JP2021132509A - 並列運転電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】低コストで入力電圧を安定させることができる並列運転電源装置を提供する。【解決手段】並列運転電源装置は、３相３線電源にＹ結線で接続され、中性点用端子が共通接続された３個の電力制御装置と、前記３個の電力制御装置の各入力端子と前記中性点用端子間に接続され、各入力端子間の入力電圧の変動を抑制して該入力電圧をバランスさせる外部バランス回路とを備えている。前記外部バランス回路は、入力電流を全波整流後、突入電流防止抵抗を介して充電するコンデンサと、このコンデンサの両端に接続され、前記コンデンサの充電電荷を放電する放電用抵抗とを備えている。【選択図】図１

Description

この発明は、特に中性点接続なしの３相３線電源にＹ結線で接続され、３相電源と直流負荷の間に３台の電源制御装置を並列接続して並列運転を行う並列運転電源装置に関する。

３相電源により直流負荷を駆動する場合、３相電源にＡＣ−ＤＣ変換を行う３台の電源制御装置を接続する。電源がΔ結線又はＹ結線の３相３線電源である場合は、Ｒ（第１相）、Ｓ（第２相）、Ｔ（第３相）電源端子を、電源制御装置のＲ、Ｓ、Ｔの各端子に接続する。また、電源がＹ結線の３相４線電源である場合は、Ｒ、Ｓ、Ｔ電源端子を、電源制御装置のＲ、Ｓ、Ｔの各端子に接続し、Ｎ（中性相）電源端子を電源制御装置の中性用端子に接続する。

このような３相電源の接続法において、電源がＹ結線の３相４線電源である場合には、中性相のＮ電源端子が３台の電源制御装置の中性用端子に接続されるため、３台の電源制御装置の入力側においての各相電圧は安定する。仮に、いずれかの電源制御装置の入力インピーダンスが変化して入力相電流が増えたとしても、入力相電圧は変動しない。このため、内部電圧の制御破綻に至らない。ところが、低圧線などでは、結線を容易にするため、電源としてＹ結線の３相３線電源を使用する場合がある。この３相３線電源を用いる方式では、電源側に中性相のＮ電源端子がない。この方式では、電源系統は一箇所で接地されるが、Ｎ電源端子の保護接地導体は供給されず、電源制御装置側の接地は系統の接地とは独立して行なわれる。この方式は、電源システムにおいてＴＴ方式（中性線無）と称され、日本、ベルギー、スイス、ニュージーランド、ノルウエー等で採用されている（非特許文献１）。

このため、上記ＴＴ方式では、３台の電源制御装置の中性用端子はそれぞれ共通に接続される。

しかし、上記のＴＴ方式では各電源制御装置の入力電圧が不安定になる問題がある。
例えば、いずれかの電源制御装置の入力インピーダンスが変化して、その電源制御装置の入力電流が変化すると、入力電圧も変化する。このような不平衡な状態は、安定化に遷移せず、より一層不平衡となる状態、つまり、各電源制御装置の入力電圧の差が大きくなる方向に遷移する可能性がある。これは、３台の電源制御装置が相互に調整することなく各々独立に制御を行うことに原因がある。そして、不平衡状態が進行すると、いずれかの電源制御装置の入力電圧（相電圧）が極端に大きくなり、装置の入力電圧と内部電圧が異常状態となって、電源制御装置側において安全確保のために設けられている遮断スイッチが解列して運転停止となる。また、それ以降は、装置入力電圧と内部電圧が正常状態にならない限り、電源制御装置の再運転がされなくなる。

このような問題を解消するために、各電源制御装置間に通信手段（ＣＰＵとソフトウエア）を設け、相間通信により各電源制御装置の制御を調整することで電流バランスが崩れることを防止する提案がなされている（例えば特許文献１）。この方式では、各電源制御装置間の不平衡が生じても、制御情報がすべての電源制御装置で共有され、調整されるため、平衡状態に戻す修正が可能であり、結果として安定な制御を行うことが出来る。

https://www.techspire.co.jp/images/lucas-nuelle/UniTrain-I_SO4204-4M.pdf

特開２０１７−２２５２１４号公報

しかしながら、各電源制御装置間の通信によって、各相の制御情報を共有し調整する構成では次の問題がある。

第１に、通信手段を含む回路には必然的に制御遅れがあり、且つ、それらの制御遅れは各相で一定でない。このため、各相の入力電圧を安定させることが困難である。第２に、通信手段を高速制御するためのＣＰＵとソフトウエアを組み込む必要があり、高コストとなる。

そこで、この発明は、低コストで入力電圧を安定させることができる並列運転電源装置を提供することを目的とする。

この発明の並列運転電源装置は、
中性点接続なしの３相３線電源にＹ結線で接続され、中性点用端子が共通接続された３個の電力制御装置を備える。

前記３個の電力制御装置のそれぞれは、入力電圧と入力電流の位相を同相にして力率を改善する力率改善回路と、力率改善された電流をスイッチングして所定の電流を出力するＤＣ−ＤＣコンバータとを備える。

並列運転電源装置は、さらに、前記３個の電力制御装置の各入力端子と前記中性点用端子間に接続され、各入力端子間の入力電圧の変動を抑制して該入力電圧をバランスさせる外部バランス回路を備えている。

前記外部バランス回路は、入力電流を整流後、突入電流防止抵抗を介して充電するコンデンサと、このコンデンサの両端に接続され、前記コンデンサの充電電荷を放電する放電用抵抗とを備える。

入力電流は、３個の電力制御装置に入力し、外部バランス回路にも入力する。

各電力制御装置では、力率改善回路によって、入力電流と入力電圧の位相が同じになるように制御される。力率改善回路の出力側には、平滑コンデンサが設けられ、電力形態がＤＣに変換される。電力変換されたＤＣ電力はＤＣ−ＤＣコンバータ回路でスイッチング制御され、所定のＤＣ電圧に変換されて負荷に供給される。

外部バランス回路は、前記３個の電力制御装置の外部回路として設けられる。外部バランス回路は、各相の入力電流をコンデンサに充電し、同時にコンデンサ両端に接続されている放電用抵抗で放電を行う。したがって、コンデンサと放電用抵抗の定数を適切に選択すれば、安定状態では、コンデンサの充電電位は各相毎に、入力電圧の変化に応じて少し変動する程度の大きさで変化する。

外部バランス回路は、前記３個の電力制御装置の各入力端子と前記中性点用端子間に接続されるため、安定状態では各相の入力電圧に対してコンデンサの充電電圧は同様な挙動となる。

一方、いずれかの電力制御装置の入力電圧が変化して不平衡な状態になろうとすると、その電力制御装置に接続されるコンデンサへの入力電流が増加する。このときのコンデンサの充電電圧の上昇分v(t)は、v(t)=1/C・∫i(t)・d(t)として求められるが、コンデンサ容量Ｃが十分に大きければ、同式よりv(t)はわずかな変化である。したがって、入力電圧の上昇分はコンデンサで吸収できる。

このような動作で、各相の入力電圧の安定化を実現できる。

この発明によれば、通信手段を設けず、コンデンサと放電抵抗等で構成できる外部回路で、入力電圧を安定化させることが出来るから、低コストとなる。

本発明の実施形態の並列運転電源装置の結線図を示す。 電源制御装置１Ｒ、１Ｓ、１Ｔの回路図を示す。 電源制御装置１Ｒ内に設けられているフィードバック制御回路１２Ｒの回路図を示す。

図１は、本発明の実施形態の３相並列運転電源装置の結線図を示す。また、図２は、電源制御装置１Ｒ、１Ｓ、１Ｔの回路図である。

この電源装置では、ＡＣ４００Ｖ系のＹ結線ＲＳＴ電源端子に対し、３台の電源制御装置１Ｒ、１Ｓ、１Ｔの入力端子をＹ接続する。電源システムは、電源側（系統側）に中性相のＮ電源端子がないＴＴ方式（中性線無）である。

すなわち、電源側のＲ端子は電源制御装置１Ｒの端子ＴＢ１に接続される。電源側のＳ端子は電源制御装置１Ｓの端子ＴＢ１に接続される。電源側のＴ端子は電源制御装置１Ｔの端子ＴＢ１に接続される。中性相のＮ電源端子は電源側から供給されず、電源制御装置１Ｒ、１Ｓ、１Ｔの中性点用端子ＴＢ２は中性線５により相互に接続されている。各電源装置の出力は並列接続して出力電流を合流し、負荷２に供給する。

各電源制御装置１Ｒ、１Ｓ、１Ｔは、ＡＣ−ＤＣ変換を行って電流制御を行うため、整流回路を含む力率改善コンバータ部１０Ｒ、１０Ｓ、１０ＴとＤＣ−ＤＣコンバータ部１１Ｒ、１１Ｓ、１１Ｔと、フィードバック制御回路１２Ｒ、１２Ｓ、１２Ｔとを含む。

各電源制御装置１Ｒ、１Ｓ、１Ｔは、それぞれ出力電流Ｉоを検出する出力電流検出器３Ｒ、３Ｓ、３Ｔと、出力電圧Ｖоを検出する出力電圧検出器４Ｒ、４Ｓ、４Ｔとを備えている。

図３は、電源制御装置１Ｒ内に設けられているフィードバック制御回路１２Ｒの回路図である。なお、電源制御装置１Ｓ、１Ｔ内に設けられているフィードバック制御回路１２Ｓ、１２Ｔは、フィードバック制御回路１２Ｒと同じ構成であるため、以下、フィードバック制御回路１２Ｒについてのみ説明する。

フィードバック制御回路１２Ｒは、３相並列運転電源装置の出力電圧Ｖｏが予め設定した基準電圧ＶＲＥＦとなるようにフィードバック制御を行う。フィードバック制御回路１２Ｒは、電流制御指令値回路１２０ＲとＰＷＭ制御回路１３０Ｒとを備える。なお、フィードバック制御回路１２Ｓは、電流制御指令値回路１２０ＳとＰＷＭ制御回路１３０Ｓとを備え、フィードバック制御回路１２Ｔは、電流制御指令値回路１２０ＴとＰＷＭ制御回路１３０Ｔとを備えている。

電流制御指令値回路１２０Ｒは、前記基準電圧ＶＲＥＦと前記出力電圧Ｖｏとの差に対応する電圧を前記出力電流Ｉｏに対する電流制御指令値として出力する。

ＰＷＭ制御回路１３０Ｒは、電流制御指令値と出力電流Ｉｏの差から電流制御値を演算し、これに基づいてスイッチング素子を駆動するＰＷＭ信号を生成する。

電流制御指令値回路１２０Ｒは、基準電圧ＶＲＥＦ設定部１２０と、第１エラー検出部１２１と、第１ゲイン制御部１２２と、抵抗分圧回路１２３とを備える。

ＰＷＭ制御回路１３０Ｒは、第２エラー検出部１３０と、第２ゲイン制御部１３１と、ＰＷＭ制御部１３２と、鋸歯状波発生回路１３３と、スイッチング制御部１３４とを備える。

電流制御指令値回路１２０Ｒにおいて、第１エラー検出部１２１は、出力電圧検出器４Ｒで検出した出力電圧Ｖｏに対応する電圧と基準電圧ＶＲＥＦとを比較し、その差電圧を検出する。第１ゲイン制御部１２２は、前記差電圧を適切なゲインで増幅し、Ｖｉ＿ＲＥＦ＿１として出力する。

抵抗分圧回路１２３は、前記Ｖｉ＿ＲＥＦ＿１を抵抗ＲａとＲｂで分圧する。この分圧した電圧は電流制御指令値に対応したものとなる。電源制御装置１Ｓ、１Ｔのフィードバック制御回路１２Ｓ、１２Ｔにおいても同様にＶｉ＿ＲＥＦ＿２、Ｖｉ＿ＲＥＦ＿３を抵抗ＲａとＲｂで分圧する。

ＰＷＭ制御回路１３０Ｒにおいて、第２エラー検出部１３０は、Ｖｉ＿ＲＥＦ＿１の抵抗分圧値と、出力電流検出器３Ｒで検出した出力電流Ｉｏに対応する電圧Ｖｉ＿ＤＥＴとを比較し、その差電圧を検出する。第２ゲイン制御部１３１は、前記差電圧を適切なゲインで増幅し、電流制御値Ｖｉ＿Ｃとして出力する。

電流制御値Ｖｉ＿Ｃは、ＰＷＭ制御部１３２に出力される。ＰＷＭ制御部１３２には、鋸歯状波発生回路１３３から鋸歯状波が入力する。ＰＷＭ制御部１３２は、前記電流制御値Ｖｉ＿Ｃと前記鋸歯状波とを比較してＰＷＭ制御信号を出力する。スイッチング制御部１３４は、前記ＰＷＭ制御信号に応じてＤＣ−ＤＣコンバータ部１１Ｒのスイッチング素子のスイッチング周波数を変動させる。

以上のフィードバック制御回路１２Ｒは以下のように動作する。

出力電圧Ｖｏが基準電圧ＶＲＥＦから下降すると、第２ゲイン制御部１３１の出力である電流制御値Ｖｉ＿Ｃが大きくなり、出力電流Ｉｏを大きくするようにＰＷＭ制御信号が制御される。出力電流Ｉｏが大きくなると負荷に加わる出力電圧Ｖｏが上昇しようとする。また、出力電圧Ｖｏが基準電圧ＶＲＥＦから上昇すると、第２ゲイン制御部１３１の出力である電流制御値Ｖｉ＿Ｃが小さくなり、出力電流Ｉｏを小さくするようにＰＷＭ制御信号が制御される。出力電流Ｉｏが小さくなると負荷に加わる出力電圧Ｖｏが下降しようとする。このようにして、電源制御装置１Ｒにおいては、フィードバック制御回路１２Ｒによる出力電圧が基準電圧ＶＲＥＦに安定するように動作する。電源制御装置１Ｓ、電源制御装置１Ｔにおいても同様に動作する。

本実施形態では、図１に示すように、外部バランス回路６を設けている。外部バランス回路６は、電源制御装置１Ｒ、１Ｓ、１Ｔの外部回路として、Ｙ結線ＲＳＴ電源端子と、中性線５との間に設けられている。中性線５は、電源制御装置１Ｒ、１Ｓ、１Ｔの中性点用端子ＴＢ２、ＴＢ２、ＴＢ２を共通接続したものである。

外部バランス回路６は、３台の電源制御装置１Ｒ、１Ｓ、１Ｔからの電流を全波整流するダイオードＤ１、Ｄ２と、ダイオードＤ１のカソード側と、ダイオードＤ２のアノード側にそれぞれ接続される突入電流防止抵抗Ｒ１、Ｒ３と、突入電流防止抵抗Ｒ１、Ｒ３に接続される平滑用のコンデンサＣ１、Ｃ２と、コンデンサＣ１、Ｃ２それぞれの両端に接続される放電用抵抗Ｒ２、Ｒ４とで構成されている。

なお、ダイオードＤ１とダイオードＤ２は、電源端子Ｒ、Ｓ、Ｔからの各相毎に全波整流を行う。突入電流防止抵抗Ｒ１、Ｒ３は、コンデンサＣ１、Ｃ２に突入電流が流れるのを防止する。コンデンサＣ１、Ｃ２は、入力電流を充電しつつ、放電用抵抗Ｒ２、Ｒ４で充電電荷を放電する。

外部バランス回路６は、以下の動作をする。

電源端子Ｒから外部バランス回路６に入力する入力電流ｉＲの正の成分は、充電モードにおいて、ダイオードＤ１→突入電流防止抵抗Ｒ１→コンデンサＣ１と放電用抵抗Ｒ２との並列回路→中性線５→電源制御装置１Ｒの中性点用端子ＴＢ２に流れ、コンデンサＣ１を充電する。また、放電モードではコンデンサＣ１から放電用抵抗Ｒ２に放電電流が流れる。

また、電源端子Ｒから外部バランス回路６に入力する入力電流ｉＲの負の成分は、充電モードにおいて、ダイオードＤ２→突入電流防止抵抗Ｒ３→コンデンサＣ２と放電用抵抗Ｒ４との並列回路→中性線５→電源制御装置１Ｒの中性点用端子ＴＢ２に流れ、コンデンサＣ２を充電する。また、放電モードではコンデンサＣ２から放電用抵抗Ｒ４に放電電流が流れる。

電源端子Ｓ、Ｔからの入力電流ｉＳ、ｉＴも同様にコンデンサＣ１、Ｃ２に対する充電を行い、コンデンサＣ１、Ｃ２からは放電用抵抗Ｒ２、Ｒ４に放電電流が流れる。

充電モードと放電モードの区別は、コンデンサＣ１、Ｃ２への充電が行われるときは充電モードとなり、コンデンサＣ１、Ｃ２から放電用抵抗Ｒ２、Ｒ４に放電が行われるときには放電モードとなる。つまり、コンデンサＣ１、Ｃ２の充電電位が入力電圧よりも低い時は充電モードとなり、コンデンサＣ１、Ｃ２の充電電位が入力電圧よりも高い時は放電モードとなる。

以上のように、充電モードと放電モードとを繰り返すことで、入力電流はコンデンサＣ１、Ｃ２で平滑され、充電電圧はほぼ一定の電圧に安定し、平衡状態となる。

以上の平衡状態において、いずれかの相電圧が何らかの原因で上昇しようとすると、その相の充電モードにおいてコンデンサＣ１、Ｃ２への充電電流が大きくなる。このときのコンデンサＣ１、Ｃ２の充電電圧の上昇分v(t)は、v(t)=1/C・∫i(t)・d(t)として求められる（Ｃは容量）。しかし、コンデンサ容量Ｃが大きいと、充電電圧の上昇分v(t)はわずかとなる。したがって、入力電圧の上昇分はコンデンサで吸収できる。結果として、相電圧の上昇を抑えることが出来、いずれかの相電圧が異常に上昇する不平衡状態となることを防止出来る。これにより、力率改善コンバータ部１０Ｒの前段に配置される遮断スイッチＲＹ部が開くこともない。

また、電源制御装置１Ｒ、１Ｓ、１Ｔ間の通信を必要としない。このため、通信のための高速チップやソフトを組み込む必要がない。

実施形態では、３相電源を入力側に接続した３つの電源制御装置１Ｒ、１Ｓ、１Ｔからなる並列運転電源装置を示したが、３つの電源制御装置１Ｒ、１Ｓ、１Ｔにそれぞれ単相電源を接続しても良い。

このように、本実施形態では、電源側（系統側）が、中性相のＮ電源端子がないＴＴ方式（中性線無）の３相３線Ｙ結線電源システムであっても、電源制御装置１Ｒ、１Ｓ、１Ｔを安定状態で運転可能である。

１Ｒ、１Ｓ、１Ｔ・・・電源制御装置
６・・・外部バランス回路

Claims (1)

1. 中性点接続なしの３相３線電源にＹ結線で接続され、中性点用端子が共通接続された３個の電力制御装置と、
   前記３個の電力制御装置の各入力端子と前記中性点用端子間に接続され、各入力端子間の入力電圧の変動を抑制して該入力電圧をバランスさせる外部バランス回路を備え、
   前記３個の電力制御装置のそれぞれは、入力電圧と入力電流の位相を同相にして力率を改善する力率改善回路と、力率改善された電流をスイッチングして所定の電流を出力するＤＣ−ＤＣコンバータとを備え、
   前記外部バランス回路は、入力電流を全波整流後、突入電流防止抵抗を介して充電するコンデンサと、このコンデンサの両端に接続され、前記コンデンサの充電電荷を放電する放電用抵抗とを備える、並列運転電源装置。

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