JP2000513560A - 並列接続された交流電源システムの独立負荷分割 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 電源システム（１０）の交流出力電力レベルを使用することにより、負荷（２）の分割を調整するために何らのユニット間信号も使用しない並列冗長電源システム（１０）が得られる。負荷（２）の分割に必要な情報は、電源システム（１０）の出力、が並列接続されている他の電源システム（１０）の出力に本質的に位相同期されるような方法で、各電源システム（１０）の出力電力レベルから単独に導き出される。本発明により設計された各並列接続電源システム（１０）は、直流入力電力源（３）から交流出力電圧を生成する手段と、電力レベルサンプルを供給するために、直流入力電力源（３）からの直流入力電圧あるいは生成手段からの交流出力電圧のいずれかをサンプリングする手段と、電力レベルサンプルから交流出力電圧生成手段の交流出力電力を決定する手段とを有する。

Description

【発明の詳細な説明】 並列接続された交流電源システムの独立負荷分割 本発明の背景 本発明の技術分野 本発明は、一般に、並列冗長電源システムの間での通信が負荷分割（負荷分散 ）の調整のためには不要であるような、電源システムの交流出力電力レベルを使 用する方法及び装置に関する。より詳細には、本発明は、電源システムの出力が 並列に接続されている他の電源システムの出力に本質的に位相同期されるような 方法により、負荷分割のために必要な情報がもっぱら各電源システムの出力電力 レベルから導き出される技術に関する。 従来技術の説明 並列冗長形式で２つ以上の電源システムを接続することは、常により高い電力 利用可能性を必要とする者にとって必要条件である。この理由により、静止形式 及び回転形の交流電源システムの出力は、図１に図示するように、一般的に両方 共に並列に相互に接続される。この構成の目的は、通常、電源システム全体の容 量を増やすことであり、さらに並列電源システムの１台の障害の場合に冗長性を 提供することにある。これらのシステムは、負荷に電力を供給するために、通常 、５０あるいは６０ヘルツで動作する。その一例は、図１に図示するように出力 を相互に接続された複数の静止形無停電電源システム（ＵＰＳ）である。 図１に示すように、従来の技術による並列冗長電源システムは、負荷分割を容 易にするためにユニット間信号を用いる。図１の例のように、３相交流入力電圧 に応答する複数の無停電電源システム（ＵＰＳ）１が、負荷２に交流出力定電圧 を供給するために並列冗長容量構成で接続される。各無停電電源システム１は、 交流電源障害の場合に定電力を供給するために、直流電圧源（電池）３と従来の 方法で接続されている。図に示すように、「平均との差分（difference from av erage）」バス上の「平均との差分」実時間電流信号、あるいは同期信号バス上 に供給される同期信号を使用する負荷分割と選択的引外しのためのユニット間信 号を容易するために、負荷分割回路４はそれぞれ無停電電源システム１と組み合 わされている。このバスは普通の配線あるいは光ファイバケーブルである。一般 的にもし故障が検出されれば、障害のある無停電電源システム１を電源回路から 除去するために適切なスイッチあるいはリレー５が動作され、その結果負荷２に 対して交流出力定電圧を維持する。 このような並列接続された交流電源システムのための必要条件は、各ユニット が出力負荷２の等しい部分を負担するように、各システムが出力負荷２を分担す ることである。この技術は負荷分割として知られている。電源システム１の間の 交流出力電圧の振幅差（amplitude difference）及び位相差(phase difference) はその出力インピーダンスと共に、電源システム１がシステム負荷２を分担する 方法を決定する。電源システム１の出力インピーダンスのために、振幅差は主に 無効電力差(reactive power difference)の原因となり、位相差は主に有効電力 差(real power difference)の原因となる。振幅差は負荷分割技術無しでも許容 可能であり、処理可能であることが知られている。他方、位相差は許容できない 。交流電源システム１は、その出力を相互に並列に接続して動作するためには位 相同期されねばならない。電源システムの交流出力電圧の周波数は、一定の周波 数におけるフリーランニングか、あるいは代替電力源のような基準源に位相同期 されるかのいずれかに制御される。上に述べたように、負荷分割位相制御は電源 システムの周波数あるいは位相同期ループ・コントローラの中に通常一体化され る。 並列交流電源システムの間で負荷分割をするために使われる２つの従来技術は 、共通同期負荷分割及び平均との差分負荷分割として知られている。両方の方式 は、並列電源システム及び負荷分割回路４（図１）の間で、信号処理とインタフ ェースのために相互接続を必要とする。図１の例のように、並列電源システムは いずれかあるいは両方の方式を使用することができる。 共通同期負荷分割技術は、電源システム１の出力を位相同期するために共通同 期信号を用いる。同期バス上の共通同期信号は、すべての電源システム１の寄与 から導き出すことができ、主制御器から、あるいは共通に位相同期された代替電 力源から導き出すことができる。図１に図示するように、信号は各電源システム １に配線され、各電源システム１は同期信号を監視し、また電源システム１の間 で共有される同期信号に同期バス上で位相同期する。同期信号は各電源システム １に与えられ機能していなければならない、あるいは代替または冗長手段が同様 に設けられなければならない。 他方、平均との差分負荷分割技術においては、電源システムの出力電流と負荷 分割バスの間の位相差は電源システムの出力電圧を表す低レベル信号にベクトル 的に加算される。この低レベルのバイアスされた電圧は、電源システム１の出力 電圧を平均のシステム値に位相同期するために使用される。通常、電源システム の出力電流を検知するために交流変流器が使用され、検知された電流信号は抵抗 器を介して「平均との差分」負荷分割バス（図１）に接続される。図１に図示す るように、平均との差分負荷分割バスは各並列電源システムに接続され、抵抗器 での電圧降下は出力電圧を表す信号にベクトル的に加算され位相制御のために用 いられる平均との差分信号である。結果として生じるバイアスされた信号は電源 システム１を位相同期するために使用される情報を供給する。 「平均との差分」負荷分割、あるいは共通同期信号負荷分割を使用することは 普通に実施されている。しかしながら、只今述べたように、これらの各技術が効 率的に機能するためには並列冗長電源システムの間のユニット間信号が必要とさ れる。残念ながら、そのようなユニット間信号を用いることは中断の弱点があり 、他の点では完全に冗長的な並列電源システムに対して、単一障害点(single fa ilure point)ができるのを防止するためにそれ自身が冗長的でなければならない 。このような単一障害点を持たない負荷分割技術が望ましい。 従来技術による並列冗長電源システムにより必要とされる負荷分割の目的のた めの付加的な信号方式及び付加的な内部回路は、さらに信頼性の点で不利な影響 を有していた。実際に、電源システムと各電源システムの付加回路の間の物理的 な接続は多くの欠点を有している。例えば、各電源システムの中で負荷分割回路 及び／または共通同期回路を相互に接続している配線がもし短絡または断線すれ ば、電源システムの負荷分割能力は失われる。この欠点を克服するために、ある 電源システムでは冗長配線を必要とする。さらに断線または短絡を検出するため に付加回路が付加される。さらに、配線に対する必要条件は従来技術による冗長 並列電源システムの設置をいっそう難しくする。ワイヤゲージ（wire gauge）、 撚り対線(twisted pair)、３芯撚り線（twisted triplet）、ある場合には光フ ァイバ・ケーブルのような配線に対する特別な必要条件が示されている。ユニッ トを作動させる前の特別なテストにより相互接続を検査するために、特別に訓練 されたサービスエンジニアが通常必要とされる。もしすべての図面詳細項目が満 たされないなら、未発見の問題が起こりうる。 さらに、従来技術による電源システムの間の相互接続配線は各ユニットの内部 の回路に直接接続する。この回路は相互接続配線上の信号を駆動し、また使用す る。障害になった回路は相互接続配線上の信号を損傷させ、その障害は負荷分割 信号から除去できないかもしれない。障害ユニットは障害を負荷分割信号あるい は冗長負荷分割回路から除去しなくてはならず、また相互接続配線は「良い」電 源システムの間に接続されねばならない。 通常、低電圧のアナログ及びディジタルの負荷分割信号が並列電源システムの 間に接続されている。これらの信号を送信し、また受信するために回路が付加さ れねばならない。さらに、電源システム論理基準（power system logic referen ce）から負荷分割回路基準(load share circuit reference)（接地）を分離する ために回路が付加されねばならない。分離をしても、各電源システムからの距離 は雑音の影響のために負荷分割に影響を与える。高ゲージの配線が基準と距離両 方の問題点を克服するために時々使用される。インタフェース回路と同様に変流 器、配線、プリント回路基板等のこのような回路はしばしば非常に高価である。 図１に示す型式の従来技術による電源システムはさらに、電圧上昇試験を使用す る回路利得検査を要し、それは少なくとも１つの電源システムがオンラインであ ることを要する。この試験は出力電圧の振幅及びオンラインの電源システムの周 波数に影響を与える。 従って、効率的な負荷分割を行うための「平均との差分」信号のような外部か ら得られる情報や、上述した問題点を招くような関連する回路及び接続に依存し ないように、電源システムが独立に動作できる負荷分割技術がさらに望まれる。 上に述べたように、完全に並列冗長形式で作動するために、望ましくは電源シス テムのためのユニット間信号を必要としない負荷分割のためのより信頼できる技 術を提供することが本発明の目的である。 本発明の概要 本発明は、いかなるユニット間信号も使用しない並列冗長電源システムを提供 することにより、従来技術における前述の問題点を解決する。その代わりに、各 電源システムがそれ自身の出力電力レベルを用いることにより負荷分割を達成す る。換言すれば、本発明による電源システムは、他のユニットからのいかなる形 式の制御あるいは通信接続無しで、他の電源システムから独立して負荷分割がで きる。その結果、他の電源システムからの信号あるいは配線を負荷分割のために 必要としない。 本発明は、位相対周波数、位相差対電力差及び周波数差対電力レベルの変化の 基本的な関係を、交流電源システムをその出力交流電圧と並列に接続された他の 電源システムに本質的に位相同期させる技術と組み合わせる。本発明によれば、 交流電源システムの出力電力レベルのみが効率的な負荷分割を提供するために必 要なすべてである。特に、電源システムの出力電圧を他の並列電源システムの出 力に本質的に位相同期させるために、出力電力レベルの導関数、ΔＰ、及び実際 の電力レベル、Ｐ、が電源システムの出力周波数と位相を制御するために使用さ れる。直流を交流に変換する静止形交流電源システムにおいて、電力測定に直流 と交流のいずれを使用するかの選択は任意である。この技術は、制御無しの電源 システムまたはこの同じ技術を用いて制御される他の電源システムのいずれかと 共に負荷分割のために使用できる。 本発明は、複数の並列接続電源システムが共通の電源接続を介して負荷に交流 電力を供給する並列冗長電源システムに関する。各並列電源システムはその電力 出力の自己監視を行ない、他の並列接続されたユニットと負荷分割のために必要 に応じて調整する。さらに、並列に接続された各電源システムは、同じ自己監視 と並列運転のために必要とされる調整を行う一方、単一の独立型ユニットとして 動作することができる。本発明の一望ましい実施態様において、少なくとも１つ の電源システムは、直流入力電力源から交流出力電圧を生成する手段と、電力レ ベルサンプルを供給するための、直流入力電力源からの直流入力電圧及び生成手 段からの交流出力電圧の１つをサンプリングするための手段、及び交流出力電圧 生成手段の交流出力電力を電力レベルサンプルから決定するための手段を有する 。次に、電源システム間でユニット間信号を必要とせずに、電源システムの単機 電力定格(unit power rating)に比例する方法で、電源システムが並列接続され ている他の電源システムとの負荷分割に影響を与えるように、交流出力電圧生成 手段の出力電力レベル及び交流出力電圧生成手段の出力電力レベルの導関数に基 づいて、制御信号が生成され、交流出力位相及び交流出力電圧生成手段からの交 流出力電圧の出力周波数を制御するために交流出力電圧生成手段に供給される。 本発明によれば、交流出力電圧生成手段は３相出力電力、単相、あるいは分相 出力電力（split phase output power）を生成する。さらに、サンプリング手段 は直流入力電力源の直流電流及び直流電圧をサンプリングするための手段、及び 電力レベルサンプルを得るための直流電圧と直流電流サンプルを乗算するための 手段を有してもよい。他方、サンプリング手段は、交流出力電圧生成手段の交流 電流及び交流電圧をサンプリングするための手段、及び電力レベルサンプルを得 るために交流電圧と交流電流のサンプルを乗算するための手段を有してもよい。 望ましくは、制御信号は交流出力電圧生成手段を駆動し、電源システムの全総 合定格(total combined rating)により除算された交流出力電圧生成手段の単機 電力定格により規定される割合で負荷を分割する。さらに、交流出力電圧生成手 段は一定量の出力電力を供給するために駆動される。 本発明によれば、決定手段は電力レベルサンプルから生成手段に対する直流入 力電力レベルの変化を計算し、生成手段の入力周波数範囲の全体にわたって直流 入力電力の変化を積分して、生成手段への入力周波数を決定する。決定手段は、 さらに入力周波数と直流入力電力レベルから交流出力電圧の周波数の変化を計算 し、生成手段の出力電力レベルの導関数を積分して制御信号を生成する。供給手 段はさらに、一定の目標周波数に向かって連続的に出力周波数を積分する手段、 あるいは代替電力源と位相同期するために連続的に出力周波数を調整する手段を 具備してもよい。どの場合にも、制御信号は出力周波数及び交流出力電圧の交流 出力位相を安定させるために交流出力電圧生成手段を駆動する。 上述の如く、望ましい実施態様においては、交流出力電圧生成手段への入力電 力は交流出力電力決定手段により直流電流及び電圧サンプルから電圧に電流を乗 算して計算される。出力電力レベルの導関数と出力電力レベル自身の両方の一部 が、交流出力電力を任意の数の並列に接続された電源システムと同期させ負荷分 割させる方法で、交流出力電力決定手段の周波数を制御するために使用される。 交流出力電圧の周波数は、さらに、全部の電源システムが一定の周波数において 動作するか、あるいは代替電力源に同期するかのいずれかとなるように制御され る。 本発明の範囲はさらに、並列に接続された少なくとも２つの電源システムの間 で、一定の周波数で同時に動作するか、あるいは代替電力源に同期しているよう な独立負荷分割を提供する方法を包含する。本発明による上述の方法の望ましい 実施態様は、 直流入力電力源から交流出力電圧を生成する段階と、 電力レベルのサンプルを供給するために、直流入力電力源からの直流入力電圧 と生成手段からの交流出力電圧の１つをサンプリングする段階と、 電力レベルのサンプルから交流出力電圧生成手段の交流出力電力を決定する段 階、及び 交流出力電圧生成手段の出力電力レベルと交流出力電圧生成手段の出力電力レ ベルの導関数に基づいて、電源システム間でユニット間信号を必要とせずに、電 源システムの単機電力定格に比例する方法で、電源システムが並列接続されてい る他の電源システムとの負荷分割に影響を与えるように、交流出力位相及び交流 出力電圧生成手段からの交流出力電圧の出力周波数を制御するために交流出力電 圧生成手段に制御信号を供給する段階、 とを有する。 本発明の方法の望ましい実施態様において、サンプリング段階は、直流入力電 力源の直流電流と直流電圧をサンプリングする段階と、電力レベルサンプルを得 るために直流電圧と直流電流のサンプルを乗算する段階とを有する。あるいはサ ンプリング段階は、交流出力電圧生成手段の交流電流と交流電圧をサンプリング する段階と、電力レベルサンプルを得るために交流電圧と交流電流のサンプルを 乗算する段階とを有してもよい。本発明の方法はさらに、電源システムの全総合 定格により除算された交流出力電圧生成手段の単機電力定格により規定される割 合で負荷分割するための交流出力電圧生成手段を駆動する段階、あるいは一定量 の出力電力を供給するために交流出力電圧生成手段を駆動する段階を具備しても よい。 さらに、交流出力電圧生成手段に対する直流入力電力レベルの変化は電力レベ ルのサンプルから計算され、交流出力電圧生成手段への入力周波数を決定するた めに交流出力電圧生成手段の入力周波数範囲の全体にわたって積分されてもよい 。次に、交流出力電圧の周波数の変化は入力周波数と直流入力電力レベルから決 定されてもよい。望ましくは、生成手段の出力電力レベルの導関数は制御信号を 生成するために積分される。さらに、出力周波数は一定の目標周波数に向かって 連続的に積分されるか、あるいは代替電力源に位相同期するように連続的に調整 されてもよい。 当業者は、本発明の技術がディジタル信号処理ソフトウェアアルゴリズム、デ ィジタル及びアナログ回路、あるいは両方の組み合わせを用いて実現できること を十分理解するであろう。 図面の簡単な説明 本発明の前記の利益及びその他の利益は、添付図面と関連した本発明の現在の 望ましい代表的な実施形態の下記の詳細な説明から、いっそう明白になり、また 十分理解されるであろう。 図１は、無停電電源システムの従来技術による並列冗長構成を示す図であって 、同期及び／又は平均との差分負荷分割信号が負荷分割を制御するために共用バ ス上の電源の間で通信されることを説明する図である。 図２は、負荷分割のためにユニット間通信が必要ではない本発明による無停電 電源システムの並列冗長構成を示す図である。 図３は、本発明による無停電電源システム１０の好適な実施形態を示す図であ る。 図４は、図３で示した無停電電源システム１０のマイクロコントローラ２６の 好適な実施形態の動作のフローチャートを示す図である。 図５は、本発明のデルタ電力負荷分割技術を示す信号の流れ図である。 現時点での好適な実施形態の詳細な説明 本発明は図２乃至図５を参照して以下に詳細に説明される。本明細書における 記述は説明的な目的のみのためであり、本発明の範囲を制限するとは解釈されな いことを当業者は十分理解するであろう。例えば、本発明は無停電電源システム （ＵＰＳ）に関連して説明されるが、本発明の技術は他の型式の電源システムに も同様に適用できる。従って、本発明の範囲は添付した請求の範囲によってのみ 制限される。 本発明は、マイクロプロセッサあるいはマイクロコントローラにより制御され る無停電電源システム（ＵＰＳ）に使用するために具体的に設計される。従って 、ディジタルデータを用いる数学的操作及び比較を行うために、またこの操作及 び比較に基づいて制御出力を供給するために、制御ハードウェアは入力アナログ 信号をディジタル化する能力を有する。マイクロ・コンピュータあるいはマイク ロコントローラ用の埋込みコードを書くこと並びにディジタル信号処理（ＤＳＰ ）技術に詳しい当業者は、以下に述べる本発明を実現するのに何らの困難も有し ない。 本発明の動作原理をより理解するために、電力、周波数、及び出力信号位相の 間の関係を始めに説明する。 並列接続された個々の電源システムの間のインピーダンス不整合のために、異 なる並列電源システムの出力電圧の間の位相制御偏差(phase error)が電源シス テムの間で有効電力制御偏差(real power error)の原因となる。位相制御偏差は また無効電力制御偏差(reactive powererror)を生ずるが、それは本発明の動作 に影響を与えないので説明はされない。その代わり、位相制御偏差が有効電力制 御偏差をの原因となること、式（１）に示すように交流電源システムの間の位相 が有効電力制御偏差に比例することが説明される。式（１）において、Ｋ＿ＰＯ ＷＥＲは定数である。 電力制御偏差＝位相制御偏差＊Ｋ＿ＰＯＷＥＲ 式（１） 他方、個々の電源システムの間の位相制御偏差が無効電力差の原因となるシス テムにおいては、無効電力が使用されうる。 ２つの交流信号の出力周波数の間の差分は、２つの交流信号の間の位相制御偏 差を微分することにより決定できる。この関係は位相同期ループの基本を論じる 教科書に良く立証されている。換言すれば、 周波数制御偏差＝ｄ（位相制御偏差）／ｄｔ 式（２） である。 式（２）に示すように、２つの交流信号の間の周波数制御偏差は位相制御偏差 の変化率から決定できる。実際の位相の位置は重要ではない。位相制御偏差の変 化はユニットの電力レベルの変化（式（１））に比例して生成するので、周波数 制御偏差は出力電力レベルを微分することにより決定できるが、一定の負荷レベ ルの情報は失われる。詳しくは、 周波数制御偏差＝ｄ（電力レベル）／ｄｔ＝デルタ電力 式（３） である。 以上述べたように、デルタ電力は電源システムの間の周波数制御偏差を表す電 力レベルの変化率である。以下により詳細に説明されるように、本発明によれば 、電源システムの間の周波数差を補償するためにデルタ電力が使用され、その結 果負荷分割を容易にする。 ２つの電源システムの間の周波数制御偏差は電源システムの出力電力レベルの 変化に関係するので、各電源システムの出力電力レベルは複数の電力システムの 負荷分割に必要な情報を有する。要するに、式（３）は電源システム（デルタ電 力）の出力電力レベルの導関数（変化率）が電源システムの間の周波数制御偏差 を表すことを示す。さらに、「電力レベル」と表示される実際の電力レベルが、 位相制御偏差を修正するように電源システムの出力周波数をバイアスするために 使用される。 この技術は独立して機能することができるが、代替電力源に位相同期するため に、電源システムが一般に有する交流電源システムの位相同期ループコントロー ラの中に、この技術は通常組み込まれている。他方、電源システムは固定した出 力電圧周波数を生成してもよい。本発明による「デルタ電力」負荷分割は、いず れかの形式のコントローラを有するシステムあるいは両方の形式のコントローラ を有するシステムで使用できる。 図２は本発明による無停電電源システムの並列冗長構成を示す。図２に示すよ うに、負荷分割のためにユニット間通信は不要である。その代わりに、各無停電 電源システム１０はそれ自身の電力出力を監視し、他の並列電源システムとの位 相差を本質的に最小限度に抑える本発明の「デルタ電力」技術を用いてそれ自身 の出力電圧周波数を制御する。本発明による「デルタ電力」技術は、図３乃至図 ５を参照して以下に詳細に説明される。 図３は、負荷分割を行うためにユニット間信号が不要である本発明による無停 電電源システム１０の好適な実施形態を示す。図に示すように、３相交流入力電 圧は交流／直流コンバーター２０に供給され、直流入力電圧に変換される。ある いは、交流電源障害の場合には、直流入力電圧は電池３により直接供給される。 当業者に知られているように、一般に絶縁ゲート・バイポーラ・トランジスタ（ ＩＧＢＴ）・インバータ２２が直流入力電圧を３相交流出力電圧に変換し、ソリ ッドステートあるいは機械的に閉成されたスイッチあるいはリレー５を含む出力 電力接続を介して負荷２に供給される。 本発明の負荷分割技術は、絶縁ゲート・バイポーラ・トランジスタ・インバー タ２２に流れ込む直流入力電流を検出するように、絶縁ゲート・バイポーラ・ト ランジスタ・インバータ２２の入力端子に接続された変流器２４を設けることに より実現される。検出された直流入力電流及び直流入力電圧信号は、次に１６ビ ット高速マイクロコントローラ２６のそれぞれのＡ−Ｄ変換器チャネルに供給さ れ、マイクロコントローラ２６によりサンプルを抽出されて、絶縁ゲート・バイ ポーラ・トランジスタ・インバータ２２の３相出力周波数を制御するために使わ れ、その結果並列電源システムは負荷を均等に分担する。望ましい実施態様にお いて、マイクロコントローラ２６は直流入力電流（Ｉ）及び電圧（Ｖ）を３キロ ヘルツの速度でディジタル化する。さらに、「並列に接続された交流電源システ ムの無配線選択的引外し」と題する本被譲渡人に譲渡された同時継続特許出願で 説明したように、障害のある動作が検出された時に電源システム１を電源回路か ら除くために、マイクロコントローラ２６はスイッチあるいはリレー５にトリッ プ（引外し）信号を供給してもよい。 負荷分割は、サンプルされた直流入力電流及び電圧信号の処理に応じてマイク ロコントローラ２６により制御される。望ましい実施態様において、マイクロコ ントローラ２６は、受信した直流電流及び電圧サンプルを処理するために、また その結果の絶縁ゲート・バイポーラ・トランジスタ・ゲート駆動信号を他の並列 電源システムと負荷を分割することを強制する方法で絶縁ゲート・バイポーラ・ トランジスタインバータ２２の出力周波数を制御するように絶縁ゲート・バイポ ーラ・トランジスタ・インバータ２２に供給するために、図４のフローチャート を実行する。あるいは、電力レベルは電力トランスデューサを用いて直接サンプ ル抽出され、マイクロコントローラ２６に供給されてもよい。図４のフローチャ ートは従って修正されるであろう。図４のフローチャートは必要に応じてソフト ウェアあるいは専用ハードウェアで実現されてもよいことを当業者は十分理解す るであろうが、図４のフローチャートはマイクロコントローラ２６のファームウ ェアで実現されることが望ましい。好適な実施形態において、図４のアルゴリズ ムはマイクロコントローラ２６上において３キロヘルツの速度で実行される。 図４の段階３０の負荷分割ルーチンの入り口において、絶縁ゲート・バイポー ラ・トランジスタ・インバータ２２に対する直流入力電力ｐ_nを計算するために 、マイクロコントローラ２６により受信されたディジタル化された直流電圧（Ｖ_n ）及び直流電流（Ｉ_n）サンプルは段階３２において乗算される。換言すれば、 ｐ_n＝Ｖ_n ^*Ｉ_nである。当然、インバータ入力電力レベルｐ_nはインバータ出力電 力レベルＰ_nに比例する。（すなわち、Ｐ_n＝Ｋ２^*Ｐ_nであり、ここでＫ２はイン バータ２２の動的応答を規定する定利得である。）次に、段階３４において、入 力電力レベル（Δｐ_n）における変化がΔｐ_n＝ｐ_n−ｐ_n-1として計算される。こ こでｐ_nは現在の直流入力サンプルに対する入力電力レベルであり、ｐ_n-1は前の 直流入力サンプルに対する入力電力レベルである。次に、段階３６において、入 力電力の変化Δｐ_nがインバータの入力周波数範囲の全体にわたって積分され、 次のようにインバータの入力周波数ｆ_nをもたらす。 ｆ_n＝ｆ_n-1−（Ｋ１＊Δｐ_n）−（Ｋ２＊ｐ_n） 式（４） ここでＫ１及びＫ２は電源システムの動的応答を規定する定数であり、ｆ_n-1− １は前の直流入力サンプルに対するインバータの入力周波数である。次にマイク ロコントローラ２６は、段階３８において絶縁ゲート・バイポーラ・トランジス タ・インバータ２２に出力電力を周波数ｆ_nに駆動するように、絶縁ゲート・バ イポーラ・トランジスタ・ゲート駆動信号を出力する。次に負荷分割ルーチンは 段階４０において終了する。 上に述べたように出力電力の変化率は、個々のインバータの周波数を連続して 固定した周波数あるいは個々の電源システムに対する代替電力源の周波数に強制 するために使用される。もし電源システムの周波数が同じでなければ、電源シス テムの電力レベルは変化している。電力レベル自身は、負荷分割のための定常状 態負荷制御偏差に対して修正するために、インバータ出力周波数をバイアスする のに使用され、その結果、特定のインバータの出力周波数を変化させるためのデ ィジタル同期信号あるいは平均との差分アナログ信号は不要である。 上述のように、絶縁ゲート・バイポーラ・トランジスタ・インバータ２２の出 力周波数は、一定の周波数において動作するか、あるいは代替電力源に同期する かのいずれかに制御される。本発明はこの必要条件と連係して動作する。好適な 実施形態において、絶縁ゲート・バイポーラ・トランジスタ・インバータ２２へ の入力電力レベルのために、周波数は３キロヘルツの速度で更新される。一定の 周波数において動作するか、あるいは代替電力源に同期（例えば位相同期）する かのいずれかにのために、周波数は交流出力電圧の１サイクルごとに１度さらに 更新される。 電源システム１０を一定の周波数で動作させるために、絶縁ゲート・バイポー ラ・トランジスタ・インバータ２２の出力電圧周波数は下記の式（５）に示すよ うに１サイクルごとに１度変更される。絶縁ゲート・バイポーラ・トランジスタ ・インバータ２２への入力電力レベルを使用する３キロヘルツの更新は、インバ ータ出力電圧周波数のこの変化を原因とするいかなる負荷分割制御偏差も補償す る。 ｆ_n＝ｆ_n-1＋Ｋ３＊（目標周波数）−ｆ_n 式（５） ここでｆ_nはサンプルｎに対する絶縁ゲート・バイポーラ・トランジスタ・イン バータ２２の出力周波数であり、目標周波数は所望の出力電圧周波数であり、ま たＫ３は電源システムの動力学（dynamics）を規定する利得値である。この１サ イクルごとに１回の更新はシステムをその目標周波数にバイアスする。絶縁ゲー ト・バイポーラ・トランジスタ・インバータ２２への入力電力レベルに帰因する 周波数の更新は絶縁ゲート・バイポーラ・トランジスタ・インバータ２２にシス テムの負荷を分担させる。 他方、負荷分割を維持しながら電源システムを代替電力源と同期させるために 、式（６）及び（７）に示すように交流の１サイクルごとに１回絶縁ゲート・バ イポーラ・トランジスタ・インバータ２２の出力電圧周波数は変更される。絶縁 ゲート・バイポーラ・トランジスタ・インバータ２２への入力電力レベルを使用 する３キロヘルツの更新は、絶縁ゲート・バイポーラ・トランジスタ・インバー タ２２の出力電圧周波数におけるこの変化を原因とするいかなる負荷分割制御偏 差に対しても補償をする。 ｆ_n＝ｆ_n-1＋Ｋ４＊（代替源周波数−ｆ_n） 式（６） Ｆ_n＝ｆ_n-1＋Ｋ５＊（位相制御偏差） 式（７） ここで、代替源周波数は所望の出力電圧周波数であり、Ｋ４及びＫ５は同期（す なわち、位相同期ループ）システムの動力学を規定する利得値である。この場合 に、絶縁ゲート・バイポーラ・トランジスタ・インバータ２２の実際の出力周波 数Ｆ_nは、総合された周波数ｆ_nと、絶縁ゲート・バイポーラ・トランジスタ・イ ンバータ２２の出力電圧と代替電力源電圧の間の位相制御偏差の一部との和であ る１サイクルごとに１回の更新は、絶縁ゲート・バイポーラ・トランジスタ・イ ンバータ２２の出力電圧を代替電力源に位相同期させる。絶縁ゲート・バイポー ラ・トランジスタ・インバータ２２への入力電力レベルに帰因する周波数の更新 は、絶縁ゲート・バイポーラ・トランジスタ・インバータ２２に電源システムの 定格電圧によってシステム負荷を分担させる。 負荷分割を維持する代わりに、電源システムに一定の出力負荷レベルを調整さ せるために、絶縁ゲート・バイポーラ・トランジスタ・インバータ２２の出力電 圧周波数は、下記の式（８）に示すように、１サイクルごとに１回変更されるこ とができる。絶縁ゲート・バイポーラ・トランジスタ・インバータ２２への入力 電力レベルを使用する３キロヘルツの更新は周波数と位相動作を安定させる。 ｆ_n＝ｆ_n-1＋Ｋ６＊（所望出力電力レベル−実際の電力レベル） 式（８） ここで、所望の出力電力レベルは電源システム１０に対する目標出力電力レベル であり、実際の電力レベルは絶縁ゲート・バイポーラ・トランジスタ・インバー タ２２の出力電力レベルであり、またＫ６はシステムの動力学を規定する利得値 である。 当業者に理解されるように、上に詳述した定利得レベルＫ１、Ｋ２、Ｋ３、Ｋ ４、Ｋ５及びＫ６は、電源システム、制御技術、電力対位相制御偏差利得及び所 望の動的動作によって変化する。電力対位相制御偏差利得、具体化技術、センサ 分解能、センサ利得、サンプルレート及び他のシステム必要条件によって、これ らの利得を決定し、システムの動作を特徴づけるために、制御システム解析が必 要であるかもしれない。しかしながら、この解析の標準型式は制御システムの解 析と設計の当業者にとって公知であり、本明細書においては説明されない。この ような当業者は、出力電力、周波数制御偏差、位相制御偏差及び出力電力レベル 値の変化が、望ましいシステム動作を得るために予め決められた範囲に限定され ていることを十分理解するであろう。しかしながら、これらの限界の効果を決定 するために、注意深い解析及びシミュレーションが行われるべきである。 本発明のデルタ電力負荷分割技術のための信号フロー図を図５に示す。信号フ ロー図に精通した者にとって周知のように、矢印は乗算を示し、「０」は加算を 示す。図５において、Ｋ＿ＰＯＷＥＲ（Ａ）は位相制御偏差の電力差に対する利 得であり、（Ｂ）は電力レベル（デルタ電力）の導関数であり、（Ｃ）はデルタ 電力の積分であり、（Ｄ）は位相同期ループの中の位相に対する周波数の固有な 積分（inherent integration of frequency to phase in aphase locked loop） であり、Ｋ１は電力レベル利得である。 さらに当業者は、並列電源システムは多くのモードで動作し、またこれらのモ ードの間の遷移が異なる時点で起きることを十分理解するであろう。一般的に、 一定周波数におけるフリーランニング及び基準源への位相同期の２つの動作型式 がある。上に述べたように、２つの並列電源システムの場合には、両方共にフリ ーランニング、両方共に位相同期、あるいは一方がフリーランニングで他方が位 相同期でありうる。本明細書で説明する「デルタ電力」負荷分割技術はこれらす べてのモードに適用される。当然ながら、より多くの電源システムと動作型式が 利用可能になれば、さらに多くの動作モードが起こりうる。 上述のように、本発明は電源システムの出力電力レベルの導関数が、並列電源 システムの間の周波数差を補償するために積分されるという概念に基づいている 。電力レベル自身は、２つの周波数同期システムの間に存在する一定の位相制御 偏差を補償するように、バイアスとして使用される。本明細書において説明する 「デルタ電力」技術は、独立な電源システムの並列動作を許容し、またいかなる 相互接続必要条件も要せずに負荷分割を行う制御技術である。「デルタ電力」技 術はシステム間の制御偏差を補償し、フリーランニング・モード、位相同期モー ドで動作する間に、またこれらのモード間で切り替える、あるいは異なるモード で電源システムを動作させる間に、並列運転を許容する。 本発明の「デルタ電力」負荷分割技術によれば、負荷分割制御を行うために電 源システムは単に自身の出力電力レベルを監視すれば良いから、負荷分割回路あ るいは個々の電源システム間の制御用配線を追加すること無く複数の電源システ ムを並列に接続できる。電源システムの出力電力レベルの導関数は電源システム を周波数同期するために使用され、一方出力電力レベル自身はユニット間の位相 制御偏差を修正するために使用される。従来技術による並列交流電源システムに 関連する必要条件及び問題点は、いかなる付加回路あるいは配線に対する必要条 件無しに解決される。 本明細書において説明する無配線負荷分割技術は、同一被譲渡人により同一日 付けで出願された「並列接続された交流電源システムの無配線選択的引外し」と 題する関連出願で説明された型式の無配線選択的引外し技術と関連して使用され る時に、交流電力源の出力を並列に接続する必要がある場合に、新しい種類の応 用を可能にすることを当業者は十分理解するであろう。このような応用には、電 源配列の自動的再構成、ソーラーファームにおける電力源の自動連結、あるいは 低コスト低電力無停電電源システムのための自動的「ホットタイ」を含んでいる 。 本発明の代表的な実施形態を以上に詳細に説明したが、本発明の新規な教示と 利点から著しく逸脱せずに代表的な実施形態についての多くの追加的修正が可能 であることを当業者は容易に理解するであろう。例えば、本発明は前述の無配線 選択的引外しの出願との組み合わせで有利に使用され、個々のマイクロコントロ ーラの機能は単一のマイクロコントローラに結合されてもよい。さらに、本発明 は従来の負荷分割技術と必要に応じて連係して使用されてもよい。さらに、本発 明による直流入力電力の代わりに、交流出力電力がサンプルされ処理されてもよ いことを当業者は十分理解するであろう。また、現在利用可能な電力トランスデ ューサを用いて電力を直接サンプルしてもよい（電圧と電流をサンプルするのと は対照的に）。従って、このようなすべての修正は、次の請求の範囲で規定され るように、本発明の範囲内に含まれると解釈される。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １． 共通の電源接続を介して交流電力を負荷に供給するように並列接続され た少なくとも２つの電源システムを有する並列冗長電源システムであって、前記 電源システムの少なくとも１つは、 直流入力電力源から交流出力電圧を生成するための手段と、 直流入力電力源からの直流入力電圧、及び電力レベルサンプルを供給するため の前記生成手段からの前記交流出力電圧の１つをサンプリングする手段と、 電力レベルサンプルから前記交流出力電圧生成手段の交流出力電力を決定する 手段と、 電源システム間のユニット間信号を必要とせずに、前記電源システムの単機電 力定格に比例する方法で、電源システムが並列に接続されている他の電源システ ムとの負荷分割に影響を与えるように、交流出力電圧生成手段の出力電力レベル 及び交流出力電圧生成手段の出力電力レベルの導関数に基づいて、前記交流出力 電圧生成手段からの前記交流出力電圧の交流出力位相及び出力周波数を制御する ために前記交流出力電圧生成手段に制御信号を供給する手段と、 をそれぞれ具備することを特徴とする並列冗長電源システム。 ２． 前記交流出力電圧生成手段は３相出力電力を生成することを特徴とする 請求の範囲第１項に記載の電源システム。 ３． 前記交流出力電圧生成手段は単相及び分相出力電力の１つを生成するこ とを特徴とする請求の範囲第１項に記載の電源システム。 ４． 前記サンプリング手段は、前記直流入力電力源の直流電流及び直流電圧 をサンプリングする手段と、前記電力レベルサンプルを得るために、前記直流電 圧及び直流電流のサンプルを乗算する手段を有することを特徴とする請求の範囲 第１項に記載の電源システム。 ５． 前記サンプリング手段は、前記交流出力電圧生成手段の交流電流及び交 流電圧をサンプリングする手段と、前記電力レベルサンプルを得るために、前記 交流電圧及び交流電流のサンプルを乗算する手段を有することを特徴とする請求 の範囲第１項に記載の電源システム。 ６． 前記制御信号は、前記交流出力電圧生成手段の前記単機電力定格を前記 電源システムの全総合定格で除算して規定された割合で負荷分割するために、前 記交流出力電圧生成手段を駆動する請求の範囲第１項に記載の電源システム。 ７． 前記制御信号は、一定量の出力電力を供給するために前記交流出力電圧 生成手段を駆動することを特徴とする請求の範囲第１項に記載の電源システム。 ８． 前記決定手段は、前記電力レベルサンプルから前記生成手段に対する直 流入力電力レベルの変化を計算し、前記生成手段への入力周波数を決定するため に前記生成手段の入力周波数範囲にわたって直流入力電力の前記変化を積分する ことを特徴とする請求の範囲第１項に記載の電源システム。 ９． 前記決定手段は、前記入力周波数及び前記直流入力電力レベルから前記 交流出力電圧の周波数の前記変化を計算することを特徴とする請求の範囲第８項 に記載の電源システム。 １０． 前記決定手段は、前記制御信号を生成するために、前記生成手段の前 記出力電力レベルの前記導関数を積分することを特徴とする請求の範囲第１項に 記載の電源システム。 １１． 前記供給手段は、前記出力周波数を一定の目標周波数に向けて連続的 に積分する手段を有することを特徴とする請求の範囲第１項に記載の電源システ ム。 １２． 前記供給手段は、代替電力源と位相同期するために前記出力周波数を 連続的に調整する手段を有することを特徴とする請求の範囲第１項に記載の電源 システム。 １３． 前記制御信号は、前記出力周波数及び前記交流出力電圧の前記交流出 力位相を安定させるために、前記交流出力電圧生成手段を駆動することを特徴と する請求の範囲第１項に記載の電源システム。 １４． 各電源システムの交流電力生成手段から共通の電源接続を介して負荷 に交流電力を供給するように、並列に接続された少なくとも２つの電源システム の間で独立な負荷分割を行う方法であって、 直流入力電力源から交流出力電圧を生成する段階と、 電力レベルサンプルを供給するために、直流入力電力源からの直流入力電圧及 び前記生成手段からの前記交流出力電圧の１つをサンプリングする段階と、 電力レベルサンプルから前記交流出力電圧生成手段の交流出力電力を決定する 段階と、 電源システム間のユニット間信号を必要とせずに、前記電源システムの単機電 力定格に比例する方法で、電源システムが並列に接続されている他の電源システ ムとの負荷分割に影響を与えるように、交流出力電圧生成手段の出力電力レベル 及び交流出力電圧生成手段の出力電力レベルの導関数に基づいて、前記交流出力 電圧生成手段からの前記交流出力電圧の交流出力位相及び出力周波数を制御する ために前記交流出力電圧生成手段に制御信号を供給する段階と、 をそれぞれ具備することを特徴とする、並列に接続された少なくとも２つの電源 システムの間で独立な負荷分割を行う方法。 １５． 前記サンプリング段階は、前記直流入力電力源の直流電流及び直流電 圧をサンプリングする段階と、前記電力レベルサンプルを得るために前記直流電 圧及び前記直流電流サンプルを乗算する段階を有することを特徴とする請求の範 囲第１４項に記載の方法。 １６． 前記サンプリング段階は、前記交流出力電圧生成手段の交流電流及び 交流電圧をサンプリングする段階と、前記電力レベルサンプルを得るために前記 交流電圧及び前記交流電流サンプルを乗算する段階を有することを特徴とする請 求の範囲第１４項に記載の方法。 １７． 前記交流出力電圧生成手段の前記単機電力定格を前記電源システムの 全総合定格で除算して規定された割合で負荷分割するために、前記交流出力電圧 生成手段を駆動する追加的な段階を有することを特徴とする請求の範囲第１４項 に記載の方法。 １８． 所定の量の出力電力を供給するために、前記交流出力電圧生成手段を 駆動する追加的な段階を有することを特徴とする請求の範囲第１４項に記載の方 法。 １９． 前記決定段階は、前記電力レベルサンプルから前記交流出力電圧生成 手段に対する直流入力電力レベルの変化を計算する段階と、前記交流出力電圧生 成手段への入力周波数を決定するために前記交流出力電圧生成手段の入力周波数 範囲にわたって直流入力電力の前記変化を積分する段階とを有することを特徴と する請求の範囲第１４項に記載の方法。 ２０． 前記決定段階は、前記入力周波数及び前記直流入力電力レベルから前 記交流出力電圧周波数の前記変化を計算する段階を有することを特徴とする請求 の範囲第１９項に記載の方法。 ２１． 前記供給段階は、前記制御信号を生成するために、前記生成手段の前 記出力電力レベルの前記導関数を積分する段階を有することを特徴とする請求の 範囲第14項に記載の方法。 ２２． 一定の目標周波数に向かって前記出力周波数を連続的に積分する追加 的な段階を有することを特徴とする請求の範囲第１４項に記載の方法。 ２３． 代替電力源と位相同期するために、前記出力周波数を連続的に調整す る追加的な段階を有することを特徴とする請求の範囲第１４項に記載の方法。 ２４． 前記出力周波数及び前記交流出力電圧の前記交流出力位相を安定させ るために、前記交流出力電圧生成手段を駆動する追加的な段階を有することを特 徴とする請求の範囲第１４項に記載の方法。 ２５． 各電源システムの直流交流インバータから共通の電源接続を介して負 荷に交流電力を供給するように、並列に接続された少なくとも２つの直流交流イ ンバータの間で独立な負荷分割を行う方法であって、 直流入力電力源から交流出力電圧を生成する段階と、 電力レベルサンプルを供給するために、直流入力電力源からの直流入力電圧及 び前記生成手段からの前記交流出力電圧の１つをサンプリングする段階と、 前記直流交流インバータに対して、また前記電力レベルサンプルから入力電力 レベルの導関数を決定し、前記直流交流インバータが並列に接続されている他の 直流交流インバータとの負荷分割動作を安定させるように直流交流インバータに 制御信号を供給する段階と、 前記交流出力電圧周波数を固定された周波数と代替電力源の周波数の１つに調 整すると同時に、前記直流交流インバータが並列に接続されている前記他の直流 交流インバータと交流出力電圧位相とが同期されるように、交流出力電圧位相角 を制御するために直流交流インバータに対して直流入力電力レベルを用いる段階 と、 をそれぞれ具備することを特徴とする並列に接続された少なくとも２つの直流交 流インバータの間で独立な負荷分割を行う方法。