特許 6035845 交流電源システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6035845

(24)【登録日】2016年11月11日

(45)【発行日】2016年11月30日

(54)【発明の名称】交流電源システム

(51)【国際特許分類】

   H02M 7/493 20070101AFI20161121BHJP

   H02M 7/483 20070101ALI20161121BHJP

【ＦＩ】

   H02M7/493

   H02M7/483

【請求項の数】4

【全頁数】9

(21)【出願番号】特願2012-101085(P2012-101085)

(22)【出願日】2012年4月26日

(65)【公開番号】特開2013-230027(P2013-230027A)

(43)【公開日】2013年11月7日

【審査請求日】2015年3月16日

(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】100161562

【弁理士】

【氏名又は名称】阪本 朗

(72)【発明者】

【氏名】玉井 康寛

【審査官】 服部 俊樹

(56)【参考文献】

【文献】 特開平１０−１９１６４１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−０１１６０６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−２２１９０３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１０／０２１０５２（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０２Ｍ ７／４９３

Ｈ０２Ｍ ７／４８３

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

交流入力電圧を正極、零極及び負極の３つのレベルを持った直流電源に変換する交流−直流変換回路と、前記直流電源の正極と零極との間に接続される第１のコンデンサと、前記直流電源の零極と負極との間に接続される第２のコンデンサと、前記第１及び第２のコンデンサそれぞれの電圧を均等化するバランサー回路と、前記直流電源から３つのレベルを持った交流電圧を作り出す直流−交流変換回路とで構成される交流−交流変換装置の交流入力同士と交流出力同士を複数台並列接続した交流電源システムにおいて、
前記バランサー回路の出力電流が所定値未満のときは、前記バランサー回路のみで制御して、前記バランサー回路の出力電流が所定値以上になったことを検出したときは、前記交流−直流変換回路の制御回路又は前記直流−交流変換回路の制御回路の何れかで前記第１及び第２のコンデンサそれぞれの電圧を均等化する直流電圧バランス制御を有効にすることを特徴とする交流電源システム。

【請求項2】

前記バランサー回路は、直流電源の正極と負極との間に接続されたそれぞれのダイオードを逆並列接続した半導体スイッチ直列回路と、前記半導体スイッチ直列回路の直列接続点と前記直流電源の零極との間に接続されたリアクトルと電流検出器との直列回路と、から構成されることを特徴とする請求項１に記載の交流電源システム。

【請求項3】

前記並列接続された交流−交流変換装置それぞれの直流電源の正極、零極及び負極に双方向性の３レベル昇降圧チョッパ回路を介して蓄電池を接続することを特徴とする請求項１〜２のいずれか１項に記載の交流電源システム。

【請求項4】

前記複数台並列接続される交流−交流変換装置それぞれの直流電源の正極、零極及び負極同士をそれぞれ接続し、その接続線に双方向性の３レベル昇降圧チョッパ回路を介して蓄電池を接続することを特徴とする請求項１〜２のいずれか１項に記載の交流電源システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、３レベルの電圧レベルを備えた直流電源を用いる電力変換装置を複数台並列接続する交流電源システムの直流回路に接続されるコンデンサ直列回路の各コンデンサの電圧を均等化するための回路及び制御技術に関する。

【背景技術】

【0002】

図６に、特許文献１に記載の３レベル電力変換回路の第1の従来例を示す。直流電源の正極Pと負極Nとの間にはコンデンサＣ１とＣ２の直列回路が接続され、直列接続点が零極Ｍとなる。直流電源と並列に半導体スイッチＳ１とＳ２との直列回路が、この直列回路の直列接続点と直流電源の零極との間に半導体スイッチＳ３とＳ４を逆並列接続した双方向スイッチが、各々接続され、半導体スイッチＳ１とＳ２との直列接続点が交流端子Ｕに接続され、１相分（Ｕ相）の回路となる。Ｖ相とＷ相も同じ構成である。Ｕ相を例に説明する。半導体スイッチＳ１がオンすると交流端子Ｕには正極Ｐの電位が、半導体スイッチＳ３とＳ４で構成された双方向スイッチがオンすると交流端子Ｕには零極Ｍの電位が、半導体スイッチＳ２がオンすると交流端子Ｕには負極Ｎの電位が、各々出力され、３レベルの電位が出力可能である。この時、交流端子ＵにはコンデンサＣ１から電力を供給するモード、コンデンサＣ２から電力を供給するモード、コンデンサＣ１とＣ２の直列回路から電力を供給するモードがある。

【0003】

図７に、特許文献２に記載の３レベル電力変換回路の第２の従来例を示す。直流回路のP端子は直流電源の正極Pに、直流回路のM端子は直流電源の零極Mに、直流回路のN端子は直流電源の負極Nに、各々接続されているが、ここでは直流電源は省略されている。直流電源の正極Pと負極Nとの間にはコンデンサＣ１とＣ２の直列回路が接続され、直列接続点が零極Ｍとなる。
３レベル電力変換回路は、第１の従来例と同様に、交流端子U、V、Wには直流回路の正極Pの電位、零極Mの電位及び負極Nの電位の３つのレベルの電圧を出力可能であるが、詳細は省略する。図６に示した回路と同様に、交流端子にはコンデンサＣ１から電力を供給するモード、コンデンサＣ２から電力を供給するモード、コンデンサＣ１とＣ２の直列回路から電力を供給するモードがある。コンデンサＣ１の電圧とＣ２の電圧は、交流端子に接続される負荷の状態により放電量が違うため、電圧がアンバランスとなり、所望の電圧を交流端子に出力できなくなる課題がある。これを解決するための手段として、図７に示すようなバランサー回路を主回路に設ける方法と、図８に示す特許文献３に記載されているような制御回路を用いる方法が知られている。

【0004】

図７に示すバランサー回路は、コンデンサＣ１の電圧とＣ２の電圧をバランスさせるための回路である。コンデンサＣ１とＣ２の直列回路と並列に、ＩＧＢＴＤＢ１とＤＢ２との直列回路が接続され、コンデンサＣ１とＣ２の直列接続点とＩＧＢＴＤＢ１とＤＢ２の直列接続点との間にリアクトルＬ１が接続された構成である。この様な構成における動作を説明する。コンデンサＣ１の電圧がコンデンサＣ２の電圧より高い時には、ＩＧＢＴＤＢ１をオンさせ、リアクトルＬ１にエネルギーを蓄積して、ＩＧＢＴＤＢ１をオフさせた時にコンデンサＣ２を充電する。コンデンサＣ２の電圧がコンデンサＣ１の電圧より高い時には、ＩＧＢＴＤＢ２をオンさせ、リアクトルＬ１にエネルギーを蓄積して、ＩＧＢＴＤＢ２をオフさせた時にコンデンサＣ１を充電する。この様な動作を繰り返すことにより、コンデンサＣ１とＣ２の電圧をバランスさせる。

【0005】

図８に、特許文献３に記載されたコンデンサ電圧を制御回路でバランスさせる従来例を示す。１０がバランス制御回路で、交流出力電圧指令（ＶＲ*、ＶＳ*、ＶＴ*）を、コンデンサＣ１とＣ２の電圧差が零になるように補正する制御方式である。コンデンサＣ１の電圧ＥＤＣ１とコンデンサＣ２の電圧ＥＤＣ２とを加算器１１に入力し、この差ａ１を求め、このａ１を零にするための調節器１２を通して、補正量ａ２を求める。この補正量と正弦波テーブルから得られる正弦波信号とを掛算器（１４Ｒ、１４Ｓ、１４Ｔ）で掛算し、補正正弦波を求め、この補正正弦波と電圧指令（ＶＲ*、ＶＳ*、ＶＴ*）とを加算器（２１Ｒ，２１Ｓ，２１Ｔ）で加算して、新たな電圧指令信号（ＶＲ**、ＶＳ**、ＶＴ**）とする構成である。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特開２０１１−１０９７８９号公報

【特許文献2】特開２００２−１９９７３８号公報

【特許文献3】特開平７−７９５７４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

上述のように、３レベル電力変換回路で、直列接続された各コンデンサの電圧をバランスさせる方式として、主回路にバランサー回路を設ける方法と制御回路で電圧指令に補正を加える方法（コンバータの場合には電圧指令又は電流指令の何れかに補正を加える方法）があるが、電源装置を並列接続した並列システムにおいては、制御回路で電圧指令に補正を加える方法では下記の問題がある。
並列システムにおいては、図９に示すように、変換器１と変換器２は負荷電流を均等に分担させるために、同一の電圧を出力する。即ち、Ｉ１＝Ｉ２＝Ｉ／２とする。
ここで、変換器１と変換器２の出力電圧が異なると、２台の変換器間を循環する電流（横流）が流れることになる。この結果、負荷への供給電流以上の電流を変換器が負担することになり、装置容量が大きくなるため、横流は極力抑制する必要がある。しかし、制御回路で電圧指令に補正を加える方法では、電圧指令への補正値は各々のコンデンサ電圧のバランス状態から決まるため、並列接続された各々の変換器の出力電圧が異なった値となり、横流が発生する問題がある。
一方、主回路にバランサー回路を設ける方法では、変換器の並列運転制御と干渉することがなく、並列システムにおいては有用な方式であるが、変換器の主回路に半導体スイッチとリアクトルを追加する必要があり、装置が大型で高価格となる問題がある。

【0008】

従って、本発明の課題は、３レベルの電力変換装置を並列接続した交流電源システムに適用可能な小型で低価格のコンデンサ電圧バランス手段を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0009】

上述の課題を解決するために、第１の発明においては、交流入力電圧を正極、零極及び負極の３つのレベルを持った直流電源に変換する交流−直流変換回路と、前記直流電源の正極と零極との間に接続される第１のコンデンサと、前記直流電源の零極と負極との間に接続される第２のコンデンサと、前記第１及び第２のコンデンサそれぞれの電圧を均等化するバランサー回路と、前記直流電源から３つのレベルを持った交流電圧を作り出す直流−交流変換回路とで構成される交流−交流変換装置の交流入力同士と交流出力同士を複数台並列接続した交流電源システムにおいて、前記バランサー回路の出力電流が所定値未満のときは、前記バランサー回路のみで制御して、前記バランサー回路の出力電流が所定値以上になったことを検出したときは、前記交流−直流変換回路の制御回路又は前記直流−交流変換回路の制御回路の何れか前記第１及び第２のコンデンサそれぞれの電圧を均等化する直流電圧バランス制御を有効にする。

【0011】

第２の発明においては、第１の発明における前記バランサー回路は、直流電源の正極と負極との間に接続されたそれぞれのダイオードを逆並列接続した半導体スイッチ直列回路と、前記半導体スイッチ直列回路の直列接続点と前記直流電源の零極との間に接続されたリアクトルと電流検出器との直列回路と、から構成する。

【0012】

第３の発明においては、第１〜第２の何れかの発明における前記並列接続された交流−交流変換装置それぞれの直流電源の正極、零極及び負極に双方向性の３レベル昇降圧チョッパ回路を介して蓄電池を接続する。

【0013】

第４の発明においては、第１〜第２の何れかの発明における前記複数台並列接続される交流−交流変換装置それぞれの直流電源の正極、零極及び負極同士をそれぞれ接続し、その接続線に双方向性の３レベル昇降圧チョッパ回路を介して蓄電池を接続する。

【発明の効果】

【0014】

本発明では、主回路に接続したバランサー回路の出力電流を検出し、この電流が所定値以下の時にはバランサー回路だけでコンデンサ電圧のバランス制御を行い、所定値（上限値）に達した時には、変換器の制御回路でのバランス制御を有効にするようにした。

【0015】

この結果、バランサー回路の電流が所定値以下に制限され、バランサー回路が小型、低価格となる。また、負荷に正負の不平衡がない場合はバランサー回路のみが動作するので、制御回路のバランス制御との併用期間は最小限にでき、並列運転時の横流の発生を最小限に抑制できる。

【図面の簡単な説明】

【0016】

【図1】本発明を説明するための第１の交流電源並列システム図である。

【図2】本発明を説明するための第２の交流電源並列システム図である。

【図3】本発明のバランサー回路の詳細回路図である。

【図4】本発明のバランサー回路の制御回路ブロック図である。

【図5】本発明のバランス制御回路例である。

【図6】３レベル電力変換回路の例１である。

【図7】３レベル電力変換回路の例２とバランサー回路の従来例である。

【図8】変換器制御回路でのバランス制御回路の例である。

【図9】並列システムを説明するための図である。

【発明を実施するための形態】

【0017】

本発明の要点は、３レベル変換回路を用いた交流−交流変換装置を並列接続した交流電源システムの直流回路に接続されたコンデンサ直列回路の各コンデンサ電圧をバランスさせるため、直流回路にはバランサー回路を、変換装置の制御回路にはバランス制御回路を、各々備え、バランサー回路の出力電流が所定値以上になった時には制御回路のバランス制御回路を有効とするようにしている点である。

【実施例1】

【0018】

図１に、本発明が対象とする第1の交流電源システム図を、図２に第２の交流電源システム図を、各々示す。
図1は、No.1ＵＰＳ（無停電電源装置）とNo.２ＵＰＳを並列接続した交流電源システム図で、交流−交流変換回路の各々の直流回路に双方向性の３レベルチョッパを介して蓄電池を接続して無停電化を図った構成である。両方とも回路構成は同じであるので、No.１ＵＰＳについて説明する。交流−交流変換回路の交流入力（Ｕｉ、Ｖｉ、Ｗｉ）は入力フィルタＦｉとリアクトルＬｉを介して３レベル回路構成のコンバータ回路ＣＶに接続される。コンバータ回路ＣＶの直流出力にはコンデンサＣ１とＣ２の直列回路と、コンデンサ電圧をバランスさせるためのバランサー回路ＢＬと、双方向性の３レベルチョッパＣＨの出力と、直流を交流に変換する３レベル回路構成のインバータ回路ＩＮが、各々接続される。双方向性の３レベルチョッパＣＨの入力には交流電源が停電した時に無停電化を図るための蓄電池ＢＴが、インバータ回路ＩＮの交流出力には波形改善用の出力フィルタＦｏが、各々接続され、出力フィルタＦｏの出力が交流電源システムの交流出力（Ｕｏ、Ｖｏ、Ｗｏ）となる。

【0019】

図２は、図１で説明した交流−交流変換回路(図２のNo.１電源、No.２電源）の各々の直流回路を並列接続した構成で、この直流回路に双方向性の３レベルチョッパを介して蓄電池を接続して無停電化を図った構成である。図１、図２に示すいずれのシステムにおいても、コンデンサ電圧をバランスさせる本発明の原理は同じである。

【0020】

図３にバランサー回路ＢＬの詳細を示す。バランサー回路ＢＬは、直流回路の正極Pと負極Nとの間にそれぞれダイオードを逆並列接続したＩＧＢＴＳ５とＳ６とを直列接続したＩＧＢＴ直列回路が接続され、ＩＧＢＴ直列回路の直列接続点と直流回路の零極Ｍとの間にリアクトルＬ１と電流検出器ＣＴとの直列回路が接続された構成である。また、コンデンサＣ１には電圧検出器ＶＤ１が、コンデンサＣ２には電圧検出器ＶＤ２が、各々接続される。電流検出器ＣＴでの検出値ｉＢＡＬ、電圧検出器ＶＤ１での検出値ＥＤＣ１、及び電圧検出器ＶＤ２での検出値ＥＤＣ２は、それぞれ図４に示すバランサー回路ＢＬの制御回路に入力される。

【0021】

図４は、バランサー回路ＢＬの制御回路ブロック図である。コンデンサＣ１の検出電圧ＥＤＣ１とコンデンサＣ２の検出電圧ＥＤＣ２との差を加算器ＡＤ１で求め、移動平均回路ＡＶで平均化された後、電圧調節器ＡＶＲに入力され、電圧調節器ＡＶＲの出力はバランサー回路ＢＬの出力電流指令値となる。この指令値とバランサー回路ＢＬの出力電流検出値ｉＢＡＬは加算器ＡＤ２に入力され、その差が零になるように電流調節器ＡＣＲで制御され、変調率λをＰＷＭ（パルス幅変調）制御回路の入力量に変換するλ変換回路を通してＰＷＭ（パルス幅変調）制御回路へ送出される。ＰＷＭ制御回路では、バランサー回路ＢＬのＩＧＢＴＳ５とＳ６用のオンオフ信号を生成する。
電圧調節器ＡＶＲの出力であるバランサー回路ＢＬの出力電流指令値はリミッタ回路ＬＭで制限され、ＩＧＢＴ、リアクトルなどの部品に所定値以上の電流が流れないようにしている。ここで、バランサー回路ＢＬへの電流指令値がリミッタ値に達したことを検知して、変換回路の制御回路に対してバランス制御開始指令を出力する。

【0022】

本発明の変換回路でのバランス制御回路例を図５に示す。インバータ回路ＩＮの電圧制御回路での実施例である。交流出力電圧指令（ＶＲ*、ＶＳ*、ＶＴ*）を、コンデンサＣ１とＣ２の電圧差が零になるように補正する制御方式である。コンデンサＣ１の電圧ＥＤＣ１とコンデンサＣ２の電圧ＥＤＣ２とを加算器１１に入力し、この差ａ１を求め、ａ１を零にするための調節器１２を通して、補正量ａ２を求める。調節器１２の出力には切替えスイッチＳＷが接続されており、バランサー制御回路からのバランス制御開始指令が入力されると、この補正量Ｓ２と正弦波テーブルから得られる正弦波信号とを掛算器（１４Ｒ、１４Ｓ、１４Ｔ）で掛算し、補正正弦波を求め、この補正正弦波と電圧指令（ＶＲ*、ＶＳ*、ＶＴ*）とを加算器（２１Ｒ，２１Ｓ，２１Ｔ）で加算して、新たな電圧指令信号（ＶＲ**、ＶＳ**、ＶＴ**）とする。

【0023】

バランサー制御回路からのバランス制御開始指令が入力されない場合は切替えスイッチＳＷは０Ｖ側にあり、掛算器（１４Ｒ、１４Ｓ、１４Ｔ）の一方の入力を０にして、電圧指令（ＶＲ*、ＶＳ*、ＶＴ*）に対する補正量を零にする。従って、バランサー制御回路からのバランス制御開始指令が入力された時だけ、バランス制御する。

【0024】

尚、本実施例では、インバータ制御回路でバランス制御する例を示したが、コンバータ制御回路でも同様に制御可能である。コンバータ回路では電圧指令又は交流入力電流の指令値の何れかに補正を加えることにより実現できる。

【産業上の利用可能性】

【0025】

本発明は、３レベルの電力変換装置を並列接続して使用する電源システムにおけるコンデンサ電圧のバランス制御に関する発明であり、無停電電源装置（ＵＰＳ）、系統連系装置などへの適用が可能である。

【符号の説明】

【0026】

Ｓ１〜Ｓ６、ＤＢ１、ＤＢ２・・・ＩＧＢＴ Ｃ１、Ｃ２・・・コンデンサ
Ｌ１、Ｌｉ・・・リアクトル ＣＴ・・・電流検出器
ＶＤ１，ＶＤ２・・・電圧検出器 Ｆｉ、Ｆｏ・・・フィルタ
ＢＬ・・・バランサー回路 ＩＮ・・・インバータ回路
ＣＶ・・・コンバータ回路 ＣＨ・・・チョッパ ＢＴ・・・蓄電池
１０・・・バランス制御回路 ＡＣＲ・・・電流調節器
１１、２１Ｒ，２１Ｓ，２１Ｔ、ＡＤ１、ＡＤ２・・・加算器
１２、ＡＶＲ・・・電圧調節器 １３・・・Ｓｉｎテーブル
１４Ｒ、１４Ｓ、１４Ｔ・・・掛算器 ＬＭ・・・リミッタ回路
ＳＷ・・・切替えスイッチ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】