JP3782340B2 - 電力変換装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、無停電電源装置(UPS)としての運転を行う電力変換装置の改良に関する。
【0002】
【従来の技術】
特開昭62−18980号公報や特開昭62−210845号公報には、待機系無停電電源装置を構成する変換器と、通常時の連系制御としてこの変換器を用いて高調波を抑制するアクティブフイルタ技術が開示されている。
【0003】
また、特許第2532050号公報には、負荷と変換器を交流スイッチを介して電力系統に接続し、系統正常時は交流スイッチをオン状態にして変換器の電流を零に制御するとともに、系統異常時は交流スイッチをオフ状態にして、定周波数定電圧制御を行う待機系の無停電電源装置が開示されている。
【0004】
更に、このような無停電電源装置として用いる変換器を、系統正常時の連系制御として、消費電力のピークを抑制するために助勢させるいわゆるピークカット運転に用いることが提案されている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
前記従来の技術は、制御の切替時には、例えばサイリスタを用いた交流スイッチでは、系統と変換器は、サイリスタに逆電圧が印加されるまで連系状態を継続し、最長半周期、すなわち電源周波数50Hzで10msを要する。このため、系統異常信号を受けて、変換器を定周波数定電圧制御に切替えた瞬間、系統に連系されたままであるケースが存在し、変換器が過電流になり、運転を停止してしまう可能性がある。また、サイリスタ式の交流スイッチに限らず、機械式の交流スイッチであっても、信号の伝送遅れのばらつきや、動作のばらつきにより、系統に連系されたまま、変換器が電圧制御に切替わり、過電流を発生して運転を継続できない可能性がある。更に、IGBTなどの自己消弧素子を使用した交流スイッチの場合、電流のピーク値を遮断するおそれがあり、これを考慮すると、電圧跳上がりを防止するスナバコンデンサ容量が異常に大きくなってしまう。
【0006】
本発明の目的は、無停電電源装置として運転する変換器において、系統異常時に連系遮断から変換器のUPSとしての電圧制御を開始する際に、過電流や過電圧を防止できる電力変換装置を提供することである。
【0007】
【課題を解決するための手段】
本発明はその一面において、電力系統の正常時に交流スイッチを投入して電力系統から負荷に給電するとともに、電力系統の異常時に交流スイッチを遮断し直流電源に接続された変換器を駆動して前記負荷に継続して無停電で給電するようにした電力変換装置において、交流スイッチを遮断するに当り、この交流スイッチに流れる電流を電力系統に抗して減少させるように変換器を制御することを特徴とする。
【0008】
本発明は他の一面において、電力系統の正常時に交流スイッチを投入して電力系統から負荷に給電中に、ピークカット運転やアクティブフイルタ運転のように直流電源に接続された変換器を補助的に制御する連系制御を行い、電力系統の異常時には交流スイッチを遮断し前記変換器を主体的に制御して所定の負荷には継続して無停電で給電するようにした電力変換装置において、交流スイッチを遮断するに当り、この交流スイッチに流れる電流を電力系統に抗して減少させるように変換器を制御することを特徴とする。
【0009】
このとき、変換器は系統の異常時の無停電電源としては定電圧制御系によって制御され、また補助的なピークカットあるいはアクティブフィルタのような連系制御時には電流制御系によって運転される。しかし、交流スイッチを遮断する際に、交流スイッチの電流を変換器を用いて強制的に減少させるには、交流スイッチに流れる電流をほぼゼロに抑えるような電流制御系を備えることが望ましい。
【0010】
また、交流スイッチの遮断時における変換器の定電圧制御への移行は、交流スイッチの電流のゼロクロスを検出するか、又は交流スイッチへの遮断指令発生後の予定時間の経過を検出して実行することが望ましい。
【0011】
更に、電力変換器の出力電流が予定値を越えたときは、この変換器を電流制御系に切替えて制御し、電力変換器の出力電圧が予定値を越えたとき又は所定値を下回ったときは、この変換器を電圧制御系に切替えて制御することが望ましい。
【0012】
本発明は他の一面において、交流スイッチへの遮断指令を発した後、変換器の定電圧定周波数制御を開始する(立ち上げる)までの間に、変換器を一定変調率で制御する期間を備えたことを特徴とする。
【0013】
本発明は更に他の一面において、交流スイッチへの遮断指令を発した後、変換器の定電圧定周波数制御を開始するまでの間に、変換器を停止させる期間を備えたことを特徴とする。
【0014】
これらにより、少なくとも無停電電源装置として運転を行う変換器において、系統異常時に交流スイッチを遮断し、UPSとしての変換器の電圧制御を開始する際に、過電流や過電圧を防止し、円滑な切替えを実現することができる。
【0015】
本発明のその他の目的や特徴は、以下に実施例の説明の中で明らかにする。
【0016】
【発明の実施の形態】
実施例1:
以下本発明の一実施例について図1から図4を用いて説明する。図1は、本発明の一実施例による電力変換装置の主回路と制御系の全体構成図である。ここでは、ピークカット運転及び無停電電源(UPS)機能を持つ単相電圧形変換器の単線結線図で示している。
【0017】
まず、主回路と動作の概略を述べる。直流電源としての二次電池BatはコンデンサC1及び変換器100の直流側に接続されている。変換器100の交流出力端は、高調波除去用の交流フィルタを介して交流スイッチACSW1に接続される。交流フィルタはリアクトルL1、コンデンサC2及びリアクトルL2からなる。交流スイッチACSW1の他端は、遮断器BR1を介して電力系統200に接続される。変換器100と交流スイッチACSW1の接続点には、無停電電源を必要とする負荷400aが接続されている。また、電力系統200と交流スイッチACSW1の接続点には、電力ピークカットの対象となる負荷400bが接続されている。交流スイッチACSW1は、サイリスタThy1とThy2を逆並列接続し、その両端にスナバすなわちコンデンサC3と抵抗R1の直列体が接続されている。
【0018】
これらの交流スイッチACSW1及び遮断器BR1は、制御装置300からのオンオフ信号Seによりオンオフ制御される。電力系統200が正常であれば、オンオフ信号SeはSe=0であり、交流スイッチACSW1及び遮断器BR1をオンさせて、電力系統200から負荷400bのみならず負荷400aにも給電している。このとき直流電源Batに余裕があれば、変換器100は、負荷400bに対して電力ピークカット運転を行う。直流電源Batに余裕が無ければ、変換器100は、電力系統200から電力を取り込んで直流電源Batに充電を行う。これらの制御は系統と連系した中で実行されており、連系制御と呼ばれる。
【0019】
一方、電力系統200が異常となれば、オンオフ信号SeはSe=1となり、交流スイッチACSW1及び遮断器BR1をオフさせて、電力系統200から負荷400aへの給電を絶つ。しかし、負荷400aは無停電電源を必要とするため、変換器100は、直流電源Batのエネルギーにより無停電電源装置(UPS)としての運転を行う。この切替え時に本発明の要点がある。詳細は後述する。
【0020】
さて、制御系について説明すると、交流スイッチACSW1のサイリスタThy1とThy2は、ドライバ回路500でオンオフ制御される。このドライバ回路500は、制御装置300からオンオフ信号Seを入力し、サイリスタを動作させるためのゲート信号G1をサイリスタのゲートに伝送する。また、遮断器BR1にもオンオフ信号Seは伝送され、遮断器BR1を投入、遮断する。
【0021】
この実施例においては、電力系統200の正常時に負荷400bに対するピークカット運転を行うため、負荷400bの消費電力を知る必要がある。負荷400bの入力側に設置された電圧検出器PT3の検出値Vac3及び電流検出器CT3の検出値IL2は、電力検出器600に入力される。電力検出器600は、負荷400bの電力検出値PL2を制御装置300に出力する。制御装置300は、変換器100にゲート信号GPを与え、負荷400bの電力が予定値を越えないように、直流電源Batから変換器100を介して電力の助勢制御を行う。
【0022】
制御装置300は、電力系統200の異常時に、変換器100を定電圧定周波数(CVCF)で制御し、無停電電源装置(UPS)を構成するために、次の信号を入力している。まず、正常時にリアクトルL2を流れる電流を検出する電流検出器CT1の検出値Iinvと、このリアクトルL2の系統側に設置された電圧検出器PT1の検出値Vac1、及び交流スイッチACSW1を流れる電流を検出する電流検出器CT4の検出値Iswである。次に、変換器100の直流側に設置されたコンデンサC1の電圧検出値Edcである。また、遮断器BR1の電力系統200側に設置された電圧検出器PT2の検出値Vac2と、前記負荷400bの電力値PL2がある。最後に、運転指令Srunである。そして、ゲート信号GPを前記変換器100に出力する。
【0023】
図2は、図1における制御装置300の詳細構成ブロック図である。
【0024】
まず、電力系統の正常時について述べる。前記直流電圧検出値Edcは、電池制御器に入力され、前記電池制御器は電池の充放電状態を監視して充放電指令Bstを電流指令演算器に出力する。この充放電指令Bstが放電を示しておれば、ピークカット運転を行い、充電を示しておれば、二次電池Batの充電運転を行う。
【0025】
次に、電力系統200の異常の検出について述べる。前記交流電圧検出値Vac2は、位相検出器PD及び電圧異常検出器VADに入力される。電圧異常検出器VADは、電圧の低下または上昇などの系統電圧異常を検出し、検出結果から異常信号(オンオフ信号Se=1)を出力する。このオンオフ信号Seは、位相検出器PDから入力される同期信号DKが、異常検知後に系統同期を示した場合クリア(Se=0)され、異常検知後に同期信号DKが非同期を示す場合は、異常状態(オンオフ信号Se=1)を保持する。
【0026】
次に、制御装置300における系統200との位相同期関係について述べる。位相検出器PDは、電圧異常検出器VADからの信号Seを入力し、正常(Se=0)を示すときは入力電圧の位相に追従した振幅“1”の位相信号Asinを出力し、異常(Se=1)を示すときは系統電圧Vac2の位相に追従する動作を停止し、内部発信器による固定周波数の振幅“1”の位相信号Asinを出力する。また、系統位相に対して、内部発信器による固定周波数の位相が追従したかどうかを示す同期信号DKを電圧異常検出器VADに出力する。
【0027】
さて、系統200が正常でオンオフ信号Se=0であり、電池制御器BCが放電を許可している時は、直流電源Batから変換器100を通して出力するピークカット運転の助勢電力の電流指令Isys*を(1)式で演算する。
【0028】
Isys*=(PL2−Pc)/Vrms……………………(1)
すなわち、前記電力検出値PL2とピークカット電力レベル量Pcの差分から変換器が出力する電力値を計算する。そして電力検出器の設置されている系統の電圧実効値Vrmsを用いて、電力系統から負荷400bへ供給される電力を減少させるように電流指令値Isys*を演算する。ここでは、Isys*>0が放電を示す。
【0029】
また、オンオフ信号Seが正常状態を示しているものの、充放電指令Bstが充電を指示している時は、電流指令値Isys*は、例えば一定の充電電流指令値(負)を出力する。
【0030】
次に、オンオフ信号Seが異常状態(Se=1)を示した時は、交流スイッチACSW1のゼロクロスを検出次第、変換器100はUPS運転としての電圧制御に切替えられる。
【0031】
ここで、本発明の一実施例においては、このゼロクロスへの到達を早めるため、Se=1を検出すると、電圧制御への切替え直前の電流制御系において、充放電指令Bstの状態に拘わらず、交流スイッチACSW1に流れる電流を、系統の電圧に抗してでも強制的に零に近づける制御を実行する。
【0032】
まず、前記負荷400aの電流IAを、前記電流Iinvと前記電流検出値Iswの差分から求める。異常検知前の電流指令値Isys*が放電側(電力を助勢するピークカット運転)で、かつ前記電流IAの実効値の絶対値より大きい時は、変換器側から系統側に向って流れている電流を抑制するために、電流指令値Isys*を負荷電流IA以内に抑制する。
【0033】
他方、異常検知前の電流指令Isys*が放電側で、かつ前記電流IAの実効値の絶対値より小さい場合、及び電流指令が充電側の場合は、系統側から負荷400aに流れ込んでいる電流を系統電圧に抗して零に近づけるよう、電流指令値Isys*を前記負荷電流IA以上に増大させるのである。
【0034】
電流制御系の細部について述べる。電流指令Isys*と位相信号Asinは乗算器Pr1で乗算され、振幅Isys*の正弦波状の電流指令値Ia*を出力する。位相信号Asinが系統電圧のa相に追従した正弦波に調整されていると、電流指令Ia*はa相の電流指令値となる。電流指令Ia*は乗算器Pr2と減算器def3に入力され、乗算器Pr2は入力値であるIa*に“−1”を乗じてb相の電流指令値Ib*を出力する。また、減算器def3は、電流指令値Ia*と電流検出値のa相電流Iaを入力して差分Di1を演算し、制御切替器CSの左側の1入力端子に出力する。同様に、減算器def4は、電流指令値Ib*とb相電流検出値Ibを入力して差分Di2を演算し、制御切替器CSの右側の1入力端子に出力する。
【0035】
次に、UPS電圧制御系について述べる。電圧指令発生器VRGは、変換器100が接続されている系統での所定の電圧値Vrmsを指令値として乗算器Pr3に出力する。乗算器Pr3は、電圧指令Vrmsと位相信号Asinを入力して乗算し、振幅Vrmsの正弦波状の電圧指令値Va*を出力する。位相信号Asinが系統電圧のa相に追従した正弦波に調整されていると、電圧指令Va*はa相の電圧指令値となる。電圧指令Va*は、乗算器Pr4と減算器def1と加算器Ad1に入力され、乗算器Pr4は入力値であるVa*に“−1”を乗じてb相の電圧指令値Vb*を出力する。また、減算器def1は、電圧指令値Va*とa相電圧検出値Vaを入力して差分Dv1を演算し、制御切替器CSの左側の0入力端子に出力する。同様に、減算器def2は、電圧指令値Vb*とb相電圧検出値Vbを入力して差分Dv2を演算し、制御切替器CSの右側の0入力端子に出力する。
【0036】
制御切替器CSは、系統正常時の電流制御系と、系統異常時の電圧制御系を切替えるものである。系統正常時及び異常判定直後までは、切替判定器SJからの切替指令Swsが状態1を示し電流制御系であり、前記電流差分Di1とDi2のそれぞれをPI調整器1a及び1bに出力する。また、系統異常時には切替判定器SJからの切替指令Swsが状態0を示し電圧制御系を構成するように、前記電圧差分Dv1とDv2のそれぞれをPI調整器1a及び1bに出力する。前記PI調整器1aと1bは、それぞれ入力された差分を零とするように、それぞれの出力値Via及びVibを調整する。各PI調整器の各出力値は、加算器Ad1とAd2にそれぞれ入力され、加算器Ad1は電圧指令値Va*と出力値Viaを加算した結果Vao*をPWM演算器に出力する。また、加算器Ad2は電圧指令値Vb*と出力値Vibを加算した結果Vbo*をPWM演算器に出力する。PWM演算器は、入力された各値Vao*及びVbo*を、三角波と比較して単相インバータ(変換器)100を動作させるゲート信号GPを出力する。切替判定器SJは、図3を参照して次に述べるように、電圧検出値Vac1と、電流検出値Iinvと、オンオフ信号Seと、電流検出値Iswを入力し、入力された各状態から制御切替器CSに切替指令Swsを出力する。
【0037】
図3は、本発明の一実施例による切替判定器SJの構成を示している。切替判定器SJは、交流電圧検出値Vac1と、電流検出値Iinvと、オンオフ信号Se及び電流検出値Iswを入力する。オンオフ信号Seは論理反転器NOT1に入力され、信号NSeを出力し、論理和演算器OR1に入力される。論理和演算器OR1は、信号NSeと、電流制御または電圧制御を示す信号Sabを入力し、切替信号Swsを出力する。切替信号Swsは、信号NSe=1の場合(Se=0:系統正常時)、常にSws=1となる。また、信号NSe=0の場合(Se=1:系統異常時)、常にSws=Sabとなり、信号SwsはSabに依存した値を示す。
【0038】
電流検出値Iswは電流零クロス検知器に入力され、電流検出値Iswの符号が変わった時点、または電流零の時点で信号Si0=1を出力し、また、零クロスを検知していない期間は信号Si0=0を出力する。フリップフロップ回路JKFF1は、信号Si0と、信号NSeを入力する。信号NSeはフリップフロップ回路のリセット信号に用いられ、NSe=1(系統正常時)の時、フリップフロップ回路JKFF1の出力Si0ffは常にSi0ff=0を示す。信号NSe=0(系統異常時)の時、信号Si0ffは、信号Si0が一旦”1”に変化するとその値を信号NSe=1となるまで保持し、Si0ff=1を示す。信号Si0ffは論理反転器NOT2に入力され、入力を反転した値NSi0ffを論理積演算器AND1に出力する。論理積演算器AND1は信号NSi0ffと、切替器dsw1の出力である電圧制御または電流制御を示す信号Sovcを入力し、信号NSi0ffがNSiff=0(零クロス検知後)の時、論理積演算器の出力信号Sabは常にゼロを示す。また、NSi0ff=1(零クロス検知前)の時は、出力信号Sabは、Sab=Sovcに依存した値を示す。
【0039】
交流電圧検出値Vac1は過電圧検出器に入力され、過電圧を検出した時に出力信号SovにSov=0を、過電圧を検出していない時はSov=1を、切換器dsw1に出力する。また、電流検出値Iinvは過電流検出器に入力され、過電流を検出した時出力信号SocにSoc=1を、過電流を検出していない時はSoc=0を、切換器dsw1に出力する。
【0040】
切換器dsw1は、信号SovとSocと、信号Swsを入力する。信号Swsは系統に異常がなければ電流制御を選択する信号Sws=1を示しており、この時切換器dsw1はSovを出力信号Sovcに出力する。他方、信号Sws=0を示している時は切換器dsw1はSocを出力信号Sovcに出力する。
【0041】
以下に、図4の処理フローを参照して、動作説明を行う。
【0042】
図4は、切替判定器SJ及び電圧異常検出器VAD及び電流指令演算器IRCの処理フローチャートである。ステップ401において、図2におけるオンオフ信号Seが正常状態(Se=0)を示し、充放電指令Bstが放電許可を示している定常状態では、切替判定器SJの出力Swsは“1”を示している。したがって、制御切替器CSは図2の状態にあり、電流制御系を構成している。このため、変換器100は、負荷400bが系統から取る電力のピークカット制御モードであり、ステップ402でオーバーしそうな電力消費分をカバーする電流指令値Isys*を演算しつつ、電流制御系で運転されている。
【0043】
この状態において、ステップ403において系統異常(Se=1)が検出されると、ステップ404において、先に述べた要領で、ゼロクロスを早めるための電流指令値Isys*の変更を実施し、電流制御モードでの運転を継続する。すなわち、交流スイッチACSW1に流れる電流を零に近づけるような電流制御系によって変換器100を制御するのである。これによって、交流スイッチACSW1にサイリスタ等を用いた場合でも、そこを流れる電流は速やかに零クロスするようになり、次に述べるUPS電圧制御への移行を早め、過電圧や過電流を生じにくくしている。同時に、図2の位相検出器PDは系統位相同期を停止する。
【0044】
ステップ405では、図3で述べた電流零クロスの確認を行う。電流検出値Iswのa相とb相の電流零クロスを検知(Si0ff=1)したときは、ステップ406に進んで、常にSws=0となり電圧制御モードが選択され、制御系を電圧制御モードに切替える。したがって、変換器100はUPS制御状態となり、負荷400aには、継続して定電圧定周波数の電力を供給することができる。
【0045】
前記ステップ405で、まだ、零クロスしないときは、ステップ407〜411に進んで、過電圧あるいは過電流からの保護動作を行う。すなわち、電流制御モードで運転継続している場合に電圧の異常(過電圧又は保護停止レベル以下)を検知(Sov=0)したときは電圧制御モードに切替える。また、電圧制御モードで運転継続している場合に過電流を検知(Soc=1)すると、信号Sws=1となり、電流制御モードに切替える。
【0046】
ステップ412で、系統異常がなくなった時(Se=0)は、ステップ413に進んで、位相検出器PDが系統位相に追従を開始する。そして、系統位相への同期信号DKが同期を示した時点で、ステップ414で電流制御モード(ピークカット制御モード)に復帰する。
【0047】
この実施例においては、サイリスタThyを用いた交流スイッチACSW1を介して電力系統200に接続された変換器100と、この変換器100の直流側に接続された直流電源としての二次電池Batと、前記交流スイッチACSW1と前記変換器100との間に接続された第1の負荷400a及び前記交流スイッチACSW1の前記電力系統200側に接続された第2の負荷400bと、前記電力系統200の正常時に前記交流スイッチACSW1を投入し前記電力系統200から流入する電力を所定値以内に抑制するように前記変換器100を制御するとともに、前記電力系統200の異常時に前記交流スイッチACSW1を遮断し前記直流電源Batから前記変換器100を介して前記第1の負荷400aに給電するように前記変換器100を制御する切替手段CSとを備えた電力変換装置において、前記交流スイッチACSW1を遮断する際に、この交流スイッチACSW1に流れる電流を前記電力系統200に抗して減少させるように前記変換器100を制御する制御手段300(図4のステップ404)と、電流ゼロクロス検出手段ZCDにより前記交流スイッチの遮断を検出したとき電圧制御系によって前記変換器100を制御する手段(def1,2等)と、前記変換器100の出力電流が予定値を越えたときこの変換器100を電流制御系によって制御(def2,3等)し、前記変換器100の出力電圧が予定値を越えたとき又は所定値を下回ったときこの変換器100を電圧制御系(def1,2等)によって制御する手段を備えて構成している電力変換装置である。
【0048】
本実施例によれば、系統の異常を検知して、連系制御からUPS制御に切替える際に、電流制御系の電流指令値を変更し、電力系統に抗して交流スイッチの電流を絞り込むことにより、サイリスタ式半導体交流スイッチを使用した際に、早くサイリスタをオフ状態することができ、切換時に過電圧の発生を防止できる。
【0049】
また、系統の異常を検知して、連系制御からUPS制御に切替える際に、電流が大きくなった時は電流制御を選択し、電圧が大きくなった時は電圧制御を選択する手段を持つことにより、制御切替時の過電圧、過電流を防止できる。
【0050】
更に、交流スイッチの電流零を検知してUPS電圧制御に切替えることにより、高速に切替えることができ、過電圧を防止できる。
【0051】
次に、本発明の他の実施例を説明する。なお、各図を通して同等の構成要素には同一の符号を付して、重複する説明は避ける。
【0052】
実施例2:
図5は、本発明の第2の実施例による電力変換装置の主回路と制御系の全体構成図である。図1と異るのは、交流スイッチACSW2だけであり、自己消弧素子であるIGBTとダイオードD1〜D4からなるブリッジを用いている。
【0053】
本実施例によれば、実施例1の効果に加え、系統の異常を検知した際に、IGBTなどの自己消弧素子の採用した場合においても、IGBT式半導体交流スイッチACSW2の電流を減少させることにより、交流スイッチACSW2の両端の跳ね上がり電圧を更に小さく抑えることができる。
【0054】
また、本実施例では、交流スイッチにダイオードブリッジとIGBTの構成を示したが、IGBTの逆並列接続などの方式でも同様の効果が得られる。
【0055】
図6は、本発明の第2の実施例の変形例による電力変換装置の全体構成図である。図5と異るのは、交流スイッチACSW3だけであり、自己消弧素子であるMOSとダイオードD1〜D4からなるブリッジを用いている。
【0056】
本実施例では、図5と同様の効果が得られる。
【0057】
実施例3:
図7は本発明の第3の実施例による電力変換装置を実現するための切替判定器SJ2を示している。この実施例は、図3と次の点で異っている。フリップフロップ回路JKFF2は、実施例1の零クロス信号Si0の代わりに、所定時間Tv遅れてオンするオンディレイ回路DELAY1の出力を入力している。この所定時間Tvは、系統200の周波数の逆数である一周期の1/2より大きい値、例えば50Hzの場合は10m秒より大きい値とする。
【0058】
本実施例によれば、系統の異常を検知して、連系制御からUPS制御に切替える際に、第1の実施例と同様に、サイリスタ式交流スイッチを使用した場合でも、早くサイリスタをオフすることができ、過電圧や過電流の発生を防止できる。
【0059】
このとき、所定時間Tv経過後にUPS制御に切替えることにより、交流スイッチの電流検出器を省略することもできる。
【0060】
また、第1の実施例に加えて、本方式との論理和で制御切替えを行うようにすることもでき、零クロス又は所定時間Tv経過の早い方で切替えることにより、より的確に切替タイミングが得られるので、更に確実に過電圧や過電流を防止することができる。
【0061】
実施例4:
図8は、本発明の第4の実施例による電力変換装置を実現する制御装置300bの詳細構成ブロック図である。この実施例では、図2と次の点で異なる。切替判定器SJ2から固定変調波運転指令FrがPI調整器1c及び1dの乗算器Pr9及びPr10に出力されており、固定変調波運転指令Frが“0”のとき各PI調整器1c及び1dの出力信号は零になり、一定の電圧指令値(固定変調度)で変換器を動作できる構成としている。固定変調波運転指令Frが“1”のときは固定変調度運転は不許可である。
【0062】
図9は、上記図8の実施例における電力変換装置の切換判定制御の処理フローチャートを示している。実施例1の図4と異るのは、ステップ910だけであり、切換期間中にステップ408で過電圧を検出した際に、ステップ910で固定変調度モードを選択している。
【0063】
本実施例によれば、実施例1と同様の効果に加え、切替中は固定変調率としているため切替中の電圧制御が飽和するなどの不要動作をなくすことができる。
【0064】
実施例5:
図10〜図13は、本発明の第5の実施例による電力変換装置を示している。図10は、この実施例に用いる制御装置300cの構成図である。図2と異なる点は、切替判定器SJ3の構成であり、オンオフ信号Se=1となってから時間Tv1の間、出力値Srun1=1(停止)を出力する。
【0065】
図11は、上記出力値Srun1=1(停止)を出力する切替判定器SJ3の構成図である。系統200の異常を示す信号Seは、フリップフロップ回路JKFF4により、異常がなくなるまで保持され、その出力Seffは論理反転器NOT9と、論理積演算器AND4と、オンディレイ回路DELAY2に入力される。前記論理反転器NOT9は、制御切換信号Swsを出力する。オンディレイ回路DELAY2の出力は、入力値にオンディレイ時間Tv1を付加した信号DSeffを論理反転器NOT8に出力する。この論理反転器NOT8の出力は論理積演算器AND4に入力される。論理積演算器AND4は、Se=1となってから時間Tv1の間、出力値Srun1=1(停止)を出力する。
【0066】
図12は、制御装置300cへの入力信号を示す構成図であり、前記出力値Srun1の動作を説明するものである。前記出力値Srun1は制御装置300cの運転指令Srunとの論理和を、論理和演算器OR4で演算し、制御装置300cの運転指令値Srun0を制御装置300cに出力する。
【0067】
図13は、この第5実施例における前記切換判定器SJ3の処理フローチャートを示している。ステップ131の連系運転すなわち変換器100の電流制御モードにおいて、ステップ132で系統異常(Se=1)を検出したあと、ステップ133では、期間Tv1=10msの間変換器100を停止させる。その後、ステップ134で休止時間TvがTv1に達したことを検出すると、ステップ135でUPSとしての電圧制御モードで運転を開始する。ステップ136で系統の正常復帰を検出(Se=0)すると、ステップ137で系統との位相同期を取る。
【0068】
ここではタイマの値Tv1の判定値を10m秒(交流電圧の半周期)としているが、一周期の20m秒でも良いし、電力変換装置停止後の電流の減衰を実測してその時間を決めてもよい。
【0069】
本実施例によれば、系統の異常を検知して、連系制御からUPS制御に切替える際に、変換器を停止させるため、制御切替時の過電圧、過電流を防止することができ、IGBTなどの自己消弧素子を交流スイッチに使用した際に、半導体スイッチ両端の跳ね上がり電圧を小さく抑えることができる。
【0070】
また、交流スイッチが確実に遮断されるまでの時間が確定しないような交流スイッチを用いた場合においても、変換器を停止させるため、制御切替時の過電圧、過電流を防止することが出来る。
【0071】
更に、電流の零クロスを監視する必要が無く、電流センサの省略が可能である。
【0072】
実施例6:
図14は、本発明の第6実施例による電力変換装置における切替判定器SJ4の構成を示している。切替判定器SJ4は、系統の異常を示す信号Seと、交流スイッチを流れる電流Iswを入力する。信号Seは、フリップフロップ回路JKFF5により、異常がなくなるまで保持され、その出力Seffは論理反転器NOT12と、論理積演算器AND5に入力される。前記論理反転器NOT12は、制御切換信号Swsを出力する。前記電流Iswは零クロス検知器ZCDに入力され、その検知信号Si0をフリップフロップ回路JKFF6に出力する。このフリップフロップ回路JKFF6は、信号Si0と、信号Seの論理反転器NOT10の出力NSeを入力する。前記フリップフロップ回路JKFF6は系統異常が検知された後、電流零クロスが検知(Si0=1)されると出力値Si0ff=1とし、この値を前記オンオフ信号Se=0となるまで保持し続ける。前記信号Si0ffは論理反転器NOT11に入力され、その出力NSi0ffは、系統異常後電流零クロスが検知されるまでの期間NSi0ff=1となる。電流零クロス検知後(Si0ff=1)は、NSi0ff=0を出力する。前記論理積演算器AND5は、Se=1となってから電流零クロス検知までの間、出力値Srun1=1(停止)を出力する。
【0073】
図15は、この第6実施例における切換判定処理フローチャートを示している。図13との違いは、系統異常を検出したあと、ステップ154において、信号Sioff=1により電流零クロスを検知するまでの期間だけ、変換器100を停止することである。その他は図13と全く同様であり、その後、UPSとしての電圧制御モードで運転を開始するように動作する。
【0074】
本実施例によれば、系統の異常を検知して、連系制御からUPS制御に切替える際に、変換器を停止させるため、第5の実施例と同様に、制御切替時の過電圧、過電流を防止することができ、IGBTなどの自己消弧素子を交流スイッチに使用した際に、半導体スイッチ両端の跳ね上がり電圧を小さく抑えることができる。
【0075】
また、交流スイッチが確実に遮断されるまでの時間が確定しないような交流スイッチを用いた場合においても、変換器を停止させるため、制御切替時の過電圧、過電流を防止することができる。
【0076】
更に、電流の零クロスを監視して停止からUPS運転に切替えるため、電圧制御で再起動するまでの時間を短縮できる。
【0077】
実施例7:
図16は、本発明の第7実施例による電力変換装置の主回路と制御系の概略構成を示している。この実施例では、電力ピークカットの対象となる負荷400bが無く、直流電源Batから変換器100を介して、系統200に対して充放電する構成としている。このため電力検出器600bは、電流検出器CT5により検出した電流IL3を電圧検出値Vac2に乗算して、系統から流入する電力そのものPL3を検出している。そして制御装置300には、図2の構成を使用している。したがって、本実施例では、特定の負荷400bに対するピークカット運転ではなく、この施設全体が系統200から取り込む電力に対して、変換器100をピークカット運転させている。このような制御下で充放電する電力変換器100においても前記系統異常時の切換制御が可能である。
【0078】
以上の実施例において、直流電源として二次電池Batを示したが、太陽光発電装置、燃料電池、あるいは発電機と整流器の組合せなど、如何なる形態の直流電源でも採用可能である。
【0079】
【発明の効果】
本発明によれば、交流スイッチを遮断しUPS運転を開始する際に、交流スイッチに流れる電流を電力系統に抗して減少させるように変換器を制御することにより、交流スイッチを速やかにオフ状態にでき、過電圧や過電流の発生を抑制することができる。
【0080】
また、交流スイッチへの遮断指令を発した後、前記変換器の定電圧定周波数制御を開始するまでの間に、前記変換器を一定変調率で制御する期間を備え束愛には、切替中の電圧制御が飽和するなどの不要動作がなくなる。
【0081】
更に、系統の異常を検知して交流スイッチへの遮断指令を発した後、変換器の定電圧定周波数制御を開始(立ち上げ)するまでの間に、変換器を停止させる期間を備えた場合には、連系制御からUPS制御に切替える際に変換器を停止させるため、制御切替時の過電圧、過電流を防止することができ、また、交流スイッチ両端の跳ね上がり電圧を小さく抑えることができる。更に、電流の零クロス監視が不要になり、電流センサの省略が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例による電力変換装置の主回路と制御系の全体構成図。
【図2】本発明の一実施例による制御装置300の詳細構成ブロック図。
【図3】本発明の一実施例による切換判定器SJの詳細構成ブロック図。
【図4】本発明の一実施例による電力変換装置の切換判定制御の処理フローチャート。
【図5】本発明の第2の実施例による電力変換装置の主回路と制御系の全体構成図。
【図6】本発明の第2実施例の変形による電力変換装置主回路と制御系の全体構成図。
【図7】本発明の第3の実施例による電力変換装置を実現する切替判定器の構成図。
【図8】本発明の第4の実施例による制御装置300bの詳細構成ブロック図。
【図9】本発明の第4実施例による電力変換装置の切換判定制御の処理フローチャート。
【図10】本発明の第5実施例による制御装置300cの詳細構成図。
【図11】本発明の第5実施例による切替判定器SJ3の詳細構成図。
【図12】本発明の第5実施例による制御装置300cの入出力構成図。
【図13】本発明の第5実施例における切換判定処理フローチャート。
【図14】本発明の第6実施例による電力変換装置における切替判定器SJ4の構成図。
【図15】本発明の第6実施例における切換判定処理フローチャート。
【図16】本発明の第7実施例による電力変換装置の主回路と制御系の概略構成図。
【符号の説明】
SJ…切替判定器、BC…電池制御器、100…変換器、200…電力系統、300…制御装置、400a…無停電対象負荷、400b…ピークカット対象負荷、500…ドライバ回路、600…電力検出器、Srun…運転指令、Se…オンオフ信号(系統異常信号)、Bat…直流電源(二次電池)、ACSW1…交流スイッチ、BR1…遮断器、Thy1〜Thy2…サイリスタ、Bst…充放電指令、Isys*…電流指令値、CS…制御切替器、SJ…切替判定器、Fr…固定変調度指令。
Claims (5)
- 交流スイッチを介して電力系統に接続された変換器と、この変換器の直流側に接続された直流電源と、前記交流スイッチと前記変換器との間に接続された負荷と、前記電力系統の正常時に前記交流スイッチを投入し前記電力系統から前記負荷に給電する際に、前記変換器を補助的に制御するとともに、前記電力系統の異常時に前記交流スイッチを遮断し前記直流電源から前記変換器を介して前記負荷に給電するように前記変換器を制御する切替手段とを備えた電力変換装置において、前記交流スイッチへの遮断指令を発した後、前記変換器の定電圧定周波数制御を開始するまでの間に、前記変換器の運転を所定時間停止させる切替判定器を備えたことを特徴とする電力変換装置。
- 交流スイッチを介して電力系統に接続された変換器と、この変換器の直流側に接続された直流電源と、前記交流スイッチと前記変換器との間に接続された第1の負荷及び/又は前記交流スイッチの前記電力系統側に接続された第2の負荷と、前記電力系統の正常時に前記交流スイッチを投入し前記電力系統から流入する電力を所定値以内に抑制するように前記変換器を制御するとともに、前記電力系統の異常時に前記交流スイッチを遮断し前記直流電源から前記変換器を介して前記第1の負荷に給電するように前記変換器を制御する切替手段とを備えた電力変換装置において、前記交流スイッチへの遮断指令を発した後、前記変換器の定電圧定周波数制御を開始するまでの間に、前記変換器の運転を所定時間停止させる切替判定器を備えたことを特徴とする電力変換装置。
- 請求項1又は2において、前記電力変換器の出力電流が予定値を越えたときこの変換器を電流制御系によって制御し、前記電力変換器の出力電圧が予定値を越えたとき又は所定値を下回ったときこの変換器を電圧制御系によって制御する手段を備えたことを特徴とする電力変換装置。
- 請求項1〜3のいずれかにおいて、前記交流スイッチは、サイリスタ又は自己消弧素子を備えたことを特徴とする電力変換装置。
- 請求項1〜4のいずれかにおいて、前記直流電源は、蓄電池、太陽電池、燃料電池、又は発電機と順変換器を備えたことを特徴とする電力変換装置。
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