(57)【要約】【課題】インバータの本来の機能を発揮しながら冷却水の凍結防止を可能にする水冷式インバータの凍結防止システムを提供する。【解決手段】交流側が系統電源と負荷の共通接続点に接続され、直流側が直流蓄電デバイスに接続され、並列接続された少なくとも２台のインバータと、各々のインバータのスイッチング素子を冷却水を用いて冷却する冷却手段と、冷却水の温度を監視（Ｓ２）し、インバータのうち少なくとも１台の冷却水が所定温度を下回った場合に、インバータのうち少なくとも１台のインバータには進み無効電力を、インバータのうち進み無効電力を出力するインバータを除いた少なくとも１台のインバータには進み無効電力と同出力の遅れ無効電力を、各々のインバータが電源系統に接続された状態で出力させる（Ｓ４）制御手段と、を備える。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流側が系統電源と負荷の共通接続点に接続され、直流側が直流蓄電デバイスに接続され、並列接続された少なくとも２台のインバータと、
前記各々のインバータのスイッチング素子を冷却水を用いて冷却する冷却手段と、
前記冷却水の温度を監視し、前記インバータのうち少なくとも１台の冷却水が所定温度を下回った場合に、前記インバータのうち少なくとも１台のインバータには進み無効電力を、前記インバータのうち前記進み無効電力を出力するインバータを除いた少なくとも１台のインバータには前記進み無効電力と同出力の遅れ無効電力を、前記各々のインバータが前記系統電源に接続された状態で出力させる制御手段と、を備えることを特徴とする水冷式インバータの凍結防止システム。
【請求項２】
前記各々のインバータは瞬低補償装置に用いられることを特徴とする請求項１に記載の水冷式インバータの凍結防止システム。
【請求項３】
交流側が系統電源と負荷の共通接続点に接続され、直流側が直流蓄電デバイスに接続され、並列接続された少なくとも２台のインバータと、
前記各々のインバータのスイッチング素子を冷却水を用いて冷却する冷却手段と、を備えた水冷式インバータの凍結防止システムにおいて、
前記インバータを制御する制御手段は、前記冷却水の温度を監視し、前記インバータのうち少なくとも１台の冷却水が所定温度を下回った場合に、前記インバータのうち少なくとも１台のインバータには進み無効電力を、前記インバータのうち前記進み無効電力を出力するインバータを除いた少なくとも１台のインバータには前記進み無効電力と同出力の遅れ無効電力を、前記各々のインバータが前記系統電源に接続された状態で出力させることを特徴とする水冷式インバータの凍結防止方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の電力用半導体素子を制御することにより、直流電源から印加される直流電圧を変換して、出力端子に三相交流電圧を生成する電力変換装置（以下インバータと呼ぶ）の水冷式装置における冷却水の凍結防止に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
大容量インバータにおいて、電力用半導体素子で発生した熱を冷却するためにヒートシンクが用いられ、そのヒートシンク冷却方式には、装置内ファンによる強制風冷方式と、装置内冷却配管を循環する冷却水により冷却する水冷方式がある。大容量インバータを構成する電力変換ユニットは、発熱量が大きいため一般的に水冷方式が採用されている。
【０００３】
水冷方式の場合、冬季または寒冷地のインバータ系統連系運転時において、インバータの充放電電力の小さい時間帯での電力変換ユニットの発熱量低下および外気温の低下により冷却水が凍結する可能性があるため、冷却水がある一定の温度以下にならないように装置内に冷却水凍結防止用ヒーターを設置する必要がある。
【０００４】
図６は、水冷式インバータの冷却部分を主とした構成図である。電力変換ユニット１００には、電力変換ユニット１００のヒートシンクへ冷却水を供給するための配管１０１が接続される。また、冷却水は、循環ポンプ１０２にて配管１０１から供給・循環され、排水管１０３を通じて熱交換器１０４で再冷却される。冷却水は温度計１０５で監視されており、冬季や寒冷地のインバータ運転において、冷却水がある一定の温度に低下すると、冷却水凍結防止のためヒーター１０６が作動し水温を上昇させる。
【０００５】
この場合、インバータ内にはヒーターを設置するスペースが必要となるため装置が大型化してしまい、ヒーターコストとその設置スペース確保に伴う盤のコスト増加の問題が考えられる。このような問題が生じないようにヒーターを用いない水冷式インバータ装置の冷却防止方法が特許文献１に記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開Ｈ９−１９９６４８号公報。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１のものは、系統電源に接続されていたインバータを系統電源から切り離し、インバータに無効電力を発生させ、ヒーターを用いることなくインバータのスイッチング素子の発熱により、冷却水の凍結を防止している。
【０００８】
しかし、特許文献１のものは、無効電力を発生させる場合に電源系統に影響を与えないようにインバータを系統電源から切り離すことが必要であった。この場合、インバータが系統電源から切り離されるとインバータ本来の機能を発揮しながら、無効電力を発生させることができない。例えば、瞬低補償装置であれば瞬低補償の機能である。
【０００９】
本発明は、前記課題に基づいてなされたものであり、インバータの本来の機能を発揮しながら冷却水の凍結防止を可能にする水冷式インバータの凍結防止システムおよび水冷式インバータの凍結防止方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、前記課題の解決を図るために、交流側が系統電源と負荷の共通接続点に接続され、直流側が直流蓄電デバイスに接続され、並列接続された少なくとも２台のインバータと、前記各々のインバータのスイッチング素子を冷却水を用いて冷却する冷却手段と、前記冷却水の温度を監視し、前記インバータのうち少なくとも１台の冷却水が所定温度を下回った場合に、前記インバータのうち少なくとも１台のインバータには進み無効電力を、前記インバータのうち前記進み無効電力を出力するインバータを除いた少なくとも１台のインバータには前記進み無効電力と同出力の遅れ無効電力を、前記各々のインバータが前記系統電源に接続された状態で出力させる制御手段と、を備えることを特徴とする。
【００１１】
また、交流側が系統電源と負荷の共通接続点に接続され、直流側が直流蓄電デバイスに接続され、並列接続された少なくとも２台のインバータと、前記各々のインバータのスイッチング素子を冷却水を用いて冷却する冷却手段と、を備えた水冷式インバータの凍結防止システムにおいて、前記インバータを制御する制御手段は、前記冷却水の温度を監視し、前記インバータのうち少なくとも１台の冷却水が所定温度を下回った場合に、前記インバータのうち少なくとも１台のインバータには進み無効電力を、前記インバータのうち前記進み無効電力を出力するインバータを除いた少なくとも１台のインバータには前記進み無効電力と同出力の遅れ無効電力を、前記各々のインバータが前記系統電源に接続された状態で出力させることを特徴とする。
【００１２】
上記構成によれば、少なくとも２台のインバータは、系統電源に接続された状態で（インバータ系統連系運転時に）互いに進み・遅れ無効電力を出力するように運転制御される。これにより、一方のインバータが出力した無効電力が、他方のインバータに吸収されることで、ヒーターを用いず、かつ電源系統に影響を与えることなく、インバータの電力変換ユニットの発熱量が上昇し、冷却水の温度を上げることができる。また、電源系統に影響を与えないので、インバータの本来の機能を発揮しながら冷却水の温度を上げることができる。
【００１３】
また、前記各々のインバータは瞬低補償装置に用いられることを特徴とする。
【００１４】
上記構成によれば、インバータは、電源系統に影響を与えることなく、瞬低補償の機能を発揮しながら冷却水の温度を上げることができる。
【発明の効果】
【００１５】
請求項１および３の発明によれば、少なくとも２台のインバータは、系統電源に接続された状態で互いに進み・遅れ無効電力を出力するように運転制御される。これにより、一方のインバータが出力した無効電力が、他方のインバータに吸収されることで、ヒーターを用いず、かつ電源系統に影響を与えることなく、冷却水の温度を上げることができる。また、電源系統に影響を与えないので、インバータの本来の機能を発揮しながら冷却水の温度を上げることができる。
【００１６】
請求項２の発明によれば、インバータは、電源系統に影響を与えることなく、瞬低補償の機能を発揮しながら冷却水の温度を上げることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明を瞬低補償装置に適用した実施例の系統構成図。
【図２】本発明の実施例のインバータ１系およびインバータ２系の概略制御構成図。
【図３】本発明の実施例のＡＣＲおよびＡＶＲの制御ブロック図。
【図４】本発明における水冷式インバータの冷却部分を主とした構成図。
【図５】本発明の凍結防止の処理手順を示すフローチャート。
【図６】従来における水冷式インバータの冷却部分を主とした構成図。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の実施の形態における水冷式インバータの凍結防止システムを図面等に基づいて詳細に説明する。
【００１９】
図１は、本発明の水冷式インバータの凍結防止システムを瞬低補償装置に適用した場合の系統構成図である。
【００２０】
図１には、電力系統の電源１、ＩＧＢＴ等から構成され、電源１と重要負荷３を結ぶ電源系統に介挿される高速スイッチ２、電源系統に接続される重要負荷３、直流側が直流蓄電デバイスであるコンデンサ４に接続され、交流側が高速スイッチ２と重要負荷３を結ぶ電源系統に接続され、進み無効電力を出力するインバータ１系１００ａ、インバータ１系１００ａと順並列に接続され、遅れ無効電力を出力するインバータ２系１００ｂ、電源１と高速スイッチ２を結ぶ電源系統に接続された負荷５が示されている。
【００２１】
なお、インバータ１系１００ａ、インバータ２系１００ｂおよびコンデンサ４は、瞬低補償装置を構成し、重要負荷３は瞬低補償を行わせる必要のある負荷であり、負荷５はその必要のない負荷である。また、直流蓄電デバイスは必ずしもコンデンサ４である必要はなく蓄電池であってもよい。
【００２２】
次に、インバータ１系１００ａおよびインバータ２系１００ｂの制御構成について説明する。
【００２３】
図２は、インバータ１系１００ａおよびインバータ２系１００ｂの概略制御構成図である。インバータ１系１００ａとインバータ２系１００ｂとの制御については、代表してインバータ１系１００ａについて説明する。なお、インバータ２系１００ｂの制御系については、インバータ１系１００ａの説明において、符号の“ａ”を“ｂ”とすればインバータ２系１００ｂの説明となる。
【００２４】
インバータ１系１００ａが出力する電圧は電圧検出器１０ａにより検出され、その検出値は１系制御部１２ａのＡＶＲ（Ａｕｔｏｍａｔｉｃ  Ｖｏｌｔａｇｅ  Ｒｅｇｕｌａｔｉｏｎ）１３ａに入力される。また、インバータ１系１００ａが出力する電流は電流検出器１１ａにより検出され、その検出値は１系制御部１２ａのＡＣＲ（Ａｕｔｏｍａｔｉｃ  Ｃｕｒｒｅｎｔ  Ｒｅｇｕｌａｔｉｏｎ）１４ａに入力される。ＡＣＲ１４ａには、インバータ１系１００ａが出力すべき有効電流（Ｐ）の指令値（後述する有効分の電流指令値２１ａ）および無効電流（Ｑ）の指令値（後述する無効分１の電流指令値２３ａおよび無効分２の電流指令値２４ａ）と、電圧検出器１０ａにより検出されたインバータ１系１００ａの出力電圧の周期波形成分である、ＳＩＮ（後述するＳＩＮ２０ａ），ＣＯＳ（後述するＣＯＳ２２ａ）と、が入力される。
【００２５】
ＡＶＲ１３ａおよびＡＣＲ１４ａの出力信号は、加算器１５ａに入力されて加算される。ＰＷＭ制御部１６ａは、加算器１５ａからの信号に基づいてＰＷＭを実行し、それによって得られるパルス信号をゲート信号としてインバータ１系１００ａに出力する。
【００２６】
ここで、１系制御部１２ａおよび２系制御部１２ｂが制御手段となる。
【００２７】
図３は、ＡＶＲ１３ａ，１３ｂおよびＡＣＲ１４ａ，１４ｂの制御ブロック図である。図３（ａ）が、インバータ１系１００ａの制御を行うＡＶＲ１３ａ、ＡＣＲ１４ａを示し、図３（ｂ）が、インバータ２系１００ｂの制御を行うＡＶＲ１３ｂ、ＡＣＲ１４ｂを示している。
【００２８】
まず、ＡＶＲ１３ａの説明から行う。ＡＶＲ１３ａには、インバータ電圧指令値４０ａおよび電圧検出器１０ａにより検出されるインバータ１系１００ａの出力電圧であるインバータ電圧４１ａが入力される。これらの値は減算器４２ａによりインバータ電圧指令値４０ａからインバータ電圧４１ａが減算され、その減算値はＰＩ制御部４３ａによりＰＩ制御が行われ、加算器１５ａに送出される。加算器１５ａ、ＰＷＭ制御部１６ａにおける処理は前述したとおりである。
【００２９】
ＡＣＲ１４ａには、ＳＩＮ２０ａ、有効分の電流指令値２１ａ、ＣＯＳ２２ａ、無効分１の電流指令値２３ａ、無効分２の電流指令値２４ａおよび電流検出器１１ａにより検出されるインバータ１系１００ａの出力電流であるインバータ電流２９ａが入力される。
【００３０】
ここで有効分の電流指令値２１ａ、無効分１の電流指令値２３ａおよび無効分２の電流指令値２４ａは図示していない上位のコントローラが設定する。
【００３１】
乗算器２５ａは、ＳＩＮ２０ａおよび有効分の電流指令値２１ａを乗算する。
加算器２６ａは無効分１の電流指令値２３ａに、無効分１の電流指令値２３ａよりも位相が進んだ無効分２の電流指令値２４ａを加える。乗算器２７ａは、ＣＯＳ２２ａに加算器２６ａの出力値を乗算する。
【００３２】
加算器２８ａは、乗算器２５ａおよび乗算器２７ａの出力値を加算し、減算器３０ａは、加算器２８ａの出力値からインバータ電流２９ａを減算し、その減算値は、ＰＩ制御部３１ａによりＰＩ制御が行われ加算器１５ａに送出される。
【００３３】
図３（ｂ）は、インバータ２系１００ｂの制御ブロック図であり、位相が無効分１の電流指令値２３ｂよりも遅れる無効分２の電流指令値２４ｂ以外は、図３（ａ）と同じである。
【００３４】
無効分２の電流指令値２４ｂを除いて、符号の“ａ”を“ｂ”と置き換えると図３（ａ）の説明は図３（ｂ）の説明となる。
【００３５】
ここで、有効分の電流指令値２１ａ，２１ｂは互いに同出力であり、無効分１の電流指令値２３ａ，２３ｂは互いに同出力であり、無効分２の電流指令値２４ａ，２４ｂは互いに大きさが同出力である。
【００３６】
図４は、本発明における水冷式インバータの冷却部分を主とした構成図である。図６と同一のものには同一の符号を付して説明を省略する。図４は、図６と比べるとヒーターが含まれていない。
【００３７】
本発明の動作について説明する。図５は、本発明の凍結防止の処理手順を示すフローチャートである。
【００３８】
インバータ１系１００ａおよびインバータ２系１００ｂの運転を行う（ＳＴＥＰ１）。ここでの運転は系統連系運転および自立運転のいずれも含むものである。
【００３９】
次に、運転中に、インバータ１系１００ａまたはインバータ２系１００ｂの一方または両方の温度計１０５により計測される冷却水監視温度が、設定温度Ｔ１［℃］を上回っているか否かを判断する（ＳＴＥＰ２）。冷却水監視温度が設定温度Ｔ１［℃］を上回っている場合は、ＳＴＥＰ３に進む。一方、冷却水監視温度が設定温度Ｔ１［℃］を下回っている場合は、ＳＴＥＰ４に進む。
【００４０】
冷却水監視温度が設定温度Ｔ１［℃］を上回っている場合、インバータ１系１００ａおよびインバータ２系１００ｂは、有効分の電流指令値２１ａ，２１ｂ、無効分１の電流指令値２３ａ，２３ｂによる通常のＰ，Ｑ制御を行う（ＳＴＥＰ３）。通常のＰ，Ｑ制御とは、有効分の電流指令値２１ａ，２１ｂおよび無効分１の電流指令値２３ａ，２３ｂによりインバータ１系１００ａおよびインバータ２系１００ｂの制御を行うことである。
【００４１】
この場合、インバータ１系１００ａおよびインバータ２系１００ｂには、上位のコントローラから有効分の電流指令値２１ａ，２１ｂと無効分１の電流指令値２３ａ，２３ｂを指令値として与えられる。有効分の電流指令値２１ａ，２１ｂ、無効分１の電流指令値２３ａ，２３ｂの値は、例えば、重要負荷３が負荷増になったとき、系統からの電力不足を補う日負荷平準化運転のために設定される値である。
【００４２】
冷却水監視温度が設定温度Ｔ１［℃］を下回っている場合、通常のＰ，Ｑ制御に加え、凍結防止Ｑ制御を行う（ＳＴＥＰ４）。凍結防止Ｑ制御とは、無効分１の電流指令値２３ａ，２３ｂに無効分２の電流指令値２４ａ、２４ｂを与えてインバータ１系１００ａおよびインバータ２系１００ｂの制御を行うことである。
【００４３】
すなわち、インバータ１系１００ａの無効分１の電流指令値２３ａに、さらに制御量をより大きくする無効分２の電流指令値２４ａを加える。また、無効分２の電流指令値２４ａを吸収するため、インバータ２系１００ｂの無効分１の電流指令値２３ｂから、無効分２の電流指令値２４ａと同じ大きさの無効分２の電流指令値２４ｂを差し引く。
【００４４】
このようにしてＳＴＥＰ２およびＳＴＥＰ４を繰り返して、１系制御部１２ａは、インバータ１系１００ａの進み無効電力を制御し、２系制御部１２ｂは、インバータ２系１００ｂの遅れ無効電力を制御し、インバータ熱損失を利用して設定温度Ｔ２[℃](＞設定温度Ｔ１)まで冷却水温を上昇させる。その後、１系制御部１２ａおよび２系制御部１２ｂは、無効分２の電流指令値２４ａ，２４ｂを徐々に下げてゼロにし、通常のＰ，Ｑ制御に移行する。
【００４５】
本実施例では、進み無効電力を出力するインバータ１系１００ａおよび遅れ無効電力を出力するインバータ２系１００ｂは共に１台であった。しかし、進み無効電力または遅れ無効電力の一方あるいは双方のインバータが複数であってもよい。この場合、有効分および無効分１，２の各電流指令値は、その複数のインバータの合計出力がその各電流指令値となればよい。
【００４６】
このようにインバータ１系１００ａおよびインバータ２系１００ｂは、系統電源に接続された状態で互いに進み・遅れ無効電力を出力するようになっている。これにより、一方のインバータが出力した無効電力が、他方のインバータに吸収されることで、ヒーターを用いず、かつ電源系統に影響を与えることなく、冷却水の温度を上げることができる。また、電源系統に影響を与えないので瞬低補償を行いながら冷却水の温度を上げることができる。
【００４７】
本発明を適用したものとして瞬低補償装置を挙げたが、インバータを用いたその他の装置にも適用可能である。
【００４８】
以上、本発明において、記載された具体例に対してのみ詳細に説明したが、本発明の技術思想の範囲で多彩な変形および修正が可能であることは、当業者にとって明白なことであり、このような変形および修正が特許請求の範囲に属することは当然のことである。
【符号の説明】
【００４９】
１…電源
２…高速スイッチ
３…重要負荷
４…コンデンサ
５…負荷
１０ａ，１０ｂ…電圧検出器
１１ａ，１１ｂ…電流検出器
１２ａ…１系制御部
１２ｂ…２系制御部
１３ａ，１３ｂ…ＡＶＲ
１４ａ，１４ｂ…ＡＣＲ
１５ａ，１５ｂ，２６ａ，２６ｂ，２８ａ，２８ｂ，３０ａ，３０ｂ，４２ａ，４２ｂ…加算器
１６ａ，１６ｂ…ＰＷＭ制御部
２０ａ，２０ｂ…ＳＩＮ
２１ａ，２１ｂ…有効分の電流指令値
２２ａ，２２ｂ…ＣＯＳ
２３ａ，２３ｂ…無効分１の電流指令値
２４ａ，２４ｂ…無効分２の電流指令値
２５ａ，２５ｂ，２７ａ，２７ｂ…乗算器
２９ａ，２９ｂ…インバータ電流
３１ａ，３１ｂ，４３ａ，４３ｂ…ＰＩ制御部
４０ａ，４０ｂ…インバータ電圧指令値
４１ａ，４１ｂ…インバータ電圧
１００…電力変換ユニット
１００ａ…インバータ１系
１００ｂ…インバータ２系
１０１…配管
１０２…ポンプ
１０３…排水管
１０４…熱交換器
１０５…温度計
１０６…ヒーター
【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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