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JP5915619B2 - 太陽光発電装置及び太陽光発電装置の制御方法 - Google Patents

太陽光発電装置及び太陽光発電装置の制御方法 Download PDF

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Description

本発明は、太陽光発電装置及び太陽光発電装置の制御方法に関する。
太陽電池の最大電力点を追尾するようにコンバータのデューティ比を制御し、蓄電池が満充電に近づいた場合に、太陽電池の動作点を最大電力点から開放電圧側にずらすようにコンバータのデューティ比を制御する技術が知られている(例えば、特許文献1参照)。
特開平6−324752号公報
しかしながら、上述の従来技術においては、蓄電池が満充電に近づいたときに、太陽電池の動作点が最大電力点からずれることになるため、太陽電池を最大電力点で動作させることできない。
そこで、本発明の一つの案では、蓄電池が所定の充電状態以上となった場合でも、太陽電池の動作点を最大電力点に調整することができる太陽光発電装置を提供することを目的とする。
一つの案では、太陽電池の出力を入力とする第1のDC−DCコンバータと、第1のDC−DCコンバータの出力を入力とする蓄電池と、蓄電池の電圧を変換する第2のDC−DCコンバータと、蓄電池が所定の充電状態以上になった場合に、第1のDC−DCコンバータのデューティ比を変化させて太陽電池の動作点を最大電力点からずらすとともに、第2のDC−DCコンバータのデューティ比を変化させて太陽電池の動作点を最大電力点とする制御部と、を有する太陽光発電装置が提供される。
一態様によれば、蓄電池が所定の充電状態以上となった場合でも、太陽電池の動作点を最大電力点に調整することができる太陽光発電装置を提供できる。
一実施形態に係る太陽光発電装置の構成を示すブロック図である。 一実施形態に係る太陽光発電装置の制御方法を示す概略図である DC−DCコンバータの一例を示す回路図である。 DC−DCコンバータの他の例を示す回路図である。
以下、本発明の実施形態について添付の図面を参照しながら説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複した説明を省く。
(太陽光発電装置1の構成)
以下、図1を参照しながら、一実施形態に係る太陽光発電装置1の構成を説明する。
太陽光発電装置1は、図1に示すように、太陽電池100、第1のDC−DCコンバータ200、第2のDC−DCコンバータ300、蓄電池400、制御部600及び記憶部700と、を有する。
また、太陽光発電装置1は、回路の各部における電流及び電圧を計測するための電流検出手段10a、10b、10c、10d及び電圧検出手段11a、11b、11c、11dを有する。なお、電流検出手段10a、10b、10c、10dは、例えば、電流センサや電流計等を用いることができる。また、電圧検出手段11a、11b、11c、11dは、例えば、電圧センサや電流計等を用いることができる。
太陽光発電装置1の出力端には、補助蓄電池510及び負荷520を含む電力消費部500が接続されている。
図1において、Vin1は、太陽電池100の出力電圧又は第1のDC−DCコンバータ200の入力電圧を表す。Iin1は、太陽電池100の出力電流又は第1のDC−DCコンバータ200の入力電流を表す。Vout1、Iout1は、各々、第1のDC−DCコンバータ200の出力電圧、出力電流を表す。Iin2は、第2のDC−DCコンバータ300の入力電流を表す。Vout2、Iout2は、各々、第2のDC−DCコンバータ300の出力電圧、出力電流を表す。Eは、蓄電池400の電圧を表す。
太陽電池100は、太陽光などの光の照射を受けてその光エネルギーを電気エネルギーに変える半導体装置であり、その種類は限定されず、例えば、太陽電池モジュール、太陽電池パネル、太陽電池アレイ等を用いることができる。
第1のDC−DCコンバータ200は、太陽電池100の出力電圧Vin1を昇降圧する直流電圧変換器であり、太陽電池100と蓄電池400との間に直列に設けられている。
また、第1のDC−DCコンバータ200は、最大電力点追従(MPPT:Maximum Power Point Tracking)モード及び定電圧出力モードの2つの駆動モードを備えている。MPPTモードは、太陽電池100の動作点が最大電力点(MPP:Maximum Power Point)となるように駆動するモードである。定電圧出力モードは、変動する太陽電池100の出力電圧Vin1に対して一定の電圧を出力するように駆動するモードである。
なお、第1のDC−DCコンバータ200の駆動モードは、後述する制御部600からの指令によって、MPPTモード又は定電圧出力モードが選択される。
第2のDC−DCコンバータ300は、第1のDC−DCコンバータ200又は蓄電池400の出力電圧を昇降圧する直流電圧変換器であり、蓄電池400と電力消費部500との間に直列に設けられている。
また、第2のDC−DCコンバータ300は、MPPTモード及び定電圧出力モードの2つの駆動モードを備えている。MPPTモードは、太陽電池100の動作点がMPPとなるように駆動するモードである。定電圧出力モードは、変動する第1のDC−DCコンバータ200又は蓄電池400の出力電圧に対して一定の電圧を出力するように駆動するモードである。
なお、第2のDC−DCコンバータ300の駆動モードは、後述する制御部600からの指令によって、MPPTモード又は定電圧出力モードが選択される。
蓄電池400は、太陽電池100で発電した電力を貯蔵(蓄電)し、必要に応じて放電することで、電力消費部500に電力を供給する。なお、蓄電池400の種類は、特に限定されず、例えば、鉛蓄電池、NaS電池、ニッケル水素電池、リチウムイオン電池等のバッテリや、リチウムイオンキャパシタ、電気二重層キャパシタ等のキャパシタを用いることができる。
制御部600は、例えば、マイクロコンピュータを含み、電流検出手段により計測される電流及び電圧検出手段により計測される電圧を取得し、取得した電流及び電圧を記憶部700に記憶する。また、制御部600は、取得した電流及び電圧を用いて演算を行うとともに、演算結果を記憶部700に記憶する。
また、制御部600は、取得した電流及び電圧に基づいて、蓄電池400の充電状態を監視し、蓄電池400の充電状態に応じて第1のDC−DCコンバータ200及び第2のDC−DCコンバータ300の駆動モードを選択する。
記憶部700は、予め設定された蓄電池400の閾値電圧Eth、制御部600により取得される電流、電圧及びこれらの演算値等を記憶する。記憶部700は、例えば、半導体メモリ、磁気ディスク、または光学ディスク等を用いることができる。
電力消費部500は、例えば、補助蓄電池510及び負荷520を含む。
補助蓄電池510は、太陽光発電装置1の第2のDC−DCコンバータ300から出力される電力を蓄電し、必要に応じて放電をすることで、負荷520に電力を供給する。
負荷520は、太陽光発電装置1の第2のDC−DCコンバータ300から出力される電力及び補助蓄電池510から供給される電力を消費する機器である。負荷520は、例えば、直流駆動型機器又は直流を交流に変換するインバータと交流電力で運転される交流駆動型機器等を用いることができる。
(太陽光発電装置1の動作)
次に、上述した太陽光発電装置1の動作について、図1から図4を参照しながら説明する。
図2は、一実施形態に係る太陽光発電装置1の制御方法を示す概略図である。
本実施形態に係る太陽光発電装置1の制御方法は、蓄電池400の充電状態を監視する工程と、蓄電池400が所定の充電状態以上になった場合に、第1のDC−DCコンバータ200のデューティ比を変化させて太陽電池100の動作点を最大電力点からずらすとともに、第2のDC−DCコンバータ300のデューティ比を変化させて太陽電池100の動作点を最大電力点とする工程と、蓄電池400が所定の充電状態未満になった場合に、第1のDC−DCコンバータ200のデューティ比を変化させて太陽電池100の動作点を最大電力点とする工程と、を有する。
図2に示すように、制御部600は、蓄電池400の充電状態を監視し、蓄電池400の充電状態に応じて、第1のDC−DCコンバータ200及び第2のDC−DCコンバータ300の駆動モードを遷移させる。
蓄電池400が所定の充電状態以上になった場合(遷移条件A)、制御部600は、第1のDC−DCコンバータ200のデューティ比Dを変化させて、太陽電池100の動作点をMPPからずらし、蓄電池400が充電されないように制御する(定電圧出力モード)。
同時に、制御部600は、第2のDC−DCコンバータ300のデューティ比Dを変化させて太陽電池100の動作点がMPPとなるように制御する(MPPTモード)。
なお、所定の充電状態は、ユーザが任意に設定することが可能であり、例えば、満充電状態であっても良く、80%程度の部分充電状態であっても良い。
一方、蓄電池400が所定の充電状態未満になった場合(遷移条件B)には、制御部600は、第1のDC−DCコンバータ200のデューティ比Dを変化させて、太陽電池100の動作点がMPPとなるように制御する(MPPTモード)。
同時に、制御部600は、第2のDC−DCコンバータ300のデューティ比Dを変化させて、負荷520側へ一定電圧の電力を供給し、余剰電力を蓄電池400に充電するように制御する(定電圧出力モード)。
以下、図1を参照しながら、太陽光発電装置1の動作を詳細に説明する。
先ず、制御部600は、電圧検出手段11cにより計測される蓄電池400の電圧Eを取得し、記憶部700に記憶させる。制御部600は、蓄電池400の電圧Eと予め記憶部700に記憶されている閾値電圧Ethとを比較し、E<Eth(閾値電圧未満)の場合には、以下の第1の状態S1の制御を行い、E≧Eth(閾値電圧以上)の場合には、以下の第2の状態S2の制御を行う。
なお、第1の状態S1と第2の状態S2とは、蓄電池400の充電状態に応じて、繰り返し行われても良い。
例えば、第1のDC−DCコンバータ200のデューティ比を変化させて太陽電池100の動作点を最大電力点からずらすとともに、第2のDC−DCコンバータ300のデューティ比を変化させて太陽電池100の動作点を最大電力点とした後、蓄電池400が所定の充電状態未満になった場合に、第1のDC−DCコンバータ200のデューティ比を変化させて太陽電池100の動作点を最大電力点としても良い。
また、閾値電圧Ethは、ユーザによって任意に設定されうる。閾値電圧Ethは、好ましくは、蓄電池400の満充電電圧Emaxよりも低く設定されている。これにより、蓄電池400は、満充電状態を超えないように(電圧Eが満充電電圧Emaxを超えないように)制御され、過充電状態にならないように保護される。
[第1の状態S1]
先ず、制御部600は、電圧検出手段11aにより計測される電圧Vin1a及び電流検出手段10aにより計測される電流Iin1aを取得し、記憶部700に記憶させる。
次に、制御部600は、電圧Vin1aと電流Iin1aとを乗算して、電力Pin1aを算出し、記憶部700に記憶させる。
次に、制御部600は、電圧Vin1aより所定の値ΔVだけ大きい電圧Vin1bとなるように第1のDC−DCコンバータ200を駆動させ、電流Iin1bの計測と電力Pin1bの算出を行い、記憶部700に記憶させる。
次に、制御部600は、電力Pin1aとPin1bとを比較し、Pin1aよりもPin1bの方が大きい値であれば、電圧Vin1bより所定の値ΔVだけ大きい電圧Vin1cに設定するように第1のDC−DCコンバータ200を駆動させる。
一方、電力Pin1aよりもPin1bの方が小さい値の場合には、制御部600は、電圧Vin1bより所定の値ΔVだけ小さい電圧Vin1aに設定するように第1のDC−DCコンバータ200を駆動させる。
この一連の動作は、制御部600により、第1のDC−DCコンバータ200のデューティ比Dを可変することにより繰り返し実行され、太陽電池100の動作点がMPPとなる。
また、制御部600は、第1のDC−DCコンバータ200の制御と同時に、第2のDC−DCコンバータ300の出力電圧Vout2が、電力消費部500の目標電圧Voutとなるように、第2のDC−DCコンバータ300のデューティ比Dを決定する。
先ず、制御部600は、電圧検出手段11bにより計測される電圧Vout1を取得し、記憶部700に記憶させる。また、制御部600は、電圧Vout1と予め記憶部700に記憶されている電力消費部500側の目標電圧Voutとを比較する。
電圧Vout1が目標電圧Voutよりも小さい場合には、制御部600は、電圧Vout1が目標電圧Voutとなるように第2のDC−DCコンバータ300を駆動させ、電圧Vout1を昇圧させる。一方、電圧Vout1が目標電圧Voutよりも大きい場合には、制御部600は、電圧Vout1を目標電圧Voutとなるように第2のDC−DCコンバータ300を駆動させ、電圧Vout1を降圧させる。
なお、第1のDC−DCコンバータ200及び第2のDC−DCコンバータ300は、特に限定されず、例えば、降圧型コンバータ、昇圧型コンバータ、昇降圧型コンバータ等を用いることができる。
図3は、降圧型コンバータの回路図の一例であり、スイッチQが入力電圧Vout1に対して直列に配置されている。入力電圧Vout1は、スイッチQとインダクタL及びキャパシタCを含むローパスフィルタを通して出力に接続されている。
図4は、昇圧型コンバータの回路図の一例であり、インダクタLが入力電圧Vout1に直列に配置されている。入力電圧Vout1は、インダクタLとダイオードDを通して出力に接続されている。
第2のDC−DCコンバータ300として、例えば、図3に示す降圧型コンバータを用いた場合には、制御部600は、デューティ比Dを、D=Vout/Vout1と設定することで、電圧Vout1が目標電圧Voutとなるように制御できる。
また、第2のDC−DCコンバータ300として、例えば、図4に示す昇圧型コンバータを用いた場合には、制御部600は、デューティ比Dを、D=1−Vout1/Voutと設定することで、電圧Vout1が目標電圧Voutとなるように制御できる。
なお、第2のDC−DCコンバータ300の定電圧出力モードにおける駆動は、これらに限定されるものではなく、当業者が選択したDC−DCコンバータの種類に応じて、任意に決定することができる。
[第2の状態S2]
次に、蓄電池400に対する充電が進み、蓄電池400の電圧Eが閾値電圧Eth以上(E≧Eth)となり、蓄電池400が所定の充電状態以上になった場合について説明する。
先ず、制御部600は、電流検出手段10bにより計測される電流Iout1及び電流検出手段10cにより計測される電流Iin2を取得し、記憶部700に記憶させる。また、制御部600は、電流Iout1と電流Iin2とを用いて、蓄電池400を流れる充電電流I(=Iout1−Iin2)を算出する。
次に、制御部600は、充電電流Iが0となるようなVout1を出力するように、第1のDC−DCコンバータ200のデューティ比Dを制御する。これにより、蓄電池400が所定の充電状態よりさらに充電されることを防止することができる。しかしながら、制御部600は、第1のDC−DCコンバータ200を用いて太陽電池100をMPPT制御することができない。
そこで、制御部600は、電圧検出手段11aにより計測される電圧Vin1A及び電流検出手段10aにより計測される電流Iin1Aを取得し、記憶部700に記憶させる。
次に、制御部600は、電圧Vin1Aと電流Iin1Aとを乗算して、電力Pin1Aを算出し、記憶部700に記憶させる。
次に、制御部600は、電圧Vin1Aより所定の値ΔVだけ大きい電圧Vin1Bとなるように第2のDC−DCコンバータ300を駆動させ、電流Iin1Bの測定と電力Pin1Bの算出を行い、記憶部700に記憶させる。
次に、制御部600は、電力Pin1AとPin1Bとを比較し、Pin1AよりもPin1Bの方が大きい値であれば、電圧Vin1Bより所定の値ΔVだけ大きい電圧Vin1Cとなるように第2のDC−DCコンバータ300を駆動させる。
一方、記憶された電力Pin1AよりもPin1Bの方が小さい値の場合には、電圧Vin1Bより所定の値ΔVだけ小さい電圧Vin1Aに設定するよう第2のDC−DCコンバータ300を駆動させる。
この一連の動作は、制御部600により、第2のDC−DCコンバータ300のデューティ比Dを可変することにより繰り返し実行され、太陽電池100の動作点がMPPとなる。
また、制御部600は、第1のDC−DCコンバータ200の充電電流I(Iout1−Iin2)を所定の時間間隔で取得する。
取得された充電電流Iが0より大きい値となった場合には、制御部600は、第1のDC−DCコンバータ200の出力電圧Vout1が、電圧Vout1より所定の値ΔVだけ小さい電圧に設定するように第1のDC−DCコンバータ200を駆動させる。
一方、充電電流Iが0より小さい値となった場合には、制御部600は、第1のDC−DCコンバータ200の出力電圧Vout1が、電圧Vout1より所定の値ΔVだけ大きい電圧に設定するように第1のDC−DCコンバータ200を駆動させる。
制御部600は、所定の時間間隔で、上述の第1のDC−DCコンバータ200の制御を行うことで、蓄電池400が所定の充電状態よりさらに充電されることを防止する。
なお、この一連の動作は、制御部600により、第1のDC−DCコンバータ200のデューティ比Dを可変することにより実行される。
また、制御部600が第1のDC−DCコンバータ200の充電電流Iを取得する所定の時間間隔は、好ましくは、第2のDC−DCコンバータ300のデューティ比Dを変化させる時間間隔と同期させるのが良い。
また、制御部600は、電圧検出手段11dにより計測される電圧Vout2及び電流検出手段10dにより計測される電流Iout2を取得し、記憶部700に記憶させる。制御部600は、電圧Vout2及び電流Iout2により電力消費部500に供給される電圧及び電流の情報を取得し、必要に応じて第2のDC−DCコンバータ300のデューティ比Dを変化させても良い。
以上に説明したように、本実施形態に係る太陽光発電装置1及び太陽光発電装置1の制御方法によれば、蓄電池400が所定の充電状態以上となった場合でも、太陽電池100の動作点をMPPに調整することができる。
以上、太陽光発電装置1及び太陽光発電装置1の制御方法を実施形態により説明したが、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内で種々の変形及び改良が可能である。
例えば、制御部600による蓄電池400の充電状態の判断方法として、蓄電池400の電圧Eを計測し、計測した蓄電池400の電圧Eと閾値電圧Ethとを比較する形態を説明したが、これに限定されない。
例えば、蓄電池400に電圧検出手段を設けずに、第1のDC−DCコンバータ200の出力電圧Vout1と充電電流Iとから蓄電池400の内部抵抗を算出し、内部抵抗と充電電流Iとから蓄電池400の電圧Eを予測しても良い。また、例えば、第1のDC−DCコンバータ200の出力電圧Vout1を蓄電池400の電圧Eに代用しても良い。
また、DC−DCコンバータのMPPTモードにおける動作として、山登り法を用いたが、これに限定されるものではなく、例えば、増分コンダクタンス法等、太陽電池100のMPPを追従できる動作であれば良い。
また、蓄電池400と電力消費部500との間に直列に設けられた一つの第2のDC−DCコンバータ300を有する形態を説明したが、第2のDC−DCコンバータ300の数はこれに限定されるものではない。
例えば、第2のDC−DCコンバータ300は、並列に複数接続されていても良く、複数の第2のDC−DCコンバータ300は、第2の状態S2にあるとき、少なくとも1つがMPPTモードで駆動していれば良い。この場合、目標電圧Voutが異なる負荷520を複数接続することが可能となる。
また、第2のDC−DCコンバータ300と同様に、第1のDC−DCコンバータ200の数は、一つに限定されない。例えば、第1のDC−DCコンバータ200は、並列に複数接続されていても良い。この場合、第1のDC−DCコンバータ200毎に出力電圧の異なる太陽電池100を複数接続することが可能となる。
1 太陽光発電装置
100 太陽電池
200 第1のDC−DCコンバータ
300 第2のDC−DCコンバータ
400 蓄電池
600 制御部

Claims (6)

  1. 太陽電池の出力を入力とする第1のDC−DCコンバータと、
    前記第1のDC−DCコンバータの出力を入力とする蓄電池と、
    前記蓄電池の電圧を変換する第2のDC−DCコンバータと、
    前記蓄電池が所定の充電状態以上になった場合に、前記第1のDC−DCコンバータのデューティ比を変化させて前記太陽電池の動作点を最大電力点からずらすとともに、前記第2のDC−DCコンバータのデューティ比を変化させて前記太陽電池の動作点を最大電力点とする制御部と、
    を有する太陽光発電装置。
  2. 前記制御部は、前記蓄電池が所定の充電状態以上になった場合に、前記蓄電池が充電されないように制御する、
    請求項1に記載の太陽光発電装置。
  3. 前記制御部は、前記蓄電池の電圧と閾値電圧とを比較することにより、前記蓄電池が所定の充電状態以上になったと判断する、
    請求項1又は2に記載の太陽光発電装置。
  4. 前記制御部は、前記蓄電池の電圧が閾値電圧以上になった場合に、前記蓄電池が所定の充電状態以上になったと判断する、
    請求項1又は2に記載の太陽光発電装置。
  5. 太陽電池の動作点を最大電力点とするように制御する太陽光発電装置の制御方法であって、
    前記太陽電池で発電した電力を貯蔵する蓄電池の充電状態を監視する工程と、
    前記蓄電池が所定の充電状態以上になった場合に、前記太陽電池の出力を入力とする第1のDC−DCコンバータのデューティ比を変化させて前記太陽電池の動作点を最大電力点からずらすとともに、前記蓄電池の電圧を変換する第2のDC−DCコンバータのデューティ比を変化させて前記太陽電池の動作点を最大電力点とする工程と、
    前記蓄電池が所定の充電状態未満になった場合に、前記第1のDC−DCコンバータのデューティ比を変化させて前記太陽電池の動作点を最大電力点とする工程と、
    を有する太陽光発電装置の制御方法。
  6. 前記第1のDC−DCコンバータのデューティ比を変化させて前記太陽電池の動作点を最大電力点からずらすとともに、前記第2のDC−DCコンバータのデューティ比を変化させて前記太陽電池の動作点を最大電力点とした後、
    前記蓄電池が所定の充電状態未満になった場合に、前記第1のDC−DCコンバータのデューティ比を変化させて前記太陽電池の動作点を最大電力点とする、
    請求項5に記載の太陽光発電装置の制御方法。
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