パワエレ51【電験3種 機械】太陽光発電用パワーコンディショナの構成に関する正誤問題！令和6年下期 A問題10 完全解説

今回は令和6年度下期 機械科目 A問題10を解説します。図に示す太陽光発電用パワーコンディショナの構成に関する記述の誤りを見つける問題です。

パワーコンディショナは昇圧チョッパとインバータを組み合わせて太陽電池の直流電圧を交流電圧に変換制御する機器です。記述中の「降圧チョッパ」は誤りで、正しくは昇圧チョッパです。

令和6年度下期 機械科目 A問題10：問題文と選択肢

まずは、実際の試験問題を確認してみましょう。

出典：一般財団法人 電気技術者試験センター「令和6年度下期 第三種電気主任技術者試験」機械科目 A問題10

電験3種 機械科目 【パワーエレクトロニクス】 令和6年度下期 A問題10

　図に示す太陽光発電用パワーコンディショナに関する記述として，誤っているものを次の(1)〜(5)のうちから一つ選べ。

（1）パワーコンディショナは降圧チョッパとインバータを組み合わせて太陽電池の直流電圧を交流電圧に変換制御する機器である。
（2）太陽電池の出力は，日射や温度などの環境からの影響を大きく受けるため，その時々の条件で最大電力を出力できるように最大電力点追従制御（MPPT）が行われる。
（3）チョッパの出力電圧はチョッパとインバータ間に設置されたキャパシタによって平滑され，キャパシタ容量が大きいほどチョッパの出力電圧リプルは小さくなる。
（4）パワーコンディショナのインバータでは，高調波抑制用のフィルタが接続され，PWM制御により電力系統への高調波流出を少なくする。
（5）パワーコンディショナの出力を電力系統と接続するためには系統連系保護装置が必要で，系統側やパワーコンディショナ内に異常が起きた際に，パワーコンディショナの出力を遮断する。

出題のポイント：太陽電池の電圧は低いので昇圧する

(1)の「降圧チョッパ」が誤りです。太陽光発電用パワーコンディショナには昇圧チョッパが使われます——太陽電池の出力電圧が、系統に接続するには低すぎるからです。

	電圧の目安	なぜその電圧か
太陽電池（1セル）	約0.5 V	シリコンのpn接合の性質で決まる
太陽電池アレイ（直列接続後）	200〜400 V 程度	セルを何十枚も直列にした結果
単相200 V 系統に必要な直流電圧	約283 V 以上（ピーク値）	インバータは直流電圧より高い交流は作れない

インバータは、直流電圧を「切り刻んで」交流を作る装置です。元の直流電圧より高い交流電圧は作れません——だから直流側は、交流のピーク値より高くしておく必要があります。

日射が弱いときや温度が高いときは、太陽電池の電圧がさらに下がります。そんな条件でも系統に電力を送れるように、昇圧チョッパで持ち上げる——これがパワーコンディショナの基本構成です。

パワーコンディショナの構成をたどる

段	機器	役割
①	昇圧チョッパ	太陽電池の直流電圧を、インバータが必要とする電圧まで持ち上げる
②	直流リンクコンデンサ	チョッパ出力を平滑し、インバータへ安定した直流を供給する
③	PWMインバータ	直流を系統と同じ周波数・位相の交流に変換する
④	フィルタ	PWMで生じる高調波を除去し、系統への流出を抑える
⑤	系統連系保護装置	異常時に出力を遮断する

(2)〜(5)は、この構成の各段を説明したもので、いずれも正しい記述です。誤っているのは、最初の段を「降圧」としている(1)だけ——1語の書き換えで誤りを作る、典型的な論説問題です。

MPPT制御が必要な理由

太陽電池の出力は、電圧と電流の関係が日射や温度で刻々と変わります。電力＝電圧×電流が最大になる動作点（最大電力点）も、そのたびに移動する——だから常に追いかける制御が要ります。

それがMPPT（Maximum Power Point Tracking）制御です。チョッパの通流率を少しずつ変えながら、電力が増える方向へ動かし続ける——山登り法（Perturb and Observe）と呼ばれる手法が一般的です。

日射が変われば最大電力点も動くので、MPPTは一度合わせて終わりではなく、常時動き続けています。この制御があるかないかで、年間の発電量が数％から十数％変わる——だから必須の機能とされています。

単独運転検出という、もう一つの重要機能

(5)の系統連系保護装置には、単独運転検出という重要な機能があります。系統側が停電しているのに、太陽光発電だけが運転を続けてしまう状態——これが単独運転です。

作業員が停電したはずの線路に触れて感電する危険があり、また系統復旧時に位相がずれた状態で接続されると機器が破損します——だから確実に検出して遮断しなければなりません。

検出方式	仕組み
受動的方式	電圧・周波数・位相の変化を監視する。単純だが検出に時間がかかる
能動的方式	わざと微小な擾乱（無効電力変動など）を与え、系統がなければ現れる反応を検出する

実際のパワーコンディショナは、両方を組み合わせて確実性を高めています。系統連系保護は、太陽光発電が普及するうえで欠かせない技術——電験でも繰り返し問われるテーマです。

太陽電池のI-V特性と最大電力点

MPPT制御を理解するには、太陽電池の電流-電圧特性（I-V特性）を知る必要があります。普通の電源とはまったく違う、独特な形をしています。

動作点	電圧	電流	電力
短絡（V＝0）	0	短絡電流 Isc（最大）	0
最大電力点	開放電圧の8割程度	短絡電流の9割程度	★最大
開放（I＝0）	開放電圧 Voc（最大）	0	0

短絡しても開放しても電力は0——その中間のどこかに、電圧×電流が最大になる点があります。それが最大電力点です。

太陽電池は「定電流源に近い」性質を持ちます。電圧を下げていっても電流はほとんど変わらず、開放電圧の近くで急に落ちる——だからI-V曲線は角ばった形になります。

日射と温度で最大電力点が動く

条件の変化	短絡電流	開放電圧	最大電力
日射が強くなる	ほぼ比例して増える	わずかに増える	増える
温度が上がる	わずかに増える	★減る（影響が大きい）	減る

日射は電流に効き、温度は電圧に効く——これが太陽電池の特性の基本です。夏場に日射が強くても、パネルが熱くなると出力が伸びないのは温度の影響です。

おおよそ「1 ℃上がると出力が0.4〜0.5 %下がる」とされます。だから最大電力点は、日射と温度の両方で刻々と動く——常に追いかける制御（MPPT）が必要になるわけです。

本問の(2)が「日射や温度などの環境からの影響を大きく受けるため」と書いているのは、まさにこの特性のこと。MPPTがなければ、最大電力の何割かを取り逃がしてしまうのです。

まとめ

誤りの記述	(1) 降圧チョッパとする記述
正しくは	昇圧チョッパ
答え	(1)

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