特許 6775455 分散電源用発電装置の整流回路

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6775455

(24)【登録日】2020年10月8日

(45)【発行日】2020年10月28日

(54)【発明の名称】分散電源用発電装置の整流回路

(51)【国際特許分類】

   H02M 7/06 20060101AFI20201019BHJP

   H02P 9/48 20060101ALI20201019BHJP

【ＦＩ】

   H02M7/06 A

   H02M7/06 M

   H02M7/06 E

   H02P9/48 A

【請求項の数】2

【全頁数】9

(21)【出願番号】特願2017-59830(P2017-59830)

(22)【出願日】2017年3月24日

(65)【公開番号】特開2018-164348(P2018-164348A)

(43)【公開日】2018年10月18日

【審査請求日】2019年12月12日

(73)【特許権者】

【識別番号】000003115

【氏名又は名称】東洋電機製造株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100147485

【弁理士】

【氏名又は名称】杉村 憲司

(74)【代理人】

【識別番号】230118913

【弁護士】

【氏名又は名称】杉村 光嗣

(74)【代理人】

【識別番号】100161148

【弁理士】

【氏名又は名称】福尾 誠

(74)【代理人】

【識別番号】100180655

【弁理士】

【氏名又は名称】鈴木 俊樹

(72)【発明者】

【氏名】松田 真一

(72)【発明者】

【氏名】窪田 真二

(72)【発明者】

【氏名】塩田 剛

【審査官】 柳下 勝幸

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１３−０２１８４９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１４−１４７１５４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１３−０３１３１３（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０２Ｍ ７／０６

Ｈ０２Ｐ ９／４８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

風車または水車によって駆動される永久磁石型発電機からの交流電力を直流電力に変換して出力する分散電源用発電装置の整流回路であって、
前記永久磁石型発電機に接続される第１の整流器と、
前記永久磁石型発電機に一端が接続される第１のコンデンサと、
第２のコンデンサを介して前記第１のコンデンサの他端と接続される第２の整流器と、
前記第１のコンデンサの他端と接続される第３の整流器と、
第３のコンデンサを介して前記第１のコンデンサの他端と接続される第４の整流器と、を備え、
前記第１の整流器に並列に、前記第２の整流器と、前記第３の整流器と、前記第４の整流器と、が直列に接続されて直流電力を出力する、分散電源用発電装置の整流回路。

【請求項2】

前記第１の整流器、前記第２の整流器、前記第３の整流器および前記第４の整流器は、それぞれ、三組のダイオードを備える三相全波整流回路である、請求項１に記載の分散電源用発電装置の整流回路。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は分散電源用発電装置の整流回路に関する。

【背景技術】

【0002】

分散電源用発電装置の整流回路は、例えばコンデンサ、リアクトルおよび整流器で構成される。

【0003】

例えば、特許文献１には従来の分散電源用発電装置の整流回路の一例が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０１３−２１８４９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

例えば、特許文献１の整流回路は、２倍昇圧回路を備えることによって、発電機の回転数がある程度低い場合にも電力を出力できる。しかし、発電機電圧がパワーコンディショナの動作電圧以下、直流電源の電圧以下においても電力を出力できる整流回路が求められていた。

【0006】

かかる事情に鑑みてなされた本発明の目的は、発電機の回転数が低い場合においても電力を出力できる分散電源用発電装置の整流回路を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0007】

前記課題を解決するため、本発明の実施形態に係る分散電源用発電装置の整流回路は、風車または水車によって駆動される永久磁石型発電機からの交流電力を直流電力に変換して出力する分散電源用発電装置の整流回路であって、前記永久磁石型発電機に接続される第１の整流器と、前記永久磁石型発電機に一端が接続される第１のコンデンサと、第２のコンデンサを介して前記第１のコンデンサの他端と接続される第２の整流器と、前記第１のコンデンサの他端と接続される第３の整流器と、第３のコンデンサを介して前記第１のコンデンサの他端と接続される第４の整流器と、を備え、前記第１の整流器に並列に、前記第２の整流器と、前記第３の整流器と、前記第４の整流器と、が直列に接続されて直流電力を出力する。

【0008】

また、本発明の実施形態に係る分散電源用発電装置の整流回路は、前記第１の整流器、前記第２の整流器、前記第３の整流器および前記第４の整流器が、それぞれ、三組のダイオードを備える三相全波整流回路であってもよい。

【発明の効果】

【0009】

本発明の実施形態によれば、発電機の回転数が低い場合においても電力を出力できる分散電源用発電装置の整流回路を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】本発明の一実施形態に係る分散電源用発電装置の整流回路を例示する図である。

【図2】本発明の一実施形態における３倍昇圧回路を説明する図である。

【図3】本発明の一実施形態における３倍昇圧回路を説明する図である。

【図4】本発明の一実施形態における３倍昇圧回路を説明する図である。

【図5】本発明の一実施形態に係る分散電源用発電装置の整流回路の近似出力特性を示す図である。

【図6】比較例の分散電源用発電装置の整流回路を例示する図である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

以下、本発明の実施形態について、図を参照して説明する。

【0012】

（整流回路の構成）
図１は本実施形態に係る分散電源用発電装置の整流回路１０の図である。

【0013】

整流回路１０は、永久磁石型発電機２とともに分散電源用発電装置を構成する。本実施形態において、永久磁石型発電機２は風車１によって駆動されて交流電力を出力する。分散電源用発電装置は、永久磁石型発電機２からの交流電力を直流電力に変換して出力する。本実施形態において、分散電源用発電装置の整流回路１０から出力された直流電力によって直流電源５が充電される。直流電源５は例えばリチウムイオン電池のような二次電池であってもよい。また、別の実施形態として、風車１に代えて水車が用いられてもよい。

【0014】

整流回路１０は、第１の整流器３７と、第２の整流器３４と、第３の整流器３５と、第４の整流器３６と、第１のコンデンサ３１と、第２のコンデンサ３２と、第３のコンデンサ３３と、を備える。詳細については後述するが、整流回路１０の３倍昇圧回路３０は、第２の整流器３４と、第３の整流器３５と、第４の整流器３６と、第２のコンデンサ３２と、第３のコンデンサ３３と、で構成される。

【0015】

第１の整流器３７は永久磁石型発電機２に接続される。より具体的には、第１の整流器３７は永久磁石型発電機２の交流電力の出力端子（交流出力端子）に接続される。また、第１の整流器３７は、永久磁石型発電機２からの交流電力を変換した直流電力を出力して、直流電源５に供給する。本実施形態において、第１の整流器３７は、後述する第２の整流器３４、第３の整流器３５および第４の整流器３６と同様に、三組（６つ）のダイオードを備える三相全波整流回路である。第１の整流器３７における各組の上段側のダイオードと下段側のダイオードとの接続点が、永久磁石型発電機２に接続される。

【0016】

第１のコンデンサ３１は永久磁石型発電機２に接続される。より具体的には、第１のコンデンサ３１は永久磁石型発電機２の交流電力の出力端子（交流出力端子）に一端が接続される。第１のコンデンサ３１の他端は３倍昇圧回路３０と接続される。第１のコンデンサ３１は交流電力を伝送する。つまり、永久磁石型発電機２からの交流電力は、第１のコンデンサ３１を介して３倍昇圧回路３０に供給される。

【0017】

第２のコンデンサ３２は３倍昇圧回路３０における上段側の昇圧コンデンサである。第２のコンデンサ３２の一端は、第１のコンデンサ３１の他端（永久磁石型発電機２に接続されていない方の端子）と接続される。また、第２のコンデンサ３２の他端（第１のコンデンサ３１に接続されていない方の端子）は、第２の整流器３４と接続される。

【0018】

第３のコンデンサ３３は３倍昇圧回路３０における下段側の昇圧コンデンサである。第３のコンデンサ３３の一端は、第１のコンデンサ３１の他端と接続される。また、第３のコンデンサ３３の他端（第１のコンデンサ３１に接続されていない方の端子）は、第４の整流器３６と接続される。

【0019】

第２の整流器３４は、第２のコンデンサ３２を介して第１のコンデンサ３１の他端と接続される。本実施形態において、第２の整流器３４は、三組（６つ）のダイオードを備える三相全波整流回路である。第２の整流器３４における各組の上段側のダイオードと下段側のダイオードとの接続点が、第２のコンデンサ３２の他端と接続される。また、第２の整流器３４の高電位側のノードは、第１の整流器３７の高電位側のノードおよび直流電源５の高電位側の端子と接続される。また、第２の整流器３４の低電位側のノードは、第３の整流器３５の高電位側のノードと接続される。つまり、第２の整流器３４は第３の整流器３５と直列に接続される。

【0020】

第３の整流器３５は第１のコンデンサ３１の他端と接続される。本実施形態において、第３の整流器３５は、三組（６つ）のダイオードを備える三相全波整流回路である。第３の整流器３５における各組の上段側のダイオードと下段側のダイオードとの接続点が、第１のコンデンサ３１の他端と接続される。また、上記のように、第３の整流器３５の高電位側のノードは、第２の整流器３４の低電位側のノードと接続される。また、第３の整流器３５の低電位側のノードは、第４の整流器３６の高電位側のノードと接続される。つまり、第３の整流器３５は第４の整流器３６と直列に接続される。

【0021】

第４の整流器３６は、第３のコンデンサ３３を介して第１のコンデンサ３１の他端と接続される。本実施形態において、第４の整流器３６は、三組（６つ）のダイオードを備える三相全波整流回路である。第４の整流器３６における各組の上段側のダイオードと下段側のダイオードとの接続点が、第３のコンデンサ３３の他端と接続される。また、上記のように、第４の整流器３６の高電位側のノードは、第３の整流器３５の低電位側のノードと接続される。また、第４の整流器３６の低電位側のノードは、第１の整流器３７の低電位側のノードおよび直流電源５の低電位側の端子と接続される。

【0022】

上記のように、第２の整流器３４、第３の整流器３５および第４の整流器３６は直列に接続される。また、直列に接続された第２の整流器３４、第３の整流器３５および第４の整流器３６は、直流電源５に直流電力を出力する。図１に示すように、直列に接続された第２の整流器３４、第３の整流器３５および第４の整流器３６は、第１の整流器３７に並列に設けられる。

【0023】

ここで、３倍昇圧回路３０は、第２の整流器３４と、第３の整流器３５と、第４の整流器３６と、第２のコンデンサ３２と、第３のコンデンサ３３と、で構成される。３倍昇圧回路３０の端部における第２の整流器３４の高電位側のノードの出力をＰ端子ともいう。また、３倍昇圧回路３０の端部における第４の整流器３６の低電位側のノードの出力をＮ端子ともいう。また、本実施形態において、３倍昇圧回路３０は第１のコンデンサ３１を介して永久磁石型発電機２からの三相交流電力を受け取る。三相交流電力の各相をそれぞれＲ相、Ｓ相またはＴ相とする。

【0024】

上記のように、本実施形態において、３倍昇圧回路３０のＰ端子は、第１の整流器３７の高電位側のノードおよび直流電源５の高電位側の端子と接続される。また、３倍昇圧回路３０のＮ端子は、第１の整流器３７の低電位側のノードおよび直流電源５の低電位側の端子と接続される。第１の整流器３７および３倍昇圧回路３０の合計出力が直流電源５に供給される。

【0025】

（３倍昇圧回路）
図２、図３および図４は３倍昇圧回路３０の回路図である。図２、図３および図４を参照しながら、第２のコンデンサ３２、第３のコンデンサ３３および直流電源５の充電について説明する。図２、図３および図４において点線の矢印は電流を示す。また、第２の整流器３４、第３の整流器３５および第４の整流器３６はそれぞれ三組のダイオードを備える三相全波整流回路である。また、第２のコンデンサ３２および第３のコンデンサ３３は、それぞれＲ相、Ｓ相およびＴ相の電流経路に設けられた３つのコンデンサで構成されている。また、図２および図３は、Ｐ端子とＮ端子の間の電圧が直流電源５の電圧以下である場合の電流経路を例示する。また、図４はＰ端子とＮ端子の間の電圧が直流電源５の電圧を超えた場合の電流経路を例示する。

【0026】

図２は、Ｒ相の第２のコンデンサ３２（上段側の昇圧コンデンサ）が充電される様子を示す。図２に示すように、第３の整流器３５の他の相（Ｓ相、Ｔ相のいずれか）の電流が、第２の整流器３４のＲ相を通って、Ｒ相の第２のコンデンサ３２を充電する。つまり、ある１つの相の第２のコンデンサ３２は、第３の整流器３５の他の２つの相を流れる電流によって充電される。図２はＲ相の例を示しているが、Ｓ相の第２のコンデンサ３２およびＴ相の第２のコンデンサ３２も同様に充電される。

【0027】

図３は、Ｒ相の第３のコンデンサ３３（下段側の昇圧コンデンサ）が充電される様子を示す。図３に示すように、第４の整流器３６のＲ相を通って、第３の整流器３５の他の２つの相（Ｓ相およびＴ相）を永久磁石型発電機２側に流れる電流によって、Ｒ相の第３のコンデンサ３３が充電される。つまり、ある１つの相の第３のコンデンサ３３は、第３の整流器３５の他の２つの相を図２とは逆方向に流れる電流によって充電される。図３はＲ相の例を示しているが、Ｓ相の第３のコンデンサ３３およびＴ相の第３のコンデンサ３３も同様に充電される。

【0028】

上記のように、Ｐ端子とＮ端子の間の電圧が直流電源５の電圧以下である場合に、図２および図３を参照して説明したように、第２のコンデンサ３２および第３のコンデンサ３３が充電される。Ｐ端子とＮ端子の間には、永久磁石型発電機２の出力電圧に基づく３倍の直流電圧が生じる。

【0029】

ここで、３倍昇圧回路３０とは言えＰ端子とＮ端子を経て電流が流れるために、発電機電圧の３倍がＰ端子、Ｎ端子に印加される訳ではなく、各コンデンサの平均充電電圧は端子Ｐ端子、Ｎ端子間電圧の１／３に直流充電される。負荷電流が流れないピーク充電となるのであれば、Ｐ端子、Ｎ端子間のピーク電圧は発電機電圧×３×√２となる。ここで、発電機電圧は、正弦波の場合、実効値である。

【0030】

図４は、Ｐ端子とＮ端子の間の電圧が直流電源５の電圧を超えた場合であって、直流電源５が充電される様子を示す。電流は、Ｒ相の第２のコンデンサ３２および第２の整流器３４を流れて、Ｐ端子とＮ端子に接続された直流電源５を通り、第４の整流器３６および第３のコンデンサ３３のＳ相またはＴ相を流れる。つまり、電流は、Ｒ相、Ｓ相、Ｔ相のうち最大電圧相から出て最小電圧相に流れ込む。このとき、直流電源５が充電されて、第３の整流器３５に電流は流れない。

【0031】

（出力特性）
図５は、本実施形態に係る分散電源用発電装置の整流回路１０の近似出力特性を示す図である。分散電源用発電装置は、風速に応じて風車１の回転数を調整して、風車１に接続された永久磁石型発電機２から概略の最大出力を取り出すことが求められる。図５に示すように、風車１の最大出力曲線Ｐｔは一般に風車回転数の３乗に比例する。ここで、最大出力曲線Ｐｔは、各風速における出力のピークをつないだものである。

【0032】

本実施形態において、分散電源用発電装置が使用されるシステムで次のような設計（調整）を行う。まず、風車１の定格風車回転数Ｎｒに対して、Ｎｒを超えない（一例としてＮｒの２／３程度の）風車回転数であるＮ１を定める。そして、Ｎ１において、永久磁石型発電機２の誘起電圧が直流電源５の直流電圧よりも高くなるように調整を行う。Ｎ１は第１の整流器３７によって、直流電源５の充電が開始される風車回転数である。図５に示すように、風車回転数がＮ１以上になると、第１の整流器３７によって、出力特性Ｐ１に従う出力が得られる。

【0033】

ここで、本実施形態に係る分散電源用発電装置の整流回路１０は３倍昇圧回路３０を備える。３倍昇圧回路３０の３倍昇圧整流作用によって、Ｎ１の１／３の風車回転数であるＮ２から、出力特性Ｐ２に従う出力が得られる。つまり、Ｎ２は、３倍昇圧回路３０によって直流電源５の充電が開始される風車回転数である。

【0034】

上記のように、本実施形態に係る分散電源用発電装置の整流回路１０では、第１の整流器３７と３倍昇圧回路３０とが並列に接続されている。そのため、本実施形態において、第１の整流器３７および３倍昇圧回路３０の合計出力が直流電源５に供給される。整流回路１０を用いる分散電源用発電装置の出力特性は、図５の太い実線（出力特性Ｐ１および出力特性Ｐ２の合計）のようになる。整流回路１０は、最大出力曲線Ｐｔに近い出力特性（近似出力特性）を有する。

【0035】

（比較例）
ここで、図６を参照して、比較例の分散電源用発電装置の整流回路１０Ａを示しながら、本実施形態の分散電源用発電装置の整流回路１０の効果について説明する。

【0036】

図６は、比較例の分散電源用発電装置の整流回路１０Ａの図である。整流回路１０Ａは、第１の整流器３７と、第２の整流器３４と、第３の整流器３５と、第１のコンデンサ３１と、第２のコンデンサ３２と、を備える。本実施形態に係る分散電源用発電装置の整流回路１０と比較すると、整流回路１０Ａは、第４の整流器３６と、第３のコンデンサ３３と、を備えない。整流回路１０Ａは、３倍昇圧回路３０ではなく、第２の整流器３４と、第３の整流器３５と、第２のコンデンサ３２と、で構成される２倍昇圧回路３０Ａを備える。

【0037】

ここで、図５を参照すると、整流回路１０Ａは、２倍昇圧回路３０Ａによって、Ｎ３から出力特性Ｐ３に従う出力を行う。つまり、図５に示されるＮ３は、２倍昇圧回路３０Ａによって直流電源５の充電が開始される風車回転数である。Ｎ３は、Ｎ１の１／２の風車回転数であって、Ｎ２よりも大きい。

【0038】

本実施形態に係る分散電源用発電装置の整流回路１０は、風車回転数がＮ２以上であれば電力を出力できる。一方、比較例の整流回路１０Ａは、風車回転数がＮ３以上にならないと電力を出力できない。つまり、本実施形態に係る分散電源用発電装置の整流回路１０は、３倍昇圧回路３０を備える上記の構成によって、永久磁石型発電機２の回転数が低い場合においても電力を出力できる。

【0039】

また、図５に示される本実施形態に係る分散電源用発電装置の整流回路１０の近似出力特性は、風車回転数が低い場合に出力特性Ｐ２に従う。そのため、整流回路１０の近似出力特性は、比較例の整流回路１０Ａ（風車回転数が低い場合に出力特性Ｐ３に従う）と比べても、より最大出力曲線Ｐｔに近付いている。つまり、本実施形態に係る分散電源用発電装置の整流回路１０は、風車１の回転数に関わらず、最大の出力を取り出すことが可能である。

【0040】

また、本実施形態に係る分散電源用発電装置の整流回路１０は、例えばＰＷＭコンバータまたはインバータといった制御回路を要することなく風速の変化に対応できる。そのため、分散電源用発電装置の小型化が可能である。

【0041】

本発明を諸図面および実施形態に基づき説明してきたが、当業者であれば本開示に基づき種々の変形および修正を行うことが容易であることに注意されたい。従って、これらの変形および修正は本発明の範囲に含まれることに留意されたい。

【符号の説明】

【0042】

１ 風車
２ 永久磁石型発電機
５ 直流電源
１０，１０Ａ 整流回路
３０ ３倍昇圧回路
３０Ａ ２倍昇圧回路
３１ 第１のコンデンサ
３２ 第２のコンデンサ
３３ 第３のコンデンサ
３４ 第２の整流器
３５ 第３の整流器
３６ 第４の整流器
３７ 第１の整流器

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】