JP6077225B2

JP6077225B2 - 系統連系電力変換装置

Info

Publication number: JP6077225B2
Application number: JP2012118787A
Authority: JP
Inventors: 優岸和田; 伊藤　寛; 寛伊藤; 喜久夫泉
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2012-05-24
Filing date: 2012-05-24
Publication date: 2017-02-08
Anticipated expiration: 2032-05-24
Also published as: JP2013247737A

Description

本発明は、三相３線式の電力系統に連系する系統連系電力変換装置に関する。

太陽光発電用の電力変換装置では、通常、商用電力系統に連系し、電力を逆潮流させている。一方、太陽電池等の分散電源は、例えば、災害発生時に商用電力系統が停電した場合等の非常用電源として有望であり、例えば、単相系統に連系する分散電源用パワーコンディショナにおいて、分散電源を単相系統から切り離した自立運転時には、三相交流電力を出力する技術が開示されている（例えば、特許文献１）。

特開２００８−２８３７６４号公報

上記従来技術は、通常時には系統連系運転を行い単相３線式の単相系統に連系し、該単相系統の停電等の非常時には自立運転を行い三相３線式の三相交流電力を三相負荷に出力する技術である。このため、通常時に三相３線式の三相系統に連系する系統連系電力変換装置において、災害発生時における三相系統の停電等の非常時に単相負荷である一般的な家庭用電気機器等に単相電力を供給する用途は想定されておらず、また、自立運転時において接続される電気負荷の電源投入に伴う突入電流の発生を抑制する手段を有していない。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、三相３線式の電力系統に連系する系統連系電力変換装置において、電力系統が停電した場合等の緊急時に一般的な家庭用電気機器等に用いる単相３線式の交流出力を行う自立運転を可能とすると共に、自立運転時において接続される電気負荷の電源投入に伴う突入電流の発生を抑制することが可能な系統連系電力変換装置を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するため、本発明にかかる系統連系電力変換装置は、直流電力供給源から出力される直流電力を三相交流電力に変換し、一相を接地した三相３線式の電力系統に連系して前記三相交流電力を該電力系統に送出する系統連系電力変換装置であって、前記直流電力供給源からの直流電力を所定の直流母線電圧に変換するコンバータと、前記直流母線電圧を平滑する平滑コンデンサと、前記直流母線電圧を所定の交流電圧に変換して前記三相交流電力あるいは単相交流電力を出力するインバータと、前記三相交流電力あるいは前記単相交流電力の高調波を除去するフィルタ回路と、前記電力系統から解列する開閉器と、前記単相交流電力を電気負荷に供給するための端子台と、前記フィルタ回路と前記端子台との間を接続する各線路のうちの少なくとも中性線に設けられたリアクトルと、前記コンバータ、前記インバータ、および前記開閉器を制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記三相交流電力を前記電力系統に逆潮流する系統連系運転時には、ＶＵ相間電圧とＶＷ相間電圧との位相差が６０°になるように制御して、前記インバータの出力電力を三相３線式の前記三相交流電力とすると共に、前記開閉器を閉制御し、前記単相交流電力を前記電気負荷に供給する自立運転時には、ＶＵ相間電圧とＶＷ相間電圧との位相差が１８０°になるように制御して、前記インバータの出力電力を単相３線式の前記単相交流電力とすると共に、前記開閉器を開制御することを特徴とする。

本発明によれば、三相３線式の電力系統に連系する系統連系電力変換装置において、電力系統が停電した場合等の緊急時に一般的な家庭用電気機器等に用いる単相３線式の交流出力を行う自立運転を可能とすると共に、自立運転時において接続される電気負荷の電源投入時に伴う突入電流の発生を抑制することが可能となる、という効果を奏する。

図１は、実施の形態１にかかる系統連系電力変換装置の一構成例を示す図である。図２は、系統連系運転時におけるＶＵ相間およびＶＷ相間の電圧波形を示す図である。図３は、系統連系運転時における線間電圧波形を示す図である。図４は、自立運転時におけるＶＵ相間およびＶＷ相間の電圧波形を示す図である。図５は、自立運転時における線間電圧波形を示す図である。図６は、実施の形態２にかかる系統連系電力変換装置の一構成例を示す図である。

以下に添付図面を参照し、本発明の実施の形態にかかる系統連系電力変換装置について説明する。なお、以下に示す実施の形態により本発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１にかかる系統連系電力変換装置の一構成例を示す図である。実施の形態１にかかる系統連系電力変換装置３００は、通常時には、電力系統２００に電力を逆潮流し（以下、「系統連系運転」という）、電力系統２００の停電時等の緊急時には、電力系統２００から解列して電気負荷２１０に電力を供給する（以下、「自立運転」という）。図１に示す例では、系統連系運転時には、５０Ｈｚあるいは６０Ｈｚの商用電力系統である三相３線Ｖ相接地式の電力系統２００に三相交流電力を逆潮流し、自立運転時には、電気負荷２１０に単相３線式の交流電力を供給する構成例を示している。

図１に示すように、実施の形態１にかかる系統連系電力変換装置３００は、例えば、太陽電池のような直流電力供給源９０から出力される直流電圧を所定の直流母線電圧に変換するコンバータ１１０と、直流母線電圧を平滑する平滑コンデンサ１２０ａ，１２０ｂと、直流母線電圧を所定の交流電圧に変換して三相交流電力あるいは単相３線式の交流電力を出力するインバータ１３０と、三相交流電力あるいは単相交流電力の高調波を除去するリアクトル１４０ａ，１４０ｂおよびコンデンサ１５０ａ，１５０ｂからなるフィルタ回路１６０と、電力系統２００から解列する開閉器１９０と、単相交流電力を電気負荷２１０に供給するための端子台１８０と、フィルタ回路１６０と端子台１８０との間を接続する各線路に設けられた各リアクトル２２０と、コンバータ１１０、インバータ１３０、および開閉器１９０を制御する制御部１７０とを備えている。

つぎに、実施の形態１にかかる系統連系電力変換装置３００の動作について、図１〜図５を参照して説明する。図２は、系統連系運転時におけるＶＵ相間およびＶＷ相間の電圧波形を示す図である。また、図３は、系統連系運転時における線間電圧波形を示す図である。また、図４は、自立運転時におけるＶＵ相間およびＶＷ相間の電圧波形を示す図である。また、図５は、自立運転時における線間電圧波形を示す図である。

実施の形態１にかかる系統連系電力変換装置３００は、通常運転時には、上述したように、電力系統２００に対して電力を逆潮流する系統連系運転を行う。この系統連系運転時には、制御部１７０は、開閉器１９０を閉制御してインバータ１３０の出力を三相交流出力とする。このとき、制御部１７０は、図２に示すように、ＶＵ相間電圧とＶＷ相間電圧との位相差が６０°となるように制御する。これにより、各線間電圧波形は、図３に示すように、それぞれ１２０°ずつ位相がずれた波形となる。

また、実施の形態１にかかる系統連系電力変換装置３００は、電力系統２００の停電時等の緊急時には、電力系統２００から解列して電気負荷２１０に電力を供給する自立運転を行う。この自立運転時には、制御部１７０は、開閉器１９０を開制御してインバータ１３０の出力を単相３線式の交流出力とする。このとき、制御部１７０は、図４に示すように、ＶＵ相間電圧とＶＷ相間電圧との位相差が１８０°となるように制御する。これにより、線間電圧波形は、図５に示すように、単相電圧波形となる。なお、電力系統２００の停電等を検知する技術は公知技術であるので、ここでは説明を省略する。

また、実施の形態１にかかる系統連系電力変換装置３００では、制御部１７０は、インバータ１３０から供給される電力の周波数および電圧値を、系統連系運転時と自立運転時とで個別に、且つ、任意に設定可能としている。例えば、系統連系運転時には、例えば、５０Ｈｚあるいは６０Ｈｚの２００Ｖの三相３線式の三相交流電力を供給するように、周波数および電圧値を設定する。一方、例えば、自立運転時には、電気負荷２１０の規格に合わせて、周波数および電圧値を設定する。このように、インバータ１３０から供給される電力の周波数および電圧値を任意に設定可能とすることにより、電力系統２００が停電した場合等の緊急時において、使用可能な電気負荷２１０の制限が緩和され、より幅広い電気製品に対応可能となる。

さらに、実施の形態１にかかる系統連系電力変換装置３００では、制御部１７０は、コンバータ１１０からインバータ１３０に供給される直流母線電圧の目標電圧値を、系統連系運転時と自立運転時とで個別に、且つ、任意に設定可能としている。例えば、系統連系運転時には、電力系統２００に供給する三相３線式の三相交流電力の線間電圧値が２００Ｖである場合、コンバータ１１０の直流母線電圧の目標電圧値を、（２００×１．４１４×α）Ｖに設定する（但し、αは電力系統２００に供給する三相３線式の三相交流電力の線間電圧値の変動を考慮した係数）。一方、例えば、自立運転時には、電気負荷２１０に供給する単相３線式の単相交流電力の線間電圧値が２００Ｖである場合、コンバータ１１０の直流母線電圧の目標電圧値を、（１００×１．４１４×β）Ｖに設定する（但し、βは電気負荷２１０に供給する単相３線式の単相交流電力の線間電圧値の変動を考慮した係数）。このように、インバータ１３０から供給される電力の電圧値に応じて、任意にコンバータ１１０の直流母線電圧の目標電圧値を設定可能とすることにより、系統連系運転時および自立運転時におけるインバータ損失を低減することが可能である。

また、自立運転時に電気負荷２１０として接続される機器には、例えば家電製品や、電動機を有する機器などが考えられるが、これらの機器を電気負荷２１０として自立運転する場合、これらの機器の電源投入に伴い突入電流が発生することが考えられる。この突入電流が流れることにより、系統連系電力変換装置３００に備えられた過電流保護機能が動作し、頻繁に停止する可能性がある。本実施の形態では、フィルタ回路１６０と端子台１８０との間を接続する各線路に各リアクトル２２０を設け、電気負荷２１０の電源投入に伴う突入電流の発生を抑制するようにしている。これにより、頻繁に系統連系電力変換装置３００が停止することを防止することができる。

以上説明したように、実施の形態１の系統連系電力変換装置によれば、通常運転時には、電力系統に対して三相３線式の三相交流電力を逆潮流する系統連系運転を行い、停電時等の緊急時には、電力系統から解列して、各線路に設けられた各リアクトルを介して、単相３線式の単相交流電力を供給するようにしたので、電力系統が停電した場合等の緊急時に一般的な家庭用電気機器等に用いる単相３線式の交流出力を行う自立運転時が可能となると共に、自立運転時において接続される電気負荷の電源投入に伴う突入電流の発生を抑制することが可能となる。

また、インバータから供給される電力の周波数および電圧値を任意に設定可能とすることにより、電力系統が停電した場合等の緊急時において、使用可能な電気負荷の制限が緩和され、より幅広い電気製品に対応可能となる。

さらに、インバータから供給される電力の電圧値に応じて、任意にコンバータの直流母線電圧の目標電圧値を設定可能とすることにより、系統連系運転時および自立運転時におけるインバータ損失を低減することが可能となる。

実施の形態２．
実施の形態１では、フィルタ回路と端子台との間を接続する各線路に各リアクトルを設ける例について説明したが、本実施の形態では、フィルタ回路と端子台との間を接続する各線路のうちの中性線にリアクトルを設ける例について説明する。図６は、実施の形態２にかかる系統連系電力変換装置の一構成例を示す図である。なお、実施の形態１と同一または同等の構成部には同一符号を付して、その詳細な説明は省略する。

図６に示すように、実施の形態２にかかる系統連系電力変換装置３００ａでは、図１に示す実施の形態１にかかる系統連系電力変換装置３００とは異なり、フィルタ回路１６０と端子台１８０との間を接続する各線路のうちの中性線にリアクトル２２０ａを設け、電源仕様が単相２線１００Ｖの電気負荷２１０ａに電力を供給するように構成している。

図１に示す実施の形態１の系統連系電力変換装置３００では、フィルタ回路１６０と端子台１８０との間を接続する各線路に各リアクトル２２０を設け、自立運転時において系統連系電力変換装置３００に接続される電気負荷２１０の電源仕様として、単相３線２００Ｖおよび単相２線１００Ｖの双方に対応して、電気負荷２１０の電源投入に伴う突入電流の発生を抑制するように構成したが、例えば、図６に示すように、自立運転時において系統連系電力変換装置３００ａに接続される電気負荷２１０ａの電源仕様を単相２線１００Ｖに限定した場合には、フィルタ回路１６０と端子台１８０との間を接続する各線路のうちの中性線にリアクトル２２０ａを設けることにより、単相２線１００Ｖの電気負荷２１０ａの電源投入に伴う突入電流の発生を抑制することが可能である。

以上説明したように、実施の形態２の系統連系電力変換装置によれば、自立運転時において系統連系電力変換装置に接続される電気負荷の電源仕様を単相２線１００Ｖに限定し、フィルタ回路と端子台との間を接続する各線路のうちの中性線にリアクトルを設けることにより、単相２線１００Ｖの電気負荷の電源投入に伴う突入電流の発生を抑制することが可能となる。

なお、以上の実施の形態に示した構成は、本発明の構成の一例であり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、一部を省略する等、変更して構成することも可能であることは言うまでもない。

９０直流電力供給源
１１０コンバータ
１２０ａ，１２０ｂ平滑コンデンサ
１３０インバータ
１４０ａ，１４０ｂリアクトル（フィルタ回路用）
１５０ａ，１５０ｂコンデンサ
１６０フィルタ回路
１７０制御部
１８０端子台
１９０開閉器
２００電力系統
２１０，２１０ａ電気負荷
２２０，２２０ａリアクトル（自立運転用）
３００，３００ａ系統連系電力変換装置

Claims

直流電力供給源から出力される直流電力を三相交流電力に変換し、一相を接地した三相３線式の電力系統に連系して前記三相交流電力を該電力系統に送出する系統連系電力変換装置であって、
前記直流電力供給源からの直流電力を所定の直流母線電圧に変換するコンバータと、
前記直流母線電圧を平滑する平滑コンデンサと、
前記直流母線電圧を所定の交流電圧に変換して前記三相交流電力あるいは単相交流電力を出力するインバータと、
前記三相交流電力あるいは前記単相交流電力の高調波を除去するフィルタ回路と、
前記電力系統から解列する開閉器と、
前記単相交流電力を電気負荷に供給するための端子台と、
前記フィルタ回路と前記端子台との間を接続する各線路のうちの少なくとも中性線に設けられたリアクトルと、
前記コンバータ、前記インバータ、および前記開閉器を制御する制御部と、
を備え、
前記制御部は、前記三相交流電力を前記電力系統に逆潮流する系統連系運転時には、ＶＵ相間電圧とＶＷ相間電圧との位相差が６０°になるように制御して、前記インバータの出力電力を三相３線式の前記三相交流電力とすると共に、前記開閉器を閉制御し、前記単相交流電力を前記電気負荷に供給する自立運転時には、ＶＵ相間電圧とＶＷ相間電圧との位相差が１８０°になるように制御して、前記インバータの出力電力を単相３線式の前記単相交流電力とすると共に、前記開閉器を開制御する
ことを特徴とする系統連系電力変換装置。
前記制御部は、前記インバータから供給される電力の周波数を、前記系統連系運転時と前記自立運転時とで個別に、且つ、任意に設定可能であることを特徴とする請求項１に記載の系統連系電力変換装置。
前記制御部は、前記インバータから供給される電力の電圧値を、前記系統連系運転時と前記自立運転時とで個別に、且つ、任意に設定可能であることを特徴とする請求項１または２に記載の系統連系電力変換装置。
前記制御部は、前記コンバータから前記インバータに供給する前記直流母線電圧の電圧値を、前記系統連系運転時と前記自立運転時とで個別に、且つ、任意に設定可能であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の系統連系電力変換装置。