(57)【要約】【課題】系統連系電力変換装置において、負荷急変に対する安定性を確保し、かつ、系統での擾乱を抑制する。【解決手段】三相交流電力を 直流電力に変換するコンバータ３と、直流電力を三相交流電力に変換するインバータ４と、コンバータ３とインバータ４間の直流接続部に接続されたチョッパ５と、チョッパ５の動作により充放電される直流電力貯蔵装置６と、を備えた電力変換装置において、直流接続部の直流電圧検出値Ｖｄｃと直流電圧指令値Ｖｄｃ*の偏差に基づいて、直流接続部の電圧を一定に保つように算出された直流電流指令値Ｉｄｃ*を、コンバータ電流指令値Ｉｃｏｎ*とチョッパ電流指令値Ｉｃｈ*に分配し、インバータ出力電流検出値Ｉｉｎｖを電源周期で移動平均し、微分した値をチョッパ電流指令値Ｉｃｈ*に付加する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
三相交流電力を 直流電力に変換するコンバータと、直流電力を三相交流電力に変換するインバータと、コンバータとインバータ間の直流接続部に接続されたチョッパと、チョッパの動作により充放電される直流電力貯蔵装置と、を備えた電力変換装置であって、
直流接続部の直流電圧検出値と直流電圧指令の偏差に基づいて、直流接続部の電圧を一定に保つように算出された直流電流指令を、コンバータ電流指令値とチョッパ電流指令値に分配し、インバータ出力電流検出値を電源周期で移動平均して算出された移動平均電流を、微分してチョッパ電流指令値に付加する指令分配器を備えたことを特徴とする系統連系電力変換装置。
【請求項２】
前記指令分配器は、
直流電流指令値と移動平均電流とを加算した値をコンバータ電流指令値として出力し、
コンバータ運転中は、移動平均電流を微分した値をチョッパ電流指令値として出力し、
コンバータ停止中は、前記コンバータ電流指令値と、移動平均電流を微分した値と、を加算した値をチョッパ電流指令値として出力することを特徴とする請求項１記載の系統連系電力変換装置。
【請求項３】
前記指令分配器は、
直流電流指令値と移動平均電流とを加算した値が予め設定した上限値よりも小さければ、前記直流電流指令値と移動平均電流との加算値をコンバータ電流指令値として出力し、移動平均電流を微分した値をチョッパ電流指令値として出力し、
直流電流指令値と移動平均電流とを加算した値が上限値よりも大きければ、上限値をコンバータ電流指令値として出力し、前記直流電流指令値と移動平均電流の加算値と上限値との偏差と、移動平均電流を微分した値と、を加算した値をチョッパ電流指令値として出力することを特徴とする請求項１記載の系統連系電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、 バッテリ等の電力貯蔵装置を有する系統に連系された電力変換装置に係り、装置に接続されている負荷の急峻な変動に対しても応答しながら系統への影響を抑制する系統連系電力変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
無停電電源装置（ＵＰＳ），周波数変換器等の任意の負荷がつながる系統に接続された電力変換装置において、負荷変動に対する応答改善を行うことにより、負荷への電圧の安定性を確保することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１３−３８９４３号公報
【特許文献２】特開２００８−２９５１６０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、負荷変動への追従は系統への擾乱を引き起こす可能性がある。したがって、如何に負荷急変に対するＵＰＳ出力交流電圧の安定性を確保し、かつ、系統への影響を小さくする電力変換装置を提供するかが課題となる。
【０００５】
この課題に対する対策として、直流接続部の電圧を高くすることで制御率を向上させることや、直流接続部にあるコンデンサの容量大きくすることで負荷の変動に対する安定性を向上させる等の対策がある。これらの対策では、前者は半導体素子の耐圧をあげる必要があり、後者では装置の体積が増加するなど、それぞれデメリットがある。
【０００６】
特許文献１は、系統と負荷に接続された電力変換装置（ＡＣ−ＡＣ変換器）の定格を超えた分の電流を流す為に、直流電力貯蔵装置（バッテリ等）に接続されている双方向変換器（ＤＣ−ＡＣ変換器）を負荷に接続し、超過分を負担させるシステムである。
【０００７】
しかしながら、特許文献１のシステムの構成の場合、負荷急変を含め電力変換装置の定格を超えた分は、常時、双方向変換器より供給されるため、その電力の変動により直流電力貯蔵装置は充放電を繰り返すこととなる。また、非線形負荷駆動時に双方向変換器の直流電圧が脈動すればバッテリの寿命に影響を与える。
【０００８】
以上示したようなことから、系統連系電力変換装置において、負荷急変に対する安定性を確保し、かつ、系統での擾乱を抑制することが課題となる。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、前記従来の問題に鑑み、案出されたもので、その一態様は、三相交流電力を 直流電力に変換するコンバータと、直流電力を三相交流電力に変換するインバータと、コンバータとインバータ間の直流接続部に接続されたチョッパと、チョッパの動作により充放電される直流電力貯蔵装置と、を備えた電力変換装置であって、直流接続部の直流電圧検出値と直流電圧指令値の偏差に基づいて、直流接続部の電圧を一定に保つように算出された直流電流指令値を、コンバータ電流指令値とチョッパ電流指令値に分配し、インバータ出力電流検出値を電源周期で移動平均して算出された移動平均電流を、微分してチョッパ電流指令値に付加する指令分配器を備えたことを特徴とする。
【００１０】
また、その一態様として、前記指令分配器は、直流電流指令値と移動平均電流とを加算した値をコンバータ電流指令値として出力し、コンバータ運転中は、移動平均電流を微分した値をチョッパ電流指令値として出力し、コンバータ停止中は、前記コンバータ電流指令値と、移動平均電流を微分した値と、を加算した値をチョッパ電流指令値として出力することを特徴とする。
【００１１】
また、他の態様として、前記指令分配器は、直流電流指令値と移動平均電流とを加算した値が予め設定した上限値よりも小さければ、前記直流電流指令値と移動平均電流との加算値をコンバータ電流指令値として出力し、移動平均電流を微分した値をチョッパ電流指令値として出力し、直流電流指令値と移動平均電流とを加算した値が上限値よりも大きければ、上限値をコンバータ電流指令値として出力し、前記直流電流指令値と移動平均電流の加算値と上限値との偏差と、移動平均電流を微分した値と、を加算した値をチョッパ電流指令値として出力することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、系統連系電力変換装置において、負荷急変に対する安定性を確保し、かつ、系統での擾乱を抑制することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】実施形態１，２における系統連系電力変換装置の主回路を示すブロック図。
【図２】実施形態１，２における系統連系電力変換装置の制御回路を示すブロック図。
【図３】実施形態１における指令分配器を示すブロック図。
【図４】実施形態２における指令分配器を示すブロック図。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本願発明における系統連系電力変換装置の実施形態１，２を図１〜図４に基づいて詳細に説明する。
【００１５】
［実施形態１］
図１は、実施形態１における系統連系電力変換装置の主回路を示すブロック図である。図１に示すように、系統連系電力変換装置１は、電源２から出力された三相交流電力を 半導体素子により直流電力に変換するコンバータ３と、直流電力を三相交流電力に変換するインバータ４と、コンバータ３とインバータ４間の直流接続部に接続されたチョッパ（ＤＣ／ＤＣ変換装置）５と、チョッパ５の動作により充放電されるバッテリ等の直流電力貯蔵装置６と、を備える。
【００１６】
なお、図１では、電源２とコンバータ３との間，インバータ４と負荷７との間には、フィルタ８ａ，８ｂが介挿されている。また、コンバータ３とインバータ４との間の直流接続部には直流リンクコンデンサ９が設けられ、チョッパ５と直流電力貯蔵装置６との間にはリアクトル１０が介挿されている。
【００１７】
このように構成された系統連系電力変換装置において、電源２から出力された三相交流電流は、フィルタ８ａ，コンバータ３，直流リンクコンデンサ９，インバータ４，フィルタ８ｂを介して負荷７に出力される。また、コンバータ３，直流リンクコンデンサ９，インバータ４から成るＡＣ／ＤＣ／ＡＣ変換装置の定格超過分は、チョッパ５を介して直流電力貯蔵装置６に出力され、超過分を負担させる。
【００１８】
図２は本実施形態１における系統連系電力変換装置の制御回路を示すブロック図である。
【００１９】
コンバータ３は、電流マイナーループにより電源電圧と同相となるように電流を制御すると同時に、直流電圧を一定に制御する。具体的には、図２に示すように、自動電圧調節器ＡＶＲ１により直流接続部の直流電圧検出値Ｖｄｃと第１直流電圧指令値Ｖｄｃ１*との偏差に基づいてＰＩ（比例積分）演算を行い、算出された直流電流指令値Ｉｄｃ*を指令分配器１１に出力する。指令分配器１１については、後述する。
【００２０】
指令分配器１１から出力されたコンバータ電流指令値Ｉｃｏｎ*と、コンバータ３の入力側の電流検出値Ｉｃｏｎを座標変換部１３で座標変換した値と、の偏差に基づいて、自動電流調節器ＡＣＲ１でＰＩ（比例積分）演算を行い、算出された第２電圧指令値Ｖｒｅｆ２をＰＷＭ制御器１２に出力する。ＰＷＭ制御器１２では、三角波キャリア方式により、第２電圧指令値Ｖｒｅｆ２に基づいたＰＷＭ（パルス幅変調）信号を生成し、コンバータ３の半導体素子に出力する。
【００２１】
インバータ４は、電圧のマイナーループにより出力電圧を一定に制御する。具体的には、自動電圧調節器ＡＶＲ２により、第１出力電圧指令値Ｖｏｕｔ１*と、出力電圧検出値Ｖｏｕｔを座標変換部１５で座標変換した値との偏差に基づいてＰＩ（比例積分）演算を行い、算出された第２出力電圧指令値Ｖｏｕｔ２*をＰＷＭ制御器１４に出力する。ＰＷＭ制御器１４では、三角波キャリア方式により、第２出力電圧指令値Ｖｏｕｔ２*に基づいたＰＷＭ信号を生成し、インバータ４の半導体素子に出力する。
【００２２】
チョッパ５は、直流電圧を一定に制御しながら直流電力貯蔵装置６の充放電を制御する。具体的には、インバータ４から出力されたインバータ出力電流検出値Ｉｉｎｖを座標変換部１６で座標変換した値を移動平均部１７で移動平均し、移動平均電流Ｉａｖｅとして指令分配器１１に出力する。指令分配器１１については後述する。指令分配器１１から出力されたチョッパ電流指令値Ｉｃｈ*とチョッパ電流検出値Ｉｃｈとの偏差に基づいて、自動電流調節器ＡＣＲ２によりＰＩ（比例積分）演算を行い、算出されたチョッパ電圧指令値Ｖｃｈ*をＰＷＭ制御部１８に出力する。ＰＷＭ制御部１８では、三角波キャリア方式により、チョッパ電圧指令値Ｖｃｈ*に基づいたＰＷＭ信号を生成し、チョッパ５の半導体素子に出力する。
【００２３】
なお、座標変換部１３，１６では、３相電流を３相／２相変換とｄｑ変換し、ｄ軸電流を出力している。また、座標変換部１５では、３相電圧を３相／２相変換とｄｑ変換し、ｄ軸電圧を出力している。
【００２４】
次に、指令分配器１１について、図３に基づき説明する。図３に示すように、自動電圧調節器ＡＶＲ１から出力された直流電流指令値Ｉｄｃ*と、移動平均部１７から出力された移動平均電流Ｉａｖｅを加算し、この加算結果をコンバータ電流指令値Ｉｃｏｎ*とする。また、移動平均部１７から出力された移動平均電流Ｉａｖｅを微分補償部２０で微分し、この微分補償部２０の出力Ｉｄｉｆとスイッチ２１の出力とを加算し、チョッパ電流指令値Ｉｃｈ*として出力する。
【００２５】
ここで、スイッチ２１において、コンバータ３の運転中は０を出力し、コンバータ３の停止時はコンバータ電流指令値Ｉｃｏｎ*を出力する。
【００２６】
上記のように、コンバータ３では、ＰＩ制御に基づく電流制御系を構築しており、電流マイナーループにより電源電圧と同相となるように電流を制御する。また、同時に、直流電圧を一定にするために電流制御に対してメジャーループを構成し電流制御への指令値としている。
【００２７】
また、チョッパ５もコンバータ３と同様に、直流電圧を一定に制御するために直流電圧制御を電流制御系のメジャーループとして構成する。これにより、コンバータ３とチョッパ５の直流電圧制御のメジャーループを共通化でき、１つの直流電圧制御系により生成された直流電流指令値Ｉｄｃ*をコンバータ３、チョッパ５の２つの電流制御の指令に分配させることが可能となる。
【００２８】
そして、制御系の安定性と共に負荷側の出力電流の変化に容易に追従するためインバータ出力電流検出値Ｉｉｎｖを直流電圧制御のフィードフォワード項としている。
【００２９】
制御系で扱う交流量は、すべてその位相に基づいて座標変換することにより直流量に変換でき、有効電力と無効電力を独立に制御することが可能である。しかし、コンデンサ入力型のダイオード整流器負荷（以下、整流器負荷と称する）等の非線形負荷が接続された場合、その出力電圧波形に高調波歪が発生することが知られている。
【００３０】
そのため、インバータ出力電流検出値Ｉｉｎｖにも高調波成分が生じ、座標変換しただけでは高調波成分の主に奇数次のリップル成分（５，７，１１，１３，１７，１９次，…）が重畳されてしまい、コンバータ３の制御系の安定性に支障をきたす。
【００３１】
そこで、この高次のリップル成分を除去するために、これらの成分の基本波となる電源１周期分で移動平均を行う。しかし、電源１周期分での移動平均は高調波成分を除去することができるが、移動平均処理による遅れを発生させてしまい、急峻な負荷変動に追従できない可能性が生じる。
【００３２】
この問題を解決するため、微分補償部２０で移動平均量の微分動作を組み込むことにより、移動平均による遅れを補償する。
【００３３】
しかし、微分動作による過度な変化は負荷７側の変動に対して安定性を保証するが、その反面、入力（系統電源２）側への擾乱を招き不安定性を招来する恐れがある。
【００３４】
上述した指令分配器１１において、移動平均の微分動作をチョッパ５ヘの指令に付加することにより、過度な変化は直流電力貯蔵装置６に対する充放電で補うことで負荷７側の変動を補償し、かつ、入力側の安定性も確保する。コンバータ３が停止している場合は、スイッチ２１を切り換えてチョッパ５がすべての電流指令を担うことでコンバータ３が停止した場合でも負荷７に影響を与えることはない。
【００３５】
本実施形態１における電力変換装置によれば、チョッパ５を介して直流電力貯蔵装置６を充放電することによりインバータ４につながる負荷７の変動を補償する。同時に系統につながるコンバータ３の動作をも安定させることで系統側への擾乱を招くことを防ぐことができる。
【００３６】
また、直流リンクコンデンサ９の容量を低減しても安定動作を確保でき装置の小型化が可能となる。さらに、直流接続部の電圧を高くする必要がないため、半導体素子は耐圧の低いものを選択でき、コスト削減を図ることが可能となる。
【００３７】
［実施形態２］
図４に本実施形態２における指令分配器１１のブロック図を示す。指令分配器１１以外は実施形態１と同様である。実施形態１と同様の箇所は説明を省略する。
【００３８】
図４に示すように、自動電圧調節器ＡＶＲ１から出力された直流電流指令値Ｉｄｃ*と、移動平均部１７から出力された移動平均電流Ｉａｖｅを加算し、この加算結果Ｉｄｃ*＋Ｉａｖｅをリミッタ２２に入力する。リミッタ２２には、上限値（例えば、定格電流）が設定されている。前記加算結果Ｉｄｃ*＋Ｉａｖｅが上限値以下の時は、加算結果Ｉｄｃ*＋Ｉａｖｅがそのままコンバータ電流指令値Ｉｃｏｎ*として出力されるが、加算結果Ｉｄｃ*＋Ｉａｖｅが上限値よりも大きい時は、上限値がコンバータ電流指令値Ｉｃｏｎ*として出力される。
【００３９】
また、微分補償部２０の出力Ｉｄｉｆに対して、リミッタ２２の入力値と出力値の偏差を加算し、チョッパ電流指令値Ｉｃｈ*としている。
【００４０】
すなわち、指令分配器１１において、コンバータ３ヘの指令配分を優先させて、コンバータ３で賄いきれない分をチョッパ５に負担させることで安定的に制御でき、かつ、コンバータ３の過負荷等にも対応することができる。
【００４１】
以上示したように、本実施形態２によれば、実施形態１と同様の作用効果を奏する。
【００４２】
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】
【００４３】
３…コンバータ
４…インバータ
５…チョッパ
６…直流電力貯蔵装置
７…負荷
１１…指令分配器
１７…移動平均部
２０…微分補償部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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