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太陽光発電システム、太陽光発電システムに用いる制御装置、並びに、制御方法およびそのプログラム コモンズ 新技術説明会

国内特許コード P130010095
掲載日 2013年11月26日
出願番号 特願2012-530743
登録番号 特許第5503745号
出願日 平成23年8月26日(2011.8.26)
登録日 平成26年3月20日(2014.3.20)
国際出願番号 JP2011069327
国際公開番号 WO2012026593
国際出願日 平成23年8月26日(2011.8.26)
国際公開日 平成24年3月1日(2012.3.1)
優先権データ
  • 特願2010-191357 (2010.8.27) JP
発明者
  • 板子 一隆
出願人
  • 学校法人幾徳学園
発明の名称 太陽光発電システム、太陽光発電システムに用いる制御装置、並びに、制御方法およびそのプログラム コモンズ 新技術説明会
発明の概要 電力変換回路にチョークコイルを含むか否かに係わらず制御可能であり、太陽電池パネルへの日照光に部分的な影があっても、効率のよい電力を供給可能な光発電システム、制御装置、制御方法、プログラムを提供する。
制御装置25内の最大電力検出部253は、最大電力検出モードにおいて、電力変換回路(たとえば、DC-DCコンバータ)24内のMOSFET242を動作させて太陽電池パネル11の両端を開放状態にする。その後、最大電力検出部253は太陽電池パネル11の両端を短絡状態にし、開放状態から短絡状態に至る期間の太陽電池パネル11の出力電力を監視して最大電力Pmax を検出し、それを検出したときの太陽電池パネル11の電圧Vpvを最適電圧Vopとする。追従動作モードにおいて、制御装置25は、最適電圧Vopを基準信号としてMOSFET242に対してPWM制御を行う。上記、最大電力検出モードと追従動作モードの動作を反復する。
従来技術、競合技術の概要



複数の太陽電池(solar cells)を組み立てて太陽電池パネルを構成し、その太陽電池パネルで発電した電力を負荷に提供する太陽光発電システムが知られている。

太陽電池は、入射される太陽光の日射強度や、周囲温度によって出力電力が変動し、最大電力動作点も大きく変動する。そのため、日射強度などの状況によって変動する太陽電池パネルの最大出力電力を検出する最大電力点追跡(以下、MPPTと略す)制御方式が提案されている。





また、太陽電池パネルが負荷に接続されている系統連系型太陽光発電システムにおいて、太陽電池パネルの最大出力電力を探索する、いわゆる「山登り法」を用いたMPPT制御が提案されている(たとえば、特許文献1、特開平7-234733号公報)。





上記MPPT制御において、太陽電池パネルの電力最大点を精度良く探索するためには、制御演算装置において、電力変換手段としてのDC-DCコンバータ内のスイッチング素子のゲートに印加するパルス幅の変化幅を小さくすればよい。しかしながら、パルス幅の変化幅を小さくするため、DC-DCコンバータのスイッチング周波数を高めることや、制御演算装置の処理能力を過度に向上させることが必要となる。その実現には、技術的面、価格などの面で実用性に制限がある。





たとえば、パルス幅の変化幅を小さくすると、太陽電池パネルに照射する日射強度の変化に対して最大電力点を探索する時間がかかり、応答性が問題となり、電力変換の効率を高くするには限界があった。

他方、応答性を良くするためにスイッチング素子のゲートに印加するパルス幅の変化幅を大きくとると、定常状態で電力が大きく振動するため、電力取得の効率が低下する。





本願発明者は、系統連系型で既に実用化されている制御方式を改良した発明を考案した(たとえば、特許文献2、特許第4294346号)。





以下、特許文献2に記載された発明の概要を述べる。

最大電力検出モードにおいて、DC-DCコンバータを構成するスイッチング素子を制御して、DC-DCコンバータを構成するインダクタに流れる太陽電池パネルの出力電流を零から短絡電流まで変化させて、太陽電池パネルの電流・電圧(I-V)特性を瞬時にスキャンする。

次いで、追従動作モードにおいて、検出した太陽電池パネルの出力電流を最適太陽電池電流として、DC-DCコンバータ内のスイッチング素子を制御して、この最適太陽電池電流を基準信号として太陽電池パネルの出力電流を追従させ、得られた最大電力動作点で動作するように追従制御を行う。





このように、最大電力を検出する最大電力検出モードの動作と、検出した最適太陽電池電流に追従する動作を行う追従動作モードの動作とを交互に行い、最大電力検出モードと追従動作モードとを1つのサイクルとして繰り返し動作させることで、最大電力点が確実かつ厳密に求められ、求めた最大電力点に応じた最適な太陽電池電流に追従させた電力出力制御を遂行することができる。

産業上の利用分野



本発明は、入射光に応じた発電を行う光発電ユニット、たとえば、太陽光ユニットで発電された電力を変換する技術に関する。

特定的には、本発明は、最大電力点追跡(MPPT:Maximum PowerPoint Tracking )制御方式を適用して、太陽電池パネルなどの光発電パネルの出力電力を効率よく電力変換する発明に関する。

特許請求の範囲 【請求項1】
入射光に応じた電力を発生する光発電ユニットと、
前記光発電ユニットの出力電圧を検出する電圧検出手段と、
前記光発電ユニットの出力電流を検出する電流検出手段、または、前記光発電ユニットの出力電力を検出する電力検出手段と、
前記光発電ユニットの出力端子間を開閉するスイッチング素子を含み、前記光発電ユニットの出力端子間の電圧を変換して、当該電圧に対応する電力を出力する電力変換手段と、
前記光発電ユニットの最大電力を検出する最大電力検出モードの制御動作と、前記検出された最大電力を出力するように追従制御を行う追従動作モードの制御動作と行う、制御手段と、
を有し、
前記制御手段は、
前記最大電力検出モードにおいて、
前記電力変換手段内の前記スイッチング素子をオン・オフ動作させて前記光発電ユニットの出力端子間を第1の電圧状態にし、
前記スイッチング素子をオン・オフ動作させて、前記光発電ユニットの出力端子間の電圧が前記第1の電圧状態から前記第1の電圧状態と異なる第2の電圧状態に遷移させる過程において、前記電圧検出手段で検出した電圧と前記電流検出手段で検出した電流との積である電力または前記電力検出手段で検出した電力が最大となる点を検出し、当該最大電力を検出したときの前記電圧検出手段で検出した電圧を最適出力電圧として検出し、
前記追従動作モードにおいて、
前記最適出力電圧を基準電圧として、当該基準電圧と前記電圧検出手段で検出した電圧との差が「0」またはほぼ「0」となるように前記スイッチング素子をオン・オフ動作させる、
光発電システム。

【請求項2】
前記電力変換手段は、前記光発電ユニットの出力端子間を開閉するように設けられた前記スイッチング素子を含む、DC-DCコンバータを含む、
請求項1に記載の光発電システム。

【請求項3】
前記電力変換手段は、前記光発電ユニットの出力端子間を開閉するように設けられた前記スイッチング素子を含む、インバータを含む、
請求項1に記載の光発電システム。

【請求項4】
前記電力変換手段は、
前記光発電ユニットの出力端子間に設けられた、DC-DCコンバータと、
当該DC-DCコンバータの後段に設けられた、前記スイッチング素子を含むインバータと
を含み、
前記制御手段は、
前記光発電ユニットの出力端子間の電圧を一定に維持するように、前記DC-DCコンバータを制御する第1制御手段と、
前記負荷の状態に応じて、前記インバータを制御する第2制御手段と
を有する、
請求項1に記載の光発電システム。

【請求項5】
前記制御装置は、前記スイッチング素子をPWM制御方式でオン・オフ動作させる、
請求項1~4のいずれかに記載の光発電システム。

【請求項6】
前記最大電力検出モードにおいて検出した最適出力電圧を用いて、山登り法の動作点を補正する、
請求項1~5のいずれかに記載の光発電システム。

【請求項7】
入射光に応じた電力を発生する光発電ユニットと、前記光発電ユニットの出力電圧を検出する電圧検出手段と、前記光発電ユニットの出力電流を検出する電流検出手段、または、前記光発電ユニットの出力電力を検出する電力検出手段と、前記光発電ユニットの出力端子間を開閉するスイッチング素子を含み、当該スイッチング素子のオン・オフ動作に応じて変化する前記光発電ユニットの出力端子間の電圧を変換して当該電圧に対応する電力を出力する電力変換手段とを有する光発電制御システムに適用する制御装置であって、
入射光に応じた電力を発生する光発電ユニットと、前記光発電ユニットの出力電圧を検出する電圧検出手段と、前記光発電ユニットの出力電流を検出する電流検出手段、または、前記光発電ユニットの出力電力を検出する電力検出手段と、前記光発電ユニットの出力端子間を開閉するスイッチング素子を含み、前記光発電ユニットの出力端子間の電圧を変換して、当該電圧に対応する電力を出力する電力変換手段とを有する光発電制御システムに適用され、前記光発電ユニットの最大電力を検出する最大電力検出モードの制御動作と、前記検出された最大電力を出力するように追従制御を行う追従動作モードの制御動作と行う、制御装置であって、
当該制御装置は、
前記最大電力検出モードにおいて、
前記電力変換手段内の前記スイッチング素子をオン・オフ動作させて前記光発電ユニットの出力端子間を第1の電圧状態にし、
前記スイッチング素子をオン・オフ動作させて前記光発電ユニットの出力端子間の電圧が前記第1の電圧状態から前記第1の電圧状態と異なる第2の電圧状態に遷移させる過程において、前記電圧検出手段で検出した電圧と前記電流検出手段で検出した電流との積である電力または前記電力検出手段で検出した電力が最大となる点を検出し、当該最大電力を検出したときの前記電圧検出手段で検出した電圧を最適出力電圧として検出し、
前記追従動作モードにおいて、
前記最適出力電圧を基準電圧として、当該基準電圧と前記電圧検出手段で検出した電圧との差が「0」またはほぼ「0」となるように前記スイッチング素子をオン・オフ動作させる、
制御装置。

【請求項8】
前記制御装置は、
前記最大電力検出モードにおいて動作し、前記電圧検出手段で検出した電圧と前記電流検出手段で検出した電流との積である電力または前記電力検出手段で検出した電力を監視し、最大の電力を検出し、当該検出した最大の電力に対応する最適電圧を検出する最大電力検出手段と、
前記検出された最適電圧を保持する保持手段と、
前記最大電力検出モードにおいて動作し、当該最大電力検出モードの開始時点から前記光発電ユニットの出力端子間を前記第2の電圧状態に遷移させる期間、前記電力変換手段内の前記スイッチング素子をオン・オフ動作させる第1の基準信号、および、前記電1の電圧状態から前記光発電ユニットの出力端子間を前記第2の電圧状態に遷移させる期間、前記電1の電圧状態の時の前記光発電ユニットの出力端子から所定の比率で低下させるため前記スイッチング素子をオン・オフ動作させる第2の基準信号を生成する基準信号生成手段と、
前記最大電力検出モードにおいて、前記基準信号生成手段から出力される前記第1および第2の基準信号と前記電圧検出手段で検出した電圧との差に応じて制御信号を生成する第1制御演算手段と、
前記追従動作モードにおいて、前記保持手段に保持された前記最適電圧と前記電圧検出手段で検出した電圧との差に応じた制御信号を生成する第2制御演算手段と、
前記最大電力検出モードにおいて前記第1制御演算手段の出力信号を選択して出力し、前記追従動作モードにおいて前記第2制御演算手段の出力信号を選択して出力する、信号選択手段と、
前記選択信号手段の出力信号に応じて前記電力変換手段の前記スイッチング素子を駆動制御する制御信号を生成する制御信号生成手段と、
前記最大電力検出モードと前記追従動作モードとの切り替えを行うモード制御手段と、
を有する、
請求項7に記載の制御装置。

【請求項9】
前記電力変換手段は、前記光発電ユニットの出力端子間を開閉するように設けられた前記スイッチング素子を含むDC-DCコンバータを含み、
当該制御装置は、前記光発電ユニットの出力端子間の電圧を一定に維持するように、前記DC-DCコンバータ内の前記スイッチング素子を駆動制御する、
請求項8に記載の制御装置。

【請求項10】
前記電力変換手段は、
前記光発電ユニットの出力端子間に設けられた、DC-DCコンバータと、
当該DC-DCコンバータの後段に設けられた、前記スイッチング素子を含むインバータと
を含み、
前記制御手段は、
前記光発電ユニットの出力端子間の電圧を一定に維持するように、前記DC-DCコンバータを制御する第1制御処理と、
負荷の状態に応じて、前記インバータを制御する第2制御処理と
を行なう、
請求項9に記載の制御装置。

【請求項11】
前記制御信号生成手段は、前記選択信号手段の出力信号に応じて前記電力変換手段の前記スイッチング素子をPWM駆動制御する制御信号を生成する、
請求項7~10のいずれかに記載の制御装置。

【請求項12】
前記最大電力検出モードにおいて検出した最適出力電圧を用いて山登り法の動作点を補正する、
請求項7~11のいずれかに記載の制御装置。

【請求項13】
入射光に応じた電力を発生する光発電ユニットと、前記光発電ユニットの出力電圧を検出する電圧検出手段と、前記光発電ユニットの出力電流を検出する電流検出手段、または、前記光発電ユニットの出力電力を検出する電力検出手段と、前記光発電ユニットの出力端子間を開閉するスイッチング素子を含み、当該スイッチング素子のオン・オフ動作に応じて変化する前記光発電ユニットの出力端子間の電圧を変換して当該電圧に対応する電力を出力する電力変換手段とを有する光発電制御システムに適用され、前記光発電ユニットの最大電力を検出する最大電力検出モードの制御動作と、前記検出された最大電力を出力するように追従制御を行う追従動作モードの制御動作と行う、制御方法であって、
当該制御方法は、
前記最大電力検出モードにおいて、
前記電力変換手段内の前記スイッチング素子をオン・オフ動作させて前記光発電ユニットの出力端子間を第1の電圧状態にし、
前記スイッチング素子をオン・オフ動作させて前記光発電ユニットの出力端子間の電圧が前記第1の電圧状態から前記第1の電圧状態と異なる第2の電圧状態に遷移させる過程において、前記電圧検出手段で検出した電圧と前記電流検出手段で検出した電流との積である電力または前記電力検出手段で検出した電力が最大となる点を検出し、当該最大電力を検出したときの前記電圧検出手段で検出した電圧を最適出力電圧として検出し、
前記追従動作モードにおいて、
前記最適出力電圧を基準電圧として、当該基準電圧と前記電圧検出手段で検出した電圧との差が「0」またはほぼ「0」となるように前記スイッチング素子をオン・オフ動作させる、
制御方法。

【請求項14】
前記最大電力検出モードにおいて検出した最適出力電圧を用いて、山登り法の動作点を補正する、
請求項13に記載の制御方法。

【請求項15】
入射光に応じた電力を発生する光発電ユニットと、前記光発電ユニットの出力電圧を検出する電圧検出手段と、前記光発電ユニットの出力電流を検出する電流検出手段、または、前記光発電ユニットの出力電力を検出する電力検出手段と、前記光発電ユニットの出力端子間を開閉するスイッチング素子を含み、当該スイッチング素子のオン・オフ動作に応じて変化する前記光発電ユニットの出力端子間の電圧を変換して当該電圧に対応する電力を出力する電力変換手段とを有する光発電制御システムを制御する処理をコンピュータに実行させるプログラムであって、
当該プログラムは、前記光発電ユニットの最大電力を検出する最大電力検出モードの制御動作と、前記検出された最大電力を出力するように追従制御を行う追従動作モードの制御動作と行うルーチンを有し、
前記最大電力検出モードにおいて、
前記電力変換手段内の前記スイッチング素子をオン・オフ動作させて前記光発電ユニットの出力端子間を第1の電圧状態にする第1のルーチンと、
前記スイッチング素子をオン・オフ動作させて前記光発電ユニットの出力端子間の電圧が前記第1の電圧状態から前記第1の電圧状態と異なる第2の電圧状態に遷移させる過程において、前記電圧検出手段で検出した電圧と前記電流検出手段で検出した電流との積である電力または前記電力検出手段で検出した電力が最大となる点を検出し、当該最大電力を検出したときの前記電圧検出手段で検出した電圧を最適出力電圧として検出する、第2のルーチンと、
前記最大電力検出モードから前記追従動作モードに切り換える第3ルーチンと、
前記追従動作モードにおいて、前記最適出力電圧を基準電圧として、当該基準電圧と前記電圧検出手段で検出した電圧との差が「0」またはほぼ「0」となるように前記スイッチング素子をオン・オフ動作させる、第4のルーチンと
をコンピュータに実行させる、プログラム。

【請求項16】
請求項1~15のいずれかにおいて、
前記光発電ユニットは、入射光に応じた電力を発生する太陽光発電ユニットを含む。

【請求項17】
請求項1~16のいずれかにおいて、
前記第1の電圧状態は前記光発電ユニットの出力端子間が開放状態であり、前記第2の電圧状態は前記光発電ユニットの出力端子間が短絡状態であり、または、
前記第1の電圧状態は前記光発電ユニットの出力端子間が短絡状態であり、前記第2の電圧状態は前記光発電ユニットの出力端子間が開放状態であり、または、
前記第1の電圧状態は前記光発電ユニットの出力端子間が第1の電圧の状態であり、前記第2の電圧状態は前記光発電ユニットの出力端子間が第2の電圧の状態である。
産業区分
  • 送配電
  • 電力応用
国際特許分類(IPC)
Fターム
画像

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出願権利状態 登録
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