JP2006230137A

JP2006230137A - コンバ−タ制御装置

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Publication number: JP2006230137A
Application number: JP2005042686A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Kayano; 博之萱野
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2005-02-18
Filing date: 2005-02-18
Publication date: 2006-08-31
Anticipated expiration: 2025-02-18
Also published as: EP1850469A1; CA2601349A1; JP4692012B2; WO2006088097A1; CN101120503A; KR20070089885A; US20080151585A1

Abstract

【課題】各コンバ−タを構成する電気部品や回路定数等は、いわゆる固体間誤差を内在している。従って、容量の変動する負荷に複数のコンバ−タを並列接続して給電する場合には、上記固体間誤差により、各コンバ−タから負荷への給電に不均衡が発生し、一部のコンバ−タを過負荷状態に至らしめるという課題がある。
【解決手段】各コンバ−タの出力電力を検出し、前記検出した出力電力に基づいて各コンバ−タの平均出力電力を算出する演算回路を設け、各コンバ−タの出力電力を前記平均出力電力と等しくするようにする出力電力制御回路を備えたコンバ−タ制御装置を用いて、各コンバ−タからの負荷への供給電力を制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は電力変換器の制御装置に係わり、特に、電力波形を変換するコンバ−タに用いられるコンバ−タ制御装置に関するものである。

変電所からの交流電力は、架線を介して変圧器に入力され、そこで適当な交流電圧に変換された後にコンバ−タに給電される。給電された交流電力はコンバ−タによって定電圧の直流電力として出力される。コンバ−タから出力される直流電力は、フィルタコンデンサ（直流電圧を平滑にするためのもの）を介することにより、より安定した定電圧状態に維持されて負荷に給電される。ところで、コンバ−タから出力される直流電力は負荷容量の変動に比例して増減する。そのため、コンバ−タでは、その出力状態を定電圧に維持するために、入力側から供給する入力電力を負荷容量の変動に比例して変動する出力電力と等しい電力とし、コンバ−タ内の電力波形変換回路を介して出力側に給電している。なお、前記電力波形変換回路は、出力電力制御回路によって、その出力電力を制御されている。

コンバ−タの電力波形変換回路の制御としては、例えばＰＷＭ（ＰｕｌｓｅＷｉｄｔｈＭｏｄｕｌａｔｉｏｎ）制御方式が一般的に用いられている。コンバ−タの出力電力ないし電圧は、電力波形変換回路に与えられるＰＷＭパルス幅に依存して増減するように制御される。また、ＰＷＭパルス幅はコンバ−タの入力電力と出力電力に基づいて出力電力制御回路によって決定される。要するに、従来のコンバ−タは、コンバ−タへ入力する電圧や電流およびコンバ−タから出力する電圧や電流の情報をもった信号をコンバ−タ内の出力電力制御回路に与えることから、入力側の電力と出力側の電力が等しくできるＰＷＭパルス幅を算出し、つぎに、このＰＷＭパルス幅の情報をもった信号を電力波形変換回路内のスイッチング素子に与えることからＰＷＭ方式で駆動制御し、出力側の電圧を定電圧状態に維持するものである（例えば、特許文献１参照）。

特開平１１−３２４８６公報（段落０００２、図２、図３、図４）

各コンバ−タを構成する電気部品や回路定数等は、いわゆる固体間誤差を内在するため、例え同一機種であっても、その過渡応答特性において違いが顕在化する。従って、負荷容量の変動する負荷に複数のコンバ−タを並列接続して給電する場合には、上記固体間誤差により、各コンバ−タから負荷への給電に不均衡が発生し、一部のコンバ−タを過負荷状態に至らしめるという課題がある。

本発明は上記の課題を解決し、負荷に複数のコンバ−タを並列接続して給電する場合において、一部のコンバ−タを過負荷状態に至らしめないようにするために、全てのコンバ−タから出力される出力電力を等しくするコンバ−タ制御装置を提供することを目的とする。

本発明のコンバ−タ制御装置は、負荷に複数のコンバ−タを並列接続したときに発生するコンバ−タの負荷バランスの不均衡を是正するために、各コンバ−タの出力電力を検出し、前記検出した出力電力に基づいて各コンバ−タの平均出力電力を算出する演算回路を設け、各コンバ−タの出力電力を前記平均出力電力と等しくするようにする出力電力制御回路を備えたことを特徴とするものである。

負荷に複数のコンバ−タを並列接続して給電する場合、上記のように従来にない平均出力電力を算出する演算回路を設けた本発明のコンバ−タ制御装置を用いることから、全てのコンバ−タから出力される電力を等しくでき、一部のコンバ−タを過負荷にする事も無くなり、各コンバ−タの負荷バランスの不均衡化を解消できるという効果が得られる。

実施の形態１．
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態１について詳細に説明する。図１は本発明のコンバ−タ制御装置と複数のコンバ−タを用いた電力供給回路の概略構成回路図である。図１において、複数の同一機種（装置構造、定格は同じ）のコンバ−タ１００ａないし１００ｎは、それぞれの持つ専用の変圧器２００ａないし２００ｎを介して、複数の架線３００ａないし３００ｎから交流電力を給電している。複数のコンバ−タ１００ａないし１００ｎから出力される直流電力は、並列接続されるフィルタコンデンサ４００を介して負荷５００に給電している。

各コンバ−タ１００はいずれも直接的に送電に関連する部分と出力電力を制御するための信号処理部分から構成されている。コンバ−タ１００ａの送電に関連する部分は、ＰＷＭ制御方式によるスイッチング回路部１０ａを内蔵する電力波形変換回路１１ａとこの電力波形変換回路１１ａの入力側（コンバ−タ１００ａの入力側）に設けられた交流電流検出器１２ａ、交流電圧検出器１３ａならびに出力側に設けられた直流電流検出器１４ａ、直流電圧検出器１５ａとから構成されている。一方、信号処理部分は、電力波形変換回路１１ａに対する入力側の電力を計算する入力電力算出部１６ａと出力側の電力を計算する出力電力算出部１７ａ、ならびに出力電力制御回路であるパルス幅決定部１８ａから構成されている。後で詳細に記載するが、パルス幅決定部１８ａから出力されるＰＷＭパルス幅に相当するパルス幅信号１８ａｓはスイッチング回路部１０ａに入力され、ＰＷＭ制御方式により電力波形変換回路１１ａの出力電力を制御する。

各コンバ−タ１００ａに入力される交流電力は、交流電流検出器１２ａからの交流電流信号１２ａｓと交流電圧検出器１３ａからの交流電圧信号１３ａｓとを入力電力算出部１６ａに入力し、これらの信号を掛ける事から算出される。また、算出された交流電力は入力電力信号１６ａｓとして入力電力算出部１６ａから出力される。一方、各コンバ−タ１００ａないし１００ｎから出力される直流電力は、直流電流検出器１４ａからの直流電流信号１４ａｓと直流電圧検出器１５ａからの直流電圧信号１５ａｓとを出力電力算出部１７ａに入力し、これらの信号を掛ける事から算出される。また、算出された各直流電力は、出力電力信号１７ａｓないし１７ｎｓとして各出力電力算出部１７ａないし１７ｎから出力される。それら出力電力信号１７ａｓないし１７ｎｓは、共に各コンバ−タの平均出力電力を算出する演算回路である平均化処理部１９に入力され、それぞれ加算された後に負荷５００に取り付けられたコンバ−タの数（ｎ）で割られ、コンバ−タ１台の平均出力電力が算出され、平均出力信号１９ｓとして出力される。

本発明の実施の形態１のコンバ−タ制御装置は、各コンバ−タ１００ａないし１００ｎ内に設けられた上記信号処理部分（入力電力算出部１６ａないし１６ｎ、出力電力算出部１７ａないし１７ｎ、ならびに出力電力制御回路であるパルス幅決定部１８ａないし１８ｎ）と本発明の特徴である平均出力電力を算出する演算回路である平均化処理部１９から構成されている。パルス幅決定部１８ａには平均出力信号１９ｓと入力電力信号１６ａｓが入力され、これらの信号に基づいてＰＷＭパルス幅が算出され、パルス幅信号１８ａｓとしてスイッチング回路部１０ａに入力される。なお、ＰＷＭパルス幅は、電力波形変換回路１１ａに入力する入力電力を上記平均出力電力と等しくできるパルス幅に成るように算出される。ちなみに、従来の電力供給回路におけるＰＷＭパルス幅の求め方は、出力電力を用いて算出するものであり、本発明も同様の方法で求めている。

これにより、スイッチング回路部１０ａにパルス幅信号１８ａｓが入力され、電力波形変換回路１１ａの出力電力（入力電力と等しい）と平均出力電力とが等しくなるように制御される。コンバ−タ１００ａと同一構造である他のコンバ−タ１００も同様に制御されるので、それぞれから出力される出力電力は共に平均出力電力と等しくなる。従って、本発明の実施の形態１のコンバ−タ制御装置を用いることで、各コンバ−タの負荷バランスの不均衡化を解消できるという効果が得られる。また、各変圧器２００から各コンバ−タ１００に加わる電力波形に違いがあっても、その入力電力をそれぞれ測定して、それぞれのコンバ−タ１００に合わせて、その都度パルス幅を決定しているため、電力波形の違いに依存することなく各コンバ−タの負荷バランスが等しくなるという格別の効果を有している。なお、上記実施の形態１の電力供給回路では、複数の架線３００ａないし３００ｎを用いて、各変圧器２００ａないし２００ｎに電力を供給したが、共通の架線から各変圧器２００ａないし２００ｎに電力を供給する場合においても、本発明のコンバ−タ制御装置を用いることで、同様に各コンバ−タの負荷バランスを等しくできるということは明らかである。

実施の形態２．
以下、本発明の実施の形態２について詳細に説明する。上記実施の形態１のコンバ−タ制御装置と複数のコンバ−タを用いた電力供給回路では、各コンバ−タ１００からの出力電力を直流電流検出器１４と直流電圧検出器１５ならびに出力電力算出部１７を用いて検出・算出し、出力電力信号１７ｓとして出力していた。これに対して、本発明の実施の形態２のコンバ−タ制御装置と複数のコンバ−タを用いた図示しない電力供給回路では、直流電圧検出器１５を設けない構成とし、直流電圧を予め設定した定電圧であると仮定して、直流電流検出器１４から検出される直流電流信号１４ｓのみを用いることから各コンバ−タ１００の出力電力を算出し、その他の構成は本発明の実施の形態１の電力供給回路と同一とした。

各コンバ−タ１００は、本来定電圧出力回路で構成されているので、その出力電圧は負荷容量の変動に伴い徐々に変化するものの、入力電源の周期程度の短時間（変圧器に加わる周波数の逆数）であればほとんど変化しない。負荷容量の変動に伴い短時間で専ら変化するのは、出力電流である。従って、本発明の実施の形態２の電力供給回路においては、直流電圧検出器１５を省いても実施の形態１の電力供給回路とほとんど同一の回路動作を実施できることは明らかである。よって、本発明の実施の形態２の電力供給回路では、直流電圧検出器１５を用いることなく、各コンバ−タ１００の負荷バランスの不均衡化を解消できるという効果が得られる。

実施の形態３．
以下、本発明の実施の形態３について詳細に説明する。上記実施の形態１のコンバ−タ制御装置と複数のコンバ−タを用いた電力供給回路では、各コンバ−タ１００からの入力電力を交流電流検出器１２と交流電圧検出器１３ならびに交流電力算出部１６を用いて検出・算出し、入力電力信号１６ｓとして出力していた。これに対して、本発明の実施の形態３のコンバ−タ制御装置と複数のコンバ−タを用いた図示しない電力供給回路では、交流電圧検出器１３を設けない構成とし、交流電圧を予め変圧器２００を介して設定される定電圧と仮定して、交流電流検出器１４から検出される交流電流信号１４ｓのみを計ることから算出するようにし、その他の構成は本発明の実施の形態１の電力供給回路と全く同一とした。

コンバ−タへ入力される入力電圧の実効値は負荷容量の変動に伴い徐々に変化するものの、変圧器２００を介する電源容量が大きいいため、入力電源の周期程度の短時間であればほとんど変化しない。そのため、コンバ−タへの入力電力の変動は、専ら入力電流の実効値に反映されて変動する。従って、本発明の実施の形態３の電力供給回路においては、交流電圧検出器１３を省いても実施の形態１の電力供給回路とほとんど同一の回路動作を実施できることは明らかである。よって、本発明の実施の形態３の電力供給回路では、交流電圧検出器１３を用いることなく、各コンバ−タ１００の負荷バランスの不均衡化を解消できるという効果が得られる。

実施の形態４．
上記本発明の実施の形態１ないし実施の形態３のいずれかのコンバ−タ制御装置と複数のコンバ−タを用いた電力供給回路では、コンバ−タ１００の入力電力と出力電力を測定することから、各コンバ−タ１００内に設けられた入力電力算出部１６、出力電力算出部１７、パルス幅決定部１８、ならびに平均化処理部１９から構成される出力電力制御回路を用いて、負荷変動に対する定電圧化を実現していた。

ただし、上述の本は発明の実施の形態２および実施の形態３で示したように、例え各コンバ−タに加わる入力電力ないし出力電力が変化しようとも、その入力電圧ないし出力電圧はその入力電源の周期程度の短時間であればほとんど変化しない。そのため、入力電力ないし平均出力電力の代わりに入力電流ないし平均出力電流に依存する信号をパルス幅決定部１８ａに入力することから、電力波形変換回路１１の出力電力（入力電力と等しい）を平均出力電力と等しく制御できることは明らかである。従って、本発明の実施の形態４の電力供給回路は、実施の形態１の電力供給回路とほとんど同一の動作を実施できる。

図２は本発明のコンバ−タ制御装置と複数のコンバ−タを用いた電力供給回路の概略構成回路図を示す。なお、図１、図２中の同一部品ないし相当部分には同一符号を付している。平均出力電流は、各コンバ−タ１００ａないし１００ｎ内に設けられた直流電流計１４ａないし１４ｎから出力される直流電流信号１４ａｓないし１４ｎｓが、共に平均化処理部１９に入力され、それぞれ加算された後に取り付けられたコンバ−タの数（ｎ）で割られることから、コンバ−タ１台の平均直流電流が算出され、平均出力信号１９ｓとして出力される。

図２から明らかなように本発明の実施の形態４では、交流電圧検出器１３、直流電圧検出器１５ならびに入力電力算出部１６、出力電力算出部１７を省略することができるため、電力供給回路の回路構成をシンプルにできるという格別の効果が得られる。すなわち、本発明の実施の形態２のコンバ−タ制御装置は、各コンバ−タ１００ａないし１００ｎ内に設けられた出力電力制御回路であるパルス幅決定部１８ａないし１８ｎと演算回路である平均化処理部１９から構成されることとなり、非常にシンプルな構成となっている。

実施の形態５．
図３に本発明のコンバ−タ制御装置と複数のコンバ−タを用いた実施の形態５の電力供給回路の概略構成回路図を示す。なお、図１もしくは図３中の同一部品ないし相当部分には同一符号を付している。上記実施の形態４の電力供給回路である図２と実施の形態５の電力供給回路である図３における相違点は、図２では各コンバ−タ１００内に複数の直流電流計１４を設けているのに対し、図３では１個の直流電流計６００をフィルタコンデンサ４００と負荷との間に設けている点が異なり、その他の構成は上記実施の形態４と同一である。ただし、実施の形態５では、直流電流計６００から出力される直流電流信号６００ｓを平均化処理部１９に入力して、コンバ−タの数（ｎ）で割ることから、コンバ−タ１台の平均直流電流を算出し、平均出力信号１９ｓとして出力するようにしている。これは、電力波形変換回路１１の出力電力（入力電力と等しい）を平均出力電力と等しく制御するためである。よって、本発明の実施の形態５の電力供給回路は、実施の形態４の電力供給回路より用いる直流電流計を少なくしつつ、ほぼ同一の動作を実施しているものであり、各コンバ−タの負荷バランスの不均衡化を解消できるという効果が得られている。

なお、上記実施の形態１ないし実施の形態５では、各コンバ−タ１００の負荷バランスの不均衡化を解消するために各コンバ−タの入力電力と出力電力あるいは全コンバ−タからの出力電力を測定している。実施の形態１では入出力電力を測定するために、各コンバ−タ１００内に交流電流検出器１２ａ、交流電圧検出器１３ａ、直流電流検出器１４ａ、直流電圧検出器１５ａを設けている。これに対し、実施の形態３では、それを構成する電力供給回路の特性を考慮することから、各コンバ−タ１００内に交流電流検出器１２ａと直流電流検出器１４ａを設けることのみで実現している。ということは、用いる電力供給回路の構成・特性を考慮することから、各コンバ−タの入力電力と出力電力あるいは全コンバ−タからの出力電力に依存する信号を検出可能ないかなる検出器ないし検出回路を用いても、本発明の上記実施の形態１ないし実施の形態５の電力供給回路とほぼ同じ性能をもった電力供給回路を構成できることは明らかである。

実施の形態６．
図４に本発明の別のコンバ−タ制御装置と複数の異なる機種（装置構造、定格が異なる）のコンバ−タ１２０を用いた実施の形態６の電力供給回路の概略構成回路図を示す。なお図１ないし図３中の同一部品ないし相当部分には同一符号を付している。上記実施の形態１で説明した図１の概略構成回路図は、複数の同一機種（装置構造、定格は同じ）のコンバ−タ１００を用いた回路である。図４と図１との相違点は、図４において各コンバ−タが別機種のコンバ−タ１２０ａないし１２０ｎになった点、これらを制御するための演算回路が分配処理部２９になり、そこから出力される信号が分配処理信号２９ａｓないし２９ｎｓと複数となり、対応するそれぞれのコンバ−タ１２０ａないし１２０ｎにそれぞれ供給される点が異なり、その他の構成は上記実施の形態１と同一である。以下に分配処理部１９と出力される分配処理信号２９ｓの動作について説明する。

本発明の実施の形態６に用いられるコンバ−タ制御装置の分配処理部２９には、各コンバ−タ１２０ａないし１２０ｎの出力電力に相当する出力電力信号１７ａｓないし１７ｎｓが入力される。分配処理部２９は各出力電力信号１７ｓから負荷５００に供給される負荷電力を算出するとともに、算出された負荷電力を基にして、この負荷電力に等しい電力を各コンバ−タの定格範囲内において、それぞれ分配して供給するために必要な各コンバ−タ１２０ａないし１２０ｎの分配出力電力を算出し、それらに対応する分配処理信号２９ａｓないし２９ｎｓを出力するものである。分配処理信号２９ａｓないし２９ｎｓは、各コンバ−タ１２０ａないし１２０ｎ内の出力電力制御回路であるパルス幅決定部１８ａないし１８ｎにそれぞれ入力される。各コンバ−タ１２０内のパルス幅決定部１８は、分配処理信号２９ｓの持つ情報に伴って、それぞれのコンバ−タ１２０ａないし１２０ｎの出力電力を前記分配出力電力と等しくなるように制御する。

これにより、本発明の実施の形態６の電力供給回路においては、複数の異なる機種のコンバ−タ１２０を負荷５００に並列に接続したとしても、各コンバ−タから負荷５００に供給する出力電力は、各コンバ−タの持つ定格範囲内を超えることが無くなり、その結果、一部のコンバ−タを過負荷状態にする事も無くなり、各コンバ−タの負荷バランスの不均衡化を抑制できるのという格別の効果が得られる。

なお、上記実施の形態１ないし実施の形態６においては、ＰＷＭ制御方式による電力波形変換回路を有したコンバ−タについて説明したが、電力波形変換の実施に当たって、必ずしもＰＷＭ制御方式を用いる必然性はなく、その他の制御方式による電力波形変換ができるものであれば、上記実施の形態１ないし実施の形態６と同等の効果が得られるのは明らかである。要するに、各コンバ−タの出力電力に依存する信号を検出し、前記検出した信号に基づいて各コンバ−タの平均出力電力（もしくは分配出力電力）を算出する演算回路を設け、各コンバ−タの出力電力をそれぞれの制御方式に即した方式において、前記平均出力電力（もしくは分配出力電力）に等しくなるように制御する出力電力制御回路を備えておけばよい。

本発明の実施の形態１に用いられるコンバ−タ制御装置と複数のコンバ−タを用いた電力供給回路の概略構成回路図である。本発明の実施の形態４に用いられるコンバ−タ制御装置と複数のコンバ−タを用いた電力供給回路の概略構成回路図である。本発明の実施の形態５に用いられるコンバ−タ制御装置と複数のコンバ−タを用いた電力供給回路の概略構成回路図である。本発明の実施の形態６に用いられるコンバ−タ制御装置と複数のコンバ−タを用いた電力供給回路の概略構成回路図である。

符号の説明

１０スイッチング回路部
１１電力波形変換回路
１２交流電流検出器
１３交流電圧検出器
１４直流電流検出器
１５直流電圧検出器
１６ｓ入力電力信号
１７ｓ出力電力信号
１８パルス幅決定部（出力電力制御回路）
１８ｓパルス幅信号
１９平均化処理部（演算回路）
１９ｓ平均出力信号
２９分配処理部（演算回路）
２９ｓ分配出力信号
１００同一機種のコンバ−タ
１２０異なる機種のコンバ−タ
５００負荷

Claims

負荷に並列接続される複数のコンバ−タ、前記コンバ−タの出力電力を検出し、前記検出した出力電力に基づいて各コンバ−タの平均出力電力を算出する演算回路、各コンバ−タの出力電力を前記平均出力電力と等しくするようにする出力電力制御回路を備えたことを特徴とするコンバ−タ制御装置。
負荷に並列接続される複数のコンバ−タ、前記コンバ−タの出力電力に依存する信号を検出し、前記検出した信号値に基づいて各コンバ−タの平均出力電力を算出する演算回路、各コンバ−タの出力電力を前記平均出力電力と等しくするようにする出力電力制御回路を備えたことを特徴とするコンバ−タ制御装置。
負荷に並列接続される複数のコンバ−タ、前記コンバ−タの出力電力を検出し、前記検出した出力電力から負荷電力を算出し、この負荷電力に等しい電力を各コンバ−タの定格範囲内において分配するための各分配出力電力を算出する演算回路、各コンバ−タの出力電力を前記各分配出力電力と等しくするようにする出力電力制御回路を備えたことを特徴とするコンバ−タ制御装置。
負荷に並列接続される複数のコンバ−タ、前記コンバ−タの出力電力に依存する信号を検出し、前記検出した出力電力に依存する信号から負荷電力を算出し、この負荷電力に等しい電力を各コンバ−タの定格範囲内において分配するための各分配出力電力を算出する演算回路、各コンバ−タの出力電力を前記各分配出力電力と等しくするようにする出力電力制御回路を備えたことを特徴とするコンバ−タ制御装置。
請求項２もしくは請求項４に記載のコンバ−タの出力電力に依存する信号が、前記コンバ−タの出力電流に基づく信号であることを特徴とするコンバ−タ制御装置。
コンバ−タの出力電力制御回路の制御方式がＰＷＭ制御方式であることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれかに記載のコンバ−タ制御装置。