JP4836938B2

JP4836938B2 - 電力供給装置

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Description

本発明は、直流電圧を単相交流電圧に変換する単相インバータ回路を３組用いることにより、３相交流電圧を出力する電力供給装置に関するものである。

従来、３相交流電圧を出力する電力供給装置として、例えば特許文献１に示すように、直流電圧を単相交流電圧に変換する単相インバータ回路を３組用いて構成するものがある。

この単相インバータ回路は、多重化変圧器を用いることなく直列接続が可能であるため、３相６．６ｋＶ交流系統への適用など、高電圧を出力するための電力供給装置への適用に有効な手段である。

また、単相インバータ回路の直列数分のレベルの階段波形が得られ、正弦波に近い出力電圧波形を出力することができるので、３相インバータ回路と比べて、電力系統用途のように特に高品質な出力電圧を要求される装置への適用にも有効な手段である。

ところが、上記のように、単相インバータ回路を３組用いて３相交流電圧を出力する電力供給装置は、直流電源もまた３相個別に配置されるため、以下のような問題がある。

例えば、継続時間が１分程度以下の短時間停電や瞬時電圧低下（以下、両者を併せて「短時間停電など」という。）の補償を目的としたシステム（以下、「短時間停電補償システム」という。）においては、直流電源には、例えばコンデンサのようなものを用いて、所定時間の停電補償を行うための最小限のエネルギのみを蓄積し、システムの低コスト化や小型化を図ることが一般的である。

このような短時間停電補償システムに、前記３組の単相インバータ回路からなる電力供給装置を用いた場合、例えば単相負荷を含む３相負荷への短時間停電補償のように、３相への出力エネルギが均等ではない場合には、大きな電力を出力する相の単相インバータ回路に設置された直流電源のエネルギがいち早く消耗してしまい、他相の単相インバータ回路に設置された直流電源のエネルギに余裕を残したまま、短時間停電などを補償できる限界時間に達してしまうという問題が生じる。

また、一方で燃料電池や太陽電池のような直流電源の系統連系システムに適用して出力電力が３相平衡な場合に、上記３組の単相インバータ回路に設置された直流電源の一部が例えば故障などして電源容量が不平衡になった場合には、他の単相インバータ回路に設置された直流電源から出力される電力が、故障した相の電源容量に制限されてしまい、３相トータルの電源容量に対してフル出力することができないという問題もある。

もう一つの例としては、３相交流系統に適用される自励式無効電力補償システムに、前記３組の単相電源回路からなる電力供給装置を用いた場合が挙げられる。この自励式無効電力補償システムはエネルギを出力しないため、直流電源には、さらに容量の小さなコンデンサが用いられる。このコンデンサの充電電圧は３相とも同一であることが望ましい。

ところが、電力系統側での過渡的な電圧変動が生じた場合などにより、簡単にコンデンサの電圧に不均衡が生じてしまうため、これを是正するための機能が必要となる。
特開２０００−０５０６４３号明細書

そこで本発明は、上記問題点を一挙に解決するためになされたものであり、単相インバータ回路を３組用いることにより、３相交流電圧を出力する電力供給装置において、その単相インバータ回路を構成する直流電源からの出力エネルギの割合を制御することをその主たる所期課題とするものである。

すなわち本発明に係る電力供給装置は、直流電源と当該直流電源の直流電圧を単相交流電圧に変換するスイッチング回路とからなる単相インバータ回路を、１乃至複数個直列に接続して構成した単相電源回路を３組用いることにより、３相交流電圧を３相負荷に供給する電力供給装置であって、前記３組の単相電源回路から出力される３相交流電圧の零相電圧成分Ｖ_０を調節することにより、前記３組の単相電源回路の直流電源からの出力エネルギの割合を制御する制御装置を備えている。

このようなものであれば、単相インバータ回路を構成する直流電源から出力されるエネルギの割合を制御することができる。従って、例えば短時間停電補償システムに適用した場合には、直流電源のエネルギを３相偏りなく利用することができるため、補償時間を可及的に延長することができる。また、例えば自励式無効電力補償システムに適用した場合には、過渡的な現象により、各相のコンデンサ電圧に不均衡が生じても、これを是正することができる。さらに例えば、直流電源の系統連系システムに適用した場合には、直流電源の容量が３相不平衡であっても、３相トータルの電源容量をフルに利用できる。

本発明の効果を一層顕著にするための具体的な実施の態様としては、前記零相電圧成分Ｖ_０として、以下の電圧を用いることが望ましい。

但し、Ｐａ＋Ｐｂ＋Ｐｃ＝０

ここで、Ｔ：前記３相負荷が接続されて前記３相負荷に３相交流電圧を供給する３相交流系統の基本波周波数の１周期、Ｐｊ（ｊ＝ａ，ｂ，ｃ）：ｊ相の前記直流電源から出力される電力の補正ゲイン、Ｉｊ（ｊ＝ａ，ｂ，ｃ）：前記電力供給装置からｊ相への出力電流、ｔ：時刻、である。

なお、３相交流系統において、出力電圧の零相電圧成分Ｖ_０は、線間電圧に影響しないため、前記電力供給装置の出力電力や出力電流に影響しないことは、一般的な事項である。

このようなものであれば、ａ相、ｂ相、ｃ相のそれぞれの前記単相電源回路に接続された直流電源から出力される電力Ｐｄｃａ、Ｐｄｃｂ、Ｐｄｃｃは、ａ相、ｂ相、ｃ相の前記３組の単相電源回路から出力する３相交流電圧のうち、零相以外の成分、すなわちＶａ＋Ｖｂ＋Ｖｃ＝０を満足する（以下、「正相・逆相成分」と呼ぶ）Ｖａ、Ｖｂ、Ｖｃを用いて、次式の通りとなり、補正ゲインＰａ、Ｐｂ、Ｐｃを調整することにより、電力Ｐｄｃａ、Ｐｄｃｂ、Ｐｄｃｃの割合を制御することができる。

ここで、定数Ａは次式の通りである。なお、右辺の３つの式が等しくなることは、３相交流系統においては、前記電力供給装置から各相への出力電流の合計Ｉａ＋Ｉｂ＋Ｉｃがゼロとなることから説明できる。

前記電力供給装置の具体的な回路構成としては、直流電源と当該直流電源の直流電圧を単相交流電圧に変換するスイッチング回路とからなる単相インバータ回路を、１乃至複数個直列に接続して構成した単相電源回路をＹ結線して３相交流系統に接続する方法がある。

前記電力供給装置の、もう一つの具体的な回路構成としては、３相交流電源と３相負荷との間に直列に設けられ、その各相それぞれに単相電源回路を接続する方法がある。

前記電力供給装置の、さらに他の具体的な回路構成としては、３相交流電源と、別の３相交流電源との間に直列に設けられ、その各相それぞれに単相電源回路を接続する方法がある。

前記制御装置の具体的な制御方法としては、前記３相負荷のａ相、ｂ相、ｃ相の消費電力Ｐａ’、Ｐｂ’、Ｐｃ’と、第１のゲインＫ_１とを用いて、前記零相電圧成分Ｖ_０の式中のＰａ、Ｐｂ、Ｐｃに、以下の値を用いることが望ましい。

このようなものであれば、前記直流電源から出力される電力Ｐｄｃａ、Ｐｄｃｂ、Ｐｄｃｃは次式となる。

したがって、Ｋ_１＝１／Ａとしてやることにより、各相の前記直流電源から出力される電力Ｐｄｃａ、Ｐｄｃｂ、Ｐｄｃｃは次式のように、等しくなる。

ただし、ａ相、ｂ相、ｃ相の前記直流電源の充電電圧ＶＣａ、ＶＣｂ、ＶＣｃとａ相、ｂ相、ｃ相の各相の前記単相電源回路の出力電圧Ｖａ＋Ｖ_０、Ｖｂ＋Ｖ_０、Ｖｃ＋Ｖ_０の間には、つぎの制約があり、必ずしもＫ_１＝１／Ａにできるわけではない。なお、ｔは時刻である。

このようなものであれば、前記直流電源の出力電圧ＶＣａ、ＶＣｂ、ＶＣｃと、出力電圧Ｖａ＋Ｖ_０、Ｖｂ＋Ｖ_０、Ｖｃ＋Ｖ_０との間の制約条件を満たす範囲で、且つ第１のゲインＫ_１を１／Ａに極力近づけることにより、前記直流電源よりａ相、ｂ相、ｃ相に出力される電力Ｐｄｃａ、Ｐｄｃｂ、Ｐｄｃｃが可及的に均等になるように制御できる。

したがって、３相負荷が各相間で不平衡な場合であっても、各直流電源から可及的に３相均等に電力を出力するよう調整することができ、各直流電源の利用効率を向上させることができる。

前記制御装置の、もう一つの具体的な制御方法としては、前記ａ相、ｂ相、ｃ相の直流電源の電源容量Ｐａ’’、Ｐｂ’’、Ｐｃ’’と、第２のゲインＫ_２とを用いて、前記零相電圧成分Ｖ_０の式中のＰａ、Ｐｂ、Ｐｃに、以下の値を用いることが考えられる。

このようなものであれば、３相交流電源が例えば故障などにより各相不平衡になった場合においても、いずれの相の直流電源から出力される電力も可及的に最大限出力するよう調整することができる。

前記制御装置が、さらに他の制御方法としては、前記３組の単相電源回路の直流電源に蓄積されたエネルギＥａ、Ｅｂ、Ｅｃと第３のゲインＫ_３とを用いて、前記零相電圧成分Ｖ_０の式中のＰａ、Ｐｂ、Ｐｃに、以下の値を用いても良い。

このようなものであれば、各相の前記直流電源からは、それぞれにエネルギＥａ、Ｅｂ、Ｅｃのアンバランスに比例した量の電力が出力されるため、例えば、前記直流電源がコンデンサの場合には、充電電圧の調整を行うことも可能となる。

さらに、第１のゲインＫ_１又は第２のゲインＫ_２として、次のＫ’に等しい値を用いることにより、直流電源の利用率が最大となることは、前述の通りである。

又は

またさらに、前記制御装置が、前記ａ相、ｂ相、ｃ相の直流電源の電圧ＶＣａ、ＶＣｂ、ＶＣｃを監視し、前記零相電圧成分Ｖ_０が次を満足する範囲で最大の零相電圧成分Ｖ_０を算出するよう、前記第３のゲインＫ_３の上限に制限を加えることにより、直流電源の利用率が可及的に最大となることは、前述の通りである。

ここで、Ｖａ（ｔ）、Ｖｂ（ｔ）、Ｖｃ（ｔ）は電力供給装置の出力電圧の内、Ｖａ（ｔ）＋Ｖｂ（ｔ）＋Ｖｃ（ｔ）＝０を満足する成分で、ｔは、時刻である。

このようなものであれば、例えば短時間停電補償システムに適用した場合には、直流電源のエネルギを３相偏りなく利用することができるため、補償時間を可及的に延長することができる。また例えば、自励式無効電力補償システムに適用した場合には、過渡的な現象により、各相のコンデンサの電圧に不均衡が生じても、これを是正することができる。さらに例えば、直流電源の系統連系システムに適用した場合には、直流電源の電源容量が不平衡な場合にも、３相トータルの電源容量に対してフルに電力を出力することができる。

＜第１実施形態＞

以下に本発明の電力供給装置１を短時間停電補償システムＴＳに用いた場合の第１実施形態について図面を参照して説明する。

本実施形態に係る短時間停電補償システムＴＳは、図１に示すように、３相交流電源２と３相負荷３と遮断器４を含む、ａ相３１、ｂ相３２及びｃ相３３からなる３相交流系統において、連系リアクトル１１を介して３相負荷３と並列に電力系統に接続される。通常時は電力の出力を行わず、電力系統での短時間停電の発生を監視している。そして、短時間停電を検出した際には、しゃ断器４を開極して、電力供給装置１より３相負荷３に対して電力供給することにより３相負荷３の正常動作を維持するためものである。

ここで、３相負荷３は、ａ相３１、ｂ相３２及びｃ相３３に接続された３相平衡負荷３０１と、ｂ相３２及びｃ相３３に接続された単相負荷３０２とからなる。

三相平衡負荷３０１を流れる電流は、

とし、単相負荷３０２を流れる電流は、

とする。ここで、ｔは時刻、Ｔは電力系統の基本波周波数の１周期である。

この短時間停電補償システムＴＳに係る電力供給装置１の主構成は、Ｙ結線され３相交流系統に接続された単相インバータ回路５ａ、５ｂ、５ｃと、直流電圧測定手段６と、系統電圧測定手段７と、電流測定手段８と、単相インバータ回路５ａ、５ｂ、５ｃとしゃ断器４を制御する制御装置９と、からなる。なお、本実施形態では、各相１つの単相インバータ回路５ａ、５ｂ、５ｃから単相電源回路が構成されているので、以下特に区別することはない。

なお、直流電圧測定手段６と、系統電圧測定手段７と、電流測定手段８と、制御装置９のしゃ断器４を制御する機能とは、一般的なものであり図示および内部構成の説明は省略する。

以下にこれらについて詳述する。

単相インバータ回路５ａ、５ｂ、５ｃは、直流電源５ａ１、５ｂ１、５ｃ１と、それらが出力する直流電圧を単相交流電圧に変換して前記電力系統に出力するスイッチング回路５ａ２、５ｂ２、５ｃ２とからなる。

直流電源５ａ１、５ｂ１、５ｃ１は、エネルギの充放電機能を有し、かつスイッチング回路５ａ２、５ｂ２、５ｃ２以外とは電気的に絶縁された、例えば鉛電池である。

スイッチング回路５ａ２、５ｂ２、５ｃ２は、半導体スイッチ素子５ａ２１、５ｂ２１、５ｃ２１とそれに逆並列されたダイオード５ａ２２、５ｂ２２、５ｃ２２とから構成したフルブリッジインバータである。本実施形態では半導体スイッチ素子５ａ２１、５ｂ２１、５ｃ２１として、自己消弧能力を有するＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）を用いている。このスイッチング回路５ａ２、５ｂ２、５ｃ２は、後述する制御装置９を用いて、ゲートへの駆動信号によりオンオフ制御され、動作パターン（スイッチパターン）が制御されるようにしている。

直流電圧測定手段６は、直流電源５ａ１、５ｂ１、５ｃ１より出力される直流電圧ＶＣａ、ＶＣｂ、ＶＣｃを測定するためのものであり、その測定結果を示す直流電圧測定データを制御装置９に出力するものである。

系統電圧測定手段７は、電力系統のａ相３１、ｂ相３２、ｃ相３３の系統電圧の内の正相・逆相電圧成分（以下、「系統電圧」という。）Ｖｔａ、Ｖｔｂ、Ｖｔｃを測定し、その測定結果を示す系統電圧測定データを制御装置９に出力するものである。

電流測定手段８は、ａ相３１、ｂ相３２、ｃ相３３より、３相負荷３に供給される電流Ｉａ、Ｉｂ、Ｉｃを測定し、その測定結果を示す電流測定データを制御装置９に出力するものである。

制御装置９は、前記直流電圧測定データと、前記系統電圧測定データと、前記電流測定データに基づいて、単相インバータ回路５ａ、５ｂ、５ｃを制御するものであり、図２に示すように、その機器構成はＣＰＵ９０１、メモリ９０２、入出力インターフェイス９０３、ＡＤ変換器９０４等を備えた汎用乃至専用のコンピュータであり、前記メモリ９０２の所定領域に記憶させた所定プログラムにしたがってＣＰＵ９０１、周辺機器等を協働させることにより、図３に示すように、受付部９１、正相・逆相電圧算出部９２、零相電圧算出部９３、インバータ回路制御部９４としての機能を発揮する。もちろん、これら各機能を発揮させるために、コンピュータによることなく理論回路やアナログ回路を用いてハードウェアのみで構成しても構わない。

受付部９１は、前述した各測定手段６、７、８からその測定データを受信して、正相・逆相電圧算出部９２、零相電圧算出部９３、インバータ回路制御部９４に出力するものである。

正相・逆相電圧算出部９２は、系統電圧測定データに基づいて、単相インバータ回路５ａ、５ｂ、５ｃが出力すべき３相交流電圧の内の正相・逆相電圧成分Ｖｉａ、Ｖｉｂ、Ｖｉｃを算出し、その正相・逆相電圧算出データをインバータ回路制御部９４に出力するものである。

零相電圧算出部９３は、系統電圧測定データ及び電流測定データに基づいて、直流電源５ａ１、５ｂ１、５ｃ１から出力されるエネルギを均等にするために、単相インバータ回路５ａ、５ｂ、５ｃが出力すべき３相交流電圧のうちの零相電圧成分Ｖ_０を算出し、その零相電圧算出データをインバータ回路制御部９４に出力するものである。

インバータ回路制御部９４は、受信した正相・逆相電圧算出データおよび零相電圧算出データと、直流電圧測定データに基づき、電圧Ｖｉａ＋Ｖ_０、Ｖｉｂ＋Ｖ_０、Ｖｉｃ＋Ｖ _０を出力するように、単相インバータ回路５ａ、５ｂ、５ｃを制御するものである。

次にこのように構成した短時間停電補償システムＴＳの動作について詳述する。

通常時は、電力供給装置１は停止していて、電力系統と電力供給装置１との間で電力の授受は行われていない。ただし、直流電圧測定手段６と、系統電圧測定手段７と、電流測定手段８は、それらが測定したデータを制御装置９の受付部９１に送信している。

系統電圧Ｖｔａ、Ｖｔｂ、Ｖｔｃおよび負荷電流Ｉａ、Ｉｂ、Ｉｃは、あらかじめ系統電圧測定手段７、および電流測定手段８により次のように計測されているとする。

これらより、３相負荷３のａ相３１、ｂ相３２、ｃ相３３のそれぞれにおける消費電力Ｐａ’、Ｐｂ’、Ｐｃ’は、あらかじめ次のように計算できている。

次に短時間停電が発生し、遮断器４が開極された場合には、電力供給装置１がａ相３１、ｂ相３２、ｃ相３３に電力を供給し始める。

正相・逆相電圧算出部９２は、通常時に受信した系統電圧測定データに基づいて、遮断器４が開極後も、３相負荷３に供給される電圧の波高値および位相が、短時間停電発生前の系統電圧と等しくなるように、出力すべき３相交流電圧の内の正相・逆相電圧成分Ｖｉａ、Ｖｉｂ、Ｖｉｃを次のように算出する。

零相電圧算出部９３は、あらかじめ測定していた負荷電流Ｉａ、Ｉｂ、Ｉｃ、及びあらかじめ計算していた３相負荷３の消費電力Ｐａ’、Ｐｂ’、Ｐｃ’に基づいて、出力すべき３相交流電圧のうち零相電圧成分Ｖ_０を次のように算出する。

ここで、Ｐａ、Ｐｂ、Ｐｃは次式の通りである。なお、第１のゲインＫ_１については、後で説明する。

インバータ回路制御部９４は、受信した正相・逆相電圧算出データおよび零相電圧算出データに基づき、次式の電圧Ｖｉａ＋Ｖ_０、Ｖｉｂ＋Ｖ_０、Ｖｉｃ＋Ｖ_０を出力するように、単相インバータ回路５ａ、５ｂ、５ｃを制御するものである。

このとき、単相インバータ回路５ａ、５ｂ、５ｃの出力電力、すなわち直流電源５ａ１、５ｂ１、５ｃ１から出力される電力Ｐｄｃａ、Ｐｄｃｂ、Ｐｄｃｃは、それぞれ次式の通りとなる。

最後に、第１のゲインＫ_１について説明する。前記メモリ９０２の所定プログラムの制御アルゴリズムと、直流電源５ａ１、５ｂ１、５ｃ１の直流電圧とにより定まる、単相インバータ回路５ａ、５ｂ、５ｃが出力可能な最大電圧をＶＭａ、ＶＭｂ、ＶＭｃとすると、第１のゲインＫ_１がとりうる値には、次式の制約がある。

ここで、第１のゲインＫ_１を１にできれば、直流電源５ａ１、５ｂ１、５ｃ１から出力される電力Ｐｄｃａ、Ｐｄｃｂ、Ｐｄｃｃは等しくできる。

また、第１のゲインＫ_１を１にできなくとも、この制約条件を満たす範囲で、第１のゲインＫ_１を極力１に近づけるほど、電力Ｐｄｃａ、Ｐｄｃｂ、Ｐｄｃｃのアンバランスが是正される。

このように構成した短時間停電補償システムＴＳによれば、直流電源５ａ１、５ｂ１、５ｃ１のエネルギを３相偏りなく利用することができるため、補償時間を可及的に延長することができる。

次に、本実施形態の短時間停電補償システムＴＳの数値例を図面を参照して説明する。
図４は、本実施形態の具体的な数値例を示す概略構成図であり、図１のシステムにおいてしゃ断器４は開極された後の、短時間停電補償システムＴＳが負荷３０１、３０２に停電補償として電力供給する動作について説明する。なお、図４においては、３相交流電源２は図示していない。各直流電源５ａ１、５ｂ１、５ｃ１の直流電圧をそれぞれ２００［Ｖ］とし、連系リアクトル１１のインピーダンスをそれぞれ１［ｍＨ］としている。また、３相平衡負荷３０１の負荷を１２［ｋＷ］、単相負荷３０２の負荷を３［ｋＷ］とする。

本数値例においては、短時間停電が発生して遮断器４の開極後、まず３相平衡負荷３０１に電力を供給して、その３秒後に単相負荷３０２が並列に接続され、３相平衡負荷３０１及び単相負荷３０２に電力を供給するものとする。

このとき、正相・逆相電圧算出部９２は、出力すべき３相交流電圧の内の正相・逆相電圧成分Ｖｉａ、Ｖｉｂ、Ｖｉｃとして以下の式に示す値を算出する。

そして、零相電圧算出部９３が、以下の式に示す零相電圧成分Ｖ_０を算出する。

ここで、上式において、

は、単相インバータ回路５ａ、５ｂ、５ｃから出力する電力の目標値（負荷の３相平均値）であり、Ｐｊ’（ｊ＝ａ、ｂ、ｃ）は、負荷容量を示している。

上記Ｖ_０を求める具体的なブロック線図の一例は図５に示すようになる。

そして、インバータ回路制御部９４が、正相・逆相電圧算出データ及び零相電圧算出データを受信し、それらデータに基づいて電圧Ｖｉａ＋Ｖ_０、Ｖｉｂ＋Ｖ_０、Ｖｉｃ＋Ｖ_０を出力するように、単相インバータ回路５ａ、５ｂ、５ｃを制御する。

このようにして制御された単相インバータ回路５ａ、５ｂ、５ｃからの出力の時系列変化を図６に示す。この図６からわかるように、単相負荷３０２が接続される前においては、各相１相当たり４［ｋＷ］の電力を出力しており、３相合計１２［ｋＷ］の電力を出力していることがわかる。そして、３秒後に単相負荷３０２が接続されると、各相１相当たり５［ｋＷ］の電力を出力していることがわかり、３相の合計は、４［ｋＷ］×３相＋３［ｋＷ］×単相（＝１５［ｋＷ］）であることがわかる。これにより、各単相インバータ回路５ａ、５ｂ、５ｃからは３相均等に電力供給できていることがわかる。

なお、通常の電力供給装置１によれば、出力電力は、ａ相３１が４［ｋＷ］、ｂ相３２が５．５［ｋＷ］、ｃ相３３が５．５［ｋＷ］となり、各単相インバータ回路５ａ、５ｂ、５ｃからの出力が不平衡となり、直流電源５ａ１の利用効率が悪い。

＜第２実施形態＞

次に本発明の電力供給装置１を直流電源の系統連系システムに適用した場合の第２実施形態について図面を参照して説明する。なお、前記第１実施形態に対応するものには同一の符号を付している。

本実施形態に係る電力供給装置１は、図７に示すように、連系リアクトル１１を介して３相交流系統に接続されて、当該系統に３相交流電力を出力するものであり、装置主構成は前記第１実施形態と同様であるが、制御装置９の機能が前記第１実施形態とは異なる。

つまり、本実施形態に係る制御装置９は、単相インバータ回路５ａ、５ｂ、５ｃから出力される３相交流電圧の零相電圧成分Ｖ_０を調節することにより、前記直流電源５ａ１、５ｂ１、５ｃ１から出力される電力が最大値となるように制御するものである。

具体的には、零相電圧算出部９３が、系統電圧測定データ及び電流測定データに基づいて、直流電源５ａ１、５ｂ１、５ｃ１から出力される電力を、その電源容量の最大値となるように、単相インバータ回路５ａ、５ｂ、５ｃが出力すべき３相交流電圧のうち零相電圧成分Ｖ_０を算出し、その零相電圧算出データをインバータ回路制御部９４に出力するものである。

本実施形態において、３相交流系統に電力供給時当初はａ相３１、ｂ相３２、ｃ相３３に接続された単相インバータ回路５ａ、５ｂ、５ｃの直流電源５ａ１、５ｂ１、５ｃ１の容量は、共に５［ｋＷ］であったとする。そして、ａ相３１に接続された単相インバータ回路５ａ、５ｂ、５ｃの直流電源５ａ１、５ｂ１、５ｃ１が故障等して電源容量が５［ｋＷ］から３．５［ｋＷ］に減少したとする。

ここで、上式において、

は、直流電源５ａ１、５ｂ１、５ｃ１の電源容量の３相平均値であり、Ｐｊ’’（ｊ＝ａ、ｂ、ｃ）は、各相インバータから出力される電力の目標値（各相の直流電源５ａ１、５ｂ１、５ｃ１の電源容量）を示している。

上記Ｖ_０を求める具体的なブロック線図の一例は図８に示すようになる。

このようにして制御された単相インバータ回路５ａ、５ｂ、５ｃからの出力の時系列変化を図９に示す。この図９からわかるように、ａ相３１の直流電源５ａ１が故障するまでは各相１相当たり５［ｋＷ］の電力を出力しており、３相の合計は、１５［ｋＷ］の電力を出力していることがわかる。そして、約３秒後にａ相３１の直流電源５ａ１が故障した後は、ａ相３１の単相インバータ回路５ａは出力することができる最大値である３．５［ｋＷ］の電力を出力し、ｂ相３２、ｃ相３３の単相インバータ回路５ｂ、５ｃがそのまま５［ｋＷ］の電力を出力していることがわかる。これにより、各単相インバータ回路５ａ、５ｂ、５ｃからその容量をフルに活かした出力を実現することができる。

なお、通常の電力供給装置１によれば、出力電力は３相均等になり、ａ相３１の容量が３．５［ｋＷ］であることから、ｂ相３２の単相インバータ回路５ｂ及びｃ相３３の単相インバータ回路５ｃの出力も３．５［ｋＷ］に制限されてしまう。

＜第３実施形態＞

次に本発明の電力供給装置１をいわゆる直列型瞬低補償装置に用いた場合の第３実施形態について図面を参照して説明する。なお、前記第１実施形態に対応するものには同一の符号を付している。

本発明の直列型瞬低補償装置は、図１０に示すように、３相交流電源２と３相負荷３の間に、直列に単相インバータ回路５ａ、５ｂ、５ｃを相毎に接続し、電源電圧が基準値より乖離した分を、単相インバータ回路５ａ、５ｂ、５ｃの出力電圧により補償する装置であり、具体的な構成としては、前記第１実施形態とは零相電圧算出部９３の機能が異なる。

なお、３相交流電源２の電源電圧は２００［Ｖ］であり、３相負荷３は、ａ相３１、ｂ相３２及びｃ相３３に接続された１２［ｋＷ］の３相平衡負荷３０１と、ｂ相３２及びｃ相３３に接続された３［ｋＷ］の単相負荷３０２とからなる。

本実施形態に係る零相電圧算出部９３は、系統電圧測定データ及び電流測定データに基づいて、直流電源５ａ１、５ｂ１、５ｃ１から出力される電力を均等にするために、単相インバータ回路５ａ、５ｂ、５ｃが出力すべき３相交流電圧のうち零相電圧成分Ｖ_０を算出し、その零相電圧算出データをインバータ回路制御部９４に出力するものである。

本実施形態において、３相平衡負荷３０１と単相負荷３０２に電力を供給中に、３相交流電源２のうちｂ相３２−ｃ相３３間が短絡して瞬低が発生した場合について説明する。

このとき、正相・逆相電圧算出部９２は、３相交流電源２の測定値と、瞬低発生前の３相交流電源２の波高値と位相を有する基準電圧との差を出力すべき３相交流電圧の内の正相・逆相電圧成分Ｖｉａ、Ｖｉｂ、Ｖｉｃとして算出する。

ここで、上式において、

は、単相インバータ回路５ａ、５ｂ、５ｃから出力する電力の目標値（補償電力の３相平均値）であり、Ｐｊ’’’（ｊ＝ａ、ｂ、ｃ）は、各相の補償電力を示している。

上記Ｖ_０を求める具体的なブロック線図の一例は図１１に示すようになる。

このようにして制御された単相インバータ回路５ａ、５ｂ、５ｃからの出力の時系列変化を図１２に示す。この図１２からわかるように、ｂ相３２−ｃ相３３間が短絡する前は、各単相インバータ回路５ａ、５ｂ、５ｃからの補償電力の出力はない。つまり、負荷合計４［ｋＷ］×３相＋３［ｋＷ］の電力を供給するために基準値に対して３相交流電源２の電源電圧が概ね等しいことを示している。そして、ｂ相３２−ｃ相間３３が短絡している間においては、各相１相当たり３［ｋＷ］の補償電力を出力して、３相合計９［ｋＷ］の補償電力を出力している。これにより、負荷が不平衡であり、系統電圧の低下が不平衡な場合であっても、各相の直流電源５ａ１、５ｂ１、５ｃ１から３相均等にエネルギが出力できていることがわかる。

なお、通常の直列型瞬低補償装置によれば、補償電力は、ａ相３１が０［ｋＷ］、ｂ相３２が４．５［ｋＷ］、ｃ相３３が４．５［ｋＷ］となってしまう。

＜第４実施形態＞

次に、本発明に係る電力供給装置１を自励式無効電力補償システムＳＳに用いた第４実施形態ついて図面を参照して説明する。なお、前記第１実施形態に対応するものには同一の符号を付している。

本実施形態の自励式無効電力補償システムＳＳは、図１３に示すように、３相交流電源２と３相平衡負荷３０１とを含む、ａ相３１、ｂ相３２及びｃ相３３からなる３相交流系統において、連系リアクトル１１を介して３相平衡負荷３０１と並列に電力系統に接続され、当該電力系統に無効電力を供給することにより、系統電圧の調整を行うものである。

この自励式無効電力補償システムＳＳに係る電力供給装置１の主構成は、単相インバータ回路５ａ、５ｂ、５ｃと、直流電圧測定手段６と、系統電圧測定手段７と、電流測定手段８と、単相インバータ回路５ａ、５ｂ、５ｃを制御する制御装置９とからなる。

なお、直流電圧測定手段６と、系統電圧測定手段７と、電流測定手段８とは、一般的なものであり図示および内部構成の説明は省略する。

以下にこれらについて詳述する。

単相インバータ回路５ａ、５ｂ、５ｃは、直流電源であるコンデンサ５ａ１、５ｂ１、５ｃ１と、それらが出力する直流電圧を単相交流電圧に変換して前記電力系統に出力するスイッチング回路５ａ２、５ｂ２、５ｃ２とからなる。

直流電圧測定手段６は、コンデンサ５ａ１、５ｂ１、５ｃ１に充電された直流電圧ＶＣａ、ＶＣｂ、ＶＣｃを測定するためのものであり、その測定結果を示す直流電圧測定データを制御装置９に出力するものである。

系統電圧測定手段７は、電力系統のａ相３１、ｂ相３２、ｃ相３３の系統電圧の内の正相・逆相電圧成分（以下、「系統電圧」と略す）Ｖｔａ、Ｖｔｂ、Ｖｔｃを測定し、その測定結果を示す系統電圧測定データを制御装置９に出力するものである。

電流測定手段８は、自励式無効電力補償システムＳＳより電力系統のａ相３１、ｂ相３２、ｃ相３３の各相に出力される電流Ｉａ、Ｉｂ、Ｉｃを測定し、測定データを制御装置９に出力するものである。

制御装置９は、前記直流電圧測定データと、前記系統電圧測定データと、前記電流測定データに基づいて、単相インバータ回路５ａ、５ｂ、５ｃを制御するものであり、図２に示すように、その機器構成はＣＰＵ９０１、メモリ９０２、入出力インターフェイス９０３、ＡＤ変換器９０４等を備えた汎用乃至専用のコンピュータであり、前記メモリ９０２の所定領域に記憶させた所定プログラムにしたがってＣＰＵ９０１、周辺機器等を協働させることにより、図３に示すように、受付部９１、正相・逆相電圧算出部９２、零相電圧算出部９３、インバータ回路制御部９４としての機能を発揮する。

零相電圧算出部９３は、コンデンサ電圧測定データ及び電流測定データに基づいて、コンデンサ５ａ１、５ｂ１、５ｃ１に充電されているエネルギを均等にするために、単相インバータ回路５ａ、５ｂ、５ｃが出力すべき３相交流電圧の内の零相電圧成分Ｖ_０を算出し、その零相電圧算出データをインバータ回路制御部９４に出力するものである。

インバータ回路制御部９４は、受信した正相・逆相電圧算出データおよび零相電圧算出データと、直流電圧測定データに基づき、電圧Ｖｉａ＋Ｖ_０、Ｖｉｂ＋Ｖ_０、Ｖｉｃ＋Ｖ _０を出力するよう、単相インバータ回路５ａ、５ｂ、５ｃを制御するものである。

次にこのように構成した自励式無効電力補償システムＳＳの動作について詳述する。

コンデンサ５ａ１、５ｂ１、５ｃ１に充電されている電圧ＶＣａ、ＶＣｂ、ＶＣｃと、系統電圧Ｖｔａ、Ｖｔｂ、Ｖｔｃと、出力電流Ｉａ、Ｉｂ、Ｉｃとは、直流電圧測定手段６、系統電圧測定手段７、および電流測定手段８に常時測定されており、それら測定データを制御装置９の受付部９１に送信している。

ここで、系統電圧Ｖｔａ、Ｖｔｂ、Ｖｔｃと、出力電流Ｉａ、Ｉｂ、Ｉｃが、ｔを任意の時刻、Ｔを電力系統の基本波周波数の１周期として、次式の値であったとする。

正相・逆相電圧算出部９２は、受信した系統電圧測定データに基づいて、系統電圧Ｖｔａ、Ｖｔｂ、Ｖｔｃと同位相で、且つ系統電圧Ｖｔａ、Ｖｔｂ、Ｖｔｃを所定値に維持するための無効電力を出力するための実効値Ｖｉを持つ、次式の電圧Ｖｉａ、Ｖｉｂ、Ｖｉｃを算出し、正相・逆相電圧算出データをインバータ回路制御部９４に出力するものである。

零相電圧算出部９３は、直流電圧測定手段６による直流電圧測定データを受信し、電力系統の基本波周波数の１周期Ｔの間隔でサンプリングし、コンデンサ５ａ１、５ｂ１、５ｃ１の静電容量をいずれもＣとして、それぞれの充電エネルギＥＣａ、ＥＣｂ、ＥＣｃを演算により、次式のように把握する。

そして零相電圧算出部９３は、出力電圧の零相電圧成分としてＶ_０を後述のように演算し、時間Ｔの間、インバータ回路制御部９４に出力する。そして、零相電圧算出部９３は、時間Ｔ経過後再び直流電圧測定手段６による測定データをサンプリングし、零相電圧成分Ｖ_０を更新する動作を繰り返す。

次に、零相電圧成分Ｖ_０の演算方法について説明する。例えば、時刻０でサンプリングされたコンデンサ５ａ１、５ｂ１、５ｃ１の充電エネルギＥＣａ（０）、ＥＣｂ（０）、ＥＣｃ（０）が、次式であったとする。

但し、ΔＥａ＋ΔＥｂ＋ΔＥｃ＝０

このとき出力電圧の零相電圧成分Ｖ_０は次式のように演算される。

ただし、零相電圧成分Ｖ_０を求める式中のＰａ、Ｐｂ、Ｐｃは、第３のゲインをＫ_３（０＜Ｋ≦１）として、次の通りである。なお、第３のゲインＫ_３がとりうる値の制約は、前記第１実施形態の第１のゲインＫ_１がとりうる値の制約と同様である。

インバータ回路制御部９４は、受信した正相電圧算出データおよび零相電圧算出データに基づき、次式の電圧Ｖｉａ＋Ｖ_０、Ｖｉｂ＋Ｖ_０、Ｖｉｃ＋Ｖ_０を出力するよう、単相インバータ回路５ａ、５ｂ、５ｃを制御する。

このとき、単相インバータ回路５ａ、５ｂ、５ｃの出力電力は、すなわち各相の直流電源５ａ１、５ｂ１、５ｃ１から出力される電力Ｐｄｃａ、Ｐｄｃｂ、Ｐｄｃｃは、それぞれ次式の通りとなる。

この結果、時間Ｔ経過後におけるコンデンサ５ａ１、５ｂ１、５ｃ１の充電エネルギＥＣａ（Ｔ）、ＥＣｂ（Ｔ）、ＥＣｃ（Ｔ）が次式の通りとなり、充電エネルギの誤差が是正される。

時間Ｔの間隔で同様の動作が繰り返されるため、時間ｎＴ（ｎ：自然数）経過後におけるコンデンサ５ａ１、５ｂ１、５ｃ１の充電エネルギＥＣａ（ｎＴ）、ＥＣｂ（ｎＴ）、ＥＣｃ（ｎＴ）が次式通りとなり、充電エネルギの誤差は、自然数ｎが大きくなるにつれ、ゼロに近づく。

このように構成した自励式無効電力補償システムＳＳによれば、直流電圧ＶＣａ、ＶＣｂ、ＶＣｃに誤差が生じた場合にも、その誤差を補正するように単相インバータ回路５ａ、５ｂ、５ｃを制御し、コンデンサ電圧を等しく保つことができる。

なお、本発明は前記実施形態に限られるものではない。

例えば、前記第１実施形態および前記第２実施形態の電力供給装置１では、各相１つの単相インバータ回路から構成しているが、図１４に示すように複数個の単相インバータ回路を直列接続して単相電源回路を構成するようにしても良い。

その上、半導体スイッチ素子にはＩＧＢＴを用いたがこれに限られることなく、例えばゲートターンオフサイリスタのような他の自己消弧形半導体スイッチ素子であっても差支えない。

この他、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能であることは言うまでもない。

本発明の第１実施形態に係る電力供給装置の概略構成図。同実施形態における制御装置の機器構成図。同実施形態における制御装置の機能構成図。同実施形態における実施例を示す概略構成図。同実施例における零相電圧成分を算出するためのブロック線図。同実施例における出力電力の変化を示す図。本発明の第３実施形態に係る電力供給装置の概略構成図。同実施形態における零相電圧成分を算出するためのブロック線図。同実施形態における出力電力の変化を示す図。本発明の第３実施形態に係る直列型瞬低補償装置の概略構成図。同実施形態における零相電圧成分を算出するためのブロック線図。同実施形態における出力電力の変化を示す図。本発明の第４実施形態に係る自励式無効電力補償装置の概略構成図。その他の変形実施形態に係る電力供給装置の概略構成図。

符号の説明

１・・・電力供給装置
２・・・交流電源
３・・・３相負荷
３０１・・・３相平衡負荷
３０２・・・単相負荷
５ａ、５ｂ、５ｃ・・・単相インバータ回路
５ａ１、５ｂ２、５ｃ３・・・直流電源
５ａ２、５ｂ２、５ｃ２・・・スイッチング回路

Claims

直流電源と当該直流電源の直流電圧を単相交流電圧に変換するスイッチング回路とからなる単相インバータ回路を、１乃至複数個直列に接続して構成した単相電源回路を３組用いることにより、３相交流電圧を３相負荷に供給する電力供給装置であって、
前記３組の単相電源回路から出力される３相交流電圧の零相電圧成分Ｖ_０を調節することにより、前記単相電源回路毎の直流電源からの出力エネルギの割合を制御する制御装置を備えている電力供給装置。
前記零相電圧成分Ｖ_０として、以下の電圧を用いることを特徴とする請求項１記載の電力供給装置。
但し、Ｐａ＋Ｐｂ＋Ｐｃ＝０
ここで、Ｔ：前記３相負荷が接続されて前記３相負荷に３相交流電圧を供給する３相交流系統の基本波周波数の１周期、Ｐｊ（ｊ＝ａ，ｂ，ｃ）：ｊ相の前記直流電源から出力される電力の補正ゲイン、Ｉｊ（ｊ＝ａ，ｂ，ｃ）：前記電力供給装置からｊ相への出力電流、ｔ：時刻である。
前記単相電源回路をＹ結線して、３相交流電圧を発生する回路を構成することを特徴とする請求項２記載の電力供給装置。
前記単相電源回路を、３相交流電源と３相負荷との間に直列に接続して、その出力電圧により、前記３相負荷に供給される電圧を制御することを特徴とする請求項２記載の電力供給装置。
前記制御装置が、前記３相負荷のａ相、ｂ相、ｃ相の消費電力Ｐａ’、Ｐｂ’、Ｐｃ’と、第１のゲインＫ_１とを用いて、前記零相電圧成分Ｖ_０の式中のＰａ、Ｐｂ、Ｐｃを、以下の値とし、前記単相電源回路ごとの直流電源から出力される電力を等しくするように調整することを特徴とする請求項２記載の電力供給装置。
前記制御装置が、前記ａ相、ｂ相、ｃ相の直流電源の電源容量Ｐａ’’、Ｐｂ’’、Ｐｃ’’と、第２のゲインＫ_２とを用いて、前記零相電圧成分Ｖ_０の式中のＰａ、Ｐｂ、Ｐｃを、以下の値とし、前記単相電源回路ごとの直流電源から出力される電力をそれぞれの電源容量に等しくするように調整することを特徴とする請求項２記載の電力供給装置。
前記制御装置が、前記３組の単相電源回路の直流電源に蓄積されたエネルギＥａ、Ｅｂ、Ｅｃと、第３のゲインＫ_３とを用いて、前記零相電圧成分Ｖ_０の式中のＰａ、Ｐｂ、Ｐｃを、以下の値とし、前記単相電源ごとの直流電源の蓄積エネルギを等しくするように調節することを特徴とする請求項２記載の電力供給装置。
前記第１のゲインＫ_１として、次のＫ’に等しい値を用いることを特徴とする請求項５記載の電力供給装置。
又は
又は
前記第２のゲインＫ _２として、次のＫ’に等しい値を用いることを特徴とする請求項６記載の電力供給装置。
又は
又は
前記制御装置が、前記ａ相、ｂ相、ｃ相の直流電源の電圧ＶＣａ、ＶＣｂ、ＶＣｃを監視し、前記零相電圧成分Ｖ_０が次を満足するよう制限を加える請求項５記載の電力供給装置。ただし、Ｖａ（ｔ）、Ｖｂ（ｔ）、Ｖｃ（ｔ）は電力供給装置の出力電圧の内、Ｖａ（ｔ）＋Ｖｂ（ｔ）＋Ｖｃ（ｔ）＝０を満足する成分で、ｔは時刻である。