JP7485224B2 - 太陽光発電システム - Google Patents

Description

本発明は、複数の太陽電池モジュールを用いた太陽光発電システムに関する。

特許文献１には、太陽光発電に用いるパワーコンディショナーが記載されている。特許文献１に記載のパワーコンディショナーは、複数の太陽電池モジュールに対して共通のコンバータを備える。コンバータの入力端には、入力キャパシタが接続される。

複数の太陽電池モジュールは、入力キャパシタに対して並列に接続される。言い換えれば、複数の太陽電池モジュールの出力は、入力キャパシタでまとめられて、コンバータに入力される。

特開２０１４－３３５８７号公報

しかしながら、特許文献１に記載のような複数の太陽電池モジュールを用いたパワーコンディショナーでは、一般的なＭＰＰＴ（Ｍａｘｉｍｕｍ Ｐｏｗｅｒ Ｐｏｉｎｔ Ｔｒａｃｋｉｎｇ）（最大電力点追従）制御を用いてコンバータを動作させることが難しい。複数の太陽電池モジュールは、入力キャパシタに対して、複数の異なる直流電圧をそれぞれ出力する直流電圧源と見なすことができる。一般に、逆流防止ダイオードを通して、異なる電圧の直流電圧源を並列に接続した場合、異なる電圧のなかで最も高い直流電圧源のみが出力される。この場合、電力は、最も高い直流電圧源のみから得ることとなり、他の直流電圧源からは電力を得ることができない。つまり、複数の太陽電池モジュールを構成しても、これら複数の太陽電池モジュールのうち、最も高い直流電圧を出力する太陽電池モジュールからしか電力を得ることができず、他の太陽電池モジュールが発電する電力は有効に活用されず、無駄となる。複数の太陽電池モジュールを設置している設備に対して、エネルギーの利用効率が著しく悪いという問題がある。

このようなことから、特許文献１に示すような従来のパワーコンディショナーは、発電電力は有効に活用されず無駄となり、エネルギーの利用効率が著しく悪い。更に、電力損失は増加し、太陽光発電システムにおける電力変換効率は著しく低下するという問題が発生する。

したがって、本発明の目的は、太陽光発電システムにおける電力変換効率の低下を抑制することにある。

この発明の太陽光発電システムは、複数の太陽電池出力、コンバータ、電力管理制御回路、電圧論理和回路、および、入力キャパシタを備える。複数の太陽電池出力は、それぞれに太陽電池から直流電圧を出力する。コンバータは、複数の太陽電池出力が供給する電力を入力して電力変換動作により所定の直流電圧を出力する。電力管理制御回路は、コンバータにおいて電力変換動作の制御を行う。電圧論理和回路は、複数の太陽電池出力を統合してコンバータに入力する。入力キャパシタは、電圧論理和回路から出力される直流電圧を保持してコンバータの入力電圧とする。

電力管理制御回路は、電圧論理和回路からの出力電圧と出力電流との関係に基づく電圧論理和出力特性に応答させて、コンバータの出力電圧を所定値とする第１条件と、複数の太陽電池出力のそれぞれから得る電力を調整する第２条件とを同時に満たすように、コンバータにおける電力変換動作を制御して入力キャパシタ電圧を調整する。

この構成では、次の原理を用いて、コンバータにおける電力変換動作の制御を最適化できる。

コンバータの出力電圧（第１条件）に対して、コンバータにおける電力変換動作の制御を調整する（変化させる）ことで、コンバータの入力電圧（入力キャパシタに印加される電圧）は調整できる。電圧論理和回路からの出力電圧と出力電流との関係に基づく電圧論理和出力特性によって、コンバータの入力電圧に対する複数の太陽電池出力の各電力の組み合わせ（第２条件）は決まる。したがって、第１条件と第２条件とを同時に満たすように、コンバータにおける電力変換動作の制御条件は、決定できる。そして、この制御条件を満たすことで、電力変換効率の低下を抑制するようにコンバータを制御できる。

この発明によれば、太陽光発電システムにおける電力変換効率の低下を抑制できる。

図１は、第１の実施形態に係る太陽光発電システムの構成を示す機能ブロック図である。 図２は、太陽電池モジュールの出力特性の一例を示すグラフである。 図３は、第１の実施形態に係るコンバータにおける電力変換動作の制御概念の一例を表す表である。 図４（Ａ）、図４（Ｂ）、図４（Ｃ）、図４（Ｄ）、図４（Ｅ）、図４（Ｆ）は、電圧論理和特性の概念を示すＶＩ特性図である。 図５（Ａ）、図５（Ｂ）、図５（Ｃ）、図５（Ｄ）、図５（Ｅ）、図５（Ｆ）は、電圧論理和特性の概念を示すＰＶ特性図である。 図６は、コンバータの出力が直流負荷に供給される態様の太陽光発電システムの構成を示す機能ブロック図である。 図７は、第１の実施形態における電力変換装置における電圧論理和回路のダイオードとコンバータのダイオードとの配置態様の一例を示す図である。 図８は、第２の実施形態に係る太陽光発電システムの構成を示す機能ブロック図である。 図９は、第３の実施形態に係る太陽光発電システムの構成を示す機能ブロック図である。 図１０は、第４の実施形態に係る太陽光発電システムの構成を示す機能ブロック図である。

［第１の実施形態］
本発明の第１の実施形態に係る太陽光発電システムについて、図を参照して説明する。なお、以下では、太陽電池モジュールの個数が４個の場合を示すが、太陽電池モジュールの個数は複数個であれば、４個に限らない。すなわち、複数の太陽電池モジュールが電力変換装置に接続される態様であれば、本実施形態を含む本願発明の構成を適用でき、本願発明の作用効果を奏することができる。

図１は、第１の実施形態に係る太陽光発電システムの構成を示す機能ブロック図である。図１に示すように、太陽光発電システム１は、複数の太陽電池モジュール８１－８４（太陽電池モジュール８１、太陽電池モジュール８２、太陽電池モジュール８３、および、太陽電池モジュール８４）、および、電力変換装置１０を備える。太陽光発電システム１の電力変換装置１０は、出力制御スイッチ９０を通じて、負荷９１や電力系統９２に接続される。

（複数の太陽電池モジュールの概要）
複数の太陽電池モジュール８１－８４は、それぞれに、太陽電池（太陽光発電パネル）、太陽電池から電流と取り出す電子回路によって構成される。複数の太陽電池モジュール８１－８４は、同じ個数の太陽電池で構成されていてもよく、異なる個数の太陽電池で構成されていてもよい。

複数の太陽電池モジュール８１－８４は、照射される太陽光によってそれぞれに発電を行い、発生した直流電力をそれぞれに出力端子８１１－８１４から出力する。太陽電池モジュール８１－８４の各出力端子８１１－８１４が、本発明の「太陽電池出力」に対応する。

図２は、太陽電池モジュールの出力特性の一例を示すグラフである。図２に示すように、太陽電池モジュールは、出力電圧に応じて出力電力が非線形に変化し、所定の出力電圧において電力が最大となる極大値を有する。

複数の太陽電池モジュール８１－８４の出力特性は、理想的には同じであってもよいが、現実的には異なっている。例えば、電力が最大となるときの出力電圧と、出力電圧に対する出力電力の特性（図２における曲線の形状）は、複数の太陽電池モジュール８１－８４のそれぞれで異なる。

（電力変換装置１０の構成）
図１に示すように、電力変換装置１０は、電圧論理和回路２０、コンバータ３０、インバータ４０、および、管理制御回路１００を備える。管理制御回路１００が本発明の「電力管理制御回路」に対応する。

電圧論理和回路２０の入力端は、複数の太陽電池モジュール８１－８４の出力端子８１１－８１４に接続される。電圧論理和回路２０の出力端は、コンバータ３０の入力端に接続する。コンバータ３０の出力端は、インバータ４０の入力端に接続する。インバータ４０の出力端は、出力制御スイッチ９０に接続する。

電圧論理和回路２０は、複数のダイオードＤ２１－Ｄ２４（ダイオードＤ２１、ダイオードＤ２２、ダイオードＤ２３、ダイオードＤ２４）を備える。複数のダイオードＤ２１－Ｄ２４が、本発明の「統合用電力半導体素子」および「統合用ダイオード」に対応する。

ダイオードＤ２１のアノードは、太陽電池モジュール８１の出力端子８１１における高圧側端子に接続する。ダイオードＤ２２のアノードは、太陽電池モジュール８２の出力端子８２１における高圧側端子に接続する。ダイオードＤ２３のアノードは、太陽電池モジュール８２の出力端子８３１における高圧側端子に接続する。ダイオードＤ２４のアノードは、太陽電池モジュール８４の出力端子８４１における高圧側端子に接続する。

複数のダイオードＤ２１－Ｄ２４のカソードは、共通の接続点で互いに接続される。この共通の接続点が、電圧論理和回路２０の高圧側ノードＮＤＨである。高圧側ノードＮＤＨが、本発明の「高圧側ノード」に対応する。なお、図１の等価回路図では、複数のダイオードＤ２１－Ｄ２４のカソードは、複数の点で接続されているが、回路的には１点で接続されているのと同等であり、図１では、複数の接続点のうち１つについて、高圧側ノードＮＤＨの記号を付している。

複数の太陽電池モジュール８１－８４の出力端子８１１－８４１の低圧側端子は、共通の接続点で互いに接続される。この接続点が、電圧論理和回路２０の低圧側ノードＮＤＬである。低圧側ノードＮＤＬが、本発明の「低圧側ノード」に対応する。なお、図１の等価回路図では、複数の太陽電池モジュール８１－８４の出力端子８１１－８４１の低圧側端子は、複数の点で接続されているが、回路的には１点で接続されているのと同等であり、図１では、複数の接続点のうち１つについて、低圧側ノードＮＤＬの記号を付している。

コンバータ３０は、入力キャパシタＣｉ３０、インダクタＬ３０、ＭＯＳＦＥＴＱ３１、ダイオードＤ３２、および、出力キャパシタＣｏ３０を備える。ＭＯＳＦＥＴＱ３１が、本発明の「電力半導体スイッチング素子」に対応し、ダイオードＤ３２が、本発明の「電力半導体整流素子」に対応する。

入力キャパシタＣｉ３０の高圧側端子は、電圧論理和回路２０の高圧側ノードに接続する。入力キャパシタＣｉ３０の低圧側端子は、電圧論理和回路２０の低圧側ノードに接続する。

インダクタＬ３０の一方端は、入力キャパシタＣｉ３０の高圧側端子に接続する。インダクタＬ３０の他方端は、ＭＯＳＦＥＴＱ３１のドレインに接続する。

ＭＯＳＦＥＴＱ３１のソースは、入力キャパシタＣｉ３０の低圧側端子に接続する。ＭＯＳＦＥＴＱ３１のドレインとインダクタＬ３０との接続点（ノード）は、ダイオードＤ３２のアノードに接続する。

ダイオードＤ３２のカソードは、出力キャパシタＣｏ３０の高圧側端子に接続する。出力キャパシタＣｏ３０の低圧側端子は、ＭＯＳＦＥＴＱ３１のソースに接続する。この出力キャパシタＣｏ３０の両端が、コンバータ３０の出力端子となる。

このような構成によって、コンバータ３０は、昇圧コンバータを構成する。

そして、ＭＯＳＦＥＴＱ３１のゲートには、管理制御回路１００からスイッチング制御信号が入力される。ＭＯＳＦＥＴＱ３１は、このスイッチング制御信号によって、所定のスイッチングＤｕｔｙでスイッチング動作を行う。

管理制御回路１００は、このＤｕｔｙを調整することによって、コンバータ３０の出力電圧を調整する。これにより、コンバータ３０は、複数の太陽電池モジュール８１－８４が供給する電力を入力して電力変換動作によって所定の直流電圧を出力する。

この電力変換動作において、入力キャパシタＣｉ３０は、電圧論理和回路２０から出力される直流電圧を保持する。これにより、コンバータ３０は、電力変換動作を安定して行うことができる。ここでいう直流電圧を保持、とは、電圧論理和回路２０から出力される直流電圧を、入力キャパシタＣｉ３０に加わる電圧として維持することを示す。

インバータ４０は、二次電池ＢＡＴ、入力キャパシタＣｉ４０、複数のＭＯＳＦＥＴＱ４１－Ｑ４４（ＭＯＳＦＥＴＱ４１、ＭＯＳＦＥＴＱ４２、ＭＯＳＦＥＴＱ４３、ＭＯＳＦＥＴＱ４４）、インダクタＬ４１、インダクタＬ４２、および、出力キャパシタＣｏ４０を備える。

二次電池ＢＡＴの正極端子は、コンバータ３０の高圧側出力端子に接続する。二次電池ＢＡＴの負極端子は、コンバータ３０の低圧側出力端子に接続する。これにより、二次電池ＢＡＴは、コンバータ３０の出力電圧によって充電される。二次電池ＢＡＴは、例えば、図示しない充放電制御回路を通じて、充放電制御される。

入力キャパシタＣｉ４０の高圧側端子は、二次電池ＢＡＴの正極端子に接続する。入力キャパシタＣｉ４０の低圧側端子は、二次電池ＢＡＴの負極端子に接続する。

ＭＯＳＦＥＴＱ４１のドレインは、入力キャパシタＣｉ４０の高圧側端子に接続し、ＭＯＳＦＥＴＱ４１のソースは、ＭＯＳＦＥＴＱ４２のドレインに接続する。ＭＯＳＦＥＴＱ４２のソースは、入力キャパシタＣｉ４０の低圧側端子に接続する。

ＭＯＳＦＥＴＱ４３のドレインは、入力キャパシタＣｉ４０の高圧側端子に接続し、ＭＯＳＦＥＴＱ４３のソースは、ＭＯＳＦＥＴＱ４４のドレインに接続する。ＭＯＳＦＥＴＱ４４のソースは、入力キャパシタＣｉ４０の低圧側端子に接続する。

インダクタＬ４１の一方端は、ＭＯＳＦＥＴＱ４１のソースとＭＯＳＦＥＴＱ４２のドレインとのノードに接続する。

インダクタＬ４２の一方端は、ＭＯＳＦＥＴＱ４３のソースとＭＯＳＦＥＴＱ４４のドレインとのノードに接続する。

出力キャパシタＣｏ４０の一方端子は、インダクタＬ４１の他方端に接続し、出力キャパシタＣｏ４０の他方端子は、インダクタＬ４２の他方端に接続する。出力キャパシタＣｏ４０の両端子が、インバータ４０の出力端子となる。

複数のＭＯＳＦＥＴＱ４１－Ｑ４４の各ゲートは、管理制御回路１００またはインバータ４０の専用の制御回路からスイッチング制御信号が入力される。複数のＭＯＳＦＥＴＱ４１－Ｑ４４は、このスイッチング制御信号によって、所定のスイッチング動作を行う。なお、このインバータ４０に対するスイッチング制御は既知であり、詳細な説明は省略する。

これにより、インバータ４０は、コンバータ３０から入力された直流電圧を交流電圧に変換して出力する。

（管理制御回路１００の具体的な制御）
図３は、第１の実施形態に係るコンバータにおける電力変換動作の制御概念の一例を表す表である。

管理制御回路１００は、電圧論理和回路２０からの出力電圧Ｖ０ｘと出力電流Ｉ０ｘとの関係に基づく電圧論理和出力特性に応答させて、コンバータ３０の出力電圧Ｖｃｎｖを所定値とする第１条件と、複数の太陽電池モジュール８１－８４のそれぞれから得る電力を調整する第２条件とを同時に満たすように、コンバータ３０における電力変換動作を制御して入力キャパシタＣｉ３０の電圧を調整する。ここでいう調整とは、所定の電圧範囲（例えば、複数の太陽電池モジュール８１―８４の少なくともひとつから出力電力が得られる電圧の範囲）において、複数の太陽電池モジュール８１―８４それぞれからゼロより大きい電力が得られる電圧となるように、コンバータ３０における電力変換動作を制御して入力キャパシタＣｉ３０の電圧を変化させることである。この制御により、全ての太陽電池モジュールから出力電力が得られるため、太陽光発電システムにおける電力変換効率の低下を抑制できる。

なお、管理制御回路１００は、さらなる調整として、複数の太陽電池モジュール８１－８４から得られる電力の総量が最も大きくなる電圧となるように、コンバータ３０における電力変換動作を制御して入力キャパシタＣｉ３０の電圧を変化させてもよい。この制御により、太陽光発電システムにおける電力変換効率の低下をさらに抑制できる。

より具体的には、管理制御回路１００は、電圧論理和回路２０の出力電圧Ｖ０ｘと出力電流Ｉ０ｘとを監視する。また、管理制御回路１００は、この制御を行う時点において、コンバータ３０として必要な出力電圧Ｖｃｎｖを決定する。

管理制御回路１００は、この電圧論理和回路２０の出力電圧Ｖ０ｘと出力電流Ｉ０ｘと、コンバータ３０の出力電圧Ｖｃｎｖとがそれぞれ所望値となるように、制御を実行する。

例えば、管理制御回路１００は、コンバータ３０の出力電圧ＶｃｎｖをＶ１１としたいとする（第１条件）。このとき、図３の場合であれば、Ｄｕｔｙ１１を用いれば、コンバータ３０の入力電圧（入力キャパシタＣｉ３０の電圧）および入力電流に対応する電圧論理和回路２０の出力電圧と出力電流は、それぞれＶ０１、Ｉ０１になる。また、Ｄｕｔｙ１２を用いれば、電圧論理和回路２０の出力電圧と出力電流は、それぞれＶ０２、Ｉ０２になる。また、Ｄｕｔｙ１３を用いれば、電圧論理和回路２０の出力電圧と出力電流は、それぞれＶ０３、Ｉ０３になる。

入力キャパシタＣｉ３０の電圧（電圧論理和回路２０の出力電圧Ｖ０ｘに相当）は、複数の太陽電池モジュール８１－８４から出力される最大電圧となる。言い換えれば、複数の太陽電池モジュール８１－８４の各出力電圧は、複数の太陽電池モジュール８１－８４の最大電圧に統一される。

この際、複数の太陽電池モジュール８１－８４は、それぞれに、出力特性が異なる。したがって、複数の太陽電池モジュール８１－８４は、入力キャパシタＣｉ３０の電圧すなわち電圧論理和回路２０の出力電圧Ｖ０ｘに応じて、それぞれの出力電流は変化する。これにより、複数の太陽電池モジュール８１－８４の出力電流の加算電流（加算値）である電圧論理和回路２０の出力電流Ｉ０ｘも変化する。このような出力電圧Ｖ０ｘと出力電流Ｉ０ｘとの関係が、本発明の「電圧論理和出力特性」に対応する。

管理制御回路１００は、所定の電圧の範囲において複数の太陽電池モジュール８１―８４それぞれからゼロより大きい電力が得られる電圧となるように、コンバータ３０における電力変換動作を制御して入力キャパシタＣｉ３０の電圧を変化させ（第２条件）、電圧論理和回路２０の出力電圧Ｖ０ｘ、出力電流Ｉ０ｘの組み合わせを検出する。例えば、図３の場合であれば、出力電圧Ｖ０１、出力電流Ｉ０１の組み合わせ、出力電圧Ｖ０２、出力電流Ｉ０２の組み合わせ、出力電圧Ｖ０３、出力電流Ｉ０３の組み合わせから、第２条件を満たす組合せを検出する。

なお、電圧論理和回路２０の出力電圧Ｖ０ｘ、出力電流Ｉ０ｘと、複数の太陽電池モジュール８１－８４の各出力電力との関係は、予め記憶しておいてもよく、複数の太陽電池モジュール８１－８４の各出力電力を計測可能な回路構成を備え、リアルタイムに出力電力を計測してもよい。

管理制御回路１００は、検出した組み合わせに対応した制御条件（Ｄｕｔｙ１１、Ｄｕｔｙ１２、Ｄｕｔｙ１３）を選択する。これにより、管理制御回路１００は、第１条件と第２条件とを同時に満たす制御条件を選択できる。

管理制御回路１００は、選択した制御条件（Ｄｕｔｙ）を用いて、コンバータ３０における電力変換動作を制御する。これにより、太陽光発電システム１は、電力変換効率の低下を抑制できる。

より具体的には、例えば、次に示すように制御を行う。

図４（Ａ）、図４（Ｂ）、図４（Ｃ）、図４（Ｄ）、図４（Ｅ）、図４（Ｆ）は、電圧論理和特性の概念を示すＶＩ特性図である。図４（Ａ）、図４（Ｃ）、図４（Ｅ）は、複数の太陽電池モジュール８１－８４のうち２つのＶＩ特性を示し、図４（Ｂ）、図４（Ｄ）、図４（Ｆ）は、入力キャパシタＣｉ３０、すなわち、電圧論理和回路２０の出力のＶＩ特性を示す。なお、ここでは、説明を簡単にするため、太陽電池モジュールが２個の場合を示すが、他の個数でも同様の原理が適用できる。

図４（Ａ）は、２つの太陽電池モジュールの出力特性がほぼ同じ場合を示し、図４（Ｃ）は、２つの太陽電池モジュールの出力特性が大きく異なる場合を示し、図４（Ｅ）は、図４（Ａ）の場合と図４（Ｃ）の場合の中間の場合を示す。図４（Ｂ）は、図４（Ａ）の場合を示し、図４（Ｄ）は、図４（Ｃ）の場合を示し、図４（Ｆ）は、図４（Ｅ）の場合を示す。

図４（Ａ）－図４（Ｆ）に示すように、電圧論理和回路２０の各電圧での電流は、電圧論理和回路を構成する複数の太陽電池モジュールの出力特性の電流を加算した値となる。

したがって、図４（Ａ）に示すように、２つの太陽電池モジュールの出力特性が略同じであると、図４（Ｂ）に示すように、電圧論理和回路２０の出力特性としては、０Ｖから２つの太陽電池モジュールの最大出力電圧までのほぼ全ての電圧範囲で、２つの太陽電池モジュールの電流が０で無い状態で加算される。これにより、図４（Ａ）、図４（Ｂ）の場合では、０Ｖから２つの太陽電池モジュールの最大出力電圧までの範囲が、ほぼ所定の電圧範囲ｒｎｇＶとなる。

一方、図４（Ｃ）に示すように、２つの太陽電池モジュールの出力特性が大きく異なると、図４（Ｄ）に示すように、電圧論理和回路２０の出力特性としては、０Ｖから最大出力電圧が低い太陽電池モジュールの最大出力電圧までの電圧範囲で、２つの太陽電池モジュールの電流が０で無い状態で加算される。これにより、図４（Ｃ）、図４（Ｄ）の場合では、０Ｖから最大出力電圧が低い太陽電池モジュールの最大出力電圧までの範囲が、所定の電圧範囲ｒｎｇＶとなる。

また、図４（Ｅ）、図４（Ｆ）に示す場合も、図４（Ｃ）、図４（Ｄ）に示す場合と同様に、０Ｖから最大出力電圧が低い太陽電池モジュールの最大出力電圧までの範囲が、所定の電圧範囲ｒｎｇＶとなる。

そして、このように、電圧論理和特性から得られる所定の電圧範囲ｒｎｇＶ内に、電圧論理和回路２０の出力電圧Ｖ０ｘを設定することで、複数の太陽電池モジュール８１－８４から出力電流を得ることができる。一方、電圧論理和特性から得られる所定の電圧範囲ｒｎｇＶ外に、電圧論理和回路２０の出力電圧Ｖ０ｘを設定すると、複数の太陽電池モジュール８１－８４の少なくとも一部から出力電流を得ることができず、効率が低下してしまう。

管理制御回路１００は、このような原理を利用して、電圧論理和回路２０の出力電圧Ｖ０ｘと出力電流Ｉ０ｘと設定する。例えば、図３の上段の場合、コンバータ３０の出力電圧ＶｃｎをＶ１１としたいとき、出力電圧Ｖ０２が所定の電圧範囲ｒｎｇＶ内になり、出力電圧Ｖ０１、Ｖ０３が所定の電圧範囲ｒｎｇＶ外になるとする。この場合、管理制御回路１００は、出力電圧Ｖ０２、出力電流Ｉ０２ｎの組合せを選択し、この組合せに対応するＤｕｔｙ１２を選択し、コンバータ３０における電力変換動作を制御する。これにより、太陽光発電システム１は、電力変換効率の低下を抑制できる。 なお、管理制御回路１００は、複数の太陽電池モジュール８１－８４の出力電力の差が最も小さい制御条件を、さらに選択してもよい。例えば、図３の場合であれば、コンバータ３０の出力電圧ＶｃｎｖがＶ１１であって、出力電圧Ｖ０１、Ｖ０２、Ｖ０３のいずれもが所定の電圧範囲ｒｇｎＶ内であったとしても、複数の太陽電池モジュール８１－８４の出力電力の差が最も小さい制御条件が出力電圧Ｖ０２の場合であれば、出力電圧Ｖ０２に対応するＤｕｔｙ１２を選択し、管理制御回路１００は、制御を実行する。

これにより、太陽光発電システム１は、電力変換効率の低下を抑制しながら、太陽電池モジュールの寿命のバラつきを抑制できる。

なお、管理制御回路１００は、特定の一種類のコンバータ３０の出力電圧Ｖｃｎｖに対応するだけでなく、複数の出力電圧Ｖｃｎｖに対応できる。

例えば、図３の例において、管理制御回路１００は、コンバータ３０の出力電圧ＶｃｎｖがＶ１２であり、複数の太陽電池モジュール８１－８４のそれぞれから電力を得られる電圧論理和回路２０の出力電圧Ｖ０４、出力電流Ｉ０４の組合せが上述の第１条件と第２条件を満たしていれば、制御条件（Ｄｕｔｙ２１）を選択することで、出力電圧ＶｃｎｖがＶ１２であっても、電力変換効率の低下をさらに抑制できる。

このように、太陽光発電システム１は、任意の所望のコンバータ３０の出力電圧Ｖｃｎｖを得ながら、複数の太陽電池モジュール８１－８４を用いた発電における電力変換効率（太陽光エネルギーから直流電力への電力変換の効率）の低下を抑制できる。 また、管理制御回路１００は、所定の電圧範囲において、複数の太陽電池出力のそれぞれから得る電力の総量（総電力）が極大値となるように、入力キャパシタＣｉ３０の電圧（電圧論理和回路２０の出力電圧）を制御することもできる。

図５（Ａ）、図５（Ｂ）、図５（Ｃ）、図５（Ｄ）、図５（Ｅ）、図５（Ｆ）は、電圧論理和特性の概念を示すＰＶ特性図である。図５（Ａ）、図５（Ｃ）、図５（Ｅ）は、複数の太陽電池モジュール８１－８４のうち２つのＶＩ特性を示し、図５（Ｂ）、図５（Ｄ）、図５（Ｆ）は、入力キャパシタＣｉ３０、すなわち、電圧論理和回路２０の出力のＰＶ特性を示す。なお、ここでは、説明を簡単にするため、太陽電池モジュールが２個の場合を示すが、他の個数でも同様の原理が適用できる。

図５（Ａ）は、２つの太陽電池モジュールの出力特性がほぼ同じ場合（図４（Ａ）と同じ場合）を示し、図５（Ｃ）は、２つの太陽電池モジュールの出力特性が大きく異なる場合（図４（Ｃ）と同じ場合）を示し、図５（Ｅ）は、図５（Ａ）の場合と図５（Ｃ）の場合の中間の場合（図４（Ｅ）と同じ場合）を示す。図５（Ｂ）は、図５（Ａ）の場合を示し、図５（Ｄ）は、図５（Ｃ）の場合を示し、図５（Ｆ）は、図５（Ｅ）の場合を示す。

図５（Ａ）－図５（Ｆ）に示すように、電圧論理和回路２０の各電圧での電力は、電圧論理和回路を構成する複数の太陽電池モジュールの出力特性の電力を加算した値と同じになる。

図５（Ａ）に示すように、２つの太陽電池モジュールの出力特性が略同じである場合、複数の太陽電池モジュールの電力が極大となる電圧は略同じとなる。したがって、図５（Ｂ）に示すように、電圧論理和回路２０の出力電力としては、１つの極大を有する。そして、この極大の電圧Ｖｍｘｐは、所定の電圧範囲ｒｎｇＶ内となる。

この場合、管理制御回路１００は、上述の第１条件と第２条件とを満たしながら、入力キャパシタＣｉ３０の電圧が極大の電圧Ｖｍｘｐとなるように、Ｄｕｔｙを設定し、コンバータ３０における電力変換動作を制御する。これにより、太陽光発電システム１は、電力変換効率をさらに向上できる。

図５（Ｃ）に示すように、２つの太陽電池モジュールの出力特性が大きく異なる場合、複数の太陽電池モジュールの電力が極大となる電圧は異なる。そして、図５（Ｂ）に示すように、電圧論理和回路２０の出力電力としては、２つの極大を有する。ここで、例えば、第１の極大の電圧Ｖｍｘｐ１は、所定の電圧範囲ｒｎｇＶ内となり、第２の極大の電圧Ｖｍｘｐ２は、所定の電圧範囲ｒｎｇＶ外であったとする。

この場合、管理制御回路１００は、上述の第１条件と第２条件とを満たしながら、入力キャパシタＣｉ３０の電圧が第１の極大の電圧Ｖｍｘｐ１となるように、Ｄｕｔｙを設定し、コンバータ３０における電力変換動作を制御する。これにより、太陽光発電システム１は、電力変換効率をさらに向上できる。

図５（Ｅ）に示すように、２つの太陽電池モジュールの出力特性が異なる場合、複数の太陽電池モジュールの電力が極大となる電圧は異なる。そして、図５（Ｆ）に示すように、電圧論理和回路２０の出力電力としては、２つの極大を有する。ここで、例えば、第１の極大の電圧Ｖｍｘｐ１および第２の極大の電圧Ｖｍｘｐ２は、所定の電圧範囲ｒｎｇＶ内となる。さらに、第１の極大の電圧Ｖｍｘｐ１での総電力は、第２の極大の電圧Ｖｍｘｐ２よりも大きい。

この場合、管理制御回路１００は、上述の第１条件と第２条件とを満たしながら、入力キャパシタＣｉ３０の電圧が第１の極大の電圧Ｖｍｘｐ１となるように、Ｄｕｔｙを設定し、コンバータ３０における電力変換動作を制御する。これにより、太陽光発電システム１は、電力変換効率をさらに向上できる。

なお、太陽光発電システム１は、直流負荷をコンバータの出力側に接続してもよい。図６は、コンバータの出力が直流負荷に供給される態様の太陽光発電システムの構成を示す機能ブロック図である。

図６に示すように、電力変換装置１０ＤＣは、電圧論理和回路２０、コンバータ３０，および、管理制御回路１００を備える。言い換えれば、電力変換装置１０ＤＣは、電力変換装置１０からインバータ４０を省略した構成である。コンバータ３０の出力端には、直流負荷９１ＤＣが接続される。

このように、複数の太陽電池モジュール８１－８４から供給される電力は、直流負荷９１ＤＣで消費されてもよい。このような直流負荷９１ＤＣがあることにより、インバータ４０を有しない場合であっても、太陽光発電システム１が成り立つ。直流負荷９１ＤＣは例えば、直流電圧で駆動する電子機器、バッテリが含まれる。

また、太陽光発電システム１における電力変換装置１０は、さらに次の特徴を備える。

（Ａ）ダイオードＤ３２は、順方向電圧特性において正の温度特性を有する。複数のダイオードＤ２１－Ｄ２４は、順方向電圧特性において負の温度特性を有する。ダイオードＤ３２と複数のダイオードＤ２１－Ｄ２４とは、共通の放熱器に直接または間接的に接続して熱的に結合する。直接接続とは、放熱器とダイオードが直接接している状態を示す。間接的とは、放熱器とダイオードとが、距離を置いて配置されている状態や絶縁シート等を挟んで配置されている状態を示す。

図７は、第１の実施形態における電力変換装置における電圧論理和回路のダイオードとコンバータのダイオードとの配置態様の一例を示す図である。図４に示すように、電圧論理和回路２０のダイオードＤ２１と、コンバータ３０のダイオードＤ３２とは、ディスクリート部品であり、回路基板１９１に実装される。なお、電圧論理和回路２０のダイオードＤ２２、Ｄ２３、Ｄ２４も同様に、回路基板１９１に実装される。電圧論理和回路２０の複数のダイオードＤ２１－Ｄ２４は、図４のダイオードＤ２１のように、コンバータ３０のダイオードＤ３２に近接する位置に配置される。

複数のダイオードＤ２１－Ｄ２４とダイオードＤ３２とは、絶縁シート１９３を挟んで、金属等からなる放熱器１９２に固定される。この際、複数のダイオードＤ２１－Ｄ２４とダイオードＤ３２とは、それぞれの放熱部が放熱器１９２に接続するように固定されることが好ましい。なお、複数のダイオードＤ２１－Ｄ２４とダイオードＤ３２とは、放熱器１９２に直接接続してもよく、間接的に接続してもよい。

このような構成によって、複数のダイオードＤ２１－Ｄ２４とダイオードＤ３２のそれぞれに個別の放熱器を配置しなくてもよい。したがって、電力変換装置１０は、放熱器を削減して、小型軽量化を実現できる。

また、ダイオードＤ３２が正の温度特性を有し、複数のダイオードＤ２１－Ｄ２４が負の温度特性を有し、これらが共通の放熱器１９２に直接または間接的に接続して熱的に結合する。これにより、ダイオードＤ３２の温度特性と複数のダイオードＤ２１－Ｄ２４の温度特性とを平衡させることができ、電力変換装置１０は、電力変換効率の低下をさらに抑制できる。また、電力変換装置１０は、放熱器を小さくして小型軽量化を実現できる。

また、図７では、ダイオードＤ２１とダイオードＤ３２との間に、ＭＯＳＦＥＴＱ３１が配置されているが、ダイオードＤ２１とダイオードＤ３２とを隣接して配置してもよい。これにより、温度特性の平衡化の効果は向上する。

（Ｂ）二次電池ＢＡＴは省略できる。しかしながら、二次電池ＢＡＴを備えることによって、複数の太陽電池モジュール８１－８４で発電された電力を蓄電できる。これにより、利用エネルギーを平準化できる。

［第２の実施形態］
本発明の第２の実施形態に係る太陽光発電システムについて、図を参照して説明する。図８は、第２の実施形態に係る太陽光発電システムの構成を示す機能ブロック図である。

図８に示すように、第２の実施形態に係る太陽光発電システム１Ａは、第１の実施形態に係る太陽光発電システム１に対して、電力変換装置１０Ａの構成において異なる。太陽光発電システム１Ａの他の構成は、太陽光発電システム１と同様であり、同様の箇所の説明は省略する。

電力変換装置１０Ａは、第１の実施形態に係る電力変換装置１０に対して、複数のノイズフィルタ５１－５４を備える点で異なる。電力変換装置１０Ａの他の構成は、電力変換装置１０と同様であり、同様の箇所の説明は省略する。

電力変換装置１０Ａは、複数のノイズフィルタ５１－５４（ノイズフィルタ５１、ノイズフィルタ５２、ノイズフィルタ５３、ノイズフィルタ５４）を備える。

ノイズフィルタ５１は、太陽電池モジュール８１と電圧論理和回路２０との間に接続される。より具体的には、ノイズフィルタ５１は、電圧論理和回路２０のダイオードＤ２１に接続する。ノイズフィルタ５２は、太陽電池モジュール８２と電圧論理和回路２０との間に接続される。より具体的には、ノイズフィルタ５２は、電圧論理和回路２０のダイオードＤ２２に接続する。

ノイズフィルタ５３は、太陽電池モジュール８３と電圧論理和回路２０との間に接続される。より具体的には、ノイズフィルタ５３は、電圧論理和回路２０のダイオードＤ２３に接続する。ノイズフィルタ５４は、太陽電池モジュール８４と電圧論理和回路２０との間に接続される。より具体的には、ノイズフィルタ５４は、電圧論理和回路２０のダイオードＤ２４に接続する。

このように、複数のノイズフィルタ５１－５４を備えることによって、太陽光発電システム１Ａは、太陽光発電システム１と同様の作用効果を奏するとともに、電圧論理和回路２０に入力するノイズ電圧を低減でき、電圧論理和回路２０の入力電圧を安定させることができる。

［第３の実施形態］
本発明の第３の実施形態に係る太陽光発電システムについて、図を参照して説明する。図９は、第３の実施形態に係る太陽光発電システムの構成を示す機能ブロック図である。

図９に示すように、第３の実施形態に係る太陽光発電システム１Ｂは、第１の実施形態に係る太陽光発電システム１に対して、電力変換装置１０Ｂの構成において異なる。太陽光発電システム１Ｂの他の構成は、太陽光発電システム１と同様であり、同様の箇所の説明は省略する。

電力変換装置１０Ｂは、第１の実施形態に係る電力変換装置１０に対して、電圧論理和回路２０Ｂの構成において異なる。電力変換装置１０Ｂの他の構成は、電力変換装置１０と同様であり、同様の箇所の説明は省略する。

電圧論理和回路２０Ｂは、複数のダイオードＤ２１－Ｄ２４を備える。複数のダイオードＤ２１－Ｄ２４が、本発明の「統合用ダイオード」にそれぞれ対応する。

ダイオードＤ２１のカソードは、太陽電池モジュール８１の出力端子８１１における低圧側端子に接続する。ダイオードＤ２２のカソードは、太陽電池モジュール８２の出力端子８２１における低圧側端子に接続する。ダイオードＤ２３のカソードは、太陽電池モジュール８３の出力端子８３１における低圧側端子に接続する。ダイオードＤ２４のカソードは、太陽電池モジュール８４の出力端子８４１における低圧側端子に接続する。

複数のダイオードＤ２１－Ｄ２４のアノードは、互いに接続され、電圧論理和回路２０Ｂの低圧側ノードを形成する。

複数の太陽電池モジュール８１－８４の出力端子８１１－８４１の高圧側端子は、互いに接続され、電圧論理和回路２０Ｂの高圧側ノードを形成する。

このような構成によって、太陽光発電システム１Ｂは、太陽光発電システム１と同様の作用効果を奏する。

［第４の実施形態］
本発明の第４の実施形態に係る太陽光発電システムについて、図を参照して説明する。図１０は、第４の実施形態に係る太陽光発電システムの構成を示す機能ブロック図である。

図１０に示すように、第４の実施形態に係る太陽光発電システム１Ｃは、第１の実施形態に係る太陽光発電システム１に対して、電力変換装置１０Ｃの構成において異なる。太陽光発電システム１Ｃの他の構成は、太陽光発電システム１と同様であり、同様の箇所の説明は省略する。

電力変換装置１０Ｃは、第１の実施形態に係る電力変換装置１０に対して、コンバータ３０Ｃの構成において異なる。電力変換装置１０Ｂの他の構成は、電力変換装置１０と同様であり、同様の箇所の説明は省略する。

コンバータ３０Ｃは、第１の実施形態に係るコンバータ３０に対して、ダイオードＤ３２をＭＯＳＦＥＴＱ３２に置き換えた点で異なる。コンバータ３０Ｃの他の構成は、コンバータ３０と同様であり、同様の箇所の説明は省略する。

コンバータ３０Ｃは、ＭＯＳＦＥＴＱ３２を備える。ＭＯＳＦＥＴＱ３２のソースは、ＭＯＳＦＥＴＱ３１のドレインに接続する。ＭＯＳＦＥＴＱ３２のドレインは、出力キャパシタＣｏ４０の高圧側端子に接続する。このＭＯＳＦＥＴＱ３２が、本発明の「同期整流トランジスタ」に対応する。

管理制御回路１００は、ＭＯＳＦＥＴＱ３１とＭＯＳＦＥＴＱ３２にスイッチング制御信号を与える。管理制御回路１００は、上述の所定のＤｕｔｙで、ＭＯＳＦＥＴＱ３１とＭＯＳＦＥＴＱ３２とを同期させて交互にオン制御する。

これにより、コンバータ３０Ｃは、同期整流型のコンバータとして動作する。

このような構成によって、太陽光発電システム１Ｃは、太陽光発電システム１と同様の作用効果を奏する。

なお、上述の各実施形態の構成は、適宜組み合わせることができ、それぞれの組み合わせに応じた作用効果を奏することができる。

１、１Ａ、１Ｂ、１Ｃ：太陽光発電システム
１０、１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ、１０ＤＣ：電力変換装置
２０、２０Ｂ：電圧論理和回路
３０、３０Ｃ：コンバータ
４０：インバータ
５１、５２、５３、５４：ノイズフィルタ
８１、８２、８３、８４：太陽電池モジュール
９０：出力制御スイッチ
９１：負荷
９２：電力系統
１００：管理制御回路
１９１：回路基板
１９２：放熱器
１９３：絶縁シート
８１１、８２１、８３１、８４１：出力端子
ＢＡＴ：二次電池
Ｃｉ３０：入力キャパシタ
Ｃｉ４０：入力キャパシタ
Ｃｏ３０：出力キャパシタ
Ｃｏ４０：出力キャパシタ
Ｄ２１、Ｄ２２、Ｄ２３、Ｄ２４、Ｄ３２：ダイオード
Ｌ３０、Ｌ４１、Ｌ４２：インダクタ
Ｑ３１、Ｑ３２：ＭＯＳＦＥＴ
Ｑ４１、Ｑ４２、Ｑ４３、Ｑ４４：ＭＯＳＦＥＴ
ＮＤＨ：高圧側ノード
ＮＤＬ：低圧側ノード

Claims (12)

1. 複数の太陽電池出力に接続され、前記複数の太陽電池が供給する電力を所定の直流電圧に変換して出力するコンバータと、
   複数の太陽電池から直流電圧をそれぞれの前記コンバータに出力する複数の太陽電池出力と、
   前記コンバータにおいて電力変換動作の制御を行う電力管理制御回路と、
   前記複数の太陽電池出力を統合して前記コンバータに入力する電圧論理和回路と、
   前記電圧論理和回路から出力される直流電圧を保持して前記コンバータの入力電圧とする入力キャパシタと、
   を備え、
   前記電力管理制御回路は、
   前記電圧論理和回路からの出力電圧と出力電流との関係に基づく電圧論理和出力特性に応答させて、前記コンバータの出力電圧を所定値とする第１条件と、前記複数の太陽電池出力のそれぞれから得る電力をゼロより大きい値に調整する第２条件とを同時に満たすように、前記コンバータにより前記入力キャパシタの電圧を制御する、
   太陽光発電システム。
2. 前記電力管理制御回路は、所定の電圧範囲において前記入力キャパシタの電圧を変化させ、前記複数の太陽電池出力のそれぞれから得る電力の総量が極大値となるように、前記コンバータにより前記入力キャパシタの電圧を制御する、請求項１に記載の太陽光発電システム。
3. 前記コンバータは、昇圧コンバータである、
   請求項１または請求項２に記載の太陽光発電システム。
4. 前記コンバータの電力変換後の直流電圧が出力される出力側に接続され、前記コンバータからの直流出力電圧を交流電圧に変換して、負荷または電力系統に電力を出力するインバータを備える、
   請求項１または請求項２に記載の太陽光発電システム。
5. 前記コンバータの電力変換後の直流電圧が出力される出力側に接続され、前記コンバータの出力電力を蓄電する二次電池を備える、
   請求項１または請求項２に記載の太陽光発電システム。
6. 前記電圧論理和回路は、
   前記複数の太陽電池出力のそれぞれに直列に接続される複数の統合用電力半導体素子と、
   前記複数の統合用電力半導体素子の出力を共通に接続する高圧側ノードと、を備え、
   前記高圧側ノードは前記入力キャパシタに接続し、
   前記複数の統合用電力半導体素子は、前記複数の太陽電池出力のなかで最も高い電圧を前記入力キャパシタに加えて電力を出力するように動作する、
   請求項１または請求項２に記載の太陽光発電システム。
7. 前記電圧論理和回路は、
   前記複数の太陽電池出力のそれぞれに直列に接続される複数の統合用ダイオードと、
   前記複数の統合用ダイオードのカソードからの出力を共通に接続する高圧側ノードと、を備え、
   前記高圧側ノードが前記入力キャパシタの高圧側端子に接続し、
   前記複数の統合用ダイオードは、前記複数の太陽電池出力のなかで最も高い電圧を前記入力キャパシタに加えて電力を出力するように動作する、
   請求項１または請求項２に記載の太陽光発電システム。
8. 前記電圧論理和回路は、
   前記複数の太陽電池出力のそれぞれに直列に接続される複数の統合用ダイオードと、
   前記複数の統合用ダイオードのアノードへの入力を共通に接続する低圧側ノードと、を備え、
   前記低圧側ノードが前記入力キャパシタの低圧側端子に接続し、
   前記複数の統合用ダイオードは、前記複数の太陽電池出力のなかで最も高い電圧を前記入力キャパシタに加えて電力を出力するように動作する、
   請求項１または請求項２に記載の太陽光発電システム。
9. 前記コンバータは、
   前記電力管理制御回路からスイッチング動作が制御される電力半導体スイッチング素子と、電力半導体整流素子と、を備え、
   前記統合用電力半導体素子と前記電力半導体整流素子とは、共通の放熱器に直接または間接的に接続して熱的に結合する、
   請求項６に記載の太陽光発電システム。
10. 前記統合用電力半導体素子は統合用ダイオードであって、前記統合用ダイオードは、順方向電圧特性において負の温度特性を有し、前記コンバータを構成する電力半導体整流素子は正の温度特性を有する、
    請求項９に記載の太陽光発電システム。
11. 前記統合用電力半導体素子は同期整流トランジスタである、
    請求項９に記載の太陽光発電システム。
12. 前記複数の太陽電池出力と前記電圧論理和回路との間の電流経路に接続されるノイズフィルタを備える、
    請求項１または請求項２に記載の太陽光発電システム。

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