(57)【要約】【課題】負荷電力の急変時における追従遅れをなくすと共にコンデンサ容量の有効利用を可能にし、装置の運転不能や交流電源の電力急変が助長されるのを防止する。【解決手段】蓄電装置としてのコンデンサ１と、交流電源４及び負荷５に接続されて交流−直流相互間の電力変換を行うインバータ３と、コンデンサ１とインバータ３との間に接続されて直流電力を授受するチョッパ２とを備え、負荷電力の増減に応じチョッパ２によりコンデンサ１を充放電して負荷電力の変動分を補償する交流電源装置に関する。コンデンサ１の電圧を制御するための二乗器２０１、加算器３０６、比例調節器２０２と、インバータ３の直流電圧を制御するための加算器３０４、調節器１０４、充放電電流指令発生器１０２と、負荷電力に応じてインバータ３の交流電力を制御するための加算器３０５、交流電流指令発生器１０５とを設ける。【選択図】　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
負荷に交流電力を供給する交流電源装置であって、蓄電素子としてのコンデンサと、交流電源及び前記負荷に接続されて交流−直流相互間の電力変換を行うインバータと、前記コンデンサと前記インバータとの間に接続されて直流電力を授受するチョッパとを備え、
負荷電力の増減に応じ前記チョッパにより前記コンデンサを放電または充電して負荷電力の変動分を補償する交流電源装置において、
前記コンデンサの電圧を制御するコンデンサ電圧制御手段と、
前記インバータの直流電圧を制御する直流電圧制御手段と、
前記負荷電力に応じて前記インバータの交流電力を制御する電力制御手段とを設け、
前記コンデンサ電圧制御手段及び電力制御手段により前記インバータを制御し、かつ、前記直流電圧制御手段により前記チョッパを制御することを特徴とした交流電源装置。
【請求項２】
請求項１に記載した交流電源装置において、
前記コンデンサ電圧制御手段は、前記コンデンサの電圧をその指令値に一致させるように動作する調節手段を備え、
前記電力制御手段は、前記負荷電力を前記調節手段の出力により補正した値に基づいて前記インバータに対する交流電流指令を発生する手段を備え、
前記直流電圧制御手段は、前記インバータの直流電圧をその指令に一致させるように動作する調節手段と、この調節手段の出力に基づいて前記チョッパに対し前記コンデンサの充放電電流指令を発生する手段と、を備えたことを特徴とする交流電源装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載した交流電源装置において、
前記インバータの交流電力は、前記負荷電力から、前記コンデンサの電圧指令値の二乗と前記コンデンサの電圧の二乗との偏差にゲインを乗じた値を減じて決定することを特徴とした交流電源装置。
【請求項４】
請求項３に記載した交流電源装置において、
前記ゲインは、前記負荷の定格電力または最大電力と、前記コンデンサの電圧指令値の二乗と前記コンデンサの電圧最大許容値または最小許容値の二乗との偏差に前記ゲインを乗じた値とが等しくなるように設定することを特徴とした交流電源装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電気二重層コンデンサ等を蓄電素子に用い、交流負荷電力の急変をインバータにより補償するようにした交流電源装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図２は、交流電源により負荷に交流電力を供給すると共に、負荷電力の急変時にコンデンサ、チョッパ及びインバータにより負荷電力の変動分を補償するようにした交流電源装置の従来技術を示すブロック図である。
図２において、１は蓄電素子を構成する電気二重層コンデンサ等の大容量コンデンサ、２はチョッパ、３はインバータ、４は交流電源、５は負荷である。
また、１０１は負荷電力の平均値演算器、１０２は充放電電流指令発生器、１０３，１０４は調節器、１０５は交流電流指令発生器である。
【０００３】
この交流電源装置は、平常時は交流電源４から負荷５に給電しており、負荷５が消費する電力ＰＬの急変時に、その変動分をコンデンサ１からインバータ３の出力電力Ｐｉとして供給することにより補償し、交流電源４から負荷５への供給電力Ｐｓを急変させないように動作している。
【０００４】
制御回路の動作としては、まず、負荷電力ＰＬの平均値が平均値演算器１０１により演算されて瞬時値との偏差が加算器３０１により求められる。また、コンデンサ１の電圧指令値Ｖｃ＊と検出値Ｖｃとの偏差が加算器３０３により求められ、この偏差が調節器１０３により増幅されて加算器３０２に入力される。加算器３０２では、加算器３０１の出力を調節器１０３の出力により補正すると共に、補正後の負荷電力ＰＬに応じたコンデンサ１に対する充放電電流指令が充放電電流指令発生器１０２により生成され、チョッパ２に与えられる。
【０００５】
また、インバータ３の直流電圧指令値Ｅｄ＊と検出値Ｅｄとの偏差が加算器３０４により求められ、この偏差が調節器１０４により増幅されて交流電流指令発生器１０５に入力される。交流電流指令発生器１０５では、調節器１０４の出力に応じた交流電流指令を生成し、この電流指令に従ってインバータ３が運転される。
【０００６】
いま、負荷５の消費電力ＰＬの変動分をインバータ３が補償するためにインバータ３による供給電力Ｐｉを正にするときには、チョッパ２を動作させてコンデンサ１を放電させ、その直流電力をインバータ３に伝達する。インバータ３は、直流電力を交流電力に変換して出力し、電力Ｐｉを負荷５に供給する。
また、インバータ３による供給電力Ｐｉを負にするときには、インバータ３は交流電源４の電力Ｐｓを直流電力に変換してチョッパ２に伝達し、チョッパ２がコンデンサ１を充電する。
【０００７】
ここで、コンデンサ１とインバータ３との間にチョッパ２を設ける理由は、コンデンサ１の電圧Ｖｃが充放電に伴って大きく変化する一方で、インバータ３の直流電圧Ｅｄは極力一定値であることが望ましいので、これらの電圧Ｖｃ，Ｅｄをそれぞれ独立に制御可能とするためである。
【０００８】
負荷電力ＰＬの急変量は、図示されていない電力検出器により検出した負荷電力ＰＬを、平均値演算器１０１により演算した平均値と加算器３０１にて差し引きすることにより求め、その偏差を充放電電流指令発生器１０２に入力して得た充放電電流指令により、負荷電力ＰＬの変動分に応じてコンデンサ１を充放電させる。この際、制御誤差や主回路の充電損失、放電損失のアンバランス等によりコンデンサ１の電圧Ｖｃが増加または減少し過ぎるのを防止するため、コンデンサ１の電圧指令値Ｖｃ＊と検出値Ｖｃとの偏差Ｖｃを調節器１０３に入力し、その出力により加算器３０１の出力を補正した値を用いて充放電電流指令を発生させ、この指令をチョッパ２に与えている。
【０００９】
また、チョッパ２の動作に伴うコンデンサ１の充放電によってインバータ３の直流電圧Ｅｄが変化するので、直流電圧指令値Ｅｄ＊と検出値Ｅｄとの偏差を同様に求めて調節器１０４に入力し、交流電流指令発生器１０５により生成した交流電流指令によりインバータ３を制御することにより、直流電圧Ｅｄがその指令値Ｅｄ＊に一致するように制御が行われる。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
図２に示した従来技術には、次のような問題がある。
（１）負荷電力ＰＬの急変時には、まずコンデンサ１の放電電力が制御され、結果としての直流電圧Ｅｄの変化によりインバータ３の電力Ｐｉが制御されるので、負荷電力ＰＬに対するインバータ電力Ｐｉの追従遅れが発生する。
【００１１】
（２）この交流電源装置が放出または吸収できるエネルギーは、コンデンサ１の容量により規定される。コンデンサ１の充電または放電の進行によりその電圧Ｖｃが上限値または下限値に近付いた場合には、電力を制限する必要がある。
この制限動作は調節器１０３により行われるが、調節器１０３のゲインが大き過ぎると電圧Ｖｃが僅かに変化しただけで電力が制限されてしまい、コンデンサ１の容量を有効利用することができない。逆に調節器１０３のゲインが小さ過ぎると、条件によっては電圧Ｖｃが上限値または下限値に達して装置が動作不能となり、結局は電源装置の停止に伴う電力急変を交流電源４に与えてしまうおそれがある。
【００１２】
（３）平均値演算器１０１の時定数がコンデンサ１の容量や負荷電力ＰＬの変動周期に対して適正に設定されていないと、不都合を生じる。
例えば、負荷電力ＰＬがステップ状に変化してその状態が持続したとすると、平均値演算器１０１の時定数に相当する時間にわたって充放電電流指令発生器１０２に負荷急変量が入力されるが、時定数が長過ぎるとコンデンサ１の電圧Ｖｃが上限値または下限値に達して運転不能となる問題が生じる。これに対し、時定数が短か過ぎると負荷急変量も速やかに減衰し、これによってインバータ３の電力Ｐｉも絞られるため、コンデンサ１のエネルギーが有効利用されなくなる。
このように負荷電力ＰＬが不規則に変動する場合には、時定数の最適化が困難である。
【００１３】
そこで本発明は、負荷電力の急変時における追従遅れをなくすと共に、コンデンサ容量の有効利用を可能にし、また、装置の運転不能や交流電源の電力急変が助長されるのを防止するようにした交流電源装置を提供しようとするものである。して
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、請求項１に記載した発明は、負荷に交流電力を供給する交流電源装置であって、蓄電素子としてのコンデンサと、交流電源及び前記負荷に接続されて交流−直流相互間の電力変換を行うインバータと、前記コンデンサと前記インバータとの間に接続されて直流電力を授受するチョッパとを備え、
負荷電力の増減に応じ前記チョッパにより前記コンデンサを放電または充電して負荷電力の変動分を補償する交流電源装置において、
前記コンデンサの電圧を制御するコンデンサ電圧制御手段と、
前記インバータの直流電圧を制御する直流電圧制御手段と、
前記負荷電力に応じて前記インバータの交流電力を制御する電力制御手段とを設け、
前記コンデンサ電圧制御手段及び電力制御手段により前記インバータを制御し、かつ、前記直流電圧制御手段により前記チョッパを制御するものである。
【００１５】
ここで、請求項２に記載するように、
前記コンデンサ電圧制御手段は、前記コンデンサの電圧をその指令値に一致させるように動作する調節手段を備え、
前記電力制御手段は、前記負荷電力を前記調節手段の出力により補正した値に基づいて前記インバータに対する交流電流指令を発生する手段を備え、
前記直流電圧制御手段は、前記インバータの直流電圧をその指令に一致させるように動作する調節手段と、この調節手段の出力に基づいて前記チョッパに対し前記コンデンサの充放電電流指令を発生する手段と、を備えたものである。
請求項１または２に記載した発明によれば、負荷電力の変動によって瞬時にインバータの交流電力が応答するので、制御遅れによる交流電源の電力変動を未然に防止することができる。
【００１６】
請求項３に記載した発明は、請求項１または２に記載した交流電源装置において、
前記インバータの交流電力は、前記負荷電力から、前記コンデンサの電圧指令値の二乗と前記コンデンサの電圧の二乗との偏差にゲインを乗じた値を減じて決定するものである。
本発明によれば、コンデンサのエネルギー容量に応じた最適な電力補償量を簡単に求めることができる。
【００１７】
請求項４に記載した発明は、請求項３に記載した交流電源装置において、
前記ゲインは、前記負荷の定格電力または最大電力と、前記コンデンサの電圧指令値の二乗と前記コンデンサの電圧最大許容値または最小許容値の二乗との偏差に前記ゲインを乗じた値とが等しくなるように設定するものである。
本発明によれば、コンデンサのエネルギーを最大限に利用し、しかもコンデンサ電圧が上限値または下限値を超えないような補償電力を簡単に求めることができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
図１はこの実施形態の構成を示すブロック図であり、図２と同一の構成要素には同一の参照符号を付してある。以下では、図２と異なる部分を中心に説明する。
【００１９】
図１において、主回路の構成は図２と同様であり、電気二重層コンデンサ等の大容量コンデンサ１、チョッパ２、インバータ３、交流電源４及び負荷５によって構成されている。
２０１はコンデンサ１の電圧Ｖｃが入力される二乗器であり、その出力であるＶｃ２は加算器３０６の一方の入力端子に入力されている。加算器３０６の他方の入力端子にはコンデンサ１の電圧指令値の二乗値Ｖｃ＊２が入力されており、加算器３０６から出力される両入力信号の偏差（Ｖｃ＊２−Ｖｃ２）が所定のゲインを有する比例調節器２０２に入力されている。
【００２０】
比例調節器２０２の出力は補正量として加算器３０５の一方の入力端子に入力され、加算器３０５の他方の入力端子には電力検出器（図示せず）により検出した負荷電力ＰＬが入力されている。
加算器３０５の出力は交流電流指令発生器１０５に入力され、この発生器１０５から出力される交流電流指令がインバータ３に与えられている。
【００２１】
また、図２と同様にインバータ３の直流電圧指令値Ｅｄ＊と検出値Ｅｄとの偏差が加算器３０４により求められ、この偏差が調節器１０４により増幅されるが、調節器１０４の出力は図２と異なって充放電電流指令発生器１０２に入力され、その出力である充放電電流指令がチョッパ２に入力されている。
【００２２】
ここで、二乗器２０１、加算器３０６及び比例調節器２０２は本発明におけるコンデンサ電圧制御手段の一部を構成し、加算器３０５及び交流電流指令発生器１０５は本発明における電力制御手段の一部を構成し、加算器３０４、調節器１０４及び充放電電流指令発生器１０２は本発明における直流電圧制御手段の一部を構成している。
【００２３】
本実施形態の図２との第１の相違点は、チョッパ２の制御をインバータ３の直流電圧Ｅｄに基づいて行い、インバータ３の制御を負荷電力ＰＬ及びコンデンサ１の電圧Ｖｃに基づいて行う点である。
例えば負荷電力ＰＬが急増した場合、交流電流指令発生器１０５を介してインバータ電力Ｐｉも直ちに急増するので、従来のような制御遅れによる交流電源４の電力Ｐｓの急変が最低限に抑えられる。インバータ電力Ｐｉの急増により直流電圧Ｅｄが低下するため、調節器１０４及び充放電電流指令発生器１０２の動作によりチョッパ２がコンデンサ１を放電させ、チョッパ２のインバータ３側の出力電力が増加して直流電圧Ｅｄを指令値に戻す。
つまり、制御遅れは電源装置内部の直流電圧Ｅｄの変動という形でのみ現れることになり、装置外部には現れない。
【００２４】
次に、図２との第２の相違点は、コンデンサ電圧Ｖｃを二乗した後にＶｃの指令値Ｖｃ＊の２乗値Ｖｃ＊２との偏差を求め、比例調節器２０２によって前記偏差に適当なゲインを乗じた後、これを加算器３０５にて負荷電力ＰＬから減算した値により交流電流指令を生成してインバータ電力Ｐｉを制御する点である。
【００２５】
例えば、前述した如く負荷電力ＰＬが急増するとインバータ電力Ｐｉが直ちに急増し、結果としてコンデンサ１が急激に放電するが、この放電により電圧Ｖｃが低下すると（Ｖｃ＊２−Ｖｃ２）が大きくなるので加算器３０５を介して交流電流指令発生器１０５に入力される値は小さくなり、結果的にインバータ電力Ｐｉは減少してやがて０となる。
これにより、図２のように負荷電力ＰＬ及びその平均値から変動分を算出する構成にしなくても、負荷電力ＰＬの変動分のみを供給することが可能となる。変動分として与えられる値は電圧Ｖｃの変化自体に基づくものであるので、負荷電力の平均値計算の時定数とコンデンサＶｃの放電時間との差を考慮する必要はない。
【００２６】
ここで電圧Ｖｃの二乗値を用いた理由は、コンデンサ１の電圧ではなく電圧の二乗に比例する蓄積エネルギーを直接的にフィードバックするためである。例えば、コンデンサＶｃの初期電圧が３００Ｖであったとすると、これが１００Ｖに低下するまでに放出できるエネルギーと、４００Ｖに上昇するまでに吸収できるエネルギーとはほぼ同じ程度の値であるが、Ｖｃ＊−Ｖｃはそれぞれ−２００Ｖ，＋１００Ｖとなり、コンデンサ１の電圧に基づいて制御すると電力制御へのフィードバック量が２倍異なるので、コンデンサの電圧低下時にフィードバック量が過大となるか、または電圧上昇時にフィードバック量が不足することとなる。これに対し、本発明のようにコンデンサ電圧Ｖｃの二乗値を用いれば、コンデンサ１の電力供給能力に応じた適正な電力制御を行うことができ、コンデンサ１のエネルギーを有効利用することができる。
【００２７】
また、この際に比例調節器２０２の適切なゲイン設定により電圧Ｖｃの変化範囲を規定することができる。例えば、電圧Ｖｃの最大値（最大許容値）を４００Ｖとすると、Ｖｃの最小値（最小許容値）、すなわち最大限に放電したときの電圧は１００Ｖ程度とするのが望ましい。これは、コンデンサ１が放電してその電圧が４００Ｖから１００Ｖに低下することで、コンデンサ１に蓄積されたエネルギーの９３．７５％を放出できる一方、これ以上、最小許容値を小さくしても残りの数％が回収できるだけなのに対し、定電力の場合には電圧Ｖｃに反比例して電流が増えるので、最小許容値を更に低下させることが装置に過大な電流容量を要求することになるためである。
【００２８】
このとき、例えば、Ｖｃ＊を２９０Ｖ（Ｖｃ＊２を８４１００Ｖ２）に設定する。Ｖｃ＊を２９０Ｖに設定した場合、電圧Ｖｃが１００Ｖまで低下した場合の（Ｖｃ＊２−Ｖｃ２）は７４１００Ｖ２なので、この値に比例調節器２０２のゲインＧｐを掛けた値が負荷電力ＰＬの定格値に等しくなるようにゲインＧｐを設定する。
これにより、負荷電力ＰＬが定格値として正の値で連続的に与えられた場合、Ｐｉ＝ＰＬ−Ｇｐ（Ｖｃ＊２−Ｖｃ２）はコンデンサ１の電圧Ｖｃが１００Ｖに達するとほぼ０となり、コンデンサ１の放電がそれ以上行われなくなるので電圧Ｖｃが更に低下することがない。
【００２９】
また、電圧Ｖｃ＊を２９０Ｖ（Ｖｃ＊２を８４１００Ｖ２）に設定した場合において電圧Ｖｃが４００Ｖまで上昇した時の（Ｖｃ＊２−Ｖｃ２）は−７５９００Ｖ２となり、前述した１００Ｖまで低下した時の値と絶対値がほぼ等しい。従って、同様に負荷電力ＰＬが定格値として負の値で連続的に与えられた場合、この値にゲインＧｐを掛けた値が負荷電力ＰＬの定格値に等しくなるようにゲインＧｐを設定すれば、Ｖｃ＝４００Ｖ付近でＰｉがほぼ０となり、コンデンサ１の充電がそれ以上行われなくなるので電圧Ｖｃが更に上昇することがない。
【００３０】
このように、本実施形態では、比例調節器２０２のゲインＧｐの設定だけでコンデンサ電圧Ｖｃの変化範囲を規定することができる。
また、インバータ電力Ｐｉはコンデンサ電圧Ｖｃの変化のみにより緩やかに絞られるので、電圧Ｖｃの上限または下限でのインバータ電力Ｐｉの急変も防止することができる。
なお、上記説明では負荷電力ＰＬを定格値としたが、負荷電力ＰＬに定格以上の値が予想される場合、コンデンサ電圧Ｖｃの変化を所定範囲内に収めるためには、負荷電力ＰＬの最大値に基づき比例調節器２０２のゲインＧｐを定めるか、制御に用いる負荷電力ＰＬは定格相当のリミッタを介して加算器３０５に入力する必要がある。
【００３１】
【発明の効果】
以上のように、請求項１または２に記載した発明によれば、負荷電力が変動してもその変動分を補償するように瞬時にインバータの交流電力が応答するため、制御遅れによる交流電源の電力変動を未然に防止することができる。
また、請求項３に記載した発明によれば、コンデンサのエネルギー容量に応じた最適な補償値を簡単に求めることができ、請求項４に記載した発明によれば、コンデンサのエネルギーを最大限に利用し、しかもコンデンサ電圧が上限値または下限値を超えないような補償電力を簡単に求めることができるため、コンデンサのエネルギーの有効利用に資するところが大きい。
更に、電源装置が運転不能に陥ったり交流電源の電力急変が助長されるようなおそれもなく、信頼性の高い交流電源装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態を示すブロック図である。
【図２】従来技術を示すブロック図である。
【符号の説明】
１　コンデンサ
２　チョッパ
３　インバータ
４　交流電源
５　負荷
１０２　充放電電流指令発生器
１０４　調節器
１０５　交流電流指令発生器
２０１　二乗器
２０２　比例調節器
３０４〜３０６　加算器
【図１】
2004048834.tif 000003
【図２】
2004048834.tif 000004