JP6256287B2 - 太陽電池制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、太陽電池の制御装置に関する。

太陽電池の出力電力は、接続される負荷に応じて変化する発電電流及び発電電圧の出力特性（Ｉ−Ｖ出力特性）により決定され、太陽電池の出力電力が最大となる発電電流及び発電電圧を最大電力点（ＭＰＰ：Ｍａｘｉｍｕｍ Ｐｏｗｅｒ Ｐｏｉｎｔ）と呼ぶ。

太陽電池のＩ−Ｖ出力特性は、日照条件等により変動し、Ｉ−Ｖ出力特性の変動によりＭＰＰも変化する。そのため、太陽電池から効率良く電力を取り出すためにＭＰＰを追従制御する最大電力点追従（ＭＰＰＴ：Ｍａｘｉｍｕｍ Ｐｏｗｅｒ Ｐｏｉｎｔ Ｔｒａｃｋｉｎｇ）制御が知られている（例えば、特許文献１）。

特開２０１１−１１８８６３号公報

ＭＰＰＴ制御では、通常、太陽電池に接続されたＤＣ−ＤＣコンバータ等の負荷回路を制御することで、太陽電池の発電電圧又は発電電流を変化させながら、ＭＰＰの探索を行う。即ち、ＭＰＰＴ制御では、通常、発電電圧又は発電電流を制御変数として、ＭＰＰの探索を行う。

ここで、出力可能な電圧を高めるために直列接続された複数の太陽電池を含む太陽電池パネル等では、通常、一部の太陽電池が影に入った（部分影が発生した）場合、バイパスダイオードにより影に入った太陽電池をバイパスして電流が流れる回路構成を採用している。そのため、部分影が発生すると太陽電池パネル等の発電電圧が急に変動（低下）する。

このような場合に、発電電圧を制御変数としてＭＰＰ探索を行っていると、部分影の発生による太陽電池パネルの発電電圧の急な低下にＭＰＰＴ制御が追従することができない可能性があり、結果として、太陽電池パネルの発電電流が０、即ち、出力電力が０となるおそれがある。従って、発電電流を制御変数として、ＭＰＰＴ制御を実行することで、太陽電池パネル等への部分影の発生による発電電圧の急変動に対しても強い耐性を得ることができる。

しかしながら、太陽電池は、一般的に、内部抵抗の小ささに起因してＭＰＰにおける電流（ＭＰＰ電流）から短絡電流までの間で発電電圧が急変（急低下）し、特に、日射強度が低下するにつれて、その傾向は顕著となる。そのため、発電電流を制御変数としてＭＰＰＴ制御を行うと、例えば、発電電流をＭＰＰ電流以下の値からＭＰＰ電流より大きな値に変化させた際に、発電電圧が大きく変動し、太陽電池の動作が安定しなくなるおそれがある。すると、結果として、太陽電池のＭＰＰを見つけることができず、太陽電池の発電効率を低下させるおそれがある。

一方、ＭＰＰ電流から短絡電流までの間での発電電圧の急変に対応するため、ＭＰＰＴ制御における分解能を向上させる（発電電流を変化させる幅をより細かく設定可能にする）ことが考えられるが、分解能の向上によるコストアップは避けられない。

そこで、上記問題に鑑み、太陽電池の発電電流を制御変数としてＭＰＰＴ制御を行う場合に、コストアップを抑制しつつ、太陽電池の動作を安定させることが可能な太陽電池制御装置を提供することを目的とする。

上記の問題を解決するため、一実施形態において、太陽電池制御装置は、
太陽電池と、
前記太陽電池に接続され、入力される前記太陽電池の発電電流を制御可能に構成された負荷回路と、
前記負荷回路を制御することにより前記太陽電池の発電電流を変化させながら前記太陽電池の最大電力点を探索するＭＰＰＴ制御を実行する制御部を備え、
前記制御部は、前記発電電流を増加させた際の前記発電電流の変化に伴う前記太陽電池の発電電圧の変化率が負の値である所定閾値より小さい場合、前記発電電流を減少させることを特徴とする。

上記実施形態により、太陽電池の発電電流を制御変数としてＭＰＰＴ制御を行う場合に、コストアップを抑制しつつ、太陽電池の動作を安定させることが可能な太陽電池制御装置を提供することができる。

本実施形態に係る太陽電池制御装置の構成の一例を示すブロック図である。 本実施形態に係る太陽電池制御装置による制御処理の一例を示すフローチャートである。 太陽電池パネルの出力特性の一例を示す図である。 一般的な山登り法により太陽電池パネルの発電電流を変化させながらＭＰＰＴ制御を実行した場合の太陽電池パネルの動作点及び電力の変化を示す図である。 本実施形態に係る太陽電池制御装置を適用して、山登り法により太陽電池パネルの発電電流を変化させながらＭＰＰＴ制御を実行した場合の太陽電池パネルの動作点及び電力の変化を示す図である。

以下、図面を参照して発明を実施するための形態について説明する。

図１は、本実施形態に係る太陽電池制御装置１の構成の一例を示すブロック図である。

太陽電池制御装置１は、太陽電池パネル１０、ＭＰＰＴコンバータ２０、制御部３０、出力先装置４０等を含み、太陽電池パネル１０の最大電力点追従（ＭＰＰＴ：Ｍａｘｉｍｕｍ Ｐｏｗｅｒ Ｐｏｉｎｔ Ｔｒａｃｋｉｎｇ）制御を実行する。また、太陽電池制御装置１は、太陽電池パネル１０の発電電力をＭＰＰＴコンバータ２０を介して出力先装置４０に最適化した電力（電圧）に変換し、出力先装置４０に供給する。

太陽電池パネル１０は、太陽電池セルを複数枚直列及び並列接続し、出力先装置４０において必要とされる電圧及び電流を供給可能に構成されたパネル状のモジュールである。太陽電池パネル１０に含まれる太陽電池セルとしては、任意の種類の太陽電池セルが適用されてよく、用途（例えば、住宅用、移動体用、電子機器用等）に応じて、最適な太陽電池セルが選択されてよい。

ＭＰＰＴコンバータ２０は、太陽電池パネル１０のＭＰＰＴ制御を行うための負荷回路である。また、ＭＰＰＴコンバータ２０は、太陽電池パネル１０からの発電電力を出力先装置４０に適した状態（電圧）に変換する電力変換手段である。ＭＰＰＴコンバータ２０は、電力変換回路２１、駆動回路２２、電流センサ２３、電圧センサ２４等を含んで構成される。

電力変換回路２１は、太陽電池パネル１０から供給される直流電力を出力先装置４０に適した直流電力に変換する（例えば、昇圧する）ＤＣ−ＤＣコンバータ回路であり、太陽電池パネル１０から入力される発電電流を制御可能な回路構成を含む。電力変換回路２１は、例えば、リアクトル、複数のＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｇｉｓｔｏｒ）等のスイッチング素子、各スイッチング素子に並列接続された還流ダイオード等を含む既知の非絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータ回路であってよい。電力変換回路２１は、駆動回路２２からの駆動信号（各スイッチング素子のゲート端子に入力されるＰＷＭ信号）により動作する。

駆動回路２２は、制御部３０からの制御指令に応じて、電力変換回路２１を駆動する駆動手段である。後述するように、制御部３０は、電流センサ２３により検出された太陽電池パネル１０の発電電流に基づき、太陽電池パネル１０の発電電流が設定電流値になるようにフィードバック制御を実行し、駆動回路２２に対して、ＰＷＭ信号のデューティ比等を含む制御指令を送信する。駆動回路２２は、制御部３０から受信した制御指令に応じて、電力変換回路２１の駆動信号（ＰＷＭ信号）を生成し、電力変換回路２１（各スイッチング素子のゲート端子）に出力する。

電流センサ２３は、太陽電池パネル１０からＭＰＰＴコンバータ２０に入力される発電電流を検出する既知の電流検出手段である。電流センサ２３は、制御部３０と通信可能に接続され、電流センサ２３により検出された太陽電池パネル１０の発電電流に対応する信号は、制御部３０に送信される。

電圧センサ２４は、太陽電池パネル１０からＭＰＰＴコンバータ２０に入力される発電電圧を検出する既知の電圧検出手段である。電圧センサ２４は、制御部３０と通信可能に接続され、電圧センサ２４により検出された太陽電池パネル１０の発電電圧に対応する信号は、制御部３０に送信される。

制御部３０は、ＭＰＰＴコンバータ２０を用いて、太陽電池パネル１０のＭＰＰＴ制御を実行する制御手段である。制御部３０は、具体的な制御手段として、ＭＰＰＴ制御部３１、監視部３２等を含む。

なお、制御部３０は、例えば、マイクロコンピュータ等により構成され、ＲＯＭに格納された各種プログラムをＣＰＵ上で実行することにより各種制御処理を実行してよい。また、ＭＰＰＴ制御部３１、監視部３２の各機能は、対応するプログラムをＣＰＵ上で実行することにより実現されてよい。

ＭＰＰＴ制御部３１は、ＭＰＰＴコンバータ２０を制御することで、ＭＰＰＴコンバータ２０に入力される太陽電池パネル１０の発電電流を変化させながら、電流センサ２３、電圧センサ２４により検出される太陽電池パネル１０の発電電流、発電電圧（に対応する信号）に基づき、最大電力点（ＭＰＰ）の探索を行う。

具体的に説明をすると、ＭＰＰＴ制御部３１は、電流センサ２３により検出される太陽電池パネル１０の発電電流に基づき、太陽電池パネル１０の発電電流が設定電流値になるようにフィードバック制御を実行する。より具体的には、電流センサ２３により検出される太陽電池パネル１０の発電電流に基づき、電力変換回路２１の各スイッチング素子のデューティ比を演算し、駆動回路２２に対して、ＰＷＭ信号のデューティ比等を含む制御指令を送信する。また、ＭＰＰＴ制御部３１は、当該フィードバック制御により太陽電池パネル１０の発電電流が略設定電流値になった定常状態における太陽電池パネル１０の発電電流、発電電圧を電流センサ２３、電圧センサ２４から取得する。ＭＰＰＴ制御部３１は、設定電流値を変化させながら当該動作を繰り返すことで、太陽電池パネル１０のＭＰＰを探索する。

なお、ＭＰＰＴ制御部３１により実行されるＭＰＰＴ制御の具体的手法（アルゴリズム）としては、太陽電池パネル１０の発電電流を変化させながらＭＰＰを探索する任意の手法が適用されてよい。例えば、山登り法、増分コンダクタンス法等、既知の探索アルゴリズムを応用した様々な手法が適用されてよい。

監視部３２は、ＭＰＰＴ制御による太陽電池パネル１０の発電電流の変化に伴う発電電圧の変化率（以下、単に太陽電池パネル１０の電圧変化率と称する）の監視を行う。具体的には、太陽電池パネル１０の発電電流を変化（増加）させた場合における太陽電池パネル１０の電圧変化率が判定閾値Ｔｈ以上か否かを判定する。そして、太陽電池パネル１０の電圧変化率が判定閾値Ｔｈ以上でない（判定閾値Ｔｈより小さい）場合、ＭＰＰＴ制御部３１によるＭＰＰＴ制御、即ち、太陽電池パネル１０の発電電流を変化（増加）させながらＭＰＰを探索する動作を一時的に停止させると共に、設定電流値を減少させることで、太陽電池パネル１０の発電電流を減少させる。

なお、監視部３２は、ＭＰＰＴ制御部３１に対して、設定電流値を減少させるように指示することにより、太陽電池パネル１０の発電電流を減少させてもよいし、自らが上述したフィードバック制御を実行し、太陽電池パネル１０の発電電流を減少させてもよい。

出力先装置４０は、太陽電池パネル１０による発電電力の出力先となる装置である。出力先装置４０は、太陽電池パネル１０からの発電電力で動作する電気負荷、発電電力を所定の電力に変換する（例えば、交流電力に変換する）電力変換装置、発電電力を蓄電するバッテリ、キャパシタ等の蓄電装置を含んでよい。

次に、制御部３０による具体的な制御処理フローについて説明をする。

図２は、本実施形態に係る太陽電池制御装置１（制御部３０）による制御処理の一例を示すフローチャートである。当該フローチャートは、所定の制御周期毎に実行される。

なお、制御周期は、他の条件に応じて、可変であってよい。また、当該フローチャートの説明において、カウンタ値ｉに対応する太陽電池パネル１０の発電電流、発電電圧をそれぞれ発電電流Ｉ_ｉ、発電電圧Ｖ_ｉと定義する。また、当該フローチャートの開始時点で、制御部３０（ＭＰＰＴ制御部３１）は、設定電流値をＭＰＰ探索を開始する初期値に設定し、太陽電池パネル１０の発電電流が当該初期値となるようにフィードバック制御を行っていることを前提とする。

図２を参照するに、ステップＳ１０１にて、制御部３０は、カウンタ値ｉを「０」に設定する。

ステップＳ１０２にて、制御部３０は、電流センサ２３、電圧センサ２４から受信した信号に基づき算出された初期値としての太陽電池パネル１０の発電電流Ｉ_０、発電電圧Ｖ_０を内部メモリ等に保存する。

ステップＳ１０３にて、制御部３０は、カウンタ値ｉをインクリメントする。

ステップＳ１０４にて、制御部３０は、カウンタ値ｉが「１」か否か判定する。カウンタ値ｉが「１」の場合、ステップＳ１０５、Ｓ１０６をスキップして、ステップＳ１０７に進み、カウンタ値ｉが「１」でない場合、即ち、「２」以上の場合、ステップＳ１０５に進む。

ステップＳ１０５にて、制御部３０は、内部メモリ等から前回、前々回の発電電流の変化（後述するステップＳ１０５又はＳ１０６における発電電流の変化）後の発電電流Ｉ_ｉ−１、Ｉ_ｉ−２、発電電圧Ｖ_ｉ−１、Ｖ_ｉ−２を取得する。

なお、ｉ＝２の場合、ステップＳ１０５にて、制御部３０は、内部メモリ等から前回（ｉ＝１）の発電電流の変化後の発電電流Ｉ_１、発電電圧Ｖ_１と、初期値である発電電流Ｉ_０、発電電圧Ｖ_０を取得する。

ステップＳ１０６にて、制御部３０（監視部３２）は、太陽電池パネル１０の発電電流の変化に伴う発電電圧の変化率（太陽電池パネル１０の電圧変化率）ΔＶ／ΔＩが判定閾値Ｔｈ以上か否かを判定する。太陽電池パネル１０の電圧変化率ΔＶ／ΔＩが判定閾値Ｔｈ以上の場合、ステップＳ１０７に進み、判定閾値Ｔｈより小さい場合、ステップＳ１０８に進む。

なお、ステップＳ１０６における太陽電池パネル１０の電圧変化率ΔＶ／ΔＩは、前回のステップＳ１０７又はＳ１０８における太陽電池パネル１０の発電電流の変化に伴う発電電圧の変化率であり、ΔＶ＝Ｖ_ｉ−１−Ｖ_ｉ−２、ΔＩ＝Ｉ_ｉ−１−Ｉ_ｉ−２である。

また、ステップＳ１０６の判定処理は、前回にステップＳ１０７の処理（後述するＭＰＰ探索処理）が行われた場合のみ実行されてもよい。即ち、前回にステップＳ１０８の処理（後述する太陽電池パネル１０の発電電流を所定量減少させる処理）が行われた場合、ステップＳ１０５は、スキップされてもよい。

ステップＳ１０７にて、制御部３０（ＭＰＰＴ制御部３１）は、設定電流値を所定量変化させ、電流センサ２３により検出された太陽電池パネル１０の発電電流に基づき、太陽電池パネル１０の発電電流が設定電流値になるようにフィードバック制御を実行する。即ち、制御部３０（ＭＰＰＴ制御部３１）は、太陽電池パネル１０の発電電流を所定量変化させて、太陽電池パネル１０のＭＰＰ探索（ＭＰＰＴ制御）を実行し、ステップＳ１０９に進む。

一方、ステップＳ１０８にて、制御部３０（監視部３２）は、設定電流値を所定量減少させ、電流センサ２３により検出された太陽電池パネル１０の発電電流に基づき、太陽電池パネル１０の発電電流が設定電流値になるようにフィードバック制御を実行する。即ち、制御部３０（監視部３２）は、太陽電池パネル１０の発電電流を所定量減少させて、ステップＳ１０９に進む。

ステップＳ１０９にて、制御部３０は、電流センサ２３、電圧センサ２４から受信した信号に基づき算出された太陽電池パネル１０の発電電流Ｉ_ｉ、発電電圧Ｖ_ｉを内部メモリ等に保存する。

ステップＳ１１０にて、制御部３０は、太陽電池パネル１０のＭＰＰが見つかったか否かを判定する。即ち、制御部３０は、ステップＳ１０７におけるＭＰＰＴ制御によって、ＭＰＰが見つかったか否かを判定する。ＭＰＰが見つかった場合は、今回の処理を終了する。また、ＭＰＰが見つかっていない場合（ステップＳ１０７におけるＭＰＰＴ制御により太陽電池パネル１０のＭＰＰが見つかっていない場合、或いは、ステップＳ１０８の処理が実行された場合）は、ステップＳ１１１に進む。

ステップＳ１１１にて、カウンタ値ｉが所定数Ｎ（１以上の整数）より大きいか否かを判定する。カウンタ値ｉが所定数Ｎより大きい場合は、今回の処理を終了し、所定数Ｎ以下の場合、ステップＳ１０３に戻り、ステップＳ１０３〜Ｓ１１１の処理を繰り返す。

なお、所定数Ｎは、ＭＰＰの探索に必要とされる探索回数として想定される最大値として設定されてよく、何らかの理由により、ステップＳ１０３〜Ｓ１０８の処理が無限に繰り返されることを防止するために設けられる。

制御部３０は、当該フローチャートによりＭＰＰを見つけた場合、次回の当該フローチャートによる処理が実行されるまで（今回の処理の開始から所定の制御周期が経過するまで）、太陽電池パネル１０の発電電流がＭＰＰに対応する設定電流値（ＭＰＰ電流）となるようにフィードバック制御を実行する。これにより、太陽電池パネル１０がＭＰＰで動作し、太陽電池パネル１０の発電効率を高めることができる。

なお、制御部３０は、カウンタ値ｉが所定数Ｎを越えることで当該フローチャートの処理を終了した場合、次回の当該フローチャートによる処理が実行されるまで、太陽電池パネル１０の発電電流が最後の処理（ステップＳ１０７又はＳ１０８）における設定電流値となるようにフィードバック制御を実行してよい。

次に、本実施形態に係る太陽電池制御装置１の作用、特に、図２に示した制御処理のフローチャートにおけるステップＳ１０６〜Ｓ１０８の処理による作用について説明をする。

図３は、太陽電池パネル１０の出力特性の一例を示す図である。図３（ａ）は、横軸を太陽電池パネル１０の発電電流Ｉ、縦軸を太陽電池パネル１０の発電電圧Ｖとして、太陽電池パネル１０の発電電流Ｉ及び発電電圧Ｖの出力特性（Ｉ−Ｖ出力特性）を示すグラフである。図３（ｂ）は、縦軸を太陽電池パネル１０の電力Ｐ、横軸を太陽電池パネル１０の発電電流Ｉとして、太陽電池パネル１０の発電電流Ｉ及び電力Ｐの出力特性（Ｉ−Ｐ）出力特性）を示すグラフである。図３（ｃ）は、縦軸を太陽電池パネル１０の電圧変化率（太陽電池パネル１０の発電電流Ｉの変化に伴う発電電圧Ｖの変化率）ｄＶ／ｄＩ、横軸を太陽電池パネル１０の発電電流Ｉとして、太陽電池パネル１０の発電電流Ｉと電圧変化率ｄＶ／ｄＩとの関係を示すグラフである。

なお、図３（ａ）〜（ｃ）のグラフのうち、細い実線のグラフは、日射強度が比較的高い場合（高日射強度の場合）を表し、太い実線のグラフは、日射強度が比較的低い場合（低日射強度の場合）を表す。

図３（ａ）を参照するに、太陽電池パネル１０の発電電圧Ｖは、発電電流Ｉが０から増加し始めると、非常に緩やかに減少する。しかしながら、太陽電池パネル１０の発電電圧Ｖは、発電電流ＩがＭＰＰにおける電流値（ＭＰＰ電流Ｉｍｐｐ＿ｈ、Ｉｍｐｐ＿ｌ）に近づくにつれて、減少幅が大きくなり、ＭＰＰ電流Ｉｍｐｐ＿ｈ、Ｉｍｐｐ＿ｌを超えると急降下する特性を有する。即ち、太陽電池パネル１０のＭＰＰ電流Ｉｍｐｐ＿ｈ、Ｉｍｐｐ＿ｌと短絡電流Ｉｓｃ＿ｈ、Ｉｓｃ＿ｌの差が小さいため、太陽電池パネル１０の発電電圧Ｖは、発電電流ＩがＭＰＰ電流Ｉｍｐｐ＿ｈ、Ｉｍｐｐ＿ｌを超えると急降下する。また、高日射強度の場合と低日射強度の場合とを比較すると、低日射強度の場合において、この傾向が強くなることが分かる。

また、図３（ｂ）を参照するに、太陽電池パネル１０の電力Ｐは、通常、発電電流Ｉの変化に対して、最大電力Ｐｍａｘ＿ｈ、Ｐｍａｘ＿ｌを頂点とする上に凸の出力特性グラフとして表される。通常、電力Ｐの当該出力特性を利用して太陽電池パネル１０のＭＰＰ探索を行うが、現在の動作点が最大電力点ＭＰＰ＿ｈ、ＭＰＰ＿ｌであるか否かは、発電電流Ｉを変化させる前後の動作点との比較により行われる必要がある。そのため、制御部３０がＭＰＰＴ制御を行う場合、通常、発電電流ＩをＭＰＰ電流より大きな設定電流値になるようにフィードバック制御をする必要が出てくる。

しかしながら、図３（ａ）を用いて上述したように、太陽電池パネル１０の発電電圧Ｖは、発電電流ＩがＭＰＰ電流Ｉｍｐｐ＿ｈ、Ｉｍｐｐ＿ｌを超えると急降下する特性を有し、この傾向は、日射強度が低くなる程、顕著になる。すると、太陽電池パネル１０の発電電流Ｉを変化させながらＭＰＰ探索を行うＭＰＰＴ制御において、発電電流ＩがＭＰＰ電流Ｉｍｐｐ＿ｈ、Ｉｍｐｐ＿ｌを超えた場合、発電電圧Ｖが大きく低下し、太陽電池パネル１０の動作が不安定になるおそれがある。

そこで、図３（ｃ）に示すように、太陽電池パネル１０の電圧変化率ｄＶ／ｄＩに対して所定の判定閾値Ｔｈを設け、ＭＰＰＴ制御において、太陽電池パネル１０の電圧変化率ｄＶ／ｄＩが判定閾値Ｔｈ以上の範囲で発電電流Ｉを変化させるようにするとよい。即ち、上述したように、監視部３２がＭＰＰＴ制御における太陽電池パネル１０の電圧変化率を監視し、太陽電池パネル１０の発電電流Ｉを増加させた際の太陽電池パネル１０の電圧変化率が判定閾値Ｔｈより小さくなった場合、太陽電池パネル１０の発電電流Ｉを減少させるようにする。これにより、判定閾値Ｔｈを適宜設定することで、ＭＰＰＴ制御における発電電流の変化に伴う発電電圧の急変（急降下）を抑制することができる。

図３（ａ）に示すように、判定閾値Ｔｈに対応する閾値電流Ｉｔｈ＿ｈ、Ｉｔｈ＿ｌを見ると、高日射強度の場合の閾値電流Ｉｔｈ＿ｈは、ＭＰＰ電流Ｉｍｐｐ＿ｈより大きな値であるが、低日射強度の場合の閾値電流Ｉｔｈ＿ｌは、ＭＰＰ電流Ｉｍｐｐ＿ｌと略同等である。即ち、低日射強度の場合、太陽電池パネル１０の発電電圧Ｖは、発電電流ＩがＭＰＰ電流Ｉｍｐｐ＿ｌの前後から短絡電流Ｉｓｃ＿ｌまでの間で、特に急変（急降下）するため、判定閾値Ｔｈの設定により、発電電流Ｉを変化させる範囲がより限定されることを示している。

なお、判定閾値Ｔｈは、太陽電池パネル１０の出力特性、許容可能な電圧変動量、ＭＰＰＴ制御において発電電流を変化させることが可能な最小幅等を考慮して決定してよい。

ここで、具体的に山登り法による太陽電池パネル１０のＭＰＰＴ制御に本実施形態に係る太陽電池制御装置１を適用した場合の作用について説明をする。

まず、図４は、一般的な山登り法により太陽電池パネル１０の発電電流を変化させながらＭＰＰＴ制御を実行した場合の太陽電池パネル１０の動作点及び電力の変化を示す図である。図４（ａ）は、ＭＰＰ付近における太陽電池パネル１０の動作点ＰＰ_ｊ（ＰＰ_ｋ〜ＰＰ_ｋ＋３）の変化を示す図であり、図４（ａ）中の曲線は、図３（ａ）に示した低日射強度の場合の太陽電池パネル１０の発電電流Ｉ及び発電電圧Ｖの出力特性のグラフに対応する。図４（ｂ）は、ＭＰＰ付近における太陽電池パネル１０の電力Ｐ_ｊ（Ｐ_ｋ〜Ｐ_ｋ＋３）の変化を示す図であり、図４（ｂ）中の曲線は、図３（ｂ）に示した低日射強度の場合の太陽電池パネル１０の発電電流Ｉ及び電力Ｐの出力特性のグラフに対応する。図４（ｃ）は、太陽電池パネル１０の発電電流Ｉを所定量（電流制御幅ΔＩｃｔｒｌ）だけ変化させてＭＰＰを探索する各ステップ［ｊ］（ステップ番号ｊ＝１、...、ｋ−１、ｋ、ｋ＋１、ｋ＋２、ｋ＋３、...）における発電電流Ｉの変化を示す図である。

なお、電流制御幅ΔＩｃｔｒｌは、制御部３０がＭＰＰＴコンバータ２０を用いて太陽電池パネル１０の発電電流を変化させることが可能な最小幅として設定される。

山登り法は、各ステップ［ｊ］において、発電電流Ｉを電流制御幅ΔＩｃｔｒｌだけ変化させて、太陽電池パネル１０の動作点ＰＰ_ｊ（発電電流Ｉ_ｊ、発電電圧Ｖ_ｊ）を検出し、電力Ｐ_ｊ（＝Ｉ_ｊ×Ｖ_ｊ）を算出する。そして、前回のステップ［ｊ−１］で算出されたＰ_ｊ−１と今回のステップ［ｊ］で算出されたＰ_ｊとを比較し、電力Ｐ_ｊが増加している場合は、次回のステップ［ｊ＋１］でも同じ方向に、電力Ｐ_ｊが減少している場合は、次回のステップ［ｊ＋１］では逆方向に発電電流Ｉを電流制御幅ΔＩｃｔｒｌだけ変化させることを繰り返しながら、電力Ｐ_ｊの極大を探索する手法である。

図３（ｂ）でも説明した通り、太陽電池パネル１０の電力は、発電電流の変化に対して、最大値（極大値）を頂点とする上に凸の出力特性を有するため、図４（ｃ）に示すように発電電流Ｉを電流制御幅ΔＩｃｔｒｌずつ増加させながらＭＰＰを探索する。

図４（ｂ）を参照するに、ステップ［ｋ］からステップ［ｋ＋２］までの３ステップでは、発電電流Ｉを電流制御幅ΔＩｃｔｒｌだけ増加させることにより太陽電池パネル１０の電力Ｐ_ｊがＰ_ｋ−１→Ｐ_ｋ→Ｐ_ｋ＋１→Ｐ_ｋ＋２と増加する。そして、太陽電池パネル１０のＭＰＰに相当する動作点ＰＰ_ｋ＋２（発電電流Ｉ_ｋ＋２、発電電圧Ｖ_ｋ＋２）に到達している。しかし、山登り法では、少なくとも電力Ｐ_ｊが増加から減少に転じることを判断しないとＭＰＰを見つけ出すことができないので、引き続き、ＭＰＰの探索を続ける。そのため、図４（ｃ）に示すように、ステップ［ｋ＋３］においても、発電電流Ｉを電流制御幅ΔＩｃｔｒｌだけ増加させることになる。

ここで、上述したとおり、太陽電池パネル１０のＭＰＰ電流と短絡電流の差は小さく、低日射強度の場合は特に顕著であるため、図４（ａ）に示すように、ステップ［ｋ＋３］では、発電電圧Ｖが急に降下してしまう（発電電圧Ｖ_ｋ＋２→発電電圧Ｖ_ｋ＋３）。すると、太陽電池パネル１０の動作が不安定となってしまうおそれがあり、結果として、その後のＭＰＰ探索を適切に行うことができず、ＭＰＰを見つけ出すことができないおそれがある。

また、図４（ｂ）に示すように、ステップ［ｋ＋３］では、太陽電池パネル１０の電力も急降下（電力Ｐ_ｋ＋２→電力Ｐ_ｋ＋３）するため、ＭＰＰＴ制御による太陽電池パネル１０の発電効率も下げてしまうことになる。

一方、図５は、本実施形態に係る太陽電池制御装置１を適用して、山登り法により太陽電池パネル１０の発電電流を変化させながらＭＰＰＴ制御を実行した場合の太陽電池パネル１０の動作点及び電力の変化を示す図である。図５（ａ）は、ＭＰＰ付近における太陽電池パネル１０の動作点ＰＰ_ｊ（ＰＰ_ｋ〜ＰＰ_ｋ＋４）の変化を示す図であり、図５（ａ）中の曲線は、図４（ａ）と同様、図３（ａ）に示した低日射強度の場合の太陽電池パネル１０の発電電流Ｉ及び発電電圧Ｖの出力特性のグラフに対応する。図５（ｂ）は、ＭＰＰ付近における太陽電池パネル１０の電力Ｐ_ｊ（Ｐ_ｋ〜Ｐ_ｋ＋４）の変化を示す図であり、図５（ｂ）中の曲線は、図４（ｂ）と同様、図３（ｂ）に示した低日射強度の場合の太陽電池パネル１０の発電電流Ｉ及び電力Ｐの出力特性のグラフに対応する。図５（ｃ）は、太陽電池パネル１０の発電電流Ｉを所定量（電流制御幅ΔＩｃｔｒｌ）だけ変化させてＭＰＰを探索する各ステップ［ｊ］（ステップ番号ｊ＝１、...、ｋ−１、ｋ、ｋ＋１、ｋ＋２、ｋ＋３、ｋ＋４、...）における発電電流Ｉの変化を示す図である。

図５（ｂ）を参照するに、図４（ｂ）と同様、ステップ［ｋ］からステップ［ｋ＋２］までの３ステップでは、発電電流Ｉを電流制御幅ΔＩｃｔｒｌだけ増加させることにより電力Ｐ_ｊがＰ_ｋ−１→Ｐ_ｋ→Ｐ_ｋ＋１→Ｐ_ｋ＋２と増加する。そして、太陽電池パネル１０のＭＰＰに相当する動作点ＰＰ_ｋ＋２（発電電流Ｉ_ｋ＋２、発電電圧Ｖ_ｋ＋２）に到達している。

ここで、本実施形態に係る太陽電池制御装置１（監視部３２）は、図２等を用いて上述したとおり、各ステップ［ｊ］における太陽電池パネル１０の電圧変化率（ΔＶ／ΔＩ）を監視し、当該電圧変化率が判定閾値Ｔｈより小さくなった場合、発電電流Ｉを所定量（電流制御幅ΔＩｃｔｒｌ）だけ減少させる。

図３における低日射強度の場合の例では、上述したとおり、太陽電池パネル１０の電圧変化率（ｄＶ／ｄＩ）の判定閾値Ｔｈに対応する発電電流である閾値電流Ｉｔｈ＿ｌは、略ＭＰＰ電流である。即ち、ステップ［ｋ＋２］における太陽電池パネル１０の電圧変化率は、判定閾値Ｔｈより小さくなっており、ステップ［ｋ＋３］では、図５（ｃ）に示すように、発電電流Ｉを電流制御幅ΔＩｃｔｒｌだけ減少させる。

これにより、太陽電池パネル１０の発電電圧Ｖが図４の例（一般的な山登り法によるＭＰＰＴ制御）のように、急降下することがなくなるため、太陽電池パネル１０を安定して動作させることができる。

また、太陽電池パネル１０の電圧変化率が判定閾値Ｔｈより小さくなったことにより発電電流を減少させても、再度、山登り法でＭＰＰ探索を行うことで、ＭＰＰを見つけ出すことができる。即ち、ステップ［ｋ＋３］にて、発電電流Ｉを電流制御幅ΔＩｃｔｒｌだけ減少させることで、図５（ｂ）に示すように電力は減少する（電力Ｐ_ｋ＋２→電力Ｐ_ｋ＋３）ので、ステップ［ｋ＋４］では、再度、山登り法により発電電流Ｉを電流制御幅ΔＩｃｔｒｌだけ逆方向、即ち、増加させる方向に変化させる。すると、ステップ［ｋ＋４］では、再度、太陽電池パネル１０のＭＰＰに相当する動作点ＰＰ_ｋ＋４（発電電流Ｉ_ｋ＋４、発電電圧Ｖ_ｋ＋４）に到達するので、ＭＰＰを取り出すことができる。

このように、本実施形態に係る太陽電池制御装置１は、発電電流を変化させながら太陽電池のＭＰＰを探索する場合に、発電電流をＭＰＰ電流と短絡電流の間に変化させた際の発電電圧の急降下を防止することができる。そのため、発電電圧の急変（急降下）に起因して太陽電池パネル１０の動作が不安定になることもなく、安定動作の太陽電池パネル１０に対して適切にＭＰＰを見つけ出すことができる。

また、太陽電池パネル１０の発電電流を変化させる場合に、ＭＰＰ電流と短絡電流の間における発電電圧の急変（急降下）を回避するため、ＭＰＰ探索の分解能を向上させる（発電電流Ｉを変化させる電流制御幅ΔＩｃｔｒｌをより細かくする）必要もない。即ち、本実施形態に係る太陽電池制御装置１は、太陽電池の発電電流を制御変数としてＭＰＰＴ制御を行う場合に、コストアップを抑制しつつ、太陽電池の動作を安定させることができる。

以上、本発明を実施するための形態について詳述したが、本発明はかかる特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

例えば、本実施形態に係る太陽電池制御装置１は、太陽電池パネル１０の電圧変化率（ΔＶ／ΔＩ）が判定閾値Ｔｈより小さくなった場合、発電電流（設定電流値）を減少させて、再度、太陽電池パネル１０のＭＰＰ探索を実行したが、発電電流を維持してもよい。例えば、山登り法で太陽電池パネル１０のＭＰＰを探索する場合、通常、発電電流を比較的低い電流値から増加させながらＭＰＰの探索を実行する。この際、大きな日照条件の変動等がない限り、ＭＰＰに到達するまでの間は、太陽電池パネル１０の電力が増加していく状態である。よって、この作業の途中で、太陽電池パネル１０の電圧変化率が判定閾値Ｔｈより小さくなった場合、変化させることが可能な発電電流の範囲（発電電圧の急変がない発電電流の範囲）の中で、現在の動作点がＭＰＰと考えられるため、発電電流を維持して当該動作点をＭＰＰとして取り出すことができる。

１ 太陽電池制御装置
１０ 太陽電池パネル
２０ ＭＰＰＴコンバータ（負荷回路）
２１ 電力変換回路
２２ 駆動回路
２３ 電流センサ
２４ 電圧センサ
３０ 制御部
３１ ＭＰＰＴ制御部
３２ 監視部
４０ 出力先装置

Claims (2)

1. 太陽電池と、
   前記太陽電池に接続され、入力される前記太陽電池の発電電流を制御可能に構成された負荷回路と、
   前記負荷回路を制御することにより前記太陽電池の発電電流を変化させながら前記太陽電池の最大電力点を探索するＭＰＰＴ制御を実行する制御部を備え、
   前記制御部は、前記発電電流を増加させた際の前記発電電流の変化に伴う前記太陽電池の発電電圧の変化率が負の値である所定閾値より小さい場合、前記発電電流を減少させることを特徴とする、
   太陽電池制御装置。
2. 前記制御部は、前記発電電流を変化させることが可能な最小幅として制御電流幅を有し、前記発電電流を前記制御電流幅刻みで増加させながら前記太陽電池の最大電力点を探索し、前記変化率が前記所定閾値より小さい場合、前記発電電流を前記制御電流幅だけ減少させることを特徴とする、
   請求項１に記載の太陽電池制御装置。