令和6年度第三種電気主任技術者下期試験　機械科目 問100 解説 問10 問10

図に示す回路構成では太陽電池の直後にインダクタとスイッチング素子が配置された昇圧チョッパが採用されているため、パワーコンディショナの機能を降圧チョッパとインバータの組み合わせと説明する選択肢(1)は誤りです。

太陽光発電用パワーコンディショナの回路構成

パワーコンディショナは、太陽電池から得られる不安定な直流電力を、系統と連系可能な安定した交流電力に変換する機器です。一般的な回路構成として、入力段に直流電圧を調整する「チョッパ回路（DC-DCコンバータ）」、出力段に直流を交流に変換する「インバータ回路（DC-ACコンバータ）」を備えています。

太陽光パネルは日射量や温度の変化により出力電圧が大きく変動します。この電圧をインバータで扱いやすい電圧まで引き上げるために、多くのシステムでは「昇圧チョッパ」が用いられます。昇圧チョッパはインダクタにエネルギーを蓄え、スイッチング素子のオン・オフ制御によって入力電圧よりも高い直流電圧を出力します。

最大電力点追従制御（MPPT）と電力変換

太陽電池には、ある特定の電圧・電流の組み合わせで最大電力が得られる「最大電力点」が存在します。環境条件が変化しても常に最大電力を引き出すために、パワーコンディショナはMPPT（Maximum Power Point Tracking）制御を行います。これはチョッパのスイッチング周期やデューティ比を調整し、太陽電池の出力電圧を最適値に保持する機能です。

チョッパ回路とインバータ回路の間には、電圧を安定させるためのキャパシタ（平滑コンデンサ）が接続されます。チョッパのスイッチング動作により生じる電圧の変動成分（リプル）は、このキャパシタの静電容量が大きくなるほど平滑化され、小さくなります。

系統連系と高調波対策

インバータ回路では、スイッチング素子を高速にオン・オフさせるPWM（パルス幅変調）制御が行われます。これにより、直流から正弦波に近い交流電圧を作り出します。ただし、スイッチングに伴う高調波成分が含まれるため、出力段にローパスフィルタ等のフィルタ回路を接続し、電力系統へ流出する高調波を抑制します。

さらに、電力系統と安全に連系するために「系統連系保護装置」が不可欠です。系統の電圧異常や周波数変動、あるいは装置自体の故障を検知した際には、ただちに系統から切り離して事故の拡大を防ぎます。

回路図に基づく判断プロセス

1. 太陽電池の直後に位置するインダクタ、スイッチング素子、ダイオードの接続関係を確認します。入力側にインダクタが直列に配置され、スイッチング素子を経由して昇圧を行う構成であることから、この回路が昇圧チョッパであることを特定します。
2. 選択肢(1)の内容と照らし合わせます。「降圧チョッパ」という記述は、図中の構成とは異なる昇圧動作を示すため、誤りであると判断します。
3. 選択肢(2)から(5)については、太陽光発電システムにおけるMPPTの役割、平滑コンデンサによる電圧リプルの低減、PWM制御とフィルタによる高調波抑制、系統連系保護装置の安全機能という、それぞれの原理や目的と一致していることを確認します。

図の左側から右側へ向かって流れる電力の流れと、各素子のスイッチング動作の様子を重ねてみると、直流が交流へと滑らかに変換されていく仕組みが見えてきます。

参考リンク

• 太陽光発電システムにおけるパワーコンディショナの役割（電気主任技術者試験対策）
• 自作太陽光発電システムで昇圧チョッパを制御してMPPTを実装してみた
• DC-DCコンバータの基礎：昇圧チョッパの動作原理と特性