JP5709275B2 - 電力送出システム - Google Patents

Description

本発明は、自然エネルギーによる発電装置と該装置により発電した電力の供給を制御する装置にかかり、特に、複数の前記発電装置である電力源からの電力供給量を各種の設定条件により可変して直流負荷側に送出する電力送出システムに関するものである。

従来、消費される電力の電力源は、一般に電力会社からの供給のみであり、供給源を選択する必要もないほど充分な電力が供給されていた。
すなわち、電力会社の電力は、その電力量だけで消費者のすべての電力需要をまかなえるもので、必要十分にあり、ほとんど停電しない、という認識が一般的であった。
しかしながら、近年においては、震災や事故により、ひとつの電力源（例えば電力会社が供給する商用電源）だけに頼ることの危険性が認識されるようになった。

それに伴い、太陽光発電などの自然エネルギー利用が広まりつつあるが、かかる太陽光発電などの自然エネルギー利用についても多くの課題がある。例えば太陽光発電の場合、パワーコンディショナ（直流−交流変換器）の利用が一般的であるが、商用電源が途絶えると、十分に発電能力があっても、前記パワーコンディショナが安全性を考慮してその動作を停止してしまう。商用電源がない状態で太陽光発電を利用するためには、例えば、消費者が手動で前記パワーコンディショナを自立運転モードに設定する必要があるが、災害時にこれを行うのはきわめて困難である。

また、商用電源が供給されている平常時でも、売電する場合は、特に近隣地域で太陽光発電設備の設置が多いと、幹線電圧が上昇してしまい、パワーコンディショナの動作に制限がはたらいて、十分に売電できない事態も頻発するようになった。

さらに、太陽光、風力、水力といった自然エネルギーによる発電以外にも、燃料電池、コジェネレーション発電や、バッテリーによる深夜電力の利用など、多様な電力の利用が可能になりつつあるが、発電コストや、電力に付随して発生する熱の利用、あるいは熱源として利用するための発電増加、利用できる時間帯の制限など、様々な条件があり、これらの条件をみたして有効利用するための技術が必要となってきている。

特開平１１−１１３１８８号公報

かくして、本発明は前記従来の課題を解決するために創案されたものであって、前記商用電源のみならず、各自然エネルギーから発電された電力群を合成する際、たとえ少ない自然エネルギーから発電された少量の電力でも、それを無駄にすることなく有効に利用でき（いわゆる前述のパワーコンディショナを使用するタイプの電力合成では、曇天時の太陽光発電のように微弱な電力は、ほとんど利用することができなかった）、また複数の電源を組み合わせて利用でき、たとえひとつの電源が断たれても、自動的に他の電源から電力が供給でき、また複数の電源を利用するときに、該複数の電源についての利用優先順位が容易に設定でき、もってもっとも所望する電源についてのエネルギーを選択でき（たとえば、コストの安いエネルギーを優先的に使用できるなど）、自家発電装置や燃料電池などのようにコストのかかるもの、コジェネレーション発電のように、電力と熱を同時に作り出すもの（熱や温水の需要の変化によって発電量が変化する）、深夜電力をバッテリーにためての利用（利用時間・容量に制限がある）など、電源の種類によってはさまざまな条件があり、これらの条件に対応してトータル的に無駄なく利用できる（具体的には、各発電源からの供給電力量を任意に設定でき、あるいは計画的に発電量を制御できる）電力送出システムを提供することを目的とするものである。

また、本発明に関連した技術としては、ダイオード（逆流防止回路）により電力合成を行う技術があり、該方法では、電圧を変えることにより前記各電源の優先順位を設定することが可能であるが、いわゆる逆流防止ダイオードを利用した場合、このダイオードに電流が流れる際に、電力の一部が熱となって失われてしまうという課題がある。しかし、本発明では、電力の合流に逆流防止ダイオードを必要としないため、この面からもきわめて効率のよい電力送出システムが実現できるものとなる。

本発明による電力送出システムは、
複数の直流電源と、該複数の直流電源から直流電力の供給を受ける負荷と
を有する電力送出システムにおいて、
前記複数の直流電源にはそれぞれ電力優先取り出し装置が取り付けられ、取り付けられた電力優先取り出し装置をコントローラーにより制御し、該制御により前記電力優先取り出し装置が取り付けられた複数の直流電源から負荷への電力優先取り出しの電力量をそれぞれ任意に決定でき、決定されたそれぞれの電力量の電力を、前記それぞれの電力優先取り出し装置と負荷との間に逆流防止ダイオードを用いずに前記決定されたそれぞれの電力量の電力の電圧値にかかわらず、合成できて前記負荷へ送出してなり、
前記負荷側では、前記複数の直流電源でそれぞれ任意に決定されたそれぞれの電力量による合成された電力を受け取る、
ことを特徴とし、
または、
複数の直流電源と、該複数の直流電源から直流電力の供給を受ける負荷と
を有する電力送出システムにおいて、
前記複数の直流電源にはそれぞれ電力優先取り出し装置が取り付けられ、取り付けられた電力優先取り出し装置をコントローラーにより制御し、該制御により前記電力優先取り出し装置が取り付けられた複数の直流電源から負荷への電力優先取り出しの電力量をそれぞれ任意に決定でき、決定されたそれぞれの電力量の電力を、前記それぞれの電力優先取り出し装置と負荷との間に逆流防止ダイオードを用いずに前記決定されたそれぞれの電力量の電力の電圧値にかかわらず、合成できて前記負荷へ送出してなり、
前記負荷側では、前記複数の直流電源でそれぞれ任意に決定されたそれぞれの電力量による合成された電力を受け取り、
前記電力優先取り出し装置は、昇圧型のチョッパ制御回路を有した電力優先取り出し装置及び／又は降圧型のチョッパ制御回路を有した電力優先取り出し装置を用いて、前記直流電源から負荷への電力優先取り出しの電力量をそれぞれ任意に決定でき、前記決定されたそれぞれの電力量による合成された合成電力を負荷側へ送出してなり、前記コントローラーは、前記電力優先取り出し装置を制御する制御信号としてパルス幅変調制御法で用いられるパルス信号を使用し、前記電力優先取り出し装置の動作ＯＮ時間を表すパルス信号と、電流優先取り出し装置の動作ＯＦＦ時間を表すパルス信号の幅の比を調整して負荷側へ送り出す電力量を決定制御する、
ことを特徴とし、
または、
前記電力優先取り出し装置の出力側電流値を検出し、検出した前記電流値を利用して、電力優先取り出し装置が取り付けられたエネルギー源の1つである太陽光発電装置の発電量につき、当該時点での最大効率発電量が決定できる、
ことを特徴とし、
または、
前記電力優先取り出し装置は、キャパシタを有して構成された、
ことを特徴とするものである。

本発明によれば、商用電源のみならず、各自然エネルギーから発電された電力群を合成して送出する際、たとえ少ない自然エネルギーから発電された少量の電力でも、それを無駄にすることなく有効に利用でき（いわゆる前述のパワーコンディショナを使用するタイプの電力合成では、曇天時の太陽光発電のように微弱な電力は、ほとんど利用することができなかった）、また複数の電源を組み合わせて利用でき、たとえひとつの電源が断たれても、自動的に他の電源から電力が供給でき、また複数の電源を利用するときに、該複数の電源についての利用優先順位が設定でき、所望する電源についてのエネルギーを選択でき（たとえば、コストの安いエネルギーを優先的に使用し、不足分のみ商用電源から補う、あるいは環境にやさしいエネルギーを優先的に使用できる）、自家発電装置や燃料電池などのようにコストのかかるもの、コジェネレーション発電のように、電力と熱を同時に作り出すもの（熱や温水の需要の変化によって発電量が変化する）、深夜電力をバッテリーにためての利用（利用時間・容量に制限がある）など、電源の種類によってはさまざまな条件があり、これらの条件に対応して無駄なく利用できる（具体的には、各発電源からの供給電力量を任意に設定でき、あるいは計画的に発電量を制御できる）。また、ダイオード（逆流防止回路）により電力合成を行う技術があり、該方法では、電圧を変えることにより前記各電源の優先順位を設定することが可能であるが、ダイオードを利用した場合、ダイオードに電流が流れる際に、電力の一部が熱となって失われてしまうという課題がある。しかし、本発明では、電力の合流にダイオードを必要としていないため、効率のよい電力合成が実現できるとの優れた効果を奏する。

本発明の概略構成を示す概略構成説明図（１）である。 制御信号の一具体例を示す説明図である。 電力優先取り出し装置の実施例を示す説明図（１）である。 電力優先取り出し装置の実施例を示す説明図（２）である。 tとＩ_onの関係をグラフによって説明した説明図である。 電力優先取り出し装置の動作説明図（１）である。 式７で示す「Ｉ_off」をグラフによって説明した説明図である。 スイッチＳＷをＯＮにして、ＯＦＦにするまでのサイクルをグラフによって説明した説明図である。 スイッチＳＷのＯＮ／ＯＦＦを繰り返すときに、インダクタンスＬを流れる電流について説明する説明図である。 ダイオードＤを通って出力側に流れる電流について説明する説明図である。 毎サイクルの電流について説明する説明図（１）である。 毎サイクルの電流について説明する説明図（２）である。 毎サイクルの電流について説明する説明図（３）である。 複数の電力優先取り出し装置の出力を並列に接続した状態を説明する説明図である。 電力優先取り出し装置について他の実施例の構成を説明する説明図である。 スイッチＳＷとスイッチＳＷ−ＤのＯＮ・ＯＦＦのタイミングについて説明する説明図である。 スイッチＳＷとスイッチＳＷ−Ｄと電流との関係を説明する説明図（１）である。 スイッチＳＷとスイッチＳＷ−Ｄと電流との関係を説明する説明図（２）である。 電力優先取り出し装置の具体的な動作を説明する説明図（１）である。 電力優先取り出し装置の具体的な動作を説明する説明図（２）である。 １００μ秒毎にスイッチＳＷでＯＮ／ＯＦＦを切り替えたとき、インダクタンスＬを流れる電流について説明する説明図である。 図２１のときに、負荷に供給される電力について説明する説明図である。 スイッチＳＷを、２０μ秒だけＯＮに、１８０μ秒だけＯＦＦにした場合について説明する説明図である。 図２３のときに、出力に供給される電流について説明する説明図である。 電力優先取り出し装置について降圧チョッパ制御回路（バックコンバータ）を使用した実施例を説明する説明図（１）である。 電力優先取り出し装置について降圧チョッパ制御回路（バックコンバータ）を使用した実施例を説明する説明図（２）である。 図２６の実施例でＳＷ１をＯＦＦにしたときの電流Ｉ_offについて説明する説明図である。 ＳＷ１をＯＮにして、ＯＦＦにするまでのサイクルをグラフで説明する説明図である。 ＳＷ１のＯＮ／ＯＦＦを繰り返し、このサイクルが繰り返されたとき、Ｌを流れる電流について説明する説明図（１）である。 ＳＷ１のＯＮ／ＯＦＦを繰り返し、このサイクルが繰り返されたとき、Ｌを流れる電流について説明する説明図（２）である。 ＳＷ１のＯＮ／ＯＦＦを繰り返し、このサイクルが繰り返されたとき、Ｌを流れる電流について説明する説明図（３）である。 ＳＷ１のＯＮ／ＯＦＦを繰り返し、このサイクルが繰り返されたとき、Ｌを流れる電流について説明する説明図（４）である。 ＳＷ１のＯＮ／ＯＦＦを繰り返し、このサイクルが繰り返されたとき、Ｌを流れる電流について説明する説明図（５）である。 電力優先取り出し装置について降圧チョッパ制御回路（バックコンバータ）を使用した実施例を説明する説明図（３）である。 電力優先取り出し装置について降圧チョッパ制御回路（バックコンバータ）を使用した実施例を説明する説明図（４）である。 電力優先取り出し装置と発電側の電圧との関係を説明する説明図である。 電力優先取り出し装置につき、フライバック方式のチョッパ制御回路を使用した実施例を説明する説明図である。 電力優先取り出し装置につき、キャパシタを使用した実施例を説明する説明図（１）である。 電力優先取り出し装置につき、キャパシタを使用した実施例を説明する説明図（２）である。 電力優先取り出し装置につき、キャパシタを使用した実施例を説明する説明図（３）である。 電力優先取り出し装置２を装備した太陽光発電機であるエネルギー源から、天候により変化する前記自然エネルギーからの発電電力を、その時点における最大電力を取り出すべく開発した電力送出システムにつき説明する説明図（１）である。 電力優先取り出し装置２を装備した太陽光発電機であるエネルギー源から、天候により変化する前記自然エネルギーからの発電電力を、その時点における最大電力を取り出すべく開発した電力送出システムにつき説明する説明図（２）である。 電力優先取り出し装置２を装備した太陽光発電機であるエネルギー源から、天候により変化する前記自然エネルギーからの発電電力を、その時点における最大電力を取り出すべく開発した電力送出システムにつき説明する説明図（３）である。 電力優先取り出し装置２を装備した太陽光発電機であるエネルギー源から、天候により変化する前記自然エネルギーからの発電電力を、その時点における最大電力を取り出すべく開発した電力送出システムにつき説明する説明図（４）である。

以下、本発明を図に示す実施例に基づいて説明する。
図1は本発明による電力送出システムの概略構成を説明する構成説明図である。図1において、符号1はエネルギー源を示す。ここで、本実施例は、エネルギー源１・・・が３系統ある例を示しているが、エネルギー源１・・・は１系統以上であれば、本システムの構成は可能である（エネルギー源１が１系統のみの場合は、電源の合成を行う必要がないので普通の電源と同等である）。

ここで、エネルギー源１は、各種発電装置、特に自然エネルギーを使用した発電装置（太陽光発電、風力発電、水力発電などの発電機）を表したものであるが、これに限定されるものではなく、直流に変換できるのであれば、前述したエネルギー源１・・・以外すべてのエネルギー源１・・・が使用可能である。
従って、商用電源を直流に整流してエネルギー源１として用いてもかまわない。また、バッテリーを図１におけるエネルギー源１として使うことも可能である。バッテリーを使うことで、深夜電力にて充電し、電力の不足する、あるいは電気料金のあがる日中にバッテリーに蓄えた電力を供給するエネルギーシフトが可能となる。

符号２は電力優先取り出し装置であり、該電力優先取り出し装置２は、エネルギー源１・・・から電力を受け取り、コントローラー３からの制御信号４に従って、エネルギー源１・・・から負荷５へ適切な量の電力をコストパフォーマンスよく送り出すための装置である。そして、各エネルギー源１・・・から負荷５へ送出される電力の出力量は、コントローラー３からの制御信号４によって制御されて決定される。その詳細は後述する。

ここで、コントローラー３は、制御信号４を生成するための回路であり、また、過電圧になった場合に前記制御信号４を制限する処理をも行うもので、マイクロコンピューター、マイクロコントローラー等や、コンパレータや発振回路などを組み合わせた電子回路などで構成することができる。
制御信号４としては、例えばＰＷＭ（pulse
width modulation、パルス幅変調）によるパルスを使用することができ、この場合、パルス幅の比によって出力量を表すことができる。
すなわち、図２から理解されるように、１周期の時間Ｔにおいて、制御信号４が「１」となっている時間t_onと、「０」となっている時間t_offの比によって、送り出す電力量を決めることができるのである。

なお、電圧検出装置６は、負荷５へ供給される電力の電圧を監視するもの（電圧計）であり、エネルギー源１・・・からの電力の供給が大きく、負荷５が少ない場合、また、後述の、電力優先取り出し装置２のひとつを省略する手法においては、出力電圧が上昇する場合があり、許容される電圧上限を超えないように監視している。
そして、出力電圧が、許容される電圧上限（電源の規格、または負荷の条件などによる）を超えた場合（過電圧検出時）に、制御信号４によって、エネルギー源１から供給される電力を減少させることになる。

次に電力優先取り出し装置２の構成につき説明すると、図３に示す様に、電力優先取り出し装置２は、例えば、ＰＷＭによる昇圧型チョッパ制御回路を搭載した装置によって構成することができる。
図３において、Ｌはインダクタンス（コイル）であり、Ｄはダイオードを示す。なお、このダイオードＤのかわりに整流作用をもつものを使用することもできる。すなわち、逆方向に電流を流さないようにスイッチ（ＦＥＴやＩＧＢＴのように高速に動作する半導体スイッチなどの、外部信号によって制御可能なスイッチ）を制御することで代用してもかまわない。

ここで、１パルス中において「１」となっている時間t_onと「０」となっている時間t_offとの比を調整した制御信号４を生成し、該制御信号４に従ってスイッチＳＷをＯＮ／ＯＦＦすることで、出力側に送り出すエネルギーを調整するのである。

まず、図４に示す様に、スイッチＳＷをＯＮにすると、V_onは０Ｖとなり、入力からの電流はI_onの向きに流れる。
一般に、インダクタンスＬに流れる電流Ｉが変化すると、誘導起電力Ｅが発生し、これは次式で表される。

…式１

スイッチＳＷがＯＮになったとき、インダクタンスＬにかかる電圧はV_inとなり、このときＬを流れる電流をI_onとすると、式１より、

…式２
となり、I_onについて変形すると

…式３

両辺を時間tで積分すると

…式４
となる。ただし、I₀はt=0のときのI_onの値である。

そして、tとI_onの関係をグラフにすると図５のようになる。
なお、スイッチＳＷをＯＮにする時間は十分に短く、この時間内ではインダクタンスＬが飽和しないものとする。

次に、図６に示す様に、スイッチＳＷがＯＦＦになったとする。
このとき、電流は出力方向に流れるが、十分な大きさのコンデンサＣが存在し、コンデンサＣの電圧がV_outであった場合、電圧はV_outに制限される。

出力電圧がV_outなので、インダクタンスＬの両端の電圧はV_in - V_outとなる。したがって、式１より、インダクタンスＬに流れる電流I_offとの関係は次の微分方程式で表現される。

…式５

変形すると、

…式６
となり、両辺を時間tで積分すると

…式７
となる。I₁は積分定数であり、t=0のときの電流I_offの値である。

式７で示す「I_off」をグラフにすると図７のようになる。
Ｌの性質により、電流値は連続になるので、スイッチＳＷをＯＦＦにした瞬間の電流値は、スイッチＳＷをＯＦＦにする直前の電流値に等しい。

しかして、以上のことから、スイッチＳＷをＯＮにして、ＯＦＦにするまでのサイクルをグラフにすると、図８のように構成される。なお、図８では、最初の電流値I₀から、t₀時間後にスイッチＳＷがＯＦＦになったものとしており、また、ＯＦＦになる瞬間の電流値は式４より

であり、この瞬間を式７のt=0と考えると、この電流値はI₁に等しいので、

…式Ａ
この状態からt₁時間経過したときの電流値をI₂とすると、I₂は、式７より

となる。スイッチＳＷのＯＮ／ＯＦＦを繰り返す場合、このI₂が次のサイクルの電流の初期値となる。

ここで、１サイクルにおいて電流の変化を見てみると、

…式Ｂ
となっている。

スイッチＳＷのＯＮ／ＯＦＦを繰り返すと、インダクタンスＬを流れる電流は図９のように表される。
この図９では、時刻０のときの電流値を０としており、時刻t₀の電流値をI_A、時刻t₀+ t₁の電流値をI_Bとすると、

となる。

このうち、ダイオードＤを通って出力側に流れる電流は図１０のように表すことが出来る。
出力に供給される電力Ｐは、１周期の平均について考えると、

…式９
となる。電流は、サイクルを繰り返すごとに式Ｂで示されるだけ変化するので、電力もその量に比例して変化することがわかる。

式Ｂにおいて、

のときは、図１１に示す折れ線のように構成され、電流は毎サイクルで変化しないことがわかる。
また、

のときは、図１２に示す折れ線のように構成され、電流はサイクル毎に減少することがわかる。
なお、この状態が続くと、電流値が負になる計算になるが、Ｄには逆電流は流れないので、実際には０となり、次のサイクルでは電流０からスタートすることとなる（式４においてI₀=0となる。図１３参照）。

以上のことから、V_inおよびV_outが一定であるなら、出力への電流の増減をt₀およびt₁の比によって制御することができる。これはすなわち、t₀およびt₁の比によって出力へ供給される電力の増減を制御できることが理解できるのである。
なお、前述したように、t₀およびt₁は、スイッチＳＷのＯＮの時間およびＯＦＦの時間を示すものであり、これらスイッチＳＷのＯＮの時間およびＯＦＦの時間の比の制御は、コントローラー３（マイコン等）からの制御信号４によって制御するものとしてある。

ここで、図１４に示す様に、複数の電力優先取り出し装置２・・・の出力を並列に接続することができる。
一般の定電圧電源回路では、電圧によってフィードバックがかかるため、複数の電源の出力を直結すると、複数の電源のフィードバックが衝突し、動作が不安定となってしまう。 しかしながら、本発明では、電圧を制御するわけではないので、複数の電力優先取り出し装置２・・・を接続しても電力制御には影響しない。

また、図１４から理解できるように、出力のコンデンサＣは共有することができる。コンデンサＣの両端の電圧が一定であると仮定すると、それぞれの電力優先取り出し装置２、２は独立して前述のように考えることができ、それぞれのスイッチＳＷ１およびスイッチＳＷ２のＯＮ／ＯＦＦ時間を調整することで、それぞれの入力から任意の電力量を供給することが可能となる。

ところで、電力優先取り出し装置2には、電流が逆流しないよう、いわゆる逆流防止ダイオードが設けられているのが常である。例えば図３や図１４の如くである。しかしながら、前記ダイオードＤには、順方向電圧降下があり、大電流を流した場合、それによる損失も大きくなる。例えば、順方向電圧降下が１Ｖのダイオードに１０Ａの電流を流すと、１０Ｗの電力が失われることになる。

そこで、この順方向電圧による損失を防ぐために、ＦＥＴなどのように、ＯＮ抵抗の低いスイッチング素子を使うことができる。例えば、ＯＮ抵抗が１０ｍΩのＦＥＴを使った場合、１０Ａ流したときに失われる電力はわずか１Ｗとなる。

図３，図４におけるダイオードＤの代わりに、逆流防止できるスイッチ素子を使うことができる。スイッチ素子を使うと、図３，図４のダイオードＤの回路は図１５のようになる。図１５において、スイッチＳＷをＯＮにしている間はスイッチＳＷ−ＤをＯＦＦにし、スイッチＳＷをＯＦＦにしている間スイッチＳＷ−ＤをＯＮにすることで、ダイオードと同等の動作をさせることが出来る。そして、ダイオードのような順方向電圧は生じないため、損失を少なくすることが出来る。（スイッチにおける抵抗分およびＯＮ／ＯＦＦのタイミングによる損失が発生するが、ダイオードによる損失からみればきわめて少ない。）
なお、図１４におけるダイオードＤ１、Ｄ２についても逆流防止出来るスイッチ素子に変更できることは言うまでもない。

ここで、スイッチＳＷとスイッチＳＷ−ＤのＯＮ・ＯＦＦのタイミングは、図１６のようになる。
ＳＷをＯＦＦに、ＳＷ−ＤをＯＮにしたとき、電流I_offは下記の式で表されるが、

（ただし、SWをOFFにした時点での電流をI₁とする）
V_in<V_outの場合、I₁が小さくなると、一定時間(

となる時間)後、電流I_off<０とな
り、逆電流が流れてしまうことになる（図１７）。
これを防ぐためには、I=0となる時点(

となる時点)でＳＷ−ＤをＯＦＦにすればよい（図１８）。

次に、本発明による電力送出システムの具体例につき、さらに、具体的数値を挙げ、図１９〜図２０を参照して説明する。

インダクタンスＬを１０ｍＨ、入力電圧V_in＝８０Ｖ、出力電圧V_out＝１００Ｖとする。
スイッチＳＷをＯＮにしたとき（図１９）、Ｌの両端の電圧は、８０Ｖとなる。
このときの電流は、式４より

…式１０
となる。

時間t=t₀になったときにスイッチＳＷがＯＦＦになったとする（図２０参照）。
このときの電流は、式７より

…式１１
となる。

そして、１００μ秒毎にスイッチＳＷでＯＮ／ＯＦＦを切り替えたとすると、インダクタンスＬを流れる電流は、図２１で表される。
このとき、負荷に供給される電力は、図２２で表される。

この例では、サイクル毎に電流が増大するのがわかる。すなわち、負荷側（出力側）に送出する電力が増大することが理解できる。
すなわち、出力に供給される電力は、１サイクル（200us毎に）０．６Ａ×１００Ｖ＝６０Ｗ増加することが理解できるのである。

なお、負荷電圧が変化しない場合、上記の状態、すなわち図２０のスイッチＳＷのＯＮ／ＯＦＦ時間の比率の状態では出力に供給される電力は上昇し続けることになる。
従って、上記上昇をストップさせ、一定の電力供給状態としたい場合には、スイッチＳＷのＯＮ／ＯＦＦ時間を調整することになる。例えば、スイッチＳＷのＯＮ／ＯＦＦ時間を調整し、ＯＦＦの時間を長くするとの調整を行うのである。当該調整を行うことにより、上記上昇をストップさせ、一定の電力供給状態とすることが出来る。

具体的には、スイッチＳＷを、２０μ秒だけＯＮに、１８０μ秒だけＯＦＦにした場合は、図２３に示す様になり、出力に供給される電流は、図２４に示されるように変化する。
このとき、出力電流はサイクル毎に変化せず、一定の電力を出力する。また、ＯＮ時間の比をさらに小さくすると、出力電流がサイクル毎に減少するように制御出来る。

前記の実施例では、いわゆる昇圧型のチョッパ制御回路（ブーストコンバータ）を使用した具体例を示したが、いわゆる降圧型のチョッパ制御回路（バックコンバータ）、フライバック方式のチョッパ制御回路でも同様に電力優先取り出しが出来る様に電力制御を行うことが可能である。

当該実施例につき図２５を参照して説明する。図２５に、降圧チョッパ制御回路（バックコンバータ）を使用した例を示す。
ここで、図２５において、コンデンサＣ１とコンデンサＣ２は共有してひとつのコンデンサを使用してもかまわない（図２６）。また、出力回路によっては省略してもかまわない。

降圧型のチョッパ制御回路（バックコンバータ）により、電力優先取り出しが出来る様に電力制御した例を図２５に示すと、ＳＷ１およびＳＷ２は、外部信号で高速にスイッチできるスイッチ装置であり、ＦＥＴやトランジスタ、ＩＧＢＴなどを使うことができる。このスイッチ装置ＳＷ１およびＳＷ２のＯＮ／ＯＦＦの切り替え速度およびＯＮ／ＯＦＦの時間の比率により、出力（負荷５）に供給される電力を制御することができる。

まず、上側の回路（ＳＷ１〜Ｄ１〜Ｌ１〜Ｃ１側）について説明する。
入力電圧がV_inであり、出力電圧がV_outになっていたとすると、ＳＷ１をＯＮにしたとき、Ｌ１にかかる電圧は、V_in-V_outとなる。

式１より、このときの電流I_onとの関係は、

…式２０
となり、I_onについて変形すると

…式２１
両辺を時間tで積分すると

…式２２
となる。I₀は積分定数であり、t=0のときの電流I_onの値である。

次に、t₀時間経過後にＳＷがＯＦＦになったとする。
このときＬ１にかかる電圧は０-Ｖ_outであり、同様にして、ＳＷ１をＯＦＦにしたときの電流I_offについて求めると、

…式２３
となる。なお、I₁は積分定数であり、t=0のときの電流I_offの値である。
これをグラフにすると、図２７のようになる。

以上のことから、ＳＷ１をＯＮにして、ＯＦＦにするまでのサイクルをグラフにすると、図２８のようになる。
ＳＷ１のＯＮ／ＯＦＦを繰り返すと、このサイクルが繰り返され、Ｌを流れる電流は図２９のようになる。（ＳＷがＯＮの時間をt₀、ＳＷがＯＦＦの時間をt₁とする）。
この電流が出力に供給されることになる。

１周期について出力に供給される電力の平均Pは次のようになる。

…式２４
なお、

…式２５

…式２６
である。

ここで、I₀= I₂のとき、出力電流平均は各サイクルにおいて変化せず、I₀<I₂のときは出力電流はサイクル毎に増加し、I₀>I₂のときは出力電流はサイクル毎に減少することになる。

I₀= I₂のとき

…式２７
整理すると、

…式２８
となる（図３０参照）。

I₀<I₂のときは

変形して

したがって

…式３１
グラフにすると図３１のようになり、出力電流が増加していくのがわかる。

同様にして、I₀>I₂のとき

…式３２
グラフにすると図３２のようになり、出力電流が減少していくのがわかる。

式２８、式３１、式３２から、あるV_inおよびV_outがあたえられたとき、t₀とt₁の比によって、出力に流れる電流の増減を決定できることがわかる。
ただし、V_in>V_outのとき、式３２を満たす、すなわち出力電流がサイクル毎に減少する状態においても、電流がマイナスになることはない。あるサイクルで電流が０に達すると、それ以降のサイクルのスタートの電流値は０からとなる。この場合のグラフは図３３のようになる。

降圧型のチョッパ制御回路による電力優先取り出し装置においても、昇圧型のチョッパ制御回路による場合と同様に、逆流防止用のダイオードを省略することができる（図３４）。
ただし、入力は、自然エネルギー（太陽光パネルや発電機など）であり、発電量が少ないときには、出力電圧を下回る場合がある。すなわち、V_in<V_outとなる場合もありえる。例えば、図３４においてV_in<V_outとなった場合は、ＳＷ１をＯＮにしないようにすることで、逆流を防ぐことができる。

ただし、ＳＷ１およびＳＷ２に、ＦＥＴのようなスイッチ素子を使う場合は、寄生ダイオードにより逆方向に電流が流れてしまう。そのため、この場合には逆流防止用のダイオードあるいはスイッチング回路を入れる(図３５のD3,D4)。なお、このダイオード（あるいはスイッチング回路）の位置は、ＳＷ１〜Ｌ１〜出力のライン内（あるいはＳＷ２〜Ｌ２〜出力のライン内）であればどこに取り付けてもかまわない。方向を逆にすれば、下側に取り付けてもかまわない。

ここまでは、２系統の合成を示しているが、３系統以上の合成についても同様に行うことができる。

なお、前述したように、昇圧型のチョッパ制御回路（ブーストコンバータ）による電力優先取り出し装置２は、発電側の電圧が負荷側の電圧よりも低い場合に使用することができ（図３６（Ａ））、降圧型のチョッパ制御回路（バックコンバータ）による電力優先取り出し装置２は、発電側の電圧が負荷側の電圧よりも高い場合に使用することができるものである（図３６（Ｂ））。

例えば、エネルギー源１（発電機）の出力が、電圧は低いが大きな電流が流せるようなものであった場合は、昇圧型のチョッパ制御回路による電力優先取り出し装置２が適しており、逆に、エネルギー源１（発電機）の出力が主に高い電圧で電力を供給するような場合には、降圧型のチョッパ制御回路による電力優先取り出し装置２が適していると言える。

そして、自然エネルギーは発電の変動が大きいため、負荷側の電圧よりも高いのか低いのか一概に決められない場合もありうるが、このような場合には、昇圧型のチョッパ制御回路の電力優先取り出し装置２と降圧型のチョッパ制御回路による電力優先取り出し装置２とを組み合わせて使用することも可能である（構成例を図３６（Ｃ）に示す）。

次に、図３７にフライバック方式のチョッパ制御回路を使用した例を示す。これも図２５、図２６と同様に、コンデンサＣ１とコンデンサＣ２は共有してひとつのコンデンサＣ１として使用してもかまわない。また、出力回路によっては省略してもかまわない。

フライバック方式のチョッパ制御回路による電力優先取り出し装置２の場合においても、動作は昇圧型のチョッパ制御回路と同様である。
ＳＷ１をＯＮにすると、式１のように（ただし、ＬのかわりにＴ１に）電流が流れ、誘導起電力が発生する。昇圧型のチョッパ制御回路の場合は、Ｌから直接電流を取り出していたが、フライバック方式のチョッパ制御回路の場合は、Ｔ１の二次側から電流を取り出していることのみ異なっている。

なお、ダイオードＤ１およびダイオードＤ２は、逆流防止ダイオードであるが、かわりにスイッチング素子（ＦＥＴのような半導体スイッチなど、外部信号で高速にＯＮ／ＯＦＦ制御できるもの）を使うこともできる。
また、当該フライバック方式のチョッパ制御回路による電力優先取り出し装置２については、負荷側の電圧が発電側の電圧よりも高い場合にも低い場合にも使うことができる。

前述の実施例では、インダクタＬを使用した電力優先取り出し装置２について説明したが、同様の動作は、キャパシタ３０を使って実現することも可能であり、当該例につき図３８を示して説明する。

この構成では、効率の面ではインダクタＬを使用した回路に劣るものの、インダクタを使用しないので、インダクタＬのスイッチングにより発生する種類のノイズが発生しないなどの利点がある。

すなわち、ノイズに弱い機器などに電力を送出する場合、本実施例によるキャパシタ３０を使用した電力優先取り出し装置２によれば、前記ノイズに弱い機器へのノイズの影響を軽減することが出来、動作を安定させることが出来るのである。

ここで、キャパシタ（符号３０）の容量をＣ（Ｆ）とし、電源の電圧はＶｉｎ、電力系統の電圧はＶｏｕｔとする。
スイッチをＡ側に入れると、キャパシタ（符号３０）はV_inの電圧に充電され、C×V_in（クーロン）だけの電荷が蓄えられる。スイッチをＢ側に入れると、出力側の電圧はV_outなので、電位差（V_out-V_in）分の電荷、すなわち、Ｃ×（V_out-V_in）（クーロン）だけの電荷が、電力系統に供給されることになる。

この場合、スイッチをＡ側・Ｂ側に切り替える回数、および入力と出力の電位差によって、電力系統に供給される電力が決定される。
したがって、このスイッチのＯＮ／ＯＦＦを切り替えるための信号の周波数によって、電力の供給量を制御できるのである。

なお、この回路では、V_in＞V_outでなければならないが、図３９のような回路を使えば、2 V_in
> V_outの条件の範囲において、電力を供給できるようになる。
同様に、図４０のように構成することで、４V_in
> V_outの条件の範囲において電力を供給できるようになる。

ところで、本発明による電力優先取り出し装置２を使用すると、太陽光発電などで発電された自然エネルギーによる電力を無駄なく、かつ余すことなく使用できることは既に述べたとおりである。
そして、そのエネルギーを利用する負荷側の電力が前記自然エネルギーによる電力だけでは不足してしまう場合には、その不足分についてだけ、例えば商用電源側の整流された直流電源を利用すればよい。
図４１に例を示す。簡略化のため、商用電源を整流した直流電源と、太陽光発電（５０Ｗ）の電力源の構成とする。

ここで、太陽光発電から供給される電流をI₁、商用電源からの電流をI_AC、負荷に流れる電流をI_RLとすると、下記の式が成立する。

電力に置き換えると、下記のようになる。

ただし、太陽光発電から供給される電力をP₁、商用電源から供給される電力をP_AC、負荷へ供給される電力をP_RLとする。

負荷が１００Ｗで、夜間など太陽光発電による発電がない場合は、負荷への電力は、すべて商用電源から供給されることになる。

一方、太陽光発電から５０Ｗの電力が供給される場合、

であり、P_ACは５０Ｗとなる。

このように、太陽光発電から供給された分を負荷電力から引いた分（不足分）のみが商用電源から供給されるのである。実際に行った実験からも同様の結果が得られた。

次に、本発明の電力優先取り出し装置２を装備した太陽光発電機であるエネルギー源１から、天候により変化する前記自然エネルギーからの発電電力を、その時点における最大電力を取り出すべく開発した電力送出システムにつき説明する。

太陽光発電は、天候の変化と負荷変動によって出力電圧が大きく変化する。
太陽電池は、無負荷のときに最大電圧（V_pvとする）となり、負荷がかかると電圧が低下する。
無負荷の時には電流は０であり、このとき電力は、V_pv×０＝０なので、０である。また、太陽電池の出力を短絡すると、電流は最大となるが、電圧は０Ｖとなる。したがって、このときも取り出せる電力は０である。

電圧０〜V_pvの間に、取り出せる電力が最大となる電圧があり（この電圧をV_pとする）、この太陽光発電から取り出せる電力と電圧の関係は図４２のように表すことができる。
曇天時など、日照量が少ない場合には、晴天時と比べて発電電力が減少するが、晴天時と 同様に、０〜V_pvの間に、取り出せる電力が最大となる電圧がある（図４２の下の曲線）。

太陽光発電で最大の効率で電力を取り出すためには、一般的に、太陽光発電の出力を電力計で測定し、これが最大になるように負荷を調整する方法（たとえば山登り法など）が用いられる。
図４１に示す構成例で説明すると、電力優先取り出し装置２の制御信号４によって太陽光発電の電力を変更できるので、制御信号４を調整して最大出力が得られるようにすることができる。

一般に、電力を測定するためには、電圧と電流を測定する必要がある（図４３）。このときの電流と電圧の積が電力となる。
しかし、図４１のように、電力優先取り出し装置２を使ったシステムでは、出力電流I₁を見ることで、電力測定の代用とすることが可能であり、ソーラーパネルの電流と電圧を測定して積を計算する手間が不要となる（図４１では電流計の測定値のみをコントローラー３で測定している）。

なぜなら、電力優先取り出し装置の出力における電圧は商用電源側の電圧（この例では１４１Ｖ）で決定されるため（商用電源には十分な容量があるとすると、負荷が増加しても電圧は下がらない）、電力Pは式Ａに示すように、電流値I₁に比例した値となるからである（図４４）。

…式Ａ

従って、前記出力電流I₁を検出し、該出力電流I₁が最大値となっているときに、電力優先取り出し装置２の制御信号４を調整して太陽光発電機の電力最大出力が得られるようにするのである。

１ エネルギー源
２ 電力優先取り出し装置
３ コントローラー
４ 制御信号
５ 負荷
６ 電圧検出装置
３０ キャパシタ

Claims (4)

1. 複数の直流電源と、該複数の直流電源から直流電力の供給を受ける負荷と
   を有する電力送出システムにおいて、
   前記複数の直流電源にはそれぞれ電力優先取り出し装置が取り付けられ、取り付けられた電力優先取り出し装置をコントローラーにより制御し、該制御により前記電力優先取り出し装置が取り付けられた複数の直流電源から負荷への電力優先取り出しの電力量をそれぞれ任意に決定でき、決定されたそれぞれの電力量の電力を、前記それぞれの電力優先取り出し装置と負荷との間に逆流防止ダイオードを用いずに前記決定されたそれぞれの電力量の電力の電圧値にかかわらず、合成できて前記負荷へ送出してなり、
   前記負荷側では、前記複数の直流電源でそれぞれ任意に決定されたそれぞれの電力量による合成された電力を受け取る、
   ことを特徴とする電力送出システム。
   
2. 複数の直流電源と、該複数の直流電源から直流電力の供給を受ける負荷と
   を有する電力送出システムにおいて、
   前記複数の直流電源にはそれぞれ電力優先取り出し装置が取り付けられ、取り付けられた電力優先取り出し装置をコントローラーにより制御し、該制御により前記電力優先取り出し装置が取り付けられた複数の直流電源から負荷への電力優先取り出しの電力量をそれぞれ任意に決定でき、決定されたそれぞれの電力量の電力を、前記それぞれの電力優先取り出し装置と負荷との間に逆流防止ダイオードを用いずに前記決定されたそれぞれの電力量の電力の電圧値にかかわらず、合成できて前記負荷へ送出してなり、
   前記負荷側では、前記複数の直流電源でそれぞれ任意に決定されたそれぞれの電力量による合成された電力を受け取り、
   前記電力優先取り出し装置は、昇圧型のチョッパ制御回路を有した電力優先取り出し装置及び／又は降圧型のチョッパ制御回路を有した電力優先取り出し装置を用いて、前記直流電源から負荷への電力優先取り出しの電力量をそれぞれ任意に決定でき、前記決定されたそれぞれの電力量による合成された合成電力を負荷側へ送出してなり、前記コントローラーは、前記電力優先取り出し装置を制御する制御信号としてパルス幅変調制御法で用いられるパルス信号を使用し、前記電力優先取り出し装置の動作ＯＮ時間を表すパルス信号と、電流優先取り出し装置の動作ＯＦＦ時間を表すパルス信号の幅の比を調整して負荷側へ送り出す電力量を決定制御する、
   ことを特徴とする請求項１記載の電力送出システム。
   
3. 前記電力優先取り出し装置の出力側電流値を検出し、検出した前記電流値を利用して、電力優先取り出し装置が取り付けられたエネルギー源の1つである太陽光発電装置の発電量につき、当該時点での最大効率発電量が決定できる、
   ことを特徴とする請求項１または請求項２記載の電力送出システム。
   
4. 前記電力優先取り出し装置は、キャパシタを有して構成された、
   ことを特徴とする請求項１、請求項２または請求項３記載の電力送出システム。
   

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