(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】2023-08-04
(45)【発行日】2023-08-15
(54)【発明の名称】電源装置
(51)【国際特許分類】
H02J 9/06 20060101AFI20230807BHJP
H02J 7/34 20060101ALI20230807BHJP
【ＦＩ】
H02J9/06 120
H02J7/34 G
【請求項の数】
6
(21)【出願番号】P 2022528038
(86)(22)【出願日】2022-01-07
(86)【国際出願番号】 JP2022000377
【審査請求日】2022-05-13
(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】110001195
【氏名又は名称】弁理士法人深見特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】張 暁▲チン▼
【審査官】赤穂 嘉紀
(56)【参考文献】
【文献】国際公開第２０１７／００９９９８（ＷＯ，Ａ１）
【文献】特開２０２０－１９５１７４（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００３－７９０６９（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｈ０２Ｊ ９／００－１１／００
Ｈ０２Ｊ ７／３４
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
交流電源に接続される入力端子と、負荷に接続される出力端子と、
蓄電装置に接続される直流端子と、
前記入力端子および前記出力端子の間に接続されるスイッチと、
各々が前記直流端子と前記出力端子との間で双方向の電力変換を行う複数の電力変換器と、
前記スイッチおよび前記複数の電力変換器を制御する制御装置とを備え、
前記複数の電力変換器は、少なくとも１つの第１の電力変換器を含み、
前記少なくとも１つの第１の電力変換器は、前記交流電源から前記スイッチを介して供給される交流電力を直流電力に変換して対応する蓄電装置に蓄える充電モードと、前記電力変換のための制御信号を生成して前記電力変換を待機する待機モードとを有しており、
前記交流電源から供給される交流電圧が正常である場合には、前記制御装置は、前記スイッチをオンするとともに、前記少なくとも１つの第１の電力変換器を、前記充電モードと前記待機モードとの間で交互に切り換えるように構成され、
前記交流電圧が正常でない場合には、前記制御装置は、前記スイッチをオフするとともに、各々が前記蓄電装置の直流電力を交流電力に変換して前記負荷に供給するように、前記複数の電力変換器を制御する、電源装置。
【請求項2】
前記複数の電力変換器は、少なくとも１つの第２の電力変換器をさらに含み、前記交流電圧が正常である場合には、前記制御装置は、前記負荷に流出する高調波電流と逆極性の補償電流を前記負荷に供給するように、前記少なくとも１つの第２の電力変換器を制御する、請求項１に記載の電源装置。
【請求項3】
前記制御装置は、前記充電モードの実行時間および前記待機モードの実行時間を測定するタイマを有しており、前記タイマの測定時間に基づいて、予め定められた時間毎に、前記少なくとも１つの第１の電力変換器を前記充電モードおよび前記待機モードの間で交互に切り換える、請求項１または２に記載の電源装置。【請求項4】
前記複数の電力変換器にそれぞれ対応して設けられ、各々が対応する電力変換器と前記出力端子との間に接続される複数の機械スイッチをさらに備え、前記電源装置の通常運転中、前記制御装置は、前記複数の機械スイッチをオンする、請求項１から３のいずれか１項に記載の電源装置。
【請求項5】
前記待機モード時、前記制御装置は、前記直流端子の直流電圧と参照直流電圧との偏差を０にするための第１の制御信号と、前記出力端子の交流電圧と参照交流電圧との偏差を０にするための第２の制御信号とを生成する、請求項１から４のいずれか１項に記載の電源装置。【請求項6】
前記電源装置は瞬低補償装置である、請求項１から５のいずれか１項に記載の電源装置。【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は電源装置に関する。
【背景技術】
【0002】
国際公開第２０１１／０３３８２０号明細書（特許文献１）には、交流電源と負荷との間に接続されるスイッチと、負荷と複数の蓄電装置との間にそれぞれ接続される複数の電力変換器とを備えた電源装置が開示されている。
【0003】
特許文献１では、複数の電力変換器のうちの負荷を駆動するために必要な台数の電力変換器のみを運転させるとともに、残りの電力変換器を負荷から切り離して運転を停止させる。これにより、負荷容量に関係なく全ての電力変換器を運転させる場合に比べて、複数の電力変換器で発生するスイッチング損失を低減させ、電源装置の効率を高めることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【文献】国際公開第２０１１／０３３８２０号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
しかしながら、特許文献１に記載の電源装置では、負荷を駆動するために必要な台数の電力変換器のみを運転させるとともに、残りの電力変換器を負荷から切り離して運転を停止させるため、負荷容量の急増に対する応答性が遅くなることが懸念される。また、負荷容量が増えるに従って運転させる電力変換器の台数が増えるため、負荷容量が大きい状況では、スイッチング損失を低減する効果を十分に得られないという課題がある。
【0006】
本開示は、かかる問題を解決するためになされたものであり、本開示の目的は、高速応答性および高効率を有する電源装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【0007】
本開示の一態様に係る電源装置は、入力端子、出力端子、直流端子、スイッチ、複数の電力変換器、および制御装置とを備える。入力端子は、交流電源に接続される。出力端子は、負荷に接続される。直流端子は、蓄電装置に接続される。スイッチは、入力端子および出力端子の間に接続される。複数の電力変換器は、各々が直流端子と出力端子との間で双方向の電力変換を行う。制御装置は、スイッチおよび複数の電力変換器を制御する。複数の電力変換器は、少なくとも１つの第１の電力変換器を含む。少なくとも１つの第１の電力変換器は、交流電源からスイッチを介して供給される交流電力を直流電力に変換して対応する蓄電装置に蓄える充電モードと、電力変換のための制御信号を生成して電力変換を待機する待機モードとを有する。交流電源から供給される交流電圧が正常である場合には、制御装置は、スイッチをオンするとともに、少なくとも１つの第１の電力変換器を、充電モードと待機モードとの間で交互に切り換えるように構成される。交流電圧が正常でない場合には、制御装置は、スイッチをオフするとともに、各々が蓄電装置の直流電力を交流電力に変換して負荷に供給するように、複数の電力変換器を制御する。
【発明の効果】
【0008】
本開示によれば、高速応答性および高効率を有する電源装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【0009】
【図1】本開示の実施の形態に従う電源装置が適用される瞬低補償装置の構成例を示すブロック図である。
【図2】制御装置のハードウェア構成を示す図である。
【図3】本実施の形態に従う瞬低補償装置の通常運転時における双方向コンバータの運転状態の遷移図である。
【図5】本実施の形態に従う瞬低補償装置の通常運転時における動作波形図である。
【図6】制御装置の要部を示すブロック図である。
【図9】瞬低補償装置の通常運転時における制御装置の処理手順を示すフローチャートである。
【図10】本実施の形態に従う瞬低補償装置および比較例に従う瞬低補償装置における、負荷容量に対する給電効率の推移の一例を示す図である。
【図11】比較例に従う瞬低補償装置における運転台数の制御を説明する図である。
【図12】本開示の実施の形態に従う電源装置が適用される瞬低補償装置の他の構成例を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【0010】
以下、本開示の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中の同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。
【0011】
＜瞬低補償装置の構成＞
図１は、本開示の実施の形態に従う電源装置が適用される瞬低補償装置の構成例を示すブロック図である。図１に示すように、瞬低補償装置は、入力端子Ｔ１、出力端子Ｔ２、複数の直流端子Ｔ３１～Ｔ３５、ＶＣＢ（Vacuum Circuit Breaker：真空遮断器）１，５，６，２１、ＨＳＳ（High Speed Switch：高速スイッチ）２、電流検出器７、複数の双方向コンバータ８１～８５、複数の変圧器２０、操作部９、および制御装置１０を備える。図１では、５台の双方向コンバータ８１～８５が示されているが、複数の双方向コンバータの台数は特に限定されない。
図１は、本開示の実施の形態に従う電源装置が適用される瞬低補償装置の構成例を示すブロック図である。図１に示すように、瞬低補償装置は、入力端子Ｔ１、出力端子Ｔ２、複数の直流端子Ｔ３１～Ｔ３５、ＶＣＢ（Vacuum Circuit Breaker：真空遮断器）１，５，６，２１、ＨＳＳ（High Speed Switch：高速スイッチ）２、電流検出器７、複数の双方向コンバータ８１～８５、複数の変圧器２０、操作部９、および制御装置１０を備える。図１では、５台の双方向コンバータ８１～８５が示されているが、複数の双方向コンバータの台数は特に限定されない。
【0012】
入力端子Ｔ１は、商用交流電源７１から供給される商用周波数の交流電圧ＶＩを受ける。交流電圧ＶＩの瞬時値は、制御装置１０によって検出される。制御装置１０は、交流電圧ＶＩが予め定められた下限値よりも低下した場合に、瞬低（瞬時電圧低下）が発生したと判断する。
【0013】
出力端子Ｔ２は、負荷７２に接続される。負荷７２は、出力端子Ｔ２から供給される交流電圧ＶＯによって駆動される。交流電圧ＶＯの瞬時値は、制御装置１０によって検出される。
【0014】
複数の直流端子Ｔ３１～Ｔ３５は、複数の蓄電装置７３にそれぞれ接続される。蓄電装置７３は電力を蓄える。蓄電装置７３は、バッテリでもよいし、コンデンサでも構わない。直流端子Ｔ３１～Ｔ３５の直流電圧ＶＤＣ１～ＶＤＣ５は、制御装置１０によってそれぞれ検出される。
【0015】
ＶＣＢ１、ＨＳＳ２，およびＶＣＢ５は、入力端子Ｔ１と出力端子Ｔ２との間に直列接続される。ＶＣＢ１，５は、瞬低補償装置の通常運転時にオンされ、例えば、ＨＳＳ２のメンテナンス時、またはバイパス給電時にオフされる。
【0016】
ＨＳＳ２は、直列接続された半導体スイッチ３および機械スイッチ４を含む。半導体スイッチ３および機械スイッチ４の各々は、制御装置１０によって制御され、交流電圧ＶＩが正常である場合（正常時）にオンされ、交流電圧ＶＩが正常でない場合（瞬低時）にオフされる。ＨＳＳ２は「スイッチ」の一実施例に対応する。
【0017】
半導体スイッチ３は、機械スイッチ４に比べて、動作速度が速く、耐圧が低いという特性を有する。機械スイッチ４は、半導体スイッチ３と比べて、動作速度が遅く、耐圧が高いという特性を有する。半導体スイッチ３および機械スイッチ４を直列接続することにより、瞬低発生時に瞬時にオフし、高い耐圧を有するＨＳＳ２を構成している。
【0018】
電流検出器７は、ＨＳＳ２に流れる交流電流ＩＯを検出し、その検出値を示す信号ＩＯｆを制御装置１０に与える。
【0019】
ＶＣＢ６は、入力端子Ｔ１と出力端子Ｔ２との間に接続される。ＶＣＢ６は、瞬低補償装置の通常運転時にオフされ、例えばバイパス給電時にオンされる。ＶＣＢ６がオンされると、商用交流電源７１からＶＣＢ６を介して負荷７２に交流電圧ＶＩが供給され、負荷７２が駆動される。
【0020】
双方向コンバータ８１の直流端子８ａは直流端子Ｔ３１に接続され、その交流端子８ｂは変圧器２０の１次巻線２０ａに接続される。変圧器２０の２次巻線２０ｂは、ＶＣＢ２１を介して、ＨＳＳ２およびＶＣＢ５の間のノードＮ１に接続される。変圧器２０の１次巻線２０ａに現れる交流電圧ＶＡＣ１の瞬時値は、制御装置１０によって検出される。
【0021】
双方向コンバータ８２の直流端子８ａは直流端子Ｔ３２に接続され、その交流端子８ｂは変圧器２０の１次巻線２０ａに接続される。変圧器２０の２次巻線２０ｂは、ＶＣＢ２１を介してノードＮ１に接続される。変圧器２０の１次巻線２０ａに現れる交流電圧ＶＡＣ２の瞬時値は、制御装置１０によって検出される。
【0022】
双方向コンバータ８３の直流端子８ａは直流端子Ｔ３３に接続され、その交流端子８ｂは変圧器２０の１次巻線２０ａに接続される。変圧器２０の２次巻線２０ｂは、ＶＣＢ２１を介してノードＮ１に接続される。変圧器２０の１次巻線２０ａに現れる交流電圧ＶＡＣ３の瞬時値は、制御装置１０によって検出される。
【0023】
双方向コンバータ８４の直流端子８ａは直流端子Ｔ３４に接続され、その交流端子８ｂは変圧器２０の１次巻線２０ａに接続される。変圧器２０の２次巻線２０ｂは、ＶＣＢ２１を介してノードＮ１に接続される。変圧器２０の１次巻線２０ａに現れる交流電圧ＶＡＣ４の瞬時値は、制御装置１０によって検出される。
【0024】
双方向コンバータ８５の直流端子８ａは直流端子Ｔ３５に接続され、その交流端子８ｂは変圧器２０の１次巻線２０ａに接続される。変圧器２０の２次巻線２０ｂは、ＶＣＢ２１を介してノードＮ１に接続される。変圧器２０の１次巻線２０ａに現れる交流電圧ＶＡＣ５の瞬時値は、制御装置１０によって検出される。
【0025】
双方向コンバータ８１～８５の各々は、複数のスイッチング素子を含む周知のものである。各スイッチング素子は、例えば、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）、ＧＣＴ（Gate Commutated Turn-off）サイリスタ、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor）等の自己消弧型の半導体スイッチング素子に還流ダイオード（ＦＷＤ：Freewheeling Diode）が逆並列に接続されて構成される。双方向コンバータ８１～８５の各々は、制御装置１０により、例えばＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御される。双方向コンバータに含まれる各スイッチング素子を所定のスイッチング周波数でオンおよびオフさせることにより、交流電力を直流電力に変換したり、直流電力を交流電力に変換することが可能となっている。
【0026】
商用交流電源７１から供給される交流電圧ＶＩが正常である場合（商用交流電源７１の正常時）には、双方向コンバータ８１～８５の各々は、商用交流電源７１からＶＣＢ１、ＨＳＳ２、ＶＣＢ２１、および変圧器２０を介して供給される交流電力を直流電力に変換して蓄電装置７３に蓄える。
【0027】
また、交流電圧ＶＩが正常でない場合（瞬低時）には、双方向コンバータ８１～８５の各々は、蓄電装置７３の直流電力を交流電力に変換して交流端子８ｂに出力する。この交流電力は、変圧器２０、およびＶＣＢ２１，５を介して負荷７２に供給される。
【0028】
各変圧器２０は、ノードＮ１と、対応する双方向コンバータとの間で交流電力を授受する。ＶＣＢ２１は、瞬低補償装置の通常運転時にオンされ、例えばＨＳＳ２または対応する双方向コンバータのメンテナンス時にオフされる。
【0029】
操作部９は、複数のボタン、複数のスイッチ、画像表示部等を含む。瞬低補償装置の使用者は、操作部９を操作することにより、瞬低補償装置の起動、停止、自動運転、手動運転等を指示したり、種々の条件設定等を行うことが可能となっている。操作部９は、使用者の指示等を示す信号を制御装置１０に与える。
【0030】
制御装置１０は、操作部９からの信号、交流電圧ＶＩ，ＶＯ，ＶＡＣ１～ＶＡＣ５、直流電圧ＶＤＣ１～ＶＤＣ５、電流検出器７の出力信号ＩＯｆ等に基づいて、瞬低補償装置全体を制御する。
【0031】
商用交流電源７１の交流電圧ＶＩが正常である場合には、制御装置１０は、交流電圧ＶＡＣ１～ＶＡＣ５、直流電圧ＶＤＣ１～ＶＤＣ５、および電流検出器７の出力信号ＩＯｆに基づいて、直流端子Ｔ３１～Ｔ３５の直流電圧ＶＤＣ１～ＶＤＣ５が所定の参照直流電圧ＶＤＣｒになるように、双方向コンバータ８１～８５をそれぞれ制御する。
【0032】
商用交流電源７１の交流電圧ＶＩが正常でない場合（瞬低時）には、制御装置１０は、出力端子Ｔ２の交流電圧ＶＯに基づいて、交流電圧ＶＯが所定の参照交流電圧ＶＯｒになるように双方向コンバータ８１～８５を制御する。
【0033】
＜瞬低補償装置の基本的動作＞
次に、図１に示した瞬低補償装置の通常運転時の基本的動作について説明する。
次に、図１に示した瞬低補償装置の通常運転時の基本的動作について説明する。
【0034】
通常運転時には、ＶＣＢ１，５，２１はオンされ、ＶＣＢ６はオフされている。商用交流電源７１から供給される交流電圧ＶＩが正常である場合には、ＨＳＳ２はオンされ、商用交流電源７１からＶＣＢ１、ＨＳＳ２およびＶＣＢ５を介して負荷７２に交流電力が供給され、負荷７２が運転される。
【0035】
また、商用交流電源７１からＶＣＢ１、ＨＳＳ２、ＶＣＢ２１および変圧器２０を介して双方向コンバータ８１～８５に交流電力が供給され、その交流電力が双方向コンバータ８１～８５によって直流電力に変換されて蓄電装置７３に蓄えられる。このとき、直流端子Ｔ３１～Ｔ３５の直流電圧ＶＤＣ１～ＶＤＣ５は参照直流電圧ＶＤＣｒに維持される。
【0036】
例えば、落雷が発生して交流電圧ＶＩの瞬時電圧低下が発生した場合には、制御装置１０によって商用交流電源７１から供給される交流電圧ＶＩが正常でないと判断され、ＨＳＳ２が瞬時にオフされ、商用交流電源７１と負荷７２とが電気的に切り離される。
【0037】
同時に、蓄電装置７３の直流電力が双方向コンバータ８１～８５によって交流電力に変換され、その交流電力が変圧器２０およびＶＣＢ２１，５を介して負荷７２に供給され、負荷７２の運転が継続される。このとき、出力端子Ｔ２の交流電圧ＶＯは、商用周波数の参照交流電圧ＶＯｒに維持される。
【0038】
交流電圧ＶＩが正常な電圧に復帰すると（商用交流電源７１が復電すると）、再びＨＳＳ２がオンされ、商用交流電源７１からＶＣＢ１、ＨＳＳ２およびＶＣＢ５を介して負荷７２に交流電力が供給され、負荷７２が運転される。また、商用交流電源７１からの交流電力が双方向コンバータ８１～８５によって直流電力が変換された蓄電装置７３に蓄えられる。
【0039】
したがって、瞬低補償装置によれば、瞬時電圧低下が発生した場合でも負荷７２の運転を継続することができる。
【0040】
なお、商用交流電源７１から供給される交流電圧ＶＩが比較的短時間（例えば１秒未満）低下する現象は、瞬時電圧低下と呼ばれる。また、交流電圧ＶＩが比較的長時間（例えば１秒以上）低下する現象は、停電と呼ばれる。瞬時電圧低下時に負荷７２に交流電力を供給する装置は「瞬低補償装置」と呼ばれ、停電時に負荷７２に交流電力を供給する装置は「無停電電源装置」と呼ばれる。瞬低補償装置と無停電電源装置は同様の構成であるので、本明細書では、両者を総称して「電源装置」と呼ぶ場合がある。
【0041】
次に、上述した基本的動作の問題点について説明する。瞬時電圧低下が発生するのは１年間で数十回程度であり、瞬時低電圧低下が発生していない大部分の時間において、双方向コンバータ８１～８５は蓄電装置７３を満充電状態に維持している。蓄電装置７３が満充電状態である場合には、双方向コンバータ８１～８５はほとんど電流を流していないが、双方向コンバータ８１～８５においてスイッチング損失が発生する。このスイッチング損失により、瞬停補償装置の給電効率が低下する。
【0042】
この対策として、特許文献１に開示されているように、負荷容量に基づいて負荷の駆動に必要な双方向コンバータの適正台数を求め、適正台数の双方向コンバータだけを運転させることにより、双方向コンバータ８１～８５のスイッチング損失を低減させる方法がある。
【0043】
図１１は、比較例に従う瞬低補償装置における運転台数の制御を説明する図である。図１１の例では、負荷率（最大負荷容量に対する実際の負荷容量の比）が４０％であるときの適正台数を２台とし、負荷率が６０％であるときの適正台数を３台とし、負荷率が８０％のときの適正台数を４台とする。
【0044】
負荷率が４０％であるときには、２台の双方向コンバータ８１，８２を運転することとし、残りの３台の双方向コンバータ８３～８５の運転を停止する。具体的には、商用交流電源７１の交流電圧ＶＩが正常である場合には、制御装置（図示せず）は、ＨＳＳ２をオンすることにより、商用交流電源７１からＨＳＳ２を介して負荷７２に交流電力を供給する。同時に、制御装置は、双方向コンバータ８１，８２に対応するＶＣＢ２１をオンし、商用交流電源７１からＨＳＳ２、ＶＣＢ２１および変圧器２０を介して双方向コンバータ８１，８２に交流電力を供給する。制御装置は、双方向コンバータ８１，８２を制御して、交流電力を直流電力に変換して２台の蓄電装置７３にそれぞれ蓄える。
【0045】
このとき、制御装置は、残り３台の双方向コンバータ８３～８５に対応するＶＣＢ２１をオフするとともに、双方向コンバータ８３～８５の運転を停止させる。
【0046】
この状態で、交流電圧ＶＩの瞬時電圧低下が発生した場合には、制御装置は、ＨＳＳ２を瞬時にオフするとともに、２台の双方向コンバータを制御して、蓄電装置７３の直流電力を交流電力に変換し、その交流電力を変圧器２０およびＶＣＢ２１を介して負荷７２に供給する。
【0047】
ここで、負荷容量が変化し、負荷率が４０％から６０％に増加した場合には、制御装置は、停止中の３台の双方向コンバータ８３～８５のうちの１台の双方向コンバータ８３を起動させるとともに、双方向コンバータ８３に対応するＶＣＢ２１をオンする。制御装置は、３台の双方向コンバータ８１～８３を制御する。
【0048】
負荷容量がさらに変化し、負荷率が６０％から８０％に増加した場合には、制御装置は、さらに、停止中の２台の双方向コンバータ８４，８５のうちの１台の双方向コンバータ８４を起動させるとともに、双方向コンバータ８４に対応するＶＣＢ２１をオンする。制御装置は、４台の双方向コンバータ８１～８４を制御する。
【0049】
なお、負荷率が８０％から６０％に減少した場合には、制御装置は、運転中の４台の双方向コンバータ８１～８４のうちの１台の双方向コンバータ８４を停止させるとともに、双方向コンバータ８４に対応するＶＣＢ２１をオフする。また、負荷率が６０％から４０％に減少した場合には、制御装置は、運転中の３台の双方向コンバータ８１～８３のうちの１台の双方向コンバータ８３を停止させるとともに、双方向コンバータ８３に対応するＶＣＢ２１をオフする。
【0050】
以上のように、比較例に従う瞬低補償装置によれば、負荷容量に応じた適正台数の双方向コンバータだけをＶＣＢ２１を介して負荷７２に接続して運転することにより、双方向コンバータのスイッチング損失を低減することができる。しかしながら、この方法では、負荷容量が増加した場合には、制御装置は、ＶＣＢ２１をオンして停止中の双方向コンバータを負荷７２に接続させた上で、当該双方向コンバータを起動させてその制御を開始することになる。そのため、負荷容量の急変に対する応答性が遅くなることが懸念される。これは、ＶＣＢ２１に動作速度の遅い機械スイッチを用いていること、および、双方向コンバータの起動および制御信号の生成に時間を要することによる。その結果、負荷容量が急変してから当該双方向コンバータが運転可能な状態となるまでの間、運転中の双方向コンバータが過負荷状態に陥る可能性がある。
【0051】
このように比較例では、負荷容量の急変に対する応答性が遅くなるために、瞬時電圧低下を補償することが困難となることが懸念される。また、負荷率が高くなるに従って適正台数が増えるため、負荷率が高い状態では、スイッチング損失を低減する効果を十分に得られないという課題がある。本開示は、これらの問題点の解決を図るものである。
【0052】
＜本実施の形態に従う瞬低補償装置の制御構成＞
次に、本実施の形態に従う瞬低補償装置の制御構成について説明する。
次に、本実施の形態に従う瞬低補償装置の制御構成について説明する。
【0053】
図２は、制御装置１０のハードウェア構成を示す図である。
図２に示すように、制御装置１０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）１００と、ＲＡＭ（Random Access Memory）１０２と、ＲＯＭ（Read Only Memory）１０４と、Ｉ／Ｆ（Interface）装置１０６と、記憶装置１０８とを含んで構成される。ＣＰＵ１００、ＲＡＭ１０２、ＲＯＭ１０４、Ｉ／Ｆ装置１０６、および記憶装置１０８は、通信バス１１０を通じて各種データを遣り取りする。
図２に示すように、制御装置１０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）１００と、ＲＡＭ（Random Access Memory）１０２と、ＲＯＭ（Read Only Memory）１０４と、Ｉ／Ｆ（Interface）装置１０６と、記憶装置１０８とを含んで構成される。ＣＰＵ１００、ＲＡＭ１０２、ＲＯＭ１０４、Ｉ／Ｆ装置１０６、および記憶装置１０８は、通信バス１１０を通じて各種データを遣り取りする。
【0054】
ＣＰＵ１００は、ＲＯＭ１０４に格納されているプログラムをＲＡＭ１０２に展開して実行する。ＲＯＭ１０４に格納されているプロフラムには、制御装置１０によって実行される処理が記述されている。
【0055】
Ｉ／Ｆ装置１０６は、各種センサおよび操作部９からの信号を受信する。また、Ｉ／Ｆ装置は、ＶＣＢ１，５，６，２１およびＨＳＳ２にオンオフ指令を送信するとともに、双方向コンバータ８１～８５に制御信号を送信する。
【0056】
記憶装置１０８は、各種情報を記憶するストレージであって、負荷７２の情報、蓄電装置７３の情報、双方向コンバータ８１～８５の運転条件を定めた情報等を記憶する。記憶装置１０８は、例えば、ハードディスクドライブ（ＨＤＤ：Hard Disk Drive）やソリッドステートドライブ（ＳＤＤ：Solid State Drive）等である。
【0057】
なお、制御装置１０の少なくとも一部をＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）およびＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）などの回路を用いて構成してもよい。
【0058】
図３は、本実施の形態に従う瞬低補償装置の通常運転時における双方向コンバータの運転状態の遷移図である。図３に示すように、瞬低補償装置は、双方向コンバータの運転モードとして、充電モード、待機モード、および給電モードを有している。
【0059】
充電モードは、蓄電装置７３に電力を蓄えるためのモードである。充電モードでは、双方向コンバータは、商用交流電源７１からＶＣＢ１、ＨＳＳ２、ＶＣＢ２１および変圧器２０を介して供給される交流電力を直流電力に変換し、その直流電力を蓄電装置７３に蓄える。
【0060】
待機モードは、双方向コンバータに含まれる複数のスイッチング素子をオンオフするための制御信号（ゲート信号）を生成する一方で、複数のスイッチング素子をオフ状態に維持するモードである。すなわち、待機モードは、双方向コンバータを制御するための制御信号を生成して、双方向コンバータによる電力変換を待機するモードである。待機モード中に制御信号を生成しておくことで、双方向コンバータを充電モードまたは給電モードに速やかに遷移させることが可能となる。
【0061】
給電モードは、蓄電装置７３の電力を負荷７２に供給するためのモードである。給電モードでは、双方向コンバータは、蓄電装置７３の直流電力を交流電力に変換し、その交流電力を変圧器２０およびＶＣＢ２１，５を介して負荷７２に供給する。
【0062】
商用交流電源７１から供給される交流電圧ＶＩが正常である場合、双方向コンバータは、充電モードおよび待機モードを選択的に実行する。具体的には、瞬低補償装置の通常運転が開始されると、双方向コンバータは、充電モードに初期設定される。この状態で、蓄電装置７３が満充電状態になると、充電モードから待機モードへの遷移が実行される。この状態で、予め定められた時間ＴＢが経過すると、待機モードから充電モードへの遷移が実行される。
【0063】
さらに充電モードにおいて、予め定められた充電時間ＴＡが経過すると、充電モードから待機モードへの遷移が実行される。その後、待機モードにおいて、予め定められた待機時間ＴＢが経過すると、待機モードから充電モードへの遷移が実行される。すなわち、商用交流電源７１の交流電圧ＶＩが正常である場合、予め定められた時間ＴＡ，ＴＢが経過する毎に、充電モードと待機モードとが交互に切り換えられる。
【0064】
この状態で、交流電圧ＶＩの瞬時電圧低下が発生し、商用交流電源７１から供給される交流電圧ＶＩが正常でないと判断されると、充電モードまたは待機モードから給電モードへの遷移が実行される。その後、交流電圧ＶＩが正常な電圧に復帰すると（商用交流電源７１が復電すると）、給電モードから充電モードへの遷移が実行される。この状態で蓄電装置７３が満充電状態になると、充電モードから待機モードへの遷移が実行される。その後、予め定められた時間ＴＡ，ＴＢが経過する毎に、充電モードと待機モードとが交互に切り換えられる。
【0065】
【0066】
商用交流電源７１の交流電圧ＶＩが正常である場合には、ＨＳＳ２がオンされ、商用交流電源７１からＶＣＢ１、ＨＳＳ２およびＶＣＢ５を介して負荷７２に交流電力が供給され、負荷７２が運転される。この状態で、双方向コンバータ８１～８５の一部は、予め定められた時間ＴＡ，ＴＢが経過する毎に、充電モードと待機モードとが交互に切り換えられる。本実施の形態では、双方向コンバータ８１～８５のうちの４台の双方向コンバータ８２～８５を間欠的に運転することとする。双方向コンバータ８２～８５は「第１の電力変換器」の一実施例に対応する。
【0067】
充電モードでは、制御装置１０は、双方向コンバータ８２～８５を運転する。各双方向コンバータには、商用交流電源７１からＶＣＢ１、ＨＳＳ２、ＶＣＢ２１および変圧器２０を介して交流電力が供給される。各双方向コンバータは、その交流電力を直流電力に変換して、対応する蓄電装置７３に蓄える。
【0068】
待機モードでは、制御装置１０は、双方向コンバータ８２～８５の制御信号を生成しつつ、双方向コンバータ８２～８５を電力変換の待機状態とする。双方向コンバータ８２～８５の運転を停止させることにより、双方向コンバータ８２～８５のスイッチング損失を０とすることができる。ただし、停止中であっても、制御装置１０が双方向コンバータ８２～８５の制御信号を生成しているため、双方向コンバータ８２～８５は、待機モードから充電モードまたは給電モードに速やかに遷移することが可能となっている。
【0069】
なお、待機モード時には、双方向コンバータ８１～８５のうちの一部を常時運転する。本実施の形態では、双方向コンバータ８１～８５のうちの１台の双方向コンバータ８１を常時運転することとする。これは、瞬低補償装置が接続されている配電系統の静電容量と変圧器などのインダクタンスとにより、高周波領域での共振現象が発生し、配電系統への高調波電流を流出させる可能性があるためである。交流電圧ＶＩが正常である場合、双方向コンバータ８１は、高調波電流が配電系統に流出するのを抑制するダンピング抵抗として動作するように制御される。双方向コンバータ８１は「第２の電力変換器」の一実施例に対応する。
【0070】
なお、常時運転する双方向コンバータの台数は、複数の双方向コンバータの台数よりも少なければよく、高調波電流の大きさなどに応じて適宜設定することができる。
【0071】
【0072】
直流電圧ＶＤＣ２は、蓄電装置７３の端子間電圧に対応しており、蓄電装置７３の充電状態に応じて変化する。直流電圧ＶＤＣ２は、蓄電装置７３が満充電状態に近づくに従って増加する。直流電圧ＶＤＣ２には、満充電状態であるときの蓄電装置７３の端子間電圧を上限値とするように、許容範囲が設定されている。直流電圧ＶＤＣ２をこの許容範囲に保つことにより、蓄電装置７３を満充電状態に近い状態に維持することができる。
【0073】
商用交流電源７１の交流電圧ＶＩが正常である場合、制御装置１０は、双方向コンバータ８２を間欠的に運転させる。充電モード時には、商用交流電源７１からの交流電力が双方向コンバータ８２によって直流電力に変換されて蓄電装置７３に蓄えられるため、直流電圧ＶＤＣ２が上昇する。
【0074】
待機モード時には、双方向コンバータ８２の運転を停止することにより、蓄電装置７３の充電が行われない。したがって、双方向コンバータ８２のスイッチング損失は０となる。この間、蓄電装置７３の状態を監視する監視回路等によって蓄電装置７３の電力が消費されるため、蓄電装置７３の残容量が徐々に減少する現象である自己放電が生じる。この蓄電装置７３の自己放電によって、直流電圧ＶＤＣ２も徐々に低下する。なお、直流電圧ＶＤＣ２が低下する速度は、蓄電装置７３の種類および環境によって変化する。
【0075】
上述したように、充電時間ＴＡおよび待機時間ＴＢが経過する毎に、充電モードおよび待機モードが交互に切り換えられるため、直流電圧ＶＤＣ２は上昇および低下を繰り返すこととなる。直流電圧ＶＤＣ２が許容範囲内で変動するように、充電時間ＴＡおよび待機時間ＴＢの各々の時間長を設定することにより、双方向コンバータ８２を間欠運転することによっても蓄電装置７３を満充電状態に近い状態に維持することができる。
【0076】
双方向コンバータ８２の間欠運転中に交流電圧ＶＩの瞬時電圧低下が発生した場合には、ＨＳＳ２が瞬時にオフされるのと同時に、双方向コンバータ８２は、充電モードまたは待機モードから給電モードへ遷移する。これにより、蓄電装置７３の直流電力が双方向コンバータ８２によって交流電力に変換されて、その交流電力が変圧器２０およびＶＣＢ２１，５を介して負荷７２に供給される。給電モード時、蓄電装置７３の残容量の減少に伴って直流電圧ＶＤＣ２は徐々に低下する。
【0077】
図示は省略するが、商用交流電源７１が復電し、交流電圧ＶＩが正常な電圧に復帰すると、再びＨＳＳ２がオンされて、商用交流電源７１から負荷７２に交流電力が供給される。同時に、双方向コンバータ８２は給電モードから充電モードに遷移するため、再び商用交流電源７１からの交流電力が双方向コンバータ８２によって直流電力に変換されて蓄電装置７３に蓄えられる。なお、商用交流電源７１の復電直後の充電モードは、その実行時間が充電時間ＴＡによって制限されることなく、蓄電装置７３が満充電状態になるまで連続して実行される。そして、蓄電装置７３が満充電状態になると、制御装置１０は、双方向コンバータ８２を再び間欠的に運転する。
【0078】
【0079】
瞬低検出部１７は、商用交流電源７１から供給される交流電圧ＶＩが正常であるか否かを判定し、判定結果を示す瞬低検出信号ＤＬを、スイッチ制御部１６、制御回路１１～１５およびタイマ１８に与える。
【0080】
例えば、瞬低検出部１７は、交流電圧ＶＩが予め定められた許容範囲内である場合には、交流電圧ＶＩは正常であると判定し、交流電圧ＶＩが許容範囲の下限値よりも低下した場合には、交流電圧ＶＩは正常でないと判定する。交流電圧ＶＩが正常である場合には、瞬低検出信号ＤＬは非活性化レベルの「Ｌ」レベルにされ、交流電圧ＶＩが正常でない場合には瞬低検出信号ＤＬは活性化レベルの「Ｈ」レベルにされる。
【0081】
タイマ１８は、瞬低検出信号ＤＬが「Ｌ」レベルである場合（すなわち、交流電圧ＶＩが正常である場合）に作動する。タイマ１８は、充電モードの実行時間Ｔｃ、および待機モードの実行時間Ｔｓを測定し、その測定時間を示す信号Ｔｃ，Ｔｓを制御回路１２～１５に与える。
【0082】
スイッチ制御部１６は、瞬低検出信号ＤＬに従って、ＨＳＳ２を制御する。具体的には、瞬低検出信号ＤＬが「Ｌ」レベルである場合（すなわち、交流電圧ＶＩが正常である場合）には、スイッチ制御部１６は、ＨＳＳ２をオンする。瞬低検出信号ＤＬが「Ｈ」レベルである場合（すなわち、交流電圧ＶＩが正常でない場合）には、スイッチ制御部１６は、ＨＳＳ２をオフする。
【0083】
また、スイッチ制御部１６は、瞬低補償装置の通常運転時には、ＶＣＢ１，５，２１をオンする。すなわち、スイッチ制御部１６は、瞬低検出信号ＤＬによらず（すなわち、交流電圧ＶＩが正常であるか否かによらず）、ＶＣＢ１，５，２１をオンする。
【0084】
制御回路１１～１５は、双方向コンバータ８１～８５にそれぞれ対応して設けられている。双方向コンバータ８１～８５は、制御回路１１～１５からの制御信号ＣＮＴ１～ＣＮＴ５によってそれぞれ制御されることにより、個別に制御可能となっている。
【0085】
本実施の形態では、交流電圧ＶＩが正常である場合には、制御回路１１は双方向コンバータ８１を常時運転させることとし、制御回路１２～１５は双方向コンバータ８２～８５をそれぞれ間欠運転させることとする。また、交流電圧ＶＩが正常でない場合（瞬低時）には、制御回路１１～１５は、双方向コンバータ８１～８５をそれぞれ運転し、負荷７２に交流電力を供給する。
【0086】
具体的には、制御回路１１は、瞬低検出信号ＤＬに従って、双方向コンバータ８１を制御するための制御信号ＣＮＴ１を生成する。瞬低検出信号ＤＬが「Ｌ」レベルである場合（すなわち、交流電圧ＶＩが正常である場合）には、制御回路１１は、信号ＩＯｆおよび交流電圧ＶＯ，ＶＡＣ１に基づいて、制御信号ＣＮＴ１を生成し、双方向コンバータ８１を運転する。双方向コンバータ８１を運転させることにより、共振現象による高調波電流が配電系統に流出することを抑制する。
【0087】
瞬低検出信号ＤＬが「Ｈ」レベルである場合（すなわち、交流電圧ＶＩが正常でない場合）には、制御回路１１は、直流電圧ＶＤＣ１および交流電圧ＶＯ，ＶＡＣ１に基づいて、双方向コンバータ８１を運転して蓄電装置７３を放電させ、負荷７２に交流電力を供給する。このとき制御回路１１は、交流電圧ＶＯが参照交流電圧ＶＯｒになるように双方向コンバータ８１を制御する。
【0088】
【0089】
共振補償部３０は、帯域通過型フィルタ（ＢＰＦ：Band Pass Filter）５０と、無効電流指令部５２と、電流検出器５６と、減算器５４と、電流制御部５８とを含む。ＢＰＦ５０は、電流検出器７の出力信号ＩＯｆによって示される交流電流ＩＯから高調波電流を抽出する。無効電流指令部５２は、ＢＰＦ５０により抽出された高調波電流と逆極性の電流指令値ＩＨを出力する。
【0090】
電流検出器５６は、双方向コンバータ８１から出力される補償電流ＩＡＣ１を検出し、その検出値を示す信号ＩＡＣ１ｆを出力する。減算器５４は、電流指令値ＩＨと、電流検出器５６の出力信号ＩＡＣ１ｆによって示される補償電流ＩＡＣ１との偏差ΔＩＡＣ１＝ＩＨ－ＩＡＣ１を求める。
【0091】
電流制御部５８は、減算器５４によって求められる偏差ΔＩＡＣ１が０になるように電流制御値ＩＡＣ１＊を生成する。電流制御部は、例えば、偏差ΔＩＡＣ１に比例する値と偏差ΔＩＡＣ１の積分値に比例する値とを加算することにより、電流制御値ＩＡＣ１＊を生成する。
【0092】
放電制御部３２は、参照電圧生成部６０と、電圧検出器６４と、減算器６２と、電圧制御部６６とを含む。参照電圧生成部６０は、交流電圧ＶＯの目標電圧である参照交流電圧ＶＯｒを生成する。電圧検出器６４は、出力端子Ｔ２から出力される交流電圧ＶＯを検出し、その検出値を示す信号ＶＯｆを出力する。
【0093】
減算器６２は、参照交流電圧ＶＯｒと、電圧検出器６４の出力信号ＶＯｆによって示される交流電圧ＶＯとの偏差ΔＶＯＣ＝ＶＯｒ－ＶＯを求める。電圧制御部６６は、減算器６２によって求められる偏差ΔＶＯＣが０になるように電圧制御値ＶＯＣ＊を生成する。電圧制御部６６は、例えば、偏差ΔＶＯＣに比例する値と偏差ΔＶＯＣの積分値に比例する値とを加算することにより電圧制御値ＶＯＣ＊を生成する。
【0094】
セレクタ３４は、瞬低検出部１７の出力信号（瞬低検出信号）ＤＬに基づいて、電流制御値ＩＡＣ１＊および電圧制御値ＶＯＣ＊の何れかを選択する。具体的には、セレクタ３４は、瞬低検出信号ＤＬが「Ｌ」レベルである場合（交流電圧ＶＩが正常である場合）には、電流制御値ＩＡＣ１＊を選択し、選択した電流制御値ＩＡＣ１＊をＰＷＭ制御部３６に与える。ＰＷＭ制御部３６は、セレクタ３４から与えられる電流制御値ＩＡＣ１＊と所定周波数の搬送波信号（例えば、三角波信号）との高低を比較し、その比較結果に基づいて双方向コンバータ８１のゲート信号を生成する。このゲート信号によって双方向コンバータ８１のスイッチング素子がオンおよびオフされ、双方向コンバータ８１から高調波電流の補償電流が出力される。なお、双方向コンバータ８１の運転中、蓄電装置７３は、双方向コンバータ８１の損失補償分の有効電力を取り込んで直流電圧を保持する。
【0095】
瞬低検出信号ＤＬが「Ｈ」レベルである場合（交流電圧ＶＩが正常でない場合）には、セレクタ３４は、電圧制御値ＶＯＣ＊を選択し、選択した電圧制御値ＶＯＣ＊をＰＷＭ制御部３６に与える。ＰＷＭ制御部３６は、セレクタ３４から与えられる電圧制御値ＶＯＣ＊と搬送波信号との高低を比較し、その比較結果に基づいて双方向コンバータ８１のゲート信号を生成する。このゲート信号によって双方向コンバータ８１のスイッチング素子がオンおよびオフされ、蓄電装置７３の直流電力が交流電力に変換されて負荷７２に供給される。
【0096】
図６に戻って、制御回路１２は、瞬低検出信号ＤＬおよびタイマ１８の出力信号Ｔｃ，Ｔｓに従って、双方向コンバータ８２を制御するための制御信号ＣＮＴ２を生成する。瞬低検出信号ＤＬが「Ｌ」レベルである場合（交流電圧ＶＩが正常である場合）には、制御回路１２は、タイマ１８の出力信号Ｔｃ，Ｔｓに基づいて、双方向コンバータ８２を充電モードおよび待機モードの間で交互に切り換える。
【0097】
具体的には、Ｔｃ＜ＴＡである場合、すなわち、充電モードの実行時間Ｔｃが充電時間ＴＡに満たない場合には、制御回路１２は、直流電圧ＶＤＣ２および交流電圧ＶＡＣ２に基づいて制御信号ＣＮＴ２を生成し、双方向コンバータ８２を運転して蓄電装置７３を充電する。このとき、制御回路１２は、直流電圧ＶＤＣ２が参照直流電圧ＶＤＣｒになるように、双方向コンバータ８２を制御する。
【0098】
充電モードの実行時間Ｔｃが充電時間ＴＡに達すると、制御回路１２は、双方向コンバータ８２を充電モードから待機モードへ遷移させる。そして、Ｔｓ＜ＴＢである場合、すなわち、待機モードの実行時間Ｔｓが待機時間ＴＢに満たない場合には、制御回路１２は、制御信号ＣＮＴ２を生成しながら、双方向コンバータ８２を電力変換の待機状態とする。そして、待機モードの実行時間Ｔｓが待機時間ＴＢに達すると、制御回路１２は、双方向コンバータ８２を待機モードから充電モードへ遷移させる。
【0099】
瞬低検出信号ＤＬが「Ｈ」レベルである場合（交流電圧ＶＩが正常でない場合）には、制御回路１２は、双方向コンバータ８２を給電モードへ遷移させる。制御回路１２は、直流電圧ＶＤＣ１および交流電圧ＶＯ，ＶＡＣ１に基づいて双方向コンバータ８２を運転して蓄電装置７３を放電させ、負荷７２に交流電力を供給させる。このとき制御回路１２は、交流電圧ＶＯが参照交流電圧ＶＯｒになるように双方向コンバータ８２を制御する。なお、負荷７２に供給される電力は、全ての双方向コンバータ８１～８５によって分担される。
【0100】
図８は、図６に示した制御回路１２の構成を示すブロック図である。図８に示すように、制御回路１２は、充電制御部４０と、放電制御部４２と、セレクタ４４と、ＰＷＭ制御部４５と、論理積（ＡＮＤ）回路４８と、間欠運転制御部４６とを含む。
【0101】
充電制御部４０は、参照電圧生成部７０と、電圧検出器７５と、減算器７４と、電圧制御部７６とを含む。参照電圧生成部７０は、直流電圧ＶＤＣの目標電圧である参照直流電圧ＶＤＣｒを生成する。電圧検出器７５は、直流端子Ｔ３２の直流電圧ＶＤＣ２を検出し、その検出値を示す信号ＶＤＣ２ｆを出力する。
【0102】
減算器７４は、参照直流電圧ＶＤＣｒと、電圧検出器７５の出力信号ＶＤＣ２ｆによって示される直流電圧ＶＤＣ２との偏差ΔＶＤＣ２を求める。電圧制御部７６は、減算器７４によって求められる偏差ΔＶＤＣ２が０になるように電圧制御値ＶＤＣ２＊を生成する。電圧制御部７６は、例えば、偏差ΔＶＤＣ２に比例する値と偏差ΔＶＤＣ２の積分値に比例する値とを加算することにより電圧制御値ＶＤＣ２＊を生成する。電圧制御値ＶＤＣ２＊は「第１の制御信号」の一実施例に対応する。
【0103】
放電制御部４２は、図７に示した放電制御部３２と同様の構成を有しており、参照電圧生成部６０と、減算器６２と、電圧検出器６４と、電圧制御部６６とを含む。放電制御部４２は、参照交流電圧ＶＯｒと交流電圧ＶＯとの偏差ΔＶＯＣが０になるように電圧制御値ＶＯＣ＊を生成する。電圧制御値ＶＯＣ＊は「第２の制御信号」の一実施例に対応する。
【0104】
セレクタ４４は、瞬低検出部１７の出力信号（瞬低検出信号）ＤＬに基づいて、電圧制御値ＶＤＣ２＊および電圧制御値ＶＯＣ＊の何れかを選択する。具体的には、セレクタ４４は、瞬低検出信号ＤＬが「Ｌ」レベルである場合（交流電圧ＶＩが正常である場合）には、電圧制御値ＶＤＣ２＊を選択し、選択した電圧制御値ＶＤＣ２＊をＰＷＭ制御部４５に与える。ＰＷＭ制御部４５は、セレクタ４４から与えられる電圧制御値ＶＤＣ２＊と搬送波信号との高低を比較し、その比較結果に基づいて双方向コンバータ８２のゲート信号（制御信号）を生成する。ＰＷＭ制御部４５により生成されたゲート信号は、ＡＮＤ回路４８の第１の入力端子に入力される。
【0105】
瞬低検出信号ＤＬが「Ｈ」レベルである場合（交流電圧ＶＩが正常でない場合）には、セレクタ４４は、電圧制御値ＶＯＣ＊を選択し、選択した電圧制御値ＶＯＣ＊をＰＷＭ制御部４５に与える。ＰＷＭ制御部４５は、セレクタ４４から与えられる電圧制御値ＶＯＣ＊と搬送波信号との高低を比較し、その比較結果に基づいて双方向コンバータ８２のゲート信号を生成する。ＰＷＭ制御部４５により生成されたゲート信号は、ＡＮＤ回路４８の第１の入力端子に入力される。
【0106】
間欠運転制御部４６は、瞬低検出信号ＤＬおよびタイマ１８の出力信号Ｔｓ，Ｔｃに基づいて、双方向コンバータ８２の間欠運転を制御する。具体的には、間欠運転制御部４６は、瞬低検出信号ＤＬが「Ｈ」レベルである場合、すなわち、双方向コンバータ８２が給電モードである場合には、「Ｈ」レベルの制御信号を生成する。また、間欠運転制御部４６は、瞬低検出信号ＤＬが「Ｌ」レベルであり、かつ、Ｔｃ＜ＴＡである場合、すなわち、双方向コンバータ８２が充電モードである場合には、「Ｈ」レベルの制御信号を生成する。一方、瞬低検出信号ＤＬが「Ｌ」レベルであり、かつ、Ｔｓ＜ＴＢである場合、すなわち、双方向コンバータ８２が待機モードである場合には、間欠運転制御部４６は、「Ｌ」レベルの制御信号を生成する。間欠運転制御部４６により生成された制御信号はＡＮＤ回路４８の第２の入力端子に入力される。
【0107】
ＡＮＤ回路４８は、第１の入力端子に入力されるゲート信号と、第２の入力端子に入力される制御信号との論理積を算出し、その算出結果を制御信号ＣＮＴ２として出力する。ＡＮＤ回路４８は、制御信号が「Ｈ」レベルのとき、すなわち、双方向コンバータ８２が給電モードまたは充電モードのときには、ゲート信号をそのまま出力する。すなわち、ゲート信号が制御信号ＣＮＴ２となる。一方、制御信号が「Ｌ」レベルのとき、すなわち、双方向コンバータ８２が待機モードのときには、ＡＮＤ回路４８は、ゲート信号によらず、「Ｌ」レベルに固定された制御信号ＣＮＴ２を出力する。
【0108】
これによると、双方向コンバータ８２が給電モードまたは充電モードのときには、制御信号ＣＮＴ２（すなわち、ゲート信号）に従って、双方向コンバータ８２のスイッチング素子がオンおよびオフされることとなる。その結果、双方向コンバータ８２が給電モードのときには、蓄電装置７３の直流電力が交流電力に変換されて負荷７２に供給される。双方向コンバータ８２が充電モードのときには、商用交流電源７１からの交流電力が直流電力に変換されて蓄電装置７３に蓄えられる。
【0109】
これに対して、双方向コンバータ８２が待機モードのときには、「Ｌ」レベルに固定された制御信号ＣＮＴ２（ゲート信号）に従って、双方向コンバータ８２のスイッチング素子がオフ状態に固定されることにより、双方向コンバータ８２の運転が停止される。よって、双方向コンバータ８２のスイッチング損失が０となる。
【0110】
なお、ＡＮＤ回路４８から出力される制御信号が「Ｌ」レベルから「Ｈ」レベルに遷移したときには、制御信号ＣＮＴ２がＰＷＭ制御部４５により生成されたゲート信号に切り替わるため、双方向コンバータ８２を充電モードまたは給電モードに速やかに遷移させることができる。
【0111】
制御回路１３～１５の構成は、制御回路１２の構成と同様であるので、その説明が繰り返さない。
【0112】
図９は、瞬低補償装置の通常運転時における制御装置１０の処理手順を示すフローチャートである。このフローチャートに示される一連の処理は、予め定められた条件の成立時または所定の周期毎に制御装置１０により実行される。
【0113】
図９に示すように、制御装置１０は、ステップ（以下、単に「Ｓ」と表記する）０１により、瞬低補償装置が通常運転中であるか否かを判定する。Ｓ０１は、操作部９からの起動指示を受け付けて瞬低補償装置を起動させた場合にＹＥＳ判定とされ、操作部９からの停止指示を受け付けて瞬低補償装置を停止させた場合にＮＯ判定とされる。瞬低補償装置が通常運転中でない場合（Ｓ０１のＮＯ判定時）、制御装置１０はＳ０２以降の処理をスキップする。
【0114】
瞬低補償装置が通常運転中である場合（Ｓ０１のＹＥＳ判定時）には、制御装置１０は、Ｓ０２により、ＶＣＢ１，５，２１をオンするとともに、ＶＣＢ６をオフする。
【0115】
次いで、制御装置１０は、Ｓ０３により、商用交流電源７１の交流電圧ＶＩが正常であるか否かを判定する。Ｓ０３は、例えば、交流電圧ＶＩが許容範囲内である場合には、交流電圧ＶＩは正常であるとして、ＹＥＳ判定とされる。交流電圧ＶＩが許容範囲の下限値よりも低下した場合には、交流電圧ＶＩは正常でないとして、ＮＯ判定とされる。
【0116】
交流電圧ＶＩが正常である場合（Ｓ０３のＹＥＳ判定時）、制御装置１０は、Ｓ０４に進み、ＨＳＳ２をオンする。商用交流電源７１からＶＣＢ１、ＨＳＳ２およびＶＣＢ５を介して負荷７２に交流電力が供給され、負荷７２が運転される。
【0117】
さらに、制御装置１０は、Ｓ０５により、双方向コンバータ８１～８５のうちの予め設定された一部の双方向コンバータ（例えば、双方向コンバータ８１）を常時運転させる。Ｓ０５では、制御装置１０は、配電系統における共振現象により発生する高調波電流と逆極性の補償電流を出力するように、双方向コンバータ８１を制御する。
【0118】
また、制御装置１０は、Ｓ０６により、残りの双方向コンバータ（例えば、双方向コンバータ８２～８５）を間欠的に運転させる。Ｓ０６では、制御装置１０は、タイマ１８の出力信号Ｔｓ，Ｔｃに基づいて、双方向コンバータ８２～８５の各々を予め定められた時間ＴＡ，ＴＢ毎に充電モードおよび待機モードに交互に切り換える。
【0119】
充電モード時には、商用交流電源７１からＶＣＢ１、ＨＳＳ２、ＶＣＢ２１および変圧器２０を介して双方向コンバータ８２～８５に交流電力が供給され、その交流電力が蓄電装置７３に蓄えられる。双方向コンバータ８１～８５が運転され、直流電圧ＶＤＣ１～ＶＤＣ５は参照直流電圧ＶＤＣｒに維持される。
【0120】
待機モード時には、双方向コンバータ８２～８５の運転が停止され、双方向コンバータ８２～８５のスイッチング損失が削減される。待機モード中、制御装置１０は、双方向コンバータ８２～８５の制御信号を生成する。
【0121】
Ｓ０３に戻って、交流電圧ＶＩが正常でない場合（Ｓ０３のＮＯ判定時）には、制御装置１０は、Ｓ０７に進み、ＨＳＳ２をオフする。これにより、商用交流電源７１と負荷７２とが電気的に切り離される。
【0122】
さらに、制御装置１０は、Ｓ０８により、双方向コンバータ８１～８５を運転させる。Ｓ０８では、制御装置１０は、双方向コンバータ８１～８５を給電モードへ遷移させることにより、蓄電装置７３の直流電力が双方向コンバータ８１～８５によって交流電力に変換され、その交流電力が負荷７２に供給され、負荷７２の運転が継続される。交流電圧ＶＩの瞬時電圧低下が発生した場合でも、制御装置１０は、待機モード中に生成した制御信号を用いて双方向コンバータ８２～８５を速やかに給電モードに遷移させることができる。
【0123】
以上説明したように、本実施の形態に従う瞬低補償装置によれば、商用交流電源の交流電圧が正常である場合には、負荷に対して並列接続される複数の双方向コンバータのうちの一部を間欠的に運転させることにより、蓄電装置を満充電状態に維持しつつ、複数の双方向コンバータのスイッチング損失を低減し、給電効率を向上させることができる。図１０は、本実施の形態に従う瞬低補償装置および比較例に従う瞬低補償装置（図１１）における、負荷容量に対する給電効率の推移の一例を示す図である。図１０に示すように、双方向コンバータの運転台数制御を行う比較例に比べて、本実施の形態では給電効率を改善することができる。
【0124】
また、商用交流電源が正常である場合には、上記一部の双方向コンバータを、蓄電装置に電力を蓄える充電モードと、電力変換のための制御信号を生成して、双方向コンバータによる電力変換を待機する待機モードとの間で交互に切り換えることにより、スイッチング損失を低減しつつ、商用交流電源の瞬時電圧低下および負荷容量の急変に対する、双方向コンバータの応答性を向上させることができる。
【0125】
加えて、瞬低補償装置の通常運転中は複数の双方向コンバータを負荷にそれぞれ接続する複数のＶＣＢをオンしておくことにより、負荷容量に応じた適正台数の双方向コンバータだけをＶＣＢを介して負荷に接続する比較例に比べて、負荷容量の急変に対する応答性を改善することができる。
【0126】
その結果、本実施の形態によれば、高い給電効率を実現しつつ、瞬低補償装置の高速応答性を向上させることが可能となる。
【0127】
さらに、上記一部の双方向コンバータの間欠運転に並行して、他の双方向コンバータを常時運転させて、配電系統の共振現象により発生する高調波電流を補償することにより、配電系統に流出する高調波電流を抑制することが可能となる。
【0128】
なお、上述した実施の形態では、複数の直流端子Ｔ３１～Ｔ３５を有する瞬低補償装置の構成例について説明したが、直流端子の数は単数であってもよい。この構成では、図１２に示すように、複数の双方向コンバータ８１～８５は、１つの直流端子に対して互いに並列に接続される。
【0129】
図１２は、本開示の実施の形態に従う電源装置が適用される瞬低補償装置の他の構成例を示すブロック図である。図１２に示す瞬低補償装置が図１に示した瞬低補償装置と異なる点は、複数の直流端子Ｔ３１～Ｔ３５に代えて、直流端子Ｔ３を備える点である。直流端子Ｔ３は、蓄電装置７３に接続される。複数の双方向コンバータ８１～８３の各々の直流端子８ａは直流端子Ｔ３に接続される。
【0130】
図１２に示す瞬低補償装置においても、図１に示した瞬低補償装置と同様に、商用交流電源７１の交流電圧が正常である場合には、複数の双方向コンバータ８１～８５のうちの一部を間欠的に運転させる。また、瞬低補償装置の通常運転中は、複数の双方向コンバータ８１～８５を負荷７２にそれぞれ接続する複数のＶＣＢ２１をオンしておく。したがって、上述した実施の形態と同じ効果が得られる。
【0131】
今回開示された実施の形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本開示により示される技術的範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【0132】
２ ＨＳＳ、３ 半導体スイッチ、４ 機械スイッチ、７，５６ 電流検出器、９ 操作部、１０ 制御装置、１１～１５ 制御回路、１６ スイッチ制御部、１７ 瞬低検出部、１８ タイマ、２０ 変圧器、３０ 共振補償部、３２，４２ 放電制御部、３４，４４ セレクタ、３６，４５ ＰＷＭ制御部、４０ 充電制御部、４６ 間欠運転制御部、４８ ＡＮＤ回路、５２ 無効電流指令t部、５４，６３，７４ 減算器、５８ 電流制御部、６０，７０ 参照電圧生成部、６４，７５ 電圧検出器、６６，７６ 電圧制御部、７１ 商用交流電源、７２ 負荷、７３ 蓄電装置、８１～８５ 双方向コンバータ、１００ ＣＰＵ、１０２ ＲＡＭ、１０４ ＲＯＭ、１０６ Ｉ／Ｆ装置、１１０ 通信バス、Ｔ１ 入力端子、Ｔ２ 出力端子、Ｔ３１～Ｔ３５ 直流端子、ＴＡ 充電時間、ＴＢ 待機時間。
【要約】
複数の電力変換器（８１～８５）のうちの少なくとも１つの第１の電力変換器は、交流電源（７１）からスイッチ（２）を介して供給される交流電力を直流電力に変換して対応する蓄電装置（７３）に蓄える充電モードと、電力変換のための制御信号を生成して電力変換を待機する待機モードとを有する。交流電源（７１）の交流電圧が正常である場合には、制御装置（１０）は、スイッチ（２）をオンするとともに、少なくとも１つの第１の電力変換器を、充電モードと待機モードとの間で交互に切り換える。交流電圧が正常でない場合には、制御装置（１０）は、スイッチ（２）をオフするとともに、各々が蓄電装置（７３）の直流電力を交流電力に変換して負荷（７２）に供給するように、複数の電力変換器（８１～８５）を制御する。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】