JP2017189071A

JP2017189071A - 電力変換システム

Info

Publication number: JP2017189071A
Application number: JP2016078097A
Authority: JP
Inventors: 祐司松岡; Yuji Matsuoka
Original assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Current assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Priority date: 2016-04-08
Filing date: 2016-04-08
Publication date: 2017-10-12

Abstract

【課題】交流側が並列に接続された複数の電力変換回路で構成され、システム全体の損失を低減する電力変換システムを提供することにある。【解決手段】電力変換システム２０は、交流側が並列に接続され、直流電力を交流電力に変換するインバータ２ａ〜２ｃと、インバータ２ａ〜２ｃから出力させる総出力電力Ｐｔに基づいて、損失が少なくなるように複数のインバータ２ａ〜２ｃのうち電流出力させるインバータ２ａ〜２ｃを決定し、決定した電流出力させるインバータ２ａ〜２ｃのそれぞれに対して、総出力電力Ｐｔに基づいて、電流指令値Ｉａｒ〜Ｉｃｒを決定し、決定した電流指令値Ｉａｒ〜Ｉｃｒに基づいて、決定した電流出力させるインバータ２ａ〜２ｃの出力電流Ｉａ〜Ｉｃを制御する制御装置１０とを備える。【選択図】図１

Description

本発明は、電力変換システムに関する。

一般に、交流側が並列に接続された複数のインバータで構成される電力変換システムが知られている。例えば、複数のインバータの総和の出力電力として要求される要求電力値を、インバータの台数で割った値よりも小さい設定値と大きい設定値に分けて複数のインバータを制御することが開示されている（特許文献１参照）。

国際公開第２０１３／１４５２６２号

しかしながら、電力変換回路では、出力と損失の関係は一定ではない。一般的な電力変換回路は、低出力時の方が高出力時よりも損失が大きくなる。したがって、複数の電力変換回路で構成されている場合、全ての電力変換回路から低い出力をさせると、電力変換システムの損失が大きくなることがある。

そこで、本発明の目的は、交流側が並列に接続された複数の電力変換回路で構成され、システム全体の損失を低減する電力変換システムを提供することにある。

本発明の観点に従った電力変換システムは、交流側が並列に接続され、直流電力を交流電力に変換する複数の電力変換回路と、前記複数の電力変換回路から出力させる総電流又は総電力である総出力電気量に基づいて、損失が少なくなるように前記複数の電力変換回路のうち電流出力させる電力変換回路を決定する電力変換回路決定手段と、前記電力変換回路決定手段により決定された前記電流出力させる電力変換回路のそれぞれに対して、前記総出力電気量に基づいて、電流指令値を決定する電流指令値決定手段と、前記電流指令値決定手段により決定された前記電流指令値に基づいて、前記電力変換回路決定手段により決定された前記電流出力させる電力変換回路の出力電流を制御する出力電流制御手段と
を備える。

本発明によれば、交流側が並列に接続された複数の電力変換回路で構成され、システム全体の損失を低減する電力変換システムを提供することができる。

本発明の第１の実施形態に係る電力変換システムの構成を示す構成図。第１の実施形態に係る制御装置の構成を示す構成図。第１の実施形態に係る制御装置の制御による各インバータの出力電力と総出力電力との関係を示すグラフ図。第１の実施形態に係る制御装置の制御によるインバータの総出力電力に対する総和の損失を示すグラフ図。本発明の第２の実施形態に係る電力変換システムの構成を示す構成図。第２の実施形態に係る制御装置の構成を示す構成図。第２の実施形態に係る制御装置の制御による各インバータの出力電流と総出力電流との関係を示すグラフ図。

（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る電力変換システム２０の構成を示す構成図である。なお、図面における同一部分には同一符号を付してその詳しい説明を省略し、異なる部分について主に述べる。

電力変換システム２０は、３つの直流電源１ａ，１ｂ，１ｃ、３つのインバータ２ａ，２ｂ，２ｃ、３つの交流フィルタ３ａ，３ｂ，３ｃ、３つの連系リアクトル４ａ，４ｂ，４ｃ、３つの交流電流検出器５ａ，５ｂ，５ｃ、交流電圧検出器６、及び、制御装置１０を備える。電力変換システム２０は、電力系統９と連系する。

直流電源１ａ〜１ｃは、それぞれインバータ２ａ〜２ｃに直流電力を供給する。直流電源１ａ〜１ｃは、発電機、電池、又は、交流電力を直流電力に変換するコンバータなど、直流電力を供給するものであれば、どのようなものでもよい。また、全てのインバータ２ａ〜２ｃに直流電力を供給するように構成されていれば、直流電源の数は、１つ以上あればいくつでもよい。

インバータ２ａ〜２ｃは、直流電力を交流電力に変換する電力変換回路を備える。インバータ２ａ〜２ｃの交流側は並列に接続される。インバータ２ａ〜２ｃは、それぞれ直流電源１ａ〜１ｃから供給される直流電力を電力系統９と同期する交流電力に変換する。インバータ２ａ〜２ｃからそれぞれ出力される交流電力は、合成されて電力系統９に供給される。したがって、インバータ２ａ〜２ｃの総和の出力電力は、電力変換システム２０の出力電力となる。ここでは、３つのインバータ２ａ〜２ｃで構成される電力変換システム２０について説明するが、２つ以上であれば、いくつのインバータで構成されてもよい。また、全てのインバータ２ａ〜２ｃは、特に断りのない限り、同一の出力容量であるものとして説明する。

交流フィルタ３ａ〜３ｃは、インバータ２ａ〜２ｃに対応して設けられる。交流フィルタ３ａ〜３ｃは、インバータ２ａ〜２ｃの出力側（交流側）に設けられる。交流フィルタ３ａ〜３ｃは、リアクトル３１及びコンデンサ３２で構成される。交流フィルタ３ａ〜３ｃは、インバータ２ａ〜２ｃから出力される高調波を抑制する。

連系リアクトル４ａ〜４ｃは、インバータ２ａ〜２ｃに対応して設けられる。連系リアクトル４ａ〜４ｃは、それぞれのインバータ２ａ〜２ｃとインバータ２ａ〜２ｃの交流側が並列に接続される接続点との間に、それぞれ設けられる。なお、連系リアクトル４ａ〜４ｃの代わりに連系トランスを設けてもよいし、交流フィルタ３ａ〜３ｃのリアクトル３１が連系リアクトル４ａ〜４ｃの役割を兼ねてもよい。

交流電流検出器５ａ〜５ｃは、インバータ２ａ〜２ｃの交流側にそれぞれ設けられる。交流電流検出器５ａ〜５ｃは、インバータ２ａ〜２ｃからそれぞれ出力される交流電流（出力電流）Ｉａ，Ｉｂ，Ｉｃを検出する。交流電流検出器５ａ〜５ｃは、検出した交流電流Ｉａ〜Ｉｃを制御装置１０に出力する。

交流電圧検出器６は、インバータ２ａ〜２ｃの交流側と電力系統９との間に設けられる。交流電圧検出器６は、インバータ２ａ〜２ｃから出力される交流電圧（出力電圧）Ｖｓを検出する。交流電圧Ｖｓは、電力系統９の系統電圧Ｖｓでもある。交流電圧検出器６は、検出した交流電圧Ｖｓを制御装置１０に出力する。

制御装置１０は、交流電流検出器５ａ〜５ｃにより検出される交流電流Ｉａ〜Ｉｃ、交流電圧検出器６により検出される交流電圧Ｖｓ、総電流指令値Ｉｔｒ、及び、電圧指令値Ｖｓｒに基づいて、ゲート信号Ｇａ，Ｇｂ，Ｇｃを出力して、各インバータ２ａ〜２ｃを制御する。

総電流指令値Ｉｔｒは、インバータ２ａ〜２ｃの総和の出力電流Ｉａ〜Ｉｃに対する指令値であり、電力変換システム２０の出力電流に対する指令値である。電圧指令値Ｖｓｒは、電力変換システム２０の出力電圧に対する指令値であり、各インバータ２ａ〜２ｃの出力電圧に対する指令値である。総電流指令値Ｉｔｒ及び電圧指令値Ｖｓｒは、電力系統９への供給が要求される指令値である。総電流指令値Ｉｔｒ及び電圧指令値Ｖｓｒは、どこで生成されてもよい。例えば、総電流指令値Ｉｔｒ及び電圧指令値Ｖｓｒは、上位制御系から受信してもよいし、制御装置１０の内部で生成されてもよいし、制御装置１０に予め設定されていてもよい。

図２は、本実施形態に係る制御装置１０の構成を示す構成図である。

制御装置１０は、総電力指令値演算部１１、指令値生成部１２、及び、３つのインバータ制御部１３ａ，１３ｂ，１３ｃを備える。

総電力指令値演算部１１は、入力された総電流指令値Ｉｔｒ及び電圧指令値Ｖｓｒに基づいて、総電力指令値Ｐｔｒを演算する。総電力指令値Ｐｔｒは、インバータ２ａ〜２ｃの総和の出力電力Ｐａ〜Ｐｃに対する指令値であり、電力変換システム２０の出力電力に対する指令値である。総電力指令値演算部１１は、演算した総電力指令値Ｐｔｒを指令値生成部１２に出力する。総電力指令値Ｐｔｒは、電力系統９への供給が要求される電力を示している。

なお、総電力指令値演算部１１は、総電力指令値Ｐｔｒを求めるために、電圧指令値Ｖｓｒの代わりに、交流電圧検出器６により検出される交流電圧Ｖｓを用いてもよいし、予め設定された交流電圧（例えば、電力系統９の定格電圧など）を用いてもよい。また、ここでは、総電力指令値Ｐｔｒは、皮相電力とするが、有効電力でもよい。

指令値生成部１２には、総電力指令値演算部１１により演算される総電力指令値Ｐｔｒ及び電圧指令値Ｖｓｒが入力される。指令値生成部１２は、総電力指令値Ｐｔｒに基づいて、電流を出力させるインバータ２ａ〜２ｃを決定する。電流を出力させるインバータ２ａ〜２ｃの台数は、総電力指令値Ｐｔｒに対応して、予め決められている。電流を出力させるインバータ２ａ〜２ｃの決定方法は、総電力指令値Ｐｔｒに対応して、どのインバータ２ａ〜２ｃにするかが予め決められていてもよいし、各インバータ２ａ〜２ｃに予め決められた優先度に従って決めてもよいし、各インバータ２ａ〜２ｃの電流出力している時間が均一になるように決めてもよいし、ランダムに決めてもよい。また、電流を出力させないインバータ２ａ〜２ｃについては、電圧の出力も止めてもよいし、ゲートブロックなどにより運転を停止させてもよい。

指令値生成部１２は、電流を出力させるインバータ２ａ〜２ｃの台数の決定後、この台数分の電流指令値を求める。指令値生成部１２は、求めた台数分の電流指令値を各インバータ２ａ〜２ｃの電流指令値Ｉａｒ，Ｉｂｒ，Ｉｃｒに割当てる。電流を出力させないインバータ２ａ〜２ｃの電流指令値Ｉａｒ〜Ｉｃｒは、ゼロにする。指令値生成部１２は、決定した電流指令値Ｉａｒ〜Ｉｃｒをそれぞれ対応するインバータ２ａ〜２ｃを制御するインバータ制御部１３ａ〜１３ｃに出力し、各インバータ制御部１３ａ〜１３ｃに電圧指令値Ｖｓｒを出力する。

なお、電流を出力させるインバータ２ａ〜２ｃの台数は、同じ総電力指令値Ｐｔｒでも、増加している場合と減少している場合で異ならせてもよい。これにより、総電力指令値Ｐｔｒの変動により、電流を出力するインバータ２ａ〜２ｃの台数が頻繁に変わり、電流の出力と停止を頻繁に繰り返すようなインバータ２ａ〜２ｃが出るのを防止することができる。

インバータ制御部１３ａ〜１３ｃには、交流電流検出器５ａ〜５ｃにより検出されたインバータ２ａ〜２ｃの出力電流Ｉａ〜Ｉｃ、及び、指令値生成部１２により生成された電流指令値Ｉａｒ〜Ｉｃｒがそれぞれ入力され、交流電圧検出器６により検出された交流電圧Ｖｓ、及び、指令値生成部１２により生成された電圧指令値Ｖｓｒが入力される。

各インバータ制御部１３ａ〜１３ｃは、各電流指令値Ｉａｒ〜Ｉｃｒ、電圧指令値Ｖｓｒ、各出力電流Ｉａ〜Ｉｃ、及び、交流電圧Ｖｓに基づいて、対応するインバータ２ａ〜0２ｃを制御するためのゲート信号Ｇａ〜Ｇｃをそれぞれ生成する。各インバータ制御部１３ａ〜１３ｃは、生成したゲート信号Ｇａ〜Ｇｃを対応するインバータ２ａ〜２ｃに出力する。これにより、各インバータ制御部１３ａ〜１３ｃは、対応するインバータ２ａ〜２ｃの出力電流Ｉａ〜Ｉｃをそれぞれ電流指令値Ｉａｒ〜Ｉｃｒに追従させ、対応するインバータ２ａ〜２ｃの出力電圧をそれぞれ交流電圧（系統電圧）Ｖｓと同期させながら電圧指令値Ｖｓｒに追従させる。

図３は、本実施形態に係る制御装置１０の制御による各インバータ２ａ〜２ｃの出力電力Ｐａ〜Ｐｃと総出力電力Ｐｔ（電力変換システム２０の出力電力）との関係を示すグラフ図である。

ここでは、説明の便宜上、１台で電力（電流）を出力させる場合は、常にインバータ２ａを使用し、２台で電流を出力させる場合は、常にインバータ２ａ，２ｂを使用するものとする。また、全てのインバータ２ａ〜２ｃで出力可能な最大の総出力電力Ｐｔを１００％とする。

図３では、総出力電力Ｐｔが少なくなるほど、電流を出力させるインバータ２ａ〜２ｃの台数が減るように制御される。また、総出力電力Ｐｔが最も低い区間では、１台のインバータ２ａで電流を出力されるように制御される。

具体的には、総出力電力Ｐｔが０％から３３％までは、１台のインバータ２ａで出力させる。総出力電力Ｐｔが３３％から６７％までは、２台のインバータ２ａ，２ｂで出力させる。このとき、各インバータ２ａ，２ｂの出力電力Ｐａ，Ｐｂの分担は２等分にする。総出力電力Ｐｔが６７％から１００％までは、３台のインバータ２ａ〜２ｃで出力させる。このとき、各インバータ２ａ〜２ｃの出力電力Ｐａ〜Ｐｃの分担は３等分にする。

ここで、総出力電力Ｐｔを総電力指令値Ｐｔｒと置き換えれば、各インバータ２ａ〜２ｃの出力電力Ｐａ〜Ｐｃは、指令値生成部１２で生成される電流指令値Ｉａｒ〜Ｉｃｒに対応する。例えば、総電力指令値Ｐｔｒが５０％の総出力電力Ｐｔである場合、２台のインバータ２ａ，２ｂで出力させ、２台のインバータ２ａ，２ｂの電流指令値Ｉａｒ，Ｉｂｒは、それぞれ総電力指令値Ｐｔｒの２等分となる。

図４は、本実施形態に係る制御装置１０の制御によるインバータ２ａ〜２ｃの総出力電力Ｐｔに対する総和の損失を示すグラフ図である。

グラフＧｔは、制御装置１０の制御によるインバータ２ａ〜２ｃの総和の損失を示している。即ち、グラフＧｔは、図３に示すように出力された総出力電力Ｐｔに対する損失を示している。グラフＧ１は、１台のインバータ２ａの出力電力を０％から１００％まで変化させたときの１台のインバータ２ａの損失を示している。グラフＧ２は、２台のインバータ２ａ，２ｂの出力電力を全て同時に０％から１００％まで変化させたときの２台のインバータ２ａ，２ｂの総和の損失を示している。グラフＧ３は、３台のインバータ２ａ〜２ｃの出力電力を全て同時に０％から１００％まで変化させたときの３台のインバータ２ａ〜２ｃの総和の損失を示している。

ここでは、図４のグラフＧ１に示すように、各インバータ２ａ〜２ｃの出力電力と損失の関係は、損失軸に切片を持ち、かつ出力電力に対して非線形で緩やかに損失が増加するものについて示している。これは、一般的なインバータに当てはまるものである。

図４に示すように、総出力電力Ｐｔが６７％までは、常に３台のインバータ２ａ〜２ｃで出力させるグラフＧ３に示す損失よりも、制御装置１０の制御により出力させるインバータ２ａ〜２ｃの台数を変化させるグラフＧｔに示す損失の方が少ないことが分かる。

次に、電流を出力させるインバータ２ａ〜２ｃの台数及び各インバータ２ａ〜２ｃの電流指令値Ｉａｒ〜Ｉｃｒを総電力指令値Ｐｔｒに対応して決定するために、指令値生成部１２で予め行う設定方法について説明する。

まず、電力（電流）を出力させるインバータ２ａ〜２ｃの台数を固定した場合の総出力電力と損失との関係を台数別に調べる。次に、台数別に求めた総出力電力と損失との関係に基づいて、総出力電力Ｐｔと損失が最も低い台数との関係を調べる。これにより、図４に示すような総出力電力Ｐｔと損失との関係を求めることができる。

このように求めた関係に基づいて、総出力電力Ｐｔを損失が最も低くなる台数の区間で分ける。例えば、３台のインバータ２ａ〜２ｃで構成されている場合、損失が最も低くなる台数が１台の区間、２台の区間、及び、３台の区間の３つの区間で総出力電力Ｐｔを分ける。なお、ある台数の区間が２以上あってもよい。このように求めた関係から総出力電力Ｐｔに対応する各インバータ２ａ〜２ｃの出力電力Ｐａ〜Ｐｃも決定する。

このようにして求めた総出力電力Ｐｔとインバータ２ａ〜２ｃの台数及び出力電力Ｐａ〜Ｐｃとの関係に従うように、指令値生成部１２に予め設定をする。このように設定することで、図４のグラフＧ１に示すような損失の関係に従わないインバータでも、同様に損失を少なくするように制御をすることができる。

なお、複数台のインバータ２ａ〜２ｃの総出力電力Ｐｔと損失との関係を調べる場合、各インバータ２ａ〜２ｃの出力電力Ｐａ〜Ｐｃを個別に変えて、さらに損失が最も小さくなる出力電力Ｐａ〜Ｐｃの組合せを調べてもよい。これにより、総出力電力Ｐｔを出力するために、損失がさらに小さくなるインバータ２ａ〜２ｃの出力電力Ｐａ〜Ｐｃの組合せを見付けることができる。この場合、総出力電力Ｐｔに対応して、出力させるインバータ２ａ〜２ｃの台数を求めずに、出力させるインバータ２ａ〜２ｃが直接決定されるようにしてもよい。このような方法は、インバータ２ａ〜２ｃの性能又は出力容量が個別に異なる場合に適している。

本実施形態によれば、交流側が並列に接続された複数のインバータ２ａ〜２ｃで構成される電力変換システム２０において、総電力指令値Ｐｔｒに対応して、各インバータ２ａ〜２ｃの電流指令値Ｉａｒ〜Ｉｃｒが別々に異なることを認容する決定をして、各インバータ２ａ〜２ｃの出力電流Ｉａ〜Ｉｃを制御することで、電力変換システム２０の損失を低減することができる。

（第２の実施形態）
図５は、本発明の第２の実施形態に係る電力変換システム２０Ａの構成を示す構成図である。電力変換システム２０Ａは、図１に示す第１の実施形態に係る電力変換システム２０において、制御装置１０を制御装置１０Ａに代えたものである。その他の点は、第１の実施形態と同様である。

図６は、本実施形態に係る制御装置１０Ａの構成を示す構成図である。

制御装置１０Ａは、図２に示す第１の実施形態に係る制御装置１０において、総電力指令値演算部１１を取り除き、指令値生成部１２を指令値生成部１２Ａに代えたものである。その他の点は、第１の実施形態に係る制御装置１０と同様である。

指令値生成部１２Ａには、総電流指令値Ｉｔｒ及び電圧指令値Ｖｓｒが入力される。本実施形態では、電圧指令値Ｖｓｒは、常に一定であるものとする。指令値生成部１２Ａは、総電流指令値Ｉｔｒに基づいて、電流を出力させるインバータ２ａ〜２ｃを決定し、決定したインバータ２ａ〜２ｃの電流指令値Ｉａｒ〜Ｉｃｒを生成する。指令値生成部１２Ａは、総電力指令値Ｐｔｒの代わりに総電流指令値Ｉｔｒを用いる点以外は、第１の実施形態に係る指令値生成部１２と同様である。

図７は、本実施形態に係る制御装置１０Ａの制御による各インバータ２ａ〜２ｃの出力電流Ｉａ〜Ｉｃと総出力電流Ｉｔとの関係を示すグラフ図である。図７に示す出力電流Ｉａ〜Ｉｃと総出力電流Ｉｔとの関係は、第１の実施形態における図３に示す出力電力Ｐａ〜Ｐｃと総出力電力Ｐｔとの関係において、出力電力Ｐａ〜Ｐｃと総出力電力Ｐｔをそれぞれ一定である電圧指令値Ｖｓｒで割ったものである。

図７に示す出力電流Ｉａ〜Ｉｃと総出力電流Ｉｔとの関係に基づいて、第１の実施形態に係る指令値生成部１２と同様に、指令値生成部１２Ａには、総電流指令値Ｉｔｒに対応して、電流を出力させるインバータ２ａ〜２ｃを決定し、各インバータの電流指令値Ｉａｒ〜Ｉｃｒを生成するための設定が予め行われる。

これにより、指令値生成部１２Ａは、第１の実施形態に係る指令値生成部１２において、一定の電圧指令値Ｖｓｒを用いた場合と同様の動作をする。

本実施形態によれば、一定の電圧を出力する電力変換システムにおいて、総電流指令値Ｉｔｒに対応して、電流指令値Ｉａｒ〜Ｉｃｒが別々に異なることを認容する決定して制御することで、第１の実施形態と同様の作用効果を得ることができる。

なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組合せにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

１ａ，１ｂ，１ｃ…直流電源、２ａ，２ｂ，２ｃ…インバータ、３ａ，３ｂ，３ｃ…交流フィルタ、４ａ，４ｂ，４ｃ…連系リアクトル、５ａ，５ｂ，５ｃ…交流電流検出器、６…交流電圧検出器、９…電力系統、１０…制御装置、２０…電力変換システム。

Claims

交流側が並列に接続され、直流電力を交流電力に変換する複数の電力変換回路と、
前記複数の電力変換回路から出力させる総電流又は総電力である総出力電気量に基づいて、損失が少なくなるように前記複数の電力変換回路のうち電流出力させる電力変換回路を決定する電力変換回路決定手段と、
前記電力変換回路決定手段により決定された前記電流出力させる電力変換回路のそれぞれに対して、前記総出力電気量に基づいて、電流指令値を決定する電流指令値決定手段と、
前記電流指令値決定手段により決定された前記電流指令値に基づいて、前記電力変換回路決定手段により決定された前記電流出力させる電力変換回路の出力電流を制御する出力電流制御手段と
を備えることを特徴とする電力変換システム。
前記複数の電力変換回路は、全て同一の出力容量であり、
前記電力変換回路決定手段は、前記電流出力させる電力変換回路の数を、前記総出力電気量が少なくなるほど１つまで減らすように決定すること
を特徴とする請求項１に記載の電力変換システム。
交流側が並列に接続され、直流電力を交流電力に変換する複数の電力変換回路を備える電力変換システムの制御方法であって、
前記複数の電力変換回路から出力させる総電流又は総電力である総出力電気量に基づいて、損失が少なくなるように前記複数の電力変換回路のうち電流出力させる電力変換回路を決定し、
決定した前記電流出力させる電力変換回路のそれぞれに対して、前記総出力電気量に基づいて、電流指令値を決定し、
決定した前記電流指令値に基づいて、決定した前記電流出力させる電力変換回路の出力電流を制御すること
を含むことを特徴とする電力変換システムの制御方法。