二次曲線近似を用いた太陽光発電システムの最大電力点追従制御

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Title
二次曲線近似を用いた太陽光発電システムの最大電力点追従制御
Author(s)
泉, 勝弘; 辻, 峰男; 山田, 英二; 小山, 純
Citation
長崎大学工学部研究報告 Vol.29(53) p.193-197, 1999
Issue Date
1999-07
URL
http://hdl.handle.net/10069/5073
Right
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長崎大学工学部研 究報 告
第2
9巻
第5
3号
1
93
平成 1
1
年 7月
二次 曲線近似 を用 いた太陽光発電 システム
の最大電力点追従制御
泉
山
田
勝
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弘 *･辻
二 *･小
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t まえがき
我 が国のエネルギー使用量は年 々増加の一途 をた ど
価 格 を販売電 力料 金 と同程度 に設定 され る ようにな
り, より一層の普及が見込 まれてい る｡
っているが,エネルギーの大半 は依然 として石油,石
太陽光発電のエネルギー源である太陽の 日射量 は時
顔,天然 ガスな どの化石燃料 を消費す ることによって
間的な変動 が大 き く,従 って得 られ る電力 も不安定で
得ている｡我 が国ではオイルシ ョックを契榛 として,
ある｡我 が国では時間による変動以外に,季節 に よる
様 々な新 エネルギーの研究 ･開発が進め られた｡特 に
変動 ,地域差 もきわめて大 きい｡ また,太陽電池 は低
最近 では,地球環境問題 との観点か ら太陽光発電や風
価格 にな った とはいえ,まだまだ高価であ る｡ このた
力発電な どの 自然 エネルギーが,その ク リーンさか ら
め,常 に太陽電池 か ら最大の電力を引 き出す最大電力
改めて見直 されてい る 1)･2)｡太陽光発電 では,結 晶
点追従制御 が広 く研究 されてい る｡ これ らの最適 な動
系シ リコンの太陽電池 が実用化の段階にあ り,多結晶
作点 を求める方法 には,太陽電池両端の電圧 または電
8%を達成 している｡ これに よ り
シ リコン も変換効率 1
流 を常 に小刻みに変化 させ る方法 と,太陽電池のモデ
その応用分野 も広 が り,ク リーンなパ ワーを供給 す る
ル を 用 意 し て こ の モ デ ル か ら求 め る 方 法 が あ
自然発電の中で も特 にその利用法の研究 は活発 にな っ
る 6)∼9㌧ 後者 の方法では,モデル を実際 の太陽電池
て きてい る 3)∼ 5)｡
の特性 に完全 に丁致 させ るのが難 し く,太陽電池系の
近年 にな って系統 連系技術 ガ イ ドラ イン が改訂 さ
制御 に高度 な演算 を必要 とす る｡
れ,従来逆潮流な しで系統連系 していた ものが,逆潮
本論文では,太陽電池両端の電圧 を小刻みに変化 さ
流 も可能 とな り,太陽光発電システムを利用するこ と
せ る方法を改 良 した二次曲線近似 を用 いた最大電 力点
が可能 となった｡さ らに,炭酸 ガス発生抑制のために,
追従制御 を開発 した｡ これは,現在 の動作点電圧 とそ
太陽光発電や風力発電 によって発生 された電 力の売電
の前後の動作点での 3個の電 力を二次曲線で近似 して
平成 1
1
年 4月2
3日受理
*電気電子工学科 (
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1
9
4
泉
勝 弘 ･辻
峰 男 ･山 田
英二 ･小 山
純
最大の電 力 を発生 す る動作点電圧 を求め る方式 であ
る｡ この方法を実際の系統連系用の太陽光発電 システ
GBT 電圧
テムでは太陽電池で得 られた電力を三相 I
形 PWM インバー タに よ り三相交流に変換 し,電源
系統 に送 っている｡
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ムに適用 して,実験 によりその有効性を示す｡本シス
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2 最大電力点追従制御
太陽電池一個か ら得 られる電圧 は lV 以下 なので,
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三洋電撒株式会社
AMP1
8
6
0
1
8
W
6
0
V
型式
出力
最適動作電圧
セル1
個の大 きさ
セルの数
l
l
mmx2
9
2
mm
2
8×4個
0.
3
61
㌔
パネルの表面漬
これをい くつか直列に した ものをひ とつのモ ジュール
に し,さ らにこのモジ ュールを直並列に接続 して太陽
光発電 に使用 している｡ これをインバータで交流に変
換 して,電力系統 に接続 している｡ この様子 を図 1に
示す｡
本 システムで使用 した太陽電池 の仕様 を表 1に示
00,
0
001
X,外気温
す｡ この電池 1枚 を太陽光下照度 1
塵l
o.
0℃に置いた ときの特性 を図 2に示す｡同国の特
性 は図 3に示す等価回路 10)∼12) のセルが直列に 11
2個
0.
4
接続 された もの として表す ことがで きる｡実験では表
0.
3
鼠並列接続 している｡ これにより三相 インバータを働
1のモジ ュールを 2枚直列接続 して,さらに これを 4
20
V の電圧 を得 ている｡ これ ら
かせ るのに十分 な約 1
の太陽電池を先 ほ どと同 じ条件 で測定 した ものを図4
5 0
･
2
に示す｡ この図の ように最大の電力を発生する動作点
0
.
1
は一 つ存在す るが,最大点は素子の温度や 日射量 によ
り絶 えず変化する｡
0
0
20
t
40
60
80
圧V
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この最大点を求め るために,従来,小刻みに太陽電
池両端電圧を変化 させて発電電力を測定 し,変化前後
で比較 を行い最大電力点付近 に追従す る方式が用い ら
れていた｡ この従来方式では,最大電力点近傍には到
達で きるが最大電力点 に到達するのは難 しく,小刻み
な振動を常 に繰 り返 している必要がある｡そ こで, 3
点の電力により最大電力点に追従する方式を新たに開
発 した｡電圧指令値 l
甥 を刻み幅 AVの等間隔 にス
テ ップ変化 させた ときの 3点の電圧 Vl-V2-AV,
V2,Vl-V2+AV に対応す る電 力を Pl,P2,P3
とした とき, これ らの 3点 を通 る二次 曲線の橿地 γ
は次式で表 される｡
Fi
g.
3 Eq
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va
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(
1
)
1
95
二次曲線近似 を用 いた太陽光発電 システムの最大電 力点追従制御
P3-Pl
2 P31 2P2+Pl
(
2
)
V - V2- 4L
V
しか し,実際のシステムでは A/
D コンバー タ等 か
ら入力され る検 出値 に誤差や ノイズがあ るため,あ る
程度大 きな
AVを使用 し,
Pl<P2か つ P2>P3
(
3)
の範 囲で二次曲線近似 を行 う方 が望 ま しい｡ この範囲
外 にあ る ときには,範囲内にな るように
AV ご と Vl,
V2, V3 をず らしていけば よい. た とえば ,Pl<P2
<P3 の とき,
Vl
- V2, V2
- V3, V3-V3+AV
(
4)
とず らし,条件 を満たす ようにす る｡本システムでは
AVを太 陽電池 の最 適動 作 電圧 の約 8% にあた る10
[
Ⅴ] に している｡
(
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GBT i
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3 実験
3.1 実験装置
図 5に示す実験装置は電流値 を検 出す る A/
D コン
F コンバー タ,
バー タ,太陽電池電圧 を検 出す る Ⅴ/
A コンバー タお よび PWM
内部状態量 を出力す る D/
(
a) Cont
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(
C) So
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lpanel
.
Fi
g.6 Phot
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発生回路 か ら構成 されてい る｡ この装置全体 を図 6に
写真で示す｡ また,制御 はパ ソコンの拡張 スロ ッ トに
挿 入 された DSP ボー ドで行 う｡パ ソコン (
NEC PC
)は DSP ボー ドへの制御 プ ログラムの ロー ド,
98
01
1
96
泉
勝弘 ･辻
峰男 ･山 田
英二 ･小 山
純
DSP の コン トロール ,制御指令の入 力,制御 ゲ イン
の初期化 ,パ ソコン との通信 ,制御演算, インバー タ
表 1か ら 2枚直列の 4組並列で構成 された太陽電池
0
9
に示す｡
p
の制御 を担 当す る. この様子 を図 7のフローチ ャー ト
%
︻ ]
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の変 更,状態表示等 を担 当す る｡DSP は制御用 回路
の最適太陽電池両端電圧 は 1
20
V であ る｡ この直流動
作電圧 Vdc-1
2
0
V,変調率 1で三相正弦波 PWM イン
バー タが出力で きる交流電圧 は
100 110 120 130 140 1
50 160
v
≦宗
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5
V
Vdc【
V】
(
5)
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.
であ る｡ このため,常 に電力を系統へ送電で きるよう
に, インバー タの三相線間電圧 を少 し低 めの E-50
V
としてい る｡ これを変圧器 で昇圧 して三相 200V の配
電線 に接続 してい る｡
図 8に示す本システムの制御系は 2重のループで構
成 され, メジ ャーループ として直流電圧 PI制御系が
あ り,指令値 は太陽電池最大電力点追従制御 に よ り計
算 された値 が使用 され る｡ この出力 と検 出 して きた電
源側電流 か ら PI制御 を行 い, インバー タ出力電圧指
令値 が清算 され る｡
3.2 結 果
図 9に照度 11
0,
0001
Ⅹ 外気温度 1
0.
0℃の場 合の,
90% 以上の変換効率が得 られ るこ とが確認 で きる｡
図1
0に二次 曲線近似 を用 いた太陽光発電システムの
0
0 ー20
2
4
ー
ー
P
^L
N3P^
出力電圧 が最大 にな る動作電圧付近 (
1
20V) では,
0
4
■
EO
系統連系用 インバー タの実測効率 を示す｡太陽電池の
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n.
最大電 力点追従制御 の実験結 果 を示 す｡ 同図 Vdc で
ステ ップ変化 しているのが太陽電池両端電圧の指令値
で,振動 しているのが実際の両端電圧 であ る｡ また,
Poc で振動
してい るのが, インバー タ出力電 力の推定
値 で,ステ ップ変化 してい るのが 250ms遅 れたその
平均電力であ る｡本システムでは太陽電池の出力電流
を検 出 していないので,制御系 内部 で推定 された系統
電圧 e
d
m と d軸電流 i
dの積 か らインバー タの出力電
力を求めている｡ この とき,系統 の三相電圧不平衡等
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に よ り電源一周期の間では出力電力は一定 しない｡ こ
のため,電源のサ イクルで出力電力の平均値 を とる必
同国では,最初 の電圧 1
20V,
1
1
0
V,130V での電 力
要 があ る｡ そ こで,追従 に必要 な電圧変化 の間隔 を
P2,Pl,P3 が Pl<P2<P3 であ るか ら,10V だ け
500ms に してい る｡ これは,太陽電池両端電圧 の ス
ず らした 1
20V,1
30V,1
40V において二次 曲線近似 を
テ ップ変化 に伴 う過渡現 象 が約 1
00ms持続 してい る
用 いた最大電 力点追従演算 を行 っている｡
ため過渡現象終 了 に250ms待 ち,系統電源周期 の整
2.
0℃で照度 が95,
000か ら11
5,
000
図 11には温度 が 1
数倍 であ る250msの平均 インバ ー タ出力電 力 を太陽
1
Ⅹ へ変化 した時 の応答 を示 す｡ この図で,太陽電池
電池の出力電力 とみな してい るか らであ る｡
の電圧
Vdc は指令電圧
11Cに追従
しなが ら一定 に制
二次 曲線近似 を用いた太陽光発電 システムの最大電 力点追従制御
御 されてい るため,太陽電池 セル に直射 す る光 エネル
ギーの変化 は太陽電池電流
Zd
cの増減 で表 され る｡ こ
れ らの応答 よ り,二 次曲線近似 を用 いた太陽光発電 シ
ステムの最大電 力点追従制御 が示 されている｡
4 あとがき
本論 文 では ,DSP を用 いた系統連 系用 の太陽光発
1
9
7
SI
CE,3
5
,5, (
1
9
9
6
),3
3
3
3
5
9
5)石川 ･小用 :太陽光発電 に よる太陽 エネルギーの
有効利用 ,平成 6年電気学会全国大会 ,1
6
7
5
6)富 田 :特 集 太陽光発電 - 2 ｢太陽光発電 の周辺
技術｣,電気学会論文誌 D,1
1
5
, 4, (
1
9
9
5
)
,2
2
0
2
2
2
7)大庭 ･岩淵 :太陽電池パネルア レイの最大 出力簡
電 システム を構築 した｡ この システムに二次 曲線近似
易制御法 ,電気学 会論文誌 D,1
0
8, 2, (
1
9
8
8)
,
を用 いた最大電 力点追従制御 を適用 し実験 を行 った｡
この実験 に よ り,照度 が変化 して も本方式 に よ り最適
1
4
3
-1
5
0
8)大西 ･高 田 :太陽電池 の最大 出力制御方式の比較
な動作点が維持 で きるこ とが示 された｡ また,交流側
と昇降圧 チ ョッパ 回路 を用いた制御特性 ,電気学会
電流,太陽電池両端電圧 の 3個の瞬時値 と一 つの時間
論文誌 D,1
1
2
,3, (
1
9
9
2
)
,2
5
0
-2
5
7
(
系統 の電源位相)のみを検 出す るだけで系統連系が
9)大庭 ･藤巻 ･依 田 :光発電 システムの最大 出力制
御 ,電 気学 会論 文誌 B,1
1
0,1
0, (
1
9
91), 1
1
2
9
-
達 成で きる こ とが示 された｡
1
2
3
5
参
考
文
献
1)大野 :太陽光発電技 術開発の歩み,電気学 会論文
誌 D,1
1
2
,(
1
9
9
2
)
,9
41
1
9
8
5
)
2)桑野 :太陽電池 とその応用,パ ワー社 , (
3)浜川 :特集
太陽光発電 - 1 ｢
太陽光発電 とその
意義 ｣,電気学会論文誌
D,11
5
,4, (
1
9
9
5
)
,2
1
5
-
21
6
4)黒 川 ･他 :ミニ特 集 太 陽 光 発 電 シ ス テム ,∫.
1
0
)大庭 ･藤巻 ･江 田 :太陽電池モ ジ ュールの動 的等
価 回路 ,電 気 学 会 論 文 誌 D,1
09,8,(
1
98
9),
5
42
5
4
8
l
l
)
大庭 ･藤巻 :太陽電池モ ジ ュールの シ ミュレー タ,
電気学会論文誌
D,1
1
0
,4, (
1
9
9
0
)
,3
6
ト3
6
8
1
2
)田中 ･石谷 口 ･山田 :太陽電池 の出力特性 に基づ
く模擬電源装置 ,電気学 会論文誌 D,1
1
3, (
1
9
9
3
)
,
7
5
3