DE112019006717T5

DE112019006717T5 - Energieversorgungssystem und Verfahren zur Steuerung des Energieversorgungssystems

Info

Publication number: DE112019006717T5
Application number: DE112019006717.6T
Authority: DE
Inventors: Shunsuke KAWACHI; Koji Toba; Daigo Kittaka
Original assignee: Toshiba Corp; Toshiba Energy Systems and Solutions Corp
Current assignee: Toshiba Corp; Toshiba Energy Systems and Solutions Corp
Priority date: 2019-01-23
Filing date: 2019-01-23
Publication date: 2021-10-07
Also published as: US20210384843A1; AU2019423646A1; JPWO2020152808A1; US11349408B2; JP7068507B2; WO2020152808A1

Abstract

Ein Energieversorgungssystem gemäß der vorliegenden Ausführungsform umfasst eine Vielzahl von ersten Leistungswandlern, die so konfiguriert sind, dass diese Strom entsprechend den Dispositionsmerkmalen des einer Last zuzuführenden Stroms liefern, und eine Vielzahl von Steuervorrichtungen, die jeweils so konfiguriert sind, dass diese ein Änderungsverhältnis der Wirkleistung zu einer Ausgangsfrequenz jedes der ersten Leistungswandler mit den Dispositionsmerkmalen verknüpfen und jeden der ersten Leistungswandler auf der Grundlage des Änderungsverhältnisses steuern.

Description

Gebiet
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beziehen sich auf ein Energieversorgungssystem und ein Verfahren zur Steuerung eines Energieversorgungssystems.
Stand der Technik
In den letzten Jahren wurde die Einführung einer Energieversorgung aus erneuerbaren Energien in einem kleinen Stromsystem (einem netzunabhängigen System), wie beispielsweise auf isolierten Inseln, gefördert. Die Energieversorgung aus erneuerbaren Energien, wie beispielsweise Solarstrom- und Windenergieerzeugung, wird über einen Leistungswandler (einen Wechselrichter) mit Hilfe von Leistungselektronik an ein Wechselstromsystem angeschlossen. Eine solche Energieversorgung wird als „Inverter-basierte Energieversorgung“ bezeichnet. Außerdem ist ein System zur Unterdrückung von Leistungsschwankungen der erneuerbaren Energie, wie beispielsweise ein Akkumulator, in der Inverter-basierten Energieversorgung umfasst.
Um ein solches Energieversorgungssystem stabil zu betreiben, ist eine Steuerung zur Festlegung einer Spannung und einer Frequenz des Energieversorgungssystems erforderlich, während die Zuordnung der Leistung einer Vielzahl von Energieversorgungen auf Wechselrichterbasis beibehalten wird. Als eine solche Steuerung ist die Steuerung zur Bereitstellung einer abfallenden (dropping) Charakteristik zwischen der Wirkleistung und einer Spannungsfrequenz jeder auf Wechselrichter basierenden Energieversorgung, die in einem Spannungsquellenmodus betrieben wird, bekannt. Die Steuerung der Leistungsverteilung wird auf der Grundlage der abfallenden Charakteristik zwischen der Wirkleistung und der Spannungsfrequenz ausgeführt, indem die abfallenden Charakteristiken der Inverter-basierten Energieversorgungen integriert werden. Wenn jedoch jede Inverter-basierte Energieversorgung zwischen Knoten mit unterschiedlichen Impedanzeigenschaften angeschlossen ist, wird ein Gleichgewicht zwischen der Energieversorgung zwischen Knoten und den integrierten abfallenden Eigenschaften zwischen der Wirkleistung und der Spannungsfrequenz gestört.
Literaturliste
Patentliteratur

Patentliteratur 1: Japanisches Patent Nr. 3543068
Patentliteratur 2: Japanisches Patent Nr. 4713996
Patentliteratur 3: Japanisches Patent Nr. 5596086

Zusammenfassung
Technisches Problem
Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein Energieversorgungssystem bereitzustellen, das eine Spannung und eine Frequenz des Systems festlegen kann, während die Zuordnung des Ausgangs von Energieversorgungen auf Wechselrichterbasis beibehalten wird, wenn jede Energieversorgung auf Wechselrichterbasis zwischen Knoten mit unterschiedlichen Impedanzeigenschaften angeschlossen ist.
Lösung des Problems
Ein Energieversorgungssystem gemäß der vorliegenden Ausführungsform umfasst: eine Vielzahl von ersten Leistungswandlern, die so konfiguriert sind, dass diese Strom gemäß Abgabecharakteristiken (Dispatching -Charakteristiken) des einer Last zuzuführenden Stroms liefern; und eine Vielzahl von Steuervorrichtungen, die jeweils so konfiguriert sind, dass diese ein Änderungsverhältnis der Wirkleistung zu einer Ausgangsfrequenz jedes der ersten Leistungswandler mit den Abgabecharakteristiken verknüpfen und jeden der ersten Leistungswandler auf der Grundlage des Änderungsverhältnisses steuern.
Effekt der Erfindung
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es möglich, eine Spannung und eine Frequenz eines Systems festzulegen, während die Zuordnung des Ausgangs von Energieversorgungen auf Wechselrichterbasis beibehalten wird, wenn jede Energieversorgung auf Wechselrichterbasis zwischen Knoten mit unterschiedlichen Impedanzeigenschaften angeschlossen ist.
Figurenliste

[1] 1 ist ein Diagramm, das eine Gesamtkonfiguration eines Energieversorgungssystems gemäß einer ersten Ausführungsform zeigt.
[2] 2 ist ein Diagramm, das ein Konfigurationsbeispiel einer Steuervorrichtung zeigt, wenn eine erste Inverter-basierte Energieversorgung als Spannungsquelle arbeitet.
[3] 3 ist ein Diagramm der Wirkleistungs-FrequenzAbfallcharakteristik, das eine Beziehung zwischen der Wirkleistung und einer Frequenz anzeigt.
[4] 4 ist ein Diagramm der Blindleistungs-Spannungs-Abfallcharakteristik, das eine Beziehung zwischen einer verzögerten Blindleistung und einer Spannung anzeigt.
[5] 5 ist ein Diagramm, das ein Konfigurationsbeispiel einer Steuervorrichtung zeigt, wenn eine zweite Inverter-basierte Energieversorgung als Stromquelle arbeitet.
[6] 6 ist ein Diagramm, das ein Betriebsbeispiel des Energieversorgungssystems zeigt.
[7] 7 ist ein Diagramm, das eine Gesamtkonfiguration eines Energieversorgungssystems gemäß einer zweiten Ausführungsform zeigt.
[8] 8 ist ein Diagramm, das ein Konfigurationsbeispiel eines Steuergeräts gemäß der zweiten Ausführungsform zeigt.
[9] 9 ist ein Diagramm, das eine Gesamtkonfiguration eines Energieversorgungssystems gemäß einer dritten Ausführungsform zeigt.
[10] 10 ist ein Diagramm, das ein Betriebsbeispiel des Energieversorgungssystems gemäß der dritten Ausführungsform zeigt.
[11] 11 ist ein Diagramm, das eine Gesamtkonfiguration eines Energieversorgungssystems gemäß einer vierten Ausführungsform zeigt.

Beschreibung der Ausführungsformen
Ein Energieversorgungssystem und ein Verfahren zur Steuerung eines Energieversorgungssystems gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen im Detail erläutert. Die im Folgenden beschriebenen Ausführungsformen sind nur Beispiele für die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, und es ist nicht so zu verstehen, dass die vorliegende Erfindung auf diese Ausführungsformen beschränkt ist. In den Zeichnungen, auf die in den Ausführungsformen Bezug genommen wird, sind gleiche Teile oder Teile mit identischen Funktionen durch gleiche oder ähnliche Bezugszeichen gekennzeichnet, und es gibt einen Fall, in dem redundante Erläuterungen dazu weggelassen werden. Des Weiteren gibt es Fälle, in denen die Maßverhältnisse der Teile in den Zeichnungen von denen der tatsächlichen Produkte abweichen und ein Teil der Konfigurationen in den Zeichnungen weggelassen wird, um die Erklärung zu erleichtern.
(Erste Ausführungsform)
1 zeigt eine Gesamtkonfiguration eines Energieversorgungssystems 1 gemäß einer ersten Ausführungsform. Wie in 1 dargestellt, ist das Energieversorgungssystem 1 ein Wechselrichtersystem zur Energieversorgung einer Last 100 und umfasst eine Vielzahl von verteilten Energieversorgungsgruppen 10 bis 10n und eine Vielzahl von Transformatoren 12 bis 12n. 1 zeigt außerdem die Last 100, eine erste Busleitung L1, eine Mehrzahl von zweiten Busleitungen L2 bis L2n, eine Mehrzahl von Knoten J1 bis J1n und eine Mehrzahl von Knoten J2 bis J2n. Die zweiten Busleitungen L2 bis L2n sind über die Knoten J1 bis J1n parallel mit der ersten Busleitung L1 verbunden.
Die verteilte Energieversorgungsgruppe 10 ist eine Energieversorgungsgruppe, die die Last 100 unabhängig von anderen verteilten Energieversorgungsgruppen mit Strom versorgen kann. Die verteilte Energieversorgungsgruppe 10 umfasst eine erste Inverter-basierte Energieversorgung 14 und eine Vielzahl von zweiten Inverter-basierten Energieversorgungen 16.
Die erste Inverter-basierte Energieversorgung 14 ist eine Energieversorgung, die als Spannungsquelle arbeitet. Die erste Inverter-basierte Energieversorgung 14 umfasst einen ersten Leistungswandler 14a, einen Spannungs-Strom-Messwertgeber 14b und eine Steuereinrichtung 14c.
Der erste Leistungswandler 14a ist beispielsweise ein Wechselrichter und wandelt die von einer Energieversorgung 110 (2) abgegebene Leistung in eine Leistung um, die über die zweite Busleitung L2 mit einem Stromsystem der ersten Busleitung L1 verbunden werden kann. Beispielsweise wandelt der erste Leistungswandler 14a die von der Energieversorgung 110 (2) abgegebene Gleichstromleistung in Wechselstromleistung um. Die ersten Leistungswandler 14a bis 14an sind über die Knoten J2 bis J2n mit den zweiten Busleitungen L2 bis L2n verbunden.
Der Spannungs-Strom-Messwertgeber 14b misst eine Spannung und einen Strom, die vom ersten Leistungswandler 14a ausgegeben werden. Der Spannungs-Strom-Messwertgeber 14b ist beispielsweise durch einen Messstromwandler und einen Messspannungswandler konfiguriert. Weiterhin gibt der Spannungs-Strom-Messwertgeber 14b einen Spannungsmesswert und einen Strommesswert an das Steuergerät 14c aus.
Das Steuergerät 14c steuert den ersten Leistungswandler 14a basierend auf dem Messwert vom Spannungs-Strom-Messgerät 14b. Details des Steuergeräts 14c werden später beschrieben.
Die zweite Inverter-basierte Energieversorgung 16 ist eine Energieversorgung, die als Stromquelle arbeitet. Das zweite Inverter-basierte Energieversorgung 16 umfasst einen zweiten Leistungswandler 16a, einen Spannungs-Strom-Messwertgeber 16b und ein Steuergerät 16c.
Der zweite Leistungswandler 16a ist beispielsweise ein Wechselrichter und hat die gleiche Konfiguration wie der erste Leistungswandler 14a. Das heißt, der zweite Leistungswandler 16a wandelt die von einer Energieversorgung 120 (5) abgegebene Leistung in eine Leistung um, die über die zweite Busleitung L2 mit dem Stromsystem der ersten Busleitung L1 verbunden werden kann.
Der Spannungs-Strom-Messwertgeber 16b hat den gleichen Aufbau wie der Spannungs-Strom-Messwertgeber 14b. Das heißt, der Spannungs-Strom-Messwertgeber 16b gibt einen Spannungsmesswert und einen Strommesswert an das Steuergerät 16c aus.
Das Steuergerät 16c steuert den zweiten Leistungswandler 16a basierend auf dem Messwert vom Spannungs-Strom-Messgerät 16b. Details zum Steuergerät 16c werden später beschrieben.
Die verteilten Energieversorgungsgruppen 10 bis 10n haben die gleiche Konfiguration wie die der verteilten Energieversorgungsgruppe 10. Die Verteilungscharakteristik der von ihnen an die Last 100 zu liefernden Leistung unterscheidet sich jedoch voneinander. Das heißt, die der Last 100 zuzuführende Leistung wird entsprechend einer Impedanz verteilt, bis jeder der ersten Leistungswandler 14a bis 14an mit der ersten Busleitung verbunden ist. Das heißt, die Verteilungscharakteristik der der Last 100 zuzuführenden Leistung wird durch ein Leistungsverteilungsverhältnis entsprechend der Impedanz definiert, bis der erste Leistungswandler an die erste Busleitung L1 angeschlossen ist. Details zum Dispatch-Verhältnis werden später beschrieben.
Die Transformatoren 12 bis 12n wandeln eine von den zweiten Busleitungen L2 bis L2n gelieferte Leistungsspannung in eine Referenzspannung der ersten Busleitung L1 um. Die Impedanz bis jeder der ersten Leistungswandler 14a bis 14an an die erste Busleitung angeschlossen ist, beinhaltet auch die Impedanz der Transformatoren 12 bis 12n. An die erste Busleitung L1 kann eine drehbare dezentrale Energieversorgung angeschlossen werden.
2 ist ein Diagramm, das ein Konfigurationsbeispiel der Steuervorrichtung 14c veranschaulicht, wenn die erste Inverter-basierte Energieversorgung 14 als Spannungsquelle arbeitet. Wie in 2 dargestellt, umfasst die Steuervorrichtung 14c einen Wirk-/Blindleistungsrechner 20, einen Teil zur Berechnung der abfallenden Charakteristik 21 und einen Gate-Impulsgenerator 22. In 2 ist auch die Energieversorgung 110 dargestellt. Bei der Energieversorgung 110 handelt es sich um eine Energieversorgung aus erneuerbaren Energien, beispielsweise Solarstromerzeugung und Windenergieerzeugung.
Der Wirk-/Blindleistungsrechner 20 berechnet die Werte der vom ersten Leistungswandler 14a ausgegebenen Wirk- und Blindleistung auf der Grundlage eines Spannungsmesswerts und eines Strommesswerts, die vom Spannungs-Strom-Messgerät 14b ausgegeben werden. Der Wirk-/Blindleistungsrechner 20 gibt die Werte der Wirkleistung und der Blindleistung an das Rechenteil 21 für abfallende Eigenschaften aus.
Der Teil 21 zur Berechnung der Drooping-Charakteristiken (Fallkennlinien) gibt ein Befehlssignal aus, das eine Ausgangsspannungswellenform des ersten Leistungswandlers 14a anzeigt, basierend auf den Wirkleistungs-Frequenz-Drooping-Charakteristiken und den Blindleistungs-Spannungs-Drooping-Charakteristiken unter Verwendung der Werte der Wirkleistung und der Blindleistung, die durch den Wirk/Blindleistungs-Rechner 20 berechnet wurden. Das heißt, der Teil 21, der die abfallenden Eigenschaften berechnet, gibt ein Signal aus, das Informationen über eine Phase, eine Frequenz und eine Amplitude der Spannungswellenform umfasst, als das Befehlssignal, das die Ausgangsspannungswellenform anzeigt.
Eine horizontale Achse zeigt die Wirkleistung P und eine vertikale Achse zeigt die Frequenz f. Eine Kennlinie fp14 zeigt die Wirkleistungs-Frequenzabfallcharakteristik des ersten Leistungswandlers 14a, und eine Kennlinie fp14n zeigt die Wirkleistungs-Frequenzabfallcharakteristik des ersten Leistungswandlers 14an. Die Kennlinien fp14 bis fp14n der mehreren ersten Leistungswandler 14a bis 14an sind entsprechend der Abgabecharakteristik der der Last 100 zugeführten Leistung definiert.
Wie in 3 dargestellt, berechnet der Teil 21, der die abfallenden Charakteristiken berechnet, eine Frequenz einer Ausgangsspannung, indem er den Wert der Wirkleistung verwendet, der durch den Wirk-/Blindleistungsrechner 20 berechnet wurde. Das heißt, der Teil 21 zur Berechnung der abfallenden Charakteristik senkt die Frequenz zum Zeitpunkt der Erhöhung der Wirkleistung der ersten Leistungswandler 14a bis 14an und erhöht die Frequenz zum Zeitpunkt der Verringerung der Wirkleistung derselben.
Die Frequenz fa ist beispielsweise auf 60 Hz oder 50 Hz als Bezugsfrequenz eingestellt. Die Wirkleistung des ersten Leistungswandlers 14a im Fall der Frequenz fa ist die Wirkleistung Pa10, und die Wirkleistung des ersten Leistungswandlers 14an ist die Wirkleistung Pa10n. Ferner ist die Wirkleistung des ersten Leistungswandlers 14a im Fall einer Frequenz fb die Wirkleistung Pb10, und die Wirkleistung des ersten Leistungswandlers 14an ist die Wirkleistung Pb10n.
In diesem Fall wird eine Variation P1 der Wirkleistung im ersten Leistungswandler 14a durch einen Ausdruck (1) ausgedrückt. Ferner wird eine Änderung P1n der Wirkleistung im ersten Leistungswandler 14an durch den Ausdruck (2) ausgedrückt. $P 1 = Pb 10 - Pa 10$
$P1n = Pb10n - Pa10n$
In diesem Fall basiert ein Verhältnis der Änderung P1 zur Änderung P1n der Wirkleistung bei der Bezugsfrequenz fa, wie in einem Ausdruck (3) ausgedrückt, auf einer Neigung R1 der Kennlinie fp14 und einer Neigung R1n der Kennlinie fp14n. $P1 : P1n = R1 : R1n$
wobei die Neigung R1 und die Neigung R1n durch die Ausdrücke (4) und (5) ausgedrückt werden. $R1 = (Pb10 - Pa10) / (fb - fa)$
$R1n = (Pb10n - Pa10n) / (fb - fa)$
Wie aus diesen Ausdrücken ersichtlich, wird, wenn das Verhältnis der Variation P1 zur Variation P1n in der Wirkleistung bei der Bezugsfrequenz fa in dem durch den Ausdruck (3) angegebenen Verhältnis gehalten wird, jede der Variationen in der Frequenz fb-fa und wird in den ersten Leistungswandlern 14a und 14an gleich. Mit anderen Worten, wenn das Verhältnis der Variation P1 zur Variation P1n auf dem durch Ausdruck (3) angegebenen Verhältnis gehalten wird, werden die angewiesenen Frequenzen in den ersten Leistungswandlern 14a bis 14an gleich. Das heißt, wenn die Dispositionscharakteristik der der Last 100 zuzuführenden Wirkleistung in dem durch den Ausdruck (3) angegebenen Verhältnis beibehalten wird, kann die Frequenz der Ausgangsspannung ausgeglichen werden, selbst wenn die ersten Leistungswandler 14a bis 14an unabhängig voneinander gesteuert werden.
Die Abgabecharakteristik der der Last 100 zuzuführenden Wirkleistung kann basierend auf einem Impedanzverhältnis zwischen den Knoten J2 bis J2n und den entsprechenden Knoten J1 bis J1n eingestellt werden. Dementsprechend stimmen die Frequenzen der Ausgangsspannungen der verteilten Energieversorgungsgruppen 10 bis 10n miteinander überein, auch wenn die verteilten Energieversorgungsgruppen 10 bis 10n jeweils eine unabhängige Steuerung ausführen.
Eine horizontale Achse zeigt die verzögerte Blindleistung Q und eine vertikale Achse zeigt die Spannung V. Eine Kennlinie Vq14 zeigt die Blindleistungs-Spannungsabfallcharakteristik des ersten Leistungswandlers 14a, und eine Kennlinie Vq14n zeigt die Blindleistungs-Spannungsabfallcharakteristik des ersten Leistungswandlers 14an. Im Fall einer Spannung Va ist die Blindleistung des ersten Leistungswandlers 14a die Blindleistung Qa10, und die Blindleistung des ersten Leistungswandlers 14an ist die Blindleistung Qa10n. Ferner ist im Fall einer Spannung Vb die Blindleistung des ersten Leistungswandlers 14a die Blindleistung Qb10 und die Blindleistung des ersten Leistungswandlers 14an die Blindleistung Qb10n.
Wie in 4 dargestellt, berechnet der Teil 21 zur Berechnung der Pendeleigenschaften die Spannung V der Ausgangsspannung, das heißt eine Amplitude, unter Verwendung des vom Wirk-/Blindleistungsrechner 20 berechneten Blindleistungswertes. Der Teil 21 zur Berechnung der abfallenden Charakteristiken senkt die Spannung V zum Zeitpunkt der Erhöhung der verzögerten Blindleistung Q des ersten Leistungswandlers 14a und erhöht die Spannung V zum Zeitpunkt der Verringerung der verzögerten Blindleistung Q. Das heißt, wenn die verzögerte Blindleistung Q zunimmt, gibt der Teil 21 zur Berechnung der abfallenden Charakteristiken ein Signal zur Verringerung der Amplitude aus, und wenn die verzögerte Blindleistung Q abnimmt, gibt der Teil 21 zur Berechnung der abfallenden Charakteristiken ein Signal zur Erhöhung der Amplitude aus. Eine Phase der Spannungswellenform wird auf der Grundlage der Werte der Wirkleistung P und der Blindleistung Q berechnet.
Wie in 2 dargestellt, erzeugt der Gate-Impulsgenerator 22 ein Gate-Signal in Bezug auf den ersten Leistungswandler 14a auf der Grundlage des Befehlssignals, das Informationen über eine Phase, eine Frequenz und eine Amplitude der Spannungswellenform umfasst, die vom Rechenteil 21 für abfallende Eigenschaften eingegeben wird. Das Gatesignal ist ein Signal zum Modulieren der Ausgangsspannungswellenform des ersten Leistungswandlers 14a und ist beispielsweise ein Ein/Aus-Signal eines Halbleiterschalters im ersten Leistungswandler 14a. Außerdem wird als Modulationsverfahren zu diesem Zeitpunkt beispielsweise die Pulsweitenmodulation (PWM-Modulation) verwendet.
5 ist ein Diagramm, das ein Konfigurationsbeispiel der Steuervorrichtung 16c zeigt, wenn die zweite Inverter-basierte Energieversorgung 16 als Stromquelle arbeitet. Wie in 5 dargestellt, umfasst die Steuervorrichtung 16c den Wirk-/Blindleistungsrechner 20, den Gate-Impulsgenerator 22, einen Wirk-/Blindleistungsregler 23, eine Stromsteuerungsvorrichtung 24 und eine Spannungssteuerungsvorrichtung 25. Bestandteile, die mit denen in 2 identisch sind, werden durch gleiche Bezugszeichen gekennzeichnet, und redundante Erklärungen dazu werden weggelassen.
Der Wirk-/Blindleistungsrechner 20 berechnet die Werte der vom zweiten Leistungswandler 16a abgegebenen Wirkleistung und Blindleistung auf der Grundlage des Ausgangsspannungsmesswerts und des Ausgangsstrommesswerts des zweiten Leistungswandlers 16a, die vom Spannungs-Strom-Messgerät 16b ausgegeben werden. Der Wirk-/Blindleistungsrechner 20 gibt die Werte der Wirkleistung und der Blindleistung an die Wirk-/Blindleistungsregeleinrichtung 23 aus.
Die Wirk-/Blindleistungsregeleinrichtung 23 empfängt als Eingang einen Ausgangsleistungs-Sollwert, der im Voraus als fester Wert eingestellt wurde, und die Werte der vom zweiten Leistungswandler 16a abgegebenen Wirk- und Blindleistung und bestimmt einen Ausgangsstrom-Sollwert des zweiten Leistungswandlers 16a, so dass ein Ausgangsleistungswert dem Ausgangsleistungs-Sollwert folgt. Der von der Wirk-/Blindleistungs-Regeleinrichtung 23 zu verwendende Ausgangsstrom-Sollwert kann gemäß einem Zeitplan variabel sein. Das heißt, die Wirk-/Blindleistungsregeleinrichtung 23 setzt den Ausgangsleistungssollwert auf einen festen Wert oder einen variablen Wert, der sich mit der Zeit ändert. Die Wirk-/Blindleistungsregeleinrichtung 23 gibt den berechneten Ausgangsleistungssollwert an die Stromregeleinrichtung 24 aus.
Der Stromregler 24 entscheidet einen Stromsollwert, so dass ein Ausgangsstrom des zweiten Leistungswandlers 16a dem Sollwert folgt, indem er den Ausgangsstrommesswert des zweiten Leistungswandlers 16a und den von der Wirk-/Blindleistungsregeleinrichtung 23 berechneten Ausgangsstromsollwert verwendet.
Die Spannungsregeleinrichtung 25 bestimmt eine Ausgangsspannungswellenform des zweiten Leistungswandlers 16a unter Verwendung des Ausgangsspannungsmesswerts des zweiten Leistungswandlers 16a und des von der Wirk-/Blindleistungsregeleinrichtung 23 berechneten Spannungssollwerts. Informationen über die von der Spannungsregeleinrichtung 25 berechnete Ausgangsspannungswellenform des zweiten Leistungswandlers 16a, das heißt das Befehlssignal, das die Informationen über eine Phase, eine Frequenz und eine Amplitude umfasst, wird in den Torimpulsgenerator 22 eingegeben.
Der Gate-Impulsgenerator 22 erzeugt ein Gate-Signal in Bezug auf den zweiten Leistungswandler 16a auf der Grundlage des Befehlssignals, das die Informationen über eine Phase, eine Frequenz und eine Amplitude der von der Spannungssteuerungsvorrichtung 25 eingegebenen Spannungswellenform umfasst. Das Gate-Signal ist ein Signal zur Modulation der Ausgangsspannungswellenform des zweiten Leistungswandlers 16a und ist beispielsweise ein Ein/Aus-Signal eines Halbleiterschalters im zweiten Leistungswandler 16a. Weiterhin wird als Modulationsverfahren zu diesem Zeitpunkt beispielsweise die Pulsweitenmodulation (PWM-Modulation) verwendet. Dementsprechend gibt der zweite Leistungswandler 16a eine Leistung aus, die dem festen Leistungssollwert entspricht.
6 ist ein Diagramm, das ein Betriebsbeispiel des Energieversorgungssystems 1 gemäß der ersten Ausführungsform zeigt. Das linke Diagramm zeigt ein Ausgangsbeispiel der verteilten Energieversorgungsgruppe 10, und das rechte Diagramm zeigt ein Ausgangsbeispiel der verteilten Energieversorgungsgruppe 10n. Eine vertikale Achse zeigt die Leistung an, und eine horizontale Achse zeigt jeweils die erste Inverter-basierte Energieversorgung (Energieversorgung I) und eine Vielzahl von zweiten Inverter-basierten Energieversorgungen (Energieversorgung II) an.
Wie oben beschrieben, erfolgt die Zuordnung des Ausgangs der Inverter-basierten Energieversorgungen 14 bis 14n auf der Grundlage eines Impedanzverhältnisses zwischen den Knoten J2 bis J2n und den entsprechenden Knoten J1 bis J1n. Das heißt, die Zuordnung des Ausgangs zwischen den ersten Leistungswandlern 14a bis 14an wird automatisch gemäß den in 3 und 4 dargestellten Merkmalen entsprechend der Größe der vom gesamten System benötigten Leistung zugewiesen. In der verteilten Energieversorgungsgruppe 10 steuert die Steuervorrichtung 14c beispielsweise den ersten Leistungswandler 14a so, dass er die Schwankung P1 (Ausdruck (1)) der Wirkleistung unabhängig von der verteilten Energieversorgungsgruppe 10n kompensiert, wodurch die Wirkleistung entsprechend der Zuordnung der Leistung geliefert werden kann. Die Frequenz der Ausgangsleistung der ersten Leistungswandler 14a ist zu diesem Zeitpunkt fb. In ähnlicher Weise steuert die Steuervorrichtung 14cn in der verteilten Energieversorgungsgruppe 10n den ersten Leistungswandler 14an so, dass die Variation P1n (Ausdruck (2)) der Wirkleistung unabhängig von der verteilten Energieversorgungsgruppe 10 kompensiert wird, wodurch die Wirkleistung entsprechend der Zuordnung der Leistung geliefert werden kann. Die Frequenz der Ausgangsleistung der ersten Leistungswandler 14an ist zu diesem Zeitpunkt fb. Auf diese Weise können die Steuergeräte 14c bis 14cn der verteilten Energieversorgungsgruppen 10 bis 10n, auch wenn sie die Steuerung unabhängig voneinander ausführen, die Größe der vom gesamten System benötigten Leistung mit der gleichen Frequenz kompensieren und das Gleichgewicht zwischen Leistungsangebot und -nachfrage im System aufrechterhalten. Wenn eine Drehenergieversorgung an eine Busleitung in einer bestimmten Inverter-basierten Energieversorgungsgruppe angeschlossen ist, kann durch die Behandlung der Drehenergieversorgung als Energieversorgung, die als Spannungsquelle arbeitet, die Zuordnung der Leistung zwischen der Drehenergieversorgung und der Inverter-basierten Energieversorgung in geeigneter Weise beibehalten werden. Dies gilt für alle im Folgenden beschriebenen Ausführungsformen.
Andererseits werden die zweiten Leistungswandler 16 bis 16n in jeder der verteilten Energieversorgungsgruppen 10 bis 10n als Stromquelle betrieben. Daher greifen die zweiten Leistungswandler 16 bis 16n nicht in die Spannungsregelung der ersten Leistungswandler 14a bis 14an ein. Dementsprechend kann in einem Wechselrichtersystem, in dem auf Wechselrichter basierende Energieversorgungen 14 und 16, die mit demselben Knoten J1 verbunden sind, und auf Wechselrichter basierende Energieversorgungen 14n und 16n, die mit einem anderen Knoten J1n verbunden sind, zusammen vorhanden sind, eine geeignete Zuordnung der Leistung beibehalten werden, und die Spannung und die Frequenz des Systems können ohne Durchführung einer gegenseitigen Kommunikation zwischen den auf Wechselrichter basierenden Energieversorgungen 14 bis 14n und 16 bis 16n hergestellt werden.
Wie oben beschrieben, ist gemäß der vorliegenden Ausführungsform ein Änderungsverhältnis der Wirkleistung zu jeder Ausgangsfrequenz der ersten Leistungswandler 14a bis 14an mit den Abgabe(Dispatching) Eigenschaften der an die Last zu liefernden Leistung verbunden. Dementsprechend können die Steuervorrichtungen 14c bis 14cn, selbst wenn sie die Steuerung jedes der ersten Leistungswandler 14a bis 14an unabhängig voneinander ausführen, die Größe der vom gesamten System benötigten Leistung mit der gleichen Frequenz kompensieren und das Gleichgewicht zwischen Leistungsangebot und -nachfrage im System aufrechterhalten.
(Zweite Ausführungsform)
Das Energieversorgungssystem 1 gemäß einer zweiten Ausführungsform unterscheidet sich von dem Energieversorgungssystem 1 gemäß der ersten Ausführungsform dadurch, dass ein Ausgangsbefehl in einem Stromquellenmodus von einer übergeordneten Steuereinrichtung bereitgestellt wird. Die Unterschiede zum Energieversorgungssystem 1 gemäß der ersten Ausführungsform werden im Folgenden beschrieben.
7 ist ein Diagramm, das eine Gesamtkonfiguration des Energieversorgungssystems 1 gemäß der zweiten Ausführungsform zeigt. Wie in 7 dargestellt, unterscheidet sich das Energieversorgungssystem 1 gemäß der zweiten Ausführungsform von dem Energieversorgungssystem 1 gemäß der ersten Ausführungsform dadurch, dass darin weiterhin eine übergeordnete Steuereinrichtung 30 vorgesehen ist.
Die übergeordnete Steuereinrichtung 30 steuert die Vielzahl der zweiten Inverter-basierten Energieversorgungen 16 bis 16n in jeder der verteilten Energieversorgungsgruppen 10 bis 10n integriert. Die übergeordnete Steuervorrichtung 30 kann alle zweiten Inverter-basierten Energieversorgungen 16 bis 16n steuern oder einen Teil der zweiten Inverter-basierten Energieversorgungen 16 bis 16n steuern.
8 ist ein Diagramm, das ein Konfigurationsbeispiel der Steuereinrichtung 16c gemäß der zweiten Ausführungsform zeigt. Wie in 8 dargestellt, wird ein Leistungssollwert, der in die Wirk-/Blindleistungsregeleinrichtung 23 eingegeben werden soll, von der übergeordneten Steuereinrichtung 30 eingegeben.
Die übergeordnete Steuereinrichtung 30 entscheidet über einen Leistungssollwert der zweiten Inverter-basierten Energieversorgungen 16 bis 16n, indem sie Informationen von den Inverter-basierten Energieversorgungen 14 bis 14n, 16 bis 16n in jeder der verteilten Energieversorgungsgruppen 10 bis 10n im System sammelt. Zu diesem Zeitpunkt kann die übergeordnete Steuervorrichtung 30 den Leistungsausgangs-Sollwert unter Bezugnahme auf Informationen, beispielsweise einen Spannungsmesswert im System und den Zustand der Last, festlegen.
Da der Leistungsausgangs-Sollwert der zweiten Inverter-basierten Energieversorgungen 16 bis 16n von der übergeordneten Steuervorrichtung 30 bestimmt wird, kann die Zuordnung der Leistung der zweiten Inverter-basierten Energieversorgungen 16 bis 16n entsprechend den Situationen im System geändert werden. Da die zweiten Inverter-basierten Energieversorgungen 16 bis 16n zur Reduzierung von Leistungsschwankungen im System verwendet werden können, können außerdem die Ausgangskapazitäten der ersten Inverter-basierten Energieversorgungen 14 bis 14n, die zur Bewältigung von Leistungsschwankungen erforderlich sind, reduziert werden. Da außerdem die Ausgänge der zweiten Inverter-basierten Energieversorgungen 16 bis 16n unter Verwendung der Informationen über das System gesteuert werden können, kann eine Systemsteuerung auf hoher Ebene durchgeführt werden, indem die Verteilung der Systemspannung verbessert, der Leistungsfluss optimiert und die Systemstabilität verbessert wird.
Wie oben beschrieben, können gemäß der vorliegenden Ausführungsform die ersten Inverter-basierten Energieversorgungen 14 bis 14n unabhängig betrieben werden, ohne von der übergeordneten Steuervorrichtung 30 gesteuert zu werden, und die zweiten Inverter-basierten Energieversorgungen 16 bis 16n werden von der übergeordneten Steuervorrichtung 30 gesteuert. Dementsprechend kann im Hinblick auf eine abrupte Leistungsänderung, da die ersten Inverter-basierten Energieversorgungen 14 bis 14n als Spannungsquelle betrieben werden können, die Kommunikationsgeschwindigkeit zwischen der übergeordneten Steuervorrichtung 30 und den zweiten Inverter-basierten Energieversorgungen 16 bis 16n stärker verringert werden.
(Dritte Ausführungsform)
Das Energieversorgungssystem 1 gemäß einer dritten Ausführungsform unterscheidet sich von dem Energieversorgungssystem 1 gemäß der ersten Ausführungsform dadurch, dass eine Spannungs-/Strommesseinrichtung vorgesehen ist, die eine Ausgangsspannung/einen Ausgangsstrom der Inverter-basierten Energieversorgungsgruppe misst. Die Unterschiede zum Energieversorgungssystem 1 gemäß der ersten Ausführungsform werden im Folgenden beschrieben.
9 ist ein Diagramm, das eine Gesamtkonfiguration des Energieversorgungssystems 1 gemäß der dritten Ausführungsform zeigt. Wie in 9 dargestellt, unterscheidet sich das Energieversorgungssystem 1 gemäß der dritten Ausführungsform von dem Energieversorgungssystem 1 gemäß der ersten Ausführungsform dadurch, dass weiterhin Spannungs-/Strommessgeräte 40 bis 40n vorgesehen sind. Die Messwerte der Spannungs-/Strommessgeräte 40 bis 40n werden von den zweiten Inverter-basierten Energieversorgungen 16 bis 16n in den entsprechenden verteilten Energieversorgungsgruppen 10 bis 10n gemeinsam genutzt.
In der zweiten Inverter-basierten Energieversorgung 16 wird ein Leistungssollwert, der in den Wirk-/Blindleistungsregler 23 in der Steuereinrichtung 16c einzugeben ist, unter Verwendung der Ausgangsleistung der gesamten verteilten Energieversorgungsgruppe, zu der die zweite Inverter-basierte Energieversorgung 16 gehört, festgelegt. Beispielsweise wird der Leistungssollwert auf einen Wert gesetzt, der durch proportionale Verteilung der Ausgangsleistung der gesamten verteilten Energieversorgungsgruppe auf der Grundlage eines Nennausgangswertes der zweiten Inverter-basierten Energieversorgungen 16 ermittelt wird.
10 ist ein Diagramm, das ein Betriebsbeispiel des Energieversorgungssystems 1 gemäß der dritten Ausführungsform zeigt. Das linke Diagramm zeigt ein Ausgangsbeispiel der verteilten Energieversorgungsgruppe 10, und das rechte Diagramm zeigt ein Ausgangsbeispiel der verteilten Energieversorgungsgruppe 10n. Eine vertikale Achse zeigt die Leistung an und eine horizontale Achse zeigt jeweils die erste Inverter-basierte Energieversorgung (Energieversorgung I) und eine Vielzahl von zweiten Inverter-basierten Energieversorgungen (Energieversorgung II) an. Wie in 10 dargestellt, können die zweiten Inverter-basierten Energieversorgungen 16 auch zur Reduzierung von Leistungsschwankungen verwendet werden.
Wie oben beschrieben, können gemäß der vorliegenden Ausführungsform die Ausgangsleistungsbefehle der zweiten Inverter-basierten Energieversorgungen 16 in Abhängigkeit von der Ausgangsleistung der gesamten verteilten Energieversorgungsgruppe geändert werden. Dementsprechend können die zweiten Inverter-basierten Energieversorgungen 16 auch zur Reduzierung von Leistungsschwankungen verwendet werden. Daher werden die von den ersten Inverter-basierten Energieversorgungen 14 bis 14n geteilten Leistungsschwankungen reduziert, und die für die Bewältigung der Leistungsschwankungen erforderliche Ausgangskapazität der ersten Inverter-basierten Energieversorgungen 14 bis 14n kann reduziert werden. Da die übergeordnete Steuereinrichtung und ein Kommunikationsnetzwerk zwischen der übergeordneten Steuereinrichtung und den einzelnen Inverter-basierten Energieversorgungen nicht installiert werden müssen, kann außerdem der Einfluss der Kommunikationsgeschwindigkeit zwischen den Geräten reduziert werden.
(Vierte Ausführungsform)
Das Energieversorgungssystem 1 gemäß einer vierten Ausführungsform unterscheidet sich von dem Energieversorgungssystem 1 gemäß der ersten Ausführungsform dadurch, dass die Ausgänge der zweiten Inverter-basierten Energieversorgungen 16 bis 16n proportional zu den entsprechenden ersten Inverter-basierten Energieversorgungen 14 bis 14n gemacht werden. Die Unterschiede zum Energieversorgungssystem 1 gemäß der ersten Ausführungsform werden im Folgenden beschrieben.
11 ist ein Diagramm, das eine Gesamtkonfiguration des Energieversorgungssystems 1 gemäß der vierten Ausführungsform zeigt. Wie in 11 dargestellt, unterscheidet sich das Energieversorgungssystem 1 gemäß der vierten Ausführungsform von dem Energieversorgungssystem 1 gemäß der ersten Ausführungsform dadurch, dass die erste Inverter-basierte Energieversorgung 14 und die mehreren zweiten Inverter-basierten Energieversorgungen 16, die in derselben verteilten Energieversorgungsgruppe der verteilten Energieversorgungsgruppen 10 bis 10n umfasst sind, durch eine Signalleitung verbunden sind.
In der Mehrzahl der zweiten Inverter-basierten Energieversorgungen 16 wird ein Leistungssollwert, der in den Wirk-/Blindleistungsregler 23 in der Steuervorrichtung 16c einzugeben ist, unter Verwendung der Ausgangsleistung der ersten Inverter-basierten Energieversorgung 14, die zur gleichen verteilten Energieversorgungsgruppe gehört, bestimmt. Beispielsweise wird der Leistungssollwert auf einen Wert festgelegt, der durch Multiplikation der Ausgangsleistung der ersten Inverter-basierten Energieversorgung 14 mit einem Koeffizienten erhalten wird, der einem Nennausgangswert der zweiten Inverter-basierten Energieversorgungen 16 entspricht.
Wie oben beschrieben, setzt das Energieversorgungssystem 1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform die Ausgänge der zweiten Inverter-basierten Energieversorgungen 16 bis 16n proportional zu den entsprechenden ersten Inverter-basierten Energieversorgungen 14 bis 14n. Daher können die zweiten Inverter-basierten Energieversorgungen 16 auch zur Reduzierung von Leistungsschwankungen verwendet werden, ohne dass die Spannungs-/Strommessgeräte 40 bis 40n verwendet werden (9). Da in diesem Fall auch keine übergeordnete Steuereinrichtung und kein Kommunikationsnetzwerk zwischen der übergeordneten Steuereinrichtung und den einzelnen Inverter-basierten Energieversorgungen installiert werden muss, kann ein Einfluss der Kommunikationsgeschwindigkeit zwischen den Geräten reduziert werden.
Während bestimmte Ausführungsformen beschrieben wurden, wurden diese Ausführungsformen nur als Beispiel dargestellt und sollen den Umfang der Erfindungen nicht einschränken. Die neuartige Vorrichtung, das Verfahren und das Programm, die in der vorliegenden Beschreibung beschrieben werden, können in einer Vielzahl von anderen Formen ausgebildet werden. Ferner können im Hinblick auf die in der vorliegenden Beschreibung beschriebenen Formen der Vorrichtung, des Verfahrens und des Programms verschiedene Auslassungen, Ersetzungen und Änderungen vorgenommen werden, ohne vom Geist der Erfindungen abzuweichen. Diese Ausführungsformen werden anhand eines Beispiels beschrieben, bei dem eine einzelne Last mit Strom versorgt wird, als Beispiel. Die vorliegende Erfindung kann jedoch auch auf ein komplizierteres System angewendet werden. Ferner ist es zulässig, dass zwei oder mehr dieser Ausführungsformen miteinander kombiniert werden, um ein Energieversorgungssystem zu konstruieren.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 3543068 [0003]
JP 4713996 [0003]
JP 5596086 [0003]

Claims

Ein Energieversorgungssystem, umfassend: eine Vielzahl von ersten Leistungswandlern, die so konfiguriert sind, dass diese Leistung entsprechend der Abgabecharakteristik der an eine Last zu liefernden Leistung liefern; und eine Vielzahl von Steuervorrichtungen, die jeweils so konfiguriert sind, dass diese ein Änderungsverhältnis der Wirkleistung zu einer Ausgangsfrequenz jedes der ersten Leistungswandler mit den Abgabecharakteristiken verknüpfen und jeden der ersten Leistungswandler auf der Grundlage des Änderungsverhältnisses steuern.
System gemäß Anspruch 1, wobei die Abgabecharakteristik der Leistung ein Leistungsabgabeverhältnis ist, das einer Impedanz entspricht, bis jeder der ersten Leistungswandler mit einer ersten Busleitung verbunden ist.
System gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei jede der Steuervorrichtungen bewirkt, dass eine Amplitude einer Ausgangsspannung des ersten Leistungswandlers, die ein Regelungsziel ist, auf der Grundlage von mit der Blindleistung verbundenen Eigenschaften ausgegeben wird.
System gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die ersten Leistungswandler mit jeder einer Vielzahl von zweiten Busleitungen verbunden sind, die parallel zu der ersten Busleitung geschaltet sind, an der die Last angeschlossen ist, und das Energieversorgungssystem ferner eine Vielzahl von zweiten Leistungswandlern umfasst, die jeweils mit jeder der zweiten Busleitungen verbunden sind, wobei ein Ausgangsleistungs-Sollwert an diese auf einen vorbestimmten Wert eingestellt ist.
System gemäß Anspruch 4, wobei ein Ausgangsleistungs-Sollwert in Bezug auf die zweiten Leistungswandler auf einen festen Wert oder einen variablen Wert, der sich mit der Zeit ändert, eingestellt ist.
System gemäß Anspruch 4, das ferner eine übergeordnete Steuereinrichtung umfasst, die so konfiguriert ist, dass diese einen Ausgangsleistungs-Sollwert in Bezug auf die zweiten Leistungswandler erzeugt.
System gemäß Anspruch 4, wobei ein Ausgangsleistungs-Sollwert in Bezug auf die zweiten Leistungswandler auf der Grundlage der Ausgangsleistung in jeder der zweiten Busleitungen erzeugt wird.
System gemäß Anspruch 4, wobei ein Ausgangsleistungs-Sollwert in Bezug auf die zweiten Leistungswandler auf der Grundlage der Ausgangsleistung des ersten Leistungswandlers in jeder der zweiten Busleitungen erzeugt wird.
System gemäß einem der Ansprüche 4 bis 8, wobei die mehreren ersten Leistungswandler und die mehreren zweiten Leistungswandler eine Inverter-basierte Energieversorgung sind.
Ein Verfahren zum Steuern eines Energieversorgungssystems, das eine Vielzahl von ersten Leistungswandlern umfasst, die Strom entsprechend den Dispositionscharakteristiken des einer Last zuzuführenden Stroms liefern, wobei das Verfahren umfasst: Zuordnen eines Änderungsverhältnisses der Wirkleistung zu einer Ausgangsfrequenz jedes der ersten Leistungswandler zu den Abgabecharakteristiken und Steuern jedes der ersten Leistungswandler auf der Grundlage des Änderungsverhältnisses.