WO2006100918A1

WO2006100918A1 - 電力供給装置

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Publication number: WO2006100918A1
Application number: PCT/JP2006/304484
Authority: WO
Inventors: Nobuhiko Hatano
Original assignee: The Kansai Electric Power Co., Inc.
Priority date: 2005-03-24
Filing date: 2006-03-08
Publication date: 2006-09-28
Also published as: JPWO2006100918A1; JP4836938B2

Description

明細書

電力供給装置

技術分野

[0001] 本発明は、直流電圧を単相交流電圧に変換する単相インバータ回路を 3組用いることにより、 3相交流電圧を出力する電力供給装置に関するものである。

背景技術

[0002] 従来、 3相交流電圧を出力する電力供給装置として、例えば特許文献 1に示すように、直流電圧を単相交流電圧に変換する単相インバータ回路を 3組用いて構成するものがある。

[0003] この単相インバータ回路は、多重化変圧器を用いることなく直列接続が可能であるため、 3相 6. 6kV交流系統への適用など、高電圧を出力するための電力供給装置への適用に有効な手段である。

[0004] また、単相インバータ回路の直列数分のレベルの階段波形が得られ、正弦波に近い出力電圧波形を出力することができるので、 3相インバータ回路と比べて、電力系統用途のように特に高品質な出力電圧を要求される装置への適用にも有効な手段である。

[0005] ところが、上記のように、単相インバータ回路を 3組用いて 3相交流電圧を出力する電力供給装置は、直流電源もまた 3相個別に配置されるため、以下のような問題がある。

[0006] 例えば、継続時間が 1分程度以下の短時間停電や瞬時電圧低下 (以下、両者を併せて「短時間停電など」という。）の補償を目的としたシステム (以下、「短時間停電補償システム」という。）においては、直流電源には、例えばコンデンサのようなものを用いて、所定時間の停電補償を行うための最小限のエネルギのみを蓄積し、システムの低コストィ匕ゃ小型化を図ることが一般的である。

[0007] このような短時間停電補償システムに、前記 3組の単相インバータ回路力なる電力供給装置を用いた場合、例えば単相負荷を含む 3相負荷への短時間停電補償のように、 3相への出力エネルギが均等ではない場合には、大きな電力を出力する相の単相インバータ回路に設置された直流電源のエネルギがいち早く消耗してしまい、他相の単相インバータ回路に設置された直流電源のエネルギに余裕を残したまま、短時間停電などを補償できる限界時間に達してしまうと、う問題が生じる。

[0008] また、一方で燃料電池や太陽電池のような直流電源の系統連系システムに適用して出力電力が 3相平衡な場合に、上記 3組の単相インバータ回路に設置された直流電源の一部が例えば故障などして電源容量が不平衡になった場合には、他の単相インバータ回路に設置された直流電源から出力される電力が、故障した相の電源容量に制限されてしまい、 3相トータルの電源容量に対してフル出力することができないという問題もある。

[0009] もう一つの例としては、 3相交流系統に適用される自励式無効電力補償システムに、前記 3組の単相電源回路力なる電力供給装置を用いた場合が挙げられる。この自励式無効電力補償システムはエネルギを出力しないため、直流電源には、さらに容量の小さなコンデンサが用いられる。このコンデンサの充電電圧は 3相とも同一であることが望ましい。

[0010] ところが、電力系統側での過渡的な電圧変動が生じた場合などにより、簡単にコンデンサの電圧に不均衡が生じてしまうため、これを是正するための機能が必要となる

特許文献 1：特開 2000— 050643号明細書

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0011] そこで本発明は、上記問題点を一挙に解決するためになされたものであり、単相ィンバータ回路を 3組用いることにより、 3相交流電圧を出力する電力供給装置において、その単相インバータ回路を構成する直流電源力ゝらの出力エネルギの割合を制御することをその主たる所期課題とするものである。

課題を解決するための手段

[0012] すなわち本発明に係る電力供給装置は、直流電源と当該直流電源の直流電圧を単相交流電圧に変換するスイッチング回路とからなる単相インバータ回路を、 1乃至複数個直列に接続して構成した単相電源回路を 3組用いることにより、 3相交流電圧を 3相負荷に供給する電力供給装置であって、前記 3組の単相電源回路力出力される 3相交流電圧の零相電圧成分 Vを調節することにより、前記 3組の単相電源回

0

路の直流電源力の出力エネルギの割合を制御する制御装置を備えている。

[0013] このようなものであれば、単相インバータ回路を構成する直流電源から出力されるエネルギの割合を制御することができる。従って、例えば短時間停電補償システムに適用した場合には、直流電源のエネルギを 3相偏りなく利用することができるため、補償時間を可及的に延長することができる。また、例えば自励式無効電力補償システムに適用した場合には、過渡的な現象により、各相のコンデンサ電圧に不均衡が生じても、これを是正することができる。さらに例えば、直流電源の系統連系システムに適用した場合には、直流電源の容量が 3相不平衡であっても、 3相トータルの電源容量をフルに利用できる。

[0014] 本発明の効果を一層顕著にするための具体的な実施の態様としては、前記零相電圧成分 Vとして、以下の電圧を用いることが望ましい。

0

[0015] [数 9] · · · ( 1 )

[0016] 但し、 Pa+Pb + Pc = 0

[0017] ここで、 T:電力系統の基本波周波数の 1周期、 Pj (j = a, b, c)： j相の前記直流電源から出力される電力の補正ゲイン、 Ij (j = a, b, c)：前記電力供給装置から j相への出力電流、 t :時刻、である。

[0018] なお、 3相交流系統において、出力電圧の零相電圧成分 Vは、線間電圧に影響し

0

ないため、前記電力供給装置の出力電力や出力電流に影響しないことは、一般的な事項である。

[0019] このようなものであれば、 a相、 b相、 c相のそれぞれの前記単相電源回路に接続された直流電源から出力される電力 Pdca、 Pdcb、 Pdccは、 a相、 b相、 c相の前記 3組の単相電源回路から出力する 3相交流電圧のうち、零相以外の成分、すなわち Va + Vb +Vc = 0を満足する（以下、「正相'逆相成分」と呼ぶ) Va、 Vb、 Vcを用いて、次式の通りとなり、補正ゲイン Pa、 Pb、 Pcを調整することにより、電力 Pdca、 Pdcb、 Pd ccの割合を制御することができる

[0020] [数 10] f Va . ladt - Pa - A ( Vb ' Ibdt— Pb ' A

あ

( Vc Icdt— Pc ' A

あ

[0021] ここで、定数 Aは次式の通りである。なお、右辺の 3つの式が等しくなることは、 3相交流系統においては、前記電力供給装置から各相への出力電流の合計 Ia+Ib+Ic がゼロとなることから説明できる。

[0022] [数 11]

[0023] 前記電力供給装置の具体的な回路構成としては、直流電源と当該直流電源の直流電圧を単相交流電圧に変換するスイッチング回路とからなる単相インバータ回路を、 1乃至複数個直列に接続して構成した単相電源回路を Y結線して 3相交流系統に接続する方法がある。

[0024] 前記電力供給装置の、もう一つの具体的な回路構成としては、 3相交流電源と 3相負荷との間に直列に設けられ、その各相それぞれに単相電源回路を接続する方法がある。

[0025] 前記電力供給装置の、さらに他の具体的な回路構成としては、 3相交流電源と、別の 3相交流電源との間に直列に設けられ、その各相それぞれに単相電源回路を接続する方法がある。

[0026] 前記制御装置の具体的な制御方法としては、前記 3相負荷の a相、 b相、 c相の消費電力 Pa'、 Pb'、 Pc'と、第 1のゲイン Kとを用いて、前記零相電圧成分 Vの式中

1 0 の Pa、 Pb、 Pcに、以下の値を用いることが望ましい。 [0027] [数 12]

Γ

+

[0028] このようなものであれば、前記直流電源から出力される電力 Pdca、 Pdcb、 Pdccは次式となる。

[0029] [数 13]

Iadt

Pdca

Pdcb ― I (Vb + Vo) - Ibdt

Pdcc

[ (Vc + Vo) - Icdt

[0030] したがって、 1^ = 17八としてやることにより、各相の前記直流電源から出力される電力 Pdca、 Pdcb, Pdccは次式のように、等しくなる。

[0031] [数 14]

— \ Va ■ Jadt + — I Vb - ibdt +— | Vc - Icdt J" Jo Jo Jo

Pdca Pdcb = Pdcc ただし、 a相、 b相、 c相の前記直流電源の充電電圧 VCa、 VCb、 VCcと a相、 b相、 c相の各相の前記単相電源回路の出力電圧 Va+V、 Vb+V、 Vc+Vの間には、

0 0 0

つぎの制約があり、必ずしも K = 1ZAにできるわけではない。なお、 tは時刻である

[0033] [数 15] for

V₀ {t] < VCc ' · · ( 8 )

[0034] このようなものであれば、前記直流電源の出力電圧 VCa、 VCb、 VCcと、出力電圧 Va+V、 Vb+V、 Vc+Vとの間の制約条件を満たす範囲で、且つ第 1のゲイン K

0 0 0 1 を 1ZAに極力近づけることにより、前記直流電源より a相、 b相、 c相に出力される電力 Pdca、 Pdcb、 Pdccが可及的に均等になるように制御できる。

[0035] したがって、 3相負荷が各相間で不平衡な場合であっても、各直流電源から可及的に 3相均等に電力を出力するよう調整することができ、各直流電源の利用効率を向上させることができる。

[0036] 前記制御装置の、もう一つの具体的な制御方法としては、前記 a相、 b相、 c相の直流電源の電源容量 Pa'，、 Pb，，、 Pc，，と、第 2のゲイン Kとを用いて、前記零相電圧

2

成分 Vの式中の Pa、 Pb、 Pcに、以下の値を用いることが考えられる。

[0037] [数 16]

n, _v { Pa"+Pb"+Pc" _n, , _t

Pb = Κ_Ί X Pb" ( 3 )

_D ^ ( Pa"+Pb"+Pc" _D , ,

Pc = K x Pc"

3

[0038] このようなものであれば、 3相交流電源が例えば故障などにより各相不平衡になつた場合においても、いずれの相の直流電源から出力される電力も可及的に最大限出力するよう調整することができる。

[0039] 前記制御装置が、さらに他の制御方法としては、前記 3組の単相電源回路の直流電源に蓄積されたエネルギ Ea、 Eb、 Ecと第 3のゲイン Kとを用いて、前記零相電圧成分 Vの式中の Pa、 Pb、 Pcに、以下の値を用いても良い [0040] [数 17]

( _ Ea + Eb + Ec

Pa , x La

3

Ea + Eb + Ec

Pb = K X Eb - ( 4 )

、. 3

Ea + Eb + Ec

Pc = Ec—

3

[0041] このようなものであれば、各相の前記直流電源からは、それぞれにエネルギ Ea、 Eb 、 Ecのアンバランスに比例した量の電力が出力されるため、例えば、前記直流電源がコンデンサの場合には、充電電圧の調整を行うことも可能となる。

[0042] さらに、第 1のゲイン K又は第 2のゲイン Kとして、次の K，に等しい値を用いること

1 2

により、直流電源の利用率が最大となることは、前述の通りである。

[0043] [数 18]

又は

[0044] [数 19]

又は

[0045] [数 20]

[0046] またさらに、前記制御装置が、前記 a相、 b相、 c相の直流電源の電圧 VCa、 VCb、 VCcを監視し、前記零相電圧成分 Vが次を満足する範囲で最大の零相電圧成分 V

0

を算出するよう、前記第 3のゲイン Kの上限に制限を加えることにより、直流電源の

0 3

利用率が可及的に最大となることは、前述の通りである。 [0047] [数 21] for

V₀ {t] < VCc ' · · ( 8 )

[0048] ここで、 Va (t)、 Vb (t)、 Vc (t)は電力供給装置の出力電圧の内、 Va (t) +Vb (t) + Vc (t) =0を満足する成分で、 tは、時刻である。

発明の効果

[0049] このようなものであれば、例えば短時間停電補償システムに適用した場合には、直流電源のエネルギを 3相偏りなく利用することができるため、補償時間を可及的に延長することができる。また例えば、自励式無効電力補償システムに適用した場合には、過渡的な現象により、各相のコンデンサの電圧に不均衡が生じても、これを是正することができる。さらに例えば、直流電源の系統連系システムに適用した場合には、直流電源の電源容量が不平衡な場合にも、 3相トータルの電源容量に対してフルに電力を出力することができる。

発明を実施するための最良の形態

[0050] <第 1実施形態 >

[0051] 以下に本発明の電力供給装置 1を短時間停電補償システム TSに用いた場合の第 1実施形態について図面を参照して説明する。

[0052] 本実施形態に係る短時間停電補償システム TSは、図 1に示すように、 3相交流電源 2と 3相負荷 3と遮断器 4を含む、 a相 31、 b相 32及び c相 33からなる 3相交流系統において、連系リアタトル 11を介して 3相負荷 3と並列に電力系統に接続される。通常時は電力の出力を行わず、電力系統での短時間停電の発生を監視している。そして、短時間停電を検出した際には、しゃ断器 4を開極して、電力供給装置 1より 3相負荷 3に対して電力供給することにより 3相負荷 3の正常動作を維持するためものである

[0053] ここで、 3相負荷 3は、 a相 31、 b相 32及び c相 33に接続された 3相平衡負荷 301と

、 b相 32及び c相 33に接続された単相負荷 302と力もなる。

[0054] 三相平衡負荷 301を流れる電流は、

[0055] [数 22] β « c相

HR目 H

δ相

c相

[0056] とし、単相負荷 302を流れる電流は、

[0057] [数 23]

0

1 ' 2π

s COS t

1

V

2π λ

COS (

― ^t

T J

[0058] とする。ここで、 tは時刻、 Tは電力系統の基本波周波数の 1周期である。

[0059] この短時間停電補償システム TSに係る電力供給装置 1の主構成は、 Y結線され 3 相交流系統に接続された単相インバータ回路 5a、 5b、 5cと、直流電圧測定手段 6と、系統電圧測定手段 7と、電流測定手段 8と、単相インバータ回路 5a、 5b、 5cとしゃ断器 4を制御する制御装置 9と、からなる。なお、本実施形態では、各相 1つの単相ィンバータ回路 5a、 5b、 5cから単相電源回路が構成されているので、以下特に区別することはない。

[0060] なお、直流電圧測定手段 6と、系統電圧測定手段 7と、電流測定手段 8と、制御装置 9のしや断器 4を制御する機能とは、一般的なものであり図示および内部構成の説明は省略する。

[0061] 以下にこれらにつ、て詳述する。

[0062] 単相インバータ回路 5a、 5b、 5cは、直流電源 5al、 5bl、 5clと、それらが出力する直流電圧を単相交流電圧に変換して前記電力系統に出力するスイッチング回路 5 a2、 5b2、 5c2と力らなる。

[0063] 直流電源 5al、 5bl、 5clは、エネルギの充放電機能を有し、かつスイッチング回路 5a2、 5b2、 5c2以外とは電気的に絶縁された、例えば鉛電池である。

[0064] スイッチング回路 5a2、 5b2、 5c2は、半導体スィッチ素子 5a21、 5b21、 5c21とそれに逆並列されたダイオード 5a22、 5b22、 5c22とから構成したフルブリッジインバータである。本実施形態では半導体スィッチ素子 5a21、 5b21、 5c21として、自己消弧能力を有する IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)を用いている。このスイツチング回路 5a2、 5b2、 5c2は、後述する制御装置 9を用いて、ゲートへの駆動信号によりオンオフ制御され、動作パターン (スィッチパターン）が制御されるようにしている。

[0065] 直流電圧測定手段 6は、直流電源 5al、 5bl、 5clより出力される直流電圧 VCa、 VCb、 VCcを測定するためのものであり、その測定結果を示す直流電圧測定データを制御装置 9に出力するものである。

[0066] 系統電圧測定手段 7は、電力系統の a相 31、 b相 32、 c相 33の系統電圧の内の正相'逆相電圧成分 (以下、「系統電圧」という。）Vta、 Vtb、 Vtcを測定し、その測定結果を示す系統電圧測定データを制御装置 9に出力するものである。

[0067] 電流測定手段 8は、 a相 31、 b相 32、 c相 33より、 3相負荷 3に供給される電流 Ia、 lb 、 Icを測定し、その測定結果を示す電流測定データを制御装置 9に出力するものである。

[0068] 制御装置 9は、前記直流電圧測定データと、前記系統電圧測定データと、前記電流測定データに基づいて、単相インバータ回路 5a、 5b、 5cを制御するものであり、図 2に示すように、その機器構成は CPU901、メモリ 902、入出力インターフェイス 90 3、 AD変換器 904等を備えた汎用乃至専用のコンピュータであり、前記メモリ 902の所定領域に記憶させた所定プログラムにしたがって CPU901、周辺機器等を協働させることにより、図 3に示すように、受付部 91、正相 '逆相電圧算出部 92、零相電圧算出部 93、インバータ回路制御部 94としての機能を発揮する。もちろん、これら各機能を発揮させるために、コンピュータによることなく理論回路やアナログ回路を用いてハードウェアのみで構成しても構わな、。

[0069] 受付部 91は、前述した各測定手段 6、 7、 8からその測定データを受信して、正相 · 逆相電圧算出部 92、零相電圧算出部 93、インバータ回路制御部 94に出力するものである。

[0070] 正相 '逆相電圧算出部 92は、系統電圧測定データに基づいて、単相インバータ回路 5a、 5b、 5cが出力すべき 3相交流電圧の内の正相 ·逆相電圧成分 Via、 Vib、 Vic を算出し、その正相 ·逆相電圧算出データをインバータ回路制御部 94に出力するものである。

[0071] 零相電圧算出部 93は、系統電圧測定データ及び電流測定データに基づいて、直流電源 5al、 5bl、 5clから出力されるエネルギを均等にするために、単相インバータ回路 5a、 5b、 5cが出力すべき 3相交流電圧のうちの零相電圧成分 Vを算出し、そ

0

の零相電圧算出データをインバータ回路制御部 94に出力するものである。

[0072] インバータ回路制御部 94は、受信した正相 ·逆相電圧算出データおよび零相電圧算出データと、直流電圧測定データに基づき、電圧 Via+V、 Vib+V、 Vic+Vを

0 0 0 出力するように、単相インバータ回路 5a、 5b、 5cを制御するものである。

[0073] 次にこのように構成した短時間停電補償システム TSの動作について詳述する。

[0074] 通常時は、電力供給装置 1は停止していて、電力系統と電力供給装置 1との間で電力の授受は行われていない。ただし、直流電圧測定手段 6と、系統電圧測定手段

7と、電流測定手段 8は、それらが測定したデータを制御装置 9の受付部 91に送信している。

[0075] 系統電圧 Vta、 Vtb、 Vtcおよび負荷電流 Ia、 Ib、 Icは、あらかじめ系統電圧測定手段 7、および電流測定手段 8により次のように計測されているとする。

[0076] [数 24]

[0077] これらより、 3相負荷 3の a相 31、 b相 32、 c相 33のそれぞれにおける消費電力 Pa'

、 Pb，、 Pc，は、あら力じめ次のように計算できている。

[0078] [数 25]

[0079] 次に短時間停電が発生し、遮断器 4が開極された場合には、電力供給装置 1が a相 31、 b相 32、 c相 33に電力を供給し始める。

[0080] 正相 '逆相電圧算出部 92は、通常時に受信した系統電圧測定データに基づいて、遮断器 4が開極後も、 3相負荷 3に供給される電圧の波高値および位相が、短時間停電発生前の系統電圧と等しくなるように、出力すべき 3相交流電圧の内の正相'逆相電圧成分 Via、 Vib、 Vicを次のように算出する。

[0081] [数 26]

[0082] 零相電圧算出部 93は、あら力じめ測定していた負荷電流 Ia、 Ib、 Ic、及びあらかじめ計算していた 3相負荷 3の消費電力 Pa'、 Pb'、 Pc'に基づいて、出力すべき 3相交流電圧のうち零相電圧成分 Vを次のように算出する。

0

[0083] [数 27]

V_n = Pa . la■ \ lb ' Icdt + Pb - Ib — \ Ic■ ladt + Pc ' Ic '— I la - Ibdt

ノ

[0084] ここで、 Pa、 Pb、 Pcは次式の通りである。なお、第 1のゲイン Kについては、後で説明する。

[0085] [数 28] Pa'+Pb'+Pc'

Ρα'-

Pa 3

Pa'+Pb'+Pc'

Pb Pb'-

, 1 ( f 、 3

Pc lb dt—— la - Ibdt

T¹ Γ² あノ Pa'+Pb'+Pc'

Pど一

3

[0086] インバータ回路制御部 94は、受信した正相 ·逆相電圧算出データおよび零相電圧算出データに基づき、次式の電圧 Via+V、 Vib +V、 Vic +Vを出力するように、

0 0 0

単相インバータ回路 5a、 5b、 5cを制御するものである。

[0087] [数 29]

Via + V₀

Vib + V₀

Vic + V_n

[0088] このとき、単相インバータ回路 5a、 5b、 5cの出力電力、すなわち直流電源 5al、 1、 5clから出力される電力 Pdca、 Pdcb、 Pdccは、それぞれ次式の通りとなる。

[0089] [数 30]

[0090] 最後に、第 1のゲインについて説明する。前記メモリ 902の所定プログラムの制御アルゴリズムと、直流電源 5al、 5bl、 5clの直流電圧とにより定まる、単相インバータ回路 5a、 5b、 5cが出力可能な最大電圧を VMa、 VMb、 VMcとすると、第 1のゲイン K力とりうる値には、次式の制約がある。

[0091] [数 31]

Va + Vo a for V t Vb + Vo < VMb

Vc + Vo < VMc

[0092] ここで、第 1のゲイン Kを 1にできれば、直流電源 5al、 5bl、 5clから出力される電力 Pdca、 Pdcb、 Pdccは等しくできる。

[0093] また、第 1のゲイン Kを 1にできなくとも、この制約条件を満たす範囲で、第 1のゲイン Kを極力 1に近づけるほど、電力 Pdca、 Pdcb、 Pdccのアンバランスが是正される

[0094] このように構成した短時間停電補償システム TSによれば、直流電源 5a 1、 5bl、 5c 1のエネルギを 3相偏りなく利用することができるため、補償時間を可及的に延長することができる。

[0095] 次に、本実施形態の短時間停電補償システム TSの数値例を図面を参照して説明する。

図 4は、本実施形態の具体的な数値例を示す概略構成図であり、図 1のシステムにおいてしや断器 4は開極された後の、短時間停電補償システム TSが負荷 301、 302 に停電補償として電力供給する動作について説明する。なお、図 4においては、 3相交流電源 2は図示していない。各直流電源 5al、 5bl、 5clの直流電圧をそれぞれ 2 00 [V]とし、連系リアタトル 11のインピーダンスをそれぞれ l [mH]としている。また、 3相平衡負荷 301の負荷を 12[kW]、単相負荷 302の負荷を 3 [kW]とする。

[0096] 本数値例においては、短時間停電が発生して遮断器 4の開極後、まず 3相平衡負荷 301に電力を供給して、その 3秒後に単相負荷 302が並列に接続され、 3相平衡負荷 301及び単相負荷 302に電力を供給するものとする。 [0097] このとき、正相'逆相電圧算出部 92は、出力すべき 3相交流電圧の内の正相'逆相電圧成分 Via、 Vib、 Vicとして以下の式に示す値を算出する。

[0098] [数 32]

2F xsm — t _— π

[0099] そして、零相電圧算出部 93が、以下の式に示す零相電圧成分 Vを算出する。

0

[0100] [数 33]

[0101] ここで、上式において、

[0102] [数 34]

^ Pk' _ Pa'+Pb'+Pc'

ん =", ,t' 」

[0103] は、単相インバータ回路 5a、 5b、 5cから出力する電力の目標値 (負荷の 3相平均値)であり、 Pj，（j = a、 b、 c)は、負荷容量を示している。

[0104] 上記 Vを求める具体的なブロック線図の一例は図 5に示すようになる。

0

[0105] そして、インバータ回路制御部 94が、正相'逆相電圧算出データ及び零相電圧算出データを受信し、それらデータに基づいて電圧 Via+V、 Vib+V、 Vic+Vを出

0 0 0 力するように、単相インバータ回路 5a、 5b、 5cを制御する。

[0106] このようにして制御された単相インバータ回路 5a、 5b、 5cからの出力の時系列変化を図 6に示す。この図 6からわ力るように、単相負荷 302が接続される前においては、各相 1相当たり 4[kW]の電力を出力しており、 3相合計 12[kW]の電力を出力していることがわかる。そして、 3秒後に単相負荷 302が接続されると、各相 1相当たり 5 [k W]の電力を出力していることがわかり、 3相の合計は、 4[kW] X 3相 + 3 [kW] X単相（ = 15 [kW] )であることがわかる。これにより、各単相インバータ回路 5a、 5b、 5c 力は 3相均等に電力供給できていることがわかる。

[0107] なお、通常の電力供給装置 1によれば、出力電力は、 a相 31が 4 [kW]、 b相 32が 5

. 5 [kW]、 c相 33力 5 [kW]となり、各単相インバータ回路 5a、 5b、 5cからの出力が不平衡となり、直流電源 5a 1の利用効率が悪い。

[0108] <第 2実施形態 >

[0109] 次に本発明の電力供給装置 1を直流電源の系統連系システムに適用した場合の第 2実施形態について図面を参照して説明する。なお、前記第 1実施形態に対応するものには同一の符号を付している。

[0110] 本実施形態に係る電力供給装置 1は、図 7に示すように、連系リアタトル 11を介して 3相交流系統に接続されて、当該系統に 3相交流電力を出力するものであり、装置主構成は前記第 1実施形態と同様であるが、制御装置 9の機能が前記第 1実施形態とは異なる。

[0111] つまり、本実施形態に係る制御装置 9は、単相インバータ回路 5a、 5b、 5cから出力される 3相交流電圧の零相電圧成分 Vを調節することにより、前記直流電源 5al、 5

0

b 1、 5c 1から出力される電力が最大値となるように制御するものである。

[0112] 具体的には、零相電圧算出部 93が、系統電圧測定データ及び電流測定データに基づいて、直流電源 5al、 5bl、 5clから出力される電力を、その電源容量の最大値となるように、単相インバータ回路 5a、 5b、 5cが出力すべき 3相交流電圧のうち零相電圧成分 Vを算出し、その零相電圧算出データをインバータ回路制御部 94に出力

0

するものである。

[0113] 本実施形態において、 3相交流系統に電力供給時当初は a相 31、 b相 32、 c相 33 に接続された単相インバータ回路 5a、 5b、 5cの直流電源 5al、 5bl、 5clの容量は、共に 5 [kW]であったとする。そして、 a相 31に接続された単相インバータ回路 5a、 5b、 5cの直流電源 5al、 5bl、 5clが故障等して電源容量が 5 [kW]から 3. 5 [kW] に減少したとする。

[0114] このとき、正相.逆相電圧算出部 92は、出力すべき 3相交流電圧の内の正相'逆相電圧成分 Via、 Vib、 Vicとして以下の式に示す値を算出する。 [0115] [数 35]

、

ノ

2π , 2

Vic = vxsi — ί+-π、

Τ 3 ノ

[0116] そして、零相電圧算出部 93が、以下の式に示す零相電圧成分 Vを算出する。

0

[0117] [数 36]

[0118] ここで、上式において、

[0119] [数 37]

Pk" Pa"+Pb"+Pc"

Σ 3 3

[0120] は、直流電源 5al、 5b l、 5c lの電源容量の 3相平均値であり、 Pj " (j = a、 b、 c)は、各相インバータから出力される電力の目標値 (各相の直流電源 5al、 5bl、 5clの電源容量)を示している。

[0121] 上記 Vを求める具体的なブロック線図の一例は図 8に示すようになる。

0

[0122] そして、インバータ回路制御部 94が、正相 '逆相電圧算出データ及び零相電圧算出データを受信し、それらデータに基づいて電圧 Via+V、 Vib +V、 Vic +Vを出

[0123] このようにして制御された単相インバータ回路 5a、 5b、 5cからの出力の時系列変化を図 9に示す。この図 9からわ力るように、 a相 31の直流電源 5alが故障するまでは各相 1相当たり 5 [kW]の電力を出力しており、 3相の合計は、 15 [kW]の電力を出力していることがわかる。そして、約 3秒後に a相 31の直流電源 5alが故障した後は、 a相 31の単相インバータ回路 5aは出力することができる最大値である 3. 5 [kW]の電力を出力し、 b相 32、 c相 33の単相インバータ回路 5b、 5cがそのまま 5 [kW]の電力を出力していることがわかる。これにより、各単相インバータ回路 5a、 5b、 5cからその容量をフルに活力した出力を実現することができる。

[0124] なお、通常の電力供給装置 1によれば、出力電力は 3相均等になり、 a相 31の容量が 3. 5 [kW]であることから、 b相 32の単相インバータ回路 5b及び c相 33の単相インバータ回路 5cの出力も 3. 5 [kW]に制限されてしまう。

[0125] <第 3実施形態 >

[0126] 次に本発明の電力供給装置 1をいわゆる直列型瞬低補償装置に用いた場合の第 3実施形態について図面を参照して説明する。なお、前記第 1実施形態に対応するものには同一の符号を付している。

[0127] 本発明の直列型瞬低補償装置は、図 10に示すように、 3相交流電源 2と 3相負荷 3 の間に、直列に単相インバータ回路 5a、 5b、 5cを相毎に接続し、電源電圧が基準値より乖離した分を、単相インバータ回路 5a、 5b、 5cの出力電圧により補償する装置であり、具体的な構成としては、前記第 1実施形態とは零相電圧算出部 93の機能が異なる。

[0128] なお、 3相交流電源 2の電源電圧は 200 [V]であり、 3相負荷 3は、 a相 31、 b相 32 及び c相 33に接続された 12 [kW]の 3相平衡負荷 301と、 b相 32及び c相 33に接続された 3 [kW]の単相負荷 302と力なる。

[0129] 本実施形態に係る零相電圧算出部 93は、系統電圧測定データ及び電流測定データに基づいて、直流電源 5al、 5bl、 5clから出力される電力を均等にするために、単相インバータ回路 5a、 5b、 5cが出力すべき 3相交流電圧のうち零相電圧成分 V

0 を算出し、その零相電圧算出データをインバータ回路制御部 94に出力するものである。

[0130] 本実施形態において、 3相平衡負荷 301と単相負荷 302に電力を供給中に、 3相交流電源 2のうち b相 32— c相 33間が短絡して瞬低が発生した場合について説明する。

[0131] このとき、正相 '逆相電圧算出部 92は、 3相交流電源 2の測定値と、瞬低発生前の 3相交流電源 2の波高値と位相を有する基準電圧との差を出力すべき 3相交流電圧の内の正相'逆相電圧成分 Via、 Vib、 Vicとして算出する。 [0132] そして、零相電圧算出部 93が、以下の式に示す零相電圧成分 Vを算出する。

[0133] [数 38]

[0134] ここで、上式において、

[0135] [数 39]

Pk " Pa"'+Pb'"+Pc"'

[0136] は、単相インバータ回路 5a、 5b、 5cから出力する電力の目標値 (補償電力の 3相平均値)であり、 Pj ' " (j = a、 b、 c)は、各相の補償電力を示している。

[0137] 上記 Vを求める具体的なブロック線図の一例は図 11に示すようになる。

0

[0138] そして、インバータ回路制御部 94が、正相 '逆相電圧算出データ及び零相電圧算出データを受信し、それらデータに基づいて電圧 Via+V、 Vib+V、 Vic+Vを出

[0139] このようにして制御された単相インバータ回路 5a、 5b、 5cからの出力の時系列変化を図 12に示す。この図 12からわ力るように、 b相 32— c相 33間が短絡する前は、各単相インバータ回路 5a、 5b、 5cからの補償電力の出力はない。つまり、負荷合計 4[ kW] X 3相 + 3 [kW]の電力を供給するために基準値に対して 3相交流電源 2の電源電圧が概ね等しいことを示している。そして、 b相 32— c相間 33が短絡している間においては、各相 1相当たり 3 [kW]の補償電力を出力して、 3相合計 9 [kW]の補償電力を出力している。これにより、負荷が不平衡であり、系統電圧の低下が不平衡な場合であっても、各相の直流電源 5al、 5bl、 5clから 3相均等にエネルギが出力できていることがわかる。

[0140] なお、通常の直列型瞬低補償装置によれば、補償電力は、 a相 31が 0[kW]、 b相 3 2力 S4. 5 [kW]、目 33力4. 5 [kW]となってしまう。

[0141] <第 4実施形態 >

[0142] 次に、本発明に係る電力供給装置 1を自励式無効電力補償システム SSに用いた第 4実施形態ついて図面を参照して説明する。なお、前記第 1実施形態に対応するものには同一の符号を付している。

[0143] 本実施形態の自励式無効電力補償システム SSは、図 13に示すように、 3相交流電源 2と 3相平衡負荷 301とを含む、 a相 31、 b相 32及び c相 33からなる 3相交流系統において、連系リアタトル 11を介して 3相平衡負荷 301と並列に電力系統に接続され、当該電力系統に無効電力を供給することにより、系統電圧の調整を行うものである

[0144] この自励式無効電力補償システム SSに係る電力供給装置 1の主構成は、単相インバータ回路 5a、 5b、 5cと、直流電圧測定手段 6と、系統電圧測定手段 7と、電流測定手段 8と、単相インバータ回路 5a、 5b、 5cを制御する制御装置 9とからなる。

[0145] なお、直流電圧測定手段 6と、系統電圧測定手段 7と、電流測定手段 8とは、一般的なものであり図示および内部構成の説明は省略する。

[0146] 以下にこれらについて詳述する。

[0147] 単相インバータ回路 5a、 5b、 5cは、直流電源であるコンデンサ 5al、 5bl、 5clと、それらが出力する直流電圧を単相交流電圧に変換して前記電力系統に出力するスイッチング回路 5a2、 5b2、 5c2と力らなる。

[0148] スイッチング回路 5a2、 5b2、 5c2は、半導体スィッチ素子 5a21、 5b21、 5c21とそれに逆並列されたダイオード 5a22、 5b22、 5c22とから構成したフルブリッジインバータである。本実施形態では半導体スィッチ素子 5a21、 5b21、 5c21として、自己消弧能力を有する IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)を用いている。このスイツチング回路 5a2、 5b2、 5c2は、後述する制御装置 9を用いて、ゲートへの駆動信号によりオンオフ制御され、動作パターン (スィッチパターン）が制御されるようにしている。

[0149] 直流電圧測定手段 6は、コンデンサ 5al、 5bl、 5clに充電された直流電圧 VCa、 VCb、 VCcを測定するためのものであり、その測定結果を示す直流電圧測定データを制御装置 9に出力するものである。

[0150] 系統電圧測定手段 7は、電力系統の a相 31、 b相 32、 c相 33の系統電圧の内の正相'逆相電圧成分 (以下、「系統電圧」と略す) Vta、 Vtb、 Vtcを測定し、その測定結果を示す系統電圧測定データを制御装置 9に出力するものである。

[0151] 電流測定手段 8は、自励式無効電力補償システム SSより電力系統の a相 31、 b相 3

2、 c相 33の各相に出力される電流 Ia、 Ib、 Icを測定し、測定データを制御装置 9に出力するものである。

[0152] 制御装置 9は、前記直流電圧測定データと、前記系統電圧測定データと、前記電流測定データに基づいて、単相インバータ回路 5a、 5b、 5cを制御するものであり、図 2に示すように、その機器構成は CPU901、メモリ 902、入出力インターフェイス 90

3、 AD変換器 904等を備えた汎用乃至専用のコンピュータであり、前記メモリ 902の所定領域に記憶させた所定プログラムにしたがって CPU901、周辺機器等を協働させることにより、図 3に示すように、受付部 91、正相 '逆相電圧算出部 92、零相電圧算出部 93、インバータ回路制御部 94としての機能を発揮する。

[0153] 受付部 91は、前述した各測定手段 6、 7、 8からその測定データを受信して、正相 · 逆相電圧算出部 92、零相電圧算出部 93、インバータ回路制御部 94に出力するものである。

[0154] 正相 '逆相電圧算出部 92は、系統電圧測定データに基づいて、単相インバータ回路 5a、 5b、 5cが出力すべき 3相交流電圧の内の正相 ·逆相電圧成分 Via、 Vib、 Vic を算出し、その正相 ·逆相電圧算出データをインバータ回路制御部 94に出力するものである。

[0155] 零相電圧算出部 93は、コンデンサ電圧測定データ及び電流測定データに基づいて、コンデンサ 5al、 5bl、 5clに充電されているエネルギを均等にするために、単相インバータ回路 5a、 5b、 5cが出力すべき 3相交流電圧の内の零相電圧成分 Vを算

0 出し、その零相電圧算出データをインバータ回路制御部 94に出力するものである。

[0156] インバータ回路制御部 94は、受信した正相 ·逆相電圧算出データおよび零相電圧算出データと、直流電圧測定データに基づき、電圧 Via+V、 Vib+V、 Vic+Vを

0 0 0 出力するよう、単相インバータ回路 5a、 5b、 5cを制御するものである。

[0157] 次にこのように構成した自励式無効電力補償システム SSの動作について詳述する

[0158] コンデンサ 5al、 5bl、 5clに充電されている電圧 VCa、 VCb、 VCcと、系統電圧 V ta Vtb Vtcと、出力電流 Ia Ib Icとは、直流電圧測定手段 6、系統電圧測定手段 7、および電流測定手段 8に常時測定されており、それら測定データを制御装置 9の受付部 91に送信している。

[0159] ここで、系統電圧 Vta Vtb Vtcと、出力電流 Ia Ib Icが、 tを任意の時刻、 Tを電力系統の基本波周波数の 1周期として、次式の値であったとする。

[0160] [数 40]

'

[0161] 正相 ·逆相電圧算出部 92は、受信した系統電圧測定データに基づいて、系統電圧 Vta Vtb Vtcと同位相で、且つ系統電圧 Vta Vtb Vtcを所定値に維持するための無効電力を出力するための実効値 Viを持つ、次式の電圧 Via Vib Vicを算出し、正相 ·逆相電圧算出データをインバータ回路制御部 94に出力するものである。

[0162] [数 41]

[0163] 零相電圧算出部 93は、直流電圧測定手段 6による直流電圧測定データを受信し、電力系統の基本波周波数の 1周期 Tの間隔でサンプリングし、コンデンサ 5al 5b 1 5clの静電容量をいずれも Cとして、それぞれの充電エネルギ ECa ECb ECcを演算により、次式のように把握する。

[0164] [数 42]

[0165] そして零相電圧算出部 93は、出力電圧の零相電圧成分として V 0を後述のように演算し、時間 Tの間、インバータ回路制御部 94に出力する。そして、零相電圧算出部 9 3は、時間 T経過後再び直流電圧測定手段 6による測定データをサンプリングし、零相電圧成分 V 0を更新する動作を繰り返す。

[0166] 次に、零相電圧成分 V 0の演算方法について説明する。例えば、時刻 0でサンプリングされたコンデンサ 5a 1、 5b 1、 5clの充電エネルギ ECa (0)、 ECb (0)、 ECc (O) 力次式であったとする。

[0167] [数 43]

[0168] 但し、 A Ea+ A Eb + A Ec = 0

[0169] このとき出力電圧の零相電圧成分 V 0は次式のように演算される _c

[0170] [数 44]

V_n = Pa ' la lb · Icdt + Pb · lb \ Ic ' Iadt + Pc ' Ic 'ί Γ la · Ibdt

[0171] ただし、零相電圧成分 V 0を求める式中の Pa、 Pb、 Pcは、第 3のゲインを K 3 (0< Κ

≤1)として、次の通りである。なお、第 3のゲイン Κ 3がとりうる値の制約は、前記第 1実施形態の第 1のゲイン κがとりうる値の制約と同様である。

[0172] [数 45]

[0173] インバータ回路制御部 94は、受信した正相電圧算出データおよび零相電圧算出データに基づき、次式の電圧 Via+V、 Vib+V、 Vic+Vを出力するよう、単相ィ

0 0 0

ンバータ回路 5a、 5b、 5cを制御する。

[0174] このとき、単相インバータ回路 5a、 5b、 5cの出力電力は、すなわち各相の直流電源 5al、 5bl、 5cl力も出力される電力 Pdcaゝ Pdcbゝ Pdccは、それぞれ次式の通りとなる。

[0175] [数 46]

^ Va + Vo)- ladt

Pdca AEa

Pdcb ^{Vb + Vo)-Ibdt AEb

Pdcc AEc

^(Vc + Vo)-Icdt

[0176] この結果、時間 T経過後におけるコンデンサ 5al、 5bl、 5clの充電エネルギ ECa( T)、 ECb (T)、 ECc (T)が次式の通りとなり、充電エネルギの誤差が是正される。

[0177] [数 47]

Ε + (\-Κ₃)ΑΕα

E + {l-K₃)AEb

E + {l-K₃)AEc

[0178] 時間 Tの間隔で同様の動作が繰り返されるため、時間 nT(n:自然数)経過後におけるコンデンサ 5al、 5bl、 5clの充電エネルギ ECa(nT)、 ECb(nT)、 ECc(nT)が次式通りとなり、充電エネルギの誤差は、自然数 nが大きくなるにつれ、ゼロに近づく

[0179] [数 48] ECa(nT) E + (\ - K_} )" AEa

ECb{nT) = E + {l - K₃ )"AEb

ECc(nT) E + {\ - K ^lAEc

[0180] このように構成した自励式無効電力補償システム SSによれば、直流電圧 VCa、 VC b、 VCcに誤差が生じた場合にも、その誤差を補正するように単相インバータ回路 5a 、 5b、 5cを制御し、コンデンサ電圧を等しく保つことができる。

[0181] なお、本発明は前記実施形態に限られるものではない。

[0182] 例えば、前記第 1実施形態および前記第 2実施形態の電力供給装置 1では、各相 1つの単相インバータ回路力も構成している力図 14に示すように複数個の単相インバータ回路を直列接続して単相電源回路を構成するようにしても良い。

[0183] その上、半導体スィッチ素子には IGBTを用いたがこれに限られることなぐ例えばゲートターンオフサイリスタのような他の自己消弧形半導体スィッチ素子であっても差支えない。

[0184] この他、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能であることは言うまでもない。

図面の簡単な説明

[0185] [図 1]本発明の第 1実施形態に係る電力供給装置の概略構成図。

[図 2]同実施形態における制御装置の機器構成図。

[図 3]同実施形態における制御装置の機能構成図。

[図 4]同実施形態における実施例を示す概略構成図。

[図 5]同実施例における零相電圧成分を算出するためのブロック線図。

[図 6]同実施例における出力電力の変化を示す図。

[図 7]本発明の第 3実施形態に係る電力供給装置の概略構成図。

[図 8]同実施形態における零相電圧成分を算出するためのブロック線図。

[図 9]同実施形態における出力電力の変化を示す図。

[図 10]本発明の第 3実施形態に係る直列型瞬低補償装置の概略構成図。

[図 11]同実施形態における零相電圧成分を算出するためのブロック線図。

[図 12]同実施形態における出力電力の変化を示す図。 [図 13]本発明の第 4実施形態に係る自励式無効電力補償装置の概略構成図。

[図 14]その他の変形実施形態に係る電力供給装置の概略構成図。

符号の説明

1···電力供給装置

2···交流電源

3··· 3相負荷

301··· 3相平衡負荷

302···単相負荷

5a、 5b、 5c' · ·単相インバータ回路

5al、 5b2、 5c3，，，直流電源

5a2、 5b2、 5c2- · ·スイッチング回路

Claims

請求の範囲

[1] 直流電源と当該直流電源の直流電圧を単相交流電圧に変換するスイッチング回路とからなる単相インバータ回路を、 1乃至複数個直列に接続して構成した単相電源回路を 3組用いることにより、 3相交流電圧を 3相負荷に供給する電力供給装置であつて、

前記 3組の単相電源回路から出力される 3相交流電圧の零相電圧成分 Vを調節

0 することにより、前記単相電源回路毎の直流電源からの出力エネルギの割合を制御する制御装置を備えて!/、る電力供給装置。

[2] 前記零相電圧成分 Vとして、以下の電圧を用いることを特徴とする請求項 1記載の

0

電力供給装置。

[数 1]

i、)Ib'Icdt + Pb.Ib' j f c'Iadt + Pc'Ic' j i\tIa'Ibdt · · · (1) 但し、 Pa + Pb + Pc = 0

ここで、 T:電力系統の基本波周波数の 1周期、 Pj(j = a, b, c)： j相の前記直流電源から出力される電力の補正ゲイン、 Ij(j = a, b, c)：前記電力供給装置から j相への出力電流、 t:時刻である。

[3] 前記単相電源回路を Y結線して、 3相交流電圧を発生する回路を構成することを特徴とする請求項 2記載の電力供給装置。

[4] 前記単相電源回路を、 3相交流電源と 3相負荷との間に直列に接続して、その出力電圧により、前記 3相負荷に供給される電圧を制御することを特徴とする請求項 2記載の電力供給装置。

[5] 前記単相電源回路を、 3相交流電源と別の 3相交流電源との間に直列に接続して、その出力電圧により前記 3相交流電源と前記別の 3相交流電源との間に流れる電流を制御することを特徴とする請求項 2記載の電力供給装置。

[6] 前記制御装置が、前記 3相負荷の a相、 b相、 c相の消費電力 Pa'、 Pb'、 Pc'と、第

1のゲイン Kとを用いて、前記零相電圧成分 Vの式中の Pa、 Pb、 Pcを、以下の値と

1 0

し、前記単相電源回路ごとの直流電源から出力される電力を可及的に等しくすることを特徴とする請求項 2記載の電力供給装置。

[数 2]

Pa'+Pb'+Pc'

3 '

Pa'+Pb'+Pc'^

Pb = K'x Pb'- (2)

3

Pc = K,x Pc'-

3

[7] 前記制御装置が、前記 a相、 b相、 c相の直流電源の電源容量 Pa' '、 Pb' '、 Pc' 'と、第 2のゲイン Kとを用いて、前記零相電圧成分 Vの式中の Pa、 Pb、 Pcを、以下の

2 0

値とし、前記単相電源回路ごとの直流電源から出力される電力をそれぞれの電源容量に可及的に等しくすることを特徴とする請求項 2記載の電力供給装置。

[数 3]

Pa''+Pb''+Pc"

Pa-K₂x Pa'

3

n, ^ f Pa"+Pb"+Pc" _n,,_t

Pb = K x Pb" (3)

„ _v { Pa"+Pb"+Pc" _n ,,

Pc = Kつ X Pc"

3

[8] 前記制御装置が、前記 3組の単相電源回路の直流電源に蓄積されたエネルギ Ea 、 Eb、 Ecと、第 3のゲイン Kとを用いて、前記零相電圧成分 Vの式中の Pa、 Pb、 Pc

3 0

を、以下の値とし、前記単相電源ごとの直流電源の蓄積エネルギを可及的に等しくすることを特徴とする請求項 2記載の電力供給装置。

[数 4]

+ Eb + Ec

Pa = K x\ Εα-

3

^ Ea + Eb + Ecヽ

Pc = K₃ x Ec

3 ,

[9] 前記第 1のゲイン K又は前記第 2のゲイン Kとして、次の K'に可及的に等しい値

1 2 を用いることを特徴とする請求項 6記載の電力供給装置。

[数 5]

又は

[数 6]

又は

[数 7]

(7)

Ic²dt - ( Ia²dt

2 h ——ァ ²-{、 J Γ Ic - Iadt

b , 前記制御装置が、前記 a相、 b相、 c相の直流電源の電圧 VCa、 VCb、 VCcを監視し、前記零相電圧成分 Vが次を満足するよう制限を加える請求項 6記載の電力供給

0

装置。ただし、 Va (t)、 Vb (t)、 Vc (t)は電力供給装置の出力電圧の内、 Va (t) +V b(t) +Vc(t) =0を満足する成分で、 tは時刻である。

[数 8] for Vt：

- . . (8)