JPH0679258B2 - 電源装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、太陽電池の発電電力を交流電力に変換して
負荷に供給するようにした電源装置に関する。

〔従来の技術〕

一般に、太陽電池の発電電力を通常の交流負荷に供給す
る場合には、前記発電電力を直交変換装置，すなわちイ
ンバータにより交流電力に変換する必要がある。

そして、このような新エネルギー源である太陽電池およ
び該太陽電池の発電電力を交流電力に変換するインバー
タを備えた電源装置においては、負荷を運転する場合、
その出力端を既存電力系統，たとえば商用電力系統に接
続して常時並列運転する方式と独立して自立運転する方
式とに大別される。

前者の方式では、インバータにおいてその出力電圧の大
きさと位相とを系統電圧に対して変化させることにより
出力電力を調整し、所望の電力を系統へ送出するように
なされており、また、後者の方式では、負荷に安定な電
力を供給するために出力電圧を一定に保つ必要があり、
このため、インバータにおいて負荷変動や入力変動（電
圧）によつても出力電圧と周波数とを一定に保つ制御が
なされ、通常CVCFインバータと呼ばれている。

ところで、通常、インバータの出力電圧を調整する方法
としては次の３つの方式がある。

（ｉ）インバータの入力直流電圧を調整する方式。

（ii）インバータ自身で出力電圧を調整する方式。

（iii）インバータの出力交流電圧を調整する方式。

このうち、（ｉ）と（iii）の方式では、インバータと
は別に調整装置を設けるのが通常の手段であり、また、
（ｉ）の方式の代表例として、インバータの直流入力側
に直流チヨツパを接続して構成するチヨツパ・インバー
タ方式がある。

一方、最近では、半導体の性能，とくに電力素子の高周
波特性（スイツチング損の低減）が著しく改善され、出
力波形の微細な制御が容易になつているため、太陽電池
電源装置におけるインバータでは、出力電圧を調整する
場合、前詰記（ii）の方式が多く採用されているが、数
百KW以上の大容量電源装置においては、インバータへの
入力電圧調整を直流チヨツパで，交流への変換をインバ
ータでそれぞれ分担する（ｉ）の方式も現存している。

しかし、前記いずれの出力電圧調整方式を採用したイン
バータであつても、その直流入力電流に交流出力電流に
よつて生じた脈動を含んでいる。すなわち、簡単な例と
して単相インバータを考えると、交流出力電流が正弦波
である場合、直流入力電流波形は出力周波数の２倍の周
波数を最低とした多くの高調波が重畳された全波整流の
脈流となる。

したがつて、インバータの直流源が蓄電池等のように定
電圧性があるとき，すなわち出力インピーダンスが小さ
いときは、直流入力にある程度の脈動があつても何ら支
障はないが、太陽電池のように特異なＶ−Ｉ特性を持つ
直流源の場合には、その動作電圧値により直流入力源の
インピーダンスが変化するため、インバータへの直流入
力電流に交流出力電流によって生じた脈動が含まれてい
る場合には、太陽電池の電圧変動が生じ、インバータを
最大出力電圧点で正確に動作させることができない問題
点がある。

すなわち、第５図は太陽電池のＶ−Ｉ特性を示してお
り、ここでインバータの入力電流は、太陽電池の最適動
作電圧（最大出力電力点）Vmに相当する電流Imの平均値
であるが、その直流入力電流I₀に脈動分diを含むと電圧
変動dvが生じ、同図に破線で示す電力特性曲線からも明
らかなように最大出力が取り出せないことになる。

ところで、従来より、この種直流入力電流の脈流を緩衝
する場合、たとえば、「電気計算（臨時増刊）,Vol 49
no.8,p.314〜319」（電気書院発行）にみられるよう
に、直流リアクトルと直流コンデンサとによる直流フイ
ルタを設けることが行なわれるが、脈動電流のリツプル
含有率を下げて脈動の少ない直流を得るためには、直流
リアクトルのインダクタンスとコンデンサの容量とを大
きく設計しなければならず、フイルタの大形化を招く欠
点がある。

〔発明が解決しようとする問題点〕

そこで、この発明においては、直交変換装置への直流入
力電流の脈動を抑制して太陽電池の最大電力点で動作さ
せるとともに，直流フイルタを小形化し得る手段を提供
することを技術的課題とする。

〔問題点を解決するための手段〕

この発明は、太陽電池の出力端と直交変換装置の入力端
との間に設けられ、太陽電池の発電電力を前記直交変換
装置の変換周波数より高い所定周波数のパルス信に変換
する直流−直流変換装置と、前記変換周波数の２倍以上
の周波数を有する前記発電電力の脈流を検出する検出手
段と、該検出手段の脈流検出信号が正の場合には、オン
デューティが小さくなるように前記パルス信号のパルス
幅を可変すると共に、該脈流検出信号が負の場合には、
オンデューティが大きくなるように前記パルス信号のパ
ルス幅を可変するパルス幅変調回路と、を備えているこ
とを特徴とするものである。

〔作 用〕

そして、この発明の電源装置では、太陽電池の発電電力
に脈動がない状態において、該発電電力が直流−直流変
換装置のチヨツパ回路により直交変換装置の変換周波数
より高い周波数で所定のデユーテイ率のパルス信号に変
換され、また、太陽電池の発電電力に脈動が生じると、
この交流分が検出手段よりパルス幅変調回路に入力さ
れ、脈動の交流分の正，負に応じチヨツパ回路における
変換パルス信号のデユーテイ率が小，大に可変されて前
記発電電力がパルス信号に変換され、直流−直流変換装
置より直交変換装置に脈動を抑制した直流電力が入力さ
れる。

〔実施例〕

つぎに、この発明を、その実施例を示した図面とともに
詳細に説明する。

（第１の実施例） まず、第１の実施例を示した第１図ないし第３図につい
て説明する。

第１図において、（１）は太陽電池、（２）は太陽電池
（１）の発電電力，すなわち直流電力をたとえば商用周
波数（50Hzもしくは60Hz）の交流電力に変換するインバ
ータ、（３）は一般の交流負荷、（４）は太陽電池
（１）とインバータ（２）との間に設けられた静止型直
流−直流変換装置であり、第２図に示すようになつてい
る。

すなわち、第２図において、（５）は太陽電池（１）の
発電電力をインバータ（２）の変換周波数，すなわち商
用周波数より高い周波数のパルス信号に変換しさらにこ
れを直流に変換するチヨツパ回路であり、直流リアクト
ル（L₁）およびコンデンサ（C₁）からなるリツプル除去
用の第１フイルタと，直流リアクトル（L₂）およびコン
デンサ（C₂）からなる整流用の第２フイルタと，スイツ
チング用トランジスタ（Ｑ）と，ダイオード（D₁）とか
らなる周知の降圧形直流チヨツパであり、太陽電池
（１）の出力端（P₁），（N₁）とインバータ（２）の入
力端（P₂），（N₂）との間に接続されている。このチヨ
ツパ回路（５）におけるパルス信号の変換周波数は、ト
ランジスタ（Ｑ）の性能によるところが大きいが、極力
高く設計され、たとえば1kHz以上である。

（６）は（１）の出力端（P₁）とチヨツパ回路（５）と
の間に設けられ太陽電池（１）の発電電力の脈流を検出
する変流器であり、脈流の交流分を脈流検出信号として
出力する。（７）はチヨツパ回路（５）のトランジスタ
（Ｑ）をオンデユーテイ50％を基準にしてパルス駆動す
るとともに変流器（６）の脈流検出信号に応じて前記パ
ルス信号のパルス幅，すなわちトランジスタ（Ｑ）の導
通期間を可変するパルス幅変調回路である。

つぎに、パルス幅変調回路（７）の詳細を示した第３図
において、（R₁）は入力端（ａ）に入力された変流器
（６）からの脈流検出信号を電圧値に変換する第１抵
抗、（８）は電圧値に変換された脈流検出信号のうちイ
ンバータ（２）の入力電流に起因しない脈動電流の成
分，すなわち商用周波数の２倍未満の脈流成分を除去す
るハイパスフイルタ、（９）は反転入力端子（−）がハ
イパスフイルタ（８）の出力端子に入力用第２抵抵抗
（R₂）を介して接続され、非反転入力端子（＋）がアー
スされた増幅器であり、反転入力端子（−）と出力端子
との間に帰還用第３抵抗（R₃）および逆直列接続された
２個のツエナーダイオード（DZ₁），（DZ₂）がそれぞれ
接続されている。この両ツエナーダイオード（DZ₁），
（DZ₂）は増幅器（９）の出力信号の振幅を一定値（後
述ののこぎり波の振幅とほぼ同値）以下に制限するため
のものである。

（10）はアースレベルに対し点対称で1kHz以上，たとえ
ば20kHzののこぎり波信号を出力するのこぎり波発振
器、（11）は非反転入力端子（＋）に増幅器（９）の出
力端子が，反転入力端子（−）に発振器（10）の出力端
子がそれぞれ接続された比較器であり、（増幅器（９）
の出力信号レベル）＞（のこぎり波信号レベル）のとき
正の出力信号を出力する。（12）は入力端子が比較器
（11）の出力端子に接続され出力端子が変調回路（７）
の出力端（ｂ），すなわちトランジスタ（Ｑ）のベース
に接続されたベース駆動回路であり、比較器（11）の出
力信号が正のとき、この出力信号がベース駆動回路（1
2）で電力増幅されてトランジスタ（Ｑ）のベースに加
えられ、トランジスタ（Ｑ）が導通する。

つぎに、前記実施例の動作について説明する。

まず、太陽電池（１）の発電電力に脈動がない場合、変
流器（６）からの脈流検出信号に交流分を含まないた
め、パルス幅変調回路（７）におけるハイパスフイルタ
（８）の出力信号は零となり、増幅器（９）の出力も零
となり、比較器（11）からは発振器（10）からののこぎ
り波信号の負領域に相当する20kHzの正パルス信号が出
力される。したがって、ベース駆動回路（12）を介して
トランジスタ（Ｑ）がオンデユーテイ50％でパルス駆動
され、太陽電池（１）の発電電力がチヨツパ回路（５）
で1/2に降圧されてインバータ（２）に入力される。

つぎに、太陽電池（１）の発電電力に脈動が生じた場
合、この脈動の交流分が交流器（６）により検出されて
その脈流検出信号がパルス幅変調回路（７）の入力端
（ａ）に与えられ、これが第１抵抗（R₁）の電圧降下と
して電圧値に変換されるとともに、その商用周波数の２
倍未満の成分がハイパスフイルタ（８）において除去さ
れ、パルス幅変調制御のためのフイードバツク量として
与えられる。

そして、ハイパスフイルタ（８）の出力信号の電位が脈
動に応じ正（または負）になると、増幅器（９）への脈
動入力信号は抵抗（R₂），（R₃）で決まる増幅率で増幅
されて負（または正）電位の出力信号となり、比較器
（11）よりデユーテイ率が基準の50％より小さい（また
は大きい）パルス信号が出力され、ベース駆動回路（1
2）を介してトランジスタ（Ｑ）の導通期間がデユーテ
イ50％に対して小（または大）に可変される。

この結果、太陽電池（１）の発電電力が脈動のない場合
に比し正に変動すると、トランジスタ（Ｑ）のオンデユ
ーテイが脈動の大きさに応じて基準の50％より低下し、
すなわち変換パルス信号のオンパルス幅が小さくなり、
チヨツパ回路（５）の降圧比が大きくなり、反対に発電
電力が負に変動すると、トランジスタ（Ｑ）のオンデユ
ーテイが脈動の大きさに応じて基準の50％より上昇し、
すなわち変換パルス信号のオンパルス幅が大きくなり、
チヨツパ回路（５）の降圧比が小さくなり、インバータ
（２）に脈動を抑制した直流電力が入力されることにな
る。

したがつて、太陽電池（１）とインバータ（２）との間
に、チヨツパ回路（５）と変流器（６）とパルス幅変調
回路（７）とからなる直流−直流変換装置（４）を設け
ることにより、太陽電池（１）の発電電力の脈動が緩衝
され、第５図に示すような脈動が抑制された入力電流
I₀′がインバータ（２）に入力されることになり、イン
バータ（２）の動作電圧も太陽電池（１）の最適動作電
圧（最大出力電力点）Vmにほぼ安定し、最大出力を取り
出すことが可能となる。

また、チヨツパ回路（５）のパルス変換手段であるトラ
ンジスタ（Ｑ）の動作周波数を1kHz以上と高く設計した
ため、リアクトル（L₁）とコンデンサ（C₁）とからなる
リツプル除去用の第１フイルタのみならず、トランジス
タ（Ｑ）のスイツチングによつて新たに発生した直流リ
ツプル電流を抑制するための受動フイルタ，すなわちリ
アクトル（L₂）およびコンデンサ（C₂）からなる第２フ
イルタの小形化が可能になり、ここで、実施例のように
チヨツパ回路（５）におけるパルス周波数を18kHz以上
の超可聴周波数に設計すれば、制御性の向上のみならず
受動フイルタの小形化，無騒音化においても最適なもの
になる。

（第２の実施例） つぎに、第２の実施例を示した第４図について説明す
る。

同図に示すものは、太陽電池（１）の出力端（P₁）,P
（N₁）とインバータ（２）の入力端（P₂），（N₂）との
間に設けられた直流−直流変換装置（４）′であり、前
記と異なる点は、直流チヨツパ回路（５）に代えてフオ
ワードコンバータを用いたチヨツパ回路（５）′を設け
た点である。すなわち、このチヨツパ回路（５）′は、
直流リアクトル（L₁）およびコンデンサ（C₁）からなる
リツプル除去用の第１フイルタと，絶縁トランス（Ｔ）
と，スイツチング用トランジスタ（Ｑ）と，整流用ダイ
オード（D₂）と，直流リアクトル（L₂）およびコンデン
サ（C₂）からなる整流用の第２フイルタとにより構成さ
れ、第１の実施例と同様に、太陽電池（１）の発電電力
の脈動に応じてトランジスタ（Ｑ）のオンデユーテイを
可変するとともに，トランジスタ（Ｑ）のオンデユーテ
イの増加（減少）により降圧比を小さく（大きく）する
パルス変調制御を行なう。

したがつて、第１の実施例と同様の効果が得られ、しか
も、この実施例の場合、チヨツパ回路（５）′の入力側
と出力側とが絶縁トランス（Ｔ）を介して電気的に絶縁
されるため、太陽電池（１）を含む直流配線とインバー
タ（２）を含む交流配線とを分離することが可能にな
り、たとえば直流側と交流側との双方に接地が必要な場
合に有益である。

なお、この発明は前記実施例に限らず、フライバツクコ
ンバータや他の降圧形チヨツパさらには中間タツプ付絶
縁トランスを使つたプツシユプルコンバータ等を用いて
直流−直流変換装置を構成しても、同様の効果が得られ
るものである。

〔発明の効果〕

以上のように、この発明の電源装置によると、太陽電池
（１）の発電電力の脈流，すなわち直流リツプル電流を
抑制し脈流の少ない直流電力をインバータ（２）に入力
することができるものであり、インバータ（２）を太陽
電池（１）の最大出力電圧点で正確に動作させ、最大出
力を容易に取り出すことができ、かつ、直流フイルタの
小形化も可能になる効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

図面はこの発明の電源装置の実施例を示し、第１図ない
し第３図は第１の実施例を示し、第１図は全体の概略ブ
ロツク図、第２図は直流−直流変換装置の結線図、第３
図はパルス幅変調回路の詳細な結線図、第４図は第２の
実施例の直流−直流変換装置の結線図、第５図は太陽電
池のＶ−Ｉ特性図である。 （１）……太陽電池、（２）……インバータ、（３）…
…負荷、（４），（４）′……直流−直流変換装置、
（５），（５）′……チヨツパ回路、（６）……変流
器、（７）……パルス幅変調回路。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】太陽電池の発電電力を直交変換装置により
   交流電力に変換して負荷に供給する電源装置において、 前記太陽電池の出力端と前記直交変換装置の入力端との
   間に設けられ、前記発電電力を前記直交変換装置の変換
   周波数より高い所定周波数のパルス信号に変換する直流
   −直流変換装置と、 前記変換周波数の２倍以上の周波数を有する前記発電電
   力の脈流を検出する検出手段と、 該検出手段の脈流検出信号が正の場合には、オンデュー
   ティが小さくなるように前記パルス信号のパルス幅を可
   変すると共に、該脈流検出信号が負の場合には、オンデ
   ューティが大きくなるように前記パルス信号のパルス幅
   を可変するパルス幅変調回路と、 を備えていることを特徴とする電源装置。