(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
負荷の変動に対して比較的に大きな遅れを持って応答する特性を有する交流電源と、
蓄電池と、
前記交流電源と前記負荷とを接続する給電線路及び前記蓄電池に接続され、前記交流電源の出力の少なくとも一部を直流電力に順変換して前記蓄電池を充電する順変換動作と、前記負荷に供給すべき電力が不足しているときには前記蓄電池の直流電力を交流電力に逆変換して前記負荷に不足電力分を供給する逆変換動作と、その他のときに前記給電線路の無効電力を調整して前記交流電源の出力電流を正弦波に近付けるアクティブフィルタ動作とを行う電力変換器と、
前記負荷に流れる負荷電流及び前記交流電源の出力電圧と同期した正弦波電圧に基づいて前記負荷電流の変動分を含む負荷電流変動分含有信号を発生する負荷電流変動分含有信号発生手段、並びに前記電力変換器と前記蓄電池とを接続する直流線路の直流電圧及び前記交流電源の出力電圧と同期した正弦波電圧に基づいて前記直流電圧の変動分を含む直流電圧変動分含有正弦波信号を発生する正弦波信号発生手段とを含んで、前記負荷電流変動分含有信号発生手段の出力と前記正弦波信号発生手段の出力と前記電力変換器を流れる交流電流とに基づいて、前記電力変換器に前記逆変換動作を行わせるための電流制御指令及び前記電力変換器に順変換動作及び前記アクティブフィルタ動作を行わせるための電流制御指令を前記電力変換器に出力する制御指令発生手段と、
前記制御指令発生手段の前記負荷電流変動分含有信号発生手段及び前記正弦波信号発生手段のいずれか一方に設けられて、前記交流電源の応答特性の遅れに応じた遅れを前記電流制御指令に含ませる遅延回路と、
前記蓄電池の蓄積電力を監視し、前記蓄電池の充電と放電とをいつでも実行できるように前記蓄電池の蓄積電力を予め定めた基準蓄積電力範囲内に制御するための蓄積電力制御指令を発生する蓄積電力制御指令発生回路とを具備し、
前記正弦波信号発生手段は、前記蓄積電力制御指令に基づいて前記蓄電池の蓄積電力を前記基準蓄積電力範囲内に維持しながら、前記交流電源の前記応答特性の遅れを補償するのに必要な前記蓄電池の充放電を実行するための指令を含む正弦波信号を出力するように構成されていることを特徴とする交流電源装置。
【請求項２】
前記電力変換器は、電力変換手段と、前記電力変換手段を構成する複数の制御半導体素子をＰＷＭ制御するためのＰＷＭ制御信号を生成するＰＷＭ回路を含んでおり、
前記負荷電流変動分含有信号発生手段は、前記負荷電流を検出する負荷電流検出器と、検出した前記負荷電流を遅れ時間を含んで平均値化または実効値化して直流電圧信号に変換し、前記直流電圧信号と前記交流電源の出力電圧とを乗算した信号に対し前記負荷電流との差信号を前記負荷電流変動分含有信号として出力するように構成され、
前記正弦波信号発生手段は、前記直流線路の直流電圧と予め定めた基準電圧との差電圧を示す直流電圧制御指令を出力する直流電圧制御回路と、入力指令及び前記交流電源の出力電圧に基づいて前記交流電源の出力電圧に位相が同期し且つ前記入力指令に応じて振幅が変化する正弦波信号を出力する正弦波発生回路とを備えており、
前記入力指令として、前記直流電圧制御指令及び前記蓄積電力制御指令が前記正弦波発生回路に入力され、
前記正弦波発生回路は、前記蓄積電力制御指令に基づいて前記蓄電池の蓄積電力を前記基準蓄積電力範囲内に維持しながら、前記直流電圧制御指令に基づいて前記交流電源の前記応答特性の遅れを補償するのに必要な前記蓄電池の充放電を実行するための指令を前記振幅の変化として含む正弦波信号を出力するように構成され、
前記制御指令発生手段は、前記負荷電流変動分含有信号発生手段の出力と前記正弦波信号発生手段の出力との加算信号と前記電力変換器を流れる前記交流電流との差信号を前記ＰＷＭ回路の入力信号として出力するように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の交流電源装置。
【請求項３】
負荷の変動に対して比較的に大きな遅れを持って応答する特性を有する交流電源と、
蓄電池と、
前記交流電源と前記負荷とを接続する給電線路及び前記蓄電池に接続され、前記交流電源の出力の少なくとも一部を直流電力に順変換して前記蓄電池を充電する順変換動作と、前記負荷に供給すべき電力が不足しているときには前記蓄電池の直流電力を交流電力に逆変換して前記負荷に不足電力分を供給する逆変換動作と、その他のときに前記給電線路の無効電力を調整して前記交流電源の出力電流を正弦波に近付けるアクティブフィルタ動作とを行う電力変換器と、
前記負荷に流れる負荷電流を検出する負荷電流検出手段と、前記電力変換器と前記蓄電池とを接続する直流線路の直流電圧及び前記交流電源の出力電圧と同期した正弦波電圧に基づいて前記直流電圧の変動分を含む直流電圧変動分含有正弦波信号を発生する正弦波信号発生手段を含んで、前記負荷電流検出手段の出力と前記正弦波信号発生手段の出力と前記電力変換器を流れる交流電流とに基づいて、前記電力変換器に前記逆変換動作を行わせるための電流制御指令及び前記電力変換器に順変換動作及び前記アクティブフィルタ動作を行わせるための電流制御指令を前記電力変換器に出力する制御指令発生手段と、
前記制御指令発生手段の前記正弦波信号発生手段に設けられて、前記交流電源の応答特性の遅れに応じた遅れを前記電流制御指令に含ませる遅延回路と、
前記蓄電池の蓄積電力を監視し、前記蓄電池の充電と放電とをいつでも実行できるように前記蓄電池の蓄積電力を予め定めた基準蓄積電力範囲内に制御するための蓄積電力制御指令を発生する蓄積電力制御指令発生回路とを具備し、
前記正弦波信号発生手段は、前記蓄積電力制御指令に基づいて前記蓄電池の蓄積電力を前記基準蓄積電力範囲内に維持しながら、前記交流電源の前記応答特性の遅れを補償するのに必要な前記蓄電池の充放電を実行するための指令を含む正弦波信号を出力するように構成されていることを特徴とする交流電源装置。
【請求項４】
前記正弦波信号発生手段は、前記直流線路の直流電圧と予め定めた基準電圧との差電圧を示す直流電圧制御指令を出力する直流電圧制御回路と、入力指令及び前記交流電源の出力電圧に基づいて前記交流電源の出力電圧に位相が同期し且つ前記入力指令に応じて振幅が変化する正弦波信号を出力する正弦波発生回路とを備えており、
前記入力指令として、前記直流電圧制御指令及び前記蓄積電力制御指令が前記正弦波発生回路に入力され、
前記正弦波発生回路は、前記蓄積電力制御指令に基づいて前記蓄電池の蓄積電力を前記基準蓄積電力範囲内に維持しながら、前記直流電圧制御指令に基づいて前記交流電源の前記応答特性の遅れを補償するのに必要な前記蓄電池の充放電を実行するための指令を前記振幅の変化として含む正弦波信号を出力するように構成され、
前記遅延回路を構成するロウパスフィルタが前記直流電圧制御回路と前記正弦波発生回路との間に配置され、
前記電力変換器は、電力変換手段と、前記電力変換手段を構成する複数の制御半導体素子をＰＷＭ制御するためのＰＷＭ制御信号を生成するＰＷＭ回路を含んでおり、
前記制御指令発生手段は、前記負荷電流検出手段の出力と前記正弦波信号発生手段の出力との差信号と前記電力変換器を流れる前記交流電流との差信号が前記ＰＷＭ回路の入力信号として出力するように構成されていることを特徴とする請求項３に記載の交流電源装置。
【請求項５】
前記正弦波信号発生手段は、前記蓄電池を定電流で充電するのに必要な定電流指令を発生する直流電流制御回路を更に含んでおり、
前記定電流指令が前記入力指令の１つとして前記正弦波発生回路に入力され、
前記正弦波発生回路は前記定電流指令が入力されているときには、前記蓄電池を定電流で充放電するように前記正弦波信号の前記振幅を変化させるように構成されている請求項２及び４に記載の交流電源装置。
【請求項６】
前記電力の蓄積を行う蓄電池を、電力の蓄積状態が電圧のみで監視できるコンデンサで置き換えて構成されている請求項１乃至５に記載の交流電源装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、負荷の変動に対して比較的に大きな遅れを持って応答する特性を有する交流電源に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来は、エンジン発電機（以下ＥＧと略称する）などのような負荷の変動に対して比較的に大きな遅れを持って応答する交流電源を用いて良質な交流電源装置にするため、発電機と負荷との間に整流器とインバータとからなる電力変換装置を直列に挿入し、これら整流器とインバータとの接続点に蓄電池の一端を接続して、交流を常時整流して充電し、充電した直流をインバータで辛うじて良質な交流として負荷に供給していた。蓄電池は蓄積電力のある動作範囲においてほぼ一定の電圧を示し、発電機の応答の遅れ（数百ｍｓ）には蓄積電力を供給してカバーしていた。こうした公知例の一つに特開昭５４−５３２３６号公報に示された「無停電電源装置の運転方法」がある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
従来は、エンジン発電機の発電容量を大きくして、負荷の変動に対処していた。しかしこれでは、大型の発電機を用意しなければならないと云う課題があった。しかもこの方法では整流器とインバータと２つの電力装置を経由して常時電力を供給するので、総合した電力効率は８５％程度となっている。
【０００４】
本発明の目的は、整流器を必要とせず、しかも発電機の発電容量を必要以上に大きくする必要のない交流電源装置を提供することにある。
【０００５】
本発明の他の目的は、従来よりも電力変換効率の良い交流電源装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の交流電源装置は、負荷の変動に対して比較的に大きな遅れを持って応答する特性を有する交流電源と、蓄電池と、電力変換器と、制御指令発生手段と、蓄積電力制御指令発生回路とから構成されている。
【０００７】
電力変換器は、交流電源と負荷とを接続する給電線路及び蓄電池に接続され、交流電源の出力の少なくとも一部を直流電力に順変換して蓄電池を充電する順変換動作と、負荷に供給すべき電力が不足しているときには蓄電池の直流電力を交流電力に逆変換して負荷に不足電力分を供給する逆変換動作と、その他のときに給電線路の無効電力を調整して交流電源の出力電流を正弦波に近付けるアクティブフィルタ動作とを行うように構成されている。
【０００８】
また制御指令発生手段は、負荷に流れる負荷電流及び交流電源の出力電圧と同期した正弦波電圧に基づいて負荷電流の変動分を含む負荷電流変動分含有信号を発生する負荷電流変動分含有信号発生手段、並びに電力変換器と蓄電池とを接続する直流線路の直流電圧及び交流電源の出力電圧と同期した正弦波電圧に基づいて直流電圧の変動分を含む直流電圧変動分含有正弦波信号を発生する正弦波信号発生手段を含んで、負荷電流変動分含有信号発生手段の出力と正弦波信号発生手段の出力と前記電力変換器を流れる交流電流とに基づいて、電力変換器に逆変換動作を行わせるための電流制御指令及び電力変換器に順変換動作及びアクティブフィルタ動作を行わせるための電流制御指令を電力変換器に出力するように構成される。更に、負荷電流変動分含有信号発生手段及び正弦波信号発生手段のいずれか一方に遅延回路が設けられている。遅延回路の遅延時間または遅延特性は、交流電源の負荷変動に対応する応答速度の遅れに対応するように定められている。したがって対象となる交流電源ごとに遅延回路の遅延時間または遅延特性を定めることになる。
【０００９】
また蓄積電力制御指令発生回路は、直流線路の電圧と電流とを検出して蓄電池の蓄積電力を監視し、蓄電池の充電と放電とをいつでも実行できるように蓄電池の蓄積電力を予め定めた基準蓄積電力範囲内に制御するための蓄積電力制御指令を発生し、正弦波信号発生手段に出力する。
【００１０】
本発明においては、正弦波信号発生手段は、蓄積電力制御指令に基づいて蓄電池の蓄積電力を基準蓄積電力範囲内に維持しながら、交流電源の応答特性の遅れを補償するのに必要な蓄電池の充放電を実行するための指令を含む正弦波信号を出力する。負荷電流変動分含有信号発生手段は、負荷電流の変動分を含む負荷電流変動分含有信号を出力する。そして制御指令発生手段は、この２つの出力信号と電力変換器を流れる交流電流とを比較して、電流制御指令を電力変換器に出力する。電力変換器では、順変換動作と逆変換動作とアクティブフィルタ動作とが電流制御指令に基づいて行われる。
【００１１】
本発明は、交流電源の応答特性の遅れに応じた遅れを電流制御指令に含ませることにより、交流電源の負担を軽減し、その遅れにより生じる電力の過不足を蓄電池を充放電することにより補う。例えば、負荷が急に大きくなる方向に変動した場合には、交流電源に応答特性の遅れがあれば、電力不足が生じることになる。そこでこの場合にには蓄電池の蓄積電力を電力変換手段で交流に変換して負荷に供給することによりこの電力不足を補う。また逆に、負荷が急に小さくなった場合には、過発電となるが、このときには電力変換手段が交流発電機の出力を直流に変換して蓄電池を充電して、過発電分の電力を吸収する。このような動作を可能にするために、本発明では、蓄積電力指令発生回路が蓄電池の蓄積電力を基準蓄積電力範囲内に維持するための蓄積電力制御指令を出力している。その結果、本発明の交流電源装置を用いると、負荷電流の変動があっても、応答特性の遅れのあるエンジン発電機等の交流発電機を用いて負荷に必要な電力を供給することができる。
【００１２】
更に本発明の他の交流電源装置は、負荷の変動に対して比較的に大きな遅れを持って応答する特性を有する交流電源と、蓄電池と、電力変換器と、他の制御指令発生手段と、蓄積電力制御指令発生回路とから構成されている。
【００１３】
電力変換器は、交流電源と負荷とを接続する給電線路及び蓄電池に接続され、交流電源の出力の少なくとも一部を直流電力に順変換して蓄電池を充電する順変換動作と、負荷に供給すべき電力が不足しているときには蓄電池の直流電力を交流電力に逆変換して負荷に不足電力分を供給する逆変換動作と、その他のときに給電線路の無効電力を調整して交流電源の出力電流を正弦波に近付けるアクティブフィルタ動作とを行う。
【００１４】
他の制御指令発生手段は、負荷に流れる負荷電流を検出する負荷電流検出手段と、電力変換器と蓄電池とを接続する直流線路の直流電圧及び交流電源の出力電圧と同期した正弦波電圧に基づいて直流電圧の変動分を含む直流電圧変動分含有正弦波信号を発生する正弦波信号発生手段を含んで、負荷電流検出手段の出力と正弦波信号発生手段の出力と前記電力変換器を流れる交流電流とに基づいて、電力変換器に逆変換動作を行わせるための電流制御指令及び電力変換器に順変換動作及びアクティブフィルタ動作を行わせるための電流制御指令を電力変換器に出力するように構成される。更に正弦波信号発生手段には遅延回路が設けられ、交流電源の応答特性の遅れに応じた遅れを電流制御指令に含ませる。
【００１５】
蓄積電力制御指令発生回路は、蓄電池の蓄積電力を監視し、蓄電池の充電と放電とをいつでも実行できるように蓄電池の蓄積電力を予め定めた基準蓄積電力範囲内に制御するための蓄積電力制御指令を発生する。
【００１６】
本発明の他の制御指令発生手段の正弦波信号発生手段は、蓄積電力制御指令に基づいて蓄電池の蓄積電力を基準蓄積電力範囲内に維持しながら、交流電源の応答特性の遅れを補償するのに必要な蓄電池の充放電を実行するための指令を含む正弦波信号を発生しその出力と、負荷電流検出手段の出力と、この２つの出力信号は電力変換器を流れる交流電流と比較されて、電流制御指令が電力変換器に出力される。電力変換器は、順変換動作と逆変換動作とアクティブフィルタ動作とが電流制御指令に基づいて行われ、負荷電流の変動にも順応して発電機電流が正弦波になるように制御することができる。
【００１７】
更に本発明において、正弦波信号発生手段は、蓄電池を定電流で充放電するのに必要な定電流指令を発生する直流電流制御回路を更に含んでおり、定電流指令が入力指令の１つとして正弦波発生回路に入力され、正弦波発生回路は定電流指令が入力されているときには、蓄電池を予め定めた最大電流値以下の定電流で充電するように正弦波信号の振幅を変化させるように構成されている。これによって蓄電池の充放電に際し、過大電流による電極の損傷や電池性能の劣化を防ぐことができる。
【００１８】
更に本発明においては、電力の蓄積を行う蓄電池を、電力の蓄積状態が電圧のみで監視できるコンデンサで置き換えて構成することができる。本発明におけるコンデンサには大容量の電気二重層等が適している。コンデンサを用いる構成では、蓄積電力制御指令発生回路の入力には直流線路の直流電圧のみで蓄積電力の監視が可能で、コンデンサ６への充放電電流の入力は必要なく、その分蓄積電力制御指令発生回路は部品点数が少なくなり、安価になる。
【００１９】
本発明における蓄積電力制御指令発生回路は、蓄電池の蓄積電力を監視し、蓄電池の充電と放電とをいつでも実行できるように蓄電池の蓄積電力を予め定めた基準蓄積電力範囲内に制御するための蓄積電力制御指令を発生する。換言すれば、常時充電完了状態に充電する通常の充電回路と異なり、本発明における充電状態は、負荷で不足した電流を供給したり、逆に負荷で過剰となった電流を吸収できるように、常に充電状態を中間充電の状態に保つ。即ち予め定めた基準蓄積電力範囲内に制御するように回路は構成されている。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態の一例を詳細に説明する。
【００２１】
図１は本発明の交流電源装置の実施の形態の一例の構成を示すブロック回路図である。図１に示した交流電源装置は、負荷３の変動に対して比較的に大きな遅れを持って応答する特性を有する交流電源１と、蓄電池５と、電力変換器７と、制御指令発生手段９と、蓄積電力制御指令発生回路１１とから構成されている。
【００２２】
この例の交流電源１は、エンジン発電機である。また負荷３は、モータやヒータなどの一般負荷である。電力変換器７は電力変換手段１３とＰＷＭ回路１５とから構成され、電力変換手段１３には複数の制御半導体素子が含まれている。電力変換手段１３は、交流電源１の出力の少なくとも一部を直流電力に順変換して直流線路４を通して蓄電池５を充電する順変換動作と、負荷３に供給すべき電力が不足しているときには蓄電池５の直流電力を交流電力に逆変換して負荷３に不足電力分を供給する逆変換動作と、その他のときに給電線路２の無効電力を調整して交流電源１の出力電流ｉＣＳを正弦波に近付けるアクティブフィルタ動作とを、後述の制御指令発生手段９の出力に応じて行うように構成されている。このような電力変換手段１３の構成は公知であるため詳細は省略する。ＰＷＭ回路１５は、制御指令発生手段９の出力に応じて電力変換手段１３の複数の制御半導体素子をＰＷＭ制御する。
【００２３】
制御指令発生手段９は、負荷電流変動分含有信号発生手段２１と正弦波信号発生手段２３とを含んでいる。この負荷電流変動分含有信号発生手段２１は、負荷３に流れる負荷電流ｉＬを負荷電流検出手段１７により検出し、検出した負荷電流ｉＬを整流器Ｄとローパスフィルタ（以下ＬＰＦと略記）３１とからなる平均値化回路２５で遅れ時間を含んで平均値化して直流電圧信号に変換し、この直流電圧信号と交流電源１の出力電圧ＶＣＳとを乗算器Ｍで乗算した信号に対し負荷電流ｉＬとの差信号を減算器Ｓで求め、負荷電流変動分含有信号として出力するように構成されている。また正弦波信号発生手段２３は、直流線路４の直流電圧ＶＤＣと予め定めた基準電圧との差電圧を示す直流電圧制御指令を出力する直流電圧制御回路２７と、入力指令及び交流電源１の出力電圧ＶＣＳに基づいて交流電源１の出力電圧ＶＣＳに位相が同期し且つ入力指令に応じて振幅が変化する正弦波信号を出力する正弦波発生回路２９とを備えている。そして入力指令としては、直流電圧制御回路２７から出力される直流電圧制御指令及び蓄積電力制御指令発生回路１１から出力される蓄積電力制御指令が含まれる。又この正弦波発生回路２９は、蓄積電力制御指令に基づいて蓄電池５の蓄積電力を基準蓄積電力範囲内に維持しながら、直流電圧制御指令に基づいて交流電源１の応答特性の遅れを補償するのに必要な蓄電池５の充放電を実行するための指令を振幅の変化として含む正弦波信号を出力するように構成されている。上記の負荷電流変動分含有信号発生手段２１の出力と正弦波信号発生手段２３の出力とを加算器Ａにより加算し、その出力に対し、電力変換器７を流れる交流電流ｉＩＮＶを電流検出器１８により検出しその出力で減算し、電力変換器７に逆変換動作を行わせるための電流制御指令及び電力変換器７に順変換動作及びアクティブフィルタ動作を行わせるための電流制御指令を電力変換器７のＰＷＭ回路１５に出力するように構成されている。
【００２４】
蓄積電力制御指令発生回路１１は、蓄電池５の蓄積電力を監視し、蓄電池５の充電と放電とをいつでも実行できるように蓄電池５の蓄積電力を予め定めた基準蓄積電力範囲内に制御するための蓄積電力制御指令を発生する。そのため直流線路４の直流電圧ＶＤＣと、充放電電流ｉＤＣを電流検出器１９により検出しその出力とを監視する。換言すれば、常時充電完了状態に充電する通常の充電回路と異なり、本発明においては、負荷３で不足した電流を供給したり、逆に負荷３で過剰となった電流を吸収できるように、常に蓄電池５の充電状態を中間充電の状態、即ち予め定めた基準蓄積電力範囲内に制御するように構成されている。
【００２５】
本発明においては、負荷電流変動分含有信号発生手段２１及び正弦波信号発生手段２３のいずれか一方に遅延回路が設けられ、交流電源１の応答特性の遅れに応じた遅れを電流制御指令及び電圧制御指令に含ませる構成であるが、図１においては、負荷電流変動分含有信号発生手段２１の中にＬＰＦ３１が含まれ、このＬＰＦ３１が遅延回路の役目を果たしている。
【００２６】
また、図１の負荷電流変動分含有信号発生手段２１は、平均値化回路２５を用いて構成されているが、平均値化回路２５の代わりに実効値回路を用いても負荷電流変動分含有信号発生手段を構成できる。それは実効値回路自体が遅れ要素を有し、ほぼ同様な効果が得られるからである。
【００２７】
図１の動作を電流波形図で説明する。図２は本発明の交流電源装置の実施形態の一例における定常運転時の各部の波形を示す波形図である。
【００２８】
図２において負荷３は整流器で、交流電源１の出力電圧ＶＣＳがある電圧レベルに達すると負荷電流ｉＬが流れ出す非直線負荷である。負荷電流ｉＬのピーク値は交流電源１の出力電流ｉＣＳのピーク値以上となり、その不足分は蓄電池側より供給される。また、交流電源１の出力電圧ＶＣＳがあるレベルに達するまでの交流電源１の出力電流ｉＣＳは負荷に流れず、過剰分として蓄電池側で吸収される。この電力変換器７を流れる交流電流ｉＩＮＶは、ｉＩＮＶ＝ｉＣＳ−ｉＬであり、交流電源１の出力電流ｉＣＳが正弦波になるように電力変換器７が制御指令発生手段９によって制御されるから、図のような電流波形ｉＩＮＶになる。図２（Ａ）においては、この不足分と過剰分との電流が丁度打消し合った時のもので、全体として蓄電池５に電流が流れない蓄電池電流ゼロの場合であり、電流波形ｉＩＮＶの基線上に蓄電池電流を示している点線が見られる。図２（Ｂ）はこの不足分と過剰分との電流が打消し合わない時のもので、図２（Ｂ）上図は全体として蓄電池５に電流が流れ込み、蓄電池５が充電されている場合である。上図の点線はその充電電流を示している。同（Ｂ）下図は全体として蓄電池５から電流が流れ出し、蓄電池５が放電している場合で、下図の点線は放電電流を示している。
【００２９】
図３は本発明の交流電源装置の実施形態の一例における負荷投入開放時の各部の波形を示す波形図である。図３において負荷３は図２と同様に整流器であり、電圧に対して非直線な負荷であり、蓄電池５は蓄電池電流ゼロの場合である。図３（Ａ）は負荷投入時の各部の波形で、投入時、エンジン発電機などの交流電源１はエンジンの回転が不十分のため、出力電圧ＶＣＳも出力電流ｉＣＳも不十分で、その間の電力は蓄電池側から全て補給される。そのため、電流波形ｉＩＮＶは負荷電流ｉＬとほぼ同じ波形となっている。エンジンの回転が時間と共に徐々に正規の回転に近づくにつれ、出力電圧ＶＣＳも出力電流ｉＣＳも正規の出力となり、電流波形ｉＩＮＶは図２（Ａ）の電流波形ｉＩＮＶと同じ波形になる。図３（Ｂ）は負荷開放時の各部の波形で、負荷開放時に負荷電流ｉＬ＝０、従ってその瞬間から、ｉＩＮＶ＝ｉＣＳとなり、それが図に現れている。当然、負荷開放時には同時に発電機のエンジンは減速し停止し、出力電流ｉＣＳは図のような減衰波形になる。
【００３０】
今の図２及び図３の説明では、負荷が出力電圧ＶＣＳに対して非線形な整流器について述べたが、出力電流ｉＣＳに対して非線形な可飽和リアクタンスを負荷とした場合でも、或いは電圧や電流に対して線形な負荷で電流波形が電圧波形に対して遅れたり進んだりする負荷に対する場合でも同様に動作して、交流電源１の出力電流ｉＣＳを出力電圧ＶＣＳと同相な正弦波になるように電力変換器７が制御指令発生手段９によって制御される。その理由は、正弦波発生回路２９が出力電圧ＶＣＳと同期する正弦波信号を電力変換器７に送り、電力変換器７のＰＷＭ回路１５が電力変換手段１３を制御するからである。
【００３１】
また、図２及び図３の上述の動作波形は、図１の交流電源装置について説明をしたが、後述の図４以降の本発明の交流電源装置についても同様であり、ここでは図１の交流電源装置を代表例として説明した。
【００３２】
図４は本発明の交流電源装置の実施の形態の他の一例の構成を示すブロック回路図である。本発明の交流電源装置は図４において図１と同一符号のブロックは同一機能を有するブロックであることを示す。図５以降においても同様である。
【００３３】
図４において本発明の他の交流電源装置は、負荷３の変動に対して比較的に大きな遅れを持って応答する特性を有する交流電源１と、蓄電池５と、電力変換器７と、制御指令発生手段１０９と、蓄積電力制御指令発生回路１１とから構成されている。
【００３４】
電力変換器７は電力変換手段１３とＰＷＭ回路１５とから構成され、電力変換手段１３には複数の制御半導体素子が含まれている。そして交流電源１と負荷３とを接続する給電線路２及び蓄電池５に接続され、交流電源１の出力の少なくとも一部を直流電力に順変換して蓄電池５を充電する順変換動作と、負荷３に供給すべき電力が不足しているときには蓄電池５の直流電力を交流電力に逆変換して負荷３に不足電力分を供給する逆変換動作と、その他のときに給電線路２の無効電力を調整して交流電源１の出力電流ｉＣＳを正弦波に近付けるアクティブフィルタ動作とを行う。ＰＷＭ回路１５は電力変換手段１３の複数の制御半導体素子をＰＷＭ制御するためのＰＷＭ制御信号を生成する。
【００３５】
制御指令発生手段１０９は、負荷３に流れる負荷電流ｉＬを検出する負荷電流検出手段１７と、電力変換器７と蓄電池５とを接続する直流線路４の直流電圧ＶＤＣ及び交流電源の出力電圧ＶＣＳと同期した正弦波電圧に基づいて直流電圧の変動分を含む直流電圧変動分含有正弦波信号を発生する正弦波信号発生手段１２３と、電力変換器を流れる交流電流ｉＩＮＶを検出する交流電流検出手段１８とを含んでいる。この正弦波信号発生手段１２３は、直流線路４の直流電圧ＶＤＣと予め定めた基準電圧との差電圧を示す直流電圧制御指令を出力する直流電圧制御回路２７と、入力指令及び交流電源１の出力電圧ＶＣＳに基づいて交流電源１の出力電圧ＶＣＳに位相が同期し且つ入力指令に応じて振幅が変化する正弦波信号を出力する正弦波発生回路２９とを備えている。そして入力指令として、直流電圧制御指令及び蓄積電力制御指令が含まれる。その正弦波発生回路２９は、蓄積電力制御指令に基づいて蓄電池５の蓄積電力を基準蓄積電力範囲内に維持しながら、直流電圧制御指令に基づいて交流電源１の応答特性の遅れを補償するのに必要な蓄電池５の充放電を実行するための指令を振幅の変化として含む正弦波信号を出力するように構成される。更に、遅延回路３１を構成するＬＰＦが直流電圧制御回路２７と正弦波発生回路２９との間に配置され、これによって交流電源１の応答特性の遅れに応じた遅れを電流制御指令及び電圧制御指令に含ませる。この正弦波信号発生手段１２３の出力と負荷電流検出手段１７の出力との差信号に対し、電力変換器７を流れる交流電流ｉＩＮＶとの差信号が制御指令発生手段１０９の出力として電力変換器７のＰＷＭ回路１５の入力信号として用いられる。ＰＷＭ回路１５の出力は電力変換手段１３に加えられるように構成されている。電力変換器７は、逆変換動作と順変換動作とアクティブフィルタ動作とが電流制御指令に基づいて行われ、負荷電流ｉＬの変動にも順応して発電機電流ｉＣＳが正弦波になるように制御することができる。
【００３６】
蓄積電力制御指令発生回路１１は、蓄電池５の蓄積電力を監視し、蓄電池５の充電と放電とをいつでも実行できるように蓄電池５の蓄積電力を予め定めた基準蓄積電力範囲内に制御するための蓄積電力制御指令を発生する。
【００３７】
図１及び図４に示したように、この本発明の構成は、構成自体が新規である。従来は交流電源１と負荷３との間に整流器とインバータとが直列に挿入されて構成されていた。従って、交流を常時直流に変換し、更にその直流を交流に常時再変換していた。この電力変換効率は夫々ほぼ９０％程度であり、２つ直列での総合効率は８１％程度に悪くなっていた。色々の工夫を加えても２０ＫＶＡ規模のエンジン発電機電源で８５％であった。それに対し、本発明においては上述したように、交流電源１と負荷３とは給電線路２によって直結されており、常時変換効率の悪さが影響しない構成である。そしてその給電線路２から分岐してインバータ型の電力変換器７が接続され、その電力変換器７の先に直流線路４を介して蓄電池５が接続されて、負荷電流ｉＬの過不足分のみを蓄電池５の充放電電流ｉＤＣで補う構成であるため、電力変換効率が２０ＫＶＡ規模のエンジン発電機電源で９７％が得られている。このように構成が新規であるばかりでなく、この新規な構成が電力変換の高効率をもたらしている。従って、高効率の故に電源装置の運転費用が少なくて済む。
【００３８】
また、本発明によれば、負荷変動に対し応答速度の遅いエンジン発電機などの交流電源を用いても、発電容量に余裕を持たせる必要が無く、その分エンジン発電機を含めた交流電源装置の価格を低下させ、大きさを小型に出来る。更に電源と負荷とを直結する構成により、従来の高価な整流器が不必要となり、またその整流器の制御回路も不必要となり、経済的にも装置サイズの点でも一層大きな効果をもたらしている。
【００３９】
これら効果をもたらす本発明の鍵となる回路は蓄積電力制御指令発生回路１１である。蓄積電力制御指令発生回路１１は上述したように、負荷３で不足した電流を供給したり、逆に負荷３で過剰となった電流を吸収できるように、常に蓄電池５の充電状態を中間充電の状態、即ち予め定めた基準蓄積電力範囲内に制御するように構成されている。この蓄積電力制御指令発生回路１１の機能によって、制御指令発生手段９及び１０９は電力変換器７に対して、逆変換動作、順変換動作及びアクティブフィルタ動作を行わせることが出来る。
【００４０】
図５は、本発明の制御指令発生手段の実施の形態の他の一例の構成を示すブロック回路図である。即ち、図１の負荷電流変動分含有信号発生手段２１の後段の一部と、正弦波信号発生手段２３の出力以降の他の構成である。図１において、負荷電流変動分含有信号発生手段２１の中の平均値回路２５の平均値化信号と交流電源１の出力電圧ＶＣＳとを乗算器Ｍで乗算した信号に対し減算と加算と減算とが施されている。この加算と減算とは数学と同様にその加減算順序は結果に影響を与えないので、一例として図５に示すように、加算と減算と減算とで構成することが出来る。
【００４１】
図５においては、平均値回路２５の出力と交流電源１の出力電圧ＶＣＳとを乗算器Ｍで乗算し、その乗算結果と正弦波発生回路２９の出力との加算を加算器Ａで行ない、その出力に対し負荷電流ｉＬを減算し、その出力に対し更に電力変換器を流れる交流電流ｉＩＮＶを減算して電力変換器７のＰＷＭ回路１５に入力する構成を示している。
【００４２】
図６は、本発明の制御指令発生手段に直流電流制御回路を含ませた実施の一例である。図６において、正弦波信号発生手段２２３は、蓄電池５を定電流で充放電するのに必要な定電流指令を発生する直流電流制御回路３３を更に含んでいる。直流電流制御回路３３は、直流線路４の直流電流ｉＤＣを直流電流検出器１９により検出した出力で直流線路４上の直流電流ｉＤＣを監視し、直流電流ｉＤＣが予め定めた最大電流になると、定電流指令が入力指令の１つとして正弦波発生回路２２９に入力され、正弦波発生回路２２９は定電流指令が入力されているときには、蓄電池を予め定めた最大電流値以下の定電流で充放電するように正弦波信号の振幅を変化させるように構成されている。その他の回路の蓄積電力制御指令発生回路１１、直流電圧制御回路２７の機能や動作の説明は図１及び図４のそれらと同様であり、ここでは説明を省く。この直流電流制御回路３３によって蓄電池の充放電に際しての過大電流による電極の損傷や電池性能の劣化を防ぐことができる。
【００４３】
なお、この図６の直流電圧制御回路２７と正弦波発生回路２２９との間に遅延回路の代表としてＬＰＦ３１が点線で示し挿入されているが、この遅延回路は前述の説明で明らかなように、負荷電流変動分含有信号発生手段か又は正弦波信号発生手段のいずれか一方に設ければよいので、負荷電流変動分含有信号発生手段に遅延回路が設けてある場合には図６のＬＰＦ３１は必要なくなり、負荷電流変動分含有信号発生手段に遅延回路が設けてない場合に図６のように正弦波信号発生手段２２３の中に設けることを意味して、図６では点線で示してある。
【００４４】
図７は、本発明の蓄電池の代わりにコンデンサを用いた場合の実施の一例である。本発明では電力の蓄積を行う蓄電池５を、電力の蓄積状態が電圧のみで監視できるコンデンサ６で置き換えて構成することができる。
【００４５】
図７において、蓄積電力制御指令発生回路１２は直流線路４の直流電圧ＶＤＣを入力とし、蓄電池の場合と同様に、コンデンサ６の蓄積電力を監視し、コンデンサ６の充電と放電とをいつでも実行できるようにコンデンサ６の蓄積電力を予め定めた基準蓄積電力範囲内に制御するための蓄積電力制御指令を発生する。本発明におけるコンデンサ６には大容量の電気二重層などが適している。また、図７の点線で示したＬＰＦ３１に就いては図６の場合と同様であり、ここでの説明は省く。コンデンサ６を用いる構成では、図７に示すように蓄積電力制御指令発生回路１２の入力には、直流線路４の直流電圧のみで蓄積電力の監視が可能で、コンデンサ６への充放電電流の入力は必要なく、その分蓄積電力制御指令発生回路１２は部品点数が少なくなり、安価になる。
【００４６】
【発明の効果】
本発明によれば、負荷変動に対し応答速度の遅いエンジン発電機などの交流電源を用いても、発電容量に余裕を持たせる必要が無く、交流電源の低価格化と小型化とをもたらす。更に交流電源と負荷とが直結しているので、電力変換効率を高くできる。従来の８０％台を９０数％台に改善出来るので、電源装置の運転費用が少なくて済む。その上、従来の高価な整流器と整流器制御回路とが不要になり、経済的にまた装置サイズの点でも有利になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の交流電源装置の実施の形態の一例の構成を示すブロック回路図である。
【図２】本発明の交流電源装置の実施形態の一例における定常運転時の各部の波形を示す波形図である。
【図３】本発明の交流電源装置の実施形態の一例における負荷投入開放時の各部の波形を示す波形図である。
【図４】本発明の交流電源装置の実施の形態の他の一例の構成を示すブロック回路図である。
【図５】本発明の制御指令発生手段の実施の形態の他の一例の構成を示すブロック回路図である。
【図６】本発明の制御指令発生手段に直流電流制御回路を含ませた実施の一例である。
【図７】本発明の蓄電池にコンデンサを用いた場合の実施の一例である。
【符号の説明】
１  交流電源
２  給電線路
３  負荷
４  直流線路
５  蓄電池
６  コンデンサ
７  電力変換器
９，１０９  制御指令発生手段
１１，１２  蓄積電力制御指令発生回路
１３  電力変換手段
１５，１１５  ＰＷＭ回路
１７，１８，１９  電流検出器
２１  負荷電流変動分含有信号発生手段
２３，１２３，２２３  正弦波信号発生手段
２５  平均値回路
２７  直流電圧制御回路
２９，２２９  正弦波発生回路
３１  遅延回路（ＬＰＦ）
３３  直流電流制御回路
Ａ  加算器
Ｄ  整流器
ｉＣＳ  交流電源の出力電流
ｉＤＣ  直流線路の充放電電流
ｉＩＮＶ  電力変換器を流れる交流電流
ｉＬ  負荷電流
Ｍ  乗算器
Ｓ  減算器
ＶＣＳ  交流電源の出力電圧
ＶＤＣ  直流線路の直流電圧
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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