JP4470618B2

JP4470618B2 - 電力変換装置の制御装置及び方法

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Publication number: JP4470618B2
Application number: JP2004195429A
Authority: JP
Inventors: 達人中島; 幸司宇都宮
Original assignee: Tokyo Electric Power Co Inc
Current assignee: Tokyo Electric Power Co Inc
Priority date: 2004-07-01
Filing date: 2004-07-01
Publication date: 2010-06-02
Anticipated expiration: 2024-07-01
Also published as: JP2006020417A

Description

本発明は、直流電源設備と交流系統との間で直流電力と交流電力との電力変換を行う電力変換装置の制御装置及び方法に関する。

一般に、電力系統には電力会社の事業用発電所で発電された電力が供給され、需要家に電力が供給される。近年においては、電力の自由化により分散型電源からの電力も電力系統に供給され、また、電力会社においても分散型電源に相当する小型の電源設備を電力系統に接続し電力を供給することもある。一方、小型の電源設備から特定の専用負荷に電力を供給する場合もある。

分散電源や小型の電源設備は、太陽光発電システムや燃料電池発電システムであることが多く、その発電電力は直流電力であるので、以下、これらを総称して直流電源設備と呼ぶことにする。直流電源設備で発電された直流は、電力変換装置により交流に変換されて電力系統に連系されたり、特定の専用負荷に交流電力として供給されたりしている。また、二次電池を有した直流電源設備もあり、交流電力を直流電力に変換して二次電池に貯蔵できるようにしたものもある。

一方、直流を交流に変換する電力変換装置はインバータ装置と呼ばれているが、最近はインバータ装置でも交流を直流に変換する機能を備えたものが多くなっており、直流電力と交流電力との間で双方向に電力変換を行うことができるようになっている。二次電池を有したものでは、この双方向の電力変換装置が用いられる。

図５は双方向の電力変換装置の回路構成図であり、図５（ａ）は単相電力変換装置の回路図、図５（ｂ）は三相電力変換装置の回路図である。双方向の単相電力変換装置は、図５（ａ）に示すように、各アーム１ａ、１ｂ、２ａ、２ｂは、スイッチング素子とダイオードとが並列接続されて形成され、また、平滑コンデンサＣが設けられている。同様に、双方向の三相電力変換装置も、図５（ｂ）に示すように、各アーム１ａ〜１ｃ、２ａ〜２ｃは、スイッチング素子とダイオードとが並列接続されて形成され、また、平滑コンデンサＣが設けられている。

図６は、二次電池１１を有した直流電源設備１２を双方向の三相の電力変換装置１３を介して交流系統に接続した系統図である。二次電池１１を有した直流電源設備１２は、電力変換装置１３を介して変圧器１４の二次側に接続されている。変圧器１４の二次側にはリアクトル１５及びコンデンサ１６が接続され、電力変換装置１３で変換された交流電圧は変圧器１４で昇圧され、交流系統の交流電源１７に接続される。電力変換装置１３はＰＷＭ制御により直流と交流との間で電力変換を行うが、その場合の変換効率は、直流電源設備１２の定格入出力時におけるスイッチング素子１ａ〜１ｃ、２ａ〜２ｃの損失と、変圧器１４及びリアクトル１５の損失の和によって決定される。

ここで、電力変換装置の損失を考慮したものとして、常時はＰＷＭ搬送周波数を低くして系統に接続されるＰＷＭ自励インバータを含む電力変換装置の損失を減らし、電圧擾乱発生時にはＰＷＭ搬送周波数を高くして高速応答の要求を満たすようにしたものがある（例えば、特許文献１参照）。
特開平５−３４１８６４号公報

しかし、特許文献１のものでは、常時はＰＷＭ搬送周波数を低くして電力変換装置の損失を減らすようにしているが、常時のＰＷＭ搬送周波数は一定値に固定されているので、損失が最小であるとは限らない。通常、ＰＷＭ搬送周波数は、直流電源設備１２の定格入出力時において電力変換装置の変換効率が最大となるように設定されるので、定格入出力時以外においては、変換効率が変化し低下することが知られている。

また、電力変換装置の変換効率を向上させる方法としては、低損失のスイッチング素子１ａ〜１ｃ、２ａ〜２ｃを採用して損失低減したり、ＰＷＭ搬送周波数を低周波化してスイッチング素子のスイッチング損失を低減したり、ＰＷＭ搬送周波数の低周波化に伴い変圧器１４及びリアクトル１５の容量選定や材質の選択を設計時に適宜行っているが、実際に製作完了した変圧器１４やリアクトル１５の巻き線には、抵抗損、うず電流損、漂遊損等が存在するので、設計時の損失を考慮した設計容量値と実際の容量値とに差が生じることが多く、目標とする変換効率を達成することができないことが多い。これにより、設計時における電力変換装置の目標とする変換効率を達成することができず、また、直流電源設備の定格入出力時を目標の変換効率としているため、定格入出力時以外の運転時には目標の変換効率を維持できない。

本発明の目的は、交流系統の変圧器やリアクトルの設計容量値と実際の容量値とに差があっても、また、直流電源設備が定格入出力時以外の運転時を行った場合であっても目標の変換効率を維持できる電力変換装置の制御装置及び方法を提供することである。

請求項１の発明に係わる電力変換装置の制御装置は、直流電源設備と交流系統との間で直流電力と交流電力との電力変換をＰＷＭ制御により行う電力変換装置の制御装置において、前記電力変換装置での直流電力と交流電力との電力変換効率が変換効率目標値になるようにＰＷＭ搬送周波数を求める変換効率最適化回路と、前記変換効率最適化回路で求められたＰＷＭ搬送周波数の搬送波を発生する搬送波発生回路と、前記搬送波発生回路から発生される搬送波に基づいて前記電力変換装置の出力が出力目標値になるように設定された基準信号波をＰＷＭ変調するＰＷＭ変調回路と、前記ＰＷＭ変調回路で得られた出力信号に基づいて前記電力変換装置のスイッチング素子を駆動制御する駆動回路とを備えたことを特徴とする。

請求項２の発明に係わる電力変換装置の制御装置は、請求項１の発明において、前記変換効率最適化回路は、前記電力変換装置が放電運転するときは電力変換効率を（交流電力／直流電力）で求め、充電運転するときは（直流電力／交流電力）で求め、放電運転と充電運転とで電力変換効率を切り替えることを特徴とする。

請求項３の発明に係わる電力変換装置の制御方法は、直流電源設備と交流系統との間で直流電力と交流電力との電力変換をＰＷＭ制御により行う電力変換装置の制御方法において、前記電力変換装置での直流電力と交流電力との電力変換効率が変換効率目標値になるようにＰＷＭ搬送周波数を求め、前記変換効率最適化回路で求められたＰＷＭ搬送周波数の搬送波を発生し、前記搬送波発生回路から発生される搬送波に基づいて前記電力変換装置の出力が出力目標値になるように設定された基準信号波をＰＷＭ変調し、前記ＰＷＭ変調回路で得られた出力信号に基づいて前記電力変換装置のスイッチング素子を駆動制御することを特徴とする。

本発明によれば、電力変換装置での直流電力と交流電力との電力変換効率が変換効率目標値になるようにＰＷＭ搬送周波数を変換効率最適化回路で求め、そのＰＷＭ搬送周波数の搬送波により、電力変換装置の出力が出力目標値になるように設定された基準信号波をＰＷＭ変調して電力変換装置のスイッチング素子を駆動制御するので、交流系統の変圧器やリアクトルの設計容量値と実際の容量値とに誤差がある場合や、直流電源設備が定格入出力時以外の運転時を行った場合であっても電力変換効率を変換効率目標値に維持できる。従って、電力変換に伴う電力損失を低減でき変換効率の向上が図れる。

以下、本発明の実施の形態を説明する。図１は本発明の実施の形態に係わる電力変換装置の制御装置のブロック構成図である。図１では、二次電池１１を有した直流電源設備１２を双方向の三相の電力変換装置１３を介して三相の交流系統に接続した系統図を示している。

直流電源設備１２は二次電池１１を有しており、電力変換装置１３を介して交流系統との間で直流電力と交流電力との電力変換をＰＷＭ制御により行う。電力変換装置１３はリアクトル１５及びコンデンサ１６を介して交流系統の変圧器１４に接続される。直流電源設備１２からの直流は、電力変換装置１３で交流に変換され、変圧器１４で昇圧されて交流系統の交流電源１７に供給される。一方、交流系統の交流電源１７からの交流は変圧器で降圧され、電力変換装置１３で直流に変換されて直流電源設備１２の二次電池１１に蓄電される。

制御装置１８は、直流電源設備１２の直流電圧Ｖｄｃ、直流電流Ｉｄｃを入力すると共に、交流系統の三相交流電圧Ｖａ、Ｖｂ、Ｖｃ、三相交流電流Ｉａ、Ｉｂ、Ｉｃを入力し、電力変換装置１３の電力変換効率が最大効率になるように電力変換装置１３を制御する。

制御装置１８の変換効率最適化回路１９は、電力変換装置１３での直流電力と交流電力との電力変換効率が予め定めた変換効率目標値になるようにＰＷＭ搬送周波数を求めるものである。すなわち、直流電源設備１２の直流電圧Ｖｄｃ、直流電流Ｉｄｃに基づいて電力変換装置１３で変換される直流電源設備１２の直流電力を演算すると共に、交流系統の三相交流電圧Ｖａ、Ｖｂ、Ｖｃ、三相交流電流Ｉａ、Ｉｂ、Ｉｃに基づいて電力変換装置１３で変換される交流系統の交流電力を演算し、電力変換装置１３での直流電力と交流電力との電力変換効率を求める。そして、その電力変換効率が予め定めた変換効率目標値になるようにＰＷＭ搬送周波数を求め、搬送波発生回路２０に出力する。

搬送波発生回路２０は、変換効率最適化回路１９で求められたＰＷＭ搬送周波数の搬送波を発生するものであり、搬送波として三角波が用いられる場合には、三角波の周波数が変換効率最適化回路１９で求められたＰＷＭ搬送周波数である三角波が出力されることになる。ＰＷＭ変調回路２１は、搬送波発生回路２０から発生される搬送波に基づいて電力変換装置１３の出力が出力目標値になるように設定された基準信号波をＰＷＭ変調するものであり、駆動回路２２はＰＷＭ変調回路２１で得られた出力信号に基づいて電力変換装置１３の各アームのスイッチング素子を駆動制御する。

図２は、制御装置１８の変換効率最適化回路１９のブロック構成図である。直流電源設備１２の直流電圧Ｖｄｃ、直流電流Ｉｄｃは変換効率最適化回路１９の乗算器２３ａで乗算され、ローパスフィルタ２４を通して直流電源設備１２の直流電力が求められる。一方、電力変換装置１３の交流系統側の交流電圧Ｖａ、Ｖｂ、Ｖｃは実効値演算回路２５ａに入力されて電圧実効値が求められ、同様に、交流電流Ｉａ、Ｉｂ、Ｉｃは実効値演算回路２５ｂに入力されて電流実効値が求められる。そして、乗算器２３ｂにより乗算されバンドパスフィルタ２６を通して電力変換装置１３で変換される交流電力が求められる。

このようにして求められた直流電力及び交流電力は、モード切替器２７を介して除算器２８に入力される。モード切替器２７は、電力変換装置１３が直流を交流に変換する放電運転モードと、電力変換装置１３が交流を直流に変換する充電運転モードとで除算器２８で演算する際の分母と分子とを切り替えるものである。例えば、電力変換装置１３が直流を交流に変換する放電運転モードであるときは、除算器２８は、（交流電力／直流電力）を演算して電力変換効率ηを求め、電力変換装置１３が交流を直流に変換する充電運転モードであるときは、（直流電力／交流電力）を演算して電力変換効率ηを求める。

このように、除算器２８は電力変換装置１３の運転モードに応じて、直流電力と交流電力との比率を演算して電力変換効率ηを演算する。

除算器２８で得られた電力変換装置１３の電力変換効率ηは、減算器２９で変換効率目標値η^＊と比較され、その差分Δη（Δη＝η^＊−η）は比例積分演算器３０に入力され差分Δηが零になるような操作信号が演算される。比例積分演算器３０からの操作信号は、減算器３１により初期値Ｎ^＊（例えば１）と比較され、乗算器３２により基準周波数ｓｗｆ^＊に乗算される。そして、上下限リミッタ３３を介してＰＷＭ搬送波周波数として搬送波発生回路２０に出力される。

ここで、基準周波数ｓｗｆ^＊としては、直流電源設備１２の定格入出力時に最高効率となるＰＷＭ搬送波周波数が予め設定されている。また、上下限リミッタ３３は、ＰＷＭ搬送波周波数が変圧器１４やリアクトル１５の入力周波数範囲を逸脱しない範囲内の周波数となるように制限を与えるものである。

図３は、制御装置１８のＰＷＭ変調回路２１のブロック構成図である。電力変換装置１３の交流出力電流Ｉａ、Ｉｂ、Ｉｃは、出力電流目標値Ｉａ０、Ｉｂ０、Ｉｃ０とそれぞれ比較され、それぞれ基準信号波発生回路３４ａ、３４ｂ、３４ｃに入力される。出力電流目標値Ｉａ０、Ｉｂ０、Ｉｃ０が正に設定されているときは、放電運転となり、負に設定されているときは充電運転となる。基準信号波発生回路３４ａ、３４ｂ、３４ｃは、電力変換装置１３の交流出力電流Ｉａ、Ｉｂ、Ｉｃが出力電流目標値Ｉａ０、Ｉｂ０、Ｉｃ０を満たすような基準信号波を発生する。

一方、搬送波発生回路２０からの搬送波は、乗算器３５で直流電源設備１２の直流電圧Ｖｄｃと乗算されて、各々のコンパレータ３６ａ、３６ｂ、３６ｃに入力され、基準信号波と比較される。そして、その比較結果は正出力バッファ３７ａ、３７ｂ、３７ｃ及び反転出力バッファ３８ａ、３８ｂ、３８ｃから出力される。正出力バッファ３７ａ、３７ｂ、３７ｃ及び反転出力バッファ３８ａ、３８ｂ、３８ｃの出力信号は駆動回路２２に入力され、電力変換装置１３の各アームのスイッチング素子をオンオフして、電力変換装置１３の交流出力電流Ｉａ、Ｉｂ、Ｉｃが出力電流目標値Ｉａ０、Ｉｂ０、Ｉｃ０になるようにＰＷＭ制御する。

いま、電力変換装置１３の電力変換効率ηがその変換効率目標値η^＊であるときには、図２に示す減算器２９の出力信号は零であり比例積分演算器３０の操作信号も零である。従って、減算器３１の出力は「１」となり、乗算器３２の出力信号は基準周波数ｓｗｆ^＊となる。つまり、ＰＷＭ搬送波周波数は基準周波数ｓｗｆ^＊となり、予め定めた直流電源設備１２の定格入出力時の変換効率で電力変換装置１３は運転される。

一方、電力変換装置１３の電力変換効率ηがその変換効率目標値η^＊より低いときは、図２に示す減算器２９の出力信号である差分Δηが正となり、比例積分演算器３０の操作信号は負となる。従って、減算器３１の出力は「１」より小さい値となり、乗算器３２の出力信号は基準周波数ｓｗｆ^＊より小さい値となる。つまり、ＰＷＭ搬送波周波数は基準周波数ｓｗｆ^＊より低い周波数となり、電力変換装置の損失を減少させるように動作する。

図４は、本発明の実施の形態における搬送波の周波数を可変とした電力変換装置と従来例における搬送波を固定周波数とした電力変換装置との損失及び変換効率改善度のグラフである。

電力変換装置１３を放電運転したときの電力変換装置１３の直流電力出力を０ＫＷ〜２０ＫＷ間で変化させ、搬送波の周波数を可変とした本発明の実施の形態における電力変換装置の損失と、従来例における搬送波を固定周波数とした電力変換装置との損失測定を行った。曲線Ｓ１は本発明の実施の形態における電力変換装置の損失曲線であり、曲線Ｓ２は従来例における電力変換装置の損失曲線である。また、曲線Ｓ３は変換効率改善度曲線である。

図４から分かるように、出力電力が１０[ｋＷ]のときは、本発明の実施の形態における電力変換装置の損失は約７７０［Ｗ］、従来例における電力変換装置の損失は約８８４［Ｗ］、損失差は約１１４［Ｗ］であり、変換効率改善度は約１２．９（１１４／８８４）％である。また、出力電力が２０[ｋＷ]のときは、本発明の実施の形態における電力変換装置の損失は約１２０９［Ｗ］、従来例における電力変換装置の損失は約１４２５［Ｗ］、損失差は約２１６［Ｗ］であり、変換効率改善度は約１５．２（２１６／１４２５）％である。

このように、電力変換装置１３のＰＷＭ制御における搬送波の周波数を可変とした場合には、大幅に電力変換効率を改善することができる。これは、出力容量に応じて、変圧器１４やリアクトル１５の鉄損及び銅損が変化するので、本発明のように、ＰＷＭ制御によるスイッチング素子のスイッチング周波数を変化させることにより、変圧器１４やリアクトル１５の鉄損及び銅損が改善されるためである。

以上の説明では、二次電池１１を有した直流電源設備１２で双方向の三相の電力変換装置１３を用いた場合について説明したが、直流電力を交流電力として変換し交流系統だけへ出力をする電力変換装置１３に対しても適用可能である。また、三相の電力変換装置１３について説明したが単相の電力変換装置１３に適用できることも言うまでもない。

本発明の実施の形態によれば、電力変換装置１３のＰＷＭ制御に使用される搬送波の周波数を可変とし、電力変換効率ηが変換効率目標値η^＊となるように搬送波の周波数を変化させるので、通常の運転状態においても常に電力変換装置１３の電力変換効率を最適化することができる。

本発明の実施の形態に係わる電力変換装置の制御装置のブロック構成図。本発明の実施の形態における変換効率最適化回路のブロック構成図。本発明の実施の形態における制御装置のＰＷＭ変調回路のブロック構成図。本発明の実施の形態における搬送波の周波数を可変とした電力変換装置と従来例における搬送波を固定周波数とした電力変換装置との損失及び変換効率改善度のグラフ。双方向の電力変換装置の回路構成図。二次電池を有した直流電源設備を双方向の三相の電力変換装置を介して交流系統に接続した系統図。

符号の説明

１、２…アーム、１１…二次電池、１２…直流電源設備、１３…電力変換装置、１４…変圧器、１５…リアクトル、１６…コンデンサ、１７…交流電源、１８…制御装置、１９…変換効率最適化回路、２０…搬送波発生回路、２１…ＰＷＭ変調回路、２２…駆動回路、２３…乗算器、２４…ローパスフィルタ、２５…実効値演算回路、２６…バンドパスフィルタ、２７…モード切替器、２８…除算器、２９…減算器、３０…比例積分演算器、３１…減算器、３２…乗算器、３３…上下限リミッタ、３４…基準信号波発生回路、３５…乗算器、３６…コンパレータ、３７…正出力バッファ、３８…反転出力バッファ

Claims

直流電源設備と交流系統との間で直流電力と交流電力との電力変換をＰＷＭ制御により行う電力変換装置の制御装置において、前記電力変換装置での直流電力と交流電力との電力変換効率が変換効率目標値になるようにＰＷＭ搬送周波数を求める変換効率最適化回路と、前記変換効率最適化回路で求められたＰＷＭ搬送周波数の搬送波を発生する搬送波発生回路と、前記搬送波発生回路から発生される搬送波に基づいて前記電力変換装置の出力が出力目標値になるように設定された基準信号波をＰＷＭ変調するＰＷＭ変調回路と、前記ＰＷＭ変調回路で得られた出力信号に基づいて前記電力変換装置のスイッチング素子を駆動制御する駆動回路とを備えたことを特徴とする電力変換装置の制御装置。
前記変換効率最適化回路は、前記電力変換装置が放電運転するときは電力変換効率を（交流電力／直流電力）で求め、充電運転するときは（直流電力／交流電力）で求め、放電運転と充電運転とで電力変換効率を切り替えることを特徴とする請求項１記載の電力変換装置の制御装置。
直流電源設備と交流系統との間で直流電力と交流電力との電力変換をＰＷＭ制御により行う電力変換装置の制御方法において、前記電力変換装置での直流電力と交流電力との電力変換効率が変換効率目標値になるようにＰＷＭ搬送周波数を求め、前記変換効率最適化回路で求められたＰＷＭ搬送周波数の搬送波を発生し、前記搬送波発生回路から発生される搬送波に基づいて前記電力変換装置の出力が出力目標値になるように設定された基準信号波をＰＷＭ変調し、前記ＰＷＭ変調回路で得られた出力信号に基づいて前記電力変換装置のスイッチング素子を駆動制御することを特徴とする電力変換装置の制御方法。