JP5530009B1 - 電源装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】端子P1において入出力される交流電流Iacと端子P2の電圧Vdc(直流バス7の電圧)とが所定の関数によって規定された関係を持つように電力変換部11が制御され、この所定の関数が制御信号Scに応じて変更される。そのため、複数の電源装置10を並列接続して運転する場合において、個々の電源装置10の出力特性を独立に設定することができる。
【選択図】図1
Description
好適に、前記制御部は、入力される制御信号に応じて、前記所定の関数における定数を変更するか、又は、入力される制御信号に応じて、複数の所定の関数から一の前記所定の関数を選択するか、又は、入力される制御信号に含まれる関数の定義を示す情報に応じて、前記所定の関数を別の関数に変更する。
図1は、本発明の第1の実施形態に係る電源装置を用いて構成された電源システムの一例を示す図である。
図1に示す電源システムは、交流系統ライン1、太陽発電装置2、蓄電池3及び負荷4の間で直流バス7を介して相互に電力を伝えるシステムであり、交流系統ライン1に並列接続された複数の電源装置10と、太陽発電装置2に接続された電源装置20と、蓄電池3に接続された電源装置30と、負荷4に接続された電源装置40を有する。電源装置10は、本発明の第1の実施形態に係る電源装置である。
図2に示す電源装置10は、電力変換部11と、制御部12と、交流電圧検出部13と、交流電流検出部14と、直流電圧検出部15とを有する。
電力変換部11は、本発明における電力変換部の一例である。
直流電圧検出部15は、本発明における電圧検出部の一例である。
制御部12は、本発明における制御部の一例である。
Hブリッジ回路110は、4つの半導体スイッチ素子(図2の例ではn型MOSFET)を有しており、駆動回路115から各半導体スイッチ素子に供給される駆動信号に応じて、端子P1につながる2本の交流ラインをそれぞれ直流バス7の高電位側ライン又は低電位側ラインの一方に接続する。
駆動回路115は、制御回路12から供給される制御信号に応じて、Hブリッジ回路110の各半導体スイッチ素子をオン又はオフさせる駆動信号を出力する。
インダクタL1とキャパシタC2は、Hブリッジ回路110において発生する矩形波電圧を平滑化するためのフィルタを構成するものであり、Hブリッジ回路110と端子P1とを接続する交流ライン上に設けられている。
キャパシタC1は、Hブリッジ回路110に流れる電流によって生じる直流バス7の電圧の振動を抑制するためのものであり、Hブリッジ回路110と直流バス7との接続部に設けられている。
制御部12は、例えば、プログラムに基づいて処理を実行するマイクロプロセッサ(DSPなど)を含む。制御部12は、交流電圧検出部13,交流電流検出部14,直流電圧検出部15から出力される検出信号をデジタル信号に変換(アナログ−デジタル変換)して入力し、これらの検出信号に応じた制御信号を生成して電力変換部11の駆動回路115に供給する。
具体的には、制御部12は、直流電圧検出部15において検出された直流バス7の電圧Vdcが基準電圧V0より低い場合には端子P1から端子P2へ電力が伝わり(力行モード)、直流電圧検出部15において検出された電圧Vdcが基準電圧V0より高い場合には端子P2から端子P1へ電力が伝わる(回生モード)ように、電力変換部11の制御信号を生成する。また、制御部12は、直流電圧検出部15において検出された電圧Vdcと基準電圧V0との電圧差が大きくなるにつれて、端子P1と端子P2との間を伝わる電力が所定の関数に従って連続的に大きくなり、この電圧差が小さくなるにつれて、端子P1と端子P2との間を伝わる電力が所定の関数に従って連続的に小さくなるように、電力変換部11の制御信号を生成する。
電圧Vdcが基準電圧V0より低くなると、基準電圧V0からの低下分の電圧に比例して正の電流Iacが増大し、交流系統ライン1から電源装置10へ入力される電力が増大する。この場合、電源装置10から直流バス7へ電流が流れるため、直流バスの電圧Vdcは上昇する方向に変化する。
他方、電圧Vdcが基準電圧V0より高くなると、基準電圧V0からの超過分の電圧に比例して負の電流Iacが増大し、電源装置10から交流系統ライン1へ出力される電力が増大する。この場合は、直流バス7から電源装置10へ電流が流れるため、直流バスの電圧Vdcは低下する方向に変化する。
例えば制御部12は、関数に含まれる定数(多項式などで表される関数に含まれる係数や定数項など)を、制御信号Scに応じて変更する。電圧Vdcと電流Iacが比例関係にある場合には、例えば図3における点線のグラフで表すように、比例係数(グラフの傾き)を制御信号Scに応じて変更することができる。
このように、本実施形態では、電流Iacと電圧Vdcとの関係を規定する関数を電源装置1ごとに変更できる。そのため、複数の電源装置10を並列に接続して運転する場合でも、個々の電源装置1の出力特性を独立に設定することができる。
目標電流設定信号生成部1201は、直流電圧検出部15において検出される電圧Vdcが目標電圧設定部122において設定される目標電圧へ近づくように、目標電流設定信号Isetを生成する。
PI制御部1204は、誤差算出部1203において算出される電圧Vdcの検出値と目標電圧設定信号Vsetとの差にPI演算(比例・積分演算)を行い、電流Iacの振幅の目標値を示す目標電流設定信号Isetを生成する。すなわち、PI制御部1204は、誤差算出部1203の出力に所定の積分ゲインを乗じて積分することにより算出した積分要素と、誤差算出部1203の出力に所定の比例ゲインを乗じて算出した比例要素とを加算し、その加算結果を目標電流設定信号Isetとして出力する。
乗算部1206は、基準交流信号発生部1205において発生した基準交流信号に目標電流設定信号Isetを乗算し、その乗算結果を電流Iacの目標瞬時値として出力する。
PI制御部1208は、誤差算出部1207において算出された交流電流Iacの瞬時値と目標瞬時値との差にPI演算を行う。すなわち、PI制御部1208は、誤差算出部1207の出力に所定の積分ゲインを乗じて積分することにより算出した積分要素と、誤差算出部1207の出力に所定の比例ゲインを乗じて算出した比例要素とを加算する。
パルス信号生成部1210は、PI制御部1208におけるPI演算結果の信号とキャリア信号発生部1209が発生するキャリア信号とに基づいて、電力変換部11に含まれる各半導体スイッチ素子のオンとオフの期間を制御するパルス信号を生成する。
以上が、電圧制御部120の説明である。
電流Iacが負の極性(電力変換部11から交流系統ライン1へ電力を出力する極性)を持つ場合、目標電圧設定部122は、電流Iacの実効値が大きくなるにつれて電圧Vdcが連続的に高くなり、電流Iacの実効値が小さくなるにつれて電圧Vdcが連続的に低くなるように、電圧Vdcの目標電圧を設定する。
電流Iacがゼロの場合、目標電圧設定部122は、基準電圧V0を電圧Vdcの目標電圧として設定する。
これにより、電力変換部11は、電圧Vdcが基準電圧V0より低い場合に力行モードで動作し、電圧Vdcが基準電圧より高い場合に回生モードで動作し、電圧Vdcが基準電圧V0に一致する場合は電流Iacがゼロとなる。従って、共通の直流バス7に並列接続された複数の電源装置10は、全て同一のモード(力行モードまたは回生モード)で動作する。
あるいは、目標電圧設定部122は、目標電流設定信号Isetと目標電圧設定信号Vsetとの対応関係を規定するデータテーブルを備えていてもよい。この場合、目標電圧設定部122は、入力される目標電流設定信号Isetに対応した目標電圧設定信号Vsetをデータテーブルから読み出してもよい。
電源装置20は、太陽発電装置2において発生した電力を入力し、例えば電流源として直流バス7に電流を出力する。
電源装置40は、直流バス7から直流電力を入力し、電圧Vdcを降圧若しくは昇圧させた電圧を負荷4に供給する。
図4は、複数の電源装置10が並列に接続された場合に各電源装置10において入出力される電流を説明するための図である。図4の例では、端子P1において入出力される交流電流Iacと端子P2の電圧Vdcとが各電源装置10において何れも比例関係にあり、その比例係数(グラフの傾き)が電源装置10ごとに異なる値に設定されている。図4において示すように、電源装置10における交流電流Iacと電圧Vdcの関数を個別に設定できることから、複数の電源装置10を並列接続した場合において、特定の電圧(Va)における各電源装置10の交流電流Iacの大きさ(I1,I2)を任意に設定できる。
もし、端子P2の電圧Vdcが一定の電圧となるように各電力変換部11が制御されたとすると(端子P2において一般的な定電圧制御が行われたとすると)、そのような複数の電力変換部11を並列に接続すれば、わずかな目標電圧のばらつきによって、一部の電力変換部11に負荷が集中してしまう。このような現象は、複数の定電圧源の出力を並列接続した場合において一般的に生じる。これに対して、本実施形態に係る電源装置10では、端子P2の電圧Vdcの変化に応じて端子P1と端子P2との間を伝わる電力が上記のように連続的に変化するため、複数の電源装置10を並列に接続した場合でも、端子P2の目標電圧のばらつきによる負荷の集中を効果的に抑制できる。
次に、本発明の第2の実施形態について説明する。
図5は、第2の実施形態に係る電源装置10の構成の一例を示す図である。
制御部12Aは、端子P1において入出力される交流電流Iacと端子P2の電圧Vdc(直流バス7の電圧)とが所定の関数によって規定された関係を持つように、電力変換部11を制御する制御信号を生成するものであり、この点においては、先に説明した制御部12と同様である。制御部12Aと制御部12との相違点は、端子P1と端子P2との間を伝わる電力をゼロにする電圧Vdcの条件にある。すなわち、制御部12は、電圧Vdcが基準電圧V0と一致することを条件としているのに対し、制御部12Aは、電圧Vdcが2つの基準電圧(V1,V2)の間にあること条件とする。
他方、制御部12Aは、直流電圧検出部15において検出された直流バス7の電圧Vdcが基準電圧V1より低い場合、端子P1から端子P2へ電力が伝わり(力行モード)、直流電圧検出部15において検出された電圧Vdcが基準電圧V2より高い場合、端子P2から端子P1へ電力が伝わる(回生モード)ように、電力変換部11の制御信号を生成する。
また、制御部12Aは、直流電圧検出部15において検出された電圧Vdcと基準電圧V1又はV2との電圧差が大きくなるにつれて、端子P1と端子P2との間を伝わる電力が所定の関数に従って連続的に大きくなり、この電圧差が小さくなるにつれて、端子P1と端子P2との間を伝わる電力が所定の関数に従って連続的に小さくなるように、電力変換部11の制御信号を生成する。
目標電圧設定部122Aは、先に説明した目標電圧設定部122と同様に、電流Iacを示す信号に基づいて、当該信号が示す電流Iacとの間で所定の関数により規定された関係を満たすように、端子P2の電圧Vdcの目標値を設定する。ただし、電流Iacがゼロの場合における目標値の設定方法が、目標電圧設定部122と異なる。
電圧Vdcの検出値がこの範囲内にある場合、目標電圧設定部122Aは、電圧Vdcの検出値を電圧Vdcの目標値として設定する。これにより、電圧Vdcの検出値が基準電圧V1以上かつ基準電圧V2以下の範囲内にある限り、電流Iacがゼロの状態を維持するように電力変換部11が制御される。
電圧Vdcの検出値が基準電圧V1より低い場合、目標電圧設定部122Aは、電流Iacがゼロになる条件において電圧Vdcの検出値に最も近い基準電圧V1を、電圧Vdcの目標値として設定する。
また、電圧Vdcの検出値が基準電圧V2より高い場合、目標電圧設定部122Aは、電流Iacがゼロになる条件において電圧Vdcの検出値に最も近い基準電圧V2を、電圧Vdcの目標値として設定する。
そのため、複数の電源装置10を並列に接続して運転させる場合において、基準電圧V1,V2の大きさが個々の電源装置10において多少ばらついても、基準電圧V1〜V2の範囲がそのばらつき範囲に比べて大きくなるように設定することで、力行モードの電源装置10と回生モードの電源装置10が同時に存在することによる無駄な電力の循環を確実に防止できる。
また、電力変換部において変換する電力の形式は上記の例に限定されるものではなく、例えば直流電力と直流電力とを双方向若しくは一方向に変換する電力変換部(DC−DCコンバータ)を備えた電源装置にも本発明は適用可能である。具体的には、例えば図1における充電・放電用の電源装置30に本発明を適用し、複数台を並列に接続できるようにしてもよい。
第1端子において入力される電力を所定の形式の電力に変換して第2端子から出力する電力変換部と、
前記第2端子の電圧を検出する電圧検出部と、
前記第1端子若しくは前記第2端子において入力若しくは出力される電流若しく電力と、前記電圧検出部において検出される前記第2端子の電圧とが、所定の関数によって規定された関係を持つように前記電力変換部を制御する制御部と
を有する電源装置。
前記制御部は、
入力される制御信号に応じて、前記所定の関数における定数を変更する、
又は、
入力される制御信号に応じて、複数の所定の関数から一の前記所定の関数を選択する、
又は、
入力される制御信号に含まれる関数の定義を示す情報に応じて、前記所定の関数を別の関数に変更する、
付記1に記載の電源装置。
前記制御部は、前記電圧検出部において検出された電圧が高くなるにつれて、前記第1端子から前記第2端子へ伝わる電力が前記所定の関数に従って連続的に小さくなり、前記検出された電圧が低くなるにつれて、前記第1端子から前記第2端子へ伝わる電力が前記所定の関数に従って連続的に大きくなるように前記電力変換部を制御する、
付記1又は2に記載の電源装置。
前記電力変換部は、前記第1端子と前記第2端子との間で双方向に電力を伝えることが可能であり、
前記制御部は、前記電圧検出部において検出された電圧が所定の第1基準電圧より低い場合には、前記第1端子から前記第2端子へ電力が伝わり、前記第1基準電圧と等しいか若しくは前記第1基準電圧より高い第2基準電圧と比べて前記検出された電圧が高い場合には、前記第2端子から前記第1端子へ電力が伝わり、前記検出された電圧と前記第1基準電圧又は前記第2基準電圧との電圧差が大きくなるにつれて、前記第1端子と前記第2端子との間を伝わる電力が前記所定の関数に従って連続的に大きくなり、前記電圧差が小さくなるにつれて、前記第1端子と前記第2端子との間を伝わる電力が前記所定の関数に従って連続的に小さくなるように前記電力変換部を制御する、
付記3に記載の電源装置。
前記制御部は、前記検出された電圧が前記第1基準電圧以上かつ前記第2基準電圧以下の範囲にある場合、前記第1端子と前記第2端子との間を伝わる電力がゼロになるように前記電力変換部を制御する、
付記4に記載の電源装置。
前記制御部は、
前記第1端子若しくは前記第2端子において入力若しくは出力される電流若しくは電力を示す信号に基づいて、当該信号が示す電流若しくは電力との間で、前記所定の関数により規定された関係を満たすように前記第2端子の目標電圧を設定する目標電圧設定部と、
前記電圧検出部において検出される前記第2端子の電圧が、前記目標電圧設定部において設定される前記目標電圧へ近づくように、前記電力変換部を制御する電圧制御部と
を含む、
付記1乃至5の何れか一項に記載の電源装置。
前記電圧制御部は、
入力される目標電流設定信号に応じた電流が前記第1端子若しくは前記第2端子において入力若しくは出力されるように前記電力変換部を制御する制御信号を生成する制御信号生成部と、
前記電圧検出部において検出される前記第2端子の電圧が、前記目標電圧設定部において設定される前記目標電圧へ近づくように前記目標電流設定信号を生成する目標電流設定信号生成部と
を含み、
前記目標電圧設定部は、前記目標電流設定信号が示す電流との間で、前記所定の関数により規定された関係を満たす前記第2端子の電圧を、前記目標電圧として設定する、
付記6に記載の電源装置。
Claims (5)
- 複数台を並列に接続して運転可能な電源装置であって、
第1端子において入力される電力を所定の形式の電力に変換して第2端子から出力する電力変換部と、
前記第2端子の電圧を検出する電圧検出部と、
前記第1端子若しくは前記第2端子において入力若しくは出力される電流若しくは電力と、前記電圧検出部において検出される前記第2端子の電圧とが、所定の関数によって規定された関係を持つように前記電力変換部を制御する制御部と
を有し、
前記所定の関数は、前記電圧検出部において検出される電圧が高くなるにつれて、前記第1端子から前記第2端子へ伝わる電力が連続的に小さくなり、前記電圧検出部において検出される電圧が低くなるにつれて、前記第1端子から前記第2端子へ伝わる電力が連続的に大きくなるように、前記第1端子若しくは前記第2端子において入力若しくは出力される電流若しく電力と前記電圧検出部において検出される前記第2端子の電圧との関係を規定する関数であり、
前記電力変換部は、前記第1端子と前記第2端子との間で双方向に電力を伝えることが可能であり、
前記制御部は、前記電圧検出部において検出された電圧が所定の第1基準電圧より低い場合には、前記第1端子から前記第2端子へ電力が伝わり、前記第1基準電圧と等しいか若しくは前記第1基準電圧より高い第2基準電圧と比べて前記検出された電圧が高い場合には、前記第2端子から前記第1端子へ電力が伝わり、前記検出された電圧と前記第1基準電圧又は前記第2基準電圧との電圧差が大きくなるにつれて、前記第1端子と前記第2端子との間を伝わる電力が前記所定の関数に従って連続的に大きくなり、前記電圧差が小さくなるにつれて、前記第1端子と前記第2端子との間を伝わる電力が前記所定の関数に従って連続的に小さくなるように前記電力変換部を制御する、
電源装置。 - 前記制御部は、前記検出された電圧が前記第1基準電圧以上かつ前記第2基準電圧以下の範囲にある場合、前記第1端子と前記第2端子との間を伝わる電力がゼロになるように前記電力変換部を制御する、
請求項1に記載の電源装置。 - 前記制御部は、
入力される制御信号に応じて、前記所定の関数における定数を変更する、
又は、
入力される制御信号に応じて、複数の所定の関数から一の前記所定の関数を選択する、
又は、
入力される制御信号に含まれる関数の定義を示す情報に応じて、前記所定の関数を別の関数に変更する、
請求項1又は2に記載の電源装置。 - 前記制御部は、
前記第1端子若しくは前記第2端子において入力若しくは出力される電流若しくは電力を示す信号に基づいて、当該信号が示す電流若しくは電力との間で、前記所定の関数により規定された関係を満たすように前記第2端子の目標電圧を設定する目標電圧設定部と、
前記電圧検出部において検出される前記第2端子の電圧が、前記目標電圧設定部において設定される前記目標電圧へ近づくように、前記電力変換部を制御する電圧制御部と
を含む、
請求項1乃至3の何れか一項に記載の電源装置。 - 前記電圧制御部は、
入力される目標電流設定信号に応じた電流が前記第1端子若しくは前記第2端子において入力若しくは出力されるように前記電力変換部を制御する制御信号を生成する制御信号生成部と、
前記電圧検出部において検出される前記第2端子の電圧が、前記目標電圧設定部において設定される前記目標電圧へ近づくように前記目標電流設定信号を生成する目標電流設定信号生成部と
を含み、
前記目標電圧設定部は、前記目標電流設定信号が示す電流との間で、前記所定の関数により規定された関係を満たす前記第2端子の電圧を、前記目標電圧として設定する、
請求項4に記載の電源装置。
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