JP6402038B2 - 電力制御装置 - Google Patents

Description

この発明は、主としてピークアシスト・ピークカットを行う電力制御装置に関する。

特許文献１には、電源からの交流電圧を直流電圧に変換するコンバータと、直流電圧を再度交流電圧に変換するインバータと、コンバータとインバータとの間のＤＣリンクに並列接続した充放電制御回路及びコンデンサとを有するモータ駆動装置が記載されている。このモータ駆動装置は、電源からの供給電力が所定値を上回った場合に、コンデンサに蓄えられた電気エネルギーを負荷に供給し、電源からの供給電力を低減（いわゆるピークアシスト・ピークカット）するものである。

特開２００９−２０７３０５号公報

ところで、特許文献１に開示されたモータ駆動装置は、インバータの入力電流に基づいてピークアシスト・ピークカットを行っている。そのため、図６に示すように、インバータの近傍に電流センサ（変流器等）ＣＴを設置する必要がある。

特許文献１のように、コンバータやインバータまでをも含む装置を新たに設置する、いわゆる新設の場合には、インバータの近傍に電流センサを設置する前提で各部品の設計や配線が行われることから特に問題が生じることは無い。

しかし、コンバータやインバータは既に設置済みであって、充放電制御回路やコンデンサのみを別途、新たに取り付ける、いわゆる後付けの場合には、既存の機械設備内部に電流センサを設置しなければならず、配線の変更や改造が必要で技術的な制約が生じたり、また、そもそもインバータの近傍に電流センサを設置するスペースを確保することができなかったりと、装置の設置が困難となる場合があった。

そこで、この発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、後付けの場合でも容易に設置可能な電力制御装置の提供を目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の電力制御装置は、電源１からの交流電圧を直流電圧に変換するコンバータ２と、コンバータ２からの直流電圧を交流電圧に変換し負荷４に供給するインバータ３との間のＤＣリンク５に並列接続される電力制御装置１０であって、制御回路１１と蓄電部１２とを備えており、前記制御回路１１は、ＤＣリンク５の直流電圧に含まれるリップル電圧に基づいて負荷電力を推定し、この推定値に基づいて蓄電部１２から負荷４に電力を供給することを特徴としている。

本発明の電力制御装置は、ＤＣリンクに並列接続された装置自身で検出可能な、ＤＣリンクの直流電圧に含まれるリップル電圧に基づいて負荷電力を推定するものであるから、別途、電圧センサ等をインバータの近傍等に設置する必要は無く、後付けの場合であっても、配線の変更や改造等を伴うことなく簡単に設置することができる。

この発明の一実施形態に係る電力制御装置の取り付け状態を示す概略図である。 制御回路の概略図である。 制御回路での制御を示すブロック図である。 図４ａは、リップル電圧と充電電力との関係を把握する過程を示すブロック図、図４ｂは、リップル電圧に基づいて負荷電力を推定する過程を示すブロック図である。 ＤＣリンクの直流電圧に含まれるリップル電圧と、蓄電部の充電電力との関係を示すグラフである。 従来の電力制御装置の取り付け状態を示す概略図である。

次に、この発明の電力制御装置の一実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。この発明の電力制御装置１０は、図１に示すように、電源（系統電源）１からの交流電圧を直流電圧に変換するコンバータ２と、このコンバータ２からの直流電圧を交流電圧に変換し負荷（例えばモータ）４に供給するインバータ３との間のＤＣリンク５に並列接続されるものであって、制御回路１１と蓄電部１２とを備えている。

制御回路１１は、図２に示すように、ＤＣリンク５の直流電圧を検出する電圧検出手段１３と、検出された直流電圧に基づいて演算、指示を行う演算指示手段１４と、蓄電部１２の充電電力を測定する電力測定手段１５と、演算結果等を保存する記憶手段１６とを備えている。

電圧検出手段１３は、例えば分圧回路及び絶縁アンプ等からなる電圧センサであって、図２に示すように、例えばＤＣリンク５とフィルタ用コンデンサＣ１とを繋ぐ接続線に接続され、ＤＣリンク５の直流電圧を検出する。なお、電圧検出手段１３としては、上記構成のものに限らず、公知の種々のものを使用可能である。

演算指示手段１４は、例えばマイコンからなり、上記電圧検出手段１３で検出されたＤＣリンク５の直流電圧からリップル電圧を抽出する。具体的には、ＤＣリンク５の直流電圧をフィルタ演算することにより交流成分を抽出するとともに、この交流成分をＤＦＴ（離散フーリエ変換）演算することで高調波成分のみを抽出、この高調波成分をＤＣリンク５のリップル電圧としている。なお、コンバータ２やインバータ３が三相交流式である場合、例えば６次高調波成分を用いる。ただ、これに限らず、他の高調波成分を用いても良い。

電力測定手段１５は、例えば電力計であって、蓄電部１２の上流側に接続され、蓄電部１２の充電電力を測定する。なお、電力計を設けるのではなく、電圧検出手段１３や後述する電流センサ１７の測定値をもとに、蓄電部１２の充電電力を測定するようにしても良い。

記憶手段１６は、例えばＥＥＰＲＯＭやフラッシュメモリ等からなり、演算指示手段１４の演算結果や電力測定手段１５の測定結果、後述する、ＤＣリンク５のリップル電圧と蓄電部１２の充電電力との関係等を参照可能に保存する。

また、制御回路１１は、図２に示すように、コンバータ出力電流のフィルタ用コンデンサＣ１と、降圧動作を行うための降圧スイッチＳＷ１と、昇圧動作を行うための昇圧スイッチＳＷ２と、これらスイッチに並列接続された逆阻止用のダイオードＤ１、Ｄ２と、電
流平滑用のＤＣリアクトルＬと、蓄電部１２の充放電電流を検出する電流センサ１７とを備えている。なお、上記昇降圧スイッチＳＷ１、ＳＷ２及びダイオードＤ１、Ｄ２からなるＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）と、ＤＣリアクトルＬとによって、ＤＣ−ＤＣコンバータ１８が構成されている。そして、上記演算指示手段１４からの信号に基づいて、昇降圧スイッチＳＷ１、ＳＷ２のＯＮ／ＯＦＦを切り替えることにより、例えば複数の電気二重層コンデンサを直列接続することでなる蓄電部１２の充放電を行う。

ところで、本発明の電力制御装置１０は、ＤＣリンク５の直流電圧に含まれるリップル電圧に基づいて負荷電力を推定し、この推定値に基づいてピークアシスト・ピークカットを行う点に特徴を有する。そこで以下、図３及び図４に基づいて、負荷電力の推定方法について説明するとともにあわせてピークアシスト・ピークカットの方法について述べる。

負荷電力の推定にあたっては、まず、図４ａに示すように、蓄電部１２の充電電力とＤＣリンク５のリップル電圧との関係を把握する。具体的には、電力制御装置１０をＤＣリンク５に接続した後、最初に行われる蓄電部１２の充電（初期充電）の際に、電力測定手段１５によって、インバータ３が無負荷の状態の充電電力を測定するとともに、この測定に合わせて、電圧検出手段１３で検出されたＤＣリンク５の直流電圧から演算指示手段１４によってリップル電圧を抽出し、両者の関係を把握していくのである。

なお、充電電力を把握するのは、電力計や電力測定手段１５を構成する電圧検出手段１３や電流センサ１７によって容易且つ正確に把握できるためである。また、インバータ３が無負荷の状態であれば、電源１側から見た場合、充電電力と負荷電力とを同一視することができ、検出された充電電力をそのまま負荷電力と読み替えることができるためである。また、初期充電の際に把握するのは、充電初期の充電電力がまだ低い状態から、充電完了間際の充電電力が高い状態までの広い範囲で検出が可能であるため、負荷電力を精度良く推定することが可能となるためである。さらに、装置の設置直後であれば、インバータ３の無負荷状態を作り出し易いといった点も挙げられる。

図５は、上記方法により把握された充電電力とリップル電圧との関係を示したグラフである。図５に示すように、充電電力とリップル電圧とは、ほぼ比例関係を示す。なお、図５のグラフでは検出点が２点とされているが、実際は連続的に検出される。そのため、検出点の範囲から外れた箇所についても点線で示すように推測が可能である。この両者の関係（図に示すグラフ）は、後述する負荷電力の推定に先立って、予め記憶手段１６に保存される。

充電電力とリップル電圧との関係を把握した後、この両者の関係に基づいて負荷電力を推定する。具体的には、図４ｂに示すように、負荷運転時（インバータ３の負荷時）において、電力制御装置１０を作動させ、電圧検出手段１３及び演算指示手段１４によってＤＣリンク５のリップル電圧を抽出し、このリップル電圧を図５のグラフに照らし合わせ、負荷電力を推定するのである。例えば、１０Ｖのリップル電圧が確認されれば、図５のグラフに基づき、負荷電力が７．５ｋＷであると推定することができる。また、例えばリップル電圧が２５Ｖであれば、負荷電力が２０ｋＷであると推定することができる。なお、ＤＣリンク５の直流電圧の検出、ＤＣリンク５のリップル電圧の抽出、負荷電力の推定はリアルタイムに行われる。また、推定作業は、演算指示手段１４が自動的に行う。

そして、演算指示手段１４は、上記推定値が、記憶手段１６等に予め設定されていた所定値を上回った場合に、昇降圧スイッチＳＷ１、ＳＷ２に対して信号を出力し、昇降圧スイッチＳＷ１、ＳＷ２はこの信号に従ってＯＮ／ＯＦＦ動作して蓄電部１２からの放電を開始（電力を負荷４に供給）させ、これによりピークアシスト・ピークカットを行う。また、上記推定値が所定値を下回った場合には、蓄電部１２からの放電を停止し、ピークア
シスト・ピークカット動作を停止する。負荷電力の推定は、電力制御装置１０が作動している間はリアルタイムで行なわれ、それに伴い、放電の開始・停止を行う。放電量については、所定値を上回った分（超過分）を補償（アシスト）するものとし、蓄電部１２の蓄電容量を抑えられるようにすることが好ましいが、所定値を上回った段階で、電源からの出力に関わらずアシストするといった、いわゆるＯＮ／ＯＦＦ制御としても良い。所定値としては、例えば契約電力が挙げられるが、その他、力行方向の電力が生じない値としても良い。

このように、本発明の電力制御装置１０では、ＤＣリンク５に並列接続された装置１０で検出可能な、ＤＣリンク５の直流電圧に含まれるリップル電圧と、インバータ３の無負荷時における蓄電部１２の充電電力との関係から、インバータ３の負荷時におけるＤＣリンク５のリップル電圧に基づいて負荷電力を推定するものであるから、ピークアシスト・ピークカットを行うにあたって、別途、インバータ３の近傍等にセンサ等を設ける必要は無く、後付けの場合でも簡単に取り付けることができる。また、蓄電部１２の初期充電といった、必ず実施しなければならない作業中に、充電電力（負荷電力）とＤＣリンク５のリップル電圧との関係を把握するため、無駄がなく、また別途作業の必要もないことから、ユーザーの手間を省くことができる。

また、本発明の電力制御装置１０は、ＤＣリンク５の直流電圧の上昇を抑える定電圧制御を行うことにより、自動的に回生電力を充電することも可能である。さらに、ＤＣリンク５の直流電圧の低下を抑える定電圧制御を行うことにより、自動的に負荷電力を補償するといった、瞬時電圧低下（瞬低）や短期間の停電への対応も可能である。

以上に、この発明の代表的な実施形態について説明したが、この発明は上記実施形態に限定されるものではなく、この発明の範囲内で種々変更して実施することが可能である。例えば、上記実施例においては、ＤＣリンク５のリップル電圧と蓄電部１２の充電電力との関係を、蓄電部１２の初期充電の際に把握していたが、負荷４の停止中に行う日常の充電時に把握するようにしても良い。また、他の機器で検出、測定される等した、典型的な両者の関係を予め記憶手段１６に入力しておき、これに基づいて負荷電力を推定するようにしても良い。また、両者の関係を、上記日常の充電時の把握等によって校正するようにしても良い。また、上記実施例では、負荷４としてモータを用いていたが、モータの他、種々のものを用いることができる。また、蓄電部１２として電気二重層コンデンサを用いていたが、電解コンデンサやリチウムイオンキャパシタ、リチウムイオン電池等の種々の蓄電器、電池を使用可能である。

１・・電源、２・・コンバータ、３・・インバータ、４・・負荷、５・・ＤＣリンク、１０・・電力制御装置、１１・・制御回路、１２・・蓄電部、１３・・電圧検出手段、１４・・演算指示手段、１５・・電力測定手段、１６・・記憶手段、１７・・電流センサ、１８・・ＤＣ−ＤＣコンバータ、Ｃ１・・フィルタ用コンデンサ、ＳＷ１・・降圧スイッチ、ＳＷ２・・昇圧スイッチ、Ｄ１・・ダイオード、Ｄ２・・ダイオード、Ｌ・・ＤＣリアクトル

Claims (1)

1. 電源（１）からの交流電圧を直流電圧に変換するコンバータ（２）と、コンバータ（２）からの直流電圧を交流電圧に変換し負荷（４）に供給するインバータ（３）との間のＤＣリンク（５）に並列接続される電力制御装置であって、制御回路（１１）と蓄電部（１２）とを備えており、前記制御回路（１１）は、ＤＣリンク（５）の直流電圧に含まれるリップル電圧に基づいて負荷電力を推定し、この推定値に基づいて蓄電部（１２）から負荷（４）に電力を供給することを特徴とする電力制御装置。

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