JPS5967879A - 自励式電力変換装置の起動方式 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の技術分野〕 本発明は燃料電池等電池起動時の特性として直流電圧が
徐々に立ち上がるような直流電力を電力変換装置を介し
て他の交流電源と連系運転される交流連系システムに係
り、特に起動時間の短縮化を図り、所定の電力制御への
応答を改善するに適した自励式電力変換装置の起動方式
に関するものである。

〔発明の技術的背景〕

従来、異なる系統の交流電源を並列運転するには無効電
力の偏差で各交流電源間の電圧差を、有効電力の偏差で
各交流電源間の位相差金それぞれ制御することが知られ
ている。インバータ装置に代表される直流−交流電力変
換装置と電力系統を連系する場合は電力系統は制御でき
ないので、変換装置に自励式電力変換装置（以下電力変
換装置と略す）を用いて有効電力、無効電力を制御する
方法が採用される。このような電力変換装置の起動方法
どしては従来、電力変換装置と又流電源の間に設けられ
た開閉器あるいはしゃ断器（以下開閉器に代表する）を
開としておき、電力変換装置を起動し、出力電圧制御が
所定の動作に達した後、電力変換装置と交流電源の電圧
位相が同期している条件で開閉器を閉とし、電力変換装
置と交流電源を連系運転した後、所定の電力制御をする
よう構成される。第１図にその従来例を示す。

図中１は直流電源で例えば燃料電池のようにその起動時
に直流電圧が第３図のように徐々に立ち上がる特性を示
す電源であり、直流電源１の直流出力は電力変換装置２
により交流に変換され、変圧器３に：り所定の電圧に変
換され、開閉器４を介して電力系統５へ接続される〇 制御回路１００にあっては電圧基準２１と電力変換装置
２に接耘される変圧器３の２次検出電圧１２とを比較し
、その偏差２５ａは切替スイッチ２５を介して誤差増幅
器２４へ印加される。無効電力基準２２と無効電力検出
回路２３の出力を比較し、その偏差２５ｂは切替スイッ
チ２５を介して誤差増幅器２４に印加され、誤差増幅器
２４の出力は電圧制御回路２６の入力となっている０同
様に、有効電力基準３１と有効電力検出回路３２の出力
を比較し、その偏差３３ａは誤差増幅器３３の入力へ与
えられ、誤差増幅器３３の出力は７エーズロツクルーブ
（ｐｈａｓｅ　　１Ｏｃｋｅｄ　　１ｏｏｐ　）いわゆ
るＰＬＬ回路３４の１つの入力“イ”となっている０３
５は分周器でＰＬＬ回路３４の出力周波数を分周し、そ
の出力はＰＬＬ回路３４の他の１つの入力ハ″となる。

ＰＬＬ回路３４の他の１つの入力口″には、電力系統検
出電圧１３が位相基準として力えられる。ここでＰＬＬ
回路３４は周知の回路であるが簡単に説明する。第２図
はＰＬＬ回路３４のブロック図の１例であり、ＰＬＬ回
路３４の構成は位相誤差検出器ＰＨＤ　。

低減沖波器ＬＰＦそして電圧制御発振器ＶＣＯがら構成
される。これ等各要素の概要を説明すると、位相誤差検
出器ＰＨＤは位相基準信号′口“と位相帰還信号パハ″
との位相差に比例した信号“二”を発生する。この位相
差に比例した信号“二”が低減Ｆ波器Ｔ、　Ｐ　Ｆの入
力となり、この低減沖波器ＬＰＦで高調波成分を除去す
ると共に、位相誤差を増幅する。そして電圧制御発振器
ＶＣＯは低減Ｆ波器ＬＰＦの出力“ホ”に比例゛した周
波数を出力し、この電圧制御発振器ＶＣＯの出力″へ″
は、分周器３５・＼接続される０分周器３５の段数をＮ
とすれば、電圧制御発振器ＶＣＯの発振周波数は位相基
準信号パ口″の８倍となる０ここでＮは電力変換装置２
のインバータ回路の相数により、任意の整数に選ばれる
０分周器３５の出方は位相誤差検出器ＰＨＤの位相帰還
信号”ハ″となっているので、電圧制御発振器ＶＣ□の
発振周波数は位相基準信号パ口″と位相帰還信号“ハ″
との位相が一致するように自動制御される０ここでＰＬ
Ｌ回路３４の１つの入力ロイ”の働きは、低減沖波器Ｌ
Ｉ’Ｆへ信号を与えることにより位相基準信号パ口″と
位相帰還信号ハ″との位相差全任意に設定可能となる。

再び第１図に戻り、その動作の説明と行うと、ＰＬＬ回
路３４の位相基準信号口”としては電力系統５の位相が
印加されているので、ＰＬＬ回路３４の出力周波数は電
力系統５の位相と同期し、従って電力変換装置２の位相
も電力系統５の位相と同期している。開閉器４が開の状
態ではスイッチ２５は偏差２５ａを選択しており、反圧
器３の２次検出電圧１２が電圧基準２１に等しくなるよ
う自動制御される。また誤差増幅器３３の入出力はスイ
ッチ３６で短絡されており、有効電力の偏差３３ａによ
る電力変換装置２の位相全制御する有効電力制御回路は
形成されていない。次に開閉器４′ｆｆ：閉の状態にす
ると、切換スイン′ｆ−２５は偏差２５ｂを選択し電力
変換装置２の無効電力が無効電力基準２２に等しくなる
よう、電力変換装置２の出力電圧が自動制御される。

又、開閉器４を閉の状態にすると同時にスイッチ３６が
開き、誤差増幅器３３の入出力の短絡が解除され、電力
変換装置２の有効電力が有効電力基準３１と静しくなる
よう電力変換装置２の電圧位相が自動制御される。ここ
で燃料電池のような直流電源ｌは起動した電力を有効に
活用する目的からシステムの停止時には燃料の供給を抑
えて直流電圧を絞っておくのが一般的である。

〔背景技術の問題点〕

しかるに、システムの起動にあ、たっては開閉器４を開
としておき、燃料の供給を高め、直流電圧を徐々に立ち
上げ、直流電源１の直流電圧が出力電圧制御可能な所定
範囲に達すると電力変換装置２は起動指令が与えられ、
電圧基準２１あるいは誤差増幅器２４に設けられた図示
されない制御系のソフトスタート指令により電力変換装
置２の出力電圧が徐々に立ち上がるようなソフトスター
ト方式がとられる。このソフトスタートは変′圧器３の
電圧印加時の突入電流を抑えると同時に電力変換装置２
のフィードバックループの確立に必要な機能である。こ
の起動時のタイムチャートを第４図に示す。図中Ｔ、が
直流電源１の起動時における電圧立ち上げ時間であり、
Ｔ２が出力電圧のソフトスタート時間である。出力電圧
が確立すると、電力変換装置２と電力系統５のそれぞれ
の電圧位相が同期したことを図示されない同期検出器に
より確認した後、開閉器４に投入指令を与え、連系運転
がされる。この後、連系時の電力の急変を抑えるための
電力制御系のソフトスタートの時間Ｔ、の後、所定の電
力制御が行なわれる０図中、Ｔｓは同期の確認時間、Ｔ
４は開閉器４に投入指令が与えられた後、投入が完了す
るまでの操作時間である。一般には、図中、直流電源１
の電圧立ち上げ時間は１秒程度、出力電圧のソフトスタ
ート時間Ｔ２は０．３秒程度、同期確認時間Ｔ３は０．
１秒程度、開閉器操作時間Ｔ４は０２２秒程、電力制御
系のソフトスタート時間Ｔ、は０５５秒程であ“る。

従って従来の起動方式ではシステムの起動指令が与えら
れても、所定の電力制御を行うまでに要する時間（Ｔ＋
　十Ｔ２　＋Ｔｓ　＋　Ｔ４　＋　Ｔｓ　）　　は２．
１秒程度を要してしまう欠点があった。

〔発明の目的〕

本発明の目的はこの点にかんがみ他の交流電源と連系運
転される交流連系システムにおいて電力変換装置２の起
動時間と、交流電源との連系するまでに要する時間の短
ｍを行い、所定の電力制御の応答時間を改善することが
できる自励式電力変換装置の起動方式を提供することに
ある。

〔発明の概要〕

本発明はこの目的を達成するために、自励式電力変換装
置の起動前に開閉器を投入し、直流電源および自励式電
力変換装置と他の交流電源をあらかじめ接続し、自励式
電力変換装置のゲートヲプロツクしておき、交流電源の
交流電圧と直流電源の直流電圧との比が所定の範囲内に
達したことにより自励式電力変換装置を所定の制御角で
ゲートをデブロックし、自励式電力変換装置を起動させ
ること全特徴とするものであする。

〔発明の実施例〕

以下、本発明全第５図に示す一実施例によって説明する
。第５図で第１図と同符号のものは同−恥部のものであ
る。第５図で第１図と異なる点は第１図の電圧基準２１
と電力変換装置２の変圧器３の２次検出電圧１２とを比
較し、その偏差２５ａと無効電力基準２２と無効電力検
出回路２３の出力全比較し、その偏差２５ｂが切替スイ
ッチ２５を介して誤差増幅器２４に印加され、誤差増幅
器２４の出力が電圧制御回路２６の一つの入力となって
いるのに対し、第５図では直流電圧検出回路４１の出力
信号４１ａと電力系統検出電圧１３を入力とする演算回
路４２の出力信号４２ａが起動時のための制御角設定回
路４３の入力となり、その出力信号４３ａと又、無効電
力基準２２と無効電力検出回路２３の出力を比較し、そ
の偏差２５ｂは誤差増幅器２４に印加され、誤差増幅器
２４の出力信号２４　ａ　ｌ）：切替スイッチ４４を介
してアナログ記憶回路４５に与えられ、アナログ記憶回
路４５の出力信号４５ａが電圧制御回路２６の１つの入
力となっている点である。

すなわち、第５図においてシステムの起動時は演算回路
４２により電力系統検出電圧１３と直流電圧検出回路４
Ｉの出力信号４１ａとの比を演算し、直流電源Ｉの直流
電圧が徐々に立ち上がり、演算回路４２で演算された電
力系統検出電圧１３と直流電圧検出回路４１の出力信号
４１ａとの比が所定値に達すると演算回路４２は制御角
設定回路４３に出力信号４２ａｆＪｉえ、あらかじめ所
定の制御角となるようレベル設定された出力信号４３８
を制御角設定回路４３が出力する０この出力信号４３ａ
は切替スインｆ４４．アナログ記憶回路４５を介して電
圧制御回路２６に入力させることにより起動時は固定し
た制御角で電力変換装置２のパルス巾を決定できるため
、従来のような電圧フィードバックを必要としない。

ここで、第５図の演算回路４２の具体例を第６図で説明
する。電力系統検出電圧１３と直流電圧検出回路４１の
出力信号４１ａの比を除算回路４２１により演算し、こ
の演算結果が基準値４２２と絶対値の比較が可能な比較
器４２３により、所定の範囲内であることを検出して、
その出力信号４２ａにより、制御角設定回路４３を動作
させることができる。ここで比較器４２３は周知の比較
器を２回路組み合わせて基準値４２２に対し、犬あるい
は小を検出する比較器で構成されるものである。又変圧
器３は電力変換装置２の起動前にあらかじめ、開閉器４
を投入し電力系統５の電圧で励磁をかけておくことによ
り、突入電流を防止できる。ここで電力変換装置２を構
成する自励式インバータのパルス巾と出力電圧との関係
は周知のことであるが、簡単に説明する。インバータの
出力電圧を所定の値に制御するための手段の一つとして
、インバータの出力パルス巾全制御する方法がある。イ
ンバータのパルス中制御を単相インバータでかつ、サイ
リスタ等の電子スイッチを接点におきかえ簡略化した第
６図で説明する。図中７０は第５図の直流電源ｌであり
、８ノ〜８４はサイリスタ等の電子スイッチ（以下スイ
ッチと称す）、８５は第５図で変圧器３以後の回路でイ
ンバータの負荷となるものであり、９１．９２はそれぞ
れ端子である。スイッチ８１とスイッチ８２又はスイッ
チ８３とスイッチ８４はそれぞれ１８ｏ０の期間交互ン
こ開閉を行うものでスイッチ８ノとスイッチ８３が閉と
するとスイッチ８２とスイッチ８４は開の状態となる。

この状態では端子９ノと端子９２は共に直流電源７ｏと
等しい電位となるため端子９Ｉと端子９２の間の電位は
零で負荷８５には電圧が印加されないことになる。又、
スインｆ８１とスイッチ８４が閉でスイッチ８２とスイ
ンｆ−８３が開とすると端子９１と端子９２の間の電圧
は端子９２に対して端子９Ｉが正で直流電源７ｏに等し
い電圧が印加されることになる。

スイッチ８１に対してスイッチ８３”５１８０ｏ遅らせ
て開閉するとすれば、第７図（ａ）に示されるような電
圧波形が負荷８５に印加されることになる〇又、スイン
ｙ−８１に対してスイッチ８３を開閉させるタイミング
、すなわち制御角γを変化させると負荷８５に印加され
る電圧波形が第７図（ａ）〜（ｅ）に示されるよう変化
する。このようにスイッチ８１〜８４の開閉のタイミン
グによりインバータの出力電圧を制御することをパルス
巾制御という。

すなわち、直流電源７ｏの電圧が変化してもスインｔｌ
ｌｌに対してスインｙ′−８３を開閉させる制御角γ全
自動制御することにより、負荷電圧を所定の値に保つこ
とができる。この直流電源７ｏの電圧をＥｄ　　とし制
御角γによる端子９１．９２間の端子間電圧ｅの関係を
示すと なる関数で表わされる。このりち基本波のみをとり出し
たとすると、 の実効値は すなわち直流電圧Ｅｄ、の時、電力変換装置２が制御角
γ１　で起動したとすると、この時の電力変換装置２の
出力電圧ｅ１　　と直流電圧Ｅｄ、の関係はｅ’／ＢＨ
，１，＝Ｋｓｉｎ：　　（Ｋ　？！　変圧ｌ？、　３　
（７）　ｆｍａ　比’ｃ　含す定グ文　）　　　　　　
　　　　　・・・　・・・（４）で与えられる。この電
力変換装置２の出力電圧が変圧器３の有するインピーダ
ンス２で電力系統５の電圧ｅ　ａ　ｃと連系されるため
電力変換装置２と電力系統５との間に−Ｔ−の電流が流
れることになる。すなわち、無効電力のやりとりが生ず
る。

この無効電力が電力変換装置２の定格内に抑えられれば
良いのでシステムの起動時における交流電圧と直流電圧
の比から電力変換装置２の定格出力電流を工１００％と
した時、 なる条件を満たすように制御角γ１　を設定してやれば
良い。再び第５図に戻り、その動作の説明を行うと、電
力変換装置２の起動前にあらかじめ、開閉器４ｒ投入し
、変圧器３を励磁した状態としておき、電力変換装置２
のゲート全ブロックしておく。システム起動指令が与え
られると直流電圧が立ち上がり電力系統検出電圧１３と
直流電圧検出回路４１の出力信号４１ａの比が基準値４
２２に達すると出力信号４２ａが制御角設定回路４３に
与えられ、あらかじめ所定値に設定された出力信号４３
ａによる制御角γで電力変換装置２を起動すれば変圧器
３の空入電流もなく電力変換装置２の出力電圧を瞬時に
立ち上げることができるＯこの起動時のタイムチャート
を第８図に示す０すなわち、システム起動指令が与えら
れて所定の電力制御を行うまでに要する時間は直流電源
１の電圧立ち上げ時間Ｔ、と電力制御系のソフトスター
ト時間Ｔ、のみでこの時間は１．５秒程度である０電力
変換装置２が起動完了すると同時に切替スイッチ４４金
切り替え、第１図の従来例同様、無効電力基準２２と無
効電力検出回路２３の偏差２５ｂを誤差増幅器２４０入
力とし、その出力信号２４ａをアナログ記憶回路４５を
介して電圧制御回路２６の入力とすることにより無効電
力制御を行うことができるＯ図中アナログ記憶回路４５
は周知のサンプルホールド回路等によるアナログ量の記
憶回路で切替スイッチ４４の切り替え時のみ動作させる
ことにより定常状態での応答には影響しない↓うにする
ことかできる０すなわち、切替スイッチ４４が制御角設
定回路４３の出力信号４３ｔｈを選択している状態では
誤差増幅器２４はスイッチ２７により短絡されていて、
出力信号２４ａは零であるが切替スイッチ４４が誤差増
幅器２４の出力信号２４ＦＬを選択するとアナログ記憶
回路４５が動作し、切り替え直前の制御角設定回路４３
の出力信号４３ａのアナログ量を記憶する○又、切り替
えと同時に誤差増幅器２４のスイッチ２７による短絡が
解除され、誤差増幅器２４が動作しその出力信号２４ａ
が所定の値に達するまで、あるいは切り替え後の所定の
時間の間のみこの制御角設定回路４３を動作させれば良
い。

前述の実施例では電力系統検出電圧１３と直流電圧検出
回路４１の出力信号４１−＆の比についてのみの検出で
制御角設定回路４３を動作させるようにしであるが、起
動条件を限定するため、さらに電力系統検出電圧Ｉ３あ
るいは出力信号４１ａのいずれか一方の検出値が所定の
範囲に達した条件を加えて制御角設定回路４３を動作さ
せても良い。又、演算回１＠４２の構成は実施例の中で
説明した機能を有するものならば良い。

〔発明の効果〕

以上、説明したように本発明によれば、直流電源と他の
異なる交流電源を接続′する支流連系システムにおいて
直流電圧の確立と共に電力変換装置に開時に所定の制御
角を与えることができるため、電力変換装置のソフトス
タートが不要となり、システムの起動指令から所定の電
力制御までの応答時間を改善することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の交流連系システムの制御方式を示すブロ
ック図、第２図は第１図のＰＬＬ回路の具体的な回路構
成図、第３図は慾料電池に代表される直流電源ｌの起動
特性を示す図、第４図は第１図の起動時の各部の動作を
示戸すタイムチャート図、第５図は本発明の一実施例を
示すブロック図、第６図は第５図の演算回路の具体的な
回路構成図、第７図はパルス巾制御の説明のだめの単相
インバータの基本構成図、第８図は第７図のインバータ
出力波形と制御角γとの関係を示す波形図、第９図は第
５図の各部の動作を示すタイムチャート図である。 １．７０・・・直流電源、２・・・自励式電力変換装置
、３・・・変圧器、４・・・開閉器あるいはしゃ断器、
５・・・電力系統、１１・・・出力電流、１２・・・変
圧器３の２次検出電圧、１３・・・電力系統検出電圧、
２１・・・電圧基準、２２・・・無効電力基準、２３・
・・無効電力検出回路、２４・・・誤差増幅器、２４ａ
・・・出力信号、２５・・・切替スイッチ、２５ａ、２
５ｂ・・・偏差、２６・・・電圧制御回路、２７・・・
スイッチ、３１・・・有効電力基準、３２・・・有効電
力検出回路、３３・・・誤差増幅器、３４・・・ＰＬＬ
回路、３５・・・分周器、３６・・・スイッチ、４ノ・
・・直流電圧検圧回路、４１ａ・・・出力信号、４２・
・・演算回路、ｆ２ａ、４３ａ・・・出力信号、４３・
・・制御角設定回路、４４・・・切替スイッチ、４５・
・・アナログ記憶回路、４５ａ・・・出力信号、８１〜
８４・・・スイッチ、８５・・・負荷、９１゜９２・・
・端子、４２１・・・除算回路、４２２・・・基準値、
４２３・・・比較器。 （７３１７）代理人　弁理士　則　近　憲　佑　（ほか
１名）第３図 詩閉 第４図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 起動と同時に徐々に直流電圧が立ち上がる特性を示す直
   流電源の出力を交流に変換する自励式電力変換装置が開
   閉器を介して、他の交流電源に接続される電力変換シス
   テムにおいて、前記自励式電力変換装置の起動前に前記
   開閉器を投入し、前記直流電源および自励式電力変換装
   置と他の交流電源をあらかじめ接続し、前記自励式電力
   変換装置のゲートをブロックしておき、前記交流電源の
   交流電圧と前記直流電源の直流電圧との比が所定の範囲
   内に達したことにより前記自励式電力変換装置を所定の
   制御角でゲートをデブロックし、前記自励式電力変換装
   置を起動させることを特徴とする自励式電力変換装置の
   起動方式。