JP4046262B2

JP4046262B2 - 電力系統の安定化システム

Info

Publication number: JP4046262B2
Application number: JP2000003076A
Authority: JP
Inventors: 隆檜山; 廸夫岡村; 政章山岸
Original assignee: 隆檜山; 株式会社パワーシステム
Priority date: 2000-01-12
Filing date: 2000-01-12
Publication date: 2008-02-13
Anticipated expiration: 2020-01-12
Also published as: JP2001197660A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、キャパシタ蓄電装置を電力系統に接続して電流の出入りを制御して過渡時のダンピングを改善し系統の安定化を行う電力系統の安定化システムに関する。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
大容量の電力系統の母線で地絡事故などが発生すると、短時間で系統が遮断されるが、その際に系統の安定性が十分でないと発電機の脱調などを引き起し停電する恐れがある。これまで電力系統の信頼性確保の一環として、外乱に対する系統の安定性を増すための多くの研究が行われてきた。ここで送配電工学の膨大な歴史と進展を述べることは省くが、例えば大容量のコンデンサ、あるいはインダクタ、最近の技術としてはＳＭＥＳ（Ｓuper-conducting Ｍagnetic Ｅnergy Ｓtorage 超伝導磁石によるエネルギー貯蔵）などを用いて、系統の安定性を改善する方法が知られている。
【０００３】
しかし、上記用途で必要とされるエネルギー蓄積量は、系統との充放電時間にして１〜１０秒程度を必要とするため、大容量のフイルムもしくは電解コンデンサあるいはインダクタを用いる方法では、装置が膨大となるので現実的ではなかった。また、ＳＭＥＳは、上記目的に最も適しているが、コスト及び保守などの面で簡素化が求められていた。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を解決するものであって、簡素でかつ低価格、高エネルギー密度で長時間の給電が可能なシステムを提供するものである。
【０００５】
そのために本発明は、キャパシタ蓄電装置を電力系統に接続して電流の出入りを制御して過渡時のダンピングを改善し系統の安定化を行う電力系統の安定化システムであって、複数のキャパシタからなり該キャパシタのそれぞれに並列に接続して充電電圧・電流を検出し制御する並列モニタを有するキャパシタ蓄電装置と、電力系統と前記キャパシタ蓄電装置との間に接続され交流と直流との変換を行いキャパシタ蓄電装置の充放電を行う交直変換装置と、前記電力系統を監視して前記交直変換装置及びキャパシタ蓄電装置を制御する系統監視制御装置とを備え、前記並列モニタは、前記キャパシタの充電電流の一部をバイパスするトランジスタと抵抗からなるバイパス回路、前記キャパシタの充電電圧を第１の設定電圧と比較する第１のコンパレータ、初期化モードが選択されたときオンにする初期化スイッチ、及び前記キャパシタの充電電圧を前記第１の設定電圧より高い第２の設定電圧と比較する第２のコンパレータを有し、充電時の前記第２のコンパレータの出力と端子電圧に基づき各キャパシタの充電電圧のバラツキの程度を判定し前記バラツキが大きい場合に初期化充電を行い、前記初期化スイッチをオンにして前記第１のコンパレータの出力により前記キャパシタの充電電圧が前記第１の設定電圧以上になると前記トランジスタを動作させ、前記第２のコンパレータの出力により前記キャパシタの充電電圧が前記第２の設定電圧以上になると初期化終了を判定し、前記系統監視制御装置により前記電力系統を監視して前記キャパシタ蓄電装置に対して瞬時的な大電力の充放電の制御を行うときは前記初期化を解除して、過渡時のダンピングを改善し系統の安定化を行うように構成したことを特徴とし、前記キャパシタ蓄電装置は、端子電圧に応じて電圧を調整するためキャパシタの直並列接続の切り換えを行う切り換え回路を有し、前記系統監視制御装置は、前記電力系統の事故遮断時に発電機端で前記キャパシタ蓄電装置に対し所定のスケジュール充電を行うことにより過渡時のダンピングを改善し系統の安定化を行うことを特徴とするものである。
【０００６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。図１は本発明に係る電力系統の安定化システムの実施の形態を示す図、図２は事故検出後の充電スケジュールの例を示す図であり、１はキャパシタ蓄電装置、２は交直変換器、３は系統監視制御装置、４は並列モニタ、５は発電機、６は無限大母線、Ｃはキャパシタを示す。
【０００７】
図１において、キャパシタＣは、多数直並列接続してキャパシタ蓄電装置１を構成する例えば大容量、低内部抵抗の電気二重層キャパシタであり、並列モニタ４は、各キャパシタＣに並列に接続して充電電流をバイパスする回路を有し充電電圧・電流を制御するものである。交直変換器２は、発電機５が接続された電力系統と複数のキャパシタＣ及び並列モニタ４を含むキャパシタ蓄電装置１との間に接続され交流と直流との変換を行いキャパシタ蓄電装置１の充放電を行うものである。系統監視制御装置３は、電力系統を監視して短絡事故や地絡事故などを検出して系統保護のための制御を行うものであり、電力系統の無限大母線６で地絡事故などが発生したときに交直変換器２及びキャパシタ蓄電装置１を制御し、キャパシタ蓄電装置１に出入する電流を制御することによって過渡時のダンピングを改善する。
【０００８】
発電機５に接続された大容量の電力系統の無限大母線６で地絡事故などが生じると、系統の監視保護システムが動作することにより短時間でその母線が遮断される。このとき、系統の安定性が十分でないと、発電機５は、脱調などを引き起こし停電する恐れがあるが、本発明は、事故発生後に、例えば図２に示すような充電スケジュールに従ってキャパシタ蓄電装置１に充電を行うようにすることにより瞬時に大電力を補い、過渡時のダンピングを改善するので、攪乱に対して系統を安定化させることができる。なお、図２において、Ｔ１が充電開始、Ｔ２〜Ｔ３が定電力又は定電流充電、Ｔ４が充電終了を示している。
【０００９】
電気二重層キャパシタからなるキャパシタＣは、例えば大容量、低内部抵抗で、耐電圧が１セル当たり２〜３Ｖと極めて低いものが使用されるので、応用上は直列接続にして用いるのが不可欠である。また、並列モニタ４は、各キャパシタＣの間で負担電圧が不均一になって、キャパシタＣの充電電圧が高いものから劣化していくという現象を避けるために不可欠である。さらに、並列モニタ４は、キャパシタＣの充電状態の信号を取り出すことができるので、その信号を利用することにより、キャパシタＣの初期化を行いキャパシタＣの充電電圧が無制限にバラツクのを防ぐようにすることができる。
【００１０】
系統の設計によっては、キャパシタバンクの総容量に対して、浅い放電深度で済む場合もあり、その際にはキャパシタの充放電に不可欠な電流型の特性を交直変換器に持たせることができる。しかし、キャパシタの蓄電容量をいっぱいに使用する場合には、交直変換器とキャパシタ蓄電装置との間に電流ポンプ（電流型のスイッチングコンバータ）を直列に挿入接続し、あるいはキャパシタを直並列に切り換えて電圧変化を軽減する手法が必要である。勿論これらを併用してもよい。以下に、キャパシタを直並列に切り換える例について説明する。
【００１１】
図３は本発明に係る受電系統の安定化システムに用いるキャパシタ蓄電装置の構成例を示す図であり、ＣＡ１〜ＣＡ３、ＣＢ１〜ＣＢ３はキャパシタ、ＳＳ、ＳＡ１〜ＳＡ３、ＳＢ１〜ＳＢ３はスイッチを示す。
【００１２】
図３において、キャパシタＣＡ１〜ＣＡ３とＣＢ１〜ＣＢ３は、それぞれ同数ずつ直列接続した２組のキャパシタ群Ａ、Ｂを構成するものである。なお、それぞれのキャパシタＣＡ１〜ＣＡ３、ＣＢ１〜ＣＢ３は、複数個を直列あるいはそれをさらに並列に接続したバンクであってもよい。スイッチＳＳは、２組のキャパシタ群Ａ、Ｂを直列接続する直列接続スイッチ手段である。スイッチＳＡ１〜ＳＡ３は、一方のキャパシタ群ＡとスイッチＳＳとの直列接続点▲１▼を他方のキャパシタ群Ｂの直列接続他端▲３▼及びそれぞれのキャパシタＣＢ１〜ＣＢ３の直列接続点に接続する、一方のスイッチ手段群であり、スイッチＳＢ１〜ＳＢ３は、他方のキャパシタ群ＢとスイッチＳＳとの直列接続点▲２▼を一方のキャパシタ群Ａの直列接続他端▲４▼及びそれぞれのキャパシタの直列接続点に接続する、他方のスイッチ手段群である。
【００１３】
次に、切り換え接続を説明すると、図３（Ａ）に示すようにスイッチＳＳのみをオンにすることにより、図３（Ｄ）に示すようにキャパシタＣＡ１〜ＣＡ３、ＣＢ１〜ＣＢ３を直列接続とし、図３（Ｂ）に示すようにスイッチＳＳをオフにして一方のスイッチ手段群のスイッチＳＡ３及びこれに対応する他方のスイッチ手段群のスイッチＳＢ３をオンにすることにより、図３（Ｅ）に示すように一方のキャパシタ群Ａの中央側接続キャパシタＣＡ３と他方のキャパシタ群Ｂの中央側接続キャパシタＣＢ３とを並列接続とする。同様に、図３（Ｃ）に示すように一方のスイッチ手段群のスイッチＳＡ２及びこれに対応する他方のスイッチ手段群のスイッチＳＢ２をオンにし、他のスイッチは全てオフにすることにより、図３（Ｆ）に示すように一方のキャパシタ群Ａの中央側接続キャパシタＣＡ３、ＣＡ２の直列回路と他方のキャパシタ群Ｂの中央側接続キャパシタＣＢ３、ＣＢ２の直列回路とを並列接続とする。さらに、一方のスイッチ手段群のスイッチＳＡ１及びこれに対応する他方のスイッチ手段群のスイッチＳＢ１をオンにし、他のスイッチは全てオフにすることにより、図３（Ｇ）に示すように一方のキャパシタ群ＡのキャパシタＣＡ１〜ＣＡ３の直列回路と他方のキャパシタ群ＢのキャパシタＣＢ１〜ＣＢ３の直列回路とを並列接続とする。
【００１４】
上記のように一方のスイッチ手段群のいずれか１つのスイッチＳＡ１〜ＳＡ３及びこれと反対側の他方のスイッチ手段群のスイッチＳＢ１〜ＳＢ３又はスイッチＳＳのいずれかを選択的に接続して、図３（Ｄ）〜（Ｇ）のように複数のキャパシタＣＡ１〜ＣＡ３、ＣＢ１〜ＣＢ３の接続を切り換え制御すると、電圧を調整し充放電に伴う電圧の変動を押さえることができる。
【００１５】
例えば図３（Ｄ）に示すようにキャパシタＣＡ１〜ＣＡ３、ＣＢ１〜ＣＢ３を全て直列に接続して充電を開始する場合には、充電側の端子電圧が所定値まで上昇すると、図３（Ｅ）に示す接続に切り換えることにより、キャパシタＣＡ３、ＣＢ３の電圧分低下させる。さらに充電により再び充電側の端子電圧が所定値まで上昇すると、図３（Ｆ）、（Ｇ）に示す接続に順次切り換えることにより、充電側の端子電圧を所定値より上昇しないように押さえることができる。
【００１６】
また、図３（Ｇ）に示す接続から放電を開始し負荷に給電を行う場合には、出力電圧が所定値まで低下すると、図３（Ｆ）に示す接続に切り換えることにより出力電圧の低下を補い、さらに出力電圧が所定値まで低下すると、図３（Ｅ）、（Ｄ）に示す接続に切り換えることにより、出力電圧を所定値より低下しないように押さえることができる。
【００１７】
しかも、充放電の際の全電流を負担するのは、キャパシタＣＡ１〜ＣＡ３、ＣＢ１〜ＣＢ３を全て直列に接続するスイッチＳＳのみであり、その他のスイッチＳＡ１〜ＳＡ３、ＳＢ１〜ＳＢ３は、全電流の１／２の電流容量ですむ。さらに、いずれの段階でもキャパシタに直列に接続されるスイッチは１個だけとなるので、スイッチに半導体を用いたときに問題となるスイッチのオン電圧による損失も最小限にできる。
【００１８】
図４は直並列切り換え回路を有するキャパシタ蓄電装置の他の実施の形態を示す図であり、ＣＭ、ＣＡ１〜ＣＡｎ、ＣＢ１〜ＣＢｎはキャパシタ、ＳＡ、ＳＢは切り換えスイッチ、ＳＳ１、ＳＳ２、ＳＳＡ１〜ＳＳＡ３、ＳＳＢ１〜ＳＳＢ３は制御整流素子、ＳＤ１、ＳＤ２、ＳＤＡ１〜ＳＤＡ３、ＳＤＢ１〜ＳＤＢ３は整流素子、Ａ１は制御回路、２１は充電回路、２２は出力制御回路、２３は負荷を示す。
【００１９】
図４（Ａ）において、キャパシタＣＭは、負荷の定格電圧の範囲で充放電される出力用の主キャパシタバンクであり、キャパシタＣＡ１〜ＣＡｎ、ＣＢ１〜ＣＢｎは、負荷電圧の許容変動幅の範囲で電圧調整用に充放電される調整用キャパシタとして、キャパシタＣＭに直列接続され、直並列接続の切り換えにより電圧の調整を行うものである。切り換えスイッチＳＡ、ＳＢは、キャパシタＣＭに直列に接続したキャパシタＣＡ１〜ＣＡｎ、ＣＢ１〜ＣＢｎを２組のキャパシタ群に分けて直並列接続の切り換えを行うものである。
【００２０】
制御回路Ａ１は、キャパシタＣＭにおける充放電状態（端子電圧）を検出し、その充放電状態に応じて切り換えスイッチＳＡ、ＳＢを制御してキャパシタＣＡ１〜ＣＡｎ、ＣＢ１〜ＣＢｎの直並列接続の切り換えを行う制御手段である。切り換えスイッチＳＡ、ＳＢは、この制御回路Ａ１によりキャパシタＣＡ１〜ＣＡｎ、ＣＢ１〜ＣＢｎが全て直列接続となる実線のポジションから一方のキャパシタ群ＡのキャパシタＣＡ１〜ＣＡｎの直列回路と他方のキャパシタ群ＢのキャパシタＣＢ１〜ＣＢｎの直列回路とが並列接続となる点線のポジションまで段階的に切り換え制御される。
【００２１】
充電回路２１は、電源よりキャパシタＣＭ、ＣＡ１〜ＣＡｎ、ＣＢ１〜ＣＢｎに定電流充電するものであり、キャパシタＣＭに直列接続されたキャパシタＣＡ１〜ＣＡｎ、ＣＢ１〜ＣＢｎの直並列接続の切り換えが段階的に制御され、最終的に一方のキャパシタ群ＡのキャパシタＣＡ１〜ＣＡｎの直列回路と他方のキャパシタ群ＢのキャパシタＣＢ１〜ＣＢｎの直列回路とが並列接続され定格電圧まで充電されて充電を終了する。出力制御回路２２は、例えば既に知られた電流ホンプのようにキャパシタＣＭ、ＣＡ１〜ＣＡｎ、ＣＢ１〜ＣＢｎから負荷２３に供給する電流を制御、調節したり、負荷２３から逆に電流源（充電回路）としてキャパシタＣＭ、ＣＡ１〜ＣＡｎ、ＣＢ１〜ＣＢｎを充電する、つまり負荷２３が発電機となる回生制動の場合の切り換えを行ったりするものである。したがって、出力制御回路２２としては、電子スイッチや、降圧チョッパ、昇圧チョッパ、その他のＤＣ／ＤＣコンバータが用いられるが、キャパシタＣＡ１〜ＣＡｎ、ＣＢ１〜ＣＢｎの接続切り換えの制御により、負荷２３から見て調整の必要のない範囲に電圧が安定化される場合には省くこともでき、特に必要不可欠な構成要素というものではない。勿論、キャパシタＣＡ１〜ＣＡｎ、ＣＢ１〜ＣＢｎの接続切り換えの制御により、電圧変動範囲が小さくなれば、これとコンバータを組み合わせることにより、コンバータを高効率に設計でき、電圧安定性の高い電源を実現することもできる。
【００２２】
切り換え回路を構成するスイッチＳＡ、ＳＢは、図４（Ｂ）に示すようにサイリスタなどの半導体からなる単方向の制御整流素子ＳＳ１、ＳＳ２、ＳＳＡ１〜ＳＳＡ３、ＳＳＢ１〜ＳＳＢ３とダイオードからなる整流素子ＳＤ１、ＳＤ２、ＳＤＡ１〜ＳＤＡ３、ＳＤＢ１〜ＳＤＢ３との逆並列回路を用いることができる。このうち、少なくとも一方のキャパシタ群Ａの直列接続１端と他方のキャパシタ群Ｂの直列接続他端との間を接続する回路は、制御整流素子ＳＳＡ１と整流素子ＳＤＡ１により構成し、他方のキャパシタ群Ｂの直列接続１端と一方のキャパシタ群Ａの直列接続他端との間を接続する回路は、制御整流素子ＳＳＢ１と整流素子ＳＤＢ１により構成する。そして、放電方向の整流素子ＳＤＡ１、ＳＤＢ１には逆方向（充電方向）の制御整流素子ＳＳＡ１、ＳＳＢ１を並列接続する。これ以外の回路には、充電方向の制御整流素子ＳＳ２、ＳＳＡ３、ＳＳＢ３と逆方向の制御整流素子ＳＳ１、ＳＳＡ２、ＳＳＢ２とを直列接続し、それぞれに逆方向の整流素子ＳＤ２、ＳＤＡ３、ＳＤＢ３、整流素子ＳＤ１、ＳＤＡ２、ＳＤＢ２を並列接続する。勿論、これらの回路としては、サイリスタ（制御整流素子）を逆並列接続した回路やトライアック（双方向制御整流素子）を接続した回路でもよい。
【００２３】
上記のようにサイリスタやトライアック、ダイオードを組み合わせて切り換え回路を構成することにより、突入電流に強く、長時間でのオンロス、ゲートロスを少なくすることができる。しかも、接続の切り換え時に主極にキャパシタの電圧が逆バイアスとして加わるので、ターンオフの制御が特別に必要でなくなり、ゲート制御回路を簡素化することができる。例えば図４（Ｂ）の回路において、充電時には、制御整流素子ＳＳ２のみをオンにし他の全てをオフにした状態からスタートする。そして、充電が進むに従ってまず制御整流素子ＳＳＡ３、ＳＳＢ３をオンにすることにより、制御整流素子ＳＳ２が逆バイアスでオフになる。次に制御整流素子ＳＳＡ１、ＳＳＢ１をオンにすることにより、制御整流素子ＳＳＡ３、ＳＳＢ３が逆バイアスでオフになる。放電時には、制御整流素子を全てオフにした状態から整流素子ＳＤＡ１、ＳＤＢ１が導通して放電をスタートし、制御整流素子ＳＳＡ２、ＳＳＢ２をオンにし、次に制御整流素子ＳＳ１をオンにすることにより、キャパシタＣＡ１〜ＣＡｎ、ＣＢ１〜ＣＢｎを全て直列接続するまで切り換え制御することができる。
【００２４】
図５は直並列切り換え回路を有するキャパシタ蓄電装置のさらに他の実施の形態を示す図であり、コンデンサ電池を電圧の低下にしたがって並列接続から直列接続に切り換えるものである。この蓄電装置では、既に本発明者が提案しているものであって（特開平１１−２１５６９５号公報参照）、例えば図５（Ａ）に示すコンデンサ電池Ｃ１、Ｃ２の直並列切り換え回路を、図５（Ｂ）に示すようにさらに多段に縦続接続し充放電状態に応じ段階的に切り換え制御すると、段数に見合って電圧の変動幅を小さくすることができる。この場合には、並列接続から直列接続に切り換える際、コンデンサ電池Ｃ１、Ｃ２の電圧が不均一になっていると、コンデンサ電池Ｃ１とＣ２との間で大きなクロスカーレントが流れるので、図５（Ｃ）に示すようにこのようなクロスカーレントを防ぐための保護回路Ａ１、Ａ２、それに対応できるスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ３が必要になる。
【００２５】
多数の電気二重層キャパシタ単セルを直列に接続した場合、個々のキャパシタに着目すると、その分担電圧は、その静電容量と漏れ電流のばらつきによって時間の経過と共に不均一になっていく、そこに充電すると静電容量に反比例して充電が追加され、さらに漏れ電流のばらつきによって放電する。こうしてキャパシタの負担電圧は、最終的に漏れ電流に比例した電圧に落ちつく。漏れ電流を定量的に品質管理し少ないばらつき例えば１０％未満に抑えるのは困難であり、通常は２倍以上のばらつきが生じ、負担電圧が高いものから劣化していく。そこで、最悪のばらつきを考慮して各キャパシタが耐えられるほどの低い負担電圧で我慢しないと、キャパシタの劣化を招き本来の高い信頼性が得られなくなる。並列モニタ、さらに並列モニタを使用したキャパシタの初期化は、上記のような負担電圧が無制限にばらつくのを防ぐことができ、きわめて有効である。次に、並列モニタを使用したキャパシタ蓄電装置の初期化について説明する。
【００２６】
図６は初期化用と満充電検出用に別々のコンパレータを有する並列モニタの構成例を示す図である。図中、３１は充電器、３２、３３はコンパレータ、３４、３５はオアゲート、Ｃはキャパシタ、Ｄはダイオード、Ｒｓは抵抗、Ｔｒはトランジスタ、Ｓ１は初期化スイッチ、Ｖful 、Ｖini は設定電圧を示す。
【００２７】
図６において、並列モニタは、初期化用と満充電検出用に別々のコンパレータ３２、３３を有する。初期化用のコンパレータ３２は、第１の設定電圧Ｖini で充電電流をバイパスするようにキャパシタＣに並列接続したトランジスタＴｒを動作させるものである。満充電検出用のコンパレータ３３は、第１の設定電圧Ｖini より高い初期化終了を判定する第２の設定電圧Ｖful を検出する電圧検出手段として用いるものである。トランジスタＴｒと抵抗Ｒは、キャパシタＣの初期化を行う際に、キャパシタＣの端子電圧が設定電圧Ｖini 以上になると充電電流のバイパス回路を構成し、そのバイパス電流を制限する、つまり充電電流の一部をバイパスするものであり、その電流を設定するのが抵抗Ｒである。初期化スイッチＳ１は、キャパシタＣの初期化動作のオン／オフを行うものであり、初期化モードが選択されたときオンにする。
【００２８】
充電器３１は、直列接続された複数のキャパシタＣに対する充電を行うものであり、いずれかのキャパシタＣから満充電電圧が検出されたことを条件に充電を停止する。また、充電器３１は、初期化充電を行う場合、初期化スイッチＳ１をオンにして充電を開始し、各キャパシタの初期化用のコンパレータ３２の出力Ｂをオア論理処理して取り出すことにより、複数のキャパシタのうちのいずれかで充電電流のバイパス動作が開始したことを判定し、満充電検出用のコンパレータ３３の出力Ｆをオア論理処理して取り出すことにより、複数のキャパシタのうちのいずれかが満充電に達したことを判定して、初期化充電を終了する。オアゲート３４は、コンパレータ３２のバイパス動作信号Ｂをオア論理処理するものであり、オアゲート３５は、コンパレータ３３の満充電検出信号Ｆのオア論理処理を行って充電器３１に定電流充電の停止信号とするものである。
【００２９】
したがって、設定電圧Ｖful がキャパシタの満充電電圧に、設定電圧Ｖini が設定電圧Ｖful より低い電圧にそれぞれ設定される。そして、初期化スイッチＳ１がオンのときの充電では、早く設定電圧Ｖini まで充電されたキャパシタより順次トランジスタＴｒと抵抗Ｒからなるバイパス回路により充電電流の一部がバイパスされて充電速度を落とし、いずれかのキャパシタが満充電になると、充電器３１により定電流による充電を停止し、必要に応じて緩和充電を行う。
【００３０】
次に、充放電時の動作及び本発明で行う初期化について説明する。図７はキャパシタの使い方に見る充放電のスタイルと初期化のポイントの例を示す図、図８は初期化時の充電カーブと通常の充放電カーブの例を示す図である。
【００３１】
初期化を行うことのできる時期を充放電トレースの上で示したのが図７である。キャパシタに並列に設けたダイオードを利用して初期化を行う▲１▼、１つのコンパレータにより満充電で初期化を行う▲２▼、使いながら充電の途中で少しずつ初期化を行う▲３▼、使いながら放電中に初期化を行う▲４▼、使いながら充放電をしていないときに初期化を行う▲５▼など、幾つもの初期化のポイントがある。一般化していえば、いつも満充電状態で停電を待機するパソコン用無停電電源、８分目で電圧変動率改善など少電力出入と停電待機に対応可能とする無停電電源、いつも充放電サイクルにある太陽電池による常夜灯など、用途に応じていずれか、あるいはその幾つかを実行できるように並列モニタを制御すれば、広汎な用途、動作条件に対応できる。
【００３２】
本発明では、使用する並列モニタに図６で示したように初期化用と満充電検出用に別々にコンパレータを用い、これらの制御と電圧の設定値を変え、▲５▼のような充放電をしていないときに初期化を行う。この場合、充放電をしていないときとして、例えば大電流の充放電状態にないこと、充電レベルＶｎが一定の範囲内に入っていること、所定以上のバラツキがあることを初期化条件として初期化信号Ｓをオンにし、同時に初期化専用の充電を開始する。平常の充電レベル、つまり充放電の制御中心値Ｖｎと初期化の設定電圧Ｖini ×直列接続されたキャパシタセルの数ｎとの関係は、コンパレータの誤差やバラツキを見込んでＶｎの方が少し低くなるように設定する。つまり、Ｖｎの方が低目にしないと、初期化がほとんど完了した状態で無駄に初期化電流が消費され、あまり大幅に低くすると初期化が完了しても電圧が完全に揃わないことになるからである。
【００３３】
キャパシタのバラツキは、満充電信号Ｆが出力されたときの充電レベルで判定する。例えば使いはじめで初期化が済んでいない段階では、蓄電容量は１００％ではなく、バラツキが大きいほど蓄電容量が少ない段階で満充電信号Ｆが出力される。したがって、その時の充電レベルが満充電の設定電圧Ｖful ×ｎに比べてどれほど低いかによって、初期化の不完全な程度（バラツキの程度）を判定することができる。この判定は、設定電圧Ｖini の充電レベルにおいても同様に可能である。つまり、キャパシタのいずれかが所定の充電電圧に達したときの全充電電圧がその所定の充電電圧のｎ倍と比較すると、その差によりバラツキの程度を判定することができる。この初期化では、バラツキが大きいほど少なくとも１個の並列モニタのバイパスが始まったことをバイパス動作信号Ｂで検出してから満充電信号Ｆが検出されるまでの時間が長くなり、バイパストランジスタＴｒの発熱が大きくなる。このようなバイパストランジスタＴｒの発熱が好ましくない場合、バイパス動作信号Ｂで検出してから一定の時間経過すると、一旦初期化をオフにして冷却時間を設け、オンオフ（間欠動作）をさせるようにしてもよいし、初期化専用の充電電流を小さくしてもよい。また、発熱の程度を判断しながら、初期化電流を調整信号ＡＤで調整してもよい。
【００３４】
上記のように充放電をしていないときに初期化を行うようにすることにより、特に、ハイブリッド電気自動車に使用する場合、初期化の最中にブレーキやアクセルが踏まれて大電流の充放電が始まると、初期化条件を解除して初期化信号Ｓをオフにすることができる。この場合、初期化が不完全であると、蓄電容量が１００％活用できないが、それなりのレベルで使用できるので、次に初期化条件が整ったときにまた初期化を行えばよい。
【００３５】
キャパシタが全放電あるいは電圧ゼロで初期化された状態から一定電流で充電（定電流充電）を開始すると、初期化モードが選択されていない状態、つまり初期化スイッチＳ１がオフの状態では、充電電流のバイアス回路が動作しないので、図８の左端に示すＡ、Ｂのように容量の差に応じた傾斜で電圧が上昇する。そして、直列に接続されているキャパシタの１つ、例えば容量の小さい方のキャパシタＣ_Aがｔ１で設定電圧Ｖful に達すると、コンパレータ３３の満充電検出信号Ｆが「Ｈ」になるので、オアゲート３５の出力信号Ｓが「Ｈ」になって、充電器３１は、定電流充電を停止させる。この状態では、キャパシタＡの端子電圧がキャパシタ内部の自己充電や自己放電などによって設定電圧Ｖful を割り込むと、信号Ｆが「Ｌ」になり再度充電が開始されるので、ｔ１以降は一定電圧に維持される緩和充電の状態が続く。
【００３６】
次に、時間ｔ２で放電してキャパシタに蓄積した電力を利用し、時間ｔ３で放電を停止したとき、初期化の条件を満たしていることにより初期化充電を行う場合には、初期化スイッチＳ１をオンにして充電を開始する。その後、先に説明したように例えばいずれかのキャパシタの端子電圧が設定電圧Ｖini に達したｔ４から一定時間（ｔ５−ｔ４＝ｔｄ）を初期化ペリオドとして初期化充電を実行し、時間ｔ５で初期化終了として初期化スイッチＳ１をオンにする。その後さらに、いずれかのキャパシタの端子電圧が設定電圧Ｖful に達する（満充電になる）まで通常の充電を実行すると時間ｔ６で充電が最終的に終了するが、初期化終了の時間ｔ５で充電を終了させてもよいし、初期化充電を中断して電力を利用するために放電した場合には、その放電を停止した後に初期化充電を再実行させるようにしてもよいことは先にも説明したとおりである。
【００３７】
初期化ペリオドでは、バイパス回路がオンになると、それらに流れる電流だけキャパシタの端子電圧の上昇が遅くなる。トランジスタＴｒに直列に挿入接続した抵抗Ｒがゼロであれば、端子電圧は設定電圧Ｖini より上昇しないが、ここでは充電電流を、例えば半分バイパスする程度に抵抗Ｒの値を選定し、電圧の上昇するスピードを半分にしておくことにより、端子電圧はなお上昇を続ける。
【００３８】
このようにｔ４で設定電圧Ｖini に達したキャパシタＣ_Aと、遅れてｔ５で設定電圧Ｖini に達するキャパシタＣ_Bでは、ｔ１とｔ６における電圧を比較すると明らかなようにそれまで低かったキャパシタＣ_Bの満充電時（充電停止時）の端子電圧が増大してキャパシタＣ_Aの端子電圧に近づくことになる。
【００３９】
次に、具体例により初期化制御を説明する。図９は初期化制御の例を説明するための図、図１０は初期化処理の例を説明するための図、図１１はバラツキの判定処理の例を説明するための図である。
【００４０】
本発明の初期化制御では、例えば図９に示すようにまず、充放電中か否か（ステップＳ１１）、充電レベルが設定範囲内であるか否か（ステップＳ１２）、各キャパシタ間のバラツキが大きいか否か（ステップＳ１３）を判定し、充放電中でなく、充電レベルが設定範囲内であり、かつ各キャパシタ間のバラツキが大きい場合に初期化処理を実行する（ステップＳ１４）。
【００４１】
そして、初期化処理では、例えば図１０に示すように初期化スイッチＳ１をオンにして初期化回路をオンにし（ステップＳ２１）、初期化充電を開始する（ステップＳ２２）。その後、満充電のセルが検出されたか否かを判定し（ステップＳ２３）、満充電のセルが検出されない場合には、並列モニタのバイパス回路が動作したセルを検出してから一定時間経過したか否かを判定し（ステップＳ２４）、一定時間経過していない場合には負荷に放電する給電指令が出されたか否かを判定する（ステップＳ２５）。その結果、満充電のセルが検出されず、一定時間経過せず、かつ給電指令も出されていない場合にはステップＳ２３に戻って同様の処理を繰り返し、満充電のセルが検出された場合や、一定時間経過した場合、給電指令が出された場合には、初期化充電を停止し（ステップＳ２６）、初期化スイッチＳ１をオフにして初期化回路をオフにする（ステップＳ２７）。
【００４２】
また、バラツキの判定処理では、例えば図１１に示すようにまず、充電を実行したことを検出すると（ステップＳ３１）、満充電のセルを検出した時の充電電圧Ｖｎを読み込み（ステップＳ３２）、満充電を検出する設定電圧Ｖful ×セルの数ｎと充電電圧Ｖｎとの差ΔＶの計算を実行する（ステップＳ３３）。しかる後、ΔＶが一定値Ｋより大きいか否かを判定し（ステップＳ３４）、ΔＶが一定値Ｋより大きい場合には、バラツキ大を示すフラグＦを「１」に設定し、ΔＶが一定値Ｋより大きくない場合には、バラツキ大を示すフラグＦを「０」に設定する（ステップＳ３６）。すなわち、一定値Ｋは、バラツキ大か否かを判定する基準値であり、全てのセルが設定電圧Ｖful に充電され全くバラツキがない場合には、ΔＶ＝０となる。
【００４３】
図１２は本発明に係る受電系統の安定化システムによる充電制御を行わない場合の発電機応答波形を示す図、図１３は本発明に係る受電系統の安定化システムによる充電制御を行った場合の応答波形を示す図、図１４はキャパシタ蓄電装置への充電電力のプロファイルを示す図、図１５は充電電力を図１３より大きく設定して充電制御を行った場合の応答波形を示す図である。
【００４４】
次に、図１に示すＡ点にて３相地絡事故を想定してシミュレーション解析を行った例について説明する。ここでは、事故開始時間をｔ＝２．００秒とし、事故回線が０．０７秒後に遮断されるものとした。また、充電開始時間を２．１０秒に設定し、１６．００秒にて充電を終了し系統の安定状態へ復帰させるものとした。発電機の出力は、１．０ｐｕ（定格出力）である。
【００４５】
まず、本発明に係る受電系統の安定化システムによる充電制御を行わない場合の発電機応答波形を示したのが図１２であり、（Ａ）は発電機出力、（Ｂ）は端子電圧、（Ｃ）は位相角、（Ｄ）は速度偏差、（Ｅ）はＡＶＲ制御信号、（Ｆ）は励磁電圧をそれぞれ示している。以下、図１３及び図１５においても同様であるが、この発電機応答波形から明らかなように発電機は３相地絡事故の発生により不安定となり第１波脱調に至っている。そこで、本発明に係る受電系統の安定化システムによる充電制御を行うと、図１３に示すように動揺のダンピングが改善され、系統が安定化されることが判る。このときの充電電力のプロファイルを示したのが図１４である。さらに、キャパシタ蓄電装置への充電電力を大きく設定すると、図１５に示すようになり、図１３と比較すると明らかなように安定性がより一層良好になることが判る。
【００４６】
なお、本発明は、上記実施の形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。例えば上記実施の形態では、母線の地絡事故時に制御を行うシステムとして説明したが、事故時以外の系統運用時の過渡電力の変動に応じて充放電の制御を行い系統の安定化を行うようにしてもよいし、常時は発電機励磁システムのバックアップ電源としての用途を持たせることも可能である。また、直並列切り換え回路を有するキャパシタ蓄電装置の例を示して説明したが、直並列切り換え回路を有するものでなくてもよいし、他の形態の直並列切り換え回路を有するものであってもよいことはいうまでもない。
【００４７】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明によれば、キャパシタ蓄電装置を電力系統に接続して電流の出入りを制御して過渡時のダンピングを改善し系統の安定化を行う電力系統の安定化システムであって、複数のキャパシタからなり該キャパシタのそれぞれに並列に接続して充電電圧・電流を検出し制御する並列モニタを有するキャパシタ蓄電装置と、電力系統とキャパシタ蓄電装置との間に接続され交流と直流との変換を行いキャパシタ蓄電装置の充放電を行う交直変換装置と、電力系統を監視して交直変換装置及びキャパシタ蓄電装置を制御する系統監視制御装置とを備え、並列モニタは、キャパシタの充電電流の一部をバイパスするトランジスタと抵抗からなるバイパス回路、キャパシタの充電電圧を第１の設定電圧と比較する第１のコンパレータ、初期化モードが選択されたときオンにする初期化スイッチ、及びキャパシタの充電電圧を第１の設定電圧より高い第２の設定電圧と比較する第２のコンパレータを有し、充電時の第２のコンパレータの出力と端子電圧に基づき各キャパシタの充電電圧のバラツキの程度を判定しバラツキが大きい場合に初期化充電を行い、初期化スイッチをオンにして第１のコンパレータの出力によりキャパシタの充電電圧が第１の設定電圧以上になるとトランジスタを動作させ、第２のコンパレータの出力によりキャパシタの充電電圧が第２の設定電圧以上になると初期化終了を判定し、系統監視制御装置により電力系統を監視してキャパシタ蓄電装置に対して瞬時的な大電力の充放電の制御を行うときは初期化を解除して、過渡時のダンピングを改善し系統の安定化を行うように構成したので、ＳＭＥＳなどよりはるかに簡素でかつ低価格でシステムの実用化が可能になる。しかも、キャパシタ蓄電装置は、端子電圧に応じて電圧を調整するためキャパシタの直並列接続の切り換えを行う切り換え回路を有し、系統監視制御装置は、電力系統の事故遮断時に発電機端でキャパシタ蓄電装置に対し所定のスケジュール充電を行うことにより過渡時のダンピングを改善し系統の安定化を行うので、電解コンデンサよりも長時間の給電が高エネルギー密度で可能になり、ＳＭＥＳや電解コンデンサよりも格段に有利である。さらに、キャパシタの負担電圧のバラツキをなくすことができ、系統の容量に対し、その容量をカバーする無停電電源などに比して格段に小さな蓄電容量で系統の安定性を大幅に改善することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る電力系統の安定化システムの実施の形態を示す図である。
【図２】事故検出後の充電スケジュールの例を示す図である。
【図３】本発明に係る受電系統の安定化システムに用いるキャパシタ蓄電装置の構成例を示す図である。
【図４】直並列切り換え回路を有するキャパシタ蓄電装置の他の実施の形態を示す図である。
【図５】直並列切り換え回路を有するキャパシタ蓄電装置のさらに他の実施の形態を示す図である。
【図６】初期化用と満充電検出用に別々のコンパレータを有する並列モニタの構成例を示す図である。
【図７】キャパシタの使い方に見る充放電のスタイルと初期化のポイントの例を示す図である。
【図８】初期化時の充電カーブと通常の充放電カーブの例を示す図である。
【図９】初期化制御の例を説明するための図である。
【図１０】初期化処理の例を説明するための図である。
【図１１】バラツキの判定処理の例を説明するための図である。
【図１２】本発明に係る受電系統の安定化システムによる充電制御を行わない場合の発電機応答波形を示す図である。
【図１３】本発明に係る受電系統の安定化システムによる充電制御を行った場合の応答波形を示す図である。
【図１４】キャパシタ蓄電装置への充電電力のプロファイルを示す図である。
【図１５】充電電力を図１１より大きく設定して充電制御を行った場合の応答波形を示す図である。
【符号の説明】
１…キャパシタ蓄電装置、２…交直変換器、３…系統監視制御装置、４…並列モニタ、５…発電機、６…無限大母線、Ｃ…キャパシタ

Claims

キャパシタ蓄電装置を電力系統に接続して電流の出入りを制御して過渡時のダンピングを改善し系統の安定化を行う電力系統の安定化システムであって、
複数のキャパシタからなり該キャパシタのそれぞれに並列に接続して充電電圧・電流を検出し制御する並列モニタを有するキャパシタ蓄電装置と、
電力系統と前記キャパシタ蓄電装置との間に接続され交流と直流との変換を行いキャパシタ蓄電装置の充放電を行う交直変換装置と、
前記電力系統を監視して前記交直変換装置及びキャパシタ蓄電装置を制御する系統監視制御装置と
を備え、前記並列モニタは、前記キャパシタの充電電流の一部をバイパスするトランジスタと抵抗からなるバイパス回路、前記キャパシタの充電電圧を第１の設定電圧と比較する第１のコンパレータ、初期化モードが選択されたときオンにする初期化スイッチ、及び前記キャパシタの充電電圧を前記第１の設定電圧より高い第２の設定電圧と比較する第２のコンパレータを有し、充電時の前記第２のコンパレータの出力と端子電圧に基づき各キャパシタの充電電圧のバラツキの程度を判定し前記バラツキが大きい場合に初期化充電を行い、前記初期化スイッチをオンにして前記第１のコンパレータの出力により前記キャパシタの充電電圧が前記第１の設定電圧以上になると前記トランジスタを動作させ、前記第２のコンパレータの出力により前記キャパシタの充電電圧が前記第２の設定電圧以上になると初期化終了を判定し、前記系統監視制御装置により前記電力系統を監視して前記キャパシタ蓄電装置に対して瞬時的な大電力の充放電の制御を行うときは前記初期化を解除して、過渡時のダンピングを改善し系統の安定化を行うように構成したことを特徴とする電力系統の安定化システム。
前記キャパシタ蓄電装置は、端子電圧に応じて電圧を調整するためキャパシタの直並列接続の切り換えを行う切り換え回路を有することを特徴とする請求項１記載の電力系統の安定化システム。
前記系統監視制御装置は、前記電力系統の事故遮断時に発電機端で前記キャパシタ蓄電装置に対し所定のスケジュール充電を行うことにより過渡時のダンピングを改善し系統の安定化を行うことを特徴とする請求項１記載の電力系統の安定化システム。