JPH1031525A - 太陽光発電システム - Google Patents

太陽光発電システム

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JPH1031525A
JPH1031525A JP8183906A JP18390696A JPH1031525A JP H1031525 A JPH1031525 A JP H1031525A JP 8183906 A JP8183906 A JP 8183906A JP 18390696 A JP18390696 A JP 18390696A JP H1031525 A JPH1031525 A JP H1031525A
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storage battery
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inverter
power
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JP8183906A
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Hidetaka Kidoguchi
秀隆 木戸口
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Fuji Electric Co Ltd
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    • Y02B—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO BUILDINGS, e.g. HOUSING, HOUSE APPLIANCES OR RELATED END-USER APPLICATIONS
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    • Y02B10/70—Hybrid systems, e.g. uninterruptible or back-up power supplies integrating renewable energies
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
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    • Y02E10/56—Power conversion systems, e.g. maximum power point trackers

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  • Supply And Distribution Of Alternating Current (AREA)
  • Dc-Dc Converters (AREA)
  • Inverter Devices (AREA)
  • Stand-By Power Supply Arrangements (AREA)
  • Charge And Discharge Circuits For Batteries Or The Like (AREA)
  • Control Of Electrical Variables (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【課題】太陽光発電システムにおいて外部電源との並列
時に同時に太陽電池による蓄電池充電を可能とし、且つ
太陽電池からの最大電力の取り出しを図る。 【解決手段】太陽電池１とインバータ２とによる太陽電
池給電系と外部電源１０との並列運転時に、蓄電池３の
充放電電路に設置した双方向性のＤＣ／ＤＣコンバータ
９による蓄電池３の充電制御を行ってこの充電時の太陽
電池負荷回路のインピーダンス低下を所定値以内に制限
し、この状態において、インバータ２の入力電圧を日照
条件等の周囲条件により補正された設定電圧に対し追従
制御させる最大電力追従制御回路１２を機能させ、この
回路によりその入力電圧が補正されたインバータ２の出
力制御による太陽電池負荷インピーダンス制御を介した
太陽電池１の最大電力追従制御を行い、太陽電池１から
の変化する日照状態に応した最適の電力取り出しと蓄電
池３に対する充電とを同時に行うものである。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は、太陽電池と，こ
の太陽電池の直流出力を受けてこれを所定の交流に変換
するインバータとをその主回路要素とする太陽電池給電
系と、商用電源等の外部交流電源による給電系とを以て
その負荷給電系を構成し、且つ、これ等両給電系間の並
列運転或いは前記太陽電池給電系単独の自立運転の何れ
もが可能となる如く所要の回路構成をなした太陽光発電
システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】従来のこの種の太陽光発電システムとし
ては、図４の単線結線図にその主回路構成を例示するも
のが知られている。なお、この従来の発電システムは、
前記太陽電池給電系がその単独の自立運転或いは前記外
部交流電源との並列運転の何れも行える如く構成された
制御系を有するものとする。
【０００３】図４において、１は太陽電池、１０は商用
電源等の外部の交流電源、２は前記太陽電池の直流出力
を受けこれを所定の交流に変換するインバータ、３は蓄
電池、４はインバータ２の出力母線と外部交流電源１０
による給電母線との間の母線連絡用コンタクタ、５は太
陽電池１からインバータ２或いは蓄電池３へ至る電路の
開閉用コンタクタ、６は蓄電池３に対する充放電電路開
閉用のコンタクタ、７はインバータ２と外部交流電源１
０との並列運転が解除された場合にインバータ２により
給電される特定負荷、８は前記の並列運転が解除された
場合に外部電源１０により給電される一般負荷である。
【０００４】ここに、太陽電池１と蓄電池３それぞれの
直列接続数は、前記太陽電池の最適動作電圧と前記蓄電
池の充電電圧或いは前記インバータの定格入力電圧とが
互に適合した値となる如く決定される。なお、前記各コ
ンタクタの動作に関し、コンタクタ４は前記の太陽電池
給電系と外部交流電源との並列運転時に閉路され、コン
タクタ５は前記太陽電池給電系の自立運転時，或いは前
記外部交流電源との並列運転時，或いは蓄電池３に対す
る充電時に閉路され、コンタクタ６は蓄電池３の充放電
動作時に閉路されるものである。また、蓄電池３の過充
電時にコンタクタ５は開路され，その過放電時にコンタ
クタ６は開路される。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】一般に、太陽電池は電
流源的な出力特性を有し、取り出し得る最大電力はその
負荷インピーダンスに依存するものとなる。従って、太
陽電池よりその日照状態に応じた最大の電力を取り出す
ためには、前記太陽電池に対しその負荷インピーダン
ス，或いはこの負荷インピーダンスと太陽電池出力電流
との積である太陽電池出力電圧を日照状態に応じた最適
の値に制御する最大電力追従制御を行う必要がある。
【０００６】今、前記従来の発電システムについてみれ
ば、日照変動に伴う前記の太陽電池給電系全体としての
出力変動平滑用に設置された蓄電池３に対する充放電制
御は、コンタクタ５或いは６の開閉制御により簡単に行
うことが出来る。しかしながら、前記の太陽電池給電系
と外部交流電源との並列運転時に同時に蓄電池３に対す
る充電を行えば、インバータ２と蓄電池３とが並列接続
されたことになる太陽電池出力系全体の負荷インピーダ
ンスは低値をなす蓄電池３のインピーダンスに大幅に依
存して低値となり、従って前記太陽電池の出力電圧も同
様に制御不能の低値とならざるを得ない。
【０００７】従って、前記従来の発電システムにおいて
は、蓄電池３の前記の如き制御不能の低インピーダンス
に起因してその出力インピーダンスの制御を介して行う
前記太陽電池に対する最大電力追従制御が阻害されるた
めに、前記の太陽電池給電系と外部交流電源との並列運
転時に同時に前記蓄電池に対する充電を行うことは、充
分な日照状態においても出来なかった。このため、前記
太陽電池の発生電力を並列運転により前記外部交流電源
に注入するか，或いは前記蓄電池の充電に使用するか
は、日照状態と共に前記蓄電池の充電量等から判断して
決める必要が有り、このため前記発電システムの効率的
な運用が阻害されていた。
【０００８】上記に鑑みこの発明は、充分な日照状態に
おいては前記太陽電池に対する最大電力追従制御を行い
ながら、前記の太陽電池給電系と外部交流電源間の並列
運転と前記蓄電池に対する充電とを同時に行うことを可
能とする太陽光発電システムの提供を目的とするもので
ある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、この発明の太陽光発電システムは、 １）請求項１に従い、太陽電池と、この太陽電池からの
直流入力を所定の交流に変換すると共にその単独運転或
いは商用電源等の外部交流電源との並列運転の何れもが
選択可能な如く所要の回路構成がなされたインバータ
と、前記太陽電池の直流出力により充電され且つその放
電により前記インバータの直流電源として機能する蓄電
池と、前記のインバータと外部交流電源両者による各給
電母線間の連絡用遮断器等とを以て構成された太陽光発
電システムにおいて、前記蓄電池に対する充放電制御用
としてこの蓄電池と前記太陽電池との間に双方向性電力
変換手段として機能するＤＣ／ＤＣコンバータを設置す
ると共に、前記インバータの入力電圧が日照条件等の周
囲条件により補正された設定電圧に対して追従する如く
制御する最大電力追従制御回路を設けるものとする。
【００１０】２）請求項２に従い、請求項１記載の太陽
光発電システムにおいて、前記の双方向性電力変換手段
として機能するＤＣ／ＤＣコンバータは、逆極性に並列
接続された転流ダイオードをそれぞれ有する２組の電力
用トランジスタを同極性にて直列接続して成りその両端
に前記太陽電池の出力電圧が印加されるトランジスタブ
リッジと、このブリッジの両端端子に並列接続されたコ
ンデンサと、その負極母線を前記太陽電池の出力系と共
用する如く接続された前記充放電電源用蓄電池の正極端
子と前記ブリッジの中間接続点間を接続するリアクトル
と、前記蓄電池の正負両端子間に並列接続されたコンデ
ンサと、をその主回路構成要素となし、太陽電池直流出
力による前記蓄電池の充電制御と，この蓄電池から太陽
電池出力母線系への放電制御とにそれぞれ対応し、前記
ブリッジを構成する２組のトランジスタそれぞれに通流
率の異なる所定の駆動指令を与える如く機能する制御回
路を備えて成るものとする。
【００１１】上記の如くこの発明は、先ず、前記従来技
術におけるが如き蓄電池充放電電路に設けたコンタクタ
に代えて双方向性ＤＣ／ＤＣコンバータを設置し、その
出力制御によりコンバータ等価インピーダンスの所要値
以下への低下を回避し、前記インバータの出力制御によ
る太陽電池出力回路全体の負荷インピーダンス制御を介
して前記太陽電池に対する最大電力追従制御を可能とな
すものである。
【００１２】更に、前記双方向性ＤＣ／ＤＣコンバータ
に関して、逆極性に並列接続された転流ダイオードをそ
れぞれ有する２組の電力用トランジスタによるブリッジ
構成と１組のリアクトルとを以て，相互にその電力通過
方向が逆転する前記蓄電池に対する充放電制御用のＤＣ
／ＤＣコンバータの基本機能要素となすことにより、前
記コンバータの主回路構成の簡略化を可能となすもので
ある。
【００１３】
【発明の実施の形態】以下この発明の実施例を図面によ
り説明する。ここに、図１は太陽光発電システムの単線
結線図であり、図２は図１に例示する発電システムにお
ける各種運転モードを示す運転状態図である。また、図
３は双方向性ＤＣ／ＤＣコンバータの主回路結線図の例
示である。
【００１４】先ず、図１において、１は太陽電池、１０
は商用電源等の外部交流電源、２は前記太陽電池の直流
出力を受けてこれを所定の交流に変換するインバータ、
３は蓄電池、４はインバータ２の出力母線と外部交流電
源１０による給電母線との間の母線連絡用コンタクタ、
７はインバータ２と外部交流電源１０との並列運転が解
除された場合にインバータ２により給電される特定負
荷、同様に８は前記並列運転解除の場合に外部電源１０
により給電される一般負荷である。
【００１５】また、９は双方向性のＤＣ／ＤＣコンバー
タであり、例えば、太陽電池１による蓄電池３の充電時
に動作する降圧チョッパ回路と、蓄電池３がインバータ
２の直流電源となるその放電時に動作する昇圧チョッパ
回路とを対をなして回路構成し、前記蓄電池に対する充
放電制御動作に従ってその出力電流方向を反転させる双
方向性の電力変換手段として機能するものである。
【００１６】ここに、例えば、前記降圧チョッパ回路
は、前記蓄電池とリアクトルとの直列接続に転流ダイオ
ードを並列に接続して成る直並列接続に対しスイッチン
グ要素により適当な通流率にて断続された太陽電池１の
出力電圧を印加する如く構成し、この太陽電池出力電圧
の所定の低減電圧を前記蓄電池に印加する如く機能させ
るものである。また、前記昇圧チョッパ回路は、前記蓄
電池と整流ダイオードとの直列接続にスイッチング要素
を並列接続して成る直並列接続に対しリアクトルを直列
接続して成る直並列接続を構成し、前記スイッチング要
素を適当な通流率にて断続させることにより前記リアク
トルを介して前記蓄電池を電源とする昇圧された所要の
直流電圧を得る如く機能させるものであり、前記降圧チ
ョッパ回路との要素共用を図る如くこれら両チョッパ回
路は対をなして構成される。
【００１７】更に、１１は同期追従制御回路であり、太
陽電池１とインバータ２とから成る太陽電池給電系と外
部交流電源１０との円滑な並列運転を可能となす如く機
能するものであり、計器用変圧器ＰＴから得た外部交流
電源電圧ＶACと計器用変流器ＣＴから得た並列母線電流
ＩINとをその入力信号とし、前記電圧ＶACに同期した交
流電圧と力率１の交流電流とを形成させる如く演算され
た所要の指令信号ＳINをインバータ２に与えるものであ
る。
【００１８】なお、同期追従制御回路１１は、前記の太
陽電池給電系と外部交流電源系との並列運転を行う限り
必要とされ、従来技術による太陽光発電システムの場合
でも同様に設置されるものである。また、１２は最大電
力追従制御回路であり、前記の太陽電池給電系と外部交
流電源系との並列運転時に、前記太陽電池の出力電圧従
って前記インバータの入力電圧を日照状態に応じた最適
の値に制御し、前記太陽電池からその日照状態に応じた
最大の電力を取り出す如く機能するものであり、図示し
ていない日照量信号或いは前記太陽電池の温度信号等を
その入力信号となし、これ等の諸環境条件において最大
の電力取り出しが可能となる太陽電池出力電圧従って前
記インバータの入力電圧を太陽電池出力電力の対出力電
圧特性より演算し設定電圧信号ＶDCSとして出力すると
共に、前記の双方向性ＤＣ／ＤＣコンバータ９に対しそ
の充電状態指令信号ＳCNを与え、前記太陽電池の負荷イ
ンピーダンスを形成する前記のインバータとＤＣ／ＤＣ
コンバータ両者の負荷状態の規定を行うものである。
【００１９】なお、インバータ入力電圧の検出値ＶDCは
前記の如きその設定値ＶDCS と比較され、その結果は前
記の同期追従制御回路１１に与えられる。また、コンタ
クタ４の開閉状態信号ＳCTは前記両給電系間の並列状態
確認の関連信号となる。次に、図２に示す太陽光発電シ
ステムの運転状態図において、 １）図２（ａ）は、太陽電池１が充分な日照状態にあ
り，且つ前記の太陽電池給電系が外部交流電源１０との
並列連係状態にあり、双方向性のＤＣ／ＤＣコンバータ
９を充電モードにして蓄電池３に対し最大電力追従制御
回路１２の指定する電力状態での充電を行うと共に、イ
ンバータ２を介し外部交流電源１０側への給電を行う場
合の太陽光発電システムの運転状態を示すものである。
なお、図示の矢印は主回路各部における電力の流れを示
すものであるが、特定負荷７と一般負荷８とに関しその
電力供給が前記両給電系の何れから行われるかは前記両
給電系間の電力潮流に従うものであり、一概には確定出
来ない。
【００２０】２）図２（ｂ）は、太陽電池１が充分な日
照状態にあり，且つ前記の太陽電池給電系が外部交流電
源１０との並列状態を解除して自立運転に入り、双方向
性のＤＣ／ＤＣコンバータ９を充電モードにして蓄電池
３に対する充電を行うと共にインバータ２を介した特定
負荷７に対する給電を行う場合の太陽光発電システムの
運転状態を示すものであり、一般負荷８に対する給電は
外部交流電源１０から行われる。また、主回路各部にお
ける電力の流れは図示矢印の如くなる。
【００２１】３）図２（ｃ）は、不足日照状態にあって
太陽電池１の出力電圧が所定値以下となり太陽電池１に
よる電力供給が不能な状態にあり，且つ前記太陽電池給
電系が外部交流電源１０との並列状態を解除して自立運
転に入り、双方向性のＤＣ／ＤＣコンバータ９を放電モ
ードにし蓄電池３をインバータ２に対する直流電源とし
て機能させる如く前記蓄電池の放電を行うと共に、イン
バータ２を介した特定負荷７に対する給電を行う場合の
太陽光発電システムの運転状態を示すものであり、一般
負荷８に対する給電は外部交流電源１０から行われる。
また、主回路各部における電力の流れは図示矢印の如く
なる。
【００２２】更に、図３に例示する双方向性ＤＣ／ＤＣ
コンバータの主回路結線図において、Ｔ1 ，Ｔ2 は電力
用トランジスタ、Ｄ1 ，Ｄ2 は転流ダイオード、Ｃ1 ，
Ｃ2はコンデンサ、Ｌはリアクトル、ＤＣＣＴは直流変
流器であり、これら諸要素を以て双方向性のＤＣ／ＤＣ
コンバータ９を構成する。図示の如き各素子Ｔ1 ，
Ｔ2 ，Ｄ1 ，Ｄ2 から成る直並列接続は前記のトランジ
スタブリッジを構成するものである。
【００２３】前記コンバータ９の２組の入出力端の一方
は、太陽電池１とインバータ２とが接続されている太陽
電池給電系の正負母線ＰS −ＮO に接続され、また、他
方の入出力端は前述の如き充放電電源として機能する蓄
電池３の正負母線ＰB −ＮOに接続され、前記負母線Ｎ
O は前記の太陽電池給電系と蓄電池３両者に共用され
る。
【００２４】今、太陽電池給電系の母線電圧が蓄電池３
の定格電圧より高いものとすれば、太陽電池１による蓄
電池３の充電時と蓄電池３による太陽電池給電系への放
電時に、前記双方向性のＤＣ／ＤＣコンバータはその電
力通過方向を逆転させた降圧動作と昇圧動作とを行うも
のとなる。図示の回路構成において、前記コンバータの
充電降圧動作時には、前記の太陽電池給電系正負母線Ｐ
S −ＮO からの直流入力を受け、トランジスタＴ2 の連
続オフ状態において、蓄電池３の端子電圧を所定値とな
す如く動作指令信号ＳC によりトランジスタＴ1 を所要
の通流率にてオン−オフ制御させ太陽電池出力電圧の降
圧により所要の充電制御を行う。なお、この場合ダイオ
ードＤ1 は不動作となる。
【００２５】また、前記コンバータの放電昇圧動作時に
は、蓄電池３の端子電圧を受けこれを昇圧して前記太陽
電池給電系正負母線ＰS −ＮO へ返還するものであり、
この時トランジスタＴ1 を連続オフ状態となし、所要昇
圧電圧を前記太陽電池給電系の定格電圧となす如くトラ
ンジスタＴ2 を所要の通流率にてオン−オフ制御させ蓄
電池３端子電圧の昇圧により所要の放電制御を行う。な
お、この時ダイオードＤ2 は不動作となる。
【００２６】
【発明の効果】この発明によれば、太陽電池と、この太
陽電池からの直流入力を所定の交流に変換すると共にそ
の単独運転或いは商用電源等との並列運転の何れもが選
択可能な如く回路構成されたインバータと、前記太陽電
池の直流出力により充電され且つその放電によって前記
インバータの直流電源として機能する蓄電池等とを以て
構成された太陽光発電システムにおいて、請求項１によ
る如く、前記蓄電池に対する充放電制御用としてこの蓄
電池と前記太陽電池間に双方向性ＤＣ／ＤＣコンバータ
を設けることにより、前記蓄電池に対する充電制御時に
太陽電池出力回路中の蓄電池充電経路におけるインピー
ダンスの過度の低下を回避することが可能となり、ま
た、この条件下で前記インバータの入力電圧を日照条件
等の周囲条件により補正された設定電圧に対し追従制御
させる最大電力追従制御回路を動作させることにより、
前記太陽電池給電系と商用電源等の外部交流電源との並
列運転状態において前記インバータの出力制御による太
陽電池出力回路の負荷インピーダンス制御を介した前記
太陽電池の最大電力追従制御が可能となる。
【００２７】即ち、前記の太陽電池給電系と商用電源等
の外部交流電源との並列運転状態において、前記の太陽
電池から変化する日照状態に対応した最適の電力取り出
しと前記蓄電池に対する充電とが同時に可能となり、商
用電源等の外部電源との並列連係運転と相まって太陽光
発電システムの電源としての効率と信頼性の向上とを図
ることが出来る。
【００２８】更に請求項２による如く、前記双方向性Ｄ
Ｃ／ＤＣコンバータに関し、逆極性に並列接続された転
流ダイオードをそれぞれ有する２組の電力用トランジス
タによるブリッジ構成と１組のリアクトルとを以て，相
互にその電力通過方向が逆転する前記蓄電池に対する充
放電制御用のＤＣ／ＤＣコンバータの基本機能要素とな
すことにより、前記コンバータの主回路構成の簡略化を
介したその小形低廉化が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施例を示す太陽光発電システムの
単線結線図
【図２】図１に対応する太陽光発電システムの運転状態
図であり、（ａ）は太陽電池が充分な日照状態にある場
合の運転モードを示す運転状態図（系統連係運転時） （ｂ）は太陽電池が充分な日照状態にある場合の運転モ
ードを示す運転状態図（自立運転時） （ｃ）は太陽電池が弱い日照状態にある場合の運転モー
ドを示す運転状態図（自立運転時）
【図３】この発明の実施例を示す双方向性ＤＣ／ＤＣコ
ンバータの主回路結線図
【図４】従来技術の実施例を示す太陽光発電システムの
単線結線図
【符号の説明】
１ 太陽電池 ２ インバータ ３ 蓄電池 ４ （交流）コンタクタ ５ （直流）コンタクタ ６ （直流）コンタクタ ７ 特定負荷 ８ 一般負荷 ９ 双方向性ＤＣ／ＤＣコンバータ １０ 外部交流電源 １１ 同期追従制御回路 １２ 最大電力追従制御回路 Ｃ1 ，Ｃ2 コンデンサ ＣＴ 計器用変流器 Ｄ1 ，Ｄ2 転流ダイオード ＤＣＣＴ 直流変流器 Ｌ リアクトル ＰＴ 計器用変圧器 Ｔ1 ，Ｔ2 電力用トランジスタ
フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｈ０２Ｍ 7/48 8110−5Ｈ Ｈ０２Ｍ 7/48 Ｅ Ｈ０２Ｎ 6/00 Ｈ０２Ｎ 6/00

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】太陽電池と、この太陽電池からの直流入力
    を所定の交流に変換すると共にその単独運転或いは商用
    電源等の外部交流電源との並列運転の何れもが選択可能
    な如く所要の回路構成がなされたインバータと、前記太
    陽電池の直流出力により充電され且つその放電により前
    記インバータの直流電源として機能する蓄電池と、前記
    のインバータと外部交流電源両者による各給電母線間連
    絡用の遮断器等とを以て構成された太陽光発電システム
    において、前記蓄電池に対する充放電制御用としてこの
    蓄電池と前記太陽電池との間に双方向性電力変換手段と
    して機能するＤＣ／ＤＣコンバータを設けると共に、前
    記インバータの入力電圧が日照条件等の周囲条件により
    補正された設定電圧に対し追従する如く制御する最大電
    力追従制御回路を設けたことを特徴とする太陽光発電シ
    ステム。
  2. 【請求項２】請求項１記載の太陽光発電システムにおい
    て、前記の双方向性電力変換手段として機能するＤＣ／
    ＤＣコンバータは、逆極性に並列接続された転流ダイオ
    ードをそれぞれ有する２組の電力用トランジスタを同極
    性に直列接続して成りその両端に前記太陽電池の出力電
    圧が印加されるトランジスタブリッジと、このブリッジ
    の両端端子間に並列接続されたコンデンサと、その負極
    母線を前記太陽電池の出力系と共用する如く接続された
    前記充放電電源用蓄電池の正極端子と前記ブリッジの中
    間接続点間を接続するリアクトルと、前記蓄電池の正負
    両端子間に並列接続されたコンデンサとをその主回路構
    成要素となし、太陽電池直流出力による前記蓄電池の充
    電制御とこの蓄電池から太陽電池出力母線系への放電制
    御とにそれぞれ対応し、前記ブリッジを構成する２組の
    トランジスタそれぞれに通流率の異なる所定の駆動指令
    を与える如く機能する制御回路を備えて成ることを特徴
    とする太陽光発電システム。
JP8183906A 1996-07-15 1996-07-15 太陽光発電システム Withdrawn JPH1031525A (ja)

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