JP4830660B2

JP4830660B2 - 交流電源システム

Info

Publication number: JP4830660B2
Application number: JP2006171322A
Authority: JP
Inventors: 幹介藤井; 智広小池; 和義倉島
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2006-06-21
Filing date: 2006-06-21
Publication date: 2011-12-07
Anticipated expiration: 2026-06-21
Also published as: JP2008005600A

Description

本発明は、ガスエンジン発電機に代表されるように小規模で比較的大きな遅れを持って応答する交流電源から負荷に交流電力を供給する交流電源システムに関し、特に、交流電源に接続された交流負荷の他に、蓄電池を有する電力変換器や、この電力変換器に更に並列に接続された直流負荷を有する交流電源システムに関する。

従来の交流電源システムは、図６に示すように、ある負荷（交流負荷）２に対して、電力系統ではなく、ガスエンジン（ＧＥ）発電機に代表される小規模で比較的に大きな遅れを持って応答する交流電源１から電力を供給する際に、交流電源１に負荷２を接続し、更に蓄電池５が接続された電力変換器４をＡＣリアクトル６を介して負荷２に並列に接続し、負荷２の変動を蓄電池５から供給することにより、交流電源１の周波数を安定に保つシステムとなっている。
また、このような交流電源システムでは、図示するように電力変換器４に蓄電池５と並列に直流負荷３が接続されることもあり、この場合、交流電源１から交流負荷２と直流負荷３に電力を供給するシステムとなっている。

なお、この交流電源システムにおいては、電力変換器４に、この電力変換動作を制御するためにＧＤＵ（ゲートドライブユニット）７を介して制御回路９を接続し、また、交流電源１と負荷２との間に電流検出器１３を、交流電源１及び負荷２の接続部分とＡＣリアクトル６との間に電流検出器１１を、電力変換器４と蓄電池５との間に電流検出器１４を、電力変換器４と直流負荷３との間に電流検出器１２を接続し、これら電流検出器１１〜１４での検出電流値を制御回路９に入力する。更に、ＡＣリアクトル６に交流電圧検出器１０を接続すると共に、電力変換器４と直流負荷３との間に直流電圧検出器８を接続して、交流電圧検出器１０での検出交流電圧値と、直流電圧検出器８での検出直流電圧値とを制御回路９に入力し、この制御回路９がＧＤＵ７を介して電力変換器４を制御するようになっている。

また、特許文献１では、上記の直流負荷３がない場合の交流電源システムを実現するために、図７に示すように、制御回路９において、電流検出器１３により検出した負荷電流と交流電圧検出器１０により検出した連系点電圧を負荷電流変動分含有信号発生回路２０に入力して、負荷２の変動を補償する交流電流指令の信号を得る。
なお、図７は特許文献１に記載の等価図面であるが、図６との対応部分には同一符号を付した。図７において上記の他、符号１５は直流電圧指令、１７は蓄積電力制御指令発生回路、１８は直流電圧調節器、１９はローパスフィルタ（ＬＰＦ）、２１は正弦波発生回路、３７は電流調節器である。

この特許文献１では、蓄電池５の電圧制御を行うため、直流電圧検出器８で蓄電池５の電圧を検出し、また、電流検出器１４で蓄電池５に流れる電流を検出して、蓄積電力制御指令発生回路１７に入力する。この蓄積電力制御指令発生回路１７では、蓄電池５が負荷２の有効電力変動を吸収又は放出できるように満充電しないレベルに維持するために制御するようになっている。

更には、負荷変動補償と直流電圧調節は千渉することがあるので、直流電圧指令１５と直流電圧検出器８の検出直流電圧との偏差を入力した直流電圧調節器１８の出力信号にはＬＰＦ１９で濾波することにより急峻な応答をしないようにしてある。
また、直流電流制御回路１６では、蓄電池５の充電電流が大きい時に、ある一定値に制限を加える機能を有する。

そして、直流電流制御回路１６と、蓄積電力制御指令発生回路１７と、ＬＰＦ１９を介した直流電圧調節器１８の出力信号を正弦波発生回路２１に入力することで、有効電流となる交流電流指令を発生し、この交流電流指令を負荷電流変動分含有信号発生回路２０の出力信号に加算して交流電流指令とし、電流検出器１１で検出した変換器出力電流との偏差を電流調節器３７に入力する。この電流調節器３７の出力信号をＰＷＭ信号発生回路２２に入力してＰＷＭ信号を発生させ、このＰＷＭ信号をＧＤＵ７に入力することで、電力変換器４を制御する。
特開２００３−１１１４２６号公報

しかし、上記特許文献１においては、負荷電流変動補償と直流電圧調節との干渉を避けるため、ＬＰＦ１９で直流電圧調節器１８の応答を遅らせていたが、これでは系統外乱などで所定の有効電流が電力変換器４に流れなかった場合、直流電圧の上昇又は低下を招き、交流電源システムが停止に至るという問題がある。
また、電力変換器４の直流側に直流負荷３を接続する場合、負荷３の変動分を蓄電池５から供給すると共に、直流電圧のベース分を直流電圧調節器１８で補償することにより、交流電源１から供給するが、直流電圧調節器１８の応答が遅いと、蓄電池５の過充電や電圧低下を招き、また応答が速いと発電機の周波数が安定しないという問題がある。

本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、直流電圧調節と負荷変動分補償とが千渉することなく安定に動作させることができ、また、直流負荷の負荷急変や交流電源の急変による直流電圧増加や減少に速やかに対処することができ、これによって信頼性の高い交流電源システムを提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明の請求項１による交流電源システムは、負荷変動に対して比較的に大きな遅れを持って応答する特性を有する交流電源から負荷に交流電力を供給し、この際の負荷変動を補償するために前記交流電源に並列接続した蓄電池の直流電力を交流電力に変換する電力変換器を前記交流電源と前記負荷との間に接続する交流電源システムにおいて、前記負荷変動を検出した際に、前記電力変換器の補償動作を調節する直流電圧調節値をホールドし、前記負荷変動が安定した後に前記ホールドを解除する第１の手段を備えたことを特徴とする。

この構成によれば、負荷変動が生じた際に直流電圧調節値をホールドするので、従来のように直流電圧調節の応答を遅くしなくても、直流電圧調節を負荷変動分補償と千渉することなく安定に動作させることができ、また交流電源の急変による直流電圧増加や減少に速やかに対処することができるので、信頼性の高い交流電源システムを実現することができる。

また、本発明の請求項２による交流電源システムは、請求項１において、前記電力変換器に更に蓄電池と並列に直流負荷を接続した状態で、前記直流負荷の変動を検出した際に、前記電力変換器の補償動作を調節する直流電圧調節値をホールドし、前記直流負荷の変動が安定した後に前記ホールドを解除する第２の手段を備えたことを特徴とする。
この構成によれば、直流負荷の変動が生じた際に直流電圧調節値をホールドするので、従来のように直流電圧調節の応答を遅くしなくても、直流電圧調節を負荷変動分補償と千渉することなく安定に動作させることができ、また直流負荷の急変による直流電圧増加や減少に速やかに対処することができるので、信頼性の高い交流電源システムを実現することができる。

以上説明したように本発明によれば、直流電圧調節と負荷変動分補償とが千渉することなく安定に動作させることができ、また、直流負荷の負荷急変や交流電源の急変による直流電圧増加や減少に速やかに対処することができ、これによって信頼性の高い交流電源システムを提供することができるという効果がある。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。但し、本明細書中の全図において相互に対応する部分には同一符号を付し、重複部分においては後述での説明を適時省略する。
（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る交流電源システムの制御回路の構成を示すブロック図である。
図１に示す交流電源システムの制御回路９ａの特徴は、交流負荷２の負荷電流が変動して、蓄電池５から有効電力を放出又は蓄電池５へ吸収する際に、直流電圧調節器１８の直流電圧調節値をホールドすることで、負荷変動補償と直流電圧調節の干渉を避けるようにした点にある。
但し、本制御回路９ａが用いられる交流電源システムは、図６において直流負荷３が接続されていない構成であるとする。

本特徴内容を実現するため、図１に示すように、直流電圧調節器１８の出力側を正弦波発生回路２１に直接接続し、直流電圧調節器１８の入力側に直流電圧調節器ホールド回路２３を接続した。更に、図６に示した電流検出器１３と、直流電圧調節器ホールド回路２３との間に負荷電流変動分検出回路２４を接続し、この負荷電流変動分検出回路２４に交流電圧検出器１０での検出交流電圧が入力されるようにした。
なお、従来は直流電圧調節器１８の出力側は図７に示したようにＬＰＦ１９を介して正弦波発生回路２１に接続されていた。

負荷電流変動分検出回路２４は、図２に示すように、有効電力演算回路３２と、ＬＰＦ３３と、絶対値演算回路３４と、比較器３６とを備えて構成されている。
有効電力演算回路３２によって、交流電圧検出器１０から出力される負荷電流と、電流検出器１３から出力される連系点電圧との双方から有効電力を演算する。この有効電力と、当該有効電力をＬＰＦ３３で濾波した後の値との差を負荷電力変動分として絶対値演算回路３４に入力し、ここで、負荷電力変動分の絶対値を求め、比較器３６へ出力する。そして、比較器３６において、負荷電力変動分の絶対値が予め定められた判定値３５よりも大きい時は、直流電圧調節器ホールド信号２９を「１」として直流電圧調節器ホールド回路２３へ出力する。

直流電圧調節器ホールド回路２３は、図３に示すように、上限リミッタ３０と、前回値メモリ回路３１と、インバータ回路４１と、乗算器４２，４３とを備えて構成されている。
直流電圧調節器ホールド信号２９が「１」の時は、この「１」がインバータ回路４１で反転されて「０」となり、この「０」が乗算器４２で上限リミッタ３０からの値に乗算され、この結果、「０」が乗算器４３へ入力されるので、乗算器４３では直流電圧偏差２７に常時「０」がかけられる。この「０」が直流電圧調節器１８へ入力されるので、この時、直流電圧調節器１８の直流電圧調節値はホールドされる。

この逆に直流電圧調節器ホールド信号２９が「０」になると、乗算器４２には「１」が入力されるので、予め設定されるホールド解除速度設定値２８のある定数が、前回値メモリ回路３１に格納された値に加算され、この加算により増加する値が上限リミッタ３０を介して乗算器４２を介して乗算器４３へ入力され、ここで直流電圧偏差２７に乗算され、この乗算値が直流電圧調節器１８へ出力される。また、乗算値は、上限リミッタ３０で「１」に制限されるので、直流電圧偏差２７が増幅されることはない。
そして、乗算値が入力された直流電圧調節器１８の出力信号が正弦波発生回路２１に入力されることで、有効電流となる交流電流指令が発生され、以降従来例と同様に電力変換器４が制御される。

このように第１の実施の形態によれば、交流負荷２の負荷電流が変動して、蓄電池５から有効電力を放出又は蓄電池５へ吸収する際に、第１の手段を構成する負荷電流変動分検出回路２４及び直流電圧調節器ホールド回路２３によって、直流電圧調節器１８の直流電圧調節値をホールドし、負荷電流の変動が安定した際にホールドを解除するようにした。なお、負荷電流変動分検出回路２４及び直流電圧調節器ホールド回路２３によって第１の手段が構成されている。

つまり、直流電圧調節値をホールドするためのホールド信号２９を設けることで、従来のように直流電圧調節器１８の応答を遅くしなくても、直流電圧調節器１８を負荷変動分補償と千渉することなく安定に動作させることができ、また交流電源１の急変による直流電圧増加や減少に速やかに対処することができるので、信頼性の高い交流電源システムを実現することができる。

（第２の実施の形態）
図４は、本発明の第２の実施の形態に係る交流電源システムの制御回路の構成を示すブロック図である。
図４に示す本実施の形態の制御回路９ｂが用いられる交流電源システムは、図６に示す通り直流負荷３が接続された構成であるとする。本制御回路９ｂの特徴は、図１に示した制御回路９ａの構成内容に、直流負荷電流変動分抽出回路２５及びホールド信号生成回路２６を追加した点にある。

直流負荷電流変動分抽出回路２５は、図５に示すように、ＬＰＦ３３と、絶対値演算回路３４と、比較器３６とを備えて構成されている。直流負荷電流変動分抽出回路２５に、電流検出器１２で検出された直流負荷電流が入力されると、この直流負荷電流と、当該直流負荷電流をＬＰＦ３３で濾波した後の値との差を直流負荷電流変動分として絶対値演算回路３４に入力し、ここで、変動分の絶対値を求め、比較器３６へ出力する。そして、比較器３６において、直流負荷電流変動分の絶対値が予め定められた判定値３５よりも大きい時は、直流電圧調節器ホールド信号２９ａを「１」としてホールド信号生成回路２６へ出力する。

ホールド信号生成回路２６は論理和回路であり、直流電圧調節器ホールド信号２９ａと、負荷電流変動分検出回路２４から出力される直流電圧調節器ホールド信号２９との論理和を取り、この結果を直流電圧調節器ホールド信号２９ｂとして直流電圧調節器ホールド回路２３へ出力する。これ以降の動作は、上記第１の実施の形態で説明したと同様である。

このように第２の実施の形態によれば、直流負荷３の直流負荷電流変動分をもとに直流負荷電流変動分抽出回路２５で生成した直流電圧調節器ホールド信号２９ａと、負荷電力変動分をもとに生成した直流電圧調節器ホールド信号２９との論理和をホールド信号生成回路２６で取り、この結果を、直流電圧調節器１８のためのホールド信号２９ｂとした。なお、直流負荷電流変動分抽出回路２５及びホールド信号生成回路２６で第２の手段が構成されている。
これによって、従来のように直流電圧調節器１８の応答を遅くしなくても、直流電圧調節器１８を負荷変動分補償と千渉することなく安定に動作させることができ、また、直流負荷３の負荷急変による直流電圧増加や減少に速やかに対処できるので、信頼性の高い電源システムを実現することができる。

本発明の第１の実施の形態に係る交流電源システムの制御回路の構成を示すブロック図である。第１の実施の形態の交流電源システムの制御回路における負荷電流変動分検出回路の構成を示すブロック図である。第１の実施の形態の交流電源システムの制御回路における直流電圧調節器ホールド回路の構成を示すブロック図である。本発明の第２の実施の形態に係る交流電源システムの制御回路の構成を示すブロック図である。第２の実施の形態の交流電源システムの制御回路における直流負荷電流変動分抽出回路の構成を示すブロック図である。第１又は第２の実施の形態の制御回路或いは従来の制御回路が用いられる交流電源システムの構成を示すブロック図である。従来の交流電源システムの制御回路の構成を示すブロック図である。

符号の説明

１発電機
２交流負荷
３直流負荷
４電力変換器
５直流電源
６ＡＣリアクトル
７ゲートドライブユニット
８直流電圧検出器
９制御回路
１０交流電圧検出器
１１電流検出器
１２電流検出器
１３電流検出器
１４電流検出器
１５直流電圧指令
１６直流電流制御回路
１７蓄積電力制御指令発生回路
１８直流電圧調節器
１９ローパスフィルタ
２０負荷電流変動分含有信号発生回路
２１正弦波発生回路
２２ＰＷＭ信号発生回路
２３直流電圧調節器ホールド回路
２４負荷電流変動分検出回路
２５直流負荷電流変動分抽出回路
２６ホールド信号生成回路
２７直流電圧偏差
２８ホールド解除速度設定値
２９，２９ａ，２９ｂ直流電圧調節器ホールド信号
３０上限リミッタ
３１前回値メモリ回路
３２有効電力演算回路
３３ローパスフィルタ
３４絶対値演算回路
３５変動分判定値
３６比較器
３７電流調節器
４１インバータ回路
４２，４３乗算器

Claims

負荷変動に対して比較的に大きな遅れを持って応答する特性を有する交流電源から負荷に交流電力を供給し、この際の負荷変動を補償するために前記交流電源に並列接続した蓄電池の直流電力を交流電力に変換する電力変換器を前記交流電源と前記負荷との間に接続する交流電源システムにおいて、
前記負荷変動を検出した際に、前記電力変換器の補償動作を調節する直流電圧調節値をホールドし、前記負荷変動が安定した後に前記ホールドを解除する第１の手段
を備えたことを特徴とする交流電源システム。
前記電力変換器に更に蓄電池と並列に直流負荷を接続した際に、前記直流負荷の変動を検出した際に、前記電力変換器の補償動作を調節する直流電圧調節値をホールドし、前記直流負荷の変動が安定した後に前記ホールドを解除する第２の手段
を備えたことを特徴とする請求項１に記載の交流電源システム。