JP2007037290A - 電力補償装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明は、電力貯蔵装置及び電力変換器より成るセルを直列に接続することで、高電圧化及び大容量化に対応させた電力補償装置を提供することを目的とする。
【解決手段】 Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相それぞれに対して、電力貯蔵装置が備えたセルパワーモジュールｕ１〜ｕ４，ｖ１〜ｖ４，ｗ１〜ｗ４を直列に接続して、三相交流の電圧系統に対応した電力補償装置を構成する。これにより、セルパワーモジュールｕ１〜ｕ４，ｖ１〜ｖ４，ｗ１〜ｗ４の容量を小さくすることができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、電力系統の瞬低補償や負荷平準化を行うために電力貯蔵装置を備えた電力補償装置に関する。

近年、情報技術の進歩のため、各産業において情報システム化が成されている。この情報システム化に伴い、システムへの電力供給を行う電力系統における信頼性が問題となり、電力系統における瞬低（瞬時電圧低下）補償や負荷平準化が求められる。この電力系統における瞬低補償や負荷平準化を行うために、電池、コンデンサ、ＳＭＥＳ（Superconducting Magnetic Energy Storage System）、フライホールなどの電力貯蔵装置を備えた電力補償装置が提供されている。

このような電力補償装置を備えた無停電電源システムが構成されるが、この無停電源電源システムとして、フライホイールを備えることで短時間停電や瞬低に対応させた無停電電源装置や（特許文献１参照）、コンデンサ又は電気二重層コンデンサ又はフライホイールもしくは超電導電力貯蔵のいずれかを備えることで電力貯蔵を行う電力供給システムなど（特許文献２参照）が提供されている。又、従来の電力補償装置は、上述した電力貯蔵装置と電力系統との間に、電力貯蔵装置からの電力エネルギーを単相又は三相の電力に変換して電力系統に出力するとともに電力系統からの電力を電力貯蔵装置に供給させる電力変換器が、設置される。

例えば、フライホイールを電力貯蔵装置として備えるとき、図６のように構成される。この図６の電力補償装置によると、電力貯蔵装置として動作するフライホイール１００の機械エネルギーによって動作する発電電動機１０１からの交流の電力が、コンバータ１０２で直流に変換され、コンバータ１０２からの直流の電力が平滑コンデンサ１０３によって平滑化される。そして、この平滑コンデンサ１０３で平滑化された直流の電力がインバータ１０４で交流に変換され、電力系統に出力される。又、電力系統からの交流電力がインバータ１０４で直流に変換され、平滑コンデンサ１０３を介してコンバータ１０２に与えられ、再び、交流に変換される。そして、この交流の電力により発電電動機１０１が動作することで、フライホイール１００が回転駆動し、電力エネルギーが機械エネルギーに変換されて貯蔵される。

即ち、図６の電力補償装置では、コンバータ１０２、平滑コンデンサ１０３、及びインバータ１０４が電力変換器として動作する。又、瞬低や停電時における電力補償や負荷変動時の平準化補償を行う場合、上述の動作を行うことで、フライホイール１００の機械エネルギーが電気エネルギーに変換されて電力系統に供給される。このとき、インバータ１０４の動作制御が行われて、電力系統に応じて、単相又は三相の交流電力を発生する。このように、従来の電力補償装置は、単機の電力貯蔵装置と電力変換器とを組み合わせることによって構成される。
特開２００３−２３５１７９号公報 特開２００１−６１２３８号公報

従来の電力補償装置においては、電力系統からの要求による高電圧や大容量化に対して、電力補償装置を単機で構成する電力貯蔵装置や電力変換器での高電圧化や大容量化を実施する必要があった。しかしながら、電力貯蔵装置や電力変換器単機での高電圧化や大容量化については、技術的に対応が困難である。

それに対して、複数台の電力貯蔵装置を並列に接続するとともに同期運転を行うことで、電力系統からの要求による高電圧や大容量化に対応していた。そして、図６のようにフライホイール１００と発電電動機１０１によって電力貯蔵装置が構成される場合、電力変換器において、複数台の電力貯蔵装置の発電電動機１０１に接続された複数台のコンバータ１０２が平滑コンデンサ１０３に対して並列に接続される。しかしながら、このように複数台の電力貯蔵装置によって高電圧化及び大容量化に対応したとき、電圧変換器における入出力負荷の配分の均等化が困難となる。

このような問題を鑑みて、本発明は、電力貯蔵装置及び電力変換器より成るセルを直列に接続することで、高電圧化及び大容量化に対応させた電力補償装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の電力補償装置は、三相の電力系統の電力補償を行う電力補償装置において、補償する電力を貯蔵する電力貯蔵部と、該電力貯蔵部の充放電を行って単相電力と直流電力との変換を行う単相インバータと、を有するセルパワーモジュールを、前記電力系統の各相に対してＮ台（Ｎは２以上の整数）設置することで、相互に絶縁された３Ｎ台の該セルパワーモジュールを備え、前記電力系統の相毎に設置されたＮ台の前記セルパワーモジュールの前記単相インバータの単相電力側を直列に接続するとともに、前記単相インバータの直流電力側に前記電力貯蔵部を接続することを特徴とする。

このような電源装置において、各相に対して直列に接続されたＮ台の前記セルパワーモジュールにおいて一方の端部に配置された前記セルパワーモジュール同士の前記単相インバータを接続して中性点とすることで、３Ｎ台の前記セルパワーモジュールによってＹ結線接続が形成される。

このとき、前記セルパワーモジュールそれぞれが、前記電力貯蔵部と前記単相インバータとの間に接続されて前記電力貯蔵部及び前記単相インバータからの直流電圧を平滑化する直流中間電圧部を備え、更に、前記直流中間電圧部がコンデンサによって構成されるものとしても構わない。

又、前記セルパワーモジュールそれぞれが、前記電力系統と異なる電源により前記直流中間電圧部における直流電力を補償する電力補償部を備えるものとしても構わない。この前記電力補償部が、前記電力貯蔵部と並列に前記直流中間電圧部と接続された整流器と、該整流器に交流電力を供給する変圧器と、該変圧器で変圧する前の交流電力を発生するとともに該変圧器と接続されることで前記電力補償部と絶縁された交流電源と、を備える。そして、前記交流電源が、インバータを備え、該インバータを駆動する制御信号に基づいて前記変圧器に供給する交流電力の電圧を可変とし、更に過電流制限を実施するものとしても構わない。又、前記直流中間電圧部の初期充電が前記電力補償部からの電力によって行われるものとしても構わない。

更に、前記電力貯蔵部が、直流電力と交流電力とを変換するとともに、直流電力側が前記単相インバータと接続され、入力される制御信号によって交流電力側の電圧を可変としたコンバータと、該コンバータの交流電力側に接続された発電電動機と、該発電電動機に与えられた電力エネルギーを機械エネルギーに変換して貯蔵するとともに、貯蔵した機械エネルギーにより該発電電動機を発電機として駆動するフライホイールと、を備えるものとしても構わない。

又、前記電力貯蔵部が、超電導エネルギーとして電力エネルギーを貯蔵する超電導コイルを有するＳＭＥＳによって構成されるものとしても構わない。このとき、前記電力貯蔵部が、前記超電導コイルに接続されるとともに前記直流中間電圧部と組み合わさることによって前記超電導コイルからの電流を電圧に変換する電流電圧変換回路を備える。

又、前記電力貯蔵部が、二次電池又は電力貯蔵を目的とするコンデンサにより構成されるものとしても構わない。

本発明によると、電力貯蔵部及び単相インバータより成るセルパワーモジュールの単相インバータの単相電力側を直列に接続することで電力補償装置を構成するため、セルパワーモジュールそれぞれにおける電圧及び容量を分割することができる。よって、容量の小さいセルパワーモジュールを複数用いることで、高電圧化及び大容量化した電力系統に対応した電力補償装置を形成することができる。又、この電力補償装置を用いた電力系統システムを、低損失で且つ高効率となるシステムとすることができる。

本発明の実施の形態について、以下に説明する。又、以下の各実施形態において、電力系統が３相の電力系統である場合を例に挙げて説明するものとし、電力補償装置から３相の電力が出力されるものとする。

＜第１の実施形態＞
本発明の第１の実施の形態について、図面を参照して以下に説明する。図１は、本実施形態における電力補償装置の構成を示すブロック図である。又、図２は、図１の電力補償装置におけるセルパワーモジュールの構成を示すブロック図である。

図１の電力補償装置は、位相差が１２０度となるＵ相、Ｖ相、Ｗ相をＹ結線で接続したもので、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相それぞれに直列に接続されたセルパワーモジュールｕ１〜ｕ４，ｖ１〜ｖ４，ｗ１〜ｗ４によって構成される。即ち、セルパワーモジュールｕ１，ｖ１，ｗ１それぞれが中性点Ｎで接続され、セルパワーモジュールｕ１〜ｕ４それぞれが直列に、セルパワーモジュールｖ１〜ｖ４それぞれが直列に、セルパワーモジュールｗ１〜ｗ４それぞれが直列に、それぞれ接続され、セルパワーモジュールｕ４，ｖ４，ｗ４それぞれが電力系統のＵ相、Ｖ相、Ｗ相に接続される。又、セルパワーモジュールｕ１〜ｕ４，ｖ１〜ｖ４，ｗ１〜ｗ４はそれぞれ、絶縁されている。

そして、セルパワーモジュールｕ１〜ｕ４，ｖ１〜ｖ４，ｗ１〜ｗ４それぞれが、図２のように構成される。図２に示すセルパワーモジュールは、回転動作により機械エネルギーを蓄積するフライホイール１と、フライホイール１に接続されて機械エネルギーと電気エネルギーの変換を行う発電電動機２と、発電電動機２からの交流の電力を直流に変換するコンバータ３と、コンバータ３からの直流電力を単相交流電力に変換して出力するとともに外部からの交流電力を直流電力に変換してコンバータ３に与える単相インバータ４と、コンバータ３及び単相インバータ４の間に接続されるとともにコンバータ３又は単相インバータ４から出力される直流電力を平滑化する平滑コンデンサＣと、を備える。

更に、発電電動機２が三相交流電力によって駆動する発電電動機２であり、図２のように、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相それぞれの交流電力を入出力する端子Ｕ，Ｖ，Ｗを備え、コンバータ３に、端子Ｕにアノード及びカソードそれぞれが接続されたダイオードＤｕ１，Ｄｕ２と、端子Ｖにアノード及びカソードそれぞれが接続されたダイオードＤｖ１，Ｄｖ２と、端子Ｗにアノード及びカソードそれぞれが接続されたダイオードＤｗ１，Ｄｗ２と、が設置されるとともに、端子Ｕにエミッタ及びコレクタが接続されたＩＧＢＴ(Insulated gate bipolar transistor 絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ)素子Ｔｕ１，Ｔｕ２と、端子Ｖにエミッタ及びコレクタが接続されたＩＧＢＴ素子Ｔｖ１，Ｔｖ２と、端子Ｗにエミッタ及びコレクタが接続されたＩＧＢＴ素子Ｔｗ１，Ｔｗ２と、が設置される。

そして、コンバータ３において、ダイオードＤｕ１，Ｄｖ１，Ｄｗ１それぞれのカソードが、ＩＧＢＴ素子Ｔｕ１，Ｔｖ１，Ｔｗ１それぞれのコレクタに接続されるとともに平滑コンデンサＣの一端に接続され、ダイオードＤｕ２，Ｄｖ２，Ｄｗ２それぞれのアノードが、ＩＧＢＴ素子Ｔｕ２，Ｔｖ２，Ｔｗ２それぞれのエミッタに接続されるとともに平滑コンデンサＣの他端に接続される。又、ダイオードＤｕ１，Ｄｖ１，Ｄｗ１，Ｄｕ２，Ｄｖ２，Ｄｗ２が、コンバータ３による発電電動機２に対する入出力が切り替わるときに発生する電流を流すための環流ダイオードとして動作する。更に、ＩＧＢＴ素子Ｔｕ１，Ｔｖ１，Ｔｗ１，Ｔｕ２，Ｔｖ２，Ｔｗ２のゲートに与えられる制御信号を制御することによって、端子Ｕ，Ｖ，Ｗに流れる電流量及び平滑コンデンサＣに与える電流量を制限する。これにより、コンバータ３からの過電流を制限することができる。

このように接続されるとき、ＩＧＢＴ素子Ｔｕ１〜Ｔｗ１，Ｔｕ２〜Ｔｗ２それぞれのゲートに与える制御信号を制御することによって、端子Ｕ，Ｖ，Ｗに入力される三相交流によって駆動し、発電電動機２を電動機として動作させる。逆に、発電電動機２がフライホイール１により発電機として動作するとき、端子Ｕ，Ｖ，Ｗで発生した三相交流電力が、ＩＧＢＴ素子Ｔｕ１〜Ｔｗ１，Ｔｕ２〜Ｔｗ２それぞれのゲートに与える制御信号を制御することによって整流されて、直流の電力としてコンデンサＣに出力され、コンデンサＣで平滑化される。

又、単相インバータ４は、コンデンサＣの一端にコレクタが接続されたＩＧＢＴ素子Ｔａ１，Ｔｂ１と、コンデンサＣの他端にエミッタが接続されたＩＧＢＴ素子Ｔａ２，Ｔｂ２と、コンデンサＣの一端にカソードが接続されたダイオードＤａ１，Ｄｂ１と、コンデンサＣの他端にアノードが接続されたダイオードＤａ２，Ｄｂ２と、を備える。そして、この単相インバータ４において、ＩＧＢＴ素子Ｔａ１のエミッタ及びＩＧＢＴ素子Ｔａ２のコレクタとダイオードＤａ１のアノード及びダイオードＤａ２のカソードが接続されて一方の出力端子Ｏ１となるとともに、ＩＧＢＴ素子Ｔｂ１のエミッタ及びＩＧＢＴ素子Ｔｂ２のコレクタとダイオードＤｂ１のアノード及びダイオードＤｂ２のカソードが接続されて他方の出力Ｏ２となる。

又、ダイオードＤａ１，Ｄｂ１，Ｄａ２，Ｄｂ２が、単相インバータ４による電力系統に対する入出力が切り替わるときに発生する電流を流すための環流ダイオードとして動作する。更に、ＩＧＢＴ素子Ｔａ１，Ｔｂ１，Ｔａ２，Ｔｂ２のゲートに与えられる制御信号を制御することによって、電力系統に流れる電流量及び平滑コンデンサＣに与える電流量を制限する。これにより、単相インバータ４からの過電流を制限することができる。

このように接続されるとき、ＩＧＢＴ素子Ｔａ１，Ｔａ２，Ｔｂ１，Ｔｂ２それぞれのゲートに与える制御信号を制御することによって、単相交流の電力を出力する。このとき、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相それぞれに設置されるセルパワーモジュールｕ１〜ｕ４，ｖ１〜ｖ４，ｗ１〜ｗ４における単相インバータ４におけるＩＧＢＴ素子Ｔａ１，Ｔａ２，Ｔｂ１，Ｔｂ２を直列多重ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御で動作することで、各相を単相交流とすることができる。又、ＩＧＢＴ素子Ｔａ１，Ｔａ２，Ｔｂ１，Ｔｂ２それぞれのゲートに与える制御信号を制御することによって、出力端子Ｏ１，Ｏ２に接続された電力系統からの交流電力を直流電力に変換してコンデンサＣに出力すると、この直流電力がコンデンサＣで平滑化される。

尚、直列多重ＰＷＭ制御について、Ｕ相を構成するセルパワーモジュールｕ１〜ｕ４を例に挙げて、以下に簡単に説明する。セルパワーモジュールｕ１〜ｕ４の単相インバータ４におけるＩＧＢＴ素子Ｔａ１，Ｔａ２，Ｔｂ１，Ｔｂ２のゲートに与えるＰＷＭ信号を異なるものとし、ＩＧＢＴ素子Ｔａ１，Ｔａ２，Ｔｂ１，Ｔｂ２の動作タイミングを異なるものとする。尚、図３のように、セルパワーモジュールｕ１の出力端子Ｏ１が中性点Ｎに接続され、セルパワーモジュールｕ１の出力端子Ｏ２にセルパワーモジュールｕ２の出力端子Ｏ１が、セルパワーモジュールｕ２の出力端子Ｏ２にセルパワーモジュールｕ３の出力端子Ｏ１が、セルパワーモジュールｕ３の出力端子Ｏ２にセルパワーモジュールｕ４の出力端子Ｏ１が、それぞれ接続され、セルパワーモジュールｕ４の出力端子Ｏ２にＵ相となる単相の電力が出力される。

このように制御することで、セルパワーモジュールｕ１〜ｕ４の単相インバータ４の出力端子Ｏ１，Ｏ２からの出力を、スイッチタイミングの異なる出力とする。そして、セルパワーモジュールｕ１〜ｕ４が直列に接続されるため、セルパワーモジュールｕ１〜ｕ４のスイッチタイミングの異なる電力出力が加算されて、セルパワーモジュールｕ１〜ｕ４の間に現れるＵ相の電力出力が単相の電力出力となる。そのため、セルパワーモジュールｕ１〜ｕ４それぞれの単相インバータ４においてスイッチタイミングを分配することができる。

よって、個々の単相インバータ４に与えるＰＷＭ周波数をスイッチングロスの少ない低キャリア周波数としても、セルパワーモジュールｕ１〜ｕ４の出力を組み合わせることで、全体的にＰＷＭキャリア周波数を高くすることができる。又、このとき、Ｕ相のセルパワーモジュールｕ１〜ｕ４、Ｖ相のセルパワーモジュールｖ１〜ｖ４、及び、Ｗ相のセルパワーモジュールｗ１〜ｗ４の間において、１２０度毎に位相差が現れるように、各相の直列多重ＰＷＭ制御が行われる。

セルパワーモジュールｕ１〜ｕ４，ｖ１〜ｖ４，ｗ１〜ｗ４がそれぞれ図２のように構成されるとき、電力系統が通常通りの出力がある場合、セルパワーモジュールｕ１〜ｕ４，ｖ１〜ｖ４，ｗ１〜ｗ４それぞれに設けられたフライホイール１に機械エネルギーが蓄積される。電力系統から、Ｕ相の単相電力が、直列に接続されたセルパワーモジュールｕ１〜ｕ４それぞれの単相インバータ４に与えられ、Ｖ相の単相交流電力が、直列に接続されたセルパワーモジュールｖ１〜ｖ４それぞれの単相インバータ４に与えられ、Ｗ相の単相電力が、直列に接続されたセルパワーモジュールｗ１〜ｗ４それぞれの単相インバータ４に与えられる。

そして、セルパワーモジュールｕ１〜ｕ４，ｖ１〜ｖ４，ｗ１〜ｗ４それぞれの単相インバータ４において、ＩＧＢＴ素子Ｔａ１，Ｔａ２，Ｔｂ１，Ｔｂ２それぞれのゲートに与える制御信号を制御することによって、単相交流電力が直流に変換された後、平滑コンデンサＣで平滑化されて、コンバータ３に与えられる。よって、コンバータ３では、コンデンサＣを介して直流電力が供給されるとともに、ＩＧＢＴ素子Ｔｕ１〜Ｔｗ１，Ｔｕ２〜Ｔｗ２がＯＮ／ＯＦＦ制御されることで、三相交流電力に変換されて発電電動機２の端子Ｕ，Ｖ，Ｗに与えられ、発電電動機２が回転駆動する。そのため、発電電動機２の回転駆動がフライホイール１に伝達されることで、フライホイール１が回転駆動する。このようにして、セルパワーモジュールｕ１〜ｕ４，ｖ１〜ｖ４，ｗ１〜ｗ４それぞれのフライホイール１に機械エネルギーが蓄積される。

又、電力系統に瞬低や停電や負荷変動が発生したとき、瞬低補償や負荷平準化を行うために、セルパワーモジュールｕ１〜ｕ４，ｖ１〜ｖ４，ｗ１〜ｗ４それぞれのフライホイール１に蓄積された機械エネルギーを電力エネルギーに変換して電力系統に出力する。セルパワーモジュールｕ１〜ｕ４，ｖ１〜ｖ４，ｗ１〜ｗ４それぞれにおいて、フライホイール１が蓄積された機械エネルギーに応じて回転駆動することで、この回転が発電電動機２に伝達して、発電電動機２が回転駆動して、発電電動機２の端子Ｕ，Ｖ，Ｗに電力が発生する。よって、この発電電動機２の端子Ｕ，Ｖ，Ｗにおいて発生する三相交流電力がコンバータ３に与えられ、ＩＧＢＴ素子Ｔｕ１〜Ｔｗ１，Ｔｕ２〜Ｔｗ２がＯＮ／ＯＦＦ制御されることで直流に変換されると、平滑コンデンサＣで平滑化されて単相インバータ４に与えられる。

そして、セルパワーモジュールｕ１〜ｕ４，ｖ１〜ｖ４，ｗ１〜ｗ４それぞれの単相インバータ４において、コンデンサＣを介して直流電力が供給されるとともに、ＩＧＢＴ素子Ｔａ１，Ｔｂ１，Ｔａ２，Ｔｂ２がＯＮ／ＯＦＦ制御される。即ち、セルパワーモジュールｕ１〜ｕ４，ｖ１〜ｖ４，ｗ１〜ｗ４毎に、１２０度位相がずれるように、それぞれの単相インバータ４におけるＩＧＢＴ素子Ｔａ１，Ｔｂ１，Ｔａ２，Ｔｂ２を直列多重ＰＷＭ制御することで、電力系統に三相交流電力を出力する。

このように構成することで、各相毎に直列に接続されたセルパワーモジュールによって得られる電力量の総和が、電力系統の求める電力量となるようにすれば良いため、各セルパワーモジュールに求められる電力量を小さくすることができる。よって、各セルパワーモジュールによる貯蔵電力容量を小さくすることができ、各セルパワーモジュールにおける高電圧化及び大容量化を抑制することができる。又、直列多重ＰＷＭ制御により各セルパワーモジュールでの制御信号を低キャリア周波数とし、そのスイッチタイミングをずらして与えるため、高調波を改善することができるとともに、低損失での対応が可能となる。

＜第２の実施形態＞
本発明の第２の実施の形態について、図面を参照して以下に説明する。本実施形態において、第１の実施形態と同様に、電力補償装置が図１のような構成となるが、セルパワーモジュールの構成が、第１の実施形態と異なる構成となる。尚、図４は、本実施形態の電力補償装置におけるセルパワーモジュールの構成を示すブロック図であり、図２のセルパワーモジュールの構成と同一の目的で使用する部分については、同一の符号を付してその詳細な説明は省略する。

図４に示すセルパワーモジュールは、図２のセルパワーモジュールの構成に、電力系統とは独立した外部電源１０から供給される電力を三相交流に変換する三相インバータ５と、三相インバータ５からの三相交流出力の電圧変換を行う変圧器６と、変圧器６で変圧された三相交流電力を整流する整流器７と、が付加された構成である。このように構成されるとき、三相インバータ５が、外部電源１０の一方の端子とコレクタが接続されたＩＧＢＴ素子Ｔｕ３，Ｔｖ３，Ｔｗ３と、この外部電源１０の同一端子にカソードが接続されたダイオードＤｕ３，Ｄｖ３，Ｄｗ３と、外部電源１０の他方の端子とエミッタが接続されたＩＧＢＴ素子Ｔｕ４，Ｔｖ４，Ｔｗ４と、この外部電源１０の同一端子にアノードが接続されたダイオードＤｕ４，Ｄｖ４，Ｄｗ４と、で構成される。

又、このＩＧＢＴ素子Ｔｕ３〜Ｔｖ３それぞれのエミッタにＩＧＢＴ素子Ｔｕ４〜Ｔｗ４のコレクタが接続され、それぞれの接点Ｘｕ，Ｘｖ，Ｘｗが変圧器６に接続される。この三相インバータ５と変圧器６が、電流制限を備えた電圧可変のインバータとして働く。更に、ダイオードＤｕ３のアノード及びダイオードＤｕ４のカソードが接点Ｘｕに接続され、ダイオードＤｖ３のアノード及びダイオードＤｖ４のカソードが接点Ｘｖに接続され、ダイオードＤｗ３のアノード及びダイオードＤｗ４のカソードが接点Ｘｗに接続される。

又、変圧器６が、三相インバータ５における接点Ｘｕ，Ｘｖ，Ｘｗに接続されたΔ結線のコイルＬ１ｕ，Ｌ１ｖ，Ｌ１ｗと、コイルＬ１ｕ，Ｌ１ｖ，Ｌ１ｗそれぞれと磁気結合したＹ結線のコイルＬ２ｕ，Ｌ２ｖ，Ｌｗ２と、によって構成される。即ち、接点Ｘｕ，Ｘｖの間にコイルＬ１ｕが、接点Ｘｖ，Ｘｗの間にコイルＬ１ｖが、接点Ｘｗ，Ｘｕの間にコイルＬ１ｗが、それぞれ接続され、又、コイルＬ２ｕ〜Ｌ２ｗそれぞれの一端が中性点一点で接続される。この変圧器６によって、三相インバータ５と整流器７との間が絶縁される。

そして、コイルＬ２ｕ〜Ｌ２ｗの他端からの電力が整流器７に与えられる。更に、この整流器７に、コイルＬ２ｕの他端にアノード及びカソードそれぞれが接続されたダイオードＤｕ５，Ｄｕ６と、コイルＬ２ｖの他端にアノード及びカソードそれぞれが接続されたダイオードＤｖ５，Ｄｖ６と、コイルＬ２ｗの他端にアノード及びカソードそれぞれが接続されたダイオードＤｗ５，Ｄｗ６と、が設置される。そして、ダイオードＤｕ５，Ｄｖ５，Ｄｗ５それぞれのカソードが平滑コンデンサＣの一端に接続され、ダイオードＤｕ６，Ｄｖ６，Ｄｗ６それぞれのアノードが平滑コンデンサＣの他端に接続される。

このように構成されることによって、電力系統に瞬低や停電や負荷変動が発生して、セルパワーモジュールｕ１〜ｕ４，ｖ１〜ｖ４，ｗ１〜ｗ４それぞれのフライホイール１に蓄積された機械エネルギーを電力エネルギーに変換して電力系統に出力するとき、平滑コンデンサＣに現れる直流電圧に対するセルパワーモジュール間の不釣り合いが、整流器７からの直流電圧によって補われる。即ち、コンバータ３から平滑化コンデンサＣに与えられた直流電力が小さい場合、その直流電力を補うために、外部電源１０と接続された三相インバータ５を駆動する。

このとき、三相インバータ５を構成するＩＧＢＴ素子Ｔｕ３〜Ｔｗ３，Ｔｕ４〜Ｔｗ４の駆動タイミングを制御することによって、三相インバータ５より発生する電力を、コンバータ３から平滑化コンデンサＣに与えられた直流電力によって不足する電力とする。そして、この三相インバータ５より発生する三相電力を変圧器６で変圧した後、整流器７で直流電力に変換して、平滑コンデンサＣに供給して、コンバータ３による不足分の電力を補う。

よって、本実施形態によると、各セルパワーモジュール間において、フライホイール１及び発電電動機２又はコンバータ３及び単相インバータ４内の半導体素子における損失差により、平滑コンデンサＣによる直流中間部の電圧の不釣り合いが生じるが、三相インバータ５及び変圧器６及び整流器７が動作することで、この損失による不釣り合いを補うことができる。

又、外部電源１０のような独立した別の電源によって補う電力として、コンバータ３による不足分の電力以上の電力が供給できるものとした場合、コンバータ３及び単相インバータ４による主回路の待機時において、コンバータ３及び単相インバータ４の充放電動作を不要として停止することができ、待機時の主回路の損失を軽減することができる。このとき、主回路の待機時において、コンバータ３及び単相インバータ４内のＩＧＢＴ素子Ｔｕ１〜Ｔｗ１，Ｔｕ２〜Ｔｗ２，Ｔａ１，Ｔａ２，Ｔｂ１，Ｔｂ２を完全にＯＦＦとすることができる。

更に、外部電源１０からの電力を、三相インバータ５及び変圧器６及び整流器７を介して供給するものとしたが、平滑コンデンサＣに与える電圧と同じ電圧出力の直流電源であれば、別の構成であっても構わない。又、このように外部電源１０からの電力供給が可能な構成とすることで、単相インバータ４の運転開始前に、外部電源１０からの電力を平滑コンデンサＣに対して供給することで、平滑コンデンサＣの初期充電を行うことができる。

＜第３の実施形態＞
本発明の第３の実施の形態について、図面を参照して以下に説明する。本実施形態において、第１及び第２の実施形態と同様に、電力補償装置が図１のような構成となるが、セルパワーモジュールの構成が、第１及び第２の実施形態と異なる構成となる。尚、図５は、本実施形態の電力補償装置におけるセルパワーモジュールの構成を示すブロック図であり、図４のセルパワーモジュールの構成と同一の目的で使用する部分については、同一の符号を付してその詳細な説明は省略する。

図５に示すセルパワーモジュールは、図４のセルパワーモジュールの構成と異なり、フライホイール１及び発電電動機２の代わりに、超電導状態材料により構成されたコイルＬによるＳＭＥＳ１１を備えるとともに、コンバータ３の代わりに、ＳＭＥＳ１１の充放電を行うとともに平滑コンデンサＣと接続されたチョッパ回路１２と、を備える。このチョッパ回路１２は、平滑コンデンサＣの一端にカソードが接続されたダイオードＤｄ１及びコレクタが接続されたＩＧＢＴ素子Ｔｃ１と、平滑コンデンサＣの他端にアノードが接続されたダイオードＤｃ２及びエミッタが接続されたＩＧＢＴ素子Ｔｄ２と、を備える。ここで、ＳＭＥＳとは、超電導の電気抵抗がゼロとなる現象を用いて超電導状態のコイルに電気を流し続けることで電気エネルギーを貯蔵する装置であり、雷などによる瞬低の影響を解消することなどを目的とした装置である。

又、チョッパ回路１２において、ＩＧＢＴ素子Ｔｃ１のエミッタとダイオードＤｃ２のカソードとが超電導コイルＬの一端に接続されるとともに、ＩＧＢＴ素子Ｔｄ２のコレクタとダイオードＤｄ１のアノードとが超電導コイルＬの他端に接続される。そして、ＩＧＢＴ素子Ｔｃ１，Ｔｄ２のＯＮ／ＯＦＦ制御を行うことにより、充放電それぞれにおけるチョッパ動作を行う。

このチョッパ回路１２は、ＩＧＢＴ素子Ｔｃ１をＯＮとするとともにＩＧＢＴ素子Ｔｄ２をＯＦＦとする状態（「状態Ａ」とする）と、ＩＧＢＴ素子Ｔｃ１をＯＦＦとするとともにＩＧＢＴ素子Ｔｄ２をＯＮとする状態（「状態Ｂ」とする）と、ＩＧＢＴ素子Ｔｃ１，Ｔｄ２をともにＯＦＦとする状態（「状態Ｃ」とする）と、を切り換えることによって、ＳＭＥＳ１１の放電動作を行い、又、状態Ａと、状態Ｂと、ＩＧＢＴ素子Ｔｃ１，Ｔｄ２をともにＯＮとする状態（「状態Ｄ」とする）と、を切り換えることによって、ＳＭＥＳ１１の充電動作を行う。

即ち、チョッパ回路１２によってＳＭＥＳ１１の放電動作を行うときは、まず、状態Ｃとすることで、ダイオードＤｃ２，Ｄｄ１が通電することによって、超電導コイルＬからの電力が平滑コンデンサＣに与えられる。その後、状態Ａとして、ＩＧＢＴ素子Ｔｃ１とダイオードＤｄ１が通電することにより、超電導コイルＬからの放電を停止させて待機状態とする。次に、再び、状態Ｃとすることで、超電導コイルＬからの電力を平滑コンデンサＣに与えた後、状態Ｂとして、ＩＧＢＴ素子Ｔｄ２とダイオードＤｃ２が通電することにより、超電導コイルＬからの放電を停止させて待機状態とする。

このように、チョッパ回路１２の状態を状態Ｃ→状態Ａ→状態Ｃ→状態Ｂの切り換える動作を繰り返し行うことで、平滑コンデンサＣを通じて直流電力をインバータ４に供給する。このとき、状態Ａ及び状態Ｂとする時間と状態Ｃとする時間との比がデューティ比となり、このデューティ比によって平滑コンデンサＣに与える電力が決定される。

又、チョッパ回路１２によってＳＭＥＳ１１の充電動作を行うときは、まず、状態Ｄとすることで、ＩＧＢＴ素子Ｔｃ１，Ｔｄ２が通電することによって、平滑コンデンサＣからの電力を超電導コイルＬに供給する。その後、状態Ａとして、ＩＧＢＴ素子Ｔｃ１とダイオードＤｄ１が通電することにより、超電導コイルＬへの充電を停止させて待機状態とする。次に、再び、状態Ｄとすることで、平滑コンデンサＣからの電力を超電導コイルＬに供給した後、状態Ｂとして、ＩＧＢＴ素子Ｔｄ２とダイオードＤｃ２が通電することにより、超電導コイルＬへの充電を停止させて待機状態とする。

このように、チョッパ回路１２の状態を状態Ｄ→状態Ａ→状態Ｄ→状態Ｂの切り換える動作を繰り返し行うことで、インバータ４からの直流電力を、平滑コンデンサＣを通じてＳＭＥＳ１１に供給する。このとき、状態Ａ及び状態Ｂとする時間と状態Ｄとする時間との比がデューティ比となり、このデューティ比によって平滑コンデンサＣよりＳＭＥＳ１１に与えられる電力が決定される。

上述したように、ＳＭＥＳ１１に対してチョッパ回路１２で超電導コイルＬを短絡させる待機状態を切り換える短絡電流循環運転を行うことで、超電導コイルＬの短絡時におけるチョッパ回路１２の半導体素子による損失を経時的に半分にすることができるとともに、各素子の温度上昇の均等化を図ることができる。これにより、ＳＭＥＳ１１に対する待機時の許容短絡電流の最大化を図ることができる。

又、ＳＭＥＳ１１を充電する場合において、チョッパ回路１２のＩＧＢＴ素子Ｔｃ１，Ｔｄ２をＰＷＭ制御によりスイッチング制御するとき、このスイッチング制御を行うための信号のキャリア周波数を低減させると、平滑コンデンサＣのリップル電流が増加することがある。その場合、ＩＧＢＴ素子Ｔｃ１，Ｔｄ２のスイッチング周波数を、電力系統からインバータ４に入力される電力の周波数とし、ＩＧＢＴ素子Ｔｃ１，Ｔｄ２をスイッチング制御することで得られるコンバータ側充放電電流を、インバータ４を流れる電流と相殺するように同期させることで、平滑コンデンサＣのリップル電流を最小にすることができる。これにより、平滑コンデンサＣの設備容量の低減化や長寿命化を図ることができる。

尚、本実施形態において、第２の実施形態と同様、外部電源１０のような独立した別の電源によって、ＳＭＥＳ１１から平滑コンデンサＣに供給する電力を補うものとしたが、第１の実施形態と同様、この外部電源１０のような独立した別の電源により電力を補う回路部分について省いたものとしても構わない。又、電力貯蔵装置として、第１及び第２の実施形態ではフライホイールを用い、又、第３の実施形態ではＳＭＥＳを用いたが、電気二重層コンデンサや二次電池を用いるものとしても構わない。このように、電気二重層コンデンサや二次電池を用いるとき、直流中間電圧部となる平滑コンデンサＣとの間にチョッパ回路を接続して、電気二重層コンデンサや二次電池と平滑コンデンサＣとの間で変圧される電圧が調整されるものとしても構わないし、電気二重層コンデンサや二次電池が平滑コンデンサＣに接続されるものとしても構わない。

又、本実施形態においても、第２の実施形態と同様、外部電源１０からの電力を、三相インバータ５及び変圧器６及び整流器７を介して供給するものとしたが、平滑コンデンサＣに与える電圧と同じ電圧出力の直流電源であれば、別の構成であっても構わない。このように外部電源１０からの電力供給が可能な構成とすることで、単相インバータ４の運転開始前に、外部電源１０からの電力を平滑コンデンサＣに対して供給することで、平滑コンデンサＣの初期充電を行うことができる。

更に、上述の各実施形態において、三相となる電力系統の各相に対して、図１のように、４台のセルパワーモジュールが設置されるものとしたが、４台に限定されるものではなく、２台以上の複数のセルパワーモジュールが設置されるものであればよい。即ち、上述の各実施形態のように、各相毎に４台のセルパワーモジュールよりなる電圧型２レベルインバータとしても構わないし、各相毎に８台のセルパワーモジュールよりなる電圧型３レベルインバータとしても構わない。

尚、上述の各実施形態において、インバータ及びコンバータに設ける半導体スイッチング素子としてＩＧＢＴ素子を用いたが、接合型トランジスタやＭＯＳトランジスタなどといった他の種類のトランジスタやサイリスタなどのスイッチング素子によってインバータ及びコンバータが構成されるものとしても構わない。

又、第２及び第３の実施形態において、平滑コンデンサＣに対する電力補償部として、外部電源１０から変圧器６及び整流器７が変圧器６及び整流器７の順番に接続されるものとしたが、この変圧器６及び整流器７の接続される順番を入れ替えた構成とすることも可能である。

は、本発明の各実施形態における電力補償装置の構成を示すブロック図である。 は、第１の実施形態の電力補償装置におけるセルパワーモジュールの構成を示すブロック図である。 は、セルパワーモジュールの関係を示すブロック図である。 は、第２の実施形態の電力補償装置におけるセルパワーモジュールの構成を示すブロック図である。 は、第３の実施形態の電力補償装置におけるセルパワーモジュールの構成を示すブロック図である。 は、従来の電力補償装置の構成を示すブロック図である。

符号の説明

１ フライホイール
２ 発電電動機
３ コンバータ
４ 単相インバータ
Ｃ 平滑コンデンサ
５ 三相インバータ
６ 変圧器
７ 整流器
１０ 外部電源
１１ ＳＭＥＳ
１２ チョッパ回路

Claims (12)

1. 三相の電力系統の電力補償を行う電力補償装置において、
   補償する電力を貯蔵する電力貯蔵部と、該電力貯蔵部の充放電を行って単相電力と直流電力との変換を行う単相インバータと、を有するセルパワーモジュールを、前記電力系統の各相に対してＮ台（Ｎは２以上の整数）設置することで、相互に絶縁された３Ｎ台の該セルパワーモジュールを備え、
   前記電力系統の相毎に設置されたＮ台の前記セルパワーモジュールの前記単相インバータの単相電力側を直列に接続するとともに、前記単相インバータの直流電力側に前記電力貯蔵部を接続することを特徴とする電力補償装置。
2. 各相に対して直列に接続されたＮ台の前記セルパワーモジュールにおいて一方の端部に配置された前記セルパワーモジュール同士の前記単相インバータを接続して中性点とすることで、３Ｎ台の前記セルパワーモジュールによってＹ結線接続を形成することを特徴とする請求項１に記載の電力補償装置。
3. 前記セルパワーモジュールそれぞれが、前記電力貯蔵部と前記単相インバータとの間に接続されて前記電力貯蔵部及び前記単相インバータからの直流電圧を平滑化する直流中間電圧部を備えることを特徴とする請求項２に記載の電力補償装置。
4. 前記直流中間電圧部がコンデンサによって構成されることを特徴とする請求項３に記載の電力補償装置。
5. 前記セルパワーモジュールそれぞれが、前記電力系統と異なる電源により前記直流中間電圧部における直流電力を補償する電力補償部を備えることを特徴とする請求項３又は請求項４に記載の電力補償装置。
6. 前記電力補償部が、
   前記電力貯蔵部と並列に前記直流中間電圧部と接続された整流器と、
   該整流器に交流電力を供給する変圧器と、
   該変圧器で変圧する前の交流電力を発生するとともに該変圧器と接続されることで前記電力補償部と絶縁された交流電源と、
   を備えることを特徴とする請求項５に記載の電力補償装置。
7. 前記交流電源が、インバータを備え、該インバータを駆動する制御信号に基づいて前記変圧器に供給する交流電力の電圧を可変とし、更に過電流制限を実施することを特徴とする請求項６に記載の電力補償装置。
8. 前記直流中間電圧部の初期充電が前記電力補償部からの電力によって行われることを特徴とする請求項３〜請求項７のいずれかに記載の電力補償装置。
9. 前記電力貯蔵部が、
   直流電力と交流電力とを変換するとともに、直流電力側が前記単相インバータと接続され、入力される制御信号によって直流電力側に対する交流電力側の電圧を可変としたコンバータと、
   該コンバータの交流電力側に接続された発電電動機と、
   該発電電動機に与えられた電力エネルギーを機械エネルギーに変換して貯蔵するとともに、貯蔵した機械エネルギーにより該発電電動機を発電機として駆動するフライホイールと、
   を備えることを特徴とする請求項１〜請求項８のいずれかに記載の電力補償装置。
10. 前記電力貯蔵部が、超電導エネルギーとして電力エネルギーを貯蔵する超電導コイルを有するＳＭＥＳによって構成されることを特徴とする請求項２〜請求項８のいずれかに記載の電力補償装置。
11. 前記電力貯蔵部が、前記超電導コイルに接続されるとともに前記直流中間電圧部と組み合わさることによって前記超電導コイルからの電流を電圧に変換する電流電圧変換回路を備えることを特徴とする請求項１０に記載の電力補償装置。
12. 前記電力貯蔵部が、二次電池又は電力貯蔵を目的とするコンデンサにより構成されることを特徴とする請求項１〜請求項８のいずれかに記載の電力補償装置。

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