最大電力点追跡
部分的に影になっているPVシステムの電力/電圧曲線（ローカルおよびグローバルMPPがマークされている）

最大電力点追従（MPPT）[ 1 ] [ 2 ]または単に電力点追従（PPT）[ 3 ] [ 4 ]は、さまざまな条件に応じてエネルギー抽出を最大化するために可変電源で使用される技術です。[ 5 ]この技術は、太陽光発電（PV）システムで最も一般的に使用されますが、風力タービン、光電伝送、熱光起電にも使用できます。

PV ソーラー システムは、インバータ システム、外部グリッド、バッテリー バンク、およびその他の電気負荷とさまざまな関係を持っています。[ 6 ] MPPT が対処する中心的な問題は、太陽電池からの電力転送効率が、利用可能な日光の量、日陰、太陽電池パネルの温度、負荷の電気的特性によって決まることです。これらの条件が変化すると、最高の電力転送を実現する負荷特性 (インピーダンス) が変わります。負荷特性が変化すると、電力転送を最高の効率に保つようにシステムが最適化されます。この最適な負荷特性は、最大電力点(MPP) と呼ばれます。MPPT は、条件の変化に応じて負荷特性を調整するプロセスです。回路は、太陽電池に最適な負荷を提示するように設計し、その後、他のデバイスやシステムに合わせて電圧、電流、周波数を変換することができます。

太陽電池の温度と全抵抗の非線形関係は、電流-電圧（IV）曲線と電力-電圧（PV）曲線に基づいて分析できます。[ 7 ] [ 8 ] MPPTはセル出力をサンプリングし、適切な抵抗（負荷）を適用して最大電力を得ます。[ 9 ] MPPTデバイスは通常、電力変換システムに統合されており、電力網、バッテリー、モーターなどのさまざまな負荷を駆動するための電圧または電流変換、フィルタリング、および調整を提供します。ソーラーインバータはDC電力をAC電力に変換し、MPPTを組み込んでいる場合があります。

MPP での電力 (P mpp ) は、MPP 電圧 (V mpp ) と MPP 電流 (I mpp )の積です。

一般的に、部分的に影になっている太陽光発電パネルのPV曲線は複数のピークを持つ可能性があり、一部のアルゴリズムでは曲線の全体的最大値ではなく局所的最大値に留まってしまうことがあります。[ 10 ]

背景

最大電力伝送点が位置する曲線の膝部と線が交差する太陽光発電セルの IV 曲線。

太陽光発電セルは、動作環境と発電量との間に複雑な関係があります。特定の温度および日射条件下におけるセルの非線形IV曲線特性は、曲線因子（FF）によって機能的に特徴付けることができます。曲線因子は、セルからの最大電力と、開放電圧V ocと短絡電流I scの積の比として定義されます。表形式のデータは、特定の条件下でセルが最適な負荷で供給できる最大電力を推定するためによく使用されます。

P＝FFVoc私sc{\displaystyle P=FF\,V_{oc}I_{sc}}。

ほとんどの場合、FF、V oc、およびI sc は、標準的な条件下でのセルの電気的動作を概算で把握するのに十分な情報です。

いかなる条件においても、セルには電流（I）と電圧（V）の値が最大出力を許容する単一の動作点が存在する。[ 11 ]これらの値は特定の負荷抵抗に対応し、オームの法則で規定されるようにV / Iに等しい。電力PはP=VIで与えられる。

太陽電池は、その有効曲線の大部分において定電流源として機能します。[ 12 ]しかし、太陽電池のMPP領域では、電流と電圧の間にほぼ逆指数関係が見られます。基本的な回路理論によれば、デバイスに供給される電力は、 IV曲線の導関数（グラフ上では傾き）dI/dVがI/V比（dP/dV =0）と等しくかつ反対の方向にあるときに最適化されます（MPP）。 [ 13 ]これは曲線の「膝」に相当します。

抵抗R=V/I（この値の逆数）を持つ負荷は、デバイスから最大電力を引き出します。これはセルの「特性抵抗」と呼ばれることもあります。これは、照度レベル、温度、セルの状態などの他の要因によって変化する動的な量です。抵抗が低すぎても高すぎても、出力は低下します。最大電力点トラッカーは、制御回路またはロジックを用いてこの点を特定します。

電力電圧（PV）曲線

完全な電力-電圧 (PV) 曲線が利用可能な場合は、二分法を使用して最大電力点を得ることができます。

実装

負荷をセルに直接接続する場合、パネルの動作点がピーク電力になることはほとんどありません。パネルから見たインピーダンスが動作点を決定します。インピーダンスを適切に設定することでピーク電力を実現できます。パネルは直流デバイスであるため、DC-DCコンバータは 一方の回路（電源）のインピーダンスをもう一方の回路（負荷）に変換します。DC-DCコンバータのデューティ比を変更すると、セルから見たインピーダンス（デューティ比）が変化します。パネルのIV曲線は、放射照度や温度などの大気条件によって大きく影響を受ける可能性があります。

MPPTアルゴリズムはパネルの電圧と電流を頻繁にサンプリングし、それに応じてデューティ比を調整します。 このアルゴリズムはマイクロコントローラによって実装されます。最新の実装では、分析や負荷予測のために、より高度なコンピュータが使用されることがよくあります。

分類

コントローラは電力出力を最適化するためにいくつかの戦略に従うことができます。MPPTは状況に応じて複数のアルゴリズムを切り替えることができます。[ 14 ]

混乱させて観察する

この方法では、コントローラがアレイからの電圧をわずかに調整して電力を測定します。電力が増加すると、電力が増加しなくなるまでその方向へのさらなる調整が試行されます。これは、摂動および観察(P&O) と呼ばれ、最も一般的ですが、この方法は電力出力の振動を引き起こす可能性があります。[ 15 ] [ 16 ]これは、最大電力点より下での電圧に対する電力の曲線の上昇と、その点より上での下降に依存するため、山登り法とも呼ばれます。 [ 17 ]摂動および観察は、実装が容易なため、最も一般的に使用されている方法です。[ 15 ]摂動および観察 (P&O) アルゴリズムは、太陽光発電 (PV) システムの動作電圧を調整して、最大電力点 (MPP) を追跡します。定期的に電圧を摂動し、結果として生じる電力の変化を観察することにより、アルゴリズムは動作電圧を上げるか下げるかを決定します。電力が増加すれば、摂動は同じ方向に継続され、そうでなければ方向が反転します。適切な予測的かつ適応的な山登り戦略を採用すれば、摂動・観察法は最高レベルの効率性をもたらす可能性がある。[ 18 ] [ 19 ]

増分コンダクタンス

この方法では、コントローラが電流と電圧の増分変化を測定して、電圧変化の影響を予測します。この方法ではコントローラでより多くの計算が必要ですが、P&Oよりも迅速に状況の変化を追跡できます。出力は振動しません。[ 20 ]この方法では、太陽光発電アレイの増分コンダクタンス( )を利用して、電圧( )に対する電力の変化の符号を計算します。増分コンダクタンス法では、増分コンダクタンス( )とアレイコンダクタンス( )を比較してMPPを計算します。これら2つが同じ場合( )、出力電圧がMPP電圧になります。コントローラは、日射量が変化するまでこの電圧を維持し、このプロセスを続けます。 d私/dV{\displaystyle dI/dV}dP/dV{\displaystyle dP/dV}私Δ/VΔ{\displaystyle I_{\Delta }/V_{\Delta }}私/V{\displaystyle I/V}−私/V＝私Δ/VΔ{\displaystyle -I/V=I_{\デルタ }/V_{\デルタ }}

増分コンダクタンス法は、MPPにおいて、、および、という観察に基づいています。アレイからの電流は、電圧の関数として表すことができます。 dP/dV＝0{\displaystyle dP/dV=0}P＝私V{\displaystyle P=IV}

P＝私（V）V{\displaystyle P=I(V)V}。

したがって、 となります。これをゼロに設定すると、 となります。したがって、MPPは、増分コンダクタンスが瞬間コンダクタンスの負の値に等しいときに達成されます。電力-電圧曲線特性は、電圧がMPPより小さい場合、となるため、 となります。電圧がMPPより大きい場合、となります。したがって、トラッカーは、電流/電圧の変化と電流電圧自体の関係を計算することで、電力-電圧曲線上のどこに位置しているかを知ることができます。 dP/dV＝Vd私/dV+私（V）{\displaystyle dP/dV=VdI/dV+I(V)}d私/dV＝−私（V）/V{\displaystyle dI/dV=-I(V)/V}dP/dV>0{\displaystyle dP/dV>0}d私/dV>−私/V{\displaystyle dI/dV>-I/V}dP/dV<0{\displaystyle dP/dV<0}d私/dV<−私/V{\displaystyle dI/dV<-I/V}

電流スイープ

電流スイープ法では、アレイ電流のスイープ波形を用いてPVアレイのIV特性を取得し、一定時間間隔で更新する。そして、同じ間隔で特性曲線からMPP電圧を計算する。[ 21 ] [ 22 ]

定電圧

定電圧方式には、あらゆる条件下で出力電圧を一定値に制御する方法と、測定された開回路電圧（）に対する一定の比率に基づいて出力電圧を制御する方法があります。後者の方式は「開回路電圧」方式とも呼ばれます。[ 23 ]出力電圧が一定に保たれる場合、MPP（最大出力点）の追従は行われないため、厳密にはMPPT方式ではありませんが、MPPの追従がうまくいかない場合に機能するため、補助的に使用されることがあります。開回路電圧方式では、電力供給が一時的に中断され、電流がゼロの開回路電圧が測定されます。その後、コントローラは、開回路電圧の0.76などの固定比率で電圧を制御しながら動作を再開します。[ 24 ]これは通常、予想される動作条件に対して、経験的またはモデル化に基づいてMPPとして事前に決定された値です。[ 20 ] [ 25 ]アレイの動作点は、アレイ電圧を調整し、それを固定基準電圧 に一致させることで、MPP付近に維持されます。 の値は、MPPだけでなく他の要因に対しても最適な性能が得られるように選択できますが、中心的な考え方は、 がに対する比として決定されるというものです。この方法に固有の近似値の一つは、MPP電圧と の比がほぼ一定であるため、さらなる最適化の余地が残されているということです。 VおC{\displaystyle V_{OC}}VおC{\displaystyle V_{OC}}Vref＝けVおC{\displaystyle V_{ref}=kV_{OC}}Vref{\displaystyle V_{ref}}Vref{\displaystyle V_{ref}}VおC{\displaystyle V_{OC}}VおC{\displaystyle V_{OC}}

温度法

この方法は、太陽電池モジュールの温度を測定し、それを基準と比較することによってMPP電圧（）を推定する。 [ 26 ]日射レベルの変化はMPP電圧にほとんど影響を与えないため、その影響は無視できる。つまり、電圧は温度に比例して変化すると仮定する。 Vメートルpp{\displaystyle V_{mpp}}

このアルゴリズムは次の式を計算します。

Vメートルpp（T）＝Vメートルpp（Tref）+あなたVメートルpp（T−Tref）{\displaystyle V_{mpp}(T)=V_{mpp}(T_{ref})+u_{V_{mpp}}(T-T_{ref})}、

どこ：

Vmpp{\displaystyle V_{mpp}}特定の温度における最大電力点の電圧です。
Tref{\displaystyle T_{ref}}基準温度です。
T{\displaystyle T}測定された温度です。
uVmpp{\displaystyle u_{V_{mpp}}}は の温度係数です（データシートに記載）。Vmpp{\displaystyle V_{mpp}}

利点

  • シンプルさ：このアルゴリズムは1つの線形方程式を解きます。そのため、計算量は非常に少なくて済みます。
  • アナログまたはデジタル回路として実装できます。
  • 温度は時間とともにゆっくりと変化するため、振動や不安定性は影響しません。
  • 低コスト:温度センサーは通常安価です。
  • ノイズに強い。

デメリット

  • 低い照射レベル（例えば200 W/m 2未満）では推定誤差が無視できない可能性があります。

方法の比較

P&O法と増分コンダクタンス法はどちらも、アレイの動作条件における電力曲線の極大値を見つけることができる「ヒルクライミング」法の例であり、真のMPPを提供します。[ 7 ] [ 17 ] [ 20 ]

P&O は、定常放射照度下でも最大電力点付近で電力出力の振動を生成します。

増分コンダクタンス法は、振動を生じることなく最大電力点を決定できる。[ 15 ]急激に変化する日射条件下でも、P&O法よりも高い精度でMPPTを行うことができる。[ 15 ]しかし、この方法は振動を生じやすく、急速に変化する大気条件下では不安定な動作をする可能性もある。P&O法に比べてアルゴリズムが複雑であるため、サンプリング周波数は低下する。[ 25 ]

定電圧比（または「開放電圧」）方式では、電流がゼロに設定されている間にエネルギーが失われる可能性があります。[ 25 ] 76%という比率の近似値は必ずしも正確ではありません。[ 25 ]実装が簡単で低コストですが、中断によってアレイ効率が低下し、実際のMPPが確実に見つかるとは限りません。ただし、一部のシステムでは効率が95%を超える場合があります。[ 24 ]VMPP/VOC{\displaystyle V_{MPP}/V_{OC}}

配置

従来の太陽光発電インバータは、アレイ全体に対してMPPT（最大出力電力制御）を実行します。このようなシステムでは、インバータによって制御される同一の電流が、直列接続されたすべてのモジュールに流れます。モジュールごとにIV曲線とMPPが異なるため（製造公差、部分的な日陰などにより[ 27 ]）、このアーキテクチャでは一部のモジュールがMPPを下回る性能となり、効率が低下します。[ 28 ]

代わりに、MPPT を個々のモジュールに導入することで、不均一な日陰、汚れ、電気的な不一致があっても各モジュールが最高の効率で動作できるようになります。

データによれば、東向きと西向きのモジュールの数が同じプロジェクトでは、1つのインバータと1つのMPPTを使用することで、2つのインバータや1つのインバータと複数のMPPTを使用する場合と比べて不利な点はないことが示唆されています。[ 29 ]

バッテリー駆動

夜間、オフグリッドPVシステムはバッテリーを使用して負荷に電力を供給する場合があります。バッテリーパックのフル充電電圧はPVパネルのMPP電圧に近い可能性がありますが、バッテリーが部分的に放電している日の出時には、この状態になることは稀です。充電はPVパネルのMPP電圧よりもかなり低い電圧で開始される可能性があり、MPPTはこの不一致を解消できます。

バッテリーが完全に充電され、PV発電量が局所的な負荷を超えると、MPPTはパネルをMPPで動作させることができなくなります。これは、余剰電力を吸収する負荷がないためです。MPPTは、発電量が需要に見合うまで、PVパネルの動作点をピーク電力点からずらす必要があります。（宇宙船で一般的に用いられる代替手法として、余剰PV電力を抵抗負荷に流用し、パネルをピーク電力点で連続的に動作させることで、パネルを可能な限り冷却するというものがあります。[ 30 ]）

系統連系システムでは、太陽光モジュールから供給される電力はすべて系統に送られます。そのため、系統連系システムのMPPTは常にMPPで動作しようとします。

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さらに読む

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