JPH10207560A - 太陽光発電システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】太陽光発電システムにおいて、日射強度などの
気象条件が急激に変化しても、安定に最大電力点を追従
するように制御を行ない効率向上を図る。 【解決手段】最大電力制御時の動作点の移動方向が、所
定の回数同じ方向に変化した場合、強制的に移動方向を
反転させる制御をする。気象条件、特に日射強度が急激
に変動しても、安定に最大電力点を追従できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は太陽電池で発生する
直流電力をインバータ等で構成される電力変換装置によ
って交流電力に変換し、独立電源として負荷に給電する
太陽光発電システム、あるいは発生した電力を負荷のみ
ならず、余剰電力を系統に逆潮流する太陽光発電システ
ムに関するもので、特に太陽電池の発生電力をその時の
気象条件において最大にするように制御する太陽光発電
システムに関する。

【０００２】

【従来の技術】太陽光発電システムは、主に、太陽電池
とインバータ等の電力変換装置等から構成されており、
太陽の光エネルギーを電気エネルギーに変換し、負荷に
供給するものである。このシステムは大きく別けて２通
りの方式があり、１つは昼間の太陽電池の出力電力を充
電する蓄電池を備え、夜間でも利用できるシステムであ
る。

【０００３】もう１つは蓄電池を具備しないシステム
で、太陽電池の発電電力量が負荷より小さい時は、不足
分の電力を電力系統から供給してもらい、逆に大きい時
は余剰電力を電力系統側に逆潮流し、太陽光がない時間
は電力系統から遮断する。この方式は余剰電力を電力会
社に売電でき、ユーザーにとって大きなメリットがあ
る。

【０００４】どの方式でも太陽電池を用いているため、
日射量や温度の変動によって、得られる電力量が変動す
ることは同じである。そのため、従来から太陽電池の出
力電力量を測定し、電力変換装置の制御を行なうことに
よって、太陽光エネルギーを最大限に利用する最大電力
追従制御を行なう太陽光発電システムが提案されてい
る。

【０００５】最大電力追従制御については特公平5-6872
2号や、特開昭60-234468号の他多数出願されており、そ
れらの概略は図１０に示すような構成である。太陽電池
１で発生した直流電力は、インバータなどの電力変換装
置２により交流電力に変換され、負荷に電力を供給する
とともに電力系統４と接続されている。

【０００６】太陽電池１と電力系統４との間には、太陽
電池１の直流出力電圧を測定するセンサー６、出力電流
を測定する電流センサー１０、および交流側の出力電流
を測定する電流センサー７、出力電圧を測定する電圧セ
ンサー８、９が設けられている。

【０００７】特公平5-68722の場合、太陽電池１の出力
電力を最大に取り出すために、直流側の電圧・電流セン
サー６、１０の出力値を乗算して電力量に変換し、その
値を最大にするような制御が行なわれている。具体的に
は、太陽電池１の出力電圧を少し増加させてその時の電
力量を求め、変化量が増加方向であれば基準値を増加方
向に維持し、逆に減少方向であれば基準値を減少方向へ
反転させる。

【０００８】また特開昭60-234468号の場合、交流側の
電圧・電流センサー７、８の出力値を乗算して電力量に
変換し、その値が増大する方向へ太陽電池の動作点を移
行させ、交流電力量を最大にしている。これらの方法は
日射条件が同じか、あるいは小さな変化に対しては追従
できるけれども、日射強度の急激な変化に対しては追従
動作が不安定になることがあり、その時の処理方法につ
いては言及されていない。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】上記従来例では、日射
条件の急激な変化に対する最大電力追従制御に対して充
分ではなく、特に日射強度が急激に増加した場合、最大
電力点が最適動作点から大きく離れ、太陽電池の出力電
力を有効に利用できないという問題がある。

【００１０】本発明の目的は、日射強度の急激な変化に
対しても、最大電力追従点が最適動作点から大きく離れ
ないように制御し、太陽電池の出力電力を有効に利用す
ることである。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は電力変換器の交流出力電流を決定する交流
出力電流指令値、もしくは電力変換器の入力側か出力側
のどちらかの電力量と、太陽電池の動作点（動作電圧）
を決定する直流出力電圧指令値を用い、交流出力電流指
令値もしくは電力変換器の入力側か出力側のどちらかの
電力量が増加するように動作点を制御する。

【００１２】さらに、動作点が同じ方向に所定回数増加
もしくは減少した場合、強制的に移動方向を反転し、そ
の後、交流出力電流指令値もしくは電力変換器の入力側
か出力側のどちらかの電力量が増加する制御を繰り返し
行なうようにするものである。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施例について図
１から図５により説明する。

【００１４】図１は制御ブロック図、図２は最大電力追
従制御の概略フロー、図３は本発明による制御動作を説
明するための太陽電池の電圧・電力特性例、図４は本発
明を説明するための太陽光発電システムの概略構成、図
５は最大電力追従制御を説明するための太陽電池の電圧
・電力特性例を示す。

【００１５】図４に示すように太陽光発電システムは、
太陽電池１の直流出力電力をインバータ２で交流電力に
変換し、開閉器４１を介して負荷（図示していない）に
電力を供給するものである。インバータ２は、入力端子
間に接続されたコンデンサ２１、ブリッジ接続された４
個のスイッチング素子２２、２３、２４、２５、これら
のスイッチング素子に２２乃至２５に逆並列に接続した
ダイオード２６、２７、２８、２９、スイッチング素子
２２乃至２５に制御パルスを供給し、インバータ２のパ
ルス幅制御を行うパルス幅制御装置３０を備えている。

【００１６】最近は電力特性の条件を満たしている場
合、負荷で使用した後の余剰電力を電力系統４側に逆潮
流できるようになった。電力特性の条件は、電圧センサ
ー８、９や電流センサー７等の値を、インターフェース
ボード（Ｉ／Ｆ）３１を介して自動電圧制御装置５で測
定することにより判断し、その状態により太陽光発電シ
ステムと電力系統４との間に挿入された保護装置３を開
閉するものである。したがって、マイコン（ＣＰＵ）５
１、アナログ−デジタル変換器５２、電源５３を備える
自動電圧制御装置５は、保護関係の他、インバータ２の
出力が電力系統側４と協調が取れているか否かを判断
し、太陽光発電システムを起動させたり、停止させたり
することも行なう。

【００１７】太陽電池１は、例えば、図５に示すような
出力特性を持っている。横軸に太陽電池１の直流出力電
圧Ｖdc、縦軸に電力Ｐdcを表わす。電圧Ｖdcがある値ま
では電力Ｐdcも増加し、ある値からは電力Ｐdcが減少す
る特性がある。つまり、直流電力Pdcが最大値になる点
Ｐmaxを境界にして、直流電力Vdcが領域Ａにあるときは
直流電圧Vdcの増加にともなって増加するが、電圧Ｖdc
が領域Ｂにあるときは直流電圧Vdcの増加にともなって
減少する。

【００１８】また、電力系統４と連係するために交流電
圧Vacは、一定電圧、例えば、100(Ｖ)に制御される。そ
のため直流側の電力Ｐdcが変化しても交流側は、出力電
流Iacだけが変化し、そのときの温度や日射強度条件の
もとで最大電力Pmaxになるように直流出力電圧Ｖdcが制
御される。

【００１９】したがって、最大電力Ｐmaxの大きさおよ
びそのときの直流電圧Ｖdcは、日射強度や温度により変
化するが、気象条件により常に最大電力点Ｐmaxを追従
するように直流出力電圧Ｖdcの制御を行なえば、効率の
良いシステム運用ができることになる。

【００２０】図１は、本発明を説明するための制御ブロ
ック図である。 直流出力電圧Ｖdcを設定する直流出力
電圧指令値Ｖdcref*と太陽電池１の直流出力電圧Ｖdcの
値により、自動電圧制御装置（ＡＶＲ）により交流側の
出力電流を設定するディジタル量の電流指令値Ｉq*が計
算される。この交流出力電流指令値Ｉq*を使用した電流
制御装置（ＡＣＲ）と、電力系統側４の電圧位相θなど
を考慮して、パルス幅変調装置（ＰＷＭ）によりインバ
ータ２が制御され、所望の交流出力電圧・電流を出力す
る。

【００２１】今、太陽電池1の直流出力電圧をＶｄｃ、
直流電流をIdcとし、インバータ2の交流出力電圧をＶa
c、交流電流をＩacとすると、直流出力電力Pdcと交流出
力電力Pacは、次のように表される。

【００２２】Pdc=Vdc×Idc Pac=Vac×Iac Pac=Pdc×η (η:インバータ効率) したがって、直流出力電圧Vdcは、出力電圧指令値Ｖdcr
ef*、交流電流Ｉacは交流出力電流指令値Iq*によりそれ
ぞれ決定される。直流出力電圧Vdcが指定した直流出力
電圧指令値Ｖdcref*になるように交流出力電流指令値Ｉ
q*の大きさが決定される。つまり、交流出力電流指令値
Ｉq*に対応する交流出力電流Ｉacが流れる。日射条件が
変化し、太陽電池の出力直流電圧が変化すると、出力電
圧指令値Ｖdcref*も変更され、新しい交流出力電流指令
値Ｉq*が発生する。この動作を繰り返すことにより常に
最良の日射条件を追いかけた制御が可能となる。直流出
力電圧Vdcを変化させる方向は、図５で示したように領
域Ａと領域Ｂでは異なる。

【００２３】交流出力電流指令値Ｉq*の値が、１回前の
設定値より変化したか否かによって直流電圧指令値Ｖdc
ref*にフイードバックをかけ、繰り返し行なうことによ
り交流出力電流指令値Ｉq*を最大にし、常に太陽電池１
から最大の電力を取り出すことができる。これらの制御
は、フィルタ機能、ピーク値判断機能などによって実行
される。

【００２４】領域Ａの場合は、直流出力電圧指令値Ｖdc
ref*を大きくし、直流電圧Ｖdcが大きくなれば直流出力
電流指令値Ｉq*は大きくなり、交流電流Iａｃを増加す
るように自動電圧調整装置により自動的に制御する。逆
に領域Ｂの場合は、直流出力電圧指令値Ｖdcref*を大き
くし、直流出力電圧Ｖdcが大きくなれば出力電流指令値
Iq*は小さくなり、交流出力電流Ｉacは減少するように
自動電圧制御装置により制御される。

【００２５】出力電圧指令値Ｖdcref*をある値に設定す
ると、自動電圧制御装置（ＡＶＲ）により電流指令値交
流出力電流指令値Ｉq*を変化させながら、太陽電池１の
電圧Ｖｄｃが電圧指令値Ｖdcref*と同じになるように繰
返し動作する。直流出力電圧指令値Ｖdcref*と太陽電池
の直流出力電圧Ｖdcが同じになったときの交流出力電流
指令値Ｉq*が、その時の直流出力電圧指令値Ｖdcref*に
対する交流電流Ｉacとなる。

【００２６】この動作を何回か繰返し行うことにより、
そのときの温度および日照強度における交流出力電流指
令値Ｉq*、つまり最大電力Ｐmaxを得ることができる。
気象条件が変動すれば、直流電圧Ｖdcが変化し、交流出
力電流指令値Ｉq*も変化することにより、直流出力電圧
指令値Ｖdcref*が変更され、再度同じような制御を繰り
返すことにより、その時の最大電力Ｐmaxが得られる。

【００２７】以上述べたように直流もしくは交流側の電
流値を測定しなくても、交流出力電流指令値Ｉq*を監視
しながら制御することにより、最大電力を取りだすこと
が可能である。交流出力電流指令値Ｉq*は、直流出力電
圧指令値Ｖdcref*と直流電圧Ｖdcの偏差に基づいて、制
御装置５で作られるデジタル値であるため、センサーな
どを用いて行うアナログ値に比べてノイズが少なく、制
御精度を向上できる。また、電流を測定して最大電力を
取り出すようにしている従来の装置に比べ、センサ−を
少なくでき、コストを下げることが可能である。

【００２８】図２は、上記の説明を示す制御フローであ
る。図においてＮは移動方向が同じ場合の回数、Ｍは移
動回数Ｎの上限値を示す。まず太陽電池１の電圧を読み
込み、図1の自動電圧制御装置（ＡＶＲ）により比例積
分（ＰＩ）制御を行ない、インバータ２の交流出力電流
を決定する交流出力電流指令値Iq*を求める。

【００２９】求めた交流出力電流指令値Iq*が、前回の
交流出力電流指令値Iq*に比べて大きいか小さいかを判
断し、小さい場合は移動方向のフラグを反対方向にする
ように設定し、直流出力電圧指令値Ｖdcref*に、微小電
圧ΔＶdcref*（ここでは１Ｖとした）を加えて再度太陽
電池１の直流出力電圧Ｖｄｃを検出する。

【００３０】この時、微小電圧を加えるか、差し引くか
は図５で示した特性の中で、最大電力点Ｐｍａｘより、
太陽電池電圧Ｖｄｃが大きい領域で動作しているか、小
さい領域で動作しているかで決まるものである。これ
は、フィルタ、ピーク値判断手段により行なわれる。

【００３１】今回の交流出力電流指令値Iq*が前回より
大きい場合は、太陽電池１の出力電力が大きいと判断し
て、動作点の移動方向を同じにするフラグをたてる。さ
らに移動方向回数Ｎをカウントし、設定回数Ｍより多い
か少ないかを判定し、設定回数より少なければ移動方向
をそのままにし、多ければ移動方向を強制的に反転す
る。その後、太陽電池の電圧値を決定する直流出力電圧
指令値Vdcref*に、微小電圧ΔVdcref*を加えて再度太陽
電池１の直流出力電圧を検出する。

【００３２】図２のフローによる動作を示したものが図
３である。図３は本発明の目的である日射強度が急激に
変化した場合の動作を説明するための電圧・電力特性の
一例を示す。日射強度がＰn1、Ｐn2、Ｐn3の場合、一般
的には最大電力点Ｐmaxが少しずつずれる特性になる。
例えば日射強度Ｐn2のポイントからポイントへ制御
している途中で、日射強度がＰn1に変化した場合、制御
ではポイントの値が出て電力が減少するため、見掛け
上移動方向が逆であったように判定し、次は移動方向を
反転しポイントに移る。

【００３３】その後日射強度がＰn2，Ｐn3と増加した場
合、制御は同じような理由によりポイント、、、
と最大電力点Ｐmaxから遠ざかる方向へと移動する。
本発明の実施例では、これを防止するため、制御ポイン
トの移動方向が連続して同じになった場合、例えば数回
に一度移動方向を反転させる機能を持たすことによっ
て、反転した時点で電力の増加する方向に修正され、逆
方向へ進んだままの状態を回避する。

【００３４】本発明の上記実施例の構成では、制御装置
５のマイコンで発生する電流指令値Ｉq*を用いるため、
従来構成における太陽電池１の出力電流測定手段を省略
できる。

【００３５】図６は、日射強度が変化した場合の太陽電
池１の出力特性を示すものであり、図７は、モジュール
の温度が変化した場合の太陽電池の出力特性を示すもの
で、何れの場合も上記制御によれば常に点線で示した最
大電力出力点を維持するように制御される。

【００３６】図８、図９、は判断量として、交流出力電
流指令値Iq*の代わりに従来から用いられているインバ
ータ２の入力側、もしくは出力側の電圧、電流を測定
し、電力量に変換した値を用いる実施例を示す制御ブロ
ック図、制御フローである。

【００３７】図１で既に説明したように、直流出力電圧
Ｖdcを設定する直流出力電圧指令値Ｖdcref*と太陽電池
１の直流出力電圧Ｖdcの値から、自動電圧制御装置（Ａ
ＶＲ）により交流側の出力電流を設定するディジタル量
の電流指令値Ｉq*が計算される。この交流出力電流指令
値Ｉq*を使用した電流制御装置（ＡＣＲ）と、電力系統
側４の電圧位相θなどを考慮して、パルス幅変調装置
（ＰＷＭ）によりインバータ２が制御され、所望の交流
出力電圧・電流を出力する。

【００３８】電力量計算手段ＰＣは、インバータ２の交
流出力電流Ｉac、Ｖacに基づいて電力量Ｐac*の値が、
１回前の設定値より変化したか否かによって直流電圧指
令値Ｖdcref*にフイードバックをかけ、繰り返し行なう
ことにより電力量Pac*を最大にし、常に太陽電池１から
最大の電力を取り出す。

【００３９】出力電圧指令値Ｖdcref*をある値に設定す
ると、自動電圧制御装置（ＡＶＲ）により電流指令値交
流出力電流指令値Ｉq*を変化させながら、太陽電池１の
電圧Ｖｄｃが電圧指令値Ｖdcref*と同じになるように繰
返し動作する。直流出力電圧指令値Ｖdcref*と太陽電池
の直流出力電圧Ｖdcが同じになったときの交流出力電流
指令値Ｉq*が、その時の直流出力電圧指令値Ｖdcref*に
対する交流電流Ｉacとなる。

【００４０】この動作を何回か繰返し行うことにより、
そのときの温度および日照強度における交流出力電流指
令値Ｉq*、つまり最大電力Ｐmaxを得ることができる。
気象条件が変動すれば、直流電圧Ｖdcが変化し、交流出
力電流指令値Ｉq*も変化することにより、直流出力電圧
指令値Ｖdcref*が変更され、再度同じような制御を繰り
返すことにより、その時の最大電力Ｐmaxが得られる。
以上述べたように、電力量Ｐac*を監視しながら制御す
ることにより、最大電力を取りだすことが可能である。

【００４１】交流出力電流指令値Ｉq*は、直流出力電圧
指令値Ｖdcref*と直流電圧Ｖdcの偏差に基づいて、制御
装置５で作られるデジタル値であるため、センサーなど
を用いて行うアナログ値に比べてノイズが少なく、制御
精度を向上できる。

【００４２】図７において、Ｎは移動方向が同じ場合の
回数、Ｍは移動回数Ｎの上限値を示す。まず太陽電池１
の電圧を読み込み、図1の自動電圧制御装置（ＡＶＲ）
により比例積分（ＰＩ）制御を行ない、電力量Ｐdc*を
算出する。

【００４３】求めた電力量Ｐdc*が、前回の電力量Ｐdc*
に比べて大きいか小さいかを判断し、小さい場合は移動
方向のフラグを反対方向にするように設定し、直流出力
電圧指令値Ｖdcref*に、微小電圧ΔＶdcref*（ここでは
１Ｖとした）加えて再度太陽電池１の直流出力電圧Ｖｄ
ｃを検出する。

【００４４】この時、微小電圧を加えるか、差し引くか
は図５で示した特性の中で、最大電力点Ｐｍａｘより、
太陽電池電圧Ｖｄｃが大きい領域で動作しているか、小
さい領域で動作しているかで決まるものである。これ
は、フィルタ、ピーク値判断手段により行なわれる。

【００４５】今回の電力量Ｐdc*が大きい場合は、太陽
電池１の出力電力が大きいと判断して、動作点の移動方
向を同じにするフラグをたてる。さらに移動方向回数Ｎ
をカウントし、設定回数Ｍより多いか少ないかを判定
し、設定回数より少なければ移動方向をそのままにし、
多ければ移動方向を強制的に反転する。その後、太陽電
池の電圧値を決定する直流出力電圧指令値Vdcref*に、
微小電圧ΔVdcref*を加えて再度太陽電池１の直流出力
電圧を検出する。 本実施例でも動作点の制御方法は図
３で示したものと同じであるが、直接電力量を用いるた
め判定に対し、安定性が向上する。なお、上記実施例で
は、インバータ２の出力側の電力を求めたが、入力側の
電力に基づいて制御することも可能である。

【００４６】電流指令値を用いる場合は、電流指令値が
デジタル量であるために、安定度が高いこと、直流電流
センサを必要としない特長がある。しかし、電流指令値
と実際に流れる交流電流の値には、応答速度のずれなど
により差が生じることがある。この点電力量を測定する
方法は、実際の電力を測定するためこの値を大きくする
だけで、精度向上が期待できる。

【００４７】

【発明の効果】本発明の構成によれば、気象条件、特に
日射強度が急激に変動しても、安定に最大電力点を追従
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を説明するための制御ブロッ
ク図である。

【図２】本発明を説明するための制御フローの概略図で
ある。

【図３】本発明を説明するための電圧・電力特性図であ
る。

【図４】本発明を説明するためのシステム構成図であ
る。

【図５】一般の太陽電池の電圧・電力特性例である。

【図６】本発明の他の実施例を示すシステム構成図であ
る。

【図７】本発明の他の実施例を示す制御フローの概略図
である。

【図８】本発明の他の実施例を説明するための制御ブロ
ック図である。

【図９】本発明の他の実施例を示す制御フローの概略図
である。

【図１０】従来例を説明するためのシステム構成例を示
す図である。

【符号の説明】

１…太陽電池、２…インバータ、３…保護装置、５…制
御装置、６…直流電圧センサー。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 酒井 慶次郎 茨城県日立市大みか町七丁目１番１号 株 式会社日立製作所日立研究所内

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 太陽電池と、前記太陽電池で発生した直
   流電力を交流電力に変換して負荷に供給する電力変換装
   置と、前記電力変換装置の出力電流を、日射強度および
   温度などの気象条件により変化させるように制御し、前
   記太陽電池の出力電力をその時の気象条件において最大
   に取りだすようにした太陽光発電システムにおいて、前
   記太陽電池の直流出力電圧を検出する検出手段と、前記
   直流出力電圧を制御するための直流電圧指令値を発生す
   る発生手段と、前記直流出力電圧指令値と前記太陽電池
   の直流出力電圧値との差に応じて、前記電力変換装置の
   交流出力電流を決めるための制御量である交流出力電流
   指令値を発生する発生手段を備え、前記直流出力電圧指
   令値を所定量第一の方向に変化させた場合、前記交流出
   力電流指令値が増加する方向であれば同じ方向に変化さ
   せ、減少方向の場合は逆方向に変化させることを特徴と
   する太陽光発電システム。
2. 【請求項２】 請求項１において、前記直流出力電圧指
   令値を所定量第一の方向に変化させた場合、前記交流出
   力電流指令値が増加する方向であれば同じ方向に変化さ
   せ、減少方向の場合は逆方向に変化させ、かつ、交流出
   力電流指令値が連続して同じ方向に特定回数動作したら
   強制的に逆方向に動作させ、その後は増加する方向に制
   御する太陽光発電システム。
3. 【請求項３】 太陽電池と、前記太陽電池で発生した直
   流電力を交流電力に変換して負荷に供給する電力変換装
   置と、前記電力変換装置の出力電流を、日射強度および
   温度などの気象条件により変化させるように制御し、前
   記太陽電池の出力電力をその時の気象条件において最大
   に取りだすようにした太陽光発電システムにおいて、前
   記太陽電池の直流出力電圧を検出する検出手段と、前記
   直流出力電圧を制御するための直流電圧指令値を発生す
   る発生手段と、前記直流出力電圧指令値と前記太陽電池
   の直流出力電圧値の差に応じて、前記電力変換装置の交
   流出力電流を決めるための制御量である交流出力電流指
   令値を発生する発生手段と、前記電力変換装置の入口側
   あるいは出力側の出力電力量を検出する検出手段を備
   え、前記直流出力電圧指令値を所定量第一の方向に変化
   させた場合、前記電力量が増加する方向であれば同じ方
   向に変化させ、減少方向の場合は逆方向に変化させるこ
   とを特徴とする太陽光発電システム。
4. 【請求項４】 請求項３において、前記直流出力電圧指
   令値を所定量第一の方向に変化させた場合、前記電力量
   が増加する方向であれば同じ方向に変化させ、減少方向
   の場合は逆方向に変化させ、かつ、前記電力変換装置の
   入力側もしくは出力側の電力量が連続して同じ方向に特
   定回数動作したとき強制的に逆方向に動作させ、その後
   は増加する方向に制御する太陽光発電システム。