JP2010110120A

JP2010110120A - 交流電源システム

Info

Publication number: JP2010110120A
Application number: JP2008280069A
Authority: JP
Inventors: Mikisuke Fujii; 幹介藤井; Kazuyuki Yoda; 和之依田; Kazuyoshi Kurashima; 和義倉島
Original assignee: Fuji Electric Systems Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2008-10-30
Filing date: 2008-10-30
Publication date: 2010-05-13

Abstract

【課題】安定な負荷電圧供給を維持しつつ、半導体遮断器の電流分担を均一化する。
【解決手段】通常時には並列接続された複数の半導体遮断器３，３’を介して交流電力系統１から負荷２に電力を供給し、交流電力系統１が異常になったときは半導体遮断器３，３’を解列して蓄電機能を持つ変換器７，８から電力を供給する交流電源システムにおいて、前記各半導体遮断器の系統側および負荷側にそれぞれ交流リアクトルを挿入するとともに、半導体遮断器と負荷側交流リアクトルとの間にそれぞれ電力変換器を接続し、電力変換器７，８により半導体遮断器３，３’の電流分担を均一にする。
【選択図】図１

Description

この発明は、常時商用給電型無停電電源装置（ＵＰＳ）に代表される交流電源システムに関する。

図５に、例えば特許文献１に開示の交流電源システム例を示す。
図示のように、電力系統１から比較的小容量の複数の半導体遮断器３，３’を用いて負荷２に電力を供給するシステムでは、系統正常時に半導体遮断器３，３’に流れる電流を均一にするため、トランス４を介して系統に接続する。このトランス４は巻数比が１：１となっており、半導体遮断器３，３’のオン電圧相当の電圧が得られる巻数となっている。なお、複数台の無停電電源装置からスイッチを介して負荷２に電力を供給するシステムで、各スイッチの電流バランスを図る従来例として、特許文献２，３等に示すものがある。

ここで、図５に示す電力変換器７が例えば図６のような主回路構成となっており、その制御ブロックが図７のようになっているものとして、以下に説明する。
まず、系統正常時には、電力変換器７は電流制御型変換器として動作し、この動作モードを連系運転モ−ドと言う。このモードでは、バッテリ３０の電圧を検出器２５により検出し、これが電圧指令値３５に一致するようにＰＩ調節器２６が動作し、その出力を有効電流指令とする。この有効電流指令と無効電流０指令を座標変換器３６に入力し、例えばＲ相とＴ相の電流指令を演算する。この２つの電流指令と出力電流２８の２相分の偏差を電流調節器（ＡＣＲ）２９に入力し、その結果に出力電圧検出値２７を加算することで電圧指令を求める。なお、Ｓ相の電圧と加算する電流制御量は、Ｒ相とＴ相の電流制御量との和が０になるようにして求めるものとする。ただし、３相４線回路の場合は、Ｓ相の電流制御量もＲ相やＴ相と同様に演算する。

一方、系統異常時には例えば半導体遮断器３を解列することで、電力変換器７は電圧制御型変換器として動作する電圧モ−ドで運転され、電圧振幅指令２２と基準位相発生器２１で決まる電圧指令で動作する。
ところで、図５に示す２つの電力変換器７，８が上記電圧モ−ドで動作している場合、各変換器が出力する負荷電流をバランスさせる必要がある。その方法としてはいくつかあるが、図８のような分担電流を検出して制御する方法について説明する。

図８では、各変換器の出力電流１０，１１と動作判定器３８，３９を用い、変換器が動作しているかどうかを判定する。動作判定器３８，３９は、変換器が動作していると判断したときは、論理「１」を出力するので、２（ｎ）台とも動作しているときは負荷電流９の１／２(１／ｎ)の電流が分担電流１７として出力される。座標変換器１８は、分担電流１７と出力電流１０との差分を有効電流と無効電流とに分離する。

上記有効電流成分はＰＩ調節器１９に入力され、その出力が基準位相発生器２１に入力されて、出力周波数を微調整する。一方、無効電流成分はＰＩ調節器２０に入力され、その出力に電圧振幅指令２２が加算され、出力振幅が微調整される。
以上の各モード毎に求められた電圧指令値は、切替スイッチ３１を経てパルス生成器２３に入力され、その出力がゲートドライブユニット（ＧＤＵ）２４を介して電力変換器７に出力される。

特開２００８−０２９１３５号公報特開２００５−３３３７７５号公報特開２００８−０９２７３４号公報

上述のように、トランスを使用して半導体遮断器の電流分担を実現しようとするものでは、実際にはトランスの漏れインダクタンス５，６が回線に直列に接続される。この漏れインダクタンスはトランスの構造に依存しており、高圧回路に適用するトランスでは絶縁の問題から１０％程度の大きさとなる。そのため、負荷電圧の電圧変動率が負荷の力率により著しく増大するという問題が発生する。
したがって、この発明の課題は、複数台の半導体遮断器を用いた交流電源システムで安定な負荷電圧供給を維持しつつ、半導体遮断器の電流分担を均一化することにある。

このような課題を解決するため、請求項１の発明では、通常時には並列接続された複数の半導体遮断器を介して交流電力系統から負荷に電力を供給し、交流電力系統が異常になったときは前記半導体遮断器を解列して蓄電機能を持つ複数の変換器から電力を供給する交流電源システムにおいて、
前記各半導体遮断器の系統側および負荷側にそれぞれ交流リアクトルを挿入するとともに、各半導体遮断器と負荷側交流リアクトルとの間にそれぞれ電力変換器を接続したことを特徴とする。
この請求項１の発明においては、前記各電力変換器は、前記半導体遮断器のオン電圧のばらつきによる電流アンバランスを、前記各電力変換器から無効電流を流すことで平衡化することができる（請求項２の発明）。

請求項３の発明では、通常時には並列接続された複数の半導体遮断器を介して交流電力系統から負荷に電力を供給し、交流電力系統が異常になったときは前記半導体遮断器を解列して蓄電機能を持つ複数の変換器から電力を供給する交流電源システムにおいて、
前記各半導体遮断器の負荷側にそれぞれ交流リアクトルを挿入するとともに、この負荷側交流リアクトルと半導体遮断器との間にそれぞれ電力変換器を接続し、この電力変換器の直流回路を互いに接続したことを特徴とする。
この請求項３の発明においては、前記各電力変換器は、前記半導体遮断器のオン電圧のばらつきによる電流アンバランス分を、前記各電力変換器間に流すことで平衡化することができる（請求項４の発明）。

この発明によれば、複数の半導体遮断器を用いた交流電源システムにおいて、トランスの漏れインダクタンスよりも小さなＡＣリアクトルを回線に挿入し、かつ電力変換器から適切な電流を注入することにより、半導体遮断器間に生じるオン電圧のバラツキを補正するようにしたので、各半導体遮断器に流れる電流を均一にすることが可能となる。

図１はこの発明の実施の形態を示すシステム構成図である。図５に示すものに対し、半導体遮断器３，３’の各系統側にＡＣリアクトル１３，１５を、各負荷側にＡＣリアクトル１４，１６をそれぞれ挿入した点が特徴である（ＡＣリアクトルのインダクタンスは、トランスの漏れインダクタンスよりも小さくする）。ここでは半導体遮断器が２並列の場合を示すが、３並列以上の場合も同様にＡＣリアクトルを接続する。なお、遮断器と各負荷側リアクトルとの間に、電力変換器７，８を接続する。

上記変換器７，８は電圧モードでは従来と同様に動作するので、以下では系統連系モード時の制御について図２を参照して説明する。図２のブロックは、図７の切替スイッチ３１の次段に入力される信号を生成する。
直流電圧２５を制御するためのＰＩ調節器２６や座標変換器３６は図７と同様であるが、その座標変換器３６の出力に対し電流バランスを図るための電流指令を加算する点で相違する。

上記電流指令は相毎に演算されるが、３相（Ｒ，Ｓ，Ｔ相）電流の和は“０”にする必要があるので、ここでは２相（Ｒ，Ｔ相）のみ演算する。ただし、３相４線回路の場合は、３相分を同様に演算する。
２相（Ｒ，Ｔ相）とも構成は同じで、まず、分担電流１７と変換器出力電流１０との差から、その実効値を演算器４０で求め、ＰＩ調節器４１に入力する。一方、変換器出力電圧２７は位相補正器４２において９０°位相を遅らされ、この９０°位相遅れの電圧がＰＩ調節器４１の出力と掛け合わされて、例えばＲ相の電流指令（無効電流指令）が生成される。同様にしてＴ相の電流指令を求め、上記直流電圧制御のための座標変換器３６の出力に加算する。この電流指令値と出力電流２８との差を電流調節器２９に入力し、その出力に変換器出力電圧２７をそれぞれ加算して、電圧指令が生成される。Ｓ相成分は、Ｒ相成分とＴ相成分とから図示のように求められる。

図３はこの発明の別の実施の形態を示すシステム構成図である。この例は、半導体遮断器３，３’の各負荷側にのみＡＣリアクトル１４，１６をそれぞれ挿入し、電力変換器７，８の直流回路どうしを接続した点が特徴である（ＡＣリアクトルのインダクタンスは、トランスの漏れインダクタンスよりも小さくする）。ここでは半導体遮断器が２並列の場合を示すが、３並列以上の場合も同様にＡＣリアクトルを接続し、全電力変換器の直流回路どうしを接続する。

上記変換器７，８は電圧モードでは従来と同様に動作するので、以下では系統連系モード時の制御について図４を参照して説明する。図４のブロック図では、図７の切替スイッチ３１の次段に入力される信号を生成する。
直流電圧２５を制御するためのＰＩ調節器２６や座標変換器３６は図７と同様であるが、有効電流指令と無効電流指令に電流バランスを図るための電流指令を加算する点で相違している。

上記電流指令は、例えば電力変換器７の場合は、分担電流１７からリアクトル電流４３を引いたものとし、電力変換器８の場合はリアクトル電流４４との差となる。この電流指令値と変換器出力電流１０とを一致させるため、それらの差分を変換器１８で座標変換して有効電流成分と無効電流成分とを抽出し、ＰＩ調節器３７にそれぞれ入力する。そして、有効電流成分対応のＰＩ調節器３７の出力をＰＩ調節器２６の出力に加算して座標変換器３６の一方の入力に、また、無効電流成分対応のＰＩ調節器３７の出力を座標変換器３６の他方の入力に入力する。座標変換器３６は有効電流，無効電流を３相交流量に変換するが、以後の動作は図７の説明と同様なので、説明は省略する。

この発明の実施の形態を構成図図１の制御回路例を示すブロック図この発明の別の実施の形態を示す構成図図３の制御回路例を示すブロック図交流電源システムの従来例を示す構成図従来例の変換回路と検出器の関係を示す構成図図５の制御回路例を示すブロック図分担電流の検出回路例を示すブロック図

符号の説明

１…電力系統、２…負荷、３，３’…半導体遮断器、４…直列トランス、５，６…漏れインダクタンス、７，８…蓄電機能付電力変換器、９…負荷電流検出器、１０，１１，２８…出力電流検出器、１２…電流指令生成部、１３〜１６…ＡＣリアクトル、１７…分担電流、１８，３６…座標変換器、１９，２０，２６，３７，４１…ＰＩ調節器、２１…基準位相生成器、２２…基準振幅、２３…パルス発生器、２４…ゲートドライブユニット（ＧＤＵ）、２５…直流電圧（検出器）、２６…２乗演算器、２７…出力電圧（検出器）、２８…出力電流（検出器）、２９…電流調節器（ＡＣＲ）、３０…蓄電池（バッテリ）、３１…切替スイッチ、３２…出力リアクトル、３３…フィルタ、３４…トランス、３５…直流電圧指令値、３８，３９…動作判定器、４０…実効値演算器、４２…位相補正器、４３，４４…リアクトル電流（検出器）。

Claims

通常時には並列接続された複数の半導体遮断器を介して交流電力系統から負荷に電力を供給し、交流電力系統が異常になったときは前記半導体遮断器を解列して蓄電機能を持つ複数の変換器から電力を供給する交流電源システムにおいて、
前記各半導体遮断器の系統側および負荷側にそれぞれ交流リアクトルを挿入するとともに、各半導体遮断器と負荷側交流リアクトルとの間にそれぞれ電力変換器を接続したことを特徴とする交流電源システム。
前記各電力変換器は、前記半導体遮断器のオン電圧のばらつきによる電流アンバランスを、前記各電力変換器から無効電流を流すことで平衡化することを特徴とする請求項１に記載の交流電源システム。
通常時には並列接続された複数の半導体遮断器を介して交流電力系統から負荷に電力を供給し、交流電力系統が異常になったときは前記半導体遮断器を解列して蓄電機能を持つ複数の変換器から電力を供給する交流電源システムにおいて、
前記各半導体遮断器の負荷側にそれぞれ交流リアクトルを挿入するとともに、この負荷側交流リアクトルと半導体遮断器との間にそれぞれ電力変換器を接続し、この電力変換器の直流回路を互いに接続したことを特徴とする交流電源システム。
前記各電力変換器は、前記半導体遮断器のオン電圧のばらつきによる電流アンバランス分を、前記各電力変換器間に流すことで平衡化することを特徴とする請求項３に記載の交流電源システム。