JP2004120828A

JP2004120828A - 電力変換装置

Info

Publication number: JP2004120828A
Application number: JP2002277228A
Authority: JP
Inventors: Kotaro Azuma; 東　耕太郎; Toshiaki Yoshizumi; 吉積　敏昭
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2002-09-24
Filing date: 2002-09-24
Publication date: 2004-04-15

Abstract

【課題】片方の電力変換器と直流エネルギー蓄積要素間、直流エネルギー蓄積要素と別の電力変換器間で個別に電力融通することができる電力変換装置を得る。
【解決手段】交流電源１に接続されて交流電力・直流電力変換を行う交流・直流変換器６１、この交流・直流変換器６１の直流側に接続される直流エネルギー蓄積要素７、この直流エネルギー蓄積要素７と交流負荷との間にあって直流電力を交流電力に変換する逆変換器８を備え、交流・直流変換器６１の融通し得る有効電力容量が逆変換器８の融通し得る有効電力容量よりも大きい構成とした。
【選択図】　　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、交流電力を直流電力にまたは直流電力を交流電力に変換する電力変換器の変換器容量に係わる電力変換装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般プラントへの適用従来例．
一般に、プラント設備には、各処理工程の円滑化を図るために使用される電子計算機、冷却水や冷却風を循環させるためのファンやポンプ、製品搬送に使用される各種回転機器、エレベータやエスカレータに使用されるモータなど、様々な負荷装置が存在する。
【０００３】
一般に、電子計算機などに使用する電力は、プラント全体で必要となる電力に比べれば、数十ｋＷから数ＭＷ程度と小さいが、一旦電子計算機が機能を停止すると、データが紛失してしまうなどプラントに大きな被害を与える可能性があるため、その重要度は極めて高い。しかも、非特許文献１によれば、電源電圧が１／４サイクル以上の間停電すると、電子計算機は機能が停止するとされており、許容される停電時間は極めて短い。このようなことから、電子計算機の電源入力側には無停電電源装置を備え、仮に停電が発生した場合でも完全無瞬断で電源供給ができるようにする場合が多い。
【０００４】
一方、ファンや回転機器は、仮に停電により停止したとしても停電時間が、例えば数秒程度であれば、プラントは深刻な被害を受けることはない。非特許文献１よれば、瞬時電圧低下の発生回数のうち８０％以上は、０．２秒（５０Ｈｚで１０サイクル）間以内、２０％以上の電圧低下が発生する頻度は年平均５回程度とのことである。従って、プラントに深刻な被害を与える頻度は比較的小さいと言えるが、一旦長時間の停電が生じた場合には、電子計算機と異なり数百ｋＷないし数十ＭＷもの電力が不足する事態に陥り、プラントは深刻な被害を受けることになる。
【０００５】
このため、プラント設備では、万が一長時間の停電が生じた場合に備えて、非常電源設備を設ける場合が多い。非常電源設備の一例としては、ディーゼル発電機が挙げられる。なお、ディーゼル発電機は、発電機のロータをディーゼルエンジンにより回転させることで、発電機のステータに電圧を発生させる仕組になっている。回転部が存在するため定期的に保守を実施することが必要である。このように、プラント設備では、負荷の容量と重要度に応じて電圧低下対策を行っており、対策機器に応じて保守を実施しているのが実情である。
【０００６】
ここで、従来の無停電電源装置について簡単に説明する。従来の無停電電源装置は、交流系統の停電・瞬停や電圧低下などに対し、電子計算機などの負荷に安定に電力を供給するために使用されている。図９は、従来の無停電電源装置を示す構成図である。図には、交流電源１、系統連携遮断器２、無停電電源装置３、電子計算機などの負荷１０を備えている。無停電電源装置３の主要構成部品は、遮断器４、インピーダンス要素５、交流電力を直流電力に変換する順変換器６、鉛蓄電池などの直流エネルギー蓄積要素７、直流電力を交流電力に変換する逆変換器８、インピーダンス要素９である。
【０００７】
交流電源１が正常である時は、交流電源１の位相に順変換器６を同期させ、順変換器６の出力電圧を調整して交流電源１から直流エネルギー蓄積要素７に対して電力を供給する。逆変換器８は直流エネルギー蓄積要素７に現れる直流電圧を使って一定周波数で定電圧の交流電圧を出力し、負荷１０から見ると理想的な交流電圧源として動作する。交流電源１の電圧が低下するとこれを検出して順変換器６の運転を停止するが、蓄電池７には負荷１０の電力需要に対して十分なエネルギーが蓄積されているため、逆変換器８は交流電源１の電圧低下に対して無瞬断で負荷１０に対して電力を供給し続けることができる。
【０００８】
このように、交流電源１の電圧が正常であるときには、順変換器６は直流エネルギー蓄積要素７を充電するとともに、逆変換器８に接続された交流負荷１０に対して有効電力を供給する動作を行っている。従って、順変換器６が交流側から直流側に融通すべき有効電力は、逆変換器８が出力する有効電力と、順変換器６と直流エネルギー蓄積要素７と逆変換器８の間で消費されたエネルギー損失の総和分だけあればよく、その値に従って順変換器６の変換器容量を定めればよい。なお、無停電電源装置の詳細動作は、例えば、非特許文献２に記載されているので、詳細な説明を省略する。
【０００９】
また、先に説明した従来の一般プラントの運用従来例を図１０のシステム構成図で説明する。ここでは、無停電電源装置に加えてディーゼル発電機を使用した非常用電源設備のシステム構成図を示す。図では、ディーゼル発電機１１、遮断器１２、遮断器１３、ポンプやファンなどの負荷１４を備えている。交流電源１が正常である時は、遮断器１２は開放され、ディーゼル発電機１１は停止しており、負荷１４へは遮断器１３を介して交流電源１から電力が供給される。交流電源１の電圧が低下すると、これを検出して系統連系遮断器２を開放してディーゼル発電機１１を起動し、遮断器１１，１２を介して負荷１４に電力を供給する。無停電電源装置３の動作は、ディーゼル発電機１１を使用しない場合でも上記と同様である。
【００１０】
電力系統への適用従来例．
近年の電力系統においては、立地条件の観点から発電設備が電力消費地から離れたところに設けられる場合が多い。しかも、原子力発電設備などの大容量発電設備は偏在化して設置される場合が多い。その一方で、電力消費地はますます都市部に集中する傾向がある。このように、電力系統が大規模化・複雑化しており、電力会社をまたいだ大規模な電力融通が実施されている。これらの状況は、例えば非特許文献３などに示されている。
【００１１】
さて、発電設備と電力消費地の距離が長くなると、当然その間の距離が長くなるので、送電線のインピーダンスが増加することになる。送電線のインピーダンスが増加すると、電力系統の安定度が低下する。このため、送電線のインピーダンスを小さくする他に、電力系統の安定度を向上する方法の検討がなされている。
【００１２】
ここで、安定度について簡単に説明する。非特許文献３に電力系統の安定度に関する説明が記載されているので詳細説明は省略するが、送電端電圧をＥｓ、受電端電圧をＥｒ、送受電端間のインピーダンスをＸ、送電端電圧Ｅｓと受電端電圧Ｅｒの位相差をθとすると、送電電力Ｐｓ（受電電力Ｐｒ）は次の式で表すことができる。
【００１３】
【数１】

【００１４】
この式は、電力が送電端電圧Ｅｓと受電端電圧Ｅｒの間の位相差θが存在することで融通されることを示している。また、送電端電圧Ｅｓと受電端電圧Ｅｒの間のインピーダンスＸの大きさにも依存することを示しており、Ｘが小さい時にはθが小さくても必要な電力を送電できるが、Ｘが大きくなるとθを大きくしなければ必要な電力を送電できないことを示している。しかも、θの上限値は９０度である。
【００１５】
次に、電力系統において系統事故が生じた時の挙動について説明する。図１１は、式１を図に示して説明を行ったものである。通常の電力系統は曲線Ａの特性を有しているものとする。しかし、系統事故が生じたことによって電力系統の一部が除去されると、インピーダンスが大きくなるので、図１１の曲線Ｂに示すように特性が変化する。この時、系統事故が生じる前の送電電力を保つためには、送電端電圧Ｅｓと受電端電圧Ｅｒの位相差をθ１からθ２に大きくする必要がある。過渡的には、系統事故が生じて電力系統の特性が曲線Ａから曲線Ｂに変化することにより、運転点が▲１▼から▲２▼に移行する。次に運転点は▲２▼から最終収束点である▲３▼に向かって移動するが、▲３▼を通り越して▲４▼に至る。その後、▲２▼と▲４▼の間を振動しながら▲３▼に移行することになる。なお、この過程で、送電端電圧Ｅｓと受電端電圧Ｅｒの位相差θが９０度を越えると、必要な電力を供給できないこととなり、発電機が脱調してしまう。このように、電力系統において、発電機が脱調することなく運転し得る度合を安定度と呼んでいる。以上のことから分かるように、安定度を高めるためには、送電端電圧Ｅｓと受電端電圧Ｅｒの間のインピーダンスＸを十分に小さくする必要がある。
【００１６】
さて、このような大規模化・複雑化した電力系統の安定度向上のために電力変換装置を導入することが考えられている。その一例として、ＢＴＢ（Ｂａｃｋ　Ｔｏ　Ｂａｃｋ）電力変換装置と呼ばれるシステムを挙げることができる。ＢＴＢ電力変換装置の構成図を図１２に示す。この図は、交流電源１、インピーダンス要素５、電力変換器２０、直流エネルギー蓄積要素７、電力変換器２１、インピーダンス要素９、交流電源１５から構成されている。直流エネルギー蓄積要素７は、直流コンデンサで構成される場合が多い。
【００１７】
ＢＴＢ電力変換装置では、例えば、電力変換器２０が直流エネルギー蓄積要素７の直流電圧を一定にするように運転し、他方の電力変換器２１は、例えば与えられた有効電力指令に従って運転するものである。エネルギーのフローの観点から見れば、電力変換器２１は直流エネルギー蓄積要素７に蓄積されたエネルギーを交流電源１５に対して出力し、これによって減少する直流エネルギー蓄積要素７の蓄積エネルギーを電力変換器２０によって補充している。従って、電力変換器２０が交流側から直流側に融通すべき有効電力は、電力変換器２１が出力する有効電力と、電力変換器２０と直流エネルギー蓄積要素７と電力変換器２１の間で消費されたエネルギー損失の総和分だけあればよい。
【００１８】
このように、単にエネルギーフローの観点からは交流電力→直流電力変換と直流電力→交流電力変換とを行っているＢＴＢ電力変換装置ではあるが、電力系統全体から見れば非常に大きな意味を持っている。先に述べたように、ＢＴＢ電力変換装置は有効電力を指令値通りに融通することができる装置である。従って、ある電力系統に存在する電力供給地から別の電力系統に存在する電力消費地との間にＢＴＢ電力変換装置を備えることにより、図１２の下段に示すように、あたかもこの点に発電機が存在するのと同じ状況を作ることができるのである。これは、等価的に式１における送電端電圧Ｅｓと受電端電圧Ｅｒの間のインピーダンスＸが小さくなることを意味している。このため、安定度が向上するという効果がある。
【００１９】
また、ＢＴＢ電力変換装置の電力変換器は半導体電力変換装置が適用される。万が一、系統事故が発生した場合には、系統事故を高速に除去し事故の波及を抑制する必要がある。通常使用される遮断器は事故検出後遮断器が開極するまで商用周波の３サイクルから５サイクル程度必要であるが、ＢＴＢ電力変換装置の半導体素子のスイッチングは事故の検出で瞬時に停止することができるので、系統事故による被害の波及を最小限度に抑制することができる。
【００２０】
さて、このような電力変換装置を適用した図１３に示すようなシステム構成を考える。このシステム構成は、交流電源１、遮断器２ａおよび２ｂ、インピーダンス要素５、電力変換器２０、直流エネルギー蓄積要素７、電力変換器２１、インピーダンス要素９、交流電源１５、遮断器１３、負荷１４とから構成されている。このシステムにおいて、遮断器２ａと遮断器２ｂの中間地点で系統事故が発生した場合、即座に電力変換器２０、電力変換器２１は運転を停止するとともに、遮断器２ａと２ｂを開放して事故点を切り離す。この時、電力変換器２０と電力変換器２１が運転を停止するため、交流電源１５側への電力融通ができなくなる。また、負荷１４には電力供給が停止してしまう。負荷１４への電力供給を行おうとすれば、遮断器２ａと２ｂが再び投入されるか、電力変換器２０と電力変換器２１の運転を再開するとともに、電力融通を行うべき方向とは逆向きの方向に電力を融通する必要がある。
【００２１】
【非特許文献１】
「パワーエレクトロニクスのすべて（連載１７）」、ＯＨＭ、１９９２年９月号、ｐ．１２１−１２４
【非特許文献２】
Ｒ＆Ｄプランニング発行「パワーエレクトロニクスハンドブック」、２００２年２月２０日、ｐ．９０８−９１７
【非特許文献３】
電気学会発行「送配電工学」、１９９５年１月２０日、ｐ．１−６、ｐ．１３０−１３４
【００２２】
【発明が解決しようとする課題】
さて、これまでに説明してきたように、従来の交流電力→直流電力変換、直流電力→交流電力変換を行う電力変換装置には、その融通する有効電力の考え方に共通していることがある。これを図１４を使って説明する。この図は、これまでに説明してきた電力変換装置の本質部分を抽出したもので、２台の電力変換器２０，２１とその間の直流エネルギー蓄積要素７から成り立っている。
【００２３】
Ｐ１からＰ５は、電力変換器２０から電力変換器２１にエネルギーが流れるときの有効電力の流れを示しており、電力変換器２１の出力電力をＰ５、電力変換器２０の損失をＰ２、電力変換器２１の損失をＰ４、直流エネルギー蓄積要素７への充電エネルギーおよび損失をＰ３とすると、電力変換器２０の入力電力Ｐ１について次の関係が成立する。
Ｐ１＝Ｐ２＋Ｐ３＋Ｐ４＋Ｐ５　　　−−−−−−　　式２
（Ｐ１〜Ｐ５の符号は正）
【００２４】
従って、エネルギーが流れる方向が常に電力変換器２０から電力変換器２１に流れる電力変換装置の場合には、電力変換器２１の変換器容量はその出力電力Ｐ５を融通することを考慮して決定すればよい。一方、電力変換器２０の変換器容量はその入力電力Ｐ１を融通することを考慮して決定すればよい。一般に、電力変換器２０の損失Ｐ２、電力変換器２１の損失Ｐ４は、それぞれ当該電力変換器容量の数％程度である他、電力変換器２０や２１が運転中の直流エネルギー蓄積要素７への充電電力は小さいので、電力変換器２０の入力電力Ｐ１は電力変換器２１の出力電力Ｐ５よりわずかに大きくなる程度であり、電力変換器２０と電力変換器２１の変換器容量はほぼ等しくなる。
【００２５】
また、Ｐ１１からＰ１５は、電力変換器２１から電力変換器２０にエネルギーが流れるときの有効電力の流れを示しており、電力変換器２０の出力電力をＰ１１、電力変換器２０の損失をＰ１２、電力変換器２１の損失をＰ１４、直流エネルギー蓄積要素７への充電エネルギーおよび損失をＰ１３とすると、電力変換器２１の入力電力Ｐ１５について次の関係が成立する。
Ｐ１５＝Ｐ１１＋Ｐ１２＋Ｐ１３＋Ｐ１４　−−−−−−　　式３
（Ｐ１１〜Ｐ１５の符号は正）
【００２６】
従って、エネルギーが流れる方向が電力変換器２０から電力変換器２１へ、あるいは電力変換器２１から電力変換器２０へ両方流すような電力変換装置の場合には、電力変換器２０の変換器容量は入力電力Ｐ１と出力電力Ｐ１１の大きい方を考慮して決定すればよい。また、電力変換器２１の変換器容量は出力電力Ｐ５と入力電力Ｐ１５の大きい方を考慮して決定すればよい。先に示したように、電力変換器２０の入力電力Ｐ１は電力変換器２１の出力電力Ｐ５よりわずかに大きければよく、同様に、電力変換器２１の入力電力Ｐ１５は電力変換器２０の出力電力Ｐ１１よりわずかに大きければよいので、一般に電力変換器２０と電力変換器２１の変換器容量はほぼ等しくなる。
【００２７】
なお、ここでいう変換器容量は有効電力のみを考慮して述べている。実際には、モータなどの負荷を接続すると有効電力以外に無効電力をも供給する必要があるので、電力変換器２０と電力変換器２１の変換器容量は、無効電力を含む厳密な意味では必ずしも等しくならない。しかし、一例として、電力変換器２０は力率１運転を行って有効電力のみを融通し、電力変換器２１にモータ接続したシステムを考えると、電力変換器２１の無効電力を含む厳密な意味での変換器容量は、電力変換器２０の変換器容量のせいぜい２倍程度以下である。
本明細書では、発明の本質を明確化するため、有効電力の融通のみを考慮して以降の説明を行う。
【００２８】
このように、従来の２つの電力変換器から成る電力変換装置は、交流電力→直流電力変換を行う電力変換器に入ってくる有効電力が直流電力→交流電力変換を行う電力変換器にそのまま流れるという本質的な考え方に基づいて設計されているのである。そして、直流エネルギー蓄積要素は、電力変換器に使用される半導体素子のスイッチングに伴う電圧リプルを低減したり、図９に示したように順変換器６が停止した場合でも逆変換器８が引き続き負荷１０に対して給電を行うために使用されているのである。ここでは、電力変換器２台が１つの直流エネルギー蓄積要素を共有している場合について説明したが、この考え方は、例えば３台以上の電力変換器の直流側が１つの直流エネルギー蓄積要素を共有している場合でも同様である。
【００２９】
このように、電力変換器の融通電力をある単一用途に限定して変換器構成を考えているために、例えば先に述べたような一般プラントの例では、無停電電源装置の順変換器を非常電源として使用することができず、ゆえに別途非常電源設備を必要とする問題があった。
この発明は、上記のような問題点を解消するためになされたもので、２台（または２群）の電力変換器から成る電力変換装置において、片方の電力変換器から他方の電力変換器に電力を融通するだけの従来の電力変換装置ではなく、直流エネルギー蓄積要素には、実施方法によっては莫大な直流エネルギーが蓄積できることに着目し、片方の電力変換器と直流エネルギー蓄積要素間、直流エネルギー蓄積要素と別の電力変換器間で個別に電力融通することができるように、電力変換器の変換器容量を異なるように設定したものである。
【００３０】
【課題を解決するための手段】
この発明に係わる電力変換装置は、交流電源に接続されて交流電力・直流電力変換を行う交流・直流変換器、この交流・直流変換器の直流側に接続される直流エネルギー蓄積要素、この直流エネルギー蓄積要素と交流負荷との間にあって直流電力を交流電力に変換する逆変換器を備え、上記交流・直流変換器の融通し得る有効電力容量が上記逆変換器の融通し得る有効電力容量よりも大きい構成である。
【００３１】
また、第１の交流電源に接続されて交流電力・直流電力変換を行う第１の交流・直流変換器、第２の交流電源に接続されて交流電力・直流電力変換を行う第２の交流・直流変換器、上記交流・直流変換器の直流側のそれぞれと接続される直流エネルギー蓄積要素を備え、一方の上記交流・直流変換器の融通し得る有効電力容量が、他方の上記交流・直流変換器の融通し得る有効電力容量よりも大きい構成である。
【００３２】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
以下、この発明の実施の形態を説明する。なお、従来と同じ構成の部分には従来と同じ符号をつけるとともに、従来と同じ構成の部分のもつ機能が従来と同じである場合はその説明を省略する。図１は、この発明の実施の形態１の電力変換装置を示すシステム構成図である。構成要素１，７，８，１０はいずれも従来の内容と同一であるので説明を省略する。交流・直流変換器６１は、交流電源１と直流エネルギー蓄積要素７間に接続されて、交流電源１からの交流電力を直流電力に変換し直流エネルギー蓄積要素７に供給するが、その逆で、直流エネルギー蓄積要素７からの直流電力を交流電力に変換して交流電源１側に供給することもできる。交流・直流変換器６１は、逆変換器８よりも融通し得る有効電力容量が十分大きな構成になっている。通常、交流・直流変換器６１は負荷１０に必要な電力Ｐ１にほぼ等しい電力を供給すればよい。ここで、交流・直流変換器６１を逆変換器動作させると、交流・直流変換器６１は直流エネルギー蓄積要素７に蓄積されたエネルギーを、交流・直流変換器６１の大容量変換器を使って交流電源１に向かって電力Ｐ２を供給することができる。一方、逆変換器８は、直流エネルギー蓄積要素７に蓄積されたエネルギーを使って負荷１０に必要な電力Ｐ３を供給し続けることができる。
【００３３】
このように、交流電力から直流電力に変換を行う電力変換器（交流・直流変換器６１）を、交流電源から直流エネルギー蓄積要素への充電として使用するか、直流電力から交流電力に変換を行う電力変換器として電力供給に使用するのみならず、その大容量構成であることを有効に使って、交流電力を直流電力に変換する機能を有する交流・直流変換器６１を、直流電力を交流電力に変換する電力変換器として動作させることで、交流電源側の故障時に直流エネルギー蓄積要素に蓄積されたエネルギーを用いて、交流電源側に接続されている大負荷（交流・直流変換器６１が融通し得る有効電力容量以内の負荷）に対して電力を供給することができ、大負荷に対しても非常電源設備とすることができる。
【００３４】
実施の形態２．
図２は、実施の形態２の電力変換装置を示すシステム構成図である。構成要素１，６１，７はいずれも実施の形態１の場合と同様である。８ａおよび８ｂは逆変換器、１０ａおよび１０ｂは負荷を示す。実施の形態１との相違点は、直流エネルギー蓄積要素７に接続される逆変換器およびその交流側に接続される負荷が複数存在することである。交流・直流変換器６１は、逆変換器８ａおよび８ｂが融通し得る有効電力の和よりも融通し得る有効電力容量が十分大きな構成になっている。
【００３５】
通常、交流・直流変換器６１は、負荷１０ａおよび１０ｂに必要な電力Ｐ１ａおよびＰ１ｂの和にほぼ等しい電力を供給すればよい。ここで、交流電源１側が故障のとき、交流・直流変換器６１を逆変換器動作させると、交流・直流変換器６１は直流エネルギー蓄積要素７に蓄積されたエネルギーを、交流・直流変換器６１の大容量変換器を使って交流電源１に向かって電力Ｐ２を供給することができる。一方、逆変換器８ａおよび８ｂは、直流エネルギー蓄積要素７に蓄積されたエネルギーを使って負荷１０ａおよび１０ｂに必要な電力Ｐ３ａおよびＰ３ｂを供給し続けることができる。このように、直流電力から交流電力に変換する電力変換器（逆変換器）が複数台接続されていても、交流・直流変換器６１の大容量構成であることを有効に使って、交流電源１側が故障のとき、交流・直流変換器６１を逆変換器動作させて、直流エネルギー蓄積要素７に蓄積されたエネルギーを、交流電源１側に向かって供給することができ、比較的大負荷（交流・直流変換器６１が融通し得る有効電力容量以内の負荷）に対しても非常電源設備とすることができる。
【００３６】
実施の形態３．
図３は、実施の形態３の電力変換装置を示すシステム構成図である。構成要素７，８，１０はいずれも実施の形態１と同様である。１ａおよび１ｂは交流電源、６１ａおよび６１ｂは交流・直流変換器を示す。実施の形態１との相違点は、直流エネルギー蓄積要素７に接続される交流・直流変換器６１およびその交流側に接続される交流電源１が複数存在することである。
【００３７】
通常、交流・直流変換器６１ａおよび６１ｂは、その供給電力の合計が負荷１０に必要な電力Ｐ１ａ＋Ｐ１ｂにほぼ等しければよい。しかし、この実施の形態の場合、交流電源１ａまたは交流電源１ｂのうちどちらかが使用できない場合に備えて、交流・直流変換器６１ａと交流・直流変換器６１ｂの変換器容量はともにＰ１ａ＋Ｐ１ｂの電力が供給できるように、逆変換器８の融通し得る有効電力容量より大きくする。ここで、交流電源１ａと１ｂの片方または両方が故障で、交流・直流変換器６１ａと交流・直流変換器６１ｂの片方または両方を逆変換器動作させると、その片方または両方は直流エネルギー蓄積要素７に蓄積されたエネルギーを使ってそれぞれが接続される交流電源１ａおよび１ｂに向かって、それぞれＰ１ａ＋Ｐ１ｂよりも大きな電力Ｐ２ａおよびＰ２ｂを供給することができる。一方、逆変換器８は、直流エネルギー蓄積要素７に蓄積されたエネルギーを使って負荷１０に必要な電力Ｐ３を供給し続けることができる。
【００３８】
このように、交流・直流変換器６１ａと６１ｂが複数台接続されているとき、各交流・直流変換器が大容量構成であることを有効に使って、交流電源１ａと１ｂの片方または両方が故障のとき、交流・直流変換器の片方または両方を逆変換器動作させて、直流エネルギー蓄積要素７に蓄積されたエネルギーを、交流電源側に向かって供給することができ、比較的大負荷（交流・直流変換器６１ａ又は６１ｂが融通し得る有効電力容量以内の負荷）に対しても非常電源設備とすることができる。
【００３９】
実施の形態４．
図４は、実施の形態４の電力変換装置を示すシステム構成図である。第１の交流電源１、第１の交流電源１に接続されて交流電力・直流電力変換（交流電力から直流電力へ、または直流電力から交流電力へ変換）を行う第１の交流・直流変換器２０１、直流エネルギー蓄積要素７、第２の交流電源１５、第２の交流電源１５に接続されて交流電力・直流電力変換（直流電力から交流電力へ、または交流電力から直流電力へ変換）を行う第２の交流・直流変換器２１で構成されている。第１の交流・直流変換器２０１の融通し得る有効電力容量は、第２の交流・直流変換器２１のそれより大きい構成としている。
【００４０】
通常、第１の交流・直流変換器２０１は第２の交流・直流変換器２１が出力する電力Ｐ１にほぼ等しい電力を供給すればよい。ここで、第１の交流・直流変換器２０１が出力する電力を第２の交流・直流変換器２１が出力する電力とは異なる値に変更すると、第１の交流・直流変換器２０１は直流エネルギー蓄積要素７に蓄積されたエネルギーを、第１の交流・直流変換器２０１の大容量変換器を使って第１の交流電源１に向かって電力Ｐ２を供給することができる。一方、第２の交流・直流変換器２１は、直流エネルギー蓄積要素７に蓄積されたエネルギーを使って第２の交流電源１５に必要な電力Ｐ３（＝Ｐ１）を継続して供給することができる。
【００４１】
このように、第１の交流・直流変換器２０１を、第２の交流・直流変換器２１への電力供給に使用するのみではなく、その大容量構成であることを有効に使って第１の交流・直流変換器２０１を直流エネルギー蓄積要素７と電力融通を行う電力変換器として動作させることで、第１の交流電源１側の故障時に直流エネルギー蓄積要素７に蓄積されたエネルギーを用いて、第１の交流電源１側に接続されている大負荷（第１の交流・直流変換器２０１が融通し得る有効電力容量以内の負荷）に対して電力を供給することができ、大負荷に対しても非常電源設備とすることができる。
【００４２】
実施の形態５．
図５は実施の形態５の電力変換装置を示すシステム構成図である。実施の形態４の構成要素と同一または相当部分には同一符号を付している。第３の交流電源２３に接続されて交流電力・直流電力変換（交流電力から直流電力へ、または直流電力から交流電力へ変換）を行う第３の交流・直流変換器２２を備えている。通常、第２の交流・直流変換器２１は第１の交流・直流変換器２０１および第３の交流・直流変換器２２が出力する電力Ｐ１ａとＰ１ｂの和にほぼ等しい電力を供給すればよい。しかし、この実施の形態の場合、第１の交流電源１または第３の交流電源２３のうちどちらかが使用できない場合に備えて、第１の交流・直流変換器２０１と第３の交流・直流変換器２２の変換器容量はともにＰ１ａ＋Ｐ１ｂの電力が供給できるように、第２の交流・直流変換器２１の融通し得る有効電力容量より大きくする。ここで、第１の交流電源１と第３の交流電源２３の片方または両方が故障で、第１の交流・直流変換器２０１と第３の交流・直流変換器２２の片方または両方を逆変換器動作させると、その片方または両方は直流エネルギー蓄積要素７に蓄積されたエネルギーを使ってそれぞれが接続される第１の交流電源１および第３の交流電源２３に向かって、それぞれＰ１ａ＋Ｐ１ｂよりも大きな電力Ｐ２ａおよびＰ２ｂを供給することができる。一方、第２の交流・直流変換器２１は、直流エネルギー蓄積要素７に蓄積されたエネルギーを使って第３の交流電源１５に必要な電力Ｐ３を供給し続けることができる。
【００４３】
このように、交流・直流変換器（２０１と２２）が複数台接続されているとき、各交流・直流変換器が大容量構成であることを有効に使って、第１の交流電源１と第２の交流電源２３の片方または両方が故障のとき、交流・直流変換器の片方または両方を逆変換器動作させて、直流エネルギー蓄積要素７に蓄積されたエネルギーを、交流電源側に向かって供給することができ、比較的大負荷（交流・直流変換器２０１又は２２が融通し得る有効電力容量以内の負荷）に対しても非常電源設備とすることができる。
【００４４】
実施の形態６．
電力変換装置の直流エネルギー蓄積要素７としては、一般的に直流コンデンサや鉛蓄電池などが適用されていた。実施の形態６では、直流エネルギー蓄積要素７とし、ＮａＳ電池を適用した。ＮａＳ電池は、直流コンデンサや鉛蓄電池に比べて、エネルギー密度が高く（鉛蓄電池の３倍以上）、充放電効率に優れ、自己放電がないという優れた特徴を備えており、ＮａＳ電池を電力変換装置の直流エネルギー蓄積要素に適用することで、よりコンパクトで安価な電力変換装置を提供することができる。
【００４５】
実施の形態７．
図６は、実施の形態７の電力変換装置を示すシステム構成図である。この図では、無停電電源装置を例として示しているが、複数の電力変換器が直流エネルギー蓄積要素に接続されている構成であれば、以下記載のことは同様に言うことができる。なお、図中、上述した従来例と実施の形態とで、同一符号は、同一または相当部分を示す。なお、交流・直流変換器６１は、逆変換器８よりも融通し得る有効電力容量が十分大きな構成になっている。
【００４６】
１０１は交流電源の電圧を検出する電圧検出器、１０２は無停電電源装置の交流・直流変換器６１側交流電圧を検出する電圧検出器、１０３は電圧検出器１０１と電圧検出器１０２の信号を使って同期を判定する同期検出器、１０４は電圧検出器１０１の信号を使って交流電源１の不足電圧を検出する不足電圧検出器、１０５は不足電圧検出器１０４の信号と同期検出器１０３の信号とを使って交流・直流変換器６１の運転モードを選択する運転モード選択回路、１０６は電圧検出器１０１の信号を使って交流電源１の位相を検出する位相検出器、１０７は交流・直流変換器６１が直流回路に設けられた充電器７を充電するときに使用する順変換制御器、１０８は交流・直流変換器６１が直流回路に設けられた充電器７に現れる直流電圧を使って逆変換器８と同様に逆変換動作をするときに使用する逆変換制御器、１０９は運転モード選択回路１０５によって順変換制御器１０７の出力と逆変換制御器１０８の出力とを切り替える運転モード切替スイッチ、１１０は交流・直流変換器の電流を検出する電流検出器、１１１は電流検出器１１０の信号を有効電流期間値（Ｉｄ−）と無効電流期間値（Ｉｑ−）の２軸量に変換する３相２相変換器、１１２は運転モード切替スイッチで選択された電流指令値と３相２相変換器１１１で得られた電流帰還値を比較して電流指令値通りに電流を流す電圧指令を出力する電流制御器、１１３は電流制御器１１２で得られた電圧指令値の２軸量を３相量に変換する２相３相変換器、１１４は交流・直流変換器６１に対して２相３相変換器１１３で得られた電圧指令に相当する点弧信号を出力する変調回路、１１５は運転モード選択回路の出力が切替わる度に設定時間だけ論理出力を零にするタイマである。
【００４７】
次に動作について説明する。交流電源１が正常の時は、交流・直流変換器６１は順変換器動作を行い蓄電池（直流エネルギー蓄積要素）７にエネルギーを充電する。しかし、交流電源１の電圧が低下すると、電圧検出器１０１を経て不足電圧検出器１０４で交流電圧低下が検出され、運転モード選択回路１０５を経て運転モード切替スイッチ１０９により交流・直流変換器６１の電流指令を順変換制御器１０７の出力から逆変換制御器１０８の出力に切り替えるとともに、系統連系遮断器２が開放される。この時、不足電圧検出器１０４の出力に応じて位相検出器１０６は内部に備えた基準周波数に相当する位相を出力する。
【００４８】
次に、交流電源１の電圧が復帰した場合、不足電圧検出器１０４の出力に応じて位相検出器１０６は交流電源１の位相に応じて位相を出力する。この結果、交流・直流変換器６１の出力電圧位相が交流電源１の位相と同期する。同期検出器１０３で交流電源１と交流・直流変換器６１の出力電圧が同期していることを検出すると、運転モード選択回路１０５を経て運転モード切替スイッチ１０９により交流・直流変換器６１の電流指令値を逆変換制御器１０８の出力から順変換制御器１０７の出力に切り替えるとともに、系統連系遮断器２が投入され、通常運転状態に復帰する。
【００４９】
交流電源が正常である時も異常であるときも、順変換制御器１０７あるいは逆変換制御器１０８の出力である交流電流指令値と、電流検出器１１０と３相２相変換器１１１と介して得られる交流電流帰還値とが電流制御器１１２に入力され、交流電流指令値と交流電流帰還値の差が零になるように調整された電圧指令値が出力され、これが変調回路１１４を経て点弧信号が交流・直流変換器６１を構成する半導体素子に与えられる。
【００５０】
系統連系遮断器２の投入、開放には交流電源の周期に対し数サイクル程度が必要となる。従って、この過渡的な期間に交流・直流変換器６１の運転モードを切り替えると、交流電源１がまだ交流・直流変換器６１と電気的に繋がっている状態であるにも関わらず、交流・直流変換器６１が逆変換器動作を行ったりするなど、適切な運転切替えができない。タイマ１１５は、このような場合を防ぐために備える装置で、運転モード選択回路１０５で順変換器制御または逆変換器制御が選択された場合に、設定期間だけ零論理信号を出力する装置である。タイマ１１５の出力信号が変調回路１１４に零信号を入力している期間は、変調回路１１４から交流・直流変換器６１に対して点弧信号を与えない。タイマの設定期間は系統連系遮断器２の投入、開放時間に合わせて適切に設定する。これにより、系統連系遮断器２の投入、開放期間は交流・直流変換器６１の運転は一時的に停止することとなり、運転モードの切替えを確実に実施することができる。
【００５１】
この一連の動作により、負荷１４は、交流電源１が正常である時には遮断器１３を介して交流電源１より、交流電源１が、異常である時には遮断器１３を介して無停電電源装置３より電力が供給される。このような無停電電源装置は、交流・直流変換器６１が逆変換器８よりも融通し得る有効電力容量が十分大きな構成になっているので、図７に示したディーゼル発電機などの非常用電源を兼ねることができる。なお、逆変換器８の運転は、一般の無停電電源装置におけるそれと同じなので、ここでは詳細説明を省略する。また、順変換制御器１０７と逆変換器制御１０８の動作は、一般の無停電電源装置におけるそれと同じなので、ここでは詳細説明を省略する。
【００５２】
実施の形態８．
図７は、実施の形態８の電力変換装置示すシステム構成図である。図６に示した構成に、電流検出器１１６、３相２相変換器１１７、フィルタ回路１１８、乗算器１１９、加算器１２０を備えたものである。
【００５３】
次に、詳細な説明を行う。電流検出器１１６により、負荷１４の電流を検出する。この電流は３相２相変換器１１７で有効電流成分（Ｉｄ）と無効電流成分（Ｉｑ）の２軸量に変換される。さらに、フィルタ回路１１８に入力されて高調波電流成分のみが抽出される。この有効電流成分は加算器１２０によって、順変換器制御時の電流指令値に加算される。また、図６の構成では、無停電電源装置３の交流・直流変換器６１は有効電力を融通するのみで、無効電流指令（Ｉｑ＊）は零になっているが、ここにフィルタ回路１１８の出力のうち無効電流成分を入力する。
【００５４】
この回路を備えることにより、負荷１４で発生した高調波電流を無停電電源装置３により補償することが可能となり、交流電源１に高調波電流が流出するのを抑制することができる。なお、交流・直流変換器６１が逆変換器制御モードで運転する場合は、交流電源１と負荷１４は切り離されているので高調波電流が交流電源１に流れていくことはない。従って、交流・直流変換器６１は、負荷１４が発生する高調波電流を補償する必要がない。乗算器１１９は、このようなことを考慮して備えられているもので、運転モード選択回路１０５が順変換器制御を選択している場合に限って、上記高調波電流補償機能を有効にするものである。
【００５５】
実施の形態９．
図８は、実施の形態９の電力変換装置を示すシステム構成図である。図６に示した構成に、電流検出器１２１、無効電力演算器１２２、無効電力制御器１２３、乗算器１２４を備えたものである。
【００５６】
次に動作について説明する。電流検出器１２１と電圧検出器１０１の信号を用いて無効電力演算器１２２にてシステムの無効電力を演算して計測する。無効電力指令値と無効電力計測値を無効電力制御器１２３に入力して、システムの無効電力が無効電力指令値と一致するような無効電流指令（Ｉｑ＊）を出力する。図６の構成では、無停電電源装置３の交流・直流変換器６１は有効電力を融通するのみで、無効電流指令（Ｉｑ＊）は零になっているが、ここに無効電力制御器１２３で得られた無効電流指令を入力する。
【００５７】
この回路を備えることにより、システムの無効電力指令を与えると、これを無停電電源装置３により補償することが可能となる。なお、交流・直流変換器６１が逆変換器制御モードで運転する場合は、交流電源１と負荷１４は切り離されているので無停電電源装置３の交流・直流変換器６１は無効電力を出力する必要はない。乗算器１２４は、このようなことを考慮して備えられているもので、運転モード選択回路１０５が順変換器制御を選択している場合に限って、上記無効電力発生機能を有効にするものである。
【００５８】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明の電力変換装置によれば、交流電源に接続されて交流電力・直流電力変換を行う交流・直流変換器、この交流・直流変換器の直流側に接続される直流エネルギー蓄積要素、この直流エネルギー蓄積要素と交流負荷との間にあって直流電力を交流電力に変換する逆変換器を備え、上記交流・直流変換器の融通し得る有効電力容量が上記逆変換器の融通し得る有効電力容量よりも大きい構成であるので、その交流・直流変換器の比較的大容量構成であることを有効に使って、交流電力を直流電力に変換する機能を有する交流・直流変換器を、直流電力を交流電力に変換する電力変換器として動作させることで、直流エネルギー蓄積要素に蓄積されたエネルギーを用いて、交流電源側の故障時に交流電源側に接続されている比較的大負荷（交流・直流変換器が融通し得る有効電力容量以内の負荷）に対して電力を供給することができ、比較的大負荷に対しても非常電源設備とすることができる。
【００５９】
また、第１の交流電源に接続されて交流電力・直流電力変換を行う第１の交流・直流変換器、第２の交流電源に接続されて交流電力・直流電力変換を行う第２の交流・直流変換器、上記交流・直流変換器の直流側のそれぞれと接続される直流エネルギー蓄積要素を備え、上記第１の交流・直流変換器の融通し得る有効電力容量が、上記第２の交流・直流変換器の融通し得る有効電力容量よりも大きい構成であるので、その第１の交流・直流変換器の比較的大容量構成であることを有効に使って、第１の交流・直流変換器を直流エネルギー蓄積要素と電力融通を行う電力変換器として動作させることで、第１の交流電源側の故障時に直流エネルギー蓄積要素に蓄積されたエネルギーを用いて、第１の交流電源側に接続されている比較的大負荷（第１の交流・直流変換器が融通し得る有効電力容量以内の負荷）に対して電力を供給することができ、比較的大負荷に対しても非常電源設備とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態１の電力変換装置を示すシステム構成図である。
【図２】実施の形態２の電力変換装置を示すシステム構成図である。
【図３】実施の形態３の電力変換装置を示すシステム構成図である。
【図４】実施の形態４の電力変換装置を示すシステム構成図である。
【図５】実施の形態５の電力変換装置を示すシステム構成図である。
【図６】実施の形態７の電力変換装置を示すシステム構成図である。
【図７】実施の形態８の電力変換装置を示すシステム構成図である。
【図８】実施の形態９の電力変換装置を示すシステム構成図である。
【図９】従来の無停電電源装置を示す構成図である。
【図１０】無停電電源装置と非常電源設備を組み合わせた従来のシステム構成図である。
【図１１】電力系統の安定度の説明を行う説明図である。
【図１２】ＢＴＢ電力変換装置を示す構成図である。
【図１３】ＢＴＢ電力変換装置の系統事故時の挙動を示す説明図である。
【図１４】２台の電力変換器から成る電力変換装置の有効電力の流れを示す図である。
【符号の説明】
１，１ａ，１ｂ　　交流電源　　　　　　２　系統連系遮断器
３　無停電電源装置　　　　　　　　　４　遮断器
５　インピーダンス要素　　　　　　　６　順変換器
７　直流エネルギー蓄積要素　　　　　８，８ａ，８ｂ　逆変換器
９　インピーダンス要素　　　　　　１０，１０ａ，１０ｂ　負荷
１３　遮断器　　　　　　　　　　　　１４　負荷
１５　交流電源　　　　　　　　　　　２１　交流・直流変換器
２３　交流電源
６１，６１ａ，６１ｂ　交流・直流変換器
１０４　不足電圧検出器　　　　　　　１０５　運転モード選択回路
１１６　電流検出器　　　　　　　　　１１７　３相２相変換器
１１８　フィルタ回路　　　　　　　　１１９　乗算器
１２０　加算器　　　　　　　　　　　１２１　電流検出器
１２２　無効電力演算器　　　　　　　１２３　無効電力制御器
１２４　乗算器　　　　　　　　　　　２０１　交流・直流変換器。

Claims

交流電源に接続されて交流電力・直流電力変換を行う交流・直流変換器、この交流・直流変換器の直流側に接続される直流エネルギー蓄積要素、この直流エネルギー蓄積要素と交流負荷との間にあって直流電力を交流電力に変換する逆変換器を備え、上記交流・直流変換器の融通し得る有効電力容量が上記逆変換器の融通し得る有効電力容量よりも大きい構成であることを特徴とする電力変換装置。
上記交流・直流変換器と上記逆変換器の少なくともいずれか一方が複数台で構成されていることを特徴とする請求項１記載の電力変換装置。
第１の交流電源に接続されて交流電力・直流電力変換を行う第１の交流・直流変換器、第２の交流電源に接続されて交流電力・直流電力変換を行う第２の交流・直流変換器、上記交流・直流変換器の直流側のそれぞれと接続される直流エネルギー蓄積要素を備え、一方の上記交流・直流変換器の融通し得る有効電力容量が、他方の上記交流・直流変換器の融通し得る有効電力容量よりも大きい構成であることを特徴とする電力変換装置。
上記交流・直流変換器が３台以上接続されていることを特徴とする請求項３記載の電力変換装置。
上記直流エネルギー蓄積要素は、ＮａＳ電池であることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の電力変換装置。
交流電源電圧が低下したことを検出する手段、この検出出力により上記交流電源を切り離す手段を備えたことを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の電力変換装置。
通常運転中は、負荷が発生する高調波電流を検出してこれを補償する機能を備えたことを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれか１項に記載の電力変換装置。
通常運転中は、上記交流・直流変換器の無効電力を検出し、所定の無効電力指令値に従って無効電力を出力する機能を備えた請求項１〜請求項７のいずれか１項に記載の電力変換装置。