JP6969433B2 - 電力変換装置、電源システム、及び、電力変換装置の制御方法 - Google Patents
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Description
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。
この場合、位相によって変化する直流成分を制御上考慮に入れて、出力電流の直流成分を的確に抑制することができる。
この場合、高調波の影響を排除しつつも、制御上の系統電圧の値を実際の系統電圧の値に近づけることができる。
この場合、スイッチングの主役が交代することにより波形の歪みが生じやすい最小スイッチング変換方式においても、出力電流の直流成分を抑制することができる。
vay=√2・〈va〉rmssinθ+{(π〈va〉ave)/2}|sinθ|
である。
このような設定により、右辺の第1項は基本波電圧となり、第2項は補償電圧となるので、確実に出力電流の直流成分を抑制することができる。なお、上記の位相θには、電力変換装置における系統電圧の検出の遅れ、及び、制御の遅れを補償した値を用いることが望ましい。
以下、本発明の一実施形態に係る電力変換装置及びこれを含む電源システムについて、図面を参照して説明する。
図1は、電力変換装置及びこれを含む電源システムの回路構成の一例を示す回路図である。図において、電力変換装置1は、例えば太陽光発電パネルである直流電源2に接続されている。電力変換装置1及び直流電源2により、交流電路3を介して商用電力系統4に系統連系する電源システム100が構成されている。
この電力変換装置1は、本出願人が既に提案している(例えば特許第5618022号、特許第6187587号、他多数の文献あり。)最小スイッチング変換方式で動作する。当該方式では、前提として、直流電源2からDC/DCコンバータ6に入力する直流電圧が、出力しようとする交流電圧のピーク値より低い。制御部14は、DC/DCコンバータ6がスイッチング動作を休止する期間と、インバータ10がスイッチングを休止して極性反転のみを行う期間とが交互に現れるよう制御する。すなわち、交流波形の半サイクルに着目すると、DC/DCコンバータ6が交流波形を作っている時期と、インバータ10が交流波形を作っている時期とがある。
一方、系統電圧は、電圧センサ19による実際の検出値(サンプリング値)をそのまま用いるのではなく、検出値から求めた実効値に系統電圧と同期する正弦波を掛けて、歪のない基本波に補正した交流電圧vaxを用いている。すなわち、実際にサンプリングした所定数の系統電圧Vaの実効値を〈Va〉rms、位相をθとすると、交流電圧Vaxは、
Vax=√2・〈Va〉rmssinθ
である。なお、この位相θには、電力変換装置1における系統電圧の検出の遅れ、及び、制御の遅れを補償した値を用いることが望ましい。
図1において、柱上変圧器(商用電力系統4)から電力変換装置1までの交流電路には線路抵抗21,22,23がある。これらの抵抗値をそれぞれ片道で1Ωとする。また、条件として、半波整流抵抗負荷26に含まれる抵抗24は7Ωの抵抗として、U−O線間100Vに接続した。半波整流抵抗負荷26のダイオード25を短絡したときには電流14.3A、電力消費約1430W、ダイオード25を経由したときには、それぞれ、値が半分となる。電源システム100の運転は5A、1kWで充電している場合を考えた。
図2は、ダイオード25を短絡したときの電圧(上)・電流(下)の波形図である。電圧波形は振幅の大きい方が柱上変圧器直下の系統電圧であり、振幅の小さい方が電力変換装置1との並列箇所すなわち電力変換装置1に接続した箇所での系統電圧である(以下同様。)。柱上変圧器直下の系統電圧の実効値202V、直流成分0Vに対して、並列箇所では実効値181V、直流成分は−2.3mVである。線路抵抗が大きいため電圧降下は大きいが、直流電流は流れないため直流成分は殆ど発生していない。このときの電源システム100の電流は実効値5.0A、直流成分は−1.2mAで、直流成分の上限値の±50mAと比べて十分に小さい。
以上に示したシミュレーションの結果から、vaxを用いていることにより、電流に直流成分が発生していることが確認できた。
半波整流抵抗負荷26を含む抵抗負荷による電圧降下をvd(導通期間の実効値)とすると電源システム100の接続箇所の電圧は以下の式(1)で表すことができる。なお、以下において、数式として示す記号の書体は、数式以外の文書中の書体と異なるが、同じ文字は同じ物理量を示している。
・・・(1)
ここで、va0は、半波整流抵抗負荷26による電圧降下を除外した系統電圧、vaは半波整流抵抗負荷26による電圧降下を含む系統電圧、vdは半波整流抵抗負荷26による電圧降下(導通期間の実効値)である。
なお、?va?rmsは、半波整流抵抗負荷26による電圧降下を含む系統電圧検出値の実効値であり、?va?aveは、半波整流抵抗負荷26による電圧降下を含む系統電圧検出値の平均値(直流成分)である。
・・・(5)
・・・(6)
式(6)の右辺第2項において、係数としてπ/2が乗じられていることで、実際の系統電圧vaと、制御上の系統電圧vayとの偏差が最小になる。
以上詳述したように、電力変換装置1において、商用電力系統の実際の系統電圧から抽出した実効値を有する基本波電圧に、系統電圧から抽出した直流成分に基づく補償電圧を加味した値を、制御上の系統電圧とすることによって、実際の系統電圧に含まれる高調波の影響を排除しつつ、実際の系統電圧に含まれる直流成分を制御上考慮に入れることができる。その結果、出力電流の直流成分を抑制することができる。従って、出力電流に直流成分が含まれることによる電力変換装置の保護停止を抑制することができる。
また、制御部は、補償電圧に係数を乗じて、高調波を含む系統電圧と、制御上の系統電圧との偏差が最小となるように制御することができる。すなわち、高調波の影響を排除しつつも、適切な係数を与えて制御上の系統電圧の値を実際の系統電圧の値に近づけることにより偏差を最小にすることができる。
但し、最小スイッチング方式ではない伝統的な電力変換装置にもvayを適用することで、出力電流の直流成分を抑制することができる。伝統的な電力変換装置とは、DC/DCコンバータで交流電圧のピーク値以上の電圧をDCバスに出力し、これをインバータが交流波形に変換する。この場合、DC/DCコンバータ及びインバータは共に、常時、スイッチングを行っている。
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 直流電源
3 交流電路
4 商用電力系統
5 直流側コンデンサ
6 DC/DCコンバータ
7 直流リアクトル
8 DCバス
9 中間コンデンサ
10 インバータ
11 フィルタ回路
12 交流リアクトル
13 交流側コンデンサ
14 制御部
15 電圧センサ
16 電流センサ
17 電圧センサ
18 電流センサ
19 電圧センサ
21,22,23 線路抵抗
24 抵抗
25 ダイオード
26 半波整流抵抗負荷
100 電源システム
d1〜d6 ダイオード
Q1〜Q6 スイッチング素子
Claims (7)
- 商用電力系統と系統連系する電力変換装置であって、
直流/交流の電力変換を行う電力変換部と、
前記電力変換部の制御を行う制御部と、を備え、
前記制御部は、前記商用電力系統の実際の系統電圧から抽出した実効値を有する基本波電圧に、前記系統電圧から抽出した直流成分に基づく補償電圧を加味した値を、制御上の系統電圧とする電力変換装置。 - 前記基本波電圧と、前記補償電圧とは、位相が互いに同期している請求項1に記載の電力変換装置。
- 前記制御部は、高調波を含む前記系統電圧と、前記制御上の系統電圧との偏差が最小となるように前記補償電圧に係数を乗じる請求項1又は請求項2に記載の電力変換装置。
- 前記電力変換部は、DC/DCコンバータと、インバータとを含んで構成され、
前記制御部は、前記DC/DCコンバータがスイッチング動作を休止する期間と、前記インバータがスイッチングを休止して極性反転のみを行う期間とが交互に現れるよう制御する、請求項1〜請求項3のいずれか1項に記載の電力変換装置。 - 前記制御上の系統電圧vayは、前記実際の系統電圧の実効値を〈va〉rms、平均値を〈va〉ave、位相をθとしたとき、
vay=√2・〈va〉rmssinθ+{(π〈va〉ave)/2}|sinθ|
である、請求項1〜請求項4のいずれか1項に記載の電力変換装置。 - 直流電源と、
前記直流電源と商用電力系統との間に設けられ、前記商用電力系統と系統連系する電力変換装置と、を含む電源システムであって、
前記電力変換装置は、
直流/交流の電力変換を行う電力変換部と、
前記電力変換部の制御を行う際に、前記商用電力系統の実際の系統電圧から抽出した実効値を有する基本波電圧に、前記系統電圧から抽出した直流成分に基づく補償電圧を加味した値を制御上の系統電圧とする制御部と、
を備えている電源システム。 - 商用電力系統と系統連系し、電力変換部で直流/交流の電力変換を行う電力変換装置の制御方法であって、
前記電力変換部の制御を行う際に、前記商用電力系統の実際の系統電圧から抽出した実効値を有する基本波電圧に、前記系統電圧から抽出した直流成分に基づく補償電圧を加味した値を制御上の系統電圧とする、電力変換装置の制御方法。
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