JP7655909B2 - コンバータ装置および動作方法 - Google Patents

Description

本発明は、２つのグリッド間で電力を交換するためのコンバータ装置、および電力を交換するための方法に関する。

周波数コンバータを使用して、異なる周波数で、または互いに非同期で動作するグリッド間で電力を交換することが知られている。この目的のために、伝送される電力は、第１のインバータ（または整流器）によってＤＣ電圧に変換され、リンク回路に供給される。第２のインバータは、リンク回路から伝送される電力を引き出し、それをターゲットグリッドへ供給するのに互換性のあるＡＣ電力に変換する。安定した動作条件を確保するために、リンク回路に供給される電力は、常に引き出される電力に対応している必要がある。したがって、関係するインバータは、しばしば、例えば共通の制御装置を介して、互いに協働して動作する。

コンバータを介してリンク回路にストレージ装置（例えば、電池）を接続することも知られている。この場合、リンク回路に供給される電力およびリンク回路から引き出される電力はまた、一方のインバータによって供給される電力と、コンバータによって補償され、ストレージ装置の充電／放電に使用される他方のインバータによって引き出される電力との間の差と一致する必要がある。

また、ソーラー発電機によるＤＣ電力の生成と、接続されたＡＣグリッドへのインバータによるこの電力の供給も知られている。この場合、インバータは、ソーラー発電機のＤＣ電圧を変化させることにより、ソーラー発電機によって生成される電力を最大化することができる。

欧州特許出願公開第２１９００９５Ａ１号明細書は、２つのインバータを介して２つの異なるグリッド（例えば、鉄道グリッドとＡＣグリッド）に接続されたエネルギー供給システムを開示している。インバータは、追加のエネルギー発生器も接続されている共通のＤＣリンクグリッドを介して接続されている。この文献は、接続されたエネルギー発生器からの収率を最適化するかどうか、またどのように最適化するかについては開示していない。

本発明の目的は、基本的に独立して動作する２つのＡＣ電圧グリッド間で電力を伝送するための装置にソーラー発電機を追加し、ソーラー発電機の発電を制御し、発電された電力を２つのグリッドに選択的または比例的に供給するように装置をアップグレードすることである。本発明のさらなる目的は、そのような装置の動作方法を提供することである。

この目的は、請求項１の構成を有する装置によって、および請求項８の構成を有する方法によって達成される。好ましい実施形態は、従属請求項に記載されている。

本発明の第１の態様では、第１のグリッドと第２のグリッドとの間で電力を交換するためのコンバータ装置は、ＡＣ側で第１のグリッドに接続され、ＤＣ側でリンク回路に接続され得る第１のインバータと、ＡＣ側で第２のグリッドに接続され、ＤＣ側でリンク回路に接続され得る第２のインバータとを含む。したがって、リンク回路により、電力をインバータ間、つまりグリッド間で伝送できる。ソーラー発電機はリンク回路に直接接続されている、つまり、間にコンバータは接続されていない。第１のインバータの第１のコントローラは、第１のインバータの指定されたコンバータ電力を設定するように構成され、第２のインバータの第２のコントローラは、ソーラー発電機の電力が要望通りに設定されるようにリンク回路の電圧を設定するように構成される。この場合、設定電力は最大電力（ＭＰＰ電力：ＭＰＰ＝ｍａｘｉｍｕｍ ｐｏｗｅｒ ｐｏｉｎｔ（最大電力点））にすることができる。

このように、グリッド間で電力を交換するために設計されたコンバータ装置はアップグレードされ、ソーラー発電機によって生成できる電力を、追加のコンポーネントなしで、または最小限の追加コンポーネントで一方または両方のグリッドで柔軟に利用できるようになる。この場合、ソーラー発電機は、コンバータ装置のインバータのうちの１つの定格電力の１０％～１００％の間の定格電力によって容量を決めることができる。しかしながら、ソーラー発電機に１００％を超える定格電力、例えば、コンバータ装置のインバータのうちの１つの定格電力の１５０％、または極端な場合には最大２００％を装備することも考えられるが、これによって状況によってはグリッド間の電力交換の機能が損なわれる可能性があるか、ソーラー発電機を抑制する必要がある。その場合、例えば、１つのグリッドから目的の電力を引き出すことはできなくなるが、ＰＶ電力が両方のグリッドに供給されるか、リンク回路の電圧がそれに応じて増加するため、ソーラー発電機が抑制される。

ソーラー発電機がリンク回路に直接接続されているため、第２のインバータは、例えば電流センサを使用してソーラー発電機の電力を決定し、電圧をソーラー発電機の最大電力ＭＰＰ（最大電力点）に近似するように変化させることによって、ソーラー発電機によって生成される電力を最大化できる。ソーラー発電機の電力を決定する代わりに、第２のインバータは、ＭＰＰを概算するために、リンク回路電圧の自己発電の変化に起因する独自のコンバータ電力の変化のみを決定することもできる。このように、追加の電流センサは必要ない。この目的のために、第２のインバータは既知のＭＰＰ追跡アルゴリズムを使用できる。第１のインバータが調整する目標電力値に応じて、第２のインバータで異なる電力の流れと流れの方向が生じる可能性がある。したがって、第１の目標電力値により、ソーラー発電機によって生成された電力を２つのグリッド間で柔軟に分割できる。これと並行して、２つのグリッド間で所望の電力交換を、関連するインバータのコンバータ容量の制限内で実現できる。

グリッドのうちの少なくとも一方は、好ましくは三相設計を有する。両方のグリッドは、特に好ましくは三相設計を有する。しかしながら、グリッドのうちの一方またはさらには両方のグリッドが単相設計を有することも考えられる。

有利な一実施形態では、ストレージ装置はまた、コンバータを介してリンク回路に接続される。これは、本発明に係るコンバータ装置に、２つのグリッドへの、または２つのグリッドからの電力の流れに関して追加の柔軟性を与える。ソーラー発電機によって生成されたが、生成時にどのグリッドにも供給されない電力、またはグリッドから取り出される電力は、後で供給できるように一時的にストレージ装置に転送することができる。ソーラー発電機によって生成された電力値を超えてストレージ装置を放電することにより、２つのグリッドに供給される電力の合計を一時的に増やすことも可能である。

電力の流れの設計をより柔軟にするために、第１のインバータと第２のインバータは双方向の設計を有することができる。

一実施形態では、電力調整方式で動作するインバータの目標電力値は、電圧調整方式で動作するインバータを介して流れる電力の関数として決定することができる。例えば、目標電力値は、例えば、グリッド間でソーラー発電機によって生成された電力の一定のパーセンテージ分布を保証するために、電圧調整方式で動作するインバータを通って流れる電力のパーセンテージとして決定することができる。しかしながら、インバータが電圧調整方式で動作して過負荷になるリスクがある場合にのみ、目標電力値を調整することもできる。

本発明の別の一態様は、互いにリンク回路を介して接続された、第１のグリッドに接続された第１のインバータおよび第２のグリッドに接続された第２のインバータを有するコンバータ装置を介して第１のグリッドと第２のグリッドとの間で電力を交換する方法であって、ソーラー発電機がリンク回路に直接接続されている、方法に関する。本発明に係る方法は、第１のインバータの電力調整動作と、第２のインバータのリンク回路電圧調整動作とを含む。この場合、リンク回路の電圧は、ソーラー発電機の電力が最大になるように調整される。この場合、ソーラー発電機の電力の最大化は、例えばいくつかの動作モードのうちの１つで一時的にのみ行うこともできる。この場合、第２のインバータは、第２のインバータの最大コンバータ電力に達したときに過負荷を回避するために、抑制されるようにソーラー発電機を動作させる。

本発明の有利な一実施形態では、インバータのうちの少なくとも一方、好ましくは両方のインバータが無効電力を提供し、無効電力は、好ましくは、少なくとも一方のインバータまたはそれぞれのインバータに接続されたグリッドの電圧の関数として提供される。この測定により、少なくとも一方のインバータに接続されたグリッドまたは両方のグリッドの電圧を支援できる。

したがって、グリッド周波数はグリッドの電力過剰または電力不足の指標であるため、第１のインバータは、インバータに接続されたグリッドの周波数の関数として目標電力値を選択することも有利であり、第１のインバータは、この方法で補償するか、少なくとも削減することができる。

この点で、短期間に、インバータによって、特にリンク回路電圧をソーラー発電機の開回路電圧より高くすることによって、ソーラー発電機に直接転送できる余剰エネルギーを一方または両方のグリッドが有する場合、ソーラー発電機は、別の動作モードでダンプロードとしても使用できることは言うまでもない。

本発明の一実施形態では、例えば動作モード内で、電力調整動作および電圧調整動作の役割は、交換基準に基づいてインバータ間で交換することができる。役割を交換する前に、ソーラー発電機は、ソーラー発電機のＭＰＰ電圧を超える電圧で動作点に設定することが好ましい。この動作点では、電圧が上昇するとソーラー発電機の電力が低下し、電圧が低下するとソーラー発電機の電力が上昇する。ここで両方のインバータが、移行段階の開始直前のコンバータ電力に対応する固定コンバータ電力で動作する移行段階にある場合、照射の変化によるソーラー発電機の電力の変化は、両方のインバータの固定コンバータ電力の目標値の調整を必要としないため、コンバータ装置の安定した動作が移行段階内でもたらされる。移行段階の開始と終了は、インバータまたは関連するコントローラ間の通信によって調整できる。電圧調整方式で動作するインバータは、好ましくは役割逆転を開始する。

以下では、図を使用して本発明を説明する。

図１は、本発明に係るコンバータ装置の第１の実施形態を示す。 図２は、本発明に係るコンバータ装置の第２の実施形態を示す。

図１は、第１のインバータ１１および第２のインバータ１２を含むコンバータ装置１の本発明に係る一実施形態を示している。第１のインバータ１１は、ＡＣ側で変圧器１９を介して第１のグリッド１０に接続されており、この場合、これは単相設計を有する。第２のインバータ１２は、ＡＣ側で、さらなる変圧器１９を介して、第２の（ここでは三相の）グリッド１３に接続されている。変圧器１９は、２つのインバータの出力電圧をそれに接続されたグリッドの電圧に適合させるために使用される。両方のインバータは、リンク回路１４を介してＤＣ側で互いに接続されている。また、リンク回路１４には、ソーラー発電機１５が接続されている。ソーラー発電機１５は直接接続されている、すなわちコンバータを介さずに接続されているので、リンク回路電圧はソーラー発電機電圧に対応し、ソーラー発電機１５の発電は、リンク回路電圧を制御することによって直接影響を受ける可能性がある。ソーラー発電機１５は、好ましくは、回路遮断器１６を介してリンク回路１４から分離することができる。必要に応じて、ソーラー発電機１５は、回路遮断器１６によってリンク回路１４から電気的に分離することができる。

第１のコントローラ１７は、第１のインバータ１１の動作を制御し、第２のコントローラ１８は、第２のインバータ１２の動作を制御する。しかしながら、両方のインバータが共通のコントローラを介して動作することも考えられる。

第１のコントローラ１７は、第１のインバータ１１が第１のグリッド１０に目標電力を供給するか、または第１のグリッド１０からそれを引き出すという点で、第１のインバータ１１の電力調整動作を実施するように構成される。目標電力は、例えば、電力／周波数特性曲線を第１のコントローラ１７に格納することによって、第１のグリッド１０の周波数の関数として選択することができる。また、第１のコントローラ１７は、例えば、格納された無効電力／電圧特性曲線に基づいて、第１のグリッド１０の電圧の関数として無効電力を提供することができる。どちらの選択肢も、第１のグリッド１０を安定させるのに役立つ。

第２のコントローラ１８は、リンク回路１４の現在のリンク回路電圧が目標値を取るように第２のグリッド１３と交換される電力を第２のインバータ１２が調整する、第２のインバータ１２のリンク回路電圧調整動作を実施するように構成される。この調整の枠組みの中で、第２のグリッド１３への電力の流れと、第２のグリッド１３からの電力の引き出しの両方が生じる可能性がある。電力の流れのレベルおよび方向は、第１のインバータ１１で現在使用されている目標電力値と、ソーラー発電機１５によって現在生成されている電力の両方の影響を受ける。

第１のコントローラ１７と同様に、第２のコントローラ１８も無効電力を提供することができ、そのレベルおよびタイプは、特に第２のグリッド１３の電圧の関数として選択され、２つのインバータの見かけの電力限度は、インバータの過負荷を避けるために、それぞれの場合に注意する必要がある。

第２のコントローラはまた、ソーラー発電機１５によって生成される電力が最大となるように、少なくとも１つの動作モードでリンク回路１４の電圧に対して目標値を選択するように構成される。既知のＭＰＰ追跡アルゴリズムは、この目標を達成するのに適しており、そこでは、ソーラー発電機の電圧またはリンク回路の電圧を段階的または連続的に変化させ、電圧の変化によって引き起こされる電力の変化を分析して、安定したリンク回路の電圧を達成し、これからさらなる電圧変化を導き出し、最大電力点に向かう方向にソーラー発電機の電圧を駆動するか、または最大電力点を保持する。

２つのコントローラは、好ましくは、制御線２２を介して互いに制御パラメータを交換するように構成される。これらのパラメータは、それぞれのインバータの電気的パラメータの目標値および／または実際の値、例えば電力、電流、または電圧の値を含むことができるか、特定の制御コマンドを含むことができる。このようにして、コントローラのうちの一方が他方のコントローラに影響を与えることができるか、または両方のコントローラが共通の調整目標を追求することができる。しかしながら、制御パラメータは、特に無線伝送によってワイヤレスで交換することもできる。

電力調整コントローラおよび電圧調整コントローラの役割が、第１のコントローラ１７または第２のコントローラ１８に恒久的に割り当てられているのではなく、むしろ２つのコントローラ間で交互になることが可能である。変更は、コンバータ装置１の動作状況に基づいて選択でき、役割の変更には変更基準が指定される。変更基準が満たされている場合、役割の変更は、例えば、破線で表されている２つのコントローラ間の通信を介して実行される。このような役割の変更は、両方のコントローラが電力調整方式で動作する短い移行段階を有し得る。移行段階の開始時に、電圧調整方式で動作するインバータの電流コンバータ電力が、電力調整動作のための初期目標電力として選択される。移行段階の終わりに、元々電力を調整していたインバータが電圧調整動作に切り替えられる。

移行段階の前に、ソーラー発電機１５は、好ましくは、現在のＭＰＰ電圧を超えるソーラー発電機電圧を有する動作点に設定することができる。結果として、ソーラー発電機１５の電力／電圧特性曲線は、リンク回路における不完全な電力均等化の可能性に起因する移行段階における電圧変化を打ち消す。役割変更の際には、役割変更通信の一環として、ソーラー発電機１５の現在のＭＰＰ電圧も交換されると考えられる。これにより、役割の変更が完了した後、ソーラー発電機をそのＭＰＰに即座に戻すことができる。

電力調整または電圧調整方式で動作するインバータとしての役割の割り当て、または変更基準は、ソーラー発電機１５によって生成される電力の変動に関して可能な限り最大の制御予備力および／またはインバータのグリッド安定化応答に関して可能な限り最大の制御予備力が達成されるように選択できることが好ましい。例えば、電圧調整方式で動作するインバータの役割は、好ましくは、より大きな定格電力のインバータに割り当てられ得る。

第１のグリッド１０および第２のグリッド１３の両方は、単相または多相、特に三相の設計を有することができる。相数は、２つのグリッド間で同じでも異なっていてもよい。例えば、第１のインバータ１１に接続されたグリッド１０は三相設計を有することができ、第２のインバータ１２に接続されたグリッド１３は単相設計を有することができる。

本発明に係るコンバータ装置１の第２の実施形態を図２に示す。図１の実施形態と比較して、コンバータ装置１は、コンバータ２１を介してリンク回路にも接続されているストレージ装置２０によって補足される。コンバータ２１は、動作上の安全性の理由から、リンク回路１４から絶縁された方法でストレージ装置２０を動作させるために、ＤＣ絶縁コンバータとして好ましくは設計される。さらに、両方のグリッド１０、１３は、図２の３相設計を有する。

コンバータ２１は、好ましくは、少なくともある期間一定である所望の交換電力が、リンク回路１４とストレージ装置２０との間で交換されるように制御される。このように、ストレージ装置２０のリンク回路１４への接続は、電圧調整インバータによる最大電力の動作点の発見に全くまたは大きな影響を及ぼさない。しかしながら、コンバータ２１は、特に、例えば上記の移行段階中に、両方のインバータが電力調整方式で動作する動作モード中に、電圧調整方式で一時的に動作することも考えられる。そのような動作モードまたは動作段階において、コンバータ２１は、例えば、ソーラー発電機がＭＰＰまたは他の動作点に留まるように、リンク回路電圧を安定に保つことができる。

本発明に係るコンバータ装置１の第１の実施形態について、特にＭＰＰ追跡、役割変更、およびグリッド支援のための無効電力または有効電力の提供に関して記載された動作方法は、本発明に係るコンバータ装置１の第２の実施形態でも使用することができる。この場合のストレージ装置２０は、必要な短期電力要件のための追加の制御予備分を提供することによって、グリッド支援のための実現可能性を高める。

１ コンバータ装置
１０ グリッド
１１ インバータ
１２ インバータ
１３ グリッド
１４ リンク回路
１５ ソーラー発電機
１６ 回路遮断器
１７ コントローラ
１８ コントローラ
１９ 変圧器
２０ ストレージ装置
２１ コンバータ
２２ 制御線

Claims (13)

1. 第１のグリッド（１０）と第２のグリッド（１３）との間で電力を交換するためのコンバータ装置（１）であって、
   ＡＣ側で前記第１のグリッド（１０）に接続され、ＤＣ側で前記コンバータ装置（１）のリンク回路（１４）に接続され得る第１のインバータ（１１）と、
   前記ＡＣ側で前記第２のグリッド（１３）に接続され、前記ＤＣ側で前記リンク回路（１４）に接続され得る第２のインバータ（１２）と、
   前記リンク回路（１４）に直接接続されたソーラー発電機（１５）とを含み、
   前記第１のインバータ（１１）の第１のコントローラ（１７）は、前記第１のインバータ（１１）の指定されたコンバータ電力を設定するように構成され、前記第２のインバータ（１２）の第２のコントローラ（１８）は、前記ソーラー発電機（１５）の電力が最大になるように前記リンク回路（１４）の電圧を設定するように構成され、
   前記第１のコントローラ（１７）および前記第２のコントローラ（１８）は、制御パラメータを互いに交換するように構成される、コンバータ装置（１）。
2. 前記グリッドのうちの少なくとも一方は三相設計を有する、請求項１に記載のコンバータ装置（１）。
3. 前記第１のグリッド（１０）は単相設計を有する、請求項１または２に記載のコンバータ装置（１）。
4. ストレージ装置（２０）もまた、コンバータ（２１）を介して前記リンク回路（１４）に接続される、請求項１～３のいずれか一項に記載のコンバータ装置（１）。
5. 前記第１のインバータ（１１）および前記第２のインバータ（１２）は、双方向設計を有する、請求項１～４のいずれか一項に記載のコンバータ装置（１）。
6. 前記ソーラー発電機（１５）は、前記コンバータ装置（１）の前記インバータ（１１、２１）のうちの一方の定格電力の１０％以上２００％以下である定格電力を有する、請求項１～５のいずれか一項に記載のコンバータ装置（１）。
7. 請求項１に記載のコンバータ装置（１）を介して第１のグリッド（１０）と第２のグリッド（１３）との間で電力を交換するための方法であって、前記コンバータ装置（１）は、前記第１のグリッド（１０）に接続された第１のインバータ（１１）と、前記第２のグリッド（１３）に接続された第２のインバータ（１２）とを含み、前記第１のインバータ（１１）と前記第２のインバータ（１２）は、リンク回路（１４）を介して互いに接続されており、ソーラー発電機（１５）が、前記リンク回路（１４）に直接接続されており、
   前記方法は、前記第１のインバータ（１１）の電力調整動作と、前記第２のインバータ（１２）のリンク回路電圧調整動作とを含み、リンク回路電圧は、前記ソーラー発電機（１５）の電力が最大になるように調整される、方法。
8. 前記第２のインバータ（１２）は、前記第２のインバータ（１２）の最大コンバータ電力に達したときに抑制されるように前記ソーラー発電機（１５）を動作させる、請求項７に記載の方法。
9. 前記インバータ（１１、１２）の少なくとも一方は無効電力を提供し、前記無効電力は、好ましくは、前記少なくとも一方のインバータに接続された前記グリッドの電圧の関数として提供される、請求項７または８に記載の方法。
10. 前記第１のインバータ（１１）は、前記インバータ（１１）に接続された前記グリッド（１０）の周波数の関数として電力を選択する、請求項７～９のいずれか一項に記載の方法。
11. 前記電力調整動作および前記電圧調整動作の役割が、交換基準に基づいて前記インバータ間で交換される、請求項７～１０のいずれか一項に記載の方法。
12. 前記役割が交換される前に、前記ソーラー発電機（１５）は、前記ソーラー発電機（１５）のＭＰＰ電圧を超える電圧で動作点に設定される、請求項１１に記載の方法。
13. 前記第１のグリッド（１０）に目標電力を供給するか又は前記第１のグリッド（１０）から目標電力を引き出す電力調整方式で動作する前記インバータの目標電力値が、前記リンク回路（１４）のリンク回路電圧が目標値を取るように電圧調整方式で動作する前記インバータを介して流れる電力の関数として指定される、請求項７～１２のいずれか一項に記載の方法。

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