JP5123673B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、電力系統に接続された電力変換装置に係り、特に電力系統と連系運転を行う電力変換器と、この電力変換器の直流側に、直流遮断器を介して接続された二次電池を有する電力変換装置に関する。

従来より、電力系統の需要家側に双方向の電力変換器を介して２次電池を設け、電力負荷の平準化を行なうようにした電力変換装置が知られている。この場合、直流側に設けられた直流負荷と交流側に設けられた交流負荷の変動に応じて電力変換器を充電モードで運転して、２次電池に電力を蓄え、また電力変換器を放電モードで運転してピーク電力の平準化を図るようにしている（例えば、特許文献１参照。）。
特開２０００−２２４７６９号公報（第３−６頁、図１）

特許文献１に記載されている電力変換装置においては、電力変換装置または電力系統に異常がない場合は、電力変換装置は電力系統に接続され、充放電を行わない状態においては、制御装置から電力変換装置の主変換部である電力変換器に送る信号を停止させていた。しかしながら、充放電を行わない状態においては、連系変圧器を介して電力系統にフィルタ用の交流コンデンサが接続された状態となるため、無効電力が発生する。また、軽負荷時において、進み力率となるため、電力変換装置の接続点における電力系統の電圧が上昇する恐れがある。

更に、２次電池が直流部に接続された状態となっているので、電力変換器が停止中においても発生する損失分の電力は、２次電池が消費し、電力変換装置全体としての充放電効率が低下する。

本発明は、以上の課題を解決するために提案されたものであり、交流コンデンサを介して電力系統に接続された電力変換器と、当該電力変換器の直流側に２次電池を接続して構成される電力変換装置の設備利用効率を向上させることを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の電力変換装置は、電力系統と連系運転を行う電力変換器と、前記電力系統に対する前記電力変換器接続点の無効電力を検出する手段と、前記電力変換器と前記電力系統の間に接続された交流コンデンサと、前記電力変換器の直流側に並列に接続された直流コンデンサと、前記電力変換器の直流側に直流遮断器を介して接続された２次電池と、前記２次電池の電圧を検出する手段と、前記電力変換器を制御するための制御手段とを具備し、前記制御手段は、通常時は前記電力系統と前記２次電池間で充放電を行うように運転制御し、充放電を行わない運転状態においては、前記直流遮断器を開放した状態で前記無効電力が所望の値となるように制御すると共に、充放電を行わない運転状態から充放電を行う運転状態に移行するとき、前記直流コンデンサに印加される直流電圧と前記２次電池の電圧との電圧差を所定値以内に制御したあと、前記直流遮断器に投入指令を与えるようにしたことを特徴としている。

本発明によれば、交流コンデンサを介して電力系統に接続された電力変換器と、当該電力変換器の直流側に２次電池を接続して構成される電力変換装置の設備利用効率を向上させることが可能となる。

以下、図面を参照して本発明の実施例について説明する。

図１は本発明の実施例１に係る電力変換装置の回路構成図である。

図１において、２次電池１は、直流遮断器２を介して電力変換器３に接続されている。電力変換器３の直流側には直流コンデンサ４が並列に接続されている。電力変換器３の交流側はフィルタリアクトル５を介してフィルタコンデンサ６に接続され、更に連系変圧器７及び交流遮断器８を介して電力系統９に接続されている。

電力変換器３は、例えばスイッチング素子をブリッジ接続して構成した交直変換器であり、これらのスイッチング素子は制御部２０からのゲート信号によってオンオフ制御される。直流コンデンサ４の両端の直流電圧は直流電圧検出器１１によって検出され、制御部２０に与えられる。同様に、電力変換器３の交流側電流は交流電流検出器１２に、連系変圧器７の電力系統側の電流は交流電流検出器１３に、そして電力系統９の電圧は交流電圧検出器１４によって夫々検出され、制御部２０に与えられる。

以下、制御部２０の内部構成について説明する。尚、制御部２０は電力変換器３が電力系統９と連系運転するように制御するが、この図１の内部構成は、直流遮断器２を開路させた状態における制御を中心に記載してある。

直流電圧の目標値Ｖｄｒｅｆと直流電圧検出器１１の出力を比較器２１で比較し、その差分をｄ軸電圧制御器２２の入力とする。ｄ軸電圧制御器２２はこの差分を小さくするようにｄ軸電流基準を出力し、電流制御部２３に与える。また、無効電流の目標値Ｉｑｒｅｆ（通常はゼロ）と、直交成分検出器２４の出力であるｑ軸電流を比較器２５で比較し、その差分をｑ軸電圧制御器２６の入力とする。ｑ軸電圧制御器２６はこの差分を小さくするようにｑ軸電流基準を出力し、電流制御部２３に与える。ここで、直交成分検出器２４は、交流電流検出器１３によって検出された電流から、交流電圧検出器１４によって検出された電圧の位相を検出する系統位相検出器２７の位相の直交成分を抽出してｑ軸電流を得ている。

次に電流制御部２３について説明する。電流検出器１２で検出された電流は系統位相検出２７の位相と同相分Ｉｄと直交分Ｉｑに分離され、各々が前述のｄ軸電流基準及びｑ軸電流基準と夫々比較される。そしてこれらの差分は夫々図示しないｄ軸電流制御器及びｑ軸電流制御器に与えられる。そして、ｄ軸電流制御器及びｑ軸電流制御器は夫々の差分が小さくなるようにｄ軸及びｑ軸の電圧基準を３相変換器２８に出力する。３相変換器２８において、ｄ軸及びｑ軸の電圧基準は系統位相検出器２７の位相に基づいて３相の電圧基準に変換され、この３相の電圧基準がＰＷＭ制御器２９に与えられる。そしてＰＷＭ制御器２９は電力変換器３の交流出力が与えられた３相の電圧基準になるように電力変換器３のスイッチング素子をオンオフ制御する。

以上説明したように、２次電池１が充放電を行わない運転モードにおいて、直流遮断器２を開路し、上述のような制御を行えば、直流電圧を所望の値に保った状態で電力系統９から連系変圧器７に流入する無効電流をゼロに制御することが可能となる。また、このとき直流遮断器２を開路しているので２次電池１で損失は発生しない。

以下、図２及び図３を参照して本発明の実施例２に係る無停電電源装置を説明する。

図２は本発明の実施例２に係る無停電電源装置の回路構成図である。この実施例２の各部について、図１の本発明の実施例１に係る無停電電源装置の回路構成図の各部と同一部分は同一符号で示し、その説明は省略する。この実施例２が実施例１と異なる点は、２次電池１の電圧を検出する電池電圧検出器１１Ａを設けた点、制御部２０Ａ内に基準切換器３０を設け、比較器２１に与える電圧基準を直流電圧基準Ｖｄｒｅｆから電池電圧検出器１１Ａの出力電圧に切換え可能な構成とした点である。

以下、本実施例の動作について図３のタイムチャートを参照して説明する。図３は、電力変換装置が充放電を行わない状態から充放電を行う状態に移行する際に、直流遮断器２を投入するシーケンスを説明するタイムチャートである。

例えば、直流遮断器２を開路して実施例１で説明した無効電力制御を行っているとき、図３に示すように電池電圧と直流電圧はΔＶの電位差が生じているのが普通である。この状態から２次電池１の充放電を行う運転モードに移行する際に、図３に示すように、時刻Ｔ１において基準切換器を直流電圧基準Ｖｄｒｅｆ側から直流電圧検出器１１Ａの出力側に切り換える。そして時刻Ｔ２において直流遮断器２を投入することによって２次電池１と直流コンデンサ４の電圧差ΔＶによって、２次電池１、直流遮断器２及び直流コンデンサ４に過大な電流が流れ、故障に至るのを防止することが可能となる。尚、上記における時刻Ｔ２は、Ｔ１からのタイマー計測によって求めても良いし、また電圧差ΔＶを監視し、この値が所定値以下になったことを検出して求めても良い。

以上説明したように、この実施例２によれば、直流コンデンサ４の電圧を２次電池１の電圧を目標値として調節した後直流遮断器２に投入指令を与えているので、充放電を行わない運転状態から充放電を行う運転状態に移行するとき、過大な電流が流れて故障に至ることなくスムースな移行が可能となる。

図４は本発明の実施例３に係る無停電電源装置の回路構成図である。この実施例３の各部について、図１の本発明の実施例１に係る無停電電源装置の回路構成図の各部と同一部分は同一符号で示し、その説明は省略する。この実施例３が実施例１と異なる点は、電力系統９の負荷である交流負荷５０が電力系統９に接続されている接続点Ｐと電力系統９の間に電流検出器１３Ａを設け、この電流検出器１３Ａの出力を直交成分検出器２５に与えるように構成した点である。尚、ここで接続点Ｐを電力系統９に対する電力変換器３の接続点と定義する。交流負荷が複数ある場合には、何れかの交流負荷と電力系統９との接続点をこの電力系統９に対する電力変換器３の接続点として良い。

このように構成すれば、２次電池１が充放電を行わない運転モードにおいて、直流遮断器２を開路し、直流電圧を所望の値に保った状態で電力系統９から電力系統９に対する電力変換器３の接続点に流入する無効電流をゼロに制御し、電力系統９から電力系統９に対する電力変換器３の接続点を見た力率を１に制御することが可能となる。尚、交流コンデンサ６あるいは直流コンデンサ４の容量によっては交流負荷５０の無効電力を全て吸収可能とは限らないが、その場合であっても無効電力を減少させ、力率を改善することは可能となる。

以下、図５及び図６を参照して本発明の実施例４に係る無停電電源装置を説明する。

図５は本発明の実施例４に係る無停電電源装置の回路構成図である。この実施例４の各部について、図４の本発明の実施例３に係る無停電電源装置の回路構成図の各部と同一部分は同一符号で示し、その説明は省略する。この実施例４が実施例３と異なる点は、制御部２０Ｂにおいて、直流電圧指令値Ｖｄｒｅｆに代え、充放電電力指令値Ｐｒｅｆから有効電流指令演算器３１によって演算された有効電流指令を比較器２１の入力とした点、有効電流指令を入力とする無効電流リミット演算器３２を設け、この無効電流リミット演算器３２の出力でｑ軸電圧制御器２６Ａの出力をリミットする構成とした点である。尚、この制御部２０Ｂが動作するときは直流遮断器２は閉路され、電力変換器３は充放電モードで運転されている。

ここで無効電流リミット演算器３２は、図６に示すように、有効電流指令値と、予め与えられた電力変換器３の出力可能範囲から無効電流リミットを演算によって求め、この無効電流リミットの範囲内でｑ軸電圧制御器２６Ａを動作させて無効電流制御を行う。この様にすれば、充放電モードでの運転を優先した状態で、余剰能力の範囲内で系統の無効電力制御を行うことが可能となる。

以上説明したように本実施例によれば、充放電モードでの運転を優先した状態で、無効電流出力可能範囲内において交流コンデンサ６及び交流負荷５０の無効電力を補償することになるので、電力変換器３の容量を有効活用した電力変換装置を提供することが可能となる。

本発明の実施例１に係る電力変換装置の回路構成図。 本発明の実施例２に係る電力変換装置の回路構成図。 実施例２における動作タイムチャート。 本発明の実施例３に係る電力変換装置の回路構成図。 本発明の実施例４に係る電力変換装置の回路構成図。 無効電力リミット演算回路の説明図。

符号の説明

１ ２次電池
２ 直流遮断器
３ 電力変換器
４ 直流コンデンサ
５ 交流リアクトル
６ 交流コンデンサ
７ 連系変圧器
８ 交流遮断器
９ 電力系統
１１ 直流電圧検出器
１１Ａ 電池電圧検出器
１２ 交流電流検出器
１３、１３Ａ 交流電流検出器
２０ 制御部
２１ 比較器
２２ ｄ軸電圧制御器
２３ 電流制御器
２４ 直交成分検出器
２５ 比較器
２６ ｑ軸電圧制御器
２７ 系統位相検出器
２８ ３相変換器
２９ ＰＷＭ制御器
３０ 基準切替器
３１ 有効電流指令演算器
３２ 無効電流リミット演算器
５０ 交流負荷

Claims (2)

1. 電力系統と連系運転を行う電力変換器と、
   前記電力系統に対する前記電力変換器接続点の無効電力を検出する手段と、
   前記電力変換器と前記電力系統の間に接続された交流コンデンサと、
   前記電力変換器の直流側に並列に接続された直流コンデンサと、
   前記電力変換器の直流側に直流遮断器を介して接続された２次電池と、
   前記２次電池の電圧を検出する手段と、
   前記電力変換器を制御するための制御手段と
   を具備し、
   前記制御手段は、
   通常時は前記電力系統と前記２次電池間で充放電を行うように運転制御し、
   充放電を行わない運転状態においては、
   前記直流遮断器を開放した状態で前記無効電力が所望の値となるように制御すると共に、
   充放電を行わない運転状態から充放電を行う運転状態に移行するとき、
   前記直流コンデンサに印加される直流電圧と前記２次電池の電圧との電圧差を所定値以内に制御したあと、前記直流遮断器に投入指令を与えるようにしたことを
   特徴とする電力変換装置。
2. 前記制御手段は、
   充放電を行なうための有効電力の指令値から無効電流の制御リミット値を演算する手段を有し、
   充放電を行う運転状態において、前記無効電流の制御リミット値の範囲内で前記電力系統に対する前記電力変換器接続点の無効電力を所望の値に制御するようにしたことを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。

Images