を大きめに設定するためである。ここで、電圧指令値について、系統擾乱時の継続運転前の値を保持させておくと、図３に示したAVR制御部の入力は、電圧指令値Vと設定電圧２である。この状態において、出力の80％まで回復させるには、AVR制御部の入力が、電圧指令値が設定電圧１で取り込み電圧が設定電圧２であれば良いので、ステップS39において、電圧比を（V‐設定電圧２）/（設定電圧１‐設定電圧２）として、この電圧比に合わせたAVR待機時間を設定する。例えば、電圧比が0.63未満であれば、待機時間を図３中のτに対して、1×τの設定にすれば十分であり、同様に、電圧比が0.86未満であれば2×τ、電圧比が0.95未満であれば3×τと設定すれば待機時間としては十分である。（ステップS40〜S42）
図７は、本発明を実装した場合のタイミングチャートであり、系統擾乱時の継続運転から復帰したタイミングにて、AVR待機時間を可変させた場合のタイミングチャートである。ここでは、通常のAVR待機時間を5×τと設定している。図中t6において、系統擾乱時の継続運転から復帰した場合、サンプリング回数をインクリメントせず1回で終了し、抑制されていない標準偏差Ucの値を鑑みながら、現在の電圧（残留電圧）を式（１４）（１５）から推定し、出力８０％回復するためのAVR待機時間を3τ程度に設定する。

以上のように、最大電力点追従制御部が、電圧計測部で計測された電圧値と電圧指令値の差分に応じて、動作電圧が収束するまでの待機時間を可変することで、系統擾乱時の継続運転から復帰応答に関しても高速に復帰することができ、かつ無駄な時間を要さず最大電力追従動作へ移行することができるため、太陽電池の利用効率の向上が実現する。

１…太陽電池アレイ
２…DC/ACインバータ
３…電流平均化部
４…AVR制御部
５…最大点追従制御部
６…系統
７…パワーコンディショナ
８…PWM波形生成回路
３１…電力計測部
３２…電圧計測部。

Claims

太陽電池の電力値を計測する電力計測部と、
前記太陽電池の動作電圧を決定する電圧制御部と、
前記電力値を積算し、前記電力値の平均値を算出する平均化部と、
前記電力値の標準偏差と前記平均化部が算出した平均値に基づいて、前記電力計測部で計測された電力値が、前記平均値の前記標準偏差内であるか否かを判断し、前記標準偏差内ではない場合は、前記平均化部に対して前記電力値の積算を停止するよう指示し、前記動作電圧を決定する電力指令値を生成し、前記電力指令値を前記電圧制御部に送信する最大電力点追従制御部と、を有し、
前記電圧制御部は、前記電力計測部で計測された電力値に基づく電圧と、前記送信された電力指令値に基づいて、前記太陽電池の動作電圧を決定することを特徴とする太陽電池の制御装置。
請求項１において、
前記電圧指令値は、前記電力計測部で得られる第１の電力と太陽電池の特性変動時に得られる第２の電力との比と、第２の電力が得られた時の偏差情報から決定されることを特徴とする太陽電池の制御装置。
請求項１において、
前記最大電力点追従制御部は、前記電圧計測部で計測された電圧値と前記電圧指令値の差分に応じて、前記動作電圧が収束するまでの前記電圧制御部の待機時間を設定することを特徴とする太陽電池の制御装置。