JP4959613B2 - 電力補償装置 - Google Patents

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Description

本発明は、電力系統の瞬低補償や負荷平準化を行なうために電力貯蔵装置を備えた電力補償装置に関する。
マルチセル電力補償装置として、本発明者らによる特願2005−217130号(特許文献1参照。)が開発されている。マルチセル電力補償装置は、各セル内に電力貯蔵部(超電導コイルやフライホイール等)が設けられており、これらの電力貯蔵装置を集合して動作させることにより、大規模な電力補償装置としている。
特開2007−37290号
マルチセル電力補償装置は、電力系統との電力授受時に、各セルへの電力授受はほぼ同一となる。しかしながら、各セルの個体差により電力貯蔵量にアンバランスが生ずると、マルチセル電力補償装置の電力補償時に最も条件の悪いセルに合わせて動作させる必要がある。このため、他のセルの貯蔵電力を有効利用できなくなるという問題がある。これは特に連続運転において問題となり、この差を補償する必要がある。
なお、装置起動の初期時に各セル内の電力貯蔵量が同一であっても、電力貯蔵部の損失差や各セルの変換器部分の損失差により、いずれアンバランス状態となる。
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、各セルの貯蔵電力差を補償して利用率を向上することができる、電力補償装置を提供することを目的とする。
本発明は、三相の電力系統の電力補償を行なう電力補償装置において、補償する電力を貯蔵する電力貯蔵部と、該電力貯蔵部の充放電を行なって単相電力と直流電力との変換を行なう単相インバータと、を有するセルパワーモジュールを、電力系統の各相に対してN台(Nは2台以上の整数)設置することで、3N台の該セルパワーモジュールを備え、電力系統の各相毎に設置されたN台のセルパワーモジュールの単相インバータの単相電力側を直列に接続すると共に、単相インバータの直流電力側に電力貯蔵部を接続して構成され、各相の線間電圧が平衡を保つように各相単位での電力制御を行なう相間電力制御部と、各相内での各セルパワーモジュール電力の割合を制御する相内電力制御部とを備えたことを特徴とする。
これにより、相間電力制御部により相単位で通過電力を制御し、線間電圧について三相平衡を維持する。そして相内電力制御部によって、各相内の電力貯蔵装置の貯蔵容量総和に応じて、各相の通過電力量を調整することにより相単位の通過電力制御を実施する。これにより各セルパワーモジュールの出力電圧割合を調整し、アンバランスを補正する。
なお、各相に対して直列に接続されたN台のセルパワーモジュールにおいて一方の端部に配置されたセルパワーモジュール同士の単相インバータを接続して中性点とすることで、3N台のセルパワーモジュールによってY結線接続を形成するものとしてもよい。
相内電力制御部は、一つの相におけるセルパワーモジュールの通過電力総和を保ちつつ、該相内での貯蔵電力量が最大のセルパワーモジュールと、同貯蔵電力量が最小のセルパワーモジュールとに対する通過電力の割合を補正するものとしてもよい。これにより、各セル内の電力貯蔵量のアンバランス量に応じて、貯蔵電力量が最大のセルパワーモジュールにより最小のセルパワーモジュールの貯蔵電力量を補うことにより、電力貯蔵量のアンバランスを補正する。これにより、セル数が増加しても対応できる。
また、電力貯蔵部としては超電導コイルを用いることができる。この場合、相間電力制御部は、電力貯蔵部による電力貯蔵量の差を、セルパワーモジュール内の電流差により判定することができる。
また、本発明は、N=1とした場合の電力補償装置においても適用することが可能である。すなわち、三相の電力系統の電力補償を行なう電力補償装置において、補償する電力を貯蔵する電力貯蔵部と、電力貯蔵部の充放電を行なって単相電力と直流電力との変換を行なう単相インバータと、を有するセルパワーモジュールを電力系統の各相に対して設置し、電力系統の各相毎に設置されたセルパワーモジュールの単相インバータの単相電力側を直列に接続すると共に、単相インバータの直流電力側に電力貯蔵部を接続して構成され、各相の線間電圧が平衡を保つように各相単位での電力制御を行なう相間電力制御部と、各相内での各セルパワーモジュール電力の割合を制御する相内電力制御部とを備えたことを特徴とすることができる。
本発明の電力補償装置によれば、電力貯蔵装置やセル部電力変換器に効率差があっても、各セル内の電力貯蔵量のアンバランスが補正されるため、セルの電力貯蔵部を有効利用することができ、利用率を向上させることができる。
図1は、本実施形態における電力補償装置の全体構成を示すブロック図である。図2は同電力補償装置のセル部分間の接続を模式的に示したブロック図である。
図1、図2に示すように、本実施形態の電力補償装置は、位相差が120度となるU相、V相、W相をY結線で接続したもので、U相、V相、W相それぞれに直列に接続されたセルパワーモジュール(以下、単にセルと呼ぶ場合がある)U1〜U4,V1〜V4,W1〜W4によって構成される。すなわち、セルパワーモジュールU1,V1,W1それぞれが中性点Nで接続され、セルパワーモジュールU1〜U4それぞれが直列に、セルパワーモジュールV1〜V4それぞれが直列に、セルパワーモジュールW1〜W4それぞれが直列に接続され、セルパワーモジュールU4,V4,W4それぞれが電力系統のU相、V相、W相に接続される。
セルパワーモジュールU1〜U4,V1〜V4,W1〜W4それぞれが、図3のように構成される。図3に示すセルパワーモジュールU1〜U4は、超電導コイル(電力貯蔵部)2と、超電導コイル2からの直流電力を単相交流電力に変換して出力すると共に外部からの交流電力を直流電力に変換して超電導コイル2に与える単相インバータ4とを備える。なお、セルパワーモジュールV1〜V4,W1〜W4も同様の構成である。また、このような電力補償装置に使用される電力貯蔵部として、超電導コイルではなくフライホイールにより電力を貯蔵するシステムもある。
図4に示したように、単相インバータ4は、超電導コイル2側にコレクタが接続されたIGBT素子Ta1,Tb1と、超電導コイル2側にエミッタが接続されたIGBT素子Ta2,Tb2と、超電導コイル2側にカソードが接続されたダイオードDa1、Db1と、超電導コイル2側にアノードが接続されたダイオードDa2、Db2と、を備える。そして、この単相インバータ4において、IGBT素子Ta1のエミッタ及びIGBT素子Ta2のコレクタとダイオードDa1のアノード及びダイオードDa2のカソードが接続されて一方の出力端子O1となるとともに、IGBT素子Tb1のエミッタ及びIGBT素子Tb2のコレクタとダイオードDb1のアノード及びダイオードDb2のカソードが接続されて他方の出力端子O2となる。
また、ダイオードDa1,Db1,Da2,Db2が、単相インバータ4による電力系統に対する入出力が切り替わるときに発生する電流を流すための還流ダイオードとして動作する。さらに、IGBT素子Ta1,Tb1、Ta2,Tb2のゲートに与えられる制御信号を制御することによって、電力系統に流れる電流及び超電導コイル2に与える電流量を制限する。これにより、単相インバータ4からの過電流を制限することができる。
このように接続されるとき、IGBT素子Ta1,Ta2,Tb1,Tb2それぞれのゲートに与える制御信号を制御することによって、単相交流の電力を出力する。このとき、U相、V相、W相それぞれに設置されるセルパワーモジュールU1〜U4,V1〜V4,W1〜W4における単相インバータ4におけるIGBT素子Ta1,Ta2,Tb1,Tb2を直列多重PWM(Pulse Width Modulation)制御で動作することで、各相を単相交流とすることができる。また、IGBT素子Ta1,Tb2,Tb1,Tb2それぞれのゲートに与える制御信号を制御することによって、出力端子O1,O2に接続された電力系統からの交流電力が直流電力に変換されて超電導コイル2に出力される。
なお、直列多重PWM制御について、U相を構成するセルパワーモジュールU1〜U4を例に挙げて、以下に簡単に説明する。セルパワーモジュールU1〜U4の単相インバータ4におけるIGBT素子Ta1,Ta2,Tb1,Tb2のゲートに与えるPWM信号を異なるものとし、IGBT素子Ta1,Ta2,Tb1,Tb2の動作タイミングを異なるものとする。なお、図3に示すように、セルパワーモジュールU1の出力端子O1が中性点Nに接続され、セルパワーモジュールU1の出力端子O2にセルパワーモジュールU2の出力端子O1が、セルパワーモジュールU2の出力端子O2にセルパワーモジュールU3の出力端子O1が、それぞれ接続され、セルパワーモジュールU4の出力端子O2にU相となる単相の電力が出力される。
このように制御することで、セルパワーモジュールU1〜U4の単相インバータ4の出力端子O1,O2からの出力を、スイッチタイミングの異なる出力とする。そして、セルパワーモジュールU1〜U4が直列に接続されるため、セルパワーモジュールU1〜U4のスイッチタイミングの異なる電力出力が加算されて、セルパワーモジュールU1〜U4の間に現れるU相の電力出力が単相の電力出力となる。そのため、セルパワーモジュールU1〜U4それぞれの単相インバータ4においてスイッチタイミングを分配することができる。
よって、個々の単相インバータ4に与えるPWM周波数をスイッチングロスの少ない低キャリヤ周波数としても、セルパワーモジュールU1〜U4の出力を組み合わせることで、全体的にPWMキャリヤ周波数を高くすることができる。また、このとき、U相のセルパワーモジュールU1〜U4、V相のセルパワーモジュールV1〜V4、W相のセルパワーモジュールW1〜W4の間において、120度毎に位相差が現れるように、各相の直列多重PWM制御が行なわれる。
電力系統が通常通りの出力がある場合、セルパワーモジュールU1〜U4,V1〜V4,W1〜W4それぞれに設けられた超電導コイル2に電気エネルギーが蓄積される。電力系統から、U相の単相電力が、直列に接続されたセルパワーモジュールU1〜U4それぞれの単相インバータ4に与えられ、V相の単相交流電力が、直列に接続されたセルパワーモジュールV1〜V4それぞれの単相インバータ4に与えられ、W相の単相電力が、直列に接続されたセルパワーモジュールW1〜W4それぞれの単相インバータ4に与えられる。
そして、セルパワーモジュールU1〜U4,V1〜V4,W1〜W4それぞれの単相インバータ4において、IGBT素子Ta1,Ta2,Tb1,Tb2それぞれのゲートに与える制御信号を制御することによって、単相交流電力が直流に変換された後、超電導コイル2に与えられる。このようにして、セルパワーモジュールU1〜U4,V1〜V4,W1〜W4それぞれの超電導コイル2に電気エネルギーが蓄積される。
また、電力系統に瞬低や停電や負荷変動が発生したとき、瞬低補償や負荷平準化を行なうために、セルパワーモジュールU1〜U4,V1〜V4,W1〜W4それぞれの超電導コイル2に蓄積された電力エネルギーを電力系統に出力する。セルパワーモジュールU1〜U4,V1〜V4,W1〜W4それぞれの単相インバータ4において、超電導コイル2から直流電力が供給されると共に、IGBT素子Ta1,Tb1,Ta2,Tb2がオン/オフ制御される。すなわち、セルパワーモジュールU1〜U4,V1〜V4,W1〜W4ごとに、120度位相がずれるように、それぞれの単相インバータ4におけるIGBT素子Ta1,Tb1,Ta2,Tb2を直列多重PWM制御することで、電力系統に三相交流電力を出力する。
このように構成することで、各相毎に直列に接続されたセルパワーモジュールによって得られる電力量の総和が、電力系統の求める電力量となるようにすればよいため、各セルパワーモジュールに求められる電力量を小さくすることができる。よって、各セルパワーモジュールによる貯蔵電力容量を小さくすることができ、各セルパワーモジュールにおける高電圧化及び大容量化を抑制することができる。また、直列多重PWM制御により各セルパワーモジュールでの制御信号を低キャリヤ周波数とし、そのスイッチタイミングをずらして与えるため、高調波を改善することができると共に、低損失での対応が可能となる。
さらに本実施形態の電力補償装置は、図1に示したように、U相、V相、W相毎に、各セルパワーモジュールU1〜U4,V1〜V4,W1〜W4が備える超電導コイル2の電流値を取得するとともに単相インバータ4の出力電圧を制御する相内補正量を各セルパワーモジュールU1〜U4に与える相内電力制御部5を備えている。
さらに各相内電力制御部5から各相の平均コイル電流を取得すると共に各セルパワーモジュールU1〜U4,V1〜V4,W1〜W4に対して各相の電圧を制御する電力制御部6(相間電力制御部を含む)とを有している。
以下において、これら相内電力制御部5及び電力制御部6による電力補正について詳細に説明する。なお、本実施形態の電力制御は、電力貯蔵部やセル部電力変換器の効率差に基づく電力貯蔵量の差を補正するものであり、大きな差は発生しない条件で適用可能な手法である。
電力制御を実施するにあたり、マルチセル電力補償装置の出力線間電圧は120度位相差を持つ三相平衡波形を維持するものとする(電源系統電圧は基本的に120度位相差を持つ三相平衡波形であり、マルチセル電力補償装置出力も同様としなければならない)。また、相電流も120度位相差を持つ三相平衡波形となることにより、各セルの通過有効電力(=セル電圧×相電流×力率)を制御するためには、「セル電圧×力率」を制御する必要がある。なお、力率はセル電圧位相により自動的に変化するため、各セルの通過有効電力を制御するためには「セル電圧」を制御することとなる。
上記を踏まえ、電力制御を以下の段階により実施する。
1 相単位での通過電力制御
2 同一相内での各セル通過電力制御
3 相電流に対応した通過電力制御
4 放電時と充電時に対応した通過電力制御
上記3,4はそれぞれ上記1,2項内の演算に反映させるものであり、以下1,2項に大別して説明する。
また、電力貯蔵部としての超電導コイル2の電力貯蔵量は、1/2×(コイルインダクタンス値)×(コイル電流)
である。電流差がΔIの二つの超電導コイル間電力差(コイルインダクタンスLは同一とする)は、
L/2×L×I−1/2×L×(I+ΔI)
=L/2×{I−(I+2×ΔI×I+ΔI)}
=L/2×{2×ΔI×I+ΔI
≒L/2×{2×ΔI×I} (ΔI×I≫ΔI,ΔI=微小)
となる。したがって簡易的に電流差で電力差の評価を実施する。
また、電力変換器定格電力出力に必要なコイル電流を基準電流(1PU)とする(1PU=100%)。
基準コイル電流=電力変換器定格電力/セル数/セル定格直流電圧
である。
<計算ステップ1−相間電力制御>
(1)各相平均コイル電流演算
U相平均コイル電流=〔{(セルU1コイル電流)+(セルU2コイル電流)+(セルU3コイル電流)+(セルU4コイル電流)}/4〕0.5
を演算する(単位PU)。V相、W相についても同様に演算する。
(2)各相電流偏差を演算
最小電流=U相〜W相平均コイル電流の中の最小値
U相電流偏差=U相平均コイル電流−最小電流
V相電流偏差=V相平均コイル電流−最小電流
W相電流偏差=W相平均コイル電流−最小電流
偏差振幅=(U相電流偏差+V相電流偏差+W相電流偏差0.5
偏差振幅が最小偏差振幅(例えば0.02PU)より小さい場合は、偏差小として相間電力制御を実施しない(補正値=0)。偏差振幅が最小偏差振幅より大きい場合は次の演算ステップに進む。
(3)各相電流偏差による領域導出
各相電流偏差による合成ベクトルより、図5に示す領域(PU,NU,PV,NV,PW,NW)を導出する。
例えば、U相電流偏差=0にて、
V相電流偏差 >= 2×W相電流偏差 であれば、領域PV、
W相電流偏差 >= 2×V相電流偏差 であれば、領域PW、
それ以外の場合は領域NU
とする。
(4)有効電流指令対応係数演算
有効電流指令(≒電力指令、電圧微小変化により)による係数演算を図6に示した関数(=有効電流指令の逆数)により実施する。
(5)補正値演算
補正値=係数×(偏差振幅−最小偏差振幅)
を演算する。補正値が最大補正値(例えば0.05PU)より大きい場合は、補正値=最大補正値とする。
(6)相電圧ベクトル演算
上記領域と補正値から、下表に示す補正αを導出する。
Figure 0004959613
また、上記結果を用いて下記演算も実施する。
Figure 0004959613
この補正により、図7に示したように、相電圧波形は三相不平衡波形であるが、線間電圧は三相平衡状態となる。このようにして、U相、V相、W相のそれぞれにおいて、相内の電力貯蔵容量の総和に応じて各相の通過電力量を調整する。
なお、このときの補正α、β、θβの関係例は図8のようになる。また、各モード例を図9に示した。図9で破線は通常制御時であり、実線が相間電力制御時を示す。
<計算ステップ2−相内電力制御>
(1)セル内コイル電流ソート
各セルコイル電流を電流値の大きい順にソートする。電流値が大きい順にA、B、C、Dとし、セルAコイル電流(PU)、セルBコイル電流(PU)、セルCコイル電流(PU)、セルDコイル電流(PU)と定義する。
(2)2点平均コイル電流演算
最大値であるセルAコイル電流と最小値であるセルDコイル電流に対する平均コイル電流を次式により演算する。
2点平均コイル電流 = ((セルAコイル電流+セルDコイル電流)/2)0.5
(3)2点間偏差演算
2点間偏差を次式により演算する。
2点間偏差=(セルAコイル電流−セルDコイル電流)/2点平均コイル電流/2
2点間偏差が最小偏差(例えば0.02PU)より小さい場合は、偏差小として相内電力制御を実施しない(補正値=0)。2点間偏差が最小偏差より大きい場合は次の演算ステップに進む。
(4)有効電流指令対応係数演算
有効電流指令(≒電力指令、電圧変化微小より)による係数演算を図6に示した関数(=有効電流指令の逆数)により実施する。
(5)補正値演算
補正値=係数×(2点間偏差−最小偏差)
補正値が最大補正値(例えば0.05PU)より大きい場合は、補正値=最大補正値とする。
(6)各セル補正量を下表により導出する。
Figure 0004959613
このようにして導出した各セルの補正量に応じ、同一の相内での各セルの通過電力量の総和が1となるように、各セルの出力電圧割合を調整する。
また、上記3の相電流に対応した通過電力制御を行うときには、相電流が小さいときには、上記に示した相間電力制御、相内電力制御における調整割合を増加させ、相電流が大きいときには調整割合を減少させるような調整を行う。
また、上記4の放電時と充電時に対応した通過電力制御を行うには、放電時には、貯蔵電力量の大きなセルの通過電力を増加させるとともに、貯蔵電力量の小さなセルの通過電力を減少させ、充電時には、貯蔵電力量の大きなセルの通過電力を減少させるとともに、貯蔵電力量の小さなセルの通過電力を増加させる調整を行う。
このように、本実施形態の電力補償装置によれば、各相の通過電力量を調整するとともに、各相内のセル間で電力貯蔵量が最大のセルにより電力貯蔵量が最小のセルを補うように補正することにより、電力貯蔵量のアンバランスが補償され、セルの電力貯蔵部を有効利用することができる。したがって高い利用率を得ることができ、特に連続運転時に有用である。
また、電力制御部6による通過電力量制御は、コイル電流の最大値と最小値のみに対する補正演算のため、マルチセル電力変換器構成が変化し、セル数に変更がある場合にも適用可能である。
本実施形態における電力補償装置の全体構成を示すブロック図である。 同電力補償装置のセル部分の接続を模式的に示したブロック図である。 U相の構成を示したブロック図である。 セルパワーモジュールの構成を示したブロック図である。 各相電流偏差による領域導出に用いる図である。 有効電流指令対応係数演算に用いる、演算係数と有効電流指令絶対値との関係を示した図である。 相間電力制御時の相電圧と線間電圧との関係を示した図である。 相間電力制御による補正α、β、θβの関係例である。 偏差のモード例を列挙して示した図である。
符号の説明
2…超電導コイル、4…単相インバータ、5…相内電力制御部、6…電力制御部、U1〜U4,V1〜V4,W1〜W4…セルパワーモジュール

Claims (4)

  1. 三相の電力系統の電力補償を行なう電力補償装置において、
    補償する電力を貯蔵する電力貯蔵部と、該電力貯蔵部の充放電を行なって単相電力と直流電力との変換を行なう単相インバータと、を有するセルパワーモジュールを、前記電力系統の各相に対してN台(Nは2台以上の整数)設置することで、3N台の該セルパワーモジュールを備え、前記電力系統の各相毎に設置されたN台の前記セルパワーモジュールの前記単相インバータの単相電力側を直列に接続すると共に、前記単相インバータの直流電力側に前記電力貯蔵部を接続して構成され、
    前記各相の線間電圧が平衡を保つように前記各相単位での電力制御を行なう相間電力制御部と、前記各相内での前記各セルパワーモジュール電力の割合を制御する相内電力制御部とを備えたことを特徴とする電力補償装置。
  2. 前記相内電力制御部は、一つの相におけるセルパワーモジュールの通過電力総和を保ちつつ、該相内での貯蔵電力量が最大のセルパワーモジュールと、同貯蔵電力量が最小のセルパワーモジュールとに対する通過電力の割合を補正することを特徴とする請求項1に記載の電力補償装置。
  3. 前記電力貯蔵部は超伝導コイルであり、
    前記相間電力制御部は、前記電力貯蔵部による電力貯蔵量の差を、セルパワーモジュール内の電流差により判定することを特徴とする請求項2に記載の電力補償装置。
  4. 三相の電力系統の電力補償を行なう電力補償装置において、
    補償する電力を貯蔵する電力貯蔵部と、該電力貯蔵部の充放電を行なって単相電力と直流電力との変換を行なう単相インバータと、を有するセルパワーモジュールを前記電力系統の各相に対して設置し、前記電力系統の各相毎に設置された前記セルパワーモジュールの前記単相インバータの単相電力側を直列に接続すると共に、前記単相インバータの直流電力側に前記電力貯蔵部を接続して構成され、
    前記各相の線間電圧が平衡を保つように前記各相単位での電力制御を行なう相間電力制御部と、前記各相内での前記各セルパワーモジュール電力の割合を制御する相内電力制御部とを備えたことを特徴とする電力補償装置。
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