JP5106023B2

JP5106023B2 - 電力変換装置

Info

Publication number: JP5106023B2
Application number: JP2007254678A
Authority: JP
Inventors: 聡山本
Original assignee: Sansha Electric Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Sansha Electric Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2007-09-28
Filing date: 2007-09-28
Publication date: 2012-12-26
Anticipated expiration: 2027-09-28
Also published as: JP2009089500A

Description

この発明は、電力系統と連系して電力供給を行う発電装置に接続される電力変換装置に関する。

電力系統と発電装置を連系して運転することにより、電力利用効率を向上し省エネルギー化を実現することが可能である。この見地より、事業者、一般家庭などにおいて、太陽光発電装置やエンジン発電装置などを用いた電力連系システムが実用化されている。このような電力連系システムでは、電力系統から供給される電圧と発電装置から供給される電圧とが同じ品質（電圧・周波数が同じ）となるように、通常は、発電装置にインバータを含む電力変換装置が接続されている。

電力連系システムにおいて、対応しておかなければならないことに発電装置側から見て無負荷時になったときの電圧上昇がある。すなわち、連系運転時に様々な要因によって（分電盤や各種電力装置の故障、或いは需要家負荷の軽減など）発電装置側から見て無負荷状態又はそれに類する軽負荷状態に遷移すると、負荷供給電圧が上昇して発電装置や電力変換装置に悪影響を及ぼし、場合によってはこれらの装置に破損などのダメージを及ぼす問題がある。

そこで、無負荷電圧による装置への悪影響を防止する目的で、負荷電圧が上昇することを検出すると電力変換装置のインバータを停止する装置が提案されている（例えば、特許文献１）。
特開２００３−１３４６６１号公報

しかしながら、上記の従来の装置は、連系点の電圧が異常になると、インバータの停止を制御するものであって、発電装置の運転自体を停止するものではない。また、仮に電圧異常時に発電装置を停止するように制御したとしても、電圧検出回路は、インバータを含む電圧変換装置の出力側の電圧を検出しているために、電圧変換装置の応答特性等によっては、発電装置自体への悪影響を完全に防止できない不都合がある。

この発明の目的は、発電装置の負荷が無負荷状態又はそれに類する軽負荷状態に遷移したときに、その状態を確実に検出して発電装置の負荷を強制的に設定する電力変換装置を提供することにある。

この発明の電力変換装置は、発電装置の出力電圧を検出する発電出力電圧検出回路と、前記発電装置の出力側にスイッチ手段を介して接続される一定の大きさの発電装置保護用負荷と、前記発電出力電圧検出回路で検出した前記出力電圧と一定電圧とを比較し、その結果に基づいて前記スイッチ手段を制御する制御手段とを備えている。

無負荷状態又はそれに類する軽負荷状態（以下、これらを無負荷状態と称する）となって発電装置の出力電圧が上昇しようとすると、その出力電圧が一定電圧に上昇する状態が検出されてスイッチ手段がオンする。このとき、スイッチ手段に直列に接続されている発電装置保護用負荷が発電装置の出力側に設定されることになり、無負荷状態が解消される。発電装置として、最大定格出力を超える大きさの負荷になると自動的に発電装置の動作が停止モードに移行するもの（例えば一部のエンジン発電装置、燃料発電装置など）があるが、このような発電装置を使用する場合は、上記発電装置保護用負荷が入ると発電装置を安全に停止モードに移行させることができる。

この発明の電力変換装置は、前記スイッチ手段を半導体スイッチング素子で構成し、これをオンオフ制御することで、前記出力電圧が一定電圧を超えないように制御することが可能である。

このような制御を行うと、一瞬又は一時的に、無負荷状態になって前記出力電圧が一時的に上昇した場合であっても発電装置や電力変換装置の損傷を防ぎつつ発電装置が停止してしまうのを防ぐことができる。また、負荷が無負荷状態近辺で変動しているときにも、発電装置の停止を防ぐことができるから、その後、負荷が回復したときには発電装置の再起動をする必要がない。

この発明の電力変換装置は、前記発電装置保護用負荷のインピーダンスを検出する負荷検出回路を備え、発電装置始動前に前記負荷検出回路で検出した前記発電装置保護用負荷のインピーダンスが所定の値を示していないときに、異常報知を行うことが可能である。

発電装置の負荷が無負荷状態になったときに発電装置保護用負荷を投入して発電装置や電力変換装置を保護することは電力連系システムに極めて重要な構成であるが、この重要な発電装置保護用負荷が断線等を原因とする異常な状態であると正常な動作を期待できない。そこで、この発明のように発電装置始動前に発電装置保護用負荷のインピーダンスを検出し、その値が所定の値を示していないと異常報知を行って発電装置が起動できないようにする。

この発明によれば、発電装置の出力電圧を直接測定し、無負荷状態や軽負荷状態となって該電圧が一定電圧以上に上昇することを検出すると、発電装置保護用負荷を投入するために、発電装置の出力電圧が急上昇するのを確実に防止できる。

図１は、この発明の第１の実施形態の電力変換装置を備えている電力連系システムの構成図である。

この電力連系システムは、需要家Ａ〜Ｃに対して商用電力を供給する電力系統１と、この電力系統１と連系して発電電力を供給する発電装置２と、発電装置２の出力側に接続される電力変換装置３とで構成されている。

発電装置２は、エンジン発電装置、風力発電装置、燃料発電装置など、任意の発電装置で構成される。本実施形態で使用される発電装置２は、最大定格出力を超える大きさの負荷になると自動的に動作が停止モードに移行する機能を備えている。

電力変換装置３は、発電装置２の出力電圧を電力系統１の出力電圧と同じ品質（電圧、周波数）にするためのインバータを備えている。すなわち、電力変換装置３は、発電装置２の出力電圧を整流して直流に変換する整流部３０と、整流出力を直流−交流変換するインバータ３１とを備えている。さらに、この電力変換装置３は、発電装置２の出力電圧を検出する発電出力電圧検出回路３２（以下、電圧検出回路３２と称する）と、発電装置２の出力側にスイッチ３３を介して接続される発電装置保護用負荷３４と、電圧検出回路３２で検出した電圧が一定電圧に上昇したときにスイッチ３３をオンする制御回路３５を備えている。

以上の構成で、連系運転を行っているときに、需要家負荷が開放ないしそれに近い状態となったり、故障が生じたり、又は何らかの原因により、発電装置２の負荷が無負荷又は軽負荷（以下、無負荷状態という）になると、発電装置２の発電電力が行き場を失うために、結果として出力電圧が上昇する。出力電圧が一定電圧に上昇すると、この状態を電圧検出回路３２が検出する。すると、制御回路３５がスイッチ３３をオンして発電装置２の出力側に発電装置保護用負荷３４を接続する。これにより、出力電圧が過電圧になるのを防ぐことができる。

発電装置保護用負荷３４は、発電装置２の動作を停止させる程度の容量（抵抗負荷）に設定される。したがって、スイッチ３３をオンすることにより発電装置保護用負荷３４が投入されると、発電装置２が停止モードに移り、発電動作を自動的に停止する。

図２は、インバータ３１の回路図を示している。このインバータ３１は、前段に設けられた昇圧チョッパ回路３１ａとインバータ部３１ｂとで構成される。昇圧チョッパ回路３１ａのスイッチングトランジスタＱ１は、制御回路３５からベースに供給されるスイッチング信号（ＰＷＭ信号等）Ａに基づいてスイッチングして、オン時にインダクタＬ１に蓄積されたエネルギーを、オフ時に出力側に放出することでキャパシタＣ２の両端に昇圧した電圧を生成する。なお、ダイオードＤ０は逆流防止用のダイオードである。インバータ部３１ｂは、スイッチングトランジスタＱ２〜Ｑ５と、インダクタＬ２、Ｌ３及びキャパシタＣ３を含み、スイッチングトランジスタＱ２、Ｑ５とスイッチングトランジスタＱ３、Ｑ４とを、制御回路３５からベースに供給されるスイッチング信号（ＰＷＭ信号等）Ｂ〜Ｅに基づいて交互にオンオフして、直流を交流に変換する。

上記昇圧チョッパ回路３１ａとインバータ部３１ｂにより、インバータ出力を電力系統１の電圧・周波数と同じものにする。

図３は、電圧検出回路３２の回路図を示している。この検出回路３２は、発電装置２の出力電圧Ｖ１を、抵抗Ｒ１、Ｒ２の抵抗分圧回路で分圧し、この分圧した抵抗Ｒ２の両端電圧をダイオードＤ１で整流して比較回路ＯＰにより基準電圧Ｒｅｆと比較する。発電装置２の出力電圧Ｖ０が一定電圧Ｖ１以上に上昇すると比較回路ＯＰの出力電圧が「Ｌ」となる。この信号が制御回路３５に出力されることにより、制御回路３５は、スイッチ３３をオンする。

上記の構成により、連系運転時に様々な要因によって（需要家負荷の開放、軽負荷ないし、分電盤や各種電力装置の故障など）発電装置側から見て無負荷状態に遷移すると、発電装置２の出力電圧が一定電圧に上昇したことを電圧検出回路３２が検出し、制御回路３５がスイッチ手段３３をオンする。このとき、発電装置２の出力側に発電装置保護用負荷３４が投入されるから、発電装置２は遅れることなく自動的に停止モードに移行して発電動作が停止する。このため、無負荷状態に遷移したとき発電装置２に悪影響が及ぶことを未然に防止することができる。

本実施形態では、発電装置２として、最大定格出力を超える大きさの負荷になると自動的に発電装置の動作が停止モードに移行するものを使用し、且つ、発電装置保護用負荷３４を上記最大定格出力を超える大きさの負荷、すなわち、無負荷状態に遷移したとき発電装置２が動作を停止する容量に設定しているが、さらに、発電装置２の出力電圧が一定電圧に上昇したことを電圧検出回路３２が検出したときに、制御回路３５がインバータ３１の動作を停止させても良い。

図４は、この発明の第２の実施形態の電力変換装置を示している。

この実施形態では、発電装置保護用負荷３４を整流回路３０の出力側に設け、第１の実施形態のスイッチ３３に代えて半導体スイッチング素子（スイッチングトランジスタ）３７を設けている。なお、半導体スイッチング素子３７のコレクタ−エミッタ間には保護ダイオード３８が接続され、発電装置保護用負荷３４の両端には安定な動作を行うためのキャパシタ３６が接続されている。

制御回路３５は、電圧検出回路３２の検出電圧に基づいて、発電装置２の出力電圧が一定電圧Ｖ１を超えないように半導体スイッチング素子３７をオンオフ制御する。すなわち、制御回路３５の一部を示す図５のように、電圧検出回路３２の検出電圧と一定電圧Ｖ１との差を加算器３５０で取り出し、誤差増幅器３５１で誤差を増幅する。この誤差がゼロになるようにＰＷＭコンパレータ３５２が半導体スイッチング素子３７をオンオフ制御し、発電装置２の出力が一定電圧Ｖ１を維持するように定電圧制御を行う。このオンオフ制御を行うことにより、一時的に無負荷状態に遷移して直ぐに正常な状態に回復した場合等に、その都度、発電装置２を再始動する必要がなくなる。

なお、一定電圧Ｖ1は、第1の実施形態でしきい値として設定される一定電圧と同じ大きさで良いが、これ以下の大きさであっても良い。また、発電装置保護用負荷３４は発電装置２の発電電力を熱エネルギーに変換するものであるため、この熱エネルギーを蓄熱装置に蓄熱したり電力に再変換して蓄電装置に蓄電したり、その他のエネルギーとして再利用することが可能である。

図６、図７は、それぞれ、この発明の第３、第４の実施形態の電力変換装置を示している。

これらの実施形態は、発電装置保護用負荷３４のインピーダンスを発電装置始動前に検出する負荷検出回路を備えている。図６に示す実施形態は、発電装置保護用負荷３４に一定電圧を印加して、同負荷のインピーダンスを検出する。負荷検出回路は、定電圧源４０と、電流センサ４１と、電流センサの出力から電流値を検出する電流検出回路４２と、定電圧源４０を発電装置保護用負荷３４に接続するスイッチＳＷ１とで構成される。制御回路３５は、発電装置２の始動前に検出開始信号Ｓ１によりスイッチＳＷ１をオンし、電流検出回路４２がそのとき検出した電流値と定電圧源４０の電圧値とから発電装置保護用負荷３４のインピーダンス（抵抗値）を検出する。そこで、このインピーダンス（抵抗値）が所定の値を示していなければ、制御回路３５に対して運転禁止信号Ｓ２を送る。制御回路３５は、この信号Ｓ２を受けると表示パネル４３に対して異常報知を行うとともに、発電装置２に対して始動禁止信号Ｓ３を送る。発電装置２は、始動禁止信号Ｓ３を受けると始動することができない。前記インピーダンス（抵抗値）が所定の値を示していれば、制御回路３５に対して運転許可信号Ｓ２（バー）を送る。制御回路３５は、この信号Ｓ２（バー）を受けると表示パネル４３において運転許可報知を行うとともに、発電装置２に対して始動許可信号Ｓ３（バー）を送る。

図７に示す実施形態は、発電装置保護用負荷３４に一定電流を供給して、同負荷のインピーダンスを検出する。負荷検出回路は、定電流源４４と、検出端子が定電流源４４の両端に接続された電圧検出回路４５と、定電流源４４を発電装置保護用負荷３４に接続するスイッチＳＷ１とで構成される。制御回路３５は、発電装置２の始動前に検出開始信号Ｓ１によりスイッチＳＷ１をオンし、電圧検出回路４５がそのとき検出した電圧値と定電流源４０から供給される電流値とから発電装置保護用負荷３４のインピーダンス（抵抗値）を検出する。そこで、このインピーダンス（抵抗値）が所定の値を示していなければ、制御回路３５に対して運転禁止信号Ｓ２を送る。制御回路３５は、この信号Ｓ２を受けると表示パネル４３に対して異常報知を行うとともに、発電装置２に対して始動禁止信号Ｓ３を送る。発電装置２は、始動禁止信号Ｓ３を受けると始動することができない。前記インピーダンス（抵抗値）が所定の値を示していれば、制御回路３５に対して運転許可信号Ｓ２（バー）を送る。制御回路３５は、この信号Ｓ２（バー）を受けると表示パネル４３において運転許可報知を行うとともに、発電装置２に対しては始動許可信号Ｓ３（バー）を送る。

図８は、図６の実施形態での制御回路３５の概略動作を示すフローチャートである。

電力変換装置の電源がオンされると、制御回路３５は、まずスイッチＳＷ１をオンして定電圧源４０により定電圧を発電装置保護用負荷３４に印加する（ステップＳ１）。次に、ステップＳ２で電流検出回路４２から出力される信号が運転禁止信号Ｓ２か運転許可信号Ｓ２（バー）かを判定する。なお、電流検出回路４２は、発電装置保護用負荷３４のインピーダンス（抵抗値）が所定の値を示していない場合、及び、電流検出を全くしない場合に、運転禁止信号Ｓ２を出力する。制御回路３５は、運転禁止信号Ｓ２を受けると、始動禁止信号Ｓ３を発電装置２に出力し、表示パネル４３に異常報知を行う（ステップＳ４）。制御回路３５は、運転許可信号Ｓ２（バー）を受けると、運転許可信号Ｓ３（バー）を発電装置２に出力し、表示パネル４３において運転許可報知を行う（ステップＳ３）。図７の実施形態においても、制御回路３５は上記と同様な制御を行う
図９は、この発明の第５の実施形態の電力変換装置を示している。

この実施形態は、上記第２の実施形態に第１の実施形態の構成を組み合わせたものであり、抵抗３４ａと抵抗３４ｂをそれぞれ別に設けている。それらの抵抗値は、それぞれ、発電装置２の動作を停止させる程度の容量に設定される。いずれの場合でも、発電装置２の出力電圧の上昇が一定電圧に上昇しないよう図５に示すように半導体スイッチング素子３７をオンオフ制御し、この制御によって第２の実施形態で述べたように同出力電圧が一定電圧に制御される。

このように構成することで、ヒューズの溶断のように修理が必要な異常時などには、スイッチ３３をオンすることにより発電装置２を完全に停止させることができる。また、例えば、電力変換装置３が一時的な温度異常で保護停止するなどの理由で出力電圧が上昇した場合には、半導体スイッチング素子３７が抵抗３４ｂの消費電力をコントロールすることにより、発電装置２を停止させることなく電圧上昇を抑えることができ、異常が回復すると需要家への給電を直ぐに再開することができる。

図１０は、この発明の第６の実施形態の電力変換装置を示している。

この実施形態は、上記第２の実施形態に第１の実施形態の構成を組み合わせたものであり、半導体スイッチング素子３７にスイッチ３３を並列に接続したものである。上記第５の実施形態と同様に、ヒューズの溶断のように修理が必要な異常時などには、スイッチ３３をオンすることにより発電装置２を完全に停止させることができる。また、例えば、電力変換装置３が一時的な温度異常で保護停止するなどの理由で出力電圧が上昇した場合には、半導体スイッチング素子３７が抵抗３４ｂの消費電力をコントロールすることにより、発電装置２を停止させることなく電圧上昇を抑えることができ、異常が回復すると需要家への給電を直ぐに再開することができる。

なお、上記第５の実施形態及び第６の実施形態において、発電装置２の出力電圧の上昇が一定電圧に上昇しないように半導体スイッチング素子３７をオンオフ制御するときの一定電圧Ｖ１ａと、スイッチ３３をオンするときの一定電圧Ｖ１ｂとを異なる値に設定する方が望ましい。すなわち、Ｖ１ａ＜Ｖ１ｂに設定する。

スイッチ３３として、常時オン状態であるいわゆるノーマリーオンスイッチを用いれば、例えば制御回路３５が動作しない異常時にはスイッチ３３がオンであるため、発電装置が起動せず、電力変換装置を安全に保護することができる。この場合、制御回路３５が正常に動作するとスイッチ３３をオフすることになる。

以上のように、この発明の電力変換装置では、発電装置の出力電圧を直接測定し、該電圧が一定電圧以上に上昇することを検出すると、発電装置保護用負荷を投入することにより、発電装置の負荷が無負荷状態になったときに発電装置の出力電圧が急上昇するのを確実に防止できる。

この発明の第１の実施形態の電力変換装置を用いた電力連系システムの構成図。インバータの構成図電圧検出回路の構成図この発明の第２の実施形態の構成図制御回路の一部構成図この発明の第３の実施形態の一部構成図この発明の第４の実施形態の一部構成図電源オン時の制御回路の動作を示すフローチャートこの発明の第５の実施形態の構成図この発明の第６の実施形態の構成図

符号の説明

１−電力系統
２−発電装置
３−電力変換装置
３１−インバータ
３２−電圧検出回路
３３−スイッチ
３４−発電装置保護用負荷
３５−制御回路

Claims

需要家負荷に対して電力系統と連系して発電電力を供給する発電装置に接続される電力変換装置において、
前記発電装置の出力電圧を検出する発電出力電圧検出回路と、
前記発電装置の出力側にスイッチ手段を介して接続される一定の容量の発電装置保護用負荷と、
前記発電出力電圧検出回路で検出した前記出力電圧と一定電圧とを比較し、その結果に基づいて前記スイッチ手段を制御する制御手段と、
を備え、
前記スイッチ手段は、オンすることにより前記発電装置の出力側に前記発電装置保護用負荷を接続する第１のスイッチ手段で構成され、
前記制御手段は、前記出力電圧と前記一定電圧とを比較し、前記出力電圧が前記一定電圧に上昇したときに前記スイッチ手段をオンし、
前記発電装置保護用負荷は、前記第１のスイッチ手段がオンして前記発電装置の出力側と前記発電装置保護用負荷を接続したときに前記発電装置が停止する容量に設定されている、電力変換装置。
需要家負荷に対して電力系統と連系して発電電力を供給する発電装置に接続される電力変換装置において、
前記発電装置の出力電圧を検出する発電出力電圧検出回路と、
前記発電装置の出力側にスイッチ手段を介して接続される一定の容量の発電装置保護用負荷と、
前記発電出力電圧検出回路で検出した前記出力電圧と一定電圧とを比較し、その結果に基づいて前記スイッチ手段を制御する制御手段と、
を備え、
前記スイッチ手段は、オンすることにより前記発電装置の出力側に前記発電装置保護用負荷を接続する第１のスイッチ手段と、この第１のスイッチ手段に並列的に接続され、半導体スイッチング素子からなる第２のスイッチ手段とで構成され、
前記発電装置保護用負荷は、前記第１のスイッチ手段がオンして前記発電装置の出力側と前記発電装置保護用負荷を接続したときに前記発電装置が停止する容量に設定され、
前記制御手段は、前記発電出力電圧検出回路で検出した前記出力電圧が前記一定電圧に上昇しないように前記第２のスイッチ手段をオンオフ制御し、前記出力電圧が前記一定電圧に上昇したときに前記第１のスイッチ手段をオンすることを特徴とする、電力変換装置。
需要家負荷に対して電力系統と連系して発電電力を供給する発電装置に接続される電力変換装置において、
前記発電装置の出力電圧を検出する発電出力電圧検出回路と、
前記発電装置の出力側にスイッチ手段を介して接続される一定の容量の発電装置保護用負荷と、
前記発電出力電圧検出回路で検出した前記出力電圧と一定電圧とを比較し、その結果に基づいて前記スイッチ手段を制御する制御手段と、
を備え、
前記スイッチ手段は、オンすることにより前記発電装置の出力側に前記発電装置保護用負荷を接続する第１のスイッチ手段と、この第１のスイッチ手段に並列的に接続され、半導体スイッチング素子からなる第２のスイッチ手段とで構成され、
前記発電装置保護用負荷は、前記第１のスイッチ手段がオンして前記発電装置の出力側と前記発電装置保護用負荷を接続したときに前記発電装置が停止する容量に設定され、
前記制御手段は、前記発電出力電圧検出回路で検出した前記出力電圧が前記一定電圧よりもΔＶだけ低い電圧に上昇しないように前記第２のスイッチ手段をオンオフ制御し、前記出力電圧が前記一定電圧に上昇したときに前記第１のスイッチ手段をオンすることを特徴とする、電力変換装置。
前記発電装置保護用負荷のインピーダンスを検出する負荷検出回路を備え、前記制御手段は、発電装置始動前に前記負荷検出回路で検出した前記発電装置保護用負荷のインピーダンスが所定の値を示していないときに、異常報知を行うことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の電力変換装置。