JP4893486B2 - 電力補償システム - Google Patents

Description

本発明は、３相交流電力系統の電力補償を行うシステムに関する。

従来、無効電力を補償する無効電力補償装置が知られている（特許文献１参照）。

特開２００６−８１２８５号公報

しかしながら、従来の無効電力補償装置は、３相交流電力系統に接続された３相電力機器によって、無効電力を補償するものであり、３相交流電力系統の各相間に接続された充放電制御装置を利用して無効電力を補償することはできなかった。

本発明による電力補償システムは、３相交流電力系統上の無効電力を補償するための補償電流指令値および高調波電流を補償するための補償電流指令値の少なくとも一方の補償電流指令値を演算して、相間電流指令値に変換し、変換した相間電流指令値に基づいて、３相交流電力系統のＵ相−Ｖ相間に接続される第１の充放電制御手段、Ｖ相−Ｗ相間に接続される第２の充放電制御手段、および、Ｗ相−Ｖ相間に接続される第３の充放電制御手段は、それぞれ接続されている蓄電装置に蓄えられている電力を３相交流電力系統へ放電することを特徴とする。

本発明による電力補償システムによれば、３相交流電力系統の各相間に接続された充放電制御装置を利用して、無効電力および高調波電流の少なくとも一方を補償することができる。

３相交流電力系統において、３相電力機器により、無効電力補償および高調波電流補償を行うシステムが知られている。一実施の形態における電力補償システムでは、３相電力機器ではなく、単相電力変換機器を利用して、無効電力補償および高調波電力補償を行う。以下では、単相電力変換機器として、電気自動車を充電するための充電器を例に挙げて説明する。

図１は、一実施の形態における電力補償システムの全体構成を示す図である。一般的に、各家庭には、３相送電線のうちの２相の電気が単相交流電流として給電されている。図１では、３．３ｋＶの電圧を柱上変圧器で２００Ｖに変換（Ｙ−Δ変換）して、各家庭に供給する例を示している。図１では、Ｖ−Ｗ相に充電器１が接続され、Ｕ−Ｖ相に充電器２が接続され、Ｖ−Ｗ相に充電器３が接続されている。なお、図１では、３つの充電器１〜３しか示していないが、実際には、多数の充電器が接続されている。電気自動車４〜６はそれぞれ、充電器１〜３と接続されることにより、バッテリの充電を行うことができる。

中央制御装置１０は、各充電器１〜３と通信線１１〜１３を介して通信を行い、各種情報のやり取りを行う。各種情報には、各充電器１〜３で検出される相電流および相間電圧が少なくとも含まれる。また、中央制御装置１０は、既知の方法により、３相交流電力系統上の無効電力を補償するための指令値Ｉudc^*，Ｉvdc^*，Ｉwdc^*とともに、高調波電流を補償するための指令値Ｉuac^*，Ｉvac^*，Ｉwac^*を算出し、算出した指令値を各充電器１〜３に送信する。

中央制御装置１０が無効電力を補償するための指令値Ｉudc^*，Ｉvdc^*，Ｉwdc^*、および、高調波電流を補償するための指令値Ｉuac^*，Ｉvac^*，Ｉwac^*を算出する方法を以下で説明する。

３相交流座標系におけるＵ相，Ｖ相，Ｗ相の電圧Ｅｕ，Ｅｖ，Ｅｗをαβ軸上の電圧Ｅα，Ｅβに３相／２相変換すると、次式（１）で表される。また、Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相に流れる電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗをαβ軸上の電流ＩＬα，ＩＬβに３相／２相変換すると、次式（２）で表される。３相の相電圧Ｅｕ，Ｅｖ，Ｅｗ、および、相電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗは、充電器１〜３によって検出されて、中央制御装置１０に送信されてくる。

ただし、

式（１）により求められる電圧Ｅα，Ｅβと、式（２）により求められる電流ＩＬα，ＩＬβとに基づいて、３相負荷回路の瞬時実電力ＰＬと、瞬時虚電力ＱＬとを、次式（４）にて定義する。

瞬時実電力ＰＬおよび瞬時虚電力ＱＬを、例えば、ハイパスフィルタに通すことにより、次式（５），（６）に示すように、直流分ＰＬｄ・Ｃ，ＱＬｄ・Ｃと、交流分ＰＬａ・Ｃ，ＱＬａ・Ｃとに分解することができる。ただし、Ｃは、式（３）に示す３相／２相変換行列である。
ＰＬ＝ＰＬｄ・Ｃ＋ＰＬａ・Ｃ （５）
ＱＬ＝ＱＬｄ・Ｃ＋ＱＬａ・Ｃ （６）

式（５）において、右辺第１項は、瞬時有効電力の基本波成分を表し、右辺第２項は、瞬時有効電力の高調波成分を表している。また、式（６）において、右辺第１項は、瞬時無効電力の基本波成分を表し、右辺第２項は、瞬時無効電力の高調波成分を表している。従って、瞬時有効電力の高調波成分を打ち消すための指令信号Ｐ^*、および、瞬時無効電力を打ち消すための指令信号Ｑ^*は、それぞれ、次式（７），（８）にて表される。
Ｐ^*＝−ＰＬａＣ （７）
Ｑ^*＝−ＱＬｄＣ−ＱＬａＣ （８）

さらに、次式（９），（１０），（１１）に基づいて、電流指令信号Ｉｕ^*，Ｉｖ^*，Ｉｗ^*を求める。なお、式（１０），（１１）における［Ｃ］^-1は、［Ｃ］の逆変換行列を表す。

ただし、

式（９），（１０）において、ａｃと添え字のある電流指令値は高調波電流を補償するための成分であり、ｄｃと添え字のある電流指令値は、無効電力を補償するための成分である。従って、式（１０）は、次式（１２）に書き換えることができる。

式（１２）においても、ａｃと添え字のある電流指令値は高調波電流を補償するための成分であり、ｄｃと添え字のある電流指令値は、無効電力を補償するための成分である。

一実施の形態における電力補償システムでは、電力系統のユーザエンド側に位置している電気自動車の充電器を利用して、無効電力の補償、および、高調波電流の補償を行う。式（１２）で表される電流指令値は、３相の電流指令値であるため、Ｙ−Δ変換によって、充電器１〜３に指令を出すための相間電流指令値に変換する。以下では、式（１２）で表される高調波電流を補償するための指令値をＹ−Δ変換した後の指令値をＩac^*、式（１２）で表される無効電力を補償するための指令値をＹ−Δ変換した後の指令値をＩdc^*と表す。

続いて、中央制御装置１０で演算された指令値Ｉac^*，Ｉdc^*に基づいて、充電器１〜３側で行われる処理について説明する。以下では、充電器１で行われる処理を取り上げて説明するが、充電器２，３で行われる処理についても同様である。

図２は、充電器１の内部で行われる処理機能を説明するためのブロック図である。充電器１は、充放電電力指令演算回路２１と、電流指令値演算回路２２と、電流制御回路２３と、スイッチ制御回路２４とを備える。充放電電力指令演算回路２１は、既知の方法に基づいて、充放電電力指令値Ｐdc^*を求める。例えば、図示しない電圧センサによって検出される直流側電圧Ｖdc、および、充放電スケジュールに基づいて、充放電電力指令値Ｐdc^*を求める。なお、充放電電力指令値Ｐdc^*は、充電時にプラスの値、放電時にマイナスの値となる。

なお、各充電器１〜３は、単相交流電力を直流電力に変換して、接続されている電気自動車４〜６に電力を供給する。すなわち、直流側電圧Ｖdcとは、直流電力に変換後の電圧である。また、後述する交流側単相電圧Ｖacとは、直流電力に変換する前の電圧であり、交流側電流Ｉacも、直流に変換する前の電流である。

電流指令値演算回路２２は、充放電電力指令演算回路２１によって演算された充放電電力指令値Ｐdc^*を充放電電流指令値に変換する。図示しない電圧センサによって検出される交流側単相電圧Ｖacの基本波のＲＭＳ（実効値）をＶrmsとすると、電流実効値Ｉrmsは、Ｉrms＝Ｐdc／Ｖrmsと表されるので、充放電電力指令値Ｐdc^*に応じた充放電電流指令値Ｉpdc^*は、次式（１３）で表される。
Ｉpdc^*＝Ｉrms・Ｖac／Ｖrms （１３）

電流指令値演算回路２２は、式（１３）により求めた充放電電流指令値Ｉpdc^*と、中央制御装置１０で演算された高調波電流指令値Ｉac^*および無効電力補償指令値Ｉdc^*とを加算することにより、単相電流指令値Ｉacref^*を求める。単相電流指令値Ｉacref^*は、バッテリ充電時にプラスの値、バッテリ放電時にマイナスの値となる。

電流制御回路２３は、図示しない電流センサによって検出される交流側電流Ｉac、交流側単相電圧Ｖac、直流側単相電圧Ｖdc、および、電流指令値演算回路２２で求められた単相電流指令値Ｉacref^*に基づいて、既知の方法により、単相電圧指令値Ｖref^*を求める。既知の方法には、例えば、比例積分制御を利用する方法（次式（１４）参照）や、直流側単相電圧Ｖdcをフィードフォワード補償する方法（次式（１５）参照）などがある。
Ｖref^*＝Ｋ１｛Ｉacref^*−Ｉac｝ （１４）
Ｖref^*＝Ｋ２｛Ｉacref^*−Ｉac｝＋Ｖdc （１５）
ただし、式（１４）におけるＫ１、および、式（１５）におけるＫ２は、所定の係数である。

図３は、充電器１の詳細な構造を示す図である。図３において、バッテリ５０は、充電器１に接続されている電気自動車４に搭載されており、電気自動車４の車両駆動用モータ（不図示）に電力を供給するためのバッテリである。充電器１は、既知のフルブリッジ変換器構成となっており、リアクトル３１と、スイッチング素子３２〜３５と、ダイオード３６〜３９と、コンデンサ４０とを備える。

図２のスイッチ制御回路２４は、電流制御回路２３で演算された単相電圧指令値Ｖref^*と、直流側単相電圧Ｖdcとに基づいて、各スイッチング素子３２〜３５のデューティ指令値を求めて、各スイッチング素子３２〜３５をオン／オフするための指令信号を出力する。各スイッチング素子３２〜３５は、指令信号に基づいて、オン／オフする。これにより、交流電力を直流電力に変換して、バッテリ５０を充電することができ、また、バッテリ５０の直流電力を交流電力に変換して、交流送電線に放出することができる。

上述したように、電流指令値演算回路２２は、充放電電力指令演算回路２１によって演算された充放電電力指令値Ｐdc^*を変換して得られる充放電電流指令値Ｉpdc^*に対して、中央制御装置１０で演算された高調波電流指令値Ｉac^*および無効電力補償指令値Ｉdc^*を加算することにより、単相電流指令値Ｉacref^*を求めている。すなわち、各充電器１〜３は、指令値に基づいて、接続されている電気自動車４〜６のバッテリの電力を３相交流送電線に放出することによって、３相交流電力系統における無効電力の補償（低減）、および、高調波電流の補償（低減）を行う。

図４は、一実施の形態における電力補償システムによって行われる処理の手順を示すフローチャートである。ステップＳ１０からステップＳ３０の処理は、中央制御装置１０で行われ、ステップＳ４０の処理は、充電器１〜３によって行われる。

ステップＳ１０では、３相交流電力系統上の高調波電流指令値Ｉac^*および無効電力補償指令値Ｉdc^*を求めて、ステップＳ２０に進む。ステップＳ２０では、３相交流送電線に接続されている。電気自動車のバッテリのうち、指令値に応じた電力の放電を行うことができる充電器を検出する。この判定は、例えば、充電器が３相交流送電線に接続されているか否か、充電器に電気自動車が接続されているか否か、電気自動車のバッテリが所定電圧以上であるか否かに基づいて行う。これらの情報は、通信線を介して、各充電器から取得する。ここでは、説明を容易にするために、充電器１〜３の３つの充電器のみが検出されたものとして説明を続ける。

ステップＳ２０に続くステップＳ３０では、ステップＳ２０で検出した充電器１〜３に対して、通信線１１〜１３を介して、ステップＳ１０で算出した高調波電流指令値Ｉac^*および無効電力補償指令値Ｉdc^*を送信する。

ステップＳ４０において、各充電器１〜３は、中央制御装置１０から受信した高調波電流指令値Ｉac^*および無効電力補償指令値Ｉdc^*に基づいて、単相電圧指令値Ｖref^*を求め、求めた単相電圧指令値Ｖref^*と、直流側単相電圧Ｖdcとに基づいて、充電器内部のスイッチング素子のオン／オフを制御することにより、接続されている電気自動車のバッテリから、３相交流送電線への放電を行う。これにより、３相交流電力系統における無効電力の補償（低減）、および、高調波電流の補償（低減）を行うことができる。

一実施の形態における電力補償システムによれば、３相交流電力系統上の無効電力を補償するための補償電流指令値および高調波電流を補償するための補償電流指令値を演算して、相間電流指令値に変換し、変換した相間電流指令値に基づいて、３相交流電力系統のＵ相−Ｖ相間に接続される第１の充電器２、Ｖ相−Ｗ相間に接続される第２の充電器３、および、Ｗ相−Ｖ相間に接続される第３の充電器１は、それぞれ接続されている蓄電装置（バッテリ）に蓄えられている電力を３相交流電力系統へ放電する。これにより、３相交流電力系統の各相間に接続された充電器１〜３を利用して、無効電力および高調波電流を補償することができる。また、無効電力を補償すると、電気料金の返金があるシステムの下では、無効電力を補償することによって、電気料金の返金が期待できる。

本発明は、上述した一実施の形態に限定されることはない。例えば、式（８）では、力率を１とするための指令信号Ｑ^*、すなわち、瞬時無効電力を完全に打ち消すための指令信号Ｑ^*を示したが、力率は任意の値に設定することができる。図５は、皮相電力Ｐ１および有効電力Ｗと、補償すべき無効電力Ｑ’との関係を示すベクトル図である。電力補償前の力率をcosφ1、電力補償後の力率をcosφ2とすると、補償すべき無効電力Ｑ’は、次式（１６）にて表される。なお、電力補償後の力率cosφ2は、例えば、0.95〜1.0の間の数値を設定する。

上式（１６）より、補償すべき無効電力Ｑ’を求めると、Ｑ’を補償するための指令信号Ｑ^*は、次式（１７）にて表される。
Ｑ^*＝−ＱＬｄＣ−Ｑ’ＬａＣ （１７）

図４に示すフローチャートでは、ステップＳ１０において、充電器１〜３の３つの充電器のみが検出されたものとして説明したが、実際には、複数の充電器が検出されることが予想される。この場合、中央制御装置１０は、Ｕ−Ｖ相、Ｖ−Ｗ相、Ｗ−Ｕ相間にそれぞれ接続されている充電器を１つずつ選択し、選択した充電器に対して、高調波電流指令値Ｉac^*および無効電力補償指令値Ｉdc^*を送信することができる。充電器の選択方法としては、様々な方法が考えられるが、例えば、充電器に接続されている電気自動車のバッテリ電圧が最も高いものを選択する。

また、図４に示すフローチャートのステップＳ１０において、複数の充電器が検出された場合に、Ｕ−Ｖ相、Ｖ−Ｗ相、Ｗ−Ｕ相間にそれぞれ接続されている充電器を任意の数だけ選択し、選択した数に応じて、演算した高調波電流指令値Ｉac^*および無効電力補償指令値Ｉdc^*を分配して、選択した充電器に送信することもできる。例えば、Ｕ−Ｖ相、Ｖ−Ｗ相、Ｗ−Ｕ相間に接続されている充電器をそれぞれ２つ選択した場合、演算により求めた高調波電流指令値Ｉac^*および無効電力補償指令値Ｉdc^*を２で割った電流指令値を、選択した充電器（計６つ）に送信する。この場合、中央制御装置１０から電流指令値を受信した６つの充電器は、受信した電流指令値に基づいた電流を、３相交流電力系統へ放電する。なお、選択する充電器の数は、Ｕ−Ｖ相、Ｖ−Ｗ相、Ｗ−Ｕ相によって異なっていてもよい。すなわち、高調波電流指令値Ｉac^*および無効電力補償指令値Ｉdc^*に基づいた補償電力を、バッテリから３相交流電力系統に戻すことができればよいので、補償電力を供給するバッテリは１つに限られることはなく、複数であってもよい。

上述した一実施の形態における電力補償システムでは、中央制御装置１０が高調波電流指令値Ｉac^*および無効電力補償指令値Ｉdc^*を求めて、充電器に送信した。しかし、３相交流電力系統のＵ−Ｖ相、Ｖ−Ｗ相、Ｗ−Ｕ相間に接続されている各充電器がそれぞれ高調波電流指令値Ｉac^*および無効電力補償指令値Ｉdc^*を求めるようにしてもよい。すなわち、各充電器間で通信を行うことにより、相電流および相間電圧を取得して、高調波電流指令値Ｉac^*および無効電力補償指令値Ｉdc^*を演算する。演算方法は、中央制御装置１０が行う演算方法と同じであるため、詳しい説明は省略する。

上述した一実施の形態における電力補償システムでは、充電器１〜３が３相交流電力系統の相間電圧および相電流を検出して、中央制御装置１０に送信したが、中央制御装置１０自身が相間電圧および相電流を検出してもよい。

上述した一実施の形態では、中央制御装置１０が高調波電流指令値Ｉac^*および無効電力補償指令値Ｉdc^*をそれぞれ求めて、充電器１〜３に送信したが、高調波電流指令値Ｉac^*のみを求めて送信してもよいし、無効電力補償指令値Ｉdc^*のみを求めて送信してもよい。

充放電制御装置である充電器１〜３は、電気自動車のバッテリの充電を行うものとして説明したが、他の蓄電装置の充放電を制御するものであってもよい。

特許請求の範囲の構成要素と一実施の形態の構成要素との対応関係は次の通りである。すなわち、中央制御装置１０が補償電流指令値演算手段、電流指令値変換手段、電流指令値送信手段、および、検出手段を、充電器２が第１の充放電制御手段を、充電器３が第２の充放電制御手段を、充電器１が第３の充放電制御手段をそれぞれ構成する。なお、以上の説明はあくまで一例であり、発明を解釈する上で、上記の実施形態の構成要素と本発明の構成要素との対応関係に何ら限定されるものではない。

一実施の形態における電力補償システムの全体構成を示す図 充電器の内部で行われる処理機能を説明するためのブロック図 充電器の詳細な構造を示す図 一実施の形態における電力補償システムによって行われる処理の手順を示すフローチャート 皮相電力Ｐ１および有効電力Ｗと、補償すべき無効電力Ｑ’との関係を示すベクトル図

符号の説明

１〜３…充電器、４〜６…電気自動車、１０…中央制御装置、１１〜１３…通信線、２１…充電電力指令演算回路、２２…電流指令値演算回路、２３…電流制御回路、２４…スイッチ制御回路

Claims (6)

1. ３相交流電力系統のＵ相およびＶ相の間に接続される第１の充放電制御手段と、
   前記３相交流電力系統のＶ相およびＷ相の間に接続される第２の充放電制御手段と、
   前記３相交流電力系統のＷ相およびＶ相の間に接続される第３の充放電制御手段と、
   前記３相交流電力系統上の無効電力を補償するための補償電流指令値および前記３相交流電力系統上の高調波電流を補償するための補償電流指令値の少なくとも一方の補償電流指令値を演算する補償電流指令値演算手段と、
   前記補償電流指令値演算手段によって演算された３相交流電力系統上の補償電流指令値を相間電流指令値に変換する電流指令値変換手段と、
   前記電流指令値変換手段によって変換された相間電流指令値を前記第１の充放電制御手段、前記第２の充放電制御手段、および、前記第３の充放電制御手段に送信する電流指令値送信手段とを備え、
   前記第１の充放電制御手段、前記第２の充放電制御手段、および、前記第３の充放電制御手段は、前記電流指令値送信手段によって送信された相間電流指令値に基づいて、それぞれ接続されている蓄電装置に蓄えられている電力を前記３相交流電力系統へ放電することを特徴とする電力補償システム。
2. 請求項１に記載の電力補償システムにおいて、
   電力補償を行うことのできる複数の充放電制御手段を検出する検出手段をさらに備え、
   前記電流指令値送信手段は、前記検出手段によって検出された複数の充放電制御手段のうち、前記第１の充放電制御手段、前記第２の充放電制御手段、および、前記第３の充放電制御手段をそれぞれ１つ選択して、前記相間電流指令値を送信することを特徴とする電力補償システム。
3. 請求項１に記載の電力補償システムにおいて、
   電力補償を行うことのできる複数の充放電制御手段を検出する検出手段をさらに備え、
   前記電流指令値送信手段は、前記検出手段によって検出された複数の充放電制御手段のうち、前記第１の充放電制御手段、前記第２の充放電制御手段、および、前記第３の充放電制御手段を任意の数だけ選択し、前記電流指令値変換手段によって変換された相間電流指令値を、選択した充放電制御手段の数に応じて分けて、選択した前記第１の充放電制御手段、前記第２の充放電制御手段、および、前記第３の充放電制御手段にそれぞれ送信することを特徴とする電力補償システム。
4. 請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の電力補償システムにおいて、
   前記補償電流指令値演算手段、前記電流指令値変換手段、および、前記電流指令値送信手段は、前記３相交流電力系統の制御を行う中央制御装置に備えられていることを特徴とする電力補償システム。
5. 請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の電力補償システムにおいて、
   前記補償電流指令値演算手段、前記電流指令値変換手段、および、前記電流指令値送信手段は、前記第１の充放電制御手段、前記第２の充放電制御手段、および、前記第３の充放電制御手段にそれぞれ備えられていることを特徴とする電力保障システム。
6. 請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の電力補償システムにおいて、
   前記第１の充放電制御手段、前記第２の充放電制御手段、および、前記第３の充放電制御手段は、電気自動車のバッテリの充放電を制御するものであることを特徴とする電力補償システム。

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