JP2810630B2 - 太陽電池の電力制御装置、電力制御システム、電力制御方法及び電圧電流出力特性の測定方法 - Google Patents
太陽電池の電力制御装置、電力制御システム、電力制御方法及び電圧電流出力特性の測定方法Info
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Description
電池電源システムの電力制御装置電力制御方法に関し、
特に電池電源からの出力をより多く得るための電力制御
装置、電力制御方法に係る。また、電源の電圧電流出力
特性測定装置の測定方法に関する。
ら、クリーンなエネルギー源である太陽光発電や風力発
電等の電池電源システムに大きな期待が寄せられてい
る。例えば、太陽電池を電池電源として使用し既存の商
用交流系統と接続させた場合には、商用電力を無限大の
負荷と見なし、売電することができることから電池電源
システム全体として最も効率よく可動することが求めら
れている。また、電池電源の効率を向上させてもシステ
ムとして効率が低ければ、全体として利用効率が下がっ
てしまうためシステム全体としての効率upが求められ
ている。光電変換素子を用いた太陽電池では太陽電池の
出力が、日射量、温度、動作点電圧などによりかなり変
動するために、太陽電池から見た負荷を調整し、常に太
陽電池から最大の電力を取り出すことが可能である。こ
のため、複数の太陽電池から構成される太陽電池アレイ
の動作点の電圧や電流を変動させ、変動させた時の電力
変動を調べて太陽電池アレイが最大電力または、最大電
力近傍の動作点を決定する方法が提案されている。例え
ば、特公昭63−57807号公報に記載の電力の電圧
微分値を利用するものや特開昭62−85312号公報
にも記載されている電力変化量が正の方向に探索する、
いわゆる山登り法などがある。従来は、上記のような方
法を利用して、太陽電池から最大電力を取り出すように
電力変換装置などを制御していた。
を測定する方法としては、電子負荷方式やコンデンサ負
荷方式などがあり、太陽電池の短絡状態から開放状態へ
もしくはその逆方向に動作点を変化させ、その時の動作
点電圧、電流をサンプリングして電圧電流出力特性を測
定していた。
点を有する。
4(横軸は電圧、縦軸は電力)のように、初めの設定電
圧がV1で電圧変化方向が「増加」と設定されている時
に光量が増加すると以下のようになる。
されると、動作点の電圧V1と電流I1が取り込ま
れ、この時の出力電力P1が算出される。
せる。時刻t1からサンプリング周期TS 後の時刻t2
でサンプリングを行い、動作点の電圧V2と電流I2
を取り込み、出力電力P2を算出する(破線の白丸は光
量が変化しない場合の動作点)。
の白丸から次の電圧変化方向を「減少」する。しかし、
時刻t1から時刻t2のサンプリング期間に光量が増加
すると、電圧動作点では時刻t2でのV−Pカーブか
ら明らかなように本来なら次の電圧変化方向を「減少」
とすべき動作点であるにもかかわらず、電力がP1から
P2に増加しているため電圧変化方向を「増加」と決定
して、さらに電圧の大きなほうへ探索するので瞬時出力
効率は低下する(なお、瞬時出力効率とは、ある時刻に
おける最大電力に対する出力電力の割合を表したもので
ある)。
増加し続けることにより瞬時出力効率は大きく低下す
る。これにより、出力効率も低下することは明らかであ
る(なお、出力効率とは、ある期間における最大電力量
に対する出力電力量の割合を示したものである)。
のほかに、出力電圧が小さくなる場合や出力電圧が変化
しない場合も存在する。
換装置が停止することは好ましいことではないが上述の
誤動作により太陽電池の出力電圧の急激な変動が生じ、
電力変換装置の保護機能が働き、電力変換装置の動作が
停止する恐れもある。
明したが、電力の電圧微分値を利用する制御方法でも同
様の問題点を有する。このように、サンプリング中の光
量変化等により、太陽電池の出力効率の低下やシステム
動作の不安定を招く恐れが多分にある。
においては、同様に太陽電池が反応する光の下での測定
では光量が変化し測定中に出力特性が変わることがあ
り、正確な測定の妨げとなっていた。
の従来の太陽電池の電力制御方法の問題点を補完し、安
定的に太陽電池から最大出力を取り出す電力制御方法を
提供することである。また、本発明の他の目的は、正確
な太陽電池の電圧電流出力特性測定方法を提供すること
である。
電圧値を検出する電圧検出手段と、前記太陽電池から出
力される電流値を検出する電流検出手段と、前記太陽電
池からの電力を変換し負荷に供給するための電力変換手
段と、前記電流値及び電圧値に基づいて出力値を設定す
る出力値設定手段と、該出力値設定手段によって設定さ
れた出力値に基づいて電力変換手段を制御する電力制御
手段と、を有する電力制御装置において、前記出力値設
定手段は、互いに異なる時刻において第1の電圧値での
電流値または電力値を複数回サンプリングする工程と、
前記第1の電圧値での複数回のサンプリングの間の時刻
において、第1の電圧値以外の電圧値での電流値または
電力値をサンプリングする工程と、複数回のサンプリン
グで得られた電流値または電力値の差から変動した動作
特性曲線を推定する工程と、推定された動作特性曲線上
での第1の電圧値以外の電圧値での電流値または電力値
と、最後にサンプリングされた第1の電圧値での電流値
または電力値に基づいて、太陽電池の出力電力が大きく
なるような次に基準となる電圧値を求める工程と、から
出力値を設定することを特徴とする太陽電池の電力制御
装置により達成される。また、太陽電池と、該太陽電池
の電圧値を検出する電圧検出手段と、前記太陽電池から
出力される電流値を検出する電流検出手段と、前記太陽
電池からの電力を変換し負荷に供給するための電力変換
手段と、前記電流値及び電圧値に基づいて出力値を設定
する出力値設定手段と、該出力値設定手段によって設定
された出力値に基づいて電力変換手段を制御する電力制
御手段と、を用いて太陽電池の電力を制御する方法にお
いて、前記出力値設定手段は、互いに異なる時刻におい
て第1の電圧値での電流値または電力値を複数回サンプ
リングする工程と、前記第1の電圧値での複数回のサン
プリングの間の時刻において、第1の電圧値以外の電圧
値での電流値または電力値をサンプリングする工程と、
複数回のサンプリングで得られた電流値または電力値の
差から変動した動作特性曲線を推定する工程と、推定さ
れた動作特性曲線上での第1の電圧値以外の電圧値での
電流値または電力値と、最後にサンプリングされた第1
の電圧値での電流値または電力値に基づいて、太陽電池
の出力電力が大きくなるような次に基準となる電圧値を
求める工程と、から出力値を設定し、設定された前記出
力値に基づいて前記電力変換手段を制御することを特徴
とする太陽電池の電力制御方法により達成される。
の出力電圧を検出する手段と、前記太陽電池の出力電流
を検出する手段と、前記太陽電池の出力電圧を制御する
手段とを用いて太陽電池の電圧電流出力特性を測定する
方法において、まず太陽電池を短絡状態から開放状態へ
出力電圧を徐々に上昇させながら、互いに異なる複数の
電圧値での出力電流値をサンプリングする第1の工程
と、該第1の工程の後、太陽電池を開放状態から短絡状
態へ出力電圧を徐々に下降させながら、第1の工程と同
一の複数の電圧値での出力電流値をサンプリングする第
2の工程と、同一の電圧値に対して第1の工程と第2の
工程でそれぞれサンプリングされた出力電流値の平均値
を算出し、電圧値と算出された平均値との関係から電圧
電流出力特性を測定する第3の工程と、から成ることを
特徴とする太陽電池の電圧電流出力特性の測定方法によ
り達成される。また、太陽電池と、該太陽電池の出力電
圧を検出する手段と、前記太陽電池の出力電流を検出す
る手段と、前記太陽電池の出力電圧を制御する手段とを
用いて太陽電池の電圧電流出力特性を測定する方法にお
いて、まず太陽電池を開放状態から短絡状態へ出力電圧
を徐々に下降させながら、互いに異なる複数の電圧値で
の出力電流値をサンプリングする第1の工程と、該第1
の工程の後、太陽電池を短絡状態から開放状態へ出力電
圧を徐々に上昇させながら、第1の工程と同一の複数の
電圧値での出力電流値をサンプリングする第2の工程
と、同一の電圧値に対して第1の工程と第2の工程でそ
れぞれサンプリングされた出力電流値の平均値を算出
し、電圧値と算出された平均値との関係から電圧電流出
力特性を測定する第3の工程と、から成ることを特徴と
する太陽電池の電圧電流出力特性の測定方法により達成
される。
では、日射変動時等の変動においても、同じ電圧での電
流値または電力値の変化量からサンプリング中の変動値
を推定し、電流信号もしくは電力値を補正することで、
日射変動等の影響を排除した同一時刻、同一I−Vカー
ブ上の動作点に相当するデータが得られ、日射の影響を
受けずに最大出力が得られる動作点の探索を行うことが
できる。さらに、同じ電圧でのサンプリング回数を2回
とすることで、少ないサンプリング回数で変動値を推定
してデータを補正するので、より速く最大出力が得られ
る動作点を探索できる。また、同一電圧でのサンプリン
グを、サンプリングの最初と最後に行うことで、サンプ
リング開始からサンプリング終了までの日射量変動等の
情報が検出されるので、データの補正をより正確に行う
ことができる。
動時等の変動においても、同じ電圧での電流信号の変化
量または電力値の変化量からサンプリング中の変動値を
推定し、電流信号もしくは電力値を補正することで、日
射変動等の影響を排除した同一時刻、同一I−Vカーブ
上の動作点に相当するデータが得られ、これらのデータ
に基づいて最大電力が取り出される動作点を探索するの
で、日射変動等の影響を受けずに最大電力が取り出せ、
また、システムの不安定な動作も抑制される。
おいてP−I曲線またはV−I曲線等の特性曲線のみか
けの形状の変化がサンプリング周期TS 当り小さく、特
性曲線のみかけ移動の変化がサンプリング周期TS 当り
大きいこと及びサンプリング周期TS 当りのみかけ移動
の変化速度がほぼ等しいとの知見を得ることによってな
されたものであり、サンプリング周期TS でサンプルし
たサンプリング値を、それぞれ同一サンプリング時間に
測定したものと近似して所望の動作を行うことにより、
システム全体として効率の優れた電池電源の電力制御方
法等に用いられるものである。
いては、同時に太陽電池の複数の動作点の電圧、電流を
サンプリングすることができないため、どうしてもサン
プリング周期TS により規定される時間を要するので、
気象条件の変化の中でも特に変化速度の速い光量変化が
電力制御に悪影響を及ぼす場合がある。
する。
光発電システムの構成を示す。電池電源である太陽電池
1の直流電力は、電力変換手段である電力変換装置2に
て電力が変換され、負荷3に供給される。
質シリコン微結晶シリコン、多結晶シリコン、単結晶シ
リコンあるいは化合物半導体を用いた太陽電池等があ
る。通常は、複数の太陽電池を直並列に組み合わせて、
所望の電圧、電流が得られるようにアレイやストリング
を構成する。
MOSFET、IGBT、GTO等の自己消弧型スイッ
チングデバイスを用いたDC/DCコンバータ、自励式
電圧型DC/ACインバータなどがある。この電力変換
手段2は、ゲートパルスのON/OFFデューティ比を
変えることで電力潮流、入出力電圧、出力周波数などを
制御できる。
流系統及びそれらの組み合わせなどがある。負荷が商用
交流系統の場合は系統連系太陽光発電システムと呼ばれ
ており、系統に投入されうる電力は制限されないので、
電池電源からより多くの電力を取り出す本発明の電力制
御方法を用いるのに非常に好ましい。
5、12 電池電源1の出力電圧及び出力電流は、通常用いられる
電圧検出手段4及び電流検出手段5でサンプリングを行
い、ディジタルデータとして検出された電圧信号が出力
電圧設定手段6及び制御手段7に入力され、電流信号は
出力電圧設定手段6に入力される。交流の出力電流、出
力電流の場合は、瞬時の値から平均値を求める。
電流信号をもとに、電圧設定値を決定し、太陽電池の出
力電圧が電圧設定値となるようにON/OFFデューテ
ィ比を調整する。出力電圧設定手段6は、制御用マイク
ロコンピュータであり、CPU、RAM、ROM、I/
Oなどで構成される。
ば、三角波比較方式や瞬時電流追従制御などによりゲー
ト駆動用のPWMパルスを生成する。これにより、電力
変換手段2のON/OFFデューティ比を制御して、太
陽電池の出力電圧を制御する。
発明に適用し、最大電力が得られる動作点の探索につい
て説明する。図2は横軸が電圧、縦軸が電力であり、各
時刻における電圧電力出力特性曲線が描かれている(な
お、これはV−P曲線のみかけ形状の変化が小さいこと
を表している)。
そして、時刻t1でサンプリングを行い、太陽電池の動
作点の電圧V1、電流I1を取り込み、出力電力P1
(=V1×I1)を求める。
グ時刻t2(=t1+TS )において動作点の電圧V
2、電流I2を取り込み、出力電力P2(=V2×I
2)を求める。
ング時刻t3(=t2+TS )で動作点の電圧V3
(=V1)、電流I3を取り込み、出力電力P3(=V
3×I3)を算出する。
推定する。すなわち、太陽電池の出力電流もしくは出力
電力は、同一の出力電圧であれば、日射が変動に対して
ほぼ比例するという特徴を持っているので、同一電圧で
の電力差は、その間の日射の変化量を表す情報である。
つまり、電力差ΔP=P3−P1は、時刻t1から時刻
t3までの期間の日射の変化量を表している(これは、
特性曲線のみかけ移動の変化が探索時間当り大きく、探
索時間当りのみかけ移動の変化速度がほぼ等しいことを
表している。)。
て、データを補正する。
い時間が好ましく、さらに好ましくは1/30secで
あり、時刻t1から時刻t3までの日射の変化速度は同
じとみなしてよい(ここでは、1/30secとし
た。)。また、最大出力が得られる動作点付近では、電
圧V1とV2での出力電力の差はわずかであり、サンプ
リング周期TS 程度の時間における日射変動による出力
電力曲線のみかけ移動の変化速度は、動作電圧がV1と
V2で同じとみなせる。
値P2を、動作電圧V2の時刻t3での電力値P2′に
補正するには、時刻t2から時刻t3までの日射の変化
分に相当する電力の変化分ΔP/2をP2に加えてやれ
ばよい。
索方向を決定する。つまり、動作点での電力P3は動
作点′での電力P2′より大きいので、最大電力が得
られる動作点は動作電圧V1よりも小さいので、次の探
索方向である電圧変化方向を「減少」と決定する。
取り出せる動作点を追従することができる。なお、この
動作を図3のフローチャートで示した。
て説明したが、光量が減少した場合や変化しなかった場
合でも、最大出力が得られる動作点を追従することは容
易に分かるであろう。
てUSSC社製アモルファス太陽電池モジュール(商品
名UPM880)を12個直列にして使用し、探索時の
電圧の刻み幅2V、サンプリング周期1/30secの
条件で、日射変動時に連続的に動作させると、その時の
出力効率(最大電力量に対する出力電力量の割合)は9
9.99%となった。データの補正を行わない従来の山
登り法では、同一日射条件で出力効率が98.86%と
なった。従って、比較的簡単な構成でシステム全体とし
て1.13%近くの効率向上が可能となる。
動を推定しデータを補正することで、同一時刻、同一出
力特性曲線上でのデータが得られ、それらをもとに探索
方向を決定することで、日射変動による探索制御アルゴ
リズムの誤動作も発生せず、太陽電池から最大電力が取
り出せ、システムの不安定動作も抑制させることが確か
められた。
明する。
システムは、実施例1と同様に図1のような構成をと
る。以下、図4により実施例1とは違った電力制御方法
について説明する。図4は、横軸が電圧、縦軸が電力で
あり、各時刻における電圧電力出力特性曲線が描かれて
いる。
1に設定する。そして、時刻t1でサンプリングを行い
太陽電池の動作点の電圧V1、電流I1を取り込み、
出力電力P1(=V1×I1)を求める。
て、次のサンプリング時刻t2(=t1+TS )におい
て動作点の電圧V2、電流I2を取り込み、出力電力
P2(=V2×I2)を求める。
次のサンプリング時刻t3(=t2+TS )で動作点
の電圧V3、電流I3を取り込み、出力電力P3(=V
3×I3)を算出する。
ング時刻t4(=t3+TS )で動作点の電圧V1
(=V4)、電流I4を取り込み、出力電力P4(=V
1×I4)を算出する。
推定する。すなわち、太陽電池の出力電流もしくは出力
電力は、同一の出力電圧であれば、日射が変動に対して
ほぼ比例するという特徴を持っているので、同一電圧で
の電力差は、その間の日射の変化量を表す情報である。
つまり、電力差ΔP=P4−P1は、時刻t1から時刻
t4までの期間の日射の変化量を表している。
て、データを補正する。
度の短い時間なので、時刻t1から時刻t4までの日射
の変化速度はほぼ同じとみなしてよい。また、最大出力
が得られる動作点付近では、電圧V1とV2やV3での
出力電力の差はわずかであり、サンプリング周期TS 程
度の時間における日射変動による出力電力の変化速度
は、動作電圧がV1とV2やV3では同じとみなせる。
電力値P2を、動作電圧V2の時刻t4での電力値P
2′に補正するには、時刻t2から時刻t4までの日射
の変化分に相当する電力変化分ΔP×(2/3)をP2
に加えてやればよい。
動作電圧V3の時刻t4での電力値P3′に補正するに
は、時刻t3から時刻t4までの日射の変化分に相当す
る電力変化分ΔP×(1/3)をP2に加えてやればよ
い。
ようにして次の動作電圧を決定する。
作点′、′、の電圧、電力値により2次曲線によ
り近似する。通常、狭い範囲の曲線近似は2次曲線でよ
く近似できる。また、3点のデータで2次曲線近似を行
うので、近似する2次曲線は一意に定まる。つまり、 P=aV2 +bV+c(a、b、cは係数) に、電圧電力の組を代入して、以下の3元連立方程式を
得る。
線で電力が最大となる電圧を選ぶ。すなわち、近似した
2次曲線上で極値となる点の電圧を設定する。
2−V1)=(V1−V3)=ΔVと一定間隔なので、
結局、設定電圧は以下のように簡単な式で表される。
3′)/(2×P4−P2′−P3′)} これより電圧を算出し、次回の探索開始電圧とする。
取り出せる動作点を追従することができる。
て説明したが、光量が減少した場合や変化しなかった場
合でも、最大出力が得られる動作点を追尾することは容
易に分かるであろう。なお、この動作を図5のフローチ
ャートで示した。
てUSSC社製アモルファス太陽電池モジュール(商品
名UPM880)を12個直列にして使用し、探索時の
電圧の刻み幅2V、サンプリング周期1/30secの
条件で、日射変動時に連続的に動作させると、その時の
出力効率(最大電力量に対する出力電力量の割合)は9
9.98%となった。データの補正を行わない従来の2
次曲線近似を行う方法では、同一日射条件で出力効率が
99.67%となった。
動を推定しデータを補正することで、同一時刻、同一出
力特性曲線上でのデータが得られ、それらをもとに次回
の探索開始電圧を決定することで、日射変動による探索
制御アルゴリズムの誤動作も発生せず、太陽電池から最
大電力が取り出せ、システムの不安定動作も抑制させる
ことが確認された。
する。
システムは、実施例1及び2と同様に図1のような構成
をとる。以下、図6により先述のものとは異なる電力制
御方法について説明する。図6は、横軸が電圧、縦軸が
電流であり、各時刻における電圧−電流出力特性曲線が
描かれている。
1に設定する。そして、時刻t1でサンプリングを行い
太陽電池の動作点の電圧V1、電流I1を取り込む。
て、次のサンプリング時刻t2(=t1+TS)におい
て動作点の電圧V2、電流I2を取り込む。
ング時刻t3(=t2+TS)で動作点の電圧V1
(=V3)、電流I3を取り込む。
の電圧−電流カーブのみかけ移動を推定する。すなわ
ち、太陽電池の出力電流もしくは出力電圧は、同一の出
力電圧であれば、日射の変動に対してほぼ比例するとい
う特徴を持っているので、同一電圧での電力差は、その
間の日射の変化量を表す情報である。つまり、電流差Δ
I=I3−I1は、時刻t1から時刻t3までの期間の
日射の変化量を表している。
て、データを補正する。
ec程度の短い時間なので、時刻t1から時刻t3まで
の日射の変化速度は同じとみなしてよい。よって、動作
電圧V2の時刻t2での電流値I2を、動作電圧V2の
時刻t3での電流値I2′に補正するには、時刻t2か
ら時刻t3までの日射の変化分に相当する電流の変化分
ΔI/2をI2に加えてやればよい。
ように次の動作電圧を決定する。
力特性曲線が示してあり、横軸が電圧、縦軸が電力であ
る。最大出力が得られる動作点ではその特性曲線の傾き
は零となる。また、太陽電池から最大出力が得られる最
適電圧より高い動作電圧では特性曲線の傾きは負の値と
なり、逆に最大出力が得られる最適電圧より低い動作電
圧では出力特性曲線の傾きは正の値となる。つまり、出
力特性曲線の傾きdP/dVは、dP/dV=d(V×
I)/dV=I+V×dI/dVとなり、 dP/dV<0の場合、動作電圧>最適電圧 dP/dV=0の場合、動作電圧=最適電圧 dP/dV>0の場合、動作電圧<最適電圧 となる。ここで、V、IにはV1、I3を用い、dVに
は(V1−V2)、dIには(I3−I2′)を用い
る。これより、 dP/dV=I3+V1×(I3−I
2′)/(V1−V2)において、 dP/dV<0の場合、動作電圧を減少させる dP/dV=0の場合、動作電圧は変えない dP/dV>0の場合、動作電圧を増加させる と判定して、次の動作電圧の変化方向を決定する。な
お、上記具体例は動作電圧の変化方向を増加とした時の
ものである。
ら最大電力が取り出せる動作点を追従することができ
る。この動作を図8のフローチャートで示した。
て説明したが、光量が減少した場合や変化しなかった場
合でも、最大出力が得られる動作点を追尾することは容
易に分かるであろう。
てUSSC社製アモルファス太陽電池モジュール(商品
名UPM880)を12個直列にして使用し、探索時の
電圧の刻み幅2V、サンプリング周期1/30secの
条件で、日射変動時に連続的に動作させると、その時の
出力効率(最大電力量に対する出力電力量の割合)は9
9.98%となった。データの補正を行わない従来の方
法では、同一日射条件で出力効率が98.86%となっ
た。
動を推定しデータを補正することで、同一時刻、同一出
力特性曲線上でのデータが得られ、それらをもとに次回
の探索開始電圧および探索方向を決定することで、日射
変動による探索制御アルゴリズムの誤動作も発生せず、
太陽電池から最大電力が取り出せ、システムの不安定動
作も抑制させる。
置の利点として太陽電池から電圧、電流を検出する電圧
検出手段4及び電流検出手段5は、直流の電圧検出手段
や直流の電流検出手段を用いることができるため、比較
的簡単な装置構造とすることが挙げられる。
する。
光発電システムの構成を示す。図9に示した構成の番号
は図1と同じ意味を表す。図9の特徴点について説明す
る。本発明の電力制御方法においては、図1のように太
陽電池の出力電流を検出する必要は無い。一方、電力変
換装置2の出力電力を検出する電力検出手段10を有す
る。
力電圧(以下、変換出力電圧と呼ぶことがある。)を検
出する変換電圧検出手段11、電力変換装置2の出力電
流(以下、変換出力電流と呼ぶことがある。)を検出す
る変換電流検出手段12及び電力変換装置2の出力電力
(以下、変換出力電力と呼ぶことがある。)を演算して
変換電力値を出力する変換電力演算手段13より構成さ
れる。変換電力演算手段13では、出力が交流の場合電
力変換装置2からの出力である瞬時の電圧値と瞬時の電
流値より瞬時の電力値を演算し、瞬時の電力値の平均値
を算出して電力値を求める。
適用し、最大電力が得られる動作点の探索について説明
する。図2は、横軸が太陽電池の出力電圧、縦軸が電力
変換装置の出力電力であり、各時刻における出力特性曲
線が描かれている。実施例1では縦軸が太陽電池の出力
電力として説明に用いたが、縦軸を電力変換装置の出力
電力としても問題ない。
そして、時刻t1でサンプリングを行い、動作点の電
圧V1、出力電力P1を取り込む。
グ時刻t2(=t1+TS )において動作点の電圧V
2、出力電力P2を取り込む。
ング時刻t3(=t2+TS )で動作点の電圧V1
(=V3)、出力電力P3を取り込む。
推定する。すなわち、太陽電池の出力電流もしくは出力
電力は、同一の出力電圧であれば、日射が変動に対して
ほぼ比例するという特徴を持っており、電力変換装置2
の出力電力もサンプリング期間程度の小さい入力電力変
動であれば出力電力は日射変動に対してほぼ比例するの
で、同一電圧での電力変換装置出力の電力差は、その間
の日射の変化量を表す情報である。つまり、電力差ΔP
=P3−P1は、時刻t1から時刻t3までの期間の日
射の変化量を表している。
て、データを補正する。
ec程度の短い時間なので、時刻t1から時刻t3まで
の日射の変化速度は同じとみなしてよい。また、最大出
力が得られる動作点付近では、電圧V1とV2での出力
電力の差はわずかであり、サンプリング周期TS 程度の
時間における日射変動による出力電力の変化速度は、動
作電圧がV1とV2で同じとみなせる。
値P2を、動作電圧V2の時刻t3での電力値P2′に
補正するには、時刻t2から時刻t3までの日射の変化
分に相当する電力の変化分ΔP/2をP2に加えてやれ
ばよい。
探索方向を決定する。つまり、動作点での電力P3は
動作点′での電力P2′より大きいので、最大電力が
得られる動作点は動作電圧V1よりも小さいので、次の
探索方向である電圧変化方向を「減少」と決定する。
取り出せる動作点を追従することができる。なお、この
動作を図10のフローチャートで示した。
て説明したが、光量が減少した場合や変化しなかった場
合でも、最大出力が得られる動作点を追尾することは容
易に分かるであろう。
動を推定しデータを補正することで、同一時刻、同一出
力特性曲線上でのデータが得られ、それらをもとに探索
方向を決定することで、日射変動による探索制御アルゴ
リズムの誤動作も発生せず、太陽電池から最大電力が取
り出せ、システムの不安定動作も抑制させる。
利点として太陽電池から電圧を検出する電圧検出手段4
と電力変換装置2を介して電力を検出する変換電力演算
手段13とを用いる場合は、電池電源1からの出力値が
電力変換装置2を介することによって、変化したとして
も常に出力側である電力変換装置から電力制御できるた
め電力変換装置2を介しての電力を常に最大にできるこ
とが挙げられる。
する。
統連系太陽光発電システムの構成を示す。図11の図9
と異なる点は、電力変換装置2及び負荷3がインバータ
14及び交流系統15である点と電圧設定手段6では電
力変換装置出力の電力検出値を入力せずに電流検出手段
16での電流検出値を入力する点であり、他の構成は図
9と同様に構成してある。電流検出手段16は、出力が
交流のため電力変換装置2の出力電流(以下、変換出力
電流と呼ぶことがある。)を検出する変換電流検出手段
12と変換電流検出手段12からの瞬時電流を入力して
平均電流を算出する変換電流演算手段17からなり、イ
ンバータ14の出力電流平均値を出力する。
インバータ14の出力側は交流系統15に接続してお
り、交流系統の電圧はほぼ一定であるのでインバータの
出力電圧も一定となる。従って、インバータ出力の力率
が一定(例えば力率1運転)であれば、インバータの出
力電力が最大となるのはインバータ出力電流が最大の時
である。また、太陽電池電圧−インバータ出力電流特性
は太陽電池電圧−太陽電池出力電力特性と同様な形とな
る。これより、実施例2と同様の2次曲線近似を行うア
ルゴリズムを用いる。
説明する。図12は、横軸が太陽電池出力電圧、縦軸が
インバータ出力電流であり、各時刻における電圧−電流
特性曲線が描かれている。
1に設定する。そして、時刻t1でサンプリングを行い
太陽電池の動作点の電圧V1とインバータ出力電流I
1を取り込む。
て、次のサンプリング時刻t2(=t1+TS )におい
て動作点の電圧V2、電流I2を取り込む。
次のサンプリング時刻t3(=t2+TS )で動作点
の電圧V3、電流I3を取り込む。
ング時刻t4(=t3+TS )で動作点の電圧V1
(=V4)、電流I4を取り込む。
推定する。すなわち、太陽電池の出力電力は同一の出力
電圧であれば日射が変動に対してほぼ比例するという特
徴を持っているので、インバータの出力電圧及び力率が
一定であればインバータ出力電流も日射の変動に対して
ほぼ比例することになる。これにより、同一電圧での電
流差は、その間の日射の変化量を表す情報となる。つま
り、電流差ΔI=I4−I1は、時刻t1から時刻t4
までの期間の日射の変化量を表している。
て、データを補正する。
ec程度の短い時間なので、時刻t1から時刻t4まで
の日射の変化速度は同じとみなしてよい。また、インバ
ータから最大出力が得られる動作点付近では、電圧V1
とV2やV3でのインバータ出力電流の差はわずかであ
り、サンプリング周期TS 程度の時間における日射変動
による出力電流の変化速度は、動作電圧がV1とV2や
V3では同じとみなせる。
電流値I2を、動作電圧V2の時刻t4での電流値I
2′に補正するには、時刻t2から時刻t4までの日射
の変化分に相当する電力変化分ΔI×(2/3)をI2
に加えてやればよい。
流値I3を、動作電圧V3の時刻t4での電流値I3′
に補正するには、時刻t3から時刻t4までの日射の変
化分に相当する電流変化分ΔI×(1/3)をI2に加
えてやればよい。
タから実施例2と同様に以下の式から動作電圧を求め
る。
3′)/(2×I4−I2′−I3′)} これより電圧を算出し、次回の探索開始電圧とする。
取り出せる動作点を追従することができる。
て説明したが、光量が減少した場合や変化しなかった場
合でも、最大出力が得られる動作点を追尾することは容
易に分かるであろう。
動を推定しデータを補正することで、同一時刻、同一出
力特性曲線上でのデータが得られ、それらをもとに次回
の探索開始電圧を決定することで、日射変動による探索
制御アルゴリズムの誤動作も発生せず、インバータから
最大電力が出力することができ、システムの不安定動作
も抑制できる。更に、上述の実施例5に記載された装置
の利点として、太陽電池から電圧を検出する電圧検出手
段4と、電力変換装置であるインバータ14を介して平
均電流を検出する電流検出手段16を用いる場合は、イ
ンバータ出力電圧の検出及びインバータ出力電力の検出
をはぶき装置を簡略にしつつインバータ14を介しての
電力を常に最大にできることが挙げられる。
電圧電流出力特性測定方法を用いた太陽電池の電圧電流
出力特性測定システムの構成を示す。
置1508に接続され、太陽電池1501の出力電圧及
び出力電流は、電圧検出手段1504及び電流検出手段
1505により電圧信号及び電流信号が周期的に検出さ
れ、測定制御部1509に入力される。
見て可変抵抗器と機能する装置、例えば電子負荷装置な
どであり、太陽電池の動作点を変えることができる。
と日射検出手段1510からの日射量信号が入力され、
これらの検出信号は記憶され、また、種々の特性項目
(例えば変換効率)を算出する。また、動作点制御装置
1508に太陽電池の設定電圧を指令する。
段1505及び動作点制御装置1508は、太陽電池1
501の電圧、電流の規模に応じて選択すべきである。
方法について説明する。
測定する。ここで得られた開放電圧より5%大きい電圧
を100で割った電圧値ΔVを求めておく。また、電圧
検出手段1504及び電流検出手段1505から測定制
御部1509へデータが取り込まれる周期TS は2ms
である。
とする指令を動作点制御装置1508に与え、太陽電池
を短絡状態とし時刻t0で電圧V0及び電流I0をサン
プリングする。次に、設定電圧をΔVとして、時刻t1
(=t0+TS )で電圧V1及び電流I1をサンプリン
グする。その次に、設定電圧を2ΔVとして、時刻t2
(=t1+TS )において電圧V2及び電流I2をサン
プリングする。以後同様にして開放状態まで、設定電圧
を3ΔV、4ΔV、…、iΔV、…と順次大きくしてい
き、(V3、I3)、(V4、I4)、…、(Vi、I
i)、…とデータを取り込む。そして、開放状態となっ
た時刻t96での(V96、I96)と日射量検出信号
をデータを取得後、次の設定電圧を95ΔVとして、時
刻t97において電圧V97、I97をサンプリングす
る。その次に設定電圧を94ΔVとし、時刻t98にお
いて電圧V98、I98をサンプリングする。以後同様
にして短絡状態となるまで、設定電圧を93ΔV、92
ΔV、…(96−j)ΔV、…と順次小さく設定してい
き、それぞれ(V99、I99)、(V100、I10
0)、…、(V(96+j)、I(96+j))、…と
データを取り込む。そして、時刻t192において短絡
状態でのデータV192及びI192をサンプリングし
て、電圧検出手段1504、電流検出手段1505及び
動作点制御装置1508からのデータの取り込みは終了
する。
の間に日射が変動しても、その間は192TS =384
msと短い時間なので、日射の変動速度はほぼ一定とみ
なせる。また、太陽電池の出力電流は、同じ電圧であれ
ば光量にほぼ比例するという特性がある。これを利用し
て、測定データを補正する。
i)と時刻t(96+i)での電圧V(96+i)は同
じとなるように設定しており、V(96−i)=V(9
6+i)である。したがって、電流差ΔIi=I(96
+i)−I(96−i)をこの間の時間2iTS 割るこ
とにより、この期間の日射変動速度に対応する電流変化
速度Xi(=ΔIi/2iTS )が得られる。さて、電
圧V(96−i)の時刻t96における電流値I(96
−i)′を考えると、時刻t96は時刻t(96−i)
と時刻t(96+i)のちょうど中間の時刻であり、ま
た、その間の電流変化速度Xiは一定であるから、電圧
V(96−i)の時刻t96における電流値I(96−
i)′は電流I(96−i)と電流I(96+i)の真
ん中の値となることが分かる。つまり、時刻t96にお
ける電流値を求めるには、同じ電圧で測定された2つの
電流値の平均値を取ればよい。
(96+i)}/2 この計算をi=1〜96で行えばよい。こうして得られ
たI(96−i)′は、同一時刻、同一I−Vカーブ上
のデータとなる。
を用い電流値を補正することで、日射変動の影響を排除
し、同一時刻、同一I−Vカーブ上の動作点に相当する
データが得られ、正確な太陽電池の電圧電流出力特性の
測定を行うことができる。
態→開放状態→短絡状態としたが、これに限るものでは
無く、開放状態→短絡状態→開放状態としてもよい。
電池の電力制御装置及び電力制御方法では、以下の効果
を有する。
けずに、最適動作点の探索を正確に行い、電池電源から
最大電力を取り出すことができる。
最適動作点を探索・追尾できるので、システムは安定し
た動作を行う。
数を2回とすることで、サンプリング回数も最小回数に
抑えられ、速く最適動作点の探索を行うことができる。
サンプリングの最初と最後に行うことで、より正確にデ
ータを補正でき、最適動作点の探索が更に正確になされ
る。
以下の効果を有する。
な特性測定ができる。
ばないので、自動測定(例えば10分間隔での測定)で
も正確なデータを得られる。
性測定方法は大変有用であり、特に、商用系統と連系す
る電池電源システムでは、その効果は非常に大きい。
ムの一例を示す図である。
を示す図である。
例を示す図である。
他の一例を示す図である。
たものである。
ムの他の一例を示す図である。
ャートである。
テムのさらに他の一例を示す図である。
らに他の例を示す図である。
る。
を示す図である。
電流出力特性測定システムの一例を示す図である。
Claims (7)
- 【請求項1】 太陽電池の電圧値を検出する電圧検出手
段と、前記太陽電池から出力される電流値を検出する電
流検出手段と、前記太陽電池からの電力を変換し負荷に
供給するための電力変換手段と、前記電流値及び電圧値
に基づいて出力値を設定する出力値設定手段と、該出力
値設定手段によって設定された出力値に基づいて電力変
換手段を制御する電力制御手段と、を有する電力制御装
置において、前記出力値設定手段は、互いに異なる時刻
において第1の電圧値での電流値または電力値を複数回
サンプリングする工程と、前記第1の電圧値での複数回
のサンプリングの間の時刻において、第1の電圧値以外
の電圧値での電流値または電力値をサンプリングする工
程と、複数回のサンプリングで得られた電流値または電
力値の差から変動した動作特性曲線を推定する工程と、
推定された動作特性曲線上での第1の電圧値以外の電圧
値での電流値または電力値と、最後にサンプリングされ
た第1の電圧値での電流値または電力値に基づいて、太
陽電池の出力電力が大きくなるような次に基準となる電
圧値を求める工程と、から出力値を設定することを特徴
とする太陽電池の電力制御装置。 - 【請求項2】 太陽電池の電圧値を検出する電圧検出手
段と、前記太陽電池から出力される電流値を検出する電
流検出手段と、前記太陽電池からの電力を変換し商用交
流系統に供給するための電力変換手段と、前記電流値及
び電圧値に基づいて出力値を設定する出力値設定手段
と、該出力値設定手段によって設定された出力値に基づ
いて電力変換手段を制御する電力制御手段と、を有する
電力制御システムにおいて、前記出力値設定手段は、互
いに異なる時刻において第1の電圧値での電流値または
電力値を複数回サンプリングする工程と、前記第1の電
圧値での複数回のサンプリングの間の時刻において、第
1の電圧値以外の電圧値での電流値または電力値をサン
プリングする工程と、複数回のサンプリングで得られた
電流値または電力値の差から変動した動作特性曲線を推
定する工程と、推定された動作特性曲線上での第1の電
圧値以外の電圧値での電流値または電力値と、最後にサ
ンプリングされた第1の電圧値での電流値または電力値
に基づいて、太陽電池の出力電力が大きくなるような次
に基準となる電圧値を求める工程と、から出力値を設定
することを特徴とする太陽電池の電力制御システム。 - 【請求項3】 太陽電池と、該太陽電池の電圧値を検出
する電圧検出手段と、前記太陽電池から出力される電流
値を検出する電流検出手段と、前記太陽電池からの電力
を変換し負荷に供給するための電力変換手段と、前記電
流値及び電圧値に基づいて出力値を設定する出力値設定
手段と、該出力値設定手段によって設定された出力値に
基づいて電力変換手段を制御する電力制御手段と、を用
いて太陽電池の電力を制御する方法において、前記出力
値設定手段は、互いに異なる時刻において第1の電圧値
での電流値または電力値を複数回サンプリングする工程
と、前記第1の電圧値での複数回のサンプリングの間の
時刻において、第1の電圧値以外の電圧値での電流値ま
たは電力値をサンプリングする工程と、複数回のサンプ
リングで得られた電流値または電力値の差から変動した
動作特性曲線を推定する工程と、推定された動作特性曲
線上での第1の電圧値以外の電圧値での電流値または電
力値と、最後にサンプリングされた第1の電圧値での電
流値または電力値に基づいて、太陽電池の出力電力が大
きくなるような次に基準となる電圧値を求める工程と、
から出力値を設定し、設定された前記出力値に基づいて
前記電力変換手段を制御することを特徴とする太陽電池
の電力制御方法。 - 【請求項4】 前記第1の電圧値での電流値または電力
値のサンプリング回数が2回である請求項3に記載の太
陽電池の電力制御方法。 - 【請求項5】 前記第1の電圧値での電流値または電力
値のサンプリングを、第1の電圧値以外の電圧値でのサ
ンプリングを含めた一連のサンプリングの最初と最後に
行なう請求項4に記載の太陽電池の電力制御方法。 - 【請求項6】 太陽電池と、該太陽電池の出力電圧を検
出する手段と、前記太陽電池の出力電流を検出する手段
と、前記太陽電池の出力電圧を制御する手段とを用いて
太陽電池の電圧電流出力特性を測定する方法において、
まず太陽電池を短絡状態から開放状態へ出力電圧を徐々
に上昇させながら、互いに異なる複数の電圧値での出力
電流値をサンプリングする第1の工程と、該第1の工程
の後、太陽電池を開放状態から短絡状態へ出力電圧を徐
々に下降させながら、第1の工程と同一の複数の電圧値
での出力電流値をサンプリングする第2の工程と、同一
の電圧値に対して第1の工程と第2の工程でそれぞれサ
ンプリングされた出力電流値の平均値を算出し、電圧値
と算出された平均値との関係から電圧電流出力特性を測
定する第3の工程と、から成ることを特徴とする太陽電
池の電圧電流出力特性の測定方法。 - 【請求項7】 太陽電池と、該太陽電池の出力電圧を検
出する手段と、前記太陽電池の出力電流を検出する手段
と、前記太陽電池の出力電圧を制御する手段とを用いて
太陽電池の電圧電流出力特性を測定する方法において、
まず太陽電池を開放状態から短絡状態へ出力電圧を徐々
に下降させながら、互いに異なる複数の電圧値での出力
電流値をサンプリングする第1の工程と、該第1の工程
の後、太陽電池を短絡状態から開放状態へ出力電圧を徐
々に上昇させながら、第1の工程と同一の複数の電圧値
での出力電流値をサンプリングする第2の工程と、同一
の電圧値に対して第1の工程と第2の工程でそれぞれサ
ンプリングされた出力電流値の平均値を算出し、電圧値
と算出された平均値との関係から電圧電流出力特性を測
定する第3の工程と、から成ることを特徴とする太陽電
池の電圧電流出力特性の測定方法。
Priority Applications (5)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP6224962A JP2810630B2 (ja) | 1993-11-16 | 1994-09-20 | 太陽電池の電力制御装置、電力制御システム、電力制御方法及び電圧電流出力特性の測定方法 |
EP94308262A EP0653692B1 (en) | 1993-11-16 | 1994-11-09 | Method and apparatus for controlling the power of a battery power source |
DE69426857T DE69426857T2 (de) | 1993-11-16 | 1994-11-09 | Vorrichtung und Verfahren zur Regelung der Leistungsversorgung einer Batteriestromversorgung |
US08/338,773 US5682305A (en) | 1993-11-16 | 1994-11-10 | Method and apparatus for controlling the power of a battery power source |
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JP5-286877 | 1993-11-16 | ||
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