特許 6011739 制御装置および電力変換システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B1)

(11)【特許番号】6011739

(24)【登録日】2016年9月30日

(45)【発行日】2016年10月19日

(54)【発明の名称】制御装置および電力変換システム

(51)【国際特許分類】

   H02M 7/48 20070101AFI20161006BHJP

   H02M 7/493 20070101ALI20161006BHJP

【ＦＩ】

   H02M7/48 R

   H02M7/48 N

   H02M7/493

【請求項の数】13

【全頁数】17

(21)【出願番号】特願2016-91941(P2016-91941)

(22)【出願日】2016年4月28日

【審査請求日】2016年4月28日

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【識別番号】000005234

【氏名又は名称】富士電機株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000877

【氏名又は名称】龍華国際特許業務法人

(72)【発明者】

【氏名】梅沢 一喜

(72)【発明者】

【氏名】森嶋 洋介

(72)【発明者】

【氏名】原 篤史

【審査官】 麻生 哲朗

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１６−００５３２９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−１３１８０８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭５９−０５９０８３（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０２Ｍ ７／４８

Ｈ０２Ｍ ７／４９３

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

入力された電力を、各々が変換して出力する複数の電力変換部と、
前記複数の電力変換部の出力電圧の各位相を、予め定められた目標位相に同期させる同期部と、
前記複数の電力変換部の各位相が前記目標位相に同期された後に、前記複数の電力変換部に電力を外部へ出力させる出力部と
を備え、
前記複数の電力変換部は、
出力電圧の位相が前記目標位相であるマスタ電力変換部と、
前記マスタ電力変換部の前記目標位相に出力電圧の各位相が同期される複数のスレーブ電力変換部と
を含み、
前記同期部は、前記複数のスレーブ電力変換部の出力周波数を制御する周波数制御部を含み、
自立運転モードにおいて、
前記周波数制御部は、前記複数のスレーブ電力変換部の出力周波数を、前記マスタ電力変換部の出力周波数に同期させる制御装置。

【請求項2】

前記出力部は、前記複数の電力変換部の出力電圧の位相のゼロクロスポイントにおいて、前記複数の電力変換部の出力を開始させる
請求項１に記載の制御装置。

【請求項3】

前記出力部は、前記複数のスレーブ電力変換部の各位相が前記目標位相に同期された後に、前記複数のスレーブ電力変換部のそれぞれの電力を同一のタイミングで外部へ出力させる
請求項１又は２に記載の制御装置。

【請求項4】

前記出力部は、前記複数のスレーブ電力変換部の各位相が前記目標位相に同期された後に、前記マスタ電力変換部に電力を外部へ出力させる
請求項１から３のいずれか一項に記載の制御装置。

【請求項5】

前記出力部は、前記複数のスレーブ電力変換部の各出力端子に接続された複数の遮断器を更に備え、
前記出力部は、前記複数の遮断器を投入することにより、前記複数のスレーブ電力変換部に電力を出力させる
請求項１から４のいずれか一項に記載の制御装置。

【請求項6】

電力系統と連系して動作する系統連系運転モードと、前記電力系統と独立して動作する自立運転モードとを、前記電力系統からの受電状況に応じて切り替える動作制御部
を更に備える
請求項１から５のいずれか一項に記載の制御装置。

【請求項7】

前記同期部は、
前記複数のスレーブ電力変換部の出力電圧を制御する電圧制御部
を備える
請求項６に記載の制御装置。

【請求項8】

前記自立運転モードにおいて、
前記電圧制御部は、前記出力電圧の上昇指令時に、前記複数のスレーブ電力変換部の出力無効電力に基づいて、前記複数のスレーブ電力変換部の出力電圧をドループ制御する
請求項７に記載の制御装置。

【請求項9】

前記自立運転モードにおいて、
前記周波数制御部は、前記複数のスレーブ電力変換部の各位相が前記目標位相に同期された後であって、前記複数のスレーブ電力変換部の出力電圧が定格電圧に到達する前に、前記複数のスレーブ電力変換部の出力周波数を、前記マスタ電力変換部の出力周波数に同期させる
請求項８に記載の制御装置。

【請求項10】

前記周波数制御部は、前記複数のスレーブ電力変換部の出力電圧が定格電圧に到達した後に、前記複数のスレーブ電力変換部の出力有効電力に基づいて、前記複数のスレーブ電力変換部の出力周波数をドループ制御する
請求項７から９のいずれか一項に記載の制御装置。

【請求項11】

電力系統の受電電圧と前記複数の電力変換部側の母線電圧とが入力され、前記受電電圧と前記母線電圧との間の電圧差および位相差を検出する検出部
を更に備え、
前記動作制御部は、前記受電電圧と前記母線電圧との間の前記電圧差および前記位相差に基づいて、前記受電電圧と前記母線電圧とを同期させる
請求項６から１０のいずれか一項に記載の制御装置。

【請求項12】

前記検出部は、前記電力系統と、前記複数のスレーブ電力変換部側の系統との電気的な接続を切り替える遮断部を備え、
前記遮断部は、前記受電電圧と前記母線電圧とが同期した後に投入される
請求項１１に記載の制御装置。

【請求項13】

入力エネルギーに応じて電力を発生させ、負荷に電力を供給する発電装置と、
電力系統から電力を受電し、前記負荷に電力を供給する受電部と、
請求項１から１２のいずれか一項に記載の制御装置と
を備える電力変換システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、制御装置および電力変換システムに関する。

【背景技術】

【0002】

従来、複数の電力安定化装置を用いて自立運転制御することが知られている（例えば、特許文献１参照）。
特許文献１ 特開２００７−１２４７９７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0003】

しかしながら、電力安定化装置に対して系統の容量が大きいので、停電後に電力安定化装置により系統の受電トランスを励磁することは容易ではない。

【課題を解決するための手段】

【0004】

本発明の第１の態様においては、入力された電力を、各々が変換して出力する複数の電力変換部と、複数の電力変換部の出力電圧の各位相を、予め定められた目標位相に同期させる同期部と、複数の電力変換部の各位相が目標位相に同期された後に、複数の電力変換部に電力を外部へ出力させる出力部とを備える制御装置を提供する。

【0005】

出力部は、複数の電力変換部の出力電圧の位相のゼロクロスポイントにおいて、複数の電力変換部の出力を開始させてよい。

【0006】

複数の電力変換部は、出力電圧の位相が目標位相であるマスタ電力変換部を含んでよい。また、複数の電力変換部は、マスタ電力変換部の目標位相に出力電圧の各位相が同期される複数のスレーブ電力変換部を含んでよい。

【0007】

出力部は、複数のスレーブ電力変換部の各位相が目標位相に同期された後に、複数のスレーブ電力変換部のそれぞれの電力を同一のタイミングで外部へ出力させてよい。

【0008】

出力部は、複数のスレーブ電力変換部の各位相が目標位相に同期された後に、マスタ電力変換部に電力を外部へ出力させてよい。

【0009】

出力部は、複数のスレーブ電力変換部の各出力端子に接続された複数の遮断器を更に備えてよい。

【0010】

出力部は、複数の遮断器を投入することにより、複数のスレーブ電力変換部に電力を出力させてよい。

【0011】

制御装置は、電力系統と連系して動作する系統連系運転モードと、電力系統と独立して動作する自立運転モードとを、電力系統からの受電状況に応じて切り替える動作制御部を更に備えてよい。

【0012】

同期部は、複数のスレーブ電力変換部の出力周波数を制御する周波数制御部と、複数のスレーブ電力変換部の出力電圧を制御する電圧制御部とを備えてよい。また、自立運転モードにおいて、周波数制御部は、複数のスレーブ電力変換部の出力周波数を、マスタ電力変換部の出力周波数に同期させてよい。

【0013】

自立運転モードにおいて、電圧制御部は、出力電圧の上昇指令時に、複数のスレーブ電力変換部の出力無効電力に基づいて、複数のスレーブ電力変換部の出力電圧をドループ制御してよい。

【0014】

自立運転モードにおいて、周波数制御部は、複数のスレーブ電力変換部の各位相が目標位相に同期された後であって、複数のスレーブ電力変換部の出力電圧が定格電圧に到達する前に、複数のスレーブ電力変換部の出力周波数を、マスタ電力変換部の出力周波数に同期させてよい。

【0015】

周波数制御部は、複数のスレーブ電力変換部の出力電圧が定格電圧に到達した後に、複数のスレーブ電力変換部の出力有効電力に基づいて、複数のスレーブ電力変換部の出力周波数をドループ制御してよい。

【0016】

制御装置は、電力系統の受電電圧と複数の電力変換部側の母線電圧とが入力され、受電電圧と母線電圧との間の電圧差および位相差を検出する検出部を更に備えてよい。

【0017】

動作制御部は、受電電圧と母線電圧との間の電圧差および位相差に基づいて、受電電圧と母線電圧とを同期させてよい。

【0018】

検出部は、電力系統と、複数のスレーブ電力変換部側の系統との電気的な接続を切り替える遮断部を備えてよい。また、遮断部は、受電電圧と母線電圧とが同期した後に投入されてよい。

【0019】

本発明の第２の態様においては、入力エネルギーに応じて電力を発生させ、負荷に電力を供給する発電装置と、電力系統から電力を受電し、負荷に電力を供給する受電部と、制御装置とを備える電力変換システムを提供する。

【0020】

なお、上記の発明の概要は、本発明の特徴の全てを列挙したものではない。また、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となりうる。

【図面の簡単な説明】

【0021】

【図1】電力変換システム２００の構成の概要を示す。

【図2】電力変換システム２００の構成の一例を示す。

【図3】電力変換システム２００のより具体的な構成の一例を示す。

【図4】電力変換システム２００のより具体的な構成の一例を示す。

【図5A】同期処理状態における電力変換システム２００の構成の一例を示す。

【図5B】同期完了状態における電力変換システム２００の構成の一例を示す。

【図5C】定格運転状態における電力変換システム２００の構成の一例を示す。

【図5D】モード遷移状態における電力変換システム２００の構成の一例を示す。

【発明を実施するための形態】

【0022】

以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。

【0023】

図１は、電力変換システム２００の構成の概要を示す。本例の電力変換システム２００は、制御装置１００、発電装置１１０、負荷１２０および受電部１３０を備える。

【0024】

制御装置１００は、電力変換装置１、出力部３０および同期部４０を備える。制御装置１００は、発電装置１１０および受電部１３０が出力する電力を安定して負荷１２０に供給するための電力安定化装置の一例である。また、制御装置１００は、電力系統と分散電源装置との連系を制御する。

【0025】

電力変換装置１は、蓄電した電力を変換して出力する。一例において、電力変換装置１は、直流電力を交流電力に変換して出力する。電力変換装置１は、電力変換器２および蓄電部３を備える。本例の電力変換装置１は、複数の電力変換器２−１〜２−ｎおよび複数の蓄電部３−１〜３−ｎを備える。なお、本明細書において、ｎは、任意の２以上の整数を指す。

【0026】

複数の電力変換器２−１〜２−ｎは、入力された電力を変換して各々が出力する。一例において、複数の電力変換器２は、入力された直流電力を交流電力に変換して出力する。複数の電力変換器２−１〜２−ｎは、互いに並列に接続されている。本明細書において、複数の電力変換器２と称する場合、複数の電力変換器２−１〜２−ｎを指す。複数の電力変換器２は、パワーコンディショニングシステム（ＰＣＳ：Ｐｏｗｅｒ Ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）の一例である。

【0027】

複数の蓄電部３−１〜３−ｎは、電力を貯蔵する。本例の複数の蓄電部３−１〜３−ｎは、複数の電力変換器２−１〜２−ｎにそれぞれ対応して接続される。これにより、蓄電部３は、電力変換器２との間で直流電力を充放電する。例えば、蓄電部３は、蓄電池、フライホイール、揚水発電、キャパシタ等を有する。

【0028】

同期部４０は、複数の電力変換器２の出力を互いに同期させる。出力を同期させるとは、出力電圧の位相、周波数および振幅の少なくとも１つを同期させることを指す。例えば、同期部４０は、複数の電力変換器２の出力電圧の各位相を、予め定められた目標位相Ｐ_ｄに同期させる。目標位相Ｐ_ｄは、制御装置１００の動作状況に応じて適宜変更されてよい。

【0029】

出力部３０は、電力変換装置１が出力した電力を制御装置１００の外部に出力するか否かを切り替える。また、出力部３０は、電力変換装置１の出力した電力を変圧して出力してもよい。一例において、出力部３０は、複数の電力変換器２の出力が同期された後に、複数の電力変換器２から外部へ電力を出力させる。また、出力部３０は、複数の電力変換器２から電圧が発生されていないが内部の指令と同期された後に、又は出力電圧を発生したものと同期された後に、複数の電力変換器２から外部へ電力を出力させてよい。本例の出力部３０は、複数の電力変換器２の各位相が目標位相Ｐ_ｄに同期された後に、複数の電力変換器２に電力を出力させる。

【0030】

例えば、出力部３０は、複数の電力変換器２に同一のタイミングで電力を出力させる。より好ましくは、出力部３０は、複数の電力変換器２の出力電圧の位相のゼロクロスポイントにおいて、複数の電力変換器２の出力を開始させる。なお、出力部３０は、電力を出力するか否かを切り替える遮断器又はスイッチを有してよい。

【0031】

発電装置１１０は、入力エネルギーを電気に変換することにより発電する。一例において、発電装置１１０の入力エネルギーは、太陽光および風力等の環境エネルギーである。発電装置１１０は、複数の発電装置を備えてよい。発電装置１１０は、発電した電力を負荷１２０に供給する。また、発電装置１１０は、発電した電力の一部を制御装置１００の蓄電部３に蓄電してもよい。例えば、発電装置１１０は、複数の風力発電装置又は複数の太陽光発電装置を備える。

【0032】

負荷１２０は、発電装置１１０および受電部１３０から電力が供給される。制御装置１００は、発電装置１１０および受電部１３０の状態に応じて、負荷１２０への電力の供給を制御する。これにより、負荷１２０には、安定した電力が供給される。

【0033】

受電部１３０は、電力系統から電力を受電する。本明細書において、電力系統とは商用の電力系統を指すがこれに限られない。本例の受電部１３０には、受電電圧Ｖ_ｒの電力が供給される。受電部１３０は、電力系統から受電した電力を負荷１２０に供給する。また、受電部１３０は、電力系統から受電した電力の一部を制御装置１００の蓄電部３に蓄電してもよい。受電部１３０は、平常時、電力系統から電力を安定的に受電するが、停電等が生じると電力系統から安定的に受電できない場合がある。

【0034】

ここで、本明細書に係る制御装置１００は、系統連系運転モードと自立運転モードとを有する。一例において、制御装置１００は、受電部１３０の受電状況に応じて、系統連系運転モードと自立運転モードとを切り替える。

【0035】

系統連系運転モードは、制御装置１００が電力系統と連系して動作する動作モードである。系統連系運転モードにおいて、受電部１３０は、電力系統から安定的に電力を受電している。この場合、負荷１２０には、発電装置１１０および受電部１３０からの電力が、制御装置１００の制御により安定的に供給される。系統連系運転モードにおいて、制御装置１００は、受電部１３０が受電する電力系統と連系して動作する。

【0036】

自立運転モードは、制御装置１００が電力系統と独立して動作する動作モードである。自立運転モードにおいて、受電部１３０は、電力系統から安定的に電力を受電していない。安定的に電力を受電していない場合とは、電力を全く受電していない場合、又は十分な電力を受電していない場合のいずれかを指す。この場合、負荷１２０は、制御装置１００および発電装置１１０から電力が供給される。自立運転モードにおいて、制御装置１００は、電力系統と連系せずに、自立運転を行う。

【0037】

ここで、電力変換システム２００は、複数の発電装置１１０を並列に接続することにより、発電装置１１０から負荷１２０に大きな電力を供給する場合がある。この場合、発電装置１１０の容量が大きくなる。しかしながら、発電装置１１０は、気象条件等によって、発電量が変動し、負荷１２０への電力の供給が不安定になる場合がある。そこで、電力変換システム２００は、制御装置１００における充電および放電を制御することにより、負荷１２０に安定的に電力を供給する。但し、系統事故や災害時に停電が生じた場合、従来の蓄電池を用いたインフラ設備への給電には限界がある。電力変換システム２００は、制御装置１００を自立運転させることにより、制御装置１００および発電装置１１０を用いて負荷１２０へ安定的に電力を供給する。

【0038】

但し、電力変換システム２００は、系統の受電容量が大きくなると、１つの電力変換器２だけでは、停電後に受電トランスを励磁することが困難である。そこで、制御装置１００は、複数の電力変換器２を並列に接続し、予め定められたタイミングで電圧を発生させる。これにより、制御装置１００は、取り扱える容量を大きくできる。

【0039】

以上の通り、本例の制御装置１００は、複数の電力変換器２の出力電圧の位相を同期さることにより、系統の受電容量が大きな場合であっても、給電を開始できる。これにより、制御装置１００は、環境の変化に応じて、発電装置１１０の電力を安定的に負荷１２０に供給できる。

【0040】

図２は、電力変換システム２００の構成の一例を示す。本例の複数の電力変換器２は、ｎ個の内の１つをマスタ電力変換部１０とし、その他を複数のスレーブ電力変換部２０としている。

【0041】

マスタ電力変換部１０は、複数の電力変換器２のうち、出力電圧の位相が目標位相Ｐ_ｄである電力変換器２である。即ち、制御装置１００は、マスタ電力変換部１０とされた電力変換部の出力を目標位相Ｐ_ｄとして動作する。マスタ電力変換部１０は、蓄電部９１に蓄電された電力を変換して出力する。一例において、マスタ電力変換部１０は、蓄電部９１から入力された直流電力を交流電力に変換して出力する。

【0042】

蓄電部９１は、電力を貯蔵する。一例において、蓄電部９１は、マスタ電力変換部１０との間で直流電力を充放電する。例えば、蓄電部９１は、蓄電池、フライホイール、揚水発電、キャパシタ等を有する。即ち、蓄電部９１は、蓄電部３の一例である。

【0043】

複数のスレーブ電力変換部２０は、複数の蓄電部９２に蓄電された電力を変換して出力する。本例の複数のスレーブ電力変換部２０は、出力電圧の各位相を、マスタ電力変換部１０の出力する目標位相Ｐ_ｄに同期される。一例において、複数のスレーブ電力変換部２０は、複数の蓄電部９２から入力された直流電力を交流電力に変換して出力する。本例の複数のスレーブ電力変換部２０は、複数のスレーブ電力変換部２０−１〜２０−ｎを有する。

【0044】

なお、マスタ電力変換部１０および複数のスレーブ電力変換部２０は、同一の回路構成を有してよい。そして、マスタ電力変換部１０と複数のスレーブ電力変換部２０とは、動作モードに応じて、互いに異なるタイミングでスイッチを切り替える。即ち、複数の電力変換器２において、いずれの電力変換器２をマスタ電力変換部１０に設定するかは、単にいずれの電力変換器２の出力電圧の位相を目標位相Ｐ_ｄに設定するかにより決定される。但し、電力変換装置１は、複数の電力変換器２からマスタ電力変換部１０に設定する電力変換器２を予め決定していてもよい。

【0045】

複数の蓄電部９２は、電力を貯蔵する。一例において、蓄電部９２は、スレーブ電力変換部２０との間で直流電力を充放電する。例えば、蓄電部９２は、蓄電池、フライホイール、揚水発電、キャパシタ等を有する。即ち、蓄電部９２は、蓄電部３の一例である。本例の蓄電部９２は、複数のスレーブ電力変換部２０−１〜２０−ｎに対応して、複数の蓄電部９２−１〜９２−ｎを有する。

【0046】

同期部４０は、複数の電力変換器２の出力電圧の位相を同期させる。本例の同期部４０は、複数のスレーブ電力変換部２０の出力電圧Ｖ_ｏ'の位相を、マスタ電力変換部１０の出力電圧Ｖ_ｏの位相である目標位相Ｐ_ｄに同期させる。同期部４０は、マスタ電力変換部１０および複数のスレーブ電力変換部２０の位相を同期させることにより、ゼロクロスポイントからの立ち上がりのタイミングを揃える。

【0047】

出力部３０は、電力変換装置１が出力した電力を制御装置１００の外部に出力するか否かを切り替える。例えば、出力部３０は、同期部４０により、マスタ電力変換部１０と複数のスレーブ電力変換部２０との出力電圧との電圧および位相が同期した後に、出力部３０は、電力変換装置１の出力した電力を制御装置１００の外部に出力する。この場合、出力部３０は、複数のスレーブ電力変換部２０のそれぞれの電力を同一のタイミングで外部へ出力させてよい。また、出力部３０は、複数のスレーブ電力変換部２０の各位相が目標位相Ｐ_ｄに同期された後に、マスタ電力変換部１０に電力を外部へ出力させてもよい。

【0048】

図３は、電力変換システム２００のより具体的な構成の一例を示す。本例の出力部３０は、入力トランス３１、入力トランス３２、受電トランス３３、スイッチ３４、遮断器３５、スイッチ３６および遮断器３７を備える。

【0049】

発電装置１１０は、複数の発電装置１１０−１〜１１０−ｍを備える。ｍは、２以上の任意の整数である。本例の複数の発電装置１１０−１〜１１０−ｍは、それぞれ風力発電装置で構成される。複数の発電装置１１０−１〜１１０−ｍは、並列に接続されている。このように、複数の発電装置１１０−１〜１１０−ｍを並列に接続すると、発電装置１１０の容量が大きくなる。

【0050】

入力トランス３１は、マスタ電力変換部１０の出力端子に接続される。本例の入力トランス３１は、遮断器３５を介して、マスタ電力変換部１０の出力端子に接続されている。本例の入力トランス３１は、マスタ電力変換部１０の出力を変圧する。

【0051】

入力トランス３２は、スレーブ電力変換部２０の出力端子に接続される。本例の入力トランス３２は、複数のスレーブ電力変換部２０−１〜２０−ｎの出力端子にそれぞれ接続された複数の入力トランス３２−１〜３２−ｎを備える。本例の複数の入力トランス３２−１〜３２−ｎは、遮断器３７−１〜３７−ｎを介して、複数のスレーブ電力変換部２０−１〜２０−ｎの出力端子にそれぞれ接続されている。

【0052】

なお、入力トランス３１および複数の入力トランス３２は、それぞれ同一の構成を備えてよい。即ち、制御装置１００が有する複数の入力トランスにおいて、いずれを入力トランス３１に設定するかは、単にいずれの入力トランスをマスタ電力変換部１０に接続するかにより決定される。但し、制御装置１００は、複数の入力トランスから入力トランス３１に設定する入力トランスを予め決定していてもよい。

【0053】

受電トランス３３は、一端が制御装置１００の出力端子に接続され、他端が入力トランス３１および複数の入力トランス３２−１〜３２−ｎに接続される。受電トランス３３は、制御装置１００に入出力される電力を受電して変圧する。

【0054】

遮断器３５は、マスタ電力変換部１０と入力トランス３１とを電気的に接続するか否かを切り替える。遮断器３５は、投入されるとマスタ電力変換部１０と入力トランス３１とを電気的に接続する。また、遮断器３５は、投入されない場合、マスタ電力変換部１０と入力トランス３１とを電気的に遮断する。一例において、遮断器３５は、複数のスレーブ電力変換部２０の各位相が目標位相Ｐ_ｄに同期された後に投入される。

【0055】

遮断器３７は、複数の遮断器３７−１〜３７−ｎを備える。複数の遮断器３７−１〜３７−ｎは、スレーブ電力変換部２０−１〜２０−ｎと入力トランス３２−１〜３２−ｎとを電気的に接続するか否かをそれぞれ切り替える。遮断器３７は、投入されると複数のスレーブ電力変換部２０−１〜２０−ｎと入力トランス３２−１〜３２−ｎとを電気的に接続する。また、遮断器３７は、投入されない場合、複数のスレーブ電力変換部２０−１〜２０−ｎと入力トランス３２−１〜３２−ｎとを電気的に遮断する。一例において、複数の遮断器３７は、複数のスレーブ電力変換部２０の各位相が目標位相Ｐ_ｄに同期された後に投入される。

【0056】

目標電圧信号線９３は、マスタ電力変換部１０および複数のスレーブ電力変換部２０が出力する出力電圧の目標電圧を設定する。目標電圧信号線９３は、マスタ電力変換部１０および複数のスレーブ電力変換部２０に設定された目標電圧を入力する。目標電圧は、目標位相Ｐ_ｄを含んでよい。

【0057】

スイッチ３４は、目標電圧信号線９３と、マスタ電力変換部１０の出力端子とを接続するか否かを切り替える。本例の目標電圧信号線９３は、スイッチ３４がオフの状態で、マスタ電力変換部１０から目標電圧を検出する。

【0058】

スイッチ３６−１〜３６−ｎは、目標電圧信号線９３と、複数のスレーブ電力変換部２０の出力端子とを接続するか否かを切り替える。本例の目標電圧信号線９３は、スイッチ３６−１〜３６−ｎがオンの状態で、複数のスレーブ電力変換部２０に目標電圧を入力する。これにより、制御装置１００は、スレーブ電力変換部２０の出力電圧Ｖ_ｏ'を目標電圧に設定する。

【0059】

指令状態信号線９４は、マスタ電力変換部１０および複数のスレーブ電力変換部２０に指令状態を示す信号を伝達する。一例において、指令状態信号線９４は、マスタ電力変換部１０および複数のスレーブ電力変換部２０に、制御装置１００の動作モードに関する信号を入力する。例えば、マスタ電力変換部１０および複数のスレーブ電力変換部２０は、自立運転モードの動作指示を示す信号が入力されると、自立運転モードで動作する。また、マスタ電力変換部１０および複数のスレーブ電力変換部２０は、指令状態信号線９４からの信号に応じて、スイッチ３４，３６のオンオフおよび遮断器３５，３７を投入するか否かを制御してもよい。

【0060】

本例の制御装置１００は、複数のスレーブ電力変換部２０の出力電圧Ｖ_ｏ'を、マスタ電力変換部１０からの目標電圧に同期する。制御装置１００は、複数のスレーブ電力変換部２０の出力電圧Ｖ_ｏ'の同期後、複数の遮断器３７のそれぞれを投入する。例えば、制御装置１００は、複数のスレーブ電力変換部２０の同期確認後、出力電圧指令波形の零位相ポイント通過後に、起動信号を指令状態信号線９４を通じて発信する。制御装置１００は、起動信号の発振後、複数のスレーブ電力変換部２０の出力電圧Ｖ_ｏ'のゼロクロスポイントにて遮断器３７を投入する。そして、制御装置１００は、複数のスレーブ電力変換部２０の出力電圧Ｖ_ｏ'を定格電圧まで上昇させる。

【0061】

図４は、電力変換システム２００の構成の概要を示す。本例の同期部４０は、周波数制御部５０および電圧制御部６０を備える。また、制御装置１００は、動作制御部７０を更に備える。

【0062】

周波数制御部５０は、電力変換装置１の出力周波数を制御する。一例において、周波数制御部５０は、複数のスレーブ電力変換部２０の出力周波数を制御する。また、周波数制御部５０は、マスタ電力変換部１０および複数のスレーブ電力変換部２０の出力周波数を制御してよい。例えば、周波数制御部５０は、複数のスレーブ電力変換部２０の出力周波数を、周波数制御部５０の出力周波数に同期させる。本明細書において、出力周波数とは、出力電圧の周波数を指す。

【0063】

電圧制御部６０は、電力変換装置１の出力電圧を制御する。一例において、電圧制御部６０は、複数のスレーブ電力変換部２０の出力電圧Ｖ_ｏ'を制御する。また、電圧制御部６０は、マスタ電力変換部１０および複数のスレーブ電力変換部２０の出力電圧Ｖ_ｏ'を制御してよい。例えば、電圧制御部６０は、複数のスレーブ電力変換部２０の出力電圧Ｖ_ｏ'を、マスタ電力変換部１０の出力電圧Ｖ_ｏに同期させる。

【0064】

動作制御部７０は、電力系統からの受電状況に応じて、制御装置１００の動作を制御する。一例において、動作制御部７０は、周波数制御部５０および電圧制御部６０の動作を制御することにより制御装置１００の動作を制御する。例えば、動作制御部７０は、制御装置１００の動作モードに応じて、周波数制御部５０および電圧制御部６０の動作を制御する。

【0065】

図５Ａ、図５Ｂ、図５Ｃおよび図５Ｄは、電力変換システム２００の具体的な構成の一例を示す。図５Ａ〜図５Ｄは、それぞれ同期処理状態、同期完了状態、定格運転状態、モード遷移状態の各状態における電力変換システム２００の構成の一例を示す。

【0066】

図５Ａは、同期処理状態における電力変換システム２００の構成の一例を示す。同期処理状態とは、自立運転モードにおいて、複数のスレーブ電力変換部２０の出力電圧Ｖ_ｏ'の位相を、目標位相Ｐ_ｄに同期させる処理を実行している状態を示す。本例の制御装置１００は、検出部８０を更に備える。

【0067】

周波数制御部５０は、スイッチ５１、ＰＬＬ調節器５２、スイッチ５３、スイッチ５４、減算器５５および周波数ドループ制御部５６を備える。周波数制御部５０は、動作モードに応じて、スイッチ５１、スイッチ５３およびスイッチ５４を予め定められた端子に切り替える。

【0068】

スイッチ５１は、マスタ電力変換部１０の出力端子が接続されたｂ側端子に切り替えられている。また、遮断器３５が投入されず、スイッチ３４がオンされている。これにより、スイッチ５１は、ＰＬＬ調節器５２に出力電圧Ｖ_ｏを入力する。

【0069】

スイッチ５３は、周波数制御部５０による周波数制御を、電力変換装置１の出力周波数に基づく周波数制御又は周波数ドループ制御部５６による周波数ドループ制御に切り替える。本例のスイッチ５３は、ＰＬＬ調節器５２が接続されたａ側端子に切り替えられている。スイッチ５３は、周波数制御用の周波数制御部５０の出力端子から、ＰＬＬ調節器５２の出力信号を出力する。例えば、スイッチ５３は、ＰＬＬ調節器５２の出力信号を複数のスレーブ電力変換部２０に出力する。

【0070】

スイッチ５４は、内部指令波形Ｃ_ｉが入力されるａ側端子に切り替えられている。これにより、スイッチ５４は、ＰＬＬ調節器５２に内部指令波形Ｃ_ｉを入力する。内部指令波形Ｃ_ｉは、動作制御部７０により生成されてよい。

【0071】

ＰＬＬ調節器５２には、マスタ電力変換部１０の出力電圧Ｖ_ｏおよび内部指令波形Ｃ_ｉが入力される。ＰＬＬ調節器５２は、マスタ電力変換部１０の出力電圧Ｖ_ｏを内部指令波形Ｃ_ｉに同期させて出力する。一例において、周波数制御部５０は、ＰＬＬ調節器５２において同期した信号を複数のスレーブ電力変換部２０に出力する。これにより、周波数制御部５０は、複数のスレーブ電力変換部２０の出力周波数を制御する。ＰＬＬ調節器５２は、マスタ電力変換部１０と複数のスレーブ電力変換部２０との同期を確認する機能を有してよい。

【0072】

検出部８０は、電力系統の受電電圧Ｖ_ｒと電力変換器２側の母線電圧Ｖ_ｂとを検出する。また、検出部８０は、受電電圧Ｖ_ｒと母線電圧Ｖ_ｂとの間の電圧差および位相差を検出する。遮断部８３は、電力系統と、母線側の系統とを電気的に接続するか否かを切り替える。検出部８０は、受電側検出線８１、母線側検出線８２および遮断部８３を備える。

【0073】

受電側検出線８１は、受電部１３０の受電電圧Ｖ_ｒを検出する。受電側検出線８１は、受電部１３０と動作制御部７０との間に設けられる。受電側検出線８１は、検出した受電電圧Ｖ_ｒを動作制御部７０に出力する。

【0074】

母線側検出線８２は、制御装置１００の母線電圧Ｖ_ｂを検出する。母線側検出線８２は、制御装置１００の母線と動作制御部７０との間に設けられる。母線側検出線８２は、検出した母線電圧Ｖ_ｂを動作制御部７０に出力する。

【0075】

遮断部８３は、受電部１３０と制御装置１００とを電気的に接続するか否かを切り替える。また、遮断部８３は、受電部１３０と負荷１２０とを電気的に接続するか否か切り替えてよい。遮断部８３は、投入された場合に、受電部１３０と負荷１２０とを電気的に接続する。遮断部８３は、受電電圧Ｖ_ｒと母線電圧Ｖ_ｂとが同期された後に投入される。即ち、同期処理状態において、遮断部８３は、投入されていない。

【0076】

図５Ｂは、同期完了状態における電力変換システム２００の構成の一例を示す。同期完了状態とは、自立運転モードにおいて、複数のスレーブ電力変換部２０の出力がマスタ電力変換部１０の出力に同期した後であって、制御装置１００の出力電圧が定格電圧に到達する前の状態を指す。

【0077】

制御装置１００は、同期完了状態において、予め定められたタイミングで電力の出力を開始する。例えば、制御装置１００は、複数のスレーブ電力変換部２０の全ての同期確認が取れると、指令状態信号線９４により同期された旨を示す信号が動作制御部７０から伝達されることにより出力を開始する。制御装置１００は、出力の開始に応じて、出力電圧を上昇させてよい。

【0078】

周波数制御部５０は、同期完了状態において、マスタ電力変換部１０の出力周波数に同期して、複数のスレーブ電力変換部２０の出力周波数を制御する。一例において、周波数制御部５０は、複数のスレーブ電力変換部２０の出力周波数がマスタ電力変換部１０の出力周波数に同期した状態を保持する。スイッチ５４は、同期完了状態において、出力電圧Ｖ_ｏ'が入力されるｂ側端子に切り替えられていてよい。

【0079】

動作制御部７０は、検出部８０と電気的に接続されている。動作制御部７０は、検出部８０を介して受電部１３０および負荷１２０に接続されている。本例の動作制御部７０は、出力電圧指令Ｖ_ｉとして出力電圧の上昇指令を出力する。同期完了状態において、動作制御部７０は、複数のスレーブ電力変換部２０の遮断器３７−１〜３７−ｎを投入する。全遮断器３７の投入が完了すると、複数のスレーブ電力変換部２０は、予め定められた時定数にて出力電圧指令Ｖ_ｉを上昇させる。また、動作制御部７０は、受電電圧Ｖ_ｒと母線電圧Ｖ_ｂとの間の電圧差および位相差に基づいて、受電電圧Ｖ_ｒと母線電圧Ｖ_ｂとを同期させてよい。

【0080】

電圧制御部６０は、スイッチ６１、減算器６２、加算器６３、電圧調節器６４および電圧ドループ制御部６５を備える。電圧制御部６０は、動作モードに応じて、スイッチ６１を予め定められた端子に切り替える。電圧制御部６０は、同期完了状態において、複数のスレーブ電力変換部２０の出力無効電力に基づいて、複数のスレーブ電力変換部２０の出力電圧Ｖ_ｏ'をドループ制御する。また、電圧制御部６０は、複数のスレーブ電力変換部２０がマスタ電力変換部１０の目標電圧に同期した後、複数のスレーブ電力変換部２０の出力電圧Ｖ_ｏ'を予め定められた時間をかけて定格電圧まで上昇させる。なお、複数のスレーブ電力変換部２０の出力無効電力は、母線電圧Ｖ_ｂおよび出力電流Ｉ_ｏから算出される。

【0081】

スイッチ６１は、ｂ端子側に切り替えられている。スイッチ６１のｂ端子側には、動作制御部７０からの出力電圧指令Ｖ_ｉが入力される。出力電圧指令Ｖ_ｉは、同期完了状態において、予め定められた時定数で出力電圧を上昇させるように指令する。一例において、予め定められた時間とは、複数のスレーブ電力変換部２０のそれぞれの出力が過電流にならない時定数にて電圧を上昇させる時間を指す。例えば、電圧制御部６０は、トランスの磁束時定数による励磁電流に応じて複数のスレーブ電力変換部２０の出力が過電流にならないように電圧を上昇させる。

【0082】

電圧ドループ制御部６５は、ドループ制御用の調整電圧Ｖ_ｄを生成する。電圧ドループ制御部６５は、生成した調整電圧Ｖ_ｄを減算器６２に入力する。

【0083】

減算器６２には、出力電圧指令Ｖ_ｉ、複数のスレーブ電力変換部２０からの出力電圧Ｖ_ｏ'および調整電圧Ｖ_ｄが入力される。減算器６２は、出力電圧指令Ｖ_ｉから出力電圧Ｖ_ｏ'および調整電圧Ｖ_ｄを減算する。

【0084】

加算器６３は、減算器６２の出力に動作制御部７０からの信号を加算して制御装置１００に出力する。本例の加算器６３は、減算器６２の出力に電圧補正Ｖ_ｃを加算する。これにより、電圧制御部６０は、制御装置１００の出力電圧を制御する。

【0085】

電圧調節器６４は、加算器６３で加算した電圧を調整して出力する。一例において、電圧調節器６４は、入力された電圧の平均値を算出して出力する。例えば、平均値は、予め定められた期間、電圧調節器６４に入力された電圧の平均値である。電圧調節器６４は、算出した電圧を複数のスレーブ電力変換部２０に出力してよい。また、電圧調節器６４は、算出した電圧を動作制御部７０に出力してもよい。

【0086】

図５Ｃは、定格運転状態における電力変換システム２００の構成の一例を示す。定格運転状態とは、自立運転モードにおいて、複数のスレーブ電力変換部２０の出力電圧Ｖ_ｏ'が定格電圧に到達している状態を指す。

【0087】

周波数制御部５０は、定格運転状態において、複数のスレーブ電力変換部２０の出力有効電力に基づいて、複数のスレーブ電力変換部２０の出力周波数をドループ制御する。なお、複数のスレーブ電力変換部２０の出力有効電力は、母線電圧Ｖ_ｂおよび出力電流Ｉ_ｏから算出される。

【0088】

スイッチ５３は、減算器５５に接続されたｂ端子側に切り替えられている。スイッチ５３は、複数のスレーブ電力変換部２０の出力電圧Ｖ_ｏ'が定格電圧まで上昇したタイミングで、ａ側端子からｂ側端子に切り替えられてよい。

【0089】

減算器５５には、動作制御部７０から周波数補正Ｆ_ｃが入力され、周波数ドループ制御部５６から周波数ドループ制御用の信号が入力される。減算器５５は、動作制御部７０の周波数補正Ｆ_ｃから周波数ドループ制御部５６の周波数制御用の信号を減算する。減算器５５は、減算した信号をスイッチ５３に出力する。これにより、周波数制御部５０は、複数のスレーブ電力変換部２０に対して周波数ドループ制御を実行する。

【0090】

電圧制御部６０は、定格運転状態において、複数のスレーブ電力変換部２０の出力電圧を電圧ドループ制御する。本例のスイッチ６１は、ｂ端子側に接続されたままである。

【0091】

本例の制御装置１００は、複数のスレーブ電力変換部２０の出力電圧Ｖ_ｏ'が定格電圧まで到達した後は、定常の定格運転状態を確立させる。また、本例の制御装置１００は、定格運転状態において、マスタ電力変換部１０を複数のスレーブ電力変換部２０と並列に投入されてよい。

【0092】

図５Ｄは、モード遷移状態における電力変換システム２００の構成の一例を示す。モード遷移状態は、自立運転モードから系統連系運転モードに切り替えられる状態を指す。一例において、自立運転モードから系統連系運転モードに切り替えられる場合とは、受電部１３０が停電等から復電される場合である。

【0093】

遮断部８３は、受電部１３０が受電した電力を負荷１２０に供給するか否かを切り替える。遮断部８３は、投入された場合に受電部１３０が受電した電力を負荷１２０に供給し、投入されていない場合に受電部１３０が受電した電力の負荷１２０への供給を遮断する。また、遮断器３５，３７が投入されているので、検出部８０の母線側には母線電圧Ｖ_ｂが入力されている。

【0094】

動作制御部７０は、受電側検出線８１を介して検出した電圧と、母線側検出線８２を介して検出した電圧との位相差および電圧差を演算する。これにより、動作制御部７０は、周波数補正Ｆ_ｃおよび電圧補正Ｖ_ｃを生成する。動作制御部７０は、生成した周波数補正Ｆ_ｃを減算器５５に出力する。また、動作制御部７０は、生成した電圧補正Ｖ_ｃを加算器６３に出力する。

【0095】

周波数制御部５０は、減算器５５により、周波数補正Ｆ_ｃから、電圧ドループ制御部６５の出力した周波数を減算する。周波数制御部５０は、減算器５５で減算した周波数を制御装置１００に出力する。

【0096】

電圧制御部６０は、加算器６３により減算器６２の出力した電圧に電圧補正Ｖ_ｃを加算する。電圧制御部６０は、加算器６３で加算した電圧を電圧調節器６４で調整して、制御装置１００に出力する。

【0097】

これにより、電力変換システム２００は、受電電圧Ｖ_ｒと母線電圧Ｖ_ｂとを同期する。一例において、受電電圧Ｖ_ｒと母線電圧Ｖ_ｂとの同期とは、互いの位相および電圧レベルが等しくなることを指す。動作制御部７０は、受電電圧Ｖ_ｒと母線電圧Ｖ_ｂとが同期したと判断すると、遮断部８３を投入する。動作制御部７０は、遮断部８３の投入確認信号を複数のスレーブ電力変換部２０に出力して、複数のスレーブ電力変換部２０を停止させる。そして、制御装置１００は、自立運転モードから系統連系運転モードに切り替える。これにより、本例の電力変換システム２００は、母線電圧Ｖ_ｂを落とし、発電装置１１０を停止させることなく、動作モードを変更できる。

【0098】

以上の通り、本例の制御装置１００は、母線電圧Ｖ_ｂを落とし、発電装置１１０を停止することなく、自立運転モードから系統連系運転モードに動作モードを切り替える。よって、本例の制御装置１００は、復旧時に、自立運転モードから系統連系運転モードへの移行を無瞬断にて切り替えることのできる電力変換装置の自立並列同時起動を実現する。なお、本明細書に係る制御装置１００は、目標電圧信号等の各信号として、実際の波形ではなく、制御信号を用いてもよい。

【0099】

以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。

【0100】

特許請求の範囲、明細書、および図面中において示した装置、システム、プログラム、および方法における動作、手順、ステップ、および段階等の各処理の実行順序は、特段「より前に」、「先立って」等と明示しておらず、また、前の処理の出力を後の処理で用いるのでない限り、任意の順序で実現しうることに留意すべきである。特許請求の範囲、明細書、および図面中の動作フローに関して、便宜上「まず、」、「次に、」等を用いて説明したとしても、この順で実施することが必須であることを意味するものではない。

【符号の説明】

【0101】

１・・・電力変換装置、２・・・電力変換器、３・・・蓄電部、１０・・・マスタ電力変換部、２０・・・スレーブ電力変換部、３０・・・出力部、３１・・・入力トランス、３２・・・入力トランス、３３・・・受電トランス、３４・・・スイッチ、３５・・・遮断器、３６・・・スイッチ、３７・・・遮断器、４０・・・同期部、５０・・・周波数制御部、５１・・・スイッチ、５２・・・ＰＬＬ調節器、５３・・・スイッチ、５４・・・スイッチ、５５・・・減算器、５６・・・周波数ドループ制御部、６０・・・電圧制御部、６１・・・スイッチ、６２・・・減算器、６３・・・加算器、６４・・・電圧調節器、６５・・・電圧ドループ制御部、７０・・・動作制御部、８０・・・検出部、８１・・・受電側検出線、８２・・・母線側検出線、８３・・・遮断部、９１・・・蓄電部、９２・・・蓄電部、９３・・・目標電圧信号線、９４・・・指令状態信号線、１００・・・制御装置、１１０・・・発電装置、１２０・・・負荷、１３０・・・受電部、２００・・・電力変換システム

【要約】

【課題】電力を安定的に供給するための制御装置を提供する。
【解決手段】入力された電力を、各々が変換して出力する複数の電力変換部と、前記複数の電力変換部の出力電圧の各位相を、予め定められた目標位相に同期させる同期部と、前記複数の電力変換部の各位相が前記目標位相に同期された後に、前記複数の電力変換部に電力を外部へ出力させる出力部とを備える制御装置を提供する。また、入力エネルギーに応じて電力を発生させ、負荷に電力を供給する発電装置と、電力系統から電力を受電し、負荷に電力を供給する受電部と、制御装置とを備える電力変換システムを提供する。
【選択図】図１

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5A】

【図5B】

【図5C】

【図5D】