JP2014023261A

JP2014023261A - 電力変換装置および電力変換システム

Info

Publication number: JP2014023261A
Application number: JP2012158919A
Authority: JP
Inventors: Yu Kuboyama; 裕久保山; Kikuo Izumi; 喜久夫泉; Tatsuya Okuda; 達也奥田
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2012-07-17
Filing date: 2012-07-17
Publication date: 2014-02-03

Abstract

【課題】複数台の電力変換装置を並列運転して共通の負荷に電力を供給する構成において、負荷急変時に他の電力変換装置に電力が流入してその電力変換装置が過電圧保護機能により停止する可能性を低減することができ、負荷に供給する電力品質を向上することが可能な電力変換装置および電力変換システムを得ること。
【解決手段】並列運転している他の電力変換装置１０の直流電圧平滑コンデンサ１０３の両端電圧が所定電圧値以下となるように制御する直流電圧制御回路２１１と、出力電流指令を直流電圧制御回路２１１の出力により制限する出力制限回路２１２と、出力制限回路２１２の出力に応じてインバータ２０２の出力電力を制限するように駆動制御する駆動制御部２００とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数台並列運転して共通の負荷に電力を供給する電力変換装置および電力変換システムに関する。

従来、複数台の電力変換装置を並列運転して共通の負荷に電力を供給する技術として、例えば、並列接続された電力変換装置の出力端の電圧を検出し、その検出信号を用いて、各電力変換装置を制御する技術が開示されている（例えば、特許文献１）。

特開２００２−３６９５４１号公報

しかしながら、上記従来技術では、負荷急変時において、電力変換装置の出力する電力が並列運転している他の電力変換装置に流入した場合に、その電力変換装置が過電圧保護機能により停止する場合があり、負荷に供給する電力品質が低下する、という問題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、複数台の電力変換装置を並列運転して共通の負荷に電力を供給する構成において、負荷急変時に他の電力変換装置に電力が流入してその電力変換装置が過電圧保護機能により停止する可能性を低減し、負荷に供給する電力品質を向上することが可能な電力変換装置および電力変換システムを提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するため、本発明にかかる電力変換装置は、直流電源の電圧を昇圧するコンバータ、前記コンバータにより昇圧された直流電圧を交流電圧に変換して負荷に供給するインバータ、および、前記コンバータと前記インバータとの間に設けられた直流電圧平滑コンデンサを具備し、複数台並列運転して共通の負荷に電力を供給する電力変換装置であって、並列運転している他の電力変換装置の直流電圧平滑コンデンサの両端電圧が所定電圧値以下となるように制御する直流電圧制御回路と、出力電流指令あるいは出力電力指令を前記直流電圧制御回路の出力により制限する出力制限回路と、前記出力制限回路の出力に応じて、前記インバータの出力電力を制限するように駆動制御する駆動制御部と、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、複数台の電力変換装置を並列運転して共通の負荷に電力を供給する構成において、負荷急変時に他の電力変換装置に電力が流入してその電力変換装置が過電圧保護機能により停止する可能性を低減することができ、負荷に供給する電力品質を向上することができる、という効果を奏する。

図１は、実施の形態にかかる電力変換装置および電力変換システムの一構成例を示す図である。図２は、実施の形態にかかる電力変換装置の直流電圧制御回路の一構成例を示す図である。図３は、実施の形態にかかる電力変換装置の出力制限回路の構成例を示す図である。図４は、実施の形態にかかる電力変換装置の直流電圧制御回路および出力制限回路の動作を説明するためのタイミングチャートである。

以下に添付図面を参照し、本発明の実施の形態にかかる電力変換装置および電力変換システムについて説明する。なお、以下に示す実施の形態により本発明が限定されるものではない。

実施の形態．
図１は、実施の形態にかかる電力変換装置および電力変換システムの一構成例を示す図である。図１に示す例では、２つの電力変換装置１０，２０が並列運転して共通の負荷（三相負荷）３０に電力を供給する例を示している。

図１に示す電力変換装置１０は、直流電源１１の電圧を昇圧するコンバータ１０１と、コンバータ１０１により昇圧された直流電圧を交流電圧に変換するインバータ（三相インバータ）１０２と、コンバータ１０１とインバータ１０２との間に設けられた直流電圧平滑コンデンサ１０３とを備えている。

また、図１に示す実施の形態にかかる電力変換装置２０は、直流電源２１の電圧を昇圧するコンバータ２０１と、コンバータ２０１により昇圧された直流電圧を交流電圧に変換するインバータ（三相インバータ）２０２と、コンバータ２０１とインバータ２０２との間に設けられた直流電圧平滑コンデンサ２０３と、実施の形態にかかる電力変換装置２０と並列運転している電力変換装置１０の内部の直流電圧平滑コンデンサ１０３の両端電圧Ｖｄｃを検出する直流電圧検出手段２０４と、インバータ２０２から出力される各交流電圧Ｖｕ，Ｖｖを検出する交流電圧検出手段２０５と、インバータ２０２から出力される交流電流Ｉｕを検出する交流電流検出手段２０６と、直流電圧平滑コンデンサ１０３の両端電圧Ｖｄｃが所定電圧値以下になるように制御する直流電圧制御回路２１１と、電力変換装置２０内部の図示しない構成部により生成された出力電流指令Ｉｒｅｆを直流電圧制御回路２１１の出力ＶＣにより制限する出力制限回路２１２と、各交流電圧Ｖｕ，Ｖｖ、交流電流Ｉｕ、および出力制限回路２１２の出力Ｉｒｅｆ’に基づいて、インバータ２０２を駆動制御する駆動制御部２００を備えている。なお、図１に示す例では、Ｕ相およびＶ相の各交流電圧Ｖｕ，Ｖｖを検出する構成としたが、Ｗ相の交流電圧を含む任意の２相の各交流電圧を検出する構成であってもよい。また、図１に示す例では、Ｕ相の交流電流Ｉｕを検出する構成としたが、Ｖ相あるいはＷ相の交流電流を検出する構成であってもよい。

駆動制御部２００は、交流電圧検出手段２０５により検出された各交流電圧Ｖｕ，Ｖｖから交流電圧位相θを生成する位相生成回路２１３と、出力制限回路２１２の出力Ｉｒｅｆ’に交流電圧位相θから生成した交流電流位相を付加した交流電流指令Ｉｕ＊を生成する交流出力指令生成回路２１４と、交流電流検出手段２０６により検出された交流電流Ｉｕが交流電流指令Ｉｕ＊に追従するように制御する交流出力制御回路２１５と、交流電圧検出手段２０５により検出された各交流電圧Ｖｕ，Ｖｖに対して、交流出力制御回路２１５の出力ＣＣやその他の補正項により補正した出力電圧指令Ｖｒｅｆを生成する出力電圧指令生成回路２１６と、出力電圧指令Ｖｒｅｆに基づいてＰＷＭデューティを求め、求めたＰＷＭデューティとキャリアとを比較してＰＷＭパルスを生成するＰＷＭパルス発生回路２１７と、ＰＷＭパルスによりインバータ２０２のスイッチング素子を駆動する駆動回路２１８とを備えている。

なお、図１に示す例では、電力変換装置１０の駆動制御部や各検出手段等を記載していないが、電力変換装置２０と同様の構成であってもよいし、電力変換装置２０の内部の直流電圧平滑コンデンサ２０３の両端電圧を検出する直流電圧検出手段、直流電圧制御回路、および出力制限回路を具備しない構成であってもよい。

また、図１に示す例では、負荷３０が三相負荷であり、各インバータ１０２，２０２が三相インバータである構成例を示したが、負荷３０が単相負荷、各インバータ１０２，２０２が単相インバータである構成であってもよいことは言うまでもない。

図２は、実施の形態にかかる電力変換装置の直流電圧制御回路の一構成例を示す図である。図２に示すように、直流電圧制御回路２１１は、直流電圧平滑コンデンサ１０３の両端電圧Ｖｄｃから所定電圧値Ｖｄｃ＊を減算した偏差を出力する加算器（第１の加算器）２１１１と、加算器２１１１から出力される偏差を制御する制御器２１１２と、制御器２１１２の出力を制限する制限器（第１の制限器）２１１３を備えている。

ここで、制御器２１１２は、例えば、比例制御器や積分制御器や微分制御器、あるいはこれらを組み合せて構成される制御器であり、制限器２１１３は、例えば、直流電圧制御回路２１１の出力ＶＣが０以上かつ出力電流指令Ｉｒｅｆ以下となるように制限する制御器である。

図３は、実施の形態にかかる電力変換装置の出力制限回路の構成例を示す図である。出力制限回路２１２は、図３（ａ）に示すように、出力電流指令Ｉｒｅｆを直流電圧制御回路２１１の出力ＶＣで制限する制限器（第２の制限器）２１２１を備える構成であってもよいし、図３（ｂ）に示すように、出力電流指令Ｉｒｅｆから直流電圧制御回路２１１の出力ＶＣを減算する加算器（第２の加算器）２１２２と、加算器２１２２の出力を電力変換装置２０の運転可能範囲に基づいた所定値αで制限する制限器（第３の制限器）２１２３とを備える構成であってもよい。

なお、上述した直流電圧制御回路２１１および出力制限回路２１２の構成は、上記以外の構成であってもよく、これら直流電圧制御回路２１１および出力制限回路２１２の構成により本発明が限定されるものではない。

つぎに、実施の形態にかかる電力変換装置の動作について、図１および図４を参照して説明する。図４は、実施の形態にかかる電力変換装置の直流電圧制御回路および出力制限回路の動作を説明するためのタイミングチャートである。

図４に示すように、例えば、負荷３０が急変し、電力変換装置２０から出力される電力が電力変換装置１０に流入すると、直流電圧平滑コンデンサ１０３の両端電圧Ｖｄｃが上昇する（時刻ｔ１）。直流電圧平滑コンデンサ１０３の両端電圧Ｖｄｃが所定電圧値Ｖｄｃ＊を超えると（時刻ｔ２）、直流電圧制御回路２１１の出力ＶＣが上昇して、出力電流指令Ｉｒｅｆに対して出力制限回路２１２の出力Ｉｒｅｆ’が制限される。この動作により、出力制限回路２１２の出力Ｉｒｅｆ’に応じて、電力変換装置２０から出力される出力電力が制限され（以下、「出力電力制限機能」という）、電力変換装置１０に流入する電力が抑制されて、直流電圧平滑コンデンサ１０３の両端電圧Ｖｄｃの上昇が抑制され、電力変換装置１０が過電圧保護機能により停止する可能性が低減する。

上述した出力電力制限機能により、直流電圧平滑コンデンサ１０３の両端電圧Ｖｄｃが低下し、所定電圧値Ｖｄｃ＊を下回ると（時刻ｔ３）、直流電圧制御回路２１１の出力ＶＣが低下して、出力制限回路２１２の出力Ｉｒｅｆ’が出力電流指令Ｉｒｅｆに収束する。この一連の動作により、負荷３０に供給する電力品質を向上させることができる。

なお、上記説明では、出力制限回路２１２は、出力電流指令Ｉｒｅｆを直流電圧制御回路２１１の出力ＶＣにより制限するものとして説明したが、例えば、電力変換装置２０の外部から入力される出力電力指令Ｐｒｅｆを直流電圧制御回路２１１の出力ＶＣにより制限するように構成してもよい。この場合には、交流出力指令生成回路２１４は、交流電力指令Ｐｕ＊を生成する構成とし、交流出力制御回路２１５は、交流電流Ｉｕおよび各交流電圧Ｖｕ，Ｖｖから求めた交流電力Ｐｕが交流電力指令Ｐｕ＊に追従するように制御する構成とすればよい。

また、上記説明では、出力電流指令Ｉｒｅｆを電力変換装置２０内部の図示しない構成部により生成されるものとして説明したが、出力電流指令Ｉｒｅｆが電力変換装置２０の外部から入力される態様であってもよいことは言うまでもない。

以上説明したように、実施の形態の電力変換装置および電力変換システムによれば、複数台の電力変換装置を並列運転して共通の負荷に電力を供給する構成において、並列運転している他の電力変換装置のコンバータとインバータとの間に設けられた直流電圧平滑コンデンサの両端電圧を検出し、その両端電圧が所定電圧値以下となるように、出力電流指令もしくは出力電力指令を制限し、その制限された出力電流指令もしくは出力電力指令に応じて、インバータの出力電力を制限するように駆動制御するようにしたので、負荷急変時において他の電力変換装置に流入する電力が抑制され、その電力変換装置が過電圧保護機能により停止する可能性を低減することができ、負荷に供給する電力品質を向上させることができる。

なお、上述した実施の形態では、２台の電力変換装置を並列運転して共通の負荷に電力を供給する電力変換システムを構成し、一方の電力変換装置の直流電圧平滑コンデンサの両端電圧を検出して他方の電力変換装置の出力電力を制御する例について説明したが、双方の電力変換装置の直流電圧平滑コンデンサの両端電圧を互いに検出して双方の電力変換装置の出力電力を制御するように構成してもよい。

また、３台以上の電力変換装置を並列運転して共通の負荷に電力を供給する電力変換システムを構成し、各電力変換装置の直流電圧平滑コンデンサの両端電圧を互いに検出して各電力変換装置の出力電力を制御するように構成してもよいし、複数台の電力変換装置のうちの一部のみ他の電力変換装置の直流電圧平滑コンデンサの両端電圧を検出して出力電力を制御するように構成することも可能である。

さらに、出力制限回路は、出力電流指令もしくは出力電力指令を前記直流電圧制御回路の出力により制限するか否かを選択可能とすることにより、出力電力制限機能の有効／無効を切り換える構成とすることも可能である。このようにすれば、必要に応じて出力電力制限機能の有効／無効を切り換えることができるので、より柔軟な電力変換システムを構成することができる。

また、上述した実施の形態では、出力電圧指令生成回路は、交流電圧検出手段により検出された交流電圧に対して、交流出力制御回路の出力やその他の補正項により補正した出力電圧指令を生成するものとして説明したが、交流出力制御回路の出力以外のその他の補正項により補正を行うか否かにより本発明が限定されるものではない。

なお、以上の実施の形態に示した構成は、本発明の構成の一例であり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、一部を省略する等、変更して構成することも可能であることは言うまでもない。

１０，２０電力変換装置、１１，２１直流電源、３０負荷（三相負荷）、１０１，２０１コンバータ、１０２，２０２インバータ（三相インバータ）、１０３，２０３直流電圧平滑コンデンサ、２００駆動制御部、２０４直流電圧検出手段、２０５交流電圧検出手段、２０６交流電流検出手段、２１１直流電圧制御回路、２１２出力制限回、２１３位相生成回路、２１４交流出力指令生成回路、２１５交流出力制御回路、２１６出力電圧指令生成回路、２１７ＰＷＭパルス生成回路、２１８駆動回路、２１１１加算器（第１の加算器）、２１１２制御器、２１１３制限器（第１の制限器）、２１２１制限器（第２の制限器）、２１２２加算器（第２の加算器）、２１２３制限器（第３の制限器）。

Claims

直流電源の電圧を昇圧するコンバータ、前記コンバータにより昇圧された直流電圧を交流電圧に変換して負荷に供給するインバータ、および、前記コンバータと前記インバータとの間に設けられた直流電圧平滑コンデンサを具備し、複数台並列運転して共通の負荷に電力を供給する電力変換装置であって、
並列運転している他の電力変換装置の直流電圧平滑コンデンサの両端電圧が所定電圧値以下となるように制御する直流電圧制御回路と、
出力電流指令もしくは出力電力指令を前記直流電圧制御回路の出力により制限する出力制限回路と、
前記出力制限回路の出力に応じて、前記インバータの出力電力を制限するように駆動制御する駆動制御部と、
を備える
ことを特徴とする電力変換装置。
前記出力制限回路は、前記出力電流指令もしくは前記出力電力指令を前記直流電圧制御回路の出力により制限するか否かを選択可能としたことを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
前記直流電圧制御回路は、
前記両端電圧から前記所定電圧値を減算した偏差を出力する第１の加算器と、
前記加算器から出力される偏差を制御する制御器と、
前記制御器の出力を制限する第１の制限器と、
を備え、
前記第１の制限器は、前記制御器の出力を０以上かつ前記出力電流指令以下もしくは前記出力電力指令以下となるように制限することを特徴とする請求項１または２に記載の電力変換装置。
前記出力制限回路は、前記出力電流指令もしくは前記出力電力指令を前記直流電圧制御回路の出力で制限する第２の制限器を備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の電力変換装置。
前記出力制限回路は、
前記出力電流指令もしくは前記出力電力指令から前記直流電圧制御回路の出力を減算する第２の加算器と、
前記第２の加算器の出力を所定値で制限する第３の制限器と、
を備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の電力変換装置。
前記駆動制御部は、
前記交流電圧の交流電圧位相を生成する位相生成回路と、
前記出力制限回路の出力に前記交流電圧位相から生成した交流電流位相もしくは交流電力位相を付加した交流電流指令もしくは交流電力指令を生成する交流出力指令生成回路と、
前記交流電流指令もしくは前記交流電力指令に追従するように制御する交流出力制御回路と、
前記交流電圧に対して、前記交流出力制御回路の出力により補正した出力電圧指令を生成する出力電圧指令生成回路と、
前記出力電圧指令に基づいてＰＷＭデューティを求め、前記ＰＷＭデューティとキャリアとを比較してＰＷＭパルスを生成するＰＷＭパルス発生回路と、
前記ＰＷＭパルスにより前記インバータのスイッチング素子を駆動する駆動回路と、
を備える
ことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の電力変換装置。
複数台の電力変換装置を並列運転して共通の負荷に電力を供給する電力変換システムであって、
請求項１〜６のいずれか一項に記載の電力変換装置を少なくとも１台備えたことを特徴とする電力変換システム。