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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