(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＤＣ／ＤＣ変換又はＡＣ／ＤＣ変換を行う電力変換器に接続される大容量コンデンサに対する充放電電流の電流制御方法において、
大容量コンデンサの端子電圧をＶC 、同大容量コンデンサの電圧下限値をＶC LL、同大容量コンデンサの内部抵抗をｒC 及び同大容量コンデンサに対する充放電電流をＩC とするとき、
Ｉc VLL ＝｛（ＶC LL−ＶC ）／ｒC ｝＋ＩC 
を下限とするような電流指令値ＩC* の電流リミッタを使用して充放電電流ＩC を制御することを特徴とする大容量コンデンサの電流制御方法。
【請求項２】
ＤＣ／ＤＣ変換又はＡＣ／ＤＣ変換を行う電力変換器に接続される大容量コンデンサに対する充放電電流の電流制御方法において、
大容量コンデンサの端子電圧をＶC 、同大容量コンデンサの電圧上限値をＶC UL、同大容量コンデンサの内部抵抗をｒC 及び同大容量コンデンサに対する充放電電流をＩC とするとき、
ＩC VUL ＝｛（ＶC UL−ＶC ）／ｒC ｝＋ＩC 
を上限とするような電流指令値ＩC* の電流リミッタを使用して充放電電流ＩC を制御することを特徴とする大容量コンデンサの電流制御方法。
【請求項３】
ＤＣ／ＤＣ変換又はＡＣ／ＤＣ変換を行う電力変換器に接続される大容量コンデンサに対する充放電電流の電流制御方法において、
大容量コンデンサの端子電圧をＶC 、同大容量コンデンサの電圧下限値をＶC LL、同大容量コンデンサの電圧上限値をＶC UL、同大容量コンデンサの内部抵抗をｒC 及び同大容量コンデンサに対する充放電電流をＩC とするとき、
Ｉc VLL ＝｛（ＶC LL−ＶC ）／ｒC ｝＋ＩC 
を下限とするとともに、
ＩC VUL ＝｛（ＶC UL−ＶC ）／ｒC ｝＋ＩC 
を上限とするような電流指令値ＩC* の電流リミッタを使用して充放電電流ＩC を制御することを特徴とする大容量コンデンサの電流制御方法。
【請求項４】
電源からの電力をＤＣ／ＤＣ変換又はＡＣ／ＤＣ変換する電力変換器とともに、この電力変換器に接続される大容量コンデンサを有して電源・負荷側が直流系統、単相交流系統、又は３相交流系統となるように構成した電力変換システムにおいて、
上記大容量コンデンサの充放電電流を制御するため、上記〔請求項１〕乃至〔請求項３〕の何れか一つに記載する電流リミッタを有することを特徴とする電力変換システム。
【請求項５】
大容量コンデンサを挟んで電源及び負荷が配設してあり、さらに大容量コンデンサと電源との間に、大容量コンデンサに対する充電電流を供給するようＡ／Ｄ変換を行う充電用電力変換器を配設し、さらに大容量コンデンサと負荷との間に大容量コンデンサからの放電電流をＤ／Ａ変換して負荷に供給するための放電用電力変換器を配設した電力変換システムにおいて、
上記大容量コンデンサの充放電電流を制御するため、上記〔請求項１〕乃至〔請求項３〕の何れか一つに記載する電流リミッタを有することを特徴とする電力変換システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は大容量コンデンサの電流制御方法及び電力変換システムに関し、特に大容量コンデンサの内部抵抗を考慮した充放電電流の制御に適用して有用なものである。
【０００２】
【従来の技術】
図３に示すように、ＡＣ／ＤＣ、ＤＣ／ＤＣ等の電力変換システムに使用する大容量コンデンサ１は、交流又は直流の電源２及び負荷３と電力変換器４を介して接続され、電力変換器４によって直流に変換された電流の充放電を行う。この種の大容量コンデンサ１には、▲１▼ＵＰＳのように予め充電を行い、停電時に放電を行うような一時的に主電源の代りとして運用されるもの、▲２▼電力系統で電力のピークカットを目的として夜間に充電を行い昼間に放電を行なう用途に供されるもの、▲３▼短時間に大電流を使用するような装置の主電源を補助する用途に供されるもの等がある。
【０００３】
上記電力変換器４の具体例としては、図４に示すような双方向チョッパ装置がある。この双方向チョッパ装置は、双方向チョッパ４ａとフィルタ４ｂとからなる。これらのうち、双方向チョッパ４ａは、スイッチＳＷ1 、ＳＷ2 及び電流Ｉ2 の平滑化リアクトルＬ2 で構成し、スイッチＳＷ1 の変調率を操作することにより電流Ｉ2 ，Ｉ3 を制御する。具体的には、Ｖ1 ＞Ｖ2 となるように双方向チョッパ４ａを制御し、電流Ｉ1 が正値のとき降圧、電流Ｉ1 が負値のときに昇圧動作とする。ここで、フィルタ４ｂは、リアクトルＬ1 及びコンデンサＣ1 で構成し、双方向チョッパ４ａのスイッチングによるリプル電流の負荷３への流出を低減するローパスフィルタとして機能させている。また、この場合の大容量コンデンサ１としては、電気２重層キャパシタが挙げられる。
【０００４】
大容量コンデンサを有する電力変換システムとしては図５に示すようなものもある。同図に示すように、当該システムは、大容量コンデンサ１を挟んで電源２及び負荷３が配設してあり、さらに大容量コンデンサ１と電源２との間及び大容量コンデンサ１と負荷３との間に充電用電力変換器５及び放電用電力変換器６が配設してある。
【０００５】
また、当該システムにおいて、あらかじめ大容量コンデンサ１の充電を行い、その後大容量コンデンサ１から放電して負荷３に電力を供給するような運用方法を実施する場合、前記大容量コンデンサ１の充電方法は次のようなものがある。
【０００６】
１）  図６に示すように、大容量コンデンサ１の内部抵抗が無視できる程度の低電流で充電し、大容量コンデンサ１の電圧上限値ＶC ULに達した場合、満充電とみなし（厳密には満充電には至っていない。）充電を終了する。なお、図中、ＶC は大容量コンデンサ１の端子電圧、ＶCCは大容量コンデンサ１の容量成分の電圧である（以下、同じ。）。
２）  図７に示すように、大容量コンデンサ１の内部抵抗が無視できない程度の大電流を使用することで高速に充電を行い、電圧上限値ＶC ULに達した時点で満充電とみなす。
３）  上記１）、２）の充電完了後、微小電流により満充電電圧まで充電を行う。
４）  上記１）、２）の充電完了後、電圧上限値ＶC ULを指令値とする大容量コンデンサ１の定電圧制御による充電を行う。
【０００７】
また、大容量コンデンサ１のうち、電気２重層キャパシタを用いたものでは、図３に示すようなシステム構成において、電源２や負荷３側の状況に応じて充放電を行う、補償装置のような運用を行う場合がある。この場合の、充電時に大容量コンデンサ１の端子電圧ＶC が電圧上限値ＶC ULに達したときの制御方法としては、次のようなものがある。
【０００８】
５）  充電電流を０とする。
６）  電圧上限値ＶC ULを指令値とする大容量コンデンサ１の定電圧制御に移行する。
【０００９】
一方、大容量コンデンサ１の電圧が下がりすぎると電力変換器４の変換効率が悪くなるので、電圧下限値が設定される。放電時に電圧下限値に達した時の制御方法は以下のものがある。
【００１０】
７）  放電電流を０とする。
８）  電圧下限値ＶC LLを指令値とする大容量コンデンサの定電圧制御に移行する。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
電気２重層キャパシタのような大容量コンデンサ１の等価回路は、図８に示すように、当該大容量コンデンサ１を静電容量ＣC 、内部抵抗ｒC を直列接続したものとなる。。ここで、大容量コンデンサ１の端子電圧ＶC には電圧上限値ＶC ULが定められており、大容量コンデンサ１の定格電圧が電圧上限値ＶC ULとなる。一般に、大容量コンデンサ１の端子電圧ＶC は電圧上限値ＶC ULを超えることは許されず、何らかの方法により端子電圧ＶC を、電圧上限値ＶC ULが超えないように制御して使用する。また、大容量コンデンサ１に貯えられている電力は、大容量コンデンサ１の容量成分の電圧ＶCCの大きさによる。
【００１２】
大容量コンデンサ１に電流Ｉが流れ込んだ場合、次式の関係が成り立つ。
【数１】
0003800055.tif 000002
【００１３】
電流Ｉ又は大容量コンデンサ１の内部抵抗ｒC が大きい場合、大容量コンデンサ１の端子電圧ＶC とその容量成分に印加される電圧ＶCCの差が大きくなり、次のような問題を生起する。
【００１４】
先ず、予め大容量コンデンサ１の充電を行い、その後、大容量コンデンサ１から放電して負荷３に電力を供給するような運用方法の場合、この場合の定電流での充電において次のような問題を生起する。
【００１５】
▲１▼  図６に示すような充電方法の場合には、低電流の為、満充電まで時間がかかる。
▲２▼  図７に示すような充電方法の場合には、満充電時の電圧は、充電電流が内部抵抗ｒC に流れることによって生じる電圧上昇分、電圧上限値ＶC ULより下がることになる。このため、大容量コンデンサ１の電力貯蔵能力を十分に発揮させることができない。
【００１６】
また、大容量コンデンサ１で電源２や負荷３側の状況に応じて、短時間で大電流の充放電を繰り返すような運用方法をとる場合には、次のような問題を生起する。
▲３▼  上記５）、７）で説明した方法の場合、充電（放電）電流が０となることで、充電（放電）時の内部抵抗ｒC による電圧上昇分又は電圧降下分が無くなり、大容量コンデンサ１の電圧が下降又は上昇することになり、電圧上限値ＶC UL又は電圧下限値ＶC LLまで有効に大容量コンデンサ１を利用できない。例えば、図７に示す場合の充電時がこの例である。
▲４▼  上記６）、８）で説明したように定電圧制御に切り替える方法の場合、充放電電流を制御できなくなるので当該電力システムの運用には適さない場合がある。
【００１７】
本発明は、上記従来技術に鑑み、大容量コンデンサの電圧上限値から電圧下限値までの範囲を十分有効に利用した充放電を行うことができる大容量コンデンサの電流制御方法及び電力変換システムを提供することを目的とする。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する本発明の構成は、次の点を特徴とする。
【００１９】
１）  ＤＣ／ＤＣ変換又はＡＣ／ＤＣ変換を行う電力変換器に接続される大容量コンデンサに対する充放電電流の電流制御方法において、
大容量コンデンサの端子電圧をＶC 、同大容量コンデンサの電圧下限値をＶC LL、同大容量コンデンサの内部抵抗をｒC 及び同大容量コンデンサに対する充放電電流をＩC とするとき、
Ｉc VLL ＝｛（ＶC LL−ＶC ）／ｒC ｝＋ＩC 
を下限とするような電流指令値ＩC* の電流リミッタを使用して充放電電流ＩC を制御すること。
【００２０】
２）  ＤＣ／ＤＣ変換又はＡＣ／ＤＣ変換を行う電力変換器に接続される大容量コンデンサに対する充放電電流の電流制御方法において、
大容量コンデンサの端子電圧をＶC 、同大容量コンデンサの電圧上限値をＶC UL、同大容量コンデンサの内部抵抗をｒC 及び同大容量コンデンサに対する充放電電流をＩC とするとき、
ＩC VUL ＝｛（ＶC UL−ＶC ）／ｒC ｝＋ＩC 
を上限とするような電流指令値ＩC* の電流リミッタを使用して充放電電流ＩC を制御すること。
【００２１】
３）  ＤＣ／ＤＣ変換又はＡＣ／ＤＣ変換を行う電力変換器に接続される大容量コンデンサに対する充放電電流の電流制御方法において、
大容量コンデンサの端子電圧をＶC 、同大容量コンデンサの電圧下限値をＶC LL、同大容量コンデンサの電圧上限値をＶC UL、同大容量コンデンサの内部抵抗をｒC 及び同大容量コンデンサに対する充放電電流をＩC とするとき、
Ｉc VLL ＝｛（ＶC LL−ＶC ）／ｒC ｝＋ＩC 
を下限とするとともに、
ＩC VUL ＝｛（ＶC UL−ＶC ）／ｒC ｝＋ＩC 
を上限とするような電流指令値ＩC* の電流リミッタを使用して充放電電流ＩC を制御すること。
【００２２】
４）  電源からの電力をＤＣ／ＤＣ変換又はＡＣ／ＤＣ変換する電力変換器とともに、この電力変換器に接続される大容量コンデンサを有して電源・負荷側が直流系統、単相交流系統、又は３相交流系統となるように構成した電力変換システムにおいて、
上記大容量コンデンサの充放電電流を制御するため、上記１）乃至３）の何れか一つに記載する電流リミッタを有すること。
【００２３】
５）  大容量コンデンサを挟んで電源及び負荷が配設してあり、さらに大容量コンデンサと電源との間に、大容量コンデンサに対する充電電流を供給するようＡ／Ｄ変換を行う充電用電力変換器を配設し、さらに大容量コンデンサと負荷との間に大容量コンデンサからの放電電流をＤ／Ａ変換して負荷に供給するための放電用電力変換器を配設した電力変換システムにおいて、
上記大容量コンデンサの充放電電流を制御するため、上記１）乃至３）の何れか一つに記載する電流リミッタを有すること。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施の形態を図面に基づき詳細に説明する。
【００２５】
本発明は、大容量コンデンサ１（図３乃至図５参照。以下同じ。）と接続された、大容量コンデンサ１の充放電電流ＩC の制御を行う電力変換システムでの、その充放電電流ＩC の電流リミッタの設定に関するものである。本発明では、電力変換システムの大容量コンデンサ１の充放電電流ＩC を、大容量コンデンサ１の内部抵抗ｒC を考慮して制限することにより、大容量コンデンサ１の端子電圧ＶC を定められた範囲で運用するものである。ここで、図１は、大容量コンデンサ１の電圧・電流の可変範囲を示す説明図である。以下の説明は、同図及び関連する数式を用いて行う。
【００２６】
また、本形態における運用例としては、図３に示す電力変換システムの大容量コンデンサ１を電力変換器４を介して電源２及び負荷３に接続し、大容量コンデンサ１から直流電流である充放電電流ＩC を充放電することで、負荷３へ電力を供給したり、余分な電力を吸収するものを想定する。
【００２７】
ここで、大容量コンデンサ１の電流指令値ＩC* は、式（１）のような端子電圧ＶC を、電圧下限値ＶC LLから電圧上限値ＶC ULの範囲内で運用する際の電流リミッタのリミッタ電流下限値ＩC VLL 、リミッタ電流上限値ＩC VUL とする（式（２））。
【数２】
0003800055.tif 000003
【００２８】
充放電電流ＩC が流れている時、端子電圧ＶC は式（３）のようになり、容量成分の電圧ＶCCと比較した場合、内部抵抗ｒC の電圧降下又は上昇分離れた値をとる。図１中、ＩC LL、ＩC ULは、大容量コンデンサ１の定格等により定まる充放電電流ＩC の下限値及び上限値である。すなわち、電流下限値ＩC LL及び電流上限値ＩC ULを表す。
【数３】
0003800055.tif 000004
【００２９】
大容量コンデンサ１を最大限有効に使用するには、容量成分の電圧ＶCCを式（１）の電圧リミッタで運用する必要がある。そこで、内部抵抗ｒC を考慮して電流指令値ＩC* のリミッタ（式（２））を定める。式（１）の端子電圧ＶC に式（３）における充放電電流ＩC を電流指令値ＩC* としたものを代入し、変形させていくと式（４）のようになる。
【００３０】
【数４】
0003800055.tif 000005
【００３１】
式（２）と式（４）とを対応させると大容量コンデンサ１の端子電圧ＶC を式（１）の範囲で最大限に使用する電流指令値ＩC* のリミッタの値は、その時点での端子電圧ＶC 及び充放電電流ＩC を用いて式（５）のようになる。
【００３２】
【数５】
0003800055.tif 000006
【００３３】
パラメータとしては、端子電圧ＶC の電圧下限値ＶC LL、電圧上限値ＶC ULの他に大容量コンデンサ１の内部抵抗ｒC が必要となる。大容量コンデンサ１の内部抵抗ｒC が既知の場合は、その値を用いれば良い。一方、大容量コンデンサ１の内部抵抗ｒC が未知の場合は、明らかに内部抵抗ｒC の真値よりも大きい値を用いれば良い。電流リミッタで使用する内部抵抗ｒC を真値より大きく採る分には、電流指令値ＩC* がより制限される方向になるので問題はない。
【００３４】
本実施の形態において、式（４）の電流指令リミッタは、端子電圧ＶC が式（１）の範囲にある間は電流指令値ＩC* を制限しないので常に動作させていても問題ない。また、式（４）の電流指令リミッタを用いた場合の定電流充電時の端子電圧ＶC 、充放電電流ＩC の様子を図２（但し、図２は充電動作の例である。）に示す。
【００３５】
なお、式（４）の電流指令リミッタは、図３に示す電力変換システムにおける電源２及び負荷３側が、▲１▼直流系統となるような構成、▲２▼単相交流系統となるような構成、▲３▼３相交流系統となるような構成で、それぞれＤＣ／ＤＣ電力変換器又はＡＣ／ＤＣ電力変換器として機能する電力変換器４における大容量コンデンサ１の電流制御に適用することができる。さらに、図５に示すような電力変換システムにも同様に適用し、充電・放電用電力変換器５、６における大容量コンデンサ１の電流制御にも上記式（４）に基づく電流指令リミッタを適用することができる。
【００３６】
また、大容量コンデンサ１の充放電電流ＩC の制御を行う電力変換器で、式（６）のような電流指令値ＩC* を与えることにより、端子電圧ＶC を電圧指令値ＶC* とした、大容量コンデンサ１の電圧制御を行うことができる。
【００３７】
【数６】
0003800055.tif 000007
【００３８】
【発明の効果】
以上実施の形態ともに詳細に説明した通り、本願発明によれば、大容量コンデンサの電圧下限値から電圧上限値まで有効に充放電することが可能になる。また、大容量コンデンサの電流制御を継続したまま、大容量コンデンサの端子電圧のリミッタをかけることができる。さらに、大容量コンデンサの電流制御系で電圧制御を行うこともできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係る大容量コンデンサの電圧・電流の可変範囲を示す説明図である。
【図２】本発明の十時の形態に係る電流指令リミッタを用いた場合の定電流充電時の端子電圧ＶC 、充電電流ＩC の様子を示す特性図である。
【図３】大容量コンデンサを有する電力システムの一例を示すブロック線図である。
【図４】図２の電力変換器を更に具体的な構成で、その一例を示すブロック線図である。
【図５】大容量コンデンサを有する電力システムの他の例を示すブロック線図である。
【図６】大容量コンデンサの内部抵抗が無視できる程度の低電流で、この大容量コンデンサを充電した場合の端子電圧ＶC 及び充電電流ＩC の特性を示すグラフである。
【図７】大容量コンデンサの内部抵抗が無視できない程度の大電流で、この大容量コンデンサを充電した場合の端子電圧ＶC 及び充電電流ＩC の特性を示すグラフである。
【図８】大容量コンデンサの等価回路を示す回路図である。
【符号の説明】
１        大容量コンデンサ
２        電源
３        負荷
４        電力変換器
５        充電用電力変換器
６        放電用電力変換器
【図１】
0003800055.tif 000008
【図２】
0003800055.tif 000009
【図３】
0003800055.tif 000010
【図４】
0003800055.tif 000011
【図５】
0003800055.tif 000012
【図６】
0003800055.tif 000013
【図７】
0003800055.tif 000014
【図８】
0003800055.tif 000015