自然エネルギーによって発電された電力の変換装置
【課題】簡易構成で風力等の変動に適切に対応して自然エネルギーを有効利用することが可能な電力変換装置を提供する。
【解決手段】電力変換装置１０１は、発電装置１０２から受けた交流電圧を第１直流電圧に変換する整流回路１と、第１直流電圧を第２直流電圧に変換する直流電圧変換回路２と、第２および第３直流電圧を受けるための共通の入力端子Ｔ１を有し、入力端子Ｔ１において受けた直流電圧に基づいて負荷１０３への交流電圧を生成するインバータ回路４と、整流回路１の出力電流が所定値未満となるように、かつ入力端子Ｔ１の電圧が第１所定電圧値以下となるように、直流電圧変換回路２を制御する制御回路７と、入力端子Ｔ１の電圧が第１所定電圧値より小さい第２所定電圧値未満の場合には第３直流電圧を出力し、第２所定電圧値以上の場合には直流電圧変換回路２の出力電流に基づいて充電を行なう電池３とを備える。
【解決手段】電力変換装置１０１は、発電装置１０２から受けた交流電圧を第１直流電圧に変換する整流回路１と、第１直流電圧を第２直流電圧に変換する直流電圧変換回路２と、第２および第３直流電圧を受けるための共通の入力端子Ｔ１を有し、入力端子Ｔ１において受けた直流電圧に基づいて負荷１０３への交流電圧を生成するインバータ回路４と、整流回路１の出力電流が所定値未満となるように、かつ入力端子Ｔ１の電圧が第１所定電圧値以下となるように、直流電圧変換回路２を制御する制御回路７と、入力端子Ｔ１の電圧が第１所定電圧値より小さい第２所定電圧値未満の場合には第３直流電圧を出力し、第２所定電圧値以上の場合には直流電圧変換回路２の出力電流に基づいて充電を行なう電池３とを備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電力の変換装置に関し、特に、自然エネルギーによって発電された電力の変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
風力等、自然エネルギーによって発電を行なう発電装置が開発されている。たとえば、特許文献１−３には、風力によって発電を行なう発電装置が開示されている。すなわち、発電された交流電圧を整流回路によって整流して直流電圧に変換し、変換した直流電圧をインバータによって交流電圧に変換して負荷に供給する。このような構成により、自然エネルギーの変動によって負荷への供給電力が変動することを防ぐことができる。
【特許文献１】特表２００１−５２２２１８号公報
【特許文献２】特開平１１−６２８１４号公報
【特許文献３】特表２００５−５３８６７３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところで、特許文献１−３記載の発電装置等、風力によって発電を行なう発電装置では、風が弱くなると発電電力が低下する。このため、従来の発電装置はたとえば蓄電池を備え、発電装置の発電電力が不足すると蓄電池を放電させて電力の不足分を補う。
【０００４】
しかしながら、特許文献１−２記載の発電装置では、発電電力が不足して発電装置の出力電圧が低下しすぎると発電装置から負荷へまったく電力が供給されなくなってしまう。
【０００５】
また、特許文献３記載の発電装置では、風が弱くなっても発電電力を負荷へ供給し続けることが可能であるが、発電機の同期動作および非同期動作を切り替える構成等が必要となるため、発電装置の構成が複雑化してしまう。
【０００６】
それゆえに、本発明の目的は、簡易な構成で風力等の変動に適切に対応して自然エネルギーを有効利用することが可能な電力の変換装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、この発明のある局面に係わる電力の変換装置は、自然エネルギーによって回転する回転機を有し、回転機の回転に基づいて電力を発生する発電装置が外部に配置され、発電装置からの電力を変換して負荷に供給する、自然エネルギーによって発電された電力の変換装置であって、発電装置から受けた交流電圧を第１の直流電圧に変換する整流回路と、整流回路から受けた第１の直流電圧を第２の直流電圧に変換する直流電圧変換回路と、第３の直流電圧の出力および充電を行なう電池と、第２の直流電圧および第３の直流電圧を受けるための共通の入力端子を有し、入力端子において受けた直流電圧に基づいて負荷に供給すべき交流電圧を生成するインバータ回路と、整流回路の出力電流が所定値未満となるように、かつ入力端子の電圧が第１の所定電圧値以下となるように、直流電圧変換回路の変換する第２の直流電圧の電圧値を制御する制御回路とを備え、電池は、入力端子の電圧が第１の所定電圧値より小さい第２の所定電圧値未満の場合には第３の直流電圧を出力し、入力端子の電圧が第２の所定電圧値以上の場合には直流電圧変換回路の出力電流に基づいて充電を行なう。
【０００８】
好ましくは、直流電圧変換回路は、スイッチ素子を含み、整流回路から受けた第１の直流電圧をスイッチ素子でスイッチングすることにより第２の直流電圧に変換し、制御回路は、整流回路の出力電流が所定値未満となるように、かつ入力端子の電圧が第１の所定電圧値以下となるようにスイッチ素子のスイッチングを制御する。
【０００９】
好ましくは、直流電圧変換回路は、整流回路から受けた第１の直流電圧が所定電圧値より大きい場合には、整流回路から受けた第１の直流電圧を降圧して所定電圧値以下の直流電圧を生成する降圧回路と、降圧回路から受けた直流電圧を昇圧して第２の直流電圧を生成する昇圧回路とを含む。
【００１０】
好ましくは、直流電圧変換回路は、第１端において第１の直流電圧を受けるコイルと、第１端がコイルの第１端に結合される第１のコンデンサと、第１端がコイルの第２端に結合されるスイッチ素子と、アノードがスイッチ素子の第１端に結合されるダイオードと、第１端がダイオードのカソードおよび入力端子に結合され、第２端がスイッチ素子の第２端に結合される第２のコンデンサと、第１端がスイッチ素子の第２端と第２のコンデンサの第２端とに結合され、第２端が第１のコンデンサの第２端に結合される電流検出抵抗とを含み、制御回路は、電流検出抵抗の第２端における電圧に基づいて整流回路の出力電流を検出し、整流回路の出力電流が所定値未満となるように、かつ入力端子の電圧が第１の所定電圧値以下となるようにスイッチ素子のスイッチングを制御する。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、簡易な構成で風力等の変動に適切に対応して自然エネルギーを有効利用することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。
【００１３】
図１は、本発明の実施の形態に係る電力変換システムの構成を示す回路図である。
図１を参照して、電力変換システム２０１は、電力変換装置１０１と、風力発電装置１０２とを備える。電力変換装置１０１は、整流回路１と、直流電圧変換回路２と、蓄電池３と、インバータ回路４と、ローパスフィルタ５と、直流電圧制御回路６と、インバータ制御回路７とを備える。直流電圧変換回路２は、降圧回路１１と、昇圧回路１２とを含む。
【００１４】
風力発電装置１０２は、自然エネルギーである風力によって回転する回転機を有し、回転機の回転に基づいて交流電力を発生し、発生した交流電圧を電力変換装置１０１へ出力する。
【００１５】
電力変換装置１０１は、風力発電装置１０２から受けた交流電圧を直流電圧に変換し、変換した直流電圧を所定周波数および所定振幅の交流電圧に変換して負荷１０３へ出力する。
【００１６】
より詳細には、整流回路１は、風力発電装置１０２から受けた交流電圧を直流電圧（第１の直流電圧）に変換する。
【００１７】
直流電圧変換回路２は、直流電圧制御回路６から受けた制御信号に基づいて、整流回路１から受けた直流電圧を新たな直流電圧（第２の直流電圧）に変換する。より詳細には、降圧回路１１は、整流回路１から受けた直流電圧が所定電圧値より大きい場合には、整流回路から受けた直流電圧を降圧して所定電圧値以下の直流電圧を生成する。なお、降圧回路１１は、整流回路１から受けた直流電圧が所定電圧値以下である場合には、整流回路から受けた直流電圧をそのまま出力してもよいし、ある程度降圧して出力してもよい。昇圧回路１２は、降圧回路１１から受けた直流電圧が所定電圧値以下である場合には、降圧回路１１から受けた直流電圧を昇圧して所定電圧値以上の直流電圧を生成する。
【００１８】
蓄電池３は、直流電圧（第３の直流電圧）をインバータ回路４へ出力する。また、蓄電池３は、直流電圧変換回路２から受けた直流電流に基づいて充電を行なう。
【００１９】
直流電圧制御回路６は、整流回路１の出力電流すなわち風力発電装置１０２の出力電流が所定値未満となるように、直流電圧変換回路２の変換する直流電圧の電圧値を制御する。
【００２０】
インバータ回路４は、インバータ制御回路７から受けた制御信号に基づいて、直流電圧変換回路２から受けた直流電圧および蓄電池３から受けた直流電圧を負荷１０３に供給すべき交流電圧に変換する。
【００２１】
ローパスフィルタ５は、インバータ回路４から受けた交流電圧に含まれる高周波ノイズを除去する。ローパスフィルタ５を通過した交流電圧は負荷１０３へ出力される。
【００２２】
インバータ制御回路７は、ローパスフィルタ５を通過した交流電圧が所定周波数および所定振幅になるように制御信号を生成し、インバータ回路４へ出力する。
【００２３】
ここで、具体的に各電圧の数値例をあげると、整流回路１は、風力発電装置１０２から受けた４５Ｖ〜２２５Ｖの三相交流電圧を変換して７０Ｖ〜３３０Ｖの直流電圧を出力する。
【００２４】
降圧回路１１は、整流回路１から受けた直流電圧を降圧して２５Ｖ〜１５０Ｖの直流電圧を出力する。
【００２５】
昇圧回路１２は、降圧回路１１から受けた直流電圧を昇圧して２０５Ｖの直流電圧をインバータ回路４へ出力する。
【００２６】
インバータ回路４は、直流電圧変換回路２から受けた直流電圧および蓄電池３から受けた直流電圧から負荷１０３に供給すべき振幅１００Ｖの交流電圧を生成する。
【００２７】
図２は、本発明の実施の形態に係る電力変換装置の構成を示す回路図である。
図２を参照して、電力変換装置１０１は、整流回路１と、直流電圧変換回路２と、蓄電池３と、インバータ回路４と、ローパスフィルタ５と、直流電圧制御回路６と、インバータ制御回路７と、抵抗Ｒ２と、ダイオードＤ２とを備える。直流電圧変換回路２は、降圧回路１１と、昇圧回路１２とを含む。インバータ回路４は、ＮチャネルＭＯＳトランジスタＭ１１〜Ｍ１４と、コイルＬ２と、トランスＴＲ１と、コンデンサＣ３と、入力端子Ｔ１およびＴ２とを含む。直流電圧制御回路６は、発電電流監視回路２１と、昇圧電圧監視回路２２と、充電電流監視回路２３と、ＰＷＭ制御信号生成回路２４とを含む。昇圧回路１２は、コンデンサ（第１のコンデンサ）Ｃ１と、コンデンサ（第２のコンデンサ）Ｃ２と、コイルＬ１と、電流検出抵抗Ｒ１と、ＮチャネルＭＯＳトランジスタ（スイッチ素子）Ｍ１と、ダイオードＤ１とを含む。
【００２８】
コイルＬ１は、第１端が降圧回路１１の出力に結合される。コンデンサＣ１は、第１端がコイルＬ１の第１端に結合される。ＮチャネルＭＯＳトランジスタＭ１は、ドレイン（第１端）がコイルＬ１の第２端に結合される。ダイオードＤ１は、アノードがＮチャネルＭＯＳトランジスタＭ１のドレインに結合される。コンデンサＣ２は、第１端がダイオードＤ１のカソードおよび入力端子Ｔ１に結合され、第２端がＮチャネルＭＯＳトランジスタＭ１のソースおよび入力端子Ｔ２に結合される。電流検出抵抗Ｒ１は、第１端がＮチャネルＭＯＳトランジスタＭ１のソースとコンデンサＣ２の第２端とに結合され、第２端がコンデンサＣ１の第２端に結合される。
【００２９】
インバータ制御回路７は、ローパスフィルタ５を通過した交流電圧が所定周波数および所定振幅になるように制御信号ＣＯＮＴ１〜ＣＯＮＴ４を生成し、ＮチャネルＭＯＳトランジスタＭ１１〜Ｍ１４へ出力する。
【００３０】
ＮチャネルＭＯＳトランジスタＭ１１〜Ｍ１４は、制御信号ＣＯＮＴ１〜ＣＯＮＴ４に基づいてそれぞれスイッチングを行ない、コンデンサＣ２の両端電圧である直流電圧を交流電圧に変換してトランスＴＲ１の一次巻線に出力する。
【００３１】
トランスＴＲ１の二次巻線に誘起された交流電圧は、ローパスフィルタ５を通過して負荷１０３へ出力される。
【００３２】
図３は、風力発電装置１０２の出力特性を示すグラフ図である。
図３を参照して、一般的に、風力発電装置は、ある値以上の電流を出力させると、出力電圧が急激に低下する。すなわち、一般的に、回転機を有する風力発電機は、たとえば風が弱まって発電電力が低下すると、発電電圧も低下する。また、一般的な電源装置、たとえばインバータ等の変換装置は常に負荷に必要な電力を供給するように動作するため、電源装置の入力電圧すなわち風力発電機の発電電圧が低下すると、さらに電源装置の入力電流すなわち風力発電機の出力電流が増加することになる。このため、風が弱まって発電電力および発電電圧が低下した状態において、図３に示すように風力発電機からある値以上の電流を流そうとすると、風力発電機の出力電流はさらに急激に低下してしまい、電力の供給ができなくなってしまう。
【００３３】
そこで、本発明の実施の形態に係る電力変換装置では、直流電圧制御回路６は、整流回路１の出力電流すなわち風力発電装置１０２の出力電流が電流値ＩＡ未満となるように、直流電圧変換回路２の変換する直流電圧の電圧値を制御する。つまり、直流電圧制御回路６は、風力発電装置１０２の出力電流を制限することにより、過電流による整流回路１の出力電圧の低下を防ぐ。
【００３４】
通常時、すなわち風力発電装置１０２の発電電力の方が負荷１０３の消費電力より大きい場合には、電流検出抵抗Ｒ１を通して流れる電流は、電流制限を行なうべき電流値ＩＡより小さい。したがって、直流電圧制御回路６は電流制限を行なわない、つまり、入力端子Ｔ１およびＴ２間の電圧すなわちコンデンサＣ２の両端電圧を低下させない。
【００３５】
そして、直流電圧制御回路６は、入力端子Ｔ１およびＴ２間の電圧すなわちコンデンサＣ２の両端電圧を、蓄電池３が充電を行なう電圧になるように直流電圧変換回路２を制御する。たとえば、蓄電池３の公称電圧が１８０Ｖである場合、直流電圧制御回路６は、コンデンサＣ２の両端電圧が２０５Ｖになるように直流電圧変換回路２を制御する。より詳細には、昇圧電圧監視回路２２は、コンデンサＣ２の両端電圧Ｖｃを監視して、電圧Ｖｃが２０５Ｖ以下であるか否かをＰＷＭ制御信号生成回路２４へ通知する。ＰＷＭ制御信号生成回路２４は、コンデンサＣ２の両端電圧Ｖｃが２０５Ｖより大きい場合には、ＮチャネルＭＯＳトランジスタＭ１のゲートへ出力する制御信号ＣＯＮＴ５のデューティ比を小さくする。そうすると、所定期間におけるＮチャネルＭＯＳトランジスタＭ１のオン期間が短くなり、コンデンサＣ２の両端電圧Ｖｃが小さくなる。一方、ＰＷＭ制御信号生成回路２４は、コンデンサＣ２の両端電圧Ｖｃが２０５Ｖより小さい場合には、制御信号ＣＯＮＴ５のデューティ比を大きくし、コンデンサＣ２の両端電圧Ｖｃを大きくする。
【００３６】
このとき、直流電圧変換回路２は、蓄電池３を充電しながらインバータ回路４に電力を供給している。すなわち、直流電圧変換回路２の出力電流が、蓄電池３およびインバータ回路４へ流れる。
【００３７】
ここで、蓄電池３の充電時は、直流電圧変換回路２からの直流電流がダイオードＤ２を流れずに抵抗Ｒ２を流れる。充電電流監視回路２３は、抵抗Ｒ２の両端電圧を監視する。充電電流監視回路２３は、抵抗Ｒ２の両端電圧が所定電圧より大きい場合には、過充電であると判断してＰＷＭ制御信号生成回路２４へ通知する。ＰＷＭ制御信号生成回路２４は、充電電流監視回路２３から過充電である旨の通知を受けた場合には、昇圧電圧監視回路２２の監視結果に関わらず、制御信号ＣＯＮＴ５のデューティ比を小さくする。そうすると、所定期間におけるＮチャネルＭＯＳトランジスタＭ１のオン期間が短くなり、コンデンサＣ２の両端電圧Ｖｃが小さくなり、直流電圧変換回路２から蓄電池３への直流電流が小さくなり、過電流が解消する。
【００３８】
一方、電力不足時、すなわち風力発電装置１０２の発電電力が低下して負荷１０３の消費電力より小さくなることにより風力発電装置１０２の発電電圧が低下した場合、あるいは負荷１０３の消費電力が増加することによりインバータ回路４への供給電力が増加した場合には、電流検出抵抗Ｒ１を通して流れる電流が増加し、電流制限を行なうべき電流値ＩＡより大きくなる。
【００３９】
電流検出抵抗Ｒ１を通して流れる電流が電流値ＩＡより大きくなると、直流電圧制御回路６は電流制限を行なう。すなわち、直流電圧制御回路６は、コンデンサＣ２の両端電圧が小さくなるように直流電圧変換回路２を制御する。
【００４０】
そして、コンデンサＣ２の両端電圧が低下してたとえば１８０Ｖ未満となると、蓄電池３は放電し、負荷１０３に供給すべき電力に対する発電電力の不足分をインバータ回路４に供給する。
【００４１】
ここで、コンデンサＣ２の両端電圧をＶｃとし、インバータ回路４の入力電流をＩｉｎｖとし、昇圧回路１２が降圧回路１１から受ける直流電圧をＶｉとし、昇圧回路１２が降圧回路１１から受ける直流電流をＩｉとし、蓄電池３の放電電流をＩｂとすると、以下の式が成立する。
【００４２】
Ｖｃ×Ｉｉｎｖ＝Ｖｉ×Ｉｉ＋Ｖｃ×Ｉｂ・・・（１）
すなわち、発電電力の低下により直流電圧Ｖｉが低下する、あるいは負荷１０３の消費電力の増大によりインバータ回路４への供給電力が増加すると、電流検出抵抗Ｒ１を通して流れる電流すなわち風力発電装置１０２の出力電流が大きくなる。ここで、電流検出抵抗Ｒ１のインバータ回路４側の端子は零電位である。このため、電流検出抵抗Ｒ１の降圧回路１１側の端子電圧は負電圧となる。発電電流監視回路２１は、電流検出抵抗Ｒ１の降圧回路１１側の端子電圧が小さくなり、電流値ＩＡに対応する電圧値以下になると、降圧回路１１の出力電流すなわち整流回路１の出力電流が電流値ＩＡ以上になったと認識してＰＷＭ制御信号生成回路２４へ通知する。
【００４３】
ＰＷＭ制御信号生成回路２４は、発電電流監視回路２１から通知を受けて、制御信号ＣＯＮＴ５のデューティ比を小さくする。そうすると、所定期間におけるＮチャネルＭＯＳトランジスタＭ１のオン期間が短くなり、コンデンサＣ２の両端電圧Ｖｃが小さくなる。
【００４４】
また、蓄電池３は、コンデンサＣ２の両端電圧Ｖｃが小さくなることから、式（１）を満たすように放電電流Ｉｂを大きくする。そうすると、電流検出抵抗Ｒ１を通して流れる電流が電流値ＩＡ未満となる。つまり、蓄電池３は、発電電力の不足分を補う。
【００４５】
図４は、風力発電装置１０２の発電電圧および発電電流と電力変換装置１０１の出力電圧および出力電流とを測定した結果を示す図である。図４は、負荷１０３の負荷抵抗（消費電力）が４００Ｗである場合を示している。ここで、風力発電装置１０２の出力電圧（発電電圧）は三相交流電圧であり、周波数は約４００Ｈｚである。ただし、風力発電装置１０２の出力電圧の周波数は、風力発電装置１０２の発電電圧値に応じて変動する。また、電力変換装置１０１の出力電圧は周波数が６０Ｈｚの単相交流電圧である。
【００４６】
図４を参照して、たとえば風力発電装置１０２の発電電圧が９０Ｖであり、発電電流が２．８６Ａの場合には、発電電力は９０×２．８６×√３≒４４５［Ｗ］となる。この場合、直流電圧変換回路２は、蓄電池３を充電しながらインバータ回路４に電力を供給する。風力発電装置１０２の発電電圧が１０５Ｖ〜２２５Ｖの場合も発電電力が４００Ｗを超えるため、９０Ｖの場合と同様となる。
【００４７】
また、風力発電装置１０２の発電電圧が７５Ｖであり、発電電流が２．６２Ａの場合には、発電電力は７５×２．６２×√３≒３４０［Ｗ］となる。この場合、負荷１０３の消費電力に対して風力発電装置１０２の発電電力が不足するが、蓄電池３が放電することにより、風力発電装置１０２の発電電力の不足分を補う。風力発電装置１０２の発電電圧が０Ｖ〜６０Ｖの場合も発電電力が４００Ｗ未満となるため、７５Ｖの場合と同様となる。
【００４８】
したがって、電力変換装置１０１は、０Ｖ〜２２５Ｖの広範囲の発電電圧において安定して振幅約１００Ｖの交流電圧を生成することができる。
【００４９】
ここで、一般的な電力変換装置の動作可能範囲は、定格入力電圧の±１０％の範囲である。たとえば、一般的な電力変換装置の定格入力電圧が１５０Ｖである場合、所望の出力である振幅１００Ｖの交流電圧を生成できるのは発電電圧が１３５Ｖ〜１６５Ｖの範囲にある場合のみである。一方、本発明の実施の形態に係る電力変換装置では、風力発電装置１０２の発電電圧が４５Ｖ〜２２５Ｖの範囲において１．５２Ａ以上の発電電流が風力発電装置１０２から電力変換装置１０１へ供給されている。すなわち、本発明の実施の形態に係る電力変換装置では、広範囲の発電電圧において自然エネルギーを有効利用することができる。
【００５０】
ところで、特許文献１−２記載の発電装置では、発電電力が不足して発電装置の出力電圧が低下しすぎると発電装置から負荷へまったく電力が供給されなくなってしまう。また、特許文献３記載の発電装置では、風が弱くなっても発電電力を負荷へ供給し続けることが可能であるが、発電機の同期動作および非同期動作を切り替える構成等が必要となるため、発電装置の構成が複雑化してしまう。
【００５１】
しかしながら、本発明の実施の形態に係る電力変換装置では、直流電圧制御回路６は、風力発電装置１０２の出力電流が所定値未満となるように、かつインバータ回路４の入力電圧すなわち入力端子Ｔ１およびＴ２間の電圧が第１の所定電圧値となるように、直流電圧変換回路２の変換する直流電圧の電圧値を制御する。蓄電池３は、インバータ回路４の入力電圧が第１の所定電圧値より小さい第２の所定電圧値未満の場合には直流電圧を出力し、インバータ回路４の入力電圧が第２の所定電圧値以上の場合には直流電圧変換回路２の出力電流に基づいて充電を行なう。
【００５２】
このような構成により、風力発電装置の発電電力が低下して風力発電装置の発電電力が不足しても、あるいは負荷の消費電力が増加して風力発電装置の発電電力が不足しても、インバータ回路を介して負荷に発電電力を供給し続けることができるとともに、発電機の同期動作および非同期動作を切り替える構成を備えない簡易な構成とすることができる。したがって、本発明の実施の形態に係る電力変換装置では、簡易な構成で風力等の変動に適切に対応して自然エネルギーを有効利用することができる。
【００５３】
また、本発明の実施の形態に係る電力変換装置では、降圧回路１１は、整流回路１から受けた直流電圧が所定電圧値より大きい場合には、整流回路から受けた直流電圧を降圧して所定電圧値以下の直流電圧を生成する。昇圧回路１２は、降圧回路１１から受けた直流電圧が所定電圧値以下である場合には、降圧回路１１から受けた直流電圧を昇圧して所定電圧値以上の直流電圧を生成する。このような構成により、前述のように一般的な電力変換装置と比べてより広範囲の発電電圧において安定して所定の交流電圧を生成することができる。本発明は、発電電力が気象条件等によって大きく変動する風力等、自然エネルギーによって発電された電力を変換する場合に特に有効である。
【００５４】
なお、本発明の実施の形態に係る電力変換装置は蓄電池３を備える構成であるとしたが、これに限定するものではない。蓄電池に限らず、充放電可能な電池として用いることが可能なデバイスであればよい。たとえば、電力変換装置が蓄電池の代わりに大容量のコンデンサ等の素子を備える構成であってもよい。
【００５５】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】本発明の実施の形態に係る電力変換システムの構成を示す回路図である。
【図２】本発明の実施の形態に係る電力変換装置の構成を示す回路図である。
【図３】風力発電装置の出力特性を示すグラフ図である。
【図４】風力発電装置１０２の発電電圧および発電電流と電力変換装置１０１の出力電圧および出力電流とを測定した結果を示す図である。
【符号の説明】
【００５７】
１ 整流回路、２ 直流電圧変換回路、３ 蓄電池、４ インバータ回路、５ ローパスフィルタ、６ 直流電圧制御回路、７ インバータ制御回路、１１ 降圧回路、１２ 昇圧回路、２１ 発電電流監視回路、２２ 昇圧電圧監視回路、２３ 充電電流監視回路、２４ ＰＷＭ制御信号生成回路、１０１ 電力変換装置、１０２ 風力発電装置、１０３ 、２０１ 電力変換システム、Ｃ１ コンデンサ（第１のコンデンサ）、Ｃ２ コンデンサ（第２のコンデンサ）、Ｃ３ コンデンサ、Ｌ１，Ｌ２ コイル、Ｒ１，Ｒ２ 抵抗、Ｄ１，Ｄ２ ダイオード、Ｔ１，Ｔ２ 入力端子、Ｍ１ ＮチャネルＭＯＳトランジスタ（スイッチ素子）、Ｍ１１〜Ｍ１４ ＮチャネルＭＯＳトランジスタ、ＴＲ１ トランス。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電力の変換装置に関し、特に、自然エネルギーによって発電された電力の変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
風力等、自然エネルギーによって発電を行なう発電装置が開発されている。たとえば、特許文献１−３には、風力によって発電を行なう発電装置が開示されている。すなわち、発電された交流電圧を整流回路によって整流して直流電圧に変換し、変換した直流電圧をインバータによって交流電圧に変換して負荷に供給する。このような構成により、自然エネルギーの変動によって負荷への供給電力が変動することを防ぐことができる。
【特許文献１】特表２００１−５２２２１８号公報
【特許文献２】特開平１１−６２８１４号公報
【特許文献３】特表２００５−５３８６７３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところで、特許文献１−３記載の発電装置等、風力によって発電を行なう発電装置では、風が弱くなると発電電力が低下する。このため、従来の発電装置はたとえば蓄電池を備え、発電装置の発電電力が不足すると蓄電池を放電させて電力の不足分を補う。
【０００４】
しかしながら、特許文献１−２記載の発電装置では、発電電力が不足して発電装置の出力電圧が低下しすぎると発電装置から負荷へまったく電力が供給されなくなってしまう。
【０００５】
また、特許文献３記載の発電装置では、風が弱くなっても発電電力を負荷へ供給し続けることが可能であるが、発電機の同期動作および非同期動作を切り替える構成等が必要となるため、発電装置の構成が複雑化してしまう。
【０００６】
それゆえに、本発明の目的は、簡易な構成で風力等の変動に適切に対応して自然エネルギーを有効利用することが可能な電力の変換装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、この発明のある局面に係わる電力の変換装置は、自然エネルギーによって回転する回転機を有し、回転機の回転に基づいて電力を発生する発電装置が外部に配置され、発電装置からの電力を変換して負荷に供給する、自然エネルギーによって発電された電力の変換装置であって、発電装置から受けた交流電圧を第１の直流電圧に変換する整流回路と、整流回路から受けた第１の直流電圧を第２の直流電圧に変換する直流電圧変換回路と、第３の直流電圧の出力および充電を行なう電池と、第２の直流電圧および第３の直流電圧を受けるための共通の入力端子を有し、入力端子において受けた直流電圧に基づいて負荷に供給すべき交流電圧を生成するインバータ回路と、整流回路の出力電流が所定値未満となるように、かつ入力端子の電圧が第１の所定電圧値以下となるように、直流電圧変換回路の変換する第２の直流電圧の電圧値を制御する制御回路とを備え、電池は、入力端子の電圧が第１の所定電圧値より小さい第２の所定電圧値未満の場合には第３の直流電圧を出力し、入力端子の電圧が第２の所定電圧値以上の場合には直流電圧変換回路の出力電流に基づいて充電を行なう。
【０００８】
好ましくは、直流電圧変換回路は、スイッチ素子を含み、整流回路から受けた第１の直流電圧をスイッチ素子でスイッチングすることにより第２の直流電圧に変換し、制御回路は、整流回路の出力電流が所定値未満となるように、かつ入力端子の電圧が第１の所定電圧値以下となるようにスイッチ素子のスイッチングを制御する。
【０００９】
好ましくは、直流電圧変換回路は、整流回路から受けた第１の直流電圧が所定電圧値より大きい場合には、整流回路から受けた第１の直流電圧を降圧して所定電圧値以下の直流電圧を生成する降圧回路と、降圧回路から受けた直流電圧を昇圧して第２の直流電圧を生成する昇圧回路とを含む。
【００１０】
好ましくは、直流電圧変換回路は、第１端において第１の直流電圧を受けるコイルと、第１端がコイルの第１端に結合される第１のコンデンサと、第１端がコイルの第２端に結合されるスイッチ素子と、アノードがスイッチ素子の第１端に結合されるダイオードと、第１端がダイオードのカソードおよび入力端子に結合され、第２端がスイッチ素子の第２端に結合される第２のコンデンサと、第１端がスイッチ素子の第２端と第２のコンデンサの第２端とに結合され、第２端が第１のコンデンサの第２端に結合される電流検出抵抗とを含み、制御回路は、電流検出抵抗の第２端における電圧に基づいて整流回路の出力電流を検出し、整流回路の出力電流が所定値未満となるように、かつ入力端子の電圧が第１の所定電圧値以下となるようにスイッチ素子のスイッチングを制御する。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、簡易な構成で風力等の変動に適切に対応して自然エネルギーを有効利用することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。
【００１３】
図１は、本発明の実施の形態に係る電力変換システムの構成を示す回路図である。
図１を参照して、電力変換システム２０１は、電力変換装置１０１と、風力発電装置１０２とを備える。電力変換装置１０１は、整流回路１と、直流電圧変換回路２と、蓄電池３と、インバータ回路４と、ローパスフィルタ５と、直流電圧制御回路６と、インバータ制御回路７とを備える。直流電圧変換回路２は、降圧回路１１と、昇圧回路１２とを含む。
【００１４】
風力発電装置１０２は、自然エネルギーである風力によって回転する回転機を有し、回転機の回転に基づいて交流電力を発生し、発生した交流電圧を電力変換装置１０１へ出力する。
【００１５】
電力変換装置１０１は、風力発電装置１０２から受けた交流電圧を直流電圧に変換し、変換した直流電圧を所定周波数および所定振幅の交流電圧に変換して負荷１０３へ出力する。
【００１６】
より詳細には、整流回路１は、風力発電装置１０２から受けた交流電圧を直流電圧（第１の直流電圧）に変換する。
【００１７】
直流電圧変換回路２は、直流電圧制御回路６から受けた制御信号に基づいて、整流回路１から受けた直流電圧を新たな直流電圧（第２の直流電圧）に変換する。より詳細には、降圧回路１１は、整流回路１から受けた直流電圧が所定電圧値より大きい場合には、整流回路から受けた直流電圧を降圧して所定電圧値以下の直流電圧を生成する。なお、降圧回路１１は、整流回路１から受けた直流電圧が所定電圧値以下である場合には、整流回路から受けた直流電圧をそのまま出力してもよいし、ある程度降圧して出力してもよい。昇圧回路１２は、降圧回路１１から受けた直流電圧が所定電圧値以下である場合には、降圧回路１１から受けた直流電圧を昇圧して所定電圧値以上の直流電圧を生成する。
【００１８】
蓄電池３は、直流電圧（第３の直流電圧）をインバータ回路４へ出力する。また、蓄電池３は、直流電圧変換回路２から受けた直流電流に基づいて充電を行なう。
【００１９】
直流電圧制御回路６は、整流回路１の出力電流すなわち風力発電装置１０２の出力電流が所定値未満となるように、直流電圧変換回路２の変換する直流電圧の電圧値を制御する。
【００２０】
インバータ回路４は、インバータ制御回路７から受けた制御信号に基づいて、直流電圧変換回路２から受けた直流電圧および蓄電池３から受けた直流電圧を負荷１０３に供給すべき交流電圧に変換する。
【００２１】
ローパスフィルタ５は、インバータ回路４から受けた交流電圧に含まれる高周波ノイズを除去する。ローパスフィルタ５を通過した交流電圧は負荷１０３へ出力される。
【００２２】
インバータ制御回路７は、ローパスフィルタ５を通過した交流電圧が所定周波数および所定振幅になるように制御信号を生成し、インバータ回路４へ出力する。
【００２３】
ここで、具体的に各電圧の数値例をあげると、整流回路１は、風力発電装置１０２から受けた４５Ｖ〜２２５Ｖの三相交流電圧を変換して７０Ｖ〜３３０Ｖの直流電圧を出力する。
【００２４】
降圧回路１１は、整流回路１から受けた直流電圧を降圧して２５Ｖ〜１５０Ｖの直流電圧を出力する。
【００２５】
昇圧回路１２は、降圧回路１１から受けた直流電圧を昇圧して２０５Ｖの直流電圧をインバータ回路４へ出力する。
【００２６】
インバータ回路４は、直流電圧変換回路２から受けた直流電圧および蓄電池３から受けた直流電圧から負荷１０３に供給すべき振幅１００Ｖの交流電圧を生成する。
【００２７】
図２は、本発明の実施の形態に係る電力変換装置の構成を示す回路図である。
図２を参照して、電力変換装置１０１は、整流回路１と、直流電圧変換回路２と、蓄電池３と、インバータ回路４と、ローパスフィルタ５と、直流電圧制御回路６と、インバータ制御回路７と、抵抗Ｒ２と、ダイオードＤ２とを備える。直流電圧変換回路２は、降圧回路１１と、昇圧回路１２とを含む。インバータ回路４は、ＮチャネルＭＯＳトランジスタＭ１１〜Ｍ１４と、コイルＬ２と、トランスＴＲ１と、コンデンサＣ３と、入力端子Ｔ１およびＴ２とを含む。直流電圧制御回路６は、発電電流監視回路２１と、昇圧電圧監視回路２２と、充電電流監視回路２３と、ＰＷＭ制御信号生成回路２４とを含む。昇圧回路１２は、コンデンサ（第１のコンデンサ）Ｃ１と、コンデンサ（第２のコンデンサ）Ｃ２と、コイルＬ１と、電流検出抵抗Ｒ１と、ＮチャネルＭＯＳトランジスタ（スイッチ素子）Ｍ１と、ダイオードＤ１とを含む。
【００２８】
コイルＬ１は、第１端が降圧回路１１の出力に結合される。コンデンサＣ１は、第１端がコイルＬ１の第１端に結合される。ＮチャネルＭＯＳトランジスタＭ１は、ドレイン（第１端）がコイルＬ１の第２端に結合される。ダイオードＤ１は、アノードがＮチャネルＭＯＳトランジスタＭ１のドレインに結合される。コンデンサＣ２は、第１端がダイオードＤ１のカソードおよび入力端子Ｔ１に結合され、第２端がＮチャネルＭＯＳトランジスタＭ１のソースおよび入力端子Ｔ２に結合される。電流検出抵抗Ｒ１は、第１端がＮチャネルＭＯＳトランジスタＭ１のソースとコンデンサＣ２の第２端とに結合され、第２端がコンデンサＣ１の第２端に結合される。
【００２９】
インバータ制御回路７は、ローパスフィルタ５を通過した交流電圧が所定周波数および所定振幅になるように制御信号ＣＯＮＴ１〜ＣＯＮＴ４を生成し、ＮチャネルＭＯＳトランジスタＭ１１〜Ｍ１４へ出力する。
【００３０】
ＮチャネルＭＯＳトランジスタＭ１１〜Ｍ１４は、制御信号ＣＯＮＴ１〜ＣＯＮＴ４に基づいてそれぞれスイッチングを行ない、コンデンサＣ２の両端電圧である直流電圧を交流電圧に変換してトランスＴＲ１の一次巻線に出力する。
【００３１】
トランスＴＲ１の二次巻線に誘起された交流電圧は、ローパスフィルタ５を通過して負荷１０３へ出力される。
【００３２】
図３は、風力発電装置１０２の出力特性を示すグラフ図である。
図３を参照して、一般的に、風力発電装置は、ある値以上の電流を出力させると、出力電圧が急激に低下する。すなわち、一般的に、回転機を有する風力発電機は、たとえば風が弱まって発電電力が低下すると、発電電圧も低下する。また、一般的な電源装置、たとえばインバータ等の変換装置は常に負荷に必要な電力を供給するように動作するため、電源装置の入力電圧すなわち風力発電機の発電電圧が低下すると、さらに電源装置の入力電流すなわち風力発電機の出力電流が増加することになる。このため、風が弱まって発電電力および発電電圧が低下した状態において、図３に示すように風力発電機からある値以上の電流を流そうとすると、風力発電機の出力電流はさらに急激に低下してしまい、電力の供給ができなくなってしまう。
【００３３】
そこで、本発明の実施の形態に係る電力変換装置では、直流電圧制御回路６は、整流回路１の出力電流すなわち風力発電装置１０２の出力電流が電流値ＩＡ未満となるように、直流電圧変換回路２の変換する直流電圧の電圧値を制御する。つまり、直流電圧制御回路６は、風力発電装置１０２の出力電流を制限することにより、過電流による整流回路１の出力電圧の低下を防ぐ。
【００３４】
通常時、すなわち風力発電装置１０２の発電電力の方が負荷１０３の消費電力より大きい場合には、電流検出抵抗Ｒ１を通して流れる電流は、電流制限を行なうべき電流値ＩＡより小さい。したがって、直流電圧制御回路６は電流制限を行なわない、つまり、入力端子Ｔ１およびＴ２間の電圧すなわちコンデンサＣ２の両端電圧を低下させない。
【００３５】
そして、直流電圧制御回路６は、入力端子Ｔ１およびＴ２間の電圧すなわちコンデンサＣ２の両端電圧を、蓄電池３が充電を行なう電圧になるように直流電圧変換回路２を制御する。たとえば、蓄電池３の公称電圧が１８０Ｖである場合、直流電圧制御回路６は、コンデンサＣ２の両端電圧が２０５Ｖになるように直流電圧変換回路２を制御する。より詳細には、昇圧電圧監視回路２２は、コンデンサＣ２の両端電圧Ｖｃを監視して、電圧Ｖｃが２０５Ｖ以下であるか否かをＰＷＭ制御信号生成回路２４へ通知する。ＰＷＭ制御信号生成回路２４は、コンデンサＣ２の両端電圧Ｖｃが２０５Ｖより大きい場合には、ＮチャネルＭＯＳトランジスタＭ１のゲートへ出力する制御信号ＣＯＮＴ５のデューティ比を小さくする。そうすると、所定期間におけるＮチャネルＭＯＳトランジスタＭ１のオン期間が短くなり、コンデンサＣ２の両端電圧Ｖｃが小さくなる。一方、ＰＷＭ制御信号生成回路２４は、コンデンサＣ２の両端電圧Ｖｃが２０５Ｖより小さい場合には、制御信号ＣＯＮＴ５のデューティ比を大きくし、コンデンサＣ２の両端電圧Ｖｃを大きくする。
【００３６】
このとき、直流電圧変換回路２は、蓄電池３を充電しながらインバータ回路４に電力を供給している。すなわち、直流電圧変換回路２の出力電流が、蓄電池３およびインバータ回路４へ流れる。
【００３７】
ここで、蓄電池３の充電時は、直流電圧変換回路２からの直流電流がダイオードＤ２を流れずに抵抗Ｒ２を流れる。充電電流監視回路２３は、抵抗Ｒ２の両端電圧を監視する。充電電流監視回路２３は、抵抗Ｒ２の両端電圧が所定電圧より大きい場合には、過充電であると判断してＰＷＭ制御信号生成回路２４へ通知する。ＰＷＭ制御信号生成回路２４は、充電電流監視回路２３から過充電である旨の通知を受けた場合には、昇圧電圧監視回路２２の監視結果に関わらず、制御信号ＣＯＮＴ５のデューティ比を小さくする。そうすると、所定期間におけるＮチャネルＭＯＳトランジスタＭ１のオン期間が短くなり、コンデンサＣ２の両端電圧Ｖｃが小さくなり、直流電圧変換回路２から蓄電池３への直流電流が小さくなり、過電流が解消する。
【００３８】
一方、電力不足時、すなわち風力発電装置１０２の発電電力が低下して負荷１０３の消費電力より小さくなることにより風力発電装置１０２の発電電圧が低下した場合、あるいは負荷１０３の消費電力が増加することによりインバータ回路４への供給電力が増加した場合には、電流検出抵抗Ｒ１を通して流れる電流が増加し、電流制限を行なうべき電流値ＩＡより大きくなる。
【００３９】
電流検出抵抗Ｒ１を通して流れる電流が電流値ＩＡより大きくなると、直流電圧制御回路６は電流制限を行なう。すなわち、直流電圧制御回路６は、コンデンサＣ２の両端電圧が小さくなるように直流電圧変換回路２を制御する。
【００４０】
そして、コンデンサＣ２の両端電圧が低下してたとえば１８０Ｖ未満となると、蓄電池３は放電し、負荷１０３に供給すべき電力に対する発電電力の不足分をインバータ回路４に供給する。
【００４１】
ここで、コンデンサＣ２の両端電圧をＶｃとし、インバータ回路４の入力電流をＩｉｎｖとし、昇圧回路１２が降圧回路１１から受ける直流電圧をＶｉとし、昇圧回路１２が降圧回路１１から受ける直流電流をＩｉとし、蓄電池３の放電電流をＩｂとすると、以下の式が成立する。
【００４２】
Ｖｃ×Ｉｉｎｖ＝Ｖｉ×Ｉｉ＋Ｖｃ×Ｉｂ・・・（１）
すなわち、発電電力の低下により直流電圧Ｖｉが低下する、あるいは負荷１０３の消費電力の増大によりインバータ回路４への供給電力が増加すると、電流検出抵抗Ｒ１を通して流れる電流すなわち風力発電装置１０２の出力電流が大きくなる。ここで、電流検出抵抗Ｒ１のインバータ回路４側の端子は零電位である。このため、電流検出抵抗Ｒ１の降圧回路１１側の端子電圧は負電圧となる。発電電流監視回路２１は、電流検出抵抗Ｒ１の降圧回路１１側の端子電圧が小さくなり、電流値ＩＡに対応する電圧値以下になると、降圧回路１１の出力電流すなわち整流回路１の出力電流が電流値ＩＡ以上になったと認識してＰＷＭ制御信号生成回路２４へ通知する。
【００４３】
ＰＷＭ制御信号生成回路２４は、発電電流監視回路２１から通知を受けて、制御信号ＣＯＮＴ５のデューティ比を小さくする。そうすると、所定期間におけるＮチャネルＭＯＳトランジスタＭ１のオン期間が短くなり、コンデンサＣ２の両端電圧Ｖｃが小さくなる。
【００４４】
また、蓄電池３は、コンデンサＣ２の両端電圧Ｖｃが小さくなることから、式（１）を満たすように放電電流Ｉｂを大きくする。そうすると、電流検出抵抗Ｒ１を通して流れる電流が電流値ＩＡ未満となる。つまり、蓄電池３は、発電電力の不足分を補う。
【００４５】
図４は、風力発電装置１０２の発電電圧および発電電流と電力変換装置１０１の出力電圧および出力電流とを測定した結果を示す図である。図４は、負荷１０３の負荷抵抗（消費電力）が４００Ｗである場合を示している。ここで、風力発電装置１０２の出力電圧（発電電圧）は三相交流電圧であり、周波数は約４００Ｈｚである。ただし、風力発電装置１０２の出力電圧の周波数は、風力発電装置１０２の発電電圧値に応じて変動する。また、電力変換装置１０１の出力電圧は周波数が６０Ｈｚの単相交流電圧である。
【００４６】
図４を参照して、たとえば風力発電装置１０２の発電電圧が９０Ｖであり、発電電流が２．８６Ａの場合には、発電電力は９０×２．８６×√３≒４４５［Ｗ］となる。この場合、直流電圧変換回路２は、蓄電池３を充電しながらインバータ回路４に電力を供給する。風力発電装置１０２の発電電圧が１０５Ｖ〜２２５Ｖの場合も発電電力が４００Ｗを超えるため、９０Ｖの場合と同様となる。
【００４７】
また、風力発電装置１０２の発電電圧が７５Ｖであり、発電電流が２．６２Ａの場合には、発電電力は７５×２．６２×√３≒３４０［Ｗ］となる。この場合、負荷１０３の消費電力に対して風力発電装置１０２の発電電力が不足するが、蓄電池３が放電することにより、風力発電装置１０２の発電電力の不足分を補う。風力発電装置１０２の発電電圧が０Ｖ〜６０Ｖの場合も発電電力が４００Ｗ未満となるため、７５Ｖの場合と同様となる。
【００４８】
したがって、電力変換装置１０１は、０Ｖ〜２２５Ｖの広範囲の発電電圧において安定して振幅約１００Ｖの交流電圧を生成することができる。
【００４９】
ここで、一般的な電力変換装置の動作可能範囲は、定格入力電圧の±１０％の範囲である。たとえば、一般的な電力変換装置の定格入力電圧が１５０Ｖである場合、所望の出力である振幅１００Ｖの交流電圧を生成できるのは発電電圧が１３５Ｖ〜１６５Ｖの範囲にある場合のみである。一方、本発明の実施の形態に係る電力変換装置では、風力発電装置１０２の発電電圧が４５Ｖ〜２２５Ｖの範囲において１．５２Ａ以上の発電電流が風力発電装置１０２から電力変換装置１０１へ供給されている。すなわち、本発明の実施の形態に係る電力変換装置では、広範囲の発電電圧において自然エネルギーを有効利用することができる。
【００５０】
ところで、特許文献１−２記載の発電装置では、発電電力が不足して発電装置の出力電圧が低下しすぎると発電装置から負荷へまったく電力が供給されなくなってしまう。また、特許文献３記載の発電装置では、風が弱くなっても発電電力を負荷へ供給し続けることが可能であるが、発電機の同期動作および非同期動作を切り替える構成等が必要となるため、発電装置の構成が複雑化してしまう。
【００５１】
しかしながら、本発明の実施の形態に係る電力変換装置では、直流電圧制御回路６は、風力発電装置１０２の出力電流が所定値未満となるように、かつインバータ回路４の入力電圧すなわち入力端子Ｔ１およびＴ２間の電圧が第１の所定電圧値となるように、直流電圧変換回路２の変換する直流電圧の電圧値を制御する。蓄電池３は、インバータ回路４の入力電圧が第１の所定電圧値より小さい第２の所定電圧値未満の場合には直流電圧を出力し、インバータ回路４の入力電圧が第２の所定電圧値以上の場合には直流電圧変換回路２の出力電流に基づいて充電を行なう。
【００５２】
このような構成により、風力発電装置の発電電力が低下して風力発電装置の発電電力が不足しても、あるいは負荷の消費電力が増加して風力発電装置の発電電力が不足しても、インバータ回路を介して負荷に発電電力を供給し続けることができるとともに、発電機の同期動作および非同期動作を切り替える構成を備えない簡易な構成とすることができる。したがって、本発明の実施の形態に係る電力変換装置では、簡易な構成で風力等の変動に適切に対応して自然エネルギーを有効利用することができる。
【００５３】
また、本発明の実施の形態に係る電力変換装置では、降圧回路１１は、整流回路１から受けた直流電圧が所定電圧値より大きい場合には、整流回路から受けた直流電圧を降圧して所定電圧値以下の直流電圧を生成する。昇圧回路１２は、降圧回路１１から受けた直流電圧が所定電圧値以下である場合には、降圧回路１１から受けた直流電圧を昇圧して所定電圧値以上の直流電圧を生成する。このような構成により、前述のように一般的な電力変換装置と比べてより広範囲の発電電圧において安定して所定の交流電圧を生成することができる。本発明は、発電電力が気象条件等によって大きく変動する風力等、自然エネルギーによって発電された電力を変換する場合に特に有効である。
【００５４】
なお、本発明の実施の形態に係る電力変換装置は蓄電池３を備える構成であるとしたが、これに限定するものではない。蓄電池に限らず、充放電可能な電池として用いることが可能なデバイスであればよい。たとえば、電力変換装置が蓄電池の代わりに大容量のコンデンサ等の素子を備える構成であってもよい。
【００５５】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】本発明の実施の形態に係る電力変換システムの構成を示す回路図である。
【図２】本発明の実施の形態に係る電力変換装置の構成を示す回路図である。
【図３】風力発電装置の出力特性を示すグラフ図である。
【図４】風力発電装置１０２の発電電圧および発電電流と電力変換装置１０１の出力電圧および出力電流とを測定した結果を示す図である。
【符号の説明】
【００５７】
１ 整流回路、２ 直流電圧変換回路、３ 蓄電池、４ インバータ回路、５ ローパスフィルタ、６ 直流電圧制御回路、７ インバータ制御回路、１１ 降圧回路、１２ 昇圧回路、２１ 発電電流監視回路、２２ 昇圧電圧監視回路、２３ 充電電流監視回路、２４ ＰＷＭ制御信号生成回路、１０１ 電力変換装置、１０２ 風力発電装置、１０３ 、２０１ 電力変換システム、Ｃ１ コンデンサ（第１のコンデンサ）、Ｃ２ コンデンサ（第２のコンデンサ）、Ｃ３ コンデンサ、Ｌ１，Ｌ２ コイル、Ｒ１，Ｒ２ 抵抗、Ｄ１，Ｄ２ ダイオード、Ｔ１，Ｔ２ 入力端子、Ｍ１ ＮチャネルＭＯＳトランジスタ（スイッチ素子）、Ｍ１１〜Ｍ１４ ＮチャネルＭＯＳトランジスタ、ＴＲ１ トランス。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
自然エネルギーによって回転する回転機を有し、前記回転機の回転に基づいて電力を発生する発電装置が外部に配置され、前記発電装置からの電力を変換して負荷に供給する、自然エネルギーによって発電された電力の変換装置であって、
前記発電装置から受けた交流電圧を第１の直流電圧に変換する整流回路と、
前記整流回路から受けた第１の直流電圧を第２の直流電圧に変換する直流電圧変換回路と、
第３の直流電圧の出力および充電を行なう電池と、
前記第２の直流電圧および前記第３の直流電圧を受けるための共通の入力端子を有し、前記入力端子において受けた直流電圧に基づいて前記負荷に供給すべき交流電圧を生成するインバータ回路と、
前記整流回路の出力電流が所定値未満となるように、かつ前記入力端子の電圧が第１の所定電圧値以下となるように、前記直流電圧変換回路の変換する前記第２の直流電圧の電圧値を制御する制御回路とを備え、
前記電池は、前記入力端子の電圧が前記第１の所定電圧値より小さい第２の所定電圧値未満の場合には前記第３の直流電圧を出力し、前記入力端子の電圧が前記第２の所定電圧値以上の場合には前記直流電圧変換回路の出力電流に基づいて充電を行なう、自然エネルギーによって発電された電力の変換装置。
【請求項２】
前記直流電圧変換回路は、スイッチ素子を含み、前記整流回路から受けた前記第１の直流電圧を前記スイッチ素子でスイッチングすることにより前記第２の直流電圧に変換し、
前記制御回路は、前記整流回路の出力電流が所定値未満となるように、かつ前記入力端子の電圧が第１の所定電圧値以下となるように前記スイッチ素子のスイッチングを制御する請求項１記載の自然エネルギーによって発電された電力の変換装置。
【請求項３】
前記直流電圧変換回路は、
前記整流回路から受けた前記第１の直流電圧が所定電圧値より大きい場合には、前記整流回路から受けた前記第１の直流電圧を降圧して前記所定電圧値以下の直流電圧を生成する降圧回路と、
前記降圧回路から受けた直流電圧を昇圧して前記第２の直流電圧を生成する昇圧回路とを含む請求項１記載の自然エネルギーによって発電された電力の変換装置。
【請求項４】
前記直流電圧変換回路は、
第１端において前記第１の直流電圧を受けるコイルと、
第１端が前記コイルの第１端に結合される第１のコンデンサと、
第１端が前記コイルの第２端に結合されるスイッチ素子と、
アノードが前記スイッチ素子の第１端に結合されるダイオードと、
第１端が前記ダイオードのカソードおよび前記入力端子に結合され、第２端が前記スイッチ素子の第２端に結合される第２のコンデンサと、
第１端が前記スイッチ素子の第２端と前記第２のコンデンサの第２端とに結合され、第２端が前記第１のコンデンサの第２端に結合される電流検出抵抗とを含み、
前記制御回路は、前記電流検出抵抗の第２端における電圧に基づいて前記整流回路の出力電流を検出し、前記整流回路の出力電流が所定値未満となるように、かつ前記入力端子の電圧が第１の所定電圧値以下となるように前記スイッチ素子のスイッチングを制御する請求項１記載の自然エネルギーによって発電された電力の変換装置。
【請求項１】
自然エネルギーによって回転する回転機を有し、前記回転機の回転に基づいて電力を発生する発電装置が外部に配置され、前記発電装置からの電力を変換して負荷に供給する、自然エネルギーによって発電された電力の変換装置であって、
前記発電装置から受けた交流電圧を第１の直流電圧に変換する整流回路と、
前記整流回路から受けた第１の直流電圧を第２の直流電圧に変換する直流電圧変換回路と、
第３の直流電圧の出力および充電を行なう電池と、
前記第２の直流電圧および前記第３の直流電圧を受けるための共通の入力端子を有し、前記入力端子において受けた直流電圧に基づいて前記負荷に供給すべき交流電圧を生成するインバータ回路と、
前記整流回路の出力電流が所定値未満となるように、かつ前記入力端子の電圧が第１の所定電圧値以下となるように、前記直流電圧変換回路の変換する前記第２の直流電圧の電圧値を制御する制御回路とを備え、
前記電池は、前記入力端子の電圧が前記第１の所定電圧値より小さい第２の所定電圧値未満の場合には前記第３の直流電圧を出力し、前記入力端子の電圧が前記第２の所定電圧値以上の場合には前記直流電圧変換回路の出力電流に基づいて充電を行なう、自然エネルギーによって発電された電力の変換装置。
【請求項２】
前記直流電圧変換回路は、スイッチ素子を含み、前記整流回路から受けた前記第１の直流電圧を前記スイッチ素子でスイッチングすることにより前記第２の直流電圧に変換し、
前記制御回路は、前記整流回路の出力電流が所定値未満となるように、かつ前記入力端子の電圧が第１の所定電圧値以下となるように前記スイッチ素子のスイッチングを制御する請求項１記載の自然エネルギーによって発電された電力の変換装置。
【請求項３】
前記直流電圧変換回路は、
前記整流回路から受けた前記第１の直流電圧が所定電圧値より大きい場合には、前記整流回路から受けた前記第１の直流電圧を降圧して前記所定電圧値以下の直流電圧を生成する降圧回路と、
前記降圧回路から受けた直流電圧を昇圧して前記第２の直流電圧を生成する昇圧回路とを含む請求項１記載の自然エネルギーによって発電された電力の変換装置。
【請求項４】
前記直流電圧変換回路は、
第１端において前記第１の直流電圧を受けるコイルと、
第１端が前記コイルの第１端に結合される第１のコンデンサと、
第１端が前記コイルの第２端に結合されるスイッチ素子と、
アノードが前記スイッチ素子の第１端に結合されるダイオードと、
第１端が前記ダイオードのカソードおよび前記入力端子に結合され、第２端が前記スイッチ素子の第２端に結合される第２のコンデンサと、
第１端が前記スイッチ素子の第２端と前記第２のコンデンサの第２端とに結合され、第２端が前記第１のコンデンサの第２端に結合される電流検出抵抗とを含み、
前記制御回路は、前記電流検出抵抗の第２端における電圧に基づいて前記整流回路の出力電流を検出し、前記整流回路の出力電流が所定値未満となるように、かつ前記入力端子の電圧が第１の所定電圧値以下となるように前記スイッチ素子のスイッチングを制御する請求項１記載の自然エネルギーによって発電された電力の変換装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２００８−１９１７８０（Ｐ２００８−１９１７８０Ａ）
【公開日】平成２０年８月２１日（２００８．８．２１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−２３３５２（Ｐ２００７−２３３５２）
【出願日】平成１９年２月１日（２００７．２．１）
【出願人】（５９４１２６２１８）株式会社松永製作所 (1)
【出願人】（５０４３６８４１３）オーハツ株式会社 (7)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年８月２１日（２００８．８．２１）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年２月１日（２００７．２．１）
【出願人】（５９４１２６２１８）株式会社松永製作所 (1)
【出願人】（５０４３６８４１３）オーハツ株式会社 (7)
【Ｆターム（参考）】
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