JP2014107987A

JP2014107987A - 電力変換装置

Info

Publication number: JP2014107987A
Application number: JP2012259939A
Authority: JP
Inventors: Hitoshi Oyori; 仁大依
Original assignee: IHI Aerospace Co Ltd
Current assignee: IHI Aerospace Co Ltd
Priority date: 2012-11-28
Filing date: 2012-11-28
Publication date: 2014-06-09

Abstract

【課題】簡素化，小型化を図りながら大きな電力を蓄え、かつ、各電力系統間におけるエネルギの変換（充放電）を同時に行なう。
【解決手段】エネルギ変換器２０、電力系統Ａ，Ｂの電圧値を計測する電圧センサ３５，３６と、エネルギ変換用回転体２１の回転数を計測する回転数計測センサ３０と、電力系統Ａ，Ｂの電圧値と基準電圧値との差分を算出する差分電圧算出手段Ｃ１と、その差分電圧値に対応する電流指令を生成する第一の電流指令生成手段Ｃ２と、エネルギ変換用回転体２１の基準回転数と、計測したエネルギ変換用回転体２１の回転数から、差分回転数を算出する差分回転数算出手段Ｃ３と、差分回転数に対応する電流指令を生成する第二の電流指令生成手段Ｃ４と、生成した電流指令を加算する第一の電流指令加算手段Ｃ５と、加算した電流指令により、エネルギ変換用回転体２１の回転数を増減する回転数増減手段Ｃ６とを有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば航空機における複数の電力系統の冗長系において電力の融通を行う電力変換装置に関する。

従来、この種の電力変換装置に関連する技術として、非特許文献１に「双方向インバータの電力貯蔵システムへの適用技術」と題されたものが開示されている。
非特許文献１に開示された関連技術は、双方向インバータを用いて、負荷の少ない夜間においては定電圧充電を行い、負荷の多い昼間においては電池の電力を用いて系統と連携運転しながら負荷に電力を供給するようにしたものである。

富士時報、Ｖｏｌ．７１Ｎｏ．７１９９８「双方向インバータの電力貯蔵システムへの適用技術」：ＵＲＬ http://www.fujielectric.co.jp/company/jihou_archives/pdf/71-07/FEJ-71-07-421-1998.pdf＞

しかしながら、上記非特許文献１に開示されている関連技術では、系統に対して充電又は放電を行えるにすぎず、従って、充放電（変換）を同時に行うことができない。
さらに、大きな電力を貯電しようとすると電池の大型化を招き、小型化を図ることができないものである。
さらにまた、複数の電力系統に対して充放電を行おうとすると、双方向インバータ等を各系統毎に設ける必要も生ずる。

そこで本発明は、簡素化，小型化を図りながら大きな電力を蓄えておくことができ、かつ、各電力系統間におけるエネルギの変換（充放電）を同時に行える電力変換装置の提供を目的としている。

上記課題を解決するための本発明は、複数の電力系統間に接続され、かつ、電気エネルギを回転エネルギに変換して蓄積するエネルギ変換用回転体を有するエネルギ変換器と、各電力系統それぞれの電圧値を計測する電圧センサと、エネルギ変換用回転体の回転数を計測する回転数計測センサと、電圧センサによって計測された各電力系統の電圧値と、基準となる電圧値との差分を算出する差分電圧算出手段と、その算出された差分電圧値に対応する電流指令を生成する第一の電流指令生成手段と、基準となるエネルギ変換用回転体の回転数と、計測された当該エネルギ変換用回転体の回転数から、それらの差分回転数を算出する差分回転数算出手段と、その算出された差分回転数に対応する電流指令を生成する第二の電流指令生成手段と、それら生成された電流指令を加算する第一の電流指令加算手段と、加算された電流指令に基づき、エネルギ変換用回転体の回転数を増減する回転数増減手段とを有する。

この構成においては、複数の電力系統のうち、いずれかの電力系統の電圧値に変動が生じたときには、その電圧値が基準となるようにエネルギ変換用回転体の回転数を増減する。これにより、エネルギ変換用回転体に蓄積されている回転エネルギを電気エネルギに、また、回転エネルギを電気エネルギに変換している。

本発明によれば、簡素化，小型化を図りながら大きな電力を蓄えておくことができ、かつ、各電力系統間におけるエネルギの変換（充放電）を同時に行なえる電力変換装置の提供を目的としている。

本発明の一実施形態に係る電力変換装置の概略構成を示すブロック図である。電力系統Ａ，Ｂ間において電力を変換するときの動作を示すフローチャートである。

以下に、本発明を実施するための形態について、図面を参照して説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る電力変換装置の概略構成を示すブロック図、図２は、電力系統Ａ，Ｂ間において電力を変換するときの動作を示すフローチャートである。
なお、図２に示すフローチャートは、電力系統Ａ，Ｂそれぞれのものを示している。換言すると、図２に示す動作を、電力系統Ａと電力系統Ｂとでそれぞれで行っているが、以下には、電力系統Ａを例として説明する。

本発明の一実施形態に係る電力変換装置１０は、冗長系をなす二つの電力系統Ａ，Ｂ間において電力の融通を行うことにより、それら電力系統Ａ，Ｂの電圧値を安定させるものであり、エネルギ変換器２０、回転数計測センサ３０、Ａ側，Ｂ側インバータ３１，３２、Ａ側，Ｂ側電流計測センサ３３，３４、Ａ側，Ｂ側電圧センサ３５，３６、コントローラＣを有して構成されている。
「電力の融通」は、電力の充放電と言い換えることができる。

エネルギ変換器２０は、軸２２を中心として回転自在に支持され、電気エネルギを回転エネルギとして蓄積する、コイルを巻回したエネルギ変換用回転体２１、このエネルギ変換用回転体２１の外周に沿って配設され、コイルを巻回してなるＡ側ステータ２３，Ｂ側ステータ２４を有して構成されている。

回転数計測センサ３０は、エネルギ変換用回転体２１の軸２２に配設され、そのエネルギ変換用回転体２１の回転数を計測するためのものであり、詳細を後述するコントローラＣの入力側に接続されている。

Ａ側ステータ２３はＡ側インバータ３１を介して電力系統Ａに、また、Ｂ側ステータ２４はＢ側インバータ３２を介して電力系統Ｂにそれぞれ接続されている。なお、図１においては、電力系統Ａを「Ａ系統」、電力系統Ｂを「Ｂ系統」と表記している。

Ａ側，Ｂ側電流計測センサ３３，３４は、Ａ側，Ｂ側インバータ３１，３２に流れる電流値を計測するためのものであり、それらＡ側，Ｂ側インバータ３１，３２とＡ側，Ｂ側ステータ２３，２４との間に設けられており、コントローラＣの入力側に接続されている。

Ａ側，Ｂ側インバータ３１，３２は直交流変換回路であり、コントローラＣの出力側に接続されて、適宜制御されるようになっている。
各電力系統Ａ，Ｂには、これらの電圧値を計測するＡ側，Ｂ側電圧センサ３５，３６が配設されており、コントローラＣの入力側に接続されている。

コントローラＣは、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、インターフェース回路及びメモリ（いずれも図示しない）等からなるものであり、そのメモリに記憶されている所要のプログラムの実行により、次の各機能を発揮する。

（１）電力系統Ａ（Ｂ）に配置されたＡ（Ｂ）側電圧センサ３５（３６）によって計測された各電力系統Ａ（Ｂ）の電圧値と、基準となる電圧値との差分を算出する機能。この機能を「差分電圧算出手段Ｃ１」という。
（２）算出された差分電圧値に対応する電流指令を生成する機能。この機能を「第一の電流指令生成手段Ｃ２」という。

（３）基準となるエネルギ変換用回転体２１の回転数と、計測された当該エネルギ変換用回転体２１の回転数から、それらの差分回転数を算出する機能。この機能を「差分回転数算出手段Ｃ３」という。
「基準となるエネルギ変換用回転体の回転数」は、電動機器が生ずる回生電力を吸収する機能をエネルギ変換用回転体２１が有する必要がある場合は、吸収したい電力分を差し引いた回転運動エネルギとなるように回転数を設定する。一方、回生電力の吸収が不要な場合は、エネルギ変換用回転体２１の回転数上限に基準回転数を設定する。

（４）算出された差分回転数に対応する電流指令を生成する機能。この機能を「第二の電流指令生成手段Ｃ４」という。
（５）それら生成された各電流指令を加算する機能。この機能を「第一の電流指令加算手段Ｃ５」という。
（６）加算された電流指令に基づき、エネルギ変換用回転体２１の回転数を増減する機能。この機能を「回転数増減手段Ｃ６」という。
本実施形態においては、Ａ側，Ｂ側インバータ３１，３２を介してエネルギ変換用回転２１の回転数を増減している。

（７）予め設定した下限値１よりも電流指令が小さいか否かを判定する機能。この機能を「第一の電流指令下限判定手段Ｃ７」という。
この下限値１の他、後述する上限値１，２、下限値２は、下限値２＜下限値１＜上限値１＜上限値２の大小関係にしている。これにより、上限値１よりも上限値２の電流指令を優先させるためであり、また、後述するバス電圧値が不感帯にあるときに、エネルギ変換用回転体２１の回転数を増減制御することを意図している。
（８）予め設定した下限値１よりも電流指令が小さいと判定したときには、電流指令を下限値１に設定する機能。この機能を「第一の電流指令下限設定手段Ｃ８」という。

（９）予め設定した上限値１よりも電流指令が大きいか否かを判定する機能。この機能を「第一の電流指令上限判定手段Ｃ９」という。
（１０）予め設定した上限値１よりも電流指令が大きいと判定したときには、電流指令を上限値１に設定する機能。この機能を「第一の電流指令上限設定手段Ｃ１０」という。

（１１）いずれか一の電力系統の電圧値が不感帯下限値よりも小さく、かつ、不感帯上限値よりも大きいか否かを判定する機能、この機能を「不感帯判定手段Ｃ１１」という。
本実施形態においては、電力系統Ａ，Ｂの各電圧値が不感帯下限値よりも大きく、不感帯上限値よりも小さいか否かを判定する。
本実施形態における「不感帯下限値」と「不感帯上限値」は、バス電圧値の変動の許容電圧範囲で設定する。

（１２）いずれか一の電力系統の電圧値が不感帯下限値よりも小さいか又は不感帯上限値よりも大きいと判定されたときには、その電力系統の電圧値を安定させるための電流指令を生成する機能。この機能を「安定化電流指令生成手段Ｃ１２」という。
これにより、各電力系統の電圧値を基準となる電圧値に保持することができる。

（１３）予め設定した下限値２よりも電流指令が小さいか否かを判定する機能。この機能を「第二の電流指令下限判定手段Ｃ１３」という。
（１４）予め設定した下限値２よりも電流指令が小さいと判定したときには、電流指令を下限値２に設定する機能。この機能を「第二の電流指令下限設定手段Ｃ１４」という。

（１５）予め設定した上限値２よりも電流指令が大きい否かを判定する機能。この機能を「第二の電流指令上限判定手段Ｃ１５」という。
（１６）予め設定した下限値２よりも電流指令が大きいと判定したときには、電流指令を下限値２に設定する機能。この機能を「第二の電流指令上限設定手段Ｃ１６」という。
（１７）外部からの電流吸収／供給要求に対応する電流指令を加算する機能。この機能を「第二の電流指令加算手段Ｃ１７」という。

上記の構成からなる電力変換装置１０の動作について、図２をも参照して説明する。なお、図２においては、電力系統Ａ，Ｂの電圧値を「バス電圧」と表記している。
＜エネルギ変換用回転体の制御＞
ステップ１（図中、「Ｓ１」と略記する。以下、同様。）：エネルギ変換用回転体２１は、予め設定された回転数で回転させている。

ステップ２：回転数計測センサ３０によって計測されているエネルギ変換用回転体２１の回転数と、予め設定されているエネルギ変換用回転体２１の回転数とに基づいて、それらの回転数の差分に対応する電流指令を生成する。

ステップ３：生成された電流指令が、下限値（下限リミット）１よりも小さいか否かを判定し、下限値１よりも小さいと判定されればステップＳ５に進み、そうでなければステップ４に進む。
ステップ４：生成された電流指令が、上限値（上限リミット）１よりも大きいか否かを判定し、上限値１よりも大きいと判定されればステップＳ６に進み、そうでなければステップ７に進む。

ステップ５：電流指令を下限値１に設定して、ステップ７に進む。
ステップ６：電流指令を上限値１に設定して、ステップ７に進む。
ステップ７：エネルギ変換用回転体２１側の電流指令値と、バス電圧側の電流指令値とを加算して、ステップ８に進む。
ステップ８：Ａ（Ｂ）側インバータ３１（３２）を介して、Ａ（Ｂ）ステータ２３（２４）に指令電流を通電し、ステップ９においてエネルギ変換用回転体２１を増減速回転させる。これにより、電力系統Ａ（Ｂ）側に対して電力の充電と放電を行い、電圧の安定化を図っている。

＜バス電圧値の制御＞
ステップ１（図中、「Ｓａ１」と略記する。以下、同様。）：電圧センサ３５（３６）によって電圧値（バス電圧値）を計測する。
ステップ２：バス電圧値が、不感帯上下限値間にあるか否かを判定し、不感帯上下限値間にあると判定されれば、ステップ３に進む。

ステップ３：バス電圧値の差分値を零に固定する。バス電圧値が不感帯上下限値間にあるときには、エネルギ変換用回転体２１の回転数を一定に保つように制御している。
ステップ４：バス電圧値を安定させるための電流指令を計算する。
ステップ５：電流指令が下限値（下限リミット）２よりも小さいか否かを判定し、小さいと判定されればステップ６に進み、そうでなければステップ７に進む。

ステップ６：電流指令を下限値２に設定して、ステップ９に進む。
ステップ７：電流指令が上限値（上限リミット）２よりも大きいか否かを判定し、大きいと判定されればステップ８に進み、そうでなければステップ９に進む。
ステップ８：電流指令を上限値２に設定して、ステップ９に進む。
ステップ９：上限値２に設定された電流指令と、外部から入力された電流吸収／供給要求とを加算してステップ７（Ｓ７）に進む。
なお、外部から電流吸収／供給要求が入力されないときには、上限値２に設定された電流指令のみをステップ７（Ｓ７）において、エネルギ変換用回転体２１側の電流指令値と加算する。これにより、各電力系統の電圧値を基準となる電圧値に保持することができる。

以上の構成からなる電力変換装置によれば、次の効果を得ることができる。
・簡素化，小型化を図りながら大きな電力を蓄えておくことができ、かつ、各電力系統間におけるエネルギの変換（充放電）を同時に行うことができる。
・エネルギ変換用回転体を高い回転数にするか、慣性モーメントを増加させるだけで、より大きな電力を蓄積させることができる。

なお、本発明は上述した実施形態に限るものではなく、次のような変形実施が可能である。
上述した実施形態においては、二つの電力系統に適用した例について説明したが、三つ以上の電力系統に適用することができる。この場合、エネルギ変換用回転体におけるステータの巻線数を電力系統の数に応じて増加させればよい。

上述した実施形態においては、単一のエネルギ変換用回転体を採用したものを例として説明したが、二つ以上のエネルギ変換用回転体を採用してもよい。

上述した実施形態においては、電力系統Ａと電力系統Ｂを一つのコントローラによって制御する構成について説明したが、電力系統Ａを制御するためのコントローラと、電力系統Ｂを制御するためのコントローラとに機能的に分担させるようにしてもよい。

２１エネルギ変換用回転体
３０回転数計測センサ
３５，３６電圧センサ
Ａ，Ｂ電力系統
Ｃ１差分電圧算出手段
Ｃ２第一の電流指令生成手段
Ｃ３差分回転数算出手段
Ｃ４第二の電流指令生成手段
Ｃ５第一の電流指令加算手段
Ｃ６回転数増減手段

Claims

複数の電力系統間に接続され、かつ、電気エネルギを回転エネルギに変換して蓄積するエネルギ変換用回転体を有するエネルギ変換器と、
各電力系統それぞれの電圧値を計測する電圧センサと、
エネルギ変換用回転体の回転数を計測する回転数計測センサと、
電圧センサによって計測された各電力系統の電圧値と、基準となる電圧値との差分を算出する差分電圧算出手段と、
その算出された差分電圧値に対応する電流指令を生成する第一の電流指令生成手段と、
基準となるエネルギ変換用回転体の回転数と、計測された当該エネルギ変換用回転体の回転数から、それらの差分回転数を算出する差分回転数算出手段と、
その算出された差分回転数に対応する電流指令を生成する第二の電流指令生成手段と、
それら生成された電流指令を加算する第一の電流指令加算手段と、
加算された電流指令に基づき、エネルギ変換用回転体の回転数を増減する回転数増減手段とを有することを特徴とする電力変換装置。
予め設定した下限値よりも電流指令が小さいか否かを判定する第一の電流指令下限判定手段と、
予め設定した下限値よりも電流指令が小さいと判定したときには、電流指令を下限値に設定する第一の電流指令下限設定手段を有している請求項１に記載の電力変換装置。
予め設定した上限値よりも電流指令が大きいか否かを判定する第一の電流指令上限判定手段と、
予め設定した上限値よりも電流指令が大きいと判定したときには、電流指令を上限値に設定する第一の電流指令上限設定手段を有している請求項１又は２に記載の電力変換装置。
一の電力系統の電圧値が不感帯下限値よりも小さく、かつ、不感帯上限値よりも大きいか否かを判定する不感帯判定手段と、
一の電力系統の電圧値が不感帯下限値よりも小さいか又は不感帯上限値よりも大きいと判定されたときには、その電力系統の電圧を安定させるための電流指令を生成する安定化電流指令生成手段とを有する請求項１〜３のいずれか１項に記載の電力変換装置。
予め設定した下限値よりも電流指令が小さいか否かを判定する第二の電流指令下限判定手段と、
予め設定した下限値よりも電流指令が小さいと判定したときには、電流指令を下限値に設定する第二の電流指令下限設定手段を有している請求項４に記載の電力変換装置。
予め設定した上限値よりも電流指令が大きいか否かを判定する第二の電流指令上限判定手段と、
予め設定した上限値よりも電流指令が大きいと判定したときには、電流指令を上限値に設定する第二の電流指令上限設定手段を有している請求項５に記載の電力変換装置。
外部からの電流吸収／供給要求に対応する電流指令を加算する第二の電流指令加算手段を有している請求項４〜６のいずれか１項に記載の電力変換装置。