JP2012029541A

JP2012029541A - ハイブリッド電源装置

Info

Publication number: JP2012029541A
Application number: JP2010168909A
Authority: JP
Inventors: Atsushi Morimoto; 篤史森本
Original assignee: Panasonic Corp
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 2010-07-28
Filing date: 2010-07-28
Publication date: 2012-02-09
Anticipated expiration: 2030-07-28
Also published as: JP5609379B2

Abstract

【課題】電圧安定化装置に発電手段を接続し、個別のインバータを必要とせず、効率的に制御することにより、自然エネルギーを有効利用し、かつ負荷への安定した節電電力を供給することで省エネルギー化を可能とし、負荷供給電圧制御の急峻な上昇、あるいは低下を防止し、電源供給の安定化を図ることができる電源装置を提供することを目的とする。
【解決手段】フルブリッジコンバータ５、フルブリッジインバータ６、コンデンサ７、直列変圧器９、リアクトル１０、主回路制御部１１より構成した電圧安定化装置１２と、太陽光発電手段１３、停電検出手段１５、指令値変更手段１６を備える構成とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、太陽電池などの発電手段と負荷への供給電圧を制御するハイブリッド電源装置に適用するものであり、商用電源の停電情報に基づいて、負荷への供給電圧を制御して負荷への過大電圧、電圧歪み拡大の防止、負荷への供給電圧の制御限界到達時の制御安定性に寄与するハイブリッド電源装置に関する。

従来、この種の電源装置（負荷への供給電圧制御装置）では、交流電圧の過剰な電圧を下げ、消費電力を少なくする機能を有する、家庭用あるいは業務用のものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１では、図４に示すように、節電装置１０１は、交流電源１０２および負荷１０３の間に配された直列変圧器１０４と、出力側が直列変圧器１０４の２次巻線に接続された回生型インバータ１０５を備えることにより、負荷１０３に印加される電圧を制御する。また、この構成により、回生型インバータ１０５の出力を連続的に制御することにより負荷１０３に印加される電圧を連続的に制御し、負荷１０３側へ安定した節電電力を供給することができる。

また、系統と連系する系統連系インバータでは、単独運転の検出信号に基づいて、例えば受動的方式ではインバータ部のゲートブロックを行なって、単独運転状態であれば、その後に解列し、能動的方式では単独運転であると識別した際に系統から解列するように制御するのが一般的に知られている。

特開２００２−２７０８８４号公報（要約、第１図）

しかしながら、特許文献１の例では、インバータを使用することで連続的に負荷の電圧を制御し、負荷へ安定した節電電力を供給することで節電効果を高めることで電力の有効利用をすることはできるが、自然エネルギーを利用することはできない。また、系統連系インバータは、自然エネルギーから取り出された電力を使用可能なエネルギーに変換して系統電源と連系することで利用できるが、負荷の電圧を連続的に制御して負荷への節電電力を制御し、電力の有効利用をすることはできないという課題があり、環境破壊や地球温暖化の防止の観点から電力の有効利用と自然エネルギーを利用した省エネルギー化が強く求められている。

また、従来の太陽光発電システムにおける単独運転検出は、単独運転状態となった直後から負荷への供給電圧に直接影響を与えるという課題があり、電源供給に対する安定性が求められている。

そこで、本発明は、自然エネルギーから発電された電力を利用し、また、従来通り負荷への安定した電圧で電源供給することで電力の有効利用と省エネルギー化の両立を可能とし、かつ、負荷供給電圧制御の急峻な上昇、あるいは低下を防止し、電源供給の安定化を図ることができるハイブリッド電源装置を提供することを目的とする。

そして、この目的を達成するために、本発明のハイブリッド電源装置は、スイッチング素子と逆並列したダイオードを上下に直列接続した３つのアームを備え、３つのアームのうち２つのアームにより構成したフルブリッジコンバータと、３つのアームのうち２つのアームにより構成し、１つのアームをフルブリッジコンバータと共用したフルブリッジインバータと、前記３つのアームに並列に接続したコンデンサと、交流電源と一次巻線を直列に接続し、かつフルブリッジインバータの出力からリアクトルを通して二次巻線を直列に接続した直列変圧器と、前記フルブリッジコンバータ、フルブリッジインバータを制御する主回路制御部により構成される節電装置、あるいは電圧安定化装置と、前記コンデンサに並列接続した発電手段と、前記フルブリッジコンバータを前記発電手段の系統連系インバータとして制御し、かつ前記フルブリッジインバータと直列変圧器により負荷に供給する電圧を昇電圧あるいは降電圧制御するハイブリッド電源装置であって、交流電源の停電を検出する停電検出手段を備え、検出した停電情報に基づいて負荷に供給する電圧の昇電圧あるいは降電圧制御の指令値を制御する指令値変更手段を備えたことを特徴とするものであり、これにより所期の目的を達成するものである。

本発明によれば、スイッチング素子と逆並列したダイオードを上下に直列接続した３つのアームを備え、３つのアームのうち２つのアームにより構成したフルブリッジコンバータと、３つのアームのうち２つのアームにより構成し、１つのアームをフルブリッジコンバータと共用したフルブリッジインバータと、前記３つのアームに並列に接続したコンデンサと、交流電源と一次巻線を直列に接続し、かつフルブリッジインバータの出力からリアクトルを通して二次巻線を直列に接続した直列変圧器と、前記フルブリッジコンバータ、フルブリッジインバータを制御する主回路制御部により構成される節電装置、あるいは電圧安定化装置と、前記コンデンサに並列接続した発電手段と、前記フルブリッジコンバータを前記発電手段の系統連系インバータとして制御し、かつ前記フルブリッジインバータと直列変圧器により負荷に供給する電圧を昇電圧あるいは降電圧制御するハイブリッド電源装置であって、交流電源の停電を検出する停電検出手段を備え、検出した停電情報に基づいて負荷に供給する電圧の昇電圧あるいは降電圧制御の指令値を制御する指令値変更手段を備えた構成にして、節電装置あるいは電圧安定化装置に発電手段を接続し、インバータを効果的に制御することにより、自然エネルギーから発電された電力を利用し、また、従来通り負荷への安定した電圧で電源供給することで電力の有効利用と省エネルギー化の両立を可能とし、かつ商用電源の停電情報に基づいて指令値を変更するため、負荷供給電圧制御の急峻な上昇、あるいは低下を防止し、電源供給の安定化を図ることができるハイブリッド電源装置を提供することができる。

本発明の実施の形態１のハイブリッド電源装置の構成図同停電検出手段１５のフローチャート同指令値変更手段１６のフローチャート従来の電源装置（負荷への供給電圧制御装置）の構成図

本発明の請求項１記載のハイブリッド電源装置は、スイッチング素子と逆並列したダイオードを上下に直列接続した３つのアームを備え、３つのアームのうち２つのアームにより構成したフルブリッジコンバータと、３つのアームのうち２つのアームにより構成し、１つのアームをフルブリッジコンバータと共用したフルブリッジインバータと、前記３つのアームに並列に接続したコンデンサと、交流電源と一次巻線を直列に接続し、かつフルブリッジインバータの出力からリアクトルを通して二次巻線を直列に接続した直列変圧器と、前記フルブリッジコンバータ、フルブリッジインバータを制御する主回路制御部により構成される節電装置、あるいは電圧安定化装置と、前記コンデンサに並列接続した発電手段と、前記フルブリッジコンバータを前記発電手段の系統連系インバータとして制御し、かつ前記フルブリッジインバータと直列変圧器により負荷に供給する電圧を昇電圧あるいは降電圧制御するハイブリッド電源装置であって、交流電源の停電を検出する停電検出手段を備え、検出した停電情報に基づいて負荷に供給する電圧の昇電圧あるいは降電圧制御の指令値を制御する指令値変更手段を備えたものである。これにより、節電装置あるいは電圧安定化装置に発電手段を接続し、インバータを効果的に制御することにより、自然エネルギーから発電された電力を利用し、また、従来通り負荷への安定した電圧で電源供給することで電力の有効利用と省エネルギー化の両立を可能とし、かつ商用電源の停電情報に基づいて指令値を変更するため、負荷供給電圧制御の急峻な上昇、あるいは低下を防止し、電源供給の安定化を図ることができるハイブリッド電源装置を提供する。

また、請求項２記載のハイブリッド電源装置は、停電検出手段は、交流電源の擾乱を検出して停電を判定する受動検出手段と、系統連系インバータにより交流電源に擾乱を重畳して停電を判定する能動検出手段を備え、前記受動検出手段あるいは能動検出手段のどちらで停電を検出したかに応じて、昇電圧あるいは降電圧制御の指令値を変更する第二指令値変更手段を備えたものである。これにより、検出時限と検出後の動作の異なる受動的方式、能動的方式それぞれに適した制御を行なうことで、より効果的に負荷供給電圧制御の急峻な上昇、あるいは低下を防止し、電源供給の安定化を図ることができるハイブリッド電源装置を提供する。

また、請求項３記載のハイブリッド電源装置は、受動検出手段にて停電を検出した場合、昇電圧あるいは降電圧制御の指令値は昇電圧幅あるいは降電圧幅を低下させるように変更する構成としたものである。これにより、受動的検出による停電検出機能が不要動作した際に、ゲートブロック制御からの復帰処理と同時に速やかに負荷供給電圧制御を安定に再スタートすることができるハイブリッド電源装置を提供する。

また、請求項４記載のハイブリッド電源装置は、指令値変更手段は、能動検出手段にて停電を検出した場合、昇電圧あるいは降電圧制御を停止するように変更する構成としたものである。これにより、能動的検出による停電検出機能が不要動作すなわち解列する際の電力バランスの不均衡を速やかに解除することができ、コンデンサの電圧を上昇させることなく、安定した制御動作を可能とすることができるハイブリッド電源装置を提供する。

また、請求項５記載のハイブリッド電源装置は、指令値変更手段は、昇電圧あるいは降電圧制御は、コンデンサの電圧が所定の範囲内となるように指令値を決定する構成としたものである。これにより、受動的検出、能動的検出を問わず、停電検出をした際に、電力バランスに基づいた制御が可能となるため、より安定した制御動作を可能とすることができるハイブリッド電源装置を提供する。

また、請求項６記載のハイブリッド電源装置は、停電発生から停電検出までの時間の昇電圧あるいは降電圧制御は、所定の昇電圧幅あるいは所定の降電圧幅で制限するように制御する構成としたものである。これにより、停電発生から停電検出までの単独運転状態となった際の昇降圧制御動作の不要な指令電圧の拡大を防止することができ、安定した制御動作を可能とすることができるハイブリッド電源装置を提供する。

（実施の形態１）
以下、実施の形態１について、図１を参照しながらハイブリッド電源装置１の構成について説明する。図１に示すように、ハイブリッド電源装置１は、スイッチング素子２ａ〜２ｆと逆並列したダイオード３ａ〜３ｆを上下に直列接続した３つのアーム４ａ〜４ｃを備え、アーム４ａ、４ｂにより構成したフルブリッジコンバータ５、アーム４ｂ、４ｃにより構成したフルブリッジインバータ６と、３つのアーム４ａ〜４ｃに並列に接続したコンデンサ７と、交流電源８と一次巻線９ａを直列に接続し、かつフルブリッジインバータ６の出力からリアクトル１０を通して二次巻線９ｂを直列に接続した直列変圧器９と、フルブリッジコンバータ５とフルブリッジインバータ６を制御する主回路制御部１１により構成した電圧安定化装置１２と、コンデンサ７に並列接続した発電手段としての太陽光発電手段１３と、フルブリッジコンバータ５を太陽光発電手段１３の発電電力を交流電源８へ出力制御し、かつフルブリッジインバータ６と直列変圧器９により負荷１４に供給する電圧を昇電圧あるいは降電圧制御するように構成しており、ハイブリッド電源装置１には、交流電源８の停電を検出する停電検出手段１５を備え、検出した停電情報（例えば停電を示すフラグ）に基づいて負荷１４に供給する電圧の昇電圧あるいは降電圧制御の指令値を制御する指令値変更手段１６を備えている。

次に、停電検出手段１５のフローチャートについて、図２を参照しながら説明する。

図に示すように、停電検出手段１５は、交流電源８の擾乱を検出して停電を判定する受動検出手段１５ａと、交流電源８に擾乱を重畳して停電を判定する能動検出手段１５ｂを備え、受動検出手段１５ａあるいは能動検出手段１５ｂのどちらで停電を検出したかに応じて、昇電圧あるいは降電圧制御の指令値を変更する第二指令値変更手段１５ｃを備えている。受動検出手段１５ａは、交流電源８の電圧検出値を入力する。入力した交流電源８の電圧検出値がゼロを通過した際にゼロフラグをセットし、周期検出カウンタのカウント値を記憶し、現カウンタ値をリセットする。周期検出カウンタは常時カウントアップさせ、ゼロクロス周期のカウント数を逐次記憶、更新を反復する。ゼロクロス周期のカウント数と基本電源周波数ｆ（５０Ｈｚあるいは６０Ｈｚ）の半サイクル分に相当する規定カウント数と逐次比較して、その偏差が所定カウント数を超えた場合、停電と判定し、所定カウント数以下であれば、健全な状態であると判定する。次に、能動検出手段１５ｂは、電源周波数ｆに対して、周波数外乱分の△ｆを加算し回生電流制御を行なう。回生電流制御はスイッチング素子２ａから２ｄを適宜スイッチングすることにより制御する。この時、ゼロクロス周期のカウント数が△ｆの加算に応じて変動した場合、更に△ｆを加算して回生電流制御を行なう。この処理を反復してゼロクロス周期のカウント数が所定のカウント数を下回る、すなわち電源周波数が上昇した場合に停電と判定して、カウント数が所定値を超えた状態を継続、あるいは基本電源周波数ｆに近づく場合は、健全と判定して、回生電流制御における周波数外乱分を初期値に戻すように構成している。

次に、受動検出手段１５ａ、あるいは能動検出手段１５ｂにて停電を検出した際の昇電圧あるいは降電圧制御、すなわち指令値変更手段１６のフローチャートについて、図３を参照しながら説明する。

図に示すように、指令値変更手段１６は、受動検出手段１５ａにより停電を検出した場合、その時の昇電圧あるいは降電圧制御何れかに応じて昇電圧幅を低下あるいは降電圧幅を低下させ、能動検出手段１５ｂにて停電を検出した場合、昇電圧あるいは降電圧制御は停止させる。この時、昇降圧制御は、コンデンサ７の電圧が所定の範囲内（例えば、２００Ｖの商用電源に連系している場合は３４０〜３６０Ｖ、１００Ｖの商用電源に連系している場合は１７０〜１８０Ｖ）となるように比例積分制御にて指令値を決定するように構成している。ここで、フルブリッジコンバータ５はゲートブロック乃至停止しているため、直列変圧器９を介して流入する電力は回生できないため、コンデンサ７の電圧が上昇することとなる。この際の上昇速度に応じて比例積分制御することとなる。

また、停電発生から停電検出までの時間では、停電を認識していないため、負荷１４に供給する電圧の昇電圧あるいは降電圧制御を、所定の昇電圧幅（例えば、２００Ｖの商用電源に連系している場合は２０Ｖ、１００Ｖの商用電源に連系している場合は６Ｖ）あるいは所定の降電圧幅（例えば２００Ｖの商用電源に連系している場合は２０Ｖ、１００Ｖの商用電源に連系している場合は６Ｖ）で制限するように制御を構成している。

以上のように、電圧安定化装置に発電手段を接続し、インバータを効果的に制御することにより、自然エネルギーから発電された電力を利用し、また、従来通り負荷への安定した電圧で電源供給することで電力の有効利用と省エネルギー化の両立を可能とし、かつ商用電源の停電情報に基づいて指令値を変更するため、負荷供給電圧制御の急峻な上昇、あるいは低下を防止し、電源供給の安定化を図ることができるハイブリッド電源装置が提供できる。

また、停電検出手段による検出時限と検出後の動作の異なる受動的方式、能動的方式それぞれに適した制御を行なうことで、より効果的に負荷供給電圧制御の急峻な上昇、あるいは低下を防止し、電源供給の安定化を図ることができるハイブリッド電源装置が提供できる。

また、受動的検出による停電検出機能が不要動作した際に、ゲートブロック制御からの復帰処理と同時に速やかに負荷供給電圧制御を安定に再スタートすることができ、能動検出手段による停電検出機能が不要動作すなわち解列する際の電力バランスの不均衡を速やかに解除することができ、コンデンサの電圧を上昇させることなく、安定した制御動作を可能とすることができるハイブリッド電源装置を提供できる。

また、昇電圧あるいは降電圧制御は、コンデンサの電圧が所定の範囲内となるように指令値を決定する構成としたため、受動的検出、能動的検出を問わず、停電検出をした際に、電力バランスに基づいた制御が可能となるため、より安定した制御動作を可能とすることができるハイブリッド電源装置を提供できる。

また、停電発生から停電検出までの時間の昇電圧あるいは降電圧制御は、所定の昇電圧幅あるいは所定の降電圧幅で制限するように制御する構成としたため、停電発生から停電検出までの単独運転状態となった際の昇降圧制御動作の不要な指令電圧の拡大を防止することができ、安定した制御動作を可能とすることができるハイブリッド電源装置を提供できる。

なお、受動検出手段は、電圧位相跳躍検出方式を示したが、その他の検出方式（例えば、周波数変化率検出方式等）としてもよく、能動検出手段についても、周波数シフト方式を示したが、その他の検出方式（例えば、無効電力変動方式等）としてもよい。

また、コンデンサの所定の範囲の一例を示したが、コンデンサの耐圧、商用電源電圧を考慮したその他の範囲としてもよい。

さらに、負荷に供給する電圧の昇降圧の所定値も同様に一例を示したが、商用電源電圧と昇降圧幅を加算した目標電圧が、２００Ｖ系の場合は１８０〜２２０Ｖの範囲内、１００Ｖ系の場合は９５〜１０７Ｖの範囲内であれば、その他の電圧としてもよい。

本発明にかかるハイブリッド電源装置は、スイッチング素子と逆並列したダイオードを上下に直列接続した３つのアームにより構成したフルブリッジコンバータ、及び１つのアームをフルブリッジコンバータと共用したフルブリッジインバータと、前記３つのアームに並列に接続したコンデンサと、交流電源と一次巻線を直列に接続し、かつフルブリッジインバータの出力からリアクトルを通して二次巻線を直列に接続した直列変圧器と、前記フルブリッジコンバータ、フルブリッジインバータを制御する主回路制御部により構成される節電装置、あるいは電圧安定化装置と、前記コンデンサに並列接続した発電手段と、前記フルブリッジコンバータを前記発電手段の系統連系インバータとして制御し、かつ前記フルブリッジインバータと直列変圧器により負荷に供給する電圧を昇電圧あるいは降電圧制御するハイブリッド電源装置であって、交流電源の停電を検出する停電検出手段を備え、検出した停電情報に基づいて負荷に供給する電圧の昇電圧あるいは降電圧制御の指令値を制御する指令値変更手段を備えたので、太陽光発電のみならず、燃料電池などその他の発電手段への適用も可能なハイブリッド電源装置を提供することもでき有用である。

１ハイブリッド電源装置
２ａ〜２ｆスイッチング素子
３ａ〜３ｆダイオード
４ａ〜４ｃアーム
５フルブリッジコンバータ
６フルブリッジインバータ
７コンデンサ
８交流電源
９直列変圧器
９ａ一次巻線
９ｂ二次巻線
１０リアクトル
１１主回路制御部
１２電圧安定化装置
１３太陽光発電手段
１４負荷
１５停電検出手段
１５ａ受動検出手段
１５ｂ能動検出手段
１５ｃ第二指令値変更手段
１６指令値変更手段

Claims

スイッチング素子と逆並列したダイオードを上下に直列接続した３つのアームを備え、３つのアームのうち２つのアームにより構成したフルブリッジコンバータと、３つのアームのうち２つのアームにより構成し、１つのアームをフルブリッジコンバータと共用したフルブリッジインバータと、前記３つのアームに並列に接続したコンデンサと、交流電源と一次巻線を直列に接続し、かつフルブリッジインバータの出力からリアクトルを通して二次巻線を直列に接続した直列変圧器と、前記フルブリッジコンバータ、フルブリッジインバータを制御する主回路制御部により構成される節電装置、あるいは電圧安定化装置と、
前記コンデンサに並列接続した発電手段と、前記フルブリッジコンバータを前記発電手段の系統連系インバータとして制御し、かつ前記フルブリッジインバータと直列変圧器により負荷に供給する電圧を昇電圧あるいは降電圧制御するハイブリッド電源装置であって、
交流電源の停電を検出する停電検出手段を備え、検出した停電情報に基づいて負荷に供給する電圧の昇電圧あるいは降電圧制御の指令値を制御する指令値変更手段を備えたことを特徴とするハイブリッド電源装置。
停電検出手段は、交流電源の擾乱を検出して停電を判定する受動検出手段と、系統連系インバータにより交流電源に擾乱を重畳して停電を判定する能動検出手段を備え、前記受動検出手段あるいは能動検出手段のどちらで停電を検出したかに応じて、昇電圧あるいは降電圧制御の指令値を変更する第二指令値変更手段を備えたことを特徴とする請求項１記載のハイブリッド電源装置。
受動検出手段にて停電を検出した場合、昇電圧あるいは降電圧制御の指令値は昇電圧幅あるいは降電圧幅を低下させるように変更することを特徴とする請求項２記載のハイブリッド電源装置。
指令値変更手段は、能動検出手段にて停電を検出した場合、昇電圧あるいは降電圧制御を停止するように変更することを特徴とする請求項２、あるいは３記載のハイブリッド電源装置。
指令値変更手段は、昇電圧あるいは降電圧制御は、コンデンサの電圧が所定の範囲内となるように指令値を決定することを特徴とする請求項１記載のハイブリッド電源装置。
停電発生から停電検出までの時間の昇電圧あるいは降電圧制御は、所定の昇電圧幅あるいは所定の降電圧幅で制限するように制御することを特徴とする請求項１記載のハイブリッド電源装置。