JP7375911B2 - パワーコンディショナ - Google Patents
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Description
本開示は、パワーコンディショナに関するものである。
従来、太陽光発電システムは、例えば一般家庭に設置され、太陽光パネルで発電される電力を交流電力に変換して出力するパワーコンディショナを備えている（例えば、特許文献１参照）。パワーコンディショナは、太陽光パネルの出力電圧を変換するＤＣ／ＤＣ変換回路と、直流バスラインを介してＤＣ／ＤＣ変換回路から得られる直流電力を交流電力に変換するＤＣ／ＡＣ変換回路とを備えている。また、パワーコンディショナは、ＤＣ／ＤＣ変換回路を介して直流バスラインに接続された蓄電池を備えている。蓄電池は、ＤＣ／ＤＣ変換回路を介して直流バスラインとの間で充放電される。
ところで、パワーコンディショナは、直流バスの電圧値と蓄電池の端子電圧値が異なる場合に、ＤＣ／ＤＣ変換回路を介して蓄電池を充放電する。この場合、ＤＣ／ＤＣ変換回路にて生じる変換ロスは、システム効率を悪化させる。また、蓄電池は、蓄電池の温度により内部抵抗値が変化し、充放電時にその内部抵抗値に応じて損失が生じる。内部抵抗値が高い領域で充電すると、太陽光パネルによって発電したエネルギーを効率よく活用できないという問題があった。
本開示の目的は、太陽光パネルによって発電したエネルギーの効率よい活用を可能としたパワーコンディショナを提供することにある。
本開示の一態様であるパワーコンディショナは、太陽光パネルの発電電力を変換して直流バスに出力する昇圧チョッパ回路と、前記直流バスの電力を交流電力に変換し、電力系統に連系可能なインバータと、前記直流バスに直接接続され、前記直流バスにおける電力により充電される蓄電池と、前記昇圧チョッパ回路と前記インバータとを制御する制御部と、を備え、前記インバータの駆動によって前記直流バスに現れる前記電力系統の商用周波数の２倍の周波数にて脈動する第１周波数成分の脈動電圧が前記蓄電池に印加される。
この構成によれば、第１周波数成分の脈動電圧が直流バスに直接接続された蓄電池に印加される、つまり商用周波数の２倍の周波数の脈動電圧により蓄電池に対して充電と放電が行われる。これら充放電により蓄電池に発熱が生じ、蓄電池の温度が上昇する。蓄電池が直流バスに直接接続される、つまり蓄電池と直流バスとの間にＤＣ／ＤＣ変換回路を備えていないことによってシステム効率が向上し、かつ蓄電池の温度上昇により内部抵抗による内部抵抗損失が低減されるため、太陽光パネルの発電電力、つまり太陽光パネルによって発電したエネルギーを効率よく活用できる。
上記のパワーコンディショナにおいて、前記蓄電池は、正極にリン酸鉄リチウムを用いたリチウムイオン二次電池であることが好ましい。
この構成によれば、正極にリン酸鉄リチウムを用いたリチウムイオン二次電池は、三元系のリチウムイオン二次電池と比べＳＯＣの広い範囲で端子間電圧の変化量が小さいフラットな電圧特性を有している。したがって、この正極にリン酸鉄リチウムを用いたリチウムイオン二次電池を蓄電池として直流バスに直接接続することで、直流バスの電圧を安定化できる。
上記のパワーコンディショナにおいて、前記直流バスは、第１電力線と第２電力線とを備え、前記昇圧チョッパ回路は、前記太陽光パネルに第１端が接続されたインダクタ素子と、前記インダクタ素子の第２端から前記第１電力線に向けて順方向に接続された整流素子と、前記インダクタ素子と前記整流素子との間のノードと前記第２電力線との間に接続され、前記制御部によりオンオフ制御されるスイッチング素子と、を備えることが好ましい。
この構成によれば、昇圧チョッパ回路は、インダクタ素子とスイッチング素子と整流素子とを備える。したがって、簡単な構成で、太陽光パネルの発電電力を昇圧した出力電力を得ることができる。
上記のパワーコンディショナにおいて、前記直流バスには、前記昇圧チョッパ回路の出力電力を平滑化する電解コンデンサは接続されていないことが好ましい。
この構成によれば、高圧電力を平滑化する容量の大きな電解コンデンサが接続されていないため、パワーコンディショナを小型化、軽量化できる。例えば、アルミ電解コンデンサは、部品の構造上、内部の電解液の蒸発（ドライアップ）が電解コンデンサ及びパワーコンディショナの製品寿命に影響する。従って、電解コンデンサを用いないことで、パワーコンディショナの長期信頼性を向上できる。
上記のパワーコンディショナにおいて、前記インバータは、前記複数のスイッチング素子を含み、前記制御部は、前記インバータの前記スイッチング素子を、前記商用周波数よりも高い周波数の制御信号にてＰＷＭ制御し、前記直流バスの電圧には、前記制御信号の前記制御信号の周波数を基本波の周波数とする高調波成分を含む第２周波数成分の脈動電圧が重畳され、前記蓄電池は、インダクタ素子を含む電線により前記直流バスに接続されていることが好ましい。
この構成によれば、商用周波数の２倍の周波数にて脈動する第１周波数成分の脈動電圧は、蓄電池を接続する電線に含まれるインダクタ素子を通過し、高調波成分を含む第２周波数成分の脈動電圧はインダクタ素子を通過しない。したがって、商用周波数の２倍の周波数にて脈動する第１周波数成分の脈動電圧が印加され、それに伴って充放電電流が流れることによって蓄電池の温度を上昇させるとともに、高調波成分を含む第２周波数成分の脈動電圧が蓄電池に与える影響を低減できる。
上記のパワーコンディショナは、前記直流バスに接続され、前記第２周波数成分の脈動電圧を濾波するコンデンサを備えることが好ましい。
この構成によれば、直流バスに現れる高調波成分を含む第２周波数成分の脈動電圧がコンデンサにより濾波されるため、出力電力を伝達する直流バスに直接接続された蓄電池に対する影響を低減できる。
本開示の一態様によれば、太陽光パネルによって発電したエネルギーの効率よい活用を可能としたパワーコンディショナを提供することができる。
以下、一実施形態を説明する。
図１に示すように、本実施形態の太陽光発電システム１０は、太陽光パネル１１と、太陽光パネル１１に接続されたパワーコンディショナ１２とを有している。太陽光発電システム１０は、例えば一般家庭に設置される。パワーコンディショナ１２は、図示しない分電盤等を介して一般家庭の系統電力線１３に接続され、系統電力線１３は商用電力系統１４に接続されている。商用電力系統１４は、電力会社が電力を伝送する配電系統である。系統電力線１３には、屋内負荷として電気機器（単に「機器」と表記）１５が接続される。電気機器１５は、分電盤を介して屋内に敷設された電力線又は屋内に設置されたコンセント（アウトレット）に接続されるものである。電気機器１５は、例えば、照明、テレビ、冷蔵庫、洗濯機、空気調和機、電子レンジ、等の電気機器である。なお、太陽光発電システム１０は、商業施設や工場等に設置されてもよい。
太陽光パネル１１は、複数の発電セル（太陽電池セル）と、複数の発電セルに基づく電力を出力する出力部とを有する。出力部は、例えば出力電力が最大となる出力電圧で電流を取り出すＭＰＰＴ（Maximum Power Point Tracking：最大電力点追従）制御を実行する。これにより、太陽光パネル１１は、太陽光により発電した直流電力を出力する。
パワーコンディショナ１２は、太陽光パネル１１にて発電した直流電力を交流電力Ｐｏｕｔに変換して出力する。そして、パワーコンディショナ１２は、太陽光パネル１１と商用電力系統１４とを連系又は解列する。
パワーコンディショナ１２は、昇圧チョッパ回路２１、インバータ２２、フィルタ２３、系統連系用リレー（単に「リレー」と表記）２４、蓄電池２５、直流バス３１、ＤＣ－ＤＣコンバータ２７、整流器２８、制御部２９を有している。昇圧チョッパ回路２１とインバータ２２は、直流バス３１を介して互いに接続されている。
図１に示すように、蓄電池２５は、電線３２を介して直流バス３１に接続されている。つまり、蓄電池２５は、ＤＣ－ＤＣコンバータ等の変換回路を介することなく、直流バス３１に直接接続されている。
蓄電池２５は、充放電可能とされた電池（二次電池）である。蓄電池２５は、例えばリチウムイオン電池である。蓄電池２５は、直列に接続された複数のリチウム電池を有している。本実施形態のリチウム電池は、正極材料にリン酸鉄リチウム（ＬｉＦｅＰＯ４）を用いている。リチウム電池の負極材料は、炭素系材料、例えばグラファイト（Ｇｒ）である。
蓄電池２５は、バッテリ管理部（ＢＭＵ：バッテリマネジメントユニット）２５ａを有している。バッテリ管理部２５ａは、蓄電池２５の蓄電量を算出する。また、バッテリ管理部２５ａは、蓄電池の温度を検出する。蓄電池２５の蓄電量は、蓄電池２５のＳＯＣ（State of Charge）で示される。蓄電池２５のＳＯＣは、蓄電池２５の端子間電圧と充放電電流とから算出される。なお、蓄電池２５の蓄電量は、例えば蓄電池２５の端子間電圧値で示されてもよい。バッテリ管理部２５ａは、蓄電量、温度、等を含む検出信号を出力する。
制御部２９は、例えばＣＰＵ５１、メモリ５２、周辺回路５３を備え、それらは内部バス５４を介して互いに接続されている。メモリ５２は、ＲＯＭ、ＲＡＭを含む。メモリ５２は、ＣＰＵ５１が実行する処理プログラム、処理に必要な各種のデータ、処理プログラムの実行により一時的に格納される各種のデータを記憶する。周辺回路５３は、ＣＰＵ５１が動作するための少なくとも１つの回路を含む。周辺回路５３は、例えば制御部２９の動作のためのクロック信号を生成する回路、パワーコンディショナ１２に含む各種のセンサや蓄電池２５の検出信号を入力するインタフェース回路、パワーコンディショナ１２の外部と有線又は無線で通信する通信回路、等を含む。ＣＰＵ５１は、処理プログラムの実行に際して必要となる情報（データ）を、周辺回路５３を直接アクセスする、又は周辺回路５３からメモリ５２に格納された情報（データ）を読み出す。なお、メモリ５２に記憶される情報（データ）は、例えば周辺回路５３に接続される外部端末からメモリ５２に格納されるものを含む。
制御部２９は、ＣＰＵ５１が処理プログラムを実行することにより、太陽光パネル１１の発電電力に基づいて系統電力線１３に交流電力Ｐｏｕｔを出力するよう、上記の昇圧チョッパ回路２１、インバータ２２を制御する。また、制御部２９は、太陽光パネル１１の発電電力と、系統電力線１３に接続された電気機器１５の消費電力との差である余剰電力に基づいて蓄電池２５を充電するように、昇圧チョッパ回路２１、インバータ２２を制御する。
蓄電池２５の蓄電電力は、太陽光パネル１１が発電しないとき、電気機器１５の消費電力が太陽光パネル１１の発電電力を上回るとき、等において、直流バス３１に向けて放電される。制御部２９は、蓄電池２５の放電電力に基づく交流電力Ｐｏｕｔを系統電力線１３に出力するようにインバータ２２を制御する。なお、制御部２９は、電気機器１５の消費電力が太陽光パネル１１の発電電力を上回り、蓄電池２５から放電するときに昇圧チョッパ回路２１を停止するようにしてもよい。
太陽光パネル１１の発電電力は、昇圧チョッパ回路２１の入力電圧及び入力電力により算出できる。制御部２９は、昇圧チョッパ回路２１の入力側に設けられた電圧センサ４１及び電流センサ４２により検出した入力電圧及び入力電流に基づいて、太陽光パネル１１の発電電力を算出する。電気機器の消費電力は、例えば電気機器１５が接続される図示しない分電盤に設けられた電力センサ６１にて検出した電力量により消費電力を得ることができる。
図２に示すように、太陽光パネル１１の正極端子と負極端子は昇圧チョッパ回路２１に接続されている。昇圧チョッパ回路２１の出力端子は、直流バス３１を介してインバータ２２に接続されている。直流バス３１は、高圧側の第１電力線３１ａと低圧側の第２電力線３１ｂとを備えている。
昇圧チョッパ回路２１は、インダクタ素子Ｌ１１とトランジスタＴ１１とダイオードＤ１１とを備えている。インダクタ素子Ｌ１１の第１端子は太陽光パネル１１の正極端子に接続され、インダクタ素子Ｌ１１の第２端子はトランジスタＴ１１とダイオードＤ１１に接続されている。ダイオードＤ１１のカソードは、直流バス３１の第１電力線３１ａに接続されている。トランジスタＴ１１は、スイッチング素子の一例である。本実施形態において、トランジスタＴ１１は、例えばＮチャネルＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）である。インダクタ素子Ｌ１１とダイオードＤ１１との間のノードにはトランジスタＴ１１のドレイン端子に接続され、トランジスタＴ１１のソース端子は太陽光パネル１１の負極端子と、直流バス３１の第２電力線３１ｂとに接続されている。トランジスタＴ１１のゲート端子には、制御部２９から制御信号Ｓ１１が供給される。なお、トランジスタＴ１１を絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ：Insulated Gate Bipolar Transistor）等としてもよい。ダイオードＤ１１は、整流素子の一例である。整流素子として、例えばトランジスタ等のスイッチング素子を用いてもよい。
制御部２９は、昇圧チョッパ回路２１の出力電圧の平均値を直流バス３１の電圧（例えば３８０Ｖ）とするように、昇圧チョッパ回路２１のトランジスタＴ１１をオンオフする制御信号Ｓ１１を調整する。例えば、制御部２９は、所定の周波数の制御信号Ｓ１１を生成するとともに、制御信号Ｓ１１のデューティ比を、例えばパルス幅変調（ＰＷＭ：Pulse Width Modulation）制御により調整する。制御信号Ｓ１１の周波数は、数十ｋＨｚ程度（例えば２０ｋＨｚ）に設定される。
この昇圧チョッパ回路２１は、制御信号Ｓ１１に応じてトランジスタＴ１１がオンオフすることで、太陽光パネル１１の出力電圧を昇圧した電圧を、直流バス３１に出力する。本実施形態の昇圧チョッパ回路２１は、一般的なＤＣ－ＤＣコンバータが有する平滑用コンデンサを備えていない。また、本実施形態において、昇圧チョッパ回路２１とインバータ２２との間、詳述すると、直流バス３１、直流バス３１と昇圧チョッパ回路２１の構成部材との間、直流バス３１とインバータ２２の構成部材との間には、平滑用コンデンサが接続されていない。一般的に直流バス３１により伝達される高電圧（平均値が３８０Ｖ）を平滑化するコンデンサには、高容量のアルミ電解コンデンサが用いられるが、本実施形態において、このアルミ電解コンデンサからなる平滑用コンデンサを備えていない。
従って、昇圧チョッパ回路２１の出力電圧は、直流成分と、直流成分に重畳された周波数成分を含む。昇圧チョッパ回路２１により直流バス３１の電圧に重畳する周波数成分は、トランジスタＴ１１をＰＷＭ制御する制御信号Ｓ１１の周波数（トランジスタＴ１１のスイッチング周波数）を基本波の周波数とした高調波成分を含む周波数成分（第２周波数成分）であり、例えば２０ｋＨｚを基本波の周波数とした周波数成分である。
インバータ２２は、スイッチング素子としてのトランジスタＴ２１，Ｔ２２，Ｔ２３，Ｔ２４を含む。トランジスタＴ２１～Ｔ２４は、例えばＮチャネルＭＯＳＦＥＴである。なお、トランジスタＴ２１～Ｔ２４としてＩＧＢＴ等を用いてもよい。トランジスタＴ２１，Ｔ２２のドレイン端子は高圧側の第１電線２２ａに接続され、トランジスタＴ２１，Ｔ２２のソース端子はトランジスタＴ２３，Ｔ２４のドレイン端子に接続され、トランジスタＴ２３，Ｔ２４のソース端子は低圧側の第２電線２２ｂに接続されている。つまり、インバータ２２は、第１電線２２ａと第２電線２２ｂとの間に直列に接続されたトランジスタＴ２１とトランジスタＴ２３とからなる直列回路と、第１電線２２ａと第２電線２２ｂとの間に直列に接続されたトランジスタＴ２２とトランジスタＴ２４とからなる直列回路とを含む。トランジスタＴ２１，Ｔ２２は、ハイサイドスイッチング素子の一例であり、トランジスタＴ２３，Ｔ２４は、ローサイドスイッチング素子の一例である。各トランジスタＴ２１～Ｔ２４のゲート端子には、制御部２９から制御信号Ｓ２１～Ｓ２４が供給される。
第１電線２２ａと第２電線２２ｂは、直流バス３１の第１電力線３１ａと第２電力線３１ｂとにそれぞれ接続されている。なお、第１電線２２ａと第１電力線３１ａ、第２電線２２ｂと第２電力線３１ｂは、インバータ２２と直流バス３１により便宜上分割して示したものであり、一体的であってもよいし、さらに複数の電線に分割されていてもよい。トランジスタＴ２１のソース端子とトランジスタＴ２３のドレイン端子の間の接続点と、トランジスタＴ２２のソース端子とトランジスタＴ２４のドレイン端子の間の接続点は、フィルタ２３に接続されている。
制御部２９は、所定の周波数の制御信号Ｓ２１～Ｓ２４を生成し、インバータ２２のトランジスタＴ２１～Ｔ２４をオンオフ制御する。制御信号Ｓ２１～Ｓ２４の周波数は、パワーコンディショナ１２が連系する商用電力系統１４の交流電力の周波数（商用周波数：５０Ｈｚまたは６０Ｈｚ）よりも高い周波数に設定され、例えば２０ｋＨｚに設定される。制御部２９は、系統電力線１３に出力する交流電力Ｐｏｕｔを正弦波に近づけるように、制御信号Ｓ２１～Ｓ２４のパルス幅を、例えばパルス幅変調（ＰＷＭ）制御により調整する。制御信号Ｓ２１～Ｓ２４の周波数は、数十ｋＨｚ程度（例えば２０ｋＨｚ）に設定される。
これらの制御信号Ｓ２１～Ｓ２４によって駆動されるインバータ２２は、直流バス３１の電圧を商用周波数の交流電圧に変換する。このとき、直流バス３１には、商用周波数の２倍の周波数（１００Ｈｚまたは１２０Ｈｚ）にて脈動する周波数成分（第１周波数成分）の脈動電圧が現れる。つまり、直流バス３１の電圧には、第１周波数成分の脈動電圧がリップル成分として重畳される。この第１周波数成分は、昇圧チョッパ回路２１のトランジスタＴ１１やインバータ２２のトランジスタＴ２１～Ｔ２４のスイッチング周波数（例えば２０ｋＨｚ）と比べ低周波である。このため、第１周波数成分を低周波成分、上述の第２周波数成分を高周波成分と表現する。
また、インバータ２２の駆動により、インバータ２２に含まれるトランジスタＴ２１～Ｔ２４をＰＷＭ制御する制御信号Ｓ２１～Ｓ２４の周波数（トランジスタＴ２１～Ｔ２４のスイッチング周波数）を基本波の周波数とした高調波成分を含む周波数成分（第２周波数成分）の脈動電圧が、直流バス３１の電圧に重畳する。また、インバータ２２の駆動によりインバータ２２から出力される交流電力には、トランジスタＴ２１～Ｔ２３のスイッチング周波数を基本波の周波数とした高調波成分を含む周波数成分の脈動電圧が重畳する。
フィルタ２３は、インダクタ素子Ｌ２１，Ｌ２２とコンデンサＣ２１とを含む。フィルタ２３は、インバータ２２から出力される交流電力の高周波成分を減衰させ、インバータ２２の出力電圧と出力電流とを正弦波に近づける。フィルタ２３は、系統連系用リレー２４を介して系統電力線１３、詳しくは系統電力線１３に設けられた分電盤に接続される。制御部２９は、系統連系用リレー２４を閉状態（オン）して太陽光パネル１１と商用電力系統１４とを連系し、系統連系用リレー２４を開状態（オフ）して太陽光パネル１１を解列する。
図２に示すように、蓄電池２５は、電線３２を介して直流バス３１に接続されている。電線３２は、高圧側の第１電線３２ａと低圧側の第２電線３２ｂを含む。蓄電池２５のプラス側端子は、第１電線３２ａを介して直流バス３１の第１電力線３１ａに接続され、蓄電池２５のマイナス側端子は、第２電線３２ｂを介して直流バス３１の第２電力線３１ｂに接続されている。
また、本実施形態のパワーコンディショナは、直流バス３１に接続されたコンデンサＣｘを有している。コンデンサＣｘは、例えばフィルムコンデンサであり、高周波成分の信号に対してフィルタとして機能する特性を有する。フィルムコンデンサとしては、例えばポリスチレンフィルムコンデンサ、ポロプロピレンフィルムコンデンサ、等の高周波に適したフィルムコンデンサを用いることができる。コンデンサＣｘは、直流バス３１の電圧に重畳する第２周波数成分（高周波成分）を濾波する。この第２周波数成分（高周波成分）は、昇圧チョッパ回路２１に含まれるスイッチング素子としてのトランジスタＴ１１のスイッチングノイズ、インバータ２２に含まれるスイッチング素子としてのトランジスタＴ２１～Ｔ２４のスイッチングノイズ、外部ノイズ、等を含む。
（作用）
次に、本実施形態の作用を説明する。
次に、本実施形態の作用を説明する。
パワーコンディショナ１２は、太陽光パネル１１の発電電力を変換して直流バス３１に出力する昇圧チョッパ回路２１と、直流バス３１の電力を交流電力に変換するインバータ２２と、直流バス３１に直接接続され、直流バス３１における電力により充電される蓄電池２５と、昇圧チョッパ回路２１とインバータ２２とを制御する制御部２９と、を備える。
直流バス３１の電圧には、インバータ２２の駆動による第１周波数成分（低周波成分）の脈動電圧が重畳する。この第１周波数成分（低周波成分）の脈動電圧により、蓄電池２５に対して電流が入出力する、つまり第１周波数成分（低周波成分）の脈動電圧により蓄電池２５に対して充電と蓄電池２５からの放電が行われる。これら充電と放電とにより蓄電池２５に発熱が生じ、蓄電池２５の温度が上昇する。温度上昇により蓄電池２５の内部抵抗による内部抵抗損失が低減されるため、太陽光パネル１１の発電電力、つまり太陽光パネル１１によって発電したエネルギーを効率よく活用できる。
図３は、本実施形態のパワーコンディショナ１２について、蓄電池２５に対する作用を確認するための実験回路を示す。図３において、インバータ２２の入力側と出力側とに電流センサ６２、６３を設け、蓄電池２５に対する電流Ｉｂａｔと、インバータ２２から出力される交流電流Ｉｏｕｔとを観測する。
ケース１：蓄電池２５から商用電力系統１４に放電（逆潮流）するときの交流電流Ｉｏｕｔと蓄電池２５に対する電流Ｉｂａｔを観測する。動作条件として、蓄電池２５の出力電圧を４３０［Ｖ］、商用電力系統１４の交流電圧を２００［Ｖｒｍｓ］、蓄電池２５の出力電力を３２００［Ｗ］とした。図４は、交流電流Ｉｏｕｔと電流Ｉｂａｔの波形を示す。
ケース２：昇圧チョッパ回路２１から商用電力系統１４に放電（逆潮流）するときの交流電流Ｉｏｕｔと蓄電池２５に対する電流Ｉｂａｔを観測する。動作条件として、蓄電池２５の出力電圧を４３０［Ｖ］、商用電力系統１４の交流電圧を２００［Ｖｒｍｓ］、蓄電池２５の出力電力を０［Ｗ］とした。つまり、このケース２では、蓄電池２５から直流バス３１への実質的な放電電流が無い。図５は、交流電流Ｉｏｕｔと電流Ｉｂａｔの波形を示す。
図４に示すように、電流Ｉｂａｔは、蓄電池２５から放電される電流（直流成分）Ｉｄｃと、インバータ２２による直流交流変換のために、交流電流Ｉｏｕｔの周波数の２倍の周波数にて脈動する第１周波数成分と、インバータ２２の動作周波数（トランジスタＴ２１～Ｔ２４のオンオフする周波数）を基本波の周波数とした高調波成分（第２周波数成分）とを含む。この電流Ｉｂａｔにおいて、直流成分は７．５［Ａａｖｇ］、直流成分と交流成分の合計値は９．２［Ａｒｍｓ］であった。
図５に示すように、電流Ｉｂａｔは、インバータ２２の動作周波数（トランジスタＴ２１～Ｔ２４のオンオフする周波数）を基本波の周波数とした高調波成分（第２周波数成分）を含む。この電流Ｉｂａｔは、蓄電池２５から放電されないため、直流成分は０（零）である。そして、この電流Ｉｂａｔは、４．９［Ａｒｍｓ］の高調波成分を含む。
本実施形態の蓄電池２５は、正極にリン酸鉄リチウムを用いたリチウムイオン二次電池である。図６は、重量毎の電池容量と端子間電圧の関係を示す。図６において、特性線Ａ４１は、正極にリン酸鉄リチウムを用いたリチウムイオン二次電池の特性を示し、特性線Ａ４２は、正極に三元系（ニッケル－コバルト－マンガン）を用いたリチウムイオン二次電池の特性を示す。正極にリン酸鉄リチウムを用いたリチウムイオン二次電池は、三元系（ニッケル－コバルト－マンガン）のリチウムイオン二次電池と比べ、ＳＯＣの広い範囲で端子間電圧の変化量が小さいフラットな電圧特性を有している。したがって、この正極にリン酸鉄リチウムを用いたリチウムイオン二次電池である蓄電池２５を直流バス３１に直接接続することで、直流バス３１の電圧を安定化できる。
直流バス３１は、第１電力線３１ａと第２電力線３１ｂとを備える。昇圧チョッパ回路２１は、太陽光パネル１１に第１端が接続されたインダクタ素子Ｌ１１と、インダクタ素子Ｌ１１の第２端から第１電力線３１ａに向けて順方向に接続されたダイオードＤ１１と、インダクタ素子Ｌ１１とダイオードＤ１１との間に第１端が接続され、第２端が接地、つまり第２電力線３１ｂに接続され、制御部２９によりオンオフ制御されるトランジスタＴ１１と、を備える。したがって、簡単な構成で、太陽光パネル１１の発電電力を昇圧した出力電力Ｐ２１を得ることができる。
本実施形態のパワーコンディショナ１２において、直流バス３１には、昇圧チョッパ回路２１の出力電力を平滑化する電解コンデンサは接続されていない。高圧電力を平滑化する容量の大きな電解コンデンサが接続されていないため、パワーコンディショナ１２を小型化、軽量化できる。例えば、アルミ電解コンデンサは、部品の構造上、内部の電解液の蒸発（ドライアップ）が電解コンデンサ及びパワーコンディショナの製品寿命に影響する。従って、電解コンデンサを用いないことで、パワーコンディショナ１２の長期信頼性を向上できる。
図３に示すように、電線３２（図２に示す電線３２ｓ）は、インダクタ素子Ｌｘを含む。インダクタ素子Ｌｘは、第１電線３２ａの寄生インダクタ素子ンス、第１電線３２ａに挿入接続されたインダクタ素子である。インバータ２２の駆動により直流バス３１に現れる、商用周波数の２倍の周波数で脈動する第１周波数成分（低周波成分）の脈動電圧は、蓄電池２５を接続する電線３２（第１電線３２ａ）に含まれるインダクタ素子Ｌｘを通過して蓄電池２５に印加され、昇圧チョッパ回路２１及びインバータ２２のスイッチング周波数を基本波の周波数とした高調波成分を含む第２周波数成分（高周波成分）の脈動電圧はインダクタ素子Ｌｘを通過せず、蓄電池２５に印加されない。したがって、第１周波数成分（低周波成分）の脈動電圧が蓄電池２５に印加され、それに伴って充放電電流が流れることによって蓄電池２５の温度を上昇させるとともに、蓄電池２５に対する第２周波数成分（高周波成分）の脈動電圧の影響を低減できる。
パワーコンディショナ１２は、直流バス３１に接続され、昇圧チョッパ回路２１及びインバータ２２のスイッチング周波数を基本波の周波数とした高調波成分を含む第２周波数成分（高周波成分）の脈動電圧を濾波するコンデンサＣｘを備える。従って、第２周波数成分（高周波成分）の脈動電圧がコンデンサＣｘにより濾波されるため、直流バス３１に直接接続された蓄電池２５に対する第２周波数成分（高周波成分）の脈動電圧の影響を低減できる。
（効果）
以上記述したように、本実施の形態によれば、以下の効果を奏する。
以上記述したように、本実施の形態によれば、以下の効果を奏する。
（１）パワーコンディショナ１２は、太陽光パネル１１の発電電力を変換して直流バス３１に出力する昇圧チョッパ回路２１と、直流バス３１の電力を交流電力に変換し、電力系統に連系可能なインバータ２２と、直流バス３１に直接接続され、直流バス３１における電力により充電される蓄電池２５と、昇圧チョッパ回路２１とインバータ２２とを制御する制御部２９と、を備える。インバータ２２の駆動により直流バス３１に現れる、商用周波数の２倍の周波数にて脈動する第１周波数成分の脈動電圧が蓄電池２５に印加される。
第１周波数成分の脈動電圧により、直流バス３１から蓄電池２５に対して電流が入出力する、つまり商用周波数の２倍の周波数にて脈動する第１周波数成分の脈動電圧により蓄電池２５に対して充電と蓄電池２５からの放電が行われる。これら充電と放電とにより蓄電池２５に発熱が生じ、蓄電池２５の温度が上昇する。温度上昇により蓄電池２５の内部抵抗による内部抵抗損失が低減されるため、太陽光パネル１１の発電電力、つまり太陽光パネル１１によって発電したエネルギーを効率よく活用できる。
（２）蓄電池２５は、正極にリン酸鉄リチウムを用いたリチウムイオン二次電池である。図６は、重量毎の電池容量と端子間電圧の関係を示す。図６において、特性線Ａ４１は、正極にリン酸鉄リチウムを用いたリチウムイオン二次電池の特性を示し、特性線Ａ４２は、正極に三元系（ニッケル－コバルト－マンガン）を用いたリチウムイオン二次電池の特性を示す。正極にリン酸鉄リチウムを用いたリチウムイオン二次電池は、三元系（ニッケル－コバルト－マンガン）のリチウムイオン二次電池と比べ、ＳＯＣの広い範囲で端子間電圧の変化量が小さいフラットな電圧特性を有している。したがって、この正極にリン酸鉄リチウムを用いたリチウムイオン二次電池である蓄電池２５を直流バス３１に直接接続することで、直流バス３１の電圧を安定化できる。
（３）直流バス３１は、第１電力線３１ａと第２電力線３１ｂとを備える。昇圧チョッパ回路２１は、太陽光パネル１１に第１端が接続されたインダクタ素子Ｌ１１と、インダクタ素子Ｌ１１の第２端から第１電力線３１ａに向けて順方向に接続されたダイオードＤ１１と、インダクタ素子Ｌ１１とダイオードＤ１１との間に第１端が接続され、第２端が接地、つまり第２電力線３１ｂに接続され、制御部２９によりオンオフ制御されるトランジスタＴ１１と、を備える。したがって、簡単な構成で、太陽光パネル１１の発電電力を昇圧した出力電力Ｐ２１を得ることができる。
（４）直流バス３１には、昇圧チョッパ回路２１の出力電力を平滑化する電解コンデンサは接続されていない。高圧電力を平滑化する容量の大きな電解コンデンサが接続されていないため、パワーコンディショナ１２を小型化、軽量化できる。例えば、アルミ電解コンデンサは、部品の構造上、内部の電解液の蒸発（ドライアップ）が電解コンデンサ及びパワーコンディショナの製品寿命に影響する。従って、電解コンデンサを用いないことで、パワーコンディショナ１２の長期信頼性を向上できる。
（５）電線３２（図２に示す電線３２ｓ）は、インダクタ素子Ｌｘを含む。インダクタ素子Ｌｘは、第１電線３２ａの寄生インダクタ素子ンス、第１電線３２ａに挿入接続されたインダクタ素子である。インバータ２２の駆動により直流バス３１に現れる、商用周波数の２倍の周波数で脈動する第１周波数成分（低周波成分）の脈動電圧は、蓄電池２５を接続する電線３２（第１電線３２ａ）に含まれるインダクタ素子Ｌｘを通過して蓄電池２５に印加され、インバータ２２のスイッチング周波数を基本波の周波数とした高調波成分を含む第２周波数成分（高周波成分）の脈動電圧はインダクタ素子Ｌｘを通過せず、蓄電池２５に印加されない。したがって、第１周波数成分（低周波成分）の脈動電圧が蓄電池２５に印加され、それに伴って充放電電流が流れることによって蓄電池２５の温度を上昇させるとともに、蓄電池２５に対する第２周波数成分（高周波成分）の脈動電圧の影響を低減できる。なお、第２周波数成分は、昇圧チョッパ回路２１の駆動によるスイッチング周波数を基本波の周波数とした高調波成分を含む。従って、昇圧チョッパ回路２１及びインバータ２２の駆動によって生じ、直流バス３１の電圧に重畳する第２周波数成分（高周波成分）の脈動電圧はインダクタ素子Ｌｘを通過しないため、蓄電池２５に対する影響を低減できる。
（６）パワーコンディショナ１２は、直流バス３１に接続され、昇圧チョッパ回路２１及びインバータ２２のスイッチング周波数を基本波の周波数とした高調波成分を含む第２周波数成分（高周波成分）の脈動電圧を濾波するコンデンサＣｘを備える。従って、直流バス３１の電圧に重畳される第２周波数成分（高周波成分）の脈動電圧がコンデンサＣｘにより濾波されるため、直流バス３１に直接接続された蓄電池２５に対する第２周波数成分（高周波成分）の脈動電圧の影響を低減できる。
（変更例）
上記実施形態は、以下の態様で実施してもよい。上記実施形態および以下の変更例は、技術的に矛盾しない範囲で互いに組み合わせて実施することができる。
上記実施形態は、以下の態様で実施してもよい。上記実施形態および以下の変更例は、技術的に矛盾しない範囲で互いに組み合わせて実施することができる。
・蓄電池２５に、正極材料にニッケル系正極材（ＮＣＡ）、コバルト酸リチウム（ＬＣＯ）、三元系（ＮＣＭ）を用いたリチウムイオン二次電池を用いてもよい。
・図２に示すコンデンサＣｘを省略してもよい。
１０ 太陽光発電システム
１１ 太陽光パネル
１２ パワーコンディショナ
１３ 系統電力線
１４ 商用電力系統
１５ 電気機器
２１ 昇圧チョッパ回路
２２ インバータ
２２ａ 第１電線
２２ｂ 第２電線
２３ フィルタ
２４ 系統連系用リレー
２５ 蓄電池
２５ａ バッテリ管理部
２７ ＤＣ－ＤＣコンバータ
２８ 整流器
２９ 制御部
３１ 直流バス
３１ａ 第１電力線
３１ｂ 第２電力線
３２ 電線
３２ａ 第１電線
３２ｂ 第２電線
３４ 内部バス
４１ 電圧センサ
４２ 電流センサ
５１ ＣＰＵ
５２ メモリ
５３ 周辺回路
６１ 電力センサ
６２，６３ 電流センサ
Ａ４１，Ａ４２ 特性線
Ｃ２１，Ｃｘ コンデンサ
Ｄ１１ ダイオード
Ｉｂａｔ 電流
Ｉｄｃ 電流
Ｉｏｕｔ 交流電流
Ｌ１１，Ｌ２１，Ｌ２２，Ｌｘ インダクタ素子
Ｐ２１ 出力電力
Ｐｏｕｔ 交流電力
Ｓ１１，Ｓ２１～Ｓ２４ 制御信号
Ｔ１１，Ｔ２１～Ｔ２４ トランジスタ
１１ 太陽光パネル
１２ パワーコンディショナ
１３ 系統電力線
１４ 商用電力系統
１５ 電気機器
２１ 昇圧チョッパ回路
２２ インバータ
２２ａ 第１電線
２２ｂ 第２電線
２３ フィルタ
２４ 系統連系用リレー
２５ 蓄電池
２５ａ バッテリ管理部
２７ ＤＣ－ＤＣコンバータ
２８ 整流器
２９ 制御部
３１ 直流バス
３１ａ 第１電力線
３１ｂ 第２電力線
３２ 電線
３２ａ 第１電線
３２ｂ 第２電線
３４ 内部バス
４１ 電圧センサ
４２ 電流センサ
５１ ＣＰＵ
５２ メモリ
５３ 周辺回路
６１ 電力センサ
６２，６３ 電流センサ
Ａ４１，Ａ４２ 特性線
Ｃ２１，Ｃｘ コンデンサ
Ｄ１１ ダイオード
Ｉｂａｔ 電流
Ｉｄｃ 電流
Ｉｏｕｔ 交流電流
Ｌ１１，Ｌ２１，Ｌ２２，Ｌｘ インダクタ素子
Ｐ２１ 出力電力
Ｐｏｕｔ 交流電力
Ｓ１１，Ｓ２１～Ｓ２４ 制御信号
Ｔ１１，Ｔ２１～Ｔ２４ トランジスタ
Claims (4)
- 太陽光パネルの発電電力を変換して直流バスに出力する昇圧チョッパ回路と、
前記直流バスの電力を交流電力に変換し、電力系統に連系可能なインバータと、
前記直流バスに直接接続された蓄電池と、
前記昇圧チョッパ回路と前記インバータとを制御する制御部と、
を備え、
前記インバータの駆動によって前記直流バスに現れる、前記電力系統の商用周波数の２倍の周波数にて脈動する第１周波数成分の脈動電圧が前記蓄電池に印加され、
前記インバータは、複数のスイッチング素子を含み、
前記制御部は、前記インバータの前記スイッチング素子を、前記商用周波数よりも高い周波数の制御信号にてＰＷＭ制御し、
前記直流バスの電圧には、前記制御信号の周波数を基本波の周波数とした高調波成分を含む第２周波数成分の脈動電圧が重畳され、
前記蓄電池は、インダクタ素子を含む電線により前記直流バスに接続されており、
前記直流バスに接続され、前記第１周波数成分の脈動電圧を濾波することなく前記第２周波数成分の脈動電圧を濾波するコンデンサを備えた、
パワーコンディショナ。 - 前記蓄電池は、正極にリン酸鉄リチウムを用いたリチウムイオン二次電池である、請求項１に記載のパワーコンディショナ。
- 前記直流バスは、第１電力線と第２電力線とを備え、
前記昇圧チョッパ回路は、
前記太陽光パネルに第１端が接続されたインダクタ素子と、
前記インダクタ素子の第２端から前記第１電力線に向けて順方向に接続された整流素子と、
前記インダクタ素子と前記整流素子との間のノードと前記第２電力線との間に接続され、前記制御部によりオンオフ制御されるスイッチング素子と、
を備えた、請求項１又は請求項２に記載のパワーコンディショナ。 - 前記直流バスには、前記昇圧チョッパ回路の出力電力を平滑化する電解コンデンサは接続されていない、請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のパワーコンディショナ。
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