WO2021014540A1 - 電力変換システム - Google Patents

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一誠 深澤
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Definitions

  • the present invention relates to a power conversion system.
  • Patent Document 1 discloses a power conversion system. According to the power conversion system, it can be connected to an AC power source while suppressing an inrush current.
  • An object of the present invention is to provide a power conversion system capable of suppressing an overcurrent at the start of a power converter and an inrush current at the time of interconnection with an AC power source.
  • the power conversion system comprises a power converter connected between a DC power supply and an AC power supply, an AC switch connected between the power converter and the AC power supply, and the power converter.
  • the AC capacitor connected to the power converter side of the AC switch and the voltage of the AC capacitor are recognized when the AC switch is open, and the output voltage of the power converter is changed.
  • the power converter is controlled so as to gradually or gradually approach the voltage of the AC power source from the voltage of the AC capacitor, and then the control device for closing the AC switch is provided.
  • the control device recognizes the voltage of the AC capacitor when the AC switch is open, and the output voltage of the power converter gradually changes from the voltage of the AC capacitor to the voltage of the AC power supply, or Control the power converter so that it approaches in stages, and then close the AC switch. Therefore, it is possible to suppress an overcurrent when the power converter is started and an inrush current when the power converter is connected to the AC power supply.
  • FIG. 1 It is a block diagram of the system to which the power conversion system according to Embodiment 1 is applied. It is a figure for demonstrating the control of the voltage command value by the control device of the power conversion system in Embodiment 1.
  • FIG. It is a figure for demonstrating the adjustment parameter used in the power conversion system in Embodiment 1.
  • FIG. It is a flowchart for demonstrating the outline of the operation of the control device of the power conversion system in Embodiment 1.
  • FIG. It is a hardware block diagram of the control device of the power conversion system in Embodiment 1.
  • FIG. It is a figure for demonstrating the coefficient used in the power conversion system in Embodiment 1.
  • FIG. 1 is a configuration diagram of a system to which the power conversion system according to the first embodiment is applied.
  • the DC power source 1 is a photovoltaic power generation facility, a storage battery, or the like.
  • the AC power supply 2 is operated by an electric power company or the like.
  • the transformer 3 is connected between the DC power supply 1 and the AC power supply 2.
  • the power conversion system includes a power converter 4, a DC capacitor 5, an AC reactor 7, an AC switch 8, an AC capacitor 11, and a control device 12.
  • the power converter 4 is connected between the DC power supply 1 and the transformer 3.
  • the DC capacitor 5 is connected between the DC power supply 1 and the power converter 4.
  • the AC reactor 7 is connected between the power converter 4 and the transformer 3.
  • the AC switch 8 is connected between the AC reactor 7 and the transformer 3.
  • the AC capacitor 11 is connected to the AC reactor 7 side of the AC switch 8 on the output side of the power converter 4.
  • the control device 12 is provided so as to be able to control the power converter 4 and the AC switch 8.
  • FIG. 2 is a diagram for explaining the control of the voltage command value by the control device of the power conversion system according to the first embodiment.
  • FIG. 2 shows a control block in the rest coordinate system.
  • v s is the vector quantity corresponding to the voltage of the current of the AC power source 2.
  • k st is a coefficient and is a scalar quantity.
  • v cpi is a vector quantity corresponding to the voltage applied to the AC capacitor 11.
  • v cpi_s is a vector quantity corresponding to the hold value of the voltage v cpi applied to the AC capacitor 11.
  • the hold block A outputs the input as it is when the Start signal is Low, and holds and outputs the input value at the rising edge of the Start signal when the Start signal is High.
  • v i * follows the hold value v voltage current to the AC power source 2 to the origin cpi_s v s. Controller 12, so that the output voltage of the power converter 4 becomes a voltage command value v i *, providing a gate signal to the semiconductor elements constituting the power converter 4.
  • the vector quantity is taken in the stationary coordinate system, it may be taken in any rotating coordinate system, for example, the dq coordinate system that rotates with the voltage vector of the AC power supply 2.
  • the control calculation is performed on the voltage vector and current vector taken in the dq coordinate system that rotates with the voltage vector of the AC power supply 2. Therefore, the calculation in FIG. 2 can be simplified by performing the calculation in the dq coordinate system that rotates with the voltage vector of the AC power supply 2 instead of the static coordinate system.
  • FIG. 3 and 6 are diagrams for explaining the coefficients used in the power conversion system according to the first embodiment.
  • the temporal change rate of the coefficient kst is a preset value.
  • the temporal change rate of the coefficient kst is set in a range such that the current flowing through the power converter 4 is equal to or less than the instantaneous rated current of the power converter 4.
  • the coefficient kst is linearly changed from 0 to 1, but as shown in FIG. 6, it may be changed stepwise from 0 to 1.
  • the power converter suddenly outputs a voltage that matches the voltage of the AC power supply 2 at the start of operation, or the coefficient k st suddenly changes from 0 to 1.
  • the inrush current can be suppressed rather than changing to.
  • FIG. 4 is a flowchart for explaining an outline of the operation of the control device of the power conversion system according to the first embodiment.
  • step S1 the control device 12 grasps the voltage applied to the AC capacitor 11 at the start of operation while the power converter is stopped. After that, the control device 12 performs the operation of step S2.
  • step S2 the control device 12 controls the power converter 4 so that the power converter 4 outputs a voltage that matches the voltage of the AC capacitor 11. After that, the control device 12 performs the operation of step S3.
  • step S3 the control device 12 controls the power converter 4 so that the output voltage of the power converter 4 gradually matches the voltage of the AC power supply 2. After that, the control device 12 performs the operation of step S4.
  • step S4 when the output voltage of the power converter 4 matches the voltage of the AC power supply 2, the control device 12 closes the AC switch 8.
  • the control device 12 when the AC switch 8 is open, the power converter 4 so that the output voltage of the power converter 4 matches the voltage applied to the AC capacitor 11. Start the operation of. Therefore, since the output voltage at the start of operation of the power converter matches the voltage of the AC capacitor, the inrush current at the start of operation does not flow. As a result, it is possible to suppress an overcurrent or an overvoltage due to resonance.
  • control device 12 controls the power converter 4 so that the output voltage of the power converter 4 gradually matches the voltage of the AC power supply 2. After that, the control device 12 closes the AC switch 8. Therefore, it is possible to suppress an overcurrent when the power converter 4 is started and an inrush current when the power converter 4 is connected to the AC power source 2.
  • the temporal change rate of the output voltage of the power converter 4 is the power when the power converter 4 is controlled so that the output voltage of the power converter 4 is gradually synchronized with the voltage of the AC power supply 2.
  • the current flowing through the converter 4 becomes equal to or less than the instantaneous rated current of the power converter 4, and is set. Therefore, when the power converter 4 is started, it can be connected to the AC power supply 2 in a short time within the rated range of the power converter 4.
  • FIG. 5 is a hardware configuration diagram of the control device of the power conversion system according to the first embodiment.
  • Each function of the control device 12 can be realized by a processing circuit.
  • the processing circuit includes at least one processor 100a and at least one memory 100b.
  • the processing circuit comprises at least one dedicated hardware 200.
  • each function of the control device 12 is realized by software, firmware, or a combination of software and firmware. At least one of the software and firmware is written as a program. At least one of the software and firmware is stored in at least one memory 100b. At least one processor 100a realizes each function of the control device 12 by reading and executing a program stored in at least one memory 100b. At least one processor 100a is also referred to as a central processing unit, a processing unit, an arithmetic unit, a microprocessor, a microcomputer, and a DSP.
  • at least one memory 100b is a non-volatile or volatile semiconductor memory such as RAM, ROM, flash memory, EPROM, EEPROM, magnetic disk, flexible disk, optical disk, compact disk, mini disk, DVD or the like.
  • the processing circuit includes at least one dedicated hardware 200
  • the processing circuit is realized by, for example, a single circuit, a composite circuit, a programmed processor, a parallel programmed processor, an ASIC, an FPGA, or a combination thereof.
  • each function of the control device 12 is realized by a processing circuit.
  • each function of the control device 12 is collectively realized by a processing circuit.
  • a part may be realized by the dedicated hardware 200, and the other part may be realized by software or firmware.
  • the function of controlling the power converter 4 is realized by a processing circuit as dedicated hardware 200, and at least one processor 100a stores the function other than controlling the power converter 4 in at least one memory 100b. It may be realized by reading and executing the program.
  • the processing circuit realizes each function of the control device 12 with the hardware 200, software, firmware, or a combination thereof.
  • the power conversion system according to the present invention can be used as a system for suppressing overcurrent and inrush current.

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Abstract

電力変換器の起動時の過電流および交流電源との連系時の突入電流を抑えることができる電力変換システムを提供する。電力変換システムは、直流電源と交流電源との間に接続された電力変換器と、前記電力変換器と前記交流電源との間に接続された交流スイッチと、前記電力変換器の出力側において、前記交流スイッチよりも前記電力変換器の側に接続された交流コンデンサと、前記交流スイッチが開いている状態において、前記交流コンデンサの電圧を認識し、前記電力変換器の出力電圧が、前記交流コンデンサの電圧から前記交流電源の電圧に、徐々に、または段階的に近づくように前記電力変換器を制御し、その後、前記交流スイッチを閉じる制御装置と、を備えた。

Description

電力変換システム
　この発明は、電力変換システムに関する。
　特許文献１は、電力変換システムを開示する。当該電力変換システムによれば、突入電流を抑えながら、交流電源と連系し得る。
日本特開平９－２８０４０号公報
　しかしながら、特許文献１に記載の電力変換システムにおいては、電力変換器の起動時に交流コンデンサに電荷が残存していた場合、電力変換器の起動時の出力電圧と交流コンデンサの電圧との差が大きいこともある。この場合、電力変換器の起動直後に電力変換器から交流コンデンサに大きな電流が流れ、過電流となる。
　この発明は、上述の課題を解決するためになされた。この発明の目的は、電力変換器の起動時の過電流および交流電源との連系時の突入電流を抑えることができる電力変換システムを提供することである。
　この発明に係る電力変換システムは、直流電源と交流電源との間に接続された電力変換器と、前記電力変換器と前記交流電源との間に接続された交流スイッチと、前記電力変換器の出力側において、前記交流スイッチよりも前記電力変換器の側に接続された交流コンデンサと、前記交流スイッチが開いている状態において、前記交流コンデンサの電圧を認識し、前記電力変換器の出力電圧が、前記交流コンデンサの電圧から前記交流電源の電圧に、徐々に、または段階的に近づくように前記電力変換器を制御し、その後、前記交流スイッチを閉じる制御装置と、を備えた。
　この発明によれば、制御装置は、交流スイッチが開いている状態において、交流コンデンサの電圧を認識し、電力変換器の出力電圧が、交流コンデンサの電圧から交流電源の電圧に、徐々に、または段階的に近づくように電力変換器を制御し、その後、交流スイッチを閉じる。このため、電力変換器の起動時の過電流および交流電源との連系時の突入電流を抑えることができる。
実施の形態１における電力変換システムが適用されるシステムの構成図である。 実施の形態１における電力変換システムの制御装置による電圧指令値の制御を説明するための図である。 実施の形態１における電力変換システムで用いられる調整パラメータを説明するための図である。 実施の形態１における電力変換システムの制御装置の動作の概要を説明するためのフローチャートである。 実施の形態１における電力変換システムの制御装置のハードウェア構成図である。 実施の形態１における電力変換システムで用いられる係数を説明するための図である。
　この発明を実施するための形態について添付の図面に従って説明する。なお、各図中、同一または相当する部分には同一の符号が付される。当該部分の重複説明は適宜に簡略化ないし省略する。
実施の形態１．
　図１は実施の形態１における電力変換システムが適用されるシステムの構成図である。
　図１において、直流電源１は、太陽光発電設備、蓄電池等である。交流電源２は、電力会社等に運用される。変圧器３は、直流電源１と交流電源２との間に接続される。
　電力変換システムは、電力変換器４と直流コンデンサ５と交流リアクトル７と交流スイッチ８と交流コンデンサ１１と制御装置１２とを備える。
　電力変換器４は、直流電源１と変圧器３との間に接続される。直流コンデンサ５は、直流電源１と電力変換器４との間に接続される。
　交流リアクトル７は、電力変換器４と変圧器３との間に接続される。交流スイッチ８は、交流リアクトル７と変圧器３との間に接続される。交流コンデンサ１１は、電力変換器４の出力側において、交流スイッチ８よりも交流リアクトル７の側に接続される。
　制御装置１２は、電力変換器４と交流スイッチ８とを制御し得るように設けられる。
　次に、図２を用いて、制御装置１２による電圧指令値の制御を説明する。
　図２は実施の形態１における電力変換システムの制御装置による電圧指令値の制御を説明するための図である。
　図２に、静止座標系における制御ブロックを示す。図２において、ｖｓは、交流電源２の現時点の電圧に対応したベクトル量である。ｋｓｔは、係数でスカラー量である。ｖｃｐｉは、交流コンデンサ１１にかかる電圧に対応したベクトル量である。ｖｃｐｉ＿ｓは、交流コンデンサ１１にかかる電圧ｖｃｐｉのホールド値に対応したベクトル量である。
　ホールドブロックＡは、Ｓｔａｒｔ信号がＬｏｗのときに入力をそのまま出力し、Ｓｔａｒｔ信号がＨｉｇｈのときＳｔａｒｔ信号の立ち上がり時の入力値を保持して保持した値を出力する。係数ｋｓｔが０から１に直線的に変化すると、ｖｉ ＊は、ホールド値ｖｃｐｉ＿ｓを起点に交流電源２の現時点の電圧ｖｓに追従する。制御装置１２は、電力変換器４の出力電圧が電圧指令値ｖｉ ＊となるよう、電力変換器４を構成する半導体素子にゲート信号を与える。
　なお、図２においては、ベクトル量は静止座標系に取ると述べたが、任意の回転座標系、例えば、交流電源２の電圧ベクトルとともに回転するｄｑ座標系に取ってもよい。多くの交流電源２の連系電力変換器において、制御演算は、交流電源２の電圧ベクトルとともに回転するｄｑ座標系に取った電圧ベクトル、電流ベクトルに対して行われる。したがって、図２の演算も静止座標系ではなく、交流電源２の電圧ベクトルとともに回転するｄｑ座標系において行った方が、演算を簡略化できる。
　次に、図３を用いて、係数ｋｓｔを説明する。
　図３と図６とは実施の形態１における電力変換システムで用いられる係数を説明するための図である。
　図３に示されるように、係数ｋｓｔの時間的変化率は、予め設定された値となる。例えば、係数ｋｓｔの時間的変化率は、電力変換器４へ流れる電流が電力変換器４の瞬時定格電流以下となるような範囲で設定される。
　図３においては、係数ｋｓｔを０から１まで直線的に変化させるとしたが、図６のように、０から１までの間で段階的に変化させても良い。係数ｋｓｔが０と１の間の値を取る時間を設けることで、運転開始時点で電力変換器がいきなり交流電源２の電圧に一致する電圧を出力する、あるいは係数ｋｓｔを０から突然１に変化させるよりも、突入電流を抑制することが出来る。
　図３および図６においては、交流スイッチ８が開いている状態から電力変換器４が運転を開始する際に、電力変換器４は交流コンデンサ１１の電圧に一致する電圧を出力するとしたが、交流コンデンサ１１の電圧と交流電源２の電圧の間の電圧を出力しても、突入電流をある程度抑制することが出来る。
　図３および図６においては、交流スイッチ８を閉じる直前の状態において、電力変換器４は交流電源２の電圧に一致する電圧を出力するとしたが、交流スイッチ８を閉じる直前の状態において、交流コンデンサ１１の電圧と交流電源２の電圧の間の電圧を出力しても、突入電流をある程度抑制することが出来る。
　次に、図４を用いて、制御装置１２の動作の概要を説明する。
　図４は実施の形態１における電力変換システムの制御装置の動作の概要を説明するためのフローチャートである。
　ステップＳ１では、制御装置１２は、電力変換器が運転を停止している状態において運転開始時点の交流コンデンサ１１にかかる電圧を把握する。その後、制御装置１２は、ステップＳ２の動作を行う。ステップＳ２では、制御装置１２は、電力変換器４が交流コンデンサ１１の電圧と一致する電圧を出力するように電力変換器４を制御する。その後、制御装置１２は、ステップＳ３の動作を行う。ステップＳ３では、制御装置１２は、電力変換器４の出力電圧が徐々に交流電源２の電圧に一致するように電力変換器４を制御する。その後、制御装置１２は、ステップＳ４の動作を行う。ステップＳ４では、電力変換器４の出力電圧が交流電源２の電圧に一致したら、制御装置１２は、交流スイッチ８を閉じる。
　以上で説明した実施の形態１によれば、制御装置１２は、交流スイッチ８が開いている状態において、電力変換器４の出力電圧が交流コンデンサ１１にかかる電圧に一致するように電力変換器４の運転を開始する。このため、電力変換器の運転開始時点の出力電圧が、交流コンデンサの電圧と一致しているため、運転開始の際の突入電流が流れない。その結果、過電流となったり、共振が発生して過電圧となったりすることを抑制できる。
　その後、制御装置１２は、電力変換器４の出力電圧が徐々に交流電源２の電圧に一致するように電力変換器４を制御する。その後、制御装置１２は、交流スイッチ８を閉じる。このため、電力変換器４の起動時の過電流および交流電源２との連系時の突入電流を抑えることができる。
　制御装置１２において、電力変換器４の出力電圧の時間的変化率は、電力変換器４の出力電圧が徐々に交流電源２の電圧に同期するように電力変換器４を制御する際に、電力変換器４へ流れる電流が電力変換器４の瞬時定格電流以下となり、設定される。このため、電力変換器４の起動時、電力変換器４の定格の範囲内で、短時間で交流電源２と連系することができる。
　次に、図５を用いて、制御装置１２の例を説明する。
　図５は実施の形態１における電力変換システムの制御装置のハードウェア構成図である。
　制御装置１２の各機能は、処理回路により実現し得る。例えば、処理回路は、少なくとも１つのプロセッサ１００ａと少なくとも１つのメモリ１００ｂとを備える。例えば、処理回路は、少なくとも１つの専用のハードウェア２００を備える。
　処理回路が少なくとも１つのプロセッサ１００ａと少なくとも１つのメモリ１００ｂとを備える場合、制御装置１２の各機能は、ソフトウェア、ファームウェア、またはソフトウェアとファームウェアとの組み合わせで実現される。ソフトウェアおよびファームウェアの少なくとも一方は、プログラムとして記述される。ソフトウェアおよびファームウェアの少なくとも一方は、少なくとも１つのメモリ１００ｂに格納される。少なくとも１つのプロセッサ１００ａは、少なくとも１つのメモリ１００ｂに記憶されたプログラムを読み出して実行することにより、制御装置１２の各機能を実現する。少なくとも１つのプロセッサ１００ａは、中央処理装置、処理装置、演算装置、マイクロプロセッサ、マイクロコンピュータ、ＤＳＰともいう。例えば、少なくとも１つのメモリ１００ｂは、ＲＡＭ、ＲＯＭ、フラッシュメモリ、ＥＰＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ等の、不揮発性または揮発性の半導体メモリ、磁気ディスク、フレキシブルディスク、光ディスク、コンパクトディスク、ミニディスク、ＤＶＤ等である。
　処理回路が少なくとも１つの専用のハードウェア２００を備える場合、処理回路は、例えば、単一回路、複合回路、プログラム化したプロセッサ、並列プログラム化したプロセッサ、ＡＳＩＣ、ＦＰＧＡ、またはこれらの組み合わせで実現される。例えば、制御装置１２の各機能は、それぞれ処理回路で実現される。例えば、制御装置１２の各機能は、まとめて処理回路で実現される。
　制御装置１２の各機能について、一部を専用のハードウェア２００で実現し、他部をソフトウェアまたはファームウェアで実現してもよい。例えば、電力変換器４を制御する機能については専用のハードウェア２００としての処理回路で実現し、電力変換器４を制御する以外の機能については少なくとも１つのプロセッサ１００ａが少なくとも１つのメモリ１００ｂに格納されたプログラムを読み出して実行することにより実現してもよい。
　このように、処理回路は、ハードウェア２００、ソフトウェア、ファームウェア、またはこれらの組み合わせで制御装置１２の各機能を実現する。
　以上のように、この発明に係る電力変換システムは、過電流および突入電流を抑えるシステムに利用できる。
　　１　直流電源、　２　交流電源、　３　変圧器、　４　電力変換器、　５　直流コンデンサ、　７　交流リアクトル、　８　交流スイッチ、　１１　交流コンデンサ、　１２　制御装置、　１００ａ　プロセッサ、　１００ｂ　メモリ、　２００　ハードウェア

Claims (4)

  1. 　直流電源と交流電源との間に接続された電力変換器と、
    　前記電力変換器と前記交流電源との間に接続された交流スイッチと、
    　前記電力変換器の出力側において、前記交流スイッチよりも前記電力変換器の側に接続された交流コンデンサと、
    　前記交流スイッチが開いている状態において、前記交流コンデンサの電圧を認識し、前記電力変換器の出力電圧が、前記交流コンデンサの電圧から前記交流電源の電圧に、徐々に、または段階的に近づくように前記電力変換器を制御し、その後、前記交流スイッチを閉じる制御装置と、
    を備えた電力変換システム。
  2. 　前記制御装置は、前記電力変換器の出力電圧が前記交流コンデンサの電圧から前記交流電源の電圧に徐々に近づくように前記電力変換器を制御する際に、前記交流電源へ流れる電流が前記電力変換器の瞬時定格電流以下となるように前記電力変換器の出力電圧の時間的変化率を設定された請求項１に記載の電力変換システム。
  3. 　前記制御装置は、前記電力変換器の出力電圧が前記交流コンデンサの電圧から前記交流電源の電圧に段階的に近づくように前記電力変換器を制御する際に、前記交流電源へ流れる電流が前記電力変換器の瞬時定格電流以下となるように前記電力変換器の出力電圧の変化幅を設定された請求項１に記載の電力変換システム。
  4. 　前記制御装置は、前記交流電源の電圧の位相に固定した座標系における、前記交流コンデンサの電圧と前記交流電源の電圧を演算し、前記座標系における前記電力変換器の出力電圧が、前記座標系における交流コンデンサ電圧から、前記座標系における交流電源の電圧に、徐々に、または段階的に近づくように、前記電力変換器を制御する請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の電力変換システム。
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