JP2014027760A - 電力変換装置および発電システム - Google Patents

Abstract

【課題】車両用バッテリを系統へ連系して交流負荷に電力供給する電力変換装置において、容易な構成で系統への逆潮流を確実に防止する。
【解決手段】負荷４より系統側に電流検出器１６を備え、インバータ制御部２２は、電流検出器１６からの検出電流１６ａと系統電圧とに基づいて逆潮電流３２を演算する手段２８と、演算された逆潮電流３２が０になるように、与えられた外部電流指令１８を補正する補正手段２９とを備え、補正後のインバータ電流指令３６を用いてインバータ１３を制御する。
【選択図】図２

Description

本発明は、系統への逆潮流が禁止された分散電源の直流電力を交流電力に変換して系統に連系する電力変換装置およびそれを備えた発電システムに関するものである。

逆潮流が禁止された分散電源を系統へ連系する従来の発電システムには、以下に示すものがある。
従来の発電システムとしての分散電源システムは、複数の直流電力供給手段を備え、該複数の直流電力供給手段の内、商用系統電源への逆潮を行わない直流電力供給手段の出力電力の合計と交流負荷の消費電力とを比較する電力比較手段を備える。そして、逆潮を行わない直流電力供給手段の出力を制御する出力制御手段は、上記電力比較手段の比較出力に基づいて、逆潮を行わない直流電力供給手段の出力電力の合計が交流負荷の消費電力より大きくならないように出力制御する。

特開２００２−１９９５９２号公報

上記の発電システムでは、逆潮流を行わない直流電力供給手段の出力制御のために、この直流電力供給手段の出力電圧、電流だけでなく交流負荷の電圧、電流も検出して電力比較する必要があり、装置構成が複雑になると共に検出誤差の影響も大きくなり逆潮流を確実に防止するのは困難であった。

この発明は、上記のような問題点を解消するために成されたものであって、確実に逆潮流を防止して分散電源を系統へ連系して交流負荷に電力供給する電力変換装置を、容易な装置構成にて提供することを目的とする。また、このような電力変換装置を備えて分散電源を系統へ連系し交流負荷に電力供給する発電システムを提供することを第２の目的とする。

この発明による電力変換装置は、系統電源への逆潮流が禁止された分散電源の直流電力を交流電力に変換し交流ラインを介して上記系統電源に連系し、上記交流ラインに接続される交流負荷に電力供給する。この電力変換装置は、上記分散電源に一方側が接続されたＤＣ／ＤＣコンバータと、該ＤＣ／ＤＣコンバータの他方側に接続された電力貯蔵部と、該電力貯蔵部の直流電力を交流電力に変換して上記交流ラインに接続するインバータと、上記ＤＣ／ＤＣコンバータを制御するコンバータ制御部および上記インバータを制御するインバータ制御部を有する制御部と、上記交流負荷よりも上記系統電源側の上記交流ラインに配された電流検出器とを備える。そして、上記インバータ制御部は、系統電圧と上記電流検出器からの検出電流とに基づいて上記系統電源への逆潮電流を演算する手段と、演算された上記逆潮電流が０になるように、外部から与えられた電流指令である基準指令を補正する補正手段とを備え、補正された基準指令である補正後電流指令を用いて上記インバータを制御するものである。

またこの発明による発電システムは、上記電力変換装置と、上記系統電源への逆潮流が可能な太陽電池の直流電力を交流電力に変換するインバータ装置とを備え、上記インバータ装置は、上記電力変換装置における上記電流検出器よりも上記系統電源側の上記交流ラインに接続されて上記太陽電池を上記系統電源に連系し、上記交流負荷に電力供給するものである。

この発明による電力変換装置および発電システムは上記のように構成されているため、分散電源から系統電源への逆潮電流を、容易な装置構成にて確実に防止できる。

この発明の実施の形態１による発電システムの構成を示す図である。 この発明の実施の形態１によるインバータ制御部の制御の詳細を説明する図である。 この発明の実施の形態２による検出電力の誤差を説明する図である。 この発明の実施の形態２によるインバータ制御部の制御の詳細を説明する図である。 この発明の実施の形態２の別例による検出電力の誤差を説明する図である。

実施の形態１．
以下、この発明の実施の形態１による発電システムを図に基づいて説明する。
図１は、この発明の実施の形態１による発電システム１、より具体的には、分散電源としての車両用のバッテリ２からの直流電力を交流電力に変換して系統電源３に連系し、交流負荷である負荷４に電力供給するＥＶ発電システム５と、系統電源３に連系し負荷４、ＥＶ発電システム５または系統電源３の１または複数に電力供給する太陽光発電システム５０とを備えた複合発電システムの構成を模式的に示した図である。

ＥＶ発電システム５は、電力変換装置としての第１のインバータ装置１０を備え、電気自動車２Ａのバッテリ２の直流電力を交流電力に変換して交流ライン１９を介して系統電源３に連系し、交流ライン１９に接続される負荷４に電力供給する。第１のインバータ装置１０の主回路は、バッテリ２に一方側が接続された双方向絶縁型の第１のＤＣ／ＤＣコンバータ１１と、第１のＤＣ／ＤＣコンバータ１１の他方側に接続された電力貯蔵部としてのコンデンサ１２と、コンデンサ１２の直流電力を交流電力に変換する第１のインバータ１３とを備える。

第１のインバータ１３は、それぞれダイオードが逆並列接続されたＩＧＢＴ等から成る自己消孤型の半導体スイッチング素子１４を複数個備えた単相フルブリッジインバータにて構成され、回生可能で双方向に動作し、回生時には太陽光発電システム５０または系統電源３からの交流電力を直流電力に変換してバッテリ２を充電する。なお、第１のインバータ１３は単相フルブリッジに限るものではなく、用いる半導体スイッチング素子１４は、ＩＧＢＴ以外にも、ＧＣＴ、ＧＴＯ、トランジスタ、ＭＯＳＦＥＴ等でも良い。

また、第１のインバータ装置１０は、第１のＤＣ／ＤＣコンバータ１１を出力制御するコンバータ制御部２１と、第１のインバータ１３を出力制御するインバータ制御部２２とで構成される第１の制御部２０を備え、さらに、バッテリ２の電圧、コンデンサ１２の電圧、第１のインバータ１３の出力電圧をそれぞれ検出する電圧検出器２ａ、１２ａ、１５および電流検出器１６を備える。そして第１の制御部２０は、外部からの充放電要求に応じて、各検出器２ａ、１２ａ、１５、１６の検出結果に基づいて、主回路の第１のＤＣ／ＤＣコンバータ１１および第１のインバータ１３を制御し、バッテリ２を充放電する。なお、電流検出器１６は、例えばＣＴ検出器にて構成され、負荷４より系統電源３側の交流ライン１９に配置されて矢印１７に示す方向を正方向として電流検出する。

太陽光発電システム５０は、太陽電池５１に並列接続されたコンデンサ５２と、太陽電池５１からの直流電力を交流電力に変換して系統電源３に接続するインバータ装置としての第２のインバータ装置５３とを備え、太陽電池５１からの直流電力を系統電源３に連系し、負荷４、ＥＶ発電システム５または系統電源３に電力供給する。第２のインバータ装置５３の交流出力は、第１のインバータ装置１０の交流側と系統電源３とを結ぶ交流ライン１９に接続され、その接続点は、負荷４より系統電源３側に配置された電流検出器１６よりさらに系統電源３側に位置する。

第２のインバータ装置５３の主回路は、太陽電池５１の発電電力を制御して取り出すための第２のＤＣ／ＤＣコンバータ５４と、第２のＤＣ／ＤＣコンバータ５４の出力側に接続されたコンデンサ５５と、コンデンサ５５の直流電力を交流電力に変換する第２のインバータ５６とを備える。
第２のインバータ５６は、それぞれダイオードが逆並列接続されたＩＧＢＴ等から成る自己消孤型の半導体スイッチング素子５７を複数個備えた単相フルブリッジインバータにて構成される。なお、第２のインバータ５６は単相フルブリッジに限るものではなく、用いる半導体スイッチング素子５７は、ＩＧＢＴ以外にも、ＧＣＴ、ＧＴＯ、トランジスタ、ＭＯＳＦＥＴ等でも良い。

また、第２のインバータ装置５３は、第２のＤＣ／ＤＣコンバータ５４を出力制御するコンバータ制御部６１と、第２のインバータ５６を出力制御するインバータ制御部６２とで構成される第２の制御部６０を備え、さらに、太陽電池５１の出力電圧となるコンデンサ５２の電圧、コンデンサ５５の電圧、第２のインバータ５６の出力電圧をそれぞれ検出する電圧検出器５２ａ、５５ａ、５８を備える。
そして第２の制御部６０は、各検出器５２ａ、５５ａ、５８の検出結果に基づいて、主回路の第２のＤＣ／ＤＣコンバータ５４および第２のインバータ５６を以下のように制御する。即ち、コンバータ制御部６１は、太陽電池５１が最大電力を出力するように駆動信号を生成して第２のＤＣ／ＤＣコンバータ５４を出力制御する。またインバータ制御部６２は、第２のインバータ５６の出力電圧が系統電源３の電圧ＶＡと同等になるよう、かつ入力側のコンデンサ５５の電圧が一定となるように駆動信号を生成して第２のインバータ５６を出力制御する。

次に、ＥＶ発電システム５の第１のインバータ装置１０の制御動作について、説明する。上述したように、第１のインバータ装置１０では、ユーザ要求等、外部からの充放電要求に応じて、第１の制御部２０が、第１のＤＣ／ＤＣコンバータ１１および第１のインバータ１３を制御してバッテリ２を充放電する。このため、第１の制御部２０は、充電モードと放電モードとの２種の制御モードを有する。

第１の制御部２０が充電モードでバッテリ２を充電する際、発電システム１全体としての制御動作は、以下の３種類ある。
第１は、太陽光発電システム５０から太陽電池５１の発電電力が出力され、ＥＶ発電システム５のバッテリ２と系統電源３と負荷４とに供給される。第２は、太陽光発電システム５０から太陽電池５１の発電電力が出力され、系統電源３から交流電力が出力されて、ＥＶ発電システム５のバッテリ２と負荷４とに供給される。第３は、系統電源３からの交流電力が、ＥＶ発電システム５のバッテリ２と負荷４とに供給される。
第１の制御部２０では、充電モードにおいて、コンバータ制御部２１が、バッテリ２の充電電流が所定の目標電流に追従するように駆動信号を生成して第１のＤＣ／ＤＣコンバータ１１を出力制御してバッテリ２を充電する。またインバータ制御部２２は、コンデンサ１２の電圧が所定の目標電圧に追従するように駆動信号を生成して第１のインバータ１３を回生制御する。

次に、第１の制御部２０が放電モードでバッテリ２を放電させる際、発電システム１全体としての制御動作は、以下の３種類ある。
第１は、太陽光発電システム５０から太陽電池５１の発電電力が出力され、ＥＶ発電システム５からバッテリ２の放電電力が出力されて、系統電源３と負荷４とに電力供給される。第２は、太陽光発電システム５０から太陽電池５１の発電電力が出力され、ＥＶ発電システム５からバッテリ２の放電電力が出力され、系統電源３から交流電力が出力されて、負荷４に供給される。第３は、ＥＶ発電システム５からバッテリ２の放電電力が出力され、系統電源３から交流電力が出力されて、負荷４に供給される。なお、ＥＶ発電システム５から系統電源３への電力供給はなく、バッテリ２の放電電力は負荷４のみに供給される。

第１の制御部２０では、放電モードにおいて、コンバータ制御部２１が、コンデンサ１２の電圧が所定の目標電圧に追従するように駆動信号を生成して第１のＤＣ／ＤＣコンバータ１１を出力制御してバッテリ２から放電させる。またインバータ制御部２２は、基準指令としての外部電流指令１８が外部から与えられ、第１のインバータ１３の出力電流を外部電流指令１８に基づいて制御するように駆動信号を生成して第１のインバータ１３を制御する。

放電モードにおけるインバータ制御部２２による第１のインバータ１３の制御の詳細について、図２に基づいて以下に説明する。
放電モードにおけるインバータ制御部２２は、系統電源３への逆潮電流を演算する手段２８と、演算された逆潮電流が０に収束するように、外部電流指令１８を補正する補正手段２９とを備えて、補正後電流指令としてのインバータ電流指令３６を用いて第１のインバータ１３の駆動信号を生成する。

系統電源３への逆潮電流を演算する手段２８では、まず、電流検出器１６からの検出電流１６ａと、電圧検出器１５からの検出電圧１５ａから電力計算部３０にて検出電力３１を算出する。なお、第１のインバータ１３の出力は系統電源３に連系されるため、その出力電圧である検出電圧１５ａは系統電圧ＶＡに依存している。また、検出電流１６ａは系統電源３の入出力電流（系統電流）である。
次に、検出電圧１５ａの実効値２３を演算し、検出電力３１を実効値２３で除算して逆潮電流３２を演算する。ここで、検出電力３１は、逆潮電流３２による逆潮電力となる。

補正手段２９では、演算された逆潮電流３２が０に収束するようにＰＩ制御器３３により演算した出力をリミッタ３４にて最小値を０、最大値を外部電流指令１８に制限し、外部電流指令１８を補正する補正値３５を導出する。
ＰＩ制御器３３では、比例ゲイン２４および積分器２５を用いて、演算された逆潮電流３２が０に収束するように制御量を出力する。積分器２５には、最小値を０、最大値を外部電流指令１８とするリミッタを付加し、制御応答を高速化している。
そして、外部電流指令１８から補正値３５を減算してインバータ電流指令３６を生成する。これにより、外部電流指令１８に含まれる逆潮電流成分を補正値３５として演算し、外部電流指令１８から除く事になる。このため、補正後のインバータ電流指令３６を用いて第１のインバータ１３を出力制御することで、逆潮電流３２は０に制御される。

以上のように、インバータ制御部２２は、電流検出器１６からの検出電流１６ａと系統電圧（検出電圧１５ａ）とに基づいて、系統電源３への逆潮電流３２を演算し、演算された逆潮電流３２が０になるように、外部電流指令１８を補正する補正値３５を演算してインバータ電流指令３６を生成する。これにより、ＥＶ発電システム５から系統電源３への逆潮電流を確実に防止することができ、ＥＶ発電システム５の連系運転の信頼性が向上する。また、このような逆潮電流を防止する制御は、負荷４の電流、電圧を検出する必要が無く、通常の出力制御のための検出器以外には、１つの電流検出器１６を要するのみで、簡略な装置構成で容易に実現できる。このため検出誤差の影響も低減でき、さらに確実に逆潮電流を防止できる。

また、太陽光発電システム５０の第２のインバータ装置５３の交流出力を、ＥＶ発電システム５の第１のインバータ装置１０の交流側と系統電源３とを結ぶ交流ライン１９に接続し、その接続点を、負荷４より系統電源３側に配置された電流検出器１６よりさらに系統電源３側とした。これにより、系統電源３への逆潮流が禁止されたＥＶ発電システム５と、太陽光発電システム５０との複合型の発電システム１において、ＥＶ発電システム５の逆潮電流を確実に防止できる。

実施の形態２．
この実施の形態では、上記実施の形態１で示した発電システム１において、電流検出器１６の検出誤差を考慮して第１のインバータ１３を制御するものを以下に説明する。
ＣＴ検出器などで構成される電流検出器１６には検出誤差が有る。上記実施の形態１において、電流検出器１６からの検出電流１６ａと、電圧検出器１５からの検出電圧１５ａから算出される検出電力３１には、図３に示すように、例えば実電力Ｐに±αの範囲内で誤差が存在する。実電力Ｐが正の値の時に逆潮電流が発生し、上記実施の形態１の図２に示す制御では、実電力Ｐが正の値の時に、実電力Ｐより低く電力が検出されると、逆潮電流が０に収束できない。即ち、図に示す電力誤差分ΔＰに対応する逆潮電流を解消できない。

この実施の形態２におけるインバータ制御部２２による第１のインバータ１３の制御を図４に示す。
放電モードにおけるインバータ制御部２２は、系統電源３への逆潮電流を演算する手段２８ａと、演算された逆潮電流が０に収束するように、外部電流指令１８を補正する補正手段２９ａとを備えて、補正後のインバータ電流指令３６ａを用いて第１のインバータ１３の駆動信号を生成する。

系統電源３への逆潮電流を演算する手段２８ａでは、上記実施の形態１と同様に、電流検出器１６からの検出電流１６ａと、電圧検出器１５からの検出電圧１５ａから電力計算部３０にて検出電力３１を算出する。そして、検出電力３１に検出誤差分の加算量２６を加算して得た修正電力３１ａを、検出電圧１５ａの実効値２３で除算して修正逆潮電流３２ａを演算する。なお、検出電力３１に加算する検出誤差分である加算量２６には、最大検出誤差αを用いる。例えば、定格電力が３ｋＷ、電流検出器１６の検出誤差が±５％の場合、最大検出誤差αは１５０Ｗとなる。
補正手段２９ａでは、上記実施の形態１と同様に、演算された修正逆潮電流３２ａが０に収束するようにＰＩ制御器３３により演算した出力をリミッタ３４にて制限して補正値３５ａを導出し、外部電流指令１８から補正値３５ａを減算してインバータ電流指令３６ａを生成する。

以上のように、逆潮電流を演算する手段２８ａでは、逆潮電力の検出電力３１を、最大検出誤差αの加算量２６を加えることで逆潮電力の実電力以上の大きさに修正し、修正逆潮電流３２ａを演算する。電力の最大検出誤差αは、電流検出器１６の検出誤差に起因するもので、修正逆潮電流３２ａは、電流検出器１６の最大検出誤差分が加算されて実電流以上の大きさで演算されたものになる。
このため、補正手段２９ａにおいて修正逆潮電流３２ａが０に収束するように演算される補正値３５ａは、外部電流指令１８に含まれる逆潮電流成分以上の値となり、外部電流指令１８から補正値３５ａを減算する補正は、オフセット補正となる。
このようなオフセット補正により生成したインバータ電流指令３６ａにより、逆潮電流は確実に防止できる。
また、電流検出器１６の検出誤差を許容でき、安価な電流検出器１６を用いて逆潮電流を確実に防止できる。

なお、上記説明では電流検出器１６の検出誤差が非線形の場合を想定して加算量２６を一定の最大検出誤差αとしたが、電流検出器１６の検出誤差が線形の場合、可変の加算量２６を用いても良い。
電流検出器１６の検出誤差が線形で、電流検出器１６からの検出電流１６ａを用いて算出される検出電力３１に線形誤差が存在する場合を図５に示す。例えば、電流検出器１６の検出誤差が±５％の場合で、実電力の９５％が検出電力下限とする。この場合、ΔＰ（検出電力÷９５×５）を可変の最大検出誤差として加算量２６に用いる。これにより、外部電流指令１８の補正において、過度なオフセット補正をすることなく電流検出器１６の検出誤差を考慮した補正によりインバータ電流指令３６ａを生成できる。

上記実施の形態１、２では、充放電可能なバッテリ２を分散電源の用いたが、逆潮流が禁止された分散電源であれば、発電のみ行う他の分散電源でも良い。また、ＥＶ発電システム５と太陽光発電システム５０との複合型の発電システム１を示したが、発電システム１をＥＶ発電システム５のみで構成しても良い。
さらに、ＥＶ発電システム５はバッテリ２をシステム内に含んで構成しても良く、同様に太陽光発電システム５０は太陽電池５１をシステム内に含んで構成しても良い。

また、この発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。

１ 発電システム、２ 分散電源としてのバッテリ、３ 系統電源、
４ 交流負荷としての負荷、５ ＥＶ発電システム、
１０ 電力変換装置としての第１のインバータ装置、
１１ 第１のＤＣ／ＤＣコンバータ、１２ 電力貯蔵部としてのコンデンサ、
１３ 第１のインバータ、１５ａ 検出電圧（系統電圧）、１６ 電流検出器、
１６ａ 検出電流、１８ 基準指令としての外部電流指令、１９ 交流ライン、
２０ 第１の制御部、２１ コンバータ制御部、２２ インバータ制御部、
２５ 積分器、２６ 検出誤差分としての加算量、
２８，２８ａ 逆潮電流を演算する手段、２９，２９ａ 補正手段、３２ 逆潮電流、
３２ａ 修正逆潮電流、３３ ＰＩ制御器、３５，３５ａ 補正値、
３６，３６ａ 補正後電流指令としてのインバータ電流指令、
５０ 太陽光発電システム、５１ 太陽電池、５３ 第２のインバータ装置。

Claims (9)

1. 系統電源への逆潮流が禁止された分散電源の直流電力を交流電力に変換し交流ラインを介して上記系統電源に連系し、上記交流ラインに接続される交流負荷に電力供給する電力変換装置において、
   上記分散電源に一方側が接続されたＤＣ／ＤＣコンバータと、該ＤＣ／ＤＣコンバータの他方側に接続された電力貯蔵部と、該電力貯蔵部の直流電力を交流電力に変換して上記交流ラインに接続するインバータと、上記ＤＣ／ＤＣコンバータを制御するコンバータ制御部および上記インバータを制御するインバータ制御部を有する制御部と、上記交流負荷よりも上記系統電源側の上記交流ラインに配された電流検出器とを備え、
   上記インバータ制御部は、系統電圧と上記電流検出器からの検出電流とに基づいて上記系統電源への逆潮電流を演算する手段と、演算された上記逆潮電流が０になるように、外部から与えられた電流指令である基準指令を補正する補正手段とを備え、補正された基準指令である補正後電流指令を用いて上記インバータを制御することを特徴とする電力変換装置。
2. 上記インバータ制御部の補正手段は、上記基準指令内の逆潮電流成分を補正値として演算し、上記基準指令から上記補正値を減算して上記補正後電流指令を生成することを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
3. 上記補正手段は、０〜上記基準指令の値に制限するリミッタが設けられた積分器を有して上記補正値を演算することを特徴とする請求項２に記載の電力変換装置。
4. 上記逆潮電流を演算する手段は、上記電流検出器の検出誤差分を加算して上記逆潮電流を演算し、上記補正手段は、演算された上記補正値によりオフセット補正を行うことを特徴とする請求項２または請求項３に記載の電力変換装置。
5. 加算される上記検出誤差分は、上記電流検出器の最大検出誤差であることを特徴とする請求項４に記載の電力変換装置。
6. 請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の電力変換装置と、
   上記系統電源への逆潮流が可能な太陽電池の直流電力を交流電力に変換するインバータ装置とを備え、
   上記インバータ装置は、上記電力変換装置における上記電流検出器よりも上記系統電源側の上記交流ラインに接続されて上記太陽電池を上記系統電源に連系し、上記交流負荷に電力供給することを特徴とする発電システム。
7. 上記分散電源は車両用バッテリであり、
   上記電力変換装置の上記ＤＣ／ＤＣコンバータは双方向絶縁型で、上記インバータは回生可能な双方向型であり、
   上記分散電源の放電時には、上記コンバータ制御部は、上記電力貯蔵部の電圧が所定電圧になるように上記ＤＣ／ＤＣコンバータを制御し、上記インバータ制御部は、上記補正後電流指令を用いて上記インバータを制御して上記交流負荷に電力供給し、
   上記分散電源の充電時には、上記コンバータ制御部は、充電電流が所定電流になるように上記ＤＣ／ＤＣコンバータを制御し、上記インバータ制御部は、上記電力貯蔵部の電圧が所定電圧になるように上記インバータを回生制御することを特徴とする請求項６に記載の発電システム。
8. 上記分散電源は、上記分散電源の充電時に、上記太陽電池、上記系統電源の一方あるいは双方から電力供給され、
   上記交流負荷は、上記分散電源、上記太陽電池および上記系統電源の内の１あるいは複数から電力供給され、
   上記系統電源は、上記太陽電池から電力供給されることを特徴とする請求項７に記載の発電システム。
9. 上記分散電源および上記太陽電池を備えたことを特徴とする請求項６ないし請求項８のいずれか１項に記載の発電システム。

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