特許 6037585 太陽光発電システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B1)

(11)【特許番号】6037585

(24)【登録日】2016年11月11日

(45)【発行日】2016年12月7日

(54)【発明の名称】太陽光発電システム

(51)【国際特許分類】

   G05F 1/67 20060101AFI20161128BHJP

   H02S 10/00 20140101ALI20161128BHJP

【ＦＩ】

   G05F1/67 A

   H02S10/00

【請求項の数】7

【全頁数】14

(21)【出願番号】特願2015-530790(P2015-530790)

(86)(22)【出願日】2015年4月13日

(86)【国際出願番号】JP2015061314

【審査請求日】2016年6月8日

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【識別番号】304021417

【氏名又は名称】国立大学法人東京工業大学

(73)【特許権者】

【識別番号】508276121

【氏名又は名称】クリーンエナジーファクトリー株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100114269

【弁理士】

【氏名又は名称】五十嵐 貞喜

(72)【発明者】

【氏名】嶋田 隆一

【審査官】 吉岡 一也

(56)【参考文献】

【文献】 米国特許出願公開第２０１２／０１９３９８６（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 特開２０１３−１４５８８８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１３／０１８８２６（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２０１４−０６７２５９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 中国特許出願公開第１０２３１８０７６（ＣＮ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０５Ｆ １／６７

Ｈ０２Ｓ １０／００−１０／４０

Ｈ０２Ｓ ５０／００−５０／１５

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

複数の太陽電池パネルを直列に接続して構成されるストリングと、前記各太陽電池パネルで発生した直流電力を前記ストリングに接続された電力変換器により変換して負荷又は電力系統に供給する太陽光発電システムであって、該太陽光発電システムは、
前記ストリングの電流を計測するために前記ストリングに直列に接続された電流計測手段と、
前記ストリングと前記電力変換器との間に挿入され、前記ストリングの電圧を所定の割合だけ上昇させるための昇圧チョッパ回路とを備え、
前記昇圧チョッパ回路は、
前記ストリングの電流のスイッチングを行う素子が半導体スイッチであって、かつ、前記昇圧チョッパ回路を構成する直流コンデンサのマイナス端子が前記ストリングのプラス端子に接続されるとともに、
前記電流計測手段で計測された電流が所定の値以下の場合に、前記ストリングの電圧を所定の割合だけ上昇させるように前記半導体スイッチのゲートを制御する制御手段を備えたことを特徴とする太陽光発電システム。

【請求項2】

複数の太陽電池パネルを直列に接続して構成されるストリングと、前記各太陽電池パネルで発生した直流電力を前記ストリングに接続された電力変換器により変換して負荷又は電力系統に供給する太陽光発電システムであって、該太陽光発電システムは、
前記ストリングの電流を計測するために前記ストリングに直列に接続された電流計測手段と、
前記ストリングの電圧を所定の割合だけ降下させるための降圧チョッパ回路とを備え、
前記降圧チョッパ回路は、
前記ストリングの電流のスイッチングを行う素子が半導体スイッチであって、かつ、前記降圧チョッパ回路を構成する直流コンデンサのプラス端子が前記ストリングのマイナス端子に接続され、さらに前記直流コンデンサのマイナス端子がグランドに接続されるとともに、
前記電流計測手段で計測された電流が所定の値以下の場合に、前記ストリングの電圧を前記所定の割合だけ降下させた電圧を前記ストリングに直列に付加するように前記半導体スイッチのゲートを制御する制御手段を備えたことを特徴とする太陽光発電システム。

【請求項3】

前記制御手段が、前記昇圧チョッパ回路における昇圧の割合を徐々に変化させながら前記計測手段が計測した前記ストリングの電流値の変化を監視し、
前記電流値の増加が停止したところで前記昇圧の割合を固定化させ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システム。

【請求項4】

前記制御手段が、前記降圧チョッパ回路における降圧の割合を徐々に変化させながら前記計測手段が計測した前記ストリングの電流値の変化を監視し、
前記電流値の増加が停止したところで前記降圧の割合を固定化させるように制御することを特徴とする請求項２に記載の太陽光発電システム。

【請求項5】

前記ストリングの電流のスイッチングを行う素子が磁気エネルギー回生スイッチであって、
該磁気エネルギー回生スイッチは、２個の半導体スイッチと２個のダイオードがそれぞれ同じ向きに対角線上に配置されたブリッジ回路を形成し、該ブリッジ回路の直流端子間に接続された第二の直流コンデンサを備えるとともに、
前記制御手段は、前記ブリッジ回路の各半導体スイッチのゲートに制御信号を与えて、各半導体スイッチを同時にオン／オフ制御を行うことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の太陽光発電システム。

【請求項6】

前記半導体スイッチがＭＯＳＦＥＴであって、該ＭＯＳＦＥＴのドレイン−ゲート間を抵抗器で接続し、かつ、前記制御手段と前記ゲートとの間に機械接点スイッチを挿入し、
前記機械接点スイッチをオフした時に、前記ストリングの電圧によって前記ＭＯＳＦＥＴをオンすることにより前記ストリングを短絡することを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の太陽光発電システム。

【請求項7】

前記半導体スイッチがＭＯＳＦＥＴであって、少なくとも一方の前記ＭＯＳＦＥＴのドレイン−ゲート間を抵抗器で接続し、かつ、前記制御手段と前記ゲートとの間に機械接点スイッチを挿入し、
前記機械接点スイッチをオフした時に、前記ストリングの電圧によって前記ＭＯＳＦＥＴをオンすることにより前記ストリングを短絡することを特徴とする請求項５に記載の太陽光発電システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、太陽光発電システムに関し、特に、太陽電池パネルを多数直列接続した太陽電池ストリング毎に、より多くの電力を抽出するための制御装置を備えた太陽光発電システムに関する。

【背景技術】

【0002】

太陽光発電設備は、大規模のものは広い場所に数千枚から数万枚の太陽電池パネル（以下「パネル」という。）を直列・並列に接続して置かれる。
一般に、パネルを多数直列に接続した太陽電池ストリング（以下「ストリング」という。）を並列に複数接続して太陽電池アレイを構成する場合、発電電圧等の規格が揃ったストリングを選択して使用することが行われている。

【0003】

このストリングを多数並列に接続することにより電流を増やして、ストリングの発電電力を、一括して交流へ変換するパワーコンデショナと呼ばれる連系インバータ装置により電力系へ出力する。
パワーコンディショナは、ストリングの直流電力を最適な電圧で変換できるように最大電力点追跡（Maximum Power Point Tracking、以下「ＭＰＰＴ」という。）制御によってストリングの電圧を変化させることができる。パワーコンディショナは、この電圧を昇降圧制御するためのＤＣ／ＤＣコンバータを備えており、外部電力系統へ連系するための交流電圧に変換するインバータの電圧源コンデンサに電圧を供給している。

【0004】

しかし、並列接続されているストリング全体としてパワーコンディショナへの入力電圧が共通に一つに決まってしまうため、個別のストリングでは必ずしも最大電力点になっているとは限らない。
各ストリングの最大電力点の電圧は、広いメガソーラサイトの中では同一ではなく、特に温度の変化には敏感に反応する。パネルが斜面に設置されている場合、高低の差、風の流れ等で、パネル間では表面温度で数十度（℃）の差が出るとも考えられる。

【0005】

例えば、日が陰ってパネルの温度が下がり、再び日が射してパネルの温度が上がる場合、その温度差は６０度（℃）にもなるとの観測結果がある。最大電力点の電圧は１度の温度差で約０．５％変化するので、最悪の場合、過渡的ではあるが、同一のパネルにおいても約３０％の電圧変化が生じることがある。従って、メガソーラサイトにおけるパネル配置は温度差の出ないように配置すべきである。

【0006】

また、ストリング内のパネル１枚が破損若しくは経年変化による性能劣化、又はパネル表面の汚れ、部分陰などによって出力が低下した場合も問題になる。その場合、そのストリングの電流は電流の一番小さいパネルの電流に等しくなるので、そのストリング全体としての出力が低下する。
各ストリングの電力を集めるパワーコンディショナの電圧は、他の正常なストリングの電圧に合わせるように動作しているので、出力が低下したストリングのＭＰＰＴ制御はされなくなる。従って、各ストリング毎のＭＰＰＴ制御が必要となる。

【0007】

この様な状況に鑑み、一部のパネルの性能劣化や環境変化に伴って出力が低下したストリングの動作点電圧が最大電力点電圧に近づくように、当該ストリングに電圧を補充して電流を回復させ、当該ストリングの回復した電流がパワーコンディショナに供給されるように制御することが必要となる。
このような場合に、ストリングを構成するパネル１枚毎に電圧検出手段とパネルから出力される電力量を検出する電力検出手段とを備え、さらに、検出されたパネル電圧と電力量に基づいて必要な電力を補充する電力補充手段を備えた太陽光発電システムが提案されている（特許文献１参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0008】

【特許文献1】国際公開第２０１３／０１８８２６号

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0009】

しかしながら、特許文献１に記載の発明は、パネル１枚毎に電圧と電力量を検出して最適なＭＰＰＴ制御を行うという点では優れているが、各パネルが設計通り正常に動作する限りパネル個々にＭＰＰＴ制御する必要が無いにもかかわらず常に制御を行っているため、電力変換の損失が加わるという無駄が存在し、また、数百から数千もあるパネルの全てに電圧検出手段や電力検出手段を設置するにはコストがかかり過ぎるという問題がある。
また、個々のストリングに対して行うＭＰＰＴ制御と、パワーコンディショナが行うストリング全体に対するＭＰＰＴ制御との競合を避ける必要もある。
本発明は上述のような問題点に鑑みなされたものであり、本発明は、パネル１枚毎ではなく、さらに全てのストリング毎にＭＰＰＴ変換は行わずに、正常なストリングはそのままにして、性能の劣化したストリングに対してだけ、正確なＭＰＰＴ制御では無いが「効果のある電力点を探す」制御、云わばＥＰＰＴ（Effective Power Point Tracking）制御を行うことで、ストリング毎に簡易な方法でＭＰＰＴ制御を行い、全ストリングの電流を変換するパワーコンディショナのＭＰＰＴ制御との両立を図ることが可能な太陽光発電システムを提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0010】

上記目的を達成するために、本発明に係る太陽光発電システムは、複数の太陽電池パネルを直列に接続して構成されるストリングと、上記各太陽電池パネルで発生した直流電力を上記ストリングに接続された電力変換器により変換して負荷又は電力系統に供給する太陽光発電システムであって、上記ストリングの電流を計測するために上記ストリングに直列に接続された電流計測手段と、上記ストリングの電流の逆流を防止するために、上記ストリングに直列に接続された逆流防止ダイオードと、上記逆流防止ダイオードと並列に接続され、上記ストリングの電圧を所定の値だけ上昇させるための直流電源と、上記電流計測手段で計測された電流が所定の値以下の場合に、上記直流電源から上記ストリングに所定値の電圧を供給するように制御する制御手段を備えたことを特徴とする。

【発明の効果】

【0011】

上記構成によれば、ストリング毎の電流をモニターして、出力電流が異常に低下したストリングに必要な電圧を補充することにより、当該ストリングの電流を回復させてパワーコンディショナに供給することができるので、ストリングの発電電力を有効に利用することができる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】本発明に係る太陽光発電システムの第１実施形態を示す図である。

【図2】性能が劣化したストリングに対して所定の電圧を補充することにより電流を回復させることができる理由を説明するための図である。

【図3】本発明に係る太陽光発電システムの第２実施形態を示す図である。

【図4】本発明に係る太陽光発電システムの第２実施形態の変形例を示す図である。

【図5】磁気エネルギー回生スイッチの動作を説明するための図である。

【図6】本発明に係る太陽光発電システムの第３実施形態を示す図である。

【図7】本発明に係る太陽光発電システムの第３実施形態の変形例を示す図である。

【図8】本発明に係る太陽光発電システムの第４実施形態を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0013】

以下、この発明を実施するための形態について、具体的に説明する。

【0014】

〔第１実施形態：図１〕
図１は、本発明に係る太陽光発電システムの第１実施形態を示す図である。
図１に示す太陽光発電システムは、複数のパネル１を直列に接続して構成される複数のストリング２と、各パネル１で発生した直流電力をストリング２に接続された電力変換器３により変換して負荷に供給するものである。電力変換器３は、複数のストリングの電流を集めて最大の電力が得られる直流電圧になるように制御するＤＣ/ＤＣコンバータを介して電圧源コンデンサを充電し、電圧型パルス幅変調（Pulse Width Modulation、以下「ＰＷＭ」という。）インバータにより三相交流に連系するものであり、パワーコンディショナと呼ばれている。

【0015】

この太陽光発電システムは、ストリング２の電流を計測するためにストリング２に直列に接続された電流計測装置４と、ストリング２の電流の逆流を防止するためにストリング２に直列に接続された逆流防止ダイオード５と、電圧供給スイッチ６を介して逆流防止ダイオード５と並列に接続され、ストリング２の電圧を所定の値だけ上昇させるための直流電源７とを備えている。
また、電流計測装置４で計測された電流が所定の値以下の場合に、電圧供給スイッチ６をオンして直流電源７からストリング２に所定値の電圧を補充するように制御する制御装置８も備えている。制御装置８としては専用の装置でもよいし、汎用のコンピュータの利用も可能である。

【0016】

なお、パネル１にはバイパスダイオード９及びコンデンサ１０が並列に接続されている。
バイパスダイオード９は、日影になったり故障したりした太陽電池モジュールにおいて、電流をバイパスさせることにより、ストリング２の発電を維持する働きをする。また、コンデンサ１０は、日光や温度変化による発電電圧の変化の影響を和らげ、パネルの発電電圧を安定化させる働きをするものである。
また、参照符号１１で示すものは、ストリング２の電力変換器３への接続／遮断を切り換えるための接続／遮断スイッチであり、運転／保守の切り換えのためにある。

【0017】

パネルの部分陰、性能劣化や温度変化等、何らかの要因によって、特定のパネルの発電電流が減少すると、その不良パネルを含むストリングの電流が他のストリングの電流よりも異常に少なくなる。すなわち、そのストリングの電流は不良パネルの電流に等しくなるので、そのストリング全体としての電流が低下するからである。
図１に示す太陽光発電システムにおいて、直流電源７から所定の電圧を補充することによって、電流が低下したストリング２の電流を回復させることができる理由を、図２を参照して説明する。

【0018】

図２は、性能が劣化したストリングに対して所定の電圧を補充することにより電流を回復させることができる理由を説明するための図である。
図２（Ａ）は、多数のストリングを並列接続してアレイを構成するメガソーラにおいて、パネル温度の違いにより最大電力点のＭＰＰＴ電圧が異なることを示している。
図からわかるように、２５℃におけるＭＰＰＴ電圧は約２６０Ｖであるのに対して、５０℃におけるＭＰＰＴ電圧は約２１０Ｖである。

【0019】

今、２５℃であるストリングが急に５０℃に温度上昇した場合、そのストリングのＭＰＰＴ電圧は約２１０Ｖに下がるが、パワーコンディショナは並列接続されている他の正常なストリングと同じように、２６０Ｖでの制御を続けるため、出力低下したストリングの電力は約４００Ｗにまで低下してしまう。
そこで、直流電源７から約２０％（約５０Ｖ）の電圧を直列に補充すれば、出力低下したストリングの電圧を約２１０Ｖ（＝２６０Ｖ−５０Ｖ）にすることができる。すなわち、出力低下したストリングをＭＰＰＴ電圧で駆動することができることになるため、電力は約１６００Ｗにまで回復する。

【0020】

なお、図２（Ａ）から分かるように、ＭＰＰＴ電圧の左側のカーブは緩やかであるので、補充する電圧は多少大きくても構わない。もちろん、補充する電力より得られる電力が大きい範囲で制御するのは当然である。
図２（Ｂ）は、ストリング２の中のパネルの一部が日陰に入ったような場合に、ストリングの最大電力点のＭＰＰＴ電圧が下がることを示している。この場合、約５０Ｖ（約２０％）の電圧を補充すれば、電力は約６００Ｗから約１６００Ｗまで回復することを示している。

【0021】

図１に戻って、電流計測装置４で各ストリング２の電流を計測し制御装置８に送ると、制御装置８は、各ストリング２の電流値が所定の値以下であるか否かをチェックし、電流値が所定の値以下であるストリングを見つけ、そのストリングのスイッチ６をオンして、直流電源７からそのストリングに所定の電圧を注入する。所定の値は、例えば、通常の平均電流値の２０％に設定しておき、それを下回ったストリングは異常と判断するようにしてもよい。
補充する電圧は、正常なストリングの最大出力点電圧の２０％程度の発電電圧に相当する電圧であると効果が大きいと考えられる。図２に示すように、補充する電圧は移動する最大電力点の電圧に依存し、非標準状態における最大電力点の移動の大きさは、メガソーラの設置条件、気象条件等によりメガソーラごとに異なると思われるため、実際に運転しながら決定する。

【0022】

この場合、電圧を注入すると、能力低下した不良パネルにはバイパスダイオード９をオンするだけの電圧が補充されることになるので、他の正常なパネルの電流は不良パネルのバイパスダイオード９を通って流れ、ストリング２は電流を回復する。
従って、電圧を補充してストリング２の電流が増加するか否かを観測し、増加する場合はそのまま電圧補充を継続する。ストリング２の電流が増加しない場合は、電圧補充を停止する。正常なストリングは電流が増加しないからであり、パワーコンディショナによるＭＰＰＴ制御を妨害しない為でもある。

【0023】

なお、補充すべき電圧の最適値は存在するが、最適値を求めるのではなく、その電圧以上であれば構わないとするのが本発明の特徴でもある。その電圧というのは、約パネル１〜２枚分の電圧である。たとえ余分な電圧を注入したとしても、ストリング電流は各パネルの電流に制限されるので、それほど大きくはならず、また、余剰電力は損失にはならず、その電力はパワーコンディショナ３へ流れるだけなので問題は少ないと言える。
また、直流電源７は、パワーコンディショナ３から出力された交流電力を変圧器ダイオード整流器で作り出したものでも構わない。

【0024】

上記構成によれば、ストリング２毎の電流を電流計測装置４でモニターして、出力電流が異常に低下したストリングを選択して必要な電圧（パネル約１枚分の電圧）を補充することにより、当該ストリングの電流をパワーコンディショナに供給することができるので、ストリングの発電電力を有効に利用することができる。
以下の表１に示すのは、本発明による効果をＰＳＩＭを用いたシミュレーションによって表したものである。１０枚のパネルから成るストリングのうちの一部のパネルが性能劣化した場合の各ケースについて、補充に要した電力と、それによって純増した電力（補充に要した電力を除く。）を対比して示したものである。これにより、本発明の効果が検証された。

【表1】

【0025】

〔第２実施形態：図３〕
次に、本発明の第２実施形態について、図３を用いて説明する。図３は、本発明に係る太陽光発電システムの第２実施形態を示す図である。第２実施形態は、発電電流が低下したストリング２の発電電圧を昇圧チョッパによって昇圧することによって発電電流を回復させるものである。図１の第１実施形態では、外部の直流電源７を用いて必要な電圧を補充したが、第２実施形態ではストリング２の発電電圧自体を昇圧させるために、昇圧チョッパ回路を用いる。

【0026】

図３において、昇圧チョッパ回路は、インダクタ１２、ストリング２の電流のスイッチング動作を行う半導体スイッチ１３、逆流防止ダイオード５、直流コンデンサ１４を備えている。半導体スイッチ１３のゲート電圧を制御してオンオフ制御を行う制御装置８を備えている。半導体スイッチは、例えば、ＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴが好適である。制御装置８はシステム全体として１個設けるか、ストリング毎に設けてもよい。ストリング毎に設ける場合、電流計測装置４で検出される電流を最大にする制御を行えばよい。電圧は、出力高圧ＤＣ母線で決まっているからである。このストリングのＭＰＰＴは電流計測のみの簡易な制御で足りるのも特徴である。
なお、ここでは一般的な昇圧チョッパ回路を利用しているので、その動作原理についての説明は省略する。

【0027】

図３において、制御装置８は、電流計測装置４が計測した各ストリング２の電流値を常時監視しており、制御装置８は、ストリング２の電流値が異常か否かを判断する。判断の基準は第１実施形態と同じであるので、説明は省略する。
制御装置８がストリング２の電流値を異常であると判断すると、制御装置８は、半導体スイッチ１３のゲートにオン／オフ信号を与えてＰＷＭ制御を行う。これにより、パワーコンディショナ３に接続されるストリング２の電圧は上昇し、ストリング２は電流を回復する。

【0028】

ストリング２の電圧の上昇分は２０％程度（パネル約１〜２枚分の電圧）であるので、半導体スイッチ１３のＰＷＭのデューティ比（Duty)は２０％程度である。
なお、制御装置８は、ストリング２の電流値を常に監視しているので、デューティ比を徐々に上げて行き、ストリング２の電流の増加が停止するところでデューティ比の増加を止めるように制御してもよい。電圧をそれ以上上昇させても、電圧が正常に戻れば、ストリングは電流が増加しないからであり、パワーコンディショナによるＭＰＰＴ制御を妨害しない為でもある。

【0029】

なお、第２実施形態における昇圧チョッパ回路の直流コンデンサ１４のマイナス端子はグランドではなく、ストリング２のプラス側に接続されている。従って、直流コンデンサ１４にかかる電圧はパネル約１〜２枚分の電圧（約３０〜１００Ｖ）にしかならず、定格電圧の小さい小型のコンデンサが使用できる。

【0030】

また、第２実施形態における昇圧チョッパ回路の半導体スイッチ１３をオンし続けるとストリング２を短絡するスイッチとしても利用することができる。
定電流的特性を持つパネルは、短絡しても最大電流以上は流れず、短絡することにより電圧が人体に危険の無い電圧になり、逆電流防止ダイオード５によって出力電流がゼロになるので、直流であっても、接続／遮断スイッチ１１によって出力高電圧のＤＣ母線からアークの発生無しに離脱することができる。

【0031】

〔第２実施形態の変形例：図４、図５〕
次に、本発明の第２実施形態の変形例について、図４を用いて説明する。図４は、本発明に係る太陽光発電システムの第２実施形態の変形例を示す図である。
図４に示す第２実施形態の変形例は、図３に示す第２実施形態における半導体スイッチ１３を磁気エネルギー回生スイッチ（Magnetic Energy Recovery Switch、以下「ＭＥＲＳ」という。）１３で置き換えたものであり、それ以外は第２実施形態と同一である。

【0032】

図４において、ＭＥＲＳ１３は、ＭＯＳＦＥＴ（Ｓ１）とダイオード（ｄ１）の直列回路と、ダイオード（ｄ２）とＭＯＳＦＥＴ（Ｓ２）の直列回路を並列に接続し、ダイオードｄ１のアノードとダイオードｄ２のカソード間に磁気エネルギーを回生する第二の直流コンデンサＣ１を接続して構成したものである。
制御装置８は、ＭＯＳＦＥＴ（Ｓ１）とＭＯＳＦＥＴ（Ｓ２）を同時にオン／オフするように制御する。第２実施形態と同様にＰＷＭ制御を行うが、スイッチング損失やノイズが少ないソフトスイッチングであることが特長である。また、ＭＥＲＳは並列導通になるので、片方のＭＯＳＦＥＴに不動作、開放等の故障があった場合でもスイッチングは可能であり、信頼性が上がる。
スイッチング損失をなくすためには、電圧ゼロ又は電流ゼロにオン又はオフをする必要があるが、ＭＥＲＳ１３はそれを実現することができる。図５を用いてそれを説明する。

【0033】

図５は、ＭＥＲＳの動作を説明するための図である。図５（Ａ）は、ＭＯＳＦＥＴ（Ｓ１）及びＭＯＳＦＥＴ（Ｓ２）がオンからオフになった時の状態を示している。Ｓ１及びＳ２が同時にオフになると、図４のインダクタ１２に蓄積されている磁気エネルギーは、図５（Ａ）の矢印の経路でコンデンサＣ１に充電される。磁気エネルギーが全てコンデンサＣ１に蓄積されると、それ以上電流が流れなくなり、電流はゼロになる。

【0034】

この状態でＳ１及びＳ２をオンすれば、図５（Ｂ）の状態に遷移し、線路のインダクタンスにより電流ゼロからゆっくりと立ち上がるのでソフトスイッチングが実現する。この時、電流は矢印の方向に流れる。コンデンサＣ１から電荷が放電してコンデンサＣ１の電圧が略ゼロになると、ダイオードｄ１及びｄ２が順方向に導通する並列導通状態になり、図５（Ｃ）の状態になる。図５（Ｃ）の状態で完全にコンデンサＣ１の電圧がゼロになった後で、Ｓ１及びＳ２をオフすれば、オフした瞬間はコンデンサの電圧がゼロであるから、ハードなスイッチングでは発生していた遮断時のサージが発生せずにソフトなスイッチングが実現し、図５（Ａ）の状態になる。図５（Ａ）〜（Ｃ）のサイクルを繰り返すことにより、スイッチング損失のないソフトスイッチングが可能になる。

【0035】

ＭＥＲＳをＤＣ／ＤＣ変換のスイッチに使うことにより、磁気エネルギーが抵抗に消費されることなく回生されるのが第一の利点であるが、ソフトなスイッチングは、太陽発電のＤＣ／ＤＣ変換で問題になるスイッチング・ノイズが少なくなることも大きな利点である。スイッチング・ノイズを低減するＭＥＲＳを適用することは、広い面積を占めるメガソーラがノイズを曝露して近隣の無線通信の妨害や電磁妨害：ＥＭI（Electro-Magnetic Interference）となることを防ぐ効果がある。

【0036】

〔第３実施形態：図６〕
次に、本発明の第３実施形態について、図６を用いて説明する。図６は、本発明に係る太陽光発電システムの第３実施形態を示す図である。図１の第１実施形態では、外部の直流電源７を用いて必要な電圧を補充したが、第３実施形態ではストリング２の電圧を降圧チョッパで降圧して作り出した電圧（パネル約１〜２枚分の電圧）を補充用の電圧としてストリング２のグランド側に注入するものである。

【0037】

図６において、降圧チョッパ回路は、インダクタ１２、半導体スイッチ１３、逆流防止ダイオード５、直流コンデンサ１４を備えている。また、半導体スイッチ１３のゲート電圧を制御してオンオフ制御を行う制御装置８を備えている。半導体スイッチは、例えば、ＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴが好適である。制御装置８はシステム全体として１個設けるか、ストリング毎に設けてもよい。
なお、ここでは一般的な降圧チョッパ回路を利用しているので、その動作原理についての説明は省略する。

【0038】

また、補充する電圧値及び制御装置８の制御動作は第２実施形態と基本的に同じであるので説明は省略する。
また、直流コンデンサ１４にかかる電圧はパネル約１〜２枚分の電圧（約３０〜１００Ｖ）にしかならず、定格電圧の小さい小型のコンデンサが使用できるのも、第２実施形態と同じである。

【0039】

また、第３実施形態における降圧チョッパ回路の半導体スイッチ１３をオンし続けるとストリング２を短絡するスイッチとしても利用することができる。
定電流的特性を持つパネルは、短絡しても最大電流以上は流れずに電圧が人体に危険の無い電圧になり、逆流防止ダイオード５によって出力電流がゼロになるので、直流であっても、接続／遮断スイッチ１１によって出力高電圧のＤＣ母線から離脱することができる。

【0040】

〔第３実施形態の変形例：図７〕
図７は、本発明に係る太陽光発電システムの第３実施形態の変形例を示す図である。
図７に示す第３実施形態の変形例は、図６に示す第３実施形態における半導体スイッチ１３をＭＥＲＳ１３で置き換えたものであり、それ以外は第３実施形態と同一である。
また、ＭＥＲＳ１３の構成、動作及び特長については、第２実施形態の変形例と同じであるので説明を省略する。

【0041】

上述の通り、第２実施形態、第３実施形態及びそれらの変形例の方法は、チョッパ回路がストリング２と並列接続されるので、ストリング電圧を短絡保護するクローバースイッチ（crowbar switch）としても使え、ストリングの設置工事や保守時の安全に寄与する。

【0042】

〔第４実施形態：図８〕
次に、本発明の第４実施形態について、図８を用いて説明する。図８は、本発明に係る太陽光発電システムの第４実施形態を示す図である。
第４実施形態は、第２実施形態及び第３実施形態（それらの変形例も含む。）において、ストリングの電圧によって半導体スイッチ１３を短絡させるために、半導体スイッチ１３のドレイン−ゲート間を抵抗器１５で接続し、かつ、制御装置８とゲートとの間を遮断するために機械接点スイッチ１６を備えたものである。

【0043】

図８（Ａ）は、図３に示す第２実施形態及び図６に示す第３実施形態の半導体スイッチ１３のドレイン−ゲート間を抵抗器１５で接続し、かつ、制御装置８とゲートとの間を機械接点スイッチ１６を介して接続した場合を示している。
また、図８（Ｂ）は、図４に示す第２実施形態の変形例及び図７に示す第３実施形態の変形例のＭＥＲＳ１３のＭＯＳＦＥＴ（Ｓ１）のドレイン−ゲート間を抵抗器１５で接続し、かつ、制御装置８とゲートとの間を機械接点スイッチ１６を介して接続した場合を示している。なお、Ｓ２の方に抵抗器１５及び機械接点スイッチ１６を接続しても構わない。
また、抵抗器１５の抵抗値は、高速なＰＷＭ制御を行う制御装置８の動作に影響を与えない程度の抵抗値であればよく、具体的には、制御装置８の出力インピーダンスが１００Ω程度以下であるから、その１０〜１００倍の１ｋΩ〜１０ｋΩであればよい。

【0044】

１０年以上の寿命を想定している太陽電池パネルは保守点検が必要である。その場合、ストリング毎に接続／遮断スイッチ１１をオフにして、ストリング２を出力高電圧ＤＣ母線から切り離す必要があるが、ストリングの直流電力は数百Ｖ、数Ａになっているため、これを接続／遮断スイッチ１１により切り離すことは、アークの発生も考えられ、特殊な構造の直流遮断器を使用しなければ困難である。
そこで、ストリング２を短絡して危険のない電圧まで下げる必要がある。この場合、半導体スイッチ１３のゲートを制御装置８からの信号によってオンし続けることにより半導体スイッチ１３を短絡する方法もあるが、安全装置としての信頼性に欠ける。すなわち、制御装置８の電源の信頼性が問題になるからである。

【0045】

第４実施形態は、制御装置８からの信号によってゲートを駆動して半導体スイッチ１３を短絡するのではなく、機械接点スイッチ１６をオフすることにより、ゲートを制御装置８から切り離し、ゲート電圧をストリング電圧まで引き上げて半導体スイッチ１３を短絡するものである。その結果、ドレイン−ソース間は低電圧のスレッショルド電圧になる。従って、ストリングに電圧が発生している限り、機械接点スイッチ１６をオフすれば半導体スイッチ１３を短絡することができるので、制御装置８の電源の信頼性は問題とならない。

【0046】

なお、スイッチ１６を機械接点スイッチとしたのは、半導体スイッチであればゲートを駆動するための信号が必要となるが、機械接点スイッチであれば、手動スイッチ（例えば、押しボタンスイッチやトグルスイッチ等）が使用でき、ゲート駆動信号が不要だからである。
また、機械接点スイッチ１６にはゲート制御用の電圧がかかるが、その電圧はわずかであり（１５Ｖ以下）、電流もほとんど流れないため、微小電流用のスイッチでも構わない。

【0047】

以上説明したように、本発明に係る太陽光発電システムによれば、メガソーラにおける太陽電池パネルのストリング毎の電流を計測し、異常に低い電流値のストリングの電圧を直列に補充することで、補充した電力以上の電力増加があって、発電電力を増加させることができる。
また、ストリングのパネル１枚が破損などして修理・交換するまでの間、補充電圧源を挿入してそのストリングの発電を続けることができる。電圧源はパネル１〜２枚程度の電圧（約３０〜１００Ｖ）が出力可能な直流電源であればよいので、産業用の汎用電源でもよく、精度も要求しない。
以上で実施形態の説明を終了するが、以上説明した各実施形態、動作及び変形例の構成は、相互に矛盾しない限り任意に組み合わせて実施可能であることはもちろんである。

【符号の説明】

【0048】

１ 太陽電池パネル
２ 太陽電池ストリング
３ 電力変換器（パワーコンディショナ）
４ 電流計測装置
５ 逆流防止ダイオード
６ 電圧供給スイッチ
７ 直流電源
８ 制御装置
９ バイパスダイオード
１０ コンデンサ
１１ 接続／遮断スイッチ
１２ インダクタ
１３ 半導体スイッチ（磁気エネルギー回生スイッチ）
１４ 直流コンデンサ
１５ 抵抗器
１６ 機械接点スイッチ
Ｓ１、Ｓ２ 半導体スイッチ（ＭＯＳＦＥＴ）
Ｃ１ 第二の直流コンデンサ
ｄ１、ｄ２ ダイオード

【要約】

本発明は、複数の太陽電池パネル１を直列に接続して構成されるストリング２と、各太陽電池パネルで発生した直流電力をストリング２に接続された電力変換器３により変換して負荷又は電力系統に供給する太陽光発電システムにおいて、ストリング毎に簡易な方法でＭＰＰＴ制御を行うことを目的とする。
そのために、本発明の太陽光発電システムは、ストリング２の電流を計測するための電流計測装置４をストリング２に直列に接続し、ストリング２の電流の逆流を防止するために、ストリング２に直列に逆流防止ダイオード５を接続する。
さらに、スイッチ６を介して逆流防止ダイオード５と並列にストリング２の電圧を所定の値だけ上昇させるための直流電源７を接続し、電流計測装置４で計測された電流が所定の値以下の場合に、スイッチ６をオンして直流電源７からストリング２に所定値の電圧を供給するように制御する制御装置８を備える。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】