MPPTと電流検出による太陽光発電所の効率最大化

大規模太陽光発電所は、資産から最大限の電力を引き出すため、効率向上に向けて運営方法を変えつつある。

太陽光市場は三つの分野に分かれる。第一に住宅用、つまり一般家庭の屋根に設置される太陽光パネルである。第二に商業ビルへの設置である。しかし最大規模であり、効率向上の恩恵を最も受けられるのは、石炭火力発電所と同様の方法で電力を生産する大規模発電所である。

これらの発電所では、500kWから2MWの中央インバーターシステムを採用しています。中央インバーターからは複数のコンバイナーボックスが分岐し、そこから太陽光パネルのストリングが接続されています。これらの太陽光発電ストリングには通常約20枚のパネルが含まれます（逆も同様…エネルギーはパネルからインバーターへ供給されます）。

パネルから最大の電力を引き出すには、電圧と電流の最大電力点（MPP）と呼ばれるものがあり、これを検出するシステムは最大電力点追従装置（MPPT）と呼ばれます。MPPを見つけるには、パネルを流れる電流を徐々に増加させ、最大の電力が引き出される点に達するまで続けます。その点を超えて電流を増やすと、引き出される電力は再び減少します。MPPはパネルに当たる日射量の影響を受けます。

従来の太陽光発電所の運用方法では、全てのパネルを同じ最大電力点（MPP）で運転します。パネルを直列接続すると、全パネルに同じ電流が流れます。各ストリングは互いに並列接続され、全て同じ電圧を持ちます。

さて、すべてのパネルが比較的類似しており、同じ向きで日陰がなく、すべてが太陽を捉えられるのであれば、それらをすべて同じ最大電力点（MPP）で運転しても問題ありません。

しかし現実には、特に大規模な太陽光発電所では、こうした状況は稀です。太陽光パネルには異なる強度で日光が当たります。例えば、発電所の上空を雲が通過すると、一部のパネルは日陰になり、他のパネルは明るい日差しを浴び、また別のパネルはその中間状態になります。

システムが全てのパネルを同一のMPPで動作させるように設定されている場合、これは実質的に最も効率の低いパネルのMPPとなり、その結果プラント全体の効率が大幅に低下する。

したがって、発電所を小規模なゾーンに分割し、各ゾーンに専用のMPPTを設置する傾向が強まっている。これは、太陽の状態に応じて発電所の各エリアが異なる最大電力点（MPP）で運転されることを意味する。

MPPTは基本的にDC-DCコンバータである。過去には、多くの発電所運営者が、追加コストが効率向上による節約を上回るため、これらを多数搭載したインバータの設置を躊躇していた。

現在変化しているのは、最新のパワーエレクトロニクスが高周波数でスイッチングできるためコストが削減された点である。スイッチング周波数は従来約20kHzだったが、現在は約50kHzに達しており、今後さらに上昇する見込みである。

周波数が高いほどインダクタのサイズを縮小できるため、システム全体の小型化とコスト削減が可能となる。また、IGBTやその他の電力部品の効率が向上するため、発熱量が減少し、より小型のヒートシンクで済む。

人気が高まっているのは、これをさらに進め、6～10ストリングごとにインバーターを設置する方法です。これがストリングインバーターです。各ストリングインバーターは約30～50kWの出力であり、この方式には追加の利点がある。1台のインバーターが故障した場合、そのパネルを交換する間、オフラインになるのは小さなゾーンのみである。また、故障したパネルやストリングインバーターの特定も容易になる。特定後は、現場の技術者がこれらを交換・交換できる。通常、予備品は現場に保管されているため、ダウンタイムは大幅に短縮される。

このような設置では、1メガワットあたり最大200個のMPPTが必要となる場合がある。これは若干コストが高くなるが、生産量の増加に伴い価格は低下しており、電力電子技術の進歩によっても同様の傾向が見られる。市場アナリストは、ストリングインバーターを採用した電力設備が、2018年までに中央集約型インバーターを採用した設備を追い越すと予測している。

代替案としては、インバーター内にMPPTを設置する代わりに、それらを全てコンバイナーボックスに集約し、インテリジェント制御を用いて各MPPTが接続されたストリングの最大電力点（MPP）で動作させる方法がある。通常、コンバイナーボックスには4～8個のMPPTが設置される。

電流を測定するため、ストリングインバータまたはインテリジェントコンバイナボックス内のMPPTは、LEM社のHLSRなどの製品を使用します。これはDC-DCコンバータ内部の電流を測定し、MPPT機能を実行できるようにします。これらはストリングインバータとインテリジェントコンバイナボックスの両方で使用できます。

これらのHLSR電流トランスデューサは最先端技術を採用しています。約1％という最高精度を実現し、2μsの応答速度を有するため、50kHzのスイッチング周波数にも対応可能です。さらに堅牢な設計により落雷にも耐えられ、5～10kAのパルスを8～20μsの間耐圧可能です。

そして、その絶縁仕様は1500V設計に適しており、これは大半の大規模プラントが稼働中、あるいは稼働を目指している電圧レベルである。

最後に、HSLRは市場で最もシンプルで信頼性が高く効率的なトランスデューサです。これはLEM独自のASICから製造されており、オープンループ電流トランスデューサ向けに特別に設計・最適化されています。製造プロセスの各段階は、インバータメーカーが直面する大きな価格圧力に対応できるよう最適化されました。HSLRは、より効率的で高品質、かつ低コストなMPPTを実現する手段です。

要求の厳しいユーザー向けに、LEMはHLSRの機能に加え、追加のOCD出力を備えたHOシリーズも提供しています。このデジタル出力は、電流が定義されたしきい値（通常3IPN）を超過したことを示します。トランジスタのハードウェア保護として使用でき、部品点数と設計の複雑さを低減します。

図1はMPPT制御器の基本構成図を示し、HLSR機能とHO機能について説明する。

エネルギーコストの上昇と政府による再生可能エネルギー利用拡大の奨励策により、電力会社は大規模な太陽光発電所の建設を進めている。太陽光市場は2015年に25％成長し55GWに達し、2016年には70GWを超えると予測されている。これに伴い、これらの電源からの電力捕捉効率向上への取り組みが加速している。大規模太陽光発電所では、電力電子技術の進歩により、より多くのMPPT（最大電力点追従）システムを導入することが現実的となり、プラントの各部分が最大効率で稼働できるようになっている。

ただし、これを実現するには電流を正確に測定する方法が必要であり、LEM社のHLSRシリーズのような最新設計の電流変換器を使用することが重要です。そうすることで、天候にかかわらず、電力会社は太陽光発電所から最大限の性能を引き出せると確信できるでしょう。

HLSRシリーズをご覧ください