JP2015535680A - ハイブリッド・グリッドによる電力品質問題の緩和 - Google Patents

Abstract

本発明は、電力品質問題を緩和するための回路装置に関する。本発明は、例えば電圧の低下及び電圧の増加に対して、センシティブなデバイスの保護を提供する。本システムは、ＡＣ電源に接続された負荷（例えば電力グリッドに接続された家のＴＶ）に対して、可制御インバータ及び可制御スイッチ機構に結合されたＤＣ電源を導入する。直列構成に切り替えることによって、ＤＣ電源（例えば太陽光電源）は、電力品質問題を緩和するために、電力を引き出すか又は供給するかのいずれかを行うことができる。通常の動作では、並列構成に切り換えることによって、ＤＣ電源は負荷に電力を供給することができる。

Description

本発明は、概ね配電の分野に関し、より具体的には、電力品質問題を緩和するための回路装置に関する。

ＬＥＤ照明を含むデバイスなどのセンシティブな負荷の寿命及び動作は、サグ（sag）、スウェル（swell）、フリッカ（flicker）などの電力品質問題によって悪影響を受ける。予備発電機などの補助電力システムは、停電の影響を緩和することができるが、電力品質問題は解決しない。無停電電源装置（ＵＰＳ：Uninterruptable power supply）システムは、電力品質問題を緩和することができるが、いくつかの欠点を有する。例として、米国特許第７１４２９５０号明細書に開示されるＵＰＳシステムなどは、電力問題が無い時は、付加価値が無い。別の例として、ＵＰＳシステムは、通常、停電を軽減するために配置され、従って電力品質問題を緩和するには寸法が大きすぎる。

本発明の目的は、電源を負荷に接続するための改良された回路装置を提供することである。本発明の目的は、並列構成と直列構成とを切り替えるように構成される可制御スイッチ機構を有する回路装置の導入によって達成される。可制御スイッチ機構は、負荷を第１電源入力部及び第２電源入力部に結合させるために配置される。並列構成では、第１電源入力部及び第２電源入力部は、負荷に並列に結合される。すなわち、第１電源入力部を通して供給される電力と、第２電源入力部を通して供給される電力との両方が、負荷に供給され得る。直列構成では、第１電源入力部及び第２電源入力部は負荷に直列に結合される。すなわち、第２電源入力部を通して供給される電力は、第１電源入力部を通して供給される電力における電力品質問題を補償することができる。可制御スイッチ機構は、制御器を通して制御される。制御器は、電力品質パラメータを決定し、この電力品質パラメータに基づいて可制御スイッチ機構を制御することができる。

本発明による回路装置の実施形態では、制御器は、最も一般的な電力問題の内の２つの問題を検出するように構成される。つまり、電圧の低下（voltage sag）及び／又は電圧の増加（voltage swell）である。電力品質パラメータは、第１電源入力部を通して供給される電力における、この電圧の低下及び／又は電圧の増加の検出に基づいて決定される。

本発明による回路装置の別の実施形態では、可制御スイッチ機構は、３つの双方向スイッチを有する。この実施形態は、可制御スイッチ機構を実装するのに部品の数が少なくて済むため、有益である。双方向スイッチは、第１双方向スイッチ及び第２双方向スイッチがＯＮになり、第３双方向スイッチがＯＦＦになった時に、第１電源入力部及び第２電源入力部を並列に接続するために配置される。可制御スイッチ機構は、構成が逆になった時（つまり、第１双方向スイッチ及び第２双方向スイッチがＯＦＦになり、第３双方向スイッチがＯＮになった時）、第２電源入力部を第１電源入力部及び負荷に直列に接続するために配置される。

本発明による回路装置の特に有利な実施形態では、回路装置は、更に、可制御インバータを含む。可制御インバータは、ＤＣ電源入力部と、可制御スイッチ機構の第２電源入力部に結合される電源出力部とを有する。制御器は、更に、可制御インバータを制御するように構成される。可制御インバータの電源出力部を通して供給される電力の周波数及び位相は、例えば、電力の周波数（例えば周波数を一致させる、周波数を逓倍する）及び／又は第１電源入力部を通して受け取られる電力の電流位相（例えば注入される正電圧に合わせた）に基づいて制御され得る。

本発明による回路装置の別の実施形態では、可制御インバータは、フルブリッジインバータ（例えばＨ−ブリッジインバータ、単相ブリッジインバータ）である。この実施形態は、可制御インバータを実装するのに部品の数が少なくて済むため、有益である。

本発明による回路装置の実施形態では、可制御インバータは、更に、ＤＣ電源入力部に並列に接続されるＤＣリンクコンデンサを含む。このＤＣリンクコンデンサは、ＤＣ電源入力部を通して供給される電力が十分なエネルギーを供給しない場合（例えばＤＣ電源入力部が、十分な日光を受けていない太陽光パネルから電力を受け取っている場合）に、エネルギーを供給することができる。

実施形態では、システムは、本発明による回路装置と、ＤＣ電源とを含む。ＤＣ電源は、負荷に関する電力要求（例えば独立して負荷に電力を供給する能力又は第１電源入力部によって供給される電力における電力問題を緩和することに限定される能力）に基づいて選択され得る。ＤＣ電源は、可制御インバータのＤＣ電源入力部に結合されるＤＣ電源出力部を有する。

本システムの特に有利な実施形態では、本システムは、本発明による回路装置と、ＤＣ電源として太陽光電源（例えば太陽光パネル）とを有する。これは、太陽光電源は日光を電気に変換する能力を有するため、非常に有益である。従って、電力品質問題の緩和の助けとなるだけでなく、通常の動作のもとで電力を供給することもできる。可制御スイッチ機構が、並列構成に切り替わると、太陽光電源の利用可能なエネルギーが負荷に供給される。

更に、本システムの別の実施形態では、本システムは、本発明による回路装置と、ＤＣ電源としてバッテリとを有する。これは、太陽光電源が十分な電力を供給するには日光が不十分である時に、エネルギーを供給することができるため、有益である。更に、バッテリは、通常の動作のもとで充電されることができ、蓄積されたエネルギーは、必要な時（例えば、一日の内で電気代が最も高い時又は電力品質問題がある時）に使用することができる。太陽光電源とバッテリとの組み合わせは、これらの電源のそれぞれの利点の組み合わせを提供する。

本発明の目的は、電源を負荷に接続するための改善された方法を提供することである。本発明の目的は、可制御スイッチ機構を用いて、負荷を第１電源入力部及び第２電源入力部に結合させるステップを有する方法の導入によって達成される。可制御スイッチ機構は、並列構成と直列構成とを切り替えるために配置される。方法は、更に、電力品質パラメータを決定するステップと、この電力品質パラメータに基づいて可制御スイッチ機構を制御するステップとを有する。

図１は、ＡＣ電源及びＤＣ電源を備える、本発明による回路装置を含むシステムの実施形態を模式的及び例示的に示す。 図２は、ＡＣ電源及びＤＣ電源を備え、可制御インバータがフルブリッジインバータを有し、可制御スイッチ機構が３つの双方向スイッチを有する、本発明による回路装置を含むシステムの実施形態を模式的及び例示的に示す。 図３は、本発明による回路装置の実施形態の一部としての制御器を模式的及び例示的に示す。 図４は、インバータが電圧を注入している、第１電源の負サイクルを示す直列構成の図２の簡略版を模式的及び例示的に示す。 図５は、インバータが電圧を注入している、第１電源の正サイクルを示す直列構成の図２の簡略版を模式的及び例示的に示す。 図６は、インバータが電圧を注入していない、第１電源の正サイクルを示す直列構成の図２の簡略版を模式的及び例示的に示す。 図７は、インバータが電圧を注入していない、第１電源の負サイクルを示す直列構成の図２の簡略版を模式的及び例示的に示す。

図１には、本発明による回路装置を含むシステムの実施形態が示される。本回路装置は電力品質問題を緩和し、これにより、産業設備及び住宅用電気器具に広く見られる電子部品を保護する。例えばプログラマブル論理制御装置（ＰＬＣ：programmable logic controller）、可変速駆動、光学デバイス、発光ダイオード（ＬＥＤ）照明、及び電球型蛍光ランプ（ＣＦＬ：compact fluorescent lamp）照明を含む設備及び電気器具は、電力品質問題によって悪影響を受ける。例として、このような部品の寿命期待値は、電力品質問題によって悪影響を受ける。別の例として、このような部品の動作は、電力品質問題の結果として機能しなくなり得る。

図１では、ＡＣ電源１００及びＤＣ電源１０２は、並列構成と直列構成とを切り替えるために配置される可制御スイッチ機構１０６を通して負荷１０４に接続される。制御器１０８は、第１制御信号１１０を可制御インバータ１１４に供給し、第２制御信号１１２を可制御スイッチ機構１０６に供給する。可制御インバータ１１４は、ＤＣ電源１０２から電力を入力として受け取る。可制御インバータ１１４を制御する第１制御信号１１０は、ＡＣ電源１００によって供給される電力の周波数、位相、電圧、又は電流に関する。可制御スイッチ機構１０６を制御する第２制御信号１１２は、ＤＣ電源１０２に接続される可制御インバータ１１４を、ＡＣ電源１００と並列に、又は、ＡＣ電源１００と負荷１０４との間に直列に接続させることに関する。

例として、制御器１０８は、電力品質問題を検出し、電力品質問題の存在に対応する電力品質パラメータ（例えばＰ_ｐｑ＝‘真’；ここで、Ｐ_ｐｑは、電力品質問題の存在を表示する電力品質パラメータであり、前記パラメータは、ブール値を持つ。）を設定することができる。制御器１０８は、この例では、次いで電力品質問題の存在に対応する電力品質パラメータに基づいて可制御スイッチ機構１０６を制御することができる（例えば、Ｐ_ｐｑが値“真”を有する時、直列構成に切り替える）。電力品質パラメータの決定は、例えば、ＡＣ電源によって供給される電力の電圧の測定、電力の低下（sag）の存在、予期される電力品質問題のタイミングなどに基づくことができる。更に、例えば電力品質パラメータをプリセット値と比較する（例えば、基準電圧と比較する、又は予期される電力品質問題のタイミングを現在の時間と比較する）など、電力品質パラメータに基づいて可制御スイッチ機構１０６を制御するための多くの実施態様がある。制御器１０８は、複数の電力品質パラメータを決定し処理するためのロジックを含むことができる。

図２では、本発明による回路装置を含むシステムの別の実施形態が示される。本回路装置は、（４つのスイッチを含む）フルブリッジインバータと、（３つの双方向スイッチを含む）可制御スイッチ機構とを有する。この図では、ＡＣ電源１００（参照番号は複数の図面で使用され、該番号は共通の部品、接続などを参照する）は、電源接続線２０４及び中性接続線２０６を通して負荷１０４に接続される。ＤＣ電源１０２（例えば太陽光電源又はバッテリ）は、可制御インバータ１１４を通してグリッド２１０に接続される。可制御インバータ１１４は、ＤＣリンクコンデンサ２１６、第１スイッチ２１８、第２スイッチ２２０、第３スイッチ２２２、及び第４スイッチ２２４を含む。可制御インバータ１１４は、第１スイッチ２１８と第４スイッチ２２４との間で、共通結合点（ＰＣＣ：point of common coupling）２３０を通して、グリッド２１０に結合される。中性接続結合点２３２は、第２スイッチ２２０と第３スイッチ２２２との間の結合点２３６を通して、双方向スイッチ２４２を介して、可制御インバータ１１４をグリッド２１０に結合させる。電源接続結合点２３８は、第２スイッチ２２０と第３スイッチ２２２との間の結合点２３６を通して、双方向スイッチ２４４を介して、可制御インバータ１１４をグリッド２１０に結合させる。ＰＣＣ２３０及び電源接続結合点２３８は、双方向スイッチ２４０を通して結合される。

第１双方向スイッチ２４０及び第２双方向スイッチ２４２がＯＮになり、第３双方向スイッチ２４４がＯＦＦになった時、可制御インバータ１１４は、ＡＣ電源１００に並列に接続される。第１双方向スイッチ２４０及び第２双方向スイッチ２４２がＯＦＦになり、第３双方向スイッチ２４４がＯＮになった時、可制御インバータ１１４は、ＡＣ電源１００と負荷１０４との間に直列に接続される。

ＡＣ電源１００に並列に接続されると、ＤＣ電源１０２は、可制御インバータ１１４を通してエネルギーを負荷１０４に供給する。ＤＣ電源１０２が太陽光電源である場合、これは、ＡＣ電源１００から使用される電力量を低減させることができ、例として、ＡＣ電源１００が電力会社によって供給される電力グリッドである場合、これは、光熱費を低減させることができる。ＤＣ電源１０２が（十分な）電力を供給できない場合、例えばＤＣ電源１０２が太陽光電源であって、太陽光が十分でない場合、ＡＣ電源１００によって供給される電力が負荷に供給され得る。

ＤＣリンクコンデンサ２１６のサイズは、ＤＣ電源１０２が十分な電力を供給しない場合に、電力品質問題が緩和され得る継続期間を決定する。ＤＣリンクコンデンサのサイズの選択は、下記の式１に基づくことができる。
［式１］

ここで、Ｐ_{ｒａｔｅｄ}は定格出力、ωは基本周波数、Ｖ_{ＤＣｎｏｍ}はＤＣリンク公称電圧、及びΔＶ_{ＤＣｍａｘ}はＤＣリンク電圧の最大許容リプルである。

図３では、本発明による回路装置の一部としての制御器の実施形態が示される。制御器は、第１制御信号１１０を可制御スイッチ機構１０６に、第２制御信号１１２を可制御インバータ１１４に提供するように構成される。第１制御信号１１０は、ＡＣ電源１００によって供給される電力に関する電力品質問題を検出する（例えば電圧の低下又は増加（voltage sag or swell）を検出する）第１ステップ３０４と、構成を選択する第２ステップ３０８とに基づいて生成される。第１ステップは、測定ＡＣ電圧３１２（Ｖ_{ＡＣ＿ｍｅｓ}）及びＡＣ電圧基準３１４（_{ＶＡＣ＿ｒｅｆ}）を入力として受け取り、電力品質問題信号３０６を出力として提供する。電力品質問題の検出は、例えばＶ_{ＡＣ＿ｍｅｓ}３１２とＶ_{ＡＣ＿ｒｅｆ}３１４との間の差の決定に基づくことができる。この差が所定の閾値を超える場合、電力品質問題が検出される。電力品質問題検出の他の実施形態は、様々な他の入力の監視又はルールに基づく検出の適用を含む。

構成を選択する第２ステップ３０８は、電力品質問題信号３０６を入力として受け取り、第１制御信号１１０を可制御スイッチ機構１０６に出力として提供する。この第１制御信号１１０は、双方向スイッチ２１８、２２０、２２２、及び２２４の設定を決定する。スイッチ設定は、表１に示される。

マルチプレクサ３１０は、直列制御信号３１６及び並列制御信号３１８を入力として受信する。マルチプレクサは、電力品質問題信号３０６が、電力品質問題が有ることを示した時、直列制御信号３１６を選択する。マルチプレクサは、電力品質問題信号３０６が、電力品質問題は無いことを示した時、並列制御信号３１８を選択する。マルチプレクサ３１０は、この選択に基づく直列制御信号３１６か又は並列制御信号３１８かのいずれかを、第１制御信号１１０として可制御インバータ１１４に受け渡す。

直列制御信号３１６は、直接制御ブロック３２４によって生成される。並列制御信号３１８は、並列制御ブロック３２０によって生成される。直列制御ブロック３２４は、Ｖ_{ＡＣ＿ｍｅｓ}３１２、Ｖ_{ＡＣ＿ｒｅｆ}３１４、及び測定負荷電流３２６（Ｉ_{Ｌｏａｄ＿ｍｅｓ}）を入力信号として受け取る。直列制御ブロック３２４は、第１ステップ３２８で、要求される電圧注入の大きさを決定し、第２ステップ３３０で、位相を決定し、この第１ステップ３２８及び第２ステップ３３０の両方は、スイッチングパターンを決定する第３ステップ３３２のための入力を提供する。

第１ステップ３２８は、Ｖ_{ＡＣ＿ｍｅｓ}３１２及びＶ_{ＡＣ＿ｒｅｆ}３１４に基づく時間変動電圧３３４を入力として受け取り、要求される電圧注入の大きさを表す信号３３６を出力として提供する。第２ステップ３３０は、Ｖ_{ＡＣ＿ｍｅｓ}３１２及びＩ_{Ｌｏａｄ＿ｍｅｓ}３２６を入力として受け取り、要求される電圧注入の位相を表す信号３３８を出力として提供する。これら２つの信号３３６、３３８は、第３ステップ３３２において、スイッチングパターンを決定し、関係するパルス幅変調（ＰＷＭ：pulse width modulation）信号を提供するために使用される。すなわち、この第１ＰＷＭ信号は、直列制御信号３１６である。電圧の低下及び増加のもとでのスイッチングパターンは、それぞれ表２及び表３に見ることができる。

並列制御信号３１８は、並列制御ブロック３２０によって生成される。並列制御ブロック３２０は、Ｖ_{ＡＣ＿ｍｅｓ}３１２、測定ＤＣ電圧３４０（Ｖ_{ＤＣ＿ｍｅｓ}）、及びＤＣ電圧基準３４２（Ｖ_{ＤＣ＿ｒｅｆ}）を入力として受け取る。並列制御ブロック３２０は、第１ステップ３４４で位相同期ループ信号３４６を作り出し、第２ステップ３４８でＰＩ補償が決定され、第３ステップ３５０でＰＷＭ信号が生成される。第１ステップ３４４は、Ｖ_{ＡＣ＿ｍｅｓ}３１２を入力として受け取り、位相同期ループ信号３４６を出力として提供する。第２ステップ３４６は、Ｖ_{ＤＣ＿ｍｅｓ}３４０及びＶ_{ＤＣ＿ｒｅｆ}３４２に基づく時間変動電圧３５２を入力として受け取り、Ｖ_{ＤＣ＿ｒｅｆ}を出力電圧として提供するインバータに関係する、インバータの要求されるスイッチング周波数を表す信号３５４を出力として提供する。第３ステップでは、ＰＷＭ信号は、ＤＣリンク電圧を適正な位相及び大きさで印加するために生成される。すなわち、この第２ＰＷＭ信号は、並列制御信号３１８である。

図４及び図５では、第２電源が電圧を注入していて、第１電源によって供給される電力の正サイクル及び負サイクルそれぞれの間の回路装置内の電流を示す直列構成（双方向スイッチ２４０及び２４２はＯＦＦ、双方向スイッチ２４４はＯＮ）の図２の簡略版が示される。電圧の低下のもとで、直列構成では、可制御インバータは、電圧の低下を軽減させるために電圧を注入することができる（注入されるべきＶ；表２）。

図６及び図7では、第２電源は電圧を注入していない、第１電源によって供給される電力の正サイクル及び負サイクルそれぞれの間の回路装置内の電流を示す直列構成の図２の簡略版が示される。電圧の低下のもとで、直列構成に注入される電圧の大きさは、注入されるべき電圧の所望の大きさに達するまで、例えば（図４では正サイクルに対して、図５では負サイクルに対して）注入する電圧と、（図６では正サイクルに対して、図７では負サイクルに対して）注入しない電圧を切り替える可制御インバータによって制御することができる。

別の電力問題（例えば電力の増加）の存在に関する直列構成及び並列構成は示されていない。

前述の実施形態は、発明を限定するというよりも発明を説明するものであり、当業者であれば、添付の特許請求の範囲を逸脱することなく、代替的な実施形態をデザインすることができるであろう。請求項においては、括弧の中の参照符号は請求項を限定するものと見なされるべきではない。「有する（comprising）」なる単語は、請求項に列挙されていない要素又はステップの存在を排除するものではない。要素に先立つ単語「a」又は「an」は、このような要素の複数の存在を排除するものではない。発明は、いくつかの個別要素を有するハードウエアによって及び適切なプログラムされたコンピュータによって実施することができる。いくつかの手段を列挙するユニットクレームにおいて、これらの手段のいくつかは、ハードウエア又はソフトウエアの全く同一のアイテムによって実施され得る。第１、第２、及び第３などの単語の使用は、決して順番を示すものではない。これらの単語は、名称として解釈されるべきである。具体的に示されない限り、具体的な連続する動作が要求されることを意図していない。

Claims (10)

1. 電源を負荷に接続するための回路装置であって、前記回路装置は、
   前記負荷を第１電源入力部及び第２電源入力部に結合させる可制御スイッチ機構であって、並列構成と直列構成とを切り替える当該可制御スイッチ機構と、
   電力品質パラメータを決定し、前記電力品質パラメータに基づいて前記可制御スイッチ機構を制御する制御器と
   を有する、回路装置。
2. 前記電力品質パラメータは、前記第１電源入力部を通して受け取られる電力における、電圧の低下又は電圧の増加の存在の検出に基づいている、請求項１に記載の回路装置。
3. 前記可制御スイッチ機構は、３つの双方向スイッチを有する、請求項１又は２に記載の回路装置。
4. 可制御インバータを更に有し、
   前記可制御インバータは、ＤＣ電源入力部と、前記可制御スイッチ機構の前記第２電源入力部に結合される電源出力部とを有し、
   前記制御器は、更に、前記可制御インバータを制御する、
   請求項１乃至３のいずれか一項に記載の回路装置。
5. 前記可制御インバータは、フルブリッジインバータである、請求項４に記載の回路装置。
6. 前記可制御インバータは、更に、ＤＣリンクコンデンサを有する、請求項４又は５に記載の回路装置。
7. 前記可制御インバータの前記ＤＣ電源入力部に結合されるＤＣ電源出力部を持つＤＣ電源を更に有する、請求項４乃至６のいずれか一項に記載の回路装置を有する、システム。
8. 前記ＤＣ電源は、太陽光電源を有する、請求項７に記載のシステム。
9. 前記ＤＣ電源は、バッテリを有する、請求項７に記載のシステム。
10. 電源を負荷に接続する方法であって、
    可制御スイッチ機構を用いて、前記負荷を第１電源入力部及び第２電源入力部に結合させるステップであって、前記可制御スイッチ機構は、並列構成と直列構成とを切り替える当該ステップと、
    電力品質パラメータを決定するステップと、
    前記電力品質パラメータに基づいて前記可制御スイッチ機構を制御するステップと
    を有する、方法。