JP6406070B2 - パワーコンディショナ - Google Patents

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Description

本発明は、太陽電池、燃料電池等の発電装置から出力される直流電力を交流に変換するインバータを備え、負荷に安定な交流電力を供給するパワーコンディショナに関し、特に発電装置の発電量の増減に伴ってインバータの起動・停止を行うパワーコンディショナに関する。
太陽電池、燃料電池等の発電装置の発電量は変化する。例えば太陽電池は太陽の日照量によって発電量が変わる。そのため、パワーコンディショナでは、太陽電池の発電量の増減に伴ってインバータの起動・停止を行うことが一般的に行われている。例えば、特許文献1では、日射量の低下に応じて出力を低下させるインバータを用いて、太陽電池の出力電圧が所定値以上になるとインバータを起動し、日射量が低下してインバータの出力がゼロになるとインバータを停止させるパワーコンディショナの制御方法が提案されている。また、特許文献2では、太陽電池の出力電圧が第1電圧値以上の場合にインバータを起動させ、太陽電池の出力電圧が第1電圧値より低い第2電圧値以下の場合にインバータを停止させると共に、インバータの停止時における、第2電圧値から第1電圧値までの太陽電池の出力電圧の上昇割合に基づいて、インバータの起動開始時期を変更する太陽光発電装置が提案されている。
特開昭58−172724号公報 特開平8−265982号公報
特許文献1、2のような従来技術において、インバータの起動・停止を正常に行わせるためには、インバータを制御するインバータ制御回路が正常に動作している必要がある。一般にインバータ制御回路を駆動する直流電源は、スイッチング電源装置(DC−DCコンバータ)で太陽電池から出力される直流電力を変換して用いられる。従って、太陽電池の発電量が低下すると、スイッチング電源装置は正常な出力電圧を維持できなくなり、インバータ制御回路が正常に動作できなくなくなってしまう。この場合、インバータ制御回路をリセットする必要があるが、太陽電池の発電量の増減が短い期間で生じた場合には、インバータ制御回路がリセットされず、インバータの起動・停止を正常に行うことができなくなってしまうという問題点があった。すなわち、パワーコンディショナに使用するインバータ制御回路を構成するIC等の電子回路の動作電圧は低く、インバータ制御回路をリセットするための電圧レベルもコンマ数V以下にしなくてはならない。しかし、スイッチング電源装置の出力電圧をトランジスタ等で瞬時放電しても、必ず残り電圧が発生して零電圧付近まで瞬時に放電できず、インバータ制御回路をリセットすることができない。
本発明の目的は、上記の課題に鑑み、発電装置の発電量が低下した場合に、インバータを制御するインバータ制御回路を確実にリセットすることができるパワーコンディショナを提供することにある。
本発明に係るパワーコンディショナは、上記の目的を達成するため、次のように構成される。
本発明のパワーコンディショナは、発電装置から出力される電圧を入力電圧として所望の交流電圧に変換するインバータと、前記インバータを制御するインバータ制御回路と、前記インバータ制御回路を駆動する出力電圧を出力するスイッチング電源装置と、前記入力電圧が低下して予め設定された低下検出電圧になると、前記スイッチング電源装置を停止させるスイッチング電源停止回路と、前記スイッチング電源装置の出力電圧によって充電された電荷を用いて、前記スイッチング電源停止回路による前記スイッチング電源装置の停止期間を延長させるスイッチング電源停止維持回路とを具備することを特徴とする。
さらに、本発明に係るパワーコンディショナにおいて、前記スイッチング電源装置の出力電圧によって充電されるコンデンサを具備し、前記スイッチング電源停止回路は、電源として前記スイッチング電源装置の出力電圧を使用し、前記スイッチング電源停止維持回路は、電源として前記コンデンサに蓄積された電荷を使用しても良い。
さらに、本発明に係るパワーコンディショナにおいて、前記コンデンサへの充電は、前記スイッチング電源装置の出力電圧から逆流防止ダイオードを介して行っても良い。
さらに、本発明に係るパワーコンディショナにおいて、前記スイッチング電源停止維持回路は、前記スイッチング電源装置の出力電圧が低下して前記スイッチング電源停止回路が停止すると、動作を開始しても良い。
さらに、本発明に係るパワーコンディショナにおいて、前記スイッチング電源停止回路及び前記スイッチング電源停止維持回路は、前記スイッチング電源装置においてスイッチング素子のオンオフ制御を行うスイッチング電源制御回路の電源電圧を放電させることで、前記スイッチング電源装置を停止させても良い。
本発明によれば、スイッチング電源停止維持回路によってスイッチング電源装置の停止期間を延長させ、インバータ制御回路を駆動する出力電圧を十分に低下させることができるため、インバータ制御回路20を確実にリセットすることができるという効果を奏する。
本発明に係るパワーコンディショナの実施の形態の構成を示すブロック図である。 図1に示すスイッチング電源装置及び放電回路の構成を示す回路図である。 図2に示す各部の信号波形、及び動作波形を示す波形図である。
次に、本発明の実施の形態を、図面を参照して具体的に説明する。なお、各図において、同一の構成には、同一の符号を付して一部説明を省略している。
本実施の形態のパワーコンディショナ1は、図1を参照すると、発電装置である太陽電池2から出力される直流電力Vinを交流出力ACoutに変換して、電力系統3と連系して各種電化製品等の負荷4に供給する電力変換装置である。なお、太陽電池2の代わりに、燃料電池、風力発電装置、各種発電装置、各種蓄電装置等を発電装置として用いることができる。
パワーコンディショナ1は、インバータ10と、インバータ制御回路20と、スイッチング電源装置30と、放電回路40とを備えている。
インバータ10は、例えば、ブリッジ接続された複数のスイッチング素子を備え、複数のスイッチング素子をインバータ制御回路20からのスイッチング制御信号によってオンオフ制御することで、発電装置である太陽電池2から出力される直流の入力電圧Vinを所望の交流電圧ACoutに変換する。
インバータ制御回路20は、マイクロコンピュータ等を構成するIC等の半導体素子を備え、入力電圧Vinや交流電圧ACoutに基づいて、インバータ10における複数のスイッチング素子をオンオフ制御するスイッチング制御信号を生成する。
スイッチング電源装置30は、太陽電池2からの入力電圧Vinをインバータ制御回路20の駆動電圧である出力電圧Voutに変換するDC−DCコンバータである。スイッチング電源装置30は、図2を参照すると、1次巻線P1、2次巻線S1、補助巻線P2を有するトランスTと、MOSFET(MOS型電界効果トランジスタ)等のスイッチング素子を備えた1次側スイッチング回路部31と、2次側整流回路部32と、出力平滑コンデンサC1と、出力電圧Voutをフィードバック信号として1次側にフィードバックするFB回路部33と、フィードバック信号に基づいて1次側スイッチング回路部31のスイッチング素子をオンオフ制御することで、出力電圧Voutを一定に制御するスイッチング電源制御回路34と、補助整流ダイオードD1と、補助平滑コンデンサC2と、抵抗R1とを備えている。
1次側スイッチング回路部31は、太陽電池2からの入力電圧Vinをスイッチングし、トランスTの1次巻線P1に印加する。トランスTは、1次側スイッチング回路部31のスイッチング素子がオンしている時に磁気エネルギーを蓄え、オフしているときに蓄えた磁気エネルギーをトランスTの2次側巻き線S1から放出する。2次側巻き線S1から放出されるエネルギーは、2次側整流回路部32及び出力平滑コンデンサC1により整流平滑されて直流の出力電圧Voutとしてインバータ制御回路20に供給される。
トランスTの補助巻線P2は、補助整流ダイオードD1及び補助平滑コンデンサC2を介してスイッチング電源制御回路34の電源端子に接続されている。抵抗R1は、スイッチング電源制御回路34を起動させるための起動抵抗であり、太陽電池2からの入力電圧Vinによって、補助平滑コンデンサC2を充電してスイッチング電源制御回路34を起動する。スイッチング電源制御回路34が起動されると、1次側スイッチング回路部31のスイッチングが開始され、トランスTの補助巻線P2に電圧が発生し、補助巻線P2から印加される電圧によってスイッチング電源制御回路34の駆動が維持される。
放電回路40は、低日射等により太陽電池2からの入力電圧Vinが低下した場合に、スイッチング電源装置30の動作を停止させるスイッチング電源停止回路として機能すると共に、スイッチング電源装置30の停止を一定期間以上維持させ、インバータ制御回路20の電源電圧である出力電圧Vout(出力平滑コンデンサC1の電荷)を、少なくともインバータ制御回路20がリセットされるリセット電圧を下回るまで放電させるスイッチング電源停止維持回路として機能する。
放電回路40は、図2を参照すると、出力電圧Voutを電源とする電源監視IC41と、スイッチ素子であるトランジスタTr1〜Tr5と、抵抗R2〜R11と、コンデンサC3と、第1のフォトカプラPC1(発光ダイオードPCD1と受光トランジスタPCTR1とで構成されるフォトカプラ)と、第2のフォトカプラPC2(発光ダイオードPCD2と受光トランジスタPCTR2とで構成されるフォトカプラ)とを備えている。電源監視IC41は、出力電圧Voutが確定、すなわち所定の定格電圧に到達したことを検出する出力電圧確定検出部42と、入力電圧Vinが予め設定された低下検出電圧まで低下したことを検出する入力電圧低下検出部43とで構成されている。
トランジスタTr1と、抵抗R2とは、補助平滑コンデンサC2の正極端子と接地端子との間に直列に接続されている。そして、トランジスタTr1のベースと接地端子との間には、抵抗R3と受光トランジスタPCTR1とからなる直列回路と、抵抗R4と受光トランジスタPCTR2とからなる直列回路とが並列に接続されている。これにより、第1のフォトカプラPC1もしくは第2のフォトカプラPC2がオンされた状態では、トランジスタTr1がオンされ、補助平滑コンデンサC2の電荷、すなわちスイッチング電源制御回路34の電源電圧が放電抵抗である抵抗R2を介して放電される。
発光ダイオードPCD1と、抵抗R5と、トランジスタTr2とは、出力平滑コンデンサC1の正極端子と接地端子との間に直列に接続されている。トランジスタTr2のベースは、抵抗R6を介して入力電圧低下検出部43に接続されており、入力電圧低下検出部43によって入力電圧Vinが予め設定された低下検出電圧まで低下したことが検出されると、トランジスタTr2がオンされ、第1のフォトカプラPC1がオンされる。
ダイオードD2と、コンデンサC3と、抵抗R7と、トランジスタTr3とは、出力平滑コンデンサC1の正極端子と接地端子との間に直列に接続されている。トランジスタTr3のベースは、抵抗R8を介して出力電圧確定検出部42に接続されており、出力電圧確定検出部42によって出力電圧Voutが確定したことが検出されると、トランジスタTr3がオンされ、コンデンサC3が充電される。なお、ダイオードD2は、コンデンサC3から出力電圧Voutへの逆流を防止する逆流防止ダイオードである。
トランジスタTr4と、発光ダイオードPCD2と、抵抗R9とは、コンデンサC3と並列に接続されている。トランジスタTr4のコレクタとベースとの間には、抵抗R10が接続されていると共に、トランジスタTr4のベースは、トランジスタTr5を介して接地端子に接続されている。そして、トランジスタTr5のベースは、抵抗R11を介して出力電圧確定検出部42に接続されており、出力電圧確定検出部42によって出力電圧Voutが確定したことが検出されると、トランジスタTr5がオンされ、トランジスタTr4はオフされた状態となる。出力電圧Voutが低下して電源監視IC41の動作が停止すると、トランジスタTr5がオフされ、コンデンサC3に蓄積された電荷によってトランジスタTr4がオンして、第2のフォトカプラPC2がオンされる。
次に、放電回路40の動作について図3を参照して詳細に説明する。図3は、図2の各部の信号波形及び動作波形を示したもので、上から順に、入力電圧Vin、スイッチング電源制御回路34の電源電圧である補助平滑コンデンサC2の電圧Vc2、出力電圧Vout、コンデンサC3の電圧Vc3、トランジスタTr2のオンオフ状態、第1のフォトカプラPC1のオンオフ状態、トランジスタTr3及びTr5のオンオフ状態、トランジスタTr4のオンオフ状態、第2のフォトカプラPC2のオンオフ状態、トランジスタTr1のオンオフ状態をそれぞれ示している。
時刻t1で補助平滑コンデンサC2の電圧Vc2がスイッチング電源制御回路34を起動させる制御回路起動電圧に到達すると、スイッチング電源装置30の動作が開始され、出力電圧Voutが立ち上がる。出力電圧Voutが立ち上がると、電源監視IC41が起動される。時刻t2で電源監視IC41の出力電圧確定検出部42によって出力電圧Voutが確定、すなわち所定の定格電圧に到達したことが検出されると、放電回路40のトランジスタTr3及びTr5がオンされ、出力電圧VoutによるコンデンサC3への充電が開始される。すなわち、トランジスタTr3及びTr5がオンされると、出力電圧Vout−ダイオードD2−コンデンサC3−抵抗R7−トランジスタTr3の経路で、コンデンサC3に電荷が蓄積される。コンデンサC3に蓄積された電荷は、放電回路40をスイッチング電源停止維持回路として動作させるための電源となる。なお、抵抗R7はコンデンサC3への充電用の電流制限抵抗であり、出力電圧Voutの変動抑制およびコンデンサC3の充電時間の調整要素である。
低日射等により太陽電池2からの入力電圧Vinが低下し、時刻t3で電源監視IC41の入力電圧低下検出部43によって入力電圧Vinが予め設定された低下検出電圧まで低下したことが検出されると、トランジスタTr2がオンされ、第1のフォトカプラPC1がオンされる。第1のフォトカプラPC1がオンされると、トランジスタTr1がオンされ、抵抗R2を介してスイッチング電源制御回路34の電源電圧である補助平滑コンデンサC2の電圧Vc2が瞬時に放電される。補助平滑コンデンサC2の電圧Vc2の放電により、スイッチング電源制御回路34の電源電圧は失われ、スイッチング電源装置30は動作を停止する。そして、スイッチング電源装置30の停止により出力電圧Voutは負荷特性に従い電圧低下を開始する。
出力電圧Voutが低下し、時刻t4で電源監視IC41が動作を停止するIC停止電圧に到達すると、電源監視IC41の出力電圧確定検出部42は、トランジスタTr3及びTr5のオン状態を維持できなくなる。トランジスタTr3及びTr5がオフされると、コンデンサC3に蓄積された電荷によってトランジスタTr4がオンする。これにより、コンデンサC3に蓄積された電荷は、コンデンサC3−トランジスタTr4−発光ダイオードPCD2−抵抗R9の経路で放電され、第2のフォトカプラPC2がオンされる。
また、出力電圧VoutがIC停止電圧に到達すると、電源監視IC41の出力電圧確定検出部42も、トランジスタTr2のオン状態を維持できなくなる。トランジスタTr2がオフされると、第1のフォトカプラPC1がオフされることになるが、第2のフォトカプラPC2がオンされるため、トランジスタTr1と抵抗R2とを介した補助平滑コンデンサC2の放電は維持され、スイッチング電源装置30を停止状態に維持する。
図3に示すトランジスタTr4及び第2のフォトカプラPC2のオン期間T1は、スイッチング電源装置30の停止状態を維持するスイッチング電源停止維持期間となり、コンデンサC3に蓄積される電荷量と、抵抗R9によって決定される。そして、オン期間T1は、インバータ制御回路20の電源電圧である出力電圧Vout(出力平滑コンデンサC1の電荷)が、少なくともインバータ制御回路20がリセットされるリセット電圧を下回るまで放電される期間T2よりも長く設定されている。なお、コンデンサC3の容量はトランジスタTr4および第2のフォトカプラPC2の計2つのみを駆動させるだけで良く、且つ、スイッチング電源制御回路34の電源電圧Vc2の放電後であるために駆動電流が小さくて良い。小容量のコンデンサC3でスイッチング電源停止維持期間を長く設定することができる。また、出力電圧Voutをインバータ制御回路20がリセットされるリセット電圧を下回るまで完全に放電することができるため、インバータ制御回路20(IC等)が確実にパワーオンリセットされる。さらに、低日射において起動停止の回数を抑えることができ、起動時の音鳴りによる騒音問題や表示装置のちらつき等の問題も抑制できる。
コンデンサC3の電荷が放電され、時刻t5でトランジスタTr4及び第2のフォトカプラPC2がオフされると、トランジスタTr1がオフし、太陽電池2からの入力電圧Vinから抵抗R1を介して補助平滑コンデンサC2が充電される。そして、時刻t6で補助平滑コンデンサC2の電圧Vc2がスイッチング電源制御回路34を起動させる制御回路起動電圧に到達すると、スイッチング電源装置30の動作が開始され、出力電圧Voutが立ち上がる。
以上説明したように、本実施の形態は、太陽電池から出力される電圧を入力電圧Vinとして所望の交流電圧ACoutに変換するインバータ10と、インバータ10を制御するインバータ制御回路20と、インバータ制御回路20を駆動する出力電圧Voutを出力するスイッチング電源装置30と、入力電圧Vinが低下して予め設定された低下検出電圧になると、スイッチング電源装置30を停止させるスイッチング電源停止回路(放電回路40)と、スイッチング電源装置30の出力電圧Voutによって充電された電荷を用いて、スイッチング電源停止回路によるスイッチング電源装置30の停止期間を延長させるスイッチング電源停止維持回路(放電回路40)とを備えている。
この構成により、日照量の低下等によって太陽電池の発電量である入力電圧Vinが低下すると、インバータ制御回路を駆動する出力電圧Voutを出力するスイッチング電源装置を停止させてインバータ10を停止することができる。また、瞬時に太陽電池の発電量が増加してインバータ10が起動可能になっても、スイッチング電源停止維持回路によってスイッチング電源装置30の停止期間を延長させ、出力電圧Voutを十分に低下させることができるため、インバータ制御回路20を確実にリセットすることができる。出力電圧Voutをインバータ制御回路20がリセットされるリセット電圧を下回るまで完全に放電することができるため、インバータ制御回路20(IC等)が確実にパワーオンリセットされる。さらに、低日射において起動停止の回数を抑えることができ、起動時の音鳴りによる騒音問題や表示装置のちらつき等の問題も抑制できる。
さらに、本実施の形態において、スイッチング電源装置20の出力電圧Voutによって充電されるコンデンサC3を具備し、スイッチング電源停止回路は、電源としてスイッチング電源装置30の出力電圧Voutを使用し、スイッチング電源停止維持回路は、電源としてコンデンサC3に蓄積された電荷を使用する。また、コンデンサC3への充電は、スイッチング電源装置30の出力電圧Voutから逆流防止用のダイオードD2を介して行われる。
この構成により、スイッチング電源装置30の出力電圧Voutが低下した後も、スイッチング電源停止維持回路によってスイッチング電源装置30の停止期間を延長させることができる。コンデンサC3の容量はスイッチング電源停止維持回路として機能するトランジスタTr4および第2のフォトカプラPC2の計2つのみを駆動させるだけで良く、且つ、スイッチング電源制御回路34の電源電圧Vc2の放電後であるために駆動電流が小さくて良い。小容量のコンデンサC3でスイッチング電源停止維持期間を長く設定することができる。
さらに、本実施の形態において、スイッチング電源停止維持回路は、スイッチング電源装置30の出力電圧Voutが低下してスイッチング電源停止回路が停止すると、動作を開始するように構成されている。
この構成により、スイッチング電源装置30の出力電圧VoutがIC停止電圧に低下するまでは、スイッチング電源停止回路によってスイッチング電源装置30を停止させ、スイッチング電源装置30の出力電圧VoutがIC停止電圧に低下した後は、スイッチング電源停止維持回路によってスイッチング電源装置30の停止を維持させることができる。従って、スイッチング電源停止維持回路が動作する期間を短くすることができ、コンデンサC3の容量を最小限とすることができる。
さらに、本実施の形態において、スイッチング電源停止回路及びスイッチング電源停止維持回路は、スイッチング電源装置30においてスイッチング素子のオンオフ制御を行うスイッチング電源制御回路34の電源電圧を放電させることで、スイッチング電源装置30を停止させるように構成されている。
以上の実施の形態で説明された構成、形状、大きさ及び配置関係については本発明が理解・実施できる程度に概略的に示したものにすぎず、また数値及び各構成の組成(材質)等については例示にすぎない。従って本発明は、説明された実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に示される技術的思想の範囲を逸脱しない限り様々な形態に変更することができる。
1 パワーコンディショナ
2 太陽電池
3 電力系統
4 負荷
10 インバータ
20 インバータ制御回路
30 スイッチング電源装置
31 1次側スイッチング回路部
32 2次側整流回路部
33 FB回路部
34 スイッチング電源制御回路
40 放電回路
41 電源監視IC
42 出力電圧確定検出部
43 入力電圧低下検出部
C1 出力平滑コンデンサ
C2 補助平滑コンデンサ
C3 コンデンサ
D1 補助整流ダイオード
D2 ダイオード
R1〜R11 抵抗
T トランス
P1 1次巻線
P2 補助巻線
S1 2次巻線
PC1 第1のフォトカプラ
PC2 第2のフォトカプラ
PCD1、PCD2 発光ダイオード
PCTR1、PCTR2 受光トランジスタ
Tr1〜Tr5 トランジスタ

Claims (5)

  1. 発電装置から出力される電圧を入力電圧として所望の交流電圧に変換するインバータと、
    前記インバータを制御するインバータ制御回路と、
    前記インバータ制御回路を駆動する出力電圧を出力するスイッチング電源装置と、
    前記入力電圧が低下して予め設定された低下検出電圧になると、前記スイッチング電源装置を停止させるスイッチング電源停止回路と、
    前記スイッチング電源装置の出力電圧によって充電された電荷を用いて、前記スイッチング電源停止回路による前記スイッチング電源装置の停止期間を延長させるスイッチング電源停止維持回路とを具備することを特徴とするパワーコンディショナ。
  2. 前記スイッチング電源装置の出力電圧によって充電されるコンデンサを具備し、
    前記スイッチング電源停止回路は、電源として前記スイッチング電源装置の出力電圧を使用し、
    前記スイッチング電源停止維持回路は、電源として前記コンデンサに蓄積された電荷を使用することを特徴とする請求項1記載のパワーコンディショナ。
  3. 前記コンデンサへの充電は、前記スイッチング電源装置の出力電圧から逆流防止ダイオードを介して行われることを特徴とする請求項2記載のパワーコンディショナ。
  4. 前記スイッチング電源停止維持回路は、前記スイッチング電源装置の出力電圧が低下して前記スイッチング電源停止回路が停止すると、動作を開始することを特徴とする請求項2又は3記載のパワーコンディショナ。
  5. 前記スイッチング電源停止回路及び前記スイッチング電源停止維持回路は、前記スイッチング電源装置においてスイッチング素子のオンオフ制御を行うスイッチング電源制御回路の電源電圧を放電させることで、前記スイッチング電源装置を停止させることを特徴とする請求項1乃至4のいずれかに記載のパワーコンディショナ。
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