JP6081125B2 - 太陽光発電装置および電力管理システム、並びに、そのための電力負荷と計測装置 - Google Patents

Description

本発明は、太陽光パネルを与えられた環境下での最大発電可能電力よりも小さな電力で発電することが出来る太陽光発電装置および電力管理システム、並びに、そのための電力負荷と計測装置に関する。

ここで、与えられた環境下での最大発電可能電力よりも小さな電力で発電する状況は、停電時に太陽光発電装置を自立運転する場合や、系統連系している太陽光発電装置が配電系統の管理者からの依頼に応じて逆潮流の低減のために出力抑制する場合などが考えられる。なお、本発明における太陽光発電装置あるいは電力管理システムは、太陽光パネルの直流電圧，直流電流を制御して電力を取り出す機能を含む。また、交流出力をする場合には、太陽光パネルの直流電力を交流電力に変換するインバーター機能を含む。本発明における太陽光発電装置あるいは電力管理システムは、家庭やビル、店舗，工場などの需要家に設置される場合と、メガソーラーなどの発電所に設置される場合の両方のケースを想定する。

図２に太陽光パネルの直流電圧と発電出力の関係を示す。発電出力はある直流電圧で最大値をもつ曲線を描く。ここで、発電出力の最大値を最大発電可能電力と呼ぶ。曲線は日射量やパネル温度などで変動するが，通常の太陽光発電装置は、太陽光パネルの直流電圧や直流電流をモニターしながら常に最大発電可能電力にクリップされるように太陽光パネルの動作を制御する。図３に代表的な太陽光発電装置の回路図を示す。太陽光パネルからの出力を昇圧チョッパで昇圧し、インバーターで交流に変換する。太陽光パネルの直流電圧と直流電流の測定値を制御ブロックに入力し、常に最大発電可能電力にクリップされるようにスイッチＳ１の開閉を制御する。制御ブロックは、スイッチＳ２-S５を用いてPWM制御で直流を交流に変換して出力する。

家庭内に設置した太陽光発電装置を自立運転させた際の最大発電可能電力をモニター用太陽電池の開放電圧を用いて予測し、最大発電可能電力が設定値以下になった際に、所定の電力負荷に接続されたリモート開閉器を遮断して電力を低減する電力管理システムが、以下の特許文献１に開示されている。

また、需要家に設置した太陽光発電装置の出力を日射量計の計測結果を基に推定し、蓄電装置の利用可能電力と合算して利用可能電力を予測し、利用可能電力が小さい場合には予め設定した優先順位に基づいて優先順位の低い電力負荷から順番にリモート開閉器を遮断して電力を低減する電力管理システムが、以下の特許文献２に開示されている。

更に、太陽電池の短絡電流パルスを用いて最大電力を出力する直流電流の目標値を求める手法が以下の非特許文献１に開示されている。

特開平９−１４９５５４号公報 特開２００８−１２５２９５号公報

電学論Ｄ，１２１巻，１号，８０−８３頁

従来の太陽光発電装置は、停電などにより家庭内で自立運転をする際には、ユーザーにはどの程度の電力まで使えるかが分からない為、雲の移動などによって日射量が変動すると電力供給能力が低下して突然出力が停止したり、機器の動作が不安定になる場合がある。

上記の特許文献１および２では、日射量に応じた最大発電可能電力を予測して需要機器の電力供給経路を開閉することで自立運転を継続させる手段について述べており、モニター用太陽電池や日射量計の計測結果を制御装置内で解析して開閉器を直接操作する構成になっているが、しかしながら、発電する太陽光発電パネルと計測器との位置のずれにより正確に予測できず、また、屋外に計測器を付加的に設置するために設置コストが上昇すると考えられる。特に、特許文献１については、モニター用太陽電池の開放電圧から最大発電可能電力を予測する手法が示されているが、開放電圧はパネル温度の影響を受けて誤差が大きくなるので正確な予測が出来ないと推測される。また、特許文献２については、パネル温度の要素が考慮されていないので特許文献１と同様に正確な予測が出来ないと推測される。そして、非特許文献１では、最大電力を出力する直流電流の目標値を求める手法が開示されているが，最大発電可能電力を求める手法は開示されていない。即ち、自立運転時など、太陽光発電装置が与えられた環境下での最大発電可能電力より小さな電力で発電する際に、最大発電可能電力を低コストで正確に予測する手法がないという課題がある。

また、従来の太陽光発電装置が電力系統の電力供給に占める割合が大きい場合には、日射量が大きくて電力供給が電力需要を上回ると予測される時間帯には、太陽光発電の出力を抑制する必要が生じる。その際、天候の変化などで太陽光発電出力が急激に低下した場合には、大容量の蓄電池、揚水発電、火力発電、水力発電など電力供給を調整する方法が考えられているが、設備コストが高く、特に、火力発電の場合には、CO２を排出する上に更に燃料費が必要である。

そこで、出力が抑制された状態にある各太陽光発電装置の最大発電可能電力の情報を地域の配電管理設備が把握できれば、天候の変化などで太陽光発電の出力が変動した場合に、発電抑制条件を適正に緩和する事で電力平準化を行う方法が考えられる。しかしながら、特許文献１、特許文献２および非特許文献１には、最大発電可能電力の情報を外部に伝達する機能が無いという課題がある。

本発明は、上述した従来技術における課題に鑑みて達成されたものであり、その目的は、かかる従来技術における課題を解決することが可能な太陽光発電装置および電力管理システム、並びに、そのための電力負荷と計測装置を提供することにある。

本発明では、上述した目的を達成するため、例えば、太陽光パネルを与えられた環境下での最大発電可能電力よりも小さな電力で発電する手段と、データ通信手段を有する太陽光発電装置であって、前記最大発電可能電力よりも小さな電力で発電する際に、前記環境における前記太陽光パネルの最大発電可能電力の予測値を、前記データ通信手段を通じて伝達する機能を有する太陽光発電装置が提供される。

上述した本発明によれば、上述した従来技術における課題を解決することが可能な太陽光発電装置および電力管理システム、並びに、そのための電力負荷と計測装置が提供される。

本発明の実施例１に関わる構成図である。 太陽光パネルの直流電圧と発電出力の関係を示す図である。 代表的な太陽光発電装置の回路図である。 出力抑制状態にした場合の直流電圧と発電出力の関係を示す図である。 出力抑制状態にした場合の直流電流と直流電圧の関係を示す図である。 日射条件，パネル温度条件を変えた場合の電流と最大発電可能電力の関係１を示す図である。 日射条件，パネル温度条件を変えた場合の電流と最大発電可能電力の関係２を示す図である。 日射条件，パネル温度条件を変えた場合の電流と最大発電可能電力の関係３を示す図である。 本発明の太陽光発電装置１の回路図である。 直流電圧と出力電圧の関係を示す図である。 直流電圧と直流電流の関係を示す図である。 実施例１における最大出力可能電力の計算手順を示す図である。 実施例２に関わる構成図である。 実施例２における電力系統と連系する状態における動作方法を示す図である。 実施例３における直流電圧と発電出力の関係を示す図である。 実施例３における直流電圧と直流電流の関係を示す図である。 実施例３における動作点２から動作点１に切り換える際の動作を示す図である。 実施例３に関わる構成図である。 実施例３における電力系統と連系する状態における動作方法を示す図である。 実施例３における最大出力可能電力の計算手順を示す図である。 実施例４に関わる構成図である。 実施例５に関わる構成図である。 実施例６に関わる構成図である。 実施例７に関わる構成図である。 実施例１における需給ギャップの時間変化と需要機器の状態を表す図である。 実施例８に関わる構成図である。 太陽光発電パネルの等価回路である。 パネル温度が変化した場合の直流電圧と発電出力の関係を示す図である。 実施例９に関わる構成図である。 実施例９における測定装置１３の回路図である。 実施例１０に関わる最大出力可能電力の探索方法を表す図である。 実施例３における機器の動作状態の時間推移を示す図である。

以下、本発明の実施例について、添付の図面を用いて詳細に説明する。しかしながら、それに先立ち、まず、本発明の特徴について、以下に要約して述べる。

本発明によれば、最大発電可能電力の予測機能を太陽光発電装置に持たせ、太陽光パネルの動作条件を制御しながら、制御された動作点における直流電流計測値と直流電圧計測値を用いて最大発電可能電力を予測し、データ通信手段を通じて外部の装置に伝達する。外部の装置とは、需要家施設に設置する場合には需要機器の制御装置であっても良いし、インターネット経由で管理サーバに接続するためのゲートウェイであっても良いし、電力会社と独自のネットワークで接続されるスマートメータでも良いし、需要家施設内のモニター画面や、スマートフォンやＰＣなどの情報機器であっても良い。メガソーラーなどの発電設備に設ける場合には、電力会社との通信を行うゲートウェイであっても良い。

また、本発明における太陽光発電装置の出力を抑制する際の最大発電可能電力の算出は、最大発電可能電力を得られる電圧よりも低い電圧で太陽光パネルを動作させた状態での直流電流値と直流電圧値を計測し、あらかじめ記憶した計算式もしくは計算テーブルを用いて計算する。

図４、は出力抑制状態にした場合の直流電圧と発電出力の関係の例を示した図である。抑制された電力を出力する動作点は最大発電可能電力を挟んで二つ存在する事が分かる。図５は、出力抑制状態にした場合の直流電流と直流電圧の関係の例を示した図である。

ここで、日射条件、パネル温度条件を変えた場合の短絡電流（直流電圧１００Ｖ）と最大発電可能電力の関係の例を図６に示す。１０％程度の誤差が存在するが、最大発電可能電力は短絡電流に略比例する事が分かる。図７に、直流電圧１００Ｖにおける直流電流と最大発電可能電力の関係の例を示し、図８に、直流電圧１５０Ｖにおける直流電流と最大発電可能電力の関係の例を示す。図６、図７、図８は、傾きが多少異なるのみで殆ど同じグラフとなる。このため、本発明の手段においては、出力電力に応じて動作点１の電圧が異なるが、その電圧での電流値と最大出力可能電力の比例係数を算出したのち、直流電流から最大出力可能電力を予測する事が可能である。

比例係数はパネル種類や設置状況によって変わるので、望ましくは、出力抑制のない平常時に断続的に動作点１で動作させ、最大発電可能電力、直流電圧、直流電流のテーブルを記憶し、直流電圧毎の最大発電可能電力の直流電流による傾きを計算して記憶するのが良い。

図２７に太陽光パネルの等価回路を示す。太陽光パネルは日射に応じた電流I_phを流す定電流源とダイオード、配線抵抗R_s，R_shから構成される。電流IとVの関係は以下の式で表される。

式１：I=I_ph-I₀(exp(q(V+R_sI)/nkT)-１)-(V+R_sI)/R_sh
ここで、「I₀」は逆方向飽和電流、「q」は電気素量、「n」は理想ダイオード因子、「k」はボルツマン定数、「T」はパネルの絶対温度である。Vが小さい時にはI_phの項が支配的となり、最大発電可能電力を示す電圧においてもI_phの影響が大きいものと推測される。従って、電圧の小さい範囲の電流値が最大発電可能電力と略比例関係になるものと推測される。

なお、図６、図７、図８における直流電流と最大発電可能電力の１０％程度の誤差は式１におけるI₀(exp(q(V+R_sI)/nkT)-１)の項によるものであり、パネル温度Tの影響が大きいと考えられる。図５における開放電圧においては、I=0となるので、式１は式２のように表される。

式２：0=I_ph-I₀(exp(qV/nkT-１))-V/R_sh
ここで、R_shがVより十分大きいと考えると以下のように計算できる。

式３：I_ph=I₀(exp(qV/nkT-１)
式４：ln(I_ph/I₀+１)=qV/nkT
従って、式４よりI_phが一定の場合には、VとTは比例関係になる事が分かる。

図２８に日射量が一定でパネル温度が変化した場合の直流電圧と発電出力の関係を示す。式４より、開放電圧はパネル温度に比例する。図２８より、最大発電可能電力の誤差は開放電圧に比例し、パネル温度に比例する。最大発電可能電力を示す電圧よりも大きな電圧範囲では開放電圧と同様にパネル温度の影響が大きいと考えられるので、動作点２の電圧と最大発電可能電圧の誤差は略比例すると考えられる。つまり、動作点２での直流電流，直流電圧を用いて補正する事で、図６、図７、図８の直流電流と最大発電可能電力の関係式をさらに高精度にすることが可能である。

そして、上述した本発明によれば，太陽光パネルを与えられた環境下での最大発電可能電力よりも小さな電力で発電する際に、過負荷状態を事前に予測して需要調整する事で突発的な出力停止を防止する事ができる。

また、本発明によれば、太陽光発電の出力抑制時における最大出力可能電力を予測する際に、発電する太陽光パネルから出力される直流電流と直流電圧を用いる事で、モニター用太陽電池や日射量計など付加的な測定装置を必要としないため、測定装置と太陽光パネルの位置ずれや太陽光パネルの温度による最大出力可能電力予測値の予測誤差が少なくなり、高精度の予測を低コストで実現することができる。

また、本発明によれば、最大発電可能電力の情報を用いた新たなサービスや機能の追加を行うことができる。
そして、本発明によれば、最大発電可能電力の情報を用いて、従来の方法より細かな電力系統の電力需給管理が行える。

図１に第１の実施形態における太陽光発電装置を含んだ需要家システムの装置構成を示す。本実施例では需要家システム１００は電力系統と連系せず、太陽光パネル２による太陽光発電電力のみで自立動作を行う。太陽光発電装置１は太陽光パネル２の直流出力を交流に変換して分電盤４に出力する。太陽光発電装置１は交流出力電圧が一定になるように太陽光パネル２の直流電流、直流電圧を調整する。太陽光発電装置１は、制御装置３からの情報要求を受け、その時点での最大発電可能電力情報と現在の発電電力を制御装置３に送る。制御装置３は最大発電可能電力と発電電力の差である需給ギャップを把握し、需給ギャップが小さくなった場合には、需要負荷５もしくは需要負荷６に電力を制限する制御信号を送ったり、分電盤４へスイッチの開閉制御信号を送る事で需要を抑制し、日射量の変化などによる電力供給能力の変化がある場合や、使用者の使用状況によって需要が変化する場合においても、常に、需給が供給を上回らないように調整を行う。需要負荷５がエアコンの場合は、設定温度を変更したり、冷房・暖房設定を送風に切り換える。需要負荷６がＴＶの場合には、明るさを暗くする。

図２５に需給ギャップの時間変化に対する需要機器の動作状況を示す。制御装置３は需要負荷別に優先度を記憶し、需給ギャップが設定値１以下になった場合に、優先度の低い需要負荷７の電力を低減させる。その後需給ギャップがさらに低下し、再び設定値１以下になった場合に、次に優先度の低い需要負荷６の電力を低減させる。その後需給ギャップが大きくなり、設定値２を超えた場合には電力低減制御を行っている需要負荷の中で優先度の高い需要負荷６の電力を回復させる。

図９に本実施例の太陽光発電装置１の回路図を示す。電流計２０と電圧計２１が太陽光パネル２の直流電流および直流電圧を測定する。太陽光発電装置１の制御ブロック２３は出力電圧が一定になるようにスイッチＳ２〜S５を用いてPWM制御すると同時に、コンデンサ２２の電圧が一定になるようにスイッチＳ１を制御する。図１０に、ある設置条件、ある気象条件における直流電圧と出力電圧の関係図の例をし、図１１に同じ条件下での直流電圧と直流電流の関係の例を示す。最大出力可能電力以下の出力電力を得る場合には直流電圧と直流電流の組み合わせは２通りある。例えば電力需要が2000 Wだった場合、本実施例では最大出力可能電力を得られる電圧よりも低い電圧である動作点１で動作するようにスイッチＳ１を制御する。

図１２に本実施例における最大出力可能電力の計算手順を示す。図９における制御ブロック２３には、予め図１２(a)に示したように最大出力可能電力Pmax1と動作点１での直流電流の関係式が、動作点１での直流電圧V=0 (V)、V=50 （V）、V=100 （V）、V=150 （V）のそれぞれの場合について「0（零）」を通る直線として記憶されている。次に、図１１より動作点１で動作させている際の直流電圧V=88 (V)なので、図１２(b)に示したように、これに近い電圧V=50 （V）の傾き142と, V=100 （V）の傾き145よりV=88 (V)の場合の直線の傾きを比例計算すると144.3になる。図１２(c)に示したように、図１１における動作点１の直流電流I=22.8 (A)であることから、V=88 (V)の直線上の位置を特定すると最大出力可能電力であるPmax１=3290 (W)が求められる。本実施例における計算手順では，太陽光パネル２の温度に起因する誤差を含んでいるものの、誤差１０％程度の精度で予測する事ができる。

本実施例によれば、最大発電可能電力よりも小さな電力で発電する際に、太陽光パネルの最大発電可能電力をモニター用太陽電池や日射量計など付加的な測定装置を用いた場合と比較して精度よく算出する事が可能となり、最大発電可能電力と発電電力の差である需給ギャップに応じて需要機器の需要調整をすることで、日射量の変化などによる電力供給能力の変化がある場合や、使用者の使用状況によって需要が変化する場合においても、常に、需給が供給を上回らないように需要家システムを制御することができる。

図１３に第２の実施形態における太陽光発電装置を含んだ需要家システムの装置構成を示す。本実施例では需要家システム１００は、開閉装置８によって電力系統と連系する状態と、連系しない自立運転状態を切り換えることができる。太陽光発電装置１は太陽光パネル２の直流出力を交流に変換して分電盤４に出力する。

本実施例における電力系統と連系する状態においては、太陽光発電装置１は電力系統の交流電圧波形に同調して交流出力電流が最大になるように太陽光パネル２の直流電流、直流電圧を調整するが、図１４に示したように、断続的に短時間の間、動作点を最大出力可能電力よりも小さい電圧にし、直流電流と直流電圧と直前の最大出力可能電力を記憶する。動作点を変更した測定は10秒に１回、約20 msの間測定するものとし、測定する電圧は、V=0 (V)、V=50 （V）、V=100 （V）、V=150 （V）の４点を毎回変えながら測定する。ただし、本実施例では，測定頻度、測定時間、測定電圧、測定ポイント数をこの組み合わせで限定するものではなく、例えば、20秒に１回、約10 msの測定時間で、V=75 (V)，V=125 （V）、 V=150 （V）の３点にしてもよい。なお，動作点を最大出力可能電力よりも小さい電圧にした場合，出力電力が減少するが短時間だけなので、発電電力の１%未満に影響を少なくすることができる。

本実施例において電力系統と連系しない自立運転状態での動作方法を説明する。太陽光発電装置１は自立出力電圧が一定になるように太陽光パネル２の直流電流、直流電圧を調整する。太陽光発電装置１は、制御装置３からの情報要求を受け、その時点での最大発電可能電力情報と現在の発電電力を制御装置３に送る。制御装置３は最大発電可能電力と発電電力の差である需給ギャップを把握し、需給ギャップが小さくなった場合には、需要負荷５もしくは需要負荷６に電力を制限する制御信号を送ったり、分電盤４へスイッチの開閉制御信号を送る事で需要を抑制し、日射量の変化などによる電力供給能力の変化がある場合や、使用者の使用状況によって需要が変化する場合においても、常に、需給が供給を上回らないように調整を行う。

本実施例の太陽光発電装置１の回路構成は図９に示した実施例１のものと同じである。

太陽光パネル２の動作特性および日射量や気温などの外部環境が第１の実施形態と同じ場合においては、本実施例において電力系統と連系しない自立運転状態での動作方法は図１０、図１１の動作点１を用いる実施例１の動作方法と同じである。

本実施形態において電力系統と連系しない自立運転状態での最大出力可能電力の計算手順は、第１の実施形態と同じであるが、計算の基となる動作点１の電流と最大発電可能電力Pmax１との関係式は電力系統と連系した状態において測定した値を用いる。

本実施例によれば、自立運転時の最大発電可能電力を計算するパラメータを連系運転時に補正する事で、太陽光パネルの設置条件や設置後の特性劣化を反映させることができる。また、本実施例によれば、季節などによって変動する太陽光パネル温度の影響を毎日補正していることになるので、実施例1よりも高精度に最大発電可能電力を予測する事ができる。本実施例を用いて、自立運転時に，日射量の変化などによる電力供給能力の変化がある場合や、使用者の使用状況によって需要が変化する場合においても、常に、需給が供給を上回らないように需要家システムを制御することができる。

図１８に第３の実施形態における太陽光発電装置を含んだ需要家システムの装置構成を示す。本実施例の装置構成は実施例２と殆ど同じであるが、分電盤４と開閉装置８の間に蓄電池９が接続されており、制御装置３からの指示を受けて充電もしくは放電する事ができる。

本実施例における電力系統と連系する状態においては、太陽光発電装置１は電力系統の交流電圧波形に同調して交流出力電流が最大になるように太陽光パネル２の直流電流、直流電圧を調整するが、実施例２と同様に、図１４に示したように、断続的に短時間の間、動作点を最大出力可能電力よりも小さい電圧にし、直流電流と直流電圧と直前の最大出力可能電力を記憶する。また、図１９に示したように、断続的に短時間の間、動作点を最大出力可能電力よりも大きい電圧にし、直流電流と直流電圧と直前の最大出力可能電力を記憶する。動作点を変更した測定は10秒に１回、約20 msの間測定するものとし、測定する電圧は、最大出力可能電力よりも小さい電圧の場合にはV=0 (V)、V=50 （V）、V=100 （V）、V=150 （V）の４点とし，最大出力可能電力よりも大きい場合にはI=0 (A)、I=5 (A)、I=10 (A)、I=15 (A) の４点の合計８点を毎回変えながら測定する。ただし、本実施例では、測定頻度、測定時間、測定電圧、測定ポイント数をこの組み合わせで限定するものではなく、例えば、２０秒に１回、約１０ msの測定時間で、V=75 (V)、V=125 （V）、V=150 （V）、I=7 (A)、I=12 (A)、I=17 (A)、の３点の合計６点にしてもよい。また、最大出力可能電力よりも大きい電圧と小さい電圧を交互に測定しても良いし、どちらかが終わってからどちらかに切り替えても良い。なお、動作点を最大出力可能電力よりも小さい電圧あるいは大きい電圧にした場合、出力電力が減少するが短時間だけなので、発電電力の１%未満に影響を少なくすることができる。

本実施例において、電力系統と連系しない自立運転状態での需要家システム１００全体の動作を説明する。本実施例における電力系統と連系しない自立運転状態では、太陽光発電装置１は、自立出力電圧が一定になるように太陽光パネル２の直流電流、直流電圧を調整する。太陽光発電装置１は、制御装置３からの情報要求を受けた場合には、その時点での最大発電可能電力情報と現在の発電電力を制御装置３に送る。蓄電池９は夜間に放電モードで運転し、蓄えられた電力で需要家システムを運転する。日中は太陽光発電装置１からの電力を充電する負荷の一つとして働く。制御装置３は最大発電可能電力と発電電力の差である需給ギャップを把握し、需給ギャップが小さくなった場合には、需要負荷５もしくは需要負荷６に電力を制限する制御信号を送ったり、分電盤４へスイッチの開閉制御信号を送ったり、蓄電池９への充電を停止する事で需要を抑制し、日射量の変化などによる電力供給能力の変化がある場合や、使用者の使用状況によって需要が変化する場合においても、常に、需給が供給を上回らないように調整を行う。制御装置３は、日射量が小さくなって太陽光発電装置１からの出力が電力需要を満たさないと判断した場合には、太陽光発電を停止すると同時に蓄電池９を充電モードから放電モードへ瞬時に切替る。また、逆に、蓄電池９が放電している状態で、日射量が大きくなって太陽光発電装置１からの出力が電力需要を満たすと判断した場合には、蓄電池を停止に切り換えると同時に太陽光発電を運転し、電力源を瞬時に切り替える。

需要システム１００の機器の具体的な動作の流れを図３２を用いて説明する。日の昇らない未明に相当する期間Ａでは、蓄電池の放電によって家庭内の電力需要を賄う。この際、優先順位の低い需要負荷７はＯＦＦ状態にある。日が昇って最大発電可能電力が電力需要を超えた期間Ｂでは、制御装置３は、蓄電池９を停止すると同時に、太陽光発電装置１の出力を分電盤４に流す。最大発電可能電力と電力需要の需給ギャップが大きくなった期間Ｃでは、優先順位の低い需要負荷７をＯＮ状態にする。需給ギャップがさらに大きくなった期間Ｄでは、蓄電池９を充電モードに切り替えて充電する。その後、雲などによって需給ギャップが小さくなった期間Ｅでは、一旦、蓄電池９の動作を停止する。さらに、需給ギャップが小さくなった期間Ｆでは、優先順位の低い需要負荷７をＯＦＦにする。その後雲の移動によって、需給ギャップが回復した期間Ｇでは、需要負荷７をＯＮにし、さらに、需給ギャップが大きくなった期間Ｈでは、蓄電池９を再度充電する。その後、日射量が低くなり、需給ギャップが小さくなった期間Ｉではまず蓄電池９を停止状態にし，さらに需給ギャップが小さくなった期間Ｊでは、優先順位の低い需要負荷７をＯＦＦにする。その後さらに最大発電可能電力が小さくなれば、太陽光発電装置１の出力をＯＦＦにすると同時に蓄電池９を放電させる。

本実施例の太陽光発電装置１の回路構成は、図９に示した実施例１のものと同じである。

本実施例における電力系統と連系しない自立運転状態での太陽光発電装置１の動作方法を説明する。太陽光パネル２の直流電圧と発電出力の関係を図１５に示し、直流電圧と直流電流の関係を図１６に示す。最大出力可能電力以下の出力電力を得る場合には直流電圧と直流電流の組み合わせは２通りある。例えば、電力需要が2000 Wだった場合、本実施例では最大出力可能電力を得られる電圧よりも低い電圧である動作点１で動作するようにスイッチＳ１を制御しながら直流電圧および直流電流を測定し、10秒に１回、約20 msの間動作点２で動作させて直流電圧および直流電流を測定する。ただし、本実施例では、測定頻度、測定時間を限定するものではなく、例えば，20秒に１回、約10 msの測定時間にしてもよい。動作点１を主に用いる事で、動作点１での測定結果が安定する為、最大動作可能電力の算出結果が安定するという利点がある。最大動作可能電力の算出においては、動作点１での測定値の方が動作点２での測定値よりも支配的である為である。

動作点を動作点２から動作点１にあるいは動作点１から動作点２に変更する際には、前回の直流電圧を記憶しておき、その直流電圧を切換え直後の目標動作点とし、切換え後は動作点を微調整しながらコンデンサ２２の電圧が一定になるようにスイッチＳ１を制御する。

この際、図１７に示したように、例えば、動作点２から動作点１に切り換える際には、記憶された１つ前の動作点１の直流電圧における出力電力が、日射量の変動などで必要な電力に足りない場合には、コンデンサ２２の電圧が下がるため，それを補うために一時的に直流電圧を高めに移動させ、コンデンサ２２の電圧を補正する。それとは逆に、日射量の変動などで必要な電力より大きかった場合には、コンデンサ２２の電圧が上がるため、それを補うために一時的に直流電圧を低めに移動させ、コンデンサ２２の電圧を補正する。

また，例えば、動作点１から動作点２に切り換える際に、記憶された１つ前の動作点２の直流電圧における出力電力が、日射量の変動などで必要な電力に足りない場合には、コンデンサ２２の電圧が下がるため、それを補うために一時的に直流電圧を低めに移動させ、コンデンサ２２の電圧を補正する。それとは逆に、日射量の変動などで必要な電力より大きかった場合には、コンデンサ２２の電圧が上がるため、それを補うために、一時的に直流電圧を高めに移動させ、コンデンサ２２の電圧を補正する。

本実施例における電力系統と連系しない自立運転状態での最大出力可能電力の計算手順を図２０を用いて説明する。制御ブロック２３には、予め図２０(a)に示したように最大出力可能電力Pmax1と動作点１での直流電流の関係式が、動作点１での直流電圧V=0 (V)、V=50 （V）、V=100 （V）、V=150 （V）のそれぞれの場合について記憶されている。次に、図１６より動作点１で動作させている際の直流電圧V=88 (V)なので、図２０(b)に示したように、これに近い電圧V=50 （V）、V=100 （V）の直線よりV=88 (V)の関係式を近似計算する。次に、図２０(c)に示したように、図１６における動作点１の直流電流I=22.8 (A)からV=88 (V)の直線上の位置を特定し、最大出力可能電力であるPmax１=3300 (W)を求める。ここまでは第１の実施形態、第２の実施形態と同じであるが、この方法による最大出力可能電力の推定値Pmax１には太陽光パネル２の温度に起因する計算誤差が１０％前後含まれるので、さらに精度を高める為、動作点２での直流電圧、直流電流を用いて計算する。図９における制御ブロック２３には、予め図２０（d）に示したように、真の最大出力可能電力PmaxとPmax１の比と動作点２での直流電圧の関係式が、I=0 (A), I=5 (A), I=10 (A), I=15 (A)のそれぞれの場合について記憶されている。次に、図１６より、動作点２の直流電流I=１２ (A)なので、図２０(e)に示したように、これに近い電流I=10 （A）、I=15 （A）の直線よりI=12 (A)の直線を近似計算する。次に、図２０(f)に示したように、動作時の直流電圧V=200 (V)からI=12 (A)の直線上の位置を特定し、真の最大出力可能電力Pmaxと図２０(a)〜(c)で求められたPmax１=3300 (W)との比1.02を求める。真の最大出力可能電力PmaxはPmax１=3300 (W)と1.02の乗算なので、Pmax=3366 (W)となる。

本実施例によれば、自立運転時の太陽光パネルの最大発電可能電力を、動作点1及び動作点2の2ポイントのデータを用いる事で、実施例1乃至実施例２に示した方法より精度よく算出する事が可能である。また、本実施例によれば、自立運転時に、雲などの影響で太陽光パネルの出力が不安定な時にも、需要負荷と蓄電池の充電電力を調整する事で安定的に需要家システムを維持する事ができる。

第４の実施形態における太陽光発電装置を含んだ需要家システムの装置構成を図２１に示す。図１８に示した実施例３の構成に加えて表示装置１１があり、制御装置から送られてくる最大発電可能電力や発電電力、それらの差分である電力需給ギャップなどの電力情報を表示する。

本実施例における電力系統と連系する状態の動作方法は図１４、図１９に示した実施例３のものと同じである。

本実施例において、電力系統と連系しない自立運転状態での需要家システム１００の動作方法は、基本的に実施例３と同じであるが、表示装置１１によってユーザーが最大発電可能電力や発電電力、それらの差分である電力需給ギャップなどの電力情報を確認する事ができ、需給ギャップに応じて需要機器を操作する事で、限られた電力をニーズに応じて使用する事が可能となる。

本実施例の太陽光発電装置１の回路構成は、図９に示した実施例１のものと同じである。

本実施例における電力系統と連系しない自立運転状態での太陽光発電装置１の動作方法を説明する。太陽光パネル２の動作特性および日射量や気温などの外部環境が第３の実施形態と同じ場合においては、直流電圧と出力電圧の関係は図１５に示したものと同じで、直流電圧と直流電流の関係は図１６に示したものと同じである。最大出力可能電力以下の出力電力を得る場合には直流電圧と直流電流の組み合わせは２通りあり、実施例３では主に最大出力可能電力を得られる電圧よりも低い電圧である動作点１で動作させたが、本実施例では最大出力可能電力を得られる電圧よりも高い電圧である動作点２で動作するようにスイッチＳ１を制御しながら直流電圧および直流電流を測定し、10秒に１回、約20 msの間動作点１で動作させて直流電圧および直流電流を測定する。ただし、本実施例では，測定頻度、測定時間を限定するものではなく、例えば、20秒に１回、約10 msの測定時間にしてもよい。

本実施例における電力系統と連系しない自立運転状態での最大出力可能電力の計算手順は、図２０で示した実施例３のものと同じである。

本実施例によれば、動作点２を主に用いることによって、動作点１で動作させるよりも直流電流を小さくすることができ、回路の発熱を小さくできるという利点がある。また、本実施例によれば、自立運転時に表示装置によってユーザーが自宅の最大発電可能電力と電力需要の差分である需給ギャップを確認しながら需要機器の操作ができるため、日射量の変動がある場合でもユーザーのニーズに合わせながら連続して需要家システムを維持する事ができる。

図２２に第５の実施形態における太陽光発電装置を含んだ需要家システムの装置構成を示す。本実施例の構成と動作は実施例２とほぼ同じだが、需要負荷５と需要負荷６には制御信号ではなく、最大発電可能電力と発電電力の差分である発電余力の情報が制御装置３から配信される。また、需要負荷５と需要負荷６は送られた発電余力を基に動作モードを自主的に変更する機能を持つ。例えば、発電余力が小さい時と大きい時でエアコンの設定温度を変化させることで、需要家システム１００の電力需給変化に対する安定性を向上させる。本実施例の方法によれば、室温が健康に害を及ぼすレベルなら温度設定を変化させないなど、需要負荷側の状況に応じて独自のルールで対応する事ができる。

本実施例では、発電余力の情報は制御装置３から配信される構成を取っているが、太陽光発電装置１がマルチキャストでネットワークに発電余力の情報を流し、需要負荷５と需要負荷６が自主的に受け取って動作するという構成を取っても良い。

本実施例によれば，需要負荷が発電余力と自分の状態に応じて自主的に電力を調整するので，電力調整をする際に需要負荷側に無理な指示をする可能性を減らすことができる。

図２３に第６の実施形態における太陽光発電装置を含んだ需要家システムの装置構成を示す。本実施例では需要家システム１００の制御装置３はルータ１０を介してインターネットと接続され、さらに管理サーバ２００と接続されている。

管理サーバ２００は制御装置３へ最大逆潮流電力を指示する。制御装置３は、太陽光発電装置１の発電電力、分電盤４から得られた使用電力から逆潮流電力を計算し、管理サーバ２００から指示された最大逆潮流電力以下になるように太陽光発電装置１の発電電力を抑制する。また、制御装置３は、太陽光発電装置１から得られた最大発電可能電力と現在の発電電力の差分である発電余力を管理サーバ２００へ伝達する。

電力抑制している際の太陽光発電装置１の動作および最大発電可能電力の計算方法は、実施例１乃至実施例４に示したものに準じる。

管理サーバ２００は需要家システム１００を含む複数の需要家システムと同様に接続され、地域の現在の電力需給を管理する。各需要家システムからの発電余力を把握する事で、同じ地域の一部に雲がかかるなどして太陽光発電電力が低下した場合に、雲がかかっていない需要家システムの最大逆潮流電力を大きく指示するなどしてバランスを図ることができる。この際，各需要家システムの発電余力を把握する事で、正確な電力管理をすることが可能となる。

図２４に第７の実施形態における太陽光発電装置を含んだ発電システムの装置構成を示す。本実施例では発電システム１０１のゲートウェイ１４はインターネットと接続され、さらに管理サーバ２００と接続されている。

管理サーバ２００はゲートウェイ１４へ電力抑制を指示する。ゲートウェイ１４は、管理サーバ２００から指示された電力以下になるように太陽光発電装置１の発電電力を抑制為の指示を出す。また、ゲートウェイ１４は、太陽光発電装置１から得られた最大発電可能電力と現在の発電電力を管理サーバ２００へ伝達する。

太陽光発電装置１の動作および最大発電可能電力の計算方法は、実施例１乃至実施例４に示したものに準じる。

管理サーバ２００は発電システム１０１を含む複数の発電システムと接続され，地域の現在の電力需給を管理する。各発電システムからの発電余力を把握する事で、同じ地域の一部に雲がかかるなどして太陽光発電電力が低下した場合に、雲がかかっていない発電システムの抑制量を小さく指示するなどして、バランスを図ることができる。この際、各発電システムの最大発電可能電力を把握する事で、正確な電力管理をすることが可能となる。

第８の実施形態における太陽光発電装置を含んだ需要家システムの装置構成を図２６に示す。図１８に示した実施例３の構成に加えて制御画面１２があり、制御装置３から送られてくる最大発電可能電力や発電電力などの電力情報を表示すると同時にユーザーからの制御情報を制御装置３に伝達する。制御画面１２にはタッチパネルやボタンなどの入力装置が搭載されている。

需要家システム１００が自立運転している状態で，ユーザーが需要負荷５をＯＦＦからＯＮにするという制御を制御画面１２に入力すると，その制御情報が制御装置３に送られる。制御装置３には需要機器毎の使用電力が記憶されており，ＯＮにすることでどの程度需給ギャップが変化するか予測し，需給ギャップが一定以下になる場合にはユーザーの操作をキャンセルすると同時に，制御画面１２にキャンセルした旨を表示する。

本実施例によれば、需要家システム１００が自立運転している状態で、ユーザーの操作による過負荷状態をあらかじめ察知して操作をキャンセルすることで、突発的な太陽光発電装置１の出力ダウンを抑止する効果がある。

第９の実施形態における太陽光発電装置を含んだ需要家システムの装置構成を図２９に示す。図１８に示した実施例３の構成に加えて測定装置１３があり、制御装置３から送られてくる情報要求に応じて最大発電可能電力や発電電力などの電力情報を制御装置３に伝達する。

図３０に測定装置１３の回路図を示す。需要家システム１００を電力系統と連系させる状態では太陽光発電装置１は最大発電可能電力で運転する。このとき、測定装置１３の制御ブロック２４は短時間の間、スイッチＳ７をＯＦＦ、スイッチＳ６をＯＦＦの状態において、電圧計２１で開放電圧を測定する。その後、スイッチＳ７をＯＦＦ、スイッチＳ６をＯＮの状態において、電流計２０を用いて短絡電流を測定する。スイッチＳ７をＯＮの状態でスイッチＳ６を断続的にＯＮとＯＦＦを繰り返して太陽光発電装置１に流れる直流電流を減らし、疑似的に動作点１の状態を作り出して、電圧計２１と電流計２０を用いて直流電圧と直流電流を測定しても良い。制御ブロック２４はこれらの測定値より、図２０(a)に相当するデータを取得する。

需要家システム１００が電力系統と連系しない自立運転状態では、太陽光発電装置１は最大発電可能電力より高い電圧である動作点２で運転する。このとき、測定装置１３の制御ブロック２４は短時間の間、スイッチＳ７をＯＦＦ、スイッチＳ６をＯＦＦの状態において、電圧計２１で開放電圧を測定する。その後、スイッチＳ７をＯＦＦ、スイッチＳ６をＯＮの状態において、電流計２０を用いて短絡電流を測定する。短絡電流を測定する代わりにスイッチＳ７をＯＮの状態でスイッチＳ６を断続的にＯＮとＯＦＦを繰り返して太陽光発電装置１に流れる直流電流を減らし、疑似的に動作点１の状態を作り出して、電圧計２１と電流計２０を用いて直流電圧と直流電流を測定する方法でも良い。その後、図２０に示した方法で最大出力可能電力を計算し、制御装置１に伝達する。

本実施例によれば，従来の太陽光発電装置１に測定装置１３を追加するだけで、最大発電可能電力よりも小さな電力で発電する際に、太陽光パネルの最大発電可能電力を精度よく算出する事が可能となり、最大発電可能電力と発電電力の差である需給ギャップに応じて需要機器の需要調整をすることで、日射量の変化などによる電力供給能力の変化がある場合や、使用者の使用状況によって需要が変化する場合においても、常に、需給が供給を上回らないように需要家システムを制御することができる。

第１０の実施形態における太陽光発電装置を含んだ需要家システムの装置構成は、図１８に示した実施例３の構成と同じである。また、太陽光発電装置１の回路図は図９に示した第１実施例によるものと同じである。

需要家システム１００が電力系統と連系しない自立運転状態では、太陽光発電装置１は、図３１に示すように動作点１で動作させるが、断続的に短時間最大発電可能電力を探索するために、太陽光パネル２の直流電流、直流電圧を調整する。探索中は出力が大きくなるのでコンデンサ２２の電圧が上昇する可能性があるが、例えば１０秒に１回１０ms程度の短時間であれば殆ど影響を与えることなく探索する事ができる。

本実施例によれば、最大発電可能電力よりも小さな電力で発電する際に、太陽光パネルの最大発電可能電力を精度よく算出する事が可能となり、最大発電可能電力と発電電力の差である需給ギャップに応じて需要機器の需要調整をすることで、日射量の変化などによる電力供給能力の変化がある場合や、使用者の使用状況によって需要が変化する場合においても、常に、需給が供給を上回らないように需要家システムを制御することができる。

１…太陽光発電装置、２…太陽光パネル、３…制御装置、４…分電盤、５〜７…需要負荷、８…開閉装置、９…蓄電池、１０…ルータ、１１…表示装置、１２…制御画面、１３…測定装置、１４…ゲートウェイ、２０…電流計、２１…電圧系、２２…コンデンサ、２３…制御ブロック、２４…制御ブロック、１００、１０２、１０３…需要家システム、１０１…発電システム、２００…管理サーバ、Ｓ１〜Ｓ７…スイッチ素子

Claims (16)

1. 太陽光パネルを与えられた環境下での最大発電可能電力よりも小さな電力で発電する手段と、データ通信手段を有する太陽光発電装置であって、
   前記太陽光パネルの直流電圧もしくは直流電流を制御する制御手段と、
   前記直流電圧および前記直流電流を計測する計測手段を有し、
   前記制御手段は、前記環境下において前記太陽光パネルの最大発電可能電力を得られる電圧よりも低い電圧で動作させた際の前記計測手段で得られた前記直流電流と前記直流電圧を用いて、日射量データを必要とせず前記環境下における最大発電可能電力を算出し、前記算出した最大発電可能電力の予測値を、前記データ通信手段を通じて伝達する機能を有することを特徴とする太陽光発電装置。
2. 請求項１に記載の太陽光発電装置において、
   前記太陽光パネルを前記環境下における最大発電可能電力よりも低い電力で動作させる際に、前記環境下における前記太陽光パネルの最大発電可能電力を得られる電圧よりも低い電圧で動作させることを特徴とする太陽光発電装置。
3. 請求項１に記載の太陽光発電装置において、
   前記太陽光パネルを前記環境下における最大発電可能電力で発電する電力系統連携状態と最大発電可能電力よりも低い電力で動作させる自立運転状態を持ち、
   前記電力系統連携状態において、断続的に前記最大発電可能電力よりも低い電力で動作させ、前記直流電流と前記直流電圧と直前の最大発電可能電力を計測することを特徴とする太陽光発電装置。
4. 請求項１に記載の太陽光発電装置において、
   前記低い電圧で動作させた際の前記直流電流と前記直流電圧に加えて、
   前記最大発電可能電力を得られる電圧よりも高い電圧で動作させた際の前記直流電流と前記直流電圧を用いて、前記環境下における最大発電可能電力を算出することを特徴とする太陽光発電装置。
5. 請求項４に記載の太陽光発電装置において、
   前記環境下における前記太陽光パネルの最大発電可能電力を得られる電圧よりも低い電圧で動作させ、断続的に前記最大発電可能電力を得られる電圧よりも高い電圧で動作させ、前記直流電流と前記直流電圧と直前の最大発電可能電力を計測することを特徴とする太陽光発電装置。
6. 請求項４に記載の太陽光発電装置において、
   前記環境下における前記太陽光パネルの最大発電可能電力を得られる電圧よりも高い電圧で動作させ、断続的に前記最大発電可能電力を得られる電圧よりも低い電圧で動作させ、前記直流電流と前記直流電圧と直前の最大発電可能電力を計測することを特徴とする太陽光発電装置。
7. 請求項５又は６に記載の太陽光発電装置において、
   前記低い電圧と前記高い電圧を一方から他方へ切替えた直後に、切替直後の発電電力が切替直前の発電電力より高い場合には、一時的に切替直後の発電電力よりも低い電力で発電し、切替直後の発電電力が切替直前の発電電力より低い場合には、一時的に切替直後の発電電力よりも高い電力で発電することを特徴とする太陽光発電装置。
8. 請求項１に記載の太陽光発電装置において、更に、
   前記太陽光パネルの直流電圧もしくは直流電流を制御する手段と、
   前記直流電圧および前記直流電流を計測する手段を有し、
   前記太陽光パネルを前記環境下における最大発電可能電力よりも低い電力で動作させる際に、断続的に前記直流電流と直流電圧を変化させ、前記太陽光パネルの最大発電可能電力を得られる電圧を探索することを特徴とする太陽光発電装置。
9. 請求項１に記載の太陽光発電装置と、
   画面表示手段を有する電力管理システムであって、
   前記太陽光発電装置から得られた前記最大発電可能電力もしくは前記最大発電可能電力を元に加工した数値を画面に表示することを特徴とする電力管理システム。
10. 請求項１に記載の太陽光発電装置と、
    前記太陽光発電装置と接続された複数の電力負荷の使用電力の合計を測定する手段と、
    前記電力負荷の動作状態を変化させる制御装置を有する電力管理システムであって、
    前記太陽光発電装置から得られた前記最大発電可能電力もしくは前記最大発電可能電力と現在使用している前記使用電力の合計との差分を元に、電力負荷の動作状態を変化させることを特徴とする電力管理システム。
11. 請求項１０に記載の電力管理システムにおいて、更に、
    同時に制御される複数の電力負荷毎に優先順位を設定する手段、もしくは，前記電力負荷毎の動作状態別の個別電力を記憶する手段を備え、
    前記最大発電可能電力と現在使用している前記使用電力の合計との差分が小さくなった場合に、前記優先順位もしくは前記個別電力もしくはその両方を元に電力負荷の動作状態を変化させて前記使用電力の合計を低減することを特徴とする電力管理システム。
12. 請求項１０に記載の電力管理システムにおいて、更に、
    同時に制御される複数の電力負荷毎の動作状態別の個別電力を記憶する手段を備え、
    任意の電力負荷の動作状態を変化させたい場合に、選択した電力負荷の動作状態変化前後の使用電力予測値の差分と、前記最大発電可能電力と現在使用している前記使用電力の合計との差分とを比較して、事前に前記動作状態の変化の可否を選別することを特徴とする電力管理システム。
13. 請求項１に記載の太陽光発電装置と、
    前記太陽光発電装置と接続された複数の電力負荷の使用電力の合計を測定する手段と、
    前記電力負荷の動作状態を変化させる制御装置とを有する電力管理システムであって、
    前記太陽光発電装置から得られた前記最大発電可能電力と現在使用している前記使用電力の合計との差分を前記電力負荷に通知することを特徴とする電力管理システム。
14. 請求項１に記載の太陽光発電装置と、
    複数の前記太陽光発電装置を管理する管理サーバへの外部通信手段を有する電力管理システムであって、
    前記太陽光発電装置から得られた前記最大発電可能電力もしくは前記最大発電可能電力を元に加工した数値を、前記外部通信手段を通じて前記管理サーバに伝達することを特徴とする電力管理システム。
15. 請求項１４に記載の電力管理システムにおいて、
    前記管理サーバからの指示に応じて、前記太陽光発電装置の発電量を増減することを特徴とする電力管理システム。
16. 太陽光パネルを与えられた環境下での最大発電可能電力よりも小さな電力で発電する手段を有する太陽光発電装置の前記環境下における前記最大発電可能電力を計測する計測装置であって、
    前記太陽光パネルの直流電圧もしくは直流電流を制御する制御手段と、
    前記太陽光パネルの直流電流と直流電圧を計測する計測手段を有し、
    前記制御手段は、前記環境下において前記太陽光パネルの最大発電可能電力を得られる電圧よりも低い電圧で動作させた際の前記計測手段で得られた前記直流電流と前記直流電圧を用いて、日射量データを必要とせず前記環境下における最大発電可能電力を算出することを特徴とする計測装置。

Images