JP2010087010A - 太陽光発電装置およびその制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 昇圧装置の停止による発電電力の損失を極力減少させ、太陽光発電システム全体の年間発電量を向上させることのできる昇圧装置の単独運転を抑制する太陽光発電装備を提供する。
【解決手段】 複数の太陽電池モジュールを直列接続して構成される第１の太陽電池ストリングと、前記第１の太陽電池ストリングに比べて枚数が少ない太陽電池モジュールと、前記太陽電池素子群の出力側に直列接続される電圧調整手段とからなり、前記第１の太陽電池ストリングと並列接続される第２の太陽電池ストリングと、前記第１の太陽電池ストリングおよび前記第２の太陽電池ストリングの出力側に設けられ、かつこれらの太陽電池ストリングのうちの最大出力動作点を追従する制御部を有する、電力変換手段と備える太陽光発電装置であって、前記電圧調整手段の単独昇圧運転時において、前記第２の太陽電池ストリングの出力電圧が段階的に昇圧または降圧されるように制御される、太陽光発電装置。
【選択図】図１

Description

本発明は、太陽光発電装置およびその制御方法に関する。

太陽光発電装置は、複数の太陽電池モジュールを直列接続した太陽電池ストリングで発電した電力を、電力変換装置であるパワーコンディショナに入力し、負荷に適切な形態で電力供給される。しかし、住宅の屋根等のように設置面積が限られている設置条件下では、太陽電池モジュールを所定の枚数で複数列配置しようとすると、最終列において端数が生じることも多く、屋根上に太陽電池モジュールが設置されない部分が残る場合がある。この場合、屋根の美観を損なうばかりでなく、回収される発電量が減少するといった問題も生じ得る。したがって、このような端数の太陽電池モジュールには、出力電圧を電気的に昇圧する昇圧装置が直列に接続され、他の太陽電池モジュールの出力電力とほぼ同等の出力をパワーコンディショナに入力する方法が用いられている。

この昇圧装置はチョッパ回路と呼ばれるコイルとスイッチング素子によるスイッチング制御によって電圧を上昇させるもので、太陽電池モジュールの直列枚数が他より少なくても、出力電圧を任意の電圧値まで上昇させることができ、直列数が確保できていなくてとも発電電力を負荷側へ供給することができる。（特許文献１）
特開２００４−１４６７９１号公報

ところで、近年、太陽光発電装置は、効率的に発電量を回収する点から、パワーコンディショナ等にＭＰＰＴ制御（最大出力点追従制御）を行う機構を設けて、日射の変化に合わせて太陽電池の発電出力が最大電力となるように動作電圧点を変化させるようにしている。しかし、このようなＭＰＰＴ制御機構を有する太陽光発電装置に、昇圧装置を設ける場合、昇圧装置で強制的に上昇させた出力電圧が、その他の太陽電池ストリングの発電電圧よりも高くなると、動作電圧点が昇圧装置からの出力電圧に設定され得る。この場合、パワーコンディショナへの電力の入力は、昇圧装置の接続された太陽電池ストリングからのみに制限され、その他の太陽電池ストリングの発電電力を無駄に損失させることになるという問題が生じる。このような事態を回避するために、昇圧装置には他の太陽電池ストリングの電圧が一定値に達しない間は昇圧動作を行わない（すなわち昇圧装置を停止する）機構が設けられている。しかし、このような機構は、本来、昇圧動作をしない間の端数の太陽電池モジュールの発電電力を活用しないことになるため、効率が悪い。

本発明の目的は、この昇圧装置の停止による発電電力の損失を極力減少させ、得られる発電量を効率よく回収でき、年間発電電力量に優れた太陽光発電装置を提供することにある。

本発明の太陽光発電装置は、複数の太陽電池モジュールを直列接続してなる第１の太陽電池ストリングと、前記第１の太陽電池ストリングに比べて枚数が少ない太陽電池モジュールと、前記太陽電池モジュールの出力側に直列接続される電圧調整手段とからなり、前記第１の太陽電池ストリングと並列接続される第２の太陽電池ストリングと、前記第１の太陽電池ストリングおよび前記第２の太陽電池ストリングの出力側に設けられ、かつこれらの太陽電池ストリングのうちの最大出力動作点を追従する制御部を有する、電力変換手段とを備え、前記電圧調整手段の単独昇圧運転時において、前記第２の太陽電池ストリングの出力電圧が段階的に昇圧または降圧されるように、前記電圧調整手段が制御される。

ある実施態様においては、前記電圧調整手段は、第１のＰＷＭ制御部と、前記第１のＰＷＭ制御部に比べて信号の周波数が低い第２のＰＷＭ制御部とを含み、前記第１のＰＷＭ制御部の信号を、前記第２のＰＷＭ制御部の信号で停止させるとともに、前記第２のＰＷＭ制御部の信号のデューティ比を変化させることによって、前記電圧調整手段の出力電圧が段階的に昇圧または降圧するように制御することを特徴とする。

ある実施態様においては、前記第２の太陽電池ストリングの出力電圧が、前記電力変換手段の起動電圧から前記第２の太陽電池ストリングの最大出力電圧の範囲で段階的に昇圧または降圧されるように制御される。

ある実施態様においては、前記第２の太陽電池ストリングの制御が、前記第２の太陽電池ストリングの出力電圧を、前記第１の太陽電池ストリングの出力電圧と一致させることによって解除される。

本発明の太陽光発電装置の制御方法は、複数の太陽電池素子を直列接続してなる第１の太陽電池ストリングと、前記第１の太陽電池ストリングに比べて枚数が少ない太陽電池モジュールと、前記太陽電池モジュールの出力側に直列接続される電圧調整手段とからなる第２の太陽電池ストリングと、前記第１の太陽電池ストリングと、前記第２の太陽電池ストリングとが並列接続されるとともに、これらの太陽電池ストリングの出力側に設けられ、かつこれらの太陽電池ストリングのうちの最大出力動作点を追従する制御部を有する、電力変換手段とを備える太陽光発電装置の制御方法であって、前記電圧調整手段は、第１のＰＷＭ制御部と、前記第１のＰＷＭ制御部に比べて信号の周波数が低い第２のＰＷＭ制御部とを含み、前記第１のＰＷＭ制御部の制御信号を、前記第２のＰＷＭ制御部の信号で停止させるとともに、前記第２のＰＷＭ制御部の信号のデューティ比を変化させることによって、前記電圧調整手段の単独昇圧運転時において、前記電圧調整手段の出力電圧が段階的に昇圧または降圧するように制御する工程を包含する。

本発明の太陽光発電装置によれば、第２の太陽電池ストリングを構成する電圧調整手段の出力電圧を段階的に降圧するように制御することができるため、電圧調整手段が単独昇圧運転の状態となった場合においても電圧調整手段を完全に停止することなく、単独昇圧運転の早期回避が可能となるとともに、第１の太陽電池ストリング側の出力電圧がパワーコンディショナの定格入力電圧に達しているかどうかを検出でき、自動的にパワーコンディショナの最大出力動作点を第２の太陽電池ストリングの出力点から第１の太陽電池ストリングの出力点に移動させることができる。また、第１の太陽電池ストリングがパワーコンディショナの定格入力電圧に達しない場合は、第２の太陽電池ストリングの出力点を最大出力動作点として動作させることができる。そのため、得られる発電量を効率よく回収でき、年間発電電力量に優れた太陽光発電装置が得られる。

本発明の太陽光発電装置の実施形態について、図面に基づき詳細に説明する。図１は、本発明の太陽光発電装置の一実施形態を示すブロック図であり、図２は、図１に示す太陽光発電装置を構成する電圧調整手段の一実施形態を示すブロック図である。

図１に示すように、太陽光発電装置７は、複数の太陽電池モジュールを電気的に直列接続してなる第１の太陽電池ストリング１ａと、第１の標準ストリングよりも枚数の少ない太陽電池モジュールと、前記太陽電池素子群の出力側に直列接続される電圧調整手段とからなる第２の太陽電池ストリング１ｂと、並列接続された前記第１と第２の太陽電池ストリングの出力を集電する接続箱３と、接続箱で集電された直流電力を交流電力に変換し、負荷である交流負荷５や商用電力系統６に供給・逆潮流する、電力変換手段であるパワーコンディショナ４とからなる。

太陽電池ストリング１ａは、パワーコンディショナ４の動作可能な電圧が得られるように、太陽電池素子を直列・並列接続してなる複数の太陽電池モジュールを電気的に直列接続してなる。例えば、１枚１７５Ｗの太陽電池モジュールでは２４Ｖの出力電圧しか得られないので、パワーコンディショナ４の定格入力電圧が１００Ｖ〜３５０Ｖである場合、５直列の太陽電池モジュールで太陽電池ストリングを構成することができる。一方、住宅の屋根等に太陽電池モジュールを設置する場合、屋根の面積等の制限から、必ずしも５枚の倍数で設置できるとは限らない。したがって、このような場合、必要数に満たない太陽電池モジュール群に、出力を昇圧することが可能な昇圧装置などの電圧調整手段を用いて、他の太陽電池ストリングの出力と同等の出力を有する太陽電池ストリングを構成する。本発明においては、太陽電池モジュールのみで構成されるものを第１の太陽電池ストリングとし、太陽電池モジュールと電圧調整手段とで構成されるものを第２の太陽電池ストリングとする。図１では、第１の太陽電池ストリング１ａ、および太陽電池モジュールと電圧調整手段とで構成される第２の太陽電池ストリング１ｂはそれぞれ、接続箱３内の各逆流防止ダイオード３１に接続され、これら複数の逆流防止ダイオード３１のカソード側で１本に集電され、並列接続されている。逆流防止ダイオード３１は、各々のアノード側に接続された太陽電池ストリングの出力に、他の太陽電池ストリングからの出力が逆流しないようにする。集電された出力は、パワーコンディショナ４に送電される。パワーコンディショナ４は、太陽電池で発電された直流電力を交流電力に変換し、交流負荷５に相当するテレビや冷蔵庫に供給されて消費されたり、余剰電力を商用電力系統６に逆潮流して売電する。パワーコンディショナ４には、太陽電池の発電電力を効率よく入力し、電力変換するために太陽電池を最大出力追従制御部（ＭＰＰＴ制御部）が搭載されており、これは、その時々の日射量によって太陽電池ストリングの発電電圧・発電電流が変動しても、発電電力として常に最大になるように、パワーコンディショナ４が複数の太陽電池ストリングの最大出力動作点を追従し、動作電圧を制御するものである。

次いで、本発明の第２の太陽電池ストリングを構成する電力調整手段２について詳細に説明する。図２に示すように、電力調整手段２は、外部からのサージ電圧や静電気から回路を保護したり、ノイズを抑える入力ＥＭＩ（電波雑音干渉）フィルタ２１、昇圧部２２、第２の太陽電池ストリングを構成する太陽電池モジュールの出力電力から電圧調整手段全体を駆動させる電源を得るための電源部２３、入力側および出力側の電圧状態を検出するとともに、太陽電池ストリング１ｂの最大出力動作点を検出して制御するＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）制御部２４、ＰＷＭ制御部２４によって昇圧部２２のスイッチング素子を駆動させる第１駆動部２４ａおよび第２の駆動部２４ｂ、および出力ＥＭＩフィルタ２５を含んで構成される。

ＰＷＭ制御部２４は、まず、入力側及び出力側の電圧を検出するとともに、第２の太陽電池ストリング１ｂの最大出力動作点を検出し、ＰＷＭ信号を第１の駆動部２４ａに入力し、第１の駆動部２４ａは与えられたＰＷＭ信号に基づいて昇圧部２２のスイッチング素子をスイッチングさせる（第１のＰＷＭ制御）。これによって、入力電圧を、所望の昇圧比で第１の太陽電池ストリング１ａの出力電圧まで昇圧し、接続箱３で集電した電力をパワーコンディショナ４に入力する。本発明においては、さらに、この第１の駆動部２４ａ（第１のＰＷＭ制御部）に加えて、第１の駆動部２４ａに与えられるＰＷＭ信号である第１の周波数よりも低い周波数のＰＷＭ信号を有する第２の駆動部２４ｂ（第２のＰＷＭ制御部）が備えられ、第１のＰＷＭ制御部の信号を第２のＰＷＭ制御部の信号で停止させるように構成されている。第２の駆動部２４ｂからの昇圧部２２へのスイッチングによって、第１の駆動部２４ａによるスイッチング動作が間欠動作となるように制御され、第２の太陽電池ストリングの出力電圧が段階的に昇圧または降圧される。具体的には、前記第２の駆動部２４ｂ（ＰＷＭ制御部）の信号のデューティ比を変化させることによって、前記電圧調整手段の出力電圧が段階的に昇圧または降圧するように制御する。電圧調整手段は、一般には、第１の駆動部２４ａ（第１のＰＷＭ制御部）のみによってＰＷＭ制御部２４が構成されるが、この場合、電圧調整手段２で強制的に上昇させた出力電圧が、第１の太陽電池ストリング１ａの発電電圧よりも高くなると、パワーコンディショナ４の動作電圧点が電圧調整手段２からの出力電圧に設定される。その結果、パワーコンディショナ４への電力の入力が、電圧調整手段２の接続された第２の太陽電池ストリング１ｂからのみとなる、いわゆる単独昇圧運転の問題が生じる。本願発明は、第２の駆動部２４ｂ（第２のＰＷＭ制御部）を設けることによって、電圧調整手段２の出力電圧を段階的に降圧または昇圧することが可能であるので、このような電圧調整手段の単独昇圧運転を抑制することができる。

なお、パワーコンディショナ４のＭＰＰＴ制御は、前述した電圧調整手段２の最大出力動作点の検出値とは無関係に、集電された太陽電池ストリング全体の最大出力動作点を検出して追従制御する。

次いで、本発明の制御方法について、図３の信号パルス発生図を用いてさらに詳細に説明する。図３に示すように、例えば、一旦、太陽電池ストリングの出力が大きく低下した後に再び電圧が上昇を始める場合（日の出とともに日射が徐々に増加する場合）、第１の太陽電池ストリング１ａの出力電圧（標準出力電圧）は、パワーコンディショナ４の起動電圧（図中の点線Ｂの電圧）に到達するまでにしばらく時間がかかる。一方、第２の太陽電池ストリング１ｂの出力は昇圧回路によって昇圧されて、起動電圧であるＢ点よりも高いＡ点の電圧（昇圧出力電圧）を有しているため、パワーコンディショナ４は、昇圧出力電力のみを電力変換用電力として取り込む。他方、第１の太陽電池ストリング１ａの発電電圧は、日射が増加するにつれて上昇し、図中の点線Ｂの電圧まで到達するが、並列接続されている第２太陽電池ストリング１ｂの出力電圧の方が高いため、発電電力をパワーコンディショナ４に供給することが出来ず、いわゆる単独昇圧運転状態となる。

このような単独昇圧運転状態を解除するために判定期間が設けられる。この判定期間は、昇圧を行うＰＷＭ信号を変化させて段階的にＡ点の電圧をＢ点の電圧まで段階的に下げる制御を行い、起動電圧以上の標準出力電圧との合致点（Ｃ点）を検出する期間である。このように、段階的に電圧を降下させることで、発電電力の損失を最小限に抑え、かつ日射急変時のようなパワーコンディショナ４のＭＰＰＴ制御対象が頻繁に昇圧出力電圧と標準出力電圧の間を切り替わる場合でも、制御電圧の変化幅が小さくすることができるため効率的である。この判定期間は、定期的に設定され得、単独昇圧運転時の場合に上記制御が行われる。

また、第２の太陽電池ストリング１ｂ（電圧調整手段２）の降下させる電圧の範囲を、パワーコンディショナ４の定格入力電圧（起動電圧）の下限とするリミッターを設定しておけば、パワーコンディショナ４が停止することがなく、発電電力の損失を少なくすることができる。この場合、第２の太陽電池ストリングの出力電圧は、前記電力変換手段の起動電圧から前記第２の太陽電池ストリングの最大出力電圧の範囲で段階的に昇圧または降圧されるように制御される。 上記の判定期間の制御は、具体的には以下のようになる。まず、前述したように、第２の駆動部２４ｂにより、電圧調整手段２を間欠動作させることにより、第２の太陽電池ストリング１ｂの出力電圧をΔＶだけ低下させる。さらに第２の駆動部２４ｂの周波数によるＰＷＭ信号のデューティ比（デューティ比は、ＯＮ時間をＴｏｎとし、周波数の時間をＴとすると、デューティ比＝Ｔｏｎ／Ｔで表される）のＯＮ時間を徐々に短くすることによって供給電力を段階的に低下させ、第２の太陽電池ストリング１ｂの出力電圧をΔＶずつ段階的に低下させる。その結果、ある点で、第１の太陽電池ストリング１ａの出力電圧が、第２の太陽電池ストリング１ｂの出力電圧より高くなり、パワーコンディショナ４の動作電圧点が第１の太陽電池ストリング１ａからの出力電圧に設定される。このような現象は、ＰＷＭ制御部２４において出力電圧の電圧変化量ΔＶがなくなることで、第１の太陽電池ストリング（標準太陽電池ストリング）の電圧が計測されていることが確認される。ＰＷＭ制御部２４は、ΔＶが検出されなくなると正常と判断し、ＰＷＭ制御部２４から第２の駆動部２４ｂへのＰＷＭ信号を停止する。

図４は上記制御のフローチャートである。ＰＷＭ制御部２４からのＰＷＭ信号が第１の駆動部２４ａに入力され、第１の駆動部２４ａが与えられたＰＷＭ信号に基づいて昇圧部２２のスイッチング素子をスイッチング動作させる。このスイッチング動作中に、図４に示すステップａ０が開始され、ステップａ１に進む。

ステップａ１では、電圧調整手段２の出力電圧を検出してＰＷＭ制御部２４にフィードバックし、Ｖ１として記憶させる。

ステップａ２では、ＰＷＭ制御部２４によるＰＷＭ信号が第２の駆動部２４ｂに入力され、第２の駆動部２４ｂでは、与えられたＰＷＭ信号に基づいて昇圧部２２を低い周波数でスイッチングして間欠動作を開始させる。そして、ＰＷＭ制御部２４により第２の駆動部２４ｂに与えられるＰＷＭ信号のデューティ比を変化させて、所望の電圧に設定する。

ステップａ３では電圧調整手段２の出力電圧を検出してＰＷＭ制御部２４にフィードバックし、Ｖ２として記憶させる。

ステップａ４では、ステップａ１で記憶したＶ１とステップａ３で記憶したＶ２とを比較し、Ｖ２＜Ｖ１の場合はステップａ１に戻り、ａ１〜ａ４を繰り返す。Ｖ２≧Ｖ１の場合は、ステップａ５に進み、制御を解除し終了させる。

上述のような制御ステップにより、電圧調整手段２の出力電圧が低下する偏差（ΔＶ）が発生した場合に、ＰＷＭ制御部２４は単独昇圧運転であると判断する。そして、この制御ステップを繰り返し、ＰＷＭ制御部２４は段階的に単独昇圧運転であるか否かの判断を行い、電圧調整手段２の出力電圧が低下する偏差が発生しなくなった時点で制御を解除する。

他方、上記のように電圧調整手段２の出力電圧が下がらなくなることが検出されると、次いで第２の駆動部２４ｂの周波数によるＰＷＭ信号のデューティ比を上げて電圧が上がるように制御する。ここでさらに電圧調整手段２の出力電圧が上がらなければ、パワーコンディショナ４の最大出力追従制御は、第１の太陽電池ストリング（標準太陽電池ストリング）側の動作電圧にあるため、第２の駆動部２４ｂによるＰＷＭ制御の動作を停止させる。そして、定期的に同様の動作を行うことで、第２の太陽電池ストリングによる単独昇圧運転の回避が可能となるとともに、昇圧動作を完全に停止させることなく、第１の太陽電池ストリング側の出力電圧がパワーコンディショナ４の定格入力電圧に達しているかどうかが検出できると同時に、最大出力となる動作点を自動的に第１の太陽電池ストリング側に移動させることができる。なお、太陽電池は日射によって発電電圧が変化しているので、一時的なものであるかどうかを確認するのが望ましく、再び出力電圧に偏差ΔＶがある場合にはさらに第２の太陽電池ストリング１ｂ（電圧調整手段２）の電圧を降下させる制御が行われる。

上記のような一連の制御において、電圧調整手段２は継続して動作可能であるため、制御中も第２の太陽電池ストリング１ｂで発電した電力を供給でき、パワーコンディショナ４も継続運転することができる。そのため、パワーコンディショナ４を停止させる電力ロスと起動、停止時に発生する電力ロスを省くことができる。

本発明の太陽光発電装置の一実施形態を示すブロック図である。 図１の太陽光発電装置を構成する電圧調整手段の一実施形態を示すブロック図である。 本発明の太陽光発電装置の制御方法を説明するための信号パルス発生図である。 制御部の昇圧制御動作を示すフローチャートである。

符号の説明

１ａ：第１の太陽電池ストリング
１ｂ：第２の太陽電池ストリング
２：電圧調整手段
３：接続箱
４：パワーコンディショナ
５：交流負荷
６：商用電力系統
７：太陽光発電装置
８：太陽電池モジュール
３１：逆流防止ダイオード
２１：入力ＥＭＩフィルタ
２２：昇圧部
２３：電源部
２４：ＰＷＭ制御部
２４ａ：第１の駆動部
２４ｂ：第２の駆動部
２５：出力ＥＭＩフィルタ

Claims (5)

1. 複数の太陽電池モジュールを直列接続してなる第１の太陽電池ストリングと、
   前記第１の太陽電池ストリングに比べて枚数が少ない太陽電池モジュールと、前記太陽電池モジュールの出力側に直列接続される電圧調整手段とからなり、前記第１の太陽電池ストリングと並列接続される第２の太陽電池ストリングと、
   前記第１の太陽電池ストリングおよび前記第２の太陽電池ストリングの出力側に設けられ、かつこれらの太陽電池ストリングのうちの最大出力動作点を追従する制御部を有する、電力変換手段と
   を備える太陽光発電装置であって、
   前記電圧調整手段の単独昇圧運転時において、前記第２の太陽電池ストリングの出力電圧が段階的に昇圧または降圧されるように制御される、太陽光発電装置。
2. 前記電圧調整手段は、第１のＰＷＭ制御部と、前記第１のＰＷＭ制御部に比べて信号の周波数が低い第２のＰＷＭ制御部とを含み、
   前記第１のＰＷＭ制御部の信号を、前記第２のＰＷＭ制御部の信号で停止させるとともに、
   前記第２のＰＷＭ制御部の信号のデューティ比を変化させることによって、前記電圧調整手段の出力電圧が段階的に昇圧または降圧するように制御することを特徴とする、請求項１に記載の太陽光発電装置。
3. 前記第２の太陽電池ストリングの出力電圧が、前記電力変換手段の起動電圧から前記第２の太陽電池ストリングの最大出力電圧の範囲で段階的に昇圧または降圧されるように制御される、請求項１または２に記載の太陽光発電装置。
4. 前記第２の太陽電池ストリングの制御が、前記第２の太陽電池ストリングの出力電圧を、前記第１の太陽電池ストリングの出力電圧と一致させることによって解除される、請求項１から３のいずれかの項に記載の太陽光発電装置。
5. 複数の太陽電池素子を直列接続してなる第１の太陽電池ストリングと、
   前記第１の太陽電池ストリングに比べて枚数が少ない太陽電池モジュールと、前記太陽電池モジュールの出力側に直列接続される電圧調整手段とからなる第２の太陽電池ストリングと、
   前記第１の太陽電池ストリングと、前記第２の太陽電池ストリングとが並列接続されるとともに、これらの太陽電池ストリングの出力側に設けられ、かつこれらの太陽電池ストリングのうちの最大出力動作点を追従する制御部を有する、電力変換手段と
   を備える太陽光発電装置の制御方法であって、
   前記電圧調整手段は、第１の制御部と、前記第１のＰＷＭ制御部に比べて信号の周波数が低い第２のＰＷＭ制御部とを含み、
   前記第１のＰＷＭ制御部の制御信号を、前記第２のＰＷＭ制御部の信号で停止させるとともに、
   前記第２のＰＷＭ制御部の信号のデューティ比を変化させることによって、前記電圧調整手段の単独昇圧運転時において、前記第２の太陽電池ストリングの出力電圧が段階的に昇圧または降圧するように制御する工程
   を包含する、太陽光発電装置の制御方法。

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