JP4337687B2 - 電源装置 - Google Patents

Description

本発明は、インバータ技術を利用した電源装置に関する。

近年、一般家庭の負荷の増加による化石燃料の枯渇、地球温暖化問題などが生じており、太陽光発電システムや節電装置、あるいは系統電圧の安定化装置などによる、クリーンエネルギーの利用や省エネルギー装置が求められている。

従来、この種の電源装置は、発電装置の発電電力を系統側に連系する系統連系電力変換装置として、進相無効成分を含む電流を出力し、需要家負荷の消費電力を低減可能とするものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

以下、その電源装置について図１６及び図１７を参照しながら説明する。

図１６に示すように、系統連系インバータ１０１から配電系統１０２へ進相無効成分を含む電流Ｉｉｎｖを出力すると、需要家一般負荷１０３への供給電圧Ｖｌｉｎｅ＝Ｖｉｎｖは、系統電圧Ｖｇに系統インピーダンス１０４（Ｒ＋ｊ×Ｌ）における電圧降下分Ｖｄｉｆを加えた値となる。図１７の（ａ）は太陽光の照射があり直流電源が配電系統１０２に有効電力を供給している有効電力調整モードで、系統連系インバータ１０１は直流電源からの直流電力を交流電力に変換し、配電系統１０２および需要家一般負荷１０３に電力供給した場合のベクトル図を示す。この運転モードでは、通常負荷電圧Ｖｌｉｎｅは系統電圧Ｖｇより高くなる。次に図１７の（ｂ）では、系統連系インバータ１０１の制御を変えて同時に無効電力を配電系統１０２および需要家一般負荷１０３に供給している場合のベクトル図を示す。この場合、図に示すように、負荷電圧Ｖｌｉｎｅが系統電圧Ｖｇより低くなり、系統インピーダンス１０４の定数を加味して有効電力および無効電力を適切に制御することにより、需要家一般負荷１０３に供給する負荷電圧Ｖｌｉｎｅをその運転可能下限電圧以上の範囲で定格電圧より低い電圧値に制御することができることとなる。よって、需要家一般負荷１０３への供給電圧をその定格電圧未満に制御することができ、需要家一般負荷１０３の消費電力を低減可能としている。
特開２００３−１５３４４４号公報

このような従来の電源装置では、発電装置による発電電力が増加し、進相無効成分を含む電流出力のみでは不十分となり、系統電圧の上昇を抑制することができないという課題があり、確実に系統電圧の上昇を抑制し、かつ発電装置により発電した電力を有効に利用することが要求されている。

また通常時、力率１制御を基本としており、系統電圧が上昇したことを検出し、フィードバック制御により系統電圧を下げるように制御しているため、制御応答性や必要以上に抑制することで、発電電力の有効利用率が低下するという課題があり、系統の保護協調と発電電力の有効利用を両立させることが要求されている。

さらに、負荷に供給する電源電圧、及び交流電源側の電源電圧を同時に規定範囲に自動で制御することができず、負荷に供給する電源電圧が上昇し、負荷の消費電力が増加するという課題があり、系統の保護協調と同時に負荷で消費する電力量を同時に削減する電源装置が要求されている。

また、系統電圧が規定値以上になった結果によるフィードバック制御のため、系統電圧に対する応答性に起因して発生する過渡的な電圧上昇が発生するという課題があり、規定値に到達する前に系統電圧を制御できるフィードフォワード制御が要求されている。

本発明は、このような従来の課題を解決するものであり、発電装置に相当する節電装置、あるいは電圧安定化装置による節約した過剰電力が増加した際であっても、過剰電力を蓄電池に充電を実施し、かつ負荷への供給電圧を最適な電圧に制御することができる電源装置を提供することを目的としている。

また、本発明は、負荷に供給する電源電圧、及び交流電源側の電源電圧を同時に規定範囲に自動で制御することができる電源装置を提供することを目的としている。

さらに、本発明は、系統のインピーダンスを自動で検出し、検出したインピーダンスと系統電圧から系統電圧を規定値以上に上昇させることない出力電力を判定し、系統側の電圧上昇を発生させること無く、かつ節電装置あるいは電圧安定化装置により節約した過剰電力を有効に利用することができる電源装置を提供することを目的としている。

また、系統電圧が規定値以上になった結果によるフィードバック制御でなく、規定値に到達する前のフィードフォワード制御を行なうことができる電源装置を提供することを目的としている。

本発明の電源装置は上記目的を達成するために、スイッチング素子と逆並列したダイオードを上下に直列接続した３つのアームにより構成したフルブリッジコンバータ、及び１つのアームをフルブリッジコンバータと共用したフルブリッジインバータと、前記３つのアームに並列に接続したコンデンサと、交流電源と一次巻線を直列に接続し、かつフルブリッジインバータの出力からリアクトルを通して二次巻線を直列に接続した直列変圧器と、前記フルブリッジコンバータ、フルブリッジインバータを制御する主回路制御部により構成される節電装置、あるいは電圧安定化装置において、前記コンデンサに並列接続し、かつ交流電源の電圧の上下変動に応じて充放電を行なう蓄電手段を備え、前記フルブリッジコンバータによるコンデンサの目標電圧を、前記蓄電手段の充放電時のコンデンサの目標電圧と相異なるようにする構成としたものである。

この手段により、フルブリッジインバータからの過剰電力を蓄電手段に蓄電することができ、交流電源の電圧が低下した時に負荷側へ供給、あるいは交流電源側に逆潮流することができ、また負荷側の電源電圧を安定化することができる電源装置が得られる。

また、コンデンサ電圧の上昇、あるいは低下による制御時定数を設けることができ、蓄電手段の充放電制御とフルブリッジコンバータの電流制御を円滑に行ない、コンデンサの過電圧、過小電圧を発生させることを無くすることができる。

さらに、蓄電手段の充電時におけるコンデンサの目標電圧を、放電時におけるコンデンサの目標電圧と相異なるようにする構成としたものである。

この手段により、蓄電手段の充電、放電の切り換えを円滑に行なうことができる。

また、フルブリッジコンバータの回生時のコンデンサの目標電圧は、力行時におけるコンデンサの目標電圧と相異なる電圧となるように構成したものである。

この手段により、フルブリッジコンバータの回生、及び力行の切替制御を円滑に行ない、コンデンサの過電圧、過小電圧を発生させることを無くすることができる。

さらに、交流電源の電圧を制御する系統電圧制御手段と、負荷側への供給電源の電圧を制御する負荷電圧制御手段を備える構成としたものである。

この手段により、交流電源の電圧と、負荷に供給する電圧を同時に規定範囲に自動で制御することができる。

また、交流電源の電圧上昇、あるいは低下を未然に防止するフィードフォワード制御手段を備える構成としたものである。

この手段により、系統電圧が規定値以上になった結果によるフィードバック制御でなく、規定値に到達する前のフィードフォワード制御を行なうことができる。

さらに、交流電源のインピーダンスを判定するインピーダンス判定手段と、インピーダンス判定手段により判定したインピーダンスからフルブリッジコンバータの出力を制限するコンバータ出力制限手段を備える構成としたものである。

この手段により、予め交流電源のインピーダンスが自動で検出されることとなり、交流電源側への過剰な電力出力を避けることができ、交流電源の電圧上昇を発生することを無くすることができる。

また、交流電源の電圧上昇、あるいは低下を未然に防止するフィードフォワード制御手段は、インピーダンス判定手段とコンバータ出力制限手段による構成としたものである。

この手段により、系統電圧が規定値以上になった結果によるフィードバック制御でなく、規定値に到達する前のフィードフォワード制御を行なうことができる。

さらに、インピーダンス判定手段は、交流電源の電圧上昇とコンバータ出力の相関から判定するように構成したものである。

この手段により、交流電源のインピーダンスは内部演算で判定することができるため、通信による交流電源のインピーダンスを入力するなどの必要性がなく、回路構成を簡略化することができる。

また、交流電源のインダクタンスを判定するインダクタンス判定手段と、インダクタンス判定手段により判定したインダクタンスで、フルブリッジコンバータから出力する無効電力量を制御する無効電力制御手段を備える構成としたものである。

この手段により、交流電源のインピーダンスは内部演算で自動判定することができ、無効電力の出力を必要最小限でかつ、優れた応答性を確保することができる。

さらに、交流電源の電源電圧を常時監視する電圧監視手段と、前記電圧監視手段により検出した電源電圧が上昇した時にフルブリッジコンバータから出力する無効電力量を制御する第二無効電力制御手段を備える構成としたものである。

この手段により、交流電源のインピーダンスの自動判定による、無効電力出力で交流電源の電圧上昇抑制のフィードフォワード制御と、電圧監視手段により検出した電源電圧上昇からフィードバック制御とにより構成されるため、よりきめ細かで必要最小限かつ、より優れた応答性を確保することができる。

また、フルブリッジコンバータの出力制限により生じた余剰電力を蓄電手段に蓄電する余剰電力制御手段を備える構成としたものである。

この手段により、フルブリッジコンバータの出力制限が生じた際であっても、蓄電手段に一時的に余剰電力を蓄電でき、かつ出力制限解除あるいは出力制限値を下回った場合に蓄電してある過去の節約した過剰電力を出力することができ、節電装置あるいは電圧安定化装置により得られた過剰電力の有効利用をすることができる。

さらに、フルブリッジコンバータの出力制限、及び蓄電手段に蓄電する余剰電力制御の限界時に、フルブリッジインバータの出力を制限するインバータ制限手段を備える構成としたものである。

この手段により、フルブリッジコンバータの出力制限、及び蓄電池が満充電に近い状態となった場合であっても節約する過剰電力を制限することで、交流電源の電源電圧を規定範囲内で運用することができる。

本発明によれば、スイッチング素子と逆並列したダイオードを上下に直列接続した３つのアームにより構成したフルブリッジコンバータ、及び１つのアームをフルブリッジコンバータと共用したフルブリッジインバータと、前記３つのアームに並列に接続したコンデンサと、交流電源と一次巻線を直列に接続し、かつフルブリッジインバータの出力からリアクトルを通して二次巻線を直列に接続した直列変圧器と、前記フルブリッジコンバータ、フルブリッジインバータを制御する主回路制御部により構成される節電装置、あるいは電圧安定化装置において、前記コンデンサに並列接続し、かつ交流電源の電圧の上下変動に応じて充放電を行なう蓄電手段を備える構成とすることで、フルブリッジインバータからの過剰電力を蓄電手段に蓄電することができ、交流電源の電圧が低下した時に負荷側へ供給、あるいは交流電源側に逆潮流することができ、交流電源の電圧を最適電圧に制御することができるという効果のある電源装置を提供できる。

また、フルブリッジコンバータによるコンデンサ制御電圧を、蓄電手段の充放電時のコンデンサ制御電圧と相異なる電圧に制御する構成とすることで、コンデンサ電圧の上昇、あるいは低下による制御時定数を設けることができ、蓄電手段の充放電制御とフルブリッジコンバータの電流制御を円滑に行ない、コンデンサの過電圧、過小電圧を発生させることを無くすることができるという効果のある電源装置を提供できる。

さらに、蓄電手段の充電時におけるコンデンサの目標電圧を、放電時におけるコンデンサの目標電圧と相異なる電圧に制御する構成とすることで、蓄電手段の充電、放電の切り換えを円滑に行なうことができるという効果のある電源装置を提供できる。

また、フルブリッジコンバータの回生時のコンデンサの目標電圧は、力行時におけるコンデンサの目標電圧と相異なる電圧となるように制御する構成とすることで、蓄電手段の充放電指令をコンデンサの電圧で代用することができ、通信手段を必要とせず、構成を簡略化することができるという効果のある電源装置を提供できる。

さらに、交流電源の電圧を制御する系統電圧制御手段と、負荷側への供給電源の電圧を制御する負荷電圧制御手段を備える構成とすることで、交流電源の電圧と、負荷に供給する電圧を同時に規定範囲に自動で制御することができるという効果のある電源装置を提供できる。

また、交流電源の電圧上昇、あるいは低下を未然に防止するフィードフォワード制御手段を備える構成とすることで、系統電圧が規定値以上になった結果によるフィードバック制御でなく、規定値に到達する前のフィードフォワード制御を行なうことができるという効果のある電源装置を提供できる。

さらに、交流電源のインピーダンスを判定するインピーダンス判定手段と、インピーダンス判定手段により判定したインピーダンスからフルブリッジコンバータの出力を制限するコンバータ出力制限手段を備える構成とすることで、予め交流電源のインピーダンスが既知であるため、過剰な逆潮流を避けることができ、交流電源の電圧上昇を発生することを無くすることができるという効果のある電源装置を提供できる。

また、交流電源の電圧上昇、あるいは低下を未然に防止するフィードフォワード制御手段は、インピーダンス判定手段とコンバータ出力制限手段による構成とすることで、系統電圧が規定値以上になった結果によるフィードバック制御でなく、規定値に到達する前のフィードフォワード制御を行なうことができるという効果のある電源装置を提供できる。

また、インピーダンス判定手段は、交流電源の電圧上昇とコンバータ出力の相関から判定するように構成することで、交流電源のインピーダンスは内部演算で判定することができるため、回路構成を簡略化することができるという効果のある電源装置を提供できる。

さらに、交流電源のインダクタンスを判定するインダクタンス判定手段と、インダクタンス判定手段により判定したインダクタンスで、フルブリッジコンバータから出力する無効電力量を制御する無効電力制御手段を備える構成とすることで、交流電源のインピーダンスは内部演算で自動判定することができ、無効電力の出力を必要最小限でかつ、優れた応答性を確保することができるという効果のある電源装置を提供できる。

また、交流電源の電源電圧を常時監視する電圧監視手段と、前記電圧監視手段により検出した電源電圧が上昇した時にフルブリッジコンバータから出力する無効電力量を制御する第二無効電力制御手段を備える構成とすることで、交流電源のインピーダンスの自動判定による、無効電力出力で交流電源の電圧上昇抑制のフィードフォワード制御と、電圧監視手段により検出した電源電圧上昇からフィードバック制御とにより構成されるため、よりきめ細かで必要最小限かつ、より優れた応答性を確保することができるという効果のある電源装置を提供できる。

さらにフルブリッジコンバータの出力制限により生じた余剰電力を蓄電手段に蓄電する余剰電力制御手段を備える構成とすることで、フルブリッジコンバータの出力制限が生じた際であっても、蓄電手段に一時的に余剰電力を蓄電でき、かつ出力制限解除あるいは出力制限値を下回った場合に蓄電してある過去の節約した過剰電力を出力することができ、節電装置あるいは電圧安定化装置により得られた節約した過剰電力の有効利用をすることができるという効果のある電源装置を提供できる。

また、フルブリッジコンバータの出力制限、及び蓄電手段に蓄電する余剰電力制御の限界時に、フルブリッジインバータの出力を制限するインバータ制限手段を備える構成とすることで、交流電源側への出力が不可で、かつ蓄電池が満充電に近い状態となった場合であってもフルブリッジインバータの電力を制限することで、交流電源の電源電圧を規定範囲内で運用することができるという効果のある電源装置を提供できる。

本発明の請求項１記載の発明は、スイッチング素子と逆並列したダイオードを上下に直列接続した３つのアームにより構成したフルブリッジコンバータ、及び１つのアームをフルブリッジコンバータと共用したフルブリッジインバータと、前記３つのアームに並列に接続したコンデンサと、交流電源と一次巻線を直列に接続し、かつフルブリッジインバータの出力からリアクトルを通して二次巻線を直列に接続した直列変圧器と、前記フルブリッジコンバータ、フルブリッジインバータを制御する主回路制御部により構成される節電装置、あるいは電圧安定化装置において、前記コンデンサに並列接続し、かつ交流電源の電圧の上下変動に応じて充放電を行なう蓄電手段を備え、前記フルブリッジコンバータによるコンデンサ制御電圧を、前記蓄電手段の充放電時のコンデンサ制御電圧と相異なるようにする構成としたものであり、フルブリッジインバータからの過剰電力を蓄電手段に蓄電することができ、交流電源の電圧が低下した時に負荷側へ供給、あるいは交流電源側に逆潮流することができ、また、コンデンサ電圧の上昇、あるいは低下による制御時定数を設けることができ、蓄電手段の充放電制御とフルブリッジコンバータの電流制御を円滑に行ない、コンデンサの過電圧、過小電圧を発生させることを無くすることができるという作用を有する。

さらに、蓄電手段の充電時におけるコンデンサの目標電圧を、放電時におけるコンデンサの目標電圧と相異なる電圧に制御する構成としたものであり、蓄電手段の充電、放電の切り換えを円滑に行なうことができるという作用を有する。

また、フルブリッジコンバータの回生時のコンデンサの目標電圧を、力行時におけるコンデンサの目標電圧と相異なる電圧となるように制御する構成としたものであり、蓄電手段の充放電指令をコンデンサの電圧で代用することができ、通信手段を必要とせず、構成を簡略化することができるという作用を有する。

さらに、交流電源の電圧を制御する系統電圧制御手段と、負荷側への供給電源の電圧を制御する負荷電圧制御手段を備える構成としたものであり、交流電源の電圧と、負荷に供給する電圧を同時に規定範囲に自動で制御することができるという作用を有する。

また、交流電源の電圧上昇、あるいは低下を未然に防止するフィードフォワード制御手段を備える構成としたものであり、系統電圧が規定値以上になった結果によるフィードバック制御でなく、規定値に到達する前のフィードフォワード制御を行なうことができるという作用を有する。

さらに、交流電源のインピーダンスを判定するインピーダンス判定手段と、インピーダンス判定手段により判定したインピーダンスからフルブリッジコンバータの出力を制限するコンバータ出力制限手段を備える構成としたものであり、予め交流電源のインピーダンスが既知であるため、過剰な逆潮流を避けることができ、交流電源の電圧上昇を発生することを無くすることができるという作用を有する。

また、交流電源の電圧上昇、あるいは低下を未然に防止するフィードフォワード制御手段は、インピーダンス判定手段とコンバータ出力制限手段による構成としたものであり、系統電圧が規定値以上になった結果によるフィードバック制御でなく、規定値に到達する前のフィードフォワード制御を行なうことができるという作用を有する。

さらに、インピーダンス判定手段は、交流電源の電圧上昇とコンバータ出力の相関から判定するように構成したものであり、交流電源のインピーダンスは内部演算で判定することができるため、回路構成を簡略化することができるという作用を有する。

また、交流電源のインダクタンスを判定するインダクタンス判定手段と、インダクタンス判定手段により判定したインダクタンスで、フルブリッジコンバータから出力する無効電力量を制御する無効電力制御手段を備える構成としたものであり、交流電源のインピーダンスは内部演算で自動判定することができ、無効電力の出力を必要最小限でかつ、優れた応答性を確保することができるという作用を有する。

さらに、交流電源の電源電圧を常時監視する電圧監視手段と、前記電圧監視手段により検出した電源電圧が上昇した時にフルブリッジコンバータから出力する無効電力量を制御する第二無効電力制御手段を備える構成としたものであり、交流電源のインピーダンスの自動判定による、無効電力出力で交流電源の電圧上昇抑制のフィードフォワード制御と、電圧監視手段により検出した電源電圧上昇からフィードバック制御とにより構成されるため、よりきめ細かで必要最小限かつ、より優れた応答性を確保することができるという作用を有する。

また、フルブリッジコンバータの出力制限により生じた余剰電力を蓄電手段に蓄電する余剰電力制御手段を備える構成としたものであり、フルブリッジコンバータの出力制限が生じた際であっても、蓄電手段に一時的に余剰電力を蓄電でき、かつ出力制限解除あるいは出力制限値を下回った場合に蓄電してある過去の節約した過剰電力を出力することができ、節電装置あるいは電圧安定化装置により節約した過剰電力の有効利用をすることができるという作用を有する。

さらに、フルブリッジコンバータの出力制限、及び蓄電手段に蓄電する余剰電力制御の限界時に、フルブリッジインバータの出力を制限するインバータ制限手段を備える構成としたものであり、フルブリッジコンバータの出力制限、及び蓄電池が満充電に近い状態となった場合であってもフルブリッジインバータの電力を制限することで、交流電源の電源電圧を規定範囲内で運用することができるという作用を有する。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。

（実施の形態１）
図１は、本実施の形態１における電源装置の構成図を示す。

図に示すように、負荷側への供給電圧を制御する負荷電圧制御手段としての電圧安定化装置１は、スイッチング素子２と逆並列したダイオード３を上下に直列接続した３つのアーム４ａから４ｃにより構成したフルブリッジコンバータ５、及び１つのアーム４ｂをフルブリッジコンバータ５と共用したフルブリッジインバータ６と、前記３つのアーム４ａから４ｃに並列に接続したコンデンサ７と、交流電源８と一次巻線を直列に接続し、かつフルブリッジインバータ６の出力からリアクトル９を通して二次巻線を直列に接続した直列変圧器１０と、前記フルブリッジコンバータ５、フルブリッジインバータ６を制御する主回路制御部１１により構成される。また電圧安定化装置１のコンデンサ７と並列に、交流電源８の電源電圧が上昇した際には充電し、電源電圧が低下した際には放電制御を行なう交流電源８の電圧を制御する系統電圧制御手段としての蓄電手段１２を備えている。

次に図２に、主回路制御部１１の制御フローチャートを示す。

図に示すように、主回路制御部１１のフルブリッジインバータ６の制御は、負荷に供給する電源電圧を入力し、設定電圧との偏差を算出する。設定電圧との偏差をＰＩ制御器に入力し、フルブリッジインバータ６の出力電圧を演算する。また、主回路制御部１１のフルブリッジコンバータ５の制御は、コンデンサ７の電圧を一定に制御するよう構成している。コンデンサ７の電圧を入力し、コンデンサ７の目標電圧との差分値からＰＩ制御を行なうことで、コンデンサ７の電圧が一定となるように制御する。交流電源８への電流出力の指令値は、前記コンデンサ７の電圧Ｖｔと目標電圧Ｖｔ＊との偏差をＰＩ制御器に入力することで指令値として計算する。この時の目標電圧Ｖｔ＊は、力行時をＶｔａ＊とし、回生時をＶｔｂ＊としており、Ｖｔａ＊はＶｔｂ＊より低い電圧となる。

次に、電圧安定化装置１としての動作について、図３を参照しながら説明する。

図において、フルブリッジインバータ６の出力端にはリアクトル９を通して直列変圧器１０が接続されており、直列変圧器１０の一次巻線、二次巻線の巻数比はＮ１対Ｎ２としていることから、直列変圧器１０の一次巻線側の電圧は、フルブリッジインバータ６の出力電圧のＮ１／Ｎ２倍の電圧となる。従って、交流電源８の電圧位相と一次巻線側の電圧位相が同相であった場合、交流電源８の電源電圧から一次巻線の電圧を差し引いた電圧が負荷に印加されることとなる。逆に交流電源８の電圧位相と一次巻線側の電圧位相が逆相であれば、交流電源８の電源電圧に一次巻線の電圧を加算した電圧が負荷に印加されることとなる。従って、負荷への供給する設定電圧と、交流電源８の相関によって、フルブリッジインバータ６の目標電圧を決定することとなる。フルブリッジコンバータ５はコンデンサ７の電圧を一定となるように制御すると同時に、負荷へ供給する設定電圧が交流電源８の電源電圧より低い場合は交流電源８に力率１で電流出力する。また、フルブリッジコンバータ５は、負荷へ供給する設定電圧が交流電源８の電源電圧より高い場合は、交流電源８に力率１で電流を引き込む制御を基本とする。

次に、蓄電手段１２の制御フローチャートについて図４を参照しながら説明する。

蓄電手段１２は、鉛蓄電池１２ａと双方向コンバータ１２ｂにより構成されており、コンデンサ７の電圧Ｖｔと蓄電手段１２の制御に使用する目標電圧Ｖｔ２＊との偏差をＰＩ制御器に入力することで、充放電電流指令値を計算する。この時、蓄電手段１２の充電時の目標電圧Ｖｃｈａ＊は、放電時の目標電圧Ｖｄｉｓ＊より高い電圧に設定している。またフルブリッジコンバータ５によるコンデンサ７の目標電圧Ｖｔ＊は、Ｖｃｈａ＊とＶｄｉｓ＊の間の電圧に設定している。この充放電の目標電圧をＶｃｈａ＊、Ｖｄｉｓ＊で分離することで、交流電源８の電源電圧の上下変動に応じて、充放電の制御を行なうこととなる。

以上のように、本実施の形態１によれば、負荷に対して安定した電圧にて電力供給すると共に、電圧安定化のための過剰な電力でかつ交流電源８の電圧が高い場合、蓄電手段１２へ過剰電力を充電することができる。また、電圧安定化のための不足電力が生じ、交流電源８の電圧が低い場合、蓄電手段１２から不足電力を放電することができる。また、コンデンサ７の電圧は、フルブリッジコンバータ５の目標電圧と、蓄電手段１２の目標電圧を相異なる電圧に制御することで、コンデンサ電圧の上昇、あるいは低下による制御時定数を設けることができ、蓄電手段の充放電制御とフルブリッジコンバータの電流制御を円滑に行ない、コンデンサの過電圧、過小電圧を発生させることを無くすることができる。また、力行時は、コンデンサ７の目標電圧は低くし、回生時は高くすることで、蓄電手段１２はフルブリッジコンバータ５及びフルブリッジインバータ６の制御部の力行回生動作をコンデンサ７の電圧監視で判別することができる。

なお、本実施の形態においては、蓄電手段１２の蓄電媒体として鉛蓄電池としたが、電気二重層コンデンサ、ニッケル水素電池、リチウムイオン電池等であってもよい。

（実施の形態２）
図５は、本実施の形態２における電源装置の構成図を示す。

図に示すように、電圧安定化装置１には、フィードフォワード制御手段１３としての交流電源８のインピーダンスを検出判定するインピーダンス判定手段１４及び検出したインピーダンスによりフルブリッジコンバータ５から交流電源８に出力する電力の制限を行なうコンバータ出力制限手段１５を備えている。

図６にインピーダンス判定手段１４のフローチャートを示す。

図に示すように、インピーダンス判定手段１４は、フルブリッジコンバータ５からの出力電流を最大Ｉｗとするように主回路制御部１１へ出力有効電流Ｉｗを指令する。フルブリッジコンバータ５の出力有効電流Ｉｗ時の交流電源８の電源電圧Ｖ１を検出、及び記憶する。次にインピーダンス判定手段１４は、主回路制御部１１へ出力電流に力率を０．８５まで変動させ、有効電流はＩｗで、かつ無効電流Ｉｑを同時に出力するようフルブリッジコンバータ５に指令を出力する。この時の変動した交流電源８の電源電圧Ｖ２を検出する。次にフルブリッジコンバータ５の出力をゼロとし、その時の交流電源８の電源電圧Ｖｏを検出する。この時、Ｖｏ、Ｖ１、Ｖ２、Ｉｗ、Ｉｑの関係は、交流電源８のインピーダンスをＲｓ＋ｊＸｓとすると、数式１にて連立方程式が成立する。数式１をＲｓ、Ｘｓについて解くと、数式２を導くことができる。

さらに、求めたＲｓ、Ｘｓと交流電源８の許容できる最大電圧Ｖｍａｘと、フルブリッジコンバータ５からの出力がゼロの時の交流電源８の電源電圧Ｖｏから、フルブリッジコンバータ５から回生できる電流最大値Ｉｗ＿ｍａｘは、数式３にて演算することができる。

次にコンバータ出力制限手段１５のフローチャートについて図７を参照しながら説明する。

図に示すように、コンバータ出力制限手段１５は、インピーダンス判定手段１４により演算した回生できる電流最大値Ｉｗ＿ｍａｘを入力する。入力した電流最大値Ｉｗ＿ｍａｘとフルブリッジコンバータ５の出力定格電流Ｉｃｏｎ＿ｍａｘを比較する。何れか低い電流値を最大出力電流リミッタとして主回路制御部１１に設定値を出力する。

以上のように、本実施の形態２によれば、インピーダンス判定手段１４により交流電源８のインピーダンスを検出判定することができる。また、インピーダンス判定手段１４により検出判定した交流電源８のインピーダンスから、フルブリッジコンバータ５から回生できる電流最大値を演算し、コンバータ出力制限手段１５により出力電流をリミットすることとなる。この出力電流リミットにより、過剰な逆潮流を避けることができ、交流電源８の電圧上昇の発生を無くすることができる。

（実施の形態３）
図８は、本実施の形態３における電源装置の構成図を示す。

図に示すように、実施の形態３における電源装置は、交流電源８のインダクタンスを判定するインダクタンス判定手段１６と、インダクタンス判定手段１６により判定したインダクタンスで、フルブリッジコンバータ５から無効電力を出力する無効電力制御手段１７を備えている。

図９にインダクタンス判定手段１６のフローチャートを示す。

図に示すように、インダクタンス判定手段１６は、フルブリッジコンバータ５からの出力電流を最大Ｉｗとするように主回路制御部１１へ出力有効電流Ｉｗを指令する。フルブリッジコンバータ５の出力有効電流Ｉｗ時の交流電源８の電源電圧Ｖ１を検出、及び記憶する。次にインダクタンス判定手段１６は、主回路制御部１１へ出力電流に力率を０．８５まで変動させ、有効電流はＩｗで、かつ無効電流Ｉｑを同時に出力するようフルブリッジコンバータ５に指令を出力する。この時の変動した交流電源８の電源電圧Ｖ２を検出する。次にフルブリッジコンバータ５の出力をゼロとし、その時の交流電源８の電源電圧Ｖｏを検出する。この時、Ｖｏ、Ｖ１、Ｖ２、Ｉｗ、Ｉｑの関係は、交流電源８のインピーダンスをＲｓ＋ｊＸｓとすると、数式４にて連立方程式が成立する。数式４をＸｓについて解くと、数式５を導くことができる。

さらに、求めたＲｓ、Ｘｓと交流電源８の許容できる最大電圧Ｖｍａｘと、フルブリッジコンバータ５からの出力がゼロの時の交流電源８の電源電圧Ｖｏから、力率０．８５とした場合の無効電力の最大値Ｉｑ＿ｍａｘを計算する。

次に、無効電力制御手段１７のフローチャートについて、図１０を参照しながら説明する。

図に示すように、無効電流Ｉｑ＿ｍａｘは、力率０．８５のためＩｗ＿ｍａｘに定数０．６２を乗じた値となる。これにより、無効電力制御手段１７は、無効電力の最大値Ｉｑ＿ｍａｘと有効電力の最大値Ｉｗ＿ｍａｘとのベクトル和が、フルブリッジコンバータ５の定格電流を超えていないか判定する。判定した結果、定格電流を超えていれば、ベクトル和を定格電流に更新し、更に定格電流に０．８５を乗じた値をＩｗ＿ｍａｘ、更新したＩｗ＿ｍａｘに０．６２を乗じた値をＩｑ＿ｍａｘに更新する。

以上のように、本実施の形態３によれば、インダクタンス判定手段１６により交流電源８のインダクタンスを検出判定することができる。また、インダクタンス判定手段１６により検出判定した交流電源８のインダクタンスから、フルブリッジコンバータ５から回生できる電流最大値を演算し、無効電力制御手段１７により出力電流をリミットすることとなる。この出力電流リミットにより、過剰な逆潮流を避けることができると同時に、無効電力の出力を必要最小限とし、交流電源８の電圧上昇の発生を無くすることができる。

（実施の形態４）
図１１は、本実施の形態４における電源装置の構成図を示す。

図に示すように、実施の形態４における電源装置は、交流電源８の電源電圧を常時監視する電圧監視手段１８としての電圧センサ１８ａと電圧センサ１８ａによる検出信号を電圧値に変換する電圧変換部１８ｂと、前記電圧監視手段１８により検出した電源電圧が上昇した時にフルブリッジコンバータ５から無効電力を出力する第二無効電力制御手段１９を備える構成としている。

次に、第二無効電力制御手段１９の制御ブロックについて、図１２を参照しながら説明する。

図に示すように、第二無効電力制御手段１９は、交流電源８のインピーダンスの自動判定による無効電力出力で交流電源８の電圧上昇抑制のフィードフォワード制御部と、電圧監視手段１８により検出した電源電圧上昇から制御を行なうフィードバック制御部とにより構成している。インピーダンスの自動判定によるフィードフォワード制御により、定常出力制限を行ない、電圧監視手段１８により検出した電源電圧上昇からフィードバック制御により、過渡制限を行なうこととなる。

以上のように、本実施の形態４によれば、電圧監視手段１８と第二無効電力制御手段１９とにより、交流電源８の電源電圧上昇を抑制することができる。このフィードフォワード制御、及びフィードバック制御により、よりきめ細かで必要最小限かつ、より優れた無効電力制御の応答性を確保することができることとなる。

（実施の形態５）
図１３は、本実施の形態５における電源装置の構成図を示す。

図に示すように、実施の形態５における電源装置は、フルブリッジコンバータ５の出力制限により生じた余剰電力を、蓄電手段１２に蓄電する余剰電力制御手段２０と、フルブリッジコンバータ５の出力制限、及び蓄電手段１２に蓄電する余剰電力制御の限界時に、電圧安定化装置１の節約する過剰電力を制限するインバータ制限手段２１を備える構成としている。

次に、余剰電力制御手段２０の制御ブロックについて、図１４を参照しながら説明する。

図に示すように、余剰電力制御手段２０は、フルブリッジコンバータ５の出力指令を入力する。入力した出力指令をＰＩ制御器に入力し、蓄電手段１２に蓄電する充電電流指令値のフィードフォワード項を算出する。次に、コンデンサ７の電圧情報を入力し、コンデンサ７の電圧を一定電圧Ｖｃｏｎに保つようにＰＩ制御器へ入力し、蓄電手段１２に蓄電する充電電流指令値のフィードバック項を算出する。算出した、フィードフォワード項及びフィードバック項を加算することで最終的な充電電流指令値を算出する。また、余剰電力制御手段２０により放電側に電流指令値が計算された場合は、放電指令として電流制御を行なうこととなる。

次に、インバータ制限手段２１のフローチャートについて、図１５を参照しながら説明する。

図に示すように、インバータ制御手段２１は、フルブリッジコンバータ５の指令電流値を入力し、さらにフルブリッジコンバータ５の定格電流値を比較する。比較した結果、定格電流値を上回る場合、フルブリッジインバータ６の電圧指令値を下げるように制御する。

以上のように、本実施の形態５によれば、フルブリッジコンバータ５の出力制限が生じた際であっても、蓄電手段１２に一時的に余剰電力を蓄電でき、かつ出力制限解除あるいは出力制限値を下回った場合に蓄電してある過去の節約した過剰電力を出力することができ、電圧安定化装置１により得られた節約した過剰電力の有効利用をすることができることとなる。また、フルブリッジコンバータ５の出力制限、及び蓄電池が満充電に近い状態となった場合であっても節約する過剰電力を制限することで、交流電源８の電源電圧を規定範囲内で運用することができることとなる。

太陽電池や燃料電池を用いた発電手段を、コンデンサに対して並列接続したシステムに対して、蓄電手段を用いて容易に発電電力のピークシフトができるため、発電電力の平準化あるいは負荷の平準化が必要となる家庭向けにも適用でき、また、交流電源側のインピーダンスを自動判定することにより、系統連系の際の出力抑制を未然に予測することができるため、系統側との調和を図る必要のある集中連系の用途にも適用できる。

本発明の実施の形態１の電源装置の構成図 同主回路制御部１１の制御フローチャート 同電圧安定化装置１としての動作説明図 同蓄電手段１２の制御フローチャート 本発明の実施の形態２の電源装置の構成図 同インピーダンス判定手段１４のフローチャート 同コンバータ出力制限手段１５のフローチャート 本発明の実施の形態３の電源装置の構成図 同インダクタンス判定手段１６のフローチャート 同無効電力制御手段１７のフローチャート 本発明の実施の形態４の電源装置の構成図 同第二無効電力制御手段１９の制御ブロック図 本発明の実施の形態５の電源装置の構成図 同余剰電力制御手段２０の制御ブロック図 同インバータ制限手段２１のフローチャート 従来の電源装置（系統連系インバータ）のブロック図 同供給電圧制御時のベクトル図

符号の説明

１ 電圧安定化装置
２ スイッチング素子
３ ダイオード
４ アーム
５ フルブリッジコンバータ
６ フルブリッジインバータ
７ コンデンサ
８ 交流電源
９ リアクトル
１０ 直列変圧器
１１ 主回路制御部
１２ 蓄電手段
１３ フィードフォワード制御手段
１４ インピーダンス判定手段
１５ コンバータ出力制限手段
１６ インダクタンス判定手段
１７ 無効電力制御手段
１８ 電圧監視手段
１９ 第二無効電力制御手段
２０ 余剰電力制御手段
２１ インバータ制限手段

Claims (12)

1. スイッチング素子と逆並列したダイオードを上下に直列接続した３つのアームにより構成したフルブリッジコンバータ、及び１つのアームをフルブリッジコンバータと共用したフルブリッジインバータと、前記３つのアームに並列に接続したコンデンサと、交流電源と一次巻線を直列に接続し、かつフルブリッジインバータの出力からリアクトルを通して二次巻線を直列に接続した直列変圧器と、前記フルブリッジコンバータ、フルブリッジインバータを制御する主回路制御部により構成される節電装置、あるいは電圧安定化装置において、前記コンデンサに並列接続し、かつ交流電源の電圧の上下変動に応じて充放電を行なう蓄電手段を備え、前記フルブリッジコンバータによるコンデンサの目標電圧を、前記蓄電手段の充放電時のコンデンサの目標電圧と相異なるようにすることを特徴とする電源装置。
2. 蓄電手段の充電時におけるコンデンサの目標電圧を、放電時におけるコンデンサの目標電圧と相異なるようにすることを特徴とする請求項１記載の電源装置。
3. 交流電源の電圧を制御する系統電圧制御手段と、負荷側への供給電源の電圧を制御する負荷電圧制御手段を備えたことを特徴とする請求項１記載の電源装置。
4. 交流電源の電圧上昇、あるいは低下を未然に防止するフィードフォワード制御手段を備えたことを特徴とする請求項１記載の電源装置。
5. フルブリッジコンバータの回生時のコンデンサの目標電圧を、力行時におけるコンデンサの目標電圧と相異なるようにすることを特徴とする請求項１または２記載の電源装置。
6. 交流電源のインピーダンスを判定するインピーダンス判定手段と、インピーダンス判定手段により判定したインピーダンスからフルブリッジコンバータの出力を制限するコンバータ出力制限手段を備えたことを特徴とする請求項１、２、あるいは５に記載の電源装置。
7. フィードフォワード制御手段は、インピーダンス判定手段と、コンバータ出力制限手段であることを特徴とする請求項４に記載の電源装置。
8. インピーダンス判定手段は、交流電源の電圧上昇とコンバータ出力の相関から判定することを特徴とする請求項６あるいは７に記載の電源装置。
9. 交流電源のインダクタンスを判定するインダクタンス判定手段と、インダクタンス判定手段により判定したインダクタンスで、フルブリッジコンバータから出力する無効電力量を制御する無効電力制御手段を備えたことを特徴とする請求項１、２、５、６、７、あるいは８に記載の電源装置。
10. 交流電源の電源電圧を常時監視する電圧監視手段と、前記電圧監視手段により検出した電源電圧が上昇した時にフルブリッジコンバータから出力する無効電力量を制御する第二無効電力制御手段を備えたことを特徴とする請求項１、２、５、６、７、８、あるいは９に記載の電源装置。
11. フルブリッジコンバータの出力制限により生じた余剰電力を、蓄電手段に蓄電する余剰電力制御手段を備えたことを特徴とする請求項１、２、５、６、７、８、９、あるいは１０に記載の電源装置。
12. フルブリッジコンバータの出力制限、及び蓄電手段に蓄電する余剰電力制御の限界時に、フルブリッジインバータの出力を制限するインバータ制限手段を備えたことを特徴とする請求項１、２、５、６、７、８、９、１０、あるいは１１に記載の電源装置。

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