特許 7473903 直流配電システムおよび電圧安定化装置

(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】2024-04-16

(45)【発行日】2024-04-24

(54)【発明の名称】直流配電システムおよび電圧安定化装置

(51)【国際特許分類】

   H02J 1/00 20060101AFI20240417BHJP

【ＦＩ】

H02J1/00 301E

【請求項の数】 13

(21)【出願番号】P 2023508000

(86)(22)【出願日】2022-08-26

(86)【国際出願番号】 JP2022032153

【審査請求日】2023-02-06

(73)【特許権者】

【識別番号】501137636

【氏名又は名称】株式会社ＴＭＥＩＣ

(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】山本 融真

(72)【発明者】

【氏名】小笠原 悟司

(72)【発明者】

【氏名】折川 幸司

(72)【発明者】

【氏名】鈴木 宗佑

【審査官】佐藤 卓馬

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１５－２０４６５２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００３－１８７４６（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０２Ｊ １／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

直流電力を配電する直流母線と、
前記直流母線と負荷との間に接続され、前記直流母線からの直流電力を前記負荷が必要とする電力に変換する第１の電力変換器と、
前記直流母線に、前記第１の電力変換器と並列に接続される電圧安定化装置と備え、
前記電圧安定化装置は、前記直流母線から前記第１の電力変換器に入力される入力電圧の変動と、前記直流母線から前記第１の電力変換器に供給される直流電力とに応じた電力を前記直流母線に供給する、直流配電システム。

【請求項2】

前記電圧安定化装置は、
前記入力電圧の変動に応じて、前記直流母線から前記第１の電力変換器および前記電圧安定化装置に供給される直流電力を変動させるとともに、
前記第１の電力変換器および前記電圧安定化装置に供給される直流電力と、前記第１の電力変換器に供給される直流電力との偏差を補償するように動作する、請求項１に記載の直流配電システム。

【請求項3】

前記電圧安定化装置は、
バッファコンデンサと、
前記直流母線と前記バッファコンデンサとの間に接続される双方向直流／直流変換器と、
前記双方向直流／直流変換器を制御する制御回路とを含み、
前記制御回路は、前記偏差を前記電圧安定化装置が補償するように前記双方向直流／直流変換器を制御する、請求項２に記載の直流配電システム。

【請求項4】

前記制御回路は、
前記入力電圧を、定常成分および変動成分に分離し、
前記定常成分に対する前記変動成分の比率を前記第１の電力変換器に供給される直流電力に乗算することにより、前記電圧安定化装置が補償すべき補償電力を算出し、
算出された前記補償電力を前記直流母線との間で授受するように前記双方向直流／直流変換器を制御する、請求項３に記載の直流配電システム。

【請求項5】

前記制御回路は、前記補償電力を前記直流母線との間で授受するとともに、前記バッファコンデンサの端子間電圧を一定に保つように前記双方向直流／直流変換器を制御する、請求項４に記載の直流配電システム。

【請求項6】

前記制御回路は、
前記補償電力を前記入力電圧で除することにより、前記双方向直流／直流変換器から出力される補償電流の指令値である第１の補償電流指令値を生成し、
予め定められた電圧指令値に対する前記バッファコンデンサの端子間電圧の偏差を入力とする制御演算に従って第２の補償電流指令値を生成し、
前記第１の補償電流指令値および前記第２の補償電流指令値の和に従って、補償電流指令値を生成し、
前記補償電流指令値に従った前記補償電流を出力するように、前記双方向直流／直流変換器の電流制御を実行する、請求項５に記載の直流配電システム。

【請求項7】

前記バッファコンデンサの電圧制御の応答周波数は、前記双方向直流／直流変換器の前記電流制御の応答周波数よりも低い、請求項６に記載の直流配電システム。

【請求項8】

電源からの電力を所定電圧の直流電力に変換して前記直流母線に出力する第２の電力変換器と、
前記第２の電力変換器と前記第１の電力変換器との間に接続されるＬＣフィルタとをさらに備え、
前記制御回路は、前記入力電圧を受けて前記定常成分を出力するＬＰＦ（Low Pass Filter）を含み、
前記ＬＰＦのカットオフ周波数は、前記ＬＣフィルタの共振周波数よりも低い、請求項４に記載の直流配電システム。

【請求項9】

前記第１の電力変換器は、前記負荷が必要とする電力を前記負荷に供給する定電力負荷として動作し、
前記第１の電力変換器および前記電圧安定化装置は、一体として定電流負荷として動作する、請求項１から８のいずれか１項に記載の直流配電システム。

【請求項10】

前記双方向直流／直流変換器は、双方向チョッパ回路を含む、請求項３に記載の直流配電システム。

【請求項11】

直流配電システムの電圧安定化装置であって、
前記直流配電システムは、
直流母線と、
前記直流母線と負荷との間に接続され、前記直流母線からの直流電力を前記負荷が必要とする電力に変換する第１の電力変換器とを含み、
前記電圧安定化装置は、前記直流母線から前記第１の電力変換器に入力される入力電圧の変動と、前記直流母線から前記第１の電力変換器に供給される直流電力とに応じた電力を前記直流母線に供給する、電圧安定化装置。

【請求項12】

前記電圧安定化装置は、
前記入力電圧の変動に応じて、前記直流母線から前記第１の電力変換器および前記電圧安定化装置に供給される直流電力を変動させるとともに、
前記第１の電力変換器および前記電圧安定化装置に供給される直流電力と、前記第１の電力変換器に供給される直流電力との偏差を補償するように動作する、請求項１１に記載の電圧安定化装置。

【請求項13】

バッファコンデンサと、
前記直流母線と前記バッファコンデンサとの間に接続される双方向直流／直流変換器と、
前記双方向直流／直流変換器を制御する制御回路とを含み、
前記制御回路は、前記偏差を前記電圧安定化装置が補償するように前記双方向直流／直流変換器を制御する、請求項１２に記載の電圧安定化装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、直流配電システムおよび電圧安定化装置に関する。

【背景技術】

【0002】

近年、直流母線に複数の電源および複数の電気負荷を接続し、直流母線を経由して直流電力を授受する直流配電システムが注目されている。直流配電システムは、交流電力を配電する交流配電系統と比較して、同期の問題がなく電圧制御が容易であるため、気象条件によって発電出力が変動する再生可能エネルギー電源を接続しやすいという利点がある。また、電源と電気負荷との間における直流／交流の電力変換が不要となる分、電力損失を低減することができるため、配電の効率向上を期待できる。

【0003】

その一方で、直流配電システムには、定電力負荷による不安定性の問題がある。これは、負荷の直近に配置された電力変換器が負荷への供給電力を厳密に制御するときに、当該電力変換器が定電力負荷として振る舞い、負性インピーダンス特性を持つことによる。負性インピーダンスが存在することによって、直流母線に設けられたフィルタとの相互作用によって発振を起こす可能性がある。

【0004】

定電力負荷による不安定性については、近年多くの対策が提案されている。その１つとして、非特許文献１には、定電力負荷による直流電圧制御の不安定性を抑制するために、負荷側の電力変換器の制御を変更して、定電力負荷を直流母線から見て定電流負荷のように振る舞わせる制御方法が提案されている。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0005】

【文献】本間 宏輝、小笠原 悟司、竹本 真紹、「双方向チョッパを直流リンクに接続したインバータの直流電圧振動抑制制御」、電気学会産業応用部門 半導体電力変換／モータドライブ合同研修会、ＳＰＣ１５１４５，ＭＤ１５１１６（２０１５）

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

非特許文献１によれば、定常的な負荷への電力供給は良好に行えるものの、過渡的には完全に負荷の必要とする電力を供給できないという課題がある。

【0007】

本開示は、このような課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、直流配電システムにおいて、定電力負荷の制御特性を悪化させることなく、定電力負荷による直流電圧制御の不安定性を抑制することである。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本開示のある局面によれば、直流配電システムは、直流電力を配電する直流母線と、第１の電力変換器と、電圧安定化装置とを備える。第１の電力変換器は、直流母線と負荷との間に接続され、直流母線からの直流電力を負荷が必要とする電力に変換する。電圧安定化装置は、直流母線に、第１の電力変換器と並列に接続される。電圧安定化装置は、直流母線から第１の電力変換器に入力される入力電圧の変動と、直流母線から第１の電力変換器に供給される直流電力とに応じた電力を直流母線に供給する。

【0009】

本開示の他のある局面によれば、直流配電システムの電圧安定化装置であって、直流配電システムは、直流母線と、直流母線と負荷との間に接続され、直流母線からの直流電力を負荷が必要とする電力に変換する第１の電力変換器とを含む。電圧安定化装置は、直流母線から第１の電力変換器に入力される入力電圧の変動と、直流母線から第１の電力変換器に供給される直流電力とに応じた電力を直流母線に供給する。

【発明の効果】

【0010】

本開示によれば、直流配電システムにおいて、定電力負荷の制御特性を悪化させることなく、定電力負荷による直流電圧制御の不安定性を抑制することができる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】本実施の形態に係る電圧安定化装置が適用され得る直流配電システムの構成例を示すブロック図である。

【図2】図１に示した直流配電システムを簡単化した解析モデルを示す図である。

【図3】図２に示した解析モデルの等価回路である。

【図4】電圧安定化装置の主回路構成を示す図である。

【図5】電圧安定化装置の制御構成を示すブロック図である。

【図6】検証に用いた実験システムの主回路構成を示す図である。

【図7】図６に示した実験システムの各構成要素のパラメータを示す図である。

【図8】直流母線に電圧安定化装置を接続しない場合における実験結果を示す図である。

【図9】直流母線に電圧安定化装置を接続せず、非特許文献１に記載される制御方法を降圧チョッパ回路に適用した場合における実験結果を示す図である。

【図10】直流母線に電圧安定化装置を接続した場合における実験結果を示す図である。

【図11】直流母線に電圧安定化装置を接続した場合における実験結果を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0012】

以下、本開示の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、以下では、図中の同一または相当部分には同一符号を付して、その説明は原則的に繰り返さないものとする。

【0013】

（直流配電システム）
図１は、本実施の形態に係る電圧安定化装置が適用され得る直流配電システムの構成例を示すブロック図である。

【0014】

図１に示すように、直流配電システムにおいて、直流母線１００には、複数の電力変換器１０２，１０４，１０６，１０８が接続されている。電力変換器１０２，１０４，１０６，１０８は、入力電圧の変化にかかわらず出力電圧を一定に保つように構成された、ＬＲＣ（Line Regulation Converter）である。

【0015】

電力変換器１０２は、商用系統１１４から供給される交流電力を直流電力に変換して直流母線１００に出力する。電力変換器１０４は、交流電源１１６で生成された交流電力を直流電力に変換して直流母線１００に出力する。交流電源１１６は、蒸気タービン発電機およびガスタービン発電機等の気象条件に依存しない発電設備、ならびに、風力発電設備等の気象条件によって発電出力が変動する発電設備を含み得る。

【0016】

電力変換器１０６は、直流電源１１８で生成された直流電力を、一定電圧の直流電力に変換して直流母線１００に出力する。直流電源１１８は、太陽光発電設備および燃料電池等の発電設備を含み得る。電力変換器１０８は、電力貯蔵装置１２０に蓄えられた直流電力を、一定電圧の直流電力に変換して直流母線１００に出力する。電力貯蔵装置１２０は、例えば、蓄電池である。

【0017】

直流母線１００には、複数の電力変換器１１０，１１２がさらに接続されている。電力変換器１１０，１１２は、負荷の直近に配置されるＰＯＬ（Point Of Load）コンバータである。電力変換器１１０は、直流母線１００から供給される直流電力を交流電力に変換して交流負荷１２２に供給する。電力変換器１１２は、直流母線１００から供給される直流電力を昇圧または降圧して直流負荷１２４に供給する。

【0018】

交流電源１１６、直流電源１１８および負荷１２２，１２４の各々は、直流母線１００の電圧とは無関係に直流母線１００との間で電力を授受する。その結果、直流配電システムの電力需給バランスが需要過多または供給過多となってしまい、直流母線１００の直流電圧を変動させるおそれがある。ただし、需要過多の場合には、供給電力の不足分を商用系統１１４または電力貯蔵装置１２０が補うことにより、直流母線１００の直流電圧を一定に保つことができる。また、供給過多の場合には、供給電力の余剰分を電力貯蔵装置１２０に蓄えることにより、直流母線１００の直流電圧を一定に保つことができる。

【0019】

図１に示す直流配電システムは、直流マイクログリッドを構成する。マイクログリッドとは、太陽光発電設備や燃料電池等の小規模電源および電力貯蔵装置を一括して制御することにより、基幹系統から独立して運転可能なシステムである。直流マイクログリッドは、マイクログリッドを直流配電としたものである。直流配電システムは、交流配電系統と比較して、同期の問題がなく電圧の制御が容易であるため、気象条件によって発電出力が変動する再生可能エネルギー電源を接続しやすいという利点がある。また、太陽光発電設備、燃料電池および蓄電池といった電源は原理的に直流電力を出力し、かつ、負荷も直流電源によって動作するものが多いため、直流配電システムによれば、電源と負荷との間における直流／交流の電力変換が不要となる分、電力損失を低減することができ、配電の効率向上を期待できる。

【0020】

その一方で、直流配電システムには、定電力負荷による不安定性の問題がある。これは、ＰＯＬコンバータが負荷への供給電力を厳密に制御するときに、このＰＯＬコンバータが定電力負荷（ＣＰＬ：Constant Power Load）として振る舞い、負性インピーダンス特性を持つことによる。負性インピーダンスが存在することによって、直流母線１００に設けられたフィルタとの相互作用によって発振を起こす可能性がある。

【0021】

（定電力負荷による不安定性）
次に、図１に示した直流配電システムにおける定電力負荷（ＣＰＬ）による不安定性について説明する。

【0022】

図２に、図１に示した直流配電システムを簡単化した解析モデルを示す。図２において、左側に示される電力変換器１０６は、ＬＲＣであり、直流母線１００の直流電圧を制御する。右側に示される電力変換器１０８は、ＰＯＬコンバータであり、負荷に必要な電力を供給する。電力変換器１０８は「第１の電力変換器」の一実施例に対応する。電力変換器１０６は「第２の電力変換器」の一実施例に対応する。

【0023】

一般に、電圧制御する電力変換器１０６の出力、または、負荷に電力を供給する電力変換器１０８の入力には、各電力変換器にて生じるスイッチングリプルが他の電気機器の動作に影響を及ぼさないように、ＬＣフィルタが挿入されている。図中のリアクトルＬ_ｆおよびコンデンサＣ_ｆは、ＬＣフィルタを構成している。

【0024】

図３は、図２に示した解析モデルの等価回路である。図３に示す等価回路では、電圧制御を行う電力変換器１０６を直流電圧源Ｅで表し、負荷に電力を供給する電力変換器１０８を定電力負荷（ＣＰＬ）で表している。ＣＰＬは、ＬＣフィルタを備えた直流電圧源Ｅに接続されている。

【0025】

直流母線１００にＣＰＬが接続されていない場合、直流電圧源Ｅに対する入力電圧ｖ_Ｌへの伝達関数は、次式（１）で表すことができる。

【0026】

【数1】

【0027】

ここで、ω_ｎはＬＣフィルタの共振角周波数であり、ζは減衰係数であり、次式（２）で示される。すなわち、フィルタコンデンサＣ_ｆと並列に接続されたコンダクタンスＧ_ｆは、図２に示した電圧制御を行う電力変換器１０６の制御安定性を表していると考えることができる。

【0028】

【数2】

【0029】

一方、ＣＰＬは、入力電圧ｖ_Ｌの変動にかかわりなく負荷に電力ｐ_Ｌを供給する。実際に直流母線１００からＣＰＬに供給される電力ｐ_Ｌは、入力電流ｉ_Ｌおよび入力電圧ｖ_Ｌの積（ｐ_Ｌ＝ｖ_Ｌ・ｉ_Ｌ）であることから、次式（３）を得る。

【0030】

【数3】

【0031】

ここで、∂ｉ_Ｌ／∂ｖ_ＬはＣＰＬの交流コンダクタンスＧ_Ｌを表している。交流コンダクタンスＧ_Ｌは、式（３）から求めることができる。

【0032】

【数4】

【0033】

式（４）に示されるように、ＣＰＬは交流的には負性コンダクタンスとなる。電力ｐ_Ｌが大きくなるほど、負性コンダクタンスＧ_Ｌは大きくなることが分かる。この負性コンダクタンスＧ_Ｌは、コンダクタンスＧ_ｆと並列に接続されていることから、Ｇ_ｆ＋Ｇ_Ｌが負になると、減衰係数ζが負となる。これにより、電力変換器１０６における電圧制御は、ＬＣフィルタの共振周波数で発振し、不安定になることがわかる。

【0034】

このようなＣＰＬによる電圧制御の不安定化を防ぐためには、入力電圧ｖ_Ｌが変化しても入力電流ｉ_Ｌが変化しないこと、すなわち負荷の定電流化を行えばよいことは明らかである。

【0035】

【数5】

【0036】

すなわち、式（５）に示すように、ＣＰＬの交流コンダクタンスＧ_Ｌを零にできれば、電力変換器１０６における電圧制御の安定性は負荷状態によらず変化しない。これにより電圧制御系の設計を負荷とは無関係に行うことが可能になる。ここで、電力ｐ_Ｌ＝ｖ_Ｌ・ｉ_Ｌをｖ_Ｌで偏微分し、式（５）を代入すると、次式（６）が得られる。

【0037】

【数6】

【0038】

式（６）によれば、負荷を定電流化するためには、電力ｐ_Ｌを入力電圧ｖ_Ｌの変動に合わせて変動させればよいことがわかる。非特許文献１は、この制御方法を双方向チョッパに接続したモータ駆動システムに適用したものである。当該制御方法では、モータ駆動用インバータへの入力電圧ｖ_Ｌの変動に応じて電力ｐ_Ｌを変動させることで、インバータへの入力電流ｉ_Ｌを、入力電圧ｖ_Ｌに対して変動しない定電流とする。双方向チョッパから見てインバータを定電流負荷のように振る舞わせることにより、双方向チョッパの電圧制御が不安定化することを防いでいる。

【0039】

（電圧安定化装置）
＜動作原理＞
上述した、入力電圧ｖ_Ｌの変動に合わせて電力ｐ_Ｌを変動させるという制御方法は、負荷の特性によっては、負荷の制御特性の悪化を引き起こすことが懸念される。詳細には、入力電圧ｖ_Ｌが安定している定常状態においては、電力ｐ_Ｌは、負荷が必要とする電力ｐ_Ｌ＊と等しくなるため、負荷の制御特性に問題が生じない。一方、入力電圧ｖ_Ｌが変動している過渡状態においては、電力ｐ_Ｌが電力ｐ_Ｌ＊とは異なるという事態が生じ得る。そのため、過渡特性が特に重要な負荷に上記の制御方法を適用することは、当該負荷の制御特性を悪化させるおそれがある。

【0040】

負荷の制御特性を悪化させないためには、負荷側の電力変換器がＣＰＬとして動作し、定常状態および過渡状態にかかわらず、負荷に対して電力ｐ_Ｌ＊を供給する必要がある。

【0041】

そこで、本実施の形態に係る直流配電システムでは、図４に示すように、直流母線１００に、負荷側の電力変換器（ＣＰＬ）と並列に電圧安定化装置（Voltage Stabilizer）１０を接続する。電圧安定化装置１０は、以下に説明するように、入力電圧ｖ_Ｌの変動と、直流母線１００から負荷側の電力変換器に供給される電力ｐ_Ｌ＊とに応じた電力Δｐ_Ｌを直流母線１００に供給するように構成される。具体的には、電圧安定化装置１０は、入力電圧ｖ_Ｌの変動に応じて直流母線１００から負荷側の電力変換器および電圧安定化装置１０に供給される電力ｐ_Ｌを変動させるとともに、電力ｐ_Ｌと電力ｐ_Ｌ＊との偏差に相当する電力Δｐ_Ｌを直流母線１００との間で授受するように構成される。すなわち、負荷側の電力変換器および電圧安定化装置１０を、全体として定電流負荷として動作させる。

【0042】

図４は、電圧安定化装置１０の主回路構成を示す図である。図４は、図３に示した直流配電システムの等価回路において、ＣＰＬと並列に電圧安定化装置１０を追加したものである。図４に示すように、電圧安定化装置１０は、バッファコンデンサＣｂと、双方向直流／直流変換器１２とを備える。

【0043】

バッファコンデンサＣ_ｂは、電圧安定化装置１０と直流母線１００との間で過渡的な電力を授受するためのエネルギー蓄積要素として機能する。なお、電圧安定化装置１０は、定常的な電力を取り扱わないため、バッファコンデンサＣ_ｂは、小容量のコンデンサで対応可能である。また、応答性も重要であることから、バッファコンデンサＣ_ｂの端子間電圧Ｖ_ｂは、ＣＰＬの入力電圧ｖ_Ｌよりも高く設定する。

【0044】

双方向直流／直流変換器１２は、直流母線１００とバッファコンデンサＣ_ｂとの間で電力を授受することが可能に構成されている。双方向直流／直流変換器１２から直流母線１００に流れる電流（以下、補償電流ｉ_Ｃとも称する）を制御することにより、直流母線１００とバッファコンデンサＣ_ｂとの間で電力Δｐ_Ｌの授受を実現する。

【0045】

具体的には、双方向直流／直流変換器１２は、直流母線１００からバッファコンデンサＣ_ｂへ電力を供給する場合には、入力電圧ｖ_Ｌを所望の直流電圧に昇圧してバッファコンデンサＣ_ｂに与える。また、バッファコンデンサＣ_ｂから直流母線１００へ電力を供給する場合には、バッファコンデンサＣ_ｂの端子間電圧ｖ_ｂを所望の直流電圧に降圧して直流母線１００に与える。

【0046】

図４の例では、双方向直流／直流変換器１２は、双方向チョッパ回路であって、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２、ダイオードＤ１，Ｄ２、およびリアクトルＬ_Ｃを含んで構成される。スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２は、バッファコンデンサＣｂの正極および負極間に直列接続される。スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２は、例えば、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）等の自己消弧型の半導体スイッチング素子である。ダイオードＤ１，Ｄ２は、ＦＷＤ（Freewheeling Diode）であり、それぞれスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２に逆並列に接続される。

【0047】

リアクトルＬ_Ｃは、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２間のノードと直流母線１００の直流正母線１００ｐとの間に接続される。バッファコンデンサＣ_ｂの負極は、直流母線１００の直流負母線１００ｎに接続される。

【0048】

直流母線１００からバッファコンデンサＣ_ｂへ電力を供給する場合は、スイッチング素子Ｑ２が所定の周期でオン／オフされ、スイッチング素子Ｑ１はオフされる。スイッチング素子Ｑ２がオンされると、直流正母線１００ｐ、リアクトルＬ_Ｃ、スイッチング素子Ｑ２、および直流負母線１００ｎの経路で電流が流れ、リアクトルＬ_Ｃに電磁エネルギーが蓄えられる。

【0049】

スイッチング素子Ｑ２がオフされると、直流正母線１００ｐからリアクトルＬ_Ｃ、ダイオードＤ１を介してバッファコンデンサＣ_ｂに電流が流れ、バッファコンデンサＣ_ｂが充電される。バッファコンデンサＣ_ｂの端子間電圧Ｖ_ｂは、リアクトルＬ_Ｃに発生する電圧分だけ入力電圧ｖ_Ｌよりも高くなる。各周期におけるスイッチング素子Ｑ２のオン時間とオフ時間との比（デューティ比）を調整することにより、端子間電圧Ｖ_ｂを調整することが可能となっている。

【0050】

バッファコンデンサＣ_ｂから直流母線１００に電力を供給する場合には、スイッチング素子Ｑ１が所定の周期でオン／オフされ、スイッチング素子Ｑ２はオフされる。スイッチング素子Ｑ１がオンされると、バッファコンデンサＣ_ｂからスイッチング素子Ｑ１、リアクトルＬ_Ｃを介して直流正母線１００ｐに電流が流れるとともに、リアクトルＬ_Ｃに電磁エネルギーが蓄えられる。

【0051】

スイッチング素子Ｑ１がオフされると、リアクトルＬ_Ｃ、直流正母線１００ｐ、直流負母線１００ｎおよびダイオードＤ２の経路で電流が流れ、直流母線１００に電力が供給される。入力電圧ｖ_Ｌは、バッファコンデンサＣ_ｂの端子間電圧Ｖ_ｂよりも低くなる。各周期におけるスイッチング素子Ｑ１のオン時間とオフ時間との比（デューティ比）を調整することにより、入力電圧ｖ_Ｌを調整することが可能となっている。

【0052】

なお、双方向直流／直流変換器１２は、双方向チョッパ回路に限定されるものではなく、絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ等を適用することも可能である。

【0053】

＜制御構成＞
次に、図４に示した電圧安定化装置１０の制御構成について説明する。

【0054】

図５は、電圧安定化装置１０の制御構成を示すブロック図である。図５に示すように、直流配電システムは、電圧検出器６，８、電流検出器７、および制御回路２０をさらに備える。

【0055】

電圧検出器６は、バッファコンデンサＣ_ｂの端子間電圧ｖ_ｂの瞬時値を検出し、その検出値を示す信号を制御回路２０に与える。電圧検出器８は、ＣＰＬの入力電圧ｖ_Ｌの瞬時値を検出し、その検出値を示す信号を制御回路２０に与える。

【0056】

電流検出器７は、双方向直流／直流変換器１２のインダクタＬ_Ｃと直流正母線１００ｐとの間に流れる補償電流ｉ_Ｃを検出し、その検出値を示す信号を制御回路２０に与える。

【0057】

制御回路２０は、電圧検出器６，８および電流検出器７からの信号に基づいて、双方向直流／直流変換器１２を制御する。図示は省略するが、制御回路２０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、メモリ、および入出力回路を含んで構成される。ＣＰＵがメモリに格納されたプログラムを実行することで、後述する制御ブロックを実現することができる。あるいは、制御回路２０の少なくとも一部については、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）、またはＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）などの回路を用いて構成することが可能である。また、制御回路２０の少なくとも一部について、アナログ回路によって構成することも可能である。

【0058】

制御回路２０は、双方向直流／直流変換器１２を用いて補償電流ｉ_Ｃを制御することにより、電圧安定化装置１０および直流母線１００間の電力Δｐ_Ｌの授受を実現する。具体的には、制御回路２０は、ＬＰＦ（Low Pass Filter）２１、減算器２２，２７、除算器２３，２５，２９、乗算器２４、加算器２６、およびＰＩ制御器２８，３１を含んで構成される。

【0059】

ＬＰＦ２１、減算器２２、除算器２３および乗算器２４は、電圧安定化装置１０が補償すべき電力Δｐ_Ｌ（以下、補償電力Δｐ_Ｌとも称する）を演算するための演算回路を構成する。この演算回路において、式（７）に示すように、入力電圧ｖ_Ｌは、定常成分Ｖ_Ｌと変動成分Δｖ_Ｌとに分離される。なお、定常成分Ｖ_Ｌは、入力電圧ｖ_ＬをＬＰＦ２１に入力することによって得ることができる。ＬＰＦ２１のカットオフ周波数は、ＬＣフィルタの共振周波数よりも十分低い。

【0060】

【数7】

【0061】

実際に直流母線１００からＣＰＬおよび電圧安定化装置１０に供給される電力ｐ_Ｌは、式（７）を用いて、次式（８）のように表すことができる。ｐ_Ｌ＊は直流母線１００からＣＰＬに供給される電力であり、負荷が必要とする電力である。

【0062】

【数8】

【0063】

式（８）から、補償電力Δｐ_Ｌは次式（９）で与えられる。

【0064】

【数9】

【0065】

電圧安定化装置１０が直流母線１００との間で補償電力Δｐ_Ｌを授受することにより、ＣＰＬおよび電圧安定化装置１０の組み合わせは、全体として定電流負荷として振る舞うことができる。これにより、ＣＰＬがいかなる負荷を吸収しても、直流配電システムにおける直流電圧制御には何ら影響を与えることは無くなるものと考えられる。

【0066】

図５に示す演算回路では、減算器２２にて入力電圧ｖ_Ｌから定常成分Ｖ_Ｌを減算することにより、変動成分Δｖ_Ｌが求められる。そして、除算器２３および乗算器２４により、定常成分Ｖ_Ｌに対する変動成分Δｖ_Ｌの比（Δｖ_Ｌ／Ｖ_Ｌ）を電力ｐ_Ｌ＊に乗じて、電圧安定化装置１０の補償電力Δｐ_Ｌが求められる。

【0067】

この補償電力Δｐ_Ｌを除算器２５にて入力電圧ｖ_Ｌで除することにより、次式（１０）に示すように、補償電流ｉ_Ｃｐが求められる。なお、本実施の形態において、補償電流ｉ_Ｃｐは、電圧安定化装置１０から直流母線１００に電力（電流）が流入する方向を正として定義される。そのため、式（１０）では、Δｐ_Ｌ／ｖ_Ｌを－１倍している。

【0068】

【数10】

【0069】

これによれば、電圧安定化装置１０が補償電流ｉ_Ｃｐを直流母線１００に注入すればよいことは明らかである。補償電力Δｐ_Ｌの平均値は理論的には零であるため、バッファコンデンサＣ_ｂの端子間電圧ｖ_ｂは定常的に変化しないはずである。

【0070】

しかしながら、実際には、双方向直流／直流変換器１２にて生じる電力損失等に起因して、バッファコンデンサＣ_ｂの端子間電圧ｖ_ｂが変動する。そのため、電圧安定化装置１０が補償電流ｉ_Ｃｐに従って電流制御を継続した場合に、端子間電圧ｖ_ｂが過度に上昇する、または、端子間電圧ｖ_ｂが入力電圧ｖ_Ｌまで低下することによって、電流制御が実行できなくなる可能性が懸念される。したがって、補償電力Δｐ_Ｌに従った電流制御と並行して、バッファコンデンサＣ_ｂの端子間電圧ｖ_ｂを一定に保つための制御（以下、バッファ電圧制御とも称する）が必要となる。

【0071】

図５に示す制御回路２０において、減算器３０およびＰＩ制御器３１は、バッファ電圧制御系を構成する。具体的には、減算器３０は、予め定められた端子間電圧指令値Ｖ_ｂ＊から端子間電圧ｖ_ｂを減算する。ＰＩ制御器３１は、減算器３０によって算出された、端子間電圧指令値Ｖ_ｂ＊と端子間電圧ｖ_ｂとの偏差Δｖ_ｂに対して、比例演算および積分演算を行う。なお、ＰＩ制御器３１に代えて、さらに微分演算を行うＰＩＤ制御器としてもよいし、他の構成のフィードバック演算器を用いてもよい。ＰＩ制御器３１は、演算結果を補償電流ｉ_Ｃｖとして出力する。補償電流ｉ_Ｃｖはバッファ電圧制御のための補償電流に相当する。

【0072】

加算器２６は、本来の補償電流ｉ_Ｃｐを－１倍したものに、補償電流ｉ_Ｃｖを－１倍したものを加算することにより、補償電流指令値ｉ_Ｃ＊を生成する。

【0073】

減算器２７は、補償電流指令値ｉ_Ｃ＊から補償電流ｉ_Ｃを減算する。ＰＩ制御器２８は、減算器２７によって算出された、補償電流指令値ｉ_Ｃ＊と補償電流ｉ_Ｃとの偏差Δｉ_Ｃに対して、比例演算および積分演算を行う。なお、ＰＩ制御器２８に代えて、さらに微分演算を行うＰＩＤ制御器としてもよいし、他の構成のフィードバック演算器を用いてもよい。ＰＩ制御器２８は、演算結果を、入力電圧ｖ_Ｌの指令値である入力電圧指令値ｖ_Ｌ＊として出力する。

【0074】

除算器２９は、入力電圧指令値ｖ_Ｌ＊をバッファコンデンサＣ_ｂの端子間電圧ｖ_ｂで除することにより、双方向直流／直流変換器１２のデューティ比Ｄを求める。制御回路２０は、求められたデューティ比Ｄに従って、双方向直流／直流変換器１２におけるスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２のオン／オフを制御する。

【0075】

以上説明したように、制御回路２０は、電圧安定化装置１０および直流母線１００間で補償電力Δｐ_Ｌを授受するように補償電流ｉ_Ｃを制御する電流制御系と、バッファコンデンサＣ_ｂの端子間電圧ｖ_ｂを一定に保つためのバッファ電圧制御系とを含んで構成されている。電流制御系は、過渡特性が重要であるため、十分な過渡応答特性が得られるように、電流制御系を設計する必要がある。これに対して、バッファ電圧制御系は、実際のバッファコンデンサＣ_ｂの端子間電圧ｖｂが平均的に端子間電圧指令値Ｖ_ｂ＊と等しくなれば十分であるので、バッファ電圧制御系の応答周波数は、補償電力Δｐ_Ｌの変動周波数に対して十分低く設定すれば十分である。このようにすると、電流制御とバッファ電圧制御との干渉を防ぐことができる。

【0076】

（実験検証）
次に、直流配電システムにおける電圧安定化装置１０の動作を検証した結果について説明する。

【0077】

＜実験システム＞
図６は、検証に用いた実験システムの主回路構成を示す図である。図７には、図６に示した実験システムの各構成要素のパラメータが示される。

【0078】

図６に示す実験システムでは、ＣＰＬとして降圧チョッパ回路が使用される。降圧チョッパ回路は、ハーフブリッジ回路およびリアクトルＬ_Ｌを含み、入力電圧ｖ_Ｌを降圧して負荷抵抗Ｒ_Ｌに供給するように構成される。

【0079】

電圧安定化装置１０は、バッファコンデンサＣｂと、双方向直流／直流変換器１２とを含む。実験システムでは、双方向直流／直流変換器１２に含まれるハーフブリッジ回路と、降圧チョッパ回路に含まれるハーフブリッジ回路とは同じものであり、何れもヒートシンクに実装されている。

【0080】

実験システムにおいては、ＣＰＬへの入力電圧ｖ_Ｌ、すなわちＬＣフィルタの出力電圧の制御は行っていないため、比較的小電力でも不安定になる条件で実験を行った。また、負荷抵抗Ｒ_Ｌの抵抗値および定格電力の都合により、直流母線の電圧Ｅを５０Ｖに設定した。このため、バッファコンデンサＣ_ｂの端子間電圧指令値Ｖ_ｂ＊は、電圧制御性を考慮して直流母線の電圧Ｅの２倍の１００Ｖに設定した。

【0081】

降圧チョッパ回路の電流制御および電圧安定化装置１０の電流制御の応答周波数は、ＬＣフィルタの共振周波数（６００Ｈｚ）よりも高く設定している。バッファコンデンサＣｂの電圧制御の応答周波数は、ＬＣフィルタの共振周波数よりも低く設定している。

【0082】

実験では、直流母線に電圧安定化装置１０を接続しない場合、および、直流母線に電圧安定化装置１０を接続した場合の各々について、電力ｐ_Ｌを２０Ｗから４０Ｗに急変させたときの、ＣＰＬへの入力電圧ｖ_Ｌ、入力電流ｉ_Ｌ、および負荷抵抗Ｒ_Ｌに流れる電流ｉＲ（以下、負荷電流ｉ_Ｒとも称する）の時間的変化を測定した。

【0083】

＜実験結果＞
図８は、直流母線に電圧安定化装置１０を接続しない場合における実験結果を示す図である。図８（Ａ）は入力電圧ｖ_Ｌの波形を示し、図８（Ｂ）は入力電流ｉ_Ｌの波形を示し、図８（Ｃ）は負荷電流ｉ_Ｒの波形を示している。

【0084】

ｔ＝１０ｍｓにおいて電力ｐ_Ｌが２０Ｗから４０Ｗに急変すると、入力電圧ｖ_Ｌおよび入力電流ｉ_Ｌに振動が発生し、この振動は時間とともに徐々に増大している。なお、最終的に過電流に対する保護機能が動作することにより、実験システムが停止してしまった。これに対して、負荷電流ｉ_Ｒは降圧チョッパ回路による電流制御によって一定電流に保たれている。すなわち、降圧チョッパ回路は、電力ｐ_Ｌが変化しても定電力負荷として動作し続けている。

【0085】

このように電圧安定化装置１０が接続されない場合には、実験システムは、電力ｐ_Ｌが４０Ｗ以上で不安定になることが確認された。

【0086】

図９は、直流母線に電圧安定化装置１０を接続せず、非特許文献１に記載される制御方法を降圧チョッパ回路に適用した場合における実験結果を示す図である。非特許文献１に記載される制御方法は、入力電圧ｖ_Ｌの変動に応じて電力ｐ_Ｌを変動させるように降圧チョッパ回路を制御することで負荷を定電流化するものである。

【0087】

図９（Ａ）は入力電圧ｖＬの波形を示し、図９（Ｂ）は入力電流ｉ_Ｌの波形を示し、図９（Ｃ）は負荷電流ｉ_Ｒの波形を示している。図９においても、図８と同様に、ｔ＝１０ｍｓにて電力ｐ_Ｌが２０Ｗから４０Ｗに急変している。

【0088】

電力ｐ_Ｌが急変したことに応じて入力電圧ｖ_Ｌおよび入力電流ｉ_Ｌには振動が発生するものの、時間とともに振動が徐々に減衰し、電圧安定化に成功している。しかしながら、当該制御方法では、入力電圧ｖ_Ｌの変動に対応して電力ｐ_Ｌを変化させているため、電力ｐ_Ｌが急変した直後において負荷電流ｉ_Ｒの立ち上がりに遅れが生じている。また、電力ｐ_Ｌが急変した後の負荷電流ｉ_Ｒには、入力電圧ｖ_Ｌの変動に伴う脈動が発生している。したがって、負荷が必要としている電力を完全には供給できていないことがわかる。

【0089】

図１０は、直流母線に電圧安定化装置１０を接続した場合における実験結果を示す図である。図１０（Ａ）は入力電圧ｖ_Ｌの波形を示し、図１０（Ｂ）は入力電流ｉ_Ｌの波形を示し、図１０（Ｃ）は負荷電流ｉ_Ｒの波形を示している。図１０（Ｄ）は補償電流ｉ_Ｃの波形を示し、図１０（Ｅ）はバッファコンデンサＣ_ｂの端子間電圧ｖ_ｂの波形を示している。図１０においても、図８および図９と同様に、ｔ＝１０ｍｓにて電力ｐ_Ｌが２０Ｗから４０Ｗに急変している。

【0090】

電力ｐ_Ｌが急変したことに応じて、入力電圧ｖ_Ｌおよび入力電流ｉ_Ｌには振動が発生している。電圧安定化装置１０は、電力ｐ_Ｌ＊と入力電圧ｖ_Ｌの定常成分Ｖ_Ｌおよび変動成分Δｖ_Ｌとに基づいて補償電力Δｐ_Ｌを算出し、算出された補償電力Δｐ_Ｌを直流母線との間で授受するように双方向直流／直流変換器１２の電流制御を実行する。そのため、補償電流ｉ_Ｃには、電力ｐ_Ｌが急変した直後において振動が生じている。補償電流ｉ_Ｃの振動は入力電圧ｖ_Ｌの安定化に応じて徐々に減衰している。なお、補償電流ｉ_Ｃは、入力電流ｉ_Ｌの１／１０以下である。

【0091】

図１０においても、図９と同様に、電力ｐ_Ｌの急変後、入力電圧ｖ_Ｌおよび入力電流ｉ_Ｌの振動が徐々に減衰しており、電圧安定化に成功している。ただし、図１０では、電圧安定化に成功しているだけでなく、図９に見られた負荷電流ｉ_Ｒの立ち上がりの遅れや電力ｐ_Ｌの脈動を抑制できており、本来負荷が必要としている電力を供給できていることが確認された。

【0092】

また、小容量のバッファコンデンサＣ_ｂを適用しただけにもかかわらず、入力電流ｉ_Ｌの１／１０以下の補償電流ｉ_Ｃと、数％の端子間電圧ｖ_ｂの脈動が短時間発生するだけで、入力電圧ｖ_Ｌの不安定の問題を解消できていることがわかる。

【0093】

図１１は、直流母線に電圧安定化装置１０を接続した場合において、電力ｐ_Ｌを１２０Ｗから１５０Ｗに更に大きくしたときの実験結果を示す図である。図１１（Ａ）は入力電圧ｖ_Ｌの波形を示し、図１１（Ｂ）は入力電流ｉ_Ｌの波形を示し、図１１（Ｃ）は負荷電流ｉ_Ｒの波形を示している。図１１（Ｄ）は補償電流ｉ_Ｃの波形を示し、図１１（Ｅ）はバッファコンデンサＣ_ｂの端子間電圧ｖ_ｂの波形を示している。

【0094】

図１１では、ｔ＝１０ｍｓにて電力ｐ_Ｌが１２０Ｗから１５０Ｗに急変している。理論的には定電力負荷の電力が大きくなるに従って、入力電圧ｖ_Ｌの不安定化が拡大すると考えられる。しかしながら、図１１に示すように、電力ｐ_Ｌが急変した後の入力電圧ｖ_Ｌの減衰特性は、図１０の場合とほとんど変化がないことがわかる。これは、電圧安定化装置１０が定電力負荷を定電流負荷のように見えるように動作できており、結果的に直流母線の電圧制御に影響を与えていないためである。

【0095】

ただし、定電力負荷の電力が大きくなるにつれて、補償電流ｉ_ＣおよびバッファコンデンサＣ_ｂの端子間電圧ｖ_ｂの脈動幅は増大している。

【0096】

（作用効果）
以上説明したように、本実施の形態に係る直流配電システムは、直流母線に定電力負荷（ＣＰＬ）と並列に電圧安定化装置１０を接続し、定電力負荷に供給する電力ｐ_Ｌ＊と定電流負荷となるための電力ｐ_Ｌとの差分の電力Δｐ_Ｌを電圧安定化装置１０に補償させる。これにより、電圧安定化装置１０および定電流負荷を全体として定電流負荷として動作させる。

【0097】

本実施の形態によれば、電圧安定化装置１０による電力補償によって、定電力負荷に起因する、直流母線の電圧制御の不安定性を改善することができる。また、定電力負荷の制御を変更することで当該定電力負荷を定電流化する、非特許文献１に記載の従来技術と比較して、定電力負荷に供給される電力が変化した場合における過渡特性の悪化を抑制することが可能となる。

【0098】

さらに、電圧安定化装置１０および定電力負荷を全体として定電流負荷として動作させることができるため、負荷条件が変化しても、直流配電システムにおける直流電圧の制御性に影響を与えることがない。よって、本実施の形態に係る電圧安定化装置１０は、不特定多数の負荷が接続される直流配電システムの電圧安定化に寄与することが期待できる。

【0099】

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。本開示の範囲は上記した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】

【0100】

６，８ 電圧検出器、７ 電流検出器、１０ 電圧安定化装置、１２ 双方向直流／直流変換器、２０ 制御回路、２１ ＬＰＦ、２２，２７，３０ 減算器、２３，２５，２９ 除算器、２４ 乗算器、２６ 加算器、２８，３１ ＰＩ制御器、１００ 直流母線、１００ｐ 直流正母線、１００ｎ 直流負母線、１０２～１１２ 電力変換器、１１４ 商用系統、１１６ 交流電源、１１８ 直流電源、１２０ 電力貯蔵装置、１２２ 交流負荷、１２４ 直流負荷、ＣＰＬ 定電力負荷、Ｑ１，Ｑ２ スイッチング素子、Ｄ１，Ｄ２ ダイオード、Ｃｂ バッファコンデンサ、Ｌｃ リアクトル。

【要約】

直流配電システムは、直流電力を配電する直流母線（１００）と、第１の電力変換器（ＣＰＬ）と、電圧安定化装置（１０）とを備える。第１の電力変換器（ＣＰＬ）は、直流母線（１００）と負荷との間に接続され、直流母線（１００）からの直流電力を負荷が必要とする電力に変換する。電圧安定化装置（１０）は、直流母線（１００）に、第１の電力変換器（ＣＰＬ）と並列に接続される。電圧安定化装置（１０）は、直流母線（１００）から第１の電力変換器（ＣＰＬ）に入力される入力電圧の変動と、直流母線（１００）から第１の電力変換器（ＣＰＬ）に供給される直流電力とに応じた電力を直流母線（１００）に供給する。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】