WO2022239225A1

WO2022239225A1 - 電源装置

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Publication number: WO2022239225A1
Application number: PCT/JP2021/018383
Authority: WO
Inventors: 洋祐林; 暁▲チン▼ 張; 治義森
Original assignee: 東芝三菱電機産業システム株式会社
Priority date: 2021-05-14
Filing date: 2021-05-14
Publication date: 2022-11-17
Also published as: JPWO2022239225A1; CN115943539A; US20230352253A1; KR20230019957A; JP7052159B1

Abstract

交流スイッチ（ＳＷ）は、遮断器（５）を介して交流電源（１）に接続される第１端子（Ｔ１）と、負荷（２）に接続される第２端子（Ｔ２）との間に、互いに並列接続される半導体スイッチ（１３）およびスナバ回路（ＳＮ）を有する。電力変換器（１４）は、電力貯蔵装置（３）と第２端子（Ｔ２）との間に接続される。電流検出器（１５）は交流スイッチ（ＳＷ）に流れる電流を検出する。電圧検出器（１６）は第１端子（Ｔ１）に入力される交流電圧を検出する。制御装置（２０）は、交流電源（１）の正常時、半導体スイッチ（１３）をオンさせて、交流電源（１）から供給される交流電力を負荷（２）に供給する。制御装置（２０）はさらに、遮断器（５）の開放が検知された場合には、電流検出器（１５）により検出される電流とは逆位相の電流が半導体スイッチ（１３）に流れるとともに、負荷（２）に交流電力が供給されるように電力変換器（１４）を制御する。制御装置（２０）は、電流検出器（１５）の検出値の振幅が０であるときに半導体スイッチ（１３）をオフさせる。

Description

電源装置

　本開示は、電源装置に関する。

　特開２００９－１３６０９９号公報（特許文献１）には、交流電源に接続される入力端子と、負荷に接続される出力端子と、入力端子および出力端子の間に接続される交流スイッチと、交流スイッチを介して入力端子に接続される双方向電力変換回路と、双方向電力変換回路に接続される蓄電装置と、入力端子に入力される交流電圧を検出する電圧検出器と備えた電源装置が開示されている。

　特許文献１に記載される電源装置は、電圧検出器の検出値に基づいて、入力端子の交流電圧が正常であるか異常であるかを判定する。交流電圧の正常時には、電源装置は、交流スイッチをオンさせるとともに、蓄電装置を充電するように双方向電力変換回路を制御する。一方、交流電圧の異常時には、電源装置は、交流スイッチをオフさせるとともに、蓄電装置から負荷に電力を供給するように双方向電力変換回路を制御する。

特開２００９－１３６０９９号公報

　特許文献１では、高速なオンオフ動作を行うために、交流スイッチに半導体スイッチが適用されている。しかしながら、半導体スイッチに電流が流れている場合に、半導体スイッチを突然オフさせると、半導体スイッチの端子間にサージ電圧が発生するという問題がある。

　半導体スイッチのオフ時に発生するサージ電圧を抑制するためには、半導体スイッチに対して並列にスナバ回路（例えば、スナバコンデンサ）を接続することができる。しかしながら、半導体スイッチに電流が流れている状態、すなわち、スナバコンデンサにエネルギーが蓄えられている状態において半導体スイッチをオフさせると、スナバコンデンサに蓄えられたエネルギーが電圧検出器に流れて、電圧検出器が有するインダクタンスが磁気飽和を起こす場合がある。このような場合には、インダクタンスの磁気飽和に起因して、インダクタンスとスナバコンデンサとの間で共振現象を起こすおそれがある。

　本開示は、このような問題点を解決するためになされたものであり、本開示の目的は、交流電源および負荷の間に接続される半導体スイッチを備える電源装置において、半導体スイッチのオフ時における共振現象の発生を抑制することである。

　本開示の一態様に係る電源装置は、第１端子と、第２端子と、交流スイッチと、電力変換器と、電流検出器と、電圧検出器と、制御装置とを備える。第１端子は遮断器を介して交流電源に接続される。第２端子は負荷に接続される。交流スイッチは、第１端子と第２端子との間に互いに並列接続される半導体スイッチおよびスナバ回路を有する。電力変換器は、電力貯蔵装置と第２端子との間に接続され、電力貯蔵装置の直流電力を交流電力に変換して第２端子に出力する。電流検出器は、交流スイッチに流れる電流を検出する。電圧検出器は、第１端子に入力される交流電圧を検出する。制御装置は、電圧検出器の検出値に基づいて、交流スイッチおよび電力変換器を制御する。制御装置は、交流電源の正常時には、半導体スイッチをオンさせて、交流電源から供給される交流電力を交流スイッチを介して負荷に供給する。制御装置は、さらに、遮断器の開放が検知された場合には、電流検出器により検出される電流とは逆位相の電流が半導体スイッチに流れるとともに、負荷に交流電力が供給されるように電力変換器を制御する。制御装置は、電流検出器の検出値の振幅が０であるときに半導体スイッチをオフさせる。

　本開示によれば、交流電源および負荷の間に接続される半導体スイッチを備える電源装置において、半導体スイッチのオフ時における共振現象の発生を抑制することができる。

実施の形態１に係る電源装置の概略構成を示す図である。図１に示した交流スイッチの他の構成例を示す回路図である。停電発生時の電源装置の動作を説明するためのタイミングチャートである。実施の形態１に係る電源装置の動作を説明するための図である。制御装置の構成を示すブロック図である。実施の形態１に係る電源装置の動作を説明するためのタイミングチャートである。実施の形態１に係る電源装置における制御処理を説明するフローチャートである。遮断器の開放動作を説明するための動作波形図である。実施の形態２に係る電源装置の動作を説明するためのタイミングチャートである。実施の形態２に係る電源装置における制御処理を説明するフローチャートである。

　以下に、本開示の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。なお、以下では図中の同一または相当部分には同一符号を付してその説明は原則的に繰返さないものとする。

　［実施の形態１］
　図１は、実施の形態１に係る電源装置の概略構成を示す図である。

　図１に示すように、実施の形態１に係る電源装置１０は、交流電源１および負荷２の間に接続され、交流電源１から交流電力を受けて負荷２に交流電力を供給するように構成される。電源装置１０は、例えば、交流電源１の停電または瞬時電圧低下が発生した場合において、安定した交流電力を無瞬断で負荷２に供給するための装置（例えば、瞬停補償装置）に適用され得る。

　交流電源１は、代表的には商用交流電源であり、商用周波数の交流電力を電源装置１０に供給する。負荷２は、電源装置１０から供給される商用周波数の交流電力によって駆動される。なお、図１では、一相の交流電力に関連する部分のみが示されているが、電源装置１０は三相交流電力を受けて三相交流電力を出力するようにしてもよい。

　図１に示すように、電源装置１０は、入力端子Ｔ１、出力端子Ｔ２、直流端子Ｔ３、スイッチ回路１２、双方向コンバータ１４、電流検出器１５，１７、電圧検出器１６，１８、および制御装置２０を備える。

　入力端子Ｔ１は、遮断器５を介して交流電源１に電気的に接続されており、交流電源１から供給される商用周波数の交流電圧ＶＩを受ける。入力端子Ｔ１は「第１端子」の一実施例に対応する。遮断器５は、例えば真空遮断器（ＶＣＢ：Vacuum　Circuit　Breaker）である。遮断器５は、機械式スイッチを有している。遮断器５は、電源装置１０を含む電力系統の保守点検などの際に、上位コントローラ（図示せず）から与えられる開放指令に応答して開放する。または、電力系統において地絡事故などが発生した場合には、事故電流を遮断するために、図示しない継電器からの信号を受けて遮断器５は自律的に開放する。ただし、遮断器５は機械式スイッチを有するため、その開放動作には数十ミリ秒がかかる。

　出力端子Ｔ２は負荷２に接続される。負荷２は、出力端子Ｔ２から供給される交流電圧ＶＯによって駆動される。出力端子Ｔ２は「第２端子」の一実施例に対応する。

　直流端子Ｔ３はバッテリ３に接続される。バッテリ３は、直流電力を蓄積する「電力貯蔵装置」の一実施例に対応する。電力貯蔵装置として、バッテリ３に代えて、電気二重層コンデンサを直流端子Ｔ３に接続してもよい。直流端子Ｔ３の直流電圧ＶＢ（バッテリ３の端子間電圧）の瞬時値は、制御装置２０によって検出される。

　スイッチ回路１２は、入力端子Ｔ１および出力端子Ｔ２の間に接続され、交流電源１と負荷２との電気的接続および遮断を切り替えるように構成される。具体的には、スイッチ回路１２は、入力ノード１２ａおよび出力ノード１２ｂと、ｎ個（ｎは２以上の整数）の交流スイッチＳＷ１～ＳＷｎとを有する。入力ノード１２ａは入力端子Ｔ１に接続され、出力ノード１２ｂは出力端子Ｔ２に接続される。交流スイッチの数は複数に限定されず、単数であってもよい。

　ｎ個の交流スイッチＳＷ１～ＳＷｎは、入力ノード１２ａおよび出力ノード１２ｂの間に直列に接続される。交流スイッチＳＷ１～ＳＷｎは、制御装置２０からそれぞれ入力されるゲート信号Ｇ１～Ｇｎによって、導通（オン）および遮断（オフ）が制御される。以下では、交流スイッチＳＷ１～ＳＷｎを包括的に表記する場合には、単に「交流スイッチＳＷ」とも称し、ゲート信号Ｇ１～Ｇｎを包括的に表記する場合には、単に「ゲート信号Ｇ」とも称する。

　交流スイッチＳＷは、半導体スイッチ１３と、スナバ回路ＳＮと、バリスタＺとを有する。半導体スイッチ１３は、第１端子１３ａと、第２端子１３ｂと、ＩＧＢＴ（Insulated　Gate　Bipolar　Transistor）Ｑと、ＩＧＢＴＱと逆並列に接続されたダイオードＤとを有する。ＩＧＢＴＱのコレクタは半導体スイッチ１３の第１端子１３ａに接続され、エミッタは第２端子１３ｂに接続される。ダイオードＤは、第２端子１３ｂから第１端子１３ａに向かう向きを順方向として接続される。ダイオードＤは還流ダイオードである。なお、半導体スイッチ１３には、ＩＧＢＴに限らず、任意の自己消弧型の半導体スイッチング素子を用いることができる。

　半導体スイッチ１３は、Ｈ（論理ハイ）レベルのゲート信号Ｇによってオンされ、Ｌ（論理ロー）レベルのゲート信号Ｇによってオフされる。すなわち、Ｈレベルのゲート信号Ｇは半導体スイッチ１３をオンするためのオン指令（導通指令）に相当し、Ｌレベルのゲート信号Ｇは半導体スイッチ１３をオフするためのオフ指令（遮断指令）に相当する。

　スナバ回路ＳＮは、半導体スイッチ１３に並列接続され、対応する半導体スイッチ１３をサージ電圧から保護する。スナバ回路ＳＮは、例えば、端子１３ａ，１３ｂ間に直列接続された抵抗素子およびコンデンサを含む。半導体スイッチ１３に電流が流れている場合に、半導体スイッチ１３を突然オフさせると、自己インダクタンスによって端子１３ａ，１３ｂ間にサージ電圧が発生する。スナバ回路ＳＮは、そのようなサージ電圧を抑制することによって半導体スイッチ１３を保護する。

　バリスタＺは、端子１３ａ，１３ｂ間に接続される。バリスタＺは、抵抗値が電圧依存性を有する抵抗器である。バリスタＺは、例えば、ＺｎＲ（Zinc　oxide　nonlinear　resistor）である。バリスタＺの抵抗値は、その端子間電圧に応じて変化し、所定の閾値電圧を超えると急に低下する。したがって、端子１３ａ，１３ｂ間の電圧が閾値電圧を超えることを防止し、半導体スイッチ１３がサージ電圧によって破壊されることを防止することができる。

　なお、交流スイッチＳＷは、図１の構成に限定されるものではなく、例えば図２に示す構成とすることもできる。図２の例では、交流スイッチＳＷは、逆直列に接続されたＩＧＢＴＱＡ，ＱＢと、ＩＧＢＴＱＡ，ＱＢにそれぞれ逆並列に接続されるダイオードＤ１Ａ，Ｄ１Ｂと、スナバ回路ＳＮと、バリスタＺとを有する。ＩＧＢＴＱＡのコレクタは第１端子１３ａに接続され、エミッタはＩＧＢＴＱＢのエミッタに接続される。ＩＧＢＴＱＢのコレクタは第２端子１３ｂに接続される。ダイオードＤＡは第２端子１３ｂから第１端子１３ａに向かう向きを順方向として接続される。ダイオードＤＢは、第１端子１３ａから第２端子１３ｂに向かう向きを順方向として接続される。スナバ回路ＳＮは、ＩＧＢＴＱＡ，ＱＢの直列回路と並列に接続される。

　図１に戻って、双方向コンバータ１４は、スイッチ回路１２の出力ノード１２ｂと直流端子Ｔ３との間に接続される。双方向コンバータ１４は、出力ノード１２ｂに出力される交流電力とバッテリ３に蓄えられる直流電力との間で双方向に電力変換を行うように構成される。双方向コンバータ１４は「電力変換器」の一実施例に対応する。

　双方向コンバータ１４は、交流電源１から交流電力が供給されている正常時は、交流電源１からスイッチ回路１２を介して供給される交流電力を直流電力に変換し、その直流電力をバッテリ３に蓄える。一方、交流電源１からの交流電力の供給が停止する停電もしくは、交流電源１の瞬時電圧低下の発生時には、双方向コンバータ１４は、バッテリ３の直流電力を商用周波数の交流電力に変換し、その交流電力を負荷２に供給する。

　双方向コンバータ１４は、図示は省略するが、複数の半導体スイッチング素子を有する。複数の半導体スイッチング素子は、制御装置２０により生成される制御信号によってオンオフが制御される。制御信号は、パルス信号列であり、ＰＷＭ（Pulse　Width　Modulator）信号である。双方向コンバータ１４は、制御信号に応答して複数の半導体スイッチング素子をオンまたはオフさせることにより、出力ノード１２ｂに出力する交流電力と直流端子Ｔ３に入出力される直流電力との間で双方向の電力変換を実行することができる。

　電圧検出器１６は、交流電源１から入力端子Ｔ１に供給される交流電圧ＶＩの瞬時値を検出し、その検出値を示す信号を制御装置２０に与える。電圧検出器１６には、計器用変圧器（ＶＴ：Voltage　Transformer）が用いられる。制御装置２０は、交流電圧ＶＩの瞬時値に基づいて、交流電源１から交流電圧ＶＩが正常に供給されているか否かを判定する。例えば、制御装置２０は、交流電圧ＶＩが予め定められた下限電圧よりも高い場合には、交流電圧ＶＩが正常に供給されていると判定する。制御装置２０は、交流電圧ＶＩが下限電圧よりも低下した場合には、交流電圧ＶＩが正常に供給されていないと判定する。

　電圧検出器１８は、出力端子Ｔ２に現れる交流電圧ＶＯの瞬時値を検出し、その検出値を示す信号を制御装置２０に与える。

　電流検出器１５は、スイッチ回路１２（交流スイッチＳＷ）に流れる交流電流Ｉｓｗの瞬時値を検出し、その検出値を示す信号を制御装置２０に与える。電流検出器１７は、出力端子Ｔ２に流れる交流電流（以下、「負荷電流」とも称する）ＩＬの瞬時値を検出し、その検出値を示す信号を制御装置２０に与える。

　制御装置２０は、図示しない上位コントローラからの指令および、電圧検出器１６，１８および電流検出器１５，１７から入力される信号などを用いて、スイッチ回路１２（交流スイッチＳＷ）のオンオフおよび双方向コンバータ１４の運転を制御する。制御装置２０は、例えば、マイクロコンピュータなどで構成することができる。一例として、制御装置２０は、図示しないＣＰＵ（Central　Processing　Unit）およびメモリを有しており、メモリに予め格納されたプログラムをＣＰＵが実行することによるソフトウェア処理によって、以下で説明する制御動作を実行することができる。あるいは、当該制御動作の一部または全部について、ソフトウェア処理に代えて、内蔵された専用の電子回路などを用いたハードウェア処理によって実現することも可能である。

　次に、実施の形態１に係る電源装置１０の動作について説明する。
　交流電源１の正常時には、スイッチ回路１２の各交流スイッチＳＷがオンされ、交流電源１からスイッチ回路１２を介して負荷２に交流電力が供給され、負荷２が駆動される。また、交流電源１からスイッチ回路１２を介して双方向コンバータ１４に交流電力が供給され、その交流電力が直流電力に変換されてバッテリ３に蓄えられる。このとき、制御装置２０は、バッテリ３の端子間電圧ＶＢが参照電圧ＶＢｒになるように双方向コンバータ１４を制御する。

　交流電源１の異常時（交流電源１の停電時または瞬時電圧低下時）には、スイッチ回路１２の各交流スイッチＳＷが瞬時にオフされるとともに、バッテリ３の直流電力が双方向コンバータ１４によって交流電力に変換されて負荷２に供給される。したがって、交流電源１の異常が発生した場合でも、バッテリ３に直流電力が蓄えられている期間は、負荷２の運転を継続することができる。このとき、制御装置２０は、交流電圧ＶＯおよび負荷電流ＩＬに基づき、交流電圧ＶＯが参照電圧ＶＯｒになるように双方向コンバータ１４を制御する。制御装置２０は、バッテリ３の端子間電圧ＶＢが低下して下限電圧に到達した場合には、双方向コンバータ１４の運転を停止させる。

　ここで、交流電源１から交流電力が供給されている場合において遮断器５が開放されたときには、電源装置１０では、交流電源１の停電が発生する。なお、遮断器５は、上述したように、上位コントローラからの開放指令に応答して開放する。または、交流電源１を含む電力系統において地絡事故などが発生した場合に、遮断器５は自律的に開放する。

　図３は、交流電源１の停電発生時における電源装置１０の動作を説明するためのタイミングチャートである。図３には、交流電圧ＶＩ、スイッチ回路１２の交流スイッチＳＷに流れる交流電流Ｉｓｗ、双方向コンバータ１４の出力電流Ｉｃｎｖ、および交流スイッチＳＷの状態の時間波形が示されている。

　図３では、交流電源１の正常時の時刻ｔ１にて遮断器５の開放が発生した場合を想定している。時刻ｔ１以前において、交流スイッチＳＷはオンされており、交流電源１から交流スイッチＳＷを介して負荷２に交流電力が供給されている。一方、双方向コンバータ１４は運転を停止している。なお、上述したように、交流電源１の正常時、制御装置２０は、バッテリ３に直流電力を蓄えるために双方向コンバータ１４を運転する場合がある。

　時刻ｔ１にて遮断器５の開放が発生すると、遮断器５の開放動作に伴って、時刻ｔ１以降、交流電圧ＶＩおよび交流電流Ｉｓｗの振幅が減少する。

　電源装置１０では、電圧検出器１６により検出される交流電圧ＶＩが下限電圧よりも低下したときに（時刻ｔ２）、制御装置２０は、交流電圧ＶＩが正常に供給されていないと判定し、スイッチ回路１２の各交流スイッチＳＷをオフさせる。具体的には、制御装置２０は、Ｌレベルのゲート信号Ｇを生成し、生成したゲート信号Ｇを各交流スイッチＳＷの半導体スイッチ１３に出力する。

　制御装置２０はさらに、双方向コンバータ１４を起動させる。双方向コンバータ１４は、バッテリ３の直流電力を交流電力に変換して負荷２に供給する。その結果、時刻ｔ２以降、双方向コンバータ１４の出力電流Ｉｃｎｖの振幅が増加する。

　図３の例では、交流スイッチＳＷがオフされる時点（時刻ｔ２）において、交流スイッチＳＷの半導体スイッチ１３には電流が流れている。そのため、半導体スイッチ１３をオフさせるときに、半導体スイッチ１３の端子１３ａ，１３ｂ間にサージ電圧が発生する。スナバ回路ＳＮは、サージ電圧を抑制することによって半導体スイッチ１３を保護する。

　しかしながら、半導体スイッチ１３に電流が流れている状態、すなわち、スナバ回路ＳＮのコンデンサにエネルギーが蓄えられている状態において半導体スイッチ１３をオフさせると、当該コンデンサに蓄えられたエネルギーが電圧検出器１６（計器用変圧器）に流れて、電圧検出器１６が有するインダクタンスが磁気飽和を起こす場合がある。このような場合には、インダクタンスの磁気飽和に起因して、インダクタンスとコンデンサとの間で共振現象を起こすおそれがある。

　したがって、上述した共振現象の発生を抑制するためには、半導体スイッチ１３のオフ時においてサージ電圧を発生させないことが必要となる。そのためには、半導体スイッチ１３に電流が流れていない状態で半導体スイッチ１３をオフさせることが必要となる。

　図４は、実施の形態１に係る電源装置１０の動作を説明するための図である。
　図４に示すように、交流スイッチＳＷがオンされている場合には、交流電源１から交流スイッチＳＷを介して負荷２に交流電力が供給される。なお、双方向コンバータ１４は運転を停止している。この場合、図中に矢印Ａ１で示すように、交流電源１から供給される交流電流は、交流スイッチＳＷを流れて負荷２に供給される。すなわち、交流スイッチＳＷに流れる交流電流Ｉｓｗは負荷電流ＩＬと等しくなる。

　このような状況において遮断器５の開放が検知された場合には、制御装置２０は、双方向コンバータ１４を起動させるとともに、バッテリ３の直流電力を交流電力に変換するように双方向コンバータ１４を制御する。

　具体的には、制御装置２０は、図中に矢印Ａ２で示すように、交流電流Ｉｓｗに対して逆位相となる交流電流を交流スイッチＳＷに流すように双方向コンバータ１４を制御する。この逆位相の交流電流とは、交流電流Ｉｓｗと同じ周期であって、１８０°の位相差を有する交流電流である。交流電流Ｉｓｗと逆位相の交流電流とが互いに打ち消し合うことにより、交流電流Ｉｓｗの振幅が減少する。交流電流Ｉｓｗと逆位相の交流電流とを同じ振幅とすることにより、交流電流Ｉｓｗの振幅を０Ａにすることができる。交流電流Ｉｓｗの振幅が０Ａである状態、すなわち、交流スイッチＳＷの半導体スイッチ１３に電流が流れていない状態で半導体スイッチ１３をオフさせることにより、サージ電圧の発生を抑制することができる。

　制御装置２０はさらに、図中の矢印Ａ３に示すように、負荷電流ＩＬが参照電流ＩＬｒになるように双方向コンバータ１４を制御する。これによると、双方向コンバータ１４から出力される交流電流Ｉｃｎｖは、交流スイッチＳＷに供給されるとともに、負荷２に供給される。したがって、交流スイッチＳＷがオンからオフに切り替えられる期間において、安定した負荷電流ＩＬを負荷２に供給することができる。

　図５は、制御装置２０のうちの双方向コンバータ１４および交流スイッチＳＷの制御に関連する部分の構成を示すブロック図である。図５に示すように、制御装置２０は、検知部２２と、コンバータ制御部２４と、スイッチ制御部２６とを有する。

　遮断器５は、上位コントローラ（図示せず）から与えられる開放指令に応答して機械式スイッチの開放動作を開始する。その結果、遮断器５が開放指令を受信してから数十ミリ秒後に遮断器５が開放されて、交流電源１の停電が発生する。

　検知部２２は、遮断器５への開放指令を検知するように構成される。例えば、検知部２２は、上位コントローラが出力する開放指令を受信することにより、遮断器５への開放指令を検知することができる。検知部２２は、開放指令を検知すると、Ｈレベルに活性化された検知信号ＤＥＴをコンバータ制御部２４に出力する。一方、開放指令が検知されないときには、検知部２２はＬレベルの検知信号ＤＥＴをコンバータ制御部２４に出力する。

　コンバータ制御部２４は、電流検出器１５により検出される交流電流Ｉｓｗ、電流検出器１７により検出される負荷電流ＩＬ、電圧検出器１９により検出されるバッテリ３の端子間電圧ＶＢ、電圧検出器１８により検出される交流電圧ＶＯなどに基づいて、双方向コンバータ１４を制御するための制御信号（ＰＷＭ信号）を生成する。

　具体的には、コンバータ制御部２４は、交流電流Ｉｓｗと同位相の電流指令値Ｉｃｎｖ１＝Ｉｓｗを生成するとともに、参照電流ＩＬｒと負荷電流ＩＬとの偏差ΔＩＬ＝ＩＬｒ－ＩＬに基づいて電流指令値Ｉｃｎｖ２を生成する。なお、電流指令値Ｉｃｎｖ１を交流電流Ｉｓｗと同位相とすることにより、出力端子Ｔ２から入力端子Ｔ１に向かう向き（図４の矢印Ａ２の向きに相当）に流れる電流は、交流電流Ｉｓｗに対して逆位相となる。

　コンバータ制御部２４は、電流指令値Ｉｃｎｖ１と電流指令値Ｉｃｎｖ２とを加算して、電流指令値Ｉｃｎｖ＊を生成する（Ｉｃｎｖ＊＝Ｉｃｎｖ１＋Ｉｃｎｖ２）。コンバータ制御部２４は、電流指令値Ｉｃｎｖ＊に基づいて正弦波状の電圧指令値ＶＯ＊を生成し、生成した電圧指令値ＶＯ＊に基づいて制御信号（ＰＷＭ信号）を生成する。

　コンバータ制御部２４は、検知部２２からの検知信号ＤＥＴがＬレベルのときには、双方向コンバータ１４を瞬時に起動可能な待機状態にする。そして、検知信号ＤＥＴがＬレベルからＨレベルに活性化されたとき、すなわち、遮断器５への開放指令が検知されたときには、コンバータ制御部２４は、生成した制御信号（ＰＷＭ信号）を双方向コンバータ１４に出力することにより、双方向コンバータ１４を起動させる。これにより、図４に示したように、電流指令値Ｉｃｎｖ＊に応じた値の交流電流Ｉｃｎｖが双方向コンバータ１４から出力される。双方向コンバータ１４から出力された交流電流Ｉｃｎｖは、交流スイッチＳＷに供給されるとともに、負荷２に供給される。交流電流Ｉｃｎｖのうち交流スイッチＳＷに供給される交流電流は、交流スイッチＳＷから見て、交流電流Ｉｓｗとは逆位相となる。よって、交流電流Ｉｓｗの振幅を０Ａとすることができる。

　スイッチ制御部２６は、電流検出器１５により検出される交流電流Ｉｓｗおよび電圧検出器１６により検出される交流電圧ＶＩに基づいて、スイッチ回路１２の各交流スイッチＳＷのオンオフを制御する。具体的には、スイッチ制御部２６は、交流電圧ＶＩが下限電圧よりも高い場合には、各交流スイッチＳＷをオンさせる。交流電圧ＶＩが下限電圧よりも低下した場合には、スイッチ制御部２６は、交流電流Ｉｓｗの振幅が０Ａであることを条件として各交流スイッチＳＷをオフさせる。

　図６は、実施の形態１に係る電源装置１０の動作を説明するためのタイミングチャートであり、図３と対比される図である。図６には、交流電圧ＶＩ、スイッチ回路１２の各交流スイッチＳＷに流れる交流電流Ｉｓｗ、双方向コンバータ１４の出力電流Ｉｃｎｖ、および交流スイッチＳＷの状態を示す時間波形が示されている。

　図６では、時刻ｔ０にて遮断器５への開放指令が検知された場合を想定している。この場合、時刻ｔ０より後の時刻ｔ１にて遮断器５の開放動作が開始される。なお、時刻ｔ０からｔ１までの期間は、遮断器５において、入力された信号が開放指令であるかノイズであるかを判定するために用いられる。時刻ｔ１以降、遮断器５の開放動作に伴って、交流電圧ＶＩの振幅が減少する。

　制御装置２０は、時刻ｔ０にて開放指令が検知されると、交流スイッチＳＷに流れる交流電流Ｉｓｗと逆位相となる交流電流を交流スイッチＳＷに流すとともに、負荷電流ＩＬが参照電流ＩＬｒになるように、双方向コンバータ１４を制御する。したがって、時刻ｔ０以降、双方向コンバータ１４の出力電流Ｉｃｎｖの振幅が増加する。

　このとき、交流スイッチＳＷでは、交流電流Ｉｓｗと双方向コンバータ１４から供給される逆位相の交流電流とが互いに打ち消し合うことによって、交流電流Ｉｓｗの振幅が徐々に減少し、最終的に０Ａとなる。なお、負荷２には、双方向コンバータ１４の出力電流Ｉｃｎｖの一部が供給されている。

　電圧検出器１６により検出される交流電圧ＶＩが下限電圧よりも低下すると（時刻ｔ２）、制御装置２０は、交流電圧ＶＩが正常に供給されていないと判定し、各交流スイッチＳＷをオフさせる。制御装置２０は、Ｌレベルのゲート信号Ｇを各交流スイッチＳＷの半導体スイッチ１３に出力する。

　図６に示すように、交流スイッチＳＷがオフされる時点（時刻ｔ２）では、交流スイッチＳＷに流れる交流電流Ｉｓｗが消失している。すなわち、半導体スイッチ１３には電流が流れていない。そのため、半導体スイッチ１３をオフさせるときに、サージ電圧が発生しないため、上述した共振現象の発生が抑制される。

　図７は、実施の形態１に係る電源装置１０における制御処理を説明するフローチャートである。図７に示す各ステップの制御処理は、制御装置２０が予め格納されたプログラムを実行することで実現することができる。

　図７に示すように、制御装置２０は、ステップ（以下、単に「Ｓ」とも表記する）０１では、遮断器５への開放指令が検知されたか否かを判定する。例えば、上位コントローラからの開放指令を受信したときに、Ｓ０１はＹＥＳ判定とされ、それ以外はＮＯ判定とされる。

　制御装置２０は、遮断器５の開放指令が検知された場合（Ｓ０１のＹＥＳ判定時）には、Ｓ０２により、交流電流Ｉｓｗに対して逆位相となる交流電流を交流スイッチＳＷに流すとともに、負荷電流ＩＬが参照電流ＩＬｒになるように双方向コンバータ１４を制御する。Ｓ０２では、制御装置２０は、交流電流Ｉｓｗ、負荷電流ＩＬおよび参照電流ＩＬｒに基づいて、双方向コンバータ１４の出力電流Ｉｃｎｖに対する電流指令値Ｉｃｎｖ＊を生成する。制御装置２０は、電流指令値Ｉｃｎｖ＊に基づいて電圧指令値ＶＯ＊を生成し、生成した電圧指令値ＶＯ＊に基づいて、双方向コンバータ１４の制御信号（ＰＷＭ信号）を生成する。

　制御装置２０は、Ｓ０３により、電流検出器１５の検出値に基づいて、交流スイッチＳＷに流れる交流電流Ｉｓｗの振幅が０Ａになっているか否かを判定する。交流電流Ｉｓｗの振幅が０Ａになっている場合（Ｓ０３のＹＥＳ判定時）、制御装置２０は、Ｓ０４に進み、電圧検出器１６の検出値に基づいて、交流電圧ＶＩが下限電圧未満であるか否かを判定する。交流電流Ｉｓｗの振幅が０Ａでない場合（Ｓ０３のＮＯ判定時）、または、交流電圧ＶＩが下限電圧以上である場合（Ｓ０４のＮＯ判定時）には、Ｓ０２の処理が実行される。

　一方、交流電圧ＶＩが下限電圧未満である場合（Ｓ０４のＹＥＳ判定時）には、制御装置２０は、Ｓ０５により、スイッチ回路１２の各交流スイッチＳＷをオフさせる。各交流スイッチＳＷがオフされることによって交流電源１の停電が発生する。

　制御装置２０は、Ｓ０６では、交流電圧ＶＯおよび負荷電流ＩＬに基づき、交流電圧ＶＯが参照電圧ＶＯｒになるように双方向コンバータ１４を制御する。Ｓ０６では、双方向コンバータ１４は、バッテリ３の直流電力を交流電力に変換して負荷２に供給する。制御装置２０は、バッテリ３の端子間電圧ＶＢが低下して下限電圧に到達した場合には、双方向コンバータ１４の運転を停止させる。

　以上説明したように、実施の形態１に係る電源装置によれば、交流電源１と電源装置１０の入力端子Ｔ１との間に設けられる遮断器５の開放が検知された場合には、制御装置２０は、入力端子Ｔ１と出力端子Ｔ２との間に接続される交流スイッチＳＷに流れる交流電流Ｉｓｗと逆位相となる交流電流を交流スイッチＳＷに流すとともに、負荷電流ＩＬが参照電流ＩＬｒになるように、双方向コンバータ１４を制御する。これによると、負荷２に安定的に電力を供給しながら、半導体スイッチ１３に電流が流れていない状態で半導体スイッチ１３をオフさせることができる。したがって、半導体スイッチ１３のオフ時においてサージ電圧の発生が抑制されるため、スナバ回路ＳＮのコンデンサと電圧検出器１６のインダクタンスとの間で共振現象が発生することを抑制することができる。

　［実施の形態２］
　上述した実施の形態１では、制御装置２０は、遮断器５への開放指令を検知することによって遮断器５の開放を検知する構成例について説明した。その一方で、電力系統での短絡事故等の発生時には、遮断器５は、上位コントローラからの開放指令に依らずに自律的に開放する。実施の形態２では、遮断器５が自律的に開放する場合に遮断器５の開放を検知するための構成例について説明する。なお、実施の形態２に係る電源装置の構成は、図１に示した実施の形態１に係る電源装置１０の構成と同じであるため、その説明を省略する。

　図８は、遮断器５の開放動作を説明するための動作波形図である。図８には、交流電源１から入力端子Ｔ１に供給される三相交流電流（Ｕ相電流Ｉｕ、Ｖ相電流Ｉｖ、Ｗ相電流Ｉｗ）の波形が示されている。

　遮断器５が有する機械式スイッチでは、通電中の接点対を開放させる際に、接点間にアーク放電が発生する。そのため、接点対を開放させた後も暫くの間電流が流れ続ける。そのため、三相交流電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗは、対応する遮断器５の接点対に流れる電流が０Ａになったものから順に遮断されることになる。

　図８の例では、時刻ｔａにてＷ相電流Ｉｗが最初に０Ａとなり遮断される（領域ＲＧＮ１参照）。Ｗ相電流Ｉｗが遮断されたことによって、Ｕ相電流ＩｕとＶ相電流Ｉｖとは互いに逆位相の電流となる。時刻ｔａより後の時刻ｔｂにて、Ｕ相電流ＩｕおよびＶ相電流Ｉｖがともに０Ａとなる。なお、時刻ｔａから時刻ｔｂまでの時間はおよそ数ミリ秒である。

　実施の形態２に係る電源装置１０では、制御装置２０は、上述した開放動作の特徴に基づいて、電流検出器１５により検出される交流電流Ｉｓｗ（三相交流電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗ）に基づいて、遮断器５の開放を検知する。

　具体的には、制御装置２０は、電流検出器１５により検出される三相交流電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗのうちのいずれか１つにおいて、電流値が０Ａとなる状態が予め定められた閾値時間を超えて継続しているか否かを判定する。なお、閾値時間は、時刻ｔａから時刻ｔｂまでの時間よりも短い時間に設定される。

　図８のケースでは、時刻ｔａにてＷ相電流Ｉｗの電流値が０Ａになると、制御装置２０は、当該電流値が０Ａを維持する時間を計測する。計測された時間が閾値時間を超えた場合に、制御装置２０は、遮断器５の開放を検知する。

　図９は、実施の形態２に係る電源装置１０の動作を説明するためのタイミングチャートであり、図３と対比される図である。図９には、交流電圧ＶＩ、スイッチ回路１２の各交流スイッチＳＷに流れる交流電流Ｉｓｗ、双方向コンバータ１４の出力電流Ｉｃｎｖ、および交流スイッチＳＷの状態を示す時間波形が示されている。

　図９では、時刻ｔ０にて電力系統での短絡事故の発生に応じて遮断器５が開放する場合を想定している。この場合、時刻ｔ０以降、図８に示したように、交流電源１から供給される三相交流電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗのうちのいずれか１つが最初に０Ａとなり、これに遅れて残りの２つの交流電流が０Ａとなる。なお、時刻ｔ０以降、遮断器５の開放動作に伴って、交流電圧ＶＩの振幅が減少する。

　制御装置２０は、電流検出器１５により検出される交流電流Ｉｓｗに基づいて、三相交流電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗのうちのいずれか１つにおいて、電流値が０Ａとなる状態が予め定められた閾値時間を超えて継続しているか否かを判定する。図９の例では、制御装置２０は、時刻ｔ０より後の時点にていずれか一相の交流電流の振幅が０Ａになると、制御装置２０は、当該電流値が０Ａを維持する時間を計測する。計測された時間が閾値時間を超えた時点（時刻ｔ１）にて、制御装置２０は、遮断器５の開放を検知する。

　制御装置２０は、遮断器５の開放が検知されると、実施の形態１と同様の手順に従って、交流スイッチＳＷに流れる交流電流Ｉｓｗと逆位相となる交流電流を交流スイッチＳＷに流すとともに、負荷電流ＩＬが参照電流ＩＬｒになるように、双方向コンバータ１４を制御する。したがって、時刻ｔ１以降、双方向コンバータ１４の出力電流Ｉｃｎｖの振幅が増加する。

　図９に示すように、交流スイッチＳＷがオフされる時点（時刻ｔ２）では、交流スイッチＳＷに流れる交流電流Ｉｓｗが消失している。すなわち、半導体スイッチ１３には電流が流れていない。そのため、半導体スイッチ１３をオフさせるときに、サージ電圧が発生しないため、上述した共振現象の発生が抑制される。

　図１０は、実施の形態２に係る電源装置１０における制御処理を説明するフローチャートである。図１０に示すフローチャートは、図７に示したフローチャートに対してＳ０１Ａの処理を追加したものである。

　図１０に示すように、制御装置２０は、Ｓ０１にて遮断器５の開放指令が検知されない場合（Ｓ０１のＮＯ判定時）には、Ｓ０１Ａに進み、遮断器５の開放が検知されたか否かを判定する。Ｓ０１Ａでは、制御装置２０は、上述したように、電流検出器１５により検出される交流電流Ｉｓｗに基づいて、三相交流電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗのうちのいずれか１つにおいて、電流値が０Ａとなる状態が閾値時間を超えて継続しているか否かを判定する。いずれか一相の交流電流の電流値が０Ａとなる状態が閾値時間を超えて継続した場合、Ｓ０１ＡはＹＥＳ判定とされ、それ以外はＮＯ判定とされる。

　Ｓ０１Ａにて遮断器５の開放が検知された場合（Ｓ０１ＡのＹＥＳ判定時）、制御装置２０は、図７と同じＳ０２以降の処理を実行する。すなわち、制御装置２０は、交流電流Ｉｓｗに対して逆位相となる交流電流を交流スイッチＳＷに流すとともに、負荷電流ＩＬが参照電流ＩＬｒになるように双方向コンバータ１４を制御する（Ｓ０２）。そして、交流スイッチＳＷに流れる交流電流Ｉｓｗの振幅が０Ａとなっている場合（Ｓ０３のＹＥＳ判定時）において、交流電圧ＶＩが下限電圧未満であるときに（Ｓ０４のＹＥＳ判定時）、制御装置２０は、Ｓ０５により、スイッチ回路１２の各交流スイッチＳＷをオフさせる。各交流スイッチＳＷがオフされることによって交流電源１の停電が発生する。

　以上説明したように、実施の形態２に係る電源装置によれば、入力端子Ｔ１と出力端子Ｔ２との間に接続される交流スイッチＳＷに流れる交流電流Ｉｓｗの波形に基づいて、遮断器５の開放を検知することができるため、上述した実施の形態１と同様の効果を得ることができる。

　今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本開示の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

　１　交流電源、２　負荷、３　バッテリ、５　遮断器、１０　電源装置、１２　スイッチ回路、１２ａ　入力ノード、１２ｂ　出力ノード、１３　半導体スイッチ、１４　双方向コンバータ、１５，１７　電流検出器、１６，１８，１９　電圧検出器、２０　制御装置、２２　検知部、２４　コンバータ制御部、２６　スイッチ制御部、Ｔ１　入力端子、Ｔ２　出力端子、Ｔ３　直流端子、ＳＷ１～ＳＷｎ，ＳＷ　交流スイッチ、Ｑ，ＱＡ，ＱＢ　ＩＧＢＴ、Ｄ，ＤＡ，ＤＢ　ダイオード、ＳＮ　スナバ回路、Ｚ　抵抗器。

Claims

　遮断器を介して交流電源に接続される第１端子と、
　負荷に接続される第２端子と、
　前記第１端子と前記第２端子との間に互いに並列接続される半導体スイッチおよびスナバ回路を有する交流スイッチと、
　電力貯蔵装置と前記第２端子との間に接続され、前記電力貯蔵装置の直流電力を交流電力に変換して前記第２端子に出力する電力変換器と、
　前記交流スイッチに流れる電流を検出する電流検出器と、
　前記第１端子に入力される交流電圧を検出する電圧検出器と、
　前記電圧検出器の検出値に基づいて、前記交流スイッチおよび前記電力変換器を制御する制御装置とを備え、
　前記制御装置は、前記交流電源の正常時には、前記半導体スイッチをオンさせて、前記交流電源から供給される交流電力を前記交流スイッチを介して前記負荷に供給し、
　前記制御装置は、さらに、前記遮断器の開放が検知された場合には、
　前記電流検出器により検出される電流とは逆位相の電流が前記半導体スイッチに流れるとともに、前記負荷に交流電力が供給されるように前記電力変換器を制御し、かつ、
　前記電流検出器の検出値の振幅が０であるときに前記半導体スイッチをオフさせる、電源装置。
　前記遮断器は、機械式スイッチを有しており、前記遮断器の外部から与えられる開放指令に応答して前記機械式スイッチの開放動作を実行するように構成され、
　前記制御装置は、前遮断器への前記開放指令が検知されたことに基づいて、前記遮断器の開放を検知する、請求項１に記載の電源装置。
　前記交流電源は、三相交流電源であり、
　前記電流検出器は、前記交流スイッチに流れる三相交流電流を検出し、
　前記制御装置は、前記電流検出器により検出される前記三相交流電流のうちのいずれか一相の交流電流が０になる状態が予め定められた所定時間継続したことに基づいて、前記遮断器の開放を検知する、請求項１に記載の電源装置。
　前記遮断器は、機械式スイッチを有しており、前記交流電源を有する電力系統の事故発生時に前記機械式スイッチの開放動作を実行するように構成される、請求項３に記載の電源装置。
　前記制御装置は、前記半導体スイッチをオフさせるとともに、前記電力貯蔵装置の直流電力を交流電力に変換して前記負荷に供給するように前記電力変換器を制御する、請求項１から３のいずれか１項に記載の電源装置。