JP6623845B2 - 電力変換システム及び電力制御方法 - Google Patents
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Description
図17は、その状態を示す回路図である。図17において、負荷Ruvにはパワーコンディショナ102のみから電力が供給される。一方、不均等分の負荷Ruoにはパワーコンディショナ102から電力を供給しないので、商用電力系統104から例えば図中の点線で示すルートで買電しなければならない。このとき、買電メータ105は10A(電力1kW)を計測する。直流電源101が供給できる電力が、負荷が消費する3kWに対して不足する場合には買電によって不足分を補填する他ないが、図17の電力変換では直流電源101が負荷消費に対して十分な電力を供給できる場合にも、商用電力系統からの買電が発生する。
一方、単相3線式の商用電力系統に連系するパワーコンディショナも、既に提案されている(例えば、特許文献4,5参照。)。しかしながら、u相、v相の負荷バランスがとれていない場合に買電を抑制する制御は実現できていない。
本開示の一形態は、任意の線間に負荷が接続された単相3線の交流電路に対して、3つの電路から電力を出力する電力変換システムであって、直流電源に基づく直流電圧が供給されるDCバスと、前記DCバスの2線間に接続され、上アームの半導体スイッチ及び下アームの半導体スイッチを第1接続点で互いに直列接続して成り、前記第1接続点から第1線が引き出される第1レグと、前記DCバスの2線間に接続され、上アームの半導体スイッチ及び下アームの半導体スイッチを第2接続点で互いに直列接続して成り、前記第2接続点から第2線が引き出される第2レグと、前記DCバスの2線間に接続され、上アームの半導体スイッチ及び下アームの半導体スイッチを第3接続点で互いに直列接続して成り、前記第3接続点から中性線が引き出される中性レグと、前記負荷と商用電力系統との間に設けられ、前記第1線に流れる電流によって生じる第1の有効電力を検出する第1電力検出部と、前記負荷と前記商用電力系統との間に設けられ、前記第2線に流れる電流によって生じる第2の有効電力を検出する第2電力検出部と、前記第1の有効電力と前記第2の有効電力の少なくとも一方の大きさが0であるか、双方の向きが一致している状態を維持するように前記第1線及び前記第2線にそれぞれ流れる電流を制御する機能を有する制御部と、を備えている。
本発明の実施形態の要旨としては、少なくとも以下のものが含まれる。
そして制御部は、第1の有効電力と第2の有効電力の少なくとも一方の大きさが0であるか、双方の向きが一致している状態を維持するように、第1線及び第2線にそれぞれ流れる電流を制御する。
直流電源が供給可能な電力が、第1相および第2相に接続された負荷が消費する電力よりも大きく、直流電源の電力を売電できない場合には、第1の有効電力、第2の有効電力はともに0とすることができる。
直流電源が供給可能な電力が、第1相および第2相に接続された負荷が消費する電力と一致する場合には、第1の有効電力、第2の有効電力はともに0とすることができる。
直流電源が供給可能な電力が、第1相および第2相に接続された負荷が消費する電力よりも小さい場合には、第1の有効電力と第2の有効電力は一方の大きさが0で、他方が買電方向とするか、双方が買電方向とすることができる。
従って、上記の何れの場合も、相電力が不均等となる負荷接続状態であっても、売電と買電が同時に行われる状態を回避し、商用電力系統からの買電を抑制することができる。
この場合、リアクトルを流れる電流を各線の電流目標値、コンデンサの両端に生じる電圧を、第1相、第2相の電圧目標値とすることができる。
この場合、第1線に流れる電流と、第2線に流れる電流とを、互いに独立して正確にフィードバック制御することができる。
このようにして、各レグの半導体スイッチを制御するゲート駆動信号を生成することができる。中性レグの制御により、不均等な負荷接続状態であっても、買電を抑制して電力変換システムから負荷に必要な電力を供給することができる。
このような電力変換システムは、太陽光発電に代表される再生可能エネルギーに基づく直流電源と、その他の直流電源とを一括制御することができる。
この場合、売電可能な再生可能エネルギーによる発電電力は売電し、その他の直流電源の発電電力によって負荷へ給電することができる。
この場合、再生可能エネルギーの発電電力を無駄なく利用し、また、必要に応じて放電させることにより、買電も抑制することができる。
以下、実施形態の詳細について、図面を参照して説明する。
図1は、本実施形態の電力変換システムによって実現しようとする電流(電力)供給のあり方の一例を、主回路中心に簡略に示す回路図である。図において、分散型の直流電源1には、パワーコンディショナ2が接続されている。パワーコンディショナ2は、単相3線出力で、u線−v線の線間のみならず、u線と中性線(o線)との線間のu相及びv線とo線との線間のv相にも電力を出力することができる。
直流電源1が、太陽光発電等の再生可能エネルギーに基づく電源と、その他の電源(例えば、蓄電池)で複合的に構成されているときは、自家消費分に相当する電力をその他の電源が出力すれば、再生可能エネルギーの発電は全て売電することができる。このとき、負荷と商用電力系統との間に、u相の電力を検出するu相電力検出部と、v相の電力を検出するv相電力検出部を設け、u相の有効電力とv相の有効電力の少なくとも一方の大きさが0であるか、双方の向きが一致している状態(この場合はパワーコンディショナ2から系統への電力)を維持するようにパワーコンディショナ2のu線、v線の電流をそれぞれ制御すれば、買電メータ5の有効電力値を積算することなく、売電メータ6の有効電力値を積算することができる。
〈好ましい状態〉
(a)共に0
(b)一方が0、他方が順調流
(c)共に順調流(同値でなくても可)
〈許容できる状態〉
(d)一方が0で、他方が逆潮流=売電(但し、売電が許されるときのみ)
(e)共に逆潮流(同値でなくても可)
〈好ましくない状態〉
(f)一方が逆潮流で他方が順調流
ここで、上記(a)〜(e)は、全て採用できる状態で、(f)が排除しようとする状態となる。(a)〜(e)を総括し、(f)を排除する表現としては、上記の「u相の有効電力とv相の有効電力の少なくとも一方の大きさが0であるか、双方の向きが一致している状態」となる。
図2は、単相3線式の商用電力系統4に連系する電力変換システム10の詳細な回路図の一例である。電力変換システム10は、パワーコンディショナ2と、電力計測部3とによって構成される。なお、図1における買電メータ5及び売電メータ6は、電力会社の所有物であり、図2の電力計測部3は、買電メータ5及び売電メータ6とは別に需要家における電力変換システム10の一部として設けられたものである。
また、制御部2Cは、各センサ(201〜207,31〜34)の検出出力に基づいて半導体スイッチQL,QH,Q1〜Q6を制御する。
以下、制御部2Cが実行する制御を、図3〜10の制御ブロック図を用いて説明する。
図3の(a)は、交流リアクトル24(u線)に流れる電流目標値を求める制御ブロック図である。
例えば、逆潮をしないで自家消費のみに直流電源1から電力を供給するときには、Puが0になるようにIau*を設定する。つまり、Iau*=Iau*−Pu/Vauとして新しいIau*を設定することができる(Vauはu相電圧)。このIau*にコンデンサ27を流れる無効電流(Vau→sT→K)を加算して、交流リアクトル24に流れる電流の目標値Iinvu*を得る。
Iinvu*(t)=Ku・Iau*(t)+
Cau(dVau(t)/dt) ・・・(1)
となる。Kuはフィードフォワード制御のためのゲイン、Cauはコンデンサ27の容量である。
例えば、逆潮をしないで自家消費のみに直流電源1から電力を供給するときには、Pvが0になるようにIav*を設定する。つまり、Iav*=Iav*−Pv/Vavとして新しいIav*を設定することができる(Vavはv相電圧)。このIav*にコンデンサ28を流れる無効電流(Vav→sT→K)を加算して、交流リアクトル25に流れる電流の目標値Iinvv*を得る。
Iinvv*(t)=Kv・Iav*(t)+
Cav(dVav(t)/dt) ・・・(2)
となる。Kvはフィードフォワード制御のためのゲイン、Cavはコンデンサ28の容量である。
Iao*(t)=−Iau*(t)−Iav*(t) ・・・(3)
である。また、
Iinvo*(t)=−Iinvu*(t)−Iinvv*(t) ・・・(4)
である。
Vinvu*(t)=Vau(t)+Kinvu(t)(Iinvu*(t)−Iinvu(t)) ・・・(5)
となる。ここで、Kinvu(t)は、補償関数である。
Vinvv*(t)=Vav(t)+Kinvv(t)(Iinvv*(t)−Iinvv(t)) ・・・(6)
となる。ここで、Kinvv(t)は、補償関数である。
また、o相の出力電圧目標値をVinvo*又はVinvo*(t)とすると、
Vinvo*(t)=Kinvo(t)(Iinvo*(t)−Iinvo(t))
・・・(7)
である。Kinvo(t)は補償関数である。
図2の直流電源1を蓄電池として、u線‐o線、v線‐o線、u線‐v線、それぞれの間の電圧実効値は100V、100V、200Vとし、uo間に10Ω、uv間に20Ωの抵抗負荷を接続した。このとき電力計測部3の電流センサ31及び電圧センサ33の検出出力に基づく有効電力検出値P1、及び、電流センサ32及び電圧センサ34の検出出力に基づく有効電力検出値P2がどちらも0になるように、パワーコンディショナ2の出力電流目標値Iau*、Iav*を設定した。
図12は、直流電源からDCバス2Bまでの直流回路を2系統設けた電力変換システム10の回路図の例である。直流電源1を、例えば太陽光発電パネルであるとすると、直流電源1bは、蓄電池である。蓄電池の直流電源1bに接続される回路は、直流電源1側と同様に、直流リアクトル22b、半導体スイッチQLb,QHb,ダイオードdLb,dHb、電圧センサ201b、及び、電流センサ202bを備えている。直流リアクトル22b及び半導体スイッチQLb,QHbは、DC/DCコンバータ20bを構成している。なお、図12では、制御部2Cとの接続線の図示は省略しているが、全ての半導体スイッチ及び計測要素は、制御部2Cと接続されている。
なお、図12のように、直流電源が複数存在し、複数の直流電源からそれぞれに対応して設けられたDC/DCコンバータを経て、共通のDCバス2Bに至る直流回路群を備えているパワーコンディショナ及び電力変換システムでは、太陽光発電に代表される再生可能エネルギーに基づく直流電源と、その他の直流電源とを一括制御することができる。
この場合、再生可能エネルギーの発電電力を無駄なく利用し、また、必要に応じて放電させることにより、買電も抑制することができる。
以上、詳述したように、この電力変換システム10では、単相3線の交流電路における第1線(u線)と第2線(v線)との間の線間電力を、第1レグL1及び第2レグL2の制御により供給することができる。また、中性線と第1線との間の相電力を、中性レグL3及び第1レグL1の制御により供給することができる。さらに、中性線と第2線との間の相電力を、中性レグL3及び第2レグL2の制御により供給することができる。すなわち、負荷がどの線間に接続されていても、また、中性線から見て相電力が不均等であっても、供給可能な範囲内で電力変換システム10から自在に電力を供給することができる。
なお、今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。
2 パワーコンディショナ
2A 電力変換部
2B DCバス
2C 制御部
3 電力計測部
4 商用電力系統
4u 相電源
4v 相電源
5 買電メータ
6 売電メータ
10 電力変換システム
20,20b DC/DCコンバータ
21,21b コンデンサ
22,22b 直流リアクトル
23 コンデンサ
24〜26 交流リアクトル
27,28 コンデンサ
31,32 電流センサ
33,34 電圧センサ
101 直流電源
102 パワーコンディショナ
104 商用電力系統
104u 相電源
104v 相電源
105 買電メータ
106 売電メータ
201,201b,203,206,207 電圧センサ
202,202b,204,205 電流センサ
dL,dH,dLb,dHb,d1〜d6 ダイオード
L1 第1レグ
L2 第2レグ
L3 中性レグ
P1 第1接続点
P2 第2接続点
P3 第3接続点
QL,QH 半導体スイッチ
QLb、QHb 半導体スイッチ
Q1〜Q6 半導体スイッチ
Ruo,Rvo,Ruv 負荷
Claims (9)
- 任意の線間に負荷が接続された単相3線の交流電路に対して、3つの電路から電力を出力する電力変換システムであって、
直流電源に基づく直流電圧が供給されるDCバスと、
前記DCバスの2線間に接続され、上アームの半導体スイッチ及び下アームの半導体スイッチを第1接続点で互いに直列接続して成り、前記第1接続点から第1線が引き出される第1レグと、
前記DCバスの2線間に接続され、上アームの半導体スイッチ及び下アームの半導体スイッチを第2接続点で互いに直列接続して成り、前記第2接続点から第2線が引き出される第2レグと、
前記DCバスの2線間に接続され、上アームの半導体スイッチ及び下アームの半導体スイッチを第3接続点で互いに直列接続して成り、前記第3接続点から中性線が引き出される中性レグと、
前記負荷と商用電力系統との間に設けられ、前記第1線に流れる電流によって生じる第1の有効電力を検出する第1電力検出部と、
前記負荷と前記商用電力系統との間に設けられ、前記第2線に流れる電流によって生じる第2の有効電力を検出する第2電力検出部と、
前記第1の有効電力と前記第2の有効電力とは共に、順潮流及び逆潮流のいずれにもなり得るものであって、少なくとも一方の大きさが0であるか、双方の向きが一致している状態を維持するように前記第1線及び前記第2線にそれぞれ流れる電流を制御する機能を有する制御部と、
を備えている電力変換システム。 - 前記第1接続点、前記第2接続点及び前記第3接続点は、それぞれ、第1のリアクトル、第2のリアクトル及び第3のリアクトルを介して単相3線の各電路に接続され、
前記第1線と前記中性線との間、及び、前記第2線と前記中性線との間に、それぞれ第1のコンデンサ及び第2のコンデンサが接続されている、請求項1に記載の電力変換システム。 - 前記第1のリアクトルに流れる電流を検出する第1の電流センサと、
前記第2のリアクトルに流れる電流を検出する第2の電流センサと、
前記第1のコンデンサの両端の電圧を検出する第1の電圧センサと、
前記第2のコンデンサの両端の電圧を検出する第2の電圧センサと、を備え、
前記制御部は、前記第1電力検出部の検出値を参照して前記第1のリアクトルに流れる第1の電流目標値を設定し、前記第2電力検出部の検出値を参照して前記第2のリアクトルに流れる第2の電流目標値を設定し、前記第1の電流センサが検出する第1の電流検出値が前記第1の電流目標値に一致し、かつ、前記第2の電流センサが検出する第2の電流検出値が前記第2の電流目標値に一致するよう制御する、請求項2に記載の電力変換システム。 - 任意の線間に負荷が接続された単相3線の交流電路に対して、3つの電路から電力を出力する電力変換システムであって、
直流電源に基づく直流電圧が供給されるDCバスと、
前記DCバスの2線間に接続され、上アームの半導体スイッチ及び下アームの半導体スイッチを第1接続点で互いに直列接続して成り、前記第1接続点から第1線が引き出される第1レグと、
前記DCバスの2線間に接続され、上アームの半導体スイッチ及び下アームの半導体スイッチを第2接続点で互いに直列接続して成り、前記第2接続点から第2線が引き出される第2レグと、
前記DCバスの2線間に接続され、上アームの半導体スイッチ及び下アームの半導体スイッチを第3接続点で互いに直列接続して成り、前記第3接続点から中性線が引き出される中性レグと、
前記負荷と商用電力系統との間に設けられ、前記第1線に流れる電流によって生じる第1の有効電力を検出する第1電力検出部と、
前記負荷と前記商用電力系統との間に設けられ、前記第2線に流れる電流によって生じる第2の有効電力を検出する第2電力検出部と、
前記第1接続点と前記第1線との間に設けられた第1のリアクトルと、
前記第2接続点と前記第2線との間に設けられた第2のリアクトルと、
前記第1のリアクトルに流れる電流を検出する第1の電流センサと、
前記第2のリアクトルに流れる電流を検出する第2の電流センサと、
前記第1線と前記中性線との間の電圧を検出する第1の電圧センサと、
前記第2線と前記中性線との間の電圧を検出する第2の電圧センサと、
前記第1の有効電力と前記第2の有効電力との少なくとも一方の大きさが0であるか、双方の向きが一致している状態を維持するように前記第1線及び前記第2線にそれぞれ流れる電流を制御する機能を有する制御部と、を備え、
前記制御部は、前記第1電力検出部の検出値を参照して前記第1のリアクトルに流れる第1の電流目標値を設定し、前記第2電力検出部の検出値を参照して前記第2のリアクトルに流れる第2の電流目標値を設定し、前記第1の電流センサが検出する第1の電流検出値が前記第1の電流目標値に一致し、かつ、前記第2の電流センサが検出する第2の電流検出値が前記第2の電流目標値に一致するよう制御し、
前記制御部は、
前記第1の電流目標値と前記第1の電流検出値との差及び前記第1の電圧センサが検出する第1の電圧検出値に基づいて第1の電圧目標値を求め、
前記第2の電流目標値と前記第2の電流検出値との差及び前記第2の電圧センサが検出する第2の電圧検出値に基づいて第2の電圧目標値を求め、
前記第1の電圧目標値と前記第2の電圧目標値との和に基づいて前記第1レグ及び前記第2レグを制御し、前記第1の電圧目標値と前記第2の電圧目標値との差に基づいて前記中性レグを制御する、電力変換システム。 - 前記直流電源は複数存在し、複数の直流電源からそれぞれに対応して設けられたDC/DCコンバータを経て、共通の前記DCバスに至る直流回路群を備えている、請求項1〜請求項4に記載の電力変換システム。
- 前記制御部は、前記複数の直流電源のうち一部の直流電源から出力される電力を当該電力変換システムが設けられる需要家の負荷にのみ提供し、残余の直流電源で再生可能エネルギーに基づくものの出力する電力を前記商用電力系統への逆潮に充てるよう制御する、請求項5に記載の電力変換システム。
- 前記制御部は、前記複数の直流電源のうち再生可能エネルギーに基づく直流電源から出力される電力を、当該電力変換システムが設けられる需要家の負荷に提供するとともに、余剰電力を他の直流電源の充電に充てるよう制御する、請求項5に記載の電力変換システム。
- 任意の線間に負荷が接続された単相3線の交流電路に対して、第1線、第2線、中性線の3つの電路から電力を出力する電力変換システムにおける電力制御方法であって、
前記負荷と商用電力系統との間で、前記第1線に流れる電流によって生じる第1の有効電力を検出するとともに、前記負荷と前記商用電力系統との間で、前記第2線に流れる電流によって生じる第2の有効電力を計測し、
前記第1の有効電力と前記第2の有効電力とは共に、順潮流及び逆潮流のいずれにもなり得るものであって、少なくとも一方の大きさが0であるか、双方の向きが一致している状態を維持するように前記第1線及び前記第2線にそれぞれ流れる電流を制御する、
電力制御方法。 - 前記制御部は、前記第1レグにおける前記上アームの半導体スイッチ及び前記第2レグにおける前記下アームの半導体スイッチの開閉を同期させ、かつ、前記第1レグにおける前記下アームの半導体スイッチ及び前記第2レグにおける前記上アームの半導体スイッチの開閉を同期させる、請求項1に記載の電力変換システム。
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