JP6531375B2 - 系統連系用インバータの初期充電方法 - Google Patents

Description

本発明は、直流コンデンサを有する電圧形インバータで構成され、電力系統に連系変圧器を介して連系される無効電力補償装置等の系統連系用インバータおよび系統連系用インバータの初期充電方法に関する。

直流コンデンサを含み電力系統に変圧器を介して連系される系統連系用インバータは、例えば無効電力補償装置として使用される。インバータの直流側に接続されている直流コンデンサに充電器を接続することにより、直流コンデンサの初期充電を行うことは公知である（例えば、特許文献１および特許文献２参照）。

図３は、この種の充電器を備えた系統連系用インバータの従来の実施例を示す。例えば無効電力補償装置を構成する系統連系用インバータ４は、図４に示されているように、ＩＧＢＴやＧＴＯなどの半導体スイッチング素子８ａ〜８ｆおよびダイオード９ａ〜９ｆからなるインバータブリッジと、そのインバータブリッジの直流端子間に接続された直流コンデンサ５とから構成されている。インバータ４の交流側、即ちインバータブリッジ３相交流端子は連系変圧器３の２次側に接続されており、連系変圧器３の１次側は遮断器２を介して電力系統１に接続可能である。直流コンデンサ４の初期充電のためにインバータ４の直流側に充電器６が接続され、充電器６の入力側はコンタクタ１３を介して充電用電源７に可能である。充電器６は、図５に示すように、限流抵抗１０と、絶縁変圧器１１と、ダイオード１２ａ〜１２ｆからなる整流器とから構成することができる。

インバータ４を起動する際には、先ずコンタクタ１３を閉じて充電器６を用いることで電源７から直流コンデンサ５の初期充電を行う。充電完了後にインバータ４から電圧を出力することで連系変圧器３を励磁する。遮断器２により連系変圧器３を電力系統１に投入する際に、連系変圧器３の過大な励磁突入電流が起こり得る。その過大な励磁突入電流を抑制するために、インバータ４の交流側に接続された連系変圧器３の１次側電圧Ｖｉと、電力系統１の電圧Ｖｓとが同一振幅および同一位相となった時点で、遮断器２を閉路して連系変圧器３を電力系統１に投入する。この方法は例えば、特許文献１および特許文献２により公知である。遮断器２を閉路して連系変圧器３を電力系統１に投入する際に、コンタクタ１３が開かれて充電器６の充電動作が終了する。

しかし、この同期投入方法の場合には、同期投入条件の確立がインバータ４の制御にて行われるために、同期投入条件の確立に時間を要する。従って、その期間中、充電器６は、電力系統１よりも低圧（例えば、４００Ｖ、２００Ｖなど）の電源７から、昇圧して直流に変換することでコンデンサ５を充電するとともに、充電されたコンデンサ５からインバータ４が電圧を出力し、従って連系変圧器３を電力系統１に接続するまでの間、インバータ４と連系変圧器３の損失を供給することになる。それゆえ、充電器６の容量は、同期投入条件の確立に要する最大時間を考慮して設計されなければならない。このため、充電器６の装置容量が大きくなって、このことがコスト高の要因となる。

また、変圧器の励磁突入電流を抑制する方法として、遮断器を開放して変圧器を停止した時の電圧の位相を記録しておき、次に変圧器を運転する際に、電力系統の電圧が、記録した位相となった時点で変圧器を投入する方法が知られている（例えば、特許文献３参照）。この方法によれは、変圧器を開放してから、次回に投入するまでの間に時間が経過している場合に、その間に残留磁束が変化して、同じ位相で投入しても過大な励磁突入電流が流れる可能性があり、十分な抑制効果が得られないことがある。また、この特許文献３は、系統連系用インバータおよびそのインバータの直流コンデンサの初期充電に関する技術については開示していない。

また、変圧器の励磁突入電流を抑制する別の方法として、変圧器を停止する際に、インバータからなる磁束制御装置によって変圧器の残留磁束を低減する方法が知られている（例えば、特許文献４参照）。この方法によれば、変圧器の開放後に変圧器の残留磁束は低減されているので、変圧器を運転する時に直ちに変圧器を投入しても過大な励磁突入電流を防止することができる。しかし、例えばインバータ保護機能の作動時には変圧器が残留磁束を低減する操作なしに遮断されることになるので、このような場合にも再投入時の変圧器の励磁突入電流を抑制するためには、別の手段、例えば図３〜図５で説明した充電器が必要となる。

特開平１０−４２４７５号明細書 特開２００８−１２５１６９号明細書 特開平１１−３５３９６９号明細書 特開２０１２−１９６１２４号明細書

本発明の課題は、できるだけ簡単で損失が少ない安価な充電器によって、直流コンデンサの初期充電と、電力系統への連系変圧器の投入時の過大な励磁突入電流の抑制を可能にする系統連系用インバータの初期充電方法を提供することにある。

上記課題は、本発明による系統連系用インバータの第１の初期充電方法によれば、直流コンデンサを有する電圧形インバータで構成され、電力系統に連系変圧器を介して連系される無効電力補償装置等の系統連系用インバータにおいて、スイッチと限流抵抗と絶縁変圧器とで構成した充電器の交流出力側を系統連系用インバータの交流側に接続し、充電器の交流入力側を充電用交流電源に接続し、充電器の投入により直流コンデンサの初期充電を行うとともに連系変圧器を２次側から励磁し、直流コンデンサの充電完了時点で連系変圧器を電力系統に投入することを特徴とする系統連係用インバータの初期充電方法によって解決される。

さらに、上記課題は、本発明による系統連系用インバータの第２の初期充電方法によれば、直流コンデンサを有する電圧形インバータで構成され、電力系統に連系変圧器を介して連系される無効電力補償装置等の系統連系用インバータにおいて、スイッチと限流抵抗と絶縁変圧器とで構成した充電器の交流出力側を系統連系用インバータの交流側に接続し、充電器の交流入力側を充電用交流電源に接続し、充電器の投入により直流コンデンサの初期充電を行うとともに連系変圧器を２次側から励磁し、直流コンデンサの充電完了時点で充電器を開放し、その開放したときの充電器の電圧位相を記憶しておき、電力系統の電圧位相が記憶した位相になった時点で連系変圧器を電力系統に投入すること系統連係用インバータの初期充電方法によっても解決される。

さらに、上記課題は、本発明による系統連系用インバータの第３の初期充電方法によれば、直流コンデンサを有する電圧形インバータで構成され、電力系統に連系変圧器を介して連系される無効電力補償装置等の系統連系用インバータにおいて、スイッチと電圧可変手段で構成した充電器の交流出力側を系統連系用インバータの交流出力側に接続し、充電器の交流入力側を充電用交流電源に接続し、充電器の投入により直流コンデンサの初期充電を行った後に、電圧可変手段により充電器の出力電圧を零に低下させてから充電器を開放して、連系変圧器を電力系統に投入すること系統連係用インバータの初期充電方法によっても解決される。

前記電圧可変手段は、スライダックと絶縁変圧器、又はタップ付き絶縁変圧器で構成することができ、あるいは整流器とインバータと絶縁変圧器で構成することができる。

本発明による系統連系用インバータの初期充電方法によれば、充電器の交流出力側を系統連系用インバータの交流側、即ち連系変圧器の２次側に接続し、充電器の交流入力側を充電用交流電源に接続することにより、充電器の投入により、充電用交流電源から直流コンデンサを充電すると同時に連系変圧器を励磁することができる。充電器は交流入力および交流出力であるので、簡単な構成の充電器、特にスイッチと限流抵抗と絶縁変圧器とで構成した充電器を使用することができる。充電用交流電源の電圧が電力系統の電圧と同期している場合、上記第１の初期充電方法に従って、直流コンデンサの初期充電完了時点で、過大な励磁突入電流なしに、電力系統に連系変圧器を投入することができる。従って、充電完了後に最短時間で連系変圧器を電力系統に投入できるので、充電器は、従来のように同期投入条件確立までの期間における電力損失を見込んで充電器の容量設計をする必要がなく、従って格別に安価な充電器とすることができる。

さらに、本発明の利点は、充電用電源と電力系統とが同期していなくても、本発明による第２の初期充電方法に従って、直流コンデンサの充電が完了した時点で充電器を開放し、この開放時点での充電器電圧の位相を記憶しておき、その後に電力系統の電圧位相が記憶した位相になった時点で連系変圧器を電力系統に投入することによって、過大な励磁突入電流なしに連系変圧器の投入を実行することができる。この場合に、直流コンデンサの充電が完了した時点で充電器は開放されるので、その時点から連系変圧器の投入時点までの期間に充電器で損失が発生することはないので、充電器は、従来のように同期投入条件確立までの期間における電力損失を見込んで充電器の容量設計をする必要がなく、従って格別に安価な充電器とすることができる。

さらに、本発明による第３の初期充電方法に従って、スイッチと電圧可変手段で構成した充電器の交流出力側を系統連系用インバータの交流出力側に接続し、充電器の交流入力側を充電用交流電源に接続し、充電器の投入により直流コンデンサの初期充電を行った後に、電圧可変手段により充電器の出力電圧を零に低下させてから充電器を開放して、連系変圧器を電力系統に投入することによって、過大な励磁突入電流なしに連系変圧器の投入を実行することができる。この場合にも、直流コンデンサの充電が完了した時点で充電器は開放されるので、その時点から連系変圧器の投入時点までの期間に充電器で損失が発生することはないので、充電器は、従来のように同期投入条件確立までの期間における電力損失を見込んで充電器の容量設計をする必要がなく、従って格別に安価な充電器を構成することができる。

図１は本発明による初期充電方法を実施するための装置の構成例を示す回路図である。 図２は本発明による初期充電方法を実施するための装置の他の構成例を示す回路図である。 図３は従来の初期充電方法を実施するための装置の構成例を示す回路図である。 図４は系統連系用インバータの構成例を示す回路図である。 図５は初期充電用の充電器の従来の構成例を示す回路図である。

本発明の実施例が概略的に示されている図面を参照して本発明を更に詳細に説明する。図において、互いに対応する構成要素には同じ符号が付されている。

図１に示す本発明による系統連系用インバータ４は、例えば、電力系統１に遮断器２および連系変圧器３を介して連系される無効電力補償装置もしくはその一部である。系統連系用インバータ４は、従来例と同様に図４に示すように、ＩＧＢＴやＧＴＯなどの半導体スイッチング素子８ａ〜８ｆおよびダイオード９ａ〜９ｆからなるインバータブリッジと、そのインバータブリッジの直流端子間に接続された直流コンデンサ５とから構成されている直流コンデンサ５を有する電圧形インバータとして構成されている。

直流コンデンサ５の初期充電のための充電器１５は、図３に示す従来例と同様に、コンタクタ１３を介して充電用交流電源７に接続されている。しかし充電器１５の出力側は、図３に示す従来の充電器６のように直流コンデンサ５が接続されているインバータの直流側に接続されるのではなくて、インバータ４の交流側、すなわち連系変圧器３の２次側に接続されている。そのために、充電器１５は、図５に示す従来例と同様に、充電電流を制限するための限流抵抗１０および昇圧のための絶縁変圧器１１を有するが、しかし図５の従来例に示すダイオード整流器１２ａ〜１２ｆを持たず、その代わりに遮断器１４を有する。

このような充電器１５の接続構成によれば、連系変圧器３の１次側を遮断器２により電力系統１へ投入する前に、コンタクタ１３および遮断器１４からなるスイッチにより充電器１５を投入することによって、交流電源７から、充電器１５内の限流抵抗１０および絶縁変圧器１４と、インバータ４内のダイオード９ａ〜９ｆとを介して、直流コンデンサ５に充電電流が供給されると同時に、連系変圧器３の２次側に励磁電流が供給される。

充電用交流電源７を、例えば電力系統１から他の変圧器を介して取り出すことにより、充電用交流電源７が電力系統１に同期しているならば、充電用交流電源７によって２次側から励磁される連系変圧器３の１次側電圧Ｖｉを電力系統１の電圧Ｖｓと同相とし、かつ絶縁変圧器１１の適切な変圧比により同振幅とすることができる。従って、この場合には、充電器１５の投入による中間コンデンサ５の初期充電が完了した時点で、過大な励磁突入電流を生じさせることなく連系変圧器３を遮断器２により電力系統１へ投入し、充電器１５を遮断器１４により開放することができる。その後、系統連系インバータ４は、電力系統に同期した公知の連系制御によって運転を開始させられる。

このように、充電完了時点で、従来のように同期投入条件確立のための制御動作を行う必要がなく、直ちに連系変圧器を電力系統に投入できる。従って、充電器１５は、従来のように同期投入条件確立までの期間の電力損失を見込んだ容量設計をする必要がなく、コンデンサ５の充電電流と連系変圧器３の励磁電流を供給するだけなので、格別に安価な充電器とすることができる。

本発明による上述の初期充電方法は、充電用交流電源７が電力系統１に同期していない場合にも適用できるように発展させることができる。そのために、背景技術おいて示した特許文献３による従来技術を利用することができる。即ち、先ず、上述の初期充電方法と同様に、図１に示した充電器１５の接続構成を用いて、充電器１５の投入により直流コンデンサ５の初期充電を行うと同時に連系変圧器３を２次側から励磁する。それから特許文献３による従来技術に基づいて、直流コンデンサの充電完了時点で遮断器１４により充電器１５を開放し、その開放したときの充電器１５の電圧位相（従って、連系変圧器３の電圧Ｖｉの位相）を記録しておき、電力系統１の電圧Ｖｓの位相が記憶した位相になった時点で、遮断器２により連系変圧器３を電力系統１に投入する。これによって、連系変圧器３の投入時の過大な突入励磁電流を回避することができる。連系変圧器３の投入後に系統連系インバータ４の運転が開始される。

この場合にも、直流コンデンサ１５の充電が完了した時点で充電器１５は開放されるので、その時点から連系変圧器３の投入時点までの期間に充電器１５で損失が発生することはない。それゆえ充電器１５は、従来のように同期投入条件確立までの期間の電力損失を見込んだ容量設計をする必要がなく、コンデンサ５の充電電流と連系変圧器３の励磁電流を供給するだけなので格別に安価な充電器とすることができる。

図２は初期充電のための充電器を備えた系統連系用インバータの本発明による他の実施例を示す。充電器１５がスイッチと電圧可変手段で構成されている。スイッチは遮断器１４（およびコンタクタ１３）からなり、電圧可変手段は、ここでは可変変圧器１６と絶縁変圧器１１とで構成されている。可変変圧器１６は、スライダックとも呼ばれ、出力電圧を可変にすることが可能な変圧器である。この種の電圧可変手段は、タップ付き絶縁変圧器で構成することもでき、あるいは整流器とインバータと絶縁変圧器で構成することもできる。

系統連系用インバータ４を起動する際には、先ずスイッチ１３および１４を閉じることによって充電器１５を投入する。可変変圧器１６の出力電圧を零から定格値まで変化させ、絶縁変圧器１１で昇圧し、インバータ４内のダイオード９ａ〜９ｆを介して直流コンデンサ５を充電する。直流コンデンサ５の充電が完了した時点で可変変圧器１６の出力を零に低下させることで連系変圧器３の残留磁束を減少させ、しかる後にスイッチ１３および１４を開いて充電器１５を開放してから、遮断器２を閉じて連系変圧器３を電力系統１に投入する。これによって、連系変圧器３の投入時の過大な突入励磁電流を回避することができる。系用変圧器３の投入後に系統連系インバータ４の運転が開始される。

この場合にも、直流コンデンサ１５の充電が完了して可変変圧器１６の出力を零に低下させた時点で充電器１５は開放されるので、充電器１５は、従来のように同期投入条件確立までの期間の電力損失を見込んだ容量設計をする必要がなく、コンデンサ５の充電電流と連系変圧器３の励磁電流を供給するだけなので、格別に安価な充電器とすることができる。

１ 電力系統
２ 遮断器
３ 連系変圧器
４ 系統連系用インバータ
５ 直流コンデンサ
７ 充電用交流電源
８ａ〜８ｆ 半導体スイッチ
９ａ〜８ｆ ダイオード
１０ 限流抵抗
１１ 絶縁変圧器
１３ コンタクタ
１４ 遮断器
１５ 充電器
１６ 可変変圧器（スライダック）

Claims (5)

1. 直流コンデンサを有する電圧形インバータで構成され、電力系統に連系変圧器を介して連系される無効電力補償装置等の系統連系用インバータにおいて、スイッチと限流抵抗と絶縁変圧器とで構成した充電器の交流出力側を系統連系用インバータの交流側に接続し、充電器の交流入力側を充電用交流電源に接続し、充電器の投入により直流コンデンサの初期充電を行うとともに連系変圧器を２次側から励磁し、直流コンデンサの充電完了時点で充電器を開放し、その開放したときの充電器の電圧位相を記憶しておき、電力系統の電圧位相が記憶した位相になった時点で連系変圧器を電力系統に投入することを特徴とする系統連係用インバータの初期充電方法。
2. 直流コンデンサを有する電圧形インバータで構成され、電力系統に連系変圧器を介して連系される無効電力補償装置等の系統連系用インバータにおいて、スイッチと電圧可変手段で構成した充電器の交流出力側を系統連系用インバータの交流出力側に接続し、充電器の交流入力側を充電用交流電源に接続し、充電器の投入により直流コンデンサの初期充電を行った後に、電圧可変手段により充電器の出力電圧を零に低下させてから充電器を開放して、連系変圧器を電力系統に投入することを特徴とする系統連係用インバータの初期充電方法。
3. 前記電圧可変手段が、スライダックと絶縁変圧器で構成されていることを特徴とする請求項２記載の系統連係用インバータの初期充電方法。
4. 前記電圧可変手段が、タップ付き絶縁変圧器で構成されていることを特徴とする請求項２記載の系統連係用インバータの初期充電方法。
5. 前記電圧可変手段が、整流器とインバータと絶縁変圧器で構成されていることを特徴とする請求項２記載の系統連係用インバータの初期充電方法。

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