JP6276370B2 - ハイブリッド電源装置 - Google Patents

Description

本発明は、ハイブリッド電源装置に関し、特に、不平衡負荷補償機能を持つハイブリッド電源装置に関する。

単相の電源システムにおいて、通常２次巻線側の中央タップ構造を有する１個の単相変圧器を用いて単相３線式配電方式を実現してきたが、該配電方式は不平衡負荷状態において電圧不平衡、変圧器飽和及び過熱等の問題が起こりやすく、この問題を防止するため、負荷の不平衡程度を制限する必要があるが、電源容量の低下が起きてしまう。上記問題を克服するため、負荷の不平衡状態において、不平衡電流に対し補償を行うことで、原システムの電源容量を維持できるようにしなければならない。よって、一般的に単相３線式変流器を用いて補償し、且つ変圧器を省略することができる。これ以外に、過去の研究によると、単相３線式変流器回路は、主に３アーム制御を採用し、該制御アーキテクチャが主に単相３線システムをコモンモード（ｃｏｍｍｏｎ−ｍｏｄｅ）及びディファレンシャルモード（ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ−ｍｏｄｅ）システムとしてデカップリングして制御し、つまりシステムを一組の２２０Ｖシステム及び二組の１１０Ｖシステムに変え、また二組の１１０Ｖシステムの制御をデカップリングさせる。上記制御方法は、比較的複雑となり、且つ該変流器回路の中心アームがフィルタインダクタと直列に接続する必要があるため、システムの構築コスト及び体積の増加が起きていた。

本発明の目的は、単相３線式システムの不平衡負荷に対し不平衡電流の補償を行うことで、電源システムの安定度と信頼度を増進することである。

本発明の別の目的は、変流器の中性線がインダクタと直列に接続する必要がない単相３線式変流器回路を提供することで、コストを削減することである。

上記目的及び他の目的を達成するため、本発明はハイブリッド電源装置を提供し、直流電圧を提供するための電気エネルギー供給素子と、該電気エネルギー供給素子にカップリングし、該直流電圧を受け、該直流電圧に対して電圧レベル変換を行って安定した直流電圧を出力するＤＣ−ＤＣ変換モジュールと、該ＤＣ−ＤＣ変換モジュールと負荷の間にカップリングし、該安定した直流電圧を受けて該安定した直流電圧を交流電圧に変換することで、該負荷に電力供給する変流モジュールと、該変流モジュールにカップリングし、該変流モジュールを商用電源網と並列に接続し或いは該商用電源網から切り離し、該負荷に対し系統連系モードの電力供給又は独立モードの電力供給を行う系統連系切替スイッチと、を含む。該系統連系モードにおいて、該変流モジュールは該負荷に対し不平衡負荷による不平衡電流の補償を行う。

本発明の一実施例において、該ＤＣ−ＤＣ変換モジュールは、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータと第１電流コントローラと第１スイッチと第２スイッチと直流電圧コントローラと充電コントローラと電力コントローラとを含み、該第１電流コントローラが該双方向ＤＣ−ＤＣコンバータと該第１スイッチの間にカップリングし、該第１スイッチが該第２スイッチと該直流電圧コントローラにカップリングすることで、機能の需要により第２スイッチと該直流電圧コントローラの間を切り替え、該第２スイッチが該充電コントローラと該電力コントローラにカップリングすることで、機能の需要により該充電コントローラと該電力コントローラの間を切り替える。

本発明の一実施例において、該変流モジュールは、該負荷の電圧を調整するための交流電圧コントローラと、入力側と出力側とを備え、該入力側が該双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ及び該直流電圧コントローラとカップリングし、該出力側が該交流電圧コントローラ及び該負荷とカップリングする変流器と、該負荷に対し不平衡電流の補償を行うための不平衡負荷用コントローラと、該交流電圧コントローラと該不平衡負荷用コントローラにカップリングすることで、機能の需要によって該交流電圧コントローラと該不平衡負荷用コントローラの間を切り替える第３スイッチと、該変流器と該第３スイッチにカップリングする第２電流コントローラと、該不平衡負荷用コントローラにカップリングする乗算器と、を含む。

本発明の一実施例において、該系統連系モードにおいて、該商用電源網の入力側が位相同期ループモジュールにカップリングし、該乗算器が該直流電圧コントローラと該位相同期ループモジュールの間をカップリングし、該不平衡電流の補償が該位相同期ループモジュール、該直流電圧コントローラ、該乗算器を介して該不平衡負荷用コントローラと電流補償を行う。

本発明の一実施例において、該位相同期ループモジュールは、商用電源と同期する同期信号を生成し、該直流電圧コントローラが調整信号を生成し、該同期信号と該調整信号が該乗算器の演算を経由してコマンド電流を発生し、該コマンド電流と該負荷上の負荷電流は該不平衡負荷用コントローラの内部演算を通じて該負荷に対し該不平衡電流の補償を行うことで、該第２電流コントローラへの平衡電流を発生する。

本発明の一実施例において、該変流器は、複数のスイッチ素子を備え、該第２電流コントローラが該平衡電流と該変流器で発生した出力電流に対し論理演算を行うことで、制御信号を生成し、該制御信号が該変流器内の各該スイッチ素子の切替を制御し、またパルス幅変調方式を介して商用電源にフェードインした電流波形を正弦波にさせるために用いられる。

本発明の一実施例において、該系統連系モードで、該第１スイッチは該第２スイッチにカップリングし、該ＤＣ−ＤＣ変換モジュールが該第２スイッチを通じて充電モード又はフィーダーモードに切り替える。該充電モードにおいて、該第２スイッチは、商用電源網を介して該電気エネルギー供給素子に対し充電を行うため、充電コントローラによる電流コマンドの生成を選択する。該フィーダーモードにおいて、該第２スイッチは、該電気エネルギー供給素子を介して電力を商用電源網にフェードインするため、電力コントローラによる電流コマンドの生成を選択する。

本発明の一実施例において、該独立モードで、該第１スイッチは該直流電圧コントローラにカップリングし、該第３スイッチが該負荷の電圧を調整するため、該交流電圧コントローラによる電流コマンドの生成を選択する。該電気エネルギー供給素子は、直流電圧を提供し、該直流電圧が該ＤＣ−ＤＣ変換モジュールと該変流モジュールの切替を通じて該負荷に電力供給を行う。

本発明の一実施例において、該電気エネルギー供給素子は、バッテリー又はソーラー式電源モジュールとし、該双方向ＤＣ−ＤＣコンバータに電流源のプッシュプル回路構成を用い、該変流器に単相３線式の回路構成を用いる。

本発明の一実施例において、該直流電圧コントローラ、該交流電圧コントローラ、該第１電流コントローラ及び該第２電流コントローラは、比例コントローラ、比例積分コントローラ、タイプ２コントローラのいずれかから選ばれ、前記タイプ２コントローラが比例積分コントローラとローパスフィルタとを含む。

よって、本発明は単相３線式システムの不平衡負荷に対し不平衡電流の補償を行うことで、電源システムの安定度と信頼度を増進できる。これ以外に、本発明のハイブリッド電源装置は、変圧器とフィルタインダクタの使用を必要としないため、システムの体積及び重量を減らすことで、コスト削減という効果を奏することができる。

本発明の一実施例に係るハイブリッド電源装置の制御アーキテクチャを示す模式図である。 本発明の一実施例に係る変流モジュールと商用電源網を並列に接続する制御アーキテクチャを示す模式である。

以下、本発明の目的、特徴及び効果を十分理解してもらうため、下記具体的実施例を通じて添付図面を基に、本発明を詳細に説明する。

図１は、本発明の一実施例に係るハイブリッド電源装置の制御アーキテクチャを示す模式図である。図１を参照すると、本実施例はハイブリッド電源装置１００を提供し、該ハイブリッド電源装置１００が電気エネルギー供給素子１とＤＣ−ＤＣ変換モジュール２と変流モジュール３と系統連系切替スイッチＭＳＷとを含む。該電気エネルギー供給素子１は、直流電圧を提供するために用いられる。該ＤＣ−ＤＣ変換モジュール２は、該電気エネルギー供給素子１にカップリングし、該直流電圧を受けることで、該直流電圧に対し電圧レベル変換を行って安定した直流電圧を出力する。該変流モジュール３は、該ＤＣ−ＤＣ変換モジュール２と負荷４の間をカップリングし、該変流モジュール３が該安定した直流電圧を受けて該安定した直流電圧を交流電圧に変換することで、該負荷４に対し電力供給を行う。該系統連系切替スイッチＭＳＷは、該変流モジュール３にカップリングし、該変流モジュール３と商用電源網５を並列に接続する又は該商用電源網５と切り離することで、該負荷４に対し系統連系モードの電力供給或いは独立モードの電力供給を行う。該系統連系モードにおいて、該変流モジュール３は該負荷４に対し不平衡負荷による不平衡電流の補償を行う。

一実施例において、図１に示すように、該ＤＣ−ＤＣ変換モジュール２は、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ２１と第１電流コントローラ２２と第１スイッチＳＷ１と第２スイッチＳＷ２と直流電圧コントローラ２３と充電コントローラ２４と電力コントローラ２５とを含み、該第１電流コントローラ２２が該双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ２１と該第１スイッチＳＷ１の間にカップリングし、該第１スイッチＳＷ１が該第２スイッチＳＷ２と該直流電圧コントローラ２３にカップリングし、該第２スイッチＳＷ２が該充電コントローラ２４と該電力コントローラ２５にカップリングする。該変流モジュール３は、該負荷４の電圧を調整するための交流電圧コントローラ３３と、入力側と出力側とを備え、該入力側が該双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ２１及び該直流電圧コントローラ２３とカップリングし、該出力側が該交流電圧コントローラ３３及び該負荷４とカップリングする変流器３１と、該負荷４に対し不平衡電流の補償を行うための不平衡負荷用コントローラ３４と、該交流電圧コントローラ３３と該不平衡負荷用コントローラ３４にカップリングする第３スイッチＳＷ３と、該変流器３１と該第３スイッチＳＷ３にカップリングする第２電流コントローラ３２と、該不平衡負荷用コントローラ３４にカップリングする乗算器３５と、を含む。

一実施例において、該ＤＣ−ＤＣ変換モジュール２と該変流モジュール３は、いずれも電流制御を用い、各々該第１スイッチＳＷ１及び該第３スイッチＳＷ３で電流コマンドを選択する。該系統連系モードにおいて、変流器３１は系統連系切替スイッチＭＳＷを通じて商用電源網５と並列に接続し、該ＤＣ−ＤＣ変換モジュール２が該第２スイッチＳＷ２を通じて充電モード又はフィーダーモードに切り替え、該双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ２１の電流コマンドが該第１スイッチＳＷ１及び該第２スイッチＳＷ２で生成され、商用電源網５によって電気エネルギー供給素子１に充電した時、該第２スイッチＳＷ２が充電コントローラ２４による電流コマンドの生成を選択し；電気エネルギー供給素子１によって電力を商用電源網５にフェードインした時、該第２スイッチＳＷ２が電力コントローラ２５による電流コマンドの生成を選択する。本実施例において、該商用電源網５の入力側は、位相同期ループモジュール６にカップリングし、該乗算器３５が該直流電圧コントローラ２３と該位相同期ループモジュール６の間をカップリングする。該位相同期ループモジュール６は、商用電源と同期する同期信号ｓｉｎωｔを生成し、該直流電圧コントローラ２３が調整信号Ｉ_ｍ ^＊を生成し、該同期信号ｓｉｎωｔと該調整信号Ｉ_ｍ ^＊が該乗算器３５と該不平衡負荷用コントローラ３４の演算を経由して電流コマンドを生成し、そして第２電流コントローラ３２の調整を介して商用電源網５にフェードイン（或いはドレイン）した電流波形を正弦波とさせ、力率が１となり、同時に負荷４の電流不平衡、電力高調波及び無効電力損失を補償する。

図２は、本発明の一実施例に係る変流モジュールと商用電源網を並列に接続する制御アーキテクチャを示す模式である。図２を参照すると、本実施例は系統連系モードにおいて、不平衡負荷による不平衡電流の補償方法について説明する。図２に示すように、該変流器３１は、単相３線式の回路構成を用いる。該変流器３１は、上アームａと中アームｃと下アームｂとを備え、出力電流Ｉ_ｏａ、Ｉ_ｏｃ、Ｉ_ｏｂが各々該上アームａ、該中アームｃ及び該下アームｂに対応し、負荷電流Ｉ_Ｌａ、Ｉ_Ｌｂが各々不平衡負荷Ｒ_１及びＲ_２に対応する。まず、該位相同期ループモジュール６は、商用電源網５と同期する同期信号ｓｉｎωｔを生成し、該直流電圧コントローラが調整信号Ｉ_ｍ ^＊を生成し、該同期信号ｓｉｎωｔと該調整信号Ｉ_ｍ ^＊が各々２個の乗算器３５１、３５２を経由して演算することで該上アームａと該下アームｂに対応する２つのコマンド電流Ｉ_ｓａ ^＊、Ｉ_ｓｂ ^＊を発生し、各該コマンド電流Ｉ_ｓａ ^＊、Ｉ_ｓｂ ^＊と各該負荷電流Ｉ_Ｌａ、Ｉ_Ｌｂが各々２個の加算器３４１、３４２の演算を経た後で２つの平衡電流Ｉ_ｏａ ^＊、Ｉ_ｏｂ ^＊を出力し、これら平衡電流Ｉ_ｏａ ^＊、Ｉ_ｏｂ ^＊はこれら出力電流Ｉ_ｏａ、Ｉ_ｏｂと更に各々上アームの電流コントローラ３２１及び下アームの電流コントローラ３２２を経て調整された後、該上アームａ及び該下アームｂに対応する制御電圧Ｖ_ｃｏｎａ、Ｖ_ｃｏｎｂを発生し、中アームｃの制御電圧Ｖ_ｃｏｎｃを０と仮定した場合、これら制御電圧Ｖ_ｃｏｎａ、Ｖ_ｃｏｎｂは、正弦波のパルス幅変調器（ＳＰＷＭ）３２３に入力され、パルス幅変調方式を通じて該変流器内のスイッチ素子３１１〜３１６の切替を制御することで、商用電源にフェードインされる電流波形を正弦波とさせることができる。

一実施例において、図１を参照すると、該変流モジュール３を該商用電源網５と切り離した時（独立モード）、該第１スイッチＳＷ１が該直流電圧コントローラ２３に切り替え、該第３スイッチＳＷ３が該交流電圧コントローラ３３による電流コマンドの生成を選択することで、該負荷４の電圧を調整する。該電気エネルギー供給素子１は、直流電圧を提供し、該直流電圧が該ＤＣ−ＤＣ変換モジュール２と該変流モジュール３の変換を通じて、該負荷４に対し電力供給を行う。

一実施例において、例を挙げると、該双方向ＤＣ−ＤＣコンバータは、電流源のプッシュプル回路構成を用い、該電気エネルギー供給素子がバッテリー又はソーラー式電源モジュールとすることができる。

一実施例において、該直流電圧コントローラ、該交流電圧コントローラ、該第１電流コントローラ及び該第２電流コントローラは、比例コントローラ、比例積分コントローラ、タイプ２コントローラのいずれかから選ばれ、該タイプ２コントローラが比例積分コントローラとローパスフィルタとを含む。

従来の技術と比較すると、本発明は、単相３線式システムの不平衡負荷に対し不平衡電流の補償を行うことで、電源システムの安定度と信頼度を増進できる。これ以外に、本発明のハイブリッド電源装置は、変圧器とフィルタインダクタの使用を必要としないため、システムの体積及び重量を減らすことで、コスト削減という効果を奏することができる。

１ 電気エネルギー供給素子
２ ＤＣ−ＤＣ変換モジュール
３ 変流モジュール
４ 負荷
５ 商用電源網
６ 位相同期ループモジュール
２１ 双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ
２２ 第１電流コントローラ
２３ 直流電圧コントローラ
２４ 充電コントローラ
２５ 電力コントローラ
３１ 変流器
３２ 第２電流コントローラ
３３ 交流電圧コントローラ
３４ 不平衡負荷用コントローラ
３５ 乗算器
１００ ハイブリッド電源装置
３１１ スイッチ素子
３１２ スイッチ素子
３１３ スイッチ素子
３１４ スイッチ素子
３１５ スイッチ素子
３１６ スイッチ素子
３２１ 上アームの電流コントローラ
３２２ 下アームの電流コントローラ
３２３ 正弦波のパルス幅変調器
３４１ 加算器
３４２ 加算器
３５１ 乗算器
３５２ 乗算器
Ｉ_ｄ直流 リンク電流
Ｉ_Ｌ 負荷電流
Ｉ_ｍ ^＊ コマンド電流
Ｉ_ｏ 出力電流
ＭＳＷ 系統連系切替スイッチ
Ｒ_１ 負荷
Ｒ_２ 負荷
Ｒ_３ 負荷
ＳＷ１ 第１スイッチ
ＳＷ２ 第２スイッチ
ＳＷ３ 第３スイッチ
Ｖ_ｃｏｎ 制御電圧
Ｖ_ｄ 直流リンク電圧
Ｖ_ｓ 商用電源網

Claims (10)

1. 直流電圧を提供するための電気エネルギー供給素子と、
   前記電気エネルギー供給素子にカップリングし、前記直流電圧を受け、前記直流電圧に対して電圧レベル変換を行って安定した直流電圧を出力するＤＣ−ＤＣ変換モジュールと、
   前記ＤＣ−ＤＣ変換モジュールと負荷の間にカップリングし、前記安定した直流電圧を受けて前記安定した直流電圧を交流電圧に変換することで、前記負荷に電力供給する変流モジュールと、
   前記変流モジュールにカップリングし、前記変流モジュールを商用電源網と並列に接続或いは前記商用電源網から切り離し、前記負荷に対し系統連系モードの電力供給又は独立モードの電力供給を行う系統連系切替スイッチと、を含むハイブリッド電源装置であって、
   前記変流モジュールは交流電圧コントローラと不平衡負荷用コントローラと第３スイッチと、を含み、前記第３スイッチは、前記交流電圧コントローラと前記不平衡負荷用コントローラにカップリングすることで、機能の需要によって前記交流電圧コントローラと前記不平衡負荷用コントローラの間を切り替え、独立モードにおいて前記第３スイッチが前記交流電圧コントローラに切り替えることで、前記交流電圧コントローラは前記負荷の電圧を調整し、前記系統連系モードにおいて前記第３スイッチが前記不平衡負荷用コントローラに切り替えることで、前記不平衡負荷用コントローラは前記負荷に対し不平衡負荷による不平衡電流の補償を行うことを特徴とするハイブリッド電源装置。
2. 前記ＤＣ−ＤＣ変換モジュールは、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータと第１電流コントローラと第１スイッチと第２スイッチと直流電圧コントローラと充電コントローラと電力コントローラと、を含み、前記第１電流コントローラが前記双方向ＤＣ−ＤＣコンバータと前記第１スイッチの間にカップリングし、前記第１スイッチが前記第２スイッチと前記直流電圧コントローラにカップリングすることで、機能の需要により前記第２スイッチと前記直流電圧コントローラの間を切り替え、前記第２スイッチが前記充電コントローラと前記電力コントローラにカップリングすることで、機能の需要により前記充電コントローラと前記電力コントローラの間を切り替えることを特徴とする請求項１に記載のハイブリッド電源装置。
3. 前記変流モジュールは、さらに、
   入力側と出力側とを備え、前記入力側が前記双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ及び前記直流電圧コントローラとカップリングし、前記出力側が前記交流電圧コントローラ及び前記負荷とカップリングする変流器と、
   前記変流器と前記第３スイッチにカップリングする第２電流コントローラと、
   前記不平衡負荷用コントローラにカップリングする乗算器と、
   を含むことを特徴とする請求項２に記載のハイブリッド電源装置。
4. 前記系統連系モードにおいて、前記商用電源網の入力側が位相同期ループモジュールにカップリングし、前記乗算器が前記直流電圧コントローラと前記位相同期ループモジュールの間をカップリングし、前記不平衡電流の補償が前記位相同期ループモジュール、前記直流電圧コントローラ、前記乗算器を介して前記不平衡負荷用コントローラと電流補償を行うことを特徴とする請求項３に記載のハイブリッド電源装置。
5. 前記位相同期ループモジュールは、商用電源と同期する同期信号を生成し、前記直流電圧コントローラが調整信号を生成し、前記同期信号と前記調整信号が前記乗算器の演算を経由してコマンド電流を発生し、前記コマンド電流と前記負荷上の負荷電流は前記不平衡負荷用コントローラの内部演算を通じて前記負荷に対し前記不平衡電流の補償を行うことで、前記第２電流コントローラへの平衡電流を発生することを特徴とする請求項４に記載のハイブリッド電源装置。
6. 前記変流器は、複数のスイッチ素子を備え、前記第２電流コントローラが前記平衡電流と前記変流器で発生した出力電流に対し論理演算を行うことで、制御信号を生成し、前記制御信号が前記変流器内の各前記スイッチ素子の切替を制御し、またパルス幅変調方式を介して商用電源にフェードインした電流波形を正弦波にさせるために用いられることを特徴とする請求項５に記載のハイブリッド電源装置。
7. 前記系統連系モードにおいて、前記第１スイッチは前記第２スイッチにカップリングし、前記ＤＣ−ＤＣ変換モジュールが前記第２スイッチを通じて充電モード又はフィーダーモードに切り替え、
   前記充電モードにおいて、前記第２スイッチは、商用電源網を介して前記電気エネルギー供給素子に対し充電を行うため、前記充電コントローラによる電流コマンドの生成を選択し、
   前記フィーダーモードにおいて、前記第２スイッチは、前記電気エネルギー供給素子を介して電力を商用電源網にフェードインするため、前記電力コントローラによる電流コマンドの生成を選択することを特徴とする請求項２に記載のハイブリッド電源装置。
8. 前記独立モードにおいて、前記第１スイッチは、前記直流電圧コントローラにカップリングし、前記第３スイッチが前記負荷の電圧を調整するため、前記交流電圧コントローラによる電流コマンドの生成を選択し、前記電気エネルギー供給素子は直流電圧を提供し、前記直流電圧が前記ＤＣ−ＤＣ変換モジュールと前記変流モジュールの切替を通じて前記負荷に電力供給を行うことを特徴とする請求項２に記載のハイブリッド電源装置。
9. 前記電気エネルギー供給素子は、バッテリー又はソーラー式電源モジュールとし、前記双方向ＤＣ−ＤＣコンバータに電流源のプッシュプル回路構成を用い、前記変流器に単相３線式の回路構成を用いることを特徴とする請求項３に記載のハイブリッド電源装置。
10. 前記直流電圧コントローラ、前記交流電圧コントローラ、前記第１電流コントローラ及び前記第２電流コントローラは、比例コントローラ、比例積分コントローラ、タイプ２コントローラのいずれかから選ばれ、前記タイプ２コントローラが比例積分コントローラとローパスフィルタとを含むことを特徴とする請求項３に記載のハイブリッド電源装置。

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