JP6419394B1 - 電力変換装置 - Google Patents
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Abstract
Description
上記特許文献1記載の装置では、直流および交流の双方の配電系統(電源系統)が用いられ、直流配電系統と交流配電系統との間に分散電源が接続される。このため、直流配電系統と交流配電系統との間の電力授受は分散電源の充放電を必ず伴うものとなり、制約が大きいものであった。
また、上記特許文献2記載の装置では、第1の直流電力が入出力される直流電力線と交流配電系統との間で第2の電力変換器により電力授受されるが、上記直流電力線は直流配電系統と接続されるものではない。このため、直流配電系統と交流配電系統との間の電力授受はできない。
上記制御部は、上記各DC/DC変換器毎に第1変換器制御部を、上記各DC/AC変換器毎に第2変換器制御部をそれぞれ備え、上記各第1変換器制御部は、上記上位制御指令に基づく上記各DC/DC変換器の第1電力指令により上記各DC/DC変換器を制御し、上記各第2変換器制御部は、上記上位制御指令に基づく上記各DC/AC変換器の第2電力指令により上記各DC/AC変換器を制御する。上記第1変換器制御部は、上記DC/DC変換器の一次側の電圧と基準電圧との差に応じた第1補正量を演算して上記第1電力指令を補正して、二次側の上記分散電源接続端子との間の電力授受を調整し、上記分散電源接続端子から上記DC/DC変換器への入力方向の電力を、上記一次側の電圧が上記基準電圧よりも高いときに減少させ、上記基準電圧よりも低いときに増加させ、かつ、補正後の上記第1電力指令を上記DC/DC変換器の定格電力で制限する。
上記電力変換装置は、さらに、上記各DC/DC変換器および上記各DC/AC変換器の動作により、上記接続端子間で上記共通直流母線を介して電力授受する複数の動作モードを備える。上記複数の動作モードは、上記分散電源接続端子と上記直流接続端子との間で電力授受する第1電力授受モード、上記分散電源接続端子と上記交流接続端子との間で電力授受する第2電力授受モード、および上記直流接続端子と上記交流接続端子との間で電力授受する第3電力授受モードを有し、上記複数の動作モードは、同時に2以上の組み合わせ可能に決定される。
以下、この発明の実施の形態1による電力変換装置を図に基づいて以下に説明する。
図1は、この発明の実施の形態1による電力変換装置と、この電力変換装置が適用される配電システムとの構成を示す図である。
図1に示すように、電力変換装置100は共通直流母線1と交流母線2と、外部との接続端子となる、直流接続端子3と、交流接続端子4と、正負N組の分散電源接続端子13とを備える。また、電力変換装置100は、N台のDC/DC変換器10と、M台のDC/AC変換器11と、制御部12とを備える。なお、N、Mは正の整数であり、この場合Nは2以上、かつM以上である。
N台のDC/DC変換器10は、一次側が共通直流母線1に、二次側がN組の分散電源接続端子13にそれぞれ接続され、各DC/DC変換器10は、共通直流母線1と各分散電源接続端子13との間で電力変換して電力授受する。M台のDC/AC変換器11は、一次側が交流母線2に、二次側が共通直流母線1にそれぞれ接続され、各DC/AC変換器11は、交流母線2と共通直流母線1との間で電力変換して電力授受する。
また、DC/DC変換器10およびDC/AC変換器11は、図中右側を一次側、左側を二次側としたもので、それぞれ双方向電力変換可能なユニットとして構成される。このように、各DC/DC変換器10および各DC/AC変換器11を1ユニットで構成することにより、適宜に電力変換装置100の変換器構成を変更したり、故障したユニットのみを交換したりすることができる。共通直流母線1と交流母線2はケーブル、金属導体板等で構成することができ、各ユニットの着脱が可能な構成を有する。
また制御部12は、外部の上位制御装置24との通信機能を有する。そして、制御部12は、上位制御装置24から受信する上位制御指令24aと、電力変換装置100内で検出される電圧、電流等の検出値、更にはDC/DC変換器10、DC/AC変換器11の状態情報を使用して、DC/DC変換器10、DC/AC変換器11を制御することで電力変換装置100全体の制御を行う。
なお、上位制御装置24と制御部12との間の通信は有線であっても無線であっても良い。
なお、DC/DC変換器10の電力極性と電流極性は二次から一次の向きを正とする。すなわち直流分散電源25、26からの放電を正、直流分散電源25、26への充電を負とする。
直流分散電源26は、例えば太陽光発電パネルである。専ら発電だけを行い、発電電力を共通直流母線1に供給する。直流分散電源26は燃料電池など直流出力で発電のみ行うものであればよい。
図1においては発電、すなわち放電のみの直流分散電源26が1個で、残りが充放電可能な直流分散電源25となっているが、これに限定されるものではなく、充放電が可能な直流分散電源25が1個以上接続されていればよい。
DC/AC変換器11について、絶縁型か非絶縁型かなど形式を特に問われないが、ここでは非絶縁型であるものとして説明する。先に述べたように、共通直流母線1は直流配電系統27の電位で規定されるので、交流母線2の基準電位も直流配電系統27に規定される。一般に、直流母線(共通直流母線1)は交流配電系統28との間で絶縁が必要となるので、DC/AC変換器11が非絶縁型の場合は交流母線2が変圧器23を介して交流配電線22に接続される。
図2に示すように、電力変換装置100は、制御電源生成部14を備える。制御電源生成部14は、DC/DC変換器10とDC/AC変換器11と制御部12とに制御電源を電力線14aを介して供給する。制御電源生成部14への電源供給は共通直流母線1と交流母線2とから行う。これにより、共通直流母線1または交流母線2の少なくとも一方から電源供給可能な期間は、制御電源生成部14から制御電源の供給が可能である。
なお、共通直流母線1のみ、または交流母線2のみから電源供給してもよいし、直流接続端子3、交流接続端子4の近傍の電力線から、あるいは電力変換装置100に制御電源入力用の端子を設けて供給しても良い。
制御部12は、各DC/DC変換器10と各DC/AC変換器11に対して、電力指令12aを送信する。電力指令12aは、各DC/DC変換器10への各第1電力指令と各DC/AC変換器11への各第2電力指令とから成る。
図3はDC/DC変換器10の詳細構成を示す図である。
図3に示すように、主回路部31は、一次側平滑コンデンサ35、二次側平滑コンデンサ36、一次側半導体スイッチング素子37a〜37d、二次側半導体スイッチング素子38a〜38d、高周波変圧器39およびフィルタリアクトル40を備える。半導体スイッチング素子37a〜37d、38a〜38dは、ダイオードが逆並列に接続されたIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)から成る。なお、半導体スイッチング素子37a〜37d、38a〜38dは、MOSFET(metal−oxide−semiconductor field−effect transistor)等他の半導体素子を用いても良いのは明らかである。
この場合、高周波変圧器39の漏れインダクタンスを利用して電力変換を行うものであるが、高周波変圧器39の一次側と二次側とにそれぞれリアクトルを追加して設けても良い。
このような主回路部31を用いることで、一次側と二次側との電圧の大小関係にかかわらず、双方向に電力を変換することができる。
なお、検出値33a、34aは、電力変換装置100の制御部12に直接入力しても良い。
図4に示すように、制御回路32は、電力供給部150、電力制御部151、ゲート信号生成部152およびゲートドライバ153を備える。制御回路32は、制御電源生成部14から電力供給され、供給された電力は、電力供給部150で絶縁され所望の電圧に変換された後に、電力制御部151、ゲート信号生成部152、ゲートドライバ153に供給される。電力制御部151およびゲート信号生成部152には、一括して給電しても良い。
なお、電力供給部150では絶縁せず、ゲートドライバ153等、電力供給された後に必要に応じて絶縁したり電圧変換したりしても良い。
また、ゲートドライバ153は、主回路部31の各半導体スイッチング素子37a〜37d、38a〜38dに対してそれぞれ設けられるゲートドライバをまとめて記載したものである。
電力制御部151の制御出力151aはゲート信号生成部152に入力される。ゲート信号生成部152は、制御出力151aに応じて主回路部31の各半導体スイッチング素子37a〜37d、38a〜38dへのゲート信号Gを生成してゲートドライバ153に与える。ゲートドライバ153は、各半導体スイッチング素子37a〜37d、38a〜38dのゲートエミッタ間にゲート電圧(電圧信号Gd)を印加する。
なお、電圧検出値V、電流検出値Iは、DC/DC変換器10の一次側の検出器33の検出値33a、あるいは二次側の検出器34の検出値34aである。検出値33aを使用すれば一次側の電力を制御することになり、検出値34aを使用すれば二次側の電力を制御することになる。
図6はDC/AC変換器11の詳細構成を示す図である。
図6に示すように、主回路部41は、平滑コンデンサ45、半導体スイッチング素子46a〜46f、出力フィルタ47で構成される。
半導体スイッチング素子46a〜46fは、ダイオードが逆並列に接続されたIGBTから成る。なお、半導体スイッチング素子46a〜46fは、MOSFET等他の半導体素子を用いても良い。
なお、検出値43a、44aは、電力変換装置100の制御部12に直接入力しても良い。
図8に示すように、制御回路42は、電力供給部160、電力制御部161、ゲート信号生成部162およびゲートドライバ163を備える。制御回路42は、制御電源生成部14から電力供給され、供給された電力は、電力供給部160で絶縁され所望の電圧に変換された後に、電力制御部161、ゲート信号生成部162、ゲートドライバ163に供給される。電力制御部161およびゲート信号生成部162には、一括して給電しても良い。
なお、電力供給部160では絶縁せず、ゲートドライバ163等、電力供給された後に必要に応じて絶縁したり電圧変換したりしても良い。
また、ゲートドライバ163は、主回路部41の各半導体スイッチング素子46a〜46fに対してそれぞれ設けられるゲートドライバをまとめて記載したものである。
電力制御部161の制御出力161aはゲート信号生成部162に入力される。ゲート信号生成部162は、制御出力161aに応じて主回路部41の各半導体スイッチング素子46a〜46fへのゲート信号Gを生成してゲートドライバ163に与える。ゲートドライバ163は、各半導体スイッチング素子46a〜46fのゲートエミッタ間にゲート電圧(電圧信号Gd)を印加する。
ゲート信号生成部162は、電力制御部161からの制御出力161aである交流電圧指令値と三角波キャリアを比較してPWM(Pulse Width Modulation)によりゲート信号Gを生成する。
DC/DC変換器10a、10bの出力電力をP10a、P10bとし、DC/AC変換器11の出力電力をP11とする。上述したように、電力極性と電流極性は二次から一次の向きを正とする。
また、直流接続端子3からの出力電力をPdc、交流接続端子4からの出力有効電力をPacとする。この場合、交流接続端子4から無効電力を出力させない。したがって、DC/AC変換器11の制御回路42において、電力制御部161に入力される無効電力指令値Qrefは0とする。
各動作モードは、共通直流母線1を介して上記接続端子間で電力授受する動作モードであり、この4種の動作モードは、同時に2以上の組み合わせ可能に決定される。
すなわち、電力授受の中継を担う共通直流母線1の電力の入出力和は0であり、図10の構成では、
P10a+P10b−P11−Pdc=0
となる。
図11は、4種の場合(X−1、X−2、X−3、X−4)について、各部の電力分担を示す図である。理想的な動作を仮定すると、P10a、P10bは、DC/DC変換器10a、10bへの第1電力指令と同じであり、P11は、DC/AC変換器11への第2電力指令と同じである。
またこの場合、Pdc=10kW、となる。さらに、Pac=ΣP11、であるが、DC/AC変換器11は1台であるため、この場合、Pac=P11、となる。
DC/AC変換器11の制御回路42では、有効電力指令値Pref(0kW)が入力され、主回路部41が交流母線2に有効電力を出力しないよう、主回路部41へのゲート信号Gを生成する。このとき、直流分散電源25a、25bから各5kWの電力が直流配電線21に供給される。
DC/AC変換器11の制御回路42では、有効電力指令値Pref(−5kW)が入力され、交流母線2から共通直流母線1に電力を供給するよう、主回路部41へのゲート信号Gを生成する。このとき、直流分散電源25a、交流配電線22から各5kWの電力が直流配電線21に供給される。
各DC/DC変換器10a、10bの制御回路32では、電力指令値Pref(0kW)が入力され、直流分散電源25a、25bが充放電しないよう、主回路部31へのゲート信号Gを生成する。
DC/AC変換器11の制御回路42では、有効電力指令値Pref(−10kW)が入力され、交流母線2から共通直流母線1に電力を供給するよう、主回路部41へのゲート信号Gを生成する。このとき、交流配電線22から10kWの電力が直流配電線21に供給される。
このとき、直流分散電源25aから5kWの電力、交流配電線22から10kWの電力がそれぞれ共通直流母線1に供給され、共通直流母線1から、直流分散電源25bに5kWの電力が供給されると共に、10kWの電力が直流配電線21に供給される。
また、電力授受の中継を担う共通直流母線1の入出力和が0になれば良いため、上記動作モードの組み合わせに限らず、例えば、分散電源接続端子13と直流接続端子3との間で電力授受する第1電力授受モードと、分散電源接続端子13と交流接続端子4との間で電力授受する第2電力授受モードと、第3電力授受モードとの組み合わせであっても良い。さらに、第1電力授受モードと、第2電力授受モードと、第3電力授受モードと、第4電力授受モードとを組み合わせた動作とすることもできる。
図12は、4種の場合(Y−1、Y−2、Y−3、Y−4)について、各部の電力分担を示す図である。この場合、P11=Pac=−10kW、であり、DC/AC変換器11に与えられる第2電力指令は−10kWとなる。また、Pdcは、各DC/DC変換器10a、10bおよびDC/AC変換器11の動作により決定される。
DC/AC変換器11の制御回路42では、有効電力指令値Pref(−10kW)が入力され、交流母線2から共通直流母線1に電力を供給するよう、主回路部41へのゲート信号Gを生成する。
このとき、交流配電線22から供給された10kWの電力が、直流分散電源25a、25bに各5kWで供給される。
また、このケースY−1では、電力変換装置100は、分散電源接続端子13と交流接続端子4との間で電力授受する第2電力授受モードのみで動作する。
このとき、交流配電線22から10kWの電力が共通直流母線1に供給され、共通直流母線1から、直流分散電源25aに5kWの電力が供給され、残りの5kWの電力が直流配電線21に供給される。
また、このケースY−2では、電力変換装置100は、分散電源接続端子13と交流接続端子4との間で電力授受する第2電力授受モードと、直流接続端子3と交流接続端子4との間で電力授受する第3電力授受モードとの組み合わせで動作する。
このとき、交流配電線22から10kWの電力、直流分散電源25bから5kWの電力が、それぞれ共通直流母線1に供給される。そして、共通直流母線1から、直流分散電源25aに5kWの電力が供給され、残りの10kWの電力が直流配電線21に供給される。
図13は、2種の場合(Z−1、Z−2)について、各部の電力分担を示す図である。なお、P11=Pac、であり、PacとPdcとは同極性である。
このとき、直流分散電源25a、25bから各5kWの電力が共通直流母線1に供給される。そして、共通直流母線1から、交流配電線22に3kWの電力が供給され、残りの7kWの電力が直流配電線21に供給される。
このケースZ−1では、電力変換装置100は、第1電力授受モードと第2電力授受モードとの組み合わせで動作する。
このケースZ−2においても、電力変換装置100は、第1電力授受モードと第2電力授受モードとの組み合わせで動作する。
DC/DC変換器10a、10bに5kW、−5kWの第1電力指令(電力指令値Pref)、DC/AC変換器11に0Wの第2電力指令(有効電力指令値Pref)が与えられる。このとき、直流分散電源25aから放電された5kWの電力が、直流分散電源25bに充電される。
図14は、電力変換装置100による交流受電の例を示す図である。
図14に示すように、交流配電系統28は、交流送電系統201と変圧器202とを備えて構成されるものとする。
電力変換装置100は、交流送電系統201から変圧器202を介して受電する。この場合、変圧器202の二次側の電力線を交流配電線22とする。なお、変圧器202の二次側はさらに分岐したり、図1で示す変圧器23が接続されても良い。
変圧器202の二次側にはAC/DC変換器203が接続され、AC/DC変換器203の直流側の電力線を直流配電線21とする。すなわち、AC/DC変換器203が直流配電系統27に相当するとみなせる。
このとき、例えば上述したケースX−3のように動作させると、電力変換装置100のDC/AC変換器11をAC/DC変換器203の補助として使用できる。
図15は、電力変換装置100による直流受電の例を示す図である。
図15に示すように、直流配電系統27は、直流送電系統204とDC/DC変換器205とを備えて構成されるものとする。
電力変換装置100は、高圧の直流送電系統204からDC/DC変換器205を介して受電する。DC/DC変換器205の二次側は低電圧であり、直流配電線21と接続される。DC/DC変換器205の二次側にはDC/AC変換器206も接続され、DC/AC変換器206の交流側の電力線を交流配電線22とする。すなわち、DC/AC変換器206が交流配電系統28に相当するとみなせる。
また、直流送電系統204が低圧の直流電力を供給する場合は、DC/DC変換器205は設けなくてもよい。
このような構成において、DC/AC変換器206は交流配電線22に接続されている交流負荷(分散電源を含む)30の容量に応じた機器容量として準備されており、交流配電系統28は直流配電系統27に対して従属的な位置づけである。
この場合、一方の送電系統が停電した場合には、停電した送電系統から切り離した後、DC/AC変換器11の容量内で、他方の送電系統から受電できる。
交流送電系統が停電した場合は、交流配電系統28を切り離し、DC/AC変換器11へ交流負荷30で必要な電力を第2電力指令として与える。例えば、5kWの電力が必要な場合は、DC/AC変換器11の第2電力指令を5kWとする。
直流送電系統が停電した場合は、直流配電系統27を切り離し、直流負荷29で必要な電力を直流配電線21に供給できるように、各DC/DC変換器10a、10bおよびDC/AC変換器11の第1電力指令および第2電力指令を決定して与える。例えば、5kWの電力が必要な場合は、各DC/DC変換器10a、10bの第1電力指令を0kWにし、DC/AC変換器11の第2電力指令を−5kWにする。あるいは、各DC/DC変換器10a、10bの第1電力指令を5kW、0kWにし、DC/AC変換器11の第2電力指令を0kWにしても良い。
また、このような電力変換装置100は、小規模な直流分散電源を用いたVPP(Virtual Power Plant)に用いて、再生可能エネルギの発電電力を平準化し、また系統安定化に寄与できる。
さらに、電力変換装置100は、需要家の負荷特性と発電特性の変化に応じて適宜に直流配電系統27、交流配電系統28に供給する電力を変更するのに適しており、受電電力の削減に有効である。
次に、この発明の実施の形態2による電力変換装置について説明する。
この実施の形態2では、DC/DC変換器10、DC/AC変換器11の各制御回路32、42の構成が、上記実施の形態1と異なる。
図16は、この発明の実施の形態2によるDC/DC変換器10の制御回路32の構成を示す図である。この場合、DC/DC変換器10には、充放電可能な直流分散電源25が接続される。なお、ここでは実施の形態1と異なる部分を中心に述べ、実施の形態1と同様の構成は適宜、説明を省略する。
図16に示すように、制御回路32は、電力供給部150、電力制御部157、ゲート信号生成部152およびゲートドライバ153を備える。電力供給部150、ゲート信号生成部152およびゲートドライバ153は、上記実施の形態1と同様であり、電力制御部157が異なる。
この場合、一次側の検出値33aである一次側電圧Vdcの変動に応じて第1電力指令Prefを補正して用いる。すなわち、DC/DC変換器10の出力電力を補正するものである。出力電力の補正が必要になる理由は主として以下の二つである。第1は、DC/DC変換器10の一次側電圧Vdcが基準値からずれるのを抑制するためであり、抑制方向に直流分散電源25を充放電させる。第2は、DC/DC変換器10の変換器損失や検出誤差、更には他のDC/DC変換器10やDC/AC変換器11の変換器損失や誤差との兼ね合いで電力分担を調整するためである。
図17に示すように、第1電力指令Prefは、加算器171にて補正量Paddが加算されて補正される。補正後の第1電力指令Prefは、リミッタ175にて、DC/DC変換器10の変換器定格電力以下の値に制限されて除算器154に入力される。
また、一次側の検出値33aである一次側電圧Vdcは、テーブル172とフラグ生成器174とに入力される。フラグ生成器174には、第1電力指令Prefも入力される。
図18に示すように、テーブル172は、Vdcの変動に応じて第1電力指令Prefを補正するための補正量Padd*を出力する。Vdcは、Vdcの昇順にA〜Eの5つの領域に分割されて補正量Padd*が決定される。通常、Vdcは中央の領域C内にあり、領域Cの中央値(基準値)をVdccとする。
この場合、VdcがVdccと一致するとき、Padd*は0である。Vdcが大きくなると少しずつPadd*が減少し(負の値)、Vdcが小さくなると少しずつPadd*が増加する(正の値)。領域Cでは、Padd*は、変換器損失分の補償程度の小さな補正量である。この領域Cを不感帯として扱いPadd*=0としても良い。
更にVdcがVdccから離れて領域Aまたは領域Eに入ると、変換器定格容量の関係でPadd*の絶対値を増加させることができず、Padd*は一定となる。
VdcがDC/DC変換器10の運転範囲の上下限を超すと、全ゲート信号Gをオフして充放電を停止する。
なお、図18ではVdccに対して対称となるように特性を持たせているが、これに限定されるものではない。領域Bと領域Dとの傾きが異なったり、領域幅が異なったりしても良い。
なお、Pminは0近傍の値であって、DC/DC変換器10の定格電力より十分小さい値であり、Vdifminは、領域Cの幅の1/2である。
Vdcが領域C内にあって直流分散電源25がほとんど充放電されていない場合に、第1電力指令Prefの補正により直流分散電源25が充放電することを避けるためにFlg1が用いられる。
そして、上述したように、第1電力指令Prefは、加算器171にて補正量Paddが加算され、さらにリミッタ175にて制限されて除算器154に入力される。その後、リミッタ175の出力は除算器154にて電圧検出値Vにより除算される。除算器154の出力は電流指令値に相当しており、減算器155へ入力される。減算器155は、入力された電流指令値と電流検出値Iとの偏差を出力し、その出力が電流制御器(PI)156に入力される。電流制御器156は、例えば比例積分制御器であり、入力された偏差が小さくなるように制御出力157aを生成して出力する。
電圧検出値V、電流検出値Iは、DC/DC変換器10の一次側の検出器33の検出値33a、あるいは二次側の検出器34の検出値34aである。一次側の検出値33aを用いる場合は、電圧検出値VはVdcと同じ値となる。
なおこの場合、テーブル172を用いて補正量Paddを求めるもので、テーブルデータを図示しないメモリに保存して用いる。また、テーブル172を用いる以外に、演算式を用いるなど、他の方法で補正量Paddを求めても良い。
図19に示す電力制御部157は、図17で示したものに、テーブル176と乗算器177とを追加したものである。
図19に示すように、第1電力指令Prefは、乗算器177にてゲインK1が乗算された後、加算器171にて補正量Paddが加算されて補正される。
また、一次側の検出値33aである一次側電圧Vdcは、テーブル172とフラグ生成器174と、さらにテーブル176に入力される。フラグ生成器174には、第1電力指令Prefも入力される。
図20に示すように、テーブル176は、Vdcの変動に応じて第1電力指令Prefに乗算するゲインK1を出力する。Vdcは、図18に示すものと同様に、A〜Eの5つの領域に分割されてゲインK1が決定される。
通常、Vdcは中央の領域C内にあり、領域CではK=1である。Vdcが変化して領域Bまたは領域Dに入ると、VdcがVdccから離れるに従ってゲインK1は減少して0となる。
また、一次側の検出値33aである一次側電圧Vdcは、テーブル172とフラグ生成器174と、さらにテーブル176に入力される。フラグ生成器174には、第1電力指令Prefも入力される。その他の構成および動作は、図17で示したものと同様である。
なお、テーブル176の入出力特性は図20に示すものに限定されるものではなく、制御部12からの第1電力指令Prefと一次側電圧Vdcの電圧維持との優先度合に応じて決定できる。また、テーブル176を用いる代わりに演算式を用いても良い。
図21は、この発明の実施の形態2によるDC/AC変換器11の制御回路42の構成を示す図である。なお、実施の形態1と異なる部分を中心に述べ、実施の形態1と同様の構成は適宜、説明を省略する。
図21に示すように、制御回路42は、電力供給部160、電力制御部167、ゲート信号生成部162およびゲートドライバ163を備える。電力供給部160、ゲート信号生成部162およびゲートドライバ163は、上記実施の形態1と同様であり、電力制御部167が異なる。
この場合、二次側の検出値44aである二次側電圧Vdcの変動に応じて第2電力指令Prefを補正して用いる。すなわち、DC/AC変換器11の出力電力を補正するものである。
図22に示すように、第2電力指令Prefは、加算器178にて補正量Paddが加算されて補正される。補正後の第2電力指令Prefは、リミッタ180にて、DC/AC変換器11の変換器定格電力以下の値に制限されて除算器164に入力される。また、二次側の検出値44aである二次側電圧Vdcは、テーブル179に入力される。
図23に示すように、テーブル179は、Vdcの変動に応じて第2電力指令Prefを補正するための補正量Paddを出力する。Vdcは、A〜Eの5つの領域に分割されて補正量Paddが決定される。この場合も、Vdcは、通常、中央の領域C内にあり、領域Cの中央値がVdccである。
DC/AC変換器11は、通常、二次側電圧Vdcを制御しないため、Vdcが領域Cにあるとき、Padd=0である。VdcがVdccから離れ、領域Bまたは領域Dに入ると、VdcがVdccから離れるに従ってPaddの絶対値は大きくなる。領域DではPaddを正として、共通直流母線1から交流母線2の向きに出力する電力を増やすか、交流母線2から共通直流母線1の向きに出力する電力を減らす。領域BではPaddを負として、共通直流母線1から交流母線2の向きに出力する電力を減らすか、交流母線2から共通直流母線1の向きに出力する電力を増やす。
更にVdcがVdccから離れて領域Aまたは領域Eに入ると、変換器定格容量の関係でPaddの絶対値を増加させることができず、Paddは一定となる。
VdcがDC/AC変換器11の運転範囲の上下限を超すと、全ゲート信号Gをオフして充放電を停止する。
なお、図23ではVdccに対して対称となるように特性を持たせているが、これに限定されるものではない。領域Bと領域Dとの傾きが異なったり、領域幅が異なったりしても良い。
そして、上述したように、第1電力指令Prefは、加算器178にて補正量Paddが加算され、さらにリミッタ180にて制限されて除算器164に入力される。その後、リミッタ180の出力は除算器164にて電圧検出値Vにより除算される。除算器164の出力は有効電流指令値に相当しており、減算器165へ入力される。減算器165は、入力された有効電流指令値と有効電流検出値Ipとの偏差を出力し、その出力が電流制御器(PI)166に入力される。電流制御器166は、例えば比例積分制御器であり、入力された偏差が小さくなるように制御出力167aを生成して出力する。
また、Vdcが交流配電線22の瞬時電圧値より小さい領域に入ると、全ゲート信号Gをオフしても交流配電系統28から直流配電線21に電力が供給されることになる。この場合は、DC/AC変換器11を交流配電系統28または直流配電系統27から一時的に解列する必要がある。
図24に示す電力制御部167は、図22で示したものに、テーブル181と乗算器182とを追加したものである。
図24に示すように、二次側電圧Vdcは、テーブル179とテーブル181とに入力される。第2電力指令Prefは、乗算器182にて、テーブル179の出力であるゲインK1が乗算された後、加算器178にて補正量Paddが加算されて補正される。
なお、テーブル181の入出力特性の例は、図20で示したものと同様で良い。
この場合、電力制御部167は、Vdcが領域Cを外れた場合には、Vdcの電圧変動の抑制を最優先にして動作する。
これらは設置場所や使用方法に応じて予め固定しておくこともできるし、状況に応じて変更することもできるが、上記2つの方法を組み合わせる際には、直流配電系統27と授受する電力が、変換器容量内に収まるようにしなければならない。
例えば、充放電可能な直流分散電源25が接続され、Vdcの電圧維持に使用可能なDC/DC変換器10の合計容量を、直流配電系統27と授受する電力における最大電力から減じた分だけ、交流配電系統28から電力融通する。すなわち、Vdcの電圧維持のための制御を行うDC/AC変換器11の台数を制限したり、DC/AC変換器11のテーブル179のリミッタを制限したりする。これらは制御部12から各DC/AC変換器11への通知により実施される。
交流母線2は交流配電線22に接続されると共に、DC/AC変換器11の一次側に接続されている。交流母線2の電圧は交流配電線22の電圧に相当し、DC/AC変換器11の一次側電圧は交流母線2の電圧に相当するといえる。すなわち、交流母線2の電圧は、DC/AC変換器11を用いて電圧維持できる。
この場合も、図22あるいは図24で示した電力制御部167と同様に、第2電力指令(有効電力指令値Pref)に補正量Paddを加算して用いる。この場合、Vdcに代わりDC/AC変換器11の一次側電圧(交流母線2の電圧)の実効値Vacを用いる。また、テーブル179に代わり、例えば図25に示す入出力特性を有するテーブルを用いて補正量Paddを求める。
Vacが領域G1にあるとき、Padd=0である。VacがVaccから離れ、領域F1または領域H1に入ると、VacがVaccから離れるに従ってPaddの絶対値は大きくなる。領域F1ではPaddを正として、共通直流母線1から交流母線2の向きに出力する電力を増やすか、交流母線2から共通直流母線1の向きに出力する電力を減らす。領域H1ではPaddを負として、共通直流母線1から交流母線2の向きに出力する電力を減らすか、交流母線2から共通直流母線1の向きに出力する電力を増やす。
図26に示すように、テーブルは、facの変動に応じて第2電力指令Prefを補正するための補正量Paddを出力する。facは、facの昇順にF2、G2、H2の3つの領域に分割されて補正量Paddが決定される。この場合、facは、通常、中央の領域G2内にあり、領域G2の中央値(基準値)がfaccである。
facが領域G2にあるとき、Padd=0である。facがfaccから離れ、領域F2または領域H2に入ると、facがfaccから離れるに従ってPaddの絶対値は大きくなる。領域F2ではPaddを正として、共通直流母線1から交流母線2の向きに出力する電力を増やすか、交流母線2から共通直流母線1の向きに出力する電力を減らす。領域H2ではPaddを負として、共通直流母線1から交流母線2の向きに出力する電力を減らすか、交流母線2から共通直流母線1の向きに出力する電力を増やす。
共通直流母線1と直流配電線21との間には変換器がないことから、共通直流母線1において電力バランスが崩れかけると自動的に直流配電線21から電力不足分が供給されるか、直流配電線21へ電力余剰分が供給される。
このようにして、Vdcが変化しない場合でも直流分散電源25と交流配電線22との間で電力融通できる。
VdcとVacとを双方を維持する場合には、電力指令Prefの補正量Paddを算出するブロックが、Vdc用とVac用との双方に存在することになる。その場合、優先順位をつけて干渉を避ける。
これにより、上記実施の形態1による効果に加えて、電力変換装置100は、上位制御装置24からの指令によらず、次のように動作する。共通直流母線1の電圧Vdcが基準値から離れて低下すると、直流分散電源25の放電量を増加させるか充電量を減少させる、あるいは交流配電系統28と電力融通する。また、共通直流母線1の電圧Vdcが基準値から上昇すると、直流分散電源25の充電量を増加させるか放電量を減少させる、あるいは交流配電系統28と電力融通する。このように共通直流母線1の電圧すなわち直流配電線21の電圧を望ましい範囲に近づけようと、自動的に動作することができる。
また、電力変換装置100の設置形態や使用方法に応じて、維持する電圧Vdc、Vad、および融通する電力を適宜に設定することができる。
次に、この発明の実施の形態3による電力変換装置について説明する。
上記実施の形態1では、DC/DC変換器10への第1電力指令およびDC/AC変換器11への第2電力指令は、上位制御装置24からの上位制御指令24aとして制御部12が受信して用いられるものであったが、この実施の形態3では、制御部12が第1電力指令および第2電力指令を生成する。制御部12以外の構成は、上記実施の形態1と同様である。
図27は、この実施の形態3による制御部12を示す図である。この場合、制御部12は、上位制御装置24から、上位制御指令24aとして、電力変換装置100が入出力すべき電力指令値を一括して受信する。
この場合、上位制御装置24は、電力変換装置100に接続されている直流分散電源25、26の充放電電力の合計電力指令PAと、電力変換装置100と直流配電系統27との間で授受する電力指令PBと、電力変換装置100と交流配電系統28の間で授受する電力指令PCとを上位制御指令24aとして指定する。各直流分散電源25、26の個別の充放電電力は指定しない。
なお、合計電力指令PAは、N組の分散電源接続端子13の入出力電力和の指令であり、電力指令PBは直流接続端子3の入出力電力指令であり、電力指令PCは交流接続端子4の入出力電力指令である。
一般に、DC/DC変換器10およびDC/AC変換器11において、軽負荷時の変換器効率は低いので、扱う電力が少ない場合には、均等に分担させるのではなく、一部の変換器を動作させるのが有効である。動作させる変換器は固定せず、適宜変更してもよいし、変換器の温度情報を使用して、温度が高い変換器を休止させてもよい。
また、直流分散電源25の充電状態や温度を考慮して第1電力指令Prefを決定してもよい。例えば、充電時には充電状態が低い直流分散電源25が接続されているDC/DC変換器10を優先的に動作させても良い。また、直流分散電源25の寿命を低下させる充放電を抑制しても良い。
なお、制御部12は、上位制御装置24あるいはDC/DC変換器10の制御回路32を介して、直流分散電源25、26の各種情報を受け取ることができ、電力指令生成部61に入力されて用いられる。
図28に示すように、制御部12は、電力指令生成部62を備える。この場合、電力指令生成部62には、直流分散電源25、26の情報125、126である各種検出値や仕様情報を、直流分散電源25、26から直接入力される。このため、上位制御装置24あるいはDC/DC変換器10の制御回路32を介することなく直流分散電源25、26の情報125、126を受信して利用できる。その他の構成は、図27で示した制御部12の場合と同様である。
これにより、上記実施の形態1による効果に加えて、上位制御装置24から受信する上位制御指令24aの情報量を少なくできる。また、上位制御装置24における演算量を低減できる。
また、制御部12が、電力変換装置100で発生する損失を低減するように第1、第2電力指令Prefを決定でき、さらに、DC/DC変換器10やDC/AC変換器11の責務が集中しないように第1、第2電力指令Prefを決定できる。これにより、電力を有効に利用できる。
さらに、制御部12が、直流分散電源25、26の種類や充電状態を考慮して第1、第2電力指令Prefを決定できるので、発電電力の有効利用が図れる、蓄電池の劣化を抑制できる、少ない蓄電池容量で電力融通が実現できるといった効果が得られる。
次に、この発明の実施の形態4による電力変換装置について説明する。
この実施の形態4では、電力変換装置100内のDC/DC変換器10における主回路部の構成が異なる。また主回路部の構成に応じて制御回路32の構成は一部変更される。その他の構成は実施の形態1と同様である。
半導体スイッチング素子74a、74b、75a、75bは、ダイオードが逆並列に接続されたIGBTから成る。なお、半導体スイッチング素子74a、74b、75a、75bは、MOSFET等他の半導体素子を用いても良い。
この場合、一次側と二次側とが非絶縁であり、一次側電圧と二次側電圧との大小関係に拘わらず、双方向の電力変換が行える。
この場合、一次側と二次側とが非絶縁であり、一次側電圧が二次側電圧より高い場合に双方向の電力変換が行える。
この場合、一次側と二次側とが非絶縁であり、二次側電圧が一次側電圧より高い場合に双方向の電力変換が行える。
なお、DC/DC変換器10の主回路部は、上記示したものに限らず別の回路方式を適用することもできる。
このように、DC/DC変換器10の主回路部には多種の回路構成が適用可能であり、各DC/DC変換器10の二次側に接続する直流分散電源25、26の構成に応じて、その種別、動作仕様、ユニットのコスト等を考慮して主回路部を選択できる。このため、上記実施の形態1による効果が得られると共に、直流分散電源の特性を有効に活用でき、ユニットコストも低く抑えられる。
次に、この発明の実施の形態5による電力変換装置について説明する。
上記実施の形態1では、電力変換装置100は、外部との接続端子となる、直流接続端子3と、交流接続端子4と、N組の分散電源接続端子13とを備えた1つブロックで構成されたが、この実施の形態では、複数のブロックを用いる。
図32は、この実施の形態5による電力変換装置100と、この電力変換装置100が適用される配電システムとの構成を示す図である。
図32に示すように、電力変換装置100は、それぞれ独立したブロックである2つの電力変換部101a、101bを備える。なお、2つの電力変換部101a、101bは、共通の上位制御装置24からの上位制御指令24aを受信する。
電力変換部101aの直流接続端子3と、電力変換部101bの直流接続端子3とは並列接続され、電力変換部101aの交流接続端子4と、電力変換部101bの交流接続端子とは並列接続される。直流接続端子3は直流配電線21を介して直流配電系統27に接続され、交流接続端子4は変圧器23および交流配電線22を介して交流配電系統28に接続される。また、各電力変換部101a、101bの複数の分散電源接続端子13は、それぞれ充放電可能な直流分散電源25に接続される。この場合、電気自動車301に搭載されているEV蓄電池が直流分散電源25である。
なお、正負の直流接続端子3と、三相の交流接続端子4と、正負の分散電源接続端子13とは、それぞれ簡便のため1端子のみ図示した。
この場合、各電力変換部101a、101bは、それぞれ5組の分散電源接続端子13を備えてその全てに直流分散電源25が接続されるものを示したが、それに限るものではない。すなわち、分散電源接続端子13に空きがあることもある。
また、電気自動車301は、ハイブリッド自動車等、蓄電池を備えているものであれば良い。
さらに、分散電源接続端子13と電気自動車301との間に中継盤を設けて、直流分散電源25の充放電状態を表示したり、充電開始/終了を外部入力できる操作パネルを設けても良い。
図33に示すように、電力変換装置100は、それぞれ独立したブロックである2つの電力変換部101c、101dを備える。なお、2つの電力変換部101c、101dは、共通の上位制御装置24からの上位制御指令24aを受信する。
各電力変換部101c、101dは、それぞれ実施の形態1で説明した電力変換装置100の構成および機能を備えている。
電力変換部101cの直流接続端子3と、電力変換部101dの直流接続端子3とは並列接続され、電力変換部101cの交流接続端子4と、電力変換部101dの交流接続端子とは並列接続される。直流接続端子3は直流配電線21を介して直流配電系統27に接続され、交流接続端子4は変圧器23および交流配電線22を介して交流配電系統28に接続される。
一部の分散電源接続端子13は、複数が並列接続された後、直流分散電源25または直流分散電源26に接続されている。
図34に示すように、2棟の建物302、303の一方の建物302に隣接して電力変換部101cと、直流分散電源25となる定置蓄電池304、305とが配置される。定置蓄電池305は定置蓄電池304の倍の電力を充放電できるものとし、この場合、複数の分散電源接続端子13が並列接続されて定置蓄電池305に接続される。定置蓄電池304、305は電力変換部101cと接続されて充放電を行う。
各電力変換部101c、101dは、独立して上位制御装置24と通信することができる。
また、上記実施の形態5では、共通の上位制御指令24aを受ける2つの電力変換部101c、101dを用いたが、3台以上を用いてもよい。
従って、この実施の形態による電力変換装置100は、上記実施の形態1と同様の効果を得ると共に、さらに、多数の直流分散電源25、26を用いる場合、および複数の直流分散電源25、26が分散配置されている場合に、容易に適用できて効果的に用いる事ができる。
また、各電力変換部101a〜101dは上位制御装置24と通信する機能を備えているので、他に全体の制御に係る制御装置を設ける必要がない。
さらに、分散電源接続端子13を並列接続して、直流分散電源25、26の充放電電力が大きい場合にも対応できる。このため、直流分散電源25、26の台数が増えても、変換器ユニットの数を増やして大型の1ブロック構成の電力変換装置を準備する必要がない。
また、複数の直流分散電源25、26の容量が多様であっても、容量の異なるDC/DC変換器10を準備する必要がない。
また、各電力変換部101a〜101dは、共通の上位制御装置24から直接、上位制御指令24aを受信するものに限らず、中継する複数の制御装置から受信しても良い。
Claims (12)
- N台のDC/DC変換器と、M台のDC/AC変換器と、上位制御指令に基づいて上記DC/DC変換器および上記DC/AC変換器を制御する制御部とを備える電力変換装置において、
共通直流母線と、
交流母線と、
外部との接続端子となる、直流接続端子と、交流接続端子と、正負N組の分散電源接続端子とを備え、
上記直流接続端子は、上記共通直流母線に接続されると共に外部の直流配電系統に接続され、上記交流接続端子は、上記交流母線に接続されると共に外部の交流配電系統に接続され、上記N組の分散電源接続端子は、上記N台のDC/DC変換器にそれぞれ接続されると共に、外部の直流分散電源にそれぞれ接続され、
上記N台のDC/DC変換器は、一次側が上記共通直流母線に、二次側が上記N組の分散電源接続端子にそれぞれ直接接続され、該各DC/DC変換器は、上記共通直流母線と上記各分散電源接続端子との間で電力変換して電力授受し、
上記M台のDC/AC変換器は、一次側が上記交流母線に、二次側が上記共通直流母線にそれぞれ直接接続され、該各DC/AC変換器は、上記交流母線と上記共通直流母線との間で電力変換して電力授受し、
上記制御部は、上記各DC/DC変換器毎に第1変換器制御部を、上記各DC/AC変換器毎に第2変換器制御部をそれぞれ備え、上記各第1変換器制御部は、上記上位制御指令に基づく上記各DC/DC変換器の第1電力指令により上記各DC/DC変換器を制御し、上記各第2変換器制御部は、上記上位制御指令に基づく上記各DC/AC変換器の第2電力指令により上記各DC/AC変換器を制御し、
上記第1変換器制御部は、上記DC/DC変換器の一次側の電圧と基準電圧との差に応じた第1補正量を演算して上記第1電力指令を補正して、二次側の上記分散電源接続端子との間の電力授受を調整し、上記分散電源接続端子から上記DC/DC変換器への入力方向の電力を、上記一次側の電圧が上記基準電圧よりも高いときに減少させ、上記基準電圧よりも低いときに増加させ、かつ、補正後の上記第1電力指令を上記DC/DC変換器の定格電力で制限し、
上記電力変換装置は、さらに、上記各DC/DC変換器および上記各DC/AC変換器の動作により、上記接続端子間で上記共通直流母線を介して電力授受する複数の動作モードを備え、
上記複数の動作モードは、上記分散電源接続端子と上記直流接続端子との間で電力授受する第1電力授受モード、上記分散電源接続端子と上記交流接続端子との間で電力授受する第2電力授受モード、および上記直流接続端子と上記交流接続端子との間で電力授受する第3電力授受モードを有し、
上記複数の動作モードは、同時に2以上の組み合わせ可能に決定される、
電力変換装置。 - 上記第1変換器制御部は、上記第1電力指令が設定下限値よりも小さく、かつ、上記DC/DC変換器の一次側の電圧と上記基準電圧との差が、該差に設定された下限値よりも小さい場合、上記第1補正量を0とする、
請求項1に記載の電力変換装置。 - 上記直流分散電源の少なくとも1台は、充放電可能な直流分散電源である、
請求項1または請求項2に記載の電力変換装置。 - 上記DC/DC変換器の台数Nは、複数であって、かつ上記DC/AC変換器の台数M以上であり、
上記複数の動作モードは、さらに、複数の上記分散電源接続端子間で電力授受する第4電力授受モードを有する、
請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の電力変換装置。 - 上記第2変換器制御部は、上記DC/AC変換器の二次側の電圧と第2基準電圧との差に応じた第2補正量を演算して上記第2電力指令を補正して、一次側の上記交流母線との間の電力授受を調整し、上記交流母線から上記DC/AC変換器への入力方向の有効電力を、上記二次側の電圧が上記第2基準電圧よりも高いときに減少させ、上記第2基準電圧よりも低いときに増加させ、かつ、補正後の上記第2電力指令を上記DC/AC変換器の定格電力で制限する、
請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の電力変換装置。 - 上記制御部は、上記各DC/DC変換器の第1電力指令および上記各DC/AC変換器の第2電力指令を上記上位制御指令として受信する、
請求項1から請求項5のいずれか1項に記載の電力変換装置。 - 上記制御部は、上記上位制御指令に基づいて上記各DC/DC変換器の第1電力指令および上記各DC/AC変換器の第2電力指令を生成する、
請求項1から請求項5のいずれか1項に記載の電力変換装置。 - 上記第1変換器制御部は、上記第1電力指令の大きさを1以下のゲインを乗じた後に上記第1補正量にて補正し、上記DC/DC変換器の一次側の電圧と上記基準電圧との差が大きくなると上記ゲインは小さくなる
請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の電力変換装置。 - 上記第2変換器制御部は、上記第2電力指令の大きさを1以下のゲインを乗じた後に上記第2補正量にて補正し、上記DC/AC変換器の二次側の電圧と上記第2基準電圧との差が大きくなると上記ゲインは小さくなる、
請求項5に記載の電力変換装置。 - 上記第2変換器制御部は、上記DC/AC変換器の一次側の電圧とAC基準電圧との差に応じた第3補正量を演算して上記第2電力指令を補正して、一次側の上記交流母線との間の電力授受を調整し、上記交流母線から上記DC/AC変換器への入力方向の有効電力を、上記一次側の電圧が上記AC基準電圧よりも高いときに増加させ、上記AC基準電圧よりも低いときに減少させ、かつ、補正後の上記第2電力指令を上記DC/AC変換器の定格電力で制限する、
請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の電力変換装置。 - 上記第2変換器制御部は、上記DC/AC変換器の一次側の周波数と基準周波数との差に応じた第3補正量を演算して上記第2電力指令を補正して、一次側の上記交流母線との間の電力授受を調整し、上記交流母線から上記DC/AC変換器への入力方向の有効電力を、上記一次側の周波数が上記基準周波数よりも高いときに増加させ、上記基準周波数よりも低いときに減少させ、かつ、補正後の上記第2電力指令を上記DC/AC変換器の定格電力で制限する、
請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の電力変換装置。 - 上記N組の分散電源接続端子の中の複数組の分散電源接続端子が並列接続されて上記直流分散電源に接続される、
請求項1から請求項11のいずれか1項に記載の電力変換装置。
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