JP6202896B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、電力変換装置に関する。

従来から、複数の電力変換装置を並列運転して共通の負荷に電力を供給する技術が開発されている。例えば、特許文献１には、並列接続された複数の電力変換回路の出力端の電力を検出し、その検出した信号を用いて、各電力変換回路を制御する技術が開示されている。

特開２００２−３６９５４１号公報

しかしながら、上記従来の技術によれば、電力が急変して第１の電力変換装置の出力する電力が並列運転している第２の電力変換装置（他の電力変換装置）に出力端から流入した場合には、第２の電力変換装置が保護機能（半導体保護ヒューズ等）により停止することがあり、負荷に供給する電力が変動してしまい、電力品質が低下する、という問題があった。

また、電力変換装置が、内部に電力のバッファとなる平滑コンデンサを備える場合には、平滑コンデンサの過電圧を防止する機能を備えていることがある。特に、電流源である電力変換装置と電圧源である電力変換装置を備える構成では、電圧源の電力変換装置が停止すると、電流源の電力変換装置も停止し、負荷への電力供給が断たれてしまう、という問題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、並列運転する複数の電力変換部が共通の負荷に電力を供給する電力変換装置において、電力が急変した時に他の電力変換部に出力端から電力が流入して保護機能により停止することを抑制し、負荷に供給する電力品質を向上させることが可能な電力変換装置を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の電力変換装置は、負荷と第１の電源の間に配され、出力端からの流入電力に対する保護機能を備える第１の電力変換手段と、前記負荷と第２の電源の間に配され、前記第１の電力変換手段と並列運転する第２の電力変換手段と、を備える電力変換装置であって、前記第１の電力変換手段への出力端からの流入電力を検出して検出信号を出力する検出手段と、前記検出信号が入力される出力手段と、を備え、前記第１の電力変換手段は、前記流入電力に応じた指標値の信号を出力し、前記検出手段は、前記指標値が、前記第１の電力変換手段が前記保護機能によって停止させられる前に前記第２の電力変換手段からの電力を遮断するように設定されたしきい値を超える場合に、前記第２の電源と前記負荷との間の電力経路を遮断する旨の検出信号を出力し、前記出力手段は、前記遮断する旨の検出信号が入力されると、前記第２の電源と前記負荷との間の電力経路を遮断することを特徴とする。

本発明によれば、並列運転する複数の電力変換部が共通の負荷に電力を供給する電力変換装置において、電力が急変した時に他の電力変換部に出力端から電力が流入して保護機能により停止することを抑制し、負荷に供給する電力品質を向上させることが可能な電力変換装置を得ることができる、という効果を奏する。

図１は、実施の形態１に係る電力変換装置の一構成例を示す図である。 図２は、実施の形態１に係る電力変換装置の電力変換部の一構成例を示す図である。 図３は、実施の形態１に係る電力変換装置の制御部の一構成例を示す図である。 図４は、実施の形態１に係る電力変換装置の制御部内検出部の一構成例を示す図である。 図５は、実施の形態１に係る電力変換装置の動作を説明するタイミングチャートである。 図６は、実施の形態２に係る電力変換装置の一構成例を示す図である。

以下に、本発明に係る電力変換装置の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、本実施の形態に係る電力変換装置の一構成例を示す図である。図１に示す電力変換装置１００では、電力変換部１０，２０が並列で共通の負荷３に接続されており、負荷３に電力変換部１０，２０を介して電力が供給される構成である。

電力変換部１０は電源１に接続され、出力端からの電力の流入を検出する検出部４０に接続された電圧源である。電力変換部１０は制御部６０に制御される。制御部６０内において、検出部４０は、出力端からの電力の流入を通知する出力部（遮断信号生成部５０）に接続されている。電力変換部１０は保護機能を備え、該保護機能は、例えば電力変換部１０への出力端からの電力の流入を防止する半導体保護ヒューズ等により実現される。なお、検出部４０及び遮断信号生成部５０は、制御部６０の外に別途設けられていてもよい。

なお、負荷３の入力端には電圧センサ１５が接続されており、負荷３の入力電圧値（電力変換部１０の出力の電圧値と同じ）を検出する。

図２は、電力変換部１０の一構成例を示す図である。図２に示す電力変換部１０は、電力半導体素子で構成されたインバータ回路１１と、インバータ回路１１の出力電流を検出する電流センサ１２と、リアクトル１３と、コンデンサ１４と、電圧センサ１５ａと、減算器１６と、電流コントローラ１７と、パルス発生回路１８と、を備え、制御部６０からの電流指令信号に従って出力電流を制御する電流型のインバータ回路である。リアクトル１３とコンデンサ１４はＬＣフィルタを構成し、インバータ回路１１の出力電圧波形を正弦波に近い波形に整形する。電圧センサ１５ａは、電力変換部１０の内部に備えられる電力のバッファとなる平滑コンデンサに印加される電圧を検出する。減算器１６は、制御部６０内の電流指令発生回路６４の出力信号値から電流センサ１２の検出信号値を減算する。電流コントローラ１７は減算器１６の出力がゼロになるように動作する。パルス発生回路１８は、電流コントローラ１７の出力に従ってインバータ回路１１の制御位相を制御する。パルス発生回路１８は、制御部６０内の運転指令発生回路６５の出力により動作するか否かが制御される。

電力変換部２０は電源２に接続された電流源であり、電力変換部２０と負荷３及び電力変換部１０との間には遮断器２２が設けられている。なお、電力変換部２０の構成は、電力変換部１０の構成と同様であるため説明は省略する。

なお、電源１，２は特定のものに限定されない。電源１，２としては、燃料電池及び蓄電池を例示することができる。電源１，２は、太陽光発電システムまたは風力発電システムなどの発電システムに接続されていてもよい。

検出部４０は、電力変換部１０から出力された指標値Ｖｉｎにしたがって、他の電力変換部（ここでは電力変換部２０）から供給される電力を遮断するか否かを判定して出力値Ｖｏｕｔを出力する。

遮断信号生成部５０は、従来のシステムにおける制約条件及び検出部４０から出力される出力値Ｖｏｕｔに従って遮断器２２を解列する信号を出力する。また、遮断器２２を投入する場合にも、従来のシステムにおける制約条件及び出力値Ｖｏｕｔに従って遮断器２２を投入する信号を出力する。遮断信号生成部５０が出力する信号は、有電圧接点であってもよいし、無電圧接点であってもよい。

なお、遮断信号生成部５０が遮断器２２に信号を出力するか否かの切替部を備え、信号を出力するか否かを選択可能な構成としてもよい。

遮断器２２は、遮断信号生成部５０から出力された信号に従って、電力変換部２０から供給される電力を遮断する。遮断器２２は、機械式スイッチ（例えば、リレー）であってもよいし、半導体スイッチであってもよい。または、図１に示す遮断器２２を設けずに、遮断信号生成部５０から電力変換部２０に信号を入力して電力変換部２０を停止する構成としてもよい。

遮断信号生成部５０は、制御部６０に含まれる。図３は制御部６０の一構成例を示す図である。図３に示す制御部６０は、電圧指令発生回路６１、減算器６２、電圧コントローラ６３、電流指令発生回路６４、運転指令発生回路６５を含む。電圧指令発生回路６１は、並列接続された電力変換部全体の出力電圧指令値を出力する。減算器６２は、電圧指令発生回路６１の出力値から電圧センサ１５の出力値を減算する。電圧コントローラ６３は、減算器６２の出力がゼロになるように電力変換部１０の出力を制御する。電流指令発生回路６４は、電力変換部１０の電流指令値を出力する。運転指令発生回路６５は、装置の運転／停止指令を出力する。

上記説明した構成の電力変換部１０に電源１とは逆側である負荷３側（出力端側）から電力が流入するときに、電力変換部１０から検出部４０に出力される値を指標値Ｖｉｎとする。この指標値Ｖｉｎは、例えば、電力変換部１０に出力端から流入する電力の検出値であってもよいし、電力変換部１０の内部に備えられる電力のバッファとなる平滑コンデンサに印加される電圧値であってもよい。すなわち、指標値Ｖｉｎは電力値であってもよいし、電圧値であってもよい。指標値Ｖｉｎが電圧値である場合には、電圧センサ１５ａの値を用いればよい。指標値Ｖｉｎが電力値である場合には、電力変換部１０内の電流センサ１２の出力値と電圧センサ１５ａの出力値により算出した値を用いればよい。なお、指標値Ｖｉｎの算出に電圧センサ１５ａの出力値が不要である場合には、電圧センサ１５ａを設けなくてもよい。

ここで、動作について説明する。まず、電圧指令発生回路６１が交流電圧指令を発生する。この指令電圧値と電圧センサ１５の電圧値との差が電圧コントローラ６３に入力される。

電圧コントローラ６３は、Ｐ（比例）制御器、ＰＩ（比例積分）制御器またはＰＩＤ（比例積分微分）制御器により構成され、この指令電圧値と電圧センサ１５の電圧値との差をゼロに近づけるように動作する。この電圧センサ１５は、複数の電力変換部を並列接続した後の電圧を検出しているので、電流指令発生回路６４は並列接続されている複数の電力変換部を一括して一つの回路と見なし、一括した電流指令値を出力する。電流指令発生回路６４は一括した電流指令値を出力するが、各電力変換部にはこれをインバータの台数で割った値を出力する。そして電力変換部１０，２０は、この指令値に従って出力を行う。

図４は、本実施の形態に係る電力変換装置内の検出部４０の一構成例を示す図である。図４に示す検出部４０は比較器４１を備える。比較器４１は、入力された指標値Ｖｉｎと予め設定されたしきい値Ｖｔｈを比較して、指標値Ｖｉｎがしきい値Ｖｔｈを超えている場合には、他の電力変換部（ここでは電力変換部２０）から供給される電力を遮断する出力値Ｖｏｕｔを出力する。

なお、しきい値Ｖｔｈは、電力変換部１０が保護機能によって停止する前に電力変換部２０からの電力を遮断するように設定される。

また、指標値Ｖｉｎが低下して復帰する場合には、チャタリングが発生するおそれがある。そのため、例えば、所定時間だけ状態を維持する構成とし、または、しきい値Ｖｔｈにヒステリシスをもたせると、チャタリングを防止することができる。

次に、本実施の形態に係る電力変換部の動作について、図１と図５を参照して説明する。

図５は、本実施の形態に係る電力変換装置の動作を説明するタイミングチャートである。図５において、電力Ｐ１は電力変換部１０の出力電力であり、電力Ｐ２は電力変換部２０の出力電力であり、電力Ｐ３は負荷３の消費電力である。

図５に示すように、例えば、電力Ｐ２が負荷３の消費電力（電力Ｐ３）を全て賄っている状態から、時刻ｔ１において負荷３の動作が切り替わる等して電力Ｐ３が急減すると、電力Ｐ２と電力Ｐ３の差分の電力が電力変換部１０に出力端から流入する。この出力端から流入する電力により指標値Ｖｉｎが上昇する。

ただし、図５に示す指標値Ｖｉｎは、例えば、電力変換部１０が内部に電力のバッファとなる平滑コンデンサを備える構成における値であり、電力Ｐ１の変化に対して遅れて変化している。

そして、指標値Ｖｉｎがしきい値Ｖｔｈを超過すると、電力変換部２０から供給される電力を遮断するように出力値Ｖｏｕｔが出力され、遮断器２２が解列される。

ただし、図５に示す出力値Ｖｏｕｔは二値であり、他の電力変換部から供給される電力を遮断する状態をＨｉｇｈレベル、それ以外の状態をＬｏｗレベルとしている。出力値ＶｏｕｔがＨｉｇｈレベルになると、電力Ｐ２が０となり、電力変換部１０の出力電力である電力Ｐ１が負荷３にて消費する電力Ｐ３を全て賄っている状態で安定する。

以上説明したように動作することで、電力変換部１０が保護機能で停止してしまうことを防止し、負荷３に安定した電力を供給することができる。

実施の形態２．
図６は、本実施の形態に係る電力変換装置の一構成例を示す図である。図６に示す電力変換装置１００では、電力変換部１０，２０が並列に共通の負荷３に接続されており、負荷３に電力が供給される。図６に示す電力変換装置と図１に示す電力変換装置では、遮断機２２の位置が異なる。

電力変換部２０は電源２に接続された電流源であり、電源２と電力変換部２０の間に遮断器２２が設けられている。

遮断器２２は、遮断信号生成部５０から出力された信号に従って、電源２から供給される電力を遮断する。遮断器２２は、機械式スイッチであってもよいし、半導体スイッチであってもよい。ただし、図６に示す遮断器２２を設けずに、遮断信号生成部５０から電源２に信号を入力して電源２を停止する構成としてもよい。

なお、その他の構成は実施の形態１の図１に示す電力変換装置と同様である。

以上説明したように動作することで、実施の形態１と同様に電力変換部が保護機能で停止してしまうことを防止し、負荷に安定した電力を供給することができる。

以上説明したように本発明の電力変換装置は、電力変換部の外部に検出部と出力部と遮断器を追加すれば実現することができ、既存の電力変換部の流用が可能である。

なお、実施の形態１及び本実施の形態では電圧源である電力変換部１０への出力端からの電力の流入を検出し、電流源である電力変換部２０からの電力を遮断する例について説明したが、電流源である電力変換部に出力端から電力が流入することを検出して、他の電力変換部から供給される電力を遮断する構成としてもよい。電力系統の電圧上昇などにより電力が急変するときに、電流源である電力変換部の制御遅れを考慮すると、電流源である電力変換部に出力端から電力が流入する可能性があるからである。このような構成とすると、並列に接続された電力変換部に優先順位があり、停止させたくない電力変換部に出力端から電力が流入して停止してしまうことを抑えることができる。

なお、実施の形態１及び本実施の形態では１つの電力変換部に出力端から流入する電力を検出して他の電力変換部からの電力を遮断する例について説明したが、２つの電力変換部の双方の電力を検出し、一方の電力変換部の電力を検出して他方の電力変換部を遮断可能な構成であってもよい。

なお、実施の形態１及び本実施の形態では２つの電力変換部が並列に接続されている例を説明したが、これに限定されず、並列に接続される電力変換部は３つ以上であってもよい。このとき、３つの電力変換部の出力端から流入する電力を検出して、出力端からの流入を検出した電力変換部以外の電力変換部の一部または全部を遮断する構成であってもよいし、３つの電力変換部の一部の出力端から流入する電力のみを検出して他の電力変換部の一部または全部を遮断する構成であってもよい。

なお、必要に応じて、信号生成部の出力信号を無効化することができるように切り替え可能な構成であってもよい。

以上説明した本実施の形態の電力変換装置は一構成例であり、本発明はこれに限定されない。本発明の趣旨を逸脱しない範囲で公知技術と組み合わせ、または必要に応じて構成要素を省略等してもよい。

なお、上記の説明における電力変換装置を電力変換システムに置き換え、電力変換部を電力変換装置に置き換えてもよい。

以上のように、本発明に係る電力変換装置は、保護機能を備える電力変換部を用いる場合に有用である。

１，２ 電源、３ 負荷、１０，２０ 電力変換部、１１ インバータ回路、１２ 電流センサ、１３ リアクトル、１４ コンデンサ、１５，１５ａ 電圧センサ、１６ 減算器、１７ 電流コントローラ、１８ パルス発生回路、２２ 遮断器、４０ 検出部、４１ 比較器、５０ 遮断信号生成部、６０ 制御部、６１ 電圧指令発生回路、６２ 減算器、６３ 電圧コントローラ、６４ 電流指令発生回路、６５ 運転指令発生回路、１００ 電力変換装置。

Claims (7)

1. 負荷と第１の電源の間に配され、出力端からの流入電力に対する保護機能を備える第１の電力変換手段と、
   前記負荷と第２の電源の間に配され、前記第１の電力変換手段と並列運転する第２の電力変換手段と、を備える電力変換装置であって、
   前記第１の電力変換手段への出力端からの流入電力を検出して検出信号を出力する検出手段と、
   前記検出信号が入力される出力手段と、を備え、
   前記第１の電力変換手段は、前記流入電力に応じた指標値の信号を出力し、
   前記検出手段は、前記指標値が、前記第１の電力変換手段が前記保護機能によって停止させられる前に前記第２の電力変換手段からの電力を遮断するように設定されたしきい値を超える場合に、前記第２の電源と前記負荷との間の電力経路を遮断する旨の検出信号を出力し、
   前記出力手段は、前記遮断する旨の検出信号が入力されると、前記第２の電源と前記負荷との間の電力経路を遮断することを特徴とする電力変換装置。
2. 負荷と第１の電源の間に配され、出力端からの流入電力に対する保護機能を備える第１の電力変換手段と、
   前記負荷と第２の電源の間に配され、前記第１の電力変換手段と並列運転する第２の電力変換手段と、を備える電力変換装置であって、
   前記第１の電力変換手段への出力端からの流入電力を検出して検出信号を出力する検出手段と、
   前記検出信号が入力される出力手段と、を備え、
   前記第１の電力変換手段は、前記流入電力に応じた指標値の信号を出力し、
   前記検出手段は、前記指標値が、前記第１の電力変換手段が前記保護機能によって停止させられる前に前記第２の電力変換手段を停止するように設定されたしきい値を超える場合に、前記第２の電力変換手段を停止する旨の検出信号を出力し、
   前記出力手段は、前記停止する旨の検出信号が入力されると、前記第２の電力変換手段を停止することを特徴とする電力変換装置。
3. 負荷と第１の電源の間に配され、出力端からの流入電力に対する保護機能を備える第１の電力変換手段と、
   前記負荷と第２の電源の間に配され、前記第１の電力変換手段と並列運転する第２の電力変換手段と、を備える電力変換装置であって、
   前記第１の電力変換手段への出力端からの流入電力を検出して検出信号を出力する検出手段と、
   前記検出信号が入力される出力手段と、を備え、
   前記第１の電力変換手段は、前記流入電力に応じた指標値の信号を出力し、
   前記検出手段は、前記指標値が、前記第１の電力変換手段が前記保護機能によって停止させられる前に前記第２の電源を停止するように設定されたしきい値を超える場合に、前記第２の電源を停止する旨の検出信号を出力し、
   前記出力手段は、前記停止する旨の検出信号が入力されると、前記第２の電源を停止することを特徴とする電力変換装置。
4. 前記電力経路を遮断するか否かを選択可能とすることを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
5. 前記出力手段に前記検出信号が入力されて遮断される電力経路の遮断箇所が前記第２の電力変換手段と前記負荷の間であることを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
6. 前記出力手段に前記検出信号が入力されて遮断される電力経路の遮断箇所が前記第２の電力変換手段と前記第２の電源の間であることを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
7. 前記第１の電力変換手段及び前記第２の電力変換手段の少なくともいずれかを複数有することを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の電力変換装置。

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