(57)【要約】【課題】  母線電圧を制御している電力変換器が停止したときでも、母線電圧を安定させ、負荷への電力供給を停止することがない電源システム及び電力変換器を提供する。【解決手段】  母線１００の交流電圧を制御する第一の電力変換器１と、母線１００に供給する交流電流を制御する第二の電力変換器２とからなり、直流を変換した交流を母線１００に供給する電源システムにおいて、第一及び第二の電力変換器１、２は、それぞれ母線電圧制御機能と出力電流制御機能とを有し、電圧制御モードと電流制御モードのいずれでも動作できるともに、各電力変換器の停止、機能低下又は立ち上がらない異常状態の情報を送受信する通信手段２１を有する。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
母線の交流電圧を制御する第一の電力変換器と、母線に供給する交流電流を制御する第二の電力変換器とからなり、直流を変換した交流を母線に供給する電源システムにおいて、
前記第一及び第二の電力変換器は、それぞれ母線電圧制御機能と出力電流制御機能とを有し、電圧制御モードと電流制御モードのいずれでも動作できるともに、各電力変換器の停止、機能低下又は立ち上がらない異常状態の情報を送受信する通信手段を有することを特徴とする電源システム。
【請求項２】
請求項１記載の電源システムにおいて、
前記第二の電力変換器の内の一台は、前記第一の電力変換器が異常状態であるとの情報を受信すると、電圧制御モードで動作することを特徴とする電源システム。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の電源システムにおいて、
前記母線電圧の変化により第一の電力変換器が停止、機能低下又は立ち上がらない異常状態であると判定する母線状態監視手段を備えており、該母線状態監視手段が第一の電力変換器の異常状態を検出すると、前記第二の電力変換器の内の一台は、電圧制御モードで動作することを特徴とする電源システム。
【請求項４】
請求項３記載の電源システムにおいて、
前記通信手段の稼動状態を判別する通信判別手段を備えており、該通信判別手段により通信手段に異常が認められた場合、前記母線状態監視手段の検出結果を優先して決定した電力変換器の動作モードで動作することを特徴とする電源システム。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の電源システムにおいて、
前記第一の電力変換器は、停止、機能低下又は立ち上がらないとき、電流制御モードでの動作で再起動することを特徴とする電源システム。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項に記載の電源システムにおいて、
電力変換器の出力端と母線との間に、これらの接続を切断する接続回路遮断手段を備えることを特徴とする電源システム。
【請求項７】
請求項６記載の電源システムにおいて、
前記母線は、遮断時に一台以上の電力変換器からなる電力変換器並列接続群を構成する母線遮断手段を有しており、各電力変換器の動作モード及び稼動状況と通信手段の稼動状態に応じて決定された開閉状態とする開閉指令を、前記接続回路遮断手段又は前記母線遮断手段に与える開閉指令手段を備えることを特徴とする電源システム。
【請求項８】
母線電圧制御機能と出力電流制御機能とを有し、電圧制御モードと電流制御モードのいずれでも動作できる電力変換器であって、
電力変換器の停止又は機能低下の異常状態情報を、他の電力変換器と送受信する通信手段を有することを特徴とする電力変換器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電力変換器の並列運転による電源システム及び電力変換器であり、直流を交流に変換する電力変換器の並列運転の方式、特に電力変換器停止時の運転継続方式に関する。
【背景技術】
【０００２】
交流出力を制御する電力変換器（以下、「主機」と呼ぶ）と、出力電流を制御する電力変換器（以下、「従機」と呼ぶ）を並列運転することにより、大容量の負荷への電力供給、電源システムの信頼性向上といったメリットが得られる。電力変換器の並列運転を効率的に行うためには、電力変換器間を流れる横流を抑制する必要がある。
【０００３】
特許文献１には、母線電圧を制御する主機（交流電源１）の出力する交流電流を、例えば位相、振幅や直交成分に分割することで得られる直流量で表される情報形態に変換し、この情報を、通信手段２０を用いて出力電流を制御する従機（交流電源２）に伝送するとともに、従機２では通信手段２１から通信路２２を介して得た主機１の交流出力電流情報に基づいて交流出力電流を制御する方式が記述されている（図６、７参照）。
【特許文献１】特開２００４−２３６３９４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１には、電力変換器の起動時および全ての電力変換器が動作している状態について記述されているが、動作中に電力変換器が停止した場合の運転継続方式については考慮されていない。このため、例えば母線電圧を制御している電力変換器すなわち主機１が停止した場合、母線電圧を制御する機能を有する電力変換器が存在しなくなるため、母線電圧が不安定になり、最終的にはゼロになって負荷への電力供給が停止してしまったり、主機からの電流指令が不定になり、従機２の出力電流が実際の負荷以上に大きくなり母線電圧を押し上げ、負荷に過電圧を印加してしまい、負荷を破壊してしまったりすることがある。
【０００５】
本発明は、従来技術の問題を解決するものであり、母線電圧を制御している電力変換器が停止したときでも、母線電圧を安定させ、負荷への電力供給を停止することがない電源システム及び電力変換器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】
【０００６】
本発明は、従機において母線電圧を観測し、母線電圧が母線電圧の指令値に対して、極端に高い電圧または低い電圧が観測された場合、または母線電圧の運転周波数に対して、実周波数が極端に高くまたは低くなった場合に、従機の機能を、母線電圧を制御する主機に切替える。母線電圧の観測結果ないしは観測結果に基づいて、従機に対して機能を切替える手段を備えてもよい。
【０００７】
また、母線電圧を制御する主機として動作していた電力変換器が再起動可能な場合、該電力変換器を従機として再起動し、母線に電力を供給することで起動している電力変換器数が、該電力変換器停止前と同じとなるので、各電力変換器が負担する電力の上昇を防ぐことができる。
【０００８】
すなわち、本発明は、母線の交流電圧を制御する第一の電力変換器と、母線に供給する交流電流を制御する第二の電力変換器とからなり、直流を変換した交流を母線に供給する電源システムにおいて、前記第一及び第二の電力変換器は、それぞれ母線電圧制御機能と出力電流制御機能とを有し、電圧制御モードと電流制御モードのいずれでも動作できるともに、各電力変換器の停止、機能低下又は立ち上がらない異常状態の情報を送受信する通信手段を有する電源システムである。
【０００９】
また、本発明は、前記第二の電力変換器の内の一台は、前記第一の電力変換器が異常状態であるとの情報を受信すると、電圧制御モードで動作する電源システムである。
【００１０】
そして、本発明は、前記母線電圧の変化により第一の電力変換器が停止、機能低下又は立ち上がらない異常状態であると判定する母線状態監視手段を備えており、該母線状態監視手段が第一の電力変換器の異常状態を検出すると、前記第二の電力変換器の内の一台は、電圧制御モードで動作する電源システムである。
【００１１】
更に、本発明は、前記通信手段の稼動状態を判別する通信判別手段を備えており、該通信判別手段により通信手段に異常が認められた場合、前記母線状態監視手段の検出結果を優先して決定した電力変換器の動作モードで動作する電源システムである。
【００１２】
また、本発明は、前記第一の電力変換器は、停止、機能低下又は立ち上がらないとき、電流制御モードでの動作で再起動する電源システムである。
【００１３】
そして、本発明は、電力変換器の出力端と母線との間に、これらの接続を切断する接続回路遮断手段を備える電源システムである。
【００１４】
更に、本発明は、前記母線は、遮断時に一台以上の電力変換器からなる電力変換器並列接続群を構成する母線遮断手段を有しており、各電力変換器の動作モード及び稼動状況と通信手段の稼動状態に応じて決定された開閉状態とする開閉指令を、前記接続回路遮断手段又は前記母線遮断手段に与える開閉指令手段を備える電源システムである。
【００１５】
また、本発明は、母線電圧制御機能と出力電流制御機能とを有し、電圧制御モードと電流制御モードのいずれでも動作できる電力変換器であって、電力変換器の停止又は機能低下の異常状態情報を、他の電力変換器と送受信する通信手段を有する電力変換器である。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、母線電圧を制御している第一の電力変換器が停止しても、直ちに電流を制御している第二の電力変換器が、第一の電力変換器として動作するので、安定に母線電圧を維持することができ、高信頼、高品質の電源システム及び電力変換器を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
本発明を実施するための最良の形態を説明する。
本発明は、主機の出力する交流電流を、例えば位相、振幅や直交成分に分割することで得られる直流量で表される情報形態に変換し、この情報を、通信手段を用いて従機に伝送する。また、従機は通信手段から得た主機の交流出力電流情報に基づいて交流出力電流を制御する。また、各電力変換器に主機と従機の両方の機能を持たせるとともに、固有の立上げ時間を持たせ、立上げ時間が過ぎても母線電圧が立ち上がらない場合には、主機として動作させ、立上げ時間になる前に母線電圧が立ち上がっている場合には、従機として動作させる。以下、本発明の電源システム及び電力変換器の実施例について、図１〜図５を用いて説明する。
【実施例１】
【００１８】
実施例１を説明する。本実施例の電源システムは、図１に示すように、母線１００と接続する交流電源１と交流電源２とからなり、母線１００には交流電源を供給される一つ以上の負荷装置（図示せず）に接続される。
【００１９】
交流電源１は、直流電圧源１１と、直流電圧源１１を電源とし、交流出力を得るＤＣ／ＡＣ変換器１２と、ＤＣ／ＡＣ変換器１２の出力する交流出力を整形するフィルタ回路１３と、母線１００とフィルタ回路１３との間に接続され、これらの中性点電位の差異を吸収する変圧器１４と、変圧器１４の母線側の電圧を直流量に変換する変換手段１５と、変圧器１４の母線側の目標電圧を直流量で出力する出力電圧指令（発生装置）１６と、変換手段１５の出力と出力電圧指令１６の出力が一致するようにＤＣ／ＡＣ変換器１２の交流出力を調整する出力制御手段１７と、変圧器１４の母線側の交流電流を直流量に変換する変換手段１８と、変換手段１８の出力信号を、通信路２２を介して後述する交流電源２と送受信する通信手段２１と、変換手段１８の出力信号を、通信手段２１の出力である交流電源２の交流出力電流の情報を用いて調整する出力電流制御手段１７ａと、出力電圧制御手段１７の出力又は出力電流制御手段１７ａの出力を選択してＤＣ／ＡＣ変換器１２へ出力する動作モード選択手段１９と、からなり、電圧制御モードで動作し、母線１００の交流電圧を制御する第一の電力変換器である。
【００２０】
交流電源２は、交流電源１と同様であり、直流電圧源１１と、ＤＣ／ＡＣ変換器１２と、フィルタ回路１３と、変圧器１４と、変換手段１５と、出力電圧指令（発生装置）１６と、出力制御手段１７と、変換手段１８と、通信手段２１と、出力電流制御手段１７ａと、動作モード選択手段１９と、からなり、電流制御モードで動作し、母線１００に供給する交流電圧を制御する第二の電力変換器である。
【００２１】
主機となる電力変換器１は、母線電圧を制御するとともに、交流出力電流を直流量に変換し、通信手段を介して従機に交流出力電流の情報を伝送する。なお、交流出力電流を直流量として表現する手法としては、振幅と位相で表す方法、直交成分に分解し、実軸成分と虚軸成分の振幅として表す方法などが挙げられる。さらに、従機となる電力変換器２は、母線へ流し込む交流出力電流を直流量に変換した値が、通信手段を経由して得た主機の交流出力電流の直流量の値と一致するように交流出力電流を制御する。
【００２２】
交流出力電流の情報を直流量として伝送することによって遅れなく、また、通信手段を用いることで、耐ノイズ性を向上するといった効果が得られ、安全かつ容易に、従機の交流出力電流を主機の交流出力電流と一致させることができ、電力変換器間の横流が発生しない状態での並列運転を実現している。
【００２３】
ところで、図１に示す交流電源システムにおいて、主機が何らかの事情により停止した場合、従機は母線１００の電圧を制御していないため、母線電圧が不安定になり、最終的にはゼロになり負荷への電力供給が停止してしまったり、主機からの電流指令が不定になり、従機の出力電流が実際の負荷以上に大きくなり母線電圧を押し上げ、負荷に過電圧を印加してしまい負荷を破壊してしまったりすることがある。このような事態を防止するため、本実施例では、従機において母線電圧の異常、例えば、周波数、電圧が定常運転時の変動範囲を極端に逸脱したこと等の異常状態の情報を、通信路２２を介して通信手段が受信したら、従機の機能を母線１００の電圧を制御機能に切替える。
【００２４】
従機の制御系に電流制御系と電圧制御系の両方の制御系を持たせ、通常は電流制御系のみ動作するようにしておき、母線電圧の電圧、周波数が規定範囲外になったときに、電圧制御系の追従機能が動作するよう、電圧制御系の制御系の入力にデッドバンドを持たせることで容易に実現できる。
【００２５】
なお、図２に示すように、従機２に母線状態監視手段４０を付加し、これにより母線電圧の異常が検出されたら、電流制御系の機能を停止させ、即座に電圧制御系の機能を動作させてもよい。
【００２６】
この他、主機から、従機に対して電圧制御を開始するために必要な情報、例えば、主機が停止又は機能低下したこと、従機に対して電圧制御を開始するよう指令、母線電圧の異常などの情報を伝送し、これに応じて従機が電圧制御を開始するようにしても良い。
【００２７】
なお、通信手段２１の稼動状態を判別する通信判別手段を設け、通信判別手段により通信手段２１に異常が認められた場合、母線状態監視手段４０の検出結果を優先して決定した電力変換器の動作モードで動作するようにすることもできる。
【実施例２】
【００２８】
実施例２を説明する。本発明の他の実施形態を図３に示す。図３は、従機すなわち母線に電流を供給する交流電源（電力変換器）２を複数接続した場合の実施例である。図３においては、従機を区別するために、２−１、２−２、…２−ｎという名前を付した。主機の交流電源（電力変換器）１が複数の従機２に対して交流出力電流の情報を伝送する構成となっており、そして、運転モード指令発生手段２３を備えている。交流電源１、２は、実施例１と同様である。運転モード指令発生手段２３は、交流電源１、２の通信手段１から各交流電源の状態情報を受信して、各交流電源１、２の動作モードを決定し、それぞれの交流電源に決定した動作モードでの動作指令を与える。本構成により、従機が２台以上すなわち、並列運転している電力変換器が３台以上となっても容易に横流が発生しない状態での並列運転が可能である。
【００２９】
図４は、実施例２の変形例であり、交流電源（電力変換器）１及び交流電源（電力変換器）２は、運転モード指令発生手段２３を内部に有しており、実施例２と同様の効果を奏することができる。
【００３０】
なお、伝送情報は、主機１の交流出力電流であり、従機２は、これに応じて交流出力電流を制御するので、並列運転している装置の台数に変化があっても、各装置が負担する容量は、常に均一になる。もちろん、運転台数に変化があっても主機１の負担のみが増加することはなく、動作中の電力変換器すべてに均等に負担が増加する。このため、主機１の電力容量を従機２よりも大きくする必要はなく、制御部分の構成を除き、電力変換器部分は共通の部品を使用することができ、高い汎用性を確保することができる。本方式によれば、並列運転している状態で、新たに並列運転する変換器を追加し運転台数を増加させた場合でも、各装置が負担する容量は、均一になる。
【実施例３】
【００３１】
実施例３を説明する。本実施例の電源システムは、図５に示すように、交流電源１、２−１、２−２、・・・２−ｎと母線１００とが断路器からなる接続回路遮断手段３１を介して接続されており、そして、母線１００は断路器からなる母線遮断手段３２を有している。交流電源１、２−１、２−２、・・・２−ｎは、実施例２の交流電源１、２と同様である。接続遮断手段３１により、故障等の不具合が発生した交流電源１、２−１、２−２、・・・２−ｎを母線１００から切り離すことができる。また、母線遮断手段３２により、母線遮断時に一台以上の交流電源からなる電力変換器並列群を構成することができる。
【００３２】
そして、各電力変換器の動作モード及び稼動状況と通信手段の稼動状態に応じて決定された開閉状態とする開閉指令を、接続回路遮断手段又は母線遮断手段に与える開閉指令手段を設けることにより、母線１００の回路状態に対応した適切な第一の電力変換器と第二の電力変換器の数とその回路構成からなる電源システムとすることができる。
【００３３】
上記各実施例で説明したように、本発明は、主機及び従機とも全く同一の装置を使用して各電力変換器に主機と従機の両方の機能を持たせ、適宜切り替えることにより、高い汎用性を確保することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】実施例１の電源システムの説明図。
【図２】実施例１における電力変換器の変形例の説明図。
【図３】実施例２の電源システムの接続形態の説明図。
【図４】実施例２の電源システムの変形例の説明図。
【図５】実施例３の電源システムの接続形態の説明図。
【図６】従来例の電源システムの説明図。
【図７】従来例の電源システムの接続形態の説明図。
【符号の説明】
【００３５】
１、２、２−１、２−２、２−ｎ…電力変換器
１１…直流電圧源、１２…ＤＣ／ＡＣ変換器、１３…フィルタ回路、１４…変圧器、１５、１８…変換手段、１６…出力電圧指令（発生手段）、１７…出力電圧制御手段、１７ａ…交流出力電流制御手段、１９…動作モード選択手段
２０、２１…通信手段、２２…通信路、２３…運転モード指令発生手段、
３１…接続回路遮断手段、３２…母線遮断手段
４０…母線状態監視手段
１００…母線
【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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