WO2007105613A1

WO2007105613A1 - 電源補償装置、電源補償設備、無停電電源装置、および無停電電源設備

Info

Publication number: WO2007105613A1
Application number: PCT/JP2007/054630
Authority: WO
Inventors: Tokuo Ohnishi
Original assignee: The University Of Tokushima
Priority date: 2006-03-14
Filing date: 2007-03-09
Publication date: 2007-09-20
Also published as: JP5028631B2; JPWO2007105613A1

Abstract

交流電源と負荷との間に接続し、負荷端における電圧波形歪みを補償するとともに、交流電源の電流波形歪みを補償し、力率の改善を行うことができる電源補償装置を提供する。交流電源と負荷との間に第１のリアクトルを介して直列に接続される直列コンバータ部と、前記負荷に並列に第２のリアクトルを介して接続される並列コンバータ部とを含み、前記直列コンバータ部および前記並列コンバータ部を構成する、２つのスイッチ素子の直列回路であるスイッチ回路のうち、１つのスイッチ回路が前記直列コンバータ部と前記並列コンバータ部とで共通であり、前記並列コンバータ部の出力する電圧が、前記第２のリアクトルの電圧降下と合わせて前記交流電源の電流波形歪みを補償する電圧となるように制御されていることを特徴とする電源補償装置。

Description

明細書

電源補償装置、電源補償設備、無停電電源装置、および無停電電源設備

技術分野

[0001] 本発明は、負荷に安定した電圧を供給する電源補償装置、電源補償設備、無停電電源装置、および無停電電源設備に関する。

背景技術

[0002] 交流電源を補償して負荷に安定した電圧を供給する電源補償装置として、交流電源と負荷との間に直列に補償電圧源を設置する安定ィ匕電源装置が知られている。この安定化電源装置を説明する回路図を図 27 (a)に示す。図 27 (a)において、交流電源 1と負荷 2との間に直列に接続する補償電圧源 3が、交流電源 1を補償し、負荷電圧の安定を実現する。

安定化電源装置は、例えば、交流電源 1の電圧が不足する場合に、補償電圧源 3 が不足分を補うように動作する。また、交流電源 1の電圧波形が歪んでいる場合に、補償電圧源 3が負荷 2での電圧波形歪を抑える電圧を出力するように動作する。

[0003] また、交流電源の補償となる別電源を接続する電源補償装置として、交流負荷に並列に電流源を接続する系統連系インバータゃ無停電電源が知られている。この系統連系インバータゃ無停電電源を説明する回路図を図 27 (b)に示す。図 27 (b)において、負荷 2に並列にされる電流源 6が、系統連系インバータであれば連系する別電源であり、無停電電源であれば、交流電源 1を支援する別電源である。系統連系ィンバータゃ無停電電源では、電流源 6の端子電圧が負荷 2の電圧と一致するように制御することで、別電源の交流電源への接続を実現してヽる。

[0004] また、特開 2004— 312979号公報 (特許文献 1)には、図 27 (c)に示す回路構成の安定ィ匕電源装置が提案されている。この安定化電源装置の動作を説明する回路図を図 27 (d)に示す。図 27 (d)の回路は、交流電源 1と負荷 2との間に直列に補償電圧源 3が接続され、交流電源 1と並列に電流源 6が接続されており、図 27 (a)と図 2 7 (b)の回路図を合わせた構成の回路と言える。この特許文献 1の安定化電源装置では、これら補償電圧源 3と電流源 6とを、逆導通機能を持つスイッチング素子を 2つ直列に接続した回路を 3つ並列に接続した電力変換回路 ( 、わゆる、 3相スィッチ回路）を用いて実現して、る。

詳しくは、 3相スィッチ回路において、逆導通機能を持つスイッチング素子を 2つ直列に接続した回路をレグとすると、 1つのレグを共用として、レグを 2つ並列に接続したコンバータ部を 2組構成し、それぞれのコンバータ部にて図 27 (d)における補償電圧源 3と電流源 6を実現して、る。

この特許文献 1の安定ィ匕電源装置では、負荷電圧の安定のために用いている補償電圧源 3のエネルギー出力分の補充に、 3相スィッチ回路を介して、電流源 6のエネルギーを用いて、ることに特徴がある。

特許文献 1 :特開 2004— 312979

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0005] 近年は、パワーエレクトロニクス機器の総容量の増大に伴!、、負荷電流の高調波成分が増大した結果として、電源電圧波形のひずみが増大しており、この電源に接続される機器に障害を起こすことが懸念されて、る。

このため、図 27 (a)に示す安定化電源装置においては、電源電圧波形の補償とともに、電源電圧波形を歪ませる原因となる負荷電流の高調波成分を抑える補償が有用と考えられている。

[0006] 一方、図 27 (b)に示す系統連系インバータでは、交流電源とは別の電源を連系させるときに、接続する電源を、電流源として接続するため、交流電源と負荷に流れる電流の波形を制御することが原理的に可能である。しかしながら、日本国のガイドラインでは、系統に接続する電流源は、規定の力率内の正弦波電流出力にすることしか認められていないため、交流電源や負荷電流の波形が歪んでいたり、系統にとっての力率が悪力つたりするときに、系統にとって最も都合の良い電流波形および力率に調整することが行われて、な、のが現状である。

[0007] し力しながら、今後、電力の自由化に伴い、燃料電池、太陽光発電、風力発電等の電力会社外から系統に接続する電源が増加すると、今までのように、系統に接続する際の電流波形を正弦波としていたのでは、無効電力を処理するために、電力会社が多大な投資を行う必要があり、正弦波電流波形での連系が必ずしも適しているとはいえなくなる。

そこで、各々の電源を系統に接続する際に、系統を流れる電流の波形や位相を考慮して系統に接続する電流の波形を決定すれば、系統における無効電力を抑えることができると考える。すなわち、系統連系インバータにおいては、電流波形制御機能を付加させることが将来有望と考える。

[0008] また、系統連系インバータ単体では、図 27 (b)に示すように交流電源と負荷との間に補償電圧源を含まない構成であり、安定化電源装置に見られる交流電源の電圧波形補償を行いにくい。行うとすれば、交流電源と負荷との間に存在する線路リアタトル、または配置するリアタトルでの電圧降下を利用して、交流電源の電圧補償を行うことができる。し力しながら、この場合のリアタトルの電圧降下だけでは、制御範囲および出力条件が非常に限られたものとなる。このため、系統連系インバータの設置において、電圧補償機能も実現するためには、別途、安定化電源装置を設置する必要がある。

そこで、系統連系インバータに、装置規模を大きく変更することなぐ安定化電源機能と、電流波形制御機能を付加できれば、理想的な系統連系システムを安価に構築できると考える。

[0009] また、特許文献 1に記載の安定化電源装置は、図 27 (d)における簡略化した回路図の限り、交流電源の電圧補償と電流波形補償を同時に実現する装置と同等の回路構成である。しかしながら、特許文献 1に記載の安定化電源装置は、電流源 6を電流波形を補償するための電流源として機能させて、るものではな、ため、電流波形改善および力率改善を実現できな、。

[0010] すなわち、本発明の目的は、安定化電源装置において電流波形補償機能および力率改善機能を持たせた電源補償装置であり、見方を変えれば、系統連系インバータにおいて電流波形制御機能、力率改善機能、および安定化電源機能を持たせた電源補償装置を提供することにある。

また、本発明のその他の目的は、安定化電源装置や系統連系インバータを単純に 2つ並べた構成とするのではなぐ装置規模を大きく変更することなく実現し、従来の安定ィ匕電源装置や系統連系インバータの代替として設置できる電源補償装置を提供することにある。

また、本発明のその他の目的は、交流電源に故障等が発生したときに、無停電電源として機能できる電源補償装置を提供することにある。

課題を解決するための手段

[0011] 第 1発明の電源補償装置は、逆導通機能を持つスィッチ素子を 2つ直列に接続するスィッチ回路をレグとすると、 3つのレグと第 1のコンデンサとが並列接続されてなる電力変換回路を交流電源と負荷との間に接続し、該交流電源を補償する電源補償装置において、前記電力変換回路は、 2つのレグを用いて構成され、前記交流電源と前記負荷との間に第 1のリアタトルを介して直列に接続される直列コンバータ部と、 2つのレグを用いて構成され、前記負荷に並列に第 2のリアタトルを介して接続される並列コンバータ部と、を含み、前記直列コンバータ部および前記並列コンバータ部を構成するレグのうち 1つのレグが前記直列コンバータ部と前記並列コンバータ部とで共通であり、前記直列コンバータ部は、出力する電圧が、前記第 1のリアタトルの電圧降下と合わせて前記交流電源の電圧の大きさまたは電圧波形歪みを補償する電圧となるように制御されており、前記並列コンバータ部は、出力する電圧が、前記第 2のリアタトルの電圧降下と合わせて前記交流電源の電圧の大きさまたは電流波形歪みを補償する電圧となるように制御されてヽることを特徴とする。

本明細書では、コンバータ部は、直流から交流への電力変換動作と、交流から直流への電力変換動作の両方の動作が可能な電力変換回路を意味する。なお、第 1 のリアタトルおよび第 2のリアタトルは、線路に含まれる線路リアクタンスを含めたリアクトルを意味し、線路リアクタンスのみや、線路リアクタンスと線路リアクタンスと別に設置するリアタトルとの組合せをも含む概念である。

また本明細書では、第 1のコンデンサは、前記電力変換回路の直流側端子に接続されるコンデンサを意味し、第 1のコンデンサにエネルギーを供給することは、電力変換回路の直流側にエネルギーを供給することを意味する。

[0012] 第 2発明の電源補償装置は、第 1発明において、前記並列コンバータ部から出力される電圧および前記第 2のリアタトルの電圧降下によって、前記交流電源の電流位相が調整されることを特徴とする。

[0013] 第 3発明の電源補償装置は、第 1または第 2発明において、該エネルギー蓄積要素に蓄積されているエネルギーを、前記第 1のコンデンサの端子電圧に合わせた直流電力に調整して該第 1のコンデンサに供給する電力調整手段とを備えていることを特徴とする。

[0014] 第 4発明の電源補償装置は、第 1、 2または第 3発明において、前記直列コンパ一タ部から出力される電圧は、前記負荷の端子電圧に含まれる電圧波形歪みに基づいて制御されており、前記並列コンバータ部から出力される電圧は、前記交流電源の周波数と同一の周波数を有しかつ前記第 1のコンデンサの端子電圧を一定にし得る振幅に調整された基準電流波形と、前記交流電源の電流波形とに基づいて制御されていることを特徴とする。

[0015] 第 5発明の電源補償装置は、第 1または第 2発明において、前記第 1のコンデンサと並列に、電圧が一定の定電圧源を接続し、前記直列コンバータ部から出力される電圧は、前記負荷の端子電圧に含まれる電圧波形歪みに基づいて制御されており、前記並列コンバータ部から出力される電圧は、前記交流電源の周波数と同一の周波数を有しかつ前記第 1のコンデンサと前記定電圧源との間に流れる電流の時間平均値を零にし得る振幅に調整された基準電流波形と、前記交流電源の電流波形とに基づ、て制御されて、ることを特徴とする。

[0016] 第 6発明の電源補償設備は、少なくとも 2つの第 1、 2、 3、 4または第 5に記載の電源補償装置が、三相線路における 2線路間に接続されており、各電源補償装置は、他の電源補償装置に対して、接続された 2線路のうちいずれか一方の線路が異なるように配設されて、ることを特徴とする。

[0017] 第 7発明の無停電電源装置は、第 1、 2、 3、 4または第 5に記載の電源補償装置を用いる無停電電源装置であって、前記直列コンバータ部のレグのうち、交流電源側のレグの 2つのスィッチ素子を同時にオフにして、前記交流電源と前記負荷とを切り離し、残る 2つのレグにおけるスィッチ素子のオンオフ制御によって前記負荷端子に交流電圧を発生させる際、前記直列コンバータ部のレグのうち、前記負荷に接続されるレグは、前記負荷端子にて発生させる交流電圧の周期のうち正の半周期の期間において、第 1のコンデンサの正電圧の端子側のスィッチ素子がオンに、他方のスィツチ素子がオフに制御され、前記負荷端子にて発生させる交流電圧の周期のうち負の半周期の期間において、第 1のコンデンサの正電圧の端子側のスィッチ素子がォフに、他方のスィッチ素子がオンに制御されることを特徴とする。

[0018] 第 8発明の無停電電源装置は、逆導通機能を持つスィッチ素子を 2つ直列に接続するスィッチ回路をレグとすると、 3つのレグと第 1のコンデンサとが並列接続されてなる電力変換回路を交流電源と負荷との間に接続し、前記電力変換回路は、 2つのレグを用いて構成され、前記交流電源と前記負荷との間に第 1のリアタトルを介して直列に接続される直列コンバータ部と、 2つのレグを用いて構成され、前記負荷に並列に第 2のリアタトルを介して接続される並列コンバータ部と、を含み、前記直列コンパータ部および前記並列コンバータ部を構成するレグのうち 1つのレグが前記直列コンバータ部と前記並列コンバータ部とで共通であり、前記直列コンバータ部のレグのうち、交流電源側のレグの 2つのスィッチ素子を同時にオフにして、前記交流電源と前記負荷とを切り離し、残る 2つのレグにおけるスィッチ素子のオンオフ制御によって前記負荷端子に交流電圧を発生させる際、前記直列コンバータ部のレグのうち、前記負荷に接続されるレグは、前記負荷端子にて発生させる交流電圧の周期のうち正の半周期の期間において、第 1のコンデンサの正電圧の端子側のスィッチ素子がオンに、他方のスィッチ素子がオフに制御され、前記負荷端子にて発生させる交流電圧の周期のうち負の半周期の期間において、第 1のコンデンサの正電圧の端子側のスイッチ素子がオフに、他方のスィッチ素子がオンに制御されることを特徴とする。

[0019] 第 9発明の無停電電源設備は、少なくとも 2つの第 7または第 8に記載の無停電電源装置が、三相線路における 2線路間に接続されており、各無停電電源装置は、他の無停電電源装置に対して、接続された 2線路のうち、ずれか一方の線路が異なるように配設されて、ることを特徴とする。

発明の効果

[0020] 第 1発明によれば、交流電源の電圧波形が歪んでいる場合、直列コンバータ部から適切な補償電圧を出力することにより、第 1のリアタトルにおける電圧降下と合わせて、負荷端において、歪みを抑えた電圧や大きさを補償した電圧を発生させることができる。このため、負荷に接続する機器を安定した電圧のもとで使用することができるまた、交流電源の電流波形が、負荷力発生する高調波成分電流などの影響により歪んでいる場合、並列コンバータ部から適切な電圧を出力することにより、第 2のリァクトルにおける電圧降下と合わせて、交流電源の電流波形の歪みを抑えるための補償電流を実現できる。これにより、交流電源の電流波形歪みが抑えられ、交流電源の電圧波形を歪ませる要因の 1つを解消することができる。よって、電流波形歪みの補償と電圧波形歪みの補償の両方を実現することができる。また、並列コンバータ部の電圧の出力によって第 1のリアタトルに流れる無効電流を調整することで、第 1のリアタトルにおける電圧降下を利用した交流電源 1の電圧補償もできる。

また、直列コンバータ部と並列コンバータ部とが 1つの共通レグを介して一体の電力変換回路を構成していることから、電力変換回路の直流側に接続される第 1のコンデンサを、直列コンバータ部と並列コンバータ部とで共有することができる。

直列コンバータ部と並列コンバータ部とが第 1のコンデンサを共有することから、直列コンバータ部にて必要とされるエネルギーと、並列コンバータ部にて必要とされるエネルギーとを共通のコンデンサから工面することができる。すなわち、 1つのコンデンサのエネルギーを直列コンバータと並列コンバータとに分配することができる。例えば、直列コンバータ部にて必要とされる電圧補償の電圧幅が小さい場合、第 1のコンデンサの電圧幅のうち、直列コンバータ部にて必要とされる電圧補償幅を除いた電圧幅を用いて、並列コンバータ部を動作させることができる。仮に、直列コンバータ部と並列コンバータ部とを別々の装置で実現する場合、それぞれのコンバータ部において別々のコンデンサを電力変換回路の直流側に備えることから、エネルギーの貸し借りが容易ではない。本発明では、第 1のコンデンサが直列と並列の 2つのコンパータ部にて共通のため、エネルギーの貸し借りを行わずとも、エネルギーの有効利用ができる。また、第 1のコンデンサが直列と並列の 2つのコンバータ部にて 1つということは、装置の簡略ィ匕においても利点がある。

第 2発明によれば、第 1発明に基づき、交流電源の電流波形歪みを抑えるための補償電流を並列コンバータ部の電圧出力により実現する際、電流波形歪みを抑えるのみではなぐ交流電源の電流位相の補償の役割を担う補償電流を実現する。このことにより、交流電源における力率を改善する、いわゆるアクティブフィルタ動作が可能となる。

[0022] 第 3発明によれば、電力変換回路に、バッテリ、太陽電池、燃料電池等のエネルギ一蓄積要素のエネルギーを、電力調整手段により、第 1のコンデンサの端子電圧に合わせた直流電力に変換し、第 1のコンデンサに供給することができる。すなわち、補償電圧や補償電流の実現において、第 1のコンデンサのエネルギーが不足する場合、エネルギー蓄積要素のエネルギーを、第 1のコンデンサに並列接続される電流源に見立てて、第 1のコンデンサに補充することができる。

また、エネルギーは、エネルギー蓄積要素力第 1のコンデンサへの供給に限らず、エネルギー蓄積要素が受電可能なものであれば、電力調整手段を介して、第 1のコンデンサ力もエネルギー蓄積要素への供給が可能である。例えば、エネルギー蓄積要素が直流電力源であれば、電力調整手段が双方向の直流一直流変換を可能なものとすることで、交流電源のエネルギーに余裕がある時に、交流電源のエネルギ一を、第 1のコンデンサ力もエネルギー蓄積要素に供給することができる。また、例えば、エネルギー蓄積要素が他の交流電力源であれば、電力調整手段が双方向の交流一直流変換を可能なものとすることで、交流電源のエネルギーに余裕がある時に、交流電源のエネルギーを、第 1のコンデンサ力もエネルギー蓄積要素に供給すること力 Sできる。すなわち、本電源補償装置を、電流波形制御機能および安定化電源機能を備えた系統連系インバータとして機能させることができる。

[0023] 第 4発明によれば、直列コンバータ部の出力を、負荷の端子電圧に含まれる電圧波形歪みを基に、負荷の端子電圧の電圧波形歪みを打ち消す電圧に制御することで、負荷の端子電圧に含まれる電圧波形歪みを抑制し、負荷の端子電圧を正弦波にすることができる。

また、並列コンバータ部の出力を、交流電源の周波数と同一の周波数の電流で、かつ電力変換回路のコンデンサ電圧を一定にし得る振幅に調整された基準電流波形と、交流電源の電流波形とに基づいて制御する。つまり、基準電流波形と交流電源の電流波形とをつき合わせて、言い換えれば、基準電流波形と交流電源の電流波形とを比較した結果に基づいて並列コンバータ部の出力を制御する。これにより、交流電源の電流の周波数を交流電源の電圧の周波数に合わせることができるとともに、電力変換回路の直流側の第 1のコンデンサの過充電、過放電を抑制でき、電力変換回路を安定して動作させることができる。なお、基準電流波形を、波形歪みのない正弦波とすることで、交流電源の電流を、歪みのない波形に導く制御系にできることは言うまでもない。

[0024] 第 5発明によれば、第 1のコンデンサに接続するエネルギー源が電圧の変更が望まれない定電圧源である場合、並列コンバータ部の出力を、第 1のコンデンサと定電圧源との間に流れる電流の時間平均値を零にし得る振幅に調整された基準電流波形と、交流電源の電流波形とに基づいて制御する。つまり、基準電流波形と交流電源の電流波形とをつき合わせて、言い換えれば、基準電流波形と交流電源の電流波形とを比較した結果に基づいて並列コンバータ部の出力を制御する。このことにより、第 1のコンデンサの電圧を、エネルギー蓄積要素の電圧に一致させて動作させることができ、電力変換回路を安定して動作させることができる。なお、このとき、基準電流波形を、交流電源と同一の周波数の波形で波形歪みのない正弦波にすることで、交流電源の電流を、周波数が交流電源の電圧と同じで波形歪みのない電流波形に補償することができる。

また、直列コンバータ部の出力を、負荷の端子電圧に含まれる電圧波形歪みを基に、負荷の端子電圧の電圧波形歪みを打ち消す電圧に制御することで、負荷の端子電圧に含まれる電圧波形歪みを抑制し、負荷の端子電圧を正弦波にすることができる。

すなわち、第 5発明は、エネルギー源が、蓄電池や、効率等の面で決められた電圧にて動作させた、太陽電池などの定電圧の直流電圧源であった場合、その電圧値が電源補償装置を安定して動作できる設計範囲内であれば、第 3発明のように電力調整手段を用いずとも、直接第 1のコンデンサに並列にエネルギー源として定電圧源を接続することができる。

[0025] 第 6発明によれば、第 1、 2、 3、 4または第 5発明の電源補償装置を三相線路の異なる 2線路の組合せにおいて 1つずつ接続し、 3相のバランスを考慮しながら、それぞれの電源補償装置を働カゝせることで、 3相電力における電圧補償および電流補償ができる。三相線路に接続する電源補償装置は、異なる 2線路の組合せのうち、 3つの組み合わせにそれぞれ設置しても良いが、 2つの組合せに設置しても、 3相バランスを計算して制御することにより、 3相電力における電圧補償および電流補償を実現できる。

[0026] 第 7発明によれば、前記第 1、 2、 3、 4または第 5に記載の電源補償装置を用いて、交流電源の停電時等に制御を切り替えることで、電力変換回路の第 1のコンデンサ電圧を利用した無停電電源装置として機能させることができる。なお、交流電源と負荷との切り離しは、逆導通機能を持つスィッチ素子のオフ動作にて行うため、物理的なスィッチの開放と異なり、第 1のリアタトルに蓄えられて、た転流エネルギーに伴うサージ電圧の発生を抑えることができる。また、逆導通機能を持つスィッチ素子は、瞬時のスィッチ切替が可能なため、物理的なスィッチを用いる場合に起こる、スィッチ開放までの時間遅れの問題を克服できる。

[0027] 第 8発明によれば、交流電源の電圧および電流補償機能を備えな!/、構成であっても、無停電電源装置として動作させることができる。

[0028] 第 9発明によれば、第 7または第 8発明の無停電電源装置を三相線路の異なる 2線路の組合せにおいて 1つずつ接続し、 3相のバランスを考慮しながら、それぞれの無停電電源装置を働かせることで、 3相電力における停電補償ができる。三相線路に接続する無停電電源装置は、異なる 2線路の組合せのうち、 3つの組み合わせにそれぞれ設置しても良いが、 2つの組合せに設置しても、 3相バランスを計算して制御することにより、 3相電力における停電補償を実現できる。

発明を実施するための最良の形態

[0029] 以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。なお、これにより本発明が限定されるものではない。

[0030] (第 1の実施の形態）

第 1の実施の形態に係る電源補償装置 100の主回路構成を図 1に示す。逆導通機能を持つ 6つのスィッチ素子 S1〜S6を用いて、逆導通機能を持つスィッチ素子を 2 つ直列に接続したスィッチ回路 Leg 1〜Leg3を第 1のコンデンサ Cdと並列接続して、電力変換回路 10を構成する。詳しくは、スィッチ素子 S1と S4とを直列接続してスィツチ回路 Leglを構成し、スィッチ素子 S2と S5とを直列接続してスィッチ回路 Leg2を構成し、スィッチ素子 S3と S6とを直列接続してスィッチ回路 Leg3を構成する。ここで、スィッチ素子 S1と S4との直列接続点を端子 T1とし、スィッチ素子 S2と S5との直列接続点を端子 T2とし、スィッチ素子 S3と S6との直列接続点を端子 T3とする。

なお、スィッチ回路 Legl〜Leg3はスィッチ素子 S1〜S6を制御する制御器とともに用いられ、第 1のコンデンサ Cdが接続される端子、いわゆる電力変換回路 10の直流側端子と、交流出力または入力となる端子 T1〜T3との間で直流一交流の電力変換動作をすることは言うまでもない。以下の実施の形態の説明では、スィッチ素子を制御する制御器を用いることを前提とする。

なお、 3つのスィッチ回路が並列接続される電力変換回路 10のかわりに、 4つ以上のレグが並列接続される電力変換回路を用いる電源補償装置であっても、実際に使うレグが 3つであり、残りのレグのスィッチ素子をオフに制御する電源補償装置であれば、本発明に該当することは言うまでもない。また、複数のレグの接点の接続およびスイッチングを同期させて、複数のレグをあた力も 1つのレグであるかのようにして使用する場合は、合計のレグの数力つ以上であっても、制御上、 3つのレグを用いることと同等であれば、本発明に該当することは言うまでもない。

電力変換回路 10は、交流電源 1と負荷 2との間に接続する。詳しくは、交流電源 1 の一端に接続された第 1のリアタトル 4の他端に、電力変換回路 10の端子 T1を接続し、端子 Τ2を負荷 2の一端に接続する。また、端子 Τ3を、交流電源 1の他端と負荷 2 の他端に接続された第 2のリアタトル 5の他端に接続する。

電力変換回路 10は、端子 T1と端子 Τ2との間に、交流電源 1と負荷 2との間に直列接続された電圧源を発生させることができることから、スィッチ回路 Leglと Leg2と第 1 のコンデンサ Cdとが並列接続された部分を直列コンバータ部 SCと呼ぶ。

同様に、電力変換回路 10は、端子 T2と端子 T3との間に、第 2のリアタトル 5を介して負荷 2に並列接続された電圧源を発生させることができることから、スィッチ回路 Le g2と Leg3と第 1のコンデンサ Cdとが並列接続された部分を並列コンバータ部 PCと呼ぶ。

なお、第 1のリアタトル 4は、交流電源 1のインピーダンスや線路リアクタンスであっても良い。また、第 1のリアタトル 4は、図 1に示すように交流電源 1と端子 T1との間に設けるほか、負荷 2と端子 T2との間に設けても良い。また、その両方に設けても良い。また、第 2のリアタトル 5についても、線路リアクタンスであっても良い。し力しながら、線路リアタトルや交流電源 1のインピーダンスのみでは直列コンバータ部や並列コンパータ部での電圧変動に対応可能な大きなリアクタンス値が望めない場合は、別途、リァクトルを設置することが望まし、。

[0031] 交流電源 1にて電圧が不安定であったり電圧波形が歪んでいる場合、負荷 2にとつて波形歪みの少ない安定した電圧を供給するため、直列コンバータ部 SCにて補償電圧を発生させる。発生させる補償電圧は、第 1のリアタトル 4における電圧降下と合わせて、交流電源 1から負荷 2へ供給する電圧を安定させる電圧であり、かかる補償電圧が発生するように直列コンバータ部 SCを制御する。例えば、負荷 2の端子電圧を検出して、波形歪みを含まない基準電圧波形とつき合わせる制御、つまり、基準電圧波形と検出した負荷 2の端子電圧とを比較して、両者を一致させる制御や、負荷 2 の端子電圧から電圧波形歪み成分を抽出し、電圧波形歪み成分を打ち消す電圧を出力する制御を挙げることができる。

また、電力変換回路 10のスイッチング素子 Sl、 S2、 S4および S5への信号は、例えば、スィッチ回路 Legl、 Leg2ごとに基準波を設けて、その基準波を三角波等との比較を行う PWM制御にて決定することができる。 PWM制御を行うと、スィッチ素子に与える信号を、スィッチ素子個別の演算を行うことなぐ 1つのスィッチ回路にひとつの基準波形を決定することで、スィッチ素子のスイッチング信号を受動的に決定することができる利点がある。

[0032] また、負荷 2の性質により、負荷 2に流れる電流に高調波が多く含まれるなどして交流電源 1の電流波形に歪が生じている場合、電流波形の歪みを打ち消すために、並列コンバータ部 PCにて補償電圧を発生させる。発生させる補償電圧は、第 2のリアクトル 5における電圧降下と合わせて、交流電源 1と負荷 2との間の線路に交流電源 1 の電流波形の歪みを抑制する電流を提供し得る電圧であり、カゝかる補償電圧が発生するように並列コンバータ部 PCを制御する。例えば、交流電源 1に流れる電流を検出し、波形歪み成分を含まない基準電流波形に交流電源 1に流れる電流が一致するように並列コンバータ部 PCの出力を決定する。この際、基準電流波形は、交流電源 1の電圧と同じ周波数の正弦波波形とすることができる力その振幅については、第 1のコンデンサ Cdの過充電、過放電を抑制するため、第 1のコンデンサ Cdの電圧が時間平均にて一定となる値に調整した値とし、電力変換回路 10の動作を安定させる。例えば、第 1のコンデンサ Cdの電圧が一定となる値の調整は、一定の目標値との帰還により行うことができる。

また、基準電流波形の位相は任意に決定することができ、位相を任意に決定した基準電流波形と交流電源 1の電流波形が一致するように制御することから、交流電源 1の電流の位相の調整、すなわち交流電源 1または負荷 2の電圧と電流との力率の変更ができる。

また、並列コンバータ部 PCにより実現できる交流電源 1の電流への補償電流は、交流電源 1の電流を調整できることから、第 1のリアタトル 4での電圧降下を調整することができる。すなわち、交流電源 1の電圧補償を並列コンバータ部 PCの制御によつても実現できる。

また、並列コンバータ部 PCのスィッチ素子 S2、 S3、 S5および S6への信号は、直列コンバータ部 SCのときと同様に、スィッチ回路 Leg2、 Leg3ごとに基準波を設けて三角波比較やヒステリシス比較をする PWM制御を用いることができる。 PWM制御により、スィッチ素子に与える信号を、各スィッチ素子個別の演算を行うことなぐ 1つのスィッチ回路にひとつの基準波形にて、各スィッチ素子のスイッチング信号を受動的に決定できる。

また、並列コンバータ部 PCと直列コンバータ部 SCとは、スィッチ回路 Leg2が共通であり、スィッチ回路 Leg2のスイッチング素子 S2および S5への信号は、直列コンパータ部 PCと並列コンバータ部 PCとで一致しなければならない。すなわち、直列コンバータ部 SCと並列コンバータ部 PCの制御は完全に独立して行うことができないことを意味する。し力しながら、直列コンバータ部 SCと並列コンバータ部 PCとで電圧分担を考慮し、スィッチ回路 Leg2の端子 T2を中性点とみなし、スィッチ回路 Leglの端子 Tlへの電圧を直列コンバータ部 SCの電圧分担とし、スィッチ回路 Leg3の端子 T 3への分担を並列コンバータ PCへの電圧分担として実現することができる。また、直列コンバータ SCは、波形歪みおよび電圧の不足を補うため、大きな電圧幅は要求されない傾向にあり、並列コンバータは、交流電源 1や負荷 2と並列に接続されることから、比較的大きな電圧が要求される傾向にある。このため、直列コンバータ SCと並列コンバータ PCとの電圧分担は、例えば、 1 : 9や 2 : 8とすることが考えられる。

[0034] 直列コンバータ部 SCが出力する補償電圧を電圧源 ebとし、並列コンバータ部 PC が出力する補償電圧を電圧源 ecとしたときの等価回路を図 2に示す。電圧源 ebと ec を囲む点線の範囲が電力変換回路 10の出力を表す。また、第 1のリアタトル 4と電圧源 ebとを囲む点線の範囲にて、交流電源 1から負荷 2へ供給する電圧を安定させるための補償電圧を発生し、第 2のリアタトル 5と電圧源 ecとを囲む点線の範囲にて、交流電源 1の電流波形歪みを抑制するための補償電流を発生する。

[0035] 電源補償装置 100の波形改善の様子を図 3に視覚的に示す。比較として、交流電源 1の波形が歪んでおり無補償のときの電圧および電流波形を図 4に示す。

図中 iaは交流電源 1を流れる電流波形、 eaは交流電源 1の電圧波形、 eoは負荷 2 の電圧波形、 iLは、負荷 2を流れる電流波形を示している。また、図 3においては、直列コンバータ部 SCによる電圧波形 ebを、並列コンバータ部 PCの動作により実現される電流波形 icを示している。

図 3および図 4にて交流電源 1には、高調波電圧が含まれ、正弦波のピークが平坦になっている。また、負荷電流 iLは、高調波電流を多く含み、正弦波と大きく異なる波形をしている。

これにより、図 4に示す比較例では、負荷 2の電圧波形が交流電源 1にみられるピークの歪みに加えて、負荷 2の電流 iLの影響をうけ、ノイズがのったような波形となつている。また、交流電源 1の電流 iaについても、負荷 2の電流 iLよりも歪む波形となつている。

一方、電源補償装置 100を動作させる図 3では、交流電源 1の電圧波形歪みを直列コンバータ部 SCによる電圧波形 ebの足し合わせにより、負荷 2において正弦波の電圧波形 eoを実現する。また、負荷 2の電流歪みおよび交流電源 1の電圧波形歪みの影響を交流電源 1の電流 iaにて打ち消すために、並列コンバータ部 PCの動作により補償電流 icを供給する。これにより、交流電源 1の電流 iaの波形を正弦波とすることがでさる。

(第 2の実施の形態）

第 2に実施の形態では、第 1の実施の形態の電源補償装置 100を電力潮流制御装置（UPFC、 Unified Power Flow Controller)として使用する。図 1に示す電源補償装置 100を UPFCに適用する際、第 1の実施の形態力も大きな変更の必要はない。以下に、電源補償装置 100を用いる利点を、比較例を用いて説明する。図 5に、比較例として、逆導通機能を持つスィッチ素子 Sl、 S2、 S2'、 S3、 S4、 S5、 S5\ S 6の 8つを用いて 4つのスィッチ回路 Legl、 Leg2、 Leg2，、 Leg3、 Leg4を構成し、 L egl、 Leg2および第 1のコンデンサ Cdを用いて直列コンバータ部 SCを構成し、 Leg 2'、 Leg3および第 1のコンデンサ Cdを用いて並列コンバータ部 PCを構成する電源補償装置 300を示す。ただし、図 5の比較例において、スィッチ素子 S2と S2'とが同時に同一のスイッチングをし、かつ、スィッチ素子 S5と S5'とが同時に同一のスィッチングをする場合は、本発明の電源補償装置とみなすことができる。この場合を除き、比較例の図 5は、直列コンバータ部 SCと並列コンバータ部 PCとにおいて、スィッチ回路が 2つのコンバータ部にて完全に独立しており、図 1と比較すれば、スィッチ回路 Leg2を、 Leg2と Leg2'の 2つに置きかえた構成となっている。しかしながら図 5の電源補償装置 300では、第 1のコンデンサ Cdを直列コンバータ部 SCと並列コンパ一タ部 PCとで共用にする必要があるため、スィッチ回路 Leg2と Leg2'におけるスイツチ素子のオンオフ動作を同時にしなければ、 S2'—S5間もしくは、 S2— S5'間にて直流回路短絡を生じる問題点がある。このような直流回路短絡を防ぐ手法として、直列コンバータ部 SCや並列コンバータ部 PCと交流電源 1の線路との間に変圧器 TR1 、 TR2を挿入する手法が知られている。図 5に変圧器 TR1、 TR2を挿入した図を図 6 に示す。この図 6の構成が、一般に説明される UPFCの単相模式図である。

一方、図 1の電源補償装置 100では、第 1のコンデンサ Cdが直列コンバータ SCと並列コンバータ PCとで共用であっても、直列コンバータ部 SCと並列コンバータ部 PC とでスィッチ回路 Leg2が共用であるため、図 5の回路で起こりうる直流回路短絡が生じない。よって、電源補償装置 100を UPFCに適用する際に変圧器を設置しなくて良い利点が生じる。変圧器の設置が不要であれば、コスト面にて有利であるとともに、特に、交流電源 1と負荷 2との間に直列に挿入する必要がある直列コンバータ部 SC において変圧器 TR1を設けなくてよい点が、変圧器を用いた場合に問題となる、「電流と磁束を軸にした場合の変圧器の使用範囲が線形範囲から外れた飽和領域に入つてしまう現象」、を考慮する必要がなくなる点で有利である。

[0037] (第 3の実施の形態）

第 1の実施の形態に示す電源補償装置 100において、電力変換回路 10は、端子 T1と端子 T3との間に、第 2のリアタトル 5を介して負荷 2に並列接続された電圧源を発生させることもできることから、並列コンバータ部 PCを、スィッチ回路 Leglと Leg3 と第 1のコンデンサ Cdとが並列接続された部分にて構成することができる。このとき、直列コンバータ部 SCが出力する補償電圧を電圧源 ebとし、並列コンバータ部 PCが出力する補償電圧を電圧源 ecとしたときの等価回路を図 7に示す。図 7は、電圧源 _e bが電圧源 ecよりも負荷 2側に位置することが図 2と異なる。し力しながら、図 7は、電圧源 ebと ecを囲む点線の範囲が電力変換回路 10の出力を表現し、第 1のリアタトル 4と電圧源 ebとを囲む点線の範囲にて交流電源 1から負荷 2へ供給する電圧を安定させるための補償電圧を発生する点、第 2のリアタトル 5と電圧源 ecとを囲む点線の範囲にて交流電源 1の電流波形歪みを抑制するための補償電流を発生する点が図 2と同様であり、得られる効果が図 2と同等である。なお、電力変換回路 10の制御は、コンバータ部とスィッチ回路の対応に応じて変更することにより、実施の形態 1に記述した方法と同様の方法にて行うことができる。

[0038] (第 4の実施の形態）

第 1の実施の形態に示す電源補償装置 100において、コンデンサ Cdに並列に電流源 ipvを接続することができる。電流源 ipvを接続した主回路構成を図 8に示す。電流源 ipvは、様々な様態により実現できるが、例えば、太陽電池、燃料電池、蓄電池、交流電源などの電圧を出力制御し、第 1のコンデンサ Cdの端子電圧と一致させて電流源とすることができる。すなわち、太陽電池、燃料電池、蓄電池、交流電源などのエネルギー蓄積要素のエネルギーを、直流一直流変換手段もしくは直流一交流変換手段などの電力調整手段により、第 1のコンデンサ Cdの電圧に一致するように制御した電流源 ipvとして用いることができる。具体的に太陽電池を例にとると、太陽電池は、エネルギー変換効率の面力最適動作電圧が決まっており、その電圧が必ずしも第 1のコンデンサ Cdの電圧が求める電圧と一致はしないため、直流一直流変換のチヨツバ回路等を電力調整手段として用いて接続し制御する。燃料電池ゃ蓄電池についても、自ら出力できる電圧の調整をするため、第 1のコンデンサ Cdの電圧と一致させるために、電力調整手段としてチヨツバ回路等を用いる。また、交流電源を接続する場合は、交流電源からから直流電源に変換する交流一直流変換の電力変換装置を電力調整手段として用いて、コンバータ動作により第 1のコンデンサ Cdに接続する。

第 4の実施の形態は、エネルギー蓄積要素のエネルギーを、第 1のコンデンサ Cd の端子電圧と一致する電流源 ipvとして用いることから、電流源 ipvを実現するための電力調整手段の制御系を、エネルギー蓄積要素と第 1のコンデンサ Cdとの間に組み入れるほかは、第 1の実施の形態と同様の制御系にて実現できる。そして、電流源 ip Vのエネルギーは、並列に接続されている第 1のコンデンサ Cdとともに、電力変換回路 10における電圧補償および電流補償に利用できる。また、交流電源 1の電流の比較対象であり、一致させる目標値である基準電流波形の位相を調整することにより、電流源 ipvのエネルギーは電力変換回路 10を介した、交流電源 1や負荷 2へのエネルギ一の供給が可能である。

また、太陽電池や燃料電池等の、エネルギーを供給することしかできないエネルギ一蓄積要素ではなぐ蓄電池や交流電源等の、エネルギーの受取が可能なェネルギー蓄積要素を用いる場合、電力調整手段を双方向の電力授受が可能な手段とすることで、交流電源 1のエネルギーに余裕がある時に、交流電源 1のエネルギーを、エネルギー蓄積要素に供給することができる。すなわち、本電源補償装置を、電流波形制御機能および安定ィ匕電源機能を備えた系統連系インバータとして機能させることができる。

電源補償装置 100を用いて電流源 ipvを接続した際の波形改善の様子を図 9に視覚的に示す。比較として、電流源 ipvを正弦波交流に変換して接続した際の波形を図 10に示す。図 10より、電流源 ipvを正弦波交流にて連系した場合は、交流電源 1 の電流 iaのリップルが解消されない。しかしながら、図 9に示す電源補償装置 100を用いた連系では、交流電源 1の電流 iaを正弦波に近づけるような補償電流 icとなるように、並列コンバータ部 PCを動作させるため、交流電源 1の電流 iaの波形を正弦波とすることができる。また、コンデンサ Cdの電圧は、図 9、図 10ともに、第 1の実施の形態と同じく電力変換回路の動作を安定させるために一定となるように制御する。

(第 5の実施の形態）

三相電源において電源補償を行うために、第 1の実施の形態に示す電源補償装置 100を三相線路の線間に接続するときの回路構成を図 11に示す。三相線路に電源補償装置 100が 2つ接続される構成となる。図中、 eは三相電源の U相の相電圧、 e は V相の相電圧、 eは W相の相電圧を示し、 iは U相の相電流、 iは V相の相電流、 i は W相の相電流を示し、電流源 i は U相に該当する負荷、電流源 i は V相に該当 w uO νθ

する負荷、電流源 i は W相に該当する負荷を示す。 e は線路 UV間の負荷端子

wO Ouv

電圧、 e は線路 WV間の負荷端子電圧を示す。図中にお、て、一つ目の電源補

Owv

償装置は、 U相と V相を用いて接続され、直列コンバータ部 SCの接続側が U相となる。もう一つの電源補償装置は、 W相と V相を用いて接続され、直列コンバータ部 SC の接続側が W相となる。すなわち、 V相は、並列コンバータ部 PCに接続される第 2のリアタトル 5の他端が接続される共用線路となる。この時の等価回路を図 12に示す。図中、 e は U相 V相にわたり接続される電源補償装置 100の直列コンバータ部 SC bu

により出力する電圧であり、 e は並列コンバータ部 PCにより出力する電圧である。同様に、 W相 V相にわたり接続される電源補償装置 100では、 e が直列コンバータ

bw

部 SCによる出力であり、 e が並列コンバータ部 PCによる出力電圧である。

この 2つの電源補償装置 100は、 e 、 e の瞬時電圧の三相バランスを考慮して、

bu bw

それぞれの直列コンバータ部 SCを制御することにより、三相電源において、電源電圧の波形歪みを補償する。このとき、それぞれの電源補償装置における制御は、第 1 の実施の形態に示す制御と同様である。また、 e 、 e の瞬時電圧の三相バランスを考慮して、それぞれの並列コンバータ部を制御することにより、三相電源において

、電源電流 i、 i、 i の波形歪みを補償する。 [0041] (第 6の実施の形態）

第 5の実施の形態のように、三相線路の線間に電源補償装置 100を接続して三相電源の電源補償を行う際、 3つの線間それぞれに電源補償装置を接続することができる。この時の等価回路を図 13に示す。このとき、 3つの電源補償装置 100は、 e 、

bu e 、 e の瞬時電圧の三相バランスを考慮して、それぞれの直列コンバータ部 SCを bw bv

制御する。また、 e 、e 、e の瞬時電圧の三相バランスを考慮して、それぞれの並列コンバータ部を制御することにより、三相電源において、電源電流 i、 i、 i の波形歪みを補償する。それぞれの電源補償装置における制御は、電源補償装置を 2つ用いる力 3つ用いるかの違、のみで、第 5の実施の形態に示す制御と同様である。

[0042] (第 7の実施の形態）

第 1の実施の形態における電源補償装置 100の動作に、 PWM制御を用いる実施の形態を図 14に示す。電源補償装置 100の電力変換回路に PWM信号を出力する PWM制御部 50は、直列コンバータ部 SCの制御を目的とした直列側制御部 51と並列コンバータ部 PCの制御を目的とした並列側制御部 52からの指令信号に基づき、三角波比較等を用いてスイッチング信号を演算して出力する。

[0043] 直列側制御部 51は、負荷 2の電圧値から波形歪み成分を抽出し、波形歪み成分を打消す電圧を直列コンバータ部 SCが出力するよう、 PWM制御部 50への制御指令を算出する。例えば、負荷 2の端子電圧を BEF (Band Eliminate Filter 帯域除去フィルタ）に通し、電圧歪み成分を抽出し、電圧歪み成分を取り除く帰還を行う。

[0044] 並列側制御部 52は、第 1のコンデンサ Cdから検出する電圧値をもとに、第 1のコンデンサ Cdを所望の基準値に保つ帰還を行うとともに、交流電源 1の電源電流を高調波の含まな!/ヽ基準電流波形と一致させる帰還を行うことにより、交流電源 1の電源電流における高調波成分の補償を行う。例えば、高調波を含まない基準電流波形は、負荷 2の電圧を BPF (Band Pass Filter 帯域通過フィルタ）に通して得られた正弦波波形に、第 1のコンデンサ Cdの電圧が一定となる振幅の定数を掛け合わせて算出する。また、高調波を含まない基準電流波形を決定する際、振幅を掛け合わせる前の正弦波波形は、関数発生器 FG (Function Generator)により生成してもよい。ただし、生成する正弦波の周波数は負荷 2の電圧の基本波成分の周波数の同期信号 53を検出することにより、交流電源 1の周波数と一致させる。また、高調波を含まなヽ基準電流波形は、負荷 2の電圧を BPFに通して得られた正弦波波形の位相を調整せずに用いて算出するのであれば、負荷 2の電圧の基本波成分と同 Cf立相となる。しかし、関数発生器 FGの正弦波波形や BPFを通して得られた正弦波波形を、位相指令 54により位相調整すれば、任意の位相の基準電流波形を生成することができ、交流電源 1の力率を調整できる。

[0045] (第 8の実施の形態）

第 7の実施に形態において、交流電源 1と異なる電力源として、電流源 ipvを電力変換回路 10の第 1のコンデンサ Cdに並列接続する実施の形態を図 15に示す。電源補償装置 100は、電流源 ipvの電圧がコンデンサ Cdと一致するため、図 14と同じ制御系にて電源補償を実現できる。すなわち、エネルギー蓄積要素を第 1のコンデンサ Cdの電圧に合わせた電流源に変換することで、第 7の実施の形態と同じ制御系にてエネルギー蓄積要素のエネルギーを利用した電源補償を実現できる。

[0046] (第 9の実施の形態）

第 8の実施の形態と異なり、電流源 ipvではなぐ定電圧源 vcを電力変換回路 10の第 1のコンデンサ Cdに並列接続した際の実施の形態を図 16に示す。

並列側制御部 52において、第 1のコンデンサ Cdから検出する電圧値をもとに第 1 のコンデンサ Cdを所望の基準値に保つ帰還を行うのに変えて、第 1のコンデンサ Cd と定電圧源 vcとの間の電流の時間平均値を零に導く帰還を行う点が、第 8の実施の形態と異なる。具体的には、並列側制御部 52において、基準電流波形を、負荷 2の電圧の基本波成分と周波数が同じで高調波成分を含まない正弦波に、第 1のコンデンサ Cdと定電圧源 vcとの間の電流の時間平均値を零に導く振幅の定数を掛け合わせることで算出する。このことにより、電力変換回路 10に接続するエネルギー源が電流源でなく定電圧源であつても、第 1のコンデンサ Cdと定電圧源 vcとの電圧の違ヽを電力変換回路 10の動作にて解消し、第 1のコンデンサ Cdの電圧を定電圧源 vcの電圧に合わせることで、他のエネルギー源を利用した電源補償を実現できる。ただし、接続する定電圧源の電圧値は、電源補償装置を設計する際の設計範囲内であることが条件である。すなわち、定電圧源の電圧値が設計範囲内であるときには、本実施の形態のより、第 4の実施の形態に示す電力調整手段を設けることなぐエネルギ一源を第 1のコンデンサ Cdに接続することができる。具体的には、出力効率を向上できる太陽電池の動作電圧が設計範囲内であったり、燃料電池の出力電圧が設計範囲内であったときに、太陽電池や燃料電池の接続において装置構成を簡略ィ匕できる (第 10の実施の形態）

第 1の実施の形態の電源補償装置を用いて、交流電源 1を故障等の理由により切り離し、別の電源を生成する無停電電源装置を実現する。主回路構成は図 1と同じであるが、制御系を無停電電源として機能させるために切り替える必要がある。また、第 1のコンデンサ Cdは、交流電源 1における電圧の瞬時的な低下の補償など、ェネルギー消費が少ない場合は、第 1のコンデンサ Cdの蓄電能力のみで対応できる可能性があるが、電流源や蓄電池を並列接続するなどして、他のエネルギー源によりエネルギ一の供給を受けられる状態にて使用することが好ましい。

無停電電源装置の制御系を説明する図を、無停電補償のために生成する電源の半周期ごとに図 17および図 18に示す。図 17は、正の半周期にて電圧を生成させるためのスイッチングの説明図であり、図 18は、負の半周期にて電圧を生成させるためのスイッチングの説明図である。

図 17および図 18にて、電力変換回路 10のうち交流電源 1側のスィッチ回路 Legl のスィッチ素子 SIおよび S2は、同時にオフとすることで、交流電源 1と負荷 2とを切り離す。このとき、物理的なスィッチと異なり、第 1のリアタトルに蓄えられた転流ェネルギ一によるサージ電圧が発生しないとともに、スィッチの開放に力かる時間遅れが少ないことが利点である。

図 17においては、第 1のコンデンサ Cdの両端の電圧を利用し、出力する電圧が正の半周期の期間は、スィッチ回路 Leg2のスィッチ素子 S2および S5のうち、第 1のコンデンサ Cdの正電圧側であるスィッチ素子 S 2をオン、他方のスィッチ素子 S 5をオフとする。この期間中、スィッチ回路 Leg3のスィッチ素子 S3および S6のスイッチングの組み合わせにより、パルス状の正の電圧をスィッチ回路 Leg2と Leg3との間に出力する。このパルス状の電圧出力をリアタトルにより平均すると半波の正弦波となるように、パルス幅を調整し、正の半周期の正弦波を実現する。

一方、図 18は、図 17の逆で、負の半波の正弦波を実現するため、負の半周期の期間は、スィッチ回路 Leg2のスィッチ素子 S2および S5のうち、第 1のコンデンサ Cd の正電圧側であるスィッチ素子 S2をオフ、他方のスィッチ素子 S5をオンに固定する。この期間中、スィッチ回路 Leg3のスィッチ素子 S3および S6のスイッチングの組み合わせにより、パルス状の負の電圧をスィッチ回路 Leg2と Leg3との間に出力することは図 17と同じである。この図 17と図 18とを交互に切り替えて、無停電電源を実現できる。

[0048] 以下、実施の形態 1、 4、 7および 8に係る、交流電源 1を流れる電流が負荷 2の電圧の基本波成分と同相である場合の電源補償装置の実施例 1を示す。

[0049] (実施例 1)

図 19に、本発明の電源補償装置の制御ブロック図を示す。図にて、電力変換回路 10は、スィッチ回路 Leglが PWM信号 7aに対応し、スィッチ回路 Leg2が PWM信号 7bに対応し、スィッチ回路 Leg3が PWM信号 7cに対応する。ここで、スィッチ回路 Leglとスィッチ回路 Leg2とが直列コンバータ部 SCの役割をし、スィッチ回路 Leg2とスィッチ回路 Leg3とが並列コンバータ部 PCの役割をする。すなわち、 PWM信号 7a および 7bは、直列コンバータ部 SCのための信号となり、 PWM信号 7bおよび 7cは、並列コンバータ部 PCのための信号となる。すなわち、 PWM信号 7bは、 2つの要求を満たす値となる。

[0050] 次に制御の流れを説明する。

まず、並列コンバータ部 PCにおいて共通でないスィッチ回路である Leg3に与える PWM信号 7cは、電流検出器 60により検出する交流電源からの電流 iを基準電流

a

波形 i *と比較して偏差を求め、その偏差を比例 Pや比例積分 PIの電流調節器 66に a

通すことにより三角波と比較する基準波を決定し、その基準波をコンパレータ 68aにて三角波 67と比較することにより決定する。このとき、電流検出器 60からの電流 iの

a 比較対象となる基準電流波形 i *は、電圧検出器 61により検出する電力変換回路 10

a

の直流側電圧 Eを、一定値である基準電圧 E *と比較して偏差を求め、求めた偏差

d d

を比例 Pや比例積分 PIの電流調節器 63に通して振幅 I *とし、この振幅 I *を、負荷 2

a a の基本波成分の周波数、すなわち交流電源 1の周波数と同期して歪みを含まない正弦波と掛け算器 65にて掛け合わせて決定する。この、交流電源 1の周波数と同期して歪みを含まない正弦波は、図に示すように、電圧検出器 62により負荷電圧を検出して、その負荷電圧を帯域通過フィルタ (BPF) 64を通すことにより得ることができる力交流電源 1の周波数と同期する同期信号を得て関数発生器で作成することもできる。

[0051] 一方、並列コンバータ部 PCにおいて共通のスィッチ回路である Leg2に与える PW M信号 7bは、直列コンバータ部 SCと並列コンバータ部 PCとの電圧分担を考慮し、端子 T1—T2間と T2—T3間で所望の電圧分担となるように決定する。簡単には、端子 T2を中性点として端子 T1側と端子 T3側への電圧分担を半々に振り分けて決定することができる。また、電圧分担は半々に限らず、電圧波形歪みが大きくない場合には、直列コンバータ部 SC側 (T1—T2間）での電圧割合を少なめにし、並列コンパータ部 PC側 (T2—T3間）での分担割合を大きくすることができる。例えば、端子 T1 ー丁2間と丁2—丁3間の電圧分担割合を2 : 8として、電力変換回路 10の直流側電圧が 200Vのときに、端子 Tl— T2間にて 10V前後の補償を行い、端子 T2— T3間にて 150V前後の補償を行うことが制御の自由度の確保の面で実用的と考える。

具体的には、図 19における PWM信号 7b用のコンパレータ 68bに、 PWM信号 7c を求めるときにコンパレータ 68aに入力した基準波をゲイン調節器 69にてゲイン調節した値を入力し、 PWM信号 7bを決定する。例えば、ゲイン調節器 69を逆符号にて 0 . 8倍となるように設定する。

[0052] また、直列コンバータ部 SCにおいて共通でないスィッチ回路である Leg 1に与える PWM信号 7aは、電圧検出器 62により検出した負荷端子電圧 eから抽出した電圧波形歪み成分をゲイン調節器 70に通過させ、その値にコンパレータ 68bへの入力である基準波を足しこみ、その足しこんだ値をコンパレータ 68cで三角波 67と比較することで決定する。このように、共通のスィッチ回路である Leg2の電位を考慮して、スィツチ回路 Leglのための PWM信号 7aを決定するため、端子 Tl— T2間にて電圧波形歪み成分を補償する電圧を発生することができる。なお、電圧検出器 62により検出した負荷端子電圧 e力電圧波形歪み成分を抽出するには、図に示すように、帯域通過フィルタ (BPF) 64を通過した値を通過前の値力も差し引くことで実現できる。また、 BEF (帯域除去フィルタ)を用いることもできる。

[0053] 以下、実施例 1 (図 19)〖こ係る電源補償装置の実験例 1〜4について説明する。

[0054] [実験例 1]

図 19の制御ブロック図にて、交流電源 1の電圧 eが ± 130Vでピークカットされた周 a

波数 60Hzの歪み波電圧であるとき、負荷 2として整流回路が接続されたときのシミュレーシヨン結果を図 20に示す。ただし、負荷 2は、交流インダクタンスが 2mH、整流出力端の平滑コンデンサが 2200 μ F、直流負荷抵抗が 50 Ωの整流回路による非線形負荷である。また、第 1のリアタトル 4は 2mH (l. 9% 200Wbase)、第 2のリアタトル 5は 3mH、電力変換回路 10の直流側端子に接続される第 1のコンデンサ Cは 50 d

00 ^ F,第 1のコンデンサ Cの電圧基準値 E *は 160Vであり、フィルタとして用いら d d

れる第 2のコンデンサ 6は 50 F、第 2のコンデンサ 6に直列接続されるフィルタ抵抗 7は 5 Ωである。図 20より、負荷 2の電圧 e は、直列コンバータ部 SCの動作電圧 eに

O b より正弦波出力が得られているとともに、交流電源電流 iは並列コンバータ部 PCの出 a

力電流 iにより、正弦波に制御されていることが確認できる。

比較として、図 21に、同条件にて無制御の場合のシミュレーション波形を示す。図 2 1より、負荷 2の電圧 e は、交流電源 1の電圧の歪 eにカ卩え、非線形負荷電流 iによ

O a O り大きく歪んでいることが確認できる。

[0055] [実験例 2]

図 19の制御ブロック図にて、負荷 2として、線形負荷を接続したときのシミュレーション結果を図 22に示す。ただし、線形負荷は、抵抗 20 Ω、インダクタ 40mHの遅れ負荷であり、交流電源 1の電圧は、波形歪を含まない実効値が 100V、周波数 60Hzの正弦波である。図 22より、並列コンバータ部 PCによる電流 iにより、電源電流 iが負 c a 荷 2の電圧 eoと同相になり、第 1のリアタトル 4における無効電流の影響を除けば交流電源 1の電圧の eとほぼ同相になっていることがわかる。これにより、ほぼ力率 1の無 a

効電流補償動作が確認できる。

[0056] [実験例 3]

図 19の制御ブロック図を用いて、電力変換回路 10の直流側端子に太陽電池を接続するシミュレーション結果を図 23に示す。ただし、太陽電池は、直流側の開放電圧が 200V、内部直列抵抗が 8 Ωの直流電源と仮定した。図より、交流電源 1の電圧 e a が歪み、負荷 2の電流 iが歪んでいるにも関わらず、負荷 2の電圧 eが正弦波に、ま o o

た、交流電源 1の電流 i

aについても正弦波に制御されている。加え、電流 i

aは電圧 e a と逆相であり、正弦波電流がほぼ力率 1で交流電源 1に送出されていることを確認できる。

また、比較として、電源品質補償動作を行わずに通常の系統連系インバータとして機能させたときのシミュレーション結果を図 24に示す。通常の系統連系動作のみでは、交流負荷 2の電圧 eと交流電源 1の電流 i共に、大きな波形歪みを生じることが ο a

ゎカゝる。

[0057] [実験例 4]

実験例 1と類似の条件にて、電源品質の補償動作を実験にて確認した結果を図 25 に示す。ただし、第 2のリアタトル 5は 0. 5mH、電力変換回路の直流側端子に接続される第 1のコンデンサ Cは 3140 F、電力変換回路の動作周波数は 20kHzであり、 d

フィルタとして用いられる第 2のコンデンサ 6が 20 μ F,第 2のコンデンサ 6に直列接続されるフィルタ抵抗 7が 3 Ωである点が異なる。図より、負荷 2の電圧 eおよび交流 o

電源 1の電流 i

aは正弦波に波形制御されていることが確認できる。

比較として、図 26に、同条件にて無制御とした場合の実験結果を示す。図 26より、負荷 2の電圧 eおよび交流電源 1の電流 iが大きく歪むことがわかる。

O a

産業上の利用可能性

[0058] 本発明の電源補償装置は、電源電圧波形の補償をしたり、系統に対して好ましい電流波形や力率に調整したりする装置に適しており、また、燃料電池や太陽光発電、風力発電等の電力会社外力供給される電力を電力会社の系統に接続する際に使用する装置として適して!/、る。

図面の簡単な説明

[0059] [図 1]第 1の実施の形態に係る電源補償装置の主回路構成。

[図 2]第 1の実施の形態に係る電源補償装置の等価回路。

[図 3]第 1の実施の形態に係る電源補償装置の波形改善の様子。圆 4]第 1の実施の形態の比較例の波形の様子。

[図 5]第 2の実施の形態に係る電源補償装置の比較例の主回路構成。

圆 6]第 2の実施の形態の比較例に変圧器を追加した他の比較例。

[図 7]第 3の実施の形態に係る電源補償装置の等価回路。

[図 8]第 4の実施の形態に係る電源補償装置の主回路構成。

[図 9]第 4の実施の形態に係る電源補償装置の波形改善の様子。

[図 10]第 4の実施の形態の比較例の波形の様子。

圆 11]第 5の実施の形態に係る電源補償設備の回路構成。

圆 12]第 5の実施の形態に係る電源補償設備の等価回路。

圆 13]第 6の実施の形態に係る電源補償設備の等価回路。

圆 14]第 7の実施の形態に係る電源補償装置の制御図。

圆 15]第 8の実施の形態に係る電源補償装置の制御図。

圆 16]第 9の実施の形態に係る電源補償装置の制御図。

圆 17]第 10の実施の形態に係る無停電電源装置の動作説明図。

圆 18]第 10の実施の形態に係る無停電電源装置の動作説明図。

[図 19]本発明の実施例 1に係る制御ブロック図である。

[図 20]本発明の実験例 1に係るシミュレーション結果の動作波形である。

[図 21]本発明の実験例 1の比較となるシミュレーション結果の動作波形である。

[図 22]本発明の実験例 2に係るシミュレーション結果の動作波形である。

[図 23]本発明の実験例 3に係るシミュレーション結果の動作波形である。

[図 24]本発明の実験例 3の比較となるシミュレーション結果の動作波形である。

[図 25]本発明の実験例 4に係る実験結果の動作波形である。

圆 26]本発明の実験例 4の比較となる実験結果の動作波形である。

[図 27] (a)従来の安定化電源装置を説明する等価回路、 (b)従来の系統連系インバ一タゃ無停電電源を説明する等価回路、（c)特許文献 1に記載の安定化電源装置の回路図、（d)特許文献 1に記載の安定化電源装置の等価回路。

符号の説明

1 交流電源 2 負荷

3 補償電圧源

4 第 1のリアタトル

5 第 2のリアタトル

6 電流源

7a PWM信号、 7b PWM信号、 7c PWM信号

10 電力変換回路

50 PWM制御部

51 直列側制御部

52 並列側制御部

53 周波数の同期信号

54 位相指令

60 電流検出器

61 電圧検出器

62 電圧検出器

63 電流周節^

64 帯域通過フィルタ（BPF)

65 かけ算器

66 電流調節器

67 三角波

68a コンノレータ、 68b コンノレータ、 68c コンノレータ

69 ゲイン調節器

70 ゲイン調節器

100 電源補償装置

300 電源補償装置 (比較例）

Cd 第 1のコンデンサ

FG 関数発生器

Legl スィッチ回路、 Leg2 スィッチ回路、 Leg3 スィッチ回路 Leg2' スィッチ回路

PC 並列コンバータ部

SC 直列コンバータ部

S1 逆導通機能を持つスイッチング素子、 S2 逆導通機能を持つスイッチング素子 S3 逆導通機能を持つスイッチング素子、 S4 逆導通機能を持つスイッチング素子 S5 逆導通機能を持つスイッチング素子、 S6 逆導通機能を持つスイッチング素子 S2' 逆導通機能を持つスイッチング素子、 S5' 逆導通機能を持つスイッチング素子

T1 端子、 T2 端子、 T3 端子

TR1 変圧器、 TR2 変圧器

ipv 電流源

vc 定電圧源

ea 交流電源 1の電圧波形

eb 直列コンバータ部 SCによる電圧波形

ec 電圧源

eo 負荷 2の電圧波形

ia 交流電源 1を流れる電流波形

ic 並列コンバータ部 PCの動作により実現される電流波形

iL 負荷 2を流れる電流波形

Ed 直流側電圧

Ed* 基準電圧

ia* 基準電流波形

la* 振幅

iu U相の相電流、 iv V相の相電流、 iw W相の相電流

iuo U相の負荷電流、 ivo V相の負荷電流、 iwo W相の負荷電流

eu U相の相電圧、 ev V相の相電圧、 ew W相の相電圧

eouv 線路 UV間の負荷端子電圧、 eowv 線路 WV間の負荷端子電圧 ebu U相 V相に渡り接続される電源補償装置の直列コンバータ部 SCの出力電圧 ecuv U相 V相に渡り接続される電源補償装置の並列コンバータ部 PCの出力電圧 ebw W相 V相に渡り接続される電源補償装置の直列コンバータ部 SCの出力電圧 ecwv W相 V相に渡り接続される電源補償装置の並列コンバータ部 PCの出力電圧 ecwu W相 U相に渡り接続される電源補償装置の並列コンバータ部 PCの出力電圧

Claims

請求の範囲

[1] 逆導通機能を持つスィッチ素子を 2つ直列に接続するスィッチ回路をレグとすると、 3 つのレグと第 1のコンデンサとが並列接続されてなる電力変換回路を交流電源と負荷との間に接続し、該交流電源を補償する電源補償装置において、

前記電力変換回路は、

2つのレグを用いて構成され、前記交流電源と前記負荷との間に第 1のリアタトルを介して直列に接続される直列コンバータ部と、

2つのレグを用いて構成され、前記負荷に並列に第 2のリアタトルを介して接続される並列コンバータ部と、を含み、

前記直列コンバータ部および前記並列コンバータ部を構成するレグのうち 1つのレグが前記直列コンバータ部と前記並列コンバータ部とで共通であり、

前記直列コンバータ部は、

出力する電圧が、前記第 1のリアタトルの電圧降下と合わせて前記交流電源の電圧の大きさまたは電圧波形歪みを補償する電圧となるように制御されており、前記並列コンバータ部は、

出力する電圧が、前記第 2のリアタトルの電圧降下と合わせて前記交流電源の電圧の大きさまたは電流波形歪みを補償する電圧となるように制御されて、る

ことを特徴とする電源補償装置。

[2] 請求項 1に記載の電源補償装置にぉ、て、

前記並列コンバータ部から出力される電圧および前記第 2のリアタトルの電圧降下によって、前記交流電源の電流位相が調整される

ことを特徴とする電源補償装置。

[3] 請求項 1または請求項 2に記載の電源補償装置において、

エネルギー蓄積要素と、

該エネルギー蓄積要素に蓄積されているエネルギーを、前記第 1のコンデンサの端子電圧に合わせた直流電力に調整して該第 1のコンデンサに供給する電力調整手段とを備えている

ことを特徴とする電源補償装置。

[4] 請求項 1、請求項 2または請求項 3に記載の電源補償装置において、前記直列コンバータ部から出力される電圧は、

前記負荷の端子電圧に含まれる電圧波形歪みに基づいて制御されており、前記並列コンバータ部から出力される電圧は、

前記交流電源の周波数と同一の周波数を有しかつ前記第 1のコンデンサの端子電圧を一定にし得る振幅に調整された基準電流波形と、前記交流電源の電流波形とに基づいて制御されている

ことを特徴とする電源補償装置。

[5] 請求項 1または請求項 2に記載の電源補償装置において、

前記第 1のコンデンサと並列に、電圧が一定の定電圧源を接続し、

前記直列コンバータ部から出力される電圧は、

前記交流電源の周波数と同一の周波数を有しかつ前記第 1のコンデンサと前記定電圧源との間に流れる電流の時間平均値を零にし得る振幅に調整された基準電流波形と、前記交流電源の電流波形とに基づ!、て制御されて、る

ことを特徴とする電源補償装置。

[6] 少なくとも 2つの請求項 1、請求項 2、請求項 3、請求項 4または請求項 5に記載の電源補償装置が、三相線路における 2線路間に接続されており、

各電源補償装置は、

他の電源補償装置に対して、接続された 2線路のうちいずれか一方の線路が異なるように配設されている

ことを特徴とする電源補償設備。

[7] 請求項 1、請求項 2、請求項 3、請求項 4または請求項 5に記載の電源補償装置を用 V、る無停電電源装置であって、

前記直列コンバータ部のレグのうち、交流電源側のレグの 2つのスィッチ素子を同時にオフにして、前記交流電源と前記負荷とを切り離し、

残る 2つのレグにおけるスィッチ素子のオンオフ制御によって前記負荷端子に交流電圧を発生させる際、

前記直列コンバータ部のレグのうち、前記負荷に接続されるレグは、

前記負荷端子にて発生させる交流電圧の周期のうち正の半周期の期間において、第 1のコンデンサの正電圧の端子側のスィッチ素子がオンに、他方のスィッチ素子がオフに制御され、

前記負荷端子にて発生させる交流電圧の周期のうち負の半周期の期間において、第 1のコンデンサの正電圧の端子側のスィッチ素子がオフに、他方のスィッチ素子がオンに制御される

ことを特徴とする無停電電源装置。

逆導通機能を持つスィッチ素子を 2つ直列に接続するスィッチ回路をレグとすると、 3 つのレグと第 1のコンデンサとが並列接続されてなる電力変換回路を交流電源と負荷との間に接続し、

前記電力変換回路は、

ことを特徴とする無停電電源装置。

少なくとも 2つの請求項 7または請求項 8に記載の無停電電源装置力三相線路における 2線路間に接続されており、

各無停電電源装置は、

他の無停電電源装置に対して、接続された 2線路のうち、ずれか一方の線路が異なるように配設されている

ことを特徴とする無停電電源設備。