JP2020108273A

JP2020108273A - 電力分配システム

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Publication number: JP2020108273A
Application number: JP2018245553A
Authority: JP
Inventors: 小川　隆司; Takashi Ogawa; 隆司小川; 知明澤近; Tomoaki Sawachika; 智之横川; Tomoyuki Yokogawa
Original assignee: Nabtesco Corp
Current assignee: Nabtesco Corp
Priority date: 2018-12-27
Filing date: 2018-12-27
Publication date: 2020-07-09
Also published as: FR3091425A1; US20200212711A1; DE102019219610A1

Abstract

【課題】電力分配システムにおいて、回生エネルギーを効率的に利用する。【解決手段】電力分配システム１は、外部のＡＣ電源２からの供給ＡＣ電流Ｉｐを第１分配ＡＣ電流と第２分配ＡＣ電流とに分割して第１分配ＡＣ電流を第１の負荷３に分配する双方向ＡＣ−ＤＣコンバータ４に分配する分配部と、供給ＡＣ電流Ｉｐをモニタする電流モニタ部６と、ＡＣ−ＤＣコンバータとして動作するときは分配部から分配された第２分配ＡＣ電流を供給ＤＣ電流に変換して第２の負荷５に供給しＤＣ−ＡＣインバータとして動作するときは第２の負荷５からの回生ＤＣ電流を回生ＡＣ電流に変換して第１の負荷３に供給する双方向ＡＣ−ＤＣコンバータ４と、電流モニタ部によってモニタされた供給ＡＣ電流Ｉｐに基づいて双方向ＡＣ−ＤＣコンバータ４を制御する制御部７とを備える。【選択図】図６

Description

本発明は、電力分配システムに関する。

従来の電力システムでは、モータで発電される回生エネルギーは、回生抵抗などで自己消費されるか、ＤＣ電流により蓄電池に蓄電されていた。これに対して近年、ＤＣ電源機能と電子負荷機能を兼ね備え、回生エネルギーを直接電力系統に戻す電力回生型ＤＣ電源装置が商用化されている。

特開２０１２−１７５８３４号公報

現在の電力回生型ＤＣ電源装置は、産業用の５０Ｈｚ〜６０Ｈｚのライン電力供給に基づき、力率＝１での運転を前提としている。この場合、回生エネルギーは一律に力率＝−１で系統に戻される。すなわち、回生電流の位相は、常に供給ＡＣ電圧と逆位相になるよう制御される。

しかしながら、航空機などに用いられる４００Ｈｚ〜８００Ｈｚといった高周波の可変ＡＣ電源では、供給ＡＣ電圧と供給ＡＣ電流の位相が必ずしも一致しないため、力率＝１での運転が保証されない。この場合、回生エネルギーを一律に力率＝−１で系統に戻すと、回生の効率が低下してしまう。特に航空機では、供給電源を小型化・軽量化することが求められるため、回生エネルギーをできるだけ効率的に利用できることが望ましい。

特許文献１には、三相不平衡電圧が未知あるいは直接測定できない場合、端子の線間電圧を用いることにより不平衡電圧を補償し、力率を制御する技術が記載されている。さらにこの文献には、設定力率を−１に設定することにより、三相コンバータの出力で電力回生ができる点が記載されている。しかしながらこの技術は、力率＝１が実現されない電力分配システムにおいて、ＡＣラインの力率に基づいて回生電流を制御することはできない。

本発明はこうした課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、電力分配システムにおいて、回生エネルギーを効率的に利用することにある。

上記課題を解決するために、本発明のある態様の電力分配システムは、外部のＡＣ電源からの供給ＡＣ電流Ｉｐを第１分配ＡＣ電流と第２分配ＡＣ電流とに分割して第１分配ＡＣ電流を第１の負荷に分配する双方向ＡＣ−ＤＣコンバータに分配する分配部と、供給ＡＣ電流Ｉｐをモニタする電流モニタ部と、ＡＣ−ＤＣコンバータとして動作するときは分配部から分配された第２分配ＡＣ電流を供給ＤＣ電流に変換して第２の負荷に供給しＤＣ−ＡＣインバータとして動作するときは第２の負荷からの回生ＤＣ電流を回生ＡＣ電流に変換して第１の負荷に供給する双方向ＡＣ−ＤＣコンバータと、電流モニタ部によってモニタされた供給ＡＣ電流Ｉｐに基づいて双方向ＡＣ−ＤＣコンバータを制御する制御部とを備える。

なお、以上の構成要素の任意の組み合わせや、本発明の構成要素や表現を方法、装置、プログラム、プログラムを記録した一時的なまたは一時的でない記憶媒体、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。

本発明によれば、電力分配システムにおいて、回生エネルギーを効率的に利用することができる。

実施形態に係る電力分配システムの原理を示す図である。第２分配ＡＣ電流が０のときの、供給ＡＣ電圧、供給ＡＣ電流および第１分配ＡＣ電流を示すグラフである。第１分配ＡＣ電流に対して４０％の回生電流が発生しているときに、力率＝−１の回生電流制御を行ったときの、供給ＡＣ電圧、供給ＡＣ電流および第１分配ＡＣ電流を示すグラフである。第１分配ＡＣ電流に対して４０％の回生電流が発生しているときに、力率＝−０．８の回生電流制御を行ったときの、供給ＡＣ電圧、供給ＡＣ電流および第１分配ＡＣ電流を示すグラフである。第１分配ＡＣ電流に対して１００％の回生電流が発生しているときに、力率＝−０．８の回生電流制御を行ったときの、供給ＡＣ電圧、供給ＡＣ電流および第１分配ＡＣ電流を示すグラフである。第１の実施形態に係る電力分配システムの構成を示すブロック図である。双方向ＡＣ−ＤＣコンバータ制御の一例を示すグラフである。双方向ＡＣ−ＤＣコンバータ制御の別の例を示すグラフである。第２の実施形態に係る電力分配システムの構成を示すブロック図である。変形例１に係る電力分配システムの構成を示すブロック図である。変形例２に係る電力分配システムの構成を示すブロック図である。

以下、本発明を好適な実施の形態をもとに図面を参照しながら説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。

具体的な実施形態を説明する前に、図１を参照して基礎となる知見を説明する。

図１は、本発明の実施形態に係る電力分配システム１の原理を示す。電力分配システム１の入力側は、電力の供給元であるＡＣ電源２に接続される。一方、電力分配システム１の出力側は、電力の供給先である第１の負荷３および、双方向ＡＣ−ＤＣコンバータ４を介して第２の負荷５に接続される。ここで第１の負荷３は、ＡＣ電力を供給される。一方、第２の負荷５は、ＤＣ電力を供給される。

双方向ＡＣ−ＤＣコンバータ４は、ＡＣ電流をＤＣ電流に変換する機能と、ＤＣ電流をＡＣ電流に変換する機能を併せ持つ。以下、双方向ＡＣ−ＤＣコンバータ４がＡＣ電流をＤＣ電流に変換するときの動作モードを「ＡＣ−ＤＣコンバータ動作モード」と呼ぶ。また、双方向ＡＣ−ＤＣコンバータ４がＤＣ電流をＡＣ電流に変換するときの動作モードを「ＤＣ−ＡＣインバータ動作モード」と呼ぶ。

双方向ＡＣ−ＤＣコンバータ４は、第２の負荷５で発生した回生エネルギーを第１の負荷３に供給する回生機能を有する。すなわち双方向ＡＣ−ＤＣコンバータ４は、ＤＣ−ＡＣインバータ動作モードでは、第２の負荷５からの回生ＤＣ電流を回生ＡＣ電流に変換して第１の負荷３に供給する。

ＡＣ電源２からの供給ＡＣ電流Ｉｐは、電力分配システム１に入力される。電力分配システム１は、供給ＡＣ電流Ｉｐを第１分配ＡＣ電流Ｉ１と第２分配ＡＣ電流Ｉ２とに分割して、第１分配ＡＣ電流Ｉ１を第１の負荷３に分配し、第２分配ＡＣ電流Ｉ２を双方向ＡＣ−ＤＣコンバータ４に分配する。すなわち、Ｉｐ＝Ｉ１＋Ｉ２の関係が成立する。

双方向ＡＣ−ＤＣコンバータ４は、ＡＣ−ＤＣコンバータ動作モードでは、第２分配ＡＣ電流Ｉ２を供給ＤＣ電流Ｉ３に変換して第２の負荷５に供給する。一方、双方向ＡＣ−ＤＣコンバータ４は、ＤＣ−ＡＣインバータ動作モードでは、第２の負荷５からの回生ＤＣ電流Ｉ３を回生ＡＣ電流Ｉ２に変換して第１の負荷３に供給する。すなわち、双方向ＡＣ−ＤＣコンバータ４がＤＣ−ＡＣインバータ動作モードで動作しているときは、電流Ｉ２は回生電流となる。

図２は、第２分配ＡＣ電流Ｉ２が０のときの、供給ＡＣ電圧Ｖｐ、供給ＡＣ電流Ｉｐおよび第１分配ＡＣ電流Ｉ１を示す。ここでＡＣ電源は、力率＝０．８で運転されているものとする。すなわち供給ＡＣ電流Ｉｐは、供給ＡＣ電圧Ｖｐに対して力率＝０．８で遅延している。

図２では、第２分配ＡＣ電流Ｉ２が０であるため、第１分配ＡＣ電流Ｉ１は供給ＡＣ電流Ｉｐに一致している。

図３は、第２の負荷５で回生エネルギーが発生しており、回生ＡＣ電流Ｉ２が第２の負荷５から第１の負荷３に供給されているときの様子を示す。ここで第２分配ＡＣ電流Ｉ２の大きさの平均は、第１分配ＡＣ電流Ｉ１の大きさの平均の４０％であるとする。

図３では、回生ＡＣ電流Ｉ２は、力率＝−１で第２の負荷５から第１の負荷３に供給されている。すなわち回生ＡＣ電流Ｉ２の位相は、供給ＡＣ電圧Ｖｐの位相と逆になっている。従って供給ＡＣ電流Ｉｐは、回生ＡＣ電流Ｉ２の逆位相に対して力率＝０．８で遅延している。このとき供給ＡＣ電流Ｉｐは、図２と比較して５０％程度低下しており、回生エネルギーが一定の効率で第１の負荷３に供給されていることが分かる。

上記の力率＝−１での回生電流供給は、一般の電力回生型ＤＣ電源装置等で行われている。本発明者らは、この力率＝−１での回生電流供給に代えて、供給ＡＣ電流Ｖｐの位相にもとづく回生電流供給を行うことによって、回生電流供給の効率を改善できることに気が付いた。

図４は、図３と同じ回生エネルギーが第２の負荷で発生しており、回生ＡＣ電流Ｉ２が第２の負荷５から第１の負荷３に供給されているときの様子を示す。ただし図４では、回生ＡＣ電流Ｉ２は力率＝−０．８に制御されている。すなわち回生ＡＣ電流Ｉ２の位相は、供給ＡＣ電流Ｉｐの位相と逆になるように制御されている。このとき図４に示されるように、供給ＡＣ電流Ｉｐは、図３の場合よりもさらに低下している。すなわち、図３と同じ回生エネルギーが、図４ではより効率的に第１の負荷３に供給されていることが分かる。

図５は、第１分配ＡＣ電流Ｉ１に相当する回生エネルギーが第２の負荷５で発生しており、これが力率＝−０．８で第１の負荷３に供給されている様子を示す。このとき、図５に示されるように、供給ＡＣ電流Ｉｐは０になっている。すなわち図５では、第１の負荷３で必要とされる電力がすべて回生エネルギーで賄われている、理想的な回生電流供給が実現されている。

以上説明したように、本実施形態の原理によれば、供給ＡＣ電源が力率＝１で運転されていない場合であっても、回生エネルギーを効率的に負荷に供給することができる。

［第１実施形態］
図６は、第１の実施形態に係る電力分配システム１の構成を示すブロック図である。電力分配システム１は、電流モニタ部６と、双方向ＡＣ−ＤＣコンバータ４と、制御部７と、を備える。

電力分配システム１は、外部の三相のＡＣ電源２から供給ＡＣ電流Ｉｐを供給される。ＡＣ電源２は、Ｕ相電源２Ｕ、Ｖ相電源２ＶおよびＷ相電源２Ｗを備える。

電流モニタ部６は、供給ＡＣ電流Ｉｐをモニタし、モニタした供給ＡＣ電流ＩｐのＵ相、Ｖ相およびＷ相の電流波形を制御部７に送信する。

電力分配システム１は、供給ＡＣ電流を第１分配ＡＣ電流Ｉ１と第２分配ＡＣ電流Ｉ２とに分割する。電力分配システム１は、第１分配ＡＣ電流Ｉ１を第１の負荷３に分配し、第２分配ＡＣ電流Ｉ２を双方向ＡＣ−ＤＣコンバータ４に分配する。

双方向ＡＣ−ＤＣコンバータ４は、ＡＣ−ＤＣコンバータ動作モードでは、第２分配ＡＣ電流Ｉ２を供給ＤＣ電流Ｉ３に変換して第２の負荷５に供給する。双方向ＡＣ−ＤＣコンバータ４は、ＤＣ−ＡＣインバータ動作モードでは、第２の負荷５からの回生ＤＣ電流Ｉ３を回生ＡＣ電流Ｉ２に変換して第１の負荷３に供給する。

制御部７は、電流モニタ部６によってモニタされた供給ＡＣ電流Ｉｐに基づいて、双方向ＡＣ−ＤＣコンバータ４を制御する。具体的には、制御部７は、回生ＡＣ電流Ｉ２の位相が供給ＡＣ電流Ｉｐの位相と逆になるように、双方向ＡＣ−ＤＣコンバータ４を制御する。

本実施形態によれば、供給ＡＣ電源が力率＝１で運転されていない場合であっても、回生エネルギーを効率的に負荷に供給することができる。

図７は、制御部７による双方向ＡＣ−ＤＣコンバータ４の制御の第１の例を示す。制御部７は、電流モニタ部６によってモニタされた供給ＡＣ電流Ｉｐの波形を１周期Ｔにわたって記憶する。そして次の周期で、この１周期分の波形が双方向ＡＣ−ＤＣコンバータ４にフィードバックされることにより、回生ＡＣ電流Ｉ２の位相が供給ＡＣ電流Ｉｐの位相と逆になるように制御される。

第１の例の制御によれば、回生ＡＣ電流Ｉ２の位相は供給ＡＣ電流Ｉｐの１周期分の波形を用いて制御されるため、正確な制御が可能となる。

図８は、制御部７による双方向ＡＣ−ＤＣコンバータ４の制御の第２の例を示す。制御部７は、電流モニタ部６によってモニタされた供給ＡＣ電流Ｉｐに関し、周期Ｔの１／１６の波形を記憶する。そしてこの１／１６周期分の波形が双方向ＡＣ−ＤＣコンバータ４にフィードバックされることにより、回生ＡＣ電流Ｉ２の位相が供給ＡＣ電流Ｉｐの位相と逆になるように制御される。

第２の例の制御によれば、回生ＡＣ電流Ｉ２の位相は供給ＡＣ電流Ｉｐの１／１６周期分の時間単位で制御されるため、迅速な制御が可能となる。

［第２実施形態］
図９は、第２の実施形態に係る電力分配システム１の構成を示すブロック図である。電力分配システム１は、電流モニタ部６と、双方向ＡＣ−ＤＣコンバータ４と、制御部７と、を備える。

電力分配システム１は、供給ＡＣ電流Ｉｐを第１分配ＡＣ電流Ｉ１と第２分配ＡＣ電流Ｉ２とに分割する。電力分配システム１は、第１分配ＡＣ電流Ｉ１をさらに分割し、第１の負荷（１）３１および第１の負荷（２）３２に分配する。電力分配システム１は、第２分配ＡＣ電流Ｉ２を双方向ＡＣ−ＤＣコンバータ４に分配する。

電流モニタ部６は、第１分配ＡＣ電流Ｉ１および第２分配ＡＣ電流Ｉ２をモニタし、モニタした第１分配ＡＣ電流Ｉ１および第２分配ＡＣ電流Ｉ２のＵ相、Ｖ相およびＷ相の電流波形を制御部７に送信する。

双方向ＡＣ−ＤＣコンバータ４は、ＡＣ−ＤＣコンバータ動作モードでは、第２分配ＡＣ電流Ｉ２を供給ＤＣ電流Ｉ３に変換して第２の負荷５に供給する。双方向ＡＣ−ＤＣコンバータ４は、ＤＣ−ＡＣインバータ動作モードでは、第２の負荷５からの回生ＤＣ電流を回生ＡＣ電流に変換して第１の負荷（１）３１および第１の負荷（２）３２に供給する。

制御部７は、電流モニタ部によってモニタされた第１分配ＡＣ電流Ｉ１および第２分配ＡＣ電流Ｉ２の和を取り、この和を供給ＡＣ電流Ｉｐとする。制御部７は、このように算出された供給ＡＣ電流Ｉｐに基づいて、双方向ＡＣ−ＤＣコンバータ４を制御する。具体的には、制御部７は、回生ＡＣ電流Ｉ２の位相が供給ＡＣ電流Ｉｐの位相と逆になるように、双方向ＡＣ−ＤＣコンバータ４を制御する。

本実施形態によれば、供給ＡＣ電源が力率＝１で運転されていない場合であっても、回生エネルギーを効率的に負荷に供給することができる。特に、第１の負荷が複数ある場合にも、これらの負荷に対して回生エネルギーを効率的に供給することができる。また、電流モニタ部は、供給ＡＣ電流を直接測定するのではなく、第１分配ＡＣ電流および第２分配ＡＣ電流を測定することができる。これにより構成の自由度が増す。

以上、本発明の実施の形態をもとに説明した。この実施の形態は例示であり、いろいろな変形および変更が本発明の特許請求の範囲内で可能なこと、またそうした変形例および変更も本発明の特許請求の範囲にあることは当業者に理解されるところである。従って、本明細書での記述および図面は限定的ではなく例証的に扱われるべきものである。

［変形例］
以下、変形例について説明する。変形例の説明では、実施の形態と同一または同等の構成要素、部材には、同一の符号を付する。実施の形態と重複する説明を適宜省略し、実施の形態と相違する構成について重点的に説明する。

（変形例１）
図１０は、変形例１に係る電力分配システム１の構成を示すブロック図である。図１０の電力分配システム１は、第１の負荷（１）３１、第１の負荷（２）３２、第２の負荷（１）５１、第２の負荷（２）５２および第２の負荷（３）５３に電力を分配する点で、図６の電力分配システム１と異なる。

ここで第２の負荷（３）５３は、ＡＣ電源で駆動する負荷である。従って、第２の負荷（３）５３の前段には、双方向ＡＣ−ＤＣコンバータ４から供給される供給ＤＣ電流をＡＣ電流に変換するＤＣ−ＡＣインバータ８が設けられている。図１０の電力分配システム１のその他の構成と動作は、図６の電力分配システム１と共通である。

本変形例によれば、構成の自由度が増す。

（変形例２）
図１１は、変形例２に係る電力分配システム１の構成を示すブロック図である。図１１の電力分配システム１では、図１０の第２の負荷（３）５３に代えてバッテリ５４が設けられる。第２の負荷（１）５１および第２の負荷（２）５２からの回生電流の一部は、バッテリ５４に供給され、バッテリ５４が充電される。図１１の電力分配システム１のその他の構成と動作は、図１０の電力分配システム１と共通である。

バッテリ５４は任意のタイミングで放電して、第１の負荷（１）または第２の負荷（２）に電流を供給してよい。特に第１の負荷（１）および第２の負荷（２）がモータである場合は、バッテリ５４は、これらのモータの起動時に電流を供給してよい。

本変形例によれば、構成の自由度が増す。

上述した各実施形態と変形例の任意の組み合わせもまた本発明の実施形態として有用である。組み合わせによって生じる新たな実施形態は、組み合わされる各実施形態および変形例それぞれの効果を併せ持つ。

１・・電力分配システム、
２・・ＡＣ電源、
３・・第１の負荷、
４・・双方向ＡＣ−ＤＣコンバータ、
５・・第２の負荷、
６・・電流モニタ部、
７・・制御部、
Ｉｐ・・供給ＡＣ電流
Ｉ１・・第１分配ＡＣ電流、
１２・・第２分配ＡＣ電流、回生ＡＣ電流、
１３・・供給ＤＣ電流、回生ＤＣ電流、

Claims

外部のＡＣ電源からの供給ＡＣ電流Ｉｐを第１分配ＡＣ電流と第２分配ＡＣ電流とに分割して前記第１分配ＡＣ電流を第１の負荷に分配する双方向ＡＣ−ＤＣコンバータに分配する分配部と、
前記供給ＡＣ電流Ｉｐをモニタする電流モニタ部と、
ＡＣ−ＤＣコンバータとして動作するときは前記分配部から分配された前記第２分配ＡＣ電流を供給ＤＣ電流に変換して第２の負荷に供給しＤＣ−ＡＣインバータとして動作するときは前記第２の負荷からの回生ＤＣ電流を回生ＡＣ電流に変換して前記第１の負荷に供給する双方向ＡＣ−ＤＣコンバータと、
前記電流モニタ部によってモニタされた供給ＡＣ電流Ｉｐに基づいて前記双方向ＡＣ−ＤＣコンバータを制御する制御部と
を備える電力分配システム。
前記制御部は、前記回生ＡＣ電流の位相が、前記電流モニタ部によってモニタされた供給ＡＣ電流Ｉｐの位相と逆になるように、前記双方向ＡＣ−ＤＣコンバータを制御する請求項１に記載の電力分配システム。
前記電流モニタ部は、前記第１分配ＡＣ電流と、前記第２分配ＡＣ電流との和を取ることにより、前記供給ＡＣ電流Ｉｐをモニタする請求項１または２に記載の電力分配システム。