JP2004357390A

JP2004357390A - 系統連系インバータを含む電源装置

Info

Publication number: JP2004357390A
Application number: JP2003151220A
Authority: JP
Inventors: Masa Tai; 政戴; Yosuke Harada; 陽介原田
Original assignee: Ebara Densan Ltd
Current assignee: Ebara Densan Ltd
Priority date: 2003-05-28
Filing date: 2003-05-28
Publication date: 2004-12-16

Abstract

【課題】簡単な設備構成で、系統電源への逆潮流を防止しつつ、時々刻々変動する余剰電力を的確に擬似負荷に供給することができる、系統連系インバータを含む電源装置を提供する。
【解決手段】直流電源１１からの直流電力を交流電力に逆変換して系統電源２００に接続されている負荷１００に電流を供給する系統連系インバータ１３を含む電源装置１０であって、系統連系インバータの直流入力部に接続された擬似負荷３１と、直流入力部の直流リンク電圧を検出する直流電圧検出回路３２と、直流電圧検出回路により検出された直流リンク電圧に基づいて擬似負荷への電力供給を制御する制御部１５，３３とを備えた。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、系統連系インバータを含む電源装置に係り、特に、直流電力を、その電圧を変圧して交流電力に逆変換することにより、商用交流系統電源（以下、系統電源という）に接続した負荷に交流電力を供給する系統連系インバータを含む電源装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、太陽電池や燃料電池、あるいはガスタービン発電機等の小規模の発電設備が広く普及しつつある。これらの発電設備においては、太陽電池や燃料電池等で発電した直流電力、またはガスタービン発電機や風力発電機等により発電した交流電力を整流して得られた直流電力を、ＤＣ／ＤＣコンバータやチョッパ回路等により変圧した上で、インバータにより交流電力に逆変換することにより、負荷への電力供給を実現している場合が多い。このような場合には、負荷は、系統電源に接続しておき、発電設備から電力が供給されないときや、その供給電力が不足するときには、系統電源からの電力で補うようになっている。
【０００３】
このように、系統電源にも接続された負荷に、直流電力を交流電力に逆変換して電力を供給する系統連系インバータを含む発電設備においては、系統電源にも接続されることから種々の規制が設けられている。その一つに、逆潮流の制限という規制がある。この規制の一例は、「発電設備の構内から系統電源側に向かう有効電力の流れ（潮流）が配電用変電所のバンクにおいて生じないようにすること」というものである。即ち、発電設備により発電された有効電力は、すべて発電設備が存在する構内の線路負荷に供給され、有効電力が系統電源側に流出することを制限したものである。
【０００４】
ところで、発電設備構内の線路負荷の所要電力は時々刻々変動する。これに対して、発電設備の発電能力は、例えば太陽電池等は日照条件によって決まり、発電電力が線路負荷の所要電力に直ちに追従することができない。このため、線路負荷の所要電力が発電電力を下回ると、余剰電力が生じ、余剰の発電電力が系統電源側に向かうため、いわゆる逆潮流となる。そこで、発電電力は約一定に保ち、擬似負荷（例えばヒータ等の電力抵抗器）を設け、線路負荷の変動に応じて擬似負荷に余剰電力を吸収させるという方法が一般に採用されている（例えば、特許文献１，２参照）。
【０００５】
【特許文献１】
特開２０００−３２０４０１号公報
【特許文献２】
特開２００２−２８１６７２号公報
【０００６】
しかしながら、線路負荷は時々刻々と変化するため、事前予測することができない。また、実際には擬似負荷の大きさには製造誤差等が含まれており、温度・湿度等の環境により変動する。そして、約一定のペースで発電している発電出力のうち、線路負荷が消費する以外の余剰電力を正確に擬似負荷に供給するということは必ずしも容易ではない。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上述した事情に鑑みて為されたもので、簡単な設備構成で、系統電源への逆潮流を防止しつつ、時々刻々変動する余剰電力を的確に擬似負荷に供給することができる、系統連系インバータを含む電源装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の電源装置は、直流電源からの直流電力を交流電力に逆変換して系統電源に接続されている負荷に電流を供給する系統連系インバータを含む電源装置であって、前記系統連系インバータの直流入力部に接続された擬似負荷と、前記直流入力部の直流リンク電圧を検出する直流電圧検出回路と、該直流電圧検出回路により検出された直流リンク電圧に基づいて前記擬似負荷への電力供給を制御する制御部とを備えたことを特徴とするものである。
【０００９】
ここで、前記制御部は、前記直流リンク電圧が一定値に調整されるように前記擬似負荷への電力供給を制御することが好ましい。また、前記系統連系インバータは、系統電源側に流出する有効電力が生じないようにその出力電力を制御することが好ましい。
【００１０】
また、本発明の電源装置の制御方法は、直流電源からの直流電力を系統連系インバータにより交流電力に逆変換し、系統電源に有効電力が流出する逆潮流が生じないように前記系統連系インバータの出力電力を調整し、前記直流電源に余剰電力が生じた場合に前記系統連系インバータの入力側に接続した擬似負荷に前記余剰電力を供給するようにしたことを特徴とするものである。
【００１１】
この発明によれば、系統電源に接続されている負荷への供給電力は、系統電源側の電圧および系統電源に流出入する電流に基づいて、系統連系インバータにより制御される。その一方で、直流電源側に余剰電力が生じた場合には、系統連系インバータ前段に接続された擬似負荷へ、直流電力のままで供給される。したがって、簡易な構成で、逆潮流が系統電源側に向かってしまうことを防止しつつ、余剰電力を系統連系インバータ前段の擬似負荷で吸収することができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について添付図面を参照して説明する。図１は本発明に係る系統連系インバータを含む電源装置の一実施形態を適用した発電設備の一例を示す図である。
【００１３】
図１において、発電設備１０は、太陽電池または燃料電池等の直流電源、あるいはガスタービン発電機の交流出力を整流して直流出力を得る直流電源１１を備えている。この直流電源１１の出力電圧は一般に低いので、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２等により系統電源の交流電圧を形成するのに十分な程度の電圧に昇圧した後に、この昇圧した直流電圧をインバータ１３に供給して交流出力を発生し、所望設備などの負荷１００に電力供給する。なお、直流電源１１の出力電圧が高い場合には必要に応じて降圧すればよい。また、ここでは、直流電源１１を備える発電設備１０を一例に説明するが、直流電源は外部の設備であってもよいことはいうまでもない。
【００１４】
インバータ１３は、電力スイッチング素子を備えており、コントローラ（制御部）１５から供給される例えばパルス幅変調（ＰＷＭ）信号で、その電力スイッチング素子がオン・オフ制御されることにより、直流電力から逆変換された交流電力がその出力端より出力される。インバータ１３の出力電圧波形は、パルス幅変調（ＰＷＭ）信号により形成されているので高調波成分を多量に含む。このため、インバータ出力の正弦波電圧は、フィルタ１６により高調波成分を除去して、系統電源２００に連系するように、負荷１００に接続した負荷線路１８に供給される。
【００１５】
ここで、この発電設備１０の直流電源１１等から負荷１００に到るまでの電力供給設備は、発電設備設置者の構内に配置されている。そして、負荷１００を接続した負荷線路１８は、発電設備設置者の構外の系統電源２００に接続されている。したがって、例えば太陽電池等の直流電源１１が発電しない時間帯等においては、負荷１００への電力の供給は、系統電源２００側からの送電により行われる。また、直流電源１１の発電電力量が負荷設備１００の所要電力量を下回る場合にも、負荷設備１００で消費される電力の一部が系統電源２００側から送られる。
【００１６】
ところで、直流電源１１の発電電力量が負荷設備１００の所要電力量を上回るときに、余剰電力を系統電源２００側に送出する、いわゆる売電が行われる場合があるが、有効電力の系統電源２００側への送出を逆潮流として一切認めない場合もある。この実施形態の電源装置を適用した発電設備１０は、このような逆潮流が一切認められない場合に好適なものである。即ち、直流電源１１の発電電力量が負荷１００の所要電力量を上回る場合に、インバータ出力電力が系統電源２００側への逆潮流とならないように、コントローラ１５がインバータ１３の出力を制御している。すなわち、コントローラ１５が逆潮流を検出し、負荷１００で消費する電力に対応した電力をインバータ１３が出力するように制御する。
【００１７】
具体的には、負荷１００側から系統電源２００側に流れる電力の逆潮流は、系統電力検出回路を構成する電流検出器（ＡＣＣＴ）２３および電圧検出器（ＡＣＰＴ）２４により検出される。電流検出器２３は電流センサ回路２５に接続され、検出された電流値をコントローラ１５に入力する。また、電圧検出器２４は電圧センサ回路２６に接続され、検出された電圧値を同様にコントローラ１５に入力する。電流検出器２３は、系統電源への接続部に配置され、系統電源に入出流する電流を検出する。電圧検出器２４は、フィルタ１６の出力側に配置され、系統電源の電圧を検出する。
【００１８】
そして、コントローラ１５は、検出された電流値および電圧値を交流一周期または半周期毎に積分演算することで、系統電源２００と負荷１００側間に流出入する電力潮流を検出する。即ち、電流検出器２３により電流の流れ方向を検出することで、系統電源２００側から負荷１００側に電力潮流が流れている順潮流であるか、逆に負荷１００側（インバータ１３側）から系統電源２００側に電力潮流が流れている逆潮流であるかを検出すると共に、その大きさ（電力値）を検出することができる。
【００１９】
コントローラ１５は、逆潮流の大きさ（電力値）を検出した場合には、インバータ１３の出力を逆潮流の分、または逆潮流分と予め設定したオフセット分の合計を絞るように出力電力制御信号（ＰＷＭ信号）をインバータ１３に送出する。これにより、インバータ１３は、負荷１００が消費している電力のみを供給し、系統電源２００側に対して有効電力を供給しない（逆潮流がない）状態とすることができる。
【００２０】
言い換えると、コントローラ１５は、系統電源２００に接続する負荷線路１８における電力潮流の向きやその大きさから、負荷１００にのみ電力を供給するように、インバータ１３への出力電力制御信号を容易に計算・生成することができる。即ち、マイクロコンピュータ等を極めて簡単なプログラム処理で機能させるだけの簡易な構成で、系統電源２００側への逆潮流を防止しつつ所要電力を負荷１００にのみ供給することができる。
【００２１】
ここで、インバータ１３等から負荷１００や系統電源２００側に供給する交流電力を所望の電力量に制御するだけでは、直流電源１１からの発電電力量がその負荷１００の所要電力量を上回る場合には、その直流電源１１の出力を下げない限り、余剰電力がＤＣ／ＤＣコンバータ１２の出力側（インバータの入力側）のコンデンサーに貯められる。そのままでは、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２の直流リンク電圧が徐々に上昇して過電圧となってしまう。
【００２２】
このことから、この発電設備１０では、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２とインバータ１３との間に擬似負荷３１を並列接続して、負荷１００の所要電力量を上回る直流電源１１からの余剰電力分をその擬似負荷３１に供給して吸収させている。
【００２３】
ここで、擬似負荷３１としては、バッテリチャージャまたはフライホイールといったエネルギーを蓄積することができる装置やあるいはヒータ等の電力抵抗器を用いてもよい。即ち、バッテリチャージャ等の場合は余剰電力を電力エネルギーとして蓄積して吸収することができる。ヒータ等の場合は電力抵抗器に負荷電流を供給することで電力エネルギーを熱エネルギーに変換し、電力抵抗器の周囲に配置された水等を加熱することで余剰電力を消費して吸収し、温水を作ることができる。
【００２４】
そして、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２の直流リンク電圧は、このＤＣ／ＤＣコンバータ１２とインバータ１３との間の配線に接続された直流電圧センサ回路（リンク電圧検出回路）３２により検出され、コントローラ１５に入力される。このコントローラ１５は、検出された直流リンク電圧値に基づいてＤＣ／ＤＣコンバータ１２およびインバータ１３の間の配線と擬似負荷３１との間に介装されている電力制御素子３３を制御することにより、その擬似負荷３１に直流電力を供給してインバータ１３への電力供給を調整する。すなわち、コントローラ１５は、電力制御素子３３と共に、制御部をも構成している。
【００２５】
詳細には、コントローラ１５は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２の直流リンク電圧が予め設定されている値に保持されるように電力制御素子３３を制御する。具体的には、電力制御素子３３としてスイッチ（スイッチング素子）を用い、所定電圧を超えた場合にこのスイッチがオンし、擬似負荷３１に電力を供給し、直流リンク電圧が低下し、所定値以下になった場合には擬似負荷３１への電力の供給を遮断する。
【００２６】
例えば、定格直流リンク電圧に対して、上限値として＋３０Ｖを設定する一方、下限値として−２０Ｖを設定しておく。この場合には、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２の直流リンク電圧が、上限値の＋３０Ｖよりも高くなったときに電力制御素子３３にオン制御信号を送出することにより、インバータ１３の前段に擬似負荷３１を投入（接続）して余剰電力を吸収させる。一方、この後に、その直流リンク電圧が下限値の−２０Ｖを下回ったときに電力制御素子３３にオフ制御信号を送出することにより、その擬似負荷３１をインバータ１３の前段から切り離すことによって、インバータ１３による所望の電力供給を妨げないようにする。
【００２７】
これにより、コントローラ１５は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２の直流リンク電圧が設定範囲内であるか否かを判断するだけで容易に電力制御素子３３をオン・オフして、擬似負荷３１への電力を供給・遮断することができる。また、この擬似負荷３１に電力を供給する経路には、インバータ１３やフィルタ１６が介在していないことから、電力損失を少なくすることができ、各部の電流容量が過剰な大容量になってコスト高になってしまうことを防止できる。また、インバータ１３やフィルタ１６が介在していないことから、擬似負荷を通して外部に洩れる高調波電波障害を防止できる。
【００２８】
なお、上記の例においては、電力制御素子としてスイッチ（スイッチング素子）を用い、これをオン・オフ制御する例について述べたが、例えば直流リンク電圧を一定値に保持しつつ余剰電力を擬似負荷に供給するようにしてもよい。これにより、インバータが出力する電力以上の電力が直流電源１１側から入力された場合には、直流リンク電圧を一定に保つように余剰電力が擬似負荷３１に供給される。また、電力潮流の検出および電力制御素子３３の制御は交流半周期或いは一周期毎に行うことが好ましい。これにより、時々刻々変動する電力潮流を交流半周期或いは一周期毎に把握し、適切な電力制御素子の制御、換言すれば擬似負荷への電力供給制御を行うことができる。
【００２９】
このように本実施形態においては、系統電源２００側の電圧・電流に基づいて逆潮流が発生しないようにインバータ１３から負荷１００に電力供給する一方、そのインバータ１３には直流リンク電圧に基づいて前段の擬似負荷３１への電力供給を制御することにより余剰電力を吸収させる。従って、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２から直流リンク電圧を略一定に保ちつつ、インバータ１３に負荷１００が消費しているだけの直流電力を供給することができる。
【００３０】
したがって、インバータ１３を簡易に制御して所要電力を負荷１００に供給することができるとともに、直流リンク電圧に基づいて擬似負荷３１を接続・切断するだけの簡易な構成で、直流電源１１からの余剰電力を吸収することができる。この結果、簡易な構成で、逆潮流を発生させることなく必要な電力を系統電源２００に接続された負荷１００に供給しつつ、時々刻々変動する余剰電力を的確に擬似負荷３１に吸収させて、直流リング電圧の上昇を防止し、過電圧による機器の損傷または過電圧エラーの発生を未然に防止することができる。
【００３１】
なお、上記実施形態は本発明の実施例の一態様を述べたもので、本発明の趣旨を逸脱することなく種々の変形実施例が可能なことは勿論である。
【００３２】
【発明の効果】
本発明によれば、系統連系インバータから系統電源および負荷側に供給する交流電力は、その系統電圧および電流に基づいて制御する一方、その交流電力に変換する直流電力は、その直流リンク電圧に基づいて擬似負荷に供給またはその供給を遮断することにより調整するようにしたものである。これにより、時々刻々変動する余剰電力を的確に擬似負荷に供給して吸収させた後の直流電力を系統連系インバータに受け渡し、必要な電力のみを系統電源に接続された負荷に供給することができる。
【００３３】
したがって、簡易な構成で、余剰電力の逆潮流を防止しつつ、その余剰電力を系統連系インバータ前段で吸収して、過電圧の発生を未然に防止することができる。これにより、従来のインバータ出力側に擬似負荷を接続する方式と比較して、余剰電力分がインバータおよびフィルタ回路等に流れないので、これらの機器の小型コンパクト化を行うことができる。
【００３４】
また、直流リンク電圧の上昇を検出して擬似負荷に電力を供給するようにしたので、余剰電力分を的確に擬似負荷に供給することが可能となる。総じて本発明によれば、機器を小型コンパクト化すると共に、擬似負荷に的確に余剰電力を供給することができる逆潮流の防止制御が行える。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る系統連系インバータを含む電源装置の一実施形態を適用した発電設備の一例を示す図であり、その概要を示すブロック図である。
【符号の説明】
１０発電設備
１１直流電源
１２ＤＣ／ＤＣコンバータ
１３インバータ
１５コントローラ
１６フィルタ
１８負荷線路
２３電流検出器
２４電圧検出器
２５電流センサ回路
２６電圧センサ回路
３１擬似負荷
３２直流電圧センサ回路
３３電力制御素子
１００負荷（設備）
２００系統電源

Claims

直流電源からの直流電力を交流電力に逆変換して系統電源に接続されている負荷に電流を供給する系統連系インバータを含む電源装置であって、
前記系統連系インバータの直流入力部に接続された擬似負荷と、前記直流入力部の直流リンク電圧を検出する直流電圧検出回路と、該直流電圧検出回路により検出された直流リンク電圧に基づいて前記擬似負荷への電力供給を制御する制御部とを備えたことを特徴とする電源装置。
前記制御部は、前記直流リンク電圧が一定値に調整されるように前記擬似負荷への電力供給を制御することを特徴とする請求項１に記載の電源装置。
前記系統連系インバータは、系統電源側に流出する有効電力が生じないように、その出力電力を制御することを特徴とする請求項１に記載の電源装置。
直流電源からの直流電力を系統連系インバータにより交流電力に逆変換し、系統電源に有効電力が流出する逆潮流が生じないように前記系統連系インバータの出力電力を調整し、前記直流電源に余剰電力が生じた場合に前記系統連系インバータの入力側に接続した擬似負荷に前記余剰電力を供給するようにしたことを特徴とする電源装置の制御方法。