特許 6363391 電圧調整装置

(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】6363391

(24)【登録日】2018年7月6日

(45)【発行日】2018年7月25日

(54)【発明の名称】電圧調整装置

(51)【国際特許分類】

   H02J 3/12 20060101AFI20180712BHJP

   H02M 5/12 20060101ALI20180712BHJP

   H02M 7/12 20060101ALI20180712BHJP

【ＦＩ】

   H02J3/12

   H02M5/12 C

   H02M7/12 A

【請求項の数】7

【全頁数】11

(21)【出願番号】特願2014-102669(P2014-102669)

(22)【出願日】2014年5月16日

(65)【公開番号】特開2015-220861(P2015-220861A)

(43)【公開日】2015年12月7日

【審査請求日】2017年2月21日

(73)【特許権者】

【識別番号】000003078

【氏名又は名称】株式会社東芝

(73)【特許権者】

【識別番号】317015294

【氏名又は名称】東芝エネルギーシステムズ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100081961

【弁理士】

【氏名又は名称】木内 光春

(72)【発明者】

【氏名】新井 卓郎

(72)【発明者】

【氏名】餅川 宏

(72)【発明者】

【氏名】渡邊 裕治

【審査官】 坂本 聡生

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０００−０１４００９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特公昭４６−００８７３５（ＪＰ，Ｂ１）

【文献】 特開平０８−３３５１１９（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０５Ｆ１／１２−１／４４

１／４５−７／００

Ｈ０２Ｊ３／００−５／００

Ｈ０２Ｍ５／００−７／９８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

１次側が系統に直列に接続される第１の直列変圧器の２次側と、１次側が系統に並列に接続される並列変圧器の２次側に、１次側が直列に接続された前記第１の直列変圧器よりも耐圧の低い第２の直列変圧器と、
交流側が、前記第２の直列変圧器の２次側に接続された交直変換器と、
を有することを特徴とする電圧調整装置。

【請求項2】

前記第２の直列変圧器の１次側と前記並列変圧器の２次側との間に、極性反転スイッチが接続されていることを特徴とする請求項１記載の電圧調整装置。

【請求項3】

直流側が、前記交直変換器の直流側に接続され、交流側が、前記並列変圧器の２次側又は３次側に接続された第２の交直変換器を有することを特徴とする請求項１又は請求項２記載の電圧調整装置。

【請求項4】

前記第２の直列変圧器の１次側と前記並列変圧器の２次側との間に、相間の短絡スイッチが接続されていることを特徴とする請求項１記載の電圧調整装置。

【請求項5】

前記短絡スイッチは、極性反転スイッチであることを特徴とする請求項４記載の電圧調整装置。

【請求項6】

前記交直変換器の直流側に、エネルギー貯蔵部が接続されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の電圧調整装置。

【請求項7】

前記極性反転スイッチは、半導体デバイスとして、自己消弧型デバイス又はサイリスタを用いることを特徴とする請求項２又は請求項５記載の電圧調整装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明の実施形態は、系統に設けられる電圧調整装置に関する。

【背景技術】

【0002】

電力系統では、需要家の受電点電圧を一定に保つ必要がある。しかし、系統のインピーダンスによって電圧変動が生じる。通常、変電所からの距離に比例して、系統のインピーダンスによる電圧降下が生じるので、系統電圧は低下する。一方、夜間などの電力需要が低い場合は、系統に接続された進相コンデンサによって、系統電圧が上昇する現象も報告されている。

【0003】

さらに、近年では、太陽光発電や風力発電などの分散型電源を多数導入し、系統への逆潮流が実施されることによって、電圧上昇や早い周期の電圧変動が生じている。これらの電圧変動を補償するために、電圧調整装置が用いられている。

【0004】

図１２に、従来の電圧調整装置を示す。この装置は、ＵＰＦＣ（Ｕｎｉｆｉｅｄ Ｐｏｗｅｒ Ｆｌｏｗ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）と呼ばれており、電圧変動の抑制だけでなく、電力潮流の制御も可能である。図１２では、１次巻線が電源Ｐと負荷Ｒとの間の系統に直列に接続された直列変圧器Ｔ１と、１次巻線が系統に並列に接続された並列変圧器Ｔ２があり、それぞれの変圧器Ｔ１、Ｔ２の２次巻線に、交直変換器Ｉの交流端子が接続されている。

【0005】

２台の交直変換器Ｉの直流端子は、コンデンサを介して接続され、いわゆるＢＴＢ（Ｂａｃｋ ｔｏ Ｂａｃｋ）構成となっている。ここで、補償電圧をＶｃ、系統電圧をＶｓ、系統負荷容量をＰｓとすると、交直変換器Ｉの出力Ｐｃは、以下の通りとなる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特開２００３−７０２５１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

しかしながら、上記のような従来の電圧調整装置の交直変換器は、補償電圧と系統線間電圧、系統負荷容量で決まる容量にしなければならない。このため、交直変換器の出力増加につながり、電圧調整装置の損失増加、大型化、複雑化、高コスト化を招いていた。

【0008】

本発明の実施形態は、上記のような従来技術の問題点を解決するために提案されたものであり、その目的は、系統に直列に接続する電圧調整装置において、その交直変換器の出力を低減することにある。

【課題を解決するための手段】

【0009】

本発明の実施形態である電圧調整装置は、上記のような目的を達成するために提案されたものであり、１次側が系統に直列に接続される第１の直列変圧器の２次側と、１次側が系統に並列に接続される並列変圧器の２次側に、１次側が直列に接続された前記第１の直列変圧器よりも耐圧の低い第２の直列変圧器と、交流側が、前記第２の直列変圧器の２次側に接続された交直変換器と、を有することを特徴とする。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】第１の実施形態の電圧調整装置を示す構成図である。

【図2】第１の実施形態の第１の交直変換器を示す構成図である。

【図3】第２の実施形態の電圧調整装置を示す構成図である。

【図4】第２の実施形態の極性反転スイッチを示す構成図である。

【図5】第２の実施形態の極性反転スイッチと並列変圧器の結線図である。

【図6】第３の実施形態の電圧調整装置を示す構成図である。

【図7】第４の実施形態の電圧調整装置を示す構成図である。

【図8】補償電圧と変換器出力の関係を示す説明図である。

【図9】第５の実施形態の電圧調整装置を示す構成図である。

【図10】第５の実施形態の短絡スイッチを示す構成図である。

【図11】第６の実施形態の電圧調整装置を示す構成図である。

【図12】従来の電圧調整装置を示す構成図である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

［第１の実施形態］
［構成］
本実施形態の構成を、図１及び図２を参照して説明する。本実施形態における電圧調整装置１００は、電源１１と負荷１２との間に接続された第１の直列変圧器１３、並列変圧器１４に対して接続される装置であり、第２の直列変圧器２１、第１の交直変換器２２を有する。

【0012】

電源１１は、３相交流の系統電源である。電源１１としては、例えば、３相又は単相の５０Ｈｚ若しくは６０Ｈｚの商用電源を適用する。負荷１２は、需要家に設置され、電源１１に接続された系統からの電力を消費する装置である。

【0013】

第１の直列変圧器１３は、系統に直列に接続された変圧器である。つまり、第１の直列変圧器１３は、１次側が電源１１と負荷１２との間に直列に接続されている。並列変圧器１４は、系統に並列に接続された変圧器である。つまり、並列変圧器１４は、１次側が電源１１と負荷１２との間に、並列に接続されている。

【0014】

第２の直列変圧器２１は、１次側が、第１の直列変圧器１３の２次側と並列変圧器１４の２次側の間に、直列に接続された変圧器である。第１の交直変換器２２は、交流端子２２ａが第２の直列変圧器２１の２次側に接続された交直変換器である。

【0015】

図２に、第１の交直変換器２２として、３相交直変換器の回路構成例を示す。第１の交直変換器２２は、交流端子２２ａ、直流端子２２ｂとの間に接続されたスイッチング素子２２ｃ、逆並列ダイオード２２ｄ、コンデンサ２２ｅを有する。

【0016】

スイッチング素子２２ｃは、自己消弧能力を持つ半導体デバイスである。例えば、スイッチング素子２２ｃとして、ＩＧＢＴやＭＯＳＦＥＴ、ＧＴＯなどを用いることができる。逆並列ダイオード２２ｄは、スイッチング素子２２ｃに並列に接続され、スイッチ切り替え直後におけるインダクタの電流を還流させるダイオードである。

【0017】

スイッチング素子２２ｃは、各相毎に少なくとも一対設けられ、各相における一対のスイッチング素子２２ｃの間に、交流端子２２ａが接続されている。各相におけるスイッチング素子２２ｃの反対端は、直流端子２２ｂに接続されている。

【0018】

コンデンサ２２ｅは、直流端子２２ｂに並列に接続された蓄電要素である。コンデンサ２２ｅは、第１の交直変換器２２の出力を得るために、一定の電荷、つまり電気エネルギーを維持している必要がある。このためのエネルギーは、系統から得る方法、外部から得る方法があるが、本実施形態においては、特定の方法には限定されない。

【0019】

［作用効果］
以上のような構成を有する本実施形態の作用効果は、以下の通りである。第１の交直変換器２２は、制御装置等からの補償電圧の指令値に応じて、スイッチング素子２２ｃを切り替えて、電圧を出力する。

【0020】

ここで、補償電圧をＶｃ、並列変圧器１４の出力電圧をＶｔｒ、系統線間電圧をＶｓ、系統負荷容量をＰｓとすると、第１の交直変換器２２が出力する電圧はＶｃ−Ｖｔｒで良い。このため、第１の交直変換器２２の出力Ｐｃは、以下のように表される。

【0021】

たとえば、Ｖｔｒ＝Ｖｃ／２と設定すれば、第１の交直変換器２２の出力Ｐｃは、以下の通りとなる。

【0022】

したがって、本実施形態によれば、従来の方法より、第１の交直変換器２２の出力を半減できる。このため、電圧調整装置１００の低損失化、小型化、簡略化、低コスト化が可能となる。

【0023】

また、本実施形態では、従来の方法と比べて、第２の直列変圧器２１を追加することにはなる。しかし、高電圧の電源１１と第２の直列変圧器２１は絶縁されている。このため、第２の直列変圧器２１としては、比較的耐圧の低い変圧器を使用することができるので、高コスト化、大型化を抑えられる。

【0024】

［第２の実施形態］
［構成］
本実施形態の構成を、図３、図４、図５により説明する。本実施形態は、基本的には、上記の第１の実施形態と同様の構成である。但し、本実施形態においては、図３に示すように、極性反転スイッチ３０が設けられている。極性反転スイッチ３０は、端子間の電圧の極性を反転させるスイッチである。

【0025】

極性反転スイッチ３０は、第２の直列変圧器２１の１次側と、並列変圧器１４の２次側との間に直列に接続されている。この極性反転スイッチ３０は、半導体デバイスで構成されている。

【0026】

このような極性反転スイッチ３０の一例を、図４を参照して説明する。図４は、１相分の回路構成を示す。交流端子（１）と交流端子（２）との間にブリッジ接続された交流スイッチ（ａ）〜（ｄ）を有する。各交流スイッチ（ａ）〜（ｂ）は、スイッチング素子と逆並列ダイオードを並列接続したものが一対、電流の方向が逆となるように接続されている。

【0027】

図４では、交流スイッチ（ａ）〜（ｄ）のスイッチング素子として、ＩＧＢＴを使用した例である。但し、その他の自己消弧型の半導体デバイスも適用可能である。また、サイリスタを逆並列に接続した交流スイッチやその他の種類の半導体デバイスでも実現可能である。

【0028】

また、極性反転スイッチ３０と並列変圧器１４の結線図の例を、図５に示す。図５では、並列変圧器１４として、２次側がオープンなＶ結線変圧器を用いている。この例では、並列変圧器１４の２次側に、２台の極性反転スイッチ３０が接続されている。

【0029】

［作用効果］
以上のような本実施形態の作用効果は、以下の通りである。なお、基本的な作用効果は、上記の第１の実施形態と同様である。

【0030】

まず、極性反転スイッチ３０による極性反転動作を説明する。交流スイッチ（ａ）と交流スイッチ（ｄ）をオン、交流スイッチ（ｂ）と交流スイッチ（ｃ）をオフとすると、交流端子（１）と交流端子（２）の電圧の極性は同じになる。交流スイッチ（ａ）と交流スイッチ（ｄ）をオフ、交流スイッチ（ｂ）と交流スイッチ（ｃ）をオンとすると、交流端子（１）と交流端子（２）の電圧の極性は反転する。

【0031】

第１の実施形態においては、並列変圧器１４の出力電圧は、＋Ｖｔｒのみである。一方、本実施形態の場合は、並列変圧器１４と極性反転スイッチ３０を組み合わせることで出力電圧は±Ｖｔｒとなる。補償電圧が−Ｖｃの場合、並列変圧器１４の出力電圧をＶｔｒ、系統線間電圧をＶｓ、系統負荷容量をＰｓとすると、第１の交直変換器２２が出力する電圧は−Ｖｃ＋Ｖｔｒで良いため、第１の交直変換器２２の出力Ｐｃは、以下のように表される。

【0032】

例えば、Ｖｔｒ＝Ｖｃ／２と設定すれば、第１の交直変換器２２の出力Ｐｃは、以下の通りとなる。

【0033】

従って、補償電圧が−Ｖｃの場合でも、従来の方法より、第１の交直変換器２２の出力を半減できる。このため、電圧調整装置の低損失化・小型化・簡略化・低コスト化が可能となる。

【0034】

［第３の実施形態］
本実施形態を、図６を参照して説明する。本実施形態は、基本的には上記の第１の実施形態と同様の構成である。但し、本実施形態は、第１の交直変換器２２の直流端子２２ｂにコンデンサ２２ｅを介して（図２参照）、第２の交直変換器２３の直流端子を接続し、いわゆるＢＴＢ（Ｂａｃｋ ｔｏ Ｂａｃｋ）構成としている。

【0035】

そして、第２の交直変換器２３の交流端子を、並列変圧器１４の２次側に並列に接続している。なお、図６の例では、第２の実施形態と同様に極性反転スイッチ３０を有しているため、第２の交直変換器２３と並列変圧器１４との間に、極性反転スイッチ３０が接続されている。しかし、第１の実施形態のように、極性反転スイッチ３０がなくてもよい。

【0036】

以上のような本実施形態によれば、第１の交直変換器２２のコンデンサ２２ｅの蓄電を維持するために、外部の電源を必要とせずに、系統からエネルギーを得ることができる。このため、第１の交直変換器２２は、有効成分の電圧と無効成分の電圧を自由に出力することができる。

【0037】

［第４の実施形態］
［構成］
本実施形態の構成を、図７、図８を参照して説明する。本実施形態は、基本的には、上記の第２の実施形態と同様の構成である。但し、本実施形態においては、並列変圧器１４は３次巻線を持つ変圧器である。そして、並列変圧器１４は、その２次巻線が極性反転スイッチ３０に接続され、３次巻線が第２の交直変換器２３の交流端子に接続されている。

【0038】

［作用効果］
以上のような本実施形態では、極性反転スイッチ３０を短絡スイッチとして機能させる。例えば、図４に示す交流スイッチ（ａ）と交流スイッチ（ｃ）をオン、交流スイッチ（ｂ）と交流スイッチ（ｄ）をオフとするか、交流スイッチ（ａ）と交流スイッチ（ｃ）をオフ、交流スイッチ（ｂ）と交流スイッチ（ｄ）をオンとすると、交流端子（１）を短絡させることができる。このような短絡により、出力を０としても、補償電圧を０とすることができる。

【0039】

短絡時においても、第２の交直変換器２３は、並列変圧器１４の３次巻線に接続されているため、系統からのエネルギーを得ることができる。なお、上記の第３の実施形態と同様の構成として、極性反転スイッチ３０を短絡スイッチとして機能させてもよい。

【0040】

図８に、短絡状態を生じさせる本実施形態と、短絡状態を生じさせない実施形態との補償電圧Ｖｃと第１の交直変換器２２の出力Ｐｃの関係を示す。図中、一点鎖線は従来、実線は本実施形態、点線は短絡なしの実施形態を示す。並列変圧器１４の出力電圧はＶｔｒ＝Ｖｃ／２と設定する。補償電圧がＶｃ／４以下の場合に、短絡状態を生じさせることで（短絡オン）、第１の交直変換器２２の出力を低減できる。つまり、補償電圧として０を得るために、電圧出力を打ち消すための電圧を出力する必要がなくなる。

【0041】

［第５の実施形態］
本実施形態の構成を、図９、図１０を参照して説明する。本実施形態は、基本的には、上記の第１の実施形態と同様の構成である。但し、本実施形態においては、第２の直列変圧器２１と並列変圧器１４との間に、相間の短絡スイッチ３１が接続されている。さらに、並列変圧器１４は３次巻線を持つ変圧器である。そして、並列変圧器１４は、その２次巻線が短絡スイッチ３１に接続され、３次巻線が第２の交直変換器２３の交流端子に接続されている。

【0042】

図１０に、３相の場合の相間の交流スイッチ３１ａを有する短絡スイッチ３１を示す。交流スイッチ３１ａの例としては、機械式開閉器、ＩＧＢＴ等の自己消弧型の半導体デバイス、サイリスタを用いた双方向半導体スイッチなどがある。

【0043】

以上のような本実施形態によれば、交流スイッチ３１ａを閉じることにより、第４の実施形態と同様に、短絡状態を生じさせることができるので、第１の交直変換器２２の出力を低減できる。

【0044】

［第６の実施形態］
本実施形態を、図１１を参照して説明する。本実施形態は、基本的には、上記の第１の実施形態と同様の構成である。但し、本実施形態においては、第１の交直変換器２２の直流端子２２ｂに、エネルギー貯蔵部２２ｆが接続されている。エネルギー貯蔵部２２ｆの例としては、蓄電池、電気二重層キャパシタ（EDLC）の貯蔵装置がある。

【0045】

本実施形態によれば、系統の電源１１が喪失した場合にも、第１の交直変換器２２は有効成分の電圧と無効成分の電圧を自由に出力することができる。なお、このエネルギー貯蔵部２２ｆは、第２の交直変換器２３を介して、上記の実施形態のように並列変圧器１４に接続することにより、系統から充電又は蓄電されるようにしてもよい。

【0046】

［他の実施形態］
本発明の実施形態は、上記の態様に限定されない。例えば、上記の各種変圧器の１次側、２次側は、３次側は、各巻線を区別できるように、便宜的に系統に近い側を１次側として、数字を割り振ったに過ぎない。このため、１次側、２次側、３次側は、変圧器の定格等で定まる１次側、２次側、３次側とは、一致していなくてもよい。

【0047】

また、上記の直列変圧器、並列変圧器の巻線構成は、デルタ結線、Ｙ結線、Ｖ結線、あるいは単相結線でも適用可能である。また、上記の各実施形態の作用効果は、系統切り替え時において、電源と負荷が入れ替わった場合でも同様に成り立つ。

【0048】

以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

【符号の説明】

【0049】

１１…電源
１２…負荷
１３…第１の直列変圧器
１４…並列変圧器
２１…第２の直列変圧器
２２…第１の交直変換器
２２ａ…交流端子
２２ｂ…直流端子
２２ｃ…スイッチング素子
２２ｄ…逆並列ダイオード
２２ｅ…コンデンサ
２２ｆ…エネルギー貯蔵部
２３…第２の交直変換器
３０…極性反転スイッチ
３１…短絡スイッチ
３１ａ…交流スイッチ
１００…電圧調整装置

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】