JP2012114994A - 蓄電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】インバータが過電圧停止することを防止することができる蓄電装置を提供する。
【解決手段】フライホイールと、フライホイールに結合された発電電動機と、交流側が発電電動機に接続され直流側が直流リンク部に接続されたインバータ２０とを備え、インバータから発電電動機に可変周波数の交流を供給してフライホイールの回転数を制御することにより、直流リンク部と電気エネルギーの授受を行う蓄電装置１７であって、インバータは、直流リンク部の電圧を検出する電圧検出器と、電圧検出器からの検出電圧とフライホイールの回転数とに基づいて、直流リンク部の電圧指令値を第１の電圧指令値と第２の電圧指令値とのいずれかに設定する電圧指令値設定部と、電圧検出器からの検出電圧とフライホイールの回転数とに基づいて、フライホイールの回転数の最大回転数を第１の最大回転数と第２の最大回転数とのいずれかに設定する最大回転数設定部とを備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、蓄電媒体としてフライホイールを備えた蓄電装置に関するものである。

従来、フライホイールを備えた蓄電装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。その蓄電装置を用いた無停電電源装置では、通常時は蓄電装置内のフライホイール付ロータを有する三相誘導発電電動機に電力を供給してフライホイールを回転させ、フライホイールに回転エネルギーを蓄え、停電時はフライホイールの回転エネルギーを電気エネルギーに変換して外部負荷に電力を供給するようにしている。

特開２００３−１１１４９４号公報

通常、フライホイールを回転させる三相誘導発電電動機に可変周波数の交流を供給するインバータの直流母線間の電圧、すなわち、直流リンク電圧は、一定に保たれているが、何らかの理由（例えば負荷からの回生エネルギー）で直流リンク電圧が上昇した場合、インバータは保護機能により過電圧停止してしまうという問題がある。過電圧を防止するため、直流リンク部のエネルギーを処理する方法として、従来から提案されている方式がいくつかある。（１）回生エネルギーを商用系統の交流電源に戻す。しかしながら、この方式では、交流電源に接続されたＡＣ／ＤＣコンバータを可逆性とするために、スイッチング素子や制御回路を必要とする。また、交流電源が停電した際には、直流リンク部のエネルギーを交流電源に戻すことができなくなる。（２）直流リンク部に過電圧防止専用の負荷を設けてエネルギーを消費させる。しかしながら、この方式では、交流電源の停電時に、直流リンク電圧の上昇を抑えることができるが、スイッチング素子や制御回路を必要とする。

本発明の目的は、上記の課題に鑑み、インバータが過電圧停止することを防止することができる蓄電装置を提供することにある。

本発明に係る蓄電装置は、上記の目的を達成するため、次のように構成される。
第１の蓄電装置（請求項１に対応）は、フライホイールと、フライホイールに結合された発電電動機と、交流側が発電電動機に接続され直流側が直流リンク部に接続されたインバータとを備え、インバータから発電電動機に可変周波数の交流を供給してフライホイールの回転数を制御することにより、直流リンク部と電気エネルギーの授受を行う蓄電装置であって、インバータは、直流リンク部の電圧を検出する電圧検出器と、電圧検出器からの検出電圧とフライホイールの回転数とに基づいて、直流リンク部の電圧指令値を第１の電圧指令値と第２の電圧指令値とのいずれかに設定する電圧指令値設定部と、電圧検出器からの検出電圧とフライホイールの回転数とに基づいて、フライホイールの回転数の最大回転数を第１の最大回転数と第２の最大回転数とのいずれかに設定する最大回転数設定部とを備えることを特徴とする。
第２の蓄電装置（請求項２に対応）は、上記の構成において、好ましくは、電圧指令値設定部が、電圧検出器からの検出電圧が第１の所定値以上である時は、直流リンク部の電圧指令値を第２の電圧指令値に設定し、電圧検出器からの検出電圧が第１の所定値以上でなくフライホイールの回転数が第２の所定値以下である時は、直流リンク部の電圧指令値を第１の電圧指令値に設定し、電圧検出器からの検出電圧が第１の所定値以上でなくフライホイールの回転数が第２の所定値以下でない時は、直流リンク部の電圧指令値を変更しないことを特徴とする。
第３の蓄電装置（請求項３に対応）は、上記の構成において、好ましくは、最大回転数設定部は、電圧検出器からの検出電圧が第１の所定値以上である時は、フライホイールの回転数の最大回転数を第２の最大回転数に設定し、電圧検出器からの検出電圧が第１の所定値以上でなくフライホイールの回転数が第２の所定値以下である時は、フライホイールの回転数の最大回転数を第１の最大回転数に設定し、電圧検出器からの検出電圧が第１の所定値以上でなくフライホイールの回転数が第２の所定値以下でない時は、フライホイールの回転数の最大回転数を変更しないことを特徴とする。

本発明によれば、インバータが過電圧停止することを防止することができる蓄電装置を提供することができる。

本発明の本実施形態に係る蓄電装置を用いた電源装置の構成を示すブロック図である。 本発明の本実施形態に係る蓄電装置を示すブロック図である。 本発明の本実施形態に係る蓄電装置の動作を説明するフローチャートである。 本発明の本実施形態に係る蓄電装置の動作を説明する状態遷移図である。 本発明の本実施形態に係る蓄電装置の他の応用例である。 本発明の本実施形態に係る蓄電装置の他の応用例である。

以下に、本発明の好適な実施形態（実施例）を添付図面に基づいて説明する。

図１は、本発明の本実施形態に係る蓄電装置を用いた電源装置の構成を示すブロック図である。電源装置１０は、商用系統の交流電源１１を接続するための交流入力端子１２と、負荷１３を接続するための交流出力端子１４と、交流電源１１から供給される交流電力を直流電力に変換して直流リンク部１５に供給するＡＣ／ＤＣコンバータ１６と、直流リンク部１５に接続された蓄電装置１７と、直流リンク部１５に供給される直流電力を所望の交流電力に変換して負荷１３に供給するＤＣ／ＡＣコンバータ１８と、直流リンク部１５に接続された直流出力端子２５と、を備えている。また、直流出力端子２５には、負荷１９が接続されている。蓄電装置１７は、インバータ２０とフライホイール２１とを備えている。

図２は、蓄電装置１７を示すブロック図である。インバータ２０は、フライホイール（ＦＷ）に結合された発電電動機（図示していないが、同期機、誘導機など）に可変周波数の交流を供給してフライホイールの回転数を制御するものであり、インバータ回路２２と制御部２３と電圧検出器２７とからなる。インバータ回路２２は、三相ブリッジ構成のスイッチング回路であり、配線２４によって直流リンク部１５に接続され、配線２６によってフライホイール２１に接続されている。また、配線２４には、配線２４の電圧、すなわち、直流リンク部１５（図１参照）の電圧（直流リンク電圧）を検出する電圧検出器２７が設けられている。フライホイール２１は、フライホイールとフライホイールの回転軸に結合された発電電動機とを備えている。

制御部２３は、電圧検出器２７で検出される電圧値とスイッチ制御部２８によって制御されるスイッチ２９により選択された２つの電圧指令値Ｖｄｃ１＊（第１の電圧指令値）とＶｄｃ２＊（第２の電圧指令値）のうちいずれかとの偏差を演算する偏差演算部３０と、その偏差に基づいてＰＩＤ制御を行うＰＩＤ制御部３１を備えている。また、ＰＩＤ制御部３１の後段には、スイッチ制御部３２によって制御されるスイッチ３３により選択された２つのフライホイール最大回転数Ｎ１（第１の最大回転数）、Ｎ２（第２の最大回転数）のうちいずれかによってフライホイールの回転数を制限するリミッタ３４を設けている。そして、ＰＩＤ制御部３１からの出力は、リミッタ３４を通してＰＷＭ制御部３５に入力され、ＰＷＭ制御部３５によってインバータ回路２２のスイッチング動作が制御され、フライホイール２１に可変周波数の交流が供給され、フライホイールの回転数が制御される。また、スイッチ制御部２８は、電圧検出器２７からの検出電圧とリミッタ３４からの信号（フライホイールの回転数）とに基づいて、スイッチ２９を制御し、電圧指令値Ｖｄｃ１＊又は電圧指令値Ｖｄｃ２＊のいずれかを選択して偏差演算部３０に出力する。スイッチ制御部３２は、電圧検出器２７からの検出電圧とリミッタ３４からの信号（フライホイールの回転数）とに基づいて、スイッチ３３を制御し、最大回転数Ｎ１又は最大回転数Ｎ２のいずれかを選択してリミッタ３４に出力する。また、スイッチ制御部２８、スイッチ２９、電圧指令値Ｖｄｃ１＊及び電圧指令値Ｖｄｃ２＊は、電圧指令値設定部３６を構成し、スイッチ制御部３２、スイッチ３３、最大回転数Ｎ１及び最大回転数Ｎ２は、最大回転数設定部３７を構成する。詳しくは図３のフローチャートによって説明する。

以上の構成を有する本実施形態の蓄電装置１７は、直流リンク電圧を一定以上の値に保つ蓄電装置であり、直流リンク電圧が過電圧防止電圧レベル（第１の所定値）以上に上昇した場合に、フライホイール２１を駆動するインバータ２０が過電圧停止することを防止する制御方式を有している。本方式は、直流リンク部１５における過電圧の要因となるエネルギー（回生エネルギーなど）をフライホイール２１で吸収し、過電圧を防止する。本方式の特徴として下記の点がある。（１）追加のスイッチング素子や、制御回路を必要としない。（２）過電圧防止機能は、インバータ２０で自動的に行うため、外部からの制御信号を必要としない。（３）通常動作時のフライホイール最大回転数Ｎ１と、過電圧防止動作時のフライホイール最大回転数Ｎ２をそれぞれ持つ。すなわち、フライホイール回転数の上限リミッタが２種類ある。（４）通常動作時の電圧指令値Ｖｄｃ１＊と、過電圧防止動作時の電圧指令値Ｖｄｃ２＊のそれぞれを持つ。（５）フライホイール最大回転数Ｎ２の時の回転エネルギーと、フライホイール最大回転数Ｎ１の時の回転エネルギーの差が、過電圧防止のために吸収できるエネルギー量となる。

そして、直流リンク電圧を上昇させる原因となるエネルギー（負荷１３，１９からの回生エネルギー）を、フライホイール２１に貯蔵し、直流リンク部１５の電圧の上昇を抑える。このエネルギー貯蔵のために、通常動作時はフライホイール２１を最大回転数より、やや低い値で制御する。通常動作時のフライホイール回転数は、負荷１３，１９から回生されるエネルギー量を考慮し。決定する。

それにより、直流リンク部１５の電圧が安定し、フライホイール２１を駆動するインバータ２０、および、直流リンク部１５に接続された他の機器の過電圧停止を防止する。貯蔵された回生エネルギーは、再度負荷１３，１９に供給されるため、エネルギーのムダが少なくなる。

次に、本発明の本実施形態に係る蓄電装置１７の動作を説明する。

（直流リンク電圧の一定制御）
インバータ２０は、直流リンク電圧を一定値（電圧指令値Ｖｄｃ１＊またはＶｄｃ２＊）に保つように、フライホイール２１の制御を行う。この直流リンク電圧は、電圧検出器２７によって検出される。

直流リンク電圧が高い場合は、フライホイール２１の回転数を上昇させ、フライホイール２１に回転エネルギーを蓄え、直流リンク電圧が下がるように制御する。直流リンク電圧が低い場合は、フライホイール２１の回転数を減少させ、フライホイール２１から電気エネルギーを取り出し、直流リンク電圧を上げるように制御する（一般的なＰＩＤ処理）。

（過電圧防止動作）
フライホイール２１を駆動するインバータ２０に、フライホイール２１の最大回転数（回転数の上限リミッタ）を２つ設定する。それぞれの上限の最大回転数を、Ｎ１，Ｎ２とする。また、フライホイール２１の下限回転数をＮ０とする。

Ｎ０は、フライホイール２１から電気エネルギーを取り出せる最低回転数である。Ｎ１は、通常動作時のフライホイール最大回転数である。Ｎ２は、過電圧防止動作時のフライホイール最大回転数である。Ｎ２は、Ｎ１より大きい値（Ｎ２＞Ｎ１）とする。Ｎ１とＮ２の差が、過電圧防止のために、フライホイール２１に蓄積できるエネルギー量となる。

交流電源１１が正常な通常動作時、インバータ２０に入力される直流リンク電圧を、通常電圧（ＶｄｃＳ）とする。また、インバータ２０が過電圧防止動作を開始するレベルを、過電圧防止電圧レベル（ＶｃｄＳＶ）とする。インバータ２０が制御する直流リンク電圧の目標値、Ｖｄｃ１＊、Ｖｄｃ２＊を設定する。Ｖｄｃ１＊は、通常動作時の直流リンク電圧目標値を設定する。Ｖｄｃ２＊は、過電圧保護動作時の直流リンク電圧目標値を設定する。これらの電圧は、次のような関係で設定する。Ｖｄｃ１＊＜ＶｄｃＳ＜Ｖｄｃ２＊＜ＶｄＳＶ

（動作の解説）
蓄電装置の動作を図３のフローチャートと図４の状態遷移図によって説明する。

まず、図３のフローチャートによって説明する。

ステップＳ１１：スイッチ制御部２８とスイッチ制御部３２は、電圧検出器２７によって検出された電圧検出値が過電圧防止電圧ＶｄｃＳＶ（第１の所定値）以上か否か判断する。もし、電圧検出値が過電圧防止電圧ＶｄｃＳＶより小さければ、ステップＳ１２を実行し、もし、電圧検出値が過電圧防止電圧ＶｄｃＳＶ以上であれば、ステップＳ１５を実行する。
ステップＳ１２：スイッチ制御部２８とスイッチ制御部３２は、リミッタ３４から出力される信号からフライホイール２１の回転数がＮ１（第２の所定値）以下か否か判断する。もし、フライホイール２１の回転数がＮ１以下であれば、ステップＳ１３を実行する。もし、フライホイール２１の回転数がＮ１より大きければ、ステップＳ１４を実行する。
ステップＳ１３：スイッチ制御部３２は、スイッチ３３により、最大回転数リミッタをＮ１に設定する。また、スイッチ制御部２８は、スイッチ２９により電圧指令値をＶｄｃ１＊に設定する。そして、リターンする。
ステップＳ１４：スイッチ制御部３２は、スイッチ３３により現在の最大回転数リミッタを維持する。また、スイッチ制御部２８は、スイッチ２９を現在の電圧指令値を維持する。そして、リターンする。
ステップＳ１５：スイッチ制御部３２は、スイッチ３３により、最大回転数リミッタをＮ２に設定する。また、スイッチ制御部２８は、スイッチ２９により、電圧指令値をＶｄｃ２＊に設定する。そして、リターンする。

次に、図４の状態遷移図によって説明する。図４（ａ）は、フライホイール２１の回転数の変化を示す図であり、図４（ｂ）は、直流リンク電圧を示す図である。

（状態１）準備動作
フライホイール２１が静止した状態から、下限回転数Ｎ０を超えるまでの状態。フライホイールを一定回転数まで加速させる（図４のＴ１の範囲）。

（状態２）直流リンク電圧一定制御状態１
直流リンク電圧がＶｄｃ１＊になるように、フライホイール２１の回転数を制御する。交流電源１１から直流リンク電圧ＶｄｃＳが供給されている場合、Ｖｄｃ１＊＜ＶｄｃＳのため、フライホイール２１の回転数は上昇する。交流電源１１の容量に比べ、インバータ２０の容量は十分小さいため、直流リンク電圧は、ＶｄｃＳのまま変化しない。そのため、フライホイール２１の回転数は上昇し続け、Ｎ１となる（図４のＴ２の範囲）。

（状態３）直流リンク電圧一定制御状態２
フライホイール２１の回転数がＮ１の一定の状態で維持される（図４のＴ３の範囲）。

（状態４）過電圧状態１
フライホイール２１の回転数がＮ１のとき、直流リンク部１５に負荷１３，１９から、エネルギー回生があった場合、フライホイール２１にエネルギーを貯蔵できないため、直流リンク電圧が上昇する（図４のＴ４の範囲）。

（状態５）過電圧状態２
直流リンク電圧が、ＶｄｃＳＶを超えると、インバータ２０は、リミッタ３４のフライホイール２１の上限回転数をＮ１からＮ２に、直流リンク電圧目標値をＶｄｃ１＊からＶｄｃ２＊に変更する。
（現在の直流電圧）＞（制御目標値）（ＶｄｃＳＶ＞Ｖｄｃ２＊）のため、インバータ２０はフライホイール２１の回転数を上昇させ、Ｎ１以上、Ｎ２以下の状態となる。負荷１３，１９からの回生容量より、インバータ２０の容量が大きければ、直流リンク電圧はＶｄｃ２＊に制御される（図４のＴ５の範囲）。

（状態６）過電圧状態３
負荷１３，１９からの回生が終了し、直流リンク電圧は、元の電圧（ＶｄｃＳ）へ戻ろうとするが、インバータ２０は、直流リンク電圧をＶｄｃ２＊に保とうとするため、フライホイール２１の回転数を減少させて直流リンク部１５へ電気エネルギーを供給する（図４のＴ６の範囲）。

（状態７）通常動作状態への復帰
フライホイール２１の回転数が、Ｎ１以下になると、インバータ２０は、リミッタ３４のフライホイール２１の上限回転数をＮ２からＮ１に、直流リンク電圧目標値をＶｄｃ２＊からＶｄｃ１＊に変更する。このとき、（現在の直流電圧）＞（制御目標値）（Ｖｄｃ２＊＞Ｖｄｃ１＊）のため、フライホイール２１の回転数を上昇させようとするが、フライホイール２１の回転数は、上限回転数であるＮ１のため、回転数を上昇させることはできない。
一方、負荷１３，１９の電力消費により、直流リンク電圧はだんだんと低下し、ＶｄｃＳに一致する。
結果、状態３と同様になる（図４のＴ７の範囲）。

（状態８）
交流電源１１が停電している場合、直流リンク電圧が下がるため、インバータ２０は、フライホイール２１の回転数を減少させ、直流リンク部１５へ電気エネルギーを供給する。
直流リンク部１５に接続された負荷容量より、インバータ２０の容量が大きければ、直流リンク電圧は、Ｖｄｃ１＊に制御され、安定する（図４のＴ８の範囲）。

このように、本実施形態の蓄電装置によれば、インバータが過電圧停止することを防止することができる。

なお、本実施形態に係る蓄電装置１７は、図５に示した電源装置や図６に示した無停電電源装置に応用することができる。

また、本実施形態では、スイッチ制御部２８とスイッチ制御部３２を制御する信号は、蓄電装置１７内部からの信号であるが、蓄電装置１７の外部からの信号によってもスイッチ制御部２８とスイッチ制御部３２を制御するようにすることもできる。さらに、図２において、スイッチ２９からの信号は直接、偏差演算部３０に送られるように記載されているが、スイッチ２９と偏差演算部３０の間にフィルタを設けることにより、スイッチ２９による信号の切替が滑らかな切替にするようにすることもできる。

以上の実施形態で説明された構成、形状、大きさおよび配置関係については本発明が理解・実施できる程度に概略的に示したものにすぎず、また数値および各構成の組成（材質）等については例示にすぎない。従って本発明は、説明された実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に示される技術的思想の範囲を逸脱しない限り様々な形態に変更することができる。

本発明に係る蓄電装置は、無停電電源装置等に用いられる蓄電装置として利用される。

１０ 電源装置
１１ 交流電源
１２ 交流入力端子
１３，４０ 負荷
１４ 交流出力端子
１５ 直流リンク部
１６ ＡＣ／ＤＣコンバータ
１７ 蓄電装置
１８ ＤＣ／ＡＣコンバータ
１９，４２，４３ 負荷
２０ インバータ
２１ フライホイール
２２ インバータ回路
２３ 制御部
２４ 配線
２５ 直流出力端子
２６ 配線
２７ 電圧検出器
２８ スイッチ制御部
２９ スイッチ
３０ 偏差演算部
３１ ＰＩＤ制御部
３２ スイッチ制御部
３３ スイッチ
３４ リミッタ
３５ ＰＷＭ制御部
３６ 電圧指令値設定部
３７ 最大回転数設定部
４１ 整流器

Claims (3)

1. フライホイールと、前記フライホイールに結合された発電電動機と、交流側が前記発電電動機に接続され直流側が直流リンク部に接続されたインバータとを備え、前記インバータから前記発電電動機に可変周波数の交流を供給して前記フライホイールの回転数を制御することにより、前記直流リンク部と電気エネルギーの授受を行う蓄電装置であって、
   前記インバータは、
   前記直流リンク部の電圧を検出する電圧検出器と、
   前記電圧検出器からの検出電圧と前記フライホイールの回転数とに基づいて、前記直流リンク部の電圧指令値を第１の電圧指令値と第２の電圧指令値とのいずれかに設定する電圧指令値設定部と、
   前記電圧検出器からの検出電圧と前記フライホイールの回転数とに基づいて、前記フライホイールの回転数の最大回転数を第１の最大回転数と第２の最大回転数とのいずれかに設定する最大回転数設定部とを備えることを特徴とする蓄電装置。
2. 前記電圧指令値設定部は、
   前記電圧検出器からの検出電圧が第１の所定値以上である時は、前記直流リンク部の電圧指令値を前記第２の電圧指令値に設定し、
   前記電圧検出器からの検出電圧が前記第１の所定値以上でなく前記フライホイールの回転数が第２の所定値以下である時は、前記直流リンク部の電圧指令値を前記第１の電圧指令値に設定し、
   前記電圧検出器からの検出電圧が前記第１の所定値以上でなく前記フライホイールの回転数が前記第２の所定値以下でない時は、前記直流リンク部の電圧指令値を変更しないことを特徴とする請求項１記載の蓄電装置。
3. 前記最大回転数設定部は、
   前記電圧検出器からの検出電圧が前記第１の所定値以上である時は、前記フライホイールの回転数の最大回転数を第２の最大回転数に設定し、
   前記電圧検出器からの検出電圧が前記第１の所定値以上でなく前記フライホイールの回転数が前記第２の所定値以下である時は、前記フライホイールの回転数の最大回転数を前記第１の最大回転数に設定し、
   前記電圧検出器からの検出電圧が前記第１の所定値以上でなく前記フライホイールの回転数が前記第２の所定値以下でない時は、前記フライホイールの回転数の最大回転数を変更しないことを特徴とする請求項１または２記載の蓄電装置。

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