JP6958387B2 - 直流電源装置および直流電源装置の制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、交流電力を直流電力に変換する直流電源装置に係り、特に直流出力電圧の垂下制御に関する。

交流電源の交流電力を直流電力に変換し、負荷への直流電力供給および蓄電池への充電を行う直流電源装置において、従来、例えば特許文献１に記載のような出力電流−出力電圧特性の垂下制御が行われていた。

図７は、特許文献１の図４に記載された直流電源装置の構成を示している。図７において、直流電源装置１内の整流器ユニット２には、オン、オフ制御されるスイッチング素子、例えばＭＯＳＦＥＴ、ＩＧＢＴ等を有して、商用系統電力源１００（交流電源）の交流電力を直流電力に変換する電力変換回路２１が設けられている。

電力変換回路２１の直流出力側は負荷設備２００および蓄電池３に接続されている。

直流電源装置１は、蓄電池３への充電と負荷設備２００への給電を行うが、商用系統電力源１００からの電源供給が消失するか、又は直流電源装置１の運転が停止した場合は、蓄電池３の直流電力が負荷設備２００に供給される。

２３は、電力変換回路２１の出力電圧を出力電圧検出回路５によって検出した検出電圧Ｖｖｓと電圧制御用の基準電圧を比較し、その差分に基づいて出力電圧指令信号Ｖ１を生成する出力電圧制御部である。

２４は、蓄電池３に流れる充電電流を充電電流検出回路４（ホール素子、シャント抵抗器など）によって検出した検出信号Ｖｉｓと基準電流に相当する電流制御用の基準信号を比較し、その差分に基づいて充電電流指令信号Ｖ２を生成する充電電流制御部である。

２２は、ダイオードＤ１を介して入力される前記出力電圧指令信号Ｖ１又はダイオードＤ２を介して入力される前記充電電流指令信号Ｖ２と、キャリア信号（例えば三角波信号）とを比較してＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）信号を生成し、電力変換回路２１の各スイッチング素子をＰＷＭ制御するＰＷＭ制御部である。

上記のように構成された装置の通常の定電圧制御状態において、蓄電池３への充電電流が極めて小さいときは、ダイオードＤ２がオフ、ダイオードＤ１がオン状態にあり、ＰＷＭ制御部２２は出力電圧制御部２３の出力電圧指令信号Ｖ１を指令値としてＰＷＭ制御を行う。

また、定電流充電動作により蓄電池３の充電電流が増加すると、ダイオードＤ２がターンオン、ダイオードＤ１がターンオフすることで、ＰＷＭ制御部２２は充電電流制御部２４の充電電流指令信号Ｖ２を指令値としてＰＷＭ制御を行う。

これによって、蓄電池３の充電電流が予め設定した値を超えないように（充電電流を検出した検出信号Ｖｉｓ値が電流制御用の基準信号値を超えないように）直流電源装置１の垂下制御（出力電流−出力電圧特性の垂下制御）がなされる。

特開２０１１−８３０５３号公報

しかしながら、図７に示す特許文献１の直流電源装置１の構成では、充電電流を一定に保つ制御しかできず、負荷設備２００が定格容量以上になった場合に、装置が過負荷となり故障する可能性がある。

本発明は上記課題を解決するものであり、その目的は、負荷へ供給する電流の過負荷によって装置が故障することを防止した直流電源装置および直流電源装置の制御方法を提供することにある。

上記課題を解決するための請求項１に記載の直流電源装置は、
オン、オフ制御されるスイッチング素子を有して交流電源の交流電力を直流電力に変換する回路であり、直流出力側が負荷および蓄電池に接続された電力変換回路と、
前記蓄電池の充電電流指令値と前記蓄電池へ充電される電流を検出した充電電流検出値との偏差をとり、その偏差をＰＩ（比例・積分）制御器に通した後定格直流電圧を加算し、その加算出力に対して定格直流電圧以下に制限するリミット処理を施して充電電流制御出力値を出力する充電電流制御部と、
前記電力変換回路の出力電流上限値と前記電力変換回路の出力電流を検出した出力電流検出値との偏差をとり、その偏差をＰＩ制御器に通した後定格直流電圧を加算し、その加算出力に対して定格直流電圧以下に制限するリミット処理を施して出力電流制御出力値を出力する出力電流制御部と、
前記充電電流制御部の充電電流制御出力値および前記出力電流制御部の出力電流制御出力値を比較し、いずれか小さい方を選択して前記電力変換回路の出力電圧指令値として出力する比較部と、
前記比較部から出力された出力電圧指令値と前記電力変換回路の出力電圧を検出した出力電圧検出値との偏差をとり、その偏差に対してＰＩ制御を行う出力電圧制御部と、
前記出力電圧制御部の出力を最終的な電圧指令値として、前記電力変換回路のスイッチング素子をＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）制御するＰＷＭ制御部とを備えたことを特徴とする。

請求項２に記載の直流電源装置は、請求項１において、
前記電力変換回路の入力側には高調波抑制用の入力フィルタが設けられ、
前記出力電圧制御部の出力を入力電流指令値として取り込み、その入力電流指令値と、前記入力フィルタに流れる電流を検出した入力電流検出値との偏差をとり、その偏差に対してＰＩ制御を行う入力電流制御部を備え、
前記ＰＷＭ制御部は、前記入力電流制御部の出力を最終的な電圧指令値として、前記電力変換回路のスイッチング素子をＰＷＭ制御することを特徴としている。

請求項３に記載の直流電源装置は、請求項１又は２において、
前記比較部から出力される出力電圧指令値を平滑化する平滑化部を備えたことを特徴とする。

請求項４に記載の直流電源装置の制御方法は、
オン、オフ制御されるスイッチング素子を有して交流電源の交流電力を直流電力に変換する回路であり、直流出力側が負荷および蓄電池に接続された電力変換回路を備えた直流電源装置の制御方法であって、
充電電流制御部が、前記蓄電池へ充電される電流を検出した充電電流検出値を蓄電池の充電電流指令値以下に制御する充電電流制御出力値を求めるステップと、
出力電流制御部が、前記電力変換回路の出力電流を検出した出力電流検出値を電力変換回路の出力電流上限値以下に制御する出力電流制御出力値を求めるステップと、
比較部が、前記求められた充電電流制御出力値および出力電流制御出力値を比較し、いずれか小さい方を選択して前記電力変換回路の出力電圧指令値として出力する指令値選択ステップと、
出力電圧制御部が、前記指令値選択ステップにおいて出力された出力電圧指令値と前記電力変換回路の出力電圧を検出した出力電圧検出値との偏差をとり、その偏差に対してＰＩ制御を行うステップと、
ＰＷＭ制御部が、前記出力電圧制御部の出力を最終的な電圧指令値として、前記電力変換回路のスイッチング素子をＰＷＭ制御するＰＷＭ制御ステップとを備えたことを特徴とする。

請求項５に記載の直流電源装置の制御方法は、請求項４において、
前記電力変換回路の入力側には高調波抑制用の入力フィルタが設けられ、
入力電流制御部が、前記出力電圧制御部の出力を入力電流指令値として取り込み、その入力電流指令値と、前記入力フィルタに流れる電流を検出した入力電流検出値との偏差をとり、その偏差に対してＰＩ制御を行うステップを備え、
前記ＰＷＭ制御ステップは、前記入力電流制御部の出力を最終的な電圧指令値として、前記電力変換回路のスイッチング素子をＰＷＭ制御することを特徴としている。

請求項６に記載の直流電源装置の制御方法は、請求項４又は５において、
平滑化部が、前記指令値選択ステップにおいて出力される出力電圧指令値を平滑化する平滑化ステップを備えたことを特徴とする。

（１）請求項１〜６に記載の発明によれば、蓄電池への充電電流を充電電流指令値以下に制御する充電電流制御と、電力変換回路の出力電流検出値を出力電流上限値以下に制御する出力電流制御とを両立させることができ、これによって、負荷へ供給する電流の過負荷により装置が故障してしまうことを防止することができる。
（２）請求項２、５に記載の発明によれば、入力フィルタを備えた直流電源装置において、入力電流を入力側に必要とされる適切な電流に制御することができる。
（３）請求項３、６に記載の発明によれば、比較部の選択により充電電流制御出力値又は出力電流制御出力値が切り換えられた際の、指令値急変を抑制し、装置へのストレスを軽減することができる。

本発明の実施例１による装置の全体構成図。 図１の各制御部の一例を示すブロック図。 本発明の実施例２による装置の各制御部の一例を示すブロック図。 本発明の実施例３による装置の全体構成図。 本発明の実施例３による装置の各制御部の一例を示すブロック図。 本発明の実施例３による装置の各制御部の他の例を示すブロック図。 従来の、特許文献１に記載の直流電源装置の全体構成図。

以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態を説明するが、本発明は下記の実施形態例に限定されるものではない。

図１は本発明の実施例１によるシステム構成を、図２は図１の各制御ブロックの詳細を各々表し、図７と同一部分は同一符号をもって示している。図１において、直流電源装置１１０内の整流器ユニット１２０には、商用系統電力源１００の交流電力を直流電力に変換する電力変換回路２１が設けられ、その直流出力側は負荷設備２００および蓄電池３に接続されている。

１２４は、蓄電池３に充電される電流を充電電流検出回路４により検出した充電電流検出値を、後述する図２の構成によって、蓄電池３の充電電流指令値以下に制御するための充電電流制御出力値を求める充電電流制御部である。

１２５は、電力変換回路２１の出力電流を出力電流検出回路６（ホール素子、シャント抵抗器などから成る）により検出した出力電流検出値を、後述する図２の構成によって、電力変換回路２１の出力電流上限値以下に制御するための出力電流制御出力値を求める出力電流制御部である。

１２６は、充電電流制御部１２４により求められた充電電流制御出力値および出力電流制御部１２５により求められた出力電流制御出力値を、後述する図２の構成によって比較し、いずれか小さい方を選択して電力変換回路２１の出力電圧指令値として出力する比較部である。

１２７は、比較部１２６から出力された出力電圧指令値と、電力変換回路２１の出力電圧を出力電圧検出回路５により検出した出力電圧検出値との偏差を、後述する図２の構成によってとり、その偏差出力に対してＰＩ（比例・積分）制御を行う出力電圧制御部である。

ＰＷＭ制御部２２は、出力電圧制御部１２７の出力が最終的な電圧指令値として入力され、その電圧指令値とキャリア信号との比較によりＰＷＭ信号を生成し、電力変換回路２１の各スイッチング素子をＰＷＭ制御する。

図２において、充電電流制御部１２４は、設定した充電電流指令値と充電電流検出回路４で検出された充電電流検出値の偏差をとる減算器３４と、減算器３４の偏差出力に対してＰＩ制御を行うＰＩ制御器（ＰＩアンプ）４４と、ＰＩ制御器４４の出力に直流電源装置１１０の定格直流電圧を加算する加算器５４と、加算器５４の加算出力に対して、定格直流電圧以下に制限するリミット処理を施すリミッタ６４とを備え、リミッタ６４の出力を充電電流制御出力値としている。

出力電流制御部１２５は、設定した出力電流上限値と、出力電流検出回路６で検出された出力電流検出値の偏差をとる減算器３５と、減算器３５の偏差出力に対してＰＩ制御を行うＰＩ制御器（ＰＩアンプ）４５と、ＰＩ制御器４５の出力に直流電源装置１１０の定格直流電圧を加算する加算器５５と、加算器５５の加算出力に対して、定格直流電圧以下に制限するリミット処理を施すリミッタ６５とを備え、リミッタ６５の出力を出力電流制御出力値としている。

前記各リミッタ６４および６５から出力される充電電流制御出力値および出力電流制御出力値を比較する比較部１２６は、いずれか小さい方を選択し、電力変換回路２１の出力電圧指令値として出力するスイッチ７６を備えている。

出力電圧制御部１２７は、比較部１２６のスイッチ７６により選択し出力された出力電圧指令値と出力電圧検出回路５で検出された出力電圧検出値の偏差をとる減算器３７と、減算器３７の偏差出力に対してＰＩ制御を行うＰＩ制御器（ＰＩアンプ）４７とを備え、ＰＩ制御器４７の出力をＰＷＭ制御部２２の最終的な電圧指令値としている。

上記のように構成された装置において、充電電流制御部１２４は蓄電池３の充電電流を一定に保つように作用し、充電電流検出値が充電電流指令値よりも大きい場合、充電電流が小さくなるように直流電圧を下げる方向に働く（充電電流制御出力値が小さくなる）。

逆に充電電流検出値が充電電流指令値よりも小さい場合は、直流電圧を上げるように働く（充電電流制御出力値が大きくなる）が、リミッタ６４により定格電圧よりも大きくならないように制限している。

出力電流制御部１２５は出力電流が過電流にならないように作用して装置を保護するものであり、出力電流検出値が出力電流上限値よりも大きい場合、出力電流が小さくなるように直流電圧を下げる方向に働く（出力電流制御出力値が小さくなる）。

逆に出力電流検出値が出力電流上限値よりも小さい場合は、直流電圧を上げるように働く（出力電流制御出力が大きくなる）が、リミッタ６５により定格電圧よりも大きくならないように制限している。

このように、充電電流制御部１２４と出力電流制御部１２５は共に電流を制限するために直流電圧を操作しており、これによって直流電源装置１１０の垂下制御（出力電流−出力電圧特性の垂下制御）がなされる。

そして比較部１２６では、充電電流制御出力値（リミッタ６４の出力）と出力電流制御出力値（リミッタ６５の出力）の小さい方を選択して直流の出力電圧指令値として設定しているので、前記垂下制御の選択が行われ、充電電流制御の仕様と出力電流制御の仕様の両方を満足できることになる。

すなわち例えば、蓄電池３の充電電流が指令値よりも大きい場合、充電電流制御出力値（リミッタ６４の出力）が小さくなり、比較部１２６ではこちらが選択される。この値が出力電圧指令値になるため、直流電源装置１１０の直流電圧が下ることになり、結果として蓄電池３の充電電流が小さくなる。直流電圧が下るということは充電電流だけでなく、出力電流も小さくなるため、充電電流制御と出力電流制御の両立が可能となる。

以上のように本実施例１によれば、蓄電池３への充電電流を充電電流指令値以下に制御する充電電流制御と、電力変換回路２１の出力電流検出値を出力電流上限値以下に制御する出力電流制御とを両立させることができ、これによって、負荷設備２００へ供給する電流の過負荷により装置が故障してしまうことを防止することができる。

実施例１における比較部１２６では、充電電流制御出力値（リミッタ６４の出力）と出力電流制御出力値（リミッタ６５の出力）の小さい方を選択しているが、この選択切り換えの際、出力電圧制御部１２７に入力される出力電圧指令値が急変し装置にストレスを与えてしまう可能性がある。

そこで本実施例２では、図３に示すように比較部１２６の後段に平滑化部１２８を設け、出力電圧指令値の急変を抑え、装置へのストレスを軽減するように構成した。図３において図２と同一部分は同一符号をもって示しており、図２と異なる点は、比較部１２６と出力電圧制御部１２７の間に、移動平均回路又は変化率リミッタ８８を有した平滑化部１２８を設けた点にあり、その他の部分は図２と同一に構成されている。

上記構成において、比較部１２６から出力される出力電圧指令値は平滑化部１２８によって平滑化されるので、比較部１２６のスイッチ７６の切り換えの際に出力電圧指令値が急変することは抑制され、装置へのストレスが軽減される。

図１の電力変換回路２１ではＩＧＢＴなどの半導体スイッチング素子によって交流電力を直流電力に変換するが、その際、スイッチング動作により高調波が発生し商用系統に悪影響を与える可能性がある。

本実施例３は、前記高調波を抑制するための入力フィルタを設けた構成の直流電源装置に本発明を適用したものである。

図４は本実施例３によるシステム構成を表し、図５は図４の各制御ブロックの一例を示し、図６は図４の各制御ブロックの他の例を示している。

図４において図１と異なる点は、電力変換回路２１の入力側に設けられた、リアクトルＬおよびコンデンサＣから成る高調波抑制用の入力フィルタ２０と、入力フィルタ２０を介して電力変換回路２１に流れる電流を検出する入力電流検出回路７と、出力電圧制御部１２７の出力を入力電流指令値として取り込み、後述する図５の構成によって、所望の最終的な出力電圧指令値が得られるように、電力変換回路２１の入力電流を制御する入力電流制御部１２９とを設けた点にあり、その他の部分は図１と同様に構成されている。

図４の各制御ブロックの一例を示す図５において図２と異なる点は、出力電圧制御部１２７とＰＷＭ制御部２２の間に、出力電圧制御部１２７の出力が入力電流指令値として導入され、入力電流検出回路７により検出された入力電流検出値との偏差をとる減算器３９と、減算器３９の偏差出力に対してＰＩ制御を行うＰＩ制御器（ＰＩアンプ）４９とを備えた入力電流制御部１２９を設けた点にあり、その他の部分は図２と同様に構成されている。

上記のように構成された装置において、入力電流制御部１２９は、直流電源装置１１０の出力電圧が所望の出力電圧となるように電力変換回路２１の入力電流を制御するように動作する。

以上のように図５の構成によれば、高調波抑制用の入力フィルタ２０を備えた直流電源装置１１０において、充電電流制御部１２４、出力電流制御部１２５および比較部１２６による垂下制御の選択処理を行って充電電流制御と出力電流制御を両立させることができるという、実施例１と同様の効果が得られる。

また、図４の各制御ブロックの他の例を示す図６において図５と異なる点は、比較部１２６と出力電圧制御部１２７の間に、移動平均回路又は変化率リミッタ８８を有した平滑化部１２８を設けた点にあり、その他の部分は図５と同一に構成されている。

上記構成において、比較部１２６から出力される出力電圧指令値は平滑化部１２８によって平滑化されるので、比較部１２６のスイッチ７６の切り換えの際に出力電圧指令値が急変することは抑制され、装置へのストレスが軽減される。

以上のように図６の構成によれば、高調波抑制用の入力フィルタ２０を備えた直流電源装置１１０において、充電電流制御部１２４、出力電流制御部１２５および比較部１２６による垂下制御の選択処理を行って充電電流制御と出力電流制御を両立させることができるという、実施例１と同様の効果と、平滑化部１２８の平滑化処理による装置へのストレス軽減が可能となる、実施例２と同様の効果とが得られる。

３…蓄電池
４…充電電流検出回路
５…出力電圧検出回路
６…出力電流検出回路
７…入力電流検出回路
２０…入力フィルタ
２１…電力変換回路
２２…ＰＷＭ制御部
３４，３５，３７，３９…減算器
４４，４５，４７，４９…ＰＩ制御器
５４，５５…加算器
６４，６５…リミッタ
７６…スイッチ
８８…移動平均回路又は変化率リミッタ
１００…商用系統電力源
１１０…直流電源装置
１２０…整流器ユニット
１２４…充電電流制御部
１２５…出力電流制御部
１２６…比較部
１２７…出力電圧制御部
１２８…平滑化部
１２９…入力電流制御部
２００…負荷設備

Claims (6)

1. オン、オフ制御されるスイッチング素子を有して交流電源の交流電力を直流電力に変換する回路であり、直流出力側が負荷および蓄電池に接続された電力変換回路と、
   前記蓄電池の充電電流指令値と前記蓄電池へ充電される電流を検出した充電電流検出値との偏差をとり、その偏差をＰＩ（比例・積分）制御器に通した後定格直流電圧を加算し、その加算出力に対して定格直流電圧以下に制限するリミット処理を施して充電電流制御出力値を出力する充電電流制御部と、
   前記電力変換回路の出力電流上限値と前記電力変換回路の出力電流を検出した出力電流検出値との偏差をとり、その偏差をＰＩ制御器に通した後定格直流電圧を加算し、その加算出力に対して定格直流電圧以下に制限するリミット処理を施して出力電流制御出力値を出力する出力電流制御部と、
   前記充電電流制御部の充電電流制御出力値および前記出力電流制御部の出力電流制御出力値を比較し、いずれか小さい方を選択して前記電力変換回路の出力電圧指令値として出力する比較部と、
   前記比較部から出力された出力電圧指令値と前記電力変換回路の出力電圧を検出した出力電圧検出値との偏差をとり、その偏差に対してＰＩ制御を行う出力電圧制御部と、
   前記出力電圧制御部の出力を最終的な電圧指令値として、前記電力変換回路のスイッチング素子をＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）制御するＰＷＭ制御部とを備えたことを特徴とする直流電源装置。
2. 前記電力変換回路の入力側には高調波抑制用の入力フィルタが設けられ、
   前記出力電圧制御部の出力を入力電流指令値として取り込み、その入力電流指令値と、前記入力フィルタに流れる電流を検出した入力電流検出値との偏差をとり、その偏差に対してＰＩ制御を行う入力電流制御部を備え、
   前記ＰＷＭ制御部は、前記入力電流制御部の出力を最終的な電圧指令値として、前記電力変換回路のスイッチング素子をＰＷＭ制御することを特徴とする請求項１に記載の直流電源装置。
3. 前記比較部から出力される出力電圧指令値を平滑化する平滑化部を備えたことを特徴とする請求項１又は２に記載の直流電源装置。
4. オン、オフ制御されるスイッチング素子を有して交流電源の交流電力を直流電力に変換する回路であり、直流出力側が負荷および蓄電池に接続された電力変換回路を備えた直流電源装置の制御方法であって、
   充電電流制御部が、前記蓄電池へ充電される電流を検出した充電電流検出値を蓄電池の充電電流指令値以下に制御する充電電流制御出力値を求めるステップと、
   出力電流制御部が、前記電力変換回路の出力電流を検出した出力電流検出値を電力変換回路の出力電流上限値以下に制御する出力電流制御出力値を求めるステップと、
   比較部が、前記求められた充電電流制御出力値および出力電流制御出力値を比較し、いずれか小さい方を選択して前記電力変換回路の出力電圧指令値として出力する指令値選択ステップと、
   出力電圧制御部が、前記指令値選択ステップにおいて出力された出力電圧指令値と前記電力変換回路の出力電圧を検出した出力電圧検出値との偏差をとり、その偏差に対してＰＩ制御を行うステップと、
   ＰＷＭ制御部が、前記出力電圧制御部の出力を最終的な電圧指令値として、前記電力変換回路のスイッチング素子をＰＷＭ制御するＰＷＭ制御ステップとを備えたことを特徴とする直流電源装置の制御方法。
5. 前記電力変換回路の入力側には高調波抑制用の入力フィルタが設けられ、
   入力電流制御部が、前記出力電圧制御部の出力を入力電流指令値として取り込み、その入力電流指令値と、前記入力フィルタに流れる電流を検出した入力電流検出値との偏差をとり、その偏差に対してＰＩ制御を行うステップを備え、
   前記ＰＷＭ制御ステップは、前記入力電流制御部の出力を最終的な電圧指令値として、前記電力変換回路のスイッチング素子をＰＷＭ制御することを特徴とする請求項４に記載の直流電源装置の制御方法。
6. 平滑化部が、前記指令値選択ステップにおいて出力される出力電圧指令値を平滑化する平滑化ステップを備えたことを特徴とする請求項４又は５に記載の直流電源装置の制御方法。

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