計測自動制御学会東北支部 弟161回研究集会（1田6．6．28）
資料番号161−15

太陽光発電／商用電力混合装置の方式
Concept ofSolar−＾CFusionConverter
土 屋 幸 男八戸工業高等専門学校

YukioTsuchiya
HachinoheNationalCoIIegeofTechnology
キーワpド：太陽光発電システム（photovoJtaicsystem），太陽電池（sohrcell），商用電力（ACpowcr，COmmerCialelectricpower），太陽光発電／商用電力混合（SOhトAC且1Sionconv鵬訂）

連絡先：〒039−11八戸市田面未字上野平16 八戸工業高等専門苧校電気工学科
土屋幸男 Tel．（0178）−27r7280，Fax：（Om）−27−9379，e−mail：tSuChiya−e＠hachinohe−Ct．aC．jp

具体的な特徴の1つは設置する太陽電池の最大出力は需要電力を上回らないことを前提

1．まえがきにするシステムである。この点は発電電力の太陽光発電はクリーンで無尽蔵なエネル

低￣Fにつながるが．システムのコストを削減ギー源として省エネルギー社会の構築に貢献し，導入を容易にするメリットがある。さらしている。この中で電力系統と逓系する住宅に太陽電池を最大山九点で稼働させ，この電用太陽光発電システムは代表的なシステムで力を商用電源電力に優先させて負荷に供給すあり．積極的に推進されている。本システム

る。ここで需要電力に満たない不足電力は商の特徴は．需要家の需要電力を上回る太陽電用電力で賄う。すなわち太陽光発電を導入し，池出力が発電されたときに生ずる余剰電力を商用電力の需要を実質的に抑制する。これは電力会社が積極的に買取る制度にある。そし省エネルギーの1つの方策である。今年2月てこの制度はすでに1992年に始まっている。にこのコンセプトを実現する省エネルギー装

その後，システム自体の価格低下やシステム匿を開発し．これを「太陽光発電電力／商用設置に関わる補助金制度により．住宅用を中電力混合装置‖：以下では混合装置」として心に普及が加速されっつある。しかし系統に逓系するためには電力品質．系統保護および

蓑1．太陽光発電システムの比較

保安に関する技術に高度なものが求められ．

Tablel．ComparisorlOfscaleofPVsy＄tem．

システムは高コストにならざるをえない。これは住宅用システムとしで普及させる際の抑制要因である。

系統適系型 （太陽電池肘力）＞（需要電力）

そこでこの間題点を解決するために．系統
非系統逓糸倒 〔太陽電池丑力）く（需要電力）

連系型の太陽光発電システムとは全く異なる性格をもつ非系統連系型のシステムの1つを（本論文）提案する。
1

公表した。以￣Fではこの装常の回路．方式おから構成される。以Fに設計の留意．引こついよび機能について概説し．具体的な稼働状況て若干の説明を行う。
ここで①太陽電池屈大出力点追跡回路は．の一例を示す： ■−・I■■

太陽閏他の人射光強度と太陽屯他案子温度に2．装 置

依存して変動する太陽電池の最大出力点を追跡する。すなわち入射光強度の変動に応じて．

2．1装置の捷続回路

太陽電池の最大旧力電力を取り出すことがで混合装置周辺の電気的接続回路を国1に示きる。ただし，今l司開発したシステムはコンす。入出力の関係は極めて単純で．太陽屯池ピュータを使用する精密なものではなく．電と商用電力（AClOOV）とを入力とし．負荷気・電子回路のみで最大出九藍の追跡を行うに直流を供給する。

方式を採用している。このためラフな制御に

2．2 混合装言㊥ハードウエ7なっている。図2に示すインバータ回杵（IN混合装置内部の基本回路を国2に示す。

V回路）とコックタロフト・ウォルトン回路

ハードウエアの特徴の1つは蓄電池を携伸し〔CW回路）で構成される直流高電圧発生回蹄ないことである。これは装置の小型化 軽造（2）がこれに相当する。

化．低価格化およぴメンテナンスフリー化に②商用電源全渡整流回路は通常のダイオー貢献している。この回路は大きく4つの部分．

ドブリッジで構成する。

すなわち③出力電力混合制御回掛まsw．とswユの動作①太陽電池最大出力点追跡回路②商用電源全波整流回路

タイミングのとり力で幾つかの方式が考えら③出力電力混合制御回路れる。これらについては2．4で簡単な説明を④壊層制御用電源回路行う。

ACt◆ S C⑳｛荘〉−

囲1太陽光発電電力／商用電力混合装図2．太陽光発電電力／商用電力混合装置の電気的接続

置の回路図

FiB，l．El比tricalwiringdiagr且mOrSOhr−AC

Fig・2▲ Circuit diagram of solar− AC fu5ion

蝕呈ionconveHer．

converter

しノ2

㊥装置制御用電源回路は．定常動作時の④太陽喝他の最大出力点追跡制御を行う。

SW．とswコIINV回路およぴCW回路の電源⑤負荷電圧は内乱，として働くほかに．天険の急変（晴天⇔曇

なお．以上の煉能は基本的にはスタンドア天）とか．口の出／日の入りのときの自動立ロン型太陽喝地層大川力点追跡装荷別の川力ち上げ／立ち下けのタイミングを決定する。

端に，商用電源の仝波整流出力を接続するこ

具体的に述べると本回路の設計では太陽電池とで得られる。また⑤の特性より対象となるの出力が自身（装置制御用電源回路）を稼働

負荷の種類は限られるが．表2に示すようにさせるに必要な電力よりも増え始める場合と．

電圧変動が多少許容できる負荷とか24時間連

逆に均衡点続稼働する負荷の省エネルギー装置に適用でみで稼働）になる場合では電源の動作状態がきる。もちろん出力端にインバータを設置す異なる。前者ではINV回路起動のための突ることで交流負荷に対応できるが．ここでは入電流の供給に伴う電源回路自身の安定性に検討しない。

関して回路上の工夫が必要である。なお消費

2．4 一軍カの混合方式

電力に関しては2種類を考える必要があり，J′ 直流電力と交流電力を混合する方法にはい

商用同源側の回路では商用電源自身から供給くつかあるが，本混合装置では商用電配側のされ．他方太陰華発電側の回路では太陽電池

出力波形は極力変形させないシンプルなもの

出力の一部としを考える。とりあえず太陽電池椚力側との関池が発電している場合とそうでない場合では係から，4種類の方式について具体的な回路電源回路の動作パターンは異なる。いずれにを試作し．2．3で示した機能の動作確認をしてもこれらはともに混合装置の損失である行っている（図3）。これらに共通することから．効率を向上させるためには極力少なくは商用電力側をまず金波♯流し，その上で余する必要がある。

波整流渡の一部を太陽電池を電源とする直流2．3 混合装置の機能電圧（以下では直流波）で置き換えるというものである。以下に簡単に説明する。

混合装置の有する機龍は次価5項目である。
①太陽光発電電力を優先的に負荷に供給する。

（a）非同期方式

図3（a〕は太陽電池の（∋日射が低下すると太陽光発電電力が低下す出力を昇圧した直流電圧（以下．直流披）が．

る。このときは負荷電力に満たない不足電力昇庄によって予め設定した電圧（放電開始電を商用電力で賄う。

圧：E．）に達すると①全波整流波の電位とは無③太陽電池，商用電力のどちらか一方のみ．

関係に直流波に転流し．この後．②直流彼のもしくは両方を用いる運転が可能．

電圧が負荷に放電動作することで予め設定した規定値（放電軌上電圧：Er）に低Fすると仝

表2．混合装置の負荷の例

渡整流態に転流するという混合方式を表してTable2，E叩amPleofload．

いる。従って，商用電力の省エネルギーはこの全涯整流態が直流波で代替される部分で行われる。
電熱器（温水器，凍結防止装置．温室暖（b）非同期低電位力式

尻 生物飼育の保温器），また同図（b）は仝

波整流波に前述の直流波を重ねる力式である。

電気分観 音電池の充電．換気装置．

従って全披腱流波が匿流浪に較べて高電位に電照栽培，地下／トンネル内照明ある区間では全波轄流披がこの区間を支配すなどることになる。このため直流波は低電位区間に移り，省エネルギーはこの区間でなされる。

3

全波整流波

直流波
（b）

l．2−

timetime

（d）

tit¶e

国3 太陽電池側直流電圧と商用電力側電圧の混合方式
Fig．1Principlesofsolaト乱C，VOII喝efusiontechTlique・（a）非同期方式．（b）非同期低電位方式．（亡）非同期高屯位方式．（d）ゼロ電位同期方式（亡）非同期高電位方式 同園（c）は（b）の逆実験に供する混合装置の定格仕様は負荷出動作であり．全波整流波の高電位部分を直流披で置き換えるものである。同じく省エネル

力l冊Ⅴ．100Wである。また混合装置はゼロ電位同期方式であり．効率は商用電力側でギーはこの部分で達成される。

粥％（定格時）．太陽電池電力側で93％（太陽電池出力35W）である。

（d）ゼロ電位同期方式 同国（d）は（a）と同様の制御を行ウているのであるが，直流波の回路にはA5サイズのプリント基板3枚を開始位置と終了位置が．商用電力の半サイク使用し．これを／くソコンケース大の筐体に収ルのゼロ電位点に同期している点が違う。な納し操作性をよく一している。なお出力電力混

お半サイクルの途中で直流波の電圧が放電停

合制御回路のSWlとswコのスイッチングの目視止電圧E一に達する場合は・次のゼロ電位が検出のために2穐類の発光ダイオードをそれぞれされるまで放電が続くので，このときの直流が導通したときに点灯するよう工夫している。

彼の終了電圧はErよりも低くなる83．2 各部の電圧モ流波形

まず太陽電池の出力をINV回路とCW回路で昇圧した後これを放電する，いわゆる太3．実 験

陽電池電源側だけの単独運転時の直流披の放電波形を国4に示す。同国によると，直流波

3．1混合装置の性能
4加kS′与 Sdn叩Ie 脚】■￣￣TT T T■叫▼「［「l 弓 「7「←▲T−t T■ ■■■▼

圭

し＝トト「＋−ト十・十−㌻ ∴■エl・■土1﹂11i﹂ナ1・711J﹁⊥・■﹂＋1・l−J山▲i．盲蒜i⊥モh 1 ■／宣l▲甘L「輔廿⊥

囲4・直流波の放電電圧波形

Fig．4，Typicald．c．dischargevoltagewave丘■rm．

（a）負荷抵抗25￡1，（b）負荷抵抗50n。

（b）（c） 5kS′〜

9A叩

（d）

5ks′s

エア5亡

−【sks′苫3叫S

1

国5 方式別の出力電圧波形

Fig・5・Comparisonofoutputvolt喝eWaVe駐）rm＄．

（山非同期方式．（協非同期低屯位方式．（c）非同期高屯位方式．（d）ゼロ電位同朋方式5実験条件は以￣Fのようである。太陽電池のの持続時間は負荷抵抗値にほぼ比例しで長くなっていることがわかる。なお太陽電池の入設置場所は3階建ての組物に挟まれた地了1二に射光強度とこの放電回数（放電パルスレーあり，直射日光が当たる時間は9時すぎから14ト）はほぼ比例関係にある。このことについ時頃までである。また観測l二】の中には雨天．ては既に報告した化】。

曇天があり太陽電池の発電条件としては芳し

図5（a）〜（d）は混合方式の違いによる負荷くない。しかし混合装置臼休は7時過ぎから17電圧波形を囲3のそれぞれにに対応させて示時頃まで稼働し．この粥時間で5．05kWh椚粥す。ただし計算上から必要とされる5．33鼠Wh（≡
0．0555kWx9仙）との差である0．28kWhの省エは電源系統の段階ですでに高調波障碧によっネルギーを達成している。て歪を含んでいるため理想的なものではない。

なお電力量の計測には誘導形交流電力量計を使用している。
3．2 装置稼働特性

4．ま と め

国6に・太陽電池として17・5wp・Ⅴ叶＝16・6V・Ⅰ叩＝1・05Aのものを2台並列にし・商本論文では．まず太陽光充電／商用電力混用電源側稼働で55．5W入力となる負荷を接続合装置の設計方針，回路，機能について概説

し．装置を9G時間連続稼働させた一例を示す。

した。電力の混合の仕方には4種類の方式を提案し，それぞれの出力波形を示した。続いて装置の性能にふれた捷，簡単な稼働実験結果を示し．省エネルギーの効果について説明した。

現在．商品化されている太陽光発電システ
ムは高品質である反面，高価なこともあり丁一
般家庭への普及には相当の時間がかかるとみ光発電システムを見直すならば必ずしも高価なシステムは必要とされないであろう。逆に

4﹇妄占叫市郎釦蕪られる。しかし．省エネルギ＝の視点で太陽安価なシステムを家庭電化製品並に多数導入する方が意味を持つかもしれない。本論文が新たな省エネルギー装照の開発の原動力になることを希望する。

＿‥＿＿文．＿¶＿＿献…＿＿．‖＿．．．＿（りデーリー東北「太陽苗粗 商用電力混合装置を開発」，19貼．2．3．
（2）土屋：「スタンドアロン型太陽電池愚夫出力点追跡装

50100150

置j，平成8年屯気宇会全国大会，】T53（平83）．

時 間［h］

図6．省エネルギーの効果
Fig．占．且限畑Or印ergyCOnSeⅣation．
6