JP2006280177A - 電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 発電機出力と太陽電池出力を組み合わせて使用するに際して、太陽電池出力を、曇天時等の出力電圧があまり高くない状態でも安定した電力源として活用できるようにする。
【解決手段】 発電機３および太陽電池１の出力を系統電源４に連系させる高圧インバータ回路１１を含む系統連系制御部を有し、発電機３の出力を太陽電池１の出力とともに系統電源４と連系させる。太陽電池１の出力は、ＤＣ−ＤＣコンバータ５でバッテリ２の電圧Ｖ２に応じた電圧に降圧される。ＤＣ−ＤＣコンバータ５はバッテリ２の充電が十分なときはそのバッテリ電圧に降圧される。バッテリ２が充電不足のときはそのバッテリ電圧より高い、充電用の電圧に降圧される。バッテリ２が充電不足のときは高圧インバータ回路１１の昇圧動作を停止して、太陽電池１によるバッテリ２の充電が優先される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、電源装置に関し、特に、エンジン駆動式発電機のような電源装置と太陽電池とを組み合わせて、その発電出力を取り出すことができるようにした電源装置に関する。

エンジン駆動式発電機等の小規模な発電装置は、携帯用電源装置や非常用電源装置としてさまざまな用途に普及している。この種の電源装置を、家庭用コジェネレーション装置のような小規模発電装置として利用する場合、商用電源と系統連系させたり、太陽電池を併設したりすることによりエネルギの総合的な有効利用を図ることが可能になる。

例えば、特開平８−１８６９２７号公報には、商用電源（系統）の出力と、太陽光発電装置（太陽電池）の出力と、燃料を使用する発電装置（発電機）の出力とを連系接続した電源システムが開示されている。
特開平８−１８６９２７号公報

上述の特許文献に記載された電源システムでは、太陽電池出力と発電機出力、あるいは太陽電池出力と系統出力とを連系接続させることから、太陽電池の出力電圧を高めに設定せざるを得ない。しかし、家庭用の小規模な太陽電池発電では曇天時には、高電圧出力を得ることができないので、太陽電池の発電電力を十分に活用しにくいという問題がある。

本発明の目的は、曇天時等、出力電圧があまり高くない状態でも発電電力を有効に活用できる電源装置を提供することにある。

本発明は、発電機の出力を整流する整流回路と、この整流回路の出力を所定周波数の交流電力に変換して出力するインバータ回路とを有する電源装置において、太陽電池と、この太陽電池の出力で充電されるバッテリと、前記太陽電池の出力を降圧して前記バッテリに供給するＤＣ−ＤＣコンバータと、前記バッテリの電圧を昇圧して前記インバータ回路へ供給する昇圧回路とを備えた点に第１の特徴がある。

また、本発明は、バッテリ電圧が所定値以上（例えば、定格出力電圧値に相当する電圧値以上）であるときに前記昇圧回路の昇圧動作を可能にする昇圧回路駆動手段と、バッテリ電圧が前記所定値以下のときにはバッテリ電圧より高い電圧値を目標電圧値とし、バッテリ電圧が前記所定値以上のときにはバッテリ電圧とほぼ一致した電圧値を目標電圧値として前記ＤＣ−ＤＣコンバータを駆動させるＤＣ−ＤＣコンバータ駆動手段とを具備した点に第２の特徴がある。

また、本発明は、前記インバータ回路の出力を系統に連系させる連系制御部をさらに具備した点に第３の特徴がある。

第１の特徴を有する本発明によれば、太陽電池の出力は降圧されて、バッテリの充電電力として利用される。そして、充電されたバッテリの出力電圧はインバータで交流に変換されて出力される。こうして、太陽電池の出力は一旦降圧されてバッテリの出力電圧として利用されるので、曇天時等に高電圧を得ることができないために出力変動が大きい太陽電池を、安定した低電圧電源として活用することができる。また、低圧仕様のバッテリを介して太陽電池の出力を利用できるので、低コスト化にも貢献できる。

第２の特徴を有する本発明によれば、バッテリの充電量が不足しているときには、昇圧回路は動作させずにバッテリの充電を優先させるので、安定した電力源としてのバッテリを確保できる。また、バッテリの充電量が十分な状態では、バッテリの出力に太陽電池の発電出力を合わせた状態でインバータ回路に電圧を供給することができる。

第３の特徴によれば、太陽電池の発電出力を合体させた状態で系統と連系することができるので、複数の電源で発生したエネルギの総合的な有効利用を図ることができる。

以下に図面を参照して本発明の一実施形態を詳細に説明する。図１は太陽電池の出力とエンジン発電機の出力とを商用電力系統に連系させた電源装置の構成を示すブロック図である。図１に示した電源装置は、太陽電池１とバッテリ２とエンジン発電機３とを電源として備える。バッテリ２は太陽電池１の出力で充電することができる。エンジン発電機３は、都市ガスを燃料とするガス内燃機関で駆動される３相の多極磁石式発電機である。太陽電池１、バッテリ２、およびエンジン発電機３の出力は合体させた状態で系統電源４と連系される。負荷１５はこれら連系された電源から電力が供給される。なお、エンジン発電機３の駆動源はガス内燃機関に限らず、ガソリン等、他の燃料を使用する種類の機関であってもよい。

電源装置は、低電圧領域１００を構成する要素と、高電圧領域２００を構成する要素とからなる。低電圧領域１００には、太陽電池１、バッテリ２、ＤＣ−ＤＣコンバータ５、および低圧インバータ回路６が含まれる。一方、高電圧領域２００には、エンジン発電機３、直流平滑回路８，９、昇圧コンバータ１０、高圧インバータ回路１１が含まれる。高圧インバータ回路１１はＬＣフィルタ回路を含むことができる。高圧インバータ回路１１の出力は系統電源４に接続される。

低電圧領域１００と高電圧領域２００とは、低圧インバータ回路６と直流平滑回路８との間に設けられた絶縁トランス昇圧回路７によって結合される。

ＤＣ−ＤＣコンバータ５は非絶縁降圧チョッパからなり、昇圧コンバータ１０は非絶縁昇圧チョッパからなる。ＤＣ−ＤＣコンバータ５はチョッパを構成するＦＥＴ等のスイッチング素子のデューティ（オン時間比率）を制御することにより入力電圧を降圧して出力する。昇圧コンバータ１０は、チョッパを構成するＦＥＴ等のスイッチング素子のデューティを制御することにより入力電圧を昇圧して出力する。低圧インバータ回路６はＦＥＴ等のスイッチング素子でブリッジを構成し、矩形波交流を絶縁トランス昇圧回路７に入力する。高圧インバータ回路１１は、入力を系統連系に適合する単相交流に変換する回路であり、ＦＥＴ等のスイッチング素子をブリッジ接続してなる。ＦＥＴのデューティを制御するＦＥＴドライブ回路は周知のものを使用できる。

太陽電池１の出力電圧Ｖ１はＤＣ−ＤＣコンバータ５で降圧された電圧Ｖ５となり、ダイオードＤ１を介してバッテリ２に印加される。降圧された太陽電池１の電圧Ｖ５とバッテリ２の電圧Ｖ２は、この電圧Ｖ２が十分な所定の充電電圧であるときには、ほぼＶ５＝Ｖ２の状態で低圧インバータ回路６に入力されて、矩形波交流に変換される。この矩形波交流はさらに絶縁トランス昇圧回路７で昇圧されて高圧矩形波交流となり、直流平滑回路８に入力される。低圧インバータ回路６と絶縁トランス昇圧回路７とで、バッテリ電圧の昇圧回路を形成する。直流平滑回路８は、入力された高圧矩形波交流を整流・平滑化して直流電圧を出力する。

エンジン発電機３から出力される三相交流は、直流平滑回路９で整流・平滑化される。直流平滑回路９から出力される電力は直流平滑回路８から出力される電力と合体されて、その電圧（発電機直流電圧）Ｖ８が昇圧コンバータ１０に入力される。昇圧コンバータ１０で昇圧された電圧（連系直流電圧）Ｖ８は高圧インバータ回路１１に入力されて三相交流に変換され、ＬＣフィルタ回路でノイズ除去されて出力電圧Ｖｏｕｔとして負荷に供給されるとともに、系統電源４に連系される。

昇圧コンバータ１０は、高圧インバータ回路１１の出力電流の変動にかかわらず、高圧インバータ回路１１の入力側電圧が所定値に維持されるようにデューティが制御される。高圧インバータ回路１１は、系統電源４と同じ品質（電圧、周波数、ノイズ等に関して）の交流出力を形成し、系統電源４の位相と同期をとって連系させる系統連系機能を有する。つまり高圧インバータ回路１１は系統連系制御部を構成する。系統連系機能を有する装置の一例は特公平４−１０３０２号公報に開示されている。

ＤＣ−ＤＣコンバータ５はバッテリ電圧Ｖ２に応じて降圧された出力電圧Ｖ５が得られるようにデューティが制御される。バッテリ電圧Ｖ２が、所定の電圧値、例えばバッテリ２の定格出力電圧値に相当する電圧値Ｖｒｅｆ（例えば、１２ボルト）以下のとき、つまり充電不足のときはそのときのバッテリ電圧Ｖ２より高い電圧値を出力目標値とするようにデューティ制御を行う。そして、このときは、低圧インバータ回路６の動作を停止、つまりスイッチング動作を停止する。これによって、太陽電池１は優先的にバッテリ２を充電し、高電圧領域２００側には太陽電池１の発電電力は供給されない。

また、バッテリ電圧Ｖ２が前記電圧値Ｖｒｅｆ以上のとき、つまり充電が十分のときはそのときのバッテリ電圧Ｖ２（＝Ｖｒｅｆ）にほぼ一致させるように出力目標値を設定してデューティ制御を行う。これによって、バッテリ２の出力電圧と太陽電池１の出力電圧とが合わさった状態で低圧インバータ回路６に電圧が印加される。バッテリ２が十分に充電されている状態では低圧インバータ回路６を動作してデューティ制御を行わせる。

このとき、電圧Ｖ５を電圧Ｖ２よりも少し高めに設定することにより、太陽電池１からの出力がバッテリ２の出力に優先されてインバータ回路１１へ供給されるとともに、負荷側からの要求電力が大きくて電圧Ｖ５が一時的に低下した場合とか、太陽電池１の出力が、陽の陰りなどで一時低下した場合にバッテリ２から電力を補給するというような補完的な電力供給が可能となる。

図２は、ＤＣ−ＤＣコンバータ５と低圧インバータ回路６の制御部の要部ブロック図である。同図において、充電検出部１２は、バッテリ電圧Ｖ２が前記電圧値Ｖｒｅｆ以上であるときに満充電信号Ｓ１を、バッテリ電圧Ｖ２が前記所定電圧値Ｖｒｅｆ以下であるときは充電不足信号Ｓ２をそれぞれ出力する。

満充電信号Ｓ１および充電不足信号Ｓ２はいずれもＤＣ−ＤＣコンバータ駆動回路１３およびインバータ駆動回路１４に入力される。ＤＣ−ＤＣコンバータ駆動回路１３は、ＤＣ−ＤＣコンバータ５の出力電圧Ｖ５を読み込んで、この電圧Ｖ５が目標電圧値と一致するようにＤＣ−ＤＣコンバータ５のデューティを増減するＰＷＭ制御を行う。満充電信号Ｓ１が入力されると、ＤＣ−ＤＣコンバータ５は内部のＰＷＭ制御部に目標電圧値としてバッテリ電圧Ｖ２に相当する電圧値を設定する。これによって、ＤＣ−ＤＣコンバータ５の出力は、バッテリ電圧Ｖ２とほぼ一致するように制御される。

一方、充電不足信号Ｓ２が入力されると、ＤＣ−ＤＣコンバータ５は内部のＰＷＭ制御部に目標電圧値としてバッテリ電圧Ｖ２より高い電圧に相当する電圧値を設定する。これによって、ＤＣ−ＤＣコンバータ５の出力は、バッテリ電圧Ｖ２より高めの値に制御され、バッテリ２はこの電圧によって充電される。

また、インバータ駆動回路１４は、満充電信号Ｓ１に応答して所定のデューティでスイッチング制御される。このデューティおよび絶縁トランス昇圧回路７の絶縁トランスの巻線比は必要とされる高圧矩形波交流電圧に従って設定される。一方、充電不足信号Ｓ２がインバータ駆動回路１４に入力されると、インバータ駆動回路１４は、低圧インバータ回路６のスイッチング素子のデューティをオン時間がゼロになるように設定する。これによって、低圧インバータ回路６からの出力が停止される。

上述のように、本実施形態によれば、太陽電池１の出力はバッテリ電圧Ｖ２に適合するよう低電圧に制御されて使用されるので、曇天時等、出力電圧が高くない状況があっても、低電圧のバッテリ２を充電する電力、あるいはバッテリ電圧相当の低電圧電力源として活用することができる。また、バッテリ２が十分に充電されている状態では、太陽電池１およびバッテリ２の双方の出力を負荷の変動状態あるいは太陽電池１の出力の状態に応じて補間し合うようにして安定した電圧を低圧インバータ回路６に供給することができる。

本発明の一実施形態に係る電源装置の構成を示すブロック図である。 ＤＣ−ＤＣコンバータとインバータ回路の制御部の要部ブロック図である。

符号の説明

１…太陽電池、 ２…バッテリ、 ３…発電機、 ４…系統電源、 ５…ＤＣ−ＤＣコンバータ、 ６…低圧インバータ回路、 ７…絶縁トランス昇圧回路、 １０…昇圧コンバータ、 １１…高圧インバータ回路、 １２…充電検出部

Claims (3)

1. 発電機と、この発電機の出力を整流する整流回路と、この整流回路の出力を所定周波数の交流電力に変換して出力するインバータ回路とを有する電源装置において、
   太陽電池と、この太陽電池の出力で充電されるバッテリと、前記太陽電池の出力を降圧して前記バッテリに供給するＤＣ−ＤＣコンバータと、前記バッテリの電圧を昇圧して前記インバータ回路へ供給する昇圧回路とを備えたことを特徴とする電源装置。
2. 前記バッテリの電圧が所定値以上であるときに前記昇圧回路の昇圧動作を可能にする昇圧回路駆動手段と、
   前記バッテリの電圧が前記所定値以下のときには前記バッテリの電圧より高い電圧値を目標電圧値とし、前記バッテリの電圧が前記所定値以上のときには前記バッテリの電圧とほぼ一致した電圧値を目標電圧値として前記ＤＣ−ＤＣコンバータを駆動させるＤＣ−ＤＣコンバータ駆動手段とを具備したことを特徴とする請求項１記載の電源装置。
3. 前記インバータ回路の出力を系統に連系させる連系制御部をさらに具備したことを特徴とする請求項１記載の電源装置。

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