(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】
(24)【登録日】2022-08-08
(45)【発行日】2022-08-17
(54)【発明の名称】電力変換装置
(51)【国際特許分類】
H02M 7/48 20070101AFI20220809BHJP
【ＦＩ】
H02M7/48 R
H02M7/48 M
【請求項の数】
1
(21)【出願番号】P 2021569145
(86)(22)【出願日】2020-10-08
(86)【国際出願番号】 JP2020038193
【審査請求日】2021-11-19
(73)【特許権者】
【識別番号】501137636
【氏名又は名称】東芝三菱電機産業システム株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110003199
【氏名又は名称】弁理士法人高田・高橋国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】多和田 義大
【審査官】東 昌秋
(56)【参考文献】
【文献】特開２０１４－２７８２６（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開昭６２－５３１２２（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１６－２２０４９７（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１１－１９３６３３（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１５－１４６７１２（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｈ０２Ｍ ７／４２－７／９８
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
直流電源から供給される直流電力をＰＷＭ信号に基づいて交流電力に変換する電力変換回路と、前記電力変換回路の直流側に現れる直流電圧により充電される直流キャパシタと、
前記電力変換回路の交流側の系統から供給される電力により、前記直流キャパシタ及び前記電力変換回路に対して、前記直流電源からの直流電力の供給及び遮断を行うように開閉するコンタクタと、
前記ＰＷＭ信号の基準に用いる直流電圧を、指令値を出力することにより制御しつつ、出力した最後の指令値を保持する第１直流電圧制御部と、
前記直流電源の直流電圧と、前記電力変換回路の直流側に現れる直流電圧との差を小さくするように、前記ＰＷＭ信号の基準に用いる直流電圧を、指令値を出力することにより制御する第２直流電圧制御部と、
前記第１直流電圧制御部が出力又は保持した指令値と、前記第２直流電圧制御部が出力した指令値のいずれかを選択して出力するように切り替えるスイッチと、
前記コンタクタの開放、及び前記電力変換回路の交流側の系統における電圧の擾乱からの復帰を検出する検出部と、
前記検出部が前記コンタクタの開放を検出した場合には、前記第２直流電圧制御部が出力した指令値を選択して出力し、前記検出部が電圧の擾乱からの復帰を検出した場合には、前記第１直流電圧制御部が保持した指令値を選択して出力するように、前記スイッチの切り替えを制御する切替制御部と
を有することを特徴とする電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、電力変換装置に関する。
【背景技術】
【0002】
太陽電池やバッテリなどの直流電源から供給される直流電力をＰＷＭ（Pulse Width Modulation）信号に基づいて交流電力に変換するインバータを備えた電力変換装置が知られている。また、太陽電池モジュールと電力変換装置との間の直流電路が開閉器を介して接地されている電源システムは公知である（例えば特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【文献】国際公開第２０１８／２３５２７８号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
電力系統に連係するインバータを備えた電力変換装置においては、インバータの直流側に配置されるコンタクタの電源を交流側の系統からとる場合、交流側の系統に擾乱が発生すると、コンタクタを閉じた状態に保つための電圧を維持することができず、コンタクタが開放してしまうことがある。
【0005】
交流側の系統に擾乱が発生したためにコンタクタが開放した場合、インバータの直流電圧を維持するために、インバータの直流側に現れる直流電圧により充電される直流キャパシタを系統側から充電する必要がある。
【0006】
また、交流側の系統が擾乱から復帰した後には、急速にインバータの出力を充電モードから放電モードに切り替える必要がある。
【0007】
しかしながら、従来のＭＭＰＴ（Maximum power point tracking）制御などを用いた復帰処理方法では、系統連系規定に規定された復帰時間内に出力を正常状態へ復帰させることができないという問題があった。
【0008】
本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、交流側の系統に擾乱が発生したために直流入力電圧とインバータ側の直流電圧とに差が生じても、交流側の系統の擾乱解消後に正常運転へ復帰させる応答性を高めることができる電力変換装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0009】
本発明の一態様にかかる電力変換装置は、直流電源から供給される直流電力をＰＷＭ信号に基づいて交流電力に変換する電力変換回路と、前記電力変換回路の直流側に現れる直流電圧により充電される直流キャパシタと、前記電力変換回路の交流側の系統から供給される電力により、前記直流キャパシタ及び前記電力変換回路に対して、前記直流電源からの直流電力の供給及び遮断を行うように開閉するコンタクタと、前記ＰＷＭ信号の基準に用いる直流電圧を、指令値を出力することにより制御しつつ、出力した最後の指令値を保持する第１直流電圧制御部と、前記直流電源の直流電圧と、前記電力変換回路の直流側に現れる直流電圧との差を小さくするように、前記ＰＷＭ信号の基準に用いる直流電圧を、指令値を出力することにより制御する第２直流電圧制御部と、前記第１直流電圧制御部が出力又は保持した指令値と、前記第２直流電圧制御部が出力した指令値のいずれかを選択して出力するように切り替えるスイッチと、前記コンタクタの開放、及び前記電力変換回路の交流側の系統における電圧の擾乱からの復帰を検出する検出部と、前記検出部が前記コンタクタの開放を検出した場合には、前記第２直流電圧制御部が出力した指令値を選択して出力し、前記検出部が電圧の擾乱からの復帰を検出した場合には、前記第１直流電圧制御部が保持した指令値を選択して出力するように、前記スイッチの切り替えを制御する切替制御部とを有することを特徴とする。
【発明の効果】
【0010】
本発明によれば、交流側の系統に擾乱が発生したために直流入力電圧とインバータ側の直流電圧とに差が生じても、交流側の系統の擾乱解消後に正常運転へ復帰させる応答性を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【0011】
【図1】一実施形態にかかる電力変換装置の構成例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0012】
以下に、図面を用いて電力変換装置の一実施形態を説明する。図１は、一実施形態にかかる電力変換装置１０の構成例を示す図である。
【0013】
例えば、電力変換装置１０は、直流電源１１と電力グリッド１２との間に設けられ、直流電力を三相の交流電力に変換する。直流電源１１は、例えば太陽電池モジュールなどである。電力グリッド１２は、一般に電力系統とも呼ばれる。電力系統は、電力を需要家の受電設備に供給するためのシステムであり、例えば不特定の負荷が接続されているものとする。例えば、電力系統は、発電・変電・送電・配電を統合したシステムである。
【0014】
電力変換装置１０は、直流側のコンタクタ１３と、直流キャパシタ１４と、電力変換回路１５と、交流リアクトル１６ａと、交流キャパシタ１６ｂと、交流側のコンタクタ１７とを有する。また、電力変換装置１０は、計器用変流器（ＣＴ）５１と、計器用変圧器（ＶＴ）５２と、計器用変流器（ＣＴ）５３と、計器用変圧器（ＶＴ）５４と、計器用変流器（ＣＴ）５５とを備える。
【0015】
さらに、電力変換装置１０は、ＭＰＰＴ制御部１８と、第一減算器１９と、第二減算器２０と、第１制御部（第１直流電圧制御部）２１と、第２制御部（第２直流電圧制御部）２２と、スイッチ２３と、第一加算器２４と、第一座標変換部２５と、第三減算器２６と、電流制御部２７と、ＰＷＭ駆動回路２８と、検出部２９と、切替制御部３０とを有する。
【0016】
さらに、電力変換装置１０は、位相同期回路（ＰＬＬ回路）４０と、判定部４１と、第二座標変換部４２と、第三座標変換部４３と、電力制御部４４とを有する。
【0017】
コンタクタ１３は、電力変換回路１５の交流側の系統から供給される電力により、直流キャパシタ１４及び電力変換回路１５に対して、直流電源１１からの直流電力の供給及び遮断を行うように開閉する。
【0018】
直流キャパシタ１４は、電力変換回路１５の直流側に現れる直流電圧により充電されるように配置されている。
【0019】
電力変換回路１５は、直流電源１１と電力グリッド１２との間に介在し、これらとともに直列回路を形成している。そして、電力変換回路１５は、直流電源１１から供給される直流電力をＰＷＭ信号（後述）に基づいて交流電力に変換する。電力変換回路１５の直流端は、コンタクタ１３に接続されている。なお、電力変換回路１５は、例えば複数の半導体スイッチング素子を含む三相電圧型インバータ回路であってもよい。
【0020】
つまり、電力変換回路１５は、直流電源１１からの直流入力電力を変換することにより、第一交流出力電流及び第一交流出力電圧を出力する。説明の便宜上、この第一交流出力電流を「インバータ出力電流ｉＡＣ」とも称し、この第一交流出力電圧を「インバータ出力電圧ＶＡＣ」とも称する。
【0021】
交流リアクトル１６ａ及び交流キャパシタ１６ｂは、Ｌ型に接続されたＬＣフィルタ回路であり、電力変換回路１５とコンタクタ１７との間に設けられている。なお、図１においては、交流リアクトル１６ａ及び交流キャパシタ１６ｂは簡略化して記載されているが、実際には、電力変換回路１５の出力側には三相分の出力配線が伸びている。つまり、実際には、三相分の出力配線それぞれに、交流リアクトル１６ａと交流キャパシタ１６ｂの組が設けられている。
【0022】
交流リアクトル１６ａは、電力変換回路１５の交流端に直列接続されている。そして、コンタクタ１７の第一端が、交流リアクトル１６ａに接続されている。コンタクタ１７の第二端は、電力グリッド１２に接続されている。交流キャパシタ１６ｂの第一端は、交流リアクトル１６ａとコンタクタ１７とを結ぶ配線（例えばブスバー）に接続されている。
【0023】
そして、交流リアクトル１６ａ及び交流キャパシタ１６ｂは、第一交流出力電流（つまりインバータ出力電流ｉＡＣ）と第一交流出力電圧（つまりインバータ出力電圧ＶＡＣ）とを濾過する。この濾過により、交流リアクトル１６ａ及び交流キャパシタ１６ｂは、第二交流出力電流及び第二交流出力電圧を生成する。説明の便宜上、この第二交流出力電流を「交流出力電流ｉｏｕｔ」とも称し、この第二交流出力電圧を「交流出力電圧Ｖｏｕｔ」とも称する。交流出力電流ｉｏｕｔは、交流リアクトル１６ａと交流キャパシタ１６ｂとの接続点を流れる電流である。交流出力電圧Ｖｏｕｔは、交流キャパシタ１６ｂに印加される電圧である。
【0024】
計器用変流器（ＣＴ）５１は、直流電流ｉＤＣを計器用の値に変換する。直流電流ｉＤＣは、直流電源１１と電力変換回路１５との間を流れる電流である。
【0025】
計器用変圧器（ＶＴ）５２は、直流電圧ＶＤＣを計器用の値に変換する。直流電圧ＶＤＣは、直流電源１１と電力変換回路１５との間の電圧であって、直流キャパシタ１４の電圧である。
【0026】
計器用変流器（ＣＴ）５３は、インバータ出力電流ｉＡＣを計器用の値に変換する。インバータ出力電流ｉＡＣは、電力変換回路１５と交流リアクトル１６ａとの間を流れる三相交流出力電流である。
【0027】
計器用変圧器（ＶＴ）５４は、交流出力電圧Ｖｏｕｔを計器用の値に変換する。計器用変流器（ＣＴ）５５は、交流出力電流ｉｏｕｔを計器用の値に変換する。
【0028】
ＭＰＰＴ制御部１８には、直流電流ｉＤＣと直流電圧ＶＤＣとが入力される。ＭＰＰＴ制御部１８は、ＭＰＰＴ制御によって直流電源１１からの直流電力を最大限に取り出す。第一減算器１９は、ＭＰＰＴ制御部１８が出力する指令値Ｖ＊
ＤＣと直流電圧ＶＤＣとの差を演算する。
【0029】
第二減算器２０は、直流電流ｉＤＣと直流電圧ＶＤＣとに基づいて、直流電源１１の直流電圧と、電力変換回路１５の直流側に現れる直流電圧との差を演算する。
【0030】
第１制御部２１は、第一減算器１９の減算結果に基づいて直流電圧制御を実施する。例えば、第１制御部２１は、ＰＷＭ駆動回路２８が出力するＰＷＭ信号（後述）の基準に用いる直流電圧を、指令値を出力することにより制御しつつ、出力した最後の指令値を保持する第１直流電圧制御部である。
【0031】
第２制御部２２は、第二減算器２０の減算結果に基づいて直流電圧制御を実施する。例えば、第２制御部２２は、直流電源１１の直流電圧と、電力変換回路１５の直流側に現れる直流電圧との差を小さくするように、ＰＷＭ信号（後述）の基準に用いる直流電圧を、指令値を出力することにより制御する第２直流電圧制御部である。
【0032】
スイッチ２３は、後述する切替制御部３０の制御に応じて、第１制御部２１が出力又は保持した指令値と、第２制御部２２が出力した指令値のいずれかを選択して出力するように切り替える。
【0033】
第一加算器２４は、スイッチ２３の出力値とｄ軸電流指令値ｉ＊
ｄとを加算する。ｄ軸電流指令値ｉ＊
ｄは、後述する電力制御部４４の出力する指令値である。
【0034】
第一座標変換部２５は、ｄｑ軸／ａｂｃ軸の変換つまり二相から三相への座標変換を行う。第一座標変換部２５は、第一加算器２４の加算結果とｑ軸電流指令値ｉ＊
ｑとに基づいて、インバータ電流指令値ｉ＊
ＡＣを算出する。ｑ軸電流指令値ｉ＊
ｑは、後述する電力制御部４４の出力する指令値である。
【0035】
第三減算器２６は、インバータ電流指令値ｉ＊
ＡＣとインバータ出力電流ｉＡＣとの差を演算する。
【0036】
電流制御部２７は、第三減算器２６の出力に基づいて電流指令値を計算する。
【0037】
ＰＷＭ駆動回路２８は、電流制御部２７の電流指令値に従ってパルス幅変調信号（ＰＷＭ信号）を生成する。ＰＷＭ駆動回路２８は、このＰＷＭ信号を半導体スイッチング素子の駆動信号として電力変換回路１５に伝達する。
【0038】
検出部２９は、コンタクタ１３の開放、及び電力変換回路１５の交流側の系統における電圧の擾乱からの復帰を検出し、検出結果を切替制御部３０に対して出力する。
【0039】
なお、検出部２９は、電力変換回路１５の交流側の系統における電圧の擾乱からの復帰が完了したか否かを、例えばコンタクタ１３の動作に応じて検出してもよいし、他の情報に基づいて検出してもよい。例えば、検出部２９は、コンタクタ１３が閉じられたことを検出したときに、電力変換回路１５の交流側の系統における電圧が擾乱から復帰したと検出してもよい。また、検出部２９は、電力変換回路１５の交流側の系統における電圧変化に基づく情報を直接検出して、電圧が擾乱から復帰したと検出してもよい。
【0040】
切替制御部３０は、検出部２９がコンタクタ１３の開放を検出した場合には、第２制御部２２が出力した指令値を選択して出力し、検出部２９が電圧の擾乱からの復帰を検出した場合には、第１制御部２１が保持した指令値を選択して出力するように、スイッチ２３の切り替えを制御する。
【0041】
位相同期回路４０は、交流出力電圧Ｖｏｕｔの位相に基づいて位相指令値θ＊を出力する。
【0042】
判定部４１は、交流出力電圧Ｖｏｕｔが所定の閾値以上となったか否かを判定する。つまり、判定部４１は、電力変換回路１５の交流側の系統における電圧が擾乱から復帰したか否かを判定してもよい。
【0043】
第二座標変換部４２は、ａｂｃ軸／ｄｑ軸変換つまり三相から二相への変換を行う。これにより、第二座標変換部４２は、交流出力電圧Ｖｏｕｔからｄ軸出力電圧Ｖｄ及びｑ軸出力電圧Ｖｑを算出する。
【0044】
第三座標変換部４３は、ａｂｃ軸／ｄｑ軸変換つまり三相から二相への変換を行う。これにより、第三座標変換部４３は、交流出力電流ｉｏｕｔからｄ軸出力電流ｉｄ及びｑ軸出力電流ｉｑを算出する。
【0045】
電力制御部４４は、判定部４１の判定結果と、第二座標変換部４２の上記算出値Ｖｄ、Ｖｑと、第三座標変換部４３の上記算出値ｉｄ、ｉｑとに基づいて、ｄ軸電流指令値ｉ＊
ｄとｑ軸電流指令値ｉ＊
ｑとを算出する。
【0046】
このように、電力変換装置１０は、検出部２９がコンタクタ１３の開放を検出した場合には、第２制御部２２が出力した指令値を選択して出力し、検出部２９が電圧の擾乱からの復帰を検出した場合には、第１制御部２１が保持した指令値を選択して出力するように、スイッチ２３の切り替えを制御するので、交流側の系統に擾乱が発生したために直流入力電圧とインバータ側の直流電圧とに差が生じても、交流側の系統の擾乱解消後に正常運転へ復帰させる応答性を高めることができる。
【0047】
また、電力変換装置１０は、検出部２９がコンタクタ１３の開閉を検出し、切替制御部３０が検出部２９の検出結果に応じてスイッチ２３を制御することにより、コンタクタ１３の投入を維持するための停電補償回路等を不要にすることができる。
【0048】
なお、直流電源１１は、例えば太陽電池パネルと蓄電池とのいずれか一方の電源であってもよく、これらの両方の電源を備えてもよい。蓄電池は、各種公知の二次電池又は燃料電池を含んでもよい。また、風力発電機と交流直流コンバータ装置とが、この直流電源１１とされてもよい。また、直流電源１１は、各種の再生可能エネルギー発電装置であってもよい。
【0049】
なお、電力変換装置１０が行う制御の各機能は、それぞれ一部又は全部がＰＬＤ（Programmable Logic Device）やＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）等のハードウェアによって構成されてもよいし、ＣＰＵ等のプロセッサが実行するプログラムとして構成されてもよい。
【0050】
また、本発明にかかる電力変換装置１０が行う制御は、コンピュータとプログラムを用いて実現することができ、プログラムを記憶媒体に記録することも、ネットワークを通して提供することも可能である。
【符号の説明】
【0051】
１０・・・電力変換装置、１１・・・直流電源、１２・・・電力グリッド、１３・・・コンタクタ、１４・・・直流キャパシタ、１５・・・電力変換回路、１６ａ・・・交流リアクトル、１６ｂ・・・交流キャパシタ、１７・・・コンタクタ、１８・・・ＭＰＰＴ制御部、１９・・・第一減算器、２０・・・第二減算器、２１・・・第１制御部、２２・・・第２制御部、２３・・・スイッチ、２４・・・第一加算器、２５・・・第一座標変換部、２６・・・第三減算器、２７・・・電流制御部、２８・・・ＰＷＭ駆動回路、２９・・・検出部、３０・・・切替制御部、４１・・・判定部、４２・・・第二座標変換部、４３・・・第三座標変換部、４４・・・電力制御部
【要約】
第１直流電圧制御部が出力又は保持した指令値と、第２直流電圧制御部が出力した指令値のいずれかを選択して出力するように切り替えるスイッチと、コンタクタの開放、及び電力変換回路の交流側の系統における電圧の擾乱からの復帰を検出する検出部と、検出部がコンタクタの開放を検出した場合には、第２直流電圧制御部が出力した指令値を選択して出力し、検出部が電圧の擾乱からの復帰を検出した場合には、第１直流電圧制御部が保持した指令値を選択して出力するように、スイッチの切り替えを制御する切替制御部とを有する。
【図1】