JPWO2015029597A1

JPWO2015029597A1 - 電力変換装置

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Publication number: JPWO2015029597A1
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Inventors: 奥田　達也; 達也奥田; 喜久夫泉; 貴洋嘉藤
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Abstract

直流電源（１）から供給される直流電力を交流電力に変換する電力変換回路（２０）と、電力系統（５）から解列した状態で交流電圧源として自立運転用電力を発生するように電力変換回路（２０）の動作を制御する電力変換制御部（２３）とを備え、電力変換制御部（２３）は、交流電圧を制御する交流電圧制御部（３１）と、交流電流を所定の電流制限値（Ｉｌｉｍ）以下に制限する交流電流抑制部（３２）と、電力変換回路（２０）の直流電圧が低下した場合にはこれに応じて交流電流抑制部（３２）に与える電流制限値（Ｉｌｉｍ）を小さくする直流電圧不足抑制部（３３）とを備えている。

Description

この発明は、自立運転機能付きの電力変換装置に関するものである。

従来の電力変換装置では、インバータから取り出される電流を直接または間接的に検知する電流検知部と、この電流検知部で検知された電流が設定値よりも高いとき、インバータの出力電流を低下させるための電流抑制部とを設け、電源系統からの電力供給が途絶えた場合のような自立運転時において、突入電流が発生し易い掃除機などや遅れ負荷が接続されている場合であっても運転可能となるようにしたものが提案されている（例えば、下記の特許文献１参照）。

また、別の従来の電力変換装置では、インバ―タの電流を検出する電流検出手段の出力が所定の値を超えて過電流となったことを検出する比較手段と、この比較手段による過電流の検出に応答してインバ―タの出力電流を絞る過電流制御手段と、前記比較手段による過電流の検出に応答して電力系統から負荷に給電する半導体スイッチを導通状態へ切換える手段とを備えることで、変換装置が過負荷となった場合でも不足電力を電力系統から供給することで、出力電圧の一周期以内の短時間の過電流に対して変換装置を故障、保護停止させることなく、かつ出力電圧の低下や瞬断のない負荷給電を継続することができる無停電電源装置を構成している（例えば、下記の特許文献２参照）。

特開２００９−１３１０５６号公報特許第３４７３９２４号公報

特許文献１に記載の先行例では、電流抑制部の電流抑制値が高く設定されていると、発電要素や電力変換装置の定格出力以上の負荷が接続された場合にはインバータの出力電流を低下させる効果が小さくて過放電状態となり、動作継続ができなかった。これとは逆に、電流抑制値が低く設定されていると、インバータの出力電流を低下させる効果が大きくなり過ぎて出力可能電力が過剰に制限されるだけでなく、突入電流が発生し易い掃除機等が使用される場合、電流抑制部が動作継続することで、モータが回転せずにロックされた状態のまま大きな電流が流れ続ける、いわゆるモータストール状態が発生し、モータが焼損する恐れがあった。

さらに、特許文献１の場合、電力変換装置への供給電力として、太陽電池のように発電電力が大きく変化するような発電要素を用いる場合には、電流抑制値の設定が困難であり、動作継続能力と出力可能電力とを両立させることが極めて難しかった。

また、特許文献２に記載の先行例では、過電流が検出された場合、負荷に対する不足電力を電力系統から供給することを前提としているので、電力系統が停電中のために自立運転が必要となる場合には運転継続ができなかった。また、モータのような負荷が接続された場合、電流制限回路で過電流が検出されない状態で電力供給が継続することでモータストール状態が継続し、モータが焼損する恐れがあった。

この発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、自立運転可能な機能を備えた電力変換装置を前提として、不要な動作停止を最小限に抑えつつ、過放電状態の継続を抑制できて、擾乱に対する耐量の高い電力変換装置を提供することを目的とする。

この発明に係る電力変換装置は、直流電源から供給される直流電力を交流電力に変換する電力変換回路と、電力系統から解列した状態で交流電圧源として自立運転用電力を発生するように上記電力変換回路の動作を制御する電力変換制御部とを備え、
上記電力変換回路は、上記直流電源の直流電圧を直流リンク電圧に変換する直流−直流電力変換回路と、上記直流リンク電圧を交流電圧に変換する直流−交流電力変換回路とを備え、
上記電力変換制御部は、上記直流−交流電力変換回路の上記交流電圧を制御する交流電圧制御部と、上記直流−交流電力変換回路の交流電流を予め設定された電流制限値以下に制限する交流電流抑制部と、上記電力変換回路の上記直流リンク電圧が低下した場合にはこれに応じて上記交流電流抑制部に与える上記電流制限値を小さくする直流電圧不足抑制部と、を備えている。

この発明によれば、過負荷状態が継続して直流電圧が所定値以下になるような場合、直流電圧不足抑制部は、交流電流抑制部に与える電流制限値を下げるので、これに応じて交流電流抑制部は、負荷への供給電流を制限する。これにより、負荷への供給電力は低下するが、蓄電池の出力しうる最大電力を負荷に継続して供給することができるとともに、過放電状態の継続が抑制されるので直流電圧低下による電力変換装置の不要な動作停止を回避することができる。

また、突入電流による短時間の負荷電力増加時において、突入電流が上記の電流制限値以下の場合は交流電流抑制部は動作しないので、電圧変動のない交流電圧を負荷に供給することができる一方、突入電流が上記の電流制限値以上となる場合は、電力変換回路を保護すべく交流電流抑制部が動作して負荷への供給電流を制限することで、直流電圧低下による装置停止を回避する。これにより、擾乱に対する耐量の高い電力変換装置を提供することが可能となる。

この発明の実施の形態１における電力変換装置を示すブロック図である。この発明の実施の形態１における直流電圧制御部の制御ブロック図である。この発明の実施の形態１における交流電圧制御部と交流電流抑制部の制御ブロック図である。この発明の実施の形態１における直流電圧不足抑制部の制御ブロック図である。この発明の実施の形態１における電力変換装置の動作説明に供するタイムチャートである。この発明の実施の形態２における電力変換装置の直流電圧不足抑制部の制御ブロック図である。この発明の実施の形態２における電力変換装置の動作説明に供するタイムチャートである。この発明の実施の形態３における電力変換装置の交流電圧制御部と交流電流抑制部の制御ブロック図である。この発明の実施の形態３における電力変換装置の交流電圧制御部と交流電流抑制部の変形例を示す制御ブロック図である。この発明の実施の形態４における電力変換装置の交流電圧制御部と交流電流抑制部の制御ブロック図である。この発明の実施の形態４における電力変換装置の交流電圧制御部と交流電流抑制部の変形例を示す制御ブロック図である。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１における電力変換装置を示すブロック図である。

この実施の形態１における電力変換装置２は、直流−直流電力変換回路（以下、ＤＣ／ＤＣ変換回路と呼ぶ）２１及び直流−交流電力変換回路（以下、ＤＣ／ＡＣ変換回路）２２からなる電力変換回路２０と、この電力変換回路２０の動作を制御する電力変換制御部２３と、電力変換回路２０を保護するための保護回路２４と、開閉器２５と、交流電圧を検出する電圧検出回路としての電圧センサ２０１、２０２と、ＤＣ／ＤＣ変換回路２１とＤＣ／ＡＣ変換回路２２の共通の直流電圧（以下、直流リンク電圧と称する）を検出する電圧検出回路としての電圧センサ２０３と、交流電流を検出する電流検出回路としての電流センサ２１１と、直流電流を検出するための電流検出回路としての電流センサ２１２とを備えている。そして、電力変換装置２の直流側には直流電源としての蓄電池１が接続され、交流側には負荷３が接続されるとともに、負荷３にはスイッチ４を介して電力系統５が接続されている。

ここに、電力変換装置２は、電力系統５の交流電力を直流電力に変換して蓄電池１を充電する機能と、蓄電池１の直流電力を交流電力に変換して負荷３または電力系統５に供給する機能を備えている。

電力系統５が正常な場合は、スイッチ４は閉路しており、電力系統５から負荷３に電力供給される。電力変換装置２は連系運転モードで動作し、電力系統５の交流電圧に同期して電流制御運転される。そして、蓄電池１を放電する場合には蓄電池１の直流電力を交流電力に変換して負荷３に電力供給を行い、蓄電池１を充電する場合は電力系統５の交流電力を直流電力に変換して蓄電池１に電力供給を行う。

一方、電力系統５が停電した場合には、スイッチ４は開路し、電力変換装置２及び負荷３は電力系統５から切り離される。そして、手動操作又はシーケンス制御等の自動操作により、電力変換装置２に自立運転モード指令が入力されると、これに応じて電力変換装置２は電圧制御運転で動作し、蓄電池１の直流電力を交流電力に変換して負荷３に交流電力を供給する。

したがって、上記の電力変換制御部２３は、電力系統５から解列した状態で交流電圧源として自立運転用電力を発生させる指令を出力する機能を有しており、ＤＣ／ＤＣ変換回路２１の直流出力電圧を制御する直流電圧制御部３０、ＤＣ／ＡＣ変換回路２２の交流電圧を制御する交流電圧制御部３１、ＤＣ／ＡＣ変換回路２２の交流電流を所定の電流制限値以下に制限する交流電流抑制部３２、および電力変換回路２０の直流リンク電圧が低下した場合にはこれに応じて交流電流抑制部３２に与える電流制限値を小さくする直流電圧不足抑制部３３を備えている。

以下、上記の直流電圧制御部３０、交流電圧制御部３１、交流電流抑制部３２、直流電圧不足抑制部３３の詳細について説明する。

図２は、直流電圧制御部３０の制御ブロック図である。
この直流電圧制御部３０は、減算器３０ａと直流電圧制御回路３０ｂとからなる直流電圧制御器、および減算器３０ｃと直流電流制御回路３０ｄとからなる直流電流制御器とを備えている。

上記直流電圧制御器は、電圧センサ２０３により直流リンク電圧を検出し、その直流リンク電圧検出値Ｖｄｃと予め設定された直流リンク電圧指令値Ｖｄｃ＊との差を減算器３０ａで算出する。次いで、直流電圧制御回路３０ｂで直流リンク電圧検出値Ｖｄｃと直流リンク電圧指令値Ｖｄｃ＊の差が無くなるように、つまり直流リンク電圧検出値Ｖｄｃが直流リンク電圧指令値Ｖｄｃ＊に一致するように例えば比例積分制御などの一般的なフィードバック制御を行い、蓄電池１の充放電電流指令値Ｉｄｃ＊を生成する。

また、上記直流電流制御器は、電流センサ２１２により蓄電池１の充放電電流を検出し、その充放電電流検出値Ｉｄｃと充放電電流指令値Ｉｄｃ＊との差を減算器３０ｃで算出する。次いで、直流電流制御回路３０ｄで充放電電流検出値Ｉｄｃと充放電電流指令値Ｉｄｃ＊の差が無くなるように、つまり充放電電流検出値Ｉｄが充放電電流指令値Ｉｄｃ＊に一致するように例えば比例積分制御などの一般的なフィードバック制御を行い、ＤＣ／ＤＣ変換回路２１の駆動信号Ｓ２１を生成する。なお、直流電流制御回路３０ｄには、蓄電池１が許容できる最大充放電電流Ｉｄｃｍａｘ以下に制限するために電流リミッタが設けられている。

電力系統５の停電時、負荷３の消費電力が蓄電池１の最大放電電力以下であれば、直流リンク電圧はＤＣ／ＤＣ変換回路２１によって所定の値（直流リンク電圧指令値Ｖｄｃ＊）に維持されるが、蓄電池１の最大放電電力以上となった場合（すなわち直流電流制御回路３０ｄの電流リミッタにより蓄電池１の放電電流が制限される場合）には、直流リンク電圧は低下することになる。

図３は、交流電圧制御部３１と交流電流抑制部３２の制御ブロック図である。

交流電圧制御部３１は、電圧センサ２０２によりＤＣ／ＡＣ変換回路２２が出力する交流電圧を検出し、その交流電圧検出値Ｖａｃから実効値計算器３１ａで実効値演算を行い、これにより得られた実効値と予め設定された電圧実効値指令値Ｖｅ＊との差を減算器３１ｃで算出する。次いで、電圧制御器３１ｄ、加算器３１ｅ、√２乗器３１ｆ、電圧位相生成器３１ｂ、および乗算器３１ｇによって、交流電圧の実効値と電圧実効値指令値Ｖｅ＊との差が無くなるように、つまり実効値が電圧実効値指令値Ｖｅ＊に一致するように例えば比例積分制御などの一般的なフィードバック制御、およびフィードフォワード制御を行い、交流電圧指令信号Ｖ１を生成する。

一方、交流電流抑制部３２は、電流センサ２１１により電力変換装置２のＤＣ／ＡＣ変換回路２２が出力する交流電流を検出し、この交流電流検出値Ｉａｃと後述の直流電圧不足抑制部３３から与えられる所定の電流制限値Ｉｌｉｍとの差を減算器３２ａで算出する。次いで、電流制限制御器３２ｂで交流電流検出値Ｉａｃが電流制限値Ｉｌｉｍを超えないように例えば比例積分制御などの一般的なフィードバック制御を行い、電圧補正信号Ｖ２を生成する。続いて、上記の交流電圧制御部３１からの交流電圧指令信号Ｖ１からこの電圧補正信号Ｖ２を減算器３２ｃで減算することで、ＤＣ／ＡＣ変換回路２２に対する交流電圧指令値Ｖｒｅｆ（＝Ｖ１−Ｖ２）を生成する。なお、交流電圧指令信号Ｖ１、電圧補正信号Ｖ２は、請求の範囲（請求項５）における各指令値に対応している。

こうして得られた交流電圧指令値Ｖｒｅｆは、次段のＰＷＭ（ＰｕｌｓｅＷｉｄｔｈＭｏｄｕｒａｔｉｏｎ）回路３８に与えられる。ＰＷＭ回路３８は、交流電圧指令値Ｖｒｅｆをパルス幅変調し、必要に応じて図示していないデッドタイム補正を行ってＤＣ／ＡＣ変換回路２２の駆動信号Ｓ２２を生成する。ＤＣ／ＡＣ変換回路２２は、この駆動信号Ｓ２２に応じたスイッチング動作を行うことで交流電圧を発生する。

なお、交流電流抑制部３２は、交流電流検出値Ｉａｃの絶対値が電流制限値Ｉｌｉｍを超えたときのみ立ち上がり、ＤＣ／ＡＣ変換回路２２から出力される交流電流を制限することで交流電圧指令信号Ｖ１の振幅を低減させるように働くものであり、交流電流検出値Ｉａｃが電流制限値Ｉｌｉｍ以下の場合は原則動作しない。

また、交流電流抑制部３２が動作する期間中、交流電圧指令信号Ｖ１の振幅が瞬間的に低下するが、交流電圧制御部３１により電圧実効値は所望の値（電圧実効値指令値Ｖｅ＊）に維持される。

図４は、直流電圧不足抑制部３３の制御ブロック図である。
直流電圧不足抑制部３３は、電圧センサ２０３により直流リンク電圧を検出し、その直流リンク電圧検出値Ｖｄｃと予め設定された直流電圧閾値Ｖｄｃｓｈとの差を減算器３３ａで算出する。次いで、不足電圧抑制制御器３３ｂで直流リンク電圧検出値Ｖｄｃと直流電圧閾値Ｖｄｃｓｈの差が無くなるように、つまり直流リンク電圧検出値Ｖｄｃが直流電圧閾値Ｖｄｃｓｈ以下にならないように例えば比例積分制御などの一般的なフィードバック制御を行い、電流補正信号Ｉｌｉｍ２を演算する。そして、予め設定された交流電流上限値Ｉｌｉｍ１からこの電流補正信号Ｉｌｉｍ２を減算器３３ｃで減算することで電流制限値Ｉｌｉｍ（＝Ｉｌｉｍ１−Ｉｌｉｍ２）を生成する。

ここで、交流電流上限値Ｉｌｉｍ１は、ＤＣ／ＡＣ変換回路２２から出力される交流電流の上限値であり、電力変換装置２を保護するための固定値に設定される。また、所定の直流電圧閾値Ｖｄｃｓｈは、直流電圧不足抑制部３３が動作を開始するための電圧であり、前述の直流電圧制御部３０に予め設定される直流リンク電圧指令値Ｖｄｃ＊（図２参照）よりも小さな値に設定される。

このように、直流電圧不足抑制部３３は、直流リンク電圧検出値Ｖｄｃが所定の直流電圧閾値Ｖｄｃｓｈよりも低下した時のみ動作、すなわち、負荷３の消費電力が蓄電池１の最大放電電力以上となった場合のみ動作し、電流制限値Ｉｌｉｍを低減することで、交流電流抑制部３２によって負荷３へ供給される交流電流を制限するように動作するものであり、負荷３の消費電力が蓄電池１の最大放電電力以下の場合は原則動作しない。

次に、上記の交流電流抑制部３２と直流電圧不足抑制部３３とによる相互の関連制御動作について説明する。

短時間だけ過大電流が流れるような負荷３が接続された場合、突入電流が発生する可能性がある。しかし、この場合、直流リンク電圧検出値Ｖｄｃが直流電圧閾値Ｖｄｃｓｈ以下にならない程度の短時間であれば、直流電圧不足抑制部３３は動作せず、電流制限値Ｉｌｉｍは交流電流上限値Ｉｌｉｍ１と等しくなる（Ｉｌｉｍ＝Ｉｌｉｍ１）。この場合、突入電流が電流制限値Ｉｌｉｍ以下であれば、交流電流抑制部３２も動作しないので、電圧変動のない交流電圧を負荷３に供給することが可能となる。また、突入電流が電流制限値Ｉｌｉｍ以上となる場合は、電力変換装置２を保護すべく交流電流抑制部３２が動作し、負荷への供給電流を電流制限値Ｉｌｉｍ（＝Ｉｌｉｍ１）に制限する。

これに対して、比較的長い時間に渡って過大電流が流れるような負荷３が接続された場合、直流リンク電圧検出値Ｖｄｃが直流電圧閾値Ｖｄｃｓｈ以下に低下するため、直流電圧不足抑制部３３が動作して電流制限値Ｉｌｉｍを低減する。このとき、交流電流検出値Ｉａｃが電流制限値Ｉｌｉｍを越えている場合には、交流電流抑制部３２が動作して交流電圧指令値Ｖｒｅｆを下げることで交流出力電流を制限する。その結果、電流制限値Ｉｌｉｍは直流リンク電圧検出値Ｖｄｃが直流電圧閾値Ｖｄｃｓｈに維持できる値、すなわち、負荷３への供給電力と蓄電池１の最大放電電力がほぼ同じ値となるまで低下する。これにより、負荷３への供給電力は低下するが、蓄電池１の出力しうる最大電力を負荷３に継続して供給することが可能となる。

また、蓄電池１のＳＯＣ（ＳｔａｔｅＯｆＣｈａｒｇｅ）低下や、蓄電池１の温度上昇により蓄電池１が許容できる最大充放電電流Ｉｄｃｍａｘが低下すると、直流電圧制御部３０の直流電流制御回路３０ｄによるリミッタ動作により、蓄電池１の放電電流が低下する。これに伴い、ＤＣ／ＤＣ変換回路２１からＤＣ／ＡＣ変換回路２２へ流入する電力は低下する。このような場合、直流リンク電圧検出値Ｖｄｃも低下するので、これに応じて直流電圧不足抑制部３３によって電流制限値Ｉｌｉｍが低減されるため、負荷３への供給電力が小さくなり、直流リンク電圧は一定値を維持する。その結果、ＤＣ／ＡＣ変換回路２２から出力される交流電圧は低下するが、蓄電池１の最大充放電電流Ｉｄｃｍａｘで動作継続することが可能となる。
このように、この実施の形態１では蓄電池１の最大充放電電流Ｉｄｃｍａｘが急変した場合でも動作継続可能である。

次に、保護回路２４について説明する。
保護回路２４は、電力変換回路２０の破損を防止するために、電力変換回路２０の電圧、電流、温度等を検出して過負荷や過電圧などの異常時に電力変換回路２０の動作を停止する保護機能を備えるだけでなく、負荷３の破損を防止するための負荷保護機能も備えている。以下、ここでは保護回路２４の特に負荷保護機能の動作について説明する。

掃除機やコンプレッサ等のモータ負荷や、コンデンサインプット型の非線形負荷には、起動時に定格電流の数倍以上の突入電流が流れるものがある。これらの負荷３の突入電流が電流制限値Ｉｌｉｍ以上となる場合は、交流電流抑制部３２によりＤＣ／ＡＣ変換回路２２から出力される交流電流は電流制限値Ｉｌｉｍに制限される。このとき、負荷３がモータの場合を例にとれば、電流制限値Ｉｌｉｍがモータ起動に必要な電流以下に設定されていると、モータは起動されずにロックされた状態のまま過電流が流れ続けることになる。その結果、モータストール状態が発生し、モータが焼損する恐れがある。

このようなモータ焼損を防止するため、保護回路２４は、交流電流抑制部３２が交流電流を上記電流制限値Ｉｌｉｍ以下に制限する動作を予め設定した所定時間以上にわたって継続した場合、換言すれば交流電流抑制部３２が電圧補正信号Ｖ２を所定時間以上にわたって出力し続けた場合に、負荷３が過負荷状態であると判定し、電力変換回路２０の動作を停止する。この保護回路２４の負荷保護機能により、負荷３としてモータが接続された場合においても、モータストール継続による負荷３の焼損を回避することが可能となり、信頼性の高い電力変換装置を構成することができる。

保護回路２４による負荷保護機能の判定条件として、上記の説明では交流電流抑制部３２が予め設定された所定時間以上にわたって動作を継続した場合としたが、これに限らない。例えば電圧センサ２０２で検出した交流電圧検出値Ｖａｃに基づいて得られる交流電圧実効値が予め設定した所定の閾値電圧以下となる状態が所定時間以上にわたって継続した場合を過負荷保護機能の判定条件としてもよい。また、交流電圧制御部３１が生成する交流電圧指令値Ｖｒｅｆと、電圧センサ２０２により検出した交流電圧検出値Ｖａｃに基づく交流電圧瞬時値との差電圧が予め設定した所定の閾値電圧以上となる状態が所定時間以上にわたって継続した場合を過負荷保護機能の判定条件としてもよい。

このように、保護回路２４の負荷保護機能により、モータストール継続等により突入電流が継続する場合には、電力変換回路２０の動作が停止されるので、負荷３の焼損を回避することが可能となり、信頼性の高い電力変換装置２を構成することができる。

図５は、この発明の実施の形態１による電力変換装置の動作説明に供するタイムチャートである。なお、ここでは負荷３として、起動時に突入電流が流れるコンデンサインプット型の非線形負荷あるいはモータ負荷が接続されている場合について説明する。

時刻ＴＡにおいて負荷３が起動すると、負荷３の定格電流以上の突入電流が流れる。この発明の実施の形態によれば、交流電流上限値Ｉｌｉｍ１は比較的大きな値に設定できるので、短時間の突入電流に対する電流制限はかかりにくく、交流電圧の歪みなく負荷３に電流を供給する。

時刻ＴＢにおいて負荷３の消費電力が蓄電池１の最大放電電力以上に増加すると、直流リンク電圧検出値Ｖｄｃが直流電圧閾値Ｖｄｃｓｈまで低下し、交流電流抑制部３２によりＤＣ／ＡＣ変換回路２２から出力される交流電流が制限される。その結果、交流電圧振幅は低下するが、蓄電池１の最大放電電力で動作継続する。

時刻ＴＣにおいて負荷３の消費電力が更に増加すると、交流電流抑制部３２によってＤＣ／ＡＣ変換回路２２から出力される交流電流が制限されるので、交流電圧振幅が更に低下する。交流電圧振幅が負荷３の許容動作電圧範囲以下となると、負荷３が正常に動作できなるくなる恐れがある。そのため、この例では電圧センサ２０２で検出した交流電圧検出値Ｖａｃに基づいて得られる交流電圧実効値が予め設定した実効値閾値電圧以下となる状態が所定時間Ｔｏ以上にわたって継続して時刻ＴＤに到達した際に、保護回路２４が作動して電力変換回路２０の動作を停止する。

以上のように、この実施の形態１によれば、電力変換制御部２３は、交流電圧を制御する交流電圧制御部３１と、交流電流を予め設定された電流制限値Ｉｌｉｍ以下に抑制する交流電流抑制部３２と、電力変換回路２０の直流電圧が低下した場合にはこれに応じて交流電流抑制部３２に与える上記電流制限値Ｉｌｉｍを小さくする直流電圧不足抑制部３３とを備え、直流電圧不足抑制部３３は、直流リンク電圧検出値Ｖｄｃが予め設定された直流電圧閾値Ｖｄｃｓｈ以下になる場合に電流制限値Ｉｌｉｍを下げることで、過負荷時の直流電圧低下による装置停止を回避しつつ、突入電流の大きな負荷３にも電力供給することが可能となる。

また、保護回路２４は、電力変換回路２０の破損防止のための保護機能だけでなく、交流電流抑制部３２による交流電流抑制制御が所定時間継続した場合には電力変換回路２０の動作を停止する時限要素を備えた負荷保護機能を備えているので、モータストール継続等の理由で過電流が継続する場合には、電力変換回路２０の動作を停止することで、負荷３の焼損を回避することができる。

なお、この実施の形態１では、直流電源として蓄電池１が接続された場合について説明したが、これに限らず、太陽電池や風力発電等の自然エネルギーを利用した直流電源や、交流電力をダイオード整流回路やＰＦＣ（ＰｏｗｅｒＦａｃｔｏｒＣｏｒｒｅｃｔｉｏｎ）回路、高力率コンバータ等で直流化した直流電源であってもよい。また、直流電圧制御部３０は図２に示した構成に限らず、減算器３０ａと直流電圧制御回路３０ｂとからなる直流電圧制御器のみで構成したものであってもよい。

実施の形態２．
図６は、この発明の実施の形態２における直流電圧不足抑制部の制御ブロック図であり、図４に示した実施の形態１における直流電圧不足抑制部と対応もしくは相当する構成部分には同一の符号を付す。

この実施の形態２において、先の実施の形態１との相違点は、直流電圧不足抑制部３３による電流制限値Ｉｌｉｍの生成方法が異なる点である。その他の電力変換装置２の構成は実施の形態１と同じであるから、ここでは詳しい説明は省略する。

実施の形態２の直流電圧不足抑制部３３は、実施の形態１の場合と同様、直流リンク電圧検出値Ｖｄｃが所定の直流電圧閾値Ｖｄｃｓｈよりも低下した時のみ動作するものである。すなわち、直流電圧不足抑制部３３は、電圧センサ２０３により直流リンク電圧を検出し、その直流リンク電圧検出値Ｖｄｃと予め設定された直流電圧閾値Ｖｄｃｓｈとの差を減算器３３ａで算出する。次に、不足電圧抑制制御器３３ｂで直流リンク電圧検出値Ｖｄｃが直流電圧閾値Ｖｄｃｓｈ以下にならないように例えば比例積分制御などの一般的なフィードバック制御を行い、電流補正信号Ｉｌｉｍ２を演算する。そして、予め設定された交流電流上限値Ｉｌｉｍ１からこの電流補正信号Ｉｌｉｍ２を減算器３３ｃで減算することでピーク電流制限値Ｉｌｉｍ３（＝Ｉｌｉｍ１−Ｉｌｉｍ２）を生成する。なお、この場合の交流電流上限値Ｉｌｉｍ１や直流電圧閾値Ｖｄｃｓｈの制約についても実施の形態１の場合と同じである。

続いて、直流電圧不足抑制部３３は、乗算器３３ｅによりピーク電流制限値Ｉｌｉｍ３に対して、電圧位相生成器３３ｄで得られる交流電圧指令値Ｖｒｅｆに同期した正弦波信号ｓｉｎθを乗算し、その乗算した値を電流制限値Ｉｌｉｍ（＝Ｉｌｉｍ３×ｓｉｎθ）として出力する。次いで、リミッタ３３ｆによりこの電流制限値Ｉｌｉｍの絶対値の大きさが所定の値Δ以下まで低下しないように制限する。したがって、この場合の電流制限値Ｉｌｉｍは、実施の形態１のような固定値ではなく、交流電圧指令値Ｖｒｅｆに同期したリミッタ付き正弦波波形となる。

図７は、この発明の実施の形態２による電力変換装置２の動作説明に供するタイムチャートである。
この場合の基本動作は先の実施の形態１と同じであるが、電流制限値Ｉｌｉｍが固定値ではなく、上述のように交流電圧指令値Ｖｒｅｆに同期し、かつその絶対値の大きさが所定の値Δ以下まで低下しないように制限されたリミッタ付き正弦波波形となっている。

このような構成とすることで、コンデンサインプット型の非線形負荷がコンデンサ初期電圧ゼロで起動した場合でも、電力変換回路２０のＤＣ／ＡＣ変換回路２２が出力する交流電流の抑制を迅速に行うことが可能となるため、ソフトスタートのように滑らかに起動することができる。

また、電力変換装置２が出力する有効電力よりも無効電力を積極的に制限することが可能となるため、無効電力出力による有効電力出力低下を最小限に抑えることができ、電力変換装置２の定格容量を最大限に利用することが可能となる。

実施の形態３．
図８は、この発明の実施の形態３における交流電圧制御部と交流電流抑制部の制御ブロック図であり、図３に示した実施の形態１における交流電圧制御部と交流電流抑制部に対応もしくは相当する構成部分には同一の符号を付す。

この実施の形態３において、先の実施の形態１との相違点は、交流電圧制御部３１が電圧実効値を制御するのではなく、瞬時電圧を制御する点である。その他の電力変換装置２の構成は実施の形態１と同じであるから、ここでは詳しい説明は省略する。

交流電圧制御部３１は、電圧センサ２０２により電力変換装置２のＤＣ／ＡＣ変換回路２２が出力する交流電圧を検出し、その交流電圧検出値Ｖａｃと予め設定された交流瞬時電圧指令値Ｖｉ＊との差を減算器３１ｃで算出する。次いで、電圧制御器３１ｄ、加算器３１ｅによって、交流電圧検出値Ｖａｃと交流瞬時電圧指令値Ｖｉ＊との差が無くなるように、つまり交流電圧検出値Ｖａｃが交流瞬時電圧指令値Ｖｉ＊に一致するように例えば比例積分制御などの一般的なフィードバック制御、およびフィードフォワード制御を行い、交流電圧指令信号Ｖ１１を生成する。

一方、交流電流抑制部３２は、実施の形態１の場合と同様、交流電流検出値Ｉａｃの絶対値が電流制限値Ｉｌｉｍを超えたときのみ立ち上がり、ＤＣ／ＡＣ変換回路２２から出力される交流電流を制限することで交流電圧指令信号Ｖ１１の振幅を低減させるように働くものである。すなわち、交流電流抑制部３２は、電流センサ２１１により電力変換装置２のＤＣ／ＡＣ変換回路２２が出力する交流電流を検出し、この交流電流検出値Ｉａｃと直流電圧不足抑制部３３から与えられる電流制限値Ｉｌｉｍとの差を減算器３２ａで算出する。次に、電流制限制御器３２ｂで交流電流検出値Ｉａｃが電流制限値Ｉｌｉｍを超えないように例えば比例積分制御などの一般的なフィードバック制御により電圧補正信号Ｖ２を生成する。続いて、上記の交流電圧制御部３１からの交流電圧指令信号Ｖ１１からこの電圧補正信号Ｖ２を減算器３２ｃで減算することで、ＤＣ／ＡＣ変換回路２２に対する交流電圧指令値Ｖｒｅｆ（＝Ｖ１１−Ｖ２）を生成する。

この実施の形態３において、交流電圧制御部３１は、上記のように電圧実効値を制御するのではなく、瞬時電圧を制御するようにしている。そのため、交流電圧制御部３１からの交流電圧指令信号Ｖ１１を交流電流抑制部３２からの電圧補正信号Ｖ２で確実に補正する上で、交流電流抑制部３２のフィードバック制御応答は、交流電圧制御部３１のフィードバック制御応答よりも十分速くなるように設定する。そのためには、例えば交流電流抑制部３２を構成する電流制限制御器３２ｂの積分時定数を、交流電圧制御部３１を構成する電圧制御器３１ｄの積分時定数よりも小さく設定することで対処することができる。

このようにすることで、通常時は所定の交流電圧を負荷３に印加しつつ、過負荷時の過電流を抑制することが可能となり、過負荷耐量の高い電力変換装置２を構成することができる。

図９は、この発明の実施の形態３における交流電圧制御部と交流電流抑制部の変形例を示す制御ブロック図であり、図８に示した交流電圧制御部と交流電流抑制部に対応もしくは相当する構成部分には同一の符号を付す。

図９において、図８に示した構成との相違点は、交流電圧制御部３１に電流制限判定器３１ｈが追加され、この電流制限判定器３１ｈに交流電流抑制部３２から出力される電圧補正信号Ｖ２が入力されるようになっている点である。その他の交流電圧制御部３１および交流電流抑制部３２の構成は図８の場合と同じであるから、ここでは詳しい説明は省略する。

ここで、電流制限判定器３１ｈは、交流電流抑制部３２からの電圧補正信号Ｖ２が入力されているか否か、すなわち交流電流抑制部３２の動作、非動作を判定し、交流電流抑制部３２が動作して電流制限をしている間は、交流電圧制御部３１の電圧制御器３１ｄにおける積分ゲインを低下させたり、又はゼロにして積分制御を停止する。

これにより、交流電圧制御部３１が瞬時電圧を制御する場合において、交流電流抑制部３２が動作している間に、交流電圧制御部３１のフィードバック制御の積分動作により交流電圧指令信号Ｖ１１が徒に増加して制御オーバーフローやハンチングが発生するなどの不具合を防止することができるため、交流電流抑制部３２の電流抑制動作が終了した直後に、交流電圧制御部３１による電圧振動を防止することができ、より安定した交流電圧を負荷３に出力することが可能となる。

実施の形態４．
図１０は、この発明の実施の形態４における交流電圧制御部３１と交流電流抑制部３２の制御ブロック図であり、図３に示した実施の形態１における交流電圧制御部と交流電流抑制部と対応もしくは相当する構成部分には同一の符号を付す。

この実施の形態４において、先の実施の形態１との相違点は、交流電圧制御部３１による交流電圧指令信号Ｖ１の生成方法が異なる点である。その他の電力変換装置２の構成は実施の形態１と同じであるから、ここでは詳しい説明は省略する。

交流電圧制御部３１は、電圧センサ２０２によりＤＣ／ＡＣ変換回路２２が出力する交流電圧を検出し、その交流電圧検出値Ｖａｃから実効値計算器３１ａで実効値演算を行い、これにより得られた実効値と予め設定された電圧実効値指令値Ｖｅ＊との差を減算器３１ｃで算出する。次いで、電圧制御器３１ｄ、加算器３１ｅ、√２乗器３１ｆ、電圧位相生成器３１ｂ、および乗算器３１ｇによって、交流電圧の実効値と電圧実効値指令値Ｖｅ＊との差が無くなるように、つまり交流電圧の実効値が電圧実効値指令値Ｖｅ＊に一致するように例えば比例積分制御などの一般的なフィードバック制御、およびフィードフォワード制御を行い、交流電圧指令信号Ｖ１の交流成分Ｖ１ａｃを生成する。

また、交流電圧制御部３１は、交流電圧検出値Ｖａｃから平均値計算器３１ｉで平均値演算を行い、これにより得られた平均値と予め設定された電圧平均指令値（図１０ではゼロ）との差を減算器３１ｊで算出し、電圧制御器３１ｋによって交流電圧平均値がゼロとなるように例えば比例積分制御などの一般的なフィードバック制御を行い、交流電圧指令信号Ｖ１の直流成分Ｖ１ｄｃを生成する。なお、ここで、上記の交流電圧検出値Ｖａｃの平均値計算器３１ｉ、減算器３１ｊ及び電圧制御器３１ｋは、請求の範囲の「直流分抑制部」に相当する。

そして、交流電圧制御部３１は、前記生成された交流電圧指令信号Ｖ１の交流成分Ｖ１ａｃと、交流電圧指令信号Ｖ１の直流成分Ｖ１ｄｃを加算器３１ｌによって加算して、交流電圧指令信号Ｖ１を生成する。なお、ここで、請求の範囲の「交流電圧指令値にオフセット電圧を加減算する」ことは、交流電圧指令信号Ｖ１の直流成分Ｖ１ｄｃを加算器３１ｌによって加算して交流電圧指令信号Ｖ１を生成することに相当する。

一方、交流電流抑制部３２は、実施の形態１の場合と同様、交流電流検出値Ｉａｃの絶対値が電流制限値Ｉｌｉｍを超えたときのみ立ち上がり、ＤＣ／ＡＣ変換回路２２から出力される交流電流を制限することで交流電圧指令信号Ｖ１の振幅を低減させるように働くものである。すなわち、交流電流抑制部３２は、電流センサ２１１により電力変換装置２のＤＣ／ＡＣ変換回路２２が出力する交流電流を検出し、この交流電流検出値Ｉａｃと直流電圧不足抑制部３３から与えられる電流制限値Ｉｌｉｍとの差を減算器３２ａで算出する。次いで、電流制限制御器３２ｂで交流電流検出値Ｉａｃが電流制限値Ｉｌｉｍを超えないように例えば比例積分制御などの一般的なフィードバック制御により電圧補正信号Ｖ２を生成する。続いて、上記の交流電圧制御部３１からの交流電圧指令信号Ｖ１からこの電圧補正信号Ｖ２を減算器３２ｃで減算することで、ＤＣ／ＡＣ変換回路２２に対する交流電圧指令値Ｖｒｅｆ（＝Ｖ１−Ｖ２）を生成する。

このように構成することで、電力変換装置２が出力する交流電圧に含まれる直流電圧成分を抑制することが可能となるため、負荷３として変圧器入力型の負荷が接続された場合でも、変圧器の偏磁による磁気飽和を防止することが可能となり、動作安定性の高い電力変換装置２を構成することができる。

図１１は、この発明の実施の形態４における交流電圧制御部と交流電流抑制部の変形例を示す制御ブロック図であり、図１０に示した交流電圧制御部と交流電流抑制部に対応もしくは相当する構成部分には同一の符号を付す。

交流電圧制御部３１は、電圧センサ２０２によりＤＣ／ＡＣ変換回路２２が出力する交流電圧を検出し、その交流電圧検出値Ｖａｃから実効値計算器３１ａで実効値演算を行い、これにより得られた実効値と予め設定された電圧実効値指令値Ｖｅ＊との差を減算器３１ｃで算出する。次いで、電圧制御器３１ｄ、加算器３１ｅによって、交流電圧実効値が電圧実効値指令値Ｖｅ＊に一致するように例えば比例積分制御などの一般的なフィードバック制御、およびフィードフォワード制御を行い、交流電圧指令信号Ｖ１の実効値成分Ｖ１ｒｍｓを生成する。

また、交流電圧制御部３１は、交流電圧検出値Ｖａｃから平均値計算器３１ｉで平均値演算を行い、これにより得られた平均値と予め設定された電圧平均指令値（図１１ではゼロ）との差を減算器３１ｊで算出し、電圧制御器３１ｋによって交流電圧平均値がゼロとなるように例えば比例積分制御などの一般的なフィードバック制御を行い、交流電圧指令信号Ｖ１の直流成分Ｖ１ｄｃを生成する。

交流電圧制御部３１のゲイン補正器３１ｍは、交流電圧指令信号Ｖ１の直流成分Ｖ１ｄｃに応じて交流電圧指令信号Ｖ１の実効値成分Ｖ１ｒｍｓに補正を行う。具体的には、交流電圧指令信号Ｖ１が正となる時の電圧実効値成分Ｖ１ｒｍｓＰと、交流電圧指令信号Ｖ１が負となる時の電圧実効値成分Ｖ１ｒｍｓＮに分割し、Ｖ１ｒｍｓＰとＶ１ｒｍｓＮが式（１）、式（２）となるように補正する。ここで、ｋは０より大きく１より小さい任意の係数である。

Ｖ１ｒｍｓＰ＝Ｖ１ｒｍｓ×（１＋ｋ）×Ｖ１ｄｃ・・・式（１）
Ｖ１ｒｍｓＮ＝Ｖ１ｒｍｓ×（１−ｋ）×Ｖ１ｄｃ・・・式（２）

次いで、√２乗器３１ｆ、電圧位相生成器３１ｂ、および乗算器３１ｇによって、交流電圧指令信号Ｖ１を生成する。

なお、ここで、請求の範囲の「交流電圧指令値が正の時に交流電圧実効値を計算する第一の電圧実効値演算器」は、式（１）のＶ１ｒｍｓＰ＝Ｖ１ｒｍｓ×（１＋ｋ）×Ｖ１ｄｃを演算する手段に、「交流電圧指令値が負の時に交流電圧実効値を計算する第二の電圧実効値演算手段」は、式（２）のＶ１ｒｍｓＮ＝Ｖ１ｒｍｓ×（１−ｋ）×Ｖ１ｄｃを演算する手段に、「第一の補正ゲイン」は（１＋ｋ）に、「第二の補正ゲイン」は（１−ｋ）に相当する。

このように構成することで、電力変換装置２が出力する交流電圧に含まれる直流電圧成分を抑制することが可能となるため、負荷３として変圧器入力型の負荷が接続された場合でも、変圧器の磁気飽和を防止することが可能となり、動作安定性の高い電力変換装置２を構成することができる。
また、電力変換装置２が出力する交流電圧がゼロとなる周期を一定に保つことができるため、負荷３として交流電圧がゼロとなる周期を検出する負荷が接続された場合でも、動作安定性の高い電力変換装置２を構成することができる。

なお、この発明は上記の実施の形態１〜４の各構成のみに限定されるものではなく、この発明の趣旨を逸脱しない範囲で各実施の形態１〜４の構成を組み合わせたり、各実施の形態１〜４について各種の変形を加えたり、構成を一部省略することができる。

この発明に係る電力変換装置は、直流電源から供給される直流電力を交流電力に変換する電力変換回路と、電力系統から解列した状態で交流電圧源として自立運転用電力を発生するように上記電力変換回路の動作を制御する電力変換制御部とを備え、
上記電力変換回路は、上記直流電源の直流電圧を直流リンク電圧に変換する直流−直流電力変換回路と、上記直流リンク電圧を交流電圧に変換する直流−交流電力変換回路とを備え、
上記電力変換制御部は、上記直流−交流電力変換回路の上記交流電圧を制御する交流電圧制御部と、上記直流−交流電力変換回路の交流電流を予め設定された電流制限値以下に制限する交流電流抑制部と、上記電力変換回路の上記直流リンク電圧が低下した場合にはこれに応じて上記交流電流抑制部に与える上記電流制限値を小さくする直流電圧不足抑制部と、を備え、
上記交流電流抑制部が交流電流を上記電流制限値以下に制限する動作を予め設定した時間以上にわたって継続した場合、上記電力変換回路から出力する交流電圧を検出する電圧検出回路により検出した交流電圧検出値に基づいて得られる交流電圧実効値が予め設定した閾値電圧以下となる状態が予め設定した時間以上にわたって継続した場合、上記交流電圧制御部が生成する交流電圧指令値と上記電力変換回路から出力する交流電圧を検出する電圧検出回路により検出した交流電圧検出値により得られる交流電圧瞬時値との差電圧が予め設定した閾値電圧以上となる状態が予め設定した時間以上にわたって継続した場合、の少なくとも一つの条件を満たすときには、上記電力変換回路の動作を停止する保護回路を備えている。
また、この発明に係る電力変換装置は、直流電源から供給される直流電力を交流電力に変換する電力変換回路と、電力系統から解列した状態で交流電圧源として自立運転用電力を発生するように上記電力変換回路の動作を制御する電力変換制御部とを備え、
上記電力変換回路は、上記直流電源の直流電圧を直流リンク電圧に変換する直流−直流電力変換回路と、上記直流リンク電圧を交流電圧に変換する直流−交流電力変換回路とを備え、
上記電力変換制御部は、上記直流−交流電力変換回路の上記交流電圧を制御する交流電圧制御部と、上記直流−交流電力変換回路の交流電流を予め設定された電流制限値以下に制限する交流電流抑制部と、上記電力変換回路の上記直流リンク電圧が低下した場合にはこれに応じて上記交流電流抑制部に与える上記電流制限値を小さくする直流電圧不足抑制部と、を備え、上記電流制限値は、上記交流電圧制御部が生成する交流電圧指令値に同期した周期内で変動させるものである。

Claims

直流電源から供給される直流電力を交流電力に変換する電力変換回路と、電力系統から解列した状態で交流電圧源として自立運転用電力を発生するように上記電力変換回路の動作を制御する電力変換制御部とを備え、
上記電力変換回路は、上記直流電源の直流電圧を直流リンク電圧に変換する直流−直流電力変換回路と、上記直流リンク電圧を交流電圧に変換する直流−交流電力変換回路とを備え、
上記電力変換制御部は、上記直流−交流電力変換回路の上記交流電圧を制御する交流電圧制御部と、上記直流−交流電力変換回路の交流電流を予め設定された電流制限値以下に制限する交流電流抑制部と、上記電力変換回路の上記直流リンク電圧が低下した場合にはこれに応じて上記交流電流抑制部に与える上記電流制限値を小さくする直流電圧不足抑制部と、を備える電力変換装置。
上記直流電圧不足抑制部は、上記電力変換回路の上記直流リンク電圧が予め設定された直流電圧閾値以下になった場合に動作する請求項１に記載の電力変換装置。
上記直流電圧不足抑制部は、上記電力変換回路の上記直流リンク電圧が予め設定された直流電圧閾値以下になった場合に、上記直流リンク電圧が上記直流電圧閾値となるように上記電流制限値を制御する請求項２に記載の電力変換装置。
上記電流制限値は、上記交流電圧制御部が生成する交流電圧指令値に同期した周期内で変動させる請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の電力変換装置。
上記交流電流抑制部は、上記電力変換回路から出力する交流電流を検出する電流検出回路により検出した交流電流検出値が上記直流電圧不足抑制部が算出する上記電流制限値以下にするための指令値を生成し、この指令値を上記交流電圧制御部が生成する指令値に対して加減算する請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の電力変換装置。
上記交流電圧制御部は、上記電力変換回路から出力する交流電圧を検出する電圧検出回路により検出した交流電圧検出値の実効値が、予め設定された電圧実効値になるように交流電圧指令値を生成する請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の電力変換装置。
上記交流電圧制御部は、上記電力変換回路から出力する交流電圧を検出する電圧検出回路により検出した交流電圧検出値が、予め設定された瞬時電圧値になるようにフィードバック制御により交流電圧指令値を生成する請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の電力変換装置。
上記交流電圧制御部は、上記交流電流抑制部が動作した場合には、上記フィードバック制御の積分ゲインを低下、または、ゼロにする請求項７に記載の電力変換装置。
上記交流電流抑制部が交流電流を上記電流制限値以下に制限する動作を予め設定した時間以上にわたって継続した場合、上記電力変換回路から出力する交流電圧を検出する電圧検出回路により検出した交流電圧検出値に基づいて得られる交流電圧実効値が予め設定した閾値電圧以下となる状態が予め設定した時間以上にわたって継続した場合、上記交流電圧制御部が生成する交流電圧指令値と上記電力変換回路から出力する交流電圧を検出する電圧検出回路により検出した交流電圧検出値により得られる交流電圧瞬時値との差電圧が予め設定した閾値電圧以上となる状態が予め設定した時間以上にわたって継続した場合、の少なくとも一つの条件を満たすときには、上記電力変換回路の動作を停止する保護回路を備えた請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の電力変換装置。
上記交流電圧制御部は、上記電力変換回路の交流出力電圧の平均値がゼロとなるように、交流電圧指令値を補正する直流分抑制部を備える請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の電力変換装置。
上記直流分抑制部は、上記電力変換回路の交流出力電圧の平均値がゼロとなるように、交流電圧指令値にオフセット電圧を加減算する請求項１０に記載の電力変換装置。
上記直流分抑制部は、上記交流電圧指令値が正の時に上記電力変換回路の交流電圧実効値を演算する第一の電圧実効値演算器と、上記交流電圧指令値が負の時に上記電力変換回路の交流電圧実効値を演算する第二の電圧実効値演算器と、上記交流電圧指令値が正の時に上記交流電圧指令値を補正する第一の補正ゲインと、上記交流電圧指令値が負の時に上記交流電圧指令値を補正する第二の補正ゲインを備え、上記電力変換回路の交流出力電圧の平均値がゼロとなるように、上記第一の補正ゲインと上記第二の補正ゲインを可変する請求項１０に記載の電力変換装置。