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パワーコンディショナの制御装置
説明

パワーコンディショナの制御装置

【課題】インバータが単独運転を検出した時や系統電圧が低下した時に、速やかに自立運転に移行する。
【解決手段】電池1からの電力を交流電圧に変換する双方向電力変換回路2とインバータブリッジ4u,4vを備える。系統電源13から電池1を充電する時はインバータブリッジをコンバータとして運転し、電池の放電時は前記インバータブリッジをインバータとして動作させる。連系運転時は、インバータ出力から連系リレー10u,10vをオン及び自立リレー31u,31v,31nをオフにして単相3線式負荷に電力を供給する。連系リレーと直列に配置されかつ前記自立リレーと連動する系統リレー30u,30vをオンにして系統電源に電力を供給する。系統電圧が消失したときは、連系リレーをオフ及び系統リレーをオフにし、この系統リレーのオフに連動して自立リレーをオンにして、単相3線式負荷に電池からの電力を供給する自立運転に切り替える。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明の実施形態は、パワーコンディショナの制御装置に関する。
【0002】
自然エネルギーを利用する場合に、エネルギーを電池に貯蔵して、必要な時にインバータにより交流に変換して使用する技術が、従来から知られている。その場合、電池を利用した自立運転と、系統からの電力使用との切換を行うためにパワーコンディショナの制御装置が使用される。
【0003】
パワーコンディショナの制御装置は、
(1) 系統電源から電池を充電する。
(2) 電池から放電するエネルギーを系統に供給する。
(3) 系統電圧が無くなったとき電池によって自立運転して、単相3線式負荷に電力を供給する。
などの用途に使用される。この制御装置としては、例えば、特許文献1や2に記載のものが知られている。
【0004】
パワーコンディショナの制御装置のひとつとして、電池からの電力を単相3線式交流に変換するにあたり、U相、N相及びV相のハーフブリッジ素子を利用したものが知られている。しかし、この従来技術は、N相を作るためのハーフブリッジ素子が1組必要となり、回路が複雑である。また、一般に電池側からの自立運転時と系統の電力容量の差から、及び電力会社が定めた系統連系ガイドラインにより、従来技術では、自立運転時の負荷と系統連系時の負荷とを別々に設けている。そのため、自立運転時と系統連系時とでは、それに合わせて負荷を切り替える必要がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【特許文献1】特開2003−018859号公報
【特許文献2】特許第3539455号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
本実施形態の目的は、インバータが単独運転を検出した時や系統電圧が低下した時に、速やかに自立運転に移行することが可能で、しかも、運転時において系統電源と自立電源が干渉することがないパワーコンディショナの制御装置を提供することにある。
また、前記のようなパワーコンディショナの制御装置を簡単な回路で構成することも、本実施形態の目的の一つである。
【課題を解決するための手段】
【0007】
上記の目的を達成するために、実施形態のパワーコンディショナの制御装置は、次の点を特徴とする。
【0008】
(1)電池からの電力を交流電圧に変換する双方向電力変換回路とインバータブリッジを備える。
(2)系統電源から電池を充電する時は前記インバータブリッジをコンバータとして動作させ、電池の放電時は前記インバータブリッジをインバータとして動作させて、電池と系統電源との連系運転を行う。
(3)系統電圧が消滅したときは自立運転に切替えて単相3線式負荷に電池からの電力を供給する。
(4)連系運転時にインバータ出力から連系リレーをオン及び自立リレーをオフにして単相3線式負荷に電力を供給すると共に、連系リレーと直列に配置されかつ前記自立リレーと連動する系統リレーをオンにして系統電源に電力を供給する。
(5)系統電圧が消失したときは、前記連系リレーをオフ及び系統リレーをオフにし、この系統リレーのオフに連動して自立リレーをオンにして、単相3線式負荷に電池からの電力を供給する自立運転に切り替える。
【図面の簡単な説明】
【0009】
【図1】第1の実施形態の回路図。
【図2】第2の実施形態の回路図。
【発明を実施するための形態】
【0010】
1.第1の実施形態
[構成]
第1の実施形態を、図1を用いて説明する。
電池1に接続された双方向電力変換回路2の出力に、コンデンサ3uと3vが直列となって接続されている。双方向電力変換回路2の出力には、前記コンデンサ3uと3vと並列に、U相のハーフブリッジ回路4uとV相のハーフブリッジ回路4vが接続されている。
【0011】
U相のハーフブリッジ回路4uの出力は、直列に接続されたリアクトル7uと電流検出器8uを介してU相の連系リレー10uに接続されている。U相の連系リレー10uの出力は、系統リレー30u及びサーキットブレーカ12uを通って、交流電源13のU相に接続されている。V相のハーフブリッジ回路4vの出力は、直列に接続されたリアクトル7vと電流検出器8vを介してV相の連系リレー10vに接続されている。V相の連系リレー10vの出力は、系統リレー30v及びサーキットブレーカ12vを通って、交流電源13のV相に接続されている。なお、このサーキットブレーカ12u,12vは、安全スイッチ用で、系統電源13との開閉を手動で行うものである。
【0012】
U相及びV相のリアクトル7u,7vには、それぞれフィルタコンデンサ9u,9vが接続されている。このリアクトル7u,7vとフィルタコンデンサ9u,9vは、前記各相の電力中の高周波成分(出力リプル)を吸収する。このフィルタコンデンサ9u,9vの他端は、前記双方向電力変換回路2と並列に接続されたコンデンサ3u,3vの中間点から伸びるN相の配線に接続されている。
【0013】
U相とV相の連系リレー10u,10vには、それぞれ並列に自立リレー31u,31vが接続されている。これら自立リレー31u,31vは、前記サーキットブレーカ12u,12v,12nのb接点(常開接点)12b及び系統リレー30u,30vのb接点(常開接点)30bを介して、制御回路21に接続されている。
【0014】
一方、系統リレー30u,30vは、自立リレー31u,31vのb接点(常開接点)31bを介して、制御回路21に接続されている。これにより、
(1) 自立リレー31u,31vと、
(2) サーキットブレーカ12u〜12n及び系統リレー30u,30vとは、
(1) 又は(2) のいずれか一方のみが投入され、(1) と(2) の両者が同時に投入されることがない。
【0015】
すなわち、自立リレー31u〜31nを動作させる励磁巻線は、
(1) サーキットブレーカ12u〜12nのb接点12bにより、サーキットブレーカ12u〜12nがオフになっている。
(2) 系統リレー30u,30vがオフになっている。
という二つの条件を満足した場合に励磁され、この巻線の励磁により自立リレー31が投入される。
【0016】
また、系統リレー30u,30vには、自立リレー31u〜31nのb接点31bが直列に接続されているので、自立リレー31u〜31nが投入されているときは、系統リレー30u,30vは投入されず、系統電源13と電池1による自立電源が混触することはない。
【0017】
単相3線負荷15は、U相の連系リレー10uと系統リレー30uの接続点と、V相の連系リレー10vと系統リレー30vの接続点の2箇所から200Vを取り出している。また、単相3線負荷15の100Vは、サーキットブレーカ12nのN相から取り出している。すなわち、電池による自立運転になると、自立リレー31u〜31nが投入され、サーキットブレーカ12nから取り出されたN相は、自立リレー31nを通ってコンデンサ3uと3vの中点に接続され、ハーフブリッジインバータが構成される。
【0018】
前記電池1の電圧は、その出力端に設けられた電圧検出回路22によって検出される。電圧検出回路22によって検出された電池電圧は、制御回路21に入力される。
【0019】
制御回路21は、ハーフブリッジ回路4u,4vのゲート駆動回路18u,18v、連系リレー10u,10v、系統リレー30u,30v及び自立リレー31u〜31nを制御して、次の処理を行う。
(1) 電池の充電時は、ハーフブリッジ回路4u,4vをコンバータとして動作させ、電池の放電時は、ハーフブリッジ回路4u,4vをインバータとして動作させる。
(2) 連系運転時に、ハーフブリッジ回路4u,4vを、系統連系インバータとして動作させる。
(3) 自立運転時に、ハーフブリッジ回路4u,4vを、自立インバータとして動作させる。
【0020】
また、制御回路21は、電流検出器8u,8vや負荷15などからの情報、例えば、周波数や電圧、周波数変化率の異常等の情報に基づいて、系統電圧の異常あるいは消失を検出する。この検出結果に従い、制御回路21は、ハーフブリッジ回路4u,4vのゲート駆動回路18u,18vを制御して、単独運転を検出すると、U相及びV相のゲート信号を遮断し、自立運転に切り替えて負荷に電力を供給する。
【0021】
[作用]
前記のような構成を有する本実施形態の作用を説明する。
【0022】
(1)系統連系運転
サーキットブレーカ12u,12v,12nが投入されると、サーキットブレーカ12u,12v,12nのb接点12bが開放されるため、自立リレー31u〜31nはオフになる。そのため、自立リレー31u〜31nのb接点31bが投入され、このb接点31bに接続された巻線が励磁され、系統リレー30u,30vがオンになり、単相3線負荷15に系統電源13が接続される。
【0023】
この状態において、制御回路21が連系リレー10u,10vを投入し、ハーフブリッジ回路4uと4vをインバータとして駆動させる。これにより、U相の連系リレー10uと系統リレー30uの接続点と、V相の連系リレー10vと系統リレー30vの接続点の2箇所において、電池1側と系統電源13とがAC200Vで連系する。その結果、電池1からの電力を、系統又は負荷15に供給することができる。
【0024】
一方、系統電源13により電池1を充電する場合は、制御回路21によりハーフブリッジ回路4uと4vをコンバータとして運転することにより、双方向電力変換回路2を介して電池を充電する。
【0025】
(2)単独運転検出
系統電圧の異常あるいは消失が発生すると、制御回路21はその異常や消失を検出して、単独運転を検出する。単独運転を検出すると、制御回路21は、U相及びV相のゲート信号を遮断すると同時に、連系リレー10u,10vをオフにする。前記のように、系統電源13の異常の判定は、制御回路21が検出した周波数や電圧、周波数変化率の変化などに基づいて行われる。制御回路21は、異常の判定結果に従い、系統リレー30u,30vをオフとする。
【0026】
(3)自立運転
次に、自立運転について説明する。負荷15に系統電源13からの電圧が印加されていないので、手動でサーキットブレーカ12u〜12nをオフにすると、制御回路21が自立信号を自立リレー31に出力する。これにより、サーキットブレーカ12u〜12nのb接点12bと系統リレー30u,30vのb接点30bの条件が成立して、自立リレー31u〜31nがオンになる。この場合、自立リレー31u〜31nがオンになると、系統リレー30u,30vのコイルには、自立リレー31u〜31nのb接点31bの条件が入っているので、系統リレー30はオフの状態にロックされる。
【0027】
この状態で、制御回路21からU相、V相のゲート信号を出力して、ハーブブリッジ回路4u,4vに対してコンデンサ3uと3vの中点との間でハーフブリッジ動作をさせる。すると、ハーブブリッジ回路4u,4vからはAC100Vが2組出力し、コンデンサ3uと3vの中点との間からAC100Vが1組出力する。その結果、自立リレー31u〜31vが投入されているので、負荷15には単相3線式の電圧が印加され、負荷は運転を開始する。
【0028】
[効果]
以上説明したように、第1の実施形態では、系統が停電になったときサーキットブレーカ12u〜12nを手動でオフにすることにより、系統電源13の電力で運転していた負荷15に対する接続を変更することなく、自動的に負荷15に単相3線式の自立電源を供給することができる。その結果、サーキットブレーカ12u〜12nを手動でオフにするという簡単な操作で、負荷15の運転を信頼性良く再開することができる。また、3相の交流を生成するにあたり、N相用のハーフブリッジ回路を必要としないので、回路構成が簡単になる。
【0029】
2.第2の実施形態
[構成]
第1の実施形態ではサーキットブレーカ12u〜12nをオフにすることにより、自立運転を自動的に行ったが、これでも手動の操作が必要である。第2の実施形態は、サーキットブレーカを手動でオフにすることなく、自動で連系運転から自立運転に切替えるものである。第2の実施形態の構成を図2に示す。
【0030】
第2の実施形態では、サーキットブレーカ12u,12vの負荷側に、電圧検出リレー40が接続されている。この電圧検出リレー40のa接点(常閉接点)40aが系統電源13のN相と負荷15の中性点の間に設けられている。同様に、制御回路21にも電圧検出リレー10のa接点40aが設けられ、このa接点40aが開となった場合に、系統リレー30u,30vをオフにするように構成されている。一方、自立リレー31の励磁コイルには、第1実施形態のサーキットブレーカ12u〜12nのb接点12bの代わりに、電圧検出リレー40のb接点40bが接続されている。
【0031】
[作用]
このような構成を有する第2の実施形態の作用は、次の通りである。
(1)系統連系運転
系統電源13が正常に供給され、サーキットブレーカ12u,12vがオンの時は、その負荷側に設けられた電圧検出リレー40が検出する電圧値も正常である。そのため、系統電源13のN相と負荷15の中性点の間に設けられた電圧検出リレー40のa接点40aがオンになり、系統電源13からの電力が負荷15に供給される。
【0032】
同時に、電圧検出リレー40のb接点40bがオフになっているので、自立リレー31u〜31nがオフになる。それに伴い、自立リレー31u〜31nのb接点31bがオンになり、系統リレー30u,30vがオンとなる。その結果、負荷15には、単相3線電源が供給される。
【0033】
制御装置21からの指令により、連系リレー10u,10vがオンになると、U相及びV相のハーフブリッジ回路4u,4vはインバータ動作し、このインバータ動作により電池1からの電力が負荷や系統電源に供給されて、系統連系動作となる。
【0034】
(2)単独運転検出及び自立運転
系統電源13が消失すると、これを検出した制御装置21は、ハーフブリッジ回路4u,4vに使用されているパワー素子をゲートオフにして、連系リレー10u,10vをオフにする。系統電源13の消失により、電圧検出リレー40がオフとなると、制御回路21に入力している電圧検出リレー40のa接点40aが開となり、系統リレー30u,30vをオフにする。
【0035】
電圧検出リレー40のb接点40bと、系統リレー30u,30vのb接点30bが接続されると、自立リレー31u,31vがオンとなる。その結果、自立リレー31u,31vのb接点31bが接続されている励磁コイルへの給電が断たれ、系統リレー30u,30vはオフになる。
【0036】
このような各リレーの動作時間からあらかじめ定めておいた一定の時間の後に、制御装置21は、ハーフブリッジ回路4u,4vをインバータとして駆動させる。その結果、電池1は自立運転し、単相3線式の電圧を負荷15に供給する。
【0037】
[効果]
本実施形態では、サーキットブレーカ12u,12vを手動でオフにしなくても、自動で自立運転に切替わって負荷に電力を供給することができる。
【0038】
3.他の実施形態
以上はリレーシーケンスで系統電源から自立電源に切替える方法を説明したが、これらはディジタルロジックやマイコンによる制御でも達成できることは説明するまでもない。また、図2に示すように、フィルタのコンデンサ9は200V側に挿入しても作用は同じである。また、図2における、電圧検出リレーの代わりに、停電検出回路を使用しても良い。
【0039】
なお、前記の実施形態は、本明細書において一例として提示したものであって、発明の範囲を限定することを意図するものではない。すなわち、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の範囲を逸脱しない範囲で、種々の省略や置き換え、変更を行うことが可能である。これらの実施形態やその変形例は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
【符号の説明】
【0040】
1…電池
2…双方向電力変換回路
3u、3v…コンデンサ
4u,4v…ハーフブリッジ回路
7u、7v…リアクトル
8u、8v…電流検出器
9u、9v…フィルタコンデンサ
10u,10v…連系リレー
12u,12v,12n…サーキットブレーカ
13…系統電源
15…負荷
18u,18v…ゲート駆動回路
21…制御回路
22…電圧検出器
30u,30v…系統リレー
31u,31v,31n…自立リレー
40…電圧検出リレー


【特許請求の範囲】
【請求項1】
電池からの電力を交流電圧に変換する双方向電力変換回路とインバータブリッジを備え、
系統電源から電池を充電する時は前記インバータブリッジをコンバータとして動作させ、電池の放電時は前記インバータブリッジをインバータとして動作させて、電池と系統電源との連系運転を行い、
系統電圧が消滅したときは自立運転に切替えて単相3線式負荷に電池からの電力を供給するパワーコンディショナの制御装置において、
連系運転時にインバータ出力から連系リレーをオン及び自立リレーをオフにして単相3線式負荷に電力を供給すると共に、連系リレーと直列に配置されかつ前記自立リレーと連動する系統リレーをオンにして系統電源に電力を供給し、
系統電圧が消失したときは、前記連系リレーをオフ及び系統リレーをオフにし、この系統リレーのオフに連動して自立リレーをオンにして、単相3線式負荷に電池からの電力を供給する自立運転に切り替えることを特徴とするパワーコンディショナの制御装置。
【請求項2】
前記自立リレーと系統リレーは、互いに相手のb接点によりインターロックを取り、同時に投入することがないことを特徴とする請求項1に記載のパワーコンディショナの制御装置。
【請求項3】
前記系統電源と単相3線式負荷との間にサーキットブレーカを設け、このサーキットブレーカをオフにしたことで前記自立リレーがオンになり、自立運転することを特徴とする請求項1または請求項2に記載のパワーコンディショナの制御装置。
【請求項4】
インバータブリッジが、直列に接続された2つのコンデンサが前記双方向変換回路と並列に接続されると共に、U相とV相の2つのハーフブリッジ回路が前記双方向変換回路と並列に接続された構成を備え、
自立リレーがオンになったとき、直流側を前記2つのコンデンサの中間点が、前記単相3線式負荷のN相に接続され、
前記インバータブリッジがハーフブリッジ動作へと移行することを特徴とする請求項1または請求項2に記載のパワーコンディショナの制御装置。
【請求項5】
系統リレーの系統電源側に交流電源電圧検出リレーが設けられ、この電圧検出リレーのb接点が前記自立リレーに直列に接続され、
この電圧検出リレーにより、系統電圧が低下又は消滅を検出したした場合に、自立リレーがオンとなり、自立運転を開始することを特徴とする請求項1または請求項2に記載のパワーコンディショナの制御装置。
【請求項6】
インバータの出力リプルを吸収するフィルタコンデンサが、U相とV相の2つのハーフブリッジ回路の出力側に接続されていることを特徴とする請求項4に記載のパワーコンディショナの制御装置。


【図1】
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【図2】
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【公開番号】特開2013−9478(P2013−9478A)
【公開日】平成25年1月10日(2013.1.10)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2011−139228(P2011−139228)
【出願日】平成23年6月23日(2011.6.23)
【出願人】(391017540)東芝ITコントロールシステム株式会社 (107)
【Fターム(参考)】