JP7275386B2 - 電源システム - Google Patents

Description

本開示は、並列接続される複数の電力変換装置を備える電源システムに関する。

近年、再生可能エネルギーの活用および停電時の対応のために蓄電池設備の利用が拡大している。太陽光発電および蓄電池の活用において用いられる電源システムとして、例えば、直流電力を給配電する直流給配電システムが用いられる。直流給配電システムといった電源システムにおいて、装置容量の拡大のため電力変換器を並列に接続する場合があるが、電力変換器を並列接続するとそれぞれの電力変換器の出力電流の大きさにアンバランスが生じ、このアンバランスが拡大した場合は電力変換器の動作が不安定化する懸念がある。

その対策として、例えば特許第３４１９４４３号公報（特許文献１）には、負荷部の電圧検出値と電力変換器の各々の基準電圧振動とを比較した誤差信号からなる電圧制御信号と、電力変換器の各々の出力電流から算出されるアンバランス検出値とに基づいて電力変換器の動作を補正することで、出力電流のアンバランスを抑制する電源システムが開示されている。

また、直流給配電システムは、直流電源から出力される直流電力を交流電力に変換する必要がないため電力変換回数が減少し、経済性を向上できる利点がある。さらに、直流給配電システムから出力する直流電圧は規格等が現在決まっておらず自由度がある、そのため、それぞれ負荷機器に応じた直流電力を出力するシステムが提案されている。

例えば、特許第５０９２９９７号公報（特許文献２）には、予め定めた電源電圧が供給される複数の負荷状態を持つ負荷回路の消費電流を検出する電流検出部を備え、電流検出部にて検出された消費電流と前記予め定めた電源電圧とに基づいて、複数の負荷の出力電流の状態に応じた最適な直流電圧を供給する電源システムが提案されている。

特許第３４１９４４３号公報 特許第５０９２９９７号公報

しかしながら、特許第３４１９４４３号公報（特許文献１）では、並列接続する電力変換器の出力電流等の情報を複数の電力変換装置間で通信するための通信インタフェースを各電力変換器に設ける必要があるため、電力変換装置のサイズおよび重量が増加するという課題がある。

また、特許第５０９２９９７号公報（特許文献２）に示されるＤＣ／ＤＣコンバータでは、負荷の電源電圧の関係を示すデータテーブルを予め用意する必要があるため、接続される負荷の種類が不定である場合には、負荷の消費電力を適切に低減できないという課題がある。

本開示は、上述の課題を解決するためになされたものであって、その目的は、並列接続される複数の電力変換装置を備える電源システムにおいて、複数の電力変換装置間での通信を行なうことなく負荷の消費電力を低減することである。

本開示による電源システムは、交流電力または直流電力を供給する主電源から受電した電力を変換して直流系統へ出力する。この電源システムは、主電源と直流系統との間に設けられ、互いに並列接続される複数の電力変換装置と、直流系統に接続される少なくとも１つの負荷の動作状態を検出する状態検出部と、電源システムから直流系統に配電される電圧の指令値である電圧指令を生成する指令生成部とを備える。複数の電力変換装置の各々は、直流系統の電圧と電圧指令とに基づいて電力指令を生成する電圧制御部と、電力指令に基づいて主電源から受電した電力を変換して直流系統へ出力する変換器とを備える。指令生成部は、状態検出部の検出結果に基づいて、直流系統に接続される少なくとも１つの負荷の損失を低減するように電圧指令を生成する。

本開示によれば、並列接続される複数の電力変換装置を備える電源システムにおいて、複数の電力変換装置間での通信を行なうことなく、負荷の消費電力を低減することができる。

電源システムの構成の一例を模式的に示す図（その１）である。 電力変換装置の構成の一例を模式的に示す図（その１）である。 直流電圧制御部における制御特性を説明するための図である。 指令生成部の処理手順の一例を示すフローチャート（その１）である。 配電電圧指令Ｖｒｅｆの許容範囲の決定方法を概念的に示す図である。 電力変換装置の構成の一例を模式的に示す図（その２）である。 指令生成部の処理手順の一例を示すフローチャート（その２）である。 電源システムの構成の一例を模式的に示す図（その２）である。 電力変換装置の構成の一例を模式的に示す図（その３）である。 電源システムの構成の一例を模式的に示す図（その３）である。

以下、本開示の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰返さない。

実施の形態１．
＜電源システムの構成＞
図１は、本実施の形態による電源システム１の構成の一例を模式的に示す図である。電源システム１は、主電源２および複数の負荷３に接続される。図１には主電源２が交流系統電源である例が示されるが、主電源２は直流電源であってもよい。また、負荷３の個数は必ずしも複数であることに限定されず、１つであってもよい。

電源システム１は、主電源２から受電した電力を、直流系統Ｌに接続される複数の負荷３に供給する。電源システム１は、複数の電力変換装置１０と、負荷状態検出部２０と、指令生成部３０とを備える。

各電力変換装置１０は、主電源２から受電した電力を、指令生成部３０からの配電電圧指令Ｖｒｅｆに基づいて直流電力に変換し、変換された直流電力を直流系統Ｌに出力する。配電電圧指令Ｖｒｅｆは、電源システム１から直流系統Ｌに配電される電圧の指令値である。

負荷状態検出部２０は、複数の負荷３に接続される直流系統Ｌの状態（電圧および電流など）を負荷３の動作状態として検出し、検出結果を負荷動作情報として指令生成部３０に出力する。

指令生成部３０は、負荷状態検出部２０によって検出された負荷３の状態に応じて各電力変換装置１０に対する配電電圧指令Ｖｒｅｆを算出し、算出された配電電圧指令Ｖｒｅｆを対応する電力変換装置１０に出力する。本実施の形態においては、指令生成部３０は、配電電圧指令Ｖｒｅｆを予め定められた更新周期毎に算出する。そのため、指令生成部３０より出力される配電電圧指令Ｖｒｅｆは、予め定められた更新周期毎にステップ状に変動し得る。

本実施の形態による電源システム１は、直流電力を給配電する直流給配電システムである。本実施の形態では、主電源２は交流系統電源とし、電源システム１は、主電源２からの交流電力を電力変換装置１０により直流電力に変換して直流系統Ｌに供給する。なお、主電源２を直流系統とし、電力変換装置１０にＤＣ／ＤＣ変換器を用いてもよい。

直流系統Ｌに接続される負荷３の種類は、例えば、照明負荷およびオフィスオートメーション機器等の一般負荷と、空調負荷等の動力負荷とに分類される。また、電源システム１が、工場に適用される場合は、動力負荷にはコンベアおよびプレス機等の工場動力負荷も含まれる。

少なくとも一般動力負荷と工場動力負荷を合わせた動力負荷と、照明負荷等を含む一般負荷とは、動作特性が大きく異なり、それぞれの動作状態によって負荷での電力効率が最大となる入力電圧特性が異なる。そのため、負荷の種類によって適した配電電圧を供給した方が、配電効率向上を図ることが容易となる。そのため、直流系統Ｌに接続される複数の負荷３は、できるだけ同じ種類の負荷で構成されることが好ましい。

＜電力変換装置の構成および動作＞
図２は、電力変換装置１０の構成の一例を模式的に示す図である。電力変換装置１０は、ＡＣ／ＤＣ変換器２１と、センサ部２３，２４と、トランス部２９と、出力制御部２１１と、直流電圧制御部２１２と、指令値フィルタ部２１３とを備える。

トランス部２９は、主電源２とＡＣ／ＤＣ変換器２１との間に設けられ、主電源２とＡＣ／ＤＣ変換器２１とを絶縁する。なお、本実施の形態では主電源２は交流系統であることを想定して電力変換装置１０内にトランス部２９を設けているが、受電トランスにて外部と絶縁されている場合、あるいは交流系統との絶縁が必要ない場合には、トランス部２９は省略可能である。

ＡＣ／ＤＣ変換器２１は、トランス部２９と直流系統Ｌとの間に設けられ、主電源２からの交流電力を直流電力へ変換し、変換された直流電力を直流系統Ｌに出力する。

センサ部２３は、トランス部２９とＡＣ／ＤＣ変換器２１との間に設けられ、主電源２からＡＣ／ＤＣ変換器２１に供給される交流電力の電圧および電流を検出し、検出結果を出力制御部２１１に出力する。

センサ部２４は、直流系統Ｌ上に設けられ、直流系統Ｌの電圧Ｖｄｃおよび電流を検出し、検出結果を出力制御部２１１および直流電圧制御部２１２に出力する。

指令値フィルタ部２１３は、指令生成部３０からの配電電圧指令Ｖｒｅｆに対してフィルタ処理（ローパスフィルタ処理）を行ない、フィルタ処理後の配電電圧指令Ｖｄｃ＿ｒｅｆを直流電圧制御部２１２に出力する。上述したように、指令生成部３０より出力される配電電圧指令Ｖｒｅｆは、予め定められた更新周期毎にステップ状に変動し得る。その配電電圧指令Ｖｒｅｆの変動幅が大きい場合、電力変換装置１０の動作により直流系統Ｌの電圧に過大なオーバーシュートが発生する懸念がある。そのため、指令値フィルタ部２１３にて配電電圧指令Ｖｒｅｆにローパスフィルタを挿入することで、直流系統Ｌの電圧の急激な変動を抑制する。なお、ローパスフィルタの時定数は、電力変換装置１０の制御特性（仕様）に合わせて予め調整および設定される。なお、ＡＣ／ＤＣ変換器２１の制御応答が小さく、オーバーシュートの懸念がない場合、指令値フィルタ部２１３は省略可能である。

直流電圧制御部２１２は、センサ部２４によって検出された直流系統Ｌの電圧Ｖｄｃ、および指令値フィルタ部２１３から入力されるフィルタ処理後の配電電圧指令Ｖｄｃ＿ｒｅｆに応じて、ＡＣ／ＤＣ変換器２１の出力電力指令Ｐｄｃ＿ｒｅｆを生成する。出力電力指令Ｐｄｃ＿ｒｅｆは、ＡＣ／ＤＣ変換器２１の出力電力の指令値である。直流電圧制御部２１２は、生成された出力電力指令Ｐｄｃ＿ｒｅｆを出力制御部２１１に出力する。

図３は、直流電圧制御部２１２における制御特性を説明するための図である。図３において、横軸は直流系統Ｌの電圧Ｖｄｃ（単位：ボルト）であり、縦軸は出力電力指令Ｐｄｃ＿ｒｅｆ（単位：ワット）である。

直流電圧制御部２１２は、直流系統Ｌの電圧Ｖｄｃを入力信号とし、出力電力指令Ｐｄｃ＿ｒｅｆを出力信号として、直流系統Ｌの電圧Ｖｄｃに対する出力電力指令Ｐｄｃ＿ｒｅｆの特性を規定する垂下特性を、フィルタ処理後の配電電圧指令Ｖｄｃ＿ｒｅｆに基づいて設定する。具体的には、直流電圧制御部２１２は、図３に示すような、フィルタ処理後の配電電圧指令Ｖｄｃ＿ｒｅｆを中心とする幅ｄの不感帯を有する傾きＫｐの垂下特性線ＤＬを設定する。垂下特性線ＤＬの不感帯における出力電力指令Ｐｄｃ＿ｒｅｆはゼロに設定される。なお、フィルタ処理後の配電電圧指令Ｖｄｃ＿ｒｅｆは、複数の電力変換装置１０において同一の値が指令される。

ここで、垂下特性線ＤＬの傾きＫｐは、電力変換装置１０の定格動作範囲および保護閾値等の電力変換装置１０の仕様に基づいて予め設定されて図示しないメモリに記憶されている。また、垂下特性線ＤＬの不感帯の幅ｄは、後述するようにセンサ部２３，２４からの検出値のばらつき量に応じた値に予め設定されて図示しないメモリに記憶されている。直流電圧制御部２１２は、指令値フィルタ部２１３から入力されるフィルタ処理後の配電電圧指令Ｖｄｃ＿ｒｅｆと、メモリに記憶されている傾きＫｐおよび不感帯の幅ｄとを用いて、図３に示すような垂下特性線ＤＬを設定する。

そして、直流電圧制御部２１２は、上記のように設定された垂下特性線ＤＬを参照して、センサ部２４によって検出された電圧Ｖｄｃに対応する出力電力指令Ｐｄｃ＿ｒｅｆを生成する。なお、本実施の形態では図３に示すように出力信号が出力電力指令Ｐｄｃ＿ｒｅｆとなる垂下特性を使用するが、出力信号が出力電流指令値となる垂下特性を使用することも可能である。

図２に戻って、出力制御部２１１は、センサ部２３，２４による検出結果、および直流電圧制御部２１２からの出力電力指令Ｐｄｃ＿ｒｅｆに基づいて、ＡＣ／ＤＣ変換器２１の動作を制御する。この際、出力電力指令Ｐｄｃ＿ｒｅｆが予め設定される電力最小値Ｐｍｉｎから電力最大値Ｐｍａｘまでの制御範囲を超える場合には、出力電力指令Ｐｄｃ＿ｒｅｆが制御範囲内の値に制限される。これにより、過電流による装置の破損等が防止される。

並列接続された複数の電力変換装置１０の出力電力のアンバランスは、電力変換装置１０の各々のセンサ検出値のばらつき、および直流系統Ｌと電力変換装置１０との間の線路インピーダンスによるばらつきが原因で発生することが多い。

図３に示す垂下特性を用いて出力電力指令Ｐｄｃ＿ｒｅｆを生成する直流電圧制御部２１２が搭載される場合、出力電力のアンバランスは多少発生するものの、アンバランス量の抑制が可能となり、動作不安定化等を防止することができる。このとき、アンバランス量は、定常的には、複数の電力変換装置１０間で発生する電圧検出値のばらつきと、図３に示す垂下特性とに基づいた一定値に収束する。特に、電圧検出値のばらつきは、センサ部２３，２４の検出精度と線路インピーダンスにおける電圧降下量とで決定され、その値は一般的に１～５％程度と小さい。そのため、ばらつきのワーストケースに沿って垂下特性を設定することによって、複数の電力変換装置１０間の出力アンバランス量を許容可能な大きさに制限できる。つまり、図３に示す垂下特性を用いて出力電力指令Ｐｄｃ＿ｒｅｆを生成する直流電圧制御部２１２を用いることで、複数の電力変換装置１０間の出力電力のアンバランス量を抑制しつつ出力電力の平準化が可能となる。

また、本実施の形態による直流電圧制御部２１２は、電力変換装置１０自身に含まれるセンサ部２３，２４の情報のみで直流系統Ｌの制御を実施するため、他の電力変換装置１０間との高速な通信インタフェースを構築する必要がない。

また、直流電圧制御部２１２は、センサ部２３，２４による検出値のばらつき（誤差）によって発生する横流（電力変換装置１０間で循環する電流）を抑制するために、垂下特性に幅ｄの不感帯を持つように構成される。仮に不感帯が無い場合において検出値のばらつきが発生すると、各電力変換装置１０で直流電力指令値に正の極性を持つものと、負の極性を持つものが混在する可能性があるため、横流が発生する。横流そのものは負荷の仕事に関連しないため、横流により発生する電力損失は余分なものである。しかしながら、本実施の形態による直流電圧制御部２１２においては、検出値のばらつき量を想定し、それに応じた幅ｄの不感帯が予め設定されている。これにより、横流の発生が抑制される。

＜指令生成部の動作＞
本実施の形態による電源システム１のような直流給配電システムでは、出力電圧が規格化されている交流給配電システムに比べて、直流電力の出力電圧の値に自由度がある。そのため、負荷の状態に応じて直流電力の電圧を変化させたほうが電力効率が改善する場合がある。ただし、直流電力の電圧は、負荷の動作を阻害しないように負荷毎に定められた許容範囲内に収まるように制限することが好ましい。なお、負荷に入力される電圧の許容範囲は負荷の動作状態に基づいて変動する場合がある。

これらに鑑み、本実施の形態による指令生成部３０は、複数の負荷３の消費電力が最小となるように、あるいは、複数の負荷３の電力効率が最適となるように、負荷状態検出部２０より取得する負荷動作情報に基づいて配電電圧指令Ｖｒｅｆを決定および生成する。

負荷３の消費電力は、負荷３の主機能部での仕事に消費される消費電力と、負荷３の電源回路および入力インタフェース部に発生する損失の合計で示すことができる。特に負荷３の主機能部にて消費する電力は、負荷指令に応じて変動する。そのため、主機能部の消費電力は負荷動作指令が一定値であれば主機能部の消費電力はほとんど変化しない。このことより、本実施の形態による指令生成部３０は、負荷動作指令が変動しない期間において負荷３の電源回路および入力インタフェース部における電力損失が減少するように配電電圧指令Ｖｒｅｆを調整する。これにより、負荷３の消費電力を低減することができ、経済性の改善が可能となる。

図４は、指令生成部３０が配電電圧指令Ｖｒｅｆを生成する際に行なう処理手順の一例を示すフローチャートである。このフローチャートは、予め定められた条件が成立する毎（例えば予め定められた周期毎）に繰り返し実行される。

まず、指令生成部３０は、複数の負荷３の動作情報を更新する処理を行なう（ステップＳ１０）。例えば、指令生成部３０は、直流系統Ｌの電圧および電流、計測点における電力情報、および負荷３の動作指令等を、負荷状態検出部２０から取得してメモリに記憶する。なお、今回の演算サイクルで記録された負荷動作情報は、次回の演算サイクルにおいて負荷動作情報の前回値として用いられる。

次に、指令生成部３０は、負荷３の状態が急変したか否かを判定する（ステップＳ２０，Ｓ３０）。具体的には、指令生成部３０は、負荷３の動作（動作の指令値あるいは検出値）の変動量が閾値を超えるか否かを判定する（ステップＳ２０）とともに、負荷３の消費電力の変動量が閾値Ｐｔｈ１を超えるか否かを判定する（ステップＳ３０）。

負荷３の動作および消費電力に大きな変動がない場合（ステップＳ２０においてＮＯ、かつステップＳ３０においてＮＯ）、指令生成部３０は、配電電圧指令Ｖｒｅｆの許容範囲を算出する処理を行う（ステップＳ４０）。

図５は、配電電圧指令Ｖｒｅｆの許容範囲の決定方法を概念的に示す図である。本実施の形態による指令生成部３０は、配電電圧指令Ｖｒｅｆの許容範囲を、電力変換装置１０の制御特性（垂下特性）および負荷動作情報に基づいて算出する。

具体的には、指令生成部３０は、電力変換装置１０の出力電力上限値ＰＨｌｉｍと配電電圧上限値ＶＨｌｉｍとの交点を「交点Ｉ１」とするとき、直流電圧制御部２１２の垂下特性線ＤＬが交点Ｉ１通る場合における配電電圧指令Ｖｄｃ＿ｒｅｆ（不感帯の中心値）を上限値ＶＨに設定する。同様に、指令生成部３０は、電力変換装置１０の出力電力下限値ＰＬｌｉｍと配電電圧下限値ＶＬｌｉｍとの交点を「交点Ｉ２」とするとき、直流電圧制御部２１２の垂下特性線ＤＬが交点Ｉ２を通る場合における配電電圧指令Ｖｄｃ＿ｒｅｆ（不感帯の中心値）を下限値ＶＬに設定する。そして、指令生成部３０は、下限値ＶＬから上限値ＶＨまでの範囲Ｒａを、配電電圧指令Ｖｒｅｆの許容範囲に設定する。このように、直流電圧制御部２１２の垂下特性を用いて配電電圧指令Ｖｄｃ＿ｒｅｆの許容範囲を設定し、設定された許容範囲内に収まるように配電電圧指令Ｖｄｃ＿ｒｅｆを制限することによって、動作不安定化を防止することができる。

電力変換装置１０の出力電力下限値ＰＬｌｉｍおよび出力電力上限値ＰＨｌｉｍは、予め設定される電力最大値Ｐｍａｘおよび電力最小値Ｐｍｉｎ、もしくは電源システム１の定格出力容量に基づいて予め設定される。

なお、負荷３が電動機のような動力負荷である場合、配電電圧指令Ｖｒｅｆの許容範囲を以下のように算出するようにしてもよい。負荷３が電動機のような動力負荷である場合、負荷３に要する電圧は負荷３の動作状態によって大きく変動し得る。これは、動力負荷である電動機から発生する誘起電圧が、電動機の回転速度によって大きく変動するためである。この点に鑑み、負荷３が電動機のような動力負荷である場合には、指令生成部３０は、例えば動力負荷の動作状態（電動機の回転速度など）に基づいて配電電圧上限値ＶＨｌｉｍおよび配電電圧下限値ＶＬｌｉｍを算出し、配電電圧上限値ＶＨｌｉｍから配電電圧下限値ＶＬｌｉｍまでの範囲Ｒｂを配電電圧指令Ｖｒｅｆの許容範囲に設定するようにしてもよい。また、負荷３が一般負荷である場合、負荷３に要する電圧は負荷３の動作状態によってはそれほど変動しないことに鑑み、配電電圧指令Ｖｒｅｆの許容範囲を、負荷３の仕様によって予め決められた固定値としてもよい。

図４に戻って、ステップＳ４０にて配電電圧指令Ｖｒｅｆの許容範囲を算出した後、指令生成部３０は、配電電圧指令Ｖｒｅｆの更新処理を実施する（ステップＳ５０）。本ステップでは、前回の演算サイクルで配電電圧指令Ｖｒｅｆを変動させたことによって、負荷３の消費電力が減少したか否かの効果確認が行なわれ、その結果に応じて配電電圧指令Ｖｒｅｆの更新方向を増加方向とするのか減少方向とするのかが決められる。具体的には、指令生成部３０は、負荷動作情報の今回値と負荷動作情報の前回値とを比較し、負荷３の消費電力の変動方向を判定する。負荷３の消費電力が減少あるいは変化なしの場合には配電電圧指令Ｖｒｅｆを前回と同じ方向に変動させ、負荷３の消費電力が増加する場合には配電電圧指令Ｖｒｅｆを前回とは反対の方向に変動させる。

例えば、指令生成部３０は、配電電圧指令Ｖｒｅｆを次のように更新する。負荷３の消費電力が減少している場合または変化していない場合、配電電圧指令Ｖｒｅｆを下記の式（１）のように更新する。

Ｖｒｅｆ＝Ｖｒｅｆ＋ΔＶ×Ｆ …（１）
一方、負荷３の消費電力が増加している場合、下記の式（２）のように調整方向フラグＦの符号を反転させるとともに、配電電圧指令Ｖｒｅｆを下記の式（３）のように更新する。

Ｆ＝Ｆ×（－１） …（２）
Ｖｒｅｆ＝Ｖｒｅｆ＋ΔＶ×Ｆ …（３）
式（１）、式（３）において、左辺の「Ｖｒｅｆ」は更新後の配電電圧指令Ｖｒｅｆであり、右辺の「Ｖｒｅｆ」は更新前の配電電圧指令Ｖｒｅｆであり、「ΔＶ」は予め定められた微小電圧である。また、右辺の「Ｆ」は、調整方向フラグであり、配電電圧指令Ｖｒｅｆの更新方向を決めるためのパラメータである。調整方向フラグＦの初期値は「１」または「－１」に設定することができる。

このようにすることで、負荷３の消費電力が減少あるいは変化なしの場合には配電電圧指令Ｖｒｅｆを前回と同じ方向に変動させ、負荷３の消費電力が増加する場合には配電電圧指令Ｖｒｅｆを前回とは反対の方向に変動させることができる。このような処理が繰り返されることによって、負荷３の消費電力が最小（極小）となるように、配電電圧指令Ｖｒｅｆを調整することができる。

ステップＳ５０にて配電電圧指令Ｖｒｅｆの更新処理を実施した後、指令生成部３０は、配電電圧指令Ｖｒｅｆのリミッタ処理を行なう（ステップＳ６０）。具体的には、指令生成部３０は、ステップＳ５０で算出された更新後の配電電圧指令ＶｒｅｆがステップＳ４０で算出された許容範囲内に含まれない場合、配電電圧指令Ｖｒｅｆが許容範囲内に含まれるように配電電圧指令Ｖｒｅｆを制限する。

なお、指令生成部３０は、負荷動作情報の今回値と前回値とを比較することで、負荷３の消費電力が減少する方向に配電電圧指令Ｖｒｅｆを更新する。そのため、リミッタ処理によって配電電圧指令Ｖｒｅｆが許容範囲の上限値ＶＨないし下限値ＶＬに固定されてしまうと、動作状態情報の変化が発生せず負荷３の消費電力変動の比較が困難となる。そのため、リミッタ処理において、配電電圧指令Ｖｒｅｆが上限値ＶＨないし下限値ＶＬに固定されることを抑制することが望ましい。

そのため、ステップＳ６０の処理では、上限値ＶＨないし下限値ＶＬを用いて以下の処理を実施することで、配電電圧指令Ｖｒｅｆを上限値ＶＨないし下限値ＶＬに固定されないようにする。

配電電圧指令Ｖｒｅｆが下限値ＶＬ未満である場合、下記の式（４）のように調整方向フラグＦの符号を反転させるとともに、配電電圧指令Ｖｒｅｆを下記の式（５）のように更新を実施する。

Ｆ＝Ｆ×（－１） …（４）
Ｖｒｅｆ＝ＶＬ＋（ΔＶ×Ｆ） …（５）
一方、配電電圧指令Ｖｒｅｆが上限値ＶＨを超えている場合、下記の式（６）のように調整方向フラグＦの符号を反転させるとともに、配電電圧指令Ｖｒｅｆを下記の式（７）のように更新を実施する。

Ｆ＝Ｆ×（－１） …（６）
Ｖｒｅｆ＝Ｖｌｉｍｈｉ＋（ΔＶ×Ｆ） …（７）
以上の一連の処理を一定の周期にて繰り返し実施することで、電源システム１において負荷３の消費電力を低減するように配電電圧を調整することが可能となり、配電効率の改善に寄与できる。

以上のような処理が繰り返されることによって、配電電圧指令Ｖｒｅｆが、許容範囲内に含まれる範囲で、負荷３の消費電力が最小（極小）となるように調整される。

なお、本実施の形態では、負荷３の実際の消費電力が最小（極小）となるように配電電圧指令Ｖｒｅｆが調整されるため、負荷３と電源システム１との接続環境あるいは負荷３の経年劣化によって負荷３の特性が変化した場合にも、その変化に追従することができる。

次に、ステップＳ２０，Ｓ３０にて負荷３の状態が急変したと判定された場合の処理について説明する。負荷３の動作指令に大きな変動がある場合（ステップＳ２０においてＹＥＳ）、あるいは、負荷３の消費電力に大きな変動がある場合（ステップＳ３０においてＹＥＳ）、指令生成部３０は、急変動作例外処理を実施する（ステップＳ７０）。

負荷３の種類がエアコンのコンプレッサのように電動機を含むような場合において、主機能部である電動機の回転数が急激に増加すると、負荷３へ配電すべき電圧も急激に増加するため、動作不安定化および制御特性の劣化を引き起こす懸念がある。そのため、ステップＳ２０，Ｓ３０にて負荷３の状態が急変したと判定された場合、指令生成部３０は、例外動作として配電電圧を再設定するためにステップＳ７０にて急変動作例外処理を実施する。なお、ステップＳ４０において設定される許容範囲の下限値ＶＬは定常動作時を想定した下限電圧であり、定常動作時を想定した下限値ＶＬをそのまま過渡応答時にも適用するとオーバーシュートなどの制御特性の悪化を引き起こす可能性がある。そのため、ステップＳ７０では下限値ＶＬに比べて大きな電圧にて配電電圧指令Ｖｒｅｆが設定される。

例えばステップＳ２０において負荷３である電動機の回転数（指令値あるいは検出値）を監視している場合において、電動機の回転数の増加量が閾値を超えるような急激な増加がある場合（ステップＳ２０においてＹＥＳ）、指令生成部３０は、ステップＳ７０にて急変動作例外処理を実施する。電動機の回転数の急増を判定するために用いられる「閾値」は、負荷３の仕様に沿って予め設定することができる。

また、例えばステップＳ３０において負荷３の消費電力の変動量が予め設定された閾値Ｐｔｈ１を超えるような急激な変動がある場合（ステップＳ２０においてＹＥＳ）、指令生成部３０は、ステップＳ７０にて急変動作例外処理を実施する。負荷３の消費電力の急変を判定するために用いられる「閾値Ｐｔｈ１」は、負荷３の機種などに合わせて予めユーザが設定することができる。

指令生成部３０は、ステップＳ７０における急変動作例外処理において、負荷３の消費電力が最小となるように配電電圧指令Ｖｒｅｆを最適化する制御（ステップＳ５０）を一時的に取りやめ、配電電圧指令Ｖｒｅｆを負荷３の仕様等に基づいて予め設定された固定値に更新する処理を実施する。これにより、負荷３の状態が急変した時の動作不安定化の防止を図ることができる。なお、負荷状態検出部２０より、配電電圧指令を負荷３側から受け取り、それを用いて配電電圧指令Ｖｒｅｆを更新することも可能である。

以上のように、本実施の形態による電源システム１においては、並列接続された複数の電力変換装置１０の出力電力を平準化しつつ、負荷３の動作状態に応じた配電電圧の調整によって負荷３の消費電力を低減することができる。

実施の形態２．
以下、実施の形態２による電源システム１Ａの構成について説明する。電源システム１Ａは、上述の電源システム１の電力変換装置１０を、図６に示す電力変換装置１０Ａに変更したものである。電源システム１Ａのその他の構成は上述の電源システム１と同じである。

図６は、本実施の形態による電源システム１Ａに備えられる電力変換装置１０Ａの構成の一例を模式的に示す図である。電力変換装置１０Ａは、上述の図２に示される電力変換装置１０に対して、直流リンク部ＬＫ、ＤＣ／ＤＣ変換器２２、センサ部２５、直流リンク電圧制御部２１４、および出力制御部２１５を追加したものである。

直流リンク部ＬＫは、ＡＣ／ＤＣ変換器２１とＤＣ／ＤＣ変換器２２とを接続する。センサ部２５は、直流リンク部ＬＫの状態（電圧および電流など）を検出し、検出結果を直流リンク電圧制御部２１４および出力制御部２１５に出力する。

ＡＣ／ＤＣ変換器２１は、直流リンク電圧制御部２１４および出力制御部２１１の動作に従って直流リンク部ＬＫの電圧を制御し動作安定化を図る。ＤＣ／ＤＣ変換器２２は、直流電圧制御部２１２および出力制御部２１５の動作に従って直流系統Ｌの電圧制御を実施する。

図７は、本実施の形態による指令生成部３０が配電電圧指令Ｖｒｅｆを生成する際に行なう処理手順の一例を示すフローチャートである。図７に示されるフローチャートは、図４に示されるフローチャートのステップＳ２０，Ｓ３０，Ｓ７０に代えてステップＳ９０，Ｓ９１が追加され、かつステップＳ４０の処理前にステップＳ８０が追加され、さらにステップＳ５０がステップＳ５０ａに変更されたものである。図７のその他のステップ（上述の図４に示したステップと同じ番号を付しているステップ）については、既に説明したため詳細な説明はここでは繰り返さない。

ステップＳ９０において、指令生成部３０は、負荷３、あるいは負荷３に動作指令を出力する外部装置（サーバあるいはＥＭＳ（Ｅｎｅｒｇｙ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ Ｓｙｓｔｅｍ）など）から、配電電圧の要求値を受信したか否かを判定する。したがって、本実施の形態による指令生成部３０は、負荷３あるいは外部装置との通信を行なうように構成される。

負荷３あるいは外部装置から配電電圧の要求値を受信した場合（ステップＳ９０においてＹＥＳ）、指令生成部３０は、負荷３あるいは外部装置から受信した配電電圧の要求値を配電電圧指令Ｖｒｅｆとして指令値フィルタ部２１３にそのまま出力する例外処理を実施する（ステップＳ９１）。すなわち、本実施の形態による指令生成部３０は、負荷３あるいは外部装置から配電電圧の要求値を受信した場合にのみ、配電電圧指令Ｖｒｅｆの例外更新を許可している。

一方、負荷３あるいは外部装置から配電電圧の要求値を受信していない場合（ステップＳ９０においてＮＯ）、指令生成部３０は、負荷状態検出部２０より取得した直流系統Ｌの電圧および電流に基づいてＤＣ／ＤＣ変換器２２の損失情報を算出する（ステップＳ８０）。

本実施の形態においては、負荷状態検出部２０と複数の電力変換装置１０Ａとの間には他に接続される機器がないこと、および複数の電力変換装置１０Ａの出力電流の平準化を図っていることから、負荷状態検出部２０にて検出された直流系統Ｌの電圧および電流から複数の電力変換装置１０ＡのＤＣ／ＤＣ変換器２２の動作状態（例えば出力電圧、出力電流）を予測することできる。また、本実施の形態においては、ＤＣ／ＤＣ変換器２２の動作状態とＤＣ／ＤＣ変換器２２の損失との対応関係を規定する損失マップが、指令生成部３０のメモリ内に予め記録されている。これらのことより、指令生成部３０は、直流系統Ｌの電圧および電流からＤＣ／ＤＣ変換器２２の動作状態を予測し、予測されたＤＣ／ＤＣ変換器２２の動作状態におけるＤＣ／ＤＣ変換器２２の損失を、損失マップを参照して算出する。

その後、指令生成部３０は、ステップＳ５０ａにおいて、負荷３の消費電力とＤＣ／ＤＣ変換器２２の損失との総和の今回値と前回値とを比較することで、主電源２より受電する電力量を低減するように配電電圧指令Ｖｒｅｆを生成する。

このようにすることで、本実施の形態においては、負荷３の消費電力およびＤＣ／ＤＣ変換器２２の損失の総和が低減する方向に配電電圧指令Ｖｒｅｆを調整することがきる。そのため、電力変換装置１０Ａの動作状態および損失を考慮して主電源２より受電する電力量を減少させ、電気代の削減を図ることが可能となる。

実施の形態３．
図８は、本実施の形態による電源システム１Ｂの構成の一例を模式的に示す図である。電源システム１Ｂにおいては、４台の電力変換装置１０Ｂが並列接続されるとともに、外部制御装置７が追加されており、外部制御装置７に指令生成部３０および機器管理部７１が備えられる。なお、外部制御装置７としては、負荷３に動作指令を出力する上述のサーバおよびＥＭＳ等が想定される。

図９は、本実施の形態による電力変換装置１０Ｂの構成の一例を模式的に示す図である。電力変換装置１０Ｂは、上述の図６に示される電力変換装置１０Ａに対して、外部制御装置７の機器管理部７１との通信を行なう動作状態管理部２１６が追加されている。

例えば電力変換装置１０Ｂの１台あたりの出力容量を５０ｋＷとし、負荷３全体の定格出力容量を１００ｋＷとした場合、本実施の形態においては、４台の電力変換装置１０Ｂのうち、２台の電力変換装置１０Ｂが故障したとしても、残りの２台の電力変換装置１０Ｂを定格運転することで負荷３全体の動作継続が可能となっている。

本実施の形態の電源システム１Ｂは、４台の電力変換装置１０Ｂが並列接続される並列冗長システムであり、動作している電力変換装置１０Ｂの台数によって直流電圧制御部２１２における垂下特性を変動させても、動作安定性を担保できる場合がある。図９における電力変換装置１０Ｂでは、機器管理部７１より指令された情報等を元に、動作状態管理部２１６が、動作している電力変換装置１０Ｂの台数等の情報を直流電圧制御部２１２に出力する。直流電圧制御部２１２は、電力変換装置１０Ｂ動作中においても、動作状態管理部２１６からの情報を元に直流電圧制御部２１２の垂下特性の傾きＫｐおよび不感帯の幅ｄを変動させることができる。

本実施の形態３による指令生成部３０は、実施の形態２による指令生成部３０の処理（上述の図７に示されるフローチャート）と、概ね同様の処理を行なう。ただし、本実施の形態による指令生成部３０は、図７のステップＳ４０においてのみ、実施の形態２による指令生成部３０とな異なる動作を行なう。そのため、以下では、本実施の形態３による指令生成部３０のステップＳ４０の処理について説明する。

本実施の形態による指令生成部３０の動作は、上述の図７に示されるフローチャートに示される動作に対して、ステップＳ４０の動作内容にのみ異なる。ここでは繰り返しの説明となるため、本実施の形態による指令生成部３０のステップＳ４０の処理の変更点のみ説明する。

ステップＳ４０は配電電圧指令Ｖｒｅｆの許容範囲Ｒａを算出する処理であるが、本実施の形態による許容範囲Ｒａについては、機器管理部７１より指令される電力変換装置１０Ｂの制御特性および動作台数情報、ならびに負荷動作情報に基づいて、許容範囲Ｒａの上限値ＶＨおよび下限値ＶＬを算出する。

本実施の形態３においても、他の実施の形態と同様に、許容範囲Ｒａの上限値ＶＨは電力変換装置１０Ｂの出力電力上限値ＰＨｌｉｍと配電電圧上限値ＶＨｌｉｍの交点Ｉ１に基づいて算出され、許容範囲Ｒａの下限値ＶＬは電力変換装置１０Ｂの出力電力下限値ＰＬｌｉｍと配電電圧下限値ＶＬｌｉｍの交点Ｉ２に基づいて算出される。ただし、本実施の形態３では、電力変換装置１０Ｂの出力電力上限値ＰＨｌｉｍおよび出力電力下限値ＰＬｌｉｍの値が、電力変換装置１０Ｂの動作状態によって変化するように構成される。

下記の式（８）、（９）に、出力電力上限値ＰＨｌｉｍおよび出力電力下限値ＰＬｌｉｍの算出式の一例を示す。下記の式（８）、（９）において、「Ｐｒ」は直流系統Ｌに接続される負荷３全体の定格電力、「Ａｂ」は現在動作している電力変換装置１０Ｂの台数、「Ａｒ」は冗長性を持たせるための電力変換装置１０Ｂの予備台数（予め設定される値）である。なお、動作している電力変換装置１０Ｂの数が故障等で変動した場合は、速やかに許容範囲Ｒａの更新を実施する必要がある。

ＰＨｌｉｍ＝Ｐｒ÷（Ａｂ－Ａｒ）…（８）
ＰＬｌｉｍ＝（－１）×Ｐｒ÷（Ａｂ－Ａｒ）…（９）
上記の設定により、現在動作している電力変換装置１０Ｂの台数に沿って許容範囲Ｒａの拡大を図ることができる。そのため、配電電圧指令Ｖｒｅｆの設定に自由度を持たせることができ、負荷３への配電効率の増加を見込むことが可能となる。

実施の形態４．
図１０は、本実施の形態４による電源システム１Ｃの構成の一例を模式的に示す図である。電源システム１Ｃは、複数の直流系統ＬＡ，ＬＢと、複数の電力変換装置１０Ｃと、指令生成部３０Ｃとを含む。複数の電力変換装置１０Ｃは、主電源２から受電した電力を対応する配電電圧指令に基づいて複数の異なる直流電力にそれぞれ変換し、複数の直流系統ＬＡ，ＬＢにそれぞれに供給する。指令生成部３０Ｃは、複数の直流系統ＬＡ，ＬＢにそれぞれ対応する制御部３１，３２を含む。

なお、電力変換装置１０Ｃは、主電源２より受電した電力を直接複数の直流電力に変換する装置を用いてもよいし、電力変換器にて単一および複数の直流電力に変換し、さらに複数の直流電力へ変換する分配装置を電力変換器内に含んでいてもよい。

複数の直流系統ＬＡ，ＬＢは、例えば、負荷３の種類毎に設けられ、同じ直流系統に接続される負荷３は互いに同じ種類である。負荷３の種類によって、その動作特性が異なるため、それぞれに適した配電電圧も異なる。単一の直流系統のみを持つ電源システムでは、同一系統に複数の種類の負荷３が接続されるため、負荷３それぞれの配電電圧を調整することが困難である。これに対して、複数の直流系統ＬＡ，ＬＢを持つ電源システム１Ｃでは、負荷３の種類毎に直流系統を構成し配線することが容易であり、複数の負荷３それぞれに適した配電電圧を供給することが容易である。なお、図１０には、直流系統ＬＡに複数の一般負荷３Ａが接続され、直流系統ＬＢに複数の動力負荷３Ｂが接続される例が示されている。

また、電力変換装置１０Ｃまたは電力変換装置１０Ｃに含まれる分配器の機能により、複数の直流系統ＬＡ，ＬＢへの供給電力はそれぞれ独立に制御できる。そのため、各直流系統ＬＡ，ＬＢに接続される負荷３の種類によって、対応する指令生成部３０Ｃの判断方法および配電電圧指令Ｖｒｅｆの計算方法は個別に設定可能であるため、負荷３の種類に対して指令生成部３０Ｃの動作の調整も簡便に実施することができる。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本開示の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃ 電源システム、２ 主電源、３ 負荷、３Ａ 一般負荷、３Ｂ 動力負荷、７ 外部制御装置、１０，１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ 電力変換装置、２０ 負荷状態検出部、２１ ＡＣ／ＤＣ変換器、２２ ＤＣ／ＤＣ変換器、２３，２４，２５ センサ部、２９ トランス部、３０，３０Ｃ 指令生成部、３１，３２ 制御部、７１ 機器管理部、２１１，２１５ 出力制御部、２１２ 直流電圧制御部、２１３ 指令値フィルタ部、２１４ 直流リンク電圧制御部、２１６ 動作状態管理部、ＤＬ 垂下特性線、Ｌ，ＬＡ，ＬＢ 直流系統、ＬＫ 直流リンク部。

Claims (7)

1. 交流電力または直流電力を供給する主電源から受電した電力を変換して直流系統へ出力する電源システムであって、
   前記主電源と前記直流系統との間に設けられ、互いに並列接続される複数の電力変換装置と、
   前記直流系統に接続される少なくとも１つの負荷の動作状態を検出する状態検出部と、
   前記電源システムから前記直流系統に配電される電圧の指令値である電圧指令を生成する指令生成部とを備え、
   前記複数の電力変換装置の各々は、
   前記直流系統の電圧と前記電圧指令とに基づいて電力指令を生成する電圧制御部と、
   前記電力指令に基づいて前記主電源から受電した電力を変換して前記直流系統へ出力する変換器とを備え、
   前記指令生成部は、前記状態検出部の検出結果に基づいて、前記直流系統に接続される前記少なくとも１つの負荷の損失を低減するように前記電圧指令を生成する、電源システム。
2. 前記電圧制御部は、前記直流系統の電圧に対する前記電力指令の特性を規定する垂下特性を前記電圧指令に基づいて設定し、設定された前記垂下特性と前記直流系統の電圧とから前記電力指令を生成する、請求項１に記載の電源システム。
3. 前記電圧制御部は、前記直流系統の電圧が変動しても前記電力指令が変動しない不感帯が前記電圧指令を含む領域に形成されるように前記垂下特性を設定する、請求項２に記載の電源システム。
4. 前記指令生成部は、前記電圧制御部の前記垂下特性および前記複数の電力変換装置の動作状態に基づいてに基づいて前記電圧指令の制限値を設定する、請求項２または３に記載の電源システム。
5. 前記指令生成部は、予め記憶された前記複数の電力変換装置の損失情報と前記状態検出部の検出結果とに基づいて、前記電力変換装置の損失と前記負荷の消費電力の和が低減する方向に前記電圧指令を調整する、請求項１～４のいずれか１項に記載の電源システム。
6. 前記指令生成部は、外部から前記負荷の電圧要求値を受信した場合、受信された前記電圧要求値を前記電圧指令とする、請求項１～５のいずれか１項に記載の電源システム。
7. 前記電源システムは、複数の直流系統に電力を供給可能に構成され、
   前記指令生成部は、前記複数の直流系統にそれぞれ対応する複数の電圧指令を生成する、請求項１～６のいずれか１項に記載の電源システム。

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