JP5131403B1

JP5131403B1 - 無停電電源システム

Info

Publication number: JP5131403B1
Application number: JP2012101086A
Authority: JP
Inventors: 久詩幸林
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2012-04-26
Filing date: 2012-04-26
Publication date: 2013-01-30
Anticipated expiration: 2032-04-26
Also published as: JP2013230028A

Abstract

【課題】入出力が非絶縁で、蓄電池を直流中間回路で共用化した並列無停電電源システムにおいて、出力電圧の零相成分を制御するＮアームを設けるだけでは、直流電圧の過渡変動時などに循環電流を確実に抑制できない。
【解決手段】横流零相成分に従って零相電圧制御に補正を加える出力電圧零相成分補正制御を行うＮ相アームと、順変換器の交流入力電流検出値から零相電流を算出し前記順変換器の入力電流指令に補正を加える入力電流指令補正手段と、蓄電池からの放電電流検出値から零相電流を算出し逆変換器の出力電圧指令に補正を加える出力電圧指令補正手段とを備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、交流入力を電圧または周波数の異なる別の交流に変換して出力し、安定した電力を負荷に供給する電力変換装置を複数台並列接続し、並列運転する無停電電源システムの制御に関し、特に電力変換装置の入力と出力が非絶縁で、直流中間回路を並列装置間で接続し、直流中間回路に双方向性のチョッパを介して蓄電池を接続する場合の並列運転制御に関する。

図７に、本発明が対象とする無停電電源システムの並列接続図を示す。並列接続数は２台の場合の例であるが、さらに多い台数でも同様である。電力変換装置ＰＳ１とＰＳ２が並列接続され、交流入力ＩＰ１とＩＰ２が交流電源ＡＣＰに、交流出力ＯＰ１とＯＰ２が負荷ＬＤに、各々接続された構成である。電力変換装置ＰＳ１とＰＳ２は同じ回路構成であるので、電力変換装置ＰＳ１について説明する。電力変換装置ＰＳ１は、交流入力を直流に変換する順変換器ＲＥ１、中性点の電圧を制御するＮ相アームＮＡ１、直流中間回路の正極Ｐ１と負極Ｎ１から蓄電池を充電するための双方向性チョッパＣＨ１、直流中間回路の正極Ｐ１と負極Ｎ１からの直流電圧を交流に変換する逆変換器から構成される。

Ｎ相アームＮＡ１は半導体スイッチ直列回路を直流中間回路の正極Ｐ１と負極Ｎ１との間に接続して構成され、直列接続点と順変換器ＲＥ１の入力フィルタの中性点及び逆変換器ＩＮ１出力フィルタの中性点とはリアクトルを介して接続される。また、双方向性チョッパＣＨ１は半導体スイッチ直列回路を直流中間回路の正極Ｐ１と負極Ｎ１との間に接続して構成され、半導体スイッチの直列接続点と蓄電池ＢＴとはリアクトルを介して接続される。チョッパ回路は交流電源が健全な時は降圧チョッパとして動作し蓄電池を充電し、交流電源が停電の時は昇圧チョッパとして動作し蓄電池からチョッパを通して直流中間回路に直流電力を供給し無停電化を達成する。従って、充電時は蓄電池側が出力に、放電時は蓄電池側が入力となる。電力変換装置ＰＳ１とＰＳ２のチョッパのリアクトルの一端同士及び直流中間回路の負極（Ｎ１、Ｎ２）同士は、それぞれ接続され、これらの接続線に蓄電池ＢＴが接続された構成である。このような構成を共通蓄電池式無停電電源システムと呼ぶ。

このような構成の並列システムにおいては、各電力変換装置の出力電流が均等になるように制御しているが、直流中間回路電圧の誤差や装置間のインピーダンスやスイッチングのばらつきなどにより、図８や図９に示すような経路で、横流と呼ばれる循環電流が流れる。図５は直流中間回路の接続線と逆変換器（ＩＮ１、ＩＮ２）の出力線を通して流れる例である。矢印の経路ＲＴ１〜ＲＴ７がその経路で、電力変換装置ＰＳ１の正極Ｐ１→逆変換器ＩＮ１→逆変換器の出力線→逆変換器ＩＮ２→電力変換装置ＰＳ２の負極Ｎ２→電力変換装置ＰＳ１の負極Ｎ１→チョッパＣＨ１を通る経路である。また、図６は直流中間回路の接続線と順変換器の入力線を通して流れる例である。矢印の経路ＲＴ１〜ＲＴ７がその経路で、電力変換装置ＰＳ１の正極Ｐ１→順変換器ＲＥ１→順変換器の入力線→順変換器ＲＥ２→電力変換装置ＰＳ２の負極Ｎ２→電力変換装置ＰＳ１の負極Ｎ１→チョッパＣＨ１を通る経路である。

この循環電流を抑制する制御方式として、特許文献１ではＮ相アームで出力電圧の零相成分を補正する制御を、逆変換器で出力電圧ノーマル成分を補正する制御方式が提案されている。また特許文献２では、順変換器、チョッパ、逆変換器の電力を演算して、電力変換装置に対して入力の電力と出力の電力の差分が零になる様に、順変換器及び逆変換器の制御値を補正することで、循環電流を抑制する方式が提案されている。

特開２０１０−６３３２８号公報特開２０１１−１４２７０５号公報

上記方式では、並列運転する電力変換装置の１台のみが開放停電になった瞬間等の、動作モードの不一致に対する過渡的な現象において、チョッパの電力の向きが変化することで、過大な電流が流れる場合があった。また、電力演算の精度により、整定時の零相電流が多くなる場合もあった。

従って、本発明の課題は並列接続される各電力変換装置の動作モードの不一致などの過渡的な現象が発生した場合でも、循環電流を確実に抑制可能な並列無停電電源システムを提供することである。

上述の課題を解決するために、第1の発明においては、３相交流電源に接続され、半導体スイッチの高周波スイッチ動作により交流−直流変換を行う順変換器と、順変換器の直流回路の直流端子間に接続され、半導体スイッチの高周波スイッチ動作により直流−交流変換を行い、３相交流電圧を出力する逆変換器と、それぞれダイオードを逆並列接続した半導体スイッチ２個の直列回路からなり前記直流回路の直流端子間に接続されるＮ相アームと、前記直流回路の直流端子間に一方の入力又は出力が接続される双方向に直流電力を変換可能な直流チョッパ回路と、前記順変換器交流入力側のフィルタコンデンサ及び前記逆変換器交流出力側のフィルタコンデンサの接続方法を、各々スター結線とし、その中性点と前記Ｎ相アームの直列接続点とをリアクトルを介して接続してなる３相入出力非絶縁型電力変換装置が、複数台並列に接続されて運転される並列冗長無停電電源システムにおいて、前記複数台の電力変換装置それぞれの前記直流チョッパ回路の他方の入力又は出力同士を接続する第１の接続線と前記直流回路の直流端子の一端同士を接続する第２の接続線と、前記第１の接続線と第２の接続線との間に接続される蓄電池と、負荷電流の指令である出力電流指令と実際に電力変換装置が出力している電流との差分を負荷に供給されずに他の電力変換装置との間で循環する横流として算出する横流算出手段と、前記横流から零相成分又はコモン電流成分を算出する横流零相成分算出手段と、前記横流零相成分に従って零相電圧制御に補正を加える出力電圧零相成分補正制御を前記Ｎ相アームで行うN相アーム制御手段と、前記順変換器の交流入力電流検出値から零相電流を算出し前記順変換器の入力電流指令に補正を加える入力電流指令補正手段と、前記蓄電池からの放電電流検出値から零相電流を算出し前記逆変換器の出力電圧指令に補正を加える出力電圧指令補正手段と、を備える。

第２の発明においては、第１の発明における前記横流零相成分算出手段は、出力電流指令と実際に電力変換装置が出力している電流との差分を負荷に供給されずに他の電力変換装置との間で循環する横流として算出する横流算出手段の３相分の和を求め、この和の１／３を横流零相成分とする。

本発明では、横流零相成分に従って零相電圧制御に補正を加える出力電圧零相成分補正制御を行うＮ相アームと、順変換器の交流入力電流検出値から零相電流を算出し前記順変換器の入力電流指令に補正を加える入力電流指令補正手段と、蓄電池からの放電電流検出値から零相電流を算出し逆変換器の出力電圧指令に補正を加える出力電圧指令補正手段とを備えるようにした。

この結果、非絶縁型の無停電電源装置の並列システムにおける、共通蓄電池式無停電電源システムで発生する循環電流を抑制し、いかなる過渡変動のモードにおいても安定した運用が可能となる。

本発明の実施例を説明するための回路図例である。本発明の順変換器での制御回路ブロック図例である。本発明の逆変換器での制御回路ブロック図例である。本発明のＮ相アームの制御ブロック図例ある。図4の出力電圧零相成分算出の制御ブロック図例である。図4の横流零相成分算出の制御ブロック図例である。共通蓄電池式無停電電源システムの回路図例である。逆変換器出力線を経由した循環電流の経路例である。順変換器入力線を経由した循環電流の経路例である。

本発明の要点は、横流零相成分に従って零相電圧制御に補正を加える出力電圧零相成分補正制御を行うＮ相アームと、順変換器の交流入力電流検出値から零相電流を算出し前記順変換器の入力電流指令に補正を加える入力電流指令補正手段と、蓄電池からの放電電流検出値から零相電流を算出し逆変換器の出力電圧指令に補正を加える出力電圧指令補正手段とを備えるようにした点である。

本発明の適用対象の共通蓄電池式無停電電源システムは図７と同じである。図１に、本発明の実施例を説明するための電流検出器の挿入位置を示す。電流検出器としては直流電流検出器を用い、挿入位置としては順変換器ＲＥの交流入力の各相に各々１個（ＣＴ１〜ＣＴ３）と蓄電池からの直流入力線に２個（ＣＴ４，ＣＴ５）の、合計５個である。

図２に、順変換器ＲＥの制御に補正をかけるための制御ブロック図を示す。各電流検出器の極性を順変換器に流れ込む方向を＋とし、ＣＴ１の検出電流をＩｕ、ＣＴ２の検出電流をＩｖ、ＣＴ３の検出電流をＩｗとする。検出電流（Ｉｕ＋Ｉｖ＋Ｉｗ）を加算器ＡＤ１で求め、零相電流（コモン電流）を求める。この零相電流に零相電流制御ゲインＡを掛算器ＭＬ１で掛算した結果を、順変換器の各相の電流指令値に加算器ＡＤ２で加算し補正を加える構成である。加算器ＡＤ２の出力は補正された電流指令となり、パルス幅変調回路ＰＷＭとパルス分配回路ＰＤを介して順変換器にオンオフ信号を送出する。この様に順変換器の電流指令値に零相電流で補正を加えることにより、零相電流を抑制することができ、結果として循環電流を抑制することが可能となる。

図３に、逆変換器の制御に補正をかけるための制御ブロック図を示す。蓄電池からの放出方向を＋とし、ＣＴ４の検出電流をＩｂＰ、ＣＴ５の検出電流をＩｂＮとする。検出電流ＩｂＰとＩｂＮを加算器ＳＤ３で加算して零相電流（コモン電流）を求める。この零相電流に零相電流制御ゲインＢを掛算器ＭＬ２で掛算した結果を、逆変換器の各相の電圧指令値に加算器ＡＤ４で加算して補正を加える構成である。加算器ＡＤ４の出力は補正された電圧指令となり、パルス幅変調回路ＰＷＭとパルス分配回路ＰＤを介して逆変換器にオンオフ信号を送出する。この様に逆変換器の電圧指令値に零相電流で補正を加えることにより、零相電流を抑制することができ、結果として循環電流を抑制することが可能となる。

図４にＮ相アームの制御回路ブロック図を示す。３相横流零相成分に比例した補正分を比例ゲイン３７で求め、その補正分を加算器４０で出力電圧零相成分指令Ｖｚ＊に加算する。この部分が出力電圧零相成分補正制御に相当する。次に加算器４０の出力と出力電圧の零相成分Ｖｚの差を加算器４１により求め、加算器４１の出力を補償器３８に入力する。加算器４２により補償器３８の出力を出力電圧零相成分指令Ｖｚ＊に加算し、さらに比例ゲイン３９で極性を反転し、Ｎ相アーム電圧指令Ｖｏ＊としている。Ｎ相アーム電圧指令Ｖｏ＊は、Ｎ相アームのスイッチング動作を制御するパルス幅制御の電圧指令信号となる。

図５は、図４で用いる出力電圧零相成分Ｖｚを求める制御回路ブロック図である。各相の出力電圧検出値（Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗ）を加算器４４で加算し、この結果を１／３倍して出力電圧零相成分Ｖｚを求める。尚、ノーマル成分を求める構成も含まれているが、本発明では使用していないので、説明は省略する。

図６は、図４で用いる横流零相成分を求める制御回路ブロック図である。負荷電流（ＩＬｕ〜ＩＬｗ）を並列台数で割算（１８ｕ〜１８ｗ）した電流値と電力変換装置の出力電流（Ｉｕ〜Ｉｗ）との差を加算器１９ｕ〜１９ｗで求め、それらの結果を加算器２１加算し、この結果を１／３倍して横流零相成分Ｉｃｚを求める。尚、ノーマル成分を求める構成も含まれているが、本発明では使用していないので、説明は省略する。
以上のように、Ｎ相アームを制御することにより、横流の零相成分に従って出力電圧零相成分を補正することができる。

本発明は、交流電源装置を並列接続する場合の循環電流抑制の制御であり、無停電電源装置、瞬時電圧低下補償装置などへの適用が可能である。

ＡＣＰ・・・交流電源ＬＤ・・・負荷ＢＴ・・・蓄電池
ＲＥ、ＲＥ１、ＲＥ２・・・順変換器ＮＡ１、ＮＡ２・・・Ｎ相アーム
ＣＨ、ＣＨ１、ＣＨ２・・・チョッパＩＮ１、ＩＮ２・・・逆変換器
ＣＴ１〜ＣＴ５・・・電流検出器Ｃ、Ｃ１、Ｃ２・・・コンデンサ
ＰＳ１、ＰＳ２・・・電力変換装置
ＡＤ１〜ＡＤ４、４０〜４２、４４、１９ｕ、１９ｖ、１９ｗ、２１・・・加算器
２２、４５・・・割算器３７、３９・・・比例ゲイン
３８・・・補償器

Claims

３相交流電源に接続され、半導体スイッチの高周波スイッチ動作により交流−直流変換を行う順変換器と、順変換器の直流回路の直流端子間に接続され、半導体スイッチの高周波スイッチ動作により直流−交流変換を行い、３相交流電圧を出力する逆変換器と、それぞれダイオードを逆並列接続した半導体スイッチ２個の直列回路からなり前記直流回路の直流端子間に接続されるＮ相アームと、前記直流回路の直流端子間に一方の入力又は出力が接続される双方向に直流電力を変換可能な直流チョッパ回路と、前記順変換器交流入力側のフィルタコンデンサ及び前記逆変換器交流出力側のフィルタコンデンサの接続方法を、各々スター結線とし、その中性点と前記Ｎ相アームの直列接続点とをリアクトルを介して接続してなる３相入出力非絶縁型電力変換装置が、複数台並列に接続されて運転される並列冗長無停電電源システムにおいて、
前記複数台の電力変換装置それぞれの前記直流チョッパ回路の他方の入力又は出力同士を接続する第１の接続線と前記直流回路の直流端子の一端同士を接続する第２の接続線と、前記第１の接続線と第２の接続線との間に接続される蓄電池と、負荷電流の指令である出力電流指令と実際に電力変換装置が出力している電流との差分を負荷に供給されずに他の電力変換装置との間で循環する横流として算出する横流算出手段と、前記横流から零相成分又はコモン電流成分を算出する横流零相成分算出手段と、前記横流零相成分に従って零相電圧制御に補正を加える出力電圧零相成分補正制御を前記Ｎ相アームで行うN相アーム制御手段と、前記順変換器の交流入力電流検出値から零相電流を算出し前記順変換器の入力電流指令に補正を加える入力電流指令補正手段と、前記蓄電池からの放電電流検出値から零相電流を算出し前記逆変換器の出力電圧指令に補正を加える出力電圧指令補正手段と、を備えることを特徴とする無停電電源システム。
前記横流零相成分算出手段は、出力電流指令と実際に電力変換装置が出力している電流との差分を負荷に供給されずに他の電力変換装置との間で循環する横流として算出する横流算出手段の３相分の和を求め、この和の１／３を横流零相成分とすることを特徴とする請求項１に記載の無停電電源システム。