(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流電源と該交流電源から電力の供給を受ける負荷とからなる電力系統に接続された電力平準化装置において、
前記電力平準化装置は、蓄電手段、前記蓄電手段に接続される直流電力変換手段、前記電力系統に接続される交流電力変換手段および前記直流電力変換手段と前記交流電力変換手段との間の直流回路に接続されるコンデンサを備え、
前記直流電力変換手段は、前記蓄電手段と前記コンデンサとの間で電力の授受を行うことによって前記コンデンサの電圧を所定値に維持するための定電圧制御動作を行い、
前記交流電力変換手段は、前記電力系統の余剰電力を前記コンデンサに充電する充電制御動作、または前記電力系統の不足電力を前記コンデンサから放電する放電制御動作を行い、
前記直流電力変換手段の前記定電圧制御動作は、前記コンデンサの電圧値と維持すべき所定値との間の差電圧値と、前記余剰電力および前記不足電力に対応するフィードフォワード制御量とに基づいて行われる、
ことを特徴とする電力平準化装置。
【請求項２】
前記フィードフォワード制御量は、前記余剰電力および前記不足電力の微分量に対応する量を含むことを特徴とする請求項１に記載の電力平準化装置。
【請求項３】
前記フィードフォワード制御量は、前記余剰電力および前記不足電力に対応する量と、前記余剰電力および前記不足電力の微分量に対応する量とを加算したものであることを特徴とする請求項１に記載の電力平準化装置。
【請求項４】
前記余剰電力および前記不足電力の微分量の大きさは、前記コンデンサの静電容量値に応じて調整されることを特徴とする請求項２または請求項３のいずれかに記載の電力平準化装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、交流電源と負荷とからなる電源システムにおいて、負荷電力の変動分に相当する電力を電力系統に充放電して、交流電源の電力容量を平準化された電力に見合った電力にすることができる電力平準化装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
この種の電力平準化装置として特許文献１に開示されている装置構成を図５に示す。
１は三相交流電源（以下、単に交流電源という。）である。２は交流電源１から給電を受ける負荷である。交流電源１と負荷２とは三相三線の電力系統ラインで接続されている。
【０００３】
電力平準化装置は、蓄電手段３、直流電力変換手段４、直流中間コンデンサ５、交流電力変換手段６、直流電圧制御手段７および充放電電力制御手段８を備えている。直流中間コンデンサ５は、以下では、単にコンデンサ５という。
【０００４】
蓄電手段３は直流電力変換手段４の一端に接続される。直流電力変換手段４の他端は、コンデンサ５を介して、交流電力変換手段６の直流端子に接続される。交流電力変換手段６の交流端子は電力系統に接続されている。
【０００５】
この電力平準化装置において、充放電電力制御手段８は、負荷２で消費される電力と予め定められた平準化電力との大小比較を行う。負荷２で消費される電力は、系統電圧と負荷２に流れる電流とを検出して算出することができる。また、平準化電力とは、交流電源１の出力容量に見合った負荷電力であって、交流電源１から見て所定値に維持されるように定められた電力である。
【０００６】
そして、負荷２で消費される電力が平準化電力よりも小さいとき、充放電電力制御手段８は、電力系統に生じる余剰電力を蓄電手段３に充電する電力指令とする。さらに、充放電電力制御手段８は、この充電電力指令に基づいて、直流電流指令Ｉｒを出力する。
【０００７】
直流電流制御手段４４は、電流検出器４３で検出される直流電流が直流電流指令Ｉｒと一致するように直流電力変換手段４を動作させる。この場合、チョッパ４１は、コンデンサ５に充電されている電力を降圧して、蓄電手段３に充電する。これにより、コンデンサ５の電圧（以下、直流電圧という。）が低下する。
【０００８】
電圧検出器５１は、直流電圧の大きさを検出して、検出値を直流電圧制御手段７に入力する。
直流電圧制御手段７は、直流電圧を所定値に維持するために必要な交流電流指令Ｉｐを出力する。交流電流制御手段６４は、電流検出器６３によって検出される交流電流が交流電流指令Ｉｐに一致するように、インバータ６１を動作させる。インバータ６１の動作により、電力系統の余剰電力がコンデンサ５に充電される。
【０００９】
一方、負荷２で消費される電力が平準化電力よりも大きいとき、充放電電力制御手段８は、電力系統に生じる不足電力を蓄電手段３から放電する電力指令とする。さらに、充放電電力制御手段８は、この放電電力指令に基づいて、直流電流指令Ｉｒを出力する。
【００１０】
直流電流制御手段４４は、電流検出器４３で検出される直流電流が直流電流指令Ｉｒと一致するように直流電力変換手段４を動作させる。この場合、チョッパ４１は、蓄電手段３に充電されている電力を昇圧して、コンデンサ５に充電する。これにより、コンデンサ５の電圧が上昇する。
【００１１】
直流電圧制御手段７は、直流電圧を所定値に維持するために必要な交流電流指令Ｉｐを出力する。交流電流制御手段６４は、電流検出器６３によって検出される交流電流が交流電流指令Ｉｐに一致するように、インバータ６１を動作させる。インバータ６１の動作により、コンデンサ５に充電された電力が電力系統に放電される。
【００１２】
上記電力平準化装置の動作により、交流電源１が電力系統に給電する電力は、負荷２で消費される電力の変動に関わらず、常に平準化電力に維持される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特開２００２−１９９５８８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
しかしながら、上述した電力平準化装置は、蓄電手段３から充放電される電力が充放電電力制御手段８で算出された充放電電力指令と一致するように動作している。そして、蓄電手段３と電力系統との間の電力の授受は、チョッパ４１とインバータ６１とを通して行われている。
【００１５】
ところが、チョッパ４１およびインバータ６１では、スイッチング素子のオンオフ動作により電力損失が発生する。そのため、交流電力変換手段６によって実際に電力系統に放電される電力は、充放電電力制御手段８で算出される放電電力指令からチョッパ４１とインバータ６１とで発生する電力損失分を差し引いた電力となる。また、交流電力変換手段６によって実際に電力系統から充電される電力は、充放電電力制御手段８で算出される充電電力指令に対しチョッパ４１とインバータ６１とで発生する電力損失分を加算した電力となる。
【００１６】
すなわち、電力平準化装置から電力系統に充放電される電力と電力系統の余剰電力および不足電力との間にずれが生じる。特に、電力平準化装置が電力系統に生じる不足電力分を放電する場合、交流電源１が電力平準化装置内で発生する電力損失分を給電する必要がある。そのため、交流電源１は、平準化電力に見合った電力よりも大きな電力容量を有しなければならないという問題がある。
【００１７】
また、チョッパ４１とインバータ６１との間にはコンデンサ５が存在する。すなわち、直流電圧を所定値に維持する直流電圧制御ループにコンデンサ５が含まれることになる。そのため、直流電圧制御の応答が遅くなり、負荷２の消費電力が変動すると直流電圧に変動が生じる。直流電圧が変動すると、負荷２の電力変動に対する電力平準化装置の応答が遅くなる。したがって、交流電源１は、さらに負荷電力の変動分を見込んだ電力容量を有しなければならないという問題がある。
【００１８】
本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、電力系統に生じる不足電力に等しい電力を放電することができ、かつ直流電圧制御の応答を速くすることができる電力平準化装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
上記目的を達成するため、第１の発明は、交流電源と該交流電源から電力の供給を受ける負荷とからなる電力系統に接続されており、蓄電手段、前記蓄電手段に接続される直流電力変換手段、電力系統に接続される交流電力変換手段および直流電力変換手段と交流電力変換手段との間の直流回路に接続されるコンデンサを備える電力平準化装置である。
【００２０】
そして、直流電力変換手段が、蓄電手段とコンデンサとの間で電力の授受を行うことによって前記コンデンサの電圧を所定値に維持するための定電圧制御動作を行い、交流電力変換手段が、電力系統の余剰電力をコンデンサに充電する充電制御動作または電力系統の不足電力をコンデンサから放電する放電制御動作を行うことを特徴とする。
【００２１】
これにより、電力系統で不足している電力に等しい電力を交流電力変換手段によって放電することができるので、交流電源から見た負荷電力の変動を抑制することができる。
この電力平準化装置において、直流電力変換手段が、コンデンサの電圧値と維持すべき所定値との間の差電圧値と、電力系統の余剰電力および不足電力に対応するフィードフォワード制御量とに基づいて、定電圧制御動作を行うことを特徴とする。
【００２２】
これにより、電力平準化装置の直流電圧制御の応答を速くすることができる。
第２の発明は、第１の発明に係る電力平準化装置において、フィードフォワード制御量が、余剰電力および不足電力の微分量に対応する量を含むことを特徴とする。
【００２３】
これにより、電力平準化装置の直流電圧制御の応答を速くすることができる。
第３の発明は、第１の発明に係る電力平準化装置において、フィードフォワード制御量が、余剰電力および不足電力に対応する量と、余剰電力および不足電力の微分量に対応する量とを加算したものであることを特徴とする。
【００２４】
これにより、電力平準化装置の直流電圧制御の応答を速くすることができる。
第４の発明は、第２または第３の発明に係る電力平準化装置において、余剰電力および不足電力の微分量の大きさが、コンデンサの静電容量値に応じて調整されることを特徴とする。
【００２５】
これにより、電力平準化装置の直流電圧制御を、コンデンサの静電容量値に応じて最適化することができる。
【発明の効果】
【００２６】
本発明によれば、交流電力変換手段が電力系統に生じた余剰電力または不足電力に等しい電力を充電または放電するので、交流電源から見た負荷電力の変動を抑制することができる。また、直流電力変換手段が電力系統の余剰電力および不足電力に応じた制御量に基づいて直流電圧制御を行うので、直流電圧制御の応答を速くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明に係る電力平準化装置の実施形態を説明するための図である。
【図２】フィードフォワード制御手段の第１の実施例を説明するための図である。
【図３】フィードフォワード制御手段の第２の実施例を説明するための図である。
【図４】フィードフォワード制御手段の第３の実施例を説明するための図である。
【図５】従来技術に係る電力平準化装置を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
以下、本発明に係る電力変換装置の実施の形態について、図１〜図４を参照しながら説明する。なお、図１において、図５に示した構成要素と同じ構成要素には同符号を付し、その説明を省略している。
【００２９】
図１は、本発明に係る電力平準化装置の実施形態を説明するための図である。
まず、本発明に係る電力平準化装置の主回路構成と、その基本的な動作について説明する。
【００３０】
本図において、電力平準化装置の主回路は、蓄電手段３、蓄電手段３に接続される直流電力変換手段４、電力系統に接続される交流電力変換手段６および直流電力変換手段４と交流電力変換手段６との間の直流回路に接続されるコンデンサ５で構成されている。
【００３１】
コンデンサ５の電圧は電圧検出器５１で検出される。
蓄電手段３は、電力の充電および放電が可能な電池である。但し、蓄電手段３は電池に限られず、電気エネルギーと機械エネルギーとを相互に変換可能なものなど、電力の充電および放電が可能なものであれば良い。
【００３２】
直流電力変換手段４の主回路は、チョッパ４１とコンデンサ４２とで構成されている。
チョッパ４１は、スイッチング素子が直列に接続されたスイッチング素子直列回路とその接続点に一端が接続されるリアクトルとからなる。リアクトルの他端は蓄手段３の高電位端子に接続されている。スイッチング素子直列回路の低電位端子は蓄電手段の低電位端子に接続されている。また、スイッチング素子直列回路の両端はコンデンサ５に接続されている。
【００３３】
コンデンサ４２は蓄電手段３の両端に接続されている。コンデンサ４２は蓄電手段３の電圧を平滑する。
直流電流制御手段４４は、電流検出器４３で検出された直流電流を直流電流指令Ｉｒｆと一致させるため、チョッパ４１のスイッチング素子をオンオフ動作させるための制御信号を生成する。スイッチング素子のオンオフ動作により、チョッパ４１は、蓄電手段３の電力を昇圧してコンデンサ５に充電し、またはコンデンサ５の電力を降圧して蓄電手段３に充電する。
【００３４】
交流電力変換手段６の主回路は、インバータ６１とフィルタ６２で構成されている。
インバータ６１は、スイッチング素子が直列接続された３組のスイッチング素子直列回路からなる。３組のスイッチング素子直列回路のそれぞれの両端は、コンデンサ５に接続されている。３組のスイッチング素子直列回路のそれぞれの接続中点は、交流端子であり、フィルタ６２の一端に接続されている。
【００３５】
フィルタ６２の他端は、電力系統に接続されている。フィルタ６２は、インバータ６１と電力系統との間を流れる電流の高調波成分を除去する。
交流電流制御手段６４は、電流検出器６３で検出された交流電流と交流電流指令Ｉｐとを一致させるため、インバータ６１のスイッチング素子をオンオフ動作させるための制御信号を生成する。スイッチング素子のオンオフ動作により、インバータ６１は電力系統の交流電力を直流電力に変換してコンデンサ５に充電し、またはコンデンサ５の直流電力を交流電力に変換して電力系統に放電する。
【００３６】
次に、本発明を特徴づける直流電圧制御手段７ａ、充放電電力制御手段８ａおよびフィードフォワード制御手段９について説明する。
充放電電力制御手段８ａは、負荷２で消費される電力と予め定められた平準化電力との大小比較を行う。そして、負荷２で消費される電力が平準化電力よりも小さいとき、平準化電力と負荷２で消費される電力との間の差電力は、電力系統に生じる余剰電力である。充放電電力制御手段８ａは、この余剰電力を交流電力変換手段６がコンデンサ５に充電すべき電力指令とする。さらに、この充電電力指令に基づいて、交流電流指令Ｉｐを出力する。
【００３７】
一方、負荷２で消費される電力が平準化電力よりも大きいとき、平準化電力と負荷２で消費される電力との間の差電力は、電力系統に生じる不足電力である。充放電電力制御手段８ａは、この不足電力を交流電力変換手段６がコンデンサ５から放電すべき電力指令とする。さらに、充放電電力制御手段８ａは、この放電電力指令に基づいて、交流電流指令Ｉｐを出力する。
【００３８】
上述したとおり、交流電力変換手段６は、電流検出器６３で検出される交流電流が充放電電力制御手段８ａから出力される交流電流指令Ｉｐと一致するように動作する。その結果、電力系統に生じた余剰電力がコンデンサ５に充電され、または電力系統に生じた不足電力がコンデンサ５から放電されることになる。
【００３９】
直流電圧制御手段７ａは、電圧検出器５１で検出されたコンデンサ５の電圧を所定値に一致させるため、蓄電手段３とチョッパ４１との間を流れる直流電流の指令Ｉｒを生成する。コンデンサ５の電圧が所定値よりも大きいとき、直流電流指令Ｉｒは、チョッパ４１から蓄電手段３に電流を流すための電流指令となる。一方、コンデンサ５の電圧が所定値よりも小さいとき、直流電流指令Ｉｒは、蓄電手段３からチョッパ４１に電流を流すための電流指令となる。
【００４０】
直流電流制御手段４４には、直流電圧制御手段７ａから出力される直流電流指令Ｉｒと、後述するフィードフォワード制御手段９から出力されるフィードフォワード電流指令Ｉｆとを加算した直流電流指令Ｉｒｆが入力される。
【００４１】
上述したとおり、直流電力変換手段４は、この直流電流指令Ｉｒｆに電流検出器４３で検出される電流が一致すように動作する。その結果、蓄電手段３の電力がコンデンサ５に充電され、またはコンデンサ５の電力が蓄電手段３に充電される。
【００４２】
フィードフォワード制御手段９は、充放電電力制御手段８ａから出力される交流電流指令Ｉｐを用いて、フィードフォワード電流指令Ｉｆを算出する。
図２は、フィードフォワード制御手段９の第１の実施例を説明するためのブロック図である。
【００４３】
この実施例のフィードフォワード制御手段９は、充放電電力制御手段８ａから出力される交流電流指令Ｉｐと第１のゲインとを演算手段９１よって乗算して得られる値を、フィードフォワード電流指令Ｉｆとする。
【００４４】
第１のゲインは、フィードフォワード電流指令Ｉｆの大きさを調整するためのゲインである。
図３は、フィードフォワード制御手段９の第２の実施例を説明するためのブロック図である。
【００４５】
この実施例のフィードフォワード制御手段９は、交流電流指令Ｉｐからこの交流電流指令Ｉｐの一次遅れ量を演算手段９４によって減算して得られる値、すなわち交流電流指令Ｉｐの微分量をフィードフォワード電流指令Ｉｆとする。交流電流指令Ｉｐの微分量は、交流電流指令Ｉｐから、交流電流指令Ｉｐを低域通過フィルタ９２に通して得られる値と第２のゲインとを演算手段９３によって乗じて得られる値を、演算手段９３によって減じて得られる値である。
【００４６】
第２のゲインは、フィードフォワード電流指令Ｉｆを所定量以上にオーバーシュートさせて、直流電圧制御を高速化するためのゲインである。この第２のゲインは、コンデンサ５の静電容量値に応じてその大きさが調整される。例えば、コンデンサ５の静電容量値が大きいとき第２のゲインは大きな値に設定され、静電容量値が小さいとき第２のゲインは小さい値に設定される。
【００４７】
図４は、フィードフォワード制御手段９の第３の実施例を説明するためのブロック図である。
この実施例のフィードフォワード制御手段９は、充放電電力制御手段８ａから出力される交流電流指令Ｉｐとこの交流電流指令Ｉｐの微分量とを演算手段９５によって加算して得られる値に、さらに演算手段９１によって第１のゲインを乗じて得られる値をフィードフォワード電流指令Ｉｆとする。交流電流指令Ｉｐの微分量は、第２の実施例で説明した交流電流指令Ｉｐの微分量と同じものである。
【００４８】
上述のとおり、本発明に係る電力平準化装置は、電力系統に生じる余剰電力または不足電力をコンデンサ５に充電または放電するために、交流電力変換手段６を制御する充放電電力制御手段８ａと直流電力変換手段４を制御する直流電圧制御手段７ａとを備えている。このような直流電圧制御手段７ａと充放電電力制御手段８ａとを備えることにより、この電力平準化装置は、交流電源１から見た負荷電力の変動を抑制することができる。
【００４９】
さらに、本発明に係る電力平準化装置は、充放電電力制御手段８ａから出力される交流電流指令Ｉｐを用いてフィードフォワード電流指令Ｉｆを算出するフィードフォワード制御手段９を備えている。直流電流指令Ｉｒにフィードフォワード電流指令Ｉｆを加算することにより、この電力平準化装置は、直流電圧制御の応答を速くすることができる。その結果、負荷２の消費電力が急変した場合にも、交流電源１からみた負荷電力の変動を高速で抑制することができる。
【００５０】
なお、上記で説明したフィードフォワード制御手段９の第１〜第３の実施例は、一例であって、フィードフォワード制御手段９は図２〜図４に示した構成に限定されるものではない。すなわち、フィードフォワード制御手段９は、交流電流指令Ｉｐを用いて直流電圧をフィードフォワード制御するための制御量を算出するものであれば、他の構成をとっても良い。
【００５１】
また、フィードフォワード制御手段９は、充放電電力制御手段８ａから出力される交流電流指令を用いてフィードフォワード電流指令を算出しているが、交流電流指令の代わりに充放電電力指令を用いてフィードフォワード電流指令を算出しても良い。
【００５２】
また、図１に示した直流電力変換手段４および交流電力変換手段６の構成は一例であり、上記構成に限定されるものではなく、同様の機能を発揮することができれば他の構成をとっても良い。
【符号の説明】
【００５３】
１・・・交流電源、２・・・負荷、３・・・蓄電手段、４・・・直流電力変換手段、５・・・コンデンサ、６・・・交流電力変換手段、７，７ａ・・・直流電圧制御手段、８，８ａ・・・充放電電力制御手段、９・・・フィードフォワード制御手段、１０・・・加算手段。
【図１】
0005915201.tif 000002
【図２】
0005915201.tif 000003
【図３】
0005915201.tif 000004
【図４】
0005915201.tif 000005
【図５】
0005915201.tif 000006