JP2017135885A - 電力変動緩和システム - Google Patents

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Abstract

【課題】負荷急変等に起因する配電系統の電力変動を速やかに抑制すると共に、メンテナンスフリーとして保守点検の負担を軽減した電力変動緩和システムを提供する。
【解決手段】交流電源１００に接続された第１のコンバータ２１０と、このコンバータ２１０に直流中間コンデンサ２３０を介して接続されたインバータ２４０と、を有するインバータ装置２００により、負荷に給電する電源システムにおいて、交流電源１００に接続された第２のコンバータ３３０と、その出力により充電されるキャパシタ（容量性蓄電素子）３６０と、その蓄電電力によりコンデンサ２３０を充電する充電手段としての可変抵抗３７０及び制御スイッチ３８０と、を有する電力変動緩和装置２００を備え、負荷急変に伴うインバータ装置２００の出力変動時に、可変抵抗３７０及び制御スイッチ３８０を介してキャパシタ３６０からコンデンサ２３０に電力を供給する。
【選択図】図１

Description

本発明は、インバータ装置により給電される負荷の急変等に起因する交流電源側の電力変動を緩和するための電力変動緩和システムに関するものである。
交流配電系統の電力変動を緩和し、安定化させる従来技術として、特許文献１に記載された系統安定化システムが知られている。
図８は、この系統安定化システムの全体構成図である。図８において、１０は交流電源、１１は配電線、２０は再生可能エネルギーを利用した太陽光発電装置や風力発電装置等の発電設備、３０は系統安定化システム、３１は周波数検出器、３２は電力検出器、３３は電力変換部３３Ａ及びリチウムイオンキャパシタ（ＬｉＣ）３３Ｂからなるキャパシタ装置、３４は電力変換部３４Ａ及び鉛蓄電池３４Ｂからなる蓄電装置、３５は充放電制御部３５Ａ及び記憶部３５Ｂからなる制御装置、４０は中央給電指令所である。
図８に示した従来技術は、発電設備２０の発電量の変化によって配電系統１１に生じる電力変動を緩和することを解決課題とし、特に、リチウムイオンキャパシタ３３Ｂの充放電を優先させて鉛蓄電池３４Ｂの充放電回数を減らし、鉛蓄電池３４Ｂの劣化を防止することを目的としている。
電力変動を緩和するための具体的な動作としては、電力変動は周波数の変動を伴うという知見に基づき、検出器３１から出力される系統周波数検出値に変動が生じたときに、充放電制御部３５Ａが電力変換部３３Ａを介してリチウムイオンキャパシタ３３Ｂの充放電を優先的に制御し、配電系統１１に対する注入（吸収）電力を制御して電力変動を抑制する。また、リチウムイオンキャパシタ３３Ｂの充放電だけでは十分な変動抑制効果が得られない場合に、充放電制御部３５Ａが電力変換部３４Ａを介して鉛蓄電池３４Ｂの充放電を制御することにより、電力変動の抑制動作を補完している。
これにより、リチウムイオンキャパシタ３３Ｂに比べて充放電可能な回数が大幅に少ない鉛蓄電池３４Ｂの充放電頻度を減らし、その劣化を防止してシステムの長寿命化を図っている。
また、図９は、特許文献２に記載された交流入力平準型電源システムの全体構成図である。
図９において、１０は交流電源、５０は入力平準型電源装置、５１はコンバータ、５２は充電回路、５３は合成回路、５３Ａ，５３Ｂはスイッチング素子、５４はインバータ、５５は制御回路、５６，５７は電流計測器、６０は蓄電池、７０は負荷である。
この交流入力平準型電源システムは、時間帯によって負荷７０が変動した場合でも、合成回路５３内のスイッチング素子５３Ａ，５３Ｂを動作させて交流電源１０から得た直流電力と蓄電池６０から得た直流電力との合成比率を適切に制御することにより、最小容量の蓄電池設備のもとで電力変動を抑制し、負荷７０の安定した動作やピーク電流の抑制を可能にするものである。
特許第５８１６２８８号公報（段落[００１８]〜[００６１]、図１，図２等） 特許第４９３２６５３号公報（段落[００１８]〜[００３７]、図１，図２等）
図８，図９に示した従来技術によれば、蓄電池の充放電頻度や分担電力を極力少なくすることにより、蓄電池の劣化が進行するのを抑制することが可能である。
しかしながら、蓄電池を使用する限り定期的な保守点検作業は不可欠であり、これらの作業に要する装置や人員、労力、時間等が大きな負担となっているため、その解決が求められていた。
そこで、本発明の解決課題は、負荷急変等に起因する交流電源側の電力変動を速やかに抑制すると共に、いわゆるメンテナンスフリーとして保守点検の負担を軽減した電力変動緩和システムを提供することにある。
上記課題を解決するため、請求項１に係る発明は、交流電源に接続されて交流／直流変換を行う第１のコンバータと、前記第１のコンバータに直流中間コンデンサを介して接続されて直流／交流変換を行うインバータと、を有するインバータ装置により、負荷に交流電力を供給する電源システムにおいて、
前記交流電源に接続されて交流／直流変換を行う第２のコンバータと、前記第２のコンバータの出力により充電される大容量の容量性蓄電素子と、前記容量性蓄電素子の蓄電電力により前記直流中間コンデンサを充電する充電手段と、を有する電力変動緩和装置を備え、
前記負荷の変動に伴う前記インバータ装置の出力変動時に、前記充電手段を介して前記容量性蓄電素子から前記直流中間コンデンサに電力を供給するものである。
請求項２に係る発明は、請求項１に記載した電力変動緩和システムにおいて、前記充電手段は、前記容量性蓄電素子の一端と前記直流中間コンデンサの一端との間に接続される可変抵抗を含むものである。
請求項３に係る発明は、請求項２に記載した電力変動緩和システムにおいて、前記容量性蓄電素子と前記可変抵抗と前記直流中間コンデンサとの直列回路内に、前記直流中間コンデンサを充電するための制御スイッチを挿入したものである。
請求項４に係る発明は、請求項１〜３の何れか１項に記載した電力変動緩和システムにおいて、前記容量性蓄電素子がキャパシタまたは電解コンデンサであることを特徴とする。
本発明によれば、インバータ装置の負荷が変動した場合に、電力変動緩和装置内の容量性蓄電素子からインバータ装置の直流中間回路に対して上記変動分の電力が瞬時に供給されるため、インバータ装置の出力側の電力の変動が入力側に波及するおそれがなく、交流電源側の配電系統における電力変動を抑制し、緩和することができる。
また、従来技術のように蓄電池を充放電させて電力変動を抑制する制御方式ではないから、蓄電池を保守点検するための装置や人員、労力等を軽減し、メンテナンスフリーを可能にすると共に、システム全体の長寿命化を達成することができる。
本発明の実施形態に係る電力変動緩和システムの構成図である。 電力変動緩和装置を備えていない場合の定常時と負荷急変時とについて、インバータ装置の直流中間回路、入力側及び出力側における電力の状態を概念的に示した図である。 図２における各部の電力の状態を、時間軸を揃えて書き換えた図である。 インバータ装置及び模擬負荷からなる試験機を用いて、負荷急変を模擬した時の出力電流、入力電流、入力電圧の測定結果を示す波形図である。 本発明の実施形態における定常時と負荷急変時とについて、インバータ装置の直流中間回路、入力側及び出力側における電力の状態を概念的に示した図である。 図５における各部の電力の状態を、時間軸を揃えて書き換えた図である。 本発明の実施形態に相当する試験機を用いて、負荷急変を模擬した時の出力電流、入力電流、入力電圧の測定結果を示す波形図である。 特許文献１に記載された従来技術の全体構成図である。 特許文献２に記載された従来技術の全体構成図である。
以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
図１は、本発明の実施形態に係る電力変動緩和システムの構成図である。図１において、交流電源１００には、配電線１１０を介してインバータ装置２００が接続され、その出力側に負荷（図示せず）が接続されている。
インバータ装置２００は、交流入力電圧を交流／直流／交流変換して負荷に供給する一般的な構成及び機能を有しており、入力側のフィルタ２１０と、その出力側に接続された第１のコンバータ２２０と、その直流側に直流中間コンデンサ２３０を介して接続されたインバータ２４０と、出力側のフィルタ２５０と、出力スイッチ２６０と、を備えている。
ここで、コンバータ２２０やインバータ２４０の回路構成は特に限定されず、半導体スイッチング素子の動作により交流／直流変換または直流／交流変換が可能であれば良く、コンバータ２２０、直流中間コンデンサ２３０及びインバータ２４０により、全体として交流／直流／交流変換を行うインバータ装置を構成していれば良い。なお、コンバータ２２０やインバータ２４０の制御方式も特に限定されないが、この実施形態では、ＰＷＭコンバータ及びＰＷＭインバータ２４０として制御することを想定している。
一方、配電線１１０から分岐した分岐線１２０には、本発明の主要部である電力変動緩和装置３００が接続されている。この電力変動緩和装置３００は、分岐線１２０に一次側が接続された変圧器３１０と、変圧器３１０の二次側に接続されたフィルタ３２０と、その出力側に接続された第２のコンバータ３３０と、その出力側に制御スイッチ３４０を介して直列に接続された可変抵抗３５０，３７０と、可変抵抗３５０，３７０同士の接続点と接地（筐体接地）との間に接続された容量性蓄電素子としての大容量のキャパシタ３６０と、可変抵抗３７０と前記直流中間コンデンサ２３０の一端との間に接続された制御スイッチ３８０と、を備えている。
上記構成において、可変抵抗３７０及び制御スイッチ３８０は、請求項における充電手段を構成している。
なお、コンバータ３３０の回路構成や制御方式も特に限定されないが、本実施形態では、前記同様にＰＷＭコンバータとして制御することを想定している。
インバータ装置２００内の直流中間コンデンサ２３０は、例えば電解コンデンサにより構成されている。
また、電力変動緩和装置３００内の容量性蓄電素子であるキャパシタ３６０には、例えばリチウムイオンキャパシタ（ＬｉＣ）や電気二重層キャパシタが用いられる。この容量性蓄電素子としては、キャパシタの代わりに大容量の電解コンデンサを用いても良い。
電力変動緩和装置３００において、制御スイッチ３４０，３８０を設けずに各スイッチ３４０，３８０の両端に相当する箇所をそれぞれ直接接続しても良い。また、インバータ装置２００内のフィルタ２１０，２５０や電力変動緩和装置３００内の変圧器３１０、フィルタ３２０は、本発明の構成に必要不可欠なものではない。
次に、この実施形態の動作を説明する前に、配電線１１０にインバータ装置２００のみが接続されている場合について考察する。図２は、定常時と負荷急変時とについて、インバータ装置２００の直流中間回路、入力側及び出力側における電力の状態を概念的に示した図である。図２におけるインバータ装置２００は、便宜的に主要部のみを示している。
図２において、負荷が一定である平常時には、インバータ装置２００の直流中間回路、入力側及び出力側における各電力は、インバータ装置２００の内部損失を無視すればほぼ等しくなっている。
これに対し、図２の時刻ｔ１〜ｔ２に負荷が急変してインバータ装置２００の出力側の電力が増加したとすると、この増加分を直流中間回路から供給するために直流中間コンデンサ２３０が放電し、直流中間回路の電力が減少する。そして、この減少分をインバータ装置２００の入力側から供給するために入力側の電力が増加する。すなわち、時刻ｔ１〜ｔ２に発生した負荷の急変により、出力側の電力変動が、ほぼそのままの形で同時に、入力側の電力変動として現れることになる。
図２のタイムチャートを、時間軸を揃えて図示すると図３のようになる。
上記のように、インバータ装置２００のみによって負荷に給電している場合には、負荷の急変がほぼ同時に入力側の電力変動として現れることになる。
ここで、図４は、インバータ装置及び模擬負荷からなる試験機を用いて、負荷急変を模擬するために出力電流を急変させた場合のインバータ装置の出力電流、入力電流、入力電圧の測定結果を示している。
図４から明らかなように、出力電流の急変（波形ａ部）に伴って、ほぼ同時に入力電流も急変していることから、負荷急変時には系統側に大きな電力変動が発生している。
次いで、本発明の実施形態の動作を、前述した図１、及び後述する図５〜図７を参照しつつ説明する。
この実施形態では、まず、図１における制御スイッチ３４０をオンすることにより、第２のコンバータ３３０を介してキャパシタ３６０を充電する。この時の充電時定数は、可変抵抗３５０を調整すれば所望の値に設定することができる。なお、キャパシタ３６０が満充電になった時の電圧Ｖ３６０は、インバータ装置２００の直流中間コンデンサ２３０の最大電圧Ｖ２３０よりも高くなるように設定する（Ｖ３６０＞Ｖ２３０）。
こうしてキャパシタ３６０の充電が完了してから出力側の制御スイッチ３８０をオンすると、インバータ装置２００の直流中間コンデンサ２３０には、その電圧が低下した時に電圧を回復するためのエネルギーが、電力変動緩和装置３００内のキャパシタ３６０によって潜在的に確保されていることになる。
図５は、前述した図２に対応するものであり、本実施形態における定常時と負荷急変時とについて、インバータ装置２００の直流中間回路、入力側及び出力側における電力の状態を概念的に示した図である。なお、図５におけるインバータ装置２００及び電力変動緩和装置３００は、便宜的に主要部のみを示している。
図５において、負荷が一定である平常時には、図２と同様に、インバータ装置２００の直流中間回路、入力側及び出力側における各電力は、インバータ装置２００の内部損失を無視すればほぼ等しい。なお、図５の定常時のタイムチャートにおいて、Ｐ２３０は直流中間コンデンサ２３０が保有する電力、Ｐ３６０はキャパシタ３６０が保有する電力に相当する。
いま、図５の時刻ｔ１〜ｔ２に負荷が急変してインバータ装置２００の出力側の電力が増加したとすると、この増加分を直流中間回路から供給するために直流中間コンデンサ２３０が放電するので、直流中間回路の電力が減少する。ここで、本実施形態では、直流中間回路の電力が減少すると、キャパシタ３６０が瞬時に放電して直流中間回路に電力を補充する。
図５の負荷急変時のタイムチャートにおいて、直流中間回路の時刻ｔ１〜ｔ２における符号ＰＭ１は、出力側の電力の増加分を直流中間回路から供給したことによる電力減少分が、キャパシタ３６０から補充されることを示している。また、同じく直流中間回路の時刻ｔ２以降の符号ＰＭ２は、キャパシタ３６０の放電により、可変抵抗３７０と直流中間コンデンサ２３０との時定数に従って直流中間コンデンサ２３０が再び充電されて電力が増加していく状態を示している。
上述したように、時刻ｔ１〜ｔ２に出力側の電力が増加しても直流中間回路から増加分の電力が補充される結果、インバータ装置２００の入力側では、符号ＰＩ１により示すように、時刻ｔ１〜ｔ２における電力変動はほとんど表れない。なお、時刻ｔ２以降の符号ＰＩ２は、インバータ装置２００内の第１のコンバータ２２０が直流中間コンデンサ２３０を補完的に充電するための電力の増加を示している。
図５のタイムチャートを、時間軸を揃えて図示すると図６のようになる。
なお、直流中間コンデンサ２３０に対する充電時定数、言い換えれば本実施形態によって電力変動を緩和するための感度は、負荷変動の状況（変動の大きさ、頻度、間隔等）に応じて、可変抵抗３７０の調整により任意に設定することができる。
図７は、この実施形態に係る電力変動緩和システムに相当する試験機を用いて、負荷急変を模擬するために出力電流を急変させた場合のインバータ装置（図１におけるインバータ装置２００に相当）の出力電流、入力電流、入力電圧の測定結果を示しており、前述した図４に対応するものである。
図７によれば、出力電流の急変（波形ｂ部）が発生しても入力電流が同時に急変することはなく、負荷急変時における系統側の電力変動が抑制されていることがわかる。
本発明は、直流中間回路を有するインバータ装置を用いて負荷に交流電力を供給する各種の電源システム、給電システム等に利用することができる。
１００：交流電源
１１０：配電線
１２０：分岐線
２００：インバータ装置
２１０，２５０：フィルタ
２２０：第１のコンバータ
２３０：直流中間コンデンサ
２４０：インバータ
２６０：出力スイッチ
３００：電力変動緩和装置
３１０：変圧器
３２０：フィルタ
３３０：第２のコンバータ
３４０，３８０：制御スイッチ
３５０，３７０：可変抵抗
３６０：キャパシタ

Claims (4)

  1. 交流電源に接続されて交流／直流変換を行う第１のコンバータと、前記第１のコンバータに直流中間コンデンサを介して接続されて直流／交流変換を行うインバータと、を有するインバータ装置により、負荷に交流電力を供給する電源システムにおいて、
    前記交流電源に接続されて交流／直流変換を行う第２のコンバータと、前記第２のコンバータの出力により充電される大容量の容量性蓄電素子と、前記容量性蓄電素子の蓄電電力により前記直流中間コンデンサを充電する充電手段と、を有する電力変動緩和装置を備え、
    前記負荷の変動に伴う前記インバータ装置の出力変動時に、前記充電手段を介して前記容量性蓄電素子から前記直流中間コンデンサに電力を供給することを特徴とした電力変動緩和システム。
  2. 請求項１に記載した電力変動緩和システムにおいて、
    前記充電手段は、前記容量性蓄電素子の一端と前記直流中間コンデンサの一端との間に接続される可変抵抗を含むことを特徴とする電力変動緩和システム。
  3. 請求項２に記載した電力変動緩和システムにおいて、
    前記容量性蓄電素子と前記可変抵抗と前記直流中間コンデンサとの直列回路内に、前記直流中間コンデンサを充電するための制御スイッチを挿入したことを特徴とする電力変動緩和システム。
  4. 請求項１〜３の何れか１項に記載した電力変動緩和システムにおいて、
    前記容量性蓄電素子がキャパシタまたは電解コンデンサであることを特徴とする電力変動緩和システム。
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