JP6287512B2

JP6287512B2 - 電力変換システム

Info

Publication number: JP6287512B2
Application number: JP2014081715A
Authority: JP
Inventors: 祐輔中島; 渉飯島; 石田　清; 清石田; 雅光丸
Original assignee: Meidensha Corp
Current assignee: Meidensha Corp
Priority date: 2014-04-11
Filing date: 2014-04-11
Publication date: 2018-03-07
Anticipated expiration: 2034-04-11
Also published as: JP2015204652A

Description

本発明は、直流母線に複数台の電力変換器が接続された電力変換システムにおける直流母線電圧の制御技術に関する。

図９は、直流母線７に複数台の電力変換器が接続された回路の一例を示す図である。第１電力変換器１は交流と直流母線７に対し、双方向の電力の授受を行うことができる。第１電力変換器１の装置機能としてはピークカットおよび、自然エネルギー発電（例えば、太陽光発電モジュール：以下、太陽光発電モジュールと称する）ＰＶで発電された電力を負荷Ｌまたは系統６に供給する。第２電力変換器２と第３電力変換器３の直流母線７の反対側には蓄電媒体（例えば、キャパシタ，二次電池）８，９が接続され、これらの第２電力変換器２，第３電力変換器３は直流母線７に対し、双方向に電力の授受を行い、充電時・放電時とも電流制御を行う。

ここで、第２電力変換器２は、直流母線７の電圧を所定の値に保持するように動作する。また、第４電力変換器４には太陽光発電モジュールＰＶが接続されているため、最大電力動作点追従制御（以下、ＭＰＰＴ制御と称する）により、直流母線７に対し電力を供給する。

仮に、第１電力変換器１が時間軸による固定電流指令値運転（スケジュール運転）、第３電力変換器３が時間軸による固定電流指令値運転（スケジュール運転）、第４電力変換器４がＭＰＰＴ制御で動作していた場合のコントローラ５の指示について以下に示す。

時間軸による固定電流指令値運転（スケジュール運転）は時間により電流指令値が与えられるが、太陽光発電モジュールＰＶの出力は天候により左右される。そのため、以下の（１），（２）の場合が想定される。
（１）第１電力変換器１出力＞ＰＶ発電量＋第３電力変換器３の放電量の場合
（２）第１電力変換器１出力＜ＰＶ発電量＋第３電力変換器３の放電量の場合
直流母線７を一定電圧に保つためには、以下の式とする必要がある。

入力電流（＝第１電力変換器１の直流電流）＝出力電流（＝第２電力変換器２＋第３電力変換器３＋第４電力変換器４の各直流母線電流）
＊瞬時の電力でも同様
そのため、コントローラ５は、図９に示す○印の４箇所の電流を検出して各々の電力変換器の発電量および出力容量を監視し、上記式を満足するように第２電力変換器２の充放電を制御し、直流母線７を一定電圧に保つ。すなわち、第４電力変換器４のＭＰＰＴ制御は天候次第の制御とし、敢えて第４電力変換器４は外部から電流制御していない。第１電力変換器１の電流は電流指令値で制御されているため、第４電力変換器４のアンコントロールされた電流の補償は第２電力変換器２で行う。

図１０に示すように、上記（１）第１電力変換器１出力＞ＰＶ発電量＋第３電力変換器３の放電量の場合は、第２電力変換器２の蓄電媒体８から不足電流を放電する。上記（２）第１電力変換器１出力＜ＰＶ発電量＋第３電力変換器３の放電量の場合は第２電力変換器２の蓄電媒体８において余分な電流を充電する。

蓄電媒体８をキャパシタと考えれば、上記（１），（２）共に、蓄電媒体８には限界容量がある。よって、（１）の場合では、不足電流の放電にも限界がある。そのため、放電の限界に達した場合は、放電末（電圧低下）の信号を発し、第１電力変換器１の電流指令値を低下させることにより、第２電力変換器２の蓄電媒体８の電圧を適正電圧範囲に制御する。（２）の場合も同様に、蓄電媒体８における余分電流の充電にも限界がある。そのため、充電の限界に達した場合は、充電末（電圧上昇）の信号を発し、第１電力変換器１の電流指令値を上昇させることにより、第２電力変換器２の蓄電媒体８の電圧を適正電圧範囲に制御する。

特開２００９−２３２６７５号公報特開２００９−２３２６７４号公報

しかしながら、直流母線７への入力電流と出力電流を同一とする必要があるため、コントローラ５で他の電力変換器の出力を監視して第２電力変換器２に出力指令を与えるとコントローラ５の制御遅れにより、若干の誤差が生じ変動幅が大きくなる。

また、一つの電力変換器（例えば、第２電力変換器２）において直流母線７の電圧制御を行っていた場合、その電力変換器（第２電力変換器２）が故障等により停止すると、コントローラ５から新たな電圧制御機器の指定があるまでの間、直流母線７の電圧を一定に保つ機器がなくなる。そのため、直流母線７の電圧が不安定となり、システムが停止してしまうことがある。

また、コントローラ５で他の電流を監視して、出力を決定する方式では電力変換器を追加する際に与えるデータ数が多いため演算負担が増大する。

以上示したようなことから、直流母線に複数の電力変換器が接続された電力変換システムにおいて、直流母線の電圧制御を行っていた電力変換器が停止した場合でも、システムの停止を抑制し、システムの電圧安定度の向上を図ることが課題となる。

本発明は、前記従来の問題に鑑み、案出されたもので、その一態様は、直流母線に接続された複数の電力変換器と、前記複数の電力変換器を制御するコントローラと、を備えた電力変換システムであって、コントローラから前記複数の電力変換器に電圧一定制御を開始する電圧指令値をそれぞれ出力し、通常時は、前記複数の電力変換器のうち何れか一つの電力変換器により直流母線の電圧一定制御を行い、他の電力変換器は各々電流制御を行い、前記電圧一定制御を行っている電力変換器で直流母線の電圧を一定に保てない場合、直流母線の電圧が他の電力変換器の電圧指令値になった時点で当該他の電力変換器で電圧一定制御を行うことを特徴とする。

また、その一態様として、前記複数の電力変換器に、予めそれぞれ異なる電圧指令値を設定しておくことを特徴とする。

本発明によれば、直流母線に複数の電力変換器が接続された電力変換システムにおいて、直流母線の電圧制御を行っていた電力変換器が停止した場合でも、システムの停止を抑制し、システムの電圧安定度の向上を図ることが可能となる。

実施形態における電力変換システムを示すブロック図。実施形態における電力変換システムの動作を示すフローチャート。正常時における電力変換システムの動作を示すブロック図。正常時における各電力変換器の指令値を示すタイムチャート。第２電力変換器故障時における電力変換システムの動作を示すブロック図。第２電力変換器復帰時における電力変換システムの動作を示すブロック図。第３電力変換器故障時における電力変換システムの動作を示すブロック図。第３電力変換器復帰時における電力変換システムの動作を示すブロック図。従来における電力変換システムを示すブロック図。従来の電力変換システムの指令値を示すタイムチャート。

以下、本発明における電力変換システムの実施形態を図１〜図８に基づいて詳細に説明する。

［実施形態］
図１は、本実施形態における電力変換システムを示すブロック図である。図１に示すように、直流母線７には、第１〜第４電力変換器１〜４が接続されている。この第１電力変換器１にはそれぞれスイッチを介して系統６，負荷Lが接続されている。また、第２電力変換器２，第３電力変換器３には、それぞれ蓄電媒体８，蓄電媒体９が接続されている。第４電力変換器４には、太陽光発電モジュールＰＶが接続されている。直流母線７の電圧は電圧検出器ＰＴにより検出される。

本実施形態における電力変換システムは、ある一つの電力変換器において直流母線７の電圧が一定となるように制御するものである。コントローラ５から各々の第１〜第４電力変換器１〜４へ指示するのは電力変換器ごとに異なる電圧指令値のみである。ここで電圧指令値は、電流制御→電圧制御に切り換える電圧値、すなわち、電圧制御を開始する電圧値を示す。指定された電力変換器以外は各々が電流制御等で動作を行っており、他の電力変換器の故障等により直流母線７の電圧が低下し、直流母線７の電圧が電力変換器に指示された電圧指令値になったところで、当該他の電力変換器を電流制御から電圧制御へ切り換え、直流母線７の電圧を一定に保つように制御を行う。なお、コントローラ５から与える電圧指令値は第１〜第４電力変換器１〜４にそれぞれ異なる値を与えることにより、それぞれの電力変換器が何らかの原因で停止した場合においても自動で直流母線７の電圧を一定に保つ制御を行えるようになる。

各々の第１〜第４電力変換器１〜４はそれぞれに設定された電圧指令値までの間はスケジュール運転やＭＰＰＴ制御等を実施し、電力変換器内で電流制御を行う。

以下、図２〜図８に基づいて、具体例を説明する。図２は、本実施形態における電力変換システムの動作を示すフローチャートである。ここで、コントローラ５から、各電力変換器に次の電圧指令値が与えられているものとする。第２電力変換器２＝３６０Ｖ，第３電力変換器３＝３５０Ｖ，第１電力変換器１＝３４０Ｖ，第４電力変換器４＝３３０Ｖ。

［正常時］
図２，図３，図４に示すように、Ｓ１において、系統電圧側の第２電力変換器２により、直流母線７の電圧一定制御（例：３６０Ｖ）が行われている。他の第１電力変換器１，第３電力変換器３は、コントローラ５より与えられた電流指令値（スケジュール運転等）の電流出力を実施する。第４電力変換器４は、太陽光発電モジュールＰＶで発電された電力を有効利用するため、ＭＰＰＴ制御を行う(ピークカット運転等)。

直流母線７の電圧は、発電量が多ければ電圧が上昇し、発電量が少なければ電圧が低下するため、第２電力変換器２で一定に保つ。

［直流母線７電圧低下時：第２電力変換器２故障（例：３５０Ｖ）］
第２電力変換器２に貯蔵できる電荷量には制限があるため、太陽光発電モジュールＰＶの補完量が多く、蓄電媒体８の容量を超えた場合、第２電力変換器２は停止する。また、太陽光発電モジュールＰＶの補完量が少なく、蓄電媒体８のエネルギーが無くなった場合も同様に第２電力変換器２は停止する。また、第２電力変換器２が故障した場合も、直流母線７の電圧を一定に保てなくなる。

このように、第２電力変換器２が何らかの理由により、直流母線７の電圧を一定に保てない場合は、図５に示すように、第２電力変換器２を停止する（Ｓ２）。その結果、直流母線７の電圧を制御する電力変換器がなくなるため、直流母線７の電圧が不安定となり、直流母線７の電圧が低下する。

Ｓ３において、コントローラ５により、その直流母線７の電圧が低下して第３電力変換器３の電圧指令値になった時点で、自動で第３電力変換器３を電圧制御に切り換え、直流母線７の電圧を一定（３５０Ｖ）に保つように制御する。

［第２電力変換器２復帰時］
Ｓ４において、第２電力変換器２が復帰した場合、図６に示すように、第２電力変換器２が直流母線７の電圧を上昇させて直流母線７の電圧を３６０Ｖで一定に保つように制御を行う。直流母線７の電圧上昇に伴い、第３電力変換器３が定電流制御（スケジュール運転等）へ自動移行し、定常時の状態へ復帰する（Ｓ５）。

［直流母線７電圧低下時：第３電力変換器３故障（例：３４０Ｖ）］
第２電力変換器２停止後、第３電力変換器３が何らかの理由により、直流母線７の電圧一定制御を行うことが難しい場合、図７に示すように、第３電力変換器３を停止する。その結果、直流母線７の電圧を制御する電力変換器がなくなるため、直流母線７の電圧が不安定となり、直流母線７の電圧が低下する（Ｓ６）。

Ｓ７において、その直流母線７の電圧が低下して第１電力変換器１の電圧指令値になった時点で、自動で第１電力変換器１を電圧制御に切り換え、直流母線７の電圧を一定（３４０Ｖ）に保つように制御する。

［第３電力変換器３復帰時］
第３電力変換器３が復帰した場合、図８に示すように、第３電力変換器３が電圧を上昇させて直流母線７の電圧を３５０Ｖに保つように制御を行う（Ｓ８）。直流母線７の電圧上昇に伴い、第１電力変換器１が電流制御へ自動移行し、定常時の状態へ復帰する（Ｓ９）。

以上示したように、本実施形態によれば、直流母線７に複数台の電力変換器が接続された電力変換システムにおいて、直流母線７の電圧一定制御を行っている特定の電力変換器（本実施形態では第２電力変換器２）の停止時（電圧低下時）に、次の直流母線７の電圧制御を受け持つ電力変換器（本実施形態では第３電力変換器３）を電流制御→電圧制御に切り換え、直流母線７の電圧一定制御を行うことにより、システムの停止を抑制し、システムの電圧安定度を向上させることが可能となる。

また、コントローラ５からは、それぞれの第１〜第４電力変換器１〜４が自動で直流母線７の電圧一定制御に切り換わる電圧指令値を与えるのみであるため、電流制御→電圧制御の切り換えを早く行うことが可能となる。

また、従来は、直流母線７への入力電流と出力電流を同一とする必要があるため、コントローラ５で他の電力変換器の出力を監視して第２電力変換器２に出力指令を与えるとコントローラ５の制御遅れにより、若干の誤差が生じ変動幅が大きくなっていた。本実施形態では、コントローラ５から、それぞれの第１〜第４電力変換器１〜４に電圧指令値を与えるのみであるため、コントローラ５の制御遅れにより若干の誤差が生じ変動幅が大きくなることを抑制することが可能となる。

さらに、装置を追加する場合においても、各々の電力変換器が独自に動作を行っているため、容易に追加することが可能である。

以上、本発明において、記載された具体例に対してのみ詳細に説明したが、本発明の技術思想の範囲で多彩な変形および修正が可能であることは、当業者にとって明白なことであり、このような変形および修正が特許請求の範囲に属することは当然のことである。

１…第１電力変換器
２…第２電力変換器
３…第３電力変換器
４…第４電力変換器
５…コントローラ
６…系統
７…直流母線
８，９…蓄電媒体
Ｌ…負荷
ＰＶ…太陽光発電モジュール（自然エネルギー発電等）

Claims

直流母線に接続された複数の電力変換器と、
前記複数の電力変換器を制御するコントローラと、を備えた電力変換システムであって、
コントローラから前記複数の電力変換器に、電圧一定制御を開始する所定の電圧差を設けた電圧指令値をそれぞれ出力し、
通常時は、前記複数の電力変換器のうち電圧指令値の最も高い電力変換器により直流母線の電圧一定制御を行い、蓄電媒体が接続された他の電力変換器は電流指令値の電流出力を行い、自然エネルギー発電モジュールが接続された他の電力変換器はＭＰＰＴ制御を行い、
前記電圧一定制御を行っている電力変換器で直流母線の電圧を一定に保てない場合、その電力変換器での電圧一定制御を停止し、直流母線の電圧が他の電力変換器の電圧指令値になった時点で当該他の電力変換器で電圧一定制御を行うことを特徴とする電力変換システム。