電力平準化装置
【課題】充放電動作を行わないとき、蓄電池から放電の抑制と直流中間電圧の維持とを可能とする電力平準化装置を提供する。
【解決手段】第１の電力変換器５は、蓄電池４とコンデンサ９との間で電力の授受を行うことによってコンデンサ９の電圧を所定値に維持する第１の定電圧制御動作を行い、第２の電力変換器６は、発電設備１と負荷２とで構成される電力系統とコンデンサ９との間で電力の授受を行う充放電制御動作を行う電力平準化装置において、第２の電力変換器６が充放電動作を行わないとき、第１の電力変換器５は第１の定電圧制御動作を停止し、第２の電力変換器６がコンデンサ９の電圧を所定値に維持する第２の定電圧制御動作を行う。
【解決手段】第１の電力変換器５は、蓄電池４とコンデンサ９との間で電力の授受を行うことによってコンデンサ９の電圧を所定値に維持する第１の定電圧制御動作を行い、第２の電力変換器６は、発電設備１と負荷２とで構成される電力系統とコンデンサ９との間で電力の授受を行う充放電制御動作を行う電力平準化装置において、第２の電力変換器６が充放電動作を行わないとき、第１の電力変換器５は第１の定電圧制御動作を停止し、第２の電力変換器６がコンデンサ９の電圧を所定値に維持する第２の定電圧制御動作を行う。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、交流電源と負荷とからなる電源システムにおいて、交流電源から見た負荷の大きさが所定値に維持されるように機能する電力平準化装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
この種の電力平準化装置として特許文献１に開示されている装置構成を図５に示す。１は発電設備、２は負荷であり、発電設備１と負荷２とは三相三線の電力系統ラインで接続されている。電力平準化装置は、充放電電力演算部３、蓄電池４、直流電力変換器５、交流電力変換器６、直流中間電圧制御手段７、充放電電力制御手段８および直流中間コンデンサ（以下では、単にコンデンサとも言う。）９で構成されている。
【０００３】
この電力平準化装置は、発電設備１から供給される電力が負荷２で消費される電力よりも多いとき、電力系統に生じる余剰電力を交流電力変換器６で直流電力に変換してコンデンサ９に充電する。さらに、コンデンサ９に充電された電力を直流電力変換器５で降圧して蓄電池４に充電する。一方、発電設備１から供給される電力が負荷２で消費される電力よりも少ないとき、蓄電池４に蓄えられている電力を直流電力変換器５で昇圧してコンデンサ９に充電する。さらに、コンデンサ９に充電された電力を交流電力変換器６で三相交流電圧に変換して、発電設備１の電力系統に給電する。
【０００４】
このような機能を果たすため、充放電電力演算部３は、電流検出器３０１、電圧検出器３０２、位相検出手段３０３および電力演算手段３０４を備えている。電流検出器３０１は、発電設備１と負荷２との間の電力系統に設けられて、負荷２に流れる電流を検出し、これに相当する信号を出力する。電圧検出器３０２は三相電力系統の線間電圧を検出し、これに相当する信号を出力する。位相検出手段３０３は、電圧検出器３０２から出力される信号を入力として、電力系統電圧の位相に同期する位相信号を出力する。電力演算手段３０４は、電流検出器３０１から出力される信号と電圧検出器３０２から出力される信号とを入力として、負荷に供給されている負荷電力値を算出する。
【０００５】
充放電電力制御手段８は、所定電力値と電力演算手段３０４で算出された負荷電力値とを用いて、直流電力変換器５を制御するための直流電流指令値を算出する。この所定電力値は、発電設備１から見て一定とされるべき電力値であって、発電設備１と負荷２との関係で、予め定められた電力値である。
【０００６】
直流電力変換器５は、２個の半導体スイッチング素子を直列に接続したチョッパ回路５０１、リアクトル５０２、コンデンサ５０３、電流検出器５０４および直流電流制御手段５０５を備えた昇降圧型のチョッパである。チョッパ回路５０１の下アームに位置する半導体スイッチング素子の両端には、リアクトル５０２と蓄電池４とを直列に接続した回路が接続されている。蓄電池４の両端には、コンデンサ５０３が接続されている。チョッパ回路５０１の両端には、コンデンサ９が接続されている。
【０００７】
直流電流制御手段５０５は、充放電電力制御手段８から出力される直流電流指令値に対して電流検出器５０４で検出される電流値が一致するようにチョッパ回路５０１の制御信号を生成する。チョッパ回路５０１の半導体スイッチング素子は、直流電流制御手段５０５からの制御信号に基づいてオン・オフ動作をする。チョッパ回路５０１の半導体スイッチング素子のオン・オフ動作により、蓄電池４とコンデンサ９との間で、直流電力の授受が行われる。
【０００８】
直流中間電圧制御手段７は、電圧検出器９０１によって検出されたコンデンサ９の電圧（直流中間電圧）が所定値となるように交流電力変換器６に対する交流電流指令値を生成する。
【０００９】
交流電力変換器６は、半導体スイッチング素子を三相ブリッジ構成した三相ブリッジ回路６０１、三相リアクトル６０２，６０４と三相コンデンサとからなる三相交流フィルタおよび交流電流制御手段６０６を備えている。三相ブリッジ回路６０１の直流側端子はコンデンサ９の両端に接続されている。三相ブリッジ回路６０１の交流側端子は、三相交流フィルタを介して、発電設備１と負荷２とを結ぶ電力系統に接続されている。
【００１０】
交流電流制御手段６０６は、電流検出器６０５で検出される電流が直流中間電圧制御手段７からの交流電流指令値と一致するように交流電力変換器６の半導体スイッチング素子をオン・オフ動作させる制御信号を生成する。交流電流制御手段６０６から出力される制御信号は、位相制御手段３０３から出力される位相信号に同期した信号である。
【００１１】
交流電力変換器６の半導体スイッチング素子が交流電流制御手段６０６から出力される制御信号に基づいてオン・オフ動作をすることで、コンデンサ９の電圧が所定値に維持される。すなわち、直流電力変換器５が蓄電池４の電力をコンデンサ９に充電する動作を行うとき、コンデンサ９の電圧が所定値以上に上昇する。このとき、交流電力変換器６は、コンデンサ９の直流電力を交流電力に変換して、蓄電池４からの電力を発電設備１の電力系統に放電する。一方、直流電力変換器５が蓄電池４を充電する動作を行うとき、コンデンサ９の電圧が所定値以下に低下する。このとき、交流電力変換器６は、交流電力を直流電力に変換して、発電設備１の電力系統に生じる余剰電力をコンデンサ９に充電し、コンデンサ９の電圧を所定値に維持する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特開２００２−１９９５８８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
しかしながら、上述した電力平準化装置は、蓄電池４から充放電される電力が充放電電力制御手段８で算出された電力値と一致するように動作する。このとき、蓄電池４と電力系統との間の電力のやり取りは、直流電力変換器５と交流電力変換器６とを通して行われる。
【００１４】
ところが、直流電力変換器５および交流電力変換器６では、それぞれが内蔵する半導体スイッチング素子の動作により電力損失が発生する。そのため、実際に交流電力変換器６から電力系統に放電される電力は、充放電電力制御手段８で算出される放電電力値から直流電力変換器５と交流電力変換器６とで発生する損失分を差し引いた電力となる。すなわち、実際に電力系統に放電される電力は、電力系統が必要とする電力に対して不足し、発電設備１からみた負荷の大きさが安定しないという問題がある。
【００１５】
本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、充放電電力制御手段８で指令される電力値に等しい電力を交流電力変換器６から電力系統に放電する。それによって、発電設備１からみた負荷電力の大きさを安定させることができる電力平準化装置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】
【００１６】
上記目的を達成するため、本発明は、発電設備と該発電設備から電力の供給を受ける負荷とからなる電力系統に接続された電力平準化装置において、前記電力平準化装置は、蓄電池と、前記蓄電池に接続された第１の電力変換器（直流電力変換器）と、前記電力系統に接続された第２の電力変換器（交流電力変換器）と、前記第１の電力変換器と前記第２の電力変換器との間に接続されたコンデンサとを備え、前記第１の電力変換器は、前記蓄電池と前記コンデンサとの間で電力の授受を行うことによって前記コンデンサの電圧を第１の所定値に維持するための第１の定電圧制御動作を行い、前記第２の電力変換器は、前記負荷で消費される電力が所定の電力下限値より小さくなったとき前記電力下限値と前記負荷の消費電力との差に相当する電力を前記電力系統から前記コンデンサに充電するための充電動作と、前記負荷で消費される電力が所定の電力上限値より大きくなったときその超過電力に相当する電力を前記コンデンサから前記電力系統に放電するための放電動作とを行うようにするものである。
【００１７】
本発明により、第１の電力変換器が直流中間回路の電圧を第１の所定値に維持するように動作し、第２の電力変換器が電力系統との間で必要な電力の充放電を行うように動作する。その結果、電力系統で不足する電力に相当する電力を電力平準化装置から放電することができ、発電設備から見た負荷の大きさを安定させることができる。
【００１８】
第２の発明は、上記電力平準化装置において、第２の電力変換器が充電動作または放電動作を行うときのみ、第１の電力変換器が第１の定電圧制御動作を行うようにするものである。
【００１９】
すなわち、第２の電力変換器が充電動作または放電動作を行うときのみ第１の電力変換器を動作させ、それ以外のときは第１の電力変換器を動作させないようにする。このように第２の電力変換器が充放電動作を行わないとき、第１の電力変換器の動作を停止させることにより、蓄電池に充電された電荷の放電を防止することができる。
【００２０】
第３の発明は、上記電力平準化装置において、第１の電力変換器は内蔵する半導体スイッチング素子をオン・オフ動作させることによって第１の定電圧制御動作を行うものであり、第２の電力変換器が充電動作および放電動作のいずれの動作も行わないとき、第１の電力変換器の半導体スイッチング素子はオフ状態に維持されるようにするものである。
【００２１】
このように、第２の電力変換器が充電動作および放電動作のいずれの動作も行わないとき、第１の電力変換器の半導体スイッチング素子をオフ状態に維持すれば、この期間において第１の電力変換器で発生する半導体スイッチング素子の導通損失およびスイッチング損失を零にすることができる。
【００２２】
第４の発明は、上記電力平準化装置において、第２の電力変換器が充電動作および放電動作を行わないとき、第２の電力変換器は電力系統とコンデンサとの間で電力を授受することによってコンデンサの電圧を第２の所定値に維持する第２の定電圧制御動作を行うようにするものである。
【００２３】
この発明によれば、第２の電力変換器が充電動作および放電動作を行わないとき、第２の電力変換器は、第１の電力変換器に代わってコンデンサの電圧を第２の所定値に維持する。コンデンサの電圧が第２の所定値に維持されているので、電力平準化装置と電力系統との間で電力の充放電が必要になったとき、第２の電力変換器は第２の定電圧制御動作から充放電動作に速やかに移行することができる。
【００２４】
第５の発明は、上記電力平準化装置において、第１の電力変換器が第１の定電圧制御動作によりコンデンサの電圧を維持するための電圧は、第２の電力変換器が充電動作を行うときは第３の所定値であり、第２の電力変換器が放電動作を行うときは第４の所定値となるようにする。さらに、第２の電力変換器が第２の定電圧制御動作によりコンデンサの電圧を維持するための電圧は、第１の電力変換器が第１の定電圧制御動作を行うとき第３の所定値よりも大きい第５の所定値と第４の所定値よりも小さい第６の所定値とし、第２の電力変換器が第２の定電圧制御動作を行うとき第３の所定値よりも小さい第７の所定値と第４の所定値よりも大きい第８の所定値とするものである。
【００２５】
この発明によれば、第１の電力変換器が第１の定電圧制御動作を行うとき、コンデンサの電圧は第３の所定値と第４の所定値の間の電圧に維持される。一方、第１の電力変換器が第１の定電圧制御動作を行わないとき、コンデンサの電圧は、第２の電力変換器の第２の定電圧制御動作により、第７の所定値と第８の所定値の間の電圧に維持される。さらに、第１の所定値から第８の所定値は、蓄電池４の電圧および電力系統の電圧の振幅値よりも大きい値である。
【００２６】
したがって、第１の電力変換器が動作を停止しても、蓄電池４に蓄えられた電荷がコンデンサ９側に放電することがない。また、コンデンサの電圧は常に所定値に維持されているため、第１の電力変換器は停止状態と第１の定電圧制御動作との間を速やかに移行することができ、第２の電力変換器は第２の定電圧制御動作と充放電動作との間を速やかに移行することができる。
【発明の効果】
【００２７】
本発明によれば、第１の電力変換器が直流中間回路の電圧を所定値に維持するように動作し、第２の電力変換器が電力系統との間で必要電力の充放電を行うように動作するので、電力系統で不足する電力に等しい電力を電力平準化装置から放電することができ、発電設備から見た負荷の大きさを安定させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明に係る電力平準化装置の第１の実施形態を説明するための図である。
【図２】本発明に係る電力平準化装置の第２の実施形態を説明するための図である。
【図３】本発明に係る電力平準化装置の第３の実施形態を説明するための図である。
【図４】本発明に係る電力平準化装置の第４の実施形態を説明するための図である。
【図５】従来技術に係る電力平準化装置を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
以下、本発明に係る電力変換装置の実施の形態について、図１〜図４を参照しながら説明する。なお、図１〜図４において、図５に示した構成要素と同じ構成要素には同符号を付し、その説明を省略している。
【００３０】
図１は、本発明に係る電力平準化装置の第１の実施形態を説明するための図である。本図において、電力平準化装置は、充放電電力演算部３ａ、蓄電池４、直流電力変換器５（第１の電力変換器）、交流電力変換器６（第２の電力変換器）、直流中間電圧制御手段７ａ、充放電電力制御手段８および直流中間コンデンサ９で構成されている。直流電力変換器５は、２つの半導体スイッチング素子を直列接続するとともにその接続中点にインダクタを接続してなる昇降圧型のチョッパである。また、交流電力変換器６は、半導体スイッチング素子を三相ブリッジ接続にしてなるコンバータ回路である。
【００３１】
このように構成された第１の実施形態に係る電力平準化装置の特徴は、直流電力変換器５が定電圧制御動作をすることによりコンデンサ９の電圧を第１の所定値に維持するとともに、交流電力変換器６が充放電動作をすることにより発電設備１から見た電力系統の負荷変動を抑制するように機能するところにある。
【００３２】
具体的には、直流電力変換器５は、蓄電池４とコンデンサ９との間で電力を授受することにより、コンデンサ９の電圧を第１の所定値に維持する。また、交流電力変換器６は、負荷２で消費される電力が所定の電力下限値より小さくなったとき、この電力下限値と負荷２の消費電力との差に相当する電力を電力系統からコンデンサ９に充電する。さらに、交流電力変換器６は、負荷２で消費される電力が所定の電力上限値より大きくなったとき、この超過電力に相当する電力をコンデンサ９から電力系統に放電する。
【００３３】
以下、図１に示した各要素によって、上記機能がどのように実現されているかを説明する。
まず、充放電電力演算部３ａは、発電設備１と負荷２との間に接続されている。充放電電力演算部３ａには、図５に示した充放電電力演算部３にさらに充放電電力演算手段３０５が付加されている。
【００３４】
充放電電力演算手段３０５は、電流検出器３０１で検出された電流値と電圧検出器３０２で検出された系統電圧値とを用いて負荷で消費される電力値を算出する。次に、算出した負荷の電力値が所定の電力下限値よりも小さいとき、充放電電力演算手段３０５は、所定の電力下限値から算出した負荷の電力値を減じて得た値を充電電力指令値として出力する。一方、算出した負荷の電力値が所定の電力上限値よりも大きいとき、充放電電力演算手段３０５は、負荷の電力値から所定の電力上限値を減じて得た値を放電電力指令値として出力する。
【００３５】
また、充放電電力演算部３ａの位相検出手段３０３は、電圧検出器３０２で検出された系統電圧値から基準の位相信号を生成して出力する。
充放電電力制御手段８は、充放電電力演算手段３０５から出力される充電電力指令値または放電電力指令値を用いて、有効電力指令値ＩＲを生成する。
【００３６】
交流電力変換器６の交流電流制御手段６０６では、充放電電力制御手段８から出力される有効電力指令値ＩＲと位相検出手段３０３から出力される基準位相信号とから、交流電力変換器６０１から出力される三相交流電流指令値が算出される。次に、電流検出器６０５で検出された三相電流値が三相交流電流指令値と一致するように、比例積分演算などを用いて、コンバータ回路６０１の出力電圧指令値が生成される。生成された出力電圧指令値は電圧検出器９０１で検出されたコンデンサ９の電圧値に基づいて正規化され、パルス幅変調制御を行うための変調信号に変換される。さらに、このようにして得られた変調信号とキャリア信号とが比較演算され、コンバータ回路６０１の制御信号が生成される。すなわち、コンバータ回路６０１の制御信号は、電流検出器６０５で検出された三相電流値が充放電電力演算手段３ａから出力される充放電電力指令値に基づいて算出された三相交流電流指令値と一致するように調整されている。
【００３７】
コンバータ回路６０６の半導体スイッチング素子は、交流電流制御手段６０６から出力される制御信号に基づいてオン・オフ動作を行う。このコンバータ回路６０６の動作により、発電設備１と負荷２との間の電力系統とコンデンサ９との間で、電力の授受が行われる。具体的には、充放電電力演算部３ａから充電電力指令値が出力されるとき、発電設備１と負荷２との間の電力系統に生じた余剰電力がコンデンサ９に充電される。一方、充放電電力演算部３ａから放電電力指令値が出力されるとき、コンデンサ９から電力系統に電力が放電される。
【００３８】
直流中間電圧制御手段７ａは、予め定められた直流中間回路電圧の指令値と電圧検出器９０１で検出されたコンデンサ９の電圧値とを用いて、直流電流指令値Ｉｒを生成する。直流電流指令値Ｉｒは、比例積分調節器７０２を用いて、コンデンサ９の電圧が所定の直流中間電圧指令値と一致するように調節されている。なお、直流中間回路電圧の指令値は、蓄電池４の電圧よりも高い電圧であって、かつ発電設備１と負荷２との間の三相系統電圧の振幅値よりも大きい値に設定されている。
【００３９】
直流電流制御手段５０５は、直流中間電圧制御手段７ａから出力される直流電流指令値Ｉｒと電流検出器５０４で検出された直流電流値とを用いて、チョッパ回路５０１の制御信号を生成する。チョッパ回路５０１の制御信号は、蓄電池４と直流電力変換器５との間を流れる電流が直流電流指令値Ｉｒと一致するように調節されている。
【００４０】
上記直流電力変換器５の動作により、コンデンサ９の電圧が第１の所定値よりも大きいとき、コンデンサ９の電力が蓄電池４に充電される。一方、コンデンサ９の電圧が第１の所定値よりも小さいとき、蓄電池４の電力がコンデンサ９に放電される。
【００４１】
以上より、第１の実施形態において、負荷で消費される電力が所定の下限値より小さくなったとき、充放電電力演算手段３０５から出力される充電電力指令値に基づく電力（電力系統の余剰電力に相当する電力）が交流電力変換器６によって直流中間回路のコンデンサ９に充電される。直流中間回路に充電された電力は、さらに直流電力変換器５によって蓄電池４に充電される。
【００４２】
一方、負荷で消費される電力が所定の上限値を超えたとき、充放電電力演算手段３０５から出力される放電電力指令値に基づく電力（電力系統で不足する電力）が交流電力変換器６によって直流中間回路から電力系統に放電される。直流中間回路から電力が放電されると直流中間回路の電圧が低下する。直流中間回路の電圧を第１の所定値に維持するため、直流電力変換器５によって蓄電池４に蓄えられている電力が直流中間回路に放電される。
【００４３】
その結果、電力系統に充放電される電力は充放電電力演算手段３０５により算出された電力値に一致することになる。すなわち、電力系統において必要とされる充放電電力と実際に交流電力変換器６から充放電される電力との間にずれが生じることがない。
【００４４】
なお、この実施形態において、直流電力変換器５によってコンデンサ９の電圧を第１の所定値に維持する機能は、交流電力変換器６が充放電電力演算手段３０５からの充電電力指令値または放電電力指令値に基づいて動作するときのみ働くようにするのが好適である。すなわち、充放電電力演算手段３０５からの充電電力指令値および放電電力指令値のいずれもが出力されていないとき、直流電力変換器５のチョッパ回路５０１の動作を停止する。具体的には、チョッパ回路５０１の半導体スイッチング素子の制御信号をオフにし、半導体スイッチング素子がオン・オフ動作をしないようにする。
【００４５】
このようにすることにより、電力系統と電力平準化装置との間で電力の充放電を行う必要がないとき、直流電力変換器５のチョッパ回路５０１の半導体スイッチング素子で発生する導通損失とスイッチング損失とを零にすることができる。また、蓄電池４に蓄えられたエネルギーがコンデンサ９側に放電されることもない。
【００４６】
図２は、本発明に係る電力平準化装置の第２の実施形態を説明するための図である。この実施形態の特徴は、直流中間電圧制御手段７ａが動作しないとき、すなわち直流電力変換器５が動作しないときに、交流電力変換器６がコンデンサ９の電圧を第２の所定値に維持するように動作することである。
【００４７】
このような動作を可能とするため、この実施形態では、図１に示した第１の実施形態に新たに直流中間電圧制御手段７ｂが付加されている。そして、直流中間電圧制御手段７ｂの出力と充放電電力制御手段８の出力が加算器８０１によって加算され、これによって得られた結果が交流電流制御手段６０６に入力される有効電流指令値Ｉｐとなるように構成されている。なお、直流中間電圧制御手段７ｂは、直流中間電圧制御手段７ａと同様、直流中間電圧指令値と電圧検出器９０１で検出されたコンデンサ９の電圧値との偏差を比例積分調節器に入力して電流指令値を得るように構成することができる。
【００４８】
このように構成することにより、交流電力変換器６は、直流電力変換器５が動作しないときに、コンデンサ９の電圧を所定値に維持するように動作する。この動作により、コンバータ回路６０１の半導体スイッチング素子のオン・オフ動作により損失が発生するものの、コンデンサ９の電圧が蓄電池４の電圧よりも高い所定の電圧に維持される。その結果、蓄電池４からの放電を防止することができる。また、コンデンサ９の電圧が所定値に維持されていることにより、負荷２の消費電力が急変した場合でも、直流電力変換器５および交流電力変換器６が素早く応答することができる。
【００４９】
なお、電力系統と電力平準化装置との間で電力の充放電を行う必要がないとき、直流電力変換器５のチョッパ回路５０１の半導体スイッチング素子で発生する導通損失とスイッチング損失とを零にすることができる。したがって、蓄電池４に蓄えられたエネルギーが無駄に消費されることがない。
【００５０】
図３は、本発明に係る電力平準化装置の第４の実施形態を説明するための図である。図２に示した実施形態と異なるところは、直流中間電圧制御手段７ａに対応する直流中間電圧制御手段７ｃが、直流中間回路の電圧指令値として上限指令値と下限指令値とを有し、直流中間電圧制御手段７ｂに対応する直流中間電圧制御手段７ｄが、直流中間回路の電圧指令値として上限指令値と下限指令値とを有していることである。
【００５１】
この実施形態において、直流中間電圧制御手段７ｃは、直流中間電圧上限指令値Ｂ（第３の所定値）と直流中間電圧下限値Ｂ（第４の所定値）とを有する。そして、直流電流指令値Ｉｒは、直流中間電圧上下限指令値Ｂと電圧検出器９０１で検出されたコンデンサ９の電圧値との偏差を比例積分調節器７０５，７０７に入力することにより得られる。なお、比例積分調節器７０５は、電圧検出器９０１で検出されたコンデンサ９の電圧値が直流電圧下限指令値Ｂよりも小さいときに直流電流指令値Ｉｒを出力する。一方、比例積分調節器７０７は、電圧検出器９０１で検出されたコンデンサ９の電圧値が直流電圧上限指令値Ｂよりも大きいときに直流電流指令値Ｉｒを出力する。したがって、電圧検出器９０１で検出されたコンデンサ９の電圧値が直流電圧下限指令値Ｂと直流電圧上限指令値Ｂとの間にあるとき、直流電流指令値Ｉｒは零となる。
【００５２】
直流中間電圧制御手段７ｄは、直流中間電圧上限指令値Ａ（第５の所定値），Ｃ（第７の所定値）と直流中間電圧下限指令値Ａ（第６の所定値），Ｃ（第８の所定値）とを有する。直流中間電圧制御手段７ｄは、充放電電力演算手段３０５の出力が零以外のとき、制御判定手段７０３の出力にしたがって直流中間電圧下限指令値Ａをコンデンサ９の電圧の下限指令値とし、直流中間電圧上限指令値Ａをコンデンサ９の電圧の上限指令値とする。一方、直流中間電圧制御手段７ｄは、充放電電力演算手段３０５の出力が零のとき、制御判定手段７０３の出力にしたがって直流中間電圧下限指令値Ｃをコンデンサ９の電圧の下限指令値とし、直流中間電圧上限指令値Ｃをコンデンサ９の電圧の上限指令値とする。
【００５３】
ここで、直流中間電圧上限指令値はＡ＞Ｂ＞Ｃの関係に設定されており、直流中間電圧上限指令値は関係にＣ＞Ｂ＞Ａの関係に設定されている。したがって、充放電電力演算手段３０５の出力が零以外のとき、直流中間電圧制御手段７ｃの直流中間電圧下限指令値Ｂと上限指令値Ｂとからなる電圧範囲が、直流中間電圧制御手段７ｄの直流中間電圧下限指令値Ａと上限指令値Ａとからなる電圧範囲の内側にある。この場合、直流中間電圧制御手段７ｃから出力される直流電流指令値Ｉｒが有効となり、直流電力変換器５の動作によってコンデンサ９の電圧が所定値に維持される。そして、電圧検出器９０１で検出されたコンデンサ９の電圧値は常に直流中間電圧下限指令値Ａと上限指令値Ａとからなる電圧範囲の内側にあるため、直流中間電圧制御手段７ｄの出力は零となる。したがって、交流電力変換器６は、充放電電力制御手段８の出力である有効電流指令値Ｉｐにしたがって、充放電動作を行う。
【００５４】
一方、充放電電力演算手段３０５の出力が零のとき、充放電電力制御手段８の出力は零となる。また、直流中間電圧制御手段７ｄの直流中間電圧下限指令値Ｃおよび上限指令値Ｃが、直流中間電圧制御手段７ｃの直流中間電圧下限指令値Ｂおよび上限指令値Ｂよりも内側の値となる。この場合、交流電力変換器６が、直流中間電圧制御手段７ｄの出力である有効電流指令値Ｉｐにしたがって、コンデンサ９の電圧を所定値に維持するように動作する。そして、電圧検出器９０１で検出されたコンデンサ９の電圧値は常に直流中間電圧下限指令値Ｂと上限指令値Ｂとからなる電圧範囲の内側にあるため、直流中間電圧制御手段７ｃから出力される直流電流指令値Ｉｒは零となり、直流電力変換器５は動作を停止する。
【００５５】
直流中間電圧制御手段７ｄをこのように構成しても、交流電力変換器６は、直流電力変換器５が動作しないときに、コンデンサ９の電圧を所定値に維持するように動作する。この動作により、コンバータ回路６０１の半導体スイッチング素子のオン・オフ動作により損失が発生するものの、コンデンサ９の電圧が蓄電池４の電圧よりも高い所定の電圧に維持される。その結果、蓄電池４からコンデンサ９側への放電を防止することができる。また、コンデンサ９の電圧が所定値に維持されていることにより、負荷２の消費電力が急変した場合でも、直流電力変換器５および交流電力変換器６が素早く応答することができる。
【００５６】
なお、電力系統と電力平準化装置との間で電力の充放電を行う必要がないとき、チョッパ回路５０１の半導体スイッチング素子で発生する導通損失とスイッチング損失とを零にすることができる。したがって、蓄電池４に蓄えられたエネルギーが無駄に消費されることがない。
【００５７】
図４は、本発明に係る電力平準化装置の第３の実施形態を説明するための図である。図３に示した実施形態と異なるところは、充放電電力演算手段３０５の出力が直流電流制御手段５０５に入力されているところである。
【００５８】
この実施形態の交流電力変換器６は、図３に示した実施形態と同様、直流電力変換器５が動作しないときに、コンデンサ９の電圧を所定値に維持するように動作する。この動作により、コンバータ回路６０１の半導体スイッチング素子のオン・オフ動作により損失が発生するものの、コンデンサ９の電圧が蓄電池４の電圧よりも高い所定の電圧に維持される。その結果、蓄電池４からの放電を防止することができる。また、コンデンサ９の電圧が所定値に維持されていることにより、負荷２の消費電力が急変した場合でも、直流電力変換器５および交流電力変換器６が素早く応答することができる。
【００５９】
さらに、充放電電力演算手段３０５の出力を直流電流制御手段５０５に入力することにより、充放電電力演算手段３０５の出力が零のとき、直流電流制御手段５０５は、直接、チョッパ回路５０１の半導体スイッチング素子のオン・オフ動作を停止させることができる。このようにすれば、直流中間電圧制御手段７ｃの出力である直流電流指令Ｉｒが零のとき、電流検出器５０４の出力にオフセット等の誤差が生じても、チョッパ回路５０１の半導体スイッチング素子のオン・オフ動作を確実に停止させることができる。その結果、チョッパ回路５０１の半導体スイッチング素子で発生する導通損失とスイッチング損失とを確実に零にすることができる。したがって、蓄電池４に蓄えられたエネルギーが無駄に消費されることがない。
【符号の説明】
【００６０】
１・・・発電設備、２・・・負荷、３，３ａ，３ｂ，３ｃ・・・充放電電力演算部、４・・・蓄電池、５・・・直流電力変換器（第１の電力変換器）、６・・・交流電力変換器（第２の電力変換器）、７，７ａ〜７ｆ・・・直流中間電圧制御手段、８・・・充放電電力制御手段、９・・・直流中間コンデンサ。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、交流電源と負荷とからなる電源システムにおいて、交流電源から見た負荷の大きさが所定値に維持されるように機能する電力平準化装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
この種の電力平準化装置として特許文献１に開示されている装置構成を図５に示す。１は発電設備、２は負荷であり、発電設備１と負荷２とは三相三線の電力系統ラインで接続されている。電力平準化装置は、充放電電力演算部３、蓄電池４、直流電力変換器５、交流電力変換器６、直流中間電圧制御手段７、充放電電力制御手段８および直流中間コンデンサ（以下では、単にコンデンサとも言う。）９で構成されている。
【０００３】
この電力平準化装置は、発電設備１から供給される電力が負荷２で消費される電力よりも多いとき、電力系統に生じる余剰電力を交流電力変換器６で直流電力に変換してコンデンサ９に充電する。さらに、コンデンサ９に充電された電力を直流電力変換器５で降圧して蓄電池４に充電する。一方、発電設備１から供給される電力が負荷２で消費される電力よりも少ないとき、蓄電池４に蓄えられている電力を直流電力変換器５で昇圧してコンデンサ９に充電する。さらに、コンデンサ９に充電された電力を交流電力変換器６で三相交流電圧に変換して、発電設備１の電力系統に給電する。
【０００４】
このような機能を果たすため、充放電電力演算部３は、電流検出器３０１、電圧検出器３０２、位相検出手段３０３および電力演算手段３０４を備えている。電流検出器３０１は、発電設備１と負荷２との間の電力系統に設けられて、負荷２に流れる電流を検出し、これに相当する信号を出力する。電圧検出器３０２は三相電力系統の線間電圧を検出し、これに相当する信号を出力する。位相検出手段３０３は、電圧検出器３０２から出力される信号を入力として、電力系統電圧の位相に同期する位相信号を出力する。電力演算手段３０４は、電流検出器３０１から出力される信号と電圧検出器３０２から出力される信号とを入力として、負荷に供給されている負荷電力値を算出する。
【０００５】
充放電電力制御手段８は、所定電力値と電力演算手段３０４で算出された負荷電力値とを用いて、直流電力変換器５を制御するための直流電流指令値を算出する。この所定電力値は、発電設備１から見て一定とされるべき電力値であって、発電設備１と負荷２との関係で、予め定められた電力値である。
【０００６】
直流電力変換器５は、２個の半導体スイッチング素子を直列に接続したチョッパ回路５０１、リアクトル５０２、コンデンサ５０３、電流検出器５０４および直流電流制御手段５０５を備えた昇降圧型のチョッパである。チョッパ回路５０１の下アームに位置する半導体スイッチング素子の両端には、リアクトル５０２と蓄電池４とを直列に接続した回路が接続されている。蓄電池４の両端には、コンデンサ５０３が接続されている。チョッパ回路５０１の両端には、コンデンサ９が接続されている。
【０００７】
直流電流制御手段５０５は、充放電電力制御手段８から出力される直流電流指令値に対して電流検出器５０４で検出される電流値が一致するようにチョッパ回路５０１の制御信号を生成する。チョッパ回路５０１の半導体スイッチング素子は、直流電流制御手段５０５からの制御信号に基づいてオン・オフ動作をする。チョッパ回路５０１の半導体スイッチング素子のオン・オフ動作により、蓄電池４とコンデンサ９との間で、直流電力の授受が行われる。
【０００８】
直流中間電圧制御手段７は、電圧検出器９０１によって検出されたコンデンサ９の電圧（直流中間電圧）が所定値となるように交流電力変換器６に対する交流電流指令値を生成する。
【０００９】
交流電力変換器６は、半導体スイッチング素子を三相ブリッジ構成した三相ブリッジ回路６０１、三相リアクトル６０２，６０４と三相コンデンサとからなる三相交流フィルタおよび交流電流制御手段６０６を備えている。三相ブリッジ回路６０１の直流側端子はコンデンサ９の両端に接続されている。三相ブリッジ回路６０１の交流側端子は、三相交流フィルタを介して、発電設備１と負荷２とを結ぶ電力系統に接続されている。
【００１０】
交流電流制御手段６０６は、電流検出器６０５で検出される電流が直流中間電圧制御手段７からの交流電流指令値と一致するように交流電力変換器６の半導体スイッチング素子をオン・オフ動作させる制御信号を生成する。交流電流制御手段６０６から出力される制御信号は、位相制御手段３０３から出力される位相信号に同期した信号である。
【００１１】
交流電力変換器６の半導体スイッチング素子が交流電流制御手段６０６から出力される制御信号に基づいてオン・オフ動作をすることで、コンデンサ９の電圧が所定値に維持される。すなわち、直流電力変換器５が蓄電池４の電力をコンデンサ９に充電する動作を行うとき、コンデンサ９の電圧が所定値以上に上昇する。このとき、交流電力変換器６は、コンデンサ９の直流電力を交流電力に変換して、蓄電池４からの電力を発電設備１の電力系統に放電する。一方、直流電力変換器５が蓄電池４を充電する動作を行うとき、コンデンサ９の電圧が所定値以下に低下する。このとき、交流電力変換器６は、交流電力を直流電力に変換して、発電設備１の電力系統に生じる余剰電力をコンデンサ９に充電し、コンデンサ９の電圧を所定値に維持する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特開２００２−１９９５８８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
しかしながら、上述した電力平準化装置は、蓄電池４から充放電される電力が充放電電力制御手段８で算出された電力値と一致するように動作する。このとき、蓄電池４と電力系統との間の電力のやり取りは、直流電力変換器５と交流電力変換器６とを通して行われる。
【００１４】
ところが、直流電力変換器５および交流電力変換器６では、それぞれが内蔵する半導体スイッチング素子の動作により電力損失が発生する。そのため、実際に交流電力変換器６から電力系統に放電される電力は、充放電電力制御手段８で算出される放電電力値から直流電力変換器５と交流電力変換器６とで発生する損失分を差し引いた電力となる。すなわち、実際に電力系統に放電される電力は、電力系統が必要とする電力に対して不足し、発電設備１からみた負荷の大きさが安定しないという問題がある。
【００１５】
本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、充放電電力制御手段８で指令される電力値に等しい電力を交流電力変換器６から電力系統に放電する。それによって、発電設備１からみた負荷電力の大きさを安定させることができる電力平準化装置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】
【００１６】
上記目的を達成するため、本発明は、発電設備と該発電設備から電力の供給を受ける負荷とからなる電力系統に接続された電力平準化装置において、前記電力平準化装置は、蓄電池と、前記蓄電池に接続された第１の電力変換器（直流電力変換器）と、前記電力系統に接続された第２の電力変換器（交流電力変換器）と、前記第１の電力変換器と前記第２の電力変換器との間に接続されたコンデンサとを備え、前記第１の電力変換器は、前記蓄電池と前記コンデンサとの間で電力の授受を行うことによって前記コンデンサの電圧を第１の所定値に維持するための第１の定電圧制御動作を行い、前記第２の電力変換器は、前記負荷で消費される電力が所定の電力下限値より小さくなったとき前記電力下限値と前記負荷の消費電力との差に相当する電力を前記電力系統から前記コンデンサに充電するための充電動作と、前記負荷で消費される電力が所定の電力上限値より大きくなったときその超過電力に相当する電力を前記コンデンサから前記電力系統に放電するための放電動作とを行うようにするものである。
【００１７】
本発明により、第１の電力変換器が直流中間回路の電圧を第１の所定値に維持するように動作し、第２の電力変換器が電力系統との間で必要な電力の充放電を行うように動作する。その結果、電力系統で不足する電力に相当する電力を電力平準化装置から放電することができ、発電設備から見た負荷の大きさを安定させることができる。
【００１８】
第２の発明は、上記電力平準化装置において、第２の電力変換器が充電動作または放電動作を行うときのみ、第１の電力変換器が第１の定電圧制御動作を行うようにするものである。
【００１９】
すなわち、第２の電力変換器が充電動作または放電動作を行うときのみ第１の電力変換器を動作させ、それ以外のときは第１の電力変換器を動作させないようにする。このように第２の電力変換器が充放電動作を行わないとき、第１の電力変換器の動作を停止させることにより、蓄電池に充電された電荷の放電を防止することができる。
【００２０】
第３の発明は、上記電力平準化装置において、第１の電力変換器は内蔵する半導体スイッチング素子をオン・オフ動作させることによって第１の定電圧制御動作を行うものであり、第２の電力変換器が充電動作および放電動作のいずれの動作も行わないとき、第１の電力変換器の半導体スイッチング素子はオフ状態に維持されるようにするものである。
【００２１】
このように、第２の電力変換器が充電動作および放電動作のいずれの動作も行わないとき、第１の電力変換器の半導体スイッチング素子をオフ状態に維持すれば、この期間において第１の電力変換器で発生する半導体スイッチング素子の導通損失およびスイッチング損失を零にすることができる。
【００２２】
第４の発明は、上記電力平準化装置において、第２の電力変換器が充電動作および放電動作を行わないとき、第２の電力変換器は電力系統とコンデンサとの間で電力を授受することによってコンデンサの電圧を第２の所定値に維持する第２の定電圧制御動作を行うようにするものである。
【００２３】
この発明によれば、第２の電力変換器が充電動作および放電動作を行わないとき、第２の電力変換器は、第１の電力変換器に代わってコンデンサの電圧を第２の所定値に維持する。コンデンサの電圧が第２の所定値に維持されているので、電力平準化装置と電力系統との間で電力の充放電が必要になったとき、第２の電力変換器は第２の定電圧制御動作から充放電動作に速やかに移行することができる。
【００２４】
第５の発明は、上記電力平準化装置において、第１の電力変換器が第１の定電圧制御動作によりコンデンサの電圧を維持するための電圧は、第２の電力変換器が充電動作を行うときは第３の所定値であり、第２の電力変換器が放電動作を行うときは第４の所定値となるようにする。さらに、第２の電力変換器が第２の定電圧制御動作によりコンデンサの電圧を維持するための電圧は、第１の電力変換器が第１の定電圧制御動作を行うとき第３の所定値よりも大きい第５の所定値と第４の所定値よりも小さい第６の所定値とし、第２の電力変換器が第２の定電圧制御動作を行うとき第３の所定値よりも小さい第７の所定値と第４の所定値よりも大きい第８の所定値とするものである。
【００２５】
この発明によれば、第１の電力変換器が第１の定電圧制御動作を行うとき、コンデンサの電圧は第３の所定値と第４の所定値の間の電圧に維持される。一方、第１の電力変換器が第１の定電圧制御動作を行わないとき、コンデンサの電圧は、第２の電力変換器の第２の定電圧制御動作により、第７の所定値と第８の所定値の間の電圧に維持される。さらに、第１の所定値から第８の所定値は、蓄電池４の電圧および電力系統の電圧の振幅値よりも大きい値である。
【００２６】
したがって、第１の電力変換器が動作を停止しても、蓄電池４に蓄えられた電荷がコンデンサ９側に放電することがない。また、コンデンサの電圧は常に所定値に維持されているため、第１の電力変換器は停止状態と第１の定電圧制御動作との間を速やかに移行することができ、第２の電力変換器は第２の定電圧制御動作と充放電動作との間を速やかに移行することができる。
【発明の効果】
【００２７】
本発明によれば、第１の電力変換器が直流中間回路の電圧を所定値に維持するように動作し、第２の電力変換器が電力系統との間で必要電力の充放電を行うように動作するので、電力系統で不足する電力に等しい電力を電力平準化装置から放電することができ、発電設備から見た負荷の大きさを安定させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明に係る電力平準化装置の第１の実施形態を説明するための図である。
【図２】本発明に係る電力平準化装置の第２の実施形態を説明するための図である。
【図３】本発明に係る電力平準化装置の第３の実施形態を説明するための図である。
【図４】本発明に係る電力平準化装置の第４の実施形態を説明するための図である。
【図５】従来技術に係る電力平準化装置を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
以下、本発明に係る電力変換装置の実施の形態について、図１〜図４を参照しながら説明する。なお、図１〜図４において、図５に示した構成要素と同じ構成要素には同符号を付し、その説明を省略している。
【００３０】
図１は、本発明に係る電力平準化装置の第１の実施形態を説明するための図である。本図において、電力平準化装置は、充放電電力演算部３ａ、蓄電池４、直流電力変換器５（第１の電力変換器）、交流電力変換器６（第２の電力変換器）、直流中間電圧制御手段７ａ、充放電電力制御手段８および直流中間コンデンサ９で構成されている。直流電力変換器５は、２つの半導体スイッチング素子を直列接続するとともにその接続中点にインダクタを接続してなる昇降圧型のチョッパである。また、交流電力変換器６は、半導体スイッチング素子を三相ブリッジ接続にしてなるコンバータ回路である。
【００３１】
このように構成された第１の実施形態に係る電力平準化装置の特徴は、直流電力変換器５が定電圧制御動作をすることによりコンデンサ９の電圧を第１の所定値に維持するとともに、交流電力変換器６が充放電動作をすることにより発電設備１から見た電力系統の負荷変動を抑制するように機能するところにある。
【００３２】
具体的には、直流電力変換器５は、蓄電池４とコンデンサ９との間で電力を授受することにより、コンデンサ９の電圧を第１の所定値に維持する。また、交流電力変換器６は、負荷２で消費される電力が所定の電力下限値より小さくなったとき、この電力下限値と負荷２の消費電力との差に相当する電力を電力系統からコンデンサ９に充電する。さらに、交流電力変換器６は、負荷２で消費される電力が所定の電力上限値より大きくなったとき、この超過電力に相当する電力をコンデンサ９から電力系統に放電する。
【００３３】
以下、図１に示した各要素によって、上記機能がどのように実現されているかを説明する。
まず、充放電電力演算部３ａは、発電設備１と負荷２との間に接続されている。充放電電力演算部３ａには、図５に示した充放電電力演算部３にさらに充放電電力演算手段３０５が付加されている。
【００３４】
充放電電力演算手段３０５は、電流検出器３０１で検出された電流値と電圧検出器３０２で検出された系統電圧値とを用いて負荷で消費される電力値を算出する。次に、算出した負荷の電力値が所定の電力下限値よりも小さいとき、充放電電力演算手段３０５は、所定の電力下限値から算出した負荷の電力値を減じて得た値を充電電力指令値として出力する。一方、算出した負荷の電力値が所定の電力上限値よりも大きいとき、充放電電力演算手段３０５は、負荷の電力値から所定の電力上限値を減じて得た値を放電電力指令値として出力する。
【００３５】
また、充放電電力演算部３ａの位相検出手段３０３は、電圧検出器３０２で検出された系統電圧値から基準の位相信号を生成して出力する。
充放電電力制御手段８は、充放電電力演算手段３０５から出力される充電電力指令値または放電電力指令値を用いて、有効電力指令値ＩＲを生成する。
【００３６】
交流電力変換器６の交流電流制御手段６０６では、充放電電力制御手段８から出力される有効電力指令値ＩＲと位相検出手段３０３から出力される基準位相信号とから、交流電力変換器６０１から出力される三相交流電流指令値が算出される。次に、電流検出器６０５で検出された三相電流値が三相交流電流指令値と一致するように、比例積分演算などを用いて、コンバータ回路６０１の出力電圧指令値が生成される。生成された出力電圧指令値は電圧検出器９０１で検出されたコンデンサ９の電圧値に基づいて正規化され、パルス幅変調制御を行うための変調信号に変換される。さらに、このようにして得られた変調信号とキャリア信号とが比較演算され、コンバータ回路６０１の制御信号が生成される。すなわち、コンバータ回路６０１の制御信号は、電流検出器６０５で検出された三相電流値が充放電電力演算手段３ａから出力される充放電電力指令値に基づいて算出された三相交流電流指令値と一致するように調整されている。
【００３７】
コンバータ回路６０６の半導体スイッチング素子は、交流電流制御手段６０６から出力される制御信号に基づいてオン・オフ動作を行う。このコンバータ回路６０６の動作により、発電設備１と負荷２との間の電力系統とコンデンサ９との間で、電力の授受が行われる。具体的には、充放電電力演算部３ａから充電電力指令値が出力されるとき、発電設備１と負荷２との間の電力系統に生じた余剰電力がコンデンサ９に充電される。一方、充放電電力演算部３ａから放電電力指令値が出力されるとき、コンデンサ９から電力系統に電力が放電される。
【００３８】
直流中間電圧制御手段７ａは、予め定められた直流中間回路電圧の指令値と電圧検出器９０１で検出されたコンデンサ９の電圧値とを用いて、直流電流指令値Ｉｒを生成する。直流電流指令値Ｉｒは、比例積分調節器７０２を用いて、コンデンサ９の電圧が所定の直流中間電圧指令値と一致するように調節されている。なお、直流中間回路電圧の指令値は、蓄電池４の電圧よりも高い電圧であって、かつ発電設備１と負荷２との間の三相系統電圧の振幅値よりも大きい値に設定されている。
【００３９】
直流電流制御手段５０５は、直流中間電圧制御手段７ａから出力される直流電流指令値Ｉｒと電流検出器５０４で検出された直流電流値とを用いて、チョッパ回路５０１の制御信号を生成する。チョッパ回路５０１の制御信号は、蓄電池４と直流電力変換器５との間を流れる電流が直流電流指令値Ｉｒと一致するように調節されている。
【００４０】
上記直流電力変換器５の動作により、コンデンサ９の電圧が第１の所定値よりも大きいとき、コンデンサ９の電力が蓄電池４に充電される。一方、コンデンサ９の電圧が第１の所定値よりも小さいとき、蓄電池４の電力がコンデンサ９に放電される。
【００４１】
以上より、第１の実施形態において、負荷で消費される電力が所定の下限値より小さくなったとき、充放電電力演算手段３０５から出力される充電電力指令値に基づく電力（電力系統の余剰電力に相当する電力）が交流電力変換器６によって直流中間回路のコンデンサ９に充電される。直流中間回路に充電された電力は、さらに直流電力変換器５によって蓄電池４に充電される。
【００４２】
一方、負荷で消費される電力が所定の上限値を超えたとき、充放電電力演算手段３０５から出力される放電電力指令値に基づく電力（電力系統で不足する電力）が交流電力変換器６によって直流中間回路から電力系統に放電される。直流中間回路から電力が放電されると直流中間回路の電圧が低下する。直流中間回路の電圧を第１の所定値に維持するため、直流電力変換器５によって蓄電池４に蓄えられている電力が直流中間回路に放電される。
【００４３】
その結果、電力系統に充放電される電力は充放電電力演算手段３０５により算出された電力値に一致することになる。すなわち、電力系統において必要とされる充放電電力と実際に交流電力変換器６から充放電される電力との間にずれが生じることがない。
【００４４】
なお、この実施形態において、直流電力変換器５によってコンデンサ９の電圧を第１の所定値に維持する機能は、交流電力変換器６が充放電電力演算手段３０５からの充電電力指令値または放電電力指令値に基づいて動作するときのみ働くようにするのが好適である。すなわち、充放電電力演算手段３０５からの充電電力指令値および放電電力指令値のいずれもが出力されていないとき、直流電力変換器５のチョッパ回路５０１の動作を停止する。具体的には、チョッパ回路５０１の半導体スイッチング素子の制御信号をオフにし、半導体スイッチング素子がオン・オフ動作をしないようにする。
【００４５】
このようにすることにより、電力系統と電力平準化装置との間で電力の充放電を行う必要がないとき、直流電力変換器５のチョッパ回路５０１の半導体スイッチング素子で発生する導通損失とスイッチング損失とを零にすることができる。また、蓄電池４に蓄えられたエネルギーがコンデンサ９側に放電されることもない。
【００４６】
図２は、本発明に係る電力平準化装置の第２の実施形態を説明するための図である。この実施形態の特徴は、直流中間電圧制御手段７ａが動作しないとき、すなわち直流電力変換器５が動作しないときに、交流電力変換器６がコンデンサ９の電圧を第２の所定値に維持するように動作することである。
【００４７】
このような動作を可能とするため、この実施形態では、図１に示した第１の実施形態に新たに直流中間電圧制御手段７ｂが付加されている。そして、直流中間電圧制御手段７ｂの出力と充放電電力制御手段８の出力が加算器８０１によって加算され、これによって得られた結果が交流電流制御手段６０６に入力される有効電流指令値Ｉｐとなるように構成されている。なお、直流中間電圧制御手段７ｂは、直流中間電圧制御手段７ａと同様、直流中間電圧指令値と電圧検出器９０１で検出されたコンデンサ９の電圧値との偏差を比例積分調節器に入力して電流指令値を得るように構成することができる。
【００４８】
このように構成することにより、交流電力変換器６は、直流電力変換器５が動作しないときに、コンデンサ９の電圧を所定値に維持するように動作する。この動作により、コンバータ回路６０１の半導体スイッチング素子のオン・オフ動作により損失が発生するものの、コンデンサ９の電圧が蓄電池４の電圧よりも高い所定の電圧に維持される。その結果、蓄電池４からの放電を防止することができる。また、コンデンサ９の電圧が所定値に維持されていることにより、負荷２の消費電力が急変した場合でも、直流電力変換器５および交流電力変換器６が素早く応答することができる。
【００４９】
なお、電力系統と電力平準化装置との間で電力の充放電を行う必要がないとき、直流電力変換器５のチョッパ回路５０１の半導体スイッチング素子で発生する導通損失とスイッチング損失とを零にすることができる。したがって、蓄電池４に蓄えられたエネルギーが無駄に消費されることがない。
【００５０】
図３は、本発明に係る電力平準化装置の第４の実施形態を説明するための図である。図２に示した実施形態と異なるところは、直流中間電圧制御手段７ａに対応する直流中間電圧制御手段７ｃが、直流中間回路の電圧指令値として上限指令値と下限指令値とを有し、直流中間電圧制御手段７ｂに対応する直流中間電圧制御手段７ｄが、直流中間回路の電圧指令値として上限指令値と下限指令値とを有していることである。
【００５１】
この実施形態において、直流中間電圧制御手段７ｃは、直流中間電圧上限指令値Ｂ（第３の所定値）と直流中間電圧下限値Ｂ（第４の所定値）とを有する。そして、直流電流指令値Ｉｒは、直流中間電圧上下限指令値Ｂと電圧検出器９０１で検出されたコンデンサ９の電圧値との偏差を比例積分調節器７０５，７０７に入力することにより得られる。なお、比例積分調節器７０５は、電圧検出器９０１で検出されたコンデンサ９の電圧値が直流電圧下限指令値Ｂよりも小さいときに直流電流指令値Ｉｒを出力する。一方、比例積分調節器７０７は、電圧検出器９０１で検出されたコンデンサ９の電圧値が直流電圧上限指令値Ｂよりも大きいときに直流電流指令値Ｉｒを出力する。したがって、電圧検出器９０１で検出されたコンデンサ９の電圧値が直流電圧下限指令値Ｂと直流電圧上限指令値Ｂとの間にあるとき、直流電流指令値Ｉｒは零となる。
【００５２】
直流中間電圧制御手段７ｄは、直流中間電圧上限指令値Ａ（第５の所定値），Ｃ（第７の所定値）と直流中間電圧下限指令値Ａ（第６の所定値），Ｃ（第８の所定値）とを有する。直流中間電圧制御手段７ｄは、充放電電力演算手段３０５の出力が零以外のとき、制御判定手段７０３の出力にしたがって直流中間電圧下限指令値Ａをコンデンサ９の電圧の下限指令値とし、直流中間電圧上限指令値Ａをコンデンサ９の電圧の上限指令値とする。一方、直流中間電圧制御手段７ｄは、充放電電力演算手段３０５の出力が零のとき、制御判定手段７０３の出力にしたがって直流中間電圧下限指令値Ｃをコンデンサ９の電圧の下限指令値とし、直流中間電圧上限指令値Ｃをコンデンサ９の電圧の上限指令値とする。
【００５３】
ここで、直流中間電圧上限指令値はＡ＞Ｂ＞Ｃの関係に設定されており、直流中間電圧上限指令値は関係にＣ＞Ｂ＞Ａの関係に設定されている。したがって、充放電電力演算手段３０５の出力が零以外のとき、直流中間電圧制御手段７ｃの直流中間電圧下限指令値Ｂと上限指令値Ｂとからなる電圧範囲が、直流中間電圧制御手段７ｄの直流中間電圧下限指令値Ａと上限指令値Ａとからなる電圧範囲の内側にある。この場合、直流中間電圧制御手段７ｃから出力される直流電流指令値Ｉｒが有効となり、直流電力変換器５の動作によってコンデンサ９の電圧が所定値に維持される。そして、電圧検出器９０１で検出されたコンデンサ９の電圧値は常に直流中間電圧下限指令値Ａと上限指令値Ａとからなる電圧範囲の内側にあるため、直流中間電圧制御手段７ｄの出力は零となる。したがって、交流電力変換器６は、充放電電力制御手段８の出力である有効電流指令値Ｉｐにしたがって、充放電動作を行う。
【００５４】
一方、充放電電力演算手段３０５の出力が零のとき、充放電電力制御手段８の出力は零となる。また、直流中間電圧制御手段７ｄの直流中間電圧下限指令値Ｃおよび上限指令値Ｃが、直流中間電圧制御手段７ｃの直流中間電圧下限指令値Ｂおよび上限指令値Ｂよりも内側の値となる。この場合、交流電力変換器６が、直流中間電圧制御手段７ｄの出力である有効電流指令値Ｉｐにしたがって、コンデンサ９の電圧を所定値に維持するように動作する。そして、電圧検出器９０１で検出されたコンデンサ９の電圧値は常に直流中間電圧下限指令値Ｂと上限指令値Ｂとからなる電圧範囲の内側にあるため、直流中間電圧制御手段７ｃから出力される直流電流指令値Ｉｒは零となり、直流電力変換器５は動作を停止する。
【００５５】
直流中間電圧制御手段７ｄをこのように構成しても、交流電力変換器６は、直流電力変換器５が動作しないときに、コンデンサ９の電圧を所定値に維持するように動作する。この動作により、コンバータ回路６０１の半導体スイッチング素子のオン・オフ動作により損失が発生するものの、コンデンサ９の電圧が蓄電池４の電圧よりも高い所定の電圧に維持される。その結果、蓄電池４からコンデンサ９側への放電を防止することができる。また、コンデンサ９の電圧が所定値に維持されていることにより、負荷２の消費電力が急変した場合でも、直流電力変換器５および交流電力変換器６が素早く応答することができる。
【００５６】
なお、電力系統と電力平準化装置との間で電力の充放電を行う必要がないとき、チョッパ回路５０１の半導体スイッチング素子で発生する導通損失とスイッチング損失とを零にすることができる。したがって、蓄電池４に蓄えられたエネルギーが無駄に消費されることがない。
【００５７】
図４は、本発明に係る電力平準化装置の第３の実施形態を説明するための図である。図３に示した実施形態と異なるところは、充放電電力演算手段３０５の出力が直流電流制御手段５０５に入力されているところである。
【００５８】
この実施形態の交流電力変換器６は、図３に示した実施形態と同様、直流電力変換器５が動作しないときに、コンデンサ９の電圧を所定値に維持するように動作する。この動作により、コンバータ回路６０１の半導体スイッチング素子のオン・オフ動作により損失が発生するものの、コンデンサ９の電圧が蓄電池４の電圧よりも高い所定の電圧に維持される。その結果、蓄電池４からの放電を防止することができる。また、コンデンサ９の電圧が所定値に維持されていることにより、負荷２の消費電力が急変した場合でも、直流電力変換器５および交流電力変換器６が素早く応答することができる。
【００５９】
さらに、充放電電力演算手段３０５の出力を直流電流制御手段５０５に入力することにより、充放電電力演算手段３０５の出力が零のとき、直流電流制御手段５０５は、直接、チョッパ回路５０１の半導体スイッチング素子のオン・オフ動作を停止させることができる。このようにすれば、直流中間電圧制御手段７ｃの出力である直流電流指令Ｉｒが零のとき、電流検出器５０４の出力にオフセット等の誤差が生じても、チョッパ回路５０１の半導体スイッチング素子のオン・オフ動作を確実に停止させることができる。その結果、チョッパ回路５０１の半導体スイッチング素子で発生する導通損失とスイッチング損失とを確実に零にすることができる。したがって、蓄電池４に蓄えられたエネルギーが無駄に消費されることがない。
【符号の説明】
【００６０】
１・・・発電設備、２・・・負荷、３，３ａ，３ｂ，３ｃ・・・充放電電力演算部、４・・・蓄電池、５・・・直流電力変換器（第１の電力変換器）、６・・・交流電力変換器（第２の電力変換器）、７，７ａ〜７ｆ・・・直流中間電圧制御手段、８・・・充放電電力制御手段、９・・・直流中間コンデンサ。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
発電設備と該発電設備から電力の供給を受ける負荷とからなる電力系統に接続された電力平準化装置において、
前記電力平準化装置は、蓄電池と、前記蓄電池に接続された第１の電力変換器と、前記電力系統に接続された第２の電力変換器と、前記第１の電力変換器と前記第２の電力変換器との間に接続されたコンデンサとを備え、
前記第１の電力変換器は、前記蓄電池と前記コンデンサとの間で電力の授受を行うことによって前記コンデンサの電圧を第１の所定値に維持するための第１の定電圧制御動作を行い、
前記第２の電力変換器は、前記負荷で消費される電力が所定の電力下限値より小さくなったとき前記電力下限値と前記負荷の消費電力との差に相当する電力を前記電力系統から前記コンデンサに充電するための充電動作と、前記負荷で消費される電力が所定の電力上限値より大きくなったときその超過電力に相当する電力を前記コンデンサから前記電力系統に放電するための放電動作とを行う
ことを特徴とする電力平準化装置。
【請求項２】
前記第１の電力変換器は、前記第２の電力変換器が前記充電動作または前記放電動作を行うときのみ、前記第１の定電圧制御動作を行うことを特徴とする請求項１に記載の電力平準化装置。
【請求項３】
前記第１の電力変換器は内蔵する半導体スイッチング素子をオン・オフ動作させることによって前記第１の定電圧制御動作を行うものであり、前記第２の電力変換器が前記充電動作および前記放電動作のいずれの動作も行わないとき、前記第１の電力変換器の半導体スイッチング素子はオフ状態に維持されていることを特徴とする請求項２に記載の電力平準化装置。
【請求項４】
前記第２の電力変換器が前記充電動作および前記放電動作を行わないとき、前記第２の電力変換器は前記電力系統と前記コンデンサとの間で電力を授受することによって前記コンデンサの電圧を第２の所定値に維持する第２の定電圧制御動作を行うことを特徴とする請求項２に記載の電力平準化装置。
【請求項５】
前記第１の電力変換器が前記第１の定電圧制御動作により前記コンデンサの電圧を維持するための電圧は、
前記第２の電力変換器が前記充電動作を行うときは第３の所定値であり、
前記第２の電力変換器が前記放電動作を行うときは第４の所定値であって、
前記第２の電力変換器が前記第２の定電圧制御動作により前記コンデンサの電圧を維持するための電圧は、
前記第１の電力変換器が前記第１の定電圧制御動作を行うとき、前記第３の所定値よりも大きい第５の所定値と前記第４の所定値よりも小さい第６の所定値であり、
前記第２の電力変換器が前記第２の定電圧制御動作を行うとき、前記第３の所定値よりも小さい第７の所定値と前記第４の所定値よりも大きい第８の所定値である
ことを特徴とする請求項４に記載の電力平準化装置。
【請求項１】
発電設備と該発電設備から電力の供給を受ける負荷とからなる電力系統に接続された電力平準化装置において、
前記電力平準化装置は、蓄電池と、前記蓄電池に接続された第１の電力変換器と、前記電力系統に接続された第２の電力変換器と、前記第１の電力変換器と前記第２の電力変換器との間に接続されたコンデンサとを備え、
前記第１の電力変換器は、前記蓄電池と前記コンデンサとの間で電力の授受を行うことによって前記コンデンサの電圧を第１の所定値に維持するための第１の定電圧制御動作を行い、
前記第２の電力変換器は、前記負荷で消費される電力が所定の電力下限値より小さくなったとき前記電力下限値と前記負荷の消費電力との差に相当する電力を前記電力系統から前記コンデンサに充電するための充電動作と、前記負荷で消費される電力が所定の電力上限値より大きくなったときその超過電力に相当する電力を前記コンデンサから前記電力系統に放電するための放電動作とを行う
ことを特徴とする電力平準化装置。
【請求項２】
前記第１の電力変換器は、前記第２の電力変換器が前記充電動作または前記放電動作を行うときのみ、前記第１の定電圧制御動作を行うことを特徴とする請求項１に記載の電力平準化装置。
【請求項３】
前記第１の電力変換器は内蔵する半導体スイッチング素子をオン・オフ動作させることによって前記第１の定電圧制御動作を行うものであり、前記第２の電力変換器が前記充電動作および前記放電動作のいずれの動作も行わないとき、前記第１の電力変換器の半導体スイッチング素子はオフ状態に維持されていることを特徴とする請求項２に記載の電力平準化装置。
【請求項４】
前記第２の電力変換器が前記充電動作および前記放電動作を行わないとき、前記第２の電力変換器は前記電力系統と前記コンデンサとの間で電力を授受することによって前記コンデンサの電圧を第２の所定値に維持する第２の定電圧制御動作を行うことを特徴とする請求項２に記載の電力平準化装置。
【請求項５】
前記第１の電力変換器が前記第１の定電圧制御動作により前記コンデンサの電圧を維持するための電圧は、
前記第２の電力変換器が前記充電動作を行うときは第３の所定値であり、
前記第２の電力変換器が前記放電動作を行うときは第４の所定値であって、
前記第２の電力変換器が前記第２の定電圧制御動作により前記コンデンサの電圧を維持するための電圧は、
前記第１の電力変換器が前記第１の定電圧制御動作を行うとき、前記第３の所定値よりも大きい第５の所定値と前記第４の所定値よりも小さい第６の所定値であり、
前記第２の電力変換器が前記第２の定電圧制御動作を行うとき、前記第３の所定値よりも小さい第７の所定値と前記第４の所定値よりも大きい第８の所定値である
ことを特徴とする請求項４に記載の電力平準化装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１２−２４４７５９（Ｐ２０１２−２４４７５９Ａ）
【公開日】平成２４年１２月１０日（２０１２．１２．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１１２２７０（Ｐ２０１１−１１２２７０）
【出願日】平成２３年５月１９日（２０１１．５．１９）
【出願人】（０００００５２３４）富士電機株式会社 (3,146)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１２月１０日（２０１２．１２．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年５月１９日（２０１１．５．１９）
【出願人】（０００００５２３４）富士電機株式会社 (3,146)
【Ｆターム（参考）】
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