説明

太陽光発電システムの制御方法

【課題】従来技術の山登り法では、太陽電池のパネルの一部に影が生じて、太陽電池の出力に複数の極大値が発生すると最大電力への追従ができなくなる。
【解決手段】日射状態の変化に追従して太陽電池からの出力電力値が略最大値になるように太陽電池出力設定値を適正値に制御する太陽光発電システムの制御方法において、設定値を遺伝子と見なしかつ太陽電池からの出力電力値を遺伝子の評価値とするGA制御器を具備し、設定値の設定範囲から複数個の遺伝子を無作為に抽出して集団を形成し、この各遺伝子に対応する各設定値によってインバータを順次動作させて出力電力値を各遺伝子の評価値として記憶し、この評価値によって選択しかつ交叉・突然変異させて所定個数の遺伝子を出力して第2世代集団を形成し、以後上記を繰り返して集団を新しく出力電力値が略最大値となるように制御することを特徴とする太陽光発電システムの制御方法である。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、太陽電池からの出力電力値が略最大値となるように制御する太陽光発電システムに係り、特に太陽電池のパネル面の日射量が不均一によって生じる出力電力の複数の極大値のうち、最大電力を的確に追従する技術に関するものである。
【背景技術】
【0002】
図6は、従来技術の太陽光発電システムのブロック図である。同図において、SC1乃至SC3は太陽電池で3枚並列に接続され、PTは太陽電池の出力電圧を検出する出力電圧検出回路、CTは太陽電池の出力電流を検出する出力電流検出回路、CCはマイクロプロセッサにより山登り法を用いたMPPT制御(Maximum Power Point Tracking)(以後、山登り法と言う)を行なうコントローラで、上記マイクロプロセッサCCには太陽電池の出力電圧値及び出力電流値を読み込むためのAD変換器が内蔵されている。INは太陽電池からの直流出力を電圧に変換するDC/ACインバータ回路(又はDC/DCインバータ回路)、ADは負荷、SPは商用の系統電源である。ここで、コントローラCCのマイクロプロセッサは太陽電池SCの出力電圧と出力電流とを乗算することによって太陽電池SCからの出力電力を算出し、メモリー内にその電圧、電力値を記憶する。また、コントローラCCはパルス幅制御回路PWMを介してDC/ACインバータ回路INの出力を制御し、太陽電池SCからの出力電圧を制御させることができる。
【0003】
図7は、従来技術の太陽光発電システムの山登り法を説明するためのフローチャートであり、このフローチャートと図8の極大値を捜索する図を参照しながら動作を説明する。
【0004】
図8に示す、電力−電圧特性の所定の動作点Aに対応する太陽電池出力設定値を初期値とする(ステップS1)。この初期値を第1の太陽電池出力設定値としてインバータを動作させて第1の太陽電池出力電圧V1を設定する(ステップS2)。上記第1の太陽電池出力設定値に応じて出力される第1の太陽電池出力電流I1を測定する(ステップT3)。コントローラCCのマイクロプロセッサは、上記第1の太陽電池出力電圧V1と第1の太陽電池出力電流I1とを乗算して第1の太陽電池出力電力W1を算出し、メモリーに上記第1の太陽電池出力電圧V1と第1の太陽電池出力電力W1との値を記憶する(ステップS4)。
【0005】
次に、第1の太陽電池出力設定値より所定量高い第2の太陽電池出力設定値を設定してインバータを動作させて、図8に示す第1の太陽電池出力電圧V1から第2の太陽電池出力電圧V2へと上昇させる(ステップS5)。
【0006】
上記第2の太陽電池出力設定値に応じて出力される第2の太陽電池出力電流I2を測定する(ステップT6)。コントローラCCのマイクロプロセッサは、上記第2の太陽電池出力電圧V2と第2の太陽電池出力電流I2とを乗算して第2の太陽電池出力電力W2を算出し、メモリーに上記第2の太陽電池出力電圧V2と第2の太陽電池出力電力W2との値を記憶する(ステップS7)。
【0007】
続いて、第2の太陽電池出力設定値より所定量低い第3の太陽電池出力設定値を設定してインバータを動作させて、図8に示す第1の太陽電池出力電圧V1から第3の太陽電池出力電圧V3へと降下させる(ステップS8)。
【0008】
上記第3の太陽電池出力設定値に応じて出力される第3の太陽電池出力電流I3を測定する(ステップT9)。コントローラCCのマイクロプロセッサは、上記第3の太陽電池出力電圧V3と第3の太陽電池出力電流I3とを乗算して第3の太陽電池出力電力W3を算出してメモリーに上記第3の太陽電池出力電圧V3と第3の太陽電池出力電力W3との値を記憶する(ステップS10)。
【0009】
上記より記憶された、図8に示す太陽電池出力電圧V1、V2、V3に(V3<V1<V2)における出力電力値W1、W2、W3の相互の大小を比較し、最も出力電力値が大きかった点へ動作点Aを移動し、この一連の操作を繰り返すことにより、図8に示す最大電力点へと追従を行なう。上述の技術を開示した先行文献として、例えば、特許文献1がある。
【0010】
【特許文献1】特開2001−325031号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0011】
上述に示す従来技術の山登り法では、図8に示す、動作点Aを所定の場所に設定しこの動作点Aでの出力電力を求める。次に、強制的に動作点Aをある任意の太陽電池出力電圧の高い方に移動させ、その動作点での出力電力を求める。次に低い方へ移動させ、同様に出力電力を求める。このようにして求めた3点の動作点での出力電力を比較し、電力が大きい点へと動作点Aを移動しこの一連の操作を繰り返すことにより、最大電力点への追従を行なう。
【0012】
しかし、太陽電池の日射状態が変化してパネルの一部に影が生じると、図8に示す、2つの極大値をもつ大小の山が生じる。このような場合に、動作点をBに設定して山登り法で最大電力点を追従すると第2の極大値を最大電力点と判別するが、動作点をAに設定して最大電力点を追従すると第1の極大値を最大電力点とて停滞し、真の最大電力点である第2の極大値へと追従できなくなる。
【0013】
また、太陽電池の日射状態が複雑に変化してパネルの数ヶ所に影が生じると、図示省略の複数の極大値が発生し、最大電力点の追従がさらに困難になる。この場合、太陽光発電システムは最大電力で運転できなくなる。
【0014】
そこで、本発明は、上記課題を解決することができる太陽光発電システムの制御方法である遺伝的アルゴリズム制御(GA)を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0015】
上述した課題を解決するために、第1の発明は、太陽電池からの出力電圧又は出力電流が予め定めた太陽電池出力設定値と略等しくなるようにインバータを制御し、日射状態の変化に追従して太陽電池からの出力電力値が略最大値になるように上記太陽電池出力設定値を適正値に制御する太陽光発電システムの制御方法において、上記太陽電池出力設定値を遺伝子と見なしかつ太陽電池からの出力電力値を遺伝子の評価値とする遺伝的アルゴリズムに基づくGA制御器を具備し、第1ステップでは上記太陽電池出力設定値の設定範囲から複数個の遺伝子を無作為又は予め定めた条件に基づき抽出して第1世代の初期集団を形成しこの初期集団の各遺伝子に対応する各太陽電池出力設定値によって上記インバータを順次動作させると共に動作中の太陽電池からの出力電力値を各遺伝子の評価値として記憶し、続いて上記初期集団の遺伝子を上記GA制御器に入力し各遺伝子の評価値によって選択しかつ交叉・突然変異させて所定個数の遺伝子を出力して第2世代集団を形成し、第2ステップでは上記第2世代集団の各遺伝子に対応する各太陽電池出力設定値によって上記インバータを順次動作させると共に動作中の太陽電池からの出力電力値を各遺伝子の評価値として記憶し、続いて上記第2世代遺伝子を上記GA制御器に入力し各遺伝子の評価値によって選択しかつ交叉・突然変異させて所定個数の遺伝子を出力して第3世代集団を形成し、以後上記第2ステップの動作を繰り返すことによって次々と遺伝子集団の世代を新しくして太陽電池からの出力電力値が略最大値となるように制御することを特徴とする太陽光発電システムの制御方法である。
【0016】
第2の発明は、上記突然変異の確率を3%乃至5%とすることを特徴とする請求項1記載の太陽光発電システムの制御方法である。
【発明の効果】
【0017】
第1の発明によれば、太陽電池の日射状態が変化しパネルの一部に影が生じて太陽電池の出力電力に複数の極大値が発生しても、本発明の遺伝的アルゴリズム処理を行なうと、上記複数の極大値の発生に関係なく最大電力の極大値の追従が可能となり、太陽電池からの出力電力値を略最大値で制御できる。
【0018】
第2の発明によれば、最大電力の極大値追従中において日射状態が変化し、太陽電池の出力電力の複数の極大値(山の形状)に変化が生じても、遺伝子集団を形成する各太陽電池出力設定値によってインバータを逐次動作させると共に遺伝子アルゴリズムの突然変異の確率を最適な値に設定することにより、上記極大値の形状変化に応じて再度最大電力の追従を開始し、常に最新の最大電力を追従して太陽電池からの出力電力値を略最大値で制御できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0019】
[実施の形態1]
図1は、本発明の実施の形態の太陽光発電システムのブロック図である。同図において、図6に示す、従来技術の太陽光発電システムのブロック図と同一符号は同一動作を行なうので説明は省略し符号が相違する構成について説明する。
【0020】
図1に示す、太陽光発電システムのブロック図において、コントローラCCは、遺伝的アルゴリズム制御(GA)を行なうコントローラであってマイクロプロセッサである。ここで、コントローラCCのマイクロプロセッサは、太陽電池SCの出力電圧と出力電流とを乗算することによって太陽電池SCの出力電力を算出し、メモリー内にその出力電圧、出力電力値を記憶する。また、コントローラCCはパルス幅制御回路PWMを介してDC/ACインバータINの出力を制御して、太陽電池SCからの出力電圧を制御する。
【0021】
次に、遺伝的アルゴリズム制御(GA)について説明する。コントローラCCはGA制御器であり、図示省略の太陽電池出力設定値を遺伝子と見なしかつ太陽電池からの出力電力値を遺伝子の評価値として記憶し、太陽電池出力設定値の設定範囲から複数個の遺伝子を無作為又は予め定めた条件に基づき抽出して集団を形成し、上記遺伝子を選択しかつ交叉・突然変異させて所定個数の遺伝子を生成して第2世代集団を形成し、上記の動作を繰り返しすことによって、次々と次世代の集団を形成し、上記集団の遺伝子の値に基づいて最大電力値の追従を行なう。
【0022】
図2は本発明の実施の形態1の動作を説明するフローチャートである。このフローチャートと図3の集団の遺伝子が遺伝的アルゴリズムにより収束し極大値を追従する図とを参照しながら動作を説明する。
【0023】
太陽電池出力設定値の設定範囲から複数個(例えば、10個)の遺伝子を無作為に又は予め定めた条件に基づき抽出する(ステップT1)。そして、カウンタiを1に設定する(ステップT2)。
【0024】
上記複数個の遺伝子のうち所定の遺伝子に対応する太陽電池出力設定値を第1の太陽電池出力設定値とし、上記第1の太陽電池出力設定値によってインバータを動作させて第1の太陽電池出力電圧V1を設定する(ステップT3)。上記第1の太陽電池出力設定値に応じて出力される第1の太陽電池出力電流I1を測定する(ステップT4)。コントローラCCのマイクロプロセッサは、上記第1の太陽電池出力電圧V1と第1の太陽電池出力電流I1とを乗算して第1の太陽電池出力電力W1を算出してメモリーに記憶する(ステップT5)。そして、カウンタiに1を加算する。(ステップT6)
【0025】
次に、太陽電池出力設定値n個(例えば、10個)の出力電力を全て測定したかを判別して、Noの場合にはステップT3に戻り、上記残りの複数個の遺伝子のうち所定の遺伝子に対応する太陽電池出力設定値を第2の太陽電池出力設定値とし、上記第2の太陽電池出力設定値によってインバータを動作させて第2の太陽電池出力電圧V2を設定とする(ステップT3)。上記第2の太陽電池出力設定値に応じて出力される第2の太陽電池出力電流I2を測定する(ステップT4)。コントローラCCのマイクロプロセッサは、第2の太陽電池出力電圧V2と第2の太陽電池出力電流I2とを乗算して第2の太陽電池出力電力W2を算出してメモリーに記憶する(ステップT4)。続いて、カウンタiに1を加算する(ステップT6)。
【0026】
以後同様の動作を繰り返し、第nの太陽電池出力設定値に応じた第nの太陽電池出力電流Inを測定し、第nの太陽電池出力電力Wnを算出してメモリーに記憶し、図3(A)に示す第1世代の初期集団に対する評価値を決定する(ステップT7)。
【0027】
次に、上記初期集団のうち、無作為に遺伝子2個を抽出して評価値(太陽電池出力電力)の大きい方を選択し上記選択を繰り返して2個の遺伝子を選択する(ステップT8)。
【0028】
上記選択した2個の遺伝子の評価値を2進数の文字列に変換し、予め定めた確率である任意点で交叉させて新たに2個の遺伝子を生成する(ステップT9)。
【0029】
上記交叉した遺伝子に対して、予め定めた低い確率で意図的に文字列の一部を変化させて突然変異を行なう(ステップT10)。
【0030】
上記選択と交叉との回数がn/2(例えば10/2)以下のとき、ステップT8に戻る(ステップT11)。そして、上記初期集団のうち、再度無作為に遺伝子2個を抽出して評価値(太陽電池出力電力)の大きい方を選択し、上記選択を繰り返して新たに2個の遺伝子を選択する(ステップT8)。
【0031】
上記選択した2個の遺伝子の評価値を2進数の文字列に変換し、予め定めた確率である任意点で交叉させて新たに2個の遺伝子を生成する(ステップT9)。
【0032】
上記交叉した遺伝子に対して、予め定めた低い確率で意図的に文字列の一部を変化させて突然変異を行なう(ステップT10)。
【0033】
上記選択、交叉及び突然変異の回数がn/2(例えば10/2)のとき、ステップ12に進み、上記生成された遺伝子によって、図3(B)に示す第2世代集団を形成する。
【0034】
以後、上記の動作を繰り返すことによって次々と遺伝子集団の世代を新しくして、図3(C)に第n世代の集団が形成され、この第n世代集団の遺伝子は極大値近傍に収束されている。
【0035】
上述の遺伝的アルゴリズムを用いて複数の極大値を追従すると、最大電力でない小さい山の極大値を回避し、大きい山の極大値の追従が可能となる。
【0036】
[実施の形態2]
遺伝的アルゴリズム制御GAを用いて最大電力の追従中において、日射状態(影の状態)が変化し、図4(A)に示すように、複数の極大値の形状に変化が生じると、上記極大値の形状の変化に応じて、第n世代集団も移動する。
【0037】
以後、図2に示すフローチャートの動作を繰り返す。このときに、突然変異の動作により、集団の各遺伝子が全て同質になることを防ぎ、日射状態の変化に適応できない極値解に陥るのを防ぐことができ、図4(B)及び図4(C)に示すように、遺伝子集団の世代を新しくして第n+1世代集団、第n+2世代集団へと次々と遺伝子集団の世代を新しくし、太陽電池からの最大出力電力の近傍に上記集団の遺伝子を収束していく。
【0038】
図5は、突然変異の確率と最大電力の追従時間及び電力損失との関係を示す図である。図5より、突然変異の確率が2%以下になると太陽電池の最大出力電力の近傍への追従時間が長くなり、日射状態の変化に対して追従性が悪くなる。
【0039】
逆に、突然変異の確率が6%以上になると、追従性は改善されるが上記突然変異の確率に応じて太陽電池出力設定値の変動回数が増加し、インバータの出力電力の変動率が大きくなり、太陽電池からの出力電力値を略最大値で制御できなくなる。上述より、突然変異の確率を3%〜5%が適正値と考える。
【図面の簡単な説明】
【0040】
【図1】本発明の実施形態に係る太陽光発電システムのブロック図である。
【図2】本発明の実施の形態1の動作を説明するフローチャートである。
【図3】集団が遺伝的アルゴリズムにより収束し極大値を追従する図である。
【図4】集団が遺伝的アルゴリズムにより収束し極大値を追従する第2の図である。
【図5】突然変異の確率と電力の追従時間及び電力損失との関係を示す図である。
【図6】従来技術の太陽光発電システムのブロック図である。
【図7】従来技術の動作を説明するフローチャートである。
【図8】従来技術により極大値を捜索する図である。
【符号の説明】
【0041】
AD 負荷
CC コントローラ
CT 電流検出回路
IN インバータ回路
PT 電圧検出回路
PWM パルス幅制御回路
SP 系統電源
SC1 太陽電池
SC2 太陽電池
SC3 太陽電池

【特許請求の範囲】
【請求項1】
太陽電池からの出力電圧又は出力電流が予め定めた太陽電池出力設定値と略等しくなるようにインバータを制御し、日射状態の変化に追従して太陽電池からの出力電力値が略最大値になるように前記太陽電池出力設定値を適正値に制御する太陽光発電システムの制御方法において、前記太陽電池出力設定値を遺伝子と見なしかつ太陽電池からの出力電力値を遺伝子の評価値とする遺伝的アルゴリズムに基づくGA制御器を具備し、第1ステップでは前記太陽電池出力設定値の設定範囲から複数個の遺伝子を無作為又は予め定めた条件基づいて抽出して第1世代の初期集団を形成しこの初期集団の各遺伝子に対応する各太陽電池出力設定値によって前記インバータを順次動作させると共に動作中の太陽電池からの出力電力値を各遺伝子の評価値として記憶し、続いて前記初期集団の遺伝子を前記GA制御器に入力し各遺伝子の評価値によって選択しかつ交叉・突然変異させて所定個数の遺伝子を出力して第2世代集団を形成し、第2ステップでは前記第2世代集団の各遺伝子に対応する各太陽電池出力設定値によって前記インバータを順次動作させると共に動作中の太陽電池からの出力電力値を各遺伝子の評価値として記憶し、続いて前記第2世代遺伝子を前記GA制御器に入力し各遺伝子の評価値によって選択しかつ交叉・突然変異させて所定個数の遺伝子を出力して第3世代集団を形成し、以後前記第2ステップの動作を繰り返すことによって次々と遺伝子集団の世代を新しくして太陽電池からの出力電力値が略最大値となるように制御することを特徴とする太陽光発電システムの制御方法。
【請求項2】
前記突然変異の確率を3%乃至5%とすることを特徴とする請求項1記載の太陽光発電システムの制御方法。
























【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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【図5】
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【図6】
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【図7】
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【図8】
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【公開番号】特開2006−59126(P2006−59126A)
【公開日】平成18年3月2日(2006.3.2)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2004−240257(P2004−240257)
【出願日】平成16年8月20日(2004.8.20)
【出願人】(000000262)株式会社ダイヘン (990)
【Fターム(参考)】