JP6958749B2 - 電力変換システム - Google Patents

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Description

この発明は、交流電力を直流電力に、または直流電力を交流電力に、または交流電源の無効電力を補償する電力変換システムに関する。
特許文献１は、電力変換システムを開示する。当該電力変換システムによれば、突入電流を抑えながら、直流コンデンサの初期充電を行い得る。
日本特開２０１６−１９５６号公報
しかしながら、特許文献１に記載の電力変換システムにおいては、直流コンデンサの初期充電のために充電抵抗が必要となる。この際、突入電流を抑えるために定格の大きな充電抵抗が必要となる。
この発明は、上述の課題を解決するためになされた。この発明の目的は、定格の大きな部品を用いることなく、突入電流を抑えながら、直流コンデンサの初期充電を行うことができる電力変換システムを提供することである。
この発明に係る電力変換システムは、交流電源に接続された電力変換器と、前記電力変換器の直流側に接続された直流コンデンサと、前記電力変換器と前記交流電源との間に接続された第１交流スイッチと、前記電力変換器と前記交流電源との間において、前記第１交流スイッチと並列に接続され、充電抵抗または充電リアクトルで形成された突入電流抑制体と、前記電力変換器と前記交流電源との間において、前記第１交流スイッチと並列かつ前記突入電流抑制体と直列に接続された第２交流スイッチと、前記電力変換器と前記交流電源との間において、前記第１交流スイッチと前記突入電流抑制体と前記第２交流スイッチとよりも前記電力変換器の側に接続された交流コンデンサと、前記第１交流スイッチが開いており、前記第２交流スイッチが閉じており、その後、前記直流コンデンサにかかる電圧が予め設定された電圧以上となるように前記電力変換器を制御し、その後、前記交流コンデンサにかかる電圧が前記交流電源の電圧に一致するように前記電力変換器を制御し、その後、前記第１交流スイッチを閉じる制御装置と、を備えた。
この発明によれば、このため、定格の大きな部品を用いることなく、突入電流を抑えながら、直流コンデンサの初期充電を行うことができる。
実施の形態１における電力変換システムが適用されるシステムの構成図である。 実施の形態１における電力変換システムの制御装置による充電開始モードを説明するための図である。 実施の形態１における電力変換システムの制御装置による昇圧充電モードを説明するための図である。 実施の形態１における電力変換システムの制御装置による交流電圧同期モードを説明するための図である。 実施の形態１における電力変換システムの制御装置による待機モードを説明するための図である。 実施の形態１における電力変換システムの制御装置によるＳＶＣ運転モードを説明するための図である。 実施の形態１における電力変換システムの直流コンデンサの充電電力を説明するための図である。 実施の形態１における電力変換システムの昇圧充電モード中の制御を説明するための図である。 実施の形態１における電力変換システムの交流電圧同期モード中の制御を説明するための図である。 実施の形態１における電力変換システムの制御装置の動作の概要を説明するためのフローチャートである。 実施の形態１における電力変換システムの制御装置のハードウェア構成図である。
この発明を実施するための形態について添付の図面に従って説明する。なお、各図中、同一または相当する部分には同一の符号が付される。当該部分の重複説明は適宜に簡略化ないし省略する。
実施の形態１．
図１は実施の形態１における電力変換システムが適用されるシステムの構成図である。
図１の上段において、直流電源１は、太陽光発電設備である。交流電源２は三相で、電力会社等に運用される。変圧器３は、直流電源１と交流電源２との間に接続される。
電力変換システムは、電力変換器４と直流コンデンサ５と直流スイッチ６と交流リアクトル７と第１交流スイッチ８と充電抵抗９と第２交流スイッチ１０と交流コンデンサ１１と制御装置１２とを備える。
電力変換器４は、直流電源１と変圧器３との間に接続される。直流コンデンサ５は、直流電源１と電力変換器４との間に接続される。直流スイッチ６は、直流電源１と電力変換器４との間に接続される。
交流リアクトル７は、電力変換器４と変圧器３との間に接続される。第１交流スイッチ８は、交流リアクトル７と変圧器３との間に接続される。充電抵抗９は、交流リアクトル７と変圧器３との間において、第１交流スイッチ８と並列に接続される。第２交流スイッチ１０は、交流リアクトル７と変圧器３との間において、第１交流スイッチ８と並列かつ充電抵抗９と直列に接続される。交流コンデンサ１１は、電力変換器４の出力側において、第１交流スイッチ８と充電抵抗９と第２交流スイッチ１０とよりも交流リアクトル７の側に接続される。
第１交流スイッチ８、充電抵抗９、第２交流スイッチ１０は、図１の下段の（ａ）、（ｂ）、（ｃ）のいずれの形態でもよい。
制御装置１２は、電力変換器４と直流スイッチ６と第１交流スイッチ８と第２交流スイッチ１０とを制御し得るように設けられる。
次に、図２から図６を用いて、制御装置１２による一連の制御を説明する。
図２は実施の形態１における電力変換システムの制御装置による充電開始モードを説明するための図である。図３は実施の形態１における電力変換システムの制御装置による昇圧充電モードを説明するための図である。図４は実施の形態１における電力変換システムの制御装置による交流電圧同期モードを説明するための図である。図５は実施の形態１における電力変換システムの制御装置による待機モードを説明するための図である。図６は実施の形態１における電力変換システムの制御装置によるＳＶＣ運転モードを説明するための図である。
ＳＶＣ（Ｓｔａｔｉｃ Ｖａｒ Ｃｏｍｐｅｎｓａｔｏｒ）運転モードとは、無効電力補償を行う運転モードである。
図２に示されるように、交流電圧同期モードにおいて、制御装置１２は、直流スイッチ６が開いており、第１交流スイッチ８が開いており、電力変換器４が停止している状態とし、第２交流スイッチ１０を閉じる。この際、直流コンデンサ５の静電容量Ｃｄｃは、充電抵抗９を介して充電される。変圧器３および交流電源２のインピーダンスが無視できる場合、直流電圧Ｖｉは、おおよそ次の（１）式で表される値に達する。
Figure 0006958749
ただし、（１）式において、ωは、交流電源２の周波数に対応した角速度である。Ｒｐｒｃは、充電抵抗９の抵抗値である。Ｃｐｉは、交流コンデンサ１１の静電容量である。Ｖｓは、交流電源２の定格電圧である。
その後、図３に示されるように、昇圧充電モードにおいて、制御装置１２は、電力変換器４を制御して昇圧し、直流電圧Ｖ１が次の（２）式の値以上の予め設定された値となるまで充電する。
Figure 0006958749
その後、図４に示されるように、交流電圧同期モードにおいて、制御装置１２は、電力変換器４を制御して交流側に無効電力を供給し、交流コンデンサ１１にかかる電圧ｖｃｐｉを交流電源２の現時点における電圧ｖｓに一致させたら、制御装置１２は、第１交流スイッチ８を閉じる。
その後、図５に示されるように、待機モードにおいて、制御装置１２は、電力変換器４の出力電流が零となるように制御する。
その後、図６に示されるように、ＳＶＣ運転モードにおいて、制御装置１２は、電力変換器４を制御して交流側の無効電力を補償する。
次に、図７を用いて、昇圧充電モードにおける直流コンデンサ５の充電電力を説明する。
図７は実施の形態１における電力変換システムの直流コンデンサの充電電力を説明するための図である。
図７において、瞬時有効電力ｐ２は、以下の（３）式で表される。
Figure 0006958749
ただし、（３）式において、ｉＲは、充電抵抗９に流れる電流ベクトルである。
交流電源２の現時点の電圧ベクトルｖｓに固定されたｄｑ座標上において、交流電源２の現時点の電圧ｖｓは、次の（４）式で表される。
Figure 0006958749
交流電源２の現時点の電圧ベクトルｖｓに固定されたｄｑ座標上において、交流コンデンサ１１にかかる電圧ｖｃｐｉは、次の（５）式で表される。
Figure 0006958749
交流電源２の現時点の電圧ベクトルｖｓに固定されたｄｑ座標上において、瞬時有効電力ｐ２は、次の（６）式で表される。
Figure 0006958749
したがって、交流電源２の現時点の電圧ベクトルｖｓが次の（７）式を満たすとき、瞬時有効電力ｐ２は、次の（８）式で表される最大値となる。
Figure 0006958749
Figure 0006958749
三相平衡である場合、瞬時有効電力ｐ１は、瞬時有効電力ｐ２と同じである。このため、直流コンデンサ５の充電電力は、交流コンデンサ１１にかかる電圧ベクトルｖｃｐｉを操作することにより制御され得る。
また、充電抵抗９の消費電力は、次の（９）式で与えられる。
Figure 0006958749
瞬時有効電力ｐ２は、ｖｓｄに関して対称である。０＜ｖｃｐｉｄ＜ｖｓｄ／２のとき、瞬時有効電力ｐ１は、充電抵抗９の消費電力ｐＲよりも小さい。ｖｓｄ／２＜ｖｃｐｉｄ＜ｖｓｄのとき、瞬時有効電力ｐ１は、充電抵抗９の消費電力ｐＲよりも大きい。
このため、直流コンデンサ５の充電には、ｖｓｄ／２＜ｖｃｐｉｄ＜ｖｓｄの範囲でｖｃｐｉｄをすることが好ましい。
次に、図８を用いて、昇圧充電モード中の制御を説明する。
図８は実施の形態１における電力変換システムの昇圧充電モード中の制御を説明するための図である。
交流電源２の周波数ｆに対する交流リアクトル７のインピーダンスＬｓｉは、多くの場合、交流コンデンサ１１の静電容量Ｃｐｉと充電抵抗９の抵抗値Ｒｐｒｃの合成インピーダンスとに比べて十分に小さい。したがって、充電抵抗９に流れる電流ｉｉがあまり大きくなければ、交流コンデンサ１１にかかる電圧ｖｃｐｉは、電力変換器４の出力電圧ｖｉに一致する。この際、制御装置１２は、電力変換器４の電圧指令値ｖｉ ＊を次の（１０）式で表される値に設定する。
Figure 0006958749
ただし、ｋは、０以上かつ１以下の範囲で調整される。ｋが１のとき、直流コンデンサ５は、ほぼ理論上の最大電力で充電される。ｋが０のとき、直流コンデンサ５は、充電されない。
通常の充電時において、直流コンデンサ５は、ｋを１として、直流コンデンサ５の充電が行われる。充電電力が大き過ぎる場合または充電抵抗９の消費電力が大き過ぎる場合、適宜ｋを調整して、直流コンデンサ５の充電が行われる。
次に、図９を用いて、交流電圧同期モード中の制御を説明する。
図９は実施の形態１における電力変換システムの交流電圧同期モード中の制御を説明するための図である。
（１０）式においてｋが０のとき、次の（１１）式が成り立つ。
Figure 0006958749
この際、電力変換器４は、交流コンデンサ１１にかかる電圧ｖｃｐｉを交流電源２の現時点の電圧ｖｓに一致させるために無効電力のみを供給する。理論上、有効電力は必要ないため、直流電圧は低下しない。
交流コンデンサ１１にかかる電圧ｖｃｐｉが交流電源２の現時点の電圧ｖｓに一致したときに第１交流スイッチ８を閉じれば、突入電流が発生せずに、ＳＶＣ運転の準備が完了する。
次に、図１０を用いて、制御装置１２の動作の概要を説明する。
図１０は実施の形態１における電力変換システムの制御装置の動作の概要を説明するためのフローチャートである。
ステップＳ１では、制御装置１２は、第２交流スイッチ１０を閉じる。その後、制御装置１２は、ステップＳ２の動作を行う。ステップＳ２では、制御装置１２は、直流コンデンサ５にかかる電圧が予め設定された値以上となるように電力変換器４を制御する。その後、制御装置１２は、ステップＳ３の動作を行う。ステップＳ３では、制御装置１２は、交流コンデンサ１１にかかる電圧が交流電源２の電圧に一致するように電力変換器４を制御する。その後、制御装置１２は、ステップＳ４の動作を行う。ステップＳ４では、制御装置１２は、第１交流スイッチ８を閉じると同時に出力電流が零となるように電力変換器４を制御する。その後、制御装置１２は、ステップＳ５の動作を行う。ステップＳ５では、制御装置１２は、交流側の無効電力を補償するように電力変換器４を制御する。
以上で説明した実施の形態１によれば、制御装置１２は、直流スイッチ６が開いており、第１交流スイッチ８が開いており、第２交流スイッチ１０が閉じており、電力変換器４が停止している状態とした後、直流コンデンサ５にかかる電圧が予め設定された電圧以上となるように前記電力変換器４を制御する。このため、定格の大きな部品を用いることなく、突入電流を抑えながら、直流コンデンサ５の初期充電を行うことができる。
また、制御装置１２は、交流コンデンサ１１にかかる電圧が交流電源２の電圧に一致するように電力変換器４を制御する。その後、制御装置１２は、第１交流スイッチ８を閉じる。このため、交流コンデンサ１１に突入電流が流れることを抑制できる。
なお、直流コンデンサ５にかかる電圧が直流電源１の電圧に一致するように電力変換器４を制御した後、直流スイッチ６を閉じれば、直流スイッチ６を閉じる際に直流コンデンサ５に突入電流が流れることを抑制できる。
また、制御装置１２は、直流スイッチ６が開いており、第１交流スイッチ８が閉じている状態において、交流側の無効電力を補償するように電力変換器４を制御する。このため、直流コンデンサ５の初期充電時の突入電流を抑えたうえで、交流側の無効電力を補償することができる。
なお、直流電源１として、蓄電池を用いてもよい。この場合、待機モード、または交流電圧同期モードの次に、直流コンデンサ５にかかる電圧が蓄電池の充電電圧に一致するように電力変換器４を制御した後、直流スイッチ６を閉じればよい。この場合も、直流スイッチ６を閉じる際に直流コンデンサ５に突入電流が流れることを抑制できる。
また、突入電流抑制体として、充電抵抗９のかわりに充電リアクトルを用いてもよい。この場合も、定格の大きな部品を用いることなく、突入電流を抑えながら、直流コンデンサ５の初期充電を行うことができる。
また、充電開始モードは、原理的に不要である。このため、第２交流スイッチ１０を閉じると同時に昇圧充電モードに移行してもよい。この場合、充電抵抗９の消費電力を抑制することができる。
また、交流電圧同期モードにおいて、交流コンデンサ１１への突入電流が許容できるのであれば、交流コンデンサ１１と交流電源２の電圧が一致する前に、スイッチ８を投入してもよい。
また、待機モードを介さずに、交流電圧同期モードからＳＶＣ運転モードに移行してもよい。
また、直流スイッチ６を常に投入したままにしておいても良い。また、直流スイッチ６は備えず、直流電源と電力変換器の直流側が直接接続されていてもよい。
また、直流スイッチ６は備えず、直流電源と電力変換器の直流側がダイオードなどの逆流防止半導体素子を介して接続されていてもよい。
また、交流コンデンサ１１は無くても本発明は適用できる。
また、交流電源２は単相電源で、電力変換器４は単相電力変換器であっても良い。この場合、昇圧充電モードにおいて、単相電源の現時点の電圧ｖｓが次の（１２）式を満たすとき、瞬時有効電力ｐ２は、次の（１３）式で表される最大値となる。
Figure 0006958749
Figure 0006958749
次に、図１１を用いて、制御装置１２の例を説明する。
図１１は実施の形態１における電力変換システムの制御装置のハードウェア構成図である。
制御装置１２の各機能は、処理回路により実現し得る。例えば、処理回路は、少なくとも１つのプロセッサ１００ａと少なくとも１つのメモリ１００ｂとを備える。例えば、処理回路は、少なくとも１つの専用のハードウェア２００を備える。
処理回路が少なくとも１つのプロセッサ１００ａと少なくとも１つのメモリ１００ｂとを備える場合、制御装置１２の各機能は、ソフトウェア、ファームウェア、またはソフトウェアとファームウェアとの組み合わせで実現される。ソフトウェアおよびファームウェアの少なくとも一方は、プログラムとして記述される。ソフトウェアおよびファームウェアの少なくとも一方は、少なくとも１つのメモリ１００ｂに格納される。少なくとも１つのプロセッサ１００ａは、少なくとも１つのメモリ１００ｂに記憶されたプログラムを読み出して実行することにより、制御装置１２の各機能を実現する。少なくとも１つのプロセッサ１００ａは、中央処理装置、処理装置、演算装置、マイクロプロセッサ、マイクロコンピュータ、ＤＳＰともいう。例えば、少なくとも１つのメモリ１００ｂは、ＲＡＭ、ＲＯＭ、フラッシュメモリ、ＥＰＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ等の、不揮発性または揮発性の半導体メモリ、磁気ディスク、フレキシブルディスク、光ディスク、コンパクトディスク、ミニディスク、ＤＶＤ等である。
処理回路が少なくとも１つの専用のハードウェア２００を備える場合、処理回路は、例えば、単一回路、複合回路、プログラム化したプロセッサ、並列プログラム化したプロセッサ、ＡＳＩＣ、ＦＰＧＡ、またはこれらの組み合わせで実現される。例えば、制御装置１２の各機能は、それぞれ処理回路で実現される。例えば、制御装置１２の各機能は、まとめて処理回路で実現される。
制御装置１２の各機能について、一部を専用のハードウェア２００で実現し、他部をソフトウェアまたはファームウェアで実現してもよい。例えば、電力変換器４を制御する機能については専用のハードウェア２００としての処理回路で実現し、電力変換器４を制御する以外の機能については少なくとも１つのプロセッサ１００ａが少なくとも１つのメモリ１００ｂに格納されたプログラムを読み出して実行することにより実現してもよい。
このように、処理回路は、ハードウェア２００、ソフトウェア、ファームウェア、またはこれらの組み合わせで制御装置１２の各機能を実現する。
以上のように、この発明に係る電力変換システムは、突入電流を抑えるシステムに利用できる。
１ 直流電源、 ２ 交流電源、 ３ 変圧器、 ４ 電力変換器、 ５ 直流コンデンサ、 ６ 直流スイッチ、 ７ 交流リアクトル、 ８ 第１交流スイッチ、 ９ 充電抵抗、 １０ 第２交流スイッチ、 １１ 交流コンデンサ、 １２ 制御装置、 １００ａ プロセッサ、 １００ｂ メモリ、 ２００ ハードウェア

Claims (4)

  1. 交流電源に接続された電力変換器と、
    前記電力変換器の直流側に接続された直流コンデンサと、
    前記電力変換器と前記交流電源との間に接続された第１交流スイッチと、
    前記電力変換器と前記交流電源との間において、前記第１交流スイッチと並列に接続され、充電抵抗または充電リアクトルで形成された突入電流抑制体と、
    前記電力変換器と前記交流電源との間において、前記第１交流スイッチと並列かつ前記突入電流抑制体と直列に接続された第２交流スイッチと、
    前記電力変換器と前記交流電源との間において、前記第１交流スイッチと前記突入電流抑制体と前記第２交流スイッチとよりも前記電力変換器の側に接続された交流コンデンサと、
    前記第１交流スイッチが開いており、前記第２交流スイッチが閉じており、その後、前記直流コンデンサにかかる電圧が予め設定された電圧以上となるように前記電力変換器を制御し、その後、前記交流コンデンサにかかる電圧が前記交流電源の電圧に一致するように前記電力変換器を制御し、その後、前記第１交流スイッチを閉じる制御装置と、
    を備えた電力変換システム。
  2. 前記電力変換器の直流側には直流スイッチを介して直流電源が接続され、前記制御装置は、前記直流スイッチが開いており、前記直流コンデンサにかかる電圧が前記直流電源の電圧に一致するように前記電力変換器を制御し、その後、前記直流スイッチを閉じる請求項１に記載の電力変換システム。
  3. 前記電力変換器は、直流電源としての太陽光発電設備と前記交流電源との間に接続され、
    前記制御装置は、前記第１交流スイッチが閉じている状態において、交流側の無効電力を補償するように前記電力変換器を制御する請求項１または請求項２に記載の電力変換システム。
  4. 前記電力変換器は、前記直流電源としての蓄電池と前記交流電源との間に接続され、
    前記制御装置は、前記直流スイッチが開いており、前記第１交流スイッチが開いており、前記第２交流スイッチが閉じており、前記直流コンデンサにかかる電圧が前記蓄電池の充電電圧に一致するように前記電力変換器を制御し、その後、前記直流スイッチを閉じる請求項２に記載の電力変換システム。
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