JP6305861B2 - 送電装置 - Google Patents

Description

この発明は、例えば、太陽光発電装置等の直流電源で発電した電力を、住宅等の商用電源に供給して住宅内等において消費し得る送電装置に関する。

従来、太陽光発電装置のような直流電源から、交流電源に接続された商用電力系統に、交流電源の電圧に位相を合わせて電力を送電する装置が提案されている（特許文献１）。この装置は、直流電源の電圧の大きさを、商用電力系統に送電するために必要な電圧の大きさに変換し、交流電源の電圧に同期させてトランジスタブリッジで構成される交流スイッチを制御して、交流電源に位相を合わせて交流電流を逆潮流させる。

このような装置では、例えば、図６に示すように、入力される直流電源５０の電圧を変換するのに絶縁トランスを使ったＤＣ−ＤＣコンバータ５１を使用する。このＤＣ−ＤＣコンバータ５１は、トランジスタ等のスイッチング素子５２により、前記絶縁トランスの１次側に直流電源５０の電流を流す閉状態と、この閉状態で蓄積されたエネルギが開放されて絶縁トランスの２次側に電流を流す開状態とに切り替える。

特許第３４７８３３８号公報

商用電力系統５３にこの装置を接続した場合、系統の正弦波電圧に位相を合わせて電流を逆潮流させる。この装置の力率を高めるには、逆潮流させる電流波形が系統の電圧と同様の正弦波であることが好ましい。

図７は、商用電力系統に逆潮流している電流の波形を示す図である。同図によると、正弦波５４の頂点付近５４ａでのスイッチ開閉信号のパルス幅が足らず波形が歪んでしまっている。パルス幅を増やすには、例えば、ＣＲ積分回路の時定数を大きくしてパルスの立ち上がりを遅くすればよいが、放電も遅くなるため、装置の力率の改善に十分に対応できなかった。

この発明の目的は、必要なパルス幅を確保しつつ、電流波形の歪みを低減して装置の力率の改善を図ることができる送電装置を提供することである。

この発明の送電装置は、交流電源３に接続された交流配線系統２と直流電源１との間に接続され、前記直流電源１から前記交流配線系統２に電力を送電する送電装置であって、
前記交流配線系統２に接続され、前記交流配線系統２における電圧の極性および大きさを検出して交流電源電圧信号を生成する交流電源電圧信号生成手段１０と、
この交流電源電圧信号生成手段１０で検出される電圧の極性および大きさの変化に従って、前記直流電源１と前記交流配線系統２との接続の開閉を繰り返し、前記直流電源１から出力される直流電力を交流電力に変換する電力変換手段７と、
入力側と出力側を絶縁する絶縁トランスを含み、前記直流電源１の直流電圧を電圧変換して前記電力変換手段７に印加する直流電圧変換部６と、
前記直流電源１の直流電圧を前記直流電圧変換部６の入力側に印加する閉状態と印加しない開状態とに切り替えるスイッチング素子１１と、
このスイッチング素子１１を開閉させるスイッチ開閉信号を生成するスイッチ開閉信号生成手段１２とを備え、
このスイッチ開閉信号生成手段１２は、
所定のパルス信号からなる制御信号を生成する制御信号生成部１４と、
前記制御信号が入力されてこの制御信号の立ち上がりが遅くなった遅延信号を生成する遅延信号生成手段１５と、
この遅延信号生成手段１５で生成される遅延信号が前記交流電源電圧信号１０の電圧の大きさに対応する値となると、前記制御信号を立ち下がらせて前記制御信号を前記スイッチ開閉信号とするパルス幅決定手段１６とを有し、
前記遅延信号生成手段１５は、前記交流電源電圧信号生成手段１０が生成する交流電源電圧信号の電圧の大きさに応じて前記遅延信号の立ち上がりをさらに遅らせる遅延信号遅延化部１５ｂを含むことを特徴とする。
前記交流電源３として、例えば、交流電圧１００Ｖの商用電源が適用される。
前記直流電源１として、例えば、太陽光発電装置やバッテリ等が適用される。
前記所定のパルス信号は、交流電源電圧信号生成手段１０で生成される電圧の大きさ、例えば振幅により定められる。

この構成によると、交流配線系統２に接続される交流電源電圧信号生成手段１０は、交流配線系統２における電圧の極性および大きさを検出する。電力変換手段７は、交流配線系統２の正弦波電圧に対して電圧の極性および大きさを合わせるため、検出される電圧の極性および大きさに従って、直流電源１と交流配線系統２との接続の開閉を繰り返す。
直流電圧変換部６は、直流電源１の直流電圧を電圧変換して電力変換手段７に印加する。直流電圧変換部６は、スイッチング素子１１により、絶縁トランスの入力側に直流電源１の直流電圧を印加する閉状態と、この閉状態で蓄積されたエネルギが開放されて絶縁トランスの出力側に電流を流す開状態とに切り替える。スイッチ開閉信号生成手段１２は、スイッチング素子１１を開閉させるスイッチ開閉信号を生成する。

スイッチ開閉信号生成手段１２における制御信号生成部１４は、所定のパルス信号からなる制御信号を生成する。この制御信号の立ち上がりの時間は、例えば、交流電源３の周波数（例えば５０Ｈｚまたは６０Ｈｚ）よりも十分に高く設定された前記制御信号の周波数（例えば、数十ｋＨｚ〜数百ｋＨｚ程度）により定められる。遅延信号生成手段１５は、生成された遅延信号が入力されてこの制御信号の立ち上がりが遅くなった遅延信号を生成する。この立ち上がりが遅くなった遅延信号とは、制御信号が入力された後、時間の経過に伴って出力電圧が零から徐々に増加する信号を言う。

パルス幅決定手段１６は、この遅延信号が交流電源電圧信号の電圧の大きさに対応する値（この対応する値は、交流電源電圧の大きさに比例する値である。比例係数は、交流電源に逆潮流させる電流波形を観察しながら決定し調整する。）となると、前記制御信号を立ち下がらせて前記制御信号を前記スイッチ開閉信号とする。

遅延信号生成手段１５における遅延信号遅延化部１５ｂは、交流電源電圧信号生成手段１０が生成する交流電源電圧信号の電圧の大きさに応じて前記遅延信号の立ち上がりをさらに遅らせる。例えば、ＣＲ積分回路の容量素子２０の充電電流を小さくし、前記容量素子２０の放電電流を大きくして、遅延信号の立ち上がりを遅く立ち下がりを早くする。これにより、十分なスイッチ開閉信号のパルス幅を確保できるようになり、正弦波の歪みの少ない正弦波電流を流すことができる。そのため、装置の力率を高めることができる。

前記交流電源電圧信号は、絶縁トランスを用いて前記交流電源３と絶縁して生成されるものとしても良い。この場合、前記絶縁トランスにより、１次コイルと２次コイル間を絶縁し、１次側のノイズが２次側へ直接伝導するのを防止することができ、安全性を高めることもできる。

前記遅延信号生成手段１５は、入力された制御信号の立ち上がりが遅くなった遅延信号を生成する積分回路１５ａを有するものとしても良い。この場合、積分回路１５ａにより、遅延信号を容易に且つ確実に生成することができる。
前記積分回路１５ａは、第１の抵抗素子１９と容量素子２０とを直列に接続したもの（ＣＲ積分回路）であっても良い。このＣＲ積分回路の入力側に電圧が印加されると、コンデンサである容量素子２０に電荷が溜まる。容量素子２０に溜まった電荷は第１の抵抗素子１９により逃がし得る。容量素子２０に電荷が溜まるに従って、この容量素子２０に流れ込む電流が減少することで、制御信号の立ち上がりが遅くなった遅延信号を生成する。

前記遅延信号遅延化部１５ｂは、前記容量素子２０の充電電流を第１の閾値よりも小さくし、前記容量素子２０の放電電流を第２の閾値よりも大きくする第２の抵抗素子２３および整流素子２４を有するものとしても良い。
前記第１，第２の閾値は、例えば、実験やシミュレーション等の結果によりそれぞれ定められる。

この場合、制御信号の立ち上がりでは、例えば、第１の抵抗素子１９を流れる容量素子２０の充電電流の一部が、第２の抵抗素子２３に流れることで、第２の抵抗素子２３および整流素子２４が無い場合よりも、容量素子２０の充電電流が小さくなり制御信号の立ち上がりが遅くなる。制御信号の立ち下がりでは、例えば、容量素子２０の放電電流が第１および第２の抵抗素子１９，２３に流れることで、第２の抵抗素子２３および整流素子２４が無い場合よりも、容量素子２０の放電電流が大きくなり制御信号の立ち下がりが速くなる。その結果、必要なパルス幅を確保しつつ、電流波形の歪みを低減して装置の力率の改善を図ることができる。

この発明の送電装置は、交流電源に接続された交流配線系統と直流電源との間に接続され、前記直流電源から前記交流配線系統に電力を送電する送電装置であって、前記交流配線系統に接続され、前記交流配線系統における電圧の極性および大きさを検出して交流電源電圧信号を生成する交流電源電圧信号生成手段と、この交流電源電圧信号生成手段で検出される電圧の極性および大きさの変化に従って、前記直流電源と前記交流配線系統との接続の開閉を繰り返し、前記直流電源から出力される直流電力を交流電力に変換する電力変換手段と、入力側と出力側を絶縁する絶縁トランスを含み、前記直流電源の直流電圧を電圧変換して前記電力変換手段に印加する直流電圧変換部と、前記直流電源の直流電圧を前記直流電圧変換部の入力側に印加する閉状態と印加しない開状態とに切り替えるスイッチング素子と、このスイッチング素子を開閉させるスイッチ開閉信号を生成するスイッチ開閉信号生成手段とを備える。
このスイッチ開閉信号生成手段は、所定のパルス信号からなる制御信号を生成する制御信号生成部と、前記制御信号が入力されてこの制御信号の立ち上がりが遅くなった遅延信号を生成する遅延信号生成手段と、この遅延信号生成手段で生成される遅延信号が前記交流電源電圧信号の電圧の大きさに対応する値となると、前記制御信号を立ち下がらせて前記制御信号を前記スイッチ開閉信号とするパルス幅決定手段とを有する。前記遅延信号生成手段は、前記交流電源電圧信号生成手段が生成する交流電源電圧信号の電圧の大きさに応じて前記遅延信号の立ち上がりをさらに遅らせる遅延信号遅延化部を含む。
このため、必要なパルス幅を確保しつつ、電流波形の歪みを低減して装置の力率の改善を図ることができる。

この発明の実施形態に係る送電装置の回路図である。 同送電装置の要部を拡大して示すブロック図である。 同送電装置における遅延信号生成手段等の要部構成を示す回路図である。 同送電装置により、遅延信号と交流電源電圧信号の電圧の大きさとを比較してスイッチ開閉信号を生成する状態を説明する図である。 同送電装置により、正弦波電流の電流波形の歪みを低減した状態を示す図である。 従来の送電装置の回路図である。 従来の商用電力系統に逆潮流している電流の波形を示す図である。

この発明の実施形態に係る送電装置を図１ないし図５と共に説明する。
図１は、この送電装置の回路図である。この送電装置は、直流電源１から屋内配線となる交流配線系統２に電力を送電する。この送電装置は、例えば、太陽光発電装置等の直流電源１で発電した電力を、交流の商用電源に接続された住宅内等の交流配線系統２に供給して住宅内等において消費し得るものである。

送電装置は、交流電源３に接続された交流配線系統２と直流電源１との間に接続される。交流配線系統２は、例えば、住宅等の分電盤４を介して単層の交流電源３に接続される。住宅等の分電盤４よりも屋内側の配線における電圧は、接続された電気機器の使用状態に応じて電圧が実際は変動しているが、一般の家庭では多少の電圧変動、電圧波形の変動や周波数変動は電気機器の動作に影響しない。そのため、直流電源１で発電した直流電力を、簡易な構成の直流電圧変換部や電力変換手段等で交流電力に変換し、住宅内で消費するようにしても支障が生じない。

交流電源３として、例えば、交流電圧１００Ｖの商用電源が適用される。直流電源１として、例えば、太陽光発電装置のバッテリやその他のバッテリ等（例えば、住宅等の分電盤に接続された電気自動車のバッテリ）が適用される。交流配線系統２に負荷設備５が接続される。直流電源１で発電した直流電力が後述するように交流電力に変換され、この交流電力が負荷設備５に供給される。

送電装置は、直流電圧変換部６と、整流回路８と、電力変換手段７と、交流電圧変換部９と、交流電源電圧信号生成手段１０と、スイッチング素子１１と、スイッチ開閉信号生成手段１２と、プラグ２２とを備える。この送電装置は、電力変換手段７の出力側に接続されたプラグ２２を交流配線系統２にあるコンセント２１に挿込むだけで、直流電源１で発電した電力を住宅内等において消費し得る。前記コンセント２１は、交流配線系統２にある任意のコンセントで良い。

直流電圧変換部６は、この例では、入力側と出力側を絶縁する第１の絶縁トランスを含む絶縁型フライバックコンバータである。直流電源１の端子に、直流電圧変換部６の１次コイル６ａとスイッチング素子１１が直列接続される。直流電圧変換部６は、例えば、直流電源１の直流電圧を昇圧させた直流電圧に変換して、整流回路８を介して後述の電力変換手段７に印加する。太陽光発電装置で発電した電力の電圧はＤＣ３５Ｖ程度であるが、直流電圧変換部６は、このＤＣ３５Ｖ程度の直流電圧をＤＣ１００Ｖ程度に昇圧する。

この直流電圧変換部６において、スイッチング素子１１により、直流電源１の直流電圧を１次コイル６ａ（入力側）に印加する閉状態（オン）にすると、１次コイル６ａに電流が流れ、発生する磁束によりコアが磁化される。スイッチング素子１１を開状態（オフ）にすると、コアに蓄積されたエネルギが開放されて、２次コイル６ｂ（出力側）に電流が流れる。この直流電圧変換部６では、逆磁コイルで逆方向の磁界を掛けておいて、前記のようにスイッチング素子１１をオンオフ制御することで、第三象限内の誘起起電力を発生させる。そのため、１次コイル電圧の変化に対して２次コイル電圧を大きく変化させ得る。

電力変換手段７は、直流電源１と交流配線系統２との接続の開閉を繰り返し、直流電源１から出力される直流電力を交流電力に変換する。この電力変換手段７は、複数のスイッチング素子１３を含むブリッジ７ａと、このブリッジ７ａを制御するブリッジ制御部７ｂとを有する。ブリッジ７ａと交流配線系統２との接続間に、入力側と出力側を絶縁する第２の絶縁トランスを含む交流電圧変換部９が接続される。

交流電圧変換部９において、１次コイル９ａと２次コイル９ｂの巻数比に応じて交流配線系統２からの交流電圧が変圧される。この交流電圧変換部９で出力される交流電圧は、第２の絶縁トランスを用いて交流電源３と絶縁して生成される。交流電源電圧信号生成手段１０は、交流電圧変換部９で変圧された交流電圧の極性および大きさを検出して、全波整流された交流電源電圧信号（商用電力系統電圧信号）を生成する。ブリッジ制御部７ｂは、交流電源電圧信号生成手段１０で検出される電圧の極性および大きさに従って、前記複数のスイッチング素子１３の開閉を繰り返す制御を行うことで、直流電力を交流電力に変換する。

図２は、この送電装置の要部を拡大して示すブロック図である。スイッチ開閉信号生成手段１２は、交流電源電圧信号生成手段１０とスイッチング素子１１との間に接続される。このスイッチ開閉信号生成手段１２は、スイッチング素子１１を開閉させるスイッチ開閉信号を生成する手段であって、制御信号生成部１４と、遅延信号生成手段１５と、パルス幅決定手段１６とを有する。制御信号生成部１４は、所定のパルス信号からなる制御信号を生成する。この制御信号の立ち上がりの時間は、例えば、交流電源３（図１）の周波数（例えば、５０Ｈｚまたは６０Ｈｚ）よりも高く設定された周波数（例えば、数十ｋＨｚ〜数百ｋＨｚ程度）により定められる。

遅延信号生成手段１５は、前記制御信号が入力されてこの制御信号の立ち上がりが遅くなった遅延信号を生成する。遅延信号生成手段１５は、積分回路１５ａと、遅延信号遅延化部１５ｂとを有する。図３に示すように、積分回路１５ａは、第１の抵抗素子１９と容量素子２０とを直列に接続したいわゆるＣＲ積分回路である。この積分回路１５ａの入力側に電圧Ｖｉが印加されると、コンデンサである容量素子２０に電荷が溜まる。容量素子２０に電荷が溜まるに従って、この容量素子２０に流れ込む電流が減少することで、制御信号の立ち上がりが遅くなった遅延信号を生成する。容量素子２０に溜まった電荷は、第１の抵抗素子１９および後述の第２の抵抗素子２３により逃がし得る。

遅延信号遅延化部１５ｂは、交流電源電圧信号生成手段１０が生成する交流電源電圧信号の電圧の大きさに応じて前記遅延信号の立ち上がりをさらに遅らせる。この遅延信号遅延化部１５ｂは、直列接続された第２の抵抗素子２３および整流素子２４を有する。これら第２の抵抗素子２３および整流素子２４は、積分回路１５ａにおける第１の抵抗素子１９と容量素子２０との間と、交流電源電圧信号生成手段１０とにわたって接続される。第２の抵抗素子２３および整流素子２４から交流電源電圧信号生成手段１０に至る交流電源電圧信号（商用電力系統電圧信号※２）は、交流電源電圧信号生成手段１０から制御信号生成部１４（図２）に至る交流電源電圧信号（商用電力系統電圧信号※１）を反転したものである。
なお、商用電力系統電圧信号※２は商用電力系統電圧信号※１を反転させるので、位相は180°ずれている。振幅は、調整して決める。
商用電力系統電圧信号※１は正弦波を全波整流した波形である。商用電力系統電圧信号※２は、これを反転させるので、商用電力系統電圧信号※２は負の側全波整流した波形になる。したがって商用電力系統電圧信号※１が高い（値は正）ほど、商用電力系統電圧信号※２の値は小さく（値は負）なる。そのため、商用電力系統電圧信号※１が高いほど遅延信号遅延化部が引き込む電流が大きくなり、遅延時間を大きくすることができる。

前記制御信号の立ち上がりでは、第１の抵抗素子１９を流れる容量素子２０の充電電流の一部が、第２の抵抗素子２３に流れることで、第２の抵抗素子２３および整流素子２４が無い場合よりも、容量素子２０の充電電流が小さくなり制御信号の立ち上がりが遅くなる。前記制御信号の立ち下がりでは、容量素子２０の放電電流が第１および第２の抵抗素子１９，２３に流れることで、第２の抵抗素子２３および整流素子２４が無い場合よりも、容量素子２０の放電電流が大きくなり制御信号の立ち下がりが速くなる。

図２に示すように、パルス幅決定手段１６は、遅延信号生成手段１５で生成される遅延信号が交流電源電圧信号の電圧の大きさに対応する値となると、制御信号を立ち下がらせて前記制御信号をスイッチ開閉信号とする。このパルス幅決定手段１６は、交流電源電圧信号の電圧が低いときはパルス幅を小さくし、交流電源電圧信号の電圧が高いときはパルス幅を大きくするＰＷＭ制御を行って、交流電源３（図１）の電圧に合わせた大きさの電流を逆潮流させる。

パルス幅決定手段１６は、比較部１７と、処理部１８とを有する。
図４は、この送電装置により、遅延信号と交流電源電圧信号の電圧の大きさとを比較してスイッチ開閉信号を生成する状態を説明する図である。図２および図４に示すように、比較部１７は、遅延信号遅延化部１５ｂで生成した遅延信号と、交流電源電圧信号の電圧の大きさとを比較する。処理部１８は、比較部１７で交流電源電圧信号の電圧よりも遅延信号が大きいと判断されたとき、制御信号を立ち下がらせて前記制御信号をスイッチ開閉信号とする。

以上説明した送電装置によれば、遅延信号生成手段１５における積分回路１５ａは、制御信号の立ち上がりが遅くなった遅延信号を生成する。遅延信号生成手段１５における遅延信号遅延化部１５ｂにより、前記制御信号の立ち上がりがさらに遅くなり、前記制御信号の立ち下がりが速くなる。その結果、必要なパルス幅を確保しつつ、図５に示すように電流波形２５の歪みを低減して装置の力率の改善を図ることができる。

図１に示すように、直流電源１で発電した直流電力を交流電力に変換し、負荷設備５に供給して住宅内で消費することができるため、例えば、電力会社等から請求される電気料金を低減することができる。前記直流電圧変換部６や電力変換手段７等を簡易に構成にすることができるため、例えば、パワーコンディショナを用いるよりも、送電装置のコスト低減を図ることができる。

この発明の送電装置は、法令上で問題がなければ、直流電源で発電した電力を住宅外の交流商用電源に供給して電力会社等に買取りを求めることも可能である。

１…直流電源
２…交流配線系統
３…交流電源
６…直流電圧変換部
７…電力変換手段
１０…交流電源電圧信号生成手段
１１…スイッチング素子
１２…スイッチ開閉信号生成手段
１４…制御信号生成部
１５…遅延信号生成手段
１５ａ…積分回路
１５ｂ…遅延信号遅延化部
１６…パルス幅決定手段
１９…第１の抵抗素子
２０…容量素子
２３…第２の抵抗素子
２４…整流素子

Claims (5)

1. 交流電源に接続された交流配線系統と直流電源との間に接続され、前記直流電源から前記交流配線系統に電力を送電する送電装置であって、
   前記交流配線系統に接続され、前記交流配線系統における電圧の極性および大きさを検出して交流電源電圧信号を生成する交流電源電圧信号生成手段と、
   この交流電源電圧信号生成手段で検出される電圧の極性および大きさの変化に従って、前記直流電源と前記交流配線系統との接続の開閉を繰り返し、前記直流電源から出力される直流電力を交流電力に変換する電力変換手段と、
   入力側と出力側を絶縁する絶縁トランスを含み、前記直流電源の直流電圧を電圧変換して前記電力変換手段に印加する直流電圧変換部と、
   前記直流電源の直流電圧を前記直流電圧変換部の入力側に印加する閉状態と印加しない開状態とに切り替えるスイッチング素子と、
   このスイッチング素子を開閉させるスイッチ開閉信号を生成するスイッチ開閉信号生成手段とを備え、
   このスイッチ開閉信号生成手段は、
   所定のパルス信号からなる制御信号を生成する制御信号生成部と、
   前記制御信号が入力されてこの制御信号の立ち上がりが遅くなった遅延信号を生成する遅延信号生成手段と、
   この遅延信号生成手段で生成される遅延信号が前記交流電源電圧信号の電圧の大きさに対応する値となると、前記制御信号を立ち下がらせて前記制御信号を前記スイッチ開閉信号とするパルス幅決定手段とを有し、
   前記遅延信号生成手段は、前記交流電源電圧信号生成手段が生成する交流電源電圧信号の電圧の大きさに応じて前記遅延信号の立ち上がりをさらに遅らせる遅延信号遅延化部を含むことを特徴とする送電装置。
2. 請求項１記載の送電装置において、前記交流電源電圧信号は、絶縁トランスを用いて前記交流電源と絶縁して生成される送電装置。
3. 請求項１または請求項２記載の送電装置において、前記遅延信号生成手段は、入力された制御信号の立ち上がりが遅くなった遅延信号を生成する積分回路を有する送電装置。
4. 請求項３記載の送電装置において、前記積分回路は、第１の抵抗素子と容量素子とを直列に接続したものである送電装置。
5. 請求項４記載の送電装置において、前記遅延信号遅延化部は、前記容量素子の充電電流を第１の閾値よりも小さくし、前記容量素子の放電電流を第２の閾値よりも大きくする第２の抵抗素子および整流素子を有する送電装置。

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