JP4470422B2

JP4470422B2 - 電源装置

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Publication number: JP4470422B2
Application number: JP2003313958A
Authority: JP
Inventors: 正登緒方
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2003-09-05
Filing date: 2003-09-05
Publication date: 2010-06-02
Anticipated expiration: 2023-09-05
Also published as: JP2005086866A

Description

本発明は、太陽電池や燃料電池、風力発電装置、水力発電装置などの発電機を住宅用の商用系統電源に連系する場合に使用される系統連系型の電源装置に関する。

従来、この種の系統連系型の電源装置は、インバータ技術を応用して商用系統電源と並列に接続する系統連系型インバータ制御装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。

以下、その系統連系型インバータ制御装置について図１０を参照しながら説明する。

図１０に従来の系統連系型インバータ制御装置を適用した太陽光発電システムの回路ブロック図を示す。このシステムは、系統連系型インバータ制御装置１０１で太陽電池１０２が発電した直流電力をパルス幅変調（ＰＷＭ）制御して交流電力に変換し、商用絶縁トランス１０３を介し、商用系統電源１０４と連系させて負荷１０５に供給するものである。

系統連系型インバータ制御装置１０１は、入力コンデンサ１０６、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４よりなるＦＥＴブリッジ１０７、出力フィルター機能を持つ出力チョークコイル１０８及び平滑コンデンサ１０９、連系リレー１１０、制御部１１１、商用系統電圧検出器１１２、インバータ出力電流検出器１１３から構成されている。

制御部１１１では、商用系統電圧検出器１１２により検出された商用系統電圧信号１１２ａに基づき、信号演算処理部１１４にてそれと同期した基準正弦波信号１１４ａを発振し、その基準正弦波信号１１４ａとフィードバック信号であってインバータ出力電流検出器１１３で検出したインバータ出力電流検出信号１１３ａとの差を誤差増幅器１１５で増幅した信号をＰＷＭ制御回路１１６でＰＷＭ制御し、ゲートドライブ回路１１７でゲートドライブ信号をスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４に出力する。

系統連系型インバータ制御装置１０１の通常運転時には、連系リレー１１０が投入され、商用系統電源１０４と系統連系型インバータ制御装置１０１が商用絶縁トランス１０３を介して連系されており、基準正弦波信号１１４ａをインバータ出力電流が最大となるように、つまり、太陽電池最大電力点追尾により制御する。

系統連系型インバータ制御装置１０１が商用絶縁トランス１０３を介して連系する商用系統電源１０４は、日本の住宅用途では一般に単相で、その電圧はおよそ２００Ｖｒｍｓである。このため、商用絶縁トランス１０３の商用系統電源１０４側の電圧も、およそ２００Ｖｒｍｓである。

また、商用絶縁トランス１０３は、一般に巻数比を１：１から１：２程度としている。ここで、例えば商用絶縁トランス１０３の巻数比を１：２とすると、太陽電池１０２の出力電圧は商用系統電源１０４の波高値の半分の、およそ１４１Ｖより高く保つ必要があり、シリコン結晶系太陽電池の単一セルの出力電圧はおよそ０．５Ｖであるので、およそ２８２枚以上と非常に多くの数のセルを直列接続して太陽電池１０２の出力電圧を高めている。

このように系統連系型インバータ制御装置１０１の出力側、つまり商用絶縁トランス１０３が接続される側はおよそ１００Ｖｒｍｓまたは２００Ｖｒｍｓを出力し、系統連系型インバータ制御装置１０１の入力側、つまり太陽電池１０２が接続される側も、直流１４１Ｖ以上の出力電圧とした太陽電池１０２が接続されることとなり、これに耐えられるよう耐圧の高い部品が使用されている。

そして、直流電圧検出器（図示していない）で検出した太陽電池１０２の出力電圧の低下あるいは商用系統電源１０４または系統連系型インバータ制御装置１０１などの異常の発生といった停止条件が成立したときに、連系リレー１１０を遮断して商用系統電源１０４と系統連系型インバータ制御装置１０１とを切り離し、ＦＥＴブリッジ１０７の動作を停止する。特に商用系統電源１０４に異常が発生した場合に、系統連系型インバータ制御装置１０１を停止させ連系リレー１１０を遮断して系統連系型インバータ制御装置１０１を商用系統電源１０４から切り離し解列する単独運転防止機能により、商用系統電源１０４の故障時または保守時などにおいて、系統連系型インバータ制御装置１０１が運転して商用絶縁トランス１０３を介して商用系統電源１０４側へおよそ２００Ｖｒｍｓの電圧を印加することによる保守員の感電事故などを未然に防止している。

また、図示していないが、系統連系型インバータ制御装置１０１の太陽電池１０２が接続される入力側に、太陽電池１０２の出力電圧を昇圧する昇圧チョッパーなどの昇圧回路を持つものもあるが、この昇圧回路もその昇圧比は１：３程度とするのが一般的であり、この場合でも、昇圧回路を持たないものに比べれば少ないものの、およそ１００枚以上と非常に多くの数の太陽電池セルを直列接続して用いている。

また、図示していないが、商用絶縁トランス１０３を介さず、商用系統電源１０４へ直接連系する系統連系型インバータ制御装置１０１も紹介されており、この場合系統連系型インバータ制御装置１０１の出力電圧は上記の２倍にあたる、およそ２００Ｖｒｍｓとなる。

また、日本の一般住宅用途以外では、３相２００Ｖｒｍｓ電源や、その他の電力系統に連系されるものもある。

また、太陽電池以外の、例えば燃料電池や風力発電装置、水力発電装置などの発電機を商用系統電源に連系する場合も同様の系統連系型インバータ制御装置を利用した電源装置が用いられる。固体高分子型燃料電池の場合は、セル電圧がおよそ０．７Ｖ程度であるので、上記の太陽電池と同様に直列数を非常に多くして、燃料電池の出力電圧を高める必要がある。風力発電装置や水力発電装置には、回転機の発電機が用いられ、この発電機の内部構造によって交流出力のものと直流出力のものがあるが、発電機の出力電圧を高めるために、増速機を用いて回転数を高めたり、または発電機内の巻線の巻数を大幅に多くしている。
特開平８−１０３０８５号公報（第２頁、第２図）

このような従来の系統連系型の電源装置では、住宅用の商用系統電源とほぼ同じか、または若干高い電圧を出力する必要があるため、系統側の停電時などに電源装置が運転していると系統側の保守作業時に感電事故などが発生するという課題があり、系統側の異常を検出して電源装置を系統から解列することが要求されている。

本発明は、このような従来の課題を解決するものであり、住宅用の商用系統連系型の電源装置の出力電圧が人が感電する電圧以下である電源装置を提供することを目的としている。

また、太陽電池など発電機の出力電圧を商用系統電源の実効電圧と、同程度にしなければならないという課題があり、発電機の出力電圧が低くても、なるべく簡易な構成で商用系統電源に連系することが要求されている。

より具体的に例を示すと、発電機が太陽電池の場合には、発電機の出力電圧を高めるために、非常に多くの太陽電池セルを直列に接続しなければならず、直列にした太陽電池セルの１つでも日陰になるとそれを含む太陽電池セルを直列接続したストリング全体が発電できなくなり、日陰になったセルが異常な高温になったり、日陰になったセルへの印加電圧が耐圧を超えてしまってそのセルが故障したりするという課題があり、太陽電池の直列セル数を低減することが要求されている。

また、発電機が固体高分子型燃料電池の場合は、発電機の出力電圧を高めるために、非常に多くのセルを直列に接続しなければならず、直列にしたセルの１つにでも不具合が発生するとそのセルを含むスタック全体が発電しなくなったり、高価なスタック全体の故障を引き起こしてしまうという課題があり、燃料電池の直列セル数を低減することが要求されている。

また、発電機が風力発電装置や水力発電装置で回転機の発電機の場合には、発電機の出力電圧を高めるために、増速機を用いて回転数を高める方法が採られることがあるが、増速機からの騒音や増速機の故障による信頼性の低下、増速機の保守に手間がかかるという課題があった。また発電機の出力電圧を高めるために、発電機内の巻線の巻数を大幅に多くする方法が採られることもあるが、巻数を多くすると発電機の形状が非常に大型化し、また高価になってしまうという課題がありがあった。これらのことから、増速機の取り付けや発電機の巻き数を増加させることなく、回転機の発電機の電力を住宅用の商用系統電源へ連系することが要求されている。

また、入力電源の電圧が商用系統電源の電圧に比べて低い場合には、上記背景技術に示したように昇圧回路により電圧を３倍程度に昇圧する例もあるが、このように昇圧手段を用いる場合には昇圧比が大きくなるにつれ損失も大きくなり、また電圧安定性などの制御性も損なわれることとなり、構成が複雑になり価格も増大するため、昇圧手段を用いることなく住宅用の商用系統電源に連系できること、または昇圧手段を用いる場合でもその昇圧比をなるべく小さくすること、または発電機の出力電圧が低くても簡易な構成で効率よく住宅用の商用系統電源に連系することが要求されている。

また、太陽電池、燃料電池、風力発電装置など発電機の多様化が進んでいるが、それぞれの発電機ごとに系統連系型の電源装置を導入しなければならないので、全体システムの複雑化、複数の系統連系型電源装置間の相互干渉による全体性能の低下とそれによる住宅用の商用系統電源への悪影響、全体システムの高価格化などの課題があり、簡易な構成で複数の発電機を１つの住宅用の商用系統電源に連系できることが要求されている。

本発明は、このような従来の課題を解決するものであり、複数の発電機の出力電力を簡易な構成で住宅用の商用系統電源に連系することのできる電源装置を提供することを目的としている。

本発明の電源装置およびその運転方法は上記目的を達成するために、発電機の電源から入力される電力を直列トランスを介して住宅用の商用系統電源へ連系する電源装置であって、前記直列トランスの系統側電圧は人が接触しても感電しない程度の低い電圧、２．５Ｖｒｍｓから３０Ｖｒｍｓで連系する電源装置としたものである。
これにより、系統側の停電時などに電源装置を住宅用の商用系統電源から解列せずに電源装置が運転していても、一般に３０Ｖｒｍｓ以下の電圧では人は感電しないので、系統側の保守作業などを行う時に系統電源に人が接触しても感電事故などが発生しない電源装置が得られる。また、直列トランスの巻数比と直列トランスの非系統側へ印加する電圧を、直列トランスの系統側電圧が３０Ｖｒｍｓ以下でごく低い電圧として、例えば２．５Ｖｒｍｓまたは３Ｖｒｍｓになるようにすれば、商用系統電源に故障が発生して停電し本発明の電源装置が運転し続けていても、商用系統電源に印加される電圧はわずかに２．５Ｖｒｍｓまたは３Ｖｒｍｓとごく低いので、住宅用の商用系統電源の保守員が電源線に触れたとしても感電しショックを感じることはない。また、住宅用の商用系統電源２０２Ｖｒｍｓに２．５Ｖｒｍｓまたは３Ｖｒｍｓを加算しても電気事業法に規定された２０２Ｖ±２０Ｖの範囲内であるから、商用系統電源へも負荷へも過電圧による悪影響を及ぼすことはない。

これにより発電機の発生する電力を人が感電する電圧以下で商用系統電源へ連系する電源装置が得られる。

また、入力される電源が住宅用の商用系統電源と同期した同一周波数の交流電源である場合は、その出力電圧に応じて直列トランスの系統側電圧が、例えば商用系統電源に電圧加算する方向で３Ｖｒｍｓとなるよう巻方向と巻数比とを定めたことによって、入力電源を直接直列トランスに接続し、住宅用の商用系統電源へ連系することができる。

これにより、発電機の出力電圧が低くても非常に簡易な構成で住宅用の商用系統電源に連系する、また系統連系型の電源装置の出力電圧が人が感電する電圧以下である電源装置が得られる。

また、他の手段は、直列トランスの系統側巻線は１つで非系統側巻線は２つまたはそれ以上有していて、２つまたはそれ以上の発電機等の電源から入力される電力をそれぞれ前記直列トランスの前記非系統側巻線を介して住宅用の商用系統電源へ連系する電源装置としたものである。

これにより直列トランスは１つという簡易な構成で複数の発電機を１つの住宅用の商用系統電源に連系することができ、さらに人が感電する電圧以下で連系する電源装置が得られる。

また、他の手段は、直列トランスの非系統側巻線を短絡する短絡手段を備えたことを特徴とする請求項１または２記載の電源装置としたものである。

これにより、直列トランスの非系統側を開放したときに高電圧が生じることを防止でき、さらにこの高電圧により電源装置が故障することを防止できる信頼性の高い電源装置が得られる。

また、他の手段は、直流電力を交流電力に変換するＤＣ／ＡＣ電力変換手段と、直列トランスとを備え、入力される直流電力を前記ＤＣ／ＡＣ電力変換手段で交流電力に変換し、変換された交流電力を前記直列トランスを介して住宅用の商用系統電源へ連系する請求項１、２または３記載の電源装置としたものである。

これにより、簡易な構成で住宅用の商用系統電源に連系する電源装置が得られる。

また、他の手段は、直流電力を電圧変換するＤＣ／ＤＣ電力変換手段と、直流電力を交流電力に変換するＤＣ／ＡＣ電力変換手段と、直列トランスとを備え、入力される直流電力を前記ＤＣ／ＤＣ電力変換で電圧変換して昇圧し、昇圧された直流電力を前記ＤＣ／ＡＣ電力変換手段で交流電力に変換し、変換された交流電力を前記直列トランスを介して住宅用の商用系統電源へ連系する請求項１、２、３または４記載の電源装置としたものである。

これにより、発電機の出力電圧が低くても、簡易な構成で住宅用の商用系統電源に連系する電源装置が得られる。

また、他の手段は、交流電力を直流電力に変換するＡＣ／ＤＣ電力変換手段と、直流電力を交流電力に変換するＤＣ／ＡＣ電力変換手段と、直列トランスとを備え、入力される交流電力を前記ＡＣ／ＤＣ電力変換手段で直流電力に変換し、変換された直流電力を前記ＤＣ／ＡＣ電力変換手段で交流電力に変換し、変換された交流電力を前記直列トランスを介して住宅用の商用系統電源へ連系する請求項１、２、３、４または５記載の電源装置としたものである。

これにより、交流出力の発電機の出力電圧が低くても、簡易な構成で住宅用の商用系統電源に連系する電源装置が得られる。

また、他の手段は、交流電力を昇圧するＡＣ／ＡＣ変換手段と、交流電力を直流電力に変換するＡＣ／ＤＣ電力変換手段と、直流電力を交流電力に変換するＤＣ／ＡＣ電力変換手段と、直列トランスとを備え、入力される交流電力を前記ＡＣ／ＡＣ変換手段で昇圧し、昇圧された交流電力を前記ＡＣ／ＤＣ電力変換手段で直流電力に変換し、変換された直流電力を前記ＤＣ／ＡＣ電力変換手段で交流電力に変換し、変換された交流電力を直列トランスを介して住宅用の商用系統電源へ連系する請求項１、２、３、４、５または６記載の電源装置としたものである。

また、他の手段は、交流電力を直流電力に変換するＡＣ／ＤＣ電力変換手段と、直流電力を電圧変換するＤＣ／ＤＣ電力変換手段と直流電力を交流電力に変換するＤＣ／ＡＣ電力変換手段と、直列トランスとを備え、入力される交流電力を前記ＡＣ／ＤＣ電力変換手段で直流電力に変換し、変換された直流電力を前記ＤＣ／ＤＣ電力変換手段で電圧変換して昇圧し、昇圧された直流電力を前記ＤＣ／ＡＣ電力変換手段で交流電力に変換し、変換された交流電力を直列トランスを介して住宅用の商用系統電源へ連系する請求項１、２、３、４、５、６、７または８記載の電源装置としたものである。

本発明の請求項１記載の発明は、発電機の電源から入力される電力を直列トランスを介して住宅用の商用系統電源へ連系する電源装置であって、前記直列トランスの系統側電圧は人が接触しても感電しない程度の低い電圧、２．５Ｖｒｍｓから３０Ｖｒｍｓで連系する電源装置としたものであり、系統側の停電時などに電源装置を住宅用の商用系統電源から解列せずに電源装置が運転していても、一般に３０Ｖｒｍｓ以下の電圧では人は感電しないという作用を有する。また、直列トランスの巻数比と直列トランスの非系統側へ印加する電圧を、直列トランスの系統側電圧が３０Ｖｒｍｓ以下の例えば２．５Ｖｒｍｓまたは３Ｖｒｍｓになるようにすれば、商用系統電源に故障が発生して停電し本発明の電源装置が運転し続けていても、商用系統電源に印加される電圧はわずかに２．５Ｖｒｍｓまたは３Ｖｒｍｓであり、商用系統電源の保守員が電源線に触れたとしても感電しショックを感じることはない。また、商用系統電源２０２Ｖｒｍｓに２．５Ｖｒｍｓまたは３Ｖｒｍｓを加算しても電気事業法に規定された２０２Ｖ±２０Ｖの範囲内であるから、商用系統電源へも負荷へも悪影響を及ぼすことはないという作用を有する。また、入力される電源が商用系統電源と同期した同一周波数の交流電源である場合は、その出力電圧に応じて直列トランスの系統側電圧が、例えば商用系統電源に電圧加算する方向で３Ｖｒｍｓとなるよう巻方向と巻数比とを定めたので、入力電源を直接直列トランスに接続し、商用系統電源へ連系するという作用を有する。

また、直列トランスの系統側巻線は１つで非系統側巻線は２つまたはそれ以上有していて、２つまたはそれ以上の発電機等の電源から入力される電力をそれぞれ前記直列トランスの前記非系統側巻線を介して商用系統電源へ連系する電源装置としたものであり、１つの直列トランスで複数の発電機を１つの商用系統電源に連系するという作用を有する。

また、直列トランスの非系統側巻線を短絡する短絡手段を備えた電源装置としたものであり、直列トランスの非系統側を開放したときに系統側に商用系統電源から負荷へ電流が流れていれば高電圧が発生するが、非系統側の開放と同時に非系統側を短絡することでこの高電圧が生じることを防止でき、さらにこの高電圧により電源装置が故障することを防止できるという作用を有する。

また、直流電力を交流電力に変換するＤＣ／ＡＣ電力変換手段と、直列トランスとを備え、入力される直流電力を前記ＤＣ／ＡＣ電力変換手段で交流電力に変換し、変換された交流電力を前記直列トランスを介して商用系統電源へ連系する電源装置としたものであり、入力される直流電力を前記ＤＣ／ＡＣ電力変換手段で交流電力に変換し、変換された交流電力を前記直列トランスを介して商用系統電源へ連系するという作用を有する。

また、直流電力を電圧変換するＤＣ／ＤＣ電力変換手段と、直流電力を交流電力に変換するＤＣ／ＡＣ電力変換手段と、直列トランスとを備え、入力される直流電力を前記ＤＣ／ＤＣ電力変換で電圧変換して昇圧し、昇圧された直流電力を前記ＤＣ／ＡＣ電力変換手段で交流電力に変換し、変換された交流電力を前記直列トランスを介して商用系統電源へ連系する電源装置としたものであり、入力される直流電力を前記ＤＣ／ＤＣ電力変換で電圧変換して昇圧し、昇圧された直流電力を前記ＤＣ／ＡＣ電力変換手段で交流電力に変換し、変換された交流電力を前記直列トランスを介して商用系統電源へ連系するという作用を有する。

また、交流電力を直流電力に変換するＡＣ／ＤＣ電力変換手段と、直流電力を交流電力に変換するＤＣ／ＡＣ電力変換手段と、直列トランスとを備え、入力される交流電力を前記ＡＣ／ＤＣ電力変換手段で直流電力に変換し、変換された直流電力を前記ＤＣ／ＡＣ電力変換手段で交流電力に変換し、変換された交流電力を前記直列トランスを介して商用系統電源へ連系する電源装置としたものであり、入力される交流電力を前記ＡＣ／ＤＣ電力変換手段で直流電力に変換し、変換された直流電力を前記ＤＣ／ＡＣ電力変換手段で交流電力に変換し、変換された交流電力を前記直列トランスを介して商用系統電源へ連系するという作用を有する。

また、交流電力を昇圧するＡＣ／ＡＣ変換手段と、交流電力を直流電力に変換するＡＣ／ＤＣ電力変換手段と、直流電力を交流電力に変換するＤＣ／ＡＣ電力変換手段と、直列トランスとを備え、入力される交流電力を前記ＡＣ／ＡＣ変換手段で昇圧し、昇圧された交流電力を前記ＡＣ／ＤＣ電力変換手段で直流電力に変換し、変換された直流電力を前記ＤＣ／ＡＣ電力変換手段で交流電力に変換し、変換された交流電力を直列トランスを介して商用系統電源へ連系する電源装置としたものであり、入力される交流電力を前記ＡＣ／ＡＣ変換手段で昇圧し、昇圧された交流電力を前記ＡＣ／ＤＣ電力変換手段で直流電力に変換し、変換された直流電力を前記ＤＣ／ＡＣ電力変換手段で交流電力に変換し、変換された交流電力を直列トランスを介して商用系統電源へ連系するという作用を有する。

また、交流電力を直流電力に変換するＡＣ／ＤＣ電力変換手段と、直流電力を電圧変換するＤＣ／ＤＣ電力変換手段と直流電力を交流電力に変換するＤＣ／ＡＣ電力変換手段と、直列トランスとを備え、入力される交流電力を前記ＡＣ／ＤＣ電力変換手段で直流電力に変換し、変換された直流電力を前記ＤＣ／ＤＣ電力変換手段で電圧変換して昇圧し、昇圧された直流電力を前記ＤＣ／ＡＣ電力変換手段で交流電力に変換し、変換された交流電力を直列トランスを介して商用系統電源へ連系する電源装置としたものであり、入力される交流電力を前記ＡＣ／ＤＣ電力変換手段で直流電力に変換し、変換された直流電力を前記ＤＣ／ＤＣ電力変換手段で電圧変換して昇圧し、昇圧された直流電力を前記ＤＣ／ＡＣ電力変換手段で交流電力に変換し、変換された交流電力を直列トランスを介して商用系統電源へ連系するという作用を有する。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。

（実施の形態１）
図１に示すように、電源装置１は発電機２から入力される電力を、直列トランス３を介し、商用系統電源４と連系させて負荷５に供給するものである。ここで、直列トランス３と商用系統電源４と負荷５は互いに直列に接続されている。

上記構成において、発電機２は商用系統電源４と同期した同一周波数の交流発電機である。ここで、例えば発電機２の出力電圧は６０Ｖｒｍｓであり、商用系統電源４の電圧は２００Ｖｒｍｓであるとする。電圧６０Ｖｒｍｓは感電する恐れのある電圧であるが、商用系統電源４の出力電圧よりも低いためこのままでは連系できない。直列トランス３の巻方向を商用系統電源４と電圧加算する方向とし、直列トランス３の巻数比を２０：１とすると、直列トランス３の系統側電圧は発電機２の出力電圧の２０分の１の３Ｖｒｍｓとなり、負荷５に印加される電圧は、商用系統電源４の電圧と直列トランスの系統側電圧を加算した２０３Ｖｒｍｓとなる。一般に３０Ｖｒｍｓ以下の電圧に人が接触しても感電しないので、直列トランス３の系統側電圧３Ｖｒｍｓでは一般に人は感電しない。この負荷に印加される電圧は、電気事業法の標準電圧２００Ｖの維持すべき値の範囲内であり、負荷５および商用系統電源４へ過電圧などによる悪影響を及ぼすことはない。このように商用系統電源４より出力電圧が低く人が接触すると感電する恐れのある発電機２の電力を、非常に簡易な構成で、商用系統電源の停電時の保守作業時に保守員が電源線に接触しても感電しないようにして連系できることとなる。

（実施の形態２）
図２は電源装置１としての系統連系型インバータ制御装置１を適用した太陽光発電システムの回路ブロック図である。図２において、電源装置１としての系統連系型インバータ制御装置１で、発電機２としての太陽電池２が発電した直流電力をパルス幅変調（ＰＷＭ）制御して交流電力に変換し、直列トランス３を介し、商用系統電源４と連系させて負荷５に供給するものである。ここで、直列トランス３と商用系統電源４と負荷５は互いに直列に接続されている。

系統連系型インバータ制御装置１は、ＤＣ／ＤＣ電力変換手段６としてのインダクタＬ１とスイッチング素子Ｓ５とダイオードＤ１からなる昇圧チョッパー回路６と、入力コンデンサ７、ＤＣ電圧検出器８、スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ４よりなるＤＣ／ＡＣ電力変換手段９としてのＦＥＴブリッジ９、出力フィルター機能を持つ出力チョークコイル１０及び平滑コンデンサ１１、連系リレー１２、短絡手段１３としての短絡リレー１３、制御部１４、商用系統電圧検出器１５、インバータ出力電圧検出器１６、インバータ出力電流検出器１７から構成されている。

制御部１４では、商用系統電圧検知手段１５としての商用系統電圧検出器１５により検出された商用系統電圧信号１５ａに基づき、信号演算処理部１８にてそれと同期していて信号演算処理部１８に設定されたインバータ出力電圧の波高値であるインバータ出力電圧指令値に比例した大きさの基準正弦波信号１８ａを発振し、その基準正弦波信号１８ａとフィードバック信号であってインバータ出力電圧検出器１６で検出したインバータ出力電圧検出信号１６ａとの差を電圧誤差増幅器１９で増幅した電圧誤差信号１９ａと、インバータ出力電流検出器１７で検出したインバータ出力電流検出信号１７ａを電流実効値へ変換する実効値演算手段２１と、求めた電流実行値と電流指令値２２の差を電流誤差増幅器２３で増幅した電流誤差信号２３ａと、電圧誤差信号１９ａと電流誤差信号２３ａとを乗算する乗算器２４が出力する信号をＰＷＭ制御回路２５でＰＷＭ制御し、ゲートドライブ回路２６でゲートドライブ信号をスイッチング素子Ｓ１〜Ｓ４からなるＤＣ／ＡＣ電力変換手段９としてのＦＥＴブリッジ９に出力する。信号演算処理部１８と、電圧誤差増幅器１９とから、出力電力制御手段２０を構成している。

また、制御部１４では、ＤＣ電圧検出器８で検出した入力コンデンサ７の端子電圧であるＤＣ電圧信号８ａとＤＣ電圧指令値２７の差をＤＣ電圧誤差増幅器２８で増幅したＤＣ電圧誤差信号をチョッパＰＷＭ制御回路２９でＰＷＭ制御し。チョッパゲートドライブ回路３０でスイッチング素子Ｓ５に出力する。

上記構成において電源装置１としての系統連系型インバータ制御装置１は、太陽電池２の出力電圧がＤＣ電圧指令値２７より低い場合にはＤＣ／ＤＣ電力変換手段６としての昇圧チョッパー回路６により太陽電池２の出力する直流電力をを昇圧してほぼ一定電圧に保持し、このほぼ一定電圧に保持された直流電力をＤＣ／ＡＣ電力変換手段９であるＦＥＴブリッジ９により商用系統電源４に同期した正弦波のＡＣ電力に変換し、直列トランス３を介して商用系統電源４へ連系する。

ここで、例えば太陽電池２の出力電圧が７０Ｖであり、商用系統電源４の電圧が２００Ｖｒｍｓであるとする。電圧７０Ｖは感電する恐れのある電圧であるが、商用系統電源４の出力電圧よりも低く、また直流電力であるためこのままでは商用系統電源４へ連系できない。ＤＣ電圧指令値２７を７０Ｖとすると、昇圧チョッパー回路６が動作しない状態では入力コンデンサ７の端子電圧はほぼ太陽電池２の出力電圧からダイオードＤ１の損失電圧のおよそ１Ｖを引いた値の６９Ｖとなるため、ＤＣ電圧誤差増幅器２８は昇圧チョッパー回路６を６９Ｖを７０Ｖに昇圧させるだけのごくわずかな昇圧比で動作させる信号を出力し昇圧チョッパー回路６により入力コンデンサ７の端子電圧は７０Ｖに保持される。

信号演算処理部にＤＣ電圧指令値２７の７０Ｖを波高値とするインバータ出力電圧設定値を設定しておくと、ＰＷＭ制御回路２５の変調率は１００％となりＤＣ／ＡＣ電力変換手段９としてのＦＥＴブリッジ９の損失は最小となり、インバータ出力の歪み率も最小となる。なお、太陽電池２の出力電圧がＤＣ電圧指令値２７から系統連系型インバータ制御装置１の損失電圧を引いた値よりも大きければ、この例の場合７１Ｖ以上であれば、ＤＣ／ＤＣ電力変換回路６を備える必要はないので、構成を大きく簡略化できる。

このとき直列トランス３の非系統側に印加される電圧の波高値は７０Ｖで、実効電圧は７０Ｖを２の平方根で除した値のおよそ４９．５Ｖｒｍｓとなる。直列トランス３の巻方向を商用系統電源４と電圧加算する方向とし、直列トランス３の巻数比を２０：１とすると、直列トランス３の系統側電圧は非系統側電圧の２０分の１のおよそ２．５Ｖｒｍｓとなり、負荷５に印加される電圧は、商用系統電源４の電圧と直列トランスの系統側電圧を加算した２０２．５Ｖｒｍｓとなる。一般に３０Ｖｒｍｓ以下の電圧に人が接触しても感電しないので、直列トランス３の系統側電圧３Ｖｒｍｓでは一般に人は感電しない。この負荷に印加される電圧は、電気事業法の標準電圧２００Ｖの維持すべき値の範囲内であり、負荷５および商用系統電源４へ過電圧などによる悪影響を及ぼすことはない。このように商用系統電源４より出力電圧が低く人が接触すると感電する恐れのある太陽電池２の直流電力を、非常に簡易な構成で、効率よく、商用系統電源の停電時の保守作業時に保守員が電源線に接触しても感電しないようにして連系できることとなる。

太陽電池２の出力電圧が７０Ｖなので、太陽電池セルの直列数は１セル当りの電圧を現在一般的な０．５Ｖとすると１４０枚直列接続することとなる。現在この種の電源装置では太陽電池の出力電圧は２００Ｖ程度とするのが一般的でこの場合太陽電池セルの直列数は４００枚となり、本発明によれば太陽電池セルの直列数をおよそ３割程度に削減できることとなる。

系統連系型インバータ制御装置１の通常運転時には、短絡手段１３としての短絡リレー１３は開放され、連系リレー１２が投入され、商用系統電源４と系統連系型インバータ制御装置１が商用系統電源４に直列に接続された直列トランス３を介して連系されており、電流指令値２１をインバータ出力電流が最大となるように、つまり、太陽電池最大電力点追尾により制御する。

そして、ＤＣ電圧検出器８およびＤＣ／ＤＣ電力変換手段６としての昇圧チョッパー回路６の昇圧比またはＤＣ電圧誤差増幅器２７の出力とから求めた太陽電池２の出力電圧の低下あるいは商用系統電源４または系統連系型インバータ制御装置１などの異常の発生といった停止条件が成立したときに、ＤＣ／ＡＣ電力変換手段９としてのＦＥＴブリッジ９とＤＣ／ＤＣ電力変換手段としての昇圧チョッパー回路６の動作を停止し、短絡リレー１３により直列トランスの非系統側巻線を短絡し、連系リレー１２を遮断して、商用系統電源４と系統連系型インバータ制御装置１とを切り離し、系統連系型インバータ制御装置は連系運転を停止する。

このようにすることで、系統連系型インバータ制御装置１が運転していない際に直列トランス３の非系統側が開放され、商用系統電源４から負荷５へ直列トランス３の系統側巻線を経由して電流が流れたときに、直列トランスの非系統側巻線に高電圧が発生することを無くし、この高電圧により系統連系型インバータ制御装置１が故障することを未然に防止できる。なお、連系リレー１２がない場合でもＤＣ／ＡＣ電力変換手段９としてのＦＥＴブリッジ９を停止し、短絡リレー１３で直列トランス３の非系統側巻線を短絡するだけでも同様の動作が実現できるので、連系リレー１２を省略することもでき、この場合は大幅に構成を簡略化できる。

なお、直列トランス３の非系統側へ印加する交流電圧の波高値である信号演算処理部１８に設定されたインバータ出力電圧指令値を、太陽電池２の出力電圧から系統連系型インバータ制御装置１の損失電圧を引いた値よりも小さく設定すれば、ＤＣ／ＤＣ電力変換手段６としての昇圧チョッパー回路６が省略できるとともに、制御部１４はＤＣ／ＡＣ電力変換手段９のみの制御をすればよいので、制御部１４をより簡易な構成とでき、大幅にコストを削減できる。

（実施の形態３）
図３は複数の発電機２を複数の非系統巻線を有する１つの直列トランス３で商用系統電源に連系する電源装置１のブロック図である。図２に示すように、第１の電源装置１ａは第１の発電機２ａとしての風力発電装置２ａから入力される電力を直列トランス３の第１の非系統側巻線３ａを介して商用系統電源４へ連系させて、第２の電源装置１ｂは第２の発電機２ｂとしての固体高分子型燃料電池２ａから入力される電力を直列トランス３の第２の非系統側巻線３ｂを介し商用系統電源４へ連系させて、第３の電源装置１ｃは第３の発電機２ｃとしての太陽電池２ｃから入力される電力を直列トランス３の第３の非系統側巻線３ｃを介し商用系統電源４へ連系させて、負荷５に供給するものである。ここで、直列トランス３の系統側巻線と商用系統電源４と負荷５は互いに直列に接続されている。

（実施の形態４）
図４にＡＣ／ＤＣ電力変換手段３１としてのダイオードＤ２〜Ｄ５よりなる全波整流回路３１を用いた電源装置１のブロック図を示す。交流出力の誘導型発電機や同期型発電機など回転機の発電機である発電機２が発生する交流電力をＡＣ／ＤＣ電力変換手段３１としての全波整流回路３１により直流電力に変換し、入力コンデンサ７へ入力された後にＤＣ／ＡＣ電力変換手段９へ入力される。これ以外の構成および動作は実施の形態２と同様であるので省略する。

この構成により、交流電力を発生する種類の発電機２でも、簡易な構成で、効率よく、商用系統電源の停電時の保守作業時に保守員が電源線に接触しても感電しないようにして連系できることとなる。

（実施の形態５）
図５にＡＣ／ＡＣ電力変換手段３２としての昇圧トランス３２を用いた電源装置１のブロック図を示す。交流出力の誘導型発電機や同期型発電機など回転機の発電機である発電機２が発生する交流電力をＡＣ／ＡＣ電力変換手段３２としての昇圧トランス３２により電圧を交流電力のまま昇圧し、昇圧した交流電力をＡＣ／ＤＣ電力変換手段３１で直流電力に変換する。これ以外の構成および動作は実施の形態２および、実施の形態４と同様であるので省略する。

この構成により、交流電力を発生する種類の発電機２の出力電圧が低くても、簡易な構成で、効率よく、商用系統電源の停電時の保守作業時に保守員が電源線に接触しても感電しないようにして連系できることとなる。また、ＤＣ／ＤＣ電力変換手段６を用いずに入力された電力の電圧を昇圧することができることとなる。

本発明にかかる電源装置およびその運転方法は、発電機の発生する電力を人が感電する電圧以下で商用系統電源へ連系できるという効果と、発電機の出力電圧が低くても簡易な構成で商用系統電源に連系できるという効果と、発電機の出力電圧が低くても簡易な構成で商用系統電源に連系できるので、太陽電池の直列セル数を少なくでき、日陰の影響を受けにくいので太陽電池の性能を十分に発揮さることができるという効果と、発電機の出力電圧が低くても簡易な構成で商用系統電源に連系できるので、固体高分子型燃料電池の直列セル数を少なくでき、燃料電池の故障を少なくし信頼性を向上できるという効果と、回転機の発電機に増速機を取り付けたり発電機の巻き数を増加させたりする必要がなく商用系統電源に連系なるので、回転機の発電機を安価にでき信頼性も向上できるという効果と、発電機の出力電圧が低くても簡易な構成で商用系統電源に連系できるので、昇圧手段による効率の悪化を無くせる、または昇圧手段を備えていてもその昇圧比を非常に小さくでき、電源装置の効率が高くなり、発電機の電力を効率よく商用系統電源に連系できるという効果と、１つの直列トランスで複数の発電機出力を商用系統電源へ連系できることとなり、複数の発電機の出力電力を簡易な構成で商用系統電源に連系することのできるという効果とを有し、太陽電池や燃料電池、風力発電装置、水力発電装置などの発電機を商用系統電源に連系する場合に使用される系統連系型の電源装置およびその運転方法に関する分野等として有用である。

本発明の実施の形態１の電源装置の構成を示すブロック図同実施の形態２の電源装置の構成を示すブロック図同実施の形態３の電源装置の構成を示すブロック図同実施の形態４の電源装置の構成を示すブロック図同実施の形態５の電源装置の構成を示すブロック図従来の電源装置を示すブロック図

１電源装置
２太陽電池
３直列トランス
４商用系統電源
５負荷
６昇圧チョッパー回路
９ＦＥＴブリッジ
３短絡リレー
１５商用系統電圧検出器
２０出力電圧制御手段
３１全波整流回路
３２昇圧トランス

Claims

発電機の電源から入力される電力を直列トランスを介して住宅用の商用系統電源へ連系する電源装置であって、前記直列トランスの系統側電圧は人が接触しても感電しない程度の低い電圧、２．５Ｖｒｍｓから３０Ｖｒｍｓで連系する電源装置。
直列トランスの系統側巻線は１つで非系統側巻線は２つまたはそれ以上有していて、２つまたはそれ以上の発電機等の電源から入力される電力をそれぞれ前記直列トランスの前記非系統側巻線を介して住宅用の商用系統電源へ連系する請求項１記載の電源装置。
直列トランスの非系統側巻線を短絡する短絡手段を備えたことを特徴とする請求項１または２記載の電源装置。
直流電力を交流電力に変換するＤＣ／ＡＣ電力変換手段と、直列トランスとを備え、入力される直流電力を前記ＤＣ／ＡＣ電力変換手段で交流電力に変換し、変換された交流電力を前記直列トランスを介して商用系統電源へ連系する請求項１、２または３記載の電源装置。
直流電力を電圧変換するＤＣ／ＤＣ電力変換手段と、直流電力を交流電力に変換するＤＣ／ＡＣ電力変換手段と、直列トランスとを備え、入力される直流電力を前記ＤＣ／ＤＣ電力変換で電圧変換して昇圧し、昇圧された直流電力を前記ＤＣ／ＡＣ電力変換手段で交流電力に変換し、変換された交流電力を前記直列トランスを介して商用系統電源へ連系する請求項１、２、３または４記載の電源装置。
交流電力を直流電力に変換するＡＣ／ＤＣ電力変換手段と、直流電力を交流電力に変換するＤＣ／ＡＣ電力変換手段と、直列トランスとを備え、入力される交流電力を前記ＡＣ／ＤＣ電力変換手段で直流電力に変換し、変換された直流電力を前記ＤＣ／ＡＣ電力変換手段で交流電力に変換し、変換された交流電力を前記直列トランスを介して商用系統電源へ連系する請求項１、２、３、４または５記載の電源装置。
交流電力を昇圧するＡＣ／ＡＣ変換手段と、交流電力を直流電力に変換するＡＣ／ＤＣ電力変換手段と、直流電力を交流電力に変換するＤＣ／ＡＣ電力変換手段と、直列トランスとを備え、入力される交流電力を前記ＡＣ／ＡＣ変換手段で昇圧し、昇圧された交流電力を前記ＡＣ／ＤＣ電力変換手段で直流電力に変換し、変換された直流電力を前記ＤＣ／ＡＣ電力変換手段で交流電力に変換し、変換された交流電力を直列トランスを介して商用系統電源へ連系する請求項１、２、３、４、５または６記載の電源装置。
交流電力を直流電力に変換するＡＣ／ＤＣ電力変換手段と、直流電力を電圧変換するＤＣ／ＤＣ電力変換手段と直流電力を交流電力に変換するＤＣ／ＡＣ電力変換手段と、直列トランスとを備え、入力される交流電力を前記ＡＣ／ＤＣ電力変換手段で直流電力に変換し、変換された直流電力を前記ＤＣ／ＤＣ電力変換手段で電圧変換して昇圧し、昇圧された直流電力を前記ＤＣ／ＡＣ電力変換手段で交流電力に変換し、変換された交流電力を直列トランスを介して商用系統電源へ連系する請求項１、２、３、４、５、６または７記載の電源装置。