JP7390393B2 - バッテリインバータシステム - Google Patents

Description

本発明は、複数のバッテリインバータユニットを並列に接続したバッテリインバータシステムに関するものである。

バッテリインバータシステムは、公共のエネルギー供給網からの余剰電力を一時的に蓄え、グリッドサポート機能を提供するために、益々利用されている。この目的のためには、数メガワット時の範囲の、対応する高い蓄電容量のエネルギー貯蔵デバイス、典型的にはリチウムイオン電池、およびメガワット範囲のインバータ電力も必要とされる。この種の用途では、必要なコンバータ電力を供給するために、通常、複数のインバータブリッジがＡＣ側に並列に接続される。その際、各インバータブリッジをＤＣ側でそれぞれのバッテリユニットに接続し、バッテリユニット同士を結合しない方法が知られている。

特に効率的で費用対効果の高いバッテリインバータシステムでは、インバータブリッジを同じ駆動パルスパターンで、すなわち共通の制御で動作させることができるのが望ましい。同時に、ＡＣフィルタチョークを使用することで、更なるコスト削減が可能になり、また、ＡＣフィルタチョークはインバータブリッジ間の循環電流を打ち消すことがないため、特に費用対効果の高い方法で製造することができる。異なるインバータブリッジのＡＣフィルタチョークの間に磁気的な結合を提供する必要性を排除することにより、フィルタチョークの設計を簡素化してコストを大幅に削減することができる。

しかしながら、この簡素化の結果、バッテリユニットを並列に接続する必要があり、それにより、インバータブリッジのＤＣ入力に同一の入力電圧が印加され、すべてのバッテリユニットが常に同じ充電状態であることが保証される。このバッテリユニットの並列接続の欠点は、障害が発生したときの動作、特にインバータに短絡が発生したときの動作である。その場合、ＤＣ側に短絡電流が発生し、それが非常に大きいため、バッテリユニット全体を共通のヒューズで保護することはできない。実際には、バッテリユニットを個別ユニットのロット（ここでは簡略化してバッテリラックと称する）に分割し、それらをラックヒューズで個々に保護する必要がある。ここでいうラックヒューズという用語は、必ずしもラック内に組み込まれた個々のユニットのヒューズを指すのではなく、十分に高速なヒューズが低コストで入手できるように動作電流または短絡電流が設計された個々のユニットを指している。現在のところ、これは公称値が最大２００Ａのヒューズに適用されている。

それにもかかわらず、先行技術によれば、並列に接続されたバッテリユニットでは、インバータの短絡の極端な場合に、短絡により、すべてのラックヒューズがトリガされ、交換する必要が生じる。

そこで、本発明の目的は、ＤＣ側で並列に接続されたバッテリユニットを有するバッテリインバータシステムであって、インバータが短絡した場合にラックヒューズの一部のみを交換すればよいように保護することができるバッテリインバータシステムを開示することである。

この目的は、独立請求項１の特徴を有するバッテリインバータシステムによって達成される。バッテリインバータシステムの好ましい実施形態は、従属請求項に記載されている。

本発明によれば、バッテリインバータシステムは、複数のバッテリインバータユニットを備え、バッテリインバータユニットの各々が、多相、好ましくは三相のインバータと、ＤＣ側でインバータに接続されたバッテリユニットとを備える。バッテリユニットの各々は、互いに並列に接続された複数のバッテリパックを含み、それらがラックヒューズによって過電流から保護されており、バッテリインバータユニットは、ＡＣ側で並列に接続され、何れも、共通の駆動パルスパターンで動作するように構成され、バッテリインバータユニットは、補償ヒューズを介してＤＣ側で相互に接続され、補償ヒューズは、インバータの１つで短絡が発生した場合に、補償ヒューズがラックヒューズよりも速くトリガされるように設けられている。補償ヒューズを介したバッテリインバータユニットの接続は、接続されるバッテリインバータユニットのバッテリユニットとインバータとの間の電気的接続の任意の点から行うことができる。この場合、補償ヒューズが無傷のときは、バッテリインバータシステムのすべてのインバータのＤＣ側入力電圧が同じになるように接続が形成される。

この実施形態のバッテリインバータシステムは、ＡＣ側に複雑なフィルタ配置を必要とすることなく、通常運転中のバッテリインバータユニット間の補償電流を最小限に抑えることができ、同時に、バッテリユニットが常に同じ充電状態であることが保証されるため、それらの容量を最適な方法で使用することができる。補償電流が低いことにより、ラックヒューズの公称値に対応する公称値を持つヒューズを補償ヒューズとして使用することができ、少なくとも両公称値の間に２倍以上の差があってはならず、補償ヒューズの公称値はラックヒューズの公称値よりも高くする必要はなく、むしろ低くてもよい。補償ヒューズの公称値がラックヒューズよりも高い場合でも、短絡時の補償ヒューズのより速いトリガが保証される。それは、複数の個別ユニットを有するバッテリユニット全体の少なくとも総電流、つまり１つのラックヒューズを流れるバッテリパックの短絡電流よりも遥かに高い電流が、補償ヒューズを流れ、Ｉ²ｔのトリガ特性を介してより速いトリガが保証されるからである。

このようにして、バッテリユニットが並列に接続された５つの個別ユニットから形成され、各個別ユニットが２５０Ａの短絡電流を供給する場合、当該バッテリユニットは１２５０Ａの短絡電流を供給することができる。その後、短絡を起こしているバッテリインバータユニットに隣接するバッテリユニットのこの短絡電流が、補償ヒューズを流れ、その結果、予想されるＩ²ｔのトリガ特性の場合、補償ヒューズの公称値と同じ公称値のラックヒューズと比較して、バッテリユニットのラックヒューズの２５（（１２５０Ａ／２５０Ａ）²に対応）分の１のより短いトリガ時間内に補償ヒューズがトリガされる。このトリガ動作は、比較ヒューズの公称値がラックヒューズの公称値よりも２倍高い場合、ラックヒューズと比較して補償ヒューズのより速いトリガを保証する。バッテリユニット内のラックヒューズまたは個別ユニットの数が多いほど、この効果をさらに高めることができる。それは、ラックヒューズを流れる個別ユニットの短絡電流と比較して、バッテリユニット全体の短絡電流が、個別ユニットの数に応じて増加するためである。同様の理由で、複数のバッテリユニットの短絡電流が流れる補償ヒューズは、１つのバッテリユニットの短絡電流が流れる（同じ公称値の）補償ヒューズよりも確実に速くトリガされる。

補償ヒューズとラックヒューズに公称値１００Ａ～１０００Ａのヒューズを使用する場合、短絡時のバッテリユニットの損傷を回避するために、依然として低いヒューズコストで十分に高速なトリガ動作を確保することができる。現時点では、公称値２００Ａのヒューズが特に適している。

本発明の好ましい一実施形態では、隣接するバッテリインバータユニットが、それぞれ補償ヒューズを介して互いに接続されている。したがって、バッテリインバータシステムが有するバッテリインバータユニットの数と比べて、使用する補償ヒューズの数を１つ減らすことができる。それにもかかわらず、短絡が発生した場合、複数の補償ヒューズがトリガされる可能性あり、その後交換する必要がある。

本発明のさらに好ましい実施形態では、バッテリインバータユニットの各々が、補償ヒューズを介してバッテリインバータシステムの共通の中性点に接続されている。ここで、補償ヒューズの数は、バッテリインバータユニットの数に対応している。しかしながら、この実施形態では、短絡時に、短絡しているインバータを中性点に接続する補償ヒューズのみがトリガされることになる。それは、他のすべてのバッテリユニットの短絡電流がこの補償ヒューズに流れる一方で、個々のバッテリユニットの短絡電流しか、他のすべての補償ヒューズに流れないためである。

本発明に係るバッテリインバータシステムのバッテリインバータユニットを電力的に同一に構成することは、インバータ間で特に低い補償電流を実現することが可能になるため、有利である。この場合、インバータが同一の構造であるという実施形態は特に有利であり、共通の駆動パルスパターンでインバータを駆動する結果として、補償電流を少なくとも理論的に完全に防止することができる。

さらに、バッテリインバータユニット（１５）の間で、それぞれのバッテリユニット（３．１～３．３）の蓄電容量と、関連するインバータ（２．１～２．３）の電力との比率が等しいことは有利である。これにより、動作中に補償ヒューズを流れる補償電流も最小限に抑えられる。

好ましい一変形例では、バッテリインバータシステムまたはインバータが、中性導体接続なしで設計されている。その結果、補償ラインを介して補償しなければならない対応する中性導体電流が、そもそも生じることがない。

好ましい一実施形態では、インバータがＤＣ／ＤＣコンバータなしで設計されている。これにより、インバータブリッジの入力に同一のＤＣ電圧が印加され、それがインバータ間の補償電流の回避にも寄与することができる。

確かに、適切な循環電流抑制ＡＣチョーク配置を用いて循環電流を最小化することが考えられるが、この種のチョークはバッテリインバータシステムに大きな追加の負担を強いることになる。この場合、循環電流抑制正弦波フィルタという用語は、ゼロシーケンスシステムのインダクタンスが正シーケンスシステムのインダクタンスに達するか、それを超えるチョーク配置を意味すると理解される。

補償電流を最小化することを目的とした上記手段は、例えばバッテリインバータユニットの正弦波フィルタのフィルタチョークを互いに磁気的に結合しないことにより、循環電流抑制ＡＣチョーク配置をなくすことができるような方法で、バッテリインバータシステムを設計することを可能にする。任意選択的に存在する正弦波フィルタのフィルタコンデンサは、何れにしても、好ましくは共通の基準電位に接続される。これは、例えば、各インバータの正弦波フィルタとして個別の３レッグチョークを使用する場合である。このようにして、特に費用対効果の高いバッテリインバータシステムが実現される。

さらに、バッテリインバータシステムのインバータが、正弦波フィルタの下流のＡＣ側で並列に接続されることも考えられ、この場合、更なるコンポーネント、特に共通のフィルタコンデンサを有する共通のグリッドフィルタまたは共通のフィルタチョークが、ＡＣ側で並列に接続されたバッテリインバータユニットの下流に接続されることになる。

バッテリインバータユニットのインバータは、別々のハウジングに収容することができるが、複数のバッテリインバータユニット、少なくともそれらのインバータおよび正弦波フィルタが共通のハウジングに収容されることも考えられる。

本発明は、図面によって示されている。
図１は、バッテリユニットが並列に接続された従来技術によるバッテリインバータシステムを示している。 図２は、本発明に係るバッテリインバータシステムの第１の実施形態を示している。 図３は、本発明に係るバッテリインバータシステムの第２の実施形態を示している。

図１は、３つのインバータ２．１～２．３が、インバータ２．１～２．３に関連する正弦波フィルタ６．１～６．３を介して、ＡＣ側の共通のＡＣ接続点に接続されたバッテリインバータシステム１を示している。正弦波フィルタ６．１～６．３は、ここではフィルタチョークとしてのみ示されているが、更なるコンポーネント、特にフィルタコンデンサも含むこともできる。

共通接続点から出発して、バッテリインバータシステム１は、共通フィルタチョーク７および共通フィルタコンデンサ８、断路器および変圧器９を介して、グリッド１０に接続されている。記載したすべての実施形態において、これは、多相インバータ、例えば三相インバータにおいて、各相の共通フィルタチョーク７が、各相についてフィルタ巻線を有する別個のフィルタチョークまたはフィルタチョーク配列を備え、それらが磁気的にも結合される場合を含む。また、各相に個別のフィルタコンデンサを設けることもできる。

インバータ２．１～２．３は、ＤＣ側でバッテリユニット３．１～３．３に接続されており、何れの場合も、バッテリユニットがインバータの１つに関連付けられ、両者がバッテリインバータユニット１５を形成するようになっている。バッテリインバータユニット１５は、その一部が接続ライン、例えばＤＣバスを介して並列に接続されている。バッテリユニット３．１～３．３は、エネルギー貯蔵デバイスとしての複数の個別ユニット４から形成されている。個別ユニット４は、何れの場合も、バッテリパックとして、棚ユニット、いわゆるラックに、好ましくは着脱可能に収容することができる。各個別ユニット４は、例えばラックヒューズ５を介して、短絡による過電流から保護されている。ラックヒューズ５は、電流制限値としての公称値を有し、恒久的に超過した場合にラックヒューズ５をトリガし、関連するバッテリユニット４がインバータ２．１～２．３から切り離される。トリガ後、ラックヒューズは一方向ヒューズとして欠陥があるため、交換する必要がある。

ここでは例としてインバータ２．１での短絡１１として示される故障イベントの場合、すべてのバッテリユニットがそれぞれのラックヒューズ５の公称値を超える短絡電流を供給するため、すべてのラックヒューズ５でトリガイベント１２が発生する。短絡１１の結果として、先行技術では結果的にすべてのラックヒューズ５を交換しなければならず、高いコストと労力を伴う。

図２は、本発明に係るバッテリインバータシステム１の第１の実施形態を示している。ここでも、バッテリユニット１５を形成するために、バッテリユニット３．１～３．３が各インバータ２．１～２．３にそれぞれ関連付けられている。図１に係るバッテリインバータシステムとは対照的に、バッテリインバータユニット１５間の接続ラインは補償ヒューズ１３を介して形成されており、補償ヒューズ１３が、何れの場合も、隣接するバッテリインバータユニット１５間に配置されている。このため、バッテリインバータシステムにおける補償ヒューズの数は、バッテリユニットまたはインバータの数よりも１つ少ない。図示の３つのバッテリインバータユニット１５に加えて、バッテリインバータシステム１の総電力を増加させるために、さらにバッテリインバータユニットを追加して、ＡＣ側で並列に接続し、ＤＣ側で補償ヒューズを介して他のバッテリインバータユニットと接続することもできる。

短絡１１が発生した場合（ここでもインバータ２．１において示すように）、影響を受けるバッテリインバータユニット１５のすべてのラックヒューズ５に対して、トリガイベント１２が発生する。他のバッテリインバータユニットのラックヒューズ５、ここではバッテリユニット３．２および３．３のラックヒューズ５は、トリガから保護される。それは、短絡しているインバータに直接接続されている補償ヒューズ１３が、そこに流れるより高い短絡電流により、保護されるラックヒューズ５よりも先にトリガされ、対応するバッテリユニット（ここではバッテリユニット３．２および３．３）の短絡を解決するためである。この場合、個別ユニット４の短絡電流だけでなく、むしろバッテリユニット３．２および３．３の累積短絡電流が補償ヒューズ１３を横切って流れ、対応する補償ヒューズ１３の迅速なトリガを確実にする助けとなる。このため、バッテリユニット３．２および３．３のラックヒューズ５を交換する必要はなく、トリガされた１または複数の補償ヒューズ１３のみがそれぞれ交換される。また、影響を受けたバッテリユニット３．１のラックヒューズ５も、すべて交換する必要がある。

バッテリインバータシステム１の正常な動作の範囲内で、すなわち短絡がない状態で、補償ヒューズの望ましくないトリガを防止するためには、インバータ２．１～２．３間の補償電流または循環電流が、インバータ内に含まれるインバータブリッジの駆動によって最小限に抑えられるように、バッテリインバータシステム１を動作させることが必要である。これは、インバータブリッジを同一の駆動パルスパターンで駆動し、かつインバータを電力的にも、特に構造的にも同一のものとして提供することによって、実現することができる。原理的には、異なるインバータの位相出力間のフィルタ巻線を磁気的に結合する複雑なＡＣフィルタの配置によって、かつ／または個々のインバータを個別に複雑に駆動することによって、インバータ間の補償電流を低減することもできるが、その場合、本発明のコスト面での利点は得られない。

図３は、本発明に係るバッテリインバータシステム１の第２の実施形態を示している。図２に係る実施形態とは対照的に、この実施形態では、バッテリインバータユニット１５間の接続ラインの各々が、補償ヒューズ１３を介して共通の中性点１４に接続されている。このため、ここでは、補償ヒューズ１３の数が、バッテリインバータユニット１５の数に対応している。短絡１１が発生した場合（ここでもインバータ２．１において示すように）、図２による実施形態の場合もそうであったように、短絡しているインバータ２．１に関連するバッテリユニット３．１のすべてのラックヒューズ５でトリガイベント１２が発生する。さらに、短絡しているインバータ２．１を中性点１４に接続する補償ヒューズ１３にもトリガイベント１２が発生する。このため、この実施形態では、何れにしても、補償ヒューズ１３のうちの１つのみがトリガされる。これは、残りのすべてのバッテリユニット、ここではバッテリユニット３．２～３．３の短絡電流がトリガ出力ヒューズ１３を横切って流れるという事実によってもサポートされる。影響を受けた補償ヒューズ１３のトリガイベント１２の結果として、残りのすべてのラックヒューズ５はトリガから保護され、交換する必要はない。

１ バッテリインバータシステム
２．１～２．３ インバータ
３．１～３．３ バッテリユニット
４ 個別ユニット
５ ラックヒューズ
６．１～６．３ 正弦波フィルタ
７ フィルタチョーク
８ フィルタコンデンサ
９ 変圧器
１０ グリッド
１１ 短絡
１２ トリガイベント
１３ 補償ヒューズ
１４ 中性点
１５ バッテリインバータユニット

Claims (13)

1. 複数のバッテリインバータユニット（１５）を含むバッテリインバータシステム（１）であって、
   －前記バッテリインバータユニット（１５）の各々が、多相インバータ（２．１～２．３）と、前記インバータ（２．１～２．３）のＤＣ側に接続されたバッテリユニット（３．１～３．３）とを備え、
   －前記バッテリユニット（３．１～３．３）が、互いに並列に接続された複数の個別ユニット（４）を含み、それら個別ユニットが、ラックヒューズ（５）によって過電流から保護され、
   －前記バッテリインバータユニット（１５）が、ＡＣ側で並列に接続され、かつ共通の駆動パルスパターンで動作するように構成された、バッテリインバータシステムにおいて、
   前記バッテリインバータユニット（１５）が、補償ヒューズ（１３）を介してＤＣ側で相互に接続されており、前記インバータ（２．１～２．３）の１つで短絡が発生した場合に、前記補償ヒューズ（１３）が前記ラックヒューズ（５）よりも速くトリガされるように、前記補償ヒューズ（１３）が設けられていることを特徴とするバッテリインバータシステム。
2. 請求項１に記載のバッテリインバータシステム（１）において、
   隣接するバッテリインバータユニット（１５）が、補償ヒューズ（１３）介して互いに接続されていることを特徴とするバッテリインバータシステム。
3. 請求項１に記載のバッテリインバータシステム（１）において、
   前記バッテリインバータユニット（１５）の各々が、補償ヒューズ（１３）を介して共通の中性点（１４）に接続されていることを特徴とするバッテリインバータシステム。
4. 請求項１乃至３の何れか一項に記載のバッテリインバータシステム（１）において、
   前記インバータ（２．１～２．３）が、三相インバータとして設けられていることを特徴とするバッテリインバータシステム。
5. 請求項１乃至４の何れか一項に記載のバッテリインバータシステム（１）において、
   前記バッテリインバータユニット（１５）が、構造および／または電力が同一のものとして提供されていることを特徴とするバッテリインバータシステム。
6. 請求項１乃至５の何れか一項に記載のバッテリインバータシステム（１）において、
   前記バッテリインバータユニット（１５）の間で、それぞれのバッテリユニット（３．１～３．３）の蓄電容量と関連するインバータ（２．１～２．３）の電力との間の比率が等しいことを特徴とするバッテリインバータシステム。
7. 請求項１乃至６の何れか一項に記載のバッテリインバータシステム（１）において、
   前記インバータ（２．１～２．３）が、中性導体接続なしで提供されていることを特徴とするバッテリインバータシステム。
8. 請求項１乃至７の何れか一項に記載のバッテリインバータシステム（１）において、
   前記インバータ（２．１～２．３）が、ＤＣ／ＤＣコンバータなしで提供されていることを特徴とするバッテリインバータシステム。
9. 請求項１乃至８の何れか一項に記載のバッテリインバータシステム（１）において、
   前記ラックヒューズ（５）の公称電流および前記補償ヒューズ（１３）の公称電流は、差が２倍以下であり、好ましくは同じであることを特徴とするバッテリインバータシステム。
10. 請求項１乃至９の何れか一項に記載のバッテリインバータシステム（１）において、
    前記ラックヒューズ（５）の公称電流および前記補償ヒューズ（１３）の公称電流が、１００Ａ～１０００Ａの範囲内であることを特徴とするバッテリインバータシステム。
11. 請求項１乃至１０の何れか一項に記載のバッテリインバータシステム（１）において、
    前記バッテリインバータユニットの正弦波フィルタ（６．１～６．３）のフィルタチョークが磁気的に互いに結合されておらず、前記正弦波フィルタ（６．１～６．３）のフィルタコンデンサが、可能な場合に、それぞれ共通の基準電位に接続されていることを特徴とするバッテリインバータシステム。
12. 請求項１乃至１１の何れか一項に記載のバッテリインバータシステム（１）において、
    前記インバータ（２．１～２．３）が何れも、循環電流を抑制しない正弦波フィルタ（６．１～６．３）を介して、ＡＣ側で互いに並列に接続されていることを特徴とするバッテリインバータシステム。
13. 請求項１乃至１２の何れか一項に記載のバッテリインバータシステム（１）において、
    共通のフィルタチョーク（７）が、ＡＣ側で並列に接続された前記バッテリインバータユニットの下流に接続されていることを特徴とするバッテリインバータシステム。

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