JP7299628B2 - 交流電圧出力システム、電力系統制御システム、電力系統、直流送電システム、発電システム及びバッテリシステム - Google Patents
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Description
図1に示すように、本実施形態の交流電圧出力システム1は、交流配電系統(以下、単に配電系統という)510との間で電力を授受し、配電系統510を安定化させる配電系統安定化装置として用いられる。この場合、交流電圧出力システム1は、電力系統50と負荷56の間の配電系統510の配電線に接続される。電力系統50は、電圧源を示す回路記号に集約したが、様々な系統構成がありうる。例えば、国内の電力系統等と同様に電力需要と供給の関係によって周波数が変化する系統であったりする。図示しない発電機への機械エネルギーの入力や光エネルギーなどの入力が発電機出力よりも大きければ、周波数が高くなり、低ければ、周波数が低くなる系統であったりする。また、前記とは異なり、電力変換器を介した発電機しか接続されていない系統も電力系統50の例の1つである。交流電圧出力システム1は、アームとして、R相アーム2R、S相アーム2S、T相アーム2Tとを備えている。R相アーム2R、S相アーム2S、T相アーム2Tは、それぞれ、所定電圧を出力する単位変換器3を4つ備え、4つの単位変換器3が直列に接続されている。R相アーム2R、S相アーム2S、T相アーム2Tは、一端がリアクトル150R、150S、150Tを介して、配電系統510の配電線57u、57v、57wの端子53u、53v、53wにそれぞれ接続され、他端が接続点NPでスター結線されている。このように、R相アーム2R、S相アーム2S、T相アーム2Tは、接続点NPと配電系統510の間で並列に接続されている。
以上の構成において、交流電圧出力システム1は、所定電圧を出力する複数の単位変換器3が直列に接続されたアームを少なくとも1つ(R相アーム2R、S相アーム2S、T相アーム2T)備え、単位変換器3が、第1スイッチ13Hと第2スイッチ13Lとが直列に接続された第1スイッチアーム13と、第3スイッチ14Hと第4スイッチ14Lとが直列に接続された第2スイッチアーム14と、充放電できる電力貯蔵器15とを備え、第1スイッチアーム13の第1スイッチ13H側端部と第2スイッチアーム14の第3スイッチ14H側端部とが接続され、第1スイッチアーム13の第2スイッチ13L側端部と第2スイッチアーム14の第4スイッチ14L側端部とが接続されて、第1スイッチアーム13、第2スイッチアーム14及び電力貯蔵器15が並列に接続された構成をし、第1スイッチ13H及び第3スイッチ14H、第2スイッチ13L及び第4スイッチ14L又は第1スイッチ13H、第3スイッチ14H、第2スイッチ13L及び第4スイッチ14Lがノーマリーオン型のスイッチング素子で構成されているようにした。
さらに、単位変換器3をバッテリのSOC(state of charge)やSOH(state of health)などを測定する制御手段と一緒に一つのケースに収納すると、変換器を内蔵したバッテリパックとして機能するのでバッテリが劣化した際の交換などをスムーズに行える。
また、単位変換器3の直流電圧が約30V以下のように低いときは、複数の単位変換器3を防爆機能低い一つのケースに内蔵してもよい。直流電圧が低いと、単位変換器3の第1スイッチ13Hと第2スイッチ13Lが誤ってオン状態となり、PN短絡となっても電圧が低いのでスイッチング素子が爆発するリスクは十分に低く、防爆機能の低い一つのケース内に内蔵できる。
また、各ケースに凹部と凸部を設け、一つのケースの凹部に他のケースの凸部を挿入できるようにすると、多数のバッテリパックを多段に接続するのが容易になる。特に、一つの単位変換器3と他の単位変換器3が該挿入により電気的に接続できるようにできるとなお好ましい。
なお、本発明は、上記の実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内で種々の変形実施が可能である。上記の実施形態では、ノーマリーオン型のスイッチング素子であるHEMTを、第1スイッチ13H及び第3スイッチ14H、第2スイッチ13L及び第4スイッチ14L又は第1スイッチ13H、第2スイッチ13L、第3スイッチ14H及び第4スイッチ14L(図2参照)に用いることを説明した。実際には、HEMTのようなノーマリーオン型のスイッチング素子は、ノーマリーオフ化する回路を付加されて、ノーマリーオフ型のスイッチング素子として市販されていることが多い。
本発明の交流電圧出力システム1は、各単位変換器3が充放電可能な電力貯蔵器15を有しており、電力を貯蔵し、所定のタイミングで貯蔵した電力を交流電圧として出力することができるので、配電系統安定化装置以外に、例えば、UPS(無停電電源装置)及び電気自動車のバッテリなど各種バッテリシステムや直流送電用の変換器などに用いることができる。
2R R相アーム
2S S相アーム
2T T相アーム
3 単位変換器
13 第1スイッチアーム
13H 第1スイッチ
13L 第2スイッチ
14 第2スイッチアーム
14H 第3スイッチ
14L 第4スイッチ
15 電力貯蔵器
20 GaN-FET
Claims (19)
- 所定電圧を出力する複数の単位変換器が直列に接続されたアームを少なくとも1つ備え、
前記単位変換器が、
第1スイッチと第2スイッチとが直列に接続された第1スイッチアームと、
第3スイッチと第4スイッチとが直列に接続された第2スイッチアームと、
充放電できる電力貯蔵器とを備え、
前記第1スイッチアームの前記第1スイッチ側端部と前記第2スイッチアームの前記第3スイッチ側端部とが接続され、前記第1スイッチアームの前記第2スイッチ側端部と前記第2スイッチアームの前記第4スイッチ側端部とが接続されて、前記第1スイッチアーム、前記第2スイッチアーム及び前記電力貯蔵器が並列に接続された構成をし、
前記第1スイッチ及び前記第3スイッチ、又は、前記第2スイッチ及び前記第4スイッチがノーマリーオン型のスイッチング素子で構成されている
交流電圧出力システム。 - 前記電力貯蔵器が二次電池である
請求項1に記載の交流電圧出力システム。 - 所定電圧を出力する複数の単位変換器が直列に接続されたアームを少なくとも1つ備え、
前記単位変換器が、
第1スイッチと第2スイッチとが直列に接続された第1スイッチアームと、
第3スイッチと第4スイッチとが直列に接続された第2スイッチアームと、
充放電できる電力貯蔵器とを備え、
前記単位変換器の直流電圧が30V以下であり、
前記第1スイッチアームの前記第1スイッチ側端部と前記第2スイッチアームの前記第3スイッチ側端部とが接続され、前記第1スイッチアームの前記第2スイッチ側端部と前記第2スイッチアームの前記第4スイッチ側端部とが接続されて、前記第1スイッチアーム、前記第2スイッチアーム及び前記電力貯蔵器が並列に接続された構成をし、
前記第1スイッチ及び前記第3スイッチ、前記第2スイッチ及び前記第4スイッチ又は前記第1スイッチ、前記第3スイッチ、前記第2スイッチ及び前記第4スイッチが、駆動用電源を喪失した際にスイッチがオン状態となるスイッチング素子で構成されている
交流電圧出力システム。 - 前記スイッチング素子が、二次元電子ガスによって低オン電圧を実現した電界効果型トランジスタを用いて構成されている
請求項3に記載の交流電圧出力システム。 - 前記スイッチング素子が、窒化ガリウムで構成された電界効果型トランジスタを用いて構成されている
請求項3に記載の交流電圧出力システム。 - 前記電界効果型トランジスタがシリコン上に形成されている
請求項5に記載の交流電圧出力システム。 - 前記第1スイッチ、前記第2スイッチ、前記第3スイッチ又は前記第4スイッチの少なくとも1つ以上を駆動する回路の少なくとも一部の素子が前記シリコン上に実装されている
請求項6に記載の交流電圧出力システム。 - 前記スイッチング素子が、ノーマリーオフ型のスイッチング素子に対して、前記駆動用電源を喪失した際に、ノーマリーオンとなるように構成されている
請求項3~7のいずれか1項に記載の交流電圧出力システム。 - 交流配電系統又は交流送電系統に接続され、
前記交流配電系統又は前記交流送電系統の周波数に基づいて、前記交流配電系統又は前記交流送電系統への出力を制御する制御装置を有する
請求項1~8のいずれか1項に記載の交流電圧出力システム。 - 交流配電系統又は交流送電系統が接続された電力系統を制御する系統制御装置を備え、
前記系統制御装置が、前記交流配電系統又は前記交流送電系統の周波数に基づいて、前記交流配電系統又は前記交流送電系統に接続された請求項1~8のいずれか1項に記載の交流電圧出力システムの出力を制御する
電力系統制御システム。 - 交流配電系統又は交流送電系統が接続された電力系統であって、
前記交流配電系統又は前記交流送電系統に、請求項1~8のいずれか1項に記載の交流電圧出力システムが接続され、
前記交流配電系統又は前記交流送電系統の周波数に基づいて、前記交流電圧出力システムの出力が制御される
電力系統。 - 並列に接続された複数の交流配電系統又は複数の交流送電系統の一方に接続され、
前記交流配電系統又は前記交流送電系統の潮流を制御する制御装置を備える
請求項1~8のいずれか1項に記載の交流電圧出力システム。 - 交流配電系統又は交流送電系統が接続された電力系統を制御する系統制御装置を備え、
前記電力系統は、複数の前記交流配電系統又は複数の前記交流送電系統が並列に接続されており、
複数の前記交流配電系統又は複数の前記交流送電系統の少なくとも一方に請求項1~8のいずれか1項に記載の交流電圧出力システムが接続され、
前記系統制御装置が、前記交流電圧出力システムの出力を制御することで、前記交流配電系統又は前記交流送電系統の潮流を制御する
電力系統制御システム。 - 交流配電系統又は交流送電系統が接続された電力系統であって、
複数の前記交流配電系統又は複数の前記交流送電系統が並列に接続されており、
複数の前記交流配電系統又は複数の前記交流送電系統の少なくとも一方に請求項1~8のいずれか1項に記載の交流電圧出力システムが接続され、
前記交流電圧出力システムの出力により、前記交流配電系統又は前記交流送電系統の潮流が制御される
電力系統。 - 2つの前記アームが直列に接続されたレグを少なくとも1つ備え、
前記レグは、直流電力を授受するための直流端子を両端にそれぞれ備え、交流電力を授受するための交流端子を前記アーム同士の接続点に備える
請求項1~8のいずれか1項に記載の交流電圧出力システム。 - 請求項15に記載の交流電圧出力システムを備え、
前記直流端子に直流送電線が接続され、
前記直流送電線から前記直流端子に入力された直流電力を交流電力に変換して前記交流端子から出力する
直流送電システム。 - 請求項15に記載の交流電圧出力システムを備え、
前記直流端子に有効電力源が接続され、
前記有効電力源から前記直流端子に入力された直流電力を交流電力に変換して前記交流端子から出力する
発電システム。 - 請求項1~8のいずれか1項に記載の交流電圧出力システムを備える
バッテリシステム。 - 無停電電源装置又は電気自動車用のバッテリである
請求項18に記載のバッテリシステム。
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