(57)【要約】  【課題】  電力変換装置の設置状況・周囲環境に応じて、高い電力変換効率が得られるようにする方法を提供すること。  【解決手段】  電力変換装置は前記太陽電池モジュールの発電した直流電力の電圧を昇圧する昇圧回路と、この昇圧回路によって昇圧された直流電圧を交流電圧に変換するインバータ回路と、前記昇圧回路を制御する昇圧制御回路と、前記インバータ回路を制御するインバータ制御回路とを具備するとともに、この電力変化装置に人感知手段を設け、この人感知手段が人の存在を感知したとき、前記インバータ制御回路のスイッチング周波数を下げ、この人感知手段が人の存在を感知しないとき、前記インバータ制御回路のスイッチング周波数を上げる制御を行うことを特徴とする。  【選択図】  図１
2005210853.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
太陽電池モジュールの発電した直流電力の電圧を昇圧し、さらにこの昇圧された直流電圧を交流電圧に変換し、太陽電池モジュールを負荷系統及び商用電力系統に電気的に接続して連系運転を行う電力変換装置であって、この電力変換装置は前記太陽電池モジュールの発電した直流電力の電圧を昇圧する昇圧回路と、この昇圧回路によって昇圧された直流電圧を交流電圧に変換するインバータ回路と、前記昇圧回路を制御する昇圧制御回路と、前記インバータ回路を制御するインバータ制御回路とを具備するとともに、この電力変化装置に人感知手段を設け、この人感知手段が人の存在を感知したとき、前記インバータ制御回路のスイッチング周波数を下げ、この人感知手段が人の存在を感知しないとき、前記インバータ制御回路のスイッチング周波数を上げる制御を行うことを特徴とする電力変換装置。
【請求項２】
前記人感知手段は赤外線センサーであることを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
【請求項３】
前記人感知手段は音センサーであることを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
【請求項４】
前記人感知手段は振動センサーであることを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
【請求項５】
前記人感知手段は照度センサーであることを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は太陽電池モジュール等の直流電源の直流電力を交流電力に変換する電力変換装置に関し、特に電力変換装置の設置状況・周囲環境により運転状態を変更する制御に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
以下、従来の太陽光発電システムにおける電力変換装置について図面を参照しながら説明する。
【０００３】
図５は、従来の太陽光発電システムにおける電力変換装置を示す回路図である。
【０００４】
図５に示すように、電力変換装置２００は、太陽電池モジュール１００から得られる直流電力をインバータ部２００で昇圧して交流電力に変換し、商用電力系統３００と連系して負荷４００に電力を供給する系統連系型のものである。
【０００５】
また、電力変換装置２００は、太陽電池モジュール１００に接続されて太陽電池モジュール１００の直流電力を昇圧する昇圧回路２１０と、この昇圧回路２１０の出力を検出して昇圧の制御を行う昇圧制御回路２２０と、昇圧回路２１０の出力端に接続されて昇圧回路２１０で昇圧された直流電力を交流電力に変換するインバータ回路２３０と、インバータ回路２３０における直流から交流への電力変換を制御するインバータ制御回路２４０とを備えて構成されている。
【０００６】
昇圧回路２１０およびインバータ回路２３０は、それらの構成部品として、スイッチング素子２１１、２３１、２３２、２３３、２３４を例えばＩＧＢＴとして有しており、昇圧回路２１０においては、スイッチング素子２１１のスイッチング周波数は昇圧制御回路２２０で制御されて昇圧がなされ、インバータ回路２３０においては、スイッチング素子２３１、２３２、２３３、２３４のスイッチング周波数はインバータ制御回路２４０で制御されて、直流から交流への電力変換がなされる。このように構成された電力変換装置２００は、商用電力系統３００と連系して、インバータ回路２３０の出力端から負荷４００に電力を供給している。
【０００７】
実際に電力変換装置を設計する際には、外形サイズによる制約や騒音規格による制約により、また、損失を最小限にするように、実際の部品選定や、スイッチング周波数の選定が行なわれる。
【０００８】
また、上記外形サイズ・部品選定の制約を受けながら電力変換効率を改善する方法として電力変換装置の出力電力が所定域（定格出力の３０〜８０％の実使用領域）にあるときはスイッチング周波数を下げるという制御とする方法も考案されている（例えば、特許文献１を参照）
【特許文献１】特開１９９９−０５３０４２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、上記従来の太陽光発電システムでは、部品選定を行った結果、電力変換装置の変換効率を低下させる一つの大きな要因として、電力変換装置のスイッチング時に発生する半導体素子のスイッチング損失が挙げられ、この損失は電力変換装置を制御するスイッチング信号のスイッチング周波数に比例して増加するため、効率を上げるためにはスイッチング周波数はできる限り低く抑える必要がある。
【００１０】
一方では、スイッチング周波数に起因するスイッチングの電圧変化により、リアクトルコアが電磁力で振動して“キーン”という高周波音を発するため、スイッチング周波数が人間の可聴周波数帯域より高くなるように設定する必要がある。
【００１１】
すなわち、一方で、連系運転時の電力変換効率を向上するために、制御周波数を減らす必要があり、一方では、電力変換装置の騒音性能を満足するために制御周波数を上げる必要があるというトレードオフ（ｔｒａｄｅｏｆｆ：複数の要素が関連を持ち、ひとつの要素を改善すると、他の要素が悪化するような状態を指します。）の問題が生じていた。
【００１２】
また、電力変換装置の出力電力が所定域にあるときはスイッチング周波数を下げるという制御の方法では、騒音問題を解決する方法については述べられていないのである。
【００１３】
本発明は上述した従来の問題点に鑑みてなされたものであり、太陽電池モジュールの発電電力をより有効に活用できるように、電力変換装置の設置状況・周囲環境に応じて、高い電力変換効率が得られるようにすることができる電力変換装置およびその運転方法を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記目的を達成するために、本発明の電力変換装置は、太陽電池モジュールの発電した直流電力の電圧を昇圧し、さらにこの昇圧された直流電圧を交流電圧に変換し、太陽電池モジュールを負荷系統及び商用電力系統に電気的に接続して連系運転を行う電力変換装置であって、この電力変換装置は前記太陽電池モジュールの発電した直流電力の電圧を昇圧する昇圧回路と、この昇圧回路によって昇圧された直流電圧を交流電圧に変換するインバータ回路と、前記昇圧回路を制御する昇圧制御回路と、前記インバータ回路を制御するインバータ制御回路とを具備するとともに、この電力変化装置に人感知手段を設け、この人感知手段が人の存在を感知したとき、前記インバータ制御回路のスイッチング周波数を下げ、この人感知手段が人の存在を感知しないとき、前記インバータ制御回路のスイッチング周波数を上げる制御を行うことを特徴とする。
【００１５】
また、本発明の他の電力変換装置は、前記人感知手段は赤外線センサーであることを特徴とする。
【００１６】
また、本発明の他の電力変換装置は、前記人感知手段は音センサーであることを特徴とする。
【００１７】
また、本発明の他の電力変換装置は、前記人感知手段は振動センサーであることを特徴とする。
【００１８】
さらに、本発明の他の電力変換装置は、前記人感知手段は照度センサーであることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１９】
本発明の電力変換装置によれば、太陽電池モジュールの発電した直流電力の電圧を昇圧し、さらにこの昇圧された直流電圧を交流電圧に変換し、太陽電池モジュールを負荷系統及び商用電力系統に電気的に接続して連系運転を行う電力変換装置であって、この電力変換装置は前記太陽電池モジュールの発電した直流電力の電圧を昇圧する昇圧回路と、この昇圧回路によって昇圧された直流電圧を交流電圧に変換するインバータ回路と、前記昇圧回路を制御する昇圧制御回路と、前記インバータ回路を制御するインバータ制御回路とを具備するとともに、この電力変化装置に人感知手段を設け、この人感知手段が人の存在を感知したとき、前記インバータ制御回路のスイッチング周波数を下げ、この人感知手段が人の存在を感知しないとき、前記インバータ制御回路のスイッチング周波数を上げる制御を行うことで、人感知手段からの入力回路を設け、人感知手段からの入力が無い（近くに人がいない）場合には、前記スイッチング周波数を下げる制御を行うことによって、人間が近くにいない場合には、騒音レベルが許容される状況下であると判断し、効率優先モードで動くことで、スイッチングの回数が減るため、スイッチング損失を低減することができて、電力変換効率を上げることができる。
【００２０】
また、本発明の他の電力変換装置によれば、前記人感知手段は赤外線センサーであるようにしたことで、赤外線で人間がいるかいないかを容易に感知でき、この赤外線センサーが人間の存在を感知したとき、前記インバータ制御回路のスイッチング周波数を上げる制御を行い、赤外線センサーが人間の存在を感知していないとき、騒音レベルが許容される状況下であると判断し、効率優先モードで動くことで、スイッチングの回数が減るため、スイッチング損失を低減することができて、電力変換効率を上げることができる。
【００２１】
また、本発明の他の電力変換装置によれば、前記人感知手段は音センサーであるようにしたことで、この音センサーが人間の存在を感知したとき、前記インバータ制御回路のスイッチング周波数を上げる制御を行い、音センサーが人間の存在を感知していないとき、騒音レベルが許容される状況下であると判断し、効率優先モードで動くことで、スイッチングの回数が減るため、スイッチング損失を低減することができて、電力変換効率を上げることができる。
【００２２】
また、本発明の他の電力変換装置によれば、前記人感知手段は振動センサーであるようにしたことで、この振動センサーが人間の存在を感知したとき、前記インバータ制御回路のスイッチング周波数を上げる制御を行い、振動センサーが人間の存在を感知していないとき、騒音レベルが許容される状況下であると判断し、効率優先モードで動くことで、スイッチングの回数が減るため、スイッチング損失を低減することができて、電力変換効率を上げることができる。
【００２３】
さらに、本発明の他の電力変換装置によれば、前記人感知手段は照度センサーであるようにしたことで、人間がいないときは、カーテンなどが閉めされ、部屋の照度が暗くなるので、照度センサーが人間の存在を感知でき、この照度センサーが人間の存在を感知したとき、前記インバータ制御回路のスイッチング周波数を上げる制御を行い、照度センサーが人間の存在を感知していないとき、騒音レベルが許容される状況下であると判断し、効率優先モードで動くことで、スイッチングの回数が減るため、スイッチング損失を低減することができて、電力変換効率を上げることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下、本発明に係る電力変換装置の実施の形態を図に基づいて、詳細に説明する。
【００２５】
図１は本発明に係る電力変換装置を説明するための回路図、図２は本発明に係る電力変換装置におけるインバータ制御回路を示すブロック図である。図３はインバータのスイッチング周波数と電力変換効率との関係を説明するためのグラフである。図４はインバータのスイッチング周波数と騒音レベルとの関係を説明するためのグラフである。
【００２６】
図１に示す電力変換装置２００は、太陽電池モジュール１００から得られる直流電力を昇圧して交流電力に変換し、商用電力系統３００と連系して負荷４００に電力を供給する系統連系型のものである。
【００２７】
電力変換装置２００は、太陽電池モジュール１００に接続されて太陽電池モジュール１００の直流電力を昇圧する昇圧回路２１０と、この昇圧回路２１０の出力を検出して昇圧の制御を行う昇圧制御回路２２０と、昇圧回路２１０の出力端に接続されて昇圧回路２１０で昇圧された直流電力を交流に変換するインバータ回路２３０と、インバータ回路２３０における直流から交流への電力変換を制御するインバータ制御回路２４０とを備えて構成されている。
【００２８】
昇圧回路２１０は、スイッチング素子２１１と、入力側コンデンサー２１３、リアクトル２１４、ダイオード２１５、出力側コンデンサー２１６および環流用ダイオード２１７とを備えて構成されている。
【００２９】
入力側コンデンサー２１３の負極は、太陽電池モジュール１００の他方の端子に接続されている。また、昇圧回路２１０の、例えばＩＧＢＴなどのスイッチング素子２１１は、そのスイッチング素子２１１のコレクタ端子がリアクトル２１４を介して入力側コンデンサー２１３の正極と接続されている。スイッチング素子２１１のエミッタ端子は、入力側コンデンサ２１３の負極に接続されている。さらに、スイッチング素子２１１のコレクタ端子は、ダイオード２１５のアノードと接続され、このダイオード２１５のカソード側が、電解コンデンサーである出力側コンデンサー２１６の正極に接続されている。この出力側コンデンサー２１６の負極は、スイッチング素子２１１のエミッタ端子に接続されている。また、スイッチング素子２１１は、コレクタ端子とエミッタ端子との間に、環流用ダイオード２１７が接続されている。この環流用ダイオード２１７は、アノードがスイッチング素子２１１のエミッタ端子に、カソードがスイッチング素子２１１のコレクタ端子にそれぞれ接続されている。
【００３０】
また、出力側コンデンサー２１６の正極側には、分圧抵抗（不図示）を介して電圧値を読み取る昇圧制御回路２２０が接続されている。昇圧制御回路２２０は、スイッチング素子２１１のゲート端子に接続されて、スイッチング素子２１１に、オンオフの切り替えを行わせる信号を入力する。
【００３１】
昇圧回路２１０においては、昇圧制御回路２２０により半導体スイッチング素子２１１が高速にオン・オフ制御され、半導体スイッチ２１１のオン時はリアクトル２１４にエネルギーが蓄積され、半導体スイッチング素子２１１のオフ時には前記エネルギーがダイオード２１５を通り平滑コンデンサー２１６部に出力されることにより、太陽電池モジュールにより構成された電源１００から入力された直流電圧とは異なる所定の直流電圧に昇圧することができる。
【００３２】
なお、昇圧回路２１０の入力電圧の変化に対応して出力電圧を調節できるようにするため、半導体スイッチング素子２１１は変換電圧に応じてパルスのデューティーをコントロールするＰＷＭ方式により制御するのが望ましい。また、変換出力された直流電圧はインバータ回路４が効率よく作動する電圧値であることが望ましい。
【００３３】
インバータ回路２３０は、各スイッチング素子２３１、２３２、２３３、２３４と、リアクトル２３５、２３６およびコンデンサー２３７とを備えて構成されている。
【００３４】
スイッチング素子２３１、２３２、２３３、２３４は、例えばＩＧＢＴである。スイッチング素子２３１は、コレクタ端子が出力側コンデンサー２１６の正極と、エミッタ端子がスイッチング素子２３２のコレクタ端子と、それぞれ接続されている。さらに、スイッチング素子２３３は、コレクタ端子が出力側コンデンサー２１６の正極と、エミッタ端子がスイッチング素子２３４のコレクタ端子と、それぞれ接続されている。スイッチング素子２３２、２３４の各エミッタ端子は、いずれも出力側コンデンサー２１６の負極と接続されている。すなわち、これらの４つのスイッチング素子は、ブリッジを組んで、出力側コンデンサー２１６の両端に接続されている。４つのスイッチング素子には、スイッチング素子２１１と同様に、それぞれのコレクタ端子とエミッタ端子との間に、環流用ダイオードが接続されている。
【００３５】
スイッチング素子２３１のエミッタ端子と、スイッチング素子２３２のコレクタ端子との接続点には、リアクトル２３５の一端が接続されている。同様に、スイッチング素子２３３のエミッタ端子と、スイッチング素子２３４のコレクタ端子との接続点には、リアクトル２３６の一端が接続されている。両リアクトル２３５、２３６の、スイッチング素子に接続されていない他端は、コンデンサー２３７に接続されている。リアクトル２３５、２３６、およびコンデンサー２３７は、高周波成分除去フィルタとして機能する。
【００３６】
インバータ制御回路２４０は、図２に示すように、周波数指令演算回路２４１と、三角波発生回路２４２と、インバータ出力指令値演算回路２４３と、ＰＷＭ（パルス幅変調）比較回路２４４と、デッドタイム生成回路２４５と、ドライバ回路２４６とを備えて構成される。周波数指令演算回路２４１は、人感センサーからの入力に基づいて、三角波発生回路２４２に発生させる三角波の周期を決める回路である。インバータ出力指令値演算回路２４３は、太陽電池モジュール１００の直流電力出力値に基づいて、電力変換装置の出力電力Ｐｏｕｔの電圧波形の振幅を決めるものであり、三角波発生回路２４２とともにＰＷＭ比較回路２４４に接続されている。ＰＷＭ比較回路２４４は、三角波発生回路２４２とインバータ出力指令値演算回路２４３とから送られる波形を比較して有効な波形を取り出し、デッドタイム生成回路２４５に送る。このデッドタイム生成回路２４５は、各スイッチング素子２３１、２３２、２３３、２３４のスイッチングのタイミングをそれぞれずらすために、ＰＷＭ比較回路２４４から入力される波形にタイムラグを付加してドライバ回路２４６へ出力する。ドライバ回路２４６は、例えばトランジスタを有し、デッドタイム生成回路２４５の出力値に対応する値の電流を出力してインバータ回路２３０の各スイッチング素子２３１、２３２、２３３、２３４にＰＷＭ制御されたスイッチング信号を与える。すなわち、インバータ制御回路２４０のドライバ回路２４６は、スイッチング素子２３１、２３２、２３３、２３４の各ゲート端子に接続されて、各スイッチング素子２３１、２３２、２３３、２３４にオンオフの切り替えを行わせる信号を入力する。
【００３７】
このように構成される電力変換装置は、以下のように動作して交流電力変換を行う。まず、太陽電池モジュール１００から得られる直流電力は、入力側コンデンサー２１３に蓄積される。次に、昇圧制御回路２２０で昇圧回路２１０のスイッチング素子２１１のオンオフを繰り返して、入力側コンデンサー２１３に蓄積された電圧を昇圧して出力側コンデンサー２１６に順次蓄積していく。すなわち、昇圧回路２１０においては、スイッチング素子２１１をオンオフするスイッチング周波数を、昇圧制御回路２２０で制御されて昇圧がなされる。
【００３８】
このようにして太陽電池モジュール１００から得られる直流電力の昇圧が行われると、昇圧制御回路２２０で昇圧されてできる直流電力は、インバータ回路２３０において、インバータ制御回路２４０からのスイッチング周波数制御によって、スイッチング素子２３１、２３４がオンのときの回路ループと、スイッチング素子２３２、２３３がオンのときの回路ループとが切り換えられることによって、交流電力に変換される。インバータ制御回路２４０は、一方で太陽電池モジュール１００からの直流電力を読み取り、他方で、人感センサー２５０からの入力が与えられ、それら各値に応じて、インバータ回路２３０におけるスイッチング素子２３１、２３２、２３３、２３４のオンオフを切り換えるスイッチング周波数を制御する。
【００３９】
インバータ制御回路２４０の三角波発生回路２４２は、人感知手段（例えば赤外線センサー、以下、赤外線センサーと呼ぶ）により人間の存在を感知した時に、三角波の周波数を下げる。（この三角波の周波数は、周波数指令演算回路２４１で決定され、人間が近くにいない場合には例えば１５ｋＨＺで発振され、人間が近くにいる場合には例えば２０ｋＨＺで発振されるように切り換えられる。）すると、スイッチング周波数も下がり、各スイッチング素子のスイッチングの回数が減る。
【００４０】
なお、図３は、電力変換効率の一例を示している。同図で、スイッチング周波数による、電力変換装置で得られる電力変換効率ηの特性を示している。同図において、スイッチング周波数の低い領域における電力変換効率ηの最も高い値を、例えば９５％として表している。
【００４１】
また、図４は、スイッチング周波数と騒音との関係の一例を示している。同グラフで、人間の音の聞こえる範囲（可聴域）には個人差があり、同じ音圧であっても聞こえない場合もあることを示している。なお図示していないが、電力変換装置の出力の大きさに比例して音圧の高さ（山の高さ）は変動する。
【００４２】
従って、赤外線センサーを設け、インバータ制御回路２４０は、人間が近くにいない場合には、スイッチング周波数を下げる制御を行うようにしたため、人間が近くにいない場合には、スイッチングの回数が減るため、スイッチング損失を低減することができて、電力変換効率を上げることができる。また、人間が近くにいる場合には、スイッチング周波数をあげる制御を行うようにしたため、スイッチング周波数を人間の可聴域を越えるようにし、騒音問題を解決できる。
【００４３】
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、人感知手段として、赤外線センサー以外に、音センサー、振動センサー、照度センサーなどが使用できる。
【００４４】
さらに、本発明の範囲内で多くの修正および変更を加えることができる。例えば直流電源は太陽電池モジュールに限定されるものではなく、他の発電源（燃料電池や風力発電）や蓄電装置（バッテリー、電気二重層コンデンサー）などでも適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明に係る太陽光発電システムの全体構成を示すブロック図である。
【図２】本発明に係る電力変換装置におけるインバータ制御回路を示すブロック図である。
【図３】スイッチング周波数と電力変換効率との関係を表わすグラフである。
【図４】スイッチング周波数と騒音との関係を表わすグラフである。
【図５】従来の太陽光発電システムにおける電力変換装置を説明するための回路図である。
【符号の説明】
【００４６】
１００：太陽電池モジュール
２００：電力変換装置
２１０：昇圧回路
２１１、２３１、２３２、２３３、２３４：スイッチング素子
２１３：入力側コンデンサー
２１４：リアクトル
２１５：ダイオード
２１６：出力側コンデンサー
２１７：環流用ダイオード
２２０：昇圧制御回路
２３０：インバータ回路
２３５、２３６：リアクトル
２３７：コンデンサー
２４０：インバータ制御回路
２５０：外部センサー入力回路
３００：商用電力系統
４００：負荷
【図１】
2005210853.tif 000003
【図２】
2005210853.tif 000004
【図３】
2005210853.tif 000005
【図４】
2005210853.tif 000006
【図５】
2005210853.tif 000007