特許 7164041 電力変換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(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-10-24

(45)【発行日】2022-11-01

(54)【発明の名称】電力変換装置および電力変換システム

(51)【国際特許分類】

   H02M 7/48 20070101AFI20221025BHJP

   G05F 1/70 20060101ALI20221025BHJP

   H02J 3/18 20060101ALI20221025BHJP

   H02J 3/00 20060101ALI20221025BHJP

【ＦＩ】

H02M7/48 R

G05F1/70 L

H02J3/18 142

H02J3/00 180

【請求項の数】 4

(21)【出願番号】P 2021529602

(86)(22)【出願日】2019-07-02

(86)【国際出願番号】 JP2019026318

(87)【国際公開番号】W WO2021001931

(87)【国際公開日】2021-01-07

【審査請求日】2021-11-30

(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】梅野 千恵子

(72)【発明者】

【氏名】安保 達明

【審査官】東 昌秋

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１７－２２９１１０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１７－３４７３９（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１５／０２２７２４（ＷＯ，Ａ１）

【文献】国際公開第２００９／０７８０７２（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２０１５－１８０１２５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１７－９９０３９（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０２Ｍ ７／４２－７／９８

Ｇ０５Ｆ １／７０

Ｈ０２Ｊ ３／００－５／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

電力系統と連系する電力変換回路と、
前記電力変換回路の出力電流と出力電圧とに基づいて、前記電力変換回路が出力した無効電力と無効電流とのうち少なくとも一方の情報を計算する計算部と、
記憶デバイスを含み、時刻と前記計算部で計算した前記少なくとも一方の情報とを対応付けた情報である時系列無効電力情報を前記記憶デバイスに蓄積する記憶部と、
を備え、
前記時系列無効電力情報は、前記時刻と前記計算部で計算した前記少なくとも一方の情報とに対して、さらに年月日を対応付けたものであり、
前記時系列無効電力情報において前記時刻及び前記年月日と対応付けられる前記少なくとも一方の情報は、前記電力変換回路が出力した無効電力と無効電流のそれぞれについての瞬時値と積算値を含む
電力変換装置。

【請求項2】

複数の電力変換装置と、
前記複数の電力変換装置それぞれと接続されたサーバと、
を備え、
前記複数の電力変換装置それぞれは、
電力系統と連系する電力変換回路と、
前記電力変換回路の出力電流と出力電圧とに基づいて、前記電力変換回路が出力した無効電力と無効電流とのうち少なくとも一方の情報を計算する計算部と、
記憶デバイスを含み、時刻と前記計算部で計算した前記少なくとも一方の情報とを対応付けた情報である時系列無効電力情報を前記記憶デバイスに蓄積する記憶部と、
前記記憶デバイスに記憶された前記時系列無効電力情報を前記サーバに送信するための通信インターフェースと、
を備え、
前記時系列無効電力情報は、前記時刻と前記計算部で計算した前記少なくとも一方の情報とに対して、さらに年月日を対応付けたものであり、
前記時系列無効電力情報において前記時刻及び前記年月日と対応付けられる前記少なくとも一方の情報は、前記電力変換回路が出力した無効電力と無効電流のそれぞれについての瞬時値と積算値を含む
電力変換システム。

【請求項3】

風力発電機を含まないように構築された請求項２に記載の電力変換システム。

【請求項4】

発電設備が太陽電池アレイのみからなるシステムと、発電設備が蓄電池のみからなるシステムと、発電設備が太陽光発電と蓄電池とのみからなるシステムと、のいずれかの形態に構築された請求項３に記載の電力変換システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本出願は、電力変換装置および電力変換システムに関するものである。

【背景技術】

【0002】

従来、例えば日本特開２０１７－１１８６４３号公報に記載されているように、無効電力を検出するように構築されたインバータ制御用の制御装置が知られている。この公報の段落００３４に記載されているように、上記の制御装置は、３レベルインバータから電力系統へ出力される無効電力を制御している。

【0003】

上記の制御装置は、インバータ制御部を含んでいる。この公報の段落００４６によれば、インバータ制御部が無効電力検出部を含んでいる。この公報の段落００４９によれば、無効電力検出部が、予め定められた数式に基づいて無効電力を算出するように構築されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】日本特開２０１７－１１８６４３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

現状の系統連系システムでは、有効電力が電力会社との取引の対象とされている。将来的には、有効電力に加えて無効電力も売買の対象となることが想定される。本願発明者はそのような将来的展望を見越して電力変換装置および電力変換システムに搭載されるべき新規な技術的構成を見出すに至った。

【0006】

本出願は、上述のような課題を解決するためになされたもので、無効電力の取引が行われるときの利便性が高められた電力変換装置および電力変換システム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】

【0007】

本出願にかかる電力変換装置は、
電力系統と連系する電力変換回路と、
前記電力変換回路の出力電流と出力電圧とに基づいて、前記電力変換回路が出力した無効電力と無効電流とのうち少なくとも一方の情報を計算する計算部と、
記憶デバイスを含み、時刻と前記計算部で計算した前記少なくとも一方の情報とを対応付けた情報である時系列無効電力情報を前記記憶デバイスに蓄積する記憶部と、
を備え、
前記時系列無効電力情報は、前記時刻と前記計算部で計算した前記少なくとも一方の情報とに対して、さらに年月日を対応付けたものであり、
前記時系列無効電力情報において前記時刻及び前記年月日と対応付けられる前記少なくとも一方の情報は、前記電力変換回路が出力した無効電力と無効電流のそれぞれについての瞬時値と積算値を含む。

【0008】

本出願にかかる電力変換システムは、
複数の電力変換装置と、
前記複数の電力変換装置それぞれと接続されたサーバと、
を備え、
前記複数の電力変換装置それぞれは、
電力系統と連系する電力変換回路と、
前記電力変換回路の出力電流と出力電圧とに基づいて、前記電力変換回路が出力した無効電力と無効電流とのうち少なくとも一方の情報を計算する計算部と、
記憶デバイスを含み、時刻と前記計算部で計算した前記少なくとも一方の情報とを対応付けた情報である時系列無効電力情報を前記記憶デバイスに蓄積する記憶部と、
前記記憶デバイスに記憶された前記時系列無効電力情報を前記サーバに送信するための通信インターフェースと、
を備え、
前記時系列無効電力情報は、前記時刻と前記計算部で計算した前記少なくとも一方の情報とに対して、さらに年月日を対応付けたものであり、
前記時系列無効電力情報において前記時刻及び前記年月日と対応付けられる前記少なくとも一方の情報は、前記電力変換回路が出力した無効電力と無効電流のそれぞれについての瞬時値と積算値を含む。

【発明の効果】

【0009】

本出願にかかる電力変換装置および電力変換システムによれば、電力変換回路が出力した無効電力と無効電流のそれぞれについての瞬時値と積算値の時系列データを記憶部に蓄積することができる。これにより無効電力の取引が行われるときに発電量を客観的に評価することが可能となるので、無効電力の取引をする際の利便性が得られる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】実施の形態にかかる電力変換装置およびこれを含む電力変換システムを示す構成図である。

【図2】実施の形態にかかる電力変換装置およびこれを含む電力変換システムを示す構成図である。

【図3】実施の形態にかかる電力変換装置の記憶部が記憶する時系列無効電力情報を説明するための模式図である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

図１および図２は、実施の形態にかかる電力変換装置３およびこれを含む電力変換システム１を示す構成図である。電力変換システム１は、三相交流電力を送電する電力系統１００に接続している。電力変換システム１は、上位変圧器１０３と、複数の電力変換装置３と、上位サーバ１０とを備えている。

【0012】

電力変換装置３の入力側には、発電設備２または電池設備１２が接続されている。発電設備２は、太陽電池アレイまたは風力発電機などのいわゆる再生エネルギー発電設備２を含んでもよい。再生エネルギー発電設備２は天候および時間帯によって発電量が変動する。電池設備１２は、蓄電池（二次電池）を含んでもよいし、燃料電池を含んでもよい。電池設備１２は、蓄電池本体と、この蓄電池本体の状態を管理するバッテリマネジメントユニット（ＢＭＵ）とを備えてもよい。

【0013】

上位サーバ１０は、複数の電力変換装置３それぞれと通信伝送路を介して接続されている。多数の電力変換装置３および太陽電池アレイが設置された発電プラントの場合には、上位サーバ１０は、複数の電力変換装置３を統合制御するＰＰＣ（パワープラントコントローラ）であってもよい。電力変換装置３が一つのみの発電プラントの場合には、上位サーバ１０は、かならずしもＰＰＣでなくともよく、何らかの監視装置によって代替されても良い。上位サーバ１０は、一定容量の上位記憶デバイスを備えている。後述する「無効電力時系列情報」がこの上位記憶デバイスに収集および蓄積される。

【0014】

図２は、実施の形態にかかる電力変換システム１において、一つの電力変換装置３の構成を説明するための詳細構成図である。図２では、発電設備２と接続した電力変換装置３を図示しているが、電池設備１２と接続された電力変換装置３も同様の構造を備える。

【0015】

電力変換システム１は、発電設備２と、電力変換装置３と、複数の変流器５と、複数の計器用変成器７と、複数のリアクトル６と、上位変圧器１０３と、を備えている。

【0016】

電力変換装置３は、電力変換回路３ａと電力変換制御回路４とを備えている。実施の形態における電力変換回路３ａは、直流電力を交流電力に変換するインバータ回路であり、一例として電圧型三相インバータ回路であってもよい。

【0017】

電力変換制御回路４は、電力計算部４ａと、有効電力減算部４ｂと、無効電力減算部４ｃと、有効電力制御部４ｄ１と、無効電力制御部４ｄ２と、インバータ電圧指令演算部４ｅと、ゲートパルス生成部４ｆと、記憶部４ｇと、通信インターフェース４ｈと、を備える。

【0018】

電力計算部４ａは、複数の計器用変成器７を介して電圧計測値を取得するとともに、複数の変流器５を介して電流計測値を取得する。電流計測値は、電力変換回路３ａの三相出力電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗを含む。電圧計測値は、相間の出力電圧Ｖｕｗ、Ｖｖｗを含む。

【0019】

電力計算部４ａは、取得した電圧計測値および電流計測値に基づいて、有効電力計測値と無効電力計測値とをそれぞれ計算する。電力計算部４ａで計算される無効電力計測値には、電力変換回路３ａが出力した無効電力と無効電流とのうち少なくとも一方の情報が含まれる。有効電力と有効電流と無効電流と無効電力とを含む各種電力パラメータの計算方法は既に公知の各種計算方法が知られており新規な技術ではないので、計算方法の詳細は説明を省略する。

【0020】

電力変換制御回路４は、指令値生成部（図示せず）から指令値ＰＱ^＊を受け取る。指令値ＰＱ^＊は、有効電力指令値Ｐ^＊と無効電力指令値Ｑ^＊とを含んでいる。

【0021】

有効電力減算部４ｂは、電力計算部４ａからの有効電力計測値Ｐと有効電力指令値Ｐ^＊との差分を演算する。無効電力減算部４ｃは、電力計算部４ａからの無効電力計測値Ｑと無効電力指令値Ｑ^＊との差分を演算する。

【0022】

有効電力制御部４ｄ１は、有効電力減算部４ｂの出力値に対して公知のフィードバック制御を実施する。無効電力制御部４ｄ２は、無効電力減算部４ｃの出力値に対して公知のフィードバック制御を実施する。フィードバック制御には、ＰＩ制御とＰ制御とＰＩＤ制御とのうちいずれかを用いることができる。

【0023】

インバータ電圧指令演算部４ｅは、有効電力制御部４ｄ１からの有効電力指令値と無効電力制御部４ｄ２の無効電力指令値とに基づいて三相分の電圧指令値を生成する。ゲートパルス生成部４ｆは、インバータ電圧指令演算部４ｅからの三相分の電圧指令値に基づいて電力変換回路３ａのスイッチング素子へのゲート駆動用ＰＷＭ信号を生成する。

【0024】

複数の変流器５は、電力変換回路３ａの三相出力側配線にそれぞれ設けられている。複数の変流器５で変換された電流信号に基づいて、三相（つまりＵ相，Ｖ相，Ｗ相）それぞれの電流を計測することができる。複数の計器用変成器７は、電力変換回路３ａの三相出力側配線にそれぞれ設けられている。複数の計器用変成器７を介して、三相間の電圧を計測することができる。

【0025】

複数のリアクトル６は、電力変換回路３ａの三相交流側それぞれと上位変圧器１０３との間に介在している。上位変圧器１０３は、リアクトル６と電力系統１００との間に介在している。ただし、このシステム構成は一例であり、リアクトル６および上位変圧器１０３はいわゆる連系リアクトルあるいは連系トランスであり、いずれかが省略されることもある。

【0026】

記憶部４ｇは、記憶デバイスを含む。記憶部４ｇは、「時系列無効電力情報」を記憶デバイスに蓄積する。「時系列無効電力情報」は、電力計算部４ａで計算した少なくとも一方の情報を時刻と対応付けた情報である。記憶部４ｇは、予め定められた所定時間長に渡って時系列無効電力情報を蓄積する。所定時間長は、日中と夜間とを含む一日以上の長さであることが好ましい。日中と夜間とでは売電価格に差が生じうるからである。

【0027】

記憶部４ｇに含まれる記憶デバイスは、不揮発性メモリであってもよい。不揮発性メモリは、ＵＳＢフラッシュドライブあるいはＳＤメモリカードなどのフラッシュメモリであってもよい。記憶部４ｇに含まれる記憶デバイスは、大容量記憶装置であってもよく、具体的にはＳＳＤ（ソリッドステートドライブ）あるいはハードディスクドライブであってもよい。前述した上位サーバ１０が持つ上位記憶デバイスは、各電力変換装置３が持つ記憶デバイスよりも大きな記憶容量を持ってもよい。

【0028】

通信インターフェース４ｈは、記憶部４ｇの記憶デバイスに記憶された時系列無効電力情報を上位サーバ１０に送信する。通信インターフェース４ｈと上位サーバ１０との間の通信伝送路は例えば光ファイバー通信ケーブルで構築されてもよいが、これに限定されるものではなく、無線および有線のあらゆる通信伝送路を用いても良い。

【0029】

実施の形態において指令値ＰＱ^＊を生成する指令値生成部は、電力変換システム１において電力変換装置３を上位制御する上位制御装置であってもよい。実施の形態では、一例として、指令値生成部が、いわゆるメインサイトコントローラ（ＭＳＣ）であってもよく、ＰＰＣであってもよい。この場合、指令値生成部と上位サーバ１０とが同じハードウェアで実現されていてもよい。

【0030】

図１に示すように、電力変換装置３のいくつかは電池設備１２と接続されてもよい。電池設備１２の充放電を行うために、電力変換制御回路４は充電制御モードおよび放電制御モードを備える。電力変換制御回路４は、指令値ＰＱ^＊の内容に応じて「充電制御モード」と「放電制御モード」とを選択的に実行することができる。

【0031】

充電制御モードは、リアクトル６の側から電力変換回路３ａを介して電池設備１２へと電力を取り込むように電力変換回路３ａを制御するモードである。放電制御モードは、電池設備１２から電力変換回路３ａを介してリアクトル６の側へと電池設備１２の電力を放出するように電力変換回路３ａを制御するモードである。

【0032】

実施の形態では、電力変換装置３から系統に注入される無効電力および無効電流それぞれの値が、電力変換装置３に設けられた記憶部４ｇに記録される。まず、変流器５と計器用変成器７とを介して取得された信号が電力変換制御装置４に伝達される。取得された信号が電力変換装置３内部の電流センサ回路および電圧センサ回路に伝達されることで、系統出力電流Ｉｓおよび系統電圧Ｖｓが検知される。

【0033】

電力計算部４ａは、この系統出力電流Ｉｓおよび系統電圧Ｖｓに基づいて、電力変換装置３が系統側に出力している無効電流および無効電力を計算する。計算値は、瞬時値および積算値の両方を含む。記憶部４ｇは、無効電流の瞬時値および積算値と、無効電力の瞬時値および積算と値を、時刻と対応付けて記録する。この記録された電子データが「時系列無効電力情報」である。なお、記憶部４ｇがどの程度の期間に渡って積算値を記憶するかは予め設定されている。

【0034】

電力変換制御回路４は、記憶部４ｇに記録した時系列無効電力情報を、必要に応じて上位の上位サーバ１０に伝送する。電力変換制御回路４と上位サーバ１０との通信頻度は様々に定めることができる。例えば、電力変換制御回路４が予め定められた周期で定期的に上位サーバ１０に時系列無効電力情報を自動伝送してもよい。上位サーバ１０からの要求信号に応答してその都度電力変換制御回路４が時系列無効電力情報を上位サーバ１０に伝送してもよい。あるいは、データが発生するたびに即時に通信されるリアルタイム処理であってもよい。

【0035】

図３は、実施の形態にかかる電力変換装置３の記憶部４ｇが記憶する時系列無効電力情報を説明するための模式図である。具体的には、時系列無効電力情報は、図３に示すように、年月日と、時刻と、無効電力の瞬時値と、無効電力の積算値と、無効電流の瞬時値と、無効電流の積算値と、を含んでいる。これらのすべての情報を図３に示すように時刻と対応付けて記憶することが好ましい。ただし、変形例として、無効電力の瞬時値と無効電力の積算値と無効電流の瞬時値と無効電流の積算値とのうち一種の情報または複数種の情報のみを記録しても良い。記憶するデータのサンプリング周期は、例えば一秒刻みであってもよく、一秒未満の微小時間刻みでもよく、一秒を超える数秒程度の短時間刻みでもよい。なお、無効電力の記録は、遅れ無効電力と進み無効電力とを区別して記録するものであってもよい。

【0036】

以上説明したように、実施の形態にかかる電力変換装置３によれば、時系列無効電力情報を電子データの形態で記憶部４ｇに履歴として蓄積することができる。従って、無効電力の取引が行われるときに客観的な価値評価をすることができる。

【0037】

実施の形態において以下のような変形例が提供されてもよい。変形例の一つとして、記憶部４ｇは、事故記憶処理を実行するように構築されてもよい。事故記憶処理は、事故発生時における電力変換回路３ａの出力電力に関する事故関連情報を、時刻と対応付けて予め定めた期間に渡って蓄積するものである。事故記憶処理と、実施の形態にかかる時系列無効電力情報の記録処理とが、個別に電力変換制御回路４に搭載されていても良い。この場合には、記憶部４ｇが、事故関連情報とは別に、事故電力関連情報の蓄積期間よりも長期間または短期間に渡って時系列無効電力情報を蓄積してもよい。

【符号の説明】

【0038】

１ 電力変換システム、２ 発電設備、３ 電力変換装置、３ａ 電力変換回路、４ 電力変換制御回路、４ａ 電力計算部、４ｂ 有効電力減算部、４ｃ 無効電力減算部、４ｄ１ 有効電力制御部、４ｄ２ 無効電力制御部、４ｅ インバータ電圧指令演算部、４ｆ ゲートパルス生成部、４ｇ 記憶部、４ｈ 通信インターフェース、５ 変流器、６ リアクトル、７ 計器用変成器、１０ 上位サーバ、１２ 電池設備、１００ 電力系統、１０３ 上位変圧器

【図1】

【図2】

【図3】