JP4569552B2

JP4569552B2 - 瞬時電圧低下補償装置

Info

Publication number: JP4569552B2
Application number: JP2006272517A
Authority: JP
Inventors: 寛材津
Original assignee: Meidensha Corp
Current assignee: Meidensha Corp
Priority date: 2006-10-04
Filing date: 2006-10-04
Publication date: 2010-10-27
Anticipated expiration: 2026-10-04
Also published as: JP2008092719A

Description

本発明は、系統電源と連系運転または自立運転で負荷に電力を供給し、系統電源の瞬時電圧低下に際して負荷電圧を補償する瞬時電圧低下補償装置に関する。

図３は、瞬時電圧低下補償装置（以下、瞬低補償装置）を設けた受電システムの構成例を示す。系統電源１からの受電電力で一般負荷（エアコンや電動機器）２に給電し、さらに高速スイッチ３を介して重要負荷（コンピュータなど）４に給電する受電系統に対して、重要負荷４には高速スイッチ５を介して接続した双方向電力変換器６を連系運転し、系統電源１に瞬時電圧低下が発生したときに、直流電源７を電源とする双方向電力変換器６から電圧低下を補償した給電を行う。さらに、系統電源１の瞬時停電発生には高速スイッチ３を解離させ、双方向電力変換器６の自立運転で重要負荷に給電する（例えば、特許文献１参照）。

双方向電力変換器６は、その主回路６Ａを半導体スイッチ素子を使用したＰＷＭ整流回路に構成され、ＰＷＭ制御装置６Ｂにより各スイッチ素子がＰＷＭゲート制御される。この制御は、系統電源１との連系運転時には、系統電源１の電圧が低下したときに直流電源７から直流−交流変換で電圧補償した出力を得、系統電源１の電圧が正常時には交流−直流変換で直流電源７を充電しておく。また、系統電源１の瞬時停電による自立運転時には、直流電源７を電源として重要負荷４に規定の電圧による給電を行う。なお、直流電源７は一般の二次電池または電気二重層キャパシタなどが採用され、重要負荷４の電力容量に応じたものにされる。

このように、瞬低補償装置には、系統連系運転と自立運転の二つの運転モードに切り替え可能にされ、この運転モードの切り替え（系統連系運転→自立運転、自立運転→系統連系運転）に際して、制御装置６Ｂでは電圧変動や異常電圧抑制を図ることができる回路構成にされる。

瞬低補償装置におけるＰＷＭ制御装置６Ｂのブロック構成を図４に示す。ＰＷＭ制御装置は、常時は系統連系運転部１１によりＡＣＲ（自動電流制御）をしており、瞬低発生時は自立運転部１２によるＡＶＲ（自動電圧制御）に切り替え、瞬低が終われば再び系統連系運転を行う。系統連系運転時は、主回路６Ａが出し入れする電流（充放電電流）を制御する。自立運転時は、主回路６Ａの出力電圧を制御する。系統連系・自立運転のモード切替は、切替スイッチ１３でＰＷＭ指令値を切り替え、ＰＷＭ制御部１４ではＰＷＭ指令値と三角波（キャリア信号）との大小比較によりＰＷＭ波形のゲート信号を得る。

現状の技術では、自立運転部１２はＣＶＣＦなどの電圧制御を行う交直変換装置の制御方式により制御している。系統連系運転部１１はＰＷＭ整流回路などの電流制御を行う交直変換装置の制御方式により制御している。それぞれのＰＷＭ指令値は、ＰＩ制御器出力（ＡＶＲ出力またはＡＣＲ出力）とベース電圧の和で生成される。

自立運転では、ＡＶＲの負担を軽減するためにベース電圧を加算している。ＡＶＲの制御量が小さくなると応答性が悪くなるため、ベース電圧は０.５ｐ.ｕ（１ｐ.ｕは定格電圧）程度の値が一般的である。系統連系運転では、装置が系統と全く同じ電圧を出力すれば充放電電流はゼロとなる。よってベース電圧として１ｐ.ｕの値を加算してＡＣＲで充放電電流を制御する。

ベース電圧の値はフィードフォワードで計算した値を固定値として使用するのがもっとも簡単な方法であり、よく使用される。
特開２００２−１０１５７６号公報

瞬低補償装置において、瞬低を検出すると、系統連系運転から自立運転に瞬時に切り替わる。このとき、ＡＶＲの応答が遅れてしまうと、出力電圧が低下してしまう。応答を速くするとモード切り替え時に出力電圧が不安定になるおそれがある。一般的なＣＶＣＦでは、装置起動時、出力電圧をゼロからソフトスタートするのでこのような問題を気にする必要はない。ＡＶＲの制御範囲を大きくした方が応答性はよくなるため、ベース電圧は０.５ｐ.ｕ程度としている。

瞬低補償装置において、系統電圧が瞬低から復帰する（以下、復電する）と自立運転から系統連系運転に瞬時に切り替わる。この時、ＡＣＲの応答が遅れてしまうと、装置の充放電電流が不安定になる。また、直流電源７に電気二重層キャパシタを適用した瞬低補償装置（以後、キャパシタ式瞬低補償装置）のように直流電圧が大きく変動する装置の場合、ＡＣＲの制御量が大きくなるため不安定になりやすい。なお、直流電源７に一般の蓄電池を使用する場合、直流電圧はほとんど変動しないため、ベース電圧を固定値にしても問題は無かった。

例えば、出力電圧三相２２０Ｖ、直流電圧範囲３７５Ｖ〜６２５Ｖ（定格６２５Ｖ）のキャパシタ式瞬低補償装置を例に考える。図５のように、振幅１の三角波とＰＷＭ指令値を比較することでＰＷＭゲート信号を生成し、瞬低補償装置を制御する場合、デッドタイム等の影響を無視して考えると、直流電圧と交流電圧の波高率の関係から、

より、ＰＷＭ指令値に振幅０.５７ｐ.ｕの正弦波を与えれば、２２０Ｖの電圧が出力される。

系統連系運転から自立運転に切り替える場合を考える。２２０Ｖの電圧を出力するためには振幅０.５７ｐ．ｕの正弦波を出力しなければならない。自立運転時のベース電圧は０．５ｐ.ｕ（０.２９）程度であるので、ＡＶＲ出力を瞬時に０.２９にしなければならないが、安定するまで時間がかかるため、切り替え直後、出力電圧は低下してしまう。

瞬低補償動作を行い、直流電圧が３７５Ｖまで低下した後、系統連系運転に切り替わる場合を考える。直流電圧が３７５Ｖの時、２２０Ｖの電圧を出力するためには、

のベース電圧が必要である。ベース電圧を固定値でいれた場合、ベース電圧は０.５７ｐ．ｕとなる。

このため、０.３９ｐ.ｕ程度の範囲をもつ値をＡＣＲで制御しなければならなくなり、切り替えに際して不安定になりやすい。

本発明の目的は、運転モード切り替え時の出力電圧変動を抑制でき、さらに系統連系運転から自立運転に安定した切り替えができる瞬時電圧低下補償装置を提供することにある。

本発明は、前記の課題を解決するため、自立運転と系統連系運転のベース電圧を共通化した定格電圧とする構成、さらにベース電圧を直流電源の検出電圧を基に定格電圧に相当する電圧に自動調節する構成としたもので、以下の構成を特徴とする。

（１）系統電源に瞬時電圧低下が発生したときは、直流電源を電源とするＰＷＭ電力変換器の自動電流制御による系統連系運転で負荷の電圧低下を補償し、系統電源に瞬時停電が発生したときはＰＷＭ電力変換器の自動電圧制御による自立運転で負荷電圧を制御する瞬時電圧低下補償装置であって、
前記系統連系運転時の制御出力と自立運転時の制御出力に、定格電圧にした共通のベース電圧を加算したＰＷＭ指令を得る構成を特徴とする。

（２）前記ベース電圧は、前記直流電源の電圧を基に定格電圧に相当する電圧に自動調節する構成を特徴とする。

以上のとおり、本発明によれば、自立運転と系統連系運転のベース電圧を共通化した定格電圧とする構成、さらにベース電圧を直流電源の検出電圧を基に定格電圧に相当する電圧に自動調節する構成としたため、系統連系運転から自立運転に切り替わるとき、自動電圧制御出力がゼロでもベース電圧を加算したＰＷＭ指令値が定格電圧になるため、運転モード切り替え時の出力電圧変動を抑制することができる。

また、直流電源の電圧が定格より小さいときでも、１ｐ.ｕ相当の出力を得ることができる。

（実施形態１）
図１は、本発明の実施形態を示すＰＷＭ制御装置の制御ブロックである。系統連系運転部１１Ａは、出力電流指令値とその検出値との偏差をＰＩ（比例積分）制御器で演算した結果をＰＷＭ指令値として出力する。自立運転部１２Ａは、出力電圧指令値とその検出値との偏差をＰＩ（比例積分）制御器で演算した結果をＰＷＭ指令値として出力する。切替スイッチ１３は、系統連系運転部１１Ａと自立運転部１２ＡからのＰＷＭ指令値を切り替える。ベース電圧加算部１５は、切替スイッチ１３の出力になるＰＷＭ指令値にベース電圧分を加算してＰＷＭ制御部１４へのＰＷＭ指令値とする。

すなわち、本実施形態では、自立運転・系統連系運転のＰＷＭ指令値におけるベース電圧分を共通化し、このベース電圧は直流電圧定格において１ｐ.ｕを出力する値（固定値）とする。

この構成により、系統連系運転から自立運転に切り替わるとき、ＡＶＲ出力がゼロでもベース電圧を加算したＰＷＭ指令値が定格電圧になるため、運転モード切り替え時の出力電圧変動を抑制することができる。

ただし、直流電源７の電圧が定格より小さいとき、出力電圧も小さくなる。しかし、直流電圧が定格より小さいときに系統連系運転から自立運転に切り替わるのはレアケースである。例えば、瞬低補償装置で繰り返し瞬低が発生し、自立運転による放電が進んでいる場合に直流電源電圧が低下しているが、このような制御状態は極めて少ない。

なお、本実施形態において、自立運転から系統連系運転に切り替わるときは、ベース電圧が１ｐ.ｕにあって、従来の技術と性能は変わらない。また、ベース電圧を共通化するため、従来技術と比較して制御回路構成を簡略化できる。

（実施形態２）
図２は、本発明の実施形態を示すＰＷＭ制御装置の制御ブロックである。同図が図１と異なる部分は、ベース電圧を固定値でなく、直流電源７の直流電圧に応じて自動調節する点にある。ベース電圧演算部１６は、直流電源７の直流電圧検出値に応じて、ベース電圧を求め、これをベース電圧加算部１５のベース電圧として設定する。ベース電圧演算部１６による演算は、下記の式でベース電圧を求める。すなわち、直流電圧Ｖｄｃの変化に拘わらず、ＰＷＭ指令値には１ｐ.ｕの出力を得ることができる。

本実施形態によれば、系統連系運転から自立運転に切り替わるとき、ＡＶＲ出力がゼロでも定格電圧が出力されるため、運転モード切り替え時の出力電圧変動を抑制することができる。しかも、直流電圧が定格より小さいときでも、１ｐ.ｕ相当の出力を得ることができる。

なお、自立運転から系統連系運転に切り替わるとき、ＡＣＲ出力がゼロの時に出力電流もゼロになるため、安定して切り替えることができる。

また、実施形態１と比較して、ベース電圧演算部１６の追加を必要として制御が複雑になるが、ＰＷＭ制御装置６Ｂを制御用コンピュータで構成する場合、各直流電圧におけるベース電圧値をあらかじめ計算し、ＲＯＭに書き込んでおけば、直流電圧を計測し、値を読み込むだけの演算となり、それほど演算負荷は増えない。

本発明の実施形態１を示すＰＷＭ制御装置の制御ブロック。本発明の実施形態２を示すＰＷＭ制御装置の制御ブロック。瞬時電圧低下補償装置を設けた受電システムの構成例。瞬低補償装置におけるＰＷＭ制御装置６Ｂのブロック構成図（従来）。ＰＷＭ制御の波形図。

符号の説明

１系統電源
３、５高速スイッチ
６電力変換器
６Ａ主回路
６ＢＰＷＭ制御装置
７直流電源
１１系統連系運転部
１２自立運転部
１３切替スイッチ
１４ＰＷＭ制御部
１５加算部
１６ベース電圧演算部

Claims

系統電源に瞬時電圧低下が発生したときは、直流電源を電源とするＰＷＭ電力変換器の自動電流制御による系統連系運転で負荷の電圧低下を補償し、系統電源に瞬時停電が発生したときはＰＷＭ電力変換器の自動電圧制御による自立運転で負荷電圧を制御する瞬時電圧低下補償装置であって、
前記系統連系運転時の制御出力と自立運転時の制御出力に、定格電圧にした共通のベース電圧を加算したＰＷＭ指令を得る構成を特徴とする瞬時電圧低下補償装置。
前記ベース電圧は、前記直流電源の電圧を基に定格電圧に相当する電圧に自動調節する構成を特徴とする請求項１に記載の瞬時電圧低下補償装置。