JP2011135708A - 電源システム - Google Patents

Abstract

【課題】交流電源電圧を調整可能な電源システムにおいて、システム損失を低減できる交流電圧調整を容易にする。
【解決手段】本発明は電源システムにおいて、入力交流電力を所定の出力交流電力に変換する変換装置を備え、該変換装置は、システム内部の設定可能な変数について、該変数の設定値を変更した場合のシステム内部の効率変化もしくは電力変化を、該設定値の変更以前に予測するシステム予測手段を備えたことを特徴とするものである。
【選択図】 図１

Description

本発明は、入力交流電力を所定の出力交流電力に変換する電源システムに関する。

近年、省エネルギーの要求が高まっており、電源装置においても損失低減が進められている。無停電電源装置やモータ駆動装置など交流出力の電源装置では、交流を直流に変換するコンバータ、および直流を交流に逆変換するインバータを組み合わせた方式が用いられており、装置単体の変換効率向上による損失低減が行われてきた。例えば、特許文献１では交流電源電圧、または負荷電力に基づき直流電圧指令を生成することで低損失化を図るＰＷＭコンバータ装置について記載されている。

特開平１０−３０４６６７号公報

上記従来技術は、交流電源電圧および負荷電力に基づき直流電圧指令を生成する方式のため、交流電源電圧の変化による損失改善効果は考慮されない。無停電電源装置に交流電源電圧を供給する受電系統には、タップ付き変圧器など交流電源電圧を調整する機能を備える場合があり、交流電源電圧を調整すれば無停電電源装置の変換効率にも変化が現れる。しかし、その調整方法に関して実際にタップを切換えながら各部の電力を観測する方法では、調整値に対する損失低減効果を判断するのに十分な評価時間を要し、最適な調整値の把握は困難である。また、頻繁に切換えを行うとタップの切換え耐用に影響を与える点からも、最小の切換え回数で容易に最適値に設定することが望ましい。

上記課題を達成するために、本発明は電源システムにおいて、入力交流電力を所定の出力交流電力に変換する変換装置を備え、該変換装置は、システム内部の設定可能な変数について、該変数の設定値を変更した場合のシステム内部の効率変化もしくは電力変化を、該設定値の変更以前に予測するシステム予測手段を備えたことを特徴とするものである。

更に、本発明は電源システムにおいて、前記変数の設定値および前記システム予測手段の予測結果を並べて表示する表示手段を備えることを特徴とするものである。

更に、本発明は電源システムにおいて、前記変換装置の入力交流電圧を変更する入力交流電圧変更手段を備え、前記システム予測手段は、前記変換装置の入力交流電圧を検出する入力電圧検出手段と、前記変換装置の入力交流電圧を変数として入力する設定値入力手段と、前記変換装置の入力交流電圧を変化させた場合の変換装置の入出力効率特性を記憶した効率記憶手段と、前記入力電圧検出手段の検出する入力交流電圧値に対して、前記設定値入力手段に入力された変数の値に入力交流電圧が変化した場合の入出力効率変化を前記効率記憶手段を用いて演算する効率変化演算手段を備えたことを特徴とするものである。

更に、本発明は電源システムにおいて、前記変換装置の入力交流電圧および出力交流電圧を変更する入力交流電圧変更手段を備え、前記システム予測手段は、前記変換装置の入力交流電圧を検出する入力電圧検出手段と、前記変換装置の出力交流電圧を検出する出力電圧検出手段と、前記変換装置の入力交流電圧または出力交流電圧を変数として入力する設定値入力手段と、前記変換装置の入力交流電圧および出力交流電圧の差電圧に対する前記変換装置の入出力効率特性を記憶した効率記憶手段と、前記入力電圧検出手段の検出する入力交流電圧値と前記設定値入力手段に入力された変数としての出力交流電圧値の差電圧、または前記出力電圧検出手段の検出する出力交流電圧値と前記設定値入力手段に入力された変数としての入力交流電圧の差電圧、が変化した場合の入出力効率変化を前記効率記憶手段を用いて演算する効率変化演算手段を備えたことを特徴とするものである。

更に、本発明は電源システムにおいて、前記システム予測手段は、変換装置の出力交流電力を計測する出力電力検出手段を備え、前記効率変化演算手段の演算する入出力効率変化と、前記出力電力検出手段の検出する出力交流電力値より、電源システムの入力電力変化または変換装置内部で発生する損失変化を演算する電力変化演算手段を備えることを特徴とするものである。

更に、本発明は電源システムにおいて、変換装置は、入力交流電力を直流電力に変換し、該直流電力を出力交流電力へと変換し、該直流電力の通流する回路部に蓄電装置を備え、前記システム予測手段は、前記変換装置の出力交流電力を計測する出力電力検出手段と、前記蓄電装置の充放電電力を計測する充放電電力検出手段とを備え、前記効率変化演算手段の演算する入出力効率変化と、前記出力電力検出手段の検出する出力交流電力値と、前記充放電電力検出手段の検出する充放電電力値により、電源システムの入力電力変化または前記変換装置内部で発生する損失変化を演算する電力変化演算手段を備えたことを特徴とするものである。

更に、本発明は電源システムにおいて、前記入力交流電圧を変更可能な電源設備を備え、前記システム予測手段は、前記電源設備で変更可能な電圧値に相当する変更可能電圧範囲を予め記憶し、該変更可能電圧範囲内の電圧値を変数の設定値として選択することを特徴とするものである。

更に、本発明は電源システムにおいて、前記入力交流電圧を変更可能なタップ付き変圧器を備え、前記システム予測手段は、前記タップ付き変圧器で変更可能な電圧値に相当する複数の離散電圧値を予め記憶し、該離散電圧値のいずれかを該変数の設定値として択一可能なことを特徴とするものである。

更に、本発明は電源システムにおいて、電源システムの入力電力が最小となる入力交流電圧、または入出力効率が最大となる入力交流電圧を演算することを特徴とするものである。

更に、本発明は電源システムにおいて、前記入力交流電圧を変更可能な電源設備を備え、前記システム予測手段の予測内容に従い前記電源設備を操作可能なことを特徴とするものである。

更に、本発明は電源システムにおいて、前記入力交流電圧、前記入力交流電力、前記出力交流電力のいずれかの時系列変動特性を抽出する手段を備え、前記時系列変動に従い前記システム予測手段の予測演算、または該変更可能電圧範囲を補正することを特徴とするものである。

更に、本発明は電源システムにおいて、ネットワーク通信網を介して前記入力交流電圧の時系列変動特性、前記入力交流電力の時系列変動特性、前記出力交流電力の時系列変動特性、気象予測情報、地域電力需要予測情報のいずれかを取得する手段を備え、該取得情報に従い前記システム予測手段の予測演算、または変更可能電圧範囲を補正することを特徴とするものである。

更に、本発明は電源システムにおいて、前記システム予測手段の演算内容を、ネットワーク通信網を介して遠隔地に表示することを特徴とするものである。

本発明の電源システムによれば、交流電源電圧の調整値に対する省エネルギー効果を調整以前に予め評価できるため、省エネルギーを実現できる調整値の選択作業を容易に実現できる。

本発明の実施形態１に係わる電源システムの概要を示す図。 本発明の実施形態１に係わる最小電力追従制御装置の内部演算の概要を示すフロー図。 本発明の実施形態１に係わる最小電力追従制御の概要を示す図。

以下、本発明の実施例を図面を用いて説明する。

〔実施の形態１〕
図１は本発明に係わる電源システムについて、無停電電源装置システムを例として示したものである。商用電源２の商用交流電圧は、タップ付き変圧器２５、および開閉器３を介して、並列接続された無停電電源装置１Ａ，１Ｂにそれぞれ入力される。無停電電源装置１Ａ，１Ｂの出力はそれぞれ開閉器２０Ａ，２０Ｂを介して負荷４に並列接続され、一台を停止しても負荷４に給電できる冗長構成となっている。ここで図中では２台の無停電電源装置１Ａ，１Ｂを示したが、その並列数は何台でも構わない。

また、無停電電源装置１Ａ，１Ｂは無線や通信ケーブル等の通信手段２１を備え、並列接続した装置同士での情報交換、またはＬＡＮ，インターネットなどのネットワーク通信網２３を介したシステム外部との情報交換が可能となっている。ネットワーク通信網２３は、図示を省略するコンピュータ機器や無線通信端末などのほか、例えばタップ付き変圧器のタップ切換え機能を備えた外部制御装置２４を接続してもよい。

無停電電源装置１Ａ，１Ｂは同一の内部構成であり、代表として無停電電源装置１Ａについて内部の詳細を説明する。タップ付き変圧器２５の出力する交流電源電圧は、無停電電源装置１Ａ内部において開閉器１８を介してコンバータ８に加えられる。コンバータ８は、パルス幅変調制御（以下、ＰＷＭ制御と称す）により入力される交流電圧を所定の直流電圧に変換し、直流母線５に出力する。直流母線５の直流電圧はＰＷＭ制御されるインバータ９によって定電圧定周波の交流電圧に変換される。さらに直流母線５は双方向コンバータ１０、および開閉器１９を介してバッテリ６Ａへ接続される。インバータ９の交流出力電圧は開閉器１７、開閉器１４と開閉器２０Ａを介して負荷４に給電される。負荷４と出力開閉器２０Ａ，２０Ｂの間に負荷開閉器７を設けてもよい。

開閉器１８の負荷側（コンバータ８の交流側）と開閉器１７の負荷側はバイパス回路１１で接続されている。バイパス回路１１には半導体スイッチ１５と機械的な開閉器１６が並列接続されている。バイパス回路１１はコンバータ８，インバータ９をバイパスして負荷４に給電する。また、開閉器１８の電源側と開閉器１４の負荷側は開閉器１３を有する保守バイパス回路１２で接続されている。保守バイパス回路１２はコンバータ８，インバータ９、およびバイパス回路１１の全てをバイパスして交流電源電圧を負荷４に給電する。

コンバータ８の入力には変成器ＶＴ１、および変流器ＣＴ１が設けられ、それぞれにおいて入力電圧Ｖin、および入力電流Ｉinが検出される。また、インバータ９の出力には変成器ＶＴ２、および変流器ＣＴ２が設けられ、それぞれにおいて出力電圧Ｖｏ、および出力電流Ｉｏが検出される。また、直流母線５の電圧は図示を省略した所定の検出回路によりＶｄｃとして検出される。さらに直流母線５から双方向コンバータ１０への接続線上には電流センサＣＴ３が備えられ、バッテリ６Ａへ充放電される電流Ｉbattを検出する。

検出された電圧値および電流値はデータ処理装置Ｃ１へ蓄積される。無停電電源装置１Ａは、操作表示装置２２を備え、各種の数値や操作の設定や、内部データの表示が可能となっている。操作表示装置２２における操作情報、通信手段２１における外部通信情報、データ処理装置Ｃ１における計測データに基づき、予測演算装置Ｃ２は所定の予測演算を行い、予測演算の結果を通信手段２１や操作表示装置２２に転送する。データ処理装置Ｃ１、および予測演算装置Ｃ２などは、マイコンやＤＳＰなどの制御プログラムとして回路上に実装する形態が望ましい。

図２は、予測演算装置Ｃ２における、予測演算の詳細ブロック図を示す。

まずデータ処理装置Ｃ１より入力電圧Ｖin，入力電流Ｉin，出力電圧Ｖｏ，出力電流Ｉｏを取得し、電圧と電流の積から入力電力Ｐin，出力電力Ｐｏを算出する。同時に入力電力Ｐinに対する出力電力Ｐｏの比率より入出力効率ηを求める。

予測演算装置Ｃ２には、無停電電源装置１Ａに関する入出力効率の特性データテーブルＣ２Ａが予め記憶されている。データテーブルＣ２Ａに対し、例えば出力電力Ｐｏ、および入力電圧設定値Ｖin_refを入力パラメータとして与えると、対応する入出力予測効率η′を出力する構成となっている。得られた入出力予測効率η′より、ηとη′の差分効率Δη、出力電力Ｐｏをη′で割った予測入力電力Ｐin′、ＰinとＰin′の差分電力ΔＰinなどを求め、それぞれ予測演算装置Ｃ２より出力する。なお、データテーブルＣ２Ａは特性を近似する適当な関数式で代用しても構わない。

図３は、操作表示装置２２の一例を示す。操作表示装置２２は、ＬＥＤ，液晶パネル，スイッチ，押ボタン，タッチパネルなどで構成してもよい。操作表示装置２２は機能として、主にデータ処理装置Ｃ１や予測演算装置Ｃ２の内部のデータを表示するモニタ部２２Ａ、および各種の変数や操作指令の設定操作を行う操作部２２Ｂで構成する。

操作部２２Ｂには、設定値変更手段２２Ｃ，予測効果表示手段２２Ｄが備えられている。設定値変更手段２２Ｃは、例えば入力電圧設定値Ｖin_refなど、システム内部の設定可能な変数を入力することができる。予測効果表示手段２２Ｄは、設定値変更手段２２Ｃへの入力値に対する予測演算装置Ｃ２の出力、例えば差分効率Δη，差分電力ΔＰinなどを表示する。

また、操作部２２Ｂには、設定実行手段２２Ｅを設けても良い。設定実行手段２２Ｅは例えばボタンスイッチなどで構成し、スイッチの押下により設定値変更手段２２Ｃに入力した値を実際の設定値として変更する指令を出力する。例えば、設定実行手段２２Ｅに入力電圧設定値Ｖin_refを設定した場合は、外部制御装置２４に対し入力電圧設定値Ｖin_refに相当する交流電源電圧にタップ付き変圧器２５を調整するような指令を出力してもよい。

また、操作部２２Ｂに最適設定表示手段２２Ｆおよび最適設定時予測効果表示手段２２Ｇを設けても良い。これは例えば省エネルギーの観点で最適となる設定値Ｖin_refを内部で演算し、設定値Ｖin_refと省エネルギー効果の結果をそれぞれ表示するものである。

なお、設定値変更手段２２Ｃについては、数桁の実数を直接入力する方法のほか、予め記憶された複数の離散値より択一する方法、例えばドロップダウンリストやラジオボタンで選択する構成でも構わない。また設定値変更手段２２Ｃに入力される値には、予め上下限の値を設け、上下限値の範囲を超える数値入力を禁止するように構成してもよい。

通信手段２１およびネットワーク通信網２３を通じて操作を行う場合、操作表示装置２２と同等の機能を外部コンピュータや通信端末、およびインターネット上のプログラムとして構成してもよい。さらに操作表示装置２２と同等の表示内容を電子メールなどで遠隔地に表示することも可能である。

このように電源システムにおいて、入力電圧の調整作業、例えばタップ付き変圧器のタップ切換えに対する省エネルギー効果を予め評価できるため、省エネルギーを実現できる切換えタップの選択を容易にできるほか、不必要な切換え回数を低減することでタップ切換器の耐用期間を延長する効果が得られる。

さらに、操作表示装置２２において、設定値変更手段２２Ｃと予測効果表示手段２２Ｄを並べて表示すると、並べずに例えば別画面などで表示した場合に比べ、設定値変更に対する予測効果の変化の視認性を高めることができる。

さらに、予測演算装置Ｃ２のデータテーブルＣ２Ａのパラメータは例として入力電圧Ｖin_refに関して説明したが、入力電圧Ｖin以外にも効率が変化するパラメータであればよく、例えば出力電圧Ｖｏ、入力電圧と出力電圧の差電圧ΔＶ（＝Ｖin−Ｖｏ）をパラメータとしても構わない。

さらに、設定値変更手段２２Ｃに予め設定される上下限の値には、主幹系統の例えばタップ付き変圧器で変更可能な電圧値を設定することで、実システムに適した設定値変更を操作者に促すことが可能である。

さらに、タップ付き変圧器として１０〜２０段の切換える構成を備えているので、タップの各段に相当する離散的な設定値を予め記憶し、例えば設定値変更手段２２Ｃなどに表示すれば、より実システムに適した設定値変更を操作者に促すことが可能である。

さらに、データ処理装置Ｃ１に計時機能やカレンダー機能を備え、データ処理装置Ｃ１の蓄積データに関する昼夜，曜日，季節など時系列分析を行い、予測演算装置Ｃ２における予測結果を補正してもよい。例えば、夜間など負荷４の消費電力が少ない場合に商用電源２の電圧は上昇する分析結果が得られた場合には、最適設定表示手段２２Ｆ、または設定値変更手段２２Ｃの上限値を低めに設定することで交流電源電圧の異常な上昇を防止することができる。また本実施例で述べた電源システムをスマートグリッドシステムなどに適用し、商用電源２の電圧の時系列データに加え、気象予測，電力需要予測などの情報をネットワーク通信網２３より取得すれば、太陽光発電・風力発電などの発電量変動の大きい電源や、電鉄・溶接機器など消費電力変動の大きい負荷を近傍に有する電源システムにおいても交流電源電圧の異常な上昇や低下を防止することが実現できる。

１Ａ，１Ｂ 無停電電源装置
２ 商用電源
４ 負荷
５ 直流母線
６Ａ，６Ｂ バッテリ
８ コンバータ
９ インバータ
１０ 双方向コンバータ
２１ 通信手段
Ｃ１ データ処理装置
Ｃ２ 予測演算装置
Ｃ３ 最小電力追従制御装置

Claims (13)

1. 電源システムにおいて、
   入力交流電力を所定の出力交流電力に変換する変換装置を備え、
   該変換装置は、
   システム内部の設定可能な変数について、該変数の設定値を変更した場合のシステム内部の効率変化もしくは電力変化を、該設定値の変更以前に予測するシステム予測手段を備えたことを特徴とする電源システム。
2. 請求項１の電源システムにおいて、
   前記変数の設定値および前記システム予測手段の予測結果を並べて表示する表示手段を備えることを特徴とする電源システム。
3. 請求項１又は２の電源システムにおいて、
   前記変換装置の入力交流電圧を変更する入力交流電圧変更手段を備え、
   前記システム予測手段は、
   前記変換装置の入力交流電圧を検出する入力電圧検出手段と、
   前記変換装置の入力交流電圧を変数として入力する設定値入力手段と、
   前記変換装置の入力交流電圧を変化させた場合の変換装置の入出力効率特性を記憶した効率記憶手段と、
   前記入力電圧検出手段の検出する入力交流電圧値に対して、前記設定値入力手段に入力された変数の値に入力交流電圧が変化した場合の入出力効率変化を前記効率記憶手段を用いて演算する効率変化演算手段
   を備えたことを特徴とする電源システム。
4. 請求項１又は２の電源システムにおいて、
   前記変換装置の入力交流電圧および出力交流電圧を変更する入力交流電圧変更手段を備え、
   前記システム予測手段は、
   前記変換装置の入力交流電圧を検出する入力電圧検出手段と、
   前記変換装置の出力交流電圧を検出する出力電圧検出手段と、
   前記変換装置の入力交流電圧または出力交流電圧を変数として入力する設定値入力手段と、
   前記変換装置の入力交流電圧および出力交流電圧の差電圧に対する前記変換装置の入出力効率特性を記憶した効率記憶手段と、
   前記入力電圧検出手段の検出する入力交流電圧値と前記設定値入力手段に入力された変数としての出力交流電圧値の差電圧、または前記出力電圧検出手段の検出する出力交流電圧値と前記設定値入力手段に入力された変数としての入力交流電圧の差電圧、が変化した場合の入出力効率変化を前記効率記憶手段を用いて演算する効率変化演算手段
   を備えたことを特徴とする電源システム。
5. 請求項３又は４の電源システムにおいて、
   前記システム予測手段は、
   変換装置の出力交流電力を計測する出力電力検出手段を備え、
   前記効率変化演算手段の演算する入出力効率変化と、前記出力電力検出手段の検出する出力交流電力値より、電源システムの入力電力変化または変換装置内部で発生する損失変化を演算する電力変化演算手段を備えることを特徴とする電源システム。
6. 請求項３から５のうちの１つの電源システムにおいて、
   変換装置は、入力交流電力を直流電力に変換し、該直流電力を出力交流電力へと変換し、該直流電力の通流する回路部に蓄電装置を備え、
   前記システム予測手段は、
   前記変換装置の出力交流電力を計測する出力電力検出手段と、
   前記蓄電装置の充放電電力を計測する充放電電力検出手段とを備え、
   前記効率変化演算手段の演算する入出力効率変化と、前記出力電力検出手段の検出する出力交流電力値と、前記充放電電力検出手段の検出する充放電電力値により、電源システムの入力電力変化または前記変換装置内部で発生する損失変化を演算する電力変化演算手段を備えたことを特徴とする電源システム。
7. 請求項１から６のうちの１つの電源システムにおいて、
   前記入力交流電圧を変更可能な電源設備を備え、
   前記システム予測手段は、
   前記電源設備で変更可能な電圧値に相当する変更可能電圧範囲を予め記憶し、該変更可能電圧範囲内の電圧値を変数の設定値として選択することを特徴とする電源システム。
8. 請求項１から７のうちの１つの電源システムにおいて、
   前記入力交流電圧を変更可能なタップ付き変圧器を備え、
   前記システム予測手段は、
   前記タップ付き変圧器で変更可能な電圧値に相当する複数の離散電圧値を予め記憶し、該離散電圧値のいずれかを該変数の設定値として択一可能なことを特徴とする電源システム。
9. 請求項１から８のうちの１つの電源システムにおいて、
   電源システムの入力電力が最小となる入力交流電圧、または入出力効率が最大となる入力交流電圧を演算することを特徴とする電源システム。
10. 請求項１から９のうちの１つの電源システムにおいて、
    前記入力交流電圧を変更可能な電源設備を備え、
    前記システム予測手段の予測内容に従い前記電源設備を操作可能なことを特徴とする電源システム。
11. 請求項１から１０のうちの１つの電源システムにおいて、
    前記入力交流電圧、前記入力交流電力、前記出力交流電力のいずれかの時系列変動特性を抽出する手段を備え、前記時系列変動に従い前記システム予測手段の予測演算、または該変更可能電圧範囲を補正することを特徴とする電源システム。
12. 請求項１から１１のうちの１つの電源システムにおいて、
    ネットワーク通信網を介して前記入力交流電圧の時系列変動特性、前記入力交流電力の時系列変動特性、前記出力交流電力の時系列変動特性，気象予測情報，地域電力需要予測情報のいずれかを取得する手段を備え、該取得情報に従い前記システム予測手段の予測演算、または変更可能電圧範囲を補正することを特徴とする電源システム。
13. 請求項１から１２の１つの電源システムにおいて、
    前記システム予測手段の演算内容を、ネットワーク通信網を介して遠隔地に表示することを特徴とする電源システム。

Images