(57)【要約】【課題】系統連系発電装置において、発電装置から見た系統への力率を改善すること。【解決手段】商用電力系統に連系する系統連系発電装置であって、交流スイッチ１７は、商用電力系統１６に接続される一対の交流端子（ＴA3，ＴA4）と、所定の直流出力が流入する一対の直流端子（ＴD3，ＴD4）とを具備し、直流出力端ＴD1と、一対の直流端子ＴD3との間にチョークコイル１２が挿入され、制御回路１５は、商用電力系統１６の波形情報に基づいてスイッチング部１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄを具備する交流スイッチ１７の極性を切替制御する。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
商用電力系統に連系する系統連系発電装置であって、
前記商用電力系統に接続される一対の交流端と、所定の直流出力が流入する一対の直流端と、を具備する交流スイッチと、
直流発電出力または交流発電出力の整流出力のいずれかが前記所定の直流出力として出力される一対の直流出力端の一端と、前記交流スイッチに具備される一対の直流端の一端と、の間に挿入されるチョークコイルと、
前記商用電力系統の波形情報に基づいて前記交流スイッチの極性を切替制御する制御回路と、
を備えたことを特徴とする系統連系発電装置。
【請求項２】
前記交流スイッチは、スイッチング素子を具備する第１〜第４のスイッチング部を組み合わせたブリッジ回路として構成され、
前記ブリッジ回路に具備される４つの端のうちの所定の２つの端を前記一対の直流端とし、残りの２つの端を前記一対の交流端とすることを特徴とする請求項１に記載の系統連系発電装置。
【請求項３】
一端が、前記一対の直流端の他端に接続され、他端が、前記一対の直流出力端の他端に接続される電流検出手段と、
一端が、前記チョークコイルの他端と前記一対の直流端の一端との間に接続される整流素子の高電位側に接続され、他端が、前記電流検出手段に接続される前記一対の直流出力端の他端側、に接続される第５のスイッチング部と、
前記商用電力系統の波形情報および前記電流検出手段が検出した電流情報に基づいて前記第５のスイッチング部のオン／オフの導通角を制御する導通角制御回路と、
をさらに備えることを特徴とする請求項１または２に記載の系統連系発電装置。
【請求項４】
前記導通角制御回路は、前記商用電力系統の出力電圧に比例する系統出力電圧比例信号と、前記電流検出手段が検出した電流に比例する発電出力電流比例信号と、所定の基準信号と、に基づいて前記第５のスイッチング部のオン／オフの導通角を制御する導通角制御信号を出力することを特徴とする請求項３に記載の系統連系発電装置。
【請求項５】
前記導通角制御信号は、
前記商用電力系統の出力電圧波形がゼロクロスする付近では、前記第５のスイッチング部をオンする時間が所定値以下になるように設定され、
前記商用電力系統の出力電圧波形がピークとなる付近では、前記第５のスイッチング部をオンする時間が所定値以上になるように設定されることを特徴とする請求項４に記載の系統連系発電装置。
【請求項６】
前記導通角制御信号は、
前記商用電力系統の出力電圧波形がゼロクロスする付近では、前記第５のスイッチング部をオンする時間とオフする時間との比率であるオン／オフ時比率が所定値以下になるように設定され、ゼロクロス付近から離れるにしたがってオン／オフ時比率が徐々に大きくなるように設定されることを特徴とする請求項４または５に記載の系統連系発電装置。
【請求項７】
前記導通角制御信号は、
前記商用電力系統の出力電圧波形がピークとなる付近では、オン／オフ時比率が所定値以上になるように設定され、ピーク付近から離れるにしたがってオン／オフ時比率が徐々に小さくなるように設定されることを特徴とする請求項４〜６のいずれか一つに記載の系統連系発電装置。
【請求項８】
前記商用電力系統の出力電圧波形のピーク時から離れる場合のオン／オフ時比率の変化率は、前記商用電力系統の出力電圧波形がゼロクロスする付近から離れる場合のオン／オフ時比率の変化率に比して、その変化率が小さいことを特徴とする請求項７に記載の系統連系発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、系統連系発電装置に関するものである。特に、系統への力率を向上させた系統連系発電装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
資源の乏しい我が国は、２００１年現在、エネルギー総供給の約８割を海外に依存しており、また、約５割を石油に依存しているといった現状である。一方、今後のアジア諸国を中心とするエネルギー需要の大幅な増加が予想され、石油の中長期的な安定供給が懸念されている。また、地球温暖化の防止の観点から、二酸化炭素等の温室効果ガス排出量を所定の比率で削減することが国際的な責務とされている。このような中、エネルギーの安定供給の確保、地球環境問題への対応の観点から、資源制約が少なく、環境特性の良いクリーンなエネルギーである新エネルギーの一層の導入促進が求められている。
【０００３】
また、近時、太陽光発電、小水力発電、風力発電などの発電装置が種々商品化されている。これらの発電装置は、自然環境下に存在するクリーンなエネルギーを余すところなく電力に変えようとするものである。特に、上述のような状況の中、今やエネルギー供給手段として我々の生活に不可欠な商用電源との系統連系が必須要件となっている。
【０００４】
かかる状況下において、特に、インバータ装置を内部に含む系統連系発電装置の開示例が多数存在する（例えば、特許文献１）。この特許文献１に示される系統連系発電装置では、発電手段によって発電した発電電圧を検出する電圧検出手段と、インバータ回路から出力される電流を検出する出力電流検出手段と、発電手段によって発電した電力を商用電力として出力を開始するときに出力電流を予め設定した所定の電流値となるようにインバータ回路を作動させ、電圧検出手段の検出結果が所定値以下となったときに、所定時間の間、電力の変換および出力を停止する始動監視手段とが備えられ、発電電力が不安定であっても安定した動作が行われるようにしている。
【０００５】
【特許文献１】特開２０００−２３６６７１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記特許文献１を初めとする多数の系統連系発電装置では、内部にインバータ装置（回路）が備えられており、装置が複雑化し、かつ装置が高価なものになるといった課題が存在していた。また、インバータ装置により系統への力率を改善したとしても、発電装置とインバータ装置との間に整流回路が存在し、発電装置側から見た系統側が整流負荷となるので、発電装置から見た系統への力率が低下するといった問題点があった。
【０００７】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、従来技術よりも簡易な構成とし、発電装置から見た系統への力率を改善することができる系統連系発電装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上述した課題を解決し、目的を達成するため、本発明にかかる系統連系発電装置は、商用電力系統に連系する系統連系発電装置であって、前記商用電力系統に接続される一対の交流端と、所定の直流出力が流入する一対の直流端と、を具備する交流スイッチと、直流発電出力または交流発電出力の整流出力のいずれかが前記所定の直流出力として出力される一対の直流出力端の一端と、前記交流スイッチに具備される一対の直流端の一端と、の間に挿入されるチョークコイルと、前記商用電力系統の波形情報に基づいて前記交流スイッチの極性を切替制御する制御回路と、を備えたことを特徴とする。
【０００９】
つぎの発明にかかる系統連系発電装置は、前記交流スイッチは、スイッチング素子を具備する第１〜第４のスイッチング部を組み合わせたブリッジ回路として構成され、前記ブリッジ回路に具備される４つの端のうちの所定の２つの端を前記一対の直流端とし、残りの２つの端を前記一対の交流端とすることを特徴とする。
【００１０】
つぎの発明にかかる系統連系発電装置は、一端が、前記一対の直流端の他端に接続され、他端が、前記一対の直流出力端の他端に接続される電流検出手段と、一端が、前記チョークコイルの他端と前記一対の直流端の一端との間に接続される整流素子の高電位側に接続され、他端が、前記電流検出手段に接続される前記一対の直流出力端の他端側、に接続される第５のスイッチング部と、前記商用電力系統の波形情報および前記電流検出手段が検出した電流情報に基づいて前記第５のスイッチング部のオン／オフの導通角を制御する導通角制御回路と、をさらに備えることを特徴とする。
【００１１】
つぎの発明にかかる系統連系発電装置は、前記導通角制御回路は、前記商用電力系統の出力電圧に比例する系統出力電圧比例信号と、前記電流検出手段が検出した電流に比例する発電出力電流比例信号と、所定の基準信号と、に基づいて前記第５のスイッチング部のオン／オフの導通角を制御する導通角制御信号を出力することを特徴とする。
【００１２】
つぎの発明にかかる系統連系発電装置は、前記導通角制御信号は、前記商用電力系統の出力電圧波形がゼロクロスする付近では、前記第５のスイッチング部をオンする時間が所定値以下になるように設定され、前記商用電力系統の出力電圧波形がピークとなる付近では、前記第５のスイッチング部をオンする時間が所定値以上になるように設定されることを特徴とする。
【００１３】
つぎの発明にかかる系統連系発電装置は、前記導通角制御信号は、前記商用電力系統の出力電圧波形がゼロクロスする付近では、前記第５のスイッチング部をオンする時間とオフする時間との比率であるオン／オフ時比率が所定値以下になるように設定され、ゼロクロス付近から離れるにしたがってオン／オフ時比率が徐々に大きくなるように設定されることを特徴とする。
【００１４】
つぎの発明にかかる系統連系発電装置は、前記導通角制御信号は、前記商用電力系統の出力電圧波形がピークとなる付近では、オン／オフ時比率が所定値以上になるように設定され、ピーク付近から離れるにしたがってオン／オフ時比率が徐々に小さくなるように設定されることを特徴とする。
【００１５】
つぎの発明にかかる系統連系発電装置は、前記商用電力系統の出力電圧波形のピーク時から離れる場合のオン／オフ時比率の変化率は、前記商用電力系統の出力電圧波形がゼロクロスする付近から離れる場合のオン／オフ時比率の変化率に比して、その変化率が小さいことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明にかかる系統連系発電装置によれば、直流発電出力または交流発電出力の整流出力のいずれかが出力される直流出力端と交流スイッチとの間に挿入されたチョークコイルに蓄えられた電気エネルギーが、商用電力系統の波形に同期して商用電力系統側に送出されるので、商用電力系統への力率を改善することができるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下に、本発明にかかる系統連系発電装置の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態により本発明が限定されるものではない。
【００１８】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１にかかる系統連系発電装置の構成を示す回路図である。同図に示す系統連系発電装置は、図示を省略した発電装置からの発電出力（例えば、トランス結合出力）を出力する発電出力コイル１０と、発電出力コイル１０からの発電出力（交流出力）が自身の交流端子（ＴA1，ＴA2）に供給され、当該発電出力を全波整流するブリッジ整流回路１１と、一端がブリッジ整流回路１１の直流端子（ＴD1，ＴD2）の一端ＴD1に接続され、他端が商用電力系統１６側の直流端子（ＴD3，ＴD4）の一端ＴD3に接続されるダイオード１３とチョークコイル１２との直列回路と、例えば、ＦＥＴなどのスイッチング素子を具備し、発電出力に基づく直流出力が供給される直流端子（ＴD3，ＴD4）と商用電力系統１６の交流出力が供給される交流端子（ＴA3，ＴA4）とを具備する交流スイッチ回路１７を構成してなるスイッチング部１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄと、これらのスイッチング部１４ａ〜１４ｄを商用電力系統１６に同期させるように制御する制御回路１５と、を備えている。
【００１９】
つぎに、図１に示す系統連系発電装置の動作について説明する。同図において、発電出力コイル１０の発電出力はブリッジ整流回路１１で全波整流されてダイオード１３とチョークコイル１２との直列回路を介して交流スイッチ回路１７に供給される。制御回路１５は、商用電力系統１６の出力波形（電圧または電流波形）の極性に基づいて交流スイッチ回路１７のスイッチング部１４ａ〜１４ｄのオン／オフを制御し、ダイオード１３とチョークコイル１２との直列回路を介して商用電力系統１６側に向かう電流（直流電流）の流れを制御する。具体的には、商用電力系統１６に接続される交流端子（ＴA3，ＴA4）のうち、交流端子ＴA3側の電位が交流端子ＴA4側の電位よりも高いときには、スイッチング部１４ａ，１４ｂがオンとなり、スイッチング部１４ｃ，１４ｄがオフとなる。また、交流端子ＴA3側の電位が交流端子ＴA4側の電位よりも低いときには、スイッチング部１４ａ，１４ｂがオフとなり、スイッチング部１４ｃ，１４ｄがオンとなる。このような制御が行われる結果、発電出力コイル１０からの発電出力を商用電力系統１６の波形に同期させ、商用電力系統１６側に送出することができる。なお、スイッチング部１４ａ，１４ｂ、あるいはスイッチング部１４ｃ，１４ｄのそれぞれが同時にオンとなることはなく、これらのスイッチング部１４ａ，１４ｂ、あるいはスイッチング部１４ｃ，１４ｄを通じた貫通電流が防止される。したがって、制御回路１５は商用電力系統１６の出力波形の極性のみを判定すればよく、その電圧値や電流値を検出する必要はない。
【００２０】
つぎに、チョークコイル１２の作用について説明する。図２は、図１に示す系統連系発電装置に備えられたチョークコイル１２の作用を説明するための図である。なお、以下の説明において、商用電力系統１６側に流れ込む電流を「系統出力電流」と呼称する。
【００２１】
図２において、波形Ｈ１は商用電力系統１６の出力波形（例えば、出力電圧）を示している。一方、波形Ｋ１はチョークコイル１２が存在しない場合の系統出力電流の概略波形であり、波形Ｋ２はチョークコイル１２が存在する場合の系統出力電流の概略波形である。系統出力電流の向きが制御回路１５によって商用電力系統１６の波形に同期して制御されることは上述したとおりであるが、系統出力電流の大きさを決定する要因として、ブリッジ整流回路１１の出力電圧と、商用電力系統１６の出力電圧（瞬時電圧）との電圧差が関係する。すなわち、同図の波形Ｋ１に示されるように、商用電力系統１６の出力電圧がゼロクロスするときに所定の電流が流れ、この電流は商用電力系統１６の出力電圧値の上昇に伴って徐々に減少し、所定の電圧を超えた以降は電流が流れなくなる。このように、チョークコイル１２が存在しない場合には、商用電力系統１６の出力電圧がゼロクロスする付近に系統出力電流が集中するため、商用電力系統１６への力率が低下する。
【００２２】
一方、チョークコイル１２を備えている場合には、商用電力系統１６の出力電圧がゼロクロスする付近において、ブリッジ整流回路１１の直流端子（ＴD1，ＴD2）と、交流スイッチ回路１７の直流端子（ＴD3，ＴD4）との間で急激に変化する電位差をチョークコイル１２が吸収する。このとき、チョークコイル１２の自己誘導作用により、商用電力系統１６の出力電圧がゼロクロスするときの電気エネルギーがチョークコイル１２に蓄積される。また、この蓄積された電気エネルギーは、商用電力系統１６の出力電圧の上昇に伴って、同図の波形Ｋ２に示されるような緩やかなカーブを描く出力電流として商用電力系統１６側に出力される。なお、波形Ｋ２の降下特性は、チョークコイル１２のインダクタンス成分や、系統出力電流が流れる回路の抵抗成分、キャパシタンス成分などによって決定される時定数に依存する。このように、チョークコイル１２が存在する場合には、チョークコイル１２に一旦吸収させた電気エネルギーが徐々に商用電力系統１６側に出力されるように動作するので、商用電力系統１６の出力電圧がゼロクロスする付近に系統出力電流が集中せず、商用電力系統１６への力率を改善することができる。
【００２３】
以上説明したように、この実施の形態の系統連系発電装置によれば、直流発電出力または交流発電出力の整流出力のいずれかが出力される直流出力端と交流スイッチとの間に挿入されたチョークコイルに蓄えられた電気エネルギーが、商用電力系統の波形に同期して商用電力系統側に送出されるので、発電装置から見た商用電力系統への力率を改善することができる。
【００２４】
なお、この実施の形態では、ダイオード１３とチョークコイル１２との直列回路を、ブリッジ整流回路１１の直流端子ＴD1と、交流スイッチ回路１７の直流端子ＴD3との間に挿入するように構成しているが、これらの端子の逆側である、ブリッジ整流回路１１の直流端子ＴD2と、交流スイッチ回路１７の直流端子ＴD4との間に挿入されていてもよい。
【００２５】
実施の形態２．
図３は、本発明の実施の形態２にかかる系統連系発電装置の構成を示す回路図である。同図に示す系統連系発電装置は、一端が交流スイッチ回路１７の直流端子ＴD4に接続され、他端がブリッジ整流回路１１の直流端子ＴD2に接続される電流検出手段としての電流トランス２１と、ダイオード１３のアノード（高電位側端子）と電流トランス２１の他端との間に接続されるスイッチング部２０と、電流トランス２１の出力（出力電圧）に基づいてスイッチング部２０のオン／オフの導通角を制御する導通角制御回路２２と、をさらに備えるように構成している。なお、その他の構成については、実施の形態１の構成と同一あるいは同等であり、これらの部分には、同一符号を付して示している。
【００２６】
つぎに、図３に示す系統連系発電装置の動作について説明する。なお、ここでの説明は実施の形態１とは異なる処理を中心に説明し、共通な処理についての説明は省略する。同図において、導通角制御回路２２は商用電力系統１６の出力電圧に比例する電圧信号（系統出力電圧比例信号）と、電流トランス２１の出力であり電流トランス２１に流れる電流に比例する電圧信号（発電出力電流比例信号）と、に基づいてスイッチング部２０のオン／オフを制御する。スイッチング部２０がオンになると発電出力に基づく出力電流は商用電力系統１６側には流れず、そのエネルギーの一部はチョークコイル１２に蓄積される。この状態からスイッチング部２０がオフになると、チョークコイル１２には自己誘導による高電圧が発生し、自身に蓄積された電気エネルギーに基づく電流が商用電力系統１６側に放出される。このとき、制御回路１５によって商用電力系統１６の出力電圧に同期するように交流スイッチ回路１７が切り替えられるので、チョークコイル１２からの出力電流は商用電力系統１６の電圧に整合して出力される。このように、スイッチング部２０は、チョークコイル１２にエネルギーを蓄積させる役割と、商用電力系統１６側への電流供給のタイミングを調整する役割と、を担っている。
【００２７】
図４は、図３に示す導通角制御回路２２の構成例を示す回路図である。同図に示す導通角制御回路２２は、例えば、オペアンプで構成されるコンパレータ３０，３１を備えている。例えば、コンパレータ３０の非反転入力端子には系統出力電圧比例信号が入力され、反転入力端子には発電出力電流比例信号が入力される。また、コンパレータ３１の反転入力端子にはコンパレータ３０の出力信号が入力され、非反転入力端子には、例えば、三角波などの基準信号が入力される。
【００２８】
つぎに、図４に示す導通角制御回路２２の動作について説明する。いま、発電出力が略一定であり、商用電力系統１６の出力電圧が大きい場合を考えると、コンパレータ３０の出力電圧が大きくなり、コンパレータ３１から出力される導通角制御信号のパルス幅は広くなる。逆に、発電出力が略一定であり、商用電力系統１６の出力電圧が小さい場合には、導通角制御信号のパルス幅は狭くなる。すなわち、商用電力系統１６側に供給される発電出力は、系統出力電圧が大きいときに多くなり、系統出力電圧が小さいときに少なくなる。また、発電出力が大きい場合には、コンパレータ３０の出力電圧が小さくなり、コンパレータ３１から出力される導通角制御信号のパルス幅は狭くなる。逆に、発電出力が小さい場合には、コンパレータ３０の出力電圧が大きくなり、コンパレータ３１から出力される導通角制御信号のパルス幅は広くなる。すなわち、発電出力が大きい場合には、商用電力系統１６側に供給される発電出力が制限され、発電出力が小さい場合には、商用電力系統１６側には可能な限りの発電出力が供給される。
【００２９】
これらを簡単にまとめると、発電出力が略一定の場合、系統電圧が高い領域で導通角制御信号のパルス幅を広くし、チョークコイル１２に十分電力を蓄積したうえで系統に電力を放出する。逆に、系統電圧が低い領域で導通角制御信号のパルス幅を狭くし、チョークコイル１２に十分電力を蓄積させないで系統に電力を放出する。すなわち、系統の電圧が低いとき系統に電力を放出しても送電効果が小さいためである。なお、系統電圧がゼロクロス付近から離れるにしたがってオン／オフの時比率が徐々に大きくなるよう（オン時間が徐々に長くなるよう）に設定される。逆に、系統電圧がピーク付近から多少離れるにしたがってオン／オフの時比率が徐々に小さくなるよう（オン時間が徐々に短くなるよう）に設定される。ただし、ピーク付近ではゼロクロス付近に比べて、オン／オフの時比率の変化率は小さい。このように、系統電圧の電圧値に応じて所定のパルス幅に設定された導通角制御信号に基づいてスイッチング部２０のオン／オフを制御することにより、発電出力を系統電圧に完全に同期させて出力することができる。
【００３０】
導通角制御回路２２が出力するスイッチング信号の周波数は、制御回路１５が出力するスイッチング信号の周波数に比してはるかに大きい。しかしながら、導通角制御回路２２が出力するスイッチング信号において、オン／オフの時比率をあまり大きくしすぎると、ブリッジ整流回路１１に大きな短絡電流が流れるので、最適なオン／オフの時比率は、ブリッジ整流回路１１に許容される電流や、チョークコイル１２のインダクタンスなどに基づいて決定すればよい。
【００３１】
以上説明したように、この実施の形態の系統連系発電装置によれば、直流発電出力または交流発電出力の整流出力のいずれかが出力される直流出力端と交流スイッチとの間に挿入されたチョークコイルに蓄えられた電気エネルギー量を調整するとともに、商用電力系統の波形に応じて商用電力系統側に送出する電気エネルギー量を制御するようにしているので、発電装置から見た商用電力系統への力率をさらに改善することができる。
【００３２】
なお、この実施の形態では、チョークコイル１２を、ブリッジ整流回路１１の直流端子ＴD1と、交流スイッチ回路１７の直流端子ＴD3との間に挿入するように構成しているが、これらの端子の逆側である、ブリッジ整流回路１１の直流端子ＴD2と、交流スイッチ回路１７の直流端子ＴD4との間に挿入されていてもよい。
【００３３】
また、この実施形態では、電流トランス２１を、交流スイッチ回路１７の直流端子ＴD4と、スイッチング部２０の他端が接続されている接続点との間に挿入するように構成しているが、これらの接続点の逆側である、交流スイッチ回路１７の直流端子ＴD3と、スイッチング部２０の一端が接続されている接続点との間に挿入されていてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００３４】
以上のように、本発明にかかる系統連系発電装置は、商用電力系統への力率を改善することができる系統連系発電装置として有用であり、特に、発電装置の構成を簡易なものとしたい場合に適している。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の実施の形態１にかかる系統連系発電装置の構成を示す回路図である。
【図２】図１に示す系統連系発電装置に備えられたチョークコイル１２の作用を説明するための図である。
【図３】本発明の実施の形態２にかかる系統連系発電装置の構成を示す回路図である。
【図４】図３に示す導通角制御回路２２の構成例を示す回路図である。
【符号の説明】
【００３６】
１０  発電出力コイル
１１  ブリッジ整流回路
１２  チョークコイル
１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄ，２０  スイッチング部
１５  制御回路
１６  商用電力系統
１７  交流スイッチ回路
２１  電流トランス
２２  導通角制御回路
３０，３１  コンパレータ
【図１】
2006211861.tif 000003
【図２】
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【図３】
2006211861.tif 000005
【図４】
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