JP6973037B2 - 瞬時電圧低下補償装置および瞬時電圧低下補償システム - Google Patents

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Description

本発明は、瞬時電圧低下補償装置および瞬時電圧低下補償システムに関する。
電力系統と蓄電池等の直流電源とを連系して負荷に電力を供給する瞬時電圧低下補償システムを用いたシステムにおいて、系統連系スイッチに自己消弧能力がないスイッチを用いた場合、短絡事故等による停電が発生したときに、系統連系スイッチの電流が０［Ａ］になり系統連系スイッチがオフになるまで、電力系統の周期の１サイクル程度の時間がかかる可能性がある。停電が発生したときに、直流電源による自立運転を早く開始するために、早く系統連系スイッチをオフすることが求められる。
関連する技術として、電力系統の異常が検出されると、系統連系スイッチに流れる電流値を減少させるように電力変換器の電流を変化させる技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
また、関連する技術として、機械式または自己消弧できない半導体スイッチ３に対し、並列に回路を設けるとともに、直列に交流リアクトルを接続する技術が提案されている（例えば、特許文献２参照）。
特開平１１−３４１６８６号公報 特開２００７−２５２１６４号公報
図７は、関連技術における瞬時電圧低下補償システムを示す図である。図７は、特許文献１の図１と一部を除いて同様の回路であり、詳細な説明を省略する。図７では、電力系統１０１が正常であるとき、系統連系スイッチ１０３は導通しており、負荷１０２に対して電力の供給を行う。これと同時に、電力変換器１０４は、直流電源１０５の充電・放電動作を行う（連系運転モード）。一方、電力系統１０１に電圧低下や停電等の異常が発生した際、系統連系スイッチ１０３はオフにされ、負荷１０２には直流電源１０５から電力変換装置１０４を通じて電力が供給される（自立運転モード）。このように連系運転モードにあるときに、電力系統１０１に異常が発生し、系統連系スイッチ１０３をオフにし、自立運転モードに移行するまでの切替に要する時間は、負荷１０２に影響を与えない範囲内にする必要がある。このとき、負荷１０２は電力を回生できる機器（例えば、回転機）であるとする。図７に示すように、電力系統１０１と系統連系スイッチ１０３との間で短絡が発生した場合（瞬時電圧低下等の残電圧が０［Ｖ］ではない場合も含む）、負荷１０２から上位の負荷１１５および短絡点に回生電力が流れる。
そして、回生電力に起因する電流（回生電流）が系統連系スイッチ１０３に流れるので、電力変換器１０４を用いてこの回生電流を０［Ａ］にしようとした場合、回生電流が電力変換器１０４に流れる。通常、電力変換器１０４に接続される直流電源１０５の充電電力は放電電力の１／１０以下となる。よって、直流電源１０５は、回生電力を吸収しきれず、直流過電圧となり、システムダウンを引き起こすおそれがある。
本発明の一側面に係る目的は、回生電力を出力する負荷を含む場合に、系統連系スイッチを遮断する際の安全性を向上する瞬時電圧低下補償装置を提供することである。
本発明に係る一つの形態である瞬時電圧低下補償装置は、電力系統と負荷との間に接続された系統連系スイッチと、前記負荷に対して電力を供給する直流電源と、前記直流電源の直流電力を交流電力に変換する第１電力変換器と、前記第１電力変換器および前記直流電源に一方の端子が接続され、前記系統連系スイッチと前記電力系統との間に他方の端子が接続され、前記電力系統から供給される交流電力を直流電力に変換する第２電力変換器と、前記電力系統の電圧低下に応じて、前記第１電力変換器を前記系統連系スイッチに流れる電流値以上の零相電流を出力するように制御する制御部と、を有する。
回生電力を出力する負荷を含む場合に、系統連系スイッチを遮断する際の安全性を向上することができる
実施形態における瞬時電圧低下補償システムの構成を示す図である。 実施形態における瞬時電圧低下補償システムの電流流路を示す概略図である。 実施形態における瞬時電圧低下補償システムの３相電流の流路を示す概略図である。 インバータ制御回路の詳細な構成を示すブロック図である。 整流器制御回路の詳細な構成を示すブロック図である。 電流波形および電力波形を示す図である。 関連技術における瞬時電圧低下補償システムを示す図である。
以下、図面に基づいて実施形態について詳細を説明する。図１は、実施形態における瞬時電圧低下補償システムの構成を示す図である。なお、実施形態における瞬時電圧低下補償システムは３相であるが、図１では３相の各線を１本の線として表現している。瞬時電圧低下補償装置１００は、電力系統１と負荷２とに接続される。負荷２は、例えば、回生電力を出力可能な回転機である。
電力系統１と負荷２との間に連系スイッチが接続されており、該連系スイッチに並列に、整流器８、インバータ７の直列回路がスイッチ１４−１、１４−２を介して接続されている。整流器８、インバータ７にはそれぞれインダクタ１０−２、１０−１およびコンデンサ１１−２、１１−１で構成されるフィルタ回路が接続されている。さらに整流器８、インバータ７の間の直流部には直流電源９の一端が接続されており、直流電源９の他端は、コンデンサ１１−１、１１−２と仮想ニューラル線で接続される。
電力系統１が健全であるとき、電力系統１は系統連系スイッチ３を介して負荷２に電力を供給する。また、電力系統１の電圧が瞬時低下した場合等の異常時では、整流器８、インバータ７を通る経路で電力変換されて負荷２に供給される。さらに電力系統１が停電した場合は、系統連系スイッチ３をオフにし、直流電源９の電力が、インバータ７で電力変換されてから負荷２に供給される。
系統連系スイッチ３は、電力系統１および負荷２に接続されている。系統連系スイッチ３は、サイリスタ、または機械式スイッチ等の自己消弧能力がない半導体素子で構成されるスイッチであるとする。
また、系統電圧異常検出器５は、変圧器４からの出力電圧を取得して、瞬時電圧低下などの系統電圧異常を検出し、連系スイッチ制御回路６に、異常信号を送信する。
連系スイッチ制御回路６は、系統電圧の異常を示す異常信号を受信した場合、系統連系スイッチ３をオフにする。連系スイッチ制御回路６は、例えば、異常信号を受信しなくなった場合、再投入シーケンスを経て系統連系スイッチ３をオンにする。この再投入シーケンスは、本発明とは関連性がないため、説明を割愛する。なお、本実施形態では、負荷２から回生電力が短絡点および電力系統１側に接続されている図示しない負荷に流れていく。
系統連系スイッチ３と並列に、直流電源９、インバータ７、インダクタ１０−１、コンデンサ１１−１を含む閉回路が接続されている。インバータ７には、インダクタ１０−１を介して、インバータ７の出力電流を検出する電流計１３−１が接続されている。
インバータ７は、電力系統１の電圧低下を検出した場合、ゲートドライブ回路１２−１が出力したゲート信号に基づいて、系統連系スイッチ３の電流を０にするために零相電流を出力する。具体的には、インバータ７は、系統連系スイッチ３に対して、系統連系スイッチ３に流れる電流の振幅値以上の零相電流を出力することにより、系統連系スイッチ３の電流を０にする。また、インバータ７は、電力系統の異常を検出した時点から所定時間後に、零相電流の出力を停止し、負荷２に直流電源９からの電流を直流交流変換した交流電流を出力する。所定時間は、例えば零相電流の１周期に相当する。零相電流の出力値は、負荷２の定格電流に応じた零相電流目標値に基づいて、インバータ制御回路１６に基づいて設定される。インバータ７は、第１電力変換器の一例である。
インバータ７は、零相電流を流すことにより、出力電力が単なる脈動電力となり、回生電力が直流電源９に流入しない。
零相電流は、三相各線に同じ相、同じ値の電流が流れる場合の電流であり、各相電流の和を１／３倍することにより算出される。
直流電源９は、例えば、リチウムイオン電池、鉛蓄電池等の蓄電池である。直流電源９は、負荷２に対して、インバータ７を介して、系統連系により電力を供給する。
また、インバータ７と負荷２との間には、スイッチ１４−１が設けられている。スイッチ１４−１は、通常はオンに制御され、例えば、インバータ７が故障した際に、オフに制御される。また、コンデンサ１１−１の両端には、インバータ７の出力電圧を検出する電圧計１５−１が設置されている。
さらに、系統連系スイッチ３と並列に、直流電源９、整流器８、インダクタ１０−２、コンデンサ１１−２を含む閉回路が接続されている。整流器８は、インバータ７および直流電源９に一方の端子が接続され、系統連系スイッチ３と電力系統１との間に他方の端子が接続される。整流器８には、インダクタ１０−２を介して、整流器８の出力電流を検出する電流計１３−２が接続されている。また、整流器８には、インダクタ１０−２を介して、スイッチ１４−２が接続されている。スイッチ１４−２は、通常はオンに制御されている。また、コンデンサ１１−２の両端には、整流器８の出力電圧を検出する電圧計１５−２が設置されている。整流器８は、電力系統１から供給される交流電力を直流電力に変換する。なお、整流器８は、第２電力変換器の一例である。
ゲートドライブ回路１２−１は、インバータ制御回路１６から入力したＰＷＭ（pulse width modulation）信号の電流を増幅させ、ＰＷＭ信号に基づくゲート信号をインバータ７に出力する。ゲートドライブ回路１２−２は、整流器制御回路１７から入力したＰＷＭ信号の電流を増幅させ、ＰＷＭ信号に基づくゲート信号を整流器８に出力する。インバータ制御回路１６、整流器制御回路１７、ゲートドライブ回路１２−１、およびゲートドライブ回路１２−２は、制御部に相当する。
インバータ制御回路１６は、直流電源９から負荷２へ電力を供給する自立運転時の動作モードである電圧出力モードの際には、電圧計１５−１が検出したインバータ出力電圧と、電圧基準値発生回路１８から入力された出力電圧目標値に基づいて、ゲートドライブ１２−１にＰＷＭ信号を出力する。電力系統１から負荷２へ電力を供給する系統連系モードの際、電力系統１に停電等の異常が発生した場合には、インバータ制御回路１６は、変圧器４で検出した系統電圧をもとに、電圧低下（停電）を検出し、電流計１３−１が検出したインバータ出力電流と、電圧計１５−１が検出したインバータ出力電圧と、電流基準発生回路１９から入力され、負荷２の低格電流に応じた零相電流目標値に基づいて、ゲートドライブ１２−１にＰＷＭ信号を出力する。インバータ制御回路１６の制御に関して、詳細は後述する。
整流器制御回路１７は、電流計１３−２が検出した整流器８の出力電流と、電圧計１５−２が検出した整流器８の出力電圧と、電圧基準値発生回路１８から入力した直流電圧目標値とに基づいて、ゲートドライブ１２−２にＰＷＭ信号を出力する。整流器制御回路１７は、負荷２に直流電源９から電力が供給されているとき、電力系統１の交流電力を直流電力に変換して、インバータ７に供給するように整流器８を制御する。整流器制御回路１７の制御に関して、詳細は後述する。
なお、図１に示す瞬時電圧低下補償システムは、電力系統１の瞬時電圧低下時の残留電圧が数１０％である場合は、整流器８経由で電力を負荷２に供給することで、少ない直流電源容量でバックアップが可能になる。
図２は、実施形態における瞬時電圧低下補償システムの零相電流の電流流路を示す概略図である。図２に示す回路は、図１に示す瞬時電圧低下補償システムと同じであるが、図２では、電力系統１、負荷２、系統連系スイッチ３、インバータ７、整流器８、直流電源９およびコンデンサ１１−１，１１−２以外の構成の図示を省略している。
図２に示す実線の矢印は、停電発生後であって連系スイッチ３がオフになる前の零相電流の経路を示す。また、破線の矢印は、系統連系スイッチ３がオフになった後に流れる零相電流の経路を示す。図２に示すように、停電発生後には、インバータ７、系統連系スイッチ３、および整流器８を通る零相電流が流れる。また、系統連系スイッチ３がオフになった後には、インバータ７、コンデンサ１１−１，１１−２、および整流器８を通る零相電流が流れる。
図３は、実施形態における瞬時電圧低下補償電源システムの３相電流の流路を示す概略図である。図３に示す回路は、図１に示す瞬時電圧低下補償システムと同じであるが、図３では、３相の各線を図示している。なお、図３では、電力系統１、負荷２、系統連系スイッチ３、インバータ７、整流器８、直流電源９、およびコンデンサ１１−１，１１−２以外の構成の図示を省略している。
図３に示す実線の矢印は、停電発生後であって連系スイッチ３がオフになる前の零相電流の経路を示す。また、破線の矢印は、系統連系スイッチ３がオフになった後に流れる零相電流の経路を示す。図３に示すように、停電発生後には、インバータ７、系統連系スイッチ３、および整流器８を通る零相電流が各相に流れる。また、系統連系スイッチ３がオフになった後には、インバータ７、コンデンサ１１−１，１１−２、および整流器８を通る零相電流が各相に流れる。コンデンサ１１−１，１１−２は、インダクタ１０−１、１０−２と組み合わせて、整流器８、インバータ７の入出力フィルタを構成している。本実施形態では、コンデンサ１１−１，１１−２及び直流電源９は、仮想ニューラル線で接続されている。なお、仮想ニューラル線は、実配線を用いて構成してもよい。
図４は、インバータ制御回路１６の構成を示すブロック図である。なお、図４では、説明のため、瞬時電圧低下補償システムのうちインバータ制御回路１６以外の構成の一部も図示している。
停電検出部２１は、系統電源１の電圧である系統電圧を変圧器４を介して取得し、停電が発生しているか検出する。停電検出部２１は、例えば、系統電圧が、所定値（例えば、定格電圧の７０％から９０％までの間の電圧値）未満である場合に、停電であると判定する。停電は、例えば、短絡事故等による系統異常時に発生する。
停電検出部２１は、電圧計１５−２が検出した整流器８の出力電圧に基づいて、整流器８の出力電圧が所定値未満である場合、停電であると判定してもよい。
タイマー２２は、停電検出部２１が停電を検出した時点でカウントを開始する。インバータ制御回路１６、停電検出部２１が停電を検出してから所定時間経過した場合、電圧出力モードに切り替える。所定時間は、例えば、１〜２ｍｓ程度である。所定時間は、零相電流の１周期分であってもよい。
系統連系モード中の動作について説明する。上述のように、系統連系モードは、停電が検出される前の期間、および停電が検出されてから所定時間経過するまでの期間に実行される動作モードである。
インバータ制御回路１６は、電流基準値発生回路１９から入力した零相電流目標値に、停電検出部２１の出力値を乗算する。零相電流目標値は、負荷２の定格電流に基づいて、予め設定される。停電検出部２１の出力値は、停電中は１であり、停電中でない場合、０であるとする。インバータ制御回路１６は、乗算した値を零相電流指令値とする。
三相合計算出部２３は、電流計１３−１が検出したインバータ出力電流の３相分の検出値の合計を算出する。零相電流演算部２４は、三相合計算出部２３が出力した合計値に、１／３を乗算することで、零相電流を求める。
インバータ制御回路１６は、零相電流指令値と零相電流演算部２４が出力した電流値との偏差を調節器２５に出力する。調節器２５は、入力した偏差を、フィードバック制御（例えば、Ｐ制御）を用いて処理し、相電圧指令値を算出する。インバータ制御回路１６は、調節器２５が出力した相電圧指令値と電圧計１５−１が検出したインバータ出力電圧とを加算し、加算した値（λＩＮＶ）をＰＷＭ制御回路２７に出力する。
ＰＷＭ制御回路２７は、入力した電圧値（λＩＮＶ）に基づいて、ＰＷＭ信号（パルス信号）を発生させ、ゲートドライブ回路１２−１に出力する。
次に、電圧出力モード中の動作について説明する。電圧出力モードは、停電検出後に所定時間経過した後に実行される動作モードである。電圧出力モード中は、系統連系スイッチ３はオフの状態であり、直流電源９からインバータ７を経由して負荷２に電力が供給される。すなわち、直流電源９を用いた自立運転が行われる。
インバータ制御回路１６は、電圧基準値発生回路１８から入力された出力電圧目標値と、電圧計１５−１が検出したインバータ出力電圧との偏差を調節器２６に出力する。調節器２６は、入力した偏差を、フィードバック制御（例えば、Ｐ制御）を用いて処理し、相電圧指令値を算出する。インバータ制御回路１６は、調節器２６の出力値を出力電圧目標値に加算した値を、電圧出力モードにおけるλＩＮＶとして、ＰＷＭ制御回路２７に出力する。
ＰＷＭ制御回路２７は、入力した電圧値に基づいて、ＰＷＭ信号（パルス信号）を発生させ、ゲートドライブ回路１２−１に出力する。
図５は、整流器制御回路１７の構成を示すブロック図である。なお、図５では、説明のため、瞬時電圧低下補償システムのうち整流器制御回路１７以外の構成の一部も図示している。
整流器制御回路１７は、電圧基準値発生回路１８から入力した直流電圧目標値と、電圧計１５−３から取得した直流電源９の電圧（直流中間電圧）との偏差を、調整器３１に出力する。調節器３１は、入力した偏差を、フィードバック制御（例えば、ＰＩ制御）を用いて処理し、電流の振幅を示す値を算出する。整流器制御回路１７は、調節器３１から出力された値と、電圧計１５−２が検出した整流器８の出力電圧とを乗算し、電流指令値とする。
零相分除去部３２は、電流計１３−２から取得した電流値から零相分の電流値を除去する。零相分除去部３２は、例えば、各相の電流値から、３相の電流値を加算した値の１／３を減算することにより、零相分の電流値を除去する。
整流器制御回路１７は、電流指令値と、零相分除去部３２の出力値との偏差を調節器３３に出力する。調節器３３は、入力した偏差を、フィードバック制御（例えば、Ｐ制御）を用いて処理し、相電圧指令値を算出する。整流器制御回路１７は、調節器３３が出力した相電圧指令値と電圧計１５−２が検出した整流器８の出力電圧を加算し、ＰＷＭ制御回路３４に電圧値λＲＥＣとして出力する。
ＰＷＭ制御回路３４は、入力した電圧値λＲＥＣに基づいて、ＰＷＭ信号（パルス信号）を発生させ、ゲートドライブ回路１２−２に出力する。
インバータ制御回路１６および整流器制御回路１７は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、マルチコアＣＰＵ、プログラマブルなデバイス（ＦＰＧＡ（Fie Programmable Gate Array）やＰＬＤ（Programmable Logic Device）など）を用いて構成される回路であってもよい。また、インバータ制御回路１６および整流器制御回路１７は、例えば、その内部又は外部に記憶部を備え、記憶部に記憶されている制御プログラムを読み出して実行してもよい。
図６は、電流および電力波形を示す図である。図６では、系統電圧異常検出器５の出力値、系統連系スイッチの電流値、インバータ７の出力電流、インバータ出力電力、負荷電流のそれぞれの波形を示す。
図４に示したように、停電が検出されると、零相電流目標値に基づいた零相電流を発生させるための制御が行われ、インバータ７から零相電流が出力される。零相電流は、系統連系スイッチ３に対して流れる電流であって、系統連系スイッチ３に流れている電流以上の振幅とする。
図６に示す系統連系スイッチの電流および負荷電流における点線部分は、零相電流を流さなかった場合の波形を示す。図６に示すように、インバータ出力電流から零相電流が流れることにより、系統連系スイッチ３の電流は、零相電流が流れなかった場合と比べて、早く０［Ａ］となる。系統連系スイッチ３の電流は、電力系統１から流れる電流である場合と、負荷２から流れる回生電流である場合がある。いずれの場合であっても、系統連系スイッチ３の電流は、零相電流が流れなかった場合と比べて、早く０［Ａ］となる。なお、図６のＴ１に示す期間では、瞬時電圧低下により回生電力が発生したため、系統連系スイッチの電流および負荷電流が変化している。図６のＴ２に示す期間では、負荷２は、回生電力を出力せず、電力を消費する通常動作に戻っている。
そして、停電検知から一定時間経過後に、インバータ７の制御方式が電圧出力モードに切り替わり、直流電源９を用いた自立運転が行われる。零相電流が流れることにより、回生電力が直流電源９に流入せず、安全に自立運転に移行することができる。
以上のように、瞬時電圧低下補償システムは、電力系統の異常を検出した場合、系統連系スイッチ３に対して、系統連系スイッチ３の電流を０にする零相電流を出力することにより、系統連系スイッチ３の電流を早く０［Ａ］にすることができる。また、インバータ７は、負荷２の定格電流に基づいて設定した零相電流目標値を用いて零相電流を流すため、負荷２が回生電力を出力する場合であっても、回生電力が直流電源９に流入せず、直流電源９が直流過電圧となることを防ぐことができる。なお、本実施形態は瞬時電圧低下補償システムについて説明したが、常時インバータ給電方式の無停電電源装置等同様の構成をした装置にも適用可能であることは言うまでもない。
１ 電力系統
２ 負荷
３ 系統連系スイッチ
４ 変圧器
５ 系統電圧異常検出器
６ 連系スイッチ制御回路
７ インバータ
８ 整流器
９ 直流電源
１０−１，１０−２ インダクタ
１１−１，１１−２ コンデンサ
１２−１，１２−２ ゲートドライブ回路
１３−１，１３−２ 電流計
１４−１，１４−２ スイッチ
１５−１，１５−２，１５−３ 電圧計
１６ インバータ制御回路
１７ 整流器制御回路
１８ 電圧基準値発生回路
１９ 電流基準値発生回路

Claims (7)

  1. 電力系統と負荷との間に接続された系統連系スイッチと、
    前記負荷に対して電力を供給する直流電源と、
    前記直流電源の直流電力を交流電力に変換する第１電力変換器と、
    前記第１電力変換器および前記直流電源に一方の端子が接続され、前記系統連系スイッチと前記電力系統との間に他方の端子が接続され、前記電力系統から供給される交流電力を直流電力に変換する第２電力変換器と、
    前記電力系統の電圧低下に応じて、前記第１電力変換器を前記系統連系スイッチに流れる電流値以上の零相電流を出力するように制御する制御部と、
    を有することを特徴とする瞬時電圧低下補償装置。
  2. 前記制御部は、
    前記第１電力変換器の出力電流値と前記負荷の定格電流に応じた零相電流目標値とに基づいて信号を出力する制御回路と、
    前記信号に基づいて、前記第１電力変換器にゲート信号を出力するゲートドライブ回路と、
    を有することを特徴とする請求項１記載の瞬時電圧低下補償装置。
  3. 前記制御部は、
    前記電力系統の電圧低下を検出した時点から所定時間経過後に、前記零相電流の出力を停止し、前記負荷に前記直流電源から電力を供給するように前記第１電力変換器を制御する
    ことを特徴とする請求項１または２に記載の瞬時電圧低下補償装置。
  4. 前記所定時間は、
    前記零相電流の１周期に相当する
    ことを特徴とする請求項３に記載の瞬時電圧低下補償装置。
  5. 前記制御部は、
    前記負荷に前記直流電源から電力が供給されているとき、前記電力系統の交流電力を直流電力に変換して、前記第１電力変換器に供給するように前記第２電力変換器を制御する
    ことを特徴とする請求項１から４のうちのいずれか１項に記載の瞬時電圧低下補償装置。
  6. 前記系統連系スイッチは、
    自己消弧能力を持たない半導体素子で構成される
    ことを特徴とする請求項１から５のうちのいずれか１項に記載の瞬時電圧低下補償装置。
  7. 請求項１から６のうちのいずれか１項に記載の瞬時電圧低下補償装置を含む瞬時電圧低下補償システム。
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