太陽光発電とMPPT技術の概要
太陽光発電（PV）は、カーボンニュートラルの目標を達成するための重要な手段である。2024年現在、世界の太陽光発電の累積設備容量は1,500GWを超え、中国は600GW以上の設備容量で世界第1位となっている。PVモジュールと系統をつなぐ中核機器であるPVインバーターの性能は、システム全体の発電効率に直接影響する。
最大電力点追従（MPPT）は、PVインバータの中核機能のひとつである。PVモジュールの出力電力は光量や温度によって変化するため、MPPTコントローラーは、システムが常に最大出力状態で動作するようにリアルタイムで動作点を調整することで、エネルギーハーベスティング効率を最大化します。
I. MPPT制御の原理と電流検出の要件
1.1 PVモジュールのI-V特性
PVモジュールの電流-電圧（I-V）特性曲線は非線形である。特定の光と温度の条件下では、最大出力点（MPP）と呼ばれる出力が最大になる動作点が存在する。環境条件が変化すると、MPPは移動する。
1.2 MPPTアルゴリズム
一般的に使用されるMPPTアルゴリズムには以下のものがある：
- 摂動観測（P&O）：MPPは、動作電圧にわずかな調整を加え、電力変化の方向を観察することで発見される。
- インクリメンタルコンダクタンス法（INC）：MPPにおけるdP/dV = 0の条件に基づくトラッキング
- ファジー制御やニューラルネットワークなどのインテリジェントなアルゴリズム：複雑な環境条件への適応
使用されるアルゴリズムにかかわらず、制御決定の基礎となるリアルタイム電力を計算するには、正確な電流と電圧の測定が必要です。
1.3 電流検出精度の要件
MPPT効率の向上は、正確な電流検出にかかっている。研究によると、電流測定誤差が1%増加するごとに、MPPT効率は0.3%～0.5%低下する可能性があり、これは大規模太陽光発電所ではかなりの発電損失を意味する。そのため、ストリングインバータには通常±0.5%以上の電流検出精度が求められます。
ストリング・インバータのアーキテクチャ
2.1 システム・コンポーネント
ストリング・インバータは現在の市場で主流の製品であり、その基本的なアーキテクチャは以下の通りである：
- DC入力：複数のMPPT入力、それぞれが複数のPVストリングに接続される
- DC-DCブースト/バック：MPPT機能用直流電圧の調整
- DC-ACインバーター：直流を交流に変換する
- フィルタリングと保護：出力フィルタリングと各種保護機能
2.2 現在の検出ポイント
ストリング・インバータにおいて、電流検出が必要な場所は以下の通りである：
- 回路あたりのMPPT入力電流：独立MPPT制御の場合
- DCバス電流：電力計算および保護用
- AC出力電流：系統連系制御および計量用
III.太陽光発電インバータにおけるシャントの応用
3.1 MPPT入力電流検出
各MPPTチャンネルは独立した電流検出を必要とする。ストリング・インバータは通常複数のMPPTチャンネル（例えば10～12チャンネル）を持つことを考えると、シャント方式の使用はコスト面で有利である。
典型的なMPPT電流範囲は10A~30Aである。シャント選択パラメータ：
- 定格電流：30A~50A
- 抵抗値：1mΩ～5mΩ
- 精度：±0.5%以上
- TCR：±50ppm/℃以内
3.2 直流バス電流検出
DCバス電流は通常高い（最大100A以上）ので、ホールセンサーや大電流シャントを使用することができる。シャントを使用する場合は、熱設計に特別な注意を払う必要があります。
3.3 小型化と統合化の傾向
インバータの高出力密度化に伴い、電流検出部品の小型化がますます求められています。SMDシャントは、小型で自動生産が容易なため、PVインバータでますます使用されるようになっています。
IV.設計のポイントと応用例
4.1 信号コンディショニング設計
シャントから出力されるミリボルト信号を増幅し、フィルターにかける必要がある。設計のポイントは以下の通り：
- 低バイアス、低ドリフトのオペアンプの選択
- ADCレンジをフルに活用するための適切なゲイン設計
- 高周波ノイズを抑制するRCフィルターを追加
4.2 用途
世界有数の出荷台数を誇るインバータメーカーが110kWストリング・インバータにサフランのチップ・シャント・ソリューションを採用しました。このソリューションの特徴は以下の通りです：
- 12チャンネルMPPT独立検出
- 電流検出精度 ±0.3%
- 年間100万個以上の製品を供給
- 世界30カ国以上に輸出
V. 今後の開発動向
5.1 より高い電力密度
太陽光発電インバーターは高電力密度化に向かっており、電流検出素子の電力密度と放熱性能に対する要求が高まっている。
5.2 インテリジェンスとデジタル化
スマート太陽光発電所の発展に伴い、電流検出データはクラウドプラットフォームと組み合わされ、遠隔監視とインテリジェントな運転・保守を実現する。
結語
正確な電流検出は、効率的なMPPT制御を実現するための基本である。シャントは高精度で低コストという利点を持ち、PVインバータにおいて重要な役割を果たしています。サフランは長年にわたり太陽光発電産業に貢献し続け、豊富なアプリケーション経験を蓄積してきました。
