JP5986111B2 - 多相配電網の負荷分散装置 - Google Patents

Description

本発明は、多相配電網に関し、より詳細には、多数の単相負荷に給電する多相配電網の平衡化（負荷分散）に関する。

特許文献１は、多相配電網に電気的な単相負荷を均等に分配する装置を開示している。いくつかの電流プローブによって、多相配電網の入力側の各相を流れる電流、および各分岐回路を流れる電流の測定が行われる。プロセッサが、それらの電流プローブによる測定の結果を分析する。各分岐回路には、多極スイッチおよび断路器が設けられている。プロセッサは、各分岐回路の多極スイッチに接続されており、各分岐回路への電力供給を、その分岐回路の断路器を用いて中断した後に、その分岐回路を、適切な単一相に選択的に接続することができる。したがって、各単相負荷は、プロセッサによって適切な１つの相に分配される。

配電網において、電力輸送は、一般に、分配場所まで三相配電網を用いて行われる。構造を単純にし、また電圧レベルを低くするために、三相配電網に接続されるほとんどの負荷は、単相負荷である。単相負荷は、三相配電網の１つの相と中性線との間に接続される。一般に、多くの単相負荷が、三相配電網に接続される。３つの相の各々に接続された各単相負荷の消費電力間に差異があるために、三相配電網の各相間に不平衡が生じる。したがって、各相を流れる電流は互いに異なり、これによって、電圧降下、エネルギー損失、接続可能な単相負荷数の低下、電流品質の劣化、および／または発電装置に対する負荷超過がもたらされることがある。さらに、太陽光発電装置が、三相配電網に電力を供給している場合には、各相の電流を平衡させるために、他のエネルギー源を基にした外部配電網から、電流を注入する必要があることは明らかである。

三相配電網の管理者が、反復性の相間不平衡を確認すると、その管理者は、平衡を取り戻そうとする。三相配電網に限れば、単相負荷は、小グループの住宅にエネルギーを供給する単相変圧器である場合が多い。反復性の相間不平衡が確認されると、単相負荷の新たな分配が立案される。次に、作業者が、１つ以上の単相変圧器に直接的に介入して、それらの単相変圧器を別の相に接続する。

単相負荷の新たな分配を経験的に立案することを避けるために、非特許文献１は、単相負荷の分配を最適化するためのアルゴリズムを提案している。

国際公開第Ｗ０９８/０２６４８９号公報

M. Lafortune、外２名「Phase swapping for distribution system using tabu search（タブー探索法を用いる、分散系のための相転換）」Proceedings of the WSEAS Int. Conference on Energy Saving, Environmental Education、アルカション（フランス）、２００７年１０月１４〜１６日、６７〜７１頁

三相配電網上の単相負荷の分配を最適化する場合においてさえ、手動での技術的な介入は依然として必要であり、したがって、分配変更の実現可能な頻度は非常に制限される。さらに、そのような介入は、１つ以上の単相負荷の作動停止を必要とし、したがって、そのような介入を行うことができる頻度は制限される。さらに、例えばコンピュータサーバや医療設備などの、ある種の単相負荷は常時稼動していなければならないから、単相負荷の作動停止は、その単相負荷の機能と相容れない場合があることは明らかである。したがって、そのような場合における負荷分配の再設定は、長期間にわたって相平衡を犠牲にしても、本当に必要な時しか行なわれない。

本発明は、これらの欠点の１つ以上を解決することを目的としている。この目的を達成するために、本発明は、次のものを備えてなる、多相配電網のための相平衡化装置を提供するものである。
− 多相配電網に接続されている単相電気負荷に供給するための出力電圧を発生させるコンバータであって、このコンバータの出力電圧の、多相配電網の相電圧に対する位相差を選択的に変化させることができるように構成されているコンバータと、
− コンバータのための同期制御モジュールであって、
・ コンバータの出力電圧の位相と、多相配電網の第１の相の電圧の位相との同期を制御することができ、また、
・ コンバータの出力電圧の位相が、多相配電網の第２の相の電圧の位相と同期するまで、コンバータの出力電圧の位相差が漸進的に変化するように制御することができる同期制御モジュールと、
− 多相配電網への単相電気負荷の接続を制御する接続制御モジュールであって、コンバータの出力電圧の位相が、多相配電網の第１の相の電圧の位相と同期したときに、単相電気負荷が、コンバータの出力電圧に接続され、コンバータの出力電圧の位相差が漸進的に変化している間、単相電気負荷が多相配電網から切り離されており、コンバータの出力電圧の位相が、多相配電網の第２の相の電圧の位相と同期したときに、単相電気負荷が、多相配電網の第２の相に接続されるように制御する接続制御モジュール。

一変形例によれば、この相平衡化装置は、次のものを備えている。
− 負荷分散のために、多相配電網に接続されている各単相電気負荷の消費電力の値を得るためのインターフェイスと、
− 計算モジュールであって、
・ 多相配電網の相間の不平衡を特定し、
・ 別の相への移転によって、相間の不平衡を改善することができる単相電気負荷を識別し、
・ 識別された単相電気負荷に対する、別の相への移転の要求を、同期制御モジュールに送ることができる計算モジュール。

さらなる一変形例によれば、計算モジュールは、次のことを行うことができる。
− 別の相への移転によって、相間の不平衡を改善することができるいくつかの単相電気負荷を識別し、
− 識別された、いくつかの単相電気負荷に対する、別の相への移転の要求を、同期制御モジュールに連続的に送る。

別の一変形例によれば、コンバータは、インバータを備えている。

さらなる別の一変形例によれば、コンバータは、多相配電網から電力を受けるためのインターフェイス、およびインバータに電力を供給するための出力を有しているＡＣ／ＤＣコンバータを備えている。

一変形例によれば、同期制御モジュールは、インバータの出力電圧の周波数の変更によって、インバータの出力電圧、したがってコンバータの出力電圧の位相差の漸進的な変化を制御する。

さらなる一変形例によれば、コンバータは、次のものを備えている。
− 多相配電網から電力を供給される、変速器を有するモータと、
− モータによって駆動され、このコンバータの出力電圧を発生させる同期発電機。

本発明は、さらに、次のものを備えてなる、多相配電網のための相平衡化システムを提供するものである。
− 上述の相平衡化装置と、
− 多相配電網に単相電気負荷を相互接続するための相互接続装置であって、
・ 多相配電網の各相を接続するためのインターフェイス、
・ 単相電気負荷を接続するための負荷接続インターフェイス、
・ 単相電気負荷に供給するための出力電圧を発生させるコンバータの出力電圧が印加される給電線を接続するためのインターフェイス、および
・ コンバータのための同期制御モジュールと連絡しており、同期制御モジュールから受け取る制御信号に応じて、負荷接続インターフェイスを、多相配電網の１つの相、および／または給電線に選択的に接続するスイッチング装置を備えている相互接続装置。

一変形例によれば、相互接続装置は、負荷接続インターフェイスに接続されている単相電気負荷の消費電力を測定する測定装置を有しており、この測定装置は、相平衡化装置と連絡している。

本発明は、さらに、次のものを備えている多相配電網に関する。
− 各相に対応する相電力輸送線と、
− 単相電気負荷の移転用の電力を供給するための負荷移転用電力輸送線と、
− 相電力輸送線に電力を供給する太陽電池発電装置と、
− 相電力輸送線および負荷移転用電力輸送線に接続されている、上述したような相平衡化システム。

本発明は、さらに、次のステップを含む、多相配電網に単相電気負荷を分散させる方法を提供するものである。
− 多相配電網に接続されている単相電気負荷に供給するための出力電圧を発生させるインバータの出力電圧の位相を、１つの単相電気負荷に電力を供給している、多相配電網の第１の相の電圧の位相に同期させる同期ステップと、
− インバータの出力電圧を負荷移転回線に印加するステップと、
− 単相電気負荷を負荷移転回線に接続するステップと、単相電気負荷を第１の相から切り離すステップと、
− インバータの出力電圧の位相が、多相配電網の第２の相の電圧の位相に同期するまで、インバータの出力電圧と第２の相の電圧との間の位相差を漸進的に変化させるステップと、
− 単相電気負荷を第２の相に接続するステップ。

一変形例によれば、同期ステップの実行に先立って、次のステップが実行される。
− 多相配電網に接続されている各単相電気負荷の消費電力の値を得るステップと、
− 多相配電網の相間の不平衡を特定するステップと、
− 相を変更することによって、相間の不平衡を改善することができる単相電気負荷を、得られた消費電力の値に基づいて識別するステップ。

本発明の一実施形態による相平衡化装置のブロック図である。 図１の相平衡化装置を備えている三相配電網の回路図である。 相再平衡化の前に各相を流れている電流を表わすグラフである。 相再平衡化中の１段階における、本発明の相互接続パッケージの各リレーの設定を説明する図である。 相再平衡化中の、図４ａの段階後の１段階における、本発明の相互接続パッケージの各リレーの設定を説明する図である。 相再平衡化中の、図４ｂの段階後の１段階における、本発明の相互接続パッケージの各リレーの設定を説明する図である。 相再平衡化中の、図４ｃの段階後の１段階における、本発明の相互接続パッケージの各リレーの設定を説明する図である。 相再平衡化中の、図４ｄの段階後の１段階における、本発明の相互接続パッケージの各リレーの設定を説明する図である。 相再平衡化中の１段階における、相平衡化装置の出力電圧と、三相配電網の相電圧との位相差を示すグラフである。 相再平衡化中の、図５ａの段階後の１段階における、相平衡化装置の出力電圧と、三相配電網の相電圧との位相差を示すグラフである。 相再平衡化中の、図５ｂの段階後の１段階における、相平衡化装置の出力電圧と、三相配電網の相電圧との位相差を示すグラフである。 相再平衡化中の、図５ｃの段階後の１段階における、相平衡化装置の出力電圧と、三相配電網の相電圧との位相差を示すグラフである。 相再平衡化中の、図５ｄの段階後の１段階における、相平衡化装置の出力電圧と、三相配電網の相電圧との位相差を示すグラフである。 図１の相平衡化装置の動作を表わすフローチャートである。 負荷移転命令の実行プロセスを表わすフローチャートである。 図１の相平衡化装置のインバータの構造の一例の回路図である。 従来技術と本発明とによる相平衡化装置を用いた場合に生じ得る、相間の不平衡を比較するグラフである。 本発明の別の一実施形態による相平衡化装置のブロック図である。

添付図面を参照して、以下に示す、本発明に関する非限定的な説明を読むことによって、本発明の他の特性および利点が明らかになると思う。

本発明は、複数の単相負荷が多相配電網に接続されている場合に、それらの相を平衡させるための相平衡化装置を提供するものである。相平衡化装置のコンバータは、自らの出力電圧と、多相配電網の相電圧との間の位相差を選択的に変更することができるように構成されている。相平衡化装置の制御モジュールが、コンバータの出力電圧の位相と、単相負荷が接続されている第１の相の電圧の位相とを同期させる。次に、制御モジュールは、コンバータの出力と、その単相負荷との接続を命じる。次いで、制御モジュールは、コンバータの出力電圧が第２の相の電圧と同相になるまで、コンバータの出力電圧と相電圧との間の位相差を漸進的に変更している間、その単相負荷を第１の相から切り離しておく。その後、制御モジュールは、その単相負荷と第２の相との接続を命じる。

したがって、手動による介入を行うことなく、また多相配電網に接続されている単相負荷に対する電力供給を中断することなく、多相配電網の相の平衡化を定期的に行うことができる。したがって、三相配電網は、永続的に、最適化された相平衡を得ることができ、そのため、三相配電網の多くの用途において、相不平衡に関連する問題は解決される。

図１は、本発明の第１の実施形態による相平衡化装置２の実装状態を示す概要図である。相平衡化装置２は、三相配電網３に対する接続インターフェイスを備えている。この実施形態においては、２つの相間の単相負荷の移転は、インバータを用いて行なわれる。三相配電網３の相電圧に対する、インバータの出力電圧の位相差は可変である。相平衡化装置２は、三相配電網３の各相ｐｈ１、ｐｈ２、ｐｈ３、および中性線Ｎに接続するための入力を有するＡＣ/ＤＣコンバータ（三相整流器）２１を備えていることが好ましい。ＡＣ/ＤＣコンバータ２１の出力は、インバータ２２の入力に接続されている。インバータ２２の出力は、通常は三相配電網３の１つの相に接続されている電気的な単相負荷に一時的に給電するために、各単相負荷に対応する相互接続パッケージに接続されるようになっている。

さらに相平衡化装置２は、例えばマイクロコントローラの形態で実装されている、インバータ２２を制御するための制御モジュール２３を備えている。制御モジュール２３は、三相配電網３に対する接続インターフェイスを備えている。したがって、制御モジュール２３の測定モジュール２３１は、三相配電網３の相ｐｈ１、ｐｈ２、ｐｈ３の各々のピーク電圧、消費電力、および相ｐｈ１、ｐｈ２、ｐｈ３の間の位相関係を特定することができる。相平衡化装置２は、さらに、相互接続パッケージに接続される通信回線に、制御モジュール２３を接続するためのインターフェイスを有している。制御モジュール２３は、相互接続パッケージに向けて接続／切り離し命令を発するために、また相互接続パッケージから送られる、消費電力の測定結果を受けるために、このインターフェイスに接続されている処理回路２３２を有している。処理回路２３２は、さらに、各相互接続パッケージにおける電気的な相互接続の状態に関する情報を受けることができる。制御モジュール２３は、さらに、インバータ２２の入力に接続されている制御回路２３３を有している。制御回路２３３は、例えばインバータ２２から伝送される出力電圧の位相、および／または振幅を定めることができる。

図２は、相平衡化装置２が接続されている三相配電網３の一例を示している。相平衡化装置２は、その接続インターフェイスを介して、三相配電網３に接続されている。相平衡化装置２は、さらに、負荷移転回線１１および通信回線１２に接続されている。相互接続パッケージＢ１〜Ｂｎの各々は、相ｐｈ１、ｐｈ２、ｐｈ３のいずれか１つに接続されるように、三相配電網３に対して配線されている。相互接続パッケージＢ１〜Ｂｎは、さらに、負荷移転回線１１に接続されている。相互接続パッケージＢ１〜Ｂｎは、それぞれ対応するマイクロコントローラＭ１〜Ｍｎを有している。相互接続パッケージＢ１〜Ｂｎは、さらに、それぞれに対応する電気的な単相負荷Ｃ１〜Ｃｎに接続するための接続コンセントＦ１〜Ｆｎを有している。マイクロコントローラＭ１〜Ｍｎは、通信回線１２を介して、制御モジュール２３に接続されている。当業者であれば、相平衡化装置２と相互接続パッケージＢ１〜Ｂｎとの間に、例えば伝送の安定性および安全性に優れた、適切な通信回線１２も選択できることが理解しうると思う。マイクロコントローラＭ１〜Ｍｎの各々は、その相互接続パッケージに接続されている単相負荷の消費電力を測定する。各相互接続パッケージの接続コンセントは、三相配電網３の相の１つ、および／または負荷移転回線１１に、対応するリレーを介して選択的に接続されている。相互接続パッケージの接続コンセントＦ１〜Ｆｎの各々は、さらに、三相配電網３の中性線に接続されている。

図示しないが、各相互接続パッケージは、異常または非常停止を検出して、リレーＩｓ、Ｉ１〜Ｉ３を開くことができる動作不良監視回路を有している。

処理回路２３２は、具体的には、三相配電網３における消費電力の測定結果に基づいて、相間の不平衡を識別するようになっている。相互接続パッケージＢ１〜Ｂｎから供給される消費電力測定結果に基づいて、また各相互接続パッケージの相互接続状態に応じて、処理回路２３２は、三相配電網３の相間で単相負荷の再平衡化を行うために、相互接続パッケージＢ１〜Ｂｎの相互接続の最適設定を決定する。次いで、処理回路２３２は、三相配電網３の１つの相から別の１つの相への単相負荷の移転を命じる。相互接続パッケージＢ１〜Ｂｎの相互接続の再設定によって、１つの相から別の１つの相への、いくつかの単相負荷の連続移転を導き出すことができる。処理回路２３２は、例えば相間への単相負荷の最適分散と、単相負荷の移転数の低減との間の兼ね合いをとることによって、単相負荷の、遂行すべき移転を定めることができる。

図３は、再平衡化の前の、三相配電網の各相上の電流の振幅を示している。図示のように、各相上の電流は、その相に接続されている単相負荷を流れている電流の和である。単相負荷Ｃ１〜Ｃ５は相ｐｈ１に、単相負荷Ｃ６〜Ｃ１０は相ｐｈ２に、単相負荷Ｃ１１〜Ｃ１４は相ｐｈ３に、それぞれ接続されている。図示の例においては、処理回路２３２は、相不平衡が存在することを識別する。すなわち、相ｐｈ２上の電流は、相ｐｈ３上の電流より高く、相ｐｈ１上の電流は、相ｐｈ３上の電流より低い。このような不平衡な振幅を基にして、処理回路２３２は、１つ以上の単相負荷の、相間移転によって、平衡性を改善することができるか否かを判定する。処理回路２３２は、各相への単相負荷の接続状態、およびそれらの単相負荷の各々に流れている電流の振幅を特に考慮する。それによって、処理回路２３２は、相ｐｈ２から相ｐｈ１への単相負荷Ｃ７の移転によって、三相配電網３の相を最適に再平衡化することができると判定する。

図４ａ〜図４ｅは、相ｐｈ２から相ｐｈ１への単相負荷Ｃ７の移転中の、相互接続パッケージＢ７のリレーＩｓ、Ｉ１〜Ｉ３の設定状態を示している。

図４ａにおいては、処理回路２３２は、リレーＩ２を閉じ続け、リレーＩｓ、Ｉ１、Ｉ３を開き続けている。制御回路２３３は、別の経路で、インバータ２２の出力電圧の位相と、相ｐｈ２の電圧の位相とが同期するように制御している。

図４ｂにおいては、インバータ２２の出力電圧と相ｐｈ２の電圧とは、位相が同期しており、かつ振幅が同一である。したがって、単相負荷Ｃ７を、相ｐｈ２と負荷移転回線１１とに同時に接続することができる。したがって、処理回路２３２は、リレーＩｓを閉じ、一方、リレーＩ２を閉じ続けており、リレーＩ１およびＩ３を開き続けている。

図４ｃにおいては、単相負荷Ｃ７は、相ｐｈ１への移転のために、相ｐｈ２から切り離される。処理回路２３２は、リレーＩ２を開き、一方、リレーＩｓを閉じ続けており、リレーＩ１およびＩ３を開き続けている。制御回路２３３は、インバータ２２の出力電圧の位相が相ｐｈ１の電圧の位相と同期するまで、インバータ２２の出力電圧と三相配電網の相電圧との間の位相差が漸進的に変化するように制御する。この間、負荷移転回線１１上の電圧の振幅は、電源電圧、すなわち三相配電網の相電圧の振幅と同一に維持され、それによって、単相負荷Ｃ７の移転中においても、単相負荷Ｃ７に継続的に電力を供給することができる。したがって、インバータ２２の出力電圧と相ｐｈ１の電圧とは、振幅が同一で、位相が漸進的に同相になる。

図４ｄにおいては、単相負荷Ｃ７は、相ｐｈ１に接続され、かつ負荷移転回線１１に接続され続けている。処理回路２３２は、リレーＩ１を閉じ、一方、リレーＩｓを閉じ続けており、リレーＩ２およびＩ３を開き続けている。

図４ｅにおいては、単相負荷Ｃ７は、相ｐｈ１だけに接続され続けており、したがって、相ｐｈ１への移転が完了している。処理回路２３２は、リレーＩｓを開き、一方、リレーＩ１を閉じ続けており、リレーＩ２およびＩ３を開き続けている。したがって、単相負荷Ｃ７は、相ｐｈ１だけから給電される。

１つの単相負荷の移転が完了すると、処理回路２３２によって決定された、相互接続の設定の変化にしたがって、別の１つの単相負荷の移転を行なうことができる。

したがって、インバータ２２は、単相負荷の、他の相への移転の間しか、その単相負荷に給電しない。したがって、インバータ２２から単相負荷への給電は、一時的であり、相平衡化装置２に生じる変換損失は、三相配電網３の消費電力に一時的に影響を及ぼすにすぎない。

負荷移転回線１１およびインバータ２２の定格を、比較的小さくすることができる。この定格は、実際、単相負荷全体によってではなく、電流を最も取り込む可能性のある単相負荷によって定められる。

この例においては、単相負荷の、相ｐｈ２からの切り離しは、理解を容易にするために、リレーＩｓを閉じた後に行われている。しかしながら、無接点リレーが用いられている場合には、リレーＩｓを閉じるのとほとんど同時に、単相負荷の、相ｐｈ２からの切り離しを遂行することができる。したがって、インバータが相ｐｈ２と位相同期すると、すぐに、リレーＩ２を開くことができる。

この例においては、単相負荷の、インバータからの切り離しは、理解を容易にするために、リレーＩ１を閉じた後に行われている。しかしながら、無接点リレーが用いられている場合には、リレーＩ１を閉じるのとほとんど同時に、単相負荷の、インバータからの切り離しを遂行することができる。したがって、インバータが相ｐｈ１と位相同期するとすぐに、リレーＩｓを開くことができる。

インバータを所望の相に位相同期させている間、リレーＩ１、Ｉ２、およびＩ３は開かれたままである。

インバータ２２の出力電圧が、目的の相の電圧と同相になるまでの間、インバータ２２の出力電圧の周波数を、わずかに減少または増加させておくことによって、インバータ２２の出力電圧と三相配電網３の相電圧との間の位相差を漸進的に変化させることができる。三相配電網の給電周波数が５０Ｈｚである場合には、インバータ２２の出力電圧の周波数を４９．５Ｈｚまで低下させるか、または５０．５Ｈｚまで上昇させてもよい。この程度の周波数変化は、ほとんどの電気的な負荷、ほとんどの公的な配電網（周波数変化の許容範囲が公称周波数の１％である）に対して、全く許容可能である。したがって、単相負荷の動作を乱すことなく、単相負荷に継続して給電することができる。さらに、このような周波数変化によって、インバータ２２の出力電圧の位相は、比較的短時間で別の相の電圧の位相に同期することができる。したがって、各単相負荷における相互接続の設定の変更を、短時間で行なうことができる。したがって、複数の単相負荷における相互接続の設定の変更を、短い時間間隔で行なうことができ、それによって、ほとんど全ての時間において、三相配電網３に最適の動作を与えることができる。したがって、回線上での損失が最大限に制限され、単相負荷の相互接続の構想（時間的配分、地理的配分など）に要する時間が短くなり、多相配電網に対して、太陽電池パネルから供給される平衡化のための電流の取り込みが最大限に制限され、手動での介入、および再平衡化のための給電停止がなくなり、近隣の太陽電池電力製造設備（それが存在するとして）の自家消費が最大になる。

単相負荷の相互接続の再設定の検討の前になされる、相不平衡の分析期間が短縮されることを実感することができると思う。相平衡を、例えば約１０分間隔で測定することも、１時間以上の間隔で測定することもできる。

図５ａ〜図５ｅは、前述の、相ｐｈ２から相ｐｈ１への単相負荷の移転中の、インバータ２２の出力電圧の推移を示している。図５ａ〜図５ｅに示されている、インバータ２２の出力電圧と三相配電網の相電圧との間の位相差の漸進的な変化は、インバータ２２の出力電圧の周波数の低下によってもたらされる。

図５ａにおいては、負荷移転回線１１の電圧と相ｐｈ２の電圧とは、位相が同期している。図５ｂ〜図５ｄにおいては、単相負荷Ｃ７は、負荷移転回線１１からしか給電されていない。インバータ２２は、三相配電網３の周波数より低い周波数の出力電圧を発生させ、負荷移転回線１１の電圧と相ｐｈ２の電圧との間の位相差は漸進的に変化していく。図５ｅにおいては、負荷移転回線１１の電圧の位相は、相ｐｈ１の電圧の位相と同期し、その周波数は、三相配電網３の周波数と同一に戻される。したがって、単相負荷Ｃ７を、負荷移転回線１１から切り離して、相ｐｈ１だけから給電されるようにすることができる。

図６は、処理回路２３２の動作を表わすフローチャートである。ステップ３０１において、例えば制御モジュール２３の活動再開によって、処理回路２３２は作動する。前述のように、処理回路２３２の作動は、例えばおよそ５〜１０分の範囲の一間隔で行われる場合がある。ステップ３０２において、処理回路２３２は、単相負荷によって消費されている電流、および三相配電網３の各相を流れている電流の値を得る。三相配電網３の平衡を最適化するために、消費電力の平均値を基にした処理ができるように、処理回路２３２によって値が得られる、または処理回路２３２によってなされる電流測定は、１０秒間以上にわたることが好ましい。処理回路２３２は、さらに、相互接続パッケージＢ１〜Ｂｎの相互接続状態を認識する。ステップ３０３において、処理回路２３２は、三相配電網３の各相への単相負荷の相互接続のための最良の設定を探す。処理回路２３２は、次に、遂行すべき、単相負荷の相間移転のリストを作成する。このリストは、例えばＣｐ（Ｂ_ｉ、ｐｈ_ｊ、ｐｈ_ｋ）の形式を有する命令の形態をとっている。Ｂ_ｉは、移転される単相負荷に組み合わされている相互接続パッケージに対応し、ｐｈ_ｊは、移転される単相負荷に、その時点において繋がれている相（移転元の相）に対応し、ｐｈ_ｋは、移転先の相に対応している。

ステップ３０４において、処理回路２３２は、遂行すべき負荷移転が残っているか否かを確認する。遂行すべき負荷移転が存在しない場合には、この平衡化プロセスはステップ３０６に進む。少なくとも１つの遂行すべき負荷移転が残っている場合には、この平衡化プロセスはステップ３０５に進む。ステップ３０５において、処理回路２３２は、遂行すべき負荷移転のリスト中に存在する負荷移転命令Ｃｐ（Ｂ_ｉ、ｐｈ_ｊ、ｐｈ_ｋ）を制御回路２３３に転送する。平衡化プロセスがステップ３０５から出るときに、処理回路２３２は、遂行すべき負荷移転のリストから、この転送された直近の負荷移転命令を削除する。

ステップ３０６において、もはや１つの負荷移転も必要でないこと、すなわち負荷移転が完了したことが結論付けられる。その後、制御モジュール２３は、待機状態に移る。ステップ３０７において、平衡化プロセスが終了する。

図７は、制御回路２３３による負荷移転命令の実行プロセスを表わすフローチャートである。例えば制御モジュール２３によって実行されるタスクの形態で、負荷移転命令の実行を行うことができる。

ステップ４０１において、制御回路２３３は、負荷移転命令Ｃｐ（Ｂ_ｉ、ｐｈ_ｊ、ｐｈ_ｋ）を受け取る。ステップ４０２において、制御回路２３３は、インバータ２２を始動させる。制御回路２３３は、インバータ２２の出力電圧の位相が、相ｐｈ_ｊの位相に同期するように制御する。ステップ４０３において、処理回路２３２は、相互接続パッケージＢｉの単相負荷への相ｐｈ_ｊおよびインバータの出力の接続を命じる。ステップ４０４において、処理回路２３２は、相ｐｈ_ｊからの、相互接続パッケージＢｉの単相負荷の切り離しを命じる。ステップ４０５において、制御回路２３３は、インバータ２２の出力電圧の位相が、相ｐｈ_ｋの電圧の位相に漸進的に同期するように制御する。ステップ４０６において、処理回路２３２は、相互接続パッケージＢｉの単相負荷への、相ｐｈ_ｋおよびインバータの出力の接続を命じる。ステップ４０７において、処理回路２３２は、相互接続パッケージＢｉの単相負荷への、インバータ２２の出力電圧の供給停止を命じる。ステップ４０８において、インバータ２２は作動停止する。ステップ４０９において、負荷移転命令の実行プロセスが終了する。

図８は、負荷移転を可能にする出力電圧を発生させることができるインバータ２２の一例の構造を概要的に示している。インバータ２２は、例えば１８ｋＨｚのチョッピング周波数を有するパルス幅変調インバータである。インバータ２２は、その入力に直流電圧を受ける。この直流電圧は、例えばＡＣ／ＤＣコンバータ２１から供給される。この直流電圧は、公知のように、キャパシタＣの端子間、および一群のスイッチＳ１〜Ｓ４の端子間に印加される。スイッチＳ１とＳ２との間の中間節点は、インダクタンスＬを介して、絶縁変圧器ＴＩの第１の入力端子に接続されている。スイッチＳ３とＳ４との間の中間節点は、絶縁変圧器ＴＩの第２の入力端子に接続されている。絶縁変圧器ＴＩの第１の出力は、負荷移転回線１１に接続されており、絶縁変圧器ＴＩの第２の出力は、三相配電網３の中性線Ｎに接続されている。スイッチＳ１〜Ｓ４は、位相制御可能な交流電圧を発生させるように、制御モジュール２３、具体的には、制御回路２３３によって制御される。

インバータ２２の出力電圧の位相の、三相配電網３の１つの相の位相との同期や、別の１つの相の位相との同期への漸進的な変化は、制御モジュール２３を用いて、次のように行うことができる。インバータ２２として、１８ｋＨｚのチョッピング周波数を有するパルス幅変調インバータを用いると仮定する。

変数ｎ_ｉおよび定数ｎ_ｉｍａｘを、それぞれ相ｉ（相ｐｈ１〜ｐｈ３のうちのいずれか１つの相）の瞬時位相および周期とする。変数ｎ_ｉおよび定数ｎ_ｉｍａｘの値は、クロックＨ１の周期数で表わされる。

パルス幅制御信号が、デュアルスロープ型（二重積分型）コンバータから出力される。クロック信号Ｔ０が、デュアルスロープ型コンバータの第１の入力に入力され、変数Ｂｕｆｆｅｒ０が、基準値として、デュアルスロープ型コンバータの第２の入力に入力される。パルス幅制御信号は、スイッチＳ１〜Ｓ４を構成している各トランジスタのスイッチングを制御するために用いられる。

１つの表に、１周期にわたる正弦関数のデジタル値が読み込まれている。この表は、正弦関数ｓｉｎ（ｎ）の例えば３６０個の値を読み込んでいる。ｎは、０〜３５９の範囲の数値である。

さらに、４．５ｋＨｚの周波数（チョッピング信号Ｈ０の周波数の１／４倍）のクロック信号Ｈ１が用いられる。クロック信号Ｈ１は、割り込みプログラムＨ１＿ＩＲＱを起動させる。

割り込みプログラムＨ１＿ＩＲＱの機能は、デュアルスロープ型コンバータの出力信号のデューティ比を変更するために、変数ｎ_ｉの値をインクリメントし、変数Ｂｕｆｆｅｒ０の値を更新することである。正弦関数ｓｉｎ（ｎ）の値の表は、デュアルスロープ型コンバータに入力すべきＢｕｆｆｅｒ０の値を得るために用いられる。

制御モジュール２３は、相ｐｈ１〜ｐｈ３の電圧の各々の立ち上がりエッジに対してゼロ交差を検出するための装置を備えている。いずれの相においても、ゼロ交差が検出される度に、その相に対する割り込みプログラムＩＲＱ２が起動する。相ｉの立ち上がりエッジにおけるゼロ交差の検出によって、割り込みプログラムＩＲＱ２が実行されると、そのときの変数ｎ_ｉの値が定数ｎ_ｉｍａｘの値とされ、次いで、変数ｎ_ｉの値が０に設定される。したがって、定数ｎ_ｉｍａｘは、相ｉの１周期の長さに相応しており、クロック信号Ｈ１の周期数で表わされる。クロック信号Ｈ１の周波数が４．５ｋＨｚであるから、三相配電網３の周波数が５０Ｈｚである場合には、定数ｎ_ｉｍａｘの値は、９０前後でなければならない。

したがって、変数ｎ_ｉおよび定数ｎ_ｉｍａｘの値を用いることによって、次の関係式から、相ｉの位相Ψｉの値（単位はラジアン）を即座に得ることができる。
Ψｉ＝２π×ｎ_ｉ／ｎ_ｉｍａｘ

インバータ２２の出力電圧の位相と相ｉの電圧の位相との間の同期のために、割り込みプログラムＨ１＿ＩＲＱによってインクリメントされた変数ｎ_ｉの値に対応するｓｉｎ（ｎ）の値が、その表から読み出されて、Ｂｕｆｆｅｒ０の値が変更される。ｎの値は、ｎ＝ｎ_ｉ×３６０／ｎ_ｉｍａｘから得られる。

三相配電網３の相間の電圧の振幅の変動を考慮に入れて、インバータ２２の出力電圧を、それが位相同期しなければならない相の電圧に適合させることができるように、利得係数Ｇをｓｉｎ（ｎ）の値に乗じることが好ましい。

したがって、インバータ２２の出力電圧の位相と相ｉの電圧の位相との同期時に、変数Ｂｕｆｆｅｒ０の値は、Ｂｕｆｆｅｒ０＝Ｇ×ｓｉｎ（ｎ_ｉ×３６０／ｎ_ｉｍａｘ）によって定められる。

したがって、インバータ２２の出力電圧の位相の、相ｉの位相から相ｊ（相ｐｈ１〜ｐｈ３のうちの、相ｉ以外の１つの相）の位相への同期変更時に用いられる変数Ｂｕｆｆｅｒ０の値は、次の関係式によって与えられる。
Ｂｕｆｆｅｒ０＝Ｇ×ｓｉｎ〔（Ｏｆｆｓｅｔ＋ｎ_ｉ）×３６０／ｎ_ｉｍａｘ〕

Ｏｆｆｓｅｔは、割り込みプログラムＨ２＿ＩＲＱの実行によってインクリメント（またはデクリメント）される値である。この割り込みプログラムＨ２＿ＩＲＱは、例えば１／１０秒毎に実行される。このＯｆｆｓｅｔは、相間移転の開始時の初期値として０をとる。Ｏｆｆｓｅｔの値が（ｎ_ｊ−ｎ_ｉ）の値に達し、それによって、インバータ２２の出力電圧の位相が、相ｊの位相と同期したことが明瞭になったときに、相間移転が完了したとすることができる。

したがって、単相負荷に急激な相変更を適用することなく、単相負荷を、比較的短時間で、１つの相から別の１つの相に漸進的に移転することができる。１／１０秒毎の頻度で、Ｏｆｆｓｅｔの値をインクリメントすることにより、また移転の際には、移転先の相に応じて、ｏｆｆｓｅｔの値を選択的にインクリメントまたはデクリメントすることにより、１つの単相負荷の移転期間を約３秒間に短縮することができる。したがって、負荷移転回線１１上の電圧の周波数偏位は、０．１１Ｈｚに限定される。

図９は、本発明を実施することができるタイプの施設における相不平衡の比較図である。この施設は、誰でも利用可能な、電気自動車のための充電プラントである。そのような施設においては、誰でも利用可能な駐車スペースに、電気自動車のバッテリの充電装置が設けられている。充電装置は、三相配電網に接続されている。充電装置に接続される電気自動車は、電気的な単相負荷を構成している。

図９において、縦軸には、充電装置への電気自動車の接続によって生じ得る相不平衡の程度を表わす指標となる、三相配電網の中性線を流れる最大中性線電流Ｉｎが示されている。横軸には、充電装置に接続される電気自動車の数Ｎｂが示されている。各電気自動車とそれが接続されている充電装置とで、３ｋＷの電気的な等価単相負荷が形成されると仮定する。

従来技術によれば、充電装置は、三相配電網のいずれかの相に、変更不能に接続される。この充電所は誰でも利用可能であり、ユーザは、自分の選んだ充電装置に、自分の電気自動車を接続することができるから、４台の電気自動車だけが、別々の充電装置に接続されており、それらの充電装置の全てが、三相配電網の同一の相に接続されているという状況は、あり得る状況である。したがって、この例においては、中性線電流は約５２Ａに達する。

本発明によれば、充電装置は、単相負荷が三相配電網に分散されるように、各相に動的に接続される。このような動的な分散によって、三相配電網に接続される電気自動車数の各相間での差は、最大で１台であることが保証される。したがって、この例においては、接続される電気自動車数が何台であっても、中性線電流は、最大で１３Ａである。

したがって、本発明は、どのような単相負荷が、時間的および空間的にどのように接続されるかを、設計者があらかじめ予測することができないような電気的な施設にとって、特に好適であることは明らかである。

本発明は、多数の応用に対して、極めて好適であることは明らかである。

本発明は、三相配電網に電力を供給する太陽電池設備にとって、特に好適であることは明らかである。このような太陽電池設備が、相不平衡を起こしやすいことは明らかである。このような太陽電池設備を用いると、相不平衡によって、給電することができる単相負荷の数は極めて制限されるか、または相の１つに電流を注入するために、なんらかの配電網から電流を取り出すことが必要になり、それによって、太陽電池設備の有用性が損なわれる場合がある。法的枠組みの進展につれて、太陽電池設備は、公衆多相配電網に電流を再注入するよりも、次第に、地域多相配電網に電力を供給するために用いられるようになっている。したがって、地域多相配電網は、公衆多相配電網に比して、より強い自律性を有しなければならない。

本発明は、さらに、誰でも利用可能な、電気自動車の充電施設の管理において、非常に好適であることは明らかである。実際、それぞれの場所における充電の分担、および充電時間は極めてランダムであり、その結果、大きな相不平衡が生じる場合がある。本発明を用いなければ、各充電施設は、それぞれの場所、または関与する利用者に特有の充電習慣に関する調査を受けることが必要と思われる。

本発明は、さらに、居住用住宅のグループの、多相配電網への相互接続の再設定において好適であることは明らかである。さらに、多相配電網に接続される単相負荷が、一日を通じて大きく変化することがある、オフィスの施設に、本発明を好適に適用することができる。

本発明は、さらに、突入電流が極めて大きく、かつ相間で大きなばらつきを生じることがある、コンピュータサーバの格納施設に好適に適用することができる。このような格納施設においては、定期的に平衡化を行いながら、連続可動を維持することが、何より重要であることは明らかである。

本明細書においては、本発明を、三相配電網という特定の例に関連付けて説明したが、当然ながら、本発明は、その他の任意の多相配電網にも適用することができる。

相互接続パッケージＢ１〜Ｂｎの相互接続状態を、相平衡化装置２が発した命令にしたがって、または、通信回線１２を介して、マイクロコントローラＭ１〜Ｍｎから通知された情報にしたがって、記憶装置に記憶させることができる。

本明細書において説明している相平衡化装置２は、ＡＣ／ＤＣコンバータを内蔵している。しかしながら、相平衡化装置２から独立したＡＣ／ＤＣコンバータを用いることもできる。さらに、インバータ２２の入力に直流電圧を供給するために、外部直流電圧源を用いることもできる。

図１０は、本発明による相平衡化装置２の別の実施形態の概要を示している。この実施形態においては、ＡＣ／ＤＣコンバータ２１およびインバータ２２は、変速器２５を有するモータ２４および同期発電機２６と置き換えられている。モータ２４と同期発電機２６との組み合わせによって、自身の出力電圧と、三相配電網の相電圧との間の位相差を変更することができるコンバータが形成されている。

モータ２４は、例えば直流モータまたは交流モータであるが、変速器２５を有している。したがって、モータ２４の回転速度を固定することができる。モータ２４は、三相配電網から電力を供給される。モータ２４は、同期発電機２６のロータを回転駆動する。同期発電機２６は、例えば巻線ロータタイプである。

したがって、同期発電機２６の端子間に発生する電圧の周波数は、モータ２４によって定められる。モータ２４および同期発電機２６の公称出力を、２つの相間で移転させようとする単相負荷のうちで最大の消費電力を有する単相負荷の消費電力と同程度にすることができる。

モータ２４および同期発電機２６の動作は、制御モジュール２３によって制御される。制御モジュール２３は、同期発電機２６の出力電圧の周波数、および位相の制御のために、第１の調整ループを、また同期発電機２６の出力電圧の実効値の制御のために、第２の調整ループを用いることができる。

第１の調整ループを用いて、同期発電機２６のロータの回転速度を変化させることができる。第２の調整ループを用いて、同期発電機２６の誘導子の励磁電流を変化させることができる。

例えば相ｐｈ１から相ｐｈ２への、単相負荷の移転を行うために、次のプロセスを実行することができる。
− 同期発電機２６の出力電圧が、相ｐｈ１の電圧と同相になり、かつ同振幅を呈するように、モータ２４を制御し、同期発電機２６の誘導子に電力を供給する。
− 同期発電機２６の出力は、電気的な単相負荷に接続される。したがって、電気的な単相負荷は、相ｐｈ１と同期発電機２６の出力との両方から給電される。
− 電気的な単相負荷が、相ｐｈ１から切り離される。電気的な単相負荷は、同期発電機２６の出力からしか給電されない。
− モータ２４の回転速度は、変速器２５によってわずかに変更され、したがって、同期発電機２６のロータの回転速度が変更される。したがって、同期発電機２６の出力電圧の周波数が変更される。同期発電機２６の出力電圧の位相が、相ｐｈ２の電圧の位相と同期するまで、モータ２４の回転速度の、変速器２５による変更が維持される。
− 相ｐｈ２が、電気的な単相負荷に接続される。したがって、電気的な単相負荷は、同期発電機２６と相ｐｈ２との両方から給電される。
− 同期発電機２６の出力が、電気的な単相負荷から切り離される。以上によって、電気的な単相負荷は、適切に、相ｐｈ１から相ｐｈ２に移転される。

２ 相平衡化装置
３ 三相配電網
１１ 負荷移転回線
１２ 通信回線
２１ ＡＣ／ＤＣコンバータ
２２ インバータ
２３ 制御モジュール
２４ モータ
２５ 変速器
２６ 同期発電機
２３１ 測定モジュール
２３２ 処理回路
２３３ 制御回路
Ｂ１、Ｂｎ 相互接続パッケージ
Ｃ キャパシタ
Ｃ１〜Ｃ１４、Ｃｎ 単相負荷
Ｆ１、Ｆｎ 接続コンセント
Ｉｓ、Ｉ１〜Ｉ３ リレー
Ｌ インダクタンス
Ｍ１、Ｍｎ マイクロコントローラ
Ｎ 中性線
ｐｈ１〜ｐｈ３ 相
Ｓ１〜Ｓ４ スイッチ
ＴＩ 絶縁変圧器

Claims (12)

1. − 多相配電網（３）に接続されている多数の単相電気負荷（Ｃ１〜Ｃｎ）に供給するための出力電圧を発生させるコンバータ（２２）であって、このコンバータの出力電圧の、前記多相配電網の相電圧に対する位相差を選択的に変化させることができるように構成されているコンバータと、
   − 前記コンバータ（２２）のための同期制御モジュール（２３）であって、
   ・ 前記コンバータの出力電圧の位相と、前記多相配電網の第１の相（ｐｈ１）の電圧の位相との同期を制御することができ、かつ、
   ・ 前記コンバータの出力電圧の位相が、前記多相配電網の第２の相（ｐｈ２）の電圧の位相と同期するまで、前記コンバータの出力電圧の前記位相差が漸進的に変化するように制御することができる同期制御モジュール（２３）と、
   − 前記多相配電網への前記多数の単相電気負荷の接続を制御する接続制御モジュール（２３）であって、前記コンバータの出力電圧の位相が、前記多相配電網の第１の相の電圧の位相と同期したときに、前記多数の単相電気負荷のうちの少なくとも１つが、前記コンバータの出力電圧に接続され、前記コンバータの出力電圧の前記位相差が漸進的に変化している間、前記接続された単相電気負荷が前記多相配電網から切り離されており、前記コンバータの出力電圧の位相が、前記多相配電網の第２の相の電圧の位相と同期したときに、前記接続された単相電気負荷が、前記多相配電網の第２の相に接続されるように制御する接続制御モジュール（２３）とを備えていることを特徴とする、多相配電網の相平衡化のための負荷分散装置（２）。
2. − 負荷分散のために、前記多相配電網に接続されている各単相電気負荷（Ｃ１〜Ｃｎ）の消費電力の値を得るためのインターフェイスと、
   − 計算モジュール（２３２）であって、
   ・ 前記多相配電網の相間の不平衡を特定し、
   ・ 別の相への移転によって、前記相間の不平衡を改善することができる単相電気負荷（Ｃ７）を識別し、
   ・ 識別された前記単相電気負荷（Ｃ７）に対する、前記別の相への移転の要求を、前記同期制御モジュール（２３）に送ることができる計算モジュール（２３２）とを備えている、請求項１に記載の負荷分散装置。
3. 前記計算モジュール（２３２）は、
   − 別の相への移転によって、前記相間の不平衡を改善することができるいくつかの単相電気負荷を識別し、
   − 識別された前記いくつかの単相電気負荷に対する、前記別の相への移転の要求を、前記同期制御モジュール（２３）に連続的に送ることができるようになっている、請求項２に記載の負荷分散装置。
4. 前記コンバータは、インバータ（２２）を備えている、請求項１〜３のいずれか１つに記載の負荷分散装置。
5. 前記コンバータは、前記多相配電網から電力を受けるためのインターフェイス、および前記インバータ（２２）に電力を供給するための出力を有しているＡＣ／ＤＣコンバータ（２１）を備えている、請求項４に記載の負荷分散装置。
6. 前記同期制御モジュール（２３）は、前記インバータの出力電圧の周波数の変更によって、前記インバータの出力電圧、したがって前記コンバータの出力電圧の前記位相差の漸進的な変化を制御するようになっている、請求項４または５に記載の負荷分散装置。
7. 前記コンバータは、
   − 前記多相配電網から電力を供給される、変速器を有するモータと、
   − 前記モータによって駆動され、前記コンバータの出力電圧を発生させる同期発電機とを備えている、請求項１〜３のいずれか１つに記載の負荷分散装置。
8. − 請求項１〜７のいずれか１つに記載の負荷分散装置（２）と、
   − 多相配電網（３）に各単相電気負荷（Ｃ１〜Ｃｎ）を相互接続するための多数の相互接続装置（Ｂ１〜Ｂｎ）であって、
   ・ 前記多相配電網の各相を接続するためのインターフェイス、
   ・ 前記各単相電気負荷を接続するための各負荷接続インターフェイス（Ｆ１〜Ｆｎ）、
   ・ 前記各単相電気負荷に供給するための出力電圧を発生させるコンバータの出力電圧が印加される給電線（１１）を接続するためのインターフェイス、および
   ・ 前記コンバータのための同期制御モジュール（２３）と連絡しており、該同期制御モジュール（２３）から受け取る制御信号に応じて、前記各負荷接続インターフェイス（Ｆ１〜Ｆｎ）を、前記多相配電網の１つの相および／または前記給電線に選択的に接続するスイッチング装置（Ｍ１、Ｉｓ、Ｉ１、Ｉ２、Ｉ３）を有する相互接続装置（Ｂ１〜Ｂｎ）とを備えている、多相配電網の相平衡化のための負荷分散システム。
9. 前記多数の相互接続装置（Ｂ１〜Ｂｎ）は、前記各負荷接続インターフェイス（Ｆ１〜Ｆｎ）に接続されている各単相電気負荷の消費電力を測定する測定装置を有しており、この測定装置は、前記負荷分散装置（２）と連絡している、請求項８に記載の負荷分散システム。
10. − 各相に対応する相電力輸送線（ｐｈ１、ｐｈ２、ｐｈ３）と、
    − 多数の単相電気負荷の移転用の電力を供給するための負荷移転用電力輸送線（１１）と、
    − 前記相電力輸送線に電力を供給する太陽電池発電装置と、
    − 前記相電力輸送線および前記負荷移転用電力輸送線に接続されている、請求項８または９に記載の負荷分散システムとを備えている多相配電網。
11. − 多相配電網（３）に接続されている多数の単相電気負荷に供給するための出力電圧を発生させるインバータ（２２）の出力電圧の位相を、少なくとも１つの単相電気負荷に電力を供給している、前記多相配電網（３）の第１の相の電圧の位相に同期させる同期ステップと、
    − 前記インバータの出力電圧を負荷移転回線（１１）に印加するステップと、
    − 前記電力供給されている単相電気負荷を前記負荷移転回線（１１）に接続するステップと、前記接続された単相電気負荷を前記第１の相から切り離すステップと、
    − 前記インバータの出力電圧の位相が、前記多相配電網（３）の第２の相の電圧の位相に同期するまで、前記インバータの出力電圧と前記第２の相の電圧との間の位相差を漸進的に変化させるステップと、
    − 前記接続された単相電気負荷を前記第２の相に接続するステップとを含む、多相配電網（３）に多数の単相電気負荷を分散させる負荷分散方法。
12. 前記同期ステップの実行に先立って、
    − 前記多相配電網に接続されている各単相電気負荷の消費電力の値を得るステップと、
    − 前記多相配電網の相間の不平衡を特定するステップと、
    − 相を変更することによって、前記相間の不平衡を改善することができる単相電気負荷を、得られた前記消費電力の値に基づいて識別するステップとが実行される、請求項１１に記載の負荷分散方法。

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