JP2003009543A

JP2003009543A - 電力変換装置及び電力変換方法

Info

Publication number: JP2003009543A
Application number: JP2001191773A
Authority: JP
Inventors: Shigeaki Wachi; 滋明和智
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2001-06-25
Filing date: 2001-06-25
Publication date: 2003-01-10

Abstract

(57)【要約】【課題】自然エネルギから発電した電力を電力供給母
線に適合した仕様に変換して給電する。【解決手段】基準信号制御部１４は、電圧波形信号３
９に基づいて、比較出力信号２６の値が所定の閾値より
大きい場合は、電力供給母線１７への供給電力を減少さ
せ、基準レベル信号２５の出力レベルを下げることによ
り電流信号２４を下げるフィードバック制御を行うこと
によって、電力供給母線１７上の電圧と電力変換装置１
から電力供給母線に供給される電流とを相似形にして、
電力供給母線の送電波形によらず、力率をほぼ１の状態
で給電する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電力変換装置及び
電力変換方法に関し、特に、発電装置によって発電した
電力を電力供給母線に適合した仕様に変換して給電する
電力変換装置及び電力変換方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般的な電子機器は、電力が供給される
電力供給母線に接続されて使用される。電力供給母線
は、例えば、一般家庭であれば商用ＡＣ１００Ｖの電力
線であるし、三相ＡＣ２００Ｖが使用される場合もあ
る。このような交流電源のなかでも特定地域では、正弦
波の他にも方形波等が用いられる場合もある。また、船
舶の船内電源としては、直流電源が使用されている。

【０００３】一般家庭に供給されている商用ＡＣ１００
Ｖの電源の一般的な電力供給方式について図１４に示
す。図１４に示す電力供給母線２０１には、複数の電子
機器（以下、必要に応じて負荷機器と記す。）２０２乃
至負荷機器２０４が接続されている。つまり、家庭内で
複数の電子機器がトランスフォーマ２０５を介して、商
用電源としての電力供給母線２０１に接続されて使用さ
れる場合である。接続される機器としては、電力供給母
線からの電力を消費する負荷機器のみならず、例えば、
いわゆるインバータのような電力供給母線に電力を供給
する電力変換装置の場合もある。

【０００４】電力は、発電所２０６から負荷機器に対し
て一方向に送電されるのみではなく、負荷機器から電力
供給母線２０１へ、或いは、他の電子機器に対しても送
電される。このような場合は、力率が１でない場合であ
る。このように電力供給母線２０１に対して送り返され
る電力成分は、無効電力であり、負荷機器のなす仕事に
無益である。これは、電力供給母線２０１にインバータ
等の電力変換装置を接続し、意図的に電力供給母線２０
１へ電力を送出する場合でも同様である。

【０００５】すなわち、力率が悪いと電力変換装置から
の電力は、発電所２０６或いは各負荷機器との間を電力
供給母線２０１を通して単に行き来するにすぎない無効
電力となってしまう。

【０００６】近年、力率の改善策は、種々試みられてい
るが、従来は、以下の理由により大きな問題とはならな
かった。すなわち、発電所２０６から電力供給母線２０
１への電力供給能力が電力変換装置から供給される電力
の容量に比べて格段に大きく、どのような波形の電力を
電力変換装置から電力供給母線２０１に戻したとして
も、変換装置からの電力が電力供給母線上における電力
供給に殆ど影響を与えない点である。

【０００７】また、商用電力の生成手法としては、石油
等の化石燃料又は原子力の利用の割合が増加している
が、近年、資源問題、環境問題が大きくクローズアップ
されてきている。このような電力の供給形態では、地
震、洪水等の災害、或いは発電所で消費される重油の産
油地における政情不安定、また発電所における機械の故
障等により、広域にわたり電力の供給が寸断される事態
が容易に招来されることも問題とされている。このほか
に発電所から一般家庭への電力供給母線の異常、例え
ば、落雷、風害、雪害による断線等も電力の安定供給の
障害となり得る。

【０００８】そこで、近年では、このような資源問題、
環境問題の発生の軽減、並びに電力供給が断たれたとき
の小電力の補助発電装置による電力の供給を目的とし
て、家庭又は特定の小地域において、環境問題を生じな
い風力、太陽熱等を使用した自然エネルギを電力に変換
して利用することが試みられている。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】ところが、このような
自然エネルギを用いた補助発電装置は、その源となる自
然エネルギの発生量が自然の環境状態に大きく依存する
ため、常に、安定した一定の電力が得られる訳ではな
い。そのため、多くの場合、２次電池に電力を一旦蓄え
た後に使用されるのが常套手段である。

【００１０】しかしながら、２次電池は、一般的に形状
が大きく、設置に広いスペースを必要とするため、特に
家庭内での使用の障害となる。また、２次電池は、寿命
経過後に産業廃棄物となるため、廃棄物処理という問題
が生じる。

【００１１】そのため、２次電池を介在することなく自
然エネルギから電力を発生し、電力供給母線との間に電
力変換装置を介在させることで、余剰電力を直接電力供
給母線に戻すことが考えられる。

【００１２】この方法によれば、補助発電装置及び電力
変換装置の設置者は、２次電池を設置することなく電力
供給母線に対して安定した給電ができ、事業として電力
供給母線に電力を供給する巨大な発電機を備えた発電所
や電力供給母線等の設備を設置する電力供給者側から、
電力供給母線に送り込んだ電力に応じて対価を得ること
ができる。電力の供給者側からすれば、発電所２０６に
おける電力供給能力に対する負担を減らすことができる
という利益もある。

【００１３】しかしながら、自然エネルギの利用が進
み、相当数の家庭で補助発電装置及び電力変換装置が導
入されることを想定すると、電力供給母線に対する各家
庭からの給電は、個別には少量であっても、これらが相
当数加算されると多量の電力が電力供給母線に戻される
事態が起こり得る。これにより、電力供給母線の波形に
歪みが生じて機器の動作が不安定になったり、電力供給
母線において電力損失が発生したり、発電機の負荷力率
悪化に伴って、発電機が動作異常を示したりする等の悪
影響が発生することが懸念される。そのため、電力供給
母線に戻す電力の質の向上が重要な課題となる。

【００１４】従来の電力変換装置としては、例えば、太
陽光、風力等の自然エネルギにより発生した電力を一般
家庭で使用している商用のＡＣ１００Ｖに変換して電力
供給母線に戻すインバータ方式等が考えられているが、
従来のインバータ方式では、電力を電力供給母線に戻す
ことのみに主眼がおかれており、インバータからの電力
が供給母線へ与える影響は、考慮されてはいない。ま
た、電力供給母線上の電力波形に対してのインバータか
らの出力波形の歪み率、インバータの力率等に関して
は、考慮が払われていないのが現状である。

【００１５】例えば、特開２０００−１５２６４９号公
報においては、電力供給線へ電力を送る旨、電力供給母
線の電圧波形が予め定められている場合において、フィ
ードフォワード方式により、電流と電圧の位相を管理す
る旨は開示されているが、補助発電装置の発電能力の変
動に対する考慮や正確に電力供給母線の電圧波形に応じ
て電流波形を合わせること等については述べられていな
い。

【００１６】そこで本発明は、このような従来の実情に
鑑みて提案されたものであり、上述した従来の電力変換
装置の欠点を改善し、電力供給母線の電力波形に悪影響
を与えずに、家庭的又は地域的な電力供給を賄うことが
できる電力を電力供給母線の送電方式に変換する電力変
換装置及び電力変換方法、また、電力供給母線における
電力損失を軽減し、送電元における発電装置の負担を軽
減し、電力需要者に対して波形歪みのない良質の電力を
供給し、併せて発電所からの電力の供給が断たれた際に
おいては、自然エネルギ等を用いた補助発電装置からの
電力を電力供給母線に供給して需要者間で電力を共有で
きる電力変換装置及び電力変換方法を提供することを目
的とする。

【００１７】

【課題を解決するための手段】上述した目的を達成する
ために、本発明に係る電力変換装置は、電力供給母線の
電圧波形信号を検出する電圧波形検出手段と、電圧波形
信号に所定の乗算係数を乗算することにより基準レベル
信号を生成する乗算手段と、電力供給母線に対して給電
される電流の大きさを検出する電流検出手段と、基準レ
ベル信号と電流との差を比較し比較出力信号を生成する
比較手段と、比較出力信号に応じて基準レベル信号を変
更することにより電力供給母線に対する給電を制御する
電力制御手段とを備える。

【００１８】特に、電力制御手段は、比較出力信号が所
定の閾値を超えた場合、乗算係数の値を減少させ、比較
出力信号が所定の閾値を超えない場合、乗算係数の値を
増加する。

【００１９】このような電力変換装置によれば、電力供
給母線上の電圧と電力変換装置から電力供給母線に供給
される電流が相似形になるようにフィードバック制御さ
れるため、力率が１に近い状態で給電される。

【００２０】また、電力制御手段は、パルス幅変調によ
り電力供給母線に対する給電を制御することで力率をほ
ぼ１に保つとともに電力損失を抑制している。

【００２１】発電装置が界磁巻線を有する他励式直流発
電装置である場合、電力制御手段は、比較出力信号の絶
対値に応じて基準レベル信号を変更することにより電力
供給母線に対する給電を制御することで、力率を略１に
保ちながら他励式直流発電装置の回転エネルギを有効に
電力供給母線に供給することができる。

【００２２】また、この電力変換装置は、更に、比較出
力信号の絶対値に基づいて振幅が変化する方形波で表さ
れる電力を発生する電力発生手段と、方形波の電力を絶
縁分離する電力分離手段と、分離された電力を整流し整
流電力を得る平滑手段と、整流電力の極性を電力供給母
線に供給される電圧の極性変化に基づいて切り替える電
力極性切替手段とを備え、電力制御手段は、比較出力信
号に応じて基準レベル信号を変更することにより電力供
給母線に対する給電を制御する。

【００２３】この構成では、電力変換装置は、力率がほ
ぼ１でありながら、電力供給母線とこの電力変換装置の
多くの構成部分が分離されている。

【００２４】また、本発明に係る電力変換装置は、発電
装置により発電された電力を電力供給母線に対して供給
する電力変換装置において、所定の間隔で外部より発せ
られる基準タイミング信号を受信し復調するタイミング
信号受信手段と、復調された基準タイミング信号に基づ
いて基準波形信号を発生する基準波形信号発生手段と、
基準波形信号発生手段によって発生された基準波形信号
に所定の乗算係数を乗算することにより基準レベル信号
を生成する乗算手段と、電力供給母線に対して給電され
る電流の大きさを検出する電流検出手段と、基準レベル
信号と電流との差を比較し比較出力信号を生成する比較
手段と、比較出力信号に応じて基準レベル信号を変更す
ることにより電力供給母線に対する給電を制御する電力
制御手段とを備えることを特徴としている。

【００２５】このような電力変換装置において、電力制
御手段は、外部より発せられる基準タイミング信号に基
づく基準レベル信号と電力供給母線に対して給電される
電流との差を比較して生成された比較出力信号に応じて
基準レベル信号を変更することにより電力供給母線に対
する給電を制御する。

【００２６】この構成によれば、発電装置から電力供給
母線へ流れる電流は、タイミング信号により完全に同期
がとられているため無駄な電力の損失なく電力供給母線
に給電される。

【００２７】また、上述した目的を達成するために、本
発明に係る電力変換方法は、電力供給母線の電圧波形信
号を検出する電圧波形検出工程と、電圧波形信号に所定
の乗算係数を乗算することにより基準レベル信号を生成
する乗算工程と、電力供給母線に対して給電される電流
の大きさを検出する電流検出工程と、基準レベル信号と
電流との差を比較し比較出力信号を生成する比較工程
と、比較出力信号に応じて基準レベル信号を変更するこ
とにより電力供給母線に対する給電を制御する電力制御
工程とを有する。

【００２８】特に、電力制御工程では、比較出力信号が
所定の閾値を超えた場合、乗算係数の値を減少し、比較
出力信号が所定の閾値を超えない場合、乗算係数の値を
増加する。

【００２９】このような電力変換方法によれば、電力供
給母線上の電圧と電力供給母線に供給される電流とが相
似形になるようにフィードバック制御されるため、力率
が１に近い状態で給電される。

【００３０】また、電力制御工程では、パルス幅変調に
より電力供給母線に対する給電が制御されるため、力率
がほぼ１に保たれ電力損失が抑制される。

【００３１】発電装置が界磁巻線を有する他励式直流発
電装置である場合、電力制御工程では、比較出力信号の
絶対値に応じて基準レベル信号が変更されることにより
電力供給母線に対する給電が制御されるため、力率を略
１に保ちながら他励式直流発電装置の回転エネルギを有
効に電力供給母線に供給することができる。

【００３２】また、この電力変換方法には、比較出力信
号の絶対値に基づいて振幅が変化する方形波で表される
電力を発生する電力発生工程と、方形波の電力を絶縁分
離する電力分離工程と、分離された電力を整流し整流電
力を得る平滑工程と、整流電力の極性を電力供給母線に
供給される電圧の極性変化に基づいて切り替える電力極
性切替工程とが含まれ、電力制御工程では、比較出力信
号に応じて基準レベル信号が変更されることにより電力
供給母線に対する給電が制御される。

【００３３】この場合、力率がほぼ１でありながら、電
力供給母線との電力変換装置の多くの構成部分が分離さ
れる。

【００３４】また、本発明に係る電力変換方法は、発電
装置により発電された電力を電力供給母線に対して供給
する電力変換方法であって、所定の間隔で外部より発せ
られる基準タイミング信号を受信し復調するタイミング
信号受信工程と、復調された基準タイミング信号に基づ
いて基準波形信号を発生する基準波形信号発生工程と、
基準波形信号発生工程において発生された基準波形信号
に所定の乗算係数を乗算することにより基準レベル信号
を生成する乗算工程と、電力供給母線に対して給電され
る電流の大きさを検出する電流検出工程と、基準レベル
信号と電流との差を比較し比較出力信号を生成する比較
工程と、比較出力信号に応じて基準レベル信号を変更す
ることにより電力供給母線に対する給電を制御する電力
制御工程とを有することを特徴としている。

【００３５】この場合、発電装置から電力供給母線へ流
れる電流は、タイミング信号により完全に同期がとられ
ているため無駄な電力の損失なく電力供給母線に給電さ
れる。

【００３６】

【発明の実施の形態】本発明の具体例として示す電力変
換装置は、所定波形の電力が供給されている電力供給母
線から給電する又は発電装置により発電された電力を電
力供給母線に対して供給する電力変換装置であって、主
要な構成として、電力供給母線の電圧波形信号を検出す
る電圧波形検出部と、電圧波形信号に所定の乗算係数を
乗算することにより基準レベル信号を生成する乗算部
と、電力供給母線に対して給電される電流の大きさを検
出する電流検出部と、基準レベル信号と電流との差を比
較し比較出力信号を生成する比較部と、比較出力信号に
応じて基準レベル信号を変更することにより電力供給母
線に対する給電を制御する電力制御部とを備え、電力供
給母線に対する給電を制御することで力率をほぼ１に保
つとともに電力損失を抑制することを可能にしたもので
ある。

【００３７】まず、本発明の具体例の説明で用いられる
「力率」の定義について説明する。一般的に力率は、式
（１）で表される。有効電力／（有効電力＋無効電力）＝力率・・・（１）ここで、無効電力とは、仕事として使用されない電力で
あり、有効電力とは、実際に仕事に使用される電力であ
る。電力波形が正弦波である場合、式（１）の力率は、
式（２）で表される。力率＝ｃｏｓ（電圧と電流との位相差）・・・（２）無効電力は、上述したような電圧波形と電流波形の位相
のずれから生じる。すなわち、無効電流が生じるのは、
容量性又は誘導性の負荷に電力を供給した場合である。

【００３８】また、スイッチングギュレータを用いた機
器でコンデンサインプット型の交流から直流への整流を
直接行う場合においては、電流がコンデンサの電力保持
能力に依存して電圧に対して進む。コンデンサインプッ
ト型の整流回路は、電圧のピーク点でのみ電流が流れる
特性を有しているが、この特性による電流の高調波成分
もまた、力率を悪化させる原因となる。

【００３９】直流電力においては、一般的には、力率の
概念は、生じないが、余り短時間に電力供給母線からの
給電と電力供給母線への給電とが繰り返されると、供給
電圧が直流であっても交流電流とみなすことができ、実
質的には、電力供給母線と発電機に対して力率が悪化し
たときと同様の悪影響を与える。

【００４０】ところで、純抵抗負荷の力率は１である。
このことは、純抵抗負荷の場合、電圧と電流との位相差
が零となることから、式（２）により容易に理解でき
る。純抵抗負荷では、印加電圧と流れる電流の波形は、
相似形となる。したがって、力率が１になる条件は、電
源の波形によらず流れる電流の波形が電圧と相似形とな
ることである。

【００４１】したがって、本発明の具体例として示す電
力変換装置は、電圧と電流の位相のみならず電圧と電流
の波形を理論的に正確に相似形とするようなフィードバ
ック制御方式を採用するとともに、電力変換装置の能力
に応じて目標値を可変とすることによって、補助発電機
の発電量の変動にも対応でき、力率を１に近づけること
ができる。

【００４２】また、本発明の別の具体例として示す電力
変換装置は、電力供給母線に接続されているべき本来の
電力供給源としての発電所に設置された発電機等に障害
が発生した場合、発電機を電力供給母線から切り離し、
補助発電装置からの電力を有効に電力供給母線に供給す
ることができる。このとき基準となる電力波形は、既に
電力供給母線上に存在しないため、例えば、無線により
供給される時間信号に基づいて、各々の補助発電機の動
作を管理することにより、各々の補助発電機の動作の調
和をとることができる。これにより、約力率１で電力供
給母線に電力の供給が可能である。

【００４３】なお、以下の説明では、電力変換装置の入
力側、すなわち電力の発生側は、直流電力であることを
前提として説明するが、交流であっても簡単な整流装置
を設けて直流に変換すれば、そのまま本発明を適用でき
る。

【００４４】一般的に、自然力を利用して電力を発生す
る場合、発電量が変動する。したがって、本発明の具体
例として示す電力変換装置は、特に、このように入力側
から供給する電力に変動がある場合に好適に使用するこ
とができる。また、本発明の具体例として示す電力変換
装置は、電力供給が変動しない場合であっても、何ら問
題なく適用でき、本発明の目的を達成することができ
る。

【００４５】以下、本発明の実施の形態について、図面
を参照して詳細に説明する。図１に、本発明の第１の具
体例の電力変換装置１を示す。

【００４６】電力変換装置１において、電圧波形検出部
１１は、端子１８ａ、端子１８ｂ、及び基準信号制御部
１４に接続されている。電流検出部１２は、電力供給母
線１７と電力制御部１５とを接続する接続線に設けられ
た電流センサ２１に接続されている。比較部１３は、基
準信号制御部１４からの基準レベル信号２５と電流検出
部１２からの電流信号２４が入力端子に接続され、基準
信号制御部１４に比較出力信号２６を出力する出力端子
が接続されている。電力制御部１５は、端子１８ａ、端
子１８ｂを介して電力供給母線１７へ接続され、端子１
９ａ、端子１９ｂを介して自然エネルギ電力変換部１６
に接続するとともに、基準信号制御部１４と接続されて
いる。自然エネルギ電力変換部１６は、例えば、風力を
用いた風力発電機、ソーラパネル等で代表される光発電
素子等からなる。電力変換装置１は、端子１８ａ、端子
１８ｂ、端子１９ａ及び端子１９ｂを有し、端子１８ａ
と端子１８ｂを介して電力供給母線に接続され、端子１
９ａと端子１９ｂを介して発電装置２３に接続されてい
る。また、内部側に端子２０ａと２０ｂを有している。

【００４７】発電装置２３の一例として、自然エネルギ
を使用して発電する場合、自然エネルギ電力変換部１６
とそれに附帯する機構からなるが、本発明の具体例にお
いて種類は限定されず、燃料電池であってもよい。ま
た、自然エネルギによる発電に限定されない。

【００４８】また、電力変換装置１における基準信号制
御部１４の詳細を図２に示す。基準信号制御部１４は、
閾値検出及び乗算係数発生部４０と乗算器４１とからな
る。閾値検出及び乗算係数発生部４０は、比較出力信号
２６に応じて乗算器４１の乗算係数４４を出力する。乗
算器４１は、電圧波形信号３９に対して乗算係数４４を
乗算する。

【００４９】更に、電力変換装置１における電力制御部
１５の詳細を図３に示す。電力制御部１５に含まれる４
個のスイッチ素子３１乃至スイッチ素子３４は、フルブ
リッジ接続され、端子１９ａ及び端子１９ｂにより、自
然エネルギ電力変換部１６に接続されている。端子２０
ａ及び端子２０ｂにより、端子１８ａ及び１８ｂと接続
されている。各々のスイッチ素子のベースは、電力素子
制御部２７に接続されている。電力素子制御部２７は、
位相補償部４３を介して、基準信号制御部１４と接続さ
れており、比較出力信号２６を位相補償した信号である
補償後制御信号２２を受け取る。

【００５０】続いて、上述の構成を有する第１の具体例
として示す電力変換装置１の動作について説明する。

【００５１】電力供給母線１７には、電力が供給されて
いる。ここで、電力供給母線１７に供給される電力の電
圧波形は、正弦波、方形波、又は直流を問わない。あら
ゆる任意の波形であってよい。電力供給母線１７と電力
変換装置１とは、端子１８ａ及び端子１８ｂを介して接
続されており、端子１８ａと端子１８ｂの両端の電圧波
形が電圧波形検出部１１において検出される。

【００５２】ここで、電圧波形の検出に際して、電力供
給母線１７と電力変換装置１の内部回路との接続を分離
するために、フォトカプラ等の分離手段が用いられる
が、電力供給母線１７の電圧が交流の場合は、分離手段
の代わりにトランスを用いることもできる。

【００５３】電圧波形検出部１１は、分離の後、検出さ
れた電圧波形に重畳されているノイズ成分をローパスフ
ィルタにより簡易に取り除き、基準信号制御部１４に対
して電圧波形信号３９を発生する。ノイズ成分が重畳さ
れていない場合には、ローパスフィルタは、必ずしも必
要ない。

【００５４】基準信号制御部１４は、電圧波形信号３９
に基づいて、基準レベル信号２５を発生する。この基準
レベル信号２５は、電力供給母線１７に対して電力変換
装置１から供給する電流値を決定する役割を果たす。こ
の部分の動作については、後述する。

【００５５】電流センサ２１は、電力変換装置１から電
力供給母線１７への電流を検出する素子であって、例え
ば、ホール素子を利用したカレントプローブ等が利用で
きる。また、電力損失が大きくならない範囲で小さな抵
抗値を有する抵抗の両端の電圧を検出するなどしてもよ
い。

【００５６】電流検出部１２では、電流波形に重畳され
ているノイズ成分をローパスフィルタにより簡易に取り
除き、適正な値にレベルを設定し、電流信号２４を発生
する。電流信号２４は、比較部１３に供給される。

【００５７】比較部１３は、電流検出部１２からの電流
に基づく電流信号２４と基準レベル信号２５との大きさ
を比較する。具体的には、基準レベル信号２５と電流信
号２４との差分が演算される。この演算の結果である比
較出力信号２６は、基準信号制御部１４に送出される。

【００５８】正常動作時、すなわち電力制御部１５から
の電力供給能力が十分ある場合には、比較出力信号２６
は、所定の閾値より小さい値となっている。それは、電
流センサ２１、電流検出部１２、比較部１３、基準信号
制御部１４、電力制御部１５により構成される制御系の
一巡伝達関数で特徴づけられる開ループの利得が１に比
べ十分大きいからである。

【００５９】例えば、上述した制御系の正常動作範囲で
は、比較出力信号２６が６０デシベル以上となるように
設計する。そのため、基準レベル信号２５と電流信号２
４との差である比較出力信号２６は、１／１０００程度
に十分抑圧される。一方、電力制御部１５の電力供給能
力が不十分な場合は、制御系の一巡伝達関数で表される
開ループの利得が極端に低下するため、比較出力信号２
６の値は、急激に増加する。

【００６０】図４に、電流供給能力が十分である場合
と、電流供給能力が十分でない場合の基準レベル信号２
５と電流信号２４と比較出力信号２６とを示す。ここ
で、電流供給量は、乗算係数ｋによって決定される。図
４（ａ）は、乗算係数が異なる場合のそれぞれの乗算係
数における電圧波形信号３９を示している。図４（ｂ）
は、電圧波形信号３９に対応する基準レベル信号２５の
変化を示している。図４（ｃ）は、電圧波形信号３９に
対する電流信号２４の変化を示している。図４（ｄ）
は、電圧波形信号３９に対する比較出力信号２６の変化
を示している。比較出力信号２６には、所定の閾値Ｓ
_Ｔ１とＳ_Ｔ２とが予め用意されている。なお、各図にお
いて、乗算係数ｋ_１とｋ_２の場合が示されている。ただ
し、ｋ_１＜ｋ_２である。

【００６１】図４において、比較出力信号２６の値が所
定の閾値より大きい場合は、電力制御部１５からの電力
供給能力が不十分であることを意味している。したがっ
て、電力供給母線１７への供給電力を減少させ、力率の
悪化を防ぐ必要がある。つまり、基準レベル信号２５の
出力レベルを下げる。基準レベル信号２５のレベルを下
げると、それに伴い、制御ループの作用により電流信号
２４を下げる作用が働く。電力変換装置１の電力能力が
十分ある場合には、自然エネルギ電力変換部１６の能力
に応じた電力が供給され、力率の悪さが改善される。そ
れに対し、電力変換装置１の電力能力が自然エネルギ電
力変換部１６の能力を下回る場合、電力変換装置１の能
力に応じた電力が供給され、力率の悪さが改善される。

【００６２】ここで、基準レベル信号２５を下げる方法
について、図２を用いて具体的に説明する。電圧波形検
出部１１からの電圧波形信号３９と乗算係数４４とを乗
算器４１により乗算する。このときの乗算係数４４の値
に応じて、電力供給母線への供給電力量を制御すること
ができる。乗算係数４４の値をどのように定めるかの制
御は、比較部１３からの比較出力信号２６に基づいて行
われる。例えば、上述したように、比較出力信号２６か
らの信号が所定の閾値を越えた場合には、乗算係数４４
の値を減少させ、比較出力信号２６からの信号が所定の
閾値を越えない場合には、乗算係数４４の値を増加する
ことにより、電力変換装置１の最適能力の電力供給が行
える。

【００６３】すなわち、乗算係数４４の値が小さくなれ
ば、基準レベル信号２５の値も小さくなり、制御ループ
が適切に動作していれば、この基準レベル信号２５にし
たがい、電流検出部１２からの電流信号２４の値も小さ
くなるように電力供給母線１７への電力を減少させる。

【００６４】ここで、乗算係数４４が更新される周期
は、電圧波形信号３９の変化の周期に対して十分長く選
択さるものであれば、基準レベル信号２５と電圧波形信
号３９は、乗算係数４４のわずかな切替時間を除き、ほ
ぼ相似形に保たれる。また、乗算係数４４の増加量、減
少量がわずかであれば、仮に、電圧波形信号３９の周期
毎に乗算係数４４を変更したとしても、相似形を崩すこ
とは殆どない。この結果、電力供給母線１７への電力
は、常に略力率１の状態を維持して供給されることにな
る。

【００６５】図４において、比較出力信号２６の波形図
が示すように、一般には、電流のピークで電圧の供給能
力が不足する。上述したように、比較出力信号２６が閾
値を超えた場合、基準レベル信号２５を減少させるのが
効果的な方法の一つである。また、この方法に限らず、
種々の評価関数を用いることができる。例えば、比較出
力信号２６の絶対値或いは比較出力信号２６の２乗を評
価関数としてもよいし、それらを所定時間で平均してノ
イズの影響による誤動作を防ぐための積分要素を導入し
た評価関数を用いることもできる。また、比較出力信号
２６に基づく信号であれば、何れの場合も電力変換装置
の電流供給能力の不足を表すため、比較出力信号２６を
加工した如何なる評価関数に基づく信号であってもよ
い。

【００６６】上述した乗算器４１、比較部１３、閾値検
出及び乗算係数発生部４０、位相補償部４３は、個別の
回路構成により容易に実現可能であるが、ＤＳＰ（Digi
talSignal Processor）を利用することにより、より簡
便に、ソフトウェアとして実現可能となる。

【００６７】次に、電力制御部１５の動作について、図
３に基づいて説明する。電力制御部１５は、電力素子制
御部２７と４個のスイッチ素子３１乃至スイッチ素子３
４、並びにローパスフィルタを構成するインダクタンス
２８、インダクタンス２９及びキャパシタンス３０から
なる電力方式を変換する部分と、電力素子の制御を行う
電力素子制御部２７と、制御系の応答の最適化を行う位
相補償部４３とからなっている。

【００６８】スイッチ素子３１乃至スイッチ素子３４に
おける電力制御方式としては、ＰＷＭ（Pulse Width Mo
dulation）制御方式を採用することが望ましい。ＰＷＭ
制御方式の採用により、電力素子での損失は理論的に零
となり、無駄なエネルギ損失を防ぎ、エネルギの効率的
利用が可能となる。また、これにより、電力変換装置の
小型化、ローコスト化が図れる。実際には、スイッチン
グロス、オン電圧ロス等により、電力素子における損失
を完全に零にすることはできないがリニア方式に比べて
大幅な電力損失の軽減を図ることができる。

【００６９】電力素子制御部２７は、スイッチ素子３１
乃至スイッチ素子３４を制御するための信号であるスイ
ッチ素子制御信号３５乃至スイッチ素子制御信号３８を
生成する。

【００７０】ここで示す具体例のようにトランジスタを
スイッチ素子として用いた場合、スイッチ素子制御信号
３５乃至スイッチ素子制御信号３８の波形は、電力供給
母線の波形に応じて、位相補償部４３からの補償後制御
信号２２に基づいて、各々図５に示すように発生させら
れる。

【００７１】図５（ｅ）は、図４（ｄ）に示した比較出
力信号２６を拡大して示している。図５（ａ）乃至図５
（ｄ）は、それぞれ、スイッチ素子制御信号３５乃至３
８に対応している。ここでは、図５に示した各スイッチ
素子制御信号は、ＰＷＭ変調されているため、振幅方向
の変化は、幅方向の変化に変換される。更に、ＯＮ／
（ＯＦＦ＋ＯＮ）の時間の比であるパルス・デューティ
が振幅値と対応している。

【００７２】通常、ＰＷＭ変調の周波数は、数キロヘル
ツ以上、数百キロヘルツの高周波領域の範囲で可聴帯域
外の２０キロヘルツ以上の領域が使用されるが、電力素
子等の応答特性次第では、更に高い周波数を用いること
もできる。

【００７３】ここで、電力素子制御部２７の具体的な構
成を図６に示す。電力素子制御部２７は、補償後制御信
号２２に基づいて、ＰＷＭ信号を生成する。また、ＰＷ
Ｍ制御方式におけるスイッチ素子制御信号３５乃至３８
の波形について、図７を用いて詳細に説明する。

【００７４】図７（ａ）は、補償後制御信号２２の変化
を示し、図７（ｂ）は、補償後制御信号２２に対する絶
対値信号５０の変化を示している。図７（ｃ）は、絶対
値信号５０に対する変調信号５１を示し、図７（ｄ）
は、絶対値信号５０に対するＰＷＭ信号９１を示してい
る。また、図７（ｅ）は、絶対値信号５０に対する極性
信号５２を示し、図７（ｆ）は、正極側ＰＷＭ信号５３
を示し、図７（ｇ）は、負極側ＰＷＭ信号５４を示して
いる。

【００７５】位相補償部４３は、制御系の応答を改善す
るためのものであり、汎用の位相補償器として、ラグリ
ードフィルタ等を使用することができる。位相補償部４
３は、電力制御部１５に設けられた電力素子制御部２７
に補償後制御信号２２を供給する。ラグリードフィルタ
もまた、上述したように、ＤＳＰで容易に実現できる。

【００７６】図６に示すように、補償後制御信号２２
は、絶対値検出部４２において絶対値信号５０に変換さ
れる。図７には、補償後制御信号２２が拡大して作図さ
れているが、実際は、開ループゲインにより圧縮された
微小量であり、開ループゲインが無限大の場合は、補償
後制御信号２２の値は零となる。しかし、開ループゲイ
ンは、有限であるため、定常偏差が残るため、電力供給
母線１７に供給される電圧波形が周期波形の場合は、同
じ周期で繰り返す繰り返し信号となる。

【００７７】絶対値信号５０は、ＰＷＭ変調部４５に入
力され、鋸波発生部４６からの変調信号５１と比較さ
れ、その大小を検出されてＰＷＭ信号９１に変換され
る。ここで絶対値を検出するのは、ＰＷＭ変調を容易に
するためである。

【００７８】電力を取り扱う部分では、スイッチ素子３
１とスイッチ素子３２とを同時にオンとし、スイッチ素
子３３とスイッチ素子３４とを同時にオンすることによ
り両極性の信号が作り出される。どちらの組をオンにす
るかの選択信号である正側ＰＷＭ信号５３及び負側ＰＷ
Ｍ信号５４の発生には、極性検出部４７からの極性信号
５２、ＩＮＶ（インバータ）、及びＡＮＤ（アンド）ゲ
ートが用いられる。

【００７９】絶対値検出部４２、極性検出部４７、ＰＷ
Ｍ変調部４５、鋸波発生部４６、ＩＮＶ、ＡＮＤの各ブ
ロックは、ＤＳＰで容易に同じ機能をソフトウェアにて
実現することができる。レベル変換部４８及びレベル変
換部４９は、各スイッチ素子の動作レベルが異なるので
これを適正に合わせるためのものである。

【００８０】電力供給母線に直流が供給されている場
合、スイッチ素子の片方の組のみが動作し、他方の組
は、オフ状態を維持する。どちらの組がオンとなるか
は、電力供給母線１７の極性による。

【００８１】以上示したように、本発明の第１の具体例
として示す電力変換装置１によれば、フィードバック制
御により、電力供給母線１７上の電圧と、この電力変換
装置１から電力供給母線に供給される電流とは、相似形
になるため、力率が１に近い状態での給電が可能となる
とともに、この電力変換装置１における電力損失が軽減
される。また、このような構成によれば、電力供給母線
１７の送電波形によらず、力率が略１に保たれるという
利点がある。

【００８２】本発明の第１の具体例として示す電力変換
装置１は、自然エネルギから変換された電力の電圧が電
力供給母線上のピーク電圧以上であることを前提として
いるが、その電圧値は、風力発電であれば風力の強さに
依存し、太陽熱発電であれば日射状態に依存する。

【００８３】続いて、本発明の第２の具体例として示す
電力変換装置を、図８を用いて説明する。図８は、電力
変換装置に接続して用いるステップアップ型スイッチン
グレギュレータを示している。

【００８４】第２の具体例として示す電力変換装置は、
発電装置２３と電力変換装置との間にステップアップ型
スイッチングレギュレータを挿入することにより、自然
エネルギ電力変換部１６からの発生電圧が電力供給母線
１７のピーク電圧より低い場合であっても、力率をほぼ
１にすることを可能としている。ただし、第２の具体例
として示す電力変換装置において、第１の具体例として
示す電力変換装置と同一の番号によって表す構成につい
ては、同一の機能及び作用を有することとし、説明を省
略する。

【００８５】図８における端子１９ａ”と端子１９ｂ”
は、図１における端子１９ａと端子１９ｂの自然エネル
ギ電力変換部１６側にそれぞれ接続され、１９ａ’と端
子１９ｂ’は、端子１９ａと端子１９ｂの電力変換装置
側にそれぞれ接続される。

【００８６】キャパシタンス５８は、電力供給母線の電
力が交流の場合、その交流の周期に比べて十分長い時
間、一定の電圧を維持できるように容量の大きさが選択
されている。インダクタンス５５は、電気エネルギを一
時的に磁気エネルギに変換し、スイッチ素子５６がオフ
となったとき、キャパシタンス５８に電気エネルギとし
て放出することにより電圧を上昇する。ダイオード５７
は、端子１９ａ’側から端子１９ａ”側へ電流が逆流す
るのを防いでいる。また、ダイオード５７は、電力供給
母線の電力が直流の場合、その電圧変動周期に比べて十
分長い期間、一定の電圧を維持できるように容量の大き
さが選択されている。

【００８７】キャパシタンス５８の電圧は、ＰＷＭ変調
部５９からのＰＷＭ変調信号によってスイッチ素子５６
がオン又はオフされることで所定の値にされる。

【００８８】ここで、基準電圧生成部６０は、上述の所
定の電圧を維持するための基準となる電圧を生成してい
る。

【００８９】このように、本発明の第２の具体例として
示す電力変換装置は、例えば、自然エネルギを使用して
発電する発電装置からの電力が給電されているような場
合、風力発電による発電装置であれば風力の低下、ま
た、太陽熱発電による発電装置であれば日射の低下等に
より、発電装置の出力電圧が電力供給母線１７の電圧を
下回ったとしても、安定して力率をほぼ１にすることが
できる。

【００９０】次に、本発明の第３の具体例として示す電
力変換装置を、図９を用いて説明する。第３の具体例と
して示す電力変換装置は、具体的に、風力発電によって
電力を生成する自然エネルギ電力変換部を有する発電装
置から電力の供給を受けるものである。ただし、第３の
具体例として示す電力変換装置において、第１の具体例
として示す電力変換装置と同一の番号によって表す構成
については、同一の機能及び作用を有することとし、説
明を省略する。

【００９１】ここでは、発電装置における自然エネルギ
電力変換部は、図９に示すように、プロペラ９２と直流
発電機９３とを備えている。直流発電機９３は、他励発
電機であり、その界磁９５及び界磁９６には、界磁コイ
ル９７と界磁コイル９８がそれぞれ設けられている。発
電装置は、プロペラ９２で風を受け、その回転力を直流
発電機９３の回転子９４に伝える。

【００９２】界磁コイル９７及び界磁コイル９８は、図
６に詳細を示した電力制御部１５における電力素子制御
部２７で発生された絶対値信号５０を電力増幅器９９で
増幅して電流として導通する。

【００９３】この場合、界磁９５及び界磁９６の磁気飽
和がない範囲であって、且つ残留磁化がないとすれば、
起電圧Ｅは、界磁電流１００の値をＩ、直流発電機の回
転数をNとすると、以下の式（３）で表される。Ｅ＝ｋ・N・Ｉ・・・（３）ここで、ｋは、直流発電機固有の定数である。この式
（３）では、磁気飽和、残留磁化により誤差が生じる
が、この誤差は、許容範囲内である。

【００９４】式（３）は、界磁電流が増加して起電圧が
上昇した場合、プロペラ９２の負荷が増加して回転数が
低下することを表している。一方、起電圧が減少し発生
電力が低下した場合、界磁電流が減少してプロペラ９２
の負荷が軽減され、回転数が増加することを表してい
る。

【００９５】このように、本発明の第３の具体例として
示す電力変換装置は、直流発電機からの電力供給が少な
いときは、機械的な負荷が軽くなるため、風力エネルギ
を蓄えることができる。また、プロペラ９２と回転子９
４との間の回転モーメントにより、電力供給母線１７の
周波数変化よりも十分緩やかな電力変動となるため、起
電力の大きさと界磁電流１００とは相似形を維持でき
る。

【００９６】したがって、本発明の第３の具体例として
示す電力変換装置は、界磁電流を制御することにより、
風力によって生じた回転の運動エネルギを無駄なく電気
エネルギとして電力供給母線１７に供給できる。

【００９７】続いて説明する本発明の第４の具体例とし
て示す電力変換装置は、電力供給母線１７が一般家庭用
の商用ＡＣ１００Ｖの電力線の場合に適用できる構成例
である。電力変換装置の構成は、第１の具体例として示
した電力変換装置１と同一であるが、第４の具体例とし
て示す電力変換装置では、電力供給母線１７とこの電力
変換装置との間に、図１０に示す回路を挿入する。

【００９８】図１１（ａ）にインバータ部６９へのイン
バータ入力電圧８３の波形を示し、図１１（ｂ）にＴ
（トランス）１＿７２の２次側における２次側電圧８４
の波形を示し、図１１（ｃ）にキャパシタンス７１の両
端の電圧波形を示し、図１１（ｄ）に端子１８ａ及び端
子１８ｂから電力供給母線１７へ給電される電流８６の
波形を示し、図１１（ｅ）にスイッチ素子６１乃至スイ
ッチ素子６４のオン／オフ特性を示す。

【００９９】スイッチ素子６１乃至スイッチ素子６４と
してトランジスタを使用した場合、この具体例では、各
々のベースにトランスを使用してベース駆動電圧６５乃
至ベース駆動電圧６８を印加する。電力供給母線１７に
供給される電力が直流の場合、トランスが使用できない
ため、電圧供給母線１７の極性に応じたベース駆動電圧
が発生できれば、トランス以外の構成を用いてスイッチ
素子を駆動してもよい。

【０１００】図１１に示すインバータ部６９へのインバ
ータ入力電圧８３の波形は、周知のダウン型スイッチン
グレギュレータを使用すれば、０Ｖから所定電圧までの
任意の電圧が容易に生成できる。このとき、ダウン型ス
イッチングレギュレータの電圧を制御するための制御信
号としては、図６に示す絶対値検出部４２からの絶対値
信号５０を使用することができる。このとき、効率面か
ら、パルス・デューティが１００％であることが好まし
い。

【０１０１】Ｔ１＿７２は、インバータの周波数に対応
した数キロヘルツから数百キロヘルツの周波数領域で使
用するトランスである。トランスのサイズは、一般に周
波数に反比例して小型化できるため、高周波数になるほ
ど、小さなサイズで大きな電力を伝送できる。

【０１０２】商用の電力供給線側とインバータ側とは、
トランスＴ１＿７２によって分離されているため、トラ
ンスＴ１＿７２を適切に設計することにより、感電の防
止と安全規格に対する対策が行える。また、トランスＴ
２＿７３は、商用の低い周波数で使用するものであり、
その電力は、スイッチ素子が制御される程度であればよ
く、小型のトランスが適用できる。

【０１０３】また、インダクタンス７０は、インバータ
の周波数でインダクタンス成分を有すれば十分である。
したがって、このインダクタンスも周波数を高くするこ
とにより小型化できる。インダクタンス７０は、インバ
ータの高周波成分を減衰させると同時に、インバータ出
力の正側及び負側の電流のバランスをとって、図示しな
いインバータ素子を安定に動作させる役割も有してい
る。

【０１０４】キャパシタンス７１は、インバータ周波数
に対しては十分インピーダンスが低いが、電力供給母線
の数十ヘルツに対しては、高いインピーダンスを示す容
量に設定される。したがって、電力供給母線からの電流
がインバータ側に逆流しようとしても、ダイオード７９
乃至ダイオード８２により阻止されるとともに、キャパ
シタンス７１を通過する電流も小さい。そのため、常時
接続していても電力供給母線１７には、殆ど影響を与え
ない。抵抗７４乃至抵抗７８は、スイッチ素子のベース
電流制限のために設けられている。

【０１０５】電力供給母線１７が商用電力線の場合、所
定の安全規格を満たす仕様の絶縁材を用いて、電力変換
装置と自然エネルギ電力変換部とを絶縁するとともに、
所定の沿面距離、空間距離を保った設計が必要となるた
め、装置自体が大型化してしまうが、第４の具体例とし
て示す電力変換装置によれば、力率をほぼ１に保ちなが
ら、電力供給母線と電力変換装置の構成要素とを分離す
ることができるため、感電を防止できる。また、沿面距
離、空間距離に関しては、所定の安全規格に拘束される
ことがないために装置の小型化が達成される。

【０１０６】次に、本発明の第５の具体例として示す電
力変換装置は、第４の具体例として示すインバータ部６
３に供給されるインバータ入力電圧８３を一定にしたも
のである。図１２（ａ）にインバータ部６９へのインバ
ータ入力電圧８３の波形を示し、図１２（ｂ）にＴ（ト
ランス）１＿７２の２次側における２次側電圧８４の波
形を示し、図１２（ｃ）にキャパシタンス７１の両端の
電圧波形を示し、図１２（ｄ）に端子１８ａ及び端子１
８ｂから電力供給母線１７へ給電される電流８６の波形
を示し、図１２（ｅ）にスイッチ素子６１乃至スイッチ
素子６４のオン／オフ特性を示す。

【０１０７】インバータ入力電圧８３を一定とし、イン
バータの波形をＰＷＭ制御により振幅方向の変化をパル
ス・デューティに変換し、トランスＴ１を経由した後、
インダクタンス７０とキャパシタンス７１により再び振
幅方向に変化させるようしたものである。この場合、第
４の具体例と比べて、インバータの前に設置するダウン
型スイッチングレギュレータが不用である分、簡素化さ
れるという利点がある。また、これらの制御、ＰＷＭ波
の発生等は、全てＤＳＰ制御により容易に実施可能であ
る。

【０１０８】以上説明したように、補助電源として自然
エネルギ電力変換部１６を備える上述した各具体例で
は、電力変換装置は、自然エネルギ電力変換部１６によ
って生成された電力を電力供給母線１７に対して給電す
ることもできる。

【０１０９】つまり、上述した電力変換装置は、何らか
の理由によって電力供給母線１７上の発電機からの電力
が断たれた場合や電力供給母線１７の一部に障害が発生
した場合、電力供給母線１７を発電機から切り離し、補
助電源として備えている発電装置２３を用いることによ
って電力の回復を図ることができる。或いは、被害を受
けた箇所以前の電力供給母線１７を切り離し、発電装置
２３から被害を受けていない電力供給母線に対して給電
することによって、小エリア区間で電力の回復を図るこ
とができる。

【０１１０】以下に、このような電力変換装置を第６の
具体例として説明する。第６の具体例として示す電力供
給装置は、電力供給母線１７が一般家庭用の商用ＡＣ１
００Ｖの電力線としての電力供給母線１７に接続されて
いる。また、電力変換装置は、電力供給母線１７に接続
されている各家庭に備えられているとする。この場合、
何らかの理由によって電力供給母線１７上の発電機（発
電所）からの電力が断たれた場合や電力供給母線１７の
一部に障害が発生した等の場合、電力供給母線１７を発
電機（発電所）から切り離し、補助電源として各家庭に
備えられている発電装置２３を用いて電力の回復を図る
ことができる。

【０１１１】発電機からの電力が断たれる場合として
は、天災、災害、事故等による発電所の被害が想定さ
れ、電力供給母線１７の一部に障害が発生した場合につ
いては、天災、災害、事故等による電力供給母線１７の
切断、ショート等が想定される。

【０１１２】特に、発電所からの電力供給は、既に断た
れているが、電力供給母線１７は、給電線としての機能
を果たしている場合、電力供給母線１７を障害部分から
切り離して使用することができる。ただし、この場合、
電力供給母線１７に接続される各電力変換装置が電力供
給母線に対して一斉に電力を供給すると、仮に各電力変
換装置の電力供給能力に大きな優劣がないとすれば、電
力変換装置のうちの何れかが基準であるか定める必要が
ある。

【０１１３】また、各自が電力供給母線１７から電力を
とるときの負荷の力率が１でなければ、電力供給母線１
７に給電する給電側の給電波形を確定することができな
いため、全ての負荷は、本発明の各具体例として示した
電力変換装置のように、力率がほぼ１に設定されている
ことが前提である。

【０１１４】力率を１に近づける方法としては、力率改
善法が周知の技術である。インダクティブな負荷に進相
コンデンサを付加し、キャパシテイブな負荷にインダク
タを付加して力率を改善するものである。ここで、イン
ダクティブな負荷とは、印加電圧に対して電流波形の位
相が遅れる負荷であり、キャパシテイブな負荷とは、印
加電圧に対して電流波形の位相が進む負荷である。

【０１１５】また場合によっては、力率１の状態で電力
を取りこみ、その後インバータによって電力供給母線１
７と同じ電圧波形を作り出すことで力率の改善を図るこ
とも可能である。このような手法によって、負荷の力率
を１にすることは、容易である。

【０１１６】図１３に、本発明の第６の具体例として示
す電力変換装置の基準信号制御部を示す。図１３に示す
基準信号制御部は、図２に示す構成に加えて、更に、基
準電圧発生部８７と切替部８８と過電圧及び減電圧検出
部９０とを備えている。なお、図１３において、先の図
面と同一の番号を付した構成に関しては、同一の機能及
び作用を有することとし説明を省略する。

【０１１７】基準電圧発生部８７は、更に具体的には、
例えば、変調された所定のタイミング信号を無線を介し
て受信し復調するタイミング信号受信部とこのタイミン
グ信号に基づいて基準波形信号８９を発生する部分とか
らなる。基準波形信号８９の発生手段としては、例え
ば、予め基準信号波形をＲＯＭに記憶させ、アドレスを
順次インクリメントさせて時系列データを発生するもの
であれば使用できる。

【０１１８】ここでは、タイミング信号を受信する毎に
ＲＯＭのアドレスを所定の値にセットすることにより、
タイミング信号が連続して細密に送られなくとも同期を
とることができる。そのため、非常用の通信手段と本具
体例のタイミング信号送出手段は兼用できる。

【０１１９】例として、タイミング信号が１０分間に１
回送信される場合について説明する。更に具体的には、
タイミング信号は、１０分間に１回送信されるものと
し、その間を電力変換装置のなかで作り出した時間信号
で補間して、ＲＯＭのアドレスを更新する場合について
説明する。

【０１２０】周知の水晶発信子等によれば１０^−６程度
の時間精度を確保できる。そのため、電力供給母線１７
の周波数が６０ヘルツの場合、１０分間に生じる波形周
期の誤差は、式（４）によって表すことができる。６０（周期）＊６０（秒）＊１０（分）＊１０^−６＝０．０３６（周期）（４）また、６０キロヘルツのサンプルクロックで６０ヘルツ
の正弦波を作り出すとすれば、１／１０００精度で周期
が確定するため、この精度０．００１を加算したとして
も、０．０３７周期の誤差しか生じないことになる。こ
のとき、誤差周期を式（５）により単位変換する。３６０（度）＊０．０３７＝１３（度）（５）このとき、力率は、式（６）のようになる。力率＝ｃｏｓ１３°＝０．９７（６）１０分毎に無線送信されたタイミング信号によって発生
波形をリセットして校正することによって、力率の悪化
は、殆ど無視できることになる。

【０１２１】したがって、基準波形信号８９に相似した
電流が電力供給母線１７に流れ込むことになる。電力供
給母線１７から電力を得ている全ての負荷の力率が１
で、電力供給母線１７に供給する電力変換装置の力率も
１であれば、電力供給母線１７の電圧は、基準電圧発生
部８７からの基準波形信号８９と相似形になる。

【０１２２】しかし、各電力変換装置から、電力供給母
線に対して給電されれば、電力供給母線の電圧は、徐々
に上昇していくことになる。そのため、電力供給母線１
７の電圧波形信号３９を検出するための過電圧及び減電
圧検出部９０を設けることが望ましい。過電圧及び減電
圧検出部９０を備えることによって、電力供給母線１７
が所定の電圧を超えている場合には電力供給母線１７へ
の給電を中止する。また、送電側に比べて負荷側の消費
量が大きい場合は、電圧が所定の電圧値を下回り電力供
給能力の限界を超えているため、同様に、電力供給母線
１７への給電を中止する。

【０１２３】このような給電の制御は、過電圧及び減電
圧検出部９０からの異常検出信号を受信した場合、乗算
係数４４を０にすることによって、容易に実現可能であ
る。

【０１２４】また、電力変換装置から電力供給母線に対
する給電をやめて、電力供給母線１７の電圧と基準電圧
発生部８７からの基準波形信号８９とを比較し電力供給
母線１７における給電状況を判断した後、電力供給母線
１７の電圧波形信号３９に基づいて電力変換装置を動作
させるか、又は、基準波形信号８９を基準として動作さ
せるかを自動で切り替えることもできる。

【０１２５】すなわち、過電圧及び減電圧検出部３９
は、電圧波形信号３９の電圧のピーク値、平均電圧値、
若しくは実効値が所定の範囲であることを検知し、基準
波形信号８９と電圧波形信号３９とが所定の関係にある
場合は、適正に電力供給母線１７対する給電が行われて
いるとして、電力変換装置は、電圧波形信号３９に基づ
いて給電量を制御し、基準波形信号８９と電圧波形信号
３９とが所定の関係にない場合は、電力変換装置は、基
準波形信号８９に基づいて電力供給母線１７に対する給
電を制御する。

【０１２６】ここで、基準波形信号８９と電圧波形信号
３９とが所定の関係にある場合とは、例えば、一定期間
にわたって、基準波形信号８９と電圧波形信号３９との
零クロス点の位相が同じ値に保たれている場合、基準波
形信号８９の１周期にわたる間の基準波形信号８９と電
圧波形信号３９との相互相関関数が数周期にわたって同
じ値をとる場合、基準波形信号８９と電圧波形信号３９
との位相をシフトレジスタで調整した後、基準波形信号
８９と電圧波形信号３９との比を算出し、その値が一定
値を保っている場合等を示している。

【０１２７】基準波形信号８９と電圧波形信号３９との
間の、上述したような関係の検出、上述した自動切替タ
イミング設定もまた、ＤＳＰにより容易に実現可能であ
る。この切替制御を実行する部分は、図１３では切替部
８８として示されている。

【０１２８】以上のように、本発明の第６の具体例とし
て示す電力変換装置によれば、発電機（発電所）から供
給されるべき電力が遮断された場合であっても、小エリ
ア区間で電力の回復を図ることができる。このとき、各
発電装置から電力供給母線へ流れる電流は、タイミング
信号により完全に同期がとられているため、電力供給母
線１７の電圧は、基準電圧発生部８７からの基準波形信
号８９と相似形になる。したがって、力率の悪化が殆ど
無視でき、無駄な電力損失を防止できる。

【０１２９】なお、本発明は、上述した実施の形態のみ
に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない
範囲において種々の変更が可能であることは、勿論であ
る。

【０１３０】

【発明の効果】以上詳細に説明したように、本発明に係
る電力変換装置は、電力供給母線の電圧波形信号を検出
する電圧波形検出手段と、電圧波形信号に所定の乗算係
数を乗算することにより基準レベル信号を生成する乗算
手段と、電力供給母線に対して給電される電流の大きさ
を検出する電流検出手段と、基準レベル信号と電流との
差を比較し比較出力信号を生成する比較手段と、比較出
力信号に応じて基準レベル信号を変更することにより電
力供給母線に対する給電を制御する電力制御手段とを備
える。

【０１３１】特に、電力制御手段は、比較出力信号が所
定の閾値を超えた場合、乗算係数の値を減少させ、比較
出力信号が所定の閾値を超えない場合、乗算係数の値を
増加する。

【０１３２】したがって、本発明に係る電力変換装置に
よれば、電力供給母線上の電圧と電力変換装置から電力
供給母線に供給される電流が相似形になるようにフィー
ドバック制御されるため、力率が１に近い状態での給電
が可能となる。また、本発明に係る電力変換装置では、
電力供給母線の送電波形によらず、力率を略１に保持す
ることができる。具体的には、電力制御手段においてパ
ルス幅変調により電力供給母線に対する給電を制御する
ことで力率をほぼ１に保つとともに電力損失を抑制する
ことができる。

【０１３３】また、本発明に係る電力変換装置に対して
自然エネルギから電力を生成して給電している発電装置
が界磁巻線を有する他励式直流発電装置である場合、電
力制御手段は、比較出力信号の絶対値に応じて基準レベ
ル信号を変更することで電力供給母線に対する給電を制
御することによって、力率を略１に保ちながら他励式直
流発電装置の回転エネルギを有効に電力供給母線に対し
て供給することができる。更に、この電力変換装置は、
他励式直流発電装置から供給される電力量が減少したこ
とを検知し、他励式直流発電装置の界磁電流を減少する
ことによって、給電電流を減少させることができる。こ
れにより、力率を略１に保持し、他励式直流発電装置の
回転負荷を減少させることができる。

【０１３４】また、この電力変換装置は、更に、比較出
力信号の絶対値に基づいて振幅が変化する方形波で表さ
れる電力を発生する電力発生手段と、方形波の電力を絶
縁分離する電力分離手段と、分離された電力を整流し整
流電力を得る平滑手段と、整流電力の極性を電力供給母
線に供給される電圧の極性変化に基づいて切り替える電
力極性切替手段とを備え、電力制御手段は、比較出力信
号に応じて基準レベル信号を変更することにより電力供
給母線に対する給電を制御する。

【０１３５】この構成では、電力変換装置は、電力供給
母線とこの電力変換装置の多くの構成部分が電力供給母
線と絶縁されているため、感電を防止することができ
る。また、沿面距離、空間距離を安全規格に拘束されな
いため、装置の小型化が実現される。

【０１３６】また、本発明に係る電力変換装置は、発電
装置により発電された電力を電力供給母線に対して供給
する電力変換装置において、所定の間隔で外部より発せ
られる基準タイミング信号を受信し復調するタイミング
信号受信手段と、復調された基準タイミング信号に基づ
いて基準波形信号を発生する基準波形信号発生手段と、
基準波形信号発生手段によって発生された基準波形信号
に所定の乗算係数を乗算することにより基準レベル信号
を生成する乗算手段と、電力供給母線に対して給電され
る電流の大きさを検出する電流検出手段と、基準レベル
信号と電流との差を比較し比較出力信号を生成する比較
手段と、比較出力信号に応じて基準レベル信号を変更す
ることにより電力供給母線に対する給電を制御する電力
制御手段とを備える。

【０１３７】したがって、本発明に係る電力変換装置
は、発電装置から電力供給母線へ流れる電流がタイミン
グ信号により完全に同期がとられているため、無駄な電
力の損失なく電力供給母線に給電できる。そのため、電
力供給母線に本来発電施設から送電されるべき電力の供
給が遮断された場合であっても、小地域で電力を賄うこ
とができる。

【０１３８】また、上述した目的を達成するため、本発
明に係る電力変換方法は、電力供給母線の電圧波形信号
を検出する電圧波形検出工程と、電圧波形信号に所定の
乗算係数を乗算することにより基準レベル信号を生成す
る乗算工程と、電力供給母線に対して給電される電流の
大きさを検出する電流検出工程と、基準レベル信号と電
流との差を比較し比較出力信号を生成する比較工程と、
比較出力信号に応じて基準レベル信号を変更することに
より電力供給母線に対する給電を制御する電力制御工程
とを有する。

【０１３９】特に、電力制御工程では、比較出力信号が
所定の閾値を超えた場合、乗算係数の値を減少し、比較
出力信号が所定の閾値を超えない場合、乗算係数の値を
増加する。

【０１４０】したがって、本発明に係る電力変換方法に
よれば、電力供給母線上の電圧と電力変換装置から電力
供給母線に供給される電流が相似形になるようにフィー
ドバック制御されるため、力率が１に近い状態での給電
が可能となる。また、本発明に係る電力変換方法では、
電力供給母線の送電波形によらず、力率を略１に保持す
ることができる。具体的には、電力制御工程においてパ
ルス幅変調により電力供給母線に対する給電を制御する
ことで力率をほぼ１に保つとともに電力損失を抑制する
ことができる。

【０１４１】また、本発明に係る電力変換方法では、自
然エネルギから電力を生成して給電している発電装置が
界磁巻線を有する他励式直流発電装置である場合、電力
制御工程では、比較出力信号の絶対値に応じて基準レベ
ル信号を変更することで電力供給母線に対する給電を制
御することによって、力率を略１に保ちながら他励式直
流発電装置の回転エネルギを有効に電力供給母線に対し
て供給することができる。更に、この電力変換方法で
は、他励式直流発電装置から供給される電力量が減少し
たことを検知し、他励式直流発電装置の界磁電流を減少
することによって、給電電流を減少させることができ
る。これにより、力率を略１に保持し、他励式直流発電
装置の回転負荷を減少させることができる。

【０１４２】また、この電力変換方法には、比較出力信
号の絶対値に基づいて振幅が変化する方形波で表される
電力を発生する電力発生工程と、方形波の電力を絶縁分
離する電力分離工程と、分離された電力を整流し整流電
力を得る平滑工程と、整流電力の極性を電力供給母線に
供給される電圧の極性変化に基づいて切り替える電力極
性切替工程とが含まれ、電力制御工程では、比較出力信
号に応じて基準レベル信号が変更されることにより電力
供給母線に対する給電が制御される。

【０１４３】この場合、電力供給母線とこの電力変換方
法に基づく電力変換装置の多くの構成部分が電力供給母
線と絶縁されるため、感電を防止することができる。ま
た、沿面距離、空間距離を安全規格に拘束されないた
め、装置の小型化が実現される。

【０１４４】また、本発明に係る電力変換方法は、発電
装置により発電された電力を電力供給母線に対して供給
する電力変換方法であって、所定の間隔で外部より発せ
られる基準タイミング信号を受信し復調するタイミング
信号受信工程と、復調された基準タイミング信号に基づ
いて基準波形信号を発生する基準波形信号発生工程と、
基準波形信号発生工程において発生された基準波形信号
に所定の乗算係数を乗算することにより基準レベル信号
を生成する乗算工程と、電力供給母線に対して給電され
る電流の大きさを検出する電流検出工程と、基準レベル
信号と電流との差を比較し比較出力信号を生成する比較
工程と、比較出力信号に応じて基準レベル信号を変更す
ることにより電力供給母線に対する給電を制御する電力
制御工程とを有している。

【０１４５】したがって、本発明に係る電力変換方法に
よれば、発電装置から電力供給母線へ流れる電流がタイ
ミング信号により完全に同期がとられているため、無駄
な電力の損失なく電力供給母線に給電できる。そのた
め、電力供給母線に本来発電施設から送電されるべき電
力の供給が遮断された場合であっても、小地域で電力を
賄うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の具体例として示す電力変換装置の構成
を示す構成図である。

【図２】本発明の具体例として示す電力変換装置におけ
る基準信号制御部の詳細な構成を示す構成図である。

【図３】本発明の具体例として示す電力変換装置におけ
る電力制御部の詳細な構成を示す構成図である。

【図４】図４（ａ）は、乗算係数が異なる場合のそれぞ
れの乗算係数における電圧波形信号３９を示す図であ
り、図４（ｂ）は、電圧波形信号３９に対応する基準レ
ベル信号２５の変化を示す図であり、図４（ｃ）は、電
圧波形信号３９に対する電流信号２４の変化を示す図で
あり、図４（ｄ）は、電圧波形信号３９に対する比較出
力信号２６の変化を示す図である。

【図５】図５（ａ）乃至図５（ｂ）は、スイッチ素子制
御信号３５乃至３８における比較出力信号の微少部分に
対応する信号を示す図であり、図５（ｅ）は、図４
（ｄ）に示した比較出力信号を拡大して示す図である。

【図６】本発明の具体例として示す電力変換装置の電力
制御部における電力素子制御部の構成を示す構成図であ
る。

【図７】図７（ａ）は、補償後制御信号の変化を示す図
であり、図７（ｂ）は、補償後制御信号に対する絶対値
信号の変化を示す図であり、図７（ｃ）は、絶対値信号
に対する変調信号を示す図であり、図７（ｄ）は、絶対
値信号に対するＰＷＭ信号を示す図であり、図７（ｅ）
は、絶対値信号に対する極性信号を示す図であり、図７
（ｆ）は、絶対値信号に対する正極側ＰＷＭ信号を示す
図であり、図７（ｇ）は、絶対値信号に対する負極側Ｐ
ＷＭ信号を示す図である。

【図８】本発明の第２の具体例として示す電力変換装置
に接続して用いるステップアップ型スイッチングレギュ
レータの構成を示す構成図である。

【図９】本発明の第３の具体例として示す電力変換装置
に給電する風力発電装置の構成を示す構成図である。

【図１０】本発明の第４の具体例として示す電力変換装
置に用いるインバータ回路の構成を示す構成図である。

【図１１】図１１（ａ）は、インバータ部へのインバー
タ入力電圧の波形を示す図であり、図１１（ｂ）は、ト
ランス１の２次側における２次側電圧８４の波形を示す
図であり、図１１（ｃ）は、キャパシタンス７１の両端
の電圧波形示す図であり、図１１（ｄ）は、端子１８ａ
及び端子１８ｂから電力供給母線へ給電される電流の波
形を示す図であり、図１１（ｅ）は、スイッチ素子６１
乃至スイッチ素子６４のオン／オフ特性を示す図であ
る。

【図１２】図１２（ａ）は、インバータ部へのインバー
タ入力電圧の波形を示す図であり、図１２（ｂ）は、ト
ランス１の２次側における２次側電圧８４の波形を示す
図であり、図１２（ｃ）は、キャパシタンス７１の両端
の電圧波形示す図であり、図１２（ｄ）は、端子１８ａ
及び端子１８ｂから電力供給母線へ給電される電流の波
形を示す図であり、図１２（ｅ）は、スイッチ素子６１
乃至スイッチ素子６４のオン／オフ特性を示す図であ
る。

【図１３】本発明の第６の具体例として示す電力変換装
置に用いる基準信号制御部の構成を示す構成図である。

【図１４】一般家庭に供給されている商用ＡＣ１００Ｖ
の電源の一般的な電力供給方式について示す図である。

【符号の説明】１電力変換装置、１１、電圧波形検出部、１２電
流検出部、１３比較部、１４基準信号制御部、１５
電力制御部、１６自然エネルギ電力変換部、１７
電力供給母線、１８ａ端子、１８ｂ端子、１９ａ
端子、１９ｂ端子、２０ａ端子、２０ｂ端子、２１
電流センサ、２２補償後制御信号、２３発電装
置、２４電流信号、２５基準レベル信号、２６比
較出力信号、２７電力素子制御部、２８インダクタ
ンス、２９インダクタンス、３０キャパシタンス、
３１，３４，３３，３４スイッチ素子、３５，３６，
３７，３８スイッチ素子制御信号、３９電圧波形信
号、４０閾値検出及び乗算係数発生部、４１乗算
器、４２絶対値検出部、４３位相補償部、４４乗算
係数、４５ＰＷＭ変調部、４６鋸波発生部、４７
極性検出部、４８，４９レベル変換部、５０絶対値
信号、５１変調信号、５２極性信号、５３正側Ｐ
ＷＭ信号、５４負側ＰＷＭ信号、５５インダクタン
ス、５６スイッチ素子、５７ダイオード、５８キ
ャパシタンス、５９ＰＷＭ変調部、６０基準電圧生
成部、６１スイッチ素子、６２，６３，６４スイッ
チ素子、６５，６６，６７，６８ベース駆動電圧、６
９インバータ部、７０インダクタンス、７１キャ
パシタンス、７２，７３トランス、７４，７５，７
６，７７，７８抵抗、７９，８０，８１，８２ダイ
オード、８３インバータ入力電圧、８４２次側電
圧、８５切替部、８６電流、８７基準電圧発生
部、８８切替部、８９基準波形信号、９０過電圧
及び減電圧検出部、９１ＰＷＭ信号、９２プロペラ、
９３直流発電機、９４回転子、９５，９６界磁、９
７，９８界磁コイル、９９電力増幅器、１００界
磁電流

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】所定波形の電力が供給されている電力供
給母線から給電する又は発電装置により発電された電力
を電力供給母線に対して供給する電力変換装置におい
て、上記電力供給母線の電圧波形信号を検出する電圧波形検
出手段と、上記電圧波形信号に所定の乗算係数を乗算することによ
り基準レベル信号を生成する乗算手段と、上記電力供給母線に対して給電される電流の大きさを検
出する電流検出手段と、上記基準レベル信号と上記電流との差を比較し比較出力
信号を生成する比較手段と、上記比較出力信号に応じて上記基準レベル信号を変更す
ることにより上記電力供給母線に対する給電を制御する
電力制御手段とを備えることを特徴とする電力変換装
置。
【請求項２】上記電力制御手段は、上記比較出力信号
が所定の閾値を超えた場合、乗算係数の値を減少させ、
上記比較出力信号が所定の閾値を超えない場合、乗算係
数の値を増加することを特徴とする請求項１記載の電力
変換装置。
【請求項３】上記電力制御手段は、パルス幅変調によ
り上記電力供給母線に対する給電を制御することを特徴
とする請求項１記載の電力変換装置。
【請求項４】上記発電装置は、界磁巻線を有する他励
式直流発電装置であり、上記電力制御手段は、上記比較
出力信号の絶対値に応じて上記基準レベル信号を変更す
ることにより上記電力供給母線に対する給電を制御する
ことを特徴とする請求項１記載の電力変換装置。
【請求項５】上記比較出力信号の絶対値に基づいて振
幅が変化する方形波で表される電力を発生する電力発生
手段と、上記方形波の電力を絶縁分離する電力分離手段と、上記分離された電力を整流し整流電力を得る平滑手段
と、上記整流電力の極性を上記電力供給母線に供給される電
圧の極性変化に基づいて切り替える電力極性切替手段と
を備え、上記電力制御手段は、上記比較出力信号に応じて上記基
準レベル信号を変更することにより上記電力供給母線に
対する給電を制御することを特徴とする請求項１記載の
電力変換装置。
【請求項６】上記電力発生手段は、上記比較出力信号
の絶対値に応じて、オン期間をオン期間とオフ期間との
和で割った値であるパルス・デューティが変化する方形
波で表される電力を発生することを特徴とする請求項５
記載の電力変換装置。
【請求項７】発電装置により発電された電力を電力供
給母線に対して供給する電力変換装置において、所定の間隔で外部より発せられる基準タイミング信号を
受信し復調するタイミング信号受信手段と、上記復調された基準タイミング信号に基づいて基準波形
信号を発生する基準波形信号発生手段と、上記基準波形信号発生手段によって発生された基準波形
信号に所定の乗算係数を乗算することにより基準レベル
信号を生成する乗算手段と、上記電力供給母線に対して給電される電流の大きさを検
出する電流検出手段と、上記基準レベル信号と上記電流との差を比較し比較出力
信号を生成する比較手段と、上記比較出力信号に応じて上記基準レベル信号を変更す
ることにより上記電力供給母線に対する給電を制御する
電力制御手段とを備えることを特徴とする電力変換装
置。
【請求項８】所定波形の電力が供給されている電力供
給母線から給電する又は発電装置により発電された電力
を電力供給母線に対して供給する際の電力変換方法にお
いて、上記電力供給母線の電圧波形信号を検出する電圧波形検
出工程と、上記電圧波形信号に所定の乗算係数を乗算することによ
り基準レベル信号を生成する乗算工程と、上記電力供給母線に対して給電される電流の大きさを検
出する電流検出工程と、上記基準レベル信号と上記電流との差を比較し比較出力
信号を生成する比較工程と、上記比較出力信号に応じて上記基準レベル信号を変更す
ることにより上記電力供給母線に対する給電を制御する
電力制御工程とを有することを特徴とする電力変換方
法。
【請求項９】上記電力制御工程では、上記比較出力信
号が所定の閾値を超えた場合、乗算係数の値を減少し、
上記比較出力信号が所定の閾値を超えない場合、乗算係
数の値を増加することを特徴とする請求項８記載の電力
変換方法。
【請求項１０】上記電力制御工程では、パルス幅変調
により上記電力供給母線に対する給電が制御されること
を特徴とする請求項８記載の電力変換方法。
【請求項１１】上記発電装置は、界磁巻線を有する他
励式直流発電装置であり、上記電力制御工程では、上記
比較出力信号の絶対値に応じて上記基準レベル信号が変
更されることにより上記電力供給母線に対する給電が制
御されることを特徴とする請求項８記載の電力変換方
法。
【請求項１２】上記比較出力信号の絶対値に基づいて
振幅が変化する方形波で表される電力を発生する電力発
生工程と、上記方形波の電力を絶縁分離する電力分離工程と、上記分離された電力を整流し整流電力を得る平滑工程
と、上記整流電力の極性を上記電力供給母線に供給される電
圧の極性変化に基づいて切り替える電力極性切替工程と
を有し、上記電力制御工程では、上記比較出力信号に応じて上記
基準レベル信号が変更されることにより上記電力供給母
線に対する給電が制御されることを特徴とする請求項８
記載の電力変換方法。
【請求項１３】上記電力発生工程では、上記比較出力
信号の絶対値に応じて、オン期間をオン期間とオフ期間
との和で割った値であるパルス・デューティが変化する
方形波で表される電力が生成されることを特徴とする請
求項１２記載の電力変換方法。
【請求項１４】発電装置により発電された電力を電力
供給母線に対して供給する電力変換方法において、所定の間隔で外部より発せられる基準タイミング信号を
受信し復調するタイミング信号受信工程と、上記復調された基準タイミング信号に基づいて基準波形
信号を発生する基準波形信号発生工程と、上記基準波形信号発生工程において発生された基準波形
信号に所定の乗算係数を乗算することにより基準レベル
信号を生成する乗算工程と、上記電力供給母線に対して給電される電流の大きさを検
出する電流検出工程と、上記基準レベル信号と上記電流との差を比較し比較出力
信号を生成する比較工程と、上記比較出力信号に応じて上記基準レベル信号を変更す
ることにより上記電力供給母線に対する給電を制御する
電力制御工程とを有することを特徴とする電力変換方
法。