JP6536073B2 - 直流電源系統の特性安定化装置 - Google Patents

Description

本発明は、直流電源系統の特性安定化装置に係わり、特に仮想コンデンサの静電容量を可変することで直流電源系統の特性の安定化を図った装置に関するものである。

図６は直流電源系統を示したもので、直流のバスライン１に太陽光発電装置２，出力側にＡＣ／ＤＣ変換器を有する風力発電装置３など異なる複数の分散電源および電力貯蔵装置を有する直流電圧制御装置４を接続し、バスライン１の電圧を直流電圧制御装置４により所定の電圧値に制御する。順・逆変換可能に構成された電力変換装置５は、バスライン１の直流電圧を交流電圧に変換して交流の負荷６へ交流電力を供給する。

直流電圧制御装置４はその拡大図で示すように、例えば特許文献１に記載されたもので、大略で直列に接続された２個のスイッチング素子Ｓ１，Ｓ２からなるチョッパ回路ｃｈ、リアクトルＬ、電気二重層キャパシタＥＤＬＣおよびバッテリーＢなどを備え、チョッパ回路Ｃ_hをオン・オフ制御することで充放電制御をし、バスライン１の直流電圧を所定値に維持している。

特許第５１６９７６５

バスライン１に直流電圧制御装置４を接続して直流電圧を所定値に制御する電力システムにおいては、安定性・応答性・誤差を考慮して、電力システムに合わせて制御系の調整が行われる。しかしながら、図６で示すような電力システムにおいては、バスライン１に接続する装置の増減や容量変更の可能性が高く、接続装置の増減によりインピーダンス、特に静電容量が増減する。これを放置すると直流電圧制御装置４の制御特性が変化して直流電圧の制御劣化につながることから、接続装置の増減の都度、直流電圧制御装置４の制御パラメータの再調整が必要となっている。
本発明が目的とするところは、接続装置の増減が生じても容易に静電容量の設定を可能にした直流電源系統の特性安定化装置を提供することにある。

本発明が目的とするところは、接続装置の増減が生じても容易に静電容量の設定を可能にした直流電源系統の特性安定化装置を提供することにある。

本発明は、直流のバスラインに、異なった種類の複数の直流電源と、蓄電装置を有する直流電圧制御装置を接続した電力システムにおいて、
前記直流のバスラインに直流系統特性調整装置を接続し、
前記直流のバスラインに接続された電源系統の構成変更時に、前記直流系統特性調整装置から仮想電流指令Ｉ_CRを出力し、前記直流電圧制御装置の直流電圧制御部が出力した電流Ｉ_VRに加算して前記バスラインの電圧制御指令としたことを特徴としたものである。

本発明の直流系統特性調整装置は、直流電流検出Ｉ_Lと直流電圧検出Ｖ_DCを入力してバスライン推定容量Ｃ_Eを推定出力すると共に、所定の周波数を有する容量推定電流Ｉ_ESTを発生するバスライン静電容量推定部と、
予め設定された設定静電容量Ｃ_Rと前記バスライン推定容量Ｃ_Eの差分と、直流電圧検出Ｖ_DC、および前記容量推定電流Ｉ_ESTから前記仮想電流指令Ｉ_CRを出力する仮想容量制御部を備えたことを特徴としたものである。

本発明の直流系統特性調整装置は、直流電流検出Ｉ_Lを直流電圧検出Ｖ_DCの微分値ｄＶ_DCで除算する除算部と、
推定実施指令のオン時に前記除算部による除算値を入力し、推定実施指令のオフ時に除算値をホールドしてバスライン推定容量Ｃ_Eとして出力するホールド回路と、
前記推定実施指令のオン時に、方形波状で正・負同一電流値で所定の周波数を有する容量推定電流Ｉ_ESTを発生するバスライン容量推定用電流指令発生部と、
前記バスライン推定容量Ｃ_Eと設定静電容量Ｃ_Rとの差分で生成される仮想容量指令Ｃ_VRに、前記直流電圧検出Ｖ_DCの微分値を乗算して電流推定Ｉ_CVを生成する仮想容量制御部と、
前記仮想容量制御部により生成された電流推定Ｉ_CVと前記容量推定電流Ｉ_ESTを加算して仮想電流指令Ｉ_CRとして前記直流電圧制御装置に出力するよう構成したことを特徴としたものである。

本発明の容量推定電流Ｉ_ESTは、方形波状の正，負側ともに同じ電流値で所定の周波数であることを特徴としたものである。

本発明の直流電圧制御装置は、直列接続された２個のスイッチング素子からなるチョッパ回路と、
前記チョッパ回路に接続された電気二重層キャパシタと、
前記チョッパ回路の橋絡点と前記バスラインの正側間に接続されたリアクトルと、
前記直流電圧制御部が出力した電流Ｉ_VRと前記仮想電流指令Ｉ_CRとの加算値から電流検出Ｉ_Lを減じて電流指令Ｉ_LRを生成し、生成された電流指令Ｉ_LRを入力して前記スイッチング素子のゲート信号を算出する電流制御部を備え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、直流のバスラインに接続される機器系統の構成が変更されても、直流電圧制御部の電圧制御系パラメータ変更を必要としないものである。また、直流のバスラインに接続される静電容量を設定した容量に合わすことができるので、適当な容量を仮定して直流電圧制御部の電圧制御系を設計することが出来る。さらに、仮想設定を行う仮想容量の推定容量が負になることから、設定する仮想容量は実際の容量よりも小さい値にすることが可能となり、直流のバスラインに値の大きな容量が並列接続されていても、全体の容量を設定値にすることが可能となるものである。

本発明の実施形態を示す構成図。 本発明の直流系統特性調整装置の構成図。 直流電圧系統の説明図。 静電容量推定部の構成図。 仮想容量制御部の構成図。 従来の直流系統の構成図。

図１は本発明による構成図を示したもので、図６と同一部分に同一符号を付している。すなわち、本発明は直流のバスライン１に直流系統特性調整装置１０を設けたもので、この直流系統特性調整装置１０は図２のように構成されている。図２において、１１は直流のバスライン１の静電容量推定部で、直流系統の接続装置の変更時に静電容量の推定を行う。静電容量推定部１１にはバスラインの直流電圧検出Ｖ_DCと直流電流検出Ｉ_Lが入力されてバスライン推定容量Ｃ_Eと容量推定電流Ｉ_ESTが生成され出力される。１２は減算部で、予め設定されたバスラインの設定静電容量Ｃ_Rとバスライン推定容量Ｃ_Eとの差分が求められ、その差分が仮想容量指令Ｃ_VRとして仮想容量制御部１３に入力される。

仮想容量制御部１３では、入力されたバスラインの直流電圧検出Ｖ_DCと仮想容量指令Ｃ_VRからバスラインの仮想容量における電流推定Ｉ_CVを生成して加算部１４に出力する。加算部１４では電流推定Ｉ_CVと容量推定電流Ｉ_ESTを加算して仮想電流指令Ｉ_CRとする。この仮想電流指令Ｉ_CRは直流電圧制御装置４の加減算部４３に出力される。

直流電圧制御装置４は、電気二重層キャパシタＥＤＬＣ、チョッパ回路Ｃ_hよるなる直流電圧調整手段とバッテリーからなる蓄電部を有しており、減算部４１において直流電圧指令Ｖ_CRと電気二重層キャパシタＥＤＬＣの電圧検出Ｖ_Cとの差分を求めて直流電圧制御部４２に入力する。直流電圧制御部４２は入力された差分に基づいて電気二重層キャパシタＥＤＬＣの電圧を制御するための電流Ｉ_VRを生成し、加減算部４３に出力される。

加減算部４３では、生成された電流Ｉ_VRと仮想電流指令Ｉ_CRとの加算値から直流電流検出Ｉ_Lを減算して電流指令Ｉ_LRを生成して電流制御部４４に入力する。電流制御部４４は、直流電流が電流指令Ｉ_LRとなるようゲート信号Ｓ_G1，Ｓ_G2を発生してスイッチング素子Ｓ１，Ｓ２を制御する。

図３で示すように、直流電圧調整機能を有する電源または蓄電部を電流源として、ＰＩ制御により直流電圧の制御を行う場合、図３のブロック図から直流電圧Ｖ_DCは以下の式となる。

ただし、Ｖ_DC ^*は：直流電圧指令、Ｉ_E：直流電圧調整機能を持たない電源の発生する電流、Ｋ_P：ＰＩ制御比例ゲイン、Ｋ_I：ＰＩ制御積分ゲイン、Ｃ：バスラインの静電容量、Ｒ：交流負荷の直流に接続された等価抵抗、
ここで、τ＝ＣＲ，ｋ_P＝Ｋ_p／Ｃ，ｋ_I＝Ｋ_I／Ｃとすると、直流電圧Ｖ_DCは

となり、電圧制御部における直流電圧指令Ｖ_DC ^*に対する応答と、電流Ｉ_Eに対する応答は、τ，ｋ_P，ｋ_I，およびＣによって変化する。よって、Ｃの値とＲの取り得る範囲を想定してＫ_p，Ｋ_Iを決めるが、バスライン１に接続される機器が変わるとＣの値が変化して、電圧制御部の応答性・安定性に影響する。

本発明での直流系統特性調整装置１０は、直流系統の容量Ｃを設定した値になるように動作することで、バスライン１に接続される機器構成が変わって容量Ｃの値が変化しても、直流電圧制御装置４の電圧制御系のパラメータを再調整することなく、制御特性を最初の状態と同じにするものである。

図４は静電容量推定部１１の構成図を示したもので、この静電容量推定部１１の動作は、バスライン１に接続される機器構成の変更時に行う。その際、推定実施指令がホールド回路１１ｄとスイッチ部１１ｅに与えられると、先ず直流電圧検出Ｖ_DCは微分回路１１ａにおいて微分され除算部１１ｂに入力される。除算部１１ｂでは、（３）式の演算を行ってバスライン推定容量Ｃ_Eを算出する。

すなわち、静電容量推定部１１は、直流電流検出Ｉ_Lを直流電圧検出の微分値ｄＶ_DCで除算し、ローパスフィルタ１１ｃを通ってホールド回路１１ｄに出力する。ホールド回路１１ｄは、推定実施指令をオンからオフにしたときの値を保持してバスライン推定容量Ｃ_Eとして減算部１２に出力し、設定静電容量Ｃ_Rとの差分が算出されて仮想容量指令Ｃ_VRとなる。

一方、バスライン推定用電流指令発生部１１ｆは、方形波状の正，負側ともに同じ電流値で所定の周波数で正・負同一のバスライン推定用電流指令を発生し、バスライン電圧の変化からバスラインに接続されている容量を推定する。そのために推定実施指令のオンでスイッチ部１１ｅが閉じられたとき容量推定電流Ｉ_ESTを加算部１４に出力する。なお、容量推定電流Ｉ_ESTの周期は、負荷６による負荷電流の変化はあるものの微視的短時間で見て略一定電流値を与える時間とし、推定値に誤差を与えないようにしている。

図５は仮想容量制御部１３の構成図を示したもので、バスラインの直流電圧検出Ｖ_DCをローパスフィルタ１３ａに通して微分回路１３ｂで微分し、乗算部１３ｃに出力する。乗算部１３ｃでは、微分値と仮想容量指令Ｃ_VRとの乗算を行ってバスラインの仮想容量における電流推定Ｉ_CVを生成し、加算部１４で容量推定電流Ｉ_ESTを加算して仮想電流指令Ｉ_CRとして加減算部４３に入力され、電流指令Ｉ_LRが算出される。

以上のように本発明は、異なった種類の複数の直流電源と、蓄電装置を有する直流電圧制御装置を同一の直流のバスラインに接続して構成した電力システムにおいて、バスラインに直流系統特性調整装置を接続し、直流系統の容量を設定した値になるよう動作させるものである。これにより、バスラインに接続される機器構成が変わって容量値が変化しても、擬似（仮想）容量の仮想設定を行うことで直流電圧制御装置の電圧制御系パラメータの再調整を省くことが可能となるものである。また、仮想設定を行う仮想容量の推定容量が負になることで、設定する仮想容量は実際の容量よりも小さい値にすることが可能となり、直流のバスラインに値の大きな容量が並列に接続されていても、全体の容量を設定値にすることが可能となるものである。

１… バスライン
２… 太陽光発電装置
３… 風力発電装置
４… 直流電圧制御装置
５… 電力変換装置
６… 負荷
１０… 直流系統特性調整装置
１１… 静電容量推定部
１３… 仮想容量制御部
４２… 直流電圧制御部
４４… 電流制御部

Claims (5)

1. 直流のバスラインに、異なった種類の複数の直流電源と、蓄電装置を有する直流電圧制御装置を接続した電力システムにおいて、
   前記直流のバスラインに直流系統特性調整装置を接続し、
   前記直流のバスラインに接続された電源系統の構成変更時に、前記直流系統特性調整装置から仮想電流指令Ｉ_CRを出力し、前記直流電圧制御装置の直流電圧制御部が出力した電流Ｉ_VRに加算して前記バスラインの電圧制御指令とし、
   前記直流系統特性調整装置は、直流電流検出Ｉ_Lと直流電圧検出Ｖ_DCを入力してバスライン推定容量Ｃ_Eを推定出力すると共に、所定の周波数を有する容量推定電流Ｉ_ESTを発生するバスライン静電容量推定部と、
   予め設定された設定静電容量Ｃ_Rと前記バスライン推定容量Ｃ_Eの差分と、直流電圧検出Ｖ_DC、および前記容量推定電流Ｉ_ESTから前記仮想電流指令Ｉ_CRを出力する仮想容量制御部を備えたことを特徴とする直流電源系統の特性安定化装置。
2. 直流のバスラインに、異なった種類の複数の直流電源と、蓄電装置を有する直流電圧制御装置を接続した電力システムにおいて、
   前記直流のバスラインに直流系統特性調整装置を接続し、
   前記直流のバスラインに接続された電源系統の構成変更時に、前記直流系統特性調整装置から仮想電流指令Ｉ_CRを出力し、前記直流電圧制御装置の直流電圧制御部が出力した電流Ｉ_VRに加算して前記バスラインの電圧制御指令とし、
   前記直流系統特性調整装置は、直流電流検出Ｉ_Lを直流電圧検出Ｖ_DCの微分値ｄＶ_DCで除算する除算部と、
   推定実施指令のオン時に前記除算部による除算値を入力し、推定実施指令のオフ時に除算値をホールドしてバスライン推定容量Ｃ_Eとして出力するホールド回路と、
   前記推定実施指令のオン時に、方形波状で正・負同一電流値で所定の周波数を有する容量推定電流Ｉ_ESTを発生するバスライン容量推定用電流指令発生部と、
   前記バスライン推定容量Ｃ_Eと設定静電容量Ｃ_Rとの差分で生成される仮想容量指令Ｃ_VRに、前記直流電圧検出Ｖ_DCの微分値を乗算して電流推定Ｉ_CVを生成する仮想容量制御部と、を備え、
   前記仮想容量制御部により生成された電流推定Ｉ_CVと前記容量推定電流Ｉ_ESTを加算して仮想電流指令Ｉ_CRとして前記直流電圧制御装置に出力するよう構成したことを特徴とする直流電源系統の特性安定化装置。
3. 前記直流系統特性調整装置は、直流電流検出Ｉ_Lを直流電圧検出Ｖ_DCの微分値ｄＶ_DCで除算する除算部と、
   推定実施指令のオン時に前記除算部による除算値を入力し、推定実施指令のオフ時に除算値をホールドしてバスライン推定容量Ｃ_Eとして出力するホールド回路と、
   前記推定実施指令のオン時に、方形波状で正・負同一電流値で所定の周波数を有する容量推定電流Ｉ_ESTを発生するバスライン容量推定用電流指令発生部と、を備え、
   前記仮想容量制御部は、前記バスライン推定容量Ｃ_Eと設定静電容量Ｃ_Rとの差分で生成される仮想容量指令Ｃ_VRに、前記直流電圧検出Ｖ_DCの微分値を乗算して電流推定Ｉ_CVを生成し、
   前記仮想容量制御部により生成された電流推定Ｉ_CVと前記容量推定電流Ｉ_ESTを加算して仮想電流指令Ｉ_CRとして前記直流電圧制御装置に出力するよう構成したことを特徴とする請求項１記載の直流電源系統の特性安定化装置。
4. 前記容量推定電流Ｉ_ESTは、方形波状の正，負側ともに同じ電流値で所定の周波数であることを特徴とする請求項１乃至３記載の直流電源系統の特性安定化装置。
5. 前記直流電圧制御装置は、直列接続された２個のスイッチング素子からなるチョッパ回路と、
   前記チョッパ回路に接続された電気二重層キャパシタと、
   前記チョッパ回路の橋絡点と前記バスラインの正側間に接続されたリアクトルと、
   前記直流電圧制御部が出力した電流Ｉ_VRと前記仮想電流指令Ｉ_CRとの加算値から電流検出Ｉ_Lを減じて電流指令Ｉ_LRを生成し、生成された電流指令Ｉ_LRを入力して前記スイッチング素子のゲート信号を算出する電流制御部を備えたことを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載の直流電源系統の特性安定化装置。

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