JP5358990B2

JP5358990B2 - 電力変換装置

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Publication number: JP5358990B2
Application number: JP2008072825A
Authority: JP
Inventors: 近藤　　猛; 勝利宮崎
Original assignee: Meidensha Corp
Current assignee: Meidensha Corp
Priority date: 2008-03-21
Filing date: 2008-03-21
Publication date: 2013-12-04
Anticipated expiration: 2028-03-21
Also published as: GB2471430B; JP2009232526A; US20110001464A1; CN101978570A; US8482245B2; GB2471430A; GB201017826D0; CN101978570B; WO2009116641A1

Description

本発明は、電力変換装置に係り、特に昇降圧チョッパと蓄電デバイスを有する直流電力アシスト装置に関するものである。

電力変換装置は、交流の電力系統と負荷間に接続されて負荷電力をアシストする装置として使用されている。この電力変換装置は、昇降圧チョッパと電気二重層キャパシタ等の蓄電デバイスよりなる直流電力アシスト装置と、インバータ装置との組合せで構成される。ここでいうアシストとは、電力のピークカット、負荷平準、電力貯蔵、及び瞬時電圧低下の補償を含むもので、特許文献１などが公知となっている。

特許文献１は、インバータ装置の直流回路に、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータを介して接続された瞬発力型電力バッファと、この瞬発力型電力バッファと並列に第２の双方向ＤＣ／ＤＣコンバータを介して接続された持続力型電力バッファ
を設けて構成される。そして、瞬発力型電力バッファを負荷の急激な変化に対応させることで、持続力型電力バッファの急激な充放電を避けて寿命を延ばすことが記載されている。
特開２００７−６０７９６

上記した特許文献１は、図５で示すように、電力貯蔵量を充電容量の５０％程度に保ちながら或る時間帯を監視し、充電するか放電するかの何れかの動作を行うことにより、負荷平準化と無停電電源装置の機能を持たせたものである。しかし、この方式では、電力アシストとしてのピークカット量の制御ができず、また、用途に応じた負荷固有の充放電個別制御が不可能となっている。特に、電力変換装置を商用の電力系統と併用して負荷に電力を供給するシステムでは、充電も放電もしない幅を持った制御を行った場合、システム全体のエネルギー利用を有効にできる場合があり、このような場合、直流電力アシスト装置に使用されている蓄電デバイスなどの寿命延命が期待できる。

本発明が目的とするとこは、電力アシストを効率的に実施できる電力変換装置を提供することにある。

交流電力系統に負荷制御用のインバータを接続し、このインバータの直流回路に、チョッパ、蓄電デバイスを有する直流電力アシスト装置を接続して電力アシストを行うものにおいて、
前記蓄電デバイスに対する充放電制御用の設定部と、この設定部により設定された充電目標値に基づいて充電制御を実行する充電制御部と、設定部により設定された放電目標値に基づいて放電制御を実行する放電制御部と、前記インバータの直流検出電圧に対応した電力を推定し、その推定値を直流検出電圧で除した値を放電制御部に出力する瞬低高速補償部とを備え、
前記設定部は、充電開始電圧、充電停止電圧、無制御電圧範囲、放電停止電圧、及び放電開始電圧の各設定値を有し、且つ各設定値は前記インバータの直流検出電圧の検出値に応じて選択され、充電目標値、放電目標値として充電制御部と放電制御部にそれぞれ出力するよう構成し、
前記蓄電デバイスの設定された端子電圧放電閾値と、検出された蓄電デバイスの端子電圧との偏差信号に応じたゲイン補償信号を演算する負荷補償ゲイン部を設けると共に、前記インバータの制御部が有する電流制御部の出力側に駆動トルクリミッタ部を設け、この駆動トルクリミッタ部のリミッタ値を前記負荷補償ゲイン部が出力するゲイン補償信号で可変するよう構成したことを特徴としたものである。

以上のとおり、本発明によれば、充電、放電制御が個別に設定できて設備に合わせた直流電圧の設定ができる。これにより、モータ等の最大電圧を確保するために必要とする最低限度の直流電圧を維持し、インバータやチョッパを構成するスイッチング素子のスイッチングロス低減が可能となる。また、設定に無制御範囲を設けたことにより、不要な電力アシストをしなくてもよく、システム全体を効率的に運用でき、アシスト装置の寿命延長が図れるものである。

図３は、本発明が適用される電力変換装置の構成図を示したものである。１はインバータで、順変換部２、ＤＣ／ＡＣの双方向電力を変換する双方向電力変換
部３及び平滑用のコンデンサ４などによって構成される。５は商用、若しくは自家発電所による交流の電力系統、６は負荷で、モータＭと、このモータＭに連結された発電機Ｇの例である。８は直流電力アシスト装置で、インバータ１の直流回路の正負極間に接続される。直流電力アシスト装置８は、双方向のＤＣ／ＤＣコンバータＣon、電流検出部Ｄi、リアクトルＬよりなるチョッパ部ＣＨ、及び蓄電デバイスＣより構成されている。蓄電デバイスＣは、ここでは電気二重層コンデンサが使用されている。

図１は、本発明による直流電力アシスト装置の制御回路を示したもので、図３の電力アシスト装置８の制御に適用される。
９は設定部で、検出されたインバータ１の直流電圧Ｖ_DCの検出値に応じて、充電開始電圧、充電目標電圧、充電停止電圧、無制御電圧範囲、放電停止電圧、放電目標電圧、及び放電開始電圧の各設定値を選択し出力する。充電制御、放電制御、無制御については、シーケンス制御にてコンパレータによる状態遷移し、互いにインターロックにて同時制御はしない。設定部９で斜線を付した部分が、充電制御保持期間と放電制御保持期間で、各期間中でそれぞれ充電目標値Ｖ_DCH ^*と放電目標値Ｖ_DCL ^*とが設定されて指令値として出力される。

１０は充電制御部で、この充電制御部１０は、設定部９より出力された設定値Ｖ_DCH ^*と直流電圧Ｖ_DCの検出値との差を演算する減算部１１、差信号に応じた充電指令ｉ_chg ^*を生成する電圧制御部１２、充電指令ｉ_chg ^*と電流検出部Ｄiにより検出された電気二重層コンデンサＣのキャパシタ電流ｉ_cとの差を演算する減算部１３、この減算部１３によって算出された差信号に応じて電流制御を行う電流制御部１４、及び電流制御部１４の出力に基づきＰＷＭ制御を実行するＰＷＭ制御部１５より構成されている。

２０は放電制御部で、この放電制御部２０は、設定部９より出力された設定値Ｖ_DCL ^*と直流電圧Ｖ_DCの検出値との差を演算する減算部２１、算出された差信号に応じた放電指令ｉ_dchg ^*を生成する電圧制御部２２、この電圧制御部２２により生成された放電指令ｉ_dchg ^*と電流検出部Ｄiにより検出された電気二重層コンデンサＣのキャパシタ電流ｉ_cとの差を演算する減算部２３、この減算部２３によって算出された差信号に応じて電流制御を行う電流制御部２４、及び電流制御部２４の出力に基づきＰＷＭ制御を実行するＰＷＭ制御部２５より構成されている。３０は電力系統の瞬時電圧低下を補償する瞬低高速補償部で、直流電圧Ｖ_DCを入力して電力を推定する電力推定部３１と除算部３２を有し、直流電圧から推定された電力推定値と直流電圧Ｖ_DCとの除算との除算結果は、電圧制御部２２に出力される。

以上のように構成された電力アシスト装置８の制御回路において、負荷６が回生状態となり、インバータ１の直流電圧Ｖ_DCが上昇して充電開始電圧以上となったときには、充電制御をラッチして充電停止電圧以下となるまで充電制御を実行する。その充電制御は充電制御保持期間に亘って行われ、直流電圧Ｖ_DCが充電目標値Ｖ_DCH ^*となるよう制御することで回生負荷が増加した場合でも直流電圧Ｖ_DCが充電目標値Ｖ_DCH ^*を超過しないよう制御される。

すなわち、設定された充電目標値Ｖ_DCH ^*と検出された直流電圧Ｖ_DCとの差を減算部１１で演算し、差信号は電圧制御部１２に入力される。電圧制御部１２はリミッタ機能を有する制御器で、制限値に達するまでは差信号に応じた充電指令ｉ_chg ^*を出力する。減算部１３では充電指令ｉ_chg ^*とキャパシタ電流ｉ_cとの差を演算し、差信号を電流制御部１４に入力して充電制御のための電流制御信号を演算し、ＰＷＭ制御部１５に出力する。ＰＷＭ制御部１５では、入力された信号に基づきＰＷＭ制御を実行して信号Ｇ_chg ^*を生成し、チョッパ部ＣＨのスイッチング素子Ｇｃへのゲート信号となり、充電のためのオンオフ信号になる。
負荷６の回生状態がなくなって直流電圧Ｖ_DCが低下し、充電停止電圧以下になると充電制御は停止される。

次に、負荷６が力行状態となり、直流電圧Ｖ_DCが低下して放電開始電圧以下になると放電制御をラッチし、放電停止電圧以上となるまで直流電圧Ｖ_DCが放電目標値となるように放電制御する。放電制御は放電制御部２０により実行される。
まず、設定された放電目標値Ｖ_DCL ^*と検出された直流電圧Ｖ_DCとの差を減算部２１で演算し、差信号は電圧制御部２２に入力される。電圧制御部２２はリミッタ機能を有する制御器で、制限値に達するまでは差信号に応じた放電指令ｉ_dchg ^*を出力する。減算部１３では放電指令ｉ_dchg ^*とキャパシタ電流ｉ_cとの差を演算し、差信号を電流制御部２４に入力して充電制御のための電流制御信号を演算し、ＰＷＭ制御部２５に出力する。ＰＷＭ制御部２５では、入力された信号に基づきＰＷＭ制御を実行して信号Ｇ_dchg ^*を生成し、チョッパ部ＣＨのスイッチング素子Ｇｄへのゲート信号となり、放電停止電圧となるまで放電のためのオンオフ制御が実行される。

一方、負荷の力行状態によって瞬時電圧低下が発生した場合も前述した放電制御と同様な制御が行われるが、瞬時電圧低下現象を高速に実行するために瞬低高速補償部３０が設けられている。瞬低高速補償部３０は、放電エネルギーより放電に必要な電力を推定して放電電流指令を出力するものである。そのため、電力推定部３１は、予めインバータの直流回路に接続されるコンデンサ容量Ｃ_Iを記憶すると共に、Δｔの時間間隔で直流電圧Ｖ_DCをサンプリングする。この直流電圧Ｖ_DCのサンプリング値を、前回の値をＶ₁、今回の値をＶ₂として次のような演算を実行する。
ΔＷ＝１／２（Ｃ_I）（Ｖ₁ ²−Ｖ₂ ²）［Ｊ］
ΔＰ＝ΔＷ／Δｔ［Ｗ］
求まった電力の変化分ΔＰは、除算部３２に入力されて次の演算を実行して放電電流指令ｉ_dchgi ^*を求める。
ｉ_dchgi ^*＝ΔＰ／Ｖ_DC
放電電流指令ｉ_dchgi ^*は、電圧制御部２２、電流制御部２４を介してＰＷＭ制御部２５に入力され、瞬時電圧低下に対応した補償制御が実行される。
なお、直流電圧Ｖ_DCが充電・放電領域の無制御範囲内にある場合、充電・放電の各ゲート指令を遮断して、例えば商用電力系統のみの運転を継続する。

図２は電力貯蔵量を加味したトルクアシストの制御回路を示したものである。
図３で示す負荷６は、インバータ1によりモータＭを介して発電機Ｍの速度を制御する例で、発電機Ｇを機械動力としている。図２は、この機械動力のトルクアシストを行うための制御回路である。８１は放電閾値設定部で、電気二重層コンデンサＣの端子電圧放電閾値Ｖe_dchg ^*が設定される。８２は電気二重層コンデンサＣの端子電圧検出部で、検出電圧Ｖeは減算部８３で端子電圧放電閾値Ｖe_dchg ^*から減算され、その差信号はリミッタ機能を有する負荷補償ゲイン部８４に入力されてゲイン補償信号が得られる。これら８１〜８４は、直流電力アシスト８の制御部内に設けられる。

４０は、トルクアシストを行うためのインバータ制御部の一部を示したもので、４１はｑ軸の電流指令設定部、４２はｑ軸電流検出部で、設定値Ｉｑ^*と検出された電流値Ｉｑは減算部４３において両者の差分が算出され、この差信号に応じたｑ軸の電流指令が電流制御部４４において算出される。４５は駆動トルクリミッタ部で、そのリミッタ値は負荷補償ゲイン部８４からのゲイン補償信号により可変される。４６はＰＷＭ制御部で、入力された信号に応じてＰＷＭ信号を生成し、インバータを構成するスイッチング素子のゲート信号を出力する。

図４は図２で示す制御回路によりトルクアシストする状態を示したもので、縦軸は電気二重層コンデンサの端子電圧（電力貯蔵量）、横軸は時間である。電気二重層コンデンサの端子電圧放電閾値Ｖe_dchg ^*は、電力貯蔵量のある値に設定されている。線ａ、ｂはトルクアシスト制御を実行したときの電気二重層コンデンサの端子電圧とトルク、線ｃ、ｄはトルクアシスト制御なしの場合の端子電圧とトルクで、トルクアシスト制御なしの場合には時刻ｔ１で放電限界となっている。図４で明らかなように、図２で示した制御回路によれば、電力貯蔵量が十分である場合、駆動トルクリミッタ部４５は開放方向にあり、負荷である発電機Ｇの機械動力に対して大きなトルクをアシストする。
また、検出電圧Ｖeが電圧放電閾値Ｖe_dchg ^*に近づくにしたがって次第に駆動トルクリミッタ部４５のリミッタを絞ってアシストする量を低減する制御を実行する。

以上のように、本発明によれば、充電、放電制御が個別に設定できて設備に合わせた直流電圧の設定ができる。これにより、モータ等の最大電圧を確保するために必要とする最低限度の直流電圧を維持し、インバータやチョッパを構成するスイッチング素子のスイッチングロス低減が可能となる。また、設定に無制御範囲を設けたことにより、不要な電力アシストをしなくてもよく、システム全体を効率的に運用でき、アシスト装置の寿命延長が図れるものである。

本発明の実施形態を示す直流電力アシスト装置の制御回路図。本発明のトルクアシストの制御回路図。電力変換装置の概略構成図。トルクアシストの状態図。負荷平準化の制御説明図。

符号の説明

１… インバータ
６… 負荷
８… 直流電力アシスト装置
９… 設定部
１０… 充電制御部
２０… 放電制御部
１２、２２… 電圧制御部
１４、２４、４４… 電流制御部
１５，２５、４６… ＰＷＭ制御部
４０… インバータ制御部
４５… 駆動トルクリミッタ部
８４… 負荷補償ゲイン部

Claims

交流電力系統に負荷制御用のインバータを接続し、このインバータの直流回路に、チョッパ、蓄電デバイスを有する直流電力アシスト装置を接続して電力アシストを行うものにおいて、
前記蓄電デバイスに対する充放電制御用の設定部と、この設定部により設定された充電目標値に基づいて充電制御を実行する充電制御部と、設定部により設定された放電目標値に基づいて放電制御を実行する放電制御部と、前記インバータの直流検出電圧に対応した電力を推定し、その推定値を直流検出電圧で除した値を放電制御部に出力する瞬低高速補償部とを備え、
前記設定部は、充電開始電圧、充電停止電圧、無制御電圧範囲、放電停止電圧、及び放電開始電圧の各設定値を有し、且つ各設定値は前記インバータの直流検出電圧の検出値に応じて選択され、充電目標値、放電目標値として充電制御部と放電制御部にそれぞれ出力するよう構成し、
前記蓄電デバイスの設定された端子電圧放電閾値と、検出された蓄電デバイスの端子電圧との偏差信号に応じたゲイン補償信号を演算する負荷補償ゲイン部を設けると共に、前記インバータの制御部が有する電流制御部の出力側に駆動トルクリミッタ部を設け、この駆動トルクリミッタ部のリミッタ値を前記負荷補償ゲイン部が出力するゲイン補償信号で可変するよう構成したことを特徴とした電力変換装置。